超大面阵图像传感器的读出电路同步控制系统及控制方法与流程

本发明属于超大面阵图像传感器技术领域，具体涉及超大面阵图像传感器的读出电路同步控制系统，本发明还涉及采用该同步控制系统对超大面阵图像传感器的读出电路进行同步控制的方法。

背景技术

cmos图像传感器是一种利用cmos工艺实现的光电传感器件，相比ccd而言，cmos图像传感器可以在单芯片图像处理系统中集成更高的性能，同时可以最大程度的降低图像处理系统的面积和功耗。这使得cmos可见光图像传感器变得比ccd图像传感器更有优势，随着cmos标准工艺的进一步发展，使得cmos图像传感器具有更大的集成度，更低的功耗，更低的成本，所以cmos图像传感器越来越广泛的被人们研究和使用。

随着高清成像技术与空间成像技术的快速发展，cmos图像传感器的阵列规模不断增大，而大阵列的图像传感器也带来读出电路的规模进一步增大，当前在大阵列cmos图像传感器中使用较多的仍是列级处理系统，利用芯片可以并行传输数据的优势，使图像传感器阵列中每列或每几列像素单元共用一个读出电路。由于像素阵列是逐行读取的，因此整行像素的信号同时读出到信号处理电路中，然后这一行像素内的信号再串行逐个传输到输出端。这种列级处理系统结构具有并行处理的很多优点，且对cmos可见光图像传感器处理系统速度要求不高，所以降低了芯片功耗。与像元级处理系统结构相比，读出电路由像素单元内转移到像素单元阵列外，不仅提高了填充因子，还提高了图像传感器的光敏感度。虽然列级处理系统在芯片面积上仍存在一定的限制，但其垂直方向上的高自由度也使得列级处理系统实现起来相对灵活。

然而，随着阵列规模增大导致读出电路无法实现全局的统一控制，必须割裂开来进行分区域控制，但这种技术会引入区域之间的不一致性，严重影响整幅图像的质量。

技术实现要素：

本发明的目的是提供超大面阵图像传感器的读出电路同步控制系统，确保每个区域内部时序信号和模拟信号的同步性。

本发明的另一个目的是提供超大面阵图像传感器的读出电路同步控制方法。

本发明所采用的一个技术方案是，超大面阵图像传感器的读出电路同步控制系统，包括由若干个感光阵列线形成的感光阵列，感光阵列按列数分为若干个感光区域，每个感光区域中的每列感光阵列线的输出端均连接有a/d转换单元，每个感光区域中所有a/d转换单元的输入端共同连接有d/a转换单元，a/d转换单元和d/a转换单元的输入端均连接有本地同步单元，每个感光区域中的本地同步单元的输入端共同连接有控制器和锁相环的输出端。

本发明所采用的另一个技术方案是，超大面阵图像传感器的读出电路同步控制方法，该同步控制方法采用超大面阵图像传感器的读出电路同步控制系统，具体按照如下步骤实施：

步骤1、控制器和锁相环分别发出时序控制信号和内部高频时钟信号，每个感光区域中的本地同步单元对接收到的时序控制信号和内部高频时钟信号进行同步处理；

步骤2、本地同步单元将同步处理后的时序控制信号直接输出至每个a/d转换单元，本地同步单元将同步处理后的内部高频时钟信号先输出至d/a转换单元，经转化得到斜坡信号，d/a转换单元将斜坡信号输出至每个a/d转换单元；

步骤3、每个a/d转换单元将由当前感光阵列线采集到的模拟信号与斜坡信号的电压进行比较，当斜坡信号的电压与所述模拟信号的电压相等时，当前感光阵列线的计数器个数则为当前感光阵列线的模拟信号的数字转换结果；当斜坡信号的电压从最低电压扫描到最高电压时，所有列完成一次转换，即完成了一行感光单元的读出；依此类推，完成整幅图像的读出。

本发明的有益效果是，

本发明超大面阵图像传感器的自适应同步驱动系统，通过本地同步单元将接收到的全局信号在区域内进行同步与整形，然后再输送到区域内的每一列读出电路中，确保每个区域内每列a/d转换单元转换所接收到的计数信号与斜坡信号相位一致；

