像素感光值的输出方法与流程

本发明涉及图像传感器领域，尤其涉及一种像素感光值的输出方法。

背景技术：

目前，图像传感器主要有CCD图像传感器（Charged Coupled Device）和CMOS图像传感器（CMOS Imaging Sensor，CIS）两类。相比CDD图像传感器，CMOS图像传感器具有低功耗、低噪声、宽动态范围、体积小、成本低等优势，因此CMOS图像传感器已逐渐成为本技术领域的研发热点。

模数转换器（Analog-to-Digital Convert，ADC）是CMOS图像传感器的重要组成部分，用于将每个像素单元产生的模拟信号转换成数字信号，是模拟电路与数字电路的接口。

现有的CMOS图像传感器主用使用3种ADC，分别是：芯片级ADC、列并行ADC和像素级ADC。芯片级ADC即整个芯片只有一个ADC，每个像素产生的模拟输出都要依次顺序经过这个ADC进行模数转换，所以，这种ADC占用面积较小，但同时转换速度较慢，仅适用于像素阵列较小、对CIS速度要求不高的应用场合。像素级ADC是指每个像素或者每几个像素共用一个ADC。这种ADC信噪比较高、功耗低、对ADC的速度要求也低，但像素的填充因子低、版图设计复杂，目前还无法实现产业化。而列并行ADC是对芯片级ADC和像素级ADC的折中，它采用每列像素共用一个ADC，每列的ADC只负责处理本列数据，各列的ADC同时工作，这种半并行处理兼采芯片级ADC和像素级ADC之所长，可大大提高转换效率，在未来CIS的发展中具有很广泛的应用前景。

高像素图像传感器的广泛应用对图像质量提出了更高的要求，固定模式噪声（Fixed Pattern Noise，FPN）是影响图像质量的主要因素。为了消除像素感光单元的读出电路引入的FPN，对于应用列并行ADC作为读出电路的图像传感器，相关双采样（Correlated Double Sampling，CDS）技术被广泛采用，具体包括模拟相关双采样和数字相关双采样。

其中，模拟相关双采样是通过两个电容分别对像素单元的复位电压和感光电压进行采样，通过模拟电路ADC实现像素感光电压和复位电压差值的数字化。然而，为了达到足够高的精度，通常需要很大的采样电容值，因此设计成本较高。

公开号为CN 103686004A的中国专利申请公开了一种采用数字相关双采样的像素感光值输出方法，通过复位和正常曝光操作，分别采集像素单元的复位电压和感光电压，采用两次斜坡信号分别与复位电压以及感光电压比较，在数字系统中实现像素感光电压和复位电压的差值运算，从而得到像素感光值。然而，该方法虽然能够消除读出电路引入的FPN，但仍不能有效消除时序引入的FPN。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种像素感光值的输出方法，消除像素单元读出电路及时序引入的固定模式噪声，进一步提高图像质量。

为了解决上述问题，本发明提供了一种像素感光值的输出方法，包括以下步骤：

A．第一次复位后，像素阵列中各列像素单元第一次曝光，第一次曝光时间为正常曝光时间，输出各列像素单元的第一感光电压；

通过斜坡产生电路产生斜坡信号，通过比较器比较斜坡信号与第一感光电压，通过计数器得到各列像素单元的第一感光计数值；

B．第二次复位后，像素阵列中各列像素单元第二次曝光，第二次曝光时间小于正常曝光时间，输出各列像素单元的第二感光电压；

通过斜坡产生电路产生斜坡信号，通过比较器比较斜坡信号与第二感光电压，通过计数器得到各列像素单元的第二感光计数值；

C．分别对各列像素单元的第一感光计数值与第二感光计数值求差，获得各列像素单元的像素感光值。

优选地，所述像素感光值的输出方法，包括以下步骤：

A1．第一次复位后，像素阵列中各列像素单元第一次曝光，第一次曝光时间为正常曝光时间，输出各列像素单元的第一感光电压；

斜坡产生电路产生第一斜坡信号，计数器开始从零计数；

比较器比较所述第一斜坡信号电压和各列像素单元的第一感光电压，当所述第一斜坡信号电压超过各列像素单元的第一感光电压时，计数器得到各列像素单元的第一感光计数值VSN；

