CN115118938A - 图像传感器 - Google Patents

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Abstract

一种图像传感器包括像素阵列，所述像素阵列包括在第一方向和与第一方向相交的第二方向上排列的像素。每个像素包括光电二极管、位于光电二极管下方的像素电路和位于光电二极管上方的滤色器。逻辑电路通过在第二方向上延伸的多条列线从像素获取像素信号。像素包括彩色像素和白色像素，白色像素的数量大于彩色像素的数量。像素电路包括浮动扩散器和晶体管，光电二极管的电荷在浮动扩散器中累积，并且晶体管输出与浮动扩散器中的电荷量对应的电压。每个彩色像素与白色像素当中的在第二方向上邻近于该彩色像素的至少一个相邻白色像素共享浮动扩散器。

Description

图像传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求享有于2021年3月22日在韩国知识产权局提交的第10-2021-0036431号韩国专利申请的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开涉及一种图像传感器。
背景技术
图像传感器是接收光并生成电信号的基于半导体的传感器，并且可以包括具有多个像素的像素阵列、驱动像素阵列并生成图像的逻辑电路等。逻辑电路可以从像素获取像素信号，以生成图像数据。最近，提出了用于通过提高图像传感器的灵敏度来改善图像质量的各种方法。
发明内容
本公开的一方面是提供一种具有优良灵敏度和分辨率的图像传感器。
根据本公开的一方面，图像传感器包括像素阵列，像素阵列包括在第一方向和与第一方向相交的第二方向上排列的多个像素。多个像素中的每个像素包括至少一个光电二极管、位于光电二极管下方的像素电路和位于光电二极管上方的滤色器。逻辑电路被配置为通过在第二方向上延伸的多条列线从多个像素获取像素信号。多个像素包括彩色像素和白色像素，其中，白色像素的数量大于彩色像素的数量。像素电路包括浮动扩散器(floating diffusion)和晶体管，其中，光电二极管的电荷在浮动扩散器中累积，并且晶体管输出与浮动扩散器中的电荷量对应的电压。每个彩色像素与白色像素当中的至少一个相邻白色像素共享浮动扩散器，并且每个彩色像素在第二方向上邻近于至少一个相邻白色像素。
根据本公开的一方面，图像传感器包括像素阵列，像素阵列包括连接到在第一方向上延伸的多条行线和在与第一方向相交的第二方向上延伸的多条列线的多个像素。多个像素中的每个像素包括至少一个光电二极管和位于至少一个光电二极管下方的像素电路。逻辑电路被配置为从多个像素获取像素信号。多个像素包括彩色像素和白色像素，其中，白色像素的数量大于彩色像素的数量。逻辑电路被配置为：在外部照度等于或高于阈值时，仅从彩色像素获取像素信号，并且在外部照度低于阈值时，从多个像素获取像素信号。
根据本公开的一方面，图像传感器包括像素阵列，像素阵列包括连接到在第一方向上延伸的多条行线和在与第一方向相交的第二方向上延伸的多条列线的多个像素。多个像素提供多个像素组。逻辑电路被配置为从多个像素获取像素信号。多个像素包括彩色像素和白色像素，其中，白色像素的数量大于彩色像素的数量。多个像素组中的每个像素组包括彩色像素当中的至少一个彩色像素和白色像素当中的布置在所述至少一个彩色像素周围的外围白色像素。多个像素组当中的邻近像素组对之间的边界是外围白色像素之间的边界。
附图说明
本公开的上述和其他方面、特征和优点将从以下结合附图的详细描述中得到更清楚的理解，其中：
图1是示意性示出根据本公开实施例的包括图像传感器的电子设备的视图。
图2是示意性示出根据本公开实施例的图像传感器的框图。
图3是示意性示出根据本公开实施例的图像传感器的像素阵列的视图。
图4是示意性示出根据本公开实施例的包括在图像传感器中的像素的视图。
图5是示意性示出根据本公开实施例的图像传感器的像素阵列的视图。
图6是示意性示出根据本公开实施例的包括在图像传感器中的像素的视图。
图7是示意性示出根据本公开实施例的图像传感器的像素阵列的视图。
图8是示意性示出根据本公开实施例的包括在图像传感器中的像素的视图。
图9是示意性示出根据本公开实施例的包括在图像传感器的像素阵列中的像素组的视图。
图10A和图10B是示意性示出根据本公开实施例的图像传感器的像素电路的视图。
图11和图12是示出根据本公开实施例的图像传感器的操作的视图。
图13A、图13B、图14A和图14B是示出根据本公开实施例的图像传感器的操作的视图。
图15是示意性示出根据本公开实施例的图像传感器的像素阵列的视图。
图16A至图16C是示意性示出根据本公开实施例的图像传感器的像素阵列的视图。
图17A和图17B是示意性示出根据本公开实施例的图像传感器的像素阵列的视图。
图18和图19是示意性示出根据本公开实施例的图像传感器的像素阵列的视图。
图20和图21是示意性示出根据本公开实施例的包括图像传感器的电子设备的视图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本公开的优选实施例。
图1是示意性示出根据本公开实施例的包括图像传感器的电子设备的视图。
参考图1，根据本公开实施例的电子设备10可以是移动设备，诸如智能手机等，并且可以包括相机设备20和相机设备30。然而，应当理解，根据本公开实施例的电子设备10不限于移动设备，并且可以包括具有相机设备20和相机设备30的所有设备。此外，包括在电子设备10中的相机设备20和相机设备30的数量可以进行各种修改。
在图1所示的实施例中，电子设备10可以包括第一相机设备20和第二相机设备30，并且第一相机设备20和第二相机设备30可以分别包括图像传感器和用于将入射光引导至图像传感器的光学模块。第一相机设备20和第二相机设备30可以具有不同结构。例如，包括在第一相机设备20中的图像传感器可以具有平行于X-Y面的像素阵列的上表面，并且包括在第二相机设备30中的图像传感器可以具有平行于X-Z面的像素阵列的上表面。第一相机设备20的光学模块可以包括折射构件，其中，折射构件折射入射光，并将入射光传输到图像传感器的像素阵列。例如，折射构件可以被实现为棱镜等。
图2是示意性示出根据本公开实施例的图像传感器的框图。
参考图2，图像传感器40可以包括像素阵列50、逻辑电路60等。
像素阵列50可以包括在多个行和多个列中以阵列形式排列的多个像素PX。多个像素PX中的每个像素PX可以包括响应于光而生成电荷的至少一个光电转换元件、生成与由光电转换元件生成的电荷对应的像素信号的像素电路等。光电转换元件可以包括由半导体材料形成的光电二极管、由有机材料形成的有机光电二极管等。
例如，像素电路可以包括浮动扩散器(floating diffusion)、传输晶体管、复位晶体管、驱动晶体管、选择晶体管等。像素PX的配置可以根据实施例而变化。例如，每个像素PX可以包括具有有机材料的有机光电二极管，或者可以被实现为数字像素。当像素PX被实现为数字像素时，每个像素PX可以包括用于输出数字像素信号的模数转换器。
逻辑电路60可以包括用于控制像素阵列50的电路。例如，逻辑电路60可以包括行驱动器61、读出电路62、列驱动器63、控制逻辑64等。行驱动器61可以以行线为单位驱动像素阵列50。例如，行驱动器61可以生成用于控制像素电路的传输晶体管的传输控制信号、用于控制复位晶体管的复位控制信号、用于控制选择晶体管的选择控制信号等，从而以行线为单位将这些控制信号输入到像素阵列50中。
读出电路62可以包括相关双采样器(CDS)、模数转换器(ADC)等。相关双采样器可以通过列线连接到像素PX。相关双采样器可以通过列线，从连接到由行驱动器61的行线选择信号选择的行线的像素PX读取像素信号。模数转换器可以将由相关双采样器检测到的像素信号转换为数字像素信号，并将数字像素信号传输到列驱动器63。
列驱动器63可以包括用于临时存储数字像素信号的锁存电路或缓冲电路、放大电路等，并可以处理从读出电路62接收的数字像素信号。行驱动器61、读出电路62和列驱动器63可以由控制逻辑64控制。控制逻辑64可以包括用于控制行驱动器61、读出电路62和列驱动器63等的操作定时的定时控制器。
在像素PX当中，在第一方向(水平方向)上的相同定位处布置的像素PX可以共享相同列线。例如，在第二方向(垂直方向)上的相同定位处布置的像素PX可以同时由行驱动器61选择，并可以通过列线输出像素信号。在实施例中，读出电路62可以通过列线，同时从由行驱动器61选择的像素PX获取像素信号。像素信号可以包括复位电压和像素电压。像素电压可以是在其中在每个像素PX中的响应于光而生成的电荷被反映在复位电压中的电压。
在实施例中，包括在像素阵列50中的像素PX中的至少一部分像素PX可以提供像素组。因此，可以在像素阵列50中布置多个像素组。包括在一个像素组中的光电二极管中的至少一部分光电二极管可以共享元件，诸如浮动扩散器、复位晶体管、驱动晶体管、选择晶体管等。
