Светочувствительные устройства и способы и схемы для считывания с них

Светочувствительные устройства и способы и схемы для считывания с них

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее раскрытие относится к светочувствительным устройствам, а также к способам и схемам для считывания с них, в частности, к способам проектирования, изготовления и считывания светочувствительных пикселей в светочувствительных интегральных схемах с большой матрицей, обладающих высокой производительностью, а также к обработке полупроводников для их изготовления. Согласно настоящему раскрытию, новое светочувствительное устройство обеспечивается путем комбинирования известных подходов к изготовлению светочувствительных интегральных схем на ПЗС с известными подходами к изготовлению светочувствительных КМОП интегральных схем.

Уровень техники

Настоящее раскрытие является продолжением заявок, озаглавленных “Multi-spectrum Photosensitive Devices and Methods for Manufacturing the Same” (PCT/CN2007/071262), “Multi-spectrum Photosensitive Devices and Methods for Manufacturing the Same” (китайская заявка № 200810217270.2), и “Multi-spectrum Photosensitive Devices and Methods for Sampling the Same” (китайская заявка № 200910105948.2), поданных автором(ами) настоящего изобретения, и призвано обеспечить более конкретные и предпочтительные реализации на уровне полупроводниковой схемы и на уровне интегральной схемы и даже новую технологию изготовления полупроводников, пригодную для светочувствительных устройств.

Хорошо известно, что традиционные технологии изготовления светочувствительных интегральных схем в основном содержат технологии ПЗС (приборов с зарядовой связью) и технологии КМОП (комплементарных структур металл-оксид-полупроводник). Хотя другие полупроводниковые технологии, например полупроводниковую технологию на основе кадмия-индия (“Silicon infrared focal plane arrays”, M. Kimata, в Handbook of Infrared Detection Technologies, под редакцией M, Henini и M. Razeghi, стр. 352-392, Elsevier Science Ltd., 2002), также можно использовать для изготовления интегральных схем для считывания инфракрасного света, они не получили широкого распространения.

ПЗС и КМОП, по существу, базируются на кремниевых полупроводниковых технологиях и отличаются друг от друга, в основном, способами считывания пикселей. В силу разных способов считывания обработка полупроводников на основе ПЗС отличается от традиционной обработки полупроводников на основе КМОП и образовала отдельную ветвь в полупроводниковых технологиях, т.е. полупроводниковую технологию ПЗС.

Пиксели в светочувствительных интегральных схемах на ПЗС в основном считываются следующими тремя способами: способом покадрового переноса, показанным на фиг. 9(a), способом межлинейного переноса, показанным на фиг. 9(b), и способом покадрового межлинейного переноса, показанным на фиг. 9(c). Все три вышеозначенных способа требуют переноса зарядов с высокой скоростью и высокой точностью между светочувствительными пикселями или между светочувствительным пикселем и нечувствительным пикселем фотопереноса, что обеспечивает следующие характеристики обработки полупроводников на основе ПЗС: (1) высокое напряжение, в общем случае, около ±18 В; (2) высокую чистоту, т.е. высокую согласованность между пикселями; (3) высокую точность обработки, например, размер, глубина и т.д. для пикселей должны быть почти одинаковыми. Сложность и нестандартный характер процесса изготовления ПЗС обуславливают высокую стоимость устройств на основе ПЗС, что затрудняет интеграцию светочувствительных устройств с устройствами обработки. Кроме того, высокое напряжение также приводит к высокому энергопотреблению устройств на основе ПЗС.

По аналогии с DRAM контроллеры выбора строки и контроллеры выбора столбца в КМОП подают напряжение каждого пикселя, одного за другим, непосредственно на шину считывания, и сигналы пикселей считываются по очереди с использованием сигналов выбора строки и выбора столбца. Преимущество состоит в том, что обработка полупроводников для изготовления таких светочувствительных устройств очень близка к стандартной обработке КМОП, и, таким образом, светочувствительные устройства можно изготавливать на большинстве стандартных фабрик полупроводниковых приборов для достижения низкой стоимости. Преимущество также состоит в работе при низком напряжении, что приводит к низкому энергопотреблению. Технология светочувствительных КМОП интегральных схем превосходит технологию ПЗС в основных технических аспектах и становится в настоящее время наиболее широко используемой технологией светочувствительных интегральных схем благодаря быстрому развитию технологии светочувствительных КМОП интегральных схем.

