專利名稱：采用具有交錯(cuò)像素的多個(gè)芯片的掃描成像器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固態(tài)成像器和圖像捕獲系統(tǒng)，且尤其涉及將像素配置 成兩個(gè)或更多的像素系列的偏移或交錯(cuò)布置的像素的改善配置。本發(fā) 明更具體而言涉及一種配置，該配置采用了兩個(gè)或更多的端對(duì)端對(duì)接 的成像器芯片，且該配置避免了芯片之間的不希望的增益差異。希望 使用低功率CMOS成像器技術(shù)和偏移的像素系列來實(shí)施本發(fā)明。
背景技術(shù)：
固態(tài)圖像傳感器被用在各種應(yīng)用中，且對(duì)于這些應(yīng)用而言，在追 求低成本、高分辨率、高可靠性圖像傳感器方面具有濃厚的興趣。因 為CMOS僅需要單個(gè)電源電壓、它的耐用性以及它本質(zhì)上的低功耗， CMOS成像器技術(shù)是有利的。在需要增強(qiáng)像素密度獲得極高分辨率方面 也具有極大的興趣。
掃描系統(tǒng)被用于各種圖像捕獲應(yīng)用，例如，網(wǎng)絡(luò)檢查和文檔復(fù)制 和歸檔。常規(guī)地，這類掃描器使用接觸式圖像傳感器(CIS)模塊或CCD 來捕獲圖像信息。在這種掃描系統(tǒng)中，CCD成像器在尺寸上受到限制， 僅為例如相片或文本的掃描對(duì)象的寬度的一部分。這種尺寸限制是由 于長(zhǎng)距離上(即在和頁(yè)面寬度相當(dāng)?shù)木嚯x上)的電荷傳遞困難。這需 要聚焦文檔的圖像以將其減小到成像器的尺寸。盡管可能希望端到端 連接很多CCD成像器以達(dá)成單個(gè)長(zhǎng)的圖像捕獲設(shè)備，但存在很多缺點(diǎn) 使其不實(shí)際。
圖1示出了采用了 CCD固態(tài)成像器12的現(xiàn)有技術(shù)掃描器布置或掃描系統(tǒng)10。聚焦透鏡系統(tǒng)14置為在CCD成像器12上聚焦待掃描對(duì)象 例如一頁(yè)文本16的縮小圖像。在很多實(shí)際的掃描器布置中可以采用反 射鏡(此處未示出)。輸出緩沖器18耦合到CCD成像器12且通過柔性 電纜被應(yīng)用以驅(qū)動(dòng)專用集成電路(ASIC)22。輸入緩沖器20也耦合到 CCD成像器12且用于連接被模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(A/D)數(shù)字化的捕獲的 圖像數(shù)據(jù)到主機(jī)計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)或者例如打印機(jī)或調(diào)制解調(diào)器的其他外 圍設(shè)備，或者在某些情況下，具有圖像處理功能的多功能外圍設(shè)備 (MFP)、馬達(dá)控制、光控制、紙張供給器以及(多個(gè))用戶接口 ASIC設(shè) 備的全部或其中一部分。桌面系統(tǒng)還包含馬達(dá)和光源以移動(dòng)被掃描的 移動(dòng)文件16下的成像器?？梢允褂弥T如熒光管和LED的各種不同光源 以及諸如步進(jìn)馬達(dá)和同步馬達(dá)的各種不同驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。這些是眾所周知 的且在這里沒有示出，但應(yīng)當(dāng)理解被包括在該掃描器系統(tǒng)中。CCD成像 器具有很多缺點(diǎn)和限制，例如由于電荷傳輸效率限制引起的速度限 制，以及高的功耗，以及將其他功能集成到像素陣列的能力受到嚴(yán)重 受限。此外，在CCD成像器中，像素必須以固定順序讀取，這不允許
像素信息被跳過。
在圖2中示出了常規(guī)的基于CIS的掃描系統(tǒng)30。在該系統(tǒng)中，存 在端對(duì)端相接的多個(gè)CIS模塊32 (1) ~ 32 (N) 。 CIS模塊32 (1) ~ 32 (N) 彼此緊密相鄰以構(gòu)造與捕獲的圖像一樣寬的長(zhǎng)傳感器連續(xù)陣列。光學(xué) 耦合器34置為面對(duì)掃描對(duì)象36并將其圖像聚焦到CIS模塊的陣列 上。因?yàn)槟K32(1) ~ 32(N)陣列需要和掃描對(duì)象36 —樣寬，該陣列 必須很大。CIS模塊32 (1) ~ 32 (N)的準(zhǔn)確放置要求在對(duì)象的寬度上拾 取整個(gè)圖像而沒有縫隙或跳躍，這使得基于CIS的系統(tǒng)的構(gòu)造十分昂 貴。而且，各種獨(dú)立的CIS傳感器每一個(gè)都具有需要校正的獨(dú)立的電 壓偏移，這也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。
如在Pace等的美國(guó)專利No. 6, 084, 229中號(hào)公開的，最近發(fā)展了 一種有源列傳感器(ACS)結(jié)構(gòu)，它允許CM0S圖像傳感器被構(gòu)造為單個(gè) 芯片視頻照相機(jī)，具有等于或優(yōu)于CCD或CID成像器可以獲得的性能。 ACS成像器具有很小的固定模式噪聲。Pace等的該專利中公開和闡述 的原理可以有利地結(jié)合到掃描應(yīng)用中采用的成像器中，且引用結(jié)合于 此作為參考。
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種固態(tài)成像器，它可以用在掃 描系統(tǒng)中并且避免了現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)。
本發(fā)明的另一目的是提供一種成像器，它在足夠用于掃描文本文 檔的寬度上是經(jīng)濟(jì)和有效的。
本發(fā)明的另 一 目的是改善單色或彩色成像器的有效分辨率。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，固態(tài)區(qū)域或線成像器集成電路制作為像 素元件陣列，所述像素元件以兩個(gè)或更多的像素系列的形式配置。一 個(gè)系列的像素偏離另一系列，即，像素位置交疊或交錯(cuò)。像素系列被 讀出到相應(yīng)的輸出總線，且所述輸出可以被水平和垂直地多路復(fù)用。
兩個(gè)或更多的這些成像器ic可以端對(duì)端對(duì)接以產(chǎn)生寬的成像器組件。 在這種情況下，每個(gè)IC上的輸出總線也以最小化芯片之間電壓偏移的
方式相連。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于捕獲圖像的系統(tǒng)采用CMOS成像 系統(tǒng)、圖像聚焦設(shè)備，以及耦合到該CMOS成像系統(tǒng)的圖像控制處理系 統(tǒng)。所述CMOS成像系統(tǒng)具有至少一個(gè)CMOS成像器，該成像器具有至 少一 系列像素。所述圖像聚焦設(shè)備將圖像引導(dǎo)到所述至少 一 系列像素 的至少一部分上。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的用于掃描或捕獲圖像的方法包括引導(dǎo) 圖像到CMOS成像系統(tǒng)中的至少一系列像素的至少一部分上。接著，使 用所述CMOS成像系統(tǒng)中的CMOS成像器中的該至少一系列像素捕獲圖 像。在圖像的捕獲和處理過程中所述CMOS成像系統(tǒng)是受控的。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的用于捕獲圖像的系統(tǒng)包括至少一個(gè) CMOS成像器中的笫一系列像素和與該至少一個(gè)CMOS成像器中的至少 毗鄰該第一系列像素的至少又一系列像素。該至少又一系列像素偏離 所述第一系列像素。
根據(jù)本發(fā)明的另 一 實(shí)施例的用于捕獲圖像的方法包括使至少 一個(gè) CMOS成像器中的第一系列像素偏離該至少一個(gè)CMOS成像器中的至少 毗鄰該第一系列像素的至少又一系列像素，并使用偏離的第一系列像 素和該至少又一系列像素的至少一部分捕獲圖像以提高捕獲的圖像的 分辨率。
