圖象傳感器的錯位象素圖案子采樣的制作方法

專利名稱：圖象傳感器的錯位象素圖案子采樣的制作方法
背景技術：
1.發明領域本發明涉及固態成象裝置，更具體地，涉及這種成象裝置的一種有源象素傳感器子采樣結構。
2.相關技術的描述過去的電子攝象機使用電荷耦合器件(CCD)成象器以使光圖象轉換成相應的電信號。一個典型的CCD成象器包括一個光象點矩陣(陣列)，該光象點矩陣能夠收集形成電荷包的自由電子，而該電荷包直接正比于入射到光象點上的光子輻射。因而，當一幅圖象聚焦于陣列的表面上時，位于陣列中每個光象點上的電荷包對應于整個圖象各自的畫面元素即象素。產生的光象點電荷包以并行的方式傳送到一個CCD移位寄存器中，在這里電荷包作為CCD圖象的輸出信號串行地傳送出去。CCD成象器的輸出信號是一串電信號，該信號的振幅代表單個圖象幀的圖象上的每一象素的光強。這個過程可以連續重復地產生輸出信號，該輸出信號對應于每秒幾個圖象幀。因此，所產生的輸出信號的每一幀中包含有在每個光象點上檢測到的光強信息。
典型的CCD成象器的缺點在于，它們需要通過距離大約1-2厘米的半導體材料來完成近乎完美的電荷傳送。因此，這種CCD成象器需要一個相當大的功率，很難制造出大尺寸的陣列，很難集成于互補金屬氧化物半導體(CMOS)芯片上。其困難在于，標準的CCD過程與CMOS過程不兼容，而成象器所需要的成象器信號處理電子裝置在CMOS里制作得很好。
因此，在攝象設備中，相對于CCD成象器而言，作為選擇，有源象素傳感器(APS)已經變得日益普遍。APS在陣列中的每一個象素光象點上使用一個或多個片上晶體管(見美國專利No.5,471,515和歐洲專利申請公告957,630)。位于光象點上的晶體管用于緩沖光象點產生的電荷包所對應的光信號，并驅動一條輸出信號線，避免CCD成象器必須將數據串行移出的缺點。然而，典型的APS陣列仍然是每一幀(代表陣列上圖象數據的一行)產生一個輸出信號，其中包含有代表每個光象點上檢測到的光強信息。
圖象傳感器象素陣列典型地采用子采樣，使得最后的圖象尺寸和寬高比可以縮放，增加能獲得最大分辨率的幀速率，或二者兼得。CCD成光象列的一個缺點是它們只有非常有限的能力在水平方向實施子采樣，并且它們通過水平子采樣增加幀速率的能力是不存在或極端有限的。CMOS圖象傳感器有隨機訪問單個象素的能力，這意味著通過增加子采樣比率來增加標稱幀速率的目標是可能的。
然而，當子采樣比率增加時，由于信息的損失，最后的圖象質量往往會降低。降低的程度是與光學系統的分辨率及圖象傳感器象素有關的個別圖象特征量度和角度校準的一個函數，它也是所采用的樣本空間頻率的函數，該空間頻率取決于子采樣比率和所選擇的子采樣圖案。
因為CCD成象陣列在水平方向不支持象素的真隨機訪問，所以從水平子采樣來獲得幀速率最大限度地增加是不可能的。在圖象處理流程中，水平圖象縮放一般地靠后完成。任何增加幀速率的需求必須通過垂直子采樣來滿足，這會導致不同的水平和垂直比率以及圖象偽影。
CMOS圖象傳感器可以具有相同的水平和垂直子采樣比率，并且能夠通過子采樣做到幀速率的增加。然而，CMOS傳感器進行子采樣，典型地說，是采用矩形格柵子采樣圖案，在每一行上采樣相同的列。均勻矩形格柵的缺點是樣本的空間頻率沒有做到最大化并且當聚焦于諸如文本的精細的傾斜垂直線時，所得到的圖案特別容易降低質量。
于是，可以看到，現代的子采樣技術是將影響到圖象傳感器的圖象空間分辨率和成象的時間限制施予圖象傳感器，從而阻礙了這些傳感器在許多應用中的使用。
因此，提供具有在改善圖象空間分辨率的同時可快速成象的改進的圖象傳感器子采樣技術，是一個尚未解決的需求。
