CN106331540A - 一种多模式cmos图像传感器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多模式CMOS图像传感器及其控制方法。该传感器包括独立控制区域组、外围控制电路、区段模式设置部件、以及区段模式配置部件。该方法包括将传感器上独立控制区域组划分区段；为所划分的各个区段设置模式；根据所设置的模式为相应的区段配置外围控制电路的控制模式。本发明在推扫模式成像时可高频生成具有固定像元差的有规律的序列图像，通过对所获图像进行像元解混或积分，可有效提高图像的分辨率及信噪比；由于可不选取传感器的某个或某些像元区域作为扫描区域，该设计可以使硬件成像时避开质量有问题的像元，增加了器件的可靠性；可利用该器件多个通道对同一目标极短时间内多次成像的特点，实现光学相机成像的运动目标检测。

Description

一种多模式CMOS图像传感器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种图像传感器及其控制方法，尤其涉及一种CMOS图像传感器及其控制方法。

背景技术

CMOS图像传感器是一种互补金属氧化物半导体，是一种将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口电路集成在一块硅片上的图像传感器。该传感器不需要复杂的处理过程，直接将图像半导体产生的电子转变成电压信号，速度非常快。这个优点使得CMOS传感器对于高频成像十分有效。

然而，多数CMOS传感器只具备推扫或推帧的单一工作模式，生成单幅图像且像元阵列中某一点损坏不可替换。能够兼具可切换的推扫和推帧功能、高频生成有规律的图像序列、能够有效避开损坏像元的高可靠性CMOS尚未出现。为此，我们提出一种具有推扫和推帧成像模式的多功能传感器。

推扫式成像仪有时也称为沿着轨道扫描仪(along track scanners),使用的传感器安置在垂直于航天器的飞行方向，飞行器向前飞行时，一次可以收集一行的图像。推帧式成像是沿着航天器的飞行方向收集一序列的面阵图像。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种能够分区实现独立图像采集并且能够实现多种模式的多模式CMOS图像传感器及其控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种多模式CMOS图像传感器，该传感器包括：独立控制区域组，组中各个独立控制区域包括像敏单元行及其独立控制电路；外围控制电路，用于对各个像敏单元行进行行选驱动和提供工作时序；区段模式设置部件，用于对多个独立控制区域进行区段划分并对划分的区段进行模式设置；以及与区段模式设置部件、外围控制电路和各个独立控制电路相连的区段模式配置部件，用于根据区段模式设置单元所设置的模式为相应区段配置外围控制电路和独立控制电路的控制模式。

进一步，所述模式是如下任一种：推扫、推帧、以及停用模式。

进一步，该传感器还包括与各个独立控制区域的信号输出端相连的损坏像元检测部件以及与损坏像元检测部件相连的损坏像元报告部件，其中，损坏像元检测部件用于根据传感器输出的数据检测像敏单元阵列中是否存在损坏的像敏单元以及损坏的像敏单元在像敏阵列中的位置；损坏像元报告部件用于向操作人员报告像敏单元阵列上存在损坏像元以及损坏的像敏单元所在的位置。

进一步，区段模式配置部件将区段配置为推扫模式时，指示行选控制电路顺序选通该区段内各个像敏单元行，将该区段的全部像敏单元行配置为扫描频率一致，并且选取该区段中一个独立控制区域的输出电路作为整个区段的输出电路。

进一步，区段模式配置部件将区段配置为推帧模式时，指示行选控制电路同时选通该区段内全部像敏单元行，将该区段的全部像敏单元行配置为采样时间相同，频率一致，并且选取该区段中一个独立控制区域的输出电路作为整个区段的输出电路。

进一步，区段模式配置部件将区段配置为停用模式时，不再指示行选控制电路选通该独立控制区域中所有像敏单元行。

进一步，独立控制区域组沿着列的方向分为第一区段、第二区段和第三区段三个区段，其中，第一区段和第三区段为推扫模式并且第二区段为推帧模式。

一种多模式CMOS图像传感器的控制方法，该方法包括步骤：将传感器上独立控制区域组划分区段；为所划分的各个区段设置模式；根据所设置的模式为相应的区段配置外围控制电路的控制模式。

进一步，所述模式是如下任一种：推扫、推帧、以及停用模式。

进一步，将区段设置为停用模式之前，该方法包括如下步骤：根据各个区段输出的图像信号检测各个区段内是否存在损坏的像敏单元，如果存在损坏的像敏单元则确定损坏的像敏单元所在的位置；检测到损坏的像敏单元时报告存在损坏的像敏单元以及损坏的像敏单元所在的位置。

