专利名称：图像传感装置中具有更高显示质量的子采样的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及图像传感装置，更具体地说，涉及固态图像传感装置例如互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)型中的子采样(sub-sampling)模式。
背景技术：
CIS型固态图像传感装置通常用于小型轻便的电子装置如移动电话的照相机中或数字静物摄影机中。该CIS型固态图像传感装置将图像转换为电信号以便由数字信号处理器来进一步处理。数字信号处理器处理从该固态图像传感装置输出的彩色图像数据(红、绿和蓝信号)，以便驱动诸如液晶显示器(LCD)之类的显示装置。
在CIS型固态图像传感装置的子采样模式中，产生具有低分辨率的全帧图像信号。该子采样模式在例如完全传感前对要传感的图像进行检查的预检阶段或者具有低分辨率的快速信号处理的自动聚焦设置阶段进行。
图1是传统CIS型固态图像传感装置100的方框图，该装置包括有源像素传感器(APS)阵列110、行驱动器120和模拟数字转换器130。行驱动器120接收来自行解码器(未示出)的控制信号，而模拟数字转换器130接收来自列解码器(未示出)的控制信号。该固态图像传感装置100还包括控制器(未示出)，为控制定时产生寻址信号，并为输出所传感的图像信号来进行像素选择。
当传统的CIS型固态图像传感装置100用于产生彩色图像信号时，各个彩色滤波器都设置在APS阵列110的每个像素的顶部。最普通的彩色滤波器阵列具有拜耳(Bayer)色谱(color pattern)，其中红色(R)和绿色(G)滤波器都交替设置在一行上，而绿色G和蓝色(B)滤波器交替设置在下一行上。对于图像传感装置领域的技术人员来说，这样的拜耳色谱是公知的。
为了实现高分辨率，该APS阵列110包括例如超过百万的像素。在CIS型固态图像传感装置100中，该APS阵列110中的每个像素都通过传感具有各个光电二极管的彩色滤波器的光，并将所述光转换为各个电信号，来产生各个图像信号。由此，从APS阵列110的每个像素输出的各个图像信号是三种颜色R、G和B之一的模拟信号。模拟数字转换器130将所述模拟信号转换为数字信号。
此外，该模拟数字转换器130使用相关二重采样(CDS，correlated doublesampling)方法来进一步处理来自APS阵列110的图像信号。这种方法，在例如美国专利5,982,318和6,067,113中有所描述。对于该CDS方法，模拟数字转换基本上分为两个操作接收来自APS阵列110的复位信号和图像信号，然后处理该复位信号和图像信号以产生代表APS阵列110所传感的图像的数字信号。
对于该CDS方法，例如，该模拟数字转换器130在将图像信号转换为数字信号之前除去了该图像信号中的复位信号。将这些数字信号输出到数字信号处理器中来进一步内插数字图像信号。此外，该数字信号处理器产生适合显示装置例如LCD(液晶显示器)的分辨率的驱动信号。
在CIS型固态图像传感装置100的子采样模式中，输出的图像信号具有低分辨率。例如，对于具有超延伸图形适配器(SXGA)分辨率(1280×1024)的APS阵列110，以SXGA分辨率输出规则图像信号。然而，对于子采样模式，以视频图形适配器(VGA)分辨率(640×480)输出图像信号。而且，如果APS阵列110具有极延伸图形适配器(UXGA)分辨率(1600×1200)，那么就以甚至于低于VGA的分辨率输出图像信号，以便减少子采样模式中的数字处理。
对于传统CIS型固态图像传感装置100中的子采样模式，只将以预定距离间隔开的特定行和列的图像信号输出到模拟数字转换器130中，以降低分辨率。在上述示例中，为了将SXGA分辨率降低到VGA分辨率，来自一个像素的图像信号是从四像素的2×2矩阵中选择出来的，以达到1/2分辨率。
可以忽略来自其它未选择像素的图像信号，以减少数字处理。由于这些被忽略的图像信号，显示图像上的对角线部分就不是平滑的连接了，结果导致了以锯齿形显示的混叠噪声。
