Cmos圖像傳感器像元合并讀出電路結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本專利設(shè)及圖像傳感器領(lǐng)域，具體設(shè)及一種CMOS圖像傳感器像元合并讀出結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】：
[0002] 目前，CMOS圖像傳感器的性能不斷提高，已廣泛應(yīng)用于各類科學(xué)成像，如遙感、高 速攝影、光譜成像等。運(yùn)類特殊應(yīng)用的具體需求比較靈活，有時(shí)需要獲取高分辨率的細(xì)致圖 像，有時(shí)則必須保證高帖頻工作，對分辨率要求不高。為解決運(yùn)一問題，W往的CCD圖像傳感 器開發(fā)了像元合并功能，可W將相鄰幾個(gè)像元的信號合而為一，作為一個(gè)像元讀出。運(yùn)樣， 在需要高帖頻的場合，可W用該方法犧牲系統(tǒng)分辨率，有效減少讀出次數(shù)，降低讀出時(shí)間， 從而提高帖頻。同時(shí)，N個(gè)像元合并讀出，理論上可W將信噪比提升?V'節(jié)倍，增加系統(tǒng)信噪 比。
[0003] 然而，運(yùn)種像元合并的方法也有著顯著的缺點(diǎn)。首先，CCD的像元合并基于電荷包 的累加，運(yùn)種工藝在目前發(fā)展迅速的CMOS探測器中無法使用；其次，運(yùn)種方式的最大像元合 并個(gè)數(shù)受到CCD勢阱容量的限制，無法實(shí)現(xiàn)任意規(guī)模的像元合并。而當(dāng)前CMOS圖像傳感器雖 然也出現(xiàn)了像元合并技術(shù)，但要么是在探測器外部的數(shù)字域進(jìn)行累加，無法降低探測器模 擬輸出口速率，信噪比提升也有限；要么是受疊加電容的限制，只能實(shí)現(xiàn)固定模式(如2X2， 4X4)像元合并。而在對靈活性需求非常迫切的科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域(例如光譜成像中的譜段合 并，精細(xì)遙感中的普查應(yīng)用等），非常需要能夠?qū)崿F(xiàn)任意規(guī)模像元合并的CMOS探測器內(nèi)部讀 出結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0004] 本專利提出了一種CMOS圖像傳感器像元合并讀出電路結(jié)構(gòu)。
[0005] 本專利解決的技術(shù)問題是實(shí)現(xiàn)任意規(guī)模像元合并的CMOS探測器內(nèi)部讀出電路結(jié) 構(gòu)，同時(shí)還提高了信噪比和帖頻。
[0006] -種CMOS圖像傳感器像元合并讀出結(jié)構(gòu)，如附圖1所示，包括列總線，列放大器，列 讀出復(fù)位開關(guān)，列選通開關(guān)，列合并電容，列合并控制開關(guān)，列合并總線，列合并輸出開關(guān)， 行合并電容，合并復(fù)位開關(guān)，行合并控制開關(guān)，行合并總線及輸出放大器。該CMOS圖像傳感 器像元合并讀出結(jié)構(gòu)的特征在于：
[0007] 列總線連接到列讀出復(fù)位開關(guān)與列放大器并聯(lián)結(jié)構(gòu)的輸入端，列選通開關(guān)連接到 列讀出復(fù)位開關(guān)與列放大器并聯(lián)結(jié)構(gòu)的輸出端后，通過列選通開關(guān)連接到列合并電容上； 列合并總線跨接在各列的列合并電容上，每兩個(gè)跨接結(jié)點(diǎn)之間設(shè)有一個(gè)列合并控制開關(guān)用 于列合并操作;合并復(fù)位開關(guān)與行合并電容并聯(lián)，其并聯(lián)結(jié)構(gòu)的輸入端連接在列合并控制 開關(guān)的輸出端，行合并總線跨接在各列的行合并電容上，每兩個(gè)跨接結(jié)點(diǎn)之間設(shè)有一個(gè)行 合并控制開關(guān)用于行合并操作，行合并控制開關(guān)的輸出端連接到輸出放大器的輸入端。
