一种nm0s线阵图像传感器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种NM0S线阵图像传感器，包括：根据积分时间进行分组的传感器像元；用于图像传感器的初始化复位和用于图像传感器的正常数据读出的驱动脉冲序列1;作为图像传感器中相同积分时间的一组像元数据的读出脉冲的驱动脉冲序列2。本发明的NM0S线阵图像传感器，性能好，能够提高图像传感器输出信号的信噪比。
【专利说明】一种NMOS线阵图像传感器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于光信号能量测量的传感器，特别涉及一种NM0S线阵图像传 感器。
【背景技术】
[0002] 常用NM0S线阵图像传感器的驱动脉冲序列如图1所示。传感器在使用时，需要给 传感器提供三路驱动脉冲序列，对应引脚为〇 st、Φρ Φ2。其中，Φρ 〇2是完全同步的两 个信号，但相位正好相反。〇st为传感器像元信号读出的启动脉冲，即〇 st给出一个正脉冲 后，视频信号Video会与Φρ Φ2同步输出。在所有像元的信号都读出后，End of Scan引 脚与Φ2同步输出一个负脉冲（图3中，End信号）。第一个像元的视频信号出现时，Φρ Φ 2对应的脉冲周期定义为像元读出周期1，像元读出周期2与第一个像元的视频信号相对 应。周期Ν后，帧结束信号End对应的Φρ 〇2对应的脉冲周期为结束周期，End脉冲输出 后，传感器结束了一巾贞的输出。
[0003] 在上述的操作过程中，可以看出，一次读取的过程中，传感器所有像元的信号都被 读出，这也决定了所有像元的积分时间长短是相同的。在相同的积分时间下，可能使得入射 光信号强的像元的输出接近饱和；而入射光信号弱的像元的输出接近于零，使得信号被噪 声淹没。由于外部读出电路不能够控制像元中信号在Active Video上的输出，无法实现分 段积分的功能。
[0004] 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1所示的驱动时序用于图像传感器的复位外，图1、图2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，驱动脉冲时序的实现比较复杂；而且，一帧图像数据中，不同像元的积分时间只 能单调增加或单调减少；有效数据读出后需要单独的复位驱动脉冲序列；所有像元的图像 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】
[0005] 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。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
[0007] 一种NM0S线阵图像传感器，包括：
[0008] 根据积分时间进行分组的传感器像元；
[0009] 用于图像传感器的初始化复位和用于图像传感器的正常数据读出的驱动脉冲序 列1 ;
[0010] 作为图像传感器中相同积分时间的一组像元数据的读出脉冲的驱动脉冲序列2。
[0011] 在上述技术方案中，传感器的像元根据积分时间进行分组时：
[0012] 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、…，N ;
[0013] 根据积分时间的不同，将传感器所有像元分为m组，对应的像元数分别为队、 m n2、…，= ^对应的积分时间分别Si\、T2、…、Tm;
[0014] 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：
[0015] Pi.nP^.Pi.jd ^ j ^ Ni), Ρ，Λ C
[0016] 在上述技术方案中，所述驱动脉冲序列1满足：
[0017] 〇st是帧开始的信号，〇st正脉冲输出后，Φρ φ2按照相互反相的形式给出，视频 信号线上就会与φρ φ2输出到视频信号线上；
[0018] 〇seleet在变为高电平的同时变为高电平，在帧读出周期结束时，End由低电平 变为高电平时变为低电平；
