基于自适应曝光的CMOS图像传感器的设计与实现

文章摘要：自适应曝光电路设计 自适应曝光CMOS图像传感器系统在传统三管有源像素结构、滚筒式曝光和输出模式背景下,根据帧内最大非饱和像素电压,动态调节帧间曝光时间,避免了像素自适应曝光所需与像素阵列相当的RAM存储空间及多次曝光造成的响应曲线压缩,芯片控制复杂度和面积得到大幅降低。此外,该电路允许用户对图像曝光时间及饱和统计范围进行直接调整及控制。系统共包括6部分:像素阵列、8bitADC等模拟电路、饱和像素统计单元、像素扫描单元、曝光调节及时序控制单元,如图2示。 3.1像素饱和统计单元像素值超过255称为饱和(数据采集为8bitADC),该部分主要完成对像素阵列内指定区域饱和像素值的统计。由于在特定

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自适应曝光电路设计　　   　　自适应曝光CMOS图像传感器系统在传统三管有源像素结构、滚筒式曝光和输出模式背景下,根据帧内最大非饱和像素电压,动态调节帧间曝光时间,避免了像素自适应曝光所需与像素阵列相当的RAM存储空间及多次曝光造成的响应曲线压缩,芯片控制复杂度和面积得到大幅降低。此外,该电路允许用户对图像曝光时间及饱和统计范围进行直接调整及控制。系统共包括6部分:像素阵列、8bitADC等模拟电路、饱和像素统计单元、像素扫描单元、曝光调节及时序控制单元,如图2示。 　　   3.1　像素饱和统计单元 　　像素值超过255称为饱和(数据采集为8bitADC),该部分主要完成对像素阵列内指定区域饱和像素值的统计。由于在特定场合(如夜间监视系统),零星灯光或反射光将造成图像部分像素出现饱和,如图3(a)区域a示。如果按照此饱和值调节曝光,将降低图像整体分辨率。因此,设计采用允许用户在图像任意位置设定任意大小的饱和统计区域及阈值的方法来避免上述干扰,如图3(a)中b为用户统计区域,即关注区域。       　　该单元主要由寄存器组、饱和侦测及统计电路组成。寄存器组记录用户指定区域的大小、位置以及统计阈值,未指定时使用默认值。饱和侦测电路采用模拟比较器结构,降低采用数字比较器时的大面积电路和计算延时,也避免了因反相器侦测饱和时的低精度。电路在每行像素数据输出时判断进入统计区域的像素电压,比较结果直接作为饱和统计计数器使能端驱动。当统计计数超过阈值时,表明被测图像光强已不满足用户要求,需缩短曝光时间。此时该统计单元将向曝光调整电路发出flag信号,开始曝光选择,电路结构见图3(b)示。   3.2        像素扫描单元　　 　　由8bit输出寄存器、临时寄存器、比较器及暂存控制逻辑组成。主要完成1frame图像中最大非饱和像素电压的寻找及存储。每行像素数据输出时,扫描单元在scanphase阶段实时完成像素点扫描判断工作(见图4示)。当完成1frame图像传输后,临时寄存器中存储的最大非饱和像素值将作为下一帧曝光时间选择的参考值。   3.3        曝光选择单元　　 　　由8bit最小曝光寄存器、24bit曝光倍数寄存器、掩码电路和曝光判决电路组成,主要完成下一帧曝光时间的提取及选择。最小曝光寄存器存储CMOS图像传感器最小曝光时间,当系统时钟为20M时,最小曝光时间为1μs,寄存器值为14H;曝光倍数寄存器存储当前曝光时间与最小曝光时间的倍数值。在每帧Re2selectphase阶段(见图5),掩码电路将先完成对扫描单元临时寄存器值的分析及曝光时间提取工作,即根据非饱和电压值最高位产生下一帧曝光时间与最小曝光时间的倍数值(见表1第2列),该值将存储至曝光倍数寄存器中。随后,曝光判决电路将根据饱和统计单元的flag信号决定是否更改下一帧曝光时间。由上可知,曝光时间实际为最小曝光时间的2次幂,虽然这将造成图像分辨率的一定下降,但可避免为每个电压值设置曝光时间所需的128×8bit空间,从而降低电路复杂度。   4         像素复位曝光控制逻辑设计及分析　　   　　由于图像传感器系统为数模混合系统,而模拟信号抗噪声能力较弱,高速交变的数字信号将给模拟电路引入不必要的噪声,直接影响图像传感器的采集精度,导致图像质量下降。所以设计在像素曝光、采集逻辑以及数模电路工作时序上做了一些改进:1)电路采用格雷编码,两相邻状态只有1bit不同,这将降低状态转换时信号跳变次数,减少数字噪声的引入。2)数字电路的工作时钟(workcycle)分为idle和work2个阶段,在像素采集阶段不翻转,保证模拟、数字电路分时工作,如图5所示。   4.1       

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