CN113196743A - 具有快速重组的像素矩阵 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种矩阵检测器，其包括：一组像素(P)，其对物理现象敏感并且按照沿着至少一个行和多个列的矩阵组织，各个像素(P)生成根据该物理现象的信号；Q个列导体(Col)，各个列导体连接同一列的一个或更多个像素并旨在传输由像素(P)生成的信号。根据本发明，检测器还包括被配置成同时工作的N个多路复用器(A、B、C、D)，各个多路复用器接收K个列导体的信号，K大于或等于2，Q至少等于K2。列导体(Col)和相关联的导体是根据其物理分布排序的，q表示当前列。N个多路复用器(A、B、C、D)是从1至Q/K排序的，n表示当前多路复用器行。行q的列连接到行n的多路复用器，其中q在1至K2之间，n＝q对K取模。在多路复用器(A、B、C、D)的下游，检测器包括开关网络(38)，该开关网络允许对存在于多路复用器(A、B、C、D)的输出端(SA、SB、SC、SD)上的信号进行混合。
Description
本发明涉及矩阵阵列检测器。本发明可以用于检测器中的图像捕获。这种类型的设备包括通常按照矩阵阵列或按照线性阵列布置的称为像素的大量敏感点。
本发明可以用于产生可见图像，但是不限于该领域。例如可以产生压力图或温度图或者化学或电势的二维表示。这些图或表示形式形成物理量的图像。
在检测器中，像素表示检测器的基本敏感元件。各个像素将其经受的物理效应转换成电信号。来自各个像素的电信号在矩阵阵列读阶段被收集，然后被数字化，以便能够被处理和存储以形成图像。例如，像素由对物理效应敏感的区域形成，并且传递电荷电流。物理效应可能是传递光子流的电磁辐射，因此，将借助于这种类型的辐射来说明本发明，并且电荷电流取决于敏感区域接收到的光子流。推广到任何矩阵阵列检测器是简单的。
在图像检测器中，各个像素通常包括光敏元件或光电检测器，其例如可以是光电二极管、光敏电阻器或光电晶体管。存在大尺寸的光敏矩阵，该光敏矩阵可以具有按照行和列布置的数百万个像素。各个像素还包括例如由开关、电容器和电阻器组成的电子电路，在该电子电路下游存在致动器。由光敏元件和电子电路组成的组件允许生成和收集电荷。电子电路通常允许在电荷传输之后重置在各个像素中收集的电荷。致动器的作用是将电路收集的电荷传输或复制到列导体。当致动器从行导体接收到这样做的指令时执行该传输。致动器的输出对应于像素的输出。术语“行导体”和“列导体”完全是任意的。当然可以交换这些术语。
在这种类型的检测器中，像素按照两个阶段操作：图像捕获阶段，在该图像捕获阶段中，像素的电子电路积聚由光敏元件生成的电荷；以及读阶段，在该读阶段中，通过致动器将所收集的电荷传输或复制到列导体。
矩阵阵列图像检测器包括行导体和列导体，各个行导体连接同一个行中的像素，各个列导体连接同一个列中的像素。列导体连接到通常布置在矩阵阵列的边缘处的转换器电路，该边缘可以称为“列的底部(foot of the column)”。线性阵列检测器可以被认为是仅包括单行像素并因此包括与像素一样多的列的矩阵阵列检测器。
在读阶段，将读指令传输到矩阵阵列的同一个行的所有致动器，并通过将该行中的像素中的各个像素的电信息、电荷、电压、电流、频率等传输到与其关联的列导体来读该像素。
在下文中，将描述如下情况，在该情况中，电信息以像素中的模拟形式、以相同值的电容器上存储的电荷量的形式可用。当然，本发明可以用于在像素中的各个像素中生成的任何形式的电信息，例如如数字信息。
可能希望重组多个像素以便共同地读所述多个像素。在英语文献中称为“像素组合(binning)”的这种重组允许提高所读的各个要素的信噪比。重组像素的另一原因是提高检测器的灵敏度。在读像素时重组该像素还允许提高检测器的读速度，并因此允许提高检测器产生的图像的频率。然而，执行重组会损害空间分辨率。
