一种图像传感器读出电路、方法和图像传感器与流程

1.本发明涉及集成电路设计技术领域，尤其涉及一种图像传感器读出电路、方法和图像传感器。


背景技术：

2.目前，cmos图像传感器(cmos image sensor，cis)已广泛应用于视频、监控、工业制造、汽车、家电等成像领域。随着各类应用要求的不断提高，cis不仅需要具有高分辨率、高帧率，图像质量也是非常重要的一个方面，尤其是低光照环境下成像的能力，这对cis的噪声特性提出了更高的要求。低照度下能否更清晰、更多的呈现出图像细节，这取决于cis的读出噪声是否足够低。为了降低噪声，一方面是对cis加工工艺进行改进，降低像素噪声；另一方面是通过一些电路技术来实现，比如相关多次采样(correlated multiple sampling，cms)技术，虽然cms技术能够有效抑制图像传感器的噪声，但是cms需要在不同时刻进行多次采样，限制了cis的输出帧率，这在很多应用中是不能接受的。
3.为此，亟需提供一种新的图像传感器读出电路以改善上述问题。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种图像传感器读出电路、方法和图像传感器，用以在保证图像传感器的输出帧率的同时，降低像素小信号时的读出噪声，优化图像质量。
5.第一方面，本发明提供一种图像传感器读出电路，包括：选通开关、比较器和计数器，其中，选通开关的第一输入端连接至斜坡信号发生器的第一输出端，选通开关的第二输入端连接至斜坡信号发生器的第二输出端，所述斜坡信号发生器的第一输出端输出第一积分斜坡信号，斜坡信号发生器的第二输出端输出第二积分斜坡信号，所述第二积分斜坡信号的平均斜率小于第一积分斜坡信号的平均斜率。比较器的第一输入端连接至像素单元的输出端，比较器的第二输入端连接至选通开关的输出端，比较器的输出端连接至计数器的输入端和选通开关的控制端。比较器用于在一个行读出周期内比较像素信号和第一积分斜坡信号的电平大小，或比较所述像素信号和所述第二积分斜坡信号之间的电平大小，计数器用于根据比较结果确定像素单元的曝光数字信号。
6.本发明提供的图像传感器读出电路的有益效果在于：因比较器可以根据比较结果选择第一积分斜坡信号或第二积分斜坡信号，所以图像传感器可以根据像素输出信号的大小，决定是否对积分信号阶段实施cms技术。若判定像素信号大于预设斜坡电压阈值，则像素输出为小信号，则在积分信号阶段切换为cms模式；而大信号像素输出则依然采用默认读出模式。这样能降低像素小信号时的噪声，能有效降低读出噪声，优化图像质量。本实施例和传统cms技术相比，明显缩短了所需读出操作的时间，和普通读出方式相比，且不会降低图像帧率。
7.在一种可能的实施方式中，在信号读取阶段，当像素单元的输出端输出的像素信号小于或等于预设电压阈值，所述比较器的输出端输出的选通控制信号为低电平，所述选
通开关接收来自所述比较器的选通控制信号后，所述选通开关的输出端输出第一斜坡信号；在信号读取阶段，当像素单元的输出端输出的像素信号大于所述预设电压阈值，所述比较器的输出端的选通控制信号为高电平，选通开关接收来自所述比较器的选通控制信号后，所述选通开关的输出端输出第二斜坡信号。可见，比较器的输出结果能够决定所选用的斜坡信号是第一斜坡信号还是第二斜坡信号，继而决定是否对积分信号阶段实施cms技术。
8.第二方面，本发明提供一种图像传感器读出电路的读出方法，包括：
9.像素单元复位，并输出复位电压；所述复位电压传输至所述比较器的第一输入端，选通开关的输出端输出复位斜坡信号，所述比较器的第二输入端连接至选通开关的输出端；所述计数器得到像素单元对应的复位信号。当斜坡发生器输出的复位斜坡信号的电压为预设斜坡电压阈值，且所述复位电压大于所述预设斜坡电压阈值时，所述比较器的输出端输出的选通控制信号为高电平，所述选通开关的控制端输入来自所述比较器的选通控制信号后，所述选通开关的输出端输出第二积分斜坡信号；所述像素单元开始曝光，并依次输出第一曝光电压和第二曝光电压；所述第一曝光电压和第二曝光电压均输入至所述计数器；所述计数器得到像素单元对应的第一曝光信号和第二曝光信号；所述计数器将第一曝光信号和第二曝光信号的均值减去复位信号，并输出像素单元的曝光数字信号。