发明内容
因此，本发明的图像传感装置在于采样模式中处理来自像素阵列的图像信号，而不必忽略所述图像信号的实质部分。
在本发明的一般实施例中，图像传感装置包括沿行和列排列的像素阵列。此外，该图像传感装置还包括驱动器，控制像素阵列以输出组合图像信号，该组合图像信号是具有基本相同色谱的至少两个列或两行的至少两个对准像素的至少两个图像信号的组合。
在本发明的示例实施例中，该组合图像信号是具有基本相同色谱的N个连续奇数或偶数行中一组N个对准像素的N个图像信号的平均。例如，由驱动器来导通对应于N个对准像素的一组N个选择晶体管，以便在N个选择晶体管的公共节点处产生该组合信号。
在本发明的另一实施例中，该驱动器控制该阵列，以便为N个连续奇数或偶数行的每列的各组N个对准像素产生各个组合图像信号。
在本发明的另一个实施例中，该图像传感装置包括模拟混合电路，其进一步平均M个连续奇数或偶数行的各组合信号。
在本发明的另一实施例中，该图像传感装置包括ADC(模拟数字转换器)，用于将每个作为模拟信号的组合图像信号转换为数字信号。在这种情况下，当每个相应的组合信号都转换为相应的数字信号之后，数字混合电路进一步平均M个连续奇数或偶数列的相应的组合信号。
当像素阵列具有拜耳色谱，使得N个对准像素的N个图像信号是相同颜色的时，本发明具有特别的优点。在本发明的示例实施例中，来自N个图像信号的组合信号是在子采样模式期间产生的。
当参照附图，详细描述本发明的示意性实施例时，本发明的上述和其它特点及优点将会变得更加明了，其中图1示出了根据现有技术的CIS型固态图像传感装置的方框图；图2示出了根据本发明的实施例的具有模拟混合电路的CIS型固态图像传感装置的方框图；图3示出了根据本发明的实施例在操作图2的固态图像传感装置时的步骤流程图；图4示出了图2的有源像素传感器(APS)像素阵列的示意性色谱；图5示出了根据本发明的实施例具有组合的图像信号的两个被选择像素的电路元件；图6示出了根据本发明的实施例施加在图5的每个像素上的复位控制信号和传输控制信号的时序图；和图7是根据本发明的另一实施例具有数字混合电路的CIS型固态图像传感装置的方框图。
这里所提到的图是为了清楚说明而绘制的，并没有必要按照真实的比例画出。在图1、2、3、4、5、6和7中具有相同附图标记的元件是指具有相似结构和/或功能的元件。
具体实施例方式
图2示出了根据本发明一个实施例的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)型固态图像传感装置200的方框图。参照图2，该CIS型固态图像传感装置200包括有源像素传感器(APS)阵列210、行驱动器220、模拟混合电路230、模拟数字转换器240和控制器250。
可以将该CIS型固态图像传感装置200设置在小型轻便的装置例如移动电话的照相机中或者数字静物照相机中。该固态图像传感装置200使用光电二极管PD为图像传感光，并将所传感的光转换为电子信号。
APS阵列210包括以行和列设置的二维像素矩阵。每个像素在APS阵列210的相应位置都具有用于传感光的相应光电二极管PD，以便产生相应的图像信号。
行驱动器220产生传输用于控制从APS阵列210中输出的图像信号的控制信号TX、复位控制信号RX和行选择信号SEL。该图像传感装置200产生表示图像的三色信号(红色(R)、绿色(G)和蓝色(B))，将所述彩色信号内插到图像信号处理器中，以在显示装置如液晶显示器(LCD)上进行显示。
对于这样的显示装置，使用转换形式下的三色信号(R、Gr/Gb和B)。为了产生三色信号(R，Gr/Gb和B)的转换形式，使用邻近第一彩色信号G的第二和第三彩色信号(B和R)来内插Gr和Gb信号，以便补偿连续彩色信号(R和B)的效果(参照图4)。这里，APS阵列210的像素排列成拜耳彩色图案。然而，本发明可以针对其它彩色滤波图案而实施。
参照图2，控制器250发出表示该图像传感装置200将在子采样模式下操作的控制信号。在所述的子采样模式中，从该图像传感装置200中输出分辨率比APS阵列210中的像素分辨率低的图像信号。
