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基于自适应曝光的CMOS图像传感器的设计与实现

CMOS图像传感器(CIS)具有集成度高、制做工艺通用、体积小、功耗低、无光晕等特点,在非接触无损测量及目标监控等方面,与较为成熟的CCD系统一样,发挥着越来越重要的作用。但由于CIS普遍采用光电二极管线性有源像素,动态响应范围较小。当前,提高其动态范围和自适应曝光调节成为关键问题。为提高CIS的动态范围和高分辨率,多采用对数像素、多次曝光、多次采样重构、像素自调节多次曝光等技术。
　　
　　鉴于片上反馈系统对自适应调节快速实时等特点,针对实际视觉和工控测量应用等要求,本文从CMOS图传感器像素阵列的数字控制和预处理电路出发,以现有滚筒式曝光为背景,提出了一套通过自适应调节曝光和用户预设方式曝光的CMOS图像传感器系统,曝光时间可从1μs至65ms,在光电响应效率为1.0V/lux·s、可调增益为1和8bit模数转换器(ADC)情况下,探测光强范围可达到10-1～106lux,大幅提高现有CMOS图像传感器线性自适应响应能力。
 
　　2  自适应曝光判决算法　　
 
　　采用帧间的自适应曝光调节方式,即每帧内的像素点曝光时间一致,光照响应为线性曲线。根据帧内最大非饱和像素电压,以最小曝光时间T的倍数关系调节下一帧曝光时间,来适应环境照度及最大分辨率。每帧的曝光时间将通过接口实时传输给测量分析电路。具体判决算法为:
 
　　CMOS图像传感器以T或用户设定时间开始曝光。当第1帧有效图像采集结束开始输出时,曝光控制系统将统计帧内指定区域的像素饱和数,并记录帧内最大非饱和像素电压,即当前曝光条件下图像传感器的最大分辨率。当帧内像素饱和数超过统计阈值,表明曝光过长,将缩短下一帧曝光时间;相反,判断最大非饱和像素电压是超出ADC输出量程1/2。

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