如果来自各个像素的信息是电荷，则可以通过在共用电容器上重新分布要重组的像素的电荷来重组像素，该共用电容器例如布置在位于列的底部的转换器电路中。
此外，通过将多个列连接到同一个转换器电路，可以减少位于列的底部的转换器电路的数量。为了将多个列导体连接到同一个转换器电路，可以采用多路复用器。多个相邻的列导体各自连接到同一个多路复用器的各个输入端。多路复用器的输出端连接到转换器电路，因此该转换器电路对于多个相邻列的像素是共用的。转换器电路连续地读连接到同一个多路复用器的各列像素。多路复用器的采用允许将转换器电路的数量除以等于多路复用器的输入端数量的因子K，但是由于读操作是串行执行的，因此读速度降低了相同的因子K。
来自同一个行中的属于不同列的相邻像素的信息在转换器电路的输出端处被重组。当转换器电路对于多个列的像素是共用的时，执行信息的重组是棘手的，因为来自要从同一个行分组的像素的信息不会同时到达。在不损失时间或表面面积的情况下，将该信息重新分布到位于列的底部的共用电容器上变得非常复杂。
本发明属于使用多路复用器的框架，该多路复用器允许减少转换器电路的数量。本发明旨在提高像素矩阵的读速度，其中来自属于不同列的紧邻像素的信息被重组。
为此，本发明的主题是一种矩阵阵列检测器，所述矩阵阵列检测器包括：
·一组像素，所述一组像素对物理效应敏感并且按照采用至少一个行和多个列的矩阵阵列布置，各个像素生成取决于所述物理效应的信号，
·Q个列导体，各个列导体同一个列的一个或更多个像素并旨在传输由所述像素生成的所述信号，所述列导体和相关联的导体是根据其物理分布排序的，q表示当前列，
·N个多路复用器，各个多路复用器包括从1至K排序的K个输入端，k表示当前输入端的次序，各个输入端从所述列导体中的一个列导体接收信号，K大于或等于2，Q至少等于K2，所述多路复用器是从1至Q/K排序的，n表示当前多路复用器的次序，各个多路复用器包括输出端，所述N个多路复用器将按其输入端的顺序接收的所述信号顺序地传递到其输出端，所述N个多路复用器被配置成同时传递从相同次序k的输入端接收的所述信号，
·开关网络，所述开关网络允许对存在于所述多路复用器的所述输出端处的信号进行混合，以便对来自属于不同列的紧邻像素的所述信号进行混合，
其中：
·次序q的列连接到次序n的多路复用器，其中，q在1至K2之间，n＝q对K取模，
·次序q的列连接到次序k的输入端，其中，q在1至K2之间，
有利地，Q大于K2，并且前K2(the first K2)个列导体到K个多路复用器以及到对应的开关网络的连接被K2个列导体和K个多路复用器的子集复制。
有利地，所述开关网络被配置成产生K的约数个分组或K个分组。
有利地，所述检测器还包括N个转换器电路，各个转换器电路与所述多路复用器中的一个多路复用器相关联，各个多路复用器将多路复用信号传递到所关联的转换器电路。
有利地，所述开关网络是布置在所述转换器电路的下游的。
在阅读通过示例的方式提供的一个实施方式的详细描述后将更好地理解本发明，并且另外的优点将变得显而易见，该描述通过附图例示，在附图中：
·图1示出了可以采用本发明的像素矩阵的示例；
·图2示出了可以采用本发明的像素矩阵的另一示例；
·图3示出了与图1的矩阵相关联的读电路的示例；
·图4示出了可以在图3的读电路中采用的转换器电路的示例；
·图5示出了可以在图3的读电路中采用的开关网络的示例。
为了清楚起见，在各个附图中，相同的元件将具有相同的附图标记。
下面的描述是参考由称为像素的多个基本电子电路形成的矩阵阵列检测器提供的，各个基本电子电路包括对物理量敏感的元件。在所描述的示例中，基本电子电路是对光辐射敏感的像素。当然，本发明可以用于对任何形式的物理量敏感的其它检测器，从而允许产生例如压力图或温度图。
为了简化理解，图1示意性地示出了包括两个行和两个列的矩阵。形成四个像素P，各个像素P在行和列的交点处。当然，实际的矩阵阵列通常要大得多并具有大量的行和列。矩阵阵列是允许产生数字化图像的矩阵阵列检测器10的一部分。
