CN108881753B - 一种大面阵图像传感器列线数据输出系统及输出方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开大面阵图像传感器列线数据输出系统，包括若干个感光单元组成的感光阵列，每列所有奇数行的感光单元的输出端均共同连接有一条奇列线，每列所有偶数行的感光单元的输出端均共同连接有一条偶列线，每条奇列线一端均连接有奇采样开关，每条所述偶列线一端均连接有偶采样开关，每列的所述奇采样开关和偶采样开关的一端均共同连接有采样电路，在不影响速度的情况下，极大地提升了列线信号的建立精度，本发明的输出方法通过奇偶行列线分时提前建立的方法，提升列线实际采样阶段信号的建立精度，采用奇偶行交织并行的工作方式，确保相邻行进行不间断的建立与采样过程，实现了高速高精度的建立与采样过程。

Description

一种大面阵图像传感器列线数据输出系统及输出方法

技术领域

本发明属于图像传感器采集系统技术领域，具体涉及一种大面阵图像传感器列线数据输出系统，本发明还涉及采用该输出系统对大面阵图像传感器列线数据进行输出的方法。

背景技术

随着各种应用领域对高清图像信息的需求不断提高，图像传感器的面阵规模不断增大，感光单元数目也相应急剧增大，这将导致感光面阵光电信号输出的列线数据变得更大，严重制约了列线数据读出过程中的精度与速度。与通常的信号传输所不同的是，由于感光面阵对填充因子和量子效率的要求，列线无法增加额外的缓冲模块来提升列线的建立时间和精度，因此，通常很难兼顾列线建立过程中的速度与精度。

现有的列线建立过程无法满足高效的读出机制，长距离信号走线会对信号建立速度产生很大影响，尤其是对于拍摄运动物体的全局曝光型CMOS图像传感器，对数据处理速度要求更高，该问题也变得更为突出。因此，传统的解决思路是分析超大面阵CMOS图像传感器列线模拟信号建立的特性，在充分利用有限列宽下的布局布线优化下，从外围读出电路的角度，研究提升列线的信号完整性系统解决方案。目前关于列线模拟信号建立加速技术的相关研究主要是采用预加重技术，该技术也是目前在实际产品中广泛采用的技术，主要是采用列线尾电流源的预充电技术，在列线建立起始阶段，通过增加预充电支路电流，加速列线的建立过程。预充电技术在一定程度上起到了加速的作用，但存在的问题主要有：第一、没有考虑面向相关双采样技术的复位与图像模拟信号个性化加速方法；第二、传感器拍摄明场图像时，会存在加速不足的问题，传感器拍摄暗场图像时，会存在加速过剩的问题，该技术没有很好地平衡不同环境下的综合能力；第三、没有考虑列线初始状态不确定引起的行固定噪声问题。

综上所述，立足于电路与系统角度分析，需提出一种面向大面阵CMOS图像传感器的列线高精度输出机制。

发明内容

本发明的目的是提供一种大面阵图像传感器列线数据输出系统，在不影响速度的情况下，极大地提升了列线信号的建立精度。

本发明的另一个目的是提供一种大面阵图像传感器列线数据输出方法。

本发明所采用的技术方案是，一种大面阵图像传感器列线数据输出系统，包括若干个感光单元组成的感光阵列，每列所有奇数行的感光单元的输出端均共同连接有一条奇列线，每列所有偶数行的感光单元的输出端均共同连接有一条偶列线，每条奇列线一端均连接有奇采样开关，每条所述偶列线一端均连接有偶采样开关，每列的所述奇采样开关和偶采样开关的一端均共同连接有采样电路。

