圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)發(fā)明內(nèi)容

圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)專利目的

《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》解決的問題是如何在CMOS圖像傳感器的基礎上有效地兼容CCD圖像傳感器的電學信號。

圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)技術方案

《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》提供一種圖像傳感器，包括：CMOS感光陣列、行選電路、列選電路和控制信號轉(zhuǎn)換電路；

所述CMOS感光陣列用于將光信號轉(zhuǎn)換為電信號；

所述控制信號轉(zhuǎn)換電路用于將驅(qū)動CCD感光陣列操作的第一控制信號轉(zhuǎn)換為第二控制信號；所述第一控制信號至少包括垂直轉(zhuǎn)移信號、水平轉(zhuǎn)移信號、電子快門信號和讀出時鐘信號；所述第二控制信號至少包括列地址信號、行復位控制信號和行讀出控制信號；

所述行選電路用于接收所述行復位控制信號和行讀出控制信號，并根據(jù)所述行復位控制信號生成行復位信號，根據(jù)所述行讀出控制信號生成行讀出信號；其中，所述行復位信號用于控制CMOS感光陣列中各行的復位操作，所述行讀出信號用于控制CMOS感光陣列中各行的讀出操作；

所述列選電路用于接收所述列地址信號，在所述列地址信號的控制下對CMOS感光陣列進行列選通并輸出列讀出信號。

可選地，所述控制信號轉(zhuǎn)換電路包括：第一檢測單元、第二檢測單元、第一計數(shù)單元、第二計數(shù)單元、行地址獲取單元、第三計數(shù)單元和列地址獲取單元；

所述第一檢測單元用于檢測第一控制信號中的電子快門信號，并輸出復位啟動信號；

所述第二檢測單元用于檢測第一控制信號中的讀出時鐘信號，并輸出讀出啟動信號；

所述第一計數(shù)單元用于接收所述復位啟動信號和讀出啟動信號，并在接收到復位啟動信號之后對垂直轉(zhuǎn)移信號進行計數(shù)以得出第一計數(shù)值，在接收到讀出啟動信號后對垂直轉(zhuǎn)移信號重新計數(shù)；

所述第二計數(shù)單元用于在接收到所述讀出啟動信號后對垂直轉(zhuǎn)移信號進行計數(shù)，并得出第二計數(shù)值，在接收到下一個讀出啟動信號后對垂直轉(zhuǎn)移信號重新計數(shù)；

所述行地址獲取單元用于接收所述第一計數(shù)值和第二計數(shù)值，并根據(jù)所述第一計數(shù)值輸出行復位控制信號，根據(jù)第二計數(shù)值輸出行讀出控制信號；

所述第三計數(shù)單元用于在接收到所述讀出啟動信號之后，對水平轉(zhuǎn)移信號進行計數(shù)并得出第三計數(shù)值，并在接收到下一個讀出啟動信號之后對水平轉(zhuǎn)移信號重新計數(shù)；

所述列地址獲取單元用于接收所述第三計數(shù)值，并根據(jù)所述第三計數(shù)值輸出列地址信號。

可選地，所述控制信號轉(zhuǎn)換電路包括：第一檢測單元、第二檢測單元、第一計時單元、第二計時單元、行地址獲取單元、第三計時單元和列地址獲取單元；

所述第一檢測單元用于檢測第一控制信號中的電子快門信號，并輸出復位啟動信號；

所述第二檢測單元用于檢測第一控制信號中的讀出時鐘信號，并輸出讀出啟動信號；

所述第一計時單元用于在接收到復位啟動信號之后檢測垂直轉(zhuǎn)移信號，在檢測到第一個垂直轉(zhuǎn)移信號時輸出第一信號并開始計時，在檢測到第二個垂直轉(zhuǎn)移信號時停止計時以得出第一時間間隔；

所述第二計時單元用于在接收到所述讀出啟動信號之后檢測垂直轉(zhuǎn)移信號，并在檢測到第一個垂直轉(zhuǎn)移信號時輸出第二信號；

所述行地址獲取單元用于接收所述第一信號、第一時間間隔和第二信號，并根據(jù)所述第一信號和所述第一時間間隔形成行復位控制信號，根據(jù)第二信號和第一時間間隔形成行讀出控制信號；

所述第三計時單元用于在接收到所述讀出啟動信號之后檢測水平轉(zhuǎn)移信號，在檢測到第一個水平轉(zhuǎn)移信號后輸出第三信號并開始計時，在檢測到第二個水平轉(zhuǎn)移信號后停止計時以得出第二時間間隔；

所述列地址獲取單元用于根據(jù)接收到的第三信號和第二時間間隔形成列地址信號。

《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》還提供一種圖像處理系統(tǒng)，包括上述任一項的圖像傳感器。

圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)專利優(yōu)點

《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》技術方案的圖像傳感器以CMOS圖像傳感器為內(nèi)核，并通過控制信號轉(zhuǎn)換電路將驅(qū)動CCD圖像傳感器的第一控制信號轉(zhuǎn)換為第二控制信號；行選電路和列選電路根據(jù)所述第二控制信號生成用于控制CMOS感光陣列操作的信號。通過上述控制信號的轉(zhuǎn)換使得CMOS圖像傳感器可以適用于CCD圖像處理系統(tǒng)中，因此實現(xiàn)了CCD圖像傳感器與CMOS圖像傳感器的兼容性替代。

