專利名稱：具有可選擇的硬接線歸組的cmos圖像傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種CMOS圖像傳感器，其被適配為通過物理圖像傳感器像素的歸組 (binning)或組合，選擇性地產(chǎn)生兩種可能的圖像分辨率中之一。
背景技術(shù)：
存在許多HDTV格式，其中，垂直方向上視頻行的數(shù)量與垂直方向上每視頻行上的 水平像素的數(shù)量可以不同。常見格式有垂直方向上720行以及每行上1280個像素，也被稱 為1280x720，或垂直方向上1080行以及每行上1920個像素，也被稱為1920x1080。有能力選擇性地產(chǎn)生這兩種HDTV格式中任何一種HDTV格式的照相機可能由于其 靈活性而受到青睞?？梢杂糜谝詢煞N格式產(chǎn)生視頻信號的單個照相機可降低成本，并簡化 事件覆蓋的邏輯設(shè)計(logistics)以及規(guī)劃。能在垂直分辨率1080和720行之間切換的照相機當(dāng)今不常見。存在極少數(shù)可以 提供該期望的靈活性的照相機，其使用特殊的傳統(tǒng)CCD成像器，然而，不能以能用于CMOS成 像器的方式在一個芯片上制造具有相同功能的CXD成像器。通常，已知幾種用于提供允許以各種視頻格式輸出視頻的成像器的方式。一種已知解決方法在圖像傳感器上修改所謂的“感興趣區(qū)域”。在此類圖像傳感 器中，在更低的分辨率模式下僅讀出并使用圖像傳感器陣列的中間部分。該方法也被稱為 “裁切(cropping)”或“數(shù)字變焦”?？梢酝ㄟ^丟棄實際上已經(jīng)被讀出但因為其處在感興趣 區(qū)域之外而不被需要的像素，或通過僅讀出在期望的視頻格式中所需要的那些像素，來實 施該方法。僅讀出實際需要的那些像素的一個好處在于增加最高可能的幀速率。然而， 改變了觀看角度，從而同一鏡頭動作更像“變焦(zoom) ”或“望遠(yuǎn)(tele)”，并且不能提供 廣角焦距。該行為也被稱為“焦距增加(multiplication)”或焦距虛擬延長，S卩，鏡頭焦距 在更低分辨率模式下比在更高分辨率模式下顯得更長。該屬性可與所謂數(shù)字變焦相比較， 所謂數(shù)字變焦使用更少量的實際像素來填充屏幕或取景器。進一步，對于相同的觀看角度 與將被捕捉的對象的距離，景深被改變。例如，利用同一鏡頭光圈、或光圈數(shù)從同一位置拍 攝，但是放大圖像至給定參考尺寸，將產(chǎn)生減小的景深。另一方面，拍攝相似取景的照片 (similarly-framed shot)越小，圖像傳感器的景深越大。這可能被認(rèn)為是不期望的，由于 其可能改變了攝像師的期望圖像構(gòu)成。更進一步，鏡頭為不必要的龐大并沉重。更進一步， 當(dāng)切換到更低分辨率格式時，性能(例如SNR)沒有增強，如同對于其它方法的情況一樣。另一種已知解決方法是在使用傳感器的更高分辨率捕捉到圖像后，在數(shù)字域中 進行掃描轉(zhuǎn)換。這里，源自傳感器IC的圖像總是具有相同的更高的分辨率格式。通過實現(xiàn) 在成像器外部的數(shù)字濾波器來進行垂直縮放，即垂直方向上行數(shù)量的減少。以相同方式，在 捕捉到場景后，可在數(shù)字域中選擇感興趣區(qū)域。在該方法中，成像器的幀讀出速度與更高分 辨率相比沒有改變，這可能被認(rèn)為是缺點。進一步，由于所需要的處理，系統(tǒng)的功耗將更高。還有另一種已知解決方法是使用模擬信號處理在圖像傳感器芯片內(nèi)進行掃描轉(zhuǎn) 換。在像素單元的逐行讀出處理期間，來自不同行的信號在列讀出電路中被加權(quán)并相加。實際上，這實現(xiàn)了垂直濾波以及采樣率轉(zhuǎn)換處理。該類掃描轉(zhuǎn)換的示例可在歐洲專利申請 no. EP 07301330 中被找到。也已知，依照所期望的分辨率，將許多更小的子像素編組在一起。該處理也被稱為 歸組(binning)。在該情況下，成像器陣列包含更大數(shù)量的具有被稱為子像素的更小像素單 元的行。對于能容納垂直方向上1080與720行的照相機，整個陣列中有2160行子像素可 適用。如果組合2個在垂直方向上相鄰的子像素的組，將導(dǎo)致垂直方向上1080行。如果組 合3個在垂直方向上相鄰的子像素的組，將導(dǎo)致垂直方向上720行。