CN114051107A - 一种cmos图像传感器的双模式精细增益配置装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种CMOS图像传感器的双模式精细增益配置装置及方法，可变采样电容阵列输入侧连接采样信号，输出侧连接反馈运算阵列，实现多种倍数的增益补偿，配合可变反馈电容和恒定反馈电容，能够显示1以下倍数的增益补偿，解决了现有增益配置的步进粗和仅支持正向配置的缺陷，实现精细步进增益和正负增益双向调整，根据实际情况增加可变采样电容阵列中开关电容的数量进而能够实现更高倍数的增益补偿，提高了通用性和精度；本方法，满足高质量成像对光线微弱变化的增益校准需求，提出增益校准算法流程，根据图像输出实际灰度值，通过对比本发明中真值表，确定增益校准配置和校准方法，步骤简单，可快速选择需要得可变采样电容阵列，实现增益补偿。

Description

一种CMOS图像传感器的双模式精细增益配置装置及方法
技术领域
本发明涉及集成可编程增益放大器的CMOS图像传感器(CIS)的双模式精细增益配置装置，一种CMOS图像传感器的双模式精细增益配置装置及方法。
背景技术
CMOS图像传感器被广泛应用于对地观测、目标监测、医疗检测等领域。为提升CMOS图像传感器对明暗光线的适应程度，通过在模拟前端配置具有增益可调功能的可编程增益放大器，可实现CMOS图像传感器在多种光照条件下的优质成像。传统的可编程增益放大器通常采用单一模式可变采样增益放大或者可变反馈增益放大，难以实现精细增益配置。可编程增益放大器增益的精细配置，可保障图像传感器更好的适应光线的微弱变化，实现成像质量提升。
现有技术中仅可实现增益倍数为1、2、3、4倍的增益配置，采用较少的电容数目无法实现增益的精细调整；或者仅可实现增益倍数为1，2，4倍的增益配置1.4倍的增肌配置，采用较少的电容数目无法实现增益的精细调整。
传统的可变采样或者可变反馈运算放大器，采用较少电容数目时，无法实现增益的精细调整，因此无法满足光线微弱变化对增益精细调整的要求。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种CMOS图像传感器的双模式精细增益配置装置及方法
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种CMOS图像传感器的双模式精细增益配置装置，其特征在于，包括可变采样电容阵列，所述可变采样电容阵列输入侧连接采样信号，输出侧连接反馈运算阵列；
所述可变采样电容阵列包括多个并联的放大电容开关；
所述反馈运算阵列包括可变反馈电容、恒定反馈电容、复位信号和运算放大器；
所述可变反馈电容、恒定反馈电容、复位信号并联设置且跨接于运算放大器两个输入端；
所述采样信号接入像元。
进一步，所述放大电容开关数量不少于六个。
进一步，所述放大电容开关均包括一个开关和电容。
进一步，所述运算放大器正向端接入电压。
进一步，所述运算放大器的输出端为使能控制端口。
一种CMOS图像传感器的双模式精细增益配置方法，包括以下步骤：
S1：根据像元的图像输出绘制码密度图；
S2：根据码密度图计算平均灰度值，对比目标灰度值，若输出灰度值低于目标灰度值则增大增益，若输出灰度值高于目标灰度值则减小增益，并根据公式计算补偿值；
S3：采样阶段，对可变采样电容阵列中的放大电容开关采用二进制进行标号，形成多种开关关系；
S4：采样信号和复位信号的为高输出，像元输出复位信号，运算放大器连接电源，计算可变采样电容阵列产生多种开关关系的电容存储电荷量；
S5：转换阶段，采样信号的为高输出，复位信号的为低输出，像元输出光电信号，运算放大器连接电源，计算得到电容预存储电荷；
S6：根电荷守恒定律，采样阶段和转换阶段电荷守恒，得到增益计算公式，计算得到多种开关关系下的增益真值表；
S7：根据增益真值表选择适配的可变采样电容阵列开关关系，得到高质量成像。
进一步，所述S2中补偿计算公式为：
Figure BDA0003326603900000031
P＝G*X≈Y；
其中，G为增益配制，G0为增益，X为输出灰度平均值，Y为输出目标平均灰度值，P为输出平均灰度值。
进一步，所述采样阶段和转换阶段的计算步骤为：
