CN1591893A - 具有高速子取样的cmos图像传感器 - Google Patents

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Abstract

一种对来自具有一个像素阵列的图像传感器进行子取样的方法。该像素阵列具有多和列，每一列具有一个列读取电路。该方法包括，对由多个相邻的列读取电路输出的信号求平均并且将该平均信号输出给一个输出总线。

Description

具有高速子取样的CMOS图像传感器
技术领域
本发明涉及CMOS图像传感器，并且具体而言，涉及一种图像传感器，该图像传感器能够利用模拟子取样和求平均来提供高帧频的降低了分辨率的图像。
背景技术
图像传感器用于产生表现物体的图像。这样的图像传感器包括行和列像素。这些像素产生与所要成像的物体反射的光成比例的小的摄影信号。这种摄影信号由信号处理电路读取并进行处理，以产生表现该物体的图像。
属于同一列(也称为位线)的像素通常连接在一个公共输出节点上，信号是从该节点上读取的。在同一位线上的每个像素是单独进行控制而在公共输出节点上进行读取的。在该输出节点，设置了一个列读取电路来读取并放大所述摄影信号。典型地，一个列读出电路是与像素阵列的一列相关联的。
对于图像传感器而言，通常倾向于通过增加像素数量来增加图像传感器的分辨率。例如，CMOS图像传感器已经从几十万像素发展到了目前的三百一十万像素以上。虽然为了拍摄到更加逼真的图像，一般而言希望具有高的分辨率，但是也存在期望不使用图像传感器的最大分辨率的情况。例如，在图像传感器用于具有“预览模式”的数字静态照相机或摄像机的情况下，所预览的图像一般都处于很低的分辨率下。
以前，用于提供较低分辨率的预览图像的方法是在模拟域中已经读取了最大分辨率图像之后使用信号处理。对像素块或组进行简单的求平均，以降低分辨率。这种方法能带来很好的图像品质，不过存在速度相对较低的缺陷。另一种方法提供了高速成像，但是图像品质相对较差。在由Aizawa等人所有的美国专利第6486912号中给出了这种解决方法的实例。
发明内容
为改进现有技术的不足，本发明提供一种一种图像传感器，所述图像传感器包括：排列为具有多个列的像素阵列的多个像素，每一列具有一个列读取电路；和多个选择性地启动的信号平均器，每个所述选择性地启动的信号平均器与多个相邻的列读取电路相关联，当所述信号平均器启动时，该信号平均器进行这样的工作：对由所述多个相邻的列读取电路输出的信号求平均，并将一个平均信号提供给一个输出总线。
此外，本发明还提供一种从图像传感器读取信号的方法，该图像传感器具有一个像素阵列，该像素阵列具有多个列，每一列具有一个列读取电路，该方法包括：对由多个列读取电路输出的信号求平均，所述多个列读取电路是相互相邻的；将该平均信号输出到一个输出总线。
最后本发明还提供一种双分辨率图像传感器，该图像传感器能够以一种高分辨率模式和一种低分辨率模式进行工作，该图像传感器包括：多个像素，这些像素排布为一个具有多个列的像素阵列，每一列具有一个列读取电路；和多个选择性地启动的信号平均器，每个所述选择性地启动的信号平均器与多个相邻的列读取电路相关联，当所述信号平均器启动时，该信号平均器进行这样的工作：对由所述多个相邻的列读取电路输出的模拟域中的信号求平均，并将一个平均信号提供给一个输出总线；和一个开关系统，该开关系统进行这样的操作：(a)在第一种设置状态下，选择性地绕过所述信号平均器，使得所述多个列读取电路的输出信号直接到达所述输出总线，和(b)在第二种设置状态下，将所述列读取电路的输出提供给与其相关联的信号平均器，以在它们输出到所述输出总线之前，对它们求平均。
附图说明
通过参考下面的详细说明，同时结合附图，本发明的前述的方面和许多相应的优点将会变得更加易懂，同样也会有更好的理解，其中：
附图1是依照本发明形成的图像传感器的示意图。
附图2是可由本发明利用的列读取和求平均电路的一种实现方式。
具体实施方式
在下面的说明中，给出了许多具体的细节，例如各种系统元件的说明，以实现对本发明的实施例的充分理解。不过，本领域的技术人员将会知道，不需要这些具体细节中的一个或多个，或者使用其它的方法、元件、材料等等，也能够实现本发明。在另外一些情形下，为了避免使本发明的各个实施例的着眼点模糊不清，没有示出或详细介绍公知的结构、材料或操作过程。
