DE102005009622B4

DE102005009622B4 - Bildsensor und zugehöriges Treiberverfahren

Info

Publication number: DE102005009622B4
Application number: DE102005009622A
Authority: DE
Inventors: Asaba Suwon Tetsuo
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2005-02-23
Publication date: 2008-07-31
Anticipated expiration: 2025-02-24
Also published as: JP5103679B2; US20070257185A1; KR20050087650A; US7521661B2; JP2005244995A; DE102005009622A1; US7256381B2; US20050189472A1; KR100871688B1

Abstract

Bildsensor mit
– einem Pixelfeld mit Pixeln zum Erfassen von Licht einer ersten Farbe und Pixeln zum Erfassen wenigstens einer weiteren Farbe,
– einem Signalwandler (211), an den die Pixel (201, 203) eines ersten Satzes von wenigstens zwei Pixeln (201, 203), die jeweils Licht der ersten Farbe erfassen und innerhalb einer gleichen Spalte eines Pixelfeldes nicht aneinander angrenzend angeordnet sind, gemeinsam angekoppelt sind, und
– einem Treiber (220), der in einem entsprechenden Betriebsmodus des Bildsensors ein Schaltelement innerhalb jedes Pixels (201, 203) des ersten Satzes gleichzeitig einschaltet, um zugehörige Photoströme von einer jeweiligen Photodiode der Pixel des ersten Satzes gleichzeitig mit dem diesen gemeinsamen Signalwandler (211) zu koppeln.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Bildsensor mit einem Feld von Pixeln zum Erfassen von Licht mehrerer Farben und auf ein Verfahren zum Treiben eines solchen Bildsensors.
Im Allgemeinen beinhaltet ein vorliegend interessierender Typ von Bildsensor ein Halbleiterbauelement, das Bilder durch Erfassen von Licht aufnimmt. Der Bildsensor beinhaltet ein Feld von Hunderttausenden bis Millionen von Pixeln, die Licht eines Bildes in elektrische Signale umwandeln. Außerdem wandelt ein Analog/Digital-Wandler derartige elektrische Signale, die analoge Signale sind, in digitale Signale um, die dann in Datenspeichereinheiten gespeichert werden.
Halbleiterbildsensoren werden hauptsächlich in Digitalkameras und Camcordern verwendet. Digitalkameras zum Aufnehmen von Standbildern erfordern Millionen von Pixeln, während Camcorder zum Aufnehmend von bewegten Bildern typischerweise lediglich einige hunderttausend Pixel erfordern.
Es ist erwünscht, dass Digitalkameras, Camcorder und dergleichen, die gegenwärtig kommerziell erhältlich sind, sowohl Standbilder als auch bewegte Bilder aufnehmen. Somit ist ein Bildsensor mit Millionen von Pixeln, der zum Aufnehmen eines Standbildes geeignet ist, auch zur Verwendung beim Aufnehmen eines bewegten Bildes erwünscht.
Mit fortschreitender Technologie ist zu erwarten, dass die Anzahl von Pixeln in dem Halbleiterbildsensor zunimmt. Herkömmlicherweise wird das Aufnehmen eines Standbildes oder eines bewegten Bildes unter Verwendung eines Hochauflösungs-Halbleiterbildsensors, wie eines CMOS(komplementären Metall-Oxid-Halbleiter)-Bildsensors, auf zwei Weisen durchgeführt.
Gemäß einem ersten Verfahren werden Photoströme von allen Pixeln des CMOS-Bildsensors gemessen, um ein Standbild aufzunehmen. Zum Aufnehmen eines bewegten Bildes werden Photoströme von ausgewählten Pixeln in vorgegebenen Intervallen in einem Feld von Pixeln gemessen. Das Ignorieren von Daten von den nicht ausgewählten Pixeln degradiert jedoch die Bildqualität des bewegten Bildes.
Gemäß einem alternativen Verfahren werden ebenfalls Photoströme von allen Pixeln des CMOS-Bildsensors gemessen, um das Standbild aufzunehmen. Bei dem alternativen Verfahren werden jedoch Photoströme von benachbarten Pixeln kombiniert, um das bewegte Bild aufzunehmen. So wird die Bildqualität gegenüber dem ersten Verfahren verbessert, da keine Daten von einem wesentlichen Teil der Pixel ignoriert werden.
Jedoch kann ein CMOS-Bildsensor (CIS), der Primärfarbfilter verwendet, das letztgenannte Verfahren nicht verwenden. Des Weiteren können Photostromsignale von benachbarten Pixeln nicht kombiniert werden, um eine bestimmte Farbe zu repräsentieren, selbst wenn der CIS eine Pixelstruktur mit gemeinsam genutzter floatender Diffusion (FD) aufweist, da benachbarte Pixel verschiedene Farbfilter für eine sogenannte Bayer-Farbstruktur aufweisen.
1 ist ein Schaltbild eines herkömmlichen CMOS-Bildsensors 100 mit einer Mehrzahl von Pixeln 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107 und 108 und einer Mehrzahl von Signalwandlern 111, 112, 113 und 114. Jedes Pixel 101 bis 108 ist entlang Zeilen und Spalten eines Pixelfeldes angeordnet und wandelt empfangenes Licht einer jeweiligen Farbe in einen entsprechenden Photostrom um, der die Intensität des derart empfangenen Lichts anzeigt. Jedes Pixel 101 bis 108 besteht jeweils aus einer Photodiode PD und einem Transfer-MOSFET zwischen der Photodiode und einem der Signalwandler 111 bis 114.
