专利名称：向直线性像素网格提供径向比例缩放像素的方法、设备及系统的制作方法
技术领域：
一般来说，本文中所揭示的实施例涉及根据像素阵列中的成像像素地理位置来调 整所述成像像素的所输出信号以补偿各种光学问题。
背景技术：
CMOS成像器电路包含像素焦平面阵列，所述像素中的每一像素包含光传感器， 例如光栅极、光导体或光电二极管，其上覆衬底以在所述衬底的下伏部分中累积光生 电荷。每一像素具有读出电路，所述读出电路包含形成于所述衬底中的至少一输出场 效应晶体管及形成于所述衬底上连接到输出晶体管的栅极的电荷存储区。所述电荷存 储区可构造为浮动扩散区。每一像素可包含用于将电荷从光传感器转移到存储区的至 少一个电子装置(例如晶体管)及用于在电荷转移之前将所述存储区重设到预定电荷电 平的一个装置(通常也是晶体管)。
在CMOS成像器中，像素的有源元件执行如下必需功能(1)光电转换；(2)累积 图像电荷；(3)在将电荷转移到存储区之前将所述存储区重设到己知状态；(4)将电荷转 移到所述存储区，同时进行电荷放大；(5)选择像素以供读出；(6)输出并放大表示像素 电荷的信号。光电荷可在其从初始电荷累积区移动到存储区时被放大。存储区处的电 荷通常由源极随耦器输出晶体管转换为像素输出电压。
图1显示CMOS成像装置的个别四晶体管(4T)像素10的自顶向下视图。像素10 通常包括转移栅极50以供将产生于光传感器21 (显示为有管脚光电二极管)中的光 电电荷转移到充当感测节点的浮动扩散区FD，所述浮动扩散区FD又电连接到输出源 极随耦器晶体管的栅极60。提供重设栅极40以供将所述浮动扩散区FD重设到预定电 压以便感测下一信号，且提供行栅极80以供响应于像素行选择信号将信号从源极随耦 器晶体管输出到输出端子。所述各种晶体管经由其源极/漏极区22彼此耦合且经由触 点32耦合到所述成像装置的其它元件。
一般已知上述类型的CMOS成像器，如(例如)在受让与Micron Technology Inc.(美 光科技有限公司)的美国专利第6,140,630号、美国专利第6,376,868号、美国专利第 6,310,366号、美国专利第6,326,652号、美国专利第6,204,524号及美国专利第6,333,205 号中所讨论，所述专利借此以全文引用方式并入。
图2显示常规像素阵列100的网格布局，其中所有像素及其相应光传感器被相同
4地设计大小。由于所述像素被相同地设计大小及间隔，因此也可相同地间隔将所述像
素连接到位于像素阵列IOO的外围上的电路(未显示)的线。已知，像素阵列100中
各种空间位置中的像素针对相同光照度级具有不同的输出信号电平。光学图像形成并
非空间移位不变；亦即，透射到位于与光学轴成直线处的像素(例如，位于像素阵列 100的中心处或靠近像素阵列100的中心的像素102)的光比透射到不与光学轴成直线 的像素104的光多。 一般来说，如果像素距光学轴的距离较大，那么所述像素可经历 入射光强度的余弦滚降。因此，位于不与光学轴成直线处的像素(例如角落像素104) 将接收的光比直接位于与光学轴成直线处的像素(例如中心像素102)将接收的光少。 这一现象在此技术中已知为透镜阴影且可导致由像素阵列100所产生的图像在角落显 著比在中心暗。
图3借助阴影显示由图2中所示的像素阵列中的每一像素所俘获且显示为亮度的 光的量。较暗阴影指示由较远离所述像素阵列的中心的像素所俘获的光比由较接近于 所述像素阵列的中心的像素所俘获的光少。
常规CMOS成像装置已试图在已获取图像数据的后处理期间或在图像获取期间 (亦即，在从成像装置读出图像时)校正透镜阴影。在此技术中需要且期望不需要后 读出图像处理或专门图像获取技术来补偿透镜阴影的额外图像校正方法。
