TW535415B - Imager with adjustable resolution - Google Patents

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五、發明説明（1 ) 發明背t 發明領1 本發明一般而言係關於光偵測器，更特定而言，係關於 二維整合的半導體影像感測器。 、 相關技藝説明 小型積體半導體影像感測器廣泛用於補捉影像，並將其 轉換成電子信號，例如在視訊攝影機或電子式靜止訊框攝 影機。目f使用多種不同的數位影像陣列格式，其提供多 種不同的像素密度。舉例而言，所提出的高解析度電^ (HDTV)之標準包含像素陣列為1920乘1080，128〇乘72〇，或較 低的解析度640乘360(行乘列）。 對於些應用，其有需要由一種影像格式轉換到另一種 :例如轉換1280乘720的影像到640乘360的格式。數個方法 可用來達成這種轉換。習用的轉換格式方法包含光學視窗. 化，次取樣，及由軟體操縱的像素集合。每個方法皆有其 缺點。 光學視窗化可能是改變數位影像格式的最簡單及最明顯 的方法。此方法僅使用該感測器陣列的一小部份，例如中 央部伤’藉以補捉先前投射在整個陣列上的相同影像。雖 然觀念上簡單，此方法在實用上相當繁雜。為了偏移及重 新縮放在影像平面的影像，光學元件必須被移動及/或取代 來改變光學格式。這種改變很困難而且昂責，且其很難來 維持適當的光學對準。此方案幾乎與簡單地替換一具有新 格式的全新攝影機一樣地困難。 -4- _____ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 535415 A7 B7 五、發明説明（2 ) 違影像資料的次取樣較為便利，因為其不需要移動物理 元件。依此方法’其係在影像願取期間或之後，由 一較鬲的解析度轉換到一較低的解析度，例如藉由軟體方 式。在該影像被數位化之後，例如由1280行變為640行，其 可僅由丢棄每個奇數行來簡單地次取樣。此方法的一缺點 在於其可能丟棄到豐富的資訊，而危害到影像品質。舉例 而°如果呈現一高度週期性的影像，其中每個間隔行具 有一接近婁大的亮度，該資訊會因次取樣而被丟棄。所得 到的影像將無法正確地代表原始的來源影像。 另種方法是像素集合，其尋求降低伴隨著次取樣的問 題。其不採用次取樣，像素集合藉由軟體操縱來平均化相 郇的像素。此方法的一個問題是僅有像素的整數倍數可被 集合。舉例而言，其不能簡單地藉由集合來轉換1920列到 1280列，因、為2/3的比例不是一個完整的整數比例。其可使一 用内插，但一些資訊將因為内插而被犧牲。再者，計算内 插非常耗時，特別是對於大的影像陣列。 美國專利編號5,262,871提出另一種選擇，其中像素的隨 機疋址造成位在選擇的有興趣區域中之像素被讀出。依此 方法，相當大群組的像素可同時地讀出，而得到的信號可 、、’。s成超像素彳§號。一旦定位出一有興趣的區域，在每個 循環期間讀*的像素數目可才皮降低來提供較高的解析度， 並以較低的速率讀出有興趣的區域。不幸地是，此方法使 用透過信號匯流排上的電荷聚集之信號累積。其未提供方 法來降低伴隨的雜訊。由每個像素讀出信號為被動的：即 -5- 本紙張尺度適财@國家標準(CNS)城格(⑽χ 297公楚)------ 535415

對於雜訊最小化或信號增強不提供放大。而是，先前方法 使用數位控制邏輯來選擇性地或並行地定址有興趣的像素。 發明概孳： 對於上述的問題，本發明提供一具有硬體切換解析度的 光偵測器陣列。該陣列包含複數個光偵測器，較佳地為光 一極體，其耦合於個別複數個可定址介面電路。在每個像 素上’一切換電路藉由加總多個光偵測器信號到一集合的 相素輸出信號來設定相鄰的光偵測器成為像素。該切換電 可。子地切換來根據至少兩個具有不同解析度的可選擇 像素化方案以集合該光偵測器信號。 較佳地是，該切換電路的控制信號係以多晶矽製造，其 置於金屬化路徑的陰影之下及其中，例如定址線。因此， 亚不消耗感光性表面，並藉由加入控制信號路徑而不會消 除填充因子。 . 在一特殊具體實施例中，光二極體可切換到⑴成對，或 (2)三個相鄰光二極體的群組，而回應於切換控制信號。因 此解析度係由硬體切換在（1) 一最大解析度，或（2) 2/3的 最大解析度。 對於本技藝的專業人士而言，本發明的這些及其它特色 及好處將可藉由以下較佳具體實施例的詳細說明，及配合 所附圖面，而更加瞭解，其中·· 圖式簡單說明: 圖1所不為根據本發明一影像陣列的代表性部份的平面 圖； -6- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公酱) 535415 A7

A7 B7 五、發明説明（ ,的尺寸如下· 一典型的像素大小為5x5微米為適當的， 雖然也有可能為較高的密度，而為一些應用所需要。雖然 斤丁僅為_小矩陣，為了清楚起見，該線路圖基本上可用 於製造像是1920 X 1〇80的光學成像器的大型矩陣。 —圖2a所示為根據本發明的兩個範例像素川及”的電路。 每個像素包含介面電路，一切換電路及兩個光二極體。光 一極體阳丨及扣2關於像素30而PD3及PD4關於像素32，（光二 極體PD1及-PD2對應於圖1的平面上的20a及20b)。-重置FET t之源極連接到PD1的陰極，而閘極連接到RS1。因此， RS1上的l號可用來藉由放電任何由光二極體叩1累積的電 何來重置該電路。緩衝器/介面FET Q2及⑴係連接在一源極 跟隨者/共用閘極兩階段緩衝器放大器電路中，其允許該光 二極體電壓在該選擇信號SeU被設定為高時被讀出。當該介 面放大器為關閉時，來自光二極體{>1)1及1>1)2的電荷累積穿一 越該本質電容（主要為PD的本身），直到其藉由致能SeU而 讀出。 4切換电路包含開關s 1及s2，其較佳地為高阻抗，電子 開關（較適合為CMOS FET開關），並允許該光二極體pm及 PD2來連接成兩種架構之一，其係由控制信號來選擇。在 所示的位置中，來自像素30的兩個光二極體，？〇1及扣2被 並聯地連接，所以該像素30累積來自兩個光二極體的信號 。在每個（可定址）像素中的電路可電子式地切換到另一個 開關位置（如虛線所示）。舉例而言，像素32所示為具有在 另一個位置的開關：該光二極體PD3及PD4被連接，所以pD4係並 -8 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) A7 B7 五、發明説明（6 ) 聯地連接到光二極體PD1&PD2(相鄰像素3〇的部份）。 圖仏的一特殊電路實施係示於圖2b。FET Q1及Q2分別做 為開關si及s2,以切換該光二極體信號，如配合圖&所述。 該像素30的切換係由一控制輸入所控制：即在^“及vs2的 控制信號係施加於Q1及Q2的閘極；類似地，像素％的切換 係由在VS3及VS4的控制輸入所控制。像素32與像素％的介 面與電路相同’而實際上所有在_影像矩陣中的像素可適 當地包含A體上相同的電路，雖然在運作上該開關§1及52可 為多種像素的不同組合。 圖2a(及圖2b)的切換電路允許一偵測器像素的感光區域 的一部份（在一具體實施例中為一半），可被切換，動態地 重新配置到一相鄰的像素。此允許電子式地控制，並藉由 以下圖3所示的方法來對該影像矩陣解析度位準做硬體切 換。在一矩陣中的三個像素通常示於4〇。在該影像矩陣中一 的每個像素包含兩個（或更多）次像素，其每個包含一光二 極體。所示有三個典型的像素：光二極體（次像素）4以及42b 構成像素42，44a及44b構成像素44，依此類推。對於一最大 解析度a又疋，忒偵測裔被切換使得光二極體42&及421)係並 聯連接，44a及44b並聯等。 當其需要來切換到較低的垂直解析度時，控制信號到該 像素（對應於圖2b中的VS1-VS4)係被啟動來切換光二極體 42a，42b，44a，44b，46a，46b之連接。除了以配對方式累積 信號之外，如40所示，該6個光二極體係連接在47所示的群 組。该光一極體44a係並聯地連接42a及42b，構成一有效的 -9 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） i、發明説明（ =8:= 一’—成—有效像素5。