圖1圖解地展示了具有子像素的圖像傳感器的細(xì)節(jié)，該子像素可用兩種方式來編 組。在圖中，展示了圖像傳感器的六個在垂直方向上相鄰的行以及兩個在水平方向上相鄰 的列。圖像傳感器可有更大數(shù)量的行與列，例如，2160在垂直方向上相鄰的行，如上段所提 出的。在圖中左邊部分，形成了各個具有三個子像素1的組2。各組由周圍的框以及陰影 圖案表示出。該模式下，上面討論的示范性歸組將導(dǎo)致垂直方向上720行。在圖中右半部 分，展示了圖像傳感器的同樣的六個在垂直方向上相鄰的行以及兩個在水平方向上相鄰的 列。這里，形成了各個具有兩個子像素1的組3。再一次，各組由周圍的框以及陰影圖案示 出。該模式下，上面討論的示范性歸組將導(dǎo)致垂直方向上1080行。該解決方法尤其適用于CCD圖像傳感器，在CCD圖像傳感器中可以以低額外努力 來實現(xiàn)該解決方法。US 7，091，466 B2展示了允許在列線級上組合多種像素信號的相關(guān)CMOS圖像傳 感器。所述已知實現(xiàn)方式由于在合并作為結(jié)果的信號之前提供給每個像素的獨立放大器而 可能遭受較差的線性。EP 1 102 323 Al公開了其中可以通過FET開關(guān)連接兩個或多個像素的光電子傳 感器。每個像素包括用于電荷儲存的專門的浮動擴散區(qū)域、以及放大器，還有選擇開關(guān)。FET 開關(guān)與光敏二極管直接連接。該實現(xiàn)方式展示了相對較高的電路復(fù)雜性。WO 2006/130518 Al公開了包括多個像素的CMOS圖像傳感器，每個像素具有浮動 擴散區(qū)域，其中許多像素的浮動擴散區(qū)域可通過開關(guān)相連接以用于將像素歸組。該已知電 路展示了相對較高的電路復(fù)雜性，其降低了可用于光敏元件的區(qū)域。EP 1 271 930 A2公開了與WO 2006/130518 Al近似的CMOS圖像傳感器，但提出 使用開關(guān)連接電容而不是浮動擴散區(qū)域。該已知電路也展示了相對較高的電路復(fù)雜性并也 具有減少的感光區(qū)域。從而，期望提供能夠?qū)⒆酉袼睾说慕M歸組的CMOS成像器，該成像器在保持相同的 在其上捕捉圖像的有效區(qū)域的同時可以選擇性地以兩種不同的垂直分辨率捕捉圖像，并且 在保持全局快門功能的同時減少電路的復(fù)雜性。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，通過使用更小的子像素核，完全地在圖像傳感器芯片上實現(xiàn)從第一 到第二垂直分辨率的垂直掃描轉(zhuǎn)換(例如，1080到720行)，所述更小的子像素核可以通過 開關(guān)晶體管電氣組合。在一種示范性實施例中，切換方案允許組合兩個或三個在垂直方向 上相鄰的子像素核的信號信息。
本發(fā)明CMOS圖像傳感器的實施例具有排列成行和列的許多像素單元。每個像素 單元具有將入射光(impinging light)轉(zhuǎn)化為電荷的光敏元件以及第一傳送元件。在同一 列中連續(xù)排列的m個像素單元的第一傳送元件被安排用于將在曝光期間在相應(yīng)的m個光敏 元件中生成的電荷傳送到被提供給相應(yīng)m個像素單元的組的單個電荷存儲元件。在本發(fā)明CMOS成像器的改進中，在同一列中連續(xù)排列的m個像素單元的組中的至 少一個像素單元具有第二傳送元件。η個像素單元的第二傳送元件(η不等于m)被安排用 于將在曝光期間在相應(yīng)的η個光敏元件中生成的電荷傳送到被提供給相應(yīng)η個像素單元的 組的單個電荷存儲元件。在本發(fā)明CMOS成像器的一種示范性實施例中，在同一列中的六個連續(xù)像素單元 的組中，中間的兩個連續(xù)像素單元被提供有第二傳送元件，用于將在曝光期間在對應(yīng)的兩 個光敏元件中生成的電荷傳送到對應(yīng)的單個電荷存儲單元。在本發(fā)明的CMOS成像器的上述示例性實施例的改進中，在同一列中連續(xù)排列的 并且沒有第二傳送元件的η個像素單元的第一傳送元件可被控制用于將在曝光期間在相 應(yīng)的η個光敏元件中生成的電荷傳送到被提供給所述像素單元組成其一部分的相應(yīng)m個像 素單元的組的單個電荷存儲元件。