发明内容
图l显示CMOS成像装置的像素的自顶向下视图。 图2显示常规像素阵列的网格。
图3绘示由图2的像素阵列的像素所俘获且显示的光的量。
图4根据本文中所描述的实施例显示各种大小的像素的自顶向下视图。
图5根据本文中所描述的实施例显示像素阵列的网格。
图6根据本文中所描述的实施例显示像素阵列的网格。
图7根据本文中所描述的实施例显示像素阵列的网格。
图8根据本文中所描述的实施例显示像素阵列的网格。
图9绘示由图8的像素阵列的像素所俘获且显示的光的量。
图10根据本文中所描述的实施例显示像素阵列的网格。
图11图解说明根据本文中所描述的实施例构造的CMOS成像装置的框图。
图12绘示处理器系统，例如根据本文中所描述的实施例构造的相机系统。
具体实施方式
在以下具体实施方式
中，参照形成其一部分的附图，且在附图中以图解说明方式 显示其中可实践本发明的具体实施例。足够详细地描述这些实施例以使得所属领域的 技术人员能够构成及使用所述实施例，且应理解，可对本文中所揭示的具体实施例做 出结构、逻辑或程序上的改变。
本文中所描述的各种实施例根据像素像素阵列中的光传感器空间位置来修改所 述像素光传感器的大小以补偿不同空间输出信号电平。所述实施例因此可校正空间光 学效应，例如透镜阴影以及其它空间光学效应。
如上文所讨论，位于较远离成像装置中的透镜的光学轴处的像素可经历(例如) 由透镜阴影所引起的减小的光强度。本文中的一个实施例通过根据像素在像素阵列中 距光学轴的地理距离而增加像素的大小且因此光传感器的大小来缓和此情况。
虽然本发明涉及修改像素大小，但应理解，最重要的是光传感器根据像素在阵列 中的空间位置的大小。因此，在本文中的讨论涉及像素大小的改变时，应理解，光传 感器的大小与像素大小的改变成比例地改变。例如，图4显示可用于校正透镜阴影的 实施例，其中具有成比例较小光传感器221的较小像素210可位于靠近像素阵列的光 学轴处，且具有成比例较大光传感器321的较大像素310可位于较远离所述光学轴处。 另一选择为，光传感器的大小可根据空间位置而改变，同时保持像素的总大小为常数。
在一个实施例中，像素可依像素阵列布置于直线性网格中。所述像素可大致为矩 形形状或可包括各种其它形状。所述像素的大小且因此光传感器的大小可根据所述像 素在x方向及/或y方向上距光学轴的距离而增加此允许根据其地理位置的不同设计 大小的像素，同时维持直线性像素阵列。此外，将所述像素连接到适当电路的线可按 直线形成,其可平行于x轴或y轴，且其中简化像素阵列的构造。
图5显示其中像素的平行于x轴的侧302的长度根据所述像素距像素阵列的y轴 的距离而增加的实施例。图6显示其中像素的平行于y轴的侧304的长度根据所述像 素距像素阵列的x轴的距离而增加的实施例。图7显示其中像素的平行于x轴的侧302 的长度根据所述像素距像素阵列的y轴的距离而增加且像素的平行于y轴的侧304的 长度根据所述像素距像素阵列的x轴的距离而增加的实施例。在图7中可见，像素大 小根据其距像素阵列的中心的距离而增加。在另一实施例中，所述像素可弯曲且可依 弯曲像素阵列布置，如图10中所图解说明。
像素的侧的长度与距像素阵列的x轴及/或y轴的距离之间的关系可根据将校正的 空间光学问题来确定。如图8实施例中所示且如下文所讨论，为校正透镜阴影，根据 高斯正态分布曲线，像素的平行于x轴的侧的长度可根据所述像素距像素阵列的y轴 的距离而增加及/或根据高斯正态分布曲线，像素的平行于y轴的侧的长度可根据所述 像素距像素阵列的x轴的距离而增加。
如图8中所示，所述高斯正态分布曲线对x轴及y轴可相同且因此形成径向对称 二维曲线。另一选择为，平行于x轴的像素侧的长度与平行于y轴的像素侧的长度的 高斯正态分布曲线可为不同高斯正态分布曲线。
6图8显示针对像素的平行于x轴及y轴的所述侧具有高斯步长的实例性取样网格。 在所述实施例中，像素的平行于x方向的侧对中心像素602来说为1.7微米且对角落 像素604来说为2.2微米。图9显示作为由像素阵列中的每一像素所俘获的光的结果 的亮度输出。由所述网格可见，所述亮度因图8中所图解说明的像素设计大小而不随 着距像素阵列的中心的距离发生极大的变化。
对于例如图5、 6、 7及8中所示的那些直线性像素布局网格的直线性像素布局网 格来说，用于将像素阵列中像素的行连接到电路(例如连接到图11中所示的行驱动器 510)的线306 (图5、 6、 7及8)可大致彼此平行地布置且可根据各种像素设计大小 方案彼此间隔开。类似地，用于将像素阵列中像素的列连接到电路(例如连接到图ll 中所示的列驱动器520)的线308 (图5、 6、 7及8)可大致彼此平行地布置且可根据 各种像素设计大小方案彼此间隔开。用于将像素阵列中像素的行连接到电路的线306 可大致垂直于用于将像素阵列中像素的列连接到电路的线308。可通过在直线性网格 中形成各种连接线来简化所述像素阵列的制作。
在组装来自像素的信号以形成数字图像时，以不均匀像素位置网格取样可引起空 间失真。例如，所述图像可看起来靠近在所述图像的中心处伸长，因为靠近所述图像 的中心的像素小于靠近所述图像的边缘的像素。 一种用于校正空间失真的方法是数字 再取样。所述空间失真也可使用光学解决方案校正，例如使用透镜来校正所述失真。 另一选择为，如果所述空间失真足够小，那么其可忽略。
如上所述，除改变像素的大小以改变相关联的光传感器的之外，实施例还保持整 个阵列中像素大小相同，但根据所述像素在阵列中的空间位置来改变所述像素内光传
感器的大小。
图11图解说明具有根据上文所述的实施例布置的像素阵列505的CMOS成像装 置500的框图。阵列505中每一行的像素借助行选择线同时接通，而每一列的像素信 号借助相应列选择线选择性地输出到输出线上。向整个阵列505提供多个行及列选择 线。所述行线由行驱动器510响应于行地址解码器515顺次选择性地启动。所述列选 择线由列驱动器520响应于列地址解码器525针对每一行启动顺次选择性地启动。因 此，向每一像素提供行及列地址。
CMOS成像装置500由控制电路530操作，所述控制电路控制地址解码器515、 525以为像素读出选择适当的行及列选择线。控制电路530还控制行及列驱动器电路 510、 520，以使其将驱动电压施加到所选行及列选择线的驱动晶体管。像素输出信号 通常包含像素重设信号Vrst，其在像素存储区由重设晶体管重设之后从所述像素存 储区读出；及像素图像信号Vsig，其在光生电荷转移到像素存储区之后从所述像素存 储区读出。所述Vrst及Vsig信号由取样和保持电路535取样且由差分放大器540做 减法以针对每一读出像素产生差分信号Vrst - Vsig。 Vrst - Vsig表示照射到所述 像素上的光的量。所述差分信号由模拟至数字转换器545数字化。经数字化的像素信 号被送到图像处理器550以形成数字图像输出。所述数字化及图像处理可位于含有像素阵列505的芯片上或位于其下。在一些布置中，差分信号Vrst -Vsig可放大为差 分信号且由差分模拟至数字转换器直接数字化并接着被送到图像处理器550，所述图 像处理器组装图像以供输出。还可由图像处理器550执行根据本文中所描述的实施例 对图像的再取样以校正由像素阵列所引起的图像失真。
图12显示处理器系统600，例如数字相机系统，其包含经构造以包含根据本文中 所描述的实施例布置及操作的像素阵列的成像装置500。处理器系统600是具有可包 含图像传感器装置的数字电路的系统的实例。在不受限制的情况下，除数字相机系统 外，所述系统可包含计算机系统、扫描器、机器视觉系统、车辆导航系统、视频电话、 监视系统、自动聚焦系统、星体追踪器系统、运动检测系统、图像稳定系统及采用成 像装置500的其它处理系统。
系统600 (例如相机系统)通常包括通过总线660与输入/输出(I/O)装置640 通信的中央处理单元(CPU) 610，例如微处理器。图像传感器630还通过总线660 与CPU610通信。系统600还包含随机存取存储器(RAM)620，且可包含也通过总线 660与CPU 610通信的可拆卸存储器650,例如快闪存储器。图像传感器630可与处 理器(例如CPU610、数字信号处理器或微处理器)在单个集成电路中组合。在相机 中，使用快门释放按钮670来操作机械或电快门以允许光通过透镜675到达成像装置 200的像素阵列505。
虽然己结合当时己知的实施例详细描述了本发明的实施例，但易于理解，其并不 限于所揭示的实施例。而是，其可经修改以并入任一数目的迄今未描述的变化、变更、 替代或等效布置。例如，虽然结合CMOS像素成像装置描述了实施例，但其可借助任 一其它类型的像素成像装置(例如，CCD等等)或图像源实践。此外，各种实施例的 像素设计大小可用于需要经修改的像素大小的其它应用中，例如用于其中可使用位于 远离像素阵列的中心处的较大像素来校正由投影机透镜所引起的空间失真的显示投影 机中。
另外，虽然已将各种实施例描述为有益于校正透镜阴影，但可校正可通过相对于 距预界定面积的像素距离改变像素大小来校正的空间变化图像问题，例如桶形失真或 鱼眼透镜。在一个实施例中，每一行及每一列可具有任意比例因子。此外，如果像素 的某些行及/或列(例如)因线、晶体管或滤色器的布局而具有不同特性，那么可相应的 调整行高度或列宽度。通过修改列的宽度及行的高度，可达成像素阵列中各种大小的 像素，且所述像素阵列在各种位置中可包含较大或较小像素以形成对称或不对称图案。
权利要求
1、一种成像装置，其包括包括成像像素的像素阵列，其中位于距所述像素阵列的光学轴较远处的像素具有比位于较接近于所述像素阵列的所述光学轴处的像素的光敏面积大的光敏面积。
2、 如权利要求l所述的成像装置，其中所述像素阵列包括直线性网格。
3、 如权利要求l所述的成像装置，其中每一像素的总面积大致相同。
4、 如权利要求1所述的成像装置，其中根据二维径向高斯正态分布曲线，所述像素的所述光敏面积随着距所述光学轴的距离而增加。
5、 如权利要求1所述的成像装置，其中所述像素的所述总面积随着距所述光学轴的距离而增加，且其中所述光敏面积与所述像素的总面积的所述增加成比例地增加。
6、 如权利要求1所述的成像装置，其中所述像素阵列具有x轴及y轴，且其中所述像素的平行于所述x轴的一侧的长度根据所述像素距所述y轴的距离而增加。
7、 如权利要求6所述的成像装置，其中根据高斯正态分布曲线，所述像素的平行于所述x轴的所述侧的所述长度根据所述像素距所述y轴的距离而增加。
8、 如权利要求1所述的成像装置，其中所述像素阵列具有x轴及y轴，且其中所述像素的平行于所述y轴的一侧的长度根据所述像素距所述x轴的距离而增加。
9、 如权利要求8所述的成像装置，其中根据高斯正态分布曲线，所述像素的平行于所述y轴的所述侧的所述长度根据所述像素距所述x轴的距离而增加。
10、 如权利要求l所述的成像装置，其中所述阵列具有x轴及y轴，且其中所述像素的平行于所述x轴的一侧的长度根据所述像素距所述y轴的距离而增加，且所述像素的平行于所述y轴的一侧的长度根据所述像素距所述x轴的距离而增加。
11、 如权利要求10所述的成像装置，其中根据高斯正态分布曲线，所述像素的平行于所述x轴的所述侧的所述长度根据所述像素距所述y轴的距离而增加，且根据高斯正态分布曲线，所述像素的平行于所述y轴的所述侧的所述长度根据所述像素距所述x轴的距离而增加。
12、 一种成像处理系统，其包括处理器；像素阵列；及光学系统，其用于将图像递送到所述像素阵列，所述光学系统向靠近所述阵列的外围的像素的光传感器提供的光比向靠近所述阵列的中心的像素的光传感器提供的光少；其中靠近所述阵列的外围的所述像素的所述光传感器大于靠近所述阵列的中心的所述像素的光传感器。
13、 如权利要求12所述的成像处理系统，其中根据二维径向高斯正态分布曲线，所述像素的所述光传感器随着距光学轴的距离而增加。
14、 如权利要求12所述的图像处理系统，其中所述阵列具有x轴及y轴，且其中所述像素的平行于所述x轴的一侧的长度根据所述像素距所述y轴的距离而增加，且所述像素的平行于所述y轴的侧的长度根据所述像素距所述x轴的距离而增加。
15、 如权利要求14所述的图像处理系统，其中根据高斯正态分布曲线，所述像 素的平行于所述x轴的所述侧的所述长度根据所述像素距所述y轴的距离而增加，且根据高斯正态分布曲线，所述像素的平行于所述y轴的所述侧的所述长度根据所述像素距所述x轴的距离而增加。
16、 如权利要求12所述的图像处理系统，其进一步包括行驱动器及列驱动器，其中将像素行连接到所述行驱动器的线彼此平行，且其中将像素列连接到所述列驱动器的线彼此平行。
17、 一种制造成像装置的方法，其包括-形成包括成像像素的像素阵列，其中位于距所述像素阵列的光学轴较远处的像素具有比位于较接近于所述像素阵列的所述光学轴处的像素的光敏面积大的光敏面积。
18、 如权利要求17所述的方法，其中所述像素的所述光敏面积经形成以使得根据二维径向高斯正态分布曲线，所述光敏面积随着距所述光学轴的距离而增加。
19、 如权利要求17所述的方法，其中所述阵列具有x轴及y轴，且其中所述像素的平行于所述x轴的一侧的长度经形成以根据所述像素距所述y轴的距离而增加，且所述像素的平行于所述y轴的一侧的长度经形成以根据所述像素距所述x轴的距离而增加。
20、 如权利要求19所述的方法，其中根据高斯正态分布曲线，所述像素的平行于所述x轴的所述侧的所述长度经形成以根据所述像素距所述y轴的距离而增加，且根据高斯正态分布曲线，所述像素的平行于所述y轴的所述侧的所述长度经形成以根据所述像素距所述x轴的距离而增加。
21、 如权利要求17所述的方法，其中所述像素的所述光敏面积经形成以与所述像素的总面积的增加成比例地增加。
22、 一种成像装置，其包括像素阵列，其包括布置于行及列的直线性网格中的成像像素，其中第一行具有与第二行不同的高度，且其中第一列具有与第二列不同的宽度。
23、 如权利要求22所述的成像装置，其中每一列具有与每个其它列不同的宽度，且其中每一行具有与每个其它行不同的高度。
24、 如权利要求22所述的成像装置，其中每一列的所述宽度及每一行的所述高度使得每一像素的面积与每一像素所接收的光的量成反比。
25、 如权利要求22所述的成像装置，其中每一列的所述宽度及每一行的所述高度使得每一像素的所述面积根据距所述像素阵列的中心的距离而增加或减小。
全文摘要
根据成像装置像素阵列中的像素地理位置设计所述像素阵列中的像素的大小以补偿各种光学特性/问题。在一个实例中，根据所述像素距所述像素阵列的x轴及/或y轴的距离增加像素大小以校正透镜阴影。
文档编号H04N3/15GK101663884SQ200880012957
公开日2010年3月3日 申请日期2008年4月14日 优先权日2007年4月23日
发明者阿姆农·西尔弗斯坦 申请人:美光科技公司