图3是图2中图像传感装置200的操作流程图。这里，将作为示例描述具有1/2分辨率的子采样模式。参照图2和3，当机械快门开启时(图3的步骤S310)，对应于图像的信号电荷在APS阵列210中的光电二极管PD中积累预定时间。参照图6，由来自行驱动器220的传输控制信号TX来确定光电二极管PD中积累的信号电荷量。
此外，当在光电二极管PD中积累信号电荷时，APS阵列210响应复位控制信号RX而产生复位信号VRST(图3的步骤S320)。而且，APS阵列210响应传输控制信号TX而输出由光电二极管PD转换为光电信号的图像信号(图3的步骤S320)。对于子采样模式，APS阵列210首先平均来自沿两个连续奇数或者偶数行的同一列对准的两个像素的两个图像信号，以产生一行组合图像信号(图3的步骤S320)。
图4示出设置在图2的APS阵列210上的彩色滤波器的拜耳图案。APS阵列210上的每个像素都具有对应于三色信号(R、G和B)之一的相应彩色滤波器。这里，所有行上都设置有与亮度信号紧密相关的绿色滤波器G。此外，红色滤波器R和蓝色滤波器B都如图4所示选择性地设置在每一行上，以便增加亮度分辨率。
图4中，Gb表示第一绿色信号而Gr表示第二绿色信号，两个绿色信号Gb和Gr都在图2的模拟数字转换器240之后设置的信号处理器中经内插处理而产生。下文中，将绿色信号Gb和Gr描述为绿色彩色信号G。行选择信号SEL、传输控制信号TX和复位控制信号RX都从行驱动器220产生，并输入到APS阵列210的每个像素中。
图5示出产生图像信号的两个对准像素中的电路元件，该图像信号被平均，以便在子采样模式中产生组合图像信号。例如，这两个对准像素211和212分别定位于两个连续的奇数行如在第一和第三行的同一列中。该行驱动器220产生为所述的第一和第三行而激活的第一行选择信号SEL1和第三行选择信号SEL3。
进一步参考图5，两个像素211和212在产生复位信号VRST或组合图像信号VFD1的公共节点上耦接。这个公共节点与金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)M9的漏极端耦接。在所述MOSFET M9上施加偏压VBIAS，以形成偏压电路。
进一步参考图5，像素211包括四个MOSFET M1、M2、M3和M4，而像素212包括四个MOSFET M5、M6、M7和M8。当在子采样模式中第一和第三行选择信号SEL1和SEL3以及传输控制信号TX被激活时，来自光电二极管PD1和PD3的图像信号被传输到该公共节点上，以产生组合图像信号VFD1，同时导通MOSFET M4、M3、M1、M8、M7和M5。可选择地，当随着MOSFET M2、M3、M1、M6、M7和M5的导通而激活复位控制信号RX时，就输出复位信号VRST。
参照图4和5，奇数行如对应于选择信号SEL1、SEL3、SEL5，……的行具有相同的色谱。因此，沿着这些奇数行中的相同列对准的像素具有相同颜色的彩色滤波器。相似地，偶数行如对应于选择信号SEL2，SEL4，SEL6，……的行具有相同的色谱。因此，沿着这些偶数行中的相同列对准的像素具有相同颜色的彩色滤波器。
一般而言，参照图2、3和4，当相应的选择信号SEL1，SEL3，SEL5，……SELN以及传输控制信号TX被激活为高时，APS阵列210通过平均沿着N个奇数行的相同列对准的一组N个像素中的N个相应图像信号，而产生相应的组合图像信号，其中N至少为二(图3的步骤320)。可选择地，当作为替代，复位控制信号Rx被激活时，为这一组N个对准像素输出复位信号VRST(图3的步骤320)。
此外，APS阵列210为沿着N个奇数行中的每列的各组N个对准像素产生相应的组合信号(图3的步骤320)，由此产生一行组合信号VFD1、VFD2、VFD3、VFD4、VFD5、VFD6、VFD7、VFD8、……。因为这N个奇数行具有相同的色谱，所以沿着这N个奇数行的每列的N个对准像素具有相同颜色的彩色滤波器。
