CN1264244A - 成象器件及获取图象的方法 - Google Patents

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Abstract

图象获取系统(10)包括具有界面块(22)的集成电路(18),此界面块产生用来控制从光探测器(36)读取电压的信号。由光探测器(36)响应象素位置处的光而产生的电压,被读取和复位,而不毁灭性地破坏此象素位置周围其它光探测器所产生的电压。各个象素元件(34)被组织成宏块(20A),并将模拟读出信号从宏块(20A)实时读出到读出块(26)。读出块(26)对此模拟读出信号进行放大,以便转换成YUV模式的数字信号。

Description

成象器件及获取图象的方法
本发明一般涉及到半导体，更确切地说是涉及到集成的成象电路。
诸如扫描仪和数码相机之类的高分辨成象系统，借助于通过透镜并在光学传感器上接收来自物体的光而获取图象。光传感器被制造在诸如电荷耦合器件、光电二极管或光电晶极管之类的光敏传感器件阵列构成的半导体管芯上。光敏半导体器件借助于产生通过成象电路处理以产生可见的成象数据的成比例的象素信号而响应从物体接收到的光。
成象系统从光学传感器读出成比例的象素信号，并在读出电路中产生数字数据。由于从光学传感器读取数据的方式，故数字数据被存储和重新组织成具有可进行压缩的形式的数据块。视频帧包含亮度和色度信息，为了减小将成象数据传输给用户所要求的带宽，必须对这些信息进行编码和压缩。在数据压缩之前形成数据块的步骤，引起了额外的数据处理和数据延迟。
因此，如果有一种能够以块的形式从光传感器读取数据的改进了的成象系统，当是很有利的。这还可能有利于以无需额外的数据处理就可以进行数据压缩的格式来读取数据。
图1示出了图象获取系统的集成电路的局部解析示意图；
图2是图1所示集成电路的方框图；
图3是图2的象素元件的实施例的示意图；
图4示出了宏块20A和20B的象素元件34的位置；以及
图5是对图4所示彼此相邻的宏块的象素元件的读取进行控制的信号的波形的时间图。
图1示出了还称为芯片上的成象器件或摄象机的图象获取系统10的局部解析示意图。作为图象获取系统10的一部分，集成电路18获取图象12，并将模拟象素信号处理和转换成可被显示器件30识别显示的格式的24位RGB(红、绿、蓝)数字数据。进一步的处理使彩色空间能够转换成8位4∶2∶0格式的YCbCr(亮度、蓝色度、红色度)彩色空间，有时称为“YUV”格式或彩色空间。
封装件28将集成电路18安置于其中，其上有一个带有用来接收图象12反射的光的透明部分16的盖子14。反射的光被制作在集成电路18区中的光学传感器20接收。光传感器20是一个称为光探测器并用作象素传感器的光敏半导体器件组成的阵列。透明部分16用作透镜，以便对光传感器20所处的焦平面内的光进行聚焦。作为变通，可以用位于盖子14外面并插入在图象12与光传感器20之间的透镜(未示出)，将光聚集在光传感器20上。通过透明部分16投射在光传感器20的光探测器上的光，产生正比于从图象12接收的光强的模拟象素信号。当需要彩色图象时，将彩色滤光片插入到图象12与光传感器20之间，使各个光探测器响应特定颜色的光。
在最佳实施例中，光传感器20中的光探测器被排列成352×288个有源象素位置组成的中心部分。借助于例如增加大约20％的中心部分尺寸，418×344个象素位置组成的中心部分能够补偿接收到的图象12的不稳定性。可以进一步用额外的象素位置围绕用户可寻址的象素位置的增大了的中心部分，使得能够校准和隔离用户可寻址的象素。
除了光传感器20之外，集成电路18还包括产生用来控制位于光传感器20中的象素位置处的光探测器的读出的信号的界面块22。数字处理器24产生界面块22的起始和终止地址，并处置用来控制行转换、组合时间和校准协议的信号。读出块26从光传感器20接收模拟读出信号，对模拟读出信号进行放大并将模拟读出信号转换成数字表述。
