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TWI376151B - Scanning imager employing multiple chips with staggered pixels - Google Patents

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TWI376151B
TWI376151B TW096140820A TW96140820A TWI376151B TW I376151 B TWI376151 B TW I376151B TW 096140820 A TW096140820 A TW 096140820A TW 96140820 A TW96140820 A TW 96140820A TW I376151 B TWI376151 B TW I376151B
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TW
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pixels
pixel
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image
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TW096140820A
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English (en)
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TW200833082A (en
Inventor
Jeffrey J Zarnowski
Ketan V Karia
Michael Joyner
Thomas Poonnen
Li Liu
Original Assignee
Panavision Imaging Llc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panavision Imaging Llc filed Critical Panavision Imaging Llc
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Description

1376151 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於固態成像器及影像捕捉系統，且特定言之 係關於對兩個或更多像素系列之偏移或交錯配置的改良像 . 素組態。更特定言之本發明係關於允許端對端地對接兩個 -或更夕成像器晶片之組態，其避免從晶片至晶片的不合需 * 要之增益變更。本發明需要使用低功率CM〇s成像器技術 及偏移像素系列並附帶濾波器及微透鏡來執行。 ® 【先前技術】 固態衫像感測器廣泛地用於各種應用，並且此類應用一 直遵行低成本、尚解析度、高可靠性影像感測器。CM〇s 成像器技術因為僅需要單一電源供應電壓、粗糙度及其固 有低功率消耗而較有利。另外亦很關注實現極高解析度， 其需要提高像素密度。 知描系統用於各種影像捕捉應用，例如網路檢查及文件 • 複製及存檔。傳統上，此類型之掃描器使用接觸影像感測 器（CIS)模組或CCD來捕捉影像資訊，此類掃描系統中， CCD成像器之大小僅限於掃描物件（例如照片或文字）之寬 • 度的一分數。此大小限制係由於較大距離上之電荷傳輸困 難，即可比頁面寬度之距離上。此需要聚焦文件之影像， 以將其減小至成像器之大小。雖然需要端對端地接合若干 CCD成像器，以實際上建立一單一長影像捕捉器件，其存 在許多缺點而變得不切實際。 圖1說明利用CCD固態成像器丨2之先前技術掃描器配置 126133.doc 1376151 或掃描系統ίο。聚焦透鏡系統14係定位成將欲掃描物件 (例如文字16)之減小影像聚焦於CCD成像器12上。許多 實際掃描器配置中可利用鏡面（此處未顯示）。經由撓性電 纜將輸出緩衝器18耦合至CCD成像器12並用於驅動特定應 用積體電路（ASIC)22。另外將輸入緩衝器20耦合至（：(：：1)成 ·. 像器12並用於將藉由類比至數位轉換器（A/D)數位化之捕 捉影像資料介接至主機電腦、網路、或其他周邊器件，例 如印表機或數據機，或者在某些情形中介接至具有影像處 籲 自功能之多功能周邊設備（贿）、馬達控制、光控制、送 紙器、及使用者介面ASIC器件之全部或某些部分。桌上型 系統亦包含馬達及光源，以在欲掃描文件16之下方移動成 像器。可利用各種不同光源，例如榮光管及led，以及各 種不同驅動馬達，例如步進馬達及同步馬達。該等裝置係 熟知的，此處未顯示，但應瞭解係包括於掃描器系統内。 CCD成像器具有許多缺點及限制，例如速度限制，其係由 • 力電荷傳輪效率限制’以及高功率消耗及關於與其他功能 整合於像素陣列上的嚴重受限能力。此外，ccd成像器 中’必須以固定序列讀出像素，其不允許跳越像素資訊。 • ® 2中說明-傳統基於CIS之掃描系統3〇。此系統中，存 • 在端對端地接合之複數個CIS模組Μ⑴至32(n)。⑽模組 (1)至32(N)係疋位成彼此緊靠’以構成與欲捕捉影像同 樣寬的一長鄰接感測器陣列。光學耦合器34係定位以面對 欲掃描之物件36，並將其影像聚焦於CIS模組陣列上。由 於模且陣列32(1)至32(N)需要與欲掃摇之物件36同樣寬， 126133.doc 該陣列必須非常大。在物件寬度上無間隙或跳躍地拾取整 個影像所需要之CIS模組32⑴至32(N)的準確放置使得構造 基於CIS之系統非常昂貴β另外，各種個別cis感測器各具 有必須修正之個別電壓偏移，此亦增加系統之複雜性。八 最近已發展一主動行感測器（ACS)架構，如Pace等人之 美國專利第6,084,229號所揭示，其允許將㈤⑽影像感測 器構w為單-晶片攝影機，具有等同於或優於可藉由 或CID成像器實現的性能。ACS成像器享有極低的固定圖 案雜訊。可將Pace等人之專利中所揭示及說明的原理有利 也併入用於掃描應用之成像H，且該專利以提及方式併入 本文。 【發明内容】 2此，本發明之一目的係提供可用於掃描系統中並避免 先前技術之缺點的固態成像器。 另一目的係提供在足以掃描文字文件之寬度上經濟且有 效的成像器》 另一目的係改善單色或彩色成像器之有效解析度。 依據本發明之一方面’將固態區域或線性成像器積體電 =製作為組態於兩個或更多像素㈣内的像素元件陣列。 一系列之像素彼此偏移，即像素位置重疊或交錯。將像素 系列讀出至個別輸出匯流排内’並可水平或垂直地多工化 輸[可將該等成像器IC之兩個或更多端對端地對接，以 建立較寬成像器展配件。此情形下，亦以最小化任何晶片 至晶片電壓偏移的方式連接各化上之輸出匯流排。 126133.doc 1376151 依據本發明之一具體實施例用於捕捉影像之系統利用一 CMOS成像系統、一影像聚焦器件、及耦合至該CMOS成 像系統之一影像控制處理系統。該CMOS成像系統具有至 少一個CMOS成像器，其具有至少一個像素系列。影像聚 焦器件將影像引導於該至少一個像素系列之至少一部分 上。
依據本發明之另一具體實施例用於掃描或捕捉影像之方 法包括將影像引導至一 CMOS成像系統内至少一個像素系 列之至少一部分上。接下來，採用一 CMOS成像器之至少 一個像素系列將影像捕捉至該CMOS成像系統内》在影像 捕捉及處理期間控制CMOS成像系統。 依據本發明之另一具體實施例用於捕捉影像之系統包括 至少一個CMOS成像器内之一第一像素系列以及至少一個 更多像素系列，其至少鄰近該至少一個CMOS成像器内之
