CN110933338B - 一种降低固定列噪声的图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低固定列噪声的图像传感器，包括像素阵列、ADC、随机选择电路和输出信号处理器；所述像素阵列包括M个像素模块，所述像素模块包含S列像素单元；所述随机选择电路包括M个选择模块，ADC包括M个ADC模块，所述ADC模块中包括S个ADC单元；所述选择模块用于连接像素模块和对应的ADC模块，通过控制随机选择电路的控制码，使得在一个行读周期内，S列像素单元与S个ADC单元一一对应连接；并且在不同的行读周期内，S列像素单元所连接的ADC单元不完全相同。本发明提供的一种降低固定列噪声的图像传感器，通过在像素阵列和ADC之间增加随机选择电路，使得列ADC单元导致的失配偏差平均化，大幅度降低了图像的固定列噪声。

Description

一种降低固定列噪声的图像传感器

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，具体涉及一种降低固定列噪声的图像传感器。

背景技术

CMOS图像传感器(CIS)已广泛应用于视频、监控、工业制造、汽车、家电等成像领域。CIS主流读出电路结构是以列级模数转换器(ADC)为主的读出电路，以保证CIS在合理的功耗下具有足够的转换精度和速度。而不同列的ADC由于加工工艺等因素会产生列与列之间的偏差，该偏差是固定存在的，当系统增益较大时，该差异被放大，图像上会明显看到固定的列条纹噪声，极大的影响了图像质量。如附图1所示，图像传感器包括像素阵列、ADC、输出信号处理器。以行曝光方式CIS为例，像素阵列由若干个图1所述的像素单元“P”组成。像素阵列按逐行的方式读出，具体顺序为ROW[0]、ROW[1]、……ROW[n-1]、ROW[n]，像素阵列的每一列有一个输出总线，分别为PIX_OUT[0]、PIX_OUT[1]、…PIX_OUT[N-1]、PIX_OUT[N]。PIX_OUT输出通过ADC单元进行模数转化，量化为数字信号后，再经输出信号处理器进行最终数据处理。

每一列的“P”都经过同一个ADC单元，如图1所示，PIX_OUT[0]总线连接的所有“P”输出均由ADC[0]进行模数转换。由于加工工艺等因素导致的ADC单元之间存在特性差异，使得在输入同一个模拟量时，不同ADC单元输出会出现一定的偏差，这种列与列之间的差异会导致最终输出图像上呈现异常的列条纹，也就是固定的列噪声。

目前采用的去除固定列条纹的方法为：将图像存储多帧取平均偏差，再将现有图像减去这个偏差，使合成后的图像看不到这种偏差导致的列噪声。但是这需要系统为CIS提供一个存储器芯片，专门存储CIS的多帧图像数据，使得系统成本提高不少，并且在输出帧率较高的应用中，这种方法不适用。因此需要寻求新的去除固定列噪声的装置和方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种降低固定列噪声的图像传感器，通过在像素阵列和ADC之间增加随机选择电路，使得列ADC单元导致的失配偏差平均化，大幅度降低了图像的固定列噪声。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种降低固定列噪声的图像传感器，包括像素阵列、ADC、随机选择电路和输出信号处理器；所述像素阵列产生的图像数据经过随机选择电路进入ADC中进行模数转换，转换之后的数据传输至所述输出信号处理器中进行处理；

所述像素阵列包括M个像素模块，所述像素模块包含S列像素单元；所述随机选择电路包括M个与像素模块一一对应的选择模块，ADC包括M个与像素模块一一对应的ADC模块，所述ADC模块中包括S个ADC单元；M为大于0的整数，S为大于1的整数；

所述选择模块用于连接像素模块中的S列像素单元和对应的ADC模块中的S个ADC单元，通过控制随机选择电路的控制码，使得在一个行读周期内，S列像素单元与S个ADC单元一一对应连接；并且在不同的行读周期内，S列像素单元所连接的ADC单元不完全相同。

进一步地，所述选择模块包括连线单元和开关单元，所述开关单元包括S个开关子单元，所述开关子单元包括S个并联的开关，且S个开关的一端共同连接至其中一个ADC单元，S个开关的另一端通过连线单元分别连接至S列像素单元。

