用于图像传感器的多斜率列并行模/数转换中的校准的制作方法
【专利摘要】本申请案涉及用于图像传感器的多斜率列并行模/数转换中的校准。一方面的方法包含用像素阵列获取模拟图像数据，且从所述像素阵列读出所述模拟图像数据。通过使用多斜率电压斜坡执行模/数A/D转换将所述模拟图像数据转换为数字图像数据。用校准数据调整所述数字图像数据中的至少一些。还揭示其它方法、设备和系统。
【专利说明】用于图像传感器的多斜率列并行模/数转换中的校准
[0001 ] 分案申请的相关信息
[0002]本案是分案申请。该分案的母案是申请日为2013年3月18日、申请号为201310086281.2、发明名称为“用于图像传感器的多斜率列并行模/数转换中的校准”的发明专利申请案。
技术领域
[0003]本发明的实施例涉及图像传感器的领域，且更特定来说，涉及用于图像传感器的多斜率列并行模/数转换。
【背景技术】
[0004]图像传感器随处可见。它们广泛用于数字静态相机、数字视频相机、蜂窝式电话、安全相机、医疗装置、汽车和其它应用中。
[0005]许多图像传感器应用受益于快速处理速度。一种实现快速处理速度的方式是增加图像传感器能够读出所俘获的图像的速度。图像传感器的读出电路通常包含将来自像素阵列的模拟电压输出转换为用于构建数字图像的数字值的模/数(A/D)转换器。已经使用列并行A/D转换架构(其中每一列读出线或位线电耦合到对应的A/D转换器)来增加图像传感器的读出速度。
[0006]—种类型的读出使用单坡单斜率(SRSS)列并行A/D转换。术语单坡意味着参考电压斜坡信号在整个参考电压斜坡范围内仅作单一回合。术语单斜率意味着参考电压斜坡信号在整个参考电压斜坡范围上仅具有单一恒定斜率。
[0007]图1是具有列并行A/D转换架构的图像传感器100的框图。所述图像传感器包含控制电路102、像素阵列104、读出电路120和数字处理逻辑128。出于说明简单起见，所说明的像素阵列仅包含具有四个像素单元108的第一列106-1，和具有四个像素单元108的第二列106-2。将理解，实际的图像传感器通常包含数百上千列，且每一列通常包含数百上千像素。
[0008]在使用期间，在每一像素单元已获取其图像数据或电荷之后，可将图像数据或电荷从像素单元读出到列读出线或位线110-1、110-2上的读出电路120。像素阵列的每一列可存在一根位线，且可使用用于所有列的位线一次读出一行像素单元。读出电路可包含单独的A/D转换器114-1、114-2来用于像素阵列的对应的位线和/或列。也就是说，每一列可共享读出电路的包含对应的A/D转换器114的一部分。如图所示，每一位线和/或列还可具有对应的列放大器112-1、112-2来放大图像数据或电荷。
[0009]每一A/D转换器包含对应的比较器116-1、116-2和锁存器118-1、118-2。所述比较器中的每一者具有两个输入端子。可将来自列放大器的经放大的图像数据提供给所述比较器的非反相输入端子(即，图解说明中的“+”端子)。读出电路还包含电压斜坡产生器122。所述电压斜坡产生器可产生且输出电压斜坡信号(VRAMP)。所述电压斜坡信号可与比较器的反相输入端子(即，图解说明中的端子)进行耦合。所述电压斜坡信号可例如在锯齿形电压斜坡中从初始电压(例如，0V)斜升到最终的全刻度电压(Vfs)。在另一实施方案中，+和-端子可互换。在一些实施方案中，可使用单端比较器，其采用等于VRAMP与列放大器输出之间的差的单一输入。
[0010]读出电路还包含计数器124。在施加电压斜坡信号(VRAMP)时，计数器递增。举例来说，所述计数器可为N位计数器，其中N表示A/D转换器的以位计的分辨率，和/或数字输出值中的位的数目。通常，N的范围为从6位到12位，或更多。在每一A/D转换期间，N位计数器可从O递增到2N-1。举例来说，在8位的特定情况下，计数器可从O计数到255，其中每一不同计数可表示在A/D转换期间来自像素单元的模拟电压将被映射到的不同数字电平。计数器可在时钟循环期间递增，使得N位A/D转换可花费大约2N个时钟循环来完成。计数器经耦合以将计数信号126提供给用于对应列的每一锁存器118-1、118-2。
[0011]所述比较器可将输入电压斜坡信号(VRAMP)与来自(例如，正输出的行的)像素单元的输入经放大模拟输入电压进行比较。比较器的输出耦合到对应锁存器的输入。当比较器确定输入电压斜坡信号(VRAMP)与来自对应列中的对应像素单元的经放大模拟输入电压匹配时，对应的锁存器可锁存输出计数信号126。经锁存的计数信号可表示在A/D转换期间来自像素单元的经放大模拟输入电压已被映射到的数字电平。当电压斜坡信号不与来自对应列中的对应像素单元的经放大模拟输入电压匹配时，那么对应的锁存器不锁存输出计数信号(例如，允许VRAMP在计数器继续计数时进一步增加，直到某时值匹配为止)。在一替代实施例中，除了全局计数器和局部锁存器之外，可使用局部计数器，且当比较器触发时，对应的局部计数器可停止计数。可从锁存器将经锁存的计数信号值输出到数字处理逻辑128。在需要时，可与缓冲器(例如，随机存取存储器缓冲器)并行地传送值，且随后按序输出到数字处理逻辑。
[0012]此SRSSA/D转换通常用于读出图像传感器的图像数据。然而，使用此SRSS A/D转换一般倾向于提供相对慢的转换时间(例如，2N个时钟循环)。在各种应用中，此些较慢的转换时间往往具有缺陷，尤其在使用相对高的分辨率时。减少转换时间将提供某些优点。
【发明内容】