Jede Photodiode PD dient dem Empfangen einer jeweiligen Farbe, die durch einen darauf angeordneten Farbfilter definiert ist. Photodioden PD mit Bezeichnung R1 oder R2 dienen dem Empfang von rot gefärbtem Licht, Photodioden PD mit Bezeichnung B1 oder B2 dienen dem Empfang von blau gefärbtem Licht, und Photodioden PD mit Bezeichnung Ga1, Ga2, Gb1 oder Gb2 dienen dem Empfang von grün gefärbtem Licht. Jeder Signalwandler 111 bis 114 wandelt einen Photostrom, der von einem der mit ihm gekoppelten Pixel 101 bis 108 abgegeben wird, in eine Ausgangsspannung Vout.
Der CMOS-Bildsensor 100 von 1 weist eine Pixelstruktur mit gemeinsam genutzter FD auf, bei der jeder Signalwandler 111 bis 114 mit einem entsprechenden Paar von zwei benachbarten Pixeln entlang einer Spalte des Pixelfeldes gekoppelt ist, um die Fläche des CMOS-Bildsensors 100 zu reduzieren. Zum Aufnehmen eines Standbildes geben die zwei gemeinsam mit einem Signalwandler verbundenen, benachbarten Pixel separat und sequentiell einen jeweiligen Photostrom an den Signalwandler ab.
Das Pixelfeld in dem CMOS-Bildsensor 100 weist eine Bayer-Farbstruktur auf, bei der die Pixel dem Empfang alternierender Farben entlang einer Spalte oder einer Zeile dienen. Somit dienen die Pixel 101, 102, 103 und 104 in der ersten Spalte dem Empfang von Licht mit den alternierenden Farben rot, grün, rot beziehungsweise grün. In gleicher Weise dienen die Pixel 105, 106, 107 und 108 in der zweiten Spalte dem Empfang von Licht der alternierenden Farben grün, blau, grün beziehungsweise blau.
Demgemäß ist in dem CMOS-Bildsensor 100 von 1 jeder Signalwandler 111 bis 114 mit zwei benachbarten Pixeln mit verschiedenen Farbfiltern verbunden. Somit kann ein derartiger Signalwandler die Photostromsignale von derartigen benachbarten Pixeln nicht für eine vereinfachte Signalverarbeitung kombinieren. Das heißt, zum Aufnehmen des bewegten Bildes verarbeitet der CMOS-Bildsensor 100 Photostromdaten von einem Teil des Pixelfeldes, der in vorgegebenen Intervallen ausgewählt wird, oder misst separat die Photoströme für alle Pixel und führt eine Mittelung durch eine Bildsignalverarbeitung (ISP) durch.
Das Aufnehmen des bewegten Bildes aus Photoströmen eines Teils des Pixelfeldes resultiert jedoch in einer geringen Bildqualität. Alternativ erfordert das Aufnehmen des bewegten Bildes durch separates Messen der Photoströme für alle Pixel und Mittelwertbildung durch ISP einen Hochfrequenzbetrieb und einen hohen Leistungsverbrauch. Nichtsdestoweniger ist eine Pixelstruktur mit gemeinsam genutzter FD zum Reduzieren der Fläche des CMOS-Bildsensors 100 wünschenswert.
Somit ist ein Mechanismus zum Treiben der Pixel eines Bildsensors mit einer gemeinsam genutzten FD-Pixelstruktur mit hoher Bildqualität gewünscht.
Bei einem Typ von Bildsensor, wie er in der Offenlegungsschrift EP 1 085 751 A2 und der Patentschrift US 6.377.304 B1 offenbart ist, ist jedem Farbpixel ein eigener Signalwandler zugeordnet. Dabei gibt die EP 1 085 751 A2 speziell die Lehre, für jedes Farbpixel zwei parallele, aneinandergrenzende Photodiodenelemente mit gemeinsamer Nutzung eines floatenden Diffusionsbereichs im Schichtaufbau vorzusehen, die beide an den diesem Pixel jeweils zugeordneten Signalwandler gekoppelt sind, wobei die beiden Photodiodenelemente in einem normalen Bildaufnahmemodus additiv gleichzeitig und in einem Betriebsmodus zur Defokusmessung nicht-additiv sequentiell ausgelesen werden.