图2是图1所示集成电路18的方框图。在各个图中使用相同的参考号来表示相同的元件。集成电路18包括被示为细分成局部区即宏块20A和20B的光传感器20。字母A和B被加到参考号后面，以便表示光传感器20中的特定的象素位置组，亦即宏块。宏块20A和20B可以包含不同数目的象素位置，其最佳实施例具有18×18个象素位置组成的阵列。宏块20A和20B的18×18阵列尺寸使得彩色信息能够传送跨越宏块边界。在RGB系统中，光传感器20可以包括一行响应红光的器件，另一行器件响应蓝光，而第三行器件响应绿光。应该指出的是，无论宏块20A和20B中的象素位置的数目，还是光传感器20中的宏块的数目，都不是本发明的限制。宏块20A和20B被起始和终止地址置于光传感器20中。应该进一步指出的是，宏块20A和20B的起始和终止地址的位置，可以在每个象素基础上在光传感器20之内移动。
界面块22从数字处理器24接收起始行和列的地址，并产生控制光传感器20中的象素位置的信号。用举例的方法，界面块22将控制信号提供给位于光传感器20的各个354行和448列中的象素位置。例如，界面块为光传感器20的各个行产生ROW RESET信号、ROWSLECT信号和TRANSFER信号(仍见图3)，并为光传感器20的各个列产生COLUMN RESET信号。于是，界面块22为沿光传感器20的各个行和各个列的各个象素位置产生的控制信号就使得能够X-Y寻址，其中的X和Y分别表示列和行的数目。
应该指出的是，光传感器20的X-Y可寻址性使得能够访问各个象素位置，以便读出此象素位置处的光探测器所产生的电压。获得固态象素信号的低噪声准确读出的常用方法是对象素进行二次测量。首先读取象素元件34的积累在光探测器36上的实际信号(电荷)。COLUMN RESET和ROW RESET信号使象素元件34复位。在象素元件34已经被复位到其固有的“暗”即参考电平之后，第二次对象素元件34进行读出。现有技术发明已经使得能够X-Y寻址以得到单个象素位置的信号和复位度量。但在此现有技术工艺中，同一行象素元件共有的其它象素位置也被复位，破坏了这些象素元件的当前帧的信息。与现有技术相反，特定象素位置处的光探测器36所产生的电压被读出并复位，而不毁灭性地破坏任何其它象素位置处其它光探测器36所产生的电压。于是，本发明使得能够以每个象素复位能力进行X-Y寻址和读出。
在从各个象素位置选择读出的数据之后，由这一象素位置处的光探测器响应光源而产生的电压，被传送到读出块26中的可编程增益放大器(未示出)，并被转换成数字信号。在列信号线上传送的各个模拟读出信号(见图3)被放大成其幅度由控制数据值设定的增益。当各个象素位置被组合在诸如宏块20A之类的光传感器20中时，对应于宏块20A的光探测器所产生的所有模拟读出信号可以具有控制来自此宏块的模拟信号的放大的共用控制数据值。在一般的使用中，可编程的寄存器(未示出)为用于色彩平衡和曝光的“实时”增益控制提供控制数据值。
成象数据能够调制图象获取系统10所馈送的射频(RF)载波信号。接收RF载波信号的接收机(未示出)则可以将RF信号降频成较低的中频(IF)。从IF信号恢复的被调制的数据可以在显示器件30上看到。在另外的应用中，读出块26在封装件28的多个引线上提供同样的成象数据，以便在总线或电缆上将其传送到外部数字信号处理器件(未示出)。此外部数字信号处理器件产生成象数据，以便在显示器件30上看到。虽然显示器件30被示为监视器，但诸如打印机之类的其它类型的器件或诸如磁盘驱动器之类的存储器件也能够接收通过读出块26产生的成象数据。应该指出的是，将成象数据从图象获取系统10传输到另一个电子器件的方法，不是本发明的限制。
数字处理器24将光探测器响应光源而产生的电压的初始数字表述转换成诸如离散余弦变换(DCT)数据值之类的编码值。用举例的方法，象素位置处的光探测器所产生的电压，被读出块26接收并转换成8位幅度值，每次只有来自一个象素位置的数据被读出并转换。在从宏块20A中的其余象素位置读出并转换电压值之后，数字处理器24在获得的象素码上执行空间彩色内插处理，以便计算RGB幅度数据的24位数字码。应该指出的是，称为宏块20A的象素位置组成的块可以形成在光传感器20中的任何地方。
