CN1612590A - 用于图像传感器的噪声去除装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的图像传感器噪声去除装置用于减少图像传感器输出中的噪声。该装置包括：用于产生与图像传感器的输出共模的噪声的噪声发生器；以及用于放大图像传感器的输出与噪声发生器的输出之间的差的差分放大器；通过消除共模信号，也可以减少如1/f噪声、低频噪声、高频噪声、散粒噪声、差拍噪声等与水平同步信号不同步的噪声。

Description

用于图像传感器的噪声去除装置
技术领域
本发明涉及用于安装在数字照相机等产品上的图像传感器中的噪声去除装置。
背景技术
用于数字照相机的传感器的主流一直是CCD传感器。但是，MOS传感器的性能已经有了改进，因而引起了很高期望的关注。以下所述为用于图像传感器的现有的噪声去除装置的一个例子，该装置可以使传感器达到高的信噪比输出。
在图10所示的图像拾取装置中，CCD图像传感器a1由图像传感器驱动电路a6所输出的控制信号所驱动，并输出如图11所示的传感器输出X。传感器输出X包括复位部分X1、馈通(feed-through)部分X2、象素信号部分X3等部分。当信号电荷被产生于驱动电路a6的复位脉冲RP放电时，产生复位部分X1。馈通部分X2在含有复位噪声的状态时的下一个信号电荷从复位到充电期间稳定，然后，变成为要充电的象素信号的基准。象素信号部分X3通过信号电荷充电产生。对于传感器输出，整个波形的直流电平由于低频噪声的重叠而缓慢地变化。
在相关二次采样(CDS)电路a2中，馈通部分X2通过驱动电路a6的馈通/箝位脉冲DS1获取样本，以及象素信号部分X3通过样本脉冲DS2获取样本。两者相减即可去除复位噪声和低频噪声。接着，由放大器a3放大，由黑基准箝位电路箝位，并由模拟-数字转换器a5转换为数字信号。
如上所述，通过CDS电路所执行的噪声处理，可以去除图像传感器输出信号中的复位噪声和低频噪声。该噪声与水平同步信号同步。
但是，仍然存在的问题是：1/f噪声、低频噪声、高频噪声、散粒噪声、差拍噪声等与水平同步信号不同步的噪声，却不能被充分地减小。
发明内容
为了克服上述问题，本发明利用置于后列的差分放大器的共模信号的滤除功能来消除噪声。
(1)一种根据本发明的图像传感器噪声去除装置包括：噪声发生器，用于产生与图像传感器的输出共模的噪声；以及
差分放大器，用于放大图像传感器的输出与噪声发生器的输出之间的差。
利用这样的结构，还可以减少与水平同步信号不同步的1/f噪声、低频噪声、高频噪声、散粒噪声、差拍噪声等噪声。
(2)另一种根据本发明的图像传感器噪声去除装置包括：
噪声发生器，用于产生作为基准信号的共模噪声，该噪声为N个(N为2或大于2的自然数)图像传感器的输出所共用；以及
差分放大器，用于放大N个图像传感器的输出与噪声发生器的基准信号之间的差。
(3)还有一种根据本发明的图像传感器噪声去除装置包括：
N个噪声发生器，用于分别产生作为基准信号的共模噪声，对应于N个图像传感器中每个的输出；以及
N个差分放大器，用于分别放大N个图像传感器的输出和N个噪声发生器的N个基准信号之间的差。
利用(2)(3)中所述的结构，根据N个图像传感器的输出的特性，可以减少与水平同步信号不同步的1/f噪声、低频噪声、高频噪声、散粒噪声、差拍噪声等噪声。
结合以下附图以及对优选实施例的详细说明，本发明的其它目的和优点将变得十分清楚。
附图说明
图1为根据本发明第一实施例的图像传感器噪声去除装置的基本构造的结构框图；
图2为根据本发明第一实施例用于MOS型图像传感器的图像传感器噪声去除装置的电路图；
图3为根据本发明第一实施例的传感器输出的波形图；