在本發(fā)明CMOS成像器的優(yōu)選實施例中，在同一列中的六 個連續(xù)像素單元的組中，排列頂部的兩個連續(xù)像素單元與底部的兩個連續(xù)像素單元，并且 可以控制所述頂部的兩個連續(xù)像素單元與底部的兩個連續(xù)像素單元用于將在曝光期間在 相應(yīng)的η個光敏元件中生成的電荷傳送到相關(guān)聯(lián)的單個電荷存儲元件。在本發(fā)明CMOS成像器的改進中，向每個光敏元件都提供了復(fù)位元件，該復(fù)位元件 被排列為可切換地將光敏元件與復(fù)位電位相連接。在具有第一與第二傳送元件的本發(fā)明CMOS成像器的進一步改進中，如果操作性 地將m個像素單元編組在一起以使用第一傳送元件獲得圖像，則第二傳送元件可被控制以 通過與第二傳送元件相關(guān)聯(lián)的電荷存儲元件的對應(yīng)復(fù)位元件來將光敏元件與復(fù)位電位相 連接，并且如果操作性地將η個像素單元編組在一起以使用第二傳送元件獲得圖像，則第 一傳送元件可被控制以通過與第一傳送元件相關(guān)聯(lián)的電荷存儲元件的對應(yīng)復(fù)位元件來將 光敏元件與復(fù)位電位相連接。在本發(fā)明CMOS成像器的另一種改進中，每個電荷存儲元件都配備有用于復(fù)位相 應(yīng)電荷存儲元件的復(fù)位元件。復(fù)位元件可切換地將電荷存儲元件與復(fù)位電位相連接。在本發(fā)明CMOS成像器的另一種改進中，向每個相應(yīng)電荷存儲元件都提供了放大 器。向每個放大器都提供了開關(guān)元件，用于將放大器的輸出與多條讀出線之一相連接，每條 讀出線由在同一列中排列的多個像素單元共享。電荷存儲元件可包括在芯片、浮動擴散區(qū)域、偏壓或非偏壓PN結(jié)(PN-doted)區(qū)域 等上集成的電容。開關(guān)可包括FET晶體管、傳輸門等。光敏元件可包括光敏二極管、光敏晶 體管等。在優(yōu)選實施例中，將兩個或三個子像素核(例如，5-T，或5晶體管像素結(jié)構(gòu))耦 合，其中向每一個由兩個或三個光敏二極管組成的集合提供單個浮動擴散區(qū)域。根據(jù)該模 式，被耦合的像素單元的傳輸門被用于將兩個或三個光敏二極管與相應(yīng)的單個浮動擴散區(qū) 域相耦合。使用5-T像素單元有利地允許全局快門功能。本發(fā)明CMOS成像器的一個實施例具有排列成行和列的許多像素單元。每個像素單元具有將入射光轉(zhuǎn)化為電荷的光敏元件以及第一傳送元件。在同一列中連續(xù)排列的m個 像素單元的第一傳送元件被排列用于將在曝光期間在相應(yīng)的m個光敏元件中生成的電荷 傳送到被提供給相應(yīng)m個像素單元的組的單個第一電荷存儲元件。m個連續(xù)像素單元的組 的至少一個像素單元具有第二傳送元件，其被安排用于將在對應(yīng)光敏元件中生成的電荷傳 送到被提供給η個連續(xù)像素單元的組的單個第二電荷存儲元件。向每個相應(yīng)電荷存儲元件 都提供放大器，并且向每個放大器都提供開關(guān)元件，該開關(guān)元件將放大器的輸出與多條讀 出線之一相連接。每條讀出線由在同一列中排列的多個像素單元共享。一種用于在雙分辨 率讀出模式下控制上面描述的CMOS成像器的方法，在第一分辨率讀出模式下，包括如下步 驟-復(fù)位至少m個連續(xù)像素單元的光敏元件；
-曝光所述CMOS圖像傳感器于入射光下；-在曝光后，控制被曝光的像素單元的第一傳輸元件，以將在曝光期間積累的電荷 傳送到與相應(yīng)m個像素單元的組相關(guān)聯(lián)的相應(yīng)單個第一電荷存儲元件；_控制與已經(jīng)向其傳送了電荷的電荷存儲元件相關(guān)聯(lián)的開關(guān)元件、以及放大器，以 將所述放大器的輸出與讀出線相連接，從而讀出與被曝光的像素單元組對應(yīng)的信號；-在讀出后，復(fù)位與相應(yīng)m個像素單元的組相關(guān)聯(lián)的電荷存儲元件。在第二分辨率讀出模式下，包括如下步驟-復(fù)位至少η個連續(xù)像素單元的光敏元件，η不等于m；-曝光所述CMOS圖像傳感器于入射光下；-在曝光后，控制被曝光的像素單元的第二傳輸元件，以將在曝光期間積累的電荷 傳送到與相應(yīng)的η個像素單元的組相關(guān)聯(lián)的相應(yīng)單個第二電荷存儲元件；_控制與已經(jīng)向其傳送了電荷的電荷存儲元件相關(guān)聯(lián)的開關(guān)元件、以及放大器，以 將所述放大器的輸出與讀出線相連接，從而讀出與被曝光的像素單元組對應(yīng)的信號；以及-在讀出后，復(fù)位與相應(yīng)η個像素單元的組相關(guān)聯(lián)的電荷存儲元件。