與CCD圖像傳感器相比，CMOS圖像傳感器具有低成本等優(yōu)勢，因此，降低了《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》技術方案中圖像傳感器和圖像處理系統(tǒng)的成本。另外，由于該圖像傳感器可以直接適用于CCD圖像處理系統(tǒng)中，因此，也提高了其實用性。

圖像傳感器是將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的半導體器件。截至2012年8月，傳統(tǒng)的圖像傳感器包括電荷耦合器件（ChargeCoupledDevices，CCD）圖像傳感器、互補金屬氧化物半導體（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，CMOS）圖像傳感器。

雖然CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器均是以感光二極管來實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的，但是它們具有不同的制作工藝和架構。完成光電轉(zhuǎn)換之后，CCD圖像傳感器使用交變電壓施加到相鄰電極，形成移動的電勢阱，從而將各個像素上的光電荷分別移動到末端檢測。而CMOS則是在每一個像素上將感光電荷轉(zhuǎn)化為電壓，通過放大驅(qū)動以及譯碼選擇，分別對各個像素上的光電荷進行檢測。

從接口信號方面來說，通常的CCD圖像傳感器是一個被動器件，外部提供橫向和豎向CCD驅(qū)動信號以及電子快門信號，然后在CCD信號輸出端接收圖像信號。而通常的CMOS圖像傳感器是一個主動器件，外部只要通過串行接口（通常為I2C或者SPI）設定曝光時間、放大器增益等參數(shù)，CMOS圖像傳感器就會在曝光時間完成后輸出圖像信號，伴隨圖像信號有指示圖像信號開始和結束的同步信號，使得下游的芯片可以正確的接收和理解圖像。

CCD圖像傳感器可分為線陣CCD和面陣CCD，其中面陣CCD的應用更為廣泛。

參考圖1，面陣CCD圖像傳感器包括攝影區(qū)域10，在攝影區(qū)域10中包括多個成行列排布的像素單元20，各像素單元20包括光電二極管23和電極24組成。

圖2~圖4示出了圖1所示面陣CCD圖像傳感器工作時所需的各類驅(qū)動信號；具體地，圖2示出CCD垂直驅(qū)動信號，圖3示出了CCD水平驅(qū)動信號，圖4示出了CCD讀出驅(qū)動信號。

圖1所示面陣CCD圖像傳感器的工作過程為：

（1）曝光：在光電二極管23中進行光電轉(zhuǎn)換，將光轉(zhuǎn)化為光電荷（e）并進行儲存。具體地可參考圖1中所示的S1，S1指的是光電轉(zhuǎn)換電荷的儲存。其中，光電荷的多少正比于光強。

（2）轉(zhuǎn)移：首先參考圖1中的S21（垂直轉(zhuǎn)移），在圖2所示的CCD垂直驅(qū)動信號的

（3）讀出：水平CCD22的末端連接檢測電路，把水平CCD22傳輸過來的電荷包轉(zhuǎn)換成電壓信號并進行CDS讀出（參考圖1中的S3，此處S3指的是電荷檢測）。參考圖1，所述檢測電路可包括放大器Amp，用于在驅(qū)動信號

參考圖5，信號ax和ay表示進行操作的行地址和列地址。其中，行地址（ax）有多組，通過行譯碼器進行譯碼后，分別得到各行的復位信號（RST₀~RST_i），轉(zhuǎn)移信號（TX₀~TX_i）和讀出選通信號（X₀~X_i）。像素陣列中的P（i，j）表示第i行、第j列的像素。每一像素中的光電二極管產(chǎn)生光電荷之后，在像素內(nèi)部轉(zhuǎn)化為電壓，并按照行選輸出到檢測位線（BL₀~BL_j）。所有列的位線連接到列譯碼及量化模塊，進行量化、列選和依次輸出Dout，列選通由列地址ay譯碼得到。

圖6示出了圖5所示CMOS圖像傳感器的工作時序圖。通常CMOS圖像傳感器以行的方式工作，即每一行先進行復位，然后進行曝光，最后進行讀出。

參考圖6，以第一行為例，R（1）表示曝光開始前的復位，然后經(jīng)過曝光時間，到Read（1）表示第一行被讀出。R（2）表示第二行曝光前的復位，Read（2）表示第二行被讀出；R（3）表示第三行曝光前的復位，Read（3）表示第三行被讀出。第二行的操作在第一行的基礎上整體后移了一個行時間，第三行再在第二行的基礎上后移一個行時間。

具體地，當?shù)谝恍羞M行復位操作時，其復位信號RST1、轉(zhuǎn)移信號TX1和讀出選通信號X1的時序如圖6中的1A所示；當?shù)谝恍羞M行讀出操作時，其復位信號RST1、轉(zhuǎn)移信號TX1和讀出選通信號X1的時序如圖6中的1B所示。

繼續(xù)參考圖6，第二行的復位信號RST2、轉(zhuǎn)移信號TX2和讀出選通信號X2在第二行進行復位操作時的時序如2A所示；在第二行進行讀出操作時的時序如2B所示。第三行的復位信號RST3、轉(zhuǎn)移信號TX3和讀出選通信號X3在第三行進行復位操作時的時序如3A所示；在第三行進行讀出操作時的時序如3B所示。

另外，每一行的讀出包括相關雙采樣（CDS）過程和模數(shù)（ADC）轉(zhuǎn)化過程。具體地，參選圖7，所述CDS過程包括RST-SHR-TX-SHS四個步驟。RST表示讀出前復位，SHR表示檢測點復位后采樣復位電平，TX表示電荷轉(zhuǎn)移到檢測點，SHS表示電荷轉(zhuǎn)移后采樣信號電平。兩次采樣所得電平的差值表示了經(jīng)過CDS之后的信號。此后是對每一個像素信號的量化讀出過程。通過列譯碼，對一行內(nèi)像素的信號電平分別進行量化和讀出。

