CN1344427A - 图象传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种图象传感器,包括一半导体载体(基片1),尤其是按CMOS设计的,其上为一象素结构,每个象素被赋予一光敏检测器(4);以光电方式将检测到的光信号转换成电信号的装置;以及一存储该电信号的电存储装置(3),还提供一存储控制装置装置(2)而将与每象素有关的电信号以受控方式存储并将它们读出。按照本发明,开发一种图象传感器以更有效地利用芯片面积及允许该传感器用于高速摄影机的问题是这样解决的:设计存储控制装置(2),以使按单个象素顺序记录的光电转换信号可以存储在不同的存储装置(3)中,并且它们可以在给定时间内从存储装置读出。
Description
本发明涉及一种图象传感器，包括一半导体载体(基片)，特别是一种使用CMOS工艺构成的载体，在其上建立一图象元素的排列。每个图象元素(象素)被赋予一光敏检测器；将检测到的光信号光电转换成电信号的装置；以及储存这些电信号的电存储装置。提供一种存储控制装置装置来，以受控的方式存储和每一象素相关的电信号并把它们读出。
上面所引用类型的已有技术的装置是在WO98/19455，即PCT/EP97/05978中的。这是一种光学图象传感器，例如用在摄象机中的那种，其中每一象素能根据入射的光记录下每个画面序列中的全部彩色信息并可用电子形式提供该信息。以矩阵形式组成的传感器结构的每个象素中有若干信息储存器，以便同时将不同颜色的信息实施缓存。此外，传感器含有可控的检测器元件，它们的光谱灵敏度是可以变化的。
存在着不同设计的、采用CCD图象传感器形式的现有技术的图象传感器，例如，1999年6月10-12日在日本长野Karuizawa召开的1999IEEE的电荷耦合器件和先进图象传感器专题会议论文集99-102页的“用于超快速图象拍摄的CCD-CMOS图象传感器”。
在1999年6月10-12日日本长野Karuizawa，Nagano召开的1999IEEE电荷耦合器件和先进图象传感器专题会议论文集84-87页上的“一种带有存储器的无源光电二极管象素”中，可找到另一种现有技术的图象传感器结构，它通过建议一种以独立的电容器形式的电荷存储器而开发了一种常规的无源光传感器。
存在着用于数字摄影机的现有技术的光电传感器装置，它们设计成三芯片的形式：一片图象传感器、一片存储器和指定的存储控制装置装置(控制器)。这一解决方案因此而有三片独立的芯片。
在用于数字摄影机传感器装置的另一种变异中，存储器结构是在同一芯片上的，其相应的存储控制装置是在传感器表面之外的。
当它们用于数字摄影机时，已有技术的装置所测到的值(由传感器纪录并转化成电信号)在每一图象被拍摄后必须直接读出，通常用像JPEG这样的现有技术作压缩处理，测到的值则存放在外部存储装置中。传感器只有在这些步骤完成之后才能准备好拍下一个画面。
因此，常规传感器的一个缺点是，由于读出过程需要传递时间而不可能拍到特别快速的画面序列。如果存储器和图象传感器两者都在一个芯片上，则存储器要占用整个芯片表面的一大部分。
由于这些事实，本发明是基于这样一个问题，即开发在一开始提出的这种类型的图象传感器，以使芯片的面积能更有效地使用，并使图象传感器能用于高速摄影机。
按照本发明这一问题是通过这样设计该存储控制装置装置而解决的，使以单一象素顺序记录的光电转换过的信号可被存储在不同的存储装置中，而且它们可以在一给定的时间从存储装置中读出。
本发明的特色在于该图象传感器装置允许若干画面像“电子胶卷”一样被顺序拍摄而不需要在它们之间读出图象信息。指定给每个象素的若干存储装置(由存储控制装置器控制)允许顺序的画面保存在相应的存储装置中。在“胶卷”上拍摄了全部画面后，然后就可以将相应的存储值快速地读出并独立于画面的拍摄过程而再现。存储的长度仅取决于该信息的实际上的短暂性质。不然的话读出时间可以由用户自由选择。例如，36个黑白画面或24个彩色画面(取决于使用的黑白或彩色检测器)可以被存储。这允许用高速摄影机以极快的顺序拍摄画面。
按照本发明的解决方案的另一优点是传感器表面可以更加有效地利用，因为不需要在图象传感器的表面上为存储器而有外加或独立分开的空间。该存储装置在检测器中是按象素位置安排的，因为个别的存储单元是直接在检测器之上或其旁或是在其内的。按照本发明的安排将把检测器和存储器矩阵在象素的级别上联合起来。
本发明的优选实施例可在附属权利要求中找到：
由单晶硅或非晶硅制成的光检测器可以用作为检测器装置，它们也能够由III-V合金、II-VI合金，或有机或任何其它检测器器件制成以便把光转换成电信号。所用的传感器可以是对可见光、紫外光、红外光、X射线或其它任何可以转换成电信号的射线敏感的。