与现有技术相比，本发明技术方案主要的优点如下：

一是在推扫模式成像时可高频生成具有固定像元差的有规律的序列图像，通过对所获图像进行像元解混或积分，可有效提高图像的分辨率及信噪比；二是由于可以不选取传感器的某个或某些像元区域作为扫描区域，该设计可以使硬件成像时避开质量有问题的像元，增加了器件的可靠性；三是可利用该器件多个通道对同一目标极短时间内多次成像的特点，实现光学相机成像的运动目标检测，为运动目标检测提供了一种新的方法。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明一个实施例所述的多模式CMOS图像传感器的整体结构示意图；

图2示出图1中外围控制电路的具体结构以及与区段模式配置部件的连接关系；

图3示出本发明一个实施例所述的独立区域控制电路的结构；

图4是图像信号输出的原理图；

图5是本发明所述的多模式CMOS图像传感器的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如图1所示，本发明的多模式CMOS图像传感器包括由多个独立控制区域构成的独立控制区域组1和外围控制电路2。

在本发明一个实施例中，多模式CMOS图像传感器上的像敏单元阵列是每n行像敏单元设有独立区域控制电路，这里n为大于或等于1的整数，即每个独立控制区域1包括n行像敏单元及其独立区域控制电路。可替换地，在另一个实施例中像敏单元阵列中存在大小不同的独立控制区域，比如前8行像敏单元是每2行设有独立区域控制电路，中间128行像敏单元共用一个独立区域控制电路，后16行像敏单元是每1行设有独立区域控制电路。

如图2所示，外围控制电路2包括与像敏单元阵列的各行相连的行选控制电路21和时序工作电路22。其中，行选控制电路21用于为整个像敏单元阵列的各行提供工作脉冲，时序工作电路22用于为像敏单元阵列的各行提供独立的工作时序，包括锁相环(PLL)电路和与PLL电路相连的时序信号发生器。

如图3所示，独立区域控制电路包括行方向的地址译码器11和列方向的地址译码器12，独立控制区域内各个像敏单元按照行和列方向排列成阵列，阵列中的每一个像敏单元都有它在行和列方向上的地址，列方向的地址译码器12用于将行选控制电路21的地址选取指令转换为对被选取行的驱动信号，行方向的地址译码器11用于将时序工作电路22的选取输出指令转换为对被选取的像敏单元的输出驱动信号。独立区域控制电路还包括与独立控制区域内各个像敏单元列相连的列放大器13、与列放大器13并行连接的多路模拟开关14、与多路模拟开关14并行连接的行方向的地址译码器11、与多路模拟开关14的串行输出端相连的模数转换器(A/D转换器)15、与A/D转换器15相连的预处理电路16、与预处理电路16相连的接口电路17、与接口电路17相连的时序工作电路22。独立控制区域内每个像敏单元都由行方向的地址译码器11和列方向的地址译码器12进行选择。每一列像敏单元都对应于一个列放大器13，列放大器13的输出信号分别连接到由行方向的地址译码器11进行选择的模拟多路开关14，并输出至输出放大器；输出放大器13的输出信号发送至A/D转换器15进行模数转换，经预处理电路16处理后通过接口电路17输出。其中，时序工作电路22为整个CMOS图像传感器提供各种工作脉冲，这些脉冲均可以受控于接口电路17发来的同步控制信号。

图像信号的输出过程可由图像传感器阵列原理图说明。如图4示，在列方向的地址译码器12的控制下，依次序接通每行像敏单元上的模拟开关14，信号将通过行开关14传送到列线上，再通过行方向的地址译码器11的控制，传送到放大器13。由于设置了行与列的开关，而它们的选通是由两个方向的地址译码器上所加的数码控制的，因此，可以采用行、列两个方向以移位寄存器的形式工作，实现逐行扫描或隔行扫描的输出方式。也可以只输出某一行或某一列的信号，使其按着与线阵式CCD(charge-coupled device，电耦合器件)相类似的方式工作。还可以选中所希望观测的某些点的信号，如图4所示的第i行第j列的信号。

