專(zhuān)利名稱(chēng)：一種光學(xué)圖像傳感器裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)圖像傳感器，尤其涉及一種在像素單元內(nèi)部實(shí)現(xiàn)模 數(shù)轉(zhuǎn)換的光學(xué)圖像傳感器裝置及方法。
背景技術(shù)：
隨著數(shù)碼技術(shù)、半導(dǎo)體制造技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，圖像傳感器的應(yīng) 用目前正在飛躍式地由數(shù)碼攝像機(jī)向數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)與便攜終端，以及車(chē)載 終端、監(jiān)視設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、工廠自動(dòng)化設(shè)備及科學(xué)測(cè)量?jī)x器等領(lǐng)域擴(kuò)大。
如圖1所示為傳統(tǒng)圖像傳感器一3T (3晶體管)結(jié)構(gòu)的APS (Active Pixel Sensor)結(jié)構(gòu)圖。
在3T結(jié)構(gòu)的APS中，像素單元由一個(gè)復(fù)位晶體管Ml、 一個(gè)源極跟隨器 M2、 一個(gè)行選通晶體管M3和一個(gè)光電器件Il組成。其中的M1、 M2開(kāi)關(guān) 被拉至高電位VDD。
該結(jié)構(gòu)的讀取過(guò)程是按列進(jìn)行的，每次讀取一列。像素單元在RST信號(hào) 控制下，首先進(jìn)入"復(fù)位狀態(tài)"，Ml打開(kāi)，對(duì)Il復(fù)位；然后進(jìn)入"取樣狀態(tài)"， Ml關(guān)閉，光照射到II上產(chǎn)生光生載流子，并通過(guò)M2放大輸出；最后進(jìn)入 "讀出狀態(tài)"，M3在Row Select控制下打開(kāi)，信號(hào)通過(guò)列總線輸出。
在3T結(jié)構(gòu)的APS中，A/D (模/數(shù))轉(zhuǎn)換是在像素陣列外面進(jìn)行的，也 就是說(shuō)，信號(hào)通過(guò)列總線輸出后，經(jīng)過(guò)一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為 數(shù)字信號(hào)。因此，該裝置在將模擬圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像的過(guò)程中，需要經(jīng)過(guò) 多次A/D轉(zhuǎn)換，并且，各個(gè)像素單元的A/D轉(zhuǎn)換并不是同時(shí)進(jìn)行的。這就影
響了其將模擬圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像的轉(zhuǎn)換速度，同時(shí)，在轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，會(huì) 有多種噪聲干擾，影響了圖像質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種光學(xué)圖像傳感器裝置，包括計(jì)數(shù) 器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、像素陣列；
計(jì)數(shù)器，用于產(chǎn)生順序遞增的二進(jìn)制數(shù)據(jù)；
數(shù)模轉(zhuǎn)換器，用于產(chǎn)生由低到高單調(diào)增加的階梯電壓模擬信號(hào)； 像素陣列，由多個(gè)像素單元組成。
其中，數(shù)模轉(zhuǎn)換器所產(chǎn)生的階梯電壓模擬信號(hào)，是根據(jù)計(jì)數(shù)器中的數(shù)據(jù)
而生成，并與之相對(duì)應(yīng)；
其中，像素單元，包括一個(gè)光電器件、 一個(gè)受控比較器和一組存儲(chǔ)單元。 其中的光電器件，是一個(gè)光電二極管，用于接收光線，并產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)
的模擬信號(hào)。
其中的受控比較器，具有控制端口A，連接比較器控制信號(hào)(WIN);具 有第一輸入端口B，連接光電器件；具有第二輸入端口C，連接數(shù)模轉(zhuǎn)換器; 具有輸出端口D，連接所述存儲(chǔ)單元。
受控比較器在WIN控制下，將光電器件中的模擬信號(hào)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器提供 的模擬信號(hào)進(jìn)行比較，生成一個(gè)數(shù)字信號(hào)
當(dāng)WIN為高電平，且光電器件中的模擬信號(hào)大于數(shù)模轉(zhuǎn)換器提供的模擬 信號(hào)時(shí)，受控比較器輸出為低電平信號(hào)；
當(dāng)WIN為高電平，且光電器件中的模擬信號(hào)小于數(shù)模轉(zhuǎn)換器提供的模擬 信號(hào)時(shí)，受控比較器輸出為高電平信號(hào)；
當(dāng)WIN為低電平，受控比較器輸出為低電平信號(hào)。
其中的存儲(chǔ)單元，具有寫(xiě)入信號(hào)控制端口 E，連接受控比較器；具有讀 出信號(hào)控制端口 F，連接外部讀出控制信號(hào)READ;具有雙向數(shù)據(jù)傳輸端口 G， 連接計(jì)數(shù)器，讀取所述計(jì)數(shù)器中的數(shù)據(jù)，并與外部連接，向外部輸出存儲(chǔ)單 元中的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
存儲(chǔ)單元根據(jù)受控比較器的輸出信號(hào)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)-
當(dāng)受控比較器的輸出信號(hào)為高電平時(shí)，存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)當(dāng)前計(jì)數(shù)器數(shù)值； 當(dāng)受控比較器的輸出信號(hào)為低電平時(shí)，存儲(chǔ)單元保持原有的存儲(chǔ)內(nèi)容。
