專利名稱：采用具有錯位像素的多個芯片的掃描成像器的制作方法
采用具有錯位像素的多個芯片的掃描成像器
背景技術：
本發(fā)明涉及固態(tài)成像器和圖像捕捉系統(tǒng)，并且具體來說針對兩個 或更多像素系列的偏移或錯位布置的像素的改進配置。更具體來說，
本發(fā)明涉及允許兩個或更多成像器芯片端對端對接(butted)的配置，并 且這避免逐個芯片不合需要的增益變化。本發(fā)明理想地使用低功率 CMOS成像器技術和偏移像素系列并且采用伴隨的(attendant)過濾器 和微透鏡來執(zhí)行。
固態(tài)圖像傳感器被用于各種應用，并且在追求這類應用的低成本、 高分辨率、高可靠性圖像傳感器方面已有極大的關注。CMOS成像器 技術由于僅要求單電源電壓、其耐久性及其固有的低功耗而是有利的。 在實現(xiàn)極高的分辨率方面還有極大的關注，這需要增加的像素密度。
掃描系統(tǒng)用于各種圖像捕捉應用，例如web審查和文檔復印及存 檔。按常規(guī)，這種類型的掃描器利用了接觸圖像傳感器(CIS^莫塊或者 CCD來捕沖足圖像信息。在這類掃描系統(tǒng)中，CCD成像器的大小限制到 僅為被掃描對象(例如照片或文本)的寬度的一小部分。這種大小限制 由于通過大距離、即通過相當于頁寬度的距離的電荷轉(zhuǎn)移困難而產(chǎn)生。 這要求對文檔的圖像進行聚焦，以便將它縮小到成像器的大小。雖然 可能希望端對端連接多個CCD成像器以便有效創(chuàng)建單個長圖像捕捉 裝置，但是存在許多缺點使它不實用。
圖1示出采用CCD固態(tài)成像器12的現(xiàn)有技術掃描器布置或掃描 系統(tǒng)10。聚焦透鏡系統(tǒng)14安置成將要掃描的對象(例如一頁文本16) 的縮小圖像聚焦到CCD成像器12上。反射鏡(這里未示出)可采用許 多實用掃描器布置。輸出緩沖器18與CCD成像器12耦合，并且經(jīng)由 軟電纜用于驅(qū)動專用集成電路(ASIC)22。輸入緩沖器20也與CCD成像器12耦合，并且用于將經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)數(shù)字化的所捕捉圖像 數(shù)據(jù)與主計算機、網(wǎng)絡或者例如打印機或調(diào)制解調(diào)器、或者一些情況
下的具有圖像處理功能、電機控制、光控制、送紙器和用戶接口 ASIC 裝置的多功能外設(MFP)的所有或某個部分等其它外圍裝置接口 。臺式 系統(tǒng)還包含電動機和光源，以便在要掃描的文檔16下方移動成像器。 可采用例如熒光管和LED等各種不同的光源以及例如步進電動機和 同步電動機等各種不同的驅(qū)動電動機。這些是眾所周知的并且在這里 未示出，但將會理解為包含在掃描器系統(tǒng)中。CCD成像器具有許多缺
功耗和將其它功能集成到像素陣列上的嚴格限制能力。另外，在CCD 成像器中，像素必須以固定序列讀出，這不準許忽略像素信息。
常規(guī)的基于CIS的掃描系統(tǒng)30如圖2所示。在這個系統(tǒng)中，存在 端對端連接的多個CIS模塊32(1)至32(N)。 CIS模塊32(1)-32(N)定位 成彼此緊靠，以便構(gòu)造與所捕捉圖像同樣寬的傳感器的長毗連陣列。 光耦合器34安置成面向要掃描的對象36，并且將其圖像聚焦到CIS 模塊的陣列上。由于模塊32(1)-32(N)的陣列需要與要掃描的對象36 同樣寬，所以陣列必須非常大。拾取整個圖像而沒有對象的寬度上的 間隙或跳躍所需的CIS模塊32(1)-32(N)的準確放置使得基于CIS的系 統(tǒng)的構(gòu)造相當昂貴。各個獨立CIS傳感器也分別具有必須校正的各自 的電壓偏移，并且這又增加系統(tǒng)的復雜度。
最近已經(jīng)開發(fā)了有源列傳感器(ACS)體系結(jié)構(gòu)，如Pace等人的美 國專利No.6084229中所/>開，它準許CMOS圖像傳感器構(gòu)造為具有 等效或優(yōu)于可通過CCD或CID成像器實現(xiàn)的性能的單芯片攝像機。 ACS成像器有極低的固定沖莫式噪聲。Pace等人的專利中所/>開和說明 的原理可有利地結(jié)合到掃描應用所采用的成像器中，并且通過引用將 那個專利結(jié)合到本文中
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種固態(tài)成像器，它可用于掃描 系統(tǒng)并且避免了現(xiàn)有技術的缺點。
另一個目的是提供一種成像器，它在足以掃描文本文檔的寬度上 是經(jīng)濟且有效的。
另一個目的是改進單色或彩色成像器的有效分辨率。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，固態(tài)區(qū)域或線性成像器集成電路制作成 以兩個或更多像素系列配置的像素元素的陣列。 一個系列的像素相互 偏移，即，像素位置重疊或者錯位。將像素的系列讀出到相應輸出總 線，并且可水平地或垂直地復用輸出。這些成像器IC的兩個或更多可 端對端對接，以便創(chuàng)建寬成像器組件。在這種情況下，各IC上的輸出
總線還以使任何芯片對芯片電壓偏移(chip-to-chip voltage offset)為最'J、
的方式連4妄。
根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于捕捉圖像的系統(tǒng)采用CMOS成像系 統(tǒng)、圖像聚焦裝置以及與CMOS成像系統(tǒng)耦合的圖像控制處理系統(tǒng)。 CMOS成像系統(tǒng)具有帶有至少一個像素系列的至少一個CMOS成像 器。圖像聚焦裝置將圖像引導到至少 一個像素系列的至少 一部分上。
根據(jù)本發(fā)明的另 一個實施例的一種用于掃描或捕捉圖像的方法包 括將圖像引導到CMOS成像系統(tǒng)中的至少 一個像素系列的至少 一部分 上。接著，采用CMOS成像系統(tǒng)中的CMOS成像器中的該至少一個 像素系列來捕捉圖像。在捕捉和處理圖像期間控制CMOS成像系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的另 一個實施例的一種用于捕捉圖像的系統(tǒng)包括至少 一個CMOS成像器中的第一像素系列以及至少與該至少一個CMOS 成像器中的第 一像素系列相鄰的至少另 一個像素系列。至少一個附加 像素系列相對于第 一像素系列偏移。
根據(jù)本發(fā)明的另 一個實施例的一種用于捕捉圖像的方法包括將至 少 一個CMOS成像器中的笫 一像素系列相對于至少相鄰于該至少 一個 CMOS成像器中的第 一像素系列的至少另 一個像素系列偏移，以及采 用偏移的第 一像素系列和至少另 一個像素系列的至少一部分來捕才足圖像，以便增強所捕捉圖像的分辨率。
當多個像素系列堆疊成使得像素連續(xù)偏移時，像素排列成沿對角 軸或多個對角軸對齊?？勺x取一系列偏移像素，使得視頻信號在公共
感測節(jié)點上裝倉(binned)，以及濾色器可放置在下方的像素所形成的對 角線上，因而允許優(yōu)于現(xiàn)有技術的多個優(yōu)點。對角線定向的像素和濾 色器通過使色串擾最小化來允許改進的色純度。
本發(fā)明可提供一種比例如依靠CCD成像器或CIS成像器的系統(tǒng)等 用于捕捉圖像的現(xiàn)有系統(tǒng)具有更大的靈活性和更低的成本來捕捉圖像 的系統(tǒng)。本發(fā)明包括快門，以^^允許一系列、如行或歹'J(或?qū)蔷€)中 的所有像素共享相同的曝光期、各顏色增強彩色平衡的獨立積分周期、 多分辨率成像的像素忽略、在更小的區(qū)域中提供更高分辨率和更高色 純度的錯位像素以及來自不同(或相同)像素系列的信號的裝倉 (binning)。手持和電池供電裝置的有效計算能力的最近發(fā)展允許添加用 于獲取可以是圖片、文本、視頻、條形碼、生物統(tǒng)計的圖像的高度集 成、低功率、小尺寸的系統(tǒng)，并因此使基于多芯片高耗電CCD的系統(tǒng) 處于極為不利的地位。
根據(jù)一個優(yōu)選實施例，CMOS成像系統(tǒng)排列(arrange)為成像區(qū)域 上的行和列的像素陣列，其中列分為相互交替的第 一和第二系列的列， 使得各系列的列的像素相對于其它系列的列的像素偏移預定的量。各 列包括具有源電極和漏電極的列放大器FET。與第一系列的列關聯(lián)的 至少一對導體分別與笫一系列的列的列放大器FET的源和漏電才及耦 合。與第二系列的列關聯(lián)的另 一對導體與第二系列的列的列放大器 FET的源和漏電極耦合。第一和笫二輸出放大器各包括與相應系列的 列的相應導體對耦合的附加FET和反饋通路。存在與所述成像器的傳_ 素耦合的圖像控制電路，以便控制相應像素的定時和選通。
