圖像感測器及圖像處理系統

《圖像感測器及圖像處理系統》是崑山銳芯微電子有限公司於2012年8月3日申請的專利，該專利的申請號為2012102751241，公布號為CN102833497A，授權公布日為2012年12月19日，發明人是羅文哲、郝秀傑、董德興。

《圖像感測器及圖像處理系統》所述圖像感測器包括：CMOS感光陣列，用於將光信號轉換為電信號；控制信號轉換電路，用於將驅動CCD感光陣列操作的第一控制信號轉換為第二控制信號；所述第一控制信號至少包括垂直轉移信號、水平轉移信號、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；行選電路，用於根據所述行復位控制信號生成行復位信號，根據所述行讀出控制信號生成行讀出信號；列選電路，用於在所述列地址信號的控制下對CMOS感光陣列進行列選通並輸出列讀出信號。該發明技術方案實現了CCD圖像感測器與CMOS圖像感測器的兼容性替代。

2018年12月20日，《圖像感測器及圖像處理系統》獲得第二十屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《圖像感測器及圖像處理系統》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：圖像感測器及圖像處理系統
• 公布號：CN102833497A
• 授權日：2012年12月19日
• 申請號：2012102751241
• 申請日：2012年8月3日
• 申請人：崑山銳芯微電子有限公司
• 地址：江蘇省蘇州市崑山市開發區偉業路18號現代廣場A座508-511室
• 發明人：羅文哲、郝秀傑、董德興
• Int.Cl.：H04N5/369(2011.01)I; H04N5/378(2011.01)I
• 代理機構：北京集佳智慧財產權代理有限公司
• 代理人：駱蘇華
• 類別：發明專利

專利背景

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

雖然CCD圖像感測器和CMOS圖像感測器均是以感光二極體來實現光電轉換的，但是它們具有不同的製作工藝和架構。完成光電轉換之後，CCD圖像感測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化為電壓，通過放大驅動以及解碼選擇，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圖像感測器是一個被動器件，外部提供橫向和豎向CCD驅動信號以及電子快門信號，然後在CCD信號輸出端接收圖像信號。而通常的CMOS圖像感測器是一個主動器件，外部只要通過串列接口（通常為I2C或者SPI）設定曝光時間、放大器增益等參數，CMOS圖像感測器就會在曝光時間完成後輸出圖像信號，伴隨圖像信號有指示圖像信號開始和結束的同步信號，使得下游的晶片可以正確的接收和理解圖像。

CCD圖像感測器可分為線陣CCD和面陣CCD，其中面陣CCD的套用更為廣泛。

參考圖1，面陣CCD圖像感測器包括攝影區域10，在攝影區域10中包括多個成行列排布的像素單元20，各像素單元20包括光電二極體23和電極24組成。

圖2~圖4示出了圖1所示面陣CCD圖像感測器工作時所需的各類驅動信號；具體地，圖2示出CCD垂直驅動信號，圖3示出了CCD水平驅動信號，圖4示出了CCD讀出驅動信號。

圖1所示面陣CCD圖像感測器的工作過程為：

（1）曝光：在光電二極體23中進行光電轉換，將光轉化為光電荷（e）並進行儲存。具體地可參考圖1中所示的S1，S1指的是光電轉換電荷的儲存。其中，光電荷的多少正比於光強。

（2）轉移：首先參考圖1中的S21（垂直轉移），在圖2所示的CCD垂直驅動信號的控制下，光電荷轉移到相鄰的垂直CCD21中以完成垂直轉移；然後參考圖1中的S22（水平轉移），即在圖3所示的CCD水平驅動信號的控制下，光電荷被轉移到水平CCD22中。電荷包在垂直CCD21和水平CCD22中進行轉移，依賴於CCD電極上所加的交變脈衝電壓和，這些交變脈衝電壓形成相互隔離的移動電勢阱，對光電荷進行移動。

（3）讀出：水平CCD22的末端連線檢測電路，把水平CCD22傳輸過來的電荷包轉換成電壓信號並進行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，用於在驅動信號的控制下讀出信號Vout。具體地，如圖4所示，CCD信號輸出電壓波形如VFD所示，其中，A為基準電壓，B為信號電壓，這兩者之間的差值即為該像素的亮度信息。