6一種在像素單元內(nèi)部實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法，通過(guò)復(fù)位信號(hào)對(duì)像素單元內(nèi) 的光電器件進(jìn)行復(fù)位，進(jìn)入曝光過(guò)程，光電器件接收光線，并產(chǎn)生相應(yīng)的模 擬信號(hào)。
在曝光結(jié)束后，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，同時(shí)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生相應(yīng)的階梯電 壓模擬信號(hào)；受控比較器在控制信號(hào)控制下，將所述光電器件的模擬信號(hào)與 所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器中的模擬信號(hào)進(jìn)行比較，同時(shí)，所述存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)數(shù)據(jù)
當(dāng)WIN為高電平，且所述光電器件中的模擬信號(hào)大于所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器中 的模擬信號(hào)，所述存儲(chǔ)單元保持原有的存儲(chǔ)內(nèi)容；
當(dāng)WIN為高電平，且所述光電器件中的模擬信號(hào)小于所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器中 的模擬信號(hào)，所述存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)當(dāng)前計(jì)數(shù)器數(shù)值；
當(dāng)WIN為低電平時(shí)，所述存儲(chǔ)單元保持原有的存儲(chǔ)內(nèi)容。
當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到設(shè)定值、數(shù)模轉(zhuǎn)換器中的模擬信號(hào)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)換完成，從存儲(chǔ)單元中讀出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。
本發(fā)明通過(guò)一個(gè)計(jì)數(shù)器、 一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及像素陣列中各像素單元內(nèi) 部的受控比較器和存儲(chǔ)單元進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，不再需要像素陣列外的模數(shù)轉(zhuǎn)換 器，而且所有像素單元中的模數(shù)轉(zhuǎn)換都是同時(shí)進(jìn)行的。
這就縮短了整個(gè)系統(tǒng)模擬圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像的時(shí)間，消除了傳輸器件 輸出引起的噪聲，而且減小了由于轉(zhuǎn)換時(shí)間不同引起的噪聲。
另外，本發(fā)明中，在傳感器單元內(nèi)部使用受控比較器，該結(jié)構(gòu)可以極大 的避免因?yàn)樵肼曇鸬恼`觸發(fā)。
本發(fā)明的光學(xué)圖象傳感器，在執(zhí)行信號(hào)處理功能的同時(shí)，輸出數(shù)字信號(hào)， 縮短了整個(gè)系統(tǒng)的圖像轉(zhuǎn)換時(shí)間，抑制了多種噪聲干擾，提高了圖像質(zhì)量， 因而更加實(shí)用，具有產(chǎn)業(yè)上的利用價(jià)值。
通過(guò)以下附圖，結(jié)合對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的描述，本發(fā)明的其他特點(diǎn)、 目的和效果將變得更加清楚和易于理解。


圖1為傳統(tǒng)光學(xué)圖像傳感器結(jié)構(gòu)圖2為本發(fā)明的光學(xué)圖象傳感器結(jié)構(gòu)圖3為像素單元結(jié)構(gòu)示意圖4為在像素單元內(nèi)實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法示意圖； 圖5為計(jì)數(shù)器與階梯波對(duì)應(yīng)波形示意圖； 圖6為控制信號(hào)WIN波形示意圖。
在所有的上述附圖中，相同的標(biāo)號(hào)表示具有相同、相似或相應(yīng)的特征或 功能。
具體實(shí)施例方式
下面參照附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的光學(xué)圖像傳感器裝置及方法。
本發(fā)明的光學(xué)圖象傳感器裝置由以下三部分組成II: Counter(計(jì)數(shù)器)、 12: DA (數(shù)模轉(zhuǎn)換器)、13: CeUArray (傳感器陣列)。
其中，11用來(lái)產(chǎn)生從000000順序遞增到111111的二進(jìn)制數(shù)據(jù)DATA;
其中，12根據(jù)I1的數(shù)據(jù)DATA，生成相對(duì)應(yīng)的由低到高單調(diào)增加的階梯波 電壓模擬信號(hào)RAMP;
其中，13由1121、 1122、 1123、 1124等組成:
其中的I121是I122的復(fù)位電路，用于接收復(fù)位信號(hào)RST，對(duì)I122進(jìn)行復(fù)位; 其中的I122是光電二極管，用于接收光線，并產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào) Vssn;
其中的I123是受控比較器，在比較器控制信號(hào)WIN控制下，將光電器件 1122中的模擬信號(hào)Vsen與數(shù)模轉(zhuǎn)換器I2提供的模擬信號(hào)RAMP進(jìn)行比較，生成 一個(gè)數(shù)字信號(hào)DATA一COMP;
其中的I124是存儲(chǔ)單元，根據(jù)受控比較器I123的輸出信號(hào)DATA一COMP 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)DATAJ3UT。
8通過(guò)本發(fā)明的光學(xué)圖像傳感器裝置，可以實(shí)現(xiàn)在像素單元內(nèi)部進(jìn)行模數(shù) 轉(zhuǎn)換，其方法如下