本发明的特点还在于：

每条奇列线的尾端均连接有奇列线尾电流源，每条偶列线的尾端均连接有偶列线尾电流源。

每个感光单元的输出端均设置有行选通开关。

本发明所采用的另一个技术方案是：一种大面阵图像传感器列线数据输出方法，该输出方法采用一种大面阵图像传感器列线数据输出系统，包括若干个感光单元组成的感光阵列，每列所有奇数行的感光单元的输出端均共同连接有一条奇列线，每列所有偶数行的感光单元的输出端均共同连接有一条偶列线，每条奇列线一端均连接有奇采样开关，每条所述偶列线一端均连接有偶采样开关，每列的所述奇采样开关和偶采样开关的一端均共同连接有采样电路；每条所述奇列线的尾端均连接有奇列线尾电流源，每条所述偶列线的尾端均连接有偶列线尾电流源；每个所述感光单元的输出端均设置有行选通开关；

所有列的奇数行感光单元首先在奇列线上建立信号，直至奇采样开关打开时，所有列的采样电路对奇数行感光单元输出信号进行采样；同时，所有列的下一偶数行感光单元开始在偶列线上建立信号；当所有列的奇采样开关关闭后，所有列的偶采样开关打开，采样电路对偶数行感光单元输出信号进行采样，同时，所有列的下一奇数行感光单元在奇列线上开始建立信号；以此类推，重复完成所有行的感光单元光电信号的数据输出。

本发明的特点还在于：

具体按照如下步骤实施：

步骤1、在所有感光单元曝光结束后，所有列的第一行的行选通开关打开，此时，第一行感光单元的光信号在奇列线上建立信号；

步骤2、第一行的行选通开关的宽度到达T时刻时，第二行的行选通开关打开，此时第二行感光单元的光电信号在偶列线上开始建立，同时，奇采样开关打开，采样电路开始对奇列线上的第一行感光单元光电信号进行采样；

步骤3、当第一行的行选通开关的宽度到达2T时刻时，第一行的行选通开关和奇采样开关同时关断，第一行感光单元完成全部的光信号建立和采样过程，此时，偶采样开关打开，采样电路开始对第二行感光单元的光电信号进行采样，同时，第三行的行选通开关打开，该行感光单元的光信号在奇列线上建立信号；

步骤4、当第二行的行选通开关的宽度到达2T时刻时，第二行的行选通开关和偶采样开关同时关断，第二行感光单元完成全部的光信号建立和采样过程，此时，奇采样开关打开，采样电路开始对奇列线上的第三行感光单元光电信号进行采样，以此类推，重复完成所有行的感光单元光电信号的数据输出。

所有行选通开关的脉冲宽度为2T，所有奇采样开关和偶采样开关的脉冲宽度为T，其中，T为行周期时间。

所有列的奇采样开关受同一外部信号控制，所有列的偶采样开关受同一外部信号控制。

本发明的有益效果是，

本发明的大面阵图像传感器列线数据输出系统，在每列感光单元输出端增加一条列线，所有奇数行统一连接到奇列线上，所有偶数行统一连接到另一条偶列线上，实现了对相邻奇偶行感光单元输出的分时预建立控制，在不影响读出速度的情况下，显著提高了列线输出过程中的建立精度。

本发明的大面阵图像传感器列线数据输出方法，通过奇偶行列线分时提前建立的方法，提升列线实际采样阶段信号的建立精度，采用奇偶行交织并行的工作方式，确保相邻行进行不间断的建立与采样过程，实现了高速高精度的建立与采样过程，尤其对于释放了感光单元面积的背照式或3D堆叠式结构CMOS图像传感器，可以此方案为基础，进一步拓展信号建立过程中的精度，本发明在现有读取速度不衰减的前提下，大大提升了列线的建立精度，可以广泛地应用于大面阵或超大面阵CMOS图像传感器产品中。