In der Offenlegungsschrift US 2002/0018131 A1 sind farbunspezifische Bildsensoren z. B. für Kopierer und Faxgeräte offenbart, bei denen in entsprechenden Ausführungsvarianten zwei oder vier in einer jeweiligen Spalte eines Pixelfeldes aufeinanderfolgende Pixel an einen gemeinsamen Signalwandler gekoppelt sind, wobei in der Variante mit paarweiser Ankopplung an einen gemeinsamen Signalwandler die beiden Pixel je nach Betriebsmodus des Bildsensors gleichzeitig oder nacheinander zur Kopplung ihrer Photoströme mit dem Signalwandler angesteuert werden können.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Bildsensors der eingangs genannten Art und eines Verfahrens zum Treiben eines solchen Bildsensors zugrunde, welche die oben erläuterten Schwierigkeiten des Standes der Technik wenigstens teilweise überwinden und insbesondere eine hohe Flächennutzungseffizienz und hohe Bildqualität ermöglichen.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Bildsensors mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eines Verfahrens zum Treiben eines Bildsensors mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
Erfindungsgemäß sind wenigstens zwei Pixel, die Licht gleicher Farbe erfassen, mit einem gemeinsamen Signalwandler gekoppelt. Durch gleichzeitiges oder separates Koppeln der entsprechenden Photoströme der Pixel an den Signalwandler kann in vorteilhafter Weise ein bewegtes Bild bzw. ein Standbild aufgenommen werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Vorteilhafte, nachfolgend beschriebene Ausführungsformen der Erfindung sowie das zu deren besserem Verständnis oben erläuterte herkömmliche Ausführungsbeispiel sind in den Zeichnungen dargestellt, in denen zeigen:
1 ein partielles Schaltbild eines CMOS-Bildsensors mit einer herkömmlichen, gemeinsam genutzten FD-Pixelstruktur gemäß dem Stand der Technik,
2 ein partielles Schaltbild eines CMOS-Bildsensors mit einer gemeinsam genutzten FD-Pixelstruktur gemäß der Erfindung,
3 ein Signalverlaufsdiagramm zum Aufnehmen eines Standbildes unter Verwendung des CMOS-Bildsensors von 2 gemäß der Erfindung,
4 ein Signalverlaufsdiagramm zum Aufnehmen eines bewegten Bildes unter Verwendung des CMOS-Bildsensors von 2 gemäß der Erfindung,
5 ein partielles Schaltbild eines weiteren CMOS-Bildsensors mit einer gemeinsam genutzten FD-Pixelstruktur gemäß der Erfindung,
6 ein Signalverlaufsdiagramm zum Aufnehmen eines Standbildes unter Verwendung des CMOS-Bildsensors von 5 gemäß der Erfindung,
7 ein Signalverlaufsdiagramm zum Aufnehmen eines bewegten Bildes unter Verwendung des CMOS-Bildsensors von 5 gemäß der Erfindung,
8 ein Blockdiagramm für eine Spalte des CMOS-Bildsensors von 2 mit einem Treiber zum Erzeugen von Steuersignalen entsprechend 3 und 4 gemäß der Erfindung und,
9 ein Blockdiagramm für eine Spalte des CMOS-Bildsensors von 5 mit einem Treiber zum Erzeugen von Steuersignalen entsprechend 6 und 7 gemäß der Erfindung.
2 zeigt ausschnittweise ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen CMOS-Bildsensors 200, der eine Mehrzahl von Pixeln 201 bis 208 sowie eine Mehrzahl von Signalwandlern 211 bis 214 beinhaltet. Der CMOS-Bildsensor 200 beinhaltet typischerweise Millionen von Pixeln, von de nen in 2 zwecks Einfachheit der Darstellung und Beschreibung nur die acht Pixel 201 bis 208 gezeigt sind.
Die Pixel 201 bis 208 sind entlang von Zeilen und Spalten eines Pixelfeldes angeordnet und wandeln empfangenes Licht einer jeweiligen Farbe in einen entsprechenden Photostrom um, der die Intensität von derartigem empfangenem Licht anzeigt. Jedes Pixel 201 bis 208 besteht jeweils aus einer Photodiode PD und einem Transfer-MOSFET zwischen der Photodiode und einem der Signalwandler 211 bis 214. Genauer beinhalten die Pixel 201 bis 208 jeweils eine Photodiode PD(R1), PD(Gb1), PD(R2), PD(Gb2), PD(Ga1), PD(B1), PD(Ga2) beziehungsweise PD(B2) und jeweils einen Transfer-MOSFET in Form eines Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors M11, M21, M31, M41, M51, M61, M71 beziehungsweise M81.
Jede Photodiode PD dient dem Empfang von Licht einer jeweiligen Farbe, die durch einen darauf angeordneten Farbfilter definiert ist. Die Photodioden PD mit dem Zusatz R1 oder R2 dienen dem Empfang von rot gefärbtem Licht, die Photodioden PD mit dem Zusatz B1 oder B2 dienen dem Empfang von blau gefärbtem Licht, und die Photodioden PD mit dem Zusatz Ga1, Ga2, Gb1 oder Gb2 dienen dem Empfang von grün gefärbtem Licht. Jeder Signalwandler 211 bis 214 wandelt den Photostrom, der von irgendeinem der mit ihm gekoppelten Pixel 201 bis 208 abgegeben wird, in eine Ausgangsspannung Vout um.
Der CMOS-Bildsensor 200 weist eine gemeinsam genutzte FD(floatende Diffusions)-Pixelstruktur auf, bei der jeder der Signalwandler 211 bis 214 mit einem Satz von zwei Pixeln gekoppelt ist, die Licht einer gleichen Farbe empfangen. Jeder Signalwandler 211 bis 214 empfängt einen jeweiligen Photostrom von den zwei Pixeln und wandelt diesen in ein elektrisches Signal um.
Außerdem ist anzumerken, dass das Pixelfeld in dem CMOS-Bildsensor 200 ein Bayer-Farbmuster aufweist. In diesem Fall sind die Pixel zum Empfang von rotem Licht alternierend mit Pixeln zum Empfang von grünem Licht in einer ersten Spalte angeordnet, und die Pixel zum Empfang von blauem Licht sind alternierend mit Pixeln zum Empfang von grünem Licht in einer zweiten Spalte angeordnet.
Somit ist der Signalwandler 211 mit den zwei nicht aneinander angrenzenden Pixeln 201 und 203 zum Empfang von rotem Licht gekoppelt, wobei das Pixel 202 zum Empfang von grünem Licht zwischen den zwei Pixeln 201 und 203 entlang der ersten Pixelspalte angeordnet ist. Der Signalwandler 212 ist mit den zwei nicht aneinander angrenzenden Pixeln 202 und 204 zum Empfang von grünem Licht gekoppelt, wobei das Pixel 203 zum Empfang von rotem Licht zwischen den zwei Pixeln 202 und 204 entlang der ersten Pixelspalte angeordnet ist.
