CN110972518B

CN110972518B - 图像传感器以及相关芯片及电子装置

Info

Publication number: CN110972518B
Application number: CN201980001152.4A
Authority: CN
Inventors: 徐荣贵
Original assignee: Shenzhen Goodix Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Goodix Technology Co Ltd
Priority date: 2019-07-19
Filing date: 2019-07-19
Publication date: 2022-12-16
Anticipated expiration: 2039-07-19
Also published as: WO2021012071A1; CN110972518A

Abstract

本申请公开了一种图像传感器(10)以及相关芯片及电子装置(20)，所述图像传感器包括:像素(12)，用以感测光线并产生模拟感测信号；增益放大器(14)，耦接于所述像素，用以依据所述光线的强度调整增益值，并基于所述增益值放大所述模拟感测信号以产生增益后模拟感测信号；以及模数转换器(16)，耦接至所述增益放大器，用以对所述增益后模拟感测信号使用相关多采样技术进行采样，并将所述增益后模拟感测信号转换为数字感测信号，其中所述采样的次数实时地依据所述模拟感测信号改变。

Description

图像传感器以及相关芯片及电子装置

技术领域

本申请涉及一种像素传感技术，尤其涉及一种图像传感器以及相关芯片及电子装置。

背景技术

CMOS图像传感器已经得到大规模生产和应用。一般而言，CMOS图像传感器包括像素阵列，像素阵列由排列成阵列的多个像素所组成，像素包括感光组件以及转换电路。感光组件例如包括感光二极管(photo diode)或感光晶体管(photo transistor)等。感光组件受光后将产生电荷，并将产生的电荷存储起来。转换电路将感光组件所存储的电荷转换成电位信号，其中所述电位信号即为对应于该感光组件的像素值。接着，模数转换器对所述电位信号进行采样，并将采样到的电位信号进行模数转换以得到模数转换结果。模数转换器的作法，往往会直接影响模数转换器所产生的噪声大小，但为了追求速度，模数转换器的复杂度也不可能无限制的提升。

因此，能够同时顾及图像传感结果的成本和准确度已成为一个重要的工作项目。

发明内容

本申请的目的之一在于公开一种像素传感技术，尤其涉及一种图像传感器以及相关芯片及电子装置，来解决上述问题。

本申请的一实施例公开了一种图像传感器，所述图像传感器包括:像素，用以感测光线并产生模拟感测信号；增益放大器，耦接于所述像素，用以依据所述光线的强度调整增益值，并基于所述增益值放大所述模拟感测信号以产生增益后模拟感测信号；以及模数转换器，耦接至所述增益放大器，用以对所述增益后模拟感测信号使用相关多采样技术进行采样，并将所述增益后模拟感测信号转换为数字感测信号，其中所述采样的次数实时地依据所述模拟感测信号改变。

本申请的一实施例公开了一种芯片，包括前述的图像传感器。

本申请的一实施例公开了一种电子装置，包括前述的图像传感器。

本申请所公开的图像传感器的斜坡产生器能够基于光线的不同强度产生不同的斜坡信号藉此改变采样方式及模数转换方式，藉此缓和量化噪声或者高频噪声带来的负面影响，进而提升图像传感结果的准确度。