相似地，当相应的选择信号SEL2、SEL4、SEL6、……SELN以及传输控制信号TX被激活为高时，APS阵列210通过平均沿着N个偶数行的相同列对准的一组N个像素中的N个相应图像信号，而产生相应的组合图像信号，其中N至少为二(图3的步骤330)。可选择地，当作为替代，复位控制信号Rx被激活时，为这一组N个对准像素输出复位信号VRST(图3的步骤330)。
此外，APS阵列210为沿着N个偶数行中的每列的各组N个对准像素产生相应的组合信号(图3的步骤330)，由此产生一行组合信号VFD1、VFD2、VFD3、VFD4、VFD5、VFD6、VFD7、VFD8、……。因为这N个偶数行具有相同的色谱，所以沿着这N个偶数行的每列的N个对准像素具有相同颜色的彩色滤波器。对整个APS阵列210的每组N个连续奇数或偶数行重复上述组合来自N个连续奇数或偶数行的N个对准像素的N个图像信号的过程(图3的步骤S340)。
图2的模拟混合电路230进一步在水平方向上平均所得组合信号行。例如，模拟混合电路230平均对应于组合信号行VFD1、VFD2、VFD3、VFD4、VFD5、VFD6、VFD7、VFD8、……中相同颜色的M个连续奇数或偶数列的组合信号。由此，在子采样模式中水平分辨率以1/M的因子减小。
例如，模拟混合电路230平均两个连续奇数组合图像信号VFD1和VFD3(其是模拟信号)，并将这样进一步平均的信号作为另一个组合信号VFD1和VFD3(其现在是相同的进一步平均的信号)输出到模拟数字转换器240中。或者，该模拟混合电路230平均两个连续的偶数组合图像信号VFD2和VFD4(其是模拟信号)，并将这样进一步平均的信号作为另一个组合信号VFD2和VFD4(其现在是相同的进一步平均的信号)输出到模拟数字转换器240中。
该模拟数字转换器240随后计算来自模拟混合电路230的每个进一步平均的信号和复位信号VRST之差，并将这个作为模拟信号的差转换为数字信号。信号处理器接收为每个进一步组合的信号VFD1、VFD2、VFD3、VFD4、VFD5、VFD6、VFD7、VFD8、……所产生的相应数字信号。所述信号处理器仅仅选择M个连续奇数或偶数列中所出现的相同数字信号中的一个，以进行进一步的处理。
对在显示器上显示一个图像的每个单帧单元重复图3的步骤S310、S320、S330和S340。尽管作为示例描述了具有1/2分辨率的子采样模式，但是当上面的描述中N和M分别是3、4或5时，本发明也可以实施为1/3、1/4或1/5分辨率。然而，具有1/2分辨率的子采样模式的有利地具有较小的电路复杂性。
图7是根据本发明另一实施例的CIS型固态图像传感装置700的方框图。参照图7，该CIS型固态图像传感装置700包括APS阵列710、行驱动器720、模拟数字转换器730、数字混合电路740和控制器750。该APS阵列710、行驱动器720和控制器750的结构和操作与图2中APS阵列210、行驱动器220和控制器250相似，以产生组合信号VFD1、VFD2、VFD3、VFD4、VFD5、VFD6、VFD7、VFD8、……。
参照图7，模拟数字转换器730计算所述组合信号和复位信号VRST之差，上述两种信号都是模拟信号。此外，模拟数字转换器730将所述差转换为每个组合信号VFD1、VFD2、VFD3、VFD4、VFD5、VFD6、VFD7、VFD8、……的数字信号。
此后，数字混合电路740在水平方向上进一步平均来自模拟数字转换器730的所得数字信号行。例如，数字混合电路740平均对应于来自模拟数字转换器730的数字信号行中相同颜色的M个连续奇数或偶数列的数字信号。因此，在子采样模式中，水平分辨率以1/M的因子减小。信号处理器只选择已经被平均的M个连续奇数或偶数列中出现的相同数字信号中的一个，以进行进一步的处理。
