一种nmos线阵图像传感器的高效时序驱动方法
【专利摘要】本发明涉及一种NMOS线阵图像传感器的高效时序驱动方法，包括以下步骤：a)t＝0时，施加驱动脉冲序列1，使图像传感器复位，并将帧读出周期计数k初始化为0，k是正整数，用于对读出的周期进行计数；b)帧读出周期计数k增加1，k＝k+1；c)对于所有的fi,1≤i≤m，检查fi是否能够整除k；d)t＝kTC，施加驱动脉冲序列2；回到步骤b。本发明的NMOS线阵图像传感器的高效时序驱动方法，方法灵活，简单，易于实现，图像传感器一帧数据内不同像元的积分时间可以随意设置，不同像元积分时间的大小与像元在图像传感器上的位置无关。
【专利说明】一种NMOS线阵图像传感器的高效时序驱动方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种NM0S线阵图像传感器，特别涉及一种NM0S线阵图像传感器的高 效时序驱动方法。
【背景技术】
[0002] 图1所示为NM0S线阵图像传感器像元中信号电荷的读出原理图，对电路的输出 信号，采用电荷放大器对像元的输出信号电流进行积分，将电流信号转换为电压信号，经滤 波、放大后，得到的信号的直流电平与像元中信号电荷的电荷量成正比。这种结构的读出电 路称为电流输出型读出电路。
[0003] 图2所示为NM0S线阵探测器具有分段积分功能的读出电路原理示意图。偏置电 压通过串联电阻与输出信号端连接。NM0S线阵图像传感器的某个像元对应的读出开关导 通时，如果该像元对应的选通开关关断，电路处于开路状态，像元信号不能输出至输出信号 端，偏置电压不能对图像传感器内部电路进行充电复位；如果该像元对应的选通开关导通， 像元信号输出至输出信号端，偏置电压能够如图1所示电路那样对图像传感器进行充电复 位。选通脉冲Φselect用于控制选通开关的导通与关断状态。
[0004] 驱动脉冲序列如图3所示。对于NM0S线阵图像传感器的通用产品，通过驱动时序 的特殊设计，可以实现分段积分的功能。除了图3所示的驱动时序用于图像传感器的复位 夕卜，设计图4所示的驱动序列，图3、图4所示的驱动序列交替输入到图像传感器上，能够实 现分段积分的功能，用改变驱动时序的方法实现分段积分功能。
[0005] 对于图2所示的具有分段积分功能的读出电路，所有像元的读出开关在外部驱 动脉冲时序的作用下依次导通，但像元中的信号是否读出还要受到选通开关Oselect控 制。因此，在一个帧读出周期内，可以选择某些像元读出，像元中的信号复位，而另外的像元 不读出，能够继续进行积分。常用图5和图6所示的驱动序列交替使用，配合硬件电路实现 分段积分的功能。图5所示驱动脉冲序列用于图像传感器的初始化复位，此时输出的图像 信号为无效信号。图6所示驱动脉冲序列作用于传感器时，输出的图像信号为有效信号，用 于实现分段积分的功能。也可以将图6所示驱动脉冲序列用于图像传感器的初始化复位， 图5用于输出图像传感器的有效像元信号。
[0006] 图6所示驱动脉冲序列为图像传感器中积分时间相同的一组像元的读出脉冲， 是一组驱动脉冲序列的统称。设帧读出周期中，需要读出第k组像元的图像数据，对应的 积分时间为T k，该组像元的序号为尽i巧％ (共Nk个）。在该帧图像的读出驱动时序中， <i>st、Φ2不改变，同驱动脉冲序列1。第1?k-Ι组像元不需要读出，因此，这些像元 读出周期内（图6中的a)选通开关的控制信号一选通脉冲，一直保持低电平，选 通开关关断，信号输出端无信号输出（低电平表示选通开关关断）。第k组像元，像元位置 序号尽，需要读出，因此，这些像元读出周期内（图6中的b)选通开关的控制信号 Φ ，变为高电平，选通开关导通，信号输出端有信号输出。第k+Ι?m组像元不需要读 出，因此，这些像元读出周期内（图6中的c)选通开关的控制信号一选通脉冲，为 低电平，选通开关关断，信号输出端无信号输出。