Кроме того, пиксель в светочувствительной КМОП интегральной схеме можно сконструировать как пассивный пиксель или активный пиксель. Поскольку активный пиксель имеет более высокие SNR и чувствительность, он более широко используется, чем пассивный пиксель. Однако в активном пикселе необходимо использовать считывающий конденсатор FD (плавающую диффузионную область) и 3T, 4T или даже 5T/6T усилитель выборки, что приводит к снижению коэффициента заполнения светочувствительной области. Количество эффективных пикселей на единице площади, таким образом, уменьшается, препятствуя дальнейшему повышению SNR и чувствительности. Таким образом, недавно разработана совместно используемая схема считывания, например, 4T активный пиксель, совместно используемый 4 точками. В общем случае, совместно используемый считывающий конденсатор FD также используется при использовании совместно используемой схемы считывания, что может создавать некоторые неудобства. Во-первых, будет возникать блок бездействующих пикселей в случае отказа одного считывающего конденсатора или одного компонента в схеме считывания. Кроме того, перекрестное сообщение между пикселями разных цветов возрастает за счет совместно используемых считывающих конденсаторов, в результате чего цвета оказываются недостаточно яркими.

Другая проблема технологии считывания КМОП состоит в том, что в случае большой пиксельной матрицы для получения пригодной частоты кадров требуется синхроимпульс пикселя с очень высокой частотой. Однако синхроимпульс пикселя ограничен такими условиями, как например скорость А/Ц преобразования.

Таким образом, желательно усовершенствовать либо технологию светочувствительных интегральных схем на ПЗС, либо технологию светочувствительных КМОП интегральных схем.

Сущность изобретения

Техническая проблема

Задачей настоящей заявки является обеспечение светочувствительного устройства нового типа, которое воплощает в себе преимущества светочувствительных устройств ПЗС и КМОП и, таким образом, обеспечивает удобство в обработке, считывании и т.д., а также способ для считывания с него.

Техническое решение

Согласно аспекту настоящей заявки, раскрыто светочувствительное устройство, содержащее пиксельную матрицу и схему считывания, в котором передающий затвор для соединения соседних пикселей и переноса заряда между соединенными пикселями расположен между, по меньшей мере, некоторыми указанными пикселями в пиксельной матрице, схема считывания используется для считывания заряда пикселя в пиксельной матрице, упомянутый заряд является, по меньшей мере, одним из собственного заряда упомянутого пикселя, заряда, переносимого из пикселя, соседнего с упомянутым пикселем, суперпозиции собственного заряда упомянутого пикселя и заряда, переносимого из одного или более пикселей, соседних с упомянутым пикселем, и суперпозиции зарядов переноса двух или более пикселей, соседних с упомянутым пикселем.

Соседние пиксели, подсоединенные к одному пикселю в упомянутых некоторых указанных пикселях через передающий затвор, содержат четыре соседних пикселя, расположенных над, под, слева и справа по отношению к упомянутому одному пикселю, соответственно.

В светочувствительном устройстве передающий затвор расположен между каждыми двумя пикселями пиксельной матрицы.

В светочувствительном устройстве схема считывания считывает собственный заряд подключенного к ней пикселя, сбрасывает собственный заряд пикселя, и затем считывает заряд, переносимый из пикселей, соседних с пикселем.

В светочувствительном устройстве схема считывания включает в себя схему считывания активных пикселей, схему считывания пассивных пикселей или схему гибридного считывания активных и пассивных пикселей.

В светочувствительном устройстве активный пиксель включает в себя 3T, 4T, 5T или 6T активный пиксель.

В светочувствительном устройстве схема считывания совместно используется 4, 6, 8 или произвольным количеством точек (т.е. пикселей) или совместно не используется точками.