發明概述這里描述了一種傳感器象素子采樣技術，它在提供快速成象的同時具有改善的圖象空間分辨率的圖象。在一種錯位子采樣模式中，成象陣列的采樣圖案逐行左右移動，以增加圖象的水平采樣頻率。錯位子采樣減少了可分辨的特征量度并減少了角度校準靈敏度。結果，在所需的圖象質量和檢出時間閾值以內可以記錄到的圖象、范圍和特征量度增加了。
在一個實施例中，錯位子采樣是通過對于被采樣的每一行采樣相同數量的象素來實現的，在采樣時圖案不移動，并且以相同的速率完成。值得指出的是，使圖案錯位的方案可以啟用或不啟用，例如，通過設定一個可編程寄存器比特可做到這點。
錯位子采樣技術可以應用于單色成光象列。另一種情況，錯位子采樣可以應用于彩色成光象列，例如，采用Bayer圖案陣列。
附圖簡述結合圖示，通過下面的詳細描述，本發明很容易理解，其中，相似的標號表示具有相似結構的單元，并且，這里

圖1表示一種有源象素傳感器成象裝置的結構，根據本發明，該裝置結合了錯位象素子采樣電路；圖2表示了圖1所示的有源象素傳感器成象裝置的細節；圖3A和圖3B分別表示了圖1所示的成象裝置錯位和非錯位2∶1子采樣圖案的細節；圖4A和圖4B分別表示了圖1所示的成象裝置錯位和非錯位4∶1子采樣圖案的細節；圖5A和圖5B表示了圖1所示的成象裝置另外的錯位子采樣圖案的細節；以及圖6表示一個成象系統，根據本發明的一個實施例，該系統有錯位子采樣能力。
發明詳述下面，參考圖1-6討論本發明的實施例。本技術領域的熟練人員很容易明白，這里給出的關于這些圖的詳盡描述是以解釋為目的的，因為本發明不限于這些實施例。
圖1的方塊圖包括一個用于優選實施例的有源象素傳感器陣列180，以及用于控制和讀出形成于陣列上的圖象的相關電路。陣列180由有源象素傳感器陣點(APS)10的行和列構成。圖1中，本發明的優選實施例采用了錯位圖案象素子采樣技術，以便當通過有選擇地對有源象素傳感器陣列180的APS陣點10進行子采樣而產生圖象信號170時，可提供具有改善的圖象空間分辨率的快速成象。在這個示范性的圖示中，顯示了傳感器陣點的4行4列。然而，本技術領域的熟練人員很容易明白，行數和列數可以是任何大小的，且仍然符合本發明范圍。
依賴于所選擇的子采樣圖案或采樣圖案，時序控制器100選擇性地控制行解碼器110、列放大器130和邏輯控制器140，以對象素傳感器陣列180的APS陣點10的一些或全部進行采樣。時序控制器100產生行控制信號160，用于選擇陣列180的一個特定的行以便檢出。時序控制器100還產生列控制信號170用于選擇陣列180中的已選定行內的象素10以便檢出。當一行中選定的象素10正在讀出時，有關的列放大器130被驅動到一個電平上，該電平正比于投射至選定的行之該列中所選定象素上的入射光量。入射光在一個曝光周期內積分以對環境照明情況進行調整。在列讀出期間，選定的列放大器130的輸出被順序地選中，提供出模擬圖象信號118。模數轉換器170將模擬圖象信號118轉換成數字圖象信號170。典型地，所有的列放大器130都是相同的采樣保持放大器，使用相同的控制信號、偏置電壓和參考電壓。每一個列放大器中的放大單元可以是簡單的兩個晶體管放大器，或是復雜些的配置，以能夠在較高頻率從而允許較快的讀出速率下提供具有低功耗的高增益。
典型地，列放大器的工作分三個階段階段1)選中陣列中的一行，將來自選中行上諸象素的圖象信號采樣和存儲，而選中的行是與連接至該列放大器的公共列線相連接的；階段2)對選中的象素的復位狀態采樣和存儲，并且將其從已存儲的采樣圖象信號中減去；階段3)使選中的列放大器130的輸出線給出輸出，以形成圖象數據供集成電路上的其它系統的電路進一步處理。
