專利名稱：單片彩色金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器及相鄰行讀出方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)圖像傳感器，尤其是具有兩條或更多讀出線新結(jié)構(gòu)、和高靈敏度隔行彩色新結(jié)構(gòu)的單芯片互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器。
集成電路技術(shù)已經(jīng)使許多領(lǐng)域發(fā)生了革命，諸如計(jì)算機(jī)、控制系統(tǒng)、通訊和圖像傳感。在圖像傳感領(lǐng)域中，電荷耦合器件(CCD)傳感器使得生產(chǎn)相對低成本和小型化的手持式攝像機(jī)成為可能。然而，圖像傳感所需要的固態(tài)CCD集成電路制造較為困難，因此成本高。此外，由于生產(chǎn)CCD集成電路和生產(chǎn)CMOS集成電路的工藝不同，圖像傳感器的信號處理部分，通常放在另一塊集成芯片上。因此，一個(gè)CCD圖像傳感器件至少包含兩塊集成電路一塊CCD傳感器和一塊信號處理邏輯電路。
E.R.Fossum在SPIE國際光學(xué)工程師會(huì)議文集1900卷，1993年，2-14頁中發(fā)表的“有源像素傳感器-CCD是恐龍嗎”一文中，討論了CCD技術(shù)的另一些缺點(diǎn)。正如該文中所提到的“盡管CCD由于其高靈敏度、高量子效率和像素點(diǎn)多成為當(dāng)前實(shí)現(xiàn)圖像傳感和光譜學(xué)儀器的首選技術(shù)，眾所周知，它也是一個(gè)相當(dāng)難掌握的技術(shù)。要求近乎完美的電荷轉(zhuǎn)移效率使得CCD成為(1)輻射敏感，(2)很難重復(fù)生產(chǎn)大的像素陣列，(3)與小型設(shè)備所需要的片上集成電子電路不兼容，(4)難于通過使用不同材料來擴(kuò)展光譜響應(yīng)范圍，(5)有限的讀出速度?！毕鄬τ贑CD集成電路來說，另一種更低成本的技術(shù)是金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)集成電路。使用MOS技術(shù)的圖像傳感器不僅生產(chǎn)成本比CCD圖像傳器低，而且在某些應(yīng)用中性能更好。例如MOS器件的像素可以做得更小，因此分辨率可以做得比CCD圖像傳感器更高。此外，所需的處理電路可以集成在圖像傳感電路的邊上，因此可以做出能夠完全獨(dú)立使用的單片集成圖像傳感器。
MOS圖像傳感器的例子在“采用CMOS工藝的1/4英寸250K像素帶放大MOS圖像傳感器”(Kawashima等，IEDM93-575.1993年)和“一個(gè)低噪聲線性放大MOS圖像傳感器件”(Ozaki等，IEEE電子器件通訊，38卷，第5號，1991年5月)中有詳細(xì)的介紹。此外Denyer的編號為5,345,266，標(biāo)題為“陣列圖像傳感器件”的美國專利，也描述了一個(gè)MOS圖像傳感器。此外，彩色圖像傳感的MOS實(shí)現(xiàn)方法也在下列文章中有介紹?！坝糜趩纹瑪z像機(jī)的另一種顏色過濾和處理方法”(Parulski,IEEE電子器件通訊，ED-32卷，第8號，1985年8月)和“減小混淆的單片彩色攝像機(jī)”(Imaide等，圖像傳感技術(shù)雜志12卷，第5號，1986年10月第258-260頁)。
在MOS固態(tài)彩色圖像傳感器中，通常使用互補(bǔ)顏色過濾圖案。像素陣列上覆蓋規(guī)則圖案的彩色過濾小塊，稱為彩色過濾圖案，就可以檢測顏色。過濾小塊可以直接做在傳感器上或做在透明襯底上再粘結(jié)在芯片上。彩色過濾圖案可以包含諸如紅(R)，綠(G)，藍(lán)(B)，黃(Ye)，青(Cy)，品紅(Mg)。彩色過濾圖案下面的像素只有遇到彩色過濾小塊所指定的顏色的光時(shí)，才輸出信號。因此，紅色信號可以從紅色過濾小塊下的像素獲得，藍(lán)色信號可以從藍(lán)色過濾小塊下的像素獲得，依此類推。
然而，一些圖像傳感器并不從過濾后的紅綠藍(lán)像素中獲得標(biāo)準(zhǔn)的紅綠藍(lán)信號，而是用其他顏色的組合來獲得。例如紅可以從公式R=(W+Ye)-(G+Gy)中獲得。經(jīng)過過濾的彩色像素是W=白，Ye=黃，G=綠，Cy=青。在這種情況下，被處理的四個(gè)像素信號來自四種傳感像素的2×2行的塊，而不是1×4行的塊。后者會(huì)對彩色圖像造成干擾。2×2塊對標(biāo)準(zhǔn)像素掃描方式來說是一個(gè)問題，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)掃描方式每只掃一行。而2×2塊的像素來自兩行。因此，系統(tǒng)無法在掃描的同時(shí)處理數(shù)據(jù)。它必須等到下一行掃描完才能獲得另一部分所需數(shù)據(jù)，因此必須以某種方法保存上一行數(shù)據(jù)直到獲得本行數(shù)據(jù)。
正如這種情況下彩色信號可以是2×2像素塊信號的組合一樣，與圖像相關(guān)的亮度信號，有時(shí)也是從兩行像素信號的組合獲得的。事實(shí)上，這是許多系統(tǒng)中色度信號的情況，即使是由R、G、B濾色塊直接獲得彩色的系統(tǒng)也是如此。因此，在這種系統(tǒng)中，需要有某種辦法同時(shí)獲得來自兩行的數(shù)據(jù)，以得到所需要的組合。在大多數(shù)以前的器件中，使用外部的延遲線(如CCD延遲線)來延遲一行。延遲線把前面一行的數(shù)據(jù)保存到掃描下一行，以提供所需的信息。
在圖像傳感器從CCD轉(zhuǎn)向MOS型的進(jìn)程中，人們找到了許多可以很容易地做在單個(gè)MOS芯片上的電路實(shí)現(xiàn)方式。從原有CCD技術(shù)延續(xù)下來的在MOS彩色圖像傳感器中使用外部延遲線的方法，很明顯需要使用MOS電路以外的元件(這些元件有時(shí)要放在另一個(gè)芯片上)，增加了實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。如果完成任務(wù)所需的芯片數(shù)或復(fù)雜元件數(shù)減少，功耗和成本都會(huì)減少，這是一個(gè)普遍的規(guī)律。本發(fā)明提出一個(gè)解決方案，可以在不用外部延遲線的前提下，同時(shí)提供來自兩行像素的數(shù)據(jù)，因而可以同MOS傳感器陣列集成在單一芯片上。
此外，以前MOS圖像傳感器用來產(chǎn)生彩色數(shù)據(jù)的彩色過濾圖案，通常并不是最佳的。任何顏色都可以看成紅綠藍(lán)三基色的組合。然而，正如目前所知道的那樣，人眼并不同等地對待三基色，人眼對三基色的依賴程度大約是0.6綠+O.3紅+0.1藍(lán)。因此，相對于人眼來說，綠是最重要的顏色，紅是次重要的顏色，藍(lán)是最不重要的顏色?；谶@種認(rèn)識，像素陣列應(yīng)該有一種沿著行的方向綠色的權(quán)重比紅色和藍(lán)色更大的彩色過濾圖案(亦稱彩色編碼方案)。以前的彩色編碼方案通過幾種方法，達(dá)到這個(gè)目的。
以前的技術(shù)表明，格子圖案比線條圖案更好。一種最常見的方案是用一種陣列，陣列中每隔一個(gè)像素是綠色的，其他的像素一半紅，一半藍(lán)。另一種圖案是由同等數(shù)量的青(Cy)，黃(Ye)，白(W)和綠(G)組成的格子。使用青，黃，綠色的一個(gè)值得注意的優(yōu)點(diǎn)是由于綠色是由黃色和青重疊實(shí)現(xiàn)的，僅需要兩次濾色膜掩膜制造工序，比RGB綠色膜所需要的三次要少。
本發(fā)明提出了一個(gè)新的使用綠、黃、青的彩色過濾圖案，該圖案對于靈敏度是最佳的。