附图说明

图1是本发明一种大面阵图像传感器列线数据输出系统的结构示意图；

图2是本发明一种大面阵图像传感器列线数据输出系统中每列感光单元列线输出系统的结构示意图；

图3是本发明一种大面阵图像传感器列线数据输出方法的时序控制关系示意图。

图中，1.感光单元，2.奇列线，3.偶列线，4.奇采样开关，5.偶采样开关，6.采样电路，7.奇列线尾电流源，8.偶列线尾电流源，9.行选通开关。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种大面阵图像传感器列线数据输出系统，如图1所示，针对大面阵CMOS图像传感器，包括用于完成光电转换的若干个感光单元1组成的感光阵列，用于奇偶行光电信号传输的两条列线，其中，每列感光单元的输出系统结构示意图，如图2所示，每列所有奇数行的感光单元1的输出端均共同连接有一条奇列线2，每列所有偶数行的感光单元1的输出端均共同连接有一条偶列线3，每条奇列线2一端均连接有用于奇数行光电信号采样的奇采样开关4，每条所述偶列线3一端均连接有用于偶数行光电信号采样的偶采样开关5，每列的所述奇采样开关4和偶采样开关5的一端均共同连接有用于列读出的采样电路6。

奇列线2与偶列线3分别具有各自的尾电流偏置单元，其中，每条奇列线的尾端均连接有奇列线尾电流源7，每条偶列线的尾端均连接有偶列线尾电流源8。

每个感光单元的输出端均设置有行选通开关9，通过打开行选通开关9使每个感光单元1的光电信号输出至相应的列线上，完成信号的建立及后续的采样。

在每列感光单元1输出端增加一条列线，所有奇数行统一连接到同一条奇列线2上，所有偶数行统一连接到另一条偶列线3上，实现了对相邻奇偶行感光单元输出的分时预建立控制，在不影响读出速度的情况下，显著提高了列线输出过程中的建立精度。

本发明一种大面阵图像传感器列线数据输出方法，该方法采用上述大面阵图像传感器列线数据输出系统，如图2所示，具体过程如下：

所有列的奇数行感光单元1首先在奇列线2上建立信号，直至奇采样开关4打开时，所有列的采样电路对奇数行感光单元1输出信号进行采样；同时，所有列的下一偶数行感光单元1开始在偶列线3上建立信号；当所有列的奇采样开关4关闭后，所有列的偶采样开关5打开，采样电路6对偶数行感光单元1输出信号进行采样，同时，所有列的下一奇数行感光单元1在奇列线2上开始建立信号；以此类推，重复完成所有行的感光单元1光电信号的数据输出。

本发明的大面阵图像传感器列线数据输出方法，通过奇偶行列线分时提前建立的方法，提升列线实际采样阶段信号的建立精度，采用奇偶行交织并行的工作方式，确保相邻行进行不间断的建立与采样过程，实现了高速高精度的建立与采样过程。

具体按照如下步骤实施：

步骤1、在所有感光单元1曝光结束后，所有列的第一行的行选通开关9打开，此时，第一行感光单元1的光信号在奇列线2上建立信号；

步骤2、第一行的行选通开关9的宽度到达T时刻时，第二行的行选通开关9打开，此时第二行感光单元1的光电信号在偶列线3上开始建立，同时，奇采样开关4打开，采样电路6开始对奇列线2上的第一行感光单元1光电信号进行采样；

步骤3、当第一行的行选通开关9的宽度到达2T时刻时，第一行的行选通开关9和奇采样开关4同时关断，第一行感光单元1完成全部的光信号建立和采样过程，此时，偶采样开关5打开，采样电路6开始对第二行感光单元1的光电信号进行采样，同时，第三行的行选通开关9打开，该行感光单元1的光信号在奇列线2上建立信号；

步骤4、当第二行的行选通开关9的宽度到达2T时刻时，第二行的行选通开关9和偶采样开关5同时关断，第二行感光单元1完成全部的光信号建立和采样过程，此时，奇采样开关4打开，采样电路6开始对奇列线2上的第三行感光单元1光电信号进行采样，以此类推，重复完成所有行的感光单元光电信号的数据输出。

其中，所有行选通开关9的脉冲宽度为2T，奇采样开关4和偶采样开关5的脉冲宽度为T，其中，T为行周期时间。

所有列的奇采样开关4受同一外部信号控制，所有列的偶采样开关5受同一外部信号控制，奇数行的外部采样控制信号同时控制所有列的奇数行采样，偶数行的外部采样控制信号同时控制所有列的偶数行采样，并且具有一定的交叠时间，确保了感光单元读取过程中的速度。