数字处理器24存储并处理16×16象素组中即宏块20A中的数据。在这些256×24位的RGB数据上执行彩色空间转换，得到适合于图象压缩的YCbCr 4∶2∶0＂YUV＂宏块格式。一旦处于＂YUV＂宏块格式，代表已经被读出块26从宏块20A读出和转换的256个象素位置的数据就做好了从图象获取系统10传输的准备。随着从构成宏块20A中的256位数据的光传感器20读出数据，此数据是处于标准压缩算法处置的格式中。数字处理器24的这一实施例，进行在“需要”的基础上向外部压缩处理器发送宏块编码信息所需的所有处理。可以用增大的硅区域来构造数字处理器24的其它实施例，以处置压缩处理。
图象获取系统10还借助于自适应地对更大的数字获得的图象中的选定区域进行编码而提供有兴趣的区域(ROI)。当用户需要ROI时，能够用本发明来完成对选定区域中的图象的更高的分辨率的调焦和观察。图象获取系统10能够提供寻址能力并访问各个象素位置，以便读出由这一象素位置处的光探测器产生的电压。因此，借助于为光传感器20中确定的浮置窗口产生地址来支持ROI。ROI中的多个象素位置产生的电压可以被读出和复位，而不破坏当前帧中浮置窗口周围的象素位置处其它光探测器所产生的电压。象素元件34的控制线使得能够“非毁灭性地”读出单个象素元件中的光探测器所产生的电压。当从单个象素元件读出和复位电压时，其它象素元件中的光探测器所产生的电压不被改变。利用光传感器20的随机存取性质，可以控制图象数据，以便在有兴趣的特定区域上“变焦”。此外，利用光传感器20的每个象素复位能力，选定的ROI外面的一个图象数据区域或几个图象数据区域也可以在当前帧中被读出和处理。这使得有机会“在传感器上”实现运动估计、不稳定补偿和焦点处理算法。
现有技术的传感器系统从传感器读取数据，将此数据存储在存储缓冲器中，从对应于宏块的存储缓冲器选择数据，并将此宏块传送到视频编码器。而且，在现有技术的传感器系统中，此数据从传感器被逐线读出。于是，为了对有兴趣的特定区域从传感器读出象素数据，必须首先读出和存储来自有兴趣的区域上的各个行的所有传感器数据。应该指出的是，为了恢复所需的数据而从传感器读出过多的数据、将数据存储在存储器中、以及将数据重新格式化成宏块，引起了系统的等待时间。换言之，现有技术的传感器系统中的所需数据无法以适当的宏块格式直接读取，而是在将此宏块传送到视频编码器之前必须进行处理。额外的处理引起从传感器读取数据与将数据提供给视频编码器之间的时间延迟。
相反，本发明使有兴趣的特定区域的数据能够从光传感器20被读出并直接而无须处理地提供给视频编码器(未示出)。无须读取任何额外的象素数据，就能够从光传感器20读取有兴趣的特定区域的象素数据。而且，数据被读出成能够被直接传送到视频编码器的适当的宏块格式。应该指出的是，宏块起始点可以是光传感器20中的任何地方。额外处理的要求被本发明消除，且象素数据被“实时”提供到视频编码器而没有与额外处理相关的时间延迟。“实时”读取数据的进一步好处是免去了存储缓冲器，从而由于电路更少而降低了功率。
图3是图2的象素元件34的实施例的示意图。象素元件34包括光探测器36，它具有连接于用来接收地电位的电源线的阳极。象素元件34还包括串联连接的N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)38、40和42。晶体管38的源端子连接于光探测器36的阴极。晶体管40的源端子连接于晶体管38的漏端子并构成示为43的节点。应该指出的是，节点43处的电容器(未示出)具有分别与晶体管40和38的源和漏扩散有关的电容值。晶体管42的源端子连接于晶体管40的漏端子。晶体管42的栅端子连接于COLUMN RESET线50。晶体管42的漏端子连接于用来接收电压VDD的另一个电源线。应该指出的是，作为变通，晶体管40的栅可以接收信号COLUMNRESET，而晶体管42的栅可以接收信号ROW RESET。