在一個優(yōu)選布置中，第一和第二系列的列的對應像素在對角線上 相互偏移。像素排列在以對角線設置于像素控制區(qū)域兩側(cè)的像素區(qū)域 對中，使得像素區(qū)域?qū)Ω髟趯蔷€上延伸。它們定義那個系列的連續(xù)像素區(qū)域?qū)χg的對角線區(qū)。其它系列的列的像素中的像素位于所述 對角線區(qū)之內(nèi)。
根據(jù)另 一個優(yōu)選實施例， 一種用于掃描圖像的系統(tǒng)可由端對端排
列的多個CMOS成像器、如CMOSIC來形成。每個這種CMOS成像 器配置有相互并排設置的兩個像素系列，并且其中像素系列其中之一 相對于像素系列的另 一個偏移。各成像器還具有沿像素系列延伸的兩 對導體，導體對與所述CMOS成像器上的相應像素系列關聯(lián)。各像素 包括各自的像素放大器FET，像素放大器FET具有分別與關聯(lián)的導體 對的導體耦合的源電極和漏電極?？缃訉w將各所述CMOS成像器的 每個所迷導體對的導體與其余成像器的對應導體連接。 一對輸出放大 器各自包括與所述CMOS成像器的至少一個的相應導體對耦合的附加 FET和反饋通路。與所述成像器的像素系列耦合的圖像控制電路用于 控制像素的定時和選通。關聯(lián)的圖像聚焦部件、即透鏡組或反射鏡或 者這類聚焦元件的組合形成到這個寬成像器組件上的光學圖像。偏移 像素系列的輸出可共同或單獨使用，以便準許根據(jù)需要來選擇掃描速 度和分辨率，以及準許例如像素裝倉等其它效果，這可用于^[氐光應用。
所公開的布置將成像器IC的整個電池配置為單個有源列傳感器或 ACS,輸出放大器服務于所有聯(lián)合成像器的相應系列的各像素。這消 除了因電壓偏移引起的圖像失真，因為像素輸出放大器各自形成相應 輸出放大器的一部分。
根據(jù)本發(fā)明的多個實施例的任一個，光敏陣列由排列成任何數(shù)量 的列和行的多個像素組成。本發(fā)明的二維多色成像器實施例具有使相 鄰像素之間的接觸邊緣為最小的優(yōu)點，使得存在明顯更小的色串擾的 可能性。簡化了濾色器制造，因為相似彩色像素排列成使得對角線對 齊，并且可采用對角線帶式或帶狀過濾器(diagonal ribbon or strip filter)。 微透鏡陣列設置在成像區(qū)域上，使得各微透鏡覆蓋多個像素。在所述 實施例中，像素沿^^共對角線軸對齊。
在這些實施例中，添加微透鏡陣列，以便增加到像素的釆集區(qū)域的入射光能量，從而增加對各像素的量子能。 一個微透鏡可設置成將光聚焦到一個以上像素上。在彩色成像器中，微透鏡可主要或完全設置在一個色帶上，以便使色串擾最小化。由于同一微透鏡之下的像素在空間取樣方面將有效地處于相同點，所以兩個(或更多)像素將相等
地分割入射光。但是，像素積分時間(integration times)可控制成對于不同像素是不同的，并且這可幫助擴大成像器的動態(tài)范圍。
通過隨后對將結(jié)合附圖閱讀的優(yōu)選示范實施例的描述，將會更全面地理解本發(fā)明的上述和許多其它目的、特征及優(yōu)點。
圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術的CCD掃描系統(tǒng)的示意圖。圖2是根據(jù)現(xiàn)有技術的CIS掃描系統(tǒng)的示意圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例、用于捕捉圖像的CMOS系統(tǒng)的示意框圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的CMOS成像系統(tǒng)的局部框圖和局部電路圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的另 一個實施例的CMOS成像系統(tǒng)的框圖。圖6是圖5所示的CMOS成像器的偏移像素系列的三個集合的筒圖。
圖7是在另 一個實施例中、用于圖4所示的CMOS成4象系統(tǒng)的一個備選像素結(jié)構(gòu)的簡圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個可能的實施例的CMOS掃描的示意圖。
圖8A是圖8的實施例的一部分的局部示意圖。
圖9是示出可用于圖4的實施例的一系列CMOS成像器IC的示意圖。
圖10是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例、具有多個系列偏移像素的成像器的示意圖。
圖1] ;^根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的像素結(jié)構(gòu)的簡圖。圖12是結(jié)合微透鏡陣列的成像器的示意圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在參照附圖，并且首先參照其中的圖4,根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，用于捕^J^象42(例如文本)的圖像的系統(tǒng)40包括透鏡44、 CMOS成像系統(tǒng)46、圖像控制處理系統(tǒng)47和輸出總線51?？墒褂闷渌刃ЫM件。圖像控制處理系統(tǒng)47可包含在CMOS傳感器46上，以便消除對獨立組件的需要并且降低總成本。本發(fā)明提供一種用于捕捉圖像的系統(tǒng)，它具有比使用CCD或CIS技術的現(xiàn)有系統(tǒng)更大的靈活性和更低的成本。另外，本發(fā)明提供用于CMOS成像系統(tǒng)46中的獨特偏移像素結(jié)構(gòu)。
如圖3所示，透鏡44安置在系統(tǒng)中，以便將:f皮掃描或者以其它方式捕捉的圖像聚焦或引導到CMOS成像系統(tǒng)46上。在這個實施例中，透鏡44將被掃描圖像縮小到CMOS成像系統(tǒng)上，但是，透鏡可用于以另一種方式來聚焦圖像，例如沒有任何縮小的直接轉(zhuǎn)移或者帶有或沒有圖像的放大。另外，雖然示出透鏡44，但是其它類型的聚焦和圖像形成系統(tǒng)可用于將要掃描的圖像聚焦或引導到(例如反射鏡或反射鏡和透鏡組合)CMOS成像系統(tǒng)上。
現(xiàn)在參照圖4， CMOS成像系統(tǒng)46在CMOS芯片上形成，并且包括CMOS成像器48， CMOS成像器48具有一對錯位像素系列51(1)至50(4)和52(1)至52(4),例如像素的行或列； 一對地址解碼器54(1)和54(2)， 一對復位偏置56(a)和56(2); 一對復位選擇58(1)和58(2)，一對光電門選擇60(1)和60(2); —對運算放大器62(1)和62(2); —對相關雙取樣器(CDS)64(1)和64(2);像素選擇和輸出驅(qū)動器66;以及多個場效應晶體管。在其它實施例中，CMOS成像系統(tǒng)可包括其它組件和布置、如光電二極管。在這個實施例中，術語"像素"表示光敏元件和像素控制電路，但是，其它布置是可能的，其中像素實質(zhì)上可以僅包含光敏元件。在圖4的實施例中，第一和第二像素系列50(1)至50(4)和52(1)至52(4)彼此相鄰，以及第二像素系列52(1)至52(4)相對于第一像素系列50(1)至50(4)偏移像素間距(pixelpitch)的一半。在其它實施例中，第一和第二像素系列50(1)至50(4)和52(1)至52(4)可具有其它間隔布置，并且可偏移不同量或不同間距。像素系列可具有不同的像素數(shù)量。另外，雖然示出兩個系列偏移像素50(1 )至50(4)和52(1)至52(4),但是，CMOS成像器48可具有其它配置，例如單個像素系列或者三個或更多像素系列。如果包括多個像素系列，則像素系列最理想地偏移像素系列的總數(shù)的倒數(shù)，例如，如果存在三個像素系列，則像素將相互偏移三分之一；如果存在四個像素系列，則像素將相互偏移四分之一，等等。可使用其它布置，例如使像素系列偏移其它量或者使像素系列的一部分沒有偏移。通過偏移像素系列50(1)至50(4)和52(1)至52(4),來自笫一像素系列50(1)至50(4)的輸出可與掃描運動同步地與來自第二像素系列52(1)至52(4)的輸出進行交織(interleave)。相比僅具有單個像素系列的系統(tǒng)，交織輸出將增加系統(tǒng)40的分辨率，而無需增加系統(tǒng)或裝置的總長度并且沒有成本的明顯增加。