为了提高图像传感器40的灵敏度，包括在像素阵列50中的每个像素PX的面积可以增加。为了生成高分辨率的图像，当每个像素PX的面积增加时，图像传感器40的总面积可能不可避免地增加。在这种情况下，安装有图像传感器40的电子设备的体积可能随之增加。
本公开提出能够同时提供高灵敏度和高分辨率且同时在小面积内实现每个像素PX的图像传感器40。例如，一些像素PX可以被实现为彩色像素，并且其他像素PX可以被实现为白色像素。在实施例中，白色像素和彩色像素的数量和排列可以根据人眼中存在的细胞当中的感知光的亮度的杆状细胞和感知光的颜色的锥状细胞的比例来确定。因此，可以实现具有高灵敏度的图像传感器40，同时尽量减少每个像素PX的面积的增加。
图3是示意性示出根据本公开实施例的图像传感器的像素阵列的视图。
参考图3，根据本公开实施例的图像传感器的像素阵列100可以包括在第一方向(X轴线方向)和第二方向(Y轴线方向)上排列的多个像素110和120。例如，像素阵列100可以包括彩色像素110和白色像素120。彩色像素110和白色像素120可以被分别提供为多个彩色像素110和多个白色像素120，并且其数量可以进行各种改变。例如，白色像素120的数量可以大于彩色像素110的数量。
例如，彩色像素110的数量和白色像素120的数量可以根据人眼中存在的锥状细胞和杆状细胞的数量来确定。人眼中可能存在数以百万计的锥状细胞和数以千万计的杆状细胞，并且彩色像素110的数量与白色像素120的数量的比例可以根据这些因素来确定。在图3所示的实施例中，白色像素120的数量可能是彩色像素110的数量的8倍。彩色像素110的数量和白色像素120的数量可以根据实施例来进行各种改变。
彩色像素110可以与白色像素120当中的在彩色像素110周围布置的外围白色像素一起提供像素组PG。参考图3，彩色像素110可以与八个外围白色像素一起提供一个像素组PG。
在每个像素组PG中，彩色像素110可以布置在相同定位处。参考图3，在每个像素组PG中，彩色像素110可以布置在中心部分中。因此，在第一方向或第二方向上连续排列的像素组PG对之间的边界可以被定义为外围白色像素之间的边界。例如，像素组PG对之间的边界可以仅邻近于白色像素120，而可以不邻近于彩色像素110。
彩色像素110可以包括选择性地使特定波长的光通过的滤色器。例如，滤色器可以使红光、绿光和蓝光之一通过。参考图3，包括在一个像素组PG中的彩色像素110可以包括滤色器，其中，该滤色器的颜色不同于在第一方向或第二方向上邻近的另一像素组PG中包括的彩色像素110的颜色。在第一方向和第二方向上以2×2形式彼此邻近布置的四个像素组PG中包括的彩色像素110可以包括两个绿色像素、一个红色像素和一个蓝色像素。
图4是示意性示出根据本公开实施例的包括在图像传感器中的像素的视图。
例如，图4可以是根据图3所示的实施例的像素阵列100中的彩色像素110和白色像素120的横截面视图。彩色像素110和白色像素120中的每个像素可以包括在半导体基底101中形成的光电二极管PD。在彩色像素110和白色像素120中的每个像素中，光电二极管PD可以连接到元件102，并且元件102可以与布线图案103一起提供像素电路。元件102和布线图案103可以用绝缘层104覆盖。
参考图4，彩色像素110可以包括在光的入射路径中排列的第一微透镜111、第一透光层112和第一滤色器115。此外，白色像素120可以包括在光的入射路径中排列的第二微透镜121、第二透光层122和第二滤色器125。根据实施例，第一滤色器115可以通过特定波段的光。例如，第一滤色器115可以通过与红色、绿色、蓝色之一对应的波段的光。第二滤色器125可以通过大多数波段(而不是特定波段)的光。在实施例中，第二滤色器125可以由与透光层122的材料相同的材料形成。
因此，彩色像素110的光电二极管PD可以响应于通过第一滤色器115的特定波段的光而生成电荷，而白色像素120的光电二极管PD可以响应于通过第二滤色器125的光而生成电荷。因此，响应于相同强度的光，白色像素120的光电二极管PD可能比彩色像素110的光电二极管PD生成更多电荷，并且白色像素120的灵敏度可能高于彩色像素110的灵敏度。
在本公开实施例中，像素阵列100可以包括比彩色像素110的数量更多的数量的白色像素120。通过在像素阵列100中布置比彩色像素110更多的白色像素120，可以提高图像传感器的灵敏度，并且即使在低照度环境下，也可以获取高质量图像。例如，如图3所示，彩色像素110的数量与白色像素120的数量的比例可以被配置为1:8，使得与像素阵列100被配置为仅具有彩色像素110的情况相比，提高图像传感器的灵敏度三倍或更多。在实施例中，在低照度环境下，图像传感器可以通过将包括在一个像素组PG中的彩色像素110和白色像素120的像素信号进行像素合并(bin)来生成图像。
可能存在的问题是，由于白色像素120的灵敏度比彩色像素110的灵敏度更高，因此当图像传感器以与在低照度环境下相同的方式甚至在高照度环境下操作时，白色像素120的光电二极管PD会饱和，导致图像质量恶化。根据本公开实施例，上述问题可以通过以下方式解决：在高照度环境下，仅使用由彩色像素110生成的像素信号来生成图像。例如，在高照度环境下，图像传感器可以使用像素重排(remosaic)方法，以仅使用由彩色像素110生成的像素信号来生成图像。
图5是示意性示出根据本公开实施例的图像传感器的像素阵列的视图。
参考图5，根据本公开实施例的图像传感器的像素阵列100A可以包括在第一方向(X轴线方向)和第二方向(Y轴线方向)上排列的多个像素110A和120A。彩色像素110A和白色像素120A在像素阵列100A中的排列可以类似于上面参考图3所描述的排列。例如，像素阵列100A可以提供一个像素组PG，并且该像素组PG可以包括彩色像素110A和外围白色像素，其中，每个外围白色像素是在彩色像素110A周围布置的白色像素120A。
参考图5，彩色像素110A可以包括两个或更多个光电二极管，以提供自动对焦功能。例如，彩色像素110A可以包括在第一方向(X轴线方向)和第二方向(Y轴线方向)中的至少一个方向上排列的两个或更多个光电二极管，并且自动对焦功能可以使用从包括在彩色像素110A中的光电二极管获取的像素信号之间的相位差来实现。
图6是示意性示出根据本公开实施例的包括在图像传感器中的像素的视图。
例如，图6可以是在根据图5所示的实施例的像素阵列100A中的彩色像素110A和白色像素120A的横截面视图。与上面参考图4描述的类似，彩色像素110A和白色像素120A中的每个像素可以包括在半导体基底101中形成的光电二极管PD。在彩色像素110A和白色像素120A中的每个像素中，在半导体基底101的一个表面上形成的元件102可以与布线图案103一起提供像素电路。元件102和布线图案103可以用绝缘层104覆盖。
微透镜111和微透镜121、透光层112和透光层122、以及滤色器115和滤色器125可以在半导体基底101的另一表面上形成。微透镜111和微透镜121、透光层112和透光层122、以及滤色器115和滤色器125的配置可以类似于上面参考图4描述的配置。
参考图6，与包括一个光电二极管PD在内的白色像素120A不同，彩色像素110A可以包括在第一方向上排列的第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2。第一光电二极管PD1的受光面积可以基本上等于第二光电二极管PD2的光接收面积。
彩色像素110A可以被实现为包括第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2，以提供图像传感器的自动对焦功能。例如，根据由透光层115传输的光的波段，彩色像素110A可以计算到拍摄对象(subject)的特定区域的距离。当透光层115传输与红色对应的波段的光时，图像传感器可以使用从彩色像素110A获取的像素信号之间的相位差来计算到拍摄对象的红色区域的距离。类似地，当透光层115传输与绿色或蓝色对应的波段的光时，图像传感器可以使用从彩色像素110A获取的像素信号之间的相位差来计算到拍摄对象的绿色区域或蓝色区域的距离。
图7是示意性示出根据本公开实施例的图像传感器的像素阵列的视图。
参考图7，根据本公开实施例的图像传感器的像素阵列100B可以包括在第一方向(X轴线方向)和第二方向(Y轴线方向)上排列的多个像素110B和120B。彩色像素110B和白色像素120B在像素阵列100B中的排列可以类似于上面参考图3和图5所描述的排列。例如，像素阵列100B可以提供一个像素组PG，并且该像素组PG可以包括彩色像素110B和外围白色像素，其中，每个外围白色像素是在彩色像素110B周围布置的白色像素120B。
在图7所示的实施例中，彩色像素110B和白色像素120B可以分别包括两个或更多个光电二极管，以提供自动对焦功能。例如，彩色像素110B以及白色像素120B可以包括在第一方向(X轴线方向)和第二方向(Y轴线方向)中的至少一个方向上排列的两个或更多个光电二极管。图像传感器可以通过使用从包括在彩色像素110B和白色像素120B中的光电二极管获取的像素信号之间的相位差来实现自动对焦功能。参考图7，光电二极管被示为在包括在像素阵列100B中的所有的像素110B和像素120B中排列在第一方向上。根据实施例，在像素110B和像素120B中的至少一个像素中，光电二极管可以排列在第二方向上。
