專利名稱：一種感光器件及其讀取方法、讀取電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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芯片 的感光象素的設(shè)計(jì)、制作、讀取方法及其半導(dǎo)體加工工藝。本發(fā)明融合成熟的CCD感光芯片 技術(shù)和成熟的CMOS感光芯片技術(shù)，發(fā)明了一種新的感光器件。
背景技術(shù)：
本發(fā)明是本發(fā)明人稍早一點(diǎn)的《多光譜感光器件及其制作方法》(PCT/ CN2007/071262)，《多光譜感光器件及其制作方法》(中國(guó)申請(qǐng)?zhí)?00810217270. 2)，和《一 種多光譜感光器件及其采樣方法》(中國(guó)申請(qǐng)?zhí)?200910105948. 2)的延續(xù)，旨在提供更為 具體而且優(yōu)選的半導(dǎo)體電路和芯片級(jí)別的實(shí)現(xiàn)，乃至新的適用于感光器件的半導(dǎo)體制作技 術(shù)。眾所周知，當(dāng)前的感光芯片技術(shù)，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(dǎo)體技術(shù)， 例如采用銦化鎘的半導(dǎo)體技術(shù)(“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(lái)制作感應(yīng)紅外光的芯片，但它們都不 能成為主流。C⑶和CMOS本質(zhì)上都是建立在以硅為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體技術(shù)上。它們的主要差異在于 象素的讀取方式不同。由于這種讀取方式的不同，導(dǎo)致了 c⑶加工工藝，遠(yuǎn)離普通的CMOS 半導(dǎo)體加工工藝，形成了半導(dǎo)體技術(shù)中的一個(gè)特殊分支，即CCD半導(dǎo)體技術(shù)。CCD感光芯片主要采用三種象素讀取方式如圖9(a)所示的幀轉(zhuǎn)移方式 (FrameTransfer)，如圖9(b)所示的線間轉(zhuǎn)移方式(Interline Transfer)，和如圖9 (c)所 示的幀線間轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移象素之間轉(zhuǎn)移電荷，因而，導(dǎo)致了 CCD 半導(dǎo)體工藝的如下特殊性(1)高電壓一般在正負(fù)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(biāo)上必須幾乎完全一致。復(fù) 雜和眾多的加工流程，加上工藝的不通用性，導(dǎo)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(dǎo)致了 CCD器件的高功耗。CMOS則采用類似于DRAM的讀取方式，通過(guò)行選控制器和列選控制器，挨個(gè)將象素 電壓直接掛在讀取總線上的辦法，通過(guò)行選和列選控制信號(hào)，依次讀取每個(gè)象素上的信號(hào)。 這種感光器件的巨大好處是，其半導(dǎo)體加工工藝，與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS加工工藝非常接近，因而 能夠在非常多的半導(dǎo)體工廠里加工，從而成本低廉。另外一個(gè)好處就是低電壓運(yùn)作，因而功 耗很低。CMOS感光芯片技術(shù)的高速發(fā)展，已經(jīng)使得CMOS感光芯片技術(shù)在主要的技術(shù)指標(biāo)上 都開始超越CCD技術(shù)，而成為今天最主要的感光芯片技術(shù)。CMOS感光芯片技術(shù)在象素設(shè)計(jì)上又主要分為被動(dòng)象素和主動(dòng)象素。主動(dòng)象素由 于更高的信噪比和靈敏度，比之被動(dòng)象素得到更為廣泛的應(yīng)用。但是主動(dòng)象素需要用到讀取電容FD (Floating Diffusion)，和3T，4T，甚至5T/6T的采樣放大電路，使得感光面積比 例因子(Fill factor)降低，導(dǎo)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(jìn)一步改進(jìn)。于是最近的發(fā)展就是采用共享的讀取電路，如4-點(diǎn)共享的4T主動(dòng)象素設(shè) 計(jì)，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(lái)一定的副作 用。第一個(gè)副作用是，如果一個(gè)讀取電容或讀取電路中一個(gè)器件出問(wèn)題，就會(huì)導(dǎo)致一堆象素 成為壞點(diǎn)。此外，讀取電容的共享增加了不同色彩象素之間的相互干擾(cross talking), 導(dǎo)致色彩的不夠鮮艷。CMOS讀取技術(shù)的另一個(gè)問(wèn)題是，當(dāng)象素陣列非常大時(shí)，需要非常高的象素時(shí)鐘才 能得到合用的幀率。這個(gè)受到AD轉(zhuǎn)換速度和其它條件的限制。因此，無(wú)論是(XD的感光芯片技術(shù)，還是CMOS的感光芯片技術(shù)都有許多需要而且 能夠改進(jìn)的地方。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)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(jié)合CCD和CMOS感 光器件的優(yōu)點(diǎn)，而具有加工、讀取等方面的便利性。本發(fā)明的技術(shù)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(shè) 置有連接鄰近象素、并實(shí)現(xiàn)相連象素間電荷轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)移門，所述讀取電路用于從一個(gè)象素 中讀取該象素的電荷，所述電荷是該象素自身電荷、來(lái)自該象素鄰近象素的轉(zhuǎn)移電荷、該象 素自身電荷與其一個(gè)或一個(gè)以上鄰近象素的轉(zhuǎn)移電荷的疊加、和該象素的兩個(gè)或兩個(gè)以上 鄰近象素的轉(zhuǎn)移電荷的疊加的至少一種。所述部分象素中，一個(gè)象素通過(guò)所述轉(zhuǎn)移門連接的鄰近象素包括該象素上下左右 四個(gè)方向的鄰近象素。上述的感光器件，所述象素陣列中的各個(gè)象素間都設(shè)置有所述轉(zhuǎn)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并對(duì)該象素 清零后，再讀取從該象素的鄰近象素轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的電荷。上述的感光器件，所述讀取電路包括主動(dòng)象素讀取電路、被動(dòng)象素讀取電路、或主 動(dòng)象素與被動(dòng)象素混合讀取電路。上述的感光器件，所述主動(dòng)象素包括3T、4T、5T、或6T主動(dòng)象素。上述的感光器件，所述讀取電路的共享方式包括無(wú)共享方式、4點(diǎn)共享方式、6點(diǎn) 共享方式、8點(diǎn)共享方式、或任意點(diǎn)共享方式。上述的感光器件，當(dāng)所述讀取電路的共享方式為4點(diǎn)共享方式、6點(diǎn)共享方式、8點(diǎn) 共享方式、或任意點(diǎn)共享方式時(shí)，共享一個(gè)讀取電路的一個(gè)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(zhuǎn)移距離不超過(guò)4個(gè)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(jù)單色、彩色、或包含可見(jiàn)光和紅外光 的多光譜感光所要求的預(yù)設(shè)圖案重復(fù)排列。上述的感光器件，所述預(yù)設(shè)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(lán))中的任意一種色彩。本發(fā)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(shè)置連接鄰近象素、并實(shí)現(xiàn)相 連象素間電荷轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)移門；從一個(gè)象素中讀取該象素的電荷，所述電荷是該象素自身電荷、來(lái)自該象素鄰近 象素的轉(zhuǎn)移電荷、該象素自身電荷與其一個(gè)或一個(gè)以上鄰近象素的轉(zhuǎn)移電荷的疊加、和該 象素的兩個(gè)或兩個(gè)以上鄰近象素的轉(zhuǎn)移電荷的疊加的至少一種。上述的讀取方法，從一個(gè)象素中讀取該象素的鄰近象素的轉(zhuǎn)移電荷，是是在讀出 與之相連的象素的自身電荷并對(duì)該象素清零之后。上述的讀取方法，包括采樣和子采樣過(guò)程，所述采樣和子采樣過(guò)程包括第一合并 過(guò)程，用于對(duì)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(jìn)行兩兩 合并采樣，獲得第一合并象素的采樣數(shù)據(jù)；第二合并過(guò)程，用于對(duì)第一合并過(guò)程得到的第一 合并象素的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行合并采樣，獲得第二合并象素的采樣數(shù)據(jù)。上述的讀取方法，還包括第三合并過(guò)程，用于對(duì)第二合并過(guò)程得到的第二合并象 素的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行合并采樣，獲得第三合并象素的采樣數(shù)據(jù)。上述的讀取方法，所述第一合并過(guò)程或第二合并過(guò)程的象素合并采樣方式為相同 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(hào)平均方式，其中不同色彩象素 間的象素合并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(guò)程或第二合并過(guò)程的基于色彩的合并采樣方式包括 同色合并方式、異色合并方式、混雜合并方式、或選擇性拋棄多余色彩方式，且第一合并過(guò) 程和第二合并過(guò)程中至少一個(gè)合并過(guò)程不是同色合并方式。