像素传感器元件、图像传感器、成像设备和方法技术

一种像素传感器元件(200)，包括光电探测器(201)和具有N个存储阵列的存储组件(205)，每个存储阵列具有输入移位寄存器(207)、输出移位寄存器(215)和存储移位寄存器(211)，每个输入移位寄存器(207)和输出移位寄存器(215)具有以列布置的M个存储单元，存储移位寄存器(211)具有M行存储单元，每行存储单元包括P个存储单元，存储移位寄存器(211)用于从输入移位寄存器(207)到输出移位寄存器(215)的信号传输。N个能够独立驱动的信号传输区域(203)将信号从光电探测器(201)传输到输入移位寄存器(207)中的相应一个的第一个单元(210)。N个信号读出区域(219)从输出移位寄存器(215)中的相应一个的最后一个单元(217)读取信号。N为2或更大。M为1或更大。P为1或更大。还提供了图像传感器、成像设备、存储组件和方法。

Pixel sensor element, image sensor, imaging device and method

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】像素传感器元件、图像传感器、成像设备和方法
本专利技术涉及用于根据落在像素传感器元件上的光生成信号的像素传感器元件、图像传感器、成像设备和方法。
技术介绍
像素传感器元件具有布置为响应于光而生成例如电荷或电压的信号的光电探测器，例如CMOS光电二极管。从像素传感器元件读取所生成的信号。在典型的布置中，许多像素传感器元件以行和列的阵列布置以形成用于捕获图像的图像传感器。在该布置中，每个像素传感器元件将捕获所捕获图像的单一像素。这些图像传感器可以被结合到例如摄像机的成像设备中。像素传感器元件的一种特殊应用是以高速捕获图像数据，例如从每秒几千帧到每秒超过一百万帧的图像数据。现有的光电探测器能够以这些高帧速率工作，但是由于读出电路中的限制，通常需要将分辨率(即高速成像期间可操作的像素传感器元件的数量)从最大可能的分辨率降低。这意味着在超过每秒几千帧的帧速率下，必须减少成像设备捕获的每帧图像数据的像素数量。每秒超过一百万帧的高速成像是可能的，但是只能以低分辨率进行，这在许多应用中用途有限。参照图1，示出了现有技术的像素传感器元件，其一般由附图标记100标示，该像素传感器元件是由专业影像有限公司(SpecializedImagingLtd.)生产的称为KIRANA的现有成像设备的像素传感器元件。这种KIRANA试图克服或减轻以前的高速成像设备的低分辨率。图像传感器的所有像素传感器元件100能够同时工作，以高达每秒500万帧的帧速率捕获180帧图像数据。这是因为像素传感器元件100结合了一般由附图标记105标示的存储阵列。存储阵列105具有180个存储单元，每个存储单元能够存储表示像素数据帧的电荷。因此，在占用读出电路传输电荷之前，能够将180个连续的像素数据帧同时存储在成像设备的每个像素传感器元件100中。仍然需要通过常规的读出电路来读出存储的图像数据，但是这可以以较慢的速率并且在稍后的时间完成，这不需要减少可操作的像素传感器元件的数量。读出以受读出结构限制的速率执行。在示例KIRANA成像设备中，读出速率约为每秒1100帧。存储阵列105被布置为经由传输门103从光电探测器101接收电荷。存储阵列105具有输入移位寄存器107，该输入移位寄存器107具有以纵列布置的10个存储单元。存储单元中的第一个存储单元109被布置为邻近传输门103，使得第一个存储单元109可以从传输门103接收电荷。存储阵列105还具有存储移位寄存器111，该存储移位寄存器111具有10行存储单元，每行存储单元具有水平排列的16个存储单元。每行存储移位寄存器111被布置为邻近输入移位寄存器107的存储单元。按照这种方式，例如，输入移位寄存器107的最后一个存储单元110邻近存储移位寄存器111的最后一行的第一存储单元113。存储阵列105还具有输出移位寄存器115，该输出移位寄存器115具有以纵列布置的10个存储单元。布置输出移位寄存器115使得每个存储单元以邻近存储移位寄存器111的行布置。按照这种方式，例如，存储移位寄存器111的最后一行的最后一个存储单元114邻近输出移位寄存器115的最后一个单元117。输出移位寄存器115的最后一个单元117被布置为邻近读出区域119，使得可以从输出移位寄存器115的最后一个单元117读取电荷。像素传感器元件100还具有抗晕光门121。抗晕光门121连接到电源轨(未图示)。抗晕光门121被激活以有效地倾倒电荷。这是用于正常操作中的曝光控制。在期望以非常高的帧速率(例如，每帧最少1微秒)捕获多达180帧的图像数据的突发模式操作期间，对每个像素传感器元件100执行以下操作。电荷以突发模式帧速率从光电探测器101被传输到输入移位寄存器107的第一存储单元109，并且沿着输入移位寄存器107的存储单元被移位，直到输入移位寄存器107为满为止。然后，将输入移位寄存器107的存储单元中的电荷并行传输到存储移位寄存器111的每行的第一个单元。按照这种方式，例如，将输入移位寄存器107的最后一个单元110中的电荷传输到存储移位寄存器111的最后一行的第一个单元113中。存储移位寄存器111以突发模式帧速率的1/10沿其行移位电荷，使得每当输入移位寄存器107为满时，存储移位寄存器111的每行的第一个单元为空，并且能够接收来自输入移位寄存器107的电荷。按照这种方式，每当输入移位寄存器107为满时，电荷被传输到存储移位寄存器111。一旦存储移位寄存器111已满，则存储移位寄存器111的每行的最后单元中的电荷被传输到输出移位寄存器115。然后，读出电路能够从输出移位寄存器115的最后一个存储单元117中读出电荷，并且电荷通过输出移位寄存器115被向下移位，直到输出移位寄存器115为空。然后可以将存储在输入移位寄存器107和存储移位寄存器111中的电荷移位到输出移位寄存器115，使得存储阵列105被清空。因此，在突发模式操作中，存储阵列105提供缓存以临时存储多达180帧的像素数据以供后续读出。在成像设备以较低帧速率操作的非突发模式操作(即，连续模式操作)中，不需要存储中间帧。尽管该现有技术的像素传感器元件已经成功地使图像能够以高帧速率和分辨率被捕获，但是期望改进现有像素传感器元件的性能或至少提供替代的像素传感器元件。
