CN107659762B - 一种图像传感器及其输出电路 - Google Patents
一种图像传感器及其输出电路 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107659762B CN107659762B CN201711062079.0A CN201711062079A CN107659762B CN 107659762 B CN107659762 B CN 107659762B CN 201711062079 A CN201711062079 A CN 201711062079A CN 107659762 B CN107659762 B CN 107659762B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- pixel
- voltage
- ramp
- odd
- circuit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
- H04N23/50—Constructional details
- H04N23/54—Mounting of pick-up tubes, electronic image sensors, deviation or focusing coils
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
- H04N23/70—Circuitry for compensating brightness variation in the scene
- H04N23/741—Circuitry for compensating brightness variation in the scene by increasing the dynamic range of the image compared to the dynamic range of the electronic image sensors
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Abstract
一种图像传感器及其输出电路，所述输出电路包括：斜坡信号生成电路，适于输出斜坡电压，所述斜坡电压随时间线性变化；模数转换电路，接入来自像素阵列的像素电压和斜坡电压，适于根据所述像素电压与斜坡电压相等时对应的时刻得到所述像素电压的像素数字信号；控制模块，适于控制所述斜坡信号生成电路针对奇数行和偶数行的像素电压提供具有不同斜率的斜坡电压。采用本发明技术方案在实现图像传感器宽动态范围的同时，简化了控制时序的复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器技术领域，特别涉及一种图像传感器及其输出电路。
背景技术
图像传感器是相机的重要组成部分。传统相机中图像传感器是通过胶片来实现的，而现代数码相机中，图像传感器是通过互补金属氧化物半导体(Complementary MetalOxide Semiconductor，简称CMOS)或者电荷耦合元件(Charge-coupled Device，简称CCD)图像传感器来实现的。像素电路是图像传感器实现感光的核心器件，通常可以包括实现光电转换的光电二极管。图像传感器中还可以包括一系列作用为传输、信号转换和放大、控制的电路模块。为了能在强光与弱光下均能得到优秀的图像质量，研究人员采用了一切可能的技术来提高图像传感器像素的动态范围。
目前，高端相机和手机都可以提供高动态范围(High Dynamic Range，简称HDR)的拍摄模式，可以提供更多的动态范围和图像细节。具体方法是先基于不同的曝光时间摄取低动态范围(Low Dynamic Range，简称LDR)的图像，再利用每个LDR图像的曝光时间所对应的最佳细节进行合成，最终产生一个HDR的图像。该方法的优点是能够更好地反映人在真实环境中的视觉效果；缺点是需要拍摄多帧(通常是3张)图像来合成一张高动态范围的图像，而且在针对动态图像拍摄时，可能出现模糊不清的问题，不同图像拍摄的时间间隔也不易控制。
为克服上述问题，现有技术中进一步采用了基于拍摄的一帧图像的方式，在拍摄时，通过控制快门指针(shutter pointer)，控制针对图像传感器中像素阵列的奇数行和偶数行分别利用不同的曝光时间，得到两幅子帧图像，然后把两幅子帧图像利用合适的算法合并，以实现宽动态范围成像。该方法的缺点是对不同曝光时间的时序控制比较复杂，也同时带来了更大的电路规模和面积。
发明内容
本发明解决的技术问题是如何在实现图像传感器宽动态范围的同时，简化控制时序的复杂度。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种图像传感器的输出电路，所述输出电路包括：斜坡信号生成电路，适于输出斜坡电压，所述斜坡电压随时间线性变化；模数转换电路，接入来自像素阵列的像素电压和斜坡电压，适于根据所述像素电压与斜坡电压相等时对应的时刻得到对应于所述像素电压的像素数字信号；控制模块，适于控制所述斜坡信号生成电路针对所述像素阵列中奇数行和偶数行的像素电压提供具有不同斜率的斜坡电压。
可选地，所述斜坡信号生成电路包括：斜坡生成器，适于输出初始斜坡电压，所述初始斜坡电压随时间线性变化；增益电路，适于按照增益系数对所述初始斜坡电压进行放大。
