CN100576882C - Cmos图像传感器固定模式噪声消除电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CMOS图像传感器固定模式噪声消除电路，其特征在于，所述电路包括：静态随机存储器、移位寄存器、模拟信号处理器、模数转换器、数模转换器和比较器。采用本发明可以将列与列之间的偏置值不匹配所产生的不均匀性在每一帧都得到一次校正，从而消除了CMOS图像传感器的FPN，大大提高了CMOS图像传感器的成像质量，并可使CMOS图像传感器的处理电路可以以流水线方式工作。
Description
技术领域
本发明涉及CMOS图像传感器，尤其涉及CMOS图像传感器中用于消除固定模式噪声的电路。
背景技术
随着CMOS工艺和固体图像传感器技术的不断完善，CMOS图像传感器技术发展迅速。目前CMOS图像传感器在低端图像和视频市场上已经取代了CCD传感技术，并正在努力向中高端市场发展。CMOS图像传感器比起CCD图像传感器有低功耗、宽动态范围，高速视频、高集成度，低成本等优势，适用于微型数码相机，便携式可视电话，电脑摄像头等领域，CMOS图像传感器还可以用于军事侦察、卫星等方面。
由于CMOS工艺存在缺陷，晶体管特性参数及无源元件参数不均匀，所以在CMOS传感器中存在固定模式噪声(FPN，Fixed Pattern Noise)，它是CMOS图像传感器中固有的噪声，而人眼对这种噪声特别敏感，所以对传感器的图像质量影响特别大，因此高性能的CMOS图像传感器一定要首先消除FPN。虽然现有的CDS(Correlated Double Sample)技术可以很好地消除由光敏单元中的晶体管的参数不均匀所造成的FPN，但是CMOS后续处理电路，如采样电路本身和列缓冲(Column Buffer)等，依然引入了大量的FPN。为了获得高性能的CMOS图像传感器，必须设法消除这些FPN。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种用于CMOS图像传感器的FPN消除电路，它可以消除由CMOS图像传感器的处理电路的列与列之间的Offset所产生的FPN。
本发明提出的CMOS图像传感器固定模式噪声消除电路，包括：静态随机存储器、移位寄存器、模拟信号处理器、模数转换器、数模转换器和比较器；静态随机存储器存储图像信号各列的匹配校正值，并将该值送至移位寄存器暂存以及数模转换器中；数模转换器将匹配校正值转换为模拟量并加至模拟信号处理器调节电路输入端；输入信号接模拟信号处理器的另一输入端，模拟信号处理器按照以下传输函数工作：
Vouti＝Gain×Vini+Voffseti+Vdeltaoffseti
Vouti为第i列的输出，Vini为第i列的输入，Voffseti为第i列的偏置值，Vdeltaoffseti为匹配校正值经过数模转换器转换后的模拟量，i为列的序号，Gain为模拟信号处理器的增益；模拟信号处理器的输出接模数转换器的输入，模数转换器将输入的模拟信号转换成数字信号；比较器将模数转换器的输出与目标值相比较，并产生控制信号调整移位寄存器中对应各列的匹配校正值值，调整后的移位寄存器值作为新的匹配校正值写入静态随机存储器。
优选的，所述接入模拟信号处理器的输入信号为在每帧信号输入时先输入黑行信号，再输入正常行信号。
优选的，所述比较器将模数转换器的输出与目标值相比较后，当输出大于目标值时，将移位寄存器中对应各列的匹配校正值减小；当输出小于目标值时，将移位寄存器中对应各列的匹配校正值增大；当输出等于目标值时，移位寄存器中对应各列的匹配校正值保持不变。
优选的，还包括一个列译码器，且所述静态随机存储器包括：第一子静态随机存储器、第二子静态随机存储器；第一子静态随机存储器存储各列的匹配校正值，其输出端与数模转换器和移位寄存器相连；列译码器产生第一子静态随机存储器、第二子静态随机存储器读写所需要的地址；且调整后的移位寄存器值作为新的匹配校正值写入第二子静态随机存储器；第二子静态随机存储器中存储的新匹配校正值更新到第一子静态随机存储器中。
优选的，所述静态随机存储器还包括一个多路器，连接在第二子静态随机存储器与列译码器之间，用于控制第二子静态随机存储器的读和写地址之间的位移。
优选的，所述多路器包括：两个与门和一个或门；第二子静态随机存储器的写地址addr[n]与第一子静态随机存储器的读地址addr[n+m]之间存在位移m；第二子静态随机存储器的读控制信号和addr[n]输入一个与门，第二子静态随机存储器的写控制信号和addr[n+m]输入另一个与门，两个与门的输出作为或门的输入信号，或门的输出作为第二子静态随机存储器读写地址信号。
本发明的有益效果是：通过将列与列之间的偏置值所产生的不均匀性在每一帧都得到一次校正，从而消除了CMOS图像传感器的FPN，大大提高了CMOS图像传感器的成像质量。此外通过在静态随机存储器部分调整因模拟信号处理器输入信号和对模数转换器的输出信号之间的时钟延迟，使得CMOS图像传感器的处理电路可以以流水线(pipeline)方式工作。
