超高幀率cmos圖像傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種CMOS圖像傳感器，包括多個(gè)獨(dú)立且并行工作的圖像傳感器單元，每個(gè)圖像傳感器單元包括一個(gè)像素單元和一個(gè)數(shù)據(jù)處理及輸出單元，各像素單元組成一個(gè)像素陣列且各數(shù)據(jù)處理及輸出單元設(shè)置于像素陣列的外圍。每個(gè)像素單元包括多個(gè)子像素陣列；每個(gè)數(shù)據(jù)處理及輸出單元包括控制子像素陣列中像素選中和輸出的第一控制模塊、讀取像素的雙采樣模塊、控制雙采樣模塊對(duì)像素信號(hào)的讀取和輸出的第二控制模塊，對(duì)雙采樣模塊輸出的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)至相應(yīng)行緩存模塊的模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊以及將行緩存模塊緩存的信號(hào)串行輸出的移位寄存器模塊。本發(fā)明能夠在實(shí)現(xiàn)超高幀率的同時(shí)降低CMOS圖像傳感器后方數(shù)據(jù)處理壓力。
【專利說明】超高幀率CMOS圖像傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及圖像傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種超高幀率的多通道CMOS圖像傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002]圖像傳感器是組成數(shù)字?jǐn)z像頭的重要組成部分。根據(jù)元件的不同，可分為CXD和CMOS兩大類。CMOS傳感器獲得廣泛應(yīng)用的一個(gè)前提是其所擁有的較高靈敏度、較短曝光時(shí)間和日漸縮小的像素尺寸。
[0003]通常來說，一個(gè)CMOS圖像傳感器的幀率取決于后方數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的能力，目前來看，通常的數(shù)字信號(hào)處理器具備1SOp全高清視頻流下每秒鐘30幀(30fps)或60幀(fps)的處理能力，這一幀率足以達(dá)到高清視頻流所需的幀率能力。
[0004]但是對(duì)于某些特殊應(yīng)用來說，每秒鐘30幀或60幀的視頻流幀率卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足其要求。例如，對(duì)于某些科學(xué)應(yīng)用相機(jī)來說，通常需要拍攝超高速運(yùn)動(dòng)的物體，比如拍攝超高速運(yùn)動(dòng)的子彈、百米運(yùn)動(dòng)員沖刺等，因此要求其圖像傳感器能夠具備超高幀率的圖像采集能力。一般來說，超高幀率的圖像傳感器需要具備1080p全高清視頻流下每秒鐘200幀以上的數(shù)據(jù)流能力。
[0005]由于CMOS工藝具備高度集成的特點(diǎn)，可以在一顆芯片上集成像素部分和數(shù)字處理電路部分，因此非常適用于有效提高圖像傳感器的幀率。所以，超高幀率的CMOS圖像傳感器是目前超高幀率傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】研究的重點(diǎn)。
[0006]現(xiàn)有的超高幀率的CMOS圖像傳感器通常是采用單通道數(shù)據(jù)輸出架構(gòu)，如果要實(shí)現(xiàn)1080p (1920*1080 =約2M像素)全高清視頻流下每秒鐘300幀以上的數(shù)據(jù)流能力，意味著每秒鐘需要傳輸2M*300 = 600M個(gè)像素，每秒鐘6億個(gè)像素的吞吐量顯然是非常巨大的，將會(huì)對(duì)后端數(shù)字信號(hào)處理器帶來極大的壓力。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種超高幀率CMOS圖像傳感器，不僅可以實(shí)現(xiàn)200幀或更高幀的數(shù)據(jù)流能力，并且大幅降低像素信號(hào)處理的壓力。
[0008]為達(dá)成上述目的，本發(fā)明提供一種CMOS圖像傳感器，包括多個(gè)獨(dú)立且并行工作的圖像傳感器單元，每個(gè)所述圖像傳感器單元包括一個(gè)像素單元和一個(gè)數(shù)據(jù)處理及輸出單元，各所述圖像傳感器單元的像素單元組成一個(gè)像素陣列且各所述數(shù)據(jù)處理及輸出單元設(shè)置于所述像素陣列的外圍。其中，每一所述像素單元包括多個(gè)子像素陣列。每一所述數(shù)據(jù)處理及輸出單元包括:第一控制模塊，用于選中所述多個(gè)子像素陣列的像素、控制所述多個(gè)子像素陣列中同一列的像素的信號(hào)并行輸出且控制同一行的像素的信號(hào)為依次輸出；多個(gè)雙采樣模塊，對(duì)應(yīng)所述至多個(gè)子像素陣列的各行配置，用于分別讀取所述多個(gè)子像素陣列各行的像素的信號(hào)并輸出；多個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊，每一所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊與一個(gè)所述子像素陣列所對(duì)應(yīng)的各所述雙采樣模塊相連，用于對(duì)各所述雙采樣模塊輸出的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；第二控制模塊，用于控制各所述雙采樣模塊并行讀取所述子像素陣列中同一列的像素的信號(hào)且控制每一所述雙