專利名稱：用于改善的動(dòng)態(tài)范圍的具有多個(gè)讀取電路路徑的圖像傳感器設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般而言,本發(fā)明涉及改善CMOS圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。更具體地 講，本發(fā)明涉及4吏用多個(gè)讀取電路路徑來改善CMOS圖像傳感器之動(dòng)態(tài) 范圍的圖像傳感器"&備和方法。
背景技術(shù)：
圖像傳感器是一類裝置，其獲取并處理光線，使其成為電子信號(hào)， 從而形成靜態(tài)的圖像或視頻。其用途已在眾多場合下普遍使用，如工業(yè) 應(yīng)用和科學(xué)應(yīng)用，包括數(shù)碼相機(jī)和手提攝像機(jī)、手握式移動(dòng)裝置、網(wǎng)絡(luò) 攝影、醫(yī)學(xué)應(yīng)用、汽車應(yīng)用、游戲和玩具、安全和監(jiān)控、模式識(shí)別以及 自動(dòng)檢測等等。用于制造圖像傳感器的技術(shù)一直在持續(xù)高速進(jìn)步。
目前有兩種主要的圖像傳感器類型電荷耦合器件(Charge-Coupled Device, "CCD")傳感器和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor, "CMOS")傳感器。 一直到最近，多數(shù)的圖像傳感 器還是CCD型。早期的CMOS傳感器具有低的靈敏度以及高的噪音水 平，這將其使用l義僅局限在少數(shù)的廉價(jià)和低分辨率的應(yīng)用場合。CMOS 技術(shù)的最近進(jìn)展，已經(jīng)能成功開發(fā)高性能的CMOS傳感器，其在纟艮多其 它應(yīng)用領(lǐng)域中正快速地取代CCD,特別是在那些速度、能耗、空間大小、 以及芯片功能是重要因素的應(yīng)用領(lǐng)域中。
在上述兩種圖^f象傳感器中，采集光線的光位都是形成在襯底上，并 排列成二維陣列。光位(photosite)，通常稱為圖像元件或者"像素"，能 將入射光線轉(zhuǎn)換成電荷。像素的數(shù)量、空間尺寸和間隔決定了傳感器所 生成的圖像的分辨率。通常，現(xiàn)代的圖像傳感器包括以像素陣列排列的數(shù)百萬的像素，以便提供高分辨率的圖像。
通常，像素陣列中的每個(gè)像素所蓄積的電荷由"讀取電路"讀取出來， 在此,其以像素陣列中的被讀取像素的次序?yàn)閊 出,轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像樣本。
讀取電路可以包括下述的組合放大器、采樣和保持電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、 以及其它將二維電荷轉(zhuǎn)換成為數(shù)字圖像樣本的電路元件。數(shù)字圖像樣本 可在圖像信號(hào)處理器("ISP")或者其它數(shù)字信號(hào)處理器("DSP")中進(jìn) 行進(jìn)一步處理，生成數(shù)字圖像輸出。
有多種方法可用來選擇通過讀取電路對(duì)像素陣列中的像素進(jìn)行讀取 的次序。例如，陣列中的像素可以單獨(dú)讀取并順序處理?；蛘?， 一行中 的像素可以同時(shí)讀取，并且每列都被讀取電路平行處理。處理過的信號(hào) 儲(chǔ)存在線存儲(chǔ)器(line memory)中，隨后被順序讀取。在該情況下，因 為每個(gè)讀取電if各一次處理一行，其頻率和能量需求得以顯著降低。在大 多數(shù)的CMOS圖像傳感器器件中采用該平行方法。
圖1所示為采用該平行方式的CMOS圖像傳感器器件的一個(gè)示例。 CMOS圖像傳感器器件100包括像素陣列105,其具有排列成行線和列 線二維模式的若干個(gè)像素。CMOS圖像傳感器器件100由控制器110操 作，其控制從像素陣列105中選擇出被讀取的像素。 一行中的所有像素 被多個(gè)列讀取電路115同時(shí)關(guān)閉并平行讀取。行線上的像素被行選擇器 電路120選擇并激活，以響應(yīng)來自控制器110的控制信號(hào)。行選擇器電 路120在選擇的行線上施加驅(qū)動(dòng)電壓,激活該選擇的線中的像素。隨后， 所選擇的線中的像素被列讀取電路115讀取出來，以響應(yīng)來自控制器110 的控制信號(hào)。
每個(gè)列線連接到一個(gè)列讀取電路。列讀取電路又連接到像素輸出站 125。像素輸出站125獲取被列讀取電路115讀取的電荷，并將它們轉(zhuǎn)換 成數(shù)字圖像樣本。隨后，這些樣本在處理器130中進(jìn)行處理，以生成數(shù)字圖 像輸出135。
圖2表示了連接到輸出站125的列讀取電路115的一個(gè)示例。列讀取電路115a-b包括列放大器205a-b，其用于放大分別從列線215a中的 像素210a讀取的電荷以及從列線215b中的像素210b讀取的電荷。列讀
線215a-b,也稱為"位線"，給定列中的所有像素均連接到該線上，而且 每個(gè)像素的電荷都從該線上被讀取。
