CN102067585B - 图像传感器的部分行读出 - Google Patents

Abstract

图像传感器包括滤色器阵列、检测放大器、多路复用电路和输出端。滤色器阵列使用M列和N行像素阵列来采集图像数据。检测放大器耦合于滤色器阵列以从滤色器阵列读出图像数据。多路复用电路将检测放大器耦合于滤色器阵列，其中每个检测放大器跨多个列和多个行作分时。输出端耦合以从检测放大器接收图像数据并离片地输出图像数据。

Description

图像传感器的部分行读出

技术领域

本公开总地涉及图像传感器，尤其但不排他地涉及CMOS图像传感器的读出机构。

背景信息

图像传感器已变得无所不在。它们广泛地用于数字静态相机、蜂窝电话、保安相机以及医疗、汽车和其它应用。用于制造图像传感器——尤其是互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)——的技术已大步伐地持续进步。例如，较高分辨率和较低功耗的要求已鼓励使这些图像传感器进一步小型化和集成。

尺寸和图像质量尤为重要的一种应用领域是医疗领域(例如内窥镜)。对于医疗应用，芯片通常必须很小并同时提供高质量图像。为了实现这些特征，对于给定的芯片尺寸，光敏孔应当尽可能地大，同时应当尽可能地限制周边电路。

医疗传感器经常需要在长导线(例如4米)上传输高质量图像信息至远程单元(例如计算机和显示器)。这些导线通常相对较细，相比用于电视的较粗同轴电缆具有高电阻和高电容。如此，这些细电缆是高频信号的糟糕导体。由于这些医疗电缆是传输带宽有限的相对低通滤波器，因此尖锐的信号跳变(例如尖锐上升沿/下降沿)不能有效地通过，导致最终图像质量的下降。

附图简述

参照下面的附图描述本发明的非限定性和非穷尽性实施例，其中相同附图标记在各图中表示相同部分，除非另有指明。

图1是示出根据本发明一个实施例的耦合于远程单元的图像传感器组件的功能框图。

图2是示出根据本发明一个实施例的成像像素阵列中八个四晶体管(4T)像素的像素电路的电路图。

图3是示出根据本发明一个实施例的图像传感器操作的流程图。

图4A是示出来自图像传感器的传统图像数据读出的图表。

图4B是示出根据本发明一个实施例用于从图像传感器读出图像数据的连续色组读出技术的图表。

具体实施方式

本文描述部分行读出图像传感器的操作的装置和方法的实施例。在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对各种实施例的透彻理解。然而，相关领域内技术人员将理解本文描述的技术可省去一个或多个特定细节而实现，或通过其它方法、组件、材料等实现。在其它例子中，公知的结构、材料或操作不被示出或详细说明以避免对某些方面引起混淆。

在本说明书通篇中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书通篇多处出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定指的是同一实施例。而且，特定特征、结构、或特性可按照任何合适的方式在一个或多个实施例中组合。

图1是示出根据本发明一个实施例的耦合于远程单元105的图像传感器100

的组件的功能框图。所示图像传感器100的实施例包括彩色像素阵列110、多路复用器(MUX)电路115、检测放大器(SA)120、全局放大器125、可编程增益放大器(PGA)130、缓冲器135、输出端口140和控制电路145。

彩色像素阵列110是具有X个像素列和Y个像素行的图像像素(例如像素P1、P2……Pn)的二维(2D)阵列。在一个实施例中，每个像素是互补金属氧化物半导体(CMOS)图像像素。彩色像素阵列110可实现为前侧发光像素阵列或后侧发光图像像素阵列。如图所示，每个像素配置成行(例如行R1至Ry)和列(例如列C1至Cx)以获得人、地点或物体的图像数据，然后将其用来呈现人、地点或物体的2D图像。

彩色像素阵列110也称为彩色滤色器阵列(CFA)。CFA可使用包括加法滤色器和减法滤色器的多种技术来捕捉彩色图像数据。例如，彩色像素阵列110可实现为拜尔图案或红、绿、蓝加法滤色器的镶嵌图案(例如RGB、RGBG或GRGB)或青、品红、黄和基调(黑)减法滤色器的滤色器图案(例如CMYK)。也可使用其它CFA，例如红、绿、蓝以及翠绿色滤色器的镶嵌图案(例如RGBE)，青、黄、绿和品红滤色器的滤色器图案(例如CYGM)、青、品红、黄和白色滤色器的滤色器图案(例如CMYW)，红、绿、蓝和白色滤色器的滤色图案(例如RGBW)，前述组合或其它。