各个像素P包括光敏区域(在此由光电二极管D表示)和电子处理电路，在图1的示例中，该电子处理电路由单个晶体管T形成。部件D和T的附图标记后跟有两个坐标(i,j)，该两个坐标可以采用行的次序i和列的次序j。由于该像素具有一个晶体管，因此该像素也称为1T型像素，该晶体管的功能将在后面描述。
通常，已知的做法是产生包括晶体管的像素矩阵，该晶体管采用英语文献中已知缩写为CMOS(互补金属氧化物半导体)的互补晶体硅半导体。本发明不限于这种类型的晶体管；例如，本发明可以用于包括在英语文献中已知为TFT(薄膜晶体管)的薄膜场效应晶体管的矩阵阵列。TFT型晶体管可以是基于金属氧化物的，例如如基于非晶态或晶态的铟镓锌氧化物的晶体管，这些晶体管已知英文缩写为IGZO。可以采用其它族的TFT型晶体管，例如如有机TFT、非晶硅TFT、多晶硅TFT等。
同一个列中的像素P连接到列导体Col。该导体允许收集来自与其连接的像素的信息。同一个行中的像素P连接到承载信号Phi_ligne的行导体，从而允许控制行中的各个行的像素。
在重置操作之后发生的图像捕获阶段中，光电二极管D接收到的照明会降低其阴极上的电势。在该图像捕获阶段之后是读阶段，在该读阶段中，读光电二极管D的电势。为此，晶体管T借助施加到其栅极的控制Phi_ligne被导通，因此该晶体管用作开关。
当通过信号Phi_ligne选择列导体Col时，该列导体Col用于从对应列中的像素收集信息。本发明涉及对来自各列导体Col的信息进行整形。
还可以在像素更简单的检测器中实现本发明，特别是通过利用由信号Phi_ligne导通的简单二极管代替晶体管T。
图2示意性地示出了附图标记为Q的像素的矩阵的另一示例，该矩阵也可以放入根据本发明的图像检测器中。各个像素Q包含光电二极管D以及在此由三个晶体管T1、T2和T3形成的电子处理电路。如前所述，光电二极管D和三个晶体管的附图标记后跟有两个坐标(i,j)，该两个坐标可以采用行的次序i和列的次序j。实际上，这种类型的像素可以包括其它部件，特别是其它晶体管。这是该像素也称为3T型像素的原因，因为该像素具有至少三个晶体管。
同一个列中的像素P共享位于列导体Col端部处的晶体管T5。同一个行中的像素P连接到四行导体，该四行导体承载信号Phi_ligne、Vdd、V_ran和Phi_ran，从而允许控制行中的各个行的像素。
晶体管T1允许在重置操作期间将光电二极管D的阴极上的电压重置为电压V_ran，对于该重置操作，控制信号Phi_ran是有效的。
在重置操作之后发生的图像捕获阶段中，光电二极管D接收到的照明会降低其阴极上的电势。在该图像捕获阶段之后是读阶段，在该读阶段中，读光电二极管D的电势。为此，晶体管T3借助施加到其栅极的控制Phi_ligne被导通，因此该晶体管用作开关。3T型像素的晶体管T3执行与参考图1描述的1T型像素的晶体管T相同的功能。
晶体管T2用作跟随器，并且晶体管T5用作电流源。晶体管T2和T5然后形成电压跟随器级，该电压跟随器级复制光电二极管D阴极上存在的电压，并在一移位(shift)内在列导体Col上再现该电压。为了执行该复制，晶体管T2需要在其漏极和源极中流动的偏置电流。该电流由晶体管T5所形成的电流发生器施加，该晶体管T5对于多个像素可以是共用的或可以不是共用的。在所示示例中，晶体管T5对于一列像素是共用的。对于整个矩阵阵列，也可以仅使用单个电流源晶体管T5，条件是它与这些相同列的读协作地连续地切换到各个列。当通过信号Phi_ligne选择对应列中的像素时，列导体Col既用于偏置晶体管T2，又用于从所述像素收集信息。另选地，可以分开列导体Col，以便分离其两个功能。
本发明可以用于以不同方式工作的像素。举例来说，本发明可以用于4T型像素。除了晶体管T1、T2和T3之外，4T像素还包括布置在光电二极管D阴极与形成像素的节点的晶体管T2栅极之间的附加晶体管。该附加晶体管允许积聚在光电二极管D中的电荷在选定时刻传输到像素的节点。