圖2表示一種類型的有源象素傳感器(APS)陣點10，該圖表示了成光象列中的一個象素。這個陣點完成光信號到電信號的轉換。有源象素傳感器陣列是APS陣點10以行和列形成的一個矩陣(見圖1)。這些APS陣點10制作在半導體基底20上，一種示例的類型是如圖2所示的P+基底。在基底上形成一個光子陷井24，它設計成能夠防止由非光子產生的電荷泄漏到基底20中去。圖2中，在P+基底20的頂部形成一個薄的P-外延層，16(epi)以進一步減小這種泄漏。如圖2所示的光子陷井24由N+材料構成，以形成一個擴散結。本技術領域的普通技術人員很容易明白，其它可能的有源象素單元或者甚至無源象素單元的實施也是可能的，不影響本發明的范圍。
連接觸點26將光子陷井24連接至用于對投射到光子陷阱24上的光源22進行控制和轉換的其它電路上。光子陷阱24(擴散結)是一個反偏二極管(通常所說的光電二極管)，它包含一個可以存儲電荷28的寄生電容，于是產生了一個電位。這個存儲的電荷28由電源46(Vdd)通過復位開關40供給，當該開關被激勵時向光子陷阱24填充電荷28。復位開關40斷開以后，光源22投射到光子陷阱24上帶來光源22的光能，從而在光子陷阱24和下面的基底20上形成許多電子-空穴對。電子-空穴對的數目是接收到的光源22的之光能強度的函數。光子陷阱24中形成的空穴轉而擴散到與基底20形成的結中，而在這里，在光子陷阱24和基底20間偏置結上電場作用下，空穴被掃到基底20中。相似地，基底20內形成的電子擴散到光子陷阱24和基底20間所形成的結中，它們被掃到光子陷阱24內，并被收集到連接觸點26中。于是，光子陷阱24內每增加一個光電子，連接觸點26處的電壓就相應地減少。
一般地，為了保持填充系數(光子陷阱24的面積與APS陣點10的面積之比，即光子陷阱24面積/APS陣點10面積)盡可能大，復位開關40、緩沖器32以及行選擇開關34優選地采用NMOS FET器件制作。這個事實要求每個晶體管的柵極至少比晶體管的源極高出的一個門限，以使晶體管導通。于是，光子陷阱24將被充電所達到的最大電位將比出現在復位開關40柵極上的、典型值是電源電壓46，Vdd的電位低一個柵極門限(它的大小取決于所用的IC工藝，典型地是0.8V到1.2V)。同樣地，電壓跟隨器型緩沖器32將使它的源極比其柵極上的信號低一個柵極門限。因此，公共列線38上得到的最大信號是比電源電壓46(Vdd)小兩個柵極門限電壓。并且，當沒有光源22投射到光子陷阱上時，才呈現該最大信號。當光源22照射光子陷阱時，呈現在公共列線38上的信號電平將以與光源22的強度成比例的比率減少，當光源22達到最大光強時信號電平為地電位。
如上面所提到的，圖1的時序控制器100通過與行解碼器110相連的行控制信號160，用以選定讀出陣列的哪一行和哪一列。時序控制器100還為一組列放大器130產生定時信號。另外，時序控制器或者順序地選擇每一列作為輸出，或者可以編程，例如，取決于所需要的分辨率，當寄存器105設定輸入一種子采樣模式時，以不同的時間間隔輸出各列信號。一個對半分辨率圖象(相對于由行和列的數目決定的最大分辨率)進行子采樣的實例可以是，每隔一行選一行和每隔一列選一列。
根據本發明，時序控制器100可以設定成錯位子采樣模式。水平子采樣錯位的基本想法是在交替的行上向右然后向左移動水平子采樣圖案，以改善樣本的空間分布。與不支持水平錯位子采樣的傳感器相比較，在相同的幀速率、輸出相同數目的象素時，錯位子采樣模式允許采用高一些的采樣頻率。它也可以應用于任何空間抽取比的采樣。