В светочувствительном устройстве расстояние переноса от пикселя в наборе пикселей, совместно использующих, но непосредственно не подключенных к одной и той же схеме считывания, до пикселя в наборе, который непосредственно подключен к схеме считывания, не превышает четырех пикселей, когда схема считывания совместно используется 4, 6, 8 или произвольным количеством точек.

Светочувствительное устройство содержит одностороннее однослойное светочувствительное устройство, одностороннее двухслойное светочувствительное устройство, одностороннее многослойное светочувствительное устройство, двустороннее двухслойное светочувствительное устройство и двустороннее многослойное светочувствительное устройство.

Светочувствительное устройство считывается согласно способу фронтального считывания, тылового считывания или двустороннего считывания.

В светочувствительном устройстве пиксели в пиксельной матрице размещены с повторением согласно заранее заданному шаблону для считывания одноцветного, многоцветного или мультиспектрального света, включающего в себя видимый свет и инфракрасный свет.

В светочувствительном устройстве заранее заданный шаблон включает в себя шаблон Байера, сотовый шаблон, одноцветный шаблон или шаблон CyYeMgX, где X представляет один из R (красного), G (зеленого) и B (синего).

Согласно другому аспекту настоящей заявки, раскрыт способ считывания для светочувствительного устройства, который включает в себя этапы, на которых:

размещают между, по меньшей мере, некоторыми указанными пикселями в пиксельной матрице передающий затвор для соединения соседних пикселей и переноса заряда между соединенными пикселями;

считывают заряд пикселя в пиксельной матрице, причем заряд является, по меньшей мере, одним из собственного заряда упомянутого пикселя, заряда, переносимого из пикселя, соседнего с упомянутым пикселем, суперпозиции собственного заряда упомянутого пикселя и заряда, переносимого из одного или более пикселей, соседних с упомянутым пикселем, и суперпозиции зарядов переноса двух или более пикселей, соседних с упомянутым пикселем.

Согласно способу считывания, заряд, переносимый из пикселей, соседних с пикселем, считывается после считывания и сброса собственного заряда пикселя.

Способ считывания может дополнительно включать в себя процесс выборки и подвыборки, который содержит: первый процесс комбинирования для комбинирования и выборки двух соседних пикселей в пиксельной матрице, которые находятся в одной и той же строке, но в разных столбцах, в разных строках, но в одном и том же столбце, или в разных строках и разных столбцах, для получения данных выборки первого комбинированного пикселя; и второй процесс комбинирования для комбинирования и выборки данных выборки первого комбинированного пикселя, полученного в первом процессе комбинирования, для получения данных выборки второго комбинированного пикселя.

Способ считывания может дополнительно включать в себя третий процесс комбинирования для комбинирования и выборки данных выборки второго комбинированного пикселя, полученного во втором процессе комбинирования для получения данных выборки третьего комбинированного пикселя.

Согласно способу считывания, первый или второй процесс комбинирования осуществляется посредством суперпозиции зарядов пикселей одного и того же или разных цветов или усреднения сигналов пикселей разных цветов, причем пиксели разных цветов комбинируются согласно преобразованию цветового пространства для согласования с требованиями реконструкции цветов.

Согласно способу считывания, комбинирование и выборка на основании цвета, осуществляемые в первом или втором процессе комбинирования, включают в себя комбинирование одинакового цвета, комбинирование разных цветов, гибридное комбинирование, или избирательный отказ от избыточных цветов, и, по меньшей мере, один из первого и второго процесса комбинирования не осуществляется путем комбинирования одинакового цвета.

Согласно способу считывания, комбинирование и выборка на основании положения, осуществляемые в первом или втором процессе комбинирования, включают в себя, по меньшей мере, одно из автоматического усреднения сигналов, выводимых непосредственно на шину, пропуска строки или пропуска столбца и выборки один за другим.

Согласно способу считывания, третий процесс комбинирования осуществляется посредством, по меньшей мере, одного из преобразования цветового пространства и окончательного масштабирования цифрового изображения.

Согласно способу считывания, преобразование цветового пространства включает в себя преобразование из пространства RGB в пространство CyYeMgX, преобразование из пространства RGB в пространство YUV или преобразование из пространства CyYeMgX в пространство YUV, где X представляет один из R (красного), G (зеленого) и B (синего).