图4为根据本发明第一实施例用于CCD型图像传感器的图像传感器噪声去除装置的电路图；
图5为根据本发明第二实施例的图像传感器噪声去除装置的结构框图，包括具有多路输出的图像传感器和单个噪声发生器；
图6为根据本发明第三实施例的图像传感器噪声去除装置的结构框图，包括具有多路输出的图像传感器和N个噪声发生器；
图7为根据本发明第四实施例的图像传感器噪声去除装置的结构框图；
图8为根据本发明第五实施例的图像传感器噪声去除装置的结构框图；
图9为根据本发明第六实施例的图像传感器噪声去除装置的结构框图；
图10为现有的图像传感器噪声去除装置的结构框图；以及
图11为现有的图像传感器输出的波形图。
具体实施方式
以下结合附图，对根据本发明的图像传感器噪声去除装置的多个实施例进行详细说明。
(第一实施例)
图1示出了根据本发明的第一实施例用于消除共模噪声的图像传感器噪声去除装置100a的结构，参考标号11为MOS型或CCD型图像传感器，参考标号12为噪声发生器，其产生的共模噪声与图像传感器11的噪声同相位，参考标号13为用于对两个输出信号相减结果进行放大的差分放大器，其中一个输出信号是图像传感器11的输出信号S1，另一个输出信号是噪声发生器12的噪声基准信号S2，以及参考标号14为模拟前端(AFE)LSI。噪声基准信号S2包含由噪声发生器12产生的1/f噪声、低频噪声、高频噪声、散粒噪声、差拍噪声等噪声。参考标号S3是从差分放大器13输出的差分放大输出信号。
通过差分放大器13的共模滤除功能，在包含各种噪声的图像传感器输出信号S1的波形中减去了噪声基准信号S2波形。由此，差分放大输出信号S3的波形变成了没有噪声的波形。如上所述，通过使用图像传感器、噪声发生器以及差分放大器，可以将噪声去除掉。
通过使用差分放大器13的共模信号的滤除功能，从图像传感器11的系统输出信号S1中减去了噪声基准信号S2，从而消除噪声并提高增益。由此，可以使传感器达到高的信噪比输出。
图2示出了用于图像传感器的噪声去除装置，该装置使用在增加了噪声发生器的MOS型图像传感器中。
在图2中，参考标号20是MOS型图像传感器，参考标号21是光电转换元件阵列，参考标号22是垂直移动电阻器，参考标号23为MOS型图像传感器中的噪声-消除/象素-信号保持电路，参考标号24为噪声发生器，还有参考标号25为差分放大器。
在MOS型图像传感器20中，由光电转换元件阵列21中光敏二极管进行光电转换得到的信号电荷，在单元放大器被垂直移动电阻器22选择时，通过每个单元的放大器(单元放大器)进行电压输出。接着，在电压输出被噪声-消除/象素-信号保持电路23保持后，在被水平移动电阻器(未示出)选择时，电压输出作为电压信号输出。图2仅示出了由水平移动电阻器选择的单个电压信号输出。
噪声-消除/象素-信号保持电路23包括垂直传送开关Q1、箝位电容器C1、箝位开关Q2、箝位基准电源E1和信号电压保持电容器C2。
元件阵列21中任意一个象素的象素数据的读取是按照以下方式进行的。通过操作输出放大器A1前列的复位开关，信号输出电容器C3被复位到复位电源E2的VDD电平。通过操作噪声-消除/象素-信号保持电路23的开关Q2，电容器C1被施加用于箝位的直流电源E1而复位。元件阵列21中的象素由光敏二极管和单元放大器(浮动扩散放大器)组合而形成。聚积在光敏二极管中的电荷通过单元放大器以电压的形式输出。单元放大器晶体管的电压VT的阀值有漂移，形成了降低图像质量的偏移成分(例如，垂直线)。这被称作为噪声，这种噪声可以通过噪声-消除/象素-信号保持电路23来消除。
元件阵列21在水平/垂直方向所选的象素的象素数据，是通过闭合垂直传送开关Q1而读取的，并保持在电容器C2中。通过闭合水平传送开关Q3将象素数据传输给电容器C2后，输出信号S1通过输出放大器A1而输出。