所述方法在所述第二分辨率讀出模式下，在曝光之后，進一步可以包括以下步驟 控制沒有第二傳送元件的，η個連續(xù)像素單元的組的第一傳送元件，以將在曝光期間積累的 電荷傳送到與相應(yīng)η個像素單元的組相關(guān)聯(lián)的單一第一電荷存儲元件；為了在任一分辨率讀出模式下實施相關(guān)雙采樣功能，該方法也可以包括如下步 驟-在復(fù)位光敏元件之后并且在曝光光敏元件之前，控制相應(yīng)連續(xù)像素單元組的所 述第一或第二傳送元件，以將與所述復(fù)位狀態(tài)對應(yīng)的電荷傳送至與相應(yīng)像素單元組相關(guān)聯(lián) 的相應(yīng)單個電荷存儲單元；-控制所述開關(guān)元件，以將所述放大器的輸出與讀出線相連接，從而讀出與未曝光 的像素單元組對應(yīng)的信號；以及-在讀出后，復(fù)位所述電荷存儲元件。為了實現(xiàn)全局快門功能，所述方法可進一步包括對于所述CMOS圖像傳感器的全 部像素單元，基本上同時執(zhí)行所述復(fù)位步驟以及所述傳送步驟。在實現(xiàn)全局快門功能的所述方法的改進中，在開始曝光之前，全部像素單元的所 述光敏元件保持于復(fù)位狀態(tài)。在所述曝光時間結(jié)束后，基本上同時控制所有像素單元組的所述第一或第二傳送元件，以將在曝光期間積累的電荷傳送到相應(yīng)的相關(guān)聯(lián)電荷存儲元 件。


下面，將參照附圖描述本發(fā)明。圖中圖1圖解地展示了具有子像素核的圖像傳感器的細(xì)節(jié)，所述子像素核可以以兩種 方法被編組；圖2展示了 CMOS圖像傳感器的普通5-T像素單元；圖3展示了根據(jù)本發(fā)明第一實施例在第一分辨率模式下的CMOS成像器的細(xì)節(jié)；圖4展示了根據(jù)本發(fā)明第一實施例在第二分辨率模式下的CMOS成像器的細(xì)節(jié)；圖5展示了根據(jù)本發(fā)明第二實施例在第一分辨率模式下的CMOS成像器的細(xì)節(jié)；以 及圖6展示了根據(jù)本發(fā)明第二實施例在第二分辨率模式下的CMOS成像器的細(xì)節(jié)。圖中，在適當(dāng)時，以相同的參考符號指代類似的元素。
具體實施例方式已經(jīng)在本說明書現(xiàn)有技術(shù)部分描述了圖1，因此將不再參照。圖2展示了兩個普遍已知的5-T或5晶體管CMOS成像器像素單元10。每個由虛 線框所指示的像素單元10包括第一開關(guān)或傳送元件TbO、Tbl,以及復(fù)位開關(guān)或復(fù)位元件 Ta0、Tal。開關(guān)或傳送元件可為，例如，MOS晶體管或傳輸門。進一步，在每個像素單元10 中，提供了光敏二極管PD0、PD1。復(fù)位元件Ta0、Tal由公共控制線G_Reset控制，并且被安 排用于在曝光之前復(fù)位光敏二極管PD0、PD1。在可同時復(fù)位全部光敏二極管的情況下，可達(dá) 到全局的或同步的快門功能。提供第一傳送元件Tb0、Tbl用于將在曝光期間通過光敏二極 管PD0、PD1收集的電荷傳送到相應(yīng)存儲元件F0、F1。通過對應(yīng)的控制線CTb0、CTbl控制第 一傳送元件Tb0、Tbl。存儲元件F0、F1可被實施為例如成像器芯片中集成的浮動擴散區(qū)域、 或電容(未示出)?？赏ㄟ^被對應(yīng)控制線CR0、CRl控制的復(fù)位元件R0、Rl將存儲元件F0、 Fl復(fù)位至初始狀態(tài)。復(fù)位元件R0、Rl將存儲元件F0、Fl與復(fù)位電位相連接。放大器A0、 Al與存儲元件F0、F1相連接，以放大由存儲元件F0、F1中存在的電荷所表示的信號。可將 放大器AO、Al實施為，例如，源極跟隨器結(jié)構(gòu)的晶體管。提供開關(guān)元件SbO、Sbl，將放大器 AO、Al的輸出連接至公共列線C0L。通過對應(yīng)的控制線CS0、CSl控制開關(guān)元件S0、Si?？?制線CR0、CR1、CS0、CS1以及CTb0、CTbl可充當(dāng)圖像傳感器的一整行像素的控制線，或一整 行的一部分的控制線。