图8是示意性示出根据本公开实施例的包括在图像传感器中的像素的视图。
参考图8，彩色像素110B和白色像素120B可以分别包括在第一方向上排列的第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2。在彩色像素110B和白色像素120B中的每个像素中，第一光电二极管PD1的受光面积可以基本上等于第二光电二极管PD2的受光面积。提供像素电路的元件102和布线图案103以及覆盖元件102和布线图案103的绝缘层104可以布置在半导体基底101的一个表面上。微透镜111和微透镜121、透光层112和透光层122、以及滤色器115和滤色器125可以布置在半导体基底101的另一表面上。
在图8所示的实施例中，由于所有的像素110B和像素120B包括第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2，因此可以提供相对较好的自动对焦功能。此外，在一些实施例中，第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2可以被形成为在像素110B和像素120B中的一些像素中排列在第二方向上，以在第一方向和第二方向中的所有方向上实现自动对焦功能。
图9是示意性示出根据本公开实施例的包括在图像传感器的像素阵列中的像素组的视图。图10A和图10B是示意性示出根据本公开实施例的图像传感器的像素电路的视图。
根据本公开实施例的图像传感器的像素阵列可以包括多个像素组PG1至PG4。参考图9，根据实施例的像素组PG1至PG4可以分别包括九个像素PX1至PX9。例如，九个像素PX1至PX9中的至少一个像素可以是彩色像素，并且九个像素PX1至PX9中的其他像素可以是在彩色像素周围布置的外围白色像素。在实施例中，第五像素PX5可以被实现为彩色像素，并且第一像素PX1至第四像素PX4以及第六像素PX6至第九像素PX9可以被实现为外围白色像素。
像素组PG1至像素组PG4可以布置在第一方向(X轴线方向)和第二方向(Y轴线方向)上，因此可以定义第一边界BD1和第二边界BD2。例如，第一边界BD1可以是在第一方向上延伸的边界，并且第二边界BD2可以是在第二方向上延伸的边界。
当在像素组PG1至像素组PG4中的每个像素组中只有第五像素PX5被实现为彩色像素时，第一边界BD1和第二边界BD2可以被定义为第一相邻白色像素PX1至第四相邻白色像素PX4以及第六相邻白色像素PX6至第九相邻白色像素PX9之间的边界。因此，第一边界BD1和第二边界BD2可以彼此分开，而不邻近于作为彩色像素的第五像素PX5。
像素PX1至像素PX9可以分别包括至少一个光电二极管和生成与由光电二极管生成的电荷对应的像素信号的像素电路。根据实施例，像素组PG1至像素组PG4中的每个像素组中的像素PX1至像素PX9中的至少一些像素可以共享包括在像素电路中的至少一个元件。在下文中，将参考图10A和图10B来描述包括在像素组PG中的像素PX1至像素PX9的像素电路。
图10A和图10B可以是示出包括在一个像素组PG中的像素PX1至像素PX9的像素电路的图。参考图10A和图10B，像素PX1至像素PX9中的每个像素可以包括光电二极管PD1至光电二极管PD9之一和传输晶体管TX1至传输晶体管TX9之一。当像素PX1至像素PX9中的至少一个像素提供作为用于提供自动对焦功能的自动对焦像素时，自动对焦像素可包括两个或更多个光电二极管。
首先，在图10A所示的实施例中，在一个像素组PG中在第二方向上排列的三个像素可以共享浮动扩散器、复位晶体管、驱动晶体管和选择晶体管。参考图10A，在一个像素组中，连接到第一列线Col1的第一像素PX1至第三像素PX3可以共享第一浮动扩散器FD1、第一复位晶体管RX1、第一驱动晶体管DX1和第一选择晶体管SX1。
此外，连接到第二列线Col2的第四像素PX4至第六像素PX6可以共享第二浮动扩散器FD2、第二复位晶体管RX2、第二驱动晶体管DX2和第二选择晶体管SX2，并且连接到第三列线Col3的第七像素PX7至第九像素PX9可以共享第三浮动扩散器FD3、第三复位晶体管RX3、第三驱动晶体管DX3和第三选择晶体管SX3。因此，第五像素PX5(可以是彩色像素)以及第四相邻白色像素PX4和第六相邻白色像素PX6(可以是在白色像素PX1至白色像素PX4以及白色像素PX6至白色像素PX9当中的在第二方向上邻近于第五像素PX5的像素)可以共享第二浮动扩散器FD2。
例如，在图10A所示的实施例中，一个像素组PG可以包括三个浮动扩散器FD1至FD3、三个复位晶体管RX1至RX3、三个驱动晶体管DX1至DX3、以及三个选择晶体管SX1至SX3。因此，像素电路可以在有限区域内有效排列。
图像传感器的逻辑电路可以通过滚动快门(rolling shutter)方法来驱动像素PX1至像素PX9，并可以通过列线Col1至列线Col3获取像素信号。例如，浮动扩散器FD1至浮动扩散器FD3可以通过复位控制信号RG来用电源电压VDD进行复位，并且复位电压可以通过列线Col1至列线Col3获取。此后，第一传输晶体管TX1、第四传输晶体管TX4和第七传输晶体管TX7可以通过第一传输控制信号TG1来导通，并且与由第一光电二极管PD1、第四光电二极管PD4和第七光电二极管PD7生成的电荷对应的像素电压可以通过列线Col1至列线Col3输出。对于第一像素PX1、第四像素PX4和第七像素PX7中的每个像素，逻辑电路可以生成与复位电压和像素电压之差对应的像素信号。逻辑电路可以通过重复上述相同的操作来为像素PX1至像素PX9中的每个像素获取像素信号。
在实施例中，图像传感器的逻辑电路可以根据照度来不同地驱动像素PX1至像素PX9。例如，在光的强度为弱的低照度环境下，逻辑电路可以通过列线Col1至列线Col3获取复位电压，并可以依次切换(toggle)第一传输控制信号TG1至第三传输控制信号TG3。因此，与第一光电二极管PD1至第三光电二极管PD3的电荷对应的像素电压可以通过第一列线Col1输出，与第四光电二极管PD4至第六光电二极管PD6的电荷对应的像素电压可以通过第二列线Col2输出，并且与第七光电二极管PD7至第九光电二极管PD9的电荷对应的像素电压可以通过第三列线Col3输出。
在低照度环境下，逻辑电路可以同时从共享列线Col1至列线Col3中的每个列线的两个或更多个像素(例如，PX1至PX9)获取像素信号，因此，图像数据可以使用用于一个像素组PG的像素信号来构建。例如，用于一个像素组PG的像素信号可以通过多个像素PX1至PX9获取，并且图像质量可以通过提高图像传感器的灵敏度来改善。在实施例中，图像数据可以通过在逻辑电路内部或外部提供的图像信号处理器(ISP)来从像素信号生成，其中，所述像素信号从不包括滤色器的白色像素生成。
此外，在本公开实施例中，像素组PG可以包括彩色像素和白色像素，并且白色像素的数量可以大于彩色像素的数量。通过在像素组PG中布置更多具有相对高灵敏度的白色像素，可以增加像素信号的强度，并且在低照度环境下，图像传感器的灵敏度和图像质量可以得到有效改善。
在图10B所示的实施例中，包括在一个像素组PG中的像素PX1至像素PX9可以分别包括浮动扩散器(例如，FD1至FD9)、复位晶体管(例如，RX1至RX9)、驱动晶体管(例如，DX1至DX9)和选择晶体管(例如，SX1至SX9)。在低亮度环境下，图像传感器的逻辑电路可以将第一复位控制信号RG1至第三复位控制信号RG3切换为浮动扩散器FD1至浮动扩散器FD9的复位电压，以优先获得复位电压。此后，逻辑电路可以通过列线Col1至列线Col3获取像素电压，同时依次切换第一传输控制信号TG1至第三传输控制信号TG3。因此，在低照度环境下，可以同时从共享列线Col1至列线Col3的像素PX1至像素PX9获取像素信号，并且可以使用为一个像素组PG获取的像素信号配置图像。因此，在低照度环境下，可以防止灵敏度降低，并且可以改善图像质量。
在高照度环境下，白色像素的光电二极管可能由于强的光强度而变得饱和。在本公开实施例中，图像可能仅由在高亮度环境下从彩色像素获取的像素信号组成。为了仅使用从彩色像素获取的像素信号组成图像，逻辑电路可以使用像素重排方法。
图11和图12是示出根据本公开实施例的图像传感器的操作的视图。
图11可以是示出图像传感器在具有相对大量的光的高照度环境下的操作的图，并且图12可以是示出图像传感器在具有相对少量的光的低照度环境下的操作的图。首先参考图11，像素阵列200可以包括彩色像素CP和白色像素WP。像素组PG1至像素组PG4可以分别包括以3×3形式排列的九个像素，并可以分别包括例如一个彩色像素CP和八个白色像素WP。
