專利名稱：成像器陣列和陣列照相機(jī)的架構(gòu)的制作方法
成像器陣列和陣列照相機(jī)的架構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明一般地涉及成像器，更確切地說涉及陣列照相機(jī)中使用的成像器陣列。
背景技術(shù)：
在常規(guī)單傳感器照相機(jī)中使用的傳感器典型情況下包括行控制器以及一個(gè)或多個(gè)列讀出電路。在成像器中像素陣列的語境中，術(shù)語“行”典型情況下用于指共享公共控制線的一組像素，而術(shù)語“列”是共享公共讀出線的一組像素。許多陣列照相機(jī)設(shè)計(jì)已經(jīng)提出了或者使用各個(gè)照相機(jī)/傳感器的陣列或者使用聚焦在單一焦平面?zhèn)鞲衅鞯耐哥R陣列。在陣列照相機(jī)的實(shí)施中使用多個(gè)分開的照相機(jī)時(shí)，每個(gè)照相機(jī)都具有分開的I/o路徑，并且典型情況下照相機(jī)控制器需要以某種方式同步。在陣列照相機(jī)的實(shí)施中使用聚焦在單一焦平面?zhèn)鞲衅鞯耐哥R陣列時(shí)，典型情況下傳感器是常規(guī)傳感器，類似于常規(guī)照相機(jī)中使用的傳感器。因此，該傳感器不具有獨(dú)立地控制透鏡陣列中每個(gè)透鏡的成像圈內(nèi)像素的能力。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在公開的系統(tǒng)和方法中，成像器陣列被實(shí)施為單塊集成電路。在許多實(shí)施例中，所述成像器陣列包括多個(gè)成像器，它們中每個(gè)都由所述成像器陣列內(nèi)的控制邏輯獨(dú)立地控制，并且由每個(gè)成像器捕獲的圖像數(shù)據(jù)都使用公共I/o路徑從所述成像器輸出。在許多實(shí)施例中，每個(gè)成像器的像素都是背面照射，并且按照每個(gè)成像器檢測(cè)的光譜波長(zhǎng)，在不同成像器對(duì)應(yīng)的區(qū)域所述成像器陣列的體硅被減薄到不同深度。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例包括多個(gè)焦平面，其中每個(gè)焦平面包括二維的像素布局，每個(gè)維度具有至少兩個(gè)像素，并且每個(gè)焦平面被包含在所述成像器陣列的不包含來自另一個(gè)焦平面的像素的區(qū)域內(nèi)；控制電路，被配置為控制由所述焦平面內(nèi)的像素進(jìn)行的圖像信息捕獲，其中所述控制電路被配置，使得至少兩個(gè)焦平面內(nèi)的像素進(jìn)行的圖像信息捕獲可分開控制；以及采樣電路，被配置為將像素輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字像素?cái)?shù)據(jù)。
在進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述多個(gè)焦平面被安排為二維焦平面陣列，在一個(gè)維度中具有至少三個(gè)焦平面。
在另一個(gè)實(shí)施例中，所述多個(gè)焦平面被安排為二維焦平面陣列，在兩個(gè)維度中都具有至少三個(gè)焦平面。
在再進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述多個(gè)焦平面被安排為焦平面的NXM陣列，包括被配置為捕獲藍(lán)光的至少兩個(gè)焦平面、被配置為捕獲綠光的至少兩個(gè)焦平面和被配置為捕獲紅光的至少兩個(gè)焦平面。
在再一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)焦平面包括若干行和若干列像素。
在又進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述控制電路被配置為通過控制像素的復(fù)位而控制所述像素進(jìn)行的圖像信息捕獲。
在又一個(gè)實(shí)施例中，所述控制電路被配置為通過控制像素的讀出而控制所述像素進(jìn)行的圖像信息捕獲。
在再次進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述控制電路被配置為通過控制每個(gè)像素的積分時(shí)間而控制圖像信息的捕獲。
在再次另一個(gè)實(shí)施例中，所述控制電路被配置為通過控制所述采樣電路的增益而控制圖像信息的處理。
在進(jìn)一步的附加實(shí)施例中，所述控制電路被配置為通過控制每個(gè)像素的暗電平校正而控制圖像信息的處理。
在再一個(gè)附加實(shí)施例中，所述控制電路被配置為通過控制讀出方向而控制圖像信息的捕獲。
在再又進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述讀出方向選自包括頂?shù)降缀偷椎巾數(shù)慕M。
在再又一個(gè)實(shí)施例中，所述讀出方向選自包括左到右和右到左的組。
在再次再進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述控制電路被配置為通過控制所關(guān)注的讀出區(qū)域而控制圖像信息的捕獲。
在再次再一個(gè)實(shí)施例中，所述控制電路被配置為通過控制水平二次采樣而控制圖像信息的捕獲。
在再進(jìn)一步的附加實(shí)施例中，所述控制電路被配置為通過控制垂直二次采樣而控制圖像信息的捕獲。
在再一個(gè)附加實(shí)施例中，所述控制電路被配置為通過控制像素電荷組合而控制圖像信息的捕獲。
在再次又進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述成像器陣列是單塊集成電路成像器陣列。
在再次又一個(gè)實(shí)施例中，至少一個(gè)焦平面中相鄰像素的二維陣列具有相同的捕獲帶。
在又進(jìn)一步的附加實(shí)施例中，所述捕獲帶選自包括藍(lán)光、青光、包含可見光和近紅外光的擴(kuò)展色光、綠光 、紅外光、品紅光、近紅外光、紅光、黃光和白光的組。
在再次進(jìn)一步的附加實(shí)施例中，第一焦平面中相鄰像素的第一陣列具有第一捕獲帶，第二焦平面中相鄰像素的第二陣列具有第二捕獲帶，其中所述第一和第二捕獲帶相同， 外圍電路被配置，使得所述相鄰像素的第一陣列的積分時(shí)間是第一時(shí)段，以及所述外圍電路被配置，使得所述相鄰像素的第二陣列的積分時(shí)間是第二時(shí)段，其中所述第二時(shí)段長(zhǎng)于所述第一時(shí)段。
在另一個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施例中，至少一個(gè)所述焦平面包括相鄰像素的陣列，其中相鄰像素的陣列中的像素被配置為捕獲不同顏色的光。
在又一個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施例中，相鄰像素的陣列采用拜耳濾波器模式。
在再一個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述多個(gè)焦平面被安排為2X2的焦平面陣列，所述焦平面陣列中的第一焦平面包括采用拜耳濾波器模式的相鄰像素的陣列，所述焦平面陣列中的第二焦平面包括被配置為捕獲綠光的相鄰像素的陣列，所述焦平面陣列中的第三焦平面包括被配置為捕獲紅光的相鄰像素的陣列，而所述焦平面陣列中的第四焦平面包括被配置為捕獲藍(lán)光的相鄰像素的陣列。
在再次另一個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述多個(gè)焦平面被安排為二維焦平面陣列，在一個(gè)維度中具有至少三個(gè)焦平面。
在另一個(gè)進(jìn)一步的附加實(shí)施例中，所述多個(gè)焦平面被安排為二維焦平面陣列，在兩個(gè)維度中都具有至少三個(gè)焦平面。
在再又一個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述控制電路包括全局計(jì)數(shù)器。
在再次再一個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述控制電路被配置為錯(cuò)開圖像讀出的起始點(diǎn)，使得每個(gè)焦平面都具有關(guān)于全局計(jì)數(shù)器的受控時(shí)間偏移。
在再次再一個(gè)進(jìn)一步的附加實(shí)施例中，所述控制電路被配置為使用所述全局計(jì)數(shù)器，根據(jù)所述焦平面中像素的捕獲帶，分開地控制每個(gè)焦平面中所述像素的積分時(shí)間。
在再次又一個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述控制電路被配置為根據(jù)所述全局計(jì)數(shù)器， 分開地控制每個(gè)焦平面的幀率。
在又一個(gè)進(jìn)一步的附加實(shí)施例中，所述控制電路包括每個(gè)焦平面的一對(duì)指針。
在再進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述指針之間的偏移指定積分時(shí)間。
在再一個(gè)實(shí)施例中，所述指針之間的偏移是可編程的。
在又進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述控制電路包括每個(gè)焦平面專用的行控制器。
在又一個(gè)實(shí)施例中，所述成像器陣列包括MXN個(gè)焦平面的陣列，并且所述控制電路包括單行解碼器電路，被配置為針對(duì)M個(gè)焦平面的每行中的每行像素。
在再次進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述控制電路被配置為產(chǎn)生第一組像素電平計(jì)時(shí)信號(hào)，使得所述行解碼器和列電路對(duì)第一焦平面內(nèi)的第一行像素采樣，并且所述控制電路被配置為產(chǎn)生第二組像素電平計(jì)時(shí)信號(hào)，使得所述行解碼器和列電路對(duì)第二焦平面內(nèi)的第二行像素采樣。
在再次另一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)焦平面都具有專用的采樣電路。
在進(jìn)一步的附加實(shí)施例中，所述采樣電路的至少一部分由多個(gè)所述焦平面共享。
在另一個(gè)附加實(shí)施例中，所述成像器陣列包括MXN個(gè)焦平面的陣列，并且所述采樣電路包括M個(gè)模擬信號(hào)處理器(ASP)，每個(gè)ASP都被配置為對(duì)從N個(gè)焦平面讀出的像素采樣。
在再又進(jìn)一步的實(shí)施例中，每個(gè)ASP都被配置為經(jīng)由N個(gè)輸入接收來自N個(gè)焦平面的像素輸出信號(hào)，以及每個(gè)ASP都被配置為在其N個(gè)輸入上順序地處理每個(gè)像素輸出信號(hào)。
在再又一個(gè)實(shí)施例中，所述控制電路被配置，使得單一公共模擬像素信號(hào)讀出線由一組N個(gè)焦平面中全部像素共享，以及所述控制電路被配置為控制圖像數(shù)據(jù)的捕獲以對(duì)由所述M個(gè)ASP中的每一個(gè)接收的所述像素輸出信號(hào)進(jìn)行時(shí)間多路復(fù)用。
在再次再一個(gè)實(shí)施例中，所述成像器陣列包括MXN個(gè)焦平面的陣列，所述采樣電路包括多個(gè)模擬信號(hào)處理器(ASP)，每個(gè)ASP都被配置為對(duì)從多個(gè)焦平面讀出的像素采樣， 所述控制電路被配置，使得單一公共模擬像素信號(hào)讀出線由所述多個(gè)焦平面中全部像素共享，以及所述控制電路被配置為控制圖像數(shù)據(jù)的捕獲以對(duì)由所述多個(gè)ASP中的每一個(gè)接收的所述像素輸出信號(hào)進(jìn)行時(shí)間多路復(fù)用。
在再次又進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述采樣電路包括模擬前端(AFE)電路以及模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)電路。
在再次又一個(gè)實(shí)施例中，所述采樣電路被配置為每個(gè)焦平面都具有專用的AFE以及至少一個(gè)ADC在至少兩個(gè)焦平面之間共享。
在又進(jìn)一步的附加實(shí)施例中，所述采樣電路被配置，使得至少一個(gè)ADC在一對(duì)焦平面之間共享。
在又一個(gè)附加實(shí)施例中，所述采樣電路被配置，使得至少一個(gè)ADC在四個(gè)焦平面之間共享。
在再次進(jìn)一步的附加實(shí)施例中，所述采樣電路被配置，使得至少一個(gè)AFE在至少兩個(gè)焦平面之間共享。
在再次另一個(gè)附加實(shí)施例中，所述采樣電路被配置，使得至少一個(gè)AFE在一對(duì)焦平面之間共享。
在另一個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述采樣電路被配置，使得每對(duì)都共享AFE的兩對(duì)焦平面共同地共享ADC。
在再一個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述控制電路被配置為分開地控制每個(gè)焦平面及相關(guān)聯(lián)的AFE電路或其中的處理時(shí)隙的斷電狀態(tài)。
在又一個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述控制電路配置至少一個(gè)不活動(dòng)焦平面的像素處于不變的復(fù)位狀態(tài)。
在再次另一個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施例中，至少一個(gè)焦平面包括參考像素以校準(zhǔn)使用所述焦平面捕獲的像素?cái)?shù)據(jù)。
在另一個(gè)進(jìn)一步的附加實(shí)施例中，所述控制電路被配置為分開地控制所述焦平面的相關(guān)聯(lián)的AFE電路或其中的處理時(shí)隙的斷電狀態(tài)，以及所述控制電路被配置為使所述焦平面的相關(guān)聯(lián)的AFE電路或其中的處理時(shí)隙斷電而不使所述相關(guān)聯(lián)的AFE電路或其中的處理時(shí)隙斷電以讀出所述焦平面的所述參考像素。
在再又一個(gè)進(jìn)一步的附加實(shí)施例中，相鄰像素的陣列中的像素共享讀出電路。
在再次再一個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述讀出電路包括復(fù)位晶體管、浮置擴(kuò)散電容器和源跟隨放大器晶體管。
在再一個(gè)進(jìn)一步的附加實(shí)施例中，所述至少一個(gè)焦平 面中相鄰像素的陣列是相鄰像素的第一陣列，所述成像器陣列包括所述多個(gè)焦平面的另一個(gè)內(nèi)相鄰像素的第二陣列和相鄰像素的第二陣列中的像素，相鄰像素的第二陣列中像素的捕獲帶不同于相鄰像素的第一陣列中像素的捕獲帶，以及相鄰像素的第一陣列中像素的滿阱容量不同于相鄰像素的第二陣列中像素的滿阱容量。
