CN113382186A - 提高图像传感器性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种提高图像传感器性能的方法，通过在参考信号中，引入像素级别相关的失调信号，使得同一行的不同列的参考信号基于所述像素级别相关的失调信号变化，降低图像传感器在参考信号阶段由列并行模数转换器集中翻转带来的串扰，改善成像质量，由于直接采用芯片内部的随机信号，不需要额外的随机信号发生器，不会对芯片面积、功耗、成本造成较大影响，提高图像传感器整体性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高图像传感器性能的方法。
背景技术
目前CMOS图像传感器（CIS）中通常利用相关双采样（CDS）技术来消除信号通路的失调信号相关的低频噪声，一般要求信号通路有两次模数转换，一次是像素单元复位时进行模数转换量化，得到参考信号值ref，第二次是释放像素单元的光生电子信号并对其进行量化得到图像信号值sig，从而这两次的差值便是实际的信号值大小。而利用两次量化的差值做CDS的前提是认为这两次量化是非相关的。相较于第二次量化的图像信号值sig，第一次量化的参考信号值ref相对较为集中，这也就意味着在量化参考信号值ref时候，模数转换器（ADC）中的比较器翻转相对更为集中，从而集中翻转带来的串扰便通过列并行ADC阵列的横向信号例如电源、地、输入参考斜坡信号等影响到在量化参考信号阶段相对较晚翻转的列，从而减弱两次量化的相关性，产生固定模式噪声（FPN）。由于CIS低倍增益时最低有效位（LSB）较大，从而量化参考信号时参考信号值ref更为集中，从而在一定程度上更容易在低倍增益下出现FPN，进而影响图像传感器的成像质量和整体性能。
针对上述由于列并行ADC同时翻转带来的噪声串扰，目前业界主流的应对方法如下：
一种是通过对列并行ADC阵列进行分组，使得翻转不会集中在同一时刻，而是相对分散的集中在多个时刻，减弱同时翻转带来的影响，但是该方法对于降低同时翻转带来的噪声串扰，提高图像传感器性能的效果比较有限；
另一种是通过增强横向的驱动，采用更强的横向信号，尽可能减弱集中翻转通过横向信号带来的串扰，然而该方法需要更强的横向驱动，因而需要额外引入较大的芯片面积、功耗、成本，不利于图像传感器整体性能的提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高图像传感器性能的方法，降低列并行ADC同时翻转带来的噪声串扰，改善成像质量，同时不会对芯片面积、功耗、成本造成较大影响，提高图像传感器整体性能。
基于以上考虑，本发明提供一种提高图像传感器性能的方法，在参考信号中，引入像素级别相关的失调信号，使得同一行的不同列的参考信号基于所述像素级别相关的失调信号变化，降低图像传感器在参考信号阶段由列并行模数转换器集中翻转带来的串扰。
优选的，在参考信号中，引入像素级别相关的失调信号，使得同一列的不同行的参考信号基于所述像素级别相关的失调信号变化，以减少列固定模式噪声。
优选的，将所述像素级别相关的失调信号引入至信号通路隔直电容连接的高阻点上，再对含有所述像素级别相关的失调信号的参考信号和图像信号进行量化。
优选的，所述引入的像素级别相关的失调信号是原始的像素级别失调信号，或对原始的像素级别失调信号进行放大或衰减处理后的像素级别失调信号。
优选的，在消除信号通路的失调信号后，引入像素级别相关的失调信号。
优选的，在消除信号通路的失调信号后，所述引入像素级别相关的失调信号，是通过采样像素级别的失调信号并加入至信号电路的隔直电容连接的高阻点上实现的。
优选的，先引入像素级别相关的失调信号，将该像素级别相关的失调信号与信号通路的失调信号同时进行衰减处理，再对含有衰减处理后的像素级别相关的失调信号的参考信号和图像信号进行量化。
优选的，通过一次自清零或者多次自清零方式进行衰减处理。
优选的，通过开关电容方式实现多次自清零。
本发明的提高图像传感器性能的方法，通过在参考信号中，引入像素级别相关的失调信号，使得同一行的不同列的参考信号基于所述像素级别相关的失调信号变化，降低图像传感器在参考信号阶段由列并行模数转换器集中翻转带来的串扰，改善成像质量，由于直接采用芯片内部的随机信号，不需要额外的随机信号发生器，不会对芯片面积、功耗、成本造成较大影响，提高图像传感器整体性能。
附图说明
通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1为根据本发明实施例一的图像传感器的电路结构图；
图2为根据本发明实施例一的图像传感器的电压波形图；
图3为根据本发明实施例二的图像传感器的电路结构图；
图4为根据本发明实施例二的图像传感器中随机电荷注入模块的电路结构图；
图5为根据本发明实施例二的图像传感器的电压波形图；
图6为根据本发明实施例三的图像传感器的电路结构图；
