圖像傳感器的讀出系統(tǒng)和讀出方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及圖像傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種圖像傳感器的讀出系統(tǒng)和讀出方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 圖像傳感器可以將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，基于所述電信號(hào)獲得圖像信號(hào)以進(jìn)行圖 像系統(tǒng)處理或者用于遠(yuǎn)距離播放。半導(dǎo)體圖像傳感器，主要是指互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)和電荷親合元件（Charge Coupled Device，(XD)兩種類型，應(yīng)用十分廣泛。其中CMOS圖像傳感器由于功耗小、成本低、易于在 標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)線生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)成為主流。
[0003] CMOS圖像傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的基本轉(zhuǎn)換過程為：CMOS圖像傳感器中 的像素進(jìn)行曝光，在一定曝光時(shí)間內(nèi)，像素上的電壓隨不同光線強(qiáng)度產(chǎn)生線性電壓，隨后的 讀出系統(tǒng)將所述線性電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出。
[0004] 參考圖1，示出了現(xiàn)有技術(shù)中一種CMOS圖像傳感器的讀出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，主要 包括比較器10和計(jì)數(shù)器20。比較器10的正相輸入端輸入像素信號(hào)Vpixel，比較器10的 負(fù)相輸入端輸入斜坡信號(hào)Vramp，比較器10的輸出端與計(jì)數(shù)器20的輸入端D相連，計(jì)數(shù)器 的輸出端輸出像素量化值Dsig。
[0005] 結(jié)合參考圖2,示出了圖1中所示讀出系統(tǒng)的相關(guān)信號(hào)示意圖。具體的，所述讀出 系統(tǒng)讀出信號(hào)的過程如下：
[0006] 像素輸出Vpixel在第一時(shí)刻tl由復(fù)位電平vrst變?yōu)樾盘?hào)電平vsig ;
[0007] 待信號(hào)電平vsig穩(wěn)定后，從第二時(shí)刻t2開始，斜坡信號(hào)Vramp從起始電壓vo向 終止電壓vt逐漸線性降低，比較器10比較斜坡信號(hào)Vramp與所述信號(hào)電平vsig的大小。 剛開始，斜坡信號(hào)Vramp高于信號(hào)電平vsig，比較器10的輸出電壓Vcomp為高電平vh，計(jì) 數(shù)器從0開始正向計(jì)數(shù)。
[0008] -定計(jì)數(shù)周期后，在第三時(shí)刻t3,斜坡信號(hào)Vramp的電壓值降低至與信號(hào)電平 vsig相等，比較器COMP的輸出信號(hào)Vcomp由高電平vh變?yōu)榈碗娖絭l，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，此 時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果d作為這個(gè)信號(hào)電平vsig的像素量化值Dsigl。
[0009] 計(jì)數(shù)結(jié)果d中包含了信號(hào)signal和噪聲noise，信噪比SNR = signal/noise。圖 像傳感中的噪聲包括像素的隨機(jī)電報(bào)噪聲（Random Telegraph Noise, RTN)，讀出系統(tǒng)的讀 出噪聲等。在暗場(chǎng)下，這些噪聲會(huì)惡化圖像的信噪比SNR，從而降低圖像質(zhì)量，限制了 CMOS 圖像傳感器的使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明解決的問題是提供一種圖像傳感器的讀出系統(tǒng)和讀出方法，提高信噪比。
[0011] 為解決上述問題，本發(fā)明提供一種圖像傳感器的信號(hào)讀出系統(tǒng)，所述讀出系統(tǒng)用 于讀取像素陣列中像素單元所獲得的圖像信號(hào)，包括：
[0012] 斜坡電路，用于產(chǎn)生斜坡信號(hào)；