当图像传感器在高照度环境下操作时，在与彩色像素CP相比具有相对高的灵敏度白色像素WP中，即使应用相同的曝光时间段，也可能出现光电子二极管饱和的现象。因此，当外部照度等于或大于预定的阈值时，图像传感器可以只从彩色像素CP获得像素信号。当图像仅由仅来自彩色像素CP的像素信号组成时，与包括在像素阵列200中的像素数量相比，图像的分辨率可能会降低。
例如，像素阵列200可以包括120,000个彩色像素CP和960,000个白色像素WP。在上述示例中，彩色像素CP的数量和白色像素WP的数量可以根据人眼中用于区分光的颜色的锥状细胞和用于区分光的强度的杆状细胞的比例来确定。因此，当仅使用从彩色像素CP获取的像素信号生成图像时，与包括在像素阵列200中的像素的数量相比，图像的分辨率可能会降低。
在本公开实施例中，在高照度环境下，可以通过由图像传感器对像素信号执行像素重排方法并生成图像来防止分辨率下降。图像传感器可以将从像素阵列200的彩色像素CP获取的像素信号转换成可以是数字数据的像素数据。像素重排方法可以包括重新排列从彩色像素CP获取的像素数据的顺序的操作。
参考图11，从彩色像素CP获取的像素数据可以根据包括在像素阵列200中的彩色像素CP的图案(pattern)来重新排列。因此，可以生成其分辨率与包括在像素阵列200中的像素的数量相同的图像数据210。图像数据210可以被配置为包括绿色像素GP、红色像素RP和蓝色像素BP。在图11所示的实施例中，由于彩色像素CP可以在像素阵列200中按拜尔图案(Bayer pattern)排列，因此包括在图像数据210中的绿色像素GP、红色像素RP和蓝色像素BP也可以按拜尔图案排列。
接下来，参考图12，像素阵列200可以包括彩色像素CP和白色像素WP。像素组PG1至像素组PG4可以分别包括以3×3形式排列的九个像素，并且可以分别包括例如一个彩色像素CP和八个白色像素WP。
当图像传感器在低照度环境下操作时，可以通过使用从其灵敏度与彩色像素CP相比相对高的白色像素WP输出的像素信号来改善图像质量。图像传感器可以将外部照度等于或小于预定阈值的情况确定为低照度环境，并可以从彩色像素CP和白色像素WP获取像素信号。
为了提高在低照度环境下通过捕捉拍摄对象的图像来生成的图像的灵敏度，图像传感器可以获取与像素组PG1至像素组PG4中的每个像素组对应的像素信号。在这种情况下，从不包括滤色器的白色像素WP生成的像素信号可以由图像信号处理器处理。在实施例中，图像信号处理器可以基于包括在像素组PG1至像素组PG4中的每个像素组中的彩色像素CP的滤色器的颜色，处理从白色像素WP生成的像素信号，以获取与像素组PG1至像素组PG4中的每个像素组对应的像素信号。
在低照度环境下，由于从拍摄对象引入的光量可能会小，因此图像传感器的逻辑电路可能难以确保像素数据具有来自像素阵列200的每个像素的足够信息。在本公开实施例中，由于像素信号可以在像素组PG1至像素组PG4中的每个像素组中作为单位来生成，因此逻辑电路可以获取具有足够信息的数据来表示对象。
例如，包括在第一像素组PG1中的彩色像素CP和白色像素WP可以被定义为第一单位像素UP1。图像传感器的逻辑电路可以通过三条列线连接到第一像素组PG1，并可以将通过三条列线获取的像素信号相加。作为相加的结果，逻辑电路可以获取与第一单位像素UP1对应的第一像素信号。类似于上述操作的模拟像素合并(binning)操作也可以对第二像素组PG2至第四像素组PG4执行。因此，逻辑电路可以获取与第二单位像素UP2至第四单位像素UP4对应的第二像素信号至第四像素信号。此后，在由图像信号处理器等根据包括在像素组PG1至像素组PG4中的每个像素组中的彩色像素CP的滤色器的颜色来处理像素信号之后，可以配置图像数据。
因此，在低亮度环境下生成的图像数据220的分辨率可能小于包括在像素阵列200中的像素的数量。例如，图像数据220的分辨率可以对应于包括在像素阵列200中的像素组PG1至像素组PG4的数量。虽然图像数据220的分辨率可能会降低，但是由于在低照度环境下图像传感器的灵敏度可以最大化，因此可以准确地表达拍摄对象。
此外，在本公开实施例中，由于像素组PG1至像素组PG4可以被实现为分别包括彩色像素CP和白色像素WP，因此在低亮度环境下可以更有效地确保图像传感器的灵敏度。如上所述，白色像素WP的数量可以大于彩色像素CP的数量，并且白色像素WP的数量可以是彩色像素CP的数量的整数倍。在实施例中，白色像素WP的数量可以是彩色像素CP数量的4倍或更多，并且考虑到人眼中存在的锥状细胞和杆状细胞的数量，白色像素WP的数量可能是彩色像素CP的数量的八倍或更多倍。白色像素WP的数量和彩色像素CP的数量可以进行各种修改，这取决于包括在像素组PG1至像素组PG4中的每个像素组中的像素的数量以及白色像素WP和彩色像素CP的排列。
图13A至图14B是示出根据本公开实施例的图像传感器的操作的视图。
首先，图13A和图13B可以是示出图像传感器在高照度环境下的操作的图。参考图13A和图13B，图像传感器300可以包括像素阵列310和逻辑电路320。像素阵列310可以包括多个像素，并且多个像素可以包括彩色像素CP和白色像素WP。在像素阵列310中的彩色像素CP和白色像素WP的排列可以根据实施例进行各种修改。
逻辑电路320可以包括行驱动器321，读出电路322和控制逻辑323。行驱动器321可以通过多条行线R1至R6连接到多个像素，并且读出电路322可以通过多条列线C1至C6连接到多个像素。
在图13A和图13B所示的实施例中，彩色像素CP和白色像素WP的像素电路可以与上面参考图10A或图10B描述的像素电路相同。例如，彩色像素CP可以与在彩色像素CP周围布置的八个白色像素WP一起提供像素组。像素组中的三个像素连接到列线C1至列线C6之一，可以共享浮动扩散器、复位晶体管、驱动晶体管、选择晶体管等。可替换地，彩色像素CP和白色像素WP可以分别包括浮动扩散器、复位晶体管、驱动晶体管或选择晶体管。
由于白色像素WP的灵敏度与彩色像素CP相比可能相对较高，因此当在高亮度环境下以相同的曝光时段暴露在光线下时，白色像素WP可能相对较快地饱和。因此，在本公开实施例中，在预期白色像素WP容易饱和的高照度环境下，图像传感器300可能仅生成具有从彩色像素CP获取的像素信号的图像数据。
首先，参考图13A，可以激活在行线R1至行线R6当中的、可以是第一条连接到彩色像素CP的行线的第二行线R2。行驱动器321可以将第二传输控制信号TG2输入第二行线R2。作为对第二传输控制信号TG2的响应，在连接到第二行线R2的彩色像素CP和白色像素WP中的传输晶体管可以导通，并且由光电二极管生成的电荷可以移动到浮动扩散器。
读出电路322可以通过多条列线C1至C6，从连接到第二行线R2的彩色像素CP和白色像素WP获取像素电压。读出电路322可以生成与像素电压和复位电压之间的差对应的像素信号，其中，复位电压是在第二传输控制信号TG2输入之前通过多条列线C1至C6获取的。在一些实施例中，读出电路322可能仅通过彩色像素CP所连接的一些列线C2和C5获取复位电压和像素电压，并可以生成像素信号。
接下来，参考图13B，行驱动器321可以激活在行线R1至行线R6当中的、可以是第二条连接到彩色像素CP的行线的第五行线R5。作为对第五传输控制信号TG5的响应，在连接到第五行线R5的彩色像素CP和白色像素WP中的传输晶体管可以导通，并且由光电二极管生成的电荷可以移动到浮动扩散器。
读出电路322可以通过多条列线C1至C6，从连接到第五行线R5的彩色像素CP和白色像素WP获取像素电压。读出电路322可以生成与像素电压和复位电压之间的差对应的像素信号，其中，复位电压是在第五传输控制信号TG5输入之前通过多条列线C1至C6获取的。在一些实施例中，读出电路322可能仅通过彩色像素CP所连接的一些列线C2和C5获取复位电压和像素电压，并可以生成像素信号。
如参考图13A和13B所描述的，从彩色像素CP获取的像素信号可以被转换为可以是数字数据的像素数据。控制逻辑323可以执行重新排列像素数据的像素重排操作，以生成图像数据。像素重排操作可以类似于参考图11描述的操作。例如，控制逻辑323可以根据包括在像素阵列310中的彩色像素CP的排列，通过重新排列像素数据来生成图像数据。
接下来，图14A和图14B可以是示出图像传感器在低照度环境下的操作的图。如上所述，由于白色像素WP的灵敏度与彩色像素CP相比可能相对较高，因此在低照度环境下，可以使用从白色像素WP获取的像素信号来生成图像数据，以提高图像质量。例如，读出电路322可以将分别连接到多条列线C1至C6的像素中的部分像素的像素电压相加，以使用来自白色像素WP的像素信号生成图像数据。由于白色像素WP不包括滤色器，因此像素信号可以由图像信号处理器处理，然后可以被转换为图像数据。
包括在像素阵列310中的像素可以以像素组为单位驱动。在图14A和图14B所示的实施例中，像素组可以包括以3×3形式排列的九个像素。首先，参考图14A，第一控制信号TG1至第三控制信号TG3可以依次输入到连接到第一像素组的第一行线R1至第三行线R3。读出电路322可以通过列线C1至C6，依次获取连接到第一行线R1的像素的像素电压、连接到第二行线R2的像素的像素电压、以及连接到第三行线R3的像素的像素电压。