[000引所述CMOS圖像傳感器像元合并讀出結(jié)構(gòu)工作時(shí)，由列總線依次選取待合并像元所 在行，通過列合并控制開關(guān)和行合并控制開關(guān)完成行列像元合并操作，最終經(jīng)輸出放大器 輸出像元合并后的信號。
[0009] 如附圖2所示，對于一個(gè)M行，N列的CMOS探測器，進(jìn)行pXq像元合并，最終輸出mXn 規(guī)模的圖像，滿足pXm=M，qXn = N，p〉l，q〉l，p<q，在探測器產(chǎn)生的信號進(jìn)入列總線后，該 讀出電路結(jié)構(gòu)的合并方法步驟如下：
[0010] 步驟(1)閉合所有列讀出復(fù)位開關(guān)、合并復(fù)位開關(guān)，將列合并電容與行合并電容上 電壓復(fù)位，復(fù)位后將W上開關(guān)斷開；
[OCm]步驟（2)將第1至q列的列總線連接到第1行像素，同時(shí)閉合第1至q列的列選通開 關(guān)，此時(shí)第1行1至q列像素的信號儲存在對應(yīng)的列合并電容上；
[0012]步驟(3)閉合第1至q列的列合并控制開關(guān)，此時(shí)第1至q列列合并電容上的信號相 通，且信號值都等同于該行1至q列像素的信號均值；
[001引步驟(4)斷開語q列的列合并控制開關(guān)，閉合第巧揃列合并輸出開關(guān)，將列合并 電容上的信號轉(zhuǎn)移到該列的行合并電容上；
[0014]步驟(5)斷開第1列的列合并輸出開關(guān)；
[001引步驟(6)重復(fù)步驟（1)至步驟(5)，每次重復(fù)時(shí)，在步驟(2)中分別將第1至q列的列 總線連接到第2行、第3行……直至第P行像素，在步驟(4)中分別閉合第1列，第2列……直至 第P列的列合并輸出開關(guān)，步驟（1)至步驟(5)共計(jì)進(jìn)行P次，步驟結(jié)束后第1至P列的行合并 電容上分別存儲了探測器第1至P行，每行q個(gè)像素的信號均值；
[0016] 步驟(7)閉合第1至P-I列的行合并控制開關(guān)，保持第P列行合并控制開關(guān)斷開，此 時(shí)第1至P列合并電容上的信號相通，且信號值都等同于pXq個(gè)像素的信號均值；
[0017] 步驟(8)斷開所有行合并控制開關(guān)，在第1至P列的輸出放大器中任選一列讀出，讀 出結(jié)果為P X q個(gè)像素的信號均值，該P(yáng) X q個(gè)像元合并讀出完成；
[0018] W上步驟完成單個(gè)合并模塊(規(guī)模pXq)的像元合并操作，全帖讀出時(shí)，同一合并 行中n個(gè)合并模塊的步驟（1)至步驟(7)同時(shí)完成，步驟(8)按第1至第n個(gè)合并模塊依次進(jìn) 行，完成一個(gè)合并行后，再進(jìn)行下一個(gè)合并行的操作，直至全帖數(shù)據(jù)讀出，獲取mXn規(guī)模的 圖像。
[0019] 根據(jù)噪聲理論，假設(shè)參與合并的pXq個(gè)像素信號均值為S，噪聲均值為N(考慮主要 噪聲源為光子噪聲），則運(yùn)P X q個(gè)像素的平均信噪比約為：
，而利用本專利中的 像元合并方法，P Xq個(gè)像素合并后，輸出信號仍為S，但經(jīng)過平均后，輸出噪聲約為
新的信噪比滿足：
> 即信噪比提高了約
倍。運(yùn) 個(gè)結(jié)果與傳統(tǒng)CCD利用電荷包進(jìn)行像元合并的方式結(jié)果一致。
[0020] 像元合并后，完整一帖成像的輸出放大器讀出次數(shù)由MXN次減少到了 mXn次，帖 頻提升了 pXq倍。
