一种采用电压积分输出的电压积分型CMOS图像传感器

摘要

本发明涉及一种采用电压积分输出的电压积分型CMOS图像传感器。本发明采用电压积分输出的电压积分型CMOS图像传感器，包括光电传感器、电荷积分器、相关双采样或数字相关双采样装置、模数转换器，所述电荷积分器的输出信号经过电压积分器或数字累加器得到积分电压数字值。与电荷积分型CMOS图像传感器相比，本发明利用电荷积分电压在积分时间内所围成的面积来表征光强大小，不再受最大可容纳电荷量的限制，避免了高光条件下由于电荷积分饱和造成的信息损失。

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用电压积分输出的电压积分型CMOS图像传感器。

背景技术

近20年CMOS图像传感器的不断发展，使其作为数据采集系统应用于空间望远镜、DNA 微阵列技术、生物荧光检测、X光断层成像以及军事安防和机器人技术等领域。电荷积分型 CMOS图像传感器10是目前主要采用的传感器结构。入射光经过光电传感器101产生光生电 荷，然后在曝光时间内电荷经过积分器102产生与光强大小成正比的电压信号。为了探测到 更宽的场景照度范围、获取更多细节信息，高动态范围图像传感器的研究已经成为目前的一 个研究热点。

目前主要采用以下几种方法：

(1)利用MOS管工作在亚阈值区的特性来压缩强光响应的对数、线性—对数像素结 构；

(2)不断调节像素积分电容来压缩像素强光响应的势阱容量调节结构；

(3)将强光电流转换为电压到达饱和时刻的饱和时间检测结构；

(4)在一个记分周期内进行长短两次非破坏性曝光的双采样技术；

(5)在一个记分周期内进行多次非破坏性曝光，以临饱和前一次采样值表征光强大小 的多次采样技术；

电荷积分型CMOS图像传感器的动态范围均以电荷积分器中最大可容纳电荷量为限制条 件，都是在有限电压变化范围内完成响应曲线的压缩，从而达到动态范围扩展的目的。

发明内容

发明的目的在于提出的一种避免了高光条件下由于电荷积分饱和造成的信息损失的采用 电压积分输出的电压积分型CMOS图像传感器。

本发明的目的是这样实现的：

采用电压积分输出的电压积分型CMOS图像传感器，包括光电传感器、电荷积分器、相关 双采样或数字相关双采样装置、模数转换器，所述电荷积分器的输出信号经过电压积分器或 数字累加器得到积分电压数字值。

入射光经过光电传感器201、电荷积分器202产生的复位电压V_复位以及在其基础上变化 的电压信号V_复位+V_信号电压积分器203对两电压进行积分处理后再经过相关双采样204产生电 压V_信号的积分信号,利用模数转换器(205)该电压进行数据转换。

入射光经过光电传感器301、电荷积分器302产生的复位电压V_复位以及在其基础上变化 的电压信号V_复位+V_信号，两个电压信号经过相关双采样303产生一个光生电荷积分电压信号V _信号，电压积分器304对该电压进行积分处理后，利用模数转换器305对电压进行数据转换。

入射光经过光电传感器401、电荷积分器402产生的复位电压V_复位以及在其基础上变化 的电压信号V_复位+V_信号，两个电压信号经过相关双采样403产生一个光生电荷积分电压信号 V_信号，通过模数转换器404对该电压进行模数转换，再利用数字累加器405对每次采样量化 值进行数字累加，实现数字域积分。

入射光经过光电传感器501、电荷积分器502产生的复位电压V_复位以及在其基础上变化 的电压信号V_复位+V_信号，两电压利用模数转换器503分别进行采样量化处理后，再通过数字 相关双采样504对每次量化输出值进行做差，实现数字域CDS操作，然后将产生的数字码利 用数字累加器505进行数字累加再给后端处理。

本发明的有益效果在于：

与电荷积分型CMOS图像传感器相比，本发明利用电荷积分电压在积分时间内所围成的 面积来表征光强大小，不再受最大可容纳电荷量的限制，避免了高光条件下由于电荷积分饱 和造成的信息损失。

附图说明

图1是电荷积分型CMOS图像传感器工作流程图。

图2是电压积分型CMOS图像传感器根据电压积分、相关双采样、模数转换依次进行的 实施框图。

图3是电压积分型CMOS图像传感器根据相关双采样、电压积分、模数转换依次进行的 实施框图。

图4是电压积分型CMOS图像传感器根据相关双采样、模数转换、数字累加(数字域积 分)依次进行的实施框图。

图5是电压积分型CMOS图像传感器根据模数转换、相关双采样、数字累加(数字域积 分)依次进行的实施框图。

图6是输出电压表征入射光强的示意图。

图7是图1、图2两种结构在Matlab中的仿真曲线对比图。

图8是根据图3设计的一种具体实施电路结构。

图9是图7中电路在不同光照条件下的输出响应曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明进行具体阐述。

本发明提出一种新型的电压积分型CMOS图像传感器结构。在电荷积分器之后利用电压 积分器对电压进行积分处理。本发明利用积分电路203将光生电荷经电荷积分器202产生的 电压在曝光时间内进行积分处理，将积分电压作为电压积分型CMOS图像传感器20的输出 来表征入射光强大小。依据CDS、积分以及量化操作过程不同而实现的4种不同结构：

