一种多频段拟合像的传感器滚筒式检测方法

一种多频段拟合像的传感器滚筒式检测方法

1图像的传感及采样时图像和图像显示c图像传感器（cis）是近年来的一种固体图像传感器。相对于CCD,它具有工艺兼容、低成本、低功耗、随机访问、单电源、电路结构简单、集成度高、体积小、抗辐射以及通过片上处理电路可以实现智能控制功能等特点而得到广泛应用。动态范围是最大的非饱和输入信号(输入信号摆幅)和最小可测信号(零输入时输入端噪声的标准差)的比值。大动态范围的图像传感器可以探测到更大光强范围内的场景信息,获取更多的图像细节,因此它是图像传感器的重要质量指标。CMOS成像器件有两种常用输出模式:线形模式和对数模式,如图1。线形模式在弱光区输出波动较大,灵敏度高,但动态范围小;对数输出模式的动态范围非常大,接近人眼,但需要专用的对数响应电路及校准电路。双斜率输出模式是一种针对线性输出模式,扩大动态范围的方法。如图1,它采用两种曝光时间:先减短曝光时间,曲线斜率变小;再拉长曝光时间,斜率增大,由双斜率(两种曝光时间)拟合输出特性曲线,从而增大了光输入信号摆幅,扩展了动态范围,但此时曲线的平滑性很差,这会影响到图像的清晰度。对于一帧图像的采样处理,有两种常用的时序关系:并行式曝光和滚筒式曝光。两种曝光方式对像素单元的结构要求有所不同;由于并行式曝光中所有的像素单元同时进行复位和积分,因此它要求每一个像素单元都有采样保持电容,这种时序虽然控制简单,但芯片面积开销大;相比之下,滚筒式曝光方式,由于是逐行复位、积分,因此每列像素单元可以共用一个采样保持电容,从而减少了芯片使用面积,降低了成本。针对一款线性输出的传感器芯片进行理论分析,提出一种曝光时间实时可调的滚筒式曝光控制方法,实现了多斜率拟合输出曲线,使其更加平滑,且最大限度地扩展了动态范围,讨论了一些减少噪声的方法,最终实现硬件电路。2得到的处理加强曝光(积分)时间的定义:两个相邻的复位信号和采样信号之间的时间差,如图2(a)。所谓滚筒式曝光时序:指以行为单位,对像素阵列进行信号采样、处理、输出。一行内所有像素的处理是并行的,各行间像素的处理是串行的。其处理一行像素工作原理如下:行内像素复位后,开始曝光;曝光时间到,采集光电压;然后像素复位,启动下一帧积分,同时进行数据处理、输出。因此处理一行像素所需时间=曝光时间+数据处理时间+像素输出时间。其处理一帧像素工作原理,将根据积分时间的长短不同分两种情况进行分析。2.1像素积分采样芯片启动后,立刻开始首行像素处理,即信号采样,放大,AD转换;然后列选通,数据预处理、输出,同时进行下一行像素采样……进入行循环。根据前提条件:积分时间大于一帧像素的数据操作时间,所以当一帧图像完整输出后,系统将进入等待直至曝光时间到,再开始下一帧图像首行像素采样……进入帧循环。其中第一帧图像是无效的,因为它并没有事先进行像素积分,而直接就开始了采样。它的主要作用是为后继图像处理作准备;启动各行像素的积分。2.2采样行选信号和采样行选信号之间的时间差采用两个行选信号:采样行选信号与复位行选信号,即电路时序中包含两套循环。但它们之间并不是互相独立的,两个相邻的复位行选信号和采样行选信号之间的时间差,等于曝光时间,符合定义:两个相邻的采样行选信号、复位行选信号之间的时间差为一行像素数据处理时间的整数倍。此时的帧时序,就与上一种类似,区别只是需在行数据处理间隙定时地插入复位行选信号,以控制曝光时间,保证一帧图像处理完毕后,下一帧首行像素积分恰好完成,电路可立即开始下一帧图像处理,进入循环。3曝光控制模块的设计此款芯片像素输出特性曲线成线性,为扩大动态范围,并保证输出特性曲线尽量平滑,如前言所述,必须采用多斜率模式,即针对不同的光强,采用不同的曝光时间,由多条不同斜率直线段拟和输出曲线。这样不仅能扩展光响应范围,而且能改善输出曲线的平滑度,即单元光强下最小可测信号的连贯性。具体实现采用查表法。首先针对所选像素结构,画出光谱响应曲线,求得绿光下的光敏度;并根据像素输出摆幅画出对数模式下理想输出特性曲线图;然后在曲线上取若干点并连接,计算出各条线段的斜率,根据公式:斜率=光敏度×积分时间,计算出曝光时间。