上述的讀取方法，所述第一合并過(guò)程或第二合并采樣過(guò)程的基于位置的合并采樣 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(hào)自動(dòng)平均方式、跳行或跳列 方式、和逐個(gè)采樣方式。上述的讀取方法，所述第三合并采樣過(guò)程進(jìn)行的合并采樣方式包括色彩空間變 換方式、后端數(shù)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Y(jié)UV 空間的變換、或CyYeMgX到Y(jié)UV空間的變換、其中X為R (紅)、G (綠)、B (藍(lán))中的任意一 種色彩。上述的讀取方法，其全圖采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(fā)明還公開了一種感光器件的讀取電路，用于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(shè)置有連接鄰近象素、并實(shí)現(xiàn)相連象素間 電荷轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)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(lái)自該象素鄰 近象素的轉(zhuǎn)移電荷、該象素自身電荷與其一個(gè)或一個(gè)以上鄰近象素的轉(zhuǎn)移電荷的疊加、和 該象素的兩個(gè)或兩個(gè)以上鄰近象素的轉(zhuǎn)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(dòng)象素和被動(dòng)象素混 合讀取電路。所述的讀取電路，設(shè)置有象素清零或復(fù)位信號(hào)，從而可以具備對(duì)象素清零或復(fù)位的功能。本發(fā)明有益的技術(shù)效果在于1、本發(fā)明的感光器件，通過(guò)在象素陣列的至少部分象素之間設(shè)置有轉(zhuǎn)移門，從而 使得兩個(gè)象素之間可以進(jìn)行相互的電荷轉(zhuǎn)移，讀取電路可以從一個(gè)象素中讀取該象素的自 身電荷、該象素的鄰近象素的轉(zhuǎn)移電荷、該象素自身電荷與其鄰近象素的轉(zhuǎn)移電荷的疊加， 或是兩個(gè)以上鄰近象素的轉(zhuǎn)移電荷的疊加，從而能夠?qū)崿F(xiàn)1)讀取的低電壓，由于電荷轉(zhuǎn)移只發(fā)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(jiǎn)單化以及感光靈敏度的提高，由于電荷轉(zhuǎn)移發(fā)生在象素之間，從 而在本發(fā)明的感光器件中，不再需要設(shè)置讀取電容，而讀取電容的省略，一方面帶來(lái)了感光 面積的增加，從而可以提高感光靈敏度，另一方面，由于可以省略讀取電容的加工，因而加 工工藝也得到了簡(jiǎn)化。此外，電荷轉(zhuǎn)移只在鄰近象素間進(jìn)行，即使象素之間的不一致性帶來(lái) 一定的偏差，這種偏差的累積也不會(huì)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(dòng)象素和被動(dòng)象素的選取靈活性，主動(dòng)象素的優(yōu)點(diǎn)在于高信噪比，被動(dòng)象素 的優(yōu)點(diǎn)在于低功耗，兩者各自的優(yōu)點(diǎn)通常難以兼顧，但本發(fā)明由于通過(guò)電荷轉(zhuǎn)移而實(shí)現(xiàn)了 子采樣時(shí)的電荷相加導(dǎo)致子采樣時(shí)的信號(hào)增強(qiáng)，從而能實(shí)現(xiàn)主動(dòng)象素和被動(dòng)象素的優(yōu)點(diǎn)兼 顧。主動(dòng)象素的高功耗主要來(lái)自于其放大電路的設(shè)置，而在本發(fā)明中，主動(dòng)象素可以只在拍 全圖照片是使用，而在預(yù)覽或子采樣時(shí)，使用不帶放大電路的被動(dòng)象素，從而在降低正常使 用的功耗的同時(shí)，保證了高象素拍照的高信噪比，從而使得本發(fā)明能夠結(jié)合主動(dòng)象素和被 動(dòng)象素的優(yōu)點(diǎn)于一身。在本發(fā)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(zhuǎn)移的 角度提出的。一般而言，象素會(huì)按照空間的分布，分割成小塊，每一塊將共享一個(gè)或多個(gè)讀 取電路，但象素合并只在塊內(nèi)進(jìn)行。通常，我們將處于同一個(gè)象素合并塊里的象素，稱之為 鄰近象素。在本發(fā)明中，象素轉(zhuǎn)移只能在(沿水平或垂直方向)緊挨著的兩個(gè)象素間進(jìn)行。因 此，如果要將一個(gè)象素轉(zhuǎn)移到不緊挨的一個(gè)象素中去，則需要經(jīng)過(guò)傳遞轉(zhuǎn)移。我們將轉(zhuǎn)移的 次數(shù)，稱之為轉(zhuǎn)移距離。以一 4點(diǎn)象素方陣為例，如果要實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移到方陣中的左上角象 素，那么，右上角象素的電荷，只需進(jìn)行一次同行間的轉(zhuǎn)移，即可轉(zhuǎn)移到左上角象素；左下角 象素的電荷，只需進(jìn)行一次同列間的轉(zhuǎn)移，即可轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移距離都是1。對(duì)于右下角象素，則需要進(jìn)行一次同行間的轉(zhuǎn)移，先 將電荷轉(zhuǎn)移到左下角象素，或者需要進(jìn)行一次同列間的轉(zhuǎn)移，先將電荷轉(zhuǎn)移到右上角象素， 而后再通過(guò)右上角象素或者左下角象素轉(zhuǎn)移到左上角象素，即，右下角象素到左上角象素 的轉(zhuǎn)移距離為2。也就是說(shuō)，一個(gè)象素如果與轉(zhuǎn)移目的象素并不緊鄰，那么，該象素的電荷需 要以其緊鄰象素為中介，才能最終轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移目的象素。需要注意，在本發(fā)明中，轉(zhuǎn)移方向 并不受限，一個(gè)象素可以向其任一方向的緊鄰象素進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移。為了不使控制電路過(guò)份 復(fù)雜，轉(zhuǎn)移距離不宜超過(guò)4個(gè)象素。上述說(shuō)明，主要是針對(duì)兩維象素轉(zhuǎn)移，對(duì)于多層感光器件來(lái)說(shuō)，處于同一光照方向 上的不同層面的感光象素，同樣也可以進(jìn)行上述類似的象素轉(zhuǎn)移。
讀取電路在讀取電荷時(shí)，可以從一個(gè)象素讀取該象素的自身電荷，或該象素的鄰 近象素的轉(zhuǎn)移電荷，通常的，作為轉(zhuǎn)移目的象素，如果不丟失其感光信號(hào)，可以首先將轉(zhuǎn)移 目的象素的自身電荷讀出，然后對(duì)該象素清零，再把鄰近象素的電荷轉(zhuǎn)移到該轉(zhuǎn)移目的電 荷中。這樣的方式，主要是保持電荷的單一性，但該單一性并非必要，讀取時(shí)，同樣可以采用 電荷疊加讀取的方式，電荷疊加，可以是轉(zhuǎn)移目的象素的自身電荷與其鄰近象素的轉(zhuǎn)移電 荷的疊加，也可以是兩個(gè)或兩個(gè)以上轉(zhuǎn)移象素的電荷在轉(zhuǎn)移目的象素中的疊加，對(duì)于同一 色彩的象素，其疊加數(shù)量不受限制，而對(duì)于不同色彩的象素，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(jìn)行共享，但優(yōu)選的，可以采用多點(diǎn)共享方式，即可以 將讀取電路設(shè)置在轉(zhuǎn)移目的象素上，而對(duì)于該轉(zhuǎn)移目的象素的鄰近象素，其電荷的讀取，采 用首先轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移目的象素，再通過(guò)轉(zhuǎn)移目的象素的讀取電路讀取的方式。在此，將共享一 個(gè)讀取電路的轉(zhuǎn)移目的象素及其鄰近象素稱為一個(gè)象素集。由于本發(fā)明的象素可以兼具主動(dòng)象素和被動(dòng)象素的優(yōu)點(diǎn)，因而適宜的，對(duì)于象素 陣列的每一個(gè)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(dòng)象素讀取電路， 被動(dòng)象素讀取電路，或者是同時(shí)包括主動(dòng)象素讀取電路和被動(dòng)象素讀取電路，通過(guò)信號(hào)選 擇方式選擇性的連接其中之一，從而使得每個(gè)象素可以同時(shí)具備有主動(dòng)象素和被動(dòng)象素的 讀取功能?？偨Y(jié)上面所述，本發(fā)明結(jié)合了 CCD感光芯片技術(shù)和CMOS感光芯片技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，從 半導(dǎo)體物理層面，以更加優(yōu)越的方式，實(shí)現(xiàn)了更為先進(jìn)的感光器件。本發(fā)明首創(chuàng)了象素間，特別是兩維象素間，電荷轉(zhuǎn)移(2D Pixel Transfer)的象素 讀取方式，從而實(shí)現(xiàn)了不帶讀取電容FD的象素，并可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)象素和被動(dòng)象素的混合。電 荷信號(hào)可在不使用讀取電容FD的前提下實(shí)現(xiàn)相加合并。在子采樣中，目前的合并采樣幾乎都是只做到了電壓或電流信號(hào)的平均，這種方 式在合并N點(diǎn)時(shí)，最多只能將信噪比提高#倍。而采用電荷相加的方法，信噪比可以提高
