基于单斜坡模数转换器结构的高照度成像方法

本发明涉及cmos图像传感器读出，特别是涉及基于单斜坡模数转换器结构的高照度成像方法。

背景技术：

1、随着智能监控、自动驾驶、航空航天摄影以及工业自动化等领域的快速发展，图像传感器在高光照条件下的性能表现变得尤为关键。常规cmos图像传感器在高照度环境下面临过曝、图像失真、blooming等挑战，这些问题严重制约了传感器的应用范围和成像效果。在高照度环境下，图像传感器的感光区域会在很短时间内积累大量光生电荷，为有效量化这些电荷，传统的方法包括设计具有较小曝光面积和较大满阱容量的光电二极管(photodiode,pd)，并尽量缩短曝光时间。然而，这些方法存在一定的局限性：第一，为了实现小曝光面积和大满阱容量，pd需要在有限的掺杂区域内进行高浓度掺杂，该工艺条件使pd在复位状态下难以耗尽，容易导致图像的拖尾问题。第二，标准的4t有源像素在饱和后产生的光电子会溢出至相邻像素，导致blooming现象。第三，传统cmos图像传感器采用的相关双采样技术要求读出电路量化复位和曝光信号，并计算两者的差值，这一过程要求读出时间不能小于两次信号量化的时间，限制了曝光时间的最短可能值。因此，需要开发一种新型的曝光和读出机制，以克服上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是为克服现有技术的不足和缺陷，而提供一种基于单斜坡模数转换器(single slope analog to digital,ssadc)结构的高照度成像方法，该方法通过调整像素曝光和adc比较器的翻转点，实现了器件对强光的非线性响应，无需改变器件的基本结构即可有效进行强光探测。

2、一种基于单斜坡模数转换器结构的高照度成像方法，基于cmos图像传感器实现，所述cmos图像传感器包括有4t有源像素、电流舵dac、比较器、锁存器、计数器；其中，电流舵dac通过一个电容与比较器的正相输入端连接，向比较器提供单斜坡信号，比较器基于运算放大器结构实现，其负相输入端通过另一个电容与4t有源像素的像素信号输出端相接，其outputcomp输出端与锁存器的输入端相接，比较器的输入端与输出端通过开关resetcomp相接，锁存器的输出端与计数器的输入端相接；电流舵dac、比较器、计数器共同组成ssadc(single slope analog to digital,ssadc)结构，其中，在单斜坡阶段开始曝光，并通过比较光电二极管的线性响应信号与斜坡信号来动态调整adc比较器的翻转点，实现了器件对强光的非线性响应。

3、可选的，在一个行读出周期t0-t4时间内，按以下步骤处理：

4、在t0时刻，闭合开关resetcomp，对比较器进行复位，根据运算放大器“虚短”的原理，此时比较器正负相的输入端电压vcomp-、vcomp+与输出端的电压outputcomp处于相同电位，即均为预设的最高电位vtop；随后关断resetcomp，使比较器在t1时刻前进入工作状态；

5、在t1时刻，锁存器的d端给入周期为t的量化时钟，电流舵dac开始产生斜坡信号，由于电容耦合作用，vcomp+处电压跟随斜坡信号变化从预设的最高电位vtop线性下降；此时像素仍处于复位阶段，比较器负相的输入端电压vcomp-保持预设的最高电位vtop不变，且大于下降的比较器正相的输入端电压vcomp+；

6、在t2时刻，关断像素的rst管，像素开始曝光，像素的pd和fd积累大量光生电子，像素输出电位下降；当照度进一步增大，像素信号下降速度加快，像素信号斜率增大；当像素信号斜率足够大时，像素信号在斜坡时间内与斜坡信号相交于信号电位vsignal处，触发比较器翻转并输出高电平信号，锁存器输出端信号outputlatch开始跟随d端的时钟信号变化，计数器开始对outputlatch进行计数；

