无输入时钟和数据传输时钟的图像传感器同步的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001 ] 技术进步推动了医用成像能力的发展。受益于某些最有利进步的领域之一是内窥镜外科手术，该领域获益于构成内窥镜的部件的进步。
[0002]本发明整体涉及电磁传感和传感器，更具体地涉及数据传输。本发明的特征与优势将在下面的说明书中予以阐述，并且根据说明书将是部分显而易见的，或者本发明的做法无需过度的实验即可被借鉴。本发明的特征与优势将通过本发明中特别指出的器械与组合来实现和获得。
【附图说明】
[0003]本发明的非限制性和不完全具体实施结合下列附图予以描述，其中除非另外指明，否则不同视图中的类似标号是指类似的部件。本发明的优势将结合以下描述和附图得到更好的理解，其中:
[0004]图1示出了根据本发明的原理和教导内容的像素阵列和图像传感器的操作实施例的不意图；
[0005]图2示出了根据本发明的原理和教导内容的传感器服务线路内的数据传输的图不ο
[0006]图3示出了根据本发明的原理和教导内容的像素阵列和图像传感器的操作的实施例的示意图；
[0007]图4示出了根据本发明的原理和教导内容的传感器的滚动读出输出数据的图示；
[0008]图5Α示出了根据本发明的原理和教导内容的具有片外振荡器的图像传感器的实施例的示意图；
[0009]图5Β示出了根据本发明的原理和教导内容的具有片上振荡器的图像传感器的实施例的示意图；
[0010]图6示出了根据本发明的原理和教导内容的用于时钟管理和数据定序的电路的实施例的示意图；
[0011]图7示出了根据本发明的原理和教导内容的用于相机单元和CMOS传感器之间的时钟管理和数据定序的电路的实施例的示意图；
[0012]图8示出了根据本发明的原理和教导内容的用于相机单元和CMOS传感器之间的时钟管理和数据定序的电路的实施例的示意图；
[0013]图9示出了根据本发明的原理和教导内容的用于相机单元和CMOS传感器之间的时钟管理和数据定序的电路的实施例的示意图；
[0014]图10示出了根据本发明的原理和教导内容的用于相机单元和CMOS传感器之间的时钟管理和数据定序的电路的实施例的示意图；
[0015]图11示出了根据本发明的原理和教导内容的调整CMOS传感器工作频率的实施例的流程图；
[0016]图12示出了根据本发明的原理和教导内容的操作参数表；
[0017]图13示出了根据本发明的原理和教导内容的硬件的实施例；
[0018]图14A和14B示出了根据本发明的原理和教导内容的用于提供三维功能的具有多个像素阵列的传感器实施例；
[0019]图15A和15B示出了构建在多个基板上的成像传感器的具体实施的视图，其中形成像素阵列的多个像素列位于第一基板上，并且多个电路列可位于第二基板上，图中显示了一列像素与其相关或相应电路列之间的电气连接和通信；以及
[0020]图16A和16B示出了具有用于生成三维图像的多个像素阵列的成像传感器的具体实施的视图，其中所述多个像素阵列和图像传感器可构建在多个基板上。
【具体实施方式】
[0021]本发明涉及可主要适用于医疗应用的数字成像的方法、系统和基于计算机的产品。在本发明的以下描述中，可参考构成本文一部分的附图，这些附图以举例说明本发明可能实施的特定具体实施的方式示出。应当理解，在不脱离本发明的范围的前提下，可采用其他具体实施并进行结构改变。
[0022]本发明涉及通过取消对输出时钟(无时钟数据传输)和输入时钟的需求以减少成像传感器焊盘数的系统和方法。基本策略是传感器在加电后在其数据端口上发送由1和0组成的连续流，以便相机的支持电子产品内的数据接收器使用CDR(时钟数据恢复)电路(时钟培训)与之同步。如果需要，可通过切换一个配置寄存器位而在正常操作过程中启用连续流。一旦接收器锁定为此培训模式，就可继续执行常规传感器成像操作。为了保持锁定，可通过在发送给每个像素的数字值中包括单个反位来避免长期没有转换。
