CN109040623B - Cmos图像传感器曝光时序控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种CMOS图像传感器曝光时序控制装置，包括曝光时间寄存器、曝光时间检测模块、曝光时间计数模块、曝光时序控制模块、FOT时序控制模块、读出时序控制模块、比较模块、曝光起始位置控制模块、控制电路和三个数据选择器；三个数据选择器分别记为数据选择器一、数据选择器二和数据选择器三；本发明的有益技术效果是：提出了一种CMOS图像传感器曝光时序控制装置，该装置可以通过检测当前曝光时间和前一帧周期的读出时间的时间大小，来对曝光操作的起始时间进行自动调节，保证CMOS图像传感器在各种曝光时间条件下均能正常工作，最终就能使CMOS图像传感器的曝光时间可调性得到大幅扩展。

Description

CMOS图像传感器曝光时序控制装置

技术领域

本发明涉及一种CMOS图像传感器控制技术，尤其涉及一种CMOS图像传感器曝光时序控制装置。

背景技术

CMOS图像传感器中的主要电路有像素电路、放大量化处理电路和读出电路，其中，像素电路用于生成光生电荷，放大量化处理电路用于对光生电荷进行放大、量化处理，读出电路用于对放大量化处理电路输出的信号进行读出操作。

读出电路正常工作时，只能逐帧对图像信号进行处理，若前一帧图像信号的读出操作还未结束，后一帧图像信号就进入读出电路，将会导致CMOS图像传感器无法正常工作，因此，在设计控制时序时，需要考虑前一帧图像的读出时间和后一帧图像的曝光时间之间的约束关系。

实际情况中，曝光时间可调是CMOS图像传感器的一项重要性能指标，曝光时间可调将会导致前述的约束关系更加复杂，具有可调性的曝光时间，其长短具有不确定性，曝光时间既可能大于读出时间，也可能小于读出时间；现有的CMOS图像传感器无法对“约束关系”进行自动调节，因此，现有技术在改变曝光时间时，一般还要同步改变相应的控制时序，而时序设计十分麻烦，对于单个CMOS图像传感器而言，器件上不可能预存大量的控制时序，这就导致单个CMOS图像传感器只能在有限数量的曝光时间种类中进行调节，调节灵活性较差。

发明内容

针对背景技术中的问题，发明人进行了大量的研究，在研究过程中，发明人发现，采用如下方式来对CMOS图像传感器的曝光时序控制进行控制，可以很好的解决背景技术中的问题：基于现有技术可知，CMOS图像传感器工作时，是按帧周期连续输出单帧图像数据；为便于阐述，将第一个帧周期记为初始帧周期，后续帧周期记为非初始帧周期；单个非初始帧周期的处理过程包含如下四个处理阶段：检测阶段、曝光阶段、信号处理阶段和信号读出阶段；当前非初始帧周期所对应的检测阶段、曝光阶段、信号处理阶段和信号读出阶段分别记为当前检测阶段、当前曝光阶段、当前信号处理阶段和当前信号读出阶段；当前曝光阶段的时间长度记为当前曝光时间；所述信号读出阶段的时间长度记为读出时间；当前检测阶段结束时，立即开始当前曝光阶段，当前曝光阶段结束时，立即开始当前信号处理阶段，当前信号处理阶段结束时，立即开始当前信号读出阶段；当前曝光阶段开始时，同步开始后一非初始帧周期的检测阶段；

当前检测阶段中，将当前曝光时间与前一帧周期的读出时间进行比较：若当前曝光时间大于前一帧周期的读出时间，则调整当前检测阶段的结束时刻，使当前曝光阶段的起始时刻与前一帧周期的读出阶段的起始时刻同步；若当前曝光时间小于前一帧周期的读出时间，则调整当前检测阶段的结束时刻，使当前曝光阶段的结束时刻与前一帧周期的读出阶段的结束时刻同步；