CDS 64(1)和64(2)的輸出與輸出驅(qū)動器66耦合，輸出驅(qū)動器66與輸出總線51耦合，以及各放大器的輸出與CDS 64(1)和64(2)其中之一的輸入耦合。FET 80和90的源極和漏極與放大器62(2)的輸入耦合。在這個實施例中，像素50(1)和50(2)共享與FET 68的柵極之一耦合的同一感測節(jié)點100，像素50(3)和50(4)共享與FET 74的柵極之一耦合的同一感測節(jié)點102,像素52(1)和52(2)共享與FET 80的柵極之一耦合的同一感測節(jié)點104，以及像素52(3)和52(4)共享與FET 90的柵極耦合的同 一感測節(jié)點106。 FET 70的漏極與FET 68的另 一柵極耦合，并且FET 70的源極與像素50(1)耦合，F(xiàn)ET 72的漏極與FET 68的同一柵極耦合，并且FET70的源極與像素50(2)耦合，F(xiàn)ET76的漏極與FET74的另一柵極耦合，并且FET76的源極與像素50(3)耦合，F(xiàn)ET 78的漏極與FET 74的同一柵極耦合，并且FET 78的源極與像素50(4)耦合，F(xiàn)ET 82的漏極與FET 80的另一柵極耦合，并且ET 82的源極與像素52(1)耦合，F(xiàn)ET 84的漏極與FET 80的另一柵極耦合，并且FET 82的源極與l象素52(1)耦合，F(xiàn)ET 84的漏極與FET 80的同一4冊極耦合，并且FET 84的源極與像素52(2)耦合，F(xiàn)ET 86的漏極與FET 90的另 一柵極耦合，并且FET 86的源極與像素52(3)耦合，以及FET 88的漏極與FET 86的同一4冊極耦合，并且FET 88的源極與像素50(4)耦合。
地址解碼器54(1)與FET 68的一個柵極和FET 74的一個柵極耦合，以及地址解碼器54(2)與FET 80的一個柵極和FET 90的一個柵才及耦合。地址解碼器54(1)還與FET70、 72、 74和76的柵極耦合，以及地址解碼器54(2)還與FET 82、 84、 86和88的柵極耦合。地址解碼器54(1)和54(2)還耦合在一起，并且與時鐘97和起始脈沖耦合。復位偏置56(1)與FET 92的源極和FET 94的源極耦合，以及復位偏置56(2)與FET 96的源極和FET 98的源極耦合。FET 92的漏極與FET 70的源極和FET 72的源極耦合，F(xiàn)ET 94的漏極與FET 76的源極和FET 78的源極耦合，F(xiàn)ET 96的漏極與FET 82的源極和FET 84的源極耦合，以及FET 98的漏極與FET 86的源極和FET 88的源極耦合。復位選擇58(1)與FET 92的柵極和FET 94的柵極耦合，以及復位選擇58(2)與FET 96的柵極和FET 98的柵極耦合。光電門選擇60(2)與像素50(1)和50(3)耦合，以及光電門選擇60(1)與像素50(2)和50(4)耦合。光電門選擇60(3)與像素52(1)和52(3)耦合，以及光電門選擇60(4)與像素52(2)和52(4)耦合。
圖像控制處理系統(tǒng)47耦合到并且控制CMOS成像系統(tǒng)46中的復位選擇58(1)和58(2)、地址解碼器54(1)和54(2)、光電門選擇60(1)和60(2)以及輸出驅(qū)動器66，但是圖像控制處理系統(tǒng)47可與其它組件耦合。圖像控制處理系統(tǒng)47包括中央處理單元(CPU)或處理器或者專用邏輯、存儲器和收發(fā)器系統(tǒng)，它們分別通過總線系統(tǒng)或其它鏈路耦合在一起，但是圖像控制處理系統(tǒng)47可包括其它組件和布置。圖像控制處理系統(tǒng)47中的處理器運行已存儲指令的一個或多個程序以便進行圖像處理，例如，控制每個像素系列的積分時間，以便確保均勻積分 周期或者控制不同像素系列的積分周期，使得它對于不同顏色是不同 的，控制像素系列集合(例如像素行或列)之間的像素的裝倉，以及控 制在什么時候忽略系列中的像素以及忽略系列中的哪些像素，或者增
加受關注區(qū)域中的分辨率或?qū)Ρ榷葎討B(tài)，或者增加幀速率；以及運行
其它指令的一個或多個程序，例如用于視頻功能、打印機電動機驅(qū)動 器控制、送紙控制、紙張分類控制、打印頭控制、用戶界面、傳真和 調(diào)制解調(diào)器能力。
用于CPU或處理器或者專用邏輯的這些編程指令存儲在存儲器 中，但是那些編程指令的部分或全部可存儲在其它位置處的一個或多 個存儲器中并且從其中檢索。由耦合到處理器的磁、光或其它讀取和/ 或?qū)懭胂到y(tǒng)讀取和/或?qū)懭氲睦缦到y(tǒng)中的靜態(tài)或動態(tài)的隨機存耳又存 儲器(RAM)或者只讀存儲器(ROM)或者軟盤、硬盤、CDROM或者其 它計算機可讀介質(zhì)等各種不同類型的存儲器存儲裝置可用于存儲器。 收發(fā)器系統(tǒng)用于在操作上在圖像控制處理系統(tǒng)47與其它系統(tǒng)、如 CMOS成像系統(tǒng)46之間進行耦合和通信。可使用各種不同類型的計算 機接口，例如紅外線、USB、藍牙、811.XX、并行端口、 1394、相機 鏈路、DVI或SMPTE 29X。在這個具體實施例中，圖像處理功能處于 如圖3中與CMOS成像系統(tǒng)46在相同CMOS芯片上的圖像控制處理 系統(tǒng)47中，但是可使用其它布置，例如使圖像處理的所有功能以及例 如臺式掃描器或MFP等其它功能包含于同一芯片上的CMOS成像器 48中或者包含于相對于CMOS成像系統(tǒng)46處于其它芯片上的獨立組 件中，獨立組件隨后又耦合在一起。
功率監(jiān)測系統(tǒng)45與CMOS成像系統(tǒng)46耦合并且在CMOS芯片 上，但是，功率監(jiān)測系統(tǒng)45可以是位于另一個芯片上并且與具有 CMOS成像系統(tǒng)46的芯片耦合的組件。功率監(jiān)測系統(tǒng)45監(jiān)測CMOS 成像系統(tǒng)46 ，以便檢測什么時候CMOS成像系統(tǒng)46未被使用、例如 未捕捉圖像或?qū)D像轉(zhuǎn)移出，然后在未使用周期中關閉功耗以節(jié)省電力。
參照圖5，用于彩色掃描應用的CMOS成像系統(tǒng)110包括三個 CMOS成像器112(1)-112(3)，其中每個CMOS成像器112(1)-112(3)表 示不同的色帶(color band),但是，可使用其它布置，例如具有其它數(shù) 量的CMOS成像器，和/或使CMOS成像器表示相同色帶或者具有單 色成像器。CMOS成像器112(1)-112(3)還可用于捕捉相同的色帶，或 者可以為單色。通過多個CMOS成像器112(1)-112(3),可執(zhí)行其它操 作，例如來自CMOS成像器112(1)-112(3)之一的一個系列中的像素的 信號與來自CMOS成像器112(1)-112(3)中的另 一個的一個系列中的像 素的信號的裝倉。除本文所述之外，CMOS成像器112(1)-112(3)的結(jié) 構(gòu)和操作與參照圖4所述的CMOS成像器46相同，因而在此不作詳 細描述。每個CMOS成像器112(1)-112(3)具有像素系列118(1)-118(2)、 120(1)-120(2)和122(1)-122(2)的集合，如圖6所示。
在這個具體實施例中，CMOS成像器112(1)-112(3)所表示的色帶 為紅色、綠色和藍色，但可表示其它色帶，例如青色、品紅色和黃色。 這些可以是不可見帶，例如UV或IR。濾色器放置在特定色帶的每個 像素系列118(1)-118(2)、 120(1)-120(2)和122(1)-122(2)之上。在這個具 體實施例中，使用紅、綠和藍濾色器。
在這個具體實施例中，圖像控制處理系統(tǒng)114處于與CMOS成像 器112(1)-112(3)相同的芯片上，但是，圖像控制處理系統(tǒng)114可位于 與CMOS成像器112(1)-112(3)耦合的獨立組件中，如圖3的實施例所 示。圖像控制處理系統(tǒng)114的結(jié)構(gòu)和操作與參照圖3和圖4所述的圖 像控制處理系統(tǒng)47相同。圖像控制處理系統(tǒng)47用于控制包括各CMOS 成像器112(1)-112(3)中功能的CMOS成像器112(1)-112(3)的操作，例 如，控制每個像素系列的積分時間，以便確保均勻積分周期或者控制 不同像素系列的積分周期使其對不同顏色不同，控制像素系列集合、 例如像素行或列之間的像素的裝倉，以及控制在什么時候忽略系列中 的像素以及忽略系列中的哪些像素，以便增加幀速率；以及控制其它指令，例如用于視頻功能、打印機電動機驅(qū)動器控制、送紙控制、紙