进一步地，每一列像素单元通过连线单元分别连接至S个开关子单元中，且在S个开关子单元中所连接的开关均不同。

进一步地，在一个行读周期内，开关子单元中仅其中一个开关保持闭合，其余S-1个开关均断开。

进一步地，所述控制码用于控制所述开关子单元中各个开关的闭合和断开状态，所述控制码为随机控制码，所述随机控制码控制开关子单元中其中一个开关保持闭合，其余S-1个开关均断开。

进一步地，在一个行读周期内，所述S个开关子单元对应相同的随机控制码。

进一步地，在B个行读周期内，所述随机控制码不完全相同；其中，每个行读周期对应一个随机控制码；B为大于1的整数。

进一步地，所述连接电路包括S条连线，用于将像素模块中的S列像素单元连接至对应的开关上。

本发明的有益效果为：本发明提供的一种降低固定列噪声的图像传感器，在像素阵列与ADC之间加入随机选择电路，在不同的行读周期内，该随机选择电路可以随机的选择每列像素输出所经过的ADC单元，这样避免了传统结构下每一列像素只经过同一个ADC单元的情况，使得列ADC单元之间差异平均化，进而使图像固定列噪声显著降低。

附图说明

附图1为现有技术中图像传感器读出电路的架构图；

附图2为本发明一种降低固定列噪声的图像传感器的架构图；

附图3为本发明中随机选择电路的连接示意图。

附图4为现有技术中图像传感器不同列输出数据分布；

附图5为本发明中图像传感器不同列输出数据分布；

附图6为现有技术中图像传感器实际输出的图像；

附图7为本发明中图像传感器实际输出的图像。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

如附图2所示，本发明提供的一种降低固定列噪声的图像传感器，包括像素阵列、ADC、随机选择电路和输出信号处理器；像素阵列产生的图像数据经过随机选择电路进入ADC中进行模数转换，转换之后的数据传输至输出信号处理器中进行处理。

本发明中像素阵列包括M个像素模块，像素模块包含S列像素单元，即像素阵列包括M×S列像素单元。随机选择电路包括M个与像素模块一一对应的选择模块，ADC包括M个与像素模块一一对应的ADC模块，ADC模块中包括S个ADC单元；M为大于0的整数，S为大于1的整数。

选择模块用于连接像素模块中的S列像素单元和对应的ADC模块中的S个ADC单元，通过控制随机选择电路的控制码，使得在一个行读周期内，S列像素单元与S个ADC单元一一对应连接；并且在各个行读周期内，S列像素单元所连接的ADC单元不完全相同。

具体的，本发明中M个选择模块、M个像素模块和M和ADC模块的结构均相同，只是将像素阵列分为M块进行输出处理。本发明与现有技术不同的地方在于增加了随机选择模块，从而使得各列像素不必始终通过同一ADC单元进行输出，从而减小固定列噪声。

鉴于随机选择电路中M个选择模块的结构均相同，以下只列举其中一个选择模块为例进行详细说明，其余选择模块的结构与工作原理均相同。选择模块包括连线单元和开关单元，开关单元包括S个开关子单元，开关子单元包括S个并联的开关，且S个开关的一端共同连接至其中一个ADC单元，S个开关的另一端通过连线单元分别连接至S列像素单元。每一列像素单元通过连线单元分别连接至S个开关子单元中，且在S个开关子单元中所连接的开关均不同。

