CN103369270B - 大动态数字像素传感器相关双采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及CMOS图像传感器领域，为提供一种能够实现相关双采样的并且具有大动态范围的数字像素传感器，为此，本发明采用的技术方案是，大动态数字像素传感器相关双采样方法，将总的像素曝光时间分为两段；在复位采样阶段，使像素内比较器的参考电压Vref处在较高电压，光电二极管从复位电压下降在复位采样阶段与参考电压Vref有一次相交，得到一个复位采样值；在积分采样阶段，参考电压Vref变为比较低的电压，光电二极管电压继续下降，最终在积分采样阶段与Vref有第二次的相交，得到一个积分采样值；积分采样值与复位采样值两者的差值就是最终的信号值。本发明主要应用于CMOS图像传感器设计。

Description

大动态数字像素传感器相关双采样方法

技术领域

本发明涉及CMOS图像传感器领域，尤其涉及一种采用相关双采样技术的数字像素传感器，即采用相关双采样技术的大动态数字像素传感器。

技术背景

数字像素传感器(digital pixel sensor，DPS)属于CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器中的一种。这种传感器在像素内部实现模拟数字的转换，后续的数据读出和处理都是在数字域进行。PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)是DPS的一种。参考图1，基于PWM的像素结构和工作过程如下：一个典型的PWM像素由光电二极管PD、复位管MRST、像素级、列级比较器和像素级、列级或阵列级存储器组成(图1以像素级比较器和像素级存储器为例)。像素级比较器的输入端分别为PD节点电压和设定的参考电压Vref。像素级存储器的输入数据由像素阵列外部的全局计数器输入。PD先复位至复位电压Vrst，在像素积分的过程中，PD节点电容因外界光强作用产生的光生电流而放电，节点电压下降，像素级比较器比较PD节点电压与Vref之间的关系，当它降低至Vref时，该比较器的输出Vout发生由高电压到底电压的跳变，这一跳变信号控制像素级存储器停止“写”操作，保存当前全局计数器的数值。此时存储器中的数据即为该像素的积分时间tint量化值，等价于像素从积分开始到其比较器输出翻转之间的时间间隔所形成的脉冲宽度，其值为：

$t_{\mathrm{int}}=\frac{(V_{\mathrm{rst}}-V_{\mathrm{ref}})\·C_{\mathrm{PD}}}{I_{\mathrm{ph}}}---\left(1\right)$

其中，Iph为光生电流，CPD为PD节点电容。参考图2所示，tint大小可表示像素光生电流值，且tint与Iph成反比，例如在图2所示的例子中，两种光强下PD的光生电流分别为Iph1和Iph2，则根据(1)式对应的脉冲宽度分别为t1和t2，则

$\frac{t_1}{t_2}=\frac{I_{\mathrm{ph}2}}{I_{\mathrm{ph}1}}---\left(2\right)$

设PWM像素可探测的最大、最小信号分别为Iph_max和Iph_min，那么它的DR(DynamicRange，动态范围)为：

$\mathrm{DR}=20\×\log \left(\frac{I_{\mathrm{ph}\_\max }}{I_{\mathrm{ph}\_\min }}\right)=20\×\log \left(\frac{t_{\max }}{t_{\min }}\right)---\left(3\right)$

从以上PWM像素的工作原理可以看出：在弱光条件下，当光强低于一定极限值时，PD的光生电流很小(小于Iph_min)，节点电容放电缓慢，节点电压在规定的最长积分时间内将无法下降至Vref，因此不会产生跳变信号控制存储器进行“写”操作，即该结构对弱光的探测能力受到Vref的限制，对弱光的分辨能力弱。同样，在强光照条件下，PD的光生电流很大(大于Iph_max)，节点电压很快下降到Vref，计数器来不及产生有效值记录在存储器中，因此丢失了高光强部分的信息。综上所述，经典PWM像素结构在低光强环境和高光强环境中分别需要较高和较低的Vref，来缩短或延长tsig以被后续电路探测，所以该型PWM像素中固定的Vref取值往往不适合当前光照环境，导致DR较小。因此，为了获得较大的动态范围，可以采用随时间变化的参考电压Vref。

