TW580828B - Signal readout circuit having on-sensor-chip two-dimensional interpolation - Google Patents
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Description
580828 五、發明說明（1) 發明背景 本發明係有關於-種在感測晶片上具有二維内 的信號讀出電路’尤其是一種可以在類比象限領域中實現 行列式内插（xy-interpol at i〇n)功能的信號讀出電路，以 改進次取樣後的影像品質。 今曰所使用的各式各樣影像器或影像感測器包含電耦 合元件（CCD)影像感測器及互補型金屬氧化物半導體影像 感測器（C Μ 0 S i m a g e s e n s 〇 r s)。然而，近年來，對於暴增 的半導體技術及它的應用而言，由於複雜的製造規格及相 對高的成本’使得電耦合元件（CCD)影像感測器無法輕易 地整合於屬於互補型金屬氧化物半導體製程 process)的週邊裝置線路中。因此，同屬互補型金屬氧化 物半導體製程（CMOS process)的互補型金屬氧化物半導體 影像感測器（CMOS image sensors)被可輕易地使用積體電 路製程（IC fabrication processes)，與它的週邊設備一 起整合至一單晶片中。如此，互補型金屬氧化物半導體影 像感測器（CMOS image sensors)在許多應用中廣為採用， 超越電耦合元件（CCD)影像感測器，尤其是整合性機能較 具優勢的地方，例如有關安全性、生物統計及工業的應 用。此外，互補型金屬氧化物半導體影像感測器（CMOS image sensors)可隨機存取（行列式定址功能）及低電壓低 功率操作的特性，可觀的降低它所需的製造成本並因為這 類晶片通常負責執行晶片上的即時影像處理線路，而對影 像感測器具有重大影響。 〇723-8307TWF(n) ； sue.ptd 第4頁 580828 五、發明說明（2) 曰 第1圖是一典型互補型金屬氧化物半導體影像感測器 晶片（CMOS image sensor chip)10的示意圖。在第j圖 中’這互補型金屬氧化物半導體影像感測器晶片丨〇包含一 n^m的像素電路陣列（pixel circuU array)1〇〇、一信號 項出電路（readout circuit) 130、一可程式增益放大器 (Programmable Gain Amplifier 、PGA)150 、及一類比/數 位轉換器（Analog-to-digital converter、AD〇170。
又，這個影像感測器晶片還可内建或是外接至一數位信號 處理器（1)8?)11。如第1圖所示，像素單元{)1乂1卜1)]^11111分 別代表單一的像素電路。信號讀出電路丨3〇 一般只具有一 行的信號讀出單元（readout uni t) 1 31，一次讀取該陣列 1 0 0中的一行之像素單元。現今最常用的讀出方法是相關 性雙取樣技術（correlation double sampling、CDS)，如 美國專利編號第6, 433, 632、6, 248, 991、6, 018, 364與 5，8 7 7，71 5號所述，以提供一較少影像資料及較低定格雜 訊（fixed pattern noice、FPN)。接著，放大器 150 將經 過取樣的像素信號放大。放大的像素信號再經類比/數位 轉換器1 7 0由類比信號轉換成數位信號以供數位信號處理 裔（DSP)ll做進'一步的處理。
為了獲得較快傳輸率，當運用上述互補型金屬氧化物 半導體（C Μ 0 S)影像感測器晶片1 〇中產生比像素電路陣列的 像素數目少之像素數目的圖像時，習知有兩種普遍的做 法，都是在數位象限（digital domain)執行：一種是用次 取樣法（sub-sampling)，另一個是内插法