步驟0，復(fù)位電路I121通過(guò)RST信號(hào)對(duì)光電器件I122進(jìn)行復(fù)位；
步驟l，進(jìn)入曝光過(guò)程，1122接收光線，產(chǎn)生相應(yīng)的模擬信號(hào)Vsen;
步驟2，在曝光結(jié)束后，進(jìn)入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程
首先，計(jì)數(shù)器I1開(kāi)始從000000順序計(jì)數(shù)，同時(shí)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器I2產(chǎn)生相對(duì)應(yīng) 的階梯波信號(hào)RAMP。
其中的RAMP是由低到高單調(diào)增加的階梯波信號(hào)。
然后，受控比較器I123，在WIN控制下，將光電器件I122中的模擬信號(hào) Vsen與數(shù)模轉(zhuǎn)換器I2提供的模擬信號(hào)RAMP進(jìn)行比較，生成一個(gè)數(shù)字信號(hào) DATA—COMP，存儲(chǔ)單元I124根據(jù)DATA—COMP存儲(chǔ)數(shù)據(jù)
當(dāng)WIN為高電平，且Vsen〉RAMP時(shí)，DATA—COMP為低電平，存儲(chǔ)單元 1124保持原有的存儲(chǔ)內(nèi)容；
當(dāng)WIN為高電平，且VserKRAMP時(shí)，DATA—COMP為高電平，存儲(chǔ)單元 1124存儲(chǔ)當(dāng)前計(jì)數(shù)器I 1的數(shù)值；
當(dāng)WIN為低電平時(shí)，DATA—COMP為低電平，存儲(chǔ)單元I124保持原有的 存儲(chǔ)內(nèi)容。
步驟3，當(dāng)計(jì)數(shù)器Il計(jì)數(shù)到llllll，且RAMP達(dá)到最大值時(shí)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完 成，進(jìn)入步驟4;
步驟4，數(shù)據(jù)讀取過(guò)程利用READ信號(hào)從傳感器單元中的存儲(chǔ)單元I124 中讀出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)DATA—OUT 。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普 通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤(rùn) 飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種光學(xué)圖像傳感器裝置，其特征在于，包括計(jì)數(shù)器，連接至數(shù)模轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生順序遞增的二進(jìn)制數(shù)據(jù)；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生由低到高單調(diào)增加的階梯電壓模擬信號(hào)；像素陣列，包括多個(gè)像素單元，其中，所述像素單元包括一個(gè)光電器件、一個(gè)受控比較器和一組存儲(chǔ)單元。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的階梯 電壓模擬信號(hào)，是根據(jù)所述計(jì)數(shù)器中的數(shù)據(jù)而生成，并與之相對(duì)應(yīng)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述光電器件是一個(gè)光電二 極管，用于接收光線，并產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所示的裝置，其特征在于，所述受控比較器具有控制端 口，連接比較器控制信號(hào)(WIN)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述受控比較器具有第一輸 入端口，連接所述光電器件。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述受控比較器具有第二輸 入端口，連接所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述受控比較器具有輸出端 口，連接所述存儲(chǔ)單元。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述受控比較器在比較器控 制信號(hào)(WIN)控制下，將光電器件中的模擬信號(hào)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器提供的 模擬信號(hào)進(jìn)行比較，生成一個(gè)數(shù)字信號(hào)(DATA—COMP)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于當(dāng)所述比較器控制信號(hào)(WIN)為高電平，且所述光電器件中的模 擬信號(hào)大于所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器提供的模擬信號(hào)時(shí)，所述受控比較器輸出(DATA—COMP)為低電平信號(hào)；當(dāng)所述比較器控制信號(hào)(WIN)為高電平，且所述光電器件中的模擬信號(hào)小于所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器提供的模擬信號(hào)時(shí)，所述受控比較器輸出(DATA—COMP)為高電平信號(hào)；當(dāng)所述比較器控制信號(hào)(WIN)為低電平時(shí)，所述受控比較器輸出 (DATA—COMP)為低電平信號(hào)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述存儲(chǔ)單元具有寫(xiě)入信號(hào) 控制端口，連接所述受控比較器。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述存儲(chǔ)單元具有讀出信號(hào) 控制端口，連接外部讀出控制信號(hào)(READ)。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1所示的裝置，其特征在于，所述存儲(chǔ)單元具有雙向數(shù)據(jù) 傳輸端口，連接所述計(jì)數(shù)器，讀取所述計(jì)數(shù)器中的數(shù)據(jù)，并與外部連接， 向外部輸出存儲(chǔ)單元中的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
