专利名称：图像传感器及消除图像传感器电源噪声的方法
技术领域：
本发明涉及图像处理领域，特别涉及一种图像传感器及消除图像传感器电源噪声的方法。
背景技术：
CMOS图像传感技术是一种基于CMOS工艺的技术，在近十年来得到了快速的发展。 CMOS图像传感器通过集成的模拟和数字电路对图像进行采集、传输、处理以及输出。这种技术相比较于其他类型的图像传感技术，具有集成度高、功耗低、成本低、功能强大等优点，是一种有着广阔前景的技术。图1是一种现有的图像传感器的结构示意图。现有的图像传感器，如图1所示，包括像素阵列10、二次采样电路20和模数转换电路30。其中，像素阵列10内具有阵列排列的标准像素单元11，所述标准像素单元11用于采集光信号，并将其转换为电信号，即光转换后电信号。现有技术中通常是采用对所述像素阵列10逐行扫描的方式获取所述像素阵列10输出的光转换后电信号，然后将每行像素阵列10输出的所述光转换后电信号并行传输到二次采样电路20，每个二次采样电路20对应一列标准像素单元11。所述像素阵列10 工作的周期包括充电周期和积分周期。所述二次采样电路20获取标准像素单元11在充电周期和积分周期的采集的光转换后电信号，也就是第一次在充电周期结束后直接采样， 并存储第一次采样结果，由于第一次采样是在充电周期结束后，因此所述第一次采样结果仅包含了叠加有第一次采样时刻噪声信号的电源信号，不包括光转换后电信号；第二次在积分周期结束后直接采样，并存储第二次采样结果，所述第二次采样结果包含了叠加有第二次采样时刻噪声信号的电源信号和光转换后电信号，然后第二次和第一次采样结果的做差，获得实际的光转换后电信号，但是这样仅在两次采样时噪声完全相同时才可以完全消除噪声。二次采样电路20将光转换后电信号串行输入到模数转换电路30，将模拟的电压值转换为数字信号，数字信号再经过后续的处理电路40的分析和处理之后输出显示图像。例如在公开号“ CN 101494728A”的中国专利文献中公开了一种用于消除图像传感器噪声的方法。但是上述方法都仅仅能消除第一次采样和第二次采样时的一些公共的噪声，而不能彻底解决噪声问题。
发明内容
本发明解决的技术问题提供一种图像传感器及消除图像传感器电源噪声的方法， 从而提高图像传感器显示图像的质量。为了解决上述技术问题，本发明提供一种图像传感器，包括像素阵列，所述像素阵列的每一行包括标准像素单元和暗像素单元；噪声采集电路，用于利用暗像素单元在第一次和第二次采集的叠加有电源噪声的电源信号，得到电源噪声差；像素单元信号输出电路，用于根据标准像素单元在第一次采集的叠加有电源噪声的电源信号和在第二次采集的叠加有电源噪声、电源信号的光转换后电信号，得到叠加有电源噪声差的光转换后电信号，所述暗像素单元和所述标准像素单元的第一次采集为同时采集，所述暗像素单元和所述标准像素单元的第二次采集为同时采集；噪声去除电路，用于从所述叠加有电源噪声差的光转换后电信号中去除所述电源
噪声差。优选的，所述像素阵列的每一行包括4至8个所述暗像素单元。优选的，所述暗像素单元包括与标准像素单元相同的结构和不透光层，所述不透光层覆盖与标准像素单元相同的结构。。优选的，所述暗像素单元包括感光二极管，在所述感光二极管上覆盖有不透光层。优选的，所述暗像素单元还包括第一 NMOS管、第二 NMOS管、第三NMOS管、第四 NMOS管和感光二极管，所述感光二极管的正极电连接地，负极电连接所述第一 NMOS管的源极，所述第一 NMOS管的栅极输入电源信号，所述第一 NMOS管的漏极电连接第二 NMOS管的源极，所述第二 NMOS管的漏极和栅极输入电源信号，所述第三NMOS管的漏极输入电源信号，所述第三NMOS管的栅极电连接所述第一 NMOS管的漏极，所述第三NMOS管的源极电连接第四NMOS管的源极，所述第四NMOS的栅极输入选通信号，所述第四NMOS漏极为输出端。优选的，所述像素阵列中每一行的所述暗像素单元排列在相同的列中；所述噪声采集电路包括采样单元，用于获得第一次和第二次每一列暗像素单元采集的叠加有电源噪声的电源信号；处理单元，用于对同一行的暗像素单元第一次采集的叠加有电源噪声的电源信号求平均，对同一行的暗像素单元第二次采集的叠加有电源噪声的电源信号求平均，并以所述平均后的第二次的叠加有电源噪声的电源信号作为参考信号对所述平均后的第一次的叠加有电源噪声的电源信号进行差分放大，得到电源噪声差；模数转换单元，用于将处理单元输出的差分的模拟形式的电源噪声差转化为数字形式的电源噪声差。优选的，所述处理单元包括差分输入差分输出形式的差分放大器，在所述差分放大器的正向输入端和反向输出端之间并联的第五开关和第三电容以及在差分放大器的反向输入端和正向输出端之间并联的第六开关和第四电容。