電荷輸入到像素輸出站125中，像素輸出站125包括用于進(jìn)一步放 大電荷的第二站或整體放大器225、以及用于將電荷轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像樣 本的模數(shù)轉(zhuǎn)換器230。
如圖3所示，像素陣列105中的典型像素可以包括光電檢測器以及 其后的四晶體管("4T")結(jié)構(gòu)。像素300包括光電檢測器305，其后跟隨 有傳輸晶體管310、復(fù)位晶體管315、源跟隨晶體管(source follower transistor) 320、以及行選擇晶體管325。光電檢測器305將入射光線轉(zhuǎn) 換為電荷。當(dāng)傳輸晶體管310被傳輸門控制信號(hào)"TX"觸發(fā)時(shí)，電荷經(jīng)過 傳輸晶體管310被浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域(floating diffusion region) 330接收。復(fù) 位晶體管315連接在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域330以及電源電壓線335之間。復(fù)位 控制信號(hào)"RST"用來觸發(fā)復(fù)位晶體管310，從而在從光電檢測器305傳輸 電荷之前，將浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域330復(fù)位到電源電壓線355的電源電壓Vcc。
源跟隨晶體管320連接到位于電源電壓線335和行選擇晶體管325 之間的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域330。源跟隨晶體管320將儲(chǔ)存在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域330 處的電荷轉(zhuǎn)換為輸出電壓"V。ut"。行選擇晶體管325由行選擇信號(hào)控制 "RS"控制，選擇性地將源跟隨晶體管320以及它的輸出電壓V。ut連接到 像素陣列的列線340。
引入圖3所示的4T結(jié)構(gòu)，是為了提高CMOS圖像傳感器器件所生 成圖像的整體品質(zhì)。CMOS圖像傳感器器件的圖像品質(zhì)取決于許多因數(shù)， 如傳感器中的電路所引入的噪聲源以及這類電路可獲得的動(dòng)態(tài)范圍。噪 聲源包括固定圖形噪聲(fixed pattern noise, "FPN")和列讀取電路所引 起的讀取噪聲、復(fù)位晶體管所引起的復(fù)位噪聲、光電檢測器所引起的光子散射噪聲(photon shot noise )、以及其它的噪聲源，如暗電流噪聲和熱 噪聲。
采用專門的列放大器或者執(zhí)行平場改正(flat field correction )，可以 顯著減少或消除FPN。例如，美國專利第6,128,039號(hào)揭示了采用開關(guān)電 容放大器(switching capacitor amplifier)用于高FPN的降低的列放大器。 在列讀取電路的采樣和保持電路站，使用被稱為關(guān)聯(lián)雙采樣(Correlated Double Sampling, "CDS")的技術(shù)，也可以消除復(fù)位噪聲。在復(fù)位晶體 管的復(fù)位期間和源跟隨晶體管處的輸出電壓的傳輸期間，CDS對(duì)列線處 的電壓輸出采樣兩次。樣本彼此相減，從而消除復(fù)位噪聲。其它形式的 噪聲，如光子散射噪聲、暗電流噪聲、以及熱噪聲，則更難;故消除。
已經(jīng)提出了一些方法來改善CMOS圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。動(dòng)態(tài)范 圍定義為最大的與最小的可檢測亮度信號(hào)的比值。在低光照條件下以及 為了獲取大多數(shù)真實(shí)情景中的亮度變化范圍較大的圖像，高動(dòng)態(tài)范圍是 所期望的。隨著傳感器動(dòng)態(tài)范圍的增大，同時(shí)記錄圖像中最暗和最亮亮 度的能力得以改善。
圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍通常用灰度大小、分貝或位(bits)來表示。 具有較高信噪比的圖像傳感器，會(huì)產(chǎn)生較高的動(dòng)態(tài)范圍值(更大的分貝 或位)。此外，采用高位元深度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADCs)的圖像傳感器，也 會(huì)產(chǎn)生較高的動(dòng)態(tài)范圍值。例如，12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)應(yīng)于比4,000灰度 略高或者72分貝(dBs)，而10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器只能轉(zhuǎn)換用于60分貝動(dòng)態(tài) 范圍的1，000灰度。