由上可以看出，CCD圖像傳感器與CMOS圖像傳感器無論在架構上還是在操作方式上都存在很大的差異，因而這兩者之間很難做到兼容。由于CMOS圖像傳感器技術的巨大進步，在很多應用場合，CMOS圖像傳感器代替了CCD圖像傳感器，但是這種替代限于整體上的替代，而不是兼容性的替代。然而，在某些場合，CCD圖像傳感器的應用環(huán)境以及CCD圖像處理系統(tǒng)得到了充分的優(yōu)化，2012年8月之前整體性的替代難以滿足其性能上的要求，兼容性的替代更為適宜。但是，仍沒有能夠同CCD電學信號相兼容的CMOS圖像傳感器。

圖1是2012年8之前技術中面陣CCD圖像傳感器一實施例的示意圖；

圖2是圖1所示面陣CCD圖像傳感器的CCD垂直驅(qū)動信號示意圖；

圖3是圖1所示面陣CCD圖像傳感器的CCD水平驅(qū)動信號示意圖；

圖4是圖1所示面陣CCD圖像傳感器的CCD讀出驅(qū)動信號示意圖；

圖5是2012年8之前技術中CMOS圖像傳感器的一實施方式的示意圖；

圖6是圖5所示CMOS圖像傳感器的工作時序圖；

圖7是2012年8之前技術中CMOS圖像傳感器CDS過程的示意圖；

圖8是《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》圖像傳感器的一實施方式的結構示意圖；

圖9是《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》圖像傳感器中第一控制信號的一種時序示意圖；

圖10是《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》圖像傳感器中控制信號轉(zhuǎn)換電路實施例一的示意圖；

圖11是《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》圖像傳感器中行復位信號的時序示意圖；

圖12是《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》圖像傳感器中行讀出信號的時序示意圖；

圖13是《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》圖像傳感器中控制信號轉(zhuǎn)換電路實施例二的示意圖。

《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》涉圖像傳感器技術領域，特別涉及一種圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)。

1.一種圖像傳感器，包括CMOS感光陣列、行選電路和列選電路，其特征在于，還包括控制信號轉(zhuǎn)換電路；所述CMOS感光陣列用于將光信號轉(zhuǎn)換為電信號；所述控制信號轉(zhuǎn)換電路用于將驅(qū)動CCD感光陣列操作的第一控制信號轉(zhuǎn)換為第二控制信號；所述第一控制信號至少包括垂直轉(zhuǎn)移信號、水平轉(zhuǎn)移信號、電子快門信號和讀出時鐘信號；所述第二控制信號至少包括列地址信號、行復位控制信號和行讀出控制信號；所述行選電路用于接收所述行復位控制信號和行讀出控制信號，并根據(jù)所述行復位控制信號生成行復位信號，根據(jù)所述行讀出控制信號生成行讀出信號；其中，所述行復位信號用于控制CMOS感光陣列中各行的復位操作，所述行讀出信號用于控制CMOS感光陣列中各行的讀出操作；所述列選電路用于接收所述列地址信號，在所述列地址信號的控制下對CMOS感光陣列進行列選通并輸出列讀出信號。

2.如權利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于，所述CMOS感光陣列為四管像素陣列。

3.如權利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于，所述垂直轉(zhuǎn)移信號為四相垂直轉(zhuǎn)移信號，所述水平轉(zhuǎn)移信號為二相水平轉(zhuǎn)移信號。

4.如權利要求3所述的圖像傳感器，其特征在于，所述控制信號轉(zhuǎn)換電路用于將第一控制信號中的一相垂直轉(zhuǎn)移信號、一相水平轉(zhuǎn)移信號、電子快門信號和讀出時鐘信號轉(zhuǎn)換為第二控制信號。

5.如權利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于，所述控制信號轉(zhuǎn)換電路包括：第一檢測單元、第二檢測單元、第一計數(shù)單元、第二計數(shù)單元、行地址獲取單元、第三計數(shù)單元和列地址獲取單元；所述第一檢測單元用于檢測第一控制信號中的電子快門信號，并輸出復位啟動信號；所述第二檢測單元用于檢測第一控制信號中的讀出時鐘信號，并輸出讀出啟動信號；所述第一計數(shù)單元用于接收所述復位啟動信號和讀出啟動信號，并在接收到復位啟動信號之后對垂直轉(zhuǎn)移信號進行計數(shù)以得出第一計數(shù)值，在接收到讀出啟動信號后對垂直轉(zhuǎn)移信號重新計數(shù)；所述第二計數(shù)單元用于在接收到所述讀出啟動信號后對垂直轉(zhuǎn)移信號進行計數(shù)，并得出第二計數(shù)值，在接收到下一個讀出啟動信號后對垂直轉(zhuǎn)移信號重新計數(shù)；所述行地址獲取單元用于接收所述第一計數(shù)值和第二計數(shù)值，并根據(jù)所述第一計數(shù)值輸出行復位控制信號，根據(jù)所述第二計數(shù)值輸出行讀出控制信號；所述第三計數(shù)單元用于在接收到所述讀出啟動信號之后，對水平轉(zhuǎn)移信號進行計數(shù)并得出第三計數(shù)值，并在接收到下一個讀出啟動信號之后對水平轉(zhuǎn)移信號重新計數(shù)；所述列地址獲取單元用于接收所述第三計數(shù)值，并根據(jù)所述第三計數(shù)值輸出列地址信號。