[0021] 將所有列合并控制開關(guān)和行合并控制開關(guān)保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，可關(guān)閉像元合并功能， 圖像傳感器正常輸出M X姆見模的圖像。
[0022] 本專利的優(yōu)點(diǎn)在于，在CMOS傳感器中實(shí)現(xiàn)了任意規(guī)模的像元合并功能，只須調(diào)整 工作時(shí)序就可W改變合并規(guī)模。同時(shí)，運(yùn)種像元合并的電路結(jié)構(gòu)作為硬件集成在傳感器讀 出電路中，可避免后期數(shù)字域像元合并帶來的信噪比損失，并且緩解了探測器讀出放大器 的速率壓力，能夠大幅提高工作帖頻。本專利提出的讀出結(jié)構(gòu)還可增加相關(guān)雙采樣等功能， 進(jìn)一步提升信噪比，應(yīng)用于工作要求靈活的科學(xué)成像場合，比如成像光譜儀譜段合并，高分 辨率相機(jī)的高速模式等。
【附圖說明】：
[0023] 附圖1為本專利的讀出結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024] 附圖2為像元合并示意圖。
[0025] 附圖3為【具體實(shí)施方式】讀出結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0026] 根據(jù)
【發(fā)明內(nèi)容】
，本實(shí)施例構(gòu)建了一套CMOS探測器像元合并讀出結(jié)構(gòu)，圖像傳感器 像素規(guī)模為1024 X 256，進(jìn)行2 X 2像元合并，最終輸出規(guī)模為512 X 128。
[0027] 如附圖3所示，探測器共256行，讀出結(jié)構(gòu)包含1024條列總線，每列包含列放大器 (Al~A1024)，列選通開關(guān)(S1-S1024)，列合并電容(CS1~CS1024)，列合并控制開關(guān)(SCI~ SC1024)，列合并輸出開關(guān)（SR1~SR1024)，行合并電容（CG1-CG1024)，復(fù)位開關(guān)（ST1~ ST1024)，行合并控制開關(guān)（SG1~SG1024)，輸出放大器（SG1~SG1024)。
[0028] 改讀出結(jié)構(gòu)工作時(shí)，由列總線依次選取待合并像元所在行，通過列合并控制開關(guān) (SCI~SC1024)和行合并控制開關(guān)(SG1~SG1024)完成行列像元合并操作，最終經(jīng)輸出放大 器輸出像元合并后的信號。
[0029] 本實(shí)施例中，CMOS探測器產(chǎn)生的信號進(jìn)入列總線后，該電路讀出結(jié)構(gòu)的合并方法 步驟如下：
[0030] 步驟（1)閉合 STl~ST1024W 及 SRl~SR1024,將 CSl ~CS1024及 CGl~CG1024 上的 電壓復(fù)位，復(fù)位后將W上開關(guān)斷開；
[0031] 步驟(2)將第1、2列的列總線連接到第1行像素，同時(shí)閉合S1、S2,此時(shí)該行1、2列像 素的信號儲存在(：別和〔52上；
[0032] 步驟(3)閉合SCUSC2,此時(shí)CS巧日CS2上的信號相通，且信號值都等同于該行1、2列 像素的信號均值；
[0033] 步驟(4)斷開SCl、SC2,閉合SRl，將雌1上的信號轉(zhuǎn)移到CGl上；
[0034] 步驟(5)斷開SRl;
[0035] 步驟(6)重復(fù)步驟（1)至步驟(5)，在步驟3中將第1、2列的列總線連接到第2行像 素，在步驟5中閉合SR2,步驟結(jié)束后CGl上存儲了探測器第1行2個(gè)像素的信號均值，CG2上存 儲了探測器第2行2個(gè)像素的信號均值；
[0036] 步驟(7)閉合SGl，保持SG2斷開，此時(shí)CGl和CG2上的信號相通，且信號值都等同于4 個(gè)像素的信號均值；