當(dāng)多個(gè)像素系列被堆疊使得像素連續(xù)地偏移時(shí)，像素布置成陣列以沿著一條或多條對(duì)角軸對(duì)準(zhǔn)。 一系列偏移的像素可以被讀取，使得 視頻信號(hào)被分箱到公共讀出節(jié)點(diǎn)上，且濾色器可以置于由下面的像素 形成的對(duì)角線上，這樣允許優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。對(duì)角定向的像 素和濾色器允許通過最小化顏色串?dāng)_改善色純度。
本發(fā)明可以提供一種用于捕獲圖像的系統(tǒng)，該系統(tǒng)和用于捕獲圖
像的現(xiàn)有系統(tǒng)例如依賴于CCD成像器或CIS成像器的系統(tǒng)相比，具有 更大靈活性和更低的成本。本發(fā)明包括快門，允許例如行或列(或?qū)?角線)的系列中的所有像素共享相同的曝光周期，每種顏色有獨(dú)立的積 分周期以增強(qiáng)顏色平衡；像素跳過，用于多分辨率成像；交錯(cuò)像素， 用于在更小的區(qū)域提供更高的分辨率和更高的色純度；以及來自不同 系列的像素的信號(hào)的分箱。手持的電池供電的設(shè)備的有用計(jì)算能力的 最近進(jìn)步允許附加高集成、低功耗、小尺寸的系統(tǒng)，用于捕獲可以是 圖片、文本、視頻、條形碼、生物統(tǒng)計(jì)的圖像，且因此可以將基于多 芯片大功耗的CCD的系統(tǒng)置于大的劣勢(shì)中。
根據(jù)一優(yōu)選實(shí)施例，CMOS成像系統(tǒng)在成像區(qū)域上以行和列的像素 陣列的形式布置，列分成彼此交替的第一和第二列系列，使得每一列 系列的像素從其他的列系列的像素偏移一預(yù)定量。每個(gè)列包括具有源 電極和漏電極的列放大器FET。至少一對(duì)與第一列系列相關(guān)的導(dǎo)線分別 與該第一列系列的列放大器FET的源和漏電極耦合。與笫二列系列相 關(guān)的另一對(duì)導(dǎo)線耦合到第二列系列的列放大器FET的源和漏電極。第 一和第二輸出放大器每個(gè)都包括附加的FET以及與相應(yīng)的列系列的相
應(yīng)對(duì)導(dǎo)線耦合的反饋路徑。圖像控制電路耦合到所述成像器的像素以 控制相應(yīng)像素的定時(shí)和門控。
在一優(yōu)選布置中，第一和第二列系列的相應(yīng)像素彼此對(duì)角地偏 移。像素布置在像素區(qū)域?qū)χ?，像素區(qū)域?qū)堑夭贾迷谙袼乜刂茀^(qū)域 的兩個(gè)側(cè)上，使得每對(duì)像素區(qū)域都沿對(duì)角線延伸。這定義了該系列的 連續(xù)的像素區(qū)域?qū)χg的對(duì)角區(qū)域。其他像素列系列的像素布置在所 述對(duì)角區(qū)域中。
根據(jù)另一優(yōu)選實(shí)施例，用于掃描圖像的系統(tǒng)可以由端到端布置的 多個(gè)CMOS成像器例如CMOS IC形成。每個(gè)這種CMOS成像器配置有兩 個(gè)像素系列，它們彼此并排布置且其中 一個(gè)像素系列從另 一像素系列 偏移。每個(gè)成像器還具有沿著像素系列延伸的兩對(duì)導(dǎo)線，這些對(duì)導(dǎo)線與所述CMOS成像器上的相應(yīng)像素系列相關(guān)。每個(gè)像素包括相應(yīng)的像素 放大器FET，所述FET的源電極和漏電極分別耦合到相關(guān)那對(duì)導(dǎo)線中的 導(dǎo)線。跳線將每個(gè)所述CMOS成像器的每對(duì)所述導(dǎo)線的導(dǎo)線連接到剩余 (多個(gè))成像器的相應(yīng)導(dǎo)線。 一對(duì)輸出放大器每一個(gè)都包括附加的FET 和耦合到至少一個(gè)所述CMOS成像器的相應(yīng)那對(duì)導(dǎo)線的反饋路徑。耦合 到所述成像器的像素系列的圖像控制電路用于控制像素的定時(shí)和門 控。相關(guān)的圖像聚焦設(shè)備，即，透鏡組或反射鏡或這些聚焦元件的組 合，在該寬的成像器組件上形成光學(xué)圖像。偏移的像素系列的輸出可 以一起使用或單獨(dú)使用，從而允許按需要選擇掃描速度和分辨率，并 允許諸如用于低亮度應(yīng)用的像素分箱(binning)之類的其他效果。公 開的布置將成像器IC的整個(gè)電池配置為單個(gè)有源列傳感器或ACS,輸 出放大器服務(wù)于所有相結(jié)合的成像器的相應(yīng)系列的每個(gè)像素。這去除 了由于電壓偏移導(dǎo)致的圖像失真，因?yàn)橄袼剌敵龇糯笃髅恳粋€(gè)形成了 相應(yīng)輸出放大器的一部分。
根據(jù)本發(fā)明的任意的大量的實(shí)施例，光敏陣列包括以任意數(shù)目的 列和行布置的多個(gè)像素。本發(fā)明的二維多色成像器實(shí)施例具有最小化 相鄰像素之間的接觸邊緣的優(yōu)點(diǎn)，從而顯著地減小了顏色串?dāng)_的機(jī) 會(huì)。濾色器制造得以簡(jiǎn)化，因?yàn)轭愃祁伾南袼夭贾贸裳貙?duì)角線對(duì)準(zhǔn)， 且對(duì)角帶或條形濾色器可以被采用。
本發(fā)明的上述和很多其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將從隨后對(duì)優(yōu)選和示 例性實(shí)施例的描述得到更加完全的理解，將結(jié)合附圖閱讀優(yōu)選和示例 性實(shí)施例。
圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的CCD掃描系統(tǒng)的示意圖。
圖2是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的CIS掃描系統(tǒng)的示意圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于捕獲圖像的CMOS系統(tǒng)的示 意性框圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的CMOS成像系統(tǒng)的部分框圖和部 分電路圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的CMOS成像系統(tǒng)的框圖。
圖6是用于圖5所示的CM0S成像器的三組偏移像素系列的圖示。
圖7是另一實(shí)施例中用于圖4所示CMOS成像系統(tǒng)的一種交替像素 結(jié)構(gòu)的圖示。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)可能的實(shí)施例的CMOS掃描的示意圖。
圖8A是圖8的實(shí)施例的一部分的部分示意圖。
圖9是可以在圖4的實(shí)施例中采用的一系列CMOS成像器IC的示意圖。
圖10是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有多個(gè)偏移像素系列的成像 器的示意圖。
圖ll是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的像素結(jié)構(gòu)的圖示。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參考附圖，且首先參考圖4，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于捕獲 例如文本的對(duì)象42的圖像的系統(tǒng)40包括透鏡44、 CM0S成像系統(tǒng)46、 圖像控制處理系統(tǒng)47和輸出總線51。可以使用其他等價(jià)部件。圖像控 制處理系統(tǒng)47可以被包括在CMOS傳感器46上以消除對(duì)單獨(dú)部件的需 要和減少總成本。本發(fā)明提供一種用于捕獲圖像的系統(tǒng)，該系統(tǒng)和使 用CCD或CIS技術(shù)的現(xiàn)有系統(tǒng)相比，具有更大的靈活度和更低的成本。 此外，本發(fā)明提供一種用于CMOS成像系統(tǒng)46的獨(dú)特的偏移像素結(jié)構(gòu)。
如圖3所示，透鏡44置于該系統(tǒng)中以將正掃描的圖像或以其他方 式捕獲的圖像聚焦或引導(dǎo)到CMOS成像系統(tǒng)46上。本實(shí)施例中，透鏡 44縮小了正掃描到CMOS成像系統(tǒng)上的圖像，不過透鏡可以以其他方式 聚焦圖像，例如直接傳輸而對(duì)圖像不進(jìn)行任何縮小，或?qū)D像進(jìn)行放 大或不放大。此外，盡管示出了透鏡44，其他類型的聚焦和圖像形成 系統(tǒng)可用于將待掃描圖像聚焦或引導(dǎo)到CMOS成像系統(tǒng)上，例如反射鏡 或反射鏡-透鏡的組合。