Согласно способу считывания, выборка всего изображения осуществляется путем последовательного считывания с последовательным сканированием или чередующегося считывания с последовательным сканированием.

Согласно еще одному аспекту настоящей заявки, раскрыта схема считывания светочувствительного устройства для считывания заряда пикселя в пиксельной матрице светочувствительного устройства, в которой передающий затвор для соединения соседних пикселей и переноса заряда между соединенными пикселями расположен между, по меньшей мере, некоторыми указанными пикселями в пиксельной матрице, схема считывания используется для считывания заряда пикселя в пиксельной матрице, упомянутый заряд является, по меньшей мере, одним из собственного заряда упомянутого пикселя, заряда, переносимого из пикселя, соседнего с упомянутым пикселем, суперпозиции собственного заряда упомянутого пикселя и заряда, переносимого из одного или более пикселей, соседних с упомянутым пикселем, и суперпозиции зарядов переноса двух или более пикселей, соседних с упомянутым пикселем.

Схема считывания, подключенная к, по меньшей мере, некоторым указанным пикселям в пиксельной матрице, является схемой гибридного считывания как активного пикселя, так и пассивного пикселя.

На схему считывания поступает сигнал очистки или сброса пикселя.

Технические результаты

Настоящая заявка имеет следующие преимущества:

1. Согласно светочувствительному устройству настоящей заявки, передающий затвор расположен между, по меньшей мере, частями пикселей в пиксельной матрице, благодаря чему возможен перенос заряда между двумя пикселями. Схема считывания может считывать из пикселя в пиксельной матрице собственный заряд упомянутого пикселя, заряд, переносимый из пикселя, соседнего с упомянутым пикселем, суперпозицию собственного заряда упомянутого пикселя и заряда, переносимого из одного или более пикселей, соседних с упомянутым пикселем, и суперпозицию зарядов переноса двух или более пикселей, соседних с упомянутым пикселем. Таким образом, можно получить следующие результаты:

(1) Требуется только низкое напряжение считывания. Поскольку перенос заряда происходит только между пикселями, соседствующими друг с другом, высокого напряжения не требуется, что позволяет достичь сниженного энергопотребления светочувствительного устройства.

(2) Упрощается процесс изготовления и повышается светочувствительность. Поскольку перенос заряда происходит между пикселями, в светочувствительном устройстве настоящей заявки не нужно обеспечивать считывающий конденсатор, что приводит к увеличению светочувствительной области, благодаря чему повышается светочувствительность. При этом процесс изготовления можно упростить, исключив считывающий конденсатор. Кроме того, поскольку перенос заряда происходит только между пикселями, соседствующими друг с другом, даже при возникновении некоторого отклонения вследствие неидентичности пикселей, накопление такого отклонения не будет слишком велико, что позволяет снизить требование к идентичности пикселей и точности обработки.

(3) Обеспечивается гибкость выбора активных или пассивных пикселей. Преимуществом активных пикселей является высокое SNR, тогда как преимуществом пассивных пикселей является низкое энергопотребление. Однако обычно бывает трудно найти компромисс между преимуществами активных и пассивных пикселей. В настоящей заявке суперпозиция зарядов осуществляется в ходе подвыборки за счет переноса заряда, благодаря чему в ходе подвыборки достигается усиление сигнала. Таким образом, можно использовать преимущества как активных, так и пассивных пикселей. Высокое энергопотребление активного пикселя обусловлено, в основном, наличием усилительной схемы. Однако в настоящей заявке активные пиксели используются только при производстве полнокадровых фотографий. Пассивные пиксели без усилительной схемы используются для предварительного просмотра и изображений, подвергнутых подвыборке. Таким образом, получается высокое SNR при производстве фотографий с высоким количеством пикселей при пониженном энергопотреблении в нормальном режиме работы, что позволяет сочетать преимущества активных и пассивных пикселей, согласно настоящей заявке.

В настоящей заявке вводится понятие “соседний пиксель” с точки зрения совместного использования схемы считывания и переноса между пикселями. В общем случае, пиксели делятся на несколько малых групп, согласно пространственному распределению, каждая из которых может совместно использовать одну или более схем считывания. Комбинирование пикселей осуществляется только в каждой группе. В общем случае, пиксели в одной и той же группе комбинирования в целом именуются соседними пикселями.

