[發(fā)明專利]高像素高幀率的CMOS圖像傳感器及圖像采集方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410489838.1
• 申請(qǐng)日: 2014-09-23
• 公開（公告）號(hào): CN104243867B
• 公開（公告）日: 2017-11-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉云濤;邵雷;高松松
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號(hào): H04N5/374
• 分類號(hào): H04N5/374;H04N5/378
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種高像素高幀率的CMOS圖像傳感器及圖像采集方法。

背景技術(shù)

圖像傳感器是進(jìn)行數(shù)字圖像采集的核心部件，利用半導(dǎo)體材料的光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的捕獲及向電信號(hào)的轉(zhuǎn)化和后處理。在過去的二十年中，電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器因其具有低固定模式噪聲、低暗電流、高靈敏度、高量子效率等優(yōu)點(diǎn)而一直主宰著圖像傳感器市場(chǎng)。然而，相比于CCD圖像傳感器，CMOS圖像傳感器可以采用成熟的CMOS工藝技術(shù)，可將敏感單元陣列、模擬、數(shù)字系統(tǒng)集成在單一芯片上，具有低功耗、低成本、高集成度等優(yōu)點(diǎn)，因此，當(dāng)前CMOS圖像傳感器已經(jīng)占據(jù)了大部分的低端市場(chǎng)，并隨著CMOS工藝技術(shù)的不斷提高，而逐漸占領(lǐng)部分高端產(chǎn)品市場(chǎng)，CMOS圖像傳感器也成為國(guó)內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)。

在CMOS圖像傳感器的某些應(yīng)用中，如高清監(jiān)控、高清電視等，需要CMOS圖像傳感器同時(shí)具備高像素、高幀率的特點(diǎn)，如果采用傳統(tǒng)的流水線ADC方式，就需要該ADC具有非常高的轉(zhuǎn)換速度，例如在高清電視中需要ADC的轉(zhuǎn)換速度達(dá)到8GS/s，這么高轉(zhuǎn)換速度的流水線ADC在當(dāng)前的CMOS工藝下是無法實(shí)現(xiàn)的。

目前，在高幀率、高像素CMOS圖像傳感器中采用的技術(shù)是：采用列并行相關(guān)雙采樣和多通道ADC方式，但是這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了ADC的寬帶噪聲，并且也限制了像素陣列的進(jìn)一步提高。另一種方式是采用列并行ADC結(jié)構(gòu)，每一列像素對(duì)應(yīng)一個(gè)ADC，這種方式可以在幀率、像素陣列、功耗、噪聲性能方面獲得良好的折中，是當(dāng)前最為流行的一種解決方式。目前列并行ADC普遍采用的是單斜式ADC或循環(huán)式ADC，然而單斜式ADC完成N-bit轉(zhuǎn)換需要2^N個(gè)時(shí)鐘周期，限制了速度的提高；循環(huán)式ADC需要非常精確的放大器，導(dǎo)致了更高的功耗。Sigma-Selta(ΣΔ)是一種普遍應(yīng)用于音頻、視頻信號(hào)領(lǐng)域的高精度ADC，但其復(fù)雜的時(shí)序、較高的功耗限制了在CMOS圖像傳感器中的應(yīng)用。近年來，出現(xiàn)了一種處于Class-C結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單反相器做運(yùn)算放大器的ΣΔ ADC，獲得了較低的功耗，但所采用的Class-C結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單反相器受工藝影響嚴(yán)重，線性增益范圍小，嚴(yán)重限制了放大器的增益和帶寬，也限制了其應(yīng)用于的CMOS圖像傳感器中像素陣列和幀率的進(jìn)一步提高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于提供一種高像素高幀率的CMOS圖像傳感器及圖像采集方法，能夠?qū)崿F(xiàn)高像素高幀率的圖像采集，并且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低。

基于同一發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明具有兩個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案：

1、一種高像素高幀率的CMOS圖像傳感器，包括依次連接的像素陣列部101、增量ΣΔADC陣列部102、數(shù)字相關(guān)雙采樣部103和緩沖存儲(chǔ)器部104，還包括行譯碼單元部105，行譯碼單元部105的信號(hào)輸出端接像素陣列部101的控制端，還包括列讀出控制電路106，列讀出控制電路106的信號(hào)輸出端接緩沖存儲(chǔ)器部的控制端，增量ΣΔADC陣列部102接有電壓緩沖器107和時(shí)鐘延遲與驅(qū)動(dòng)電路108。

增量ΣΔADC陣列部102采用列并行ADC結(jié)構(gòu)，每一列像素對(duì)應(yīng)一個(gè)增量ΣΔADC。

增量ΣΔADC陣列部102中，每個(gè)增量ΣΔADC中的運(yùn)算放大器由差分輸入管M1、M2，負(fù)載管M3、M4和尾電流源管M5組成，差分輸入管M1、M2的柵極分別為兩個(gè)信號(hào)輸入端，差分輸入管M2的漏極為信號(hào)輸出端，差分輸入管M2的漏極與負(fù)載管M4的源極連接。

一種利用高像素高幀率的CMOS圖像傳感器的圖像采集方法為：像素陣列部101在行譯碼單元部105的控制下，逐行讀出，像素陣列部101將光信號(hào)直流電壓信號(hào)，輸出至增量ΣΔADC陣列部102；增量ΣΔADC陣列部102在電壓緩沖器107和時(shí)鐘延遲與驅(qū)動(dòng)電路108作用下，將像素陣列部101輸出的置位信號(hào)和光電轉(zhuǎn)換信號(hào)轉(zhuǎn)化為12bit數(shù)字量，輸出至數(shù)字相關(guān)雙采樣部103；數(shù)字相關(guān)雙采樣部103對(duì)增量ΣΔADC陣列部102的兩次輸出做減法，消除電路失調(diào)和噪聲；緩沖存儲(chǔ)器部104在列讀出控制電路106的控制下，逐個(gè)讀出結(jié)果。

增量ΣΔADC陣列部102中，每一列像素對(duì)應(yīng)一個(gè)增量ΣΔADC；增量ΣΔADC在每次轉(zhuǎn)換之前，增量ΣΔADC的調(diào)制器和數(shù)字濾波器都進(jìn)行復(fù)位。

通過調(diào)整電壓緩沖器107輸出的反饋電壓改變?cè)隽喀拨DC的輸入電壓范圍。

本發(fā)明具有的有益效果：