改善CMOS圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍的努力已經(jīng)聚焦于設(shè)計(jì)改良的像素 單元、列放大器或讀取電路。目前已知的有，采用高位元深度模數(shù)轉(zhuǎn)換 器的CMOS圖像傳感器器件，如14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，但是與對(duì)等的電荷 耦合器件相比，這些裝置趨于昂貴，需要更為復(fù)雜的列讀取電路，并且 消耗顯著高的動(dòng)力和半導(dǎo)體芯片面積。
因此，期望提供一種CMOS圖像傳感器設(shè)備，其提供改善的動(dòng)態(tài)范圍和更好的噪聲降低，但不需要昂貴的、高動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的列讀取電路。特
別地，期望提供一種CMOS圖像傳感器設(shè)備，其能夠模仿(emulating) 高位元深度模數(shù)轉(zhuǎn)換器的高動(dòng)態(tài)范圍，但沒有復(fù)雜的列讀取電路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了 一種圖像傳感器設(shè)備，其包括在第 一位元深度生成第 一和第二組數(shù)字圖像樣本的圖像傳感器，每組數(shù)字圖4象樣本由不同的列 讀取電路路徑生成。處理器將第一和第二組數(shù)字圖像樣本結(jié)合，而在第 二位元深度生成數(shù)字圖像，第二位元深度比第一位元深度高。
本發(fā)明的一實(shí)施方式包括用于模仿第一位元深度模數(shù)轉(zhuǎn)換器所得之 動(dòng)態(tài)范圍的圖像傳感器設(shè)備。該圖像傳感器設(shè)備包括排列成多個(gè)行線和 列線的像素陣列。多個(gè)第一和第二列讀取電路平行連接到多個(gè)列線，每 個(gè)第一列讀取電路連接到第一輸出站，而每個(gè)第二列讀取電路鏈接到第 二輸出站；第一和第二輸出站在第二位元深度處生成數(shù)字圖像樣本。處 理器連接到第一和第二輸出站，以接收數(shù)字圖像樣本，并從該數(shù)字圖像 樣本生成第一位元深度的數(shù)字圖像輸出。
本發(fā)明的另一實(shí)施方式包括一種用CMOS圖像傳感器提供高動(dòng)態(tài)范 圍數(shù)字圖像的方法。排列成多個(gè)行線和列線的像素陣列從入射光線生成 電荷。平行連接到多個(gè)列線的多個(gè)第一和第二列讀取電路從像素陣列讀 取電荷，第一和第二列讀取電路具有不同的放大響應(yīng)。第一和第二輸出 站將該電荷轉(zhuǎn)換成第一位元深度的數(shù)字圖像樣本，其中，第一輸出站連 接到多個(gè)第一列讀取電路，第二輸出站連接到多個(gè)第二列讀取電路。處 理該數(shù)字圖像樣本，從而在第二位元深度處生成數(shù)字圖像輸出。
本發(fā)明的再一實(shí)施方式包括一種用于生成數(shù)字圖像輸出的圖像傳感 器設(shè)備，該圖像傳感器設(shè)備包括圖像傳感器，其釆用具有不同放大響應(yīng) 的第 一和第二列讀取電路路徑在第 一位元深度處生成數(shù)字圖像樣本，其 中，第一位元深度比數(shù)字圖像輸出的第二位元深度小。


下面，結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)地描述，以便更充分地理解本發(fā)明，其中，
相同的附圖標(biāo)記表示相同的部分
圖1顯示了一種現(xiàn)有技術(shù)的CMOS圖像傳感器設(shè)備；
圖2顯示了與圖1所示CMOS圖像傳感器設(shè)備一起使用的現(xiàn)有技術(shù)
列讀取電路和輸出站；
圖3顯示了與圖1所示CMOS圖像傳感器設(shè)備一起使用的現(xiàn)有技術(shù)
像素；
圖4顯示了依照本發(fā)明一實(shí)施方式制造的CMOS圖像傳感器設(shè)備； 圖5是圖4所示CMOS圖像傳感器設(shè)備的較為詳細(xì)的圖； 圖6是圖4所示CMOS圖像傳感器設(shè)備的更為詳細(xì)的圖； 圖7顯示了與圖4所示CMOS圖像傳感器設(shè)備一起使用的采樣和保 持電^各；以及
圖8是一種CMOS圖像傳感器設(shè)備的視圖，其包括圖7所示的采樣 和保持電路并依照本發(fā)明的 一 實(shí)施方式制造。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了 一種可生成高動(dòng)態(tài)范圍數(shù)字圖像的圖像傳感器設(shè)備。 此處如通常使用的，圖像傳感器可以是一種器件或電路，其包括獲取光 學(xué)圖像并將其處理成電子信號(hào)的像素陣列。通常，電子信號(hào)可由讀取電 路讀取，由讀取電路隨后的輸出站轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像樣本，并由圖像信號(hào) 處理器("ISP")或其它能夠?qū)?shù)字圖像樣本處理成為數(shù)字圖像或視頻的 器件或電路來處理。
