CN101753800A - Cmos图像传感器的模拟图像信号处理方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种CMOS图像传感器模拟图像信号处理方法及电路，包括像素单元电路，输出表征复位电压的第一电压和表征光电转换信号的第二电压的列读出电路，对所述第一电压和第二电压同时进行差分放大的差分放大电路，所述差分放大电路包括接收第一电压的第一输入端，其中，还包括对第一电压值进行检测比较输出大于第一电压值作为第一电压的检测校正电路，所述检测校正电路与差分放大电路的第一输入端相连接。解决了随着光强在一定强度的基础上继续增强第一电压值不断减少的问题，从而避免了在强光下的图像出现黑斑的现象。

Description

CMOS图像传感器的模拟图像信号处理方法及电路

技术领域

本发明涉及图像传感器，尤其涉及一种CMOS图像传感器的模拟图像信号处理方法及电路。

背景技术

现有互补型金属氧化物半导体图像传感器(complementary metal-oxide-semiconductor transistor image sensor，简称CMOS图像传感器)的信号处理电路包括前端的模拟图像信号处理电路和后端的数字图像信号处理电路。前端的模拟图像信号处理电路包括像素单元电路、列读出电路、模拟放大处理电路，后端的数字图像信号处理电路包括模数转换器和数字图像信号处理器。

图1为现有技术中模拟图像信号处理电路。图2为现有技术中图1所示模拟图像信号处理电路的控制时序图。所述控制时序图是由CMOS图像传感器中的控制处理单元产生的，控制CMOS图像传感器信号处理电路工作。如图1、图2所示，像素单元电路采集复位电压信号和光电转换信号。像素单元电路1与列读出电路2相连接，列读出电路2与模拟放大处理电路3连接。列读出电路2包括第一开关、第二开关，分别受时序SHR、SHS控制。第一开关与第一电容连接，第一电容与第一缓冲器连接，第一缓冲器的输出端连接第三开关，所述第三开关受时序EN1控制；第二开关与第二电容连接，第二电容与第二缓冲器连接，第二缓冲器的输出端连接第四开关，所述第四开关受时序EN1控制。在时序EN1的控制下，列读出电路2将表征复位电压的Vr和表征光电转换信号的Vs输入模拟放大处理电路3。在时序CK的控制下，差分放大处理电路3进行采样放大处理，并将处理结果输出到后端的数字图像信号处理电路，进而可以得到被拍摄物体的图片。差分放大电路处理后得到表征有效光电转换信号电压(Vr-Vs)*N(N为模拟放大处理电路的放大倍数)。

尽管人们对CMOS图像传感器的很多性能作了很好的提升，但是由于传统CMOS图像传感器中像素单元工艺和结构原因，CMOS图像传感器在强光照射下使用，像素单元电路采集的复位电压会有一定的下降，并且下降的程度会随着光强的增加而更大。即当光强大于一定的程度时，(Vr-Vs)*N值会随着光强的增加而减小。晴朗天气，北京时间下午4点钟左右，在深圳使用具有CMOS图像传感器的照相机对着太阳拍照时，图片中的太阳中心处就会出现黑点。在强光的照射下，当光强大于一定程度时，容易发生所谓的“黑太阳”效应，或称之为“像素倒置”效应，即图像强光中心会产生黑色的斑点，造成了图像的失真。图3是用具有CMOS传感器的照相机直接拍摄强光源得到的图像。如图3所示，拍摄得到的实际图像中强光源的中心变成了黑色！

发明内容

本发明为解决现有技术中CMOS图像传感器在强光照射下产生“黑太阳”效应的问题而提出一种CMOS图像传感器的模拟图像处理方法及电路。具体技术方案如下：

一种CMOS图像传感器的模拟图像信号处理电路，包括像素单元电路，输出表征复位电压的第一电压和表征光电转换信号的第二电压的列读出电路，对所述第一电压和第二电压同时进行差分放大的差分放大电路，所述差分放大电路包括接收第一电压的第一输入端和接收第二电压的第二输入端；其中，还包括对第一电压值进行检测比较输出大于第一电压值作为第一电压的检测校正电路，所述检测校正电路与差分放大电路的第一输入端相连接。