10.在又一种可能的实施方式中，所述方法还包括：当复位斜坡信号的电压为预设斜坡电压阈值，且所述复位电压小于或等于预设斜坡电压阈值时，所述比较器的输出端输出的选通控制信号为低电平，所述选通开关的控制端输入来自所述比较器的选通控制信号后，所述选通开关的输出端输出第一积分斜坡信号；
11.所述像素单元开始曝光，并输出第三曝光电压；所述第三曝光电压输入至所述计数器；所述计数器得到像素单元对应的第三曝光信号；所述计数器将第三曝光信号减去所述复位信号，并输出像素单元的曝光数字信号。
12.第三方面，本发明提供一种图像传感器，包括：像素阵列、斜坡发生器、如第一方面任一实施方式所述的图像传感器读出电路和输出信号处理器。所述像素阵列包括n列像素模块，所述模数转换器包括n个模数转换模块，所述每列像素模块和所述模数转换模块一一电性连接；每列所述像素模块均包括m个像素单元，每个所述像素单元用于产生与一图像相对应的像素信号；其中，n和m均为正整数；所述斜坡发生器，用于在一个行读出周期内产生第一斜坡信号和第二斜坡信号；所述输出信号处理器用于对所述像素单元的曝光数字信号进行处理，以得到处理后的所述图像。
13.在一种可能的实施方式中，所述比较器的电路结构包括电性连接的比较电路和放大电路；所述比较电路用于在所述时序控制器的控制下选择比较所述像素信号和所述第一斜坡信号之间的电平大小，或所述像素信号和所述第二斜坡信号之间的电平大小；所述放大电路用于放大并输出所述比较电路比较的结果。
14.在又一种可能的实施方式中，所述图像传感器还包括译码驱动器，所述译码驱动器用于产生控制信号，以控制所述像素阵列依次输出所述像素信号。
15.在其它种可能的实施方式中，所述图像传感器还包括时序控制器，所述时序控制器用于产生时序控制信号。
16.与传统读出电路不同的是，本发明提供的图像传感器中斜坡信号发生器将生成两种不同的积分斜坡信号，第一积分斜坡信号为默认普通模式下的斜坡信号，第二积分斜坡
信号为多次采样模式下的斜坡信号。第一积分斜坡信号和第二积分斜坡信号都接到每一列读出电路的选通开关上，每列比较器输出将决定所选用的斜坡信号是第一积分斜坡信号还是第二积分斜坡信号，继而决定是否对积分信号阶段实施cms技术。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为现有技术提供的一种像元单元的电路结构示意图；
19.图2为现有技术提供的一种像素单元的时序控制方法流程示意图；
20.图3为现有技术提供的一种cis读出电路架构示意图；
21.图4为现有技术提供的一种cis读出电路操作时序示意图；
22.图5为现有技术提供的一种cms读出操作时序示意图；
23.图6为本发明实施例提供的一种图像传感器读出电路架构示意图；
24.图7为本发明实施例提供的一种图像传感器架构示意图；
25.图8为本发明实施例提供的一种读出电路操作时序示意图；
26.图9为本发明实施例提供的另一种读出电路操作时序示意图；
27.图10为本发明实施例提供的一种图像传感器读出电路方法流程示意图。
具体实施方式
28.图1是目前cis标准四管像素单元电路结构，该结构普遍应用于行曝光方式cis，它由感光二极管pd、传输管mtg、复位管mrst、放大管msf、选通管msel组成。感光二极管pd会感光，并生成与光照强度成正比的光电子。mtg作用是转移感光二极管pd内的光电子，当传输信号tx为高电压时，传输管mtg导通，会将感光二极管pd内的光电子转移到浮置扩散区(floating diffusion，fd)上。复位管mrst作用是在复位信号rx为高电位时，对像素单元进行复位。放大管msf是放大管，当选通信号sel为高电位，选通管msel导通时，放大管msf、选通管msel与到地的电流源形成通路，此时放大管msf本质上为一个源极跟随器，跟随浮置扩散区fd电位的变化并最终由pix_out输出。