本發(fā)明是一個(gè)具有新型兩行讀出結(jié)構(gòu)的單芯片彩色MOS圖像傳感器。該結(jié)構(gòu)可以在不使用外部延遲線器的前提下，允許從相鄰兩行像素中同時(shí)讀出行信號，以便得到相鄰兩行信號的組合。傳感器包含一個(gè)具有重疊因而也是改進(jìn)的彩色過濾圖案的像素陣列，一種兩行讀出的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有第一組存儲電容、選擇性也把像素陣列中第一行的信號放在第一組存儲電容上的第一組開關(guān)、第二組電容、選擇性地把像素陣列中與前面所指第一行相鄰的行的信號放在第二組存儲電容上的第二組開關(guān)、至少還有選擇性地把前面所指信號作為一組行信號、從存儲電容上讀出到輸出線的第三組和第四組開關(guān)。雙線讀出結(jié)構(gòu)可以重復(fù)，以獲得四行信號。讀出結(jié)構(gòu)的電容、MOS開關(guān)和放大器很容易作為MOS圖像傳感器的一部分，制造在同一個(gè)芯片上。而且，該器件由綠、黃和青組成的改進(jìn)的彩色過濾圖案，只需要要兩次濾色膜掩膜制造工序，是為優(yōu)化靈敏度而設(shè)計(jì)的。此外，由于使用了高靈敏度隔行彩色結(jié)構(gòu)，器件的整體靈敏度可以加倍。
借助于以下的詳細(xì)說明和附圖，可以更好地理解和解釋上述內(nèi)容以及本發(fā)明的許多附帶優(yōu)點(diǎn)。這些附圖是

圖1是按照本發(fā)明畫出的單片CMOS圖像傳感器框圖。
圖2是為了便于說明而按照本發(fā)明畫出的簡化的單列、兩行像素讀出結(jié)構(gòu)的原理圖。
圖3是解釋圖2中單列、兩行像素讀出結(jié)構(gòu)工作的時(shí)序圖。
圖4A是用在本發(fā)明中早先的彩色過濾圖案。
圖43是早先使用的另一種彩色過濾圖案。
圖4C是我們發(fā)明的彩色過濾圖案。
圖5A和圖5B是按照本發(fā)明畫出的六列、四通道讀出，逐行讀出結(jié)構(gòu)的原理圖。
圖6是解釋圖5B中讀出結(jié)構(gòu)工作的時(shí)序圖。
圖7A和圖7B是按照本發(fā)明畫出的六列、四通道讀出，隔行讀出結(jié)構(gòu)的原理圖。
圖8A是解釋圖7B讀出結(jié)構(gòu)在讀出偶數(shù)場時(shí)的工作時(shí)序圖。
圖8B是解釋圖7B讀出結(jié)構(gòu)在讀出奇數(shù)場時(shí)的工作時(shí)序圖。
圖9是解釋圖8A和圖8B在電視信號一楨時(shí)間里奇數(shù)和偶數(shù)場全部工作的時(shí)序圖。
圖10是按照本發(fā)明畫出的六列、兩通道讀出，逐行讀出結(jié)構(gòu)的原理圖。
圖11A是解釋圖10讀出結(jié)構(gòu)在讀出偶數(shù)場時(shí)的工作時(shí)序圖。
圖11B是解釋圖10讀出結(jié)構(gòu)在讀出奇數(shù)場時(shí)的工作時(shí)序圖。
圖12是按照本發(fā)明畫出的六列像素陣列原理圖，結(jié)合圖5B中的讀出結(jié)構(gòu)，說明高靈敏度隔行彩色結(jié)構(gòu)。
圖13A是解釋圖12讀出結(jié)構(gòu)在讀出偶數(shù)場時(shí)的工作時(shí)序圖。
圖13B是解釋圖12中讀出結(jié)構(gòu)在構(gòu)讀出奇數(shù)場時(shí)的工作時(shí)序圖。
圖1為單片CMOS圖像傳感器框圖，它包括一個(gè)圖像傳感器矩陣101。
圖像傳感器矩陣信號的檢出由圖1的外圍電路完成，并按標(biāo)準(zhǔn)的NTSC彩色制式輸出。這種彩色制式允許電路輸出信號按常規(guī)的方法傳輸和顯示。來自圖像傳感器矩陣101的信號由傳感器讀出結(jié)201來處理，該讀出結(jié)構(gòu)按照本發(fā)明構(gòu)成。后面將會(huì)說明，這種新的讀出結(jié)構(gòu)可同時(shí)讀出兩個(gè)不同行的像素信號，卻并不需要使用外部延遲線器件。其輸出信號線SIG1,SIG2,SIG3，和SIG4通過信號放大器305放大。該放大器的構(gòu)成參考Shyu等在1995年10月3日申請名稱為《改進(jìn)MOS圖像陣列電荷放大器及同類方法》、授權(quán)號為08/538,441的專利和在1996年3月18日申請同名、授權(quán)號為08/617,313的專利。
來自信號放大器305，放大后的信號線SIG1’,SIG2’,SIG3’，和SIG4’隨后進(jìn)入處理器307,307具有自動(dòng)增益控制和黑電平校正功能。黑電平校正功能是為去除無光照時(shí)的殘存信號而設(shè)計(jì)。目前認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)真正零電平，使后面信號處理得更好。自動(dòng)增益控制放大器(AGC)按照控制電平放大信號，以便做后續(xù)處理。
來自處理器307的信號線SIG”到SIG4”處理后進(jìn)入彩色矩陣309。彩色矩陣309按照矩陣公式，以不同的比例來組合信號，同時(shí)進(jìn)行伽瑪校正，以得出輸出彩色信號，例如綠(G’)，紅(R’)，藍(lán)(B’)，或亮度信號(Y’)。撇表示信號經(jīng)過了伽瑪校正。后面將會(huì)詳細(xì)說明，彩色輸出紅(R’)和藍(lán)(B’)信號可以從兩個(gè)信號線差的函數(shù)得出。亮度信號(Y’)可以從其它多路信號按不同比例組合的線性矩陣函數(shù)得出。處理亮度信號的處理器311從彩色矩陣309取信號Y’并輸出信號YH，還給出反饋信號到AEC檢測器317。YH信號是含有高頻成分的亮度信號。
從彩色矩陣309來的彩色信號G’,R’，和B’進(jìn)入色度信號處理器313，以產(chǎn)生信號-(R-Y)和-(B-Y)信號。通過用副載波正交調(diào)制這兩個(gè)顏色差信號產(chǎn)生色度信號。在另一些系統(tǒng)中，有時(shí)采用I(相位)和Q(正交)顏色差信號而不是(R-Y)和(B-Y)，盡管后者是消費(fèi)類攝像機(jī)中常用的。色度信號的相位和幅度表示色度和飽和度。
NTSC編碼器315接收由視頻時(shí)序發(fā)生器319來的控制時(shí)序信號“同步”和“消隱”，同時(shí)也接收控制信號FSC、“色度”和“色飽和度”。來自亮度信號處理器311的YH信號和來自色度信號處理器313中的顏色差信號-(R-Y),-(B-Y)，一起進(jìn)入NTSC編碼器315，并產(chǎn)生CVBS輸出信號(具有消隱和同步的全電視信號)和Y+C組合信號?；鶐Я炼刃盘?Y)對應(yīng)于圖像亮度而正交調(diào)制色度信號(C)對應(yīng)于圖像的彩色。
執(zhí)行亮度信號處理的處理器311，輸出一個(gè)反饋信號到AFC檢測器317。而317又輸出一個(gè)控制信號到執(zhí)行AEC和AGC控制的控制器321。眾所周知，AEC指的是自動(dòng)曝光控制。視頻時(shí)序發(fā)生器319輸出時(shí)序信號“采樣”和“預(yù)充”到陣列行控制器151相應(yīng)的采樣和預(yù)充部分，以控制圖像傳感器矩陣101的掃描。陣列行控制器151內(nèi)部也包括行驅(qū)動(dòng)部分。視頻時(shí)序發(fā)生器319同時(shí)也輸出一個(gè)時(shí)序信號到控制器321、該控制器執(zhí)行自動(dòng)曝光控制和自動(dòng)增益控制?？刂破?21則輸出控制信號到采樣定時(shí)計(jì)數(shù)器323和預(yù)充定時(shí)計(jì)數(shù)器325。而這兩個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器分別連接到陣列行控制器151的采樣部分和預(yù)充部分。圖像傳感器101被陣列行控制器151，行校正單元153和列校正單元155所控制。
如上所述，我們要求傳感器讀結(jié)構(gòu)201能從不同的兩行讀出兩個(gè)線信號，使得來自兩行的數(shù)據(jù)可以同時(shí)獲得，以便在合適的時(shí)間做處理。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，以前的技術(shù)是采用延時(shí)線。例如一行像素被掃描進(jìn)延時(shí)線，保持一段時(shí)間，直到第二行像素被掃描。這種方法的問題是延遲線經(jīng)常需放在MOS圖像傳感器的外面，而增加了芯片的數(shù)量和安裝在復(fù)雜性。因此，我們需要一種結(jié)構(gòu)，能與MOS傳感器陣列安裝在同一芯片上，而又能在指處理時(shí)間間隔里，從兩個(gè)不同的像素行獲取所需信號。
