一种抑制太阳黑子效应的图像传感器读出电路及读出方法与流程

本发明涉及图像传感器读出电路领域，具体涉及一种抑制太阳黑子效应的图像传感器读出电路及读出方法。

背景技术：

强光照下，cis(cmos图像传感器)中像素单元的光电二极管会产生多余的光电子，这些光电子积累在像素单元的浮空节点fd，使得像素单元复位电压大大降低，进而导致后续读出电路中相关双采样(cds)失效，这些像素单元所对应的复位电压值比实际值偏小，cis图像上将出现黑点，这就是太阳黑子效应。为了避免这种情况，传统的cis设计中会加入像素输出钳位电路，在复位电压读出阶段，该钳位电路能将像素输出保持在一个不太低的电压，以保证读出电路cds功能的正常。但钳位电路输出的钳位电压会受温度、工艺等因素的影响发生波动。钳位电压过低达不到完全抑制太阳黑子的效果，过高会导致cds出现误差而使图像质量变差。

请参阅附图1和附图3，在一个行曝光cis的读周期中，首先像素单元输出复位电压vrst，也即像素单元输出端pix_out电压为vrst。之后，像素单元输出曝光电压vsig，也即像素单元输出端pix_out电压为曝光电压vsig。δv＝vrst-vsig为与实际光照强度成比例的电压量。读出电路则是将δv转换为二进制数字量，再给系统进行下一步处理。读出电路一般采用的是单斜adc(模数转换器)，其模数转换主要分为两个阶段，首先像素单元输出端pix_out的复位电压vrst会与第一个斜波信号ramp进行比较，第一个斜波信号ramp由初始值开始降低时，计数器cnt开始计数，当ramp低于像素单元输出端pix_out的复位电压vrst时，比较器cmp输出会发生由低跳高的翻转，这时cnt停止计数，有效计数时间为t1，t1计数时间对应的二进制数码d1会被存储，如附图3所示，该阶段标记为vr；其次，像素单元输出端pix_out输出的曝光电压vsig会与第二个斜波进行比较，当ramp低于像素单元输出端pix_out输出的曝光电压vsig时，cmp翻转，cnt停止计数，有效计数时间为t2，如附图3所示，该阶段标记为vs。vs结束后，计数器cnt中t2对应的二进制数码d2会减去t1对应的d1，d2-d1＝δd＝dout，则为经模数转换后的与光照强度成比例的数字量，也即δd为δv的数字量。d2-d1也同时实现了将像素单元输出的固定噪声减去的作用，因为像素单元引入的固定噪声是不随时间而变化的，这一减去固定噪声的过程称为cds。

cis在强光照射时，像素单元中的感光二极管pd会产生额外的光电子，这些光电子会溢出到浮空节点fd，使得像素单元复位电压偏低，如图3所示，正常的pix_out输出为pix_out_n，太阳黑子效应下，实际输出为pix_out_e，导致vr的计数值明显过大，也即d1偏大，最终使得d2-d1<δd，那么该像素单元在图像上呈现为偏暗。

为了避免上述问题，一般的做法是在像素单元输出与读出电路之间加入输出钳位电路，如图1所示。输出钳位由晶体管m1、晶体管m2组成。晶体管m2为使能管，en_eclp为高电平时，钳位电路使能；en_eclp为低电平时，钳位电路不使能。m1受控于参考电压vr_eclp，作用为源跟随器，可以将像素单元输出端pix_out钳位于vr_eclp-vth1电压，其中vth1为晶体管m1的阈值电压。例如，如果vr_eclp＝2v，vth1＝0.7v，则像素单元输出端pix_out可被钳位于1.3v，也即像素单元输出端pix_out如果受太阳黑子影响异常变低，此时若en_eclp为高电平，则像素单元输出端pix_out电压不会低于1.3v。该钳位电路作用也就是使实际像素单元输出端pix_out在vr阶段大约在pix_out_n附近，但是由于晶体管m1阈值电压vth1会受工艺、温度等因素的影响，会使钳位电压发生偏差，若钳位电压偏低，pix_out为图3中pix_out_c1，d1仍然偏大，达不到消除太阳黑子效应的影响。若钳位电压偏高，pix_out为图3中pix_out_c2，会使d1偏小，δd偏大，该像素单元太阳黑子效应的影响可以消除，但是钳位电路在每一个像素单元进行曝光电压读出过程中均使能，即所有的读出电路里钳位电路是同时使能的，所以这使得其他正常像素单元输出也偏大，导致这些正常像素单元cds出现误差，影响图像质量。所以需要发明一种既能准确探测太阳黑子效应，并给出相应抑制措施，同时不能影响其他cis性能的太阳黑子抑制机制。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种抑制太阳黑子效应的图像传感器读出电路及读出方法，可以准确地判断出像素单元是否存在太阳黑子效应，并给出指示信号，将读出电路中计数器值锁定为最大计数值，这样在强光照射发生太阳黑子效应时，图像不会出现异常的黑点，使图像质量得到了保证。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种抑制太阳黑子效应的图像传感器读出电路，包括检测单元，比较器和计数器，所述检测单元包括两个输入端、一个使能控制端和一个输出端，其中，所述检测单元的两个输入端分别连接像素单元输出端和参考电压，所述检测单元的使能控制端连接使能信号，所述检测单元输出端连接所述计数器输入端，所述比较器的一端连接所述像素单元输出端，另一端连接斜波信号，所述比较器的输出端连接所述计数器输入端，所述计数器输出端输出所述像素单元的曝光数字量；

