Cmos图像传感器像元合并读出电路结构及信号处理读出方法
【技术领域】：
[0001] 本发明设及图像传感器领域，具体设及一种CMOS图像传感器像元合并读出结构及 信号处理读出方法。
【背景技术】：
[0002] 目前，CMOS图像传感器的性能不断提高，已广泛应用于各类科学成像，如遥感、高 速摄影、光谱成像等。运类特殊应用的具体需求比较灵活，有时需要获取高分辨率的细致图 像，有时则必须保证高帖频工作，对分辨率要求不高。为解决运一问题，W往的CCD图像传感 器开发了像元合并功能，可W将相邻几个像元的信号合而为一，作为一个像元读出。运样， 在需要高帖频的场合，可W用该方法牺牲系统分辨率，有效减少读出次数，降低读出时间， 从而提高帖频。同时，N个像元合并读出，理论上可W将信噪比提升V下倍，增加系统信噪比。
[0003] 然而，运种像元合并的方法也有着显著的缺点。首先，CCU的像元合并基于电荷包 的累加，运种工艺在目前发展迅速的CMOS探测器中无法使用；其次，运种方式的最大像元合 并个数受到CCD势阱容量的限制，无法实现任意规模的像元合并。而当前CMOS图像传感器虽 然也出现了像元合并技术，但要么是在探测器外部的数字域进行累加，无法降低探测器模 拟输出口速率，信噪比提升也有限；要么是受叠加电容的限制，只能实现固定模式(如2X2， 4X4)像元合并。而在对灵活性需求非常迫切的科学应用领域(例如光谱成像中的谱段合 并，精细遥感中的普查应用等），非常需要能够实现任意规模像元合并的CMOS探测器内部读 出结构。
【发明内容】
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[0004] 本发明提出了一种CMOS图像传感器像元合并读出电路结构及信号处理读出方法。
[0005] 本发明解决的技术问题是实现任意规模像元合并的CMOS探测器内部读出电路结 构，同时还提高了信噪比和帖频。
[0006] -种CMOS图像传感器像元合并读出结构，如附图1所示，包括列总线，列放大器，列 读出复位开关，列选通开关，列合并电容，列合并控制开关，列合并总线，列合并输出开关， 行合并电容，合并复位开关，行合并控制开关，行合并总线及输出放大器。该CMOS图像传感 器像元合并读出结构的特征在于：
[0007] 列总线连接到列读出复位开关与列放大器并联结构的输入端，列选通开关连接到 列读出复位开关与列放大器并联结构的输出端后，通过列选通开关连接到列合并电容上； 列合并总线跨接在各列的列合并电容上，每两个跨接结点之间设有一个列合并控制开关用 于列合并操作;合并复位开关与行合并电容并联，其并联结构的输入端连接在列合并控制 开关的输出端，行合并总线跨接在各列的行合并电容上，每两个跨接结点之间设有一个行 合并控制开关用于行合并操作，行合并控制开关的输出端连接到输出放大器的输入端。
[000引所述CMOS图像传感器像元合并读出结构工作时，由列总线依次选取待合并像元所 在行，通过列合并控制开关和行合并控制开关完成行列像元合并操作，最终经输出放大器 输出像元合并后的信号。
[0009] 如附图2所示，对于一个M行，N列的CMOS探测器，进行pXq像元合并，最终输出mXn 规模的图像，满足pXm=M，qXn = N，p〉l，q〉l，p<q，在探测器产生的信号进入列总线后，该 读出电路结构的合并方法步骤如下：
[0010] 步骤(1)闭合所有列读出复位开关、合并复位开关，将列合并电容与行合并电容上 电压复位，复位后将W上开关断开；
[OCm]步骤（2)将第1至q列的列总线连接到第1行像素，同时闭合第1至q列的列选通开 关，此时第1行1至q列像素的信号储存在对应的列合并电容上；
[0012]步骤(3)闭合第1至q列的列合并控制开关，此时第1至q列列合并电容上的信号相 通，且信号值都等同于该行1至q列像素的信号均值；
[001引步骤(4)断开语q列的列合并控制开关，闭合第巧揃列合并输出开关，将列合并 电容上的信号转移到该列的行合并电容上；
[0014]步骤(5)断开第1列的列合并输出开关；
[001引步骤(6)重复步骤（1)至步骤(5)，每次重复时，在步骤(2)中分别将第1至q列的列 总线连接到第2行、第3行......直至第P行像素，在步骤(4)中分别闭合第1列，第2列...... 直至第P列的列合并输出开关，步骤（1)至步骤(5)共计进行P次，步骤结束后第1至P列的行 合并电容上分别存储了探测器第1至P行，每行q个像素的信号均值；
[0016] 步骤(7)闭合第1至P-I列的行合并控制开关，保持第P列行合并控制开关断开，此 时第1至P列合并电容上的信号相通，且信号值都等同于pXq个像素的信号均值；
[0017] 步骤(8)断开所有行合并控制开关，在第1至P列的输出放大器中任选一列读出，读 出结果为P X q个像素的信号均值，该P X q个像元合并读出完成；
[0018] W上步骤完成单个合并模块(规模pXq)的像元合并操作，全帖读出时，同一合并 行中n个合并模块的步骤（1)至步骤(7)同时完成，步骤(8)按第1至第n个合并模块依次进 行，完成一个合并行后，再进行下一个合并行的操作，直至全帖数据读出，获取mXn规模的 图像。
[0019] 根据噪声理论，假设参与合并的pXq个像素信号均值为S，噪声均值为N(考虑主要 噪声源为光子噪声），则运pXq个像素的平均信噪比约为：^
。而利用本发明中的 像元合并方法，P Xq个像素合并后，输出信号仍为S，但经过平均后，输出噪声约为
新的信噪比满足：S徽，=扣乂 qSN民 > 即信噪比提高了约倍。运 个结果与传统CCD利用电荷包进行像元合并的方式结果一致。
[0020] 像元合并后，完整一帖成像的输出放大器读出次数由MXN次减少到了 mXn次，帖 频提升了 pXq倍。
[0021] 将所有列合并控制开关和行合并控制开关保持断开状态，可关闭像元合并功能， 图像传感器正常输出M X姆见模的图像。
[0022] 本发明的优点在于，在CMOS传感器中实现了任意规模的像元合并功能，只须调整 工作时序就可W改变合并规模。同时，运种像元合并的电路结构作为硬件集成在传感器读 出电路中，可避免后期数字域像元合并带来的信噪比损失，并且缓解了探测器读出放大器 的速率压力，能够大幅提高工作帖频。本发明提出的读出结构还可增加相关双采样等功能， 进一步提升信噪比，应用于工作要求灵活的科学成像场合，比如成像光谱仪谱段合并，高分 辨率相机的高速模式等。
【附图说明】：
[0023] 附图1为本发明的读出结构示意图。
[0024] 附图2为像元合并示意图。
[0025] 附图3为【具体实施方式】读出结构示意图。
【具体实施方式】：
[0026] 根据
【发明内容】
，本实施例构建了一套CMOS探测器像元合并读出结构，图像传感器 像素规模为1024 X 256，进行2 X 2像元合