CN109698916A - 一种应用于图像传感器的像素矩阵电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及图像传感器，尤其涉及一种应用于图像传感器的像素矩阵电路,包括像素矩阵电路包括J×K的像素矩阵M，共I个像素单元，第j行第k列的像素单元Mjk有第1～N个对外输出端，每个对外输出端均与第j‑1行第k列的像素单元M(j‑1)k和第j+1行第k列的像素单元M(j+1)k连接；在第k列中，第1～J行的第n个对外输出端合并连接的节点为像素矩阵第k列的第n个对外输出端；本发明实现像素单元输出端的电压信号、像素单元所属列上、下输出端的电压信号三者的一致，消除因其不一致产生的固定模式噪声；读出电路的多配置设计和/或冗余设计提供了较大的便利；提供两种适用的像素单元电路结构，便于根据实际情况选择部署。

Description

一种应用于图像传感器的像素矩阵电路
技术领域
本发明涉及图像传感器，尤其涉及一种应用于图像传感器的像素矩阵电路。
背景技术
在图像传感器领域中，高动态范围(High-Dynamic Range，HDR)技术可有效提高输出图像信号的动态范围，现已获得广泛应用。其中一种实现HDR的方法为：对于同一图像采集对象，图像传感器输出两份或以上具备不同增益的图像信号，再于传感器内部或外部，通过一定方法将该两份图像合成为单一新图像，得到的新图像拥有更高的信号动态范围。通常，具备高低增益的图像信号可于不同帧或同帧不同行分别输出，亦可在生成一帧信号的同时生成该帧不同增益的输出；前两种输出方法会损失输出速度或图像精度，而若需保证速度和精度，后一种输出方法是相较更好的选择。
一种同时输出一帧图像信号的高低增益信号的办法为：在像素矩阵列方向的上方和下方均布置读出电路，像素矩阵产生的图像信号同时从上方和下方的读出电路读出；根据上下方读出电路内部的配置，最终在读出电路的输出端得到至少两套增益不同的图像信号。
对于需要在像素矩阵列级方向一端或两端输出信号至输入端无电流出入的读出电路，并且需要在该一端或两端配置恒定电流源以提供偏置的像素种类而言(例如各种CMOS像素)，由于列级方向像素信号读出导线上具有数量可观的寄生电阻，当该导线上因有像素单元输出信号而有电流流过时，导线上会产生较为可观的电压压降(即IR-drop效应)，像素单元输出端的电压信号、矩阵该列上、下输出端的电压信号三者会不一致。该输出信号的不一致现象为图像信号引入固定模式噪声，最终影响HDR合成图像的质量。
为消除该IR-drop效应带来的影响，已有下述方法：对于在像素矩阵列级方向的上方或下方其中一方布置读出电路的图像传感器而言，若在列级下方布置读出电路，则可在列级上方布置像素电流偏置，反之亦然；当像素单元输出信号时，电流仅在像素电流偏置与像素单元输出的连接导线上产生，而不会在像素单元输出与读出电路输入的连接导线上产生，故像素单元输出端的电压信号与读出电路输入端的电压信号可保持一致，而不受IR-drop效应的影响。上述方法在像素矩阵单边输出的图像传感器中应用广泛，但由于在像素电流偏置与像素单元输出的连接导线上仍有IR-drop效应，故若在像素电流偏置一端布置读出电路(即上文所述布置上、下方读出电路之情形)，像素单元输出端的电压信号、矩阵该列上、下输出端的电压信号三者仍然会不一致，从而引入固定模式噪声，最终影响HDR合成图像的质量。
本发明提出一种应用于图像传感器的像素矩阵电路，可以解决像素矩阵中像素单元输出端的电压信号、像素单元所属列上、下输出端的电压信号三者不一致之现象。
发明内容
本发明提供一种应用于图像传感器的像素矩阵电路，如图1，像素矩阵电路包括J×K的像素矩阵M，共I个像素单元，第j行第k列的像素单元Mjk有第1～N个对外输出端，每个对外输出端均与第j-1行第k列的像素单元M(j-1)k和第j+1行第k列的像素单元M(j+1)k连接；在第k列中，第1～J行的第n个对外输出端合并连接的节点为像素矩阵第k列的第n个对外输出端；其中1≤j≤J，1≤k≤K，2≤n≤N。
