Светочувствительные устройства и способы и схемы для считывания с них

Авторы патента:


Светочувствительные устройства и способы и схемы для считывания с них
Светочувствительные устройства и способы и схемы для считывания с них
Светочувствительные устройства и способы и схемы для считывания с них
Светочувствительные устройства и способы и схемы для считывания с них
Светочувствительные устройства и способы и схемы для считывания с них
Светочувствительные устройства и способы и схемы для считывания с них
Светочувствительные устройства и способы и схемы для считывания с них
Светочувствительные устройства и способы и схемы для считывания с них
Светочувствительные устройства и способы и схемы для считывания с них
Светочувствительные устройства и способы и схемы для считывания с них
Светочувствительные устройства и способы и схемы для считывания с них
Светочувствительные устройства и способы и схемы для считывания с них
Светочувствительные устройства и способы и схемы для считывания с них
Светочувствительные устройства и способы и схемы для считывания с них
Светочувствительные устройства и способы и схемы для считывания с них
Светочувствительные устройства и способы и схемы для считывания с них
Светочувствительные устройства и способы и схемы для считывания с них
Светочувствительные устройства и способы и схемы для считывания с них
Светочувствительные устройства и способы и схемы для считывания с них
Светочувствительные устройства и способы и схемы для считывания с них
Светочувствительные устройства и способы и схемы для считывания с них
Светочувствительные устройства и способы и схемы для считывания с них
Светочувствительные устройства и способы и схемы для считывания с них
Светочувствительные устройства и способы и схемы для считывания с них

 


Владельцы патента RU 2524055:

БОЛИ МЕДИА КОММУНИКЕЙШНЗ (ШЭНЬЧЖЭНЬ) КО., ЛТД (CN)

Изобретение относится к светочувствительному устройству, а также к способу считывания и к его схеме считывания. Светочувствительное устройство содержит пиксельную матрицу и схему считывания, причем передающий затвор для соединения соседних пикселей и переноса заряда между соединенными пикселями расположен между, по меньшей мере, некоторыми указанными пикселями в пиксельной матрице, схема считывания используется для считывания заряда пикселя в пиксельной матрице, упомянутый заряд является, по меньшей мере, одним из собственного заряда упомянутого пикселя, заряда, переносимого из пикселя, соседнего с упомянутым пикселем, суперпозиции собственного заряда упомянутого пикселя и заряда, переносимого из одного или более пикселей, соседних с упомянутым пикселем, и суперпозиции зарядов переноса двух или более пикселей, соседних с упомянутым пикселем. Изобретение обеспечивает удобство в обработке и считывании. 3 н. и 17 з.п.ф-лы, 24 ил.

 

Область техники

Настоящее раскрытие относится к светочувствительным устройствам, а также к способам и схемам для считывания с них, в частности, к способам проектирования, изготовления и считывания светочувствительных пикселей в светочувствительных интегральных схемах с большой матрицей, обладающих высокой производительностью, а также к обработке полупроводников для их изготовления. Согласно настоящему раскрытию, новое светочувствительное устройство обеспечивается путем комбинирования известных подходов к изготовлению светочувствительных интегральных схем на ПЗС с известными подходами к изготовлению светочувствительных КМОП интегральных схем.

Уровень техники

Настоящее раскрытие является продолжением заявок, озаглавленных “Multi-spectrum Photosensitive Devices and Methods for Manufacturing the Same” (PCT/CN2007/071262), “Multi-spectrum Photosensitive Devices and Methods for Manufacturing the Same” (китайская заявка № 200810217270.2), и “Multi-spectrum Photosensitive Devices and Methods for Sampling the Same” (китайская заявка № 200910105948.2), поданных автором(ами) настоящего изобретения, и призвано обеспечить более конкретные и предпочтительные реализации на уровне полупроводниковой схемы и на уровне интегральной схемы и даже новую технологию изготовления полупроводников, пригодную для светочувствительных устройств.

Хорошо известно, что традиционные технологии изготовления светочувствительных интегральных схем в основном содержат технологии ПЗС (приборов с зарядовой связью) и технологии КМОП (комплементарных структур металл-оксид-полупроводник). Хотя другие полупроводниковые технологии, например полупроводниковую технологию на основе кадмия-индия (“Silicon infrared focal plane arrays”, M. Kimata, в Handbook of Infrared Detection Technologies, под редакцией M, Henini и M. Razeghi, стр. 352-392, Elsevier Science Ltd., 2002), также можно использовать для изготовления интегральных схем для считывания инфракрасного света, они не получили широкого распространения.

ПЗС и КМОП, по существу, базируются на кремниевых полупроводниковых технологиях и отличаются друг от друга, в основном, способами считывания пикселей. В силу разных способов считывания обработка полупроводников на основе ПЗС отличается от традиционной обработки полупроводников на основе КМОП и образовала отдельную ветвь в полупроводниковых технологиях, т.е. полупроводниковую технологию ПЗС.

Пиксели в светочувствительных интегральных схемах на ПЗС в основном считываются следующими тремя способами: способом покадрового переноса, показанным на фиг. 9(a), способом межлинейного переноса, показанным на фиг. 9(b), и способом покадрового межлинейного переноса, показанным на фиг. 9(c). Все три вышеозначенных способа требуют переноса зарядов с высокой скоростью и высокой точностью между светочувствительными пикселями или между светочувствительным пикселем и нечувствительным пикселем фотопереноса, что обеспечивает следующие характеристики обработки полупроводников на основе ПЗС: (1) высокое напряжение, в общем случае, около ±18 В; (2) высокую чистоту, т.е. высокую согласованность между пикселями; (3) высокую точность обработки, например, размер, глубина и т.д. для пикселей должны быть почти одинаковыми. Сложность и нестандартный характер процесса изготовления ПЗС обуславливают высокую стоимость устройств на основе ПЗС, что затрудняет интеграцию светочувствительных устройств с устройствами обработки. Кроме того, высокое напряжение также приводит к высокому энергопотреблению устройств на основе ПЗС.

По аналогии с DRAM контроллеры выбора строки и контроллеры выбора столбца в КМОП подают напряжение каждого пикселя, одного за другим, непосредственно на шину считывания, и сигналы пикселей считываются по очереди с использованием сигналов выбора строки и выбора столбца. Преимущество состоит в том, что обработка полупроводников для изготовления таких светочувствительных устройств очень близка к стандартной обработке КМОП, и, таким образом, светочувствительные устройства можно изготавливать на большинстве стандартных фабрик полупроводниковых приборов для достижения низкой стоимости. Преимущество также состоит в работе при низком напряжении, что приводит к низкому энергопотреблению. Технология светочувствительных КМОП интегральных схем превосходит технологию ПЗС в основных технических аспектах и становится в настоящее время наиболее широко используемой технологией светочувствительных интегральных схем благодаря быстрому развитию технологии светочувствительных КМОП интегральных схем.

Кроме того, пиксель в светочувствительной КМОП интегральной схеме можно сконструировать как пассивный пиксель или активный пиксель. Поскольку активный пиксель имеет более высокие SNR и чувствительность, он более широко используется, чем пассивный пиксель. Однако в активном пикселе необходимо использовать считывающий конденсатор FD (плавающую диффузионную область) и 3T, 4T или даже 5T/6T усилитель выборки, что приводит к снижению коэффициента заполнения светочувствительной области. Количество эффективных пикселей на единице площади, таким образом, уменьшается, препятствуя дальнейшему повышению SNR и чувствительности. Таким образом, недавно разработана совместно используемая схема считывания, например, 4T активный пиксель, совместно используемый 4 точками. В общем случае, совместно используемый считывающий конденсатор FD также используется при использовании совместно используемой схемы считывания, что может создавать некоторые неудобства. Во-первых, будет возникать блок бездействующих пикселей в случае отказа одного считывающего конденсатора или одного компонента в схеме считывания. Кроме того, перекрестное сообщение между пикселями разных цветов возрастает за счет совместно используемых считывающих конденсаторов, в результате чего цвета оказываются недостаточно яркими.

Другая проблема технологии считывания КМОП состоит в том, что в случае большой пиксельной матрицы для получения пригодной частоты кадров требуется синхроимпульс пикселя с очень высокой частотой. Однако синхроимпульс пикселя ограничен такими условиями, как например скорость А/Ц преобразования.

Таким образом, желательно усовершенствовать либо технологию светочувствительных интегральных схем на ПЗС, либо технологию светочувствительных КМОП интегральных схем.

Сущность изобретения

Техническая проблема

Задачей настоящей заявки является обеспечение светочувствительного устройства нового типа, которое воплощает в себе преимущества светочувствительных устройств ПЗС и КМОП и, таким образом, обеспечивает удобство в обработке, считывании и т.д., а также способ для считывания с него.

Техническое решение

Согласно аспекту настоящей заявки, раскрыто светочувствительное устройство, содержащее пиксельную матрицу и схему считывания, в котором передающий затвор для соединения соседних пикселей и переноса заряда между соединенными пикселями расположен между, по меньшей мере, некоторыми указанными пикселями в пиксельной матрице, схема считывания используется для считывания заряда пикселя в пиксельной матрице, упомянутый заряд является, по меньшей мере, одним из собственного заряда упомянутого пикселя, заряда, переносимого из пикселя, соседнего с упомянутым пикселем, суперпозиции собственного заряда упомянутого пикселя и заряда, переносимого из одного или более пикселей, соседних с упомянутым пикселем, и суперпозиции зарядов переноса двух или более пикселей, соседних с упомянутым пикселем.

Соседние пиксели, подсоединенные к одному пикселю в упомянутых некоторых указанных пикселях через передающий затвор, содержат четыре соседних пикселя, расположенных над, под, слева и справа по отношению к упомянутому одному пикселю, соответственно.

В светочувствительном устройстве передающий затвор расположен между каждыми двумя пикселями пиксельной матрицы.

В светочувствительном устройстве схема считывания считывает собственный заряд подключенного к ней пикселя, сбрасывает собственный заряд пикселя, и затем считывает заряд, переносимый из пикселей, соседних с пикселем.

В светочувствительном устройстве схема считывания включает в себя схему считывания активных пикселей, схему считывания пассивных пикселей или схему гибридного считывания активных и пассивных пикселей.

В светочувствительном устройстве активный пиксель включает в себя 3T, 4T, 5T или 6T активный пиксель.

В светочувствительном устройстве схема считывания совместно используется 4, 6, 8 или произвольным количеством точек (т.е. пикселей) или совместно не используется точками.

В светочувствительном устройстве расстояние переноса от пикселя в наборе пикселей, совместно использующих, но непосредственно не подключенных к одной и той же схеме считывания, до пикселя в наборе, который непосредственно подключен к схеме считывания, не превышает четырех пикселей, когда схема считывания совместно используется 4, 6, 8 или произвольным количеством точек.

Светочувствительное устройство содержит одностороннее однослойное светочувствительное устройство, одностороннее двухслойное светочувствительное устройство, одностороннее многослойное светочувствительное устройство, двустороннее двухслойное светочувствительное устройство и двустороннее многослойное светочувствительное устройство.