晶体管38和40的栅端子分别连接于输入端子56和52。N沟道MOSFET 44具有连接于晶体管40的源端子的栅端子以及连接于用来接收电压VDD的电源线的漏端子。MOSFET 46具有连接于输入端子54的栅端子、连接于晶体管44的源端子的漏端子、以及连接于列信号线48的源端子。列信号线48上的信号称为象素信号。
图4示出了宏块20A和20B的象素元件34的位置。宏块20A和20B(图3)彼此相邻，且为了易于说明，各个宏块以简化的形式被描述成2×2阵列。宏块20A中的象素元件被排列在行1中的象素位置A1和A2以及行2中的象素位置A3和A4处。而且，宏块20B中的象素元件被排列在行1中的象素位置B1和B2以及行2中的象素位置B3和B4处。于是，用彼此相邻排列的宏块20A和20B，象素位置A1、A2、B1和B2位于行1中，而象素位置A3、A4、B3和B4位于行2中。象素元件34位于各个象素位置A1-A4和B1-B4处。
图5是控制图4所示宏块20A和20B的行1和2中的象素元件34的读出的信号的波形的时间图。应该指出的是，图5波形图的垂直轴表示电压，而水平轴表示时间。
参照图2、3、4和5，在运行中，线60示出了被界面块22馈送到位于宏块20A和20B的第一行中的象素元件34的输入端子56的示为TRANSFER1的信号的时间。光探测器36响应象素元件34所接收的光的强度而在阳极与阴极之间产生电压。通常，在光探测器36的端子之间产生的电压，在暴露于接收到的光大约33毫秒的时间之内达到稳定。当示为TRANSFER1的信号在时间t0从低电平跃迁到高电平时，光探测器36产生的电压出现在象素元件34的节点43处(见图3)。行1中的各个象素元件34，亦即A1、A2、B1和B2位置处的象素元件的节点43处的电压(图4)，根据此位置处的相应光探测器36所产生的电压而改变(图3)。
另一个示为TRANSFER2的信号的时间，示出了在时间t1从低电平到高电平的跃迁，由线70表示(见图5)。界面块22(见图2)将信号TRANSFER2馈至第二行宏块20A和20B中的象素元件34(见图4)。第二行中的各个象素元件34，亦即A3、A4、B3和B4位置处的象素元件(见图4)的节点43处的电压(图3)，在时间t1根据相应光探测器36所产生的电压而改变。
如线62所示，示为ROW SELECT1的信号，在时间t2从低电平跃迁到高电平。信号ROW SELECT1被界面块22(见图2)馈送到宏块20A和20B中的第一行(见图4)，并引起位置A1、A2、B1和B2的列信号线48根据相应节点43处的电压而改变电压值(见图3)。第一行中的象素元件34的各个列信号线48具有基于相应位置A1、A2、B1和B2处的光探测器36上产生的电压的第一数值。
读出块26(见图2)中的多路复用器(未示出)接收模拟读出信号的第一数值。此复用器选择为第一行宏块20A提供所需象素信号的列信号线48。换言之，列信号线48上位置A1和A2处的象素信号被选择来读出。这些读出的数值被暂时存储在读出块26中所包含的样品和保持电路(未示出)中。多路复用器不选择用来从第一行宏块20B的位置B1和B2输出象素信号的列信号线48。
如线64和66所示，示为ROW RESET1和COLUMN RESET1的信号，分别在时间t3从低电平跃迁到高电平。信号ROW RESET1被界面块22(见图2)馈送到宏块20A和20B中的第一行象素元件34(见图4)。信号COLUMN RESET1也被界面块22馈送到宏块20A中位置A1和A2处的象素元件34。信号ROW RESET1和COLUMNRESET1引起第一行宏块20A中的象素元件34的节点43处的电压复位条件(见图3)。即使第一行宏块20B中的象素元件34接收信号ROWRESET1，宏块20B中位置B1和B2处也不激活信号COLUMNRESET1，因而，此宏块中的象素元件34不被复位。
读出块26(图2)中的多路复用器接收位于第一行宏块20A中的选定象素元件34的列信号线48上的第二数值亦即复位数值。选定的象素元件34的第一与第二数值之间的电压差，提供在光传感器20的选定位置处读取的图象部分的读出值。
