专利名称：用于图像传感器的合适可变增益模－数变换的设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种合适的可变增益模拟—数字变换设备。变换设备优选地数字变换由图像传感器的光敏单元(photosesitive cell)产生的信号。光敏单元由像素矩阵组成。
背景技术：
因此，变换设备包括至少一个接收一个像素的电压或者电流信号的N比特第一变换器，和连接到第一变换器的至少一个M比特第二变换器，第一和第二变换器将像素的电压或者电流电平变换为N+M比特。由每个像素产生的信号的电压或者电流电平依像素在传感器特别电压或者电流电平的动态范围中获得的光能级而定。
设备的第一变换器包括用于将像素的电压或者电流电平与一个或者多个电压或者电流阈值作比较的比较装置。这些电压或者电流阈值在动态范围中给连续的电压或者电流范围定界。所述在动态范围中的连续电压或者电流范围被用于定义从弱照度像素到强照度像素的像素照度。第一变换器提供一个N比特二进制字，该字的数值涉及像素的电压或者电流电平所位于的电压或者电流范围。
可变增益变换装置使用多于变换后每个像素保持的比特数目的比特进行变换。通过这种方式，可能将数字放大应用作为像素照度电平的功能。
本发明同样涉及一种图像传感器，该图像传感器特别包括像素矩阵光敏单元、连接该单元的模-数变换设备、连接到变换设备的照度求平均值单元和一个连接到变换设备和求平均值单元的刻度适配器(scale adapter)。
本发明还涉及一种用于操作该模-数变换设备的模-数变换方法。
为了捕获一个图像，光敏单元通常包括一个像素矩阵以便提供例如被变换为表示被捕获光子数目的电压的每个信号。光子的数目越大，所产生的电压差就越大。一个数字图像通常以8比特量化，就是说，有256种可能的级别。在彩色图像的情况中，每个基本(红、绿、蓝)分量以8比特编码。
关于这一点，还要记住每个像素包括用于捕获光子的结电容，诸如光电二极管的电容，特别是具有100000个电子的井的电容。例如，在正常的操作中，这种电容(光电二极管)反向偏置到从0至2V的给定电压。
在一种以CMOS技术实现的图像活性像素(active-pixel)传感器(APS)中，光子使电容器放电以便产生电子空穴对。电容器的反向电极收集电子空穴对，从而降低跨电容器的电压差。当这个电压差随着照度降低时照度，信号的极性被反向，也就是，当像素被强照度时有高电压，在弱照度的情况下是低电压。因此，传感器电压的动态范围小于电容器的偏压，例如等于1.5V。然而，这种条件并不是限制。
为变换像素产生的电压信号，通常必须放大信号。所述的放大依被捕获图像的像素照度级而定。为了放大信号，例如，一种选择是如图1a用图解法所示在模—数变换之前预放大每个像素。为了在图像传感器中进行这种操作，例如，将一定数目的可变增益放大器101每个都连接到各自像素(未显示)的输出端，以便接收一个对应于被捕获的照度的变换电压Vpix。每个像素的可变增益放大器101通过放大因数Ax放大基本上恒定的电压Vpix，以便提供一个放大的输出电压信号AxVpix。然后，已放大的信号在标准的8比特AD变换器100中被数字变换，以便产生一个8比特二进制字Sn。
特别地，在对一些像素的照度级求平均值之后，放大器的放大因数Ax被调整到变换器的动态范围。这种求平均值由连接到变换器100和放大器101之间的反馈回路的照度求平均值单元102来实施。用于调整放大因数的控制信号S_Ax由求平均值单元施加给放大器。
为了固定放大因数，必须实施多个模—数变换以便达到由像素捕获的图像的平均照度的最佳状态，这是一种缺陷。对每个像素的电压进行模拟放大的另一种缺陷是，这将导致高功率消耗，尤其是图像传感器过度工作引起的高功率消耗。因此，这使得在由小电池或者蓄电池提供功率的诸如手表之类的便携式物体中使用这种传感器很困难。而且，在同一个半导体结构中并联地连接多个匹配模拟放大器以节约变换由像素矩阵捕获的图像所用的时间是困难。
另一种放大像素信号的方案是如图1b用图解法所示，采用使用图像传感器的可变增益模—数变换器的数字放大。对于这种数字放大，每个像素的已变换电压Vpix首先使用(8+n)比特的可变增益AD变换设备110进行数字化。由变换器110产生的二进制字被提供到刻度适配器111，该刻度适配器负责从每个(8+n)比特的二进制字中提取相同的8个连续比特，以及提供一个8比特的二进制信号Sn。从每个二进制字中得到8个连续比特的选择依矩阵的像素子集的照度平均值而定，该矩阵已经捕获到要被数字化的图像。借助于照度求平均值单元112获得照度平均值。例如，照度求平均值单元112计算变换器110中多个(8+n)比特二进制字的平均值，以便确定哪一个比特最能代表数字化电压信号Vpix。