可替换地，在每个像素组中，连接到列线C1至列线C6中的每条列线的三个像素被配置为共享浮动扩散器和驱动晶体管，并且包括在三个像素中的光电二极管的电荷可以通过第一控制信号TG1至第三控制信号TG3在浮动扩散器中累积。读出电路322可以获取对于连接到列线C1至列线C6中的每条列线的三个像素的像素电压。此外，考虑到像素组的形状，读出电路322可以将从第一列线C1至第三列线C3获取的像素电压相加，并且可以将从第四列线C4至第六列线C6获取的像素电压相加。
接下来，参考图14B，第四控制信号TG4至第六控制信号TG6可以依次输入到连接到第二像素组的第四行线R4至第六行线R6。读出电路322可以通过列线C1至列线C6，依次获取连接到第四行线R4的像素的像素电压、连接到第五行线R5的像素的像素电压、以及连接到第六行线R6的像素的像素电压。考虑到像素组的形状，读出电路322可以将通过列线C1至列线C6获取的像素电压中的至少一部分相加。
在低亮度环境下从像素信号生成的图像数据可以如参考图12描述地生成。例如，连接到第一行线R1至第三行线R3和第一行线C1至第三行线C3的九个像素可以被定义为一个单位像素。控制逻辑323可以使用定义为如上所述的以3×3形式彼此邻近的九个像素的单位像素来生成图像数据。因此，尽管包括在像素阵列310中的像素的分辨率低于像素的数量，但是可以提供即使在低亮度环境下也准确表达拍摄对象的高质量图像。
图15是示意性示出根据本公开实施例的图像传感器的像素阵列的视图。
参考图15，根据本公开实施例的图像传感器的像素阵列400可以包括在第一方向(X轴线方向)和第二方向(Y轴线方向)上排列的多个像素410和420。像素阵列400可以包括彩色像素410和白色像素420，并且彩色像素410的数量和白色像素420的数量可以进行各种改变。例如，白色像素420的数量可以大于彩色像素410的数量。在图15所示的实施例中，白色像素420的数量可以是彩色像素410的数量的三倍。
彩色像素410可以与在白色像素420当中的在彩色像素410周围布置的外围白色像素一起提供像素组PG。参考图15，一个彩色像素410可以与三个外围白色像素一起提供一个像素组PG。在每个像素组PG中，彩色像素410可以布置在相同定位处。
彩色像素410可以包括选择性地使特定波长的光通过的滤色器。例如，滤色器可以使红光、绿光和蓝光之一通过。参考图15，包括在一个像素组PG中的彩色像素410可以包括滤色器，其中，该滤色器的颜色不同于在第一方向或第二方向上邻近的另一像素组PG中包括的彩色像素410的颜色。在第一方向和第二方向上以2×2形式彼此邻近布置的四个像素组PG中包括的彩色像素410可以包括两个绿色像素、一个红色像素和一个蓝色像素，并且可以配置拜耳图案。
根据实施例，彩色像素410可以提供自动对焦功能。为此，彩色像素410可以包括在第一方向和第二方向中的至少一个方向上分开的多个光电二极管。在一些实施例中，白色像素420也可以包括多个光电二极管，以提供自动对焦功能。
图16A至图16C是示意性示出根据本公开实施例的图像传感器的像素阵列的视图。
在图16A至图16C所示的实施例中，图像传感器的像素阵列500、像素阵列500A和像素阵列500B可以包括像素组PG，并且每个像素组PG可以包括以5×5形式排列的多个像素。每个像素组PG可以包括彩色像素510、彩色像素510A或彩色像素510B以及白色像素520、白色像素520A或白色像素520B，并且彩色像素510、彩色像素510A和彩色像素510B相应的数量可以少于白色像素520、白色像素520A和白色像素520B相应的数量。
首先，参考图16A，每个像素组PG可以包括彩色像素510和在彩色像素510周围布置的白色像素520。在图16A所示的实施例中，彩色像素510和白色像素520可以按1:24的比例布置在像素阵列500中。彩色像素510可以布置在每个像素组PG的中心部分中，并且白色像素520可以布置在每个像素组PG的外围部分中。如图16A所示，彩色像素510可以布置在每个像素组PG的中心部分中，并且可以将串扰(cross-talk)影响降至最低。
在像素阵列500中的像素电路的配置可以类似于上面参考图10A或图10B描述的配置。例如，在每个像素组PG中，在第一方向(X轴线方向)上的相同定位处布置的五个像素可以连接到在第二方向(Y轴线方向)上延伸的一条列线，并且可以共享浮动扩散器、驱动晶体管等。当图像传感器在低照度环境下捕捉拍摄对象的图像时，与由包括在五个像素中的光电二极管生成的电荷对应的像素电压可以通过每条列线输出。因此，图像传感器的灵敏度可以得到提高，并且即使在低照度环境下，也可以生成准确表示拍摄对象的图像。
参考图16B，每个像素组PG可以包括五个彩色像素510A和在五个彩色像素510A周围布置的白色像素520A。在图16B所示的实施例中，彩色像素510A和白色像素520A可以按1:4的比例排列在像素阵列500A中。在每个像素组PG中，五个彩色像素510A可以排列成X形。可替换地，五个彩色像素510A可以排列成十字形。
接下来，参考图16C，每个像素组PG可以包括三个彩色像素510B和在三个彩色像素510B周围布置的白色像素520B。在图16C所示的实施例中，彩色像素510B的数量与白色像素520B的数量的比例可以是3:22。尽管所示的是彩色像素510B在像素组PG中布置在相同对角线方向上，但是在像素组PG的至少一部分中，彩色像素510B可以布置在不同对角线方向上。
在图16A至图16C所示的实施例中，彩色像素510、彩色像素510A和彩色像素510B可以提供自动对焦功能。例如，彩色像素510、彩色像素510A和彩色像素510B中的每个像素可以包括在第一方向和第二方向中的至少一个方向上分开的多个光电二极管。在一些实施例中，白色像素520、白色像素520A和白色像素520B中的每个像素也可以包括多个光电二极管，以提供自动对焦功能。
此外，在图16A至图16C所示的实施例中，彩色像素和白色像素可以以不同数量进行组合。例如，九个彩色像素可以以3×3形式排列，并且十六个外围白色像素可以以围绕彩色像素的形式排列。
图17A和图17B是示意性示出根据本公开实施例的图像传感器的像素阵列的视图。
在图17A和图17B所示的实施例中，图像传感器的像素阵列600和像素阵列600A可以包括像素组PG，并且每个像素组PG可以包括以4×4形式排列的多个像素。每个像素组PG可以包括彩色像素610或彩色像素610A和白色像素620或白色像素620A，并且彩色像素610和彩色像素610A相应的数量可以小于白色像素620和白色像素620A相应的数量。在图17A和图17B所示的实施例中，彩色像素610和彩色像素610A以及白色像素620和白色像素620A中的至少一个像素可包括多个光电二极管，以提供自动对焦功能。
首先，参考图17A，每个像素组PG可以包括四个彩色像素610和在四个彩色像素610周围布置的十二个白色像素620。因此，在图17A所示的实施例中，彩色像素610和白色像素620可以按1:4的比例排列在像素阵列600中。彩色像素610可以布置在每个像素组PG的中心部分中，白色像素620可以布置在每个像素组PG的外围部分中，并且可以将串扰影响降至最低。
参考图17B，每个像素组PG可以包括两个彩色像素610A和在两个彩色像素610A周围布置的十四个白色像素620A。因此，在图17B所示的实施例中，彩色像素610A和白色像素620A可以按1:7的比例排列在像素阵列600A中。尽管所示的是两个彩色像素610A在每个像素组PG中布置在相同对角线方向上，但是在像素组PG的至少一部分中，彩色像素610A可以排列在不同对角线方向上，或者可以布置在第一方向或第二方向上。
根据本公开实施例的图像传感器的像素阵列可以包括彩色像素和白色像素。彩色像素和白色像素可以提供多个像素组，每个像素组可以包括彩色像素当中的至少一个彩色像素以及白色像素当中的在至少一个彩色像素周围布置的外围白色像素。包括在像素阵列中的彩色像素的数量与白色像素的数量的比例可以等于包括在每个像素组中的至少一个彩色像素的数量与白色像素的数量的比例。例如，每个像素组可以包括相同比例的至少一个彩色像素和白色像素。
包括在像素阵列中的彩色像素的数量和白色像素的数量可以根据人眼中存在的锥状细胞和杆状细胞的比例来确定。例如，白色像素的数量可以是彩色像素的数量的四倍或更多倍。根据实施例，白色像素的数量可以不被表示为彩色像素的数量的整数倍。
图18和图19是示意性示出根据本公开实施例的图像传感器的像素阵列的视图。
在图18和图19所示的实施例中，像素阵列700和像素阵列800可以分别包括多个像素组WPG、RPG、GPG和BPG。例如，多个像素组WPG、RPG、GPG和BPG可以被分类为白色像素组WPG、红色像素组RPG、绿色像素组GPG和蓝色像素组BPG，并且多个像素组WPG、RPG、GPG和BPG中的每个像素组可以包括在第一方向(X轴线方向)上邻近的像素对。根据实施例，多个像素组WPG、RPG、GPG和BPG中的每个像素组可以包括在第二方向(Y轴线方向)上邻近的像素对。