Светочувствительное устройство считывается согласно способу фронтального считывания, тылового считывания или двустороннего считывания.

В светочувствительном устройстве пиксели в пиксельной матрице размещены с повторением согласно заранее заданному шаблону для считывания одноцветного, многоцветного или мультиспектрального света, включающего в себя видимый свет и инфракрасный свет.

В светочувствительном устройстве заранее заданный шаблон включает в себя шаблон Байера, сотовый шаблон, одноцветный шаблон или шаблон CyYeMgX, где X представляет один из R (красного), G (зеленого) и B (синего).

Согласно другому аспекту настоящей заявки, раскрыт способ считывания для светочувствительного устройства, который включает в себя этапы, на которых:

размещают между, по меньшей мере, некоторыми указанными пикселями в пиксельной матрице передающий затвор для соединения соседних пикселей и переноса заряда между соединенными пикселями;

считывают заряд пикселя в пиксельной матрице, причем заряд является, по меньшей мере, одним из собственного заряда упомянутого пикселя, заряда, переносимого из пикселя, соседнего с упомянутым пикселем, суперпозиции собственного заряда упомянутого пикселя и заряда, переносимого из одного или более пикселей, соседних с упомянутым пикселем, и суперпозиции зарядов переноса двух или более пикселей, соседних с упомянутым пикселем.

Согласно способу считывания, заряд, переносимый из пикселей, соседних с пикселем, считывается после считывания и сброса собственного заряда пикселя.

Способ считывания может дополнительно включать в себя процесс выборки и подвыборки, который содержит: первый процесс комбинирования для комбинирования и выборки двух соседних пикселей в пиксельной матрице, которые находятся в одной и той же строке, но в разных столбцах, в разных строках, но в одном и том же столбце, или в разных строках и разных столбцах, для получения данных выборки первого комбинированного пикселя; и второй процесс комбинирования для комбинирования и выборки данных выборки первого комбинированного пикселя, полученного в первом процессе комбинирования, для получения данных выборки второго комбинированного пикселя.

Способ считывания может дополнительно включать в себя третий процесс комбинирования для комбинирования и выборки данных выборки второго комбинированного пикселя, полученного во втором процессе комбинирования для получения данных выборки третьего комбинированного пикселя.

Согласно способу считывания, первый или второй процесс комбинирования осуществляется посредством суперпозиции зарядов пикселей одного и того же или разных цветов или усреднения сигналов пикселей разных цветов, причем пиксели разных цветов комбинируются согласно преобразованию цветового пространства для согласования с требованиями реконструкции цветов.

Согласно способу считывания, комбинирование и выборка на основании цвета, осуществляемые в первом или втором процессе комбинирования, включают в себя комбинирование одинакового цвета, комбинирование разных цветов, гибридное комбинирование, или избирательный отказ от избыточных цветов, и, по меньшей мере, один из первого и второго процесса комбинирования не осуществляется путем комбинирования одинакового цвета.

Согласно способу считывания, комбинирование и выборка на основании положения, осуществляемые в первом или втором процессе комбинирования, включают в себя, по меньшей мере, одно из автоматического усреднения сигналов, выводимых непосредственно на шину, пропуска строки или пропуска столбца и выборки один за другим.

Согласно способу считывания, третий процесс комбинирования осуществляется посредством, по меньшей мере, одного из преобразования цветового пространства и окончательного масштабирования цифрового изображения.

Согласно способу считывания, преобразование цветового пространства включает в себя преобразование из пространства RGB в пространство CyYeMgX, преобразование из пространства RGB в пространство YUV или преобразование из пространства CyYeMgX в пространство YUV, где X представляет один из R (красного), G (зеленого) и B (синего).

Согласно способу считывания, выборка всего изображения осуществляется путем последовательного считывания с последовательным сканированием или чередующегося считывания с последовательным сканированием.

Согласно еще одному аспекту настоящей заявки, раскрыта схема считывания светочувствительного устройства для считывания заряда пикселя в пиксельной матрице светочувствительного устройства, в которой передающий затвор для соединения соседних пикселей и переноса заряда между соединенными пикселями расположен между, по меньшей мере, некоторыми указанными пикселями в пиксельной матрице, схема считывания используется для считывания заряда пикселя в пиксельной матрице, упомянутый заряд является, по меньшей мере, одним из собственного заряда упомянутого пикселя, заряда, переносимого из пикселя, соседнего с упомянутым пикселем, суперпозиции собственного заряда упомянутого пикселя и заряда, переносимого из одного или более пикселей, соседних с упомянутым пикселем, и суперпозиции зарядов переноса двух или более пикселей, соседних с упомянутым пикселем.

Схема считывания, подключенная к, по меньшей мере, некоторым указанным пикселям в пиксельной матрице, является схемой гибридного считывания как активного пикселя, так и пассивного пикселя.

На схему считывания поступает сигнал очистки или сброса пикселя.

Технические результаты

Настоящая заявка имеет следующие преимущества:

1. Согласно светочувствительному устройству настоящей заявки, передающий затвор расположен между, по меньшей мере, частями пикселей в пиксельной матрице, благодаря чему возможен перенос заряда между двумя пикселями. Схема считывания может считывать из пикселя в пиксельной матрице собственный заряд упомянутого пикселя, заряд, переносимый из пикселя, соседнего с упомянутым пикселем, суперпозицию собственного заряда упомянутого пикселя и заряда, переносимого из одного или более пикселей, соседних с упомянутым пикселем, и суперпозицию зарядов переноса двух или более пикселей, соседних с упомянутым пикселем. Таким образом, можно получить следующие результаты:

(1) Требуется только низкое напряжение считывания. Поскольку перенос заряда происходит только между пикселями, соседствующими друг с другом, высокого напряжения не требуется, что позволяет достичь сниженного энергопотребления светочувствительного устройства.

(2) Упрощается процесс изготовления и повышается светочувствительность. Поскольку перенос заряда происходит между пикселями, в светочувствительном устройстве настоящей заявки не нужно обеспечивать считывающий конденсатор, что приводит к увеличению светочувствительной области, благодаря чему повышается светочувствительность. При этом процесс изготовления можно упростить, исключив считывающий конденсатор. Кроме того, поскольку перенос заряда происходит только между пикселями, соседствующими друг с другом, даже при возникновении некоторого отклонения вследствие неидентичности пикселей, накопление такого отклонения не будет слишком велико, что позволяет снизить требование к идентичности пикселей и точности обработки.

(3) Обеспечивается гибкость выбора активных или пассивных пикселей. Преимуществом активных пикселей является высокое SNR, тогда как преимуществом пассивных пикселей является низкое энергопотребление. Однако обычно бывает трудно найти компромисс между преимуществами активных и пассивных пикселей. В настоящей заявке суперпозиция зарядов осуществляется в ходе подвыборки за счет переноса заряда, благодаря чему в ходе подвыборки достигается усиление сигнала. Таким образом, можно использовать преимущества как активных, так и пассивных пикселей. Высокое энергопотребление активного пикселя обусловлено, в основном, наличием усилительной схемы. Однако в настоящей заявке активные пиксели используются только при производстве полнокадровых фотографий. Пассивные пиксели без усилительной схемы используются для предварительного просмотра и изображений, подвергнутых подвыборке. Таким образом, получается высокое SNR при производстве фотографий с высоким количеством пикселей при пониженном энергопотреблении в нормальном режиме работы, что позволяет сочетать преимущества активных и пассивных пикселей, согласно настоящей заявке.

В настоящей заявке вводится понятие “соседний пиксель” с точки зрения совместного использования схемы считывания и переноса между пикселями. В общем случае, пиксели делятся на несколько малых групп, согласно пространственному распределению, каждая из которых может совместно использовать одну или более схем считывания. Комбинирование пикселей осуществляется только в каждой группе. В общем случае, пиксели в одной и той же группе комбинирования в целом именуются соседними пикселями.

В настоящей заявке межпиксельный перенос осуществляется только между двумя пикселями, соседствующими друг с другом в горизонтальном или вертикальном направлении. Таким образом, если требуется перенос из одного пикселя в не соседний пиксель, перенос необходимо дополнительно осуществлять. Кратность переноса именуется “расстоянием переноса”. В примере 4-точечной пиксельной матрицы, если необходим перенос заряда в пиксель в верхнем левом углу матрицы, заряд верхнего правого пикселя переносится в верхний левый пиксель только посредством одного переноса между пикселями в одной и той же строке; и заряд нижнего левого пикселя переносится в верхний левый пиксель только посредством одного переноса между пикселями в одном и том же столбце. Таким образом, расстояния переноса из обоих верхнего правого пикселя и нижнего левого пикселя в верхний левый пиксель равны 1. Что касается нижнего правого пикселя, его заряд переносится сначала в нижний левый пиксель только посредством одного переноса между пикселями в одной и той же строке или в верхний правый пиксель только посредством одного переноса между пикселями в одном и том же столбце, и затем в верхний левый пиксель через верхний правый пиксель или нижний левый пиксель, т.е. расстояние от нижнего правого пикселя до верхнего левого пикселя равно 2. Таким образом, для пикселя, не соседнего с целевым пикселем переноса, заряд пикселя может переноситься на целевой пиксель переноса, только когда соседний пиксель выступает в качестве посредника. Следует отметить, что направление переноса не ограничено в настоящей заявке, т.е. заряд пикселя может переноситься в соседние с ним пиксели в любом направлении. Во избежание чрезмерного усложнения схемы управления, расстояние переноса не должно превышать четыре пикселя.

Вышеприведенное описание в основном посвящено переносу между двухмерными пикселями. Для многослойного светочувствительного устройства перенос между светочувствительными пикселями в разных слоях при одном и том же направлении света может осуществляться аналогично вышеописанному способу.

При считывании заряда схема считывания может считывать с пикселя его собственный заряд или заряд, переносимый из соседнего с ним пикселя. В общем случае, под целевым пикселем переноса понимается пункт назначения переноса, если его сигнал считывания света не потерян, собственный заряд пикселя может считываться в первую очередь, и затем пиксель сбрасывается, после чего следует перенос заряда соседнего пикселя на этот целевой пиксель переноса. Согласно этому способу, поддерживается единичный заряд, но единичность необязательна. При считывании может осуществляться суперпозиция зарядов с последующим считыванием суперпозиции зарядов. Суперпозиция зарядов может представлять собой суперпозицию собственного заряда целевого пикселя и заряда, переносимого из соседнего с ним пикселя, и также может представлять собой суперпозицию зарядов, переносимых из двух или более пикселей на целевой пиксель переноса. Суперпозиция пикселей одного и того же цвета не является обязательной. Однако, для пикселей разных цветов, чтобы удовлетворять требованию реконструкции цветов, в общем случае может осуществляться суперпозиция пикселей только двух цветов.

Схема считывания может не использоваться совместно между пикселями. Предпочтительно, можно использовать режим многопиксельного совместного использования, т.е. схема считывания может располагаться над целевым пикселем переноса, и заряд пикселей, соседних с целевым пикселем переноса, считывается сначала путем переноса заряда на целевой пиксель переноса и затем путем считывания заряда схемой считывания, размещенной над целевым пикселем переноса. Здесь, целевой пиксель переноса и соседние с ним пиксели, совместно использующие схему считывания, именуются группой пикселей.

