一種感光器件及其讀取方法、讀取電路的製作方法

2023-08-04 09:27:01

專利名稱：一種感光器件及其讀取方法、讀取電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及感光器件及其讀取方法、讀取電路，尤其是大陣列高性能的感光晶片 的感光象素的設計、製作、讀取方法及其半導體加工工藝。本發明融合成熟的CCD感光晶片 技術和成熟的CMOS感光晶片技術，發明了一種新的感光器件。
背景技術：
本發明是本發明人稍早一點的《多光譜感光器件及其製作方法》(PCT/ CN2007/071262)，《多光譜感光器件及其製作方法》(中國申請號200810217270. 2)，和《一 種多光譜感光器件及其採樣方法》(中國申請號=200910105948. 2)的延續，旨在提供更為 具體而且優選的半導體電路和晶片級別的實現，乃至新的適用於感光器件的半導體製作技 術。眾所周知，當前的感光晶片技術，主要分為CCD(charge coupled device)和 CMOS (complementary metal-oxide semiconductor)兩類。雖然也有其它的半導體技術， 例如採用銦化鎘的半導體技術(「Silicon infrared focal plane arrays」，M. Kimata， inHandbook of Infrared Detection Technologies,edited by M. Henini and M. Razeghi, pp. 352-392，Elsevier Science Ltd.，2002)，被用來製作感應紅外光的晶片，但它們都不 能成為主流。C⑶和CMOS本質上都是建立在以矽為基礎的半導體技術上。它們的主要差異在於 象素的讀取方式不同。由於這種讀取方式的不同，導致了 c⑶加工工藝，遠離普通的CMOS 半導體加工工藝，形成了半導體技術中的一個特殊分支，即CCD半導體技術。CCD感光晶片主要採用三種象素讀取方式如圖9(a)所示的幀轉移方式 (FrameTransfer)，如圖9(b)所示的線間轉移方式(Interline Transfer)，和如圖9 (c)所 示的幀線間轉移方式(Frame Interline Transfer)。這三種方式，都要求高速、高保真地在 感光象素與感光象素之間或感光象素與非感光的轉移象素之間轉移電荷，因而，導致了 CCD 半導體工藝的如下特殊性(1)高電壓一般在正負18V左右；(2)高純度象素之間的一致 性必須非常好；(3)高加工精度象素之間在大小，深度等等指標上必須幾乎完全一致。復 雜和眾多的加工流程，加上工藝的不通用性，導致CCD器件的高成本和感光器件與處理器 件的難以集成。此外，高電壓也導致了 CCD器件的高功耗。CMOS則採用類似於DRAM的讀取方式，通過行選控制器和列選控制器，挨個將象素 電壓直接掛在讀取總線上的辦法，通過行選和列選控制信號，依次讀取每個象素上的信號。 這種感光器件的巨大好處是，其半導體加工工藝，與標準的CMOS加工工藝非常接近，因而 能夠在非常多的半導體工廠裡加工，從而成本低廉。另外一個好處就是低電壓運作，因而功 耗很低。CMOS感光晶片技術的高速發展，已經使得CMOS感光晶片技術在主要的技術指標上 都開始超越CCD技術，而成為今天最主要的感光晶片技術。CMOS感光晶片技術在象素設計上又主要分為被動象素和主動象素。主動象素由 於更高的信噪比和靈敏度，比之被動象素得到更為廣泛的應用。但是主動象素需要用到讀取電容FD (Floating Diffusion)，和3T，4T，甚至5T/6T的採樣放大電路，使得感光面積比 例因子(Fill factor)降低，導致單位面積上的有效象素降低，也限制了信噪比和靈敏度的 更進一步改進。於是最近的發展就是採用共享的讀取電路，如4-點共享的4T主動象素設 計，等等。讀取電路的共享通常伴隨的是讀取電容FD的共享。這種共享也帶來一定的副作 用。第一個副作用是，如果一個讀取電容或讀取電路中一個器件出問題，就會導致一堆象素 成為壞點。此外，讀取電容的共享增加了不同色彩象素之間的相互幹擾(cross talking), 導致色彩的不夠鮮豔。CMOS讀取技術的另一個問題是，當象素陣列非常大時，需要非常高的象素時鐘才 能得到合用的幀率。這個受到AD轉換速度和其它條件的限制。因此，無論是(XD的感光晶片技術，還是CMOS的感光晶片技術都有許多需要而且 能夠改進的地方。

發明內容
本發明的目的旨在提供一種新型的感光器件及其讀取方法，其結合CCD和CMOS感 光器件的優點，而具有加工、讀取等方面的便利性。本發明的技術方案包括一種感光器件，包括象素陣列和讀取電路，所述象素陣列中，至少在部分象素間設 置有連接鄰近象素、並實現相連象素間電荷轉移的轉移門，所述讀取電路用於從一個象素 中讀取該象素的電荷，所述電荷是該象素自身電荷、來自該象素鄰近象素的轉移電荷、該象 素自身電荷與其一個或一個以上鄰近象素的轉移電荷的疊加、和該象素的兩個或兩個以上 鄰近象素的轉移電荷的疊加的至少一種。所述部分象素中，一個象素通過所述轉移門連接的鄰近象素包括該象素上下左右 四個方向的鄰近象素。上述的感光器件，所述象素陣列中的各個象素間都設置有所述轉移門。上述的感光器件，所述讀取電路是在讀出與之相連的象素的自身電荷並對該象素 清零後，再讀取從該象素的鄰近象素轉移過來的電荷。上述的感光器件，所述讀取電路包括主動象素讀取電路、被動象素讀取電路、或主 動象素與被動象素混合讀取電路。上述的感光器件，所述主動象素包括3T、4T、5T、或6T主動象素。上述的感光器件，所述讀取電路的共享方式包括無共享方式、4點共享方式、6點 共享方式、8點共享方式、或任意點共享方式。上述的感光器件，當所述讀取電路的共享方式為4點共享方式、6點共享方式、8點 共享方式、或任意點共享方式時，共享一個讀取電路的一個象素集中，與該讀取電路不相連 的象素到與該讀取電路相連的象素間的轉移距離不超過4個象素。所述感光器件包括單面單層、單面雙層、單面多層、雙面雙層、雙面多層感光器件。
所述感光器件的感光方式包括正面感光、背面感光、或雙面感光方式。上述的感光器件，所述象素陣列中的象素根據單色、彩色、或包含可見光和紅外光 的多光譜感光所要求的預設圖案重複排列。上述的感光器件，所述預設圖案包括貝葉圖案、蜂窩圖案、單色圖案，CyYeMgX圖
