楊錕鵬

摘要：CMOS圖像傳感器設(shè)計(jì)，可以通過編程方式獲得動(dòng)態(tài)像素分辨率。在普通模式下，作為典型的圖像傳感器獲得全幀圖像數(shù)據(jù); 在合并模式下，將傳感器像素陣列分為特定子模塊并且合并讀出，同時(shí)獲得更高的幀頻，子模塊的規(guī)格可通過編程進(jìn)行定義。

關(guān)鍵詞：CMOS有源像素傳感器（APS）;像素合并;可編程多分辨率;動(dòng)態(tài)幀頻;低功耗

引言

近年來，CMOS圖像傳感器的性能不斷提高，已廣泛應(yīng)用于各類科學(xué)成像，如遙感、高速攝影、光譜成像等。這類特殊應(yīng)用的具體需求比較靈活，有時(shí)需要獲取高分辨率的圖像，有時(shí)則必須保證高幀頻工作，對(duì)分辨率要求不高。為解決這一問題，對(duì)以往的電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器開發(fā)了像素合并功能，可以將相鄰幾個(gè)像素的信號(hào)合而為一，作為一個(gè)像素讀出。這樣，在需要高幀頻的場(chǎng)合，可以用該方法犧牲系統(tǒng)分辨率，有效減少讀出次數(shù)，降低讀出時(shí)間，從而提高幀頻。本文提出了一種可以通過編程方式獲得動(dòng)態(tài)像素分辨率的CMOS圖像傳感器設(shè)計(jì)，非常適合目標(biāo)跟蹤、數(shù)據(jù)壓縮、圖像識(shí)別等一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)景。

1 獲取-跟蹤雙段工作模式

采用這種工作方式與普通的圖像傳感器相比，僅需要調(diào)整控制時(shí)序就可以避免探測(cè)器將功耗、分辨率和幀頻浪費(fèi)在除目標(biāo)外的背景部分，從而兼顧探測(cè)器的幀頻、分辨率和功耗的性能設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)多分辨率探測(cè)器的最簡(jiǎn)單方法是對(duì)整個(gè)像素陣列進(jìn)行有選擇的輸出，例如對(duì)像素陣列隔4行和4列讀出一次就可以將探測(cè)器的數(shù)據(jù)讀出量降低至1 /16，但是顯而易見這種方法會(huì)帶來混疊效應(yīng)。 本文的研究目標(biāo)是通過將特定區(qū)域中像素的讀出電壓進(jìn)行合并計(jì)算的方式實(shí)現(xiàn)多精度圖像的獲取，從而避免混疊效應(yīng)的產(chǎn)生。合并讀出方式如圖2所示，對(duì)于一個(gè)M行、N列的圖像傳感器，進(jìn)行 p×q 像素合并，最終輸出 m×n 規(guī)模的圖像，滿足p×m =M，q×n =N，p<1，q>1，p≤q。本文中可實(shí)現(xiàn)多分辨率的圖像傳感器原型芯片陣列規(guī)模為256×512。像素陣列可按指定的 p×q 規(guī) 格的子模塊合并并讀出該模塊包含的所有像素信號(hào)的均值。由于合并算法是在所有像素信號(hào)的基礎(chǔ)上由讀出電路完成的，避免了混疊效應(yīng)的產(chǎn)生。子模塊p和q的大小由特定的移位寄存器的輸入決定，如果需要改變p或q的值，只需要改變移位寄存器的輸入信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的任意像素合并及分辨率的可編程性。

2 傳感器的芯片系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

示意圖如圖1所示，主要由像素陣列、讀出電路及行列方向上的邏輯控制電路組成。與傳統(tǒng)的有源像素傳感器（APS） 芯片結(jié)構(gòu)類似，APS像素陣列在行/列譯碼器的控制下進(jìn)行行/列選擇，在此基礎(chǔ)上子模塊像素的信號(hào)合并由列/行合并電路完成，p×q 合并模塊的規(guī)模由列/行合并移位寄存器定義。

3原型傳感器芯片設(shè)計(jì)及測(cè)試

根據(jù)可編程像素合并設(shè)計(jì)原理實(shí)現(xiàn)的原型芯片陣列規(guī)模256（行）×512（列），像素尺寸為30μm×30μm，在最高分辨率下可實(shí)現(xiàn)幀頻450fps。圖2所示為原型傳感器芯片讀出電路結(jié)構(gòu)圖，該探測(cè)器讀出電路共有 512 條列總線，每列包 含列放大器（A1～A512），列讀出復(fù)位開關(guān)（R1～R512），列選通開關(guān)（S1～S512）列合電容（CS1～CS512）列合并控制開關(guān)（SC1～SC512），列合并輸出開關(guān)（SR1～SR512）行合并電容（CG1～CG512）復(fù)位開關(guān)（ST1～ST512）行合并控制開關(guān)（SG1～SG512），輸出放大器（AF1～AF512）。該讀出結(jié)構(gòu)工作時(shí)，由列總線依次選取待合并像素所在行，通過列合并控制開關(guān)（SC1～SC512）和行合并控制開關(guān)（SG1～SG1024）完成行列像素合并操作，最終經(jīng)輸出放大器輸出像素合并后的信號(hào)。以2×2合并為例，通過對(duì)列合并控制移位寄存器、行合并控制移位寄存器和列合并輸出移位寄存器分別進(jìn)行編程，使得上述像素合并的步驟③中，列合并控制開關(guān)（SC1～SC512）的連接關(guān)系如圖5所示;在步驟④中列總線連接到前后兩行時(shí)，列合并輸出開關(guān)（SR1～SR512）的連接關(guān)系在圖2的兩組控制信號(hào)間變換;在步驟⑦中，行合并控制開關(guān)（SG1～SG512）的連接關(guān)系如圖2所示。如果需要以其他規(guī)格進(jìn)行像素合并，只需對(duì)列合并控制移位寄器、行合并控制移位寄存器和列合并輸出移位寄存器的輸入重新編程，改變行/列合并控制開關(guān)的連接關(guān)系即可，而無需對(duì)片上的像素或讀出電路進(jìn)行任何修改，從而實(shí)現(xiàn)了靈活機(jī)動(dòng)的可編程像素合并模式。

4 結(jié)論

本文提出了一種圖像傳感器讀出電路設(shè)計(jì)方法，可通過編程實(shí)現(xiàn)任意規(guī)模像素合并從而靈活改變探測(cè)器的分辨率并相應(yīng)提高幀頻，同時(shí)克服了普通基于電荷累加方式實(shí)現(xiàn)像素合并受到電勢(shì)阱容量限制的缺點(diǎn)。這種探測(cè)器靈活機(jī)動(dòng)的特性在很多特殊應(yīng)用中具有重要的意義，非常適合需要對(duì)探測(cè)器的分辨率和幀頻進(jìn)行靈活編程控制的應(yīng)用場(chǎng)合。

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