成像系统及像素阵列中相邻像素单元的组合和读出方法

摘要

本发明提供一种成像系统，其包括像素单元块组构成的像素阵列。每个像素单元块具有2×2设置的四个像素单元，其具有相同的微透镜及彩色滤光片读出对角线相邻对的像素单元的组合信号后，接着读取反向对角线相邻对的像素单元的信号并进行组合，以降低正交组合方式中的空间色彩伪影问题，以及最小化像素阵列中像素单元读出过程中由于光学中心的间隙或不规则间距的问题。本发明还提供一种像素阵列中相邻像素单元的组合和读出方法。

权利要求

1.一种成像系统，其特征在于，所述成像系统包括：

多个像素单元组构成的阵列，每个所述像素单元组包括四个像素单元块且以2×2形式设置，每个所述像素单元块包括四个像素单元且以2×2形式设置以形成第一对角线相邻对和第二反向对角线相邻对，构成像素行和列；

相同颜色的彩色滤光片设置于每个所述像素单元块上，所述四个像素单元块构成具有拜尔格式滤光片阵列组；

一微镜头设置于所述彩色滤光片和每个所述像素单元块的所述四个像素单元上；

每个所述像素单元块具有一控制和读出电路，每个所述像素单元包括一个由传输晶体管和传输控制信号线控制的光电二极管，所述像素单元的所述第一对角线相邻对的所述传输晶体管共享第一所述传输控制信号线，所述像素单元的所述第二反向对角线相邻对的所述传输晶体管共享第二所述传输控制信号线。

2.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，每个所述像素单元块内，位于所述像素单元第一行的两个水平相邻的像素单元共享一浮动扩散点，放大晶体管，行选择晶体管，且连接到第一列线；位于所述像素单元第二行的两个水平相邻的像素单元共享一浮动扩散点，放大晶体管，行选择晶体管，且连接到第二列线。

3.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，每个所述像素单元块内，位于两个垂直相邻行的对角线相邻的两个所述像素单元共享一浮动扩散点，放大晶体管，行选择晶体管，且连接到第一列线；位于两个垂直相邻行的反向对角线相邻的两个所述像素单元共享一浮动扩散点，放大晶体管，行选择晶体管，且连接到第二列线。

4.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述成像系统包括一不透明光导结构设置在所述微镜头之间，所述光导结构不设置于对角线相邻的所述像素单元和反向对角线相邻的所述像素单元之间包括所述像素单元块。

5.一种像素阵列中相邻像素单元的组合和读出方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

提供多个像素单元组构成的像素阵列，每个所述像素单元组包括以2×2设置的四个像素单元块，每个所述像素单元块包括以2×2设置的四个像素单元，以形成第一对角线相邻对和第二反向对角线相邻对，构成像素行和列；

提供由相同颜色的彩色滤光片设置于每个所述像素单元块上，所述四个像素单元块构成具有拜尔格式滤光片阵列组；

提供一微镜头设置于所述彩色滤光片和每个所述像素单元块的所述四个像素单元上；

提供每个所述像素单元块有一控制和读出电路，每个所述像素单元包括一个由传输晶体管和传输控制信号线控制的光电二极管，所述像素单元的所述第一对角线相邻对的所述传输晶体管共享第一所述传输控制信号线，所述像素单元的所述第二反向对角线相邻对的所述传输晶体管共享第二所述传输控制信号线；且每个所述像素单元块内，位于所述像素单元第一行的两个水平相邻的像素单元共享一浮动扩散点，放大晶体管，行选择晶体管，且连接到第一列线；位于所述像素单元第二行的两个水平相邻的像素单元共享一浮动扩散点，放大晶体管，行选择晶体管，且连接到第二列线；及将目标场景光线投射到像素阵列，控制第一所述传输控制信号线使能将电信号从所述像素单元的第一对角线连接对同时输出到第一列线和第二列线，然后完成两个电信号的组合；控制第二所述传输控制信号线使能将电信号从所述像素单元的第二反向对角线连接对同时输出到第一列线和第二列线，然后完成两个电信号的组合。

