[发明专利]具有正交读出架构的超高速成像阵列

说明书

发明背景

发明领域

本发明涉及成像传感器领域。更具体地，本发明涉及一种图像传感器，所述图像传感器被配置成将来自成像阵列中的像素的信号信息求和，由此产生包括一行和一列图像数据的结果，这些图像数据此后在下一个成像周期的整合时间过程中以一种所希望的方式输出，同时在成像工作周期中没有损耗。

相关技术讨论

存在常规成像器和成像系统来用于超高速照相术，从而实现一百万帧每秒和更高的图像收集。这些系统使用由多个将入射光子转换为电荷的光敏单元像素建构的成像阵列。

常规图像传感器将入射的光子转换为电子，这些电子在一个图像整合间隔过程中被收集并且存储在多个传感器像素中。在一个整合间隔完成之后，所收集的电荷被转换为一个电子信号，例如一个电压，该电子信号经由一个定期的、重复的读出周期而从每一个像素中输出。许多像素架构已经在文献中得以描述，每一种像素架构都执行将所收集的信号光子转换为一个电子信号并且随后将该信号信息从成像装置中以一种受控方式输出的相同的基本功能。图1为一个图像像素的一个典型变体的图的实例，该图像像素总体由参考字符10指定。重要的是应了解，在此的实施例中，每一个这类像素电路包括作为一个阵列的部分的一个单独的图像传感器，该阵列作为一个安排形成维度“n”x“m”的一个二维成像阵列。因此，在这类安排中的每一个像素使得电荷能够被整合在电容元件上，在这种情况下，该电容元件是一个反向偏压二极管5，其电容也可以用来将电荷转换为电压。如图1中所示，场效应晶体管(FET)4作为一个开关工作，以便在一个时钟脉冲被施加到FET4的栅极2输入端上时，周期性地将二极管5上的偏压重置到施加到FET扩散引线1上的水平。二极管5还被展示为连接到FET7的栅极6上。到FET7的电源偏压(未示出)通过FET7的漏极9施加，而FET7的源极11通过一个寻址FET12连接，该寻址FET另外连接到一个阵列列传感线14上。列传感线14被设计成与连接到同一列的其他像素(未示出)共享，其中所关注的一条线可以令人希望地通过利用将计时脉冲沿着线17施加到FET12的栅极上的一个行扫描器16来选择。作为一般的工作方法，在二极管5上产生的入射信号电荷的收集引起在FET12上产生的源极电压11的变化，该变化被传递到列传感线14并且进一步通过列扫描器18传递到传感器输出19。

取决于该成像阵列的架构，在每一帧期间的光产生电荷可以经由该成像系统以非常高的数据速率输出或存储在芯片上。芯片上的存储典型地使得在成像芯片中的数据的多帧收集和存储能够用于例如在标准的视屏帧速率下的稍后输出。

然而，对于超高速应用而言，如图1中所示的常规成像器和成像系统的性能受到影响，因为在成像阵列中的所有像素必须被输出以获得含在全景象中的信息。为了进行说明，一个维度“n”像素x“m”像素的二维成像阵列需要输出总数为“n*m”个像素来获得完整图像。这构成了图像读出所需的时间和因此所需的速度的问题，在该速度下连续图像可以由成像阵列收集。

对不具有芯片上数据存储的当今技术水平成像阵列而言，连续图像可以被收集的速率受限于从成像系统中完全输出所捕获的图像所需的时间。在没有芯片上存储器的情况下，当前一个帧被读出时，一个连续的图像帧可以被收集；然而，该第一个图像帧必须在可以输出下一个帧之前从装置中完全地输出。因此，连续帧之间的时间受到成像器的输出速率控制。连续收集的图像之间的时间受限于成像器的总读出时间的一个示例性装置，这在Stuart Kleinfelder等人的文章“10000帧/秒的CMOS数字像素传感器(A10,000Frames/s CMOS Digital Pixel Sensor)”，电气与电子工程师协会杂志(固态电路)，2001年，第36卷，第12期，2049-2058中描述。