CN102238345B - 具有减少的列固定图案噪声的成像传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有减少的列固定图案噪声的成像传感器。该具有减少的列固定图案噪声的成像传感器包括多个成像像素和列采样电路。多个成像像素配置于一列中，并且列采样电路耦合至该列。多个采样通道包含于列采样电路中，其中列采样电路从多个采样通道中随机选择第一采样通道以采样来自包含于多个成像像素中的一像素的第一数据信号，且其中列采样电路从多个采样通道中随机选择第二采样通道以采样来自该像素的第二数据信号。
Description
技术领域
本发明大体上是关于成像传感器，且具体而言但不限于是关于具有列读出电路的成像传感器。
背景技术
图像传感器已变得无处不在。图像传感器广泛用于数字静态相机、蜂窝电话、安全摄像机以及医疗、汽车及其他应用中。用于制造图像传感器(且具体而言互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器)的技术持续快速发展。举例而言，较高分辨率、较高品质图像及较低耗电的需要激发此等图像传感器的进一步小型化及整合。然而，列固定图案噪声(fixedpattern noise，FPN)是CMOS图像传感器的一众所周知问题。FPN是归因于器件及互连件在传感器上不匹配而在均匀照明下的像素输出的空间变动。FPN可在一所得图像中将自己呈现为与在相同温度及曝光的条件下拍摄的图像同时发生的较亮或较暗像素的相同图案。
各种采样方法可用于减少列FPN。举例而言，一方法(例如，相关双重采样)可包含将该CMOS图像传感器的一像素设定为一参考值，接着采样该像素处的该参考值(例如，黑电平信号)。在实际图像获取期间，该像素曝露于光且经充电以产生一光亮信号(例如，光亮电平信号)。接着比较此光亮信号与该经采样的参考值(例如，从该光亮电平信号减去黑电平信号)以到达一最后值处(例如，所得图像)。此过程试图从该最后值(且因此该所得图像)消除噪声。然而，传统图像传感器归因于在采样光亮电平信号及黑电平信号中所涉及的单独元件间的不匹配而引入一新偏移噪声。换言之，该最后值将是该光亮电平信号减该黑电平信号加该偏移噪声。通常，因为各列包含其自己的列采样电路，所以一特定列中的各像素将具有相同偏移。另一列中的像素将具有另一偏移值。因此，当显示一检测的图像时，形成列FPN的垂直线将出现于屏幕上。各垂直线代表一成像传感器中的一列且具有对应于一像素的一宽度。该线的亮度对应于该特定列的偏移值。
此外，举例而言，一方法(例如，三角(delta)双重采样)可包含：检测各列的偏移值；接着从该特定列处的像素的最后值扣除该检测的偏移值。以此方式，可理想地推导出该最后值以具有减少的列FPN。然而，诸如此类的方法涉及信号相减，这些信号相减由于列采样电路的非线性及变动而不可能具有100％准确度。因此，即使在应用诸如相关双重采样及/或三角双重采样方法的方法后，通常仍留有列FPN的一小部分(即，剩余列FPN)。
在一些情况下，一高信号增益施加于CMOS图像传感器，以在低照明条件下“升压(boost)”一图像。在此等情形下，剩余列FPN可变得更加可见。另外，在CMOS图像传感器的大量生产中，制造过程变动对于一些芯片而言可使该列FPN更差。此外，当在诸如非常高或非常低温度、利用一低供应电压及/或利用一具有噪声的电源供应器的差条件下运行该传感器时，该列FPN可变得更加差。因此，图像中的所得列FPN可能是对人眼非常不舒服的一显著假影，且可能限制大量生产中的CMOS图像传感器的成品率。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种成像传感器，包括：配置于一列中的多个成像像素；耦合至所述列的列采样电路；包含于所述列采样电路中的多个采样通道，其中，所述列采样电路从所述多个采样通道中随机选择第一采样通道以采样来自包含于所述多个成像像素中的一像素的第一数据信号，并且其中，所述列采样电路从所述多个采样通道中随机选择第二采样通道以采样来自该像素的第二数据信号。
根据本发明的第二方面，提供了一种方法，包括以下步骤：接收来自包含于成像传感器的成像像素的一列中的第一成像像素的第一数据信号；从耦合至所述列的多个采样通道中随机选择第一采样通道；以及在所述随机选择的第一采样通道上采样所述第一数据信号。
根据本发明的第三方面，提供了一种互补金属氧化物半导体成像传感器，包括：配置于多个行和列中的成像像素的阵列；多个列采样电路，被耦合至所述阵列的各自列以采样来自多个成像像素的黑电平信号和光亮电平信号，其中，每个列采样电路包含多个采样通道，其中，所述多个列采样电路中的每个列采样电路从所述多个采样通道中随机选择至少两个采样通道以采样所述黑电平信号和所述光亮电平信号。