可选地，所述控制模块适于控制所述斜坡生成器针对所述像素阵列中奇数行和偶数行的像素电压产生斜率不同的初始斜坡电压，且控制所述增益电路针对所述像素阵列中奇数行和偶数行的像素电压提供相同的增益系数，以使得所述斜坡信号生成电路针对所述像素阵列中奇数行和偶数行的像素电压提供具有不同斜率的斜坡电压。
可选地，所述控制模块适于控制所述斜坡生成器针对所述像素阵列中奇数行和偶数行的像素电压产生斜率相同的初始斜坡电压，且控制所述增益电路针对所述像素阵列中奇数行和偶数行的像素电压提供不同的增益系数，以使得所述斜坡信号生成电路针对所述像素阵列中奇数行和偶数行的像素电压提供具有不同斜率的斜坡电压。
可选地，所述增益电路包括：运算放大电路，其反馈支路包括并联的第一子支路和第二子支路，所述第一子支路包括串联的第一开关和第一阻抗，所述第二子支路包括串联的第二开关和第二阻抗；其中，所述控制模块通过控制所述第一开关和第二开关的开关状态来控制所述增益电路针对所述像素阵列中奇数行和偶数行的像素电压提供不同的增益系数。
可选地，所述像素阵列中奇数行和偶数行的曝光时间相同。
可选地，所述模数转换电路的数量等于所述像素阵列的列数，各个模数转换电路并行地根据所述像素阵列每行中的各个像素电压与所述斜坡电压相等时对应的时刻分别得到对应于各个像素电压的像素数字信号。
可选地，所述斜坡电压线性递增变化；所述模数转换电路包括：比较器，适于对所述像素电压和斜坡电压进行比较，以得到比较结果；计数器，接入所述比较结果，适于在所述比较结果的逻辑电平翻转时，将其输出的计数值作为对应于所述像素电压的像素数字信号。
可选地，所述输出电路还包括：数字处理模块，适于分别根据所述像素阵列中奇数行和偶数行的像素电压对应的像素数字信号得到不同的子帧图像信息，并利用所述不同的子帧图像信息合成图像信息。
为解决上述技术问题，本发明实施例还提供一种图像传感器，所述图像传感器包括：所述图像传感器的输出电路；像素阵列，包括呈阵列排布的多个像素电路，各个像素电路的输出端输出对应的像素电压。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
本发明实施例的图像传感器的输出电路可以包括：
本发明实施例方案通过控制斜坡信号生成电路针对所述像素阵列中奇数行和偶数行的像素电压的斜坡电压的斜率不同，也即单位时间的电压变化幅度不同，在对所述像素阵列中奇数行和偶数行相同电压值的像素电压进行模数转换时，会得到不同的像素数字信号，因此，在图像处理时，可以分别根据所述像素阵列中奇数行和偶数行的像素电压对应的像素数字信号得到不同的子帧图像信息，并利用所述不同的子帧图像信息合成图像信息，以实现宽动态范围成像。由于仅针对所述像素阵列中奇数行和偶数行的像素电压对应的斜坡电压的斜率进行控制，因此，仅需针对所述模数转换电路对所述奇数行和偶数的像素电压的转换时，在两种不同的控制信号中进行切换即可，在实现图像传感器宽动态范围的同时，大大简化了控制时序的复杂度。
进一步而言，所述奇数行和偶数行的像素电压是由像素阵列采用相同的曝光时间产生的，也即所述图像传感器中各个像素电路中的感光元件的曝光时间相同。由于在相机中，针对上述曝光时间的控制需要通过控制快门指针实现，控制策略复杂，因此，相比而言，本实施例方案的控制时序更加简洁。
进一步而言，所述模数转换电路的数量等于所述像素阵列的列数，各个模数转换电路并行地根据所述像素阵列每行中的各个像素电压与所述斜坡电压相等时对应的时刻分别得到各个像素电压的像素数字信号。相比于采用像素级ADC会影响像素的填充因子，使得像素阵列的版图面积增大，以及芯片级ADC需进行串行模数转换处理，会影响模数转换的速度，本实施例方案形成的列并行ADC结构，可以对图像传感器像素的填充因子以及模数转换的处理速度进行兼顾，以得到更佳的图像传感器性能。
附图说明
图1是现有技术中的一种图像传感器中像素电压和噪声随光照度变化的波形示意图。
图2是本发明实施例的一种图像传感器的输出电路的电路结构示意图。
图3是本发明实施例的另一种图像传感器的输出电路的电路结构示意图。
图4是本发明实施例中的一种增益电路的电路图。
图5是本发明实施例中的一种斜坡电压和像素电压对应的像素数字信号的示意图。
图6是现有技术中的一种斜坡电压和像素电压对应的像素数字信号的示意图。
图7是本发明实施例的又一种图像传感器的输出电路的电路结构示意图。
具体实施方式
如背景技术部分所述，目前，采用基于拍摄的一帧图像，控制针对图像传感器中像素阵列的奇数行和偶数行利用不同的曝光时间，得到两幅子帧图像再进行合并的方法，在实现宽动态范围成像的范围的同时，时序控制过于复杂。
本申请发明人对现有技术中针对图像传感器的宽动态范围实现进行了研究和分析。
首先，图像传感器在拍摄图像时需进行曝光。所谓曝光就是让光线照射在感光元件上，使其产生一系列的物理化学变化，从而得到一帧图像。具体地，当光线照射到图像传感器上的某个像素(也即像素电路中的感光元件)时，就会产生电荷，电荷的多少和该像素所接收到的光线成正比。当曝光结束的时候，整个图像传感器上所有像素的电荷将会被读取，一般来说是通过容性器件将电荷转换为像素电压，通过将其转换为数字信号来使用这些电压的信息生成图像数据。
在具体实施中，图像传感器中每个像素对应的用于生成图像数据的图像数据电压Vsig_actual可以采用公式(1)进行计算：
其中，tint表示曝光时间，Iphoto表示每个像素中感光元件上产生的光电流，Ceff表示用于电荷-电压转换的转换电容的容值，A表示图像传感器中的增益调节电路的增益，所述增益调节电路适于对所述像素电压按A进行增益调节来得到所述图像数据电压Vsig_actual。