(a)首先对两路信号进行CDS处理，然后将产生的电压信号进行积分。最后对该积分 电压进行量化输出给后端处理；

(b)首先对两路信号进行积分，然后将积分电压进行CDS处理。最后对CDS输出电压 进行量化输出给后端处理；

(c)首先对两路信号进行CDS处理，然后将产生的电压信号进行量化。最后对每次采 样量化值进行数字累加再给后端处理；

(d)首先对两路信号分别进行采样量化处理，然后将每次量化输出值进行做差，实现数 字域CDS操作。然后将产生的数字码进行数字累加再给后端处理。

图1中，传统图像传感器首先对电荷积分器102进行复位，产生一复位电压V_复位。然后 利用光电传感器101来感生与入射光成正比的光生电荷。在积分时间内，电荷积分器102对 光生电荷进行积分，产生一个在复位电压基础上变化的电压信号V_复位+V_信号。积分完成后， 利用相关双采样电路103，对复位电压以及其上变化的电压信号进行做差，产生一个与入射 光成正比的信号电压V_信号。最后利用模数转换电路104将信号电压转变为数字值供后端系统 处理。当积分时间过长或入射光强较大时，电荷积分饱和，不再产生相应的电压变化，造成 感测信息的损失，如图6中I1、I2的输出电压均为V_饱和。

由于经过电荷积分器202后产生的电压信号斜率与入射到光电传感器201的光强大小成 正比，进而到达饱和电压的时间也不相同。所以，在积分饱和的情况下，虽然电压信号不再 变化，但是仍会造成随光强变化的面积信息，如图6中I1、I2的输出电压在T3-T0时间内所 围成的面积。图2中的电压积分型图像传感器则利用电压积分器203，对积分时间内复位电 压V_复位以及在复位电压基础上变化的电压信号V_复位+V_信号进行积分处理，然后通过相关双采 样电路对两积分电压做差，利用积分时间内电压变化所围成的面积信息来表征入射光强大小。 最后对该电压进行模数转换处理，供后端进行数据处理。

图3中，入射光经过光电传感器301、电荷积分器302产生的复位电压V_复位以及在其基 础上变化的电压信号V_复位+V_信号。两个电压信号经过相关双采样303产生一个光生电荷积分 电压信号V_信号。电压积分器304对该电压进行积分处理后，再利用模数转换器305对电压进 行数据转换。

图4中，入射光经过光电传感器401、电荷积分器402产生的复位电压V_复位以及在其基 础上变化的电压信号V_复位+V_信号。两个电压信号经过相关双采样403产生一个光生电荷积分 电压信号V_信号。通过模数转换器404对该电压进行模数转换，再利用数字累加器405对每次 采样量化值进行数字累加，实现数字域积分后再给后端处理。

图5中，入射光经过光电传感器501、电荷积分器502产生的复位电压V_复位以及在其基 础上变化的电压信号V_复位+V_信号。两电压利用模数转换器503分别进行采样量化处理后，再 通过数字相关双采样504对每次量化输出值进行做差，实现数字域CDS操作。然后将产生的 数字码利用数字累加器505进行数字累加再给后端处理。

利用以上所述的电压积分型图像传感器工作原理，并结合图6可知，电压积分输出电压 与入射光强的对应关系为：

其中V_ph为光生电荷积分电压，T_int为每个工作周期的曝光时间，i_ph为与光强成正比的光 电流，C代表电荷积分电容，V_sat为电荷积分饱和电压，T_sat为到达饱和时刻，i_sat为曝光时间 内积分电容未饱和的光电流最大值。

通过以上表达式可知，在扩展范围内，该结构工作原理转变为饱和时间检测。传统的饱 和时间检测结构利用输出电压与饱和判定电压进行比较：当电压未到判定电压时，该电压作 为输出；当电压超过判定电压时，则将饱和时间信息作为输出。两种输出信号经过后期算法 进行综合。由于引入判定电路，所以比较器会引入不良影响。本发明结构无需切换时刻判定， 所以避免了比较器造成的不良影响。

图7为利用Matlab进行仿真验证的对比曲线。从该曲线对比结果可知本发明理论上可以 实现动态范围扩展的目的。

为了便于分析验证，根据实施框图设计一电路实例，如图8所示。其中包括光电传感器 与电荷积分器组成的前端传感器801、相关双采样802以及电压积分器803。当Reset打开复 位管M1时，前端传感器801输出复位信号V_复位。此时，S1、S2闭合，利用C1获取复位电 压V_复位。然后断开S2，电容C1不存在泄放通路。然后Reset断开复位管M1，前端传感器 801输出一个在复位电压基础上变化的电压信号V_复位+V_信号。当S2断开后，由于C1电荷不 变，所以C1右端电压变为V_信号。该电压经后端电压积分电路803进行积分处理，从而获得 入射光强对应的积分电压信号。为了避免过载，采样电容C2由于反馈电容C3的比例应根据 积分时间内采样次数进行优化设计。

图9为该实施电路的仿真结果曲线。对比电压积分型图像传感器灵敏度曲线sen_inte和 传统电荷积分型图像传感器敏度曲线sen_lin可知本发明的电压积分型结构可以达到动态范围 扩展的目的。

以上图7所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果经行了进一步详细 说明，应注意到的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不限制本发明，凡在本发明的 精神和原则之内，所做的调制和优化，均应包含在本发明的保护范围之内。