因此，使用这种类型的数字放大，使得延迟关于由像素矩阵捕获的图像平均照度级的判定成为可能，这避免了在模拟放大情况中出现的预先曝光控制(preliminary exposure control)。然而，使用这种类型的标准变换设备110在像素照度的所有情况中实施向(8+n)的变换可能是一种缺陷。尤其是在光敏单元的像素强照度的情况中，当具备强照度的光敏单元图像传感器的噪声大于具备弱照度的光敏单元的图像传感器的噪声时，具备这种精度盈余的变换不总是必须的。因此，当确定强照度像素的较低有效比特时，变换器可以变换低于像素噪声的电压或者电流电平。因为这种情况是随机的，其致使这种操作多余，这是一种缺陷。
就此而论，可以引用公开模—数变换设备子排列的专利US4733217。这种变换设备包括N比特第一粗变换器，其接收一个视频电压或者电流信号，连接到第一变换器的M比特第二精密变换器。所述由第一变换器提供的N比特确定电压或者电流范围，其中电压或者电流信号位于电压或者电流动态范围之中。经过信号与电压或者电流阈值的比较操作之后，在第一变换器中确定所述电压或者电流范围。一个连接到第一和第二变换器的组合元件从第一变换器接收N比特MSB，从第二变换器接收M比特LSB，以便提供N+M比特的二进制字。
上文专利中这种变换设备的缺陷在于其不能适应作为将被变换的模拟信号的电压或者电流电平的函数的电压或者电流信号的变换。
发明内容
因此本发明的主要目标是通过提供依照光敏单元中每个像素的照度级来适应或者适合的可变增益的模—数变换设备来减少现有技术中的缺陷。例如，变换设备是适应的或者适合的，所以不会在光敏单元捕获图像期间进行不必要的噪声变换。
为此目的，本发明包括上文中引用的模—数变换器，其特征在于，第二变换器包括变换适配装置，其被配置用于已经在所述电压或者电流范围的最小电压或者电流与最大电压或者电流之间被确定为由第一变换器提供的N比特二进制字的值的函数的电压或者电流范围，该变换适配装置被配置为对于已经确定的对应于强照度像素的电压或者电流范围，将电压或者电流像素信号变换为少于M的多个比特，或者对于已经确定的对应于不是强照度的像素的电压或者电流范围，将电压或者电流像素信号变换为等于M的多个比特。
本发明模—数变换设备的一个优点是，第二变换器的适配装置仅变换提供给每个像素的有用信号，避免在光敏单元捕获图像期间出现不必要的噪声变换。作为第一变换器产生的二进制字的函数，第二变换器适应或者适合于执行没有精度盈余的变换。为了确定每个像素的照度区域，这个由第一变换器提供的二进制字取决于每个像素的电压或者电流电平。这降低了设备的能量消耗，尤其是在每个由像素提供的电压或者电流信号的变换期间。
因为具备强照度的噪声比具备弱照度的噪声大近似8倍，所以，优选地以比中度照明像素或者强照明像素更高的分辨率来变换弱照明像素。因此，在动态范围内定义不同大小的电压范围，每个表示一个作为噪声差函数的特定的照度区域。因此，例如比用于强照明像素的放大多8倍的数字放大应用于弱照明像素。
在由APS CMOS图像传感器的光敏单元捕获图像的情况中，弱照度的噪声接近于1mV，强照度的噪声可以具有接近于8mV的值。为了防止最后的8比特输出包含噪声比特，需要提供对应于三个附加比特、因数为8的数字放大。在这种以11比特(N+M+1比特)线性变换的情况中，最低有效比特的分辨率在整个动态范围中是常数，并且快速地被噪声隐藏。如果像素在强照度区域中，最后三个较低有效比特不再包含信息，因此，对它们进行处理是没有意义的。
通过去线性N比特第一变换器来减少要变换的比特数是可能的。已知第二变换器以线性方式(以恒定的增益)处理多达M比特，固定弱照度区域的大小从而使得最低有效比特的精度等价于在整个动态范围中的N+M+1比特标准线性变换器。另一方面，在强照度的情况下，最后的变换比特的灵敏度必须比弱照度的最后比特低8倍。因此，第二变换器仅变换少于M的多个比特，同样以便节约变换时间和减少电功率消耗。
因此，在弱照度变换增益和高照度变换增益之间需要一个附加的因数2。从而，强照度区域两倍大于弱照度区域。一个稍大于弱照度区域的区域适合于中间的情况。
本发明还提供一种具有权利要求9中提及技术特征的图像传感器。
