CN1717940B - 固态成像装置及其信号读取方法 - Google Patents

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Abstract

在使用多条水平信号线来发布像素信号以便实现高速操作的配置中，消除了在图像信号中出现的色差和波纹。示出了正在读出第2n行像素信号，并且，将奇数列的R像素从水平信号线(60A)输出到输出系统(A)。同时，将偶数列的Gr像素从水平信号线(60B)输出到输出系统(B)。还示出了正在读出第2n+1行像素信号，并且通过切换电路部分(50)的切换操作而将奇数列的Gb像素从水平信号线(60B)输出到输出系统(B)。类似地，通过切换电路部分(50)的切换操作而将偶数列的B像素从水平信号线(60A)输出到输出系统(A)。

Description

固态成像装置及其信号读取方法
技术领域
本发明涉及一种例如输出彩色图像的CMOS传感器的固态成像装置，以及一种用于从该装置读取信号的方法。
背景技术
通常，CMOS传感器为包括具有像素的二维像素阵列的固态成像装置。每个像素包括：光电换能器，用于响应于入射光束而生成信号电荷；以及像素晶体管，用于将信号电荷转换为电信号，并用于输出此电信号。该CMOS传感器通过对应于各列像素而提供的多条垂直信号线来读取各个像素信号，并处理所读取的像素信号，以通过水平信号线而将处理后的信号输出到输出单元。
该CMOS传感器可通过有选择地扫描像素和信号处理电路，而随机访问各个像素。
在像素阵列上提供具有预定阵列模式的滤色器，以将传感器上的入射光束转换为具有相应颜色的光束分量。这些光束分量进入相应像素，并捕获彩色图像。
公知的CMOS传感器具有比CCD传感器更高的读取速率，但仅具有一条水平信号线。此结构限制了公知的CMOS传感器的读取速率的进一步增加。
为了解决此问题，已作出了通过增加水平信号线的数目来实现更高的读取速率的尝试。
图5A和5B为图解利用像素阵列中的特定颜色配置和两条水平信号线的信号输出操作的示意图。在此示例中，将两条水平信号线专门分配给像素阵列的各个像素列。
如图所示，像素阵列1中的颜色配置可替换地包括RGr行(第2n行)和GbB行(第2n+1行)。每个RGr行交替地包括红(R)像素和绿(Gb)像素，而每个GbB行交替地包括绿(Gb)像素和蓝(B)像素。在图中，星号(*)指明要读取的行，并且从顶端到底端依次选择所述行。
在图5A中，选择了第2n像素行，将R像素信号通过水平信号线2A而输出到输出系统A，而将Gr像素信号通过水平信号线2B而输出到输出系统B。
在图5A中，选择了第2n+1像素行，将Gb像素信号通过水平信号线2A而输出到输出系统A，而将B像素信号通过水平信号线2B而输出到输出系统B。
然而，在上述用于读取像素信号的公知方法中，如图5A和5B所示，将具有相同颜色的Gb像素信号和Gr像素信号分别输出到相应输出系统A和B。由此，尽管通过各个滤色器而捕获到了对象中的相同颜色，但由于例如不同系统中的晶体管的特性偏差，而使得可能在像素行之间发生色差。这种色差生成了水平条纹。
由于固态成像装置是处理信号的高精度模拟电路，所以，晶体管特性的轻微改变会改变像素信号的特性。尤其是，水平信号线的特性改变造成了在从所有像素输出信号时周期性出现的水平条纹。
在通过单条水平信号线来传送信号时，不出现此类问题。然而，在增加水平信号线的数目以实现高读取速率时，可能出现该问题。
本发明的一个目的在于，提供一种固态成像装置和用于从该装置读取信号的方法，其能够以高读取速率通过多条水平信号线来分别读取像素信号，并能够消除例如图像信号中的色差以及条纹。
发明内容
为了实现所述目的，根据本发明的固态成像装置包括：二维像素阵列，其包括各自具有颜色分量的多个像素；以及读取电路，其通过为各个像素列提供的垂直信号线而读取在像素阵列中的各个像素中生成的像素信号，并通过多条水平信号线而将像素信号输出到输出单元。读取电路将来自具有颜色分量的像素的像素信号输出到相同的水平信号线。