讀取電路可以是任何能夠讀取被圖像傳感器中像素蓄積的電荷的電
字圖像樣本的模數(shù)轉(zhuǎn)換器("ADCs" )。 ISP可包括用于處理數(shù)字圖像樣本 以生成數(shù)字圖像輸出的各種不同的可執(zhí)行程序。圖4顯示的是依照本發(fā)明一實(shí)施方式制造的圖像傳感器設(shè)備。圖像 傳感器設(shè)備400包括由按二維模式排列成行線和列線的多個(gè)像素所組成 的像素陣列405。像素陣列405中的每個(gè)像素接收入射光線，并將其轉(zhuǎn) 換成與入射光線所獲取的圖像信息相對(duì)應(yīng)的電荷。
可以理解，像素陣列405中的像素可以是如圖3所示的具有四個(gè)晶 體管構(gòu)造的像素。也可以理解，每個(gè)像素可以包括行選擇"RS"控制信號(hào) 輸入，以指示在任意給定時(shí)間所選擇的進(jìn)行讀取的行。
在一示范實(shí)施方式中， 一行的每個(gè)像素中蓄積的電荷被一次平行讀 取。在該示范實(shí)施方式中，給定行的所有像素被多個(gè)列讀取電路平行讀 取，其中，每個(gè)列讀取電路讀取給定列線的像素中蓄積的電荷。
例如，積聚在列線410的每個(gè)像素415中的電荷被第一列讀取電路 420和第二列讀取電路425讀取。從下面更詳細(xì)的顯示中可知，第一和 第二列讀取電路420-425包括將電荷轉(zhuǎn)換成為一組模擬樣本的采樣和保 持電路。該采樣和保持電路可以連接到一個(gè)或多個(gè)控制信號(hào)，該信號(hào)指 示在任意選定時(shí)間所選擇進(jìn)行讀取的列。例如，控制信號(hào)可以是由CMOS 圖像傳感器設(shè)備400中的控制器(圖未示)所生成的?？梢岳斫猓袼?陣列405中的每個(gè)列線可以連接到一組第一和第二列讀取電路，其等同 于(即具有相同的電路元件)連接到列線410的第一和第二列讀取電路 420-425。
第一和第二列讀取電路420-425分別連接到第一輸出站430和第二 輸出站435。第一列讀取電路420和第一輸出站430形成第一讀取電路 路徑445。同樣地，第二列讀取電路425和第二輸出站435形成第二讀 取電路路徑450。
第一和第二輸出站430-435將第一和第二列讀取電路420-425生成的 模擬圖像樣本轉(zhuǎn)換為 一組數(shù)字圖像樣本。第 一輸出站430將第 一列讀取 電路420生成的模擬圖像樣本轉(zhuǎn)換為第一組數(shù)字圖像樣本，而第二輸出 站435將第二列讀取電路425生成的模擬圖像樣本轉(zhuǎn)換為第二組數(shù)字圖像樣本。
在一示范實(shí)施方式中，在模數(shù)轉(zhuǎn)換之前，輸出站430-435還放大由 第一和第二列讀取電路420-425所生成的模擬圖像樣本?？梢岳斫?，單 個(gè)第一輸出站430和單個(gè)第二輸出站435，連接到在CMOS圖像傳感器 設(shè)備400中讀取蓄積在像素陣列405之像素中電荷的所有列讀取電路。 還可以理解，第一和第二輸出站430-435每個(gè)均一次接收與單個(gè)像素相 對(duì)應(yīng)的一組模擬圖像樣本，從而響應(yīng)控制信號(hào)指示，選擇出所要讀取的 行和列，這在下文中將詳細(xì)描述。
依照本發(fā)明的一示范實(shí)施方式，第一和第二輸出站430-435利用具 有第一位元深度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，例如采用IO位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將第一和第 二列讀取電路420-425所生成的模擬圖像樣本，轉(zhuǎn)換為第一和第二組數(shù) 字圖像樣本。
第一和第二輸出站430-435所生成的第一和第二組數(shù)字圖像樣本， 經(jīng)由處理器440處理，生成數(shù)字圖像輸出?？梢岳斫猓谝缓偷诙M數(shù) 字圖像樣本與蓄積在單個(gè)像素中的電荷相對(duì)應(yīng)。這樣，第一和第二組數(shù) 字圖像樣本是相等同的，且表示了冗余信息。
處理器440可包括將數(shù)字圖像樣本處理為數(shù)字圖像輸出的ISP或 DSP。在該示范實(shí)施方式中，處理器440是具有第二位元深度的處理器， 例如14位ISP。第二位元深度可以至少等于或大于第一位元深度。
處理器440可包括用于結(jié)合第一位元深度之?dāng)?shù)字圖像樣本、從而生 成具有第二位元深度之?dāng)?shù)字圖像輸出的程序。例如，處理器440可以包 括用于將輸出站430生成的第一組數(shù)字圖^f象樣本與輸出站435生成的第 二組數(shù)字圖像樣本進(jìn)行平均的程序。其它的程序可用來結(jié)合第一和第二 組數(shù)字圖像樣本，形成數(shù)字圖像輸出。