29.图2为四管像素单元的操作时序，分为复位(rst)、曝光(exp)、信号读取(read)。在复位阶段，传输信号tx和复位信号rx均为高电平，传输管mtg和复位管mrst均导通，像素单元复位且其电位被拉高到电源电压vdd。之后，传输信号tx和复位信号rx均为低电平，进入曝光(exp)阶段，光电二极管pd感光并积累电子。进入信号读取(read)阶段，选通信号sel为高电平，复位信号rx先为高电平复位像素单元，复位信号rx再拉为低电平，传输信号tx保持为低电平，此时放大管msf受控于像素单元电位并通过pix_out输出复位信号vrst。之后，传输信号tx切换为高电平，将光电二极管pd上的电子转移到浮置扩散区fd，此时放大管msf受控于浮置扩散区fd电位并通过pix_out输出积分信号vsig。复位信号vrst、积分信号vsig由后续读取模数转换单元(analog-to-digital converter，adc)电路转换为数字量并进行减法操作，得到光电二极管pd上光电子实际对应的数字量。若模数转换单元的位宽为12位，模
数转换单元参考电压范围为vref，则最终输出为dout＝(vrst-vsig)
×212
/vref。
30.现有技术中常用的图像传感器的电路结构，如图3所示，包括像素阵列、模数转换单元(analog-to-digital converter，adc)、斜坡发生器、时序控制器、译码驱动器和输出信号处理器。其中，所述像素阵列由若干个图1所示的像素单元“p”组成。所述像素阵列在译码驱动器的控制下，按照从下至上依次读取，具体顺序为row[0]、row[1]、
……
row[n-1]、row[n]。所述像素阵列的每一列有一个输出总线，分别为pix_out[0]、pix_out[1]、
…
pix_out[n-2]、pix_out[n-1]，这些输出总线将所述像素阵列划分为n列像素单元，即具有同一输出总线的像素单元为一列。这些输出总线分别接到模数转换器上对应的模数转换单元(analog-to-digital converter，adc)。adc由比较器、计数器组成，比较器将像素输出与斜坡信号(ramp)进行比较，比较结果决定了计数器计数值的大小。adc将上述vrst、vsig电位分别进行判断，并将vrst-vsig差值转换为数字量输出到系统。
[0031]
图4为图3所示传统的图像传感器读出电路对应的工作时序，也即是图2所述时序的信号读取(read)阶段。进入read阶段，sel信号拉“高”，rx为“高”对像素单元进行复位。rst_cm为比较器复位控制，rst_cm也拉“高”使所有的adc比较器进入复位状态。rx、rst_cm由“高”变“低”，adc进入正常工作状态。adc工作过程由比较和计数两个过程组成，首先斜坡信号ramp开始下降时计数器cnt开始计数，直到比较器信号发生“低”到“高”翻转时(cm_out为比较器输出)，cnt停止计数并存储当前计数值(cnt输出为cn)。要完成像素信号的模数转换，adc需要进行两次上述操作，斜坡信号作为adc基准会产生两次，第一次斜坡阶段(也即图4的“vr”阶段)adc将判断并存储复位信号电位vrst，adc计数器cnt将在t1时间内计数并存储该t1时间段对应的计数值cn1；第二次斜坡阶段(也即图4的“vs”阶段)adc将判断并存储感光信号电位vsig，adc计数器cnt将在t2时间内计数并存储该t2时间段对应的计数值cn2。最终计数器cnt将输出计数差值δcn＝cn2-cn1，对应vrst-vsig的差值量。
