CN1481147A - 提供改进图像质量的图像传感器 - Google Patents

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Abstract

提供改进图像质量的图像传感器。本发明公开了一种用于捕获图像的图像传感器，该图像传感器具有：多个像素，以矩阵方式排列，每个像素包括用于根据接收的光强产生电流的光电转换元件和用于将光电转换元件的节点复位到复位电压的复位晶体管；以及采样保持电路，用于根据像素节点的电位对像素电位进行采样保持。此外，采样保持电路输出在像素的第一复位操作之后在积分周期结束时的第一像素电位与积分周期之后的第二复位操作之后在复位噪声读取周期结束时的第二像素电位之间的差电位作为像素信号。此外，在采样保持电路中，在复位噪声读取周期期间的第二像素电位超过预定阈值电平时，将该第二像素电位设置为预定基准电位。

Description

提供改进图像质量的图像传感器
技术领域
本发明涉及图像传感器，其中具有光电转换元件的像素以矩阵方式排列，更具体地说，本发明涉及可以提高诸如太阳光的局部较亮的图像的图像质量的图像传感器。
背景技术
诸如CMOS图像传感器那样的图像传感器具有作为像素的光电转换元件，它将预定积分周期期间输入的光的强度转换为电信号、进行图像处理并输出图像信号。在驱动行选择线时，在每列设置的采样保持电路保持与行选择线相连的像素的光电转换信号，并根据水平扫描脉冲，顺序地输出被保持的该检测信号。
例如，第2002-218324号日本未审查专利申请公报对这种CMOS图像传感器进行了披露。
例如，传统图像传感器的像素包括：光电二极管，作为光电转换元件；复位晶体管，用于复位其阴极电位；放大晶体管，用于放大阴极电位；以及选择晶体管。在将光电二极管的阴极电位复位到复位电位后，在预定积分周期期间，光电二极管根据接收的光强产生的电流使其阴极电压降低，该阴极电压被采样保持电路作为光电转换电压保持。
在复位时，复位噪声被叠加到阴极电位上。复位噪声依据不同的像素而不同，因为复位噪声取决于晶体管特性的分散和像素内寄生电容的分散。为了从检测的电压上消除复位噪声，采样保持电路包括相关双采样电路。在第一复位操作之后，在完成积分周期时，该相关双采样电路采样保持该阴极电位，而在此后，在立即进行了第二复位操作后，采样保持在后续的复位噪声读取周期之后产生的复位噪声。把这两个采样保持电压的差电压作为像素信号输出。通过确定这两个采样保持电压的差，从检测信号中消除复位噪声。
然而，在其亮度比周围高得多的区域，例如太阳光存在于被捕获图像的局部上时，在相应像素内，光电二极管产生的光电转换电流非常高。在第二复位操作之后，在复位噪声读取周期内，这种高亮度使阴极电位迅速降低。因此，这两个采样保持电压的差电压变得非常小。换句话说，待在诸如太阳光这样的高亮度区域内检测的像素信号电平被认为是最高电平，但是不能获得希望的像素信号电平，因为在复位噪声读取周期结束时读取的复位噪声变得非常高。因此，将要获得的输出图像变成一个其中太阳的亮度极低、并且在极个别情况下太阳变得完全黑暗的图像。
发明内容
因为上述原因，本发明的目的是提供一种通过相关双采样来采样保持每个像素的检测信号的图像传感器，其中即使在局部存在高亮度图像，仍可以产生适当亮度的输出图像。
为了实现上述目的，本发明的一个方面是用于捕获图像的图像传感器，该图像传感器包括：多个像素，以矩阵方式排列，每个像素包括用于根据接收的光强产生电流的光电转换元件和用于将光电转换元件的节点复位到复位电压的复位晶体管；以及采样保持电路，用于根据像素节点的电位对像素电位进行采样保持。并且，采样保持电路输出在像素的第一复位操作之后在积分周期结束时的第一像素电位与积分周期之后的第二复位操作之后在复位噪声读取周期结束时的第二像素电位之间的差电位作为像素信号。而且，在采样保持电路中，在复位噪声读取周期期间的第二像素电位超过预定阈值电平时，将该第二像素电位设置为预定基准电位。
根据本发明的上述方面，当图像在局部具有高亮度时，通过在复位噪声读取周期期间进行曝光，防止第二像素电位变得远高于复位噪声，而且防止作为第一像素电位与第二像素电位之间的差电位的像素信号电平过度降低。换句话说，在第二像素电位超过预定阈值电平时，禁止采样保持电路的相关双采样功能，以便检测复位电平与第一像素电位之间的差电压，而不是检测第一像素电位与第二像素电位之间的差电压。因此，可以防止在亮度高的局部区域内发生图像质量下降。