0723-8307TWF(n) ； sue.ptd 第5頁 580828 五、發明說明（3) (interpolating)。譬如說，沖一 目為400萬像辛，而要+ i ” 車列的像素單元數 豕系而要雨要的圖像為100萬俊去a办丨| ^ 取樣法是先把4〇0萬像辛_辦#7^^^禹像素為例子。次 把母四個相鄰的像素信號取其中之一/化f 接者 二個傻辛^士骑,, 為代表’而捨棄其他 -個像素& 。如此，構成_個1()()萬 插法一樣是先把400萬像素信號經過A])c全部° 内 後把每四個相鄰的像素信號取其平均值而；斗2 ί ’然 ia #ϋ如此，產生一個U0萬像素之圖像。 生二ί將二方法都各有其缺點。次取樣法所產 玍的圖像將會變的非常粗糙， 丨压 形，視覺上的效果比較差。内插 ：':不連續的情 果上較好，但是，㈣要比較多的的2在視覺效 程時所產生的資料。而i，内插^來處理计异過 =原外，撕部分也會需要内二 的接收與處理由DAC來的數位資料。 j才侍以冋步 有鑑於此，本發明之一目的名 條件下…快速的產生内Πί不增加記憶體數量的 本發明之另-目的係在類比象限執行内插 信號讀出電路中便產生内插資料， 此月匕在 貝杆不必經過DSP處理0 本發明係提供一種在感測晶片上呈 二 信號讀出電路。信號讀出電路& & ^ 、、、插功能的 (」 、 电岭a括有複數信號讀出罩开 (readout unit)以及一連接開關。 =早70 讀取偵測相同顏色的複數個像辛單Γ \§ 單疋用以 光亮度。每個信號讀出單元iS;(p=:nits)之受 夕具有一個電荷儲存元件， 五、發明說明（4) 其中儲存之電荷係為—相 度。該連接開關耦接於誃辇:f素單元所感測之受光亮 存之電荷尚未被讀取之Γ電何儲存元件之間，於該等儲 享該等儲存之電荷。藉:連接該等電荷儲存元件，以分 domain)内，實踐二維曰内插功可#以在類比象限（analog 本發明另提供一藉忠#、| t — ule)。該光感測模^勺感=模組（Photo sense 讀出電路、一連接門關L 3有一像素電路陣列、一信號 一類比/數位轉換器'嗲一增益可程式化之放大電路以及 測一顏色的受光哀声夕/象素電路陣列具有排成陣列、谓 以讀出該等個像辛^ -子數像素單元。該信號讀出電路用 維内插功能。Ϊί;:;受光亮度，並且具有選擇性之二 至該等像;單電路：：每：”讀出單元對應 個電荷儲存元件，、直中存^ ^唬碩出早70至少具有一 所感測之受光；^ f電何係為一相對應像素單元 讀ί之前元件之間’於該等儲存之電荷尚未被 科兮掛、，連接5亥荨電荷儲存元件，以分享該儲存之電 a:PU°;i二可Ϊ式化之放大電路(Pr〇gr_bl…in 類比/數位轉換二放大該信號讀出電路所輸出之信號。該 位划能轉換窃用以將被放大之信號由類比型態轉成數 5供後面數位信號處理器（DSP)使用。藉此，可 兮笪本，（扣31〇§ d〇main)内，實踐二維内插功能。 錚電Ϊ。ί Ϊ儲存元件係為該信號讀出電路中的複數個記 錄電今该連接開關係為一個金氧半電晶體（M0S)，橋接 第7頁 0723-8307TWF(n) ; sue.ptd 828 五、發明說明（5) 於兩個記錄電容之間。 ^發明另提供一種產生二維内插影像的方法，包含有 下列步驟：1 )將一像素電路陣列中 德本抑— „ 呀1干夕丨彳干對應至相同顏色之複數 :::::到之受光亮度讀*，並產生相對應之電荷 數相對應之信號讀出單元中的電荷儲存元件；2)將 j電荷健存元件中之儲存電荷均分；以及3)將該等電荷 者子7G件中之已均分的電荷讀出，並轉換成相對應之複數 ΐί，而該等數位信號即構成一二維内插影像。 簡單的說，在該等電荷儲存元件中所記錄的受光亮度 “同於被儲存之電荷）尚未被讀出之前，便將該等被儲存 電4可句刀如此，均为的功能等同於内插的功能。因 此，當均分後的電荷被讀出後，即可構成一二維内插影 像。 較佳實施例之詳細說明 在本說明書中，相同功能元件係以相同參考號代表。 、第2圖是一依據本發明之互補型金屬氧化物半導體影 像感測器晶片（CMOS image sensor Chip)20的示意圖。