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，通過行解碼器進行解碼後，分別得到各行的復位信號（RST₀~RST_i），轉移信號（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體產生光電荷之後，在像素內部轉化為電壓，並按照行選輸出到檢測位線（BL₀~BL_j）。所有列的位線連線到列解碼及量化模組，進行量化、列選和依次輸出Dout，列選通由列地址ay解碼得到。

圖6示出了圖5所示CMOS圖像感測器的工作時序圖。通常CMOS圖像感測器以行的方式工作，即每一行先進行復位，然後進行曝光，最後進行讀出。

參考圖6，以第一行為例，R（1）表示曝光開始前的復位，然後經過曝光時間，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後移了一個行時間，第三行再在第二行的基礎上後移一個行時間。

具體地，當第一行進行復位操作時，其復位信號RST1、轉移信號TX1和讀出選通信號X1的時序如圖6中的1A所示；當第一行進行讀出操作時，其復位信號RST1、轉移信號TX1和讀出選通信號X1的時序如圖6中的1B所示。

繼續參考圖6，第二行的復位信號RST2、轉移信號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採樣（CDS）過程和模數（ADC）轉化過程。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表示檢測點復位後採樣復位電平，TX表示電荷轉移到檢測點，SHS表示電荷轉移後採樣信號電平。兩次採樣所得電平的差值表示了經過CDS之後的信號。此後是對每一個像素信號的量化讀出過程。通過列解碼，對一行內像素的信號電平分別進行量化和讀出。

由上可以看出，CCD圖像感測器與CMOS圖像感測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。由於CMOS圖像感測器技術的巨大進步，在很多套用場合，CMOS圖像感測器代替了CCD圖像感測器，但是這種替代限於整體上的替代，而不是兼容性的替代。然而，在某些場合，CCD圖像感測器的套用環境以及CCD圖像處理系統得到了充分的最佳化，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圖像感測器。

發明內容

專利目的

《圖像感測器及圖像處理系統》解決的問題是如何在CMOS圖像感測器的基礎上有效地兼容CCD圖像感測器的電學信號。

技術方案

《圖像感測器及圖像處理系統》提供一種圖像感測器，包括：CMOS感光陣列、行選電路、列選電路和控制信號轉換電路；

所述CMOS感光陣列用於將光信號轉換為電信號；

所述控制信號轉換電路用於將驅動CCD感光陣列操作的第一控制信號轉換為第二控制信號；所述第一控制信號至少包括垂直轉移信號、水平轉移信號、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；

所述行選電路用於接收所述行復位控制信號和行讀出控制信號，並根據所述行復位控制信號生成行復位信號，根據所述行讀出控制信號生成行讀出信號；其中，所述行復位信號用於控制CMOS感光陣列中各行的復位操作，所述行讀出信號用於控制CMOS感光陣列中各行的讀出操作；

所述列選電路用於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並輸出列讀出信號。

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

所述第一檢測單元用於檢測第一控制信號中的電子快門信號，並輸出復位啟動信號；

所述第二檢測單元用於檢測第一控制信號中的讀出時鐘信號，並輸出讀出啟動信號；

所述第一計數單元用於接收所述復位啟動信號和讀出啟動信號，並在接收到復位啟動信號之後對垂直轉移信號進行計數以得出第一計數值，在接收到讀出啟動信號後對垂直轉移信號重新計數；

所述第二計數單元用於在接收到所述讀出啟動信號後對垂直轉移信號進行計數，並得出第二計數值，在接收到下一個讀出啟動信號後對垂直轉移信號重新計數；

所述行地址獲取單元用於接收所述第一計數值和第二計數值，並根據所述第一計數值輸出行復位控制信號，根據第二計數值輸出行讀出控制信號；

所述第三計數單元用於在接收到所述讀出啟動信號之後，對水平轉移信號進行計數並得出第三計數值，並在接收到下一個讀出啟動信號之後對水平轉移信號重新計數；

所述列地址獲取單元用於接收所述第三計數值，並根據所述第三計數值輸出列地址信號。

可選地，所述控制信號轉換電路包括：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於檢測第一控制信號中的電子快門信號，並輸出復位啟動信號；

所述第二檢測單元用於檢測第一控制信號中的讀出時鐘信號，並輸出讀出啟動信號；

所述第一計時單元用於在接收到復位啟動信號之後檢測垂直轉移信號，在檢測到第一個垂直轉移信號時輸出第一信號並開始計時，在檢測到第二個垂直轉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於在接收到所述讀出啟動信號之後檢測垂直轉移信號，並在檢測到第一個垂直轉移信號時輸出第二信號；