可以理解，采用第一位元深度之兩個(gè)冗余組的數(shù)字圖像樣本，生成 第二位元深度之?dāng)?shù)字圖像輸出，改善了 CMOS圖像傳感器設(shè)備400的動(dòng) 態(tài)范圍，但與第二位元深度之?dāng)?shù)字圖像輸出所需要的傳統(tǒng)電路相比，卻可以使用更為簡單和便宜的電路。例如，可以獲得第二位元深度之?dāng)?shù)字 圖像輸出，而不需要采用具有第二位元深度以及其相關(guān)的更為復(fù)雜昂貴 的列讀取電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
在一示范實(shí)施方式中，釆用兩個(gè)IO位模數(shù)轉(zhuǎn)換器可獲得14位動(dòng)態(tài) 范圍，其中， 一個(gè)10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器在第一輸出站430中，而另一個(gè)在第 二輸出站435中。可以理解，使用兩個(gè)IO位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，明顯比使用單 獨(dú)的14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器更節(jié)省，因?yàn)椴恍枰捎皿{位元深度模數(shù)轉(zhuǎn)換器通 常所需要的復(fù)雜的校準(zhǔn)程序。
這樣，通過使用低位元深度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，CMOS圖像傳感器設(shè)備400 能夠仿真高位元深度模數(shù)轉(zhuǎn)換器所能獲得的高動(dòng)態(tài)范圍?？梢岳斫猓?果與CMOS圖像傳感器一起使用的當(dāng)前模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有至少14位深度， 則可以認(rèn)為具有高位元深度。也可以理解，也可以使用具有其它位元深 度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和處理器，例如高于14位，而不偏離本發(fā)明的原則和實(shí) 施方式。
圖5是CMOS圖像傳感器設(shè)備400較為詳細(xì)的圖。其中，第一列讀 取電路420包括用于放大積聚在列線410之每個(gè)像素415中電荷的列放 大器500以及用于將放大的電荷轉(zhuǎn)換成為第一組模擬圖像樣本的采樣和 保持電路505。第二列讀取電路425不包括列放大器，其將積聚在列線 410之每個(gè)像素415中的電荷讀取而直接進(jìn)入采樣和保持電路510中。 可以理解，第一列讀取電路420中的釆樣和保持電路505以及第二列讀 取電路425中的釆樣和保持電路510可以是等同的，即包括相同的電路 元件。
也可以理解，在第一列讀取電路420中使用列放大器500而在第二 列讀取電路425中不使用，可以在CMOS圖像傳感器設(shè)備400中提供具 有不同的放大響應(yīng)的兩個(gè)信號(hào)路徑。第一列讀取電路420連同輸出站430 一起，可以用來提供第一列讀取電路路徑445;而第二列讀取電路425 連同輸出站435 —起，可以用來提供第二列讀取電^各路徑450。第一列讀取電路路徑445可以是"亮"信號(hào)路徑，因?yàn)榱蟹糯笃?00 放大積聚在列線410之像素415中的電荷，從而獲得更高更亮的亮度， 并獲得較高的動(dòng)態(tài)范圍。沒有列放大器的第二列讀取電路路徑450可以 是"暗"信號(hào)路徑，從而獲得較低較暗的亮度，并且也對(duì)CMOS圖像傳感 器設(shè)備400的較高動(dòng)態(tài)范圍有益。
可以理解，第二列讀取電路425也可以包括列放大器，從而進(jìn)一步 提高CMOS圖像傳感器設(shè)備400的動(dòng)態(tài)范圍。進(jìn)而，可以理解，列讀取 電路420中的列放大器500可以是特別設(shè)計(jì)的列放大器，以獲得更高的 動(dòng)態(tài)范圍。
也可以理解，第一和第二列讀取電路路徑445-450可以設(shè)計(jì)成提供 給定的放大響應(yīng)，以獲得期望的動(dòng)態(tài)范圍。例如，第一列讀取電路路徑 445可以設(shè)計(jì)為具有一個(gè)放大響應(yīng)，以獲取所期望的亮度值。相反，第 二列讀取電路450可以設(shè)計(jì)為具有如此的放大響應(yīng)，以獲取所期望的暗 度值。 一般來說，采用具有"n"位位元深度的兩個(gè)列讀取電路路徑，其中 一個(gè)列讀取電路路徑提供"2"'增益的放大響應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生"n+k"動(dòng)態(tài)范圍。 因此，可以理解，CMOS圖像傳感器設(shè)備400可以設(shè)計(jì)為具有這樣的位 元深度和列讀取電路路徑，其具有期望的放大響應(yīng)，以獲得給定的動(dòng)態(tài) 范圍。
