專利名稱：工藝過程可調的高空間分辨率和低數(shù)位分辨率cmos面型圖象傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及圖象傳感器領域，更確切地說，涉及CMOS型面型圖象傳感器，以及諸如傳真機、文檔復制器和光學條形碼閱讀器之類的圖象讀取、傳輸和/或復現(xiàn)裝置。
目前許多成象系統(tǒng)把固態(tài)電荷耦合器(CCD)用作感測輸入光，并轉換光強為電信號而讀出的圖象傳感器。因為這些電荷耦合器(CCDs)是由為成象目的而設計的高度專業(yè)化制造方法所制成的，而CCD制造方法通常與互補金屬氧化硅(″CMOS″)器件制造方法不相兼容?，F(xiàn)今幾乎所有微處理器，專用集成電路(ASICs)和存儲器產(chǎn)品都是CMOS型器件。因此，CCD圖象傳感器需要外置的配套電子設備，通常是CMOS器件，用以提供定時，同步和信號處理功能。CCDs的另一缺點是它們需消耗大量的功率(例如，幾瓦特)。而且，高空間分辨率面型CCD傳感器是很昂貴的。
CMOS作為硅工藝技術也曾用以完成圖象感測。CMOS圖象傳感器的主要優(yōu)點是把圖象感測，讀出，模數(shù)轉換(ADC)，信號處理，控制和存儲器全集成在一個單片上的潛能。這就導致小得多且成本較低的成象系統(tǒng)，同時，它比CCD成象系統(tǒng)消耗少得多的功率。
然而，早期生產(chǎn)的CMOS有大的最小晶體管柵長(例如，大于2微米)。如此大的晶體管尺寸，會使CMOS圖象傳感器象素，在傳統(tǒng)圖象感測應用方面，對所需要的空間分辨率來說，顯得太大。圖象傳感器的空間分辨率系指圖象傳感器陣列(例如，640*480是視頻圖形適配器VGA的空間分辨率)的平面尺寸。
隨著最近對CMOS工藝技術的改進，按照通常叫做莫爾定律(Moore′s law)的指數(shù)趨向，每代CMOS器件的晶體管尺寸迅速縮小。大約在1.2微米特征尺寸的情況下，CMOS工藝技術至少對低空間分辨率用戶等級應用來說，在制作圖象傳感器方面已變得具有競爭性。
然而，CMOS工藝技術的繼續(xù)發(fā)展，使CMOS圖象傳感器面臨著一個新的挑戰(zhàn)。隨著CMOS的最小特征尺寸的縮小(例如，從0.5微米縮小到0.35，0.25，0.18，0.13微米)，用于CMOS器件的供電電壓減小，結點深度降低，而摻雜級卻增大。這一般導致較小的信號擺幅，降低光電檢測器的靈敏度并增大漏電流。結果，信噪比(SNR)和CMOS圖象傳感器的動態(tài)范圍很可能會變壞，而導致降低圖象品質。因此，隨著CMOS工藝的最小特征尺寸繼續(xù)縮小，將很困難提供高數(shù)位分辨率CMOS面型圖象傳感器。高數(shù)位分辨率此處指的是亮度分辨率，并且從根本上是由信噪比所限制的。
為了使CMOS圖象傳感器獲得適當?shù)某上笮阅?，曾?jīng)建議對標準CMOS工藝方法作出某種修改(即，對為制作圖象傳感器特定用途而制作的數(shù)字和/或模擬電路所設計的CMOS制造方法加以改變)。這種修改可包括，例如，離子注入的額外步驟，那是為了想要改進CMOS傳感器中光電檢測器的圖象感測性能。
修改標準的CMOS工藝方法的缺點在于，有損于借助用與制造模擬或數(shù)字電路相同的CMOS工藝方法制造CMOS圖象傳感器，來制造圖象傳感器的基本優(yōu)點，即，有損于在標準的CMOS生產(chǎn)流水線上制作它們的經(jīng)濟性。
Fossum，E.于1995年IEDM 95，第17-25頁上所發(fā)表的論文“CMOS圖象傳感器在一芯片上的電子攝象機”中描述了，應用0.9微米CMOS工藝制造256×256 CMOS圖象傳感器，以及應用0.5微米CMOS工藝制造1024×1024圖象傳感器，兩者都沒有單片集成定時和控制邏輯電路。上述沒有集成定時和控制電路的CMOS圖象傳感器類型，因為缺乏集成化是不符合需要的。所述論文還公開了用1.2微米工藝制成的帶有集成定時和控制邏輯電路的256×256 CMOS圖象傳感器。然而，該芯片的空間分辨率，對像傳真機這樣一類高空間分辨率的應用來說是太低了。另外，倘若按比例縮到深亞微米范圍，從該圖象傳感器所獲得的圖象品質就會由于縮減信號電平而降低。
美國專利第5,666,159號敘述了集成在蜂窩式無線電話系統(tǒng)手機中的CCD視頻攝象機。然而，由于與CCD關聯(lián)的一些缺點，該集成CCD攝象機/蜂窩式電話要消耗大量功率，并不適合于單元式應用。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種具有隨著CMOS工藝技術發(fā)展能夠連續(xù)地按比例縮小的最小特征尺寸的高空間分辨率的CMOS圖象傳感器；本發(fā)明的另一目的是提供一種既能夠用于文檔成象，又能夠用于視頻成象的CMOS面型圖象傳感器；本發(fā)明的另一目的是提供一種用于諸如傳真機成象之類的文檔成象的CMOS面型圖象傳感器；本發(fā)明的另一目的是把本發(fā)明CMOS面型圖象傳感器應用于圖象感測；以及本發(fā)明的再一目的是提供一種用于便攜式文檔關聯(lián)的圖象應用的CMOS面型圖象傳感器。
本發(fā)明達到了這些和其他目的。本發(fā)明提供具有小于6比特的數(shù)位分辨率和高空間分辨率的CMOS面型圖象傳感器。所述CMOS傳感器是按照CMOS工藝制造的，其特征在于具有0.35微米或更小的最小柵長(gate length)。該CMOS圖象傳感器包括一個至少有1000×900象素的象素傳感器陣列，以及用于為所述圖象傳感器生成定時和控制信號的一個定時和控制生成電路。行選電路是為用于選擇讀出一或多行象素而提供的。列處理器是為用于選擇讀出一或多列象素而提供的。輸入/輸出電路是作為CMOS面型圖象傳感器的數(shù)據(jù)接口而提供的。所述定時和控制生成電路，行選電路，列處理器和輸入/輸出電路與象素傳感器陣列都單片集成在一起。