[0037] 步驟(8)斷開SGUSG2,在放大器AF1，AF2中任選一個(gè)讀出，讀出結(jié)果為4個(gè)像素的 信號均值，該2 X 2個(gè)像元合并讀出完成；
[0038] W上步驟完成單個(gè)合并模塊(規(guī)模2X2)的像元合并操作，全帖讀出時(shí)，同一合并 行中512個(gè)合并模塊的步驟(1)至步驟(8)同時(shí)完成，步驟9按第1至第512個(gè)合并模塊依次進(jìn) 行，完成一個(gè)合并行后，再進(jìn)行下一個(gè)合并行的操作，直至全帖數(shù)據(jù)讀出，獲取512X128規(guī) 模的圖像。
[0039]像元合并后，完整一帖成像的輸出放大器讀出次數(shù)由1024X256次減少到了 512X 128次，帖頻提升了 4倍，信噪比提升約為2倍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種CMOS圖像傳感器像元合并讀出電路結(jié)構(gòu)，包括列總線，列放大器，列讀出復(fù)位開 關(guān)，列選通開關(guān)，列合并電容，列合并控制開關(guān)，列合并總線，列合并輸出開關(guān)，行合并電容， 合并復(fù)位開關(guān)，行合并控制開關(guān)，行合并總線及輸出放大器，其特征在于： 所述的列總線連接到列讀出復(fù)位開關(guān)與列放大器并聯(lián)結(jié)構(gòu)的輸入端，列選通開關(guān)連接 到列讀出復(fù)位開關(guān)與列放大器并聯(lián)結(jié)構(gòu)的輸出端后，通過列選通開關(guān)連接到列合并電容 上;列合并總線跨接在各列的列合并電容上，每兩個(gè)跨接結(jié)點(diǎn)之間設(shè)有一個(gè)列合并控制開 關(guān)用于列合并操作;合并復(fù)位開關(guān)與行合并電容并聯(lián)，其并聯(lián)結(jié)構(gòu)的輸入端連接在列合并 控制開關(guān)的輸出端，行合并總線跨接在各列的行合并電容上，每兩個(gè)跨接結(jié)點(diǎn)之間設(shè)有一 個(gè)行合并控制開關(guān)用于行合并操作，行合并控制開關(guān)的輸出端連接到輸出放大器的輸入 端； 所述CMOS圖像傳感器像元合并讀出結(jié)構(gòu)工作時(shí)，由列總線依次選取待合并像元所在 行，通過列合并控制開關(guān)和行合并控制開關(guān)完成行列像元合并操作，最終經(jīng)輸出放大器輸 出像元合并后的信號。
【專利摘要】本專利公開了一種CMOS圖像傳感器像元合并讀出電路結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)包括列總線，列放大器，列讀出復(fù)位開關(guān)、列選通開關(guān)，列合并電容，列合并控制開關(guān)，列合并總線，列合并輸出開關(guān)，行合并電容，合并復(fù)位開關(guān)，行合并控制開關(guān)，行合并總線及輸出放大器。系統(tǒng)工作時(shí)，由列總線依次選取待合并像元所在行，通過列合并控制開關(guān)和行合并控制開關(guān)完成行列像元合并操作，最終經(jīng)輸出放大器輸出像元合并后的信號。本專利的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了CMOS圖像傳感器任意規(guī)模的像元合并功能，同時(shí)提升了信噪比和幀頻。
【IPC分類】H04N5/378, H04N5/374, H04N5/3745
【公開號】CN205378049
【申請?zhí)枴緾N201620030246
【發(fā)明人】解寧, 丁毅, 王欣, 李梧螢, 陳世軍
【申請人】中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
【公開日】2016年7月6日
【申請日】2016年1月13日