在每个像素已获得其图像数据或图像电荷后，通过读出电路将图像数据读出，该读出电路包括：SA 120、全局放大器125、PGA 130和缓冲器135。SA 120耦合于彩色像素阵列110的读出列以读出每一列上的图像数据。在一个实施例中，将图像数据作为每个读出列上的模拟电压电平读出。然后将读出图像数据顺序地提供给全局放大器125以供放大。在由全局放大器125放大后，将串行化图像数据提供给PGA 130，在那里被再次放大。PGA130提供能基于特定场合需要调整的可编程增益。最后，串行化图像数据在由缓冲器135输出前被暂时缓冲。在一个实施例中，缓冲器135可与通过远程单元105提供的外部时钟信号同步。在一个实施例中，图像数据在输出端口140上从缓冲器135输出至外部通信信道150以传递给远程单元105。

尽管示出的图像传感器100的实施例输出模拟图像数据，然而其它实施例可包括集成在图像传感器100中的模数转换器(ADC)以输出数字图像数据。然而，在许多医疗设备应用中，经常希望将图像传感器100的总芯片尺寸减至最小并同时将专门用于彩色像素阵列110的管芯上组件数增至最大以获得最大可能的图像质量。如此，在所示实施例中，ADC电路已被离开芯片放入远程单元105以减少由彩色像素阵列110周边电路消耗的管芯上组件数。

本发明的实施例使用MUX电路115跨多个行和列的像素对每个SA 120作分时。从功能角度看，MUX电路115也可视为包括列读出线。在所示实施例中，每个SA 120读出与两列像素(以及关联列中所有行的像素)关联的图像数据并因此被称为半行读出实施例。然而，其它实施例可对每个SA 120的三列或更多列像素作出分时。如此，相比对每个列使用一个SA 120，需要较少的SA 120(例如1/2、1/3、1/4、1/n等)。如此，列增益电路和关联于每个SA的保持电容器的数目减少。

控制电路145控制彩色像素阵列110和MUX电路115的操作。例如，控制电路145可充当用于配置MUX电路115的解码器和用于彩色像素阵列110的行选择器。控制电路145可执行逻辑155，用来确定在给定时间选择哪些行/列和将哪些SA120经由MUX电路115耦合。逻辑155的代表是可执行代码(例如软件或固件)、硬件逻辑或两者的结合。包含在控制电路145中的其它功能可包括产生用于控制图像采集的复位信号和快门信号。在一个实施例中，快门信号是在一个捕捉窗(曝光周期)内同时选通彩色像素阵列110中的全部像素以同时捕获其各自的图像数据的全局快门信号。在一替代实施例中，快门信号是卷升快门信号，因此每行、每列或每组像素在连续的捕捉窗被连续选通。

图1示出耦合于读出列线的SA 120。然而，应当理解SA 120也可耦合于读出行线。事实上，将一像素线指定为一列或一行仅仅是用来区分像素垂直线的便利之一。因此，将一像素线指定为一列或一行是任选的，并且该指定或标示是可互换的。

远程单元105可代表多种远程设备，用于存储、操纵和/或呈现从图像传感器100输出的图像数据。外部通信信道150可以是用于传输串行化图像数据的串行信道。替代地，图像传感器100可输出图像数据作为并行信号并因此外部通信信道150也可以是多路通信信道。外部通信信道150可实现为无线链路、有线链路、一个或多个实心导体、一条或多条光纤或其它已知的通信介质。

在一个实施例中，远程单元105包括用于医疗设备的显示器和头部控制单元，例如内窥镜，而图像传感器100纳入到内窥镜自身的端部。在该医疗设备应用中，外部通信信道可实现为四根细导体电缆，包括时钟信道、数据信道、接地导体和电力导体。在医疗设备应用中，电缆可相对较长(例如4米)和较细。如此，这些电缆可能具有相对低的带宽。为了补偿，控制电路145可执行逻辑155以在连续色组中离片地输出图像数据，其中每个色组包括与多个相同彩色像素关联的图像数据。这样做的话，输出信号中陡峭或猝然的电压电平跳变得以减小，由此提高了在远程单元105接收的信号质量。该连续色组输出技术将在下面结合图4A和4B更完整地予以说明。