Поскольку преимущества активного и пассивного пикселя сочетаются в пикселях настоящей заявки, когда уместно, для каждого пикселя в пиксельной матрице, подключенной к схеме считывания, схема считывания может быть схемой считывания активных пикселей, схемой считывания пассивных пикселей или схемой считывания, включающей в себя схемы считывания активных и пассивных пикселей, что позволяет каждому пикселю иметь функцию считывания как активных, так и пассивных пикселей за счет избирательного подключения к схеме считывания активных или пассивных пикселей путем выбора сигнала.

В заключение, в настоящей заявке объединяются преимущества технологий светочувствительных интегральных схем на ПЗС и КМОП интегральных схем, что обеспечивает более эффективную физическую реализацию усовершенствованного светочувствительного устройства.

Считывание пикселей посредством переноса заряда между пикселями, в частности, между двухмерными пикселями (2D межпиксельного переноса), впервые обеспечено в настоящей заявке. Таким образом, обеспечивается пиксель без считывающего конденсатора FD, и реализуется комбинация активных и пассивных пикселей. Комбинация зарядовых сигналов достигается без считывающего конденсатора FD.

Комбинирование и выборка почти во всех подвыборках уровня техники осуществляется путем усреднения сигналов напряжения или тока, при котором SNR может увеличиваться до раз при комбинировании N точек. Однако SNR может увеличиваться в N раз при обеспечении суперпозиции зарядов, т.е. в N раз больше, чем при усреднении сигнала. Таким образом, если N сигналов комбинируется посредством суперпозиции зарядов, теоретически можно получить результат усреднения до N3 сигналов. Таким образом, SNR можно значительно повысить.

Подвыборку с любыми коэффициентами M×N легко осуществлять в настоящей заявке благодаря режиму подвыборки, в котором суперпозиция зарядов является основной, и усреднение сигналов является дополнительным.

Согласно настоящей заявке, схему считывания легко расширить с 4-точечного совместного использования, 8-точечного совместного использования и т.д. до произвольного N-точечного совместного использования на основании требования оптимизации конструкции благодаря исключению считывающего конденсатора FD.

В настоящей заявке процесс подвыборки делится на, по меньшей мере, два процесса, т.е. вышеупомянутые первый процесс комбинирования и выборки и второй процесс комбинирования и выборки. Первый и второй процессы комбинирования и выборки обычно осуществляются между выборкой (комбинированием) строк и выборкой (комбинированием) столбцов пикселей и, в основном, осуществляются в отношении аналоговых сигналов, в которых порядок и содержимое, в общем случае, являются изменяемыми, за исключением того, что суперпозиция зарядов обычно осуществляется только в первом процессе комбинирования и выборки. Кроме того, может быть дополнительно включен третий процесс комбинирования и выборки, который осуществляется, в основном, в отношении цифровых сигналов после аналого-цифрового преобразования.

В первом процессе комбинирования и выборки два соседних пикселя в пиксельной матрице комбинируются. С одной стороны, осуществляется комбинирование соседних пикселей. Здесь, пиксель, полученный после комбинирования, именуется первым комбинированным пикселем. Следует понимать, что понятие первого комбинированного пикселя используется для указания пикселя, полученного после первого процесса комбинирования для удобства описания. Оно не предназначено для указания, что “первый комбинированный пиксель” физически существует в пиксельной матрице. Данные, полученные путем комбинирования и подвыборки двух соседних пикселей, именуются данными выборки первого комбинированного пикселя. Используемый здесь термин “соседние” означает, что два пикселя примыкают друг к другу, если смотреть в горизонтальном, вертикальном или диагональном направлении в отсутствие других пикселей, расположенных между ними. Случаи соседствования включают в себя два пикселя, находящихся в одной и той же строке, но в разных столбцах, в разных строках, но в одном и том же столбце, или в разных строках и разных столбцах. В общем случае, при этом комбинировании, сигнал получается путем усреднения, по меньшей мере, двух сигналов, благодаря чему шум снижается в раз. Таким образом, после комбинирования SNR возрастает, по меньшей мере, в раз, и комбинирование может осуществляться между пикселями одного и того же или разных цветов. С другой стороны, комбинируемые пиксели могут иметь разные цвета, т.е. осуществляется суммирование или усреднение цветов. Как известно из теории трех основных цветов, цвет, образованный сложением двух основных цветов, является дополнительным к другому основному цвету. Для преобразования пространства основных цветов в пространство дополнительных цветов требуется только преобразование цветового пространства. Таким образом, реконструкцию цветов также можно осуществлять посредством различных дополнительных цветов. Другими словами, согласно настоящей заявке, можно также осуществлять комбинирование пикселей разных цветов для повышения SNR и можно также осуществлять реконструкцию цветов. Весь процесс подвыборки оптимизируется для удовлетворения требования высокой скорости пиксельной матрицы с большим объемом данных. Основное требование к преобразованию цветового пространства состоит в том, чтобы комбинация цветов после преобразования позволяла реконструировать необходимые цвета RGB (или YUV, или CYMK) (методами интерполяции, матричного исчисления и т.д.).

Следует понимать, что в пиксельной матрице содержится множество пикселей, но только два пикселя комбинируются в первом процессе комбинирования и выборки. Очевидно, множество первого комбинированного пикселя формируется путем комбинирования. Для разных первых комбинированных пикселей используемые способы комбинирования цветов могут быть одинаковыми или различными. Первый процесс комбинирования именуется режимом комбинирования одного цвета, когда он полностью осуществляется между пикселями одного и того же цвета. Первый процесс комбинирования именуется режимом комбинирования разных цветов, когда он полностью осуществляется между пикселями разных цветов. Первый процесс комбинирования именуется гибридным режимом комбинирования, когда он осуществляется частично в пикселях одного и того же цвета и частично в пикселях разных цветов. Первый процесс комбинирования именуется режимом избирательного отказа от избыточных цветов, когда пиксели некоторых избыточных цветов в пиксельной матрице отбрасываются или пропускаются (конечно, такое отбрасывание является избирательным и не влияет, например, на реконструкцию цветов).

Очевидно, второй процесс комбинирования является операцией над множеством первых комбинированных пикселей. Аналогично, можно комбинировать первые комбинированные пиксели одного и того же или разных цветов (конечно, это может приводить к суммированию всех трех основных цветов, что не позволяет осуществлять реконструкцию цветов).

Вышеупомянутые режимы комбинирования, т.е. комбинирование одного цвета, комбинирование разных цветов и гибридное комбинирование классифицируются на основании цвета. Кроме того, с точки зрения выбора положения комбинирования и выборки, режимы комбинирования и выборки первого и второго процессов комбинирования включают в себя: автоматическое усреднение сигналов, выводимых непосредственно на шину, пропуск строки или пропуск столбца, выборку один за другим и комбинацию двух или трех из этих режимов. За исключением того, что суперпозиция зарядов осуществляется только в первом процессе комбинирования и выборки, первый и второй процессы комбинирования одинаковы и допускают изменения (за исключением их разного порядка).

Режим так называемого автоматического усреднения сигналов, выводимых непосредственно на шину, состоит в том, что сигналы (одного и того же цвета или разных цветов), подлежащие комбинированию, одновременно выводятся на шину сбора данных путем автоматического выравнивания сигналов (напряжения) для достижения среднего значения сигналов, подлежащих комбинированию. Режим пропуска строки или пропуска столбца состоит в пропуске некоторых строк или столбцов при реализации (комбинирующей) выборки, что позволяет обрабатывать сокращенный объем данных. Режим выборки один за другим состоит в том, что исходные пиксели или первый комбинированный пиксель считываются по очереди без какого-либо комбинирования. Можно одновременно реализовывать более чем один из трех режимов. Например, режим пропуска строки или пропуска столбца можно использовать одновременно с режимом автоматического усреднения сигналов, выводимых непосредственно на шину, или режимом выборки один за другим.

Режим подвыборки третьего процесса комбинирования и выборки включает в себя преобразование цветового пространства, окончательное масштабирование цифрового изображения и последовательное использование двух режимов. Первый и второй процессы комбинирования, в основном, осуществляются в отношении аналоговых сигналов, тогда как третий процесс комбинирования, в основном, осуществляется в отношении цифровых сигналов, т.е. после аналого-цифрового преобразования. Обрабатывая пиксели трех или четырех цветов в разных пространственных положениях как значения для одной и той же точки и преобразуя значения в другое цветовое пространство, данные в горизонтальном и (или) вертикальном направлении можно сокращать в объеме для достижения эффекта подвыборки. Кроме того, режим масштабирования цифрового изображения является наиболее интуитивным режимом подвыборки, который обычно используется.

Суперпозиция зарядов является режимом комбинирования и выборки со значительным эффектом, в котором требуется, чтобы комбинируемые пиксели соседствовали в пространстве. Причина, по которой такого эффекта невозможно добиться посредством предыдущей подвыборки, состоит в том, что предыдущая подвыборка осуществляется только между пикселями одного и того же цвета, и комбинируемые пиксели отделены друг от друга другими пикселями. Сравнительно просто реализовать суперпозицию зарядов для многослойного светочувствительного устройства, поскольку его цветовые шаблоны очень разнообразны. В более ранней заявке “Multi-Spectrum Photosensitive Devices and Methods for Sampling the Same” (китайская патентная заявка № 200910105948.2) автора настоящего изобретения впервые предложен режим подвыборки суперпозиции зарядов с использованием преобразования цветового пространства. Однако во многих случаях комбинирование пикселей полностью или частично осуществляется на пикселях разных цветов. Кроме того, для некоторых особых коэффициентов подвыборки (M×N), режимы пропуска строки и пропуска столбца также необходимы после преобразования цветового пространства.

Согласно настоящей заявке, изготовление пиксельной матрицы упрощается, в то время как схема считывания становится более гибкой и простой. В особенности, подвыборка может осуществляться на пикселях одного и того же цвета посредством суперпозиции зарядов. Эта характеристика особенно важна для повышения производительности светочувствительного устройства в условиях низкой освещенности. При необходимости, чувствительность можно повысить за счет снижения разрешения. Например, если четыре пикселя одного и того же цвета комбинируются посредством суперпозиции зарядов, верхний предел SNR теоретически повышается в 4=8 раза, тогда как, если четыре пикселя комбинируются предыдущим способом усреднения сигналов, верхний предел SNR теоретически повышается в =2 раза.

Специалистам в данной области техники вышеперечисленные и другие цели и преимущества настоящей заявки станут ясны из нижеследующих описаний и множества иллюстраций предпочтительных вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, где:

Фиг. 1 иллюстрирует схему считывания (выборки) для пассивного КМОП пикселя.

Фиг. 2 иллюстрирует схему считывания (выборки) для 3T КМОП активного пикселя, где PD - фотодиод, и FD - нечувствительный конденсатор считывания переноса.

