[發(fā)明專(zhuān)利]具有正交讀出架構(gòu)的超高速成像陣列

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310061441.8
• 申請(qǐng)日: 2013-02-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103731612B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: M.瓦茲沃思
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 賽默飛世爾科技有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): H04N5/374
• 分類(lèi)號(hào): H04N5/374;H04N5/3745;H04N5/378
• 代理公司: 中國(guó)專(zhuān)利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 臧永杰,李浩

發(fā)明背景

發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明涉及成像傳感器領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及一種圖像傳感器，所述圖像傳感器被配置成將來(lái)自成像陣列中的像素的信號(hào)信息求和，由此產(chǎn)生包括一行和一列圖像數(shù)據(jù)的結(jié)果，這些圖像數(shù)據(jù)此后在下一個(gè)成像周期的整合時(shí)間過(guò)程中以一種所希望的方式輸出，同時(shí)在成像工作周期中沒(méi)有損耗。

相關(guān)技術(shù)討論

存在常規(guī)成像器和成像系統(tǒng)來(lái)用于超高速照相術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)一百萬(wàn)幀每秒和更高的圖像收集。這些系統(tǒng)使用由多個(gè)將入射光子轉(zhuǎn)換為電荷的光敏單元像素建構(gòu)的成像陣列。

常規(guī)圖像傳感器將入射的光子轉(zhuǎn)換為電子，這些電子在一個(gè)圖像整合間隔過(guò)程中被收集并且存儲(chǔ)在多個(gè)傳感器像素中。在一個(gè)整合間隔完成之后，所收集的電荷被轉(zhuǎn)換為一個(gè)電子信號(hào)，例如一個(gè)電壓，該電子信號(hào)經(jīng)由一個(gè)定期的、重復(fù)的讀出周期而從每一個(gè)像素中輸出。許多像素架構(gòu)已經(jīng)在文獻(xiàn)中得以描述，每一種像素架構(gòu)都執(zhí)行將所收集的信號(hào)光子轉(zhuǎn)換為一個(gè)電子信號(hào)并且隨后將該信號(hào)信息從成像裝置中以一種受控方式輸出的相同的基本功能。圖1為一個(gè)圖像像素的一個(gè)典型變體的圖的實(shí)例，該圖像像素總體由參考字符10指定。重要的是應(yīng)了解，在此的實(shí)施例中，每一個(gè)這類(lèi)像素電路包括作為一個(gè)陣列的部分的一個(gè)單獨(dú)的圖像傳感器，該陣列作為一個(gè)安排形成維度“n”x“m”的一個(gè)二維成像陣列。因此，在這類(lèi)安排中的每一個(gè)像素使得電荷能夠被整合在電容元件上，在這種情況下，該電容元件是一個(gè)反向偏壓二極管5，其電容也可以用來(lái)將電荷轉(zhuǎn)換為電壓。如圖1中所示，場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)4作為一個(gè)開(kāi)關(guān)工作，以便在一個(gè)時(shí)鐘脈沖被施加到FET4的柵極2輸入端上時(shí)，周期性地將二極管5上的偏壓重置到施加到FET擴(kuò)散引線1上的水平。二極管5還被展示為連接到FET7的柵極6上。到FET7的電源偏壓(未示出)通過(guò)FET7的漏極9施加，而FET7的源極11通過(guò)一個(gè)尋址FET12連接，該尋址FET另外連接到一個(gè)陣列列傳感線14上。列傳感線14被設(shè)計(jì)成與連接到同一列的其他像素(未示出)共享，其中所關(guān)注的一條線可以令人希望地通過(guò)利用將計(jì)時(shí)脈沖沿著線17施加到FET12的柵極上的一個(gè)行掃描器16來(lái)選擇。作為一般的工作方法，在二極管5上產(chǎn)生的入射信號(hào)電荷的收集引起在FET12上產(chǎn)生的源極電壓11的變化，該變化被傳遞到列傳感線14并且進(jìn)一步通過(guò)列掃描器18傳遞到傳感器輸出19。

取決于該成像陣列的架構(gòu)，在每一幀期間的光產(chǎn)生電荷可以經(jīng)由該成像系統(tǒng)以非常高的數(shù)據(jù)速率輸出或存儲(chǔ)在芯片上。芯片上的存儲(chǔ)典型地使得在成像芯片中的數(shù)據(jù)的多幀收集和存儲(chǔ)能夠用于例如在標(biāo)準(zhǔn)的視屏幀速率下的稍后輸出。

然而，對(duì)于超高速應(yīng)用而言，如圖1中所示的常規(guī)成像器和成像系統(tǒng)的性能受到影響，因?yàn)樵诔上耜嚵兄械乃邢袼乇仨毐惠敵鲆垣@得含在全景象中的信息。為了進(jìn)行說(shuō)明，一個(gè)維度“n”像素x“m”像素的二維成像陣列需要輸出總數(shù)為“n*m”個(gè)像素來(lái)獲得完整圖像。這構(gòu)成了圖像讀出所需的時(shí)間和因此所需的速度的問(wèn)題，在該速度下連續(xù)圖像可以由成像陣列收集。

對(duì)不具有芯片上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的當(dāng)今技術(shù)水平成像陣列而言，連續(xù)圖像可以被收集的速率受限于從成像系統(tǒng)中完全輸出所捕獲的圖像所需的時(shí)間。在沒(méi)有芯片上存儲(chǔ)器的情況下，當(dāng)前一個(gè)幀被讀出時(shí)，一個(gè)連續(xù)的圖像幀可以被收集；然而，該第一個(gè)圖像幀必須在可以輸出下一個(gè)幀之前從裝置中完全地輸出。因此，連續(xù)幀之間的時(shí)間受到成像器的輸出速率控制。連續(xù)收集的圖像之間的時(shí)間受限于成像器的總讀出時(shí)間的一個(gè)示例性裝置，這在Stuart Kleinfelder等人的文章“10000幀/秒的CMOS數(shù)字像素傳感器(A10,000Frames/s CMOS Digital Pixel Sensor)”，電氣與電子工程師協(xié)會(huì)雜志(固態(tài)電路)，2001年，第36卷，第12期，2049-2058中描述。