5案，其中X是R(紅)、G(綠)、B(藍)中的任意一種色彩。本發明還公開了一種感光器件的讀取方法，包括在所述感光器件的象素陣列中的至少部分象素間，設置連接鄰近象素、並實現相 連象素間電荷轉移的轉移門；從一個象素中讀取該象素的電荷，所述電荷是該象素自身電荷、來自該象素鄰近 象素的轉移電荷、該象素自身電荷與其一個或一個以上鄰近象素的轉移電荷的疊加、和該 象素的兩個或兩個以上鄰近象素的轉移電荷的疊加的至少一種。上述的讀取方法，從一個象素中讀取該象素的鄰近象素的轉移電荷，是是在讀出 與之相連的象素的自身電荷並對該象素清零之後。上述的讀取方法，包括採樣和子採樣過程，所述採樣和子採樣過程包括第一合併 過程，用於對所述象素陣列中的緊鄰的同行異列、異行同列、或異行異列的象素間進行兩兩 合併採樣，獲得第一合併象素的採樣數據；第二合併過程，用於對第一合併過程得到的第一 合併象素的採樣數據進行合併採樣，獲得第二合併象素的採樣數據。上述的讀取方法，還包括第三合併過程，用於對第二合併過程得到的第二合併象 素的採樣數據進行合併採樣，獲得第三合併象素的採樣數據。上述的讀取方法，所述第一合併過程或第二合併過程的象素合併採樣方式為相同 或不同色彩象素間的電荷相加方式或不同色彩象素間的信號平均方式，其中不同色彩象素 間的象素合併方式遵照色彩空間變換的方式，以滿足色彩重建的要求。上述的讀取方法，所述第一過程或第二合併過程的基於色彩的合併採樣方式包括 同色合併方式、異色合併方式、混雜合併方式、或選擇性拋棄多餘色彩方式，且第一合併過 程和第二合併過程中至少一個合併過程不是同色合併方式。上述的讀取方法，所述第一合併過程或第二合併採樣過程的基於位置的合併採樣 方式包括以下幾種方式中的至少一種直接輸出到總線的信號自動平均方式、跳行或跳列 方式、和逐個採樣方式。上述的讀取方法，所述第三合併採樣過程進行的合併採樣方式包括色彩空間變 換方式、後端數字圖像縮放方式。上述的讀取方法，所述色彩空間變換包括RGB到CyYeMgX空間的變換、RGB到YUV 空間的變換、或CyYeMgX到YUV空間的變換、其中X為R (紅)、G (綠)、B (藍)中的任意一 種色彩。上述的讀取方法，其全圖採樣的方式包括逐行掃描、逐行讀取方式或逐行掃描、隔 行或跨行讀取方式。本發明還公開了一種感光器件的讀取電路，用於讀取所述感光器件的象素陣列中 的象素電荷，所述象素陣列中，至少在部分象素間設置有連接鄰近象素、並實現相連象素間 電荷轉移的轉移門，所述讀取電路讀取的所述象素電荷是該象素自身電荷、來自該象素鄰 近象素的轉移電荷、該象素自身電荷與其一個或一個以上鄰近象素的轉移電荷的疊加、和 該象素的兩個或兩個以上鄰近象素的轉移電荷的疊加的至少一種。所述象素陣列中的至少部分象素連接的所述讀取電路為主動象素和被動象素混 合讀取電路。所述的讀取電路，設置有象素清零或復位信號，從而可以具備對象素清零或復位的功能。本發明有益的技術效果在於1、本發明的感光器件，通過在象素陣列的至少部分象素之間設置有轉移門，從而 使得兩個象素之間可以進行相互的電荷轉移，讀取電路可以從一個象素中讀取該象素的自 身電荷、該象素的鄰近象素的轉移電荷、該象素自身電荷與其鄰近象素的轉移電荷的疊加， 或是兩個以上鄰近象素的轉移電荷的疊加，從而能夠實現1)讀取的低電壓，由於電荷轉移只發生在鄰近象素之間，因而不需要高電壓，因而 降低了感光器件的功耗；2)加工工藝的簡單化以及感光靈敏度的提高，由於電荷轉移發生在象素之間，從 而在本發明的感光器件中，不再需要設置讀取電容，而讀取電容的省略，一方面帶來了感光 面積的增加，從而可以提高感光靈敏度，另一方面，由於可以省略讀取電容的加工，因而加 工工藝也得到了簡化。此外，電荷轉移只在鄰近象素間進行，即使象素之間的不一致性帶來 一定的偏差，這種偏差的累積也不會太高，因而降低了象素間一致性的要求，降低了加工的 精度要求。3)主動象素和被動象素的選取靈活性，主動象素的優點在於高信噪比，被動象素 的優點在於低功耗，兩者各自的優點通常難以兼顧，但本發明由於通過電荷轉移而實現了 子採樣時的電荷相加導致子採樣時的信號增強，從而能實現主動象素和被動象素的優點兼 顧。主動象素的高功耗主要來自於其放大電路的設置，而在本發明中，主動象素可以只在拍 全圖照片是使用，而在預覽或子採樣時，使用不帶放大電路的被動象素，從而在降低正常使 用的功耗的同時，保證了高象素拍照的高信噪比，從而使得本發明能夠結合主動象素和被 動象素的優點於一身。在本發明中，提出了鄰近象素的概念，這一概念，是從讀取電路共享和象素轉移的 角度提出的。一般而言，象素會按照空間的分布，分割成小塊，每一塊將共享一個或多個讀 取電路，但象素合併只在塊內進行。通常，我們將處於同一個象素合併塊裡的象素，稱之為 鄰近象素。在本發明中，象素轉移只能在(沿水平或垂直方向)緊挨著的兩個象素間進行。因 此，如果要將一個象素轉移到不緊挨的一個象素中去，則需要經過傳遞轉移。我們將轉移的 次數，稱之為轉移距離。以一 4點象素方陣為例，如果要實現電荷轉移到方陣中的左上角象 素，那麼，右上角象素的電荷，只需進行一次同行間的轉移，即可轉移到左上角象素；左下角 象素的電荷，只需進行一次同列間的轉移，即可轉移到左上角象素。即，右上角象素、左下角 象素到左上角象素的轉移距離都是1。對於右下角象素，則需要進行一次同行間的轉移，先 將電荷轉移到左下角象素，或者需要進行一次同列間的轉移，先將電荷轉移到右上角象素， 而後再通過右上角象素或者左下角象素轉移到左上角象素，即，右下角象素到左上角象素 的轉移距離為2。也就是說，一個象素如果與轉移目的象素並不緊鄰，那麼，該象素的電荷需 要以其緊鄰象素為中介，才能最終轉移到轉移目的象素。需要注意，在本發明中，轉移方向 並不受限，一個象素可以向其任一方向的緊鄰象素進行電荷轉移。為了不使控制電路過份 複雜，轉移距離不宜超過4個象素。上述說明，主要是針對兩維象素轉移，對於多層感光器件來說，處於同一光照方向 上的不同層面的感光象素，同樣也可以進行上述類似的象素轉移。
讀取電路在讀取電荷時，可以從一個象素讀取該象素的自身電荷，或該象素的鄰 近象素的轉移電荷，通常的，作為轉移目的象素，如果不丟失其感光信號，可以首先將轉移 目的象素的自身電荷讀出，然後對該象素清零，再把鄰近象素的電荷轉移到該轉移目的電 荷中。這樣的方式，主要是保持電荷的單一性，但該單一性並非必要，讀取時，同樣可以採用 電荷疊加讀取的方式，電荷疊加，可以是轉移目的象素的自身電荷與其鄰近象素的轉移電 荷的疊加，也可以是兩個或兩個以上轉移象素的電荷在轉移目的象素中的疊加，對於同一 色彩的象素，其疊加數量不受限制，而對於不同色彩的象素，為了滿足色彩重建的要求，通 常只能是兩種色彩的象素疊加。讀取電路，可以在象素間不進行共享，但優選的，可以採用多點共享方式，即可以 將讀取電路設置在轉移目的象素上，而對於該轉移目的象素的鄰近象素，其電荷的讀取，採 用首先轉移到轉移目的象素，再通過轉移目的象素的讀取電路讀取的方式。在此，將共享一 個讀取電路的轉移目的象素及其鄰近象素稱為一個象素集。由於本發明的象素可以兼具主動象素和被動象素的優點，因而適宜的，對於象素 陣列的每一個連接讀取電路的象素而言，其所連接的讀取電路，可以是主動象素讀取電路， 被動象素讀取電路，或者是同時包括主動象素讀取電路和被動象素讀取電路，通過信號選 擇方式選擇性的連接其中之一，從而使得每個象素可以同時具備有主動象素和被動象素的 讀取功能。總結上面所述，本發明結合了 CCD感光晶片技術和CMOS感光晶片技術的優點，從 半導體物理層面，以更加優越的方式，實現了更為先進的感光器件。本發明首創了象素間，特別是兩維象素間，電荷轉移(2D Pixel Transfer)的象素 讀取方式，從而實現了不帶讀取電容FD的象素，並可實現主動象素和被動象素的混合。電 荷信號可在不使用讀取電容FD的前提下實現相加合併。在子採樣中，目前的合併採樣幾乎都是只做到了電壓或電流信號的平均，這種方 式在合併N點時，最多只能將信噪比提高#倍。而採用電荷相加的方法，信噪比可以提高