In gleicher Weise ist der Signalwandler 213 mit den zwei Pixeln 205 und 207 zum Empfang von grünem Licht gekoppelt, wobei das Pixel 206 zum Empfang von blauem Licht zwischen den zwei Pixeln 205 und 207 entlang der zweiten Pixelspalte angeordnet ist. Der Signalwandler 214 ist mit den zwei Pixeln 206 und 208 zum Empfang von blauem Licht gekoppelt, wobei das Pixel 207 zum Empfang von grünem Licht zwischen den zwei Pixeln 206 und 208 entlang der zweiten Pixelspalte angeordnet ist.
Der Signalwandler 211 beinhaltet einen Rücksetz-MOSFET M12, einen Treiber-MOSFET M13 und einen Auswahl-MOSFET M14. Jeder der anderen Signalwandler 212, 213 und 214 beinhaltet in gleicher Weise einen Rücksetz-MOSFET, einen Treiber-MOSFET und einen Auswahl-MOSFET. Der Rücksetz-MOSFET innerhalb jedes Signalwandlers reagiert auf ein Rücksetzsteuersignal Rx1 oder Rx2 zum Rücksetzen eines Pixels. Der Treiber-MOSFET innerhalb jedes Signalwandlers weist eine Gateelektrode auf, die mit einem floatenden Diffusionsbereich gekoppelt ist, um den Photostrom von einer Photodiode in eine Spannung umzuwandeln. Der Auswahl-MOSFET ist mit dem Treiber-MOSFET gekoppelt und reagiert auf ein Auswahlsteuersignal Sx1 oder Sx2, um die Spannung, die von dem Treiber-MOSFET abgegeben wird, selektiv an eine externe Ausgangsleitung zur Erzeugung von Vout abzugeben.
3 ist ein Signalverlaufsdiagramm der Steuersignale Rx1, Rx2, Sx1 und Sx2 sowie von Steuersignalen TG1, TG2, TG3 und TG4, wenn der CMOS-Bildsensor 200 von 2 ein Standbild aufnimmt. 8 zeigt ein Blockdiagramm der ersten Spalte von Pixeln 201, 202, 203 und 204 sowie der Signalwandler 211 und 212 von 2. Außerdem bezugnehmend auf 8 beinhaltet der CMOS-Bildsensor 200 einen Treiber 220 zum Erzeugen der Steuersignale Rx1, Rx2, Sx1, Sx2, TG1, TG2, TG3 und TG4 der 3 und 4.
Bezugnehmend auf die 2 und 3 ist das Rücksetzsteuersignal Rx1 mit den Gateelektroden der Rücksetz-MOSFETs M12 und M52 zum Rücksetzen der Pixel 201 und 205 entlang einer gleichen Zeile und der Pixel 203 und 207 entlang einer weiteren gleichen Zeile gekoppelt. In gleicher Weise ist das Rücksetzsteuersignal Rx2 mit den Gateelektroden der Rücksetz-MOSFETs M22 und M62 zum Rücksetzen der Pixel 202 und 206 entlang einer gleichen Zeile sowie 204 und 208 entlang einer weiteren gleichen Zeile gekoppelt.
Das Auswahlsteuersignal Sx1 ist mit den Gateelektroden der Auswahl-MOSFETs M14 und M54 gekoppelt, um zugehörige Spannungen, die von den betreffenden Treiber-MOSFETs M13 und M53 erzeugt werden, als jeweilige Ausgangsspannungen Vout entlang der gleichen Zeile der Signalwandler 211 und 213 zu übertragen. In gleicher Weise ist das Auswahlsteuersignal Sx2 mit den Gateelektroden der Auswahl-MOSFETs M24 und M64 gekoppelt, um zugehörige Spannungen, die von den betreffenden Treiber-MOSFETs M23 und M63 erzeugt werden, als jeweilige Ausgangsspannungen Vout entlang der gleichen Zeile von Signalwandlern 212 und 214 zu übertragen.
Das Übertragungssteuersignal TG1 ist mit den Gateelektroden der Transfer-MOSFETs M11 und M51 für die erste Zeile von Pixeln 201 und 205 gekoppelt. Das Übertragungssteuersignal TG2 ist mit den Gateelektroden der Transfer-MOSFETs M21 und M61 für die zweite Zeile von Pixeln 202 und 206 gekoppelt. Das Übertragungssteuersignal TG3 ist mit den Gateelektroden der Transfer-MOSFETs M31 und M71 für die dritte Zeile von Pixeln 203 und 207 gekoppelt. Das Übertragungssteuersignal TG4 ist mit den Gateelektroden der Transfer-MOSFETs M41 und M81 für die vierte Zeile von Pixeln 204 und 208 gekoppelt.
Der CMOS-Bildsensor 200 von 2 verwendet ein korreliertes Doppelabtast(CDS)-Verfahren zum Aufnehmen von Bildern hoher Qualität. Ein derartiges CDS-Verfahren entfernt Rauschen durch Messen einer Rücksetzspannung in einem Rücksetzzustand und einer Bildsignalspannung, die von dem Photostrom einer Photodiode erzeugt wird, um einen Unterschied zwischen einer derartigen Bildsignalspannung und einer derartigen Rücksetzspannung zu bestimmen. Ein solches CDS-Verfahren ist dem Fachmann auf dem Gebiet der Bildsensoren als solches bekannt.
Bezugnehmend auf die 2 und 3 werden die Photoströme von den Pixeln entlang jeder Pixelspalte sequentiell und separat gemessen, wenn der CMOS-Bildsensor 200 ein Standbild aufnimmt. Eine derartige sequentielle und separate Messung für die erste Spalte von Pixeln 201, 202, 203 und 204 wird nunmehr beschrieben.