倍，比信號(hào)的平均的方法高N倍。也就是說(shuō)，將N個(gè)信號(hào)以電荷相加的方法合并，理論 上可以達(dá)到N3個(gè)信號(hào)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(fā)明輕松的以電荷相加為主，信號(hào)平均為輔的子采樣方式，實(shí)現(xiàn)任意MxN因子 的子采樣。本發(fā)明由于省去了讀取電容FD，很容易就能將共享讀取電路，從4-點(diǎn)，8-點(diǎn)等，根 據(jù)設(shè)計(jì)優(yōu)化的需求，隨意地?cái)U(kuò)展到N-點(diǎn)共享讀取電路。本發(fā)明將子采樣至少分為兩個(gè)過(guò)程，即前述的第一合并采樣過(guò)程和第二合并采樣 過(guò)程。第一合并采樣過(guò)程和第二合并采樣過(guò)程，通常發(fā)生在象素的行(合并)采樣和列(合 并)采樣之間，主要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行，除電荷相加部分通常只在第一合并采樣過(guò)程中做以 外，其次序和內(nèi)容通常是可以交換的。此外，也可以包括第三合并采樣過(guò)程，第三合并采樣 過(guò)程發(fā)生在模數(shù)轉(zhuǎn)換之后，主要對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行。對(duì)于第一合并采樣過(guò)程，是取象素陣列中兩個(gè)緊鄰的象素來(lái)進(jìn)行合并。一方面，完 成了緊鄰象素的合并，在本文中，我們將合并后的象素稱為第一合并象素，需要理解的是， 第一合并象素只是為本發(fā)明描述之便，利用該概念來(lái)指代進(jìn)行第一合并過(guò)程后的象素，而 不代表物理上，在象素陣列中存在一個(gè)“第一合并象素”；將兩個(gè)緊鄰象素合并采樣后的數(shù)據(jù)稱為第一合并象素的采樣數(shù)據(jù)。緊鄰，系指兩個(gè)象素之間從水平，垂直，或?qū)欠较蛏蟻?lái) 看緊挨著，中間沒(méi)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，在這種合并中，信號(hào)將至少是兩個(gè)象素的信號(hào)平均，而噪聲則會(huì)降低#，因此，合并后， 至少可以將信噪比提高#倍，且這種合并可以在相同或不同色彩的象素之間進(jìn)行。另一 方面，由于兩個(gè)合并的色彩可以不同，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(bǔ)色，就是說(shuō)，兩個(gè)不同原色的象素合并，產(chǎn)生另一種原色的補(bǔ) 色，從原色空間，變換到了補(bǔ)色空間，僅僅是發(fā)生了色彩空間變換，我們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^(guò)不同 的補(bǔ)色而完成彩色重建。也即通過(guò)本發(fā)明，既能實(shí)現(xiàn)不同色彩的象素合并以提高信噪比，同 時(shí)又能夠進(jìn)行彩色重建。整個(gè)子采樣過(guò)程也因此得到優(yōu)化，更加適應(yīng)大數(shù)據(jù)量的象素陣列 的高速需求。色彩空間變換的一個(gè)基本要求是，變換后的色彩的組合，能夠(通過(guò)插值等手 段)重建所需要的RGB (或YUV，或CYMK)色彩。需要了解，由于通常象素陣列包含多個(gè)象素，第一合并采樣只是將兩個(gè)象素進(jìn)行 合并，顯然，合并形成的第一合并象素也具有多個(gè)。對(duì)于不同的第一合并象素，其采用的色 彩合并方式可以相同，也可以不同。當(dāng)?shù)谝缓喜⑷吭谙嗤纳书g進(jìn)行時(shí)，我們將之稱為 同色合并方式；當(dāng)?shù)谝缓喜⑷吭诓煌纳书g進(jìn)行時(shí)，我們將之稱為異色合并方式；當(dāng) 第一合并部分在相同色彩間進(jìn)行、部分在不同色彩間進(jìn)行，我們將之稱為混雜合并方式；當(dāng) 對(duì)象素陣列中的一些多余的色彩進(jìn)行拋棄(當(dāng)然，拋棄是選擇性的，例如，不能因此而影響 到彩色重建)，這樣的色彩合并方式稱為選擇性拋棄多余彩色方式。顯然的，第二合并過(guò)程是對(duì)多個(gè)第一合并象素的操作，同樣的，可以將色彩相同的 第一合并象素進(jìn)行合并；也可以將色彩不同的第一合并象素進(jìn)行合并(當(dāng)然，這種情況下 可能導(dǎo)致三原色的全部相加而無(wú)法重建出彩色)。上述的同色合并、異色合并、混雜合并等方式，是將合并采樣做基于色彩的分類， 另外，從合并采樣的位置選取的角度，第一合并過(guò)程和第二合并過(guò)程的合并采樣方式包括 直接輸出到總線的信號(hào)自動(dòng)平均方式、跳行或跳列方式，逐個(gè)采樣方式，以及這些方式的兩 種或三種的同時(shí)使用。除電荷相加部分通常只能在第一合并采樣過(guò)程中做以外，第一合并 過(guò)程和第二合并過(guò)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(hào)自動(dòng)平均方式，就是，將需要合并的信號(hào)(色彩相同 或是不同)，同時(shí)輸出到數(shù)據(jù)采集總線上去，通過(guò)(電壓)信號(hào)的自動(dòng)平衡，來(lái)獲得需要合并 信號(hào)的平均值。所謂跳行或跳列方式就是跳過(guò)一些行或列，從而通過(guò)減少數(shù)據(jù)量的方式來(lái) 實(shí)現(xiàn)(合并)采樣。所謂逐個(gè)采樣方式，實(shí)際上就是不做任何合并，依此讀取原來(lái)的象素或 第一合并象素。這三個(gè)方式有一些是可以同時(shí)使用的，例如，跳行或跳列方式可與直接輸出 到總線的信號(hào)自動(dòng)平均方式或逐個(gè)采樣方式同時(shí)使用。第三合并采樣過(guò)程的子采樣方式包括色彩空間變換方式、后端數(shù)字圖像縮放方 式、以及這兩個(gè)方式的串行使用。第一和第二合并過(guò)程主要是在模擬信號(hào)上進(jìn)行，而第三 子采樣過(guò)程主要是在數(shù)字信號(hào)上進(jìn)行，即模數(shù)轉(zhuǎn)換之后進(jìn)行。通過(guò)將處于不同空間位置的 三個(gè)或四個(gè)色彩象素，當(dāng)作同一個(gè)點(diǎn)上的值而轉(zhuǎn)換到另一個(gè)色彩空間，就又可實(shí)現(xiàn)水平和 (或)垂直方向上的數(shù)據(jù)減少，從而達(dá)到子采樣的效果。而數(shù)字圖像縮放方式，是最為直觀 常用的子采樣方式。電荷相加是一個(gè)效果卓著的合并采樣手段，但它要求需要合并的象素在空間上相鄰。之前的子采樣不能做的原因是，之前的子采樣只在相同色彩的象素之間進(jìn)行，而且被合 并的象素之間隔這其它象素。對(duì)于多層感光器件而言，實(shí)現(xiàn)電荷相加就相對(duì)比較容易，因?yàn)?色彩圖案非常豐富。本人早一點(diǎn)的發(fā)明《一種多光譜感光器件及其采樣方法》(中國(guó)申請(qǐng) 號(hào)=200910105948. 2)，通過(guò)采用色彩空間變換的方法，首次實(shí)現(xiàn)了電荷相加的子采樣方式。 但是，那種方式，在非常多的情況下，全部或部分的象素合并，發(fā)生在不同色彩的象素之間。 此外，采用色彩空間變換以后，對(duì)于一些特殊的子采樣因子(MxN)，還得采用跳行和跳列的 方式。采用了本發(fā)明后，不僅象素陣列的制作變得簡(jiǎn)單，讀取電路也變得更加靈活和簡(jiǎn) 單。尤其優(yōu)秀的是，子采樣可以以電荷相加的方式，發(fā)生在相同色彩的象素之間。這個(gè)特點(diǎn)， 對(duì)于提高感光器件在弱光下的性能特別有價(jià)值必要的時(shí)候可以通過(guò)犧牲分辨率的方法， 來(lái)成倍提高靈敏度。例如，如果我們將四個(gè)色彩相同的象素以電荷相加的方式合并后，信噪 比提高的理論上限是4V =8倍，而采用之前的信號(hào)平均的方式，四點(diǎn)合并，信噪比提高的理 論上限是=2倍。對(duì)于相關(guān)業(yè)界的有識(shí)之士而言，本發(fā)明的上述及其它目的和優(yōu)點(diǎn)，在閱讀過(guò)下面 的優(yōu)選的帶有多個(gè)插圖解釋的實(shí)現(xiàn)案例的細(xì)節(jié)描述之后，將是十分明顯的。


圖1是CMOS被動(dòng)象素的讀取(采樣)電路。圖2是CMOS 3T主動(dòng)象素的讀取(采樣)電路。注意到PD是感光二極管，F(xiàn)D是 不感光的讀取電容。圖3是CMOS 4T主動(dòng)象素的讀取(采樣)電路。圖4是兩相CCD的象素設(shè)計(jì)(圖4 (a))和電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程示意圖(圖4 (b))。圖 4(a)是兩相CCD的橫截面圖；圖4(b)是在兩相脈沖1和2作用下的通道電勢(shì)。圖5(a)是CMOS主動(dòng)象素行選讀取電路示意圖，圖5 (b)是CMOS被動(dòng)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(gè)典型的帶有列緩存的實(shí)用CMOS象素的讀取(采樣)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(gè)傳遞的功能。圖9是當(dāng)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(zhuǎn)移 (XD^rameTransfer (XD，F(xiàn)TCXD)，感光區(qū)的象素，將一行一行地依次轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)存區(qū)，然后再 通過(guò)水平C⑶一個(gè)象素一個(gè)象素地挨個(gè)讀出。這種C⑶有很強(qiáng)的圖象撕裂(Smear)問(wèn)題。 圖9(b)顯示的是線間轉(zhuǎn)移CCD (Inter-line Transfer CCD，ITCCD)，感光區(qū)的象素，將同時(shí) 轉(zhuǎn)移到列間儲(chǔ)存區(qū)，然后列間儲(chǔ)存區(qū)的象素再通過(guò)水平(XD —行一行地挨個(gè)讀出。這種(XD 減弱了圖象撕裂(Smear)現(xiàn)象，但使用了大量的列間儲(chǔ)存器。圖9 (C)顯示的是幀線轉(zhuǎn)移 CCD (Frame Inter-line Transfer CCD，F(xiàn)ITCCD)，感光區(qū)的象素，先同時(shí)轉(zhuǎn)移到列間儲(chǔ)存區(qū)， 然后列間儲(chǔ)存區(qū)的象素再一行一行地轉(zhuǎn)移到幀儲(chǔ)存區(qū)，再在那里，一行一行地通過(guò)水平(XD 讀出。這種(XD是為了進(jìn)一步減少圖象撕裂(Smear)問(wèn)題，主要用于專業(yè)用的高速攝像機(jī)。圖10顯示的是當(dāng)前比較好的4-點(diǎn)共享4T主動(dòng)感光象素的讀取電路，平均每個(gè)象素采用了 1.75個(gè)門。