CN110519537A - 一种图像传感器阵列及其温漂补偿方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种图像传感器阵列及其温漂补偿方法，涉及非制冷红外焦平面阵列技术领域；其中温漂补偿方法包括：获取所述图像传感器阵列中盲像素阵列的输出温漂；根据所述盲像素阵列的输出温漂获得感光像素的输出温漂；将所述感光像素的输出温漂从预获取到的所述图像传感器阵列的原始输出变化量中去除，得到校正后的输出变化量。本申请运用盲像素阵列能够大大简化函数拟合的复杂度；通过盲像素阵列能感知衬底温度的空间分布梯度及变化，获得更精准的温漂补偿，提高了图像传感器在工作时温漂校正的有效性。

Description

一种图像传感器阵列及其温漂补偿方法

技术领域

本申请涉及图像传感器技术领域，具体涉及一种图像传感器阵列及其温漂补偿方法。

背景技术

对于红外热辐射探测器等图像传感器芯片，像素内的传感单元对于芯片衬底温度也具有一定的响应，且不同像素对于衬底温度的响应具有非一致性。而且由于芯片本身具有一定的热阻及热容，当外界存在温度梯度或发生温度变化时，芯片衬底的温度具有非均匀性或发生变化。因此，当芯片温度发生变化时，图像传感器的输出也会发生改变，即产生温度漂移(简称温漂)；由于整个图像传感器的温漂存在非均匀性，故温度变化时图像的空间固定噪声也会发生变化。温漂及其空间非均匀性会影响成像的动态范围及噪声性能，必须通过一定的技术手段予以抑制或补偿，才能保证良好的成像质量。

传统的温漂补偿方法是基于图像传感器衬底温度的测量以及输出温漂的标定拟合方法实现的，这种方法存在温漂函数拟合复杂，实时温漂计算量大，以及温度测量不准导致温漂校正效果降低等缺点。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本申请实施例提供了一种图像传感器阵列及其温漂补偿方法。

本申请实施例的第一方面提供了一种图像传感器阵列:

所述图像传感器阵列包括衬底、感光像素阵列和盲像素阵列；所述衬底置于所述图像传感器阵列的底部，所述感光像素阵列和所述盲像素阵列置于所述衬底上；所述盲像素阵列置于所述感光像素阵列的上下方和/或左右侧。

在一些实施例中，所述盲像素阵列包括上下盲行和/或左右盲列。

在一些实施例中，所述盲像素阵列能感知衬底温度空间分布梯度及其变化。

在一些实施例中，所述图像传感器阵列与读出电路连接；所述感光像素阵列和所述盲像素阵列共享所述读出电路。

本申请实施例的第二方面提供了一种图像传感器阵列温漂补偿的方法，所述方法包括：

获取所述图像传感器阵列中盲像素阵列的输出温漂；

根据所述盲像素阵列的输出温漂获得感光像素的输出温漂；

将所述感光像素的输出温漂从预获取到的所述图像传感器阵列的原始输出变化量中去除，得到校正后的输出变化量。

在一些实施例中，根据所述盲像素阵列的输出温漂获得感光像素的输出温漂具体为：将所述盲像素阵列的输出温漂输入至预拟合过的第一拟合函数中，获得所述感光像素的输出温漂。。

在一些实施例中，根据所述盲像素阵列的输出温漂获得感光像素的输出温漂具体为：根据所述盲像素阵列的输出温漂获得虚拟参考像素的输出温漂；将所述虚拟参考像素的输出温漂输入至预拟合过的第二拟合函数中，获得所述感光像素的输出温漂。

在一些实施例中，根据所述盲像素阵列的输出温漂获得虚拟参考像素的输出温漂具体为：对所述盲像素阵列的输出温漂执行空间插值处理得到所述虚拟参考像素的输出温漂。

在一些实施例中，所述图像传感器阵列的原始输出变化量是与所述图像传感器阵列相连的读出电路读出的原始输出变化量；所述原始输出变化量包括外部辐射引起的变化量和所述感光像素输出温漂引起的变化量。