最好是，該CMOS面型圖象傳感器還包括一個用于進行數(shù)字信號處理的單片集成數(shù)字信號處理器。用于傳真應用方面，最好是，該數(shù)字信號處理器包含用于傳真應用的信號處理裝置；用于文檔復現(xiàn)或復制，該數(shù)字信號處理器包含用于文檔復現(xiàn)或復制的信號處理裝置；用于條形碼讀取和譯碼，該數(shù)字信號處理器包含用于條形碼讀出和譯碼的信號處理裝置。單片集成存儲裝置也可包含在CMOS面型圖象傳感器內(nèi)。
按照本發(fā)明的另一方面，提供裝備有模擬抖動(analog dithering)的CMOS面型圖象傳感器。該CMOS面型圖象傳感器包括用以在模擬信號上完成抖動的模擬抖動裝置，所述抖動是在上述模擬信號被轉換到數(shù)字圖象信號之前或期間，而不是在上述信號被數(shù)字化以后完成。
按照本發(fā)明的另一方面，提供可變數(shù)位和空間分辨率CMOS面型圖象傳感器。該CMOS傳感器包括用以完成適當?shù)目臻g重復取樣，以獲得所需數(shù)位分辨率的裝置。該CMOS傳感器可用作諸如傳真成象和復制之類、低數(shù)位分辨率足以滿足的文檔成象，并可用于需要高數(shù)位分辨率的視頻成象或攝影術。
按照本發(fā)明的另一方面，提供成象設備。該設備包括用以把圖象投射到本發(fā)明的CMOS面型圖象傳感器上的光學系統(tǒng)。該CMOS圖象傳感器具有小于6比特的數(shù)位分辨率和高空間分辨率，而且是按照CMOS工藝制造的，其特征在于具有0.35微米或更小的最小柵長。該CMOS圖象傳感器包括一個至少有1000×900象素的象素傳感器陣列，一用于為所述圖象傳感器生成定時和控制信號的定時和控制生成電路，一用于為讀出而選擇一或多行象素的行選電路，一用于為讀出而選擇一或多列象素的列處理器，以及一用以提供數(shù)據(jù)接口的輸入/輸出電路。
按照本發(fā)明的另一方面，提供一用于網(wǎng)絡音頻通信和圖象傳輸?shù)耐ㄐ旁O備。該設備包括用以提供網(wǎng)絡通信的網(wǎng)絡通信裝置，用于傳真運作的本發(fā)明CMOS面型圖象傳感器，以及用以把代表由所述CMOS圖象傳感器捕獲圖象的傳真圖象數(shù)據(jù)，傳送到遠程定位的裝置。
本發(fā)明的上述以及其他各種特征、目的和優(yōu)點，通過下面介紹連同參照附圖將更加明白，附圖中

圖1為本發(fā)明的1比特分辨率和高空間分辨率CMOS面型圖象傳感器的框圖；圖2顯示圖1的CMOS圖象傳感器的部分電路簡圖；圖3用圖解說明用于圖1的CMOS面型圖象傳感器的信號波形；圖4為本發(fā)明有低數(shù)位分辨率卻有高空間分辨率的CMOS面型圖象傳感器的框圖；圖5顯示圖4的CMOS圖象傳感器的部分電路簡圖；圖6舉例說明本發(fā)明另一種有低數(shù)位分辨率卻有高空間分辨率的CMOS面型圖象傳感器的框圖；圖7-8(B)各自說明本發(fā)明有低數(shù)位分辨率卻有高空間分辨率的CMOS面型圖象傳感器的其他一些實施例；圖9用圖解說明本發(fā)明的成象設備；以及圖10-14分別涉及本發(fā)明的通信設備。
按照本發(fā)明，提供具有小于6比特的數(shù)位分辨率和至少1000×900空間分辨率的CMOS面型圖象傳感器。所述CMOS圖象傳感器特別適用于諸如傳真成象或文檔成象之類的低數(shù)位(即，小于6比特)分辨率和高空間分辨率的應用。例如，通過傳真?zhèn)魉鸵幻绹偶?guī)格文檔，面型圖象傳感器所要求的空間分辨率至少需要1728×1078，而數(shù)位分辨率卻可能僅為1比特(即，黑和白)。
圖1說明在本發(fā)明的一個最佳實施例中，用于傳真應用方面，有1比特分辨率和空間分辨率為1728×1078的CMOS面型圖象傳感器100的體系結構。圖象傳感器100包括，一個用以讀出圖象，并生成相應電信號，傳感器象素有1728×1078象素的二維傳感器陣列105。
行選電路110(即，行譯碼器)被連接到傳感器象素行的每一行，它完成兩項主要功能(1)借助字線和晶體管M2，選擇一或多行傳感器象素，用以讀出在光檢測器PD結點N1處存儲的圖象信號；和(2)借助復位線和晶體管M1，選擇一或多行傳感器象素，用以將每個傳感器中N1處(借助位線)的信號電平復位。
通過列處理器115讀出來自傳感器象素每一列的圖象信號，該列處理器包括本發(fā)明的一個讀出電路145。如以下將詳述的，信號讀出電路145還將模擬信號轉換成數(shù)字信號，并將這數(shù)字信號傳送到數(shù)字信號處理器130，該數(shù)字信號處理器在將經(jīng)處理的數(shù)字信號傳送到一I/O接口135之前，完成對數(shù)字信號所要求的數(shù)字信號處理。在芯片上的存儲器125被用來存儲數(shù)據(jù)或軟件指令。
在該最佳實施例中，象素陣列，行選電路，列處理器，數(shù)字信號處理器，以及I/O接口是全部單片地集成在單一芯片上的。然而，應該明白，存儲器和數(shù)字信號處理器可以是不與傳感器陣列單片地構成在同一芯片上的電路。