Фиг. 3 иллюстрирует схему считывания (выборки) для 4T КМОП активного пикселя.

Фиг. 4 иллюстрирует конструкцию пикселя для двухфазного ПЗС (фиг. 4(a)) и схему процесса переноса заряда (фиг. 4(b)), где фиг. 4(a) - вид в разрезе двухфазного ПЗС, и на фиг. 4(b) показан потенциал канала в соответствии с двухфазными импульсами Φ1 и Φ2.

Фиг. 5(a) - схематическое изображение схемы считывания с выбором строки для активного КМОП пикселя, и фиг. 5(b) - схематическое изображение схемы считывания с выбором строки для пассивного КМОП пикселя.

Фиг. 6 - абстрактное представление общей схемы считывания для КМОП схем считывания, показанных на фиг. 5.

Фиг. 7 иллюстрирует типичное схематическое изображение схемы считывания (выборки), имеющей буферы столбцов для практического КМОП пикселя.

Фиг. 8 иллюстрирует сравнение способа считывания пикселя ПЗС (a) и способа считывания КМОП пикселя (b), где функция последовательной передачи в вертикальном направлении между пикселями ПЗС показана на фиг. 8(a).

Фиг. 9 иллюстрирует основные принципы трех широко используемых светочувствительных устройств на основе ПЗС. На Фиг. 9(a) показан ПЗС покадрового переноса (FTCCD), в котором пиксели в светочувствительной области построчно переносятся в область хранения и затем попиксельно считываются посредством горизонтального ПЗС. Такого рода ПЗС имеет проблему размывания изображения. На Фиг. 9(b) показан ПЗС межлинейного переноса (ITCCD), в котором пиксели в светочувствительной области одновременно переносятся в межстолбцовую область хранения и затем построчно считываются посредством горизонтального ПЗС. В такого рода ПЗС проблема размывания изображения не столь остра, но используется большое количество межстолбцовых хранилищ. На Фиг. 9(c) показан ПЗС покадрового межлинейного переноса (FITCCD), в котором пиксели в светочувствительной области сначала переносятся в межстолбцовую область хранения. Затем пиксели в межстолбцовой области хранения построчно переносятся в кадровую область хранения. Наконец, пиксели в кадровой области хранения считываются построчно посредством горизонтального ПЗС. Такого рода ПЗС в основном используется в профессиональных высокоскоростных видеокамерах для дополнительной компенсации размывания изображения.

Фиг. 10 иллюстрирует используемую в настоящее время схему считывания для 4T активного светочувствительного пикселя, совместно используемого 4 точками, в котором в среднем 1,75 затвора используются в среднем для каждого пикселя.

Фиг. 11 иллюстрирует схему считывания для 4T активного светочувствительного пикселя, совместно используемого 8 точками, в котором в среднем используется только 1,375 затворов для каждого пикселя. Эта схема считывания пригодна для двустороннего двухслойного светочувствительного устройства, размещенного в матрице на основе четырехточечных макропикселей (см. китайскую патентную заявку № 200810217270.2 под названием “Multi-Spectrum Photosensitive Devices and Methods for Manufacturing the Same”), т.е. фотодиоды в верхнем и нижнем слоях всех четырех составляющих пикселей в макропикселе могут совместно использовать один и тот же считывающий конденсатор (FD) и одну и ту же 3T схему считывания.

Фиг. 12 иллюстрирует принципиальную системную блок-схему схемы для считывания и подвыборки пикселей, предложенной в китайской патентной заявке № 200910105948.2 под названием “Multi-Spectrum Photosensitive Devices and Methods for Sampling the Same”, также поданной автором настоящего изобретения, которая содержит пиксельную матрицу, контроллер декодирования адреса строки, контроллер декодирования адреса столбца, схему управления выборкой, модуль усиления и аналого-цифрового преобразования, модуль преобразования цветов и подвыборки и обработки изображения, модуль управления выводом, центральный модуль управления интегральной схемой (модуль CC на фиг. 12) и другие возможные модули. Считывание и подвыборка пикселей обеспечиваются с помощью соответствующих сигналов управления, генерируемых контроллерами декодирования адреса строки и столбца. Кооперация других модулей в системе в основном обеспечивается центральным модулем управления интегральной схемой. В этой схеме считывания заряды, соответствующие сигналам, первый раз подвергаются суперпозиции в ходе процесса выборки посредством преобразования цветового пространства, благодаря чему SNR изображений, подвергнутых подвыборке, значительно возрастает. На этой фигуре Row[i] указывает сигнал выбора строки, RS[i] указывает векторный сигнал управления строками, Col[j] указывает сигнал выбора столбца, и T[j] указывает векторный сигнал управления столбцами. В этой системе модуль преобразования цветов и подвыборки и обработки изображения можно использовать для реализации третьего комбинированного процесса выборки настоящего раскрытия.

Фиг. 13(a) иллюстрирует принципиальную схему светочувствительных пикселей для 2D межпиксельного переноса согласно настоящему раскрытию. Светочувствительный пиксель имеет функцию переноса зарядов на близлежащие пиксели (по меньшей мере, в трех направлениях). Короче говоря, каждый пиксель может действовать как считывающий конденсатор FD для своих близлежащих пикселей. Таким образом, функция межпиксельного переноса ПЗС в одном измерении (в вертикальном или горизонтальном направлении) расширяется до двухмерного, т.е. заряды могут переноситься в вертикальном и горизонтальном направлениях. В отличие от ПЗС, пиксели (заряды) переносятся только между пикселями, расположенными вблизи друг друга, но не переносятся на более значительные расстояния (например, на расстояние одной строки или одного столбца ПЗС). Пиксели также считываются с использованием активного сканирования строк и столбцов КМОП. Таким образом, в этом светочувствительном пикселе сочетаются преимущества ПЗС (отсутствие необходимости в FD) и КМОП (произвольное считывание и низкое напряжение). На каждый пиксель поступает управляющий сигнал напряжения V[i, j] (заштрихованные блоки в пикселях, показанные на этой фигуре, представляют очень тонкие металлические электроды).

Фиг. 13(b) иллюстрирует ссылочные позиции пикселей и передающих затворов, используемые здесь для упрощения описания настоящего раскрытия: передающие затворы слева и сверху каждого доступного пикселя (т.е. не краевого пикселя) считаются принадлежащими пикселю и обозначаются номером адреса строки и столбца [i, j] этого пикселя.

Фиг. 14 - схема матрицы светочувствительных пикселей, состоящей из светочувствительных пикселей, для 2D межпиксельного переноса, согласно настоящему раскрытию. Следует отметить, что перенос заряда между пикселями может происходить между пикселями разных цветов.

Фиг. 15 иллюстрирует схему полупроводниковой реализации светочувствительного пикселя для 2D межпиксельного переноса, согласно настоящему раскрытию. Фиг. 15 отличается от фиг. 2 отсутствием FD. Соседний пиксель (PD) выступает в роли считывающего конденсатора (FD). На фиг. 15 показана только одна 3T схема считывания (активных пикселей). Однако можно обеспечить по одной схеме считывания для каждого пикселя, или одна схема считывания может совместно использоваться несколькими пикселями в зависимости от ситуации совместного использования схемы считывания. Эта реализация аналогична современному светочувствительному КМОП пикселю.

Фиг. 16 иллюстрирует схему другой полупроводниковой реализации светочувствительного пикселя для 2D межпиксельного переноса, согласно настоящему раскрытию, а также временную последовательность переноса заряда. На Фиг. 16(a) показан вид в разрезе светочувствительного устройства, согласно настоящему раскрытию и схемы считывания, которая аналогична показанной на фиг. 4(a), за исключением того, что добавлена схема считывания 4T активного пикселя. На Фиг. 16(b) показан потенциал канала в соответствии с импульсами Φ1 и Φ2 переноса, который аналогичен показанной на фиг. 4(b), за исключением того, что переносимый заряд может дополнительно не переноситься в одном направлении (горизонтальном направлении) все время. В течение следующего периода синхроимпульса направление переноса заряда может изменяться (например, от горизонтального направления к вертикальному). Альтернативно, считывание пикселя может также начинаться в течение следующего периода синхроимпульса. Аналогично, схема считывания для активного(ых) пикселя(ей) может совместно использоваться или не использоваться несколькими пикселями.

Фиг. 17 иллюстрирует схему полнокадрового считывания для светочувствительного устройства, состоящего из светочувствительных пикселей, для 2D межпиксельного переноса согласно настоящему раскрытию. В этом простом режиме считывания пиксели в первой строке (предыдущей строке) используются в качестве конденсатора FD считывания пикселей во второй строке, которая следует за первой строкой. До считывания пикселя во второй строке соответствующий пиксель в первой строке сбрасывается, и в отношении его осуществляется коррелированная выборка (выборка нулевого потенциала). После этого пиксель во второй строке переносится в первую строку и затем осуществляется выборка заряда (напряжения) считывания света. Цифры 1, 2, 3 и 4 на фиг. 17 указывают последовательность переноса и считывания. Очевидно, можно использовать левый пиксель (пиксель, который был использован) в качестве считывающего конденсатора правого пикселя. Хотя пиксели в первой строке все еще могут быть светочувствительными на момент переноса, перекрестное цветовое сообщение, которое может быть этим обусловлено, пренебрежимо мало ввиду короткого времени.

Фиг. 18 иллюстрирует схему подвыборочного считывания для светочувствительного устройства, состоящего из светочувствительных пикселей, для 2D межпиксельного переноса согласно настоящему раскрытию. В этом подвыборочном считывании заряды в пикселях в одном и том же направлении столбца сначала суммируются, после чего подвыборка в направлении строки реализуется посредством пропуска линий. Показан процесс суперпозиции зарядов пикселей в двух столбцах, который осуществляется в следующих четырех этапах. На этапе 1 пиксели в первой строке должны сбрасываться. На этапе 1 пиксели G1 и G2 переносятся в позиции X1 и X2 в предыдущей строке, соответственно. На этапе 2 пиксели B1 и B2 переносятся в позицию G2, тогда как пиксели X1 и X2 одновременно переносятся в позицию X3. На этапе 3 пиксели G3 и G4 переносятся в позиции B1 и B2 в предыдущей строке, соответственно. В это время можно считывать суперпозицию G1 и G2, а также суперпозицию B1 и B2. На этапе 4 пиксели G3 и G4 в позициях B1 и B2 одновременно переносятся в позицию G2 соответственно, тогда как пиксели R1 и R2 переносятся в позицию G3. Таким образом, G3+G4 может считываться из G2, и R1+R2 может считываться из G3. Затем такой процесс можно циклически применять к следующим пикселям. Аналогично, три столбца можно комбинировать друг с другом посредством суперпозиции зарядов. Комбинацию четырех столбцов можно реализовать посредством двух процессов, т.е. суммирования с последующим усреднением. Таким образом, суммируются сигналы в столбцах 1 и 2, и суммируются сигналы в столбцах 3 и 4. Полученные сигналы одновременно поступают на шину, благодаря чему достигается усреднение сигналов сумм столбцов 1, 2 и сумм столбцов 3, 4. Подвыборку в направлении строки можно реализовать, применяя простой пропуск линий.