每一行感光单元1的光电信号采样的过程中，已经提前一个行周期开始建立，确保了采样阶段信号已经达到超高的精度。

本发明一种大面阵图像传感器列线数据输出方法，完成了奇偶行的交织式列线建立与信号采样的过程，为列线的完全建立提供了充足的时间，在不影响行周期时间的情况下，提高了列线的建立速度，而且，行选通开关的控制信号时序具有明确的规律性，可以采用移位寄存器可靠实现，采样开关可以通过非交叠时钟提供，其中采样开关的时钟周期与行选通开关的脉冲宽度一致，分别为行周期时间的两倍，本发明通过列线的完全建立，为高精度光电信号输出提供了解决方案。

以一个具有四行感光单元为设计实例，如图2所示，每个感光单元1的行选通开关9需要分别控制，第一行的行选通开关9的控制信号为S1，第二行的行选通开关9的控制信号为S2，第三行的行选通开关9的控制信号为S3，第四行的行选通开关9的控制信号为S4，第一行感光单元1的输出端与第三行感光单元的输出端连接到奇列线2上，第二行感光单元1的输出端与第四行感光单元的输出端连接到偶列线3上，奇列线2与偶列线3分别具有各自的尾电流偏置单元，分别为奇列线尾电流源7和偶列线尾电流源8；在读出的过程中奇列线2与奇采样开关4相连接，其控制信号为SO，偶列线3与偶采样开关5相连接，其控制信号为SE。奇采样开关4与偶采样开关5的另一端同时连接到列级采样电路6上。

具体工作过程的时序控制，如图3所示，在感光单元曝光结束后，首先第一行的行选通开关S1打开，S1变为高电平，其脉冲宽度为2T，设T为行周期时间，此时第一行的光电信号在奇列线上开始建立，第一行的行选通开关S1经过T时间后，第二行的行选通开关S2打开，S2变为高电平，其脉冲宽度依然为2T，此时第二行感光单元的光电信号在偶列线上开始建立，同时，与奇列线相连的奇采样开关打开，即SO为高电平，其高电平脉冲宽度为T，采样电路开始对奇列线上的第一行感光单元光电信号进行采样，这时，第一行感光单元的列线建立采样与第二行感光单元的的列线建立是同时进行的；当S1的宽度到达2T时刻时，S1与SO同时关断，第一行完成全部的建立与采样过程；此时与偶列线相连的偶采样开关打开，即SE为高电平，其高电平脉冲宽度为T，采样电路开始对偶列线上的第二行感光单元的光电信号进行采样，同时，第三行感光单元的行选通开关S3打开，奇列线开始建立信号，因此这时第二行感光单元的列线建立采样与第三行感光单元的列线建立是同时进行的，当S2的宽度到达2T时刻时，S2与SE同时关断，第二行完成全部的建立与采样过程；下一步，与奇列线相连的奇采样开关打开，即SO又为高电平，其高电平脉冲宽度为T，采样电路开始对奇列线上的第三行感光单元光电信号进行采样，同时，第四行感光单元的行选通开关S4打开，奇列线开始建立信号，因此，这时第三行感光单元的的列线建立采样与第四行感光单元的的列线建立是同时进行的，当S3的宽度到达2T时刻时，S3与SO同时关断，第三行完成全部的建立与采样过程；最后，与偶列线相连的偶采样开关打开，即SE又为高电平，其高电平脉冲宽度为T，采样电路开始对偶列线上的第四行感光单元光电信号进行采样，当S4的宽度到达2T时刻时，S4与SE同时关断，第四行完成全部的建立与采样过程。

Claims (5)