图2是示出根据本发明一个实施例的彩色像素阵列中八个四晶体管(4T)像素的像素电路200的电路图。像素电路200是实现图1的彩色像素阵列110中每个像素的一种可能的像素电路架构。然而，应当理解本发明的实施例不局限于4T像素架构，相反，本领域内技术人员在阅读当前公开后将理解本原理也适用于3T、5T、6T和各种其它像素架构。此外，图2示出半行读出实施例；然而，例如1/4行读出或1/n行读出的其它实施例也是可能的，如下文所述。

在图2中，像素Pa-Ph被配置成两行(例如行R1和R2)和四列(例如列C1、C2、C3和C4)。每个像素电路200的所示实施例包括光敏二极管PD、传递晶体管T1、复位晶体管T2、源极跟随(SF)晶体管T3以及选择晶体管T4。在操作中，传递晶体管T1接收传递信号TX(例如对于半行读出实施例要么是TX1要么是TX2)，该传递信号TX将光敏二极管PD中积蓄的电荷传递至浮栅扩散节点FD。在一个实施例中，浮栅扩散节点FD可耦合于存储电容器以临时存储图像电荷。在半行读出实施例中，对每行花费两个读出循环以读出整个数据行。对于1/n行读出实施例，使用n个TX信号并且每行花费n个读出周期。

复位晶体管T2耦合在电力轨VDD和浮栅扩散节点FD之间以在复位信号RST的控制下使像素复位(例如对FD和PD放电或充电至预设电压)。浮栅扩散节点FD耦合成控制SF晶体管T3的栅极。SF晶体管T3耦合在电力轨VDD和选择晶体管T4之间。SF晶体管T3充当源极跟随器，用来向浮栅扩散FD提供高阻抗连接。最后，选择晶体管T4在选择信号SEL的控制下有选择地将像素电路200的输出耦合于读出列线。

在一个实施例中，TX信号(例如TX1或TX2)、RST信号和SEL信号是通过控制电路145产生的。在彩色像素阵列110配合全局快门工作的一个实施例中，全局快门信号耦合于整个彩色像素阵列110中每个传递晶体管T1的栅极以同时从每个像素的光敏二极管PD开始电荷传递。替代地，可将卷升快门信号应用于多组传递晶体管T1。

图3是示出根据本发明一个实施例的图像传感器100的操作过程300的流程图。过程300中出现的一些或全部过程框的顺序不应当被认为是限定。相反，本领域内技术人员在阅读本公开后将理解其中一些过程框可以未图示的多种顺序执行。

在过程框305中，通过彩色像素阵列205获得图像数据。在读出前，该图像数据作为图像电荷存储在每个像素内部，直到选择每个像素以将其图像电压输出到其相关的读出列为止。在过程框310中，控制电路220通过配置MUX电路115并(通过图2中的SEL信号)选择合适的像素行来选择要读出哪些像素。然而，控制电路220不是每次输出整个行，而是通过MUX电路115的适当配置对SA120作分时。因此，与单行内的像素的子组关联的图像数据是彩色像素阵列110的读出。这些子组可基于像素彩色选择。由于图1示出RGBG拜尔CFA，如果行R1是当前选择的行，则可一次选择两组彩色像素(例如红色像素或绿色像素)中的一组。

在过程框315中，红色像素数据在列线上被读入SA 120。红色像素数据然后从SA 120串行地读入全局放大器125和PGA 130，在那里红色像素数据被顺序放大并由缓冲器135临时缓存。最后在过程框320中，图像数据经由外部通信信道150作为连续色组离片地传递。

如果图像数据的另一色组在彩色像素阵列110的当前行中保持未读(判断框325)，则控制电路145重新配置MUX电路115以选择下一色组(过程框330)。过程300随后重复过程框315、320以从行R1中的绿色像素读出绿色像素数据。一旦当前行中的全部色组已被读出，则过程300移动至下一行(过程框345)并对下一行重复过程框310、315、320和330。在图1所示的RGBG拜尔CFA的情形下，从行R2将绿色像素数据和蓝色像素数据读入两个独立的顺序色组。重复过程300直到所有行内的所有色组已被读出为止(判断框340)，此时图像数据已全部被离片地传出(过程框350)。