作为一种可选的实施方式，如图2，所述像素单元包括核心像素电路和N个开关装置，核心像素电路的输出端与第1个开关装置的输入端连接，第n个开关装置的输出端与第n-1个开关装置的输入端连接，第n个开关装置的输出端与第n+1个开关装置的输入端连接；第1个开关装置与第2个开关装置的连接点为第1对外输出端，第n个开关装置与第n+1个开关装置的连接点为第n对外输出端。
进一步的，采用开关控制线网103来控制开关的额断开或者闭合，开关控制线网103包括使用单一控制线同时控制N个开关装置闭合和断开；或者使用多个控制线网控制任意一个或多个开关装置的闭合或断开。
进一步的，当第1～z个开关装置闭合、第z+1个开关断开时，则第1～z个开关装置的输出端均输出信号；第z+2～N个开关装置要视像素矩阵读出电路和/或像素核心电路的使用方法而定，无论开闭，这些开关对应的输出端均不会输出来自像素核心电路的信号。
作为另一种可选的实施方式，如图3，所述像素单元包括核心像素电路和N个开关装置，核心像素电路的输出端与第1个开关装置的输入端连接，第2～N个开关装置的输入端均与第一开关的输入端连接，第1～N个开关装置的输出端分别为第1～N个对外输出端；当第1个开关装置或第n个开关装置中的任意开关装置闭合时，闭合的开关装置的对外输出端输出信号，断开的开关装置的对外输出端没有信号输出。
进一步的，采用开关控制线网103来控制开关的额断开或者闭合，开关控制线网103包括使用单一控制线同时控制N个开关装置闭合和断开；或者使用多个控制线网控制任意一个或多个开关装置的闭合或断开。
进一步的，当核心像素电路输出端输出信号时，若第1个开关装置或第n个开关装置任一闭合时，该开关装置的对外输出端输出该信号。
优选的，像素矩阵每一防设置有控制线网组，每行上的控制线网组包括一个或多个控制线网，用于控制该行上一个或者多个开关装置。
优选的，当任意一列的任一对外输出端因该行控制线网组作用输出信号时，该列中其余连接该对外输出端的开关装置均保持断开状态，避免各行像素单元输出数据相互干扰。
本发明的有益技术效果为：
1.该像素矩阵中每列存在多个输出端，根据这些输出端连接像素矩阵外电流源偏置的具体情况，每列各个输出端线网对应的实体导线之IR-drop效应可不至于影响导线全体，最终可实现像素单元输出端的电压信号、像素单元所属列上、下输出端的电压信号三者的一致，消除因其不一致而产生的固定模式噪声；
2.可在行方向上通过配置控制线网(组)同时或分别控制像素单元内对应第一至第n开关，便于配合核心像素电路和/或读出电路的使用方法；
3.该像素矩阵中每列的多个输出端为其接入的读出电路的多配置设计和/或冗余设计提供了较大的便利；
4.提供两种适用的像素单元电路结构，便于根据实际情况选择部署。
附图说明
图1像素矩阵结构示意图；
图2为本发明像素单元电路I结构示意图；
图3为本发明像素单元电路II结构示意图；
图4为本发明实施例I的其中一列中相邻两行的输出端示意图
图5为本发明实施例II的其中一列中相邻两行的输出端示意图；
