模块化的CMOS成像系统的制作方法

本发明涉及一种模块化的cmos成像系统，具体涉及一种能兼容面阵、单谱段线阵、多谱段线阵、tdicmos等多种cmos图像传感器的通用性模块成像系统。

背景技术：

cmos图像传感器种类繁多，包含面阵、线阵；线阵又分为多谱段、单谱段，也可分为tdi工作模式器件和非tdi工作模式器件。不同cmos图像传感器所需要的工作电压种类和数量不同，需要输入时钟类型、控制信号及输出数据的方式也不同，若针对每种cmos图像传感器都设计一种特定的成像系统，则存在设计工作量大，加工周期长，成本高问题。

技术实现要素：

本发明为解决现有cmos图像传感器的成像系统，存在设计工作量大，加工周期长，成本高等问题，提供一种模块化的cmos成像系统。

模块化的cmos成像系统，包括cmos图像传感器焦面单元和视频处理单元，所述cmos图像传感器焦面单元和视频处理单元通过连接器连接；cmos图像传感器焦面单元包括cmos图像传感器、时钟变换电路、数字信号整形与电平转换电路、垂直驱动电路和电源变换电路；

所述cmos图像传感器内部包含传感器时钟模块、传感器像素模块、传感器ad模块、传感器图像并串发送模块、传感器垂直驱动模块、传感器其余数字控制模块、传感器供电偏置模块和传感器控制电平接口模块；

传感器像素模块进行光电转换，产生的模拟信号经传感器ad模块转换为数字图像数据后，再经传感器图像并串发送模块转换为串行图像数据后送入视频处理单元；

视频处理单元提供的时钟信号通过传感器控制电平接口模块后由传感器时钟模块接收，所述传感器时钟模块产生传感器所需的时钟；

视频处理单元提供的控制信号通过传感器控制电平接口模块将输入的信号转换为传感器其余数字控制模块所需的电平；

视频处理单元提供的驱动信号通过传感器控制电平接口模块传送至传感器垂直驱动模块，所述传感器垂直驱动模块为传感器提供电荷转移的垂直驱动信号；

所述视频处理单元提供的电源经电源变换电路转换为传感器提供所需的电压后送入传感器的供电偏置模块。

本发明的有益效果：

一、本发明针对不同的cmos传感器应用，仅需要更换对应的cmos图像传感器焦面单元，而不需要更换视频处理单元，可大大节约工期、成本，降低设计风险；

二、本发明将cmos图像传感器的供电电源分为多类，使用两种或两种以上的可调的供电电源分别供电这样提高电源效率，降低总功耗，同时降低焦面传感器发热产生光机结构热变形的影响。

三、本发明采用一种通用的处理配置结构，将整个cmos成像系统分为传感器焦面和视频处理两部分，视频处理单元可兼容各种cmos图像传感器，能够输出高频和低频的传感器时钟，能够接收传感器返回的高频伴随时钟、低频伴随时钟或使用视频处理单元内部的时钟进行输入的多通道串行图像数据进行训练兵进行串并转换；可输出与传感器输出的伴随时钟同步或视频处理单元输出的低频时钟同步的驱动时序信号，也可输出tdicmos传感器的垂直转移驱动信号；针对传感器的工作电压需求，输出多种可调的供电电压。cmos图像传感器焦面单元针对不同的传感器设计不同，根据输入的电源产生指定的工作电压和偏置，并进行滤波。

四、本发明根据入射光能量的变化，调整传感器的增益参数，可获得更佳的信噪比。

附图说明

图1为本发明所述的模块化的cmos成像系统结构图；

图2为本发明所述的模块化的cmos成像系统中cmos图像传感器焦面单元的原理图；

图3为本发明所述的模块化的cmos成像系统中视频处理单元的输出时钟类型原理图；

图4为本发明所述的模块化的cmos成像系统中视频处理单元的数据接收bank排布原理图；

图5为本发明所述的模块化的cmos成像系统中视频处理单元的供电输出原理图；

图6为本发明所述的模块化的cmos成像系统中视频处理单元的存储器排布原理图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图6说明本实施方式，模块化的cmos成像系统，主要包含两部分，cmos图像传感器焦面单元和视频处理单元，二者都可由一块或者多块线路板组成。cmos图像传感器焦面单元和视频处理单元通过连接器连接，针对不同cmos图像传感器的应用，仅需要更换cmos图像传感器焦面单元，而视频处理单元保持不变。

cmos图像传感器种类繁多，包含面阵、线阵；线阵又分为多谱段、单谱段，也可分为tdi工作模式器件和非tdi工作模式器件。cmos图像传感器内部包含传感器时钟模块、传感器像素模块、传感器ad模块、传感器图像并串发送模块、传感器垂直驱动模块、传感器其余数字控制模块、传感器供电偏置模块的全部或者部分单元，根据传感器种类的不同而不同。

cmos图像传感器内的像素模块进行光电转换，产生的模拟信号经传感器ad模块转换为数字图像数据后，再经传感器图像并串发送模块转换为串行图像数据输出；

传感器时钟模块接收外部输入的时钟，产生传感器工作所需的时钟；传感器其余数字控制模块经输入的信号转换为传感器所需的电平，并将要输出的信号转换为所需的电平。cmos图像传感器焦面单元除传感器外，还包含时钟变换电路、数字信号整形与电平转换电路、垂直驱动电路、和电源变换电路。视频处理单元提供的电源经电源变换电路转换为所需的电压后送入传感器的供电偏置模块；视频处理单元提供的控制信号直接送入cmos图像传感器，或者经垂直驱动电路后送入；视频处理单元提供的驱动信号直接送入cmos图像传感器，或者经垂直驱动电路后送入；视频处理单元提供的时钟信号直接送入cmos图像传感器，或者经时钟变换电路后送入。