图4A和4B是示出前述传统交替彩色读出技术(图4A)和连续色组读出技术(图4B)之间的差异的图表。经常出现的情况是捕获中的图像是主要一种彩色，尤其是在医疗设备领域内(例如主要是红色)。在主要红色图像的情形下，当读出图1所示拜尔图案CFA的行R1时，红色和绿色像素产生显著不同的信号值(例如电压值)。红色像素产生高信号值而绿色像素产生低信号值。以与CFA中出现的像素相同的顺序读出整行像素并离片地传递数据的交替彩色读出技术产生从一个图像值至下一图像值尖锐的上升沿和下降沿。为了准确地传递图4A所示的图像数据，需要相对高的带宽通信信道150。如果使用低带宽信道，在医疗应用中经常如此，则信号可能因过冲和振荡而恶化。

较为有利地，连续色组读出技术将来自同一行内相似彩色像素的图像数据分组并将该数据作为图像值的不中断串行序列离片地传递。如图4B所示，相邻图像值之间过渡的突然性显著降低(除了色组之间的过渡)，并因此要求比交替彩色读出技术相对更低的带宽来传输。

按照计算机软件和硬件对前面讨论的过程进行说明。所述技术可构成为在机器(例如计算机)可读存储介质中体现的机器可执行指令，该指令当由机器执行时使机器执行前述操作。另外，该过程可体现在硬件中，例如专用集成电路(ASIC)等。

机器可读存储介质包括提供(即存储)机器可访问形式的信息的任何机构(例如计算机、网络设备、个人数字助理、制造工具、具有一组的一个或多个处理器的任何设备)。例如，机器可读存储介质包括可记录/不可记录介质(只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光存储介质、闪存设备及其它)。

本发明所示实施例的前面说明——包括在摘要中描述的内容——不旨在是穷尽性的或将本发明限定在所公开的准确方式。尽管本发明的特定实施例和示例在本文中以示例目的给出，然而在本发明的范围内可作出许多改变，如本领域内技术人员所能理解的那样。

可鉴于前面的详细说明对本发明作出这些改变。下面权利要求中使用的术语不应当解释成将本发明限定在说明书所披露的特定实施例。相反，本发明的范围是由下面权利要求书整体限定的，它应当根据权利要求书解释的建立教条予以解释。

Claims (8)

1.一种用于提高串行通信信道上的从图像传感器输出的图像质量的方法，所述方法包括：

捕获彩色像素阵列内的图像数据；

从第一组两个或更多个全部存储第一颜色的数据的像素读出所述图像数据的第一部分；以及

从第二组两个或更多个全部存储与所述第一颜色不同的第二颜色的数据的像素读出所述图像数据的第二部分，其中所述第一部分是在读出所述第二部分中的任何部分之前读出的；

将所述图像传感器芯片外的图像数据的第一部分串行地输出到所述串行通信信道；以及

在串行地输出所有第一部分之后，将所述图像传感器芯片外的图像数据的第二部分串行地输出到所述串行通信信道，

其中所述第一组包括落在所述彩色像素阵列的第一行内的所述第一颜色的像素，并且所述第二组包括同样落在所述彩色像素阵列的所述第一行内的所述第二颜色的像素，

其中给定行内的所有彩色组的像素数据是在开始从所述彩色像素阵列内的下一行读出图像数据之前被读出的。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通信信道包括用于芯片外地传输所述图像数据的串行数据电缆。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述图像数据是作为串行化模拟电压信号来芯片外地传输的。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

从第三组两个或更多个全部存储与所述第一和第二颜色不同的第三颜色的数据的像素读出所述彩色图像数据的第三部分，其中所述第三部分是在所述第一和第二部分之后读出的；以及

从第四组两个或更多个全部存储所述第二颜色的数据的像素读出所述彩色图像数据的第四部分，其中所述第四部分是在所述第一、第二和第三部分之后读出的。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第三和第四组包括所述彩色像素阵列中不同于所述第一行的第二行内的像素。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述彩色像素阵列包括红、绿和蓝颜色像素。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述彩色像素阵列包括青、品红和黄像素。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述图像传感器包括互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。

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