張分類控制、打印頭控制、用戶界面、傳真和調(diào)制解調(diào)器能力。在Pace 等人的美國專利No.6084229中公開了用于控制積分周期、像素的裝倉 以及忽略像素的方法。CMOS成像系統(tǒng)110還包括輸入ll沖器116, 它與CMOS成像器112(1)-112(3)耦合，并且用于驅(qū)動和控制CMOS成 像器112(1)-112(3),其中包括地址解碼器54(1)-54(2)、復位控制 58(1)-58(2)、 CDS電路64(1)-64(2)、光電門60(1 )-60(4)、時鐘97和起 始98、像素選擇66、系統(tǒng)47的全局復位、感測節(jié)點復位100、 102、 104和106、像素忽略或像素裝倉以及消除未使用時的功庫毛的功率降低 模式。
現(xiàn)在將參照圖3和圖4來描述用于捕捉圖像的系統(tǒng)40的操作。透 鏡系統(tǒng)44將一皮掃描或者以其它方式捕捉的圖像42的縮小圖像聚焦或 引導到CMOS成像系統(tǒng)46中的CMOS成像器48中的像素系列 50(1)-50(4)和52(1)-52(4)的至少一部分上，但是可使用引導圖像42的 其它配置，例如將圖像的實際大小形式或者放大形式引導到CMOS成 像器48上。另外，其它裝置、如反射鏡可用于將圖像引導到CMOS 成像器48上。
當圖像42被引導到具有用于捕捉圖像的光敏元件的像素系列 50(1)-50(4)和52(1)-52(4)上時，像素50(1)-50(4)和52(1)-52(4)將根據(jù)由 圖像控制處理系統(tǒng)47控制的光電門選擇60(1)-60(4)的狀態(tài)開始對縮小 圖像進行積分。讀出序列操作是為了捕捉像素50(1)-50(4)和52(1)-52(4) 上的圖像，通過復位控制58(1)-(2)感測CDS的復位電平并且通過光電 門控制線60(1)-(4)將共享像素的一個或多個轉(zhuǎn)移到各感測節(jié)點上，來 復位感測節(jié)點100、 102、 104和106的一個或多個。在這個具體實施 例中，當光電門選擇60(1)-60(2)的一個或多個偏置到一個電壓電平、 例如零伏(僅為了示例)時，則像素行不能對圖像(例如文檔或其它被掃 描對象的圖像)進行積分或捕捉。當光電門選擇60(1)-60(4)的一個或多 個偏置到另一個電壓、例如3.3伏^又為了示例)時，則與3.3的光電門選擇60(1)-60(4)耦合的像素行可對圖像進行積分和捕捉。 一旦捕捉了 圖像，則光電門選擇60(1)-60(4)的一個至全部又偏置到第 一電壓電平， 在這個示例中為零伏。光電門選擇60(l)-60(4)的操作與感測節(jié)點100、 102、 104和106結(jié)合進行。感測節(jié)點100的才乘作與FET 70和72的地 址解碼器選擇以及FET 92的復位結(jié)合。圖4所示的是僅對于這個示例 共享同一感測節(jié)點100的兩個像素。共享同一感測節(jié)點的像素的數(shù)量 可從一個到多個不等。越多像素共享同一感測節(jié)點，則需要越多光電 門控制60(X)線路，&十定時增加了復雜度。這可采用像素與感測節(jié)點 之間的中間存儲來克服，但是這種中間存儲對像素結(jié)構(gòu)增加復雜度。 實現(xiàn)這個方面的像素結(jié)構(gòu)的一個示例如圖7所示，并且包括光電門和 存儲門。隨后，將具有來自被掃描文檔的所捕捉信號的像素轉(zhuǎn)移到感 測節(jié)點供讀取。光電門控制線60(l)-60(4)和關聯(lián)感測節(jié)點100、 102、 104和106確定選擇哪些像素50(1)-50(4)和52(1)-52(4)供讀取。對于光 電門控制60(2),感測節(jié)點是100和102，以及待讀取的像素分別是50(1) 和50(3)。所有像素信號對于每個光電門控制線60(l)-(4)并行轉(zhuǎn)移，因 此來自地址解碼器54(1)和54(2)并且與各光電門控制60(1>(4)關聯(lián)的 像素選擇線必須由地址解碼器54(1)或54(2)同時接通。因此，對于光 電門控制60(2),感測節(jié)點是100和102，以及待讀取的像素是50(1) 和50(3),并且傳輸FET 70和76必須由地址解碼器54(1)并行選擇。 將光電門控制信號60(2)驅(qū)動到零，以便將像素50(1)和50(3)上的電荷 轉(zhuǎn)移到感測節(jié)點100和102上。然后，傳輸FET 70和76由地址解碼 器54(l)截止(tumoff),并且對于這個示例，光電門控制60(1)則可重新 偏置到3.3伏，以及耗盡(deplete)像素50(1)和50(3)之下的硅，以便開 始對積分的下一巾貞進行積分。這時，與光電門控制60(2)關聯(lián)的所有像 素使像素信息遮擋(shutter)到感測節(jié)點IOO和102上。隨后，地址解碼 器通過選擇FET 68的控制柵極來選擇要讀取哪一個感測節(jié)點100和 102，以便由運算放大器62(1)輸出到CDS電路64(1)，如Pace等人的 美國專利No.6084229所述，然后在需要時通過地址解碼器54(1)選擇FET 74的控制柵極來選擇序列中的下一個像素供讀取，以及感測節(jié)點 102再次由運算放大器62(1)讀取。
在由復位控制58(1)復位之后，通過地址解碼器54(1)選擇傳輸FET 72和78，然后將光電門控制信號60(1)驅(qū)動到零，對于^f皮轉(zhuǎn)移到感測 節(jié)點100和102上的像素50(2)、 50(4)再次重復進行這個過程。轉(zhuǎn)移控 制FET72和78由地址解碼器54(1)截止，以便遮擋信號。由地址解碼 器54(1)通過接通FET 68的控制柵極來選擇感測節(jié)點100和102供讀 取，以便通過運算放大器62(1)和CDS電路64(1)輸出像素，以及FET 68的控制柵極再次截止。通過地址解碼器54(1)接通FET 74的控制柵 極來選擇所需的下一個像素供讀取，以便通過運算放大器62(1)和CDS 電路64(1)輸出像素，以及FET 74的控制柵極再次截止。光電門控制 60(1)重新偏置到3.3伏，以便根據(jù)需要開始下一個積分周期。
在由復位控制58(2)復位之后，通過地址解碼器54(2)選擇傳輸FET 82和86，然后將光電門控制信號60(3)驅(qū)動到零，對于一皮轉(zhuǎn)移到感測 節(jié)點104和106上的像素52(1)和52(3)再次重復進行這個過程。轉(zhuǎn)移 控制FET 82和86由地址解碼器54(2)截止，以便遮擋信號。由地址解 碼器54(2)通過接通FET 80的控制柵極來選擇感測節(jié)點供讀取，以便 通過運算放大器62(2)和CDS電路64(2)輸出像素，以及FET 80的控 制柵極再次截止。通過地址解碼器54(2)4妄通FET 90的控制柵極來選 擇所需的下一個像素供讀取，以便通過運算》欠大器62(2)和CDS電路 64(2)輸出像素，以及FET 90的控制柵極再次截止。光電門控制60(3) 重新偏置到3.3伏，以便根據(jù)需要開始下一個積分周期。
在由復位控制58(2)復位之后，通過地址解碼器54(2)選擇傳輸FET 84和88，然后將光電門控制信號60(4)驅(qū)動到零，對于^皮轉(zhuǎn)移到感測 節(jié)點104和106上的像素52(2)、 52(4)再次重復進行這個過程。轉(zhuǎn)移控 制FET 84和88由地址解碼器54(2)截止，以^J4擋信號。由地址解碼 器54(2)通過接通FET 80的控制柵極來選擇感測節(jié)點供讀取，以便通 過運算放大器62(2)和CDS電路64(2)輸出像素，以及FET 80的控制柵極再次截止。通過地址解碼器54(2)接通FET 90的控制柵極來選擇 所需的下一個像素供讀取，以便通過運算放大器62(2)和CDS電路64(2) 輸出像素，以及FET 90的控制4冊極再次截止。光電門控制60(4)重新 偏置到3.3伏，以便根據(jù)需要開始下一個積分周期。