倍，比信號的平均的方法高N倍。也就是說，將N個信號以電荷相加的方法合併，理論 上可以達到N3個信號相平均的效果。這是效果非常顯著的提高信噪比的手段。本發明輕鬆的以電荷相加為主，信號平均為輔的子採樣方式，實現任意MxN因子 的子採樣。本發明由於省去了讀取電容FD，很容易就能將共享讀取電路，從4-點，8-點等，根 據設計優化的需求，隨意地擴展到N-點共享讀取電路。本發明將子採樣至少分為兩個過程，即前述的第一合併採樣過程和第二合併採樣 過程。第一合併採樣過程和第二合併採樣過程，通常發生在象素的行(合併)採樣和列(合 並)採樣之間，主要對模擬信號進行，除電荷相加部分通常只在第一合併採樣過程中做以 外，其次序和內容通常是可以交換的。此外，也可以包括第三合併採樣過程，第三合併採樣 過程發生在模數轉換之後，主要對數位訊號進行。對於第一合併採樣過程，是取象素陣列中兩個緊鄰的象素來進行合併。一方面，完 成了緊鄰象素的合併，在本文中，我們將合併後的象素稱為第一合併象素，需要理解的是， 第一合併象素只是為本發明描述之便，利用該概念來指代進行第一合併過程後的象素，而 不代表物理上，在象素陣列中存在一個「第一合併象素」；將兩個緊鄰象素合併採樣後的數據稱為第一合併象素的採樣數據。緊鄰，係指兩個象素之間從水平，垂直，或對角方向上來 看緊挨著，中間沒有其它象素。緊鄰的情況包含同行異列，異行同列，或異行異列。一般而 言，在這種合併中，信號將至少是兩個象素的信號平均，而噪聲則會降低#，因此，合併後， 至少可以將信噪比提高#倍，且這種合併可以在相同或不同色彩的象素之間進行。另一 方面，由於兩個合併的色彩可以不同，即色彩相加或平均，從色彩的三原色原理可知，兩種 原色的相加是另一種原色的補色，就是說，兩個不同原色的象素合併，產生另一種原色的補 色，從原色空間，變換到了補色空間，僅僅是發生了色彩空間變換，我們仍然可以通過不同 的補色而完成彩色重建。也即通過本發明，既能實現不同色彩的象素合併以提高信噪比，同 時又能夠進行彩色重建。整個子採樣過程也因此得到優化，更加適應大數據量的象素陣列 的高速需求。色彩空間變換的一個基本要求是，變換後的色彩的組合，能夠(通過插值等手 段)重建所需要的RGB (或YUV，或CYMK)色彩。需要了解，由於通常象素陣列包含多個象素，第一合併採樣只是將兩個象素進行 合併，顯然，合併形成的第一合併象素也具有多個。對於不同的第一合併象素，其採用的色 彩合併方式可以相同，也可以不同。當第一合併全部在相同的色彩間進行時，我們將之稱為 同色合併方式；當第一合併全部在不同的色彩間進行時，我們將之稱為異色合併方式；當 第一合併部分在相同色彩間進行、部分在不同色彩間進行，我們將之稱為混雜合併方式；當 對象素陣列中的一些多餘的色彩進行拋棄(當然，拋棄是選擇性的，例如，不能因此而影響 到彩色重建)，這樣的色彩合併方式稱為選擇性拋棄多餘彩色方式。顯然的，第二合併過程是對多個第一合併象素的操作，同樣的，可以將色彩相同的 第一合併象素進行合併；也可以將色彩不同的第一合併象素進行合併(當然，這種情況下 可能導致三原色的全部相加而無法重建出彩色)。上述的同色合併、異色合併、混雜合併等方式，是將合併採樣做基於色彩的分類， 另外，從合併採樣的位置選取的角度，第一合併過程和第二合併過程的合併採樣方式包括 直接輸出到總線的信號自動平均方式、跳行或跳列方式，逐個採樣方式，以及這些方式的兩 種或三種的同時使用。除電荷相加部分通常只能在第一合併採樣過程中做以外，第一合併 過程和第二合併過程，除了次序的不同外，其方式都是相同和可以交換的。所謂直接輸出到總線的信號自動平均方式，就是，將需要合併的信號(色彩相同 或是不同)，同時輸出到數據採集總線上去，通過(電壓)信號的自動平衡，來獲得需要合併 信號的平均值。所謂跳行或跳列方式就是跳過一些行或列，從而通過減少數據量的方式來 實現(合併)採樣。所謂逐個採樣方式，實際上就是不做任何合併，依此讀取原來的象素或 第一合併象素。這三個方式有一些是可以同時使用的，例如，跳行或跳列方式可與直接輸出 到總線的信號自動平均方式或逐個採樣方式同時使用。第三合併採樣過程的子採樣方式包括色彩空間變換方式、後端數字圖像縮放方 式、以及這兩個方式的串行使用。第一和第二合併過程主要是在模擬信號上進行，而第三 子採樣過程主要是在數位訊號上進行，即模數轉換之後進行。通過將處於不同空間位置的 三個或四個色彩象素，當作同一個點上的值而轉換到另一個色彩空間，就又可實現水平和 (或)垂直方向上的數據減少，從而達到子採樣的效果。而數字圖像縮放方式，是最為直觀 常用的子採樣方式。電荷相加是一個效果卓著的合併採樣手段，但它要求需要合併的象素在空間上相鄰。之前的子採樣不能做的原因是，之前的子採樣只在相同色彩的象素之間進行，而且被合 並的象素之間隔這其它象素。對於多層感光器件而言，實現電荷相加就相對比較容易，因為 色彩圖案非常豐富。本人早一點的發明《一種多光譜感光器件及其採樣方法》(中國申請 號=200910105948. 2)，通過採用色彩空間變換的方法，首次實現了電荷相加的子採樣方式。 但是，那種方式，在非常多的情況下，全部或部分的象素合併，發生在不同色彩的象素之間。 此外，採用色彩空間變換以後，對於一些特殊的子採樣因子(MxN)，還得採用跳行和跳列的 方式。採用了本發明後，不僅象素陣列的製作變得簡單，讀取電路也變得更加靈活和簡 單。尤其優秀的是，子採樣可以以電荷相加的方式，發生在相同色彩的象素之間。這個特點， 對於提高感光器件在弱光下的性能特別有價值必要的時候可以通過犧牲解析度的方法， 來成倍提高靈敏度。例如，如果我們將四個色彩相同的象素以電荷相加的方式合併後，信噪 比提高的理論上限是4V =8倍，而採用之前的信號平均的方式，四點合併，信噪比提高的理 論上限是=2倍。對於相關業界的有識之士而言，本發明的上述及其它目的和優點，在閱讀過下面 的優選的帶有多個插圖解釋的實現案例的細節描述之後，將是十分明顯的。


圖1是CMOS被動象素的讀取(採樣)電路。圖2是CMOS 3T主動象素的讀取(採樣)電路。注意到PD是感光二極體，FD是 不感光的讀取電容。圖3是CMOS 4T主動象素的讀取(採樣)電路。圖4是兩相CCD的象素設計(圖4 (a))和電荷轉移過程示意圖(圖4 (b))。圖 4(a)是兩相CCD的橫截面圖；圖4(b)是在兩相脈衝1和2作用下的通道電勢。圖5(a)是CMOS主動象素行選讀取電路示意圖，圖5 (b)是CMOS被動象素行選讀 取電路示意圖。圖6是圖5所示的CMOS讀取電路更加一般化的讀取電路的抽象。圖7是一個典型的帶有列緩存的實用CMOS象素的讀取(採樣)電路示意圖。圖8是CCD象素的讀取方式(a)與CMOS象素的讀取方式(b)的比較。注意到在 圖8(a)中CCD象素之間在垂直方向上的挨個傳遞的功能。圖9是當前三種主要C⑶感光器件的主要原理示意圖。圖9(a)顯示的幀轉移 (XD^rameTransfer (XD，FTCXD)，感光區的象素，將一行一行地依次轉移到儲存區，然後再 通過水平C⑶一個象素一個象素地挨個讀出。這種C⑶有很強的圖象撕裂(Smear)問題。 圖9(b)顯示的是線間轉移CCD (Inter-line Transfer CCD，ITCCD)，感光區的象素，將同時 轉移到列間儲存區，然後列間儲存區的象素再通過水平(XD —行一行地挨個讀出。這種(XD 減弱了圖象撕裂(Smear)現象，但使用了大量的列間儲存器。圖9 (C)顯示的是幀線轉移 CCD (Frame Inter-line Transfer CCD，FITCCD)，感光區的象素，先同時轉移到列間儲存區， 然後列間儲存區的象素再一行一行地轉移到幀儲存區，再在那裡，一行一行地通過水平(XD 讀出。這種(XD是為了進一步減少圖象撕裂(Smear)問題，主要用於專業用的高速攝像機。圖10顯示的是當前比較好的4-點共享4T主動感光象素的讀取電路，平均每個象素採用了 1.75個門。圖11顯示的是一個8-點共享4T主動感光象素的讀取電路，平均每個象素只採 用了 1.375個門。