[0032]
图5为相关多次采样(cms)读出时序，将复位vr阶段、积分vs阶段分别多进行一次相同的转换，也即vr1、vr2阶段读出的对应计数器计数值cn1、cn2求平均得到cn12；vs1、vs2阶段读出的对应计数器计数值cn3、cn4求平均得到cn34，最终的adc转换结果为δcn＝cn34-cn12，根据cms的原理，最终输出数据中噪声会降低为传统读出方式的m代表采样数，这里代表adc转换次数，例如图4中完成“vs”和“vr”转换，可以看作为adc完成一次转换，m为1。值得说明的是，本实施例完成一次上述读出操作需要的时间扩大到了vr vs阶段的时间，若adc为12位，需要的计数器计数周期所占一个行读周期约90％的时间，那么图5所示的相关两次采样会使读周期拉长约2倍，也即会使cis帧率下降几乎1/2(若adc计数时钟频率不变)。可见，虽然cms技术能够有效抑制图像传感器的噪声，但是cms需要在不同时刻进行多次采样，限制了cis的输出帧率，这在很多应用场景中是不能接受的。
[0033]
有鉴于此，本实施例提供一种图像传感器，本发明提供的图像传感器读出电路，根据像素输出信号大小，决定是否对积分信号阶段实施cms技术，若判定像素输出为小信号，则在积分信号阶段切换为cms模式；而大信号像素输出则依然采用默认读出模式。这样能降低像素小信号时的噪声，能有效降低读出噪声，优化图像质量。和传统cms技术相比，明显缩短了所需读出操作的时间，和普通读出方式相比，不会降低帧率。
[0034]
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一
步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
[0035]
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
[0036]
如图6所示，本发明提供的图像传感器读出电路结构，包括：选通开关(multiplexer，mux)、比较器和计数器，其中，选通开关的第一输入端连接至斜坡信号发生器的第一输出端，选通开关的第二输入端连接至斜坡信号发生器的第二输出端，所述斜坡信号发生器的第一输出端输出第一积分斜坡信号，斜坡信号发生器的第二输出端输出第二积分斜坡信号，所述第二积分斜坡信号的平均斜率小于第一积分斜坡信号的平均斜率。比较器的第一输入端连接至像素单元的输出端，比较器的第二输入端连接至选通开关的输出端，比较器的输出端连接至计数器的输入端和选通开关的控制端。
[0037]
在信号读取阶段，当像素单元的输出端输出的像素信号小于或等于预设电压阈值，所述比较器的输出端输出的选通控制信号为低电平，所述选通开关接收来自所述比较器的选通控制信号后，所述选通开关的输出端输出第一斜坡信号；在信号读取阶段，当像素单元的输出端输出的像素信号大于所述预设电压阈值，所述比较器的输出端的选通控制信号为高电平，选通开关接收来自所述比较器的选通控制信号后，所述选通开关的输出端输出第二斜坡信号。
[0038]
比较器用于在一个行读出周期内比较像素信号和第一积分斜坡信号的电平大小，或比较所述像素信号和所述第二积分斜坡信号之间的电平大小，计数器用于根据比较结果确定像素单元的曝光数字信号。
[0039]
本发明提供的上述图像传感器读出电路中因比较器可以根据比较结果选择第一积分斜坡信号或第二积分斜坡信号，所以图像传感器可以根据像素输出信号的大小，决定是否对积分信号阶段实施cms技术。若判定像素信号大于预设斜坡电压阈值，则像素输出为小信号，则在积分信号阶段切换为cms模式；而大信号像素输出则依然采用默认读出模式。这样能降低像素小信号时的噪声，能有效降低读出噪声，优化图像质量。本实施例和传统cms技术相比，明显缩短了所需读出操作的时间，和普通读出方式相比，且不会降低图像帧率。