当前曝光阶段中，控制CMOS图像传感器的像素电路进行曝光操作，生成光生电荷；

当前信号处理阶段中，控制CMOS图像传感器的放大量化处理电路对像素电路输出的光生电荷进行放大、量化处理；

当前信号读出阶段中，控制CMOS图像传感器的读出电路对放大量化处理电路输出的信号进行转移操作。

前述方法的原理是：在单个非初始帧周期的控制中，加入检测阶段，对当前曝光时间和前一帧周期的读出时间的时间大小关系进行检测，根据检测结果，对检测阶段的结束时刻进行调节，从而使得CMOS图像传感器可以根据曝光时间长短对曝光操作的起始时间进行自动调节，保证CMOS图像传感器在各种曝光时间条件下均能正常工作，最终就能使CMOS图像传感器的曝光时间可调性得到大幅扩展。

在明确了前述方法的可行性后，发明人又进行了深入的研究，并最终提出了本发的方案：一种CMOS图像传感器曝光时序控制装置，所述CMOS图像传感器包括互相匹配的像素电路、放大量化处理电路和读出电路；其创新在于：所述CMOS图像传感器曝光时序控制装置包括曝光时间寄存器、曝光时间检测模块、曝光时间计数模块、曝光时序控制模块、FOT时序控制模块、读出时序控制模块、比较模块、曝光起始位置控制模块、控制电路和三个数据选择器；三个数据选择器分别记为数据选择器一、数据选择器二和数据选择器三；

所述数据选择器有两个输入端、一个输出端和一个控制端，数据选择器的控制端用于接收控制信号，数据选择器能在控制信号的控制下，将两个输入端中的一者选通至输出端；所述控制电路有四个控制信号输出端、一个使能信号输出端和一个数据传输端口；

所述曝光时间寄存器与控制电路的第一控制信号输出端连接，同时，曝光时间寄存器与数据选择器一的第一输入端连接；所述曝光时间检测模块与控制电路的第二控制信号输出端连接，同时，曝光时间检测模块与数据选择器一的第二输入端连接；所述数据选择器一的控制端与控制电路的第三控制信号输出端连接；

所述曝光时间计数模块与数据选择器一的输出端连接，同时，曝光时间计数模块与数据选择器二的输出端连接；数据选择器二的控制端与控制电路的第四控制信号输出端连接，数据选择器二的第一输入端与控制电路的使能信号输出端连接，数据选择器二的第二输入端与数据选择器三的输出端连接；

所述曝光时序控制模块与曝光时间计数模块连接；

所述FOT时序控制模块与曝光时序控制模块连接，同时，FOT时序控制模块与数据选择器三的第一输入端连接；

所述读出时序控制模块与FOT时序控制模块连接；

所述比较模块与控制电路的数据传输端口连接，比较模块的输出端与数据选择器三的控制端连接；

所述曝光起始位置控制模块与数据选择器三的第二输入端连接，同时，曝光起始位置控制模块与曝光时间计数模块连接；

所述控制电路能通过第一控制信号输出端对曝光时间寄存器的动作进行控制，并且，控制电路能对预存在曝光时间寄存器内的内部曝光时间进行修改；所述控制电路能通过第二控制信号输出端对曝光时间检测模块的动作进行控制，并且，控制电路能向曝光时间检测模块先后输出触发脉冲和结束脉冲；所述控制电路能通过第三控制信号输出端控制数据选择器一的动作；所述控制电路能通过第四控制信号输出端控制数据选择器二的动作；所述控制电路能通过使能信号输出端向数据选择器二输出使能信号；所述控制电路能通过数据传输端口向比较模块输出曝光控制时间和读出时间；所述读出时间即为读出操作的时长；

所述曝光时间检测模块能以计数方式检测出触发脉冲和结束脉冲的时间间隔，所述时间间隔记为外部曝光时间；所述数据选择器一能在控制电路的控制下，将内部曝光时间和外部曝光时间中的一者输出至曝光时间计数模块；数据选择器一的输出信号记为曝光时间；

数据选择器二输出的信号记为触发信号；所述曝光时间计数模块能对收到的曝光时间进行缓存；得到曝光时间的同时，曝光时间计数模块将曝光时间传输至曝光起始位置控制模块；曝光时间计数模块能在触发信号的触发下，向曝光时序控制模块输出开始命令；输出开始命令的同时，曝光时间计数模块开始计数，当计数时长达到曝光时间的时长时，曝光时间计数模块向曝光时序控制模块和曝光起始位置控制模块同步输出结束命令；

