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摘要：CMOS图像传感器设计，可以通过编程方式获得动态像素分辨率。在普通模式下，作为典型的图像传感器获得全帧图像数据; 在合并模式下，将传感器像素阵列分为特定子模块并且合并读出，同时获得更高的帧频，子模块的规格可通过编程进行定义。
关键词：CMOS有源像素传感器（APS）;像素合并;可编程多分辨率;动态帧频;低功耗
引言
近年来，CMOS图像传感器的性能不断提高，已广泛应用于各类科学成像，如遥感、高速摄影、光谱成像等。这类特殊应用的具体需求比较灵活，有时需要获取高分辨率的图像，有时则必须保证高帧频工作，对分辨率要求不高。为解决这一问题，对以往的电荷耦合器件（CCD）图像传感器开发了像素合并功能，可以将相邻几个像素的信号合而为一，作为一个像素读出。这样，在需要高帧频的场合，可以用该方法牺牲系统分辨率，有效减少读出次数，降低读出时间，从而提高帧频。本文提出了一种可以通过编程方式获得动态像素分辨率的CMOS图像传感器设计，非常适合目标跟踪、数据压缩、图像识别等一些特殊的应用场景。
1 获取-跟踪双段工作模式
采用这种工作方式与普通的图像传感器相比，仅需要调整控制时序就可以避免探测器将功耗、分辨率和帧频浪费在除目标外的背景部分，从而兼顾探测器的帧频、分辨率和功耗的性能设计。实现多分辨率探测器的最简单方法是对整个像素阵列进行有选择的输出，例如对像素阵列隔4行和4列读出一次就可以将探测器的数据读出量降低至1 /16，但是显而易见这种方法会带来混叠效应。 本文的研究目标是通过将特定区域中像素的读出电压进行合并计算的方式实现多精度图像的获取，从而避免混叠效应的产生。合并读出方式如图2所示，对于一个M行、N列的图像传感器，进行 p×q 像素合并，最终输出 m×n 规模的图像，满足p×m =M，q×n =N，p<1，q>1，p≤q。本文中可实现多分辨率的图像传感器原型芯片阵列规模为256×512。像素阵列可按指定的 p×q 规 格的子模块合并并读出该模块包含的所有像素信号的均值。由于合并算法是在所有像素信号的基础上由读出电路完成的，避免了混叠效应的产生。子模块p和q的大小由特定的移位寄存器的输入决定，如果需要改变p或q的值，只需要改变移位寄存器的输入信号，从而实现探测器的任意像素合并及分辨率的可编程性。
2 传感器的芯片系统结构
示意图如图1所示，主要由像素阵列、读出电路及行列方向上的逻辑控制电路组成。与传统的有源像素传感器（APS） 芯片结构类似，APS像素阵列在行/列译码器的控制下进行行/列选择，在此基础上子模块像素的信号合并由列/行合并电路完成，p×q 合并模塊的规模由列/行合并移位寄存器定义。
3原型传感器芯片设计及测试
根据可编程像素合并设计原理实现的原型芯片阵列规模256（行）×512（列），像素尺寸为30μm×30μm，在最高分辨率下可实现帧频450fps。图2所示为原型传感器芯片读出电路结构图，该探测器读出电路共有 512 条列总线，每列包 含列放大器（A1～A512），列读出复位开关（R1～R512），列选通开关（S1～S512）列合电容（CS1～CS512）列合并控制开关（SC1～SC512），列合并输出开关（SR1～SR512）行合并电容（CG1～CG512）复位开关（ST1～ST512）行合并控制开关（SG1～SG512），输出放大器（AF1～AF512）。该读出结构工作时，由列总线依次选取待合并像素所在行，通过列合并控制开关（SC1～SC512）和行合并控制开关（SG1～SG1024）完成行列像素合并操作，最终经输出放大器输出像素合并后的信号。以2×2合并为例，通过对列合并控制移位寄存器、行合并控制移位寄存器和列合并输出移位寄存器分别进行编程，使得上述像素合并的步骤③中，列合并控制开关（SC1～SC512）的连接关系如图5所示;在步骤④中列总线连接到前后两行时，列合并输出开关（SR1～SR512）的连接关系在图2的两组控制信号间变换;在步骤⑦中，行合并控制开关（SG1～SG512）的连接关系如图2所示。如果需要以其他规格进行像素合并，只需对列合并控制移位寄器、行合并控制移位寄存器和列合并输出移位寄存器的输入重新编程，改变行/列合并控制开关的连接关系即可，而无需对片上的像素或读出电路进行任何修改，从而实现了灵活机动的可编程像素合并模式。
4 结论
本文提出了一种图像传感器读出电路设计方法，可通过编程实现任意规模像素合并从而灵活改变探测器的分辨率并相应提高帧频，同时克服了普通基于电荷累加方式实现像素合并受到电势阱容量限制的缺点。这种探测器灵活机动的特性在很多特殊应用中具有重要的意义，非常适合需要对探测器的分辨率和帧频进行灵活编程控制的应用场合。
参考文献：
[1]常振，王煜，司福祺，等.CCD数字像元的合并方法及其应用[J].光学精密工程，2017，25 （ 8 ） ： 2204-2211.