現(xiàn)在來看圖2，為了說明方便，按照本發(fā)明，畫出了簡化的單列、兩行傳感器像素讀出結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)說明了一種方法，用這種方法，本發(fā)明可以同時(shí)讀取來自不同兩行像素的信號線，因此能夠在指定的處理時(shí)間間隔里，獲得所需部分的信號。如下所示，用圖2的色能夠組成任意大的圖像傳感器矩陣。
傳感器讀取結(jié)構(gòu)201讀取像素傳感矩陣101，包括單個(gè)像素列103(標(biāo)為像素103A、103B、103C和103D)，它們分別由像素控制信號P1、P2、P3和P4控制。在彩色圖像傳感器中，每一個(gè)像素都覆蓋著彩色濾色塊。103A到103D的信號由信號放大器205依次放大。信號放大器205的構(gòu)成參照Shyu等在1995年10月3日申請名稱為《改進(jìn)MOS圖像陣列電荷放大器及同類方法》、授權(quán)號為08/538,441的專利和在1996年3月18日申請同名、授權(quán)號為08/617,313的專利。
被放大的像素信號暫存在電容C1,C2,C3和C4中，而這四個(gè)放大過的像素信號的放置由開關(guān)組SW1和SW2決定。開關(guān)SW1把信號放置在C1和C2上，而開關(guān)SW2把信號放置在C3和G4上。存儲在電容C1和C4上的像素信號由兩個(gè)開關(guān)組SW3和SW4傳輸?shù)叫盘柧€SIG1和SIG2上。開關(guān)組SW3把電容C1的信號放到信號線SIG1上，把電容C3的信號效到信號線SIG2上。開關(guān)組SW4把電容C2的信號放到信號線SIG1上，把電容C4的信號放到信號線SIG2上。信號SIG1和SIG2由信號放大器305進(jìn)一步放大為SIG1’和SIG2’信號。應(yīng)該注意的是，在首選實(shí)現(xiàn)方式中，使用電容來儲存被放大的像素信號，然而，可以理解為，任一種存儲單元都可以用來存儲信號。確實(shí)，多數(shù)類型的存貯單元，如DRAMSRAM幾EEPROM，都包括電容或類似電容的器件。因此，這里使用的“電容”這個(gè)術(shù)語，指的是可以用來存儲信號的任一種存儲單元。
在不同實(shí)現(xiàn)方式中，像素103A、103B、103C和103D既可以是無源像素也可以是有源像素。如果是無源像素，放大器205一般是一個(gè)電荷放大器，并且放大器305可能也是電荷放大器。如果像素103A、103B、103C和103D是有源像素，放大器205就會(huì)做成電壓緩沖器或電壓放大器，或者去掉整個(gè)電路。除此之外，如圖2所示，通過采樣緩沖器207把電容C1、C2、C3、C4與放大器305耦合起來。采樣緩沖器207的輸出是電壓而不是電荷，因此，允許放大器305為電壓放大器而不是電荷放大器。在不包含采樣緩沖器207的實(shí)現(xiàn)方式中，放大器305一般是是荷放大器。
圖2電路的目標(biāo)是將相鄰的兩行像素信號同時(shí)置入信號線SIG1和SIG2。例如，像素103A將首先與103B一起讀出，然后，103B將和103C一起讀出，最終，103C和103D一起讀出。這種同時(shí)讀取是通過把每個(gè)像素信號存到兩個(gè)電容上完成的。每個(gè)信號需要兩個(gè)電容，因?yàn)槊總€(gè)像素(每一列的第一和最后一個(gè)除外)要讀兩次。例如，像素103B與像素103A同時(shí)讀出，然后又和像素103C同時(shí)讀出。
圖2電路的操作由圖3的時(shí)序圖所示。如圖3所示，在時(shí)間段1的開始處，像素控制信號P1與開關(guān)組SW1同時(shí)變高，這樣使得來自像素103A的信號，被信號放大器205放大，存貯進(jìn)電容C1和C2中。因此來自像素103A的信號被儲存在兩個(gè)電容中，儲存在電容C1中的像素信號叫做103A’，儲存在電容C2中的像素信號叫做103A”。圖3是時(shí)序圖顯示了這些同時(shí)傳送的信號。實(shí)際的傳輸過程，由于電容的充、放電，有瞬態(tài)過程，圖中沒有畫出。在像素信號103A’和像素信號103A”存儲之后，輸出開關(guān)SW3設(shè)置為高電平，此時(shí)像素信號103A’從C1傳送到信號線SIG1。即使信號線SIG1和SIG2的時(shí)序圖顯示了在輸出開關(guān)SW2和SW4閉合后傳送到信號線的像素信號名字，但可認(rèn)為該命名的信號并不需要在時(shí)序圖表示出的全部時(shí)間段內(nèi)都保持在信號線上。如此表示只是為了說明方便。每個(gè)電容上的電荷看起來好像已傳送到每個(gè)信號線上。雖然在時(shí)間段1，信號線SIG2沒有放上信號，信號線SIG1和SIG2仍同時(shí)得到。
時(shí)間段2開始時(shí)，像素控制信號P2與開關(guān)組SW2同時(shí)變高。這使得來自像素103B的信號存到電容C3和C4上，這兩個(gè)存儲的信號分別叫做像素信號103B’和像素信號103B”。然后輸出開關(guān)組SW4置高電平，使存儲的像素信號103B”從電容C4傳到信號線SIG2上，同時(shí)在時(shí)間段1存儲的像素信號103A”從電容C2傳到信號線SIG1上。因此，在時(shí)間段2里SW4變高的時(shí)間點(diǎn)上，信號線SIG1和SIG2包含著分別來自相鄰行的像素103A和103B的信號，這正是系統(tǒng)的目標(biāo)。
時(shí)間段3開始時(shí)，像素控制信號P3與開關(guān)組SW1同時(shí)變高。這使得來自像素103C的信號存到電容C1和C2上，這兩個(gè)存儲的信號分別叫做像素信號103C’和像素信號103”。然后輸出開關(guān)組SW3置高電平，使存儲的像素信號103C”從電容C1傳到信號線SIG1上，同時(shí)在時(shí)間段2存儲的像素信號103B’從電容C3傳到信號線SIG1上。因此，在時(shí)間段3里SW4變高的時(shí)間點(diǎn)上，信號線SIG1和SIG2包含著分別來自相鄰行的像素103C和103B的信號，這正是系統(tǒng)的目標(biāo)。
在時(shí)間段4里，時(shí)間段2的過程重復(fù)出線。使得信號線SIG1和SIG2包含分別來自相鄰行像素103C和103D的信號，這正是系統(tǒng)的目標(biāo)。圖3的過程一直重復(fù)，直到像素矩陣所有行都處理完為止。
現(xiàn)在看圖4A，一個(gè)早先的彩色過濾圖案。這種彩色編碼方案是最常見的。一半的圖案是綠的(G)，另一半間隔著紅(R)和藍(lán)(B)。圖4A的彩色過濾圖案在本發(fā)明的首選實(shí)現(xiàn)方式中使用。圖4B顯示了另一種早先的彩色編碼方案，使用相等數(shù)量的青(Cy)，黃(Ye)，白(W)，和綠(G)，優(yōu)點(diǎn)是綠色是由黃和青重疊形成，僅需兩步濾光膜制造掩膜工序，而不像RGB過濾需要三步。在圖4中，紅(R)可由公式R=(W+Ye)-(G+Cy)得來(B)由公式B=(W+Cy)-(Ye+G)得來。
與之對照的是，圖4C出示了一種當(dāng)前發(fā)明的彩色編碼方案，它使用與圖4A當(dāng)前彩色編碼方案相同的綠色部分，但用黃(Y)和青(Cy)而不用紅(R)和藍(lán)(B)去填充剩余空間。同圖4B的當(dāng)前彩色編碼方案類似，在濾光膜制造掩膜工序方面，綠由黃和青疊加而成，因此，只需兩步掩膜工序。
另外，如果彩色濾光膜有理想的光譜特性，則黃可由紅和藍(lán)組成，同樣青可由綠和藍(lán)組成。圖4C中彩色編碼方案的優(yōu)選實(shí)現(xiàn)方式中使用的特定方程是Ye=Godd+αR(Ye是黃像素，Good是位于奇數(shù)行內(nèi)緊靠黃像素的綠像素，R是紅，α是常數(shù))和Cy=Geven+βB(Cy是青像素，Geven是位于偶數(shù)行緊靠青像素的綠像素，B是藍(lán)，β是常數(shù))和G=Godd/2+Geven/2，解第一個(gè)方程得出R=(Ye-Godd)/α，而解的第二個(gè)方程得出B=(Cy-Geven)/β。并且，考慮到空間頻率分量，使用的公式為對Y-通道-Fx=1/δx,Fy=1/δy和對G通道-Fx=1/2δx,Fy=1/2δy；δx是像素的寬度，δy是像素的長度。