該第一像素系列。該至少一個額外像素系列自該第—像素 系列偏移。 夂诹尽發明之另 , .......π八似％〜/7沄包括 從至少鄰近至少一個CMOS成像器内之第一像素系列的至 ^個其他像素系列偏移至少一個CMOS成像器内之一第 —像素系列，以及採用該偏移第一像素系列之至少—部分 及至少-個更多像素系列捕捉影像，以增強已捕捉影像： 解析度。 當將多個像素系列堆疊成連續偏移該等像㈣， 排列成沿一或多個對角線轴對準。 J項取一系列偏移像 126133.doc 1376151 素，以便將視訊信號裝箱至一共同感測節點上，並可將彩 色濾光器放置於藉由下方像素形成之對角線上，從而提供 勝於先前技術的多個優點。對角線定向像素及彩色濾光器 藉由最小化顏色串擾提供改良之顏色純度。 本發明可提供相對於用於捕捉影像之先前系統具有更大 靈活性及更低成本的用於捕捉影像之系統，例如依賴ccd 成像器或CIS成像器之系統。本發明包括一快門，以允許 一系列（例如一列或行，或者一對角線）内之所有像素共享 相同曝光週期，即用於各顏色之獨立整合週期，以增強顏 色平衡、用於多解析度成像之像素跳越、交錯像素，以便 在較小區域内提供較高解析度及較高顏色純度，以及來自 不同（或相同）系列内像素的信號之裝箱。手持式及電池操 作器件之有用計算功率的最新進展允許增加高度整合、低 功率、小尺寸之影像擷取系統，影像可為圖像、文字、視 訊、條碼、生物統計，因此使基於多晶片、耗電CCD之系 統極為不利。 依據一較佳具體實施例’在一成像區域上將一 CM〇s成 像系統於列及行中配置成一像素陣列，該等行係分割成彼 此父替的第一及第二行系列，以便各系列之該等行之像素 與另一系列之該等行之像素偏移一預定量。各行包括一行 放大器FET，其具有一源極電極及一汲極電極。與該第一 订系列相關聯之至少一對導體分別與該第一行系列之行放 大器FET的源極及汲極電極耦合。與該第二行系列相關聯 之另一對導體係搞合至該第二行系列之行放大器FET的源 126133.doc -11 - 1376151 極及汲極電極》第一及第二輪 輸出放大器各包括耦合至個別 行系列之個別導體對的一額外 頻外FET及一回授路徑。存在耦 合至該成像器之像素的影傻批也丨φ μ *承刃办像控制電路，以控制個別像素之 時序及問控。較佳配置中，第一及第二行系列之對應像辛 彼此對角地偏移。將像素配置成像素區對，其係對角地佈 置於像素控制區之兩側上，以便像素區對各對角地延伸。 此等定義該系列之連續像素區狀間的對角線區域。該另 一像素行系列之該等像素位於該等對角線區域内。Λ 依據另一較佳具體實施例，用於掃描影像之系統可由端 對端地配置之複數個CM0S成像器形成，例wCM〇s 每一此類CMOS成像器係採用位於彼此之側的兩個像素系 列而組態，且其中該等像素系列之一者自該等像素系列之 另一者偏移。各成像器亦具有沿像素系列延伸的兩對導 體，該等導體對與該CMOS成像器上之個別像素系列相關 聯。各像素包括個別像素放大器FET，其具有分別耗合至 相關聯導體對之導體的源極電極及汲極電極。跳線導體將 母一該CMOS成像器之每一該導體對之該等導體與一或多 個剩餘成像器之對應導體連接。一對輸出放大器各包括耦 合至該等CMOS成像器之至少一個之一個別導體對的一額 外FET及一回授路徑。耦合至該等成像器之該像素系列的 影像控制電路用於控制像素之時序及閘控。相關聯之影像 聚焦構件，即透鏡群組或鏡面或此類聚焦元件之組合，將 光學影像形成於此較寬成像器裝配件上。偏移像素系列之 輸出可一起或分離使用’以便允許視需要選擇掃描速度及 126133.doc U/0151 2度，以及允許其他效應，例如像素裝箱，其可用於低 光應用。所揭示之配置將成像器以整個電池組態為單一 主動仃感測器或ACS ’而輸出放大器為所有聯合成像器之 個別系列之各像素服務。此移除由於電壓偏移W之影像 失真’因為像素輸出放大器各形成個別輸出放大器之一部 分。
依據本發明之若干具體實施例的任何具體實施例，光敏 陣列由配置成任何數目之行及列的複數個像素組成。本發 月之一維多色成像器具體實施例具有最小化相鄰像素間之 接觸邊緣的優點，以便具有顯著減少之顏色串擾機會。彩 色濾光器製造得以簡化，因為相似顏色像素係配置成對角 地對準以及可利用對角線條帶或帶狀濾波器。將微透鏡 陣列佈置於成像區域上’以便各微透鏡覆蓋複數個像素。 所述具體實施例中，沿一共同對角線軸對準像素。 該等具體實施例中，添加一微透鏡陣列以增加入射至像 素收集區域上之光能量，以增加至各像素之量子能量。可 將一微透鏡定位成將光集中於一個以上之像素上。一彩色 成像器上，可將微透鏡主要或整個佈置於一顏色帶上，以 最小化顏色串擾。由於相同微透鏡下方之像素有效地位於 關於空間取樣之相同點，兩個（或更多）像素將相等地分割 入射光。然而’可針對不同像素以不同方式控制像素整合 時間’並且此可幫助延伸成像器之動態範圍。 結合附圖閱讀接下來的較佳及示範性具體實施例之說 明’可更完整地理解本發明之上述及許多其他目的、特徵 126133.doc -13- 1376151 及優點。 【實施方式】 現在參考圖式，首先參考圖4,依據本發明之一具體實 施例用於捕捉物件42(例如文字）之影像的系統仂包括透鏡 44、CMOS成像系統46、影像控制處理系統47、及輸出匯 流排51。可使用其他等效組件。可將影像控制處理系統47 包括於CMOS感測器46上，以消除分離組件之需要並減小 總成本。本發明知:供用於捕捉影像之系統，其比使用CCD 或CIS技術之先前系統具有更大靈活性及更低成本。此 外，本發明提供用於CMOS成像系統46内之獨特偏移像素 結構。 如圖3所示，透鏡44係定位於系統内，以將掃描之影像 聚焦或引導或以其他方式捕捉於CM〇s成像系統46上。此 具體實施例中，透鏡44將欲掃描之影像減小至CM〇s成像 系統，然而透鏡可用於以另一方式聚焦影像，例如直接傳 輸，而不具有任何減小或具有或不具有影像放大。此外， 儘管顯示的係透鏡44，其他類型之聚焦及影像形成系統可 用於將欲掃描之影像聚焦或引導至CMOS成像系統上，例 如鏡面或鏡面及透鏡組合。 現在參考圖4 ’ CMOS成像系統46係形成於CMOS晶片上 並包括CMOS成像器48，其具有一對交錯像素系列51(1)至 5〇(4)及52(1)至52(4)，例如像素 列或行；一對位址解碼器 54(1)及54(2)、一對重設偏壓56(a)及56(2); —對重設選擇 58(1)及5 8(2)、_對光閘極選擇60(0及60(2); —對運算放 126133.doc -14- 1376151 大器62(1)及62(2); —對相關雙重取樣器（CDS)64(1)及 64(2); —像素選擇及輸出驅動器66;以及複數個場效電晶 體。其他具體實施例中，CMOS成像系統可包含其他組件 及配置’例如光二極體。此具體實施例中，術語「像素」 指光敏元件及像素控制電路，然而可能係其他配置，其中 像素可實質上僅包含光敏元件。 圖4之具體實施例中，第一及第二像素系列5〇(1)至5〇(4) 及52(1)至52(4)彼此相鄰，並且第二像素系列52(丨）至52(4) 與第-像素系列50⑴至50(4)偏移二分之一之像素間距。 其他具體實施例中，第一及第二像素系列5〇⑴至5〇⑷及 52⑴至52(4)可具有其他間隔配置，並可偏移不同數量或 不同間距。像素系列可具有不同像素數目。此外，儘管顯 示兩個偏移像素系列50⑴至50(4)及52⑴至52(4) cm〇s 成像器48可具有其他組態，例 多像素系列。若包括多個像素系列，個或更 偏移像素系列總數之-倒數，例如若存佳的係 則像素彼此偏移三分之一.若存^右存在二個像素系列， 彼此偏移四分之一等等。可使 丨像素 列偏移其他數量或使某些像素系列置’列如將像素系 系列5〇〇)至50⑷及52⑴至冲），;偏移1用偏移像素 來自第-像素系列50⑴至5〇(4)之輪出、:=作同步地將 列52⑴至52(4)之輸出交插。 來自第二像素系 增加至僅具有單一像素系列之系']出將系統40之解析度 或器件之總長度且不會顯著增加成上’而不會添加系統 126133.doc -15- 1376151 將CDS 64(1)及64(2)之輸出耦合至輸出驅動器66，其係 耦合至輸出匯流排51，並將各放大器之輸出耦合至CDS 64(1)及64(2)之一的輸入。將FET 8 0及90之源極及汲極耦 合至放大器62(2)之輸入。