在 第2圖中，這互補型金屬氧化物半導體影像感測器晶片2 〇 包含一 nxm的像素電路陣列（pixel circuit array)l〇〇、 一信號讀出電路（1^8(1〇111：(：卜(：1^1：)230、一可程式增益放 大器（Programmable Gain Amplifier、PGA)150、及一類 比 / 數位轉換器（Analog-to-digital converter、 ADC) 1 70。又，這個影像感測器晶片還可内建或是外接至 一數位信號處理器（DSP)n，如第2圖所示。本發明的重 0723-8307TWF(n) ； sue.ptd 第8頁 580828 五、發明說明（6) 開關，用以連接兩兩V號讀疋出t -個為Γ圖中的像素電路陣列1〇°電路示意圖。每 個像素早70具有3個NM0S電晶體以及一個二極體，盆 PD:〇「S M2負責將二極體PD充電（或重置）’NM0S μΓ是將 單流Μ3是負責控制相對應的像素 欄元ΡΙΧ11與像素單元ΡΙΧ12連接到同- 攔；=像素單元ΡΙΧ21與像素單元ΡΙΧ22連接到同-襴L 5虎線D1，以此類推。 出電：：圖且為古第2圖中之信號讀出電路的示意圖。信號讀 = 信㈣出電路組232a、232b ’每個信 ==(232a或23叫具有„(像素電路陣列的搁位數）個 ί二X:二ϊΐ==42:=鱼每排的信號讀出 - 關性雙取樣技術將像素電路陣列中的一排之像 ΐη::受光亮度讀*。所謂相關性雙取樣技術是 像素單元的兩種狀態、：一㈤是像素單元在重置 :、電狀悲；另一個是像素單元在經過一段時間井昭之 後的漏電狀態。兩種狀態的差別即正比於受光亮 ^ 荷量的开” Ϊ::,像素 兩種狀態分別以電 式，在母個信號讀出單元中的記錄電容。與重 置電谷CR。可程式增益放大器（Programmable Gain %^fir^PG,A)1r07^^^A"5 乜唬3貝出早兀中的Cs與4所存之電荷量的差值，即是讀出
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一像素信號。 、需，意的是，信號讀出電路23 0中有許多的開關，分 別連接每兩個cs或是每兩個Cr。譬如NM〇s 〇11控制端點 S11與S12之間連接、NM0S ”丨丨控制端點su與S2l的連接 等等，如第3B圖中所示。在此實施例巾，信號讀出單元 2411與2412之間不可以有NM0S來連接其中的電容，信號讀 出單元242 1與2422之間並沒有NM0S來連接其中的電容。 抑在&與CR中所儲存之電荷量在尚未被可程式增益放大 器1 5 0凟取之刖，開關可以選擇性的把兩個電容（匕或是匕） 相連接。此時，兩個相連的電容便會達到等電位j由於^目 ，的電容之電容值也相等，所以相連的電容中存放的電荷 =也會相等。換言之，在第3B圖中，當一個開關將兩個電 谷相連接時，兩個電容原本所存之總電荷量將會均分到兩 4固相連之電谷，產生兩個等效上的"内插”電荷量。之後， 當可程式增益放大器15〇讀取兩個相連之電容的其中之一 時’就是讀取一個等效上兩個像素單元之”内插”受光亮 度0 第4圖為第3A圖與第3B圖中之電路的信號時序圖。在 信號NOV(number of overhead)致能時，^[“"與 row-sel 2個別選取了像素電路陣列中的兩排的像素單元。 譬如說，當row-sell與roW-Sel2供應至第3A圖中的RSEL1 與RSEL2時，便分別選取了像素單元之第一排（pixn〜 Pixlm)與像素單元之第二排（Pix2卜pix2m)。當第一排被 遥取時’ SHS1與SHR1分別開啟信號讀出電路組232a中的電
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容與欄信號線之間的開關（或县 。^ /、次疋說，使電容與攔信號線相 連接）。此時，第一排中的每一個像 ^ 狀態與受光後的漏電狀態分別 /曰 4(reset) M m午a徊# $二 電何置的形式，透過攔信 的道理，當第二排被選取時， y、L τ 樣 之重置I態與受光後的漏電狀H中的|一個像素單元 交j柏^狀態分別以電荷量的形式，诱 過欄信號線’被記錄於信號讀出電路組23 讀出路單元％糾中。換言之，兩排信號讀出電路组 232a與232b分別記錄了兩排像音 貝电硌、、且