采樣模塊依次讀取其對(duì)應(yīng)行的各像素的信號(hào)；并控制對(duì)應(yīng)于同一所述子像素陣列的各所述雙采樣模塊將其讀取的同一列的各像素的信號(hào)依次輸出至與其相連的所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊；多個(gè)行緩存模塊，對(duì)應(yīng)所述多個(gè)子像素陣列的各行配置且與所述多個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊相連，每一所述行緩存模塊用于對(duì)經(jīng)所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的其對(duì)應(yīng)行的像素的信號(hào)進(jìn)行緩存；以及移位寄存器模塊，用于將所述多個(gè)行緩存模塊緩存的信號(hào)串行輸出。
[0009]優(yōu)選的，每一所述像素包括感光二極管、傳輸管、懸浮節(jié)點(diǎn)、復(fù)位管、源跟隨器和行選通管，所述傳輸管與所述感光二極管相連；所述傳輸管的漏極、所述源跟隨器的柵極、所述復(fù)位管的源極連接于所述懸浮節(jié)點(diǎn)；所述行選通管的漏極與所述源跟隨器的源極相連、源極與該像素對(duì)應(yīng)的所述雙采樣模塊的輸入端相連。對(duì)于每一個(gè)所述像素，所述第一控制模塊控制所述懸浮節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電荷清空和復(fù)位以輸出第一信號(hào)，控制所述傳輸管在所述懸浮節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電荷清空和復(fù)位后開啟以輸出第二信號(hào)，由所述第一信號(hào)和第二信號(hào)組成的兩路信號(hào)用于表征該像素的信號(hào)。
[0010]優(yōu)選的，所述雙采樣模塊包括第一通路和第二通路，所述第一通路包括串聯(lián)的第一讀取開關(guān)和第一輸出開關(guān)且兩者之間連接第一接地電容，所述第二通路包括串聯(lián)的第二讀取開關(guān)和第二輸出開關(guān)且兩者之間連接第二接地電容。
[0011]優(yōu)選的，對(duì)于每一所述雙采樣模塊，所述第二控制模塊控制該雙采樣模塊的第一讀取開關(guān)、第一輸出開關(guān)、第二讀取開關(guān)和第二輸出開關(guān)的開閉以將其讀取的像素的第一信號(hào)存儲(chǔ)于所述第一接地電容，將該像素的第二信號(hào)存儲(chǔ)于所述第二接地電容，并將所述第一信號(hào)和第二信號(hào)同時(shí)輸出至該雙采樣模塊所連接的所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊。
[0012]優(yōu)選的，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器將其每次所接收的該第一信號(hào)和第二信號(hào)相減并對(duì)其進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
[0013]優(yōu)選的，所述第二控制模塊控制所述多個(gè)雙采樣模塊同時(shí)進(jìn)行所述子像素陣列中同一列的各所述第一信號(hào)的讀取，并在完成后再同時(shí)進(jìn)行該列的各所述第二信號(hào)的讀?。凰龅诙刂颇K控制對(duì)應(yīng)于同一所述子像素陣列的多個(gè)雙采樣模塊將其讀取的該子像素陣列中同一列的各所述兩路信號(hào)為依次輸出至相連的所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊。
[0014]優(yōu)選的，所述第二控制模塊控制對(duì)應(yīng)于不同的所述子像素陣列中同一行的各所述雙采樣模塊同時(shí)將其讀取的信號(hào)輸出至相連的所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊。
[0015]優(yōu)選的，所述移位寄存器模塊將所述多個(gè)行緩存模塊緩存的信號(hào)串行輸出的時(shí)間小于等于所述雙采樣模塊讀取并輸出一個(gè)所述像素的信號(hào)的時(shí)間。
[0016]優(yōu)選的，所述多個(gè)子像素陣列分布為多行一列。
[0017]優(yōu)選的，所述圖像傳感器單元為2個(gè)或4個(gè)，各所述數(shù)據(jù)處理及輸出單元相對(duì)設(shè)置于所述像素陣列的兩側(cè)。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于將CMOS圖像傳感器分成多個(gè)圖像傳感器單元，各個(gè)圖像傳感器單元的像素單元形成連續(xù)無縫的像素陣列，而數(shù)據(jù)處理及輸出單元形成多個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)傳輸通道，以分別將像素陣列對(duì)應(yīng)部分的信號(hào)獨(dú)立處理和輸出，相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的每個(gè)數(shù)據(jù)傳輸通道的數(shù)據(jù)吞吐量得以顯著減小，因此不僅大幅降低了數(shù)據(jù)處理及輸出單元對(duì)信號(hào)處理的壓力，而且也能夠大幅降低CMOS圖像傳感器的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。此外，將數(shù)據(jù)處理及輸出單元分布在像素陣列的外側(cè)，從而在像素陣列的外側(cè)也可避免成像后每個(gè)CMOS圖像傳感器單元周圍出現(xiàn)黑邊。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1所示為本發(fā)明一實(shí)施例的CMOS圖像傳感器的示意圖；