依据本发明的这种图像传感器的优点在于，可以通过采用具有并联放置的缓慢且结构最佳的多个第一和第二变换器的变换设备减少变换时间来大大降低电消耗。然而，现代用于集成电路制造的CMOS技术不能通过并联连接好几十个第一和第二变换器来产生大于10比特的合理大小的变换器。因此，对于弱照明像素来说，第二变换器必须在第一电压范围中以这样的变换精度实施精确变换，该变换精度对应于标准11比特线性变换器在传感器的整个电压动态范围内的变换精度。
本发明还提供一种具有在权利要求11提及技术特征的模—数变换方法。
模—数变换设备、图像传感器和操作该设备的方法的目的、优点以及特征将在随后描述本发明实施例的过程中变得更加清楚和明显，该描述参照附图给出，其中已被引用的图1a用图解法描述了在采用可变增益模拟放大的现有技术的图像传感器中每个像素提供的电压的模—数变换部分；已被引用的图1b用图解法描述了在变换阶段之后在采用数字放大的现有技术的图像传感器中的电压模—数变换部分；图2图解描述了一种适应于并适合于诸如手表之类便携物体的成像系统，其包括一个依据本发明的适合的可变增益模—数变换设备；图3是作为图像传感器动态范围电势函数的噪声电压均方根曲线图；图4图解描述了依据本发明具备第一和第二变换器的模—数变换设备。
图5更详细地描述了具备第一和第二变换器组合元件的模数变换设备；图6描述了第二变换器部分和开关电路，第二变换器包括一个以幂2加权的开关电容器的阵列。
图7a和7b分别是第一变换器的转移函数图和用于经过第一和第二变换器变换之后获得的每个10比特二进制字的寄存器的图形表示，其中该转移函数图将照度区域定义为电压动态范围的电压阈值的函数；图8表示在依据本发明的变换设备中模—数变换方法(算法)的步骤。
具体实施例方式
在以下的描述中，本领域的技术人员公知的可变增益模—数变换设备的电子部件和变换步骤不再详细地解释。
在图2中，一种尤其是APS类型的图像捕获系统10包括依据本发明的可变增益模—数变换设备1。该系统实质上包括由具有像素矩阵以便捕获图像12的光敏单元2组成的图像传感器11、对传感器中像素提供的信号进行模—数变换的设备1、照度求平均值单元5、刻度适配器4、用于存储数字化图像的装置6、微处理器单元7和捕获图像显示设备8。例如，APS视频图形阵列(VGA)图像传感器的像素矩阵包括640×480像素，在近似于1.5V的动态范围中操作。
本发明的主题，变换设备1提供关于对单元2的像素产生的电压信号进行的变换的10比特二进制字。这些二进制字可以在连续或并行的变换操作之后存储在设备1的相应寄存器中，寄存器未显示。照度求平均值单元5则从设备的寄存器中接收一定数量的10比特二进制字，例如，用于确定所述二进制字的照度平均值。
刻度适配器4从求平均值单元5接收一个控制信号，它是由照度求平均值单元5实施的求平均值的结果的函数。因此，由求平均值单元5配置的适配器从模一数变换设备1产生的每个二进制字的10比特中选择8个连续的较高有效比特，作为已捕获图像的平均照度级的函数。对于被光敏单元2的像素捕获的强照度图像，仅保留每个二进制字的最高8比特较高有效比特，然而对于弱照度图像仅保留最低8比特较低有效比特。
此后，所有以8比特数字化的电压或者电流像素信号在微处理器单元7的控制下被存储在存储器装置6中，例如一个非挥发性EEPROM。微处理器单元7以本领域已知的方式执行特定的计算以便在存储器装置6中按照特殊格式存储所有像素矩阵字节。例如，这种格式可以是联合图像专家组(JPEG)格式。以这种方式存储的图像可以在显示设备8中浏览，该显示设备可以是彩色LCD屏。
因为尤其由传感器的光敏单元产生的噪声在整个传感器的电压动态范围内不是常数，必须将模—数变换设备配置为考虑弱照度与强照度像素之间的噪声差别。图3是显示在作为像素照度级函数的传感器的电压动态范围内作为每个像素产生的电压电平的函数的噪声变化曲线图。注意，对于以CMOS技术实现的APS VGA图像传感器，关于弱照度并接近动态范围的最低电压的噪声具有近似为1mV的数值，而关于强照度并接近动态范围的最高电压的噪声具有近似为8mV的数值。因为这些，变换设备必须能够通过应用适应的或者适合的数字放大来变换具有比强照明像素更高分辨率的弱照明像素。因此，用于对设备弱照明像素进行变换的放大在弱照明像素区域必须比在强照明区域大8倍。
图4图解描述了作为本发明主题的可变增益模—数变换设备。该设备实质上包括用于变换由像素提供的电压信号Vpix的至少一个粗非线性第一变换器21和至少一个精确线性第二变换器22。第一变换器21提供一个具有N个较高有效比特的二进制字，例如，2个较高有效比特，第二变换器22提供一个具有M个较低有效比特的二进制字，例如，8个较低有效比特。设备以这种方式提供对应于来自每个像素的被变换的电压信号Vpix的N+N比特二进制字，例如10比特。