这种装置的一个有利的发展允许存储多个彩色画面，例如通过采用像在彩色CCD技术中的常规的彩色滤波器阵列，或者使用如在PCT/EP/97/05978中的现有技术中所描述的多频谱二极管(multispectral diode)。
该存储装置能够保存以模拟或数字形式表示的电信号，或者也可以保存例如多级数字技术(multilevel digital technology)中的混合形式的电信号，在该技术中若干数字比特被以经过幅度离散的模拟信号表示。为了保存用数字表示的信号，每一象素含有一模数转换器件，例如单斜率、双斜率、循环流水线或∑-ΔA/D转换器。
该装置的另一个有利的发展使用了可逆的A/D转换器，它并不把电信号的强度直接数字化，而是测量信号到达某一特定效果所需要的时间，即(举例来说)与照度成正比的光束流为使电容器重新充电到一特定的电压差所需要的时间。
不论是模拟还是数字的，存储装置都可以是侧向相邻或垂直地集成的，或者两种集成的方式都可以使用。垂直集成也叫做3D集成，它使用第三维来在给定的表面上增加电气元件的可达到的数量和密度。
在另一个有利的实施例中，其中的存储装置是垂直集成的，在同一个垂直平面中有其它的电气上有源的部件，例如用来存储或从存储装置中读出信息所需的晶体管。
存储装置可以设计成电容器或设计成EPROM、EEPROM或DRAM单元而不管需要存储的是模拟的还是数字的信号。数字信号也可以存储在SRAM单元中。也可以使用磁的、光的、有机的、生物的或任何其它的存储单元。如果使用电容器，那么槽形的或平面的电容器是当前技术中有利的设计。
本发明将利用附图和示范性实施例在下面作进一步解释。所示的是：
图1是按照本发明的图象传感器装置的第一示范性实施例。
图2是按照本发明的图象传感器装置的第二示范性实施例。
图3是按照本发明的图象传感器装置的第三示范性实施例。
图4是为弄清按照本发明的图象传感器的工作而用的线路图。
图1表示一种图象传感器装置，它是本发明的第一示范性实施例的主体。该结构包括一个基片1，用作为载体，它是常规的CMOS设计。集成在基片1表面上的是电子线路装置2，它用来控制下面要说明的电子存储线路。在基片1的表面沉积了一个存储层5，而在它的表面上则安放着检测器层4。检测器层4的底侧经由通孔(hole)6而连接到电子控制装置2。在存储器层面5上有若干独立的电存储装置3，它们通过另外的通孔10也接到控制装置2。若干个这种存储装置C1、C2、CN都设计成平板电容器。
图1中的图表明在两条垂直线之间的单独一个象素的界限，就是说，所形成的距离确切地相应于一个象素。按照本发明的装置的运行如下所示：要拍摄的画面从上面投射到检测器层4，对应于所观察的象素的图象信息被光电转换并作为电气信息被读入到第一存储器C1中。读入过程是由起着存储控制装置作用的象素电子线路2控制的，当拍摄下一画面时，存储控制装置2使得投射在象素上的图象信息(转换成为电信号)被读入到第二存储装置C2，依此类推，直到所有存储装置C1-CM都被填满为止，它们的号数就表示可以拍摄的最大画面数。
在各画面被拍摄后，各个存储值C1，C2，CN从存储单元中被读出开送到另外的存储器中(未示出)，图象信息从那里实施进一步的处理，尤其是把整体的画面组合起来，这特殊的优点在于图象信息是逐个图象均匀地存储的，各个画面可以在以后由它们重新组合。由于在各个画面被拍摄后没有直接地相应的读出过程，因此可以得到迄今为止从未听到过的快速拍摄速度。
总之，在图象传感器的表面上各象素的相应安排以及存储控制装置的组织起到了“电子胶卷”的作用。
在图2中的本发明的第二示范实施例与图1中的图的不同之处在于检测器4在分层系统中是直接在基片1的上面，并且它经由通孔层6连接到起着存储控制装置单元作用的象素电子电路2上。指定给由垂直线分界的各个象素的多个存储器元件3是和象素控制2同样安排在同一水平表面上的。
图3的第三示范实施例的特征在于CMOS基片1上具有存储控制装置电子电路2和多个存储器元件3以及检测器装置4，它们都在同一个水平平面上。检测器装置4设计成为光敏二极管。在这一安排中，如图1和图2中的通孔可被省去。
检测器层4也可以替换地设计成简单的光电二极管也可以设计成带彩色滤波器阵列的光电二极管，也可以设计成多频谱的二极管，就像在WO98/19455中对其现有技术所作的进一步说明那样。
图4表示一示范的电子线路，它用于控制示范实施例1-3之一中的图象传感器。检测器提供的光束流由变换器M4、M5/电容器C1的组合转换成与光束流成正比的电压(见WO98/19455即PCT/EP97/05978)。同时，变换器在检测器阴极K上提供一个恒定的电位。