Bezugnehmend auf die 2 und 3 werden die Rücksetzsteuersignale Rx1 und Rx2 anfänglich auf einen hohen logischen Pegel gesetzt, während die Übertragungssteuersignale TG1, TG2, TG3 und TG4 zum Rücksetzen der Pixel auf einem niedrigen logischen Pegel liegen. Danach wird die Rücksetzspannung für das erste Pixel 201 als Vout abgegeben (Pfeil am weitesten links in 3), wenn das Rücksetzsteuersignal Rx1 auf niedrigen logischen Pegel und das Auswahlsteuersignal Sx1 auf hohen logischen Pegel gesetzt werden.
Wenn danach das Übertragungssteuersignal TG1 als ein Impulssignal auf hohem logischem Pegel liegt, um den Transfer-MOSFET M11 des Pixels 201 einzuschalten, wird ein Photostrom von der Photodiode PD(R1) des Pixels 201 zu dem floatenden Diffusionsbereich (d. h. der Gateelektrode des Treiber-MOSFETs M13) übertragen. Nachfolgend wird eine Bildsignalspannung, die diesem Photostrom entspricht, als Vout abgegeben (zweiter Pfeil von links in 3). Bei dem CDS-Verfahren wird der Unterschied zwischen der Bildsignalspannung und der Rücksetzspannung für das erste Pixel 201 dazu verwendet, die Intensität von rotem Licht anzuzeigen, das von dem Pixel 201 empfangen wird.
Danach werden die Rücksetzsteuersignale Rx1 und Rx2 auf hohen Logikpegel und die Übertragungssignale TG1, TG2, TG3 und TG4 auf niedrigen Logikpegel gesetzt, um die Pixel zurückzusetzen. Die Steuersignale Rx1, Rx2, Sx1, Sx2 und TG2 werden dann in gleicher Weise für das Pixel 202 gesteuert, um die zugehörige Rücksetzspannung und die zugehörige Bildsignalspannung als Vout zu erzeugen (dritter und vierter Pfeil von links in 3).
In gleicher Weise werden die Steuersignale Rx1, Rx2, Sx1, Sx2 und TG3 für das Pixel 203 gesteuert, um die entsprechende Rücksetzspannung und die entsprechende Bildsignalspannung als Vout zu erzeugen (fünfter und sechster Pfeil von links in 3). Des Weiteren werden die Steuersignale Rx1, Rx2, Sx1, Sx2 und TG4 in gleicher Weise für das Pixel 204 gesteuert, um die entsprechende Rücksetzspannung und die entsprechende Bildsignalspannung als Vout zu erzeugen (siebter und achter Pfeil von links in 3).
Auf diese Weise werden Spannungen von jedem der Pixel 201, 202, 203 und 204 entlang der ersten Spalte als Vout separat und sequentiell erzeugt, um ein Standbild aufzunehmen. Somit werden die Auswahl-MOSFETs M14 und M24 innerhalb der Signalwandler 211 und 212 alternierend eingeschaltet.
In gleicher Weise werden die Spannungen von jedem der Pixel 205, 206, 207 und 208 entlang der zweiten Spalte als Vout separat und sequentiell erzeugt, um das Standbild aufzunehmen. Somit werden die Auswahl-MOSFETs M54 und M64 innerhalb der Signalwandler 213 und 214 alternierend eingeschaltet.
4 ist ein Signalverlaufsdiagramm der Steuersignale Rx1, Rx2, Sx1, Sx2, TG1, TG2, TG3 und TG4, die von dem Treiber 220 von 8 erzeugt werden, wenn der CMOS-Bildsensor 200 von 2 ein bewegtes Bild aufnimmt. Steuersignale von einer nicht gezeigten Steuereinheit zeigen dem Treiber 220 an, ob ein stehendes Bild oder ein bewegtes Bild aufzunehmen ist.
Anfänglich werden die Rücksetzsteuersignale Rx1 und Rx2 auf einen hohen logischen Pegel gesetzt, während die Übertragungssteuersignale TG1, TG2, TG3 und TG4 zum Rücksetzen der Pixel auf einem niedrigen logischen Pegel liegen. Nachdem das Rücksetzsteuersignal Rx1 auf niedrigen logischen Pegel und das Auswahlsteuersignal Sx1 auf hohen logischen Pegel gesetzt werden, wird die Rücksetzspannung für die nicht aneinander angrenzenden Pixel 201 und 203 als Vout abgegeben (Pfeil am weitesten links in 4).
Nachfolgend werden die an die Transfer-MOSFETs M11 und M31 angelegten Übertragungssteuersignale TG1 und TG3 als Impulssignale gleichzeitig auf hohen logischen Pegel aktiviert. Somit werden die Photoströme von den zwei nicht aneinander angrenzenden Pixeln 201 und 203 zum Empfang von rotem Licht zu dem floatenden Diffusionsgebiet übertragen, d. h. der Gateelektrode von M13. Diese Photoströme werden an der Gateelektrode von M13 summiert, um eine entsprechende Bildsignalspannung als Vout für die zwei nicht aneinander angrenzenden Pixel 201 und 203 zu erzeugen (zweiter Pfeil von links in 4).