优选的，所述采样单元包括电连接在所述暗像素单元的输出端和第一节点之间的第一开关，电连接在所述暗像素单元的输出端和第二节点之间的第二开关，电连接在第一节点和地之间的第一电容和电连接在第二节点和地之间的第二电容，电连接在第一节点和差分放大器正向输入端的第三开关，电连接在第二节点和差分放大器反向输入端的第四开关。优选的，所述像素单元信号输出电路包括二次采样单元，用于获得第一次标准像素单元采集的叠加有电源噪声的电源信号和第二次标准像素单元采集的叠加有电源噪声、电源信号的光转换后电信号，并输出差分的模拟形式的叠加有所述电源噪声差的光转换后电信号；模数转换单元，用于将所述二次采样电路输出的模拟形式的光转换后电信号转换为数字形式的光转换后电信号。
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优选的，所述二次采样电路包括采样单元，用于获得第一次标准像素单元采集的叠加有电源噪声的电源信号和第二次标准像素单元采集的叠加有电源噪声、电源信号的光转换后电信号；差分放大器，用于以第一次的叠加有电源噪声的电源信号作为参考信号对第二次的叠加有电源噪声、电源信号的光转换后电信号进行差分放大，所述差分放大器为差分输入差分输出，在差分放大器的正向输入端和反向输出端之间并联有第五开关和第三电容； 在差分放大器的反向输入端和正向输出端之间并联有第六开关和第四电容。优选的，还包括电连接在在所述噪声采集电路和所述噪声去除电路之间的存储器，用于存储所述电源噪声差，并将存储之后的电源噪声差发送给所述噪声去除电路；还包括电连接在所述像素单元信号输出电路和所述噪声去除电路之间的存储器， 用于存储叠叠加有电源噪声差的光转换后电信号，并将存储之后的叠加有电源噪声差的光转换后电信号发送给所述噪声去除电路。相应的本发明还提供了一种消除图像传感器电源噪声的方法，包括步骤设置像素阵列，所述像素阵列的每一行包括标准像素单元和暗像素单元；利用暗像素单元在第一次和第二次采集的叠加有电源噪声的电源信号，得到电源
噪声差；根据标准像素单元在第一次采集的叠加有电源噪声的电源信号和在第二次采集的叠加有电源噪声、电源信号的光转换后电信号，得到叠加有电源噪声差的光转换后电信号，所述暗像素单元和所述标准像素单元的第一次采集为同时采集，所述暗像素单元和所述标准像素单元的第二次采集为同时采集；从所述叠加有电源噪声差的光转换后电信号中去除所述电源噪声差。优选的，在所述得到电源噪声差步骤和得到叠加有电源噪声差的光转换后电信号的步骤之后，从所述叠加有电源噪声差的光转换后电信号中去除所述电源噪声差步骤之前还包括步骤存储所述电源噪声差和叠加有电源噪声差的光转换后电信号。与现有技术相比，本发明主要具有以下优点现有技术的图像传感器只有在第一次采样和第二次采样的时刻噪声相同，才能消除，但是由于噪声一直在变化，因此现有的图像传感器都仅仅能消除第一次采样和第二次采样时的一些公共的噪声，而不能彻底解决噪声问题。本发明通过在图像传感器中设置暗像素单元采集第一次采集和第二次采集时的电源噪声，并利用噪声采集电路获得第一次采集和第二次采集时的电源噪声差，并在暗像素单元采集的同时标准像素单元也对光信号采集两次，并利用像素单元信号输出电路获得叠加有电源噪声差的光转换后电信号，然后将所述噪声采集电路采集到的电源噪声差从所述标准像素采集到的叠加有电源噪声差的光转换后电信号中去除。因此和现有技术相比本发明的图像传感器及消除图像传感器噪声的方法，大大提高了图像传感器输出的光转换后电信号的精确度。
通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。图1是一种现有的图像传感器的结构示意图；图2是本发明的图像传感器的结构示意图；图3为图2所示的图像传感器中暗像素单元一实施例的电路图；图4为图2所示的图像传感器中标准像素单元一实施例的电路图；图5为图2所示的图像传感器中噪声采集电路一实施例的示意；图6为图2所示的图像传感器中像素单元信号输出电路的电路图；图6a为另一优选实施例的图像传感器结构示意图；图7为消除图像传感器电源噪声的方法流程图；图8为所述图像传感器的工作时序图。
