[發(fā)明專利]用于圖像傳感器基于sigma-delta ADC的讀出電路及工作時(shí)序

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310062075.8
• 申請(qǐng)日: 2013-02-28
• 公開（公告）號(hào): CN103139500A
• 公開（公告）日: 2013-06-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 姚素英;聶凱明;徐江濤;高靜;史再峰;高志遠(yuǎn)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): H04N5/378
• 分類號(hào): H04N5/378;H04N5/3745
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 杜文茹

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種圖像傳感器的讀出電路。特別是涉及一種用于圖像傳感器基于sigma-delta?ADC的讀出電路及工作時(shí)序。?

背景技術(shù)

圖像傳感器可將鏡頭獲得的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成易于存儲(chǔ)、傳輸和處理的電學(xué)信號(hào)。圖像傳感器按照工作方式可以分為面陣型和線陣型。面陣型圖像傳感器的工作原理是以呈二維面陣排布的像素陣列對(duì)物體進(jìn)行拍攝以獲取二維圖像信息，而線陣型圖像傳感器的工作原理是以呈一維線陣排布的像素陣列通過對(duì)物體掃描拍攝的方式來獲取二維圖像信息，其中線陣型圖像傳感器的工作方式可參考圖1。線陣型圖像傳感器以其特殊的工作方式被廣泛應(yīng)用在航拍、空間成像、機(jī)器視覺和醫(yī)療成像等眾多領(lǐng)域。但是由于在線陣型圖像傳感器的像素曝光期間物體始終在移動(dòng)，因此像素的曝光時(shí)間嚴(yán)重受限于線陣型圖像傳感器相對(duì)被拍攝物體的移動(dòng)速度，尤其在高速運(yùn)動(dòng)低照度應(yīng)用環(huán)境下（例如空間成像）線陣型圖像傳感器的信噪比（Signal?to?Noise?Ratio，SNR）會(huì)變得非常低。為解決SNR低的問題，有人提出了時(shí)間延時(shí)積分（Time?Delay?Integration，TDI）技術(shù)，其能夠增加線陣圖像傳感器的SNR和靈敏度，它以其特殊的掃描方式，通過對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行多次曝光，實(shí)現(xiàn)很高的SNR和靈敏度，因此特別適用于高速運(yùn)動(dòng)低照度的環(huán)境下。TDI的基本原理是使用面陣排布的像素陣列以線陣掃描的方式工作，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)不同行的像素對(duì)移動(dòng)中的同一物體進(jìn)行多次曝光，并將每次曝光結(jié)果進(jìn)行累加，等效延長(zhǎng)了像素對(duì)物體的曝光積分時(shí)間，因此可以大幅提升SNR和靈敏度。?

TDI技術(shù)最早是通過電荷耦合器件（Charge?Coupled?Device,CCD）圖像傳感器實(shí)現(xiàn)的，CCD圖像傳感器也是實(shí)現(xiàn)TDI技術(shù)的理想器件，它能夠?qū)崿F(xiàn)無噪聲的信號(hào)累加。目前TDI技術(shù)多應(yīng)用在CCD圖像傳感器中，普遍采用的CCD-TDI圖像傳感器的結(jié)構(gòu)類似一個(gè)長(zhǎng)方形的面陣CCD圖像傳感器，但是其以線掃的方式工作，如圖2所示，CCD-TDI圖像傳感器的工作過程如下：n級(jí)CCD-TDI圖像傳感器一共有n行像素，某一列上的第一行像素在第一個(gè)曝光周期內(nèi)收集到的電荷并不直接輸出，而是與同列第二個(gè)像素在第二個(gè)曝光周期內(nèi)收集到的電荷相加，以此類推CCD-TDI圖像傳感器最后一行（第n行）的像素收集到的電荷與前面n-1次收集到的電荷累加后再按照普通線陣CCD器件的輸出方式進(jìn)行讀出。在CCD-TDI圖像傳感器中，輸出信號(hào)的幅度是n個(gè)像素積分電荷的累加，即相當(dāng)于一個(gè)像素n倍曝光周期內(nèi)所收集到的電荷，輸出信號(hào)幅度擴(kuò)大了n倍而噪聲的幅度只擴(kuò)大了倍，因此信噪比可以提高倍。?

但是由于CCD圖像傳感器存在功耗大集成度低等缺點(diǎn)，目前其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用都在逐漸被CMOS（Complementary?Metal?Oxide?Semiconductor,互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）圖像傳感器所替代。如果通過CMOS圖像傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)TDI功能（即CMOS-TDI圖像傳感器），那么TDI相機(jī)的成本將大幅下降并得到更廣泛的應(yīng)用。在現(xiàn)有技術(shù)中，有人提出通過在CMOS圖?像傳感器內(nèi)部集成模擬信號(hào)累加器的方法來實(shí)現(xiàn)CMOS-TDI圖像傳感器，即像素輸出的模擬信號(hào)先進(jìn)入模擬信號(hào)累加器中完成對(duì)相同曝光信號(hào)的累加，然后將完成累加的模擬信號(hào)送入ADC進(jìn)行量化輸出。對(duì)于較高的TDI級(jí)數(shù)，這勢(shì)必提升了模擬累加器的設(shè)計(jì)難度。在現(xiàn)有技術(shù)中，也有人提出在CMOS圖像傳感器內(nèi)部集成數(shù)字域累加器的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)相同曝光信號(hào)的累加，即像素輸出的信號(hào)先直接由列并行ADC進(jìn)行量化，然后將量化后的數(shù)字量輸入到數(shù)字域累加器中實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的累加，但這種方法提升了對(duì)列并行ADC精度和速度的要求。?

TDI對(duì)相同曝光信號(hào)的累加過程與sigma-delta?ADC的過采樣過程是相似的，一階sigma-delta?ADC的結(jié)構(gòu)如圖3所示，如果sigma-delta調(diào)制器對(duì)一個(gè)固定的輸入信號(hào)Vin連續(xù)采樣M-1次，對(duì)M-1次輸出的碼流進(jìn)行求和即可得到還原后的數(shù)字碼，sigma-delta?ADC輸出的Dout的位數(shù)N為：?

N=log₂(M-1)??（1）?

因此可以將sigma-delta?ADC對(duì)直流信號(hào)采樣和量化的過程應(yīng)用到TDI讀出電路中，進(jìn)而可以降低TDI讀出電路的設(shè)計(jì)難度。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種能夠降低對(duì)積分器的精度要求和模數(shù)轉(zhuǎn)換的速度要求，進(jìn)而降低了CMOS-TDI圖像傳感器的設(shè)計(jì)難度的用于圖像傳感器基于sigma-delta?ADC的讀出電路及工作時(shí)序。?