[0019] 由低电平变为高电平的时亥IJ，需要在第一个像元读出周期开始之前； 由低电平变为高电平的时刻，需要在最后一个像元读出周期结束之后。
[0020] 在上述技术方案中，所述驱动脉冲序列2满足：
[0021] 第1?k-Ι组像元的像元读出周期内，选通开关的控制信号选通脉冲（tselec;t保持 低电平，选通开关关断，信号输出端无信号输出；
[0022] 第k组像元的像元读出周期内选通开关的控制信号（tselec;t，变为高电平，选通开关 导通，信号输出端有信号输出；
[0023] 第k+Ι?m组像元的像元读出周期内选通开关的控制信号选通脉冲（tselec;t，为低 电平，选通开关关断，信号输出端无信号输出。
[0024] 在上述技术方案中，像元的读出在时间上是向前对齐的驱动时序为：
[0025] a) t = 0时，施加驱动脉冲序列1，使图像传感器复位；
[0026] b) t = 时，施加驱动脉冲序列2,读出j_l组像元的数据，该组像元的积分时间 为L」；
[0027] c)按照积分时间从小到大的顺序，对于不同积分时间t = Τ'」」的每组像元，都对图 像传感器施加驱动脉冲序列2,读出j_i组像元的数据，该组像元的积分时间为Tj」；
[0028] d) t = Tj m时，施加驱动脉冲序列2,读出j_m组像元的数据，该组像元的积分时间 为Tj m ;-帧图像数据读出完毕，步骤b、c、d中读出的所有数据合并后，即为一帧图像数据； 然后重新回到步骤a。
[0029] 在上述技术方案中，积分时间向后对齐的驱动时序为：
[0030] a) t = 0时，施加驱动脉冲序列1，使图像传感器初始化、复位；
[0031] b) t = Hk时，施加驱动脉冲序列2,读出组像元的数据，但读出的 像元数据为无效数据，脉冲序列的作用是对组像元进行复位；
[0032] c)按照积分时间从大到小的顺序，对于不同积分时间t = Τ'」」的每组像元，在对应 的时间t = Tjjj-Tj」，对图像传感器施加驱动脉冲序列2,对j_i组像元进行复位；
[0033] d)t = Tj m时，施加驱动脉冲序列1，读出所有像元的数据，该帧读出的数据即为分 段积分下的一帧图像数据；重新计时t = 0,然后重新回到步骤b。
[0034] 本发明具有以下的有益效果：
[0035] 本发明的NM0S线阵图像传感器：
[0036] 1)性能好，能够提高图像传感器输出信号的信噪比；
[0037] 2)实现方法简单，易于实现，成本低，不需要改变传感器的硬件结构，只需要对图 像传感器的读出电路的通用设计做简单的改动，就能够使图像传感器具有分段积分的功 能；
[0038] 4)实现方法灵活，图像传感器一帧数据内不同像元的积分时间可以自由设置，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；
[0039] 5)适用范围广，本发明不但适用于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】
[0040] 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。
[0041] 图1为现有技术中的NM0S线阵图像传感器驱动脉冲序列示意图。
[0042] 图2为现有技术中的NM0S线阵图像传感器分段积分的驱动时序示意图。
[0043] 图3为本发明的分段积分时像元的分组示意图。
[0044] 图4为本发明的驱动脉冲序列1示意图。
[0045] 图5为本发明的驱动脉冲序列2示意图。
[0046] 图6为本发明的向前对齐整帧图像的读出脉冲序列示意图。
[0047] 图7为本发明的向后对齐整帧图像的读出脉冲序列示意图。
【具体实施方式】
[0048] 本发明的发明思想为：
[0049] NM0S线阵图像传感器的读取过程也是对像元的复位过程，为了实现传感器的分段 积分功能，本发明提出了 2种脉冲序列（驱动脉冲序列1，驱动脉冲序列2)，分别用作是复 位脉冲序列和数据读出脉冲序列。
[0050] 下面结合附图对本发明做以详细说明。