图1和图2未示出寻址电路(通常是移位寄存器)，当使用时，该寻址电路生成控制信号Phi_ligne和Phi_ran。寻址电路布置在行的端部。
术语行和列是完全任意的并且可以交换。就功能而言，检测器10和20包括称为行导体的导体和称为列导体的导体，该行导体承载用于各个像素的控制信号，该列导体允许收集由各个像素聚集的信息。
下面的描述涉及列导体承载的信息的使用。本发明也可以用在以线性阵列(也就是说，仅包括单行像素，则列仅包括单个像素)形式实现的检测器中。
图3示出了布置在检测器10或检测器20的列的底部处的读电路30。读电路30连接到所有列导体Col。在所示示例中，示出了从Col1至Col16排序的十六个列导体。当然，本发明不限于具有十六列像素并因此具有十六个列导体的检测器。导体的空间顺序对应于像素在矩阵阵列中的空间顺序。像素P(i,j)具有像素P(i,j-1)和像素P(i,j+1)作为近邻。因此，列导体Col(j)首先具有列导体Col(j-1)、其次具有列导体Col(j+1)作为近邻。列导体根据其物理分布排序。当前列的次序由q表示。q是按列导体的物理顺序增加的自然整数。
在所示示例中，读电路30包括分别具有四个输入端的四个多路复用器A、B、C和D。各多路复用器A、B、C和D的输入端中的各个输入端连接到列导体Col中的一个列导体Col。各个多路复用器在其输入端的各个输入端处从列导体Col中的一个列导体Col接收信号。更一般地，各个多路复用器具有K个输入端。各个多路复用器从K个列导体Col接收信号，每输入端接收一个信号，K大于或等于2。对于给定的多路复用器，电流输入端的次序用k表示，k是1至K之间的自然整数。如果检测器包括Q个列导体，则在图3的示例中，Q等于K2。稍后将看到如何使用具有更多列数的矩阵阵列。
在所示示例中，多路复用器中的各个多路复用器的输入端从k＝1至k＝4排序，或者对于多路复用器A，从A1至A4排序，对于其它多路复用器B、C和D同样如此。前四个列Col1至Col4分别连接到四个多路复用器中的各个多路复用器的四个第一输入端。换句话说，列导体Col1连接到输入端A1，列导体Col2连接到输入端B1，列导体Col3连接到输入端C1，并且列导体Col4连接到输入端D1。然后，接下来的四个列导体Col5至Col8分别连接到四个多路复用器中的各个多路复用器的四个第二输入端。换句话说，列导体Col5连接到输入端A2，列导体Col6连接到输入端B2，列导体Col7连接到输入端C2，并且列导体Col8连接到输入端D2。列导体的连接以相同的方式进行，直到导体Col16连接到输入端D4为止。
对于图3的示例，列导体Col和多路复用器的连接可以总结在下表中：
更一般地，对于每一者具有K个输入端的N个多路复用器，这些多路复用器从1至Q/K排序，n表示当前多路复用器的次序。当列导体的次序用q表示时，次序q的列(其中，q在1至K2之间)连接到次序n的多路复用器，n＝q对K取模。此外，次序q的列(其中，q在1至K2之间)连接到次序k的输入端，k等于(q-1)/K的默认整数部分加1。完全用数学符号表示为：
使用将列导体连接到多路复用器的这种方法，两个相邻列导体不会连接到同一个多路复用器。因此，可以同时处理来自两个紧邻列的信息。由于处理来自属于不同列的紧邻像素的信息的同时性，因此使得在多路复用器的下游执行的重组更容易。在来自像素的信号的传输方向上限定了上游和下游。