此具體實施例中，像素50(1)及 50(2)共享相同感測節點100，其係耦合至FET 68之閘極之 一，像素50(3)及50(4)共享相同感測節點102，其係耦合至 FET 74之閘極之一，像素52(1)及52(2)共享相同感測節點 104，其係耦合至FET 80之閘極之一，而像素52(3)及52(4) 共享相同感測節點106，其係耦合至FET 90之閘極。將FET 70之汲極耦合至FET 68之另一閘極，將FET 70之源極耦合 至像素50(1)，將FET 72之汲極耦合至FET68之相同閘極， 並將FET 70之源極耦合至像素50(2)，將FET 76之汲極耦合 至FET 74之另一閘極並將FET 76之源極耦合至像素50(3)， 將FET 78之汲極耦合至FET 74之相同閘極並將FET 78之源 極耦合至像素50(4)，將FET 82之汲極耦合至FET 80之另一 閘極並將FET 82之源極耦合至像素52(1)，將FET 84之汲極 耦合至FET 80之另一閘極並將FET 82之源極耦合至像素 52(1)，將FET 84之汲極耦合至FET 80之相同閘極並將FET 84之源極耦合至像素52(2)，將FET 86之汲極耦合至FET 90 之另一閘極並將FET 86之源極耦合至像素52(3)，以及將 FET 88之汲極耦合至FET 86之相同閘極並將FET 88之源極 耦合至像素50(4)。 將位址解碼器54⑴耦合至FET 68之一閘極及FET 74之一 閘極，以及將位址解碼器54(2)耦合至FET 80之一閘極及 126133.doc -16- 1376151 FET 90之一閘極。位址解碼器54(1)亦係耦合至FET 70、 72、74及76之閘極，而位址解碼器54(2)亦係耦合至FET 82、84、86、以及88之閘極。位址解碼器54(1)及54(2)亦 係耦合在一起，並耦合至時脈97及開始脈衝。將重設偏壓 56(1)耦合至FET 92之源極及FET 94之源極，並將重設偏壓 56(2)耦合至FET 96之源極及FET 98之源極。將FET 92之 汲極耦合至FET 70之源極及FET 72之源極，將FET 94之汲 極耦合至FET 76之源極及FET 78之源極，將FET 96之汲極 耦合至FET 82之源極及FET 84之源極，並將FET 98之汲極 耦合至FET 86之源極及FET 88之源極。將重設選擇58(1)耦 合至FET 92之閘極及FET 94之閘極，並將重設選擇58(2)耦 合至FET 96之閘極及FET 98之閘極。將光閘極選擇60(2)耦 合至像素50(1)及50(3)，並將光閘極選擇60(1)耦合至像素 50(2)及50(4)。將光閘極選擇60(3)耦合至像素52(1)及 52(3)，並將光閘極選擇60(4)耦合至像素52(2)及52(4)。 影像控制處理系統47係耦合至並控制CMOS成像系統46 内的重設選擇58(1)及58(2)、位址解碼器54(1)及54(2)、光 閘極選擇60(1)及60(2)、及輸出驅動器66，然而可將影像 控制處理系統47耦合至其他組件。影像控制處理系統47包 括中央處理單元（CPU)或處理器或專用邏輯、記憶體、及 收發器系統，其分別藉由匯流排系統或其他鏈路耦合在一 起，然而影像控制處理系統47可包含其他組件及配置。影 像控制處理系統47内之處理器針對影像處理執行一或多個 程式之儲存指令，例如控制各像素系列之整合時間，以保 126133.doc -17- U/6151 證均勻整合週期；或控制用於不同像素系列之整合週期， 以便使其對於不同顏色不同；控制像素系列集之間的像素 裝箱，例如像素列或行；以及控制何時跳越系列内哪些像 . f ’或增加關注區内之解析度或對比度動態，或增加圖框 - 4率’以及其他指令’例如詩視訊功能、印表機馬達媒 自器控制、送紙控制、紙張分類控制、列印頭控制、使用 者介面、傳真及數據機能力。 Φ 用於CPU4相11或專㈣輯之料程式化指令係儲存 於。己隐體内，然而可從其他位置之一或多個記憶體儲存並 取出某些或全部該等程式化指令。對於記憶體，可使用各 種不同類型的記憶體儲存器件，例如靜態或動態隨機存取 記憶體（RAM)'或系統内唯讀記憶體（R〇M)、或軟碟、硬 碟CD ROM、或藉由搞合至處理器的磁性、光學或其他 讀取及/或寫入系統讀取及/或寫入的其他電腦可讀取媒 體。收發器系統係用於可操作地麵合並在影像控制處理系 φ 統47與其他系統之間通信，例如CMOS成像系統46 »可使 用各種不同類型之電腦介面，例如紅外線、USB '藍芽、 811·ΧΧ、並列埠、丨394、相機鏈路、DVI、或SMPTE , 29Χ。此特定具體實施例中，影像處理功能位於如圖3之影 像控制處理系統47内，其在與CMOS成像系統46相同之 CMOS晶片上’然而可使用其他配置，例如具有用於影像 處理之所有功能以及其他功能，如桌上型掃描器或， 其係包括於相同晶片上的CMOS成像器48内，或位於接著 耦合在一起的其他晶片上與CMOS成像系統46分離之組件 126133.doc •18· 將功率監視系統45耦合至CMOS成像系統46及CMOS晶 片上’然而功率監視系統45可為位於另一晶片上並與 CMOS成像系統46—起耦合至晶片的組件。功率監視系統 45監視CMOS成像系統46以偵測CMOS成像系統46何時未 在使用中’例如未捕捉影像或向外傳輸影像，接著在未使 用週期期間關閉功率消耗以節省功率。 參考圖5’用於彩色掃描應用之cmos成像系統11〇包括 二個CMOS成像器112(1)至112(3)，其中各CM〇s成像器 112(1)至112(3)代表不同色帶，然而可使用其他配置，例 如具有其他數目之CMOS成像器及/或使CMOS成像器代表 相同色帶或具有單色成像器。CM〇s成像器112(1)至112(3) 亦可用於捕捉相同色帶或可為單色。採用多個CM〇s成像 器112(1)至112(3)，可執行其他操作，例如來自CM〇s成像 器112(1)至112(3)之一者中一系列内一像素的信號與來自 CMOS成像器112(1)至112(3)之另一者中一系列内一像素的 k號之裝箱。除本文所述外，CM〇s成像器112(1)至112(3) 之結構及操作與參考圖4所述之CM〇s成像器46相同，故此 處將不詳細說明。各CM〇s成像器112(1)至112(3)具有一組 像素系列 118(1)至 ii8(2)、12〇(1)至 12〇(2)以及 122(1)至 122(2)，如圖6所說明。 此特定具體實施例中，由CM〇s成像器112〇)至112(3)所 代表之色帶係紅色、綠色及藍色，然而可代表其他色帶， 例如青色、深紅色及黃色。此等可為不可見頻帶，例如 126133.doc 1376151 UV或IR。將彩色濾光器放置於用於特定色帶之各像素系 列 118(1)至 118(2) 、 120(1)至 12〇(2)、及 122(1)至 122(2) 上。此特定具體實施例中，可使用紅色、綠色、及藍色彩 色濾光器。 此特定具體實施例中，影像控制處理系統丨14位於與 CMOS成像器112⑴至112(3)相同之晶片上，然而影像控制 處理系統114可位於耦合至CM〇s成像器112(〇至112(3)之 分離組件内，如圖3内之具體實施例所示。影像控制處理 系統114之結構及操作與參考圖3及4所述之影像控制處理 系統47相同。影像控制處理系統47係用於控制CM〇s成像 1§ 112(1)至112(3)之操作，包括各€]^〇8成像器112(1)至 112(3)内之功能，例如控制各像素系列之整合時間，以保 aa均勻整合週期或針對不同像素系列控制整合週期從而使 其成為不同顏色，控制像素系列集之間的像素之裝箱，例 如像素列或行，以及控制何時跳越一系列内哪些像素，以 增加圖框速率以及其他指令，例如用於視訊功能、印表機 馬達驅動器控制、送紙控制、紙張分類控制、列印頭控 制、使用者介面、傳真及數據機能力。用於控制整合週 期、像素之裝箱及跳越像素之方法在pace等人之美國專利 第6,084,229號中予以揭示。（：1^〇8成像系統11〇亦包括輸入 緩衝器116，其係耦合至CM〇s成像器112(1)至112(3)並用 於驅動及控制CMOS成像器112(1)至112(3)，其包括位址解 碼器54(1)至54(2)、重設控制58〇)至58(2)、CDS電路64(1) 至64(2)、光閘極6〇(1)至60(4)、時脈97及開始98、像素選 126133.doc -20- 1376151 擇66、系統47之整體重設、感測節點重設loo、i〇2 ' 1Q4 及106、像素跳越或像素裝箱及功率下降模式，以在未使 用時消除功率消耗。