圖11顯示的是一個(gè)8-點(diǎn)共享4T主動(dòng)感光象素的讀取電路，平均每個(gè)象素只采 用了 1.375個(gè)門。這個(gè)8-點(diǎn)共享主動(dòng)感光象素的讀取電路，適用于以四點(diǎn)宏象素為基 礎(chǔ)的方陣排列的雙面雙層感光器件(參見(jiàn)《多光譜感光器件及其制作方法》，中國(guó)申請(qǐng)?zhí)?200810217270. 2)，亦即讓一個(gè)宏象素里的所有四個(gè)復(fù)合象素的上下兩層感光二極管共享 同一個(gè)讀取電容(FD)和3T讀取電路。圖12顯示的本人前一個(gè)發(fā)明《一種多光譜感光器件及其采樣方法》(中國(guó)申請(qǐng)?zhí)?200910105948. 2)提出的一種象素讀取和子采樣電路的原理性系統(tǒng)方塊示意圖。此原理性 系統(tǒng)包含象素陣列，行地址解碼控制器，列地址解碼控制器，采樣控制電路，放大和模數(shù)轉(zhuǎn) 換模塊，色彩變換和子采樣及圖象處理模塊，輸出控制模塊，芯片總控制模塊(圖12中的CC 模塊)，和其它可能的模塊。象素讀取和子采樣的功能，將主要通過(guò)行地址解碼控制器和列 地址解碼控制器產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)來(lái)完成。系統(tǒng)其它模塊的協(xié)調(diào)，將主要由芯片總控制 模塊來(lái)完成。通過(guò)色彩空間變換的手段，這種讀取電路，首次實(shí)現(xiàn)樣時(shí)信號(hào)的電荷相加，從 而大幅提高子采樣時(shí)圖象的信噪比。其中Row[i]為行選信號(hào)，RS[i]為行控制矢量信號(hào)， Col[j]為列選信號(hào)，T[j]為列控制矢量信號(hào)。其中，色彩變換和子采樣及圖像處理模塊可 以用來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的第三合并采樣過(guò)程。圖13(a)顯示的本發(fā)明的象素間轉(zhuǎn)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(gè)方向上的)其它象素轉(zhuǎn)移電荷的功能。簡(jiǎn) 單地說(shuō)，每個(gè)象素都可以充當(dāng)周邊象素的讀取電容FD的功能，或者說(shuō)，我們將CCD的一維 (垂直或水平)象素轉(zhuǎn)移功能，擴(kuò)展到了二維，即垂直和水平方向都能夠轉(zhuǎn)移。不同于CCD 的是，象素(電荷)轉(zhuǎn)移只在非常鄰近的象素之間進(jìn)行，并不轉(zhuǎn)移很遠(yuǎn)(如CCD的一列或一 行的距離)。象素的讀取，仍然采用CMOS的主動(dòng)行掃描和列掃描方式。如此，感光象素結(jié)合 了 CCD和CMOS的優(yōu)點(diǎn)CCD的沒(méi)有FD的優(yōu)點(diǎn)和CMOS隨機(jī)讀取和低電壓的優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)象素 上將連有電壓控制信號(hào)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(fā)明的介紹方便而采用的象素和轉(zhuǎn)移門的統(tǒng)一編號(hào)方 式將每個(gè)可用象素(即，非邊緣象素)的左邊和上方的轉(zhuǎn)移門，劃歸為該象素，并采用與該 象素相同的行地址和列地址標(biāo)號(hào)[i，j]。圖14是用本發(fā)明的象素間轉(zhuǎn)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(fā)明的象素間轉(zhuǎn)移，可以發(fā)生在不同的色彩之間。圖15顯示的本發(fā)明的象素間轉(zhuǎn)移讀取(2D Pixel Transfer)感光象素的一種半 導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)的示意圖。圖15與圖2的差別在于，F(xiàn)D沒(méi)有了。相鄰的象素(PD)充當(dāng)讀取電容 FD的功能。圖中只畫了一個(gè)3T(主動(dòng)象素)讀取電路。跟據(jù)讀取電路共享情況，可以每個(gè) 象素有一個(gè)讀取電路，或幾個(gè)象素共用一個(gè)讀取電路。這種實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)在的CMOS感光象素非 常接近。圖16顯示的本發(fā)明的象素間轉(zhuǎn)移讀取(2D Pixel Transfer)感光象素的另一種 半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)的示意圖和電荷轉(zhuǎn)移的時(shí)序過(guò)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(dòng)象素的讀取電路。圖16(b)是轉(zhuǎn)移脈沖和作用 下的通道電勢(shì)，與圖4(b)類似，但是，電荷轉(zhuǎn)移并不是(一路沿水平)接著轉(zhuǎn)移下去。下一個(gè)時(shí)鐘可能會(huì)改變轉(zhuǎn)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(dòng) 象素的讀取電路可以是不共享的，也可以多點(diǎn)共享的。圖17顯示的用本發(fā)明的象素間轉(zhuǎn)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(jiǎn)單的方式中，我們用上一行的象素來(lái)充作 下一行的象素的讀取電容FD.讀取前，先將上一行對(duì)應(yīng)象素清零復(fù)位和關(guān)聯(lián)(零電位)采 樣，然后將下一行的象素轉(zhuǎn)移到這一行并進(jìn)行感光電荷(電壓)的采樣。圖中1，2，3，4顯 示的是轉(zhuǎn)移讀取次序。顯然，簡(jiǎn)單地變化一下，我們也可以用左邊(已經(jīng)使用過(guò)的象素)來(lái) 做右邊象素的讀取電容。雖然轉(zhuǎn)移的那一瞬間，上一行的象素仍在感光，但時(shí)間很短，因此 其產(chǎn)生的色彩干擾，可以忽略。圖18顯示的用本發(fā)明的象素間轉(zhuǎn)移讀取(2D Pixel Transfer)感光象素組成的 感光器件一種子采樣讀取方式的示意圖。這種子采樣的方式，首先實(shí)現(xiàn)列方向相同象素的 電荷相加，然后再通過(guò)跳行的方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)行方向的子采樣。圖中顯示的是兩列相加的情 況。相加的過(guò)程分4步來(lái)完成。首先對(duì)上一行進(jìn)行清零復(fù)位。第1步G1和G2象素被分 別轉(zhuǎn)移到上一行的位置XI和X2。第2步B1和B2被轉(zhuǎn)移到G2的位置，而XI和X2被同 時(shí)轉(zhuǎn)到X3的位置。第3步G3和G4象素被分別轉(zhuǎn)移到上一行的位置B1和B2的位置。此 時(shí)，G1和G2的和，以及B1和B2的和，已經(jīng)可以讀出。第四步B1和B2的位置的G3和G4 象素電荷被同時(shí)轉(zhuǎn)移到G2中，而R1和R2被同時(shí)轉(zhuǎn)移到G3中。接下來(lái)，我們從G2的位置 讀出G3+G4，從G3的位置讀出R1+R2.如此循環(huán)到后面的象素。類似地，3列的合并，也可以 用電荷相加的方式完成。4列的合并可以分解成先相加，后平均的兩步操作1列和2列相 加，3列和4列相加，然后相加后的信號(hào)同時(shí)輸出到總線上以實(shí)現(xiàn)第1，2列的和與第3，4列 的和的信號(hào)平均。至于行方面，可以采用簡(jiǎn)單的跳行方式來(lái)進(jìn)行子采樣。圖19顯示的用本發(fā)明的象素間轉(zhuǎn)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并的子采樣讀取方式的示意圖。這種子采樣的方式，首先依次 將第一行與第二行的象素，垂直相加，而得到Y(jié)e (黃)Cy (青)YeCy…的色彩。具體做法是將 第二行的象素，在讀取前轉(zhuǎn)移合并到第一行的同一列位置上的象素上去，并馬上讀出。在第 一行和第二行的象素全部處理完后，再進(jìn)行第三和第四行的合并采樣。由于彩色重建的要 求，當(dāng)?shù)谝恍泻偷诙械玫搅?Ye (黃)Cy (青)的時(shí)候，第三行和第四行就應(yīng)該做交叉合并， 即G跟G合并得到G，B跟R合并得到Mg(品紅)。電荷相加的交叉合并需要更復(fù)雜的電荷 轉(zhuǎn)移控制時(shí)序來(lái)完成。舉例來(lái)說(shuō)，如圖19所示，為了將G5和G6相力卩，可以先將B3轉(zhuǎn)移到 G3 (第2步)，然后同時(shí)將G5和G6轉(zhuǎn)移到B3 (第3步)，從而實(shí)現(xiàn)電荷相加。第3步同時(shí)可 再G3轉(zhuǎn)移到R1 (第3步)，最后與R3在G5處相加(第4步)。圖18和圖19是采用了新的基本感光象素的感光器件實(shí)現(xiàn)本人早一點(diǎn)的發(fā)明(《一 種多光譜感光器件及其采樣方法》，中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?200910105948. 2)中公開的第一合并 過(guò)程和第二合并過(guò)程的例子。圖20顯示的共享讀取電路的任意點(diǎn)擴(kuò)展。之前的共享讀取電路都是建立在共享 讀取電容的基礎(chǔ)上的。也就是說(shuō)，如果N點(diǎn)共享一個(gè)讀取電容FD，那么，就只能N點(diǎn)共享一個(gè) 讀取電路。亦即，一個(gè)讀取電容FD，對(duì)應(yīng)一個(gè)讀取電路。由于只有鄰近的點(diǎn)，可以共享一個(gè)讀 取電容FD，所以，之前的讀取電路共享，只能在少數(shù)幾個(gè)點(diǎn)中進(jìn)行，例如單層的2-點(diǎn)，3-點(diǎn)， 4_點(diǎn)，和雙層的4-點(diǎn)，6-點(diǎn)，和8-點(diǎn)。而本發(fā)明的象素間轉(zhuǎn)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(diǎn)數(shù)，隨意擴(kuò) 展到N-點(diǎn)。當(dāng)然，太多點(diǎn)數(shù)的共享，不能達(dá)到抑制固定模式的噪點(diǎn)(Fixed Pattern Noise) 的效果。所以，N的大小必須根據(jù)芯片噪點(diǎn)的實(shí)際情況來(lái)決定。