CN111294529B

CN111294529B - 高动态范围tdi图像传感器及其成像方法

Info

Publication number: CN111294529B
Application number: CN202010166833.0A
Authority: CN
Inventors: 李扬; 戚忠雪; 周泉; 马成; 王欣洋
Original assignee: Changchun Changguangchenxin Optoelectronics Technology Co ltd
Current assignee: Changchun Changguang Chenxin Microelectronics Co.,Ltd.
Priority date: 2020-03-11
Filing date: 2020-03-11
Publication date: 2021-11-16
Anticipated expiration: 2040-03-11
Also published as: CN111294529A

Abstract

本发明公开一种高动态范围TDI图像传感器及其成像方法，其中的方法包括：通过调节两个感光阵列的积分级数改变两个感光阵列累积的电荷总量，采用不同的增益进行读出，电荷总量少的感光阵列通过大增益读出像素输出值，反映弱光信息，而电荷总量多的感光阵列通过小增益读出像素输出值，反映强光信息，然后对两个感光阵列读出的像素输出值进行高动态范围合成。本发明的TDI图像传感器具有不同增益的两个感光阵列，配合高增益感光阵列与低增益感光阵列的电压与积分级数的调节，改变两个感光阵列累积的电荷总量，使电荷总量少的感光阵列采用高增益读出，电荷总量多的感光阵列采用低增益读出，从而实现在保留弱光信噪比的同时，增加TDI图像传感器的动态范围。

Description

高动态范围TDI图像传感器及其成像方法

技术领域

本发明涉及于TDI图像传感器技术领域，特别涉及一种高动态范围TDI图像传感器及其成像方法。

背景技术

时间延时积分(Time Delay Integration，TDI)图像传感器广泛应用于空间成像、工业检测和医学成像等领域。TDI图像传感器可对运动物体进行成像，具有灵敏度高的优点。但传统的TDI图像传感器只有一个感光阵列，在较高的灵敏度下，弱光信噪比较高，在强光下图像易于饱和，降低了TDI图像传感器的动态范围。

如何在保留弱光信噪比的同时，增加TDI图像传感器的动态范围，是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种高动态范围TDI图像传感器及其成像方法，以解决传统的TDI图像传感器在保留弱光信噪比的同时，无法增加TDI图像传感器的动态范围的问题。

本发明提供的高动态范围TDI图像传感器，包括：高增益感光阵列、低增益感光阵列、寄存器和读出电路；其中，寄存器用于调节高增益感光阵列、低增益感光阵列的积分级数，以改变高增益感光阵列、低增益感光阵列累积的电荷总量，还用于调节高增益感光阵列、低增益感光阵列的转换增益，使高增益感光阵列的转换增益大于低增益感光阵列的转换增益，以适配高增益感光阵列、低增益感光阵列累积的电荷总量；读出电路用于分别读出高增益感光阵列与低增益感光阵列通过转换增益转换后的模拟信号电压，并模数转换为像素输出值。

优选地，高动态范围TDI图像传感器还包括高增益感光阵列电压控制模块和低增益感光阵列电压控制模块；其中，高增益感光阵列电压控制模块与高增益感光阵列连接，用于调节高增益感光阵列的控制电压，改变高增益感光阵列单级累积的电荷，从而改变高增益感光阵列累积的电荷总量；低增益感光阵列电压控制模块与低增益感光阵列连接，用于调节低增益感光阵列的控制电压，改变低增益感光阵列单级累积的电荷，从而改变低增益感光阵列累积的电荷总量。

本发明提供的TDI图像传感器的高动态范围成像方法，包括如下步骤：

S1、预处理：通过寄存器将高增益感光阵列的积分级数调节为S1，将转换增益调节为G1，高增益感光阵列在弱光下累计积1级的电荷为q1，高增益感光阵列在S1级数下累积的电荷为Q1，高增益感光阵列的模拟信号电压V_sig1＝G1*Q1；

通过寄存器将低增益感光阵列的积分级数调节为S2，S2≤S1，将转换增益调节为G2，G2＜G1，低增益感光阵列在强光下累计1级的电荷为q2，则低增益感光阵列在S2级数下累积的电荷为Q2，低增益感光阵列的模拟信号电压V_sig2＝G2*Q2；