控制码用于控制开关子单元中各个开关的闭合和断开状态，控制码为随机控制码，即在每一个行读周期内，控制码随机选择，随机控制码控制开关子单元中其中一个开关保持闭合，其余S-1个开关均断开。在一个行读周期内，开关子单元中仅其中一个开关保持闭合，其余S-1个开关均断开。每一个行读周期对应一个随机控制码，即在一个行读周期内，所述S个开关子单元对应相同的随机控制码，确保S个开关子单元中相同的开关闭合，本发明中连接关系确保每一列像素单元通过连线单元分别连接至S个开关子单元中，且在S个开关子单元中所连接的开关均不同，因此，各个子开关单元中任意一个相同的开关闭合，均可以确保S列像素单元被读出，只是不同的开关闭合所对应的S列像素单元与S个ADC单元的连接关系不同。在B个行读周期内，所述随机控制码不完全相同；其中，每个行读周期对应一个随机控制码。正是因为通过随机控制码使得不同的行读周期内，S列像素单元对应的ADC单元不同，才能使得最终输出的图像降低固定列噪声。随机控制码可以为Sbit的二进制码，其中X表示低，Y表示高，每一个随机控制码中随机选择一位为Y，其余为X，随机控制码为随机产生的，正是因为这种随机性，才使得每列像素单元连接的ADC单元也是随机的，从而消除固定列噪声。

本发明中连接电路包括S条连线，用于将像素模块中的S列像素单元连接至对应的开关上。具体的连接电路还可以为现有技术中其他电路，只需将像素模块与开关单元按照上述关系连接起来即可。

本发明将像素阵列分为M个模块进行相同的处理，可以简化随机选择电路结构，若将像素阵列不进行模块区分，即M＝1时，也在本发明的保护范围之内，只是M＝1时，随机选择电路的结构涉及多个开关，连接关系复杂。

以下通过一个具体的实施例来对本发明进行进一步解释：

实施例1

如图3所示，为其中一个像素模块的具体连接关系图；选择模块包括连线单元和开关单元，像素的输出经过连线单元，以某种固定方式连接后，再接到开关单元。连线单元为S根导线，S根导线分别连接S列像素单元，例如可以为P[0]接L[0]，P[1]接L[1]，…，P[S-1]接L[S-1]，通过导线将各列像素单元与对应的开关进行连接。开关单元包括S个开关子单元，分别连接S个ADC单元，每一个开关子单元由S个并联的开关“K[0]、K[1]、…K[S-1]”组成，每组中的开关同时受控于随机控制码。随机控制码可以同时控制S个开关，并且确保只有一个开关闭合，其余开关断开；具体可以设置随机控制码中对某个开关的控制码为高，该开关闭合；随机控制码中对其余开关的控制码为低，其余开关断开；例如，随机控制码可以为Sbit的二进制码，其中0表示低，1表示高，每一个随机控制码中随机选择一位为1，其余为0。例如在行曝光方式CIS读出过程中，同一行读周期内，每组S个开关中仅1个开关导通，其余S-1个开关均断开。由于同一行读周期内各个开关子单元中施加的随机控制码是同一个，开关子单元中导通的开关是一样的，比如第一个开关子单元开关K[0]导通，K[1]、K[2]、…K[S-1]断开；则第二个开关子单元至第S个开关子单元中均是开关K”[0]导通，K”[1]、K”[2]、…K”[S-1]断开。为了使得各个开关子单元中的开关能够区分开，可以将第一开关子单元中的开关表示为K[1]、K[2]、…K[S-1]；第N开关子单元中的开关表示为K’[1]、K’[2]、…K’[S-1]；第二开关子单元中的开关表示为K”[1]、K”[2]、…K”[S-1]；依次类推。

请继续参阅附图3，具体列像素与开关的连接关系可以为：将像素模块中第一列像素P[0]、第二列像素P[1]、…第S-1列像素P[S-1]与第一开关子单元中的开关K[0]、K[1]、…K[S-1]对应连接；例如可以为P[0]接K[1]，P[1]接K[2]，…，直至P[S-2]接K[S-1]，P[S-1]接K[0]。同样的道理，像素模块中第一列像素P[0]、第二列像素P[1]、…第S列像素P[S-1]与第二开关子单元中的各个开关也对应连接，只是对应关系与第一开关子单元中不相同，例如可以为P[0]接K”[2]，P[1]接K”[3]，…，直至P[S-2]接K”[0]，P[S-1]接K”[1]。像素模块中第一列像素P[0]、第二列像素P[1]、…第S列像素P[S-1]与第S开关子单元中的各个开关也对应连接，只是对应关系与第一开关子单元中不相同，例如可以为P[0]接K’[0]，P[1]接K’[1]，…，直至P[S-2]接K’[S-2]，P[S-1]接K’[S-1]。附图3中只是其中一种连接关系，本发明只需确保像素模块中第一列像素P[0]、第二列像素P[1]、…第S列像素P[S-1]通过连线单元分别连接至S个开关子单元中，且在S个开关子单元中所连接的开关均不同即可，本发明这种连接结构可以确保S个子开关单元中任意一个相同的开关闭合，均可以确保S列像素单元被读出，只是不同的开关闭合所对应的S列像素单元与S个ADC单元的连接关系不同。这样每个行读周期内，每列像素所接的ADC是不一样的，并且可以实现一列像素会在不同行读周期内接S个ADC中的一个。若ADC与ADC之间存在偏差，这种选择方式可以使偏差平均化，缩小至传统结构的1/S。