參考圖5A和圖5B，按照本發(fā)明組成了包括六列四行103像素的一個(gè)六列二線逐行(累進(jìn)掃描)讀出結(jié)構(gòu)201。任何圖4A或圖4C或其他種的彩色編碼方案都可使用。如圖所示圖5A四像素方塊中的每一像素，被標(biāo)記成具有四彩色CLR1,CLR2,CLR3或CLR4之一。在圖4A的彩色編碼方案中，彩色CLR1t CLR4相同(綠)，圖4C的彩色編碼方案中，彩色CLR2和CLR3相同(綠)。
在圖5B顯示的實(shí)現(xiàn)形式中，雙線的讀取結(jié)構(gòu)重復(fù)使用，產(chǎn)生4根讀通道信號線。像素的第一列是像素103A到103D，第二列是像素103E到103H，依此類推，第六列是像素103U到103X。每一行像素有像素控制信號P1、P2、P3和P4分別控制。第一行的所有像素，包括像素103A、103E、103I、103M、103Q物103U，都由像素控制信號P1控制。類似地，第二、三、四行的像素，相應(yīng)地由像素控制信號P2、P3和P4控制。
來自列像素中每一個(gè)像素的信號，由六個(gè)放大器205輪流地放大。如前參照圖2所述，信號放大器205可以是電荷放大器或電壓放大器。像素可以是有源的或無源的，也可以在電容后面插入采樣緩沖器。被放大的像素暫存在24個(gè)電容C1-C24中，每列四個(gè)，第一列C1-C4，第二列C5-C8，依此類推到第六列，信號儲存在C21-C24中。放大的像素信號在24個(gè)電容中的放置由兩組開關(guān)SW1和SWZ控制。電容C1-C24中存儲的像素信號通過12組輸出開關(guān)傳到信號線SIG1、SIG2、SIG3和SIG4，每列兩個(gè)開關(guān)，第一列有開關(guān)組SW3、SW4，第二列有開關(guān)組SW5、SW6，依此類推到第六列，有開關(guān)組SW13，SW14。信號線SIG1和SIG2從第一第三和第五列接收輸出信號，信號線SIG3和SIG4從第二第四和第六列接收輸出信號。信號線SIG1到SIG4的信號由放大器305放大成為放大后的信號線SIG1’到SIG4’。
圖5A和圖5B的電路目標(biāo)是把來自相鄰行像素的信號，同時(shí)放置在一對信號線SIG1和SIG2或SIG3和SIG4上，以便做進(jìn)一步處理。例如，在時(shí)間段2(假時(shí)間段1用來存儲第一組值)，第一列的第一和第二個(gè)像素將同時(shí)讀出，然后，第二列的第一和第二像素也同時(shí)讀出，依此類推到第六列的第一和第二個(gè)像素也將被同時(shí)讀出。
參照圖5A和圖5B，更確切地說，從第一列起，在SIG1和SIG2上，像素103A將與103B同時(shí)分別在信號線SIG1和SIG2上被讀出。隨后，在第二列像素103E與像素103F同時(shí)分別在信號線SIG3和SIG4上被讀出。然后從第三列，像素103I和103J同時(shí)分別在信號線SIG1和SIG2上被讀出，依此類推到第六列，像素103U和103V同時(shí)在信號線SIG3和SIG4上被讀出。
在時(shí)間段3，每列的第二和第三個(gè)像素將以類似的方式同時(shí)讀出。隨后，在時(shí)間段4，每列的第三和第四像素也同時(shí)讀出。這些不同行的像素的同時(shí)讀取，是通過使用存儲電容C1到C24，在不同的時(shí)間段上把每個(gè)像素存的信號到兩個(gè)電容中實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)像素需要兩個(gè)電容(每列的第一和最后一個(gè)像素除外)是因?yàn)槊總€(gè)信號要讀兩次。例如，像素103B先與103A同時(shí)讀出，然后又與103C同時(shí)讀出。
圖5A和圖5B電路的操作由圖6的時(shí)序圖說明。如圖6所示，H-SYNC信號使處理電路的讀取時(shí)間同步。在時(shí)間段1的開始處，像素控制信號P1與開關(guān)組SW1同時(shí)變高，第一行像素的信號，包括像素103A、103E、103I、103M、103Q和103U由信號放大器205放大后存入兩組電容中。準(zhǔn)確地說，電容C1和C2存儲像素信號103A，電容C5和C6存儲像素信號103E，依此類推，直到電容C21和C22存儲像素信號103U。這樣，每個(gè)像素信號都存儲在兩個(gè)電容中，存儲的像素信號中，像素103A對應(yīng)的信號稱為存儲像素信號103A’和103A”，像素10E對應(yīng)的信號稱為存儲像素信號103E’和103E”，依此類推。
下一步，奇數(shù)號輸出開關(guān)SW3、SW5、SW7、SW9、SW11和SW13順序閉合，使電容C1、C5、C9、C13、C17和C21的信號輪流進(jìn)入信號線SIG1和SIG3。因此，每一行上的像素是順序讀出的。在本實(shí)現(xiàn)方式中，信號線SIG1上的信號來自電容C1、C9和C17，電容的信號又來自像素信號103A、130I和103Q，它們都是彩色CLR1像素。信號線SIG3上的信號來自電容C5、C13和C21，電容的信號又來自像素信號103E、103M和103U，它們都是彩色CLR3像素。因此，信號線SIG1接收第一行彩色CLR1信號而SIG3接收第一行彩色CLR3信號。
盡管時(shí)序圖上顯示，在輸出開關(guān)SW3和SW4閉合后傳送到信號線的像素信號名字(信號103A’簡寫為A’)，但命名的信號并不需要在時(shí)序圖所示的全部時(shí)間段內(nèi)都保持在信號線上，如此表示只是為了說明方便，每個(gè)電容上的電荷看起來好像傳送到每個(gè)信號線上。雖然在時(shí)間段1，信號線SIG2和SIG4沒有放上信號，信號線SIG1和SIG2,SIG3和SIG4仍同時(shí)得到。
在時(shí)間段2的開始處，像素控制信號P2與開關(guān)組SW2同時(shí)變高，第一行像素的信號，包括像素103B、103F、103J、103N、103R和103V由信號放大器205放大后存入兩組電容中。準(zhǔn)確地說，電容C3和C4存儲像素信號103B，電容C7和C8存儲像素信號103F，電容C11和C12存儲像素信號103J，依此類推，直到電容C23和C24存儲像素信號103V。這樣，每個(gè)像素信號都存儲在兩個(gè)電容中，存儲的像素信號中，像素103B對應(yīng)的信號稱為存儲像素信號103B’和103B”，像素103F對應(yīng)的信號稱為存儲像素信號103F’和103F”，依此類推。下一步，偶數(shù)號輸出開關(guān)SW4、SW6、SW8、SW10、SW12和SW14順序閉合，使電容C4、C8、C12、C116、C20和C24的信號輪流進(jìn)入信號線SIG2和SIG4。同時(shí)，時(shí)間段1內(nèi)存儲在電容C2、C6、C10、C14、C18和C22中中的信號，也輪流進(jìn)入信號線SIG1和SIG3。
信號線SIG1上的信號來自電容C2、10和C18在時(shí)間段1存儲的信號，這些信號又來自第一行的像素信號103A、103I和103Q，它們都是彩色CLR1像素。信號線SIG2上的信號來自電容C4、12和C20在時(shí)間段2存儲的信號，這些信號又來自第二行的像素信號103B、103J和103R，它們都是彩色CLR2像素。在時(shí)間段2里SW4、SW8和SW12閉合的時(shí)刻，信號線SIG1和SIG2相應(yīng)同時(shí)含有分別來自像素103A和103B的信號，然后是來自像素103I和103J的信號，然后是來自像素103Q和103R的信號。這種完全同時(shí)讀出第一行的CLR1像素和相鄰第二行CLR2像素，正是系統(tǒng)的目標(biāo)。
類似地，信號線SIG3上的信號與在輸出線SIG1和SIG2上同時(shí)出現(xiàn)的信號交替出現(xiàn)，來自電容C6、C14和C22在時(shí)間段1存儲的信號，這些信號又來自第一行的像素信號103E、130E和103U，它們都是彩色CLR3像素。信號線SIG4上的信號來自電容C8、C16和C24在時(shí)間段2存儲的信號，這些信號又來自第二行的像素信號103F、103N和103V，它們都是彩色CLR4像素。在時(shí)間段2里SW6、SW10和SW14閉合的時(shí)刻，信號線SIG3和SIG4相應(yīng)同時(shí)含有分別來自像素103E和103F的信號，然后是來自像素103M和103N的信號，然后是來自像素103U和103V的信號。這種完全同時(shí)讀出第一行的CIR3像素和相鄰第二行CLR4像素，正是系統(tǒng)的目標(biāo)。當(dāng)圖5A中的像素從左到右讀出時(shí)，時(shí)間段2的完整輸出是在信號線SIG1和SIG2上同時(shí)讀出條一行彩色CLR1像素和與之相鄰的第二行彩色CLR2信號。與之交替出現(xiàn)的還有，在信號線SIG3和SIG4上同時(shí)讀出第一行彩色CLR3像素和與之相鄰的第二行彩色CLR4信號。
