专利名称：一种提高图像传感器动态范围的电路及其控制方法
技术领域：
本发明涉及数模混合集成电路设计领域，特别涉及一种提高图像传感器动态范围的电路及其控制方法，可应用到时间延时积分(Time Delay Integration, TDI)型CMOS图像传感器中。
背景技术：
时间延时积分技术是一种能够增加线阵图像传感器灵敏度的技术，它以其特殊的扫描方式，通过对同一目标进行多次曝光，实现很高的灵敏度和信噪比，特别适用于低照度和运动物体的拍摄场合。TDI的基本原理是指对同一个移动中的物体，进行多次曝光(积分)并将其积累。由于感光器积累多次的入射光，图像信号及整体亮度相应地大幅提升。发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足现有技术中CMOS图像传感器的动态范围较小，限制了应用范围。
发明内容
本发明提供了一种提高图像传感器动态范围的电路及其控制方法，本发明实现了扩大CMOS图像传感器的动态范围，扩大了 CMOS图像传感器的应用范围，详见下文描述一种提高图像传感器动态范围的电路，所述电路包括像素积分电路、比较器、累加器、存储器、第一开关和第二开关；所述像素积分电路的输出端分别与所述第一开关的一端、所述第二开关的一端相连；所述第一开关的另一端分别与所述比较器的输入端、所述累加器的输入端相连；所述第二开关的另一端分别与所述比较器的输入端、所述累加器的输入端相连；所述比较器的另一输入端接参考电压；所述比较器的输出端和所述存储器的输入端相连；所述存储器的输出端和所述像素积分电路相连。所述像素积分电路包括第一积分电容、第二积分电容、第三积分电容、第一积分电容开关、第二积分电容开关、第三积分电容开关、二极管、第一 MOS管、第二 MOS管、第三 MOS管、第四MOS管和第五MOS管，所述二极管的阳极接地，所述二极管的阴极和所述第一 MOS管的漏极相连，所述第一 MOS管的源极分别与所述第一积分电容开关的一端、所述第二积分电容开关的一端、 所述第三积分电容开关的一端、所述第二MOS管的漏极和所述第三MOS管的栅极相连；所述第一积分电容开关的另一端和所述第一积分电容的一端相连，所述第一积分电容的另一端接地；所述第二积分电容开关的另一端和所述第二积分电容的一端相连，所述第二积分电容的另一端接地；所述第三积分电容开关的另一端和所述第三积分电容的一端相连，所述第三积分电容的另一端接地；所述第二 MOS管的源极和所述第三MOS管的源极相连；所述第三MOS管的漏极和所述第四MOS管的源极相连；所述第四MOS管的漏极和所述第五MOS 管的源极相连输出积分电压；所述第五MOS管的漏极接地，所述第五MOS管的栅极接偏置电压。
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一种提高图像传感器动态范围的控制方法，所述方法包括以下步骤
(1)在第一个积分周期闭合所述第一积分电容开关，判断在第一采样点时刻所述像素积分电路输出的积分电压是否大于参考电压，且在第二采样点时刻积分电压是否大于所述参考电压，如果是，执行步骤O)；如果否，执行步骤(3)；
(2)所述第一积分电容不变，同时断开所述第一开关，闭合所述第二开关，在下一个积分周期开始，所述像素积分电路开始像素重新复位，经积分后所述累加器对电学信号进行读出和累加；
(3)在第一个积分周期，判断第一采样点时刻所述像素积分电路输出的积分电压是否大于所述参考电压，且在第二采样点时刻积分电压是否小于所述参考电压，如果是，执行步骤⑷；如果否，执行步骤(5)；
(4)断开所述第一积分电容开关，闭合所述第二积分电容开关，同时断开所述第一开关，闭合所述第二开关，下个积分周期开始像素重新复位，经积分后所述累加器对电学信号进行读出和累加；
(5)在第一个积分周期，判断第一采样点时刻所述像素积分电路输出的积分电压是否小于所述参考电压，如果是，执行步骤(6)；如果否，执行步骤(7)
(6)断开所述第一积分电容开关，闭合所述第三积分电容开关，同时断开所述第一开关，闭合所述第二开关，下个积分周期开始像素重新复位，经积分后所述累加器对电学信号进行读出和累加，执行步骤(7)；
(7)流程结束。
所述方法还包括
在第一采样点时刻所述像素积分电路输出的积分电压小于所述参考电压时，所述比较器在第一采样点时刻发生翻转，所述存储器记为11 ；
在第一采样点时刻所述像素积分电路输出的积分电压大于所述参考电压、且第二采样点时刻所述像素积分电路输出的积分电压小于所述参考电压时，所述比较器在第二采样点时刻发生翻转，所述存储器记为01 ；