如线72所示，示为ROW SELECT2的信号，在时间t4从低电平跃迁到高电平。信号ROW SELECT2被界面块22(见图2)馈送到宏块20A和20B中的第二行(见图4)，并引起列信号线48根据相应节点43处的电压而改变电压值(见图3)。第二行中的象素元件34的各个列信号线48(图4)具有基于位置A3、A4、B3和B4处的相应光探测器36上产生的电压的信号值。
读出块26(见图2)中的多路复用器(未示出)接收模拟读出信号。并选择用来输出第二行宏块20A的象素信号的列信号线48。此多路复用器选择用来输出第二行宏块20A亦即位置A3和A4的象素信号的列信号线48。此多路复用器不选择用来输出第二行宏块20B亦即位置B3和B4处的象素信号的列信号线48。
如线74和66所示，示为ROW RESET2和COLUMN RESET1的信号，分别在时间t5从低电平跃迁到高电平。信号ROW RESET2和二个信号COLUMN RESET1被界面块22(见图2)馈送到宏块20A和20B中的第二行(见图4)。信号ROW RESET2和COLUMN RESET1引起第二行宏块20A中位置A3和A4处的象素元件34的节点43处的电压的复位条件(见图3)。即使第二行宏块20B中的象素元件34接收信号ROW RESET2，象素位置B3和B4处也不激活二个信号COLUMN RESET1，因而，位于这些位置处的象素元件34不被复位。应该指出的是，象素信号从宏块20A被读出而不破坏未被读出的任何其它象素元件34中的光探测器36所产生的数据。
如线62所示，示为ROW SELECT1的信号，在时间t6从低电平跃迁到高电平。示为ROW SELECT1的信号被界面块22(见图2)馈送到宏块20A和20B的第一行(见图4)，并引起列信号线48根据相应节点43处的电压而改变电压值(见图3)。第一行中的象素元件34(图4)，亦即象素位置A1、A2、B1和B2处的象素元件34的各个列信号线48，具有基于这些象素位置处的相应光探测器36上产生的电压的信号值。
读出块26(见图2)中的多路复用器(未示出)接收模拟读出信号，并选择用来输出第一行宏块20B的象素信号的列信号线48。此多路复用器选择用来输出第一行宏块20B亦即位置B1和B2的象素信号的列信号线48。此多路复用器不选择用来从第一行宏块20A输出象素信号的象素位置A1和A2的列信号线48。
如线64和76所示，示为ROW RESET1和COLUMN RESET2的信号，分别在时间t7从低电平跃迁到高电平。信号ROW RESET1被界面块22(见图2)馈送到宏块20A和20B中的第一行(见图4)，而二个信号COLUMN RESET2被界面块22(见图2)馈送到宏块20B中第一行的象素位置B1和B2。信号ROW RESET1和COLUMNRESET2引起第一行宏块20B中的象素元件34的节点43处的电压复位(见图3)。即使第一行宏块20A中的象素元件34接收信号ROWRESET1，宏块20A的象素位置A1和A2处也不激活信号COLUMNRESET2，因而，这些位置处的象素元件34不被复位。
读出块26中的多路复用器(图2)接收位于第一行宏块20B中的选定象素元件34的列信号线48上的复位数值。选定的象素元件34的第一与第二数值之间的电压差，提供在光传感器20的这些选定位置处读取的图象部分的读出值。
如线72所示，示为ROW SELECT2的信号，在时间t8从低电平跃迁到高电平。信号ROW SELECT2被界面块22(见图2)馈送到宏块20A和20B中的第二行(见图4)，并引起列信号线48根据相应节点43处的电压而改变电压值(见图3)。第二行中的象素元件34的，亦即位置A3、A4、B3和B4处的象素元件34的各个列信号线48(图4)，具有基于相应象素位置处的光探测器36上产生的电压的信号值。
读出块26(图2)中的多路复用器(未示出)接收模拟读出信号，并选择用来从位于第二行宏块20B中的象素元件34输出象素信号的列信号线48。于是，此多路复用器选择用来输出第二行宏块20B的象素信号，亦即来自位置B3和B4处的象素元件34的数据的列信号线48。此多路复用器不选择用来输出第二行宏块20A的象素信号，亦即来自象素位置A3和A4处的象素元件34的数据的列信号线48。