這個8-點共享主動感光象素的讀取電路，適用於以四點宏象素為基 礎的方陣排列的雙面雙層感光器件(參見《多光譜感光器件及其製作方法》，中國申請號 200810217270. 2)，亦即讓一個宏象素裡的所有四個複合象素的上下兩層感光二極體共享 同一個讀取電容(FD)和3T讀取電路。圖12顯示的本人前一個發明《一種多光譜感光器件及其採樣方法》(中國申請號 200910105948. 2)提出的一種象素讀取和子採樣電路的原理性系統方塊示意圖。此原理性 系統包含象素陣列，行地址解碼控制器，列地址解碼控制器，採樣控制電路，放大和模數轉 換模塊，色彩變換和子採樣及圖象處理模塊，輸出控制模塊，晶片總控制模塊(圖12中的CC 模塊)，和其它可能的模塊。象素讀取和子採樣的功能，將主要通過行地址解碼控制器和列 地址解碼控制器產生相應的控制信號來完成。系統其它模塊的協調，將主要由晶片總控制 模塊來完成。通過色彩空間變換的手段，這種讀取電路，首次實現樣時信號的電荷相加，從 而大幅提高子採樣時圖象的信噪比。其中Row[i]為行選信號，RS[i]為行控制矢量信號， Col[j]為列選信號，T[j]為列控制矢量信號。其中，色彩變換和子採樣及圖像處理模塊可 以用來實現本發明的第三合併採樣過程。圖13(a)顯示的本發明的象素間轉移讀取(2D Pixel Transfer)感光象素的原理 示意圖。這種感光象素具備有向周邊(至少三個方向上的)其它象素轉移電荷的功能。簡 單地說，每個象素都可以充當周邊象素的讀取電容FD的功能，或者說，我們將CCD的一維 (垂直或水平)象素轉移功能，擴展到了二維，即垂直和水平方向都能夠轉移。不同於CCD 的是，象素(電荷)轉移只在非常鄰近的象素之間進行，並不轉移很遠(如CCD的一列或一 行的距離)。象素的讀取，仍然採用CMOS的主動行掃描和列掃描方式。如此，感光象素結合 了 CCD和CMOS的優點CCD的沒有FD的優點和CMOS隨機讀取和低電壓的優點。每個象素 上將連有電壓控制信號V[i，j](圖示中，表示象素的方框中間的灰色方框部分為很薄金屬 電極)圖13(b)顯示的是為了本發明的介紹方便而採用的象素和轉移門的統一編號方 式將每個可用象素(即，非邊緣象素)的左邊和上方的轉移門，劃歸為該象素，並採用與該 象素相同的行地址和列地址標號[i，j]。圖14是用本發明的象素間轉移讀取(2D Pixel Transfer)感光象素組成的感光 象素陣列的示意圖。注意到，本發明的象素間轉移，可以發生在不同的色彩之間。圖15顯示的本發明的象素間轉移讀取(2D Pixel Transfer)感光象素的一種半 導體實現的示意圖。圖15與圖2的差別在於，FD沒有了。相鄰的象素(PD)充當讀取電容 FD的功能。圖中只畫了一個3T(主動象素)讀取電路。跟據讀取電路共享情況，可以每個 象素有一個讀取電路，或幾個象素共用一個讀取電路。這種實現與現在的CMOS感光象素非 常接近。圖16顯示的本發明的象素間轉移讀取(2D Pixel Transfer)感光象素的另一種 半導體實現的示意圖和電荷轉移的時序過程示意圖。圖16(a)是橫截面和讀取電路圖，與 圖4(a)類似，但卻增加了 4T主動象素的讀取電路。圖16(b)是轉移脈衝和作用 下的通道電勢，與圖4(b)類似，但是，電荷轉移並不是(一路沿水平)接著轉移下去。下一個時鐘可能會改變轉移方向(比如從水平改向垂直)，也有可能開始讀取象素。同樣，主動 象素的讀取電路可以是不共享的，也可以多點共享的。圖17顯示的用本發明的象素間轉移讀取(2D Pixel Transfer)感光象素組成的 感光器件一種全圖讀取方式的示意圖。在這種簡單的方式中，我們用上一行的象素來充作 下一行的象素的讀取電容FD.讀取前，先將上一行對應象素清零復位和關聯(零電位)採 樣，然後將下一行的象素轉移到這一行並進行感光電荷(電壓)的採樣。圖中1，2，3，4顯 示的是轉移讀取次序。顯然，簡單地變化一下，我們也可以用左邊(已經使用過的象素)來 做右邊象素的讀取電容。雖然轉移的那一瞬間，上一行的象素仍在感光，但時間很短，因此 其產生的色彩幹擾，可以忽略。圖18顯示的用本發明的象素間轉移讀取(2D Pixel Transfer)感光象素組成的 感光器件一種子採樣讀取方式的示意圖。這種子採樣的方式，首先實現列方向相同象素的 電荷相加，然後再通過跳行的方式，來實現行方向的子採樣。圖中顯示的是兩列相加的情 況。相加的過程分4步來完成。首先對上一行進行清零復位。第1步G1和G2象素被分 別轉移到上一行的位置XI和X2。第2步B1和B2被轉移到G2的位置，而XI和X2被同 時轉到X3的位置。第3步G3和G4象素被分別轉移到上一行的位置B1和B2的位置。此 時，G1和G2的和，以及B1和B2的和，已經可以讀出。第四步B1和B2的位置的G3和G4 象素電荷被同時轉移到G2中，而R1和R2被同時轉移到G3中。接下來，我們從G2的位置 讀出G3+G4，從G3的位置讀出R1+R2.如此循環到後面的象素。類似地，3列的合併，也可以 用電荷相加的方式完成。4列的合併可以分解成先相加，後平均的兩步操作1列和2列相 加，3列和4列相加，然後相加後的信號同時輸出到總線上以實現第1，2列的和與第3，4列 的和的信號平均。至於行方面，可以採用簡單的跳行方式來進行子採樣。圖19顯示的用本發明的象素間轉移讀取(2D Pixel Transfer)感光象素組成的 感光器件一種將不同色彩合併的子採樣讀取方式的示意圖。這種子採樣的方式，首先依次 將第一行與第二行的象素，垂直相加，而得到Ye (黃)Cy (青)YeCy…的色彩。具體做法是將 第二行的象素，在讀取前轉移合併到第一行的同一列位置上的象素上去，並馬上讀出。在第 一行和第二行的象素全部處理完後，再進行第三和第四行的合併採樣。由於彩色重建的要 求，當第一行和第二行得到了 Ye (黃)Cy (青)的時候，第三行和第四行就應該做交叉合併， 即G跟G合併得到G，B跟R合併得到Mg(品紅)。電荷相加的交叉合併需要更複雜的電荷 轉移控制時序來完成。舉例來說，如圖19所示，為了將G5和G6相力卩，可以先將B3轉移到 G3 (第2步)，然後同時將G5和G6轉移到B3 (第3步)，從而實現電荷相加。第3步同時可 再G3轉移到R1 (第3步)，最後與R3在G5處相加(第4步)。圖18和圖19是採用了新的基本感光象素的感光器件實現本人早一點的發明(《一 種多光譜感光器件及其採樣方法》，中國專利申請號=200910105948. 2)中公開的第一合併 過程和第二合併過程的例子。圖20顯示的共享讀取電路的任意點擴展。之前的共享讀取電路都是建立在共享 讀取電容的基礎上的。也就是說，如果N點共享一個讀取電容FD，那麼，就只能N點共享一個 讀取電路。亦即，一個讀取電容FD，對應一個讀取電路。由於只有鄰近的點，可以共享一個讀 取電容FD，所以，之前的讀取電路共享，只能在少數幾個點中進行，例如單層的2-點，3-點， 4_點，和雙層的4-點，6-點，和8-點。而本發明的象素間轉移讀取(2D Pixel Transfer)感光象素，消除了讀取電容FD的需求，因而，很容易，就能將共享讀取電路的點數，隨意擴 展到N-點。當然，太多點數的共享，不能達到抑制固定模式的噪點(Fixed Pattern Noise) 的效果。所以，N的大小必須根據晶片噪點的實際情況來決定。但從電路上來講(如圖所 示)，任意點的共享都是非常容易。圖21顯示的是同時具備有主動象素和被動象素功能的混合讀取電路示意圖。