对于元件阵列21的多个纵向排列的象素数据的读取，垂直传送开关Q1、电容器C1、开关Q2和电容器C2连接成为一组，每组通过开关Q3连接电容器C3。这样，有可能通过适当控制开关Q3的动作，在电容器C3中增加并合成多个象素的象素数据。
当通过电容器C3完成单个象素数据的输出时，电容器C3通过操作复位开关RS1而复位。
从输出放大器A1输出的输出信号S1中包含有1/f噪声、低频噪声、高频噪声、散粒噪声、差拍噪声等噪声。与差分放大器25相连接用来消除噪声的噪声发生器24由直流电源E3、开关Q4、电容器C4、输出放大器A2以及复位开关RS2形成。直流电源E3对应于用于箝位的直流电源E1。开关Q4对应于开关Q2并与开关Q2同步动作。输出放大器A2对应于输出放大器A1。复位开关RS2对应于复位开关RS1。如上所述，噪声发生器24在电路结构中相当于噪声-消除/象素-信号保持电路23的电路结构。噪声发生器24产生的噪声与包含在MOS型图像传感器20的输出信号S1中的各种噪声成分相同。
在噪声-消除/象素-信号保持电路23中的输出放大器A1的输出端连接到差分放大器25的非反相输入端(+)，噪声发生器24的输出放大器A2的输出端连接到差分放大器25的反相输入端(-)。
图3示出了水平线输出读取脉冲(H2脉冲)的时序，该脉冲应用在图2所示的噪声发生器24的开关Q4上，该开关Q4对应于开关Q2；复位脉冲(RS脉冲)的时序，该脉冲应用在噪声发生器24的复位开关RS2上，该开关RS2对应于复位开关RS1；以及传感器输出信号S1的波形。
按照图3所示时序重复操作开关Q3、Q4和复位开关RS1、RS2，MOS型图像传感器输出传感器输出信号S1。同步地，噪声发生器24产生噪声基准信号S2。所以，差分放大器25可以得到差分放大输出信号S3，该信号是从传感器输出信号S1中减去噪声发生器24的噪声基准信号S2而得到的结果。通过共模且波形与各种噪声波形相同的噪声基准信号S2，可以消除包含在传感器输出信号S1中的各种噪声成分，比如1/f噪声、低频噪声、高频噪声、散粒噪声、差拍噪声。差分放大输出信号S3不包括如1/f噪声、低频噪声、高频噪声、散粒噪声、差拍噪声等噪声成分。
在上述描述中，以使用MOS型图像传感器为参考进行的说明。但是，本发明还可以用于CCD型图像传感器。
图4示出了用于图像传感器的噪声去除装置，该装置使用在增加了噪声发生器的CCD型图像传感器中。参考标号30是CCD型图像传感器，参考标号33是噪声发生电路，参考标号34是差分放大器。在CCD型图像传感器中，由光电转换元件阵列的光敏二极管进行光电转换得到的信号电荷，由垂直CCD和水平CCD传输，然后通过输出门OG聚积在浮动扩散层的浮动扩散部分FD。聚积的电荷在输出放大器A3中转换为电压并以电压信号输出。
噪声发生电路33包括：输出门OG；浮动扩散部分FD；输出门OG′；浮动扩散部分FD′，分别对应于信号输出电容器C5和复位开关RS3；信号输出电容器C6和复位开关RS4。输出放大器A4对应于输出放大器A3。噪声发生电路33产生与包含在CCD型传感器30的图像传感器输出信号S4中各种噪声成分相同的噪声。
输出放大器A3的输出端连接到差分放大器34的非反相输入端(+)，噪声发生电路33的输出放大器A4的输出端连接到差分放大器34的反相输入端(-)。
这个例子中的操作与上述例子的操作基本相同。通过重复同步操作复位开关RS3、RS4，从CCD型图像传感器中输出传感器输出信号S4。同步地，噪声发生电路33产生噪声基准信号S5。所以，差分放大器34可以得到差分放大输出信号S6，该信号是从传感器输出信号S4中减去噪声发生电路33的噪声基准信号S5而得到的结果。通过共模且波形与各种噪声波形相同的噪声基准信号S5，可以消除包含在传感器输出信号S4中的各种噪声成分，比如1/f噪声、低频噪声、高频噪声、散粒噪声、差拍噪声。差分放大输出信号S6中不包括如1/f噪声、低频噪声、高频噪声、散粒噪声、差拍噪声等噪声成分。