在第一个变换阶段，第一变换器21接收每个像素被变换的电压Vpix。第一变换器21的功能是将像素的电压电平置于图像传感器的电压动态范围之内的电压范围之一中。因此，该动态范围被分成多个由电压动态范围的最低电压V0和最高电压V4之间的电压阈值V1-V3划界的连续的电压电平范围。假定在这个实施例中有三个电压阈值，那么四个电压范围的每一个定义每个像素从弱照明区域到到强照明区域的特殊照度区域。
第一变换器包括比较装置，未显示，该装置用于将由多路转换器(multiplexer)24连续提供的具有电压阈值V1到V3的像素电压电平与最高参考电平Vsup比较以确定每个像素的电压范围。为此目的，多路转换器24在一个2比特的控制信号S_HL控制下在其输入端接收三个电压阈值V1到V3以及在动态范围最高的电压V4。如在下文中参考图8所描述的，这个控制信号可以从等于00的第一个二进制值增长到等于11的第四个二进制值。通过控制信号S_HL的第一个值，电压Vpix与第一个电压阈值V1做比较。如果电压Vpix高于第一个电压阈值V1，控制信号增加一个单位以便将电压Vpix与第二个电压电平阈值V2做比较。如果电压Vpix高于第二个电压阈值V2，控制信号再一次增加一个或者两个单位，直到电压Vpix相对于动态范围被正确地设置。
当然，在上文中指出的控制信号S_HL的值只是作为例子给出，而且可以被不同地组织以便选择一个与电压Vpix比较的电压阈值。
一旦电压Vpix已经被设置在照度区域之一中，具有由第一变换器提供的两个较高有效比特的二进制字通过控制信号S_HL的值来定义。该2比特的二进制字被用于配置第二变换器22，使得其在包含电压Vpix的已选电压范围内操作。
第二变换器22包括具有最低电压Vinf的多路转换器23，该多路转换器在其输入端接收动态范围的最低电压V0和三个电平阈值V1到V3。该多路转换器由相同的控制信号S_HL控制以便在其输出端提供最低电压Vinf。因此，第二变换器被配置为在由多路转换器24提供的最高电压与由多路转换器23提供的最低电压之间操作，作为来自第一变换器中与控制信号S_HL值相关的二进制字的函数。作为这些选择的电压范围的最高和最低电压，第二变换器的变换适配装置启动后者将像素的电压信号变换成多个少于或者等于M的比特。由于第二变换器22提供了具有8个较低有效比特的二进制字，适配装置使得第二变换器能够实施在弱照度的第一区域的8比特变换、在中度照度的第二区域的7比特变换以及在高照度的第三和第四区域的6比特变换。为了使设备1提供一个10比特的二进制字，可以任意定义没有被第二变换器变换的比特。
由于第二变换器对于弱照明区域必须使用比中度或者强照度区域更高的分辨率，因此电压范围的大小会改变。这个在电压范围大小上的变化被用于修改变换增益。在弱照明区域中该大小比强照明区域中的大小更小，以便考虑两个区域在噪声上的不同。
如图7a所示，对应于弱照明像素第一照度区域Zone 1的动态范围的第一个电压范围的大小近似为0.2V。对应于中度照明像素第二照度区域Zone 2的第二电压范围的大小近似为0.3V。最后，对应于强照明像素第三和第四照度区域Zone3和Zone 4的第三和第四电压范围的大小为0.5V。照度的每个区域对应于由第一变换器提供的不同二进制字。
关于这个电压范围的主题，每个变换比特的变换增益或者灵敏度通过下面的公式来定义增益Aconv＝(2n)/ΔVzone
灵敏度Sconv＝ΔVzone/(2n)[mV]其中，ΔVzone是相应电压范围的大小，n定义第二变换器变换比特的数量。对于在第一电压范围中的变换，因为第二变换器实施8比特的变换，所以每个变换比特的灵敏度接近0.8mV。由于这个第一电压范围适当的大小，变换精度可以被考虑等效于在整个动态范围上操作的11比特线性变换器的精度。对于在第二电压范围中的变换，因为第二变换器仅仅实施了7比特变换，每个变换比特的灵敏度稍大于2mV。最后，对于在第三和第四电压范围中的变换，因为第二转换器仅仅实施了6比特变换，每个变换比特的灵敏度接近7.8mV。
因此，通过这些电压范围的大小，与强照明像素的信号相比，向弱照明像素的电压信号应用大8倍的放大是可能的。作为上述结果，可变增益模—数变换设备被配置用于避免不必要地变换噪声以及以最小数目的步骤来实施变换。