[0013]本发明提供一种方法，其包括:用像素阵列获取模拟图像数据;从所述像素阵列读出所述模拟图像数据;通过使用多斜率电压斜坡执行模/数(A/D)转换将所述模拟图像数据转换为数字图像数据；以及用校准数据调整所述数字图像数据中的至少一些。
[0014]本发明还提供一种方法，其包括:将第一组模拟数据施加到图像传感器的一组列模/数(A/D)转换器，所述图像传感器具有包含对应于所述组列模/数转换器的一组像素列的像素阵列;产生多斜率电压斜坡;使用所述多斜率电压斜坡用所述组列A/D转换器将所述第一组所述模拟数据转换为第一组数字数据;将第二组模拟数据施加到所述组列模/数转换器;产生单斜率电压斜坡；以及使用所述单斜率电压斜坡用所述组列模/数转换器将所述第二组所述模拟数据转换为第二组数字数据。
[0015]本发明还提供一种设备，其包括:像素阵列，其具有一组像素列;模/数(A/D)转换电路，其与所述像素阵列耦合，所述A/D转换电路可操作以将来自所述像素阵列的模拟图像数据转换为数字图像数据，所述A/D转换电路包括:电压斜坡产生器，其可在第一状态中操作以产生单斜率电压斜坡，且可在第二状态中操作以产生多斜率电压斜坡;一组列A/D转换电路，其与所述电压斜坡产生器耦合，所述列A/D转换电路中的每一者对应于所述像素列中的一者；以及至少一个计数器，其与所述组列A/D转换电路耦合；以及校准电路，其与所述组列A/D转换电路耦合，所述校准电路可操作以确定数字校准数据来调整所述数字图像数据，所述校准电路可操作以将横跨校准范围的模拟校准数据提供给所述组列A/D转换电路，而不是将来自所述像素阵列的所述模拟图像数据提供给所述组列A/D转换电路。
【附图说明】
[0016]通过参看用于说明本发明的实施例的以下描述和附图，可最佳地理解本发明。在图式中:
[0017]图1是具有列并行模/数转换架构的图像传感器的实例的框图；
[0018]图2是说明单斜率电压斜坡信号和多斜率电压斜坡信号的实例的图表。
[0019]图3是使用校准数据来调整图像传感器中的数字图像数据的方法的实例性实施例的方框流程图。
[0020]图4是具有校准电路的实例性实施例的图像传感器的实例性实施例的框图。
[0021 ]图5是获得校准数据的方法的实例性实施例的方框流程图。
[0022]图6是说明使用单斜率电压斜坡和多斜率电压斜坡模数转换获得模拟校准电压的实例性数字值的图表。
[0023]图7是说明校准数据的实例性实施例的图表。
【具体实施方式】
[0024]在以下描述中，陈述了众多特定细节，例如特定读出电路、电压斜坡信号、校准电路、操作次序等。然而，将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的多个实施例。在其它例子中，尚未详细展示众所周知的电路、结构和技术，以便不使对此描述的理解模糊不清。
[0025]如先前所提及，SRSSA/D转换往往具有相对慢的转换时间。在一些实施例中，可通过使用多斜率电压斜坡执行模/数(A/D)转换(例如，单坡多斜率(SRMS)方法)来将模拟图像数据转换为数字图像数据。在SRMS方法中，对于将要转换的每一组模拟输入值(例如，每一行像素)，电压斜坡信号可在模拟输入电压范围内通过一次，且电压斜坡信号对时间的斜率可至少改变一次(即，电压斜坡信号具有至少两个不同斜率)ARMS方法的一个优点是，可潜在地实现较快速的转换时间(例如，当斜率增加时)。然而，使用多斜率电压斜坡(SRMS方法)的一个挑战是，当实施多斜率电压斜坡时可能遇到非理想情况。在一些实施例中，可使用校准来至少部分考虑这些非理想情况且/或提高图像质量。
[0026]图2是说明单斜率(SS)电压斜坡信号(VRAMP)和多斜率(MS)电压斜坡信号的图表。在所述图表中，在水平轴上绘制时间，且在垂直轴上绘制电压斜坡信号。SS线230展示电压斜坡针对SS电压斜坡信号随着时间从OV增加到全刻度电压(Vfs )。在SS电压斜坡信号下，完整的电压斜坡信号和/或每一 A/D转换花费时间Tss C3MS线232展不电压斜坡信号针对MS电压斜坡信号随着时间从OV增加到全刻度电压(Vfs)。在所说明的实例中，起初SS和MS电压斜坡具有由从时间O到时间Tt的区段233展示的相同的斜率。在时间Tt处，MS电压斜坡信号的斜率改变(例如，在此情况下增加)。在时间Tt之后，MS电压斜坡信号具有由区段234展示的不同于SS电压斜坡信号的斜率的斜率。增加MS电压斜坡信号的斜率提供每单位时间电压斜坡信号的更大增加，其减少了达到全刻度电压(Vfs)所需的时间量。如图所示，在MS电压斜坡信号下，达到全刻度电压(Vfs )的时间和/或A/D转换花费时间Tms，其少于SS电压斜坡信号下的时间Tss。有利的是，此可有助于减少读出模拟图像数据所需的时间。
[0027]通常，可在不显著增加图像噪声的情况下实现减少的读出时间。随着图像传感器中的信号量值增加，信号相关噪声往往也增加(例如，光子散粒噪声)。光子散粒噪声往往与输入电压的平方根大致成正比。随着输入电压增加，散粒噪声变得比包含量化噪声的其它噪声源具支配性。因此，对于相对大的输入电压，可在不显著降低整体信噪比(SNR)的情况下增加量化噪声的量。在MS电压斜坡下，当电压斜坡的斜率在更大的输入信号下增加时，量化台阶和量化噪声也可增加。