In gleicher Weise werden die Steuersignale Rx1, Rx2, Sx1, Sx2, TG2 und TG4 für die nicht aneinander angrenzenden Pixel 202 und 204 gesteuert. Somit wird die Rücksetzspannung für die Pixel 202 und 204 als Vout erzeugt, wenn für den Signalwandler 212 das Rücksetzsteuersignal Rx2 auf niedrigen logischen Pegel und das Auswahlsteuersignal Sx2 auf hohen logischen Pegel gesetzt werden (dritter Pfeil von links in 4). Außerdem wird die Bildsignalspannung, die eine Summe der Photoströme von den Pixeln 202 und 204 zum Empfang von grünem Licht beinhaltet, als Vout erzeugt, nachdem beide Übertragungssteuersignale TG2 und TG4 auf hohen logischen Pegel aktiviert wurden (vierter Pfeil von links in 4).
Die Signalwandler 213 und 214 für die zweite Spalte von Pixeln 205, 206, 207 und 208 arbeiten in gleicher Weise. Daher erzeugt der Signalwandler 213 für die nicht aneinander angrenzenden Pixel 205 und 207 zum Empfangen von grünem Licht aus einer Summe der Photoströme von selbigen eine Bildsignalspannung als Vout, und der Signalwandler 214 erzeugt nachfolgend für die nicht aneinander angrenzenden Pixel 206 und 208 zum Empfangen von blauem Licht aus einer Summe der Photoströme von selbigen eine entsprechende Bildsignalspannung als Vout.
Auf diese Weise werden Photoströme von mehreren Pixeln addiert, bevor die Bildsignalspannung als Vout erzeugt wird, um ein bewegtes Bild mit dem CMOS-Bildsensor 200 aufzunehmen. Somit weist der CMOS-Bildsensor 200 eine geringere Betriebsfrequenz und einen geringeren Leistungsverbrauch als der eingangs erläuterte herkömmliche Bildsensor auf, der alle Pixel mit einer Mittelwertbildung durch eine Bildsignalverarbeitung (ISP) liest. Da außerdem Photoströme von allen Pixeln verarbeitet werden, werden bewegte Bilder hoher Qualität aufgenommen. Des Weiteren wird mit der Pixelstruktur mit gemeinsam genutzter FD die Fläche des CMOS-Bildsensors 200 reduziert.
5 ist ein ausschnittweises Schaltbild eines weiteren CMOS-Bildsensors 500 gemäß der Erfindung, der typischerweise Millionen von Pixeln aufweist, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind, wobei in 5 zwecks Einfachheit von Darstellung und Beschreibung stellvertretend nur acht Pixel 501 bis 508 gezeigt sind.
Bezugnehmend auf 5 beinhaltet der CMOS-Bildsensor 500 die Pixel 501 bis 508 ähnlich den Pixeln 201 bis 208 von 2 sowie Signalwandler 511 und 512 ähnlich den Signalwandlern 211 und 213 von 2.
In dem CMOS-Bildsensor 500 von 5 ist der Signalwandler 511 jedoch mit einem ersten Satz von nicht aneinander angrenzenden Pixeln 501 und 503 zum Empfang von rotem Licht und einem zweiten Satz von nicht aneinander angrenzenden Pixeln 502 und 504 zum Empfang von grünem Licht gekoppelt. Pixel des ersten Satzes sind alternierend mit Pixeln des zweiten Satzes in einem Bayer-Farbmuster für die erste Spalte von Pixeln 501, 502, 503 und 504 angeordnet.
In gleicher Weise ist der Signalwandler 512 mit einem ersten Satz von nicht aneinander angrenzenden Pixeln 505 und 507 zum Empfang von grünem Licht und mit einem zweiten Satz von nicht aneinander angrenzenden Pixeln 506 und 508 zum Empfang von blauem Licht gekoppelt. Pixel des ersten Satzes sind alternierend mit Pixeln des zweiten Satzes in dem Bayer-Farbmuster für die zweite Spalte von Pixeln 505, 506, 507 und 508 angeordnet.
6 ist ein Signalverlaufsdiagramm der Steuersignale Rx1, Rx2, Sx1, Sx2, TG1, TG2, TG3 und TG4, wenn der CMOS-Bildsensor 500 von 5 ein Standbild aufnimmt. 9 zeigt ein Blockdiagramm der ersten Spalte von Pixeln 501, 502, 503 und 504 und des Signalwandlers 511 von 5. Bezugnehmend auf 9 beinhaltet der CMOS-Bildsensor 500 einen Treiber 520 zum Erzeugen der Steuersignale Rx1, Sx1, TG1, TG2, TG3 und TG4 gemäß 7 und 8.
Bezugnehmend auf 6 werden die Photoströme von den Pixeln entlang jeder Pixelspalte separat und sequentiell gemessen, wenn der CMOS-Bildsensor 500 ein Standbild aufnimmt. Eine derartige separate und sequentielle Messung für die erste Spalte von Pixeln 501, 502, 503 und 504 wird nunmehr beschrieben.
Bezugnehmend auf die 5 und 6 wird das Rücksetzsteuersignal Rx1 anfänglich auf einen hohen logischen Pegel gesetzt, während die Übertragungssteuersignale TG1, TG2, TG3 und TG4 zum Rücksetzen der Pixel auf niedrigem logischem Pegel liegen. Nachdem das Rücksetzsteuersignal Rx1 auf niedrigen logischen Pegel und das Auswahlsteuersignal Sx1 auf hohen logischen Pegel gesetzt werden, wird die Rücksetzspannung für das erste Pixel 501 als Vout abgegeben (Pfeil am weitesten links in 6).