具体实施例方式由背景技术可知，现有的图像传感器当两次采样时噪声不完全相同时就不能完全消除噪声，而仅仅能够消除一些公共的噪声。而在现有的CMOS图像传感器中，电源通常存在噪声，而且这种电源噪声一直在变化，在读取每一行像素单元的时候这种电源噪声会叠加到输出的光转换后电信号上来。由于电源噪声一直在变化，使得在不同时刻的电源噪声不同，例如在第一次采样和第二次采样时的电源噪声不同，因此在第一次采样和第二次采样时叠加到像素单元输出的光转换后电信号上的电源噪声就会有差别，然而后续电路没有办法消除这种电源噪声差，从而造成图像表现为在行方向上存在明显闪烁，因为暗光下光转换后电信号强度本身就很小，电源噪声差的强度有可能会达到光转换后电信号的强度， 甚至在最糟糕的情况下噪声会淹没光转换后电信号，因此上述问题在暗光情况更为明显。虽然一般的像素阵列的电源都是独立供电，这样会减少电源由于受到外围电路的影响而产生的几十毫伏的噪声，使噪声下降到十几毫伏以下；但即使在这种情况下也很难避免电源本身的噪声，因为即使是十几毫伏的噪声波动对与暗光下的几十毫伏的信号相比，也是一个很大的信号损失了。因此所述的噪声问题是人们比较关注的有待解决的重要问题。因此本发明的发明人经过研究，提供了一种图像传感器，包括像素阵列，所述像素阵列的每一行包括标准像素单元和暗像素单元；噪声采集电路，用于利用暗像素单元在第一次和第二次采集的叠加有电源噪声的电源信号，得到电源噪声差；像素单元信号输出电路，用于根据标准像素单元在第一次采集的叠加有电源噪声的电源信号和在第二次采集的叠加有电源噪声、电源信号的光转换后电信号，得到叠加有电源噪声差的光转换后电信号，所述暗像素单元和所述标准像素单元的第一次采集为同时采集，所述暗像素单元和所述标准像素单元的第二次采集为同时采集；噪声去除电路，用于从所述叠加有电源噪声差的光转换后电信号中去除所述电源噪声差。相应的，还提供了一种消除图像传感器电源噪声的方法，包括步骤设置像素阵列，所述像素阵列的每一行包括标准像素单元和暗像素单元；利用暗像素单元在第一次和第二次采集的叠加有电源噪声的电源信号，得到电源噪声差； 根据标准像素单元在第一次采集的叠加有电源噪声的电源信号和在第二次采集的叠加有电源噪声、电源信号的光转换后电信号，得到叠加有电源噪声差的光转换后电信号，所述暗像素单元和所述标准像素单元的第一次采集为同时采集，所述暗像素单元和所述标准像素单元的第二次采集为同时采集； 从所述叠加有电源噪声差的光转换后电信号中去除所述电源噪声差。现有技术的图像传感器只有在第一次采样和第二次采样的时刻噪声相同，才能消除，但是由于噪声一直在变化，因此现有的图像传感器都仅仅能消除第一次采样和第二次采样时的一些公共的噪声，而不能彻底解决噪声问题。本发明通过在图像传感器中设置暗像素单元采集第一次采集和第二次采集时的电源噪声，并利用噪声采集电路获得第一次采集和第二次采集时的电源噪声差，并在暗像素单元采集的同时标准像素单元也对光信号采集两次，并利用像素单元信号输出电路获得叠加有电源噪声差的光转换后电信号，然后将所述噪声采集电路采集到的电源噪声差从所述标准像素采集到的叠加有电源噪声差的光转换后电信号中去除。因此和现有技术相比本发明的图像传感器及消除图像传感器噪声的方法，大大提高了图像传感器输出的光转换后电信号的精确度。为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实现方式做详细的说明。本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时， 为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大。图2是本发明的图像传感器的结构示意图，如图2所示，本发明的图像传感器包括像素阵列110、噪声采集电路112、像素单元信号输出电路114和噪声去除电路116，除此之外还可以包括模拟信号处理电路和数字信号处理电路(为了申请文件的简洁模拟信号处理电路和数字信号处理电路均未图示，未详细说明)。在图2所示的图像传感器中，所述像素阵列110包括阵列排列的标准像素单元1101和不采光(即不接收外接光线)的暗像素单元1102，所述像素阵列110工作周期分为充电周期和积分周期。所述标准像素单元 1101用于采集光转换后电信号，其包括第一次采集和第二次采集，所述第一次采集是在充电周期，第二次采集是在积分周期。所述标准像素单元1101第一次采集叠加有电源信号的电源噪声，第二次采集叠加有电源信号和电源噪声的光转换后电信号。所述暗像素单元 1102用于采集叠加有电源噪声的电源信号，同样其也包括第一次采集和第二次采集，所述第一次采集是在充电周期，第二次采集是在积分周期。所述标准像素单元1101的结构可以为本领域技术人员熟知的像素单元结构。像素阵列的每一行可以包括1个或多个暗像素单元，每一行的暗像素单元数量越多则采集的电源噪声在求平均后越精确，但是暗像素单元数量越多占用的面积越大，因此优选的，所述像素阵列的每一行包括4至8个所述暗像素单元。在图2所示的图像传感器中，仅对像素阵列的每一行具有2个暗像素单元的情况进行了说明。