[0028]回想到A/D转换器中的比较器将电压斜坡信号与从像素阵列读出的模拟输入电压进行比较，且将在两个电压相等时的计数器的值取作模拟输入电压的数字表示(将理解，此涵盖与实际的比较器相关联的偏移和延迟)。当电压斜坡的斜率改变时，在所述斜坡实现给定电压之前(例如，在锁存电压之前)，实现给定计数所花费的时间也改变。因此，当电压斜坡达到全刻度电压(Vfs )所需的时间减少时，完成A/D转换所需的时间也减少。如图2中所示，用于SRMS A/D转换的转换时间是Tms，而对于SRSS A/D转换，转换时间是更大的Tss。计数器可以恒定速率从其初始值计数到其最大值，甚至在电压斜坡的斜率改变之后也如此。或者，如先前所提及，可使用局部计数器架构，其中每一计数器在对应的比较器触发之前一直计数。如果在电压斜坡信号的斜率在MS电压斜坡中增加时计数器的速度(S卩，其计数的速度)不增加，那么计数器不会计数或递增到在电压斜坡信号与模拟输入电压匹配时使用SS电压斜坡的情况下的相同高值。因为对于给定的模拟输入电压，数字输出将取决于是使用单斜坡还是多斜坡A/D转换而不同。因此，在MS电压斜坡信号的斜率改变之后，由SS和MS电压斜坡A/D转换确定的计数器值可不同。
[0029]为了解译SRMSA/D转换的输出，准确地知道尤其在斜率改变时以及附近的MS电压斜坡信号的形状(即，特定时间处的电压)一般是有利的。SRMS A/D转换的输出通常被转变为SRSS A/D转换的输出。虽然可在精确时间处(例如，图2中的时间Ττ)触发电压斜坡信号的斜率中的改变，但非理想情况可使得难以准确地知道在斜率改变时以及附近的MS电压斜坡信号的形状。在不希望被理论束缚的情况下，此类非理想情况可部分归因于电路变化、斜坡产生器中的延迟、列比较器中的延迟，或此些因素的某一组合。当解译从SRMS A/D转换输出的数字数据时，不考虑此类非理想情况可能倾向于导致图像假影(例如，图像中所存在的大量数字代码的直方图中的下降、折曲或其它失真)。本文中所揭示的校准有助于将由SRMSA/D转换确定的数字值转换为由SRSS A/D转换确定的数字值或使其相关。本文中所揭示的校准还有助于考虑到与SRMS A/D转换相关联的非理想情况以便减少图像假影且/或提高图像质量。
[0030]图3是使用校准数据来调整图像传感器中的数字图像数据的方法340的实例性实施例的方框流程图。所述方法包含在方框341处，用像素阵列获取模拟图像数据。在方框332处，从所述像素阵列读出模拟图像数据。举例来说，可在一组每列位线上从像素阵列读出用于一行像素的模拟图像数据。在方框343处，可通过使用多斜率电压斜坡执行A/D转换将所述模拟图像数据转换为数字图像数据。在一些实施例中，可使用单坡多斜率(SRMS)电压斜坡。在方框344处，可用校准数据调整数字图像数据中的至少一些。举例来说，可用数字校准数据调整靠近SRMS电压斜坡的斜率改变点的数字图像数据的至少一部分(例如，可用校准数据调整紧接在斜率改变之前且在斜率改变之后某一时间量的数据)。在一些实施例中，可使用数字校准数据来使SRMS A/D转换的输出与SRSS A/D转换的输出相关，或将SRMS A/D转换的输出转换为SRSS A/D转换的输出。在一些实施例中，数字校准数据可使使用多斜率电压斜坡从模拟数据转换的数字数据与使用单斜率电压斜坡从模拟数据转换的数字数据相关。
[0031]图4是具有校准电路450的实例性实施例的图像传感器400的实例性实施例的框图。图像传感器包含像素阵列404、读出电路420和校准电路450。在所述说明中，使用多条线来展示组件的耦合。除非另有指定，或从本发明显而易见，且尤其除了由于并入校准电路而更改的方面之外，否则图4中所示的组件可具有与图1的对应命名的组件类似或相同的特性和操作。虽然未图示，但所述图像传感器还可包含控制电路、数字处理逻辑以及其它常规组件。
[0032]所述像素阵列包含M列406-1到406-MJ的范围一般是从数百到数千，但本发明的范围不限于M的任何已知值。所述列中的每一者可包含若干行像素单元。通常，行的数目的范围也从数百到数千，但本发明不受如此限制。使用对应数目M个位线410-1到410-M来将模拟电压从像素阵列的列读取到读出电路中(例如，一次一行像素单元)。
[0033]所述读出电路包含对应的一组M个读出电路部分。针对像素阵列中的M列中的每一者包含一个读出电路部分。如图所示，M个读出电路部分中的每一者可包含一组相同组件。具体来说，M个读出电路部分中的每一者可包含对应的任选的列放大器412-1到412-M(统称为列放大器412)以及对应的列A/D转换器或转换电路414-1到414-M。在另一实施例中，可任选地省略列放大器。在另一实施例中，可将取样和保持电路(未图示)与列放大器的输出耦合。列A/D转换电路各自可操作以将来自像素阵列的模拟图像数据转换为数字图像数据。如图所示，列A/D转换电路中的每一者可包含对应的比较器电路416-1到416-M或比较器(统称为比较器416)以及对应的锁存器418-1到418-M(统称为锁存器418)。读出电路还包含电压斜坡产生器423和计数器424。在一些实施例中，所述计数器可为N位计数器，且锁存器中的每一者可为N位锁存器，其中N是数字输出数据的以位计的分辨率(例如，通常为6位到12位，或更多)。虽然所说明的实施例包含全局计数器，但在另一实施例中，可使用列层级计数器，或可使用全局计数器与一个或一个以上列层级计数器的组合。在一些实施例中，电压斜坡产生器可能够交替地在第一状态中(例如，在第一控制下)产生单斜率电压斜坡(例如，其可用于确定校准数据)，且在第二状态中(例如，在第二控制下)产生多斜率电压斜坡(例如，其可用于确定校准数据且在模拟图像数据的A/D转换期间)。
[0034]再次查看图4，图像传感器还包含校准电路450的实例性实施例。A/D转换电路可切换地与读出电路或校准电路耦合。校准电路能够测量或确定数字校准数据，数字校准数据对于调整使用多斜率电压斜坡通过A/D转换确定的数字图像数据是有用的。在一些实施例中，校准电路能够将模拟校准数据(其横跨校准范围)提供给一组列A/D转换电路。在校准阶段期间，将模拟校准数据提供给所述组列A/D转换电路，而不是将来自像素阵列的模拟图像数据提供给所述组列A/D转换电路。