通过上述两步的调节使其满足如下条件：

V_sig1≥V_sig2；

S2、像素读出：通过读出电路分别读出高增益感光阵列的像素输出值和低增益感光阵列的像素输出值；其中，

通过读出电路读出高增益感光阵列的像素输出值的步骤为：

将模拟信号电压V_sig1进行模数转换，获得高增益感光阵列的像素输出值；

通过读出电路读出低增益感光阵列的像素输出值的步骤为：

将模拟信号电压V_sig2进行模数转换，获得低增益感光阵列的像素输出值；

S3、高动态融合：对高增益感光阵列的像素输出值和低增益感光阵列的像素输出值进行高动态范围合成；其中，

当高增益感光阵列的像素输出未饱和时，高动态范围合成结果为高增益感光阵列的像素输出值；

当高增益感光阵列的像素输出饱和时，高动态范围合成结果为低增益感光阵列的像素输出值乘以G1*S1/G2*S2的值。

本发明能够取得以下技术效果：

该高动态范围TDI图像传感器具有不同增益的两个感光阵列，配合高增益感光阵列与低增益感光阵列的控制电压与积分级数的调节，改变两个感光阵列累积的电荷总量，使电荷总量少的感光阵列采用高增益读出，电荷总量多的感光阵列采用低增益读出，从而实现在保留弱光信噪比的同时，增加TDI图像传感器的动态范围。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的高动态范围TDI图像传感器的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的TDI图像传感器的高动态范围成像方法的流程示意图；

图3是根据本发明一个实施例的高低增益感光阵列的像素输出值与光强的关系图；

图4是根据本发明一个实施例的两个感光阵列进行高动态范围合成后的动态范围示意图。

其中的附图标记包括：高增益感光阵列1、低增益感光阵列2、高增益感光阵列电压控制模块3、低增益感光阵列电压控制模块4、寄存器5、读出电路6。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明提供的高动态范围TDI图像传感器选择内置读出电路的图像传感器，如CMOS-TDI图像传感器，而本发明提供的TDI图像传感器的高动态范围成型方法适用于内置读出电路或外置读出电路的TDI图像传感器，外置读出电路的TDI图像传感器如CCD-TDI图像传感器。

本发明的创新之处为：根据光的强弱改变两个感光阵列累积的电荷总量，并采用不同的转换增益进行读出，接收弱光的感光阵列需要累积多级数的电荷总量并通过高增益读出像素输出值，反映出弱光信息，而接收强光的感光阵列需要累积少级数的电荷总量并通过低增益读出像素输出值，反映出强光信息，然后对两个感光阵列的像素输出值进行合成，以实现在保留弱光信噪比的同时，增加TDI图像传感器动态范围。

需要解释的是，转换增益是电子到电压的转换系数。

改变两个感光阵列累积的电荷总量的方式有三种，第一种方式是调节两个感光阵列的控制电压，以改变感光阵列单级累积的电荷，从而改变感光阵列累积的电荷总量；第二种方式是调节两个感光阵列的积分级数(一行即为一级，积分级数越多，累积的电荷总量越多)，以改变感光阵列累积的电荷总量；第三种方式是同时调节两个感光阵列的控制电压及两个感光阵列的积分级数，以改变两个感光阵列累积的电荷总量。

需要说明的是，在两个感光阵列积分级数相同、增益相同的条件下，由于同时调节两个感光阵列的控制电压和积分级数对高动态范围的影响最大，所以第三种方式取得的效果优于第二种方式和第一种方式取得的效果，而单改变两个感光阵列的积分级数或控制电压对高动态范围的影响大小不一定，所以第二种方式和第一种方式取得的效果，取决于积分级数的比例和单级累积电荷的比例。

下面，将详述本发明实施例提供的高动态范围TDI图像传感器的结构。

图1示出了根据本发明一个实施例的高动态范围TDI图像传感器的结构。

如图1所示，本发明实施例提供的高动态范围TDI图像传感器，包括：高增益感光阵列1、低增益感光阵列2、高增益感光阵列电压控制模块3、低增益感光阵列电压控制模块4、寄存器5和读出电路6，高增益感光阵列1的转换增益大于低增益感光阵列2的转换增益，高增益感光阵列电压控制模块3与高增益感光阵列1连接，低增益感光阵列电压控制模块4与低增益感光阵列2连接，寄存器5分别与高增益感光阵列1、低增益感光阵列2连接，读出电路6分别与高增益感光阵列1、低增益感光阵列2连接。

高增益感光阵列电压控制模块3用于调节高增益感光阵列1的控制电压，以改变高增益感光阵列1在每个级数下吸收光子的能力，也就是改变累计1级得到的电荷量，从而改变高增益感光阵列1累积的电荷总量。

同理，低增益感光阵列电压控制模块4用于调节低增益感光阵列2的控制电压，以改变低增益感光阵列2在每个级数下吸收光子的能力，即改变累计1级得到的电荷量，从而改变低增益感光阵列2累积的电荷总量。

