基于LUPA4000圖像傳感器擴展動態(tài)范圍方法研究

摘 要:基于CMOS圖像傳感器LUPA4000，對雙斜率光積分進行研究。選用Altera公司的EP3C25Q240C8N作為硬件設計載體，使用VHDL語言對LUPA4000像素內(nèi)部驅動信號進行描述，并采用Qutartus Ⅱ軟件對所做的設計進行功能仿真，最后采用基于LUPA4000的相機系統(tǒng)，實現(xiàn)了同步快門模式下的雙斜率光積分操作。實驗結果表明，雙斜率光積分有效擴展了普通線性轉移成像器的光學動態(tài)范圍，提升了成像質(zhì)量。

關鍵詞:LUPA4000;CMOS圖像傳感器;擴展動態(tài)范圍;雙斜率光積分

中圖分類號:TP212文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)04-208-03

Study on Method of Extended Dynamic Range Based on LUPA4000 Image Sensor

CHEN Chujun1，2，GAO Wei1，LIU Yan1，2，CHEN Chuan1，2

(1.Xi′an Institute of Optics and Precision Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Xi′an，710119，China;

2.Graduate University，Chinese Academy of Sciences，Beijing，100039，China)

Abstract:The study of dual-slope integration based on LUPA4000 CMOS image sensor is introduced.Adopting Alteara Company′s device EP3C25Q240C8N as the hardware design platform，the pixel internal generated signal is described with VHDL，the function simulation of the system is finished by Qutartus Ⅱ successfully.Using the dual-slope integration operation in synchronous shutter out based on the camera system of LUPA4000 image sensor.Results of experiment indicate that dual-slope integration is a good method to extend the dynamic range of linear transfer image sensor，and it improves the quality of imaging.

Keywords:LUPA4000 CMOS image sensor;extended dynamic range;dual-slope integration

0 引 言

隨著CMOS工藝的提高和固體圖像傳感器技術的不斷發(fā)展，CMOS圖像傳感器在很多應用領域已經(jīng)可以和CCD相媲美，而且越來越顯現(xiàn)出其低功耗、低價格、高集成度等諸多優(yōu)勢，不僅在民用市場受人矚目，而且在深空探測、對地遙感、星敏感器等高端應用領域也獲得了較快的發(fā)展。

LUPA4000是Cypress公司生產(chǎn)的一款大面陣有源CMOS圖像傳感器，它和大多數(shù)CMOS圖像傳感器一樣，具有集成度高、驅動電路簡單、重量輕、體積小、功耗低、抗輻射等特點，在空間探測領域具有廣闊的應用前景。但由于其芯片內(nèi)部結構決定了它具有較多的片上放大器、尋址電路和寄生電容等，導致其噪聲相對較大，減小了動態(tài)范圍[1-3]。動態(tài)范圍表示的是圖片中最暗場景到最亮場景的范圍。動態(tài)范圍越大，圖像所包含的信息越全面，圖像質(zhì)量越好，因此，如何提高動態(tài)范圍是設計和選用圖像傳感器時必須考慮的問題。LUPA4000的一個典型特征就是可以通過雙斜率或多斜率光積分來提高其動態(tài)范圍。在此就是研究LUPA4000是怎樣進行雙斜率積分的，并通過實驗驗證采用雙斜率積分模式確實可以提高動態(tài)范圍。

1 基本定義和原理

1.1 動態(tài)范圍的定義

圖像傳感器的動態(tài)范圍通常可定義為:傳感器飽和曝光量與噪聲曝光量之比?？梢杂孟率絹肀硎?

DR=Imax/Imin(1)

式中:Imax為像素達到飽和之前可測的最大光強;Imin為在像素噪聲之上可以測到的最小光強。動態(tài)范圍也可以用分貝數(shù)來表示:

DR=20log Imax/Imin(2)

上面的公式表明，動態(tài)范圍與傳感器中的光敏單元有密切關系，光敏單元的面積越大動態(tài)范圍也就越大，這也是相同條件的CCD動態(tài)范圍大于CMOS動態(tài)范圍的原因。一般來說，具有較寬動態(tài)范圍的傳感器可以探測更寬的場景照度范圍，所包含的色彩層次越多，從而可以得到具有更多細節(jié)的圖像，因此動態(tài)范圍是成像質(zhì)量的重要指標。

LUPA4000在單斜率積分模式下其動態(tài)范圍為66 dB(2 000∶1)，如果在不采用其他提高動態(tài)范圍的技術下，雙斜率積分模式下的動態(tài)范圍可按照下式來計算:

DR=[66+66(5%-10%)]=(70-76) dB(3)

1.2 雙斜率積分原理

光照射物體時，物體各個部分反射回來的光強并不是一樣的。用相機拍攝時，如果對物體各部分采用相同的曝光時間，則可能出現(xiàn)下面兩種情況:比較暗的部位因曝光不足導致信息丟失;比較亮的部位因曝光過度拍攝出來的顏色接近白色，也失去了原來的面目。雙斜率積分剛好可以解決這兩個問題。雙斜率積分采用兩種不同的曝光時間，當光強很弱時采用長時間曝光，輸出信號曲線的斜率很大;而當光強很強時，改用短時間曝光，曲線斜率便會降低，從而可以擴大動態(tài)范圍[1，2]。如圖1所示。

