[發(fā)明專利]圖像數(shù)據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換方法及圖像傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310021530.X
• 申請日: 2013-01-21
• 公開（公告）號: CN103051848A
• 公開（公告）日: 2013-04-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 馬成;王欣洋
• 申請（專利權(quán)）人: 長春長光辰芯光電技術(shù)有限公司
• 主分類號: H04N5/357
• 分類號: H04N5/357
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責(zé)任公司 22201
• 代理人: 朱世林;王壽珍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于圖像采集技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種圖像數(shù)據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換方法及圖像傳感器。

背景技術(shù)

圖像數(shù)據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換方法主要用于將圖像傳感器像素陣列中的模擬信號量化為數(shù)字信號。圖像傳感器中的像素將光信號轉(zhuǎn)換為模擬電信號，這些信號能夠通過一些模擬和數(shù)字信號處理來實現(xiàn)各式各樣的功能。

當(dāng)前，作為傳統(tǒng)CCD圖像傳感器的另一種選擇CMOS工藝已被廣泛用于圖像傳感器的設(shè)計和制造中。它包括被我們稱為像素的感光單元陣列以及一些用于讀出陣列電壓信號的輔助電路。通常像素由感光的光電二極管和一些用于對像素進行控制的晶體管來構(gòu)成。一個典型的像素包括一個光電二極管，一個用于復(fù)位的晶體管，一個射級跟隨器和一個用于行選的晶體管。在進行像素操作時首先對光電二極管進行復(fù)位到一個復(fù)位電壓，然后光電流會開始對光電二極管進行放電，一段曝光時間之后，光電二極管被放電到一個信號電壓，復(fù)位電壓和信號電壓之間的差值就代表了光信號的強度。

目前，特別是在高速應(yīng)用中斜坡信號模數(shù)轉(zhuǎn)換器被廣泛用于CMOS圖像傳感器中。它由斜坡信號發(fā)生器，時鐘信號發(fā)生器，比較器，計數(shù)脈沖發(fā)生器和計數(shù)器構(gòu)成。圖像傳感器感光單元輸出的模擬電壓信號經(jīng)模擬信號處理器進行相關(guān)雙采樣處理后輸出像素信號。斜坡信號由一個初始值開始隨著時間慢慢增加或者減少。比較器被置于每一列的讀出電路中，斜坡信號輸入到每一列的比較器的輸入端，比較器的另一端為像素信號。當(dāng)斜坡信號達到像素信號時，比較器開始翻轉(zhuǎn)。通過一些數(shù)字邏輯和用于計數(shù)的時鐘，一定數(shù)量的脈沖就會被產(chǎn)生并被計數(shù)器計數(shù)之后就可以對像素的模擬信號進行數(shù)字量化。

在美國專利7880662B2和美國專利7642947B2中，介紹了一些直接將復(fù)位電壓和信號電壓的差值量化為數(shù)字信號的方法。這些方法都使用了一路高速時鐘信號，它的問題在于產(chǎn)生的時鐘脈沖信號會一直被計數(shù)。比如一個10位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，至少計數(shù)器需要計數(shù)1024次才能量化最大的電壓值。特別是在高分辨率的圖像傳感器中，這就會導(dǎo)致傳感器的數(shù)字模塊功耗變大，進而導(dǎo)致在芯片的基底產(chǎn)生大量的噪聲。此外這種模數(shù)轉(zhuǎn)換方式中數(shù)字模塊的功耗會隨著像素光信號的強度變化，進而導(dǎo)致芯片基底噪聲隨著光強變化，對圖像質(zhì)量產(chǎn)生比較壞的影響。低功耗的斜坡信號模數(shù)轉(zhuǎn)換器在高分辨率高速圖像傳感器中有著較大的需求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的一個技術(shù)問題是提供一種能有效的減少計數(shù)器計數(shù)次數(shù)，進而非常明顯的減少模數(shù)轉(zhuǎn)換器的功耗及基底噪聲，同時計數(shù)器的功耗與像素信號的大小無關(guān)的圖像數(shù)據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換方法。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的圖像數(shù)據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換方法包括下述步驟：

步驟一：將模擬信號處理器輸出的像素復(fù)位電壓送入比較器的一個輸入端，同時將用于轉(zhuǎn)換復(fù)位電壓的斜坡信號送入比較器的另一個輸入端；

步驟二：將比較器輸出的信號及高速、低速兩路時鐘送入一個計數(shù)脈沖發(fā)生器，使其產(chǎn)生高速脈沖使能和低速脈沖使能時序信號進而產(chǎn)生高位計數(shù)脈沖和低位計數(shù)脈沖兩路信號；高速脈沖使能和高速時鐘產(chǎn)生低位計數(shù)脈沖，低速脈沖使能和低速時鐘產(chǎn)生高位計數(shù)脈沖；

步驟三：將低位計數(shù)脈沖送入低位計數(shù)器進行計數(shù)，同時，將高位計數(shù)脈沖送入高位計數(shù)器進行計數(shù)；

步驟四：將模擬信號處理器輸出的像素信號電壓送入比較器的一個輸入端，將用于轉(zhuǎn)換信號電壓的斜坡信號送入比較器的另一個輸入端；

步驟五：將比較器輸出的信號及高速、低速兩路時鐘送入一個計數(shù)脈沖發(fā)生器，使其產(chǎn)生高速脈沖使能和低速脈沖使能兩路時序信號進而產(chǎn)生高位計數(shù)脈沖和低位計數(shù)脈沖兩路信號；高速脈沖使能和高速時鐘產(chǎn)生低位計數(shù)脈沖，低速脈沖使能和低速時鐘產(chǎn)生高位計數(shù)脈沖；

步驟六：將低位計數(shù)脈沖送入低位計數(shù)器進行計數(shù)，將高位計數(shù)脈沖送入高位計數(shù)器進行計數(shù)；

步驟七：將低位計數(shù)器和高位計數(shù)器的最終計數(shù)值送入運算器中進行運算處理，得到量化后的像素圖像數(shù)據(jù)。

所述高速時鐘頻率為低速時鐘頻率的n倍，n優(yōu)選為2^N-LSB，N_LSB為低位計數(shù)器的有效位數(shù)。

本發(fā)明的圖像數(shù)據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換方法可以采用下述三種量化方法：

方法一：