在圖1中，附插圖(insert)140是本發(fā)明傳感器象素的電路原理圖，它包括一光敏元件PD，以及三個晶體管M1，M2和M3。圖1中，附插圖145示出在列處理器中用以讀出象素列的讀出電路的電路原理圖。在圖2中，示出在列處理器中傳感器象素與讀出電路之間更為詳細的連接圖示說明。
參照圖1和圖2，在每個象素傳感器140中，為了復位，將晶體管M1的柵連接到行選電路110上。晶體管M2的柵則通過字線被連接到行譯碼器110上。將晶體管M2的漏端通過位線連接到列處理器115上。讀出電路145包括n通道晶體管和p通道晶體管M4，以及一個讀放大器。
上述用于1比特傳真運作的CMOS傳感器的運作情況如下。還參照圖3，圖中說明全部相關信號的波形，光電二極管PD的結點N1，通過脈沖復位線迅速地接通晶體管M1首先復位到位線上電壓Vreset。這時，光電二極管PD開始收集由光信號生成的電荷，隨著收集到越來越多電荷的同時，結點N1處的電壓V1隨之下降。在某一定量曝光時間Texp(收集電荷期間)之后，經(jīng)由包含晶體管M3和M4的反相電壓放大器讀出電壓V1＝Vreset-ITexp/Cd，此處，I表示光子感應電流，而Cd代表在結點N1上的寄生電容。
該反相電壓放大器包括構成數(shù)字反相器的晶體管M3和M4。圖象信號經(jīng)過反相電壓放大器以后，被送往讀放大器，后者將其轉換成二進制值，并將其提供給數(shù)字信號處理器130。
按照本發(fā)明，數(shù)字信號處理器130包括一傳真編碼單元，把從讀放大器接收到的信號壓縮并格式化成一種傳真就緒數(shù)據(jù)。在一個實施例中，所述格式是國際電報電話咨詢委員會傳真組III(CCITT Fax Group III)。最后，將該輸出傳真就緒數(shù)據(jù)送出到系統(tǒng)主存儲器(未示出)，或主存儲器(未示出)，并保存用于校對工作，傳真發(fā)送，打印或復審。
本發(fā)明這種1比特，1728×1078 CMOS面型圖象傳感器的一個主要優(yōu)點是其簡單性—不需要外置的模數(shù)轉換器(ADC)或不用它來讀出圖象信號。反相電壓放大器(也是數(shù)字反相器)和讀放大器共同運作將二進制圖象數(shù)據(jù)提供給數(shù)字信號處理器。
按照本發(fā)明，由圖1中說明的CMOS圖象傳感器，或在數(shù)字化之前通過改變光電二極管的復位值，或在數(shù)字化期間通過改變反相放大器的閾值，來完成模擬半色調(即，模擬抖動)。這將在下文中詳細加以敘述。
對低數(shù)位分辨率應用來說，往往會希望完成抖動以彌補低數(shù)位圖象的不良品質。例如，灰度傳真圖象實在是1比特黑白圖象。為了生成這樣一種圖象，已有的常規(guī)方法是，首先獲得品質高得多(例如，4-5比特或更高)的圖象，然后，加上一抖動矩陣(dithering matrix)將灰度圖象半色調成1比特黑白圖象。
在描述模擬抖動之前，先對數(shù)字抖動簡要地加以描述。假定在一傳真圖象中，一特定象素有一模擬輸入X，該模擬輸入將被轉換為1比特信號Xb(“b”指的是象素的定位或座標)。假定將X標準化為(0，1)。假如沒有進行抖動，那么，數(shù)字化以后，如果X＜1/2則Xb簡單地為“0”，如果1/2＜＝X＜1則Xb為“1”。換句話說，即把X與閾值1/2相對比。如果進行抖動，那么，X將與一取決于象素位置的閾值(例如，7/16)相對比。
象素位置指的是象素的相對位置，與其他象素相比它與某一特定閾值有關。例如，將一4×4抖動掩模(dithering mask)重復地施加在一圖象上(即，把4×4掩模平鋪在整個圖象之上)，抖動掩模的每個象素涉及一個閾值，如同下示那樣0/16 1/16 2/16 3/164/16 5/16 6/16 7/168/16 9/16 10/16 11/1612/1613/1614/16 15/16于是左上角象素(1，1)有一閾值為0/16，象素(1，2)有一閾值為1/16，象素(2，4)(即，在第二行上的第四象素)有一閾值為7/16。同樣，象素(1，5)與象素(1，1)相同，有一值為0/16；象素(2，5)與象素(2，1)相同，有一值為4/16。
為實施數(shù)字抖動，首先要將X數(shù)字化為一4比特數(shù)字數(shù)Xd，然后同數(shù)字域中7/16對比以獲得Xb。應當指出，可以用一閾值為7/16的比較器，或通過把值1/16加到Xd上，然后與一固定閾值1/2作比較，而做到與不同的閾值(即，7/16)進行對比。
按照本發(fā)明，將抖動施加到模擬域中輸入信號上，然后用一簡單反相器獲得1比特數(shù)字碼。
首先，按照以下關系式可以改變反相放大器的閾值
此處復位電壓Vres，是提供到晶體管M4源極上的電壓。Vtp是PMOS晶體管M4的閾電壓；而VtN是NMOS晶體管M3的閾電壓。
K3表示為單位K3＝μnCoxW3/L3，此處μn是電子遷移率，Cox是柵氧化膜的單位電容，而W3和L3則分別為晶體管M3的柵寬和柵長。K4表示為K4＝μpCoxW4/L4，此處μp是空穴遷移率，Cox是柵氧化膜的電容，而W4和L4則分別為晶體管M4的柵寬和柵長。
從以上的方程式可見，通過改變Vres，Vinv(即，加在晶體管M4柵上的電壓)和/或K4/K3可以改變反相器閾。K4/K3可通過改變晶體管M3和/或M4的尺寸而改變。
其次，光檢測器復位值按以下兩種方法之一設定或改變1)在復位期間，行存取晶體管M2接通(經(jīng)由字線)，因此復位值是由來自晶體管M4的電流源設定的，而它受控于加在晶體管M4柵上的Vinv。此時，Vreset和反相器閾值相等。2)在復位期間，行存取晶體管M2保持斷開(經(jīng)由字線)；此時，Vreset和Vres相等。