在检测器10的行的读阶段中，来自所有列的信号差不多同时出现在多路复用器的各个输入端处。各个多路复用器A、B、C和D将其从其输入端中的各个输入端并按其输入端的顺序接收的信号分别顺序地传递到其输出端S1、SB、SC和SD。例如，参考图3，多路复用器A传递来自列Col1的在该多路复用器的输入端A1处接收的信号，然后是来自列Col5的在该多路复用器的输入端A2处接收的信号，然后是来自列Col9的在该多路复用器的输入端A3处接收的信号，最后是来自列Col13的在该多路复用器的输入端A4处接收的信号。对于其它多路复用器B、C和D也是一样。由于四个多路复用器同时且有利地同步工作，因此同时地，来自列Col1的信号是在多路复用器A的输出端处发现的，来自列Col2的信号是在多路复用器B的输出端处发现的，来自列Col3的信号是在多路复用器C的输出端处发现的，并且来自列Col4的信号是在多路复用器D的输出端处发现的。在下一时刻，来自列Col5、Col6、Col7和Col8的信号分别是在多路复用器中的各个多路复用器的输出端处发现的，并且对于检测器10的所有列依此类推。换句话说，读电路30被配置成同时传递从相同次序k的输入端接收的信号。
检测器10可以在各个多路复用器的下游包括转换器电路。换句话说，各个多路复用器向与其相关联的转换器电路广播多路复用信号。转换器电路与多路复用器一样多。在检测器10和20中，存在Q/K个转换器电路。多路复用器的存在允许转换器电路的数量按照因子Q/K减少。在图3的示例中，转换器电路的附图标记是32，其中与其相关联的多路复用器的附图标记作为下标。
图4提供了由积分器33形成的模拟转换器电路的示例。多路复用器A至D的各个输出端连接到作为积分器连接的放大器37的反相输入端。积分电容器35连接在放大器37的反相输入端与输出端之间，该输出端形成转换器电路的输出端。放大器37的非反相输入端连接到参考电势，在所示示例中，该参考电势是电气接地端。转换器电路33包括与积分电容器35并联连接的电子开关36。电子开关36允许转换器电路33被重置。转换器电路33允许在相关联的列导体中承载的电荷被转换成电压。另选地或另外地，转换器电路可以将列导体中承载的信号数字化。
此外，读电路30包括开关网络38，该开关网络38允许对来自紧邻像素的信号进行重组。在图5中提供了开关网络38的示例。有利地，将开关网络38布置在转换器电路(当存在时)的下游。在图3所示示例中，其中，多路复用器各自具有四个输入端，开关网络38被配置成以两个或四个的形式来重组来自相邻像素的信号。更精确地，为了重组相邻像素，开关网络38包括三个电子开关39、40和41以及用于所述三个开关39、40和41的控制模块42。开关39允许多路复用器A和B的输出端彼此连接。电容器43可以连接到多路复用器A的输出端，并且电容器44可以连接到多路复用器B的输出端。通过闭合开关39，电容器43和44则并联连接，这允许对存在于多路复用器A和B的输出端处的信号进行平均，以便混合该信号。开关41同样允许多路复用器C和D的输出端连接。电容器45可以连接到多路复用器C的输出端，并且电容器46可以连接到多路复用器D的输出端。因此，在第一时刻，在开关网络38的输出端处，首先发现列Col1和Col2的分组、其次是列Col3和Col4的分组。在下一时刻，在开关网络38的输出端处，首先发现列Col5和Col6的分组、其次是列Col7和Col8的分组，依此类推，直到第四时刻，在该第四时刻，多路复用器传递在它们各自的第四输入端处存在的信号。
图5的示例允许在来自紧邻列的信号之间产生平均值。允许对信号进行混合的其它另选方式是可能的，例如如对信号进行相加。
以相同的方式，为了以四个的形式重组紧邻像素，多路复用器A、B、C和D的输出端都被连接。为此，开关40允许多路复用器B和C的输出端连接。只有在开关39和41闭合的情况下，开关40闭合。当三个开关39至41闭合时，四个电容器43至46并联连接，这允许对存在于四个多路复用器A至D的输出端处的信号进行平均。因此，在第一时刻，在开关网络38的输出端处发现列Col1、Col2、Col3和Col4的分组，依此类推，直到第四时刻，在该第四时刻，因此在开关网络38的输出端处发现列Col13、Col14、Col15和Col16的分组。