錯位子采樣增加了采樣的象素的空間分布，而對于給定的光學系統和象素，可減少特征量度，而該特征量度可以在足夠高頻率上采樣以得到高質量再現。由錯位子采樣得到的空間分布還可將角度校準靈敏度減少到小特征值。當實施上面的做法時仍然可實現象素的隨機采樣，且可得到最大化的幀速率。
以前，在CCD圖象傳感器中做過非錯位子采樣。然而，CCD傳感器只有非常有限的水平子采樣能力，并且使圖案錯位時在時間上有代價。本發明的范圍仍然可設想包括CCD傳感器的錯位子采樣。這是因為，盡管它花費的時間要比CCD傳感器的非錯位子采樣長，但采用錯位子采樣時所得到的象素空間分布能增加小物體的分辨率以及將角度校準靈敏度減少到小特征值。
雖然，錯位子采樣可以方便地應用于單色圖象傳感器，但它也可以用于彩色圖象傳感器。圖光象列傳感器一般用于固體攝象機，而彩色圖象傳感器眾所周知地包括一個二維傳感單元陣列，該二維傳感單元陣列上有濾色波器矩陣圖案，例如，紅、綠和藍濾色器(例如，圖2中的濾色器12)。對應于不同彩色的各傳感單元輸出在陣列的輸出端被分離開，并且供給各自的彩色通道。
通過本技術領域中一種為眾人所知的叫做“去馬賽克”的方法，每一個通道的象素值可以在每個傳感器象點處被估計出來。例如，在具有綠濾色器的傳感器象點處的紅通道值，可以通過最靠近的具有紅濾色器的傳感器象點處的紅通道值的平均化而估計出來。更復雜的去馬賽克方案是眾所周知的，也是可以采用的。例如，如果在一個象素的相鄰檢測到一個邊緣，當一個相鄰的同一彩色通道的有色象點位于邊緣處被估計象素的另一惻時，則它可以從估計計算中排除開。
一般地，為了使傳感器上每一個彩色通道所檢知的每種彩色輻射給出合適的空間采樣，陣列中相鄰的傳感單元上有不同的濾色器。每一行中相鄰的傳感單元可以形成和安排成用于檢知各波長的輻射，它們對應于多種彩色通道中不同的一些彩色通道。例如，每一行包含三個系列傳感單元，用于分別檢知紅、綠和藍波長光。三個系列的單元可以如此間插地分布，即每行包括紅(R)、綠(G)，和藍(B)傳感單元的交替圖案，例如RGBRGBRG…。另一種方法，例如，每一行僅包含兩個系列的傳感單元。每一行中的兩個系列傳感單元可以如此安排，使每個第三單元檢知的彩色輻射不同于每個第一和第二單元，例如BBRBBRBBR…。任何一行內包含的傳感單元的間插分布系列，其中，可以有這樣的傳感單元，它們用于讀出至少一種彩色光，它與另外一行中間插分布系列的傳感單元檢知的彩色光不相同。例如，第一行可以包含兩個系列的單元用于檢知紅和藍色光，而第二行可以包含兩個系列的單元用于檢知紅和綠色光。
在這種類型的彩色圖光象列傳感器的一個實施例中，濾色器的矩陣圖案如美國專利3,971,065中所描述的Bayer矩陣圖案。Bayer矩陣示意性地顯示在圖1的象素傳感器陣列180中。盡管錯位子采樣將在Bayer圖案的情況下進行討論，但是需要明白，這個圖案是以舉例為目的的，而且可以采用其它的圖案而不背離本發明的范圍。在Bayer矩陣中，陣列的每一行有兩個系列的象素。每種系列的所有象素有相同的濾色器，每種系列中象素的濾色器或者是紅(R)、綠(G)，或者是藍(B)。在每一行中兩個系列的象素如此間插以形成交替的兩色圖案例如GRGRGR…等。第一和每一個隨后的奇數行具有象素彩色圖案GRGRGR…等。第二和每一個隨后的偶數行具有象素圖案BGBGBG…等等。
對于彩色圖象重建，圖1所示的Bayer矩陣象素陣列圖案有許多好的特性。眾所周知，人眼對亮度比色度更敏感，而綠象素攜帶了大部分亮度信息。通過利用錯位子采樣模式將采樣圖案逐行地左右移動，圖象亮度的水平采樣頻率增加了，于是，減小了可以分辨的特征量度并且減小了角度校準靈敏度。結果，在需要的圖象質量閾值內可以記錄到的圖象范圍和特征量度增加了。在一個實施例中，錯位子采樣是通過對被采樣的每一行采樣相同數量的象素來實現的，在采樣時圖案不移動，并且以相同的速率完成采樣。值得指出的是，圖案錯位的方案可以通過例如圖1中的寄存器105內的一個可編程寄存器比特，使之啟用或者不啟用。