本说明书通篇引用的“一个实施例”或“一实施例”的意思是，针对该实施例所介绍的特定的特征、结构或特点是包含在本发明的至少一个实施例中的。因此，在本实施例通篇各种不同地方出现的词句“在一个实施例中”或“在一实施例中”并不全都指的是同一个实施例。而且，特定的特征、结构和特定可以以任何适当的方式结合在一个或多个实施例中。
CMOS图像传感器包含一个由列和行组成的像素阵列。这样，我们来看附图1，图像传感器101包含一个由二维像素105的阵列组成的像素阵列103。这些像素105，例如，可以是主动像素，在每个像素105中都包含放大功能。
主动像素105的结构是现有的。在工作中，这些像素105提供光信号输出，该信号表示照射在该像素上的光的总量。
在像素阵列103的底部有多个列读取电路207。注意，为了方便，将这些列读取电路207表示在了附图1的底部，而实际上，可以将这些列读取电路207放在与该像素阵列103相关的集成电路上的几乎任何位置上。
附图1以示意图的方式表示本发明的方法和设备是如何以一种具体的实施方式实现的。应当能够意识到，也可以采用其它的实施方式，而不会超出本发明的思想和范围。如附图1所示，在同一图像传感器101的集成电路模块中结合了多个信号平均器209。每个信号平均器209可完成这样的工作：对输入给该平均器的信号进行求平均，并提供该平均值作为平均输出信号。
在这一处理过程中，输入信号是由列读取电路207输出的那些信号。一般来说，这些信号平均器209对来自像素阵列13相连且相邻的列的信号求平均。在附图1中，信号平均器209对由两个相邻的列读出电路207输出的信号进行求平均。不过，可以想见，也可以由三个或更多的列读出电路207向一个单独的信号平均器209输入信号。在下面更加详细的介绍中将会看出，大量的列将它们的信号输入给一个信号平均器209将会得到更大的子取样，即，更大的压缩。
这些信号平均器209可以完成这样的操作：从列读取电路207接收信号并给出一个输出信号，其中该输出信号是从这些列读出电路207输出的信号的平均值。这里使用的术语“求平均”的含义是，不仅指算术平均，而且还指由于输入给信号平均器209的信号的合成结果而形成的任何值。例如，术语“求平均”可以是对信号的简单求和、可以是输入信号的某种加权函数或者是其它输入信号的合成方式，以供输出。这样，之所以选择“求平均”来描述信号平均器209，是因为在本发明的一个具体实施例中，信号平均器209采用了算术平均。不过，术语“求平均”实际上包含了任何种类的输出，该输出取决于或相关于由列读取电路207提供的并作为信号平均器209的输入的信号。
图像传感器101能够以两种可选模式工作。在第一种模式(称为“高分辨率”模式)下，对图像传感器101的所有单个的像素105进行单独读取。当需要高分辨率图像时，例如，当拍摄数字静态图像时，使用该“高分辨率”模式。在高分辨率模式下，图像传感器101按照现有技术工作，并且信号平均器209不工作。
具体而言，参照附图1，使用一个由多个开关S1组成的开关系统来将这些信号平均器209与一个输出总线210和输出缓冲器211连接或断开。附图1中所示的该开关系统S1是一种有利于使如何能够将平均器209接入和断开概念化的实施方式。不过，能够想见，实际的实现方式可以具有不同的开关安排方式，如后面将会见到的那样。
开关系统S1包括开关S1，在高分辨率模式下时，这些开关S1将来自列读取电路207的信号传送给输出总线207。不过，当图像传感器101处于第二种“低分辨率”模式(也称为子取样模式)下时，这些开关S1得以启动，以致列读出电路207将它们的信号提供给信号平均器209。此外，这些信号平均器209的输出得以提供给输出总线210。通过将来自两个或多个列读出电路207的信号提供给一个信号平均器209，由像素阵列103输出的数据量减小了2倍或更多倍。这一数据的减少将会降低图像所需的存储量，并且还提高了读取像素阵列103的速度。而且，通过进行信号平均，使得图像传感器101的灵敏度得到了提高。通过使用信号平均器209和开关系统S1，每次同时读取两列，这能够大大提高读取每帧的速度。