在時(shí)間段3的開始處，像素控制信號P3與開關(guān)組SW1同時(shí)變高，第三行像素的信號，包括像素103C、103G、103K、103O、103S和103W(包括彩色CLR1像素和彩色CLR3像素)由信號放大器205放大后存入兩組電容中。準(zhǔn)確地說，電容C1和C2存儲像素信號103C，電容C5和C6存儲像素信號103G，依此類推，直到電容C21和C22存儲像素信號103W。這樣，每個(gè)像素信號都存儲在兩個(gè)電容中，存儲的像素信號中，像素103C對應(yīng)的信號稱為存儲像素信號103C”和103C”，像素103G對應(yīng)的信號稱為存儲像素信號103G’和103G”，依此類推。下一步，偶數(shù)號輸出開關(guān)SW3、SW5、SW7、SW9、SW11和SW13順序閉合，使電容C1、C5、C9、C13、C17和C21的信號輪流進(jìn)入信號線SIG1和SIG3。同時(shí)，時(shí)間段1內(nèi)存儲在電容C3、C7、C11、C15、C19和C23中的信號，也輪流進(jìn)入信號線SIG2和SIG4。
信號線SIG1上的信號來自電容C1、C9和C17在時(shí)間段1存儲的信號，這些信號又來自第一行的像素信號103C、103K和103S，它們都是彩色CLR1像素。信號線SIG2上的信號來自電容C3、C11和C19在時(shí)間段2存儲的信號，這些信號又來自第二行的像素信號103B、103J和103R，它們都是彩色CLR2像素。在時(shí)間段3里SW3、SW7和SW11閉合的時(shí)刻，信號線SIG1和SIG2相應(yīng)同時(shí)含有分別來自像素103C和103B的信號，然后是來自像素103K和103J的信號，然后是來自像素103S和103R的信號。這種完全同時(shí)讀出第一行的CLR1像素和相鄰第二行CLR2像素，正是系統(tǒng)的目標(biāo)。
類似地、信號線SIG3上的信號與在輸出線SIG1和SIG2上同時(shí)出現(xiàn)的信號交替出現(xiàn)，來自電容C5、C13和C21在時(shí)間段3存儲的信號，這些信號又來自第一行的像素信號103G、103O和103W，它們都是彩色CLR3像素。信號線SIG4上的信號來自電容C7、C15和C23在時(shí)間段2存儲的信號，這些信號又來自第二行的像素信號103F、103N和103V，它們都是彩色CLR4像素。在時(shí)間段2里SW5、SW9和SW13閉合的時(shí)刻，信號線SIG3和SIG4相慶同時(shí)含有分別來自像素103G和103F的信號，然后是來自像素103O和103N的信號，然后是來自像素103W和103V的信號。這種完全同時(shí)讀出第三行的CLR3像素和相鄰第二行CLR4像素，正是系統(tǒng)的目標(biāo)。當(dāng)圖5A中的像素從左到右讀出時(shí)，時(shí)間段3的完整輸出是在信號線SIG1和SIG2上同時(shí)讀出第三行彩色CLR1像素和與之相鄰的第二行彩色CLR2信號。與之交替出現(xiàn)的還有，在信號線SIG3和SIG4上同時(shí)訊出第三行彩色CLR3像素和與之相鄰的第二行彩色CLR4信號。
在時(shí)間段4(未畫處)，時(shí)間段2的過程重復(fù)出現(xiàn)，當(dāng)圖5A中的像素從左到右讀出時(shí)，使得在信號線SIG1和SIG2上同時(shí)讀出第三行彩色CLR1像素和與之相鄰的第四行彩色CLR2信號。與之交替出現(xiàn)的還有，在信號線SIG3和SIG4上同時(shí)讀出第三行彩色CLR3像素和與之相鄰的第四行彩色CLR4信號。
圖7A和圖7B說明本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式。圖7A與圖5A相似，不同的是新增加了第五行像素。下面圖8A、圖8B、圖11A和圖11B中的描述需要這一行。新的第五行像素從左到右標(biāo)記為像素103Y、103Z、103a、103b、103c和130d。如上面圖5A和圖5B所示，圖7B耦合到圖7A所示的像素陣列上，使得SIG1最終帶有彩色CLR1信號，使得SIG2最終帶有彩色CLR2信號，使得SIG3最終帶有彩色CLR3信號，使得SIG4最終帶有彩色CLR4信號。
圖7B電路可以看作一個(gè)隔行讀取結(jié)構(gòu)。隔行讀取結(jié)構(gòu)通常分別執(zhí)行偶數(shù)場和奇數(shù)場的讀取操作，這將在后面有更詳細(xì)的說明。圖7B和圖5B是相似的，然而圖7B中有兩個(gè)電容與6列像素陣列中每一列相關(guān)，而不是像圖5B中那樣，有4個(gè)電容。正如以前參照圖5B所描述的那樣，信號放大器205可以是電荷放大器也可以是電壓放大器，像素可以是有源的也可以是無源的，也可以在電容后面插入采樣緩沖器。為了便于說明，把偶數(shù)號電容去掉后仍維持圖5B中電容的編號方式。因此，第一列有電容C1和C3與之相關(guān)，第二列有電容C5和C7與之相關(guān)，依此類推直到第六列，有電容C21和C23與之相關(guān)。結(jié)果是，只需要耦合到奇數(shù)號電容的奇數(shù)號開關(guān)SW3、SW5、SW7、SW9、SW11和SW13，來切換來自電容的信號。正如圖5B所描述，信號線SIG1和SIG2接收來自第一、三、五列輸出，信號線SIG3和SIG4接收來自第二、四、六列的輸出。
圖7A和7B中讀出結(jié)構(gòu)的工作，可以用圖8A、圖8B和圖9所示的時(shí)序圖來說明。圖8A和圖8B與圖6有些相似，不同的是圖8A表示偶數(shù)場讀操作的時(shí)序圖。圖8B表示奇數(shù)場讀操作的時(shí)序圖。圖9表示圖8A和圖8B在電視一楨時(shí)序中的完整時(shí)序圖。
正如圖8A所示，H-SYNC信號使得處理電路的讀出時(shí)間同步。在時(shí)間段1的開始，像素控制信號P1與開關(guān)組SW1同時(shí)變高。這使得第一行像素的信號，包括像素103A、103E、103I、103M、103Q和103U，由信號放大器205放大并相應(yīng)地存儲到電容C1、C5、C9、C13、C17、和C21上。然后，像素控制信號P2與開關(guān)組SW2同時(shí)變高。這使得第二行像素的信號，包括像素103B、103F、103J、103N、103R和130V，由信號放大器205放大并相應(yīng)地存儲到電容C3、C7、C11、C15、C19和C23上。以后，輸出開關(guān)SW3、SW5、SW7、SW9、SW11和SW13順序閉合，使得存儲在電容上的相鄰像素的信號同時(shí)放到一對信號線SIG1和SIG2或SIG3和SIG4上。值得注意的是，信號線SIG1接收到全部SLR1彩色像素的信號(來自像素103A、103I和103Q)，信號線SIG2接收到全部CLR2彩色像素的信號(來自像素103B、103J和103R)，信號線SIG3也接收到全部CLR3彩色像素的信號(來自像素103E、103M和103V)。按照這種方式，在時(shí)間段1期間，第一行全部像素讀出到信號線SIG1和SIG3，第二行全部像素讀出到信號線SIG2和SIG4。在時(shí)間段2，與圖6所描述的類似，完成了同時(shí)讀出第一行像素和相鄰的第二行像素的系統(tǒng)功能。
如圖8A所示，時(shí)間段2重復(fù)著時(shí)間段1所發(fā)生的過程，不同的是在時(shí)間段2期間，像素控制信號P3與開關(guān)組SW1同時(shí)變高，以后像素控制信號P4與開關(guān)組SW2同時(shí)變高。這使得第三行和第四行像素的像素信號。以和時(shí)間段1中第一行和第二行像素相同的方式，存儲到電容上。開關(guān)SW3、SW5、SW7、SW9、SW11和SW13再順序閉合，使得第三行和第四行相鄰像素的信號，同時(shí)讀出到一對信號線SIG1和SIG2或SIG3和SIG4上。