Фиг. 19 иллюстрирует схему подвыборочного считывания путем комбинирования разных цветов для светочувствительного устройства, состоящего из светочувствительных пикселей, для 2D межпиксельного переноса согласно настоящему раскрытию. Во-первых, цветовая последовательность YeCyYeCy… (Ye представляет желтый, Cy представляет голубой) формируется последовательным суммированием пикселей в первой строке и второй строке, которые перпендикулярны друг другу. В частности, до считывания, пиксели во второй строке переносятся и комбинируются в пиксели в первой строке в соответствующих столбцах, и комбинированные пиксели немедленно считываются. После обработки пикселей в первой и второй строках пиксели в третьей строке и четвертой строке комбинируются и подвергаются выборке. С учетом требования реконструкции цветов пиксели в третьей и четвертой строках должны перекрестно комбинироваться, когда YeCy формируется путем комбинирования первой и второй строк. Таким образом, G комбинируется с G для формирования G, и B комбинируется с R для формирования Mg (малинового). Для осуществления перекрестного комбинирования необходима комплексная временная последовательность для управления переноса заряда. Например, как показано на фиг. 19, для суммирования G5 с G6, можно переносить пиксель B3 в позицию G3 (этап 2) и затем одновременно переносить пиксели G5 и G6 в позицию B3 (этап 3) для реализации суперпозиции зарядов. Во время проведения этапа 3 G3 также может переноситься в R1. Наконец, R1 суммируется с R3 в позиции G5 (этап 4).

На Фиг. 18 и 19 показаны примеры реализации первого и второго процессов комбинирования, раскрытых в китайской патентной заявке № 200910105948.2 под названием “Multi-Spectrum Photosensitive Devices and Methods for Sampling the Same”, автора настоящего изобретения с использованием светочувствительного устройства с раскрытыми здесь новыми светочувствительными пикселями.

Фиг. 20 иллюстрирует совместно используемую схему считывания, которая может совместно использоваться произвольным количеством точек. Традиционные, совместно используемые схемы считывания формируются на основе совместно используемых считывающих конденсаторов. Таким образом, если считывающий конденсатор FD совместно используется N пикселями, схема считывания совместно используется N пикселями. Другими словами, считывающий конденсатор FD соответствует схеме считывания. Поскольку считывающий конденсатор FD может совместно использоваться только пикселями в непосредственной близости, традиционные схемы считывания могут совместно использоваться только несколькими пикселями, например 2 точками, 3 точками и 4 точками в однослойной конструкции или 4 точками, 6 точками и 8 точками в двухслойной конструкции. Однако светочувствительный пиксель с возможностью 2D межпиксельного переноса настоящего раскрытия не нуждается в считывающем конденсаторе FD. В результате, при желании можно без труда увеличить количество точек, совместно использующих схему считывания, до произвольного числа N. Конечно, если схема считывания совместно используется слишком многими точками, эффект подавления шума фиксированного шаблона может не достигаться. Таким образом, значение N определяется согласно фактической ситуации шума интегральной схемы. Тем не менее, совместное использование произвольным количеством точек легко получить в схеме реализации (как показано).

Фиг. 21 иллюстрирует схематическое изображение схемы гибридного считывания для активных и пассивных пикселей. Когда переключатель Ts включен, сигналы активного пикселя можно получать из активной выходной линии. Когда переключатель Ts выключен, сигналы пассивного пикселя можно получать из пассивной выходной линии. Схема гибридного считывания обеспечивает повышенную гибкость, сниженное энергопотребление и расширенный динамический диапазон, с добавлением только очень немногих линий и пространства. Как указано выше, количество пикселей, совместно использующих схему считывания, не может быть слишком велико, иначе не удастся подавить шум фиксированного шаблона. Одна проблема активных пикселей состоит в увеличении энергопотребления и энергии сигнала. При увеличении энергопотребления температура также возрастает, в связи с чем шум KTC, который чувствителен к температуре, будет возрастать. В условиях высокой освещенности явление насыщения может легко происходить при общем увеличении энергии сигнала, поэтому динамический диапазон не увеличивается. Пассивные пиксели имеют низкое энергопотребление, низкую энергию сигнала и сравнительно большой шум фиксированного шаблона и, таким образом, весьма пригодны для предварительного просмотра, подвыборки и условий высокой освещенности. Таким образом, пользователи могут по своему желанию переключаться между считыванием активных пикселей и считыванием пассивных пикселей в зависимости от условий применения для снижения энергопотребления и температуры интегральных схем, расширения динамического диапазона и повышения SNR сигналов считывания света.

Фиг. 22 иллюстрирует случай комбинирования фиг. 13, 20 и 21, а именно, общий случай, когда светочувствительный пиксель с возможностью 2D межпиксельного переноса используется в качестве базового пикселя, и применяется схема гибридного считывания с функциями активного и пассивного пикселя, совместно используемая N точками. На фиг. 22 [i,j] используется для обозначения нижних индексов позиций строки и столбца типичного пикселя, [k,l] используется для обозначения [k,l]-й схемы считывания, и [m,n] используется для иллюстрации того, что пиксели в разных строках и столбцах способны совместно использовать одну и ту же схему считывания. Для матричного светочувствительного устройства предпочтительно, чтобы M×N пикселей совместно использовали одну и ту же схему считывания. Как показано, каждый пиксель P[i,j] связан с четырьмя сигналами управления, т.е. V[i,j], Tg[i,j], Th[i,j] и Tv[i,j]. Сигнал V[i,j] - это сигнал напряжения смещения для сброса, управления межпиксельным переносом и считывания. Tg - это сигнал управления считыванием, Th - это сигнал управления горизонтальным переносом, Tv - это сигнал управления вертикальным переносом, а Ts - это переключатель для выбора считывания активных или пассивных пикселей. Очевидно, четыре сигнала V, Tg, Th и Tv должны синхронизироваться с сигналом Row[i] выбора строки и сигналом Col[j] выбора столбца. На фиг. 23 показана реализация вентильной схемы этих четырех сигналов.

Фиг. 23 иллюстрирует вентильную схему, реализующую четыре сигнала V, Tg, Th и Tv, где Row[i] - сигнал выбора строки, и Col[j] - сигнал выбора столбца, TH и TV - сигналы управления переносом строки и столбца, соответственно, совместно используемые устройством в целом, RC[i,j] обозначает сигнал выбора пикселя, Vr - напряжение для считывания. Vr обычно находится в неопределенном состоянии и переходит на высокий уровень при считывании данных и переходит на низкий уровень при сбросе. Из фиг. 23 и 22 следует, что каждый светочувствительный пиксель с возможностью 2D межпиксельного переноса связан с семью вентилями и совместно использует часть совместно используемой схемы считывания. Это кажется большим количеством. Фактически, пока применяется режим считывания совместного использования, необходима вентильная схема в прямоугольнике, ограниченном пунктирной линией, показанном на фиг. 23 (или ее эквивалентная схема). Таким образом, каждый светочувствительный пиксель с возможностью 2D межпиксельного переноса использует только еще три обычных логических вентиля. Кроме того, Th и Tv - это простые передающие затворы. Для технологии обработки полупроводников менее 130 нанометров пространство, занимаемое логическими вентилями, гораздо меньше пространства, занимаемого считывающим конденсатором FD.

Фиг. 24 иллюстрирует реализацию сигнала Rst[k,l] сброса и сигнала Sel[k,l] выбора считывающего модуля, когда схема считывания, показанная на фиг. 22, совместно используется 4×4 базовыми пикселями. В этой упрощенной реализации оба сигнала Rst[k,l] и Sel[k,l] зависят от сигнала выбора строки Row[i], но не зависят от сигнала Col[j] выбора столбца. Таким образом, их опорные символы можно упростить как Rst[k] и Sel[k], чтобы количество вентилей, необходимых для генерации Rst[k] и Sel[k], можно было игнорировать.

Подробное описание

Настоящее раскрытие включает в себя новое светочувствительное устройство, способ его считывания и схему его считывания.

Согласно аспекту настоящего раскрытия, в иллюстративном светочувствительном устройстве настоящего раскрытия, светочувствительный пиксель имеет функцию межпиксельного переноса, в частности, 2D межпиксельного переноса. В этом светочувствительном устройстве считывающие конденсаторы исключены. Вместо этого, передающие затворы размещены между некоторыми или всеми пикселями в пиксельной матрице для соединения соседних пикселей друг с другом, благодаря чему собственный заряд пикселя может переноситься в соседний(е) с ним пиксель(и) через передающий(е) затвор(ы), согласно надлежащей временной последовательности сигнала управления. Межпиксельный перенос можно реализовать в соответствующих направлениях, например, в направлении вверх, вниз, влево, вправо в двух измерениях. В многослойном светочувствительном устройстве, например, в двустороннем двухслойном светочувствительном устройстве, межпиксельный перенос можно также осуществлять между светочувствительными пикселями на верхней и нижней сторонах слоя основы, на котором размещена пиксельная матрица. В этом случае межпиксельный перенос можно рассматривать как трехмерный перенос, поскольку светочувствительный пиксель на верхней стороне и нижний светочувствительный пиксель на нижней стороне находятся в разных слоях в направлении освещения. Здесь, заряд пикселя, считываемый самим пикселем, именуется собственным зарядом пикселя, и заряд пикселя, переносимый из пикселей, соседних с пикселем, именуется зарядом переноса пикселя. Таким образом, если пиксели A и B соседствуют друг с другом, и собственный заряд пикселя B переносится в пиксель A, собственный заряд пикселя B, переносимый в пиксель A, именуется зарядом переноса пикселя A. В общем случае, собственный заряд пикселя B может переноситься в пиксель A после считывания собственного заряда пикселя A. Однако возможен также перенос собственного заряда пикселя B в пиксель A с последующим считыванием из пикселя A суммы собственного заряда и заряда переноса пикселя A, что позволяет реализовать суммирование зарядом пикселей A и B. В частности, когда заряды переноса пикселя A поступают из более чем одного соседнего пикселя, например, из соседних пикселей C, D, помимо пикселя B, заряд, считываемый из пикселя A, может формироваться путем суперпозиции зарядов переноса, например B+C, B+D, C+D, B+C+D, или путем суперпозиции собственного заряда пикселя A и множества зарядов переноса, например A+B+C, A+B+D, A+B+C+D и т.д. Следует отметить, что если пиксели, участвующие в суперпозиции зарядов, имеют один и тот же цвет, количество пикселей может не быть ограниченным, если же пиксели имеют разные цвета, пиксели должны быть не более двух цветов, чтобы соответствовать требованию реконструкции цветов. Одним словом, соседние пиксели используются как считывающие конденсаторы (FD) в настоящем раскрытии за счет применения режима 2D межпиксельного переноса, что позволяет избавиться от считывающих конденсаторов в светочувствительном устройстве. Подробное описание считывания пикселей, режима считывания путем сканирования строк и столбцов, особого временного управления сканирования строк и столбцов приведено ниже.