图7b表示对于Zone 1、Zone 2、Zone 3或者Zone 4中每个像素二进制字的10比特寄存器。第一变换器计算两个较高有效比特MSB以便将每个像素置于特定的电压范围中，第二变换器定义8个较低有效比特LSB。在Zone 1中，第二变换器按8比特变换弱照明像素的电压信号。在Zone 2中，第二变换器仅按7比特变换中度照明像素的电压信号，而不用变换被隐藏在噪声中且因此不表示任何信息的最低有效比特。在Zone 3和Zone 4中，第二变换器仅按6比特变换强照明像素的电压信号，而不用变换仅对应噪声的最低的2个较低有效比特。
图5更加详细地示出了组合第一和第二变换器的可变增益模—数变换设备的部件。关于变换方法，如在下文参考图8以第一阶段和连续的方式所解释的，第一变换器必须将像素电压Vpix置于一个电压范围中。为此目的，为了在输出1提供电压信号Vpix，多路分解器(demultiplexer)31由控制信号S_in控制。这个控制信号S_in由控制信号发生器37产生。多路转换器32在输入1接收电压Vpix。作为由控制信号发生器37产生的控制信号S_comp的状态的函数，多路转换器32将电压Vpix连接到表示比较装置的唯一一个比较器33的正输入。
在该第一阶段中，电压Vpix必须与由最高电压多路转换器24提供的阈值电压V1到V3中的一个进行比较。前面描述的由控制信号S_HL选择的电压阈值流过同样由控制信号S_in控制的多路分解器34以便在输出1提供已选的电压阈值。最初，第一电压阈值被选择连接到比较器33的负输入。如果电压Vpix大于第一电压阈值V1，比较器的输出信号Comp_res命令信号发生器37增加控制信号S_HL一个单位。以这种方式继续比较电压Vpix和特定的电压阈值，直到电压Vpix能够被置于动态范围内的一个电压范围中。如果在比较步骤结束时控制信号S_HL具有二进制值00，则电压Vpix在第一电压范围内。如果信号S_HL具有二进制值01，则电压Vpix在第二电压范围中。如果信号S_HL具有二进制值10，则电压Vpix在第三电压范围中。最后，如果信号S_HL具有二进制值11，则电压Vpix在第四电压范围中。
在已经确定了最高的两个较高有效比特MSB之后，第二变换器必须能够实施一个精确变换作为已经确定的电压范围的函数。为此目的，第二变换器包括一个具有适于已被确定的电压范围的变换适配装置的开关电路35和一个开关电容器阵列36，在虚线框中表示。
为进行变换操作，依照已确定的电压范围，开关电路35特别地接收一个由多路转换器24提供的最高电压Vsup和一个由多路转换器23提供的最低电压Vinf。作为像素电压Vpix的级别的函数，在下文中参考图6更详细地解释的开关电路将8个具有幂2加权数值的电容器的连续连接控制到最低电压Vinf或者最高电压Vsup。
开关电容器36阵列的一个端子Vcap是阵列中的所有电容器公用的。如果控制信号S_comp选择多路转换器32的输入0，该端子Vcap连接到比较器33的正端子上。通过这种方式，第一变换器的比较器33可以有利地再次用于第二变换器的变换操作。
精确变换从一个充电阶段开始，其中如果控制信号S_in选择输出0，该端子Vcap被第一次连接到由多路转换器24提供的最高电压。这个控制信号S_in还使得多路分解器31在其输出0处提供像素电压Vpix。在向电容阵列充电阶段期间，该像素电压Vpix在开关电路35的输入替换电压Vsup。
在该充电步骤之后，如果多路分解器34被切换到输出1，端子Vcap保持浮动状态且以等效于像素电压Vpix的电压偏移。通过这种方式，使用一个由控制信号发生器37提供的8比特选择信号bit_sel，由第二变换器执行精确变换。作为比较器33输出信号Comp_res的函数，阵列36的电容器连续地连接到最低电压Vinf然后连接到最高电压Vsup。因为使用开关电容器阵列进行的变换操作在本领域是众所周知的，所以仅概括地描述构成第二变换器的部件。
图6更详细地示出了第二变换器的主要部件。开关电路35包括开关逻辑42，该开关逻辑42用于控制一组在虚线框内描述的多路转换器41。多路转换器组41中每个多路转换器的输出连接到开关阵列36的8个电容器中的一个。每个电容器的值取决于由第二变换器确定的二进制字中的每个变换比特的位置，也就是，取决于2的幂。因为这个，定义从最低有效比特的数值C到最高有效比特的数值128C的电容器数值。第二变换器中必须提供的辅助电容器C的一个端子在Vcap连接浮动点而另一端子连接到任何固定的电位，例如Vsup。
多路转换器的输入1被连接到已确定的电压范围中的最高电压Vsup，输入0被连接到最低电压Vinf。在这个接收8比特选择信号bit_sel和比较器的输出信号Comp_res的开关逻辑中，确定开关信号S1到S8，每一个开关信号连续地命令多路转换器组41中相应的多路转换器。作为比较信号Comp_res的函数，该开关逻辑35连续地将每个电容器切换到最低电压Vinf，然后将其重新连接到最高电压Vsup。这个操作从最高电容开始，到最低电容结束。