At 辨像言早疋之重置狀態與漏電狀 m 〇 _在第3B圖與第4圖中，信號ave等同於信號NOV的反向 U同時也等同於第3B圖中的信號VAVE與信號have。信 號N0V的禁一能，等同於信號ave的致能，開啟了兩兩信號讀 出！路單元之間的開關。因在匕，如同先前所述，因為電荷 刀旱所以k號續出電路單元2411 2412 2421與2422中所 記錄的總光亮度會被均分在四個信號讀出電路單元中。同 理，雖然沒有在第3B圖中顯示，但信號讀出電路單元2413 2414 y423與2424中所記錄的總光亮度也會被均分在四個 信號讀出電路單元中。每個信號讀出電路單元所存放的資 料’便不再是原始的受光亮度，而是四份受光亮度”内插,· 後的受光亮度。 信號CSEL1使可程式增益放大器15〇讀取信號讀出單元 2411中的Cs與CR所存的電荷量；之後，信號(^Ε(31 (控制讀 取信號讀出單元2411中的開關seqi )使讀取信號讀出單元
580828 五、發明說明（9) 2 4 1 1中的cs與cR回到相同的起始狀態。同理，信號[$ e [ 2使 可程式增益放大器150讀取信號讀出單元2412中的Cs與CR所 存的電荷量；之後，信號CSEQ2(控制讀取信號讀出單元 2412中的開關SEQ2)使讀取信號讀出單元2412中的&與&回 ，到相同的起始狀態。以此類推，信號讀出電路組2 3 2 &中的 Π内插”受光亮度便可以全部被可程式增益放大器丨5()讀 出’而供後續的類比/數位轉換器17〇與數位信號處理器晶 片（DSP chip) 1 1 處理。 利用第3B圖中的電路與第4圖中的信號控制類推，每 四個像素單元的受光亮度在尚未被類比/數位轉換器丨7 〇處 理前，=被以類比方式產生”内插，，受光亮度，即為一内插 的像，^號。之後，數位信號處理器晶片（DSp chip)1丨只 要把每四個相鄰的像素信號（受光亮度）取其中之一為代 表。如此，便可以產生一個比較真實，像素數目較少之圖 ^需，別注意的，雖然第3B圖的電路具有，，内插，，的功 :匕仁：觸使内插執行的信號ave就只是在習知技術 就有的信號_之反向信號。僅僅f要一個反向器便可簡 單的轉換信號NOV為信號ave。控制上，非常方便。
以上為產生相鄰四個像素單元（上下左右）之，，内插，，像 ?信號的·方法與電路。如果只需要產生左右相鄰兩個像素 單元t σ内插像素化號’信號讀出電路組2 3 2 b以及其相 關之#说便可省略’可為熟f互補型金屬氧化物半導體影 像感測器者依據本發明而輕易推之。相同的道理，如果只
580828 五、發明說明（ίο) ___ 需要產生上下相鄰兩個像素單元之 號HAVE便需要一值保持在禁能狀能，以 f素#唬，信 讀出電路單元進行了 ”内奸”:处避免左右兩個信號 制瞧開關連接電容的數 =屮：要控 的多募，相鄰任何多個像素單元之，，内f以電路組 法與電路也可推理得知。 像素k號的方 當然的，所謂，，内插，，功能必須 色的受光亮度上。也就是々 二 j在禝數個相同顏 的開關必須跨在兩個處理相同顏色2單元之間 上。而顏色可以是無色(achromatic)、單元 色其中之一。 、工已、綠色以及藍 相較於習知在數位象限執行的次 發明利用在類比象限，利用電荷分享的方^與 内插"的像素信號。以本發明所產生的接產生" 樣法所產生的圖像更為貼 而將會較次取 也不需要數位式内插法所3二=像而本發明之方法 加少數的電路控制，便大幅提高整個電路的：=是增 理的表現。 正电格的衫像輪出與處 雖然本發明已以一些較佳實施^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ 用以限定本發明，任何熟知此技術之人士 ^然其並非 明之精神及範圍内，當可做 不脫離本發 護範圍當視後附之申&專# » π飾，因此本發明之保 说W <甲5月專利乾圍所界定者為準。 第13頁 0723-8307TWF(n) ； sue.ptd 580828