Q1＝(RESET-VCM)×Cc；
Q2＝(SIGNAL-VCM)×Cc-(PGA_OUT-VCM)×Cf；
Q1＝Q2；
(RESET-VCM)×Cc＝(SIGNAL-VCM)×Cc-(PGA_OUT-VCM)×Cf；
Figure BDA0003326603900000032
其中，Q1和Q2为可变采样电容阵列的实际电容量，RESET为像元输出的复位信号，VCM为运算放大器的输入电压，CC为可变采样电容阵列的容值，SIGNAL为像元输出的光电信号，Cf为可变反馈电容的容值，PGA_ OUT为高质量图像输出。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供一种CMOS图像传感器的双模式精细增益配置装置及方法，配制装置采用可变采样电容阵列输入侧连接采样信号，输出侧连接反馈运算阵列，实现多种倍数的增益补偿，配合可变反馈电容和恒定反馈电容，能够显示1以下倍数的增益补偿，有效解决了传统增益配置的步进粗和仅支持正向配置的缺陷，实现精细步进增益和正负增益双向调整。本发明提供的增益配置方法，满足高质量成像对光线微弱变化的增益校准需求，提出增益校准算法流程，根据图像输出实际灰度值，通过对比本发明中真值表，确定增益校准配置和校准方法。本装置结构简单，且能够根据实际情况增加可变采样电容阵列中开关电容的数量进而能够实现更高倍数的增益补偿，通用性和精度均得到显著提高，本方法步骤简单，根据真值表可快速选择需要得可变采样电容阵列，即可实现增益补偿，方便快捷，且精度高。
附图说明
图1为本发明具体实施例中一种CMOS图像传感器的双模式精细增益配置装置结构示意图；
图2为本发明具体实施例中增益配置装置的增益曲线；
图3为本发明具体实施例中码密度图；
图4为本发明具体实施例中双模式精细增益配置装置配置流程。
图中：可变采样电容阵列1反馈运算阵列2可变反馈电容20恒定反馈电容21复位信号22，运算放大器23采样信号3像元4。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明提供一种CMOS图像传感器的双模式精细增益配置装置，如图 1所示，包括可变采样电容阵列1，所述可变采样电容阵列1输入侧连接采样信号3，输出侧连接反馈运算阵列2；
所述可变采样电容阵列1包括多个并联的放大电容开关；
所述反馈运算阵列2包括可变反馈电容20、恒定反馈电容21、复位信号22和运算放大器23；
所述可变反馈电容20、恒定反馈电容21、复位信号22并联设置且跨接于运算放大器23两个输入端；
所述采样信号3接入像元4。
本发明提供的一种优选实施例为，所述放大电容开关数量不少于六个，在本发明中，选择放大电容开关数量为六个时，可以实现0.5-4倍的增益效果，本领域技术人员可以根据实际需要放大增益倍数，选择更多的放大电容开关数量。
进一步的，所述放大电容开关均包括一个开关和电容。
具体的，所述运算放大器23正向端接入电压。
进一步的，所述运算放大器23的输出端为使能控制端口，用于输出本发明更高质量的图像。
本发明提供一种CMOS图像传感器的双模式精细增益配置方法，如图 4所示，包括以下步骤：
S1：根据像元4的图像输出绘制码密度图，如图3所示；
S2：根据码密度图计算平均灰度值，对比目标灰度值，若输出灰度值低于目标灰度值则增大增益，若输出灰度值高于目标灰度值则减小增益，并根据公式计算补偿值；
S3：采样阶段，对可变采样电容阵列1中的放大电容开关采用二进制进行标号，形成多种开关关系；
S4：采样信号3和复位信号22为高输出，像元4输出复位信号，运算放大器23连接电源，计算可变采样电容阵列1产生多种开关关系的电容存储电荷量；
S5：转换阶段，采样信号3的为高输出，复位信号22的为低输出，像元4输出光电信号，运算放大器23连接电源，计算得到电容预存储电荷；
S6：根电荷守恒定律，采样阶段和转换阶段电荷守恒，得到增益计算公式，计算得到多种开关关系下的增益真值表；
S7：根据增益真值表选择适配的可变采样电容阵列1开关关系，得到高质量成像。
具体的，所述S2中补偿计算公式为：
Figure BDA0003326603900000061
P＝G*X≈Y；