所述读出电路对当所述像素单元的复位电压进行读出时，所述使能信号控制所述检测单元进入检测状态，当所述像素单元的复位电压大于等于参考电压时，所述检测单元不工作；当所述像素单元的复位电压小于参考电压时，所述检测单元控制计数器输出最大计数值。

进一步地，所述检测单元的负输入端连接所述像素单元输出端，所述检测单元的正输入端连接所述参考电压。

进一步地，所述比较器的负输入端连接所述像素单元输出端，所述比较器的正输入端连接所述斜波信号。

进一步地，所述斜波信号通过采样电容c1连接所述比较器的正输入端，所述像素单元输出端通过采样电容c2连接所述比较器的负输入端。

进一步地，所述像素单元采用相关双采样的方式进行采样读出。

进一步地，所述计数器的最大计数值为2ⁿ；其中，n为所述读出电路的分辨率。

一种抑制太阳黑子效应的图像传感器读出电路的读出方法，包括如下步骤：

s01：像素单元复位，并输出复位电压；

s02：使能信号控制检测单元进入检测状态，所述复位电压同时传输至所述比较器和检测单元，所述检测单元的另一输入端连接参考电压，所述比较器的另一输入端连接斜波信号，当所述复位电压大于等于参考电压时，所述检测单元不工作；所述计数器得到像素单元对应的复位数码d1；当所述复位电压小于参考电压时，所述检测单元控制所述计数器输出最大计数值作为对应的复位数码d1；

s03：所述像素单元曝光，并输出曝光电压；

s04：所述使能信号控制所述检测单元退出检测状态，所述曝光电压输入至所述比较器；所述计数器得到像素单元对应的曝光数码d2；

s05：所述计数器将曝光数码d2减去复位数码d1，并输出像素单元的曝光数字量。

进一步地，所述计数器的最大计数值为2ⁿ；其中，n为所述读出电路的分辨率。

进一步地，所述步骤s02中当所述复位电压大于等于参考电压时，所述检测单元不工作，所述复位电压与第一个单斜波信号进行比较，计数器开始计数，当第一个单斜波信号低于复位电压时，所述比较器发生由低跳高的翻转，所述计数器停止计数，得到像素单元对应的复位数码d1；当所述复位电压小于参考电压时，所述检测单元控制所述计数器输出最大计数值作为对应的复位数码d1。

进一步地，所述步骤s04中所述曝光电压与第二个单斜波信号进行比较，计数器开始计数，当第二个单斜波信号低于曝光电压时，所述比较器发生由低跳高的翻转，所述计数器停止计数，得到像素单元对应的曝光数码d2。

本发明的有益效果为：本发明通过在cis读出电路中加入一个检测单元，可以准确地判断出像素单元是否存在太阳黑子效应，并给出指示信号，将读出电路中计数器值锁定为最大计数值，这样在强光照射发生太阳黑子效应时，图像不会出现异常的黑点，使图像质量得到了保证。

