圖像傳感器與圖像讀出方法技術

互補金屬氧化物半導體器件由光敏性的像素陣列構成。像素數組的列耦合至讀出列。所述讀出列耦合至讀出電路，以從所述像素陣列讀出圖像數據。所述讀出電路包括至少一個耦合至逐次逼近寄存器模擬數字轉換器的采樣開關。所述逐次逼近寄存器模擬數字轉換器包括差分比較器，本地逐次逼近寄存器控制以及至少一個數字模擬轉換器。其中一個采樣開關耦合在讀出列與所述差分比較器的非反相輸入之間。一種藉由讀取電路讀取具有三個轉換的兩個像素的圖像讀出方法。所述讀取電路由逐次逼近寄存器控制電路操作，根據比較器輸出設定其兩個數字模擬轉換器，復位數字值被獲得并儲存。

Image sensor and image readout method

【技術實現步驟摘要】
圖像傳感器與圖像讀出方法
本申請一般來說涉及互補金屬氧化物半導體(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor，CMOS)圖像傳感器，且具體來說但并非唯一地，涉及減少CMOS圖像傳感器中用于數字相關雙采樣(DigitalCorrelatedDoubleSampling，DCDS)的模擬數字轉換的數量的方法。因此，實現了每像素的能量消耗的減少。
技術介紹
圖像傳感器已變得無處不在。它們被廣泛地應用在數字靜態照相機、行動電話、安全照相機以及醫療、汽車及其它應用中。圖像傳感器通常使用互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器來捕獲成像場景的圖像數據。CMOS器件包括對來自場景的入射光在特定時間量內具有光敏性的像素陣列。此曝光時間允許個別像素的電荷累積，直到像素具有特定的信號電壓值，也稱為像素灰度值。這些個別信號電壓值然后可被關聯到代表成像場景的數字圖像數據。圖像品質是非常重要的。為了獲得更高的品質，增加陣列內的像素數量提供了一個解決方案。為了盡可能地消除圖像數據中的噪聲，提供另一種解決方案。CMOS圖像傳感器中減少噪聲的常用方法是相關雙采樣(correlateddoublesampling，CDS)。CDS通過計算給定像素的信號電壓值(圖像灰度值)與復位信號(圖像黑背景噪聲)之間的差來降低信號中的噪聲。實施CDS從圖像數據降低固定圖案噪聲及其它時間噪聲(temporalnoise)。相關雙采樣可在模擬或數字域中完成。一種用于具有多個像素的圖像傳感器的數字相關雙采樣的系統包括：模擬數字轉換器(analog-to-digitalconvertor，ADC)級(ADCstage)，用于將模擬數據轉換為數字圖像數據并輸出復位數據；存儲器，用于存儲數字圖像數據及復位數據兩者；以及數字相關雙采樣(DCDS)級(DCDSstage)，用于基于數字圖像數據與數字復位數據之間的減法產生數字相關雙采樣圖像數據。一種用于具有多個像素的圖像傳感器的數字相關雙采樣的方法包括：使用模擬數字轉換器(ADC)級將模擬圖像數據轉換為數字圖像數據；將數字圖像數據及數字復位數據從ADC級直接存儲到存儲器中；并且基于數字圖像數據及數字復位數據產生數字相關雙采樣數字圖像數據。
技術實現思路