現(xiàn)在參考圖4， CMOS成像系統(tǒng)46在CMOS芯片上形成且包括CMOS 成像器48，該CMOS成像器48具有一對(duì)交錯(cuò)的像素系列51 (1) ~ 5 0(4) 和52 (1) - 52 (4),例如像素行或列； 一對(duì)地址解碼器54 (1)和54 (2)， 一對(duì)復(fù)位偏置56(1)和56(2); —對(duì)復(fù)位選擇58 (1)和58 (2), —對(duì)光 門選擇(photogate select ) 60(1)和60(2); —對(duì)運(yùn)算放大器62(1) 和62(2); —對(duì)相關(guān)雙釆樣器(CDS) 64(1)和64(2);像素選擇和輸 出驅(qū)動(dòng)器66;以及多個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。在其他實(shí)施例中，CM0S成像系
統(tǒng)可以包括其他部件和布置。在本實(shí)施例中，術(shù)語(yǔ)"像素"指光敏元 件和像素控制電路，不過其他布置也是可能的，其中像素可以基本只 包括光敏元件。
在圖4的實(shí)施例中，笫一像素系列50(1) ~50(4)和第二像素系列 52(1) -52(4)彼此相鄰，且第二像素系列52(1)~52(4)從第一像素 系列50(1) ~50(4)偏移一半像素節(jié)距。在其他實(shí)施例中，第一像素系 列50(1) ~50(4)和第二像素系列52(1) ~52(4)可以具有其他間隔布 置，且可以偏移不同的量或不同的節(jié)距。像素系列可以具有不同的像 素?cái)?shù)目。此外，盡管示出了兩個(gè)偏移的像素系列50(1) ~ 50(4)以及 52 (1) - 52 (4), CMOS成像器48可以具有其他配置，例如，單個(gè)的寸象 素系列或三個(gè)或更多的像素系列。如果包括多個(gè)像素系列，則所述像 素系列優(yōu)選地可以偏移像素系列的總數(shù)目的倒數(shù)，例如，如果存在三 個(gè)像素系列，則像素將彼此偏移三分之一；如果存在四個(gè)像素系列， 則像素將彼此偏移四分之一等?？梢允褂闷渌贾茫?，像素系列 偏移其他數(shù)量或一些像素系列不偏移。使用偏移的像素系列50(1) ~ 50(4)以及52(1) ~52(4)，第一系列的像素50(1) ~50(4)的輸出可以 與掃描運(yùn)動(dòng)同步地與第二系列的像素52(1) ~52(4)的輸出交錯(cuò)。和僅 具有單個(gè)像素系列的系統(tǒng)相比，交錯(cuò)輸出將增加系統(tǒng)40的分辨率，而 不增加系統(tǒng)或設(shè)備的總長(zhǎng)度，且并不顯著地增加成本，
CDS 64(1)和64(2)的輸出耦合到輸出驅(qū)動(dòng)器66，該輸出驅(qū)動(dòng)器 66耦合到輸出總線51,且每個(gè)放大器的輸出耦合到CDS 64 (1)和64 (2) 之一的輸入。FET 80和90的源極和漏極耦合到放大器62(2)的輸入。 在本實(shí)施例中，像素50(1)和50(2)共享相同的讀出節(jié)點(diǎn)100，該讀出 節(jié)點(diǎn)100耦合到FET 68的柵極之一，像素50(3)和50(4)共享相同的 讀出節(jié)點(diǎn)102，該讀出節(jié)點(diǎn)102耦合到FET 74的柵極之一，像素52(1) 和52(2)共享相同的讀出節(jié)點(diǎn)104，該讀出節(jié)點(diǎn)104耦合到FET 80的 柵極之一，且像素52(3)和52(4)共享相同的讀出節(jié)點(diǎn)106，該讀出節(jié) 點(diǎn)106耦合到FET 90的柵極。FET 70的漏極耦合到FET 68的另一柵 極且FET 70的源極耦合到〗象素50(1) ， FET 72的漏極耦合到FET 68 的相同柵極且FET 70的源極耦合到像素50(2) ， FET 76的漏極耦合到 FET 74的另一柵極且FET 76的源極耦合到像素50 (3) ， FET 78的漏 極耦合到FET 74的相同柵極且FET 78的源極耦合到像素50(4)， FET
82的漏極耦合到FET 80的另一柵極且FET 82的源極耦合到像素 52(1)， FET 84的漏極耦合到FET 80的另一柵極且FET 82的源極耦 合到像素52(1)， FET 84的漏極耦合到FET 8G的相同柵極且FET 84 的源極耦合到像素52(2)， FET 86的漏極耦合到FET 90的另一柵極且 FET 86的源極耦合到像素52(3), FET 88的漏極耦合到FET 86的相 同柵極且FET 88的源極耦合到像素5 0(4)。
地址解碼器54(1)耦合到FET 68的一個(gè)柵極和FET 74的一個(gè)柵 極，且地址解碼器54(2)耦合到FET 80的一個(gè)柵極和FET 90的一個(gè) 柵極。地址解碼器54(1)還耦合到FET 70、 72、 74和76的柵極，且 地址解碼器54(2)還耦合到FET 82、 84、 86和88的柵極。地址解碼 器54 (1)和54 (2)還耦合在一起并耦合到時(shí)鐘97和起始脈沖。復(fù)位偏 置56(1)耦合到FET 92的源極和FET 94的源極，且復(fù)位偏置56(2) 耦合到FET 96的源極和FET 98的源極。FET 92的漏極耦合到FET 70 的源極和FET 72的源極，F(xiàn)ET 94的漏極耦合到FET 76的源極和FET 78的源極，F(xiàn)ET 96的漏極耦合到FET 82的源極和FET 84的源極， 且FET 98的漏極耦合到FET 86的源極和FET 88的源極。復(fù)位選擇 58(1)耦合到FET 92的柵極和FET 94的柵極，且復(fù)位選擇58(2)耦合 到FET96的柵極和FET98的柵極。光門選擇60 (2)耦合到像素50(1) 和50(3)，且光門選擇60(1)耦合到像素50(2)和50(4)。光門選擇60(3) 耦合到像素52(1)和52(3)，且光門選擇60(4)耦合到像素52(2)和 52(4)。
圖像控制處理系統(tǒng)47耦合到并控制CMOS成像系統(tǒng)46中的復(fù)位選 擇58 (1)和58 (2)、地址解碼器54 (1)和54 (2)、光門選擇60 (1)和60 (2) 以及輸出驅(qū)動(dòng)器66，不過圖像控制處理系統(tǒng)47可以耦合到其他部件。 圖像控制處理系統(tǒng)47包括中央處理單元(CPU)或處理器或?qū)Ｓ眠壿嫛?存儲(chǔ)器以及收發(fā)器系統(tǒng)，它們分別通過總線系統(tǒng)或其他鏈路耦合在一 起，不過圖像控制處理系統(tǒng)47可以包括其他部件和布置。圖像控制處 理系統(tǒng)47中的處理器執(zhí)行用于圖像處理的一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)指令的程 序，例如，控制每個(gè)像素系列的積分時(shí)間以確保均勻的積分周期或?yàn)?不同的像素系列控制積分周期使其對(duì)于不同的顏色而有所不同，控制 像素系列組(例如像素行或列)之間的像素的分箱，以及控制何時(shí)及 系列中的哪個(gè)像素被跳過以增加分辨率，還可以包括其他指令，例如，
用于視頻功能、打印機(jī)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器控制、紙張供給控制、紙分選控制、 打印頭控制、用戶接口、傳真和調(diào)制解調(diào)器能力。
用于CPU或處理器或?qū)Ｓ眠壿嫷倪@些程序化指令存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器
中，不過一些或所有的這些程序化指令可以被存儲(chǔ)于并從其他位置處 的一個(gè)或更多的存儲(chǔ)器獲得。存儲(chǔ)器可使用各種不同類型的存儲(chǔ)器存