6.如權利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于，所述行選電路為行譯碼器或移位寄存器。

7.如權利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于，所述列選電路為列譯碼器或移位寄存器。

8.如權利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于，所述控制信號轉(zhuǎn)換電路包括：第一檢測單元、第二檢測單元、第一計時單元、第二計時單元、行地址獲取單元、第三計時單元和列地址獲取單元；所述第一檢測單元用于檢測第一控制信號中的電子快門信號，并輸出復位啟動信號；所述第二檢測單元用于檢測第一控制信號中的讀出時鐘信號，并輸出讀出啟動信號；所述第一計時單元用于在接收到復位啟動信號之后檢測垂直轉(zhuǎn)移信號，在檢測到第一個垂直轉(zhuǎn)移信號時輸出第一信號并開始計時，在檢測到第二個垂直轉(zhuǎn)移信號時停止計時以得出第一時間間隔；所述第二計時單元用于在接收到所述讀出啟動信號之后檢測垂直轉(zhuǎn)移信號，并在檢測到第一個垂直轉(zhuǎn)移信號時輸出第二信號；所述行地址獲取單元用于接收所述第一信號、第一時間間隔和第二信號，并根據(jù)所述第一信號和所述第一時間間隔形成行復位控制信號，根據(jù)第二信號和第一時間間隔形成行讀出控制信號；所述第三計時單元用于在接收到所述讀出啟動信號之后檢測水平轉(zhuǎn)移信號，在檢測到第一個水平轉(zhuǎn)移信號后輸出第三信號并開始計時，在檢測到第二個水平轉(zhuǎn)移信號后停止計時以得出第二時間間隔；所述列地址獲取單元用于根據(jù)接收到的第三信號和第二時間間隔形成列地址信號。

9.如權利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于，還包括：模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，用于將所述列選電路輸出的讀出信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

10.一種圖像處理系統(tǒng)，其特征在于，包括權利要求1～9任一項所述的圖像傳感器。

如專利背景中所述，CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器的制作工藝和基本架構都不相同，因此，通常只能從整體上由CMOS圖像傳感器來替代CCD圖像傳感器，而不能實現(xiàn)兼容性的替代。

然而，在某些場合，例如監(jiān)控系統(tǒng)里卻大多采用CCD圖像傳感器，并且由于CCD圖像傳感器采用互補色技術使得其具有了比CMOS圖像傳感器更好的靈敏度。如果用CMOS圖像傳感器整體替代CCD圖像傳感器時，就會使得CCD圖像傳感器的優(yōu)勢喪失。而若仍采用CCD圖像傳感器時，又會受到工藝等其他因素的限制使得其具有較高的成本。

《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》技術方案中可以采用CMOS圖像傳感器作為內(nèi)核，由控制信號轉(zhuǎn)換電路將CCD圖像傳感器的各類驅(qū)動信號轉(zhuǎn)化為適應CMOS圖像傳感器的時序控制信號，而其他的控制，如模擬增益、電流電壓偏置等依舊可以由CMOS圖像傳感器的附屬電路中的寄存器控制?！秷D像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》技術方案實現(xiàn)了CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器的兼容性替代，使得應用更加靈活，在提高了實用性的同時，還有效地降低了成本。

為使《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更為明顯易懂，下面結合附圖對《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》的具體實施方式做詳細的說明。

在以下描述中闡述了具體細節(jié)以便于充分理解《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》。但是《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》能夠以多種不同于在此描述的其它方式來實施，該領域技術人員可以在不違背《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》內(nèi)涵的情況下做類似推廣。因此《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》不受下面公開的具體實施方式的限制。

圖8示出了《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》圖像傳感器的一實施方式的結構示意圖。參考圖8，所述圖像傳感器包括：CMOS感光陣列100、控制信號轉(zhuǎn)換電路200、行選電路300和列選電路400。

所述CMOS感光陣列100，用于將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。在該實施方式中，所述CMOS感光陣列與2012年8之前技術中CMOS圖像傳感器中的感光陣列相類似，其既可以采用2012年8之前技術中四管的像素陣列，也可以采用其他形式的CMOS感光陣列，《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》對此不做限制。

所述控制信號轉(zhuǎn)換電路200，用于將第一控制信號轉(zhuǎn)換為第二控制信號。所述第一控制信號用于驅(qū)動CCD感光陣列的操作，其至少包括：垂直轉(zhuǎn)移信號XV1~XV4、水平轉(zhuǎn)移信號XH1~XH2、電子快門信號XSUB和讀出時鐘信號XSG。所述第二控制信號至少包括：行復位控制信號Ai、行讀出控制信號和列地址信號Aj。

所述行選電路300連接所述控制信號轉(zhuǎn)換電路200，用于根據(jù)所述行復位控制信號Ai產(chǎn)生行復位信號RSTi、TXi和Xi；根據(jù)所述行讀出控制信號Ak產(chǎn)生行讀出信號RSTk、TXk和Xk。所述行復位信號RSTi、TXi和Xi用于控制CMOS感光陣列100中各行的復位操作；所述行讀出信號RSTk、TXk和Xk用于控制CMOS感光陣列100中各行的讀出操作。