現在將參考圖3及4說明用於捕捉影像之系統4〇的操作。 透鏡系統44將掃描或以其他方式捕捉之影像42的減小影像 t焦或引導至CMOS成像系統46中CMOS成像器48内的像 素系列50(1)至50(4)及52(1)至52(4)之至少一部分上，然而 可使用引導影像42之其他組態，例如將影像之實際大小版 本或放大版本引導至CMOS成像器48上。此外，可使用其 他器件，例如鏡面’來引導影像至CMOS成像器48上。
當將影像42引導至像素系列5〇(1)至5〇(4)及52(1)至52(4) 上時，其具有用於捕捉影像之光敏元件，像素5〇(1)至 50(4)及52(1)至52(4)將開始根據藉由影像控制處理系統47 控制之光閘極選擇60(1)至60(4)之狀態整合減小影像。讀 出操作序列係捕捉像素50(1)至5〇(4)及52〇)至52(4)上之影 像，藉由重設控制58(1)至（2)重設感測節點1〇〇、1〇2、i(m 及106之一或多個，感測用於CDS之重設位準以及藉由光 閘極控制線60⑴至⑷將共享像素之—或多個傳輸至各感 測節點上。此特^具體實施例中，當將—或多個光閉極選 擇⑴至60⑺偏壓至一電麼位準時，例如零伏特，僅藉 由範例貝J像素列無法整合或捕捉影像，例如文件或其他 被掃描物件之影像。當將—或多個光閘極選擇⑽⑴至 ⑽⑷偏壓至另-電料，例如33伏特，僅藉由範例，則 耦合至3.3下之光閘極選擇6〇⑴至6〇⑷之像素列可整合及 126133.doc •21 · 1376151 捕捉影像。一旦捕捉到影像，則將光閘極選擇6〇(1)至 60(4)之-至全部偏壓回至第—電隸準此範例中其係零 伏特。光閘極選擇60⑴至6〇⑷之操作結合感測節點1〇〇、 102、104及106之操作。感測節點1〇〇之操作係結合fet 7〇 及72之位址解碼器選擇以及叩丁 92之重設。圖斗内所說明 的係共享相同感測節點100之兩個像素，其僅針對此範 例。共享相同感測節點之像素的數目可從一變化至許多 個。共子相同感測節點之像素越多，所需光閘極控制 60(X)線越多，其對時序添加複雜性。此可採用像素與感 測節點間之中間儲存克服，但此類中間儲存對像素結構添 加複雜性。圖7内顯示完成此點之像素結構之一範例，其 包括光閘極及儲存閘極。接下來，將採用來自被掃描文件 之捕捉號的像素傳輸至用於讀取之感測節點。光閘極控 制線60(1)至60(4)及相關聯感測節點1〇〇、1〇2、1〇4及1〇6 決定選擇哪些像素50(1)至50(4)及52(1)至52(4)來讀取。對 於光閘極60(2)，感測節點係1〇〇及1〇2，欲讀取之像素分別 係50(1)及50(3)。針對各光閘極控制線6〇(1)至（4)並聯地傳 輸所有像素信號，因此必須藉由位址解碼器54(1)或54(2) 同時開啟來自位址解碼器54(1)及54(2)並與各光閘極控制 60( 1)至（4)相關聯之像素選擇。因此’對於光閘極控制 6〇(2) ’感測知點係及1〇2，且欲讀取之像素係5〇⑴及 50(3) ’以及必須藉由並聯位址解碼器54(1)選擇傳輸FET 70及76。將光閘極控制信號60(2)驅動至零，以將像素 50(1)及50(3)上電荷傳輸至感測節點1〇〇及1〇2。接著，藉 126133.doc •22· 1376151 由位址解碼器54(1)關閉傳輸FET 70及76，然後可將光閘極 控制60(1)重新偏壓至用於此範例之3 3伏特，並空乏像素 50(1)及50(3)下方之矽，以開始用於下一整合圖框之整 合。現在所有與光閘極控制60(2)相關聯之像素具有關閉感 測節點100及102之像素資訊。接下來，位址解碼器藉由選 擇FET 68之控制閘極選擇欲讀取哪些感測節點1〇〇及1〇2， 以便如Pace等人在美國專利第6,084,229號中所述藉由運算 放大器62(1)輸出至CDS電路64(1)，然後視需要藉由選擇 FET 74之控制閘極的位址解碼器54(丨）選擇用於讀取的序列 内下一像素，並再次藉由運算放大器62(1)讀取感測節點 102 ° 此程序對於像素50(2)及50(4)再次重複，其係在藉由重 設控制58(1)、選擇傳輸FET 72及78之位址解碼器54(1)重 設後傳輸至感測節點100及1〇2上，接著將光閘極控制信號 60(1)驅動至零。藉由位址解碼器54(1)關閉傳輸控制FET 72及78，以關閉化號。藉由開啟fet 68之控制閘極選擇由 位址解碼器54(1)讀取之感測節點100及1〇2，以透過運算放 大器62(1)及CDS電路64(1)輸出像素’並再次關閉FEt 6 8 之控制閘極《藉由開啟FET 74之控制閘極選擇由位址解碼 器54(1)讀取之下一所需像素，以透過運算放大器62(1)及 CDS電路64(1)輸出像素，並再次關閉FET 74之控制閘極。 將光閘極控制60(1)重新偏壓至3.3伏特，以視需要開始下 一整合週期。 此程序對於像素52(1)及52(3)再次重複，其係在藉由重 126133.doc •23· 1376151 設控制58(2)、選擇傳輸FET 82及86之位址解碼器54(2)重 設後傳輸至感測節點104及106上，接著將光閘極控制信號 60(3)驅動至零。藉由位址解碼器54(2)關閉傳輸控制FET 82及86，以關閉信號。藉由開啟FET 80之控制閘極選擇由 位址解碼器54(2)讀取之感測節點，以透過運算放大器 62(2)及CDS電路64(2)輸出像素，並再次關閉FET 80之控 制閘極。藉由開啟FET 90之控制閘極選擇由位址解碼器 54(2)讀取之下一所需像素，以透過運算放大器62(2)及 CDS電路64(2)輸出像素，並再次關閉FET 90之控制閘極。 將光閘極控制60(3)重新偏壓至3.3伏特，以視需要開始下 一整合週期。 此程序對於像素52(2)及52(4)再次重複，其係在藉由重 設控制58(2)、選擇傳輸FET 84及88之位址解碼器54(2)重 設後傳輸至感測節點104及106上，接著將光閘極控制信號 60(4)驅動至零。藉由位址解碼器54(2)關閉傳輸控制FET 84及88，以關閉信號。藉由開啟FET 80之控制閘極選擇由 位址解碼器54(2)讀取之感測節點，以透過運算放大器 62(2)及CDS電路64(2)輸出像素，並再次關閉FET 80之控 制閘極。藉由開啟FET 90之控制閘極選擇由位址解碼器 54(2)讀取之下一所需像素，以透過運算放大器62(2)及 CDS電路64(2)輸出像素，並再次關閉FET 90之控制閘極。 將光閘極控制60(4)重新偏壓至3.3伏特，以視需要開始下 一整合週期。 通常，同時將一系列像素之光閘極控制信號全部重新偏 126133.doc -24- 1376151 壓至3.3，以具有均勻整合時間。像素5〇(1)與5〇(2)、5〇(3) 與50(4)、52(1)與52(2)、以及52(3)與52(4)之間的共享感測 節點100、1〇2、HM及1〇6分別使一系列内之相鄰像素5〇(1) 與 50(2)、50(3)與 50(4)、52(1)與 52(2)、及 52(3)與 52(4)可 藉由同時傳輸共享感測節點之兩個像素一起裝箱。當位址 解碼器54(1)同時選擇傳輸FET7〇&72並且亦同時操作光閘 極控制60(1)及60(2)時，此可藉由此範例完成。將同時傳 輸連接至光閘極控制信號60(1)及6〇(2)之所有像素5〇(1)至 5〇(4)，並需要同時選擇所有傳輸閘極。否則，感測節點重 设、傳輸及讀取與前述相同。可視需要藉由位址解碼器或 移位暫存器54(1)及54(2)跳越一或多個像素5〇(i)至5〇(4)及 52(1)至52(4);而針對較高圖框速率維持最大讀出速度。 同樣，使用Pace等人之美國專利第6,〇84,229號的放大器組 態，藉由此範例，位址解碼器54(1)及54(2)可選擇一系列 像素50(1)至50(4)及52(1)至52(4)之多個感測節點1〇〇、 102、104及106，同時選擇選定感測節點上之最暗信號， 其係將主導運算放大器62( 1)之輸出的信號。