此外，提供了一种用于从根据本发明的固态成像装置读取信号的方法。所述装置包括：二维像素阵列，其包括各自具有颜色分量的多个像素；以及读取电路，其通过为各个像素列提供的垂直信号线而读取在像素阵列中的各个像素中生成的像素信号，并通过多条水平信号线而将像素信号输出到输出单元。该方法包括：将从像素阵列读取的像素信号分别输出到多条水平信号线，并将来自具有颜色分量的像素的像素信号输出到相同的水平信号线。
在根据本发明的固态成像装置和用于从其读取信号的方法中，当通过多条水平信号线而分别输出从像素阵列读取的像素信号时，将来自具有颜色分量的像素的像素信号输出到相同的水平信号线。
也就是说，当通过多条水平信号线而分别输出像素信号以实现高速处理时，可通过具有相同特性的路由(route)来处理相同颜色的像素信号，并可消除图像信号中的色差以及条纹。因此，可实现高速处理和图像质量的提高。
附图说明
图1为图解根据本发明的实施例的CMOS传感器的结构的方框图。
图2A和2B为图解在图1中示出的CMOS传感器中，利用像素阵列中的特定颜色配置和两条水平信号线的信号输出操作的示意图。
图3A至3D为图解图1中示出的CMOS传感器中的切换电路和水平信号线的详细结构和操作的电路图。
图4为图解根据本发明的模块固态成像装置的示意图。
图5A和5B为图解在图1中示出的CMOS传感器中，利用像素阵列中的颜色配置和两条水平信号线的信号输出操作的示意图。
具体实施方式
现在将描述根据本发明的实施例的固态成像装置。
图1为图解根据本发明的实施例的CMOS传感器的结构的方框图。
如图1所示，根据本实施例的CMOS传感器包括传感单元(像素阵列)10、垂直移位寄存器20、快门移位寄存器30、相关双采样(CDS)电路40、切换电路50、水平信号线60A和60B、水平移位寄存器70、放大电路80A和80B、A/D转换器90A和90B、数字放大器100、以及定时发生器110。
传感单元10包括二维阵列形式的像素。每个像素包括例如光电二极管的光电换能器以及各类像素晶体管。传感单元10通过像素晶体管而将在像素中的光电换能器中生成的信号电荷转换为电信号，并通过为各个像素列提供的垂直信号线(图1中未示出)而依次输出这些像素信号。
各种类型的像素电路是可用的。例如，像素电路可包括：传输晶体管，其将光电换能器中的存储电荷传输到浮动扩散(FD)部分；放大晶体管，其将FD部分中的电势改变转换为要输出的电信号；重置晶体管，其重置FD部分中的电势；以及选择晶体管，其将放大晶体管的输出连接到用于每行的垂直信号线
垂直移位寄存器20包括用于逐行驱动传感单元10中的像素的驱动电路，并且它是沿垂直方向而依次扫描要读取的行的电路。
快门移位寄存器30包括用于在传感单元10中进行电子快门操作的驱动电路，并且为沿垂直方向而依次扫描要进行快门操作的行的电路。
CDS电路40对应于传感单元10中的各个像素列。对于每个像素，CDS电路40检测通过对应的垂直信号线而从该像素输出的重置电平和信号电平之间的差，并去除该像素中的固定模式噪声。
切换电路50在两条水平信号线60A和60B之间切换通过CDS电路40输出的各个像素信号的输出路由。
水平移位寄存器70沿水平方向依次切换CDS电路40，并控制各个像素信号的输出操作。
放大电路80A和80B用适当的增益对通过水平信号线60A和60B而从CDS电路50输出的各个像素信号进行放大。
A/D转换器90A和90B将来自放大电路80A和80B的信号分别转换为数字信号。
数字放大器100对来自A/D转换器(ADC)90A和90B的信号进行放大，以输出放大后的信号。
定时发生器110生成各类定时信号，以操作CMOS传感器，并将生成的定时信号提供到CMOS传感器中的组件。
现在将描述此CMOS传感器的总体操作。
在传感单元10中的每个像素中，在快门移位寄存器30进行快门操作之后，开始预定周期的曝光操作，以将信号电荷存储在光电换能器(光电二极管)中。
在通过垂直移位寄存器20选择的像素行中，每个像素中的重置晶体管开始工作，并且，放大晶体管在重置操作之后将具有输出电平的重置电平输出到垂直信号线。随后，传输晶体管传输光电换能器中的存储电荷，并且，放大晶体管在曝光之后将具有输出电平的信号电平输出到垂直信号线。
将这些电平依次提供到CMOS电路40。CMOS电路40检测像素中的重置电平和信号电平之间的差，生成无固定模式噪声的像素信号，并临时存储所生成的像素信号。