附图说明

图1为本申请的芯片的实施例的方块示意图。

图2A的示意图说明在光线为第一强度的情况下，图1所示的图像传感器的操作。

图2B为图2A的斜坡产生器所产生的斜坡信号的信号时序图。

图3A的示意图说明在光线为第二强度的情况下，图1所示的图像传感器的操作。

图3B为图3A的斜坡产生器所产生的斜坡信号的信号时序图。

图4为图1所示的图像传感器应用在电子装置的实施例的示意图。

其中，附图标记说明如下：

10 图像传感器

12 像素

14 增益放大器

16 模数转换器

18 数字信号处理器

20 电子装置

160 斜坡产生器

162 比较器

164 计数器

SA 模拟信号

SD 数字感测信号

SG 增益后模拟感测信号

Sout 图像处理信号

S_RAMP 斜坡信号

S_com 数字比较信号

GL 增益值

G1 第一增益值

G2 第二增益值

S1 第一段

S2 第二段

S3 第三段

S4 第四段

V 电压

T 时间

L1 第一强度

L2 第二强度

具体实施方式

以下揭示内容提供了多种实施方式或例示，其能用以实现本揭示内容的不同特征。下文所述之组件与配置的具体例子系用以简化本揭示内容。当可想见，这些叙述仅为例示，其本意并非用于限制本揭示内容。举例来说，在下文的描述中，将一第一特征形成于一第二特征上或之上，可能包括某些实施例其中所述的第一与第二特征彼此直接接触；且也可能包括某些实施例其中还有额外的组件形成于上述第一与第二特征之间，而使得第一与第二特征可能没有直接接触。此外，本揭示内容可能会在多个实施例中重复使用组件符号和/或标号。此种重复使用乃是基于简洁与清楚的目的，且其本身不代表所讨论的不同实施例和/或组态之间的关系。

再者，在此处使用空间上相对的词汇，譬如「之下」、「下方」、「低于」、「之上」、「上方」及与其相似者，可能是为了方便说明图中所绘示的一组件或特征相对于另一或多个组件或特征之间的关系。这些空间上相对的词汇其本意除了图中所绘示的方位之外，还涵盖了装置在使用或操作中所处的多种不同方位。可能将所述设备放置于其他方位(如，旋转90度或处于其他方位)，而这些空间上相对的描述词汇就应该做相应的解释。

虽然用以界定本申请较广范围的数值范围与参数皆是约略的数值，此处已尽可能精确地呈现具体实施例中的相关数值。然而，任何数值本质上不可避免地含有因个别测试方法所致的标准偏差。在此处，「相同」通常系指实际数值在一特定数值或范围的正负10％、5％、1％或0.5％之内。或者是，「相同」一词代表实际数值落在平均值的可接受标准误差之内，视本申请所属技术领域中具有通常知识者的考虑而定。当可理解，除了实验例之外，或除非另有明确的说明，此处所用的所有范围、数量、数值与百分比(例如用以描述材料用量、时间长短、温度、操作条件、数量比例及其他相似者)均经过「相同」的修饰。因此，除非另有相反的说明，本说明书与附随申请专利范围所揭示的数值参数皆为约略的数值，且可视需求而更动。至少应将这些数值参数理解为所指出的有效位数与套用一般进位法所得到的数值。在此处，将数值范围表示成由一端点至另一端点或介于二端点之间；除非另有说明，此处所述的数值范围皆包括端点。

一般来说，像素包括感光组件以及转换电路。感光组件受光后产生电荷，并将产生的电荷存储起来。转换电路将感光组件所存储的电荷转换为电位信号，所述电位信号是模拟电信号，此模拟电信号一般都具有噪声附加其上。当所述模拟电信号被放大时，噪声也会一同被放大。此外，模数转换器通过量化技术将模拟电信号转换数字信号，在转换的过程中会产生量化噪声。因为至少有上述两种噪声来源的缘故，要提高图像传感器的图像传感结果的准确度，可以从消除上述两种噪声来做。本申请所公开的图像传感器能够针对在不同光线强度的情况下，让模数转换器实时且自适应地调整转换方式，以最佳地降低上述两种噪声带来的负面影响，以提升图像传感结果的准确度，其细节说明如下。

图1为本申请的图像传感器10的实施例的方块示意图。参照图1，图1包括图像传感器10及数字信号处理器18。图像传感器10用以感测光线并据以产生数字感测信号SD。数字信号处理器18用以基于数字感测信号SD进行图像的处理，并输出图像处理信号Sout。