由于每一个暗像素单元采集的电源噪声通过噪声采集电路112输出，图2所示的图像传感器中，优选的将所述2个暗像素单元排列为两列，这样可以将同一列暗像素单元连接到同一个噪声采集电路112，因此简化了电路结构。所述暗像素单元1102不接收外接光线，直接输出叠加有电源噪声的电源信号，因此可以采集两次叠加有电源噪声的电源信号，第一次在充电周期，第二次在积分周期，由于电源噪声会发生变化，因此两次输出的结果不同。所述噪声采集电路112可以利用暗像素单元1102第二次(在积分周期)采集的叠加有电源噪声的电源信号和第一次(即在充电周期)采集的叠加有电源噪声的电源信号求差，得到像素单元1100的电源噪声差，所述电源噪声差是指第二次采样时的电源噪声与第一次采样时的电源噪声的差值。由于标准像素单元1101和暗像素单元1102同时进行两次采样，即第一次在充电周期，第二次在积分周期。在充电周期后，标准像素单元1101直接输出叠加有第一次采样时刻电源噪声的电源信号，在积分周期后，直接输出叠加有第二次采样时刻电源噪声和电源信号的光转换后电信号。所述像素单元信号输出电路114利用标准像素单元1101在第一次和第二次采样的光转换后电信号求差，就得到叠加有电源噪声差的光转换后电信号。由上可知，所述噪声采集电路112可以获得所述电源噪声差，所述像素单元信号输出电路114可以获得所述叠加有电源噪声差的光转换后电信号，因此噪声去除电路116 可以利用所述噪声采集电路112获得的电源噪声差，将所述像素单元信号输出电路114获得的叠加有电源噪声差的光转换后电信号中的电源噪声差去除，例如用所述像素单元信号输出电路114输出的叠加有电源噪声差的光转换后电信号减去所述噪声采集电路112输出的电源噪声差。下面结合图3至图6，对本发明的图像传感器一优选实施例进行详细说明。图3为图2所示的图像传感器中暗像素单元一实施例的电路图；图4为图2所示的图像传感器中标准像素单元一实施例的电路图；图5为图2所示的图像传感器中噪声采集电路一实施例的示意；图6为图2所示的图像传感器中像素单元信号输出电路的电路图。在本实施例中图像传感器的结构和上述实施例中相同，具体的，包括像素阵列 110、噪声采集电路112、像素单元信号输出电路114和噪声去除电路116。如图3所示，所述标准像素单元1101包括第一 NMOS管T21、第二 NMOS管T22、第三NMOS管T23、第四NMOS管TM和感光二极管PD2，所述感光二极管PD2的正极电连接地， 负极电连接所述第一 NMOS管T21的源极，所述第一 NMOS管T21的栅极接收传输信号TX，所述第一 NMOS管T21的漏极电连接第二 NMOS管T22的源极，所述第二 NMOS管T22的漏极接收电源信号VDD，所述第二 NMOS管T22的栅极接收复位信号RST，所述第三NMOS管T23的漏极接收电源信号VDD，所述第三NMOS管T23的栅极电连接所述第一 NMOS管T21的漏极， 所述第三NMOS管T23的源极电连接第四NMOS管T24的源极，所述第四NMOS管TM的栅极接收选通信号SEL，所述第四NMOS管TM漏极作为输出端0UT2。在充电周期，对标准像素单元进行第一次采样，第一次采样后输出的是叠加有第一次采样时刻电源噪声的电源信号。在积分周期，对标准像素单元进行第二次采样，第二次采样后输出的是叠加有第二次采样时刻噪声、电源信号的光信号。例如在一具体实现中，如图4所示，所述暗像素单元1102包括第一 NMOS管Tll、 第二 NMOS管T12、第三NMOS管T13、第四NMOS管T14和感光二极管PD1，所述感光二极管 PDl的正极电连接地，负极电连接所述第一 NMOS管Tll的源极，所述第一 NMOS管T12的栅极电连接电源信号VDD，所述第一 NMOS管Tll的漏极电连接第二 NMOS管T12的源极，所述第二 NMOS管T12的漏极和栅极输入电源信号VDD，所述第三NMOS管T13的漏极输入电源信号VDD，所述第三NMOS管T13的栅极电连接所述第一 NMOS管Tll的漏极，所述第三NMOS 管T13的源极电连接第四NMOS管T14的源极，所述第四NMOS管T14的栅极输入选通信号 SEL，所述第四NMOS漏极为输出端0UT1，并且至少在所述感光二极管PDl上覆盖有不透光