A、将采集的复位电压和光电转换信号分别转换为用以表征复位电压的第一电压和用以表征光电转换信号的第二电压；

B、将第一电压值与预设的基准电压Vref值比较；

C、若基准电压Vref值大于第一电压值，则第一电压取大于第一电压值的第三电压Vm值输出；反之，执行步骤D；

D、第一电压保持第一电压值不变输出。

E、将所述第一电压和第二电压进行差分放大处理；

本发明的另一目的在于提供一种包含上述CMOS图像传感器的模拟图像信号处理方法的CMOS图像传感器的处理方法。

本发明的另一目的在于提供一种包含上述CMOS图像传感器的模拟图像信号处理电路的CMOS图像传感器。

本发明通过在现有的CMOS图像传感器中模拟图像处理方法中增加将采集的表征复位电压的第一电压值与基准电压Vref值进行，得到第一电压的输出。若第一电压值不小于基准电压Vref值，则输出第一电压值；若第一电压值小于基准电压Vref值，则输出大于第一电压值的第三电压Vm值，解决了因为强光照射下CMOS像素单元电路得到的复位电压下降导致“黑太阳”效应的问题。

附图说明

图1现有技术中模拟图像信号处理电路；

图2现有技术中图1所示模拟图像信号处理电路的控制时序图；

图3用具有CMOS传感器的照相机直接拍摄强光源得到的图像；

图4用具有经过本发明改善的CMOS传感器的照相机对图3所拍摄的对象进行拍摄得到的图像；

图5本发明一实施例的CMOS图像传感器的模拟图像信号处理方法的流程图；

图6本发明一实施例的CMOS图像传感器的模拟图像信号处理电路结构框图；

图7本发明一实施例的检测校正电路的结构图；

图8本发明一实施例的检测校正电路的原理图；

图9本发明一实施例的CMOS图像传感器的模拟图像信号处理电路图；

图10本发明一实施例中图10所示处理电路的控制时序图。

具体实施方式

下面参照附图并结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

图5为本发明一实施例的CMOS图像传感器的模拟图像信号处理方法的流程图。参照图5，本实施例处理方法如下：

S100：将采集的复位电压和光电转换信号分别转换为用以表征复位电压的第一电压和用以表征光电转换信号的第二电压；

S101：将第一电压Vr值与预设的基准电压Vref值比较；

S102：若基准电压Vref值大于第一电压值，则第一电压取大于基准电压Vref值的第三电压Vm值输出；反之，执行步骤S103；

S103：第一电压保持第一电压值不变输出；

S104将采集的表征复位电压的第一电压Vr和表征光电转换信号的第二电压Vs同时进行差分放大处理；

由于传统的CMOS图像传感器中像素单元工艺和结构，在强光照射下会产生复位电压的降低，导致了(Vr-Vs)*N降低。并且在复位电压的下降程度随着光强的增加而加强。所以导致了“黑太阳”效应。

本实施例将表征复位电压的第一电压与基准电压Vref比较，当复位电压降低到使第一电压Vr值小于基准电压Vref值时，第一电压的输出值就会变成第三电压Vm值。第三电压Vm值大于第一电压Vr值，就保证了有效光电转换信号电压为(Vm-Vs)*N，不会随着Vr改变。反之，第一电压保持比较前的电压值不变输出。当采集的光强度小于一定值时，本实施例的模拟图像信号处理方法与传统的CMOS图像传感器的模拟图像信号处理方法处理得到的结果是一样；当采集的光强度大于一定值时，本实施例的模拟图像信号处理方法，输出的有效光电转换信号电压为(Vm-Vs)*N，而不是输出(Vr-Vs)*N。由于Vm是定值，不会随着光强而变化，因此图像强光中心不会出现黑斑，如图4所示，图3中太阳中心处的黑斑不见了。图4为用具有经过本发明改善的CMOS传感器的照相机对图3所拍摄的对象进行拍摄得到的图像。

进一步，在步骤S100之前还有步骤：

S001 A1、采集复位电压和光电转换信号。

进一步，所述基准电压Vref值取决于CMOS图像传感器中像素单元工艺和结构。对不同的CMOS图像传感器中像素单元工艺和结构，可以选择不同的基准电压Vref值。所以，在步骤S001之前还有步骤：

步骤S000调节基准电压Vref值以适应CMOS图像传感器中像素单元工艺偏差。

CMOS图像传感处理方法包括CMOS图像传感器的模拟图像信号处理方法和CMOS图像传感器的数字图像信号处理方法。其中，CMOS图像传感器的模拟图像信号处理方法可采用本发明提供的CMOS图像传感器的模拟图像信号处理方法。本发明提供的CMOS图像传感器的模拟图像信号处理方法是针对输入到差分放大电路中表征复位电压的第一电压进行判断选择，选择适当的电压值输入到差分放大电路。在光强大于一定程度时，保证了输入到差分放大电路的第一电压值不会随着光强度增加而减少，所以在强光中心处不会产生黑斑。因此应用本CMOS图像传感处理方法的CMOS图像传感器在照强光时不会出现黑斑现象。

图6为本发明一实施例CMOS图像传感器的模拟图像信号处理电路图。参照图6，本发明的CMOS图像传感器的模拟图像信号处理电路如下：

CMOS图像传感器的模拟图像信号处理电路，包括采集复位电压、光电转换信号的像素单元电路100，与像素单元电路100连接将复位电压转换成表征复位电压的第一电压、将光电转换信号转换成表征光电转换信号的第二电压的列读出电路200，对表征复位电压的第一电压和表征光电转换信号的第二电压同时进行差分放大处理的差分放大电路300，所述列读出电路200输出第一电压到差分放大电路300的第一输入端，所述列读出电路200输出第二电压到差分放大电路300的第二输入端相连接，其中，还包括对第一电压进行检测比较、输出大于第一电压Vr的校正电压的检测校正电路500，所述检测校正电路500连接在差分放大电路300的接收第一电压的第一输入端。

所述检测校正电路500实现上述CMOS图像传感器的模拟图像信号处理方法中步骤S101、步骤S102、步骤S103的功能，在强光照射下，通过检测校正电路500输出的电压大于第一电压Vr。解决了在强光照射下，随着光强在一定强度的基础上继续增强第一电压Vr不断减少的问题，即(Vr-Vs)*N在一定强度的基础上继续增强时不会减少，强光中心会出现黑斑。

CMOS图像传感器包括CMOS图像传感器的模拟图像信号处理电路和CMOS图像传感器的数字图像信号处理电路。CMOS图像传感器还包括控制处理单元，所述控制处理单元控制CMOS图像传感器信号处理电路工作。其中，CMOS图像传感器的模拟图像信号处理电路可采用本发明提供的CMOS图像传感器的模拟图像信号处理电路。本发明提供的CMOS图像传感器的模拟图像信号处理电路是在列读出电路200输出第一电压的第一端与差分放大电路300的第一输入端相连接处增加了检测校正电路500，通过检测校正电路500输出的电压大于基准电压Vref，解决了在强光照射下，随着光强在一定强度的基础上继续增强第一电压Vr不断减少的问题，即(Vr-Vs)*N在一定强度的基础上继续增强时不会减少，强光中心会出现黑斑。所以本发明提供的CMOS图像传感器，在强光条件下使用时所拍摄的图片不会出现黑斑现象。

图7是本发明一实施例的检测校正电路的结构图。

参照图7，本实施例的检测校正电路500包括比较器508、校正处理电路520，所述比较器508的第一输入端与差分放大电路300的第一输入端相连接，基准电压Vref输入到比较器508的第二输入端，所述比较器508的输出端与校正处理电路520输入端连接控制校正处理电路520的电压输出，所述校正处理电路520的输出端与差分放大电路300的第一输入端相连接。

进一步，本实施例中还包括基准电压产生单元510，基准电压产生单元510产生基准电压。

图8是本发明一实施例的检测校正电路的原理图。

进一步，参照图8，本实施例的检测校正电路包括：

基准电压产生单元510，包括数模转换电路511，所述数模转换电路511与所述比较器508的第二输入端相连接。数模转换电路511接收表征不同的CMOS图像传感器中像素单元工艺和结构的基准电压的数字电压信号。数模转换电路511将接收的数字电压信号转化为模拟电压信号，该模拟电压信号为基准电压Vref。本实施例中选用数模转换电路便于集成。

进一步，基准电压产生单元510，包括数模转换电路511、缓冲器512，所述缓冲器512的第一输入端与数模转换电路511的输出端连接，缓冲器512输出端与比较器508的第二输入端相连接，缓冲器512的第二输入端与缓冲器512输出端连接。本实施例中，缓冲器512使输出的基准电压Vref更加稳定，同时防止比较器对该基准电压产生影响而产生比较偏差。

校正处理电路520，包括开关器件521和恒压源522，所述开关器件521的控制端与比较器508的输出端连接，开关器件521的另外两端分别与列读出电路输出第一电压的第一端和恒压源522相连接。所述开关器件521是MOS管、继电器、CMOS传输门中的一种。开关器件521接收比较器508输出的信号控制电压的输出。当开关器件521导通时，列读出电路输出第一电压的第一端处的电压值为恒压源522电压值。当开关器件521关闭时，列读出电路输出第一电压的第一端处的电压值不变。

图9本发明一实施例的CMOS图像传感器的模拟图像信号处理电路图。

图10本发明一实施例中图9所示处理电路的控制时序图。所述控制时序图是由CMOS图像传感器中的控制处理单元产生的，控制CMOS图像传感器信号处理电路工作。

参照图9、图10，提出发明的又一实施例。本实施例中，CMOS图像传感器的模拟图像信号处理电路，包括像素单元电路100，与像素单元电路连接的列读出电路200，与列读出电路连接的差分放大电路300，检测校正电路500。详细电路连接及工作原理如下：

列读出电路200包括第一开关210、第二开关211，分别受时序SHR、SHS控制。第一开关210与第一电容212连接，第一电容212还与第一缓冲器215连接，第一缓冲器215的输出端连接第三开关217的一端，所述第三开关217受时序EN1控制；第二开关211与第二电容213连接，第二电容213还与第二缓冲器216连接，第二缓冲器216的输出端连接第四开关218的一端，所述第四开关受时序EN1控制。将SHR电平置高，开关210打开，将复位信号电平采样到电容212与开关210连接的一端，随后关断开关210，停止信号读出。随后将SHS电平置高，使得光电二极管转换的光电信号得以进入列读出电路200，开关211打开，将信号电平采样到电容213与开关211连接的一端，随后关断开关211，停止信号读出。两路信号分别经过第一、第二缓冲器到达第三开关217、第四开关218。通过时序EN1的控制第三开关217、第四开关218，列读出电路200将表征复位电压的第一电压Vr和表征光电转换信号的Vs输入差分放大处理电路300。

检测校正电路500包括：

基准电压产生单元510，包括数模转换电路511、第三缓冲器512，所述第三缓冲器512的第一输入端与数模转换电路511的输出端连接，第三缓冲器512输出端与比较器508的第二输入端相连接，第三缓冲器512的第二输入端与缓第三冲器512输出端连接。数模转换电路511将接收表征不同的CMOS图像传感器中像素单元工艺和结构的基准电压的数字电压信号转化为模拟电压信号，该模拟电压信号经第三缓冲器512输出为基准电压Vref。本实施例中，第三缓冲器512使输出稳定的基准电压Vref。基准电压产生单元510提供的电压在0.1V到1V之间。

校正处理电路520，包括MOS管521和恒压源522，所述MOS管521的栅极与比较器508的输出端连接，MOS管521的源极、漏极分别与第三开关217的另一端和恒压源522相连接。列读出电路200将表征复位电压的第一电压Vr通过第三开关217的另一端输出，第一电压Vr与基准电压Vref通过比较器508，比较器在时序CCK的控制下进行工作，时序CCK和时序CK是一样的。在时序EN1和CCK同时为高电平时，比较器508比较第一电压Vr与基准电压Vref大小。当第一电压Vr大于基准电压Vref时，比较器输出低电平，MOS管521关闭，MOS管521的源极与第三开关217连接处的电压不变，所以列读出电路输出第一电压的第一端处的电压值不变。当第一电压Vr大于基准电压Vref时，MOS管521导通，MOS管521的源极与第三开关217连接处的电压为恒压源522电压值，此电压值为列读出电路输出第一电压的第一端处的电压值。本实施例中恒压源的电压值不小于基准电压Vref的值。

所以输入到差分放大电路300的第一电压值是经过检测校正电路500，输出大于Vref的电压值。所述基准电压Vref值取决于CMOS图像传感器中像素单元工艺和结构。对不同的CMOS图像传感器中像素单元工艺和结构，可以选择不同的基准电压Vref值。

差分放大电路300包括运算放大器325、第五开关314，第三电容319、第四电容323、第六开关321。所述第五开关314受时序CCK控制。所述第五开关314与第三电容319的一端连接、第三电容319的另一端与运算放大器325第一输入端相连接，第四电容323与第六开关321并联连接，所述并联电路的两端分别连接在运算放大器325的第一输入端和第一输出端；

差分放大电路300还包括第五电容320、第六电容324、第七开关322。所述第五开关314与第五电容320的一端连接、第五电容320的另一端与运算放大器325第二输入端相连接，第六电容324与第七开关322并联连接，所述并联电路的两端分别连接在运算放大器325的第二输入端和第二输出端；所述第六开关、第七开关受时序CK控制。

通过时序EN1和CK比较可知，在EN1为高电平，CK电平同时置高时，差分放大处理电路3中的开关321和开关322同时打开，这样，表征复位电压的第一电压Vr和表征光电转换信号的Vs电平分别采样到电容19和电容20上，运算放大器25处于放大阶段，由于运算放大器25为双端输入双端输出的全差分结构，通过改变模拟放大处理电路3中的电容19、电容20、电容23、电容24可以调整放大倍数，假如设定的放大倍数为N倍，在运算放大器25输出连接到后端的数字图像处理电路的两个输入端口所得到的信号电压差值为(Vr-Vs)*N。此时在接收正常光照强度处的信息，Vr为采集到的复位电压经过列读出电路200输出的值；在接收强光处的信息，Vr为值为恒压源Vm的值。Vm的值大于基准电压Vref的值。该信号电压差值正反映了有效的光电转换信号电压大小。由于此时的Vr值是校正过电压值，解决了因强光照射使表征复位电压的第一电压值的下降而导致图片强光处有黑斑的问题。对比图3、图4可以更加直观的看出本发明实施例的优点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种CMOS图像传感器的模拟图像信号处理方法，包括如下步骤：

A、将采集的复位电压和光电转换信号分别转换为用以表征复位电压的第一电压和用以表征光电转换信号的第二电压；

B、将第一电压值与预设的基准电压Vref值比较；

C、若基准电压Vref值大于第一电压值，则第一电压取大于第一电压值的第三电压Vm值输出；反之，执行步骤D；

D、第一电压保持第一电压值不变输出。

E、将所述第一电压和第二电压进行差分放大处理。

2.如权利要求1所述一种CMOS图像传感器的模拟图像信号处理方法，其特征在于，在所述步骤A之前还包括步骤：

A1、采集复位电压和光电转换信号。

3.如权利要求2所述CMOS图像传感器的模拟图像处理方法，其特征在于，在所述步骤A1之前包括步骤：

A2、调节基准电压Vref值。

4.一种采用如权利要求1至3任意项所述的CMOS图像传感器的模拟图像信号处理方法的CMOS图像传感处理方法。

5.一种CMOS图像传感器的模拟图像信号处理电路，包括像素单元电路，输出表征复位电压的第一电压和表征光电转换信号的第二电压的列读出电路，对所述第一电压和第二电压进行差分放大的差分放大电路，所述差分放大电路包括接收第一电压的第一输入端接收第二电压的第二输入端；其特征在于，还包括对第一电压值进行检测比较输出大于第一电压值作为第一电压的检测校正电路，所述检测校正电路与差分放大电路的第一输入端相连接。

6.如权利要求5所述的CMOS图像传感器的模拟图像信号处理电路，其特征在于，所述检测校正电路包括将第一电压和基准电压进行比较的比较器，根据比较器输出的信号输出校正电压的校正处理电路，所述校正处理电路输出端与差分放大电路的第一输入端相连接。

7.如权利要求6所述的CMOS图像传感器的模拟图像信号处理电路，其特征在于所述校正处理电路包括开关器件和恒压源，所述开关器件的控制端与比较器连接，开关器件的另外两端分别与差分放大电路的第一输入端和恒压源相连接。

8.如权利要求6所述的CMOS图像传感器的模拟图像信号处理电路，其特征在于，所述基准电压是由基准电压产生单元产生；所述基准电压产生单元包括数模转换电路，所述数模转换电路将基准电压输入到比较器。

9.如权利要求8所述的所述的CMOS图像传感器的模拟图像信号处理电路，其特征在于，所述基准电压产生单元还包括缓冲器，所述缓冲器的第一输入端与数模转换电路连接，缓冲器的第二输入端与缓冲器输出端连接，缓冲器的输出端与所述比较器相连接。

10.一种采用如权利要求5-9任意项所述的CMOS图像传感器的模拟图像信号处理电路的CMOS图像传感器。

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