儲(chǔ)設(shè)備，例如，系統(tǒng)中的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)或只讀 存儲(chǔ)器(ROM),或軟盤、硬盤、CD ROM或可以磁性、光學(xué)讀取和/或 寫入的其他計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，或與處理器耦合的其他讀取和/寫入系 統(tǒng)。收發(fā)器系統(tǒng)用于圖像控制處理系統(tǒng)47和例如CM0S成像系統(tǒng)46的 其他系統(tǒng)之間的操作耦合和通信。可以使用各種不同種類的計(jì)算機(jī)接 口，例如紅外、USB、藍(lán)牙、811. XX、并口、 1394、照相機(jī)鏈接、DVI 或SMPTE 29X。在本特定實(shí)施例中，圖像處理功能位于如圖3所示的 圖像控制處理系統(tǒng)47中，它位于與CMOS成像系統(tǒng)46相同的CMOS芯 片上，不過可以使用其他的布置，例如，所有用于圖像處理的功能以 及例如桌面掃描器或MFP的其他功能包括在相同芯片上的CM0S成像器 48中，或包括在其他芯片上的與CMOS成像系統(tǒng)46分離的部件中，它 們?nèi)缓篑詈显谝黄稹?br>
功率監(jiān)控系統(tǒng)45耦合到CMOS成像系統(tǒng)46且位于CMOS芯片上， 不過功率監(jiān)控系統(tǒng)45可以是位于另一芯片上的部件且耦合到具有 CMOS成像系統(tǒng)46的芯片。功率監(jiān)控系統(tǒng)45監(jiān)控CMOS成像系統(tǒng)46以 檢測(cè)何時(shí)CM0S成像系統(tǒng)46不在使用，例如，不捕獲圖像或傳出圖像， 且然后，在不使用時(shí)關(guān)閉功耗以節(jié)省電能。
參考圖5，用在彩色掃描應(yīng)用中的CMOS成像系統(tǒng)110包括三個(gè) CMOS成像器112 (1) ~ 112 (3)，其中每個(gè)CMOS成像器112 (1) ~ 112 (3) 代表不同的色帶，不過可以使用其他布置，例如，具有其他數(shù)目的CMOS 成像器和/或使CM0S成像器代表相同色帶或具有單色成像器。CMOS成 像器112(1) ~112(3)還可以用于捕獲相同的色帶或可以是單色的。使 用多個(gè)CMOS成像器112(1) ~ 112(3),可以執(zhí)行其他操作，例如執(zhí)行 將來自CMOS成像器112(1) ~112(3)其中一個(gè)中的一個(gè)系列的像素的 信號(hào)，與來自CMOS成像器112(1) ~112(3)中另一個(gè)中的一個(gè)系列中 像素的信號(hào)的分箱。除了這里描述的，CMOS成像器112(1) ~112(3) 的結(jié)構(gòu)和操作與參考圖4描述的CMOS成像器46相同，因此這里不做
詳細(xì)描述。每個(gè)CMOS成像器112(1) ~ 112(3)具有一組像素系列 118(1) -118(2)、 120(1) ~12 0(2)以及122(1) ~122(2)，如圖6所示。
在本特定實(shí)施例中，CMOS成像器112(1) ~112(3)代表的色帶是紅 色、綠色和藍(lán)色，不過可以表示其他的色帶，例如，青色、品紅和黃 色。這些色帶可以是不可見帶，例如，UV或IR。濾色器置于用于特定 色帶的每個(gè)像素系列118(1) ~ 118(2) 、 120(1) ~ 120(2)以及 122 (1) - 122 (2)之上。在本特定實(shí)施例中，使用紅色、綠色和藍(lán)色濾 色器。
在本特定實(shí)施例中，圖像控制處理系統(tǒng)114與CMOS成像器 112(1) ~ 112(3)位于相同的芯片上，不過圖像控制處理系統(tǒng)114可以 位于耦合到CMOS成像器112 (1) ~ 112 (3)的單獨(dú)的部件上，如圖3的 實(shí)施例所示。圖像控制處理系統(tǒng)114的結(jié)構(gòu)和操作與參考圖3和圖4 所述的圖像控制處理系統(tǒng)47相同。圖像控制處理系統(tǒng)47用于控制CMOS 成像器112 (1) ~ 112 (3)的操作，包括每個(gè)CM0S成像器112 (1) ~ 112 (3) 的功能，例如控制每個(gè)像素系列的積分時(shí)間以確保均勻的積分周期， 或控制不同像素系列的積分時(shí)間使其為不同的顏色，控制像素系列(例 如像素行或列)組之間的像素的分箱，以及控制何時(shí)及系列中的哪個(gè) 像素被跳過以增加幀速率，還包括其他指令，例如用于視頻功能、打 印機(jī)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器控制、紙張供給控制、紙分選控制、打印頭控制、用 戶接口、傳真和調(diào)制解調(diào)器能力?？刂品e分周期、像素的分箱和跳過 像素的方法在Pace等的美國(guó)專利No. 6， 084， 229號(hào)中描述。CMOS成傳_ 系統(tǒng)110還包括輸入緩沖器116，輸入緩沖器116耦合到CMOS成像器 112 (1) ~ 12 (3)，并用于驅(qū)動(dòng)和控制CMOS成像器112 (1) ~ 112 (3)，該 CMOS成像器112 (1) ~ 112 (3)包括地址解碼器54 (1) ~ 54 (2)、復(fù)位控 制58(1) ~58(2)、 CDS電路64 (1) ~ 64 (2)、光門60(1) ~60(4)、時(shí) 鐘97和啟動(dòng)98、像素選擇66、系統(tǒng)的全局復(fù)位47、讀出節(jié)點(diǎn)復(fù)位100、 102、 104和106、像素跳過或像素分箱以及斷電模式以在不使用時(shí)無 功耗。
現(xiàn)在參考圖3和圖4描述用于捕獲圖像的系統(tǒng)40的操作。透鏡系 統(tǒng)44將被掃描或以其他方式捕獲的圖像42的縮小的圖像聚焦或引導(dǎo) 到CMOS成像系統(tǒng)46的CMOS成像器48中的像素系列50 (1) - 50 (4)和52(1) ~52(4)的至少一部分上，不過可以使用引導(dǎo)圖像42的其他 配置，例如引導(dǎo)圖像的實(shí)際大小的版本或放大的版本到CMOS成像器48 上。另外其他設(shè)備，例如，反射鏡可用于將圖像引導(dǎo)到CMOS成像器48上。
當(dāng)圖像42被引導(dǎo)到具有用于捕獲圖像的光敏元件的像素系列 50 (1) - 50 (4)和52(1) ~52(4)上時(shí)，像素50(1) ~50(4)和52(1) ~ 52(4)將依賴于由圖像控制處理系統(tǒng)47控制的光門選擇60(1) ~ 60(4) 的狀態(tài)，開始對(duì)縮小的圖像進(jìn)行積分。操作的讀出順序是捕獲像素 50(1) ~50(4)和52(1) ~52(4)上的圖像，通過復(fù)位控制58(1) ~ (2) 復(fù)位讀出節(jié)點(diǎn)IOO、 120、 104和106中的一個(gè)或多個(gè)，讀出CDS的復(fù) 位水平，并通過光門控制線60(1) ~ (4)傳輸共享的像素中一個(gè)或多個(gè) 到每個(gè)讀出節(jié)點(diǎn)。在本特定實(shí)施例中，當(dāng)光門選擇60(1) ~60(2)中一 個(gè)或多個(gè)偏置為一個(gè)電平例如0伏特時(shí)，像素的行不能積分或捕獲圖 像，例如文檔或其他掃描對(duì)象的圖像。當(dāng)光門選擇60(1) ~ 60(4)中一 個(gè)或多個(gè)偏置為另一個(gè)電壓例如3. 3伏特時(shí)，耦合到在3. 3伏特的光 門選擇60(1) ~ 60(4)的像素行可以積分和捕獲圖像。 一旦捕獲了圖 像，則一個(gè)到全部的光門選擇60(1) ~60(4)被偏置回第一電平，在該 實(shí)例中該第一電平為0伏特。光門選擇60(1) ~60(4)的操作與讀出節(jié) 點(diǎn)100、 102、 104和106協(xié)同工作。讀出節(jié)點(diǎn)100的操作與FET 70 和72的地址解碼器選擇以及FET 92的復(fù)位相關(guān)聯(lián)。在圖4中示出的 是共享相同讀出節(jié)點(diǎn)100的兩個(gè)像素，它僅作為實(shí)例示出。共享相同 讀出節(jié)點(diǎn)的像素的數(shù)目可以從一個(gè)到多個(gè)不等。共享相同讀出節(jié)點(diǎn)的 像素越多，需要越多的光門控制60(X)線，這增加了計(jì)時(shí)復(fù)雜度。