所述行地址獲取單元用於接收所述第一信號、第一時間間隔和第二信號，並根據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於在接收到所述讀出啟動信號之後檢測水平轉移信號，在檢測到第一個水平轉移信號後輸出第三信號並開始計時，在檢測到第二個水平轉移信號後停止計時以得出第二時間間隔；

所述列地址獲取單元用於根據接收到的第三信號和第二時間間隔形成列地址信號。

《圖像感測器及圖像處理系統》還提供一種圖像處理系統，包括上述任一項的圖像感測器。

專利優點

《圖像感測器及圖像處理系統》技術方案的圖像感測器以CMOS圖像感測器為核心，並通過控制信號轉換電路將驅動CCD圖像感測器的第一控制信號轉換為第二控制信號；行選電路和列選電路根據所述第二控制信號生成用於控制CMOS感光陣列操作的信號。通過上述控制信號的轉換使得CMOS圖像感測器可以適用於CCD圖像處理系統中，因此實現了CCD圖像感測器與CMOS圖像感測器的兼容性替代。

與CCD圖像感測器相比，CMOS圖像感測器具有低成本等優勢，因此，降低了《圖像感測器及圖像處理系統》技術方案中圖像感測器和圖像處理系統的成本。另外，由於該圖像感測器可以直接適用於CCD圖像處理系統中，因此，也提高了其實用性。

附圖說明

圖1是2012年8之前技術中面陣CCD圖像感測器一實施例的示意圖；

圖2是圖1所示面陣CCD圖像感測器的CCD垂直驅動信號示意圖；

圖3是圖1所示面陣CCD圖像感測器的CCD水平驅動信號示意圖；

圖4是圖1所示面陣CCD圖像感測器的CCD讀出驅動信號示意圖；

圖5是2012年8之前技術中CMOS圖像感測器的一實施方式的示意圖；

圖6是圖5所示CMOS圖像感測器的工作時序圖；

圖7是2012年8之前技術中CMOS圖像感測器CDS過程的示意圖；

圖8是《圖像感測器及圖像處理系統》圖像感測器的一實施方式的結構示意圖；

圖9是《圖像感測器及圖像處理系統》圖像感測器中第一控制信號的一種時序示意圖；

圖10是《圖像感測器及圖像處理系統》圖像感測器中控制信號轉換電路實施例一的示意圖；

圖11是《圖像感測器及圖像處理系統》圖像感測器中行復位信號的時序示意圖；

圖12是《圖像感測器及圖像處理系統》圖像感測器中行讀出信號的時序示意圖；

圖13是《圖像感測器及圖像處理系統》圖像感測器中控制信號轉換電路實施例二的示意圖。

技術領域

《圖像感測器及圖像處理系統》涉圖像感測器技術領域，特別涉及一種圖像感測器及圖像處理系統。

權利要求

1.一種圖像感測器，包括CMOS感光陣列、行選電路和列選電路，其特徵在於，還包括控制信號轉換電路；所述CMOS感光陣列用於將光信號轉換為電信號；所述控制信號轉換電路用於將驅動CCD感光陣列操作的第一控制信號轉換為第二控制信號；所述第一控制信號至少包括垂直轉移信號、水平轉移信號、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；所述行選電路用於接收所述行復位控制信號和行讀出控制信號，並根據所述行復位控制信號生成行復位信號，根據所述行讀出控制信號生成行讀出信號；其中，所述行復位信號用於控制CMOS感光陣列中各行的復位操作，所述行讀出信號用於控制CMOS感光陣列中各行的讀出操作；所述列選電路用於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並輸出列讀出信號。

2.如權利要求1所述的圖像感測器，其特徵在於，所述CMOS感光陣列為四管像素陣列。

3.如權利要求1所述的圖像感測器，其特徵在於，所述垂直轉移信號為四相垂直轉移信號，所述水平轉移信號為二相水平轉移信號。

4.如權利要求3所述的圖像感測器，其特徵在於，所述控制信號轉換電路用於將第一控制信號中的一相垂直轉移信號、一相水平轉移信號、電子快門信號和讀出時鐘信號轉換為第二控制信號。