圖8B所示的奇數(shù)場讀出操作時(shí)序圖與圖8A所示的偶場讀出時(shí)序圖是相似的。不同的是像素控制信號操作的順序不同。在時(shí)間段1期間，像素控制信號P3與開關(guān)組SW1同時(shí)變高，在此之后像素控制信號P2與開關(guān)組SW2時(shí)變高。開關(guān)SW3、SW5、SW7、SW9、SW11和SW13順序閉合。這使得像素陣列第三行和第四行相鄰像素的像素信號。同時(shí)讀出到一對信號線SIG1和SIG2或SIG3和SIG4上。
該過程在圖8B的時(shí)間段2重復(fù)發(fā)生。不同的是像素控制信號P5與開關(guān)組SW1同時(shí)變高，在此之后像素控制信號P4與開關(guān)組SW2同時(shí)變高。開關(guān)SW3、SW5、SW7、SW9、SW11和SW13順序閉合。這使得像素陣列第五行和第四行相鄰像素的像素信號，同時(shí)讀出到一對信號線SIG1和SIG2或SIG3和SIG4上。
圖9說明了由圖8A和圖8B配合組成得電視時(shí)序一楨的完整時(shí)序操作。在圖9的例子中，假設(shè)像素陣列大約有480行像素要被讀出，因此在偶數(shù)場或奇數(shù)場中各需要有240個(gè)時(shí)間段。如前所述，控制信號V-SYNC首先同步偶數(shù)場的讀出操作，然后同步奇數(shù)場的讀出操作。偶數(shù)場和奇數(shù)場組合成為電視時(shí)序的一楨。
如前所述，時(shí)序圖8A和8B中隔行結(jié)構(gòu)的讀出操作與時(shí)序圖6中逐行結(jié)構(gòu)的不同之處在于，圖8A和圖8B中每個(gè)像素信號只需要存儲一次，而圖6中每個(gè)像素信號需要存儲兩次，這是因?yàn)樵趫D6的逐行結(jié)構(gòu)中，每個(gè)像素先要和它前面一行相鄰的像素比較，然后在下一個(gè)時(shí)間段里再和它后面一行相鄰的像素比較。因此，行1首先和行2經(jīng)，然后行2再和行3比較，然后行3再和行4比較，依此類推。與此不同，在圖8A和圖8B的隔行讀出結(jié)構(gòu)中，在偶數(shù)場或奇數(shù)場讀出時(shí)，每一個(gè)像素只需要同相鄰的像素比較。也就是說，在偶數(shù)場中，行1與行2比較，然后行3與行4比較，然后行5與行6比較，依此類推。在奇數(shù)場中，行2與行3比較，然后行4與行5比較，依此類推。因此，無論是逐行還是隔行讀出結(jié)構(gòu)，每個(gè)像素都要存儲兩次。在逐行讀出結(jié)構(gòu)中是同時(shí)存儲兩次，在隔行讀出結(jié)構(gòu)中偶數(shù)場存儲一次、奇數(shù)場存儲一次。結(jié)果是，圖7B的電路僅需要圖5B中一半數(shù)目的存儲電容。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式如圖10所示。圖10給出了一個(gè)與圖7B有些相似的隔行電路，所需電容的數(shù)量僅有圖5B的一半。圖10與圖7B的區(qū)別是僅用兩條讀出通道信號線，SIG1和SIG2，而不是像圖7B中那樣，用了SIG1～SIG4四條讀出通道信號線。這樣圖10中所有開關(guān)SW3、SW5、SW7、SW9、SW11和SW13都僅與信號線SIG1和SIG2耦合。結(jié)果，所有像素103的信號或者放到SIG1上，或者放到SIG2上。
圖11A和圖11B描述了圖10電路偶數(shù)場和奇數(shù)場的時(shí)序圖。H-SYNC，像素控制信號P1～P4和開關(guān)SW1、SW2、SW3、SW5、SW7、SW9、SW11的時(shí)序與與圖8A和圖8B所示偶數(shù)場和奇數(shù)場完全相同。
如圖11A所示，在時(shí)間段1期間，第一行全部的像素信號(來自像素103A、103E、103I、103M、103Q和103U)都讀出到信號線SIG1上，整個(gè)第三行相鄰像素的信號(來自像素103B、103F、103J、103N、103R和103V)同時(shí)讀出到信號線SIG2上。在時(shí)間段2期間，第三行和第四行的像素信號同時(shí)讀出到一對信號線SIG1和SIG2上。圖11B重復(fù)這個(gè)過程，不同的是在時(shí)間段1期間讀出第三行和第二行像素，在時(shí)間段2期間讀出第五行和第四行像素。
這樣，圖5B、圖7B和圖10都說明了本發(fā)明的多種實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明采用電容或其他在像素以外并很容易在MOS芯片上制造的存儲單元，使得兩行或更多行像素可以同時(shí)讀出。圖7A中有四個(gè)讀出通道的電路經(jīng)中僅有兩個(gè)讀出通道的電路有許多優(yōu)點(diǎn)。如前所述，有四個(gè)同通道，像素陣列中四種顏色的每一種，都可以有單獨(dú)的讀出通道輸出。與兩個(gè)讀出通道相比，這種結(jié)構(gòu)可以使彩色處理電路極大地簡化。在兩通道讀出結(jié)構(gòu)中，每通道讀出的兩種顏色必須在彩色處理之前分離。
與圖10相比，圖7電路的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是速度要求減小了一半。這是因?yàn)橛盟臈l通道代替兩條通道，每個(gè)像素信號可以在各自的通道上停留兩倍的時(shí)間，仍能達(dá)到同樣的總體讀出速度。例如，像在圖8A中時(shí)間段1時(shí)信號線SIG1上看到的那樣，當(dāng)開關(guān)SW3變高時(shí)，像素103A的信號放到信號線SIG1上，一直持續(xù)到SW7變高為止。相比之下，如圖11A中時(shí)間段1所示，當(dāng)開關(guān)SW2變高時(shí)，像素103A的信號放到信號線SIG1上，僅持續(xù)到SW5變高。與圖11A相比，圖8A中來自像素103A的像素信號可以在信號線SIG1上停留兩倍長的時(shí)間。
圖12說明了本發(fā)明的另一個(gè)種實(shí)現(xiàn)方式。圖12與圖5A相似，不同的是像素陣列中的每一行都重復(fù)了兩次，以創(chuàng)造出高靈敏度彩色隔行結(jié)構(gòu)，這將在下面有更詳細(xì)的說明。在圖5A中像素陣列的每一行在圖12中都重復(fù)成了兩行，第一行標(biāo)記成偶數(shù)行，第二行標(biāo)記成奇數(shù)行。因此，圖5A中包含像素103A、103E、103I、103M、103Q和103U的第一行在圖12中相應(yīng)地變成包含像素103Ae、103Ee、103Ie、103Me、103Qe和103Ue(下標(biāo)e表示偶數(shù))的偶數(shù)行和包含像素103Ao、103Eo、103Io、103Mo、103Qo和103Uo(下標(biāo)o表示奇數(shù))的奇數(shù)行。相類似，下兩行相應(yīng)地包含像素103Be、103Fe、103Je、103Ne、103Re、103Ve和像素103Bo、103Fo、103Jo、103No、103Ro、103Vo。下兩行相應(yīng)地包含像素103Ce、103Ge、103Ke、103Oe、103Se、103We和像素103Co、103Go、103Ko、103Oo、103So、103Wo、相類似，控制行讀出的信號也有奇偶標(biāo)志，包括第一、第二行的控制信號P1e和P1o，第三第四行的控制信號P2e和P2o第五、第六行的控制信號P3e和P3o。圖12中行、列的數(shù)目只是為了說明，實(shí)際實(shí)現(xiàn)可能有不同的行列數(shù)目。
如圖12所示，圖五陣列中每個(gè)像素的彩色標(biāo)記在圖12的像素結(jié)構(gòu)中也重復(fù)為兩倍。因此，第一和第二行素從左到右交替標(biāo)記為彩色CIR1和CLR3，而第三和第四行像素從左到右交替標(biāo)記為彩色CIR2和CLR4，第五和第六行像素從左到右交替標(biāo)記為彩色CLR1和CLR3。以下的行按此方式重復(fù)。