6.根据权利要求5所述的像素阵列中相邻像素单元的组合和读出方法，其特征在于，控制第一所述传输控制信号线使能组合第一列线的电信号和第二列线的电信号，包括代表所述像素单元的第一对角线相邻对的组合信号；及控制第二所述传输控制信号线使能组合第一列的电信号和第二列的电信号，包括代表所述像素单元的第二反向对角线相邻对的组合信号。

7.一种像素阵列中相邻像素单元的组合和读出方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

提供多个像素单元组构成的像素阵列，每个所述像素单元组包括以2×2设置的四个像素单元块，每个所述像素单元块包括以2×2设置的四个像素单元，以形成第一对角线相邻对和第二反向对角线相邻对，构成像素行和列；

提供由相同颜色的彩色滤光片设置于每个所述像素单元块上，所述四个像素单元块构成具有拜尔格式滤光片阵列组；

提供一微镜头设置于所述彩色滤光片和每个所述像素单元块的所述四个像素单元上；

提供每个所述像素单元块有一控制和读出电路，每个所述像素单元包括一个由传输晶体管和传输控制信号线控制的光电二极管，所述像素单元的所述第一对角线相邻对的所述传输晶体管共享第一所述传输控制信号线，所述像素单元的所述第二反向对角线相邻对的所述传输晶体管共享第二所述传输控制信号线；且每个所述像素单元块内，位于所述像素单元中垂直位置两个相邻行的像素单元共享一浮动扩散点，放大晶体管，行选择晶体管，且连接到第一列线；位于所述像素单元中垂直位置两个相邻行的像素单元共享一浮动扩散点，放大晶体管，行选择晶体管，且连接到第二列线；及将目标场景光线投射到像素阵列，控制第一所述传输控制信号线使能将从所述像素单元的第一对角线连接对的电信号快速组合输出到第一列线，然后控制第二所述传输控制信号线使能将从所述像素单元的第二反向对角线连接对的电信号快速组合输出到第二列线。

8.根据权利要求7所述的像素阵列中相邻像素单元的组合和读出方法，其特征在于，当控制第一所述传输控制信号线使能组合电信号输出到第一列线，当控制第二所述传输控制信号线使能组合电信号输出到第二列线，包括代表所述像素单元的第一对角线相邻对的组合信号合并到代表第二反向对角线相邻对的组合信号。

说明书

成像系统及像素阵列中相邻像素单元的组合和读出方法

技术领域

[0001] 本发明涉及图像传感器技术领域，尤其涉及包括配置为多个像素组合的像素阵列的CMOS图像传感器成像系统。像素组合将来自多个像素的信号组合成一个信号，用以在低照度条件下获取图像时提高灵敏度或者用以提高动态范围。该图像传感器可应用于数码相机中。

背景技术

[0002] 图像获取装置一般包括图像传感器和镜头。镜头将光聚焦到图像传感器上以形成图像，图像传感器将光信号转化成电信号。电信号从图像获取装置输出到电子系统的其他组件。图像获取装置和电子系统的其他组件构成了成像系统。图像传感器已经应用普遍，在各种电子系统中均可见，例如，手机、数码相机、医疗设备、以及计算机等。

[0003] 典型的图像传感器包括布置在二维阵列中的多个光敏图像单元(“像素”)。通过在像素上形成色彩色滤光片阵列(CFA)，使图像传感器能够形成彩色图像。通常，每个像素都被一个单色滤光片覆盖，而这个滤光片又被一个微透镜覆盖以将光聚焦到一个光电二极管上。重复像素模块组成一个像素阵列，其中像素模块是由四个像素组成的2×2阵列，四个像素覆盖有一个红色、一个蓝色和两个绿色滤光片，组成一个众所周知的拜尔模式CFA。用于制造图像传感器，尤其是互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的技术持续不断向前发展。例如，更高的分辨率和低功耗的需求进一步促进了这些图像传感器的小型化和集成化。然而，小型化会伴随像素的光感灵敏度和动态范围的降低，需要新的方法来解决这些问题。
在许多应用中，传感器分辨率已经超过了光学分辨率，这意味着增加像素密度不一定会导致图像质量的提高。