附图说明
图1是本发明噪声消除电路原理图；
图2是本发明优选实施例的电路框图；
图3是本发明优选实施例中多路器的逻辑电路图。
具体实施方式
如图1所述的电路原理，噪声消除电路电路包括：静态随机存储器、移位寄存器、模拟信号处理器、模数转换器、数模转换器和比较器；静态随机存储器存储各列的匹配校正值；移位寄存器暂存静态随机存储器的各列匹配校正值；数模转换器将匹配校正值转换为模拟量并加至模拟信号处理器调节电路输入端；输入信号接模拟信号处理器的另一输入端，模拟信号处理器按照以下传输函数工作：
Vouti＝Gain×Vini+Voffseti+Vdeltaoffseti
Vouti为第i列的输出，Vini为第i列的输入，Voffseti为第i列的偏置值，Vdeltaoffseti为匹配校正值经过数模转换器转换后的模拟量，i为列的序号，Gain为模拟信号处理器的增益；模拟信号处理器的输出接模数转换器的输入，模数转换器将输入的模拟信号转换成数字信号；比较器将模数转换器的输出与目标值相比较，并产生控制信号调整移位寄存器中对应各列的匹配校正值，如果输出大于目标值则将移位寄存器中对应列的匹配校正值减小一个单位值n，如果输出小于目标值则将移位寄存器中对应列的匹配校正值增大一个单位值n，如果输出等于目标值则不调整移位寄存器中对应列的匹配校正值。调整后的移位寄存器值作为新的匹配校正值写入静态随机存储器。
下面对本发明的优选实施例进行说明。如图2所示，静态随机存储器SRAM分为两部分，即第一子静态随机存储器和第二子静态随机存储器；第一子静态随机存储器存储各列的匹配校正值，它的输出端与数模转换器(DAC，Digital to Analog Converter)和移位寄存器SR相连；一个列译码器(Column Decoder)用来产生第一子静态随机存储器和第二子静态随机存储器读写所需要的地址；DAC将第一子静态随机存储器存储的数字信息转换成模拟信号，并将其加至模拟信号处理器的输入端以调整每列的偏置值。移位寄存器SR用来暂存第一子静态随机存储器的数据data，以适应ASP输入信号与ADC输出信号之间存在时钟延迟(latency)的情况；输入的模拟信号Vin连接ASP的另一输入端。ASP处理后的输出送至ADC输入端；ADC将模拟信号转换成相应的数字信号da；所述的比较器将ADC的输出da与目标值32相比较，如果da不等于32，则产生控制信号使移位寄存器SR的值自动加1或减1；多路器(MUX，Multiplexer)控制SRAM的另一部分第二子静态随机存储器的读写地址之间的位移，使新的寄存器值写入第二子静态随机存储器相应的地址内；第二子静态随机存储器所存储的数据将在读完黑行后的下一行时间内被写入第一子静态随机存储器对应的地址内，以提供下一帧数据校正的依据。
在不采用FPN消除电路的CMOS图像传感器中，模拟信号处理电路ASP的传递函数是：
Vouti＝Gain×Vini+Voffseti
其中Vouti为第i列的输出，Vini为第i列的输入，Voffseti为第i列的偏置值，i为列的序号，Gain为ASP的增益。由上式可知，如果列与列之间完全匹配，则Voffseti为恒定值。但事实上，由于制造工艺的非理想性、寄生参数的不均匀性等原因，各列的采样保持电路和缓冲器电路等不可能做到完全匹配，即列与列之间的偏置值不匹配不可避免的存在，这就导致了CMOS图像传感器的FPN。
为了消除FPN，本发明采用反馈的方法对每列的offset值进行调节。如图2所示，此时ASP的传输函数变为
Vouti＝Gain×Vini+Voffseti+Vdeltaoffseti
其中Vdeltaoffseti为第一子静态随机存储器中的匹配校正值经过DAC转换后的模拟量。可以令Voffseti’＝Voffseti+Vdeltaoffseti(注：Voffseti’为校正后的偏置值)，则ASP的传输函数变为
Vouti＝Gain×Vini+Voffseti’
根据上述传递函数，当输入信号Vini为零，即输入的信号为黑行(darkrow)的信号时，Vouti＝Voffseti’。所以只要将整个黑行的信号依次输入，就可以在输入端得到各列的Voffseti’值，这个值反映了列与列之间的偏置值的大小。各列的Voffseti’经ADC转换成数字信号后与目标值相比较，就可以确定各列的偏置值相对于目标值是偏大还是偏小，调整SR中存储的值，使其加1或减1，然后更新到SRAM中，然后再通过DAC加至电路中。此过程每帧进行一次，所以是个不断调节的过程。在本实施列中，各列的匹配校正值以数字的形式存储在第一子静态随机存储器中，通过DAC转换成模拟信号后加在ASP的偏置值调节电路输入端。第一子静态随机存储器中的数据必须通过某种方式得到更新，以调整一帧图像信号的偏置值。在本实施列中，当一整行的黑行信号都被处理后，各列的新的匹配校正值就被存入第二子静态随机存储器中。新的匹配校正值在下一行时间内依次从第二子静态随机存储器中读出并写入第一子静态随机存储器中。这种更新方式是本发明优选实施例采用的方式。当然，本发明也可以用其它方式更新静态随机存储器中的数据。