B1．第二次复位后，像素阵列中各列像素单元第二次曝光，第二次曝光时间小于正常曝光时间，输出各列像素单元的第二感光电压；

斜坡产生电路产生第二斜坡信号，计数器重新开始从零计数；

比较器比较所述第二斜坡信号电压和各列像素单元的第二感光电压，当所述第二斜坡信号电压超过各列像素单元的第二感光电压时，计数器得到各列像素单元的第二感光计数值VSZ；

C1．分别对各列像素单元的第一感光计数值VSN与第二感光计数值VSZ求差，获得各列像素单元的像素感光值VSN-VSZ。

优选地，所述像素感光值的输出方法，包括以下步骤：

A2．第一次复位，产生各列像素单元的第一复位电压；

斜坡产生电路产生第一斜坡信号，计数器开始从零计数；

比较器比较所述第一斜坡信号电压和各列像素单元的第一复位电压，当所述第一斜坡信号电压超过各列像素单元的第一复位电压时，计数器得到各列像素单元的第一复位计数值VRN；

各列像素单元第一次曝光，第一次曝光时间为正常曝光时间，输出各列像素单元的第一感光电压；

斜坡产生电路产生第二斜坡信号，计数器重新开始从零计数；

比较器比较所述第二斜坡信号电压和各列像素单元的第一感光电压，当所述第二斜坡信号电压超过各列像素单元的第一感光电压时，计数器得到各列像素单元的第一感光计数值VSN；

B2．第二次复位，产生各列像素单元的第二复位电压；

斜坡产生电路产生第三斜坡信号，计数器重新开始从零计数；

比较器比较所述第三斜坡信号电压和各列像素单元的第二复位电压，当所述第三斜坡信号电压超过各列像素单元的第二复位电压时，计数器得到各列像素单元的第二复位计数值VRZ；

各列像素单元第二次曝光，第二次曝光时间小于正常曝光时间，输出各列像素单元的第二感光电压；

斜坡产生电路产生第四斜坡信号，计数器重新开始从零计数；

比较器比较所述第四斜坡信号电压和各列像素单元的第二感光电压，当所述第四斜坡信号电压超过各列像素单元的第二感光电压时，计数器得到各列像素单元的第二感光计数值VSZ；

C2．分别对各列像素单元的第一感光计数值VSN与第一复位计数值VRN求差，得到第一次曝光计数差值VSN-VRN；

分别对各列像素单元的第二感光计数值VSZ与第二复位计数值VRZ求差，得到第二次曝光计数差值VSZ-VRZ；

分别对各列像素单元的第一次曝光计数差值VSN-VRN与第二次曝光计数差值VSZ-VRZ求差，获得各列像素单元的像素感光值（VSN-VRN）-（VSZ-VRZ）。

优选地，所述像素感光值的输出方法，还包括：重复所述步骤B，得到各列像素单元的多个曝光时间小于正常曝光时间的感光计数值，分别对各列像素单元的第一感光计数值与多个曝光时间小于正常曝光时间的感光计数值求差，获得各列像素单元的像素感光值。

优选地，所述像素感光值的输出方法，还包括：根据不同的比较器的输入失调电压，调节第二次曝光时间。

优选地，所述第一斜坡信号、第二斜坡信号、第三斜坡信号、第四斜坡信号为向上的斜坡信号或向下的斜坡信号。

优选地，所述像素感光值的输出方法，还包括：通过存储器记录所述第一复位计数值、第二复位计数值、第一感光计数值、第二感光计数值。

本发明的像素感光值输出方法，在正常曝光之外增加了曝光时间小于正常曝光时间的短曝光，通过对各列像素单元的正常曝光和短曝光的差值化输出，有效消除了像素单元读出电路及时序引入的固定模式噪声，进一步提高了图像质量。