当每行经受电子快门操作、并随后在预定时间过去之后经受信号输出时，从经受了信号输出的行输出在从电子快门操作到信号输出所经过的时间期间从光束所转换的信号。因此，可通过调节电子快门和信号输出之间的时移，来改变光电换能器的曝光周期(电荷存储周期)。定时发生器110生成用于垂直移位寄存器20和快门移位寄存器30的驱动脉冲。也就是说，可通过调节在定时发生器110中生成的这些驱动脉冲，而改变电荷存储周期
当从所有像素读取信号时，从传感单元10中的第一行到最后一行依次选择传感单元10中的所有行，以使其经受快门操作和读取操作。
现在将描述根据此实施例的通过路由系统的输出操作。
将描述一种通过将从在第2n行和第2n+1行上具有相同颜色的滤光器读取的像素信号通过切换电路50而输出到相同水平信号线60A和60B来消除水平条纹的方法。
图2A和2B为图解此实施例中的利用像素阵列的特定颜色配置和两条水平信号线的信号输出操作的示意图。在所述图中，切换电路50切换像素阵列的像素列和两条水平信号线。
如图所示，像素阵列10中的颜色配置交替地包括RGr行(第2n行)和GbB行(第2n+1行)。每个RGr行交替地包括红(R)像素和绿(Gr)像素，而每个GbB行交替地包括绿(Gb)像素和蓝(B)像素。在所述图中，星号(*)指明要读取的行，并通过垂直移位寄存器20而从顶端到底端依次选择经受信号输出的行。逐行读取各个像素中的电荷信号，并将其存储在CDS电路40或切换电路50中提供的模拟存储器中。
在图2A中，从第2n行读取像素信号。将来自奇数列上的R像素的像素信号通过水平信号线60A而输出到输出系统A。另一方面，将来自偶数列上的Gr像素的像素信号通过水平信号线60B而输出到输出系统B。
在图2B中，从第2n+1行读取像素信号。通过切换电路50的切换操作，将来自奇数列上的Gb像素的像素信号通过水平信号线60B而输出到输出系统B。类似地，通过切换电路50的切换操作，将来自偶数列上的B像素的像素信号通过水平信号线60A而输出到输出系统A。
可通过定时发生器110控制切换电路60的以上操作，来将来自具有相同颜色的滤光器的Gr像素和Gb像素的信号通过相同的水平信号线60B而输出到输出系统B。
图3A至3D为图解包括切换电路50和水平信号线60A和60B的部分(图1中示出的区域A)的详细结构和操作的电路图。现在将通过参照所述图来描述根据该实施例的切换电路50和水平信号线60A和60B。
将垂直信号线130通过相应开关51A和51B而连接到模拟存储器140A和140B。将用作电容器的模拟存储器140A和140B通过各个开关52A和52B而分别连接到水平信号线60A和60B。将垂直信号线130连接到像素阵列10中的像素11。在图3A至3D中，为一条垂直信号线而提供两个电容器。可替换地，可提供三个或更多电容器。在图1中示出但未在图3A至3D中示出的CDS电路40中，对来自所述像素的信号进行处理，例如噪声消除。随后，将处理后的信号发送到用作电容器的各个模拟存储器140A和140B。也就是说，所述电容器与传感单元10相对，而图1中的CDS电路40位于它们之间。
在图3A中，将模拟存储器140A和140B连接到垂直信号线130的开关51A和51B、以及将模拟存储器140A和140B连接到各个水平信号线60A和60B的开关52A和52B被关断(初始状态)。通过垂直移位寄存器20而依次选择来自各个像素11的信号，并将其输出到垂直信号线130。在图3A中，选择来自第2n行的信号，并将其输出到垂直信号线130。
随后，在图3B中，用于奇数列的开关51A和用于偶数列的开关51B被导通，并且垂直信号线130被连接到模拟存储器140A和140B(信号从第2n行读取)。在来自第2n行的像素信号之中，将来自奇数列上的R滤光器的像素信号存储在要被连接到水平信号线60A的上边的模拟存储器140A中，而将来自偶数列上的G滤光器的像素信号存储在要被连接到水平信号线60B的下边的模拟存储器140B中。
随后，在图3C中，用于奇数列的开关52A和用于偶数列的开关52B被导通，并且水平信号线60A和60B被分别连接到模拟存储器140A和140B(信号从第2n行输出到水平信号线)。通过水平移位寄存器70而依次选择来自第2n行的像素信号，并将其输出到水平信号线60A和60B。