其次，动态范围(Dynamic Range，简称DR)是表征图像传感器性能的一个重要指标。一般而言，动态范围的大小与饱和信号量与噪声之比相关。参见图1，图1示出了现有技术中的一种图像传感器的动态范围与光照度之间的关系。一般来说，像素电压随着光照度的增加而增加。然而，当光照度较低并维持在一定范围内时，对应于图1中的暗噪声区，噪声大小恒定，使得图像传感器的动态范围较差；而当光照度升高到一定程度时将达到饱和，对应于图1中的饱和区，此时，所述像素电压的大小不再随着光照度的增加而线性升高，图像传感器的动态范围也受到了限制。基于上述分析，现有技术中存在两种基于对图像传感器的像素电路进行改进以增强其动态范围的方案。
其中一种是将像素电路中与感光元件串联的晶体管偏置在亚阈值区域，使得所述感光元件输出的光电流与光照度的关系成指数关系变化。当光照度较高进入图1中的饱和区时，由于所述指数变化趋势代替了常规的光电流与光照度成平方比变化趋势，使得在饱和区内增加单位光照度的情况下，光电流的变化量增加，以使得所述像素电路输出的像素电压增加，可以在一定程度上提高图像传感器的动态范围。然而该方案中的像素电路内的传输管的阈值电压会拉低所述像素电压，此外还会受到电路非线性的困扰。
其中另一种为双转换增益(Dual Conversion Gain，简称DCG)像素电路。具体地，所述DCG像素电路中的感光元件在接收光线照射时产生电荷，所述电荷的数量与所述光线的光照度成正比，所述电荷经由一DCG开关耦接至转换电容，从而输出像素电压。当外部光线的光照度较高时，控制所述DCG开关导通，以使得所述电荷根据所述转换电容输出所述像素电压，此时对应于DCG像素电路中的低转换增益；而当外部光线的光照度较低时，控制所述DCG开关关断，以使得所述电荷仅根据所述DCG开关(具体为晶体管)中的寄生电容输出所述像素电压，由于所述寄生电容远小于所述转换电容，已因此，此时对应于DCG像素电路中的高转换增益，以实现低电路噪声。其中，经过高增益转换的像素电压数据能够很好地记录场景暗部细节，但容易达到饱和；而经过低增益转换的像素电压数据不容易达到饱和，可以更好地记录场景亮部细节，以提高图像传感器的动态范围。然而该方案像素电路需要额外设置DCG开关，增加电路面积，影响图像传感器的填充因子(fill factor)；此外，该电路的驱动时序十分复杂。
因此，现有技术中不断涌现出摒弃对像素电路结构的改进，而是如背景技术部分所述，采用由多张图像或多帧子图像采用适当的算法进行合成，最终产生一个HDR的图像，然而在控制策略上十分复杂。
本发明实施例提出一种图像传感器的输出电路，通过控制斜坡信号生成电路针对奇数行和偶数行的像素电压提供具有不同斜率的斜坡电压，使得在后续的数字图像处理过程中，可分别根据针对像素阵列中奇数行和偶数行的对应于像素电压的像素数字信号得到不同的子帧图像信息，并利用不同的子帧图像信息合成图像信息，不仅可以提高图像传感器的动态范围，还可简化图像传感器中控制时序的复杂度。
为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
图2是本发明实施例的一种图像传感器的输出电路的电路结构示意图。图2示出的输出电路100可以应用于图像传感器(图未示)中。具体地，所述图像传感器的输出电路100可以包括斜坡信号生成电路10、模数转换电路20以及控制模块30。
在本实施例中，所述斜坡信号生成电路10适于输出斜坡电压VRamp，所述斜坡电压VRamp随时间线性变化。例如，所述斜坡电压VRamp可以按照线性递增或线性递减的趋势变化。以线性递增变化为例，假设所述斜坡电压VRamp在0～5V之间线性变化，也即随着时间轴增加单位时间长度，所述斜坡电压VRamp的电压值也随之增加对应的步进，所述单位时间长度对应的步进指示了所述斜坡电压VRamp随时间线性变化的斜率。以所述斜坡信号生成电路10中采用的系统时钟频率为100kHz(也即每两个时钟节拍之间的时间间隔为10μs)、所述步进为19.5mV为例，则所述斜坡电压VRamp从0变化至5V所需的时间约为2.56ms。
所述模数转换电路(或称为模数转换器(Analog-to-Digital Converter，简称ADC))20接入来自像素阵列40的像素电压Pixout(i,k)和所述斜坡电压VRamp。本领域技术人员理解的是，图像传感器中的像素阵列40中包括有呈阵列排布的像素电路(图未示)，每一像素电路中包括有感光元件(以图中的二极管为示意)。假设所述像素阵列40具有M行N列像素电路，N为正整数，对应地，所述像素阵列40上的各个感光元件在接收到光线照射时，将产生光电流(图未示)，所述光电流在所述像素电路内部将被转换为像素电压Pixout(i,k)，其中，0≤i≤M，0≤k≤N。
在本实施例中，所述模数转换电路20适于根据所述像素电压Pixout(i,k)与斜坡电压VRamp相等时对应的时刻得到对应于所述像素电压Pixout(i,k)的像素数字信号ADCout(i,k)，i和k为正整数。例如，所述像素电压Pixout(i,k)为2.5V，所述斜坡电压VRamp线性递增变化，当二者相等时，所述斜坡电压VRamp在时间轴上会对应一个时刻，也即为起始时间后的1.28ms；对于所述模数转换电路20而言，对所述像素电压Pixout(i,k)进行模数转换后得到其对应的像素数字信号ADCout(i,k)是一数字码，则在所述系统时钟作用下，所述斜坡电压VRamp与所述像素电压Pixout(i,k)相等时对应的时刻的早晚对应于所述像素电压Pixout(i,k)的大小，例如，该对应的时刻可以经过所述系统时钟对应的时间间隔仅需换算得到所述数字码，继续以所述像素电压Pixout(i,k)为2.5V为例，当其与所述斜坡电压VRamp相等时，对应的时刻为起始时间后的1.28ms，将1.28ms按照10μs换算得到的数字码为128，也即二进制10000000。
需要说明的是，所述像素数字信号ADCout(i,k)s可以按照上述方式换算得到，但不限于此，例如还可以采用不同的换算比例，将所述起始时间后的1.28ms换算为其他数字码。由于各个像素电压Pixout(i,k)对应的像素数字信号ADCout(i,k)携带的是一帧图片上的像素信息，因此，只要上述像素数字信号ADCout(i,k)与所述像素电压Pixout(i,k)呈线性关系即可。
在本实施例一变化例中，所述斜坡电压VRamp可以按照线性递减的趋势变化，例如，从5V变化为0V。在具体实施中，可以首先按照上述方式换算得到所述像素电压Pixout(i,k)与斜坡电压VRamp相等时对应的时刻对应的数字码，再将该数字码的补码作为所述像素数字信号ADCout(i,k)。
在本实施例另一变化例中，所述斜坡电压VRamp可以按照线性递增的趋势变化，但未从0V开始变化，例如，从1V变化为6V。在具体实施中，可以首先按照上述方式换算得到所述像素电压Pixout(i,k)与斜坡电压VRamp相等时对应的时刻对应的数字码，再在利用所述像素数字信号ADCout(i,k)进行图像合成算法处理时，将该数字码减掉与1V对应的偏置码。
在本实施例中，所述控制模块30适于控制所述斜坡信号生成电路10针对所述像素阵列40中奇数行和偶数行的像素电压Pixout(i,k)(对应地，k分别取奇数和偶数，后文不再赘述)提供具有不同斜率的斜坡电压VRamp。
进一步而言，由于本实施例方案中，控制所述斜坡信号生成电路10针对所述像素阵列40中奇数行和偶数行的像素电压Pixout(i,k)的斜坡电压VRamp的斜率不同，也即单位时间的电压变化幅度不同，在对所述像素阵列40中奇数行和偶数行相同电压值的像素电压Pixout(i,k)进行模数转换时，会得到不同的像素数字信号ADCout(i,k)。在图像处理时，可以分别根据所述像素阵列40中奇数行和偶数行的像素电压Pixout(i,k)对应的像素数字信号ADCout(i,k)得到不同的子帧图像信息，并利用所述不同的子帧图像信息合成图像信息，以实现宽动态范围成像。由于仅针对所述像素阵列40中奇数行和偶数行的像素电压Pixout(i,k)对应的斜坡电压VRamp的斜率进行控制，因此，仅需针对所述模数转换电路20对所述奇数行和偶数的像素电压Pixout(i,k)的转换在两种不同的控制信号中进行切换即可，在实现图像传感器宽动态范围的同时，大大简化了控制时序的复杂度。
参见图3，在本实施例中，所述斜坡信号生成电路10可以包括斜坡生成器101和增益电路102。
其中，所述斜坡生成器101适于输出初始斜坡电压VRampRaw，所述初始斜坡电压VRampRaw随时间线性变化。所述增益电路102适于按照增益系数(设为G)对所述初始斜坡电压进行放大，以得到所述斜坡电压VRamp，也即所述斜坡电压VRamp等于所述初始斜坡电压VRampRaw与所述增益系数G的乘积。
在本实施例中，所述控制模块30适于控制所述斜坡生成器101针对所述像素阵列40中奇数行和偶数行的像素电压Pixout(i,k)产生斜率不同的初始斜坡电压VRampRaw，且控制所述增益电路102针对所述像素阵列40中奇数行和偶数行的像素电压Pixout(i,k)提供相同的增益系数G，以使得所述斜坡信号生成电路10针对所述像素阵列40中奇数行和偶数行的像素电压Pixout(i,k)提供具有不同斜率的斜坡电压VRamp。
在本实施例一变化例中，所述控制模块30适于控制所述斜坡生成器101针对所述像素阵列40中奇数行和偶数行的像素电压Pixout(i,k)产生斜率相同的初始斜坡电压VRampRaw，且控制所述增益电路102针对所述像素阵列40中奇数行和偶数行的像素电压Pixout(i,k)提供不同的增益系数G，以使得所述斜坡信号生成电路10针对所述像素阵列40中奇数行和偶数行的像素电压Pixout(i,k)提供具有不同斜率的斜坡电压VRamp。
在本实施例另一变化例中，所述控制模块30还可以控制所述斜坡生成器101针对所述像素阵列40中奇数行和偶数行的像素电压Pixout(i,k)产生斜率不同的初始斜坡电压VRampRaw，且控制所述增益电路102针对所述像素阵列40中奇数行和偶数行的像素电压Pixout(i,k)提供不同的增益系数G，以使得所述斜坡信号生成电路10针对所述像素阵列40中奇数行和偶数行的像素电压Pixout(i,k)(下文简称奇数行和偶数行)提供具有不同斜率的斜坡电压VRamp。
在本实施例中，所述初始斜坡电压VRampRaw的变化趋势以及与所述像素电压Pixout(i,k)对应的像素数字信号ADCout(i,k)的获取方式请参见前文对所述斜坡电压VRamp的相关描述，此处不予赘述。
一并参见图3和图4，在具体实施中，所述增益电路102可以包括运算放大电路(图中未标示)。所述运算放大电路可以采用运算放大器(简称运放)和外围电路实现。本领域技术人员理解的是，所述运算放大电路包括有输入支路和反馈支路，所述输入支路接入所述初始斜坡电压VRampRaw；所述运放的其中一个输入端接入参考电压VREF，所述参考电压VREF用于调整所述斜坡电压VRamp的偏置电压；所述增益电路102的增益系数G取决于所述反馈支路和输入支路的阻抗大小。
本实施例中，所述运算放大电路的反馈支路(图中未标示)包括并联的第一子支路(图中未标示)和第二子支路(图中未标示)，所述第一子支路包括串联的第一开关S1和第一阻抗Zfb1，所述第二子支路包括串联的第二开关S2和第二阻抗Zfb2。其中，所述控制模块30通过控制所述第一开关S1和第二开关S2的开关状态来控制所述增益电路102针对所述像素阵列40中奇数行和偶数行的像素电压Pixout(i,k)提供不同的增益系数G。具体地，可以设置所述第一阻抗Zfb1和第二阻抗Zfb2的大小不同，针对所述奇数行和偶数行，对应于第一开关S1和第二开关S2中的一个导通；也可以设置两阻抗大小相同，针对所述奇数行和偶数行，对应于一个导通和两个均导通；还可以采用其他适当的方式进行实现，此处不予赘述。
本领域技术人员理解的是，在具体实施中，所述第一开关S1和第二开关S2可以为MOS管或三极管等半导体开关器件，所述控制模块30可以通过对所述第一开关S1和第二开关S2施加逻辑高电平或逻辑低电平来控制它们的开关状态，但不限于此，两开关也可以是常规的开关元件或封装于芯片的集成开关。
需要说明的是，本文中的“逻辑高电平”和“逻辑低电平”是相对的逻辑电平。其中，“逻辑高电平”指的是可被识别为数字信号“1”的电平范围，“逻辑低电平”指的是可被识别为数字信号“0”的电平范围，其具体电平范围并不做具体限制。
在具体实施中，所述第一阻抗Zfb1和第二阻抗Zfb2可以为任意适当形式的阻抗例如图中示出的电容，或者还可以为电阻，或者还可以是其他电容、电感、电阻的组合，此处不再一一举例。
在具体实施中，还可以通过对所述输入支路的阻抗大小进行调整，或者同事对所述输入支路和反馈支路的阻抗大小进行调整的方式调节所述奇数行和偶数行对应的所述增益电路102的增益系数G。
需要说明的是，所述增益电路102不限于上述运算放大电路，其还可以是由工作于放大状态的无源元件(例如MOS管或三极管等半导体开关器件)和开关进行实现。
还需要说明的是，所述斜坡信号生成电路10不限于上述包括有斜坡生成器101和增益电路102的方案，其还可以仅包括有斜坡生成器101，所述控制模块30针对所述奇数行和偶数行控制所述斜坡生成器101输出所述初始斜坡电压VRampRaw，所述斜坡电压VRamp等于所述初始斜坡电压VRampRaw。
在本实施例中，优选地，所述像素阵列40中奇数行和偶数行的曝光时间相同。也即，所述图像传感器中各个像素电路中的感光元件接受的曝光时间相同。由于在相机中，针对上述曝光时间的控制需要通过控制快门指针(shutter pointer)实现，控制策略复杂，因此，本实施例方案在实现图像传感器宽动态范围的同时，控制时序简洁。
继续参见图3，进一步优选地，本实施例中，所述模数转换电路20的数量等于所述像素阵列40的列数N，各个模数转换电路20并行地根据所述像素阵列40每行中的各个像素电压Pixout(i,k)与所述斜坡电压VRamp相等时对应的时刻分别得到对应于各个像素电压Pixout(i,k)的像素数字信号ADCout(i,k)。
进一步而言，相比于采用像素级ADC，也即针对每个像素电压Pixout(i,k)均采用一个ADC，会影响像素的填充因子，像素阵列40的版图面积增大，以及芯片级ADC，也即所有像素电压Pixout(i,k)共用一个ADC，进行串行模数转换处理会影响模数转换的速度，本实施例中的模数转换电路20的数量等于所述像素阵列40的列数N(也即形成列并行ADC结构)，可以对图像传感器像素的填充因子以及模数转换的处理速度进行兼顾，以得到更佳的图像传感器性能。
作为一个非限制性的例子，本实施例中的所述斜坡电压VRamp可线性递增变化；所述模数转换电路20可以包括比较器201和计数器202。
具体而言，所述比较器201适于对所述像素电压Pixout(i,k)和斜坡电压VRamp进行比较，以得到比较结果(图中未标示)；所述计数器202接入所述比较结果，适于在所述比较结果的逻辑电平翻转(例如从逻辑高电平翻转为逻辑低电平，或反之)时，将其输出的计数值作为对应于所述像素电压Pixout(i,k)的像素数字信号ADCout(i,k)。
由于所述比较结果的逻辑电平翻转意味着所述像素电压Pixout(i,k)和斜坡电压VRamp相等或接近相等，因此，未翻转时，所述像素电压Pixout(i,k)小于所述斜坡电压VRamp，而翻转时，所述像素电压Pixout(i,k)大于等于所述斜坡电压VRamp。由于在相同的系统时钟作用下，所述斜坡电压VRamp线性递增的同时，所述计数器202计数，因此，在所述比较结果的逻辑电平翻转时的计数值能够表征所述像素电压Pixout(i,k)的大小。
上述工作过程可以参见图5。图5示出了针对奇数行和偶数行的不同斜率的斜坡电压VRamp，在图中分别用奇数行VRamp和偶数行VRamp表示；并示出了对相同幅度的奇数行和偶数行的像素电压Pixout(i,k)进行模数转换的处理结果。从图中可以看出，在上述模数转换电路20(参见图3)的作用下，得到的奇数行像素数字信号ADCout(i,k)和偶数行像素数字信号ADCout(i,k)(在图中用奇数行ADCout(i,k)和偶数行ADCout(i,k)表示)不同。
对比而言，图6是现有技术中的一种斜坡电压和像素电压对应的像素数字信号的示意图。现有技术方案也可以采用本实施例方案中的模数转换电路20(参见图3)，从图6中可以看出，在采用相同的斜坡电压VRamp时，在对所述奇数行和偶数行采用不同的曝光时间时，例如，奇数行较长，相同条件下的奇数行和偶数行的像素电压Pixout(i,k)(在图中分别用奇数行VRamp和偶数行VRamp表示)不同，并且可以得到的奇数行像素数字信号ADCout(i,k)和偶数行像素数字信号ADCout(i,k)(在图中用奇数行ADCout(i,k)和偶数行ADCout(i,k)表示)不同。然而，该方案的在控制所述奇数行和偶数行的曝光时间不同时，控制策略复杂。
图7是本发明实施例的又一种图像传感器的输出电路的电路结构示意图。
图7示出的输出电路200与前文所述的输出电路100的结构和工作原理基本一致，其主要区别在于，所述输出电路200还可以进一步包括数字处理模块50。其中，所述数字处理模块50适于分别根据所述像素阵列40中奇数行和偶数行的像素电压Pixout(i,k)对应的像素数字信号ADCout(i,k)得到不同的子帧图像信息，并利用所述不同的子帧图像信息合成图像信息。
本发明实施例还公开了一种图像传感器，该图像传感器可以包括上述图2、图3、图3和4中任一个所示的图像传感器的输出电路100或者图7所示的图像传感器的输出电路200，以及像素阵列40。关于所述像素阵列40的更多信息请参见前文实施例的描述，此处不再赘述。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (7)
1.一种图像传感器的输出电路，其特征在于，包括：
斜坡信号生成电路，适于输出斜坡电压，所述斜坡电压随时间线性变化；
模数转换电路，接入来自像素阵列的像素电压和斜坡电压，适于根据所述像素电压与斜坡电压相等时对应的时刻得到对应于所述像素电压的像素数字信号；
控制模块，适于控制所述斜坡信号生成电路针对所述像素阵列中奇数行和偶数行的像素电压提供具有不同斜率的斜坡电压；
其中，所述斜坡信号生成电路包括：
斜坡生成器，适于输出初始斜坡电压，所述初始斜坡电压随时间线性变化；
增益电路，适于按照增益系数对所述初始斜坡电压进行放大；
其中，所述控制模块适于控制所述斜坡生成器针对所述像素阵列中奇数行和偶数行的像素电压产生斜率相同的初始斜坡电压，且控制所述增益电路针对所述像素阵列中奇数行和偶数行的像素电压提供不同的增益系数，以使得所述斜坡信号生成电路针对所述像素阵列中奇数行和偶数行的像素电压提供具有不同斜率的斜坡电压。
2.根据权利要求1所述的输出电路，其特征在于，所述增益电路包括：
运算放大电路，其反馈支路包括并联的第一子支路和第二子支路，所述第一子支路包括串联的第一开关和第一阻抗，所述第二子支路包括串联的第二开关和第二阻抗；
其中，所述控制模块通过控制所述第一开关和第二开关的开关状态来控制所述增益电路针对所述像素阵列中奇数行和偶数行的像素电压提供不同的增益系数。
3.根据权利要求1所述的输出电路，其特征在于，所述像素阵列中奇数行和偶数行的曝光时间相同。
4.根据权利要求3所述的输出电路，其特征在于，所述模数转换电路的数量等于所述像素阵列的列数，各个模数转换电路并行地根据所述像素阵列每行中的各个像素电压与所述斜坡电压相等时对应的时刻分别得到对应于各个像素电压的像素数字信号。
5.根据权利要求1所述的输出电路，其特征在于，所述斜坡电压线性递增变化；所述模数转换电路包括：
比较器，适于对所述像素电压和斜坡电压进行比较，以得到比较结果；
计数器，接入所述比较结果，适于在所述比较结果的逻辑电平翻转时，将其输出的计数值作为对应于所述像素电压的像素数字信号。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的输出电路，其特征在于，还包括：
数字处理模块，适于分别根据所述像素阵列中奇数行和偶数行的像素电压对应的像素数字信号得到不同的子帧图像信息，并利用所述不同的子帧图像信息合成图像信息。
7.一种图像传感器，其特征在于，包括：
权利要求1至6中任一项所述的图像传感器的输出电路；
像素阵列，包括呈阵列排布的多个像素电路，各个像素电路的输出端输出对应的像素电压。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711062079.0A CN107659762B (zh) | 2017-10-23 | 2017-10-23 | 一种图像传感器及其输出电路 |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710998803.4A CN107613179B (zh) | 2017-10-23 | 2017-10-23 | 一种图像传感器及其输出电路 |
| CN201711062079.0A CN107659762B (zh) | 2017-10-23 | 2017-10-23 | 一种图像传感器及其输出电路 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710998803.4A Division CN107613179B (zh) | 2017-10-23 | 2017-10-23 | 一种图像传感器及其输出电路 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107659762A CN107659762A (zh) | 2018-02-02 |
| CN107659762B true CN107659762B (zh) | 2019-11-22 |
Family
ID=61079523
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201711062079.0A Active CN107659762B (zh) | 2017-10-23 | 2017-10-23 | 一种图像传感器及其输出电路 |
| CN201710998803.4A Active CN107613179B (zh) | 2017-10-23 | 2017-10-23 | 一种图像传感器及其输出电路 |
Family Applications After (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710998803.4A Active CN107613179B (zh) | 2017-10-23 | 2017-10-23 | 一种图像传感器及其输出电路 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (2) | CN107659762B (zh) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102469071B1 (ko) * | 2018-02-06 | 2022-11-23 | 에스케이하이닉스 주식회사 | 비교 장치 및 그에 따른 씨모스 이미지 센서 |
| CN109040608B (zh) * | 2018-08-20 | 2020-07-03 | 昆山晔芯电子科技有限公司 | 一种单帧高动态范围成像方法及系统 |
| CN109886260B (zh) * | 2019-02-27 | 2024-02-02 | 上海千映智能科技有限公司 | 一种智能读码器 |
| CN110710198B (zh) * | 2019-06-20 | 2021-08-13 | 深圳市汇顶科技股份有限公司 | 读出电路、图像传感器和电子设备 |
| CN110390317B (zh) * | 2019-07-30 | 2024-06-25 | 上海思立微电子科技有限公司 | 像素电路、像素阵列以及光学指纹传感器 |
| CN112511772B (zh) * | 2020-10-28 | 2024-06-04 | 深圳奥辰光电科技有限公司 | 一种图像传感器、增强图像传感器线性的方法及深度相机 |
| CN113382175B (zh) * | 2021-06-09 | 2022-12-27 | 上海矽印科技有限公司 | 一种高增益像素设计方法 |
| CN113709333B (zh) * | 2021-07-21 | 2023-07-11 | 维沃移动通信有限公司 | 图像传感器 |
| CN114173070A (zh) * | 2021-11-23 | 2022-03-11 | 深圳锐视智芯科技有限公司 | 一种带数字像素存储的差量图像传感器 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6545624B2 (en) * | 2000-02-11 | 2003-04-08 | Hyundai Electronics Industries Co., Ltd. | Image sensor with analog-to-digital converter that generates a variable slope ramp signal |
| JP4380439B2 (ja) * | 2004-07-16 | 2009-12-09 | ソニー株式会社 | データ処理方法およびデータ処理装置並びに物理量分布検知の半導体装置および電子機器 |
| JP4340296B2 (ja) * | 2007-01-30 | 2009-10-07 | シャープ株式会社 | Ａ／ｄ変換器 |
| US8730081B2 (en) * | 2012-03-19 | 2014-05-20 | Omnivision Technologies, Inc. | Calibration in multiple slope column parallel analog-to-digital conversion for image sensors |
| TWI631854B (zh) * | 2013-08-05 | 2018-08-01 | 日商新力股份有限公司 | Conversion device, imaging device, electronic device, conversion method |
-
2017
- 2017-10-23 CN CN201711062079.0A patent/CN107659762B/zh active Active
- 2017-10-23 CN CN201710998803.4A patent/CN107613179B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107659762A (zh) | 2018-02-02 |
| CN107613179A (zh) | 2018-01-19 |
| CN107613179B (zh) | 2019-11-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107659762B (zh) | 一种图像传感器及其输出电路 | |