模擬抖動的優(yōu)點在于它免除數(shù)字抖動。此外，對于1比特應用來說，它甚至不需要模數(shù)轉換器。
應當指出，如上所述本發(fā)明模擬抖動(即，半色調)方法的應用并不局限于最佳實施例的特定CMOS面型圖象傳感器。它也可用于其他類型的CMOS傳感器，包括，但不局限于，具有傳統(tǒng)無源象素傳感器(PPS)，傳統(tǒng)有源象素傳感器(APS)，或象素級ADC傳感器陣列的CMOS圖象傳感器。
按照本發(fā)明，如上所述，模擬抖動是通過改變復位值而獲得的，這是借助或在讀出之前加一信號到象素上，或改變比較器閾值完成的。
模擬相加可以通過改變各象素光檢測器的復位值來做到，可變閾值比較器為電路設計者所周知可按各種不同方法予以實現(xiàn)。應當明白，需要時，數(shù)字抖動也可以在模擬抖動之后加以實現(xiàn)。
在本發(fā)明的另一實施例中，如圖4中所示，提供一低數(shù)位分辨率和高空間分辨率CMOS面型圖象傳感器200，用于比1比特大但小于6比特的場合運作。在圖5中，示出在象素和列處理器之間更為詳細的連接圖示說明。該實施例與圖1中示出的實施例的不同之點在于，圖1中連接到位線的讀放大器現(xiàn)已用一將模擬圖象信號轉換成數(shù)字圖象信號的低數(shù)位(即，小于6比特)的ADC予以替代。更可取的是，如在本說明書前文中所述，其模擬抖動是按通過改變象素的復位值和借助修正低數(shù)位ADC的ADC量化級方式而實現(xiàn)。例如，對一低數(shù)位單斜率ADC來說，用ADC進行模擬抖動也可以通過在RAMP電壓的起始電壓或計數(shù)器的起始時間加入一偏移量來實現(xiàn)。模擬抖動也可以用其他低數(shù)位ADC體系結構，例如，快速ADC，逐次比較ADC，逐次近似ADC和算法ADC加以實現(xiàn)。
參照圖6，按照本發(fā)明的另一實施例，提供一低數(shù)位分辨率和高空間分辨率的CMOS面型圖象傳感器。該圖象傳感器適合于包括，一個在其列處理器中用于1比特運作的讀放大器，以及一個也在列處理器中用于比1比特大但小于6比特運作的低數(shù)位ADC。對于1比特運作，不用到所述ADC，且該CMOS面型圖象傳感器的運作與圖1的運作情況相同。對于比1比特大但小于6比特運作時，應用所述低數(shù)位ADC，但不用讀放大器，且該CMOS面型圖象傳感器的運作與圖4的運作方式相同。更可取地，在該CMOS圖象傳感器中，通過改變各象素的復位值也可獲得模擬抖動。
反相放大器(晶體管M3，M4和M5)用的是公用源體系結構?？梢钥醋鳛橛蓛蓚€放大器組成，該兩個放大器共享象素中同一個跨導晶體管M3。更確切地說，晶體管M3和負載晶體管M4構成一個數(shù)字反相器，而晶體管M3和負載晶體管M5卻構成一個模擬反相放大器。
在黑白(1比特)應用，例如，傳真成象的情況下，應用數(shù)字反相器(包括晶體管M3和M4)，而不利用模擬反相放大器(包括晶體管M3和M5)。圖象信號在通過數(shù)字反相器以后被送到讀放大器，它使其轉換成二進制值，并將其提供給數(shù)字信號處理器。
相反地，在大于1比特分辯率運作的情況下，應用模擬反相放大器(包括晶體管M3和M5)，而不用數(shù)字反相放大器(包括晶體管M3和M4)。圖象信號在通過模擬反相放大器以后，被送到低數(shù)位ADC，它使其轉換成二進制值，并將其提供給數(shù)字信號處理器。
在上述最佳實施例中，每個象素傳感器包含一光電檢測器和一反相電壓放大器。該光電檢測器可以是，光電二極管，光電選通脈沖型檢測器，或光敏晶體管。然而，應該明白，本發(fā)明的低數(shù)位分辨率和高空間分辨率的CMOS面型圖象傳感器，并不局限于在最佳實施例中所描述的特定象素結構。也可用其他已知的象素結構來代替此處描述的首選象素結構。例如，圖7圖示說明一種具有傳統(tǒng)已知APS結構那種象素結構的低數(shù)位分辨率和高空間分辨率CMOS面型圖象傳感器；一個低數(shù)位ADC被用來將模擬圖象信號轉換成數(shù)字圖象信號。更可取地，上述CMOS圖象傳感器還如前所述那樣完成模擬抖動。
圖8(A)和8(B)圖示說明一種具有傳統(tǒng)已知PPS結構那種象素結構的1比特分辨率和高空間分辨率CMOS面型圖象傳感器。將一反相器(在圖8(A)中)或一反相放大器(在圖8(B)中)與1比特比較器一起用在列處理器中，用來將模擬圖象信號轉換成數(shù)字圖象信號。有利地，在上述傳感器中不用ADC。若有需要時，也能在APS和象素級ADC傳感器放大器中提供電子快門。
按照本發(fā)明的另一個方面，提供一種可變空間和數(shù)位分辨率的CMOS面型圖象傳感器。所述CMOS圖象傳感器具有可編程的空間分辨率和數(shù)位分辨率。通過用空間重復取樣，損失空間分辨率的情況下，來獲得所述高數(shù)位分辨率。
按照本發(fā)明，應用模擬抖動和數(shù)字處理以獲得空間重復取樣，從而靈活和有效地取得數(shù)位分辨率。在一個最佳實施例中，一種可變空間和數(shù)位分辨率的CMOS圖象傳感器，具有如前面更早些描述過的高空間分辨率和低數(shù)數(shù)位分辨率CMOS面型圖象傳感器相同的結構。此外，所述CMOS傳感器還包含按照本發(fā)明的如下規(guī)則系統(tǒng)實現(xiàn)空間重復取樣的裝置。
在象素陣列中，將一N×M象素塊組合在一起構成一超級象素。假設將最大電壓擺幅規(guī)格化為1，同時各象素已被量化為沒有模擬抖動的比特m(例如，對黑和白來說，m＝1)。那些象素值由X(1，1)，X(1，2)，……X(n，m)來表示。還假定總的干擾電平(即，熱干擾，基片干擾，地面反跳，饋通干擾)小于但接近等于2-n(可通過測試來確定n值)。按照相關值n和m，我們把它們分成兩種情況。