本申请实施例的第三方面提供了一种图像传感器阵列温漂补偿的装置，所述装置包括：

第一获取模块，用于获取所述图像传感器阵列中盲像素阵列的输出温漂；

第二获取模块，用于根据所述盲像素阵列的输出温漂获得感光像素的输出温漂；

输出模块，用于将所述感光像素的输出温漂从预获取到的所述图像传感器阵列的原始输出变化量中去除，得到校正后的输出变化量。

本申请的有益效果为：运用盲像素阵列能够大大简化函数拟合的复杂度；通过盲像素阵列能感知衬底温度的空间分布梯度及变化，获得更精准的温漂补偿，提高了图像传感器在工作时温漂校正的有效性；同时，图像传感器中的感光像素阵列和盲像素阵列共享所述读出电路，极大地简化电路设计。

附图说明

为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本申请的一些实施例所示的一种图像传感器阵列的结构示意图；

图2是根据本申请的一些实施例所示的一种图像传感器阵列的温漂补偿方法的流程示意图；

图3a是根据本申请的一些实施例所示的环境温度与失调温漂电压关系示意图；

图3b是根据本申请的一些实施例所示的参考温漂与实际温漂关系示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图像传感器芯片衬底的温度具有非均匀性并且随着外界或自身温度的变化而发生变化，即使是同一块衬底上的温度也不是处处相等，而是会有一个温度分布，即环境温度改变时，会引起衬底温度的改变，但由于衬底整体上温度不均匀，具体到各个像素位置上的温度改变无法具体得知，因此需要将衬底温度进行拟合。

传统的拟合方法就是，已知一个全局温度传感器输出的变化ΔVtemp,对于任意(i,j)位置的像素，由于温漂引起的输出变化是ΔVpix,i,j,将两个数作商可以得到一个系数，即公式1中的系数，可以定义它为αi,j,那么对于全阵列就有M×N个α系数，在这之后当全局温度传感器的输出再变化(对应一个温度变化)时，就通过这个α去拟合对应像素的温漂。缺点就是由于整个阵列上温度分布较为复杂，而全局的温度传感器无法探测到空间上较为准确的温度分布，因此用这种方式拟合不准确。

本申请提供了一种图像传感器阵列的结构示意图，如图1所示。所述图像传感器阵列包括衬底、感光像素阵列和盲像素阵列；所述衬底置于所述图像传感器阵列的底部，所述感光像素阵列和所述盲像素阵列置于所述衬底上；所述盲像素阵列置于所述感光像素阵列的上下方和/或左右侧；所述盲像素阵列包括上下盲行和/或左右盲列。

盲像素是对外部辐射变化近似无响应的参考像素，通过遮挡光线或降低感光器件的光敏感度等方式实现，可以与正常的感光像素一样具有衬底温漂，并被读出电路读出。

对于感光像素阵列第i行第j列的感光像素，其输出为电压V(i，j)，衬底温度为T_sub(i，j),则衬底温漂系数温漂系数c(i，j)由于像素工艺误差有空间的非一致性，而衬底温度T_sub(i，j)也由于衬底热分布具有非一致性。温漂系数的非均匀性主要表现为空间的高频非均匀性，即不同像素之间可能有随机的较大差异，而衬底温度主要表现为空间的低频非均匀性，即不同像素区域的温度可能存在空间梯度；由于温漂系数和衬底温度的非均匀性共同导致了温漂现象，而温漂现象又引起的图像输出空间噪声，因此需要对图像传感器产生的温漂进行标定校正，而标定校正图像传感器温漂的核心是获得不同温度下，各个感光像素阵列中的像素的输出信息以及能准确反映各个感光像素的传感器温度的测温信息。

相应地，本申请一个实施例中还提出了一种图像传感器阵列的温漂补偿方法。其中，温漂补偿就是要在图像传感器阵列受到温漂影响的原始数据中，将温漂的影响给补偿掉，获得不受温漂影响的数据；一般补偿分为两部分：标定和校正；所谓标定，就是测量温漂带来的影响值的过程；校正，就是在图像传感器的实际的使用中，基于标定的结果，对传感器的输出数据进行处理，获得不受温漂影响的数据的过程。

本申请提供的图像传感器阵列的温漂补偿方法是基于在图像传感器阵列的感光像素阵列的四周设置对外界辐射无响应的盲像素行列，盲像素对衬底温度变化的响应与感光像素基本一致，以此来感知衬底温度的引起的输出变化。并基于盲像素行列的输出温漂，标定像素阵列的温漂，获得更加简化的拟合函数，在传感器实际工作过程中，基于盲像素行列的输出温漂，计算得像素阵列的温漂，并进行校正。