像素系列的光電門控制信號通常同時全部重新偏置到3.3，以便具 有均勻的積分時間。分別在像素50(1)和50(2)、 50(3)和50(4)以及52(1) 和52(2)以及52(3)和52(4)之間的共享感測節(jié)點100、 102、 104和106 通過同時轉(zhuǎn)移共享感測節(jié)點的兩種像素，允許系列中的相鄰像素50(1) 和50(2)、 50(3)和50(4)以及52(1)和52(2)以及52(3)和52(4)裝倉在一起。 這可通過地址解碼器54(1)同時選擇傳輸FET 70和72并且光電門控制 60(1)和60(2)也被同時操作的這個示例來實現(xiàn)。與光電門控制信號60(1) 和60(2)連接的所有像素50(1)-50(4)將同時轉(zhuǎn)移，并且所有傳輸門將需 要同時選擇。否則，感測節(jié)點復位，轉(zhuǎn)移和讀取與先前所述相同。一 個或多個像素50(1)-50(4)和52(1)-52(4)可根據(jù)需要由地址解碼器或移 位寄存器54(1)和54(2)忽略；同時保持最大讀出速度以便獲得較高幀 速率。另外，通過利用Pace等人的美國專利No.6084229的放大器配 置，地址解碼器54(1)和54(2)可選擇像素系列50(1)-50(4)和52(1)-52(4) 的多個感測節(jié)點100、 102、 104和106,通過這個示例，同時對所選 感測節(jié)點上的最暗信號而言，是將支配運算放大器62(1)的輸出的信 號。對于圖4所示的NFET,最暗信號^:對于所選感測節(jié)點具有最高 電平的信號，并且是將會飽和以便接通(complete)授予Pace等人的美 國專利No.6084229的運算放大器的感測節(jié)點。在選擇多個感測節(jié)點時 選擇最暗像素的這種方法稱作"自動黑色裝倉"(auto black binning)。 如果感測FET 68、 74、 80和90是PFET而不是如圖4所示的NFET, 則最白像素可按照相同方式來選擇，并且在這種情況下稱作"自動白 色裝倉"。在掃描應用中，紙張往往為白色，而被成像文本為黑色。 讀取像素50(1)-50(4)和52(1)-52(4)的順序可按照來自移位寄存器或隨 機地址解碼器54(1)和54(2)的預定序列以及由像素選擇和輸出驅(qū)動器66復用或交織的像素系列的數(shù)量來進行?？尚枰~外控制線改變成像 素順序，并且這種實現(xiàn)對于本領域的技術人員將是清楚的，因此這里
未示出。雖然遮擋操作在將所有像素50(1)和50(2)、 50(3)和50(4)、 52(1) 和52(2)、 52(3)和52(4)裝倉在感測節(jié)點100、 102、 104和106內(nèi)時完 成，但是當讀出單獨共享感測的像素時出現(xiàn)可能的問題。當共享感測 節(jié)點的像素在光電門控制信號之間具有延遲時出現(xiàn)問題(在不同時間 轉(zhuǎn)移電荷)這使相同系列的像素具有略有不同的積分時間。這個問題的 一個解決方案是每個像素具有存^f諸場所(site),如圖7所示。
把來自放大器62(1)和62(2)的輸出的信號提供給CDS 64(1)和 64(2)，以及CDS64(1)和64(2)的輸出與輸出驅(qū)動器66耦合，輸出驅(qū)動 器66在這個示例中向輸出總線51輸出信號。因此，通過本發(fā)明，來 自CMOS成像系統(tǒng)46中的CMOS成像器48中的像素50(1)-50(4)和 52(1)-52(4)的信號單獨選擇并且以所需的任何順序與輸出51耦合。例 如，可交織來自像素50(1)-50(4)和52(1)-52(4)的信號，以便增加分辨 率而沒有實質(zhì)上增加成像系統(tǒng)46的長度或大小，或者如果選擇像素 50(1)-50(4)和52(1)-52(4)上的信號的一部分而忽略其它，則幀速率可提 高，但是所得圖像具有較低分辨率。
現(xiàn)在將參照圖3 、圖5和圖6來描述用于采用具有CMOS成像器 112(1)-112(3)的CMOS成像系統(tǒng)110取代CMOS成像系統(tǒng)46來捕捉 圖像的系統(tǒng)40的操作。除了這里所述之外，圖5中的每個CMOS成 像器112(1)-112(3)的操作與圖4的CMOS成像器48相同。通過這個 系統(tǒng)，透鏡44將一皮掃描或者以其它方式捕捉的圖像的縮小圖像聚焦或 引導到CMOS成像系統(tǒng)110中的CMOS成像器112(1)-112(3)上的像素 系列118(1)-118(2)、 120(1)-120(2)和122(1)畫122(2)上，但是同樣可使用 引導圖像的其它配置，例如將圖像的實際大小形式或者放大形式引導 到CMOS成像器112(l)-112(3)上。另外，其它裝置、如反射鏡可用于 將圖像引導到CMOS成像器112(1)-112(3)上。
在這個具體實施例中，不同的過濾器針對CMOS成像器112(1)-112(3)中的像素序列118(1)-118(2)、120(l)-120(2)和122(1)-122(2) 的集合的每個，并且對于CMOS成像器112(1)中的像素系列 118(1)-118(2)過濾器濾出(filter out)紅色、對于CMOS成像器U2(2)的 像素系列120(1)-120(2)濾出綠色以及對于CMOS成像器112(3)的像素 系列122(1)-122(2)濾出藍色，但是，各CMOS成像器112(1)-112(3)可 被濾波以便捕捉其它信息，或者可以是單色。用于捕捉和處理來自 CMOS成像器112(1)-112(3)中的像素序列118(1)-118(2)、 120(1)-120(2) 和122(1)-122(2)的每個的信號的過程與以上對于圖4中的CMOS成像 器48的像素序列50(1)-50(4)和52(1)-52(2)所述的相同。
對于具有三個CMOS成像器112(1)-112(3)的CMOS成像系統(tǒng)110， 不同色帶的每個CMOS成像器112(1)-112(3)中的每個像素系列 118(1)-118(2)、 120(1)-120(2)和122(1)-122(2)的積分時間可單獨控制。 通過單獨控制每個CMOS成像器U2(l)-112(3)的積分時間，每個
量。如果允許每種顏色對于略有不同的時間量進行積分，則在積分周 期期間可實現(xiàn)彩色平衡，而不是通過圖像處理器的后處理來實現(xiàn)。這 筒化了掃描或成像操作，并且改進三色通道的信噪平衡?？蛇x地，將 黑色基準像素系列或者幾個黑色基準像素加入CMOS成像器 U2(l)醒112(3)的每個像素系列118(1)-118(2) 、 120(1)-120(2)和 122(1)-122(2)。另 一個選項是將單色像素系列作為基準加入CMOS成 像器112(1)-112(3),以便幫助藝術線條和純文本掃描應用。
通過具有三個CMOS成像器112(1)-112(3)的CMOS成像系統(tǒng)110， 也可執(zhí)行其它方法。例如，可將來自不同CMOS成像器112(1)-112(3) 的像素的信號裝倉，以便在輸出之前將信號結(jié)合在一起。裝倉提供較 高幀速率時的較低分辨率。裝倉往往定義為來自像素的相鄰信號或數(shù) 據(jù)的總和，并且通過把來自像素的一個以上信號轉(zhuǎn)移到同 一節(jié)點上(如 輸出總線51)來實現(xiàn)。
系列50(1)-50(4)和52(1)-52(4)中的像素的備選像素結(jié)構(gòu)如圖7所示。圖4的所有其它電路方面對于這個示例保持相同。所有定時保持 為如前面所述，除了以下例外。如圖4所示的像素系列的光電門控制
60(1)-(4)保持不變，以及來自這些光電門控制60(1)-(4)之一的連接示出 為對于存儲門的FET 138的輸入。在將光子生成電荷轉(zhuǎn)移到感測節(jié)點 100、 102、 104和106之前，在這個示例中，存在必須首先進行的兩 個額外的定時步驟，以及已經(jīng)增加兩個額外的FET 136和138以便確 保系列中的所有像素的均勻積分。在像素50(1)-50(4)和52(1)-52(4)、 例如與FET 134相鄰的表示像素50(1)-50(4)和52(1)-52(4)之一的像素 已經(jīng)對信號積分了預期周期之后，通過選擇FET 136的柵極并且對于 這個示例使以FET 138表示的存儲門偏置到3.3伏，以及通過將光電 門134偏置到零伏并使TX1截止來使光電門134截止，所有像素 50(1)-50(4)和52(1)-52(4)使光子生成電荷通過TXl轉(zhuǎn)移。這時，以FET 138表示的存儲門取代光電門控制60(1)-(4)其中之一，并且定時與前面 所迷相同。根據(jù)這個示例，像素積分可通過使光電門134重新偏置到 3.3伏來立即恢復。圖7的布置允許對所有像素的均勻積分以及對像素 裝倉、忽略和以所期望的任何序列允許"自動黑色裝倉"或"自動白 色裝倉"的完全控制。