9层，例如金属层。在积分周期和充电周期，所述暗像素单元1102的第一 NMOS管Tll的栅极输入电源信号VDD，所述第二 NMOS管T12的栅极输入电源信号VDD，因此第一 NMOS管Tll和第二 NMOS管T12始终导通，所述感光二极管PDl上覆盖有不透光层，因此感光二极管PDl的反向电流很小，从而第一 NMOS管Tll源极电压接近于高电平VDD，第三NMOS管T13导通，当选通信号SEL为高时，则第四NMOS管T14导通，从而在积分周期和充电周期后，暗像素单元可以输出叠加了电源噪声的电源信号。除此之外，所述标准像素单元和暗像素单元还可以为其他结构，例如包括3个MOS 管或者5个MOS管的结构。如图5所示，所述噪声采集电路112包括一个或多个采样单元1123、模数转换单元(ADC) 1122和处理单元11M。其中，所述采样单元的数量和像素阵列的每一行中暗像素单元的数量相同，每一个采样单元1123的输入端电连接到一个暗像素单元的输出端上，例如图5所示的优选方案中，所述暗像素单元排列为两列，具有两个采样单元1123，每一个采样单元1123的输入端电连接到一列暗像素单元的输出端OUTl上。其中一个采样单元1123 包括电连接在所述暗像素单元的输出端和第一节点a之间的第一开关5，电连接在所述暗像素单元的输出端和第二节点b之间的第二开关6，电连接在第一节点a和地之间的第一电容12和电连接在第二节点b和地之间的第二电容13，电连接在第一节点a和差分放大器 1124正向输入端的第三开关1，电连接在第二节点b和差分放大器IlM反向输入端的第四开关2。所述处理单元1124，用于对同一行的暗像素单元第一次采集的叠加有电源噪声的电源信号求平均，对同一行的暗像素单元第二次采集的叠加有电源噪声的电源信号求平均，并以所述平均后的第二次的叠加有电源噪声的电源信号作为参考信号对所述平均后的第一次的叠加有电源噪声的电源信号进行差分放大，得到电源噪声差，所述处理单元为差分输入差分输出。优选的，所述处理单元包括差分放大器1125，在差分放大器1125的正向输入端和反向输出端之间并联有第五开关8和第三电容14 ；在差分放大器的反向输入端和正向输出端之间并联有第六开关9和第四电容15。差分放大器1125的正向输出端减去反向输出端为差分放大器输出的电源噪声差。所述模数转换单元(ADC) 1122，用于将处理单元输出的差分的模拟形式的电源噪声差转化为数字形式的电源噪声差。所述模数转换单元(ADC) 1122为差分模数转换单元， 所述差分模数转换单元本领域技术人员熟知的电路，因此不再赘述。上述噪声采集电路的工作原理具体如下当暗像素单元第一次采集叠加有电源噪声的电源信号后，闭合第二开关6和第五开关8，从而第一列暗像素单元输出的第一次采集的叠加有电源噪声的电源信号给第二电容13充电，第二列暗像素单元输出的第一次采集的叠加有电源噪声的电源信号给电容11 充电。接着闭合第一开关5和开关7，从而第一列暗像素单元第二次输出的叠加有电源噪声的电源信号给第一电容12充电，第二列暗像素单元第二次输出的叠加有电源噪声的电源信号给第一电容10充电。然后接通第五开关11和第六开关9使差分放大器IlM进入采样模式。然后打开第五开关11 10和第六开关9，闭合第三开关1，第四开关2，第三开关3，第四开关4使得所有采样单元内的第一电容12上的电荷转移到第三电容14上，实现对所有采样单元内的电容第一电容12和第一电容10上的第一次的叠加有电源噪声的电源信号求平均，也就是让第一电容12和第一电容10上的电荷进行中和，中和后的电荷转移到第三电容14上，同时，使得所有采样单元1123内的第二电容13和第二电容11上的电荷转移到第四电容15上，实现对所有采样单元1123内的第二电容13和第二电容11上的第二次叠加有电源噪声的电源信号求平均，也就是让第二电容13和第二电容11上的电荷进行中和， 中和后的电荷转移到第四电容15上。接着差分放大器1125正向输出端和反向输出端输出的信号经过差分的模数转换单元1122之后输出数字形式的电源噪声差信号，即第二次采集的叠加有电源噪声的电源信号减去第一次采集的叠加有电源噪声的电源信号，得到电源噪声差(即第二次采样时的电源噪声与第一次采样时的电源噪声的差值)。
如图6所示，所述像素单元信号输出电路包括二次采样电路1141，每一列标准像素单元电连接有一个二次采样电路1141，用于获得第一次标准像素单元采集的叠加有电源噪声的电源信号和第二次标准像素单元采集的叠加有电源噪声、电源信号的光转换后电信号，并输出差分的模拟形式的叠加有所述电源噪声差的光转换后电信号。所述像素单元信号输出电路还包括模数转换单元(ADC) 1142，用于将所述二次采样电路输出的光转换后电信号转换为数字形式的光转换后电信号。所述模数转换单元1142 可以和噪声采集电路里的模数转换电路1122相同，不再赘述。具体的，所述二次采样电路1141包括采样单元1143和差分放大器1144，采样单元1143，用于获得第一次标准像素单元采集的叠加有电源噪声的电源信号和第二次标准像素单元采集的叠加有电源噪声、电源信号的光转换后电信号。