在再次又一個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施例中，相鄰像素的第一陣列中像素的滿阱容量被配置為使每個(gè)像素阱都由所述像素在具有預(yù)定最大光譜輻射強(qiáng)度的所述第一捕獲帶內(nèi)被曝光預(yù)定積分時(shí)間時(shí)產(chǎn)生的電子數(shù)目充滿，以及相鄰像素的第二陣列中像素的所述滿阱容量被配置為使每個(gè)像素阱都由所述像素在具有預(yù)定最大光譜輻射強(qiáng)度的所述第二捕獲帶內(nèi)被曝光預(yù)定積分時(shí)間時(shí)產(chǎn)生的電子數(shù)目充滿。
在又一個(gè)進(jìn)一步的附加實(shí)施例中，所述浮置擴(kuò)散電容確定相鄰像素的陣列中每個(gè)像素的轉(zhuǎn)換增益。
在進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述至少一個(gè)焦平面中相鄰像素的陣列是相鄰像素的第一陣列，所述成像器陣列包括所述多個(gè)焦平面的另一個(gè)內(nèi)相鄰像素的第二陣列并且相鄰像素的第二陣列中的像素具有確定相鄰像素的第二陣列中每個(gè)像素的所述轉(zhuǎn)換增益的浮置擴(kuò)散電容，相鄰像素的第二陣列中像素的捕獲帶不同于相鄰像素的第一陣列中像素的捕獲帶，以及相鄰像素的第一陣列中像素的轉(zhuǎn)換增益不同于相鄰像素的第二陣列中像素的轉(zhuǎn)換增益。
在另一個(gè)實(shí)施例中，相鄰像素的第一和第二陣列的所述浮置擴(kuò)散電容器被配置為使所述像素輸出的輸入?yún)⒖荚肼曌钚　?br> 在再進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述至少一個(gè)焦平面中相鄰像素的陣列是相鄰像素的第一陣列，所述成像器陣列包括所述多個(gè)焦平面的另一個(gè)內(nèi)相鄰像素的第二陣列并且相鄰像素的第二陣列中的像素具有確定相鄰像素的第二陣列中每個(gè)像素的所述轉(zhuǎn)換增益的浮置擴(kuò)散電容，相鄰像素的第二陣列中像素的捕獲帶與相鄰像素的第一陣列中像素的捕獲帶相同，以及相鄰像素的第一陣列中像素的轉(zhuǎn)換增益不同于相鄰像素的第二陣列中像素的所述轉(zhuǎn)換增益。
在再一個(gè)實(shí)施例中，陣列中每 個(gè)像素的源跟隨增益確定所述像素的輸出電壓。
在又進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述至少一個(gè)焦平面中相鄰像素的陣列是相鄰像素的第一陣列，所述成像器陣列包括所述多個(gè)焦平面的另一個(gè)內(nèi)相鄰像素的第二陣列并且相鄰像素的第二陣列中的像素具有對(duì)相鄰像素的第二陣列中每個(gè)像素的固定源跟隨增益，相鄰像素的第二陣列中像素的捕獲帶不同于相鄰像素的第一陣列中像素的捕獲帶相同，以及相鄰像素的第一陣列中像素的源跟隨增益不同于相鄰像素的第二陣列中像素的所述源跟隨增 .、/■Mo
在又一個(gè)實(shí)施例中，相鄰像素的第一和第二陣列的所述源跟隨增益被配置為每個(gè)像素的最大輸出信號(hào)擺動(dòng)相同。
在再次進(jìn)一步的實(shí)施例中，第一焦平面中相鄰像素的第一陣列具有第一捕獲帶， 第二焦平面中相鄰像素的第二陣列具有第二捕獲帶，其中所述第一和第二捕獲帶不同，所述成像器陣列是背面照射的，以及包含相鄰像素的第一陣列的區(qū)域中所述成像器陣列的減薄深度不同于包含相鄰像素的第二陣列的所述成像器陣列的區(qū)域的減薄深度。
在再次另一個(gè)實(shí)施例中，所述第一和第二捕獲帶不重疊。
在進(jìn)一步的附加實(shí)施例中，包含所述第一陣列的區(qū)域中的所述陣列中所述成像器的所述減薄深度與所述第一捕獲帶相關(guān)，以及包含所述第二陣列的區(qū)域中的所述陣列中所述成像器的所述減薄深度與所述第二捕獲帶相關(guān)。
在另一個(gè)附加實(shí)施例中，所述第一減薄深度被配置為給定450nm的名義捕獲帶波長(zhǎng)時(shí)把所述峰值載流子生成放置在所述光電二極管的耗盡區(qū)。
在再又進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述第一減薄深度被配置為給定550nm的名義捕獲帶波長(zhǎng)時(shí)把所述峰值載流子生成放置在所述光電二極管的耗盡區(qū)。
在再又一個(gè)實(shí)施例中，所述第一減薄深度被配置為給定640nm的名義捕獲帶波長(zhǎng)時(shí)把所述峰值載流子生成放置在所述光電二極管的耗盡區(qū)。
在再次再進(jìn)一步的實(shí)施例中，第一焦平面中相鄰像素的第一陣列具有第一捕獲帶，第二焦平面中相鄰像素的第二陣列具有第二捕獲帶，其中所述第一和第二捕獲帶不同， 相鄰像素的第一陣列中像素為第一像素尺寸，相鄰像素的第二陣列中像素為第二像素尺寸，并且所述第一像素尺寸大于所述第二像素尺寸，以及所述第一捕獲帶包括比所述第二捕獲帶更長(zhǎng)的光波長(zhǎng)。
在再進(jìn)一步的附加實(shí)施例中，所述控制電路的第一部分位于焦平面的一側(cè)，以及所述控制電路的第二部分位于所述焦平面的相對(duì)側(cè)。
在再一個(gè)附加實(shí)施例中，所述控制電路的所述第一部分被配置為控制由第一焦平面中的多個(gè)像素和位于相鄰于所述第一焦平面的第二焦平面中的多個(gè)像素進(jìn)行的信息捕-M-犾。
在再次又進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述成像器陣列被配置為接收位于所述成像器陣列的所述焦平面之上的透鏡陣列，以及當(dāng)透鏡陣列被安裝到所述成像器陣列時(shí)，所述多個(gè)焦平面的每一個(gè)都位于所述成像器陣列中所述透鏡陣列的成像圈對(duì)應(yīng)的區(qū)域內(nèi)。
在再次又一個(gè)實(shí)施例中，也包括所述成像器陣列的所述焦平面之上安裝的保護(hù)玻3 ο
在再次進(jìn)一步的附加實(shí)施例中，相鄰焦平面由間隔距離分開。
在再次另一個(gè)附加實(shí)施例中，控制電路位于相鄰焦平面之間的所述間隔距離內(nèi)。
在另一個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施例中，采樣電路位于相鄰焦平面之間的所述間隔距離內(nèi)。
一個(gè)實(shí)施例包括多個(gè)焦平面，其中每個(gè)焦平面包括像素的二維布局，在每個(gè)維度具有至少兩個(gè)像素，并且每個(gè)焦平面都包含在所述成像器陣列的不包含來自另一個(gè)焦平面的像素的區(qū)域內(nèi)；控制電路，被配置為控制由所述焦平面內(nèi)的像素進(jìn)行的圖像信息捕獲，其中所述控制電路被配置，使得至少兩個(gè)焦平面中的像素進(jìn)行的圖像信息捕獲可以分開地控制；采樣電路，被配置為把像素輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字像素?cái)?shù)據(jù)；以及輸出接口電 路，被配置為經(jīng)由輸出接口傳送像素?cái)?shù)據(jù)。
本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施例包括所述成像器陣列，包括MXN個(gè)焦平面，所述輸出接口包括少于MXN個(gè)輸出端口，以及所述控制電路被配置為把所述像素?cái)?shù)據(jù)時(shí)分多路傳輸?shù)剿鲚敵鼋涌诘乃鲚敵龆丝谏稀?br> 在另一個(gè)實(shí)施例中，所述控制電路進(jìn)一步包括存儲(chǔ)器，被配置為緩沖來自所述多個(gè)焦平面的像素?cái)?shù)據(jù)，直到所述輸出接口的某輸出端口上有時(shí)隙可用于傳送所述像素?cái)?shù)據(jù)。
在再進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述控制電路被配置為在經(jīng)由所述輸出接口傳送的所述像素?cái)?shù)據(jù)之間插入代碼，其中所述代碼提供了標(biāo)識(shí)焦平面的信息。
在再一個(gè)實(shí)施例中，所述控制電路被配置為在經(jīng)由所述輸出接口傳送的所述像素?cái)?shù)據(jù)之間插入代碼，其中所述代碼提供了標(biāo)識(shí)焦平面內(nèi)至少一行像素的信息。
在又進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述控制電路被配置為在經(jīng)由所述輸出接口傳送的所述像素?cái)?shù)據(jù)之間插入代碼，其中所述代碼提供了標(biāo)識(shí)焦平面內(nèi)至少一列像素的信息。
在又一個(gè)實(shí)施例中，所述控制電路被配置為在經(jīng)由所述輸出接口傳送的所述像素?cái)?shù)據(jù)之間插入代碼，其中所述代碼提供了標(biāo)識(shí)像素?cái)?shù)據(jù)捕獲的相對(duì)時(shí)間的信息。
在再次進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述代碼提供了標(biāo)識(shí)所述像素?cái)?shù)據(jù)捕獲的相對(duì)起始時(shí)間的信息。
在再次另一個(gè)實(shí)施例中，所述代碼提供了標(biāo)識(shí)所述像素?cái)?shù)據(jù)捕獲的相對(duì)結(jié)束時(shí)間的信息。
在進(jìn)一步的附加實(shí)施例中，所述控制電路進(jìn)一步包括計(jì)數(shù)器，以及提供了標(biāo)識(shí)像素?cái)?shù)據(jù)捕獲的所述相對(duì)時(shí)間的信息的所述代碼使用所述計(jì)數(shù)器產(chǎn)生。
在另一個(gè)附加實(shí)施例中，所述控制電路被配置為在經(jīng)由所述輸出接口傳送的所述像素?cái)?shù)據(jù)之間插入代碼，其中所述代碼提供了涉及所述成像器陣列的運(yùn)行參數(shù)的信息。
在再又進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述代碼提供了每個(gè)焦平面的所述積分時(shí)間。
在再又一個(gè)實(shí)施例中，所述代碼提供了每個(gè)焦平面的所述增益。
在再次再進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述輸出接口電路被配置為在經(jīng)由所述輸出接口的像素?cái)?shù)據(jù)傳輸之間插入幀消隱間隔。
在再次再一個(gè)實(shí)施例中，所述輸出接口電路被進(jìn)一步配置為在經(jīng)由所述輸出接口的像素?cái)?shù)據(jù)行傳輸之間插入行消隱間隔。
在再進(jìn)一步的附加實(shí)施例中，所述輸出接口電路被配置為通過進(jìn)行位縮減而變換所述像素?cái)?shù)據(jù)。
本發(fā)明的方法實(shí)施例包括使用具有多個(gè)焦平面的成像器陣列分開地捕獲像素?cái)?shù)據(jù)，其中每個(gè)焦平面包括像素的二維布局，在每個(gè)維度具有至少兩個(gè)像素，并且每個(gè)焦平面都包含在所述成像器陣列的不包含來自另一個(gè)焦平面的像素的區(qū)域內(nèi)；在所述捕獲所述像素?cái)?shù)期間，在所述成像器陣列的存儲(chǔ)器內(nèi)緩沖所述捕獲的像素?cái)?shù)據(jù)的若干部分；以及在某輸出端口上有時(shí)隙可用時(shí)，經(jīng)由所述成像器陣列中的輸出接口傳送所述緩沖的像素?cái)?shù)據(jù)。
本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施例也包括使用所述成像器陣列上的控制電路在經(jīng)由所述輸出接口傳送的所述像素?cái)?shù)據(jù)之間插入代碼，其中所述代碼提供了標(biāo)識(shí)焦平面的信息。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例也包括使用所述成像器陣列上的控制電路在經(jīng)由所述輸出接口傳送的所述像素?cái)?shù)據(jù)之間插入代碼，其中所述代碼提供了標(biāo)識(shí)焦平面內(nèi)至少一行像素的信息。
本發(fā)明再進(jìn)一步的實(shí)施例也包括使用所述成像器陣列上的控制電路在經(jīng)由所述輸出接口傳送的所述像素?cái)?shù)據(jù)之間插入代碼，其中所述代碼提供了標(biāo)識(shí)焦平面內(nèi)至少一列像素、像素?cái)?shù)據(jù)捕獲的相對(duì)時(shí)間、所述像素?cái)?shù)據(jù)捕獲的相對(duì)起始時(shí)間、所述像素?cái)?shù)據(jù)捕獲的相對(duì)結(jié)束時(shí)間、每個(gè)焦平面的所述積分時(shí)間和每個(gè)焦平面的所述增益至少其一的信息。
本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例也包括使用所述成像器陣列上的控制電路在經(jīng)由所述輸出接口的緩沖的像素?cái)?shù)據(jù)傳輸之間 插入行消隱間隔。
本發(fā)明又進(jìn)一步的實(shí)施例也包括使用所述成像器陣列上的控制電路在所述捕獲的像素?cái)?shù)據(jù)的所述傳輸完成后插入幀消隱間隔。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的陣列照相機(jī)的框圖1A是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的單塊成像器陣列的框圖2A至圖2B展示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像器陣列的成像器配置；
圖3展示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像器陣列的架構(gòu)；
圖4展示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像器陣列的另一個(gè)架構(gòu)，包括共享的模數(shù)轉(zhuǎn)換器；
圖4A展示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像器陣列的進(jìn)一步架構(gòu)，包括共享的列電路；
圖4B展示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像器陣列的再一個(gè)架構(gòu)，包括共享的分開列電路；
圖4C展示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，來自兩個(gè)焦平面讀出的列電路輸出的相移；
圖4D展示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，具有專用模擬前端電路和共享模數(shù)轉(zhuǎn)換器的成像器陣列中的一對(duì)焦平面；
圖4E展示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像器陣列中的一組四個(gè)焦平面，其中焦平面對(duì)共享模擬前端電路而四個(gè)焦平面的組共享模數(shù)轉(zhuǎn)換器；
圖4F展示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像器陣列內(nèi)的一對(duì)焦平面，其中焦平面對(duì)共享列控制讀出電路；