圖3展示了根據(jù)本發(fā)明第一實施例在第一分辨率模式下的CMOS成像器的細(xì)節(jié)。圖 中展示了 CMOS成像器的六個在垂直方向上相鄰的子像素核12、13。第一類型的子像素核 12具有光敏二極管PDX以及第一傳送元件TbX，還有復(fù)位元件TaX (X范圍從0到5，指示在 圖中的垂直位置)，以與圖2中展示的像素相同的方式排列。然而，安排第一類型的一對兩 個子像素核12的第一傳送元件TbX，以便可切換地將相應(yīng)的光敏二極管連接至被提供給每 一對子像素核12的相應(yīng)單個電荷存儲元件FX。第二類型的子像素核13另外具有第二傳送 元件Tc2、Tc3，其以與對應(yīng)的第一傳送元件Tb2、Tb3類似的方式連接至相應(yīng)的光敏二極管PD2、PD3。然而，安排第二類型的子像素核13的第二傳送元件Tc2、Tc3，以便可切換地將相 應(yīng)的光敏二極管連接至與各自相鄰的第一類型的一對子像素核12相關(guān)聯(lián)的單個電荷存儲 元件FX。復(fù)位元件TaX被提供來允許全局快門操作，并且可被實施為類似于第一與第二傳 送元件的傳送門。進一步，提供復(fù)位元件R0、R1、R2，以在電荷存儲元件F0、F1、F2接收在各 自相關(guān)聯(lián)的光敏二極管中新生成的電荷之前將其復(fù)位至初始狀態(tài)。在第一讀出模式下，以下述方法控制各組第一類型的兩個相鄰子像素核12的第 一傳送元件TbO、Tbl與Tb4、Tb5，以及各組第二類型的兩個相鄰子像素13的第一傳送元件 Tb2、Tb3 將由入射在對應(yīng)的光敏二極管PD0、PD1、PD2、PD3、PD4以及PD5上的光生成的電 荷傳送至相應(yīng)的電荷存儲元件F0、F1與F2。以下述方法控制第二類型的子像素核13的第 二傳送元件Tc2、Tc3 其不傳送電荷。為了更好的可視性，框中展示的各編組的子像素核具 有不同的陰影。圖4展示了與圖3相同的電路，但是用不同的陰影指示了在第二讀出模式下不同 的子像素核編組。在第二讀出模式下，以與第一讀出模式下相同的方法控制各組第一類型 的兩個相鄰子像素核12的第一傳送元件TbO、Tbl以及Tb4、Tb5。然而，以下述方法控制第 二類型的子像素核13的第一傳送元件Tb2、Tb3 其不傳送電荷。相反，以下述方法控制第 二類型的子像素核13的第二傳送元件Tc2、Tc3 其傳送電荷至與各自相鄰的第一類型的子 像素核12組相關(guān)聯(lián)的電荷存儲元件F0、F2。圖3與圖4中所示的示范性CMOS成像器結(jié)構(gòu)每列像素需要三條列線電源電壓、 全局復(fù)位線G_Reset以及用于讀出所獲得的信號的列C0L12。需要注意的是根據(jù)是否期 望允許單獨地復(fù)位相應(yīng)的電荷存儲元件F0、Fl、F2，用于控制復(fù)位元件R0、Rl、R2的控制線 可能為單獨控制線或共享控制線。一旦由入射到光敏二極管PDO、PDU PD2的光生成的電荷被傳送至相應(yīng)的電荷存 儲元件F0、F1、F2，其以普遍已知的方式被放大并讀出。為了該目的，提供了放大器A0、A1、 A2，還有開關(guān)元件SO、Si、S2。圖5展示了根據(jù)本發(fā)明第二實施例在第一分辨率模式下的CMOS成像器。在該實施 例中，全部子像素核14都相同，并且僅有兩個連接到每個光敏二極管PDX的傳送元件TaX， TbX0又一次，使用X來指示各元件的位置。由兩個相鄰子像素核14組成的組的傳送元件 TaX可切換地將相應(yīng)組的光敏二極管PDX對連接至相應(yīng)的單個電荷存儲元件FaX。例如，光 敏二極管PDl與PD2可以通過傳送元件TaO與Tal被連接至電荷存儲元件FaO。復(fù)位元件 RaX與每個電荷存儲元件FaX相關(guān)聯(lián)。進一步，向每個電荷存儲元件FaX都提供了放大器 AaX。開關(guān)元件SaX選擇性地將放大器AaX的輸出連接至列讀出線C0L01。由三個連續(xù)子像 素核14組成的組的傳送元件TbX可切換地將各組的三聯(lián)組光敏二極管PDX連接至相應(yīng)的 單個電荷存儲元件FbX。例如，光敏二極管PD0、PD1與PD2可通過傳送元件TbO、Tbl與Tb2 被連接至電荷存儲元件FbO。與每個電荷存儲元件FbX相關(guān)聯(lián)有復(fù)位元件RbX。進一步，向 每個電荷存儲元件FbX都提供了放大器AbX。