基于CMOS图像传感器的多斜率积分模式
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第４ｌ卷第６期
Ｖｏ１．４ｌ Ｎｏ．６ 红外与激光工程
Ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２０１２年６月
Ｊｕｎ．２０１２
基于ＣＭＯＳ图像传感器的多斜率积分模式
杨东来１，２，胡晓东 ，李俊娜。
（１．中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西西安７１０１１９；２．中国科学院研究生院，北京１０００４９；
３．西安应用光学研究所，陕西西安７１００６５）
摘 要：ＣＭＯＳ图像传感器由于器件本身的特点，相比ＣＣＤ传感器，其动态范围较小。以ＣＹＰＲＥＳＳ
公司生产的高性能ＣＭＯＳ图像传感器ＩＢＩＳ５．Ａ一１３００为研究对象，对其多斜率积分原理进行研究，提
出了采用同步快门多斜率积分的方法来扩展ＣＭＯＳ图像传感器的动态范围。以ＦＰＧＡ＋ＤＳＰ为系统的
硬件处理平台，给出了多斜率积分驱动时序的具体设计思路和方法，并在Ｑｕａｒｔｕｓ１Ｉ ７．０环境下对所设
计的驱动时序进行功能仿真。采用所设计的多斜率积分时序驱动，将ＣＭＯＳ图像传感器的动态范围
由原来单斜率积分模式下的６４ｄＢ扩展到了９０ｄＢ。实验结果表明，采用多斜率积分模式可以实现动
态范围扩展的要求。
关键词：ＣＭＯＳ图像传感器；多斜率积分； 动态范围； ＦＰＧＡ
中图分类号：ＴＰ２１２；ＴＮ２４８．１‘ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００７－２２７６（２０１２）０６－１４９９－０４
Ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｓｌｏｐｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣＭＯＳ ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏｒ
Ｙａｎｇ Ｄｏｎｇｌｍ ，Ｈｕ Ｘｉａｏｄｏｎｇ ，Ｌｉ Ｊｕｎｎａ３
（１．Ｘｉ ａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｍｅｃｈａｎｉｅｓ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｘｉ ａｎ ７１０１１９，Ｃｈｉｎａ；２．Ｇｒａｄｕａｔｅ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４９，Ｃｈｉｎａ；３．Ｘｉ ａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｘｉ ａｌｌ ７１００６５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ），ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｒａｎｇｅ ｏｆ ＣＭＯＳ ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ
ｎａｒｒｏｗｅｒ．ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｄｕｅ ｔｏ ｉｔｓ ｓｅｌｆ－ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ—ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ＣＭＯＳ ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏｒ ＩＢＩＳ５．Ａ－１
３００ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ＣＹＰＲＥＳＳ ｃｏｍｐａｎｙ ａｓ ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔ，ａ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗａｓ ｍａｄｅ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｉｔｓ ｍｕｌｔｉｐｌｅ
ｓｌｏｐｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｅｘｔｅｎｄ ｉｔｓ ｄｙｎａｍｉｃ ｒａｎｇｅ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ
ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｓｌｏｐｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ Ｓ ｔｉｍｉｎｇ ｗａｓ ａｄｖａｎｃｅｄ ｗｉｔｈ ＦＰＧＡ ａｎｄ ＤＳＰ ａｓ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｗｉｔｈ
Ｑｕａｒｔｕｓ Ｕ ７．０，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｄｒｉｖｅｒ ｔｉｍｉｎｇ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｉｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｎｅｗ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｓｌｏｐｅ
ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｔｉｍｉｎｇ ｄｒｉｖｅ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｙｎａｍｉｃ ｒａｎｇｅ ｏｆ ＣＭＯＳ ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏｒ，ｆｒｏｍ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｍｏｄｅｌ
ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｓｌｏｐｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ６４ ｄＢ ｔｏ ９０ ｄＢ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｓｌｏｐｅ
ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｆ ｅｘｔｅｎｄｉｎｇ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｒａｎｇｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＣＭＯＳ ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏｒ；ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｓｌｏｐｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ；ｄｙｎａｍｉｃ ｒａｎｇｅ；ＦＰＧＡ
收稿日期：２０１１—１０—２２； 修订日期：２０１１—１２—２９
作者简介：杨东￣（１９７９一），男，工程师，硕士，主要从事光电信息与信号处理方面的研究。Ｅｍａｉｌ：ｙｄｌ＠ｏｐｔ．ａｅ．ｃａ
导师简介：胡￣（１９６４一），男，研究员，硕士生导师，主要从事光电信息与信号处理方面的研究。Ｅｍａｉｌ：ｈｘｄ＠ｏｐｔ．ａｃ．
ｃａ １５００ 红外与激光工 ４１
０引言
动态范围是图像传感器成像质量的一项重要指
标…，动态范围越大意味着能够探测到场景信息的
光强范围越宽，即图像所包含的信息越丰富。近年
来，ＣＭＯＳ图像传感器技术不断发展，因其具有低功
耗、集成度高、低成本、可随机读取等优点，已成为主
流的图像传感器芯片。ＣＭＯＳ图像传感器内部集成
有较多的放大器、寻址译码等电路，导致器件的相对
噪声比较大，因此在相同的环境下，其动态范围不如
ＣＣＤ器件的宽 ！。
文中以ＩＢＩＳ５－Ａ一１３００ ＣＭＯＳ图像传感器为例，
在分析其同步快门多斜率积分模式的基础上，通过
采用多斜率积分的方式对ＣＭＯＳ图像传感器的动
态范围进行扩展。用ＶＨＤＬ语言设计了驱动时序控
制电路，并进行了仿真和实验验证。
１多斜率积分原理
动态范围可定义为一幅图像中能够识别出的最
大非饱和信号值与最大噪声值的比值 】，即可以表
示为：动态范围＝最大非饱和信号值／最大噪声值。
ＣＭ０Ｓ图像传感器中像素的输出电压由曝光时
间和光照强度决定Ｈ１，在光照强度相同的环境下，长
积分时间操作的积分曲线变化具有高灵敏度特性，而
短积分时间操作对应的曲线变化具有低灵敏度特性。
图１为双斜率和单斜率灵敏特性曲线，横轴为
光照强度变化量，竖轴为像元的输出电压值。图中斜
率很陡的虚线代表长积分时间，可以看出，在光照强
度较弱的情况下该曲线即能达到饱和状态，因此长
积分时间曲线对光照强度变化的灵敏度很高；斜率
图ｌ双斜率和单斜率灵敏度特性曲线
Ｆｉｇ．１ Ｄｏｕｂｌｅ ａｎｄ ｓｉｎｇｌｅ ｓｌｏｐｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｕｒｖｅｓ 比较平缓的点线代表短积分时间，在光强较强时，