[0035]校准电路包含电阻性阶梯452、低电压源454-L和高电压源454-H。所述低电压源可操作以提供第一低校准电压(Va)。所述高校准电压源可操作以提供第二高校准电压(Vch)。常规类型的电压源是合适的。所述低校准电压和高校准电压横跨用于校准的电压范围。电阻性阶梯的第一端与低电压源耦合以接收低校准电压(Va)。电阻性阶梯的第二端与高电压源耦合以接收高校准电压(VCH)。所述电阻性阶梯包含串联耦合在低电压源与高电压源之间的一组电阻器452-1到452-M。
[0036]所述电阻器在低电压源与高电压源之间提供一组固定电阻、阻抗或电压降，以沿着电阻性阶梯在不同点处产生一组固定电压。不同的电压可存在于每一电阻器的每一侧上。这可在低电压源与高电压源之间产生跨越校准电压范围的一系列单调增加的电压。在所说明的实施例中，提供给比较器的固定校准电压从最左列A/D转换电路到最右列A/D转换电路增加。在另一实施例中，低电压源和高电压源可经切换以使得提供给比较器的固定校准电压从最左列A/D转换电路到最右列A/D转换电路减小。在一个实施例中，电阻器中的每一者可具有大体上相同的阻抗(例如，其被设计成是相同的，而不是不同的，但其可归因于制造变化而略有不同)，以在邻近列A/D转换电路之间提供校准电压的大体上均匀的间隔。或者，电阻器可具有不同的阻抗以在邻近列A/D转换电路之间改变校准电压的间隔。
[0037]取决于所需的校准数据点的量，电阻性阶梯中所包含的电阻器的数据可在实施例之间变化。一般来说，更多的电阻器能够提供更多且更精细粒度的校准数据。如图所示，在一个实施例中，对于M列像素阵列，电阻器阶梯可包含大约M个电阻器(例如，M个电阻器、M-1个电阻器或M+1个电阻器)，从而在每一对邻近列读出电路和/或列A/D转换电路之间提供一电阻器。或者，在其它实施例中，所述电阻性阶梯可包含更少或更多的电阻器。举例来说，在若干对邻近列读出电路和/或列A/D转换电路之间可包含两个或两个以上电阻器，可仅在若干对邻近列读出电路和/或列A/D转换电路的子集之间包含电阻器，或其组合(例如，每隔邻近对)。在各种实施例中，对于M列像素阵列，可存在至少M/8、至少M/4，或至少M/2个电阻器。包含少于M个电阻器可倾向于减少校准数据的量和/或粒度，但可有助于降低功率、电路面积或电路成本。
[0038]在此些情况下，两个邻近电阻器之间的若干组邻近列将倾向于具有几乎相等的输出，但可存在一些噪声。在需要时，来自此些组邻近列的输出可被平均、过滤或以其它方式处理以减少噪声量。在又一实施例中，所述电阻器阶梯可在阶梯的每一梯级之间包含两个或两个以上可选择的或可编程的电阻器。此可允许对电阻进行选择、定制或制造后细调。
[0039]在各种实施例中，用于校准的电压范围的范围可从相对大(例如，从OV到Vfs的全多斜率电压斜坡)到相对小(例如，全多斜率电压斜坡的小部分)。通常，用于校准的电压范围应包含其中多斜率电压斜坡的斜率发生改变的至少一个点，以便提供校准数据来有助于考虑到可能尤其在斜率改变时以及附近发生的非理想情况。在一个实施例中，可将低校准电压选择为恰好在电压斜坡的斜率改变点下方、改变点处或恰好在改变点上方的电压。在各种实施例中，高校准电压可为恰好足够远离低校准电压的点以使非理想情况稳定，或可为全刻度电压(Vfs)。
[0040]电阻性阶梯是产生横跨校准范围的不同电压以供输入到A/D转换电路的仅一种可能方式。在其它实施例中，具有若干电压降的其它电路可用于提供不同电压。举例来说，可任选地使用除了电阻器之外但具有一电阻且/或能够产生电压梯度的其它电路元件。作为一个实例，可使用在线性区中操作以便提供电阻的一系列晶体管。
[0041]再次参看图解说明，对于将用于校准的每一不同电压，校准电路还包含一组一个或一个以上开关。在所说明的实施例中，存在M组开关，像素阵列的M列中的每一者一个开关，且在每一组内有两个开关。所述两个开关包含取样开关456-1到456-M(统称为取样开关456)和校准开关458-1到458-M(统称为校准开关458)。
[0042]所述取样开关可操作以将来自图像阵列的读出模拟图像数据(例如，从列放大器输出的经放大数据)可切换地、可控制地或选择性地耦合到对应比较器的非反相输入端子(在图解说明中展示为“+”端子)。或者，在另一实施例中，比较器的+和-端子可互换。所述校准开关可操作以将由电阻性阶梯产生且/或从电阻性阶梯输出的固定电压可切换地、可控制地或选择性地耦合到对应比较器的非反相输入端子。在使用中，在给定时间，取样开关和校准开关中的仅一者与对应比较器的非反相输入端子耦合。举例来说，在校准期间，校准开关经配置到一状态以将来自电阻性阶梯的固定电压耦合到列A/D转换电路的对应比较器的非反相输入端子，而在从像素阵列读出图像数据期间，取样开关经配置到一状态以将来自像素阵列的任选经放大模拟图像数据耦合到列A/D转换电路的对应比较器的非反相输入端子。在另一实施例中，每一组内的两个开关可被可操作以执行相同切换功能的其它切换电路取代。
[0043]在使用期间，在像素阵列404已获取其模拟图像数据之后，可在位线410上从像素阵列读出模拟图像数据。模拟图像数据可由任选的列放大器412放大。取样开关456可经控制以将经放大模拟图像数据提供给比较器416的非反相输入端子。电压斜坡产生器423可将电压斜坡信号(VRAMP)提供给比较器的反相输入端子。在另一实施方案中，反相和非反相端子可互换。电压斜坡信号可跟随多斜率(MS)电压斜坡(例如，从OV到全刻度电压的锯齿形电压斜坡)。在正施加电压斜坡信号时，计数器(例如，N位计数器)424可将计数器信号提供给每一锁存器418。比较器可将输入电压斜坡信号与输入模拟图像数据进行比较。锁存器(例如，N位锁存器)418可在比较器确定电压斜坡信号与模拟图像数据电压匹配时锁存计数器信号。经锁存的计数器信号可表示在用校准数据调整之前的从模拟图像数据转换的数字图像数据。