值得说明的是，本发明中，像素模块中像素单元的列数与连接单元的连线个数相等，ADC模块中ADC单元的个数与开关单元中开关子单元的个数相等，且开关子单元中开关的个数与ADC单元的个数也相等，因此，本发明中每一个如附图3所示的连接示意图中，像素单元的列数、连线个数、每个开关子单元中的开关个数以及ADC单元的个数均相同。

图4、图5分别是现有技术中不采用随机选择电路和本发明中采用了随机选择电路，最终输出数据列分布。可以看到，如果不采用随机选择电路的CIS输出数据，从第0至1000列最大偏差达到40LSB，采用了随机选择电路的CIS输出数据列分布，最大偏差小于10LSB。其中1LSB为以12位ADC进行量化的最小值。

图6、图7分别是不采用随机选择电路和采用了随机选择电路，实际图像情况。可以看到，如果不采用随机选择电路的CIS，输出的图像上能看见较为明显的固定列噪声。采用了随机选择电路的CIS，输出的图像上固定列噪声显著减少。

图4至图7的对比，说明了采用了随机选择电路在降低固定列噪声上具有较为明显的作用。

以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种降低固定列噪声的图像传感器，其特征在于，包括像素阵列、ADC、随机选择电路和输出信号处理器；所述像素阵列产生的图像数据经过随机选择电路进入ADC中进行模数转换，转换之后的数据传输至所述输出信号处理器中进行处理；

所述像素阵列包括M个像素模块，所述像素模块包含S列像素单元；所述随机选择电路包括M个与像素模块一一对应的选择模块，ADC包括M个与像素模块一一对应的ADC模块，所述ADC模块中包括S个ADC单元；M为大于0的整数，S为大于1的整数；

所述选择模块用于连接像素模块中的S列像素单元和对应的ADC模块中的S个ADC单元，通过控制随机选择电路的控制码，使得在一个行读周期内，S列像素单元与S个ADC单元一一对应连接；并且在不同的行读周期内，S列像素单元所连接的ADC单元不完全相同；

所述选择模块包括连线单元和开关单元，所述开关单元包括S个开关子单元，所述开关子单元包括S个并联的开关，且S个开关的一端共同连接至其中一个ADC单元，S个开关的另一端通过连线单元分别连接至S列像素单元；所述连线单元包括S条连线，每一列像素单元通过连线单元分别连接至S个开关子单元中，且在S个开关子单元中所连接的开关均不同；在一个行读周期内，开关子单元中仅其中一个开关保持闭合，其余S-1个开关均断开。

2.根据权利要求1所述的一种降低固定列噪声的图像传感器，其特征在于，所述控制码用于控制所述开关子单元中各个开关的闭合和断开状态，所述控制码为随机控制码，所述随机控制码控制开关子单元中其中一个开关保持闭合，其余S-1个开关均断开。

3.根据权利要求2所述的一种降低固定列噪声的图像传感器，其特征在于，在一个行读周期内，所述S个开关子单元对应相同的随机控制码。

4.根据权利要求3所述的一种降低固定列噪声的图像传感器，其特征在于，在B个行读周期内，所述随机控制码不完全相同；其中，每个行读周期对应一个随机控制码；B为大于1的整数。

Images