倘若n＜＝m，這意味著總干擾電平超過量化干擾。在該種情況下，雖然將單一象素量化為m比特，但有效數(shù)位分辯率僅為n比特。在這種情況下，通過計算均值，X(1，1)，X(1，2)，……，X(n，m)＝(X(1，1)+X(1，2)+X(1，3)……+X(n，m))/(N×M)來獲得超級象素值?？珊侠砑俣?，系統(tǒng)干擾對各象素來說是互不相關的，所以，X(1，1)+X(1，2)+……+X(n，m)的總干擾約為(N×M)0.5倍，而信號生長約為N×M倍。這樣就使信號干擾比按(N×M)0.5倍增長，或按0.5log2(N×M)比特來增長有效比特分辨率。通常，該方法要獲得增長一比特分辯率須有4倍的空間重復取樣，例如，通過把4象素組合在一起而增加一比特分辨率，通過把16象素組合在一起而增加二比特分辨率，通過把64象素組合在一起而增加三比特分辨率。
當n＞m時，如上所述的數(shù)字求和方法不起作用。而代之以，將模擬抖動首先應用到量化m比特。這時，如果2n-m+1-1＞＝N×M，那么，設定L＝N×M，否則，就設定L＝2n-m+1-1。在這種情況下，首先將L象素組合在一起以構成n比特超級象素。但是，如果L＜N×M，我們應用在前面段落所論及的技術，構成一個超-超級象素以取得甚至更高的數(shù)位分辨率。為便于說明起見，若將X(1，1)重新標號為X1，X(1，2)重新標號為X2，并將X(n，m)重新標號為XL，則加到X1，X2，……XL的抖動值為i/(2m-1(L+1))，其中就i而言，分別為i＝-(L-1)/2，-(L-1)/2+1，……，(L-1)/2。
為獲得所述超級象素值，可取用以下兩種方法中的任一種。
方法1包括以下過程1)如果L為奇數(shù)，設定S＝X(L+1)/2；如果L為偶數(shù)，設定S＝XL/2；2)設定S_V＝max(0，S-1)；3)設定dx＝(L+1)*s_v/2+(x0＞s_v)+……(xL＞s_v)，此處(X＞Y)若為真，則定義為1，否則，則定義為0；以及4)所述最終超級象素值為dx/2(m-1)*(L+1))。
方法2包括以下過程1)設定兩個變量，上界UB＝1，下界LB＝0；2)對每個i而言，分別為i＝1，2，……L，NLB＝floor(xi*2m)；NUB＝floor(xi-i*2/(L-1)*2m)；若NLB＞LB，那么LB＝NLB；若NUB＜UB，那么UB＝NUB；在重復執(zhí)行完X1，……XL循環(huán)之后，所述最終象素值就在LB和UB之間(例如，(LB+UB)/2)；最好是，將一種或兩種方法都在CMOS圖象傳感器的列處理器塊中加以實現(xiàn)，該CMOS圖象傳感器可用于視頻成象以及攝影術。這樣，就提供了一種可變空間和數(shù)位分辨率的CMOS面型圖象傳感器，它可用于要求高數(shù)位分辯率但低空間分辨率的視頻成象或攝影術，以及用于文擋成象，如復印和傳真，其要求高空間分辨率但低數(shù)位分辨率。應該明白，本發(fā)明并不局限于此中所述的特定空間重復取樣技術或算法；也可應用任何其他的空間重復取樣技術或算法。
按照本發(fā)明，應用本發(fā)明的高空間分辨率和低數(shù)位分辨率CMOS面型圖象傳感器，可提供各種具有成象能力的設備，例如，具有傳真功能的集成蜂窩式電話，條形碼閱讀器，照相復印機，或機器視覺成象系統(tǒng)。
參照圖9，按照本發(fā)明的另一實施例，在最佳實施例中一成象系統(tǒng)200，包括本發(fā)明用以讀出文檔215圖象的，低數(shù)位分辨率和高空間分辨率CMOS面型圖象傳感器210；以及一個光學系統(tǒng)，它包括一個閃光燈225，它通過一透鏡230用以照亮文檔215，以及一透鏡220，用于把所述文檔的圖象投射到所述CMOS型圖象傳感器上。本發(fā)明的CMOS面型圖象傳感器210有小于6比特的數(shù)位分辨率和高空間分辨率，而且是按照CMOS工藝制造的，其特征在于具有0.35微米或更小的最小柵長。該CMOS圖象傳感器包括一個至少有1000×900象素的象素傳感器陣列，一用于為所述圖象傳感器生成定時和控制信號的定時和控制生成電路，一用于為讀出而選擇一或多行象素的行選電路，一用于為讀出而選擇一或多列象素的列處理器，以及一用以提供數(shù)據(jù)接口的輸入/輸出電路。更可取地，該CMOS傳感器還包括一用以完成數(shù)字信號處理的數(shù)字信號處理器和一在芯片上的存儲裝置。更加可取的是，該CMOS圖象傳感器還包括一個電子快門。
此外，成象系統(tǒng)200可包括一個在CMOS傳感器外部的存儲裝置，用以存儲由CMOS傳感器捕獲的圖象。更可取地，成象系統(tǒng)200還包括電和/或機械的開關裝置，用以接通閃光燈，并在同一時間打開在所述CMOS傳感器中的電子快門。
在一最佳實施例中，所述成象系統(tǒng)是一臺復印機，用以把印刷圖象復現(xiàn)到一有形媒體上，例如，一頁紙上。該系統(tǒng)還包含把由所述CMOS傳感器提供的上述印刷圖象表示的數(shù)據(jù)，用以復現(xiàn)這種圖象在有形媒體上的裝置。
在另一最佳實施例中，所述成象系統(tǒng)是一臺條形碼閱讀器。該系統(tǒng)還包括譯碼裝置，它用于接收與由本發(fā)明CMOS面型圖象傳感器讀出的這種條形碼相對應的圖象數(shù)據(jù)，并對上述條形碼圖象進行譯碼以生成與其相對應的碼。