圖3A和3B分別顯示了圖1所示成象裝置的錯位和非錯位的2∶1子采樣圖案的細節。在圖3A的實施例中，象素傳感器陣列180的象素傳感器10以錯位子采樣的模式讀出，這里無陰影的傳感器被讀出而有陰影的傳感器不被讀出。頂部、中間和底部的行形成了一“G-R”行集合，它們的讀出子集為G和相鄰的R傳感器(形成Bayer圖案的上一半)。對每一個G-R行，每一個讀出的G-R傳感器系列形成了一個讀出子集，它與另外一個讀出的G-R傳感器系列之間由不被讀出的一個G-R傳感器系列分隔開。(在2∶1錯位子采樣模式中)。
與G-R行交隔的行是一“B-G”行集合，它們的讀出子集為B和相鄰G的傳感器(形成Bayer圖案的下一半)。對每一B-G行，每一個讀出的B-G傳感器系列形成一個讀出子集，它與另外一個讀出的B-G傳感器系列之間由不被讀出的B-G傳感器系列分隔開(在2∶1錯位子采樣模式中)。
子采樣圖案的錯位是這樣的，對于一對相鄰的行，在同一列內G-R讀出子集中有象素讀出時，便不會在B-G讀出子集中有象素讀出。于是，例如，頂行最左列的G傳感器被讀出，但是，正位于其下一行最左列的B傳感器不被讀出。
圖3B顯示了非錯位2∶1子采樣圖案的細節，它可以在非錯位子采樣模式下采樣。在圖3A中，陣列180無陰影的傳感器10被讀出而有陰影的傳感器10不被讀出。然而，不象圖3A，在圖3B中傳感器的讀出是不錯位的。沒有錯位的子采樣圖案是這樣的，對于一對相鄰的行，在同一列內G-R讀出子集中有象素讀出時，在B-G讀出子集中有相應的象素讀出。于是，例如，頂行最左列的G傳感器被讀出，而正位于其下面的一行最左列的B傳感器也被讀出。
圖4A和4B分別顯示了圖1所示的成象裝置的錯位和非錯位4∶1子采樣圖案的細節。在圖4A所示的實施例中，象素傳感器陣列180的象素傳感器10在錯位模式下讀出，這里，無陰影傳感器被讀出的而有陰影的傳感器不被讀出。頂部、中間和底部的行形成了一“G-R”行集合，它們的讀出子集為G和相鄰的R傳感器(形成Bayer圖案上一半)。對每一個G-R行，每一個讀出的G-R傳感器系列形成了一個讀出子集，它與另一個讀出的G-R傳感器系列由不被讀出的三個G-R傳感器系列集合分隔開。(在4∶1錯位子采樣模式中)。
與G-R行交隔的行是一“B-G”行集合，它們讀出的子集為B和相鄰G傳感器(形成Bayer圖案的下一半)。對每一個B-G行，每一個讀出的B-G傳感器系列形成了一個讀出子集，它與另一個讀出的B-G傳感器系列之間由不被讀出的三個B-G傳感器系列集合分隔開。(在4∶1錯位子采樣模式中)。
如圖3A的情形，圖4A所示的子采樣圖案的錯位是這樣的，對于一對相鄰的行，在同一列內G-R讀出子集中有象素讀出時，便不會在B-G讀出子集中有象素讀出。于是，例如，頂行最左列的G傳感器被讀出，但是，正位于其下面的一行最左列的B傳感器不被讀出。然而，與圖3A的情形不同，由于較高的子采樣速率，在圖4A中有的傳感器列整個地不被讀出。
圖4B顯示了非錯位4∶1子采樣圖案的細節，它可以在非錯位子采樣模式下采樣。如圖4A所示那樣，陣列180內無陰影的傳感器10被讀出而有陰影的傳感器10不被讀出。然而，不象圖4A，在圖4B中傳感器的讀出是不錯位的。在沒有錯位的情況下，子采樣圖案是這樣的，對于一對相鄰的行，在同一列的G-R讀出子集中有象素讀出時，在B-G讀出子集中有相應的象素讀出。于是，例如，頂行最左列的G傳感器被讀出，而正位于其下面的一行最左列的B傳感器也被讀出。
