具有增益补偿的HDR图像传感器、读出电路及方法技术

本发明专利技术提出一种具有增益补偿的HDR图像传感器，包括像素阵列，控制电路及读出电路。控制电路根据控制以顺序读取所述像素阵列输出的低转换增益的复位信号、高转换增益的复位信号、高转换增益的图像信号及低转换增益的图像信号；读出电路包括选择开关，低转换增益模数转换电路和高转换增益模数转换电路。选择开关控制选择所述读出电路半行读取像素阵列的像素输出及低转换增益模数转换电路和高转换增益模数转换电路的切换；低转换增益模数转换电路用于量化在低转换增益下输出的复位信号和图像信号；高转换增益模数转换电路用于量化在高转换增益下输出的复位信号和图像信号。本发明专利技术还提供一种具有增益补偿的HDR图像传感器读出电路及实现方法。

【技术实现步骤摘要】
具有增益补偿的HDR图像传感器、读出电路及方法
本专利技术涉及CMOS图像传感器
，尤其涉及一种具有增益补偿和高动态范围的图像传感器、读出电路及实现方法。
技术介绍
动态范围是图像传感器成像质量的关键因素，动态范围大可输出更宽光强范围内的场景图像信息，呈现更丰富的图像细节。通常情况下图像传感器输出的动态范围大约为60～70db，在一般自然环境应用中为了同时捕获高光及阴影部分的图像信息所需要的动态范围约为100db。在图像传感器设计中，提高动态范围的方式有几种实现方式，例如进一步提高像素电路的满阱电荷容量，可获得更大的动态范围；或者采用读取多帧图像进行多帧合成的方式来实现图像传感器高动态范围(HDR)。DCG(DualConversionGain)双转换增益应用于图像传感器像素电路，在低照度条件下以较小的积分电容提高转换增益，以提高灵敏度；在高照度条件下以较大的积分电容提升存储电荷，降低转换增益以提高动态范围。采用多帧合成的高动态范围实现方式中多帧读取过程存在时间差，最后合成的图像中会出现拖尾的现象，电路的读取噪声大。如何进一步提高图像传感器的动态范围，并同时降低像素电路的噪声是当前设计中面临的主要问题。基于上述问题，本专利技术旨在提供一种解决方案以有效实现图像传感器高动态范围。
技术实现思路
本专利技术目的提供一种具有增益补偿的HDR图像传感器，所述图像传感器包括:像素阵列；控制电路，连接到所述像素阵列，所述控制电路控制以顺序读取所述像素阵列输出的低转换增益的复位信号、高转换增益的复位信号、高转换增益的图像信号以及低转换增益的图像信号；读出电路，包括选择开关，低转换增益模数转换电路和高转换增益模数转换电路；所述低转换增益模数转换电路用于量化所述像素阵列在低转换增益下输出的复位信号和图像信号；所述高转换增益模数转换电路用于量化所述像素阵列在高转换增益下输出的复位信号和图像信号；进一步地，所述选择开关用于控制选择所述读出电路半行读取所述像素阵列的像素输出，以及对低转换增益模数转换电路或高转换增益模数转换电路进行切换；进一步地，所述低转换增益模数转换电路和高转换增益模数转换电路分别包括比较器，计数器及存储器；进一步地，所述像素阵列在低转换增益下的像素输出的复位信号或图像信号和低转换增益斜坡电压分别通过电容耦合到所述低转换增益模数转换电路比较器的两个输入端；所述像素阵列在高转换增益下的像素输出的复位信号或图像信号和高转换增益斜坡电压分别通过电容耦合到所述高转换增益模数转换电路比较器的两个输入端；所述低转换增益斜坡电压和高转换增益斜坡电压的斜率相同或不同；所述低转换增益斜坡电压和高转换增益斜坡电压的斜率不同时，可进一步提升电路增益；进一步地，所述低转换增益斜坡电压通过可变电容耦合到所述低转换增益模数转换电路比较器的输入端；所述高转换增益斜坡电压通过可变电容耦合到所述高转换增益模数转换电路比较器的输入端；调节所述可变电容可进一步提升电路增益；进一步地，所述像素阵列包括多个按行和列排列的像素单元，每个所述像素单元包括DCG晶体管及电容，所述DCG晶体管及电容根据控制实现所述像素单元的高增益和低增益转换；进一步地，所述电容为器件电容或寄生电容，所述电容为器件电容时其一极可连接到电源，所述电容为寄生电容时其一极接地；进一步地，所述每个像素单元