附图说明

附图1为现有技术中抑制太阳黑子效应的读出电路图。

附图2为本发明中抑制太阳黑子效应的读出电路图。

附图3为读出电路的时序图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

如附图2所示，本发明提供的一种抑制太阳黑子效应的图像传感器读出电路，读出电路经过常规的adc电路改进得出。具体的读出电路包括检测单元det，比较器cmp和计数器cnt，其中，检测单元det包括两个输入端、一个使能控制端和一个输出端，其中，检测单元的两个输入端分别连接像素单元输出端pix_out和参考电压vr_eclp_a，检测单元的使能控制端连接使能信号en_eclp，其中，使能信号en_eclp控制检测单元是否进入检测状态，具体的，可以设置使能信号en_eclp为高电平时，检测单元进入检测状态，即检测单元所在电路导通；设置使能信号en_eclp为低电平时，检测单元退出检测状态，即检测单元所在电路不导通，读出电路中其他器件正常工作。检测单元输出端det_out连接计数器cnt输入端，比较器cmp的一端连接像素单元输出端pix_out，另一端连接斜波信号ramp，比较器的输出端cmp_out连接计数器cnt输入端，计数器输出端dout输出像素单元的曝光数字量；当读出电路对像素单元的复位电压进行读出时，使能信号en_eclp控制检测单元进入检测状态，当像素单元的复位电压vrst大于等于参考电压vr_eclp_a时，检测单元del不工作，此时计数器正常计数；当像素单元的复位电压vrst小于参考电压vr_eclp_a时，检测单元del控制计数器cnt输出最大计数值。计数器的最大计数值为2ⁿ；其中，n为读出电路的分辨率。本发明实施例设定使能信号en_eclp为高电平时，检测单元进入检测状态，使能信号en_eclp为低电平时，检测单元退出检测状态。具体应用过程中也可以设置使能信号en_eclp为低电平时，检测单元进入检测状态，使能信号en_eclp为高电平时，检测单元退出检测状态。

请继续参阅附图2，具体的，检测单元del的负输入端连接像素单元输出端pix_out，检测单元del的正输入端连接参考电压vr_eclp_a。斜波信号ramp通过采样电容c1连接比较器cmp的正输入端，像素单元输出端pix_out通过采样电容c2连接比较器cmp的负输入端。像素单元采用相关双采样的方式进行采样读出。本发明中检测单元实质上为一个比较器，将像素单元的复位电压和参考电压实时进行比较，可以针对每个像素单元决定是否需要输出计数器的最大计数值。

像素单元可以为现有技术中的任意结构，像素阵列中像素单元的连接与读出电路的连接方式可以为现有技术中的任意连接方式，本发明重点在于改进了读出电路结构。检测单元的正负输入端连接信号可以进行互换，比较器的正负输入端连接信号也可以进行互换，并不会影响整个电路的功能，以下步骤中仅以附图2中电路连接结构为例对该电路的读出方法进行详细描述，当检测单元和比较器的正负输入端连接信号互换时，其读出方法仍然相同。

请参阅附图2和3，本发明提供的一种抑制太阳黑子效应的图像传感器读出电路的读出方法，包括如下步骤：

s01：像素单元复位，并输出复位电压vrst，也即像素单元输出端pix_out电压为vrst。

s02：使能信号en_eclp为高电平，检测单元det进入检测状态，复位电压vrst同时传输至比较器cmp负输入端和检测单元det负输入端，检测单元det的正输入端连接参考电压vr_eclp，比较器的正输入端连接斜波信号ramp，当复位电压vrst大于等于参考电压vr_eclp时，检测单元不工作，比较器和计数器正常工作：复位电压vrst与第一个单斜波信号ramp进行比较，计数器开始计数，当第一个单斜波信号低于复位电压vrst时，比较器发生由低跳高的翻转，计数器停止计数，得到像素单元对应的复位数码d1；如附图3所示，该阶段标记为vr；

当复位电压vrst小于参考电压vr_eclp时，检测单元det控制计数器cnt输出最大计数值作为对应的复位数码d1；计数器的最大计数值为2ⁿ；其中，n为读出电路的分辨率。

s03：像素单元曝光，并输出曝光电压vsig，也即像素单元输出端pix_out电压为vsig。

s04：使能信号en_eclp为低电平，所述检测单元退出检测状态，曝光电压vsig输入至比较器cmp，曝光电压vsig与第二个单斜波信号ramp进行比较，计数器cnt开始计数，当第二个单斜波信号ramp低于曝光电压vsig时，比较器cmp发生由低跳高的翻转，计数器cnt停止计数，得到像素单元对应的曝光数码d2；如附图3所示，该阶段标记为vs。

s05：计数器将曝光数码d2减去复位数码d1，即为像素单元的曝光数字量，并通过计数器输出端d0ut输出像素单元的曝光数字量。

可以看出，本发明中检测单元只在复位电压被读出的过程中起作用，且只有当像素单元的复位电压小于参考电压时，即可能会造成太阳黑子效应的情况下，检测单元才使得计数器输出最大计数值。在曝光电压被读出时，检测单元退出检测状态，当像素单元的复位电压大于等于参考电压时，检测单元不工作，读出电路正常进行读出。

由于本发明检测方式是像素单元输出与参考电压直接进行比较给出判断结果，所以避免了传统钳位电路源跟随结构受工艺、温度等因素的影响，准确度大大提高，而且不会影响正常像素单元的输出。

以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。