最暗信號係針 對選定感測節點具有最高位準之信號，並且係飽和之感測 節點’以完成用於圖4所示之NFET的Pace等人之美國專利 第6,084,229號的運算放大器。當選擇多個感測節點時選擇 最暗像素的此方法稱為「自動黑色裝箱」》若感測FEt 68、74、80及90係PFET而非圖4所示之NFET時，可以相同 方式選擇最白像素’此情形中稱為「自動白色裝箱」。掃 描應用中，紙張通常為白色，成像文字係黑色。讀取像素 126133.doc -25- 1376151 50(1)至50(4)及52(1)至52(4)之順序可按從移位暫存器至隨 機位址解碼器54(1)及54(2)之預定序列以及藉由像素選擇 及輸出驅動器66多工化或交插的像素序列數目發生。可需 要額外控制線以改變像素順序，並且此實施方案對熟習技 術人士係清楚的，此處不再顯示。儘管當裝箱感測節點 100、102、104 及 106 内之所有像素 50(1)及 5〇(2)、5〇(3)及 5〇(4)、52(1)及52(2)、52(3)及52(4)時，快門操作完成，當 讀出分離地共享感測之像素時，可能出現一潛在問題。當 共享感測節點之像素具有光閘極控制信號間延遲時出現一 問題，在不同時間傳輸電荷導致相同系列之像素具有稍微 不同的整合時間。此問題之解決方案係如圖7所述具有每 像素之儲存站點》
將來自放大器62(1)及62(2)之輸出的信號供應至CDS 64(1)及64(2) ’並且將CDS 64(1)及64(2)之輸出耦合至輸出 驅動器66，此範例中其將信號輸出至輸出匯流排51。因 此，關於本發明，來自CM〇s成像器48内之像素5〇(1)至 50(4)及52(1)至52(4)的信號在CM0S成像系統牝中係獨立 地加以選擇並以任何所需順序耦合至輸出5丨。例如，可交 插來自像素50(1)至50(4)及52(1)至52(4)的信號，以增加解 析度而不會實質上增加成像系統46之長度或大小或者若 選擇像素50⑴至50(4)及52⑴至52⑷上之某些信號並跳越 其他彳s號，可增加圖框速率，但此係在用於最終影像之較 低解析度下。 現在將參考圖3、5、及6說明用於採用具有CM〇s成像器 126133,d〇c •26· 1376151 112(1)至112(3)之CMOS成像系統110(其取代CMOS成像系 統46)捕捉影像的系統4〇之操作。除此處所述外，圖5内各 CMOS成像器112(1)至112(3)之操作與圖4之CMOS成像器48 相同。採用此系統，透鏡44將掃描影像之減小影像聚焦或 引導或者以其他方式捕捉於CMOS成像系統110内CMOS成 像器112(1)至112(3)上的像素系列i “（。至！ i8(2)、120(1) 至120(2)、及122(1)至122(2)上，然而仍可使用其他用於引 導影像之組態，例如將影像之實際大小版本或放大版本引 導至CMOS成像器112(1)至112(3)上。此外，可使用其他器 件’例如鏡面，來引導影像至CMOS成像器112(1)至112(3) 上。 此特定具體實施例中，不同濾波器位於CMOS成像器 112(1)至 112(3)内各像素系列集 118(1)至 118(2)、120(1)至 120(2)、及122(1)至122(2)上，並且濾波器過濾用於CMOS 成像器112(1)内像素系列118(1)至118(2)之紅色、用於 CMOS成像器112(2)之像素系列120(1)至120(2)的綠色、及 用於CMOS成像器112(3)之像素系列122(1)至122(2)的藍 色’然而CMOS成像器112(1)至112(3)均可加以過濾以捕捉 其他資訊或可為單色。用於捕捉及處理來自CMOS成像器 112(1)至 112(3)内各像素系列 118(1)至 118(2)、120(1)至 120(2)、及122(1)至122(2)之信號的程序與用於圖4中 CMOS成像器48之像素系列50(1)至50(4)及52(1)至52(2)的 上述程序相同。 對於具有CMOS成像器112(1)至112(3)之CMOS成像系統 126133.doc -27- 1376151 110’可獨立地控制用於不同色帶之各CMOS成像器112(1) 至 112(3)之各像素系列 118(1)至 118(2)、120(1)至 120(2)、 及122(1)至122(2)的整合時間。採用各CMOS成像器112(1) 至112(3)之整合時間的獨立控制，各CMOS成像器112(1)至 112(3)可針對對應色帶從光源接收不同數量之光。若允許 各顏色針對稍微不同之時間數量整合，則可在整合時間週 期實現顏色平衡’而非藉由影像處理器透過後處理實現。 此簡化掃描或成像操作，並改善三個顏色通道之信號對雜 訊平衡。視需要，將黑色參考像素系列或一些黑色參考像 素添加至CMOS成像器112(1)至112(3)内的各像素系列 118(1)至 118(2)、120(1)至 120(2)、及 122(1)至 122(2)上。 另選項係對CMOS成像器112(1)至112(3)添加單色像素系 列’作為參考來輔助線路技術及唯文字掃描應用。 採用具有二個CMOS成像器112(1)至π2(3)之CMOS成像 系統110，亦可執行其他方法。例如，可將來自不同 成像器112(1)至112(3)之信號裝箱，以在輸出前將信號組 合在一起。裝箱提供較高圖框速率下之較低解析度。通常 將裝箱^義為相鄰信號或來自像素之資料的總和，並藉由 將來自像素之-個以上信號傳輸至相同節點上來完成，例 如輸出匯流排5 1。 圖7内說明串聯像素5〇〇)至5〇(4)及52〇)至52(4)之替代 像素結構。圖4之所有其他電路態樣對於此範例保持相 同。除以下例外，所有時序與前述保持相同。圖4所示之 用於-系列像素60⑴至(4)之光閘極控制保持相同，虚該 126133.doc -28· 1376151 等光閘極控制60(1)至（4)之一的連接係顯示為用於儲存閘 極的FET 138之輸入。將光子產生之電荷傳輸至感測節點 100、102、104及106前，此範例中，必須首先發生兩個額 外時序步称，並且已添加兩個額外FET 136及138以保證所 有串聯像素之均勻整合。在像素50(1)至50(4)及52(1)至 52(4)，例如鄰近FET 134之像素，其代表像素5〇⑴至5〇(4) 及52(1)至52(4)之一，已整合信號達所需週期後，對於此 範例’所有像素50(1)至50(4)及52(1)至52(4)藉由選擇FET 1 3 6之閘極並將FET 138下方之儲存閘極偏壓至33伏特而 透過τχι傳輪光子產生電荷，並藉由將光閘極134偏壓至 零伏特及關閉TX1關閉光閉極134。現在，FET 13 8下方之 儲存閘極取代光閘極控制60(1)至（4)之一，並且時序與前 述相同。藉由範例，像素整合可藉由將光閘極134重新偏 壓至3.3伏特立即恢復。圖7之配置允許所有像素之均勻整 合及像素裝箱跳越之完整控制，並以任何所需序列提供 「自動黑色裝箱」及「自動白色裝箱」。 現在參考圖8,掃描系統140包括聚焦系統142，例如可 為減小、放大、或一冪系統之透鏡群組，其將欲掃描之文 件144的影像形成於c_成像系統⑷上。成像系統⑷由 端對端地對接之一系列CMOS成像器146⑴至146⑻形 成。該等成像器146⑴至146(N)之各個利用—或多個交錯 =系例如該等系列係像素列或行，並包括結合pJe 之、國專利第M84,229號所料之主動行 (ACS)說明的其他控制 π电吟及位址解碼器。 I26I33.doc -29- 1376151 該等成像器之各個具有用於各像素系列（或系列對）的一對 内部視訊連接，以在感測器有線時完成用於内部列或行之 分散式放大器。藉由將源極及汲極線並聯地連接至單一有 效系統内的其他成像器之其他源極及汲極線，僅需要使用 該等成像器之單一成像器上的放大器。藉由並聯地連接源 極及汲極線，一系列内之所有像素在定址時將僅完成一個 放大器，從而最小化成像器之間的偏移且所有像素將具有 僅一個運算放大器可具有的相同線性β此處顯示視訊信號 導體或跳線器148將個別成像器146(1)至146(Ν)之源極及汲 極導體彼此接合。 