[0013] 控制模塊，用于獲取所述像素陣列的亮度，并根據(jù)所述亮度獲得斜坡信號(hào)的電壓 或斜坡信號(hào)產(chǎn)生次數(shù)，并控制所述斜坡電路產(chǎn)生相應(yīng)電壓或相應(yīng)次數(shù)的斜坡信號(hào)；
[0014] 比較器，用于比較所述圖像信號(hào)和斜坡信號(hào)的相對(duì)大??；
[0015] 計(jì)數(shù)器，用于根據(jù)所述比較器的比較結(jié)果進(jìn)行計(jì)數(shù)，獲得像素量化值。
[0016] 可選的，所述控制模塊包括：獲取單元，用于獲取所述像素陣列的亮度；設(shè)定單 元，用于根據(jù)所述獲取單元獲得的亮度，獲得斜坡信號(hào)的電壓或斜坡信號(hào)的產(chǎn)生次數(shù)；控制 單元，用于控制像素陣列中像素單元輸出所獲得的圖像信號(hào)；用于根據(jù)所述設(shè)定單元獲得 的斜坡信號(hào)的電壓或斜坡信號(hào)產(chǎn)生次數(shù)，控制所述斜坡電路產(chǎn)生相應(yīng)電壓或相應(yīng)次數(shù)的斜 坡信號(hào)。
[0017] 可選的，所述獲取單元根據(jù)多幀歷史圖像的平均亮度獲取所述像素陣列的亮度。
[0018] 可選的，所述獲取單元根據(jù)前一幀圖像的平均亮度獲取所述像素陣列的亮度。
[0019] 可選的，所述獲取單元根據(jù)歷史圖像的像素量化值，獲取所述像素陣列的亮度。
[0020] 可選的，所述斜坡信號(hào)的電壓包括：斜坡信號(hào)開始時(shí)的初始電壓、斜坡信號(hào)停止時(shí) 的終止電壓；所述設(shè)定單元用于根據(jù)所述亮度獲得斜坡信號(hào)的初始電壓和終止電壓。
[0021] 可選的，所述讀出系統(tǒng)還包括行信號(hào)產(chǎn)生電路，所述行信號(hào)產(chǎn)生電路包括：驅(qū)動(dòng)產(chǎn) 生電路，用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)所述像素陣列中像素單元的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；觸發(fā)產(chǎn)生電路，用于根據(jù)控制 模塊獲得的斜坡信號(hào)產(chǎn)生次數(shù)，產(chǎn)生觸發(fā)所述斜坡電路產(chǎn)生斜坡信號(hào)的觸發(fā)信號(hào)。
[0022] 可選的，所述驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生電路在第一時(shí)刻產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所述觸發(fā)產(chǎn)生電路在第二 時(shí)刻產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，所述第二時(shí)刻晚于所述第一時(shí)刻。
[0023] 可選的，所述驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生電路與所述計(jì)數(shù)器相連，用于向所述計(jì)數(shù)器發(fā)送所述驅(qū)動(dòng) 信號(hào)，所述計(jì)數(shù)器在接收到所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)對(duì)計(jì)數(shù)結(jié)果清零。
[0024] 可選的，所述觸發(fā)產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)以控制所述計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。
[0025] 可選的，所述斜坡信號(hào)包括電壓線性減小的線性信號(hào)；所述觸發(fā)產(chǎn)生電路，用于產(chǎn) 生控制所述線性信號(hào)開始產(chǎn)生的線性觸發(fā)信號(hào)，所述線性觸發(fā)信號(hào)還用于控制所述計(jì)數(shù)器 開始計(jì)數(shù)；所述計(jì)數(shù)器在所述線性觸發(fā)信號(hào)的控制下基于比較器的比較結(jié)果開始計(jì)數(shù)；在 所述比較器的比較結(jié)果反轉(zhuǎn)時(shí)停止計(jì)數(shù)，并以累積計(jì)數(shù)值獲得像素量化值。
[0026] 可選的，所述線性信號(hào)大于所述圖像信號(hào)時(shí)，所述比較器輸出高電壓的比較結(jié)果， 所述計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)；所述線性信號(hào)小于所述圖像信號(hào)時(shí)，所述比較器輸出低電壓的比較 結(jié)果，所述計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。