以这种方式，用来自图2的APS阵列210或图7的APS阵列710中基本上全部像素的图像信号来在子采样模式中产生具有低分辨率的组合图像信号。由于不必忽略来自一些像素的图像信号，所显示的传感图像在这样的子采样模式中具有更高的质量。当将图像传感装置200或700形成在小型轻便的电子装置例如移动电话的照相机中或数字静物摄象机中时，所述的更高显示质量是非常有利的。
参照本发明的示意性实施例，已经具体示出和描述了本发明。本领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种形式和细节上的变化。
因此，上面仅仅是作为示例而并不试图进行限制。例如，本文所示出和描述的任何数目的元件或电路拓扑都仅仅是作为示例。本发明仅仅如所附权利要求及其等同物所限定。
权利要求
1.一种图像传感装置，包括沿行和列排列的像素阵列；以及驱动器，控制所述像素阵列以输出组合图像信号，所述组合图像信号是具有基本上相同色谱的至少两列或两行中的至少两个对准像素的至少两个图像信号的组合。
2.如权利要求1所述的图像传感装置，其中所述组合图像信号是具有基本相同色谱的N个连续奇数或偶数行中一组N个对准像素的N个图像信号的平均。
3.如权利要求2所述的图像传感装置，其中对应于N个对准像素的一组N个选择晶体管由驱动器来导通，以在N个选择晶体管的公共节点产生组合信号。
4.如权利要求2所述的图像传感装置，其中所述驱动器控制该阵列，以便为N个连续奇数或偶数行的每列的各组N个对准像素产生相应的组合图像信号。
5.如权利要求4所述的图像传感装置，还包括模拟混合电路，进一步平均M个连续奇数或偶数列的相应的组合信号。
6.如权利要求4所述的图像传感装置，还包括ADC(模拟数字转换器)，用于将每个作为模拟信号的组合图像信号转换为数字信号。
7.如权利要求6所述的图像传感装置，还包括数字混合电路，其在将每个相应的组合信号转换为相应的数字信号后，进一步平均M个连续奇数或偶数列的相应的组合信号。
8.如权利要求2所述的图像传感装置，其中所述N个图像信号是相同颜色的。
9.如权利要求2所述的图像传感装置，其中所述像素阵列具有拜耳色谱。
10.如权利要求1所述的图像传感装置，其中所述组合信号是由子采样模式的像素阵列产生的。
11.一种用于传感图像的方法，包括在沿行和列排列的像素阵列的每个像素处产生相应的图像信号；以及控制所述像素阵列以输出组合图像信号，所述组合图像信号是具有基本上相同色谱的至少两列或两行中的至少两个对准像素的至少两个图像信号的组合。
12.如权利要求11所述的方法，还包括通过平均具有基本上相同色谱的N个连续奇数或偶数行中的一组N个对准像素的N个图像信号，而产生组合图像信号。
13.如权利要求12所述的方法，还包括导通对应于所述N个对准像素的一组N个选择晶体管，以便在N个选择晶体管的公共节点处产生组合信号。
14.如权利要求12所述的方法，还包括控制所述阵列，以便为N个连续奇数或偶数行的每列的各组N个对准像素产生相应的组合图像信号。
15.如权利要求14所述的方法，还包括对M个连续奇数或偶数列，进一步平均作为模拟信号从阵列中产生的相应组合信号。
16.如权利要求14所述的方法，还包括将作为模拟信号产生的每个组合图像信号转换为数字信号。
17.如权利要求16所述的方法，还包括在将每个相应的组合信号转换为相应的数字信号后，进一步平均M个连续奇数或偶数列的相应组合信号。
18.如权利要求12所述的方法，其中所述N个图像信号是相同颜色的。
19.如权利要求12所述的方法，其中所述像素阵列具有拜耳色谱。
20.如权利要求11所述的方法，其中所述组合信号是由子采样模式的像素阵列产生的。
全文摘要
一种图像传感装置包括驱动器和像素阵列。该驱动器控制该像素阵列以输出组合图像信号，该组合信号是至少两行中的至少两个对准像素的至少两个图像信号的组合，以在子采样模式中减小垂直分辨率。此外，混合电路进一步平均M个连续奇数或偶数列的所得组合信号，以便在子采样模式中减小水平分辨率。
文档编号H04N5/374GK1717003SQ20051007167
公开日2006年1月4日 申请日期2005年2月8日 优先权日2004年2月11日
发明者安正齿, 林秀宪 申请人:三星电子株式会社