为了实现分区段独立采集图像和/或多模式采集图像，如图1所示，该多模式CMOS图像传感器包括由多个独立控制区域组成的独立控制区域组1，每个独立控制区域包括像敏单元行及其独立控制电路；外围控制电路2，用于对各个像敏单元行进行行选驱动和提供工作时序；区段模式设置部件3，用于对多个独立控制区域进行区段划分并对划分的区段进行模式设置；以及与区段模式设置部件3、外围控制电路2以及独立控制电路相连的区段模式配置部件4，用于根据区段模式设置单元3所设置的模式为相应区段配置外围控制电路2和独立控制电路的控制模式。

区段模式配置部件4将区段配置为推扫模式时，指示行选控制电路21顺序选通该区段内各个像敏单元行，将该区段的全部像敏单元行配置为扫描频率一致，并且选取该区段中一个独立控制区域的输出电路作为整个区段的输出电路。区段模式配置部件4将区段配置为推帧模式时，指示行选控制电路21同时选通该区段内全部像敏单元行，，将该区段的全部像敏单元行配置为采样时间相同，频率一致，并且选取该区段中一个独立控制区域的输出电路作为整个区段的输出电路。区段模式配置部件4将区段配置为停用模式时，不再指示行选控制电路21选取停用的独立控制区域。

进一步地，该多模式CMOS图像传感器还包括与各个独立控制区域的信号输出端相连的损坏像元检测部件5以及与损坏像元检测部件5相连的损坏像元报告部件6。损坏像元检测部件5用于根据传感器输出的信号来检测像敏单元阵列中是否存在损坏的像敏单元以及损坏的像敏单元在像敏阵列中的位置。损坏像元检测部件5将检测结果发送给损坏像元报告部件6，损坏像元报告部件6用于向操作人员报告像敏单元阵列上存在损坏的像敏单元以及损坏的像敏单元所在的位置，比如在操作端的显示屏上弹出文本框向操作人员报告。操作人员在得知损坏的像敏单元位于像敏单元阵列上的位置之后，可以指示区段模式设置部件3对像敏单元阵列进行重新划分，将损坏的像敏单元所在的单独控制区域划分为一个区段并将该区段设置为停用模式，则区段模式配置部件4收到哪个区段被设置为停用模式的指示后，将不再指示行选控制电路21选取停用模式区段中的各个像敏单元行。

在一个优选实施例中，根据推扫模式和推帧模式采集图像数据量的大小，像敏单元阵列沿着列的方向分为第一区段、第二区段和第三区段三个区段，即n＝3，每个区段成像时间和输出可单独选择、控制。这种传感器具备推扫成像模式、推帧成像模式以及停用模式。推扫模式选取第一区段、第二区段和第三区段中的1块、2块或3块作为传感器进行推扫，被选取的区段的每一行获取1幅图像，其扫描频率一致。推帧模式将第一区段、第二区段和第三区段中的1块作为整体传感器，每个区段获取1幅图像，像敏单元阵列感光时间相同，获取信号逐行输出。禁用模式选取像敏单元阵列中包含损坏的像敏单元的一个独立控制区域停用。第一区段、第二区段和第三区段三个区段可各自独立工作也可同时工作。第一区段和第三区段以推扫模式为主，第二区段以推帧模式为主。本发明的传感器能够在需要时重新划分区段并设置模式，因此使用上非常灵活，用途广泛。第一区段和第三区段相当于位于同一成像平面上的两个线阵传感器，而且这两个线阵传感器间隔预定距离，这样排布的传感器尤其适用于运动目标检测，本发明的技术方案使得用于运动目标检测的同平台多传感器的检测系统实现起来更加简单、结构排布尺寸等更加精准。

区段模式配置部件4将区段配置为推扫模式时，指示行选控制电路21哪些独立控制区域为一个推扫模式区段，将该区段的全部像敏单元行配置为扫描频率一致，并且选取该区段中一个独立控制区域的输出电路作为整个区段的输出电路。例如，选取第一区段、第二区段和第三区段中的1块、2块或3块作为传感器进行推扫，相关传感器的每一行获取1幅图像，该成像方式可生成具有固定像元差的图像序列。区段模式配置部件4将区段配置为推帧模式时，指示行选控制电路21哪些独立控制区域为一个推帧模式区段，将该区段的全部像敏单元行配置为采样时间相同，频率一致，并且选取该区段中一个独立控制区域的输出电路作为整个区段的输出电路。例如，将第一区段、第二区段和第三区段中的一个区段作为整体传感器进行推帧，附加地，还可以再选取一个区段作为第二个整体传感器进行推帧，再次附加地，还可以选取一个区段作为第三个推帧传感器。每个区段获取1幅图像，获取信号逐行输出。