收到开始命令时，所述曝光时序控制模块向像素电路输出第一驱动信号，控制像素电路进行曝光操作；收到结束命令时，所述曝光时序控制模块向像素电路输出第二驱动信号，控制像素电路结束曝光操作；输出第二驱动信号的同时，曝光时序控制模块向FOT时序控制模块输出第一触发信号；

所述FOT时序控制模块内预存有FOT控制时序；收到第一触发信号时，FOT时序控制模块根据FOT控制时序，控制放大量化处理电路对像素电路输出的光生电荷进行放大、量化处理；放大、量化处理结束时，FOT时序控制模块向数据选择器三和读出时序控制模块同步输出第二触发信号；

所述读出时序控制模块内预存有读出控制时序；收到第二触发信号时，读出时序控制模块根据读出控制时序，控制读出电路对放大量化处理电路输出的信号进行读出操作；

收到曝光控制时间和读出时间后，比较模块能对曝光控制时间和读出时间的时长大小进行比较：若读出时间大于曝光控制时间，则比较模块向数据选择器三输出命令一；若读出时间小于曝光控制时间，则比较模块向数据选择器三输出命令二；

收到命令一时，数据选择器三将所辖的第二输入端与所辖的输出端选通；收到命令二时，数据选择器三将所辖的第一输入端与所辖的输出端选通；

所述曝光起始位置控制模块内预存有参考时间，所述参考时间等于信号处理时间和读出时间之和；所述信号处理时间信息的时长即为放大、量化处理的时长；收到曝光时间后，所述曝光起始位置控制模块能计算出曝光时间和参考时间的时间差值；收到结束命令后，曝光起始位置控制模块开始计数，当计数时长达到时间差值的时长后，曝光起始位置控制模块向数据选择器三输出第三触发信号。

本发明的有益技术效果是：提出了一种CMOS图像传感器曝光时序控制装置，该装置可以通过检测当前曝光时间和前一帧周期的读出时间的时间大小，来对曝光操作的起始时间进行自动调节，保证CMOS图像传感器在各种曝光时间条件下均能正常工作，最终就能使CMOS图像传感器的曝光时间可调性得到大幅扩展。

附图说明

图1、本发明的结构示意图；

图2、曝光操作和读出操作的时序关系示意图一；

图3、曝光操作和读出操作的时序关系示意图二；

图4、曝光时间小于读出时间时，本发明的原理示意图；

图5、曝光时间大于读出时间时，本发明的原理示意图；

图中各个标记所对应的名称分别为：曝光时间寄存器1、曝光时间检测模块2、曝光时间计数模块3、曝光时序控制模块4、FOT时序控制模块5、读出时序控制模块6、比较模块7、曝光起始位置控制模块8、控制电路9和三个数据选择器；三个数据选择器分别记为数据选择器一10、数据选择器二11、数据选择器三12、图中的FOT表示信号处理阶段。

具体实施方式

下面结合附图来讲解本发明的原理：

参见图2、3，图2所示情况是，曝光时间调节后，第i+1帧的曝光时间小于第i帧的读出时间，图3所示情况是，曝光时间调节后，第i+1帧的曝光时间大于第i帧的读出时间；图2和图3是调节曝光时间时的两种常见情况，即调节后的曝光时间既可能小于前一帧的读出时间(图2所示情况)，也可能大于前一帧的读出时间(图3所示情况)；曝光时间改变后，CMOS图像传感器的控制时序也须作相应改变，否则，CMOS图像传感器就无法正常工作；为保证CMOS图像传感器正常工作，在图2所示情况时，应使第i帧的读出操作与第i+1帧的曝光操作同步结束，在图3所示情况时，应使第i帧的读出操作与第i+1帧的曝光操作同步开始；在实际情况中，CMOS图像传感器曝光时间通常由人工主动调节，对CMOS图像传感器而言，调节后的曝光时间长短存在不确定性，这就会造成曝光时间与控制时序难以同步的问题；采用本发明方案后，CMOS图像传感器开始一个新的非初始帧周期时，先通过检测阶段对当前曝光时间和前一帧周期的读出时间的大小进行判断，根据判断结果，对检测阶段的结束时刻进行动态调整(也即对后一帧周期的曝光操作的开始时间进行调节)，从而实现曝光时间与控制时序的同步。