圖5A和5B顯示了圖1所示的成象裝置上另外的錯位子采樣圖案的細節。圖5A所示的實施例中，象素傳感器陣列180的象素傳感器10以錯位子采樣模式讀出，這里，無陰影的傳感器被讀出而有陰影的傳感器不被讀出。頂行以及與頂行相隔一行的兩行形成一“G-R”行集合，它們的讀出子集為G和不相鄰的R傳感器(形成Bayer圖案的上一半)。
對于每一個G-R行，讀出的每一個G-R傳感器的集合形成了一個讀出子集，其中，每一個讀出的G傳感器與其相應地讀出的R傳感器之間由不被讀出的一對相鄰的R和G傳感器分隔開。因此，每一個讀出的G-R傳感器集合，與另一個讀出G-R傳感器的集合之間，由不被讀出的一對相鄰的G和R傳感器分隔開(在此錯位子采樣模式下)。
與G-R行交隔的行是一有讀出子集的“B-G”行集合，其中，每一個讀出的B傳感器與其相應地讀出的G傳感器之間由不被讀出的一對相鄰的G和B傳感器分隔開。每一個讀出的B-G傳感器集合(形成Bayer圖案的下一半)，與另一個讀出的B-G傳感器集合之間由不被讀出的一對相鄰的B-G傳感器分隔開(在此錯位子采樣模式下)。
如圖3A和圖4A的情形一樣，圖5A所示的子采樣圖案的錯位是這樣的，對于一對相鄰的行，在同一列內，G-R讀出子集中有象素讀出時，便不會在B-G讀出子集中有象素讀出。于是，例如，頂行最左列的G傳感器被讀出，但是，正位于其下面的一行最左列的B傳感器不被讀出。
在如圖5B所示的實施例中，象素傳感器陣列180的象素傳感器10在錯位子采樣模式下讀出，這里，無陰影的傳感器被讀出而有陰影的傳感器不被讀出。頂行以及與頂行相隔一行的兩行形成一“G-R”行集合，一半的G-R行有讀出子集G和相鄰的R傳感器(形成Bayer圖案的上一半)。另一半G-R行沒有任何讀出的傳感器。對于有讀出傳感器的每一個G-R行，每一個讀出的G-R傳感器系列形成了一個讀出子集，它與另一個讀出的G-R傳感器系列之間由不被讀出的三個G-R傳感器系列集合分隔開(在此錯位子采樣模式下)。
與G-R行交隔的行是一“B-G”行集合。一半的B-G行有讀出子集B和相鄰的G傳感器(形成Bayer圖案下一半)。另一半B-G行沒有任何讀出的傳感器。對有讀出傳感器的每一個B-G行，每一個讀出的B-G傳感器系列形成一個讀出子集，它與另外一個讀出的B-G傳感器系列之間由不被讀出的三個B-G傳感器系列集合分隔開(在此錯位子采樣模式下)。
如圖3A、4A和5A的情形那樣，圖5B所示的子采樣圖案的錯位是這樣的，對于一對相鄰的行，在同一列內，G-R讀出子集中有象素讀出時，便不會在B-G讀出子集中有象素讀出。于是，例如，頂行最左列的G傳感器被讀出，但是，正位于其下面的一行最左列的B傳感器不被讀出。然而，與圖3A的情形不同，由于較高的子采樣速率，在圖5B中有的傳感器列整個地不被讀出。另外，在圖5B中，由于較高的子采樣速率，有的傳感器行也整個地不被讀出。
圖6是結合圖1的圖光象列傳感器(圖6中參考號為12)構成的一種固態攝象機系統70的示意圖。該攝象機系統包括一個攝象頭50，其中包括透鏡54和圖象陣列傳感器12。在主陣列輸出端讀出的象素輸出信號流饋給模擬-數字轉換器，在這里象素輸出從模擬轉換到數字信號。數字信號170隨后饋送到信號處理單元68，該單元可以配置成和/或編程把象素輸出流分離成視頻信號V-RGB的紅、綠和藍彩色通道(R-CH，G-CH，B-CH)。視頻信號V-RGB從處理單元68輸出到視頻顯示單元60和/或與處理單元68連接的記錄裝置62。(處理單元還優選地對紅、綠和藍通道信號進行內插以使視頻信號V-RGB在輸出到顯示單元60和/或記錄裝置64之前形成同步、并行的彩色通道信號。)在圖6所示的實施例中，處理單元68提供在第二塊集成電路上，該集成電路還在攝象機系統70的圖象處理單元或模塊66中同時提供出顯示單元60和/或記錄裝置64，以配合攝象頭50的應用。模/數轉換器結合在攝象頭22的電路中(如果需要，該模數轉換器可以集成到圖象傳感器集成電路中)。第二塊集成電路還可以包括攝象機系統中的去馬賽克、彩色平衡控制電路和/曝光控制電路。