開關(guān)元件SbX選擇性地將放大器AbX的輸出 連接至列讀出線C0L12。需要注意的是列讀出線可能被用于兩個讀出模式的每一個，即， 相鄰列的開關(guān)元件SaX與SbX可能被連接至同一列讀出線。根據(jù)期望的讀出模式，可單獨 地或成組地控制復(fù)位線RaX與/或RbX。在該實施例中，將每個光敏二極管連接至兩個傳輸 門，并且全部子像素核都相同，允許更好的整體校準(zhǔn)(alignment)與匹配，提供了均勻的傳感器。在第一讀出模式下，在曝光后，以下述方法控制由兩個相鄰子像素核14組成的組 的傳送元件TaX 將由入射在對應(yīng)的光敏二極管PDX上的光生成的電荷傳送至各自相關(guān)聯(lián) 的電荷存儲元件FaX。不言而喻，在電荷存儲元件FaX接收新生成的電荷之前，已經(jīng)通過相 應(yīng)地控制復(fù)位元件RaX復(fù)位了電荷存儲元件FaX。以普遍已知的方式執(zhí)行與在電荷存儲元 件FaX中存儲的電荷對應(yīng)的信號的讀取，所述普遍已知的方式涉及與相應(yīng)的電荷存儲元件 FaX相關(guān)聯(lián)的放大器AaX以及開關(guān)元件SaX。在第一讀出模式下，通過相應(yīng)地控制傳送元件 TbX以及復(fù)位元件RbX，來復(fù)位光敏二極管PDX。在第一讀出模式下光敏二極管PDX復(fù)位期 間，也復(fù)位電荷存儲元件FbX。在第一讀出模式下，沒有使用與電荷存儲元件FbX相關(guān)聯(lián)的 放大器AbX以及開關(guān)元件SbX。圍繞子像素核14的框的不同的陰影指示第一讀出模式下將 相鄰子像素核14編組成對。圖6展示了根據(jù)本發(fā)明第二實施例在第二分辨率模式下的CMOS成像器。圖6展示 了與圖5相同的電路，但是用不同的陰影指示了在第二讀出模式下不同的子像素核編組。 在第二讀出模式下，在曝光后，以下述方法控制由三個連續(xù)子像素核14組成的組的傳送元 件TbX 將入射在對應(yīng)的光敏二極管PDX上的光生成的電荷傳送至各自相關(guān)聯(lián)的電荷存儲 元件FbX。不言而喻，在電荷存儲元件FbX接收新生成的電荷之前，已經(jīng)通過相應(yīng)地控制復(fù) 位元件RbX復(fù)位了電荷存儲元件FbX。以普遍已知的方式執(zhí)行與在電荷存儲元件FbX中存 儲的電荷對應(yīng)的信號的讀取，所述普遍已知的方式涉及與相應(yīng)的電荷存儲元件FbX相關(guān)聯(lián) 的放大器AbX以及開關(guān)元件SbX。在第二讀出模式下，通過相應(yīng)地控制傳送元件TaX以及復(fù) 位元件RaX，來復(fù)位光敏二極管PDX。在第二讀出模式下光敏二極管PDX復(fù)位期間，也復(fù)位 電荷存儲元件FaX。在第二讀出模式下，沒有使用與電荷存儲元件FaX相關(guān)聯(lián)的放大器AaX 以及開關(guān)元件SaX。圍繞子像素核14的框的不同的陰影指示第二讀出模式下將連續(xù)子像素 核14編組成三聯(lián)組。通過在相應(yīng)的讀出模式下使用不被用于讀出相應(yīng)編組的子像素核的結(jié)果的傳送 元件和復(fù)位元件，來同時復(fù)位光敏二極管以便達(dá)到全局快門操作。簡而言之并使用上文中進一步論述的垂直方向上1080或720行的兩個示例性分 辨率，可解釋本操作如下當(dāng)讀取垂直方向上1080行時，排在子像素左邊的元件被用于讀 出，而排在子像素右邊的元件被用于復(fù)位以及全局快門功能。當(dāng)讀取垂直方向上720行時， 排在子像素右邊的元件被用于讀出，而排在子像素左邊的元件被用于復(fù)位以及全局快門功 能。因為沒有從內(nèi)插算法建立的額外混疊成分等，物理子像素核的編組允許在任一分 辨率模式下達(dá)到最好圖像質(zhì)量。進一步，當(dāng)與裁切圖像比較時，改善了信噪比。同樣，可獨立 于分辨率模式使用相同的鏡頭設(shè)置，并且在兩種分辨率模式下視場、景深以及其它光學(xué)屬 性保持不變。更進一步，由于減少了將要讀出的像素數(shù)量，更低的分辨率格式允許更快的幀 讀出。子像素核的歸組可有利地被用于沒有任何數(shù)字處理能力的傳感器系統(tǒng)，例如，僅有模 擬輸出的系統(tǒng)。進一步，設(shè)計實現(xiàn)僅在像素級上。列電路塊、外設(shè)、定時控制沒有改變。同 樣，在IC外部，不需要對電路、信號處理等的改變。可在列讀出電路或后續(xù)處理步驟中執(zhí)行在水平方向上相鄰的像素的歸組。其允許 在兩個方向，水平方向與垂直方向，組合許多子像素核，以實現(xiàn)基本上正方形的輸出像素。取決于實現(xiàn)方式，子像素的感光區(qū)域可能不是完美的正方形，而具有大體上長方形狀。