[0007] 在实现分段积分功能时，常用图5和图6所示的驱动序列交替使用以实现分段积 分。但是，这种分段积分驱动脉冲序列的实现方式效率低，一次读出时只能够读出一组像元 的数据（积分时间相同的所有像元）；所有像元的有效图像数据读出频率取决于所有像元 的最大积分时间，不能在长积分时间像元的一个积分周期内多次读出短积分时间像元的 图像数据，积分时间短的像元利用率低。
【发明内容】
[0008] 本发明要解决现有技术中的技术问题，提供一种NM0S线阵图像传感器的高效时 序驱动方法。
[0009] 为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
[0010] 一种NM0S线阵图像传感器的高效时序驱动方法，包括以下步骤：
[0011] a) t = 0时，施加驱动脉冲序列1，使图像传感器复位，并将帧读出周期计数k初始 化为〇, k是正整数，用于对读出的周期进行计数；
[0012] b)帧读出周期计数k增加1，k = k+Ι ;
[0013] c)对于所有的1彡i彡m，检查&是否能够整除k，即检查k是不是的整数 倍；如果k是&的整数倍，则表示在t = kTc时需要读出&对应的第i组像元中的信号，将 该组像元的读出标志记为1 ;如果k不是fi的整数倍，则表示在t = kTc时不需要读出fi对 应的第i组像元中的信号，将该组像元的读出标志记为〇 ;
[0014] d) t = kT。，施加驱动脉冲序列2,驱动脉冲序列2的产生原则为：读出所有读出标 志为1的像元中的信号，在该像元的读出周期开始时刻，将选通脉冲<t se;le;c;tl变为1，像元 读出标志记为0的像元中的信号不需要读出，在该像元的读出周期开始时刻，将选通脉冲 ^ selectl 变为〇 ;回到步骤b。
[0015] 在上述技术方案中，在分段积分的不同积分时间Ti，1 < i < m在积分时间的允许 范围内按照一定规律取值：根据不同积分时间Ti，1 < i < m以及最小帧读出周期Tmin的大 小，使凡，1彡i彡m的取值具有最小公因子Tc，即：
[0016] -- = fiTc, 1 ^ i ^ m
[0017] 其中，仁，1 < i 是正整数，仁彡1，且积分时间的最小公因子Tc，且最小公因 子Tc不小于最小帧读出周期T min，Tc > Tmin。
[0018] 在上述技术方案中，在一个帧读出周期中同时读出积分时间相同的2组或多组像 元的数据的驱动脉冲序列的设计方法，在一个读出周期中，需要同时读出第j、k组像元的 图像数据，对应的积分时间分别为T」、Tk，两组像元的序号分为、尽匕巧為；第 1?j-1组像元不需要读出，因此，这些像元读出周期内选通开关的控制信号一选通脉冲 Φ ，一直保持低电平，选通开关关断，信号输出端无信号输出；第j组像元需要读出，因 此，这些像元读出周期内选通开关的控制信号一选通脉冲Φselec;tl，变为高电平，选通开关导 通，信号输出端有信号输出；第j+Ι?k-ι组像元不需要读出，因此，这些像元读出周期内选 通开关的控制信号一选通脉冲，为低电平，选通开关关断，信号输出端无信号输出； 第k组像元需要读出，因此，这些像元读出周期内选通开关的控制信号一选通脉冲Φ selertl， 变为高电平，选通开关导通，信号输出端有信号输出；第k+1?m组像元需要读出，因此，这 些像元读出周期内选通开关的控制信号一选通脉冲Φselec;tl，为低电平，选通开关关断，信号 输出端无信号输出。
[0019] 本发明具有以下的有益效果：
[0020] 本发明的NM0S线阵图像传感器的高效时序驱动方法：
[0021] 1)方法灵活，简单，易于实现，图像传感器一帧数据内不同像元的积分时间可以随 意设置，不同像元积分时间的大小与像元在图像传感器上的位置无关；
[0022] 2)效率高，像元利用率高，在长积分时间的像元的一次积分与读出周期内，可以多 次读出短积分像元的图像数据；