[0004] 随着像素尺寸的减小，像素内光吸收总光量减少，一些高级的特征受到挑战。通常，相机系统的输出分辨率低于图像传感器的分辨率，届时增加收集的光量以表示图像传感器中一个点的一种方法是对来自相邻或者附近像素的信号进行求和，这些像素共享相同颜色的彩色滤光片。这被称为像素组合(pixel binning)，用来在低照度下获取图像时提高灵敏度。

[0005] 像素也可以被组合或者相加在一起，以降低图像传感器的读出时间。可以在像素阵列中执行组合，或者在从像素阵列读出信号之后进行组合。在已经从像素阵列读出信号之后对像素求和不会减少读出时间，因为所有像素都必须读出。另外，读出电路产生的噪声与像素信号相加，其由于降低信噪比而可能降低图像质量。在像素被读出之前对像素阵列中的像素求和可以减少读出时间，但可能导致在光学中心之间的缝隙或者不规则的间隔。光学中心之间的不规则的间隔可在图像中产生参差不齐的线条，用户会注意到这些不期望出现的锯齿状线条。与被组合的像素的数量相同的数字缩小的图像相比，光学中心之间的不规则间隔还可导致最终图像整体分辨率更低。

[0006] 在一些光学配置中，有时会使用组合来提供物理上较大的像素。此外，有时会使用组合来为传感器的像素提供更大的满阱容量。

[0007] 除像素阵列外，典型的图像传感器基底或者芯片还包括读出电路。根据特定设计的要求，读出电路的某些部分可能位于每个像素内部。用于读出在图像传感器芯片上生成的图像信号的最常用的两种方式为滚动曝光模式和全局曝光模式。滚动曝光模式包括在不同的时间曝光传感器阵列不同行，并按照选定的时序读出这些行。全局曝光模式包括同时曝光所有像素，并持续相同的时间长度。类似于在以前的“快照”相机上操作机械快门。现有的数字成像系统已经实现了滚动曝光或全局曝光的读出模式。

[0008] 当在图像读出期间使用特定的组合配置时，提供了利用组合提高图像传感器中图像质量的可能。本发明满足了这些需求，并提供了以下发明内容中描述的进一步的优点。

发明内容

[0009] 以下发明内容描述给出了本发明所做出的贡献。

[0010] 本发明包括具有多个成像像素单元的图像传感器。每个像素单元包可以一个或者多个光电二极管，对应于每个光电二极管的一个或者多个传输晶体管，复位晶体管，源极跟随配置的放大晶体管和滚动曝光读出电路。每个像素单元还包括全局曝光信号存储和读出电路模块。

[0011] 本发明提供了一种包括成像像素单元模块阵列的成像系统，每个像素单元模块包括共享相同微透镜和彩色滤光片的四个成像像素单元。四个像素单元构成了包括两个相邻的行(水平方向的)和两个相邻列(垂直方向的)的2×2的正交阵列。本发明的成像像素单元模块阵列包括重复的像素单元的四个模块的组合，其中一个模块共享一个红色滤光片，一个模块共享一个蓝色滤光片，两个模块共享绿色滤光片，该组合构成了拜尔模式(Bayer pattern)CFA。

[0012] 本发明的主要目的是提供一种现有技术中未公开的图像传感器像素阵列和读出方法。

[0013] 本发明的一个目的是在相同的微透镜和滤光片下配置四个像素单元，并且在读出期间组合或者合并来自沿着第一对角线设置的两个像素的信号，接着组合来自剩余的第二对角线设置的两个像素的信号，以减少与正交组合设计相关的空间色彩伪影(artifacts)。

[0014] 本发明的另一目的是提供一种像素单元阵列，其在合并和读出时，将光学中心之间的缝隙或者不规则的间隔最小化，光学中线之间不规则的间隔在图像中产生锯齿状或者不均匀的线条，这些不期望出现的锯齿状线条对用户来说是可见的。光学中心间距的改善也可以导致最终图像整体分辨率的显著提高。

