無(wú)輸入時(shí)鐘和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)鐘的圖像傳感器同步的制作方法
【專利說(shuō)明】
【背景技術(shù)】
[0001 ] 技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)了醫(yī)用成像能力的發(fā)展。受益于某些最有利進(jìn)步的領(lǐng)域之一是內(nèi)窺鏡外科手術(shù)，該領(lǐng)域獲益于構(gòu)成內(nèi)窺鏡的部件的進(jìn)步。
[0002]本發(fā)明整體涉及電磁傳感和傳感器，更具體地涉及數(shù)據(jù)傳輸。本發(fā)明的特征與優(yōu)勢(shì)將在下面的說(shuō)明書中予以闡述，并且根據(jù)說(shuō)明書將是部分顯而易見的，或者本發(fā)明的做法無(wú)需過(guò)度的實(shí)驗(yàn)即可被借鑒。本發(fā)明的特征與優(yōu)勢(shì)將通過(guò)本發(fā)明中特別指出的器械與組合來(lái)實(shí)現(xiàn)和獲得。
【附圖說(shuō)明】
[0003]本發(fā)明的非限制性和不完全具體實(shí)施結(jié)合下列附圖予以描述，其中除非另外指明，否則不同視圖中的類似標(biāo)號(hào)是指類似的部件。本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)將結(jié)合以下描述和附圖得到更好的理解，其中:
[0004]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的原理和教導(dǎo)內(nèi)容的像素陣列和圖像傳感器的操作實(shí)施例的不意圖；
[0005]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的原理和教導(dǎo)內(nèi)容的傳感器服務(wù)線路內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱D不ο
[0006]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的原理和教導(dǎo)內(nèi)容的像素陣列和圖像傳感器的操作的實(shí)施例的示意圖；
[0007]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的原理和教導(dǎo)內(nèi)容的傳感器的滾動(dòng)讀出輸出數(shù)據(jù)的圖示；
[0008]圖5Α示出了根據(jù)本發(fā)明的原理和教導(dǎo)內(nèi)容的具有片外振蕩器的圖像傳感器的實(shí)施例的示意圖；
[0009]圖5Β示出了根據(jù)本發(fā)明的原理和教導(dǎo)內(nèi)容的具有片上振蕩器的圖像傳感器的實(shí)施例的示意圖；
[0010]圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的原理和教導(dǎo)內(nèi)容的用于時(shí)鐘管理和數(shù)據(jù)定序的電路的實(shí)施例的示意圖；
[0011]圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的原理和教導(dǎo)內(nèi)容的用于相機(jī)單元和CMOS傳感器之間的時(shí)鐘管理和數(shù)據(jù)定序的電路的實(shí)施例的示意圖；
[0012]圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的原理和教導(dǎo)內(nèi)容的用于相機(jī)單元和CMOS傳感器之間的時(shí)鐘管理和數(shù)據(jù)定序的電路的實(shí)施例的示意圖；
[0013]圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的原理和教導(dǎo)內(nèi)容的用于相機(jī)單元和CMOS傳感器之間的時(shí)鐘管理和數(shù)據(jù)定序的電路的實(shí)施例的示意圖；
[0014]圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的原理和教導(dǎo)內(nèi)容的用于相機(jī)單元和CMOS傳感器之間的時(shí)鐘管理和數(shù)據(jù)定序的電路的實(shí)施例的示意圖；
[0015]圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的原理和教導(dǎo)內(nèi)容的調(diào)整CMOS傳感器工作頻率的實(shí)施例的流程圖；
[0016]圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的原理和教導(dǎo)內(nèi)容的操作參數(shù)表；
[0017]圖13示出了根據(jù)本發(fā)明的原理和教導(dǎo)內(nèi)容的硬件的實(shí)施例；
[0018]圖14A和14B示出了根據(jù)本發(fā)明的原理和教導(dǎo)內(nèi)容的用于提供三維功能的具有多個(gè)像素陣列的傳感器實(shí)施例；
[0019]圖15A和15B示出了構(gòu)建在多個(gè)基板上的成像傳感器的具體實(shí)施的視圖，其中形成像素陣列的多個(gè)像素列位于第一基板上，并且多個(gè)電路列可位于第二基板上，圖中顯示了一列像素與其相關(guān)或相應(yīng)電路列之間的電氣連接和通信；以及
[0020]圖16A和16B示出了具有用于生成三維圖像的多個(gè)像素陣列的成像傳感器的具體實(shí)施的視圖，其中所述多個(gè)像素陣列和圖像傳感器可構(gòu)建在多個(gè)基板上。
【具體實(shí)施方式】
[0021]本發(fā)明涉及可主要適用于醫(yī)療應(yīng)用的數(shù)字成像的方法、系統(tǒng)和基于計(jì)算機(jī)的產(chǎn)品。在本發(fā)明的以下描述中，可參考構(gòu)成本文一部分的附圖，這些附圖以舉例說(shuō)明本發(fā)明可能實(shí)施的特定具體實(shí)施的方式示出。應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明的范圍的前提下，可采用其他具體實(shí)施并進(jìn)行結(jié)構(gòu)改變。
[0022]本發(fā)明涉及通過(guò)取消對(duì)輸出時(shí)鐘(無(wú)時(shí)鐘數(shù)據(jù)傳輸)和輸入時(shí)鐘的需求以減少成像傳感器焊盤數(shù)的系統(tǒng)和方法?；静呗允莻鞲衅髟诩与姾笤谄鋽?shù)據(jù)端口上發(fā)送由1和0組成的連續(xù)流，以便相機(jī)的支持電子產(chǎn)品內(nèi)的數(shù)據(jù)接收器使用CDR(時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù))電路(時(shí)鐘培訓(xùn))與之同步。如果需要，可通過(guò)切換一個(gè)配置寄存器位而在正常操作過(guò)程中啟用連續(xù)流。一旦接收器鎖定為此培訓(xùn)模式，就可繼續(xù)執(zhí)行常規(guī)傳感器成像操作。為了保持鎖定，可通過(guò)在發(fā)送給每個(gè)像素的數(shù)字值中包括單個(gè)反位來(lái)避免長(zhǎng)期沒(méi)有轉(zhuǎn)換。
[0023]傳統(tǒng)的用于腹腔鏡、關(guān)節(jié)鏡、泌尿外科、婦科和ENT (耳鼻喉科)手術(shù)的棒透內(nèi)窺鏡制造成本昂貴，原因是其光學(xué)組成部分復(fù)雜。入射圖像信息在光域中始終沿著其長(zhǎng)度輸送。通常，其被光學(xué)耦合到圖像感測(cè)設(shè)備所在的手持件單元上。這種類型的剛性內(nèi)窺鏡還易碎，并且易在處理、使用和消毒過(guò)程中損壞。必要的修復(fù)和消毒過(guò)程對(duì)其用于的每項(xiàng)手術(shù)增加了額外的費(fèi)用。
[0024]圖像感測(cè)技術(shù)的進(jìn)步已使CMOS設(shè)備制造成本低廉，并且高度可定制。操作基于CCD的傳感器所必須的大部分外部電路可集成到與像素陣列相同的芯片，并且需要較低的工作電壓。因此，基于CMOS的相機(jī)更為便宜且更容易制造，并且比其基于(XD的同類產(chǎn)品更具通用性。出于類似的原因，CMOS傳感器在內(nèi)窺鏡系統(tǒng)內(nèi)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
[0025]通過(guò)將圖像感測(cè)設(shè)備置于內(nèi)窺鏡的末端，可使內(nèi)窺鏡的制造成本更低廉，因?yàn)榭赏ㄟ^(guò)簡(jiǎn)單的塑料透鏡疊堆有效地替換光學(xué)傳輸組件。它們?nèi)绱肆畠r(jià)，以至于僅為單獨(dú)使用、后續(xù)要處理或回收而進(jìn)行生產(chǎn)可以更劃算，因?yàn)檫@取消了修復(fù)和消毒過(guò)程。
[0026]創(chuàng)建此內(nèi)窺鏡解決方案的困難在于保證圖像質(zhì)量，因?yàn)閭鞲衅鞅仨氝m合的區(qū)域在兩個(gè)維度上的空間都非常有限。減小感應(yīng)區(qū)通常意味著減少像素?cái)?shù)和/或減小像素區(qū)域，這可影響分辨率、靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。通常，內(nèi)窺鏡系統(tǒng)適合感應(yīng)穩(wěn)定的寬帶照明，并借助分割為三個(gè)或更多波段感光度的像素的陣列提供顏色信息。這通過(guò)在每個(gè)像素上制作單個(gè)濾色鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)。拜耳馬賽克是最常用的解決方案。
[0027]避免分辨率損失的一個(gè)方法是自從使用拜耳馬賽克之后就不使用濾色鏡，例如，與本地陣列分辨率相比，亮度分辨率(在X或y處)可有最多至因數(shù)1/ V 2的損失。在這種情況下，在單幀捕獲過(guò)程中，能夠通過(guò)向激光器或基于LED的光源施以不同波長(zhǎng)或它們的組合的脈沖來(lái)提供彩色信息。申請(qǐng)人已找到解決此問(wèn)題的方法和解決方案，其借助特殊的傳感器設(shè)計(jì)允許獲得高清晰度的質(zhì)量，其中逐行掃描幀速率為60Hz或更高。申請(qǐng)人進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，允許在數(shù)字域內(nèi)將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡鈺r(shí)將外圍電路減小到其最小區(qū)域。
[0028]芯片中各接合焊盤所占的面積很大。該接合焊盤用于提供電源或輸入/輸出信號(hào)至傳感器芯片，或通過(guò)傳感器芯片提供電源或輸入/輸出信號(hào)。因此，為使面積最小，需要盡量減少接合焊盤的數(shù)量。
[0029]可在無(wú)輸出時(shí)鐘時(shí)執(zhí)行傳感器數(shù)據(jù)的同步。高速數(shù)據(jù)傳輸通?？砂殡S有用于同步目的的時(shí)鐘。如果采用LVDS標(biāo)準(zhǔn)，則為CMOS或2個(gè)額外的焊盤提供一個(gè)額外焊盤會(huì)帶來(lái)不便。鎖存高速數(shù)據(jù)的替代系統(tǒng)和方法可以將時(shí)鐘信號(hào)嵌入數(shù)據(jù)流本身(時(shí)鐘編碼)內(nèi)。數(shù)據(jù)流可在接收端被解碼，以提取時(shí)鐘，然后用于鎖存數(shù)據(jù)。此系統(tǒng)和方法的代價(jià)或缺點(diǎn)在于有效載荷明顯增多，從而導(dǎo)致必須大幅增加輸出頻率。
[0030]在本發(fā)明中描述了一種無(wú)需采用時(shí)鐘編碼，便可避免使用輸出時(shí)鐘焊盤的方法。相反，本發(fā)明可利用相機(jī)單元上的CDR(時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù))系統(tǒng)正確地鎖存?zhèn)魅霐?shù)據(jù)。在CDR系統(tǒng)中，內(nèi)部PLL(鎖相環(huán))用于鎖定傳入數(shù)據(jù)頻率和鎖存數(shù)據(jù)。鎖定過(guò)程需要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，以便其PLL收斂。通常，將指定初步鎖定(和重新鎖定)的最小轉(zhuǎn)換數(shù)以及無(wú)轉(zhuǎn)換時(shí)連續(xù)允許位的最大數(shù)(其可在使PLL保持鎖定時(shí)需要)。
[0031 ] 現(xiàn)在參照附圖，圖1示出了定制的面積最小的CMOS圖像傳感器實(shí)施例的內(nèi)部時(shí)序。每個(gè)幀周期可以包括4個(gè)不同的階段。在第1階段和第3階段，數(shù)據(jù)可以通過(guò)傳感器數(shù)據(jù)焊盤150從傳感器中發(fā)出，這些數(shù)據(jù)不是來(lái)自物理像素的信號(hào)樣本。相反，它們是涉及芯片與相機(jī)系統(tǒng)同步和用于數(shù)據(jù)鎖定的數(shù)據(jù)。第2階段與傳感器滾動(dòng)讀出(物理像素的內(nèi)部時(shí)序、同步和讀出)有關(guān)，而第4階段則用于傳感器配置。在配置階段，傳感器輸出數(shù)據(jù)行160可以被逆轉(zhuǎn)，以接收所傳入的配置命令。在第4階段，相機(jī)單元中的CDR電路存在被解除鎖定的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樵搨鞲衅髟诙x的時(shí)間段不會(huì)發(fā)送任何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。第1階段的服務(wù)線路可用于發(fā)送數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的連續(xù)流。然而，要重新鎖定相機(jī)單元CDR電路，它們應(yīng)是必需的。
[0032]圖2示出了類時(shí)鐘信號(hào)插入輸出數(shù)據(jù)流的此類流的示例，其中通常存在像素?cái)?shù)據(jù)