本发明的CMOS图像传感器曝光时序控制装置，即是在前述方法基础上，得到的一种硬件方案，考虑到现有的CMOS图像传感器通常都采用外部曝光和内部曝光相结合的工作模式，本发明的装置中也集成了外部曝光和内部曝光两种控制模式；从器件动作来看，外部曝光模式和内部曝光模式的差异仅在于曝光时间来源不同，外部曝光模式时，其曝光时间由控制电路9输出的触发脉冲和结束脉冲的时间间隔决定，内部曝光模式时，其曝光时间由曝光时间寄存器1提供；下面以外部曝光模式为例，讲解具体的工作过程：

1)控制电路9先控制数据选择器一10将曝光时间检测模块2与曝光时间计数模块3选通，同时，若当前帧周期为初始帧周期，则控制电路9控制数据选择器二11将使能信号输出端与曝光时间计数模块3选通，若当前帧周期为非初始帧周期，则控制电路9控制数据选择器二11将数据选择器三12与曝光时间计数模块3选通；然后，控制电路9向曝光时间检测模块2先后输出触发脉冲和结束脉冲，输出触发脉冲的同时，控制电路9向比较模块7输出曝光控制时间和读出时间(此时的曝光控制时间即为当前输出的触发脉冲与相应结束脉冲的时间间隔；由于读出时间和放大、量化处理时间不受曝光时间变化影响，因此将读出时间和放大、量化处理时间均视为定值)；

收到曝光控制时间和读出时间后，比较模块7能对曝光控制时间和读出时间的时长大小进行比较：若读出时间大于曝光控制时间，此时应使后一帧的曝光时间与前一帧的读出时间同步结束，需由曝光起始位置控制模块8来提供对准时刻，故比较模块7向数据选择器三12输出命令一，使数据选择器三12将曝光起始位置控制模块8与数据选择器二11选通；若读出时间小于曝光控制时间，此时应使后一帧的曝光时间与前一帧的读出时间同步开始，需由FOT时序控制模块5提供对准时刻，故比较模块7向数据选择器三12输出命令二，使数据选择器三12将FOT时序控制模块5与数据选择器二11选通；在初始帧周期情况下，由于数据选择器二11未将数据选择器三12与曝光时间计数模块3选通，因此，初始帧周期时，曝光起始位置控制模块8和FOT时序控制模块5均不发挥作用；

2)曝光时间检测模块2收到触发脉冲时就开始计数，当收到结束脉冲时，曝光时间检测模块2停止计数，并得到触发脉冲和结束脉冲的时间间隔，也即外部曝光时间，曝光时间检测模块2将外部曝光时间传输至曝光时间计数模块3缓存；得到外部曝光时间的同时，曝光时间计数模块3将外部曝光时间传输至曝光起始位置控制模块8；

3)若当前帧周期为初始帧周期，数据选择器二11输出的触发信号来自于使能信号输出端输出的使能信号，若当前帧周期为非初始帧周期，数据选择器二11输出的触发信号来自于数据选择器三12的输出信号(也即来自于曝光起始位置控制模块8和FOT时序控制模块5中的一者)；受触发信号控制，曝光时间计数模块3向曝光时序控制模块4输出开始命令；输出开始命令的同时，曝光时间计数模块3开始计数，当计数时长达到外部曝光时间的时长时，曝光时间计数模块3向曝光时序控制模块4和曝光起始位置控制模块8同步输出结束命令；

收到开始命令时，所述曝光时序控制模块4向像素电路输出第一驱动信号，控制像素电路进行曝光操作；收到结束命令时，所述曝光时序控制模块4向像素电路输出第二驱动信号，控制像素电路结束曝光操作；输出第二驱动信号的同时，曝光时序控制模块4向FOT时序控制模块5输出第一触发信号；