5.如權利要求1所述的圖像感測器，其特徵在於，所述控制信號轉換電路包括：第一檢測單元、第二檢測單元、第一計數單元、第二計數單元、行地址獲取單元、第三計數單元和列地址獲取單元；所述第一檢測單元用於檢測第一控制信號中的電子快門信號，並輸出復位啟動信號；所述第二檢測單元用於檢測第一控制信號中的讀出時鐘信號，並輸出讀出啟動信號；所述第一計數單元用於接收所述復位啟動信號和讀出啟動信號，並在接收到復位啟動信號之後對垂直轉移信號進行計數以得出第一計數值，在接收到讀出啟動信號後對垂直轉移信號重新計數；所述第二計數單元用於在接收到所述讀出啟動信號後對垂直轉移信號進行計數，並得出第二計數值，在接收到下一個讀出啟動信號後對垂直轉移信號重新計數；所述行地址獲取單元用於接收所述第一計數值和第二計數值，並根據所述第一計數值輸出行復位控制信號，根據所述第二計數值輸出行讀出控制信號；所述第三計數單元用於在接收到所述讀出啟動信號之後，對水平轉移信號進行計數並得出第三計數值，並在接收到下一個讀出啟動信號之後對水平轉移信號重新計數；所述列地址獲取單元用於接收所述第三計數值，並根據所述第三計數值輸出列地址信號。

6.如權利要求1所述的圖像感測器，其特徵在於，所述行選電路為行解碼器或移位暫存器。

7.如權利要求1所述的圖像感測器，其特徵在於，所述列選電路為列解碼器或移位暫存器。

8.如權利要求1所述的圖像感測器，其特徵在於，所述控制信號轉換電路包括：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於檢測第一控制信號中的電子快門信號，並輸出復位啟動信號；所述第二檢測單元用於檢測第一控制信號中的讀出時鐘信號，並輸出讀出啟動信號；所述第一計時單元用於在接收到復位啟動信號之後檢測垂直轉移信號，在檢測到第一個垂直轉移信號時輸出第一信號並開始計時，在檢測到第二個垂直轉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於在接收到所述讀出啟動信號之後檢測垂直轉移信號，並在檢測到第一個垂直轉移信號時輸出第二信號；所述行地址獲取單元用於接收所述第一信號、第一時間間隔和第二信號，並根據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於在接收到所述讀出啟動信號之後檢測水平轉移信號，在檢測到第一個水平轉移信號後輸出第三信號並開始計時，在檢測到第二個水平轉移信號後停止計時以得出第二時間間隔；所述列地址獲取單元用於根據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所述的圖像感測器，其特徵在於，還包括：模數轉換電路，用於將所述列選電路輸出的讀出信號轉換為數位訊號。

10.一種圖像處理系統，其特徵在於，包括權利要求1～9任一項所述的圖像感測器。

實施方式

如專利背景中所述，CCD圖像感測器和CMOS圖像感測器的製作工藝和基本架構都不相同，因此，通常只能從整體上由CMOS圖像感測器來替代CCD圖像感測器，而不能實現兼容性的替代。

然而，在某些場合，例如監控系統里卻大多採用CCD圖像感測器，並且由於CCD圖像感測器採用互補色技術使得其具有了比CMOS圖像感測器更好的靈敏度。如果用CMOS圖像感測器整體替代CCD圖像感測器時，就會使得CCD圖像感測器的優勢喪失。而若仍採用CCD圖像感測器時，又會受到工藝等其他因素的限制使得其具有較高的成本。

《圖像感測器及圖像處理系統》技術方案中可以採用CMOS圖像感測器作為核心，由控制信號轉換電路將CCD圖像感測器的各類驅動信號轉化為適應CMOS圖像感測器的時序控制信號，而其他的控制，如模擬增益、電流電壓偏置等依舊可以由CMOS圖像感測器的附屬電路中的暫存器控制。《圖像感測器及圖像處理系統》技術方案實現了CCD圖像感測器和CMOS圖像感測器的兼容性替代，使得套用更加靈活，在提高了實用性的同時，還有效地降低了成本。

為使《圖像感測器及圖像處理系統》的上述目的、特徵和優點能夠更為明顯易懂，下面結合附圖對《圖像感測器及圖像處理系統》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以便於充分理解《圖像感測器及圖像處理系統》。但是《圖像感測器及圖像處理系統》能夠以多種不同於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《圖像感測器及圖像處理系統》內涵的情況下做類似推廣。因此《圖像感測器及圖像處理系統》不受下面公開的具體實施方式的限制。