當 Ts合上的時候，可以從主動輸出線上得到主動象素的信號。當Ts打開的時候，可以從被動 輸出線上得到被動象素的信號。採用這種混合的讀取電路，只增加很少的線路和空間，但卻 帶來巨大的靈活性，功耗的降低，和動態範圍的擴張。上面我們已經說明，共享讀取電路的 點數不宜過多，否則不能達到抑制固定模式的噪點(Fixed Pattern Noise)的效果。主動 象素帶來的一個問題是功耗增加，和信號能量的總提升。功耗增加帶來的一個問題是溫度 提升，因而也提升了對溫度敏感的kTC噪聲。信號能量的總提升在高亮度的時候，容易出現 飽和現象，並沒有改進動態範圍。被動象素的特點是功耗低，信號能量低，但固定模式的噪 點比較大，非常適合用於預覽和子採樣，以及高照度時的情況。因此，使用者可以根據應用 情況，隨意地切換主動象素讀取或被動象素讀取，從而達到降低晶片功耗和溫度，擴大動態 範圍，提高感光信號的信噪比的效果。圖22顯示的是將圖13，圖20，和圖21結合在一起的情況，亦即用象素間轉移讀取 (2DPixel Transfer)感光象素做基本象素，採用N-點共享的主動象素和被動象素功能混 合的讀取電路的一般化情況。圖中[i，j]用來代表一個典型象素的行位置和列位置的下 標，[k，1]用來標識第[k，1]個讀取電路，[m，n]用來說明，不同行和列的象素可以共用同 一個讀取電路。對於方陣排列的感光器件，優選的做法是讓MxN個點共用同一個讀取電路。 圖中可見，每一個象素P[i，j]都涉及到四個控制信號V[i，j]，Tg[i，j]，，Th[i，j]，和Tv[i， j].V[I,j]是偏置電壓信號，用做清零，象素轉移控制，和讀取。Tg是讀取控制信號，Th是水 平轉移控制信號，Tv是垂直轉移控制信號，而Ts為主動象素讀取或被動象素讀取的選擇開 關。顯然，V，Tg，Th，和Tv四個信號必須與行選信號Row[i]和列選信號Col[j]同步。這四 個信號的一種門電路實現，見圖23.圖23顯示的一種實現V，Tg，ThJPTv四個信號的門電路，其中Row[i]為行選信號， Col[j]為列選信號，TH和TV分別為整個器件共用的行和列轉移控制信號，RC[i，j]代表象 素選擇信號，t為讀取用的電壓。t平時懸空，讀取數據時拉高，清零時拉低。結合圖23和 圖22我們可以看到，每個象素間轉移讀取(2D Pixel Transfer)感光象素涉及7個門，並 需要分享的讀取電路的一部分。這似乎是一個很高的數字。事實上，只要採取了共享讀取 方式，圖23中的虛線框裡的門電路(或其等效電路)，都是必不可少的。因此，每個象素間 轉移讀取(2D Pixel Transfer)感光象素只多用到三個普通的邏輯門。此外，都只 是簡單的轉移門。對於130納米以下的半導體處理技術而言，比起讀取電容FD來說，邏輯 門佔的空間是很小的。圖24顯示的是圖22中的讀取電路，被4x4個基本象素共享時，復位信號Rst[k， 1]和讀取模塊選則信號Sel[k，l]的一種實現。在這種簡化的實現中，Rst[k，l]和Sel[k， 1]都只依賴於行選信號Row[i]，而不依賴於列選信號Col [j]，因此，他們的標號也就簡化 為Rst[k]和Sel[k]，從而產生Rst[k]和Sel[k]所需的門的數量，可以忽略不計。
具體實施例方式本發明包括一種新型的感光器件、讀取方法、和讀取電路。根據本發明的一個方面，在本發明示例的一種感光器件中，其感光象素具有象素 轉移，特別是兩維象素轉移功能。在該感光器件中，全部取消讀取電容，而是通過在象素陣 列中的部分象素或者全部象素之間，設置連接鄰近象素(可以是兩維中的上下左右各個方 向，甚至在多層感光器件，例如雙面雙層感光器件中，對於分處於設置有象素陣列的基層的 頂面和底面的感光象素，也可以進行象素轉移，這種情況下，由於頂面感光象素和底面感光 象素處在光照方向的不同層面上，可以認為象素轉移是一種三維的轉移)的轉移門，象素 的自身電荷，可以在適當的控制信號時序作用下，通過轉移門而實現向鄰近象素的轉移。在 本文中，稱象素自身感光而得到的電荷為象素的自身電荷，稱其鄰近象素轉移過來的電荷 為該象素的轉移電荷，即，若象素A和象素B為鄰近象素，如果象素B的自身電荷被轉移到 象素A中，則象素B的自身電荷在象素A中被稱為象素A的轉移電荷。一般的，可以在將象 素A的自身電荷讀出後，再將象素B的自身電荷轉移到象素A中。然而也可以將象素B的 自身電荷轉移到象素A後，再從象素A中讀出象素A的自身電荷和轉移電荷的疊加，這將實 現象素A和象素B的電荷相加。特別的，當象素A的轉移電荷不僅來自一個鄰近象素，例如 除了象素B，還包括鄰近象素C、D。這種情況下，從象素A中讀取的電荷，將可能轉移電荷的 疊加，例如B+C、B+D、C+D、B+C+D。也可能是象素A的自身電荷和多個轉移電荷的疊加，例如 A+B+C、A+B+D、A+B+C+D等等。需要注意的是，在同種色彩下，電荷相加的參與象素數量可以 不受限制，而在不同色彩下，參與電荷相加的象素的色彩應當不超過兩種色彩，以符合彩色 重建要求。總之，在本發明中，採用象素間電荷轉移(2D PixelTransfer)方式，實現了利用 鄰近象素來充當讀取電容(FD)，從而可以在感光器件中省略掉讀取電容。象素的讀取，採用 行列掃描式的讀取方式，關於行列掃描的具體時序控制，將在後文詳細說明。根據本發明的另一方面，如圖21，本發明示例的感光器件，其讀取電路將可以適宜 的採用一種新的主動與被動象素混合的讀取電路。由於被動象素不怎麼佔空間，而主動象 素的讀取電路可以多點共享，因此，將它們合在一起選擇使用，帶來很多好的效果。圖21所 示的只是一個簡單的例子而已。主動象素的種類和多點共享的形式非常之多，因此，我們僅 以一個例子來說明主動與被動象素混合的基本原理。如圖21所示，當開關Ts合上的時候， 主動象素的讀取電路將起作用。當開關Ts打開的時候，被動象素的讀取電路將起作用。如前所述，依賴於象素間的電荷轉移，本發明的又一方面是實現了一種不相鄰象 素之間的相同或不同色彩的電荷相加合併。通過象素間的電荷轉移，可以將待合併的象素 逐步轉移到同一個已經使用並剛被清零的鄰近象素裡去。如圖18或圖19所示，這種合併， 需要遵循非常嚴格準確的控制時序和象素轉移方向。例如，圖18中為了將G1與G2合併， 通過電荷轉移的時序控制，先將G1和G2分別轉移到XI和X2中，然後在將XI和X2中的電 荷同時轉移到X3中。使用上述具有象素間轉移功能和/或主動象素和被動象素混合讀取方式的感光 象素作為基本感光象素，每個基本感光象素再連接有感光時間控制電路(包括清零復位)， 象素轉移控制，和象素讀取電路，將使得以該種感光象素構成的象素陣列具有更佳的性能。所述基本感光象素的讀取電路包括被動象素讀取電路(如圖1)，主動象素讀取電 路(如圖2和圖3)，或主被動混合的讀取電路(如圖21)。