Wenn danach das Übertragungssteuersignal TG1 als Impulssignal auf hohen logischen Pegel gesetzt wird, um den Transfer-MOSFET M11 des Pixels 501 einzuschalten, wird ein Photostrom von der Photodiode PD(R1) des Pixels 501 zu dem floatenden Diffusionsbereich übertragen, d. h. der Gateelektrode des Treiber-MOSFETs M13. Nachfolgend wird eine Bildsignalspannung, die diesem Photostrom entspricht, als Vout abgegeben (zweiter Pfeil von links in 6). Bei dem CDS-Verfahren wird der Unterschied zwischen der Bildsignalspannung und der Rücksetzspannung für das erste Pixel 501 dazu verwendet, die Intensität von rotem Licht anzuzeigen, das von dem Pixel 501 empfangen wird.
Nachfolgend wird das Rücksetzsteuersignal Rx1 auf hohen logischen Pegel gesetzt, während die Übertragungssteuersignale TG1, TG2, TG3 und TG4 zum Rücksetzen der Pixel auf niedrigem logischem Pegel liegen, und danach wird die Rücksetzspannung für das Pixel 502 als Vout abgegeben (dritter Pfeil von links in 6). Das Übertragungssteuersignal TG2 wird dann auf einen hohen logischen Pegel aktiviert, um eine Bildsignalspannung des Pixels 502 als Vout zu erzeugen (vierter Pfeil von links in 6).
In gleicher Weise werden die Steuersignale Rx1, Sx2 und TG3 für das Pixel 503 gesteuert, um die entsprechende Rücksetzspannung und die entsprechende Bildsignalspannung zu erzeugen (fünfter und sechster Pfeil von links in 6). Des Weiteren werden die Steuersignale Rx1, Sx2 und TG4 in gleicher Weise für das Pixel 204 gesteuert, um die entsprechende Rücksetzspannung und die entsprechende Bildsignalspannung zu erzeugen (siebter und achter Pfeil von links in 6).
Auf diese Weise wird der jeweilige Photostrom von jedem der Pixel 501, 502, 503 und 504 dazu verwendet, das jeweilige Bilddatensignal über den Signalwandler 511 als Vout separat und sequentiell zu erzeugen, um das Standbild aufzunehmen. In ähnlicher Weise wird der jeweilige Photostrom von jedem der Pixel 505, 506, 507 und 508 von der zweiten Spalte dazu verwendet, das jeweilige Bilddatensignal über den Signal wandler 512 als Vout separat und sequentiell zu erzeugen, um das Standbild aufzunehmen.
7 ist ein Signalverlaufsdiagramm der Steuersignale Rx1, Sx1, TG1, TG2, TG3 und TG4, die von dem Treiber 520 von 9 erzeugt werden, wenn der CMOS-Bildsensor 500 von 5 ein bewegtes Bild aufnimmt. Steuersignale von einer nicht gezeigten Steuereinheit zeigen dem Treiber 520 an, ob ein stehendes Bild oder ein bewegtes Bild aufzunehmen ist.
Anfänglich ist das Rücksetzsteuersignal Rx1 auf einen hohen logischen Pegel gesetzt, während die Übertragungssteuersignale TG1, TG2, TG3 und TG4 zum Rücksetzen der Pixel auf niedrigem logischem Pegel liegen. Nachdem das Rücksetzsteuersignal Rx1 auf niedrigen logischen Pegel und das Auswahlsteuersignal Sx1 auf hohen logischen Pegel gesetzt werden, wird die Rücksetzspannung für die nicht aneinander angrenzenden Pixel 501 und 503 als Vout abgegeben (Pfeil am weitesten links in 7).
Nachfolgend werden die an die Transfer-MOSFETs M11 und M31 angelegten Übertragungssteuersignale TG1 und TG3 als Impulssignale gleichzeitig auf einen hohen logischen Pegel aktiviert. Somit werden die Photoströme von den zwei nicht aneinander angrenzenden Pixeln 501 und 503 zum Empfang von rotem Licht zu dem floatenden Diffusionsgebiet übertragen, d. h. der Gateelektrode von M13. Diese Photoströme werden an der Gateelektrode von M13 summiert, um eine entsprechende Bildsignalspannung als Vout zu erzeugen (zweiter Pfeil von links in 7).
Danach wird das Rücksetzsteuersignal Rx1 auf hohen logischen Pegel aktiviert, während die Übertragungssteuersignale TG1, TG2, TG3 und TG4 zum erneuten Rücksetzen der Pixel auf niedrigem logischem Pegel liegen. Nachdem das Rücksetzsteuersignal Rx1 auf niedrigen logischen Pegel und das Auswahlsteuersignal Sx1 auf hohen logischen Pegel gesetzt werden, wird nachfolgend die Rücksetzspannung für die nicht aneinander angrenzenden Pixel 502 und 504 als Vout abgegeben (dritter Pfeil von links in 7).
Danach werden die an die Transfer-MOSFETs M21 und M41 angelegten Übertragungssteuersignale TG2 und TG4 als Impulssignale gleichzeitig auf hohen logischen Pegel aktiviert. Daher werden die Photoströme von den zwei nicht aneinander angrenzenden Pixeln 502 und 504 zum Empfang von grünem Licht zu dem floatenden Diffusionsgebiet übertragen, d. h. der Gateelektrode von M13. Diese Photoströme werden an der Gateelektrode von M13 summiert, um eine entsprechende Bildsignalspannung als Vout zu erzeugen (vierter Pfeil von links in 7).
