多分辨率CMOS圖像傳感器芯片設(shè)計

楊錕鵬

摘要：CMOS圖像傳感器設(shè)計，可以通過編程方式獲得動態(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，同時獲得更高的幀頻，子模塊的規(guī)格可通過編程進行定義。

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，對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，可以將相鄰幾個像素的信號合而為一，作為一個像素讀出。這樣，在需要高幀頻的場合，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態(tài)像素分辨率的CMOS圖像傳感器設(shè)計，非常適合目標跟蹤、數(shù)據(jù)壓縮、圖像識別等一些特殊的應用場景。

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)整控制時序就可以避免探測器將功耗、分辨率和幀頻浪費在除目標外的背景部分，從而兼顧探測器的幀頻、分辨率和功耗的性能設(shè)計。實現(xiàn)多分辨率探測器的最簡單方法是對整個像素陣列進行有選擇的輸出，例如對像素陣列隔4行和4列讀出一次就可以將探測器的數(shù)據(jù)讀出量降低至1 /16，但是顯而易見這種方法會帶來混疊效應。 本文的研究目標是通過將特定區(qū)域中像素的讀出電壓進行合并計算的方式實現(xiàn)多精度圖像的獲取，從而避免混疊效應的產(chǎn)生。合并讀出方式如圖2所示，對于一個M行、N列的圖像傳感器，進行 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的均值。由于合并算法是在所有像素信號的基礎(chǔ)上由讀出電路完成的，避免了混疊效應的產(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，從而實現(xiàn)探測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行行/列選擇，在此基礎(chǔ)上子模塊像素的信號合并由列/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)計及測試

根據(jù)可編程像素合并設(shè)計原理實現(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，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。以2×2合并為例，通過對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，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)格進行像素合并，只需對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，而無需對片上的像素或讀出電路進行任何修改，從而實現(xiàn)了靈活機動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)計方法，可通過編程實現(xiàn)任意規(guī)模像素合并從而靈活改變探測器的分辨率并相應提高幀頻，同時克服了普通基于電荷累加方式實現(xiàn)像素合并受到電勢阱容量限制的缺點。這種探測器靈活機動的特性在很多特殊應用中具有重要的意義，非常適合需要對探測器的分辨率和幀頻進行靈活編程控制的應用場合。

參考文獻：

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