附图说明

图1为本发明像素感光值输出方法的流程图；

图2为根据本发明实施例一的像素感光值输出方法的时序图；

图3为根据本发明实施例二的像素感光值输出方法的时序图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

其次，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，所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种像素感光值的输出方法，包括以下步骤：

A．第一次复位后，像素阵列中各列像素单元第一次曝光，第一次曝光时间为正常曝光时间，输出各列像素单元的第一感光电压；

通过斜坡产生电路产生斜坡信号，通过比较器比较斜坡信号与第一感光电压，通过计数器得到各列像素单元的第一感光计数值；

B．第二次复位后，像素阵列中各列像素单元第二次曝光，第二次曝光时间小于正常曝光时间，输出各列像素单元的第二感光电压；

通过斜坡产生电路产生斜坡信号，通过比较器比较斜坡信号与第二感光电压，通过计数器得到各列像素单元的第二感光计数值；

C．分别对各列像素单元的第一感光计数值与第二感光计数值求差，获得各列像素单元的像素感光值。

以下结合具体实施例对本发明的像素感光值输出方法具体说明。

实施例一

图2是根据本发明实施例一的像素感光值输出方法的时序图。

如图2所示，RST信号为像素感光单元的复位控制信号，TX信号为像素感光单元的曝光传输控制信号，ramp为斜坡产生电路产生的斜坡信号。

首先，RST信号控制各列像素单元第一次复位，之后，TX信号控制各列像素单元第一次曝光，第一次曝光时间T1为正常曝光时间，各列像素单元分别输出第一感光电压。斜坡产生电路产生第一斜坡信号，计数器开始从零计数，随着第一斜坡信号的逐渐增大，所述第一斜坡信号与所述第一感光电压之间的电压差逐渐缩小，当所述第一斜坡信号超过所述第一感光电压时，触发所述比较器发生翻转，此时计数器的计数值为各列像素单元的第一感光计数值VSN。优选地，还可以通过存储器记录所述第一感光计数值VSN。

接着，RST信号控制各列像素单元第二次复位，之后，TX信号控制各列像素单元第二次曝光，第二次曝光时间T2小于正常曝光时间（也就是说，第二次曝光是曝光时间小于正常曝光时间的“短曝光”），各列像素单元分别输出第二感光电压。优选地，可以根据不同的比较器的输入失调电压，调节第二次曝光时间T2。斜坡产生电路产生第二斜坡信号，计数器重新开始从零计数，随着第二斜坡信号的逐渐增大，所述第二斜坡信号与所述第二感光电压之间的电压差逐渐缩小，当所述第二斜坡信号超过所述第二感光电压时，触发所述比较器发生翻转，此时计数器的计数值为各列像素单元的第二感光计数值VSZ。优选地，还可以通过存储器记录所述第二感光计数值VSZ。

最后，分别对各列像素单元的第一感光计数值VSN与第二感光计数值VSZ求差，获得各列像素单元的像素感光值VSN-VSZ，从而消除像素单元读出电路及时序引入的固定模式噪声，提高图像质量。

本领域技术人员可以理解，在本实施例中，第一斜坡信号和第二斜坡信号均为向上的斜坡信号（斜率为正），在未示出的其他实施例中，第一斜坡信号和第二斜坡信号也可以为向下的斜坡信号（斜率为负），图例仅为示意图。

实施例二

图3是根据本发明实施例二的像素感光值输出方法的时序图。

如图3所示，RST信号为像素感光单元的复位控制信号，TX信号为像素感光单元的曝光传输控制信号，ramp为斜坡产生电路产生的斜坡信号。

首先，RST信号控制各列像素单元第一次复位，各列像素单元分别输出第一复位电压。斜坡产生电路产生第一斜坡信号，计数器开始从零计数，随着第一斜坡信号的逐渐增大，所述第一斜坡信号与所述第一复位电压之间的电压差逐渐缩小，当所述第一斜坡信号超过所述第一复位电压时，触发所述比较器发生翻转，此时计数器的计数值为各列像素单元的第一复位计数值VRN。优选地，还可以通过存储器记录所述第一复位计数值VRN。