[0023]传统的用于腹腔镜、关节镜、泌尿外科、妇科和ENT (耳鼻喉科)手术的棒透内窥镜制造成本昂贵，原因是其光学组成部分复杂。入射图像信息在光域中始终沿着其长度输送。通常，其被光学耦合到图像感测设备所在的手持件单元上。这种类型的刚性内窥镜还易碎，并且易在处理、使用和消毒过程中损坏。必要的修复和消毒过程对其用于的每项手术增加了额外的费用。
[0024]图像感测技术的进步已使CMOS设备制造成本低廉，并且高度可定制。操作基于CCD的传感器所必须的大部分外部电路可集成到与像素阵列相同的芯片，并且需要较低的工作电压。因此，基于CMOS的相机更为便宜且更容易制造，并且比其基于(XD的同类产品更具通用性。出于类似的原因，CMOS传感器在内窥镜系统内得到越来越广泛的应用。
[0025]通过将图像感测设备置于内窥镜的末端，可使内窥镜的制造成本更低廉，因为可通过简单的塑料透镜叠堆有效地替换光学传输组件。它们如此廉价，以至于仅为单独使用、后续要处理或回收而进行生产可以更划算，因为这取消了修复和消毒过程。
[0026]创建此内窥镜解决方案的困难在于保证图像质量，因为传感器必须适合的区域在两个维度上的空间都非常有限。减小感应区通常意味着减少像素数和/或减小像素区域，这可影响分辨率、灵敏度和动态范围。通常，内窥镜系统适合感应稳定的宽带照明，并借助分割为三个或更多波段感光度的像素的阵列提供颜色信息。这通过在每个像素上制作单个滤色镜来实现。拜耳马赛克是最常用的解决方案。
[0027]避免分辨率损失的一个方法是自从使用拜耳马赛克之后就不使用滤色镜，例如，与本地阵列分辨率相比，亮度分辨率(在X或y处)可有最多至因数1/ V 2的损失。在这种情况下，在单帧捕获过程中，能够通过向激光器或基于LED的光源施以不同波长或它们的组合的脉冲来提供彩色信息。申请人已找到解决此问题的方法和解决方案，其借助特殊的传感器设计允许获得高清晰度的质量，其中逐行扫描帧速率为60Hz或更高。申请人进一步发现，允许在数字域内将图像数据传输到片外时将外围电路减小到其最小区域。
[0028]芯片中各接合焊盘所占的面积很大。该接合焊盘用于提供电源或输入/输出信号至传感器芯片，或通过传感器芯片提供电源或输入/输出信号。因此，为使面积最小，需要尽量减少接合焊盘的数量。
[0029]可在无输出时钟时执行传感器数据的同步。高速数据传输通常可伴随有用于同步目的的时钟。如果采用LVDS标准，则为CMOS或2个额外的焊盘提供一个额外焊盘会带来不便。锁存高速数据的替代系统和方法可以将时钟信号嵌入数据流本身(时钟编码)内。数据流可在接收端被解码，以提取时钟，然后用于锁存数据。此系统和方法的代价或缺点在于有效载荷明显增多，从而导致必须大幅增加输出频率。
[0030]在本发明中描述了一种无需采用时钟编码，便可避免使用输出时钟焊盘的方法。相反，本发明可利用相机单元上的CDR(时钟数据恢复)系统正确地锁存传入数据。在CDR系统中，内部PLL(锁相环)用于锁定传入数据频率和锁存数据。锁定过程需要进行数据转换，以便其PLL收敛。通常，将指定初步锁定(和重新锁定)的最小转换数以及无转换时连续允许位的最大数(其可在使PLL保持锁定时需要)。
[0031 ] 现在参照附图，图1示出了定制的面积最小的CMOS图像传感器实施例的内部时序。每个帧周期可以包括4个不同的阶段。在第1阶段和第3阶段，数据可以通过传感器数据焊盘150从传感器中发出，这些数据不是来自物理像素的信号样本。相反，它们是涉及芯片与相机系统同步和用于数据锁定的数据。第2阶段与传感器滚动读出(物理像素的内部时序、同步和读出)有关，而第4阶段则用于传感器配置。在配置阶段，传感器输出数据行160可以被逆转，以接收所传入的配置命令。在第4阶段，相机单元中的CDR电路存在被解除锁定的风险，因为该传感器在定义的时间段不会发送任何数据转换。第1阶段的服务线路可用于发送数据转换的连续流。然而，要重新锁定相机单元CDR电路，它们应是必需的。
[0032]图2示出了类时钟信号插入输出数据流的此类流的示例，其中通常存在像素数据