本发明超大面阵图像传感器的自适应同步驱动方法，针对超大阵列分区域读出技术中的时序不同步问题，通过全局控制与本地同步相结合的方式，区域之间动态调整的方式，确保了大规模读出电路时序控制的一致性，也可以应用到基于拼接工艺技术的重复性设计中，有力地解决了读出电路设计难度与阵列规模增大之间的矛盾问题。

附图说明

图1是一种传统的cmos图像传感器的驱动机制；

图2是本发明超大面阵图像传感器的自适应同步驱动系统的结构示意图；

图3是本发明超大面阵图像传感器的自适应同步驱动方法的流程图。

图中，1.感光阵列，2.a/d&d/a转换单元，2-1.a/d转换单元，2-2.d/a转换单元，3.本地同步单元，4.控制器，5.锁相环。

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。

图1是一种传统的超大面阵图像传感器的读出电路机制，其中感光阵列经a/d&d/a单元进行量化，全局的控制器与锁相环直接输出到列级读出电路中，当阵列规模增大时，控制器输出的全局控制信号与a/d转换单元所需的斜坡信号已经无法实现同时到达每一列读出电路，因此，该结构在超大阵列cmos图像传感器的应用中遇到了巨大的挑战。

为了克服上述缺陷，本发明提供了超大面阵图像传感器的读出电路同步控制系统，如图2所示，通过全局模块输出统一的量化开始信号即时序控制信号和高频时钟信号，然后在每个区域分别通过本地同步单元4和d/a转换单元3输出同步的时序控制信号和斜坡信号，确保每个区域内部时序控制信号和模拟信号的同步性；同时可以分别配置本地同步逻辑，以达到各区域之间的相互一致性。

本发明的超大面阵图像传感器的读出电路同步控制系统，具体包括由若干个感光阵列线形成的感光阵列1，感光阵列1中的感光阵列线接收外部光输入信号，通过光电转换输出微弱的电信号，该电信号需要经过后续的读出电路进行采样、放大、量化与传输。读出电路核心单元为a/d&d/a转换单元2，即一体化的a/d转换单元2-1和d/a转换单元2-2，其中，感光阵列1按列数分为若干个感光区域，其中每个感光区域中的每列感光阵列线的输出端均连接有a/d转换单元2-1，每个感光区域中所有a/d转换单元2-1的输入端共同连接有d/a转换单元2-2，a/d转换单元2-1和d/a转换单元2-2的输入端均连接有本地同步单元3，每个感光区域中的本地同步单元3的输入端共同连接有控制器4和锁相环5的输出端。

感光阵列1完成光电信号的转换；读出电路即a/d&d/a转换单元2完成对感光阵列光电信号的采样、读取与量化处理；其中，a/d转换单元2-1的输入由三部分构成，其中待转换的模拟信号为来自感光阵列1的光电输出信号，另一个输入为d/a转换单元2-2提供的参考信号，通过量化输出数字信号，再经过lvds等接口输出到片外；读出电路和感光阵列1之间的控制信号均由控制器4提供，包括曝光与读出流程中的各模块所需数字控制信号。由于片外无法提供较高频的时钟信号，也为了输出多样化的内部所需时钟信号，因此，内部集成了锁相环5，该锁相环5输入为外部主时钟，输出的主要信号为a/d转换单元2-1所需的量化定位信号即内部高频时钟信号。为了使区域内各列之间模拟信号与内部高频时钟信号保持对应的相位关系，本发明增加了本地同步单元3，将接收到的全局信号在区域内进行同步与整形，然后再输送到区域内的每一列读出电路中。此外，为了进一步调整各模块之间的相位一致性，提升片外接收数据的可靠性，可以动态调整本地同步单元的延迟信息，使各区域之间的数据保持良好的对应关系。

本发明的超大面阵图像传感器的读出电路同步控制系统中，a/d转换单元2-1的输入由三部分构成，其中待转换的模拟信号为来自感光阵列1的光电输出信号，另外两个输入为控制器4输出的时序控制信号即计数时钟信号(时间域)和d/a转换单元2-2输出的斜坡信号(电压域)，d/a转换单元2-2输出的斜坡信号与计数时钟信号一一对应，即时间域的计数信号与电压域的斜坡信号建立了确定的关系，因此，通过比较待转换的模拟信号与d/a转换单元2-2输出的斜坡信号，就可以得到模拟信号相对应的数字信号，完成了模拟到数字的转换；控制器4和锁相环5属于公共模块，位于读出电路的左侧。控制器4完成对感光阵列1与读出电路的曝光与读出时序控制；锁相环5输出a/d转换与d/a转换所需的内部高频时钟信号。