在根据图18所示的实施例的像素阵列700中，多个像素组WPG、RPG、GPG和BPG可以在第一方向和第二方向上排列，并且白色像素组WPG的数量可以大于彩色像素组RPG、GPG和BPG的数量。每个白色像素组WPG可以包括一对白色像素710，并且彩色像素组RPG、GPG和BPG可以分别包括一对彩色像素720、一对彩色像素730和一对彩色像素740。包括在多个像素组WPG、RPG、GPG和BPG中的每个像素组中的像素对可以共享微透镜ML，因此连接到像素阵列700的逻辑电路可以使用从包括在多个像素组WPG、RPG、GPG和BPG中的每个像素组中的像素对获取的像素信号之间的相位差来实现自动对焦功能。由于像素组WPG、像素组RPG、像素组GPG和像素组BPG在像素阵列700中的排列，微透镜ML可以以之字形(zigzag)的形式在第二方向上排列。
在实施例中，多个像素组WPG、RPG、GPG和BPG当中的在第二方向上的第一定位中布置的第一像素组可以包括彩色像素组RPG、GPG和BPG中的部分以及白色像素组WPG的部分。参考图18，在处于第二方向的从顶部开始的第二条线中，绿色像素组GPG分别包括一对绿色像素720，并且白色像素组WPG可以排列。如图18所示，至少一个白色像素组WPG可以布置在处于第一方向的最接近彼此的一对绿色像素组GPG之间。
构成第一彩色像素组的第一彩色像素可以包括使相同颜色的光通过的滤色器。例如，在图18所示的实施例中，在处于第二方向的从顶部开始的第二条线中，可以只布置包括具有绿色滤色器的绿色像素720的绿色像素组GPG。类似地，在处于第二方向的从顶部开始的第三条线中，包括红色像素730的红色像素组RPG可以与白色像素组WPG一起排列，并且在处于第二方向的从顶部开始的第四条线中，包括蓝色像素740的蓝色像素组BPG可以与白色像素组WPG一起排列。例如，不同颜色的彩色像素组RPG、GPG和BPG可以不会一起排列在第一方向上。
在第二方向上布置在不同于第一定位的第二定位中的第二像素组可以仅包括可作为白色像素组的部分的第二白色像素组。参考图18，可以只有白色像素组WPG布置在处于第二方向的从顶部开始的第一条线中。例如，第二像素组可以不包括彩色像素组RPG、GPG和BPG。
在实施例中，彩色像素组RPG、GPG和BPG可以根据由滤色器使其通过的颜色，而在第二方向上排列在不同定位处。参考图18，绿色像素组GPG、红色像素组RPG和蓝色像素组BPG可以排列在第二方向上的不同定位处。此外，绿色像素组GPG的数量可能大于红色像素组RPG的数量和蓝色像素组BPG的数量。
至少一个绿色像素组GPG可以在第一方向上布置在与红色像素组RPG和蓝色像素组BPG中的至少一个像素组相同的定位处。此外，在第一方向上的相同定位处布置的彩色像素组RPG、GPG和BPG可能不是连续排列的，并且至少一个白色像素组WPG可能布置在其间。例如，至少一个白色像素组WPG可以布置在在第一方向上的相同定位处布置的至少一个绿色像素组GPG和至少一个蓝色像素组BPG之间。
彩色像素组RPG、GPG和BPG中的每个像素组可以在第一方向和第二方向上被白色像素组WPG中的至少一部分包围。例如，在图18中，彩色像素组RPG、GPG和BPG中的每个像素组的边界可以与白色像素组WPG的边界接触，而不是与彩色像素组RPG、GPG和BPG当中的其他彩色像素组的边界接触。
根据图19所示的实施例的像素阵列800可以具有与参考图18描述的像素阵列700的结构相似的结构。包括在根据图19所示的实施例的像素阵列800中的白色像素组WPG的数量可以相对少于包括在参考图18描述的像素阵列700中的白色像素组WPG的数量。
参考图19，彩色像素组RPG、GPG和BPG当中的至少一个彩色像素组可以布置在第二方向上定义的所有定位处。例如，只有白色像素组WPG布置在第一方向延伸的方向上的结构可能不会出现。
此外，在图19所示的实施例中，绿色像素组GPG的数量可能大于比图18所示的实施例中的数量。在图18所示的实施例中，绿色像素组GPG的数量可以分别是红色像素组RPG的数量和蓝色像素组BPG的数量的两倍。在图19所示的实施例中，绿色像素组的GPG数量可以分别是红色像素组RPG的数量和蓝色像素组BPG的数量的四倍。在图18和图19所示的每个实施例中，白色像素组WPG以及彩色像素组RPG、GPG和BPG的数量的比例可以如下面表1所示。
【表1】
实施例 图18 图19
红色像素组的数量 N M
蓝色像素组的数量 N M
绿色像素组的数量 2N 4M
白色像素组的数量 14N 12M
在图18和图19所示的实施例中，白色像素组WPG的数量可以大于彩色像素组RPG、GPG和BPG的数量。这是考虑到人眼中的锥状细胞和杆状细胞的比例。通过排列更多的白色像素组WPG，图像传感器的灵敏度可以得到提高，并且由图像传感器生成的图像的质量可以得到改善。
图20和图21是示意性示出根据本公开实施例的包括图像传感器的电子设备的视图。
参考图20，电子设备1000可以包括相机模块组1100、应用处理器1200、PMIC 1300和外部存储器1400。
相机模块组1100可以包括多个相机模块1100a、1100b和1100c。虽然附图示出排列了三(3)个相机模块1100a、1100b和1100c的实施例，但是实施例不限于此。在实施例中，相机模块组1100可以被修改为仅包括两(2)个相机模块。此外，在实施例中，相机模块组1100可以被修改并实现为包括n个(其中，n是4或更大的自然数)相机模块。此外，在实施例中，包括在相机模块组1100中的多个相机模块1100a、1100b和1100c中的至少一个相机模块可以包括图1至19所述的图像传感器。
在下文中，参考图21，将更详细地描述相机模块1100b的配置，但是以下描述可以等同地应用于根据实施例的其他相机模块1100a和1100c。
回到图21，相机模块1100b可以包括棱镜1105、光路折叠元件(在下文中称为“OPFE”)1110、执行器(actuator)1130、图像传感设备1140和存储设备1150。
棱镜1105可以包括由光反射材料制成的反射面1107，以改变外部入射的光L的路径。
在实施例中，棱镜1105可以将在第一方向X上入射的光L的路径改变为垂直于第一方向X的第二方向Y。此外，棱镜1105可以将由光反射材料制成的反射面1107围绕中心轴线1106沿A方向旋转，或者可以将中心轴线1106沿B方向旋转，以将在第一方向X上入射的光L的路径改变为垂直于第一方向X的第二方向Y。在这种情况下，OPFE 1110也可以在垂直于第一方向X和第二方向Y的第三方向Z上移动。
在实施例中，如图所示，棱镜1105的最大旋转角度在方向A的正(+)方向上可以是15度或更小，并且在方向A的负(-)方向上可以大于15度。实施例不限于此。
在实施例中，棱镜1105可以在方向B的正(+)方向或负(-)方向上移动大约20度，或在10度和20度之间，或在15度和20度之间。在这种情况下，移动角度可以是在方向B的正(+)或负(-)方向上可以以相同角度移动或可以在大约1度的范围内移动到几乎相同的角度。
在实施例中，棱镜1105可以在平行于中心轴线1106的延伸方向的第三方向(例如，Z方向)上移动光反射材料的反射面1107。
OPFE 1110可以包括例如m(其中，m是自然数)组的光学透镜。m个光学透镜可以在第二方向Y上移动，以改变相机模块1100b的光学变焦率。例如，如果相机模块1100b的基本光学变焦倍率是Z，则当包括在OPFE 1110中的m个光学透镜移动时，相机模块1100b的光学变焦倍率可以被改变为3Z、5Z或更高的光学变焦倍率。
执行器1130可以将OPFE 1110或光学透镜(在下文中称为光学透镜)移动到特定定位。例如，执行器1130可以调整光学透镜的定位来将图像传感器1142定位在光学透镜的焦距处，以获得准确感觉。
图像传感设备1140可以包括图像传感器1142、控制逻辑1144和存储器1146。图像传感器1142可以通过使用通过光学透镜提供的光L来感应将要感应的对象的图像。控制逻辑1144可以控制相机模块1100b的整体操作。例如，控制逻辑1144可以根据通过控制信号线CSLb提供的控制信号来控制相机模块1100b的操作。
存储器1146可以存储相机模块1100b的操作所需的信息，诸如校准数据1147。校准数据1147可以包括相机模块1100b使用外部提供的光L生成图像数据所需的信息。校准数据1147可包括例如关于上述旋转角度的信息、关于焦距的信息、关于光轴线的信息等。当相机模块1100b以多状态相机(其中，焦距根据光学透镜的定位而改变)的形式实现时，校准数据1147可以包括对于光学透镜的每个定位(或状态)的焦距值和与自动对焦相关的信息。