如线74和76所示，示为ROW RESET2和COLUMN RESET2的信号，分别在时间t9从低电平跃迁到高电平。信号ROW RESET2和二个信号COLUMN RESET2被界面块22(见图2)馈送到宏块20A和20B中的第二行(见图4)，并引起第二行宏块20A中的象素元件34的节点43处的电压的复位条件(见图3)。即使第二行宏块20B中的象素元件34接收信号ROW RESET2，也不激活二个信号COLUMNRESET2，因而，象素元件34不被复位。象素信号已经从宏块20B中的象素元件34被读出，而不毁灭性地破坏未被读出的其它象素元件34中含有的数据。
至此，应该承认本发明提供了一种从光传感器中的光探测器组读取象素数据的电路和方法。这种组合可以包含单个象素元件或选定的象素元件区域，并可以按“随机存取”的方式进行读取而不毁灭性地破坏当前图象帧中其它象素位置处的象素电压信息。当光传感器被分隔成称为宏块的物理区域时，本发明具有“随机存取”X-Y地址的能力。宏块边界可以开始和终止于任何象素位置处，这使得能够实现根据宏块读出要求而实时“浮置”ROI窗口、全景拍摄和变焦的功能。对从光传感器读出的宏块数据进行了组织，以便进行数据压缩和传输。

Claims (9)

1.一种成象器件(18)，其特征是：
包括多个对投射在光传感器阵列上的光敏感的象素元件(20A)的光传感器阵列(20)，其中位于第一行象素元件中的第一象素元件(A1)，具有用来在接收到第一行选择信号(ROW SELECT)时提供第一象素信号的第一数值以及在接收到第一列复位信号(COLUMNRESET)时提供第一象素信号的第二数值的输出(48)。
2.权利要求1的成象器件，还包括位于第一行象素元件中的第二象素元件(A2)，具有用来在接收到第一行选择信号(ROW SELECT)时提供第二象素信号的第一数值以及在接收到第二列复位信号时提供第二象素信号的第二数值的输出。
3.权利要求2的成象器件，还包括延伸到位于第一列象素元件中的第一象素元件的用来接收第一列复位信号的第一导体(50)以及延伸到位于第二列象素元件中的第二象素元件的用来接收第二列复位信号的第二导体。
4.权利要求2的成象器件，其中的第一列复位信号(COLUMNRESET)独立于第二列复位信号。
5.一种对存储在光传感器阵列(20)的多个象素元件中的部分图象进行读取的方法，其特征是下列步骤：
选定第一行选择信号(ROW SELECT)，以便读取存储在第一象素元件(A1)中的第一象素信号(48)的第一数值；以及
选定第一列复位信号(COLUMN RESET)，以便读取第一象素信号(48)的第二数值。
6.权利要求5的方法，还包括下列步骤：
选定第一行选择信号(ROW SELECT)，以便读取存储在第二象素元件(A2)中的第二象素信号的第一数值；以及
选定第二列复位信号，以便读取第二象素信号的第二数值。
7.权利要求6的方法，还包括将选定第二列复位信号的步骤延迟到直至选定第一列复位信号的步骤之后的步骤。
8.一种对存储在集成电路中的光传感器阵列的多个象素元件中的部分图象进行读取的方法，其特征是下列步骤：
提供第一行象素元件(20A)中的第一和第二象素元件(A1，A2)；
读取第一象素元件的第一象素信号(48)的第一数值；以及
对第一象素信号进行复位，而不对第二象素元件的第二象素信号进行复位。
9.权利要求8的方法，还包括下列步骤：
读取第二象素元件(A2)的第二象素信号的第一数值；
对第二象素元件的第二象素信号进行复位；
在对第二象素信号进行复位之后，读取第二象素元件的第二象素信号的第二数值；
读取第二象素元件的第二象素信号的第一与第二数值之间的第二差值；以及
基于此第二差值，产生存储在第二象素元件中的部分图象的成象数据。
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