現(xiàn)在參照圖8，掃描系統(tǒng)140包括聚焦系統(tǒng)142、如透4竟組，它可 以是縮小、放大或單功率系統(tǒng)(one-power system),它形成將在CMOS 成像系統(tǒng)146上掃描的文檔144的圖像。成像系統(tǒng)146由端對端對接 的一系列CMOS成像器146(1)至164(N)形成。這些成像器146(1)至 164(N)的每個采用 一個或多個系列錯位像素，其中系列例如作為4象素 行或列，并且包括其它控制電路、定時電路和地址解碼器，例如結(jié)合 Pace等人的美國專利號6084229所講授的有源列傳感器(ACS)所述。 這些成像器的每個對于每個像素系列(或系列對)具有一對內(nèi)部視頻連 接，以便當可以連線傳感器時接通(complete)內(nèi)部行或列的分布》文大 器。通過將源和漏線與其它成像器的其它源和漏線并聯(lián)連接到單個有 效系統(tǒng)中，將僅需要使用這些成像器的單個成像器上的放大器。通過并聯(lián)連接源和漏線，系列中的所有像素在被尋址時將會僅接通
(complete)—個放大器，從而使成像器之間的偏移為最小，并且所有像 素將具有與只有一個運算放大器時相同的線性度。視頻信號導體或跨
接148在這里示為將各個成像器146(1)至146(N)的源和漏導體相互連 接(join)。
如圖8A更詳細示出，在這個實施例中，存在三對錯位或偏移像 素系列的集合150，例如用于彩色掃描的紅色、藍色和綠色系列，在 成像器146(1)至146(N)的每個中，在這里僅示出146(N)的末端的一個。 每個這種成像器還具有沿一條邊延伸的控制和使能電路152以及與每 個像素系列或者在一些實施例中與每對像素序列關聯(lián)的相應視頻輸出 放大器160、 162和164。如前面相對ACS成像器設計所述，每個放大 器160、 162、 164的輸入與源和漏導體對154或者相應的像素系列連 接。在這種情況下，跨接148從一個芯片到下一個芯片鏈接這些導體 154,并且只有來自這單個成像器146(N)的輸出放大器160、 162、 164 用于將視頻輸出信號轉(zhuǎn)移到下 一級。
簡單單色布置如圖9所示，以便示范鄰接成像器IC 146(1)至146(N) 的連接的原理。在這里， 一個成像器146(1)示為與第二個成像器146(2) 鄰接，其中跨接或?qū)w線148從一個成像器到下一個連接源和漏導體 S、 D。 一個像素系列150(1)在這里表示為它的各個像素相對于第二像 素系列150(2)偏移一半間距，但在其它應用中可采用其它偏移量。各 像素具有輸出FET 151，其中柵極與像素的光電傳感器P耦合，并且 它的源和漏電極分別與導體S、 D耦合。在此省略定時和控制電路及 其它輔助電路，以避免附圖雜亂，但是大家會理解存在于實用實施例 中。如同前面所述的其它實施例那樣，控制電路可實現(xiàn)一個或多個像 素系列中的像素的讀出的選擇性忽略，它準許對分辨率和幀速率進行 控制。
這些成像器中的第N個成像器146(N)中的輸出放大器160、 162 的輸入與那個成像器146(N)的源和漏導體耦合，它們通過^爭接導體148與其余成像器的相應導體連接，并且這些輸出放大器將視頻輸出提供
給下一級。在此可包含相關雙取樣器電路，例如在上述Pace等人的美 國專利6084229中可看到。輸出放大器160、 162各配置為平衡放大器， 其中 一個FET在像素順序讀出時依次平衡各相應像素的FET 151 。各 輸出力文大器160、 162也形成反饋電路，并且在上述Pace等人的美國 專利6084229中描述了這個方面。公共放大器用于所有單獨成像器ID 156(1)至156(N)上的每個像素系列避免逐個芯片的視頻輸出信號的任 何偏移。
現(xiàn)有技術基于CIS或CCD傳感器的系統(tǒng)在系列中的像素之間或者 在多個成像器上缺少一個放大器的閉環(huán)或公共反饋。有源像素傳感器 (APS)通常配置為具有伴隨增益變化和偏移變化的源跟隨器，因為源跟 隨器緩沖器是開環(huán)配置。
內(nèi)部源和漏線在圖IO更詳細示出，它示出一個實用實施例。在這 個視圖中，僅示意示出一個成像器146(N)的一部分。在這里，像素排 列成系列，其中示出源連接170(1)至170(3)和漏連接180(1)至180(3)。 源連接和漏連接是偏置線，它們使所示的所有感測節(jié)點(例如172和 174)與被選擇時接通放大器182(1)至182(3)的FET 176連接。這是Pace 等人的專利No.6084229所講授的ACS配置，對它進行引用。這個成 像器146(N)的源和漏連接與所有其它成像器146(1)至146(N-l)的對應 連接并聯(lián)連線。通過把來自各傳感器的一系列的所有像素與圖像捕捉 系統(tǒng)的其它傳感器的對應系列的像素連接，并聯(lián)連線的所有像素將接 通同一放大器，從而使困擾現(xiàn)有技術的偏移變化和增益變化為最小。 各緩沖器和放大器具有它自己的增益和偏移；因此，只要對于每個像 素系列僅存在單個放大器，則將增益和偏移變化限制到一個放大器。 CMOS成像系統(tǒng)可包括其它組件和布置。在這個具體實施例中，術語 "像素"表示光敏元件加上關聯(lián)像素控制電路，但是，其它布置是可 能的，例如其中像素只包含光敏元件。系統(tǒng)可配置有端對端鄰接的成 像器，以便延長可捕捉的圖像的有效長度。單芯片系統(tǒng)的長度因半導體晶圓制造限制和晶圓成品率問題而受到限制，但是通過端對端對接 成像器，可克服這類成品率和長度限制。系統(tǒng)還可通過相同方式沿寬 度方向擴展到半導體晶圓制造商的大小和成品率限制，因此，多成像 器二維系統(tǒng)可通過這里所示和所述的相同方式來形成。
如圖10所示，在彩色系統(tǒng)中，^^定顏色(R,G,B)的像素經(jīng)過偏移， 以便沿給定對角線軸對齊，并且對角線對齊的像素可與相應濾色器 190、 191、 192、 193等重疊。這種幾何形狀準許連續(xù)帶式過濾器或帶 狀過濾器放置成彼此相鄰，以便于制造。另外，這種布置的優(yōu)點在于， 像素僅沿兩邊的部分與另一種顏色的像素鄰接，這減少色串擾的發(fā)生。
又如圖IO所示，在這個具體實施例中，存在多個像素系列184(1)、 184(2)、 184(3)，并且像素系列彼此相鄰，其中相鄰像素系列184(2)相 對于第一像素系列184(1)偏移像素間距的一半，^旦是像素系列184(1) 至184(3)可具有其它間距或偏移量。第一、第二和第三像素系列184(1) 至184(3)可具有其它間隔布置，不同像素系列可偏移其它量，以及每 個像素系列可具有系列中的多個像素。每個像素系列在需要時可通過 不同布置偏移成具有重疊和偏移像素系列，以便增強分辨率。
在像素排列成偏移配置并且系統(tǒng)為彩色系統(tǒng)的情況下，關聯(lián)濾色 器可沿 一個系列排列、與像素系列垂直排列或者如現(xiàn)有技術中常見地 排列在矩陣(例如拜耳矩陣)中。濾色器需要對于像素直接對齊，以便 使引起色彩不純的雜散光為最小。在這里，為了將濾色器沿相互偏移 的像素對齊，濾色器實際上將定向成某個角度。這創(chuàng)建對角線掃描布 置，它可因偏移像素引起分辨率的增強以及濾色器混疊的有害效果的 降低(參見Dr. William E. Glenn的"A 1920 X 1080 60P system Compatible w池a 1920 X 1080 301 Format" , SMPTE Journal, 2002年 7月/8月)。
圖11示出實際成像器像素布局190，其中為了便于說明加入了功 能塊。在這里，布局190配置有對角線濾色器重疊(overlay)。對角線濾 色器191、 192、 193各以匹配過濾器下方的像素設計的連續(xù)帶狀布置。紅色、 綠色和藍色像素的集合194以及控制晶體管196的相對側(cè)的紅色、綠 色和藍色像素的類似集合195。像素區(qū)域排列在像素控制區(qū)域的對角 線和兩個相對側(cè)。奇數(shù)列的像素組定義它們之間的對角線區(qū)，而偶數(shù) 像素組位于這些對角線區(qū)內(nèi)。整個組194(1)沿對角線布置，并且相對 于同一行的相鄰組194(2)偏移1/2像素的間距。組194(1)本身沿對角線 傾斜，使得連續(xù)列的組與下面一行的像素組對齊，以便使給定顏色的 像素沿相同對角線布置。所放置的過濾器使色串擾為最小，并且與采 用矩陣類型過濾器、如拜耳方法濾色器的成像器相比，具有明顯更優(yōu) 良的顏色識別。通過使可用于允許串擾的每個像素的周邊為最小，來 產(chǎn)生這種改進。通過將過濾器和像素放置在對角線，各像素只有兩邊 與不同濾色器對接。在拜耳系統(tǒng)中，作為比較，各像素在所有四邊與 不同濾色器相鄰。通過如圖11所示的對角線帶狀濾色器，各i"象素只有 兩邊與不同顏色的過濾器相鄰。此外，保持了彩色對角線取樣的分辨 率有益效果，如Publ. Appln. Us 2002-0175270以及上述Gle皿的論文 中所述。