在第一采样点时刻所述像素积分电路输出的积分电压大于所述参考电压、且第二采样点时刻所述像素积分电路输出的积分电压大于所述参考电压时，所述比较器不翻转， 所述存储器记为00。
所述方法还包括
当所述存储器记为11时，积分电容调整为所述第三积分电容；当所述存储器记为 01时，积分电容调整为所述第二积分电容；当所述存储器记为00时，所述第一积分电容保持不变。
本发明提供的技术方案的有益效果是
本发明提供了一种提高图像传感器动态范围的电路及其控制方法，本发明在TDI 的多个积分周期中，利用第一个积分周期，对输入的光信号强度进行判断，并根据光强范围调整积分电容，选择合适的积分电容，对第2个 η个积分周期读出的信号进行累加，这样可有效扩大CMOS图像传感器的动态范围，扩大了 CMOS图像传感器的应用范围。
图1为本发明提供的一种提高图像传感器动态范围的电路的电路示意图；图2为本发明提供的像素积分电路的电路示意图；图3为本发明提供的积分信号的输出示意图；图4为本发明提供的一种提高图像传感器动态范围的控制方法的流程图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。为了扩大CMOS图像传感器的动态范围，扩大CMOS图像传感器的应用范围，本发明实施例提供了一种提高图像传感器动态范围的电路及其控制方法，详见下文描述参见图1和图2，一种提高图像传感器动态范围的电路，该电路包括像素积分电路、比较器、累加器、存储器、第一开关Sl和第二开关S2 ；像素积分电路的输出端分别与第一开关Sl的一端、第二开关S2的一端相连；第一开关Sl的另一端分别与比较器的输入端、累加器的输入端相连；第二开关S2的另一端分别与比较器的输入端、累加器的输入端相连；比较器的另一输入端接参考电压；比较器的输出端和存储器的输入端相连；存储器的输出端和像素积分电路相连。其中，像素积分电路包括第一积分电容Cl、第二积分电容C2、第三积分电容C3、 第一积分电容开关&1、第二积分电容开关&2、第三积分电容开关&3、二极管D、第一 MOS 管TX、第二 MOS管Ml、第三MOS管M2、第四MOS管M3和第五MOS管M4，二极管D的阳极接地，二极管D的阴极和第一 MOS管TX的漏极相连，第一 MOS管 TX的源极分别与第一积分电容开关Scl的一端、第二积分电容开关Sc2的一端、第三积分电容开关Sc3的一端、第二 MOS管Ml的漏极和第三MOS管M2的栅极相连；第一积分电容开关 Scl的另一端和第一积分电容Cl的一端相连，第一积分电容Cl的另一端接地；第二积分电容开关Sc2的另一端和第二积分电容C2的一端相连，第二积分电容C2的另一端接地；第三积分电容开关的另一端和第三积分电容C3的一端相连，第三积分电容C3的另一端接地；第二 MOS管Ml的源极和第三MOS管M2的源极相连；第三MOS管M2的漏极和第四MOS 管M3的源极相连；第四MOS管M3的漏极和第五MOS管M4的源极相连输出积分电压 ’第五 MOS管M4的漏极接地，第五MOS管M4的栅极接偏置电压。下面结合图2和图3，详细介绍一种提高图像传感器动态范围的控制方法，参见图 4，该方法包括以下步骤101 在第一个积分周期闭合第一积分电容开关&1，判断在第一采样点时刻TI像素积分电路输出的积分电压是否大于参考电压Vref，且在第二采样点时刻T2积分电压是否大于参考电压Vref，如果是，执行步骤102 ；如果否，执行步骤103 ；其中，本发明实施例以第二采样点时刻T2 = Tint/2，第一采样点时刻TI = Tint/ΙΟ为例进行说明，具体实现时，根据实际应用中需要的图像传感器动态范围，对相应的采样点进行调整，本发明实施例对此不做限制。其中，本发明实施例以第一积分电容Cl = C、第二积分电容C2 = 5C和第三积分电容C3 = 25C为例进行说明，具体实现时，根据实际应用中需要的图像传感器动态范围，对相应的积分电容的值进行调整，本发明实施例对此不做限制。
参见图3，以4级TDI为例，假设信号经4级累加的幅度为Vrst，在每个积分时间内信号幅度若超过Vrst/4，则经4级累加后，信号幅度超过Vrst，信号发生了饱和。为此， 为了防止信号饱和，在每次积分时间内要避免信号幅度超过Vrst/4。为了扩大图像传感器动态范围，本发明实施例拟将第一个积分周期作为光信号判断周期，在第一个积分周期内设置2个采样点。第一积分电容开关Scl关闭，积分电容为第一积分电容Cl，Cl =C0