第一和第二輸出站430-435包括整體》文大器(global amplifier),從 而為積聚在列線410之像素415中的電荷提供進(jìn)一步的放大，而且也改 善CMOS圖像傳感器設(shè)備400的動(dòng)態(tài)范圍。第一輸出站430包括整體放 大器510，而第二輸出站435包括整體放大器520。整體放大器510和整 體放大器520依次分別連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器515和525。模數(shù)轉(zhuǎn)換器515 和525可以是具有第一位元深度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
可以理解，整體放大器510和整體放大器520可以是等同的，也就 是包括相同的電路元件L也可以理解，模數(shù)轉(zhuǎn)換器515和525可以是等 同的，而不脫離本發(fā)明的原則和實(shí)施方式。圖6是圖5所示的CMOS圖像傳感器設(shè)備400的更加詳細(xì)的圖。 CMOS圖<象傳感器設(shè)備400的像素陣列405表示為具有兩個(gè)列線，即列 線410和列線600。像素陣列405的每個(gè)列線包括連接到其上的一組第 一和第二列讀取電路。列線410連接到第一列讀取電路420和第二列讀 取電路425。列線600連接到第一列讀取電路610和第二列讀取電路615。
類似于第一列讀取電路420,第一列讀取電路610也包括列放大器 620以及釆樣和保持電路625。類似于第二列讀取電路425,第二列讀取 電路615也包括直接連接到列線的采樣和保持電路630。可以理解，列 放大器500和620可以是等同的。也可以理解，采樣和保持電路505、 510、 625以及630也可以是等同的。
第一列讀取電路420和610兩者均選擇性地連接到第一輸出站430。 相反，第二列讀取電路425和615兩者均選擇性地連接到第二輸出站425 。 控制信號(hào)輸入到采樣和保持電路505、 510、 625和630，指示出所選擇 的像素陣列405的列，以便由第一和第二輸出站430-435在給定時(shí)間進(jìn) 行處理。
圖7顯示了與圖4 CMOS圖像傳感器設(shè)備400 —起使用的采樣和保 持電路。采樣和保持電路700包括第一組晶體管705和710以及第二組 晶體管715和720。第一組晶體管705和710由控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)，該控制 信號(hào)指示使用在水平(即，行)掃描像素陣列405中的水平消隱間隔 ("HBLK")。第二組晶體管715-720由指示選擇要讀取的列的控制信號(hào) 驅(qū)動(dòng)("CS")。
電容器"C肌K"725保持蓄積在像素陣列400的像素中的電荷并讀取電 荷進(jìn)入進(jìn)入晶體管705。電容器"C恥"保持蓄積在像素陣列400中的電荷 并讀取進(jìn)入晶體管715。電容器730保持的電荷隨后被釋放給晶體管 715-720，從而生成與電荷相對(duì)應(yīng)的一組模擬圖像樣本。
可以理解，電容器725-730需要具有這樣的尺寸，從而僅支持輸出 站430-435中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器所采用的第一位元深度，輸出站430-435設(shè)置在第一和第二列讀取電路420-425之后。電容器725-730可以比用于支持 處理器440的第二位元深度的電容器小。
因此，CMOS圖像傳感器設(shè)備400通過采用比支持第二位元深度之 所需傳統(tǒng)電容器的尺寸小得多的電容器，能夠提供第二位元深度的較高 動(dòng)態(tài)范圍。這同樣進(jìn)一步節(jié)省了獲得較高動(dòng)態(tài)范圍的電路制造和復(fù)雜性 成本。
也可以理解，采樣和保持電路700是關(guān)聯(lián)雙采樣器。在晶體管715 獲得的第一組模擬圖像樣本，與像素陣列705的每個(gè)像素中的復(fù)位晶體 管的復(fù)位期間所讀取的圖像樣本相對(duì)應(yīng)。在晶體管720獲得的第二組模 擬圖像樣本，與在復(fù)位期間之后所讀取的圖像樣本相對(duì)應(yīng)。隨后，第一 和第二組模擬圖像樣本在后續(xù)的輸出站彼此相減，從而消除CMOS圖像 傳感器設(shè)備400中的復(fù)位噪聲。
圖8是CMOS圖像傳感器設(shè)備400的另一詳細(xì)視圖。CMOS圖像傳 感器設(shè)備400表示為具有連接到像素805的列線800。第一列讀取電路 420包括依照在圖7所示之示范實(shí)施方式設(shè)計(jì)的列放大器810以及采樣 和保持電路815。第二列讀取電路415包括同樣依照圖7所示之示范實(shí) 施方式設(shè)計(jì)的采樣和保持電路820。
連接到第一列讀取電路420的第一輸出站430包括整體放大器825 和具有第一位元深度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器830。連接到第二列讀取電路425的 第二輸出站435包括整體放大器835和具有第一位元深度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 840。第一和第二輸出站430-435連接到處理器440，生成數(shù)字圖像輸出。