需要說明的是，在該實施方式中，所述垂直轉(zhuǎn)移信號包括了CCD圖像傳感器中比較常用的四相的垂直轉(zhuǎn)移信號（XV1~XV4），所述水平轉(zhuǎn)換信號包括了兩相水平轉(zhuǎn)換信號（XH1~XH2），但是其不應限制《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》的包括范圍，《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》同樣適用于其他的CCD控制信號，如三相垂直轉(zhuǎn)換信號或四相水平轉(zhuǎn)換信號。

繼續(xù)參考圖8，所述列選電路400連接所述控制信號轉(zhuǎn)換電路200，并通過檢測位線BL0~BLj連接至所述CMOS感光陣列100。所述列選電路400用于接收第二控制信號中的列地址信號Aj，在所述列地址信號Aj的控制下對CMOS感光陣列100進行列選通并輸出列讀出信號。

該實施方式中的行選電路300可以采用行譯碼器或移位寄存器來實現(xiàn)行操作；所述列選電路400可以采用列譯碼器或移位寄存器來實現(xiàn)列操作。

另外，在該實施方式中，所述圖像傳感器輸出的讀出信號可以是經(jīng)過模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號，也可以是未經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換的模擬信號，《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》對此不做限制。較佳地，由于在CMOS的工藝上較容易將A/D轉(zhuǎn)換器集成在同一芯片上，所以，所述圖像傳感器輸出數(shù)字信號對系統(tǒng)集成更為方便。

當然，該實施方式中的圖像傳感器還可以包括附屬電路，如包括參考電壓電流源、電荷泵和電壓調(diào)節(jié)器等，還可以包括用于控制的寄存器和寄存器通信用的接口（如通常使用的串行接口I2C和SPI等等），以及其他控制邏輯、圖像預處理電路等。這些附屬電路與2012年8月之前的CMOS圖像傳感器中的相應電路相類似，故在此不再贅述。

由前述內(nèi)容可知，傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器是一個主動器件，其曝光時間、模擬增益等參數(shù)存放在其中的控制寄存器中。CMOS感光陣列經(jīng)過曝光時間之后，各行依次被讀出，在讀每行時，行中各像素被依次讀出。當前讀出行和當前讀出像素由行選電路和列選電路決定。行選擇和列選擇的地址或移位寄存器由內(nèi)部時序控制邏輯決定。

具體地，一幀讀出時，幀同步信號（FRAME_VALID）變?yōu)楦唠娖剑钡竭@一幀的讀出完全結束時變?yōu)榈碗娖?。每一行讀出時，一行的有效數(shù)據(jù)輸出期間，行同步信號（LINE_VALID）變?yōu)楦唠娖?，下游的接收端根?jù)幀同步和行同步信號正確地接受圖像數(shù)據(jù)。

在傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器的使用中，控制寄存器由外部經(jīng)過串口寫入。CMOS圖像傳感器一旦開始工作，其控制、時序及地址產(chǎn)生順序都是由內(nèi)部的控制機產(chǎn)生。

而在《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》技術方案的圖像傳感器結構中，傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器作為其內(nèi)核，CMOS感光陣列的時序控制由控制信號轉(zhuǎn)換電路根據(jù)CCD垂直轉(zhuǎn)移信號XV1~XV4、水平轉(zhuǎn)移信號XH1~XH2、電子快門信號XSUB和讀出時鐘信號XSG轉(zhuǎn)化而來，而其他的控制如模擬增益、電流電壓偏置等依舊可以由附屬電路中的寄存器控制，從而實現(xiàn)了CCD圖像傳感器與CMOS圖像傳感器的兼容性替代。

圖9示出了《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》第一控制信號的一種時序示意圖。參考圖9，讀出時鐘信號XSG中相鄰兩個讀出脈沖之間的時間間隔即為一幀（或場）讀出時間。在一幀內(nèi)可能存在著1個、2個或者2個以上的多個電子快門信號XSUB。在CCD中，啟動所述電子快門信號XSUB使得感光二極管中的電子電荷進行垂直溢出。讀出時鐘信號XSG啟動感光二極管到垂直CCD的轉(zhuǎn)移，同時也使得感光二極管被復位。

經(jīng)過控制信號轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換之后，電子快門信號XSUB中的每個復位脈沖都將啟動CMOS感光陣列第1行的復位，若存在多個復位脈沖時，最后一個復位脈沖為有效脈沖，即最后一個復位脈沖將使得之前的復位操作無效，并重新對第1行進行復位。當復位脈沖對CMOS感光陣列的第1行進行復位后，CMOS的行選電路將根據(jù)每一行時間的推移，進行后續(xù)的行復位。

經(jīng)過控制信號轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換之后，讀出時鐘信號XSG中的讀出脈沖啟動第一行的讀出操作，然后根據(jù)每一行時間的推移，進行后續(xù)的行讀出。

其中，上述的每一行時間由CCD的垂直轉(zhuǎn)移信號決定。繼續(xù)參考圖9，在CCD中，垂直轉(zhuǎn)移信號XV1~XV4周期性運作，將每一行的信號逐次轉(zhuǎn)移到水平CCD進行讀出。并且由于四相垂直轉(zhuǎn)移信號在一幀內(nèi)的垂直轉(zhuǎn)移脈沖數(shù)相同，因此，在《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》技術方案的控制信號轉(zhuǎn)換電路中，可以對其中一相垂直轉(zhuǎn)移信號的脈沖數(shù)進行計數(shù)。計數(shù)值用以確定選擇復位行、轉(zhuǎn)移行和讀出行，由CMOS行選電路進行行選擇。