附图2表示与一个简单的信号平均器209组合在一起的列读出电路207的一种实现方式。在这个具体的实现方式中，将信号平均器209和列读取电路207组合成一个单一的子取样电路303。如附图2所示，来自两个列位线(由Col1和Col2标示)得以输入到该子取样电路303中。来自Col 1的信号提供给了一个参考电容CapR1和一个信号电容Cap1。该信号是通过开关R1和C1供给的。如本领域所熟知的，在该参考电容R1上首先采集到一个参考信号，然后在信号电容Cap1上采集到一个光信号。为Col 2位线形成了一个相同的结构。
在高分辨率模式下，开关S1是断开的，从而子取样电路303给出结果是在CapR1和CapR2上采集到了一个参考信号，而在其它电容上采集到了一个光信号。然后这些信号通过一个相关的双取样电路(CDS)301发送出去，该CDS 301从在像素105上采集到的光信号中减去所述参考信号。然后由Sel1和Sel2将这一结果输出到输出总线210上，用于像素输出。
然而，在低分辨率模式下，在CapC和CapR进行了存储之后开关S1闭合，使得CapR1和CapR2当作一个单一的电容使用。类似地，Cap1和Cap2也当作一个单一的电容使用。另外，信号将进行CDS并由Sel1或Sel2输出。
同样，来自Col1和Col2的光信号于是也存储到了Cap1和Cap2的组合体上。这样，来自Col1和Col2的信号得到了平均，并存储到了Cap1和Cap2上。然后将这些参考信号和光信号提供给所述相关双取样电路301，从而一个最终的子取样信号输出给了输出总线210，该子取样信号是两个像素的平均信号。
能够想见，也可以采用信号平均的其它实现方式，同时仍然保持在本发明的范围之内。附图2只是如何能够在模拟域中实现信号平均的一种实例。照此，信号平均辩护时在数字信号处理过程中完成的，而是在图像传感器的读取部分完成的。这提供了高速读取并且不会增加子取样所要求的计算能力量。
虽然附图1的例子是针对具有八个像素(即，列)的行给出的，但是能够想见，能够将本发明的思路和工作原理推广到更多样的组合结构中去。
例如，附图1中所示的子取样以系数二对列数进行了“压缩”，这是由于在读出之前由信号平均器209对两个列读取电路207进行了平均，但是通过本发明的教导，几乎任意数量的像素分辨率的降低都能够得以实现。例如，可以每3(甚至更多)个列读取电路207有一个信号平均器209。这一更高的压缩量应当更适合于非常高分辨率的像素阵列。
此外，应当注意的是，本发明的平均提高了图像传感器101的灵敏度。这样，本发明就提供了具有高灵敏度和高帧频的图像传感器的选择能力。即使在兆像素图像传感器的情况下，本发明的模拟子取样/平均也能够提供很高的帧频。例如，假设时钟频率为23MHz，一个1.3兆像素图像传感器可以具有约每秒15帧的有效帧频。同样，一个3.0兆像素图像传感器可以具有每秒6.5帧的有效帧频。这些估算都假设对图像传感器的所有像素都进行读取，即，最高分辨率读取。
不过，使用这里所公开的子取样，如果使用两列平均(如附图1所示)的话，所述1.3兆像素图像传感器每秒能够轻松地产生30帧。同样，如果使用两列平均并且使用两行水平平均(在输出缓冲器211处)，则所述3.0兆像素的帧频能够提高四倍，达到每秒26帧。这种形式的取样能够提供足够的动态视频品质，而仍然使用一个也能够用于数字静态照相机的高分辨率图像传感器。
虽然已经对本发明的优选实施例进行了解释和说明，但是可以预见到，可以对其进行各种改变，而不会超出本发明的思想和范围。因此，本领域的普通技术人员在读完了前面的说明书之后，将能够实现各种改变、改造和等价物的替换，而不会超出所公开的广义原理。因此期望对此授权的专利证书的范围仅仅受到包含在所附的权利要求书中的定义及其等价内容的限制，而不由这里所介绍的实施例加以限定。

Claims (24)

1.一种图像传感器，其特征在于：所述图像传感器包括：
排列为具有多个列的像素阵列的多个像素，每一列具有一个列读取电路；和
多个选择性地启动的信号平均器，每个所述选择性地启动的信号平均器与多个相邻的列读取电路相关联，当所述信号平均器启动时，该信号平均器进行这样的工作：对由所述多个相邻的列读取电路输出的信号求平均，并将一个平均信号提供给一个输出总线。
2.按照权利要求1所述的图像传感器，其特征在于：所述像素是主动像素。