7、在t3时刻，比较器正相的输入端电压vcomp+到达预设的最低电位vbottom，计数器完成计数并输出码值，通过片外数据处理还原图像。

8、可选的，所述像素信号在t3时刻，低于预设的最低电位vbottom时的照度值为器件的最小响应照度。

9、可选的，在t3时刻的处理过程中，量化时钟由芯片外部fpga或片内锁相环提供。

10、可选的，所述t0＝0s、t1＝2us、t2＝3.59375us、t3＝9.99375us、t4＝11us。

11、可选的，所述预设的最高电位vtop＝1.02v、所述预设的最低电位vbottom＝0v。

12、可选的，所述周期t＝6.25ns。

13、可选的，所述开关resetcomp在0.5us时关断。

14、本发明的方法在单斜坡阶段开始曝光，并通过比较光电二极管的线性响应信号与斜坡信号来动态调整adc比较器的翻转点，实现了器件对强光的非线性响应。本发明的方法具有如下优点：

15、1.适用于常规cmos图像传感器，仅需改变时序即可实现强光探测能力；

16、2.曝光时间大幅减小，整体曝光时间小于一个斜坡量化周期；

17、3.实现高照度下的非线性响应效果，避免了像素饱和导致的blooming等非理想因素，大幅提高了器件的强光探测能力。

技术特征：

1.基于单斜坡模数转换器结构的高照度成像方法，其特征在于，基于cmos图像传感器实现，所述cmos图像传感器包括有4t有源像素、电流舵dac、比较器、锁存器、计数器；其中，电流舵dac通过一个电容与比较器的正相输入端连接，向比较器提供单斜坡信号，比较器基于运算放大器结构实现，其负相输入端通过另一个电容与4t有源像素的像素信号输出端相接，其outputcomp输出端与锁存器的输入端相接，比较器的输入端与输出端通过开关resetcomp相接，锁存器的输出端与计数器的输入端相接；电流舵dac、比较器、计数器共同组成ssadc结构，其中，在单斜坡阶段开始曝光，并通过比较光电二极管的线性响应信号与斜坡信号来动态调整adc比较器的翻转点，实现了器件对强光的非线性响应。

2.根据权利要求1所述基于单斜坡模数转换器结构的高照度成像方法，其特征在于，在一个行读出周期t0-t4时间内，按以下步骤处理：

3.根据权利要求2所述基于单斜坡模数转换器结构的高照度成像方法，其特征在于，所述像素信号在t3时低于预设的最低电位vbottom时的照度值为器件的最小响应照度。

4.根据权利要求2所述基于单斜坡模数转换器结构的高照度成像方法，其特征在于，在t3时刻的处理过程中，量化时钟由芯片外部fpga或片内锁相环提供。

5.根据权利要求2所述基于单斜坡模数转换器结构的高照度成像方法，其特征在于，所述t0＝0s、t1＝2us、t2＝3.59375us、t3＝9.99375us、t4＝11us。

6.根据权利要求2所述基于单斜坡模数转换器结构的高照度成像方法，其特征在于，所述预设的最高电位vtop＝1.02v、所述预设的最低电位vbottom＝0v。

7.根据权利要求2所述基于单斜坡模数转换器结构的高照度成像方法，其特征在于，所述周期t＝6.25ns。

8.根据权利要求2所述基于单斜坡模数转换器结构的高照度成像方法，其特征在于，所述开关resetcomp在0.5us时关断。

技术总结本发明公开基于单斜坡模数转换器结构的高照度成像方法，基于CMOS图像传感器实现，所述CMOS图像传感器包括有4T有源像素、电流舵DAC、比较器、锁存器、计数器；其中，电流舵DAC、比较器、计数器共同组成SSADC结构，在单斜坡阶段开始曝光，并通过比较光电二极管的线性响应信号与斜坡信号来动态调整ADC比较器的翻转点，实现了器件对强光的非线性响应。本发明方法通过调整像素曝光和ADC比较器的翻转点，实现了器件对强光的非线性响应，无需改变器件的基本结构即可有效进行强光探测。技术研发人员：徐江涛,敖靖华,聂凯明,高静受保护的技术使用者：天津大学技术研发日：技术公布日：2024/7/18