Auf diese Weise werden Photoströme von mehreren Pixeln addiert, bevor die Bildsignalspannung als Vout erzeugt wird, um ein bewegtes Bild mit dem CMOS-Bildsensor 500 aufzunehmen. Somit weist der CMOS-Bildsensor 500 eine geringere Betriebsfrequenz und einen geringeren Leistungsverbrauch als der besagte herkömmliche Bildsensor auf, der alle Pixel mit einer Mittelwertbildung durch eine Bildsignalverarbeitung (ISP) liest. Außerdem werden bewegte Bilder hoher Qualität aufgenommen, da Photoströme von allen Pixeln verarbeitet werden. Des Weiteren ist mit der Pixelstruktur mit gemeinsam genutzter FD die Fläche des CMOS-Bildsensors 500 reduziert.
Während bislang primär auf einen Bildsensor vom CMOS-Typ Bezug genommen wurde, versteht es sich, dass die Erfindung auch Bildsensoren anderer Typen umfasst und z. B. anstelle der MOSFETs in den Bildsensoren von 2 und 5 beliebige andere, geeignete Schaltelemente verwendbar sind.

Claims

Bildsensor mit – einem Pixelfeld mit Pixeln zum Erfassen von Licht einer ersten Farbe und Pixeln zum Erfassen wenigstens einer weiteren Farbe, – einem Signalwandler (211), an den die Pixel (201, 203) eines ersten Satzes von wenigstens zwei Pixeln (201, 203), die jeweils Licht der ersten Farbe erfassen und innerhalb einer gleichen Spalte eines Pixelfeldes nicht aneinander angrenzend angeordnet sind, gemeinsam angekoppelt sind, und – einem Treiber (220), der in einem entsprechenden Betriebsmodus des Bildsensors ein Schaltelement innerhalb jedes Pixels (201, 203) des ersten Satzes gleichzeitig einschaltet, um zugehörige Photoströme von einer jeweiligen Photodiode der Pixel des ersten Satzes gleichzeitig mit dem diesen gemeinsamen Signalwandler (211) zu koppeln.
Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Pixel zum Erfassen einer anderen Farbe zwischen den zwei Pixeln angeordnet ist.
Bildsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Satz lediglich zwei Pixel beinhaltet, die mit dem Signalwandler gekoppelt sind.
Bildsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter gekennzeichnet durch einen zweiten Satz von wenigstens zwei Pixeln, die jeweils Licht einer gleichen zweiten Farbe erfassen und mit dem Signalwandler gekoppelt sind, wobei der Treiber ein Schaltelement innerhalb jedes Pixels des zweiten Satzes einschaltet, um zugehörige Photoströme von einer jeweiligen Photodiode der Pixel des zweiten Satzes gleichzeitig mit dem Signalwandler zu koppeln.
Bildsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Pixelfeld des Bildsensors ein Bayer-Farbmuster aufweist und sich ein Pixel des ersten Satzes und ein Pixel des zweiten Satzes entlang einer Spalte des Feldes abwechseln.
Bildsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Treiber die Photoströme von den Photodioden für jedes Pixel des ersten Satzes gleichzeitig mit dem Signalwandler koppelt, um ein bewegtes Bild aufzunehmen, und separat mit dem Signalwandler koppelt, um ein stehendes Bild aufzunehmen.
Bildsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor ein CMOS-Bildsensor ist.
Verfahren zum Treiben eines Bildsensors, der ein Pixelfeld mit Pixeln zum Erfassen von Licht einer ersten Farbe und Pixeln zum Erfassen von Licht wenigstens einer weiteren Farbe beinhaltet, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – gleichzeitiges Koppeln von Photoströmen von Photodioden für jedes Pixel eines ersten Satzes von wenigstens zwei Pixeln, die dem Erfassen von Licht der ersten Farbe dienen und im Pixelfeld nicht aneinander angrenzend angeordnet sind, mit einem gemeinsamen Signalwandler, wenn der Bildsensor in einem ersten Betriebsmodus arbeitet, und – separates Koppeln der Photoströme der Photodioden für jedes Pixel des ersten Satzes mit dem Signalwandler, wenn der Bildsensor in einem zweiten Betriebsmodus arbeitet.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Satz von Pixeln innerhalb einer gleichen Spalte eines Pixelfeldes des Bildsensors liegt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Satz zwei Pixel beinhaltet, die in der Spalte nicht aneinander angrenzen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Pixel zum Erfassen einer anderen Farbe zwischen den zwei Pixeln angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Satz lediglich zwei Pixel beinhaltet, die mit dem Signalwandler gekoppelt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, weiter gekennzeichnet durch – gleichzeitiges Koppeln von Photoströmen von Photodioden für jedes Pixel eines zweiten Satzes von wenigstens zwei Pixeln mit dem Signalwandler, um ein bewegtes Bild aufzunehmen, wobei die Pixel des zweiten Satzes dem Erfassen von Licht einer gleichen zweiten Farbe dienen, und – separates Koppeln der Photoströme von den Photodioden für jedes Pixel des zweiten Satzes mit dem Signalwandler, um ein stehendes Bild aufzunehmen.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Pixelfeld des Bildsensors ein Bayer-Farbmuster aufweist und sich ein Pixel von dem ersten Satz und ein Pixel von dem zweiten Satz entlang einer Spalte des Feldes abwechseln.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Photoströme für jedes Pixel von lediglich einem des ersten oder des zweiten Satzes von Pixeln gleichzeitig mit dem Signalwandler gekoppelt werden, um das bewegte Bild aufzunehmen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor ein CMOS-Bildsensor ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor im ersten Betriebsmodus arbeitet, um ein bewegtes Bild aufzunehmen, und im zweiten Betriebsmodus arbeitet, um ein stehendes Bild aufzunehmen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor zum Aufnehmen eines bewegten Bildes und zum Aufnehmen eines stehenden Bildes im ersten Betriebsmodus arbeitet.