[0015] 下面结合附图以示例形式对本发明的发明原理进行说明，以更清楚的描述本发明的其他特征和有益效果。

附图说明

[0016] 附图对本发明进行了说明：

[0017] 图1为本发明第一实施例的成像系统的结构示意图，该成像系统包括具有包含于集成电路系统的组合的图像传感器像素单元的像素阵列；

[0018] 图2为现有技术中具有滚动曝光读取的图像传感器像素单元的一个示例的电路图；

[0019] 图3为现有技术像素单元模块组的布局图，其中正交组合导致图像点光学中心移动；

[0020] 图4为本发明一个像素单元模块组的布局图，其中对角组合提高了图像点光学中心的精度；

[0021] 图5为本发明像素单元模块组的一个实施例的电路图，其中对角组合提高了图像点光学中心的精度；

[0022] 图6位本发明像素单元模块组的另一个实施例的电路图，其中对角组合提高了图像点光学中心的精度。

具体实施方式

[0023] 上述各个附图示出了本发明提出的一种图像传感器，其像素单元被配置为位于相同微透镜和彩色滤光片下方的四个像素，其在读出期间，将沿着第一对角线设置的两个像素的信号合并，接着讲沿着第二对角线设置的两个像素的信号合并，以减少与正交分组设计相关的空间色彩伪影。

[0024] 在以下描述中，陈述众多特定细节以利于对本发明的透彻理解。然而，相关领域的技术人员应当得知，本发明所记载的技术内容能够在没有具体细节或者其他方法、组件、材料等的情况下得以实施。在其它示例中，众所周知的结构、材料或者操作未作详细展示或者描述，以避免模糊特定的内容。

[0025] 本发明中所使用的“连接”和“耦合”定义如下所述。“连接”用于描述两个电路元件之间的直接连接，例如，按照普通集成电路加工技术形成的金属线。相比之下，“耦合”用于描述两个电路元件之间直接连接或者间接连接。例如，两个耦合元件可以通过金属线直接连接，或者通过中间的电路元件(例如，电容、电阻或者晶体管的源极或者漏极)间接连接。

[0026] 图1示出了本发明一个实施例的图像传感器系统100(成像系统)的结构示意图。所述图像传感器系统100包括像素阵列102，所述像素阵列102具有包含于集成电路系统中的多个图像传感器像素单元。如图1中所示，在图像传感器系统100中，像素阵列102耦合到控制电路108和读出电路104，读出电路104耦合到功能逻辑单元106。

[0027] 控制电路108可包括行解码器和具有所需时序电路的行驱动器，读出电路104可包括列解码器和具有所需时序电路的列驱动器。控制电路108和读出电路104还耦合到状态寄存器112。在一个示例中，像素阵列102为一个图像传感器像素(例如，像素P1，P2，....，Pn)构成的二维(2D)阵列。如图1所示，可以将每个像素排列行(如行R1至Ry)和列(如列C1至Cx)，以获取人、地点、对象等的图像数据。给定行中的像素共享复位线，以便一次复位整个行。同一行中每个像素的行选择线连接在一起。任意给定的列中每个像素的输出线连接在一起。由于解码器在给定时间仅选择一行，所以不会出现输出线竞争的情形。

[0028] 在一个示例中，在每个像素获取其图像数据或者图像电荷之后，图像数据根据状态寄存器112或者可编程的功能逻辑单元106设置的读出模式由读出电路104读出，然后传输到功能逻辑单元106。在各个示例中，读出电路104可包括放大电路、模数转换电路(ADC)等等。状态寄存器112可包括一个数字编程的选择系统，例如配置，用以确定读出模式是通过滚动曝光还是通过全局曝光，以及确定在每种模式下施加的时序和信号电平。功能逻辑单元106可以仅存储图像数据，或者可以根据后期的图像效果处理图像数据(例如，裁剪、旋转、去除红眼、调整亮度、调整对比度或者其他方式)。在一个示例中，读出电路104可以沿读出列线(如图所示)逐行读出图像数据，或者可采用其他技术(图未示)读出图像数据，例如，串行读出或者完全并行读出所有的像素。在一个示例中，控制电路108耦合到像素阵列102，以控制像素阵列102的可操作特性。控制电路108的操作可通过状态寄存器112的当前设置来确定。例如，控制电路108可产生一快门信号用于控制图像获取。在一个示例中，快门信号为全局曝光信号，使像素阵列102中的所有像素通过单一采集窗口同时分别获取它们的图像数据。在另一个示例中，快门信号是滚动曝光信号，每一像素行、列或者组通过连续的采集窗口连续获取。