根据本发明的第四方面，提供了一种成像传感器，包括：配置于多个列中的多个成像像素，每个成像像素用于当该像素重置时产生黑电平信号以及当在图像获取期间该像素曝露于光时产生光亮电平信号；多个列采样电路，每个列采样电路耦合至所述多个列中的各自列，其中，所述列采样电路中的每个列采样电路包含耦合至它们的各自列的多个采样通道，其中所述列采样电路从所述多个采样通道中随机选择第一采样通道以采样所述像素的所述黑电平信号以及从所述多个采样通道中随机选择第二采样通道以采样所述像素的所述光亮电平信号；全局切换矩阵；以及差分放大器，该差分放大器具有负输入和正输入，其中，采样所述黑电平信号的所选第一采样通道通过所述全局切换矩阵而耦合至所述差分放大器的负输入，并且采样所述光亮电平信号的所选第二采样通道通过所述全局切换矩阵而耦合至所述差分放大器的正输入。
根据本发明的第五方面，提供了一种能够在图像传感器中实现的用于减少列固定图案噪声的方法，包括以下步骤：提供所述图像传感器的一列中的一像素的光亮电平信号，其中，所述光亮电平信号是当所述像素在图像获取期间曝露于光时由所述像素产生的；提供所述像素的黑电平信号，其中，所述黑电平信号是当所述像素重置时由所述像素产生的；提供耦合至所述列的列采样电路的偏移，其中，所述偏移的特征是由所述列采样电路决定的；随机化所述偏移的正负号；以及提供包含随机化的偏移的所述列中的一像素的读出，使得所述列中的像素的所述读出随机为(光亮电平信号-黑电平信号+偏移)和(光亮电平信号-黑电平信号-偏移)中的一个。
附图说明
本发明的非限制性且非详尽的实施例参考图式而描述，其中除非另有指定，相同参考数字是指各种图中的相同部分。
图1A是绘示根据本发明的一实施例具有通道随机化的一成像传感器的一功能框图；
图1B是绘示根据本发明的一实施例一成像像素阵列内的两个四晶体管(“4T”)像素的像素电路的一电路图；
图2是绘示根据本发明的一实施例具有通道随机化的一成像传感器的读出电路的一功能框图；
图3是绘示根据本发明的一实施例一列采样电路的一功能框图；
图4是绘示根据本发明的一实施例一种采样一成像像素的像素的过程的一流程图；
图5是绘示根据本发明的一实施例一列采样电路的一功能框图；
图6是绘示根据本发明的一实施例具有通道随机化的一成像传感器的读出电路的一功能框图；及
图7是绘示根据本发明的一实施例具有通道随机化的一成像传感器的读出电路的一功能框图。
具体实施方式
本文描述具有减少的列固定图案噪声的一成像传感器的实施例。一传统成像传感器的一列中的一像素的读出通常含有对于该列中的所有像素而言恒定的一偏移。不同列的各种恒定偏移会在所得图像中产生可见垂直线。本文中所揭示的图像传感器的实施例在读出一列中的一像素时随机化偏移的正负号。因此，一些像素读出将含有一正偏移及一些其他读出将含有一负偏移，这些偏移是随机选择的。因此，所得图像中的可见垂直线变得较不可见或不可见。
在以下描述中，阐述许多特定细节以深入理解这些实施例。然而本领域技术人员将认识到，可在没有这些特定细节的一个或多个或利用其他方法、元件、材料等的情况下实践本文中所述的技术。在其他情况下，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作以避免混淆某些方面。
本说明书中提及的“一个实施例”或”一实施例”意味着结合该实施例所述的一特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一实施例中。因此，本说明书不同地方中的短语“在一个实施例中”或”在一实施例中”的出现并不一定都是指相同实施例。此外，可以任何合适方式组合这些特定特征、结构或特性于一个或多个实施例中。
图1A是绘示根据本发明的一实施例具有采样通道随机化的一成像传感器100的一功能框图。所绘示实施例的成像传感器100包含一像素阵列105、读出电路110、功能逻辑115及控制电路120。
像素阵列105是成像像素(例如，像素P1、P2...、Pn)的二维(“2D”)阵列。在一实施例中，各像素为诸如一互补金属氧化物半导体(“CMOS”)成像传感器的一主动像素传感器(”APS”)的一成像像素。如所绘示，各像素被配置于一行(例如，行R1至Ry)及一列(例如，列C1至Cx)中以获得一人物、地方或物件的图像数据，该图像数据接着可用于呈现该人物、地方或物件的一2D图像。
在各像素获得其图像数据或图像电荷后，该图像数据由读出电路110读出且传送至功能逻辑115。读出电路110可包含采样通道随机化电路(以下讨论)、放大电路、模拟至数字转换电路等。功能逻辑115存储该图像数据或甚至通过应用后图像效果(例如，裁剪、旋转、消除红眼、调整亮度、调整对比度等)而操纵该图像数据。在一实施例中，读出电路110可沿着读出列线(绘示)一次读出图像数据的一行，或可使用各种其他技术(未绘示)而读出该图像数据。
控制电路120耦合至像素阵列105以控制像素阵列105的操作特性。举例而言，控制电路120可产生一快门信号以控制图像获取。