可以理解，釆樣和保持電路815-820可以是等同的。也可以理解， 整體放大器825和835也可以是等同的。在一個(gè)示范實(shí)施方式中，采樣 和保持電路815-820可以是關(guān)聯(lián)雙采樣器，并且整體放大器825和835 可以是差分電路放大器(differential amplifier),以便將關(guān)聯(lián)雙采樣器所 生成的第一和第二模擬圖像樣本組相減。進(jìn)一步，可以理解模數(shù)轉(zhuǎn)換器 830和840也可以是等同的。如上面的詳細(xì)描述，可以理解，第一和第二輸出站可連接到多個(gè)第
一和第二列讀取電路，每個(gè)第一和第二列讀取電路連接到像素陣列405 的給定列線。也可以理解，像素陣列405的每個(gè)像素中的"RS"(行選擇) 控制信號(hào)以及列讀取電路的每個(gè)釆樣和保持電路中的"CS"(列選擇)控 制信號(hào)，指示輸出站430-435在給定的時(shí)間讀取給定行和列中的哪個(gè)像 素。
有利的是，盡管采用更簡單和更便宜的電路元件，CMOS圖像傳感 器設(shè)備400仍能生成具有高動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)字圖像輸出。例如，當(dāng)僅采用 10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及包括有支持10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電容器尺寸的采樣 和保持電路時(shí)，CMOS圖像傳感器設(shè)備400可以獲得14位動(dòng)態(tài)范圍。這 使目前存在于CMOS和CCD圖像傳感器之間的動(dòng)態(tài)范圍差別，能夠顯 著減小，因?yàn)镃MOS圖像傳感器設(shè)備400能提供高動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)字圖像， 而設(shè)計(jì)和制造成本類似于或者優(yōu)于CCD圖像傳感器類似物。
為了說明的目的，前面的描述采用了特定的術(shù)語，以便充分理解本 發(fā)明。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然知道，特定的細(xì)節(jié)不是實(shí)施本發(fā)明所 必需的。因此，上述對(duì)本發(fā)明特定實(shí)施方式的描述只是為了示范和描述 目的。它們并非是窮盡式的描述，或者是將本發(fā)明限制為所述的精確形 式；顯然，基于上述的啟示，很多改進(jìn)和變化都是可能的。選擇并描述 這些實(shí)施方式是為了最好地解釋本發(fā)明的原則和其實(shí)際應(yīng)用，以便使本 領(lǐng)域的其它4支術(shù)人員能夠來最好地利用本發(fā)明，而具有各種改進(jìn)的各種 實(shí)施方式，可以適合于特定的預(yù)期用途。下述的權(quán)利要求和其等同物旨 在定義本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1、一種圖像傳感器設(shè)備，其包括圖像傳感器，其在第一位元深度生成第一和第二組數(shù)字圖像樣本，每組數(shù)字圖像樣本是由不同的列讀取電路路徑生成的；以及處理器，其用于結(jié)合第一和第二組數(shù)字圖像樣本，從而在第二位元深度生成數(shù)字圖像，該第二位元深度比所述第一位元深度高。
2、 如權(quán)利要求1所述的圖像傳感器設(shè)備，其中，所述的圖像傳感器包括排列成多個(gè)行線和列線的像素陣列；平行連接到多個(gè)列線的多個(gè)第一和第二列讀取電路，每個(gè)第一列讀取電路位于笫一列讀取電路路徑中，而每個(gè)第二列讀取電路位于第二列讀取電路3各徑中；連接到所述第一列讀取電路的第一輸出站；以及連接到所述第二列讀取電路的第二輸出站。
3、 如權(quán)利要求2所述的圖像傳感器設(shè)備，其中，所述的第一和第二列讀取電路路徑具有不同的放大響應(yīng)。
4、 如權(quán)利要求2所述的圖像傳感器設(shè)備，其中，所述的多個(gè)第一列讀取電路包括列放大器以及釆樣和保持電路。
5、 如權(quán)利要求4所述的圖像傳感器設(shè)備，其中，所迷的多個(gè)第二列讀取電路包括采樣和保持電路。
6、 如權(quán)利要求5所述的圖像傳感器設(shè)備，其中，所述的釆樣和保持電路包括尺寸適于支持第一位元深度的一組電容器。
7、 如權(quán)利要求2所述的圖像傳感器設(shè)備，其中，所述的第一和第二輸出站包括整體放大器以及具有第 一位元深度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
8、 如權(quán)利要求7所述的圖像傳感器設(shè)備，其中，所述的整體放大器包括差分電路放大器。