[0023] 3)功能强，不同积分时间像元的光积分与读出不会相互影响，可以同时读出；
[0024] 4)适用范围广，不但适用于NM0S线阵图像传感器，也适用于其他使用相似驱动 方法的线阵图像传感器。
【专利附图】
【附图说明】
[0025] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0026] 图1为现有的NM0S线阵图像传感器像元中信号电荷的读出原理示意图。
[0027] 图2为现有的NM0S线阵探测器具有分段积分功能的读出电路原理示意图。
[0028] 图3为NM0S线阵图像传感器驱动脉冲序列示意图。
[0029] 图4为NM0S线阵图像传感器分段积分的驱动时序设计示意图。
[0030] 图5为用于复位的脉冲驱动序列示意图。
[0031] 图6为第k组像元的读出脉冲示意图。
[0032] 图7为本发明的NM0S线阵图像传感器的高效时序驱动方法中的分段积分时像元 的分组示意图。
[0033] 图8为本发明的NM0S线阵图像传感器的高效时序驱动方法中的第j、k两组像元 同时读出的读出脉冲示意图。
[0034] 图9为本发明的NM0S线阵图像传感器的高效时序驱动方法的驱动时序示意图。
【具体实施方式】
[0035] 本发明的发明思想为：
[0036] 本发明的关键点在于通过改变NM0S线阵图像传感器的硬件驱动电路的改变与驱 动脉冲序列的设计，实现图像传感器像元的分段积分功能。
[0037] 本发明的NM0S线阵图像传感器的高效时序驱动方法，在一次帧读出时可以对积 分时间不同的几组像元同时读出。对不同像元的积分时间进行优化，使得所有像元的积分 时间是其最小积分时间的整数倍（要求最小积分时间不小于最小帧读出周期），即使不同 积分时间凡，1 < i 的取值具有最小公因子T。，最小公因子T。不小于最小帧读出周期 Tmin。而同时读出的几组像元的选择，需要按照规定方法进行计算。
[0038] 下面结合附图对本发明做以详细说明。
[0039] 为了实现分段积分功能的实现，在设计驱动脉冲序列时，需要首先根据积分时间 的不同对传感器的像元进行分组：
[0040] 如图7所示，设传感器像元的数量为N，图像传感器上像元的位置序号记为1、 2、一,Ν。根据积分时间的不同，将传感器所有像元分为m组（一帧图像内有m个不同的积 m 分时间，积分时间相同的像元作为一组），对应的像元数分别为Nl、N2、…，Nm，Σ% =iV 对应的积分时间分别为?\、Τ2、…、Tm。积分时间为Til彡i彡m的一组像元中，像元在图像 传感器中的位置序号记为：
[0041] Pi.nP^.Pi.jd ^ j ^ Ni),
[0042] 如，以图像传感器中的位置序号为标记（图7)，第1组像元包括序号为Pi,i? Ρ1>Ν1(共N1个）的像元，积分时间记为?\ ;第2组像元包括序号为P2;1?P2，N2(共N2个）的 像元，积分时间记为T 2。对于积分时间为积分时间为Tk的一组像元，在图像传感器中的位 置序号尽可以是连续的，也可以是不连续的，即图像传感器中位置不相邻的几段像 元，也可以使用相同的积分时间。例如，图7中，第1组像元P 1:1?Ρ1:Ν1在图像传感器中的 位置是连续的，第2组像元P2, i?Ρ2，Ν2 (共Ν2个）在图像传感器中的位置是不连续的，分成 Ρ2>1?Ρ2，」、Ρ2.州?A#两个连续的部分。
[0043] 不同积分时间之间满足关系：
[0044] | Ti-Tj | > Tminl 彡 i 彡 m，1 彡 j 彡 m，i 关 j
[0045] Tmin = min(Tz)，是图像传感器的最短巾贞读出周期，读出一巾贞图像所能用的最短时 间，该参数驱动与图像传感器自身参数与外部读出电路的能力。
[0046] 分段积分中不同积分时间取值的优化