102 第一积分电容Cl不变，同时断开第一开关Si，闭合第二开关S2，在下一个积分周期开始，像素积分电路开始像素重新复位，经积分后累加器对电学信号进行读出和累加；
103 在第一个积分周期，判断第一采样点时刻TI像素积分电路输出的积分电压是否大于参考电压Vref，且在第二采样点时刻T2积分电压是否小于参考电压Vref，如果是，执行步骤104 ；如果否，执行步骤105 ；
104 断开第一积分电容开关Scl,闭合第二积分电容开关Sc2,同时断开第一开关 Si，闭合第二开关S2，下个积分周期开始像素重新复位，经积分后累加器对电学信号进行读出和累加；
参见图3，若在第一采样点时刻 Tl, Vsig > 7/8Vrst (Vref = 3. 5，Vrst = 4)，在第二采样点时刻12，￥5^<7/8^卩光电流积分曲线在1^2 1^3区间，为了使输出信号不饱和，在后面的积分周期内将第一积分电容开关Scl断开，第二积分电容开关Sc2闭合，积分电容为第二积分电容C2，C2 = 5C，积分曲线斜率绝对值减小5倍，以L2曲线为例，通过将积分电容变化为5C，光电流积分曲线从L2变化到虚线L2’(L2’与L3重合)。
105 在第一个积分周期，判断第一采样点时刻TI像素积分电路输出的积分电压是否小于参考电压Vref，如果是，执行步骤106 ；如果否，执行步骤107
106 断开第一积分电容开关Scl，闭合第三积分电容开关Sc3，同时断开第一开关 Si，闭合第二开关S2，下个积分周期开始像素重新复位，经积分后累加器对电学信号进行读出和累加，执行步骤107;
参见图3，若在第一采样点时刻Tl，Vsig <7/8V t，则在后面的积分周期内断开第一积分电容开关&1，闭合第三积分电容开关&3，积分电容为第三积分电容C3，C3 = 25C， 积分曲线斜率绝对值减小25倍，这样可保证初始光电流积分曲线在Ll L2区间的信号， 经4次累加的输出信号不饱和。以Ll曲线为例，通过将积分电容变化为25C，光电流积分曲线从Ll变化到虚线Li，(Li，与L2，、L3重合)。
107 流程结束。
进一步地，为了后续的信号处理，可用2位数字信号记录光电流的范围，本发明实施例还包括
在第一采样点时刻TI像素积分电路输出的积分电压小于参考电压Vref时，比较器在第一采样点时刻TI发生翻转，此时光电流为大电流，存储器记为11 ；
在第一采样点时刻TI像素积分电路输出的积分电压大于参考电压Vref、第二采样点时刻TI像素积分电路输出的积分电压小于参考电压Vref时，比较器在第二采样点时刻T2发生翻转，此时光电流为中等大小电流，存储器记为01 ；
在第一采样点时刻TI像素积分电路输出的积分电压大于参考电压Vref、第二采样点时刻T2像素积分电路输出的积分电压大于参考电压Vref时，比较器不翻转，此时光电流为小电流，存储器记为00。进一步地，本发明实施例还可以根据存储器记录的光电流的范围(11-01-00)，选择对积分电容进行调整具体为当存储器记为11时，积分电容调整为第三积分电容C3 ；当存储器记为01时，积分电容调整为第二积分电容C2 ；当存储器记为00时，第一积分电容Cl保持不变。综上所述，本发明实施例提供了一种提高图像传感器动态范围的电路及其控制方法，本发明实施例在TDI的多个积分周期中，利用第一个积分周期，对输入的光信号强度进行判断，并根据光强范围调整积分电容，选择合适的积分电容，对第2个 η个积分周期读出的信号进行累加，这样可有效扩大CMOS图像传感器的动态范围，扩大了 CMOS图像传感器的应用范围。本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种提高图像传感器动态范围的电路，其特征在于，所述电路包括像素积分电路、 比较器、累加器、存储器、第一开关和第二开关；所述像素积分电路的输出端分别与所述第一开关的一端、所述第二开关的一端相连； 所述第一开关的另一端分别与所述比较器的输入端、所述累加器的输入端相连；所述第二开关的另一端分别与所述比较器的输入端、所述累加器的输入端相连；所述比较器的另一输入端接参考电压；所述比较器的输出端和所述存储器的输入端相连；所述存储器的输出端和所述像素积分电路相连。
