CN112449118B - 一种cmos图像传感器曝光时间的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种CMOS图像传感器曝光时间的控制方法。该CMOS图像传感器包含像素矩阵，其曝光方法包含:将像素矩阵的曝光次数N分割成若干段，以分段的曝光且每完成一段曝光后就读取一次电荷信息；若像素累积的电荷量超过设定的阈值，则对该像素点进行标识,当所有像素全部完成信息读取后，开始下一段的曝光,直至所述若干段曝光全部完成后，像素点的标识信息清零，像素点上存储的电荷信息通过读取、放大以及模数转换后变成数字信号输出；进入下一工作周期。该方法通过对每个像素进行标识的方法，在保证像素阵列里每个像素点都不过曝的前提下，有效提高所有像素点的有用信号幅度，进而提高图像传感器的动态范围和信噪比。

Description

一种CMOS图像传感器曝光时间的控制方法

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，具体涉及一种CMOS图像传感器曝光时间的控制方法。

背景技术

近年来，图像传感器的应用范围变得越来越广。除了望远镜或数码相机等常规应用外，安防监控，人脸识别，三维立体图像建模等很多领域里，也都开始使用图像传感器。相较于传统的CCD图像传感器，由于半导体工艺技术发展越来越成熟，CMOS图像传感器(CIS)低功耗高集成度的优势变得越来越明显。

CMOS图像传感器本质上是由大量单点像素组成的矩阵。单点像素的结构如图1所示。每个像素点的感光元器件(photosensitive element)把该点感知的光信号转换成电信号，然后由读取电路采集和放大后，通过模数转换器(ADC)转换成数字信号。为了提高ADC的输出信噪比，通常会选择较大的信号放大倍数或增加感光元件的曝光时间，从而达到提高ADC输入信号幅度的目的。

CMOS图像传感器是由大量单点像素组成的。不同位置的像素点感知到的光信号幅度也是不同的。目前常规的CMOS像素工作流程如图2所示。每个像素点的感光器件先把原先感应或存储的电荷信息全部清零。然后感光器件通过曝光把感应到的光信号转换成电荷信息，并由读取和放大电路把电荷信息转化成电压信息，最后再进行模/数转换。所有像素点的曝光周期(Texposure)以及曝光次数(N)都是一致的。即现有的CMOS传感器方案中采用固定的放大倍数和曝光时间，牺牲一定的ADC动态范围以达到降低过曝发生概率的目的。这样对于同一个像素点，其感知到的光信号幅度也会随着周围环境光强的变化而改变。所有像素点都采用统一并且固定的放大倍数和曝光时间，很难保证像素矩阵里的每一个像素点在每一个时刻都不会因放大倍数过小造成信号被ADC噪声淹没，也不会因曝光时间过长造成感光元件过曝。若每个像素点的放大倍数或曝光时间都不统一，那么存贮这些信息并实现单点控制所需要的庞大的硬件支撑，矩阵连线的复杂程度也将呈几何级的增长。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种自动调节曝光时间的全新方案。该方法通过对每个像素进行1位数字信号标注的方法，在保证像素阵列里每个像素点都不过曝的前提下，有效提高了所有像素点的有用信号幅度，进而提高了图像传感器的动态范围和信噪比。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，

一种CMOS图像传感器曝光时间的控制方法，其特征在于，所述图像传感器包含像素矩阵，其包含复数个像素点，所述方法包含:

S1.将像素矩阵的曝光次数N分割成若干段，逐段的曝光且每完成一段曝光后就读取一次电荷信息；

S2.若像素累积的电荷量超过设定的阈值，则对该像素点进行标识,当所有像素全部完成信息读取后，开始下一段的曝光,直至所述若干段曝光全部完成后，像素点的标识信息清零，像素点上存储的电荷信息通过处理转换成数字信号输出。

优选的，该S2中像素被标识后起至其所在段的所有像素全部完成信息读取完成为止的时间内，存储的电荷量不再增加。

优选的，该S2中还包含当被标识的像素点个数超过预设值，则像素点的标识信息全部清零，像素点上存储的电荷信息通过读取、放大、模/数转换变成数字信号输出。

优选的，该S1中包含将像素矩阵的曝光次数N平均分割成k段，逐段的曝光且每完成一段曝光后就读取一次电荷信息。

优选的，该S1中包含将像素矩阵的曝光次数N分割成k段，每完成一段曝光后就读取一次电荷信息，初始时选取较大的曝光次数ni段，其中，i＝1，2，3…k,第一段曝光时间结束并读取数据后，若被标识的像素点个数高于预设的阈值，则降低曝光次数ni＝ni-△，其中△的取值范围介于为0～ni-1。