根据已经确定的电压范围，具有开关逻辑的开关电路被配置用于在弱照度的情况下执行8比特变换操作、在中度照度的情况下执行7比特变换操作或者在强照度的情况下执行6比特变换操作。在第二次变换结束时，开关信号S1到S8的状态被用于提供8比特的二进制字LSB_out，其作为8个较低有效比特被置于设备的寄存器中。当然，根据已经确定的照度区域，二进制字的最后一个或多个比特被任意定义。
在下文中参考图8描述模—数变换方法的步骤。下面的表格表示在本方法各个步骤期间如图5所示应用于相应多路转换器的控制信号的状态
模—数变换方法的第一步骤50涉及预充电阶段，其中像素向模—数变换设备提供一个与其照度有关的电压。只要变换设备接收到像素电压的稳定值，第一变换器便开始执行粗变换。
在步骤51，像素电压Vpix与第一电压阈值V1进行比较。如果该电压Vpix低于阈值V1，那么像素是弱照明，在步骤52中由其最高2个较高有效比特MSB具有值00的二进制字选择动态范围的第一电压范围。另一方面，如果该电压Vpix高于V1，那么信号S_HL被增加一个单位从而使得在步骤53中电压Vpix与第二电压阈值V2作比较。如果电压Vpix低于阈值V2，那么在步骤54由其最高2个较高有效比特MSB值为01的二进制字选择动态范围的第二电压范围。另一方面，如果该电压Vpix高于V2，那么该信号S_HL增加一个单位从而使得在步骤55中电压Vpix与第三电压阈值V3作比较。如果电压Vpix低于阈值V3，那么在步骤56由其最高2个较高有效比特MSB值为10的二进制字选择动态范围的第三电压范围。另一方面，如果电压Vpix高于第三电压阈值V3，那么该像素处于最强照度区域。因此，信号S_HL被增加一个单位，以便在步骤57由其最高2个较高有效比特MSB值为11的二进制字选择动态范围的第四个电压范围。
关于由第一变换器提供的2比特二进制字，规定在开始变换噪声之前停止第二变换器的最小数nmin。
开始精确变换步骤之前，在步骤58完成在开关电容器阵列中的电容器充电阶段，以便采样电压Vpix。正如可以从上表中看出的，在步骤58的充电阶段期间，信号S_in和S_comp为0。这意味着Vcap处电容器公共端子接收已确定电压范围中的最高电压，而开关电路和电容器的负端接收像素电压而不是最高电压。然后，电容器阵列被充电至Vsup-Vpix。
在向电容器的公共端子充电之后，控制信号S_in变为1，这导致该公共端子浮动。开关电路再次接收已确定电压范围的最高电压。这将使电容器公共端子的电压升高Vsup，所以Vcap＝(2Vsup-Vpix)。
对于由第二变换器实施的精确变换，在步骤59将变换比特的数目n固定为8。在步骤60，在开关电路中，表示第8比特的电容器(128C)的多路转换器从电压Vsup切换至电压Vinf。在步骤61测试电压Vcap以便确定该电压是否已经降至电压Vsup之下。如果是，在步骤63执行变换测试结束之前，在步骤62中将表示第8比特的电容器的多路转换器的电压从Vinf切换至Vsup。另一方面，如果在步骤61电压Vcap高于电压Vsup，多路转换器不改变状态。如果数n少于或者等于最小数nmin，则终止精确变换。否则，数n被减少一个单位，对表示第7比特(64C)的电容器的连接执行步骤60-63。对其它电容器至电压Vinf或者至电压Vsup的连接连续地执行所有步骤60-64，直到n小于或者等于nmin。
在精确变换方法的结束时，在执行了作为已经确定的像素电压范围的函数的从6比特至8比特变换之后，第二变换器提供一个具有8个最低有效比特的二进制字。没有经过第二变换器变换的最低有效比特或者较低有效比特被任意固定。对于这种模—数变换方法，注意到由比较器实施的比较数目(也就是，粗变换和精确变换的总数)总是独立于像素照度而相同。因为使用模—数变换设备的方法，对于任何像素照度区域实施9个比较。因此，比较设备在弱照度时提供充分的精度并避免在中度或者强照度时对噪声作不必要的变换。
在已经给出描述的基础上，模—数变换设备和方法的多种变形是可以被本领域的技术人员想象的，并且不偏离如权利要求所定义的本发明的范围。例如，在提供10比特二进制字的设备的情况中，第一变换器可以提供1比特、3比特或者4比特的二进制字，而第二变换器提供9比特、7比特或者6比特的二进制字。照度区域的数量自然依第一变换器提供的比特数目而定。代替单独一个比较器，比较装置可以包括多个并联的比较器同时将每个电压阈值与像素电压作比较。