2.根据权利要求1所述的一种提高图像传感器动态范围的电路，其特征在于，所述像素积分电路包括第一积分电容、第二积分电容、第三积分电容、第一积分电容开关、第二积分电容开关、第三积分电容开关、二极管、第一 MOS管、第二 MOS管、第三MOS管、第四MOS管和第五MOS管，所述二极管的阳极接地，所述二极管的阴极和所述第一 MOS管的漏极相连，所述第一 MOS管的源极分别与所述第一积分电容开关的一端、所述第二积分电容开关的一端、所述第三积分电容开关的一端、所述第二MOS管的漏极和所述第三MOS管的栅极相连；所述第一积分电容开关的另一端和所述第一积分电容的一端相连，所述第一积分电容的另一端接地； 所述第二积分电容开关的另一端和所述第二积分电容的一端相连，所述第二积分电容的另一端接地；所述第三积分电容开关的另一端和所述第三积分电容的一端相连，所述第三积分电容的另一端接地；所述第二 MOS管的源极和所述第三MOS管的源极相连；所述第三MOS 管的漏极和所述第四MOS管的源极相连；所述第四MOS管的漏极和所述第五MOS管的源极相连输出积分电压；所述第五MOS管的漏极接地，所述第五MOS管的栅极接偏置电压。
3.一种用于权利要求2所述的一种提高图像传感器动态范围的电路的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤(1)在第一个积分周期闭合所述第一积分电容开关，判断在第一采样点时刻所述像素积分电路输出的积分电压是否大于参考电压，且在第二采样点时刻积分电压是否大于所述参考电压，如果是，执行步骤(2)；如果否，执行步骤(3)；(2)所述第一积分电容不变，同时断开所述第一开关，闭合所述第二开关，在下一个积分周期开始，所述像素积分电路开始像素重新复位，经积分后所述累加器对电学信号进行读出和累加；(3)在第一个积分周期，判断第一采样点时刻所述像素积分电路输出的积分电压是否大于所述参考电压，且在第二采样点时刻积分电压是否小于所述参考电压，如果是，执行步骤⑷；如果否，执行步骤(5)；(4)断开所述第一积分电容开关，闭合所述第二积分电容开关，同时断开所述第一开关，闭合所述第二开关，下个积分周期开始像素重新复位，经积分后所述累加器对电学信号进行读出和累加；(5)在第一个积分周期，判断第一采样点时刻所述像素积分电路输出的积分电压是否小于所述参考电压，如果是，执行步骤(6)；如果否，执行步骤(7)(6)断开所述第一积分电容开关，闭合所述第三积分电容开关，同时断开所述第一开关，闭合所述第二开关，下个积分周期开始像素重新复位，经积分后所述累加器对电学信号进行读出和累加，执行步骤(7)；(7)流程结束。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述方法还包括在第一采样点时刻所述像素积分电路输出的积分电压小于所述参考电压时，所述比较器在第一采样点时刻发生翻转，所述存储器记为11 ；在第一采样点时刻所述像素积分电路输出的积分电压大于所述参考电压、且第二采样点时刻所述像素积分电路输出的积分电压小于所述参考电压时，所述比较器在第二采样点时刻发生翻转，所述存储器记为01 ；在第一采样点时刻所述像素积分电路输出的积分电压大于所述参考电压、且第二采样点时刻所述像素积分电路输出的积分电压大于所述参考电压时，所述比较器不翻转，所述存储器记为00。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述方法还包括当所述存储器记为11时，积分电容调整为所述第三积分电容；当所述存储器记为01 时，积分电容调整为所述第二积分电容；当所述存储器记为00时，所述第一积分电容保持不变。
全文摘要
本发明公开了一种提高图像传感器动态范围的电路及其控制方法，像素积分电路的输出端分别与第一开关的一端、所述第二开关的一端相连；第一开关的另一端分别与比较器的输入端、累加器的输入端相连；第二开关的另一端分别与比较器的输入端、累加器的输入端相连；比较器的另一输入端接参考电压；比较器的输出端和存储器的输入端相连；存储器的输出端和像素积分电路相连。本发明在TDI的多个积分周期中，利用第一个积分周期，对输入的光信号强度进行判断，并根据光强范围调整积分电容，选择合适的积分电容，对第2个～n个积分周期读出的信号进行累加，这样可有效扩大CMOS图像传感器的动态范围，扩大了CMOS图像传感器的应用范围。
文档编号H04N5/355GK102523392SQ201110452179
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者史再峰, 徐江涛, 高静 申请人:天津大学