优选的，该方法中若被标识的像素点个数不高于预设的阈值，则维持当前的状态，即较大的曝光次数较少的读取次数。

优选的，该方法中，初始时选取曝光次数处于中间的ni子段，其中，i＝1，2，3…k,ni子段曝光时间结束并读取数据后，若被标识的像素点个数高于预设的阈值，则选取降低曝光次数的子段，其中，ni＝ni-△，△的取值范围介于为0～ni-1。

有益效果

相对于现有技术中的方案，本发明的优点：

本申请提出的曝光控制方法，该方法将原本的曝光次数N被分割成若干段，每完成一段曝光后，就读取一次电荷信息。若累积的电荷量已超过设定的阈值，对该像素点进行标识。被标识的像素点上累积的电荷已经足够大，转化为电压信号后不会被ADC的噪声淹没，若继续曝光反而可能会有过曝的风险。这样通过对每个像素进行1位数字信号标注的方法，在保证像素阵列里每个像素点都不过曝的前提下，有效提高了所有像素点的有用信号幅度，进而提高了图像传感器的动态范围和信噪比。降低硬件电路复杂度低。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1所示为现有的CMOS图像传感器的感光元器件示意图；

图2所示为现有的CMOS像素工作流程示意图；

图3所示为本发明实施例的像素曝光过程示意图；

图4a所示为本发明实施例的像素单元电路拓扑示意图；

图4b为图4a中像素单元电路的时序。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以如具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

本申请提出一种CMOS图像传感器曝光时间的控制方法，该图像传感器包含像素矩阵，其包含复数个像素点，该方法包含:基于预设的指令将像素矩阵的曝光次数N分割成若干段，以分段的方式逐端的曝光且每完成一段曝光后就读取一次电荷信息；若该段内像素累积的电荷量超过设定的阈值，则对该像素点进行标识,当所有像素全部完成信息读取后，开始下一段的曝光,直至所述若干段曝光全部完成后，像素点的标识信息清零，像素点上存储的电荷信息通过读取、放大以及模数转换后变成数字信号输出，进入下一工作周期。

下面结合图3来描述本申请实施提出的像素曝光实施方式，该实施方式中将原本的曝光次数N被分割成了若干段，如将N分割成k段，N＝n1+n2+n3+…+nk；每完成一段曝光(ni*Texposure,i＝1,2,3…k)后，就读取一次电荷信息。若累积的电荷量已超过设定的阈值，则对该像素点进行标识。被标识的像素点上累积的电荷已经足够大，转化为电压信号后不会被ADC的噪声淹没，若继续曝光反而可能有过曝的风险。如像素点未被标识，说明该点的光信号比较弱，还需要继续曝光累积更多的电荷。当所有像素全部完成信息读取后，开始下一段时间的曝光。未被标识的像素点在原本累积的电荷量的基础上继续通过光电转换效应产生更多的电荷累加上去。而被标识的像素在这段时间里存储的电荷量维持原状，不再增加。当n1～nk的曝光全部完成后，像素点的标识信息全部清零，像素点上存储的电荷信息通过读取、放大以及模数转换后，变成数字信号输出。然后像素矩阵开始下一个周期的工作流程。在一实施方式中，当被标识的像素点个数超过上限(Mmax)，像素点的标识信息全部清零，像素点上存储的电荷信息通过读取、放大以及模数转换后，变成数字信号输出，然后像素矩阵开始下一个周期的工作。本实施方式中，N分割成K段，K设定却决于图像传感器响应速度和信噪比的要求。K越大，读取数据的次数就越多，因此读取数据占用的时间也越多，不利于提高系统的响应速度。但同时由于监测次数多，可以更及时地对每个像素点进行标识，使得每个像素点在不过曝的前提下存储尽可能多的电荷量，提高模/数转换的信噪比。

如图4a,图4b所示为像素单元的拓扑电路及驱动时序。rst为高时，像素之前累积或耦合在节点FD上的电荷被完全清空。当TX为高时，感光器件D处于曝光状态，光信号通过感光器件转换产生电荷累积在节点FD上，存储在电容C上。当S为高时，像素处于电荷信息读取状态，开关管M2导通，FD上累积的电荷量通过晶体管M1转化成电流或电压信息，经过M2后输出到后续的模块里进行分析处理。