[0040]
基于上述图像传感器读出电路，本实施例还提供一种图像传感器，包括像素阵列、斜坡发生器、模数转换器和输出信号处理器；所述像素阵列包括n列像素模块，所述模数转换器包括n个模数转换模块，所述每列像素模块和所述模数转换模块一一电性连接；每列所述像素模块均包括m个像素单元，每个所述像素单元用于产生与一图像相对应的像素信号；其中，n和m均为正整数；
[0041]
所述斜坡发生器，用于在一个行读出周期内产生第一积分斜坡信号和第二积分斜坡信号。
[0042]
所述输出信号处理器用于对所述像素单元的曝光数字信号进行处理，以得到处理后的所述图像。
[0043]
另外，上述图像传感器还可以包括时序控制、译码驱动、输出信号处理。所述译码驱动器用于产生控制信号，以控制所述像素阵列逐行输出所述像素信号。所述时序控制器
用于产生时序控制信号。
[0044]
其中，像素阵列由若干个图7所述的像素单元“p”组成。像素阵列按逐行的方式读出，具体顺序为row(0)、row(1)、
……
row(k-1)、row(k)，像素阵列的每一列有一个输出总线，分别为pix_out(0)、pix_out(1)、
…
pix_out(n-1)、pix_out(n)。pix_out输出接到adc。adc由比较器、计数器组成。和图3所示的读出电路不同的是，斜坡信号发生器将生成两个积分斜坡信号，第一积分斜坡信号(ramp1)为默认普通模式下的斜坡，如图9所示，第二积分斜坡信号(ramp2)为多次采样模式下的斜坡，如他8所示。第一积分斜坡信号(ramp1)和第二积分斜坡信号(ramp2)都接到每一列读出电路的选通门mux上，每列比较器输出cmo将决定所选用的斜坡信号是第一积分斜坡信号(ramp1)还是第二积分斜坡信号(ramp2)。结合图8和图9所示的时序，在vs1阶段开始前的复位斜坡信号如图8和图9中黑线加粗部分所示，最开始时，复位斜坡信号上抬一个相对较小的电压量δv’，在vrst读出阶段，产生两次斜坡变化的信号，也即该阶段复位斜坡信号会与pix_out交叉两次，vr1、vr2读出两个数据cn1(对应t1计数时间)、cn2(对应t2计数时间)。在vr2阶段结束后，在tx低变高时，复位积分信号将跳至一个预设斜坡电压阈值vc，若pix_out为一个相对较小的信号，tx变高后，如果此时pix_out小于预设斜坡电压阈值vc，则像素输出为大信号，选通控制信号cmo会为低电平，选通开关mux将选择第一积分斜坡信号ramp1接入比较器进行vs阶段的比较；如果pix_out大于预设斜坡电压阈值vc，则像素输出为小信号，选通控制信号cmo会为高，mux将选择ramp2接入比较器进行vs阶段的比较。
[0045]
可见，本发明提出的图像传感器针对小信号进行的cms操作进行降噪是有效的，提出的读出电路和时序操作方法可以在不改变读出时间的情况下，达到降低读出噪声的目的。和传统cms相比，明显缩短了所需读出操作的时间，和普通读出方式相比，不会降低帧率。
[0046]
如附图10所示，本发明提供的一种图像传感器读出电路的方法，该方法可以包括如下步骤：
[0047]
s1001，像素单元复位，并输出复位电压。
[0048]
s1002，所述复位电压传输至所述比较器的第一输入端，选通开关的输出端输出复位斜坡信号，所述比较器的第二输入端连接至选通开关的输出端。
[0049]
s1003，所述计数器得到像素单元对应的复位信号。
[0050]
s1004，当斜坡发生器输出的复位斜坡信号的电压为预设斜坡电压阈值，且所述复位电压大于所述预设斜坡电压阈值时，所述比较器的输出端输出的选通控制信号为高电平，所述选通开关的控制端输入来自所述比较器的选通控制信号后，所述选通开关的输出端输出第二积分斜坡信号。
[0051]