存储设备1150可以存储由图像传感器1142感应的图像数据。存储设备1150可以布置在图像传感设备1140的外部，并且可以与构成图像传感设备1140的传感器芯片以堆叠形式实现。在实施例中，存储设备1150可以被实现为电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，但是实施例不限于此。
同时参考图20和图21，在实施例中，多个相机模块1100a、1100b和1100c可以分别包括执行器1130。因此，根据包括在其中的执行器1130的操作，多个相机模块1100a、1100b和1100c可分别包括相同或不同的校准数据1147。
在实施例中，在多个相机模块1100a、1100b和1100c当中的相机模块(例如，1100b)可以是包括上述的棱镜1105和OPFE 1110的折叠透镜型相机模块，并且剩余相机模块(例如，1100a或1100c)可以是不包括棱镜1105和OPFE 1110的垂直型相机模块，但是实施例不限于此。
在实施例中，在多个相机模块1100a、1100b和1100c当中的相机模块(例如，1100c)可以是用于使用例如红外线(IR)提取深度信息的垂直型深度相机。在这种情况下，应用处理器1200可以将从深度相机提供的图像数据与从另一相机模块(例如，1100a或1100b)提供的图像数据合并，以生成3D深度图像。
在实施例中，在多个相机模块1100a、1100b和1100c当中的至少两个相机模块(例如，1100a和1100b)可以具有不同的视场(例如，视场角)。在这种情况下，例如，在多个相机模块1100a、1100b和1100c当中的至少两个相机模块(例如，1100a和1100b)的光学透镜可以彼此不同，但是不限于此。
此外，在实施例中，多个相机模块1100a、1100b和1100c中的每个相机模块的视场角可以不同。在这种情况下，包括在多个相机模块1100a、1100b和1100c中的每个相机模块中的光学透镜也可以彼此不同，但是不限于此。
在实施例中，多个相机模块1100a、1100b和1100c中的每个相机模块可以排列成彼此物理地分开。例如，一(1)个图像传感器1142的感应区域可以不被划分以及不由多个相机模块1100a、1100b和1100c使用，而是在多个相机模块1100a、1100b和1100c中的每个相机模块的内部，可以布置独立图像传感器1142。
回到图20，应用处理器1200可以包括图像处理设备1210、存储器控制器1220和内部存储器1230。应用处理器1200可以被实现为与多个相机模块1100a、1100b和1100c分开。例如，应用处理器1200以及多个相机模块1100a、1100b和1100c可以被实现为彼此分开，作为独立的半导体芯片。
图像处理设备1210可以包括多个子图像信号处理器1212a、1212b和1212c、图像生成器1214和相机模块控制器1216。
图像处理设备1210可以包括与相机模块1100a、1100b和1100c的数量对应的多个子图像信号处理器1212a、1212b和1212c。
从相机模块1100a、相机模块1100b和相机模块1100c中的每个相机模块生成的图像数据可以通过彼此分开的图像信号线ISLa、图像信号线ISLb和图像信号线ISLc提供给对应的子图像信号处理器1212a、子图像信号处理器1212b和子图像信号处理器1212c。例如，从相机模块1100a生成的图像数据可以通过图像信号线ISLa提供给子图像信号处理器1212a，从相机模块1100b生成的图像数据可以通过图像信号线ISLb提供给子图像信号处理器1212b，并且从相机模块1100c生成的图像数据就可以通过图像信号线ISLc提供给子图像信号处理器1212c。这种图像数据的传输可以使用例如基于移动工业处理器接口(MIPI)的相机串行接口(CSI)执行，但是实施例不限于此。
在实施例中，子图像信号处理器可以布置为对应于多个相机模块。例如，如图所示，子图像信号处理器1212a和子图像信号处理器1212c可能不被实现为彼此分开，而是可以被实现为集成到单个子图像信号处理器中，并且从相机模块1100a和相机模块1100c提供的图像数据可以由选择元件(例如，复用器)等选择，然后可以提供给集成的子图像信号处理器。
提供给子图像信号处理器1212a、子图像信号处理器1212b和子图像信号处理器1212c中的每个子图像信号处理器的图像数据可以提供给图像生成器1214。图像生成器1214可以根据图像生成信息或模式信号，使用从子图像信号处理器1212a、子图像信号处理器1212b和子图像信号处理器1212c中的每个子图像信号处理器提供的图像数据，以生成输出图像。
具体地，图像生成器1214可以根据图像生成信息或模式信号，合并从具有不同视场角的相机模块1100a、相机模块1100b和相机模块1100c生成的图像数据的至少一部分，以生成输出图像。此外，图像生成器1214可以根据图像生成信息或模式信号，通过选择从具有不同视场角的相机模块1100a、相机模块1100b和相机模块1100c生成的图像数据中的任何一个来生成输出图像。
在实施例中，图像生成信息可以包括变焦信号或变焦系数。此外，在实施例中，模式信号可以是例如基于由用户选择的模式的信号。
当图像生成信息是变焦信号(例如，变焦系数)并且相机模块1100a、相机模块1100b和相机模块1100c中的每个相机模块具有不同视场(例如，视场角)时，图像生成器1214可以根据变焦信号的类型而不同地操作。例如，当变焦信号是第一信号时，在合并从相机模块1100a输出的图像数据和从相机模块1100c输出的图像数据之后，合并后的图像信号和在合并过程中没有使用的从相机模块1100b输出的图像数据可以用来生成输出图像。当变焦信号是不同于第一信号的第二信号时，图像生成器1214可以不执行这种图像数据合并，而是可以选择从相机模块1100a、相机模块1100b和相机模块1100c中的每个相机模块输出的图像数据中的任何一个，以生成输出图像。实施例不限于此，并且可以根据需要来修改和执行处理图像数据的方法。
在实施例中，图像生成器1214可以从多个子图像信号处理器1212a、1212b和1212c当中的至少一个子图像信号处理器接收具有不同曝光时间点的多条图像数据，并且可以对于多条图像数据进行高动态范围(HDR)处理，以生成具有增加的动态范围的合并图像数据。
相机模块控制器1216可以将控制信号提供给相机模块1100a、相机模块1100b和相机模块1100c中的每个相机模块。从相机模块控制器1216生成的控制信号可以通过彼此分开的控制信号线CSLa、控制信号线CSLb和控制信号线CSLc提供给对应的相机模块1100a、相机模块1100b和相机模块1100c。
根据包括变焦信号或模式信号的图像生成信息，多个相机模块1100a、1100b和1100c中的任何一个相机模块可以指定为主相机(例如，1100b)，并且剩余相机模块(例如，1100a和1100c)可以指定为从相机。这种信息可以被包括在控制信号中，并且可以通过彼此分开的控制信号线CSLa、控制信号线CSLb和控制信号线CSLc提供给对应的相机模块1100a、相机模块1100b和相机模块1100c。
作为主相机和从相机操作的相机模块可以根据变焦系数或操作模式信号而改变。例如，当相机模块1100a的视场角比相机模块1100b的视场角更宽并且变焦系数指示低变焦倍率时，相机模块1100b可以作为主相机操作，并且相机模块1100a可以作为从相机操作。当变焦系数指示高变焦倍率时，相机模块1100a可以作为主相机操作，并且相机模块1100b可以作为从相机操作。
在实施例中，从相机模块控制器1216提供给相机模块1100a、相机模块1100b和相机模块1100c中的每个相机模块的控制信号可以包括同步使能信号。例如，当相机模块1100b是主相机并且相机模块1100a和相机模块1100c是从相机时，相机模块控制器1216可以将同步使能信号传输到相机模块1100b。接收这种同步使能信号的相机模块1100b可以基于同步使能信号来生成同步信号，并且可以通过同步信号线SSL将所生成的同步信号传输到相机模块1100a和相机模块1100c。相机模块1100b以及相机模块1100a和相机模块1100c可以用同步信号同步，以将图像数据传输到应用处理器1200。
在实施例中，从相机模块控制器1216提供给多个相机模块1100a、1100b和1100c的控制信号可以包括根据模式信号的模式信息。基于模式信息，多个相机模块1100a、1100b和1100c可以在与感应速率相关的第一操作模式和第二操作模式下操作。
在第一操作模式下，多个相机模块1100a、1100b和1100c可以以第一速率生成图像信号(例如，生成具有第一帧率的图像信号)，可以以高于第一速率的第二速率对所生成的图像信号进行编码(例如，编码得到具有高于第一帧率的第二帧率的图像信号)，并且可以将编码后的图像信号传输到应用处理器1200。在这种情况下，第二速率可以是第一速率的30倍或更少。