Согласно другому аспекту настоящего раскрытия, как показано на фиг. 21, схема считывания для иллюстративного светочувствительного устройства настоящего раскрытия может представлять собой новую схему считывания, способную работать с активными и пассивными пикселями. Поскольку пассивные пиксели занимают мало места, и схема считывания активных пикселей может совместно использоваться множеством пикселей, предпочтительно объединять их друг с другом и выборочно использовать их. На Фиг. 21 показан только простой пример. Существует много разновидностей активных пикселей и много форм многопиксельного совместного использования. Таким образом, пример используется здесь только для пояснения основного принципа работы одновременно с активными и пассивными пикселями. Согласно фиг. 21, когда переключатель Ts закрыт, действует схема считывания активных пикселей, и когда переключатель Ts открыт, действует схема считывания пассивных пикселей.

Как описано выше, в зависимости от переноса заряда между пикселями, дополнительный аспект настоящего раскрытия реализует суперпозицию зарядов не соседних пикселей одного цвета или разных цветов. Возможен перенос комбинируемых пикселей в один и тот же соседний пиксель, который был использован и только что сброшен за счет переноса заряда между пикселями. Согласно фиг. 18 или 19, это комбинирование должно выполняться в соответствии с очень строгой и точной временной последовательностью управления и направлением межпиксельного переноса. Например, для комбинирования G1 и G2 на фиг. 18 G1 и G2 должны быть сначала перенесены в X1 и X2, соответственно, под управлением временной последовательности переноса заряда, после чего заряды X1 и X2 одновременно переносятся в X3.

Вышеупомянутый светочувствительный пиксель с функцией 2D межпиксельного переноса и/или гибридным режимом считывания для активных и пассивных пикселей используется как основной светочувствительный пиксель, и каждый основной светочувствительный пиксель соединен со схемой временного управления считыванием (включая сброс), схемой управления межпиксельным переносом и схемой считывания пикселей, благодаря чему пиксельная матрица, состоящая из таких светочувствительных пикселей, имеет более высокую производительность.

Схема считывания основных светочувствительных пикселей включает в себя схему считывания пассивных пикселей (показанную на фиг. 1), схему считывания активных пикселей (показанную на фиг. 2 и 3) или схему гибридного считывания активных и пассивных пикселей (показанную на фиг. 21).

Новое светочувствительное устройство может быть образовано основными светочувствительными пикселями, размещенными следующим образом: основные светочувствительные пиксели размещены с повторением согласно заранее заданному шаблону, необходимому для считывания одноцветного, многоцветного или мультиспектрального света, включающего в себя видимый и инфракрасный свет.

Вышеупомянутый, заранее заданный шаблон цвета светочувствительного устройства может включать в себя шаблон Байера, сотовый шаблон, одноцветный шаблон и шаблон CyYeMgX, где X представляет один из R (красного), G (зеленого) и B (синего).

Вышеупомянутое светочувствительное устройство может формироваться в виде разнообразных светочувствительных устройств, например одностороннего однослойного светочувствительного устройства, одностороннего двухслойного светочувствительного устройства, одностороннего многослойного светочувствительного устройства, двустороннего двухслойного светочувствительного устройства, двустороннего многослойного светочувствительного устройства и т.д.

Режимы считывания вышеупомянутых светочувствительных устройств включают в себя фронтальное считывание, тыловое считывание, двустороннее считывание и т.д.

В иллюстративном светочувствительном устройстве настоящего раскрытия выборка и подвыборка могут осуществляться путем усреднения сигналов или суперпозиции зарядов между пикселями одного цвета или разных цветов, или путем гибридного усреднения сигналов или суперпозиции, когда некоторые комбинированные пиксели имеют один и тот же цвет, а другие имеют разные цвета.

Для пикселей разных цветов, подвыборка светочувствительного устройства реализуется за счет применения преобразования цветового пространства.

Схема выборки и подвыборки светочувствительного устройства включает в себя: пиксельную матрицу, контроллер декодера строк, контроллер декодера столбцов, схему управления выборкой, модуль усиления и аналого-цифрового преобразования, модуль преобразования цветов и подвыборки и обработки изображения, модуль управления выводом, центральный модуль управления интегральной схемой и другие возможные модули.

Выходные сигналы контроллера декодера строк включают в себя сигнал выбора строки и векторный сигнал управления строками. Выходные сигналы контроллера декодера столбцов включают в себя сигнал выбора столбца и векторный сигнал управления столбцами.

Согласно вышеприведенному описанию, процесс подвыборки делится на первый, второй и необязательный третий процесс комбинирования и выборки. Первый, второй и третий блоки комбинирования, соответствующие этим процессам, соответственно применяются для реализации вышеупомянутых процессов комбинирования и выборки. Конечно, эти блоки являются модулями устройства, разделенными с точки зрения функций. Физически, эти функциональные блоки можно функционально реализовать в одном физическом модуле, реализованном в виде комбинации множества модулей, или интегрировать в физическом модуле. Одним словом, первый, второй и третий блоки комбинирования описаны здесь только функционально. Их описание не призвано ограничивать их физическую реализацию.

В частности, в примере, показанном на фиг. 12, контроллер декодирования адреса строки и контроллер декодирования адреса столбца используются для реализации функции подвыборки. Контроллер декодирования адреса строки будет выводить два вида сигнала, т.е. сигнал Row[i] выбора строки (по одной линии в каждой строке) и векторный сигнал RS[i] управления строками (одну или более линий в каждой строке), где i обозначает номер строки. Аналогично, контроллер декодирования адреса столбца будет выводить два вида сигнала, т.е. сигнал Col[j] выбора столбца (по одной линии в каждом столбце) и векторный сигнал T[j] управления столбцами (одну или более линий в каждом столбце), где j обозначает номер столбца.

Сигнал Row[i] выбора строки используется для выбора строки, а сигнал Col[j] выбора столбца используется для выбора столбца. Существует два набора сравнительно стандартных сигналов. Сигнал Row[i] выбора строки является расширением существующего сигнала управления строками КМОП (от линии в каждой строке до множества линий в каждой строке), тогда как в некоторых светочувствительных устройствах на основе КМОП векторного сигнала T[j] управления столбцами вовсе не существует, и даже если он имеется, то только по одному сигналу на столбец.

Ниже приведено описание содержимого и эффектов Row[i], Col[j] и T[j], а также временных последовательностей этих сигналов управления в выборке и подвыборке в целом со ссылкой на реализацию, показанную на фиг. 22-24.

На Фиг. 22 показана реализация комбинирования, представленного на фиг. 13, 20 и 21, а именно, общий случай, когда светочувствительный пиксель с возможностью 2D межпиксельного переноса используется в качестве базового пикселя, и применяется схема гибридного считывания с функциями активного и пассивного пикселя, совместно используемая N точками. На фигуре [i,j] обозначает нижние индексы строки и столбца, указывающие положение типичного пикселя, [k,l] обозначает схему считывания [k,l], и [m,n] используется для иллюстрации того, что пиксели в разных строках и столбцах способны совместно использовать одну и ту же схему считывания. Показано, что каждый пиксель P[i,j] связан с тремя сигналами управления, т.е. Tg[i,j], Th[i,j] и Tv[i,j], где Tg - сигнал управления считыванием, Th - сигнал управления горизонтальным переносом и Tv - сигнал управления вертикальным переносом. Кроме того, Ts - это переключатель выбора, указывающий считывание активных или пассивных пикселей. На Фиг. 23 показана реализация трех сигналов Tg, Th и Tv. На Фиг. 24 показана упрощенная реализация Rst[k,l] и Sel[k,l], представленных на фиг. 22. Таким образом, Rst[k,l] и Sel[k,l] упрощаются как Rst[k] и Sel[k] независимо от Col[j].

Помимо Row[i] и Col[j], в этой реализации существует всего семь сигналов управления, а именно Reset, SEL, TH, TV, TG, Vr и Ts. Ts может управляться центральным модулем CC управления интегральной схемой. Reset, SEL и TV могут группироваться в RS[i], а Vr, TH и TG могут группироваться в T[j]. Такая классификация не является уникальной.

Существует два способа считывания сигнала в полнокадровой выборке. Один предусматривает использование пикселя в передней строке в качестве считывающего конденсатора; другой предусматривает использование левого (или правого) пикселя, который уже считан, в качестве считывающего конденсатора. Временная последовательность в первой ситуации проще, и ее действие будет описано ниже. Согласно фиг. 17, адреса R1 строки и столбца задаются как [i,j], и временная последовательность сигнала управления для считывания R1 такова:

1. Синхроимпульс t0: пиксель G1 над R1 сбрасывается. На переднем фронте синхроимпульса Row[i-1] и Col[j] задаются для выбора адреса G1, и в этот момент Rst[i-1] задается равным нулю. В следующий момент Rst[i-1] увеличивается до высокого уровня. На заднем фронте синхроимпульса нулевое значение G1 может по-прежнему считываться для осуществления когерентной выборки. Таким образом, SEL в это время выключается, и затем будет считываться заряд G1.

2. Синхроимпульс t1: заряд R1 переносится в G1 и одновременно считывается. На переднем фронте синхроимпульса Row[i-1] и Col[j] задаются для выбора адреса R1, и TV переводится на высокий уровень. На заднем фронте синхроимпульса Row[i-1] и Col[j] задаются для выбора адреса G1, и SEL выключается для считывания заряда G1.

Таким образом, будут повторно считываться другие пиксели. Предпочтительно, Ts может закрываться для считывания активного пикселя в ходе полнокадрового считывания.

В ходе подвыборки временная последовательность сигнала управления может быть чрезвычайно сложной, соответствуя коэффициенту выборки M×N, режимам комбинирования выбранных пикселей и шаблону распределения одно- или двухслойных светочувствительных пикселей. Однако цифровая схема способна управлять всеми случаями, поскольку требуется только одна интегральная схема, чтобы иметь дело с несколькими случаями. Рассмотрим два примера для пояснения принципа реализации комбинирования пикселей посредством межпиксельного переноса. Соотношение между сигналами управления применяется к реализации режимов, как показано на фиг. 22 - 24. Эти режимы реализации носят иллюстративный характер и не предусматривают ограничения.

В случае комбинирования перемежающихся пикселей, показанного на фиг. 18, адреса строки и столбца G1 задаются как [i,j], и комбинирование G1 и G2 можно также осуществлять согласно следующей временной последовательности сигналов управления.

1. Синхроимпульс t0: X1, X2 и X3 сбрасываются. На переднем фронте синхроимпульса Row[i-1], Col[j], Col[j+1] и Col[j+2] задаются для выбора адресов X1, X2 и X3, и Rst[i-1] задается равным нулю. В следующий момент Rst[i-1] переводится на высокий уровень.

2. Синхроимпульс t1: G1 и G2 переносятся в X1 и X2 соответственно. На переднем фронте синхроимпульса Row[i], Col[j] и Col[j+2] задаются для выбора адресов G1, G2, и TV переводится на высокий уровень.