這可 以通過在像素和讀出節(jié)點(diǎn)之間使用中間存儲(chǔ)來克服，但是這種中間存 儲(chǔ)增加了像素結(jié)構(gòu)復(fù)雜度。達(dá)成這點(diǎn)的像素結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)例在圖7中 示出，且包括光門和存儲(chǔ)門。接著，具有從被掃描的文檔捕獲的信號(hào) 的像素被傳遞到讀出節(jié)點(diǎn)用于讀取。光門控制線60(1) ~60(4)和相關(guān) 讀出節(jié)點(diǎn)100、102、104和106確定哪個(gè)像素50(1) ~ 50 (4)和52 (1) ~ 52(4)被選擇以用于讀取。對(duì)于光門控制60(2)，讀出節(jié)點(diǎn)是100和 102，且被讀取的像素分別是50(1)和50(3)。對(duì)于光門控制線60(1) ~ (4)中的每一個(gè)，所有的像素信號(hào)被并行地傳輸，且因此來自地址解碼 器54(1) ~54(2)且與每個(gè)光門控制60(1) ~ (4)相關(guān)的像素選擇線必須在相同的時(shí)刻由地址解碼器54(1)或54(2)導(dǎo)通。因此，對(duì)于光門控 制60(2)，讀出節(jié)點(diǎn)是100和102，且讀取的像素是50(1)和50(3)， 且傳輸FET 70和76必須被地址解碼器54(1)并行選擇。光門控制信 號(hào)60(2)被驅(qū)動(dòng)為零以傳輸像素50(1)和50(3)上的電荷到讀出節(jié)點(diǎn) 100和102。然后，傳輸FET 70和76;故地址解碼器54(1)關(guān)斷，且對(duì) 于該實(shí)例，光門控制60(1)可以被重新偏置到3. 3伏特，并且耗盡像 素50(1)和50(3)下的硅以開始用于積分下一幀的積分?，F(xiàn)在與光門控 制60(2)相關(guān)的所有像素將像素信息隔離(shutter)到讀出節(jié)點(diǎn)100 和102上。接著，如Pace等的美國(guó)專利No. 6， 084， 229所述，通過運(yùn) 算放大器62(1)選擇用于輸出到CDS電路64(1)的FET 68的控制柵 極，地址解碼器選擇哪個(gè)讀出節(jié)點(diǎn)100和102被讀取，且然后如有需 要，序列中的下一像素被選擇FET 74的控制柵極的地址解碼器54(1) 選擇以用于讀取，且讀出節(jié)點(diǎn)102再次被運(yùn)算放大器62(1)讀取。
通過地址解碼器54(1)選擇傳輸FET 72和78然后光門控制信號(hào) 60(1)被驅(qū)動(dòng)到零，在由復(fù)位控制58(1)復(fù)位之后，對(duì)于被傳輸?shù)阶x出 節(jié)點(diǎn)100和102上的像素50 (2)和50(4)，這種處理再次重復(fù)。傳輸控 制FET 72和78通過地址解碼器54(1)關(guān)斷以隔離(shutter)信號(hào)。 通過導(dǎo)通FET 68的控制柵極，讀出節(jié)點(diǎn)IOO和102被地址解碼器54 (1) 選擇用于讀取，從而通過運(yùn)算放大器62(1)和CDS電路64(1)輸出像 素，且FET 68的控制柵極再次關(guān)斷。通過地址解碼器54 ( 1 )導(dǎo)通FET 74的控制柵選擇期望的下一像素用于讀取，以通過運(yùn)算放大器62 ( 1 ) 和CDS電路64 ( 1 )輸出該像素，F(xiàn)ET 74的控制柵再次關(guān)斷。如有需 要，光門控制60(1)重新偏置到3. 3伏特以開始下一積分周期。
通過地址解碼器54 (2)選擇傳輸FET 82和86，在由復(fù)位控制58 (2) 復(fù)位之后，對(duì)于被傳輸?shù)阶x出節(jié)點(diǎn)104和106的像素52(1)和52(3)， 這種處理過程再次重復(fù)，然后光門控制信號(hào)60(3)被驅(qū)動(dòng)到零。傳輸控 制FET 82和86被地址解碼器54 (2)關(guān)斷以隔離信號(hào)。通過導(dǎo)通FET 8 0 的控制柵極，讀出節(jié)點(diǎn)104和106被地址解碼器54(2)選擇以用于讀 取，從而通過運(yùn)算放大器62(2)和CDS電路64(2)輸出像素，且FET80 的控制柵極再次關(guān)斷。通過地址解碼器54(2)導(dǎo)通FET 90的控制柵極 選擇所需的下一像素以用于讀取，從而通過運(yùn)算放大器62 (2)和CDS 電路64(2)輸出像素，且FET 90的控制柵極再次關(guān)斷。如有需要，光
門控制60(3)被重新偏置到3. 3伏特以開始下一積分周期。
通過地址解碼器54 (2)選擇傳輸FET 84和88，在由復(fù)位控制58 (2) 復(fù)位之后，對(duì)于被傳輸?shù)阶x出節(jié)點(diǎn)104和106的像素52(2)和52(4), 這種處理過程再次重復(fù)，然后光門控制信號(hào)60(4)被驅(qū)動(dòng)到零。傳輸控 制FET 84和88由地址解碼器54 (2)關(guān)斷以隔離信號(hào)。通過導(dǎo)通FET 80 的控制柵極，讀出節(jié)點(diǎn)104和106被地址解碼器54(2)選擇用于讀取， 從而通過運(yùn)算放大器62(2)和CDS電路64(2)輸出像素，且FET 80的 控制柵極再次關(guān)斷。通過地址解碼器54(2)導(dǎo)通FET 90的控制柵極選 擇所需的下一像素以用于讀取，從而通過運(yùn)算放大器62(2)和CDS電 路64(2)輸出該像素，且FET 90的控制柵極再次關(guān)斷。如有需要，光 門控制60(4)被重新偏置到3. 3伏特以開始下一積分周期。
通常像素系列的光門控制信號(hào)都被同時(shí)重新偏置為3.3伏特以具 有一致的積分時(shí)間。通過同時(shí)傳輸共享的讀出節(jié)點(diǎn)的像素，像素50(1) 和50(2)、 50(3)和50(4)， 52(1)和52(2)，以及52 (3)和52 (4)之間 共享的讀出節(jié)點(diǎn)100、 102 、 104以及106分別允許系列中相鄰像素5 0(1) 和50(2)、 50(3)和50(4)、 52(1)和52(2)、以及52 (3)和52 (4)凈皮一 起分箱。這在本實(shí)例中在地址解碼器54 (1)同時(shí)選擇傳輸FET 70和72 且光門控制60(1)和60(2)同時(shí)操作時(shí)完成。連接到光門控制信號(hào)60(1) 和60(2)的所有的像素50(1) ~50(4)將被同時(shí)傳輸且所有傳輸門需要 被同時(shí)選擇。否則，讀出節(jié)點(diǎn)復(fù)位、傳輸和讀取與前面描述的相同。 如有需要， 一個(gè)或多個(gè)像素50(1) ~50(4)以及52(1) ~52(4)可以被 地址解碼器或移位寄存器54(1)和54(2)跳過；同時(shí)維持最大讀取速度 以得到更高幀速率。而且通過利用Pace等的美國(guó)專利No. 6， 084， 229 的放大器配置，舉例來說，地址解碼器54(1)和5"2)可以同時(shí)選擇像 素系列5 0(1) ~ 50(4)和52 (1) ~ 52 (4)的多個(gè)讀出節(jié)點(diǎn)100、 102、 104 和106，因?yàn)樗x讀出節(jié)點(diǎn)上的最黑的信號(hào)是將主導(dǎo)運(yùn)算放大器62(1) 輸出的信號(hào)。該最黑的信號(hào)是對(duì)于所選讀出節(jié)點(diǎn)具有最高水平的信號(hào) 并且是這樣的讀出節(jié)點(diǎn)，該讀出節(jié)點(diǎn)將飽和以完成Pace等的美國(guó)專利 No. 6， 084， 229的運(yùn)算放大器，對(duì)于圖4所示的NFET。在選擇多個(gè)讀出 節(jié)點(diǎn)時(shí)選擇最黑像素的這種方法被稱為"自動(dòng)黑色分箱"。如果讀出FET 68、 74、 80和90是PFET而不是如圖4所示的NFET，可以以相同的方 式選擇最白的像素，且在這種情況下稱為"自動(dòng)白色分箱"。在掃描應(yīng)
