一种双像元同时输出高响应率线阵CMOS图像传感器和方法技术

本发明专利技术公布了一种双像元同时输出高响应率线阵CMOS图像传感器和方法，包括第一像元阵列和第二像元阵列；第一像元阵列的像元面积大于第二像元阵列的像元面积；第一像元阵列和第二像元阵列连接可编程增益放大器，可编程增益放大器连接列缓冲驱动电路的一端，列缓冲驱动电路的另一端连接多级高速控制开关的一端，多级高速控制开关的另一端连接模拟列逻辑控制电路的一端，模拟列逻辑控制电路的另一端分别连接单斜式列级并行ADC和芯片级pipeline ADC；单斜式列级并行ADC连接数字列逻辑；芯片级pipeline ADC和数字列逻辑均连接多通道高速LVDS接口模块。可简单有效的提升线阵CIS的响应率，且具有其它线阵CIS不具备的双成像功能。能。能。

【技术实现步骤摘要】
一种双像元同时输出高响应率线阵CMOS图像传感器和方法


[0001]本专利技术属于图像传感器
，具体属于一种双像元同时输出高响应率线阵CMOS图像传感器和方法。

技术介绍

[0002]图像传感器是现代电子成像系统的核心，图像传感器主要基于两种工艺实现，CMOS工艺和电荷耦合器件(CCD)工艺。CMOS图像传感器技术由于其集成度高、体积小、功耗低等优点，在最近几年取得了飞速发展。
[0003]CMOS图像传感器目前分为两种阵列模式，一是面阵二维成像，这也是目前应用量最广泛的阵列结构，还有一种是线阵结构。线阵结构又分为单线和多线，这两种像架阵列可共用一套读出电路架构设计，区别在于，面阵CIS在使用全局曝光时，由于逐行读出时间较长，系统曝光时间可由几十微秒至几百毫秒级，这就使得面阵CIS可满足多种环境应用需求。线阵扫描CIS行频较高，一般从几kHz到上百kHz，所以其曝光时间只能从几微秒至几十微秒级，增加曝光时间会严重降低行频，所以响应率成为了限制线阵扫描CIS的最大瓶颈，但其较小的体积和可拓展的分辨率在一些环境中得到了重点应用，为了满足其使用要求，必须提高其响应率，在像元工艺一定的前提下，用户通常通过补光提高入射能量增强响应率，这就限制了其应用环境。
[0004]传统线阵扫描CIS为了实现较高的响应率，都采用多线阵累加方式(TDI)，该方式的渡越时间很长，读出电路复杂且更多在CCD中使用。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种双像元同时输出高响应率线阵CMOS图像传感器和方法，可简单有效的提升线阵CIS的响应率，同时该技术仍适用于TDI CIS，且具有其它线阵CIS不具备的双成像功能，对于线阵CIS的复杂环境适用性具有很高的提升。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种双像元同时输出高响应率线阵CMOS图像传感器，包括第一像元阵列、第二像元阵列、可编程增益放大器、列缓冲驱动电路、多级高速控制开关、模拟列逻辑控制电路、单斜式列级并行ADC、芯片级pipeline ADC、数字列逻辑和多通道高速LVDS接口模块；
[0008]所述第一像元阵列的像元面积大于第二像元阵列的像元面积；
[0009]所述第一像元阵列和第二像元阵列连接可编程增益放大器，可编程增益放大器连接列缓冲驱动电路的一端，列缓冲驱动电路的另一端连接多级高速控制开关的一端，多级高速控制开关的另一端连接模拟列逻辑控制电路的一端，模拟列逻辑控制电路的另一端分别连接单斜式列级并行ADC和芯片级pipeline ADC；单斜式列级并行ADC连接数字列逻辑；芯片级pipeline ADC和数字列逻辑均连接多通道高速LVDS接口模块。
[0010]优选的，当第一像元阵列和第二像元阵列的满阱电荷相同时，第一像元阵列的像
元面积为第二像元阵列的4倍，第一像元阵列的感光面积为第二像元阵列的8倍。
[0011]优选的，所述第一像元阵列和第二像元阵列为单线阵列或多线阵列。
[0012]优选的，所述第一像元阵列和第二像元阵列同时曝光并量化输出，反映第一像元阵列和第二像元阵列对同一目标的不同成像属性。
[0013]优选的，所述第一像元阵列或第二像元阵列单独扫描成像。
[0014]优选的，还包括斜坡发生器，所述斜坡发生器用于提供比较参考电平。
[0015]优选的，所述多通道高速LVDS接口模块的数据吞吐量为芯片级pipeline ADC和数字列逻辑的输出数据量之和。
[0016]一种双像元同时输出高响应率线阵CMOS图像传感器的成像方法，其特征在于，基于上述任意一项所述的一种双像元同时输出高响应率线阵CMOS图像传感器，包括以下过程，
[0017]双像元成像工作时，由控制信号开启第一像元阵列和第二像元阵列的曝光，首先将第二像元阵列输出模拟信号传至可编程增益放大器的输入端，可编程增益放大器进行采样并放大输送给单斜式列级并行ADC，斜坡发生器提供比较参考电平，单斜式列级并行ADC进入量化阶段；