3. Синхроимпульс t2: X1 и X2 переносятся в X3. На переднем фронте синхроимпульса сначала выбираются Row[i-1] и Col[j], и затем Vr переводится на высокий уровень. Одновременно, X3 находится в состоянии приема зарядов, подлежащих переносу. На заднем фронте синхроимпульса Row[i-1], Col[j+1] и Col[j+2] задаются для выбора адресов X1 и X2, и TH переводится на высокий уровень, так что заряд X1 переносится вправо на X3, а заряд X2 переносится влево на X3.

4. Синхроимпульс t3: считывается сигнал X3. На переднем фронте синхроимпульса задаются Row[i-1] и Col[j+1], и TG переводится на высокий уровень (в этот момент Vr все еще находится в состоянии высокого потенциала).

Очень просто считывать B1 и B2 после считывания G2.

5. Синхроимпульс t2: заряды B1 и B2 переносятся в G2. На переднем фронте синхроимпульса сначала выбираются Row[i] и Col[j+2], и Vr переводится на высокий уровень. В этот момент G2 находится в состоянии приема переносимых зарядов. На заднем фронте синхроимпульса Row[i], Col[j+2] и Col[j+3] задаются для выбора адресов G2 и B2, и затем TH переводится на высокий уровень, так что заряд B1 переносится вправо на G2, а заряд B2 переносится влево на G3.

6. Синхроимпульс t3 или t4: считывается сигнал G2. На переднем фронте синхроимпульса выбираются Row[i] и Col[j+2], и TG переводится на высокий уровень (в этот момент Vr все еще находится в состоянии высокого потенциала). Если сигнал считывается на синхроимпульсе t3, устройство должно иметь возможность считывать одновременно два элемента данных, т.е. должно иметь две схемы усиления и А/Ц преобразования.

На фиг. 19 показан случай двухстрочного комбинирования и перекрестного комбинирования, в котором комбинирование строки G1 и строки R1 можно также осуществлять в одном и том же синхроимпульсе, а именно, пиксели строки R1 могут одновременно переноситься в строку, расположенную немедленно над ней. Этот случай очень прост, и временная последовательность сигнала управления не будет подробно описана. Задание адресов строки и столбца G5 как [i,j], комбинация G5 и G6, а также комбинирование B3 и R3 можно также осуществлять согласно следующей временной последовательности сигналов управления:

1. Синхроимпульс t0: R1 и G3 сбрасываются. На переднем фронте синхроимпульса Row[i-1], Col[j] и Col[j+1] задаются для выбора адресов R1 и G3, и в этот момент Rst[i-1] задается равным нулю. В следующий момент Rst[i-1] переводится на высокий уровень.

2. Синхроимпульс t1: B3 переносится в G2. На переднем фронте синхроимпульса Row[i] и Col[j+1] задаются для выбора адресов B3, и TV переводится на высокий уровень.

3. Синхроимпульс t2: G5 и G6 переносятся в B3, и G3 переносится в R1. На переднем фронте синхроимпульса сначала выбираются Row[i] и Col[j+1], и затем Vr и TH переводятся на высокий уровень. Одновременно, X3 находится в состоянии приема переносимых зарядов, и заряд G5 переносится влево на B3. На заднем фронте синхроимпульса выбираются Row[i-1] и Col[j+1], и затем TV переводится на высокий уровень, так что заряд G5 переносится вверх в B3.

4. Синхроимпульс t3: считывается сигнал B3 (исходный G5+G6), и заряды R1 и R3 переносятся в G5. На переднем фронте синхроимпульса задаются Row[i] и Col[j+1], и TG переводится на высокий уровень (в этот момент Vr все еще находится на высоком уровне). В этот момент считывается B3. На заднем фронте синхроимпульса задаются Row[i], Row[i+1] и Col[j], и TV переводится на высокий уровень. В этот момент заряд R1 переносится вниз в G5, и заряд R3 переносится вверх в G5.

5. Синхроимпульс t4: считывается сигнал G5 (исходный B3+R3). На переднем фронте синхроимпульса задаются Row[i] и Col[j], и TG переводится на высокий уровень (в этот момент Vr все еще находится на высоком уровне). В этот момент G5 считан.

Вышеупомянутый процесс перекрестного комбинирования труден, но не слишком сложен.

В ходе подвыборки, для каждого поддерживаемого M×N коэффициента выборки (одна строка подлежит уменьшению в M раз, один столбец подлежит уменьшению в N раз), согласно коэффициенту выборки M×N и требованию к площади изображения, контроллер декодера строк и контроллер декодера столбцов задают значения всех Row[i] и RS[i] строк, которые необходимо комбинировать, в соответствии с каждой выходной строкой, одновременно на высоком или низком уровне, и затем задают значения всех Col[j] и T[j] столбцов, которые необходимо комбинировать, в соответствии с каждым выходным столбцом, одновременно на высоком или низком уровне, так что значения (заряда/напряжения) всех комбинируемых пикселей могут последовательно переноситься на другие пиксели. Значения будут выводиться на выходную шину в соответствии с порядком считывания (с помощью схемы считывания) после комбинирования заряда. При этом, при необходимости, контроллер декодера строк и контроллер декодера столбцов также осуществляют необходимую операцию пропуска строки или столбца или отбрасывания избыточных цветов согласно коэффициенту выборки M×N и требованию к площади изображения.

Для разных коэффициентов выборки M×N разные цвета можно получать на выходной шине в разное время. Соответственно, может требоваться координировать работу других функциональных модулей, например, модулей усиления и аналого-цифрового преобразования, модулей цветового преобразования и подвыборки и обработки изображения и модулей управления выводом, соответственно. Полное управление этой системой может осуществляться центральным модулем управления интегральной схемой (модулем CC на фиг. 12). Следует отметить, что большинство модулей, за исключением модуля усиления и аналого-цифрового преобразования и пиксельной матрицы, являются схемами цифровой обработки, что позволяет легко реализовать их на периферии устройств для упрощения соединений светочувствительного устройства.

В настоящей заявке можно одновременно выбирать несколько строк, несколько столбцов или несколько строк и столбцов. Хотя несколько строк или столбцов выбираются одновременно в некоторых предыдущих технологиях (например, патенты США US 6801258 B1, US 6693670 B1, US 7091466 B2, US 7319218 B2 и т.д.), временные последовательности и шаблоны волнового сигнала выбора строки и сигнала выбора столбца различны, поскольку способы комбинирования и выборки различны. Например, при выполнении второго способа комбинирования и выборки, показанного на фиг. 18, при одновременном выборе первого и третьего столбцов первой строки, данные в двух столбцах не выводятся немедленно на выходную шину, но переносятся одновременно на пиксели (фотостабильные заглушенные пиксели) в первом и третьем столбцах непосредственно предыдущей строки. Эта ситуация никогда не происходит при подвыборке согласно уровню техники.

В частности, в ходе подвыборки с любыми коэффициентами M×N (M≥2, N≥2), сначала осуществляется первый процесс комбинирования и выборки, в котором осуществляется комбинирование и выборка двух строк или двух столбцов, или двух строк и двух столбцов, и затем, на основании первого процесса комбинирования и выборки, осуществляется подвыборка M строк × N столбцов.

Подвыборка после первого процесса комбинирования и выборки, т.е. второй процесс комбинирования и выборки, может осуществляться любым или несколькими из следующих методов: автоматического усреднения сигналов, выводимых непосредственно в шину, пропуска строки или пропуска столбца, или поочередной выборки. Однако третий процесс комбинирования и выборки, если таковой предусмотрен, можно также осуществлять любым или несколькими из следующих методов: преобразования цветового пространства и окончательного масштабирования цифрового изображения.

Известно, что количество светочувствительных пикселей в пиксельной матрице очень велико. В особенности, для двухслойного или многослойного светочувствительного устройства существует много типов цветов, имеющих различные геометрические распределения. Очевидно, первый процесс комбинирования и выборки относится к множеству первых комбинированных пикселей (т.е. к пикселям, комбинируемым в ходе первого процесса комбинирования и выборки. Это понятие используется для представления пикселей, полученных после первого процесса комбинирования. Например, если собственный заряд пикселя B переносится в пиксель A в ходе первого процесса комбинирования и выборки, в пикселе A существуют собственный заряд пикселя A и заряд переноса из пикселя B, и первый комбинированный пиксель является суперпозицией данных выборки A+B, существующих в пикселе A. Однако следует отметить, что это не означает, что “первый комбинированный пиксель” физически присутствует в пиксельной матрице). Таким образом, в ходе первого процесса комбинирования и выборки, выбор цвета для комбинирования этих первых комбинированных пикселей различается с точки зрения комбинирования цветов пикселя, включающего в себя комбинирование одного и того же цвета, комбинирование разных цветов, гибридное комбинирование (некоторые пиксели имеют один и тот же цвет, а другие имеют разные цвета) или избирательный отказ от избыточных цветов.

Преобразование цветового пространства включает в себя преобразование из пространства RGB в пространство CyYeMgX (X является одним из R, G и B), преобразование из пространства CyYeMgX в пространство YUV и преобразование из пространства RGB в пространство YUV.

Следует отметить, что преобразование из пространства RGB в пространство CyYeMgX можно также осуществлять в пространстве аналогового сигнала или в цифровом пространстве. Таким образом, это преобразование может осуществляться в любом из первого, второго и третьего процессов комбинирования и выборки. Однако преобразования из пространства CyYeMgX в пространство YUV и из пространства RGB в пространство YUV могут осуществляться только в пространстве цифрового сигнала, т.е. в третьем процессе комбинирования и выборки.

В частности, пиксельная матрица состоит из множества макропикселей, размещенных в виде квадратной матрицы, в которых два, три или четыре базовых пикселя образуют группу. Базовый пиксель в макропикселе может быть пассивным пикселем или 3T, 4T, 5T или 6T активным пикселем без FD (см. “CMOS/CCD Sensor and Camera Systems”, Gerald C. Holst and Terrence S. Lomheim, JCD Publishing, ISBN: 980970774934, 2007, pp. 99-101). Каждый базовый пиксель может быть односторонним однослойным, односторонним двухслойным, двусторонним двухслойным или двусторонним многослойным составным пикселем. Таким образом, один базовый пиксель содержит одну или более ячеек базовых пикселей, каждая из которых прослоена в направлении освещения и может распределяться на верхней и/или нижней стороне подложки светочувствительного пикселя.

Схема считывания для основного светочувствительного пикселя, состоящего из активных пикселей, может использовать N-точечный режим совместного использования (показанный на фиг. 20), помимо существующего режима без совместного использования, 4-точечный режим совместного использования, 6-точечный режим совместного использования и 8-точечный режим совместного использования.

Для двухслойных или многослойных светочувствительных устройств, кроме более широкого выбора цветов в первом процессе комбинирования и выборки, совместно используемая схема выборки и режим комбинирования цветов являются более богатыми. Кроме того, многие шаблоны могут легко применять суперпозицию зарядов в ходе комбинирования и выборки первой строки и первого столбца (см. китайская патентная заявка № 200910105948.2 под названием “Multi-Spectrum Photosensitive Device and Sampling Method Thereof”).