差分放大器1144，用于以第一次的叠加有电源噪声的电源信号作为参考信号对第二次的叠加有电源噪声、电源信号的光转换后电信号进行差分放大。所述差分放大器为差分输入差分输出。在差分放大器的正向输入端和反向输出端之间并联有第五开关和第三电容；在差分放大器的反向输入端和正向输出端之间并联有第六开关和第四电容。所述采样单元1143的输入电连接到一列标准像素单元的输出端，所述采样单元1143的输出电连接到差分放大器1144的输入端。差分模数转换单元1144为本领域技术人员熟知的电路，因此不再赘述。所述采样单元1143可以和噪声采集电路里的采样单元1123结构相同，因此不再赘述。所述二次采样电路1141结构为现有技术，其工作原理为本领域公知技术，因此不再赘述。另外，优选的，所述图像传感器还包括存储器113和115，图6a为另一优选实施例的图像传感器结构示意图。具体的，如图6a所示，在噪声采集电路112和噪声去除电路116 之间电连接有所述存储器113。所述存储器113用于存储电源噪声差，并将所述电源噪声差发送给所述噪声去除电路116 ；所述像素单元信号输出电路和所述噪声去除电路之间电连接有存储器115，用于存储叠加有电源噪声差的光转换后电信号，并将叠加有所述电源噪声差的光转换后电信号发送给所述噪声去除电路116。所述存储方法为本领域技术人员熟知的方法因此不再赘述。所述电源噪声去除电路116可以利用本领域技术人员熟知方式实现，例如可以为减法器，减法器的输入端输入叠加有电源噪声差的光转换后电信号和电源噪声差，输出光转换后电信号。另外本发明还提供了一种消除图像传感器电源噪声的方法，图7为消除图像传感器电源噪声的方法流程图。
参考图7，本发明的消除图像传感器电源噪声的方法包括步骤S10，设置像素阵列，所述像素阵列的每一行包括标准像素单元和不采光的暗像素单元。S20，利用暗像素单元在第一次和第二次采集的叠加有电源噪声的电源信号，得到电源噪声差。S30，根据标准像素单元在第一次采集的叠加有电源噪声的电源信号和在第二次采集的叠加有电源噪声、电源信号的光转换后电信号，得到叠加有电源噪声差的光转换后电信号，所述暗像素单元和所述标准像素单元的第一次采集为同时采集，所述暗像素单元和所述标准像素单元的第二次采集为同时采集。S40，从所述叠加有电源噪声差的光转换后电信号中去除所述电源噪声差。优选的，所述得到像素单元的电源噪声的步骤包括优选的，在所述得到电源噪声差步骤和得到叠加有电源噪声差的光转换后电信号的步骤之后，从所述叠加有电源噪声差的光转换后电信号中去除所述电源噪声差步骤之前还包括步骤存储所述电源噪声差和叠加有电源噪声差的光转换后电信号。图8为所述图像传感器的工作时序图。下面结合图7和图8对本发明的图像传感器的工作原理进行说明。在下面说明中，可以利用参考信号SHR控制第二开关6和第五开关8，利用参考信号SHS控制第一开关5和第一开关7。首先执行步骤S10，设置如图2所示的像素阵列，其中每一行具有2个暗像素单元 1102，而且分布在第一列至第二列。其中噪声采集单元的第一输入端、第二输入端依次电连接第一列暗像素单元的输出，第二列暗像素单元的输出。接着执行步骤S20，具体的，如图8所示，选通信号SEL置高，所述暗像素单元的第四NMOS管T14开启，从而暗像素单元始终输出叠加有电源噪声的电源信号，即可以进行第一次采集叠加有电源噪声的电源信号和第二次采集叠加有电源噪声的电源信号，但是第一次和第二次采集的电源信号中叠加的电源噪声不同。接着在第一时刻(即在充电周期后)参考信号SHR置高，从而使得第二开关6和第五开关8闭合，从而第一列暗像素单元输出的第一次采集的叠加有电源噪声的电源信号给第二电容13充电，第二列暗像素单元输出的第一次采集的叠加有电源噪声的给第二电容11充电。接着在第二时刻(即在积分周期后)参考信号SHS置高，从而使得第一开关5和第一开关7闭合，从而第一列暗像素单元输出的第二次采集的叠加有电源噪声的电源信号给第一电容12充电，第二列暗像素单元输出的第二次采集的叠加有电源噪声的电源信号给第一电容10充电。然后接通第五开关11和第六开关9使差分放大器进入采样模式。然后打开第五开关11和第六开关9，闭合第三开关1，第四开关2，第三开关3，第四开关4使得所有采样单元内的第一电容12上的电荷转移到第三电容14上，实现对所有采样单元内的第一电容12上的第一次采样的电源信号求平均，同时，使得所有采样单元内的第一电容 12上的电荷转移到第四电容15上，实现对所有采样单元内的第二电容13上的第二次采样的叠加有电源噪声的电源信号求平均。接着差分放大器1125正向输出端和反向输出端输出的信号经过差分的模数转换