本发明将感光阵列1按列数分为若干个感光区域进行读取与输出，每个感光区域均对应有一套读出电路，且与其上方的感光阵列一一对应，每个区域接收来自控制器4的量化开始信号即时序控制信号与来自锁相环5的内部高频时钟信号，本地同步单元3对量化开始信号与内部高频时钟信号进行同步，确保每个区域内每列a/d转换单元2-1转换所接收到的计数信号与斜坡信号相位一致。

如图1所示，感光阵列1划分为四块区域进行读取与输出，具体的区域划分可以根据阵列规模与读出电路的性能需求进行调整。

本发明的超大面阵图像传感器的读出电路同步控制方法，如图3所示，该同步控制方法采用上述超大面阵图像传感器的读出电路同步控制系统，具体按照如下步骤实施：

步骤1、控制器4和锁相环5分别发出时序控制信号和内部高频时钟信号，每个感光区域中的本地同步单元3对接收到的时序控制信号和内部高频时钟信号进行同步处理；

步骤2、本地同步单元3将同步处理后的时序控制信号直接输出至每个a/d转换单元2-1，本地同步单元3将同步处理后的内部高频时钟信号先输出至d/a转换单元2-2，经转化得到斜坡信号，d/a转换单元2-2将斜坡信号输出至每个a/d转换单元2-1；

步骤3、每个a/d转换单元2-1将由当前感光阵列线采集到的模拟信号与斜坡信号的电压进行比较，当斜坡信号的电压与所述模拟信号的电压相等时，当前感光阵列线的计数器个数则为当前感光阵列线的模拟信号的数字转换结果；当斜坡信号的电压从最低电压扫描到最高电压时，所有列完成一次转换，即完成了一行感光单元的读出；依此类推，完成整幅图像的读出。

以图3为具体实施例，以采用列级单斜式a/d转换结构为例进行说明，图3中示意了全局单元、区域一和区域二，具体分区个数由阵列规模确定，区域内部所含列数目需由具体模块驱动能力与功耗确定，此处以每个区域2048列为例进行说明，区域个数可以根据需要扩展，一般各个区域应是完全重复。

实施例中包含全局单元的控制器4和锁相环5，区域内的本地同步单元3和d/a转换单元2-2为一套，2048列a/d转换单元2-1接收到的时序控制信号和斜坡信号由本地同步单元3和d/a转换单元2-2匹配性提供；其中，第1列至第2048列的a/d转换单元2-1的时序控制信号分别是由同一源头本地同步单元3以时钟树方式输出到每一列，第1列至第2048列的a/d转换单元2-1的斜坡信号分别是由同一源头d/a转换单元2-2以类似时钟树方式输出到每一列。

每一列的模拟信号经相应的a/d转换单元2-1转换后都会输出各自的数字信号。

当全局的控制器4发出量化开始信号即时序控制信号后，本地同步单元3对接收到的时序控制信号和锁相环5输出的内部高频时钟信号进行同步，假设d/a转换单元2-2具有一定的延迟，则本地同步单元3也需要一并考虑，使得本地同步单元3输出的计数时钟信号与d/a转换单元2-2输出的斜坡信号保持相位一致；由于采用时钟树的布局方式，每一列之间的时钟信号基本一致，每一列之间的斜坡信号基本一致，此时只需要通过本地同步单元3将每一列的时钟信号与斜坡信号调整同步即可。因此，当量化开始时，每一列的计数时钟信号与斜坡信号同时开始变化，当斜坡电压与某一列的采样模拟信号即阵列列线电压相等时，当前列的计数器个数即为当前列模拟信号的数字转换结果；当斜坡电压从最低电压扫描到最高电压时，所有列完成一次转换，即完成了一行感光单元的读出；依此类推，完成整幅图像的读出。