[发明专利]图像传感器的多分量读出

说明书

技术领域

本发明涉及电子图像捕捉系统，并且更具体地说，涉及一种具有图 像传感器的系统，该图像传感器具有彩色像素和全色像素两者，并且该 系统使用图像传感器的多分量读出。

背景技术

电子成像系统依靠电子图像传感器来创建可视图像的电子表示。这 样的电子图像传感器的例子包括电荷耦合器件(CCD)图像传感器和有 源像素传感器(APS)器件。APS器件，因为在互补金属氧化物半导体 工艺中制造它们的能力，常常被称作CMOS传感器。典型地，这些图像 传感器包括按规则两维模式或行和列的阵列排列的多个光敏像素(就是 说，像元)，其中每个单独像素基于由透镜投射到像素上的场景图像的 部分的亮度级来提供信号。

由于尺寸和需要的紧凑性的原因，这样的图像传感器通常包括比将 它们的信号数字化的模数转换器(ADC)多得多的像素。为了节省空间， 通常的做法是，仅提供足以同时读出单行像素的存储器件。因此，像素 信号不能同时被测量或读出，而是必须按串行方式等待轮到它们。例如， 在具有单个ADC的CCD中，以光栅方式：在行内逐像素地然后在像素 阵列内逐行地，读出像素信号。图像传感器读出的串行性质将整个传感 器可被读取的速率直接控制为读出机构的带宽。如果图像传感器的读出 机构每秒可测量50兆像素，那么它读出5兆像素的图像传感器必须用 十分之一秒。减少读取整个图像传感器需要的时间一般要求增大功率消 耗以便更快地读出，或者为了附加的读出通道而增大图像传感器的尺 寸。增大的功率消耗和增大的尺寸都不是希望的。

因为它消除机械元件并且降低成本和空间要求，所以通常的做法 是，建造没有遮光快门的图像捕捉系统。这样的系统代之以依靠电子快 门，该电子快门通过复位每个光电传感器、积累光电子以及然后读出光 电传感器信号而工作。复位步骤可通过将残余电荷从光电二极管转移到 关联的浮动扩散电路并且然后丢弃残余电荷而完成。光电子然后开始在 光电二极管中积累达规定的积累时间，在那时，电荷被转移到浮动扩散 中，并且在CMOS器件中被转换成电压。关联电压然后被存储在诸如电 容器之类的存储器件中。

如果传感器具有用于浮动扩散的足够低的暗电流和足够良好的光 屏蔽，那么所转移的光电子不必立即读出。在这些条件下，人们可将来 自所有像素的电荷一起转移到它们相应的浮动扩散中，并且然后等待短 时间，如滚动读出逐行处理信号那样。当然，为了使这样的全局转移起 作用，每个像素也需要具有其自己的光屏蔽浮动扩散。

可替换的图像传感器读出布置(特别是由APS图像传感器提供的) 允许图像传感器的曝光和读出跨图像传感器的行逐行地逐渐发生。这种 “滚动快门”序列避免了通过对于每一行进行相同时间长度的曝光而使 CCD的交错域表现出的差别曝光问题。

作为另外的优点，滚动快门序列简化传感器元件设计，因为不是对 于每个像素都要求屏蔽的存储。然而，由于用于每行的曝光独立于其它 行的曝光，并且与其它行的曝光按顺序(或滚动)的方式发生，所以每 行在稍微不同的时间捕捉场景图像的该行的部分。

因此，场景(或场景的元素)与图像传感器之间的相对运动使场景 内的被摄体在由图像传感器捕捉的图像中出现失真。被命名为图像“错 切(shear)”的这种效果是滚动快门布置的特性。例如，如果使用这样 一种所谓的滚动快门或电子焦平面快门图像传感器来捕捉水平运动的 汽车的图像，则当所捕捉的图像的每行被曝光和读出时汽车相对于图像 传感器运动，所以所捕捉的图像的每一行示出在不同位置处的汽车。这 可使汽车的圆形轮胎看起来像椭圆，并且汽车的矩形车窗显得像平行四 边形。这种失真是读出图像传感器的所有行需要的时间量的直接后果。 如果可以较快的速率读取行，那么可减小这种失真。然而，如以前提到 的那样，增大读出速率一般要求增加图像传感器的成本和功率消耗。