[0020]圖2所示為本發(fā)明一實(shí)施例的一個(gè)圖像傳感器單元的示意圖；
[0021]圖3所示為本發(fā)明一實(shí)施例的一個(gè)圖像傳感器單元的雙采樣模塊的示意圖；
[0022]圖4所示為本發(fā)明一實(shí)施例的一個(gè)圖像傳感器單元的像素信號(hào)的傳輸時(shí)序圖。

【具體實(shí)施方式】
[0023]為使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚易懂，以下結(jié)合說明書附圖，對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步說明。當(dāng)然本發(fā)明并不局限于該具體實(shí)施例，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0024]本發(fā)明的CMOS圖像傳感器I包括多個(gè)圖像傳感器單元10。每一個(gè)圖像傳感器單元10獨(dú)立工作，并且多個(gè)圖像傳感器單元是并行工作。圖1是本發(fā)明一實(shí)施例的CMOS圖像傳感器的示意圖，如圖1所示，圖像傳感器單元10為4個(gè)，以兩行兩列分布。本實(shí)施例中，CMOS圖像傳感器I可實(shí)現(xiàn)1SOp (即1920*1080 =約2M像素)全高清視頻流下每秒鐘300幀以上的數(shù)據(jù)流能力，由于其分成了 4個(gè)獨(dú)立工作的圖像傳感器單元10，每個(gè)圖像傳感器單元10包含的像素總數(shù)為2M/4 = 0.5M像素,分布為960行、540列，因此,在滿足每秒300幀以上數(shù)據(jù)流能力的前提下，每個(gè)圖像傳感器單元10每秒鐘的數(shù)據(jù)吞吐量為0.5M*300=150M個(gè)像素，不僅大幅降低了后方數(shù)字信號(hào)處理的壓力，而且也大幅降低了每個(gè)圖像傳感器單元的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。
[0025]圖2所示為一個(gè)圖像傳感器單元10的示意圖，該圖像傳感器單元10位于圖1所示的CMOS圖像傳感器的左上角。請(qǐng)結(jié)合參照?qǐng)D1和圖2，每個(gè)圖像傳感器單元10均包括一個(gè)像素單元和一個(gè)數(shù)據(jù)處理及輸出單元。其中，每個(gè)像素單元包括多個(gè)子像素陣列，如本實(shí)施例中，包括4個(gè)子像素陣列P1、P2、P3和P4。因此，每個(gè)子像素陣列中包含的像素總數(shù)為0.5/4 = 0.125M個(gè)像素。每個(gè)數(shù)據(jù)處理及輸出單元包括第一控制模塊11、第二控制模塊12、多個(gè)雙采樣模塊13、多個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊14、多個(gè)行緩存模塊15和移位寄存器模塊16。其中，雙采樣模塊13和行緩存模塊15均是對(duì)應(yīng)多個(gè)子像素陣列的各行配置，而模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊14則是對(duì)應(yīng)于各個(gè)子像素陣列配置。也即是每個(gè)子像素陣列的每一行對(duì)應(yīng)配置一個(gè)雙采樣模塊13和一個(gè)行緩存模塊15，而每個(gè)子像素陣列對(duì)應(yīng)配置一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊14。此外，每一個(gè)圖像傳感器單元對(duì)應(yīng)配置一個(gè)移位寄存器模塊16。第一控制模塊11控制多個(gè)子像素陣列中像素的選中以及像素信號(hào)的輸出，第二控制模塊12控制雙采樣模塊對(duì)子像素陣列的像素信號(hào)的讀取和輸出，模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊14用于對(duì)雙采樣模塊13輸出的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)于行緩存模塊15中，最終通過移位寄存器模塊16輸出。為方便數(shù)據(jù)處理及傳輸單兀中各個(gè)模塊的排布，多個(gè)子像素陣列以多行一列的方式設(shè)置，本實(shí)施例中，4個(gè)子像素陣列P1、P2、P3和P4分為4行，因此每個(gè)子像素陣列呈現(xiàn)為240行、540列的陣列分布。移位寄存器模塊16位于最外側(cè)，構(gòu)成了處理后的像素?cái)?shù)據(jù)的輸出通道。雖然圖2僅顯示了一個(gè)圖像傳感器單元10，但根據(jù)圖1可知，4個(gè)相同的圖像傳感器單元10以CMOS圖像傳感器的中心呈對(duì)稱分布，4個(gè)移位寄存器模塊分別構(gòu)成了 4個(gè)數(shù)據(jù)輸出通道，數(shù)據(jù)傳輸方向如圖1中箭頭所示，由此即可構(gòu)成本實(shí)施例的四通道CMOS圖像傳感器。
[0026]接下來將結(jié)合圖2至圖4說明本發(fā)明一實(shí)施例的CMOS圖像傳感器單元的工作原理。由于組成CMOS圖像傳感器的圖像傳感器單元的工作方式完全一致且并行工作，因此下文將僅以一個(gè)圖像傳感器單元為例進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0027]如前所述，數(shù)據(jù)處理及輸出單元包括第一控制模塊11、第二控制模塊12、多個(gè)雙采樣模塊13、多個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊14、多個(gè)行緩存模塊15和移位寄存器模塊16。