附图说明
图1是示出根据本实施例的CMOS图像传感器的像素阵列配置的示意图；
图2是示出传统采样保持电路的示意图；
图3是示出采样保持电路的操作的信号波形图；
图4是示出根据本实施例的采样保持电路的示意图；
图5是示出根据本实施例的采样保持电路的操作的示意图；
图6是示出根据本实施例的采样保持电路的另一个操作的示意图；以及
图7是示出根据第二实施例的采样保持电路的示意图。
具体实施方式
现在，将参考附图说明本发明的实施例。然而，本发明的保护范围并不局限于下面的实施例，而是包括权利要求及其等效物所述的发明。
图1是示出根据本实施例的CMOS图像传感器的像素阵列配置的示意图。像素阵列10包括：分别以行方向排列的多个复位电源线VR、行选择线SLCT1-4以及复位控制线RST1-4；以列方向排列的多个列线CL1-4；以及排列在每个行选择线、复位控制线以及列线之间的交叉点上的像素PX11-PX44。每个像素具有光电转换电路，光电转换电路包括：复位晶体管M1；光电二极管PD，作为光电转换元件；源极跟随器晶体管M2，用于放大作为光电二极管的一个节点的阴极电位；以及选择晶体管M3，用于响应于行选择线SLCT的驱动，将源极跟随器晶体管M2的源极与列线CL连接在一起。将作为光电二极管的另一个节点的阳极连接到基准电位，例如地。
垂直扫描移位寄存器12和复位控制电路11对以行方向排列的行选择线SLCT1-4和复位控制线RST1-4的驱动过程进行控制。换句话说，垂直扫描移位寄存器12是用于产生垂直扫描信号Vscan的垂直扫描电路，它响应于垂直扫描时钟VCLK串行地传送数据VDATA“1”，并产生用于选择每行的垂直扫描信号Vscan。响应于垂直扫描信号，顺序地驱动行选择线SLCT0-3。
将以列方向排列的每个列线CL1-4分别连接到采样保持电路14。如下所述，采样保持电路14对每个像素通过列线CL提供的光电转换信号进行放大，消除复位操作中产生的复位噪声，并输出像素信号。
通过由利用水平扫描移位寄存器16产生的水平扫描信号Hscan选择的列选择晶体管CS1-4，将采样保持电路14输出的像素信号输出到公共输出总线OBUS，并利用与输出总线相连的放大器AMP对其进行放大。将放大器AMP的输出提供到色彩处理器(未示出)。
图2是示出传统采样保持电路的示意图，图3是示出采样保持电路的操作的信号波形图。图2示出一个像素PX的电路以及通过列线(未示出)连接到像素PX的采样保持电路14。采样保持电路14包括：第一开关SW1、第二开关SW2、第一采样保持电容器C1、第二采样保持电容器C2、基准电压VREF以及第一和第二放大器AMP1和AMP2，该采样保持电路14是用于消除该像素的光电转换电路的复位噪声的相关双采样电路。电流源I1设置在像素PX与采样保持电路14之间。
参考图3说明像素PX以及采样保持电路14的操作。在图3中示出与行选择线SLCT、复位控制线RST以及第一和第二开关SW1和SW2相关联的作为与像素内的光电二极管D1的阴极电压VPD对应的输出的像素电位Vp的电压变化。为了简洁起见，假定将行选择线SLCT驱动到H电平，而选择晶体管M3处于接通(ON)状态。
首先，在第一复位周期T1，将复位控制线RST驱动到H电平，复位晶体管M1接通，并将光电二极管PD的阴极电位VPD设置为复位电平VR。对应于阴极电位VPD的像素电位Vp也变成相应复位电平。在复位控制线RST变为L电平并且复位晶体管M1断开时，利用光电二极管PD产生的电流，使阴极电位VPD根据输入光的光强逐渐降低。这就是积分周期T2。然而，在断开复位晶体管M1时，产生复位噪声Vn。该复位噪声Vn是依据像素而分散的电压。
预定积分周期T2期满后，临时地接通开关SW1和SW2，并且通过选择晶体管M3和列线(未示出)，根据阴极电位VPD产生的、从源极跟随器晶体管M2输出的驱动电流对电容器C1进行充电。通过进行此采样操作，节点VC1变为电位VR-(Vs+Vn)，它是复位电压VR减去在积分周期T2期间下降的复位噪声电压Vn与电位Vs之和(Vs+Vn)。还通过第一放大器AMP1，将节点VC1的电位传送到第二电容器C2。
此时，第二开关SW2还处于接通(ON)状态，而且如果第一放大器AMP1的放大系数为1，则还将第二电容器C2充电到与第一电容器相同的电压状态。在这种情况下，将电平VR-(Vs+Vn)与基准电压VREF之间的差电压施加到第一和第二电容器C1和C2。在将开关SW1控制到断开(OFF)状态时，第一和第二电容器保持上述电平。
积分周期T2结束后，将复位脉冲再提供到复位控制线RST，并且接通复位晶体管M1。通过进行该第二复位操作，将阴极电位VPD再充电到复位电平VR。这就是第二复位周期T3。然后，在复位噪声读取周期T4，临时接通第一开关SW1。此时，使第二开关SW2保持断开(OFF)状态。还是在此复位噪声读取周期T4中，如同积分周期T2一样，利用光电二极管产生的电流，使阴极电位VPD的电平根据接收的光强降低。然而，将复位噪声读取周期T4设置得比积分周期T2短。
在此复位噪声读取周期T4期间，开关SW1变成接通状态，并且第一电容器C1的节点VC1变为电平VR-Vn，它是复位电压VR降低复位噪声Vn所产生的电平。通过第一放大器AMP1，还将该电位VR-Vn传送到第二电容器C2的端子。此时，第二开关SW2处于断开(OFF)状态，因此，第二电容器C2的节点VC2处于开放状态。因此，在第二电容器C2的节点VC2，产生了在积分周期T2结束时节点VC1的电位VR-(Vs+Vn)与复位噪声读取周期T4结束时节点VC1的电位VR-Vn之间的差电压波动，而在节点VC2产生电压VREF+Vs，它是第一采样时的基准电压VREF与差电压Vs之和。换句话说，从该电压VREF+Vs内消除复位噪声Vn。
通过将第二放大器AMP2的基准电位设置为VREF，第二放大器AMP2对根据接收的光强积分的检测电压Vs进行放大，并通过利用水平扫描移位寄存器16产生的水平扫描信号顺序地控制其接通(ON)/断开(OFF)的列门CS，将它输出到输出总线OBUS。并且，利用设置在输出总线OBUS上的公共放大器AMP放大该输出电压，并将该输出电压作为像素信号提供到后续级中的A/D转换电路。
图3所示的像素电位Vp的波形是表示其局部亮度高的图像所对应的像素的例子。换句话说，将积分周期T2控制为短周期，而像素电位Vp迅速降低并在短时间内饱和。与此同时，在第一采样保持操作期间，在接通开关SW1和SW2时，检测电压Vs达到最大值。尽管第二复位操作T3之后的复位噪声读取周期T4短，但是，其像素电位Vp迅速降低，而且在第二采样保持操作T4期间，在接通开关SW1时，待作为复位噪声Vn检测的电平极高。因此，相关双采样过程确定的检测电压Vs＝(VR-Vn)-{VR-(Vs+Vn)}比对应于高亮度的原始电平低。
复位噪声读取周期T4必须具有保证复位控制信号RST与第一开关SW1的操作之间具有余量的一定长度，但是对于上述高亮度图像，即使在这样短的周期T4内，像素电位Vp仍迅速降低，并且采样保持远超过最初设定的复位噪声的复位噪声Vn。
图4是示出根据本实施例的采样保持电路的示意图。该像素PX与图2所示像素相同。采样保持电路14包括相关双采样电路14A和用于控制是否禁止该相关双采样电路的控制电路14B。图4所示的相关双采样电路14A与图2所示的采样保持电路具有同样的配置。在如图1所示与列线CL1-4相连的采样保持电路14中，将控制电路14B设置在列线与相关双采样电路14A之间。
控制电路14B包括开关SW4和SW5，而且还包括NOR门NOR以及反相器INV1和INV2。利用反相器INV1的输出控制设置在像素PX与相关双采样电路14A之间的开关SW4，并在该输出为H电平时，将开关SW4控制到ON状态。与所述一样，利用反相器INV2的输出控制设置在相关双采样电路14A与复位电源VR之间的开关SW5，并在该输出为H电平时，将开关SW5控制到ON状态。将用于控制控制电路14B的使能/禁止的使能信号EN输入到NOR门NOR的一个输入端，而将像素电位Vp输入到其另一个输入端。
图5是示出根据本实施例的采样保持电路的操作的示意图。该例子是在捕获如图3一样在局部具有高亮度的图像时的操作的例子。第一复位周期T1期间的复位操作以及在积分周期T2结束时，在接通开关SW1和SW2时执行的第一采样保持操作与图3所示情况相同。在进行这些操作期间，以这样的方式进行控制，以致使能信号EN处于H电平(禁止状态)，控制电路14B处于禁止状态，开关SW4接通，开关SW5断开。因此，相关双采样电路14A内的节点电压VC1变成电压VR-(Vs+Vn)，它是复位噪声Vn与检测电压Vs之和(Vs+Vn)与对应于复位电压的电压VR之间的差值。如果假定增益＝1，则第一放大器AMP1的输出也与图3所示情况相同。