[0029] 图2为现有技术中滚动曝光读取的图像传感器像素单元的电路图。对本发明的示例描述之前，提供该图和实施例以简化像素操作的说明。如图2所示，每个传感器像素200包括光电二极管210(例如，光敏元件)及相应的传输晶体管215和像素支持电路211。光电二极管210可为现有CMOS图像传感器中常用的“钉扎”(Pinned)光电二极管。在一个示例中，像素支持电路211包括复位晶体管220、源极跟随(SF)晶体管225、以及耦合到传输晶体管215和光电二极管210的行选择晶体管230。像素支持电路211通过浮动扩散点FD(例如浮动扩散点217)耦合到传输晶体管215和光电二极管210。在操作过程中，在曝光期间光电二极管210产生电荷以响应入射光。传输晶体管215连接并接收传输信号TX，以将在光电二极管210累积的电荷转移至浮动扩散点(FD)217。浮动扩散点217实际上连接的是传输晶体管215的漏极，而光电二极管210连接的是传输晶体管215的源极。在一个实施例中，传输晶体管215为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。复位晶体管220耦合在电源Vrab和浮动扩散点217之间，响应于复位信号RST以复位传感器像素200(例如，将浮动扩散点217和光电二极管210放电或者充电至当前电压)。浮动扩散点217耦合到源极跟随晶体管225的栅极。源极跟随晶体管225耦合到电源Vrsf和行选择晶体管230之间，以响应浮动扩散点217上电荷，以放大信号。行选择晶体管230从源极跟随晶体管225连接像素电路的输出到读出列或位线235，响应于行选择信号RS。光电二极管210和浮动扩散点217由临时生效的复位信号RST和传输信号TX复位。累积窗口(例如，曝光周期)在传输信号TX失效时开始，使得入射光在光电二极管
210中转化成光生电子。当光生电子在光电二极管210中累积时，其电压降低(电子是负电荷载流子)。在曝光期间光电二极管210上的电压或者电荷代表入射到光电二极管210的光照强度。另外，入射光的强度越高，光电二极管210上的电压或者电荷的变化越快。在曝光周期后，复位信号RST失效，关闭复位晶体管220，并将浮动扩散点217与电源Vrab隔离。传输信号TX生效，将光电二极管210耦合到浮动扩散点217。光生电荷从光电二极管210通过传输晶体管215传输到浮动扩散点217，从而使浮动扩散点217的电压下降，下降量与曝光期间在光电二极管210上累积的光生电荷成比例。

[0030] 通常，CMOS图像传感器有一些局限性，例如，有限的动态范围和光晕(blooming)。CMOS成像装置通常以线性的电压对光照的响应来表征。即，成像装置的输出电压与入射到成像装置上的光的积分强度成线性比例。成像装置的输出电压可以用动态范围来表征，动态范围为成像装置的最大可检测光照强度与最小可检测光照强度的比率。易于理解的是，输出电压的动态范围确定了成像装置的整体动态范围。使光电二极管的电容电荷在曝光周期结束之前完全耗尽，从而使像素充分接收光照强度以确定像素动态范围的上限；热产生的光电二极管电荷以及其他噪声因素确定了像素动态范围的下限。如果即将成像的场景的动态范围超过了成像装置的动态范围，那么该场景中的部分将使成像装置饱和，并呈现完全黑色或者完全白色。这对于成像大动态范围的场景，例如室外场景，会存在问题。通过相关双采样(CDS)来减小复位采样噪声对动态范围的影响。相关双采样是通过采集像素的信号输出的两个采样，并用第二次采样减去第一次采样，以去除复位采样噪声的技术。通常，一次采样在光电二极管和浮动扩散点复位之后立即进行，另一次采样在使光电二极管累积电荷并将所累积的电荷转移至浮动扩散点之后进行。减法运算通常在像素外部的外围电路中执行，其可增加传统图像传感器面积，尽管其不会增加像素面积。采用滚动曝光读出模式的图像传感器在与相关双采样结合时，仅需要增加外围电路元件，而不需要在像素中增加电路元件。