可以設想，攝象頭50不總是要與圖6的攝象機系統中所示的圖象處理單元68一起使用的。例如，攝象頭50中的圖象傳感器12的圖象數據輸出可直接饋向一個記錄裝置，輸出信號流在那里可以記錄到一種記錄介質上(例如計算機硬盤，或軟盤)。在以后的時間里，通過將記錄的數據讀入一個合適的編程處理器，記錄的圖象數據(按其輸出信號流形式)可以分離成各個彩色通道，以形成一個視頻信號和/或圖象。
在另一個實施例(未示出)中，模/數轉換器被裝在圖象處理單元68內，而不是在攝象頭50里。類似地，在另外一個可能的實施例(未示出)中，模/數轉換以及由處理單元68完成的一些或全部信號處理可以在攝象頭50內實現。例如，可以使處理電路象集成電路式圖象陣列傳感器一樣制作在同一個電路芯片上來做到。于是，電路芯片上的處理電路可以安排成使傳感器來的圖象輸出的數據按數字形式格式化，并將格式化的數據轉換成標準的視頻形式，然后能直接輸入到視頻顯示單元和/或記錄裝置上，或者存儲到外部的存儲器中以便將來使用。另一種方法，芯片上的處理電路可以安排成將傳感器來的圖象數據輸出轉換成一種特定的數據格式，格式化的數據然后從攝象頭50輸出到另外的外部信號處理電路中，該處理電路被編程，或安排成對格式化數據進行解釋，從中產生出標準的視頻信號(例如按以三個通道R、G、B的形式)，以便象以前一樣地供使用。
另外值得一提的是，本發明適合于多光譜傳感器，其中將一些象素處理得能檢知不可見輻射，例如，紅外輻射。于是，所述的多個通道中至少一個可以用于紅外或其它不可見輻射，從而傳感單元的某一些由此可以個別用于檢知紅外或其它不可見輻射。
在一個實施例中，傳感單元陣列顯示出包括濾色器的矩陣圖案，該矩陣圖案對應于不同的輻射波長，以便能在實質上激勵相應的傳感單元，使得對應于所述多個通道中各別的通道，可在特定的波長上或者在特定的波長段內檢知它們的輻射。另一種方法，各個傳感單元上可以有對不同輻射波長作出響應的檢知表面。
從文字描述可知，本發明的許多特征和優點是顯而易見的，因而在所附的權利要求中將包羅本發明的所有這些特征和優點。此外，由于對本技術領域內的普通技術人員而言很容易作出無數的修改和變更，所以本發明并不僅限于圖例的和描述的那些確切結構和運用。因此，如果落入本發明的范圍，所有合適的修改及等效行為都將被訴諸為是落入本發明的范圍內。
權利要求
1.一種成象裝置，包括一個象素傳感器陣列，諸象素傳感器安排成行和列；一個可實現錯位子采樣模式的時序控制器，當置于錯位子采樣模式時，時序控制器能夠讀出象素傳感器的子樣本，從而讀出第一和第二象素傳感器讀出子集，第一讀出子集來自第一集合行，第二讀出子集來自第二集合行；第一和第二集合行是交隔的，并且這樣錯位地讀出象素即對于一對相鄰的行，在同一列內，第一讀出子集中有象素讀出時，使不會在第二讀出子集中有象素讀出。
2.如權利要求1中的成象裝置，其中，時序控制器采用隨機訪問尋址和讀出每個被讀的象素傳感器。
3.如權利要求1中的成象裝置，其中，象素傳感器對應于多個彩色通道。
4.如權利要求3中的成象裝置，其中，第一讀出子集對應于多個彩色通道中的第一彩色通道子集，第二讀出子集對應于多個彩色通道中的第二彩色通道子集。
5.如權利要求4中的成象裝置，其中，第一彩色通道子集是紅和綠的，而第二彩色通道子集是綠和藍的。