用中紙通常是白色且被成像的文本是黑色的。像素50(1)~50(4)和 52(1) ~ 52(4)被讀取的順序可以從移位寄存器或隨機(jī)地址解碼器 54(1)和54(2)以及多少像素系列被像素選擇和輸出驅(qū)動(dòng)器66多路復(fù) 用或交錯(cuò)(interleave)以預(yù)定順序發(fā)生?？赡苄枰~外的控制線來 改變到像素順序，且這種實(shí)施對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見 的，并由此在此處沒有示出。不過，隔離操作在讀出節(jié)點(diǎn)100、 102、 104和106內(nèi)分箱所有像素50(1)和50(2)、 50(3)和50(4)、 52(1) 和52(2)、 52(3)和52(4)時(shí)完成，當(dāng)單獨(dú)讀取共享讀出的像素時(shí)將出 現(xiàn)潛在的問題。當(dāng)共享的讀出節(jié)點(diǎn)的像素在在不同的時(shí)間傳輸電荷的 光門控制信號(hào)之間具有延遲時(shí)將出現(xiàn)問題，導(dǎo)致相同系列的像素具有 略微不同的積分時(shí)間。該問題的一種解決方法是如圖7所示在每個(gè)像 素中具有存儲(chǔ)位置(storage site)。
來自放大器62(1)和62(2)的輸出的信號(hào)被供給到CDS 64 (1)和 64(2)，且CDS 64 (l)和64(2)的輸出^皮耦合到輸出驅(qū)動(dòng)器66，在該實(shí) 例中，輸出驅(qū)動(dòng)器66向輸出總線51輸出信號(hào)。因此，使用本發(fā)明， 來自CMOS成像系統(tǒng)46中的CMOS成像器48中的像素50(1) ~ 50(4) 和52 (1) ~ 52 (4)的信號(hào)以任意所需的順序被獨(dú)立地選擇并耦合到輸出 51。例如，來自50(1) ~50(4)和52(1) ~52(4)的信號(hào)可以交錯(cuò)以增 加分辨率而基本不增加成像系統(tǒng)46的長(zhǎng)度或大小或如果像素50(1) ~ 50(4)和52(1) ~ 52(4)上的一些信號(hào)被選擇而另一些被跳過，可以增 加幀速率，但是得到的圖像的分辨率較低。
現(xiàn)在將參考圖3、5和6描述使用具有CMOS成像器112(1) ~112(3) 的CMOS成像系統(tǒng)110代替CMOS成像系統(tǒng)46來捕獲圖像的系統(tǒng)40的 操作。除了這里描述的，圖5中的每個(gè)CMOS成像器112(1) ~112(3) 的操作與圖4中的CM0S成像器48相同。使用該系統(tǒng)，透鏡系統(tǒng)44將 被掃描或或以其他方式捕獲的圖像42的縮小的圖像聚焦或引導(dǎo)到 CMOS成像系統(tǒng)110中的CMOS成像器112(1) ~ 112(3)中的像素系列 118(1) -118(2)， 120(1) ~ 120(2)和122 (1) ~ 122 (2)上，不過同樣 可以使用引導(dǎo)圖像的其他配置，例如引導(dǎo)圖像的實(shí)際大小的版本或放 大的版本到CMOS成像器112(1) ~ 112(3)上。另外其他設(shè)備，例如， 反射鏡可用于引導(dǎo)圖像到CMOS成像器112(1) ~112(3)上。
在本特定實(shí)施例中，不同的濾光器位于CMOS成像器112(1) ~112(3)中每組像素系列118(1) ~ 118(2) ， 120(1) ~ 120(2)和 122(1) ~ 122(2)上，且濾光器為CMOS成像器112(1)中的像素系列 118(1) ~ 118(2)過濾出紅色，為CMOS成像器112(2)的像素系列 120(1) ~ 120(2)過濾出綠色，且為CMOS成像器112(3)的像素系列 122(1) ~ 122 (2)過濾出藍(lán)色，不過CMOS成像器112(1) ~112(3)每一 個(gè)可以被過濾以捕獲其他信息或可以是單色的。用于捕獲和處理來自 CMOS成像器112(1) ~ 112(3)的每個(gè)像素系列118(1) ~ 118(2)， 120 (1) - 120 (2)和122(1) ~ 122(2)的信號(hào)的過程與上述圖4中的 CM0S成像器48中的像素系列50(1) ~50(4)和52(1) ~52(4)相同。
對(duì)于具有三個(gè)CMOS成像器112(1) ~112(3)的CMOS成4象系統(tǒng) 110，每個(gè)CMOS成像器112(1) ~ 112(3)中每個(gè)像素系列118(1) ~ 118(2)， 120(1) ~120(2)和122(1) ~ 122 (2)的積分時(shí)間對(duì)于不同色 帶可以被獨(dú)立地控制。由于對(duì)每個(gè)CMOS成像器~112(3)的積 分時(shí)間獨(dú)立控制，對(duì)于來自光源的相應(yīng)色帶，每個(gè)CMOS成像器 112(1) ~112(3)可以接收不同數(shù)量的光。如果每種顏色被允許積分略 微不同的時(shí)間量，則在積分周期中可以獲得顏色平衡，而不是通過圖 像處理器的后處理。這簡(jiǎn)化了掃描或成像操作并改善了三個(gè)顏色通道 的信噪平衡。可選地，黑色參考像素系列或少量黑色參考像素被添加 到CMOS成像器112(1) -112(3)中的每個(gè)像素系列118(1) -118(2)、 120(1) -120(2)和122(1) ~122(2)。另一選擇是添加單色像素系列到 CMOS成4象器112(1) ~112(3)作為參考以幫助藝術(shù)線條和僅文本的掃 描應(yīng)用。
對(duì)于具有三個(gè)CMOS成像器112(1) ~112(3)的CMOS成像系統(tǒng) 110，也可以實(shí)施其他方法。例如，來自不同CM0S成像器112(1) -112(3) 的像素的信號(hào)可以被分箱以在輸出之前將信號(hào)組合在一起。分箱在較 高的幀速率下提供較低的分辨率。分箱通常定義為來自像素的相鄰信 號(hào)或數(shù)據(jù)的總和且通過傳輸多于一個(gè)來自像素的信號(hào)到相同節(jié)點(diǎn)(例 如輸出總線51)來完成。
系列50 (1) ~ 50 (4)和52 (2) ~ 52 (4)中像素的備選像素結(jié)構(gòu)如圖7 所示。對(duì)于該實(shí)例，圖4的所有其他電路方面保持相同。除了下面描 述的，所有定時(shí)保持與原先描述的相同。如圖4所示的用于像素系列 60(1) ~ 60(4)的光門控制保持相同且示出了來自這些光門60(1) ~ (4)其中之一的連接作為到用于存儲(chǔ)門的FET l38的輸入。在傳輸光生電 荷到讀出節(jié)點(diǎn)IOO、 102、 104和106之前，在本實(shí)例中，存在兩個(gè)額 外的必須首先發(fā)生的定時(shí)步驟，且添加兩個(gè)額外的FET 136和138以 確保系列中所有像素的均勻積分。在像素50(1)~50(4)和52(1)~ 52(4)(例如代表像素50(1) ~ 50 (4)和52(1) ~ 52 (4)其中之一的像素 相鄰FET 134)已經(jīng)對(duì)信號(hào)積分所需時(shí)間段之后，通過選擇FET 136 的柵極和偏置在FET 138下的存儲(chǔ)門到3. 3伏特(對(duì)于本實(shí)例)，所有 像素50 (1) - 50 (4)和52(1) ~52(4)通過TX1傳輸光生電荷，并通過 偏置光門134到0伏特來關(guān)斷光門134并關(guān)斷TX1?，F(xiàn)在FET 138之 下的存儲(chǔ)門代替光門控制60(1) ~ (4)其中之一，且定時(shí)與原先描述的 相同。在本實(shí)例中，通過重新偏置光門134到3. 3伏特，像素積分可 以立即重新開始。圖7的布置允許所有像素的均勻積分以及對(duì)以任意 所需順序進(jìn)行的像素分箱、跳過和允許"自動(dòng)黑色分箱"或"自動(dòng)白 色分箱"的完全控制。