[0031] 图3为现有技术像素单元模块组的布局图，其中正交组合导致图像点光学中心移位。图3示出了四个像素模块的组，每个像素模块包括四个像素，以及它们各自的传输晶体管的控制信号线Tx。像素R.0、R.1、R.2和R.3构成了像素模块R，所有这些像素都用红色滤光片覆盖。像素B.0、B.1、B.2和B.3构成了另一个像素模块B，所有这些像素都用蓝色滤光片覆盖。像素模块B紧邻像素模块R的中心对角线，并位于像素模块R的中心对角线上。像素GR.0、GR.1、GR.2、GR.3、GB.0、GB.1、GB.2和GB.3构成了另外的两个像素模块GR和GB，所有这些像素覆盖有绿色滤光片。像素模块GR和GB沿着四个模块的组的另一对角线彼此相邻，它们一起形成了拜耳彩色滤光片模组，其构成整个图像传感器阵列的基本单元。

[0032] 图3还示出了同一传输晶体管控制信号线Tx0<0>控制沿着同一行的所有像素(即相邻的像素R.0、R.2、GR.0和GR.2)的读出。另外，同一传输晶体管控制信号线Tx1<0>控制沿着下一垂直设置行的所有像素(即相邻的像素R.1、R.3、GR.1和GR.3)的读出。同样，像素GB.0、GB.2、B.0和B.2由控制信号线Tx0<1>控制，像素GB.1、GB.3、B.1和B.3由控制信号线Tx1<1>控制。利用现有技术像素配置，当控制信号线Tx0<0>被使能时，可完成像素对R.0和R.2的组合；当控制信号线Tx0<1>被使能时，像素对GR.0和GR.2被组合在一起。同样，当控制信号线Tx1<0>被使能时，像素对R.1和R.3像素以及像素对GR.1和GR.3分别被组合。这给出了正交组合，一个结果是像素对R.0和R.2光学中心和组合中心BC1沿着水平线设置于它们之间。同样，像素对R.1和R.3光学中心和组合中心BC1沿着水平线设置于它们之间。然后存在两个光学中心，一个是由于构成像素模块R的两对中的每一个。与信号以为像素模块提供单个光学中心的方式分组相比，其可能降低生成的图像质量。

[0033] 符号Tx0<0>、Tx0<1>、Tx1<0>和Tx1<1>表示逐行读取，其中执行如下逐行读取时序，Tx0<0>接着Tx1<0>接着Tx0<1>接着Tx1<1>。

[0034] 图4为本发明一个像素单元模块组的布局图，其中对角组合改进了图像点光学中心。与图3类似，示出了四个像素单元模块的组，每个像素单元模块包括四个像素及其相应的传输晶体管控制信号线Tx。像素R.0、R.1、R.2和R.3构成了像素模块R，所有这些像素都用红色滤光片覆盖。像素B.0、B.1、B.2和B.3构成了另一个像素模块B，所有这些像素都用蓝色滤光片覆盖。像素模块B紧邻像素模块R的中心对角线，并位于像素模块R的中心对角线上。像素GR.0、GR.1、GR.2、GR.3、GB.0、GB.1、GB.2和GB.3构成了另外的两个像素模块GR和GB，所有这些像素都覆盖有绿色滤光片。像素模块GR和GB沿着四个模块的组的另一对角线彼此相邻，它们一起形成了拜尔彩色滤光片模组，其构成整个图像传感器阵列的基本单元。