另外，在有源类型的像素设计中，通常会用到相关双采样的技术。所谓相关双采样是在采样节点，在信号到来前后进行两次采样，两次采样的差值作为最终的信号数据。相关双采样可以消除掉采样节点的复位噪声和像素间偏差。但在数字像素传感器中，像素的感光节点和采样节点是同一节点，无法实现由原像素中的相关双采样。所以只能通过其他的手段进行类似双采样操作，从而消除复位噪声和像素间偏差。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提供一种能够实现相关双采样的并且具有大动态范围的数字像素传感器，为此，本发明采用的技术方案是，大动态数字像素传感器相关双采样方法，将总的像素曝光时间分为两段，第一段称为复位采样阶段，第二段为积分采样阶段；在复位采样阶段，使像素内比较器的参考电压Vref处在较高电压，光电二极管从复位电压下降在复位采样阶段与参考电压Vref有一次相交，得到一个复位采样值；在积分采样阶段，参考电压Vref变为比较低的电压，光电二极管电压继续下降，最终在积分采样阶段与Vref有第二次的相交，得到一个积分采样值；积分采样值与复位采样值两者的差值就是最终的信号值。

调节参考电压Vref的步骤为：在复位采样阶段Vref从复位采样阶段低参考电压Vref_rsl上升到复位采样阶段高参考电压Vref_rsh，这阶段参考电压的上升速率是：

$R_{\mathrm{vref}1}=\frac{(V_{\mathrm{ref}\_\mathrm{rsh}}-V_{\mathrm{ref}\_\mathrm{rsl}})}{T_{\mathrm{rs}}}---\left(4\right)$

其中Rvref1表示在复位采样阶段参考电压的变化速率，Trs是复位采样阶段的时间，

在积分采样阶段，Vref从积分采样阶段低参考电压Vref_isl上升到积分采样阶段高参考电压Vref_ish，这段参考电压的上升速率是：

$R_{\mathrm{vref}2}=\frac{(V_{\mathrm{ref}\_\mathrm{ish}}-V_{\mathrm{ref}\_\mathrm{isl}})}{T_{\mathrm{is}}}---\left(5\right)$

其中Rvref2表示在积分采样阶段参考电压的变化速率，Tis是积分采样阶段的时间；

两段上升速率要保持一致，即R_vref2＝R_vref1，统一记为Rvref；

那么参考电压在曝光期间随时间变化的函数是：

$V_{\mathrm{ref}}=\left\{\begin{array}{cc}{V}_{\mathrm{ref}\_\mathrm{rsl}}+R_{\mathrm{vref}}\&CenterDot;t& 0\&le;t<T_{\mathrm{rs}}\\ V_{\mathrm{ref}\_\mathrm{isl}}+R_{\mathrm{vref}}\&CenterDot;(t-T_{\mathrm{rs}})& T_{\mathrm{rs}}\&le;t<T_{\mathrm{rs}}+T_{\mathrm{is}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

那么对于给定光电流Iph的条件，光电二极管电压的函数是：

$V_{\mathrm{PD}}=V_{\mathrm{PD}\_\mathrm{rst}}-\frac{I_{\mathrm{ph}}}{C_{\mathrm{PD}}}\&CenterDot;t---\left(7\right)$

当光电二极管电压与Vref相等时，像素触发，此时对应的时间信息写入相应的存储器中，在复位采样阶段像素触发后时间信息写入到存储器1中，在积分采样阶段像素触发后时间信息写入到存储器2中；

通过式(6)和(7)就可以算出在复位采样段和积分采样段中，像素两次触发时所对应的时间值tPD_rs和tPD_is：

$t_{\mathrm{PD}\_\mathrm{rs}}=\frac{V_{\mathrm{PD}\_\mathrm{rst}}-V_{\mathrm{ref}\_\mathrm{rsl}}}{R_{\mathrm{ref}}+I_{\mathrm{ph}}/C_{\mathrm{PD}}}---\left(8\right)$

$t_{\mathrm{PD}\_\mathrm{is}}=\frac{V_{\mathrm{PD}\_\mathrm{rst}}-V_{\mathrm{ref}\_\mathrm{isl}}+R_{\mathrm{ref}}\&CenterDot;T_{\mathrm{rs}}}{R_{\mathrm{ref}}+I_{\mathrm{ph}}/C_{\mathrm{PD}}}---\left(9\right)$

其中VPD_rst是光电二极管复位之后的电压值；

在获得两次触发的时间信息之后，存储器1和2中的时间信息进入到双采样处理模块进行做差的操作，得到的差值写入到存储器3中；

tPD_is与tPD_rs这两个时间信号做差，得到的时间差值如下：

$t_{\mathrm{PD}}=\frac{V_{\mathrm{ref}\_\mathrm{rsl}}-V_{\mathrm{ref}\_\mathrm{isl}}+R_{\mathrm{ref}}\&CenterDot;T_{\mathrm{rs}}}{R_{\mathrm{ref}}+I_{\mathrm{ph}}/C_{\mathrm{PD}}}---\left(10\right)$

因为V_{ref_rsl}+R_ref·T_rs＝V_{ref_rsh}，

式10可以写为

$t_{\mathrm{PD}}=\frac{V_{\mathrm{ref}\_\mathrm{rsh}}-V_{\mathrm{ref}\_\mathrm{isl}}}{R_{\mathrm{ref}}+I_{\mathrm{ph}}/C_{\mathrm{PD}}}---\left(11\right)$

tPD就是写入到存储器3中的时间差值，这个差值就是最终能够反映光强的信号值；

当所有的像素对应的时间差值都存储在存储器3中之后，就可以将所有存储器3中的数据进行读出，输出到芯片之外。

采用斜坡电压来做参考电压可以探测的最大光强取决于外部计数器的速度，也就是记录时间的精度，令计数器速度是S Hz，一个计数周期就是1/S s，一个计数周期也就是能分辨的最小时间间隔，根据式(9)，tPD_is最小值是1/S，计算最大光电流Iph_max，

I_{ph_max}＝C_PD·S·(V_rst-V_{ref_isl}+R_ref·T_rs-R_ref/S) (12)

从式12可以看出计数器频率S越高，可探测最大光强越大。

本发明具备下列技术效果：

本发明将总的像素曝光时间分为两段，采用双采样技术与斜坡参考电压的PWM型数字像素传感器可以实现较大的动态范围，并且能够消除掉复位噪声和比较器偏差，降低总的输出噪声。

附图说明

图1基于PWM的数字像素结构。

图2脉冲宽度tiht与光生电流Iph之间的关系曲线。

图3曝光时间内参考电压与光电二极管电压变化示意图。

图4采用双采样技术的数字像素工作流程图。

具体实施方式

本发明中将总的像素曝光时间分为两段，第一段称为复位采样阶段，第二段成为积分采样阶段。在复位采样阶段，像素内比较器的参考电压Vref处在较高电压，光电二极管从复位电压下降在复位采样阶段与Vref有一次相交，得到一个复位采样值。在积分采样阶段，Vref变为比较低的电压，光电二极管电压继续下降，最终在积分采样阶段与Vref有第二次的相交，得到一个积分采样值。积分采样值与复位采样值两者的差值就是最终的信号值。

另外，为了获得较大的动态范围，就要求高光强和低光强都能够在曝光时间内与Vref相交，从而获得相应的信号值。那么本发明中的参考电压采用斜坡式参考电压，即Vref由低电压以固定的速率随时间上升，在曝光结束时达到其最大值。

具体描述如下：

本发明所用像素结构与图1所示的常用PWM像素一样，只是在参考电压和时序方面有改动。

PWM型数字像素在复位之后进入曝光阶段。如图3所示，曝光时间被分成了复位采样阶段Trs和积分采样阶段Tis。图3中实线表示PD节点电压在曝光期间随时间变化情况，点线表示像素内比较器参考电压随时间的变化情况。在复位采样阶段Vref从Vref_rsl上升到Vref_rsh，那么这阶段参考电压的上升速率是

$R_{\mathrm{vref}1}=\frac{(V_{\mathrm{ref}\_\mathrm{rsh}}-V_{\mathrm{ref}\_\mathrm{rsl}})}{T_{\mathrm{rs}}}---\left(4\right)$

在积分采样阶段，Vref从Vref_isl上升到Vref_ish，那么这段参考电压的上升速率是

$R_{\mathrm{vref}2}=\frac{(V_{\mathrm{ref}\_\mathrm{ish}}-V_{\mathrm{ref}\_\mathrm{isl}})}{T_{\mathrm{is}}}---\left(5\right)$

为了保证双采样能够正确进行，两段上升速率要保持一致，即R_vref2＝R_vref1，记为Rvref。

那么参考电压在曝光期间随时间变化的函数是：

$V_{\mathrm{ref}}=\left\{\begin{array}{cc}{V}_{\mathrm{ref}\_\mathrm{rsl}}+R_{\mathrm{vref}}\&CenterDot;t& 0\&le;t<T_{\mathrm{rs}}\\ V_{\mathrm{ref}\_\mathrm{isl}}+R_{\mathrm{vref}}\&CenterDot;(t-T_{\mathrm{rs}})& T_{\mathrm{rs}}\&le;t<T_{\mathrm{rs}}+T_{\mathrm{is}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

那么对于给定光电流Iph的条件，光电二极管电压的函数是：

$V_{\mathrm{PD}}=V_{\mathrm{PD}\_\mathrm{rst}}-\frac{I_{\mathrm{ph}}}{C_{\mathrm{PD}}}\&CenterDot;t---\left(7\right)$

当光电二极管电压与Vref相等时，像素触发，此时对应的时间信息写入相应的存储器中。在复位采样阶段像素触发后时间信息写入到存储器1中，在积分采样阶段像素触发后时间信息写入到存储器2中。

通过式(6)和(7)就可以算出在复位采样段和积分采样段中，像素两次触发时所对应的时间值tPD_rs和tPD_is。

$t_{\mathrm{PD}\_\mathrm{rs}}=\frac{V_{\mathrm{PD}\_\mathrm{rst}}-V_{\mathrm{ref}\_\mathrm{rsl}}}{R_{\mathrm{ref}}+I_{\mathrm{ph}}/C_{\mathrm{PD}}}---\left(8\right)$

$t_{\mathrm{PD}\_\mathrm{is}}=\frac{V_{\mathrm{PD}\_\mathrm{rst}}-V_{\mathrm{ref}\_\mathrm{isl}}+R_{\mathrm{ref}}\&CenterDot;T_{\mathrm{rs}}}{R_{\mathrm{ref}}+I_{\mathrm{ph}}/C_{\mathrm{PD}}}---\left(9\right)$

其中VPD_rst是光电二极管复位之后的电压值。

在获得两次触发的时间信息之后，存储器1和2中的时间信息进入到双采样处理模块进行做差的操作，得到的差值写入到存储器3中。

tPD_is与tPD_rs这两个时间信号做差，得到的时间差值如下：

$t_{\mathrm{PD}}=\frac{V_{\mathrm{ref}\_\mathrm{rsl}}-V_{\mathrm{ref}\_\mathrm{isl}}+R_{\mathrm{ref}}\&CenterDot;T_{\mathrm{rs}}}{R_{\mathrm{ref}}+I_{\mathrm{ph}}/C_{\mathrm{PD}}}---\left(10\right)$

因为V_{ref_rsl}+R_ref·T_rs＝V_{ref_rsh}，

式10可以写为

$t_{\mathrm{PD}}=\frac{V_{\mathrm{ref}\_\mathrm{rsh}}-V_{\mathrm{ref}\_\mathrm{isl}}}{R_{\mathrm{ref}}+I_{\mathrm{ph}}/C_{\mathrm{PD}}}---\left(11\right)$

tPD就是写入到存储器3中的时间差值，这个差值就是最终能够反映光强的信号值。

当所有的像素对应的时间差值都存储在存储器3中之后，就可以将所有存储器3中的数据进行读出，输出到芯片之外。

从式11可以看出tPD与复位电压无关，说明这种方法可以消除掉复位噪声。如果把式11中加入比较器偏差，那么分子可以写为(V_{ref_rsh}+V_offset)-(V_{ref_isl}-V_offset)＝V_{ref_rsh}-V_{ref_isl}，说明比较器的偏差也可以消除掉。

另外采用斜坡电压来做参考电压可以探测的最大光强取决于外部计数器的速度，也就是记录时间的精度。令计数器速度是S Hz，那么一个计数周期就是1/S s，一个计数周期也就是能分辨的最小时间间隔，所以根据式9，tPD_is最小值是1/S，可以计算最大光电流Iph_max，

I_{ph_max}＝C_PD·S·(V_rst-V_{ref_isl}+R_ref·T_rs-R_ref/S) (12)

从式12可以看出计数器频率S越高，可探测最大光强越大。

可探测最小光强发生在距曝光结束之前一个计数周期的时刻，即tPD_is＝Tis-1/S。最小的光电流可以表示为：

$I_{\mathrm{ph}\_\min }=\frac{C_{\mathrm{PD}}\&CenterDot;(V_{\mathrm{rst}}-V_{\mathrm{ref}\_\mathrm{ish}}+R_{\mathrm{ref}}\&CenterDot;T_{\mathrm{rs}}+R_{\mathrm{ref}}/S)}{T_{\mathrm{is}}-1/S}---\left(13\right)$

那么动态范围DR可以表示为：

$\mathrm{DR}=20\&times;\log \left(\frac{I_{\mathrm{ph}\_\max }}{I_{\mathrm{ph}\_\min }}\right)=20\&times;\log [S\&CenterDot;(T_{\mathrm{is}}-\frac{1}{S})\&CenterDot;\frac{V_{\mathrm{rst}}-V_{\mathrm{ref}\_\mathrm{isl}}+R_{\mathrm{ref}}\&CenterDot;T_{\mathrm{rs}}-R_{\mathrm{ref}}/S}{V_{\mathrm{rst}}-V_{\mathrm{ref}\_\mathrm{ish}}+R_{\mathrm{ref}}\&CenterDot;T_{\mathrm{rs}}+R_{\mathrm{ref}}/S}]---\left(14\right)$

同样采样双采样方法，但是参考电压保持恒定的方案所得到的动态范围可以表示为：

${\mathrm{DR}}_0=20\&times;\log \left(\frac{T_{\mathrm{rs}}+T_{\mathrm{is}}-1/S}{T_{\mathrm{rs}}+1/S}\right)---\left(15\right)$

下面结合附图和具体实施方式进一步详细说明本发明，

以1.2v，65nm制作工艺为例给出本发明的一种实施方式。参考电压中的Vref_rsh和Vref_rsl设置为1.2v和1.057v，Vref_ish和Vref_isl设置分别设置为1.2v和0.2v。复位采样阶段时间Trs＝2ms，积分采样阶段Tis＝14ms，复位及读出时间为0.67ms，那么总的一个周期的时间是16.67ms，对应60帧每秒的帧率。并且这样的配置可以在复位采样阶段和积分采样阶段得到相同的参考电压上升斜率，即Rref＝0.0714v/ms。那么参考电压随时间变化的函数可以写成，

$V_{\mathrm{ref}}=\left\{\begin{array}{cc}1.057+0.0714\&CenterDot;t& 0\&le;t<2\\ 0.2+0.0714\&CenterDot;(t-2)& 2\&le;t<16\end{array}\right.$

采用10MHz的计数时钟，每次复位电压Vrst都在1.2v左右，那么采用本方案所获得的动态范围是：

DR＝120.97dB

而只采用双采样技术，不采用斜坡参考电压的方法，得到的动态范围是DR0＝18dB。

Claims (2)

1.一种大动态数字像素传感器相关双采样方法，其特征是，将总的像素曝光时间分为两段，第一段称为复位采样阶段，第二段为积分采样阶段；在复位采样阶段，使像素内比较器的参考电压V_ref处在较高电压，光电二极管从复位电压下降在复位采样阶段与参考电压V_ref有一次相交，得到一个复位采样值；在积分采样阶段，参考电压V_ref变为比较低的电压，光电二极管电压继续下降，最终在积分采样阶段与V_ref有第二次的相交，得到一个积分采样值；积分采样值与复位采样值两者的差值就是最终的信号值，所述方法进一步具体为：调节参考电压V_ref的步骤为：在复位采样阶段V_ref从复位采样阶段低参考电压V_{ref_rsl}上升到复位采样阶段高参考电压V_{ref_rsh}，这阶段参考电压的上升速率是：

$R_{vref1}=\frac{(V_{ref\_rsh}-V_{ref\_rsl})}{T_{rs}}---\left(4\right)$

其中R_vref1表示在复位采样阶段参考电压的变化速率,T_rs是复位采样阶段的时间，

在积分采样阶段，V_ref从积分采样阶段低参考电压V_{ref_isl}上升到积分采样阶段高参考电压V_{ref_ish}，这阶段参考电压的上升速率是：

$R_{vref2}=\frac{\left(V_{ref\_ish}-V_{ref\_isl}\right)}{T_{is}}---\left(5\right)$

其中R_vref2表示在积分采样阶段参考电压的变化速率，T_is是积分采样阶段的时间；

两阶段上升速率要保持一致，即R_vref2＝R_vref1，统一记为R_vref；

那么参考电压在曝光期间随时间变化的函数是：

$V_{ref}=\left\{\begin{array}{cc}{V}_{ref\_rsl}+R_{vref}\&CenterDot;t& 0\&le;t<T_{rs}\\ V_{ref\_isl}+R_{vref}\&CenterDot;\left(t-T_{rs}\right)& T_{rs}\&le;t<T_{rs}+T_{is}\end{array}\right.---\left(6\right)$

那么对于给定光电流Iph的条件，光电二极管电压的函数是：

$V_{PD}=V_{PD\_rst}-\frac{I_{ph}}{C_{PD}}\&CenterDot;t---\left(7\right)$

当光电二极管电压与V_ref相等时，像素触发，此时对应的时间信息写入相应的存储器中，在复位采样阶段像素触发后时间信息写入到存储器1中，在积分采样阶段像素触发后时间信息写入到存储器2中；

通过式(6)和(7)就可以算出在复位采样阶段和积分采样段中，像素两次触发时所对应的时间值t_{PD_rs}和t_{PD_is}:

$t_{PD\_rs}=\frac{V_{PD\_rst}-V_{ref\_rsl}}{R_{vref}+I_{ph}/C_{PD}}---\left(8\right)$

$t_{PD\_is}=\frac{V_{PD\_rst}-V_{ref\_isl}+R_{vref}\&CenterDot;T_{rs}}{R_{vref}+I_{ph}/C_{PD}}---\left(9\right)$

其中V_{PD_rst}是光电二极管复位之后的电压值；

在获得两次触发的时间信息之后，存储器1和2中的时间信息进入到双采样处理模块进行做差的操作，得到的差值写入到存储器3中；

t_{PD_is}和t_{PD_rs}这两个时间信号做差，得到的时间差值如下：

$t_{PD}=\frac{V_{ref\_rsl}-V_{ref\_isl}+R_{vref}\&CenterDot;T_{rs}}{R_{vref}+I_{ph}/C_{PD}}---\left(10\right)$

因为V_{ref_rsl}+R_ref·T_rs＝V_{ref_rsh}，式10写为:

$t_{PD}=\frac{V_{ref\_rsh}-V_{ref\_isl}}{R_{vref}+I_{ph}/C_{PD}}---\left(11\right)$

t_PD就是写入到存储器3中的时间差值，这个差值就是最终能够反映光强的信号值；

当所有的像素对应的时间差值都存储在存储器3中之后，将所有存储器3中的数据进行读出，输出到芯片之外。

2.如权利要求1所述的大动态数字像素传感器相关双采样方法，其特征是，采用斜坡电压来做参考电压可以探测的最大光强取决于外部计数器的速度，也就是记录时间的精度，令计数器速度是S Hz，一个计数周期就是1/S s，一个计数周期也就是能分辨的最小时间间隔，根据式(9)，t_{PD_is}最小值是1/S，计算最大光电流I_{ph_max}，

I_{ph_max}＝C_PD·S·(V_rst-V_{ref_isl}+R_ref·T_rs-R_ref/S) (12)

从式12可以看出计数器频率S越高，可探测最大光强越大。