为了实现高帧率视频图像输出，CMOS图像传感器的处理电路一般以流水线(pipeline)方式工作，这就会使ASP的输入信号和对ADC的输出信号之间存在若干个时钟延迟(latency)。为了适应这种工作方式，本发明采用移位寄存器SR暂存SRAM的数据。在本发明最佳实施例中，为了保证第一子静态随机存储器中的数据得到正确的更新，还增加了一个多路器(MUX)阵列来控制第二子静态随机存储器的读和写地址之间的位移。这个多路器的逻辑电路如图3所示。多路器包括：两个与门和一个或门；信号read和write为第二子静态随机存储器读写控制信号，第二子静态随机存储器的写地址addr[n]与第一子静态随机存储器的读地址addr[n+m]之间存在位移m；read控制信号和addr[n]输入一个与门，write控制信号和addr[n+m]输入另一个与门，两个与门的输出作为或门的输入信号，或门的输出作为第二子静态随机存储器读写地址信号。位移m为模拟信号处理器的输入信号和模数转换器的输出信号之间时钟延迟量。当第一子静态随机存储器的数据依次被读出并通过DAC加至ASP的偏置值调节电路输入端时，第二子静态随机存储器同时进行写操作。但是由于时钟延迟的存在，使第二子静态随机存储器写入的数据与第一子静态随机存储器读出的数据不对应。例如，若m＝3，则第一子静态随机存储器在读第3列数据，即ASP调整的是第三列的偏置值。而此时ADC的输出为第0列的信号，所以第二子静态随机存储器写入的信息是第0列的匹配校正值。因此，当黑行读操作完成后的下一行时间内将第二子静态随机存储器中的数据写入第一子静态随机存储器中时，地址要有要应的移位m，这保证了第一子静态随机存储器中的匹配校正值得到正确的更新。
上述实施例中，Voffseti’的目标值被设为32，这个目标值可以由黑色背景控制电路来设置。因此，本发明也可以和暗背景控制电路结合使用。另外，本发明也可以和CDS技术结合使用。
Claims (7)
1.一种CMOS图像传感器固定模式噪声消除电路，其特征在于，所述电路包括：静态随机存储器、移位寄存器、模拟信号处理器、模数转换器、数模转换器和比较器；静态随机存储器存储图像信号各列的匹配校正值，并将该值送至移位寄存器暂存以及数模转换器中；数模转换器将匹配校正值转换为模拟量并加至模拟信号处理器调节电路输入端；输入信号接模拟信号处理器的另一输入端，模拟信号处理器按照以下传输函数工作：
Vouti＝Gain×Vini+Voffseti+Vdeltaoffseti
Vouti为第i列的输出，Vini为第i列的输入，Voffseti为第i列的偏置值，Vdeltaoffseti为匹配校正值经过数模转换器转换后的模拟量，i为列的序号，Gain为模拟信号处理器的增益；模拟信号处理器的输出接模数转换器的输入，模数转换器将输入的模拟信号转换成数字信号；比较器将模数转换器的输出与目标值相比较，并产生控制信号调整移位寄存器中对应各列的匹配校正值，调整后的移位寄存器值作为新的匹配校正值写入静态随机存储器。
2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器固定模式噪声消除电路，其特征在于，所述接入模拟信号处理器的输入信号为黑行信号和正常行信号，输入次序为：在每帧信号输入时先输入黑行信号，再输入正常行信号。
3.根据权利要求1或2所述的CMOS图像传感器固定模式噪声消除电路，其特征在于，所述比较器将模数转换器的输出与目标值相比较后，当输出大于目标值时，将移位寄存器中对应各列的匹配校正值减小；当输出小于目标值时，将移位寄存器中对应各列的匹配校正值增大；当输出等于目标值时，移位寄存器中对应各列的匹配校正值保持不变。
4.根据权利要求1或2所述的CMOS图像传感器固定模式噪声消除电路，其特征在于，还包括一个列译码器，且所述静态随机存储器包括：第一子静态随机存储器、第二子静态随机存储器；第一子静态随机存储器存储各列的匹配校正值，其输出端与数模转换器和移位寄存器相连；列译码器产生第一子静态随机存储器和第二子静态随机存储器读写所需要的地址；且调整后的移位寄存器值作为新的匹配校正值写入第二子静态随机存储器；第二子静态随机存储器中存储的新匹配校正值更新到第一子静态随机存储器中。
5.根据权利要求4所述的CMOS图像传感器固定模式噪声消除电路，其特征在于，所述静态随机存储器还包括一个多路器，连接在第二子静态随机存储器与列译码器之间，用于控制第二子静态随机存储器的读和写地址之间的位移。