[0044]现在将描述获得校准数据。可在校准阶段期间使用校准电路来测量或以其它方式获得校准数据。在校准阶段期间，不是将来自像素阵列的输出耦合到比较器，校准开关可经控制以将由电阻性阶梯产生的固定电压与比较器的非反相输入端子耦合。在所说明的实施例中，电阻性阶梯的每一分支经耦合以通过校准开关将不同的固定校准电压提供给每一对应列A/D转换电路。
[0045]在一些实施例中，对来自电阻性阶梯的同一组固定校准电压执行两种不同类型的A/D转换。在一些实施例中，使用用于A/D转换的单斜率电压斜坡对来自电阻性阶梯的一组固定校准电压执行一个A/D转换，且使用用于A/D转换的多斜率电压斜坡对来自电阻性阶梯的同一组固定校准电压执行另一 A/D转换。可以任一次序执行这些转换。优选的是，所述多斜率电压斜坡是将在对来自像素阵列的模拟图像数据进行A/D转换期间所使用的同一多斜率电压斜坡。
[0046]图像传感器可包含与校准电路和电压斜坡产生器耦合的校准控制器(未图示)。在校准的一个阶段中，所述校准控制器可为可操作的，以控制所述电压斜坡产生器产生多斜率电压斜坡，且同时控制所述校准电路将来自电阻性阶梯的一组固定校准电压的第一实例(即，表示第一组模拟校准数据)提供给列A/D转换电路。可使用所述多斜率电压斜坡用所述组列A/D转换器将来自电阻性阶梯的一组固定校准电压的第一实例转换为第一组数字数据(例如，N位数字代码或值)。此校准阶段中的所述列A/D转换电路的输出可表示如由所述多斜率电压斜坡(B卩，一组多斜率(MS)代码)确定的对应于所述组固定校准电压的第一组数字数据。
[0047]在校准的另一阶段中，所述校准控制器可为可操作的，以控制所述电压斜坡产生器产生单斜率电压斜坡，且同时控制所述校准电路将来自电阻性阶梯的同一组固定校准电压的第二实例(即，表示第二组模拟校准数据)提供给列A/D转换电路。可使用所述单斜率电压斜坡用所述组列A/D转换器将来自电阻性阶梯的同一组固定校准电压的第二实例转换为第二组数字数据(例如，N位数字代码或值)。此另一校准阶段中的所述列A/D转换电路的输出可表示如由所述单斜率电压斜坡(即，一组单斜率(SS)代码)确定的对应于所述同一组固定校准电压的第二组数字数据。
[0048]在一些实施例中，像素阵列可包含将用于校准的两行非成像或“虚设”的像素(未图示)。在一些实施例中，可在将读出信号施加到所述两行非成像的像素时期间获得所述校准数据。举例来说，可在将读出信号施加到所述两行非成像的像素中的第一者时执行使用多斜率电压斜坡进行的校准阶段，且可在将读出信号施加到所述两行非成像的像素中的第二者时执行使用单斜率电压斜坡进行的校准阶段。所述读出信号可表示在对一行进行读出期间所传输的控制信号(例如，复位和传送门的脉冲等)。使用此些非成像行来获得校准数据可有助于维持时序对称，但并不作要求。在一些实施例中，可通过图像传感器芯片上的硬件在图像获取期间在运行中获得校准数据。对于存储整个线并随后进行后处理并没有要求。
[0049]在一些实施例中，校准阶段可在其中获取图像数据的每个帧发生一次，但并不要求这样。举例来说，可在其中获取图像数据的帧的消隐周期期间执行校准阶段。在一个方面中，校准阶段可大致等于读出两行像素且完成两组对应的A/D转换的时间。因此，只要消隐周期大于此时间量，图像传感器的帧速率将不会降低。或者，不需要每一帧都执行校准。可在一个帧中获得校准数据且再次用于多个或许多帧。通常，校准数据可(例如)归因于操作温度、电源电压或其它操作条件的改变而在获取之后的持续周期内变得陈旧。对此些操作条件在其上改变的时间帧上的校准数据的周期性刷新倾向于是有益的。这一方面中，校准的频率可为可调整的，例如，通过用户、数字控制逻辑等来调整。
[0050]图5是获得校准数据的方法562的实例性实施例的方框流程图。在一些实施例中，可使用图4的图像传感器和校准电路来执行所述方法。或者，可完全通过另一图像传感器来执行所述方法。另外，图4的图像传感器可执行完全不同的方法。
[0051]所述方法包含:在方框563处，将第一组模拟数据施加到图像传感器的一组列A/D转换器。在一些实施例中，所述第一组模拟数据是来自电阻性阶梯的一组固定电压的第一实例。所述图像传感器具有包含对应于所述组列A/D转换器的一组像素列的像素阵列。在方框564处，产生多斜率电压斜坡。在方框565处，使用多斜率电压斜坡用所述组列A/D转换器将所述第一组模拟数据转换为第一组数字数据。
[0052]在方框566处，将第二组模拟数据施加到所述组列A/D转换器。在一些实施例中，所述第二组模拟数据是来自电阻性阶梯的同一组固定电压的第二实例。在方框567处，产生单斜率电压斜坡。在方框568处，使用单斜率电压斜坡用所述组列A/D转换器将所述第二组模拟数据转换为第二组数字数据。在一些实施例中，所述第一组和第二组数字数据可被存储或以其它方式保留以作为校准数据。在其它实施例中，可将所述第一组和第二组数字数据处理(例如，回归、拟合曲线或等式、在统计上进行处理、进行平均、进行外插等)为可被存储或以其它方式保留的校准数据。