В настоящей заявке межпиксельный перенос осуществляется только между двумя пикселями, соседствующими друг с другом в горизонтальном или вертикальном направлении. Таким образом, если требуется перенос из одного пикселя в не соседний пиксель, перенос необходимо дополнительно осуществлять. Кратность переноса именуется “расстоянием переноса”. В примере 4-точечной пиксельной матрицы, если необходим перенос заряда в пиксель в верхнем левом углу матрицы, заряд верхнего правого пикселя переносится в верхний левый пиксель только посредством одного переноса между пикселями в одной и той же строке; и заряд нижнего левого пикселя переносится в верхний левый пиксель только посредством одного переноса между пикселями в одном и том же столбце. Таким образом, расстояния переноса из обоих верхнего правого пикселя и нижнего левого пикселя в верхний левый пиксель равны 1. Что касается нижнего правого пикселя, его заряд переносится сначала в нижний левый пиксель только посредством одного переноса между пикселями в одной и той же строке или в верхний правый пиксель только посредством одного переноса между пикселями в одном и том же столбце, и затем в верхний левый пиксель через верхний правый пиксель или нижний левый пиксель, т.е. расстояние от нижнего правого пикселя до верхнего левого пикселя равно 2. Таким образом, для пикселя, не соседнего с целевым пикселем переноса, заряд пикселя может переноситься на целевой пиксель переноса, только когда соседний пиксель выступает в качестве посредника. Следует отметить, что направление переноса не ограничено в настоящей заявке, т.е. заряд пикселя может переноситься в соседние с ним пиксели в любом направлении. Во избежание чрезмерного усложнения схемы управления, расстояние переноса не должно превышать четыре пикселя.

Вышеприведенное описание в основном посвящено переносу между двухмерными пикселями. Для многослойного светочувствительного устройства перенос между светочувствительными пикселями в разных слоях при одном и том же направлении света может осуществляться аналогично вышеописанному способу.

При считывании заряда схема считывания может считывать с пикселя его собственный заряд или заряд, переносимый из соседнего с ним пикселя. В общем случае, под целевым пикселем переноса понимается пункт назначения переноса, если его сигнал считывания света не потерян, собственный заряд пикселя может считываться в первую очередь, и затем пиксель сбрасывается, после чего следует перенос заряда соседнего пикселя на этот целевой пиксель переноса. Согласно этому способу, поддерживается единичный заряд, но единичность необязательна. При считывании может осуществляться суперпозиция зарядов с последующим считыванием суперпозиции зарядов. Суперпозиция зарядов может представлять собой суперпозицию собственного заряда целевого пикселя и заряда, переносимого из соседнего с ним пикселя, и также может представлять собой суперпозицию зарядов, переносимых из двух или более пикселей на целевой пиксель переноса. Суперпозиция пикселей одного и того же цвета не является обязательной. Однако, для пикселей разных цветов, чтобы удовлетворять требованию реконструкции цветов, в общем случае может осуществляться суперпозиция пикселей только двух цветов.

Схема считывания может не использоваться совместно между пикселями. Предпочтительно, можно использовать режим многопиксельного совместного использования, т.е. схема считывания может располагаться над целевым пикселем переноса, и заряд пикселей, соседних с целевым пикселем переноса, считывается сначала путем переноса заряда на целевой пиксель переноса и затем путем считывания заряда схемой считывания, размещенной над целевым пикселем переноса. Здесь, целевой пиксель переноса и соседние с ним пиксели, совместно использующие схему считывания, именуются группой пикселей.

Поскольку преимущества активного и пассивного пикселя сочетаются в пикселях настоящей заявки, когда уместно, для каждого пикселя в пиксельной матрице, подключенной к схеме считывания, схема считывания может быть схемой считывания активных пикселей, схемой считывания пассивных пикселей или схемой считывания, включающей в себя схемы считывания активных и пассивных пикселей, что позволяет каждому пикселю иметь функцию считывания как активных, так и пассивных пикселей за счет избирательного подключения к схеме считывания активных или пассивных пикселей путем выбора сигнала.