图1B是绘示根据本发明的一实施例一成像像素阵列内的两个四晶体管(“4T”)像素的像素电路130的一电路图。像素电路130是可实现图1的像素阵列100内的各像素的一像素电路架构。然而，应了解，本发明的实施例并不限于4T像素架构，相反，受益于本发明的本领域普通技术人员应了解，本发明教导亦适用于3T设计、5T设计及各种不同像素电路架构。
在图1B中，像素Pa及Pb配置于两行和一列中。所绘示实施例的各像素电路130包含一光电二极管PD、一传送晶体管T1、一重置晶体管T2、一源极跟随器(“SF”)晶体管T3及一选择晶体管T4。在操作期间，传送晶体管T1接收一传送信号TX，该传送信号将光电二极管PD中累积的电荷(例如，光亮电平信号)传送至一浮动扩散节点FD。
重置晶体管T2耦合于一电源轨VDD与该浮动扩散节点FD之间以通过放电或充电该浮动扩散节点FD而在一重置信号RST控制下重置为一预设电压(例如，黑电平信号)。该浮动扩散节点FD耦合至SF晶体管T3的栅极。SF晶体管T3耦合于该电源轨VDD与选择晶体管T4之间。SF晶体管T3操作为从浮动扩散节点FD提供一高阻抗输出(例如，缓冲光亮电平信号或黑电平信号)的一源极跟随器。最后，选择晶体管T4在一选择信号SEL(例如，读取光亮电平信号或黑电平信号)控制下将像素电路130的输出选择性地耦合至列位线。在一实施例中，由控制电路120产生TX信号、RST信号及SEL信号。
图2是绘示根据本发明的一实施例具有采样通道随机化的一成像传感器的读出电路210的一功能框图。读出电路210是图1A的读出电路110的一可能实现方式。所绘示实施例的读出电路210包含列采样电路202a-202x、一随机位序列产生器204、一全局切换矩阵206、一全局增益级208、一模拟至数字转换器(ADC)212、一信号输出总线214、一随机输出总线216、一保持信号总线218及一随机输入总线220。
在图2的所绘示实施例中，这些列采样电路202a-202x的每个耦合至一单一列位线。举例而言，列采样电路202a耦合至列位线L1，列采样电路202b耦合至列位线L2，及列采样电路202c耦合至列位线L3等。一列采样电路耦合至该成像传感器的一各自列。此外，列采样电路202a-202x各自包含被耦合以从它们各自的列中所包含的成像像素接收数据信号的一输入SIG_IN。因此，在一实施例中，由一各自列读出电路接收来自一特定列中所包含的所有成像像素的数据信号。在一实施例中，来自一像素的数据信号包含一黑电平信号(亦称为参考值信号)及一光亮电平信号。
列采样电路202a-202x的每个包含被耦合以输出数据信号至信号输出总线(即，SIG_OUT总线)214的一输出SIG_OUT。该输出SIG_OUT及信号输出总线214可包含多个通道以采样这些数据信号。举例而言，信号输出总线214可包含两根或更多根线以传输这些数据信号(例如，至少一根线用于传输一黑电平信号及至少一根线用于传输一光亮电平信号)。本发明的实施例包含从这多个通道中随机选择一通道以传输及采样这些数据信号。即，一通道可用于在一特定成像像素的读出期间采样一黑电平信号，同时该同一通道可用于在同一列中的另一成像像素的读出期间采样一光亮电平信号。即使如此，不同通道可用于在该成像阵列的随后读出期间读出相同像素的黑电平信号及光亮电平信号。
所绘示实施例的列采样电路202a-202x响应于一随机位序列而随机选择采样通道。具体而言，列采样电路202a-202x的每个包含耦合至随机输入总线220的一输入RNDM_IN以接收由随机位序列产生器204产生的一随机位序列。在一实施例中，随机位序列产生器204是一线性反馈移位寄存器(LFSR)。LFSR是输入位为其先前状态的一线性函数的一移位寄存器。举例而言，一LFSR的输入位可以是总移位寄存器值的位的某种组合的线性函数互斥或(XOR)或线性函数互斥非或(XNOR)。由该LFSR产生的值的串流是通过其先前状态来确定的且可能由于该移位寄存器中可能的状态的有限数目而最终重复。然而，具有一良好选择的反馈功能的一LFSR可提供一位序列，该位序列出现随机且具有一非常长的循环。因此，在一实施例中，一”随机”位序列可以是具有足够长以出现随机的一循环的一重复序列。
在一实施例中，随机位序列产生器204输出一1位随机位序列。即，输出至随机输入总线220上的随机位序列可以是随机位的一单一串流。在另一实施例中，随机位序列产生器204输出一n位随机序列，其中多个随机位序列并列输出至随机输入总线220上。
在一列采样电路(例如，202a、202b等)从一列位线采样数据信号之后，这些经采样的数据信号需要传送至全局增益级208及模拟至数字转换器(ADC)212。因为数据信号通过这些列采样电路而随机化的通道，读出电路210进一步包含全局切换矩阵206以切换回这些通道以匹配全局增益级208的输入。因此，通道的随机化可能对于全局增益级208及ADC是透明的。举例而言，全局增益级208可包含一差分放大器，该差分放大器包含用以接收该光亮电平信号的一正输入及用以接收该黑电平信号的一负输入。在此实例中，全局切换矩阵206切换回这些通道以确保用于采样该光亮电平信号的通道耦合至该差分放大器的正输入及用于采样该黑电平信号的通道耦合至该差分放大器208的负输入。
全局切换矩阵206响应于经由一随机输出总线(即，RNDM_OUT总线)216自列采样电路202a-202x接收的随机位而切换回这些列以匹配全局增益级208的输入。自列采样电路202a-202x接收的该(这些)随机位可由在各列采样电路中所包含的存储自随机输入总线220接收的该(这些)随机位的电路而产生。即，列采样电路202a-202x的每个可自随机序列产生器204接收随机位，存储该(这些)随机位，及接着将该(这些)随机位输出至全局切换矩阵206。在一实施例中，随机输出总线216包含一单一线以根据像素读出输出一单一存储位。在另一实施例中，随机输出总线216包含n根线以取决于由随机序列产生器204输出的随机位序列数目而并行输出多个位。
在图2的所绘示实施例中，列采样电路202a-202x的每个包含被耦合以经由保持信号总线(HOLD SIGNAL总线)218接收保持信号的一输入HOLD_IN。该输入HOLD_IN及保持信号总线218可包含多根线以传送多个保持信号。举例而言，保持信号总线218可包含二根或更多根线以传输这些保持信号(例如，至少一根线用于传输一保持黑色信号及至少一根线用于传输一保持光亮信号)。在一实施例中，这些保持信号由图1A中所示的控制电路120产生且用于控制采样各像素的各种数据信号的时序。一保持黑色信号可控制采样一黑电平信号的时序，而一保持光亮信号可控制采样一光亮电平信号的时序。在一实施例中，列采样电路202a-202x的每个包含用于将一保持信号选择性耦合至随机选择的通道的电路。在一实施例中，列采样电路响应于自随机位序列产生器204接收的随机位而将该保持信号选择性耦合至适当通道。举例而言，列采样电路202a可将一保持黑色信号耦合至随机选择以采样该黑电平信号的一通道，且列采样电路202a可进一步将一保持光亮电平信号耦合至随机选择以采样该光亮电平信号的一通道。
图3是绘示根据本发明的一实施例一列采样电路302的一功能框图。列采样电路302是图2的列采样电路202(例如，202a、202b等)的一可能实现方式。所绘示实例的列采样电路302包含一寄存器304、一切换矩阵306、一保持信号输入308、一数据信号输出310、列选择开关316、318及320、采样电容器322及324以及保持开关326及328。切换矩阵306绘示为包含复用器312及314。
所绘示实施例的列采样电路302包含两个采样通道(即，通道A及通道B)以采样自输入SIG_IN(即，一列位线)接收的数据信号。因此，数据信号输出310包含两根线(即，SIG1_OUT及SIG2_OUT)以输出经采样的数据信号。在一实施例中，通道A包含沿着节点330与输出SIG1_OUT之间的信号路径的所有电路元件及导体。举例而言，通道A可包含保持开关326、采样电容器322、列选择开关316及它们之间的导体。在一实施例中，通道A进一步包含沿着该输出SIG1_OUT与该全局切换矩阵(例如，图2的全局切换矩阵206)之间的信号路径的任何电路元件及导体。类似地，在一实施例中，通道B包含沿着节点330与输出SIG2_OUT之间的信号路径的所有电路元件及导体，且在另一实施例中，通道B可进一步包含沿着该输出SIG2_OUT与该全局切换矩阵之间的信号路径的电路元件及导体。
保持信号输入308绘示为包含两根线(即，HSIG1及HSIG2)以输入保持信号。在一实施例中，HSIG1被耦合以接收由图1A的控制电路120产生的保持黑色信号，及HSIG2被耦合以接收由图1A的控制电路120产生的保持光亮信号。如图3中所示，复用器314被耦合以将保持信号选择性连接至通道A的保持开关326，而复用器312被耦合以将保持信号选择性连接至通道B的保持开关328。
如图3中所示，寄存器304的Q及Qb输出分别耦合至复用器312及314的SEL输入。寄存器304被配置为存储自输入RNDM_IN接收的一随机位及将输出Q及Qb提供至切换矩阵306的SEL输入。在一实施例中，由寄存器304接收的该随机位是由图2的随机序列产生器204产生的一随机位。在一实施例中，寄存器304的Qb输出是Q输出的反相。因此，在此实施例中，若复用器314被选择以将保持信号HSIG1耦合至保持开关326，则复用器312将被选择以将另一保持信号(即，HSIG2)耦合至保持开关328，且反之亦然。
图4是绘示根据本发明的一实施例一种采样一成像像素的像素的过程400的一流程图。过程400将参考图2、3及4而描述。过程400中出现的过程块的一些或全部的次序不应视为限制。相反，受益于本发明的本领域普通技术人员应了解，这些过程块的一些可以未绘示的各种次序而执行。
在一过程块405中，随机序列产生器204产生一随机位序列。在一实施例中，该随机位序列是一1位串行随机位串流。该随机位序列的随机位中的一个由一列采样电路(例如，图3的列采样电路302)接收且存储于寄存器304中。寄存器304接着在输出Q上输出该随机位及在输出Qb上输出该随机位的反相位。在一过程块410中，基于寄存器304的输出而选择一第一随机采样通道。举例而言，假设保持信号HSIG1是该保持黑色信号，则取决于寄存器304中存储的随机位，复用器314可将HSIG1耦合至通道A的保持开关326，或者复用器312可将HSIG1耦合至通道B的保持开关328。
一旦选择该第一采样通道，就在一过程块415中采样一像素的黑电平信号。即，该保持黑色信号可致使这些保持开关中的一个(即，326或328)能够容许自一列位线接收的该黑电平信号充电一各自采样电容器(即，322或324)。
在一过程块420中，基于寄存器304的输出而选择一第二随机采样通道。在图3的实施例中，因为仅有两个通道，所以除用于采样该黑电平信号的通道外的通道经选择以采样该光亮电平信号。举例而言，假设通道A经选择以采样该黑电平信号，则通道B可经选择以采样该光亮电平信号。该保持光亮信号接着被耦合以致使这些保持开关中的一个(即，326或328)能够容许自该列位线接收的该光亮电平信号充电一各自采样电容器(即，322或324)。
在该黑电平信号及该光亮电平信号两者都经采样之后，这些数据信号将接着需要传送至全局增益级208及ADC 212。该列采样电路302接收一列选择信号以启用列选择开关316、318及320。因为这些通道经随机化，所以列采样电路302包含一输出RNDM_OUT以将关于哪些通道用于采样哪些数据信号的信息提供给全局切换矩阵206。在所绘示实施例中，当启用列选择开关320时，该输出RNDM_OUT耦合至寄存器304的Q输出。全局切换矩阵206接着切换回这些数据信号以匹配全局增益级208的适当输入。举例而言，全局增益级208可包含一差分放大器，该差分放大器具有用以接收这些黑电平信号的一负输入及用以接收这些光亮电平信号的一正输入。全局切换矩阵206从列采样电路302接收该(这些)随机位，且接着将适当通道连接至该差分放大器的匹配输入。换言之，一像素的黑电平信号可一直指向该差分放大器的负输入，而该像素的光亮电平信号可一直指向该差分放大器的正输入。因此，通道次序的随机化可能对于全局增益级208是透明的。在一过程块430中，全局增益级208产生该第二(例如，光亮电平信号)和第一(例如，黑电平信号)随机选择的采样通道的一差分输出。
在没有随机化采样通道的情况下，通过各自固定通道而采样黑电平信号及光亮电平信号。举例而言，黑电平信号将一直由通道A采样，及光亮电平信号将一直由通道B采样。该差分放大器208的负输入处的信号的量值是黑电平信号加A，其中A是由沿着自图3的节点330、电容器322、输出SIG1_OUT至该差分放大器208的通道A的所有电路元件及导体产生的背景电平。类似地，该差分放大器208的正输入处的信号的量值是光亮电平信号加B，其中B是由沿着自图3的节点330、电容器324、输出SIG2_OUT至该差分放大器208的通道B的所有电路元件及导体产生的背景电平。因此，在没有随机化采样通道的情况下，一特定列中的像素的全局增益级208的差分输出将为：
差分输出＝光亮电平信号-黑电平信号+通道偏移等式1其中通道偏移为(B-A)，该通道偏移主要因在制造期间的元件不匹配及/或归因于各通道中的元件的实体放置而引起。在没有通道随机化的情况下，此通道偏移(亦称为列固定图案噪声(FPN))可出现为在由一图像传感器产生的所得图像中的垂直线。
然而，根据包含采样通道随机化的本发明的实施例，黑电平信号及光亮电平信号是由一列采样电路内的采样通道来随机采样。举例而言，当Q＝1时，由通道A采样该黑电平信号(即，黑电平信号加A)，及由通道B采样该光亮电平信号(即，光亮电平信号加B)。该全局切换矩阵206可一直将该光亮电平信号引导至该差分放大器208的正输入，以及将该黑电平信号引导至该差分放大器208的负输入。因此，该差分输出将为光亮电平信号减该黑电平信号加(B减A)。当Q＝0时，由通道B采样该黑电平信号(即，黑电平信号加B)，及由通道A采样该光亮电平信号(即，光亮电平信号加A)。因为该全局切换矩阵206可一直将该光亮电平信号引导至该差分放大器208的正输入以及将该黑电平信号引导至该差分放大器208的负输入，所以该差分输出将为光亮电平信号减该黑电平信号减(B减A)。因此，一特定列中的像素的全局增益级208的差分输出将为：
当Q＝1时，差分输出＝光亮电平信号-黑电平信号+通道偏移；
及 等式2
当Q＝0时，差分输出＝光亮电平信号-黑电平信号-通道偏移；
其中通道偏移为(B减A)。因此，有两个差分背景电平：(B减A)及负(B减A)，这些电平利用一零均值而随机分布。因此，该通道偏移仍存在于等式2中，但是因为采样通道是随机的，所以人眼难以检测通道偏移对所得图像的影响。即，因一特定列的通道偏移而引起的一可见实垂直线变为具有嵌入于该图像中的两个电平的随机点的一较不可见垂直线，这归因于这些采样通道的随机化。
在一实施例中，通过一特定列采样电路中的至少两个采样通道而随机采样一像素的黑电平信号及光亮电平信号。属于一2D成像传感器的一特定列的所有像素都由同一列采样电路而采样。没有交叉列互连。此外，一列及另一列中的像素的随机采样之间没有相关性。换言之，黑电平信号及光亮电平信号采样在一行以及一列中是随机的。
现参考图2，模拟至数字转换器(ADC)212接着从全局增益级208接收该差分输出且产生一数字输出。在一实施例中，ADC 212的数字输出提供至图1A的功能逻辑115以存储或通过应用后图像效果(例如，裁剪、旋转、消除红眼、调整亮度、调整对比度等)而操纵。
在计算机软件及硬件方面描述以上解释的过程400。所述的技术可构成体现于一机器(例如，计算机)可读介质内的机器可执列指令，这些机器可执列指令当由一机器执行时将引起该机器执行所述的操作。另外，过程400可体现于硬件内，诸如一专用集成电路(“ASIC”)或类似物。
一机器可存取介质包含提供(即，存储及/或传输)以一机器(例如，一计算机、网络器件、个人数字助理、制造工具、具有一个或多个处理器的一集合的任何器件等)可存取的一形式的信息的任何机构。举例而言，一机器可存取介质包含可记录/不可记录介质(例如，只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光存储介质、闪存器件等)。
图5是绘示根据本发明的一实施例一列采样电路502的一功能框图。列采样电路502是图2的随机化采样电路202(例如，202a、202b等)的一可能实现方式。所绘示实例的列采样电路502包含一寄存器504、一切换矩阵506、列选择开关516、518、520、522及523、采样电容器524、526、528及530以及保持开关532、534、536及538。
所绘示实施例的列采样电路502包含四个通道(即，通道A、通道B、通道C及通道D)以采样自输入SIG_IN(即，一列位线)接收的数据信号。因此，数据信号输出510包含四根线(即，SIG1_OUT、SIG2_OUT、SIG3_OUT及SIG4_OUT)以输出经采样的数据信号。在一实施例中，各通道包含沿着节点540与其输出(SIG1_OUT等)之间的各自信号路径的所有电路元件及导体。举例而言，通道A可包含保持开关532、采样电容器524、列选择开关516及它们之间的导体。在一实施例中，各通道进一步包含沿着它们的输出(例如，SIG1_OUT)与该全局切换矩阵(例如，图2的全局切换矩阵206)之间的信号路径的任何电路元件及导体。虽然图5绘示列采样电路502为包含四个通道，但是采样电路502可包含含2个或更多个的任何数目的采样通道。
保持信号输入508绘示为包含四根线(即，HSIG1、HSIG2、HSIG3及HSIG4)以输出保持信号。在一实施例中，切换矩阵506被耦合以将保持信号HSIG1、HSIG2、HSIG3及HSIG4分别连接至保持开关532、534、536及538。举例而言，HSIG1及HSIG3被耦合以接收保持黑色信号，使得SIG1_OUT将为黑电平信号加A，以及SIG3_OUT将为黑电平信号加C，其中A及C为分别在通道A及C中产生的背景噪声。HSIG2及HSIG4被耦合以接收保持光亮信号，使得SIG2_OUT将为光亮电平信号加B，以及SIG4_OUT将为黑电平信号加D，其中B及D为分别在通道B及D中产生的背景噪声。
如图5中所示，寄存器504的输出被耦合以选择性控制切换矩阵506。寄存器504被配置为存储自输入RNDM_IN接收的随机位且选择性控制切换矩阵506的切换。在一实施例中，由寄存器504接收的随机位是由图2的随机序列产生器204产生的随机位。举例而言，该列采样电路被耦合以从四个采样通道中随机选择一第一采样通道以采样该黑电平信号。接着该列采样电路被进一步耦合以从可用的三个通道中随机选择一第二采样通道以采样该光亮电平信号。
取决于所接收的随机位，举例而言，切换矩阵506接着可被耦合以将保持信号HSIG1、HSIG2、HSIG3及HSIG4分别连接至保持开关534、532、538及536。举例而言，HSIG2及HSIG4现将被耦合以接收保持黑色信号，因此，SIG2_OUT将为黑电平信号加B，以及SIG4_OUT将为黑电平信号加D，以及HSIG1及HSIG3被耦合以接收保持光亮信号，因此，SIG1_OUT将为光亮电平信号加A，以及SIG3_OUT将为光亮电平信号加C。此外，取决于所指派的随机状态，一特定列的像素的差分放大器208的差分输出将为：
差分输出＝光亮电平信号-黑电平信号+(A-B)；
或
差分输出＝光亮电平信号-黑电平信号-(A-B)；
或 等式3