，其包 像陣列Π 信號。此重新組織當然會跨過該影 像陣歹!而重複。因此’該陣列的解析 又）此切換造成了 2/3倍的解析度降低。 :然’本發明的電路及方法並不限於—2/3因子的解析度 又，但可-般化為其它的比例。該2/3降低為高度地實用 ，且使其冬身可清楚地解釋。但是，該像素光二極體之面 積不需要相等。光罩技術可用來產生光二極體區域的任何 :例，且不同的區域可光罩到一陣列中不同的像素(可為任 思圖案）。舉例而言，部份區域施加在_n模數爪方案中的 先-極體中，其允許在至少該矩陣的—維中轉換1㈣子 的解析度。特別是’在一方案中，該第n個像素(由上依序 排列）的最-上端光二極體必須具有面積成比例於^模組化 乘以像素間距，以達到ι/n的解析度切換。 圖4 ’ 5及6所示為該電子開關㈨或s2)的一特殊較佳的實 際配置維持了該光谓測器矩陣的有效率使用（填充因子 )。圖4所示為-典型的像素，其相對於圖！略為放大，以 顯示-適當的實際半導體配線的更多細節。該咖及腦的 陰極的表面佔據了該像素區域的最大部份，且被適當的以 N+摻雜物所摻雜。其也顯示介面電路24(較適合為⑽⑽ s)以及列定址及/或重置控制的金屬化電路軌跡6〇。 圖5的丰又落係經由該晶片的區域，其淺淺地由一金屬化 電路路徑60覆蓋（遮蔽），因此無論如何不能用於感光 535415 A7 _ B7 ____ 五、發明説明（8 ) 。在該金屬化層60之下較佳地具有一多晶矽（或通常為半導 體）層62，其藉由一氧化層64獨立及隔開該金屬層60。該多 晶矽層62提供該控制輸入（圖2b中的VS1及VS2)的一多晶矽分 支，用以切換解析度設定。在該多晶矽層62之下具有另一 層絕緣氧化層66，其隔離了該多晶矽層62及底下的P摻雜基 板68。該氧化層66係在製造期間被光罩，以提供一開關電 晶體（FET) 70的接觸區域。當然，金屬化的分支另可用於該 控制輸入仓支，但其需要一額外的金屬化層。 該開關電晶體70可在圖6的橫截面中更簡單地看到（其與 圖5垂直）。該習用製造的一 FE丁開關之橫截面可簡單地在 輪廓76中看到，其具有一閘極78，通道區域8〇，氧化絕緣 ' 層82 ’及光二極體（n +摻雜）區域86及88(該PD1及PD2的陰極） ’其做為源極與汲極。因此施加於多晶矽閘極82的電壓將 ， FET打開，—並連接相鄰的光二極體區域86及88。 圖4 ’ 5及ό的配置在幾方面皆較佳。首先，用以切換該 光二極體的控制輸入線係置於金屬化線6〇之下（但係電子式 地離）。較佳地是，該控制輸入線係整個在該金屬化線的 遮蔽之下。該金屬化線60係用來定址該矩陣，因此即使在 省用的影像陣列中亦存在。因此，該控制輸入線並不佔用 額外的表面空間，或另可減少感光二極體表面所使用的空 間。因此可構成高的填充因子。第二，多晶矽的使用可適 用於該切換控制線，因為其已經用於其它裝置，因此並不 需要一額外的製造步驟。多晶材料適用於該控制輸入線， 因為在大多數的應用中在解析度模式之間的切換並不常用 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) —--------- 535415 A7 B7 五、發明説明（9 ) ，且不需要高速的切換。因此，多晶材料的相當高之電阻 並不會禁止其用於切換控制（解析度）。其可使用其它製造 技術及配置，其會增加一些成本及/或犧牲一些晶片填充因 子0 除了需要可選擇解析度之應用來符合一格式之外，本發 明亦有利於其它應用。舉例而言，一光偵測器需要在高訊 框速度及低訊框速度之下工作；或其需要同時運作於強光 及弱光的租況下。選擇較大像素尺寸/較低解析度將使得較 快地整合足夠的光二極體的電荷，因此可適於弱光或高速 的應用。另一方面，使用較小的像素將在付出敏感度及速 度的代價下產生較佳的解析度。本發明的可選擇解析度可 依照需要使用相同的成像器來容納多種需要。 雖然本發明已在一具體實施例中說明，其中每個像素包 含兩個次像素（其每個包含一光二極體），其可使用較多數一 目的次像素。