s1005，所述像素单元开始曝光，并依次输出第一曝光电压和第二曝光电压；
[0052]
s1006，所述第一曝光电压和第二曝光电压均输入至所述计数器；所述计数器得到像素单元对应的第一曝光信号和第二曝光信号。
[0053]
s1007，所述计数器将第一曝光信号和第二曝光信号的均值减去复位信号，并输出像素单元的曝光数字信号。
[0054]
结合图8来说，进入信号读取(read)阶段，sel信号拉“高”，rx为“高”对像素单元进行复位。rst_cm为比较器复位控制，rst_cm也拉“高”使所有的adc比较器进入复位状态。rx、
rst_cm由“高”变“低”，adc进入正常工作状态。adc工作过程由比较和计数两个过程组成，首先复位斜坡信号开始下降时计数器cnt开始计数，直到比较器信号发生“低”到“高”翻转时(cm_out为比较器输出)，cnt停止计数并存储当前计数值(cnt输出为cn)。要完成像素信号的模数转换，adc需要进行两次上述操作，复位斜坡信号作为adc基准会产生两次，第一次斜坡阶段(也即图8的“vr1”阶段)adc将判断并存储复位信号电位vrst，第二次斜坡阶段(也即图8的“vr2”阶段)adc将判断并存储复位信号电位vrst，adc计数器cnt将在t1时间内计数并存储该t1时间段对应的计数值cn1，在t2时间内计数并存储该t2时间段对应的计数值cn2。若选通控制信号cmo为高(即像素输出被判定为小信号)，比较器将选择第二积分斜坡信号ramp2进行比较，第二积分斜坡信号ramp2和比较器在vr阶段相同时间进行了两次比较，产生了vs1、vs2两个读出数据cn3(对应t3计数时间)、cn4(对应t4计数时间)，最后cn1、cn2求平均得到cn12，cn3、cn4求平均得到cn34，类似于两次相关采样，根据之前所述，读出噪声会降低由于提出的方法中，斜坡上抬电压量δv’《δv，可以使得vr1 vr2所用时间和图4中vr相同，vs1 vs2所用时间和图4中vs相同，这样意味着在不增大读出时间的情况下，像素小信号输出时可以达到和图5所示传统的两次相关采样一样的读出噪声降低的效果。
[0055]
可选地，当复位斜坡信号的电压为预设斜坡电压阈值，且所述复位电压小于或等于预设斜坡电压阈值时，所述比较器的输出端输出的选通控制信号为低电平，所述选通开关的控制端输入来自所述比较器的选通控制信号后，所述选通开关的输出端输出第一积分斜坡信号；所述像素单元开始曝光，并输出第三曝光电压；所述第三曝光电压输入至所述计数器；所述计数器得到像素单元对应的第三曝光信号；所述计数器将第三曝光信号减去所述复位信号，并输出像素单元的曝光数字信号。示例性地，结合图9来说，选通控制信号cmo为低(即像素输出被判定为大信号)，比较器将选择第一积分斜坡信号ramp1进行比较，在vs阶段，adc将判断并存储感光信号电位vsig，adc计数器cnt将在t3时间内计数并存储该t3时间段对应的计数值cn3’，以及将在t4时间内计数并存储该t4时间段对应的计数值cn4’,cn3’、cn4’求平均得到cn34’。最终计数器cnt将输出计数差值δcn＝cn34
’‑
cn12，对应vrst-vsig的差值量。因当像素输出信号较大时，影响图像的噪声主要是像素感光二极管的散粒噪声(shot noise)，读出噪声占比很小，散粒噪声随光强增大而增大，无法通过cms技术消除，所以本实施例提出的读出电路和时序操作方法可以在不改变读出时间的情况下，达到降低读出噪声的目的。
[0056]
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
[0057]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。
[0058]
对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。