[发明专利]一种自适应像素级高动态CMOS图像传感器及其实现方法

说明书

本发明公开了一种自适应像素级高动态CMOS图像传感器及其实现方法，由像素阵列输出光电信号，将光电信号分别输入至列级ADC读出电路和像素级ADC电路；列级ADC读出电路中的比较器分别接收光电信号和斜坡信号，比较结果通过计数器传输至数据合成器；像素级ADC电路中的比较单元分别接收光电信号和参考信号，比较结果通过寄存器单元处理后，分别输送至控制单元和数据合成器，控制单元生成控制时长数据并将其反馈至像素阵列，数据合成器中产生最终结果输出。将像素级ADC电路的高实时性特点和列级ADC读出电路的高精度特点有机结合，由数据合成器输出最终结果，在光线快速变化时，实现高动态成像需求。

技术领域

本发明属于图像传感器技术领域，涉及一种自适应像素级高动态CMOS图像传感器及其实现方法。

背景技术

CMOS图像传感器被广泛应用于空间探测、对地观测、工业监测和消费电子中，通过多种类型复杂光线收集，实现目标获取、探测感知和成像拍摄等应用需求。CMOS图像传感器的动态范围为能够监测光线强度的范围，由于器件的阱容量有限，当入射光线过强时，像素快速饱和，导致强光信息丢失。自然界从直射阳光到暗夜，动态范围达到180dB，具有较宽动态范围的传感器可以探测更宽的场景照度范围，从而可以产生更多细节的图像。提升器件的动态范围有利于良好的科学探测，工业应用和成像质量，对提升科技力量和国民生活具有重要价值。

目前所采用的高动态范围实现方案包括：势阱容量调节技术，多次采样技术，对数响应技术。势阱容量调节技术，增加横向溢出栅，在曝光期间将势阱容量增加一倍或几倍，这样可使CMOS图像传感器电荷随光强变化的传输曲线得到压缩。多次采样技术，同一个场景在不同的曝光时间下进行多次采样，然后将多次采样的输出组合成一幅大动态范围的图像。对数响应技术，利用二极管连接的MOS晶体管工作于亚阈值区的特性，得到光电二极管对数响应传输曲线。

现有技术中的高动态实现方法，主要采用平面2D结构，采用单一的像素级ADC或者列级ADC。参见图8为现有技术中高动态图像传感器整体结构图，像素阵列和列级ADC读出电路处于同一平面，分别完成光电转换和模数转换，通过光线判断，由外部SPI接口输入高动态配置信号实现动态范围提升。具体结构图参见图9，像素阵列包括全局曝光控制管、传输管、高动态复位管、源跟随管和读出控制管，列级ADC读出电路包括比较器和计数器，通过外部配置调整高动态管的电压和控制时间，达到高动态目标，但是通过拍摄场景判断高动态模式，反馈周期长，无法适应明暗高速变换的拍摄场景，不能够满足高动态的成像需求，也没有充分利用纵向空间，在空间利用率上也有待提升。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中仅使用单一ADC高动态校准实时性较差，在光线快速变换条件下，不能满足高动态成像需求的问题，提供一种自适应像素级高动态CMOS图像传感器及其实现方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种自适应像素级高动态CMOS图像传感器，包括像素阵列、列级ADC读出电路和像素级ADC电路；

所述像素阵列和列级ADC读出电路设于上层芯片上，像素级ADC电路设于下层芯片上，上层芯片与下层芯片之间采用3D堆叠结构设置；

所述像素阵列输出光电信号，将光电信号分别输入至列级ADC读出电路和像素级ADC电路；

所述列级ADC读出电路包括比较器、计数器和数据合成器，比较器的负端接收光电信号，正端输入斜坡信号，比较结果通过计数器传输至数据合成器；

所述像素级ADC电路包括比较单元、控制单元和寄存器单元，比较单元的正端接收光电信号，负端接收参考信号，比较结果通过寄存器单元处理后，分别输送至控制单元和数据合成器，控制单元生成控制时长数据并将其反馈至像素阵列，数据合成器中产生最终结果输出。

本发明的进一步改进在于：