[實用新型]CMOS圖像傳感器像元合并讀出電路結構

有效

• 申請號: 201620030246.8
• 申請日: 2016-01-13
• 公開（公告）號: CN205378049U
• 公開（公告）日: 2016-07-06
• 發明（設計）人: 解寧;丁毅;王欣;李梧螢;陳世軍
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: H04N5/374
• 分類號: H04N5/374;H04N5/3745;H04N5/378
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

技術領域：

本專利涉及圖像傳感器領域，具體涉及一種CMOS圖像傳感器像元合并讀出結構。

背景技術：

目前，CMOS圖像傳感器的性能不斷提高，已廣泛應用于各類科學成像，如遙感、高速攝影、光譜成像等。這類特殊應用的具體需求比較靈活，有時需要獲取高分辨率的細致圖像，有時則必須保證高幀頻工作，對分辨率要求不高。為解決這一問題，以往的CCD圖像傳感器開發了像元合并功能，可以將相鄰幾個像元的信號合而為一，作為一個像元讀出。這樣，在需要高幀頻的場合，可以用該方法犧牲系統分辨率，有效減少讀出次數，降低讀出時間，從而提高幀頻。同時，N個像元合并讀出，理論上可以將信噪比提升倍，增加系統信噪比。

然而，這種像元合并的方法也有著顯著的缺點。首先，CCD的像元合并基于電荷包的累加，這種工藝在目前發展迅速的CMOS探測器中無法使用；其次，這種方式的最大像元合并個數受到CCD勢阱容量的限制，無法實現任意規模的像元合并。而當前CMOS圖像傳感器雖然也出現了像元合并技術，但要么是在探測器外部的數字域進行累加，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，只能實現固定模式(如2×2，4×4)像元合并。而在對靈活性需求非常迫切的科學應用領域(例如光譜成像中的譜段合并，精細遙感中的普查應用等)，非常需要能夠實現任意規模像元合并的CMOS探測器內部讀出結構。

發明內容：

本專利提出了一種CMOS圖像傳感器像元合并讀出電路結構。

本專利解決的技術問題是實現任意規模像元合并的CMOS探測器內部讀出電路結構，同時還提高了信噪比和幀頻。

一種CMOS圖像傳感器像元合并讀出結構，如附圖1所示，包括列總線，列放大器，列讀出復位開關，列選通開關，列合并電容，列合并控制開關，列合并總線，列合并輸出開關，行合并電容，合并復位開關，行合并控制開關，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構的特征在于：

列總線連接到列讀出復位開關與列放大器并聯結構的輸入端，列選通開關連接到列讀出復位開關與列放大器并聯結構的輸出端后，通過列選通開關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，每兩個跨接結點之間設有一個列合并控制開關用于列合并操作；合并復位開關與行合并電容并聯，其并聯結構的輸入端連接在列合并控制開關的輸出端，行合并總線跨接在各列的行合并電容上，每兩個跨接結點之間設有一個行合并控制開關用于行合并操作，行合并控制開關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構工作時，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和行合并控制開關完成行列像元合并操作，最終經輸出放大器輸出像元合并后的信號。

如附圖2所示，對于一個M行，N列的CMOS探測器，進行p×q像元合并，最終輸出m×n規模的圖像，滿足p×m＝M，q×n＝N，p>1,q>1,p≤q，在探測器產生的信號進入列總線后，該讀出電路結構的合并方法步驟如下：

步驟(1)閉合所有列讀出復位開關、合并復位開關，將列合并電容與行合并電容上電壓復位，復位后將以上開關斷開；

步驟(2)將第1至q列的列總線連接到第1行像素，同時閉合第1至q列的列選通開關，此時第1行1至q列像素的信號儲存在對應的列合并電容上；

步驟(3)閉合第1至q列的列合并控制開關，此時第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；

步驟(4)斷開1至q列的列合并控制開關，閉合第1列的列合并輸出開關，將列合并電容上的信號轉移到該列的行合并電容上；

步驟(5)斷開第1列的列合并輸出開關；

步驟(6)重復步驟(1)至步驟(5)，每次重復時，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，步驟(1)至步驟(5)共計進行p次，步驟結束后第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個像素的信號均值；

步驟(7)閉合第1至p-1列的行合并控制開關，保持第p列行合并控制開關斷開，此時第1至p列合并電容上的信號相通，且信號值都等同于p×q個像素的信號均值；

步驟(8)斷開所有行合并控制開關，在第1至p列的輸出放大器中任選一列讀出，讀出結果為p×q個像素的信號均值，該p×q個像元合并讀出完成；