本申請的一些實施例提供一種互補金屬氧化物半導體圖像傳感器，其特征在于，包括：像素陣列，包括多個4T像素，其中每一4T像素包括因應于入射光產生圖像電荷的光電二極管、轉移晶體管、復位晶體管、源極跟隨器晶體管以及行選擇晶體管，且其中所述源極跟隨器晶體管耦合在所述光電二極管與所述行選擇晶體管之間以將所述光電二極管產生的圖像電荷轉換為圖像輸出電壓；多個讀出列；多個偏置電流源，耦合到所述讀出列，其中每個偏置電流源通過所述讀出列向所述源極跟隨器晶體管提供偏置電流；以及多個讀出電路，耦合到所述讀出列以從所述像素陣列讀出圖像數據，其中每個讀出電路包括第一采樣開關及逐次逼近寄存器模擬數字轉換器，其中所述逐次逼近寄存器模擬數字轉換器包括差分比較器、本地逐次逼近寄存器控制以及第一數字模擬轉換器，其中所述第一采樣開關耦合在第一讀出列與所述差分比較器的非反相輸入之間，且其中所述第一數字模擬轉換器耦合在所述本地逐次逼近寄存器控制與所述差分比較器的所述非反相輸入之間。此外，本申請的其他實施例提供一種用于讀取具有三個轉換的兩個像素的圖像讀出方法，其特征在于，包括：將模擬數字轉換器的比較器復位；導通第一采樣開關以從第一讀出列將第一復位電壓采樣到所述比較器的非反相輸入，并導通第二采樣開關以從第二讀出列將第二復位電壓采樣到所述比較器的反相輸入；將第一數字模擬轉換器設定為第一初始值并將第二數字模擬轉換器設定為第二初始值；在所述比較器觸發第一時間時，在保持所述第二數字模擬轉換器的數字值不變的同時使所述第一數字模擬轉換器的數字值步進以達到所述第一數字模擬轉換器的第一數字值，其中所述第一數字值是所述第一初始值與復位數字值的總和；將像素電荷從所讀取的像素行的光電二極管轉移到讀出列；導通所述第二采樣開關以從所述第二讀出列將第二信號電壓采樣到所述比較器的所述反相輸入，其中所述比較器的所述反相輸入的電壓從與所述第二數字模擬轉換器的所述第二初始值對應的第二復位電壓減小所述第二信號電壓；在所述比較器觸發第二時間時，在保持所述第一數字模擬轉換器的所述第一數字值不變的同時使所述第二數字模擬轉換器的所述數字值步進以達到所述第二數字模擬轉換器的第二數字值；導通所述第一采樣開關以從所述第一讀出列將第一信號電壓采樣到所述比較器的所述非反相輸入，其中所述比較器的所述非反相輸入的所述電壓從與所述第一數字模擬轉換器的所述第一初始值對應的第一復位電壓減小所述第一信號電壓；將第一數字模擬轉換器設定為從所述第一初始值減去所述復位數字值以補償比較器偏移；以及在所述比較器觸發第三時間時，在保持對應于所述第二數字模擬轉換器的所述第二數字值不變的同時使所述第一數字模擬轉換器的所述數字值步進以達到對應于所述第一數字模擬轉換器的第三數字值。另外，本申請的其他實施例提供一種用于讀取具有兩個轉換的一個像素的圖像讀出方法，其特征在于，包括：將偏置電壓設定到所述比較器的反相輸入；將模擬數字轉換器的比較器復位；導通第一采樣開關以從讀出列將復位電壓采樣到所述比較器的非反相輸入；將第一數字模擬轉換器設定為第一初始值；在所述比較器觸發第一時間時，使所述第一數字模擬轉換器的數字值步進以達到所述第一數字模擬轉換器的第一數字值，其中所述第一數字值是所述第一初始值與復位數字值的總和；將像素電荷從所讀取的像素行的光電二極管轉移到讀出列；導通所述第一采樣開關以從所述讀出列將第一信號電壓采樣到所述比較器的所述非反相輸入，其中所述比較器的所述非反相輸入的電壓從與所述第一數字模擬轉換器的所述第一初始值對應的第一初始電壓減小第一信號電壓；將第一數字模擬轉換器設定為從所述第一初始值減去所述復位數字值以補償比較器偏移；以及在所述比較器觸發第二時間時，使所述第一數字模擬轉換器的所述數字值步進以達到對應于所述第一數字模擬轉換器的第二數字值。附圖說明參照以下圖式描述本專利技術的非限制性及非窮舉性實例，其中除非另有說明，否則相同的參考編號在各種視圖中指代相同的部分。