圖4G展示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像器陣列內(nèi)的一對(duì)焦平面，其中列控制和讀出電路被分開，并且單塊列控制和讀出電路從第一焦平面讀出奇數(shù)列而從第二焦平面讀出偶數(shù)列；
圖4H是框圖，展示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的焦平面計(jì)時(shí)和控制電路；
圖5展示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，具有最佳減薄深度的背面照射的成像器陣列。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向附圖，展示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的為了在陣列照相機(jī)中使用而配置的成像器陣列的架構(gòu)。在許多實(shí)施例中，成像器陣列上的集中控制器能夠精細(xì)地控制陣列中每個(gè)焦平面的捕獲時(shí)間。術(shù)語焦平面描述了像素的二維布局。成像器陣列中的焦平面典型情況下不重疊(即，每個(gè)焦平面位于成像器陣列上的某分開區(qū)域內(nèi))。術(shù)語成像器被用于描述焦平面與控制電路的組合，后者控制著使用焦平面中的像素進(jìn)行圖像信息捕獲。在許多實(shí)施例中，成像器陣列的若干焦平面可以分開地觸發(fā)。在幾個(gè)實(shí)施例中，成像器陣列的若干焦平面采用不同的積分時(shí)間，按每個(gè)焦平面中的像素捕獲帶調(diào)整。典型情況下，像素捕獲帶是指像素對(duì)其敏感的電磁系統(tǒng)的連續(xù)子帶。此外，特定焦平面的專門化使得該焦平面中的全部或大多數(shù)像素具有相同的捕獲帶，實(shí)現(xiàn)了許多像素性能改進(jìn)以及成像器陣列內(nèi)外圍電路利用效率的提聞。
在許多實(shí)施例中，成像器陣列的像素在背面照射，并且包含每個(gè)焦平面區(qū)域的基底被減薄到不同深度，取決于每個(gè)焦平面中像素所感應(yīng)的光譜波長(zhǎng)。此外，能夠修改像素自身以便改進(jìn)這些像素關(guān)于特定的捕獲帶的性能。在許多實(shí)施例中，為了改進(jìn)像素關(guān)于其特定捕獲帶的性能，確定了每個(gè)焦平面中像素的轉(zhuǎn)換增益、源跟隨增益和滿阱容量。
在幾個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)焦平面都擁有專用的外圍電路以控制圖像信息的捕獲。在某些實(shí)施例中，將試圖捕獲同一捕獲帶的像素分組到若干焦平面中使得外圍電路能夠在這些像素之間共享。在許多實(shí)施例中，模擬前端、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及/或者列讀出和控制電路在兩個(gè)或更多焦平面內(nèi)的若干像素之間共享。
在許多實(shí)施例中，成像器陣列中的若干成像器能夠被置于在較低的功率狀態(tài)下以節(jié)約電力，這能夠用在不需要使用全部成像器產(chǎn)生輸出圖像的操作模式下(如較低的分辨率模式)。在幾個(gè)實(shí)施例中，在低功率狀態(tài)下的成像器像素被保持在傳輸門導(dǎo)通，以便維持光電二極管的耗盡區(qū)在其最高電位以及維持載流子收集能力，從而使不活動(dòng)成像器從遷移到活動(dòng)成像器的像素時(shí)產(chǎn)生的光生載流子的可能性最小。以下進(jìn)一步討論根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的陣列照相機(jī)和成像器陣列。
1.陣列照相機(jī)架構(gòu)
圖1展示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，在各種各樣的陣列照相機(jī)配置中能夠使用的陣列照相機(jī)架構(gòu)。陣列照相機(jī)100包括成像器陣 列110，它被連接到圖像處理流水線模塊120和控制器130。
成像器陣列110包括各個(gè)獨(dú)立焦平面的MXN陣列，其中的每個(gè)焦平面都經(jīng)由分開的透鏡系統(tǒng)接收光線。成像器陣列還能夠包括其他電路以控制使用所述焦平面捕獲圖像數(shù)據(jù)，以及一個(gè)或多個(gè)傳感器以檢測(cè)若干物理參數(shù)?？刂齐娐纺軌蚩刂瞥上窈凸δ軈?shù)，比如曝光時(shí)間、觸發(fā)器時(shí)間、增益以及暗電平校正。控制電路還能夠通過控制讀出方向(如頂?shù)降走€是底到頂以及左到右還是右到左)控制圖像信息的捕獲。控制電路還能夠控制受關(guān)注區(qū)域的讀出、水平二次采樣、垂直二次采樣以及/或者電荷組合(charge-binning)。在許多實(shí)施例中，控制成像參數(shù)的電路可以分別地或者以同步的方式觸發(fā)每個(gè)焦平面。成像器陣列可以包括各種各樣的其他傳感器，包括但是不限于估計(jì)在操作溫度的暗電流的暗像素。 在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的陣列照相機(jī)中能夠利用的成像器陣列被公開在Venkataraman等人的PCT PublicationffO 2009/151903中，其公開內(nèi)容全部在此引用作為參考。在單塊實(shí)施中，成像器陣列可以使用單塊集成電路實(shí)施。當(dāng)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像器陣列在單片自包含的SOC芯片或晶塊中實(shí)施時(shí)，該成像器陣列可以被稱為成像器陣列。術(shù)語成像器陣列可以用于描述半導(dǎo)體芯片，在其上集成了成像器陣列和相關(guān)聯(lián)的控制、支持和讀出電子電路。
圖像處理流水線模塊120是硬件、固件、軟件或其組合，用于處理從成像器陣列 110接收的圖像。典型情況下，圖像處理流水線模塊120處理由照相機(jī)陣列捕獲的多幅低分辨率(LR)的圖像并且根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例產(chǎn)生合成的更高分辨率的圖像。在許多實(shí)施例中，圖像處理流水線模塊120經(jīng)由輸出122提供合成的圖像數(shù)據(jù)。在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的在照相機(jī)陣列中能夠利用的多種圖像處理流水線模塊公開在2010年12月14日提交的標(biāo)題為 “System and Methods forSynthesizing High Resolution Images Using Super-ResolutionProcesses”的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)12/967，807中，其公開內(nèi)容全部在此引用作為參考。
控制器130是硬件、軟件、固件或其組合，用于控制成像器陣列110的多個(gè)運(yùn)行參數(shù)。在許多實(shí)施例中，控制器130從用戶或其他外部組件接收輸入132并且發(fā)送操作信號(hào)以控制成像器陣列110?？刂破?30還能夠向圖像處理流水線模塊120發(fā)送信息以幫助處理由成像器陣列110捕獲的LR圖像。
盡管在圖1中展示了特定的陣列照相機(jī)架構(gòu)，但是使用成像器陣列捕獲多幅場(chǎng)景圖像的替代架構(gòu)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例也能夠利用。以下進(jìn)一步討論根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的陣列照相機(jī)的操作、成像器陣列配置以及多幅捕獲的場(chǎng)景圖像的處理。
2.成像器陣列架構(gòu)
圖1A展示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像器陣列。成像器陣列包括焦平面陣列核心 152，它包括焦平面153的陣列以及全部模擬信號(hào)處理、像素電平控制邏輯、信令和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。成像器陣列還包括焦平面計(jì)時(shí)和控制電路154，它負(fù)責(zé)控制使用像素進(jìn)行圖像信息捕獲。在許多實(shí)施例中，焦平面計(jì)時(shí)和控制電路利用復(fù)位和讀出信號(hào)控制像素的積分時(shí)間。在其他實(shí)施例中，各種各樣技術(shù)的任何一種都能夠用于控制像素的積分時(shí)間，以及/或者使用像素進(jìn)行圖像信息捕獲。在許多實(shí)施例中，焦平面計(jì)時(shí)和控制電路154提供了圖像信息捕獲控制的靈活性，它實(shí)現(xiàn)了若干特征，包括(但是不限于)高動(dòng)態(tài)范圍成像、高速視頻和電子圖像穩(wěn)定。在各種實(shí)施例中，成像器陣列包括電源管理和偏置發(fā)生電路156。電源管理和偏置發(fā)生電路156對(duì)模擬電路提供了電流和電壓參考，比如參考電壓，ADC將對(duì)照其測(cè)量要被對(duì)照轉(zhuǎn)換的信號(hào)。在許多實(shí)施例中，電源管理和偏置電路還包括在由于節(jié)省電力而不使用時(shí)把某些電路的參考電流/電壓關(guān)閉的邏輯。在幾個(gè)實(shí)施例中，成像器陣列包括暗電流和固定模式(FPN)校正電路158，它提高了由成像器陣列捕獲的圖像數(shù)據(jù)暗電平的一致性，并且能夠降低行時(shí)間噪聲和列固定模式噪聲的出現(xiàn)。在幾個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)焦平面包括若干參考像素，用于校準(zhǔn)焦平面的暗電流和FPN的目的，并且當(dāng)焦平面的其他像素被斷電時(shí)，控制電路能夠保持這些像素活動(dòng)，以便通過降低對(duì)暗電流和FPN校準(zhǔn)的需要而使成像器陣列能夠被發(fā)動(dòng)的速度提高。在許多實(shí)施例中，SOC圖像包括焦平面成幀電路160，它把從焦平面捕獲的數(shù)據(jù)包裝到容器文件中，并且能夠準(zhǔn)備用于傳輸?shù)牟东@圖像數(shù)據(jù)。在幾個(gè)實(shí)施例中，焦平面成幀電路包括標(biāo)識(shí)捕獲的圖像數(shù)據(jù)從其起源的焦平面和/或像素組的信息。在許多實(shí)施例中，成像器陣列還包括把捕獲的圖像數(shù)據(jù)傳送到外部設(shè)備的接口。在展示的實(shí)施例中，所述接口是支持四個(gè)信道的MIPI CSI 2輸出接口，它能夠支持從成像器陣列30fps視頻的讀出，以及合并的數(shù)據(jù)輸出接口電路162、接口控制電路164和接口輸入電路166。典型情況下，每個(gè)信道的帶寬都被優(yōu)化到成像器陣列中像素的總數(shù)和所期望的幀率。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多個(gè)接口的使用，包括把成像器陣列內(nèi)由成像器陣列捕獲的圖像數(shù)據(jù)傳送到外部設(shè)備的MIPI CSI 2接口，在2011年5月11日提交的標(biāo)題為“System and Methods for Transmitting ArrayCamera Data” 的 61/484，920 號(hào)美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)中介紹，其公開內(nèi)容全部在此引用作為參考。盡管以上關(guān)于圖1A討論了成像器陣列架構(gòu)的若干特定組件，但是正如以下進(jìn)一步討論，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例能夠構(gòu)造各種各樣成像器陣列的任何一種，能夠根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例在多個(gè)焦平面捕獲某場(chǎng)景的若干圖像。所以，以下進(jìn)一步討論根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像器陣列中能夠包括的焦平面陣列核心和多個(gè)組件。
3.焦平面陣列核心
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的焦平面陣列核心包括成像器陣列和專用外圍電路，用于使用每個(gè)焦平面中的若干像素捕獲圖像數(shù)據(jù)。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像器陣列能夠包括若干焦平面陣列核心，以適合特定應(yīng)用的各種各樣不同配置的任何一種進(jìn)行配置。例如，可以對(duì)特定的成像器陣列設(shè)計(jì)進(jìn)行定制，包括(但是不限于)關(guān)于焦平面、若干像素和專用外圍電路。 以下討論能夠被合并到根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的焦平面陣列核心中的多種焦平 面、像素設(shè)計(jì)和外圍電路。
3.1在成像器陣列上形成焦平面
能夠構(gòu)造成像器陣列，在其中從若干像素單元的陣列形成了若干焦平面，其中每個(gè)焦平面都是若干像素的子陣列。在每個(gè)子陣列都具有相同數(shù)量像素的實(shí)施例中，成像器陣列包括總共KXL個(gè)像素單元，它們被分段在XXY個(gè)像素的MXN個(gè)子陣列中，使得 K=MXX,以及L=NXY。在成像器陣列的語境中，每個(gè)子陣列或焦平面都能夠用于產(chǎn)生該場(chǎng)景的單獨(dú)圖像。像素的每個(gè)子陣列都提供了與常規(guī)成像器(即包括單一焦平面的照相機(jī)中的成像器)的像素相同的功能。
正如以下進(jìn)一步討論，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像器陣列可以包括單一控制器，能夠分別地安排和控制每個(gè)焦平面。具有公共的控制器和I/o電路能夠提供重要的系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)，包括由于使用較少的硅面積而降低系統(tǒng)成本，由于資源共享和減少了系統(tǒng)互連而降低功耗，由于主機(jī)系統(tǒng)僅僅與單一控制器而不是MXN個(gè)控制器和讀出I/O通道通信而使系統(tǒng)集成更簡(jiǎn)單，由于使用公共的控制器而使陣列同步更簡(jiǎn)單，以及由于互連數(shù)量的減少而使系統(tǒng)可靠性改進(jìn)。
3. 2成像器的布局