但從電路上來(lái)講(如圖所 示)，任意點(diǎn)的共享都是非常容易。圖21顯示的是同時(shí)具備有主動(dòng)象素和被動(dòng)象素功能的混合讀取電路示意圖。當(dāng) Ts合上的時(shí)候，可以從主動(dòng)輸出線上得到主動(dòng)象素的信號(hào)。當(dāng)Ts打開的時(shí)候，可以從被動(dòng) 輸出線上得到被動(dòng)象素的信號(hào)。采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(lái)巨大的靈活性，功耗的降低，和動(dòng)態(tài)范圍的擴(kuò)張。上面我們已經(jīng)說(shuō)明，共享讀取電路的 點(diǎn)數(shù)不宜過(guò)多，否則不能達(dá)到抑制固定模式的噪點(diǎn)(Fixed Pattern Noise)的效果。主動(dòng) 象素帶來(lái)的一個(gè)問(wèn)題是功耗增加，和信號(hào)能量的總提升。功耗增加帶來(lái)的一個(gè)問(wèn)題是溫度 提升，因而也提升了對(duì)溫度敏感的kTC噪聲。信號(hào)能量的總提升在高亮度的時(shí)候，容易出現(xiàn) 飽和現(xiàn)象，并沒(méi)有改進(jìn)動(dòng)態(tài)范圍。被動(dòng)象素的特點(diǎn)是功耗低，信號(hào)能量低，但固定模式的噪 點(diǎn)比較大，非常適合用于預(yù)覽和子采樣，以及高照度時(shí)的情況。因此，使用者可以根據(jù)應(yīng)用 情況，隨意地切換主動(dòng)象素讀取或被動(dòng)象素讀取，從而達(dá)到降低芯片功耗和溫度，擴(kuò)大動(dòng)態(tài) 范圍，提高感光信號(hào)的信噪比的效果。圖22顯示的是將圖13，圖20，和圖21結(jié)合在一起的情況，亦即用象素間轉(zhuǎn)移讀取 (2DPixel Transfer)感光象素做基本象素，采用N-點(diǎn)共享的主動(dòng)象素和被動(dòng)象素功能混 合的讀取電路的一般化情況。圖中[i，j]用來(lái)代表一個(gè)典型象素的行位置和列位置的下 標(biāo)，[k，1]用來(lái)標(biāo)識(shí)第[k，1]個(gè)讀取電路，[m，n]用來(lái)說(shuō)明，不同行和列的象素可以共用同 一個(gè)讀取電路。對(duì)于方陣排列的感光器件，優(yōu)選的做法是讓MxN個(gè)點(diǎn)共用同一個(gè)讀取電路。 圖中可見(jiàn)，每一個(gè)象素P[i，j]都涉及到四個(gè)控制信號(hào)V[i，j]，Tg[i，j]，，Th[i，j]，和Tv[i， j].V[I,j]是偏置電壓信號(hào)，用做清零，象素轉(zhuǎn)移控制，和讀取。Tg是讀取控制信號(hào)，Th是水 平轉(zhuǎn)移控制信號(hào)，Tv是垂直轉(zhuǎn)移控制信號(hào)，而Ts為主動(dòng)象素讀取或被動(dòng)象素讀取的選擇開 關(guān)。顯然，V，Tg，Th，和Tv四個(gè)信號(hào)必須與行選信號(hào)Row[i]和列選信號(hào)Col[j]同步。這四 個(gè)信號(hào)的一種門電路實(shí)現(xiàn)，見(jiàn)圖23.圖23顯示的一種實(shí)現(xiàn)V，Tg，ThJPTv四個(gè)信號(hào)的門電路，其中Row[i]為行選信號(hào)， Col[j]為列選信號(hào)，TH和TV分別為整個(gè)器件共用的行和列轉(zhuǎn)移控制信號(hào)，RC[i，j]代表象 素選擇信號(hào)，t為讀取用的電壓。t平時(shí)懸空，讀取數(shù)據(jù)時(shí)拉高，清零時(shí)拉低。結(jié)合圖23和 圖22我們可以看到，每個(gè)象素間轉(zhuǎn)移讀取(2D Pixel Transfer)感光象素涉及7個(gè)門，并 需要分享的讀取電路的一部分。這似乎是一個(gè)很高的數(shù)字。事實(shí)上，只要采取了共享讀取 方式，圖23中的虛線框里的門電路(或其等效電路)，都是必不可少的。因此，每個(gè)象素間 轉(zhuǎn)移讀取(2D Pixel Transfer)感光象素只多用到三個(gè)普通的邏輯門。此外，都只 是簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)移門。對(duì)于130納米以下的半導(dǎo)體處理技術(shù)而言，比起讀取電容FD來(lái)說(shuō)，邏輯 門占的空間是很小的。圖24顯示的是圖22中的讀取電路，被4x4個(gè)基本象素共享時(shí)，復(fù)位信號(hào)Rst[k， 1]和讀取模塊選則信號(hào)Sel[k，l]的一種實(shí)現(xiàn)。在這種簡(jiǎn)化的實(shí)現(xiàn)中，Rst[k，l]和Sel[k， 1]都只依賴于行選信號(hào)Row[i]，而不依賴于列選信號(hào)Col [j]，因此，他們的標(biāo)號(hào)也就簡(jiǎn)化 為Rst[k]和Sel[k]，從而產(chǎn)生Rst[k]和Sel[k]所需的門的數(shù)量，可以忽略不計(jì)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明包括一種新型的感光器件、讀取方法、和讀取電路。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，在本發(fā)明示例的一種感光器件中，其感光象素具有象素 轉(zhuǎn)移，特別是兩維象素轉(zhuǎn)移功能。在該感光器件中，全部取消讀取電容，而是通過(guò)在象素陣 列中的部分象素或者全部象素之間，設(shè)置連接鄰近象素(可以是兩維中的上下左右各個(gè)方 向，甚至在多層感光器件，例如雙面雙層感光器件中，對(duì)于分處于設(shè)置有象素陣列的基層的 頂面和底面的感光象素，也可以進(jìn)行象素轉(zhuǎn)移，這種情況下，由于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(rèn)為象素轉(zhuǎn)移是一種三維的轉(zhuǎn)移)的轉(zhuǎn)移門，象素 的自身電荷，可以在適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)時(shí)序作用下，通過(guò)轉(zhuǎn)移門而實(shí)現(xiàn)向鄰近象素的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的電荷 為該象素的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)移電荷。一般的，可以在將象 素A的自身電荷讀出后，再將象素B的自身電荷轉(zhuǎn)移到象素A中。然而也可以將象素B的 自身電荷轉(zhuǎn)移到象素A后，再?gòu)南笏谹中讀出象素A的自身電荷和轉(zhuǎn)移電荷的疊加，這將實(shí) 現(xiàn)象素A和象素B的電荷相加。特別的，當(dāng)象素A的轉(zhuǎn)移電荷不僅來(lái)自一個(gè)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(zhuǎn)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(gè)轉(zhuǎn)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?cái)?shù)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(yīng)當(dāng)不超過(guò)兩種色彩，以符合彩色 重建要求?？傊?，在本發(fā)明中，采用象素間電荷轉(zhuǎn)移(2D PixelTransfer)方式，實(shí)現(xiàn)了利用 鄰近象素來(lái)充當(dāng)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，采用 行列掃描式的讀取方式，關(guān)于行列掃描的具體時(shí)序控制，將在后文詳細(xì)說(shuō)明。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，如圖21，本發(fā)明示例的感光器件，其讀取電路將可以適宜 的采用一種新的主動(dòng)與被動(dòng)象素混合的讀取電路。由于被動(dòng)象素不怎么占空間，而主動(dòng)象 素的讀取電路可以多點(diǎn)共享，因此，將它們合在一起選擇使用，帶來(lái)很多好的效果。圖21所 示的只是一個(gè)簡(jiǎn)單的例子而已。主動(dòng)象素的種類和多點(diǎn)共享的形式非常之多，因此，我們僅 以一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明主動(dòng)與被動(dòng)象素混合的基本原理。如圖21所示，當(dāng)開關(guān)Ts合上的時(shí)候， 主動(dòng)象素的讀取電路將起作用。當(dāng)開關(guān)Ts打開的時(shí)候，被動(dòng)象素的讀取電路將起作用。如前所述，依賴于象素間的電荷轉(zhuǎn)移，本發(fā)明的又一方面是實(shí)現(xiàn)了一種不相鄰象 素之間的相同或不同色彩的電荷相加合并。通過(guò)象素間的電荷轉(zhuǎn)移，可以將待合并的象素 逐步轉(zhuǎn)移到同一個(gè)已經(jīng)使用并剛被清零的鄰近象素里去。如圖18或圖19所示，這種合并， 需要遵循非常嚴(yán)格準(zhǔn)確的控制時(shí)序和象素轉(zhuǎn)移方向。例如，圖18中為了將G1與G2合并， 通過(guò)電荷轉(zhuǎn)移的時(shí)序控制，先將G1和G2分別轉(zhuǎn)移到XI和X2中，然后在將XI和X2中的電 荷同時(shí)轉(zhuǎn)移到X3中。使用上述具有象素間轉(zhuǎn)移功能和/或主動(dòng)象素和被動(dòng)象素混合讀取方式的感光 象素作為基本感光象素，每個(gè)基本感光象素再連接有感光時(shí)間控制電路(包括清零復(fù)位)， 象素轉(zhuǎn)移控制，和象素讀取電路，將使得以該種感光象素構(gòu)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(dòng)象素讀取電路(如圖1)，主動(dòng)象素讀取電 路(如圖2和圖3)，或主被動(dòng)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(jù)彩色，單色，或多光譜(包括可見(jiàn)光和紅外)等需要而按照預(yù)設(shè)圖案 重復(fù)排列。