收到结束命令时，曝光起始位置控制模块8开始计数，当计数时长达到时间差值的时长后，曝光起始位置控制模块8向数据选择器三12输出第三触发信号；若当前帧周期为非初始帧周期，且读出时间大于曝光控制时间，则数据选择器二11输出的触发信号来自于曝光起始位置控制模块8输出的第三触发信号(需要说明的是，在非初始帧周期中，若读出时间大于曝光控制时间，此时曝光起始位置控制模块8输出的第三触发信号是一个错误的信号，但由于此时数据选择器三12未将曝光起始位置控制模块8与数据选择器二11选通，因此，并不影响器件正常工作)；

4)收到第一触发信号时，FOT时序控制模块5根据FOT控制时序，控制放大量化处理电路对像素电路输出的光生电荷进行放大、量化处理；放大、量化处理结束时，FOT时序控制模块5向数据选择器三12和读出时序控制模块6同步输出第二触发信号；若当前帧周期为非初始帧周期，且读出时间小于曝光控制时间，则步骤3)中，数据选择器二11输出的触发信号来自于FOT时序控制模块5输出的第二触发信号(与曝光起始位置控制模块8相应地，在非初始帧周期中，若读出时间小于曝光控制时间，此时FOT时序控制模块5输出的第二触发信号也是一个错误的信号，但由于此时数据选择器三12未将FOT时序控制模块5与数据选择器二11选通，因此，并不影响器件正常工作)；

5)收到第二触发信号时，读出时序控制模块6根据读出控制时序，控制读出电路对放大量化处理电路输出的信号进行读出操作；

CMOS图像传感器工作于内部曝光模式时，其工作过程与前述过程的差异仅在于：最开始时，控制电路9先控制数据选择器一10将曝光时间寄存器1与曝光时间计数模块3选通，同时，控制电路9也不再控制曝光时间检测模块2输出触发脉冲和结束脉冲，而是控制曝光时间寄存器1输出内部曝光时间；在外部工作模式时，技术人员通过人机对话装置，使控制电路9输出相应的触发脉冲和结束脉冲来实现曝光时间调节，在内部工作模式时，技术人员通过人机对话装置，使控制电路9对曝光时间寄存器1内的内部曝光时间进行修改来实现曝光时间调节。

采用前述装置后，无论CMOS图像传感器工作于哪种工作模式，CMOS图像传感器都可在曝光时间调节后，自动地实现曝光时间与控制时序的同步，从而大大提高曝光时间调节的灵活性，使CMOS图像传感器能够适用于更多的曝光场景。

Claims (1)

1.一种CMOS图像传感器曝光时序控制装置，所述CMOS图像传感器包括互相匹配的像素电路、放大量化处理电路和读出电路；其特征在于：所述CMOS图像传感器曝光时序控制装置包括曝光时间寄存器(1)、曝光时间检测模块(2)、曝光时间计数模块(3)、曝光时序控制模块(4)、FOT时序控制模块(5)、读出时序控制模块(6)、比较模块(7)、曝光起始位置控制模块(8)、控制电路(9)和三个数据选择器；三个数据选择器分别记为数据选择器一(10)、数据选择器二(11)和数据选择器三(12)；

所述数据选择器有两个输入端、一个输出端和一个控制端，数据选择器的控制端用于接收控制信号，数据选择器能在控制信号的控制下，将两个输入端中的一者选通至输出端；所述控制电路(9)有四个控制信号输出端、一个使能信号输出端和一个数据传输端口；

所述曝光时间寄存器(1)与控制电路(9)的第一控制信号输出端连接，同时，曝光时间寄存器(1)与数据选择器一(10)的第一输入端连接；所述曝光时间检测模块(2)与控制电路(9)的第二控制信号输出端连接，同时，曝光时间检测模块(2)与数据选择器一(10)的第二输入端连接；所述数据选择器一(10)的控制端与控制电路(9)的第三控制信号输出端连接；

所述曝光时间计数模块(3)与数据选择器一(10)的输出端连接，同时，曝光时间计数模块(3)与数据选择器二(11)的输出端连接；数据选择器二(11)的控制端与控制电路(9)的第四控制信号输出端连接，数据选择器二(11)的第一输入端与控制电路(9)的使能信号输出端连接，数据选择器二(11)的第二输入端与数据选择器三(12)的输出端连接；

所述曝光时序控制模块(4)与曝光时间计数模块(3)连接；

所述FOT时序控制模块(5)与曝光时序控制模块(4)连接，同时，FOT时序控制模块(5)与数据选择器三(12)的第一输入端连接；

所述读出时序控制模块(6)与FOT时序控制模块(5)连接；

所述比较模块(7)与控制电路(9)的数据传输端口连接，比较模块(7)的输出端与数据选择器三(12)的控制端连接；

所述曝光起始位置控制模块(8)与数据选择器三(12)的第二输入端连接，同时，曝光起始位置控制模块(8)与曝光时间计数模块(3)连接；

所述控制电路(9)能通过第一控制信号输出端对曝光时间寄存器(1)的动作进行控制，并且，控制电路(9)能对预存在曝光时间寄存器(1)内的内部曝光时间进行修改；所述控制电路(9)能通过第二控制信号输出端对曝光时间检测模块(2)的动作进行控制，并且，控制电路(9)能向曝光时间检测模块(2)先后输出触发脉冲和结束脉冲；所述控制电路(9)能通过第三控制信号输出端控制数据选择器一(10)的动作；所述控制电路(9)能通过第四控制信号输出端控制数据选择器二(11)的动作；所述控制电路(9)能通过使能信号输出端向数据选择器二(11)输出使能信号；所述控制电路(9)能通过数据传输端口向比较模块(7)输出曝光控制时间和读出时间；所述读出时间即为读出操作的时长；

所述曝光时间检测模块(2)能以计数方式检测出触发脉冲和结束脉冲的时间间隔，所述时间间隔记为外部曝光时间；所述数据选择器一(10)能在控制电路(9)的控制下，将内部曝光时间和外部曝光时间中的一者输出至曝光时间计数模块(3)；数据选择器一(10)的输出信号记为曝光时间；

数据选择器二(11)输出的信号记为触发信号；所述曝光时间计数模块(3)能对收到的曝光时间进行缓存；得到曝光时间的同时，曝光时间计数模块(3)将曝光时间传输至曝光起始位置控制模块(8)；曝光时间计数模块(3)能在触发信号的触发下，向曝光时序控制模块(4)输出开始命令；输出开始命令的同时，曝光时间计数模块(3)开始计数，当计数时长达到曝光时间的时长时，曝光时间计数模块(3)向曝光时序控制模块(4)和曝光起始位置控制模块(8)同步输出结束命令；

收到开始命令时，所述曝光时序控制模块(4)向像素电路输出第一驱动信号，控制像素电路进行曝光操作；收到结束命令时，所述曝光时序控制模块(4)向像素电路输出第二驱动信号，控制像素电路结束曝光操作；输出第二驱动信号的同时，曝光时序控制模块(4)向FOT时序控制模块(5)输出第一触发信号；

所述FOT时序控制模块(5)内预存有FOT控制时序；收到第一触发信号时，FOT时序控制模块(5)根据FOT控制时序，控制放大量化处理电路对像素电路输出的光生电荷进行放大、量化处理；放大、量化处理结束时，FOT时序控制模块(5)向数据选择器三(12)和读出时序控制模块(6)同步输出第二触发信号；

所述读出时序控制模块(6)内预存有读出控制时序；收到第二触发信号时，读出时序控制模块(6)根据读出控制时序，控制读出电路对放大量化处理电路输出的信号进行读出操作；

收到曝光控制时间和读出时间后，比较模块(7)能对曝光控制时间和读出时间的时长大小进行比较：若读出时间大于曝光控制时间，则比较模块(7)向数据选择器三(12)输出命令一；若读出时间小于曝光控制时间，则比较模块(7)向数据选择器三(12)输出命令二；

收到命令一时，数据选择器三(12)将所辖的第二输入端与所辖的输出端选通；收到命令二时，数据选择器三(12)将所辖的第一输入端与所辖的输出端选通；

所述曝光起始位置控制模块(8)内预存有参考时间，所述参考时间等于信号处理时间和读出时间之和；所述信号处理时间信息的时长即为放大、量化处理的时长；收到曝光时间后，所述曝光起始位置控制模块(8)能计算出曝光时间和参考时间的时间差值；收到结束命令后，曝光起始位置控制模块(8)开始计数，当计数时长达到时间差值的时长后，曝光起始位置控制模块(8)向数据选择器三(12)输出第三触发信号。

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