然后，在第二复位周期T3，将使能信号EN设置为L电平(使能状态)。这样使NOR门NOR处于有效状态，并且在像素电位Vp变成比NOR门NOR的阈值电平Vth低的电平时，将NOR门NOR的输出控制到H电平。第二复位周期T3之后，在复位晶体管M1断开时，开始复位噪声读取周期T4，并且阴极电压VPD的电平根据入射光的光强降低。由于亮度高，所以阴极电压迅速降低，像素电位Vp也相应地迅速降低，以便在第一开关SW1断开的保持操作之前，超过NOR门NOR的阈值电平Vth。
响应于此，NOR门NOR的输出变成H电平，第一反相器INV1的输出变成L电平，并且将开关SW4控制到断开状态，与此同时，第二反相器INV2的输出变成H电平，并且将开关SW5控制到接通状态。在开关SW5接通时，将节点电压VC1强行上拉到复位电源VR电平，而不上拉到像素电位Vp。然后，断开第一开关SW1，并且利用电容器C1保持复位电平VR。换句话说，节点电位VC1的电平变成复位电平VR，并且第一放大器AMP1的输出也变成复位电平VR。因此，将节点电压VC2从基准电压VREF上拉到Vs+Vn+VREF，以使检测电压变成Vs+Vn。
在此采样保持操作过程中，不从检测电压Vs+Vn内去除复位噪声Vn。然而，检测电压Vs是最大值，或者是接近最大值的值，因此，即使不去除小复位噪声，输出图像(最大灰度级或接近最大灰度级的灰度级)的图像质量问题仍小。说得更确切些，与现有技术相比，图像质量仍得到改善，在现有技术中，所检测的复位噪声Vn不必要的高，而且检测电压Vs变得非常低，从而降低输出图像的亮度，即使输出图像具有高亮度。
图6是示出根据本实施例的采样保持电路的另一个操作的示意图。不同于图3，图6是在捕获亮度不高的图像时的操作过程的例子。由于入射光的强度低，所以在积分周期T2内，光电二极管PD的电流较低，因此，阴极电压VPD及其相应像素电位Vp逐渐降低。待在积分周期T2结束时在第一采样保持操作时保持的像素电位Vp未达到饱和电平。
即使在第二复位操作T3之后的复位噪声读取周期T4内，阴极电压PD及其相应像素电位Vp逐渐降低，而且在第一开关SW1关闭的保持操作之前，不超过阈值电平Vth。因此，作为控制电路14B的NOR门NOR的第二输入的像素电位Vp不变成L电平，并且NOR门的输出维持L电平。换句话说，第一反相器INV1的输出维持H电平，以使开关SW4维持ON状态，并且第二反相器INV2的输出维持L电平，因此不接通开关SW5。因此，检测到已经从其内去除了复位噪声Vn的适当电压Vs。
这样，在像素没有特别高的亮度时，控制电路14B将相关双采样电路14A的操作控制到正常操作。检测从其内去除了复位噪声Vn的适当检测电压Vs。
在上述实施例中，通过适当设定NOR门的阈值电平Vth，可以优化控制电路14B的控制电平。因此，通过使控制电路14B的阈值电平发生变化，可以改变相关双采样操作的使能与禁止之间的边界点。
图7是示出根据第二实施例的采样保持电路的示意图。相关双采样电路14A与图4所示的实施例相同。在第二实施例中设置比较器CMP，而不是设置图4所示的NOR门，而且将该比较器的输出提供到控制电路14B内的第一反相器INV1。此外，在比较器CMP中，利用开关SW6，可以将待与像素电位Vp进行比较的阈值电平在Vth1与Vth2(＜Vth1)之间进行切换。可以利用由可手控外部端子，或者未示出的内部电路自动控制的控制信号CON来切换开关SW6。
在图像中包括诸如太阳光的、在局部具有高亮度的图像时，选择较高阈值电平Vth1。如果在复位噪声读取周期T4期间，像素电位Vp降低到比阈值电平Vth1低，则进行第二采样保持操作时的检测电平变成复位电压VR，并且操作过程变得与图5所示操作过程相同。
另一方面，如果图像中不包括在局部具有非常高亮度的图像，则选择正常的较低阈值电平Vth2。因此，在复位噪声读取周期T4期间，像素电位Vp不超过阈值电平Vth2，并且进行第二采样保持操作时的检测电平变成复位噪声Vn，而且操作过程变得与图6所示操作过程相同。
通过象这样使阈值电平可变，可以获得根据所捕获的图像优化的输出图像。