如图2所示，一种图像传感器阵列的温漂补偿方法，具体包括：

步骤201、获取所述图像传感器阵列中盲像素阵列的输出温漂；

步骤202、根据所述盲像素阵列的输出温漂获得感光像素的输出温漂；

步骤203、将所述感光像素的输出温漂从预获取到的所述图像传感器阵列的原始输出变化量中去除，得到校正后的输出变化量。

可选地，根据所述盲像素阵列的输出温漂获得感光像素的输出温漂具体为：将所述盲像素阵列的输出温漂输入至预拟合过的第一拟合函数中，获得所述感光像素的输出温漂。。

可选地，根据所述盲像素阵列的输出温漂获得感光像素的输出温漂具体为：根据所述盲像素阵列的输出温漂获得虚拟参考像素的输出温漂；将所述虚拟参考像素的输出温漂输入至预拟合过的第二拟合函数中，获得所述感光像素的输出温漂。

具体地，根据所述盲像素阵列的输出温漂获得虚拟参考像素的输出温漂具体为：对所述盲像素阵列的输出温漂执行空间插值处理得到所述虚拟参考像素的输出温漂。

具体地，所述图像传感器阵列的原始输出变化量是与所述图像传感器阵列相连的读出电路读出的原始输出变化量；所述原始输出变化量包括外部辐射引起的变化量和所述感光像素输出温漂引起的变化量。

本申请另一个实施例中还对应提出了一种图像传感器阵列温漂补偿的装置，所述装置包括：

第一获取模块，用于获取所述图像传感器阵列中盲像素阵列的输出温漂；

第二获取模块，用于根据所述盲像素阵列的输出温漂获得感光像素的输出温漂；

输出模块，用于将所述感光像素的输出温漂从预获取到的所述图像传感器阵列的原始输出变化量中去除，得到校正后的输出变化量。

传统的温漂标定校正是在所述感光像素阵列外围设置温度传感器，将全局测温温漂ΔV_temp＝C_sΔT_sub.global与像素输出温漂ΔV_pix＝C_pix(i，j)ΔT_pix(i，j)进行拟合，得到输出温漂与衬底温漂的函数关系：

其中ΔV_pix与ΔV_temp是通过读出电路读出的量，被拟合的量为整体。

在(1)式中，ΔT_sub.global与ΔT_pix(i，j)存在差异，而传感器热环境的变化会导致此差异发生变化，标定测试的热环境与实际工作的热环境不同，使得标定校正效果变差，即会发生变化。而且可能随着实际的传感器工作状态(如偏压大小，选通时间等)发生变化，对这些变化标定时若一一予以测得，会耗费很大的测试代价。

传统的校正方法中，还有采用感光像素输出与盲像素输出直接做差消除温漂的，该方法的局限性在于，由于感光像素的温漂系数存在空间非均匀性，且不等于盲像素的温漂系数，直接用盲像素的输出进行温漂补偿并不准确。

在一个实施例中，采用盲像素的温漂来校正感光像素阵列的温漂；其中，感光像素的输出温漂为ΔV_pix＝C_pix(i，j)ΔT_pix(i，j)，盲像素阵列的输出温漂为ΔV_blind＝C_blind(i，j)ΔT_blind(i，j)，用感光像素的输出温漂与盲像素阵列的输出温漂进行拟合，即拟合得到第一拟合函数ΔV_pix＝f(ΔV_blind)，具体如下式所示：

在(2)式中，系数即为拟合的量，即为

第一拟合函数是用来将读取到的盲像素阵列的输出温漂直接拟合得到附近的感光像素的输出温漂，基于此作用图像传感器在正常工作时产生的输出温漂可以通过盲像素阵列的输出温漂的值反推像素输出温漂的值，再进行校正。

