CN112449125B - 一种基于自适应阈值调整的图像传感器读出电路 - Google Patents

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Abstract

一种基于自适应阈值调整的图像传感器读出电路，主要包括：像素阵列、行寻址电路、相关双采样电路、列级放大器、比较器、计数器、自适应阈值调整逻辑、斜坡发生器；本发明的关键技术在于通过引入比较器、斜坡发生器、计数器、自适应阈值调整逻辑，实现片内的阈值实时调整，提高图像传感器的动态范围。该电路采用自适应阈值调整电路，根据实际曝光量进行阈值实时调整，利用数字逻辑电路实现阈值快速调整，从而实现在一定帧频下可以同时获取高亮和高暗的图像细节，提高图像传感器的动态范围。

Description

一种基于自适应阈值调整的图像传感器读出电路
技术领域
本发明涉及量子图像传感器，尤其涉及多载流子单比特量子图像传感器的读出电路即一种基于自适应阈值调整的图像传感器读出电路。
背景技术
量子图像传感器是在考虑到像素尺寸不断缩小，全阱容量不断下降，数字处理能力不断提升的情况下提出的第三代固态图像传感器。 相比于传统的图像传感器而言，量子图像传感器中的亚衍射极限尺寸像素对单个光子敏感，像素中收集的光电子经过源极跟随器、相关双采样电路、列级放大器，最后通过比较器进行比较输出，当像素输出大于设定的阈值时，像素输出为1，当像素输出小于设定的阈值时，像素输出为0，0 代表该像素在这一帧内光子入射的数目小于所设定的光子阈值数，1 则代表该像素在这一帧内光子入射的数目大于所设定的光子阈值数，通常量子图像传感器的比较器阈值设定为定值。
由于多载流子单比特量子图像传感器的像素的满阱容量较小，因此当曝光量较大时，在一定的帧频下，像素阵列会出现像素输出都为1，当一个场景中同时出现高亮和较暗的细节时，由于整个像素阵列比较器阈值的一定，使得无法获取高动态范围的图片，造成输出图像的质量较差，因此可以根据曝光量的大小，自适应的调整比较器阈值，从而提高量子图像传感器的动态范围。此外根据目前的最新理论研究表明，针对不同的曝光量，存在最优的比较器阈值，使得量子图像传感器的误码率最小。因此自适应阈值调整的读出方案意义重大，目前国内国际上，仅对阈值调整进行了理论研究和论述，针对具体的自适应阈值调整方案暂无更多相关报道。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明一种基于自适应阈值调整的图像传感器读出电路，采用自适应阈值调整电路，根据实际曝光量进行阈值实时调整，利用数字逻辑电路实现阈值快速调整，从而实现在一定帧频下可以同时获取高亮和高暗的图像细节，提高图像传感器的动态范围。
一种基于自适应阈值调整的图像传感器读出电路，如图1所示，主要模块包括：像素阵列、行寻址电路、相关双采样电路、列级放大器、比较器、计数器、自适应阈值调整逻辑、斜坡发生器。本发明的关键技术在于通过引入比较器、斜坡发生器、计数器、自适应阈值调整逻辑，实现片内的阈值实时调整，提高图像传感器的动态范围。现结合图1简述本发明自适应阈值调整方式的工作原理：图像传感器的信号读出通路首先由像素阵列进行光电转换，产生的复位信号和光电信号；行寻址电路产生像素阵列的控制信号，选择特定像素进行读出；通过相关双采样电路来消除复位噪声；接着信号进入列级放大器，进行信号放大；放大后的信号通过比较器与恒定斜率的斜坡电压比较，斜坡电压通过斜坡发生器产生，与此同时通过计数器进行计数；最终计数器记录脉冲的数量反映像素输出的大小；将计数器的输出接入自适应阈值调整逻辑，该模块通过数字电路实现，用于比较计数器的输出与阈值，对于同样的斜坡电压，设定阈值电压对应的计数器的值，通过比较设定值与实际计数器的输出值来判定是否进行阈值调整。
一种基于自适应阈值调整的图像传感器读出电路，具有片内的阈值实时调整，可针对同一场景下的不同亮暗条件进行阈值调整，同时也可针对不同时间下亮暗条件进行阈值调整，适用于二进制图像传感器，可以有效地提高图像传感器的动态范围。
附图说明
图1是基于自适应阈值调整读出的图像传感器架构图；
图2是自适应阈值调整逻辑单元的实现策略图；
图3是本发明中关键电路的具体电路图。
具体实施方式
下面根据附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图2所示为自适应阈值调整逻辑单元的读出策略，像素的输出与斜坡电压的比较输出作为计数器的使能信号，计数器的输出反映了像素输出的大小。在自适应阈值调整逻辑电路中，通过设定初始的阈值电压，该阈值电压，同样是针对相同斜坡电压，利用计数器的输出来设定。图像传感器开始工作后，计数器的输出与设定的阈值进行比较，当计数器的值位于设定阈值的70%—130%范围内，则进行下一步比较大小，若大于设定阈值，则输出为1，若小于设定阈值，则输出为0；当计数器的值没有位于设定阈值的70%—130%范围内，则进行下一步比较大小，若大于设定阈值，则调整阈值为计数器输出的70%，同时输出为1，若小于设定阈值，则调整阈值为计数器输出的130%，同时输出为0，此时图像传感器的阈值发生变化。
如图3所示为本发明图像传感器读出电路的关键电路，比较器采用动态锁存比较器，速度快，功耗低，其正相入端接斜坡发生器，负相输入端接像素的输出，比较器的输出接计数器的使能端，控制计数器的工作，计数器的输出接到自适应阈值调整逻辑电路上，控制阈值的调整。

Claims (1)

1.一种基于自适应阈值调整的图像传感器读出电路，该阈值为预先设定的二进制数字码值，码值的位数与计数器的输出码值的位数一致，该预先设定的码值为计数器阈值，与实际计数器的输出码值进行比较来判定是否进行阈值调整，其特征在于：主要模块包括：像素阵列、行寻址电路、相关双采样电路、列级放大器、比较器、计数器、自适应阈值调整逻辑、斜坡发生器；通过引入比较器、斜坡发生器、计数器、自适应阈值调整逻辑，实现片内的阈值实时调整，提高图像传感器的动态范围；图像传感器的信号读出通路首先由像素阵列进行光电转换，产生的复位信号和光电信号；行寻址电路产生像素阵列的控制信号，选择特定像素进行读出；通过相关双采样电路来消除复位噪声；接着信号进入列级放大器，进行信号放大；放大后的信号通过比较器与恒定斜率的斜坡电压比较，斜坡电压通过斜坡发生器产生，与此同时通过计数器进行计数；最终计数器记录脉冲的数量反映像素输出的大小；将计数器的输出接入自适应阈值调整逻辑，该模块通过数字电路实现，用于比较计数器的输出与阈值，对于同样的斜坡电压，设定阈值电压对应的计数器的值，通过比较设定值与实际计数器的输出值来判定是否进行阈值调整。
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