[发明专利]面向实时视觉芯片的高速行并行图像传感器

说明书

技术领域

本发明涉及半导体CMOS图像传感器技术领域，特别是一种基于标准CMOS工艺的高速实时处理图像传感器技术领域。

背景技术

基于半导体CMOS图像传感器的视觉芯片对图像的高速获取、处理和识别一直是具有重要意义的问题。高速(＞100帧/秒)的图像处理在汽车控制、工业自动化、机器人视觉等领域中有很多重要应用。传统的视觉系统中由专用摄像头和通用计算机构成，利用软件完成图像处理。这种方式存在几个主要问题：1)摄像头传出的大量图像数据与计算机之间存在I/O瓶颈，从而限制了系统的速度。以目前主流的USB2.0接口为例，其峰值传输速度约为480Mbps，对于百万像素级别的图像即使经过压缩其传输速度也很难超过30帧/秒。2)图像处理需要大量在所有像素上重复的运算，这些运算即使用目前高性能的CPU完成其速度仍然不够，难以满足实时性的需求。3)使用通用计算机的功耗较大，嵌入性较差。基于半导体CMOS图像传感器的视觉芯片正是为了解决上述问题而出现的。它模仿人类视网膜获取图像后直接传输给大脑神经元进行处理的原理，通过将图像传感器和图像处理电路集成在单芯片内解决I/O瓶颈问题，通过使用并行的处理单元阵列来完成图像运算来实现高速的图像处理，并且具有单芯片集成、嵌入性好的优势。视觉芯片在世界范围内得到了广泛的研究。根据对图像处理方式的不同，可分为模拟视觉芯片和数字视觉芯片；根据其芯片完成的功能，可分为专用视觉芯片和通用视觉芯片。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种面向实时视觉芯片的高速行并行图像传感器，使其具有更高的图像处理速度，更高的集成度，优异的系统兼容性，更强的工艺兼容性，和较低的成本。使其特别适合集成于图像处理视觉芯片，应用于高速运动目标的实时追踪、机器人视觉系统、图象识别、智能交通、生产线自动产品质量检测及各类智能化玩具等领域。

本发明提供一种面向实时视觉芯片的高速行并行图像传感器，包括：

一感光像素单元阵列，用于采集入射光线的原始信息，并且把采集的目标图像光信号转换为电信号；

一噪声去除模块，该噪声去除模块的模拟输入端与感光像素单元阵列的输出端连接，用于消除感光像素单元阵列采集原始图像时产生的固定模式噪声；

一可编程增益放大器阵列，该可编程增益放大器阵列的模拟输入端与噪声去除模块的输出端连接，用于噪声去除模块的输出信号可编程控制图像动态范围调节；

一模数转换器阵列，该模数转换器阵列的模拟输入端与可编程增益放大器阵列的输出端连接，用于可编程增益放大器阵列输出的模拟信号转换为数字信号，并将该信号转换为图像信息直接输出，或者将该数字信号输入给实时视觉芯片中的数字处理器完成图像处理算法；

一微控制器，该微控制器的第一输出端与控制感光像素单元阵列的输入端连接，第二输出端与噪声去除模块的数字输入端连接，第三输出端与可编程增益放大器阵列的数字输入端连接，第四输出端与模数转换器阵列的数字输入端连接；该微控制器的输入端与可编程增益放大器阵列的反馈输出端连接，用于向感光像素单元阵列、噪声去除模块、可编程增益放大器阵列、模数转换器提供数字控制指令，并且获取可编程增益放大器阵列输出的反馈信号。

其中所述的噪声去除模块、可编程增益放大器阵列和模数转换器阵列构成高速行并行模拟信号处理单元。

其中所述的噪声去除模块由噪声去除单元构成，每个噪声去除单元由MOS管和采样电容构成，利用该噪声去除结构，以实现感光像素单元阵列的输出图像信号的固定模式噪声消除。

其中所述的可编程增益放大器阵列由可编程增益放大器单元构成，每个可编程增益放大器单元由差分放大器和计算电容构成，可编程增益放大器单元通过反馈信号给微控制器控制寄存器实现图像动态范围调节。

其中所述的模数转换器阵列由单次比较型模数转换器单元构成，每个模数转换器单元由比较器和寄存器构成。

其中所述的感光像素单元阵列由感光光电二极管单元构成，每个感光光电二极管单元由感光光电二极管部分和读出电路部分构成，感光光电二极管部分由标准CMOS工艺的光电二极管层构成，用于以较低的成本获得更高的光灵敏度。

其中所述的微控制器由处理器单元、运算逻辑单元和寄存器等部件构成，微控制器协调控制指令完成实时图像采集，采样，转换和处理，并且适合扩展视觉芯片实时图像处理的要求。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的面向实时视觉芯片的高速行并行图像传感器，可采用广泛的标准CMOS工艺制作，电路均可芯片内实现，系统结构简单易扩展，集成度高，成本低。