[0051] 本发明的NM0S线阵图像传感器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：
[0052] 如图3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K、N2、…，Nm，ΣΜ=]ν对 i-=l , 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：
[0053] ΡΜ,Ρ?；2,Ρ^·(1 ^ j ^ Ni), Pi,Nt
[0054] 如，以图像传感器中的位置序号为标记（图3)，第1组像元包括序号为Pi,i? Ρ1>Ν1 (共K个）的像元，积分时间记为?\ ;第2组像元包括序号为P2, i?P2，N2 (共N2个）的 像元，积分时间记为T2。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 置序号及可以是连续的，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3中，第1组像元P1:1?Ρ1:Ν1在图像传感器中的 位置是连续的，第2组像元Ρ2Λ?Ρ2,Ν2 (共Ν2个）在图像传感器中的位置是不连续的，分成 Ρ2;1?P2，j、P2.川?尽*两个连续的部分。
[0055] 不同积分时间之间满足关系：
[0056] | Τ「Τ』| > Tmin 1 彡 i 彡 m，1 彡 j 彡 m，i 关 j
[0057] 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相关
[0058] 图3所示分组方法，作为一个不同点或改进之处，在于，所有像元依据积分时间的 不同进行了分组，具有相同积分时间的像元作为一组，但是，同一组像元可以是连续分布 的，也可以是不连续的（分布在整个传感器线阵的不同位置区域）。
[0059] 驱动脉冲序列1 (图4)是常用的驱动脉冲序列；在实现分段积分功能时，驱动脉 冲序列1可以用于图像传感器的初始化复位，也可以用于图像传感器的正常数据读出。〇 st 是帧开始的信号，〇st正脉冲输出后，ΦρΦ2按照相互反相的形式给出，视频信号线上就会 与％、Φ 2输出到视频信号线上。〇st、Φρ Φ2的具体要求，如上升沿时间、下降沿时间、脉 冲宽度、相位关系（〇st超前ΦρΦ 2的时间）以及视频输出与ΦρΦ2的相互关系，如相位 关系（视频信号在Φ:、Φ2的上升沿或下降沿输出、〇 st输出后，第一个像元的视频信号输 出出现在Φρ Φ2的第几个周期中），这些参数与传感器的具体型号有关，需要根据传感器 的使用手册确定，但是，这些具体参数的不同并不影响本发明所述方法的适应性。如图4所 示，〇 st输出后，第一个像元的视频信号就出现在Φ:、Φ2的第一个周期的下降沿。
[0060] 〇^^在〇4变为高电平的同时变为高电平（选通开关导通），在帧读出周期结 束时，End由低电平变为高电平时变为低电平（选通开关关断）。由低电平 变为高电平的时刻，需要在第一个像元读出周期开始之前由低电平变为高电平的 时刻，需要在最后一个像元读出周期结束之后；两者都不做严格限制，可以在较大范围内取 值。在不使用图像传感器的分段积分功能时，即所有像元的积分时间相同，〇%^可以一直 为1?电平。
[0061] 图4作为一个不同点或改进之处，在于，给出了一个帧读出周期中，所有像元都读 出时，读出电路选通开关的控制方法。
[0062] 驱动脉冲序列2为图像传感器中相同积分时间的一组像元数据的读出脉冲，如图 5所示，是一组驱动脉冲序列的统称。设当前帧读出周期中，需要读出第k组像元的图像数 据，对应的积分时间为Tk，该组像元的序号为及(共Nk个）。在该帧图像的读出驱动 时序中，(J)st、φρ φ2不改变，同驱动脉冲序列1。第1?k-i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（低电平表示选通开关关断）。第k组像元，像元位置序号及， 需要读出，因此，这些像元读出周期内选通开关的控制信号，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 选通开关的控制信号选通脉冲Φ，为低电平，选通开关关断，信号输出端无信号输出。