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

所述CMOS感光陣列100，用於將光信號轉換為電信號。在該實施方式中，所述CMOS感光陣列與2012年8之前技術中CMOS圖像感測器中的感光陣列相類似，其既可以採用2012年8之前技術中四管的像素陣列，也可以採用其他形式的CMOS感光陣列，《圖像感測器及圖像處理系統》對此不做限制。

所述控制信號轉換電路200，用於將第一控制信號轉換為第二控制信號。所述第一控制信號用於驅動CCD感光陣列的操作，其至少包括：垂直轉移信號XV1~XV4、水平轉移信號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連線所述控制信號轉換電路200，用於根據所述行復位控制信號Ai產生行復位信號RSTi、TXi和Xi；根據所述行讀出控制信號Ak產生行讀出信號RSTk、TXk和Xk。所述行復位信號RSTi、TXi和Xi用於控制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用於控制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，所述垂直轉移信號包括了CCD圖像感測器中比較常用的四相的垂直轉移信號（XV1~XV4），所述水平轉換信號包括了兩相水平轉換信號（XH1~XH2），但是其不應限制《圖像感測器及圖像處理系統》的包括範圍，《圖像感測器及圖像處理系統》同樣適用於其他的CCD控制信號，如三相垂直轉換信號或四相水平轉換信號。

繼續參考圖8，所述列選電路400連線所述控制信號轉換電路200，並通過檢測位線BL0~BLj連線至所述CMOS感光陣列100。所述列選電路400用於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進行列選通並輸出列讀出信號。

該實施方式中的行選電路300可以採用行解碼器或移位暫存器來實現行操作；所述列選電路400可以採用列解碼器或移位暫存器來實現列操作。

另外，在該實施方式中，所述圖像感測器輸出的讀出信號可以是經過模/數（A/D）轉換的數位訊號，也可以是未經A/D轉換的模擬信號，《圖像感測器及圖像處理系統》對此不做限制。較佳地，由於在CMOS的工藝上較容易將A/D轉換器集成在同一晶片上，所以，所述圖像感測器輸出數位訊號對系統集成更為方便。

當然，該實施方式中的圖像感測器還可以包括附屬電路，如包括參考電壓電流源、電荷泵和電壓調節器等，還可以包括用於控制的暫存器和暫存器通信用的接口（如通常使用的串列接口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圖像感測器中的相應電路相類似，故在此不再贅述。

由前述內容可知，傳統的CMOS圖像感測器是一個主動器件，其曝光時間、模擬增益等參數存放在其中的控制暫存器中。CMOS感光陣列經過曝光時間之後，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暫存器由內部時序控制邏輯決定。

具體地，一幀讀出時，幀同步信號（FRAME_VALID）變為高電平，直到這一幀的讀出完全結束時變為低電平。每一行讀出時，一行的有效數據輸出期間，行同步信號（LINE_VALID）變為高電平，下游的接收端根據幀同步和行同步信號正確地接受圖像數據。

在傳統的CMOS圖像感測器的使用中，控制暫存器由外部經過串口寫入。CMOS圖像感測器一旦開始工作，其控制、時序及地址產生順序都是由內部的控制機產生。

而在《圖像感測器及圖像處理系統》技術方案的圖像感測器結構中，傳統的CMOS圖像感測器作為其核心，CMOS感光陣列的時序控制由控制信號轉換電路根據CCD垂直轉移信號XV1~XV4、水平轉移信號XH1~XH2、電子快門信號XSUB和讀出時鐘信號XSG轉化而來，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暫存器控制，從而實現了CCD圖像感測器與CMOS圖像感測器的兼容性替代。

圖9示出了《圖像感測器及圖像處理系統》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中相鄰兩個讀出脈衝之間的時間間隔即為一幀（或場）讀出時間。在一幀內可能存在著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使得感光二極體中的電子電荷進行垂直溢出。讀出時鐘信號XSG啟動感光二極體到垂直CCD的轉移，同時也使得感光二極體被復位。

經過控制信號轉換電路轉換之後，電子快門信號XSUB中的每個復位脈衝都將啟動CMOS感光陣列第1行的復位，若存在多個復位脈衝時，最後一個復位脈衝為有效脈衝，即最後一個復位脈衝將使得之前的復位操作無效，並重新對第1行進行復位。當復位脈衝對CMOS感光陣列的第1行進行復位後，CMOS的行選電路將根據每一行時間的推移，進行後續的行復位。