[2]周博，李春来，李飞飞，等.面向深空探测的CCD多像元合并设计与验证[J].红外，2018，39 （ 4） ： 27-32.
河南工学院 河南 新乡 453003
关键词：CMOS有源像素传感器（APS）;像素合并;可编程多分辨率;动态帧频;低功耗
引言
近年来，CMOS图像传感器的性能不断提高，已广泛应用于各类科学成像，如遥感、高速摄影、光谱成像等。这类特殊应用的具体需求比较灵活，有时需要获取高分辨率的图像，有时则必须保证高帧频工作，对分辨率要求不高。为解决这一问题，对以往的电荷耦合器件（CCD）图像传感器开发了像素合并功能，可以将相邻几个像素的信号合而为一，作为一个像素读出。这样，在需要高帧频的场合，可以用该方法牺牲系统分辨率，有效减少读出次数，降低读出时间，从而提高帧频。本文提出了一种可以通过编程方式获得动态像素分辨率的CMOS图像传感器设计，非常适合目标跟踪、数据压缩、图像识别等一些特殊的应用场景。
1 获取-跟踪双段工作模式
采用这种工作方式与普通的图像传感器相比，仅需要调整控制时序就可以避免探测器将功耗、分辨率和帧频浪费在除目标外的背景部分，从而兼顾探测器的帧频、分辨率和功耗的性能设计。实现多分辨率探测器的最简单方法是对整个像素阵列进行有选择的输出，例如对像素阵列隔4行和4列读出一次就可以将探测器的数据读出量降低至1 /16，但是显而易见这种方法会带来混叠效应。 本文的研究目标是通过将特定区域中像素的读出电压进行合并计算的方式实现多精度图像的获取，从而避免混叠效应的产生。合并读出方式如图2所示，对于一个M行、N列的图像传感器，进行 p×q 像素合并，最终输出 m×n 规模的图像，满足p×m =M，q×n =N，p<1，q>1，p≤q。本文中可实现多分辨率的图像传感器原型芯片阵列规模为256×512。像素阵列可按指定的 p×q 规 格的子模块合并并读出该模块包含的所有像素信号的均值。由于合并算法是在所有像素信号的基础上由读出电路完成的，避免了混叠效应的产生。子模块p和q的大小由特定的移位寄存器的输入决定，如果需要改变p或q的值，只需要改变移位寄存器的输入信号，从而实现探测器的任意像素合并及分辨率的可编程性。
2 传感器的芯片系统结构
示意图如图1所示，主要由像素阵列、读出电路及行列方向上的逻辑控制电路组成。与传统的有源像素传感器（APS） 芯片结构类似，APS像素阵列在行/列译码器的控制下进行行/列选择，在此基础上子模块像素的信号合并由列/行合并电路完成，p×q 合并模塊的规模由列/行合并移位寄存器定义。
3原型传感器芯片设计及测试
根据可编程像素合并设计原理实现的原型芯片阵列规模256（行）×512（列），像素尺寸为30μm×30μm，在最高分辨率下可实现帧频450fps。图2所示为原型传感器芯片读出电路结构图，该探测器读出电路共有 512 条列总线，每列包 含列放大器（A1～A512），列读出复位开关（R1～R512），列选通开关（S1～S512）列合电容（CS1～CS512）列合并控制开关（SC1～SC512），列合并输出开关（SR1～SR512）行合并电容（CG1～CG512）复位开关（ST1～ST512）行合并控制开关（SG1～SG512），输出放大器（AF1～AF512）。该读出结构工作时，由列总线依次选取待合并像素所在行，通过列合并控制开关（SC1～SC512）和行合并控制开关（SG1～SG1024）完成行列像素合并操作，最终经输出放大器输出像素合并后的信号。以2×2合并为例，通过对列合并控制移位寄存器、行合并控制移位寄存器和列合并输出移位寄存器分别进行编程，使得上述像素合并的步骤③中，列合并控制开关（SC1～SC512）的连接关系如图5所示;在步骤④中列总线连接到前后两行时，列合并输出开关（SR1～SR512）的连接关系在图2的两组控制信号间变换;在步骤⑦中，行合并控制开关（SG1～SG512）的连接关系如图2所示。如果需要以其他规格进行像素合并，只需对列合并控制移位寄器、行合并控制移位寄存器和列合并输出移位寄存器的输入重新编程，改变行/列合并控制开关的连接关系即可，而无需对片上的像素或读出电路进行任何修改，从而实现了灵活机动的可编程像素合并模式。
4 结论
本文提出了一种图像传感器读出电路设计方法，可通过编程实现任意规模像素合并从而灵活改变探测器的分辨率并相应提高帧频，同时克服了普通基于电荷累加方式实现像素合并受到电势阱容量限制的缺点。这种探测器灵活机动的特性在很多特殊应用中具有重要的意义，非常适合需要对探测器的分辨率和帧频进行灵活编程控制的应用场合。
参考文献：
[1]常振，王煜，司福祺，等.CCD数字像元的合并方法及其应用[J].光学精密工程，2017，25 （ 8 ） ： 2204-2211.
[2]周博，李春来，李飞飞，等.面向深空探测的CCD多像元合并设计与验证[J].红外，2018，39 （ 4） ： 27-32.
河南工学院 河南 新乡 453003