圖1A示出根據本申請的實施例，具有典型4T像素配置中的光電二極管陣列的CMOS圖像傳感器。圖1B示出根據本申請的實施例，用于像素讀出的典型傳統數字相關雙采樣(DCDS)操作的時序圖。圖2是根據本申請的實施例的第一實例性2-列(2-column)逐次逼近寄存器(successiveapproximationregister，SAR)ADC，其具有包含兩個差分輸入的比較器及兩個數字模擬轉換器(digitaltoanalogconverter，DAC)以將像素模擬電壓VPIX0及VPIX1轉換為數字圖像信號。圖3是根據本申請的實施例，與圖2的電路系統相關聯地處理算術計算時與成像傳感器中的2-列SARADC的操作相關聯的第一實例性波形。圖4是根據本申請的實施例的具有4種不同設定的說明性圖表，所述4種不同設定允許在與圖1A及圖2的電路系統相關聯的4個相鄰像素群組內像素列輸出到ADC輸入的4種不同的映射或交換。圖5是本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種互補金屬氧化物半導體圖像傳感器，其特征在于，包括：像素陣列，包括多個4T像素，其中每一4T像素包括因應于入射光產生圖像電荷的光電二極管、轉移晶體管、復位晶體管、源極跟隨器晶體管以及行選擇晶體管，且其中所述源極跟隨器晶體管耦合在所述光電二極管與所述行選擇晶體管之間以將所述光電二極管產生的圖像電荷轉換為圖像輸出電壓；多個讀出列；多個偏置電流源，耦合到所述讀出列，其中每個偏置電流源通過所述讀出列向所述源極跟隨器晶體管提供偏置電流；以及多個讀出電路，耦合到所述讀出列以從所述像素陣列讀出圖像數據，其中每個讀出電路包括第一采樣開關及逐次逼近寄存器模擬數字轉換器，其中所述逐次逼近寄存器模擬數字轉換器包括差分比較器、本地逐次逼近寄存器控制以及第一數字模擬轉換器，其中所述第一采樣開關耦合在第一讀出列與所述差分比較器的非反相輸入之間，且其中所述第一數字模擬轉換器耦合在所述本地逐次逼近寄存器控制與所述差分比較器的所述非反相輸入之間。

【技術特征摘要】
2018.04.09 US 62/654,925;2019.03.08 US 16/296,3381.一種互補金屬氧化物半導體圖像傳感器，其特征在于，包括：像素陣列，包括多個4T像素，其中每一4T像素包括因應于入射光產生圖像電荷的光電二極管、轉移晶體管、復位晶體管、源極跟隨器晶體管以及行選擇晶體管，且其中所述源極跟隨器晶體管耦合在所述光電二極管與所述行選擇晶體管之間以將所述光電二極管產生的圖像電荷轉換為圖像輸出電壓；多個讀出列；多個偏置電流源，耦合到所述讀出列，其中每個偏置電流源通過所述讀出列向所述源極跟隨器晶體管提供偏置電流；以及多個讀出電路，耦合到所述讀出列以從所述像素陣列讀出圖像數據，其中每個讀出電路包括第一采樣開關及逐次逼近寄存器模擬數字轉換器，其中所述逐次逼近寄存器模擬數字轉換器包括差分比較器、本地逐次逼近寄存器控制以及第一數字模擬轉換器，其中所述第一采樣開關耦合在第一讀出列與所述差分比較器的非反相輸入之間，且其中所述第一數字模擬轉換器耦合在所述本地逐次逼近寄存器控制與所述差分比較器的所述非反相輸入之間。2.根據權利要求1所述的互補金屬氧化物半導體圖像傳感器，其特征在于，還包括共享逐次逼近寄存器控制，其中所述共享逐次逼近寄存器控制控制至少一個采樣開關、以及所述像素陣列的多個逐次逼近寄存器模擬數字轉換器的逐次逼近切換算法的定時。3.根據權利要求2所述的互補金屬氧化物半導體圖像傳感器，其特征在于，每個讀出電路還包括偏置電壓，其中所述偏置電壓耦合到所述差分比較器的反相輸入，以形成1-列逐次逼近寄存器模擬數字轉換器。