圖12示出本發(fā)明的一個實施例，其中，微透鏡200的陣列用于提 高像素的量子效率。在這里，采用具有以上參照圖9所述的筒單單色 布置的微透鏡，其中， 一對對接成像器IC相互毗連。在這個簡單布置 中，存在兩個像素系列150(1)和150(2),其中， 一個系列的各個像素 相對于第二像素系列中的像素偏移一半間距。電子、控制和視頻信號 發(fā)展的細節(jié)一般如以上針對圖9所述。但是，在這里，各個像素的光 敏元件P成形為使得它們的幾何形狀沿包含來自每個系列的一個像素 的對角線配合(fit),即，沿像素之間的偏移。
微透鏡布置200可以釆用任何眾所周知和可用的技術。這里，微 透鏡以虛線表示。透鏡可具有球面性質(zhì)，或者可具有明顯柱面組件， 根據(jù)給定成像器實現(xiàn)的需要。隨著如(例如)Zaronowski等人的美國專利 7057150中所公開的減少每個像素的晶體管數(shù)量的技術的出現(xiàn)，往往可使像素電子器件比微透鏡小許多，或者小于放置在像素上方的濾色 器。因此，每個單微透鏡200可覆蓋兩個或更多像素。它的一個示例
在圖12中用像素210示出。在單微透鏡設置在兩個或更多像素之上、 例如像素151、 151之上的情況下，由于微透鏡將支配空間取樣的事實， 有效分辨率降低。每個微透鏡應當主要(或者理想地全部)放置在對角 線對齊像素組之上，以便使串擾為最小。像素幾何形狀可成形為符合 微透鏡的焦點區(qū)域(focus area)。在彩色成像器的情況下，微透鏡應當 主要在一個彩色帶狀過濾器上(參見圖11中的元件210，)，以便使色串 擾為最小。在這里，僅示出幾個微透鏡210'，但是大家要理解，存在 設置在裝置的成像區(qū)域表面之上的這些微透鏡或多或少均勻的陣列。 由于微透鏡通常是衍射受限的，所以各微透鏡將把入射光聚焦到^(敬透 鏡下方的區(qū)域，以及在空間取樣方面， 一個微透鏡之下的兩個或更多 像素將有效地處于同一個點。換言之，如果微透鏡之下的像素具有相 等積分時間(integration times)，則同 一微透鏡之下的兩個或更多像素將 相等地分割入射光。因此，同一微透鏡之下的兩個或更多像素的每個 將對來自經(jīng)過微透鏡的照明的采集信號求平均，并且把來自相同像素 的總釆集信號的總和一起合計為已經(jīng)過微透鏡的光線。但是，如果同 一微透鏡之下的不同像素具有不同積分時間，則出現(xiàn)例外情況。例如， 像素之一可具有極短積分周期，而另一個可具有較長積分周期。當這 兩個像素讀出時，可結(jié)合信號，作為擴展結(jié)合像素信號的動態(tài)范圍的 方式。被結(jié)合的信號的每個在結(jié)合信號之前或之后可被施加不同的增 益或算法。在最基本的布置中，兩個信號可一起合計，但是能夠一起 合計三個或更多信號。
如前面所述，微透鏡210，可覆蓋一個以上像素，并且一個或多個 對角線對齊像素可共享/>共對角線帶狀過濾器，如(例如)針對圖10所 述。在一些實施例中，可存在具有公共對角線濾色器和共享微透鏡的 成像器中的一些對角線對齊像素，用于顯示(develop)視頻信號的色彩 或色度分量，而其余像素僅用于亮度，以便增強分辨率，盡管在一些情況下準許某種色串擾。根據(jù)預期應用，微透鏡210，可沿一個對角線 軸或者另一個對角線軸(如用微透鏡211所示)。相對于各微透鏡，位于 其下的不同像素在這里沿對角線對齊。
如同前面所述的實施例那樣，具有像素之上的微透鏡陣列的成像 器可配置為用于掃描文檔或者用于其它掃描的線性成像器，或者可配 置為彩色或單色二維成像器，其中任何數(shù)量的像素或像素組排列成任 何預期數(shù)量的行和列。
正如本領域人員還會理解，陣列中的各種微透鏡無需圓形剖面的
球面透鏡，而是可具有確保入射光適當聚焦到相應像素的光敏區(qū)域的 幾何形狀。
權(quán)利要求
1.一種用于掃描圖像的系統(tǒng)，包括-端對端排列的多個CMOS成像器(146(1)，146(2))，每個所述CMOS成像器包括相互并排設置的兩個像素系列(150-1，150-2)，并且其中所述像素系列其中之一相對于所述像素系列中的另一個偏移；沿所述像素系列延伸的兩對導體(S，D)，該對導體與所述CMOS成像器上的相應像素系列關聯(lián)，并且其中每個所述像素包括各自的像素放大器FET(151)，所述像素放大器FET(151)具有分別與所述關聯(lián)導體對的所述導體耦合的源電極和漏電極，并且與所述系列的所有其它像素放大器FET平行；-多個跨接導體(148)，所述跨接導體(148)將每個所述CMOS成像器的每個所述導體對的所述導體與其余成像器的對應導體連接；-一對輸出放大器(160，162)，所述一對輸出放大器(160，162)各自包括與所述CMOS成像器的至少一個的相應導體對耦合的附加FET和反饋通路；-圖像控制電路(152)，所述圖像控制電路(152)與所述成像器的所述像素系列耦合；以及-圖像聚焦部件(14)，所述圖像聚焦部件(14)用于將光學圖像形成到所述多個成像器上；其特征在于，所述CMOS成像器各自包括設置在所述成像器上、在所述成像器的所述像素上方的的微透鏡陣列(200，210)，用于提高所述像素的量子效率。
2. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中，所述陣列中的每個所述微透 鏡(210)設置在所述像素的兩個或更多上方。
3. 如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述微透鏡(210)設置在一個 像素系列的一個像素和其它像素系列的對角線偏移像素上方。
4. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中，每個所述像素系列包括單一 差分放大器，所迷差分放大器具有位于所述系列內(nèi)的相應像素處的多 個第 一輸入晶體管以及那個系列的所述像素所共有的并且與所述第一 輸入晶體管連接以便創(chuàng)建反饋回路的第二輸入晶體管。
5. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中，所述圖像控制電路包括快門 控制器部件，用于控制所述像素系列的至少一個的相應像素的像素的 積分時間，并且其中所述圖像控制電路為每個所述微透鏡之下的不同 像素提供不同的積分時間。
6. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中，所述圖像控制電路包括分辨 率調(diào)整部件，用于有選擇地忽略所述像素系列的至少一個中的像素的 一個或多個的讀出，以便準許降低分辨率和增加幀速率。
7. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中，每個所述像素系列的所述像 素排列成像素區(qū)域?qū)Γ鱿袼貐^(qū)域?qū)σ詫蔷€排列在像素控制區(qū)域 的兩邊，使得所述像素區(qū)域?qū)Ω髯栽趯蔷€上延伸，定義那個系列的 連續(xù)像素區(qū)域?qū)χg的對角線區(qū)，其中其它像素系列的所述像素位于 所述對角線區(qū)內(nèi)，并且其中所述孩i透4免排列在所述對角線區(qū)內(nèi)的所述 像素上方。
8. 如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述像素區(qū)域分為紅色、藍 色和綠色光敏區(qū)域，使得所述紅色、藍色和綠色光敏區(qū)域(191, 192， 193)與設置成相對所述像素控制區(qū)域的所述像素區(qū)域的對應光敏區(qū)域 對角線對齊，并且其中紅色、藍色和綠色光學過濾器設置為在相應像 素的光敏區(qū)域?qū)蔷€延伸的帶式過濾器。
9. 如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述像素區(qū)域(191， 192, 193) 分為對于多個不同的相應波長帶敏感的相應的類似多個光敏區(qū)域，使 得所述多個光敏區(qū)域與設置成相對所述像素控制區(qū)域的所述像素區(qū)域 的對應光敏區(qū)域?qū)蔷€對齊，并且其中光學過濾器設置為在相應像素 的光敏區(qū)域?qū)蔷€延伸的帶式過濾器。