其中，G为增益配制，G0为增益，X为输出灰度平均值，Y为输出目标平均灰度值，P为输出平均灰度值。
具体的，所述采样阶段和转换阶段的计算步骤为：
Q1＝(RESET-VCM)×Cc；
Q2＝(SIGNAL-VCM)×Cc-(PGA_OUT-VCM)×Cf；
Q1＝Q2；
(RESET-VCM)×Cc＝(SIGNAL-VCM)×Cc-(PGA_OUT-VCM)×Cf；
Figure BDA0003326603900000071
其中，Q1和Q2为可变采样电容阵列1的实际电容量，RESET为像元4 输出的复位信号，VCM为运算放大器23的输入电压，CC为可变采样电容阵列1的容值，SIGNAL为像元4输出的光电信号，Cf为可变反馈电容的容值， PGA_OUT为高质量图像输出。
本发明提供的一种优选实施例为，可变采样电容阵列1采用六个并联的放大电容开关，根据步骤S4-S6，得到增益配置装置的增益真值表1，如下所示：
表1
Figure BDA0003326603900000072
Figure BDA0003326603900000081
具体的，本发明通过配置开关电容的开关，实现较少电容面积情况下，增益配置精度达到0.0625和0.125；本发明具体实施例中提出的正负双向增益配置技术，配置范围覆盖0.5倍～4四倍，满足光线变化时高质量成像。
具体的，增益配置装置的增益真值表如表1所示，增益配置装置的增益曲线如图4所示。增益为0.5倍～2倍之间时，可变反馈电容31接入，可实现0.0625倍的增益调节精度。
如图3所示，
若实现0.5倍的增益，则控制GAIN<0>闭合的信号为1，GAIN<0>开关闭合，增益表达式如下，下述表达式中的系数8/16＝0.5即为增益放大倍数：
Figure BDA0003326603900000082
若实现1.0625倍的增益，则控制GAIN<2>、GAIN<1>、GAIN<0>闭合的信号为1，GAIN<2>、GAIN<1>、GAIN<0>开关闭合，增益表达式如下，下述表达式中的系数17/16＝1.0625即为增益放大倍数：
Figure BDA0003326603900000091
若实现1.125倍增益，则控制GAIN<4>、GAIN<1>、GAIN<0>闭合的信号为1，GAIN<4>、GAIN<1>、GAIN<0>开关闭合，增益表达式如下：
Figure BDA0003326603900000092
若实现2倍增益，则控制GAIN<6>、GAIN<5>、GAIN<4>、GAIN<3>、 GAIN<2>、GAIN<1>、GAIN<0>闭合的信号为1，GAIN<6>、GAIN<5>、 GAIN<4>、GAIN<3>、GAIN<2>、GAIN<1>、GAIN<0>开关闭合，增益表达式如下：
Figure BDA0003326603900000093
当增益位2.125倍～4倍之间，可变反馈电容31不接入，可实现0.125倍的增益调节精度。若实现1.0625倍的增益，则控制GAIN<2>、GAIN<1>闭合的信号为1，GAIN<2>、GAIN<1>开关闭合，增益表达式如下，下述表达式中的系数17/8＝2.0625即为增益放大倍数：
实现2.125倍增益，控制GAIN<4>、GAIN<1>闭合的信号为1， GAIN<4>、GAIN<1>开关闭合，增益表达式如下：
Figure BDA0003326603900000094
实现4倍增益，控制GAIN<6>、GAIN<5>、GAIN<4>、GAIN<3>、 GAIN<2>、GAIN<1>闭合的信号为1，GAIN<6>、GAIN<5>、GAIN<4>、 GAIN<3>、GAIN<2>、GAIN<1>开关闭合，增益表达式如下：
Figure BDA0003326603900000101
本发明为可变采样和可变反馈相结合的双模式精细增益配置，通过配置采样和反馈电容的连接形式，实现增益1～2倍时，增益配置精度为0.0625，增益2～4倍时，增益配置精度为0.125。满足适应光线变化的增益配置需求。