[0053]上文所描述的方法是呈基本形式，但可将若干操作任选地添加到所述方法且/或从所述方法移除。另外，虽然图展示根据一实施例的操作的特定次序，但应理解，所述特定次序是示范性的。替代实施例可任选地以不同次序执行所述操作，组合某些操作，叠加某些操作等。举例来说，可在上文所描述的方法中颠倒产生单斜率电压斜坡和多斜率电压斜坡的次序。而且，方框564到565的操作可重叠，且方框567到568的操作可重叠。
[0054]图6是说明使用单斜率电压斜坡(即，SRSS)和多斜率电压斜坡(即，SRMS)A/D转换获得模拟校准电压的数字值的图表。在所述图表中，在水平轴上绘制模拟电压，且在垂直轴上绘制对应的数字值(计数器输出)。在电压斜坡产生器输出单斜率电压斜坡时，单斜率
[55]线绘制列A/D转换电路中的每一者的输出。此SS线表示针对对应的模拟电压而确定的数字SS代码。在电压斜坡产生器输出多斜率电压斜坡时，多斜率(MS)线绘制列A/D转换电路中的每一者的输出。此MS线表示针对对应的模拟电压而确定的数字MS代码。所述SS线和MS线在图表的其中斜坡电压重叠的左侧上重合。所有数字代码从O到DT，其中Dt表示在多斜率斜坡的斜率改变处的电压下的列A/D转换电路的输出，SS和MS代码是相同的。当MS线和SS线分叉时，MS代码变得越来越小于SS代码，这是因为针对多斜率电压斜坡的校准代码中的每一增量涉及更大的电压改变。举例来说，对于相同的固定模拟校准电压X，SS代码是Dxs，其大于作为Dxm的MS代码。所绘制的数据表示校准数据的实例性实施例。
[0055]使用多斜率电压斜坡(例如，SRMSA/D转换)针对模拟数据所确定的第一组数字数据，以及使用单斜率电压斜坡(例如，SRSS A/D转换)的对应于模拟数据的第二组数字数据可允许将由多斜率电压斜坡(例如，SRMS A/D转换)确定的数字数据映射到由单斜率电压斜坡(例如，SRSS A/D转换)确定的数字数据，或使两者相关。这可用作校准数据，或有助于产生校准数据，这使使用多斜率电压斜坡从模拟数据转换的数字数据与使用单斜率电压斜坡从模拟数据转换的数字数据相关。在一些实施例中，校准数据可使由多斜率电压斜坡和多斜率电压斜坡达到由电阻性阶梯对A/D转换器的不同固定电压输入中的每一者所花费的时间上的差异相关。在一些实施例中，对于用于校准的电压范围中的所有不同电压来说，可获得在单斜率电压斜坡下针对那个电压所实现的计数器值以及在多斜率电压斜坡下针对那个电压所实现的计数器值。如上文所论述，校准数据可有助于在使用较陡或不同的斜率时考虑到由计数器达到的不同MS代码，且有助于考虑到上文所提及的非理想情况，且进而有助于提尚图像质量。
[0056]各种不同形式的校准数据是可能的。所述校准数据可采用表格、等式、曲线或其组合中的若干对数据值的形式。与MS代码值相关的SS代码值表示校准数据的第一实例性实施例。作为一实例，所述校准数据可采用表格(例如，硬件表格)的形式，所述表格包含若干对对应的SS和MS代码值，其两者均针对同一组校准电压而确定。或者，作为若干对值的替代，使SS代码与MS代码相关的等式表示校准数据的第二实例性实施例。作为一实例，回归等式可拟合针对已知的对应校准电压而确定的SS代码值和MS代码值。作为又一选项，不使SS代码与MS代码相关，可使SS代码与MS代码之间的差异与MS代码相关。举例来说，使SS代码与MS代码之间的差异与MS代码相关的表格、等式或曲线可表示校准数据的又一实例性实施例。MS代码与SS代码之间的差异可被添加、减去，或另外与MS代码组合，从而将MS代码转换为SS代码。作为又进一步的实例，所测得的MS代码与理论/预期的MS代码之间的差异(例如，基于预期的理想斜率转变和理想的直线)可被存储以考虑到非理想情况或与理论/预期的MS代码的偏差。还可使用此些方法的组合(例如，查找表以及在超出查找表范围之外时的外插等式)。这些仅是一些说明性实例。还预期校准数据的其它实施例。
[0057]为了进一步说明某些概念，将描述从若干组SRSS和SRMS代码形成校准数据的特定详细实例，但本发明的范围不受如此限制。一旦已获得针对来自电阻性阶梯的一组固定模拟电压的SRSS和SRMS校准代码，便可形成校准表格。用SRSS和SRMS代码形成校准表格的一种方法是存储所述校准代码以用于两个校准A/D转换。举例来说，在列X的校准处，可存储SRSS代码Dxs和SRMS代码Dxm。如果这些代码中的一者或两者是从N为锁存器读出且被读出到芯片上或芯片外半导体存储器(例如，线缓冲器)，那么可将数据点(DXS、DXM)存储为校准数据的一个点。然而，一般用至少一个线缓冲器来执行此校准表格建构方法。
[0058]用SRSS和SRMS代码形成校准表格的另一种方法是首先设定斜坡产生器输出多斜率斜坡。SRMS代码的每一输出是以某一次序读取，例如，从最左列A/D转换电路到最右列A/D转换电路，且可任选地将平滑滤波器(例如，移动平均滤波器)施加到原始数据。在读取输出时，构建长度为P的表格，其索引对应于斜坡电压的斜率改变处的点处的SRMS代码周围的P个连续代码。P等于表格中的代码的数目，且是基于斜率改变处的转变区(在其上执行校准)的所需宽度。代码的数目P的范围可按需要从相对小的数目到相对大的数目。所述表格被P个代码的第一次出现的列数目填充。随后，斜坡产生器被设定以输出单斜率斜坡。以与读出SRMS代码相同的次序读取SRSS代码的每一输出。任选地将平滑滤波器(例如，移动平均滤波器)施加到原始数据。在读取列时，每当列数目与表格中的条目匹配时，便用所述列的SRSS代码的输出来取代所述条目。相应地，SRMS代码被换出以用于对应的SRSS代码。