第一区段、第二区段和第三区段三个区段可各自独立工作也可同时工作。头区段、尾区段以推扫模式为主，身区段以推帧模式为主。

如图5示，上述的多模式CMOS图传感器的控制方法包括如下步骤：

将传感器上多个独立控制区域划分区段；

为所划分的各个区段设置模式，设置为推扫模式、推帧模式或停用模式；

根据所设置的模式为相应的区段配置外围控制电路的控制模式。

优选地，将区段设置为停用模式之前，该方法包括如下步骤：

根据各个区段输出的图像信号检测各个区段内是否存在损坏的像敏单元，如果存在损坏的像敏单元则确定损坏的像敏单元所在的位置；

检测到损坏的像敏单元时报告存在损坏的像敏单元以及损坏的像敏单元所在的位置。

Claims (10)

1.一种多模式CMOS图像传感器，其特征在于，该传感器包括：

独立控制区域组(1)，组中各个独立控制区域包括像敏单元行及其独立控制电路；

外围控制电路(2)，用于对各个像敏单元行进行行选驱动和提供工作时序；

区段模式设置部件(3)，用于对多个独立控制区域进行区段划分并对划分的区段进行模式设置；以及

与区段模式设置部件(3)、外围控制电路(2)和各个独立控制电路相连的区段模式配置部件(4)，用于根据区段模式设置单元(3)所设置的模式为相应区段配置外围控制电路(2)和独立控制电路的控制模式。

2.权利要求1所述的多模式CMOS图像传感器，其特征在于，所述模式是如下任一种：推扫、推帧、以及停用模式。

3.如权利要求1所述的多模式CMOS图像传感器，其特征在于，该传感器还包括与各个独立控制区域的信号输出端相连的损坏像元检测部件(5)以及与损坏像元检测部件(5)相连的损坏像元报告部件(6)，其中，

损坏像元检测部件(5)用于根据传感器输出的数据检测像敏单元阵列中是否存在损坏的像敏单元以及损坏的像敏单元在像敏阵列中的位置；损坏像元报告部件(6)用于向操作人员报告像敏单元阵列上存在损坏像元以及损坏的像敏单元所在的位置。

4.如权利要求1所述的多模式CMOS图像传感器，其特征在于，区段模式配置部件(4)将区段配置为推扫模式时，指示行选控制电路(21)顺序选通该区段内各个像敏单元行，将该区段的全部像敏单元行配置为扫描频率一致，并且选取该区段中一个独立控制区域的输出电路作为整个区段的输出电路。

5.如权利要求1所述的多模式CMOS图像传感器，其特征在于，区段模式配置部件(4)将区段配置为推帧模式时，指示行选控制电路(21)同时选通该区段内全部像敏单元行，将该区段的全部像敏单元行配置为采样时间相同，频率一致，并且选取该区段中一个独立控制区域的输出电路作为整个区段的输出电路。

6.如权利要求1所述的多模式CMOS图像传感器，其特征在于，区段模式配置部件(4)将区段配置为停用模式时，不再指示行选控制电路(21)选通该独立控制区域中所有像敏单元行。

7.如权利要求1所述的多模式CMOS图像传感器，其特征在于，独立控制区域组(1)沿着列的方向分为第一区段、第二区段和第三区段三个区段，其中，第一区段和第三区段为推扫模式并且第二区段为推帧模式。

8.一种如上述任一项权利要求所述的多模式CMOS图像传感器的控制方法，其特征在于，该方法包括步骤：

将传感器上独立控制区域组划分区段；

为所划分的各个区段设置模式；

根据所设置的模式为相应的区段配置外围控制电路的控制模式。

9.如权利要求8所述的多模式CMOS图像传感器的控制方法，其特征在于，所述模式是如下任一种：推扫、推帧、以及停用模式。

10.如权利要求9所述的多模式CMOS图像传感器的控制方法，其特征在于，将区段设置为停用模式之前，该方法包括如下步骤：

根据各个区段输出的图像信号检测各个区段内是否存在损坏的像敏单元，如果存在损坏的像敏单元则确定损坏的像敏单元所在的位置；

检测到损坏的像敏单元时报告存在损坏的像敏单元以及损坏的像敏单元所在的位置。