[0028]其中，第一控制模塊ll(Token模塊)是用于選中子像素陣列Pl?P4中的像素并控制其中同一列的像素的信號(hào)并行輸出以及控制同一行的像素的信號(hào)為依次輸出。具體地，每一個(gè)像素包括感光二極管H)、傳輸管M4、行選通管Ml、復(fù)位管M3、源跟隨器M2，懸浮節(jié)點(diǎn)P。其中，傳輸管M4與感光二極管H)連接，用于讀取感光二極管H)的信號(hào)并輸出至懸浮節(jié)點(diǎn)P。源跟隨器M2的源極將從懸浮節(jié)點(diǎn)P讀出的信號(hào)輸出到行選通管Ml。復(fù)位管M3用于對(duì)懸浮節(jié)點(diǎn)P的電荷進(jìn)行清空和復(fù)位。行選通管Ml用于選中像素，并將相應(yīng)的像素信號(hào)輸出。為了實(shí)現(xiàn)選中某一像素，行選通管Ml的柵極連接有一選中信號(hào)ROW,當(dāng)該選中信號(hào)ROW置高時(shí)，選中該行選通管Ml所在的像素。為了實(shí)現(xiàn)單獨(dú)對(duì)每個(gè)感光二極管進(jìn)行操作，每個(gè)傳輸管M4的柵極連接有一選通信號(hào)TX，當(dāng)選通信號(hào)TX置高時(shí)，該傳輸管M4開啟，輸出對(duì)應(yīng)感光二極管H)的信號(hào)至懸浮節(jié)點(diǎn)P。為了實(shí)現(xiàn)懸浮節(jié)點(diǎn)P的電荷清空和復(fù)位，復(fù)位管M3的柵極連接有一復(fù)位信號(hào)RX，當(dāng)該復(fù)位信號(hào)RX置高時(shí)，復(fù)位管M3開啟，使得懸浮節(jié)點(diǎn)P的電位被拉高到電源Vdd，從而對(duì)懸浮節(jié)點(diǎn)P的電荷進(jìn)行清空，實(shí)現(xiàn)復(fù)位。其中，選通信號(hào)TX，選中信號(hào)R0W，復(fù)位信號(hào)RX均由第一控制模塊產(chǎn)生。由此，通過第一控制模塊11對(duì)選通信號(hào)TX、選中信號(hào)ROW和復(fù)位信號(hào)RX的控制，就能夠控制子像素陣列Pl?P4的位于同一列的960個(gè)像素的信號(hào)并行輸出并且控制位于同一行的540個(gè)像素的信號(hào)為依次輸出。
[0029]多個(gè)雙采樣模塊13對(duì)應(yīng)多個(gè)子像素陣列的各行配置，用于分別讀取并輸出各行的像素的信號(hào)。本實(shí)施例中，4個(gè)子像素陣列共有960行像素，因此也對(duì)應(yīng)配置有960個(gè)雙采樣模塊13。各雙采樣模塊13的讀取和輸出動(dòng)作均由第二控制模塊12控制，具體來說第二控制模塊12控制各雙采樣模塊13并行讀取各子像素陣列中同一列的像素的信號(hào)、控制每一個(gè)雙采樣模塊13對(duì)其對(duì)應(yīng)行的各像素的信號(hào)依次讀取，此外還控制對(duì)應(yīng)于同一個(gè)子像素陣列的各個(gè)雙采樣模塊13將其讀取的同一列的各像素的信號(hào)是依次輸出。因此，在本實(shí)施例中，在第二控制模塊12的控制下，全部雙采樣模塊13并行讀取位于同一列的960個(gè)像素的信號(hào)，但每個(gè)雙采樣模塊13在讀取對(duì)應(yīng)行的540個(gè)像素信號(hào)時(shí)是依次讀取。另一方面，對(duì)于每一個(gè)子像素陣列而言，其對(duì)應(yīng)的240個(gè)雙采樣模塊所讀取的位于同一列的240個(gè)像素的信號(hào)則是依次輸出的。較佳的，第二控制模塊12還控制對(duì)應(yīng)不同子像素陣列的4組雙采樣模塊(每組為240個(gè)雙采樣模塊)的信號(hào)的輸出是并行的，即能夠使得對(duì)應(yīng)于不同的子像素陣列中同一行的各雙采樣模塊13同時(shí)輸出其讀取的信號(hào)，以進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)傳輸效率。
[0030]請(qǐng)繼續(xù)參考圖3，為了進(jìn)行像素信號(hào)的讀取，每一個(gè)雙采樣模塊13包括兩條通路，第一通路具有串聯(lián)的讀取開關(guān)SI和輸出開關(guān)S3，讀取開關(guān)SI和輸出開關(guān)S3之間連接有接地電容Cl。第二通路具有串聯(lián)的讀取開關(guān)S2和輸出開關(guān)S4，讀取開關(guān)S2和輸出開關(guān)S4之間連接有接地電容C2。第二控制模塊12通過對(duì)各讀取開關(guān)和輸出開關(guān)的開閉控制使接地電容Cl和C2進(jìn)行像素的信號(hào)的讀取和輸出，其中接地電容Cl用于存儲(chǔ)懸浮節(jié)點(diǎn)的電荷復(fù)位時(shí)的像素輸出的第一信號(hào)，接地電容C2用于存儲(chǔ)懸浮節(jié)點(diǎn)電荷復(fù)位后傳輸管開啟時(shí)的像素輸出的第二信號(hào)，而第一信號(hào)和第二信號(hào)的差值即代表了該像素的信號(hào)。
[0031]雙采樣模塊13輸出的信號(hào)交由模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊14進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。具體的，每一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊14與一個(gè)子像素陣列所對(duì)應(yīng)的各個(gè)雙采樣模塊13相連，本實(shí)施例中模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊14為4個(gè)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊14 一次接收的信號(hào)包括表征像素信號(hào)的由第一信號(hào)和第二信號(hào)所組成的兩路信號(hào)，其將兩者信號(hào)相減得到該像素的信號(hào)并進(jìn)行相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換動(dòng)作。由于對(duì)應(yīng)同一個(gè)子像素陣列的240個(gè)雙采樣模塊13依次輸出同一列像素信號(hào)至模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊14，模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊14可以依次對(duì)其接收的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。由以上可知，對(duì)于一個(gè)子像素陣列，模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊14對(duì)像素信號(hào)的處理順序?yàn)閺牡贗列的第I?240個(gè)像素的信號(hào)、第2列第I?240個(gè)像素的信號(hào)、……、第540列第I?240個(gè)像素的信號(hào)。在圖像傳感器單元中，對(duì)應(yīng)4個(gè)子像素陣列的4個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊14的動(dòng)作同止/J/ O
[0032]經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊14處理的像素信號(hào)傳遞至與其相連的多個(gè)行緩存模塊15緩存。具體來說，多個(gè)行緩存模塊15是對(duì)應(yīng)各子像素陣列的各行配置，每一個(gè)行緩存模塊15用于對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器14轉(zhuǎn)換后的其對(duì)應(yīng)行的像素的信號(hào)進(jìn)行緩存。本實(shí)施例中，對(duì)應(yīng)于960行像素，行緩存模塊也為960個(gè)，分別存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)行的像素的數(shù)字信號(hào)。
[0033]移位寄存器模塊16與各行緩存模塊15相連，用于將960個(gè)行緩存模塊緩存的信號(hào)串行輸出，推送到芯片外部。
[0034]接下來，將結(jié)合圖2?4以一個(gè)圖像傳感器單元為例詳細(xì)說明本發(fā)明的CMOS圖像傳感器進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)序控制過程。
[0035]如前所述，一個(gè)子像素陣列包括240X540個(gè)像素，對(duì)應(yīng)一個(gè)子像素陣列具有240個(gè)雙采樣模塊和240個(gè)行緩存模塊以及I個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊。當(dāng)圖像傳感器單元曝光完畢，同時(shí)從4個(gè)子像素陣列的第一列開始逐列進(jìn)行像素的信號(hào)的傳輸，直至全部列的像素信號(hào)傳輸完畢。
[0036]首先，進(jìn)行第一列像素信號(hào)的傳輸。
[0037]第一控制模塊通過將相應(yīng)選中信號(hào)ROW置高選中每個(gè)子像素陣列第一列的240個(gè)像素。以子像素陣列Pi的讀取轉(zhuǎn)換為例(其他子像素陣列的信號(hào)讀取轉(zhuǎn)換方式相同且同時(shí)進(jìn)行)，在tl時(shí)間段內(nèi)，第一控制模塊11將這240個(gè)選中的像素的復(fù)位管的柵極信號(hào)RXl置高，對(duì)懸浮節(jié)點(diǎn)電荷進(jìn)行清空和復(fù)位，此時(shí)懸浮節(jié)點(diǎn)P的電壓約為Vdd電壓，如3.3V。行選通管源極(像素輸出端)的電壓為懸浮節(jié)點(diǎn)P電壓減去源跟隨器M2的柵源電壓以及行選通管Ml的漏源電壓,作為第一信號(hào)；同時(shí)，第二控制模塊12開啟全部240個(gè)雙米樣模塊13的第一通路的讀取開關(guān)SI分別對(duì)240個(gè)像素的第一信號(hào)進(jìn)行讀取，同時(shí)保持第一通路的輸出開關(guān)S3和第二通路關(guān)斷，從而將這240個(gè)讀取結(jié)果存入各第一通路所對(duì)應(yīng)的接地電容Cl中，然后關(guān)閉各讀取開關(guān)SI。接著，在t2時(shí)間段內(nèi)，第一控制模塊11將第一列240個(gè)像素的復(fù)位管的柵極信號(hào)RXl置低，復(fù)位管截止；將傳輸管的柵極信號(hào)TXl置為高電平，此時(shí)像素的信號(hào)被傳輸至懸浮節(jié)點(diǎn)P，懸浮節(jié)點(diǎn)P的電壓經(jīng)由源跟隨器和行選通管輸出，該輸出的電壓為懸浮節(jié)點(diǎn)P電壓減去源跟隨器M2的柵源電壓以及行選通管Ml的漏源電壓，作為第二信號(hào)；同時(shí)第二控制模塊12開啟240個(gè)雙采樣模塊13的第二通路的讀取開關(guān)S2，保持第二通路的輸出開關(guān)S4關(guān)斷、第一通路關(guān)斷，以對(duì)240個(gè)第二信號(hào)進(jìn)行讀取，并將讀取結(jié)果存入各第二通路所對(duì)應(yīng)的接地電容C2中，之后第一控制模塊11將第一列各像素的選通信號(hào)TXl置低。因此，在tl+t2時(shí)間段內(nèi)，對(duì)應(yīng)第I行?第240行的雙采樣模塊13在第一和二控制模塊的作用下讀取第一信號(hào)并存儲(chǔ)于接地電容Cl、讀取第二信號(hào)并存儲(chǔ)于接地電容C2，這240個(gè)雙采樣模塊13動(dòng)作相同，且同時(shí)發(fā)生。
[0038]當(dāng)tl+t2時(shí)間結(jié)束后，該子像素陣列內(nèi)的第I列所有行的像素信號(hào)均完成存儲(chǔ)，此時(shí)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊14開始工作。具體的，第二控制模塊13控制僅對(duì)應(yīng)子像素陣列第一列第I行的雙采樣模塊13的輸出開關(guān)S3和S4打開，從而將接地電容Cl和C2中存儲(chǔ)第一信號(hào)和第二信號(hào)兩路傳遞到模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊14進(jìn)行處理。較佳的，模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊14為逐次逼近寄存器型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(SAR ADC)，其具有較高的采樣頻率。模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊14將第一信號(hào)和第二信號(hào)相減并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將處理完的數(shù)字信號(hào)存放在對(duì)應(yīng)于第I行的240個(gè)行緩存模塊15中?？梢岳斫猓摰谝恍盘?hào)和第二信號(hào)相減得到的差值可以被認(rèn)為是像素的信號(hào)的表現(xiàn)形式，當(dāng)入射光越強(qiáng)，該像素進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換得到的電荷越多，則第一信號(hào)和第二信號(hào)的差值也就越小。緊接著，第二控制模塊12控制僅對(duì)應(yīng)第2行的雙采樣模塊13的輸出開關(guān)S3和S4打開將由相應(yīng)接地電容存儲(chǔ)的表征第一列第二行像素的、由第一信號(hào)和第二信號(hào)組成的兩路信號(hào)傳遞到模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊進(jìn)行處理，同樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊14將處理完的數(shù)字信號(hào)存放在對(duì)應(yīng)第2行的行緩存模塊中，以此類推，通過第二控制模塊12對(duì)對(duì)應(yīng)每行的雙采樣模塊13中輸出開關(guān)S3和S4的開閉控制，使得模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊14在t3時(shí)間內(nèi)將第一列全部240行的像素信號(hào)全部存儲(chǔ)到相應(yīng)的行緩存模塊15中。其他子像素陣列P2、P3、P4的工作情況與子像素陣列Pl同時(shí)進(jìn)行且完全一致。因此，在Tl = tl+t2+t3時(shí)間結(jié)束后，一個(gè)獨(dú)立的圖像傳感器單元10內(nèi)所有子像素陣列第I列上240*4 = 960個(gè)像素信號(hào)均已經(jīng)完成讀取轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)的960個(gè)行緩存模塊15中。
[0039]然后，行緩存模塊15中存儲(chǔ)的像素信號(hào)通過移位寄存器模塊16在t4時(shí)間內(nèi)依次串行輸出至芯片外部。
[0040]接下來依次進(jìn)行第2列、第3列、……、第540列像素信號(hào)的傳輸。較佳的，后一列像素的讀取與前一列像素經(jīng)處理后從移位寄存器輸出為同時(shí)開始進(jìn)行。以第一列像素經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器處理后的輸出為例，在移位寄存器模塊16開始工作的同時(shí)，第一控制模塊11也開始選中各子像素陣列的第二列像素，以進(jìn)行各第二列像素的信號(hào)讀取。具體來說，T2時(shí)間開始，移位寄存器模塊16在t4時(shí)間段內(nèi)串行輸出全部子像素陣列第一列的各像素的數(shù)字信號(hào)；同時(shí)在第一和第二控制模塊的作用下，在tl+t2時(shí)間段內(nèi)，4個(gè)子像素陣列的第二列像素被選中，并且每個(gè)子像素陣列對(duì)應(yīng)第I行?第240行的雙采樣模塊13將各第二列像素的第一信號(hào)存儲(chǔ)于相應(yīng)的接地電容Cl、第二信號(hào)存儲(chǔ)于相應(yīng)的接地電容C2，并且4個(gè)子像素陣列對(duì)應(yīng)的雙采樣模塊動(dòng)作相同，且同時(shí)發(fā)生。由于在接下來的t3時(shí)間段內(nèi)，4個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊14會(huì)將全部960個(gè)第二列像素的數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)到行緩存模塊15中，因此在t3時(shí)間到來之前，原先存儲(chǔ)在各行緩存模塊15中的數(shù)字信號(hào)必須已經(jīng)轉(zhuǎn)移，也即是說，移位寄存器模塊16將第一列像素?cái)?shù)字信號(hào)全部串行輸出至芯片外部的時(shí)間t4必須小于等于tl+t2時(shí)間段。這也就意味著，對(duì)于從各子像素陣列第2列開始的像素信號(hào)來說，每個(gè)圖像傳感器單元在tl+t2時(shí)間段內(nèi)完成兩個(gè)獨(dú)立的動(dòng)作，其一是將前一列上所有240*4 = 960個(gè)像素的數(shù)字信號(hào)通過移位寄存器模塊16串行推送到芯片外部；其二是將當(dāng)前列上所有像素的模擬信號(hào)存儲(chǔ)到每行對(duì)應(yīng)的雙采樣模塊13的接地電容Cl和C2上。而在t3時(shí)間內(nèi)完成將當(dāng)前列像素模擬信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換及存儲(chǔ)在每一行對(duì)應(yīng)的行緩存模塊的動(dòng)作。
[0041]因此，經(jīng)過T1+T2+…+T540+t4時(shí)間后，該獨(dú)立的傳感器單元的像素的數(shù)字信號(hào)都被成功推送到芯片外部。
[0042]其他圖像傳感器單元的工作方式與上述方式完全一致且同時(shí)進(jìn)行，因此，經(jīng)過T1+T2+…+T540+t4時(shí)間后，四個(gè)圖像傳感器單元經(jīng)處理后的像素?cái)?shù)據(jù)都分別通過4條獨(dú)立的數(shù)據(jù)輸出通道被成功推送到芯片外部。
[0043]假設(shè)本實(shí)施例中CMOS圖像傳感器的幀率為300fps，則每個(gè)圖像傳感器單元的數(shù)據(jù)吞吐率為每秒2M/4*300 = 150M個(gè)像素，則每個(gè)圖像傳感器單元對(duì)每列像素的處理(讀取轉(zhuǎn)換)時(shí)間Tl = 1/300/540 = 6.173us。由于t3時(shí)間段內(nèi)要將240個(gè)信號(hào)依次進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，而在tl+t2時(shí)間內(nèi)是對(duì)240個(gè)像素的信號(hào)并行進(jìn)行讀取輸出，因此一般來說t3時(shí)間段應(yīng)盡量大于tl+t2時(shí)間段,如可設(shè)定tl+t2 = 1.5us, t3 = 4.673us。此時(shí),每個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊14在t3 = 4.673us時(shí)間內(nèi)需要處理240個(gè)像素的數(shù)據(jù)，即每秒鐘處理51.36M個(gè)像素的數(shù)據(jù)，對(duì)于10位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊來說，其處理速度為51.36M*10 = 513.6MHz。由于SAR ADC的采樣頻率較高，可以滿足該處理速度的要求。移位寄存器模塊16需要在t3 =4.673us內(nèi)移出960個(gè)數(shù)據(jù)，即每秒移出960/t3 = 205.4M個(gè)像素的數(shù)字信號(hào)，所以其移出數(shù)據(jù)頻率為205.4MHz。
[0044]綜上所述，本發(fā)明的具有超高幀率的數(shù)據(jù)流能力CMOS圖像傳感器通過設(shè)置多個(gè)獨(dú)立的圖像傳感器單元分擔(dān)了像素信號(hào)處理的壓力，降低了數(shù)據(jù)處理部分的設(shè)計(jì)壓力，并提高了對(duì)像素信號(hào)處理的效率。
[0045]雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭示如上，然所述諸多實(shí)施例僅為了便于說明而舉例而已，并非用以限定本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下可作若干的更動(dòng)與潤飾，本發(fā)明所主張的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求書所述為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種CMOS圖像傳感器，其特征在于，包括多個(gè)獨(dú)立且并行工作的圖像傳感器單元，每個(gè)所述圖像傳感器單元包括一個(gè)像素單元和一個(gè)數(shù)據(jù)處理及輸出單元，各所述圖像傳感器單元的像素單元組成一個(gè)像素陣列且各所述數(shù)據(jù)處理及輸出單元設(shè)置于所述像素陣列的外圍；其中， 每一所述像素單元包括多個(gè)子像素陣列； 每一所述數(shù)據(jù)處理及輸出單元包括: 第一控制模塊，用于選中所述多個(gè)子像素陣列的像素、控制所述多個(gè)子像素陣列中同一列的像素的信號(hào)并行輸出且控制同一行的像素的信號(hào)為依次輸出； 多個(gè)雙采樣模塊，對(duì)應(yīng)所述至多個(gè)子像素陣列的各行配置，用于分別讀取所述多個(gè)子像素陣列各行的像素的信號(hào)并輸出； 