在CCD中，水平轉(zhuǎn)移信號XH1~XH2周期性運作，將每一像素的信號逐次轉(zhuǎn)移到檢測端進行檢測。與垂直轉(zhuǎn)移信號相類似地，CCD中的兩相水平轉(zhuǎn)移信號在一幀內(nèi)的水平轉(zhuǎn)移脈沖數(shù)也相同。因此，《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》技術方案的控制信號轉(zhuǎn)移電路對其中一相水平轉(zhuǎn)移信號的脈沖數(shù)進行計數(shù)。計數(shù)值用以確定選擇讀出像素，因而通過列選電路（如列譯碼器或移位寄存器）譯碼進行列選擇并讀出。

為實現(xiàn)上述控制信號之間的轉(zhuǎn)換，圖10示出了圖8中控制信號轉(zhuǎn)換電路實施例一的示意圖。參考圖10，所述控制信號轉(zhuǎn)換電路可以包括第一檢測單元201、第二檢測單元203、第一計數(shù)單元205、第二計數(shù)單元207、行地址獲取單元209、第三計數(shù)單元211和列地址獲取單元213。

所述第一檢測單元201用于檢測第一控制信號中的電子快門信號XSUB，并輸出復位啟動信號。

所述第二檢測單元203用于檢測第一控制信號中的讀出時鐘信號XSG，并輸出讀出啟動信號。

所述第一計數(shù)單元205連接所述第一檢測單元201和第二檢測單元203，用于接收所述復位啟動信號和讀出啟動信號，在接收到所述復位啟動信號之后對垂直轉(zhuǎn)移信號進行計數(shù)以得出第一計數(shù)值，并在接收到所述讀出啟動信號后對所述垂直轉(zhuǎn)移信號重新計數(shù)。此處重新計數(shù)指的是：在另一幀時間內(nèi)將上一幀時間內(nèi)的計數(shù)值歸零，并重新開始計數(shù)。

具體地，每一幀時間由相鄰的兩個讀出時鐘信號XSG決定，在另一幀時間內(nèi)所述垂直轉(zhuǎn)移信號被重新計數(shù)。在該實施例中，所述第一計數(shù)單元205僅為其中一相垂直轉(zhuǎn)移信號（如XV1）進行計數(shù)。當然，在其他實施例中，也可以對其他垂直轉(zhuǎn)移信號（如XV2~XV4）中的一相進行計數(shù)，《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》對此不做限制。

另外，當存在多個電子快門信號XSUB時，所述第一檢測單元201將輸出多個復位啟動信號，那么所述第一計數(shù)單元205將在多個復位啟動信號的控制下進行多次計數(shù)，直至在最后一個復位啟動信號下輸出有效的第一計數(shù)值。

以一幀時間內(nèi)存在三個電子快門信號XSUB為例，所述第一檢測單元201依次輸出第一次復位啟動信號、第二次復位啟動信號和第三次復位啟動信號。所述第一計數(shù)單元205在接收到第一次復位啟動信號時，對垂直轉(zhuǎn)移信號XV1進行計數(shù)，得出第一次的第一計數(shù)值“1”、“2”、“3”；在得出第一計數(shù)值“3”時，所述第一計數(shù)單元205又接收到第二次復位信號，那么所述第一計數(shù)單元205將重新對垂直轉(zhuǎn)移信號XV1進行計數(shù)，得出第二次的第一計數(shù)值“1”、“2”、“3”、“4”、“5”；此時所述第一計數(shù)單元205接收到第三次復位信號，那么所述第一計數(shù)單元205再次重新對垂直轉(zhuǎn)移信號XV1進行計數(shù)，得出第三次的第一計數(shù)值“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”……。由于在該幀時間內(nèi)沒有接收到另外一個復位啟動信號，因此所述第一計數(shù)單元205得出的第三次的第一計數(shù)值為有效的第一計數(shù)值，前面兩個計數(shù)值無效。

上述第一計數(shù)值“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”……被行地址獲取單元209接收后分別對應形成第一行的行復位控制信號、第二行的行復位控制信號、第三行的行復位控制信號、第四行的行復位控制信號、第五行的行復位控制信號、第六行的行復位控制信號……。上述各行的行復位控制信號構成了行復位控制信號Ai，其中，i=1、2、3、4，……，換句話說，所述行復位控制信號Ai對應于CMOS感光陣列100中第一行至最后一行的行地址。

所述第二計數(shù)單元207連接所述第二檢測單元203，用于接收所述讀出啟動信號，并在接收到所述讀出啟動信號之后對垂直轉(zhuǎn)移信號進行計數(shù)，并得出第二計數(shù)值，在接收到下一個讀出啟動信號之后對垂直轉(zhuǎn)移信號重新進行計數(shù)。

與第一計數(shù)單元205相類似地，所述第二計數(shù)單元207也僅對一幀時間內(nèi)的一相垂直轉(zhuǎn)移信號（如XV1）進行計數(shù)，且每一幀重新計數(shù)。需要說明的是，所述第一計數(shù)單元205和第二計數(shù)單元207可以對同一相垂直轉(zhuǎn)移信號（如XV1）進行計數(shù)，也可以對不同相的垂直轉(zhuǎn)移信號進行計數(shù)，其不應限制《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》的保護范圍。另外，與所述第一計數(shù)值類似地，所述第二計數(shù)單元207生成的第二計數(shù)值分別對應于各行的行讀出控制信號。