現(xiàn)在參考圖8，掃描系統(tǒng)140包括聚焦系統(tǒng)142，例如透鏡組，它 可以是縮小、放大或等大系統(tǒng)，它在CMOS成像系統(tǒng)146上形成被掃描 的文檔144的圖像。成像系統(tǒng)146由一系列端到端對(duì)接的CMOS成像器 146(1) 146(N)形成。這些成像器146(1) ~ 146 (N)其中每一個(gè)采用一 個(gè)或多個(gè)交錯(cuò)像素系列，所述系列例如是像素的行或列，并包括與Pace 等的美國(guó)專利序No. 6， 084， 229教導(dǎo)的有源列傳感器(ACS )相關(guān)聯(lián)的 其他控制電路、定時(shí)電路和地址解碼器。這些成像器每一個(gè)具有用于 每個(gè)像素系列(或像素系列對(duì))的一對(duì)內(nèi)部視頻連接，以在傳感器通 過導(dǎo)線連接時(shí)完成用于內(nèi)部(多)行和(多)列的分布式放大器。通 過將源極和漏極線并聯(lián)連接到其他成像器的其他源極或漏極線而形成 單個(gè)有效系統(tǒng)，只需要使用這些成像器中的單個(gè)成像器上的(多個(gè)) 放大器。通過并聯(lián)地連接源極和漏極線，當(dāng)被尋址時(shí)，系列中的所有 像素將只完成一個(gè)放大器，最小化了成像器之間的偏移且所有像素將 具有相同的線性度，就像只有一個(gè)運(yùn)算放大器一樣。這里示出了視頻 信號(hào)導(dǎo)線或跳線148用于將各個(gè)成像器146 (1) ~ 146 (N)的源極和漏極 導(dǎo)線彼此連接。
如圖8A中更詳細(xì)示出的，在本實(shí)施例中，在每個(gè)成像器146(1) ~ 146(N)中，存在一組150三對(duì)交錯(cuò)或偏移的像素系列，例如，用于彩
色掃描的紅色、藍(lán)色和綠色系列，這里僅示出了端部成像器146(N)。 每個(gè)這種成像器還具有沿著一側(cè)延伸的控制和使能電路l52，以及與每 個(gè)像素系列相關(guān)聯(lián)或在某些實(shí)施例中與每對(duì)像素系列相關(guān)聯(lián)的相應(yīng)的 視頻輸出放大器160、 162和164。如前所述，考慮ACS成像器設(shè)計(jì)， 放大器160、 162和164每個(gè)將其輸入連接到源極和漏極導(dǎo)線對(duì)154或 相應(yīng)像素系列。在這種情況下，跳線(jumper) "8將這些導(dǎo)線154 從一個(gè)芯片鏈接到下一個(gè)，且采用僅來自該單個(gè)成像器146(N)的輸出 放大器160、 162和164來傳送視頻輸出信號(hào)到下一級(jí)。
圖9示出了簡(jiǎn)單的單色布置以演示鄰接的成像器IC 146(1) ~ 146(N)的連接原理。這里，示出了一個(gè)成像器146(1)鄰接第二成像器 146(2)，跳線或?qū)щ娨€148將源極和漏極導(dǎo)線S、 D從一個(gè)成像器連 接到下一個(gè)。這里示出了一個(gè)像素系列150(1),像素系列150(1)的各 個(gè)像素從第二像素系列150(2)偏移半個(gè)節(jié)距，不過在其他應(yīng)用中可以 采用其他偏移。每個(gè)像素具有輸出FET 151，該FET的柵極耦合到該 像素的光傳感器P，且其源極和漏極電極分別耦合到導(dǎo)線S、 D。這里 忽略了定時(shí)和控制電路以及其他輔助電路以避免繪圖的混亂，但是應(yīng) 當(dāng)理解它存在于實(shí)際的實(shí)施例中。與如前所述的其他實(shí)施例一樣，控 制電路可以在一個(gè)或多個(gè)像素系列中實(shí)現(xiàn)像素讀取的選擇性跳過，這
允許對(duì)分辨率和幀速率的控制。
這些成像器中的第N個(gè)146 (N)的輸出放大器160、 162的輸入 與該成像器146 (N)的源極和漏極導(dǎo)線耦合，這些導(dǎo)線通過跳線148 耦合到其他成像器的相應(yīng)導(dǎo)線，且這些輸出放大器提供視頻輸出到下 一級(jí)。這里，如前面Pace等的美國(guó)專利No. 6， 084， 2"所述，可以包 括相關(guān)雙采樣器電路。輸出放大器160、 162每個(gè)被配置成平衡放大器， 該平衡放大器具有一個(gè)FET,當(dāng)順序讀出像素時(shí)，依次平衡每個(gè)相應(yīng)像 素的FET 151。每個(gè)輸出放大器160、 162還形成反饋電路，且這在上 述Pace等的美國(guó)專利6， 084， 229中描述。所有獨(dú)立成像器IC 146(1) ~ 14 6 (N)上的每個(gè)像素系列使用公共放大器，這避免了視頻輸出信號(hào)從 一個(gè)芯片到下一個(gè)的任何偏移。
現(xiàn)有技術(shù)基于CIS和CCD傳感器的系統(tǒng)在一個(gè)系列的像素之間或 在多個(gè)成像器之間缺少一個(gè)放大器的閉合回路或公共反饋。有源像素 傳感器(APS)典型地配置為具有附帶的增益變化和偏移變化的源跟隨器，因?yàn)樵锤S器緩沖器是開環(huán)配置。
在示出了一個(gè)實(shí)際實(shí)施例的圖10中更詳細(xì)地示出了內(nèi)部源極和漏 極線。本視圖中，僅示意地示出了一個(gè)成像器146(N)的一部分。這里 像素串聯(lián)布置，示出了源極連接170(1) ~170(3)和漏極連接180(1) ~ 180(3)。源極連接和漏極連接是偏置線，當(dāng)被選擇時(shí)，將示出的所有 讀出節(jié)點(diǎn)(例如172和174)連接到FET 176，所述FET 176完成放 大器182(1) ~ 181 (3)。這是Pace等的美國(guó)專利6， 084， 229中描述的 ACS配置，可以引用作為參考。該成像器146(N)的源極和漏極連接與 所有其他成像器146 (1) ~ 146 (N-1)的相應(yīng)連接并聯(lián)地導(dǎo)線連接。通過 將圖像捕獲系統(tǒng)的每個(gè)傳感器的一個(gè)系列的所有像素連接到其他傳感 器的相應(yīng)系列的像素，所有并聯(lián)導(dǎo)線連接的像素將完成相同的放大 器，最小化困擾現(xiàn)有技術(shù)的偏移變化和增益變化。每個(gè)緩沖器和放大 器具有其自己的增益和偏移；這樣，只要僅存在一個(gè)用于每個(gè)像素系 列的放大器，則增益和偏移變化被限制到該一個(gè)放大器的增益和偏移 變化。CMOS成像系統(tǒng)可以包括其他部件和布置。在本特定實(shí)施例中， 術(shù)語(yǔ)像素指光敏元件加上相關(guān)的像素控制電路，不過其他的布置也是 可能的，例如其中像素只包括光敏元件的布置。系統(tǒng)可以使用端到端 鄰接的成像器來配置以延伸可以捕獲的圖像的有效長(zhǎng)度。因?yàn)榘雽?dǎo)體 晶片制造限制和晶片產(chǎn)量問題，單個(gè)芯片系統(tǒng)的長(zhǎng)度是受限的，但是 通過端對(duì)端地對(duì)接成像器，可以克服這種產(chǎn)量和長(zhǎng)度的限制。系統(tǒng)可 以以相同的方式沿著寬度方向延伸，直到半導(dǎo)體晶片制造商的尺寸和 產(chǎn)量極限，并且這樣以與這里示出和描述相同的方式可以形成多個(gè)成 像器的二維系統(tǒng)。
如圖10所示，在彩色系統(tǒng)中，給定顏色(R、 G、 B)的像素被偏 移從而沿著給定的對(duì)角線軸對(duì)準(zhǔn)，且沿對(duì)角線對(duì)準(zhǔn)的像素被相應(yīng)的濾 色器190、 191、 192、 193等覆蓋。這種幾何結(jié)構(gòu)允許連續(xù)的帶狀濾光 器或條形濾光器彼此相鄰地鋪設(shè)以有利于制造。此外，這種布置具有 這樣的優(yōu)點(diǎn)像素僅沿著兩側(cè)的部分鄰接另一顏色的像素，這減小了 顏色串?dāng)_的發(fā)生。
而且，如圖10所示，在本特定實(shí)施例中，存在多個(gè)像素系列 184(1)、 184 (2)和184(3)，且這些像素系列彼此相鄰且相鄰像素系列 184(2)從第一像素系列184(1)偏移半個(gè)像素節(jié)距，不過像素系列184(1)和184(3)可以具有不同節(jié)距或偏移。笫一、第二和第三像素系 列184 (1) - 184 (3)可以具有其他間隔布置，不同像素系列可以偏移不 同的量，且每個(gè)像素系列可以具有多個(gè)串聯(lián)的像素。每個(gè)像素系列可 以通過不同的布置偏移，其中希望交疊和偏移像素系列以增強(qiáng)分辨率。