[0018]然后将第一像元阵列输出模拟信号传至可编程增益放大器的输入端，可编程增益放大器进行采样并放大输送给列缓冲驱动电路，列缓冲驱动电路输出接多级高速控制开关，模拟列逻辑控制级联开关从s1～s4096逐个导通，将列缓冲输出差分信号输送至pipeline ADC进行数字量化，输出码D0～D13传送至多通道高速LVDS接口模块，完成输出；待pipeline ADC量化完成后，单斜式列级并行ADC十进制比较值由计数器编码输出至多通道高速LVDS接口模块，完成输出；
[0019]单像元成像工作时，由控制信号选择开启第一像元阵列或第二像元阵列的曝光，首先将像元输出模拟信号传至可编程增益放大器的输入端，可编程增益放大器进行采样并放大输送给单斜式列级并行ADC，斜坡发生器提供比较参考电平，单斜式列级并行ADC量化完成后输送给编码器；编码完成后由多通道高速LVDS接口模块驱动输出；或，
[0020]由控制信号选择开启第一像元阵列或第二像元阵列的曝光，然后将像元输出模拟信号传至可编程增益放大器的输入端，可编程增益放大器进行采样并放大输送给列缓冲驱动电路，列缓冲驱动电路输出接多级高速控制开关，模拟列逻辑控制级联开关从s1～s4096逐个导通，将列缓冲输出差分信号输送至pipeline ADC进行数字量化，输出码D0～D13传送至多通道高速LVDS接口模块，完成输出。
[0021]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
[0022]本专利技术提供一种双像元同时输出高响应率线阵CMOS图像传感器，在保持满阱电荷数一定的前提下，可将响应率以提升8倍左右，同时可以实现不同的满阱数，达到更高的响应率；本专利技术支持曝光时间内双像元图像同时输出，既可用于高动态亮光环境，也可用于高响应率暗场环境，在同一线扫周期内，对目标图像支持两种像元成像输出对比。本专利技术采用单一图像传感器实现两种像素同时成像，兼容了高动态与高响应率这一矛盾指标，可使得线阵扫描CMOS图像传感器得以更为广泛的应用。
[0023]本专利技术通过集成两种像元，可兼顾亮场下的高动态范围和暗场下的高响应率应用需求，在暗场下，像元响应率可提升至常态下的8倍以上(不改变C
FD
的前提下，否则可以更
高)，降低了补光设备的需求；此外，线阵扫描具有时域特性，无法对已经变化的动态目标实施二次初始成像，本设计双像元可同时曝光并成像，生成高动态和高响应率两幅图像，具有很高的对比性。通过双像元同时成像高响应率线阵CMOS图像传感器架构设计，可极大的扩展高速线阵扫描CIS的应用环境。
附图说明
[0024]图1为双像元同时输出列级工作电路；
[0025]图2为双像元时序控制示意图；
[0026]图3为高速列缓冲电路示意图；
[0027]图4为高速级联控制开关；
[0028]图5为列级ADC工作原理图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双像元同时输出高响应率线阵CMOS图像传感器，其特征在于，包括第一像元阵列(1)、第二像元阵列(2)、可编程增益放大器(3)、列缓冲驱动电路(4)、多级高速控制开关(5)、模拟列逻辑控制电路(6)、单斜式列级并行ADC(8)、芯片级pipeline ADC(9)、数字列逻辑(10)和多通道高速LVDS接口模块(11)；所述第一像元阵列(1)的像元面积大于第二像元阵列(2)的像元面积；所述第一像元阵列(1)和第二像元阵列(2)连接可编程增益放大器(3)，可编程增益放大器(3)连接列缓冲驱动电路(4)的一端，列缓冲驱动电路(4)的另一端连接多级高速控制开关(5)的一端，多级高速控制开关(5)的另一端连接模拟列逻辑控制电路(6)的一端，模拟列逻辑控制电路(6)的另一端分别连接单斜式列级并行ADC(8)和芯片级pipeline ADC(9)；单斜式列级并行ADC(8)连接数字列逻辑(10)；芯片级pipeline ADC(9)和数字列逻辑(10)均连接多通道高速LVDS接口模块(11)。2.根据权利要求1所述的一种双像元同时输出高响应率线阵CMOS图像传感器，其特征在于，当第一像元阵列(1)和第二像元阵列(2)的满阱电荷相同时，第一像元阵列(1)的像元面积为第二像元阵列(2)的4倍，第一像元阵列(1)的感光面积为第二像元阵列(2)的8倍。3.根据权利要求1所述的一种双像元同时输出高响应率线阵CMOS图像传感器，其特征在于，所述第一像元阵列(1)和第二像元阵列(2)为单线阵列或多线阵列。4.根据权利要求1所述的一种双像元同时输出高响应率线阵CMOS图像传感器，其特征在于，所述第一像元阵列(1)和第二像元阵列(2)同时曝光并量化输出，反映第一像元阵列(1)和第二像元阵列(2)对同一目标的不同成像属性。5.根据权利要求1所述的一种双像元同时输出高响应率线阵CMOS图像传感器，其特征在于，所述第一像元阵列(1)或第二像元阵列(2)单独扫描成像。6.根据权利要求1所述的一种双像元同时输出高响应率线阵CMOS图像传感器，其特征在于，还包括斜坡发生器(7)，所述斜坡发生器(7)用于提供比较参考电平。7.根据权利要求1所述的一种双像元同时输出高响应率线阵CMOS图像传感器，其特征在于，所述多通道...

【专利技术属性】
技术研发人员：何杰，徐晚成，李海松，李婷，张曼，崔双韬，
申请(专利权)人：西安微电子技术研究所，
类型：发明
国别省市：