之后，TX信号控制各列像素单元第一次曝光，第一次曝光时间T1为正常曝光时间，各列像素单元分别输出第一感光电压。斜坡产生电路产生第二斜坡信号，计数器重新开始从零计数。随着第二斜坡信号的逐渐增大，所述第二斜坡信号与所述第一感光电压之间的电压差逐渐缩小，当所述第二斜坡信号超过所述第一感光电压时，触发所述比较器发生翻转，此时计数器的计数值为各列像素单元的第一感光计数值VSN。优选地，还可以通过存储器记录所述第一感光计数值VSN。

接着，RST信号控制各列像素单元第二次复位，各列像素单元分别输出第二复位电压。斜坡产生电路产生第三斜坡信号，计数器重新开始从零计数，随着第三斜坡信号的逐渐增大，所述第三斜坡信号与所述第二复位电压之间的电压差逐渐缩小，当所述第三斜坡信号超过所述第二复位电压时，触发所述比较器发生翻转，此时计数器的计数值为各列像素单元的第二复位计数值VRZ。优选地，还可以通过存储器记录所述第二复位计数值VRZ。

之后，TX信号控制各列像素单元第二次曝光，第二次曝光时间T2小于正常曝光时间（也就是说，第二次曝光是曝光时间小于正常曝光时间的“短曝光”），各列像素单元分别输出第二感光电压。优选地，可以通过调节比较器的输入失调电压，调节第二次曝光时间T2。斜坡产生电路产生第四斜坡信号，计数器重新开始从零计数。随着第四斜坡信号的逐渐增大，所述第四斜坡信号与所述第二感光电压之间的电压差逐渐缩小，当所述第四斜坡信号超过所述第二感光电压时，触发所述比较器发生翻转，此时计数器的计数值为各列像素单元的第二感光计数值VSZ。优选地，还可以通过存储器记录所述第二感光计数值VSZ。

最后，分别对各列像素单元的第一感光计数值VSN与第一复位计数值VRN求差，得到第一次曝光计数差值VSN-VRN；分别对各列像素单元的第二感光计数值VSZ与第二复位计数值VRZ求差，得到第二次曝光计数差值VSZ-VRZ；分别对各列像素单元的第一次曝光计数差值VSN-VRN与第二次曝光计数差值VSZ-VRZ求差，获得各列像素单元的像素感光值（VSN-VRN）-（VSZ-VRZ），从而消除像素单元读出电路及时序引入的固定模式噪声，提高图像质量。

与实施例一相比，实施例二的方法通过增加对两次曝光各自的感光计数值和复位计数值求差，将读出电路引入的固定模式噪声消除地更加干净彻底，有利于图像质量的进一步提高。

本领域技术人员可以理解，在本实施例中，第一斜坡信号、第二斜坡信号、第三斜坡信号、第四斜坡信号均为向上的斜坡信号（斜率为正），在未示出的其他实施例中，这些斜坡信号也可以为向下的斜坡信号（斜率为负），图例仅为示意图。

此外，从理论上来讲，本发明的方法还可以通过多次重复短曝光的步骤，得到各列像素单元的多个曝光时间小于正常曝光时间的感光计数值，分别对各列像素单元的第一感光计数值与多个曝光时间小于正常曝光时间的感光计数值求差，获得各列像素单元的像素感光值，从而将时序引入的固定模式噪声消除得更为干净彻底。然而实际应用中，通常需要综合考虑应用帧率、转换效率等需求，对短曝光次数进行合理选择，实施例一和实施例二仅以一次短曝光的情况作为示例，而非作为限制。

本发明的像素感光值输出方法，在正常曝光之外增加了曝光时间小于正常曝光时间的短曝光，通过对各列像素单元的正常曝光和短曝光的差值化输出，有效消除了像素单元读出电路及时序引入的固定模式噪声，进一步提高了图像质量。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，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作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。