但是，所述的具體實施例係特別有用，且可 適於製造常用所需要的陣列：例如，可在丨92〇列及1 〇8〇列之 間切換的陣列，或可在1080及720行之間切換的陣列。 當本發明的數個具體實施例已顯示並說明之後，對本技 藝的專業人士可產生許多的變化及其它的具體實施例。該 光偵測器陣列的幾何可以改變，或者是該個別光二極體區 域的幾何。不同的切換裝置可由該光二極體開關取代。其 可藉由適當的光罩及定址方案來提供任何比例的像素解析 度。像素可進一步再區分成超過兩個次像素（其每個包含一 光二極體及一開關），藉由路徑化開關來根據不同的多重二 -12·

535415 A7 B7 五 發明説明（1〇 ) 極體架構選擇其組合。在不背離所附申請專利範圍中所定 義的本發明精神及範圍之下，可考慮及構成這些變化及其 它的具體實施例。 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 包含複數個可定址像素的光偵測器陣列，每個像素 至少兩個光二極體（PD1，PD2); 一切換電路⑻，S2)，其允許至少該光二極體中的_ 個在一第一電路及一第二電路之間切換； 其中該第一電路並聯地連接該至少兩個二極體，而該 第二電路並聯地連接該至少該光二極體中的一個與該陣 列中一相，像素的一光二極體，藉此該陣列可在一高解 析度及一低解析度像素架構之間切換。 2.如申請專利範圍第丨項之光伯測器陣列，其中該切換電 路包含主動的半導體切換裝置（Q1，q2)。 3 ·如申請專利範圍第2項之光偵測器陣列，其中該切換裝 置為場效電晶體。 4 ·如申請專喇範圍第3項之光偵測器陣列，每個像素進一 步包含一定址電路（24)，其可以回應於一位址輸入而由 該像素讀出。 5 ·如申請專利範圍第1項之光偵測器陣列，其中該至少兩 個光二極體包含兩個光二極體。 6 .如申請專利範圍第1項之光偵測器陣列，進一步包含控 制線’其輕合於該切換電路來控制該切換電路； 且其中該控制線係製造於一多晶矽層（62)中。 7 ·如申請專利範圍第6項之光偵測器陣列，其中該控制線 係置於一金屬化層（60)之下，其係電子式地隔離於該控 制線。 -14 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 六、申請專利範圍 8 . —種具有可選擇解析度的光偵測器陣列，其包含： 複數個光二極體（PDi , pD2); 複數個可定址介面電路（24); 一切換電路（Si，S2)，藉由在每個像素加總多個光偵 測器彳§ 5虎到一聚集的像素輸出來設定該光偵測器的相鄰 者成為像素； 其中該切換電路為電子式地可切換來組合該光偵測器 信號’其J系根據至少兩個具有不同解析度的不同可選擇 像素化方案。 9 ·如申請專利範圍第8項之光偵測器陣列，其中該切換電 路跟據至少兩個不同的，電子式地可選擇架構來組合光 偵測器信號：一第一架構，其中每個像素輸出為兩個相 鄰光二極體的總和；及一第二架構，其中每個像素輸出 為至少三，光二極體的總和。 10·如申請專利範圍第9項之光偵測器陣列，進一步包含一 控Φ彳輸入（VS1，VS2)，其耦合於該切換電路來控制該切 換電路； 且其中該控制輸入包含一多晶矽分支。 η.如申請專利範圍第10項之光債測器陣列，其中該多晶矽 分支置於一金屬化層（60)之下，其係電子式地與該控制 輸入隔離。 12*種光偵測器陣列，其包含複數個像素（42); 其中每個像素包含至少兩個次像素（42a，42b)w結合； 且其中該次像素係可切換地結合到至少兩個不同的群 535415 8 8 8 8 A B c D 々、申請專利範圍 組配置，以提供至少兩個不同可選擇的像素架構。 13·如申請專利範圍第12項之光偵測器陣列，其中該陣列可 在1920列及1080列之間切換。 14.如申請專利範圍第13項之光偵測器陣列，其中該陣列可 在1080行及720行之間切換。 -16- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)