图像传感器的读出系统和读出方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及图像传感器领域，特别涉及一种图像传感器的读出系统和读出方法。
【背景技术】
[0002] 图像传感器可以将光信号转换成电信号，基于所述电信号获得图像信号以进行图 像系统处理或者用于远距离播放。半导体图像传感器，主要是指互补金属氧化物半导体 (Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)和电荷親合元件（Charge Coupled Device，(XD)两种类型，应用十分广泛。其中CMOS图像传感器由于功耗小、成本低、易于在 标准生产线生产等优势成为主流。
[0003] CMOS图像传感器将光信号转换为电信号的基本转换过程为：CMOS图像传感器中 的像素进行曝光，在一定曝光时间内，像素上的电压随不同光线强度产生线性电压，随后的 读出系统将所述线性电压转换成数字信号输出。
[0004] 参考图1，示出了现有技术中一种CMOS图像传感器的读出系统结构示意图，主要 包括比较器10和计数器20。比较器10的正相输入端输入像素信号Vpixel，比较器10的 负相输入端输入斜坡信号Vramp，比较器10的输出端与计数器20的输入端D相连，计数器 的输出端输出像素量化值Dsig。
[0005] 结合参考图2,示出了图1中所示读出系统的相关信号示意图。具体的，所述读出 系统读出信号的过程如下：
[0006] 像素输出Vpixel在第一时刻tl由复位电平vrst变为信号电平vsig ;
[0007] 待信号电平vsig稳定后，从第二时刻t2开始，斜坡信号Vramp从起始电压vo向 终止电压vt逐渐线性降低，比较器10比较斜坡信号Vramp与所述信号电平vsig的大小。 刚开始，斜坡信号Vramp高于信号电平vsig，比较器10的输出电压Vcomp为高电平vh，计 数器从0开始正向计数。
[0008] -定计数周期后，在第三时刻t3,斜坡信号Vramp的电压值降低至与信号电平 vsig相等，比较器COMP的输出信号Vcomp由高电平vh变为低电平vl，计数器停止计数，此 时计数器的计数结果d作为这个信号电平vsig的像素量化值Dsigl。
[0009] 计数结果d中包含了信号signal和噪声noise，信噪比SNR = signal/noise。图 像传感中的噪声包括像素的随机电报噪声（Random Telegraph Noise, RTN)，读出系统的读 出噪声等。在暗场下，这些噪声会恶化图像的信噪比SNR，从而降低图像质量，限制了 CMOS 图像传感器的使用。
【发明内容】
[0010] 本发明解决的问题是提供一种图像传感器的读出系统和读出方法，提高信噪比。
[0011] 为解决上述问题，本发明提供一种图像传感器的信号读出系统，所述读出系统用 于读取像素阵列中像素单元所获得的图像信号，包括：
[0012] 斜坡电路，用于产生斜坡信号；
[0013] 控制模块，用于获取所述像素阵列的亮度，并根据所述亮度获得斜坡信号的电压 或斜坡信号产生次数，并控制所述斜坡电路产生相应电压或相应次数的斜坡信号；
[0014] 比较器，用于比较所述图像信号和斜坡信号的相对大小；
[0015] 计数器，用于根据所述比较器的比较结果进行计数，获得像素量化值。
[0016] 可选的，所述控制模块包括：获取单元，用于获取所述像素阵列的亮度；设定单 元，用于根据所述获取单元获得的亮度，获得斜坡信号的电压或斜坡信号的产生次数；控制 单元，用于控制像素阵列中像素单元输出所获得的图像信号；用于根据所述设定单元获得 的斜坡信号的电压或斜坡信号产生次数，控制所述斜坡电路产生相应电压或相应次数的斜 坡信号。
[0017] 可选的，所述获取单元根据多帧历史图像的平均亮度获取所述像素阵列的亮度。