9、 如權(quán)利要求1所述的圖4象傳感器設(shè)備，其中，所述的處理器包括用于將第一和第二組數(shù)字圖像樣本進(jìn)行平均、從而生成數(shù)字圖像的可執(zhí)行程序。
10、 一種能夠仿真第 一位元深度模數(shù)轉(zhuǎn)換器所獲得之動(dòng)態(tài)范圍的圖像傳感器設(shè)備，其包括排列成多個(gè)行線和列線的像素陣列；平行連接到多個(gè)列線的多個(gè)第一和第二列讀取電路，其中，每個(gè)第一列讀取電路連接到第 一輸出站，而每個(gè)第二列讀取電路連接到第二輸出站，所述第一和第二輸出站在第二位元深度生成^:字圖像樣本；以及處理器，其連接到所述第一和第二輸出站、以接收所述第二位元深度之?dāng)?shù)字圖像樣本，并從該數(shù)字圖像樣本生成第一位元深度的數(shù)字圖像輸出。
11、 如權(quán)利要求IO所述的圖像傳感器設(shè)備，其中，所述的多個(gè)第一列讀取電路包括列放大器以及第一采樣和保持電路。
12、 如權(quán)利要求11所述的圖像傳感器設(shè)備，其中，所述的多個(gè)第二列讀取電路包括第二采樣和保持電路。
13、 如權(quán)利要求12所述的圖像傳感器設(shè)備，其中，所述的第一和第二采樣和保持電路包括關(guān)聯(lián)雙采樣器。
14、 如權(quán)利要求13所述的圖像傳感器設(shè)備，其中，所述的第一和第二采樣和保持電路包括尺寸適于支持第二位元深度的一組電容器。
15、 如權(quán)利要求14所述的圖像傳感器設(shè)備，其中，所述的第二采樣和保持電路等同于所述的第一釆樣和保持電路。
16、 如權(quán)利要求10所述的圖像傳感器設(shè)備，其中，所述的第一和第二輸出站包括整體放大器以及具有第二位元深度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
17、 如權(quán)利要求16所述的圖像傳感器設(shè)備，其中，所述的整體放大器包括差分電路放大器。
18、 如權(quán)利要求IO所述的圖像傳感器設(shè)備，其中，所述的像素陣列包括多個(gè)像素，每個(gè)像素具有四個(gè)晶體管。
19、 如權(quán)利要求IO所述的圖像傳感器設(shè)備，其中，所述的第一位元深度比所述的第二位元深度高。
20、 一種用CMOS圖像傳感器提供高動(dòng)態(tài)范圍數(shù)字圖像的方法，包括用排列成多個(gè)行線和列線的像素陣列從入射光線生成電荷；用平行連接到多個(gè)列線的多個(gè)第一和第二列讀取電路從像素陣列讀取電荷，所述的第一和第二列讀取電路具有不同的放大響應(yīng)；用第一和第二輸出站將電荷轉(zhuǎn)換成第 一位元深度的數(shù)字圖像樣本，其中，所述第一輸出站連接到所述多個(gè)第一列讀取電路，而所述第二輸出站連接到所述多個(gè)第二列讀取電路；以及處理所述數(shù)字圖像樣本，以在第二位元深度生成數(shù)字圖像輸出。
21、 如權(quán)利要求20所述的方法，其中，讀取電荷包括用列放大器放 大電荷以及用采樣和保持電路生成模擬圖像樣本。
22、 如權(quán)利要求21所述的方法，其中，將電荷轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像樣本 包括用具有第 一位元深度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器把模擬圖像樣本轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像 樣本。
23、 如權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述的第二位元深度比所述 的第一位元深度高。
24、 一種生成數(shù)字圖像輸出的圖像傳感器設(shè)備，該圖像傳感器設(shè)備 包括圖像傳感器，該圖像傳感采用具有不同放大響應(yīng)的第一和第二列讀 取電路路徑在第一位元深度生成數(shù)字圖像樣本，其中，所述的第一位元 深度比數(shù)字圖像輸出的第二位元深度小。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種圖像傳感器設(shè)備，其包括用于生成具有高動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)字圖像的圖像傳感器。該圖像傳感器設(shè)備包括在第一位元深度生成第一和第二組數(shù)字圖像樣本的圖像傳感器，每組數(shù)字圖像樣本由不同的列讀取電路路徑生成。處理器結(jié)合第一和第二組數(shù)字圖像樣本，從而在第二位元深度生成數(shù)字圖像；其中，第二位元深度比第一位元深度高。
文檔編號(hào)H04N5/217GK101534376SQ20081014901
公開日2009年9月16日 申請日期2008年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月14日
發(fā)明者戴鐵君 申請人:豪威科技有限公司