寄存器5用于分别调节高增益感光阵列1、低增益感光阵列2的积分级数以及调节高增益感光阵列1、低增益感光阵列2的转换增益；其中，调节高增益感光阵列1、低增益感光阵列2的积分级数的目的是改变高增益感光阵列1、低增益感光阵列2在各自积分级数下累积的电荷总量；调节高增益感光阵列1、低增益感光阵列2的转换增益的目的是适配高增益感光阵列1、低增益感光阵列2累积的电荷总量。

通过改变感光阵列转换增益及改变累积电荷总量的方式，实现接收弱光的感光阵列通过大增益读出，反映出弱光信息；而接收强光的感光阵列通过小增益读出，反映出强光信息。

目前，现有技术均是通过调节电容的方式来调节转换增益，根据光的强弱选择不同的转换增益，达到高动态范围。本发明则是改变感光阵列吸收光子的能力以及改变感光阵列的积分级数来调节感光阵列累积的电荷量，再适配相应的转换增益，来达到高动态范围。

读出电路6用于分别读出高增益感光阵列1与低增益感光阵列2通过转换增益转换后的模拟信号电压，并模数转换为像素输出值。

由于高增益感光阵列1在弱光下累积的电荷总量少，为了获得高动态范围，所以要调高高增益感光阵列1的积分级数，累积多级数的电荷总量，再采用高增益输出。

由于低增益感光阵列2在强光下累积的电荷总量多，为了获得高动态范围，所以要调低低增益感光阵列2的积分级数，累积少级数的电荷总量，再采用低增益输出。

通过对读出电路6的输出结果进行合成，实现TDI图像传感器的高动态范围。

上述内容详细说明了本发明提供的高动态范围TDI图像传感器的结构，与该TDI图像传感器相对应，本发明还提供一种TDI图像传感器的高动态范围成像方法。

图2示出了根据本发明一个实施例的TDI图像传感器的高动态范围成像方法的流程。

如图2所示，本发明实施例提供的TDI图像传感器的高动态范围成像方法，包括如下步骤：

步骤1、感光阵列预处理。

本发明中的感光阵列为两个转换增益不同的感光阵列，其中一个为高增益感光阵列，另一个为低增益感光阵列。

通过寄存器将高增益感光阵列的转换增益调节为G1，将低增益感光阵列的转换增益调节为G2，G1＞G2。

还通过寄存器将高增益感光阵列的积分级数调节为S1，将低增益感光阵列的积分级数调节为S2，S1＞S2。

高增益感光阵列累计积1级的电荷为q1，则高增益感光阵列在S1级数下累积的电荷为Q1，经转换可得到高增益感光阵列的模拟信号电压V_sig1：

V_sig1＝G1*Q1；

Q1＝S1*q1；

经推导得到：V_sig1＝G1*Q1＝G1*S1*q1＝G1*y*S2*q1＝x*G2*y*S2*q1。

其中，x为高增益感光阵列的转换增益与低增益感光阵列的转换增益的比值，y为高增益感光阵列的积分级数与低增益感光阵列的积分级数的比值，x和y可通过寄存器进行调节。

寄存器调节x和y的原理为：寄存器是一个串并转换器，它可以将串行写入的0或者1信息，并行输出给各个模块，实行控制或选择功能。如积分级数选择共有M级，就会有M个控制信号来选择各个级数是否进行使能工作。转换增益也是相类似的控制原理，会有K个转换增益控制信号，如果从转换增益控制信号1到K的K个挡位中的选择一个档位，该档位接收到1，其他档位接收为零，即认为该挡位的增益有效，被输出。

低增益感光阵列累计1级的电荷为q2，则低增益感光阵列在S2级数下累积的电荷为Q2，经转换可得到低增益感光阵列的模拟信号电压V_sig2：

V_sig2＝G2*Q2；

Q2＝S2*q2；

经推导得到：V_sig2＝G2*Q2＝G2*S2*q2。

需要说明的是，感光阵列的每一行称为1级，累积1级得到的电荷就是光信号扫过一行产生的电荷，而在S级数下累积的电荷即为光信号扫过S行所产生的电荷总量，积分级数越大，累积的电荷总量越多，积分级数越小，累积的电荷总量越少。

通过上述两步的调节使其满足如下条件：

V_sig1≥V_sig2，经推导得到：

q2≤x*y*q1。

q2与q1的比值即代表低增益感光阵列与高增益感光阵列单级可吸收光的强弱关系，通过调节低增益感光阵列与高增益感光阵列的控制电压，改变q2与q1的比值，再配合x与y的调节，以此能够获得更高的动态范围。步骤1的感光阵列预处理就是为获得高动态范围，而针对感光阵列所进行的调节。