多個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊，每一所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊與一個(gè)所述子像素陣列所對(duì)應(yīng)的各所述雙采樣模塊相連，用于對(duì)各所述雙采樣模塊輸出的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換； 第二控制模塊，用于控制各所述雙采樣模塊并行讀取所述子像素陣列中同一列的像素的信號(hào)且控制每一所述雙采樣模塊依次讀取其對(duì)應(yīng)行的各像素的信號(hào)；并控制對(duì)應(yīng)于同一所述子像素陣列的各所述雙采樣模塊將其讀取的同一列的各像素的信號(hào)依次輸出至與其相連的所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊； 多個(gè)行緩存模塊，對(duì)應(yīng)所述多個(gè)子像素陣列的各行配置且與所述多個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊相連，每一所述行緩存模塊用于對(duì)經(jīng)所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的其對(duì)應(yīng)行的像素的信號(hào)進(jìn)行緩存；以及 移位寄存器模塊，用于將所述多個(gè)行緩存模塊緩存的信號(hào)串行輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，每一所述像素包括感光二極管、傳輸管、懸浮節(jié)點(diǎn)、復(fù)位管、源跟隨器和行選通管，所述傳輸管與所述感光二極管相連；所述傳輸管的漏極、所述源跟隨器的柵極、所述復(fù)位管的源極連接于所述懸浮節(jié)點(diǎn)；所述行選通管的漏極與所述源跟隨器的源極相連、源極與該像素對(duì)應(yīng)的所述雙采樣模塊的輸入端相連； 對(duì)于每一個(gè)所述像素，所述第一控制模塊控制所述懸浮節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電荷清空和復(fù)位以輸出第一信號(hào)，控制所述傳輸管在所述懸浮節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電荷清空和復(fù)位后開啟以輸出第二信號(hào)，由所述第一信號(hào)和第二信號(hào)組成的兩路信號(hào)用于表征該像素的信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述雙采樣模塊包括第一通路和第二通路，所述第一通路包括串聯(lián)的第一讀取開關(guān)和第一輸出開關(guān)且兩者之間連接第一接地電容，所述第二通路包括串聯(lián)的第二讀取開關(guān)和第二輸出開關(guān)且兩者之間連接第二接地電容。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，對(duì)于每一所述雙采樣模塊，所述第二控制模塊控制該雙采樣模塊的第一讀取開關(guān)、第一輸出開關(guān)、第二讀取開關(guān)和第二輸出開關(guān)的開閉以將其讀取的像素的第一信號(hào)存儲(chǔ)于所述第一接地電容，將該像素的第二信號(hào)存儲(chǔ)于所述第二接地電容，并將所述第一信號(hào)和第二信號(hào)同時(shí)輸出至該雙采樣模塊所連接的所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器將其每次所接收的該第一信號(hào)和第二信號(hào)相減并對(duì)其進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述第二控制模塊控制所述多個(gè)雙采樣模塊同時(shí)進(jìn)行所述子像素陣列中同一列的各所述第一信號(hào)的讀取，并在完成后再同時(shí)進(jìn)行該列的各所述第二信號(hào)的讀?。凰龅诙刂颇K控制對(duì)應(yīng)于同一所述子像素陣列的多個(gè)雙采樣模塊將其讀取的該子像素陣列中同一列的各所述兩路信號(hào)為依次輸出至相連的所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述第二控制模塊控制對(duì)應(yīng)于不同的所述子像素陣列中同一行的各所述雙采樣模塊同時(shí)將其讀取的信號(hào)輸出至相連的所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述移位寄存器模塊將所述多個(gè)行緩存模塊緩存的信號(hào)串行輸出的時(shí)間小于等于所述雙采樣模塊讀取并輸出一個(gè)所述像素的信號(hào)的時(shí)間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述多個(gè)子像素陣列分布為多行一列。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述圖像傳感器單元為2個(gè)或4個(gè)，各所述數(shù)據(jù)處理及輸出單元相對(duì)設(shè)置于所述像素陣列的兩側(cè)。
【文檔編號(hào)】H04N5/378GK104301639SQ201410345029
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月18日
【發(fā)明者】李琛, 溫建新, 趙宇航 申請(qǐng)人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司, 成都微光集電科技有限公司