經過控制信號轉換電路轉換之後，讀出時鐘信號XSG中的讀出脈衝啟動第一行的讀出操作，然後根據每一行時間的推移，進行後續的行讀出。

其中，上述的每一行時間由CCD的垂直轉移信號決定。繼續參考圖9，在CCD中，垂直轉移信號XV1~XV4周期性運作，將每一行的信號逐次轉移到水平CCD進行讀出。並且由於四相垂直轉移信號在一幀內的垂直轉移脈衝數相同，因此，在《圖像感測器及圖像處理系統》技術方案的控制信號轉換電路中，可以對其中一相垂直轉移信號的脈衝數進行計數。計數值用以確定選擇復位行、轉移行和讀出行，由CMOS行選電路進行行選擇。

在CCD中，水平轉移信號XH1~XH2周期性運作，將每一像素的信號逐次轉移到檢測端進行檢測。與垂直轉移信號相類似地，CCD中的兩相水平轉移信號在一幀內的水平轉移脈衝數也相同。因此，《圖像感測器及圖像處理系統》技術方案的控制信號轉移電路對其中一相水平轉移信號的脈衝數進行計數。計數值用以確定選擇讀出像素，因而通過列選電路（如列解碼器或移位暫存器）解碼進行列選擇並讀出。

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

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

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

所述第一計數單元205連線所述第一檢測單元201和第二檢測單元203，用於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後對垂直轉移信號進行計數以得出第一計數值，並在接收到所述讀出啟動信號後對所述垂直轉移信號重新計數。此處重新計數指的是：在另一幀時間內將上一幀時間內的計數值歸零，並重新開始計數。

具體地，每一幀時間由相鄰的兩個讀出時鐘信號XSG決定，在另一幀時間內所述垂直轉移信號被重新計數。在該實施例中，所述第一計數單元205僅為其中一相垂直轉移信號（如XV1）進行計數。當然，在其他實施例中，也可以對其他垂直轉移信號（如XV2~XV4）中的一相進行計數，《圖像感測器及圖像處理系統》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，那么所述第一計數單元205將在多個復位啟動信號的控制下進行多次計數，直至在最後一個復位啟動信號下輸出有效的第一計數值。

以一幀時間記憶體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。所述第一計數單元205在接收到第一次復位啟動信號時，對垂直轉移信號XV1進行計數，得出第一次的第一計數值“1”、“2”、“3”；在得出第一計數值“3”時，所述第一計數單元205又接收到第二次復位信號，那么所述第一計數單元205將重新對垂直轉移信號XV1進行計數，得出第二次的第一計數值“1”、“2”、“3”、“4”、“5”；此時所述第一計數單元205接收到第三次復位信號，那么所述第一計數單元205再次重新對垂直轉移信號XV1進行計數，得出第三次的第一計數值“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”……。由於在該幀時間內沒有接收到另外一個復位啟動信號，因此所述第一計數單元205得出的第三次的第一計數值為有效的第一計數值，前面兩個計數值無效。

上述第一計數值“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”……被行地址獲取單元209接收後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對應於CMOS感光陣列100中第一行至最後一行的行地址。

所述第二計數單元207連線所述第二檢測單元203，用於接收所述讀出啟動信號，並在接收到所述讀出啟動信號之後對垂直轉移信號進行計數，並得出第二計數值，在接收到下一個讀出啟動信號之後對垂直轉移信號重新進行計數。

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

所述行地址獲取單元209連線所述第一計數單元205和第二計數單元207，用於接收所述第一計數值和第二計數值，並在接收到第一計數值時輸出行復位控制信號Ai，在接收到第二計數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中第一行至最後一行的行讀出控制信號。

所述行選電路300連線所述行地址獲取單元209，用於接收所述行復位控制信號Ai和行讀出控制信號Ak，並根據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，所述行復位信號用於控制CMOS感光陣列每一行（從第一行至最後一行）的復位操作，所述行讀出信號用於控制CMOS感光陣列每一行（從第一行至最後一行）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，然後在行讀出信號之前完成曝光操作，最後在所述行讀出信號的控制下完成每一行的讀出操作。

繼續參考圖10，所述第三計數單元211用於對一幀時間內的水平轉移信號（如XH1）進行計數並得出第三計數值。所述第三計數值被傳送至列地址獲取單元213。

所述列地址獲取單元213，用於根據接收到的第三計數值得出對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進行解碼，以實現對CMOS感光陣列100中對應的像素的讀出。