6.如權利要求1中的成象裝置，其中，第三集合行與第一和第二集合行交隔，又其中，當處于錯位模式時沒有象素從第三集合行讀出。
7.如權利要求1中的成象裝置，其中，從第二集合行中有第三讀出子集，以及時序控制器有非錯位子采樣模式，當置于非錯位子采樣模式時，時序控制器使得象素傳感器被讀出，這里，在讀出象素不錯位的情況下這樣地讀出第一和第三象素傳感器的讀出子集，即對于一對相鄰的行，在同一列第一讀出子集中有象素讀出時，在第三讀出子集中也有象素讀出。
8.如權利要求1中的成象裝置，其中，時序控制器有非子采樣模式，當置于非子采樣模式時，時序控制器使得所有象素傳感器被讀出。
9.如權利要求1中的成象裝置，包括一個信號處理器，用以處理來自被讀出象素傳感器的信號。
10.如權利要求9中的成象裝置，包括一個顯示器，以顯示基于被讀出象素傳感器來的信號的圖象。
11.如權利要求9中的成象裝置，包括一個記錄裝置，以記錄基于被讀傳感器來的信號的圖象。
12.一種成象方法，包括將時序控制器置于錯位子采樣模式，時序控制器用于象素傳感器陣列，象素傳感器安排成行和列；當置于錯位子采樣模式時，時序控制器使得象素傳感器的子樣本被讀出，這里，讀出第一和第二象素傳感器讀出子集，第一讀出子集來自第一集合行；第二讀出子集來自第二集合行；第一和第二集合行是交隔的，并且這樣地錯位讀出象素，即對于一對相鄰的行，在同一列內，第一讀出子集中有象素讀出時，便不會在第二讀出子集中有象素讀出。
13.如權利要求12中的成象方法，其中，時序控制器采用隨機訪問尋址和讀出每個被讀出的象素傳感器。
14.如權利要求12中的成象方法，其中，象素傳感器對應于多個彩色通道。
15.如權利要求14中的成象方法，其中，第一讀出子集對應于多個彩色通道中的第一彩色通道子集，第二讀出子集對應于多個彩色通道中的第二彩色通道子集。
16.如權利要求15中的成象方法，其中，第一彩色通道子集是紅和綠的而第二彩色通道子集是綠和藍的。
17.如權利要求12中的成象方法，其中，第三集合行與第一和第二集合行交隔，又其中，當處于錯位模式時沒有象素從第三集合行讀出。
18.如權利要求12中的成象方法，其中，從第二集合行中有第三讀出子集，以及時序控制器有非錯位子采樣模式，當置于非錯位子采樣模式時，時序控制器使得象素傳感器被讀出，這里，在讀出象素不錯位的情況下這樣地讀出第一和第三象素傳感器的讀出子集，即對于一對相鄰的行，在同一列內第一讀出子集中有象素讀出時在第三讀出子集中也有象素讀出。
19.如權利要求12中的成象方法，其中，時序控制器有非子采樣模式，當置于非子采樣模式時，時序控制器使得所有象素傳感器被讀出。
全文摘要
描述了一種圖象傳感器子采樣技術,該技術可提供快速成象的同時具有改善的圖象空間分辨率。在錯位子采樣模式中,成象陣列的采樣圖案逐行地左右移動,以增加圖象的水平采樣頻率。錯位子采樣減小了可被分辨的特征量度而且也減小了角度校準靈敏度。結果,可以記錄到的、在需要的圖象質量和檢出時間閾值內的圖象范圍和特征量度增加了。一個實施例中,錯位子采樣是通過對被采樣的每一行采樣相同數量的象素來實現的,在采樣時圖案不移動,并且以相同的速率完成采樣。值得注意的是,使圖案錯位的方案通過設定一個可編程寄存器的比特可以啟用或不啟用。錯位子采樣技術可以應用于單色成光象列。另一種情況,錯位子采樣可以應用于彩色成象陣列,例如,具有Bayer圖案的陣列。
文檔編號H04N3/15GK1342020SQ0112309
公開日2002年3月27日 申請日期2001年7月24日 優先權日2000年7月24日
發明者D·B·梅多斯 申請人:安捷倫科技有限公司