随后，在图3D中，垂直信号线130被连接到模拟存储器140A和140B，如图3B中一样(信号从第2n+1行读取)。与图3B相反，用于奇数列的开关51B和用于偶数列的开关51A被导通。为将来自第2n+1行的奇数列上的G滤光器的像素信号存储在要被连接到水平信号线60B(其也用于来自第2n行的偶数列上的G滤光器的像素信号)的模拟存储器140B中，通过导通不同的开关51A和51B，而将来自所述奇数列的像素信号存储在下边的模拟存储器140B中。
对于各个行而依次重复上述操作，以将来自具有相同颜色的滤光器的像素数据输出到相同的水平信号线。
由于在此操作中，来自相同颜色的滤光器的信号的路由没有不同，所以，例如，可抑制在通过具有相同颜色的像素的不同滤光器而捕获图像时出现的水平条纹。因此，可由通过多个输出路由而分别输出信号以减小每水平信号线的信号业务量而实现高速处理，并通过例如抑制水平条纹而实现图像质量的改善。
此外，此方法不需要对输出信号的校正、以及用于该校正的计算元件和帧存储器。因此，可减小芯片面积，并可显著缩短采样时间。
在上述实施例中，描述了逐行读取信号的操作。在随机读取像素数据时，将来自具有相同颜色的滤光器的信号输出到相同的水平信号线对于提高图像质量也是有效的。可通过控制切换定时而实现相同效果。
尽管在上述实施例中使用基色滤光器，但只要将来自具有相同颜色的滤光器的信号输出到相同的水平信号线，补色滤光器便也具有相同的效果。
尽管在上述实施例中提供了两个输出系统，但本发明在提供了三个或更多独立输出系统时也是适用的。
此外，如图4所示，还可将本发明应用于包括成像单元201、镜头系统202、以及信号处理电路203的模块固态成像装置204。
产业上的可利用性
如上所述，在根据本发明的固态成像装置和用于从其读取信号的方法中，当通过多条水平信号线而分别输出从像素阵列读取的像素信号时，将来自具有颜色分量的像素的像素信号输出到相同的水平信号线。也就是说，当通过多条水平信号线而分别输出像素信号以实现高速处理时，可通过具有相同特性的路由来处理相同颜色的像素信号，并可消除图像信号中的色差以及条纹。因此，可实现高速处理和图像质量的提高。

Claims (6)

1.一种固态成像装置，包括：
二维像素阵列，其包括各自具有颜色分量的多个像素；以及
读取电路，其通过为各个像素列提供的垂直信号线而读取在像素阵列中的各个像素中生成的像素信号，并通过第一和第二水平信号线而将所述像素信号输出到输出单元，
该读取电路交替地通过奇数列将所述多个像素的偶数行中的奇数列像素的像素信号读取到第一水平信号线以及通过偶数列将所述多个像素的偶数行中的偶数列像素的像素信号读取到第二水平信号线，并交替地通过偶数列将所述多个像素的奇数行中的偶数列像素的像素信号读取到第一水平信号线以及通过奇数列将所述多个像素的奇数行中的奇数列像素的像素信号读取到第二水平信号线。
2.如权利要求1所述的固态成像装置，还包括滤色器，其提供在像素阵列上，并允许具有各个颜色的光束分量进入像素。
3.如权利要求1所述的固态成像装置，其中，该读取电路包括切换电路，其将通过垂直信号线读取的像素信号分别输出到所述第一和第二水平信号线。
4.如权利要求3所述的固态成像装置，还包括定时生成电路，其控制切换电路的切换操作。
5.如权利要求1所述的固态成像装置，其中，该读取电路包括信号处理电路，其对通过垂直信号线读取的像素信号执行预定的信号处理。
6.一种用于从固态成像装置读取信号的方法，所述装置包括：二维像素阵列，其包括各自具有颜色分量的多个像素；以及
读取电路，其通过为各个像素列提供的垂直信号线而读取在像素阵列中的各个像素中生成的像素信号，并通过第一和第二水平信号线而将所述像素信号输出到输出单元，
该方法包括：交替地通过奇数列将所述多个像素的偶数行中的奇数列像素的像素信号读取到第一水平信号线以及通过偶数列将所述多个像素的偶数行中的偶数列像素的像素信号读取到第二水平信号线，并交替地通过偶数列将所述多个像素的奇数行中的偶数列像素的像素信号读取到第一水平信号线以及通过奇数列将所述多个像素的奇数行中的奇数列像素的像素信号读取到第二水平信号线。
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