积分时间在启动“int”和释放“reset”信号之后开始，而且画面信息是作为电压值被存储在由Pic0…Pic3选择并连接到Cp0…Cp3上的各象素之一中的。拍摄的画面由释放“int”而结束。在一个短暂的复位时段之后，可以选择另一个存储器以拍摄另一个画面而不需要读出前一个画面。在填满所有存储器之后(在本例中4个存储元件相当于端Cp0…CP3)，使用驱动级M10来启动“read-int”，存储的画面可以通过启动相应的控制信号Pic0…Pic3而相继读出。
Claims (23)
1.一种图象传感器，包括一半导体载体(基片1)，尤其是按CMOS设计的，其上设置有排列的象素，每个象素被赋予一光敏检测器(4)，以便将检测到的光信号光电转换成电信号，还包括存储该电信号用的电存储装置(3)，通过提供一存储控制装置(2)而将与每个象素相关的电信号以受控的方式存储起来并将它们读出，其特征在于该存储控制装置(2)是这样设计的，使得按单个象素顺序记录的经光电转换的信号可被存储在不同的存储装置(3)中，而且它们可以在给定的时间从存储装置(3)中读出。
2.按照权利要求1的图象传感器，其特征在于该图象传感器具有象素的线性排列。
3.按照权利要求1的图象的传感器，其特征在于该图象传感器具有象素的扁平排列。
4.按照权利要求1的图象传感器，其特征在于该检测器(4)是一光电二极管，尤其是由单晶或非晶硅制成的光电二极管。
5.按照权利要求1的图象传感器，其特征在于该检测器(4)是由III-V合金或II-IV合金制成的光检测器。
6.按照权利要求1的图象传感器，其特征在于该检测器(4)具有一彩色滤波器阵列。
7.按照权利要求1的图象传感器，其特征在于该检测器(4)是一多频谱二极管，它具有下列序列的各层：
(a)一P型的a-Si：H层，
(b)一本征的a-Si：H层，其包括具有更多μ-τ成分的第一分层，具有比第一分层较少μ-τ成分的第二分层，和具有比第一和第二分层更少μ-τ成分的第三层。
(c)一n型的a-Si：H层。
8.按照权利要求1的图象传感器，其特征在于该检测器(4)是一光敏MOS电容器，尤其是一MOS变容二极管。
9.按照权利要求1的图象传感器，其特征在于该存储器(3)是一模拟存储器。
10.按照权利要求9的图象传感器，其特征在于该存储器(3)是一电容器。
11.按照权利要求10的图象传感器，其特征在于该存储器(3)是一MOS电容器。
12.按照权利要求11的图象传感器，其特征在于该电容器是一平板电容器，它的平板包括多晶硅。
13.按照权利要求11的图象传感器，其特征在于该电容器是设计作为DRAM电容器的。
14.按照权利要求11的图象传感器，其特征在于该存储器是一非易失性存储器，尤其是EPROM、EEPROM、FRAM，即铁电RAM，或闪存储元件。
15.按照权利要求1的图象传感器，其特征在于存储器是一数字型存储器，它被赋予一模数转换器。
16.按照前述权利要求之一的图象传感器，其特征在于该存储器(3)是使用多级别数字方式工作的，其中多个数字比特是用经幅值离散的模拟信号表示的。
17.按照权利要求16的图象传感器。其特征在于该存储器(3)被赋予一可逆模数转换器，它测量与照度成正比的光束流将电容器重新充电到特定电压差所需要的时间。
18.按照权利要求1的图象传感器，其特征在于至少两个存储器(3)是侧向相邻的。
19.按照权利要求1的图象传感器，其特征在于至少两个存储器(3)是垂直集成的。
20.按照权利要求16的图象传感器，其特征在于该存储器(3)被设计成SRAM单元。
21.按照权利要求1的图象传感器，其特征在于该存储器(3)被设计成磁、光、有机或生物的存储单元。
22.按照前述权利要求之一的图象传感器，其特征在于该存储控制装置(2)是在设计成CMOS基片的载体(1)的表面之上的。
23.按照权利要求23的图象传感器，其特征在于该电存储器(3)是在载体(1)和检测器(4)之间的一层上，而存储器(3)和存储控制装置(2)之间的连接是由孔(6)提供的。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| REG | Reference to a national code |
Ref country code: HK Ref legal event code: WD Ref document number: 1046190 Country of ref document: HK |