一种提高CMOS图像传感器对比度的非线性列级ADC及方法技术

本发明专利技术公开了一种提高CMOS图像传感器对比度的非线性列级ADC，包括非线性斜坡发生器和计数器连接作为同一时钟输入，斜坡发生器的输出端连接比较器正输入端，比较器的负输入端连接像素电压采样，比较器的输出端依次连接锁存器和寄存器，寄存器还连接计数器，所述寄存器用于保存计数器的值并且输出结果，本发明专利技术还公开了一种提高CMOS图像传感器对比度的方法，不仅提高了CMOS图像传感器的对比度，还可有效的识别无透镜成像系统下的细胞图像。

【技术实现步骤摘要】
一种提高CMOS图像传感器对比度的非线性列级ADC及方法
本专利技术属于高对比度CMOS图像传感器
，具体涉及一种提高CMOS图像传感器对比度的非线性列级ADC。本专利技术还涉及一种提高CMOS图像传感器对比度的方法。
技术介绍
随着生物医学诊断检测领域的发展，在诊断生物的生命状况和基本信息时，细胞检测技术为其提供了重要的依据。不同的身体状况都会对应不同的细胞类型、细胞数量、细胞结构和细胞形态，了解这些细胞的种种特征对于人体健康、疾病的研究、药物的研制都有重要的意义。现阶段最基本的细胞检测方法有化学检测法和光学显微镜检测法，但其操作复杂，且需要专业人士操作，无法适用于城镇医疗的普及。无透镜成像系统由光源和光检测其组成，光检测器主要由CMOS图像传感器组成，体积小、成本低、便于携带，满足现代医疗的需求。在无透镜细胞成像系统中，虽然所采用CMOS图像传感器随着集成电路的发展，其性能不断提高，但其多数为线性均匀的输出，适合于光照明亮均匀的环境中，但是在无透镜暗光环境下进行细胞成像时，由于其对光照强度的敏感度较低，会得到偏暗的图像。此外，在无透镜细胞成像系统下，得到的细胞图像局部对比度也较低，因为主体细胞的透射率接近于周围液体背景的透射率，所以图像灰度分布范围较窄略显模糊，局部区域灰度值较接近，导致对比度下降无法快速分辨图像内容。针对此问题，现阶段通常采用三种解决方式：其一，在ADC中增加图像信号处理电路，通过引入自动曝光逻辑电路来扩大动态范围，但是此方法用于亮光环境时会导致转换饱和，动态范围变小，而加入的ISP电路也会占用芯片的面积增加功率消耗。其二，采用多帧曝光或多次相关采样的方式，但多次采样会影响系统工作的帧率；而多帧曝光会增加曝光时间，导致传感器的拍摄时间延长。其三，在芯片外部采用数字对比度拉伸算法，该方法虽易于实现但有两处缺点，第一是它主要针对的是整体图像，要求越高，映射函数越复杂，很难实现在CMOS图像传感器内部的集成；第二是采用数字方法校正会放大低照度下的量化误差，此时光照范围内的图像细节将被影响。这些方法都不同程度的增加电路的设计复杂度，增加电路消耗，难以适用于未来CMOS图像传感器的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种提高CMOS图像传感器对比度的非线性列级ADC，使其适用于暗光环境下无透镜成像系统的应用，提高局部细胞的对比度，得到清晰的细胞图像。本专利技术的另一个目的还在于提供一种提高CMOS图像传感器对比度的方法。本专利技术所采用的第一种技术方案是，一种提高CMOS图像传感器对比度的非线性列级ADC，包括非线性斜坡发生器和计数器连接作为同一时钟输入，斜坡发生器的输出端连接比较器正输入端，比较器的负输入端连接像素电压采样，比较器的输出端依次连接锁存器和寄存器，寄存器还连接计数器，所述寄存器用于保存计数器的值并且输出结果。本专利技术所采用的第二种技术方案是，一种提高CMOS图像传感器对比度的方法，采用上述的一种提高CMOS图像传感器对比度的非线性列级ADC，其特征在于，具体按以下步骤实施：步骤1，比较器对输入像素电压进行采样；步骤2，经步骤1采样结束后，在时钟信号的控制下，斜坡发生器产生非线性斜坡，同时计数器开始计数；步骤3，比较器根据正负输入端的电压差值的变化，输出翻转，寄存器将此时计数器的值输出。本专利技术第二种技术方案的特点还在于：其中步骤1具体为：采样开关SS闭合时，像素电压Vpixel被采样到比较器的负输入端，然后采样开关断开，比较器的负输入端为采样到的像素电压；其中步骤2具体为：步骤2.1，在时钟信号的控制下，斜坡发生器开始产生斜坡，根据细胞灰度值的分布情况，将斜坡划分为五个区域：细胞核、细胞核质边缘、细胞质、细胞膜和鞘液，五个区域所对应的数字码分别为：0-255，256-345，346-652，653-742，743-1023；步骤2.2，实现非线性斜坡，结合步骤2.1划分的五个区域，设计了5个电流舵DAC，每个电流舵DAC的输出电流，流过同一参考电阻，在每个电流舵DAC处设计对应的参考电流，即可在斜坡发生器输出端实现非线性斜坡；步骤2.3，根据步骤2.2设计的5个电流舵DAC，对应设计5个计数器，每个计数器都是从0开始计数，每个计数器都只计该区域的数字码值，最后通过计数器输出产生非线性斜坡的电压值为：Vout＝(D1×I1+D2×I2+Λ+D5×I5)·R(1)式中，D1，···，D5为计数器1-5的码值；其中步骤2.3中5个计数器的工作过程具体为：首先计数器1开始计数，与计数器1对应的电流舵DAC开始输出电流，产生第一阶段的斜坡，计数器1计完后输出进位信号CO1，CO1变为1，锁存器锁存计数器1的值，同时计数器2开始计数，与计数器2对应的电流舵DAC开始输出第二阶段的电流，产生第二阶段的斜坡，以此类推直至计数器5计完；其中步骤3具体为：比较器将采样到的像素电压和斜坡电压相比较，开始比较时，比较器输出0，斜坡电压不断增加，当斜坡电压等于像素电压时，比较器输出开始翻转，从0跳变到1，锁存器检测输入信号上升沿的变化后，将该上升沿输出至寄存器，寄存器将上升沿此刻计数器的值保存然后输出，输出的码值即为比较器量化的数字量。本专利技术的有益效果是：本专利技术应用于无透镜系统中的CMOS图像传感器，设计了CMOS图像传感器中列级非线性ADC，提高CMOS图像传感器的对比度，该非线性ADC利用斜坡发生器直接产生非线性斜坡，避免了在数字部分对其输出的运算，且只用210CLK即实现10-bit的非线性，并未增加的新的功耗，非线性斜坡发生器采用多层电流舵结构，每一个电流舵DAC设计思路简单，组合方便，相比传统电阻串型非线性DAC，该结构不需要多个参考电压，只需要数字电路控制电流的通断即可实现非线性的输出，本专利技术ADC的数字输出码值直接具有非线性特性，不需要数字算法进行非线性的处理，且输出的非线性斜坡可直接被所有列电路共用，适用于列级CMOS图像传感器的应用，电流舵DAC产生的非线性斜坡，思路简单新颖，易于实现，整个非线性ADC适用于无透镜系统下的CMOS图像传感，提高其细胞图像的对比度。附图说明图1是本专利技术的一种提高CMOS图像传感器对比度的非线性列级ADC中非线性ADC结构示意图；图2是本专利技术的一种提高CMOS图像传感器对比度的非线性列级ADC中应用于CMOS图像传感器系统结构示意图；图3是本专利技术的一种提高CMOS图像传感器对比度的非线性列级ADC中基于电流舵结构的非线性斜坡产生电路示意图；图4是本专利技术的一种提高CMOS图像传感器对比度的非线性列级ADC中单个电流舵DAC电路结构示意图；图5是本专利技术的一种提高CMOS图像传感器对比度的非线性列级ADC中非线性斜坡发生器输出非线性曲线。具体实施方式下面结合附图以及具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本专利技术提供一种提高CMOS图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高CMOS图像传感器对比度的非线性列级ADC，其特征在于，包括非线性斜坡发生器和计数器连接作为同一时钟输入，斜坡发生器的输出端连接比较器正输入端，比较器的负输入端连接像素电压采样，比较器的输出端依次连接锁存器和寄存器，寄存器还连接计数器，所述寄存器用于保存计数器的值并且输出结果。/n

【技术特征摘要】
1.一种提高CMOS图像传感器对比度的非线性列级ADC，其特征在于，包括非线性斜坡发生器和计数器连接作为同一时钟输入，斜坡发生器的输出端连接比较器正输入端，比较器的负输入端连接像素电压采样，比较器的输出端依次连接锁存器和寄存器，寄存器还连接计数器，所述寄存器用于保存计数器的值并且输出结果。


2.一种提高CMOS图像传感器对比度的方法，采用权利要求1所述的一种提高CMOS图像传感器对比度的非线性列级ADC，其特征在于，具体按以下步骤实施：
步骤1，比较器对输入像素电压进行采样；
步骤2，经步骤1采样结束后，在时钟信号的控制下，斜坡发生器产生非线性斜坡，同时计数器开始计数；
步骤3，比较器根据正负输入端的电压差值的变化，输出翻转，寄存器将此时计数器的值输出。


3.根据权利要求2所述的一种提高CMOS图像传感器对比度的方法，其特征在于，所述步骤1具体为：
采样开关SS闭合时，像素电压Vpixel被采样到比较器的负输入端，然后采样开关断开，比较器的负输入端为采样到的像素电压。


4.根据权利要求2所述的一种提高CMOS图像传感器对比度的方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
步骤2.1，在时钟信号的控制下，斜坡发生器开始产生斜坡，根据细胞灰度值的分布情况，将斜坡划分为五个区域：细胞核、细胞核质边缘、细胞质、细胞膜和鞘液，五个区域所对应的数字码分别为：0-255，256-345，346-652，653-742，743-1023；
步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鹤玖，余宁梅，刘尕，吕楠，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61