圖1 雙斜率積分模式擴大動態(tài)范圍

多斜率積分是對雙斜率積分的擴展，它采用多種曝光時間，輸出曲線是多段直線的擬合，會更加平滑，動態(tài)范圍也會相應增大。

2 雙斜率積分的時序及實現(xiàn)

2.1 雙斜率積分的操作

圖2中，四條不同顏色的斜線P1，P2，P3，P4代表著光電二極管中的模擬信號，它們隨著積分時間的延長，新增信號的數(shù)目逐漸減少。斜線斜率由照射在每個像素上的光強決定，光越強，斜率就越大。如果像素在積分沒有結束之前就達到飽和，即使積分仍在進行，光生電荷數(shù)目也不再增加。如圖所示，如果采用單斜率積分模式，P3，P4在采樣開始之前就已經(jīng)達到飽和。當采用雙斜率積分模式，給出第二個復位脈沖后(大約在積分時間進行到90%時給出)，P3，P4在飽和前被復位到一個新的電平(低于第一次復位電平)，隨著積分過程的繼續(xù)進行，它們將按照和原來相同的的斜率繼續(xù)進行光電積分。對于P1，P2來說，雙斜率積分操作對它們不造成影響。從圖2中可以看出，通過采用雙斜率積分，使原來在積分過程中可能達到飽和的像素在積分結束時依然達不到飽和狀態(tài)，從而能夠有效地增大動態(tài)范圍。多斜率操作的原理與此類似，只需要在積分過程中給出更多的復位脈沖，便可實現(xiàn)多斜率積分。不過這些復位信號的電平要依次降低[4]。

2.2 雙斜率積分時序

根據(jù)LUPA4000的6-T像素結構可知，其內(nèi)部產(chǎn)生的信號主要有:Reset，Sample，Precharge，Vmem和Row_select。它們由外部輸入的驅動信號產(chǎn)生，控制著像素單元的積分、存儲到讀出的整個過程。它們的作用分別如下:

Reset:重置像素，初始化積分時間。高電平時對像素進行復位，低電平時開始新的積分過程。由外部控制信號Reset和Reset_ds產(chǎn)生。低電平為0 V，高電平由VresVres_ds控制。同時Reset也可以用來進行雙斜率或多斜率積分操作。在積分過程中提供一個低于復位高電平電壓的復位信號，將光電二極管復位到一個較低的電平，能夠提高動態(tài)范圍。

Precharge:光電二極管后第一級源級跟隨器的使能信號。它有效時，用光電二極管新產(chǎn)生的信號替換原來存儲在存儲結點的信號。由外部控制信號Precharge產(chǎn)生，電壓范圍為0~2.5 V。低電平Vpre_l，高電平由偏置電阻控制。

Sample:采集光電二極管中的信號并存儲到像素的存儲單元中。由外部控制信號Sample產(chǎn)生，電平范圍為0~2.5 V。

圖2 雙斜率積分操作

Vmem:偏置電壓，由外部控制信號mem_hl產(chǎn)生。電平范圍為Vmem_l(2.5 V) ~Vmem_h(3.3 V)。

圖3為芯片內(nèi)部像素陣列控制信號的時序。其中信號電平由像素陣列供電決定，而外部輸入數(shù)字控制信號(0~3.3 V，內(nèi)部轉換為0~2.5 V)決定各個信號電平轉換的具體時刻。如果需要進行雙斜率操作，則還需要在積分期間給出另一個復位脈沖，這個脈沖出現(xiàn)的時刻以及脈沖電平的高低由信號Reset_ds和Vres_ds來控制。

圖3 LUPA4000內(nèi)部像素陣列控制信號時序

2.3 雙斜率積分模式的實現(xiàn)

根據(jù)內(nèi)部時序的要求，在Quartus Ⅱ平臺下用VHDL言語編程實現(xiàn)了雙斜率積分模式下外部控制信號Precharge，Sample，Reset，Reset_ds，Mem_hl的時序關系，如圖4所示，Reset_ds脈沖的出現(xiàn)，意味著在這個時候給出了第二個復位脈沖，這個復位脈沖電平必須小于2.5 V，其大小由Vres_ds控制。

圖4 雙斜率積分模式驅動信號時序

如果要實現(xiàn)多斜率積分，可以在積分過程多次給出幾個Reset_ds脈沖，每個脈沖電平要逐漸依次低于Reset電平。

使用基于LUPA4000的相機系統(tǒng)在相同條件下分別拍攝單積分模式下和雙積分模式下的圖像，分別如圖5和圖6所示。

圖5 單積分模式下拍攝的圖像

圖6 雙積分模式下拍攝的圖像

從圖5，6可以看出，單積分模式中的左下角建筑物灰度接近飽和，很難分辨其邊緣與天空背景;而當采用雙斜率積分模式時，左下角建筑物灰度與天空背景的灰度差別較大，能夠很容易的分辨出其邊緣。顯而易見，采用雙斜率積分模式拍攝的圖像的動態(tài)范圍明顯高于采用單斜率模式下拍攝的圖像的動態(tài)范圍。

3 結 語

雙斜率積分法可擴展有源CMOS圖像傳感器LUPA4000的動態(tài)范圍，可將圖像傳感器的動態(tài)范圍從單積分模式下的66 dB提高到70~76dB。相比于傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理方法，該方法簡單易行、效果顯著;但其弊端是需要多種非標準電壓，且對后續(xù)數(shù)據(jù)處理的靈活性不夠。

參 考 文 獻

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