本申请实施方式中CMOS图像传感器的像素矩阵对矩阵里每个像素点都可以实现不同曝光时间的控制，而对应每个像素点只需要额外增加1位的数字信息存储。该数字信息在每次像素曝光结束累积电荷读取后都会刷新一次状态。当该位数字信号的状态为低时，其对应的像素单元的TX信号正常在高电位和低电位之间翻转，实现正常的曝光。当这位数字信号状态为高时，该像素对应的TX信号始终保持低电平，从而实现停止继续曝光并维持FD上原本累积的电荷量的目的。这样的设计，硬件配置上需对每个像素增加1bit的数字存储单元记录该像素的标识信息，这样的设计可大幅度提高信号动态范围还可避免过曝的发生。硬件配置上与现有的配置相比变化不大。该实施方式中，由于需要多次读取电荷信息，时间成本会比常规方案要略高一些，但相比整个曝光时间以及模数转换时间，新增的读取时间要短得多。

在一实施方式中，若发生被标识的像素点个数超过上限的情况(即在强光环境下)，总的曝光时间反而会较统一曝光时间的要短，因为后续的若干段曝光操作会被跳过。

本申请实施方式的曝光时间控制方法，其可应用于对图像传感器响应速度要求很高的场合，如在弱光环境下减少读取电荷信息的次数，该场合下，相对于图像传感器的工作频率，环境光的变化速度要慢得多。将原本的曝光次数N(如1000次)被分割成若干段(该若干段的和为1000)：如分割成k段：N＝n1+n2+n3+…+nk。在总曝光次数N固定的前提下，每段的曝光次数(n1,n2,…nk)越大，则k越小，即电荷读取的次数越少,因此最初选取较大的曝光次数ni(i＝1，2，3…k)段,该段曝光时间(n1*Texposure)结束并读取数据后，若发现被标识的像素点个数高于某个阈值(Mth)，说明像素矩阵处于强光环境，容易过曝,降低曝光次数ni以降低像素矩阵中有像素点发生过曝的概率，像素重新清零后曝光；若没有超过Mth,则说明整个像素矩阵处于一个光信号较弱的环境下，较大的曝光次数较少的读取次数可以被继续采用。当被标识的像素点个数超过上限(Mmax)或n1～nk的曝光全部完成后，像素点的标识信息全部清零，像素点上存储的电荷信息通过读取、放大以及模数转换后，变成数字信号输出。然后像素矩阵开始下一个周期的工作。该方法通过对每个像素进行1位数字信号标注的方法，在保证像素阵列里每个像素点都不过曝的前提下，有效提高了所有像素点的有用信号幅度，进而提高了图像传感器的动态范围和信噪比。在其他的实施方式中，将原本的曝光次数N(如1000次)平均分割若干段：如分割成k段。K值设定却决于图像传感器响应速度和信噪比的要求。

本发明还提供了一种计算机存储介质，该计算机存储介质包括计算机程序，该计算机程序运行上述的自动曝光控制方法对图像的曝光进行控制。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于计算机(处理器)可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡如本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种CMOS图形传感器曝光时间的控制方法，其特征在于，所述图形传感器包含像素矩阵，其包含复数个像素点，所述控制方法包含:

S1.将像素矩阵的曝光次数N分割成若干段，且若干段的和为N，逐段的曝光且每完成一段曝光后就读取一次电荷信息;

S2.若像素累积的电荷量超过设定的阈值，则对该像素点进行标识,

被标识的像素点上累积的电荷已经足够大，转化为电压信号后不会被ADC的噪声淹没，像素被标识后起至其所在段的所有像素全部完成信息读取完成为止的时间内，存储的电荷量不再增加，

如像素点未被标识，说明该像素点的光信号比较弱，需要继续曝光累积更多的电荷，

当所有像素全部完成信息读取后，开始下一段的曝光,直至所述若干段曝光全部完成后，像素点的标识信息清零，像素点上存储的电荷信息通过处理转换成数字信号输出。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述的S2中还包含当被标识的像素点个数超过预设值，则像素点的标识信息全部清零，像素点上存储的电荷信息通过读取、放大、模/数转换变成数字信号输出。

3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述S1中包含将像素矩阵的曝光次数N平均分割成k段，逐段的曝光且每完成一段曝光后就读取一次电荷信息。

4.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述S1中包含将像素矩阵的曝光次数N分割成k子段，N= n1 + n2 + n3 + … +nk，每完成一段曝光后就读取一次电荷信息。

5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，初始时选取曝光次数较大的ni子段，其中，i=1，2，3…k,

ni子段曝光时间结束并读取数据后，若被标识的像素点个数高于预设的阈值，则选取降低曝光次数的子段，其中，ni=ni-△，△的取值范围介于为0～ni-1。

6.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，若被标识的像素点个数不高于预设的阈值， 则维持当前的状态，即较大的曝光次数较少的读取次数。

7.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，初始时选取曝光次数处于中间的ni子段，其中，i=1，2，3…k,

ni子段曝光时间结束并读取数据后，若被标识的像素点个数高于预设的阈值，则选取降低曝光次数的子段，其中，ni=ni-△，△的取值介于0～ni-1。

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