正如在(以上引用作為參考的)P. C.T. Publication W02009/151903中的公開，成像器陣列可以包括焦平面的任何NXM個(gè)陣列，比如圖2A中展示的成像器陣列(200)。典型情況下，每個(gè)焦平面都具有相關(guān)聯(lián)的濾波器和/或光學(xué)元件，并且能夠?qū)Σ煌ㄩL(zhǎng)的光成像。在許多實(shí)施例中，成像器陣列包括檢測(cè)紅光的焦平面(R)、檢測(cè)綠光的焦平面(G)和檢測(cè)藍(lán)光的焦平面(B)。盡管在幾個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)焦平面包括被配置為捕獲不同顏色光的像素。在許多實(shí)施例中，像素采用了拜耳濾波器模式(或類似模式)，它使得焦平面內(nèi)的不同像素能夠捕獲不同顏色的光。在幾個(gè)實(shí)施例中，2X2的成像器陣列能夠包括像素采用拜耳濾波器模式(或類似模式)的焦平面、像素被配置為捕獲藍(lán)光的焦平面、圖像被配置為捕獲綠光的焦平面以及成像器被配置為捕獲紅光的焦平面。合并了這樣的傳感器陣列的陣列照相機(jī)能夠利用由所述藍(lán)光、綠光和紅光焦平面捕獲的彩色信息，以便對(duì)使用采用了拜耳濾波器的焦平面所捕獲的圖像增強(qiáng)彩色。在其他實(shí)施例中，采用了拜耳模式的焦平面被合并到成像器陣列中，它包括焦平面的二維布局，其中在一個(gè)維度上有至少三個(gè)焦平面。在許多實(shí)施例中，在兩個(gè)維度上都有至少三個(gè)焦平面。
人的眼睛對(duì)綠光比對(duì)紅光和藍(lán)光更敏感，所以，使用的陣列包括的檢測(cè)綠光的焦平面比檢測(cè)紅光或藍(lán)光的焦平面更多，能夠?qū)崿F(xiàn)從成像器陣列所捕獲的低分辨率圖像數(shù)據(jù)合成的圖像的分辨率增加。圖2B展示了 5X5的成像器陣列(210)，包括17個(gè)檢測(cè)綠光的焦平面(G)，四個(gè)檢測(cè)紅光的焦平面(R)和四個(gè)檢測(cè)藍(lán)光的焦平面(B)。在幾個(gè)實(shí)施例中，成像器陣列 還包括檢測(cè)近紅外波長(zhǎng)即擴(kuò)展色波長(zhǎng)的焦平面(即同時(shí)跨越彩色和近紅外波長(zhǎng))， 能夠用于改進(jìn)陣列照相機(jī)在暗光條件下的性能。在其他實(shí)施例中，5X5的成像器陣列包括至少13個(gè)焦平面、至少15個(gè)焦平面或至少17個(gè)焦平面。此外，5X5的成像器陣列能夠包括至少4個(gè)焦平面檢測(cè)紅光，以及/或者至少四個(gè)焦平面檢測(cè)藍(lán)光。此外，檢測(cè)紅光的焦平面數(shù)量與檢測(cè)藍(lán)光的焦平面數(shù)量可以相同，但是不需要相同。實(shí)際上，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的幾個(gè)成像器陣列包括不同數(shù)量的檢測(cè)紅光和檢測(cè)藍(lán)光的焦平面。在許多實(shí)施例中，利用了其他陣列，包括(但是不限于)3X2的陣列、3X3的陣列、3X4的陣列、4X4的陣列、4X5的陣列、4X6的陣列、5X5的陣列、5X6的陣列、6X6的陣列以及3X7的陣列。在許多實(shí)施例中，成像器陣列包括二維焦平面陣列，在一個(gè)維度上具有至少三個(gè)焦平面。在幾個(gè)實(shí)施例中，在陣列的兩個(gè)維度上都有至少三個(gè)焦平面。在幾個(gè)實(shí)施例中，該陣列包括使像素被配置為捕獲藍(lán)光的至少兩個(gè)焦平面，使像素被配置為捕獲綠光的至少兩個(gè)焦平面，以及使像素被配置為捕獲紅光的至少兩個(gè)焦平面。
另外的成像器陣列配置公開在Venkataraman等人的標(biāo)題為“Capturing and Process of Images Using Monolithic Camera Arraywith Heterogenous Imagers，，的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)12/952，106中，其公開內(nèi)容全部在此引用作為參考。
盡管以上公開了特定成像器陣列的配置，但是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，各種各樣的規(guī)則或不規(guī)則的成像器布局的任何一種，包括檢測(cè)可見光、可見光譜的若干部分、近紅外光、光譜的其他部分以及/或者光譜的不同部分組合的成像器，都能夠用于捕獲圖像，它們提供了在SR處理中使用的一個(gè)或多個(gè)信息信道。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像器陣列中的成像器像素的構(gòu)建可以取決于由成像器成像的光譜的特定部分。以下討論了在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像器焦平面陣列中能夠使用的不同類型的像素。
3. 3像素設(shè)計(jì)
在被設(shè)計(jì)為彩色或多光譜捕獲的成像器陣列內(nèi)，每個(gè)單獨(dú)的焦平面都可以被指派為捕獲可見光譜的子帶。基于被指派捕獲的光譜帶，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例能夠以多種方式最優(yōu)化每個(gè)焦平面。這些最優(yōu)化在基于傳統(tǒng)拜耳模式的圖像傳感器中難以執(zhí)行，因?yàn)椴东@可見光譜中其相應(yīng)子帶的像素全都在同一像素陣列中交錯(cuò)。在本發(fā)明的許多實(shí)施例中，背面照射被用在成像器陣列被減薄到取決于特定焦平面的捕獲帶的不同深度時(shí)。在許多實(shí)施例中，成像器陣列中的像素尺寸根據(jù)該特定成像器的捕獲帶確定。在幾個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)這些像素的捕獲帶，確定焦平面中的像素組的轉(zhuǎn)換增益、源跟隨增益以及滿阱容量。以下進(jìn)一步討論根據(jù)像素的捕獲帶，像素能夠在成像器陣列中的若干焦平面之間變化的多種方式。
3. 3.1具有最佳減薄深度的背面照射成像器陣列
傳統(tǒng)的圖像傳感器從前面照射，其中光子必須首先穿過電介質(zhì)膜，再最終到達(dá)光電二極管，它位于娃基底中電介質(zhì)膜的底部。電介質(zhì)膜的存在支持了器件內(nèi)的金屬互連。前面照射受損于固有的不良量子效率(QE)性能(產(chǎn)生的載流子與入射光子的比例)，由于諸如光線被像素內(nèi)的金屬結(jié)構(gòu)阻擋等問題。典型情況下，通過對(duì)每個(gè)像素都在電介質(zhì)膜頂上沉積微透鏡單元，使進(jìn)來的光聚焦在試圖避開像素內(nèi)的金屬結(jié)構(gòu)的圓錐中，來實(shí)現(xiàn)改進(jìn)。
背面照射是在圖像傳感器制作中采用的技術(shù)，以便改進(jìn)成像器的QE性能。在背面照射(BSI)中，硅基底塊被減薄(通常用化學(xué)蝕刻工藝)以允許光子通過硅基底的背面到達(dá)光電二極管的耗盡區(qū)。當(dāng)光線入射到該基底的背面時(shí)，就避免了在前面照射中固有的由金屬結(jié)構(gòu)造成的孔徑問題。不過，硅中光線的吸收深度與波長(zhǎng)成正比，所以紅色光子的穿透得比藍(lán)色光子深得多。如果減薄工藝沒有除去足夠的硅，耗盡區(qū)將太深無法收集從藍(lán)色光子產(chǎn)生的光電子。如果減薄工藝除去太多的硅，耗盡區(qū)可能太淺并且紅色光子可能直接行進(jìn)可是沒有相互作用并產(chǎn)生載流子。紅色光子也可能從前 表面反射回來并與到來的光子相互作用，由于器件厚度的小差異而產(chǎn)生建設(shè)性和破壞性干涉。由器件厚度變化導(dǎo)致的后果作為散射現(xiàn)象模式和/或作為尖峰光譜QE響應(yīng)可能顯而易見。
在常規(guī)的成像器中，濾色器(典型情況下拜耳濾波器)的鑲嵌往往被用于提供RGB 顏色捕獲。當(dāng)基于鑲嵌的彩色成像器為BSI被減薄時(shí)，典型情況下減薄深度對(duì)全部像素是相同的，因?yàn)樗玫墓に嚥话迅鱾€(gè)像素減薄到不同深度。像素的共同減薄深度引起藍(lán)色波長(zhǎng)與紅色/近紅外波長(zhǎng)之間的QE性能的必要平衡。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像器陣列包括若干成像器的陣列，其中焦平面中的每個(gè)像素都檢測(cè)相同的光譜波長(zhǎng)。不同的焦平面能夠檢測(cè)可見光譜的不同子帶或者實(shí)際上電磁光譜的任何子帶，其中硅的帶隙能量具有大于O 的量子產(chǎn)額增益。所以，通過使用BSI，其中焦平面像素的減薄深度被選擇為與設(shè)計(jì)每個(gè)像素去捕獲的光波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的吸收深度最佳地匹配，能夠改進(jìn)成像器陣列的性能。在許多實(shí)施例中，成像器陣列的硅塊材料被減薄到不同厚度，以便與光電二極管耗盡區(qū)內(nèi)的每個(gè)照相機(jī)的捕獲帶的吸收深度匹配，以使得QE最大化。
圖5在概念上展示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，在檢測(cè)不同光譜帶寬的焦平面(即子陣列)所對(duì)應(yīng)的區(qū)域中，硅基底被減薄到不同深度的成像器陣列。成像器陣列500包括硅基底502，在其前面上形成了電介質(zhì)膜和金屬互連504。在展示的實(shí)施例中，硅基底包括區(qū)域506、508、510，在其中分別設(shè)置了為檢測(cè)藍(lán)光而形成焦平面像素的光電二極管、為檢測(cè)綠光而形成焦平面像素的光電二極管，以及為檢測(cè)紅光而形成焦平面像素的光電二極管。在每個(gè)區(qū)域中，硅基底的背面被減薄到不同深度。在展示的實(shí)施例中，在設(shè)置了為檢測(cè)藍(lán)光而形成成像器像素的光電二極管的區(qū)域506中基底被減薄至對(duì)應(yīng)于450nm波長(zhǎng)光線的吸收深度 (即大約O. 4 μ m)，在設(shè)置了為檢測(cè)綠光而形成成像器像素的光電二極管的區(qū)域508中基底被減薄至對(duì)應(yīng)于550nm波長(zhǎng)光線的吸收深度(即大約1. 5 μ m)，以及在設(shè)置了為檢測(cè)紅光而形成成像器像素的光電二極管的區(qū)域510中基底被減薄至對(duì)應(yīng)于640nm波長(zhǎng)光線的吸收深度(即大約3.0μπι)。盡管在圖5中顯示了特定的深度，但是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，也能夠使用適合于由特定成像器檢測(cè)的光譜波長(zhǎng)和適合于應(yīng)用需求的其他深度。此外，在不使用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像器陣列的陣列照相機(jī)中也能夠使用不同的減薄深度。
在許多實(shí)施例中，把顏色信道指定到陣列內(nèi)每個(gè)成像器是通過光子到光電二極管的光學(xué)路徑內(nèi)的帶通濾波器對(duì)到來光子的第一次過濾實(shí)現(xiàn)的。在幾個(gè)實(shí)施例中，減薄深度本身用于產(chǎn)生對(duì)捕獲波長(zhǎng)的指定，因?yàn)楹谋M區(qū)的深度界定了每個(gè)成像器的光譜QE。
3. 3. 2像素尺寸的最優(yōu)化
對(duì)于為捕獲光譜中每個(gè)子帶而指定的成像器，通過改變其中使用的像素尺寸，能夠?qū)崿F(xiàn)額外的SNR益處。隨著像素尺寸的收縮，像素的有效QE降低，因?yàn)楣怆姸O管耗盡區(qū)面積與像素面積的比值降低了。 典型情況下，使用微透鏡試圖對(duì)此補(bǔ)償并且隨著像素尺寸的收縮它們變得更重要。由于像素尺寸減小對(duì)像素性能的另一個(gè)損害來自噪聲的增加。 為了努力保持感光與讀出電路面積的平衡，在許多實(shí)施例中，也將像素傳輸門、源跟隨放大器晶體管和復(fù)位晶體管也制作得更小。由于這些晶體管尺寸減小，典型情況下使得許多性能參數(shù)被降級(jí)導(dǎo)致噪聲增加。
隨著像素與像素間隔減小，電氣“串?dāng)_”也增加了。長(zhǎng)波長(zhǎng)的光子在穿透入基底更深后再與硅相互作用以產(chǎn)生電荷載流子。這些電荷載流子以有些隨機(jī)的方式漂移，然后在光電二極管耗盡區(qū)中重新出現(xiàn)并聚積。可能的重新出現(xiàn)和聚積的這種“循環(huán)”隨著發(fā)生深度而增加。因此，像素變得越小，可能的重新出現(xiàn)的循環(huán)覆蓋的像素?cái)?shù)量越多。這種后果導(dǎo)致隨著光子波長(zhǎng)的增加，調(diào)制傳輸函數(shù)(MTF)降級(jí)。
所以，指定為捕獲較長(zhǎng)波長(zhǎng)的成像器能夠通過增大像素尺寸從而提高像素的QE 而被最優(yōu)化以改進(jìn)系統(tǒng)的SNR。由于MTF隨著波長(zhǎng)增大而下降，更小像素對(duì)于分辨率目的的益處隨著波長(zhǎng)增大而減小。因此能夠保持整個(gè)系統(tǒng)的分辨率，同時(shí)增大用于更長(zhǎng)波長(zhǎng)的像素尺寸，以便改進(jìn)QE從而改進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)的SNR。盡管在許多實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像器陣列利用了能夠被制造的盡可能小的像素。所以，以上面概述的方式增大像素尺寸僅僅是能夠被用于改進(jìn)照相機(jī)的性能的一種技術(shù)，并且典型情況下選擇的特定像素尺寸取決于特定應(yīng)用。
3. 3. 3成像器優(yōu)化
推行越來越小的像素已經(jīng)鼓勵(lì)像素設(shè)計(jì)者重新創(chuàng)制所述像素，使得它們共享鄰域內(nèi)的讀出電路。例如，四個(gè)光電二極管的組可以共享同一復(fù)位晶體管、浮置擴(kuò)散結(jié)點(diǎn)和源跟隨放大器晶體管。當(dāng)四個(gè)像素被安排在拜耳模式布局中時(shí)，四個(gè)像素的組覆蓋捕獲的全部可見光譜。在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像器陣列中，這些共享的像素結(jié)構(gòu)能夠被改造以使得在焦平面中的像素性能適合給定的捕獲帶。在基于傳統(tǒng)濾波器陣列的圖像傳感器中，這些結(jié)構(gòu)被具有不同捕獲帶的像素共享的事實(shí)意味著典型情況下這些相同的技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)性能改進(jìn)是不可行的。以下討論根據(jù)像素的捕獲帶，通過選擇轉(zhuǎn)換增益、源跟隨增益和滿阱容量，改進(jìn)焦平面中像素的性能。盡管隨后的討論參考了 4T CMOS像素，但是在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例若干像素共享電路的任何成像器陣列中都能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)像素性能的類似改進(jìn)。
3. 3. 3.1轉(zhuǎn)換增益的優(yōu)化