權(quán)利要求
1.一種CMOS圖像傳感器，其具有許多排列成行和列的像素單元，每個像素單元 具有將入射光轉(zhuǎn)化成電荷的光敏元件(PDO，PDl, ...，PDn)、以及第一與第二傳送元件 (TbO. . . Tb5 ；TaO. . . ，其特征在于在同一列中連續(xù)排列的m個像素單元的所述第一傳 送元件被安排用于將在曝光期間在相應(yīng)的m個光敏元件(PDO，PDl ；PD2, PD3 ；PD4, PD5)中 生成的電荷傳送到被提供給相應(yīng)m個像素單元的組的單個電荷存儲元件O^bO ;冊1)，并且 在同一列中連續(xù)排列的η個像素單元的所述第二傳送元件被安排用于將在曝光期間在相 應(yīng)的η個光敏元件(PDO，PDl ；PD2, PD3 ；PD4, PD5)中生成的電荷傳送到單個電荷存儲元件 (FaO，F(xiàn)al，F(xiàn)a2)，其中，m 不等于 η。
2.如權(quán)利要求1所述的CMOS成像器，其中，在將m個像素單元編組在一起的情況下，可 控制所述第二傳送元件(TaO. . . Ta5)，以便通過相關(guān)聯(lián)的電荷存儲元件0^0. . . Fa2)的對 應(yīng)復(fù)位元件(RaO. . . Ra2)將光敏元件(PDO. . . PD5)與復(fù)位電位相連接，并且在將η個像素 單元編組在一起的情況下，可控制所述第一傳送元件(Tb0...Tl35)以便通過與相關(guān)聯(lián)的電 荷存儲元件O^bOJbl)的對應(yīng)復(fù)位元件(I b0，I bl)將光敏元件(PDO. . . PD5)與復(fù)位電位相 連接。
3.如以上權(quán)利要求中任意一項所述的CMOS成像器，其中，每個電荷存儲元件 (FaO. · · Fa2, FbO, Fbl)分別被提供有復(fù)位元件(R0. · · R2 ；RaO. · · Ra2, RbO, Rbl)用于復(fù)位 所述電荷存儲元件，其中，所述復(fù)位元件可切換地將相應(yīng)電荷存儲元件與復(fù)位電位相連接。
4.如以上權(quán)利要求中任意一項所述的CMOS成像器，其中，向每個相應(yīng)的電荷存儲元件 (FaO. . .Fa2, FbO，F(xiàn)bl)提供放大器(AaO. . .Aa2, AbO，Abl)，并且向每個放大器提供開關(guān)元 件(SaO. · · Sa2, SbO, Sbl)，所述開關(guān)元件(SaO. · · Sa2, SbO, Sbl)將所述放大器的輸出連接 至多條讀出線(C0L01，C0L12)之一，每條讀出線由在同一列中排列的多個像素單元共享。
5.一種用于在雙分辨率讀出模式下控制CMOS成像器的方法，所述CMOS成像器具有 許多排列成行與列的多個像素單元，每個像素單元具有將入射光轉(zhuǎn)化成電荷的光敏元件 (PD0. · · PD5)、以及第一與第二傳送元件(TbO. · · Tb5,TaO. · · Ta5)，其中，在同一列中連續(xù)排 列的m個像素單元的所述第一傳送元件被安排用于將在曝光期間在相應(yīng)的m個光敏元件中 生成的電荷傳送到被提供給相應(yīng)m個像素單元的組的單個電荷存儲元件(冊0，冊1)，并且 其中在同一列中連續(xù)排列的η個像素單元的所述第二傳送元件被安排用于將在曝光期間 在相應(yīng)的m個光敏元件中生成的電荷傳送到被提供給相應(yīng)η個像素單元的組的單個電荷存 儲元件(FaO. · · Fa2)，并且其中向每個相應(yīng)電荷存儲元件(FaO. · · Fa2 ；FbO, Fbl)提供放大 器(AaO. . . Aa2 ；AbO，Abl)，并且向每個放大器提供開關(guān)元件(SaO. . . Sa2，SbO，Sbl)，所述開 關(guān)元件將所述放大器的輸出連接至多條讀出線(C0L01，C0L12)之一，每條讀出線由在同一 