4.根據權利要求2所述的互補金屬氧化物半導體圖像傳感器，其特征在于，每個讀出電路還包括第二采樣開關及第二數字模擬轉換器，其中所述第二采樣開關耦合在第二讀出列與所述差分比較器的反相輸入之間，并且其中所述第二數字模擬轉換器耦合在所述本地逐次逼近寄存器控制與所述差分比較器的所述反相輸入之間，以形成2-列逐次逼近寄存器模擬數字轉換器。5.根據權利要求4所述的互補金屬氧化物半導體圖像傳感器，其特征在于，所述2-列逐次逼近寄存器模擬數字轉換器在實體布局上是雙像素列寬的。6.根據權利要求4所述的互補金屬氧化物半導體圖像傳感器，其特征在于，每兩個相鄰的2-列逐次逼近寄存器模擬數字轉換器被耦合到每四個相鄰的讀出列，且其中所述2-列逐次逼近寄存器模擬數字轉換器的采樣開關將基于自哪一像素行讀出而接收所述四個相鄰的讀出列中的一者。7.根據權利要求4所述的互補金屬氧化物半導體圖像傳感器，其特征在于，所述第二數字模擬轉換器是電荷再分配數字模擬轉換器，其中所述電荷再分配數字模擬轉換器由兩個子數字模擬轉換器組成并且包括多個電壓分配數字模擬轉換器單位單元以及在兩個半數字模擬轉換器之間共享的交流耦合分離電容器，其中每個半數字模擬轉換器具有相同數量的所述數字模擬轉換器單位單元、以及大小可變電容器，所述大小可變電容器耦合在其中所述交流耦合分離電容器的一端連接到最低有效位電容器的節點與負參考電壓之間。8.根據權利要求7所述的互補金屬氧化物半導體圖像傳感器，其特征在于，所述兩個子數字模擬轉換器具有相同數量的所述數字模擬轉換器單位單元以及相同的位權重分布。9.根據權利要求7所述的互補金屬氧化物半導體圖像傳感器，其特征在于，所述數字模擬轉換器單位單元包括耦合到異或門的第一輸入的數據鎖存器，其中反相信號耦合到所述異或門的第二輸入，其中所述異或門的輸出耦合到電壓開關以確定將何電壓輸入到電壓分配電容器，且其中所述電壓分配電容器基于所述電容器接收到何電壓而將其電壓貢獻到數字模擬轉換器輸出。10.根據權利要求2所述的互補金屬氧化物半導體圖像傳感器，其特征在于，所述第一數字模擬轉換器是電荷再分配數字模擬轉換器，其中所述電荷再分配數字模擬轉換器由兩個子數字模擬轉換器組成并且包括多個電壓分配數字模擬轉換器單位單元以及在所述兩個半數字模擬轉換器之間共享的交流耦合分離電容器，其中每個半數字模擬轉換器具有相同數量的所述數字模擬轉換器單位單元、以及大小可變電容器，所述大小可變電容器耦合在其中所述交流耦合分離電容器的一端連接到最低有效位電容器的節點與負參考電壓之間。11.根據權利要求10所述的互補金屬氧化物半導體圖像傳感器，其特征在于，所述兩個子數字模擬轉換器具有相同數量的所述數字模擬轉換器單位單元以及相同的位權重分布。12.根據權利要求10所述的互補金屬氧化物半導體圖像傳感器，其特征在于，所述數字模擬轉換器單位單元包括耦合到異或門的第一輸入的數據鎖存器，其中反相信號耦合到所述異或門的第二輸入，其中所述異或門的輸出耦合到電壓開關以確定將何電壓輸入到電壓分配電容器，且其中所述電壓分配電容器基于所述電容器接收到何電壓而將其電壓貢獻到數字模擬轉換器輸出。13.一種用于讀取具有三個轉換的兩個像素的圖像讀出方法，其特征在于，包括：將模擬數字轉換器的比較器復位；導通第一采樣開關以從第一讀出列將第一復位電壓采樣...

【專利技術屬性】
技術研發人員：珍布·奧文德，馬提紐森·托瑞，
申請(專利權)人：豪威科技股份有限公司，
類型：發明
國別省市：美國,US