在某些实施例中，图像传感器10及数字信号处理器18可分别位于不同的芯片上。然而，本揭露不限定于此。在一些实施例中，图像传感器10及数字信号处理器18是被整合于单一芯片中。

图像传感器10包括像素阵列。所述像素阵列包括设置成行与列的多个像素12。为方便说明及图式简洁，图1仅绘示出单个像素12。像素12用以感测光线并产生模拟感测信号SA。详言之，像素12包括感光组件及转换电路。所述感光组件接受光线而形成光电子(photocharge)或光电流(photocurrent)。接着，所述感光组件将对应光电子或光电流的电荷存储起来。所述转换电路将所述感光组件所存储的电荷转换成电位信号，所述电位信号为模拟感测信号SA。在一些实施例中，所述感光组件可包括光电二极管。此外，在一些实施例中，所述光线可以是由激光二极管(laser diode，LD)、发光二极管(light emittingdiode，LED)或其他可以产生光线的发光单元所产生，也可以是自然界的光线。

在本揭露中，所述像素阵列可以是有效像素(active pixel)阵列，也可以是暗像素(dark pixel)阵列。对应地，像素12可包括有效像素及/或暗像素。此外，除了像素阵列以外，图像传感器10还包括增益放大器14及模数转换器16。

增益放大器14，耦接于像素12及模数转换器16之间，用以依据像素12的感光组件感测到的光线的强度调整增益值GL，并基于增益值GL放大模拟感测信号SA以产生增益后模拟感测信号SG。需注意的是，增益值GL负相关于像素12的感光组件感测到的光线的强度。举例来说，当像素12的感光组件感测到的光线越弱，像素12产生的光电子或光电流越小，因而模拟感测信号SA越弱，即电压摆动越小，为了增加后续的模数转换的效率，增益放大器14选择的增益值GL越大。相反地，当光线越强，增益放大器14选择的增益值GL越小。在某些实施例中，增益放大器14为有限段数的可调式增益放大器，具有两个以上的不同增益值以供选择来提供给不同强度的模拟感测信号SA。在某些实施例中，增益放大器14亦可为无限段数。

模数转换器16，耦接于增益放大器14及数字信号处理器18之间，用以将增益后模拟感测信号SG转换为数字感测信号SD。在本实施例中，模数转换器16对增益后模拟感测信号SG使用相关多采样(correlated multiple sample，CMS)技术进行采样。在某些实施例中，模数转换器16对增益后模拟感测信号SG使用双相关采样(correlated double sample，CDS)技术进行采样。

模数转换器16包括斜坡产生器160、比较器162以及计数器164。斜坡产生器160用以产生斜坡信号S_RAMP至比较器162，在本实施例中，斜坡产生器160可实时且自适应地在不同光线强度的情况下，改变斜坡信号S_RAMP。具体来说，斜坡产生器160可实时且自适应地依据增益值GL来改变斜坡信号S_RAMP的波形，包括比特分辨率以及斜坡的数目，以达到上述让模数转换器16实时且自适应地调整转换方式，以最佳地降低噪声的目的。在本实施例中，比特分辨率为2的幂。举例来说，当幂为数值10时，比特分辨率为1024；以及，当幂为数值11时，比特分辨率为2048，依此类推。

斜坡信号S_RAMP的比特分辨率是相关于量化噪声。详言之，斜坡信号S_RAMP的比特分辨率越大，量化噪声越小。举例来说，在比特分辨率为2048的情况下的量化噪声小于在比特分辨率为1024的情况下的量化噪声。

斜坡信号S_RAMP的斜坡的数目是相关于增益后模拟感测信号SG上的噪声中的高频部分。详言之，由于斜坡信号S_RAMP的斜坡是用来作为模数转换器16的采样基准，斜坡信号S_RAMP的斜坡的数目越多，表示采样的次数越多。一般来说，当采样的次数越多时，增益后模拟感测信号SG上的噪声中的高频部分(例如热噪声)越会被抑制。举例来说，在采样的次数为4次的情况下增益后模拟感测信号SG上的噪声中的高频部分被抑制的程度，高于在采样的次数为2次的情况下增益后模拟感测信号SG上的噪声中的高频部分被抑制的程度。