低增益感光阵列、高增益感光阵列的像素输出值与光强的关系如图3所示。

步骤2、感光阵列像素读出处理。

高增益感光阵列的像素输出值和低增益感光阵列的像素输出值可以通过读出电路或不同的读出电路进行读出。

由于一个读出电路完全可以实现两个感光阵列的读出，因此没必要选择两个读出电路，造成资源的浪费。

通过读出电路读出高增益感光阵列的像素输出值的具体过程为：

将高增益感光阵列的模拟信号电压V_sig1进行模数转换，获得高增益感光阵列的像素输出值，经过读出电路的接口电路进行输出。

接口电路可以为LVDS等接口电路。

通过读出电路读出低增益感光阵列的像素输出值的具体过程为：

将低增益感光阵列的模拟信号电压V_sig2进行模数转换，获得低增益感光阵列的像素输出值，经过读出电路的接口电路进行输出。

步骤3、感光阵列高动态融合。

为了实现高动态范围成像，需要对TDI积分后的结果进行高动态范围合成，即对高增益感光阵列的像素输出值和低增益感光阵列的像素输出值进行高动态范围合成。

高动态范围合成方法为：

当高增益感光阵列的像素输出未饱和时，高动态范围合成结果为高增益感光阵列的像素输出值。

G1*S1/G2*S2为高增益感光阵列的转换增益G1与低增益感光阵列的转换增益G2的比值和高增益感光阵列的积分级数S1与低增益感光阵列的积分级数S2的比值的乘积。

最终合成的结果如图4所示。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种高动态范围TDI图像传感器，其特征在于，包括：高增益感光阵列、低增益感光阵列、寄存器和读出电路；其中，

所述寄存器用于调节所述高增益感光阵列、所述低增益感光阵列的积分级数，以改变所述高增益感光阵列、所述低增益感光阵列累积的电荷总量，还用于调节所述高增益感光阵列、所述低增益感光阵列的转换增益，使所述高增益感光阵列的转换增益大于所述低增益感光阵列的转换增益，以适配所述高增益感光阵列、所述低增益感光阵列累积的电荷总量；

所述读出电路用于分别读出所述高增益感光阵列与所述低增益感光阵列通过转换增益转换后的模拟信号电压，并模数转换为像素输出值。

2.根据权利要求1所述的高动态范围TDI图像传感器，其特征在于，还包括高增益感光阵列电压控制模块和低增益感光阵列电压控制模块；其中，

所述高增益感光阵列电压控制模块与所述高增益感光阵列连接，用于调节所述高增益感光阵列的控制电压，改变所述高增益感光阵列单级累积的电荷，从而改变所述高增益感光阵列累积的电荷总量；

所述低增益感光阵列电压控制模块与所述低增益感光阵列连接，用于调节所述低增益感光阵列的控制电压，改变所述低增益感光阵列单级累积的电荷，从而改变所述低增益感光阵列累积的电荷总量。

3.一种TDI图像传感器的高动态范围成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、预处理：通过寄存器将高增益感光阵列的积分级数调节为S1，将转换增益调节为G1，所述高增益感光阵列在弱光下累计积1级的电荷为q1，所述高增益感光阵列在S1级数下累积的电荷为Q1，所述高增益感光阵列的模拟信号电压V_sig1＝G1*Q1；

通过所述寄存器将低增益感光阵列的积分级数调节为S2，S2≤S1，将转换增益调节为G2，G2＜G1，所述低增益感光阵列在强光下累计1级的电荷为q2，则所述低增益感光阵列在S2级数下累积的电荷为Q2，所述低增益感光阵列的模拟信号电压V_sig2＝G2*Q2；

通过上述两步的调节使其满足如下条件：

V_sig1≥V_sig2；

通过读出电路读出高增益感光阵列的像素输出值的步骤为：

将所述模拟信号电压V_sig1进行模数转换，获得所述高增益感光阵列的像素输出值；

通过读出电路读出低增益感光阵列的像素输出值的步骤为：

将所述模拟信号电压V_sig2进行模数转换，获得所述低增益感光阵列的像素输出值；

S3、高动态融合：对所述高增益感光阵列的像素输出值和所述低增益感光阵列的像素输出值进行高动态范围合成；其中，

当所述高增益感光阵列的像素输出未饱和时，高动态范围合成结果为所述高增益感光阵列的像素输出值；

当所述高增益感光阵列的像素输出饱和时，高动态范围合成结果为所述低增益感光阵列的像素输出值乘以G1*S1/G2*S2的值。