[0047] 因此，在分段积分的不同积分时间1\，1< i < m在积分时间的允许范围内按照 一定规律取值：根据不同积分时间?\，1 < i < m以及最小帧读出周期Tmin的大小，使凡， 1彡i彡m的取值具有最小公因子T。，即：
[0048] -- = fiTc, 1 ^ i ^ m
[0049] 其中，仁，1 < i 是正整数，仁彡1，且积分时间的最小公因子Tc，且最小公因 子T。不小于最小帧读出周期Tmin，
[0050] Tc 彡 Tmin。
[0051] 与图6所示的现有技术的不同点或者改进点在于：对不同像元的积分时间进行了 优化，使得所有像元的积分时间是其最小积分时间的整数倍（要求最小积分时间不小于最 小帧读出周期），使得不同积分时间的几组像元可以同时读出。
[0052] 多组像元同时读出的驱动时序
[0053] 图7所示像元分组中，只能够读出具有相同积分时间的一组像元，如果需要在一 个帧读出周期中同时读出积分时间相同的2组或多组像元的数据，驱动脉冲序列如图8所 /_J、1 〇
[0054] 图8以一个帧读出周期中同时读出2组像元的图像数据为例，说明一个帧读出周 期中同时读出积分时间相同的2组或多组像元的脉冲驱动时序的设计方法。设在该读出周 期中，需要同时读出第j、k组像元的图像数据，对应的积分时间分别为Tp Tk，两组像元的 序号分为^mC，％、。在该巾贞图像的读出驱动时序中，Φμ、Φρ Φ2同脉冲1。
[0055] 第1?j_l组像元不需要读出，因此，这些像元读出周期内选通开关的控制信号一 选通脉冲，一直保持低电平，选通开关关断，信号输出端无信号输出。第j组像元需 要读出，因此，这些像元读出周期内选通开关的控制信号一选通脉冲φ3ε1ε[;"，变为高电平， 选通开关导通，信号输出端有信号输出。第j+Ι?k-Ι组像元不需要读出，因此，这些像元 读出周期内选通开关的控制信号一选通脉冲，为低电平，选通开关关断，信号输出端 无信号输出。第k组像元需要读出，因此，这些像元读出周期内选通开关的控制信号一选通 脉冲tdeeU，变为高电平，选通开关导通，信号输出端有信号输出。第k+Ι?Π 1组像兀需要 读出，因此，这些像元读出周期内选通开关的控制信号一选通脉冲，为低电平，选通 开关关断，信号输出端无信号输出。
[0056] 与图6所示的现有技术的不同点或者改进点在于：该驱动脉冲序列可以在一次帧 读出时同时几组像元的图像数据，而现有技术在一次帧读出时，只能够读出一组像元（具 有相同积分时间的像元）的图像数据。由于图像传感器像元的数据按照积分时间进行分 组，图8所示的驱动脉冲序列可以对积分时间不同的几组像元在一次读出时同时读出，而 同时读出的几组像元的选择，需要按照下文所述方法进行计算。
[0057] 驱动时序如图9所示：
[0058] a) t = 0时，施加驱动脉冲序列1，使图像传感器复位，并将帧读出周期计数k初始 化为〇(k是正整数，用于对读出的周期进行计数）；
[0059] b)帧读出周期计数k增加1，k = k+Ι ;
[0060] c)对于所有的fp 1彡i彡m，检查&是否能够整除k，即检查k是不是A的整数 倍。如果k是&的整数倍，则表示在t = kTc时需要读出&对应的第i组像元中的信号， 将该组像元的读出标志记为1 ;如果k不是&的整数倍，则表示在t = kTc时不需要读出A 对应的第i组像元中的信号，将该组像元的读出标志记为〇 ;
[0061] d) t = kT。，施加驱动脉冲序列2,驱动脉冲序列2的产生原则为：读出所有读出标 志为1的像元中的信号（在该像元的读出周期开始时刻，将选通脉冲变为1)，像元 读出标志记为0的像元中的信号不需要读出（在该像元的读出周期开始时刻，将选通脉冲 变为〇)。回到步骤b。
[0062] 给出了分段积分读出电路的一种高效率驱动脉冲时序设计方法，该方法中，在读 出积分时间长的像元中的信号的过程中，可以多次读出端积分时间的像元中的信号，提高 了图像传感器的响应速度，使图像传感器能够更准确的反应入射光信号的变化。