[0059]当使用校准数据来调整从A/D转换电路输出的数字图像数据时，当SRMSA/D转换代码的输出小于校准表格的P个代码中的最小者时，那么可将SRMS A/D转换代码视为与SRSS A/D转换代码相同。当SRMS A/D转换代码在校准表格的P个代码中时，那么可使用校准表格将SRMS A/D转换代码映射到SRSS A/D转换代码。当SRMS A/D转换代码大于校准表格的P个代码中的最大者时，那么可通过外插校准数据(例如，通过使用关于斜率转变点的信息以及转变之后的斜率来线性地外插校准表格的代码的最后一个片段)来估计SRSS A/D转换代码。图像传感器和/或具有图像传感器的相机或其它电子装置可包含用以使用校准数据来调整数字数据的组件。所述组件可以硬件、固件、软件或其组合来实施。举例来说，在一个实施例中，A/D转换器的输出处的电路可使用校准数据来调整数字数据。
[0060]图7是说明包含一组对应的MS代码和SS代码的校准数据的实例性实施例的图表。在水平轴上绘制MS代码，且在垂直轴上绘制SS代码。在此实施例中，MS转换中的P个数字代码用于斜率转变附近的校准范围内。如此说明中清楚地展示，非理想情况可导致在转变处以及周围出现并非具有所需斜率的完美直线的线，且这反映在校准数据中。在点(DXS，DXM)处展示对应于给定模拟电压X的实例对MS代码和SS代码。
[0061]在以上实例中，已在多斜率电压斜坡中使用了两个不同斜率。在其它实施例中，可使用三个、四个或更多不同的斜率。在又一实施例中，可使用连续改变的斜率或弯曲斜率(例如，在范围的最高信号值部分上不断加速的斜率)。如本文中所使用，术语“多斜率”涵盖此些连续改变的斜率或弯曲斜率。斜率中的改变的方向可递增、递减，或在递增与递减之间交替。本文中所揭示的校准数据可涵盖斜率在其上改变的范围的至少一些、大部分或大体上全部。
[0062]本文中所揭示的图像传感器可包含于数字静态相机、数字视频相机、相机电话、图片电话、视频电话、摄影机、摄像头、计算机系统中的相机、安全相机、医疗成像装置、光学鼠标、玩具、游戏、扫描仪、汽车图像传感器，或其它类型的电子图像和/或视频获取装置中。取决于实施方案，电子图像和/或视频获取装置还可包含其它组件，例如，用以发光的光源、经光学耦合以将光聚焦在像素阵列上的一个或一个以上透镜、经光学耦合以允许光穿过一个或一个以上透镜的快门、用以处理图像数据的处理器，以及用以存储图像数据的存储器，仅列举一些实例。
[0063]在描述和权利要求书中，可使用术语“耦合”和“连接”以及其衍生物。应理解，这些术语无意作为彼此的同义词。而是，在特定实施例中，可使用“连接”来指示两个或两个以上元件彼此直接物理或电子接触。“耦合”可指两个或两个以上元件直接物理或电子接触。然而，“耦合”还可指两个或两个以上元件彼此不直接接触，但仍彼此协作或交互。举例来说，校准电路可经由介入开关与列A/D转换电路耦合。
[0064]在以上描述中，出于解释的目的，陈述众多特定细节以便提供对本发明的实施例的彻底理解。然而，所属领域的技术人员将明白，可在没有这些特定细节中的一些特定细节的情况下实践一个或一个以上其它实施例。提供所描述的特定实施例不是限制本发明而是说明本发明。本发明的范围不是由上文所提供的特定实例确定，而是仅由所附权利要求书确定。在其它实例中，以方框图形式或未详细地展示众所周知的电路、结构、装置和操作以便避免使对所述描述的理解模糊不清。
[0065]所属领域的技术人员还将了解，可对本文中所揭示的实施例作出修改，例如对实施例的组件的配置、功能以及操作和使用方式作出修改。对图式中所说明以及说明书中所描述的内容的所有等效关系均被涵盖在本发明的实施例内。此外，在视为适当时，参考数字或参考数字的末端部分已在若干图之间重复，从而指示可任选地具有类似特性的对应的或类似的元件。
[0066]已描述了各种操作和方法。已在流程图中以基本形式描述了所述方法中的一些，但可将若干操作任选地添加到所述方法且/或从所述方法移除。另外，虽然流程图展示根据一实例性实施例的操作的特定次序，但应理解，所述特定次序是示范性的。替代实施例可任选地以不同次序执行所述操作，组合某些操作，叠加某些操作等。可对方法作出许多修改和改编，且预期所述修改和改编。
[0067]—个或一个以上实施例包含制品(例如，计算机程序产品)，所述制品包含机器可存取和/或机器可读取媒体。所述媒体可包含以可由所述机器存取和/或读取的形式提供(例如，存储)信息的机构。所述机器寄存器和/或机器可读取媒体可提供或在其上具有在由机器执行的情况下致使或导致所述机器执行且/或致使所述机器执行本文中所揭示的图中所展示的操作或方法或技术中的一者或一者以上或一部分的指令和/或数据结构中的一者或一者以上或序列。
[0068]在一个实施例中，所述机器可读媒体可包含有形的非暂时性机器可读存储媒体。举例来说，所述有形的非暂时性机器可读存储媒体可包含软盘、光学存储媒体、光盘、CD-ROM、磁盘、磁光盘、只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、可擦除可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、随机存取存储器(RAM)、静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、快闪存储器、相变存储器，或其组合。所述有形媒体可包含一种或一种以上固态或有形物理材料，例如，半导体材料、相变材料、磁性材料等。