所述行地址獲取單元209連接所述第一計數(shù)單元205和第二計數(shù)單元207，用于接收所述第一計數(shù)值和第二計數(shù)值，并在接收到第一計數(shù)值時輸出行復位控制信號Ai，在接收到第二計數(shù)值時輸出行讀出控制信號Ak，其中，k=1、2、3、4、……。

與行復位控制信號Ai類似地，所述行讀出控制信號Ak也包括了CMOS感光陣列100中第一行至最后一行的行讀出控制信號。

所述行選電路300連接所述行地址獲取單元209，用于接收所述行復位控制信號Ai和行讀出控制信號Ak，并根據(jù)所述行復位控制信號Ai輸出行復位信號（如圖10中的RSTi、TXi和Xi），根據(jù)所述行讀出控制信號Ak生成行讀出信號（如圖10中的RSTk、TXk和Xk）。

其中，所述行復位信號用于控制CMOS感光陣列每一行（從第一行至最后一行）的復位操作，所述行讀出信號用于控制CMOS感光陣列每一行（從第一行至最后一行）的讀出操作。

所述行復位信號的時序如圖11所示，所述行讀出信號的時序如圖12所示。具體地，CMOS感光陣列的每一行首先在所述行復位信號控制下逐次進行復位，然后在行讀出信號之前完成曝光操作，最后在所述行讀出信號的控制下完成每一行的讀出操作。

繼續(xù)參考圖10，所述第三計數(shù)單元211用于對一幀時間內(nèi)的水平轉(zhuǎn)移信號（如XH1）進行計數(shù)并得出第三計數(shù)值。所述第三計數(shù)值被發(fā)送至列地址獲取單元213。

所述列地址獲取單元213，用于根據(jù)接收到的第三計數(shù)值得出對CMOS感光陣列100進行操作的列地址信號Aj。所述列地址信號Aj被送至列選電路400進行譯碼，以實現(xiàn)對CMOS感光陣列100中對應的像素的讀出。

具體地，所述第三計數(shù)單元211連接所述第二檢測單元203，用于接收所述讀出啟動信號，并在接收到所述讀出啟動信號后對水平轉(zhuǎn)移信號進行計數(shù)，并在接收到下一個讀出啟動信號后對水平轉(zhuǎn)移信號重新計數(shù)。

在該實施例中，所述第三計數(shù)單元211用于對水平轉(zhuǎn)移信號XH1進行計數(shù)，在其他實施例中，其還可以對其他相的水平轉(zhuǎn)移信號如XH2進行計數(shù)，《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》對此不做限制。

下面再結合圖8~圖12對《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》技術方案的圖像傳感器的工作原理做進一步說明。

參考圖10，在第一時刻t1時，所述第一檢測單元201在對電子快門信號XSUB進行檢測后輸出有效的復位啟動信號；所述第一計數(shù)單元205基于該有效的復位啟動信號對垂直轉(zhuǎn)移信號XV1開始計數(shù)，并獲得第一計數(shù)值“1”、“2”、“3”……；

行地址獲取單元209在接收到上述各個第一計數(shù)值之后，分別對應形成第一行的行復位控制信號、第二行的行復位控制信號、第三行的行復位控制信號……；

行選電路300根據(jù)上述各行的行復位控制信號依次生成第一行的行復位信號、第二行的行復位信號、第三行的行復位信號……；上述各行的行復位信號的時序分別如圖11所示。

參考圖8，CMOS感光陣列100在上述各行的行復位信號控制下從第一行開始進行逐行復位。也就是說，CMOS感光陣列100中的第一行在第一時刻t1時開始復位，第二行在第一行的基礎上順延一個行周期進行復位。具體的行周期由相鄰的兩個垂直轉(zhuǎn)移信號之間的時間間隔決定.....依次類推直至CMOS感光陣列中所有行均實現(xiàn)了復位。

在第二時刻t2時，第二檢測單元203檢測到讀出時鐘信號XSG，并輸出讀出啟動信號；所述第二計數(shù)單元207基于該讀出啟動信號對垂直轉(zhuǎn)移信號XV1進行計數(shù)，并依次輸出第二計數(shù)值“1”、“2”、“3”……；

所述行地址獲取單元209在接收到上述各個第二計數(shù)值時輸出對應輸出第一行的行讀出控制信號、第二行的行讀出控制信號、第三行的行讀出控制信號……；

行選電路300根據(jù)上述各行的行讀出控制信號依次生成第一行的行讀出信號、第二行的行讀出信號、第三行的行讀出信號……；上述各行的行讀出信號的時序如圖12所示。

CMOS感光陣列100在上述各行的行讀出信號控制下從第一行開始進行逐行的讀出。換句話說，CMOS感光陣列100的第一行在第二時刻t2時開始讀出，后續(xù)各行在前一行的基礎上順延一個行周期實現(xiàn)讀出操作。

由上述分析可知，CMOS感光陣列100中的第一行在第一時刻t1時被施加如圖11所示的行復位信號；而在第二時刻t2時被施加如圖12所示的行讀出信號；在第一時刻t1和第二時刻t2之間，第一行處于曝光階段?！秷D像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》中，第一行在復位、曝光以及讀出階段時的時序與圖6所示的時序相同；依次類推，后續(xù)各行的時序與圖6中的時序也相同。

繼續(xù)參考圖10，在第二時刻t2時，第三計數(shù)單元211也接收到讀出啟動信號，因此其開始對水平轉(zhuǎn)移信號XH1進行計數(shù)，并依次輸出第三計數(shù)值“1”、“2”、“3”……；