[0063] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对 于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或 变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或 变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
【权利要求】
1. 一种NMOS线阵图像传感器的高效时序驱动方法，其特征在于，包括以下步骤： a) t = 0时，施加驱动脉冲序列1，使图像传感器复位，并将帧读出周期计数k初始化为 0, k是正整数，用于对读出的周期进行计数； b) 帧读出周期计数k增加1，k = k+Ι ; c) 对于所有的4 1 < i < m，检查f,是否能够整除k，即检查k是不是&的整数倍；如 果k是&的整数倍，则表示在t = kTc时需要读出&对应的第i组像元中的信号，将该组 像元的读出标志记为1 ;如果k不是&的整数倍，则表示在t = kTc时不需要读出&对应的 第i组像元中的信号，将该组像元的读出标志记为0 ; d) t = kT。，施加驱动脉冲序列2,驱动脉冲序列2的产生原则为：读出所有读出标志为 1的像元中的信号，在该像元的读出周期开始时亥ij，将选通脉冲<t se;le;c;tl变为1，像元读出标 志记为0的像元中的信号不需要读出，在该像元的读出周期开始时刻，将选通脉冲 变为0 ;回到步骤b。
2. 根据权利要求1所述的NMOS线阵图像传感器的高效时序驱动方法，其特征在于，在 分段积分的不同积分时间?\，1 < i < m在积分时间的允许范围内按照一定规律取值：根据 不同积分时间凡，1彡i彡m以及最小帧读出周期Tmin的大小，使1\，1彡i彡m的取值具有 最小公因子T c，即： Ti = fJc，1 彡 i 彡 m 其中，fi，1彡i彡m是正整数，&彡1，且积分时间的最小公因子Tc，且最小公因子Tc 不小于最小帧读出周期Tmin，Tc > Tmin。
3. 根据权利要求1所述的NMOS线阵图像传感器的高效时序驱动方法，其特征在于， 在一个帧读出周期中同时读出积分时间相同的2组或多组像元的数据的驱动脉冲序 列的设计方法，在一个读出周期中，需要同时读出第j、k组像元的图像数据，对应的积分时 间分别为T」、Tk，两组像元的序号分为尽、及匕巧义.第1?j-Ι组像元不需要读 J 、 9 出，因此，这些像元读出周期内选通开关的控制信号一选通脉冲Φ selertl，一直保持低电平， 选通开关关断，信号输出端无信号输出；第j组像元需要读出，因此，这些像元读出周期内 选通开关的控制信号一选通脉冲Φ ，变为高电平，选通开关导通，信号输出端有信号输 出；第j+Ι?k-Ι组像元不需要读出，因此，这些像元读出周期内选通开关的控制信号一选 通脉冲，为低电平，选通开关关断，信号输出端无信号输出；第k组像元需要读出，因 此，这些像元读出周期内选通开关的控制信号一选通脉冲Φ selec;tl，变为高电平，选通开关导 通，信号输出端有信号输出；第k+Ι?m组像元需要读出，因此，这些像元读出周期内选通开 关的控制信号一选通脉冲Φ s+rtl，为低电平，选通开关关断，信号输出端无信号输出。
【文档编号】H04N5/374GK104301640SQ201410440598
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年8月30日 优先权日:2014年8月30日
【发明者】张佩杰, 宋克非 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所