图7为根据本发明实施例三的图像传感器中比较器的电路结构图；
图8、图9为根据本发明实施例三的图像传感器的电压波形图。
在图中，贯穿不同的示图，相同或类似的附图标记表示相同或相似的装置（模块）或步骤。
具体实施方式
为解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种提高图像传感器性能的方法，通过在参考信号中，引入像素级别相关的失调信号，使得同一行的不同列的参考信号基于所述像素级别相关的失调信号变化，降低图像传感器在参考信号阶段由列并行模数转换器集中翻转带来的串扰，改善成像质量，由于直接采用芯片内部的随机信号，不需要额外的随机信号发生器，不会对芯片面积、功耗、成本造成较大影响，提高图像传感器整体性能。
在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本发明一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。可以理解，在不偏离本发明的范围的前提下，可以利用其他实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。因此，以下的具体描述并非限制性的，且本发明的范围由所附的权利要求所限定。
本发明的申请人研究发现，通过在列并行模数转换器量化参考信号过程中引入随机信号，可以使得各列模数转换器相对随机地翻转，从而降低集中翻转带来的串扰。为了避免使用额外的随机信号产生电路，可以利用图像传感器中自身的随机信号，即像素级别相关的失调信号。于是提出一种提高图像传感器性能的方法，通过在参考信号中，引入像素级别相关的失调信号，使得同一行的不同列的参考信号基于所述像素级别相关的失调信号变化，降低图像传感器在参考信号阶段由列并行模数转换器集中翻转带来的串扰。
此外，还可以在参考信号中，引入像素级别相关的失调信号，使得同一列的不同行的参考信号基于所述像素级别相关的失调信号变化，以减少列固定模式噪声。
具体的，可以将所述像素级别相关的失调信号引入至信号通路隔直电容连接的高阻点上，再对含有所述像素级别相关的失调信号的参考信号和图像信号进行量化。其中，所述引入的像素级别相关的失调信号是原始的像素级别失调信号，或对原始的像素级别失调信号进行放大或衰减处理后的像素级别失调信号。
根据需要，可以在消除信号通路的失调信号后，引入像素级别相关的失调信号，具体来说，所述引入像素级别相关的失调信号，是通过采样像素级别的失调信号并加入至信号电路的隔直电容连接的高阻点上实现的；也可以先引入像素级别相关的失调信号，将该像素级别相关的失调信号与信号通路的失调信号同时进行衰减处理，再对含有衰减处理后的像素级别相关的失调信号的参考信号和图像信号进行量化。优选的，可以通过一次自清零或者多次自清零方式进行衰减处理。进一步优选的，可以通过开关电容方式实现多次自清零。
下面结合具体实施例对本发明进行详细阐述。
实施例一
图1、图2示出根据本发明实施例一的提高图像传感器性能的方法。
在图1所示的图像传感器电路中，区域P1为像素阵列，区域A1为列并行ADC，由于列并行ADC电路中的比较器cmp1（在此以两级比较器中的第一级比较器为例，本领域技术人员可以理解，在未示出的其他优选实施例中，也可以通过其他数量的多级比较器中的任意一级比较器引入失调信号）采用了自清零技术，从而使得隔直电容在自清零时完全隔断了像素级别相关的失调信号，因此需要通过钳位电路模块B1引入像素级别相关的失调信号。
具体的，在自清零时通过钳位电路模块B1对像素阵列P1的输出信号vpx进行钳位，待自清零结束之后，关闭钳位电路，于是vpx会根据实际的像素阵列输出稳定至不同的电压值，如图2所示，从而在接下来的参考信号阶段量化出不同的参考信号值，使得比较器相对不会集中翻转；另一方面，在每个行时间，像素阵列的输出vpx均不同，从而不会使得某一列相较于其他列在一帧的时间内一致保持提前或者滞后翻转，进而产生FPN。
实施例二
图3-图5示出根据本发明实施例二的提高图像传感器性能的方法。
在图3所示的图像传感器电路中，区域P2为像素阵列，区域A2为列并行ADC，由于列并行ADC电路中的比较器cmp1（在此以两级比较器中的第一级比较器为例，本领域技术人员可以理解，在未示出的其他优选实施例中，也可以通过其他数量的多级比较器中的任意一级比较器引入失调信号）采用了自清零技术，从而使得隔直电容在自清零时完全隔断了像素级别相关的失调信号，因此需通过随机电荷注入模块B2引入像素级别相关的失调信号。
具体的，在自清零结束后，直接对第一级比较器cmp1的高阻点注入随机大小的信号，这个随机信号可由像素阵列P2的输出信号vpx和一个参考电压vref进行电荷共享得到。一种简单的实现方式如图4所示，可以通过一个耦合电容C实现，在自清零时耦合电容C一端接vpx信号，待自清零结束后，耦合电容C的该端切换至参考电压vref，从而便会注入一定量像素级别相关的失调信号至高阻点，如图5所示，使得参考信号阶段列并行ADC翻转随机化。