如圖8Α内所詳細顯示’此具體實施例中，成像器146(1) 至146(Ν)内各存在三對交錯或偏移像素系列的一集合 1 50，例如用於顏色掃描之紅色、藍色及綠色系列，此處 僅顯示146(Ν)之最後一個。每一此類成像器亦具有控制及 啟用電路152，其沿一邊緣延伸，以及與各像素系列相關 聯’或者在某些具體實施例中與各對像素系列相關聯之個 別視訊輸出放大器160、162、及164。如上文關於ACS成 像器設計所述，每一放大器160、162、164具有與源極及 汲極導體對154或一個別像素系列接合之輸入。此情形 中’跳線器148將該等導體154從一晶片鏈接至下一個，並 且僅利用來自此單一成像器146(N)之輸出放大器160、 162、164來傳遞視訊輸出信號至下一階段。 圖9内說明一簡單單色配置，以證明對接成像器工匚 1斗6(1)至146(Ν)的連接原理。此處顯示一個成像器丨46(1) 126133.doc •30· 1376151 對接-第二成像器146(2)，其採用跳線器或導體線路⑷將 源極及及極導體S、D從—個成像器連接至下_個^此處顯 示一像素系列uod)，其個別像素與第二像素系列15〇(2) 偏移一分之一間距，然而其他應用中可利用其他偏移。各 像素具有輸出FET 151，其閘極耦合至像素之光感測器p， 源極及汲極電極分別耦合至導體s、E^此處省略時序及控 制電路及其他辅助電路，以避免汲取雜波，但應瞭解其存 在於實際具體實施例中。關於前述其他具體實施例，控制 電路可實現一或多個像素系列内像素讀出之選擇性跳越， 其允許解析度及圖框速率之控制。 該等成像器146(N)之第N個中的輪出放大器16〇、162具 有與該成像器146(N)之源極及汲極導體耦合的輪入，其係 藉由跳線導體148連接至剩餘成像器之個別導體，並且該 等輸出放大器提供視訊輸出至下一階段。此處可包括相關 雙重取樣器電路，如前述Pace等人之美國專利第6,〇84,229 號中所見。各輸出放大器160、162係組態為平衡放大器， 一 FET平衡恢次平衡個別像素之FET 151，因為像素係依序 讀出。各輸出放大器160、162亦形成一回授電路，此在前 述Pace等人之美國專利第6,084,229號中予以說明。為所有 個別成像器ID 156(1)至156(N)上各像素序列使用共同放大 器避免視訊輸出信號内隨一晶片至下一晶片之任何偏移。 先前技術中基於CIS或CCD感測器之系統在一系列内像 素中或橫跨多個成像器缺少一放大器之閉合迴路或共同回 授。主動像素感測器（APS)通常係組態成源極隨輕器，其 126133.doc -31 - 1376151 具有附帶增益變更及偏移變更，因為源極隨耦器緩衝器係 開放迴路組態》 圖10中詳細顯示内部源極及汲極線，其說明一實際具體 實施例。此視圖中，僅示意性地顯示一個成像器146(N)之 匀。此處像素係串聯配置，說明源極連接丨70(丨）至 170(3)及汲極連接丨800)至18〇(3)。源極連接及汲極連接係 偏壓線’圖中顯示其所有感測節點（例如172及174)係連接 至FET 176’當選擇時其完成放大器182(1)至182(3)。此係 已參考的Pace等人之專利第6,〇84,229號所教導之ACS組 態。此成像器146(N)之源極及汲極連接與所有其他成像器 146(1)至146(N-1)之對應連接並聯地佈線。藉由將一系列 之所有像素從一感測器連接至影像捕捉系統之其他感測器 的對應系列像素’所有並聯佈線像素將完成相同放大器， 從而最小化困擾先前技術之偏移變更及增益變更。各緩衝 器及放大器具有其自己的增益及偏移；因此，只要僅存在 用於各像素系列之單一放大器，則增益及偏移變更限於一 放大器之變更。CM0S成像系統可包含其他組件及配置。 此特定具體實施例中，術語像素指光敏元件加相關聯像素 控制電路’然而可能係其他配置，例如其中像素僅包含光 敏元件。可採用端對端地對接之成像器組態系統，以延伸 可捕捉之影像的有效長度。由於半導體晶圓製造限制及晶 圓良率問題’單晶片系統之長度有限，但藉由端對端地對 接成像器’可克服此類良率及長度限制。系統可亦按相同 方式沿寬度方向延伸，最高至半導體晶圓製造者之大小及 126133.doc •32- 1376151 良率限制’因此可如圖所示及本文所述以相同方式形成多 成像器二維系統。 如圖10所示’彩色系統中，將給定顏色（R、G、B)之像 素偏移，以便沿給定對角線軸對準，對角線對準像素可由 個別彩色濾光器190、191、192、193等覆蓋。此幾何形狀 允許連續條帶渡波器或帶狀濾波器彼此相鄰地放置以促 進製造。此外，此配置具有像素僅沿兩侧之部分對接另一 顏色之像素的優點’其減少顏色交越之發生。 另外，如圖10所示，此特定具體實施例中，存在多個像 素系列184(1)、184(2)、184(3)，像素系列與彼此相鄰，且 相鄰像素系列184(2)與第一像素系列184(1)偏移二分之一 像素間距，然而像素系列184(1)至184(3)可具有其他間距 或偏移。第一、第二及第三像素系列184(丨）至184(3)可具 有其他間距配置，不同像素系列可偏移其他數量，各像素 系列可具有多個串聯像素。可藉由不同配置偏移各像素系 列，其中所需具有重疊及偏移像素系列以便增強解析度。 其中將像素配置成偏移組態並且系統為彩色系統，可沿
系列、垂直於像素系列或在矩陣内（例如拜耳（Β^α)矩 陣）配置相關聯彩色遽光器’如先前技術中所做。需要直 接在像素上對準Φ色濾光II，以最小化導致顏色不純之雜 散光。此處’為沿彼此偏移之像素對準彩色Μ器，彩色 滤，器實質上係、按—角度定向。此建立對角線掃描配置， 其可因為偏移像素及彩色遽光器混清之不利效應的降低導 致解析度之增強（參見Dr William E Glenn之「Α 1920 X 126133.doc -33- 1376151 1080 60P System Compatible with a 1920 X 1080 301 Format」，SMPTE Journa 卜 2002年 7 月 /8月）。 圖11說明具有為說明目的添加之功能區塊的實際成像器 像素佈局190。此處佈局190係採用對角線彩色濾光器覆蓋 加以組態。對角線彩色濾光器191、192、193分別展開於 匹配濾波器下方之像素設計的連續帶中。此處，像素之各 群組194( 1)包含紅色、綠色、及藍色像素在一組控制電晶 體196之一侧上之一集合194，以及紅色、綠色、及藍色像 素在控制電晶體196之相反側上之一相似集合195。將像素 區配置於對角線上，以及像素控制區之兩個相反側上。奇 數行之像素群組定義其間對角線區域，偶數像素群組係位 於該等對角線區域内。整個群組194( 1)沿對角線佈置，並 在％像素之間距下關於相同列内之相鄰群組194(2)偏移。 群組194(1)本身在對角線下傾斜，以便連續行之群組與下 一列上之像素群組對準，以給定顏色之像素沿相同對角線 佈置。如此故置之濾波器最小化顏色串擾，並具有與利用 矩陣類型之濾波器（例如拜耳方法彩色濾光器）的成像器相 比明顯較佳之顏色鑑別。此改良藉由最小化可用於允許串 擾之每像素周邊而得出。藉由沿對角線將濾波器及像素分 層，各像素僅具有對接不同彩色濾光器之兩側。拜耳系統 中，藉由比較，各像素鄰近所有四側上的不同彩色濾光 器。採用如圖11所示之對角線帶狀彩色滤光器，各像素僅 具有鄰近不同顏&之濾波器的兩側。另外，如美國專利申 凊公開案第2002-0175270號以及上述Glenn論文所教導， 126133.doc -34· 點 列用於拷明本發明之一具體實施例’纟中微透鏡200之陣 9所、、加f素之量子效率。此處，微透鏡與以上參考圖
逃的@早單色配置-起使用’其中—對對接成像器1C 被此相鄰。并伟s & μ上 ^ 此@早配置中’存在兩個像素系列15〇⑴及
(2上’…系列之個別像素與第二像素系列之像素偏 刀之間距。電子、控制、及視訊信號發展之細節— 般如上文參考圖9所述。然而此處，個別像素具有其光敏 凡件P’其係整形為幾何形狀沿對角線配合 各系列之i素，即在像素間偏^