技术实现思路
根据本专利技术，提供了如所附权利要求中阐述的像素传感器元件、成像传感器、成像设备、存储组件和方法。从从属权利要求和随后的描述中，可以明显得出本专利技术的其他特征。根据本专利技术的第一方面，提供了一种像素传感器元件，用于根据落在像素传感器元件上的光生成信号，该像素传感器元件包括：光电探测器，其被布置为响应于光而生成信号；存储组件，其包括N个存储阵列，其中N为2或更大，每个存储阵列包括：输入移位寄存器、输出移位寄存器和存储移位寄存器，输入移位寄存器和输出移位寄存器均具有以列布置的M个存储单元，其中M为1或更大，存储移位寄存器具有M行存储单元，每行存储单元包括P个存储单元，其中P为1或更大，存储移位寄存器被布置为用于从输入移位寄存器到输出移位寄存器的信号传输；N个可独立驱动的信号传输区域，每个信号传输区域被布置为能够被诱导以将信号从光电探测器传输到输入移位寄存器中的相应一个的第一个单元；以及N个信号读出区域，每个信号读出区域被布置为能够被诱导以从输出移位寄存器中的相应一个的最后一个单元读取信号。光电探测器是单一光电探测器，其中N个信号传输区域被布置为能够被诱导以传输来自单一光电探测器的信号。在另一种布置中，光电探测器是包括彼此相邻布置的N个光电探测器的光电探测器区域，并且每个光电探测器被布置为响应于光而独立地生成信号(即，每个光电探测器区域独立于其他相邻的光电探测器区域各自生成信号)，其中N个信号传输区域中的每一个都被布置为能够被诱导以传输来自N个光电探测器中的相应一个光电探测器的信号。换句话说，每个信号传输区域被布置为用于光电探测器区域上的N个独立的光电探测器中的仅一个的信号传输，光电探测器区域的每个光电探测器具有与其相关联的专用信号传输区域。在该布本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于根据落在像素传感器元件(200)上的光生成信号的像素传感器元件(200)，包括：/n光电探测器(201)，其被布置为响应于光而生成信号；/n存储组件，其包括N个存储阵列(205)，其中N为2或更大，每个所述存储阵列(205)包括：输入移位寄存器(207)、输出移位寄存器(215)和存储移位寄存器(211)，所述输入移位寄存器(207)和所述输出移位寄存器(215)均具有以列布置的M个存储单元，其中M为1或更大，所述存储移位寄存器(211)具有M行存储单元，每行存储单元包括P个存储单元，其中P为1或更大，所述存储移位寄存器(211)被布置为用于从所述输入移位寄存器(207)到所述输出移位寄存器(215)的信号传输；/nN个能够独立驱动的信号传输区域(203)，每个所述信号传输区域(203)被布置为能够被诱导以将所述信号从所述光电探测器(201)传输到所述输入移位寄存器(207)中的相应一个的第一个单元(210)；以及/nN个信号读出区域(219)，每个所述信号读出区域(219)被布置为能够被诱导以从所述输出移位寄存器(215)中的相应一个的最后一个单元(217)读取所述信号，/n其中，所述光电探测器(201)是单一光电探测器(201)，并且所述N个信号传输区域(203)被布置为能够被诱导以传输来自所述单一光电探测器(201)的所述信号。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170601 EP 17174032.71.一种用于根据落在像素传感器元件(200)上的光生成信号的像素传感器元件(200)，包括：
光电探测器(201)，其被布置为响应于光而生成信号；
存储组件，其包括N个存储阵列(205)，其中N为2或更大，每个所述存储阵列(205)包括：输入移位寄存器(207)、输出移位寄存器(215)和存储移位寄存器(211)，所述输入移位寄存器(207)和所述输出移位寄存器(215)均具有以列布置的M个存储单元，其中M为1或更大，所述存储移位寄存器(211)具有M行存储单元，每行存储单元包括P个存储单元，其中P为1或更大，所述存储移位寄存器(211)被布置为用于从所述输入移位寄存器(207)到所述输出移位寄存器(215)的信号传输；
N个能够独立驱动的信号传输区域(203)，每个所述信号传输区域(203)被布置为能够被诱导以将所述信号从所述光电探测器(201)传输到所述输入移位寄存器(207)中的相应一个的第一个单元(210)；以及
N个信号读出区域(219)，每个所述信号读出区域(219)被布置为能够被诱导以从所述输出移位寄存器(215)中的相应一个的最后一个单元(217)读取所述信号，
其中，所述光电探测器(201)是单一光电探测器(201)，并且所述N个信号传输区域(203)被布置为能够被诱导以传输来自所述单一光电探测器(201)的所述信号。