В заключение, в настоящей заявке объединяются преимущества технологий светочувствительных интегральных схем на ПЗС и КМОП интегральных схем, что обеспечивает более эффективную физическую реализацию усовершенствованного светочувствительного устройства.

Считывание пикселей посредством переноса заряда между пикселями, в частности, между двухмерными пикселями (2D межпиксельного переноса), впервые обеспечено в настоящей заявке. Таким образом, обеспечивается пиксель без считывающего конденсатора FD, и реализуется комбинация активных и пассивных пикселей. Комбинация зарядовых сигналов достигается без считывающего конденсатора FD.

Комбинирование и выборка почти во всех подвыборках уровня техники осуществляется путем усреднения сигналов напряжения или тока, при котором SNR может увеличиваться до раз при комбинировании N точек. Однако SNR может увеличиваться в N раз при обеспечении суперпозиции зарядов, т.е. в N раз больше, чем при усреднении сигнала. Таким образом, если N сигналов комбинируется посредством суперпозиции зарядов, теоретически можно получить результат усреднения до N³ сигналов. Таким образом, SNR можно значительно повысить.

Подвыборку с любыми коэффициентами M×N легко осуществлять в настоящей заявке благодаря режиму подвыборки, в котором суперпозиция зарядов является основной, и усреднение сигналов является дополнительным.

Согласно настоящей заявке, схему считывания легко расширить с 4-точечного совместного использования, 8-точечного совместного использования и т.д. до произвольного N-точечного совместного использования на основании требования оптимизации конструкции благодаря исключению считывающего конденсатора FD.

В настоящей заявке процесс подвыборки делится на, по меньшей мере, два процесса, т.е. вышеупомянутые первый процесс комбинирования и выборки и второй процесс комбинирования и выборки. Первый и второй процессы комбинирования и выборки обычно осуществляются между выборкой (комбинированием) строк и выборкой (комбинированием) столбцов пикселей и, в основном, осуществляются в отношении аналоговых сигналов, в которых порядок и содержимое, в общем случае, являются изменяемыми, за исключением того, что суперпозиция зарядов обычно осуществляется только в первом процессе комбинирования и выборки. Кроме того, может быть дополнительно включен третий процесс комбинирования и выборки, который осуществляется, в основном, в отношении цифровых сигналов после аналого-цифрового преобразования.

В первом процессе комбинирования и выборки два соседних пикселя в пиксельной матрице комбинируются. С одной стороны, осуществляется комбинирование соседних пикселей. Здесь, пиксель, полученный после комбинирования, именуется первым комбинированным пикселем. Следует понимать, что понятие первого комбинированного пикселя используется для указания пикселя, полученного после первого процесса комбинирования для удобства описания. Оно не предназначено для указания, что “первый комбинированный пиксель” физически существует в пиксельной матрице. Данные, полученные путем комбинирования и подвыборки двух соседних пикселей, именуются данными выборки первого комбинированного пикселя. Используемый здесь термин “соседние” означает, что два пикселя примыкают друг к другу, если смотреть в горизонтальном, вертикальном или диагональном направлении в отсутствие других пикселей, расположенных между ними. Случаи соседствования включают в себя два пикселя, находящихся в одной и той же строке, но в разных столбцах, в разных строках, но в одном и том же столбце, или в разных строках и разных столбцах. В общем случае, при этом комбинировании, сигнал получается путем усреднения, по меньшей мере, двух сигналов, благодаря чему шум снижается в раз. Таким образом, после комбинирования SNR возрастает, по меньшей мере, в раз, и комбинирование может осуществляться между пикселями одного и того же или разных цветов. С другой стороны, комбинируемые пиксели могут иметь разные цвета, т.е. осуществляется суммирование или усреднение цветов. Как известно из теории трех основных цветов, цвет, образованный сложением двух основных цветов, является дополнительным к другому основному цвету. Для преобразования пространства основных цветов в пространство дополнительных цветов требуется только преобразование цветового пространства. Таким образом, реконструкцию цветов также можно осуществлять посредством различных дополнительных цветов. Другими словами, согласно настоящей заявке, можно также осуществлять комбинирование пикселей разных цветов для повышения SNR и можно также осуществлять реконструкцию цветов. Весь процесс подвыборки оптимизируется для удовлетворения требования высокой скорости пиксельной матрицы с большим объемом данных. Основное требование к преобразованию цветового пространства состоит в том, чтобы комбинация цветов после преобразования позволяла реконструировать необходимые цвета RGB (или YUV, или CYMK) (методами интерполяции, матричного исчисления и т.д.).

Следует понимать, что в пиксельной матрице содержится множество пикселей, но только два пикселя комбинируются в первом процессе комбинирования и выборки. Очевидно, множество первого комбинированного пикселя формируется путем комбинирования. Для разных первых комбинированных пикселей используемые способы комбинирования цветов могут быть одинаковыми или различными. Первый процесс комбинирования именуется режимом комбинирования одного цвета, когда он полностью осуществляется между пикселями одного и того же цвета. Первый процесс комбинирования именуется режимом комбинирования разных цветов, когда он полностью осуществляется между пикселями разных цветов. Первый процесс комбинирования именуется гибридным режимом комбинирования, когда он осуществляется частично в пикселях одного и того же цвета и частично в пикселях разных цветов. Первый процесс комбинирования именуется режимом избирательного отказа от избыточных цветов, когда пиксели некоторых избыточных цветов в пиксельной матрице отбрасываются или пропускаются (конечно, такое отбрасывание является избирательным и не влияет, например, на реконструкцию цветов).

Очевидно, второй процесс комбинирования является операцией над множеством первых комбинированных пикселей. Аналогично, можно комбинировать первые комбинированные пиксели одного и того же или разных цветов (конечно, это может приводить к суммированию всех трех основных цветов, что не позволяет осуществлять реконструкцию цветов).

Вышеупомянутые режимы комбинирования, т.е. комбинирование одного цвета, комбинирование разных цветов и гибридное комбинирование классифицируются на основании цвета. Кроме того, с точки зрения выбора положения комбинирования и выборки, режимы комбинирования и выборки первого и второго процессов комбинирования включают в себя: автоматическое усреднение сигналов, выводимых непосредственно на шину, пропуск строки или пропуск столбца, выборку один за другим и комбинацию двух или трех из этих режимов. За исключением того, что суперпозиция зарядов осуществляется только в первом процессе комбинирования и выборки, первый и второй процессы комбинирования одинаковы и допускают изменения (за исключением их разного порядка).

Режим так называемого автоматического усреднения сигналов, выводимых непосредственно на шину, состоит в том, что сигналы (одного и того же цвета или разных цветов), подлежащие комбинированию, одновременно выводятся на шину сбора данных путем автоматического выравнивания сигналов (напряжения) для достижения среднего значения сигналов, подлежащих комбинированию. Режим пропуска строки или пропуска столбца состоит в пропуске некоторых строк или столбцов при реализации (комбинирующей) выборки, что позволяет обрабатывать сокращенный объем данных. Режим выборки один за другим состоит в том, что исходные пиксели или первый комбинированный пиксель считываются по очереди без какого-либо комбинирования. Можно одновременно реализовывать более чем один из трех режимов. Например, режим пропуска строки или пропуска столбца можно использовать одновременно с режимом автоматического усреднения сигналов, выводимых непосредственно на шину, или режимом выборки один за другим.

Режим подвыборки третьего процесса комбинирования и выборки включает в себя преобразование цветового пространства, окончательное масштабирование цифрового изображения и последовательное использование двух режимов. Первый и второй процессы комбинирования, в основном, осуществляются в отношении аналоговых сигналов, тогда как третий процесс комбинирования, в основном, осуществляется в отношении цифровых сигналов, т.е. после аналого-цифрового преобразования. Обрабатывая пиксели трех или четырех цветов в разных пространственных положениях как значения для одной и той же точки и преобразуя значения в другое цветовое пространство, данные в горизонтальном и (или) вертикальном направлении можно сокращать в объеме для достижения эффекта подвыборки. Кроме того, режим масштабирования цифрового изображения является наиболее интуитивным режимом подвыборки, который обычно используется.