当然可以通过不闭合开关网络38中的任何开关来不产生分组。开关网络38的输出端可以连接到多路复用器50，该多路复用器50例如由移位寄存器形成，该移位寄存器具有并行输入端和串行输出端，以便串行地传递在检测器中收集的信息，以形成图像。因此，在多路复用器50的输出端处，根据来自开关网络38的控制，串行传递的基本信息可以来自单独获取的像素中的各个像素，或者来自相邻像素的分组。
在图3中，列导体的数量Q等于各个转换器的输入端数量的平方(即K2)。这构成了本发明的基石(foundation stone)。为了采用更多列像素并因此采用更多列导体，可以将这种基石复制到超出K2的列。更精确地，前K2个列导体到K个多路复用器以及到对应的开关网络38的连接被K2个列导体和K个多路复用器的子集复制。
图5呈现了采用具有四个输入端从而允许产生两个或四个分组的多路复用器的示例。更一般地，可以采用具有不同数量的输入端的其它多路复用器。例如，对于具有十二个输入端的十二个多路复用器，可以产生两个、三个、四个、六个和十二个紧邻列的分组。更一般地，通过采用具有K个输入端的多路复用器，可以产生K的所有约数个列分组以及K个列的分组。
如上文所见，可以获得列的数量Q大于K2的检测器。在这种情况下，检测器具有的开关网络与K个多路复用器的分组一样多，其中，以K为模的次序n在1至K之间。
Claims (5)
1.一种矩阵阵列检测器，所述矩阵阵列检测器包括：
·一组像素(P)，所述一组像素(P)对物理效应敏感并且按照采用至少一个行和多个列的矩阵阵列布置，各个像素(P)生成取决于所述物理效应的信号，
·Q个列导体(Col)，各个列导体连接同一个列的一个或更多个像素并旨在传输由所述像素(P)生成的所述信号，所述列导体(Col)和相关联的导体是根据其物理分布排序的，q表示当前列，
·N个多路复用器(A、B、C、D)，各个多路复用器包括从1至K排序的K个输入端，k表示当前输入端的次序，各个输入端从所述列导体(Col)中的一个列导体接收信号，K大于或等于2，Q至少等于K2，所述N个多路复用器(A、B、C、D)是从1至Q/K排序的，n表示当前多路复用器的次序，各个多路复用器(A、B、C、D)包括输出端(SA、SB、SC、SD)，所述N个多路复用器(A、B、C、D)将按其输入端的顺序接收的所述信号顺序地传递到其输出端，所述N个多路复用器(A、B、C、D)被配置成同时传递从相同次序k的输入端接收的所述信号，
·开关网络(38)，所述开关网络(38)允许对存在于所述多路复用器(A、B、C、D)的所述输出端(SA、SB、SC、SD)处的信号进行混合，以便对来自属于不同列的紧邻像素的所述信号进行重组，
其中：
·次序q的列连接到次序n的多路复用器，其中，q在1至K2之间，n＝q对K取模，
·次序q的列连接到次序k的输入端，其中，q在1至K2之间，k等于(q–1)/K的默认整数部分加1，k表示为：
2.根据权利要求1所述的检测器，其中，Q大于K2，并且其中，前K2个列导体到K个多路复用器以及到对应的开关网络(38)的连接被K2个列导体和K个多路复用器的子集复制。
3.根据权利要求1或2所述的检测器，其特征在于，所述开关网络(38)被配置成产生K的约数个分组或K个分组。
4.根据前述权利要求中任一项所述的检测器，其特征在于，所述检测器还包括N个转换器电路(32A、32B、32C、32D)，各个转换器电路与所述多路复用器(A、B、C、D)中的一个多路复用器相关联，各个多路复用器(A、B、C、D)将多路复用信号传递到所关联的转换器电路(32A、32B、32C、32D)。
5.根据权利要求4所述的检测器，其特征在于，所述开关网络(38)是布置在所述转换器电路(32A、32B、32C、32D)的下游的。
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