在像素以偏移配置布置且系統(tǒng)是彩色系統(tǒng)時(shí)，相關(guān)的濾色器可以 沿著系列布置，與像素系列正交布置，或者布置成矩陣(例如Bayer 矩陣)，如現(xiàn)有技術(shù)通常做的那樣。濾色器需要直接在像素上對(duì)準(zhǔn)以最 小化導(dǎo)致顏色不純的雜散光。這里，為了使濾色器沿著彼此偏移的像 素對(duì)準(zhǔn)，濾色器將實(shí)際上以一個(gè)角度定向。這產(chǎn)生了對(duì)角掃描布置， 由于偏移的像素和濾色器混淆現(xiàn)象的負(fù)面影響的減小(見Dr. Wi 11 iam E. Glenn， "A 1920X1080 60P System Compatible with 1920X1080 301 Format" ， SMPTE Journal, July/August 2002 )，這可以導(dǎo)致 分辨率的增加。
圖11示出了實(shí)際的成像器像素布局190，添加了用于說明目的功 能模塊。這里，布局190配置有對(duì)角濾色器蓋層。對(duì)角濾色器191、 192 和193每個(gè)布置成與濾色器下的像素設(shè)計(jì)相匹配的連續(xù)條。這里，每 個(gè)像素組194(1)包括一組控制晶體管196的一側(cè)上的一組紅色、綠色 和藍(lán)色像素194以及類似的位于控制晶體管196的相對(duì)一側(cè)上的一組 紅色、綠色和藍(lán)色像素195。像素區(qū)域布置在對(duì)角線上，且在像素控制 區(qū)域的兩個(gè)相對(duì)側(cè)上。奇數(shù)編號(hào)的列的像素組定義了它們之間的對(duì)角 區(qū)域，且偶數(shù)編號(hào)的像素組位于這些對(duì)角區(qū)域內(nèi)。整個(gè)組194(1)沿著 對(duì)角線布置，且相對(duì)于相同行中的相鄰組194(2)偏移1/2像素節(jié)距。 組194(1)本身對(duì)角地傾斜，使得連續(xù)的列的組對(duì)準(zhǔn)下面的下一行的像 素組，從而給定顏色的像素沿著相同的對(duì)角線布置。如此安置的濾色 器最小化顏色串?dāng)_，且和采用例如Bayer方法濾色器的矩陣類型濾光 器的成像器相比，明顯具有更好的顏色區(qū)分度。這種改進(jìn)的原因是最 小化了允許串?dāng)_的每個(gè)像素的外圍。通過以對(duì)角線放置濾光器和像 素，每個(gè)像素只有兩個(gè)邊與不同濾光器鄰接。與此對(duì)照，在Bayer系統(tǒng)中，每個(gè)像素在所有四個(gè)邊都與不同的濾色器相鄰。使用圖11所示 的對(duì)角條形濾色器，每個(gè)像素只有兩個(gè)邊與不同顏色的濾光器相鄰。 而且，如Boemler等的Publ. Appln. 2002-0175270和上面提及的
Glenn文章教導(dǎo)的，彩色對(duì)角采樣的分辨率優(yōu)勢(shì)得到維持。
在本布置中，像素組的連續(xù)列，即，194(1)、 194(2)、 194(3)等 具有紅色、綠色和藍(lán)色輸出線的組200 (1)、 200 (2)和200 (3)，它們 交替地輸入到位于成像區(qū)域的一側(cè)的第一顏色視頻總線201和位于相 對(duì)側(cè)的第二顏色視頻總線202 。示意性地示出了系列選擇邏輯電路 203，用于導(dǎo)通和門控各個(gè)像素系列，還示意性地示出了移位寄存器像 素選擇電路204，用于選擇相應(yīng)的像素以讀取到輸出總線。具有如圖所 示的像素布局的成像器可以被配置成線性成像器，用于掃描文檔或用 于其他掃描，或可以被配置成彩色或單色二維成像器，任意數(shù)目的像 素或像素組布置成任意期望數(shù)目的行或列。
盡管已經(jīng)參考特定優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，本發(fā)明當(dāng)然不限于 這些精確的實(shí)施例。而是，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言很多修改和變化 是明顯的而不偏離如所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明的范圍和精神。
權(quán)利要求
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中每個(gè)所述像素系列的像素布置 成在像素控制區(qū)域的兩側(cè)上沿對(duì)角線布置的像素對(duì)或像素區(qū)域，使得每 一個(gè)像素區(qū)域?qū)ρ貙?duì)角線延伸，定義該系列的連續(xù)像素區(qū)域?qū)χg的對(duì) 角區(qū)域，且其中另一像素系列的像素位于所述對(duì)角區(qū)域中。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述像素區(qū)域分割成紅色、藍(lán) 色和綠色光敏區(qū)，使得紅色、藍(lán)色和綠色光敏區(qū)沿對(duì)角線與像素區(qū)域的 相應(yīng)光敏區(qū)對(duì)準(zhǔn)，所述像素區(qū)域與所述像素控制區(qū)域相對(duì)布置，且其中 紅色、藍(lán)色和綠色濾光器布置為沿對(duì)角線延伸跨過相應(yīng)像素的光敏區(qū)的 帶狀濾光器。
7. —種CMOS成像系統(tǒng)，包括在成像區(qū)域上布置成行和列的像素陣列，列分成彼此交替的第 一和 第二列系列，使得每個(gè)系列的列的像素偏移其他系列的列的像素一預(yù)定每個(gè)所述列具有列放大器FET，所述FET具有源電極和漏電極；至少一對(duì)與第一列系列相關(guān)的導(dǎo)線，第一列系列的列放大器FET的 源電極和漏電極分別與其連接；至少一對(duì)與第二列系列相關(guān)的導(dǎo)線，第二列系列的列放大器FET的 源電極和漏電極分別與其連接；第一和第二輸出放大器，每一個(gè)包括耦合到相應(yīng)列系列的相應(yīng)對(duì)導(dǎo) 線的反饋路徑和附加的FET;以及耦合到所述成像器的像素的圖像控制電路。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的CMOS成像系統(tǒng)，其中第一列系列和第二 列系列的相應(yīng)像素沿對(duì)角線彼此偏移。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的CMOS成像系統(tǒng)，其中像素布置在像素區(qū) 域?qū)χ?，所述像素區(qū)域?qū)ρ貙?duì)角線布置在像素控制區(qū)域的兩側(cè)，使得每 一個(gè)像素區(qū)域?qū)ρ貙?duì)角線延伸，定義該系列的連續(xù)像素區(qū)域?qū)χg的對(duì) 角區(qū)域，且其中其他像素列系列的像素位于所述對(duì)角區(qū)域中。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的CM0S成像系統(tǒng)，其中所述像素區(qū)域分成 紅色、藍(lán)色和綠色光敏區(qū)，使得紅色、藍(lán)色和綠色光敏區(qū)沿對(duì)角線與相 對(duì)所述像素控制區(qū)域布置的像素區(qū)域的相應(yīng)光敏區(qū)對(duì)準(zhǔn)，并且還與其他列系列的沿對(duì)角線對(duì)準(zhǔn)的像素的相應(yīng)紅色、藍(lán)色和綠色光敏區(qū)對(duì)準(zhǔn)；且 其中紅色、藍(lán)色和綠色濾光器布置成沿對(duì)角線延伸跨過所述成像區(qū)域的 帶狀濾光器。
全文摘要
一種固態(tài)成像系統(tǒng)具有至少一個(gè)CMOS成像器，該CMOS成像器具有第一和第二像素系列，其中一個(gè)像素系列的像素相對(duì)于另一像素系列像素偏移，即，交錯(cuò)。多個(gè)成像器可以端對(duì)端布置成陣列，使用跳線連接每個(gè)像素輸出導(dǎo)線，使得像素輸入到每個(gè)系列的公共輸出放大器，以最小化芯片之間的偏移電壓。像素可以彼此沿對(duì)角線偏移，且可以被構(gòu)造彩色成像器，其中帶狀濾色器沿對(duì)角線布置在成像區(qū)域上。這種布置最小化了顏色的串?dāng)_。
文檔編號(hào)H04N1/03GK101204080SQ200680022482
公開日2008年6月18日 申請(qǐng)日期2006年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月21日
發(fā)明者J·J·扎諾夫斯基, K·V·卡里亞, M·喬納, T·潘寧 申請(qǐng)人:寬銀幕電影成像有限責(zé)任公司