將所述基本感光象素按如下方式排列，從而可組成一種全新的感光器件將所述 的基本感光象素，根據彩色，單色，或多光譜(包括可見光和紅外)等需要而按照預設圖案 重複排列。感光器件的色彩的上述預設圖案可以包括貝葉圖案，蜂窩圖案，單色圖案， CyYeMgX圖案等，其中X可為R(紅)，G(綠)，B (蘭)的任意一種色彩。上述的感光器件，可以做成單面單層，單面雙層，單面多層，雙面雙層，和雙面多層 等不同類型的感光器件。上述的感光器件的感光方式可以包括正面感光，背面感光，和雙向感光等多種方 式。在採樣和子採樣方面，本發明示例的感光器件，其採樣和子採樣方式可以包括相 同或不同色彩的象素間的信號平均方式，電荷相加方式，或混合的、即部分合併象素色彩相 同，部分合併象素色彩不同的信號平均或相加方式。對於不同色彩的象素，感光器件的子採樣方式採用色彩空間變換而實現。感光器件的採樣和子採樣的電路包括象素陣列，行地址解碼控制器，列地址解碼 控制器，採樣控制電路，放大和模數轉換模塊，色彩變換和子採樣及圖象處理模塊，輸出控 制模塊，晶片總控制模塊，和其它可能的模塊。所述行地址解碼控制器的輸出信包含行選信號和行控制矢量信號，所述列地址解 碼控制器的輸出信號包含列選信號和列控制矢量信號。在前文中，我們已經將子採樣過程區分為第一合併採樣過程、第二合併採樣過程、 以及可選的第三合併採樣過程。對應於這幾個過程，我們分別採用第一合併單元、第二合併 單元和第三合併單元來實現上述幾個合併採樣過程。當然，這幾個單元只是從其實現功能 的角度對器件的一種模塊劃分，從物理器件的角度，這些功能單元可以是由一個物理上的 模實現其功能，也可以是多個物理上的模塊組合實現其功能，又或者這些功能單元集成在 一個物理的模塊中。總之，本文中的第一合併單元、第二合併單元和第三合併單元的描述， 只是從其功能上一種描述，而不具體的限定其物理上的實現方式。具體的，在如圖12所示的示例中，實現所需子採樣功能的是行地址解碼控制器和 列地址解碼控制器。行地址解碼控制器將輸出兩類信號，行選信號Row[i](每行一條線) 和行控制矢量信號RS[i](每行一條或多條線)，其中i為行的標號。類似地，列地址解碼控 制器將輸出兩類信號，列選信號Col[j](每列一條線)和列控制矢量信號T[j](每列一條 或多條線)，其中j為列的標號。行選信號Row[i]是用來做行的選擇，而列選信號Col [j]是用來做列的選擇。這是 兩組相對標準的信號。行控制矢量信號RS[i]是對現有CMOS行控制信號的擴展(每行一 條線擴展到每行多條線)，而列控制矢量信號T [j]，有的CMOS感光器件根本沒有，即使有， 也是一列只有一個。下面我們以圖22至圖24的一個具體實現來說明，如蚪1]，&)1[」]，1 [1]，和1[」] 的內容和作用，以及這些控制信號在全圖採樣和子採樣時的時序情況。圖22顯示的是將圖13，圖20，和圖21結合的一種實現，亦即用象素間轉移讀取 (2DPixel Transfer)感光象素做基本象素，採用N-點共享的主動象素和被動象素功能混 合的讀取電路的一般化情況。圖中[i，j]用來代表一個典型象素的行位置和列位置的下標，[k，1]用來標識第[k，1]個讀取電路，[m，n]用來說明，不同行和列的象素可以共用同 一個讀取電路。圖中可見，每一個象素P[i，j]都涉及到三個控制信號Tg[i，j]，，Th[i，j]， 和Tv[i，j].Tg是讀取控制信號，Th是水平轉移控制信號，Tv是垂直轉移控制信號，而Ts為 主動象素讀取或被動象素讀取的選擇開關。圖23顯示的是Tg，Th，和Tv三個信號的一種實 現。圖24顯示的圖22中Rst[k，l]和Sel[k，l]的一種簡化實現，亦即Rst [k，1]和Sel[k， 1]不依賴於Col[j]而退化為Rst[k]和Sel[k],在這個實現裡，除Row[i]和 Col[j]外，還有 Reset，SEL，TH，TV，TG，Vr，Ts 這 7 個 全局控制信號。Ts可以由晶片總控制模塊CC來控制。Reset，SEL，TV可以歸為RS[i]，而 Vr, TH，和TG可歸為T[j],這種歸類不是唯一的。在全圖採樣時，有兩種方式來讀取信號。一種是用上一行的象素作讀取電容。另 一種是用左邊(或右邊)已經讀取過的象素作讀取電容。第一種情況時序簡單很多，我們 現在簡單說明一下這種方式的操作流程。如圖17所示，設R1的位置行列地址為[i，j]，則 讀取R1的控制信號時序如下1. t0時鐘R1上方的象素G1被清零復位。在時鐘的上升沿，設置Row[i-l]和 Col[j]選擇G1的地址，此時並將Rst [i-1]設為零。並在下個時刻將Rst [i-1]拉高。在時 鐘的下降沿，可以接著讀取G1上面的零值做相關採樣。亦即，此時可以相應地把SEL打開， 讀取G1上的電荷。2. tl時鐘R1上的電荷被轉移到G1並被同時讀取。在時鐘的上升沿，設置Row[i] 和Col[j]選擇R1的地址，並將TV拉高。在時鐘的下降沿，設置Row[i-l]和Col[j]選擇 G1的地址，和把SEL打開，讀取G1上的電荷。如此循環往復地讀取其它象素。優選地，在全圖讀取時，Ts可以合上，做主動象素 讀取。子採樣時，根據採樣因子MxN的情況和所選擇的象素合併方法以及單層或雙層感 光象素的圖案分布，控制信號的時序可以非常複雜。但對於數字電路而言，因為一個晶片只 需要處理固定的幾種情況，都是可以對付的。我們舉兩個例子，來說明利用象素轉移來實現 象素合併的原理。在這兩個例子中，各個控制信號之間的關係，採用如圖22至24的實現方 式。這些實現方式不是唯一的，僅僅作為舉例說明而已。如圖18所示的隔列象素合併情況，設G1的位置行列地址為[i,j]，則G1和G2的 合併可以通過如下的控制信號時序來完成l.tO時鐘X1，X2，X3被清零復位。在時鐘的上升沿，設置Row[i_l]和Col[j]， Col[j+l]，&Col[j+2]選擇X1，X3，X2的地址，此時並將Rst [i-1]設為零。並在下個時刻 將Rst [i-1]拉高。2. tl時鐘G1和G2被轉移到XI和X2中。在時鐘的上升沿，設置Row[i]和Col[j] 及Col [j+2]選擇G1和G2的地址，並將TV拉高。3. t2時鐘X1和X2被轉移到X3中。在時鐘的上升沿，先選擇，Row [i-1]和Col[j] 並將Vr拉高。此時X3處於接受電荷轉移的狀態。在時鐘的下降沿，設置Row[i_l]和 Col[j+l]及Col [j+2]選擇X3和X2的地址，並將TH拉高，使得XI的電荷向右轉移到X3， 而X2的電荷向左轉移到X3。4.t3時鐘將X3的信號讀出。在時鐘的上升沿，設置Row [i-1]和Col[j+l]，並將TG拉高(此時Vr仍然處於高電位)。在G2已經被讀取後，B1和B2的讀取就非常簡單5. t2時鐘:B1和B2被轉移到G2中。在時鐘的上升沿，先選擇Row[i]和Col [j+2] 並將Vr拉高。此時G2處於接受電荷轉移的狀態。在時鐘的下降沿，設置Row[i]和Col[j+2] 及Col [j+3]選擇G2和B2的地址，並將TH拉高，使得B1的電荷向右轉移到G2，而B2的電 荷向左轉移到G2。6. t3或t4時鐘將G2的信號讀出。在時鐘的上升沿，選擇Row[i]和Col [j+2]， 並將TG拉高(此時Vr仍然處於高電位)。如果在t3時鐘讀出，那麼器件必須具備同時讀 取兩個數據的能力，即兩個放大和AD轉換電路。如圖19所示的兩行合併和交叉合併情況，G1行和R1行的合併可以在一個時鐘內 同時完成，即將R1行的象素，同時轉移到上一行。這種情況很簡單，我們不贅述控制信號的 時序情況。設G5的位置行列地址為[i，j]，G5和G6的合併，以及B3和R3的合併，可以用 下面的控制信號時序來完成l.tO時鐘Rl，G3被清零復位。在時鐘的上升沿，設置Row[i-l]和Col[j]及 Col[j+l]選擇R1和G3的地址，此時並將Rst[i-1]設為零。並在下個時刻將Rst[i-1]拉