[0027] 可選的，所述線性信號(hào)開始時(shí)的電壓為初始電壓，所述斜坡電路還用于產(chǎn)生位于 線性信號(hào)之前的平臺(tái)信號(hào)，所述平臺(tái)信號(hào)的電壓恒定不變，且與所述初始電壓相等；所述觸 發(fā)產(chǎn)生電路，還用于產(chǎn)生控制所述平臺(tái)信號(hào)開始產(chǎn)生的平臺(tái)觸發(fā)信號(hào)。
[0028] 可選的，所述線性信號(hào)停止時(shí)的電壓為終止電壓；所述斜坡電路還用于產(chǎn)生位于 所述平臺(tái)信號(hào)之前的恒定電壓信號(hào)，所述恒定電壓信號(hào)的電壓位于初始電壓和終止電壓之 間。
[0029] 相應(yīng)的，本發(fā)明還提供一種圖像傳感器的信號(hào)讀出方法，所述讀出方法用于讀取 像素陣列中像素單元所獲得的圖像信號(hào)，包括：
[0030] 獲取所述像素陣列的亮度；
[0031] 根據(jù)所述亮度獲得斜坡信號(hào)的電壓或斜坡信號(hào)產(chǎn)生次數(shù)；
[0032] 獲取像素陣列中像素單元輸出的圖像信號(hào)；
[0033] 基于所述斜坡信號(hào)的電壓或斜坡信號(hào)產(chǎn)生次數(shù)，產(chǎn)生相應(yīng)的斜坡信號(hào)；
[0034] 比較所述圖像信號(hào)和所述斜坡信號(hào)的相對(duì)大??；
[0035] 根據(jù)所述比較結(jié)果進(jìn)行計(jì)數(shù)，以獲得所述圖像信號(hào)的像素量化值。
[0036] 可選的，獲取所述圖像陣列的亮度的步驟包括：根據(jù)多幀歷史圖像的平均亮度獲 取所述圖像陣列的亮度。
[0037] 可選的，獲取所述圖像陣列的亮度的步驟包括：根據(jù)前一幀圖像的平均亮度獲取 所述圖像陣列的亮度。
[0038] 可選的，獲取所述圖像陣列的亮度的步驟包括：根據(jù)歷史圖像的像素量化值獲取 所述圖像陣列的亮度。
[0039] 可選的，所述斜坡信號(hào)的電壓包括：斜坡信號(hào)開始時(shí)的初始電壓、斜坡信號(hào)停止時(shí) 的終止電壓；根據(jù)所述亮度獲得斜坡信號(hào)的電壓的步驟包括：根據(jù)所述亮度獲得所述斜坡 信號(hào)的初始電壓和終止電壓。
[0040] 可選的，獲得斜坡信號(hào)產(chǎn)生次數(shù)的步驟之后，獲取圖像信號(hào)的步驟之前，所述讀出 方法還包括：產(chǎn)生行信號(hào)，所述行信號(hào)包括驅(qū)動(dòng)所述像素陣列中各行像素單元的驅(qū)動(dòng)信號(hào) 和觸發(fā)所述斜坡信號(hào)產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)；獲取像素陣列中像素單元輸出的圖像信號(hào)的步驟包 括：在所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制下，依次驅(qū)動(dòng)所述像素陣列中各行像素單元，像素單元被驅(qū)動(dòng)后 輸出圖像信號(hào)；產(chǎn)生相應(yīng)的斜坡信號(hào)的步驟包括：在所述觸發(fā)信號(hào)的控制下，產(chǎn)生相應(yīng)的 斜坡信號(hào)；所述觸發(fā)信號(hào)還用于控制開始計(jì)數(shù)；根據(jù)所述比較結(jié)果進(jìn)行計(jì)數(shù)的步驟包括： 在所述觸發(fā)信號(hào)的控制下，根據(jù)所述比較結(jié)果開始計(jì)數(shù)。
[0041] 可選的，產(chǎn)生行信號(hào)的步驟包括：在第一時(shí)刻產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在第二時(shí)刻產(chǎn)生觸發(fā) 信號(hào)；所述第二時(shí)刻晚于所述第一時(shí)刻。
[0042] 可選的，獲取像素陣列中像素單元輸出的圖像信號(hào)的步驟還包括：在所述驅(qū)動(dòng)信 號(hào)控制下，對(duì)計(jì)數(shù)結(jié)果清零，以獲得被驅(qū)動(dòng)的像素單元所產(chǎn)生的圖像信號(hào)的像素量化值。
[0043] 可選的，所述斜坡信號(hào)包括電壓線性減小的線性信號(hào)，產(chǎn)生斜坡信號(hào)的步驟包括： 產(chǎn)生線性信號(hào)；比較所述圖像信號(hào)和所述斜坡信號(hào)的相對(duì)大小的步驟包括：比較所述圖像 信號(hào)和所述線性信號(hào)的相對(duì)大?。桓鶕?jù)所示比較結(jié)果開始計(jì)數(shù)的步驟包括：在所述線性信 號(hào)開始時(shí)，基于所述比較結(jié)果開始計(jì)數(shù)；獲得像素量化值的步驟包括：當(dāng)所述圖像信號(hào)和 所述線性信號(hào)的相對(duì)大小發(fā)生反轉(zhuǎn)時(shí)停止計(jì)數(shù)，并以累積計(jì)數(shù)值獲得像素量化值。
