[发明专利]图像传感器及图像处理系统

说明书

技术领域

本发明涉图像传感器技术领域，特别涉及一种图像传感器及图像处理系统。

背景技术

图像传感器是将光信号转换成电信号的半导体器件。目前，传统的图像传感器包括电荷耦合器件（Charge Coupled Devices，CCD）图像传感器、互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）图像传感器。

虽然CCD图像传感器和CMOS图像传感器均是以感光二极管来实现光电转换的，但是它们具有不同的制作工艺和架构。完成光电转换之后，CCD图像传感器使用交变电压施加到相邻电极，形成移动的电势阱，从而将各个像素上的光电荷分别移动到末端检测。而CMOS则是在每一个像素上将感光电荷转化为电压，通过放大驱动以及译码选择，分别对各个像素上的光电荷进行检测。

从接口信号方面来说，通常的CCD图像传感器是一个被动器件，外部提供横向和竖向CCD驱动信号以及电子快门信号，然后在CCD信号输出端接收图像信号。而通常的CMOS图像传感器是一个主动器件，外部只要通过串行接口（通常为I2C或者SPI）设定曝光时间、放大器增益等参数，CMOS图像传感器就会在曝光时间完成后输出图像信号，伴随图像信号有指示图像信号开始和结束的同步信号，使得下游的芯片可以正确的接收和理解图像。

CCD图像传感器可分为线阵CCD和面阵CCD，其中面阵CCD的应用更为广泛。图1示出了现有技术中面阵CCD图像传感器的结构示意图。

参考图1，面阵CCD图像传感器包括摄影区域10，在摄影区域10中包括多个成行列排布的像素单元20，各像素单元20包括光电二极管23和电极24组成。

图2~图4示出了图1所示面阵CCD图像传感器工作时所需的各类驱动信号；具体地，图2示出CCD垂直驱动信号，图3示出了CCD水平驱动信号，图4示出了CCD读出驱动信号。

图1所示面阵CCD图像传感器的工作过程为：

（1）曝光：在光电二极管23中进行光电转换，将光转化为光电荷（e）并进行储存。具体地可参考图1中所示的S1，S1指的是光电转换电荷的储存。其中，光电荷的多少正比于光强。

（2）转移：首先参考图1中的S21（垂直转移），在图2所示的CCD垂直驱动信号的控制下，光电荷转移到相邻的垂直CCD21中以完成垂直转移；然后参考图1中的S22（水平转移），即在图3所示的CCD水平驱动信号的控制下，光电荷被转移到水平CCD22中。电荷包在垂直CCD21和水平CCD22中进行转移，依赖于CCD电极上所加的交变脉冲电压（和），这些交变脉冲电压形成相互隔离的移动电势阱，对光电荷进行移动。

（3）读出：水平CCD22的末端连接检测电路，把水平CCD22传输过来的电荷包转换成电压信号并进行CDS读出（参考图1中的S3，此处S3指的是电荷检测）。参考图1，所述检测电路可包括放大器Amp，用于在驱动信号的控制下读出信号Vout。具体地，如图4所示，CCD信号输出电压波形如VFD所示，其中，A为基准电压，B为信号电压，这两者之间的差值即为该像素的亮度信息。

图5示出了现有技术中CMOS图像传感器的结构示意图。参考图5，信号ax和ay表示进行操作的行地址和列地址。其中，行地址（ax）有多组，通过行译码器进行译码后，分别得到各行的复位信号（RST₀~RST_i），转移信号（TX₀~TX_i）和读出选通信号（X₀~X_i）。像素阵列中的P（i，j）表示第i行、第j列的像素。每一像素中的光电二极管产生光电荷之后，在像素内部转化为电压，并按照行选输出到检测位线（BL₀~BL_j）。所有列的位线连接到列译码及量化模块，进行量化、列选和依次输出Dout，列选通由列地址ay译码得到。

图6示出了图5所示CMOS图像传感器的工作时序图。通常CMOS图像传感器以行的方式工作，即每一行先进行复位，然后进行曝光，最后进行读出。

参考图6，以第一行为例，R（1）表示曝光开始前的复位，然后经过曝光时间，到Read（1）表示第一行被读出。R（2）表示第二行曝光前的复位，Read（2）表示第二行被读出；R（3）表示第三行曝光前的复位，Read（3）表示第三行被读出。第二行的操作在第一行的基础上整体后移了一个行时间，第三行再在第二行的基础上后移一个行时间。