圖12中像素陣列與圖5B的讀出結(jié)構(gòu)組合起來構(gòu)成隔行讀出結(jié)構(gòu)，偶數(shù)場和奇數(shù)場有單獨(dú)的讀出操作，如下面參照圖13A和13B所描述的那樣。圖13A和圖13B給出了像素陣列和圖12中讀出結(jié)構(gòu)(與圖5B中的讀出結(jié)構(gòu)一起使)用在偶數(shù)場和奇數(shù)場的時(shí)序圖。圖13A和圖13B中所有信號的時(shí)序都與前面圖6所示信號時(shí)序類似。圖13A和圖13B中時(shí)序信號與圖6中時(shí)序信號的主要區(qū)別是在圖6中，來自相鄰行像素的信號同時(shí)讀出到一對線上，以作進(jìn)一步處理，在圖13A和圖13B中，中間隔一行的不相鄰兩行像素的信號同時(shí)讀出到一對線上，以作進(jìn)一步處理。即在圖6中，先同時(shí)讀出第一行和第二行的信號，然后是第二行和第三行的信號。在圖13A中，先同時(shí)讀出第一行和第三行的信號，然后是第三行和第五行的信號。在圖13B中，先同時(shí)讀出第二行和第四行的信號，然后是第四行和第六行的信號。下面還要詳細(xì)介紹。
如圖13所示H-SYNC使處理電路的讀出時(shí)間同步。圖9給出完整的電視時(shí)序。在時(shí)間段1的開始，像素控制信號P1e與開關(guān)組SW1同時(shí)變高。這使得第一行像素的信號，包括像素103Ae、103Ee、103Ie、103Me、103Qe和103Ue，由信號放大器205放大并相應(yīng)地存儲到兩組電容上。即每個(gè)像素的信號存儲到兩個(gè)電容上。像素103Ae存儲到兩個(gè)電容上的信號稱為存儲像素信號103Ae’和103Ae”，像素103Ee、存儲到兩個(gè)電容上的信號稱為存儲像素信號103Ee’和103Ee”，依此類推。
下一步，奇數(shù)號輸出開關(guān)SW2、SW5、SW7、SW9、SW11和SW13順序閉合，使得第一行的信號順序讀出。在這個(gè)實(shí)現(xiàn)方式中，信號線SIG1上的信號都是彩色CLR1像素的信號，信號線SIG3上的信號都是彩色CLR3像素的信號。即，信號線SIG1首先接收到第一行彩色CLR1信號，信號線SIG3首先接收到第一行彩色CLR3信號。
在時(shí)間段2的開始，像素控制信號P2e與開關(guān)組SW2同時(shí)變高。這使得第三行像素的信號，包括像素103Be、103Fe、103Je、103Ne、103Re和103Ve(包括彩色CLR2和CLR4信號)，由信號放大器205放大并相應(yīng)地存儲到兩組電容上。即每個(gè)像素的信號存儲到兩個(gè)電容上。像素103Be存儲到兩個(gè)電容上的信號稱為存儲像素信號103Be’和103Be”，像素103Fe存儲到兩個(gè)電容上的信號稱為存儲像素信號103Fe’和103Fe”，依此類推。下一步，偶數(shù)號輸出開關(guān)SW4、SW6、SW8、SW10、SW12和SW14順序閉合，使得第三行的信號交替放到信號線SIG2和SIG4上，同時(shí)在時(shí)間段1存儲起來的第一行的信號，交替地放到信號線SIG1和SIG3上。
放到信號線SIG1上的信號都是彩色CLR1像素的信號，放到信號線SIG2上的信號都是彩色CLR2像素的信號。即，在時(shí)間段2開始時(shí)開關(guān)組SW4、SW8和SW12閉合時(shí)，信號線SIG1和SIG2相慶同時(shí)帶有來自像素103Ae和103Be、103Ie和103Je、103Qe和103Re信號。這樣完全同時(shí)讀出被第二行像素隔開的第一行彩色CLR1像素和第二行彩色CLR2像素，正是本系統(tǒng)的目標(biāo)。
類似地，放到信號線SIG3上的信號都是彩色CLR3像素的信號，放到信號線SIG4上的信號都是彩色CLR4像素的信號。即，在時(shí)間段2內(nèi)開磁組SW6、SW10和SW14閉合時(shí)，信號線SIG3和SIG4相應(yīng)同時(shí)帶有來自像素103Ee和103Fe、103Me和103Ne、103Ue和103Ve信號。這樣完全同時(shí)讀出被第二行像素隔開的第一行彩色CLR1像素和第二行彩色CLR2像素，正是本系統(tǒng)的目標(biāo)。即，時(shí)間段2的完整輸出是，在圖12中像素連續(xù)地從左到右讀出時(shí)，相應(yīng)地在信號線SIG1和SIG2上同時(shí)讀出第一行的CLR1像素和第三行的CLR2像素，交替地在信號線SIG3和SIG4上同時(shí)讀出第一行的CLR3像素和第三行的CLR4像素。
在時(shí)間段3，重復(fù)著類似的過程。時(shí)間段3的完整輸出是，在圖12中像素連續(xù)地從左到右讀出時(shí)，相應(yīng)地在信號線SIG1和SIG2時(shí)讀出第五行的CLR1像素和第三行的CLR2像素，交替地在信號線SIG3和SIG4上同時(shí)讀出第五行的CLR3像素和第三行的CLR4像素。
圖13B中的時(shí)序信號與圖13A中的相同，只是要讀出圖12中包括第二行，第四行和第六行的偶數(shù)行。圖13B中時(shí)間段2的完整輸出是，在圖12中像素連續(xù)地從左到右讀出時(shí)，相應(yīng)地在信號線SIG1和SIG2上同時(shí)讀出第二行的CLR1像素和第四行的CLR2像素，交替地在信號線SIG3和SIG-4上同時(shí)讀出第三行的CLR3像素和第四行的CLR4像素。類似地，時(shí)間段3的完整輸出是，在圖12中像素連續(xù)地從左到右讀出時(shí)，相應(yīng)地在信號線SIG1和SIG2上同時(shí)讀出第六行的CLR1像素和第四行的CLR2像素，交替地在信號線SIG3和SIG4上同時(shí)讀出第六行的CLR3像素和第四行的CLR4像素。
由于把陣列中具有彩色結(jié)構(gòu)的行數(shù)加倍，圖12，圖13A和圖13B所描述的高靈敏度方式，使得偶數(shù)場和奇數(shù)場分別讀出偶數(shù)行和奇數(shù)行，而不是每一場都讀出每一行。因?yàn)槊恳粓鰞H讀出其他方式所要求的行數(shù)的一半，每個(gè)像素的最大曝光時(shí)間，以前僅允許讀出一場，現(xiàn)在可以在同樣的時(shí)間里讀出兩場。最后的結(jié)果是器件的整體靈敏度提高了一倍。這種讀取方式使得水平分辨率保持不變，因僅讀出半數(shù)行而導(dǎo)致的垂直分辨率的下降，可以通過垂直孔徑校正得到有效的補(bǔ)償。雖然已經(jīng)描述和介紹了本發(fā)明的首選實(shí)現(xiàn)方式，但是也可以理解為，在不背離本發(fā)明的目標(biāo)和精神的前提下可以做一些改變。例如圖5B中的讀出結(jié)構(gòu)，通過改變時(shí)序和開關(guān)SW3和SW4的放置，信號線SIG1～SIG4可以是來自不只一個(gè)像素的彩色的組合，像SIG1可以是Cy+G,SIG2是Ye+Mg,SIG3是Cy+mG,SIG4是Ye+G,正如許多OCD彩色圖像傳感器中所采用的那樣。這里Cy是青，G是綠，Yc是黃，Mg是品紅。
還有其他的例子。這里的描述所使用的術(shù)語是“讀出像素陣列中相鄰的行”。然而可以很容易地理解為“讀出像素陣列中相鄰的列”，像素陣列行和列的區(qū)別僅僅是語義上的。另外，盡管存儲像素信號的存儲單元用的是電容，可以理解為任何具有記憶能力的電路單元都可以使用，如DRAM、SRAM、EEPROM和其它類似的單元。再如，這里描述的結(jié)構(gòu)可以很容易地用到比目前更多條線的場合。雖然彩色電視處理通常使用兩條線結(jié)構(gòu)，其他應(yīng)用可能使用更多條線。再如，雖然高靈敏度隔行彩色實(shí)現(xiàn)方式描述成用圖5B中的讀出結(jié)構(gòu)，奇數(shù)場讀出奇數(shù)行，偶數(shù)場讀出偶數(shù)行，也可以從不同間隔的行讀出，或者應(yīng)用同樣的基本原理采用不同的讀出結(jié)構(gòu)。因此，本發(fā)明不能僅限于這里介紹的首選實(shí)現(xiàn)方式，而應(yīng)該以下面要求的條款為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1．一種對單片彩色MOS圖像傳感器讀出相鄰行的方法，該傳感器有一個(gè)像素陣列，由許多像素按照許多行和許多列組織起來。所指方法由以下步驟組成(a)把像素陣列中第一行的每個(gè)像素的信號存儲到與所指第一行的所指每個(gè)像素相關(guān)的至少一個(gè)存儲單元中，該單元在所指像素的外面并與像素制作在同一個(gè)MOS芯片上。(b)把像素陣列中第二行的每個(gè)像素的信號存儲到與所指第二行的所指每個(gè)像素相關(guān)的至少一個(gè)存儲單元中，該單元在所指像素的外面并與像素制作在同一個(gè)MOS芯片上。(c)選擇性地讀出至少一個(gè)存儲有像素信號的所指存儲單元，從兩個(gè)像素中讀出信號，一個(gè)像素來自所指第一行，一個(gè)像素來自所指第二行。