維持知色對角線取樣之解析度優 微透鏡配置200可為任何熟知及可用技術。此處，以虛 線代表微透鏡4鏡可具有球形性質，或可具有顯著圓柱 形組件’視給定成像器實施方案之需要。隨著減小每像素 之電晶體數目的技術出現，如(例如)Zar〇n〇wski等人之美 國專利第7,〇57，15〇號中所揭示，像素電子元件通常可遠^ 於微透鏡或小於放置於像素上之彩色濾光器。因此，各單 一微透鏡200可覆蓋兩個或更多像素。圖12内採用像素21〇 顯示此配置之-範命j。若冑單一微透鏡佈置於兩個或更多 像素上，例如在像素丨5〗、j 5丨上，由於微透鏡將主導空間 取樣之事實，將減小有效解析度。應將各微透鏡主要（或 者理想中整個地）放置於對角線對準像素之群組上，以便 最小化串擾。像素幾何形狀可整形為符合微透鏡之聚焦區 域。在顏色成像器之情形中，微透鏡應主要位於一彩色帶 狀濾波器（參見圖11内元件21〇1)上，以最小化顏色串擾。 126133.doc •35- 此處僅顯示一些微透鏡21〇ι，但應瞭解此處係佈置於器件 之成像區域之表面上之該等微透鏡的更均勻或更不均勻陣 列。由於微透鏡通常為有限繞射，各微透鏡將入射光聚焦 於微透鏡下方區域上，並且一微透鏡下方之兩個或更多像 素關於空間取樣有效地位於一及相同點。換言之，若微透 鏡下之像素具有相等整合時間，相同微透鏡下的兩個或更 多像素將相等地分割入射光。因此，相同微透鏡下之兩個 或更多像素之每一個將平均化從穿過微透鏡之照明收集之 k號，並且從相同像素收集之總信號之和將一起加入已穿 過微透鏡之光。然而，若相同微透鏡下之不同像素具有不 同整合時間，會發生此情況之一例外。例如，像素之一可 具有極短整合週期，且另一像素可具有較長整合週期。當 讀出該等兩個像素時，可作為延伸組合像素信號之動態範 圍的方式將信號組合。組合之信號之每一個可具有在組人 信號前或後應用的不同增益或演算法。最基本配置中，將 兩個信號加總在一起，但可一起加總三個或更多個。 如上所述，微透鏡210'可覆蓋一個以上像素，且一或多 個對角線對準像素可如（例如）圖1〇所述共享共同對角線帶 狀滤波器。某些具體實施例中，在具有共同對角線彩色遽 光器及共享微透鏡之成像器内可存在某些對角線對準像 素，其用於發展顏色或視訊信號之色度組件，同時將剩餘 像素僅用於亮度，以增強解析度，然而某些情形中允許、 些顏色串擾。根據所需應用，微透鏡21〇，可為— ° ” '' 對角線轴 或另一對角線軸（如微透鏡211所說明）。關於各微透鏡，位 126133.doc •36· 1376151 於其下之不同像素係沿對角線對準。 與前述具體實施例相同’具有像素上方之微透鏡陣列的 、像器可經組態為用於掃描文件或用於其他掃描之線性成 像器’或者可經組態為彩色或單色二維錢器而將具有 任何數目之像素或像素群組置於任何所需數目之列及行 内。
如本技射所瞭解’陣列内之各種微透鏡不必為圓形輪 廓之球形透鏡，但可具有確保將人射光正確聚焦於個別一 或多個像素之光敏區域上的幾何形狀。 【圖式簡單說明】 圖1係依據先前技術之CCD掃描系統的示意圖。 圖2係依據先前技術之CIS掃描系統的示意圖。 圖3係依據本發明之一具體實施例用於捕捉影像之CMOS 系統的示意性方塊圖。
圖4係依據本發明之一具體實施例的c M 〇 s成像系統之部 分方塊圖及部分電路圖。 圖5係依據本發明之另一具體實施例的CM〇s成像系統之 方塊圖》 圖6係用於圖5所示之CM〇s成像器的三組偏移像素系列 之圖式。 圖7係另一具體實施例中用於圖4所示之CMOS成像系統 内的一替代像素結構之圖式。 圖8係依據本發明之一可能具體實施例的cmos掃描之示 意圖。 126133.doc -37- 1376151 圖8A係圖8之具體實施例之一部分的部八_ |刀不意圖。 圖9係說明可用於圖4之具體實施例内> / 1 —系列CMOS成 像器1C的示意圖。 圖10係說明依據本發明之一具體實施例I ， 吧例具有多個偏移像 素系列之成像器的示意圖。
圖11係依據本發明之 一具體實施例的像素結構之圖式。 圖12係併入一微透鏡陣列之成像器的示意圖。 【主要元件符號說明】 10 掃描系統 12 CCD固態成像器/光感測器 14 聚焦透鏡系統/影像聚焦構件/透鏡 16 文字片 18 輸出緩衝器 20 輸入緩衝器 22 特定應用積體電路（ASIC) 30 掃描系統 32(1)至 32(N) CIS模組 34 光學耦合器 36 物件 40 系統 42 物件/影像 44 透鏡 45 功率監視系統 46 CMOS成像系統 126133.doc -38· 1376151 47 影像控制處理系統 48 CMOS成像器/跳接線 50(1) 像素 50(2) 像素 50(3) 像素 50(4) 像素 51 輸出匯流排 52(1) 像素 52(2) 像素 52(3) 像素 52(4) 像素 54(1) 位址解碼器/移位暫存器 54(2) 位址解碼器/移位暫存器 56(2) 重設偏壓 56(a) 重設偏壓 58(1) 重設選擇/重設控制 58(2) 重設選擇/重設控制 60(1) 光閘極選擇 60(2) 光閘極選擇 60(3) 光閘極選擇 60(4) 光閘極選擇 62(1) 運算放大器 62(2) 運算放大器 64(1) 相關雙重取樣器/CDS電路 126133.doc -39· 1376151
64(2) 相關雙重取樣器/CDS電路 66 像素選擇及輸出驅動器 68 FET 70 FET 72 FET 74 FET 76 FET 78 FET 80 FET 82 FET 84 FET 86 FET 88 FET 90 FET 92 FET 94 FET 96 FET 97 時脈 98 FET 100 感測節點 102 感測節點 104 感測節點 106 感測節點 110 CMOS成像系統 126133.doc •40- 1376151
112(1)至112(3) CMOS成像器 114 影像控制處理系統 116 輸入緩衝器 118(1) 像素 118(2) 像素 120(1) 像素 120(2) 像素 122(1) 像素 122(2) 像素 134 FET/光閘極 136 FET 138 FET 140 掃描系統 142 聚焦系統 144 文件 146(1)至146(N) CMOS成像器/成像器IC 148 跳線器或導體線路/跳線導體 150 集合 150(1) 像素 150(2) 像素 151 FET/像素放大器FET 152 控制及啟用電路/影像控制電 154 源極及及極導體對 160 視訊輸出放大器 126133.doc 1376151
162 視訊輸出放大器 17〇 ⑴至 170(3) 源極連接 172 感測節點 174 感測節點 176 FET 180(1)至180(3) 汲極連接 182(1)至182(3) 放大器 184(1) 像素 184(2) 像素 184(3) 像素 190 CMOS成像器/彩色濾光器/佈局 191 像素/光敏區域/像素區/像素陣列 192 像素/光敏區域/像素區/像素陣列 193 像素/光敏區域/像素區/像素陣列 194 集合 194(1) 群組 194(2) 群組 195 集合 196 控制電晶體 200 微透鏡/行放大器FET 201 導體 202 導體 203 影像控制電路 204 用於像素選擇之移位暫存器 126133.doc -42. 1376151 210 微透鏡/像素 210' 微透鏡/元件 211 微透鏡 D 導體 P 光感測器/光敏元件 S 導體 126133.doc -43-

Claims (1)