综上所述，在本揭露中，视不同光线的强度的造成的不同模拟感测信号SA的特性，模数转换器16可选择偏重量化噪声或增益后模拟感测信号SG上的噪声中的高频部分来抑制，其细节将说明于图2A、2B和图3A、3B中的实施例。

需说明的是，模数转换器16具有等效比特数，即数字感测信号SD的比特数。为了简化模数转换器16之后的电路(如数字信号处理器18)设计，即使本实施例中的模数转换器16会实时且自适应地调整转换方式，但模数转换器16的等效比特数实际上保持定值。其细节将详细说明于图2A及2B及图3A及3B的实施例中。

比较器162用以比较增益后模拟感测信号SG及斜坡信号S_RAMP，并产生数字比较信号S_com。举例来说，比较器162的正端接收斜坡信号S_RAMP，以及负端接收增益后模拟感测信号SG。在一种情况中，初始时，斜坡信号S_RAMP的电压值小于比较增益后模拟感测信号SG，此时比较器162产生的数字比较信号S_com为低水平。之后，斜坡信号S_RAMP的电压值逐渐上升。在一特定时间点，斜坡信号S_RAMP的电压值开始大于比较增益后模拟感测信号SG，此时比较器162产生的数字比较信号S_com由低水平改变为高水平。此种水平的改变称为转态。也就是说，由逻辑低的状态改变成逻辑高的状态转变，称为转态，反之亦然。此外，基于比较器的操作原理，当斜坡信号S_RAMP的比特分辨率越大时，比较器162在量化增益后模拟感测信号SG以进行模数转换时产生的量化噪声越小。在一些实施例中，比较器162包括运算放大器。

计数器164用以依据数字比较信号S_com产生数字感测信号SD。详言之，计数器164将数字比较信号S_com转态时的时间点以计数次数的方式标记。在一些实施例中，计数器164的比特数不限定于任何数值，只要计数器164的比特数大于或等于模数转换器16的等效比特数均为可行的实施方式。

为了便于理解本发明的概念，以实际的数值在图2A及2B以及图3A及3B的实施例中进行说明，其中模数转换器16的等效比特数为12，但本申请不以此为限。

图2A的示意图说明在光线为第一强度L1的情况下，图1所示的图像传感器10的操作；图3A的示意图说明在光线为第二强度L2的情况下，图1所示的图像传感器10的操作。图2B为图2A的斜坡产生器160所产生的斜坡信号S_RAMP的信号时序图，图3B为图3A的斜坡产生器160所产生的斜坡信号S_RAMP的信号时序图，其中横轴代表时间T，纵轴代表电压V。

请同时参照图2A和3A，在图2A中，像素12受到第一强度L1的光线的照射，在图3A中，像素12受到第二强度L2的光线的照射，其中第一强度L1高于第二强度L2，使得图2A中的模拟感测信号SA的电压摆动大于图3A中的模拟感测信号SA的电压摆动。响应于模拟感测信号SA的电压摆动，图2A中的增益放大器14的增益值GL(第一增益值G1)会小于图3A中的增益放大器14的增益值GL(第二增益值G2)。斜坡产生器160依据第一增益值G1和第二增益值G2分别产生不同的斜坡信号S_RAMP，细节说明如下。

由于图2A中的模拟感测信号SA的电压摆动大于图3A中的模拟感测信号SA的电压摆动，因此图3A的模拟感测信号SA的信噪比会比图2A的模拟感测信号SA的信噪比来的差，又，由于图2A和图3A的模拟感测信号SA都会经过增益放大器14调整增益才进入模数转换器16，故图2A和图3A所产生的量化噪声的程度是相同或相似的。也就是说，以图2A来说，量化噪声会比模拟感测信号SA的噪声带来的影响程度更大；反之以图3A来说，模拟感测信号SA的噪声会比量化噪声带来的影响程度更大。