[0063] 图5作为一个不同点或改进之处，在于，给出了一个帧读出周期中，只有某一组像 元读出时，读出电路选通开关的控制方法。
[0064] 实现传感器在实现分段积分功能时，读出一帧图像，需要多个帧读出周期及相应 的帧读出驱动脉冲序列，每个帧读出序列用于读出某个积分时间的像元，要求分段积分时， 不同积分时间的个数就是所需要的帧读出周期及相应的帧读出驱动脉冲序列的个数。
[0065] 在实现分段积分的驱动脉冲序列时，积分时间?\，1 < i 在积分时间的允许 范围内任意取值，要读出所有像元的图像数据，首先根据分段积分时间的不同，对所有m组 像元的积分时间按照从小到大的进行排序，设排序后分段积分的积分时间重新记为Tj i， 1 < j_i < m，m为分段积分中不同积分时间的总个数，且：
[0066]
[0067] 驱动时序（图6)如下：
[0068] a) t = 0时，施加驱动脉冲序列1，使图像传感器复位；
[0069] b) t = 时，施加驱动脉冲序列2,读出j_l组像元的数据，该组像元的积分时间 为h ;
[0070] c)按照积分时间从小到大的顺序，对于积分时间不同的每组像元，都对图像传感 器施加一个整帧读出脉冲序列，即脉冲序列2 ;具体描述为：t = 时，施加驱动脉冲序列 2,读出j_i组像元的数据，该组像元的积分时间为Tj」；
[0071] d)t = Tj m时，施加驱动脉冲序列2,读出j_m组像元的数据，该组像元的积分时间 为Tj m ;-帧图像数据读出完毕，步骤b、c、d中读出的所有数据合并后，即为一帧图像数据。 重新回到步骤a)。
[0072] 图6所示驱动脉冲序列中，所有像元的积分时间都是从时刻t = 0开始，不同像元 的读出在时间上是向前对齐的。
[0073] 图6所示驱动脉冲序列作为一个改进之处，其创新点在于，给出了实现分段积分 的一种驱动脉冲序列的设计方法，使用复位脉冲序列和读出脉冲序列配合实现分段积分功 能。在积分周期的开始时刻，施加复位脉冲序列，所有像元复位；在某一组像元的积分时间 到达时，施加驱动脉冲序列2,读出该组脉冲。所有组的像元都读出后，开始一个新的读出周 期。
[0074] 图6所示实现分段积分的一种驱动脉冲序列的设计方法，使用复位脉冲序列和读 出脉冲序列配合实现分段积分功能。在积分周期的开始时刻，施加复位脉冲序列，所有像元 复位；在某一组像元的积分时间到达时，施加驱动脉冲序列2,读出该组脉冲。所有组的像 元都读出后，开始一个新的读出周期。
[0075] 积分时间向后对齐的驱动时序（图7)如下：
[0076] a) t = 0时，施加驱动脉冲序列1，使图像传感器初始化、复位；
[0077] b) t = 时，施加驱动脉冲序列2,读出组像元的数据，但读出的 像元数据为无效数据，脉冲序列的作用是对组像元进行复位；
[0078] c)按照积分时间从大到小的顺序，对于积分时间不同的每组像元，都对图像传感 器施加一个帧读出脉冲序列，即脉冲序列2 ;具体描述为：t = Tu-Tu时，施加驱动脉冲序 列2,读出j_i组像元的数据，读出的像元数据为无效数据，脉冲序列的作用是对j_i组像元 进行复位；
[0079] d)t = Tj m时，施加驱动脉冲序列1，读出所有像元的数据，该帧读出的数据即为分 段积分下的一帧图像数据。重新开始计时，t = 0,重新回到步骤b)。
[0080] 图7所示驱动脉冲序列中，所有像元的积分时间都是在时刻t = Tj m时结束，不同 像元的读出在时间上是向后对齐的。该驱动脉冲序列不需要单独的帧读出驱动脉冲序列对 图像传感器进行复位。
[0081] 图7所示驱动脉冲序列作为一个改进之处，其创新点在于，给出了实现分段积分 的一种驱动脉冲序列的设计方法，使用复位脉冲序列和读出脉冲序列配合实现分段积分功 能。在积分周期的不同时刻，分别对不同积分时间的像元进行复位，使得所有像元的积分在 同一个时刻结束。在该结束时刻，施加复位脉冲序列，读出所有组像元的数据。然后，开始 一个新的读出周期。