  1. 第096140820號專利申請案 , 丄 中文申請專利範圍替換本(101年2月） 十、申請專利範圍： 1' 一種用於掃描一影像的系統，其包含： 以端對端 複數個CMOS成像器（146(1)、146(2))，其係 方式配置，每一該CMOS成像器包括 兩個像素系列（150-1、150-2)，其位於彼此之側，且 其中該等像素系列之一者自該等像素系列之另一者偏 移； 兩對導體（S、D)，其沿該等像素系列延伸，該等導體 對與該CMOS成像器上之該等個別像素系列相關聯，並 且其中 每—該像素包括一個別像素放大器FET(151)，其具有 分別耦合至該相關聯對導體之該等導體並與該等系列之 所有其他像素放大器FET並聯的一源極電極及一汲極電 極； 複數個跳線導體（148)，其將每一該CM〇s成像器之每 °玄對導體之該等導體與剩餘成像器之對應導體連接； 一對輸出放大器（160、162)，其各包括耦合至該等 CMOS成像器之至少一者之一個別對導體的一額外fet及 一回授路徑； 影像控制電路（152)，其係辆合至該等成像器之該等像 素系列，以及 影像聚焦構件（14)，其用於將一光學影像形成於該複 數個成像器上； 其特徵為該等CMOS成像器在該等像素之上各包括佈 126133-101022l.doc 1376151 置於該成像器上之一微透鏡陣列（2〇〇、21〇)，用於增加 該等像素之量子效率。 2·如咕求項1之系統，其中將該陣列内該等微透鏡（21 〇)之 每一者佈置於該等像素之兩者或兩者以上之上。 3.如明求項2之系統，其中將該等微透鏡佈置於該一 像素系列之-像素収該另—像素系列之—對角偏移像 素之上》 4_如明求項1之系統’其中每一該等像素系列包括一單式 差動放大器，其具有位於該等系列内個別像素的複數個 輸入電aa體，以及由該等系列之該等像素共用並連 接至該等第一輸入電晶體之一第二輸入電晶體，以便建 立一回授迴路。 5.如請求们之系統，其中該影像控制電路包含快門控制 盗構件’其用於為該等像素系列之至少—者中該等個別 像素控制該等像素之整合時間，以及其中該影像控制電 路為每-該等微制下方㈣等不同像素提供不 時間。 6. 如請求項1之系統，苴中 〃甲°哀影像控制電路包含解析度調 整構件，其用於選擇性地跳越該等像素系列之至少一者 多個料像素的讀出，以便允許解析度之減小及 圖柩速率之增加。 7. 如請求項1之系統，其中每— ^ 該4像素系列之該等像素 係配置成對角地配置於一像 /' .. 1豕京控制區之兩側上的像素區 對’以便該等像素區對分別對自祕 对角地延伸，從而界定該系 126133-l〇l〇22l.d〇, 列之連續像素區對之間的對角線區域，其中該另—像素 系列之該等像素位於該等對角線區域内，以及其中將該 等微透鏡配置於該等對角線區域之該等像素上。 8. 如凊求項7之系統，其中將該等像素區分割成紅色、藍 色及綠色光敏區域，以便將該等红色、藍色、及綠色光 敏區域（m、192、193)與該像素區之該等對應光敏區域 對角地對準，該像素區係與該等像素控制區相反地佈 置，以及其中將紅色、藍色及綠色光學濾波器佈置成橫 跨該等個別像素之光敏區域對角地延伸的條帶濾波器。 9. 如請求項7之系統，其中將該等像素區（191、ΐ92、ι93) 分割成個別複數個光敏區域，其對相似複數個不同個別 波長之頻帶敏感，以便將該複數個光敏區域與該像素區 之該等對應光敏區域對角地對準，該像素區係與該等像 素控制區相反地佈置，以及其中將光學濾波器佈置成橫 跨該等個別像素之光敏區域對角地延伸的條帶濾波器。 10. —種CMOS成像系統，其包含： -像素陣列（191、192、193)，其係在__成像區域上配 置成列及行，該等行係分割成彼此交替的第一及第二行 系列，以便各系列之該等行之該等像素與另一系列之該 專行之該等像素偏移一預定量； 每一該行具有一行放大器FET(200)，其具有_源極電 極及一汲極電極； 至少一對導體（2〇1)’其與該第一行系列相關聯，該第 一行系列之該等㈣大器FET的言亥等源極及没極電極分 126133-1010221.doc 別連接至該至少一對導體（201); 至少一對導體（202)，其與該第二行系列相關聯，該第 二行系列之該等行放大器FET的該等源極及汲極電極分 別連接至該至少一對導體（2〇2); 第一及第二輸出放大器，其各包括耦合至該個別行系 列之該個別對導體的一額外FET及一回授路徑；以及 影像控制電路（203)，其係耦合至該像素陣列； 其中將一微透鏡陣列（210,、211)佈置於該成像區域 上，各微透鏡（210'、211)覆蓋複數個該等像素；以及其 中 每一該複數個像素之該等像素係配置成對角地配置於 一像素控制區之兩侧上的像素區對，以便該等像素區對 分別對角地延伸，從而界定該系列之連續像素區對之間 的對角線區域，其中該另一複數個像素之該等像素位於 該等對角線區域内，以及其中將該等微透鏡配置於該等 對角線區域之該等像素上。 11 ·如請求項10之系統’其中將該等像素區分割成紅色、藍 色及綠色光敏區域’以便將該等紅色、藍色、及綠色光 敏區域與該像素區之該等對應光敏區域對角地對準，該 像素區係與該等像素控制區相反地佈置，以及其中將紅 色、藍色及綠色光學濾波器佈置成橫跨該等個別像素之 光敏區域對角地延伸的條帶濾波器。 12.如請求項10之系統，其中將該等像素區分割成—個別光 敏區域群組，其對相似複數個不同個別波長之頻帶敏 126133-1010221.doc 感，以便將該光敏區域群組與該像素區之該對應光敏區 域群組對角地對準，該像素區係與該等像素控制區相反 地佈置’以及其中將光學濾波器佈置成橫跨該等個別像 素之光敏區域對角地延伸的條帶濾波器。 13 14 15. 16. 17. 18. 如請求項10之CMOS成像系統，其中該等第一及第二行 系列之對應像素彼此對角地偏移。 ^ .如請求項10之CMOS成像系統，其中該等像素係配置成 對角地配置於一像素控制區之兩側上的像素區對，以便 該等像素區對各對角地延伸’從而界定該系列之連續像 素區對間的對角線區域，以及其中該另一像素行系列的 該等像素位於該等對角線區域内。 如請求項10之CMOS成像系統，其中將該等像素區分割 成紅色、藍色及綠色光敏區域，以便將該等紅色、藍 色、及綠色光敏區域與該像素區之該等對應光敏區域對 角地對準，該像素區係與該像素控制區相反地佈置，並 且亦與該另一行系列之對角對準像素的對應紅色、藍 色、及綠色光敏區域對準；以及其中將紅色、藍色及綠 色光學濾波器佈置成橫跨該成像區域對角地延伸的條帶 濾波器。 ' 如請求項其巾沿料條帶^之對角線佈 置該等微透鏡。 如請求们4之系統，其中橫跨該等條帶渡波器沿對角線 佈置該等微透鏡。 如請求項H)之系統，其中該影像控制電路包括用於對該 126133-I010221.doc 1376151 相同微透鏡下之該等不同像素應用不同整合時間的構 件。 19. 如請求項10之系統，其進一步包含用於將一物件之一影 像聚焦於該CMOS成像系統。 20. —種攝影機，其包含： 一透鏡（14) ’其用於聚焦一物件之一影像； 一光感測器（12)，其係放置在該透鏡之一影像平面； 以及 輸出電路，其係耦合至該光感測器，用於產生一視訊 輸出信號； 其中該光感測器包括： 一像素陣列（191、192、193)，其係在一成像區域上配 置成列及行，該等行係分割成彼此交替的第一及第二行 系列，以便各系列之該等行之該等像素與另一系列之該 等行之該等像素偏移一預定量； 每一該行具有一行放大器FET，其具有一源極電極及 一汲極電極； 至少一對導體，其與該第一行系列相關聯，該第一行 系列之該等行放大器FET的該等源極及沒極電極分別連 接至該至少一對導體； 至少一對導體’其與該第二行系列相關聯，該第二行 系列之該等行放大器FET的該等源極及汲極電極分別連 接至該至少一對導體； 第一及第二輸出放大器，其各包括耦合至該個別行系 126133-101 〇221 .doc -6- 376151 列之該個別對導體的一額外FET及一回授路徑；以及 影像控制電路，其係耦合至該像素陣列； 其中該等第一及第二行系列之對應像素彼此對角地偏 移； 其中將該等像素配置成像素區對，其係對角地配置於 —像，控制區之兩側上’以便該等像素區對各對角地延 伸’從而界定該系列之連續像素區對之間的對角線區
    其中該另-像素行系列之該等像素係位於該等對角線 區域内；以及 f 、21丨）佈置於該成像區 係佈置於複數個該等像 其特徵為將一微透鏡陣列（2 1 0, 域上其中s亥等微透鏡之每一個 素之上。 21. 如請求項20之攝影機，其中沿一 微透鏡之每—個下方的該等像素 對角線對準佈置於該等 126133-1010221.doc
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