12单元1122之后输出数字形式的电源噪声信号，即第二次采集的叠加有电源噪声的电源信号减去第一次采集的叠加有电源噪声的电源信号，得到电源噪声差。在该步骤后还包括将电源噪声差进行存储。在步骤S20的同时执行步骤S30，RST置高，进行第一次采集，标准像素单元1101 输出叠加有电源噪声的电源信号。然后，TX置高，标准像素单元1101第二次采集叠加有电源噪声和电源信号的光转换后电信号，虽然本实施例中采用了二次采样电路来输出一个标准像素单元1101的光转换后电信号，也就是利用第二次采集的叠加有电源噪声和电源信号的光转换后电信号来减去第一次采集的叠加有电源噪声的电源信号，这样可以消除第二次与第一次相同的一些噪声，但是并不能去除第二次采样与第一次采样不同的电源噪声 (即第二次与第一次的电源噪声之差)。因此在该步骤输出的第二次和第一次的光转换后电信号还是包含电源噪声差的。在该步骤后可以将包含电源噪声差的光转换后电信号存储。接着执行步骤S40，利用去除噪声电路，去除包含噪声的光转换后电信号中的电源噪声差，例如具体的，利用电源噪声差作为减数，包含电源噪声的光信号作为被减数，从而可以将包含电源噪声的光转换后电信号中的电源噪声差减掉。所述减的方法为本领域技术人员所熟知的，因此不再赘述。现有技术的图像传感器只有在第一次采样和第二次采样的时刻噪声相同，才能消除，但是由于噪声一直在变化，因此现有的图像传感器都仅仅能消除第一次采样和第二次采样时的一些公共的噪声，而不能彻底解决噪声问题。本发明通过在图像传感器中设置暗像素单元采集第一次采集和第二次采集时的电源噪声，并利用噪声采集电路获得第一次采集和第二次采集时的电源噪声差，并在暗像素单元采集的同时标准像素单元也对光信号采集两次，并利用像素单元信号输出电路获得叠加有电源噪声差的光转换后电信号，然后将所述噪声采集电路采集到的电源噪声差从所述标准像素采集到的叠加有电源噪声差的光转换后电信号中去除。因此和现有技术相比， 本发明的图像传感器及消除图像传感器电源噪声的方法，大大提高了图像传感器输出的光转换后电信号的精确度，从而提高了图像传感器的精确度。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
权利要求
1.一种图像传感器，其特征在于，包括像素阵列，所述像素阵列的每一行包括标准像素单元和暗像素单元；噪声采集电路，用于利用暗像素单元在第一次和第二次采集的叠加有电源噪声的电源信号，得到电源噪声差；像素单元信号输出电路，用于根据标准像素单元在第一次采集的叠加有电源噪声的电源信号和在第二次采集的叠加有电源噪声、电源信号的光转换后电信号，得到叠加有电源噪声差的光转换后电信号，所述暗像素单元和所述标准像素单元的第一次采集为同时采集，所述暗像素单元和所述标准像素单元的第二次采集为同时采集；噪声去除电路，用于从所述叠加有电源噪声差的光转换后电信号中去除所述电源噪声差。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述像素阵列的每一行包括4至8 个所述暗像素单元。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述暗像素单元包括与标准像素单元相同的结构和不透光层，所述不透光层覆盖与标准像素单元相同的结构。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，所述暗像素单元包括感光二极管， 在所述感光二极管上覆盖有不透光层。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述暗像素单元还包括第一NMOS 管、第二 NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管和感光二极管，所述感光二极管的正极电连接地，负极电连接所述第一 NMOS管的源极，所述第一 NMOS管的栅极输入电源信号，所述第一 NMOS管的漏极电连接第二 NMOS管的源极，所述第二 NMOS管的漏极和栅极输入电源信号，所述第三NMOS管的漏极输入电源信号，所述第三NMOS管的栅极电连接所述第一 NMOS管的漏极，所述第三NMOS管的源极电连接第四NMOS管的源极，所述第四NMOS的栅极输入选通信号，所述第四NMOS漏极为输出端。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述像素阵列中每一行的所述暗像素单元排列在相同的列中；所述噪声采集电路包括采样单元，用于获得第一次和第二次每一列暗像素单元采集的叠加有电源噪声的电源信号；处理单元，用于对同一行的暗像素单元第一次采集的叠加有电源噪声的电源信号求平均，对同一行的暗像素单元第二次采集的叠加有电源噪声的电源信号求平均，并以所述平均后的第二次的叠加有电源噪声的电源信号作为参考信号对所述平均后的第一次的叠加有电源噪声的电源信号进行差分放大，得到电源噪声差；模数转换单元，用于将处理单元输出的差分的模拟形式的电源噪声差转化为数字形式的电源噪声差。