通過采用為每個(gè)不同捕獲帶定制的不同轉(zhuǎn)換增益的像素，能夠改進(jìn)意在捕獲光譜的特定子帶的成像器陣列內(nèi)的成像器的性能。通過改變“檢測(cè)結(jié)點(diǎn)”^典型情況下浮置擴(kuò)散電容器(FD)——的電容量大小，能夠控制在典型的4T CMOS像素中的轉(zhuǎn)換增益。電荷到電壓的轉(zhuǎn)換遵循方程V=Q/C，其中Q是電荷，C是電容量而V是電壓。因此電容量越小，從給定電荷產(chǎn)生的電壓就越高，因而像素的電荷到電壓的轉(zhuǎn)換增益就越高。不過，顯然轉(zhuǎn)換增益不能夠無限地提高。如果FD的電容量變得太小，像素的表面滿阱容量(該像素能夠記錄的光電子數(shù)量)將降低。這是因?yàn)閬碜怨怆姸O管的電子傳遞到了 FD中，原因是作用在它們上的電位差。當(dāng)電位差為零(或者在PF與FD之間存在著勢(shì)壘)時(shí)電荷傳遞將停止。因此， 如果FD的電容量太小，在全部電子已經(jīng)被傳遞出光電二極管之前電位平衡可能就達(dá)到了。
3. 3. 3. 2源跟隨增益的優(yōu)化
通過改變焦平面內(nèi)的每個(gè)像素中的放大器特征，能夠?qū)崿F(xiàn)附加的性能增益。傳統(tǒng)的4T CMOS像素中的放大器從源跟隨晶體管構(gòu)造。源跟隨晶體管放大了橫跨FD的電壓，以便驅(qū)使像素信號(hào)沿著列線下到列電路，該信號(hào)在此隨后被采樣。
在制造期間通過改變注入摻雜等級(jí)，能夠控制隨著輸入電壓擺動(dòng)(即源跟隨放大器的增益)變化的輸出電壓擺動(dòng)。給定像素光電二極管的滿阱容量(以電子計(jì))和FD的電容量，在源跟隨晶體管的輸入處的電壓范圍由關(guān)系式Vin=Vrst-Q/C建立，其中Vrst是FD的復(fù)位電壓 ，Q是從光電二極管傳遞到FD的電子的電荷，而C是FD的電容量。
光電二極管是管腳相連的結(jié)構(gòu)，使得可以積聚的電荷范圍在O個(gè)電子與滿阱容量之間。所以，對(duì)于給定光電二極管的滿阱容量和給定FD的電容量以及源跟隨的期望輸出信號(hào)擺動(dòng)，能夠選擇源跟隨晶體管的最佳增益或接近最佳增益。
3. 3. 3. 3滿阱容量的優(yōu)化
能夠執(zhí)行的另一種優(yōu)化是通過改變?cè)摴怆姸O管的滿阱容量。光電二極管的滿阱容量是光電二極管在其最高的耗盡狀態(tài)下能夠存儲(chǔ)的電子的最大數(shù)量。通過光電二極管的 χ-y尺寸、形成二極管結(jié)構(gòu)時(shí)注入的摻雜等級(jí)以及用于使該像素復(fù)位的電壓，能夠控制像素的滿阱。
3. 3. 3. 4三參數(shù)優(yōu)化
正如在先前部分中可見，為了改進(jìn)成像性能，在具有相同捕獲帶的焦平面內(nèi)配置像素時(shí)，存在著能夠被調(diào)優(yōu)的三個(gè)主要特征。對(duì)于全部三個(gè)參數(shù)的最佳解決方案取決于特定焦平面的目標(biāo)行為。每個(gè)焦平面都能夠?qū)ζ浔慌渲脼椴东@的光譜帶進(jìn)行定制。雖然能夠使像素的設(shè)計(jì)最優(yōu)化，但是在許多實(shí)施例中，僅僅關(guān)于特定捕獲帶改進(jìn)像素的性能(即使此改進(jìn)可能不是最優(yōu)的)。某實(shí)例最優(yōu)化如下，并且類似的過程能夠用于僅僅關(guān)于特定的捕獲帶改進(jìn)像素的性能
a.光電二極管滿講容量的優(yōu)化
給定了光學(xué)器件的速度和濾色器的透射率，就有可能估計(jì)出對(duì)于給定最高光譜輻射在給定最短積分時(shí)間(比如50 μ s)將產(chǎn)生的電子數(shù)量。光譜的每個(gè)子帶(顏色)將很可能具有不同數(shù)量的電子產(chǎn)生。對(duì)每個(gè)子帶(顏色)，光電二極管的滿阱容量都可以選擇為使得在最短積分時(shí)間下該譜帶內(nèi)的最高輻射將充滿阱。實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)滿阱容量的方法可以通過改變?chǔ)?y尺寸、改變?cè)诙O管制造期間的摻雜等級(jí)、改變?cè)撓袼氐膹?fù)位電壓或者兩個(gè)或更多這些參數(shù)的組合。
b.轉(zhuǎn)換增益的優(yōu)化
下一個(gè)步驟是優(yōu)化像素的轉(zhuǎn)換增益。給定在滿阱優(yōu)化步驟中定義的電子數(shù)量，就能夠選擇用于浮置擴(kuò)散的最佳電容量。最佳電容量是保持電位差以支持電荷從FD傳遞，使得在合理的持續(xù)時(shí)間內(nèi)能夠傳遞滿阱容量的電容量。這種最優(yōu)化的目的是選擇可能的最低電容量，使得電荷到電壓的轉(zhuǎn)換增益盡可能的高，以便使得輸入?yún)⒖荚肼曌钚?，從而?shí)現(xiàn)每個(gè)彩色信道的SNR最高。
c.源跟隨增益的優(yōu)化
一旦確定了最佳滿阱容量以及電荷到電壓的轉(zhuǎn)換增益，就能夠選擇源跟隨放大器的增益。FD復(fù)位電壓(Vrst)與包含滿阱電荷負(fù)載的FD電壓之間的差異(Vrst-Q/C)能夠界定源跟隨放大器的最佳增益。源跟隨增益界定了 Vrst與Vrst-Q/C之間的輸出信號(hào)擺動(dòng)。最佳的信號(hào)擺動(dòng)由諸如模擬信號(hào)處理以及對(duì)像素輸出信號(hào)進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換的A/D轉(zhuǎn)換器的操作電壓等參數(shù)定義。為每個(gè)彩色信道都選擇源跟隨增益以使其各自信號(hào)擺動(dòng)全都彼此都匹配，并且匹配由模擬信號(hào)處理和A/D轉(zhuǎn)換器電路支持的最大信號(hào)擺動(dòng)。
以按捕獲帶的方式已經(jīng)執(zhí)行了這些像素級(jí)的最優(yōu)化后，該系統(tǒng)對(duì)給定線性操作的每個(gè)捕獲帶將具有最高的SNR和動(dòng)態(tài)范圍。盡管以上介紹的過程是設(shè)計(jì)為關(guān)于最高的SNR 和動(dòng)態(tài)范圍提供最優(yōu)的解決方案，但是在選擇以上介紹的三個(gè)參數(shù)時(shí)也能夠使用其他設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以便關(guān)于特定的捕獲帶或應(yīng)用特定的期望行為，提供改進(jìn)的像素性能。
3. 3. 4動(dòng)態(tài)范圍定制
通過在同一光譜帶內(nèi)使用不同轉(zhuǎn)換增益的像素，能夠?qū)崿F(xiàn)成像器陣列的進(jìn)一步優(yōu)化。例如，“綠色”成像器可以由具有兩個(gè)或更多不同轉(zhuǎn)換增益的像素構(gòu)建。所以，每個(gè)“綠色”成像器包括的像素具有均一的轉(zhuǎn)換增益，它不同于在該陣列中另一個(gè)“綠色”成像器中像素的轉(zhuǎn)換增益。作為替代，每個(gè)成像器都可以由具有不同轉(zhuǎn)換增益的像素鑲嵌構(gòu)建。
正如先前陳述，隨著轉(zhuǎn)換增益上升到超過了一定閾值，輸入?yún)⒖荚肼暢掷m(xù)降低，但是以損害有效滿阱容量為代價(jià)。這種效果能夠充分利用以得到具有更高動(dòng)態(tài)范圍的系統(tǒng)。 例如，全部“綠色”焦平面的一半可以使用對(duì)輸入?yún)⒖荚肼暫蜐M阱容量都優(yōu)化的轉(zhuǎn)換增益 (“正常綠色”)構(gòu)建。全部的“綠色”焦平面的另一半可以由具有更高轉(zhuǎn)換增益從而更低的輸入?yún)⒖荚肼暫透偷挠行M阱容量(“快速綠色”)的像素構(gòu)建。具有較低亮度級(jí)的場(chǎng)景區(qū)域可以從(未飽和的)“快速綠色”像素恢復(fù)，而具有較亮的亮度級(jí)的區(qū)域可以從“正常綠色”像素恢復(fù)。結(jié)果是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍的整體提升。盡管以上討論了“快速綠色”與“正常綠色”之間的焦平面的特定50/50分配，但是專用于“快速”成像的焦平面數(shù)量和專用于“正?！背上竦慕蛊矫鏀?shù)量完全取決于特定應(yīng)用的需求。此外，專用于“快速”和“正常”成像的分開焦平面能夠用于增大其他光譜帶的動(dòng)態(tài)范圍，并且不僅僅限于增大成像器陣列捕獲綠色光線的動(dòng)態(tài)范圍。
通過控制“快速”和“正?！本G色子陣列的積分時(shí)間，使得“快速”像素積分更長(zhǎng)時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)類似的效果。不過在非固定場(chǎng)景中，這可能導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)假象，因?yàn)楹汀罢！毕袼叵啾?，“快速”像素將?duì)場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)積分更長(zhǎng)時(shí)間，產(chǎn)生兩個(gè)綠光信道之間外在的空間不一致， 這可能是不期望的。
盡管在某些具體實(shí)施例中已經(jīng)介紹了本發(fā)明，但是對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員，許多另外修改和變化將是顯而易見的。所以應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明可以以專門介紹的方式以外的方式實(shí)踐，包括尺寸、形狀和材料上的多種變化，而不脫離本發(fā)明的范圍和實(shí)質(zhì)。因此，本發(fā)明的實(shí)施例無論從哪方面來看都應(yīng)當(dāng)被視為展示性的而不是限制性的。
3. 4外圍電路
在常規(guī)的成像器中，典型情況下使用橫跨每行像素行進(jìn)的水平控制線以按行的方式存取像素。垂直地通過每個(gè)像素行進(jìn)的輸出信號(hào)線被用于將像素輸出連接到列外圍的采樣電路。典型情況下，水平的控制線和輸出信號(hào)線被實(shí)施為硅上的金屬跡線。來自某行全部像素的輸出在列外圍電路被同時(shí)采樣，并且使用列控制器被順序地掃描出。不過，沿著成像器陣列全行K個(gè)像素的公共按行的存取沒有使得這些成像器能夠被獨(dú)立地讀出。正如以上指出，使用成像器陣列的許多益處來源于若干焦平面的獨(dú)立性，以及成像器陣列分別控制由每個(gè)焦平面中的若干像素進(jìn)行圖像信息捕獲的能力。分別控制信息捕獲的能力意味著， 由焦平面中若干像素進(jìn)行圖像信息捕獲能夠被定制到該焦平面被配置為捕獲的光譜帶。在許多實(shí)施例中，提供分開的觸發(fā)器時(shí)間的能力能夠用在使用具有不同積分時(shí)間的焦平面對(duì)圖像捕獲同步時(shí)，以及用在捕獲為了提供慢動(dòng)作視頻序列而能夠被寄存的圖像序列時(shí)。為了控制由成像器陣列內(nèi)不同焦平面進(jìn)行圖像信息捕獲，能夠?yàn)槊總€(gè)焦平面都提供獨(dú)立的讀出控制。在幾個(gè)實(shí)施例中，由于每個(gè)焦平面都具有相關(guān)聯(lián)的行(列)控制器、列(行)讀出電路以及專用的像素信號(hào)模擬處理器和數(shù)字轉(zhuǎn)換器這個(gè)事實(shí)，成像器陣列具有獨(dú)立的讀出控制。在許多實(shí)施例中，使用焦平面之間共享的外圍電路實(shí)現(xiàn)了由不同焦平面中的像素進(jìn)行的圖像信息捕獲的分別控制。以下討論了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，使用專用外圍電路和共享外圍電路實(shí)施的成像器陣列。
3. 4.1專用的外圍電路
圖3展示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的包括多個(gè)具有獨(dú)立的讀出控制和像素?cái)?shù)字化的焦平面的成像器陣列，其中每個(gè)焦平面都具有專用的外圍電路。成像器陣列300包括多個(gè)像素子陣列或焦平面302。每個(gè)焦平面在其外圍都具有專用的行控制邏輯電路304，受公共行計(jì)時(shí)控制邏輯電路306控制。盡管列電路和行解碼器被顯示為焦平面一側(cè)的單一塊，但是作為單一塊的描繪純屬概念上的，并且每個(gè)邏輯塊都能夠分開在焦平面的左/右以及/ 或者頂/底之間，以實(shí)現(xiàn)像素間距加倍時(shí)的布局。以這種方式布局的控制和讀出電路能夠產(chǎn)生以下配置在列(行)電路的一排中對(duì)偶數(shù)列采樣，而在另一排中對(duì)奇數(shù)列采樣。
在包括MXN個(gè)焦平面的器件中，讀出控制邏輯包括每行焦平面(N個(gè))的M組列控制輸出。每個(gè)列采樣/輸出電路308也都能夠具有專用的采樣電路，將捕獲的圖像信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字像素?cái)?shù)據(jù)。在許多實(shí)施例中，采樣電路包括模擬信號(hào)處理器(ASP)，它包括模擬前端(AFE)放大器電路和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC) 310。在其他實(shí)施例中，各種各樣的模擬電路的任何一種都能夠用于把捕獲的圖像信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的像素?cái)?shù)據(jù)。ASP能夠以多種方式實(shí)施，包括但是不限于，以每行周期X個(gè)像素轉(zhuǎn)換而操作的單一 ASP，其中X是由列采樣電路(如以流水線或SAR ADC)服務(wù)的該焦平面行中的像素?cái)?shù)量，以每行周期I個(gè)像素轉(zhuǎn)換而并行操作的X個(gè)ASP，或者以每行X/P個(gè)轉(zhuǎn)換而操作的P個(gè)ASP (見下面的討論)。公共讀出控制電路312控制每個(gè)成像器中的若干列的讀出。
在展示的實(shí)施例中，主控制邏輯電路314控制每個(gè)成像器的獨(dú)立讀出。主控制邏輯電路314包括高級(jí)別的計(jì)時(shí)控制邏輯電路，以便控制各個(gè)焦平面的圖像捕獲和讀出過程。在許多實(shí)施例中，這個(gè)塊的主控制部分能夠?qū)嵤┤舾商卣?，包括但是不限于錯(cuò)開圖像讀出的起始點(diǎn)，使得每個(gè)焦平面關(guān)于全局參考都具有受控的時(shí)間偏差；控制特定焦平面內(nèi)若干像素的積分時(shí)間，以便提供被成像光譜帶寬專用的積分時(shí)間；每個(gè)成像器的水平和垂直讀出方向；對(duì)每個(gè)焦平面內(nèi)若干像素的水平和垂直二次采樣/合并/開窗口 ；每個(gè)焦平面的幀/行/像素速率；以及每個(gè)焦平面的斷電狀態(tài)控制。