尚o2. tl時鐘:B3被轉移到G3中。在時鐘的上升沿，設置Row[i]和Col[j+l]選擇B3 的地址，並將TV拉高。3. t2時鐘:G5和G6被轉移到B3中，G3被轉移到R1中。在時鐘的上升沿，先選擇 Row[i]和Col[j+l]，並將Vr和TH拉高。此時B3處於接受電荷轉移的狀態，而且G5向左 轉移到B3。在時鐘的下降沿，選擇Row[i-l]和Col[j+l]，並將TV拉高，此時G5向上轉移 到B3。4. t3時鐘將B3的信號(原G5+G6)讀出，並將R1和R3轉移到G5。在時鐘的上 升沿，設置Row[i]和Col[j+l]，並將TG拉高(此時Vr仍為高)，此時B3被讀出。在時鐘 的下降沿，設置Row[i]及Row[i+l]和Col [j]，並將TV拉高，此時R1向下，R3向上，被轉移 到G5.5. t4時鐘將G5的信號(原B3+R3)讀出。在時鐘的上升沿，設置Row[i]和 Col [j]，並將TG拉高(此時Vr仍為高)，此時G5被讀出。交叉合併時序麻煩些，但也不過如此而已。在子採樣時，對於每一個所支持的MxN採樣因子(行縮小M倍，列縮小N倍)，行 地址解碼控制器和列地址解碼控制器，根據MxN採樣因子和圖像區域要求，對應每一個輸 出行，同時將需要合併的行所對應的所有Row[i]和RS[i]值置成高或低，並同時對應每一 個輸出列，接著將需要合併的列的所有Col[j]和T[j]的值置成高或低，使得所有需要合併 的象素(電荷/電壓)值，能夠依次轉移到其它象素，在電荷合併之後，再依讀取順序(經 過讀寫電路)輸出到輸出總線上。同時，必要的時候，行地址解碼控制器和列地址解碼控制 器還將根據MxN採樣因子和圖像區域要求，進行必要的跳行和跳列的操作或拋棄多餘的色 彩。不同的MxN採樣因子，輸出總線上在不同的時間可能得到不同的色彩。相應地，其 它系統功能模塊，如放大和模數轉換模塊，色彩變換和子採樣及圖像處理模塊，還有輸出控制模塊，都需要做相應的協調工作。這個系統的總的控制，可以通過晶片總控制模塊(圖12 中的CC模塊)來完成。注意到，除了放大和模數轉換模塊和象素陣列外，其它模塊，主要都 是數字處理電路，因而可以比較容易地在器件外圍實現，從而使得感光器件的布線相對簡在本發明中，可能同時好幾行被同時選中，也可能同時好幾列被同時選中，甚 至幾行和幾列被同時選中。雖然在之前的某些技術中(如美國專利US6，801，258B1， US6, 693，670B1, US7, 091，466B2, US7, 319，218B2等等)，同樣會有好幾行或好幾列被同時 選中，但由於合併採樣的方式不同，因而，行選信號和列選信號的時序和波型是完全不同 的。例如，在進行圖18中的第二合併採樣中，第一行的第一列和第三列被同時選中時，這 兩列的數據並沒有立即放在輸出總線上，而是被同時轉移到了上一行的第一列和第三列的 (不感光的啞)象素裡。這種情況在之前的子採樣方法中是不可能出現的。更具體地，在做任一 MxN因子的子採樣時(M彡2，N彡2)，首先做兩行或兩列，或 兩行和兩列的合併採樣的第一合併採樣過程，然後再在第一合併採樣的基礎上完成M行xN 列的子採樣。在第一合併採樣之後的子採樣(總的MxN子採樣)，即第二合併採樣過程，可通過 以下各種方式單獨或聯合來完成直接輸出到總線的信號自動平均方式、跳行或跳列方式、 和逐個採樣方式。而第三合併採樣過程，如果有的話，可通過如下兩種方式單獨或聯合來完 成色彩空間變換方式和後端數字圖像縮放方式。我們知道，在一個象素陣列中，是含有相當多的感光象素的，尤其對於雙層或多層 感光器件，色彩的種類和幾何分布情況就非常豐富。顯然，第一合併採樣過程也相應的針對 多個第一合併象素(第一合併採樣過程中進行合併的象素。該概念用來指代進行第一合併 後的象素，例如，在第一合併過程中，象素B的自身電荷被轉移到象素A中，此時，象素A中 存在象素A的自身電荷和象素B轉移來的轉移電荷，此時，用第一合併象素的概念表示象素 A中的疊加採樣數據A+B，這並不代表物理上，在象素陣列中存在一個「第一合併象素」)，因 而，在進行第一合併採樣過程時，這些第一合併象素從象素的色彩合併的角度上說，其用作 合併的色彩選擇是多樣的，可以採用同色合併的方式，異色合併的方式，混雜合併方式(部 分象素色彩相同，部分不同)，也並可以選擇性地丟掉多餘的色彩。色彩空間的變換包括RGB到CyYeMgX (X為R，G，B的任一種)空間的變換，CyYeMgX 到YUV空間的變換，和RGB到YUV空間的變換。注意到RGB到CyYeMgX空間的變換，可以在模擬信號空間完成，也可以在數字空間 完成，因此，它可以在第一合併過程，第二合併過程，或第三合併採樣過程中的任何一個過 程中來做。但CyYeMgX到YUV空間的變換和RGB到YUV空間的變換，則只能在數位訊號空 間來做，也就是說只能在第三合併採樣過程中來做。更具體地，象素陣列部分，由複數的按方陣排列的兩個，三個或四個基本象素一 組的宏象素組成。其中宏象素中的基本象素可由被動象素組成，也可由不帶FD的3T，4T， 5T，6T 主動象素(參見《CMOS/CCD Sensor and Camera Systems)), Gerald C. Hoist and TerrenceS. Lomheim, JCD Publishing, ISBN :980970774934，2007，pp. 99-101)組成，而每個 基本象素可以是單面單層，單面雙層，雙面雙層、或雙面多層的複合象素。即一個基本象素 中包含一個或多個基本象素單元，基本象素單元沿光照方向分層布置，並可以分布在布置感光象素的基層的頂面和/或底面。所述的由主動象素構成的基本感光象素的讀取電路除了可以採用已有的不共享 方式，4-點共享方式，6點共享方式，和8點共享方式外，還可以採用任意的N-點共享方式 (如圖20)。對於雙層或多層感光器件，除了第一合併採樣過程的色彩選擇更加豐富多彩外， 其共享採樣電路和色彩合併的方式也更豐富，而且在第一行和第一列的合併採樣時，很多 種圖案很容易就可以採用是電荷相加的方式(參見《一種多光譜感光器件及其採樣方法》 (中國申請號200910105948. 2)。注意到，N個信號在採用電荷相加的方式合併時，信噪比的改進上限倍，而 N個信號在採用信號平均的方式合併時，信噪比的改進上限為#倍。因而電荷相加至少是 子採樣中最優的方式之一。感光象素的數位訊號將放進緩存裡，由色彩變換和子採樣及圖象處理模塊，做進 一步的處理。在全圖採樣的情況下，不做子採樣，對於大陣列圖像感光器件，通常也不做任 何色彩變換。因而在此模式下，晶片總控制模塊CC會做出相應的控制，讓感光象素的數字 信號跳過色彩變換和子採樣模塊，直接進入到圖像處理模塊。經過感光器件內含的圖像處 理之後，再由輸出模塊輸出到感光器件的對外接口。在子採樣時，情況會複雜很多。但是對於一個具體的感光器件，子採樣因子MxN可 以只支持少數幾種。相應地，晶片總控制模塊CC，行地址解碼控制器，以及列地址解碼控制 器可以只考慮所支持的MxN子採樣因子。例如，一個5百萬象素的感光器件，可以只考慮支 持2x2，2xl，4x4，8x8的四種情況。第二合併採樣過程通常不涉及電荷相加，因而通常採用的是如下三個方式直接 輸出到總線的信號自動平均方式、跳行或跳列方式，逐個採樣方式。這三個方式都非常傳統 和簡單，為本領域技術人員所熟知，不在此贅述。第三合併採樣過程是在數字圖像空間完 成，採用的也是相對標準的數字圖像縮放技術。晶片總控制模塊CC在採樣的不同時刻，可以算出正在讀取的象素的色彩，並對它 進行相應的處理。對於選定的象素採樣次序，晶片總控制模塊CC將相應地控制放大和模數 轉換模塊，將不同的色彩，經過不同的放大電路，然後進入色彩變換和子採樣及圖像處理模 塊，還有輸出控制模塊，以便對不同的色彩做不同的處理。更詳盡的介紹已經超出了本發明 的範疇。現有的子採樣方式主要是在相同色彩的象素間進行，而且主要採用的象素平均和 跳行或跳列的方式。這些方法，對於豐富多彩的雙層或多層感光器件而言，就顯得過於局限 和蒼白無力。本發明提出的子採樣方法，通過色彩空間變換的方式，即可以在相同色彩間進 行，也可在不同色彩間進行，也可混合進行(即部分在相同色彩間進行，部分在不同色彩間 進行)。此外，本發明提出的電荷相加的信號合併方式，只需將n個信號合併，就能達到接近 於n3個信號相加的效果。因而，本發明的子採樣方法相比現有的子採樣方法，將可具有更 好的圖像質量，特別的，將本發明用於雙層或多層感光器件的時候，就能產生不可勝數的簡 單而又優秀的子採樣方式。以上我們只是以單層和雙層感光器件和少數例子，來說明本發明的精髓和內容。 這些具體的條件，並不是本發明的限制。相反，將本發明用於更為複雜的設計，如5T/6T主動象素，或多層感光器件，其效果可能更為明顯。