(第二实施例)
图5示出了根据本发明第二实施例的图像传感器噪声去除装置的结构框图，在噪声去除装置100b中，对于N个(N为2或大于2的自然数)图像传感器51的多路输出，提供了单个噪声发生器52，用于产生与图像传感器51的噪声共模的噪声。参考标号53为差分放大器。这里，假设置于相同屏蔽上的多个图像传感器51的多路输出的噪声是大致相同的。
(第三实施例)
图6示出了根据本发明第三实施例的图像传感器噪声去除装置的结构框图，在噪声去除装置100c中，对于N个图像传感器51的多路输出，提供了N个噪声发生器52，用于产生与图像传感器51的噪声共模的噪声。
(第四实施例)
图7示出了噪声去除装置100d，包括：由图像传感器51和噪声发生器52形成的图像传感器单元50；外部差分放大器53a，在其中输入了噪声发生器52和图像传感器51两个系统的输出；以及AFE60。参考标号61是CDS/AGC部分，参考标号62是A/D转换器，以及参考标号63是串行通信单元。
(第五实施例)
图8示出了噪声去除装置100e，包括：图像传感器单元50a，该图像传感器单元除了具有图像传感器51和噪声发生器52之外，还有差分放大器53；以及AFE60。通过使用差分放大器53嵌入到图像传感器单元50a的结构中，不仅可以减少部件数量，还可以减少功率消耗。
(第六实施例)
图9示出了噪声去除装置100f，包括：由图像传感器51和噪声发生器52形成的图像传感器单元50；以及由差分放大器53和AFE60形成的噪声去除部分。与图8中所示的相类似，使用本装置，不仅可以减少部件数量，还可以减少功率消耗。
如上所述，使用根据本发明的图像传感器噪声去除装置，可以充分地减少如1/f噪声、低频噪声、高频噪声、散粒噪声、差拍噪声等与水平同步信号不同步的噪声。
还有，在N个图像传感器的输出产生共模噪声的情况下，N个图像传感器共用单个噪声发生器，就可以为安装有多个图像传感器的照相机系统提供减少成本的噪声去除装置。
另外，在N个图像传感器产生的共模噪声彼此有不同特征的情况下，通过使用对应于N个图像传感器的N个噪声发生器，就可以为安装有多个图像传感器的照相机系统提供充分减小噪声的噪声去除装置。
根据本发明的图像传感器噪声去除装置，在安装于数字照相机等产品上的图像传感器中，可以作为有效的装置，用来去除如1/f噪声、低频噪声、高频噪声、散粒噪声、差拍噪声等与水平同步信号不同步的噪声。
上述实施例并不是对本发明的限制，可以在本发明的思想和范围之内对其进行各种修改。

Claims (3)

1、一种用于图像传感器的噪声去除装置，包括：
噪声发生器，用于产生与图像传感器的输出共模的噪声；以及
差分放大器，用于放大所述图像传感器的输出与所述噪声发生器的输出之间的差。
2、一种用于图像传感器的噪声去除装置，包括：
噪声发生器，用于产生作为基准信号的共模噪声，该共模噪声为N个图像传感器的输出所共用，其中N为2或大于2的自然数，以及
差分放大器，用于放大所述N个图像传感器的输出与所述噪声发生器的所述基准信号之间的差。
3、一种用于图像传感器的噪声去除装置，包括：
N个噪声发生器，用于分别产生作为基准信号的共模噪声，所述共模噪声对应于N个图像传感器中的每个输出，其中N为2或大于2的自然数；以及
N个差分放大器，用于分别放大所述N个图像传感器的输出和所述N个噪声发生器的所述N个基准信号之间的差。
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