[0069]合适的机器的实例包含(但不限于)数码相机、数字视频相机、蜂窝式电话、计算机系统、具有像素阵列的其它电子装置，以及能够俘获图像的其它电子装置。此些电子装置通常包含与一个或一个以上其它组件(例如，一个或一个以上存储装置(非暂时性机器可读存储媒体))耦合的一个或一个以上处理器。因此，给定电子装置的存储装置可存储代码和/或数据以供在所述电子装置的一个或一个以上处理器上执行。或者，可使用软件、固件和/或硬件的不同组合来实施本发明的实施例的一个或一个以上部分。
[0070]还应了解，贯穿此说明书对“一个实施例”、“一实施例”或“一个或一个以上实施例”的参考(例如)是指特定特征可包含于本发明的实践中(例如，在至少一个实施例中)。类似地，应了解，在所述描述中，各种特征有时被一起分组在单一实施例、图或其描述中，以用于简化本发明且辅助理解各种发明性方面。然而，本发明的此方法不应被解释为反映以下意图，即，本发明需要比每一权利要求项中明确叙述的特征多的特征。而是，如所附权利要求书所反映，发明性方面可在于少于单个所揭示的实施方案的所有特征。因此，在【具体实施方式】之后的权利要求书在此明确并入此【具体实施方式】中，其中每一权利要求独立地作为本发明的一个单独的实施例。
【主权项】
1.一种用于使用校准数据调整数字图像数据的方法，其包括: 用像素阵列获取模拟图像数据； 从所述像素阵列读出所述模拟图像数据； 通过使用多斜率电压斜坡执行A/D转换将所述模拟图像数据转换为数字图像数据；以及 用校准数据调整所述数字图像数据中的至少一些，其中调整所述数字图像数据包括: 针对所述数字图像数据的处于表格的范围内的第一部分而存取所述表格中的校准数据；以及 针对所述数字图像数据的不处于所述表格的所述范围内的第二部分而在所述表格中外插校准数据。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述校准数据将使用所述多斜率电压斜坡从模拟数据转换的数字数据关联至使用单斜率电压斜坡从模拟数据转换的数字数据。3.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括获得所述校准数据，其包含: 使用多斜率电压斜坡将施加到一组列A/D转换器的第一组模拟数据转换为第一组数字数据；以及 使用单斜率电压斜坡将施加到所述组列A/D转换器的第二组模拟数据转换为第二组数字数据。4.根据权利要求3所述的方法，其中转换所述第一组所述模拟数据包括转换横跨施加到所述组所述列A/D转换器的校准电压范围的一组固定电压的第一实例，且其中转换所述第二组所述模拟数据包括转换横跨施加到所述组所述列A/D转换器的所述校准电压范围的所述同一组固定电压的第二实例。5.根据权利要求3所述的方法，其中获得所述校准数据包括在将读出信号施加到所述像素阵列的两行非成像的像素时的时间期间获得所述校准数据，其中当将所述读出信号施加到所述两行非成像的像素中的第一者时使用所述多斜率电压斜坡，且其中当将所述读出信号施加到所述两行非成像的像素中的第二者时使用所述单斜率电压斜坡。6.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括在其中获取所述模拟图像数据的帧期间使用图像传感器的校准电路来获得所述校准数据。7.根据权利要求6所述的方法，其中获得所述校准数据包括在所述帧的消隐周期期间获得所述校准数据。8.根据权利要求1所述的方法，其中调整包括用考虑到所述多斜率电压斜坡的斜率中的改变中的非理想情况的校准数据来调整所述数字图像数据。9.一种方法，其包括: 用像素阵列获取模拟图像数据； 从所述像素阵列读出所述模拟图像数据； 通过使用多斜率电压斜坡执行A/D转换将所述模拟图像数据转换为数字图像数据； 获得校准数据，其中获得所述校准数据包含: 使用多斜率电压斜坡将施加到一组列A/D转换器的第一组模拟数据转换为第一组数字数据，其中转换所述第一组模拟数据包括转换横跨施加到所述组所述列A/D转换器的校准电压范围的一组固定电压的第一实例;及 使用单斜率电压斜坡将施加到所述组列A/D转换器的第二组模拟数据转换为第二组数字数据，其中转换所述第二组模拟数据包括转换横跨施加到所述组所述列A/D转换器的所述校准电压范围的所述同一组固定电压的第二实例;及 用所述校准数据调整所述数字图像数据中的至少一些。10.一种方法，其包括: 用像素阵列获取模拟图像数据； 从所述像素阵列读出所述模拟图像数据； 通过使用多斜率电压斜坡执行A/D转换将所述模拟图像数据转换为数字图像数据； 获得校准数据，其中获得所述校准数据包含: 使用多斜率电压斜坡将施加到一组列A/D转换器的第一组模拟数据转换为第一组数字数据;及 使用单斜率电压斜坡将施加到所述组列A/D转换器的第二组模拟数据转换为第二组数字数据;及 用所述校准数据调整所述数字图像数据中的至少一些，其中获得所述校准数据包括在将读出信号施加到所述像素阵列的两行非成像的像素时的时间期间获得所述校准数据，其中当将所述读出信号施加到所述两行非成像的像素中的第一者时使用所述多斜率电压斜坡，且其中当将所述读出信号施加到所述两行非成像的像素中的第二者时使用所述单斜率电压斜坡。
【文档编号】H03M1/10GK106059581SQ201610671593
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2013年3月18日 公开号201610671593.3, CN 106059581 A, CN 106059581A, CN 201610671593, CN-A-106059581, CN106059581 A, CN106059581A, CN201610671593, CN201610671593.3
【发明人】杨征, 张光斌, 谷元保
【申请人】全视科技有限公司