2．權(quán)利1中的方法，其中提到的像素陣列中的第一行與第二行是相鄰的，并且后面跟隨有第三行。
3．權(quán)利2中的方法，其中第一行和第二行的像素信號在偶數(shù)場中是同時(shí)讀出的，其中第二行和第三行的像素信號在奇數(shù)場中是同時(shí)讀出的。
4．權(quán)利1中所方法，其中所指存儲單元由電容構(gòu)成。
5．由下列組成的單片彩色MOS圖像傳感器像素陣列是由許多像素按照許多行和許多列組成的。并且一種至少具有兩條輸出線的讀出結(jié)構(gòu)連接到所指的像素陣列上，可以同時(shí)讀出所指像素陣列兩行像素，所指讀出結(jié)構(gòu)由以下部分組成(a)第一組存儲電容。所指第一組電容中有至少一個(gè)電容與所指像素陣列中每一列相連。(b)第一組開關(guān)在初始化時(shí)把所指像素陣列的第一行的信號選擇性地放到所指第一組存儲電容上。在所指的初始化時(shí)，所指第一行的每一個(gè)像素的信號要存儲到與所指每一個(gè)像素所在列相連的所指第一組存儲電容中的至少一個(gè)電容上。第一組開關(guān)在晚一些的時(shí)間里也要選擇性地把來自所指像素陣列的第三行的信號，存儲到所指第一組存儲電容上。(c)第二組存儲電容。所指第一組電容中有至少一個(gè)電容與所指像素陣列中每一列相連。(d)第二組開關(guān)把所指像素陣列的第二行的信號選擇性地放到所指第二組存儲電容上。所指第二行的每一個(gè)像素的信號要存儲到與所指每一個(gè)像素所在列相連的所指第二組存儲電容中的至少一個(gè)電容上。
6．權(quán)利5中的圖像傳感器，其中在所指輸出線上至少兩條線的信號，在特定時(shí)間同時(shí)含有同一列上相鄰像素的信號。
7．權(quán)利6中的圖像傳感器，其中在所指輸出線上所指同時(shí)的信號線，與另一組同時(shí)信號線交替出現(xiàn)在第二組輸出線上。所指像素陣列的行分為第一組行和第二組行，所指第一組行和所指第二組行以交替的方式組成所指陣列，在所指第一組行交替出現(xiàn)第一種和第三種彩色濾波器、在所指第二組行交替出現(xiàn)第二種和第四種彩色濾波器組成彩色濾波器圖案。
8．權(quán)利5中的結(jié)構(gòu)，包括第三組開關(guān)，從所指的第一組和第二組存儲電容中讀出所指信號，作為信號線放在輸出線上。
9．權(quán)利5中的圖像傳感器，其中提到的像素陣列的第一行和第二行是相鄰的，后面跟有第三行。
10．權(quán)利9中的圖像傳感器，其中在偶數(shù)場中，所指第一行和第二行像素的信號同時(shí)讀出，在奇數(shù)場中，所指第二行和第三行像素的信號同時(shí)讀出。
11．由下列組成的單片彩色MOS圖像傳感器像素陣列是由許多像素按照許多行和許多列組成的。并且一種至少具有兩條輸出線的讀出結(jié)構(gòu)連接到所指的像素陣列上，可以同時(shí)讀出所指像素陣列兩行像素，所指讀出結(jié)構(gòu)由以下部分組成(a)第一組存儲電容。所指第一組電容中有至少有兩個(gè)電容與所指像素陣列中每一列相連。(b)第一組開關(guān)把所指像素陣列的第一行的信號選擇性地放到所指第一組存儲電容上。所指第一行的每一個(gè)像素的信號要存儲到與所指每一個(gè)像素所在列相連的所指第一組存儲電容中的至少兩個(gè)電容上。(c)第二組存儲電容。所指第一組電容中由至少兩個(gè)電容與所指像素陣列中每一列相連。(d)第二組開關(guān)把所指像素陣列的第二行的信號選擇性地放到所指第二組存儲電容上。所指第二行的每一個(gè)像素的信號要存儲到與所指每一個(gè)像素所在列相連的所指第二組存儲電容中的至少兩個(gè)電容上。(e)第三組開關(guān)用于從分別存儲第一和第二個(gè)像素的信號的第一和第三個(gè)電容中同時(shí)讀出信號。第一個(gè)電容屬于第一組存儲電容，第三個(gè)電容屬于第二組存儲電容。并且(f)第四組開關(guān)用于從第二和第四個(gè)電容中同時(shí)讀出信號。第二個(gè)電容和第一個(gè)電容屬于第一組存儲電容中分別存儲第一個(gè)像素信號的兩個(gè)電容。
12．權(quán)利11中的圖像傳感器，其中在所指輸出線上至少兩條線的信號，在特定時(shí)間同時(shí)含有同一列上相鄰像素的信號，在所指輸出線上所指同時(shí)的信號線，與另一組同時(shí)信號線交替出現(xiàn)在第二組輸出線上。
13．權(quán)利11中的圖像傳感器，其中所提到的第一和第二行由第三行從中分開。
14．權(quán)利13中的圖像傳感器，第二行把第三行和第四行分開。所指第一和第二行像素的信號在偶數(shù)場讀出，所指第三和第四行像素的信號在奇數(shù)場讀出。
15．一種讀出具有許多像素，按照許多行和許多列組織起來的像素陣列的單片彩色MOS圖像傳感器相鄰行的方法，所指方法由以下步驟組成(a)把像素陣列中第一行的每個(gè)像素的信號存儲到與所指第一行的所指每個(gè)像素相關(guān)的至少一個(gè)存儲單元中，該單元在所指像素的外面。(b)把像素陣列中第二行的每個(gè)像素的信號存儲到與所指第二行的所指每個(gè)像素相關(guān)的至少一個(gè)存儲單元中，該單元在所指像素的外面。(c)選擇性地讀出至少一個(gè)存儲有像素信號的所指存儲單元，從兩個(gè)相鄰像素中讀出信號，一個(gè)像素來自所指第一行，一個(gè)像素來自所指相鄰行。
16．權(quán)利1中的方法，其中所指存儲單元由電容構(gòu)成。
17．由下列構(gòu)成的MOS圖像傳感器一個(gè)組織成行、列的像素陣列；和一個(gè)在像素陣列外并耦合到所指像素陣列，用來從所指像素陣列中讀出行的讀出結(jié)構(gòu)，讀出結(jié)構(gòu)由下列構(gòu)成(a)一個(gè)讀出陣列，所指讀出陣列包括許多組織成行列結(jié)構(gòu)的存儲單元，所指讀出陣列具有與所指像素陣列基本相同數(shù)目的列，有至少兩行，和(b)許多開關(guān)，這些開關(guān)把所指像素陣列的第一行耦合到所指讀出陣列的第一行以便把所指像素陣列的所指第一行的像素信號存儲到所指讀出陣列的所指第一行的存儲單元中，這些開關(guān)還把所指像素陣列的第二行耦合到所指讀出陣列的第二行以便把所指像素陣列的所指第二行的像素信號存儲到所指讀出陣列的所指第二行的存儲單元中。
18．權(quán)利17中的電路，其中所指存儲單元由電容構(gòu)成。
19．權(quán)利17中的電路，其中所指像素陣列的所指第一和第二行是相鄰的。
20．權(quán)利17中的電路，還包括與所指讀出陣列耦合的一種輸出方法，所指輸出方法從所指讀出陣列讀出信號，所指輸出方法從不是同一行又相鄰的像素中同時(shí)讀出信號。
全文摘要
與CMOS技術(shù)兼容的具有兩條或更多讀出線新結(jié)構(gòu)的單片CMOS圖像傳感器,可在不用外部延遲線的前提下,從相鄰兩行像素同時(shí)讀出行信號以得到其組合。傳感器包含重疊的濾色圖案的像素陣列,兩或多行讀出的結(jié)構(gòu)。讀出結(jié)構(gòu)包含存儲像素信號的電容,從中讀出信號的方法使不同行像素信號可組合。讀出結(jié)構(gòu)在像素陣列外,可同像素陣列做在同一CMOS芯片。采用偶數(shù)場讀出偶數(shù)行、奇數(shù)場讀出奇數(shù)行的高靈敏度隔行結(jié)構(gòu),器件整體靈敏度加倍。
文檔編號H01L27/146GK1307366SQ0010182
公開日2001年8月8日 申請日期2000年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月29日
發(fā)明者D·陳, T·C·許, X·何 申請人:全視技術(shù)有限公司