包含一路或多路采用共享结构的感光像素，所述每路感光像素包括光电二极管和连接到所述光电二极管的传输晶体管，用于将入射光经光电效应产生的电子转移到浮动扩散点；所述多路采用共享结构的感光像素可以为两路感光像素共享或者四路感光像素共享；进一步地，所述每个所述像素单元包含一路或两路采用共享结构的感光像素时，所述读出电路分别半行读取所述像素阵列两个像素单元的像素输出；所述每个所述像素单元包含四路采用共享结构的感光像素时，所述四路采用共享结构的感光像素以2×2结构设置，所述像素单元的像素输出分别至偶数列线和奇数列线，所述读出电路半行读取所述像素输出；进一步地，所述每个像素单元包括复位晶体管和源极跟随晶体管，所述复位晶体管的漏极和所述源极跟随晶体管的漏极连接到同一固定电压源，所述每个像素单元还包括一行选择晶体管；或所述复位晶体管的漏极连接到可变电压源，所述源极跟随晶体管的漏极连接到固定电压源，所述源极跟随晶体管的源极连接到输出列线。本专利技术还提供一种具有增益补偿的HDR图像传感器的读出电路，所述读出电路包括：选择开关，低转换增益模数转换电路和高转换增益模数转换电路；所述选择开关用于控制选择所述读出电路半行读取所述像素阵列的像素输出，以及对像素阵列的像素输出到所述低转换增益模数转换电路或所述高转换增益模数转换电路进行切换；所述读出电路分别按顺序对低转换增益的复位信号、高转换增益的复位信号、高转换增益的图像信号以及低转换增益的图像信号进行量化；所述像素输出的低转换增益复位信号和低转换增益像素信号分别读取到所述低转换增益模数转换电路进行量化处理；所述像素输出的高转换增益复位信号和高转换增益像素信号分别读取到所述高转换增益模数转换电路进行量化处理；进一步地，所述低转换增益模数转换电路和高转换增益模数转换电路分别包括比较器，计数器及存储器；进一步地，所述像素输出的低转换增益复位信号或图像信号和低转换增益斜坡电压，分别通过电容耦合到所述低转换增益模数转换电路比较器的两个输入端；所述像素输出的高转换增益复位信号或图像信号和高转换增益斜坡电压分别通过电容耦合到高转换增益模数转换电路比较器的两个输入端；所述低转换增益斜坡电压开始下降，所述低转换增益模数转换电路比较器的两个输入端电压交叠时(重叠一致)，所述比较器输出0，计数器停止计数；同理于所述高转换增益模数转换电路；依次实现对所述低转换增益复位信号、高转换增益复位信号、高转换增益像素信号以及低转换增益像素信号的量化处理；进一步地，所述低转换增益斜坡电压通过可变电容耦合到所述低转换增益模数转换电路比较器的输入端；所述高转换增益斜坡电压通过可变电容耦合到所述高转换增益模数转换电路比较器的输入端；通过调节可变电容，可进一步提高电路增益；进一步地，所述低转换增益斜坡电压和高转换增益斜坡电压的斜率可以相同，或者不同，所述低转换增益斜坡电压和高转换增益斜坡电压的斜率不同时，可进一步提高电路增益；本专利技术还提供一种具有增益补偿的HDR的图像传感器的实现方法，所述方法包括：像素阵列提供像素输出；根据选择开关的控制选择，所述像素输出半行读取到低转换增益模数转换电路或高转换增益模数转换电路进行量化处理；依顺序量化低转换增益复位信号，高转换增益复位信号，高转换增益图像信号以及低转换增益图像信号，得到低转换增益下的数字图像信号和高转换增益下的数字图像信号；进一步地，所述像素输出的低转换增益复位信号和低转换增益图像信号读取到所述低转换增益模数转换电路进行量化处理；所述像素输出的高转换增益复位信号和高转换增益图像信号读取到所述高转换增益模数转换电路进行量化处理；进一步地，所述低转换增益模数转换电路和高转换增益模数转换电路分别包括比较器，计数器及存储器，所述像素输出的低转换增益复位信号或图像信号和低转换增益斜坡电压分别通过电容耦合到所述低转换增益模数转换电路比较器的两个输入端，所述像素输出的高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有增益补偿的HDR图像传感器，所述图像传感器包括：像素阵列；控制电路，连接到所述像素阵列，所述控制电路控制以顺序读取所述像素阵列输出的低转换增益的复位信号、高转换增益的复位信号、高转换增益的图像信号以及低转换增益的图像信号；读出电路，包括选择开关，低转换增益模数转换电路和高转换增益模数转换电路；所述低转换增益模数转换电路用于量化所述像素阵列在低转换增益下输出的复位信号和图像信号；所述高转换增益模数转换电路用于量化所述像素阵列在高转换增益下输出的复位信号和图像信号；其中，所述选择开关用以控制选择所述读出电路半行读取所述像素阵列的像素输出，以及对所述低转换增益模数转换电路或所述高转换增益模数转换电路进行切换。