1.一种大面阵图像传感器列线数据输出系统，其特征在于，包括若干个感光单元(1)组成的感光阵列，每列所有奇数行的感光单元(1)的输出端均共同连接有一条奇列线(2)，每列所有偶数行的感光单元(1)的输出端均共同连接有一条偶列线(3)，每条奇列线(2)一端均连接有奇采样开关(4)，每条所述偶列线(3)一端均连接有偶采样开关(5)，每列的所述奇采样开关(4)和偶采样开关(5)的一端均共同连接有采样电路(6)；

每条所述奇列线(2)的尾端均连接有奇列线尾电流源(7)，每条所述偶列线(3)的尾端均连接有偶列线尾电流源(8)；

每个所述感光单元的输出端均设置有行选通开关(9)。

2.一种大面阵图像传感器列线数据输出方法，其特征在于，该输出方法采用一种大面阵图像传感器列线数据输出系统，包括若干个感光单元(1)组成的感光阵列，每列所有奇数行的感光单元(1)的输出端均共同连接有一条奇列线(2)，每列所有偶数行的感光单元(1)的输出端均共同连接有一条偶列线(3)，每条奇列线(2)一端均连接有奇采样开关(4)，每条所述偶列线(3)一端均连接有偶采样开关(5)，每列的所述奇采样开关(4)和偶采样开关(5)的一端均共同连接有采样电路(6)；

每条所述奇列线(2)的尾端均连接有奇列线尾电流源(7)，每条所述偶列线(3)的尾端均连接有偶列线尾电流源(8)，每个所述感光单元的输出端均设置有行选通开关(9)；

所有列的奇数行感光单元(1)首先在奇列线(2)上建立信号，直至奇采样开关(4)打开时，所有列的采样电路(6)对奇数行感光单元输出信号进行采样；同时，所有列的下一偶数行感光单元(1)开始在偶列线(3)上建立信号；当所有列的奇采样开关(4)关闭后，所有列的偶采样开关(5)打开，采样电路(6)对偶数行感光单元(1)输出信号进行采样，同时，所有列的下一奇数行感光单元(1)在奇列线(2)上开始建立信号；以此类推，重复完成所有行的感光单元光电信号的数据输出。

3.如权利要求2所述的一种大面阵图像传感器列线数据输出方法，其特征在于，具体按照如下步骤实施：

步骤1、在所有感光单元(1)曝光结束后，所有列的第一行的行选通开关(9)打开，此时，第一行感光单元(1)的光信号在奇列线(2)上建立信号；

步骤2、第一行的行选通开关(9)的宽度到达T时刻时，第二行的行选通开关(9)打开，此时第二行感光单元(1)的光电信号在偶列线(3)上开始建立，同时，奇采样开关(4)打开，采样电路(6)开始对奇列线(4)上的第一行感光单元(1)的光电信号进行采样；

步骤3、当第一行的行选通开关(9)的宽度到达2T时刻时，第一行的行选通开关(9)和奇采样开关(4)同时关断，第一行感光单元(1)完成全部的光信号建立和采样过程，此时，偶采样开关(5)打开，采样电路(6)开始对第二行感光单元(1)的光电信号进行采样，同时，第三行的行选通开关(9)打开，该行感光单元(1)的光信号在奇列线(2)上建立信号；

步骤4、当第二行的行选通开关(9)的宽度到达2T时刻时，第二行的行选通开关(9)和偶采样开关(5)同时关断，第二行感光单元(1)完成全部的光信号建立和采样过程，此时，奇采样开关(4)打开，采样电路(6)开始对奇列线(2)上的第三行感光单元(1)光电信号进行采样，以此类推，重复完成所有行的感光单元光电信号的数据输出。

4.如权利要求3所述的一种大面阵图像传感器列线数据输出方法，其特征在于，所有所述行选通开关(9)的脉冲宽度为2T，所有奇采样开关(4)和偶采样开关(5)的脉冲宽度为T，其中，T为行周期时间。

5.如权利要求4所述的一种大面阵图像传感器列线数据输出方法，其特征在于，所有列的奇采样开关(4)受同一外部信号控制，所有列的偶采样(5)受同一外部信号控制。

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