2.根据权利要求1所述的像素传感器元件(200)，其特征在于，N为4，所述光电探测器(201)被放置在所述像素传感器元件(200)的中央区域，并且4个所述存储阵列(205)对称地围绕所述光电探测器(201)放置。


3.根据权利要求2所述的像素传感器元件(200)，其特征在于，所述像素传感器元件(200)的形状为正方形或矩形，并且4个所述存储阵列(205)被放置在所述像素传感器元件(200)的不同象限中。


4.根据前述任一权利要求所述的像素传感器元件(200)，其特征在于，所述光电探测器(201)被布置为响应于光而生成电荷，其中，所述输入移位寄存器(207)、所述输出移位寄存器(215)、所述存储移位寄存器(211)是电荷耦合器件、CCD、移位寄存器，并且所述信号读出区域(219)被布置为转换从所述输出移位寄存器(215)读取的电荷以生成电压或电流信号。


5.一种图像传感器(300)，包括多个根据前述任一权利要求所述的像素传感器元件(200)，多个所述像素传感器元件(200)以行和列的阵列布置，所述光电探测器(201)以行(301、303、305)布置，并且包括以在光电探测器(201)的行(301、303、305)之间成对的相邻行(307、309)布置的存储阵列(205)。


6.根据权利要求5所述的图像传感器(300)，其特征在于，对于每对相邻的存储阵列(205)的行(307、309)，这对相邻行(307、309)中的第一相邻行的每个存储阵列(205)可操作地连接到这对相邻行(307、309)中的第二相邻行的相邻存储阵列(205)，以形成成对的存储阵列(317)，由此，每个成对的存储阵列(317)是可布置的以作为具有包括以列布置的2M个存储单元的输入移位寄存器和输出移位寄存器，以及包括2M行存储单元的存储移位寄存器的单一存储阵列，每行存储单元具有P个存储单元。


7.一种成像设备(400)，包括：根据权利要求5或权利要求6所述的图像传感器(300)；以及控制器(401)，其可操作以将驱动信号施加到所述光电探测器(201)和所述像素传感器元件(200)的存储单元，从而控制所述光电探测器(201)的帧速率和所述存储单元的信号传输速率，其中所述控制器(401)可操作以控制所述输入移位寄存器(207)的所述存储单元以所述光电探...

【专利技术属性】
技术研发人员：基思·罗杰·泰勒，雷纳托·图尔凯塔，
申请(专利权)人：专业成像有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB