CN109618114B - 一种适用于图像传感器的太阳黑子校正结构 - Google Patents

Abstract

一种适用于图像传感器的太阳黑子校正结构，适宜集成在芯片中，其在已有的图像传感器读出电路基础上增加了一个位数较少的辅助计数器COUNTER_S，该辅助计数器单元COUNTER_S，其输入端接所述比较器单元COUNTER的输出端VCOMP，其输出端CTRL_BS接到主计数器单元COUNTER中；其中，辅助计数器单元COUNTER_S包括太阳黑子阈值产生单元、阈值比较单元和计数器；输出端CTRL_BS将计数结果输入到主计数器单元COUNTER中用以控制其最终数据输出是否为全满幅，从而达到消除太阳黑子现象的目的。本发明提出的太阳黑子校正结构节省功耗和面积，且检测精度更高。

Description

一种适用于图像传感器的太阳黑子校正结构

技术领域

本发明涉及集成电路技术应用领域，尤其涉及一种适用于图像传感器的太阳黑子校正结构。

背景技术

太阳黑子现象是呈现在CMOS图像传感器芯片输出图片上的一种常见现象，其具体表现为：当输入CMOS图像传感器芯片的光强和曝光时间增大且不断增大到一定程度后，CMOS图像传感器芯片的图像输出值反而比光强小时更小，形成的图像效果最后变为实际景物本来很亮的部分在CMOS图像传感器芯片输出的图片上反而变黑，此现象类似太阳黑子现象，因而，在图像传感器中通常也称之为太阳黑子现象。

请参阅图1和图2，图1所示为现有技术中的一个常见的4T pixel结构图示意图；图2为图1中4T pixel结构所形成的太阳黑子现象示意图。如图 1所示，在CMOS图像传感器中产生此现象的原因是，当其在光强较强环境中曝光时间较长时，像素感光区域PD积累电荷过多，以至于从传输管TX 管溢出到像元FD点，导致FD点复位(Reset)后电压下降，即像元第一次输出端PIXEL_VOUT的电压信号降低，从而导致像元两次输出的电压差ΔV减小，读出电路转换出来的值也相应减小(如图2所示)。

上述CMOS图像传感器的太阳黑子现象是一种失真，是不希望看到的现象。因而，在CMOS图像传感器芯片设计时通常需要采取措施消除太阳黑子现象。其解决思路一般有两种：一种是在像元pixel结构内部，通过增加额外的电荷泄放通路，使感光区域PD积累的过多电荷可以从泄放通路泄放掉；另一种是在像元pixel结构阵列外围的读出电路中增加电路，例如，可以增加上拉电路，当像元第一次输出的电压信号过低时将电压钳位住，也可以增加检测电路，检测像元第一次输出的电压信号过低时即判断为出现太阳黑子，读出电路输出饱和信号。

本领域技术人员清楚，第一种方法即在像元pixel结构内部解决太阳黑子问题通常需要增加额外的管子，占用了宝贵的像元面积，也对像元工艺上提出了更高的要求。第二种方法即在读出电路中增加电路的方法没有上述问题，也就是说，采用在读出电路中增加电路以消除太阳黑子现象是目前 CMOS图像传感器芯片设计中常用的方法。

请参阅3和图4，图3所示一种采用在读出电路中增加电路(现有技术) 来形成太阳黑子消除结构1的示意图；图4为图3所示的太阳黑子消除结构 1的工作时序原理示意图。

如图3所示，该包括在读出电路中的太阳黑子消除结构1，其在像元4T pixel结构输出端PIXEL_VOUT增加了两个CMOS管，该两个CMOS管的栅极分别连接控制信号PIX_BS和参考电压VREF_BS。上述结构的工作原理如图4所示，在读出像元4T pixel结构第一次输出的电压信号时，PIX_BS 变为高电平，控制其所连接的CMOS管导通，VREF_BS接合适的参考电压，当太阳黑子出现时，像元4T pixel结构第一次输出的电压信号会降低，而 VREF_BS会通过新增的两个CMOS管将过低的像元4T pixel结构第一次输出电压信号拉上去，避免其过低，从而达到消除太阳黑子的目的。

然而，上述该方法在列级读出电路中增加了两个CMOS管，且还需要增加一个参考电压VREF_BS产生和驱动电路，因而其增加的总的面积和功耗都不小。并且，每列中增加的管子会存在一定的失配，导致每列上拉的程度会有差异，从而容易在图像上引入列条纹。

请参阅图5和图6，图5所示为一种采用在读出电路中增加电路(现有技术)来形成太阳黑子消除结构2的示意图；图6为图5所示的太阳黑子消除结构2的工作原理示意图。

如图5所示，该包括在读出电路中的太阳黑子消除结构2，其在传统的比较器COMP加计数器COUNTER的读出结构中增加了一个比较器。该比较器输入端一端接像元4T pixel结构输出端PIXEL_VOUT，另一输入端接参考电压VREF_BS，其输出端与计数器相连。其工作原理如图6所示，在读出像元4T pixel结构第一次输出的电压信号时，主通路正常转换第一次的电压信号，而新增的比较器将4T pixel输出电压与参考电压VREF_BS作比较，如果像元4T pixel结构第一次输出端PIXEL_VOUT电压低于VREF_BS，比较器不翻转，判断为没有出现太阳黑子，主通路进行正常模数转换；如果像元4T pixel结构第一次输出端PIXEL_VOUT电压高于VREF_BS，新增的比较器翻转，判断为出现太阳黑子，比较器输出控制计数器输出满幅，从而达到消除太阳黑子的目的。

然而，该种方法由于在每列读出电路中都增加了一个比较器，且需要新增一个参考电压VREF_BS产生和驱动电路，因而会占用很大的功耗和面积，且由于每列的比较器存在偏差，导致每列判断出现太阳黑子的阈值会有一些差异，在信号较大时容易在图像上出现列条纹。

综上所述，上述两个现有读出电路中的太阳黑子结构存在功耗、面积占用多，容易引入列条纹等问题。因此，如何提升太阳黑子校正精度、并减小电路占用的功耗和面积，是目前业界急需解决的问题，其对现在的CMOS 图像传感器有非常实际的应用，能够显著提升芯片的性能和竞争力。

发明内容

针对上述现有技术存在的技术缺陷，本专利提供一种适用于图像传感器的太阳黑子校正结构。为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

该适用于图像传感器的太阳黑子校正结构，所述图像传感器包括像元 pixel内部结构模块和读出电路结构模块，其中，读出电路结构模块为列级单积分型ADC结构模块；且所述列级单积分型ADC结构模块包括比较器单元 COMP和主计数器单元COUNTER，该校正结构包括：

辅助计数器单元COUNTER_S，其输入端接所述比较器单元COUNTER 的输出端VCOMP，其输出端CTRL_BS接到主计数器单元COUNTER中；其中，所述辅助计数器单元COUNTER_S包括太阳黑子阈值产生单元、阈值比较单元和计数器；

其中，在所述像元pixel内部结构模块的行选RS、复位RX和传输控制信号TX的时序配合控制下，对所述像元pixel内部结构模块进行三次采样像元4T pixel结构的信号读出；所述辅助计数器单元COUNTER_S通过第一和第二次采样和转换形成相关双采样，以得到所述辅助计数器单元 COUNTER_S计数值，如果该计数值未超过设定的太阳黑子阈值，主计数器单元COUNTER的输出为其正常转换得到的数值，如果该计数值超过设定的太阳黑子阈值，所述输出端CTRL_BS将计数结果输入到主计数器单元 COUNTER中用以通过逻辑控制其最终数据输出为满幅。

进一步地，所述像元pixel内部结构模块的行选RS、复位RX和传输控制信号TX的时序配合控制如下：

第一次采样1st Sample，RS、RX信号均为高，所述比较器单元COMP 和辅助计数器COUNTER_S工作；

第二次采样2nd Sample，RX信号变为低，所述比较器单元COMP、辅助计数器COUNTER_S和主计数器单元COUNTER都工作，所述辅助计数器COUNTER_S中计数得到的数值最终代表了所述像元pixel内部结构模块的输出电压V1到V2的电压下降幅度ΔV_bs；其中，ΔV_bs与所述辅助计数器单元COUNTER_S计数值正相关；

第三次采样3rd Sample：TX变为高，再变为低，所述比较器单元COMP 和主计数器单元COUNTER工作，所述辅助计数器COUNTER_S不工作，最终主计数器中的数值代表了所述像元pixel内部结构模块的输出电压V2到 V3的电压下降幅度ΔV_eff。

进一步地，所述的像元pixel结构模块为像元4T pixel结构模块、像元 6T pixel结构模块、像元8T pixel结构模块或像元10T pixel结构模块。

进一步地，所述辅助计数器COUNTER_S的计数位数小于所述主计数器单元COUNTER的计数位数。

进一步地，所述辅助计数器COUNTER_S的计数位数与所述像元pixel 内部结构模块的需要达到的太阳黑子检测精度成正比。

进一步地，所述辅助计数器单元COUNTER_S在CMOS图像传感器中由逻辑器件实现。

从上述技术方案可以看出，本发明提出的校正结构配合提出的工作时序，只增加了一个辅助计数器单元COUNTER_S，且该辅助计数器单元 COUNTER_S的位数可根据需要满足的太阳黑子检测精度决定，通常其位数远远少于主计数器单元COUNTER。

并且，由于通常计数器在CMOS图像传感器中由逻辑器件实现，其面积较小，且几乎不消耗静态功耗，而由于其只工作很短的一部分时间，因而动态功耗也很小，通常远小于比较器的功耗。

此外，由于辅助计数器单元COUNTER_S的两次采样V1和V2实现了相关双采样，可以较精确地检测到V1到V2的电压下降幅度ΔV_bs，而此电压下降幅度主要由太阳黑子现象贡献，因而本发明避免了传统检测太阳黑子结构不够精确，容易导致图像出现列条纹的问题。可见，本发明提出的结构和工作时序可以较精确的检测并校正太阳黑子，并且消耗较小的功耗和面积。

附图说明

图1所示为现有技术中的一个4T pixel结构图示意图

图2为图1中4T pixel结构所形成的太阳黑子现象示意图

图3所示一种采用在读出电路中增加电路(现有技术)来形成太阳黑子消除结构1的示意图

图4为图3所示的太阳黑子消除结构1的工作时序原理示意图

图5所示为一种采用在读出电路中增加电路(现有技术)来形成太阳黑子消除结构2的示意图

图6为图5所示的太阳黑子消除结构2的工作时序原理示意图

图7所示为本发明太阳黑子校正结构一较佳实施例的示意图

图8为图7所示的本发明太阳黑子校正结构的工作时序原理示意图

具体实施方式

下面结合附图7和图8，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。

请参阅图7和图8，图7所示为本发明太阳黑子校正结构一较佳实施例的示意图；图8为图7所示的本发明太阳黑子校正结构的工作时序原理示意图。需要说明的是，本发明所适用的不仅仅是像元4T pixel结构，其可以适用于6T pixel结构、8T pixel结构和10Tpixel结构等所有的像元pixel结构。下面仅以像元4T pixel结构为例，对本发明所涉及的像元pixel结构进行详细说明，其它适用于本发明的像元pixel结构，在此不再一一赘述。

如图7所示，该图像传感器包括像元pixel内部结构模块和读出电路结构模块，该读出电路结构模块为列级单积分型ADC结构，该列级单积分型 ADC结构包括比较器单元COMP和主计数器单元COUNTER。

在本发明的实施例中，适用于图像传感器的太阳黑子校正结构单元包括一个位数较少的辅助计数器单元COUNTER_S，该辅助计数器单元 COUNTER_S的输入端接比较器单元COUNTER的输出端VCOMP，其输出端CTRL_BS接到主计数器单元COUNTER中，即输出端CTRL_BS输入到主计数器单元COUNTER中用以控制其最终数据输出是否为全满幅，即有效位为全1。

具体地，当未出现太阳黑子时，该辅助计数器单元COUNTER_S的计数较少，未达到设定的太阳黑子阈值，该辅助计数器的输出端CTRL_BS输出一直为低，主计数器单元COUNTER的输出为其正常转换得到的数值。当出现太阳黑子时，该辅助计数器单元COUNTER_S的计数达到设定的太阳黑子阈值，辅助计数器单元的输出端CTRL_BS输出一直变为高，通过一定的逻辑控制主计数器单元COUNTER的输出为满幅，即有效位为全1。

请参阅图8，图8为图7所示的本发明太阳黑子校正结构的工作时序原理示意图。其中，RS、RX、TX分别为图7所示的像元4T pixel结构的行选、复位、传输控制信号。比较器单元COMP的输出端VRAMP为列级单积分型 ADC结构的参考电压，即比较器单元COMP的一个输入端的输入信号， PIXEL_VOUT为像元4T pixel结构的输出端，即比较器单元COMP的一个输入端。

在像元pixel内部结构模块的行选RS、复位RX和传输控制信号TX的时序配合控制下，对pixel像元的输出信号进行三次采样读出；辅助计数器单元COUNTER_S通过第一和第二次采样和转换形成相关双采样，以得到所述辅助计数器单元COUNTER_S计数值，如果该计数值未超过设定的太阳黑子阈值，主计数器单元COUNTER的输出为其正常转换得到的数值，如果该计数值超过设定的太阳黑子阈值，通过逻辑控制主计数器单元 COUNTER的输出为满幅。

不同于传统的读两次像元4T pixel结构输出信号的方式，本发明提出的结构需要作三次像元pixel的信号读出(三次采样)。像元pixel内部结构模块的行选RS、复位RX和传输控制信号TX的时序配合控制如下：第一次采样1st Sample，RS、RX信号均为高，所述比较器单元COMP和辅助计数器COUNTER_S工作；第二次采样2nd Sample，RX信号变为低，所述比较器单元COMP、辅助计数器COUNTER_S和主计数器单元COUNTER都工作，所述辅助计数器COUNTER_S中计数得到的数值最终代表了所述像元pixel内部结构模块的输出电压V1到V2的电压下降幅度ΔV_bs；其中，ΔV_bs与所述辅助计数器单元COUNTER_S计数值正相关；第三次采样3rd Sample：TX变为高，再变为低，所述比较器单元COMP和主计数器单元 COUNTER工作，所述辅助计数器COUNTER_S不工作，最终主计数器中的数值代表了所述像元pixel内部结构模块的输出电压V2到V3的电压下降幅度ΔV_eff。

具体地，如图8所示，在第一次采样1st Sample处，像元4T pixel结构的RS、RX信号均为高，即像元4T pixel结构的FD处于复位状态，像元 4T pixel结构此时输出的电压V1跟FD点积累的电荷量无关。

在第一次像元4T pixel结构信号读出过程中，比较器单元COMP和辅助计数器单元COUNTER_S工作。之后的第二次像元4T pixel结构信号读出过程中，像元4T pixel结构的RX信号变为低，其输出电压由于控制信号的耦合和可能的太阳黑子现象会降低至V2，此时，比较器单元COMP和辅助计数器单元COUNTER_S工作，辅助计数器COUNTER_S中计数得到的数值最终代表了V1到V2的电压下降幅度ΔV_bs。在此之后的第三次像元4T pixel结构信号读出过程中，TX变为高，再变为低，像元4T pixel结构中PD 点的电荷传输到FD点，输出的电压信号进一步下降至V3，此过程中比较器单元COMP和主计数器单元COUNTER工作，辅助计数器单元 COUNTER_S不工作，最终主计数器单元COUNTER中的数值代表了V2 到V3的电压下降幅度ΔV_eff。

相比于传统结构只有第二和第三次采样，即图8中的第二次采样2nd Sample和第三次采样3rd Sample，本发明增加的第一次采样过程中辅助计数器单元COUNTER_S工作，而主计数器单元COUNTER不工作，辅助计数器单元COUNTER_S的第一和二次采样和转换形成相关双采样，可以较精确地得到ΔV_bs代表的数值。

当出现太阳黑子时，V2电压下降较多，ΔV_bs较大，辅助计数器单元 COUNTER_S转换得到的数值也越大，通过判断此数值是否超过太阳黑子的判定阈值，输出CTRL_BS信号主计数器单元COUNTER，若辅助计数器单元COUNTER_S中的数值大于太阳黑子的判定阈值，则CTRL_BS由低变为高，控制主计数器单元COUNTER最终输出为满幅；若未出现太阳黑子，则V2电压相较于V1电压下降较少，ΔV_bs较小，辅助计数器单元 COUNTER_S中的数值未超过太阳黑子的判定阈值，则判断此时没有出现太阳黑子，CTRL_BS一直为低，主计数器单元COUNTER输出其正常转换得到的数值，即代表V2到V3电压下降幅度的ΔV_eff。图8中t0到t2时间为辅助计数器单元COUNTER_S工作时间，t1到t3为主计数器单元 COUNTER的工作时间。

根据以上所述，本发明提出的结构配合提出的工作时序，只增加了一个辅助计数器单元COUNTER_S，且该辅助计数器单元COUNTER_S的位数可根据需要满足的太阳黑子检测精度决定，通常其位数远远少于主计数器单元COUNTER。由于通常计数器在CMOS图像传感器中由逻辑器件实现，其面积较小，且几乎不消耗静态功耗，而由于其只工作很短的一部分时间，因而动态功耗也很小，通常远小于比较器的功耗。

此外，由于辅助计数器单元COUNTER_S对像元4T pixel结构的两次采样V1和V2实现了相关双采样，可以较精确地检测到V1到V2的电压下降幅度ΔV_bs，而此电压下降幅度主要由太阳黑子现象贡献，因而，本发明避免了传统检测太阳黑子结构不够精确，容易导致图像出现列条纹的问题。可见，本发明提出的太阳黑子校正结构和工作时序可以较精确的检测并校正太阳黑子，并且消耗较小的功耗和面积。

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。

Claims (5)

1.一种适用于图像传感器的太阳黑子校正结构，所述图像传感器包括像元pixel内部结构模块和读出电路结构模块，其中，读出电路结构模块为列级单积分型ADC结构模块；且所述列级单积分型ADC结构模块包括比较器单元COMP和主计数器单元COUNTER；其特征在于，包括：

辅助计数器单元COUNTER_S，其输入端接所述比较器单元COUNTER的输出端VCOMP，其输出端CTRL_BS接到主计数器单元COUNTER中；其中，所述辅助计数器单元COUNTER_S包括太阳黑子阈值产生单元、阈值比较单元和计数器；

其中，在所述像元pixel内部结构模块的行选RS、复位RX和传输控制信号TX的时序配合控制下，对所述像元pixel内部结构模块进行三次采样像元4T pixel结构的信号读出；所述辅助计数器单元COUNTER_S通过第一和第二次采样和转换形成相关双采样，以得到所述辅助计数器单元COUNTER_S计数值，如果该计数值未超过设定的太阳黑子阈值，主计数器单元COUNTER的输出为其正常转换得到的数值，如果该计数值超过设定的太阳黑子阈值，所述输出端CTRL_BS将计数结果输入到主计数器单元COUNTER中用以通过逻辑控制其最终数据输出为满幅；

其中，所述像元pixel内部结构模块的行选RS、复位RX和传输控制信号TX的时序配合控制如下：

第一次采样1st Sample，RS、RX信号均为高，所述比较器单元COMP和辅助计数器COUNTER_S工作；

第二次采样2nd Sample，RX信号变为低，所述比较器单元COMP、辅助计数器COUNTER_S和主计数器单元COUNTER都工作，所述辅助计数器COUNTER_S中计数得到的数值最终代表了所述像元pixel内部结构模块的输出电压V1到V2的电压下降幅度ΔV_bs；其中，ΔV_bs与所述辅助计数器单元COUNTER_S计数值正相关；

第三次采样3rd Sample：TX变为高，再变为低，所述比较器单元COMP和主计数器单元COUNTER工作，所述辅助计数器COUNTER_S不工作，最终主计数器中的数值代表了所述像元pixel内部结构模块的输出电压V2到V3的电压下降幅度ΔV_eff。

2.根据权利要求1所述的适用于图像传感器的太阳黑子校正结构，其特征在于，所述的像元pixel结构模块为像元4T pixel结构模块、像元6T pixel结构模块、像元8T pixel结构模块或像元10T pixel结构模块。

3.根据权利要求1所述的适用于图像传感器的太阳黑子校正结构，其特征在于，所述辅助计数器COUNTER_S的计数位数小于所述主计数器单元COUNTER的计数位数。

4.根据权利要求1所述的适用于图像传感器的太阳黑子校正结构，其特征在于，所述辅助计数器COUNTER_S的计数位数与所述像元pixel内部结构模块需要达到的太阳黑子检测精度成正比。

5.根据权利要求1所述的适用于图像传感器的太阳黑子校正结构，其特征在于，所述辅助计数器单元COUNTER_S在CMOS图像传感器中由逻辑器件实现。

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