| US7616242B2 (en) | Linear-logarithmic pixel sensors and gain control circuits therefor | |
| Furuta et al. | A high-speed, high-sensitivity digital CMOS image sensor with a global shutter and 12-bit column-parallel cyclic A/D converters | |
| US8089035B2 (en) | CMOS image sensor with high sensitivity wide dynamic range pixel for high resolution applications | |
| US7616146B2 (en) | A/D conversion circuit, control method thereof, solid-state imaging device, and imaging apparatus | |
| US8456557B2 (en) | Dynamic range extension for CMOS image sensors for mobile applications | |
| WO2017141727A1 (ja) | 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、及び、電子機器 | |
| CN109819184A (zh) | 图像传感器及减少图像传感器固定图像噪声的方法 | |
| CN111510651B (zh) | 一种图像传感电路、图像传感器及终端设备 | |
| US11272126B2 (en) | Wide dynamic range image sensor with global shutter | |
| KR20100129300A (ko) | 높은 동적 범위 이미지 센서 센서티브 어레이 시스템 및 방법 | |
| Bandyopadhyay et al. | Matia: a programmable 80/spl mu/w/frame cmos block matrix transform imager architecture | |
| CN111787250B (zh) | 比较器电路、图像感测装置及方法 | |
| CN103384313B (zh) | Cmos有源像素图像传感器及其校准方法 | |
| CN106165401A (zh) | 成像元件、增益控制方法、程序和电子设备 | |
| Xu et al. | A global shutter high speed TDI CMOS image sensor with pipelined charge transfer pixel | |
| CN109040608A (zh) | 一种单帧高动态范围成像方法及系统 | |
| Yamada et al. | A 140dB-dynamic-range MOS image sensor with in-pixel multiple-exposure synthesis | |
| Bermak et al. | A DPS array with programmable resolution and reconfigurable conversion time | |
| US20040174754A1 (en) | Precise CMOS imager transfer function control for expanded dynamic range imaging using variable-height multiple reset pulses | |
| JP2000022118A (ja) | 撮像装置 | |
| CN111935427B (zh) | Cmos图像传感器、像素单元及其控制方法 | |
| CN107846559B (zh) | 一种高动态范围的图像传感器结构及其驱动方法 | |
| CN115278100B (zh) | 一种像素单元电路、信号采集装置和信号采集方法 | |
| CN216057243U (zh) | 像素电路及cmos图像传感器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20221222 Address after: 223001 Room 318, Building 6, east of Zhenda Steel Pipe Company, south of Qianjiang Road, Huaiyin District, Huai'an City, Jiangsu Province Patentee after: Huaian Xide Industrial Design Co.,Ltd. Address before: No. 599, East Changjiang Road, Huaiyin District, Huai'an City, Jiangsu Province Patentee before: HUAIAN IMAGING DEVICE MANUFACTURER Corp. |
|
| TR01 | Transfer of patent right |