本实施例中公开的技术方案与传统方案的不同在于：传统方案对所有的像素智能选择全局温度传感器的输出温漂ΔV_temp这一唯一参考量来拟合，而本实施例中公开的方案可以对于任意的感光像素(m，n)选择合适的盲像素(i，j)来进行拟合；由于盲像素与感光像素的位置不可能完全一致，所以ΔT_pix(m，n)与ΔT_blind(i，j)仍有差异，但可以选取空间上最接近感光像素的盲像素，使用该盲像素的输出变化ΔV_blind来拟合，使得盲像素的温度信息能够反映芯片衬底的温度梯度及局部变化，盲像素可以与感光像素一样共享读出电路，避免了单一温度传感器的测温不准确或分布式测温的读出复杂；值得一提的是，由于盲像素的读出设置、敏感器件结构与感光像素一致，实际传感器工作状态变化引起的C_pix(m，n)ΔT_pix(m，n)变化可以被C_blind(i，j)ΔT_blind(i，j)的变化所抵消，温度校正的可靠性得到了很大程度的提高。

本申请采用的盲像素阵列可以获得对衬底温度宏观分布的感知，从而提高温漂校正的有效性。本申请的另一个实施例，以盲像素阵列包括上下盲行为例，感光像素阵列的大小为i×j，其中上下盲行大小为1×j，其中，M＞i≥1，j≥1且i、j、M均为自然数；假设在感光像素阵列的上/下方各有上下盲行1行，衬底温度的分布式具有空间(二维平面)的线性梯度分布，则在衬底发生温漂时，各像素温漂也具有空间的线性梯度分布，此时空间线性函数的表达式就是y＝k×i+p×j+q(其中，k、p、q就是函数的系数，i、j是列与行的空间坐标)，基于以上的思路，则第i行，第j列的感光像素的衬底温漂为：

ΔT_sub(i，j)＝k×i+p×j+q (3)

其同一列的第0行和第M行盲行的衬底温漂分别为：

ΔT_sub(0，j)＝p×j+q (4)

ΔT_sub(M，j)＝k×M+p×j+q (5)

联立(3)(4)(5)式，根据获得第0行第j列盲像素的衬底温漂以及第M行第j列盲像素的衬底温漂，通过线性拟合得到第i行第j列感光像素的衬底温漂，即：

在不考虑温漂系数差异的情况下，通过盲像素阵列的温漂数据，可以获得空间一次的温度梯度分布下局部感光像素的实际温漂，从而解决了单一温度传感器测温不准的问题。

本申请的另一个实施例，以盲像素阵列包括左右盲列为例，感光像素阵列的大小为i×j，其中左右盲列大小为i×1，假设在感光像素阵列的左/右侧各有左右盲列N列，其中，i≥1，j≥1，N≥1且i、j、N均为自然数；感光像素(i,j)在工作时的原始输出变化为ΔV_origin，其中，原始输出变化ΔV_origin包含了外部辐射引起的输出变化和衬底温漂引起的变化；

在不同环境温度下，本申请对于感光像素(i,j)测试得到其感光像素的温漂及各个温度下对应的盲像素(i,0)和盲像素(i,N)的输出温漂，并对盲像素的输出温漂进行空间插值，得到等效在感光像素(i,j)上的虚拟参考像素(i,j)的输出温漂为：

以虚拟参考像素(i,j)的输出温漂来拟合感光像素(i,j)的输出温漂与盲像素阵列的输出温漂的关系，得到第二拟合函数：

ΔV_fitting(i，j)＝f(ΔV_ref(i，j)) (8)

由第二拟合函数可知感光像素(i,j)的输出温漂引起的输出变化ΔVfitting。

基于该温漂拟合结果，ΔV_origin与ΔV_origin两者相减后即可得到仅由于外部辐射引起的输出变化，即得到校正后的输出：

ΔV_corr＝ΔV_origin-ΔV_fitting (9)

其中，ΔV_origin是读出电路读出的原始值的变化量，包含外部辐射以及感光像素输出温漂引起的变化。

如图3a所示，为本申请的一些实施例所示的环境温度与失调温漂电压关系示意图；如图3b所示，根据本申请的一些实施例所示的参考温漂与实际温漂关系示意图；图3a中横坐标表示环境温度T，纵坐标表示失调温漂电压V，图中实线或虚线均表示根据环境温度、失调温漂拟合出的温漂曲线，其中，1-4号线分别展示了第0列盲像素(i,0)、第N列的盲像素(i,N)、感光像素(i,j)以及虚拟参考像素(i,j)的温漂曲线。在环境温度为最低环境温度T_min时，感光像素(i,j)和虚拟参考像素(i,j)对应的失调电压为V_min和V_refmin；在环境温度为最高环境温度T_max时，感光像素(i,j)和虚拟参考像素(i,j)对应的失调电压为V_max和V_refmax；通过外部设备使图像传感器接收均匀不变的辐射，此时图像传感器阵列上各感光像素接收到的辐射都是均匀且不变的；改变环境的温度，各个感光像素的衬底温度会随之改变，而此时由于图像传感器接收的是均匀且不变的外部辐射，因此图像传感器中每个感光像素输出的改变全部由像素衬底温度改变引起的温漂ΔV_pix；同时还可以得到盲像素的输出值，并通过诸如线性内插等方式处理，得到虚拟像素温漂ΔV_ref。

通过多次改变环境温度，可以得到一组(ΔV_pix，ΔV_ref)的值，以参考温漂ΔV_ref为横坐标，以实际温漂ΔV_pix为纵坐标，经过多组值的拟合，可以得到如图3b中所示的实线；对该实线作拟合得到虚线A：V＝f(V_ref)，即第二拟合函数。

在实际的工作中，图像传感器阵列要接受各种外部景物的辐射，且环境温度也会变化，此时主要利用盲像素读出的结果，结合拟合出的拟合函数f，反推出由于像素衬底温度变化引起的温漂输出变化，然后在原始输出变化中剔除这部分，达到校正的效果。

标定信息是基于盲像素阵列读出值实现的，所述盲像素阵列与感光像素共享读出电路，极大地简化电路设计；同时盲像素阵列能感知衬底温度的空间分布梯度及变化，获得更精准的温漂校正；并且盲像素阵列的温漂系数与实际敏感器件温度、感光像素的相互匹配补偿，提高了图像传感器在不同工作状态(高温、常温和低温)下温漂校正的有效性；盲像素的温漂与感光像素的温漂特性接近，简化了拟合函数的过程，大大节省了时间。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种图像传感器阵列，其特征在于，所述图像传感器阵列包括衬底、感光像素阵列和盲像素阵列；所述衬底置于所述图像传感器阵列的底部，所述感光像素阵列和所述盲像素阵列置于所述衬底上；所述盲像素阵列置于所述感光像素阵列的上下方和/或左右侧。

2.根据权利要求1所述的图像传感器阵列，其特征在于，所述盲像素阵列包括上下盲行和/或左右盲列。

3.根据权利要求1所述的图像传感器阵列，其特征在于，所述盲像素阵列能感知衬底温度空间分布梯度及其变化。

4.根据权利要求1所述的图像传感器阵列，其特征在于，所述图像传感器阵列与读出电路连接；所述感光像素阵列和所述盲像素阵列共享所述读出电路。

5.一种图像传感器阵列温漂补偿的方法，其特征在于，所述方法包括：

获取所述图像传感器阵列中盲像素阵列的输出温漂；

根据所述盲像素阵列的输出温漂获得感光像素的输出温漂；

将所述感光像素的输出温漂从预获取到的所述图像传感器阵列的原始输出变化量中去除，得到校正后的输出变化量。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据所述盲像素阵列的输出温漂获得感光像素的输出温漂具体为：将所述盲像素阵列的输出温漂输入至预拟合过的第一拟合函数中，获得所述感光像素的输出温漂。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据所述盲像素阵列的输出温漂获得感光像素的输出温漂具体为：根据所述盲像素阵列的输出温漂获得虚拟参考像素的输出温漂；将所述虚拟参考像素的输出温漂输入至预拟合过的第二拟合函数中，获得所述感光像素的输出温漂。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据所述盲像素阵列的输出温漂获得虚拟参考像素的输出温漂具体为：对所述盲像素阵列的输出温漂执行空间插值处理得到所述虚拟参考像素的输出温漂。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述图像传感器阵列的原始输出变化量是与所述图像传感器阵列相连的读出电路读出的原始输出变化量；所述原始输出变化量包括外部辐射引起的变化量和所述感光像素输出温漂引起的变化量。

10.一种图像传感器阵列温漂补偿的装置，其特征在于，所述装置包括：

第一获取模块，用于获取所述图像传感器阵列中盲像素阵列的输出温漂；

第二获取模块，用于根据所述盲像素阵列的输出温漂获得感光像素的输出温漂；

输出模块，用于将所述感光像素的输出温漂从预获取到的所述图像传感器阵列的原始输出变化量中去除，得到校正后的输出变化量。