列中排列的多個像素單元共享，其中，在第一分辨率讀出模式下，所述方法包括如下步驟-復(fù)位m個連續(xù)像素單元的組的光敏元件(PD0，PDl，PD2 ；PD3, PD4，PD5)；-曝光所述CMOS圖像傳感器于入射光下；-在曝光后，控制被曝光的像素單元(TbO. . . Tb5)的第一傳輸元件，以將在曝光期間積 累的電荷傳送到與相應(yīng)m個像素單元的組相關(guān)聯(lián)的相應(yīng)單個電荷存儲元件0^0，冊1)；-控制與已經(jīng)向其傳送了電荷的相應(yīng)電荷存儲元件相關(guān)聯(lián)的開關(guān)元件(SbO，Sbl)、以 及放大器(Ab0，Abl)，以將所述放大器的輸出與讀出線相連接，從而讀出與被曝光的像素單 元組對應(yīng)的信號；-在讀出后，復(fù)位與相應(yīng)m個像素單元的組相關(guān)聯(lián)的電荷存儲元件；其中，在第二分辨率讀出模式下，所述方法包括如下步驟-復(fù)位η個連續(xù)像素單元的組的光敏元件(PDO，PDl ；PD2, PD3 ；PD4, PD5)，η不等于m ；-曝光所述CMOS圖像傳感器于入射光下；-在曝光后，控制被曝光的像素單元的第二傳輸元件(TaO，Tal ；Ta2,Ta3 ；Ta4，Ta5)，以 將在曝光期間積累的電荷傳送到與相應(yīng)η個像素單元的組相關(guān)聯(lián)的相應(yīng)單個電荷存儲元 件(FaO. . . Fa2)；-控制與已經(jīng)向其傳送了電荷的電荷存儲元件相關(guān)聯(lián)的開關(guān)元件(MO. . . Sa2)、以及 放大器(AaO. . . Aa2)，以將所述放大器的輸出與讀出線相連接，從而讀出與被曝光的像素單 元組對應(yīng)的信號；以及-在讀出后，復(fù)位與相應(yīng)η個像素單元的組相關(guān)聯(lián)的電荷存儲元件。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，在所述第一或第二分辨率讀出模式下，進一步包括如下 步驟-在復(fù)位光敏元件之后并且在曝光光敏元件之前，控制相應(yīng)連續(xù)像素單元組的所述第 一或第二傳送元件，以將與所述復(fù)位狀態(tài)對應(yīng)的電荷傳送至與相應(yīng)像素單元組相關(guān)聯(lián)的相 應(yīng)單個電荷存儲單元；-控制所述開關(guān)元件，以將所述放大器的輸出與讀出線相連接，從而讀出與未曝光的像 素單元組對應(yīng)的信號；以及-在讀出后，復(fù)位所述電荷存儲元件。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中對于所述CMOS圖像傳感器的全部像素單元，基本上 同時執(zhí)行所述復(fù)位步驟以及所述傳送步驟。
8.如權(quán)利要求5、6或7所述的方法，其中在開始曝光之前，全部像素單元的所述光敏元 件保持于復(fù)位狀態(tài)，并且其中在曝光時間結(jié)束后，基本上同時控制所有像素單元組的所述 第一或第二傳送元件，以將在曝光期間積累的電荷傳送到相應(yīng)的相關(guān)聯(lián)電荷存儲元件。
全文摘要
一種CMOS圖像傳感器允許選擇性地輸出兩個垂直分辨率之一，例如，1080至720行。通過使用更小的子像素核，完全地在圖像傳感器芯片上實現(xiàn)掃描轉(zhuǎn)換，所述更小的子像素核可以通過開關(guān)晶體管電氣組合。CMOS圖像傳感器的基本電路具有排列成行和列的許多像素單元。每個像素單元具有將入射光轉(zhuǎn)化為電荷的光敏元件、以及第一傳送元件。在同一列中連續(xù)排列的m個像素單元的第一傳送元件被安排用于將在曝光期間在相應(yīng)的m個光敏元件中生成的電荷傳送到被提供給相應(yīng)m個像素單元的組的單個第一電荷存儲元件。在示例性實施例中切換方案允許組合兩個或三個在垂直方向上相鄰的子像素核的信號信息。
文檔編號H04N5/3745GK102124726SQ200980131570
公開日2011年7月13日 申請日期2009年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月13日
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