感光器件的色彩的上述預(yù)設(shè)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。在采樣和子采樣方面，本發(fā)明示例的感光器件，其采樣和子采樣方式可以包括相 同或不同色彩的象素間的信號(hào)平均方式，電荷相加方式，或混合的、即部分合并象素色彩相 同，部分合并象素色彩不同的信號(hào)平均或相加方式。對(duì)于不同色彩的象素，感光器件的子采樣方式采用色彩空間變換而實(shí)現(xiàn)。感光器件的采樣和子采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，采樣控制電路，放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，色彩變換和子采樣及圖象處理模塊，輸出控 制模塊，芯片總控制模塊，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(hào)和行控制矢量信號(hào)，所述列地址解 碼控制器的輸出信號(hào)包含列選信號(hào)和列控制矢量信號(hào)。在前文中，我們已經(jīng)將子采樣過(guò)程區(qū)分為第一合并采樣過(guò)程、第二合并采樣過(guò)程、 以及可選的第三合并采樣過(guò)程。對(duì)應(yīng)于這幾個(gè)過(guò)程，我們分別采用第一合并單元、第二合并 單元和第三合并單元來(lái)實(shí)現(xiàn)上述幾個(gè)合并采樣過(guò)程。當(dāng)然，這幾個(gè)單元只是從其實(shí)現(xiàn)功能 的角度對(duì)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(gè)物理上的 模實(shí)現(xiàn)其功能，也可以是多個(gè)物理上的模塊組合實(shí)現(xiàn)其功能，又或者這些功能單元集成在 一個(gè)物理的模塊中?？傊?，本文中的第一合并單元、第二合并單元和第三合并單元的描述， 只是從其功能上一種描述，而不具體的限定其物理上的實(shí)現(xiàn)方式。具體的，在如圖12所示的示例中，實(shí)現(xiàn)所需子采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(hào)，行選信號(hào)Row[i](每行一條線) 和行控制矢量信號(hào)RS[i](每行一條或多條線)，其中i為行的標(biāo)號(hào)。類似地，列地址解碼控 制器將輸出兩類信號(hào)，列選信號(hào)Col[j](每列一條線)和列控制矢量信號(hào)T[j](每列一條 或多條線)，其中j為列的標(biāo)號(hào)。行選信號(hào)Row[i]是用來(lái)做行的選擇，而列選信號(hào)Col [j]是用來(lái)做列的選擇。這是 兩組相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)。行控制矢量信號(hào)RS[i]是對(duì)現(xiàn)有CMOS行控制信號(hào)的擴(kuò)展(每行一 條線擴(kuò)展到每行多條線)，而列控制矢量信號(hào)T [j]，有的CMOS感光器件根本沒(méi)有，即使有， 也是一列只有一個(gè)。下面我們以圖22至圖24的一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)明，如蚪1]，&)1[」]，1 [1]，和1[」] 的內(nèi)容和作用，以及這些控制信號(hào)在全圖采樣和子采樣時(shí)的時(shí)序情況。圖22顯示的是將圖13，圖20，和圖21結(jié)合的一種實(shí)現(xiàn)，亦即用象素間轉(zhuǎn)移讀取 (2DPixel Transfer)感光象素做基本象素，采用N-點(diǎn)共享的主動(dòng)象素和被動(dòng)象素功能混 合的讀取電路的一般化情況。圖中[i，j]用來(lái)代表一個(gè)典型象素的行位置和列位置的下標(biāo)，[k，1]用來(lái)標(biāo)識(shí)第[k，1]個(gè)讀取電路，[m，n]用來(lái)說(shuō)明，不同行和列的象素可以共用同 一個(gè)讀取電路。圖中可見(jiàn)，每一個(gè)象素P[i，j]都涉及到三個(gè)控制信號(hào)Tg[i，j]，，Th[i，j]， 和Tv[i，j].Tg是讀取控制信號(hào)，Th是水平轉(zhuǎn)移控制信號(hào)，Tv是垂直轉(zhuǎn)移控制信號(hào)，而Ts為 主動(dòng)象素讀取或被動(dòng)象素讀取的選擇開關(guān)。圖23顯示的是Tg，Th，和Tv三個(gè)信號(hào)的一種實(shí) 現(xiàn)。圖24顯示的圖22中Rst[k，l]和Sel[k，l]的一種簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)，亦即Rst [k，1]和Sel[k， 1]不依賴于Col[j]而退化為Rst[k]和Sel[k],在這個(gè)實(shí)現(xiàn)里，除Row[i]和 Col[j]外，還有 Reset，SEL，TH，TV，TG，Vr，Ts 這 7 個(gè) 全局控制信號(hào)。Ts可以由芯片總控制模塊CC來(lái)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。在全圖采樣時(shí)，有兩種方式來(lái)讀取信號(hào)。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(jīng)讀取過(guò)的象素作讀取電容。第一種情況時(shí)序簡(jiǎn)單很多，我們 現(xiàn)在簡(jiǎn)單說(shuō)明一下這種方式的操作流程。如圖17所示，設(shè)R1的位置行列地址為[i，j]，則 讀取R1的控制信號(hào)時(shí)序如下1. t0時(shí)鐘R1上方的象素G1被清零復(fù)位。在時(shí)鐘的上升沿，設(shè)置Row[i-l]和 Col[j]選擇G1的地址，此時(shí)并將Rst [i-1]設(shè)為零。并在下個(gè)時(shí)刻將Rst [i-1]拉高。在時(shí) 鐘的下降沿，可以接著讀取G1上面的零值做相關(guān)采樣。亦即，此時(shí)可以相應(yīng)地把SEL打開， 讀取G1上的電荷。2. tl時(shí)鐘R1上的電荷被轉(zhuǎn)移到G1并被同時(shí)讀取。在時(shí)鐘的上升沿，設(shè)置Row[i] 和Col[j]選擇R1的地址，并將TV拉高。在時(shí)鐘的下降沿，設(shè)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(huán)往復(fù)地讀取其它象素。優(yōu)選地，在全圖讀取時(shí)，Ts可以合上，做主動(dòng)象素 讀取。子采樣時(shí)，根據(jù)采樣因子MxN的情況和所選擇的象素合并方法以及單層或雙層感 光象素的圖案分布，控制信號(hào)的時(shí)序可以非常復(fù)雜。但對(duì)于數(shù)字電路而言，因?yàn)橐粋€(gè)芯片只 需要處理固定的幾種情況，都是可以對(duì)付的。我們舉兩個(gè)例子，來(lái)說(shuō)明利用象素轉(zhuǎn)移來(lái)實(shí)現(xiàn) 象素合并的原理。在這兩個(gè)例子中，各個(gè)控制信號(hào)之間的關(guān)系，采用如圖22至24的實(shí)現(xiàn)方 式。這些實(shí)現(xiàn)方式不是唯一的，僅僅作為舉例說(shuō)明而已。如圖18所示的隔列象素合并情況，設(shè)G1的位置行列地址為[i,j]，則G1和G2的 合并可以通過(guò)如下的控制信號(hào)時(shí)序來(lái)完成l.tO時(shí)鐘X1，X2，X3被清零復(fù)位。在時(shí)鐘的上升沿，設(shè)置Row[i_l]和Col[j]， Col[j+l]，&Col[j+2]選擇X1，X3，X2的地址，此時(shí)并將Rst [i-1]設(shè)為零。并在下個(gè)時(shí)刻 將Rst [i-1]拉高。2. tl時(shí)鐘G1和G2被轉(zhuǎn)移到XI和X2中。在時(shí)鐘的上升沿，設(shè)置Row[i]和Col[j] 及Col [j+2]選擇G1和G2的地址，并將TV拉高。3. t2時(shí)鐘X1和X2被轉(zhuǎn)移到X3中。在時(shí)鐘的上升沿，先選擇，Row [i-1]和Col[j] 并將Vr拉高。此時(shí)X3處于接受電荷轉(zhuǎn)移的狀態(tài)。在時(shí)鐘的下降沿，設(shè)置Row[i_l]和 Col[j+l]及Col [j+2]選擇X3和X2的地址，并將TH拉高，使得XI的電荷向右轉(zhuǎn)移到X3， 而X2的電荷向左轉(zhuǎn)移到X3。4.t3時(shí)鐘將X3的信號(hào)讀出。在時(shí)鐘的上升沿，設(shè)置Row [i-1]和Col[j+l]，并將TG拉高(此時(shí)Vr仍然處于高電位)。在G2已經(jīng)被讀取后，B1和B2的讀取就非常簡(jiǎn)單5. t2時(shí)鐘:B1和B2被轉(zhuǎn)移到G2中。在時(shí)鐘的上升沿，先選擇Row[i]和Col [j+2] 并將Vr拉高。此時(shí)G2處于接受電荷轉(zhuǎn)移的狀態(tài)。在時(shí)鐘的下降沿，設(shè)置Row[i]和Col[j+2] 及Col [j+3]選擇G2和B2的地址，并將TH拉高，使得B1的電荷向右轉(zhuǎn)移到G2，而B2的電 荷向左轉(zhuǎn)移到G2。6. t3或t4時(shí)鐘將G2的信號(hào)讀出。在時(shí)鐘的上升沿，選擇Row[i]和Col [j+2]， 并將TG拉高(此時(shí)Vr仍然處于高電位)。如果在t3時(shí)鐘讀出，那么器件必須具備同時(shí)讀 取兩個(gè)數(shù)據(jù)的能力，即兩個(gè)放大和AD轉(zhuǎn)換電路。如圖19所示的兩行合并和交叉合并情況，G1行和R1行的合并可以在一個(gè)時(shí)鐘內(nèi) 同時(shí)完成，即將R1行的象素，同時(shí)轉(zhuǎn)移到上一行。這種情況很簡(jiǎn)單，我們不贅述控制信號(hào)的 時(shí)序情況。設(shè)G5的位置行列地址為[i，j]，G5和G6的合并，以及B3和R3的合并，可以用 下面的控制信號(hào)時(shí)序來(lái)完成l.tO時(shí)鐘Rl，G3被清零復(fù)位。在時(shí)鐘的上升沿，設(shè)置Row[i-l]和Col[j]及 Col[j+l]選擇R1和G3的地址，此時(shí)并將Rst[i-1]設(shè)為零。并在下個(gè)時(shí)刻將Rst[i-1]拉