Следует отметить, что верхний предел SNR повышается в N раз при комбинировании N сигналов с применением суперпозиции зарядов, тогда как верхний предел SNR повышается только в раз при комбинировании N сигналов путем усреднения сигналов. В результате, суперпозиция зарядов является одним из наиболее оптимальных методов подвыборки.

Цифровые сигналы светочувствительных пикселей будут сохраняться в буфере и дополнительно обрабатываться модулем цветового преобразования и подвыборки и модулем обработки изображения. В случае полной выборки никакой подвыборки не осуществляется, и, в общем случае, никакого цветового преобразования не осуществляется для устройств с большой матрицей считывания изображения. Таким образом, центральный модуль CC управления интегральной схемой может осуществлять в этом режиме соответствующее управление, позволяющее цифровым сигналам светочувствительных пикселей обходить модуль цветового преобразования и подвыборки и поступать непосредственно на модуль обработки изображения. После обработки изображения в светочувствительных устройствах цифровые сигналы могут выводиться на внешний интерфейс светочувствительного устройства через модуль вывода.

Это более сложно в ходе подвыборки, но возможно, что только несколько коэффициентов подвыборки M×N поддерживается для конкретного светочувствительного устройства. Соответственно, центральный модуль CC управления интегральной схемой, контроллер декодера строк и контроллер декодера столбцов могут рассматривать только поддерживаемые коэффициенты подвыборки M×N. Например, 5-мегапиксельное светочувствительное устройство может рассматривать только четыре случая 2×2, 2×1, 4×4 и 8×8.

Второй процесс комбинирования и выборки, в общем случае, не предусматривает суперпозиции зарядов, и обычно применяются следующие три метода: автоматическое усреднение сигналов, выводимых непосредственно на шину, пропуск строки или пропуск столбца или поочередная выборка. Три метода являются традиционными и простыми и хорошо известны специалистам в данной области техники. Таким образом, их описание буде опущено. Третий процесс комбинирования и выборки можно также осуществлять в пространстве цифрового изображения с применением технологии масштабирования цифрового изображения, которая является относительно стандартной.

Центральный модуль CC управления интегральной схемой может вычислять цвет пикселей, считываемых в разное время в ходе выборки, и осуществлять соответствующий процесс. Для выбранного порядка выборки пикселей центральный модуль CC управления интегральной схемой может управлять модулем усиления и аналого-цифрового преобразования, соответственно, для переноса разных цветов через разные усилительные схемы на модуль цветового преобразования и подвыборки и модуль обработки изображения, а также модуль управления выводом, что позволяет по-разному обрабатывать разные цвета. Более подробное описание выходит за рамки объема настоящей заявки.

Предыдущая подвыборка в основном осуществляется между пикселями одного и того же цвета и, в основном, достигается за счет усреднения пикселей и пропуска строки или пропуска столбца. Эти способы могут не работать для двойных светочувствительных устройств или множественных светочувствительных устройств. Способ подвыборки, предложенный в настоящей заявке, может осуществляться посредством преобразования цветового пространства между пикселями одного и того же цвета или разных цветов. Альтернативно, способ подвыборки, предложенный в настоящей заявке, может осуществляться гибридно (т.е. часть подвыборки осуществляется между пикселями одного и того же цвета, тогда как остальная часть осуществляется между пикселями разных цветов). Кроме того, согласно комбинированию сигналов суперпозиции зарядов, предложенному в настоящей заявке, эффект суммирования N3 сигналов может почти полностью достигаться путем комбинирования только N сигналов. Таким образом, способ подвыборки в настоящей заявке обеспечивает более высокое качество изображения по сравнению с типичным способом подвыборки, отвечающим уровню техники. В частности, когда настоящая заявка применяется для двухслойных светочувствительных устройств или многослойных светочувствительных устройств, обеспечивается большое количество простых и эффективных методов подвыборки.

Вышеприведенное описание призвано иллюстрировать сущность и объем настоящей заявки согласно некоторым вариантам осуществления однослойных и двухслойных светочувствительных устройств. Эти конкретные условия не призваны ограничивать настоящую заявку. Напротив, если настоящая заявка используется для более сложных конструкций, например, 5T/6T активных пикселей или многослойного светочувствительного устройства, преимущественные результаты будут более очевидными.

1. Светочувствительное устройство, содержащее пиксельную матрицу и схему считывания, в котором передающий затвор для соединения соседних пикселей и переноса заряда между соединенными пикселями расположен между, по меньшей мере, некоторыми указанными пикселями в пиксельной матрице, схема считывания используется для считывания заряда пикселя в пиксельной матрице, упомянутый заряд является, по меньшей мере, одним из собственного заряда упомянутого пикселя, заряда, переносимого из пикселя, соседнего с упомянутым пикселем, суперпозиции собственного заряда упомянутого пикселя и заряда, переносимого из одного или более пикселей, соседних с упомянутым пикселем, и суперпозиции зарядов переноса двух или более пикселей, соседних с упомянутым пикселем.

2. Светочувствительное устройство по п.1, в котором соседние пиксели, подсоединенные к одному пикселю в упомянутой части пикселей через передающий затвор, содержат четыре соседних пикселя, расположенных над, под, слева и справа по отношению к упомянутому одному пикселю, соответственно.

3. Светочувствительное устройство по п.1 или 2, в котором передающий затвор расположен между каждыми двумя пикселями пиксельной матрицы.

4. Светочувствительное устройство по п.1, в котором схема считывания считывает собственный заряд подключенного к ней пикселя, сбрасывает собственный заряд пикселя и затем считывает заряд, переносимый из пикселей, соседних с упомянутым пикселем.

5. Светочувствительное устройство по п.1, в котором схема считывания включает в себя схему считывания активных пикселей, схему считывания пассивных пикселей или схему гибридного считывания активных и пассивных пикселей.

6. Светочувствительное устройство по п.5, в котором активный пиксель включает в себя 3Т, 4Т, 5Т или 6Т активный пиксель.

7. Светочувствительное устройство по п.1, в котором схема считывания совместно используется 4, 6, 8 или произвольным количеством точек или совместно не используется точками.

8. Светочувствительное устройство по п.7, в котором расстояние переноса от пикселя в наборе пикселей, совместно использующих одну схему считывания, который отключен от схемы считывания, до пикселя в наборе, который подключен к схеме считывания, не превышает четырех пикселей, когда схема считывания совместно используется 4, 6, 8 или произвольным количеством точек.

9. Светочувствительное устройство по п.1, в котором пиксели в пиксельной матрице размещены с повторением согласно заранее заданному шаблону для считывания одноцветного, многоцветного или мультиспектрального света, включающего в себя видимый свет и инфракрасный свет,
заранее заданный шаблон включает в себя шаблон Байера, сотовый шаблон, одноцветный шаблон или шаблон CyYeMgX, где Х представляет любой из красного, зеленого и синего цветов.

10. Способ считывания для светочувствительного устройства, включающий в себя этапы, на которых
размещают между, по меньшей мере, некоторыми указанными пикселями в пиксельной матрице передающий затвор для соединения соседних пикселей и переноса заряда между соединенными пикселями,
считывают заряд пикселя в пиксельной матрице, причем заряд является, по меньшей мере, одним из собственного заряда упомянутого пикселя, заряда, переносимого из пикселя, соседнего с упомянутым пикселем, суперпозиции собственного заряда упомянутого пикселя и заряда, переносимого из одного или более пикселей, соседних с упомянутым пикселем, и суперпозиции зарядов переноса двух или более пикселей, соседних с упомянутым пикселем.

11. Способ считывания по п.10, в котором заряд, переносимый из пикселей, соседних с пикселем, считывается после считывания и сброса собственного заряда пикселя.

12. Способ считывания по п.10 или 11, включающий в себя процесс выборки и подвыборки, который содержит
первый процесс комбинирования для комбинирования и выборки двух соседних пикселей в пиксельной матрице, которые находятся в одной и той же строке, но в разных столбцах, в разных строках, но в одном и том же столбце или в разных строках и разных столбцах, для получения данных выборки первого комбинированного пикселя, и
второй процесс комбинирования для комбинирования и выборки данных выборки первого комбинированного пикселя, полученного в первом процессе комбинирования, для получения данных выборки второго комбинированного пикселя.

13. Способ считывания по п.12, дополнительно включающий в себя третий процесс комбинирования для комбинирования и выборки данных выборки второго комбинированного пикселя, полученного во втором процессе комбинирования, для получения данных выборки третьего комбинированного пикселя, третий процесс комбинирования осуществляют посредством, по меньшей мере, одного из преобразования цветового пространства и окончательного масштабирования цифрового изображения, преобразование цветового пространства включает в себя преобразование из пространства RGB в пространство CyYeMgX, преобразование из пространства RGB в пространство YUV или преобразование из пространства CyYeMgX в пространство YUV, где Х представляет любой из R, G и В.

14. Способ считывания по п.12, в котором первый или второй процесс комбинирования осуществляют посредством суперпозиции зарядов пикселей одного и того же или разных цветов или усреднения сигналов пикселей разных цветов, причем пиксели разных цветов комбинируют согласно преобразованию цветового пространства.

15. Способ считывания по п.12, в котором комбинирование и выборка на основании цвета, осуществляемые в первом или втором процессе комбинирования, включают в себя комбинирование одинакового цвета, комбинирование разных цветов, гибридное комбинирование, или избирательный отказ от избыточных цветов, и, по меньшей мере, один из первого и второго процесса комбинирования не осуществляют путем комбинирования одинакового цвета.

16. Способ считывания по п.12, в котором комбинирование и выборка на основании положения, осуществляемые в первом или втором процессе комбинирования, включают в себя, по меньшей мере, одно из автоматического усреднения сигналов, выводимых непосредственно на шину, пропуска строки или пропуска столбца и выборки один за другим.

17. Способ считывания по п.12, в котором выборка всего изображения осуществляется путем последовательного считывания с последовательным сканированием или чередующегося считывания с последовательным сканированием.

18. Схема считывания светочувствительного устройства для считывания заряда пикселя в пиксельной матрице светочувствительного устройства, в которой передающий затвор для соединения соседних пикселей и переноса заряда между соединенными пикселями расположен между, по меньшей мере, некоторыми указанными пикселями в пиксельной матрице, схема считывания используется для считывания заряда пикселя в пиксельной матрице, упомянутый заряд является, по меньшей мере, одним из собственного заряда упомянутого пикселя, заряда, переносимого из пикселя, соседнего с упомянутым пикселем, суперпозиции собственного заряда упомянутого пикселя и заряда, переносимого из одного или более пикселей, соседних с упомянутым пикселем, и суперпозиции зарядов переноса двух или более пикселей, соседних с упомянутым пикселем.

19. Схема считывания по п.18, в которой схема считывания, подключенная к, по меньшей мере, некоторым указанным пикселям в пиксельной матрице, является схемой гибридного считывания как активного пикселя, так и пассивного пикселя.

20. Схема считывания по п.18 или 19, в которой на схему считывания поступает сигнал очистки или сброса пикселя.



 

Наверх