13、 根據(jù)權(quán)利要求1所示的裝置，其特征在于，所述存儲(chǔ)單元根據(jù)所述受控 比較器的輸出信號(hào)(DATA—COMP)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)當(dāng)所述受控比較器的輸出信號(hào)(DATA—COMP)為高電平時(shí)，存儲(chǔ) 單元存儲(chǔ)當(dāng)前計(jì)數(shù)器數(shù)值；當(dāng)所述受控比較器的輸出信號(hào)(DATA—COMP)為低電平時(shí)，存儲(chǔ) 單元保持原有的存儲(chǔ)內(nèi)容。
14、 一種在像素單元內(nèi)部實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法，包括步驟一，光電器件在復(fù)位信號(hào)控制下復(fù)位，步驟二，曝光過(guò)程，所述光電器件接收光線，產(chǎn)生相應(yīng)的模擬信號(hào)， 其特征在于，還包括步驟三，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程步驟l，計(jì)數(shù)器開(kāi)始順序計(jì)數(shù)，同時(shí)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生相應(yīng)的從小到大的階梯電壓模擬信號(hào)；步驟2，在受控比較器控制信號(hào)(WIN)控制下，受控比 較器將所述光電器件的模擬信號(hào)與所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器中的模擬信號(hào)進(jìn)行比較，生成一個(gè)數(shù)字信號(hào)(DATA—COMP)， 同時(shí)，所述存儲(chǔ)單元根據(jù)此數(shù)字信號(hào)(DATA_COMP)存 儲(chǔ)數(shù)據(jù)；步驟四，數(shù)據(jù)讀取過(guò)程，從所述存儲(chǔ)單元中讀出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。
15、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，在步驟2中，執(zhí)行以下處理當(dāng)所述比較器控制信號(hào)(WIN)為高電平時(shí)，如果所述光電器件中 的模擬信號(hào)大于所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器中的模擬信號(hào)，受控比較器的輸出信號(hào) (DATA一COMP)為低電平，所述存儲(chǔ)單元保持原有的存儲(chǔ)內(nèi)容；當(dāng)所述比較器控制信號(hào)(WIN)為高電平時(shí)，如果所述光電器件中 的模擬信號(hào)小于所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器中的模擬信號(hào)，受控比較器的輸出信號(hào) (DATA一COMP)為高電平，所述存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)當(dāng)前計(jì)數(shù)器數(shù)值；當(dāng)所述比較器控制信號(hào)(WIN)為低電平時(shí)，受控比較器的輸出信 號(hào)(DATA—COMP)為低電平，所述存儲(chǔ)單元保持原有的存儲(chǔ)內(nèi)容。
16、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，在步驟三中，執(zhí)行以下處理當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到設(shè)定值，數(shù)模轉(zhuǎn)換器中的模擬信號(hào)達(dá)到設(shè)定值時(shí)， 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種光學(xué)圖像傳感器裝置及方法，屬于電子技術(shù)領(lǐng)域。該裝置包括一個(gè)計(jì)數(shù)器，用來(lái)產(chǎn)生順序遞增的二進(jìn)制數(shù)據(jù)；一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，用來(lái)生成與計(jì)數(shù)器中的數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的單調(diào)增加的階梯波電壓模擬信號(hào)；一個(gè)由多個(gè)像素單元組成的像素陣列。該像素單元包括一個(gè)光電器件，用來(lái)接受光線并生成一個(gè)對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)；一個(gè)受控比較器，在控制信號(hào)控制下將光電器件中的模擬信號(hào)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器中的模擬電壓值進(jìn)行比較，生成數(shù)字信號(hào)；一組存儲(chǔ)單元，根據(jù)受控比較器的輸出結(jié)果存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。本發(fā)明的裝置可以實(shí)現(xiàn)在像素單元內(nèi)部進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，縮短了整個(gè)系統(tǒng)的圖像轉(zhuǎn)換時(shí)間，抑制了多種噪聲干擾，提高了圖像質(zhì)量，因而更加實(shí)用。
文檔編號(hào)H04N5/335GK101426095SQ20071016527
公開(kāi)日2009年5月6日 申請(qǐng)日期2007年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月2日
發(fā)明者朱恒宇, 李志謙 申請(qǐng)人:北京希格瑪和芯微電子技術(shù)有限公司