權利要求
一種感光器件，包括象素陣列和讀取電路，其特徵在於，所述象素陣列中，至少在部分象素間設置有連接鄰近象素、並實現相連象素間電荷轉移的轉移門，所述讀取電路用於從一個象素中讀取該象素的電荷，所述電荷是該象素自身電荷、來自該象素鄰近象素的轉移電荷、該象素自身電荷與其一個或一個以上鄰近象素的轉移電荷的疊加、和該象素的兩個或兩個以上鄰近象素的轉移電荷的疊加的至少一種。
2.如權利要求1所述的感光器件，其特徵在於，所述部分象素中，一個象素通過所述轉 移門連接的鄰近象素包括該象素上下左右四個方向的鄰近象素。
3.如權利要求1或2所述的感光器件，其特徵在於，所述象素陣列中的各個象素間都設 置有所述轉移門。
4.如權利要求1至3任一所述的感光器件，其特徵在於，所述讀取電路是在讀出與之相 連的象素的自身電荷並對該象素清零後，再讀取從該象素的鄰近象素轉移過來的電荷的。
5.如權利要求1至4任一所述的感光器件，其特徵在於，所述讀取電路包括主動象素讀 取電路、被動象素讀取電路、或主動象素與被動象素混合讀取電路。
6.如權利要求5所述的感光器件，其特徵在於，所述主動象素包括3T、4T、5T、或6T主 動象素。
7.如權利要求1至6任一所述的感光器件，其特徵在於，所述讀取電路的共享方式包括 無共享方式、4點共享方式、6點共享方式、8點共享方式、或任意點共享方式。
8.如權利要求7所述的感光器件，其特徵在於，當所述讀取電路的共享方式為4點共 享方式、6點共享方式、8點共享方式、或任意點共享方式時，共享一個讀取電路的一個象素 集中，與該讀取電路不相連的象素到與該讀取電路相連的象素間的轉移距離不超過4個象素。
9.如權利要求1至8任一所述的感光器件，其特徵在於，所述感光器件包括單面單層、 單面雙層、單面多層、雙面雙層、雙面多層感光器件。
10.如權利要求1至9任一所述的感光器件，其特徵在於，所述感光器件的感光方式包 括正面感光、背面感光、或雙面感光方式。
11.如權利要求1至10任一所述的感光器件，其特徵在於，所述象素陣列中的象素根據 單色、彩色、或包含可見光和紅外的多光譜感光所要求的預設圖案重複排列。
12.如權利要求11所述的感光器件，其特徵在於，所述預設圖案包括貝葉圖案、蜂窩圖 案、單色圖案，CyYeMgX圖案，其中X是R(紅)、G (綠)、B (藍)中的任意一種色彩。
13.—種感光器件的讀取方法，其特徵在於，包括在所述感光器件的象素陣列中的至少部分象素間，設置連接鄰近象素、並實現相連象 素間電荷轉移的轉移門；從一個象素中讀取該象素的電荷，所述電荷是該象素自身電荷、來自該象素鄰近象素 的轉移電荷、該象素自身電荷與其一個或一個以上鄰近象素的轉移電荷的疊加、和該象素 的兩個或兩個以上鄰近象素的轉移電荷的疊加的至少一種。
14.如權利要求13所述的讀取方法，其特徵在於，從一個象素中讀取該象素的鄰近象 素的轉移電荷，是在讀出與之相連的象素的自身電荷並對該象素清零之後。
15.如權利要求13或14所述的讀取方法，其特徵在於，包括採樣和子採樣過程，所述 採樣和子採樣過程包括第一合併過程，用於對所述象素陣列中的緊鄰的同行異列、異行同列、或異行異列的象素間進行兩兩合併採樣，獲得第一合併象素的採樣數據；第二合併過 程，用於對第一合併過程得到的第一合併象素的採樣數據進行合併採樣，獲得第二合併象 素的採樣數據。
16.如權利要求15所述的讀取方法，其特徵在於，還包括第三合併過程，用於對第二 合併過程得到的第二合併象素的採樣數據進行合併採樣，獲得第三合併象素的採樣數據。
17.如權利要求15或16所述的讀取方法，其特徵在於，所述第一合併過程或第二合併 過程的象素合併採樣方式為相同或不同色彩象素間的電荷相加方式或不同色彩象素間的 信號平均方式，其中不同色彩象素間的象素合併方式遵照色彩空間變換的方式，以滿足色 彩重建的要求。
18.如權利要求15至17任意一項所述的讀取方法，其特徵在於，所述第一過程或第二 合併過程的基於色彩的合併採樣方式包括同色合併方式、異色合併方式、混雜合併方式、或 選擇性拋棄多餘色彩方式，且第一合併過程和第二合併過程中至少一個合併過程不是同色 合併方式。
19.如權利要求15至17任意一項所述的讀取方法，其特徵在於，所述第一合併過程或 第二合併採樣過程的基於位置的合併採樣方式包括以下幾種方式中的至少一種直接輸出 到總線的信號自動平均方式、跳行或跳列方式、和逐個採樣方式。
20.如權利要求15至19任意一項所述的讀取方法，其特徵在於，所述第三合併採樣過 程進行的合併採樣方式包括色彩空間變換方式、後端數字圖像縮放方式。
21.如權利要求17或20所述的讀取方法，其特徵在於，所述色彩空間變換包括RGB 到CyYeMgX空間的變換、RGB到YUV空間的變換、或CyYeMgX到YUV空間的變換、其中X為 R(紅)、G(綠)、B(藍)中的任意一種色彩。
22.如權利要求15至21任意一項所述的讀取方法，其特徵在於，其全圖採樣的方式包 括逐行掃描、逐行讀取方式或逐行掃描、隔行或跨行讀取方式。
23.—種感光器件的讀取電路，用於讀取所述感光器件的象素陣列中的象素電荷，其特 徵在於，所述象素陣列中，至少在部分象素間設置有連接鄰近象素、並實現相連象素間電荷 轉移的轉移門，所述讀取電路讀取的所述象素電荷是該象素自身電荷、來自該象素鄰近象 素的轉移電荷、該象素自身電荷與其一個或一個以上鄰近象素的轉移電荷的疊加、和該象 素的兩個或兩個以上鄰近象素的轉移電荷的疊加的至少一種。
24.如權利要求23所述的讀取電路，其特徵在於，所述象素陣列中的至少部分象素連 接的所述讀取電路為主動象素和被動象素混合讀取電路。
25.如權利要求23或24所述的讀取電路，其特徵在於，所述讀取電路設置有象素清零 或復位信號。
全文摘要
本發明涉及一種感光器件及其讀取方法、讀取電路，所述感光器件包括象素陣列和讀取電路，所述象素陣列中，至少在部分象素間設置有連接鄰近象素、並實現相連象素間電荷轉移的轉移門，所述讀取電路用於從一個象素中讀取該象素的電荷，所述電荷是該象素自身電荷、來自該象素鄰近象素的轉移電荷、該象素自身電荷與其一個或一個以上鄰近象素的轉移電荷的疊加、和該象素的兩個或兩個以上鄰近象素的轉移電荷的疊加的至少一種。本發明的感光器件具有加工和讀取方式簡單的特點。
文檔編號H01L27/144GK101853861SQ20091010647
公開日2010年10月6日 申請日期2009年4月1日 優先權日2009年4月1日
發明者胡笑平 申請人:博立碼傑通訊(深圳)有限公司