尚o2. tl時(shí)鐘:B3被轉(zhuǎn)移到G3中。在時(shí)鐘的上升沿，設(shè)置Row[i]和Col[j+l]選擇B3 的地址，并將TV拉高。3. t2時(shí)鐘:G5和G6被轉(zhuǎn)移到B3中，G3被轉(zhuǎn)移到R1中。在時(shí)鐘的上升沿，先選擇 Row[i]和Col[j+l]，并將Vr和TH拉高。此時(shí)B3處于接受電荷轉(zhuǎn)移的狀態(tài)，而且G5向左 轉(zhuǎn)移到B3。在時(shí)鐘的下降沿，選擇Row[i-l]和Col[j+l]，并將TV拉高，此時(shí)G5向上轉(zhuǎn)移 到B3。4. t3時(shí)鐘將B3的信號(hào)(原G5+G6)讀出，并將R1和R3轉(zhuǎn)移到G5。在時(shí)鐘的上 升沿，設(shè)置Row[i]和Col[j+l]，并將TG拉高(此時(shí)Vr仍為高)，此時(shí)B3被讀出。在時(shí)鐘 的下降沿，設(shè)置Row[i]及Row[i+l]和Col [j]，并將TV拉高，此時(shí)R1向下，R3向上，被轉(zhuǎn)移 到G5.5. t4時(shí)鐘將G5的信號(hào)(原B3+R3)讀出。在時(shí)鐘的上升沿，設(shè)置Row[i]和 Col [j]，并將TG拉高(此時(shí)Vr仍為高)，此時(shí)G5被讀出。交叉合并時(shí)序麻煩些，但也不過(guò)如此而已。在子采樣時(shí)，對(duì)于每一個(gè)所支持的MxN采樣因子(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(jù)MxN采樣因子和圖像區(qū)域要求，對(duì)應(yīng)每一個(gè)輸 出行，同時(shí)將需要合并的行所對(duì)應(yīng)的所有Row[i]和RS[i]值置成高或低，并同時(shí)對(duì)應(yīng)每一 個(gè)輸出列，接著將需要合并的列的所有Col[j]和T[j]的值置成高或低，使得所有需要合并 的象素(電荷/電壓)值，能夠依次轉(zhuǎn)移到其它象素，在電荷合并之后，再依讀取順序(經(jīng) 過(guò)讀寫電路)輸出到輸出總線上。同時(shí)，必要的時(shí)候，行地址解碼控制器和列地址解碼控制 器還將根據(jù)MxN采樣因子和圖像區(qū)域要求，進(jìn)行必要的跳行和跳列的操作或拋棄多余的色 彩。不同的MxN采樣因子，輸出總線上在不同的時(shí)間可能得到不同的色彩。相應(yīng)地，其 它系統(tǒng)功能模塊，如放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，色彩變換和子采樣及圖像處理模塊，還有輸出控制模塊，都需要做相應(yīng)的協(xié)調(diào)工作。這個(gè)系統(tǒng)的總的控制，可以通過(guò)芯片總控制模塊(圖12 中的CC模塊)來(lái)完成。注意到，除了放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和象素陣列外，其它模塊，主要都 是數(shù)字處理電路，因而可以比較容易地在器件外圍實(shí)現(xiàn)，從而使得感光器件的布線相對(duì)簡(jiǎn)在本發(fā)明中，可能同時(shí)好幾行被同時(shí)選中，也可能同時(shí)好幾列被同時(shí)選中，甚 至幾行和幾列被同時(shí)選中。雖然在之前的某些技術(shù)中(如美國(guó)專利US6，801，258B1， US6, 693，670B1, US7, 091，466B2, US7, 319，218B2等等)，同樣會(huì)有好幾行或好幾列被同時(shí) 選中，但由于合并采樣的方式不同，因而，行選信號(hào)和列選信號(hào)的時(shí)序和波型是完全不同 的。例如，在進(jìn)行圖18中的第二合并采樣中，第一行的第一列和第三列被同時(shí)選中時(shí)，這 兩列的數(shù)據(jù)并沒(méi)有立即放在輸出總線上，而是被同時(shí)轉(zhuǎn)移到了上一行的第一列和第三列的 (不感光的啞)象素里。這種情況在之前的子采樣方法中是不可能出現(xiàn)的。更具體地，在做任一 MxN因子的子采樣時(shí)(M彡2，N彡2)，首先做兩行或兩列，或 兩行和兩列的合并采樣的第一合并采樣過(guò)程，然后再在第一合并采樣的基礎(chǔ)上完成M行xN 列的子采樣。在第一合并采樣之后的子采樣(總的MxN子采樣)，即第二合并采樣過(guò)程，可通過(guò) 以下各種方式單獨(dú)或聯(lián)合來(lái)完成直接輸出到總線的信號(hào)自動(dòng)平均方式、跳行或跳列方式、 和逐個(gè)采樣方式。而第三合并采樣過(guò)程，如果有的話，可通過(guò)如下兩種方式單獨(dú)或聯(lián)合來(lái)完 成色彩空間變換方式和后端數(shù)字圖像縮放方式。我們知道，在一個(gè)象素陣列中，是含有相當(dāng)多的感光象素的，尤其對(duì)于雙層或多層 感光器件，色彩的種類和幾何分布情況就非常豐富。顯然，第一合并采樣過(guò)程也相應(yīng)的針對(duì) 多個(gè)第一合并象素(第一合并采樣過(guò)程中進(jìn)行合并的象素。該概念用來(lái)指代進(jìn)行第一合并 后的象素，例如，在第一合并過(guò)程中，象素B的自身電荷被轉(zhuǎn)移到象素A中，此時(shí)，象素A中 存在象素A的自身電荷和象素B轉(zhuǎn)移來(lái)的轉(zhuǎn)移電荷，此時(shí)，用第一合并象素的概念表示象素 A中的疊加采樣數(shù)據(jù)A+B，這并不代表物理上，在象素陣列中存在一個(gè)“第一合并象素”)，因 而，在進(jìn)行第一合并采樣過(guò)程時(shí)，這些第一合并象素從象素的色彩合并的角度上說(shuō)，其用作 合并的色彩選擇是多樣的，可以采用同色合并的方式，異色合并的方式，混雜合并方式(部 分象素色彩相同，部分不同)，也并可以選擇性地丟掉多余的色彩。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Y(jié)UV空間的變換，和RGB到Y(jié)UV空間的變換。注意到RGB到CyYeMgX空間的變換，可以在模擬信號(hào)空間完成，也可以在數(shù)字空間 完成，因此，它可以在第一合并過(guò)程，第二合并過(guò)程，或第三合并采樣過(guò)程中的任何一個(gè)過(guò) 程中來(lái)做。但CyYeMgX到Y(jié)UV空間的變換和RGB到Y(jié)UV空間的變換，則只能在數(shù)字信號(hào)空 間來(lái)做，也就是說(shuō)只能在第三合并采樣過(guò)程中來(lái)做。更具體地，象素陣列部分，由復(fù)數(shù)的按方陣排列的兩個(gè)，三個(gè)或四個(gè)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(dòng)象素組成，也可由不帶FD的3T，4T， 5T，6T 主動(dòng)象素(參見(jiàn)《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(gè) 基本象素可以是單面單層，單面雙層，雙面雙層、或雙面多層的復(fù)合象素。即一個(gè)基本象素 中包含一個(gè)或多個(gè)基本象素單元，基本象素單元沿光照方向分層布置，并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(dòng)象素構(gòu)成的基本感光象素的讀取電路除了可以采用已有的不共享 方式，4-點(diǎn)共享方式，6點(diǎn)共享方式，和8點(diǎn)共享方式外，還可以采用任意的N-點(diǎn)共享方式 (如圖20)。對(duì)于雙層或多層感光器件，除了第一合并采樣過(guò)程的色彩選擇更加豐富多彩外， 其共享采樣電路和色彩合并的方式也更豐富，而且在第一行和第一列的合并采樣時(shí)，很多 種圖案很容易就可以采用是電荷相加的方式(參見(jiàn)《一種多光譜感光器件及其采樣方法》 (中國(guó)申請(qǐng)?zhí)?00910105948. 2)。注意到，N個(gè)信號(hào)在采用電荷相加的方式合并時(shí)，信噪比的改進(jìn)上限倍，而 N個(gè)信號(hào)在采用信號(hào)平均的方式合并時(shí)，信噪比的改進(jìn)上限為#倍。因而電荷相加至少是 子采樣中最優(yōu)的方式之一。感光象素的數(shù)字信號(hào)將放進(jìn)緩存里，由色彩變換和子采樣及圖象處理模塊，做進(jìn) 一步的處理。在全圖采樣的情況下，不做子采樣，對(duì)于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，芯片總控制模塊CC會(huì)做出相應(yīng)的控制，讓感光象素的數(shù)字 信號(hào)跳過(guò)色彩變換和子采樣模塊，直接進(jìn)入到圖像處理模塊。經(jīng)過(guò)感光器件內(nèi)含的圖像處 理之后，再由輸出模塊輸出到感光器件的對(duì)外接口。在子采樣時(shí)，情況會(huì)復(fù)雜很多。但是對(duì)于一個(gè)具體的感光器件，子采樣因子MxN可 以只支持少數(shù)幾種。相應(yīng)地，芯片總控制模塊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子采樣因子。例如，一個(gè)5百萬(wàn)象素的感光器件，可以只考慮支 持2x2，2xl，4x4，8x8的四種情況。第二合并采樣過(guò)程通常不涉及電荷相加，因而通常采用的是如下三個(gè)方式直接 輸出到總線的信號(hào)自動(dòng)平均方式、跳行或跳列方式，逐個(gè)采樣方式。這三個(gè)方式都非常傳統(tǒng) 和簡(jiǎn)單，為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，不在此贅述。第三合并采樣過(guò)程是在數(shù)字圖像空間完 成，采用的也是相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字圖像縮放技術(shù)。芯片總控制模塊CC在采樣的不同時(shí)刻，可以算出正在讀取的象素的色彩，并對(duì)它 進(jìn)行相應(yīng)的處理。對(duì)于選定的象素采樣次序，芯片總控制模塊CC將相應(yīng)地控制放大和模數(shù) 轉(zhuǎn)換模塊，將不同的色彩，經(jīng)過(guò)不同的放大電路，然后進(jìn)入色彩變換和子采樣及圖像處理模 塊，還有輸出控制模塊，以便對(duì)不同的色彩做不同的處理。更詳盡的介紹已經(jīng)超出了本發(fā)明 的范疇?，F(xiàn)有的子采樣方式主要是在相同色彩的象素間進(jìn)行，而且主要采用的象素平均和 跳行或跳列的方式。這些方法，對(duì)于豐富多彩的雙層或多層感光器件而言，就顯得過(guò)于局限 和蒼白無(wú)力。本發(fā)明提出的子采樣方法，通過(guò)色彩空間變換的方式，即可以在相同色彩間進(jìn) 行，也可在不同色彩間進(jìn)行，也可混合進(jìn)行(即部分在相同色彩間進(jìn)行，部分在不同色彩間 進(jìn)行)。此外，本發(fā)明提出的電荷相加的信號(hào)合并方式，只需將n個(gè)信號(hào)合并，就能達(dá)到接近 于n3個(gè)信號(hào)相加的效果。因而，本發(fā)明的子采樣方法相比現(xiàn)有的子采樣方法，將可具有更 好的圖像質(zhì)量，特別的，將本發(fā)明用于雙層或多層感光器件的時(shí)候，就能產(chǎn)生不可勝數(shù)的簡(jiǎn) 單而又優(yōu)秀的子采樣方式。以上我們只是以單層和雙層感光器件和少數(shù)例子，來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的精髓和內(nèi)容。 這些具體的條件，并不是本發(fā)明的限制。相反，將本發(fā)明用于更為復(fù)雜的設(shè)計(jì)，如5T/6T主動(dòng)象素，或多層感光器件，其效果可能更為明顯。