本实施方式中，视频处理单元可兼容各种cmos图像传感器，可提供各种cmos图像传感器所需的控制信号，接收cmos图像传感器输出的图像数据；针对不同的cmos图像传感器，仅仅需要更换cmos图像传感器对应的焦面板即可，而视频处理单元对应的视频处理板不需要更换。

本实施方式中，如图3所示，视频处理单元可满足传感器低频单端时钟(使用传感器内部的锁相环进行时钟倍频)和高频差分时钟(不使用锁相环进行倍频)的时钟需求，同时输出高频差分时钟(100mhz≤f≤720mhz)和低频单端时钟(f≤50mhz)，针对远距离传输(l≥30mm)，还可输出低频(f≤50mhz)差分形式时钟；

本实施方式中，视频处理单元可接收不超过119通道的串行图像数据，串行图像数据的训练控制时钟可通过cmos图像传感器的低频伴随时钟、高频伴随时钟或者视频处理单元的内部时钟来产生；119通道的串行图像数据分散在具有相同区域时钟的6个bank(左上、左下、左中、右中、左下、右下)中，cmos图像传感器输出的高频伴随时钟连接在中间bank(左中或右中)的mrcc管脚上，cmos图像传感器的低频伴随时钟连接在视频处理单元的全局时钟输入管脚上，经视频处理单元内部的时钟倍频电路倍频后作为区域时钟送入6个bank；视频处理单元的内部时钟由晶体振荡器产生，经视频处理单元内部的时钟倍频电路倍频后作为区域时钟送入6个bank。

本实施方式中，如图5所示，视频处理单元将cmos图像传感器的供电电源分为传感器ad模块供电、传感器数字部分电路(包含传感器时钟模块、传感器图像并串发送模块、传感器其余数字控制模块)供电、传感器垂直驱动模块供电、传感器像素模块供电、传感器控制电平接口供电及传感器偏置供电。

cmos图像传感器的供电电源使用两种或两种以上的可调的供电电源分别供电，选择可调供电电源种类的原则是：

(vin-vsensori)×isensori≤0.2

式中vin为可调的供电电源输出电压，vsensori为传感器的第i种供电电压，isensori为传感器的第i种供电电压的工作电流。

本实施方式中，视频处理单元内部第一存储器组用于进行复位图像数据的存储，然后读出后与后续出现的感光信号相减；第二存储器组进行hdr算法，将高低增益通道的图像数据合并为单幅高动态的图像数据；第三存储器组进行合并后的图像数据缓存，转换为特定协议的图像数据输出。

视频处理单元可输出多组单端控制信号：可输出不超过80的单端控制信号。视频处理单元可接收多组单端返回信号：可接收不超过40单端返回信号。

本实施方式中，可根据入射光能量的变化，调整cmos图像传感器的成像参数，获得更佳的信噪比。cmos图像传感器通常有在电荷转换为电压前的像素增益pix_gain，在模拟电压信号转换为数字信号前的可调模拟增益pga_gain，以及对adc输出的数字图像数据进行数字拉伸的数字增益adc_gain。为了尽可能提高输出图像的信噪比，本实施方式中将根据入射光能量的分布范围，设置三种增益：(1)当vs≤vadc/(kpga×kpix_gain)，pix_gain设置为最大值kpix_gain，pga_gain设置为最大值kpga，adc_gain为1；(2)当vadc/(kpga×kpix_gain)＜vs≤vadc/kpix_gain，pix_gain设置为最大值kpix_gain，pga_gain设置为最大值1，adc_gain为1；

(3)当vadc/kpix_gain＜vs＜vadc，pix_gain设置为最大值1，pga_gain设置为最大值1，adc_gain为1。对应的信噪比如下所示：

式中，vs表示由光生电荷在pix_gain为1的情况下获得cmos图像传感器焦面单元的cmos图像传感器内部的读出放大器输出电压，kpga表示从读出放大器到adc量化前的预放器增益，σs表示入射光子散粒噪声，σd表示暗噪声，σr表示读出放大器噪声，σqua表示量化噪声，σamp表示cmos图像传感器焦面单元的cmos图像传感器内部预放器的本底噪声。

本实施方式中，cmos图像传感器焦面单元采用长光辰芯公司的cmos图像传感器；视频处理单元的控制器主要选用采用xilinx公司的fpga6vlx550tff1760，存储器采用美光公司的ddr3存储器，dcdc模块采用凌特公司的非隔离电压变换器；连接器选用samtec公司的高密度连接器。