按照本發(fā)明的另一實施例，提供一通信設備，它能夠傳輸由一高空間分辨率和低數(shù)位分辨率面型圖象傳感器提供的話音信號和圖象信號。參照圖10，在一最佳實施例中，所述通信設備是蜂窩式手機300，它包括外殼305，天線310，快門按鈕315，揚聲器320，顯示屏325，鍵區(qū)按鈕330和麥克風335。手機內(nèi)部(未示出)是本發(fā)明的低數(shù)位分辨率和高空間分辨率CMOS面型圖象傳感器。手機底部露出成象透鏡340，用以把待傳輸圖象投射或存儲到CMOS面型圖象傳感器上。閃光光源配備在手機底部，用以為成象提供照度。在圖11中，示出手機的正面，側面，頂面和底面視圖。
參照圖12，圖中說明手機的功能塊圖，該手機包括經(jīng)由天線用于接收和傳輸信號的RF接收器和傳輸器功能塊400。用于對手機提供電源和頻率控制的電源和頻率功能塊405。所述手機還包括傳真和基帶處理器410，供輸出給揚聲器，顯示和/或數(shù)據(jù)端口的輸出功能塊415，連接到麥克風，鍵區(qū)和/或數(shù)據(jù)端口的輸入功能塊420，用以控制電子快門(在CMOS面型圖象傳感器上)的圖象控制功能塊425，以及用以存儲圖象數(shù)據(jù)或其他數(shù)據(jù)類型的存儲功能塊430。提供CMOS面型圖象傳感器經(jīng)由圖象透鏡被用于讀出圖象，例如文檔。更可取的是，該CMOS圖象傳感器包括在芯片上的電子快門，數(shù)字信號處理器用以完成信號壓縮和傳真編碼。
在所述最佳實施例中，所述手機特別適合于附加網(wǎng)絡話音通信的傳真運作。圖13示出在最佳實施例中，用于模擬蜂窩式電話手機的程序流程圖。圖14示出在最佳實施例中，用于數(shù)字蜂窩式電話手機的程序流程圖。
最佳實施例中，所述CMOS圖象傳感器有小于6比特的數(shù)位分辨率和高空間分辨率，而且是按照CMOS工藝制造的，其特征在于具有0.35微米或更小的最小柵長。該CMOS圖象傳感器包括一個至少有1000×900象素的象素傳感器陣列，用于為所述圖象傳感器生成定時和控制信號的定時和控制生成電路，用于為讀出而選擇一或多行象素的行選電路，用于為讀出而選擇一或多列象素的列處理器，用以完成數(shù)字信號處理的數(shù)字信號處理器，以及用以提供數(shù)據(jù)接口的輸入/輸出電路。更可取地，該數(shù)字信號處理器為傳真?zhèn)鬏斖瓿删幋a和/或壓縮圖象數(shù)據(jù)。
按照本發(fā)明的另一實施例，提供既有視頻又有傳真功能的蜂窩式電話。該蜂窩式電話包括，如在本說明書中較早段落中描述的，本發(fā)明既可用于文檔成象又可用于視頻成象的可變空間和數(shù)位分辨率CMOS面型圖象傳感器。
按照本發(fā)明的另一實施例，提供一種用于計算機和互聯(lián)網(wǎng)通信的可編程視頻/攝影/文檔成象的輸入設備。該輸入設備包括本發(fā)明的可變空間和數(shù)位分辨率CMOS面型圖象傳感器，所述傳感器如在本說明書的較早段落中曾描述過可用于視頻，攝影和文檔成象。
按照本發(fā)明的另一實施例，提供一種用于電視電話和電話電視會議的可編程視頻/攝影/文檔成象的輸入設備。該輸入設備包括，如在本說明書的較早段落中曾描述過的，本發(fā)明的可變空間和數(shù)位分辨率CMOS面型圖象傳感器。上述設備可經(jīng)由各種傳輸媒體，例如，互聯(lián)網(wǎng)，非對稱數(shù)字用戶線(ADSL)通道，電纜連接，衛(wèi)星，光纖網(wǎng)絡和諸如異步傳輸方式(ATM)那樣的寬帶網(wǎng)通信。
按照本發(fā)明的另一實施例，提供一種用于電視機頂盒或萬維網(wǎng)電視的可編程成象輸入設備。該輸入設備包括，如在本說明書的較早段落中曾描述過的，本發(fā)明的可變空間和數(shù)位分辨率CMOS面型圖象傳感器。
對熟悉本技術領域的人士來說將會明白，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以作出許多修改，因此，只按照以下的權利要求書來限制本發(fā)明。
權利要求
1.一種工藝過程可調的、分辨率可變的圖象傳感器，其特征是，它包括多個按二維陣列形式成形的傳感器電路；所述每個傳感器電路包含一傳感器象素和一調整電路；所述傳感器象素當被曝露于入射光時，產(chǎn)生一模擬信號；所述調整電路按照一預先規(guī)定的參數(shù)調整所述模擬信號；其中所述預先規(guī)定的參數(shù)是有選擇地配置的，從而使與所述傳感器象素鄰近的傳感器象素中調整電路的參數(shù)有所不同；以及一包含多個讀出電路的列處理器；所述每個讀出電路與所述傳感器電路的列耦合，從那里接收所述經(jīng)調整的模擬信號，并將所述經(jīng)調整的模擬信號轉換成一數(shù)字信號。
2.如權利要求1所述的工藝過程可調的、分辨率可變的圖象傳感器，其特征是，所述每個讀出電路是具有預先規(guī)定閾的比較器；以及所述比較器以單一比特格式，輸出代表或高于、或低于預先規(guī)定閾的所述經(jīng)調整的模擬信號的所述數(shù)字信號。
3.如權利要求2所述的工藝過程可調的、分辨率可變的圖象傳感器；其特征是，所述列處理器使一組以所述比特格式表示的數(shù)字信號，按照一套與所述預先規(guī)定的參數(shù)關聯(lián)的設定規(guī)則，結合成以較高數(shù)位分辨率而降低空間分辨率格式表示的單一組合數(shù)字信號。
4.如權利要求3所述的工藝過程可調的、分辨率可變的圖象傳感器；其特征是，在所述組中有N乘M個所述數(shù)字信號；所述較高數(shù)位分辨率至少為[1+0.5log2(N×M)]比特精確性，而所述降低的空間分辨率格式為不大于1/(N×M)。