其中，101、像素单元，102、对外输出端，103、开关控制线网，201、核心像素电路，202、开关装置，401、第j行上的第1个开关装置，402、第j行上的第2个开关装置，403、第j+1行上的第1个开关装置，404、第j+1行上的第1个开关装置，405、第二负载，406、第二偏置电流源，407、第一偏置电流源，408、第一负载，409、第j行上的第1个对外输出端，410、第j行上的第2个对外输出端，411、第j+1行上的第1个对外输出端，412、第j+1行上的第2个对外输出端；505、第三负载，506、第四偏置电流源，507、第三偏置电流源，508、第四负载。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种应用于图像传感器的像素矩阵电路，如图1，像素矩阵电路包括J×K的像素矩阵M，共I个像素单元，第j行第k列的像素单元Mjk有第1～N个对外输出端，每个对外输出端均与第j-1行第k列的像素单元M(j-1)k和第j+1行第k列的像素单元M(j+1)k连接；在第k列中，第1～J行的第n个对外输出端合并连接的节点为像素矩阵第k列的第n个对外输出端；其中1≤j≤J，1≤k≤K，2≤n≤N。
实施例1
该实施例如图4所示，为便于说明，图中仅有像素矩阵中任一列像素中的其中两行像素单元，且该两像素单元可在行方向上相邻或不相邻；像素单元包括核心像素电路和N个开关装置，核心像素电路的输出端与第1个开关装置的输入端连接，第n个开关装置的输出端与第n-1个开关装置的输入端连接，第n个开关装置的输出端与第n+1个开关装置的输入端连接；第1个开关装置与第2个开关装置的连接点为第1对外输出端，第n个开关装置与第n+1个开关装置的连接点为第n对外输出端。
本实施例为了方便说明，每个像素单元内除核心像素电路201内部装置外分别与两个开关装置，即N＝2，图4中第j行上的第1个开关装置401、第2个开关装置402，第j+1行上的第1个开关装置403、第2个开关装置404。第j行上的第1个对外输出端409上方接第一偏置电流源407，第j行上的第2个对外输出端410上方接第一负载408，此处为电容负载；第j+1行上的第1个对外输出端411下方接第二负载405，此处为电容负载，第j+1行上的第2个对外输出端412接第二偏置电流源406；
若列级第1、第2对外输出端对应导线有电流流动，则第1对外输出端对应导线中电流应往像素矩阵上方流动，第2对外输出端对应导线中电流应往像素矩阵下方流动；所有第1、第2开关装置均需通过行方向上的控制线网组进行控制，图中未画出，而对应开关的控制方法包括：
当第j行的核心像素电路201生成信号时，通过行方向的控制线网组，断开第j+1行上的第1个开关装置403、第2个开关装置404以及其他像素类似开关，闭合第j行上的第1个开关装置401，此时第j行上的第1个开关装置401与第一偏置电流源407之间产生电流；由于两者之间的寄生电阻rp，产生IR-drop效应，则第j行上的第1个开关装置401输出端与第二负载405输入端的电压不同；而此时第j行上的第1个开关装置401与第二负载405之间无电流流过，则第j行上的第1个开关装置401输出端与第二负载405输入端的电压相同；
闭合开关第j行上的第2个开关装置402，此时第j行上的第2个开关装置402与第二偏置电流源406之间产生电流；由于两者之间的寄生电阻，产生IR-drop效应，则第j行上的第2个开关装置402输出端与第二偏置电流源406输入端的电压不同；而此时第j行上的第2个开关装置402与第一负载408之间无电流流过，则第j行上的第2个开关装置402输出端与第一负载408输入端的电压相同；
若第j+1行上的第1个开关装置403、第2个开关装置404与其他像素类似开关均断开，第j行上的第1个开关装置401、第j行上的第2个开关装置402均闭合，则此时有核心像素电路201输出端、408输入端与405输入端三者的电压信号一致，从而克服IR-drop效应而实现像素矩阵中像素单元输出端的电压信号、像素单元所属列上、下输出端的电压信号三者的一致。
同理，当核心像素电路核心像素电路201生成信号时，断开第j行的第1个开关装置401、第2个开关装置402及其他像素类似开关，闭合第j+1行的第1个开关装置403、第j+1行的第2个开关装置404，可实现第j+1行的核心像素电路201输出端、第一负载408输入端与第二负载405输入端三者的电压信号一致，从而克服IR-drop效应，实现像素矩阵中像素单元输出端的电压信号、像素单元所属列上、下输出端的电压信号三者的一致。