最后将各点对应电压和曝光时间填入查找表。在曝光控制中,选取图像中心若干像素点输出电压均值作为参考,进行查表,判断积分时间(斜率)是否合适,并对其做实时修正。用户也可通过I2C接口自行定义曝光时间,进行大范围调整积分时间或微调,最终实现多斜率(多种曝光时间)拟合输出曲线,扩展动态范围。电路设计满足曝光时间大范围变化(微秒到秒),且调整精度达微秒级,因此曝光时间(斜率)可近似线性连续变化,保证输出曲线足够平滑,图像达到最优化。4噪声去除CIS芯片为数模混合芯片,它对各种噪声格外敏感,因此必须尽量减少它们对电路的影响,下面仅就数字消噪方法进行研究。4.1噪声fpn电路中影响信噪比的主要因素之一就是有源像素和处理电路内的固定模式噪声(FPN)。为减少FPN,采用二次采样的方法,如图2(b),首先对像素积分后图像信号进行采样,然后对像素进行复位,并对复位时的伪图像信号进行采样,将两者做差,从而消除FPN。4.2光电转换过程可能会对后续电路造成影响图2(b)中,像素在两个相邻的采样、复位信号间,做无效的曝光动作,第二个复位信号之后才是真正有效的像素曝光。多余的光电转换过程可能会对后续电路造成一定影响。为避免这种情况,把复位设计成图2(c)中所示形状,使像素在有效曝光时间段以外,均处于复位状态,从而避免了多余的光电转换对电路带来的影响。4.3雷码码制下的信号转换数字信号的每一次跳变,从可靠性角度来看,都是一次冒险,而且二进制编码电路中状态发生转换时常出现中间过渡态,中间态随着进位的升高而增多,且存在时间不等。这些都可能造成电路失效。为把信号跳变几率降到最低,电路设计采用格雷编码,这种码制下的两个相邻状态只有一位不同,降低了状态转换时信号跳变次数,减少了冒险。此外数字信号交变对模拟电路的影响也是不能忽略的,由于其在数据输出时,信号将会快速交变,对模拟电路影响最大。解决方法:模拟、数字电路分时段工作,保证模拟电路采样阶段,数字电路不作输出,并且在版图上,用电源环将数字电路包裹起来,使之与模拟电路分开,用其屏蔽数字信号交变对模拟信号的干扰。4.4低电路设计难度在很多情况下,噪声是很难区分并逐一消除的,因此从整体考虑消噪,可降低电路设计难度。具体实现:在每次改变积分时间时,将快门关闭,取一帧无任何光信号帧图像存入RAM中,然后快门打开,拍摄图像。在后续帧处理时,将帧数据先与预存的帧数据作差,再输出,这样便可去除系统噪声。5同步信号hsynp和帧频芯片的结构见图3,对应于此结构,将时序控制电路划分以下几大模块:1.信号同步模块,负责将芯片外界的异步信号转化为可供芯片内部数字电路使用的同步信号,产生外部帧、行同步信号,并负责各个模块的内部通信及同步协调;2.像素、放大器模块和AD模块分别负责为各自所服务的模拟电路提供控制信号。每一个主时钟周期输出一个像素单元。定义行首像素输出时,行同步信号HSYNC同时置高,一行像素输出结束时,HSYNC同时置低。定义帧同步信号VSYNC,当一帧图像的第一行像素开始输出时,与HSYNC同时置高,当最后一行输出结束时,与HSYNC同时置低,即VSYNC的频率体现了传感器输出图像的帧频。对于1024×768像素阵列,选取20M的主时钟,输出一行像素所需时间:1024×50ns=51.2μs,因此定义最短曝光时间为51.2μs,这样就可以利用像素曝光这段时间,进行数据处理、输出操作,进而满足滚筒式曝光时序要求;对于一帧图像输出,所需时间:51.2μs×768≈40ms,即最高帧频:约25帧/s。且设计中帧频还体现了曝光时间的变化:当曝光时间小于40ms,帧频恒等于25帧/s,因为此时帧不间断地输出,从而达到最高帧频;当曝光时间大于40ms,帧频随曝光时间的增大而降低,因为如2.1节所述,系统在帧与帧之间会进入等待状态,帧输出出现间断,从而降低了帧频。当控制电路的整体结构分析确定下来之后,画出流程图,如图4。电路实现采用charter0.35μm工艺库,在Synopsys软件环境得到门级网表,在Cadence软件环境得到光刻版图。6模拟验证和流态检验图5为系统后仿真时序图,由图可知,帧频可调反映了曝光时间可调,即斜率可调,达到了设计要求。7滚筒式曝光仿真