3.按照权利要求1所述的图像传感器，其特征在于：所述信号平均器对来自多个与其相邻的列读取电路的信号在模拟域中求平均。
4.按照权利要求1所述的图像传感器，其特征在于：所述列读取电路是相关双取样读取电路。
5.按照权利要求1所述的图像传感器，其特征在于：所述图像传感器还包括一个与所述输出总线相连接的输出缓冲器。
6.按照权利要求5所述的图像传感器，其特征在于：所述输出缓冲器执行对两条水平信号线进行存储的操作。
7.按照权利要求6所述的图像传感器，其特征在于：所述输出缓冲器对所述两条水平信号线的信号进行求平均。
8.按照权利要求1所述的图像传感器，其特征在于：所述信号平均器包括电容，这些电容能够得以短接在一起，以形成一个从所述列读取电路接收信号的单一的电容。
9.按照权利要求1所述的图像传感器，其特征在于：所述图像传感器还包括一个开关系统，该开关系统进行这样的操作：
(a)在第一种设置状态下，选择性地绕过所述信号平均器，使得所述多个列读取电路的输出信号直接到达所述输出总线；和
(b)在第二种设置状态下，将所述列读取电路的输出提供给与其相关联的信号平均器，以在它们输出到所述输出总线之前，对它们求平均。
10.一种从图像传感器读取信号的方法，该图像传感器具有一个像素阵列，该像素阵列具有多个列，每一列具有一个列读取电路，其特征在于：该方法包括：
对由多个列读取电路输出的信号求平均，所述多个列读取电路是相互相邻的；
将该平均信号输出到一个输出总线。
11.按照权利要求10所述的方法，其特征在于：所述像素是主动像素。
12.按照权利要求10所述的方法，其特征在于：所述求平均是在模拟域中进行的。
13.按照权利要求10所述的方法，其特征在于：所述列读取电路是相关双取样读取电路。
14.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法还包括将所述输出总线上平均信号缓存在一个输出缓冲器中。
15.按照权利要求14所述的方法，其特征在于：所述方法还包括使用所述输出缓冲器对两条水平信号线进行存储。
16.按照权利要求15所述的方法，其特征在于：所述方法还包括对所述两条水平信号线的信号求平均。
17.按照权利要求12所述的方法，其特征在于：所述求平均是通过对来自所述多个列读取电路的信号进行相加而进行的。
18.按照权利要求10所述的方法，其特征在于：所述方法还包括开关的选择，为：
(a)第一种设置，放弃对由多个列读取电路输出的信号求平均，使得所述多个列读取电路直接将信号输出到所述输出总线上；和
(b)第二种设置，在来自列读取电路的信号输出到所述输出总线之前，对它们进行求平均。
19.一种双分辨率图像传感器，该图像传感器能够以一种高分辨率模式和一种低分辨率模式进行工作，其特征在于：该图像传感器包括：
多个像素，这些像素排布为一个具有多个列的像素阵列，每一列具有一个列读取电路；和
多个选择性地启动的信号平均器，每个所述选择性地启动的信号平均器与多个相邻的列读取电路相关联，当所述信号平均器启动时，该信号平均器进行这样的工作：对由所述多个相邻的列读取电路输出的模拟域中的信号求平均，并将一个平均信号提供给一个输出总线；和
一个开关系统，该开关系统进行这样的操作：(a)在第一种设置状态下，选择性地绕过所述信号平均器，使得所述多个列读取电路的输出信号直接到达所述输出总线，和(b)在第二种设置状态下，将所述列读取电路的输出提供给与其相关联的信号平均器，以在它们输出到所述输出总线之前，对它们求平均。
20.按照权利要求19所述的图像传感器，其特征在于：所述列读取电路是相关双取样读取电路。
21.按照权利要求19所述的图像传感器，其特征在于：所述图像传感器还包括一个连接在所述输出总线上的输出缓冲器。
22.按照权利要求21所述的图像传感器，其特征在于：所述输出缓存器执行对两条水平信号线进行存储的操作。
23.按照权利要求22所述的图像传感器，其特征在于：所述输出缓冲器对所述两条水平信号线的信号进行求平均。
24.按照权利要求19所述的图像传感器，其特征在于：所述信号平均器包括电容，这些电容能够得以短接在一起，以形成一个接收来自所述列读取电路的信号的单一的电容。
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