圖示之簡單說明 的、特徵、與優點能更顯 並配合所附圖式，作詳細 為讓本發明之上述及其它 而易見’下文特舉較佳實施例 說明如下： 曰曰 =是一典型互補型金屬氧化物半導體影像感測器 月 CIMUb image sensor chip)l〇 的示意圖； 、第2圖是一依據本發明之互補型金屬氧化物半導體影 像感測裔晶片（CMOS image sensor chip)2〇的示意圖； 第3A圖，第2圖中的像素電路陣列1〇〇的電路g意圖； 第3B圖是第2圖中的信號讀出電路的示意圖； 第4圖是第3A圖與第3B圖中的電路的信號時序圖；及 [符號說明] 片 10、20 :互補型金屬氧化物半導體（CM〇s)影像感測器 11 :數位信號處理器（DSP) 1〇〇 ·像素電路陣列（pixel circui1： array) 130 · U虎頃出電路（read〇ut circuit) 150 ·可程式增益放大器（pr〇grammabie Gain Amplifier) 170 ·類比 / 數位轉換器（Analog- to-digital converter) 230 · #號項出電路（rea(jout circuit) 2 3 2 a、2 3 2 b :信號讀出電路組 2411、2412、242 1、2422 :信號讀出單元
0723-8307TWF(n) ； sue.ptd 第14頁 580828
0723-8307TWF(n) » sue.ptd 第15頁
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- 580828 修正 皇號91121120 气:^年^月η日 六、申請專利範圍 1 · 一種在感測晶片上具有二維内插功能的信號讀出電 路（readout circuit with on-sensor-chip two-dimensional interpolation)，包括： 複數信號讀出單元（readout uni t)，用以讀取偵測相 同顏$的複數個像素單元（photo detect〇rs)之受光亮 度，每個信號讀出單元至少具有一個電荷儲存元件，其中 儲存之電荷係為一相對應像素單元所感測之受光亮度；以 及 一連接開關，耦接於該等電荷儲存元件之間，於該 ί ΐ::荷：未被讀取之前’連接該等電荷儲存元件，以 刀旱泫專儲存之電荷； 藉此，可以在類比象限（analog domaiI〇 維内插功能。 1 κ吟一 2·如申請專利範圍第1項之信號讀出電路，並中， =顏色係為無色（achromatlc)、紅色、綠色以及藍j其 算/^°1請專利範圍第1項之信號讀出電路，其中，該 單二關性雙取樣技術讀取相對應像素 -信4號；=:=1 置項電之4號讀t出轉^ -^(register capac!^；0：：； t Tt ^ Ϊ L"/ 電容，^2 態’該電荷館存元件係為該吃伴 了應像素早兀之受光放電後狀態，該信號 Ή 第16頁 0723-8307TWl(n);sue.ptc 93. 2. -9 __^日 580828 修正 ΛΜ 9112119.0 六 ，申請專利範圍 - =出電路具有一第一連接開關，用以連接於該等重置 容，以及一第二連接開關，用以連接於該等記錄電容。、 ^ 5 ·如申請專利範圍第1項之信號讀出電路，其中^ 等#號讀出單元係共同連接至一像素電路陣 °亥 (cWn)信號線。 ]之一攔 6 ·如申請專利範圍第1項之信號讀出電路，其中 ^ 等信號讀出單元係分別連接至一像素電路陣之、’該 號線。 平W之设數攔信 7·如申請專利範圍第1項之信號讀出電路，其 ^ 連接開關係為一金氧半導體電晶體 /、 ’忒 » (metal-〇xide一semiconductor transistor ，M〇S)。 