可以根据从捕获的图像接收的光的光强，自动设定上述阈值电平的变化。例如，在一个帧周期期间，累加被检测的像素信号电平，以检测图像的亮度，并对与输出总线OBUS相连的放大器AMP的增益进行控制。例如，如果图像暗，则提高增益，而如果图像亮，则降低增益。此外，如果仅控制放大器的增益是不够的，则调节积分周期T2的长度。利用设置在A/D转换电路的输出端的自动增益控制电路进行该控制过程，该A/D转换电路与输出总线上的放大器AMP的输出端相连。
例如，如果将积分周期T2控制为较长的第一周期，则接收光的光强较低，因此将阈值电平Vth设置到高，并提高相关双采样操作的禁止功能的灵敏度，以便不降低局部高亮度图像的图像质量。如果将积分周期T2设置为较短的第二周期，则接收光的光强较高，因此将阈值电平Vth设置为低，并降低灵敏度，以便仅对亮度极高的图像激活禁止功能，这样防止降低图像质量。
通过进行手动操作，可以对阈值电平Vth1和Vth2进行可变设置。换句话说，观看输出图像的用户可以手动改变该设置以提高图像质量，从而提供更高质量的输出图像。
根据本发明的图像传感器，可以提高局部高亮度图像的图像质量。

Claims (10)

1.一种用于捕获图像的图像传感器，该图像传感器包括：
多个像素，以矩阵方式排列，每个像素包括用于根据接收的光强产生电流的光电转换元件和用于将光电转换元件的节点复位到复位电压的复位晶体管；以及
采样保持电路，用于根据所述像素的所述节点的电位对像素电位进行采样保持，
其中所述采样保持电路输出在所述像素的第一复位操作之后在积分周期结束时的第一像素电位与所述积分周期之后的第二复位操作之后在复位噪声读取周期结束时的第二像素电位之间的差电位作为像素信号，以及
在所述采样保持电路中，在所述复位噪声读取周期期间的所述像素电位超过预定阈值电平时，将所述像素电位设置为预定基准电位。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述预定基准电位是所述复位电位。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中可以将所述预定阈值电平的设置变更为多个电平。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，其中可以根据从所捕获图像接收的光强改变所述预定阈值电平的设置。
5.一种用于捕获图像的图像传感器，该图像传感器包括：
多个像素，以矩阵方式排列，每个像素包括用于根据接收的光强产生电流的光电转换元件和用于将所述光电转换元件的节点复位到复位电位的复位晶体管；以及
采样保持电路，用于根据所述像素的所述节点的电位对像素电位进行采样保持，
其中所述采样保持电路输出在所述像素的第一复位操作之后在积分周期结束时的第一像素电位与所述积分周期之后的第二复位操作之后在复位噪声读取周期结束时的第二像素电位之间的第一差电位作为像素信号，以及
在所述复位噪声读取周期期间的所述像素电位超过预定阈值电平时，所述采样保持电路输出所述第一像素电位与在进行第一复位时的像素电位之间的第二差电位作为像素信号，代替所述第一差电位。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，其中可以将所述预定阈值电平的设置变更为多个电平。
7.根据权利要求5所述的图像传感器，其中可以根据从所捕获图像接收的光强改变所述预定阈值电平的设置。
8.一种用于捕获图像的图像传感器，该图像传感器包括：
多个像素，以矩阵方式排列，每个像素包括用于根据接收的光强产生电流的光电转换元件和用于将所述光电转换元件的节点复位到复位电压的复位晶体管；以及
采样保持电路，用于根据所述像素的所述节点的电位对像素电位进行采样保持，
其中所述采样保持电路输出在所述像素的第一复位操作之后在积分周期结束时的第一像素电位与所述积分周期之后的第二复位操作之后在复位噪声读取周期结束时的第二像素电位之间的差电位作为像素信号，以及
所述采样保持电路进一步包括控制电路，该控制电路检测在所述复位噪声读取周期内所述像素电位超过预定阈值电平，以将所述第二像素电位设置为复位电位。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其中可以将所述预定阈值电平的设置变更为多个电平。
10.根据权利要求8所述的图像传感器，其中可以根据从所捕获图像接收的光强改变所述预定阈值电平的设置。
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