应用处理器1200可以将所传输的图像信号(例如，编码后的图像信号)存储在内部存储器1230中，或存储在应用处理器1200的外部的存储装置1400中，然后可以从内部存储器1230或存储装置1400读取编码后的图像信号，可以对所读取的图像信号进行解码，并且可以显示基于解码后的图像信号来生成的图像数据。例如，在图像处理设备1210的多个子图像信号处理器1212a、1212b和1212c当中的对应子图像信号处理器可以对所读取的图像信号进行解码，并且还可以对解码后的图像信号执行图像处理。
在第二操作模式下，多个相机模块1100a、1100b和1100c可以以低于第一速率的第三速率生成图像信号(例如，生成具有低于第一帧率的第三帧率的图像信号)，并且可以将图像信号传输到应用处理器1200。提供给应用处理器1200的图像信号可以是未编码的信号。应用处理器1200可以对所接收的图像信号执行图像处理，或者可以将所接收的图像信号存储在内部存储器1230或存储装置1400中。
PMIC 1300可以提供功率，例如，向多个相机模块1100a、1100b和1100c中的每个相机模块提供的功率电压。例如，在应用处理器1200的控制下，PMIC1300可以通过功率信号线PSLa将第一功率供应给相机模块1100a，可以通过功率信号线PSLb将第二功率供应给相机模块1100b，并且可以通过功率信号线PSLc将第三功率供应给相机模块1100c。
PMIC 1300可以响应于来自应用处理器1200的功率控制信号PCON而生成与多个相机模块1100a、1100b和1100c中的每个相机模块对应的功率，并且还可以调整功率水平。功率控制信号PCON可以包括用于多个相机模块1100a、1100b和1100c的每种操作模式的功率调整信号。例如，操作模式可以包括低功率模式。在这种情况下，功率控制信号PCON可以包括关于在低功率模式下操作的相机模块的信息和将设置的功率水平。提供给多个相机模块1100a、1100b和1100c中的每个相机模块的功率的水平可以相同或彼此不同。此外，功率水平可以动态改变。
根据本公开实施例，像素阵列可以通过模拟包括在人眼中的锥状细胞和杆状细胞由彩色像素和白色像素组成，并且像素合并和像素重排可以根据外部照度来适当应用于从像素阵列输出的原始数据。因此，可以实现具有优良灵敏度和分辨率的图像传感器。
本公开的各种优点和效果不限于上述内容，并且在描述本公开的特定实施例的过程中可以更容易理解。
正如本领域的传统做法，实施例可以用执行所描述的一个或多个功能的框来进行描述和示出。这些框(本文可称为单元或模块等)由模拟电路和/或数字电路(诸如逻辑门、集成电路、微处理器、微控制器、存储器电路、无源电子元件、有源电子元件、光学组件、硬接线电路等)物理实现，并且可以可选地由固件和/或软件驱动。这些电路可以例如被实施在一个或多个半导体芯片中，或被实施在基底支撑件(诸如印刷电路板)上，等等。构成框的电路可以由专用硬件实现，或由处理器(例如，一个或多个编程的微处理器和关联电路)实现，或由执行框的一些功能的专用硬件和执行框的其他功能的处理器的组合实现。在不背离本公开的范围的情况下，实施例的每个框可以在物理上分开成两个或更多个相互作用且不连续的框。同样，在不背离本公开的范围的情况下，实施例的框也可以在物理上组合为更复杂的框。实施例的一方面可以通过存储在非暂时性存储介质内并由处理器执行的指令来实现。
虽然上面已经对实施例进行说明和描述，但是对于本领域技术人员来说，显然可以在不背离由所附的权利要求定义的本公开的范围的情况下进行修改和变化。

Claims (20)

1.一种图像传感器，包括：
像素阵列，包括在第一方向和与所述第一方向相交的第二方向上排列的多个像素，所述多个像素中的每个像素包括至少一个光电二极管、位于光电二极管下方的像素电路和位于光电二极管上方的滤色器；和
逻辑电路，被配置为通过在第二方向上延伸的多条列线从所述多个像素中的每个像素获取像素信号，其中：
所述多个像素包括彩色像素和白色像素，所述白色像素的数量大于所述彩色像素的数量，
所述像素电路包括浮动扩散器和晶体管，其中，所述光电二极管的电荷在所述浮动扩散器中累积，并且所述晶体管输出与浮动扩散器中的电荷量对应的电压，以及
每个彩色像素与白色像素当中的至少一个相邻白色像素共享所述浮动扩散器，并且每个彩色像素在第二方向上邻近于所述至少一个相邻白色像素。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，每个彩色像素中的滤色器使红光、绿光和蓝光之一通过，并且每个白色像素中的滤色器使白光通过。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述白色像素当中的两个或更多个白色像素布置在彩色像素当中的在第一方向或第二方向上彼此邻近的彩色像素对之间。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述白色像素的数量是所述彩色像素的数量的四倍或更多倍。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中，每个彩色像素被包括在具有至少八个外围白色像素的一个像素组中。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，每个彩色像素包括在第一方向或第二方向上排列的第一光电二极管和第二光电二极管。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述彩色像素和所述白色像素中的每个像素包括在第一方向或第二方向上排列的第一光电二极管和第二光电二极管。
8.一种图像传感器，包括：
像素阵列，包括连接到在第一方向上延伸的多条行线和在与所述第一方向相交的第二方向上延伸的多条列线的多个像素，所述多个像素中的每个像素包括至少一个光电二极管和位于所述至少一个光电二极管下方的像素电路；和
逻辑电路，被配置为从所述多个像素中的每个像素获取像素信号，其中：
所述多个像素包括彩色像素和白色像素，所述白色像素的数量大于所述彩色像素的数量，以及
逻辑电路被配置为：在外部照度等于或高于阈值时，仅从每个彩色像素获取像素信号，并且在外部照度低于阈值时，从多个像素中的每个像素获取像素信号。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其中，当外部照度等于或大于阈值时，所述逻辑电路对于从每个彩色像素获取的像素信号执行像素重排过程，以生成图像。
10.根据权利要求8所述的图像传感器，其中：
所述多个像素包括多个像素组，以及
所述多个像素组中的每个像素组包括彩色像素当中的至少一个彩色像素以及白色像素当中的两个或更多个外围白色像素。
11.根据权利要求10所述的图像传感器，其中，所述逻辑电路被配置为：当外部照度低于阈值时，同时从在多个像素组中的每个像素组中的共享多条列线当中的一条列线的两个或更多个像素中的每个像素获取像素信号。
12.根据权利要求11所述的图像传感器，其中，所述图像传感器被配置为：使用从多个像素组中的每个像素组获取的像素信号来生成图像数据。
13.根据权利要求8所述的图像传感器，其中，所述白色像素的数量是所述彩色像素的数量的四倍或更多倍。
14.一种图像传感器，包括：
像素阵列，包括连接到在第一方向上延伸的多条行线和在与第一方向相交的第二方向上延伸的多条列线的多个像素，所述多个像素提供多个像素组；和
逻辑电路，被配置为从所述多个像素中的每个像素获取像素信号，其中：
所述多个像素包括彩色像素和白色像素，所述白色像素的数量大于所述彩色像素的数量，
所述多个像素组中的每个像素组包括彩色像素当中的至少一个彩色像素和白色像素当中的布置在所述至少一个彩色像素周围的外围白色像素，以及
所述多个像素组当中的邻近像素组对之间的边界是外围白色像素之间的边界。
15.根据权利要求14所述的图像传感器，其中：
所述多个像素组中的每个像素组包括彩色像素当中的两个或更多个彩色像素，以及
所述两个或更多个彩色像素具有相同颜色的滤色器。
16.根据权利要求15所述的图像传感器，其中，所述两个或更多个彩色像素在第一方向和第二方向中的至少一个方向上连续排列。
17.根据权利要求15所述的图像传感器，其中，所述两个或更多个彩色像素在与第一方向和第二方向不同的对角线方向上彼此邻近。
18.根据权利要求14所述的图像传感器，其中：
所述多个像素组包括第一像素组和在第一方向或第二方向上邻近于第一像素组的第二像素组，以及
包括在第一像素组中的至少一个彩色像素和包括在第二像素组中的至少一个彩色像素包括具有不同颜色的滤色器。
19.根据权利要求18所述的图像传感器，其中，所述白色像素当中的两个或更多个白色像素布置在包括在第一像素组中的至少一个彩色像素和包括在第二像素组中的至少一个彩色像素之间。
20.根据权利要求14所述的图像传感器，其中：
所述多个像素中的每个像素包括响应于光而生成电荷的光电二极管和使用光电二极管的电荷输出像素信号的像素电路，以及
至少一个彩色像素和与所述至少一个彩色像素共享列线之一的至少一个相邻白色像素共享包括在像素电路中的元件的至少一部分。
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