[0018] 可选的，所述获取单元根据前一帧图像的平均亮度获取所述像素阵列的亮度。
[0019] 可选的，所述获取单元根据历史图像的像素量化值，获取所述像素阵列的亮度。
[0020] 可选的，所述斜坡信号的电压包括：斜坡信号开始时的初始电压、斜坡信号停止时 的终止电压；所述设定单元用于根据所述亮度获得斜坡信号的初始电压和终止电压。
[0021] 可选的，所述读出系统还包括行信号产生电路，所述行信号产生电路包括：驱动产 生电路，用于产生驱动所述像素阵列中像素单元的驱动信号；触发产生电路，用于根据控制 模块获得的斜坡信号产生次数，产生触发所述斜坡电路产生斜坡信号的触发信号。
[0022] 可选的，所述驱动产生电路在第一时刻产生驱动信号，所述触发产生电路在第二 时刻产生触发信号，所述第二时刻晚于所述第一时刻。
[0023] 可选的，所述驱动产生电路与所述计数器相连，用于向所述计数器发送所述驱动 信号，所述计数器在接收到所述驱动信号时对计数结果清零。
[0024] 可选的，所述触发产生电路用于产生触发信号以控制所述计数器开始计数。
[0025] 可选的，所述斜坡信号包括电压线性减小的线性信号；所述触发产生电路，用于产 生控制所述线性信号开始产生的线性触发信号，所述线性触发信号还用于控制所述计数器 开始计数；所述计数器在所述线性触发信号的控制下基于比较器的比较结果开始计数；在 所述比较器的比较结果反转时停止计数，并以累积计数值获得像素量化值。
[0026] 可选的，所述线性信号大于所述图像信号时，所述比较器输出高电压的比较结果， 所述计数器进行计数；所述线性信号小于所述图像信号时，所述比较器输出低电压的比较 结果，所述计数器停止计数。
[0027] 可选的，所述线性信号开始时的电压为初始电压，所述斜坡电路还用于产生位于 线性信号之前的平台信号，所述平台信号的电压恒定不变，且与所述初始电压相等；所述触 发产生电路，还用于产生控制所述平台信号开始产生的平台触发信号。
[0028] 可选的，所述线性信号停止时的电压为终止电压；所述斜坡电路还用于产生位于 所述平台信号之前的恒定电压信号，所述恒定电压信号的电压位于初始电压和终止电压之 间。
[0029] 相应的，本发明还提供一种图像传感器的信号读出方法，所述读出方法用于读取 像素阵列中像素单元所获得的图像信号，包括：
[0030] 获取所述像素阵列的亮度；
[0031] 根据所述亮度获得斜坡信号的电压或斜坡信号产生次数；
[0032] 获取像素阵列中像素单元输出的图像信号；
[0033] 基于所述斜坡信号的电压或斜坡信号产生次数，产生相应的斜坡信号；
[0034] 比较所述图像信号和所述斜坡信号的相对大小；
[0035] 根据所述比较结果进行计数，以获得所述图像信号的像素量化值。
[0036] 可选的，获取所述图像阵列的亮度的步骤包括：根据多帧历史图像的平均亮度获 取所述图像阵列的亮度。
[0037] 可选的，获取所述图像阵列的亮度的步骤包括：根据前一帧图像的平均亮度获取 所述图像阵列的亮度。
[0038] 可选的，获取所述图像阵列的亮度的步骤包括：根据历史图像的像素量化值获取 所述图像阵列的亮度。
[0039] 可选的，所述斜坡信号的电压包括：斜坡信号开始时的初始电压、斜坡信号停止时 的终止电压；根据所述亮度获得斜坡信号的电压的步骤包括：根据所述亮度获得所述斜坡 信号的初始电压和终止电压。
[0040] 可选的，获得斜坡信号产生次数的步骤之后，获取图像信号的步骤之前，所述读出 方法还包括：产生行信号，所述行信号包括驱动所述像素阵列中各行像素单元的驱动信号 和触发所述斜坡信号产生的触发信号；获取像素阵列中像素单元输出的图像信号的步骤包 括：在所述驱动信号的控制下，依次驱动所述像素阵列中各行像素单元，像素单元被驱动后 输出图像信号；产生相应的斜坡信号的步骤包括：在所述触发信号的控制下，产生相应的 斜坡信号；所述触发信号还用于控制开始计数；根据所述比较结果进行计数的步骤包括： 在所述触发信号的控制下，根据所述比较结果开始计数。