权利要求
1.一种特别用于图像传感器(11)的模-数变换设备(1)，其中该图像传感器(11)包括像素矩阵光敏单元(2)以便提取要被数字化的图像，该设备包括至少一个N比特第一变换器(21)和至少一个连接到第一变换器的M比特第二变换器(22)，第一和第二变换器被用于将电压或者电流像素信号(Vpix)的电压或者电流电平变换至N+M比特，要被变换的电压或者电流电平取决于在该传感器的特定电压或者电流动态范围(Vdyn)中由像素捕获的光能级，第一变换器包括比较装置(33)，用于比较像素的电压或者电流电平与一个或者多个对该动态范围中的连续电压或者电流范围进行定界的电压或者电流阈值(V0至V4)，从而提供一个N比特二进制字，该二进制字的数值与像素的电压或者电流电平所处的电压或者电流范围有关，该动态范围中的连续电压或者电流范围被用来定义像素的照度，其范围从弱照度像素到强照度像素，其特征在于，第二变换器包括变换适配装置(35)，其被配置用于已经在所述电压或者电流范围的最小电压或者电流与最大电压或者电流之间被确定为由第一变换器提供的N比特二进制字的值的函数的电压或者电流范围，该变换适配装置被配置为对于已经确定的对应于强照度像素的电压或者电流范围，将电压或者电流像素信号变换为少于M的多个比特，或者对于已经确定的对应于不是强照度的像素的电压或者电流范围，将电压或者电流像素信号变换为等于M的多个比特。
2.如权利要求1所述的变换设备，其特征在于，它包括一个寄存器，其中放置了来自非线性第一变换器的N个较高有效比特和来自线性第二变换器的M个较低有效比特。
3.如任一在前权利要求所述的变换设备，其特征在于，第一变换器提供一个包括2个校高有效比特的二进制字，其数值表示所述电压动态范围中四个电压范围中的一个，并且，如果像素的电压电平在对应于弱照度像素的第一电压范围内，第二变换器的变换适配装置使第二变换器能够实施8比特的变换，如果像素的电压电平在对应于中度照度像素的第二电压范围内，使第二变换器能够实施7比特的变换，或者如果像素的电压电平在对应于强照度像素的第三或者第四电压范围内，使第二变换器能够实施6比特的变换，没有被第二变换器变换的较低有效比特被任意定义，从而使得第一和第二变换器提供一个10比特的二进制字。
4.如任一在前权利要求所述的变换设备，其特征在于，它被这样配置，从而使得所述动态范围中的每个电压或者电流范围的大小依所述传感器的灵敏度而定，对应于弱照度像素的电压或者电流范围的大小小于对应于中度或者强照度像素的电压或者电流范围的大小，从而以这样一种方式增加进行变换操作的第二变换器的灵敏度，即，使该变换器具有适合于传感器灵敏度的灵敏度。
5.如权利要求4所述的变换设备，其特征在于，这样定义对应于弱照度像素的第一电压范围的大小，使得第二变换器每个变换比特的灵敏度对应于N+M+k比特传统线性变换器在整个电压或者电流的动态范围中每一比特的等效灵敏度，特别是11比特的变换器，并且这样定义对应于强照度像素的最后一个电压范围的大小，使得第二变换器每个变换比特的灵敏度对应于N+M-1比特传统线性变换器在整个电压或者电流的动态范围中每一比特的基本等效的灵敏度，特别是8比特的变换器，以便考虑噪声系数2k-1倍，特别是强照度像素相比弱照度像素要考虑大于8倍。
6.依照权利要求1的变换设备，其特征在于，第一变换器包括由控制信号发生器提供的第一控制信号(S_in)控制的多路分解器(31)，它将像素的电压或者电流信号(Vpix)连接到诸如比较器(33)之类的比较装置的第一输入，或者在充电阶段期间连接到第二变换器的开关电路(35)的第一输入，第一多路转换器(24)在其输入端接收对电压或电流范围定界的电压或者电流阈值和动态范围的上限电压或电流值，由所述控制信号发生器(37)提供的第二控制信号(S_HL)控制的第一多路转换器将电压或者电流阈值之一连接到比较器的第二输入，该比较器的输出被连接到控制信号发生器以便作为将像素的电压或者电流信号与电压或者电流阈值之一进行比较的结果的函数来修改或者维持第二控制信号的状态。
7.如权利要求6所述的变换设备，其特征在于，第二变换器包括一个开关电容器阵列(36)，一个用于控制所述阵列的电容器连接的开关电路(35)，以及由所述控制信号发生器(37)提供的第二控制信号(S_HL)控制的第二多路转换器(23)，所述第二多路转换器在其输入端接收动态范围的最低电压或者电流限制值，向开关电路的第二输入提供已经确定的电压范围的最低电压的电压或者电流阈值依第一变换器提供的二进制字而定，该二进制字由N比特，优选为2比特的状态、第二控制信号和开关电路的第一输入来定义，其中开关电路从第一多路转换器接收已经确定的电压或者电流范围的最高电压或电流。