5.如權利要求1所述的工藝過程可調的、分辨率可變的圖象傳感器，其特征是，還包括一用以存儲編碼指令的存儲器；以及一數(shù)字信號處理器；與所述存儲器耦合；執(zhí)行所述編碼指令，以按照預定要求處理來自所述列處理器的數(shù)字信號。
6.如權利要求5所述的工藝過程可調的、分辨率可變的圖象傳感器；其特征是，所述預定要求與傳真通信標準有關，以便能將所述經(jīng)處理的數(shù)字信號傳送到供打印的傳真機。
7.如權利要求6所述的工藝過程可調的、分辨率可變的圖象傳感器；其特征是，所述數(shù)字信號處理器是與所述傳感器電路單片地集成在一起的。
8.如權利要求1所述的工藝過程可調的、分辨率可變的圖象傳感器；其特征是，所述每個讀出電路是將所述經(jīng)調整的模擬信號數(shù)字化為所述數(shù)字信號的一個模數(shù)轉換器。
9.如權利要求8所述的工藝過程可調的、分辨率可變的圖象傳感器；其特征是，還包括一用以存儲編碼指令的存儲器；以及一數(shù)字信號處理器；與所述存儲器耦合；執(zhí)行所述編碼指令，使來源于所述傳感器電路塊的諸數(shù)字信號，按照一套與所述預先規(guī)定的參數(shù)關聯(lián)的設定規(guī)則，結合而構成以較高數(shù)位分辨率而降低空間分辨率格式表示的單一數(shù)字信號。
10.如權利要求9所述的工藝過程可調的、分辨率可變的圖象傳感器；其特征是，所述單一比特格式是一二進制格式；以及，在所述組中有N乘M個所述數(shù)字信號；所述較高數(shù)位分辨率至少為0.5log2(N×M)比特精確性，而所述降低的空間分辨率格式為不大于1/(N×M)。
11.如權利要求8所述的工藝過程可調的、分辨率可變的圖象傳感器；其特征是，所述列處理器使來源于所述傳感器電路塊的諸數(shù)字信號，按照一套與所述預先規(guī)定的參數(shù)關聯(lián)的設定規(guī)則，結合而構成以較高數(shù)位分辨率而降低空間分辨率格式表示的單一數(shù)字信號。
12.如權利要求1所述的工藝過程可調的、分辨率可變的圖象傳感器；其特征是，所述預先規(guī)定的參數(shù)是一施加到所述每個傳感器電路上使所述模擬信號相應地放大的電壓。
13.如權利要求1所述的工藝過程可調的、分辨率可變的圖象傳感器；其特征是，所述調整電路通過對其加上一預先規(guī)定的電壓而調整所述模擬信號，從而使所述模擬信號相應地逐步升級。
14.一種工藝過程可調的、分辨率可變的圖象傳感器，其特征是，它包括多個按二維陣列形式排列的傳感器象素；當所述傳感器象素被曝露于入射光時，所述每個傳感器象素產(chǎn)生一模擬信號；以及一包含多個讀出電路的列處理器；所述每個讀出電路與所述輸出模擬信號的傳感器象素的列耦合，它包含一調整電路，它按照預先規(guī)定的標示所述每個所述讀出電路的參數(shù)，在把所述每個所述模擬信號轉換到數(shù)字信號之前或期間，調整所述每個模擬信號；其中所述預先規(guī)定的參數(shù)與在鄰近所述讀出電路中各自的參數(shù)不同。
15.如權利要求14所述的工藝過程可調的、分辨率可變的圖象傳感器，其特征是，所述每個讀出電路還包括一具有預先規(guī)定閾的比較器；所述比較器接收來自所述調整電路的所述經(jīng)調整的模擬信號；以及所述比較器以來自所述經(jīng)調整的模擬信號的單一比特格式，分別地輸出數(shù)字信號；所述數(shù)字信號代表或高于、或低于所述預先規(guī)定閾的所述經(jīng)調整的模擬信號。
16.如權利要求15所述的工藝過程可調的、分辨率可變的圖象傳感器，其特征是，還包括一用以存儲編碼指令的存儲器；以及一數(shù)字信號處理器；與所述存儲器耦合；按照預定用途執(zhí)行所述編碼指令，處理來自所述列處理器按所述單一比特格式的所述數(shù)字信號。
17.如權利要求16所述的工藝過程可調的、分辨率可變的圖象傳感器；其特征是，所述預定用途與傳真通信標準有關，以便能將所述經(jīng)處理的數(shù)字信號傳送到供打印的傳真機。
18.如權利要求16所述的工藝過程可調的、分辨率可變的圖象傳感器；其特征是，所述預定用途是使來源于所述傳感器電路塊的諸數(shù)字信號，按照一套與所述預先規(guī)定的參數(shù)關聯(lián)的設定規(guī)則，結合而構成以較高數(shù)位分辨率而降低空間分辨率格式表示的單一數(shù)字信號。
19.如權利要求18所述的工藝過程可調的、分辨率可變的圖象傳感器；其特征是，在所述組中有N乘M個所述數(shù)字信號；所述較高數(shù)位分辨率至少為[1+0.5log2(N×M)]比特精確性，而所述降低的空間分辨率格式為不大于1/(N×M)。
20.如權利要求19所述的工藝過程可調的、分辨率可變的圖象傳感器；其特征是，所述數(shù)字信號器是與所述傳感器電路單片地集成在一起的。
21.如權利要求14所述的工藝過程可調的、分辨率可變的圖象傳感器；其特征是，每個所述讀出電路還包含一個接收來自所述調整電路的所述經(jīng)調整的模擬信號，并順序地將所述經(jīng)調整的模擬信號轉換成數(shù)字信號的模數(shù)轉換器。
22.如權利要求21所述的工藝過程可調的、分辨率可變的圖象傳感器，其特征是，還包括一用以存儲編碼指令的存儲器；以及一數(shù)字信號處理器；與所述存儲器耦合；執(zhí)行所述編碼指令，使來源于所述傳感器電路塊的諸所述數(shù)字信號，按照一套與所述預先規(guī)定的參數(shù)關聯(lián)的設定規(guī)則，結合而構成以較高數(shù)位分辨率而降低空間分辨率格式表示的單一數(shù)字信號。