權(quán)利要求
一種感光器件，包括象素陣列和讀取電路，其特征在于，所述象素陣列中，至少在部分象素間設(shè)置有連接鄰近象素、并實(shí)現(xiàn)相連象素間電荷轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)移門，所述讀取電路用于從一個(gè)象素中讀取該象素的電荷，所述電荷是該象素自身電荷、來(lái)自該象素鄰近象素的轉(zhuǎn)移電荷、該象素自身電荷與其一個(gè)或一個(gè)以上鄰近象素的轉(zhuǎn)移電荷的疊加、和該象素的兩個(gè)或兩個(gè)以上鄰近象素的轉(zhuǎn)移電荷的疊加的至少一種。
2.如權(quán)利要求1所述的感光器件，其特征在于，所述部分象素中，一個(gè)象素通過(guò)所述轉(zhuǎn) 移門連接的鄰近象素包括該象素上下左右四個(gè)方向的鄰近象素。
3.如權(quán)利要求1或2所述的感光器件，其特征在于，所述象素陣列中的各個(gè)象素間都設(shè) 置有所述轉(zhuǎn)移門。
4.如權(quán)利要求1至3任一所述的感光器件，其特征在于，所述讀取電路是在讀出與之相 連的象素的自身電荷并對(duì)該象素清零后，再讀取從該象素的鄰近象素轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的電荷的。
5.如權(quán)利要求1至4任一所述的感光器件，其特征在于，所述讀取電路包括主動(dòng)象素讀 取電路、被動(dòng)象素讀取電路、或主動(dòng)象素與被動(dòng)象素混合讀取電路。
6.如權(quán)利要求5所述的感光器件，其特征在于，所述主動(dòng)象素包括3T、4T、5T、或6T主 動(dòng)象素。
7.如權(quán)利要求1至6任一所述的感光器件，其特征在于，所述讀取電路的共享方式包括 無(wú)共享方式、4點(diǎn)共享方式、6點(diǎn)共享方式、8點(diǎn)共享方式、或任意點(diǎn)共享方式。
8.如權(quán)利要求7所述的感光器件，其特征在于，當(dāng)所述讀取電路的共享方式為4點(diǎn)共 享方式、6點(diǎn)共享方式、8點(diǎn)共享方式、或任意點(diǎn)共享方式時(shí)，共享一個(gè)讀取電路的一個(gè)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(zhuǎn)移距離不超過(guò)4個(gè)象素。
9.如權(quán)利要求1至8任一所述的感光器件，其特征在于，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(quán)利要求1至9任一所述的感光器件，其特征在于，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(quán)利要求1至10任一所述的感光器件，其特征在于，所述象素陣列中的象素根據(jù) 單色、彩色、或包含可見(jiàn)光和紅外的多光譜感光所要求的預(yù)設(shè)圖案重復(fù)排列。
12.如權(quán)利要求11所述的感光器件，其特征在于，所述預(yù)設(shè)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(lán))中的任意一種色彩。
13.—種感光器件的讀取方法，其特征在于，包括在所述感光器件的象素陣列中的至少部分象素間，設(shè)置連接鄰近象素、并實(shí)現(xiàn)相連象 素間電荷轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)移門；從一個(gè)象素中讀取該象素的電荷，所述電荷是該象素自身電荷、來(lái)自該象素鄰近象素 的轉(zhuǎn)移電荷、該象素自身電荷與其一個(gè)或一個(gè)以上鄰近象素的轉(zhuǎn)移電荷的疊加、和該象素 的兩個(gè)或兩個(gè)以上鄰近象素的轉(zhuǎn)移電荷的疊加的至少一種。
14.如權(quán)利要求13所述的讀取方法，其特征在于，從一個(gè)象素中讀取該象素的鄰近象 素的轉(zhuǎn)移電荷，是在讀出與之相連的象素的自身電荷并對(duì)該象素清零之后。
15.如權(quán)利要求13或14所述的讀取方法，其特征在于，包括采樣和子采樣過(guò)程，所述 采樣和子采樣過(guò)程包括第一合并過(guò)程，用于對(duì)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(jìn)行兩兩合并采樣，獲得第一合并象素的采樣數(shù)據(jù)；第二合并過(guò) 程，用于對(duì)第一合并過(guò)程得到的第一合并象素的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行合并采樣，獲得第二合并象 素的采樣數(shù)據(jù)。
16.如權(quán)利要求15所述的讀取方法，其特征在于，還包括第三合并過(guò)程，用于對(duì)第二 合并過(guò)程得到的第二合并象素的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行合并采樣，獲得第三合并象素的采樣數(shù)據(jù)。
17.如權(quán)利要求15或16所述的讀取方法，其特征在于，所述第一合并過(guò)程或第二合并 過(guò)程的象素合并采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(hào)平均方式，其中不同色彩象素間的象素合并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(quán)利要求15至17任意一項(xiàng)所述的讀取方法，其特征在于，所述第一過(guò)程或第二 合并過(guò)程的基于色彩的合并采樣方式包括同色合并方式、異色合并方式、混雜合并方式、或 選擇性拋棄多余色彩方式，且第一合并過(guò)程和第二合并過(guò)程中至少一個(gè)合并過(guò)程不是同色 合并方式。
19.如權(quán)利要求15至17任意一項(xiàng)所述的讀取方法，其特征在于，所述第一合并過(guò)程或 第二合并采樣過(guò)程的基于位置的合并采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(hào)自動(dòng)平均方式、跳行或跳列方式、和逐個(gè)采樣方式。
20.如權(quán)利要求15至19任意一項(xiàng)所述的讀取方法，其特征在于，所述第三合并采樣過(guò) 程進(jìn)行的合并采樣方式包括色彩空間變換方式、后端數(shù)字圖像縮放方式。
21.如權(quán)利要求17或20所述的讀取方法，其特征在于，所述色彩空間變換包括RGB 到CyYeMgX空間的變換、RGB到Y(jié)UV空間的變換、或CyYeMgX到Y(jié)UV空間的變換、其中X為 R(紅)、G(綠)、B(藍(lán))中的任意一種色彩。
22.如權(quán)利要求15至21任意一項(xiàng)所述的讀取方法，其特征在于，其全圖采樣的方式包 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，用于讀取所述感光器件的象素陣列中的象素電荷，其特 征在于，所述象素陣列中，至少在部分象素間設(shè)置有連接鄰近象素、并實(shí)現(xiàn)相連象素間電荷 轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)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(lái)自該象素鄰近象 素的轉(zhuǎn)移電荷、該象素自身電荷與其一個(gè)或一個(gè)以上鄰近象素的轉(zhuǎn)移電荷的疊加、和該象 素的兩個(gè)或兩個(gè)以上鄰近象素的轉(zhuǎn)移電荷的疊加的至少一種。
24.如權(quán)利要求23所述的讀取電路，其特征在于，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(dòng)象素和被動(dòng)象素混合讀取電路。
25.如權(quán)利要求23或24所述的讀取電路，其特征在于，所述讀取電路設(shè)置有象素清零 或復(fù)位信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)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(shè)置有連接鄰近象素、并實(shí)現(xiàn)相連象素間電荷轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)移門，所述讀取電路用于從一個(gè)象素中讀取該象素的電荷，所述電荷是該象素自身電荷、來(lái)自該象素鄰近象素的轉(zhuǎn)移電荷、該象素自身電荷與其一個(gè)或一個(gè)以上鄰近象素的轉(zhuǎn)移電荷的疊加、和該象素的兩個(gè)或兩個(gè)以上鄰近象素的轉(zhuǎn)移電荷的疊加的至少一種。本發(fā)明的感光器件具有加工和讀取方式簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L27/144GK101853861SQ20091010647
公開日2010年10月6日 申請(qǐng)日期2009年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月1日
發(fā)明者胡笑平 申請(qǐng)人:博立碼杰通訊(深圳)有限公司