7.根据权利要求6所述的图像传感器，其特征在于，所述处理单元包括差分输入差分输出形式的差分放大器，在所述差分放大器的正向输入端和反向输出端之间并联的第五开关和第三电容以及在差分放大器的反向输入端和正向输出端之间并联的第六开关和第四电容。
8.根据权利要求6所述的图像传感器，其特征在于，所述采样单元包括电连接在所述暗像素单元的输出端和第一节点之间的第一开关，电连接在所述暗像素单元的输出端和第二节点之间的第二开关，电连接在第一节点和地之间的第一电容和电连接在第二节点和地之间的第二电容，电连接在第一节点和差分放大器正向输入端的第三开关，电连接在第二节点和差分放大器反向输入端的第四开关。
9.根据权利要求6所述的图像传感器，其特征在于，所述像素单元信号输出电路包括 二次采样单元，用于获得第一次标准像素单元采集的叠加有电源噪声的电源信号和第二次标准像素单元采集的叠加有电源噪声、电源信号的光转换后电信号，并输出差分的模拟形式的叠加有所述电源噪声差的光转换后电信号；模数转换单元，用于将所述二次采样电路输出的模拟形式的光转换后电信号转换为数字形式的光转换后电信号。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，其特征在于，所述二次采样电路包括采样单元，用于获得第一次标准像素单元采集的叠加有电源噪声的电源信号和第二次标准像素单元采集的叠加有电源噪声、电源信号的光转换后电信号；差分放大器，用于以第一次的叠加有电源噪声的电源信号作为参考信号对第二次的叠加有电源噪声、电源信号的光转换后电信号进行差分放大，所述差分放大器为差分输入差分输出，在差分放大器的正向输入端和反向输出端之间并联有第五开关和第三电容；在差分放大器的反向输入端和正向输出端之间并联有第六开关和第四电容。
11.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，还包括电连接在在所述噪声采集电路和所述噪声去除电路之间的存储器，用于存储所述电源噪声差，并将存储之后的电源噪声差发送给所述噪声去除电路；还包括电连接在所述像素单元信号输出电路和所述噪声去除电路之间的存储器，用于存储叠叠加有电源噪声差的光转换后电信号，并将存储之后的叠加有电源噪声差的光转换后电信号发送给所述噪声去除电路。
12.—种消除图像传感器电源噪声的方法，其特征在于，包括步骤 设置像素阵列，所述像素阵列的每一行包括标准像素单元和暗像素单元；利用暗像素单元在第一次和第二次采集的叠加有电源噪声的电源信号，得到电源噪声差；根据标准像素单元在第一次采集的叠加有电源噪声的电源信号和在第二次采集的叠加有电源噪声、电源信号的光转换后电信号，得到叠加有电源噪声差的光转换后电信号，所述暗像素单元和所述标准像素单元的第一次采集为同时采集，所述暗像素单元和所述标准像素单元的第二次采集为同时采集；从所述叠加有电源噪声差的光转换后电信号中去除所述电源噪声差。
13.根据权利要求12所述的消除图像传感器电源噪声的方法，其特征在于，在所述得到电源噪声差步骤和得到叠加有电源噪声差的光转换后电信号的步骤之后，从所述叠加有电源噪声差的光转换后电信号中去除所述电源噪声差步骤之前还包括步骤存储所述电源噪声差和叠加有电源噪声差的光转换后电信号。
全文摘要
本发明提供了一种图像传感器及消除图像传感器电源噪声的方法，该图像传感器包括像素阵列，所述像素阵列的每一行包括标准像素单元和不采光的暗像素单元；噪声采集电路，用于利用暗像素单元在第一次和第二次采集的叠加有电源噪声的电源信号，得到电源噪声差；像素单元信号输出电路，用于根据标准像素单元在第一次采集的叠加有电源噪声的电源信号和在第二次采集的叠加有电源噪声、电源信号的光转换后电信号，得到叠加有电源噪声差的光转换后电信号；噪声去除电路，用于从所述叠加有电源噪声差的光转换后电信号中去除所述电源噪声差，从而提高了图像传感器显示图像的质量。
文档编号H04N5/378GK102316280SQ20101022354
公开日2012年1月11日 申请日期2010年6月30日 优先权日2010年6月30日
发明者乔劲轩, 霍介光 申请人:格科微电子(上海)有限公司