23.如權利要求22所述的工藝過程可調的、分辨率可變的圖象傳感器；其特征是，在所述組中有N乘M個所述數(shù)字信號；所述較高數(shù)位分辨率至少為[1+0.5log2(N×M)]比特精確性，而所述降低的空間分辨率格式為不大于1/(N×M)。
24.一種用以從一個圖象傳感器提供工藝過程可調的、分辨率可變的數(shù)字圖象信號的方法，其特征是，所述方法包括從一按二維陣列形式排列的傳感器電路陣列中生成圖象信號；所述每個傳感器電路包含一當被曝露于入射光時，產(chǎn)生一個所述圖象信號的傳感器象素；按照一參數(shù)陣列調整所述圖象信號，至少所述參數(shù)之一與至少兩個其緊鄰參數(shù)不同；以及，將所述經(jīng)調整的圖象信號轉換成一數(shù)字信號。
25.如權利要求24所述的方法；其特征是，所述每個傳感器電路還包含一調整電路，所述調整電路使所述一個圖象信號按照所述一個參數(shù)加以調整。
26.如權利要求25所述的方法；其特征是，所述調整電路對所述一個圖象信號加一適合所述一個參數(shù)的電壓信號，從而使所述一個圖象信號相應地逐步升級。
27.如權利要求25所述的方法；其特征是，所述調整電路是按照一個所述參數(shù)在其上施加一電壓的放大器，從而使所述一個圖象信號相應地得以放大。
28.如權利要求24所述的方法；其特征是，所述轉換所述經(jīng)調整的圖象信號包括將所述經(jīng)調整的圖象信號與一預先規(guī)定的閾進行對照；以及生成所述數(shù)字信號。
29.如權利要求24所述的方法；其特征是，所述轉換所述經(jīng)調整的圖象信號包括接收所述經(jīng)調整的圖象信號的各列；分別按并行方式將所述經(jīng)調整的各列圖象信號與一預先規(guī)定的閾進行對照；以及產(chǎn)生所述數(shù)字圖象的各列。
30.如權利要求24所述的方法；其特征是，所述轉換所述經(jīng)調整的圖象信號包括接收所述經(jīng)調整的圖象信號的各列；以及分別按并行方式將所述經(jīng)調整的各列圖象信號數(shù)字化為所述數(shù)字圖象的各列。
31.如權利要求30所述的方法；其特征是，所述方法還包括根據(jù)所述參數(shù)陣列，將所述數(shù)字圖象各塊結合成一新的數(shù)字信號陣列；所述每個新的數(shù)字信號，對應于一個所述數(shù)字圖象的所述塊，并按照一套與所述預先規(guī)定的參數(shù)關聯(lián)的設定規(guī)則，以較高的數(shù)位分辨率和降低的空間分辨率格式表示。
32.如權利要求31所述的方法；其特征是，在所述組中有N乘M個所述數(shù)字信號；所述較高數(shù)位分辨率至少為[1+0.5log2(N×M)]比特精確性，而所述降低的空間分辨率格式為不大于1/(N×M)。
33.如權利要求24所述的方法；其特征是，所述參數(shù)陣列是與抖動所述圖象信號的數(shù)字矩陣相一致。
34.一種用以從一個圖象傳感器提供工藝過程可調的、分辨率可變的數(shù)字圖象信號的方法，其特征是，所述方法包括從一按二維陣列形式排列的傳感器電路陣列中生成傳感器信號；所述每個傳感器電路包含一傳感器象素，一調整電路和一比較器；所述傳感器象素當被曝露于入射光時，生成一個所述傳感器信號；按照一參數(shù)陣列調整所述傳感器信號，至少所述參數(shù)之一與至少兩個其緊鄰參數(shù)不同；以及，通過應用所述比較器，將所述每個經(jīng)調整的傳感器信號轉換成代表或高于、或低于所述預先規(guī)定閾的所述經(jīng)調整的傳感器信號的一個所述圖象信號。
35.如權利要求34所述的方法；其特征是，所述參數(shù)陣列按照一傳真標準導致抖動所述傳感器信號。
36.如權利要求35所述的方法；其特征是，所述圖象信號可被輸出到一傳真機。
37.如權利要求34所述的方法；其特征是，通過將一電壓施加到所述象素電路之一中各自的調整電路上，而提供所述每個參數(shù)。
38.如權利要求34所述的方法；其特征是，所述參數(shù)陣列是按照二維矩陣形式并重復平鋪直至遍及整個所述圖象傳感器而成形的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可嵌入在便攜式成象系統(tǒng)中的CMOS圖象傳感器。這種具有高空間分辨率及低數(shù)位分辨率的CMOS面型圖象傳感器,不僅能夠使諸如蜂窩式傳真電話機,便攜式復印機,條形碼閱讀機之類的便攜式成象系統(tǒng)得以實現(xiàn),而且其能夠以標準數(shù)字化CMOS工藝方法,特別是0.35微米及以下的工藝方法制造出來。本發(fā)明也公開了一些利用這種CMOS圖象傳感器的便攜式成象系統(tǒng)。本發(fā)明還公開了一種具有可變空間分辨率和數(shù)位分辨率的CMOS圖象傳感器。起初是高空間分辨率、低數(shù)位分辨率的圖象傳感器,通過把一組最鄰近象素的信息借助空間重復取樣結合成單一的超象素,即獲得高的數(shù)位分辨率。這種可變的CMOS圖象傳感器可用于供文檔和視頻成象或攝影術的多功能成象設備。
文檔編號H04N1/04GK1270471SQ9911689
公開日2000年10月18日 申請日期1999年9月22日 優(yōu)先權日1998年9月22日
發(fā)明者楊曉東, 鄧中韓 申請人:楊曉東, 鄧中韓