所述列地址獲取單元213在接收到上述各個第三計數(shù)值后依次輸出第一列的列地址信號、第二列的列地址信號、第三列的列地址信號……；

列選電路400根據(jù)上述各列的列地址信號依次對CMOS感光陣列100中的各列進行選通，并最終輸出列讀出信號。

至此，圖像傳感器就完成了各行和各列的相關操作，并最終輸出一幀圖像。

圖13示出了圖8中控制信號轉(zhuǎn)換電路實施例二的示意圖。參考圖13，所述控制信號轉(zhuǎn)換電路包括：第一檢測單元201、第二檢測單元203、第一計時單元205a、第二計時單元207a、行地址獲取單元209a、第三計時單元211a和列地址獲取單元213a。該實施例與實施例一中的相同之處，在此不再贅述。其與實施例一的不同之處在于：

所述第一計時單元205a連接所述第一檢測單元201，用于在接收到所述復位啟動信號之后檢測垂直轉(zhuǎn)移信號，在檢測到第一個垂直轉(zhuǎn)移信號時輸出第一信號并開始計時，在檢測到第二個垂直轉(zhuǎn)移信號時停止計時以得出第一時間間隔；所述第一信號和第一時間間隔被發(fā)送至所述行地址獲取單元209a。

所述第二計時單元207a連接所述第二檢測單元203，用于在接收到所述讀出啟動信號之后檢測垂直轉(zhuǎn)移信號，并在檢測到第一個垂直轉(zhuǎn)移信號時輸出第二信號；所述第二信號被發(fā)送至行地址獲取單元209a。

所述行地址獲取單元209a連接所述第一計時單元205a和第二計時單元207a，用于接收所述第一信號、第一時間間隔和第二信號，并根據(jù)所述第一信號和所述第一時間間隔形成行復位控制信號Ai，根據(jù)所述第二信號和所述第一時間間隔形成行讀出控制信號Ak。

與實施例一中類似地，行選電路300在接收到所述行復位控制信號Ai和行讀出控制信號Ak后，分別對應輸出行復位信號RSTi、TXi和Xi和行讀出信號RSTk、TXk和Xk。所述行復位信號的時序如圖11所示；行讀出信號的時序如圖12所示。

具體地，在該實施例中，所述第一信號用于啟動第一行的復位操作，因此，其對應于行復位控制信號Ai中的第一行的行復位控制信號；而后續(xù)第二行的行復位控制信號可由第一行的復位控制信號順延第一時間間隔得出，第三行的行復位控制信號由第二行的行復位控制信號順延第一時間間隔得出，依次類推即可得出行復位控制信號Ai。

與此相類似地，所述第二信號用于啟動第一行的讀出操作，因此，其對應于行讀出控制信號Ak中的第一行的行讀出控制信號；行讀出控制信號Ak中后續(xù)各行的行地址可在其前一行的行讀出控制信號基礎上依次順延第一時間間隔得出。

該領域技術人員應當理解的是，在其他實施例中，還可以由所述第二計時單元207a得出所述第一時間間隔，而所述第一計時單元205a僅輸出第一信號，《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》對此不做限制。

所述第三計時單元211a連接所述第二檢測單元203，用于接收到所述讀出啟動信號后檢測水平轉(zhuǎn)移信號，在檢測到第一個水平轉(zhuǎn)移信號后輸出第三信號并開始計時，在檢測到第二個水平轉(zhuǎn)移信號后停止計時以得出第二時間間隔。所述第三信號和第二時間間隔被發(fā)送至列地址獲取單元213a。

所述列地址獲取單元213a連接所述第三計時單元211a，用于根據(jù)所述第三信號和第二時間間隔形成列地址信號Aj。

具體地，所述第三信號用于啟動第一列的讀出操作，因此其對應于第一列的列地址信號，第二列的列地址信號可在所述第一列的列地址信號的基礎上順延第二時間間隔形成，第三列的列地址信號又可以第二列的列地址信號基礎上順延第二時間間隔，依次類推形成所述列地址信號Aj。

所述列選電路400的結構與工作原理與實施例一中的相類似，故在此不再贅述。

《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》還提供了一種圖像處理系統(tǒng)，所述圖像處理系統(tǒng)包括上述任意一種圖像傳感器，在此不再贅述。

綜上，《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》技術方案中包括控制信號轉(zhuǎn)換電路，所述控制信號轉(zhuǎn)換電路將控制CCD圖像傳感器的第一控制信號轉(zhuǎn)換為第二控制信號；行選電路根據(jù)第二控制信號中的行復位控制信號和行讀出控制信號生成行復位信號和行讀出信號，用以控制CMOS感光陣列中各行的復位和讀出操作；列選電路根據(jù)第一控制信號中的列地址信號實現(xiàn)對CMOS感光陣列中各列的選通和讀出操作。通過上述控制信號的轉(zhuǎn)換即可使得CMOS圖像傳感器適用于CCD系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)了CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器的兼容性替代。

在具體應用中，例如在CCD占據(jù)多數(shù)份額的監(jiān)控系統(tǒng)中，《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》技術方案的圖像傳感器由于采用了CMOS圖像傳感器的內(nèi)核，因此，可以有效地降低成本，并且由于該圖像傳感器可以與CCD監(jiān)控系統(tǒng)中適應（匹配），因此其又具備CCD系統(tǒng)的優(yōu)勢，有效地提高了系統(tǒng)的實用性。

2018年12月20日，《圖像傳感器及圖像處理系統(tǒng)》獲得第二十屆中國專利優(yōu)秀獎。