在该实施例中，像素矩阵中所有列均使用类似结构，可完全去除因像素单元输出端的电压信号、像素单元所属列上、下输出端的电压信号三者不一致对图像整体引入的固定模式噪声；各行像素的第1、第2开关可同时控制亦可通过配置控制线网(组)分开控制，以配合核心像素电路和/或读出电路的使用方法；可添加发明内容中所述第3个、第4个等任意数量开关，提供多个输出，为读出电路的多配置设计和/或冗余设计提供每列同信号多路输入的便利。
实施例2
该实施例如图5所示。为便于说明，图中仅有像素矩阵中任一列像素中的其中两行像素单元，且该两像素单元可在行方向上相邻或不相邻；像素单元包括核心像素电路和N个开关装置，核心像素电路的输出端与第1个开关装置的输入端连接，第2～N个开关装置的输入端均与第一开关的输入端连接，第1～N个开关装置的输出端分别为第1～N个对外输出端；当第1个开关装置或第n个开关装置中的任意开关装置闭合时，闭合的开关装置的对外输出端输出信号，断开的开关装置的对外输出端没有信号输出。
本实施例为了方便说明，仅如图5展示某一列中的第j行和第j+1行的连接情况，每个像素单元内除核心像素电路201内部装置外分别与两个开关装置，即N＝2，尚有第j行的第1个开关装置401、第2个开关装置402，第j+1行上的第1个开关装置403、第2个开关装置404，第j行上的第1个对外输出端409上方接第三偏置电流源507，第j+1行上的第2个对外输出端411下方接第三负载505，此处设为电容负载；第j行上的第2个对外输出端410上方接第四负载508，第j+1行上的第1个对外输出端412下方接第四偏置电流源506；
若该列第1、第2对外输出端对应导线有电流流动，则第1对外输出端对应导线中电流应往像素矩阵上方流动，第2对外输出端对应导线中电流应往像素矩阵下方流动；所有第1、第2个开关均需通过行方向上的控制线网组进行控制，而对应开关的控制方法包括：
当第j行的核心像素电路201生成信号时，通过行方向的控制线网组，断开第j+1行上的第1个开关装置403、第2个开关装置404以及其他像素类似开关；闭合开关第j行上的第1个开关装置401，此时该开关装置401与第三偏置电流源507之间产生电流；由于两者之间的寄生电阻rp，产生IR-drop效应，则401输出端与第三偏置电流源507输入端的电压不同；而此时第j行上的第1个开关装置401与第三负载505之间无电流流过，则第j行上的第1个开关装置401输出端与第三负载505输入端的电压相同；
闭合第j行上的第2个开关装置402，此时该开关装置402与第四偏置电流源506之间产生电流；由于两者之间的寄生电阻，产生IR-drop效应，则该开关装置402输出端与第四偏置电流源506输入端的电压不同；而此时该开关装置402与第四负载508之间无电流流过，则该开关装置402输出端与第四负载508输入端的电压相同；
若第j+1行上的第1个开关装置403、第2个开关装置404与其他像素类似开关均断开，第j行上的第1个开关装置401、第2个开关装置402均闭合，则此时有第j行的核心像素电路201输出端、第四负载508输入端与第三负载505输入端三者的电压信号一致，从而克服IR-drop效应而实现像素矩阵中像素单元输出端的电压信号、像素单元所属列上、下输出端的电压信号三者的一致。
同理，当第j+1行的核心像素电路201生成信号时，断开第j行的第1个开关装置401、第2个开关装置402及其他像素类似开关，闭合第j+1行上的第1个开关装置403、第2个开关装置404，可实现第j+1行的核心像素电路201输出端、第四负载508输入端与第三负载505输入端三者的电压信号一致，从而克服IR-drop效应，实现像素矩阵中像素单元输出端的电压信号、像素单元所属列上、下输出端的电压信号三者的一致。