主控制邏輯電路314處理對(duì)來自每個(gè)成像器的像素?cái)?shù)據(jù)的收集。在許多實(shí)施例中，主控制邏輯電路將圖像數(shù)據(jù)包裝為構(gòu)成的輸出格式。假設(shè)使用少于MXN個(gè)輸出端口輸出圖像數(shù)據(jù)(如有2個(gè)輸出端口)，該成像器數(shù)據(jù)被時(shí)分多路傳輸?shù)竭@些輸出端口上。在許多實(shí)施例中，使用少量的存儲(chǔ)器(FIFO)緩沖來自成像器像素的數(shù)據(jù)，直到輸出端口 316上的下一個(gè)可用的時(shí)隙，并且主控制邏輯電路314或成像器陣列中的其他電路周期地向數(shù)據(jù)流插入若干代碼提供信息，包括但是不限于，標(biāo)識(shí)焦平面的信息、標(biāo)識(shí)焦平面內(nèi)行和/或列的信息，以及/或者標(biāo)識(shí)一個(gè)或多個(gè)焦平面的捕獲或讀出過程開始/結(jié)束的相對(duì)時(shí)間的信息。 相對(duì)時(shí)間信息可以得自芯片上的計(jì)時(shí)器或計(jì)數(shù)器，這些瞬時(shí)值能夠以或者幀速率或行速率在從每個(gè)成像器讀出像素的開始/結(jié)束時(shí)捕獲。也能夠向數(shù)據(jù)輸出添加另外的代碼以指明若干運(yùn)行參數(shù)比如(但是不限于)每個(gè)焦平面的積分時(shí)間以及通道增益。正如以下進(jìn)一步的討論，主機(jī)控制器完全能夠把數(shù)據(jù)流再集合回到由每個(gè)焦平面所捕獲的各幅圖像中。在幾個(gè)實(shí)施例中，成像器陣列包括足夠的存儲(chǔ)器以緩存來自全部焦平面的圖像數(shù)據(jù)的至少完整行，以支持來自全部焦平面的圖像數(shù)據(jù)的重排序和/或重定時(shí)，使得數(shù)據(jù)永遠(yuǎn)以相同的定時(shí)/或排序布局包裝，無論運(yùn)行參數(shù)如何，比如(但是不限于)積分時(shí)間和相對(duì)讀出位置。在許多實(shí)施例中，成像器陣列包括足夠的存儲(chǔ)器以緩存來自全部焦平面的圖像數(shù)據(jù)的至少完整線，以支持來自全部焦平面的圖像數(shù)據(jù)的重排序和/或重定時(shí)，使得數(shù)據(jù)以方便的方式被包裝，以便于主機(jī)對(duì)圖像數(shù)據(jù)重建，例如對(duì)該圖像數(shù)據(jù)重定時(shí)/重排序，把來自全部焦平面的數(shù)據(jù)對(duì)齊到全部焦平面的統(tǒng)一行起始位置，而不考慮相對(duì)讀出位置。
3. 4. 2ASP 共享
圖3展示的成像器陣列包括與每個(gè)焦平面相關(guān)聯(lián)的單獨(dú)ASP。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例能夠構(gòu)建的成像器陣列中，ASP或ASP的若干部分，比如(但是不限于)AFE或ADC在若干焦平面之間共享。圖4展示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的在多個(gè)焦平面之間共享ASP的成像器陣列。成像器陣列300’利用ASP 310’對(duì)焦平面的MXN陣列的一列中的全部像素進(jìn)行采樣。在展示的實(shí)施例中，有M組模擬像素信號(hào)讀出線連接到M個(gè)ASP。M組模擬像素信號(hào)讀出線的每一組都具有N條單獨(dú)線。M個(gè)ASP的每一個(gè)都順序地處理其N個(gè)輸入上的每個(gè)像素信號(hào)。在這樣的配置中，ASP在N個(gè)輸入的每個(gè)像素信號(hào)周期都執(zhí)行至少N次處理，假設(shè)在其輸入處的每個(gè)焦平面都處于活動(dòng)狀態(tài)。如果ASP的一個(gè)或多個(gè)焦平面輸入處于不活動(dòng)即斷電狀態(tài)，處理速率就可能降低(以便實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的功耗節(jié)省)或者維持(以便實(shí)現(xiàn)幀率提高)。作為替代，公共的單模擬像素信號(hào)讀出線能夠由一列焦平面(N個(gè))的全部列電路共享，使得ASP處理的時(shí)分多路傳輸功能能夠通過由列讀出控制塊312’控制的順序而實(shí)現(xiàn)。
盡管圖4展示的成像器陣列包括共享ASP，但是根據(jù)本發(fā)明許多實(shí)施例的成像器陣列能夠包括專用的AFE并共享ADC。在其他實(shí)施例中，AFE和ADC的共享比值不跟隨相同數(shù)量的焦平面。在幾個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)焦平面都可以具有專用的AFE，但是兩個(gè)或更多AFE 輸出被輸入到公共ADC。在許多實(shí)施例中，兩個(gè)鄰近焦平面共享同一 AFE，并且一個(gè)或多個(gè)這些焦平面對(duì)然后會(huì)被輸入到某ADC中。所以，AFE和ADC能夠在SOC成像器中不同焦平面之間共享，以適于根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的特定應(yīng)用的各種各樣不同方式的任何一種。
圖4d展示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在成像器陣列中焦平面對(duì)之間共享ADC。在展示的實(shí)施例中，焦平面對(duì)之間共享ADC能夠在成像器陣列內(nèi)多對(duì)焦平面當(dāng)中復(fù)制。圖4e展示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，在成像器陣列中的焦平面對(duì)之間共享AFE以及四個(gè)焦平面的組之間共享ADC。圖4e中展示的共享AFE和ADC能夠在成像器陣列內(nèi)多組四個(gè)焦平面當(dāng)中復(fù)制。在許多實(shí)施例中，共享發(fā)生在焦平面對(duì)以及/或者三個(gè)或更多焦平面的組中。
在許多實(shí)施例中，每個(gè)焦平面內(nèi)的像素在所有時(shí)間都經(jīng)由相同的電路元件被一致地處理，使得它們具有一致的偏差和增益特征。在許多實(shí)施例中，控制和讀出電路以及AFE 由公共時(shí)鐘電路控制，使得每個(gè)焦平面的相位和時(shí)隙分配都是一致的。圖4c展示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，不同焦平面的列讀出之間的相移實(shí)例。正如能夠看到，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，每個(gè)焦平面中的列輸出都被錯(cuò)開以便使共享ASP能夠處理。
為了支持在某些焦平面不進(jìn)行成像時(shí)使功率降低，在成像器陣列內(nèi)利用的ASP、時(shí)鐘以及偏壓/電流模式能夠支持多個(gè)采樣率配置，使得采樣率總是單焦平面的像素速率的 P倍，其中P是正被處理/采樣的活動(dòng)焦平面的數(shù)量。
圖4展示的資源共享架構(gòu)的旋轉(zhuǎn)變化也能夠?qū)嵤?，從而在MXN的行中(而不是在 MXN的列中)全部像素當(dāng)中共享單ASP。這樣的布局將因此涉及N個(gè)ASP的使用，每個(gè)都具有M個(gè)輸入，或?qū)個(gè)焦平面公共的單一輸入，并且由列讀出控制塊使用序列控制進(jìn)行時(shí)分多路傳輸。
3. 4. 3列電路共享
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，少于M*N個(gè)列電路用于對(duì)成像器陣列中焦平面的像素值進(jìn)行采樣。圖4a展示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例配置的成像器陣列301，使得成像器陣列的列內(nèi)的各個(gè)焦平面共享公共列電路塊308’，所以該設(shè)備僅僅利用了 M組列電路。M個(gè)列電路附帶著M個(gè)ASP 310，。
在幾個(gè)實(shí)施例中，列電路是時(shí)間共享的，使得它們能夠從列電路之上或之下的焦平面中讀出像素。圖4f展示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例在成像器陣列內(nèi)的焦平面對(duì)之間共享列電路。圖4f所示的共享是圖4a的特殊情況，其中M=2。由于在該對(duì)焦平面之間共享列電路，所以列電路以單焦平面所期望幀率的二倍速率運(yùn)行。在許多實(shí)施例中，若干像素在列電路內(nèi)或者以其模擬形式或者以其模數(shù)轉(zhuǎn)換形式被相關(guān)、復(fù)式采樣并讀出。一旦最后的像素已經(jīng)被轉(zhuǎn)出(或者已經(jīng)對(duì)全部列執(zhí)行了模數(shù)轉(zhuǎn)換)，該列電路就能夠被復(fù)位以從先前像素陣列去除剩余電荷。然后能夠使用第二時(shí)隙對(duì)第二焦平面進(jìn)行相同操作。在展示的實(shí)施例中，焦平面對(duì)之間共享ADC能夠在成像器陣列內(nèi)多對(duì)焦平面當(dāng)中復(fù)制。
在其他實(shí)施例中，圖4a中展示的成像器陣列301的變種能夠利用更多或更少的 ASP。此外，列電路308’能夠被分開或組合以便形成多于或少于M個(gè)模擬輸出用于數(shù)字化。 例如，成像器陣列能夠設(shè)計(jì)為存在單一 ASP用于M個(gè)列電路的數(shù)字化。列電路的M個(gè)輸出在到ASP的輸入處被時(shí)分多路傳輸。在使用多于M個(gè)ASP的情況下，M個(gè)列電路的每一個(gè)都被進(jìn)一步地劃分，使得每個(gè)列電路都具有多于一個(gè)模擬輸出用于數(shù)字化。這些方法在硅面積與功耗之間提供了折衷方案，因?yàn)锳SP的數(shù)目越多，為滿足目標(biāo)讀出速率(幀率)的每個(gè) ASP就能夠越慢。
對(duì)圖4a中展示的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)修改是分離成像器陣列頂部與底部之間的M個(gè)列電路，所以存在著M*2個(gè)列電路塊。在這樣的修改中，M*2個(gè)列電路的每一個(gè)負(fù)責(zé)對(duì)焦平面列中的每個(gè)焦平面的僅僅一半像素進(jìn)行采樣(如每個(gè)焦平面內(nèi)的全部偶數(shù)像素可以連接到陣列底部的列電路，而全部奇數(shù)像素可以連接到頂部的列電路)。仍然存在著M*X個(gè)列采樣電路，不過它們?cè)谖锢砩媳环珠_，使得存在著M*2組的X/2個(gè)列采樣電路。圖4b展示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，包括分開列電路的成像器陣列。成像器陣列301’使用了 M*2個(gè)列電路塊 (308a，、308b’)以及M*2個(gè)ASP (310a’、310b’ )。正如以上討論，也可以有比M*2個(gè)列電路更少或更多的ASP。圖4g展示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，包括分離列電路的另一個(gè)變種，其中列電路被分離成頂部/底部，用于對(duì)偶數(shù)/奇數(shù)列進(jìn)行采樣，而間隙列電路在列電路以上和以下的焦平面之間是時(shí)間共享的。在展示的實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，列電路分離和焦平面對(duì)之間列電路共享能夠在成像器陣列內(nèi)多對(duì)焦平面當(dāng)中復(fù)制。此外，列電路的每一個(gè)都能夠在上下焦平面之間共享(成像器陣列外圍處的列電路除外)。
3. 4. 4ASP的數(shù)量和速率
對(duì)于根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像器陣列的列采樣電路，存在著許多不同的布局。ASP 電路的布局往往遵循列采樣電路的邏輯實(shí)施，使得覆蓋X個(gè)像素的每個(gè)列電路使用單一 ASP,從而每個(gè)行周期執(zhí)行X次轉(zhuǎn)換。作為替代,每個(gè)列電路可以采用X個(gè)ASP,每個(gè)行周期執(zhí)行一次轉(zhuǎn)換。在一般的含義中，本發(fā)明的實(shí)施例對(duì)X個(gè)像素的每個(gè)列電路可以使用P個(gè) ASP，使得每個(gè)行周期有X/P次轉(zhuǎn)換。在采用這種方法的裝置中，任何列電路中樣本轉(zhuǎn)換都能夠并行化，使得整體ADC轉(zhuǎn)換過程以較慢的速率發(fā)生。例如，在本文介紹的任何配置中， 有可能采取某種列電路布局，它使用P個(gè)ASP對(duì)許多像素(T)采樣并執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，使得每個(gè)行周期有T/P次轉(zhuǎn)換。給定了固定行周期(如同以固定幀率的情況)，每個(gè)ASP的單個(gè)轉(zhuǎn)換速率以因子P降低。例如，假若有兩個(gè)APS，每一個(gè)都以1/2的速率運(yùn)行。如果有四個(gè)，每個(gè)ASP只必須以1/4的速率運(yùn)行。在一般的含義中，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例可以利用任何數(shù)量的ASP，以適于特定應(yīng)用的速率運(yùn)行而不考慮列電路的配置。
3. 4. 5行解碼器的優(yōu)化
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像器陣列擁有在給定瞬間存取每個(gè)焦平面內(nèi)不同行的能力，關(guān)于由每個(gè)焦平面的像素進(jìn)行的圖像信息捕獲實(shí)現(xiàn)分開的操作參數(shù)。行解碼器典型情況下從物理地址(表示為E位二進(jìn)制數(shù))到多至2e個(gè)“啟用”信號(hào)(往往被稱為“獨(dú)熱”表達(dá)) 的第一組合解碼形成。例如，8位的物理地址被解碼為256個(gè)“啟用”信號(hào)，以便支持具有 256行像素的像素陣列中的尋址。這些“啟用”信號(hào)的每一個(gè)都依次與像素計(jì)時(shí)信號(hào)邏輯地與，其結(jié)果然后被應(yīng)用到像素陣列，以便啟動(dòng)基于行的像素操作比如像素復(fù)位和像素電荷傳遞。
行解碼器能夠優(yōu)化以便通過共享二進(jìn)制到 獨(dú)熱碼解碼邏輯縮小硅面積。本發(fā)明的許多實(shí)施例不是每個(gè)子陣列都具有完全功能的行解碼器，包括二進(jìn)制到獨(dú)熱碼解碼，而是對(duì)于成像器陣列內(nèi)的焦平面的給定行具有單個(gè)的二進(jìn)制到獨(dú)熱碼解碼器。這個(gè)解碼器的“啟用”輸出被橫跨全部焦平面發(fā)送到每個(gè)焦平面的每個(gè)行解碼器(現(xiàn)在功能較少)。若干分開組的像素級(jí)計(jì)時(shí)信號(hào)將被專用于每個(gè)焦平面(由行計(jì)時(shí)和控制邏輯電路產(chǎn)生)，并且邏輯與函數(shù)將保留在每個(gè)焦平面的行解碼器中。
以這樣的模式的讀出將在每個(gè)焦平面的專用時(shí)隙中執(zhí)行，使得在照相機(jī)陣列中每行焦平面存在著M個(gè)時(shí)隙。第一焦平面內(nèi)的第一行將被選擇，并且像素級(jí)計(jì)時(shí)信號(hào)的專用組將被施加到其行解碼器，而列電路將對(duì)這些像素進(jìn)行采樣。在下一個(gè)時(shí)隙，物理地址將改變以指向下一個(gè)焦平面中的期望行，并且另一組專用的像素級(jí)計(jì)時(shí)信號(hào)將被施加到其行解碼器。同樣，列電路將對(duì)這些像素進(jìn)行采樣。此過程將重復(fù)到照相機(jī)陣列中一行焦平面內(nèi)的全部焦平面都已經(jīng)被采樣。當(dāng)列電路可用于對(duì)來自成像器陣列中的另一行進(jìn)行采樣時(shí)， 此過程可以再次開始。
3. 5提供存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)以存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)
由成像器陣列中的每個(gè)焦平面進(jìn)行的圖像信息捕獲的分開控制的另外益處是有能力支持慢動(dòng)作視頻捕獲而不增加各個(gè)焦平面的幀率。在慢動(dòng)作視頻中每個(gè)焦平面都以稍微偏移的時(shí)間點(diǎn)被讀出。在傳統(tǒng)的照相機(jī)中，幀之間的時(shí)間差(即捕獲幀率)由單幀的讀出時(shí)間指示。在對(duì)各個(gè)焦平面的獨(dú)立讀出時(shí)間提供支持的成像器陣列中，幀之間時(shí)間差可以小于單幀的讀出時(shí)間。例如，當(dāng)一個(gè)焦平面正在其幀的讀出過程中時(shí)，另一個(gè)焦平面可以開始其幀的讀出。所以實(shí)現(xiàn)了捕獲速率的明顯加倍，而不需要焦平面以雙倍速度運(yùn)行。不過， 從照相機(jī)輸出圖像流時(shí)，來自全部焦平面的這種交疊幀讀出意味著有連續(xù)的圖像輸出。
典型情況下，照相機(jī)系統(tǒng)使用了圖像數(shù)據(jù)讀出或顯示之間的一段時(shí)間，稱為消隱期。許多系統(tǒng)需要這種消隱期以便執(zhí)行附加的操作。例如，在CRT中使用消隱間隔把電子束從某線或幀的結(jié)束重新配置到下一條線或幀的起點(diǎn)。在成像器中典型情況下線之間存在著消隱間隔，以便允許下一條線的像素被尋址并且在其中的電荷被采樣電路采樣。在幀之間也能夠有消隱間隔以允許比幀讀出時(shí)間更長(zhǎng)的積分時(shí)間。
對(duì)于根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例以慢動(dòng)作捕獲模式操作的陣列照相機(jī)，幀讀出是全部焦平面中的時(shí)間偏差，使得全部焦平面將在不同的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)入其消隱間隔。所以，典型情況下將不存在無圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的陣列照相機(jī)可以包括在圖像數(shù)據(jù)讀出通道中的重定時(shí)FIFO存儲(chǔ)器，使得在傳輸期間能夠引入人為消隱期。重定時(shí)FIFO臨時(shí)地存儲(chǔ)在引入消隱間隔的時(shí)間點(diǎn)期間要從全部焦平面?zhèn)魉偷膱D像數(shù)據(jù)。
3. 6成像器陣列的平面底圖
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像器陣列可以包括為了最小化某些設(shè)計(jì)約束邊界內(nèi)的硅面積而優(yōu)化的平面底圖。這樣的設(shè)計(jì)約束包括由光學(xué)系統(tǒng)強(qiáng)加的約束。形成每個(gè)焦平面的像素子陣列能夠被放置在位于成像器陣列之上的透鏡陣列的每個(gè)獨(dú)立透鏡方陣的成像圈內(nèi)。所以，典型情況下透鏡元件的制造過程對(duì)成像器強(qiáng)加了最小間隔距離(即焦平面之間最小間距)。來自光學(xué)約束的焦點(diǎn)間隔中另一項(xiàng)考慮是能夠容忍的雜散光幅度。為了限制焦平面之間的光學(xué)串?dāng)_，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的許多照相機(jī)陣列使各個(gè)焦平面在光學(xué)上彼此隔離。在透鏡方陣內(nèi)的鄰近焦平面的光路之間可以創(chuàng)建不透明屏蔽。不透明屏蔽向下延伸到傳感器保護(hù)玻璃，并且能夠起到向傳感器提供光學(xué)器件接合表面和背面聚焦隔離層的補(bǔ)充目的。不透明屏蔽進(jìn)入到透鏡的成像圈能夠在某種程度上引起反射返回到焦平面中。在許多實(shí)施例中，光學(xué)器件與成像器陣列之間的復(fù)雜相互影響引起了迭代過程的使用，以收斂到使特定應(yīng)用的設(shè)計(jì)約束達(dá)到平衡的適宜解決方案。
焦平面之間的空間(即間隔距離)能夠用于實(shí)施控制電路以及采樣電路，包括(但是不限于)成像器陣列運(yùn)行期間所利用的ASP電路或其他電路。成像器陣列內(nèi)的邏輯電路也可以分解并使用自動(dòng)放置和路線選擇技術(shù)在相鄰焦平面之間間隔距離內(nèi)實(shí)施。
盡管以上介紹了對(duì)成像器陣列平面底圖的特定約束，但是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例， 能夠?qū)ζ矫娴讏D上設(shè)置其他的約束，使得能夠在該器件的不同區(qū)域中實(shí)施成像器陣列的多個(gè)邏輯電路。在許多實(shí)施例中，諸如像素尺寸/性能、陣列照相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)、硅不動(dòng)產(chǎn)成本以及制造該成像器陣列所用的制造過程等需求都能夠驅(qū)使成像器陣列整體架構(gòu)和平面底圖中的微小變化。
3. 6.1采樣的多樣性
在許多實(shí)施例中，平面底圖還容納了若干焦平面，它們被設(shè)計(jì)為容納某布局，它生產(chǎn)優(yōu)選的場(chǎng)景采樣多樣性(即一個(gè)焦平面內(nèi)的像素正在收集來自關(guān)于成像器陣列內(nèi)的其他焦平面稍微移動(dòng)的視野中的光線)。這可以通過各種各樣的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。在幾個(gè)實(shí)施例中，實(shí)現(xiàn)采樣多樣性的方式為構(gòu)造成像器陣列時(shí)，通過若干焦平面與其各自透鏡之間對(duì)齊時(shí)的相對(duì)亞像素移位，使得若干焦平面相對(duì)地偏移其各自光路中心不同亞像素量。在許多實(shí)施例中，以圖像中亞像素移位對(duì)應(yīng)的角度(小于單個(gè)像素所對(duì)應(yīng)的立體角的量)稍微不同地“瞄準(zhǔn)”光學(xué)視野。在許多實(shí)施例中，利用若干焦平面之間的少許顯微透鏡移位改變由顯微透鏡所捕獲的光線的具體立體角(它使得光線變向到像素)，從而 實(shí)現(xiàn)了少許亞像素移位。在某些實(shí)施例中，構(gòu)建焦平面時(shí)在若干焦平面之間若干像素具有像素間距的微小差異，所以提供了采樣多樣性，與光學(xué)對(duì)準(zhǔn)的公差無關(guān)。例如，以具有2. 0μπι、2. 05μπι、2. 1μπι、2. 15 μ m 和2. 2 μ m尺寸的長(zhǎng)度和寬度維度的像素的若干焦平面能夠構(gòu)建4X4的成像器陣列。在其他實(shí)施例中，在適于特定應(yīng)用時(shí)能夠使用各種各樣的像素維度和/或技術(shù)的任何一種改進(jìn)在成像器陣列內(nèi)的若干焦平面當(dāng)中的采樣多樣性。
4.焦平面計(jì)時(shí)和控制電路
返回參考圖la，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像器陣列可以包括焦平面計(jì)時(shí)和控制電路 154，它控制著成像器陣列內(nèi)每個(gè)焦平面中像素的復(fù)位和讀出(因此積分)。為了提供讀出和積分時(shí)間控制的靈活性，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像器陣列的能力能夠啟用若干特征，包括 (但是不限于)聞動(dòng)態(tài)范圍成像、聞速視頻和電子圖像穩(wěn)定。
傳統(tǒng)的成像器傳感器在像素陣列中名義上采用了兩個(gè)滾動(dòng)地址指針，其任務(wù)是指明接收像素級(jí)電荷傳遞信號(hào)以及“行選擇”信號(hào)的行，用于把給定行連接到列線，啟動(dòng)對(duì)像素的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行采樣。在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的許多SOC圖像陣列中，這兩個(gè)滾動(dòng)地址指針被擴(kuò)展為2XMXN個(gè)滾動(dòng)地址指針。用于每個(gè)焦平面的指針對(duì)既能夠?qū)ぶ访總€(gè)焦平面內(nèi)的相同行，也能夠關(guān)于全局參考彼此偏移。
圖4h展示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的焦平面計(jì)時(shí)和控制地址指針電路。焦平面計(jì)時(shí)和控制電路400包括全局行計(jì)數(shù)器402以及與每個(gè)焦平面相關(guān)聯(lián)的讀指針地址邏輯電路 404和復(fù)位指針地址邏輯電路406。全局行計(jì)數(shù)器402是對(duì)像素的行進(jìn)行采樣的全局參考。 在許多實(shí)施例中，全局行計(jì)數(shù)器402從O計(jì)數(shù)到焦平面內(nèi)的總行數(shù)。在其他實(shí)施例中，使用了替代的全局行計(jì)數(shù)器以適合特定應(yīng)用的需要。讀指針地址邏輯電路404和復(fù)位指針地址邏輯電路406按照諸如讀出方向和開窗口等設(shè)置，將全局行計(jì)數(shù)器的值翻譯為陣列內(nèi)的物理地址。在展示的實(shí)施例中，有MXN個(gè)讀指針和復(fù)位指針地址邏輯電路。每個(gè)焦平面讀出和復(fù)位位置的基于行的計(jì)時(shí)位移(FP_offset[X，y])被提供給讀指針地址邏輯和復(fù)位指針地址邏輯電路。這些計(jì)時(shí)位移能夠被存儲(chǔ)在成像器陣列內(nèi)的配置寄存器中。計(jì)時(shí)位移值能夠被添加到全局行計(jì)數(shù)器的值(以總行數(shù)為模)，然后由讀指針地址邏輯和復(fù)位指針地址邏輯電路翻譯為物理地址。以這種方式，能夠給每個(gè)焦平面都提供可編程計(jì)時(shí)偏移量。在幾個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)陣列照相機(jī)的不同操作模式配置計(jì)時(shí)偏移量。
5.系統(tǒng)電源管理和偏壓發(fā)生
系統(tǒng)電源管理偏壓發(fā)生電路被配置為向模擬電路提供電流和/或電壓參考，比如 (但是不限于)若干參考電壓，ADC將對(duì)照其測(cè)量要被對(duì)照轉(zhuǎn)換的信號(hào)。此外，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)電源管理和偏壓發(fā)生電路在某些電路因?yàn)楣?jié)電原因不使用時(shí)能夠關(guān)斷到它們的電流/電壓參考。以下討論根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，使用電源管理電路能夠?qū)嵤┑钠渌娫垂芾砑夹g(shù)。
5.1電源優(yōu)化
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像器陣列中的主控制塊能夠管理成像器陣列的功耗。在許多實(shí)施例中，在期望的輸出分辨率低于器件的完全性能的操作模式期間，主控制塊通過“關(guān)斷”某些焦平面而降低功耗。在這樣的模式下，與不使用的焦平面相關(guān)聯(lián)的放大器、偏壓發(fā)生器、ADC以及其他鐘控電路都被置于較低功率的狀態(tài)下，以便最小化或消除靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電力汲取。
5.1.1防止成像器斷電期間的載流子遷移
盡管焦平面正處于斷電狀態(tài)，但是光線仍入射到其子陣列中的像素上。入射光子將繼續(xù)在硅基底中產(chǎn)生電荷載流子。如果讓斷電焦平面中的像素浮置，電荷載流子將填滿像素阱并耗盡電位勢(shì)壘，使其不能夠陷捕任何進(jìn)一步的載流子。由持續(xù)光子通量產(chǎn)生的過多載流子然后將留在基底處漂移。如果這些過多載流子從不活動(dòng)焦平面漂移到活動(dòng)焦平面中，并且在該活動(dòng)焦平面中像素的阱中聚集，它們將被錯(cuò)誤地度量為該像素內(nèi)產(chǎn)生的光電子。結(jié)果可能表現(xiàn)為從不活動(dòng)鄰居遷移到活動(dòng)焦平面中的自由載流子的漲落導(dǎo)致的圍繞活動(dòng)成像器外圍的模糊現(xiàn)象。
為了減緩過多載流子從不活動(dòng)焦平面遷移，不活動(dòng)焦平面的像素中的光電二極管經(jīng)由每個(gè)像素內(nèi)的晶體管開關(guān)被連接到電源，使得像素阱被保持開放到其最高電位。保持阱開放讓光電二極管能夠不斷地收集由入射光產(chǎn)生的載流子，從而減小了載流子從不活動(dòng)成像器遷移的問題。每個(gè)像素中的晶體管都是正常像素結(jié)構(gòu)的一部分，即傳輸門，它是連同向晶體管發(fā)信號(hào)以保持阱開放的行控制器一起的主控制邏輯。
5.1. 2備用模式
在許多實(shí)施例中，參考像素用在暗電流和FPN的校準(zhǔn)中。在幾個(gè)實(shí)施例中，電源管理電路被配置為能夠以保持參考像素活動(dòng)的方式使焦平面中的像素?cái)嚯姟Ｔ趲讉€(gè)實(shí)施例中，實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的方式為在讀出參考像素期間對(duì)ASP供電但是其他情況下保持該ASP在低功率模式。以這種方式，當(dāng)焦平面被喚醒時(shí)該焦平面能夠通過減少對(duì)暗電流和FPN的校準(zhǔn)需求而更快速地被激活。在許多實(shí)例中，在焦平面的低功率狀態(tài)期間當(dāng)參考像素被斷電時(shí)進(jìn)行 關(guān)于暗電流和FPN的校準(zhǔn)。在其他實(shí)施例中，各種各樣的電路部分供電的任何一種都能夠用于減少由根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的焦平面及其相關(guān)聯(lián)外圍電路所汲取的電流。
6.焦平面數(shù)據(jù)校對(duì)和組幀邏輯
再次參考圖la，根據(jù)本發(fā)明幾個(gè)實(shí)施例的成像器陣列包括焦平面數(shù)據(jù)整理和組幀邏輯電路，它負(fù)責(zé)捕獲來自若干焦平面的數(shù)據(jù)并根據(jù)預(yù)定的容器格式把該數(shù)據(jù)包裝到容器中。在許多實(shí)施例中，該電路也準(zhǔn)備用于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，方式為執(zhí)行若干數(shù)據(jù)變換，包括但是不限于對(duì)該數(shù)據(jù)的任何位縮減(如10位到8位的轉(zhuǎn)換)。