对应的输出电压值接近饱和，因此其对光照强度变
化的灵敏度较低；图中的实线为双斜率曲线，当光
强较弱时采用长积分时间，其斜率较陡，而在光强
较强时，采用短积分时间，其斜率较低，这样就可以
保证像元的输出电压在光强变化范围较大时不至
于饱和。
多斜率积分的原理与双斜率积分相同，只不过
在双斜率积分的基础上增加了一些拐点而已，使曲
线包含更多的斜率。这些拐点的设置使信号的输出
电压能适应光照强度在更大范围内的变化，从而实
现光学动态范围扩展 】。
２ ＣＭｏＳ图像传感器的多斜率积分时序设计
２．１ ＩＢＩＳ５一Ａ一１３００ ＣＭＯＳ图像传感器的多斜率积
分时序介绍
选用的ｍＩＳ５一Ａ一１３００ ＣＭ０Ｓ图像传感器有两
种电子快门模式：同步快门模式和卷帘快门模式，其
中同步快门又有单斜率积分和多斜率积分两种积分
模式。同步快门单斜率积分模式下光学动态范围为
６４ｄＢ，即最大非饱和信号值／最大噪声值＝ｌ ６００：ｌ；而
在多斜率积分模式下，光学动态范围可达８０￣１００ｄＢ。
下面介绍ＩＢＩＳ５一Ａ一１３００ＣＭＯＳ图像传感器的多斜
率积分驱动时序。
图２为同步快门的多斜率积分操作时序［６】，图中
ＳＳ—ＳＴＡＲＴ为光积分开始信号，控制积分操作开始；
ＳＳ—ＳＴＯＰ为光积分结束信号，控制积分操作结束；当
积分时间达到所设定的值后，由ＣＭＯＳ图像传感器
内部产生一个ＴＩＭＥ－ＯＵＴ信号，表示积分已经结
束，可以用它来触发产生ＳＳ＿ＳＴＯＰ信号。
图２同步快门多斜率积分操作
Ｆｉｇ．２ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｓｌｏｐｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｓｈｕｔ
ｔｅｒ 第６期 杨东来等：基于ＣＭＯＳ图像传感器的多斜率积分模式 １５Ｏ１
ＩＢＩＳ５．Ａ．１３００ ＣＭ０Ｓ图像传感器内部有一个可
控制多斜率积分拐点设置的寄存器 ，如表ｌ所示。
可以通过更改寄存器中的值，使图像传感器的复位
电压（产生ＳＳ—ＳＴＡＲＴ脉冲后）发生改变。
表１多斜率积分寄存器设置
Ｔａｂ．１ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｓｌｏｐｅ ｒｅｇｉｓｔｅｒ ｓｅｔｔｉｎｇｓ
整个多斜率积分过程如下：图２中ｐ１、ｐ２、ｐ３、
ｐ４为图像传感器中４个独立的像元，这４个像元上
的光照强度是不同的，光照越强其输出电压越灵敏，
即积分曲线斜率越陡，如ｐ３、ｐ４像元；相反，光照越
弱的像元其输出电压越不灵敏，如ｐｌ、ｐ２像元。可以
看出，若在积分过程中只产生一个ｓＳ—ＳＴＡＲＴ脉冲，
即采用单斜率积分，则光照强度较强的ｐ３、ｐ４像元
在积分时间结束之前很快就会达到饱和状态，从而
影响最终的成像质量。而在多斜率积分模式下，在光
照较强的像元达到饱和之前使光积分操作复位（即
重新产生一个ＳＳ—ＳＴＡＲＴ脉冲），随着寄存器设置的
不同，复位电压也依次降低，但积分斜率保持不变。
这样几次复位后，光照强度较强的像元在积分时间
结束时，其输出电压没有饱和，从而实现了光学动态
范围的扩展。
２．２多斜率积分的驱动时序设计
以ＦＰＧＡ和ＤＳＰ为硬件处理核心，其硬件系统
功能如图３所示。系统工作过程如下：首先，由ＤＳＰ
通过Ｉ２Ｃ总线对ＣＭＯＳ图像传感器进行初始化，对
图像传感器内部各个寄存器的参数值进行设置；由
ＦＰＧＡ产生驱动ＣＭＯＳ图像传感器所需的各种时序
信号，并接收产生的图像信息数据；ＦＰＧＡ与ＤＳＰ之
间通过中断进行数据交换等操作。 图３硬件系统功能图
Ｆｉｇ．３ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｙｓｔｅｍ
根据系统硬件平台的特点，设计出改进的多斜
率积分驱动时序，如图４所示。 ２ｎｄ ｒｅｇｉｓｔｅｒ ｕｐｌｏａｄ ４ｔｈ ｒｅｇｉｓｔｅｒ ｕｐｌｏａｄ １ ｓｔ ｒｅｇｉｓｔｅｒ ｕｐ ａｄ ３ ｒｅｇｉｓｔｅｒ ｕｐｌｏａｄ
图４多斜率积分驱动时序
Ｆｉｇ．４ Ｔｉｍｉｎｇ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｓｌｏｐｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｄｒｉｖｉｎｇ
整个驱动过程如下：系统上电后，由ＦＰＧＡ产生
第一个ＳＳ—ＳＴＡＲＴ脉冲，控制开始进行光积分操作，
当积分时间到达内部寄存器所设值时，由图像传感
器产生ＴＩＭＥ＿ＯＵＴ脉冲，表示积分操作结束。可用
ＴＩＭＥ＿ＯＵＴ脉冲触发产生ＳＳ—ＳＴＡＲＴ脉冲，进行下
一次的积分操作。直到总共完成４次积分操作即实
现了多斜率积分过程，图像传感器产生ＳＳ—ＳＴＯＰ
脉冲，表示整个积分过程结束，可以进行像元读出
操作。
值得注意的是，在产生每一个新的ＳＳ～ＳＴＡＲＴ
脉冲前，需要对多斜率积分寄存器的值进行更新；并
