[发明专利]一种帧频可达带宽极限速率的高速图像传感器

说明书

一种帧频可达带宽极限速率的高速图像传感器，属于超大规模集成电路的电气元件技术领域，能在像素层面上并行地完成模数转换过程，在完成模数转换之后等同于一个二进制数字数据存储阵列，可直接无缝嫁接在现有的存储器系统中使用的高速数据读取、传输技术上，由于图像曝光过程和图像数据读取、传输过程是相互独立的，在时间上可以重叠设置，因此其成像速率帧频可以达到数字数据传输带宽所允许的极限速率。本发明还提供了一种改进的方案令曝光过程与模数转换过程独立开，使得曝光过程与模数转换过程在时序上可以重叠设置，可以最大化曝光时间。本发明可输出任意精度的图像数据，并能直接与处理器相结合形成高速图像拍摄。

技术领域

本发明属于超大规模集成电路的电气元件技术领域，涉及一种高速图像传感器。

背景技术

高速相机可以在极短的时间内拍摄到物体的瞬时状态，因此在工业，国防和科研等领域有着广泛的应用。例如，在记录研究高频震动，爆炸或撞击的过程中，高速相机是极其重要的记录和检测手段。但是,由于本身需要涉及极其复杂的信号转换过程，为了最大化单位时间内可拍摄到的帧数，高速相机对模数转换、信号传输等电子电路都有极高的要求。也正因为此，高速相机的设计制造工艺通常较为复杂，所以价格高昂，从而导致很难在各个领域推广应用。此外，因其电路复杂，体积也较大，这也限制了其在很多相关领域的使用。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种基于CMOS技术的高速图像传感器的方案，利用CMOS超大规模集成电子电路制成工艺的技术优势，在集成了常规光电转换器件的硅衬底上添加一些电子器件，无需额外地设计复杂的信号转换传输电子电路，便可无缝嫁接在现有的高速存储器系统中使用的数字数据读取传输技术上，从而可以实现数据传输带宽所允许的极限成像速率。

本发明技术方案：一种高速图像传感器的像素单元，包括重置开关Trst、光电二极管PD、第一传输开关Tx1、第二传输开关Tx2、第一电荷存储电容FD1、第二电荷存储电容FD2、第一差分计算开关Tsub1、第二差分计算开关Tsub2、减法器Sub、比较器Com、模数转换开关Tad、以及存储单元组，其中，光电二极管PD一端接地，另一端与重置开关Trst连接，重置开关Trst的另一端连接在重置电压Vrst上；第一传输开关Tx1、第一差分计算开关Tsub1组成的串联电路与第二传输开关Tx2、第二差分计算开关Tsub2组成的串联电路并联连接；第一电荷存储电容FD1一端连接在第一传输开关Tx1、第一差分计算开关Tsub1之间，另一端接地；第二电荷存储电容FD2一端连接在第二传输开关Tx2、第二差分计算开关Tsub2之间，另一端接地；第一传输开关Tx1和第二传输开关Tx2的剩余端均连接在光电二极管PD和重置开关Trst之间；第一差分计算开关Tsub1的剩余端与减法器Sub的正输入端连接，第二差分计算开关Tsub2的剩余端与减法器Sub的负输入端连接，减法器Sub的输出端与比较器Com的正输入端连接，比较器Com的输出端与模数转换开关Tad连接，负输入端用于连接参考电压Vref；模数转换开关Tad与存储单元组连接，所述存储单元组包括若干二进制逻辑存储单元（Bit1，Bit2……Bitn）。

进一步的，所述二进制逻辑存储单元具有写W、读R、使能EN、清零CLR端口。

进一步的，所述减法器Sub和比较器Com之间连接有电压转移开关和电压转移电容。

进一步的，所述存储单元组采用n位计数器。

进一步的，所述存储单元组中还包括一个镜像缓冲存储单元组。