[0082] 图7所示实现分段积分的一种驱动脉冲序列的设计方法，使用复位脉冲序列和读 出脉冲序列配合实现分段积分功能。在积分周期的不同时刻，分别对不同积分时间的像元 进行复位，使得所有像元的积分在同一个时刻结束。在该结束时刻，施加复位脉冲序列，读 出所有组像元的数据。然后，开始一个新的读出周期。
[0083] 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，其特征在于，包括： 根据积分时间进行分组的传感器像元； 用于图像传感器的初始化复位和用于图像传感器的正常数据读出的驱动脉冲序列1 ; 作为图像传感器中相同积分时间的一组像元数据的读出脉冲的驱动脉冲序列2。
2. 根据权利要求1所述的NM0S线阵图像传感器，其特征在于，传感器的像元根据积分 时间进行分组时： 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、…，N ; 根据积分时间的不同，将传感器所有像元分为m组，对应的像元数分别为K、N2、…，Nm， m ΣΜ=ΛΓ对应的积分时间分别SI\、T2、…、Tm; ,=ι , 积分时间为V < i < m的一组像元中，像元在图像传感器中的位置序号记为：
3. 根据权利要求1所述的NMOS线阵图像传感器，其特征在于，所述驱动脉冲序列1满 足： 〇st是帧开始的信号，〇st正脉冲输出后，Φρ Φ2按照相互反相的形式给出，视频信号 线上就会与Φρ Φ2输出到视频信号线上； 在Φμ变为高电平的同时变为高电平，在帧读出周期结束时，End由低电平变为 高电平时Φ select 变为低电平； 由低电平变为高电平的时刻，需要在第一个像元读出周期开始之前由 低电平变为高电平的时刻，需要在最后一个像元读出周期结束之后。
4. 根据权利要求1所述的NMOS线阵图像传感器，其特征在于，所述驱动脉冲序列2满 足： 第1?k-Ι组像元的像元读出周期内，选通开关的控制信号选通脉冲保持低电 平，选通开关关断，信号输出端无信号输出； 第k组像元的像元读出周期内选通开关的控制信号扒^。,，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组像元的像元读出周期内选通开关的控制信号选通脉冲Φ selec;t，为低电平， 选通开关关断，信号输出端无信号输出。
5. 根据权利要求1所述的NMOS线阵图像传感器，其特征在于，像元的读出在时间上是 向iu对齐的驱动时序为： a) t = 0时，施加驱动脉冲序列1，使图像传感器复位； b) t = Τ」」时，施加驱动脉冲序列2,读出j_l组像元的数据，该组像元的积分时间为 Tjj ； c) 按照积分时间从小到大的顺序，对于不同积分时间t = Τ'」」的每组像元，都对图像传 感器施加驱动脉冲序列2,读出j_i组像元的数据，该组像元的积分时间为Tj」； d) t = Tj_m时，施加驱动脉冲序列2,读出j_m组像元的数据，该组像元的积分时间为Tj_ m 帧图像数据读出完毕，步骤b、c、d中读出的所有数据合并后，即为一帧图像数据；然后 重新回到步骤a。
6.根据权利要求1所述的NMOS线阵图像传感器，其特征在于，积分时间向后对齐的驱 动时序为： a) t = 0时，施加驱动脉冲序列1，使图像传感器初始化、复位； b) t = Hx时，施加驱动脉冲序列2,读出组像元的数据，但读出的像元 数据为无效数据，脉冲序列的作用是对组像元进行复位； c) 按照积分时间从大到小的顺序，对于不同积分时间t = Τ'」」的每组像元，在对应的时 间t = Tjjj-Tj」，对图像传感器施加驱动脉冲序列2,对j_i组像元进行复位； d) t = Tj m时，施加驱动脉冲序列1，读出所有像元的数据，该帧读出的数据即为分段积 分下的一帧图像数据；重新计时t = 0,然后重新回到步骤b。
【文档编号】H04N5/374GK104219467SQ201410440731
【公开日】2014年12月17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