有鉴于此，在图2A的实施例中，由于量化噪声为主要噪声来源，斜坡产生器160会将斜坡信号S_RAMP的比特分辨率设定为较图3A高，例如2¹¹，即2048，在图3A的实施例中，斜坡产生器160会将斜坡信号S_RAMP的比特分辨率设定较图2A低，例如2¹⁰，即1024。

此外，模数转换器16的等效比特数相关于斜坡信号S_RAMP的比特分辨率以及采样的次数。详言之，等效比特数的阶数是比特分辨率以及采样的次数的乘积。在此实施例中，由于等效比特数保持为12(亦即4096阶)，故在图2A的实施例中，斜坡产生器160会将采样次数设为2次，以使比特分辨率(2048)与采样次数(2)的乘积保持在4096；在图3A的实施例中，斜坡产生器160则会设定采样的次数为4次，以使比特分辨率(1024)与采样次数(4)的乘积保持在4096，并可进一步抑制增益后模拟感测信号SG上的噪声中的高频部分。

当斜坡产生器160选择采样的次数SN为两次时，如图2B所示，斜坡产生器160产生的斜坡信号S_RAMP包括连续的第一段S1及第二段S2，其中第一段S1的斜率的绝对值与第二段S2的斜率的绝对值相等，以及第一段S1的斜率的极性与第二段S2的斜率的极性相反。在本实施例中，第一段S1为递增，以及第二段S2为递减。

当斜坡产生器160选择采样的次数SN为四次时，如图3B所示，斜坡产生器160产生的斜坡信号S_RAMP包括连续的第一段S1、第二段S2、第三段S3及第四段S4，其中第一段S1、第二段S2、第三段S3及第四段S4的斜率的绝对值相等，以及第一段S1及第三段S3的斜率的极性与第二段S2及第四段S4的斜率的极性相反。在本实施例中，第一段S1及第三段S3为递增，以及第二段S2及第四段S4为递减。

图2A及图2B与图3A及图3B的操作方案整理如下表1。在下表1中使用的相对形容词均指的是图2A及图2B与图3A及图3B之间的相对程度。

表1

图4为图1所示的图像传感器10应用在电子装置20的实施例的示意图。参照图4，电子装置20包含图像传感器10，可用来执行像素传感技术以进行图像感测或屏下指纹感测，其中电子装置20可为例如智能型手机、个人数字助理、手持式计算机系统或平板计算机等任何手持式电子装置。

在一些实施例中，一种芯片包括图像传感器10，举例来说该芯片可以是不同工艺实现的半导体芯片。在一些实施例中，像素12与图像传感器10的其他电路是设置在同一芯片里，例如，像素12与增益放大器14、模数放大器设置在同一个芯片里。在一些实施例中，例如在超高像素的要求下，增益放大器14及模数放大器设置在一个芯片里，像素12会单独设置于另一芯片。

上文的叙述简要地提出了本申请某些实施例之特征，而使得本申请所属技术领域具有通常知识者能够更全面地理解本揭示内容的多种态样。本申请所属技术领域具有通常知识者当可明了，其可轻易地利用本揭示内容作为基础，来设计或更动其他工艺与结构，以实现与此处所述之实施方式相同的目的和/或达到相同的优点。本申请所属技术领域具有通常知识者应当明白，这些均等的实施方式仍属于本揭示内容之精神与范围，且其可进行各种变更、替代与更动，而不会悖离本揭示内容之精神与范围。

Claims

1.一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括:

像素，用以感测光线并产生模拟感测信号；

增益放大器，耦接于所述像素，用以依据所述光线的强度调整增益值，并基于所述增益值放大所述模拟感测信号以产生增益后模拟感测信号；以及

模数转换器，耦接至所述增益放大器，用以对所述增益后模拟感测信号使用相关多采样技术进行采样，并将所述增益后模拟感测信号转换为数字感测信号，其中所述模数转换器包括：

斜坡产生器，耦接至所述增益放大器并用以基于所述增益值实时且自适应地改变斜坡信号；

比较器，正端耦接至所述斜坡产生器以接收所述斜坡信号，以及负端耦接至所述增益放大器以接收所述增益后模拟感测信号，用以比较所述增益后模拟感测信号及所述斜坡信号，并产生数字比较信号；

计数器，一端耦接至所述比较器以接收数字比较信号，另一端耦接至数字信号处理器用以发送依据所述数字比较信号产生所述数字感测信号；

其中所述采样的次数以及所述斜坡信号的比特分辨率实时地依据所述增益值改变，以使所述模数转换器的等效比特数保持为定值。

2.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述斜坡产生器所产生的所述斜坡信号的比特分辨率负相关于所述增益值。

3.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述斜坡产生器所产生的所述斜坡信号的比特分辨率负相关于所述采样的次数。

4.如权利要求2所述的图像传感器，其中所述模数转换器的等效比特数相关于所述斜坡信号的所述比特分辨率以及所述采样的次数。

5.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述斜坡信号的比特分辨率实时地依据所述增益值改变。

6.如权利要求5所述的图像传感器，其中当所述采样的次数实时地依据所述增益值改变时，所述模数转换器的等效比特数保持为定值。

7.如权利要求5所述的图像传感器，其中当所述斜坡信号的比特分辨率实时地依据所述增益值改变时，所述模数转换器的所述等效比特数保持为定值。

8.如权利要求7所述的图像传感器，其中所述斜坡产生器依据所述增益值来选择所述采样的次数为两次或四次。

9.如权利要求8所述的图像传感器，其中当所述斜坡产生器选择所述采样的次数为两次时，所述斜坡产生器产生的所述斜坡信号包括连续的第一段及第二段，其中所述第一段的斜率的绝对值与所述第二段的斜率的绝对值相等，以及其中所述第一段的斜率的极性与所述第二段的斜率的极性相反。

10.如权利要求9所述的图像传感器，其中所述第一段为递增，以及所述第二段为递减。

11.如权利要求8所述的图像传感器，其中当所述斜坡产生器选择所述采样的次数为四次时，所述斜坡产生器产生的所述斜坡信号包括连续的第一段、第二段、第三段及第四段，其中所述第一段、所述第二段、所述第三段及所述第四段的斜率的绝对值相等，所述第一段及所述第三段的斜率的极性相同，所述第二段及所述第四段的斜率的极性相同，且所述第一段及所述第三段的斜率的极性均与所述第二段及所述第四段的斜率的极性相反。

12.如权利要求11所述的图像传感器，其中所述第一段及所述第三段均为递增，以及所述第二段及所述第四段均为递减。

13.如权利要求8所述的图像传感器，其中所述斜坡产生器在所述采样的次数为两次时产生的所述斜坡信号的所述比特分辨率为所述斜坡产生器在采样的次数为四次时产生的所述斜坡信号的所述比特分辨率的两倍。

14.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述增益值负相关于所述光线的强度。

15.一种芯片，其特征在于，包括：

增益放大器，耦接于像素，用以依据所述像素感测的光线的强度调整增益值，并基于所述增益值放大模拟感测信号以产生增益后模拟感测信号，其中所述像素通过感测所述光线产生所述模拟感测信号；以及

比较器，正端耦接至斜坡产生器以接收斜坡信号，以及负端耦接至增益放大器以接收增益后模拟感测信号，用以比较所述增益后模拟感测信号及所述斜坡信号，并产生数字比较信号；

16.如权利要求15所述的芯片，其中所述像素设置于所述芯片中。

17.一种电子装置，其特征在于，包括：

如权利要求1-14中任一项所述的图像传感器。