【技术特征摘要】
1.一种具有增益补偿的HDR图像传感器，所述图像传感器包括：像素阵列；控制电路，连接到所述像素阵列，所述控制电路控制以顺序读取所述像素阵列输出的低转换增益的复位信号、高转换增益的复位信号、高转换增益的图像信号以及低转换增益的图像信号；读出电路，包括选择开关，低转换增益模数转换电路和高转换增益模数转换电路；所述低转换增益模数转换电路用于量化所述像素阵列在低转换增益下输出的复位信号和图像信号；所述高转换增益模数转换电路用于量化所述像素阵列在高转换增益下输出的复位信号和图像信号；其中，所述选择开关用以控制选择所述读出电路半行读取所述像素阵列的像素输出，以及对所述低转换增益模数转换电路或所述高转换增益模数转换电路进行切换。2.根据权利要求1所述的具有增益补偿的HDR图像传感器，其特征在于，所述低转换增益模数转换电路和高转换增益模数转换电路分别包括比较器，计数器及存储器，所述像素阵列输出的低转换增益复位信号或图像信号和低转换增益斜坡电压分别通过电容耦合到所述低转换增益模数转换电路比较器的两个输入端；所述像素阵列输出的高转换增益复位信号或图像信号和高转换增益斜坡电压分别通过电容耦合到所述高转换增益模数转换电路比较器的两个输入端；所述低转换增益斜坡电压和高转换增益斜坡电压的斜率相同或不同。3.根据权利要求2所述的具有增益补偿的HDR图像传感器，其特征在于，所述低转换增益斜坡电压通过可变电容耦合到所述低转换增益模数转换电路比较器的输入端；所述高转换增益斜坡电压通过可变电容耦合到所述高转换增益模数转换电路比较器的输入端。4.根据权利要求1所述的具有增益补偿的HDR图像传感器，其特征在于，所述像素阵列包括多个按行和列排列的像素单元，每个所述像素单元包含一路或多路采用共享结构的感光像素，每路所述感光像素包括光电二极管和连接到所述光电二极管的传输晶体管。5.根据权利要求4所述的具有增益补偿的HDR图像传感器，其特征在于，所述多路采用共享结构的感光像素为两路或四路。6.根据权利要求4所述的具有增益补偿的HDR图像传感器，其特征在于，每个所述像素单元包含一路或两路采用共享结构的感光像素，所述读出电路分别半行读取所述像素阵列两个像素单元的像素输出。7.根据权利要求5所述的具有增益补偿的HDR图像传感器，其特征在于，每个所述像素单元包含四路采用共享结构的感光像素，所述四路采用共享结构的感光像素以2×2结构设置，所述读出电路半行读取所述像素单元的像素输出。8.根据权利要求4所述的具有增益补偿的HDR图像传感器，其特征在于，所所述像素单元包括DCG晶体管及电容，用于根据控制实现所述像素单元的高增益和低增益转换，所述电容为器件电容或寄生电容。9.根据权利要求4或8所述的具有增益补偿的HDR图像传感器，其特征在于，所述像素单元包括复位晶体管和源极跟随晶体管，所述复位晶体管的漏极和所述源极跟随晶体管的漏极连接到同一固定电压源，所述像素单元包括一行选择晶体管；或，所述复位晶体管的漏极连接到可变电压源，所述源极跟随晶体管的漏极连接到固定电压源，所述源极跟随晶体管的源极连接到列线。10.一种具有增益补偿的HDR图像传感器读出电路，所述读出电路包括：选择开关，低转换增益模数...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯金剑，莫要武，徐辰，任冠京，
申请(专利权)人：上海晔芯电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31