[0041] 可选的，产生行信号的步骤包括：在第一时刻产生驱动信号，在第二时刻产生触发 信号；所述第二时刻晚于所述第一时刻。
[0042] 可选的，获取像素阵列中像素单元输出的图像信号的步骤还包括：在所述驱动信 号控制下，对计数结果清零，以获得被驱动的像素单元所产生的图像信号的像素量化值。
[0043] 可选的，所述斜坡信号包括电压线性减小的线性信号，产生斜坡信号的步骤包括： 产生线性信号；比较所述图像信号和所述斜坡信号的相对大小的步骤包括：比较所述图像 信号和所述线性信号的相对大小；根据所示比较结果开始计数的步骤包括：在所述线性信 号开始时，基于所述比较结果开始计数；获得像素量化值的步骤包括：当所述图像信号和 所述线性信号的相对大小发生反转时停止计数，并以累积计数值获得像素量化值。
[0044] 可选的，比较所述图像信号和所述斜坡信号的相对大小的步骤包括：所述线性信 号大于所述图像信号时，获得高电压的比较结果，根据所述比较结果进行计数；所述线性信 号小于所述图像信号时，获得低电压的比较结果，根据所述比较结果停止计数。
[0045] 可选的，所述线性信号开始时的电压为初始电压，所述初始电压大于所述图像信 号；获取图像信号的步骤之后，产生斜坡信号的步骤之前，所述读出方法还包括：在线性信 号开始之前产生电压恒定不变的平台信号，所述平台信号的电压与所述线性信号的初始电 压相等。
[0046] 可选的，所述线性信号停止时的电压为终止电压；获取图像信号的步骤之后，产生 斜坡信号的步骤之前，所述读出方法还包括：在产生平台信号之前产生恒定电压信号，所述 恒定电压信号的电压位于所述线性信号的初始电压和终止电压之间。
[0047] 与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
[0048] 本发明通过控制模块获取所述像素阵列的亮度，并根据所述亮度获得斜坡信号的 电压和产生次数，并控制斜坡电路产生相应的斜坡信号，以增大所述图像信号相对应的像 素量化值。所述图像信号包括有规律的信号以及无规律的噪声，当图像信号被放大时，能够 提高有规律的信号强度，由于噪声的随机性使噪声无法随着图像信号的放大而放大，因此 增大所述图像信号相对应的像素量化值能够提高系统的信噪比。本发明在不提高系统成本 与系统功耗，不降低帧率，不降低分辨率的情况下，提高了信号强度，改善了图像信号的信 噪比，提高了图像质量，扩展了图像传感器的使用。
[0049] 可选的，在本发明的可选方案中，采用前一帧图像的平均亮度获得所述图像阵列 的亮度，并根据所述亮度，获得斜坡信号的电压或斜坡信号的产生次数。所述控制模块通过 多次迭代的方式调整所述斜坡信号的电压和产生次数，在不增加资源耗费的情况下，提高 了读出系统的读出速度，提高了图像传感器的性能。
[0050] 可选的，在本案的可选方案中，还可以采用行信号控制所述斜坡电路和所述计数 器，使所述斜坡信号的产生和所述计数器开始计数实现同步开始，提高了读出系统对图像 信号的量化精度，提高了图像传感器获取图像的质量。
【附图说明】
[0051] 图1是现有技术中一种CMOS图像传感器的读出系统结构示意图；
[0052] 图2是图1中所示读出系统的相关信号示意图；
[0053] 图3是本发明图像传感器读出系统一实施例的功能框图；
[0054] 图4是图3中控制模块的功能框图；
[0055] 图5是图3中行信号产生电路的功能框图；
[0056] 图6是图3所示读出系统读取图像信号Vpixel时相关信号的时序图；
[0057] 图7是本发明所提供图像传感器的读出方法一实施例的流程图。
【具体实施方式】
[0058] 由【背景技术】可以知道，现有图像传感器存在暗场下信噪比低的问题，现结合现有 技术读出方法分析原因：
[0059] 在暗场下，图像传感器接收到的光线较暗