8· —種光感測模組（ph〇t〇 sense module)，包人 一像素電路陣列，具有排成陣列、偵測一=二有· 亮度之複數像素單元； 顏色的觉光 仏戒言買出電路（read〇ut circuit)，用以#山 個像素單元之受光亮产，並1且右、用以頃出該等 能，包含有：ϋ度並且具有選擇性之二維内插功 數L號續出單元，每一传於靖屮 單元豆中之 — 1口就°貝出早兀對應至該等傻夸 元件，其中儲存之雷荇 ，、有一個電荷儲存 ㈣廿 < 电何係為一相對應傻去 ^ 光亮度；以及 a ”早70所感測之受 一連接開關，耦接於哕笠一 儲存之電荷尚未被讀取之二 °了 ：子兀件之間，於該等 分享該儲存之i: “，連接該等電荷儲存元件，二580828一增益可程式化之放大電路（pr〇grammable gain amp 1 i f i er) ’用以放大該信號讀出電路所輸出之信號；以 及 類比/數位轉換器（a n a 1 〇 g t 〇 d i g i t a 1 converter) ’用以將被放大之信號由類比型態轉成數位型 態’以供後面數位信號處理器（DSP )使用； 藉此’可以在類比象限（anal〇g d〇main)内，實踐二 維内插功能。 ^ 9 ·如申請專利範圍第8項之光感測模組，其中，該顏 色係為無色（achromatic)、紅色、綠色以及藍色其中之 ▲ 口 =·如申請專利範圍第8項之光感測模組，其中，該等 信號讀出單元係運用相關性雙取樣電路技術讀取相對應像 素單元所感測之受光亮度。 11 ·如申請專利範圍第8項之光感測模組，其中，每一 ，唬唄^單元具有一重置電容（reset capaci 以及一 挹錄電容^register capacitor)，該重置電容係儲存該相 巧、像素單元之重置狀態，言亥記錄電容係儲存該相對應像 ,、早元之叉光放電後狀態，該信號讀出電路具有一第一連 接開關，用以連接於該等重置電容，以及一第二連接開 關，用以連接於該等記錄電容。 一 歼 >。1J·如申請專利範圍第8項之光感測模組，其中，該等 信號讀出單元係共同連接至該像素電路陣列之一號 線。 σ &580828 修正案號 91121120 六、申請專利範圍 。* 1 3.申請專利範圍第8項之光感測模組，其 Z讀出單S係分別連接至該像素電路陣列之複數“ / 14. 如申請專利範圍第8項之光感測模組，其中，該 素十電〗路陣列係為-互補式金氧半導體(complementary Λ》 me a oxlde semiconduct〇I·，CM〇s)感測器陣列。 15. 。如_申請專利範圍第14項之光感測模組，其中， 一像素單元係具有三個金氧半導體電晶體以及一二極體。 16. 如申請專利範圍第8項之光感測模組，其中，二 接開關係為一金氧半導體電晶體 ^ 鴦 (metal一〇xlde-semiconductor transistor ，M0S)。 1 7· —種產生二維内插影像的方法，包含有： 將一像素電路陣列中對應至相同顏色 所偵測到之受光亮度讀，，並產生相對應之電荷 相對應之信號讀出單元中的電荷儲存元件； 將該等電荷儲存元件中之儲存電荷均分；以及 將該等電荷儲存元件中之已均分的電荷讀出，並轉換 成相對應之複數數位信號，而該等數位信號即構成一二 内插影像。 — 1 8·如申請專利範圍第丨7項之方法，其中，該等像素 單元係位於該像素電路陣列中之同一攔（c〇lumn)。 、 1 9 ·如申睛專利範圍第1 7項之方法，其中，該等像素 單元係位於該像素電路陣列中之同一列（r 〇 w)。 2 0 ·如申凊專利範圍第1 7項之方法，其中，該等像素0723-8307TWFl(n) ： sue.ptc第19頁 月 曰 一修正 —1^91121120 、申請專利範圍 ___ :疋所偵測到之受光亮度係以相關性 出。 笑取樣電路技術讀 電二中V?利範圍第2°項之方法，“，將-像素 先^讀出之步驟包含有下列步驟：μ 讀取該等像素單元之重置狀態，i 存入，對應之信號讀出單元中的複數重置電：= 之電η!ί素單元之受光放電後狀態，並產生相對應 容策何存入该專相對應之信號讀出單元中的複數記錄電0723-8307TWFl(n) sue.ptc
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