10. —種CMOS成像系統(tǒng)，包括排列為成像區(qū)域上的行和列的像素陣列(191, 192, 193)，所述列 分為相互交替的第 一和第二系列的列，使得各系列的所述列的所述像 素相對于其它系列的所述列的所述像素偏移預定量；每個所述列具有列放大器FET(200)，所述列放大器FET(200)具有 源電才及和漏電才及；與所述第 一系列的列關l關的至少一對導體(201),所述第 一系列的 列的所述列放大器FET的所述源和漏電極分別與其連接；與所述第二系列的列關聯(lián)的至少 一對導體(202),所述第二系列的 列的所述列^:大器FET的所述源和漏電極分別與其連接；第一和第二輸出放大器，各自包括與相應系列的列的相應導體對 耦合的附加FET和反々貴通^各；以及與所述成像器的所述像素耦合的圖像控制電路(203);并且其特征 在于，微透鏡陣列(210'， 211)設置在所述成像區(qū)域上，各微透鏡覆蓋 多個所述像素。
11. 如權(quán)利要求IO所述的系統(tǒng)，其中，每個所述多個像素的所述 像素排列成像素區(qū)域?qū)?，所述像素區(qū)域?qū)σ詫蔷€排列在像素控制區(qū) 域的兩邊，使得所述像素區(qū)域?qū)Ω髯栽趯蔷€上延伸，定義那個系列 的連續(xù)像素區(qū)域?qū)χg的對角線區(qū)，其中其它多個像素的所述像素位 于所述對角線區(qū)內(nèi)，并且其中所述微透鏡排列在所述對角線區(qū)內(nèi)的所 述像素上方。
12. 如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述像素區(qū)域分為紅色、 藍色和綠色光敏區(qū)域，使得所述紅色、藍色和綠色光敏區(qū)域與設置成 相對所述像素控制區(qū)域的所述像素區(qū)域的對應光敏區(qū)域?qū)蔷€對齊， 并且其中紅色、藍色和綠色光學過濾器設置為在相應像素的光敏區(qū)域 對角線延伸的帶式過濾器。
13. 如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述像素區(qū)域分為對于類 似多個不同的相應波長帶敏感的相應的光敏區(qū)域組，使得所述光敏區(qū) 域組與設置成相對所述像素控制區(qū)域的所述像素區(qū)域的對應光敏區(qū)域組對角線對齊，并且其中光學過濾器設置為在相應像素的光敏區(qū)域?qū)蔷€延伸的帶式過濾器。
14. 如權(quán)利要求10所述的CMOS成像系統(tǒng)，其中，所迷第一和第二系列的列的對應像素在對角線上相互偏移。
15. 如權(quán)利要求14所述的CMOS成像系統(tǒng)，其中，所迷像素排列成像素區(qū)域?qū)?，所述像素區(qū)域?qū)σ詫蔷€排列在像素控制區(qū)域的兩邊，使得所述像素區(qū)域?qū)Ω髯栽趯蔷€上延伸，定義那個系列的連續(xù)像素區(qū)域?qū)χg的對角線區(qū)，并且其中其它系列的像素列的所述像素位于所述對角線區(qū)內(nèi)。
16. 如權(quán)利要求15所述的CMOS成像系統(tǒng)，其中，所迷像素區(qū)域分為紅色、藍色和綠色光敏區(qū)域，使得所述紅色、藍色和綠色光敏區(qū)域與設置成相對所述像素控制區(qū)域的所述像素區(qū)域的對應光敏區(qū)域?qū)蔷€對齊，并且還與其它系列的列的對角線對齊像素的對應紅色、藍色和綠色光敏區(qū)域?qū)R；并且其中紅色、藍色和綠色光學過濾器設置為在所述成像區(qū)域?qū)蔷€延伸的帶式過濾器。
17. 如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中，所述微透鏡沿著所述帶式過濾器的對角線設置。
18. 如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中，所述微透鏡沿與所述帶式過濾器交叉的對角線設置。
19. 如權(quán)利要求IO所述的系統(tǒng)，其中，所述圖像控制電路包括用于將不同積分時間應用于相同微透鏡之下的不同像素的部件。
20. 如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，還包括用于將對象的圖像聚焦到所述多個CMOS成像器上的透鏡部件。
21. —種CMOS成像系統(tǒng)，包括排列為成像區(qū)域上的行和列的像素陣列，所述列分為相互交替的笫一和第二系列的列，使得各系列的所述列的所述像素相對于其它系列的所述列的所述像素偏移預定量，以及每個所述像素具有光敏像素區(qū)域；每個所述列具有列^:大器；以及與所述成像器的所述像素耦合的圖像控制電路；并且其特征在于，微透鏡陣列設置在所述成像區(qū)域上，各微透鏡覆蓋多個所述像素。
22. 如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中，所述像素區(qū)域編組成分為紅色、藍色和綠色光敏區(qū)域的區(qū)域，使得所述紅色、藍色和綠色光敏區(qū)域與設置成在對角線軸上與其相鄰的所述像素區(qū)域的對應光^:像素區(qū)域?qū)R，并且其中紅色、藍色和綠色光學過濾器設置為在相應像素的光敏區(qū)域?qū)蔷€延伸的帶式過濾器。
23. 如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中，所述像素區(qū)域編組成分為對于多個不同的相應波長帶敏感的相應的類似多個光敏區(qū)域的區(qū)域，使得所述多個光敏區(qū)域與設置成在對角線軸上與其相鄰的所述像素區(qū)域的對應光敏區(qū)域?qū)R，并且其中光學過濾器設置為在相應像素的光敏區(qū)域?qū)蔷€延伸的帶式過濾器。
24. —種攝像機，包括用于聚焦對象的圖像的透鏡(14);安置在所述透鏡的圖像平面的光電傳感器(12);以及與所述光電傳感器耦合的用于產(chǎn)生視頻輸出信號的輸出電路；其中，所述光電傳感器包括排列為成像區(qū)域上的行和列的像素陣列(191， 192， 193),所述列分為相互交替的第 一和第二系列的列，使得各系列的所述列的所述像素相對于其它系列的所述列的所述像素偏移預定量；每個所迷列具有列放大器FET,所述列放大器FET具有源電極和漏電極；與所述第 一系列的列關聯(lián)的至少一對導體，所述第一系列的列的所述列放大器FET的所述源和漏電極分別與其連接；與所述第二系列的列關聯(lián)的至少一對導體，所述笫二系列的列的所述列放大器FET的所述源和漏電極分別與其連接；第一和第二輸出^:大器，各自包括與相應系列的列的相應導體對耦合的附加FET和反饋通路；以及與所述成像器的所述像素耦合的圖像控制電路；其中，所述第一和第二系列的列的對應像素在對角線上相互偏移；其中，所述像素排列成像素區(qū)域?qū)?，所迷像素區(qū)域?qū)σ詫蔷€排列在像素控制區(qū)域的兩邊，使得所述像素區(qū)域?qū)Ω髯栽趯蔷€上延伸，定義那個系列的連續(xù)像素區(qū)域?qū)χg的對角線區(qū)；其中，其它系列的像素列的所述像素位于所述對角線區(qū)之內(nèi)；以及其特征在于，微透鏡陣列(210'， 211)設置在所述成像區(qū)域上，其中其每個所述微透鏡設置在其多個所述像素上方。
25.如權(quán)利要求24所述的攝像機，其中，設置在每個所述微透鏡之下的所述像素沿對角線對齊。
全文摘要
固態(tài)成像系統(tǒng)具有帶有第一和第二像素系列(191，192，193)的至少一個CMOS成像器(190)，其中一個系列的像素相對于另一個系列的像素偏移、即錯位。多個成像器可端對端排列，其中跨接線(48)連接像素輸出導體或每個像素輸出導體，使得像素饋入各系列的公共輸出放大器(160，161)，以便使芯片對芯片偏移電壓為最小。像素可在對角線上相互偏移，以及可構(gòu)造彩色成像器，其中彩色帶式過濾器以對角線設置在成像區(qū)域。這種設置使色串擾為最小。微透鏡(200，210，210’，211)陣列設置成各微透鏡覆蓋多個像素。各微透鏡之下的像素可沿對角線對齊。相同微透鏡之下的不同像素可具有不同的積分時間，以便增加成像器的動態(tài)范圍。
文檔編號H04N9/04GK101641962SQ200780049081
公開日2010年2月3日 申請日期2007年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月30日
發(fā)明者J·J·扎諾夫斯基, K·V·凱里亞, L·劉, M·E·喬納, T·龐寧 申請人:寬銀幕電影成像有限責任公司