盡管以上介紹了特定成像器陣列的結(jié)構(gòu)，但是替代成像器陣列的結(jié)構(gòu)也能夠用于實(shí)施基于若干需求的成像器陣列，包括但是不限于，像素尺寸/性能、陣列照相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)、硅不動(dòng)產(chǎn)成本以及制造根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像器陣列所用的制造過程。此外，使用 各種各樣形狀的像素的任何一種，包括但是不限于正方形像素、長(zhǎng)方形像素、六邊形像素以及各種各樣的像素形狀，都能夠?qū)嵤└鶕?jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像器陣列。所以，本發(fā)明的范圍不應(yīng)當(dāng)由展示的實(shí)施例確定，而是由附帶的權(quán)利要求書及其等效內(nèi)容確定。
權(quán)利要求
1.一種成像器陣列，包括 多個(gè)焦平面，其中每個(gè)焦平面包括二維的像素布局，每個(gè)維度具有至少兩個(gè)像素，并且每個(gè)焦平面被包含在所述成像器陣列的不包含來自另一個(gè)焦平面的像素的區(qū)域內(nèi)； 控制電路，被配置為控制由所述焦平面內(nèi)的像素進(jìn)行的圖像信息捕獲，其中所述控制電路被配置，使得至少兩個(gè)焦平面內(nèi)的像素進(jìn)行的圖像信息捕獲分開控制；以及 采樣電路，被配置為將像素輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字像素?cái)?shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的成像器陣列，其中，所述多個(gè)焦平面被安排為二維焦平面陣列，在一個(gè)維度中具有至少三個(gè)焦平面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的成像器陣列，其中，所述多個(gè)焦平面被安排為二維焦平面陣列，在兩個(gè)維度中具有至少三個(gè)焦平面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的成像器陣列，其中，所述多個(gè)焦平面被安排為焦平面的NXM陣列，包括被配置為捕獲藍(lán)光的至少兩個(gè)焦平面、被配置為捕獲綠光的至少兩個(gè)焦平面和被配置為捕獲紅光的至少兩個(gè)焦平面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的成像器陣列，其中，每個(gè)焦平面包括若干行和若干列像素。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的成像器陣列，其中，所述控制電路被配置為通過控制像素的復(fù)位而控制由所述像素進(jìn)行的圖像信息捕獲。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的成像器陣列，其中，所述控制電路被配置為通過控制像素的讀出而 控制由所述像素進(jìn)行的圖像信息捕獲。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的成像器陣列，其中，所述控制電路被配置為通過控制每個(gè)像素的積分時(shí)間而控制圖像信息的捕獲。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的成像器陣列，所述控制電路被配置為通過控制所述采樣電路的增益而控制圖像信息的處理。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的成像器陣列，其中，所述控制電路被配置為通過控制每個(gè)像素的暗電平校準(zhǔn)而控制圖像信息的處理。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的成像器陣列，其中，所述控制電路被配置為通過控制讀出方向而控制圖像信息的捕獲。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的成像器陣列，其中，所述讀出方向選自包括以下項(xiàng)的組 頂?shù)降?；以? 底到頂。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的成像器陣列，其中，所述讀出方向選自包括以下項(xiàng)的組 左到右；以及 右到左。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的成像器陣列，其中，所述控制電路被配置為通過控制所關(guān)注的讀出區(qū)域而控制圖像信息的捕獲。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的成像器陣列，其中，所述控制電路被配置為通過控制水平二次采樣而控制圖像信息的捕獲。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的成像器陣列，其中，所述控制電路被配置為通過控制垂直二次采樣而控制圖像信息的捕獲。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的成像器陣列，其中，所述控制電路被配置為通過控制像素電荷組合而控制圖像信息的捕獲。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的成像器陣列，其中，所述成像器陣列是單塊集成電路成像器陣列。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的成像器陣列，其中，至少一個(gè)焦平面中相鄰像素的二維陣列具有相同的捕獲帶。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的成像器陣列，其中，所述捕獲帶選自包括以下項(xiàng)的組 藍(lán)光； 冃尤; 包含可見光和近紅外光的擴(kuò)展色光； 綠光； 紅外光； 品紅光; 近紅外光； 紅光； 黃光；以及 白光。
.21.根據(jù)權(quán)利要求1的成像器陣列，其中， 第一焦平面中相鄰像素的第一陣列具有第一捕獲帶； 第二焦平面中相鄰像素的第二陣列具有第二捕獲帶，其中所述第一和第二捕獲帶相同； 所述外圍電路被配置，使得所述相鄰像素的第一陣列的積分時(shí)間是第一時(shí)段；以及所述外圍電路被配置，使得所述相鄰像素的第二陣列的積分時(shí)間是第二時(shí)段，其中所述第二時(shí)段長(zhǎng)于所述第一時(shí)段。
21.根據(jù)權(quán)利要求1的成像器陣列，其中，至少一個(gè)所述焦平面包括相鄰像素的陣列，其中相鄰像素的陣列中的像素被配置為捕獲不同顏色的光。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的成像器陣列，其中，相鄰像素的陣列采用拜耳濾波器模式。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的成像器陣列，其中， 所述多個(gè)焦平面被安排為2X2的焦平面陣列； 所述焦平面陣列中的第一焦平面包括采用拜耳濾波器模式的相鄰像素的陣列； 所述焦平面陣列中的第二焦平面包括被配置為捕獲綠光的相鄰像素的陣列； 所述焦平面陣列中的第三焦平面包括被配置為捕獲紅光的相鄰像素的陣列；以及 所述焦平面陣列中的第四焦平面包括被配置為捕獲藍(lán)光的相鄰像素的陣列。
24.根據(jù)權(quán)利要求22的成像器陣列，其中，所述多個(gè)焦平面被安排為二維焦平面陣列，在一個(gè)維度中具有至少三個(gè)焦平面。
25.根據(jù)權(quán)利要求22的成像器陣列，其中，所述多個(gè)焦平面被安排為二維焦平面陣列，在兩個(gè)維度中具有至少三個(gè)焦平面。
26.根據(jù)權(quán)利要求1的成像器陣列，其中，所述控制電路包括全局計(jì)數(shù)器。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的成像器陣列，其中，所述控制電路被配置為錯(cuò)開圖像讀出的起始點(diǎn)，使得每個(gè)焦平面具有關(guān)于全局計(jì)數(shù)器的受控時(shí)間偏移。
28.根據(jù)權(quán)利要求26的成像器陣列，其中，所述控制電路被配置為使用所述全局計(jì)數(shù)器，根據(jù)所述焦平面中像素的捕獲帶，分開地控制每個(gè)焦平面中所述像素的積分時(shí)間。
29.根據(jù)權(quán)利要求26的成像器陣列，其中，所述控制電路被配置為根據(jù)所述全局計(jì)數(shù)器，分開地控制每個(gè)焦平面的幀率。
30.根據(jù)權(quán)利要求26的成像器陣列，其中，所述控制電路進(jìn)一步包括每個(gè)焦平面的一對(duì)指針。
31.根據(jù)權(quán)利要求30的成像器陣列，其中，所述指針之間的偏移指定積分時(shí)間。
32.根據(jù)權(quán)利要求30的成像器陣列，其中，所述指針之間的偏移是可編程的。
33.根據(jù)權(quán)利要求1的成像器陣列，其中，所述控制電路包括每個(gè)焦平面專用的行控制器。
34.根據(jù)權(quán)利要求1的成像器陣列，其中， 所述成像器陣列包括MXN個(gè)焦平面的陣列； 所述控制電路包括單行解碼器電路，被配置為針對(duì)M個(gè)焦平面的每行中的每行像素。
35.根據(jù)權(quán)利要求34的成像器陣列，其中， 所述控制電路被配置為產(chǎn)生第一組像素電平計(jì)時(shí)信號(hào)，使得所述行解碼器和列電路對(duì)第一焦平面內(nèi)的第一行像素采樣；以及 所述控制電路被配置為產(chǎn)生第二組像素電平計(jì)時(shí)信號(hào)，使得所述行解碼器和列電路對(duì)第二焦平面內(nèi)的第二行像素采樣。
36.根據(jù)權(quán)利要求1的成像器陣列，其中，每個(gè)焦平面具有專用的采樣電路。
37.根據(jù)權(quán)利要求1的成像器陣列，其中，所述采樣電路的至少一部分由多個(gè)所述焦平面共享。
38.根據(jù)權(quán)利要求37的成像器陣列，其中， 所述成像器陣列包括MXN個(gè)焦平面的陣列；以及 所述采樣電路包括M個(gè)模擬信號(hào)處理器ASP，每個(gè)ASP被配置為對(duì)從N個(gè)焦平面讀出的像素采樣。
39.根據(jù)權(quán)利要求38的成像器陣列，其中， 每個(gè)ASP被配置為經(jīng)由N個(gè)輸入接收來自所述N個(gè)焦平面的像素輸出信號(hào)；以及 每個(gè)ASP被配置為在其N個(gè)輸入上順序地處理每個(gè)像素輸出信號(hào)。
40.根據(jù)權(quán)利要求38的成像器陣列，其中， 所述控制電路被配置，使得單一公共模擬像素信號(hào)讀出線由一組N個(gè)焦平面中全部像素共享；以及 所述控制電路被配置為控制圖像數(shù)據(jù)的捕獲以對(duì)由M個(gè)ASP中的每一個(gè)接收的所述像素輸出信號(hào)進(jìn)行時(shí)分多路傳輸。
41.根據(jù)權(quán)利要求37的成像器陣列，其中， 所述成像器陣列包括MXN個(gè)焦平面的陣列； 所述采樣電路包括多個(gè)模擬信號(hào)處理器ASP，每個(gè)ASP被配置為對(duì)從多個(gè)焦平面讀出的像素采樣； 所述控制電路被配置，使得單一公共模擬像素信號(hào)讀出線由所述多個(gè)焦平面中全部像素共享；以及所述控制電路被配置為控制圖像數(shù)據(jù)的捕獲以對(duì)由多個(gè)ASP中的每一個(gè)接收的所述像素輸出信號(hào)進(jìn)行時(shí)分多路傳輸。
42.根據(jù)權(quán)利要求1的成像器陣列，其中，所述采樣電路包括模擬前端AFE電路以及模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC電路。
43.根據(jù)權(quán)利要求42的成像器陣列，其中，所述采樣電路被配置，使得每個(gè)焦平面具有專用的AFE以及至少一個(gè)ADC在至少兩個(gè)焦平面之間共享。
44.根據(jù)權(quán)利要求43的成像器陣列，其中，所述采樣電路被配置，使得至少一個(gè)ADC在一對(duì)焦平面之間共享。
45.根據(jù)權(quán)利要求43的成像器陣列，其中，所述采樣電路被配置，使得至少一個(gè)ADC在四個(gè)焦平面之間共享。
46.根據(jù)權(quán)利要求45的成像器陣列，其中，所述采樣電路被配置，使得至少一個(gè)AFE在至少兩個(gè)焦平面之間共享。
47.根據(jù)權(quán)利要求46的成像器陣列，其中，所述采樣電路被配置，使得至少一個(gè)AFE在一對(duì)焦平面之間共享。
48.根據(jù)權(quán)利要求47的成像器陣列，其中，所述采樣電路被配置，使得每對(duì)都共享AFE的兩對(duì)焦平面共同地共享ADC。
49.根據(jù)權(quán)利要求1的成像器陣列，其中，所述控制電路被配置為分開地控制每個(gè)焦平面及相關(guān)聯(lián)的AFE電路或其中的處理時(shí)隙的斷電狀態(tài)。
50.根據(jù)權(quán)利要求49的成像器陣列，其中，所述控制電路配置至少一個(gè)不活動(dòng)焦平面的像素處于不變的復(fù)位狀態(tài)。
51.根據(jù)權(quán)利要求1的成像器陣列，其中，至少一個(gè)焦平面包括參考像素以校準(zhǔn)使用所述焦平面捕獲的像素?cái)?shù)據(jù)。
52.根據(jù)權(quán)利要求51的成像器陣列，其中， 所述控制電路被配置為分開地控制所述焦平面的相關(guān)聯(lián)的AFE電路或其中的處理時(shí)隙的斷電狀態(tài)；以及 所述控制電路被配置為使所述焦平面的相關(guān)聯(lián)的AFE電路或其中的處理時(shí)隙斷電而不使所述相關(guān)聯(lián)的AFE電路或其中的處理時(shí)隙斷電以讀出所述焦平面的所述參考像素。
全文摘要
描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例被配置為在陣列照相機(jī)中使用的成像器陣列的架構(gòu)。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例包括多個(gè)焦平面，其中每個(gè)焦平面包括二維的像素布局，每個(gè)維度具有至少兩個(gè)像素，并且每個(gè)焦平面被包含在所述成像器陣列的不包含來自另一個(gè)焦平面的像素的區(qū)域內(nèi)；控制電路，被配置為控制由所述焦平面內(nèi)的像素進(jìn)行的圖像信息捕獲，其中所述控制電路被配置，使得至少兩個(gè)焦平面內(nèi)的像素進(jìn)行的圖像信息捕獲分開控制；以及采樣電路，被配置為將像素輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字像素?cái)?shù)據(jù)。
文檔編號(hào)H04N5/247GK103004180SQ201180031287
公開日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2011年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月12日
發(fā)明者B·帕因, A·K·J·麥克瑪霍恩 申請(qǐng)人:派力肯影像公司