差分输出＝光亮电平信号-黑电平信号+(C-D)；
或
差分输出＝光亮电平信号-黑电平信号-(C-D)；
其中(A-B)可视为一特定列中的一第一通道偏移，及(C-D)为该特定列中的一第二通道偏移。因此，有四个差分背景电平：(A-B)、-(A-B)、(C-D)及-(C-D)，这些电平利用一零均值而随机分布。以此方式，因一固定差分背景电平或一特定列的通道偏移而引起的一可见垂直线变为具有嵌入于该图像中的四个电平的随机点的一较不可见垂直线，这归因于这些采样通道的随机化。应了解，可能的组合并不限于等式3，举例而言，亦可由该切换矩阵506产生差分背景电平：±(A-C)、±(A-D)、±(B-C)、±(B-D)。
图6是绘示根据本发明的一实施例具有通道随机化的一成像传感器的读出电路610的一功能框图。读出电路610是图1A的读出电路110的一可能实现方式。所绘示实施例的读出电路610包含列采样电路602a-602x、一随机位序列产生器604、一全局切换矩阵606、一全局增益级608、一模拟至数字转换器(ADC)612、一信号输出总线614、一随机输出总线616、一保持信号总线618、一随机输入总线620及一列切换矩阵622。
读出电路610的操作类似于以上所讨论的图2的读出电路210的操作。然而，读出电路610包含耦合于这些列位线与这些列采样电路之间的列切换矩阵622，以将这些列位线至这些列采样电路的耦合随机化。具体而言，列切换矩阵622经由RNDM_IN总线接收随机位且响应于该(这些)随机位而将一特定列位线耦合至一列采样电路(例如，602a、602b等)。举例而言，列采样电路602b可被选择以在耦合至列位线L3的一特定成像像素的读出期间采样这些数据信号，同时该列采样电路602b可被选择以在一不同列中的另一成像像素的读出期间采样这些数据信号。与由各列采样电路(例如，602a、602b等)提供的采样通道随机化组合的该随机交叉列互连更进一步混淆列固定图案噪声的影响，且可导致更吸引人眼的一图像。
图7是绘示根据本发明的一实施例具有采样通道随机化的一成像传感器的读出电路710的一功能框图。读出电路710是图1A的读出电路110的一可能实现方式。所绘示实施例的读出电路710包含列采样电路702a-702x、一随机位序列产生器704、一全局切换矩阵706、一全局增益级708、一模拟至数字转换器(ADC)712、一信号输出总线714、一保持信号总线718、一随机输入总线720及一全局寄存器722。
读出电路710的操作类似于以上所讨论的图2的读出电路210的操作。然而，读出电路710包含耦合于随机序列产生器704与全局切换矩阵之间的全局寄存器722以存储由随机序列产生器704产生的随机位。全局寄存器722进一步提供一输出至全局切换矩阵706，该输出指示这些采样通道的哪者被选择以采样黑电平信号以及这些采样通道的哪者被选择以采样光亮电平信号。
因此，在一实施例中，这些列采样电路(702a、702b等)的每个不包含它们自己的寄存器以存储该(这些)随机位。而是，全局寄存器722可为整个读出电路710存储该(这些)随机位。此外，在一实施例中，读出电路710不包含一RNDM_OUT总线以将该(这些)随机位自该列读出电路传送至该全局切换矩阵706。而是，全局切换矩阵706直接或经由该RNDM_IN总线720接收关于哪些通道用于经由该随机序列产生器704采样这些数据信号的信息。
本发明的所绘示实施例的以上描述(包含摘要中所述的内容)并不意指详尽的或限于所揭示的确切形式。虽然本文中为了说明目的描述本发明的特定实施例及实例，但是本领域技术人员应认识，在本发明的范围内的各种修改是可能的。
鉴于以上实施方式可对本发明作这些修改。以下权利要求中所使用的术语不应视为将本发明限于本说明书中所揭示的特定实施例。相反，本发明的范围完全是由以下权利要求决定，权利要求应根据权利要求解释的既定原则而被理解。
Claims (12)
1.一种成像传感器，包括：
配置于一列中的多个成像像素；
耦合至所述列的列采样电路；
包含于所述列采样电路中的多个采样通道，
其中，所述列采样电路从所述多个采样通道中随机选择第一采样通道以采样来自包含于所述多个成像像素中的一像素的第一数据信号，并且其中，所述列采样电路从所述多个采样通道中随机选择第二采样通道以采样来自该像素的第二数据信号；以及
被耦合以提供随机位序列至所述列采样电路的随机位序列产生器，其中，所述列采样电路被耦合以响应于所述随机位序列而从所述多个采样通道中随机选择采样通道，
其中，所述列采样电路还包含寄存器以存储所述随机位序列的至少一部分并且提供代表所述多个采样通道中的哪些采样通道被选择以采样所述第一数据信号和所述第二数据信号的输出。
2.根据权利要求1所述的成像传感器，其中，所述第一数据信号是黑电平信号，并且其中，所述第二数据信号是光亮电平信号。
3.根据权利要求1所述的成像传感器，其中，所述列采样电路还包括耦合至所述多个采样通道的切换矩阵以响应于随机位序列而将第一保持信号耦合至所述随机选择的第一采样通道并且将第二保持信号耦合至所述随机选择的第二采样通道。
4.根据权利要求1所述的成像传感器，其中，所述多个采样通道中的每个采样通道包含采样电容器。
5.根据权利要求1所述的成像传感器，还包括：
放大器，具有用于接收所述第一数据信号的第一输入和用于接收所述第二数据信号的第二输入；以及
耦合于所述多个采样通道与所述放大器之间的全局切换矩阵，其中，该切换矩阵被耦合以将所述随机选择的第一采样通道选择性耦合至所述放大器的第一输入以及将所述随机选择的第二采样通道选择性耦合至所述放大器的第二输入。
6.一种互补金属氧化物半导体成像传感器，包括：
配置于多个行和列中的成像像素的阵列；
多个列采样电路，被耦合至所述阵列的各自列以采样来自多个成像像素的黑电平信号和光亮电平信号，其中，每个列采样电路包含多个采样通道，其中，所述多个列采样电路中的每个列采样电路从所述多个采样通道中随机选择至少两个采样通道以采样所述黑电平信号和所述光亮电平信号；
被耦合以提供随机位序列至所述列采样电路的随机位序列产生器，其中，每个列采样电路响应于所述随机位序列而从所述多个采样通道中随机选择所述至少两个采样通道；以及
放大器，该放大器包含：
用于接收所述黑电平信号的第一差分输入；
用于接收所述光亮电平信号的第二差分输入；以及
全局切换矩阵，被耦合于所述多个采样通道与所述放大器的差分输入之间以响应于所述随机位序列而将所述两个随机选择的采样通道选择性耦合至所述放大器的差分输入，使得所述黑电平信号耦合至所述第一差分输入并且使得所述光亮电平信号耦合至所述第二差分输入。
7.根据权利要求6所述的CMOS成像传感器，其中，每个列采样电路还包括：耦合至所述多个采样通道的切换矩阵，以响应于所述随机位序列而将保持黑色信号选择性耦合至所述两个随机选择的采样通道中的一个采样通道，以及响应于所述随机位序列而将保持光亮信号选择性耦合至所述两个随机选择的采样通道中的另一个采样通道。
8.根据权利要求6所述的CMOS成像传感器，还包括：全局寄存器，该全局寄存器耦合于所述随机位序列产生器与所述全局切换矩阵之间以存储所述随机位序列的至少一部分且提供代表所述多个采样通道中的哪些采样通道被选择以采样所述黑电平信号以及所述多个采样通道中的哪些采样通道被选择以采样所述光亮电平信号的输出。
9.一种互补金属氧化物半导体成像传感器，包括：
配置于多个行和列中的成像像素的阵列；
多个列采样电路，被耦合至所述阵列的各自列以采样来自多个成像像素的黑电平信号和光亮电平信号，其中，每个列采样电路包含多个采样通道，其中，所述多个列采样电路中的每个列采样电路从所述多个采样通道中随机选择至少两个采样通道以采样所述黑电平信号和所述光亮电平信号；
被耦合以提供随机位序列至所述列采样电路的随机位序列产生器，其中，每个列采样电路响应于所述随机位序列而从所述多个采样通道中随机选择所述至少两个采样通道；以及
列切换矩阵，该列切换矩阵耦合于所述列与所述列采样电路之间以响应于所述随机位序列而将所述列至所述列采样电路的耦合随机化。
10.一种成像传感器，包括：
配置于多个列中的多个成像像素，每个成像像素用于当该像素重置时产生黑电平信号以及当在图像获取期间该像素曝露于光时产生光亮电平信号；
多个列采样电路，每个列采样电路耦合至所述多个列中的各自列，其中所述列采样电路中的每个列采样电路包含耦合至它们的各自列的多个采样通道，其中，所述列采样电路从所述多个采样通道中随机选择第一采样通道以采样所述像素的所述黑电平信号以及从所述多个采样通道中随机选择第二采样通道以采样所述像素的所述光亮电平信号；
全局切换矩阵；以及
差分放大器，该差分放大器具有负输入和正输入，其中，采样所述黑电平信号的所选第一采样通道通过所述全局切换矩阵而耦合至所述差分放大器的负输入，并且采样所述光亮电平信号的所选第二采样通道通过所述全局切换矩阵而耦合至所述差分放大器的正输入。
11.根据权利要求10所述的成像传感器，还包括：列切换矩阵，该列切换矩阵耦合于所述列与所述列采样电路之间以将所述列至所述列采样电路的耦合随机化。
12.一种能够在图像传感器中实现的用于减少列固定图案噪声的方法，包括以下步骤：
提供所述图像传感器的一列中的一像素的光亮电平信号，其中，所述光亮电平信号是当所述像素在图像获取期间曝露于光时由所述像素产生的；
提供所述像素的黑电平信号，其中，所述黑电平信号是当所述像素重置时由所述像素产生的；
提供耦合至所述列的列采样电路的偏移，其中，所述偏移的特征是由所述列采样电路决定的；
随机化所述偏移的正负号；以及
提供包含随机化的偏移的所述列中的一像素的读出，使得所述列中的像素的所述读出随机为(光亮电平信号-黑电平信号+偏移)和(光亮电平信号-黑电平信号-偏移)中的一个。
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