[0035] 图4还示出了同一传输晶体管控制信号线Tx0<0>控制沿着两个垂直设置的相邻行并在同一个像素单元模块内的对角线相邻像素(即对角线相邻像素R.0和R.3，以及对角线相邻像素GR.0和GR.3)的读出。另外，同一控制信号线Tx1<0>控制沿着两个垂直设置的相邻行并在同一个像素单元模块内的对角线相邻像素(即对角线相邻像素R.1和R.2，以及对角线相邻像素GR.1和GR.2)的读出。由控制信号线Tx0<0>控制的在相同像素模块中的对角线相邻像素，即被相同色彩滤光片覆盖，位于相对于由控制信号线Tx1<0>控制的在相同像素模块中的对角线相邻像素反向的相邻对角线上。

[0036] 同样，对角线相邻像素GB.0和GB.3，以及对角线相邻像素B.0和B.3由控制线Tx0<1>控制。反向对角线相邻像素GB.1和GB.3，以及B.1和B.3由控制线Tx1<1>控制。由控制信号线Tx0<1>控制的在相同像素模块中的对角相邻像素，即被相同色彩滤光片覆盖，位于相对于被控制信号线Tx1<1>控制的在相同像素模块中的对角相邻像素反向的相邻对角线上。

[0037] 利用本发明的像素设计，在控制信号线Tx0<0>被使能时，像素模块R中对角线相邻像素对R.0和R.3实现合并。同时，在控制信号线Tx0<0>被使能时，像素模块GR内对角线相邻像素对GR.0和GR.3也实现合并。同样，在控制信号线Tx1<0>被使能时，像素模块R中反向对角线相邻像素对R.1和R.2，以及反向对角线相邻像素对GR.1和GR.2分别组合。这示出了共享相同色彩滤光片的四个像素的模块内的双对角线组合。像素对R.0和R.3的光学中心和组合中心BC2位于沿着对角线的该像素对之间。结果之一是，像素对R.1和R.2的光学中心和组合中心BC2位于沿着反向对角线的像素对R.0和R.3之间，并且与像素对R.0和R.3的光学中心位置相同。构成像素模块组的组合像素仅具有一个光学中心，相对于图3现有技术成像阵列所提供的具有两个光学中心的信号组合，该结果改善了最终的图像成像质量。

[0038] 图4分别示出了设置于共享相同彩色滤光片的像素模块组上的微透镜ML。由于像素的小型化，每个像素上应用一个微透镜可能对制造工艺带来挑战，该挑战能够通过本发明所示出的实施例中每四个像素使用一个微透镜在一定程度上减轻。同样如图4所示，本发明还包含一种设置于微透镜之间的不透明的导光结构，以减少不共享同一微透镜的像素模块之间的光学串扰。在被组合的对角相邻像素之间不存在导光结构。

[0039] 图5示出了图4中像素单元模块组合的一个实施例的电路图。像素模块Red、Gr、Gb和Blue相同，只是它们各自的光电二极管PD0、PD1、PD2和PD3被红色、绿色、绿色和蓝色滤光片覆盖。图5说明在红色模块内，对角线相邻光电二极管PD0和PD1与晶体管控制线Tx0<0>连接，如同图4中像素R.0和R.3。图5还说明，在红色模块内，反向对角相邻光电二极管PD2和PD1与晶体管控制线Tx1<0>连接，如同图4中像素R.2和R.1。图5还示出了将每个光电二极管耦合至像素阵列列线的电学元件和连接线。在图5所示的本发明的一个实施例中，光电二极管PD0和PD1共享同一浮动扩散点FD，同一复位晶体管RST、同一放大晶体管SF、同一行选择晶体管和用于图像信号读出的同一像素输出列线。构成组合的余下三个像素模块Gr、Gb和Blue由相同的排列组成。所述四个像素模块构成了一个组合，并且组合重复以构成成像像素阵列。

[0040] 在具体操作中，本发明第一实施例从前两行像素的对角线相邻像素读出成像信号，如下所示。首先，晶体管控制线Tx0<0>被使能，其将图像信号从光电二极管PD0传输至列线0，同时从对角线相邻光电二极管PD3传输至列线1。然后，来自列线0和1的信号合并以完成两个对角线相邻像素的合并或者组合。然后晶体管控制信号线被使能，其将图像信号从光电二极管PD2传输至列线0，同时从反向对角线相邻光电二极管PD1传输至列线1。然后，来自列线0和1的信号被合并或者组合，以完成两个反向对角线相邻像素的合并或者组合。

[0041] 在从像素阵列读取信号之后，可以执行前面所描述的像素分组。像素阵列内的组合像素提供了额外的有益效果。像素阵列内的组合像素可减小读出时间，由于与每个像素必须读出的信号读出之后的组合相比，其读出的像素更少。这一优势提高了以更高的帧读出效率。在数字域中需要的组合更少。另一个优势是可以减小接近一半的像素晶体管，从而节约功耗。

[0042] 本发明至少可以在像素阵列内完成的一种方法是电互连每个像素块，使得每个块中对角线相邻像素对共用一个浮动扩散点，放大晶体管，行选择晶体管和输出列。这个沿着每个块的反向对角线的像素对也共享同一浮动扩散点，放大晶体管，行选择晶体管和输出列。图6给出了本发明第二实施例中实现阵列内对角相邻像素对组合的设计方案。

[0043] 图6是如图4所示的像素布局方案的一种可选的电路设计图。在一像素阵列中包括重复设置的多个如图4中所示的四个像素块，其具有如图6中所示可选的实现像素内对角线像素组合的电路设计方案。如图4，5及6中所示，传输信号控制线Tx0<0>连接到，例如，对角线相邻的像素R0或光电二极管PD0和像素R3或光电二极管PD3。而在图6中，光电二极管PD0和PD3共享同一浮动扩散点，且根据可选的电连接方式，当控制信号线Tx0<0>使能时，光电二极管PD0和PD3相应的图像信号组合到共享浮动扩散点和输出列线0。相似地，示例像素块R，当传输信号线Tx1<0>使能时，像素R1或光电二极管PD1和像素R2或光电二极管PD2组合到同一浮动扩散点，组合像素信号输出到列线1。

[0044] 总之，为了提高图像质量，本发明所提出的设置允许将由四个像素块构成的拜尔格式中的2×2像素块组中对角线邻接像素和反向对角线邻接像素进行组合。这表示由四个像素构成的像素块中双对角线像素组合共享相同颜色的滤光片，其一个结果是像素对的光学中心位于它们沿着对角线中心相同的位置。因此对于包含像素块的组合像素只有一个光学中心，这与现有技术中采用正交组合方式提供两个光学中心的组合方式的图像相比，图像质量得到有效的提高。

[0045] 本说明书所述的“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的意味着结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性至少包括在本发明的一个实施例或一个示例中。因此，本说明书中各处出现的诸如“在一个实施例中”或“在一个示例中”的短语不一定都指同一实施例或示例。此外，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式在一个或多个实施例或示例中组合。参考所描述图形的方向来使用诸如“顶部”、“下”、“上方”、“下方”之类的方向术语。而且，术语“具有”、“包含”、“包括”和类似的术语被定义为表示“包含”，除非另有特别说明。特定的特征，结构或特性可以被包含在一个集成电路中，一个电子电路中，一个组合逻辑电路中或者提供所描述的功能的其他合适的组件中。此外，应该理解的是，这里提供附图的目的是为了向本领域普通技术人员作解释，并且附图不一定按比例绘制。

[0046] 本发明中对上述示例的描述，包括在摘要中的描述，并不是为了穷尽或限制公开的确切形式。尽管本发明在此描述具体实施例、示例的目的是为了解释说明，但是在不脱离本发明的更广泛的精神和范围的情况下，各种等同修改是可能的。事实上，可以理解的是，提供具体示例性结构和材料是为了解释的目的，并且根据本发明的示例还可以在其他实施例和示例中使用其他结构和材料。根据上面的详细描述，可以对本发明的示例做出这些修改。以下权利要求中使用的术语不应被解释为将本发明限制于说明书和权利要求中公开的具体实施例。相反的，本发明的保护范围完全由权利要求的保护范围确定，这些权利要求要根据既定的权利要求解释理论来解释。