8.如权利要求7所述的变换设备，其特征在于，第二变换器包括一个连接在多路分解器与比较器之间的第三多路转换器(32)，第三多路转换器由控制信号发生器提供的第三控制信号(S_comp)以这样一种方式来控制，使得在第二变换器的变换阶段将开关电容器阵列的端子连接到第一变换器的比较器，并且，第二变换器在在第一变换器提供的二进制字所确定的电压范围的最高和最低电压之间操作以便将电压或者电流电平变换为少于或者等于M的多个比特。
9.一种图像传感器，包括用于提取要数字化的图像的像素矩阵光敏单元(2)、至少一个依照任何前述权利要求的模-数变换设备、一个连接到该变换设备输出的照度求平均单元(5)、以及连接到变换设备输出并从求平均单元接收控制信号的刻度适配器，其特征在于，该变换设备包括多个以这样一种方式并行连接的第一和第二变换器，使得每一个都将相应像素提供的电压或者电流信号变换成N+M比特，并且该求平均单元接收每个像素的电压或者电流电平的变换结果以便将控制信号提供给所述适配器，使其作为所述求平均单元确定的照度平均值的函数，在输出端提供一个从变换器设备提供的每个N+M比特二进制字中选择的K比特二进制字。
10.如权利要求9所述的图像传感器，其特征在于，所述变换设备提供一个与每个像素的电压或者电流电平相关的10比特二进制字，并且作为由所述求平均单元确定的照度平均值的函数，所述刻度适配器从每个10比特二进制字中选择8个连续比特。
11.一种用于操作依据权利要求1至8中任一个的变换设备的模-数变换方法，尤其是在包括用于提取要数字化的图像的像素矩阵光敏单元(2)的图像传感器(11)中，其特征在于，它包括一系列步骤-在第一变换器中比较像素的电压或者电流电平与在动态范围中给连续的电压或者电流范围定界的至少一个电压或者电流阈值，-提供一个N比特二进制字，其数值与像素的电压或者电流电平所处的电压或者电流范围有关，该动态范围中连续的电压或者电流范围被用来定义像素的照度，其范围从弱照度像素到强照度像素，-由已经在所述电压或者电流范围中最小电压或者电流和最大电压或者电流之间被确定为第一变换器提供的N比特二进制字值的函数的电压或者电流范围来配置第二变换器，以及-在第二变换器中，对于已经确定的对应于中度或强照度像素的电压或者电流范围，将像素的电压或者电流电平变换为少于M的多个比特，或者对于已经确定的对应于弱照度的像素的电压或者电流范围，将像素的电压或者电流电平变换为等于M的多个比特。
12.依照权利要求11的变换方法，其特征在于，第一变换器提供一个包括2个较高有效比特的二进制字，其值表示电压动态范围内的四个电压范围中的一个，对应于弱照度像素的第一电压范围的大小小于对应于中度或者强照度像素的电压范围的大小，并且如果像素的电压电平在对应于弱照度像素的第一电压范围之内，第二变换器实施8比特的变换，如果像素的电压电平在对应于中度照度像素的第二电压范围之内，则第二变换器实施7比特的变换，以及如果像素的电压电平在对应于强照度像素的第三或者第四电压范围之内，则第二变换器实施6比特的变换，没有被第二变换器变换的较低有效比特被任意地定义，使得该变换设备提供一个10比特的二进制字。
13.依照权利要求11的变换方法，其特征在于，第一和第二变换器连续地实施模-数变换，因而使得对于两个变换器与动态范围的电压或者电流阈值的的比较步骤能够使用单独一个比较器。
全文摘要
为了使设备提供与像素的电压电平有关的N+M比特的二进制字，用于图像传感器的可变增益模一数变换设备(1)包括至少一个接收像素电压信号(Vpix)的N比特非线性粗第一变换器(21)和至少一个连接到第一变换器(21)的M比特线性精确第二变换器(22)。第一变换器(21)包括用于将像素的电压电平与在传感器的电压动态范围内给电压范围定界的一个或者多个电压阈值(V0到V4)比较的比较装置(33)。连续的电压范围表示从弱照明区域到强照明区域的像素照度区域。第一比较器提供与为像素确定的照度区域相关的N比特二进制字。第二比较器包括用于根据来自第一变换器的N比特二进制字将电压像素信号变换成少于或者等于M的多个比特的变换适配装置。
文档编号H04N5/335GK1574883SQ20041005501
公开日2005年2月2日 申请日期2004年6月2日 优先权日2003年6月3日
发明者F·埃比, L·格尼罗德 申请人:阿苏拉布股份有限公司