实施例三
图6-图9示出根据本发明实施例三的提高图像传感器性能的方法。
在图6所示的图像传感器电路中，区域P3为像素阵列，区域A3为列并行ADC，其电路结构与现有技术类似，无需引入额外的电路模块。其中第一级比较器cmp1的结构如图7所示。
如图8所示，由于去除了第一级比较器像素输入端的隔直电容，第一级比较器自清零时，第一级比较器采样像素级别的失调信号，开关电容AZ1_a的自清零结束之后，第一级比较器的高低增益点切换输出，失调信号由co1n转移至co1p，此时，通过开关电容AZ2的关断沿采样该失调信号，便可以可控的采样一定大小的失调信号至第二级比较器，从而使得参考信号随机化。
如图9所示，也可以使得第二级比较器的自清零为第一级比较器自清零结束之后的一小段时间，逐步对第二级比较器的输入高阻点c2vip，c2vin进行充电之后，从而对于某一特定的行时间，第一级比较器采样像素级别相关的失调信号得到一个在该失调信号下的co1p和co1n，从而对应着一定的c2vip和c2vin，当该列在下个行时间的时候，会采样不同的失调信号至co1p和co1n，假设由于两级比较器之间的隔直电容所存储电荷不变，c2vip和c2vin会相应的变化，此时通过合适的自清零时间，第二级比较器的高阻点便会通过和上一行时间出现和像素级别失调信号相关的差异，这个差异致使列并行ADC在该次行时间和上次行时间会出现随机化的差异，从而使得列并行ADC之间翻转的相对提前或者滞后随机化。
与前面两个实施例相比，本实施例进一步的优点是可通过自清零的时序来控制注入的失调信号大小，不需额外的控制电路，有利于节省芯片面积。
综上所示，本发明的提高图像传感器性能的方法，通过在参考信号中，引入像素级别相关的失调信号，使得同一行的不同列的参考信号基于所述像素级别相关的失调信号变化，降低图像传感器在参考信号阶段由列并行模数转换器集中翻转带来的串扰，改善成像质量，由于直接采用芯片内部的随机信号，不需要额外的随机信号发生器，不会对芯片面积、功耗、成本造成较大影响，提高图像传感器整体性能。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论如何来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。此外，明显的，“包括”一词不排除其他元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。装置权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
Claims (9)
1.一种提高图像传感器性能的方法，其特征在于，在参考信号中，引入像素级别相关的失调信号，使得同一行的不同列的参考信号基于所述像素级别相关的失调信号变化，降低图像传感器在参考信号阶段由列并行模数转换器集中翻转带来的串扰。
2.如权利要求1所述的提高图像传感器性能的方法，其特征在于，在参考信号中，引入像素级别相关的失调信号，使得同一列的不同行的参考信号基于所述像素级别相关的失调信号变化，以减少列固定模式噪声。
3.如权利要求1所述的提高图像传感器性能的方法，其特征在于，将所述像素级别相关的失调信号引入至信号通路隔直电容连接的高阻点上，再对含有所述像素级别相关的失调信号的参考信号和图像信号进行量化。
4.如权利要求3所述的提高图像传感器性能的方法，其特征在于，所述引入的像素级别相关的失调信号是原始的像素级别失调信号，或对原始的像素级别失调信号进行放大或衰减处理后的像素级别失调信号。
5.如权利要求1所述的提高图像传感器性能的方法，其特征在于，在消除信号通路的失调信号后，引入像素级别相关的失调信号。
6.如权利要求5所述的提高图像传感器性能的方法，其特征在于，在消除信号通路的失调信号后，所述引入像素级别相关的失调信号，是通过采样像素级别的失调信号并加入至信号电路的隔直电容连接的高阻点上实现的。
7.如权利要求1所述的提高图像传感器性能的方法，其特征在于，先引入像素级别相关的失调信号，将该像素级别相关的失调信号与信号通路的失调信号同时进行衰减处理，再对含有衰减处理后的像素级别相关的失调信号的参考信号和图像信号进行量化。
8.如权利要求7所述的提高图像传感器性能的方法，其特征在于，通过一次自清零或者多次自清零方式进行衰减处理。
9.如权利要求8所述的提高图像传感器性能的方法，其特征在于，通过开关电容方式实现多次自清零。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210910 |
|
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