具體地，所述第三計數單元211連線所述第二檢測單元203，用於接收所述讀出啟動信號，並在接收到所述讀出啟動信號後對水平轉移信號進行計數，並在接收到下一個讀出啟動信號後對水平轉移信號重新計數。

在該實施例中，所述第三計數單元211用於對水平轉移信號XH1進行計數，在其他實施例中，其還可以對其他相的水平轉移信號如XH2進行計數，《圖像感測器及圖像處理系統》對此不做限制。

下面再結合圖8~圖12對《圖像感測器及圖像處理系統》技術方案的圖像感測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進行檢測後輸出有效的復位啟動信號；所述第一計數單元205基於該有效的復位啟動信號對垂直轉移信號XV1開始計數，並獲得第一計數值“1”、“2”、“3”……；

行地址獲取單元209在接收到上述各個第一計數值之後，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，並輸出讀出啟動信號；所述第二計數單元207基於該讀出啟動信號對垂直轉移信號XV1進行計數，並依次輸出第二計數值“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，後續各行在前一行的基礎上順延一個行周期實現讀出操作。

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，第一行處於曝光階段。《圖像感測器及圖像處理系統》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，後續各行的時序與圖6中的時序也相同。

繼續參考圖10，在第二時刻t2時，第三計數單元211也接收到讀出啟動信號，因此其開始對水平轉移信號XH1進行計數，並依次輸出第三計數值“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值後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，並最終輸出列讀出信號。

至此，圖像感測器就完成了各行和各列的相關操作，並最終輸出一幀圖像。

圖13示出了圖8中控制信號轉換電路實施例二的示意圖。參考圖13，所述控制信號轉換電路包括：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於：

所述第一計時單元205a連線所述第一檢測單元201，用於在接收到所述復位啟動信號之後檢測垂直轉移信號，在檢測到第一個垂直轉移信號時輸出第一信號並開始計時，在檢測到第二個垂直轉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傳送至所述行地址獲取單元209a。

所述第二計時單元207a連線所述第二檢測單元203，用於在接收到所述讀出啟動信號之後檢測垂直轉移信號，並在檢測到第一個垂直轉移信號時輸出第二信號；所述第二信號被傳送至行地址獲取單元209a。

所述行地址獲取單元209a連線所述第一計時單元205a和第二計時單元207a，用於接收所述第一信號、第一時間間隔和第二信號，並根據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後，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，所述第一信號用於啟動第一行的復位操作，因此，其對應於行復位控制信號Ai中的第一行的行復位控制信號；而後續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，所述第二信號用於啟動第一行的讀出操作，因此，其對應於行讀出控制信號Ak中的第一行的行讀出控制信號；行讀出控制信號Ak中後續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，《圖像感測器及圖像處理系統》對此不做限制。

所述第三計時單元211a連線所述第二檢測單元203，用於接收到所述讀出啟動信號後檢測水平轉移信號，在檢測到第一個水平轉移信號後輸出第三信號並開始計時，在檢測到第二個水平轉移信號後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傳送至列地址獲取單元213a。

所述列地址獲取單元213a連線所述第三計時單元211a，用於根據所述第三信號和第二時間間隔形成列地址信號Aj。

具體地，所述第三信號用於啟動第一列的讀出操作，因此其對應於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。

《圖像感測器及圖像處理系統》還提供了一種圖像處理系統，所述圖像處理系統包括上述任意一種圖像感測器，在此不再贅述。

綜上，《圖像感測器及圖像處理系統》技術方案中包括控制信號轉換電路，所述控制信號轉換電路將控制CCD圖像感測器的第一控制信號轉換為第二控制信號；行選電路根據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；列選電路根據第一控制信號中的列地址信號實現對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換即可使得CMOS圖像感測器適用於CCD系統中，從而實現了CCD圖像感測器和CMOS圖像感測器的兼容性替代。

在具體套用中，例如在CCD占據多數份額的監控系統中，《圖像感測器及圖像處理系統》技術方案的圖像感測器由於採用了CMOS圖像感測器的核心，因此，可以有效地降低成本，並且由於該圖像感測器可以與CCD監控系統中適應（匹配），因此其又具備CCD系統的優勢，有效地提高了系統的實用性。

榮譽表彰

2018年12月20日，《圖像感測器及圖像處理系統》獲得第二十屆中國專利優秀獎。