[0044] 可選的，比較所述圖像信號(hào)和所述斜坡信號(hào)的相對(duì)大小的步驟包括：所述線性信 號(hào)大于所述圖像信號(hào)時(shí)，獲得高電壓的比較結(jié)果，根據(jù)所述比較結(jié)果進(jìn)行計(jì)數(shù)；所述線性信 號(hào)小于所述圖像信號(hào)時(shí)，獲得低電壓的比較結(jié)果，根據(jù)所述比較結(jié)果停止計(jì)數(shù)。
[0045] 可選的，所述線性信號(hào)開始時(shí)的電壓為初始電壓，所述初始電壓大于所述圖像信 號(hào)；獲取圖像信號(hào)的步驟之后，產(chǎn)生斜坡信號(hào)的步驟之前，所述讀出方法還包括：在線性信 號(hào)開始之前產(chǎn)生電壓恒定不變的平臺(tái)信號(hào)，所述平臺(tái)信號(hào)的電壓與所述線性信號(hào)的初始電 壓相等。
[0046] 可選的，所述線性信號(hào)停止時(shí)的電壓為終止電壓；獲取圖像信號(hào)的步驟之后，產(chǎn)生 斜坡信號(hào)的步驟之前，所述讀出方法還包括：在產(chǎn)生平臺(tái)信號(hào)之前產(chǎn)生恒定電壓信號(hào)，所述 恒定電壓信號(hào)的電壓位于所述線性信號(hào)的初始電壓和終止電壓之間。
[0047] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0048] 本發(fā)明通過控制模塊獲取所述像素陣列的亮度，并根據(jù)所述亮度獲得斜坡信號(hào)的 電壓和產(chǎn)生次數(shù)，并控制斜坡電路產(chǎn)生相應(yīng)的斜坡信號(hào)，以增大所述圖像信號(hào)相對(duì)應(yīng)的像 素量化值。所述圖像信號(hào)包括有規(guī)律的信號(hào)以及無規(guī)律的噪聲，當(dāng)圖像信號(hào)被放大時(shí)，能夠 提高有規(guī)律的信號(hào)強(qiáng)度，由于噪聲的隨機(jī)性使噪聲無法隨著圖像信號(hào)的放大而放大，因此 增大所述圖像信號(hào)相對(duì)應(yīng)的像素量化值能夠提高系統(tǒng)的信噪比。本發(fā)明在不提高系統(tǒng)成本 與系統(tǒng)功耗，不降低幀率，不降低分辨率的情況下，提高了信號(hào)強(qiáng)度，改善了圖像信號(hào)的信 噪比，提高了圖像質(zhì)量，擴(kuò)展了圖像傳感器的使用。
[0049] 可選的，在本發(fā)明的可選方案中，采用前一幀圖像的平均亮度獲得所述圖像陣列 的亮度，并根據(jù)所述亮度，獲得斜坡信號(hào)的電壓或斜坡信號(hào)的產(chǎn)生次數(shù)。所述控制模塊通過 多次迭代的方式調(diào)整所述斜坡信號(hào)的電壓和產(chǎn)生次數(shù)，在不增加資源耗費(fèi)的情況下，提高 了讀出系統(tǒng)的讀出速度，提高了圖像傳感器的性能。
[0050] 可選的，在本案的可選方案中，還可以采用行信號(hào)控制所述斜坡電路和所述計(jì)數(shù) 器，使所述斜坡信號(hào)的產(chǎn)生和所述計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)同步開始，提高了讀出系統(tǒng)對(duì)圖像 信號(hào)的量化精度，提高了圖像傳感器獲取圖像的質(zhì)量。
【附圖說明】
[0051] 圖1是現(xiàn)有技術(shù)中一種CMOS圖像傳感器的讀出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0052] 圖2是圖1中所示讀出系統(tǒng)的相關(guān)信號(hào)示意圖；
[0053] 圖3是本發(fā)明圖像傳感器讀出系統(tǒng)一實(shí)施例的功能框圖；
[0054] 圖4是圖3中控制模塊的功能框圖；
[0055] 圖5是圖3中行信號(hào)產(chǎn)生電路的功能框圖；
[0056] 圖6是圖3所示讀出系統(tǒng)讀取圖像信號(hào)Vpixel時(shí)相關(guān)信號(hào)的時(shí)序圖；
[0057] 圖7是本發(fā)明所提供圖像傳感器的讀出方法一實(shí)施例的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0058] 由【背景技術(shù)】可以知道，現(xiàn)有圖像傳感器存在暗場(chǎng)下信噪比低的問題，現(xiàn)結(jié)合現(xiàn)有 技術(shù)讀出方法分析原因：
[0059] 在暗場(chǎng)下，圖像傳感器接收到的光線較暗