Суперпозиция зарядов является режимом комбинирования и выборки со значительным эффектом, в котором требуется, чтобы комбинируемые пиксели соседствовали в пространстве. Причина, по которой такого эффекта невозможно добиться посредством предыдущей подвыборки, состоит в том, что предыдущая подвыборка осуществляется только между пикселями одного и того же цвета, и комбинируемые пиксели отделены друг от друга другими пикселями. Сравнительно просто реализовать суперпозицию зарядов для многослойного светочувствительного устройства, поскольку его цветовые шаблоны очень разнообразны. В более ранней заявке “Multi-Spectrum Photosensitive Devices and Methods for Sampling the Same” (китайская патентная заявка № 200910105948.2) автора настоящего изобретения впервые предложен режим подвыборки суперпозиции зарядов с использованием преобразования цветового пространства. Однако во многих случаях комбинирование пикселей полностью или частично осуществляется на пикселях разных цветов. Кроме того, для некоторых особых коэффициентов подвыборки (M×N), режимы пропуска строки и пропуска столбца также необходимы после преобразования цветового пространства.

Согласно настоящей заявке, изготовление пиксельной матрицы упрощается, в то время как схема считывания становится более гибкой и простой. В особенности, подвыборка может осуществляться на пикселях одного и того же цвета посредством суперпозиции зарядов. Эта характеристика особенно важна для повышения производительности светочувствительного устройства в условиях низкой освещенности. При необходимости, чувствительность можно повысить за счет снижения разрешения. Например, если четыре пикселя одного и того же цвета комбинируются посредством суперпозиции зарядов, верхний предел SNR теоретически повышается в 4=8 раза, тогда как, если четыре пикселя комбинируются предыдущим способом усреднения сигналов, верхний предел SNR теоретически повышается в =2 раза.

Специалистам в данной области техники вышеперечисленные и другие цели и преимущества настоящей заявки станут ясны из нижеследующих описаний и множества иллюстраций предпочтительных вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, где:

Фиг. 1 иллюстрирует схему считывания (выборки) для пассивного КМОП пикселя.

Фиг. 2 иллюстрирует схему считывания (выборки) для 3T КМОП активного пикселя, где PD - фотодиод, и FD - нечувствительный конденсатор считывания переноса.

Фиг. 3 иллюстрирует схему считывания (выборки) для 4T КМОП активного пикселя.

Фиг. 4 иллюстрирует конструкцию пикселя для двухфазного ПЗС (фиг. 4(a)) и схему процесса переноса заряда (фиг. 4(b)), где фиг. 4(a) - вид в разрезе двухфазного ПЗС, и на фиг. 4(b) показан потенциал канала в соответствии с двухфазными импульсами Φ1 и Φ2.

Фиг. 5(a) - схематическое изображение схемы считывания с выбором строки для активного КМОП пикселя, и фиг. 5(b) - схематическое изображение схемы считывания с выбором строки для пассивного КМОП пикселя.

Фиг. 6 - абстрактное представление общей схемы считывания для КМОП схем считывания, показанных на фиг. 5.

Фиг. 7 иллюстрирует типичное схематическое изображение схемы считывания (выборки), имеющей буферы столбцов для практического КМОП пикселя.

Фиг. 8 иллюстрирует сравнение способа считывания пикселя ПЗС (a) и способа считывания КМОП пикселя (b), где функция последовательной передачи в вертикальном направлении между пикселями ПЗС показана на фиг. 8(a).

Фиг. 9 иллюстрирует основные принципы трех широко используемых светочувствительных устройств на основе ПЗС. На Фиг. 9(a) показан ПЗС покадрового переноса (FTCCD), в котором пиксели в светочувствительной области построчно переносятся в область хранения и затем попиксельно считываются посредством горизонтального ПЗС. Такого рода ПЗС имеет проблему размывания изображения. На Фиг. 9(b) показан ПЗС межлинейного переноса (ITCCD), в котором пиксели в светочувствительной области одновременно переносятся в межстолбцовую область хранения и затем построчно считываются посредством горизонтал