像素单元电路II较像素单元电路I为优之处其一在于前者各像素输出端的工作相对独立而互不影响，仅需考察对应开关的开闭情况；而后者中某个像素输出端是否输出需考察所有第1至第n开关的开闭情况。
在该实施例中，像素矩阵中所有列均使用类似结构，可完全去除因像素单元输出端的电压信号、像素单元所属列上、下输出端的电压信号三者不一致对图像整体引入的固定模式噪声；各行像素的第1、第2开关可同时控制亦可通过配置控制线网(组)分开控制，以配合核心像素电路和/或读出电路的使用方法；可添加发明内容中所述第3、第4等任意数量开关，提供多个输出，为读出电路的多配置设计和/或冗余设计提供每列同信号多路输入的便利。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种应用于图像传感器的像素矩阵电路，其特征在于，像素矩阵电路包括J×K的像素矩阵M，共I个像素单元，第j行第k列的像素单元Mjk有第1～N个对外输出端，每个对外输出端均与第j-1行第k列的像素单元M(j-1)k和第j+1行第k列的像素单元M(j+1)k连接；在第k列中，第1～J行的第n个对外输出端合并连接的节点为像素矩阵第k列的第n个对外输出端；其中1≤j≤J，1≤k≤K，1≤n≤N。
2.根据权利要求1所述的一种应用于图像传感器的像素矩阵电路，其特征在于，所述像素单元包括核心像素电路和N个开关装置，核心像素电路的输出端与第1个开关装置的输入端连接，第n个开关装置的输出端与第n-1个开关装置的输入端连接，第n个开关装置的输出端与第n+1个开关装置的输入端连接；第1个开关装置与第2个开关装置的连接点为第1对外输出端，第n-1个开关装置与第n个开关装置的连接点为第n-1对外输出端，第N个开关装置的输出端为第N对外输出端。
3.根据权利要求2所述的一种应用于图像传感器的像素矩阵电路，其特征在于，使用单一控制线同时控制N个开关装置闭合和断开；或者使用多个控制线网控制任意一个或多个开关装置的闭合或断开。
4.根据权利要求2所述的一种应用于图像传感器的像素矩阵电路，其特征在于，当第1～z个开关装置闭合、第z+1个开关断开时，则第1～z个开关装置的输出端均输出信号。
5.根据权利要求1所述的一种应用于图像传感器的像素矩阵电路，其特征在于，所述像素单元包括核心像素电路和N个开关装置，核心像素电路的输出端与第1个开关装置的输入端连接，第2～N个开关装置的输入端均与第一开关的输入端连接，第1～N个开关装置的输出端分别为第1～N个对外输出端；当第1个开关装置或第n个开关装置中的任意开关装置闭合时，闭合的开关装置的对外输出端输出信号，断开的开关装置的对外输出端没有信号输出。
6.根据权利要求5所述的一种应用于图像传感器的像素矩阵电路，其特征在于，使用单一控制线同时控制N个开关装置闭合和断开；或者使用多个控制线网控制任意一个或多个开关装置的闭合或断开。
7.根据权利要求5所述的一种应用于图像传感器的像素矩阵电路，其特征在于，当核心像素电路输出端输出信号时，若第1个开关装置或第n个开关装置任一闭合时，该开关装置的对外输出端输出该信号。
8.根据权利要求1所述的一种应用于图像传感器的像素矩阵电路，其特征在于，像素矩阵每一行设置有控制线网组，每行上的控制线网组包括一个或多个控制线网，用于控制该行上一个或者多个开关装置。
9.根据权利要求8所述的一种应用于图像传感器的像素矩阵电路，其特征在于，当任意一列的任一对外输出端因该行控制线网组作用输出信号时，该列中其余连接该对外输出端的开关装置均保持断开状态。
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