如图3所示的码密度图，横坐标为图像输出灰度值，纵坐标为落到对应横坐标数值的像元数目，即码数。曲线41为目标曲线，在饱和灰度为4096 的情况下，该曲线的平均灰度值为2048。曲线40的灰度平均值为1152(1 倍增益)，本曲线输出平均灰度值低于目标灰度值2048，图像过暗，通过增益配置，按照表1配置开关电容，增大增益为1.75倍，实现平均灰度值接近目标灰度值2048，提升图像质量；曲线42的灰度平均值为3200(1倍增益)，图像过亮，本曲线输出平均灰度值高于目标灰度值2048，通过增益配置，增减小增益为0.625，实现平均灰度值接近目标灰度值，提升图像质量。
本发明用于CMOS图像传感器的增益配置装置，可变采样和反馈双模式精细配置技术，增益双向校准技术，可有效解决高质量成像对微弱光线变化的增益配置需求，大幅提成成像质量。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种CMOS图像传感器的双模式精细增益配置装置，其特征在于，包括可变采样电容阵列(1)，所述可变采样电容阵列(1)输入侧连接采样信号(3)，输出侧连接反馈运算阵列(2)；
所述可变采样电容阵列(1)包括多个并联的放大电容开关；
所述反馈运算阵列(2)包括可变反馈电容(20)、恒定反馈电容(21)、复位信号(22)和运算放大器(23)；
所述可变反馈电容(20)、恒定反馈电容(21)、复位信号(22)并联设置且跨接于运算放大器(23)两个输入端；
所述采样信号(3)接入像元(4)。
2.根据权利要求1所述一种CMOS图像传感器的双模式精细增益配置装置，其特征在于，所述放大电容开关数量不少于六个。
3.根据权利要求1所述一种CMOS图像传感器的双模式精细增益配置装置，其特征在于，所述放大电容开关均包括一个开关和电容。
4.根据权利要求1所述一种CMOS图像传感器的双模式精细增益配置装置，其特征在于，所述运算放大器(23)正向端接入电压。
5.根据权利要求1所述一种CMOS图像传感器的双模式精细增益配置装置，其特征在于，所述运算放大器(23)的输出端为使能控制端口。
6.一种CMOS图像传感器的双模式精细增益配置方法，其特征在于，基于权利要求1-5所述一种CMOS图像传感器的双模式精细增益配置装置，包括以下步骤：
S1：根据像元(4)的图像输出绘制码密度图；
S2：根据码密度图计算平均灰度值，对比目标灰度值，若输出灰度值低于目标灰度值则增大增益，若输出灰度值高于目标灰度值则减小增益，并根据公式计算补偿值；
S3：采样阶段，对可变采样电容阵列(1)中的放大电容开关采用二进制进行标号，形成多种开关关系；
S4：采样信号(3)和复位信号(22)为高输出，像元(4)输出复位信号，运算放大器(23)连接电源，计算可变采样电容阵列(1)产生多种开关关系的电容存储电荷量；
S5：转换阶段，采样信号(3)为高输出，复位信号(22)的为低输出，像元(4)输出光电信号，运算放大器(23)连接电源，计算得到电容预存储电荷；
S6：根电荷守恒定律，采样阶段和转换阶段电荷守恒，得到增益计算公式，计算得到多种开关关系下的增益真值表；
S7：根据增益真值表选择适配的可变采样电容阵列(1)开关关系，得到高质量成像。
7.根据权利要求6所述一种CMOS图像传感器的双模式精细增益配置方法，其特征在于，所述S2中补偿计算公式为：
Figure FDA0003326603890000021
P＝G*X≈Y；
其中，G为增益配制，G0为增益，X为输出灰度平均值，Y为输出目标平均灰度值，P为输出平均灰度值。
8.根据权利要求6所述一种CMOS图像传感器的双模式精细增益配置方法，其特征在于，所述采样阶段和转换阶段的计算步骤为：
Q1＝(RESET-VCM)×Cc；
Q2＝(SIGNAL-VCM)×Cc-(PGA_OUT-VCM)×Cf；
Q1＝Q2；
(RESET-VCM)×Cc＝(SIGNAL-VCM)×Cc-(PGA_OUT-VCM)×Cf；
Figure FDA0003326603890000031
其中，Q1和Q2为可变采样电容阵列(1)的实际电容量，RESET为像元(4)输出的复位信号，VCM为运算放大器(23)的输入电压，CC为可变采样电容阵列(1)的容值，SIGNAL为像元(4)输出的光电信号，Cf为可变反馈电容的容值，PGA_OUT为高质量图像输出。
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