6.根据权利要求5所述的CMOS图像传感器固定模式噪声消除电路，其特征在于，所述多路器包括：两个与门和一个或门；第二子静态随机存储器的写地址addr[n]与第一子静态随机存储器的读地址addr[n+m]之间存在位移m；第二子静态随机存储器的读控制信号和addr[n]输入一个与门，第二子静态随机存储器的写控制信号和addr[n+m]输入另一个与门，两个与门的输出作为或门的输入信号，或门的输出作为第二子静态随机存储器读写地址信号。
7.根据权利要求6所述的CMOS图像传感器固定模式噪声消除电路，其特征在于，所述位移m为模拟信号处理器的输入信号和模数转换器的输出信号之间的时钟延迟量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Assignee: SHENZHEN BYD MICROELECTRONICS Co.,Ltd. Assignor: BYD Co.,Ltd. Contract fulfillment period: 2008.4.25 to 2015.8.16 Contract record no.: 2008440000068 Denomination of invention: Fixed pattern noise cancelling circuit for CMOS image sensor License type: General permission Record date: 20080504 |
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| LIC | Patent licence contract for exploitation submitted for record |
Free format text: COMMON LICENCE; TIME LIMIT OF IMPLEMENTING CONTACT: 2008.4.25 TO 2015.8.16 Name of requester: SHENZHEN BIYADI MICRO-ELECTRONIC CO., LTD. Effective date: 20080504 |
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20200103 Address after: 518119 1 Yanan Road, Kwai Chung street, Dapeng New District, Shenzhen, Guangdong Patentee after: SHENZHEN BYD MICROELECTRONICS Co.,Ltd. Address before: 518119 BYD Industrial Park, Yanan Road, Kwai Chung Town, Longgang District, Guangdong, Shenzhen Patentee before: BYD Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 518119 No.1 Yan'an Road, Kuiyong street, Dapeng New District, Shenzhen City, Guangdong Province Patentee after: BYD Semiconductor Co.,Ltd. Address before: 518119 No.1 Yan'an Road, Kuiyong street, Dapeng New District, Shenzhen City, Guangdong Province Patentee before: BYD Semiconductor Co.,Ltd. Address after: 518119 No.1 Yan'an Road, Kuiyong street, Dapeng New District, Shenzhen City, Guangdong Province Patentee after: BYD Semiconductor Co.,Ltd. Address before: 518119 No.1 Yan'an Road, Kuiyong street, Dapeng New District, Shenzhen City, Guangdong Province Patentee before: SHENZHEN BYD MICROELECTRONICS Co.,Ltd. |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20091230 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |