阅读说明：本技术 一种用于校正暗电流的图像传感器读出电路及方法 (Image sensor reading circuit and method for correcting dark current ) 是由 蔡化 高菊 陈飞 苪松鹏 陈正 于 2019-10-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于校正暗电流的图像传感器读出电路,包括放大器、比较器和计数器,其中,所述放大器的其中一个输入端通过采样电容C1连接像素单元的输出端,所述采样电容的一端连接像素单元输出端,另一端同时连接所述放大器的输入端、放大电容C2和放大电容Cf的一端,所述放大电容C2的另一端连接所述放大器的输出端,所述放大电容Cf的另一端连接暗电流校正单元。本发明提供的一种用于校正暗电流的图像传感器读出电路,本发明电路增加了一个暗电流校正单元构成的反馈支路,实现了在模拟域且在信号放大前进行暗校正,避免了传统CIS在数字域进行暗校正所致的高温下动态范围不足的问题。(The invention discloses an image sensor reading circuit for correcting dark current, which comprises an amplifier, a comparator and a counter, wherein one input end of the amplifier is connected with the output end of a pixel unit through a sampling capacitor C1, one end of the sampling capacitor is connected with the output end of the pixel unit, the other end of the sampling capacitor is simultaneously connected with the input end of the amplifier, one end of an amplifying capacitor C2 and one end of an amplifying capacitor Cf, the other end of the amplifying capacitor C2 is connected with the output end of the amplifier, and the other end of the amplifying capacitor Cf is connected with a dark current correction unit. According to the image sensor reading circuit for correcting the dark current, the feedback branch circuit formed by the dark current correction unit is added, so that the dark correction is performed in an analog domain before signal amplification, and the problem of insufficient dynamic range of a traditional CIS (contact image sensor) at high temperature due to the fact that the dark correction is performed in a digital domain is solved.)

一种用于校正暗电流的图像传感器读出电路及方法

技术领域

本发明涉及图像传感器读出电路领域，具体涉及一种用于校正暗电流的图像传感器读出电路及方法。

背景技术

暗电流噪声严重影响着CIS(CMOS图像传感器)的图像质量，暗电流噪声对CIS成像质量的影响主要体现在两个方面，一、暗电流的非均匀性是CIS固定模式噪声的一个重要来源，使得CIS的通透性变差；二、暗电流会抬高整幅图像的数据平均值，尤其是在高温条件下，暗电流会显著增大，如果采用传统的数字域暗校正，会使得暗电流信号不能有效减去，图像的动态范围将大大减小，严重影响图像质量。

由于传统的CIS中，暗电流校正通常是在数字域进行，即首先统计出暗像素的输出数字平均值，每个有效像素对应的数字信号再减去暗像素对应的数字信号平均值，得到校正后的实际信号值。传统的CIS暗校正工作原理，对某一帧图像来讲，首先统计出暗像素阵列(OB1、OB2、…、OBn)的统计平均值DOB，然后读出有效像素阵列每个像素(AP1、AP2、…、APn)的值，在系统后处理过程中，每个有效像素值再减去DOB，得到最终实际像素值，如图1所示，OB1、OB2、…、OBn为每个暗像素点，AP1、AP2、…、APn为每个有效像素点。如附图2所示，为现有技术中4T像素单元的读出电路图，包括放大器OP、比较器CMP和计数器CNT，结合附图6中时序图可知：在一个行曝光CIS的读周期中，首先某一行的SEL信号为高，选中该行进行读操作，RX信号由低变高对像素单元进行复位，VFD节点被拉高至VDD。RX信号再由高变低，像素单元输出复位信号VRST，此时像素单元输出端信号VPIX_OUT＝VRST。信号RST1和信号RST2为高，对放大器OP和比较器CMP进行复位，此时放大器输出端信号VOP_OUT等于斜波信号VRAMP。信号RST1和信号RST2由高变低后，放大器输出端信号VOP_OUT保持不变，斜波信号VRAMP产生第一个斜波VR，同时计数器CNT也在进行计数，斜波信号VRAMP与放大器输出端信号VOP_OUT形成一个交点，交叉处比较器CMP输出发生翻转，比较器输出信号VCMP_OUT由低跳高使得计数器CNT停止计数并将第一个计数值(t1对应的计数值)D1存储。此后，信号TX由低变高，将光电二极管PD中的电子传递出去，拉低了VFD节点电位，信号TX再由高变低，像素单元输出端信号VPIX_OUT＝VSIG，斜波信号VRAMP产生第二个斜波VS。由于之前采样电容C1上储存了VRST信号电荷，VRST与VSIG的差值VRST-VSIG将通过采样电容C1、放大电容C2比值进行放大，放大倍数为-C1/C2(这里的负号表示反向放大)。经放大器OP放大后的放大器输出端信号VOP_OUT又与第二个斜波VS形成第二个交点，比较器输出端信号VCMP_OUT由低跳高之前计数值(t2对应的计数值)D2将与D1作差，计数器CNT输出D2-D1的差值作为最终读出电路的输出。结合上述CIS传统的暗校正工作原理，D2-D1的差值还需要减去DOB后，才是最终的有效输出量，也就是在数字域校正了暗电流的影响。但是当温度逐渐较高时，像素的暗电流增长非常快，在高温时(例如90℃)，暗电流信号占比可能达到40％(具体百分比取决于工艺)，如果放大器OP再进行放大会使VRST-VSIG的差值远远超过读出电路量程(如图6中VSIG_X)，这种情况下读出电路无法对像素信号进行正常量化。

也就是说现有技术中对暗电流进行校正的方法仅在暗电流较小的情况下有效，当温度较高时，暗电流将呈倍数增长，直接导致图像传感器的动态范围减小，这就要求像素信号在模数转换前就得将暗电流信号减掉，也就是在模拟域减掉暗电流的值，这样有利于图像动态范围的提升。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于校正暗电流的图像传感器读出电路及方法，本发明电路增加了一个暗电流校正单元构成的反馈支路，实现了在模拟域且在信号放大前进行暗校正，避免了传统CIS在数字域进行暗校正所致的高温下动态范围不足的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于校正暗电流的图像传感器读出电路，包括放大器、比较器和计数器，其中，所述放大器的其中一个输入端通过采样电容C1连接像素单元的输出端，所述放大器的另外一端连接参考信号；所述放大器的输出端连接所述比较器的其中一个输入端，所述比较器的另外一个输入端连接斜波信号，所述比较器的输出端连接所述计数器的输入端，所述计数器的输出端输出像素单元的感光信号；

所述采样电容的一端连接像素单元输出端，另一端同时连接所述放大器的输入端、放大电容C2和放大电容Cf的一端，所述放大电容C2的另一端连接所述放大器的输出端，所述放大电容Cf的另一端连接暗电流校正单元，所述暗电流校正单元包括并联的暗电流基准信号和暗电流离散信号，其中，暗电流基准信号通过开关S1连接至放大电容Cf，暗电流离散信号通过开关S2连接至放大电容Cf。

进一步地，所述暗电流校正单元还包括DAC，所述DAC的输入端连接暗电流控制字，所述DAC的输出端输出暗电流基准信号和暗电流离散信号；

其中，所述像素单元位于像素阵列中，所述像素阵列包括暗像素阵列和有效像素阵列，所述暗电流控制字由暗像素阵列产生的暗电流决定，所述暗电流基准信号为暗像素阵列中各个像素单元产生的暗电流平均值，所述暗电流离散信号表征暗像素阵列产生中各个像素单元的暗电流的离散程度。

进一步地，所述暗电流控制字的确定方法为：所述暗像素阵列进行逐行曝光，针对同一帧曝光图像，对暗像素阵列中各个像素单元产生的暗电流进行统计，并根据统计结果确定暗电流控制字。

进一步地，所述暗电流离散信号为暗像素阵列中各个像素单元产生的暗电流的标准差或方差。

进一步地，所述像素单元的输出端通过采样电容C1连接所述放大器的负输入端，所述参考信号连接所述放大器的正输入端；所述放大器的输出端通过采样电容C4连接所述比较器的负输入端，所述斜波信号通过采样电容C3连接所述比较器的正输入端。

进一步地，所述像素单元输出复位信号时，所述开关S1闭合，且开关S2断开；所述像素单元输出曝光信号时，所述开关S1断开，且开关S2闭合。

进一步地，所述像素单元曝光信号输出后，放大器的输出信号为-(c1/c2)×(VRST-VSIG-ΔV)，且ΔV＝(VREF2-VF)cf/c2；其中，c1、c2和cf分别表示采样电容C1、放大电容C2、放大电容C3的电容值，VSIG为像素单元输出的曝光信号，VRST为像素单元输出的复位信号，VREF2为暗电流基准信号，Vf为暗电流离散信号。

一种采用读出电路进行像素单元感光信号读出的方法，包括如下步骤：

S01：像素单元输出复位信号VRST，开关S1闭合，开关S2断开；

S02：放大器和比较器进行复位，此时，放大器输出端信号VOP_OUT等于斜波信号VRAMP；

S03：所述斜波信号VRAMP开始产生第一个斜波VR，同时计数器进行计数，所述斜波信号VRAMP与所述放大器输出端信号VOP_OUT形成一个交点，交点处所述比较器发生翻转，比较器输出端信号VCMP_OUT由低跳高使得所述计数器停止计数，所述计数器将上述产生的第一个计数值D1进行存储；

S04：所述像素单元输出曝光信号VSIG，所述斜波信号开始产生第二个斜波VS，同时所述计数器进行计数，所述开关S1断开，所述开关S2闭合，此时，所述放大器输出端信号VOP_OUT＝-(c1/c2)×(VRST-VSIG-ΔV)，且ΔV＝(VREF2-VF)cf/c2；所述斜波信号VRAMP与所述放大器输出端信号VOP_OUT形成一个交点，交点处所述比较器发生翻转，所述比较器输出端信号VCMP_OUT由低跳高使得所述计数器停止计数，所述计数器将上述产生的第二个计数值D2进行存储；

其中，c1、c2和cf分别表示采样电容C1、放大电容C2、放大电容C3的电容值，VSIG为像素单元输出的曝光信号，VRST为像素单元输出的复位信号，VREF2为暗电流基准信号，Vf为暗电流离散信号；

S05：所述第二计数值D2与第一计数值D1的差值即为像素单元的感光信号值。

进一步地，所述步骤S01之前还包括：暗像素阵列进行逐行曝光，针对同一帧曝光图像，对暗像素阵列中各个像素单元产生的暗电流进行统计，并根据统计结果确定暗电流控制字，所述暗电流控制字经过DAC转换为暗电流基准信号VREF2和暗电流离散信号Vf。

本发明的有益效果为：本发明电路增加了一个暗电流校正单元构成的反馈支路，实现了在模拟域且在信号放大前进行暗校正，有效保证了列读出电路信号转换的性能，也即保证了CIS输出的动态范围；避免了传统CIS在数字域进行暗校正所致的高温下动态范围不足的问题。

附图说明

附图1为图像传感器及读出电路的功能框架图；

附图2为现有技术中读出电路的电路图；

附图3为本发明读出电路的电路图；

附图4为本发明中暗电流校正单元框架图；

附图5为实施例1暗电流校正单元框架图；

附图6为本发明中读出电路时序图。

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3所示，本发明一种用于校正暗电流的图像传感器读出电路，包括放大器OP、比较器CMP和计数器CNT，其中，放大器OP的其中一个输入端通过采样电容C1连接像素单元的输出端，放大器OP的另外一端连接参考信号VREF1；放大器的输出端VOP_OUT连接比较器的其中一个输入端，比较器的另外一个输入端连接斜波信号VRAMP，比较器的输出端VCMP_OUT连接计数器CNT的输入端，计数器的输出端输出像素单元的感光信号。

具体的，如附图3所示，像素单元位于像素阵列中，像素阵列包括暗像素阵列和有效像素阵列，其中，暗像素阵列中的像素单元用于对有效像素阵列中的感光信号进行暗电流校正。有效像素阵列可以包括M行N列的像素单元，M、N均为大于1的正整数。其中，像素单元的读出方式可以根据具体需要进行设置，通常采用列读出电路，即有效像素阵列中的一列像素单元通过同一个读出电路进行读出。无论图像传感器采用何种方式进行读出，最终的读出电路在读出过程中均只连接一个像素单元，因此，本发明下述表述以像素单元连接读出电路的结构进行说明。

请继续参阅附图3，像素单元的输出端通过采样电容C1连接放大器的负输入端，参考信号连接放大器的正输入端；放大器的输出端通过采样电容C4连接比较器的负输入端，斜波信号通过采样电容C3连接比较器的正输入端。

采样电容C1的一端连接像素单元输出端，另一端同时连接放大器的输入端、放大电容C2和放大电容Cf的一端，放大电容C2的另一端连接放大器的输出端VOP_OUT，放大电容Cf的另一端连接暗电流校正单元，暗电流校正单元包括并联的暗电流基准信号VREF2和暗电流离散信号Vf，其中，暗电流基准信号VREF2通过开关S1连接至放大电容Cf，暗电流离散信号Vf通过开关S2连接至放大电容Cf。

如附图4所示，暗电流校正单元还包括DAC，DAC的输入端连接暗电流控制字D_OB，DAC的输出端输出暗电流基准信号VREF2和暗电流离散信号Vf；其中，暗电流控制字D_OB由暗像素阵列中各个像素单元产生的暗电流决定，暗电流基准信号VREF2为暗像素阵列中各个像素单元产生的暗电流平均值，暗电流离散信号Vf表征暗像素阵列产生的暗电流的离散程度，具体的，暗电流离散信号为暗像素阵列中各个像素单元产生的暗电流的标准差或方差。暗电流控制字经过DAC之后转换为两个固定信号：暗电流基准信号VREF2和暗电流离散信号Vf。以图像传感器进行行曝光为例，当像素阵列进行逐行曝光时，有效像素阵列中的像素单元均需要通过读出电路进行感光信号的读出；同时，暗像素阵列中的像素单元产生该曝光条件下的暗电流，为了确保感光信号被准确读出，需要去除暗电流。本发明中的暗电流控制字是针对同一帧曝光图像的，即不同帧曝光，会产生不同的暗电流控制字，而对同一帧曝光的所有像素单元的读出过程中，所采用的暗电流控制字均是相同的。

优选地，暗电流控制字的确定方法为：暗像素阵列进行逐行曝光，针对同一帧曝光图像，对暗像素阵列中各个像素单元产生的暗电流进行统计，并根据统计结果确定暗电流控制字。针对有效像素阵列，在统计得出暗电流控制字之后，再对像素单元进行逐一读出操作。本发明中像素阵列的曝光优选采用行曝光方式，以下说明均以行曝光为例进行；当像素阵列采用其他曝光方式时，本发明中去除暗电流的读出电路和方法仍然适用；只需确保暗电流控制字根据同一帧图像中暗像素阵列曝光结果得出即可。

具体在像素单元读出过程中，当像素单元输出复位信号时，开关S1闭合，且开关S2断开；像素单元输出曝光信号时，开关S1断开，且开关S2闭合。其中，像素单元曝光信号输出后，放大器的输出信号为-(c1/c2)×(VRST-VSIG-ΔV)，且ΔV＝(VREF2-VF)cf/c2；该结果为减去了暗电流信号的值，即在模拟域已经对像素单元进行了去除暗电流的校正。其中，c1、c2和cf分别表示采样电容C1、放大电容C2、放大电容C3的电容值，VSIG为像素单元输出的曝光信号，VRST为像素单元输出的复位信号，VREF2为暗电流基准信号，Vf为暗电流离散信号。

本发明提供的读出电路进行像素单元感光信号读出的具体方法包括如下步骤：

S00：暗像素阵列进行逐行曝光，针对同一帧曝光图像，对暗像素阵列中各个像素单元产生的暗电流进行统计，并根据统计结果确定暗电流控制字，暗电流控制字经过DAC转换为暗电流基准信号VREF2和暗电流离散信号Vf；

S01：像素单元输出复位信号VRST，开关S1闭合，开关S2断开；

S02：放大器和比较器进行复位，此时，放大器输出端信号VOP_OUT等于斜波信号VRAMP；

S03：斜波信号VRAMP开始产生第一个斜波VR，同时计数器进行计数，斜波信号VRAMP与放大器输出端信号VOP_OUT形成一个交点，交点处比较器发生翻转，比较器输出端信号VCMP_OUT由低跳高使得计数器停止计数，计数器将上述产生的第一个计数值D1进行存储；

S04：像素单元进行曝光，并输出曝光信号VSIG，开关S1断开，开关S2闭合，斜波信号开始产生第二个斜波VS，计数器进行计数，斜波信号VRAMP与放大器输出端信号VOP_OUT形成一个交点，交点处比较器发生翻转，比较器输出端信号VCMP_OUT由低跳高使得计数器停止计数，计数器将上述产生的第二个计数值D2进行存储；

此时，放大器输出端信号VOP_OUT＝-(c1/c2)×(VRST-VSIG-ΔV)，且ΔV＝(VREF2-VF)cf/c2；其中，c1、c2和cf分别表示采样电容C1、放大电容C2、放大电容C3的电容值，VSIG为像素单元输出的曝光信号，VRST为像素单元输出的复位信号，VREF2为暗电流基准信号，Vf为暗电流离散信号；同时，

S05：第二计数值D2与第一计数值D1的差值即为像素单元的感光信号值。

以下实施例1中以像素单元为4T像素单元为例，对4T像素单元的读出过程进行详细介绍：

实施例1

如附图5和6所示，像素单元为4T像素单元，且有效像素阵列中的像素单元通过列读出电路进行读出。具体结构如附图5所示，由于该像素单元为现有技术结构，对其结构不再做详细说明。

像素阵列进行逐行曝光，得到一帧图像，对暗像素阵列中各个像素单元产生的暗电流进行统计，并根据统计结果确定暗电流控制字，暗电流控制字经过DAC转换为暗电流基准信号VREF2和暗电流离散信号Vf。

在一个行曝光CIS的读周期中，首先某一行的SEL信号为高，选中该行进行读操作，RX信号由低变高对像素单元进行复位，VFD节点被拉高至VDD。RX信号再由高变低，像素单元输出复位信号VRST，此时有效像素输出端信号VPIX_OUT＝VRST。信号RST1和信号RST2为高，对放大器OP和比较器CMP进行复位，此时放大器输出端信号VOP_OUT＝VRAMP。

信号RST1和信号RST2由高变低后，放大器输出端信号VOP_OUT保持不变，斜波信号VRAMP产生第一个斜波VR，且在第一个斜波产生阶段，开关S1闭合，开关S2断开；同时计数器CNT也在进行计数，斜波信号VRAMP与放大器输出端信号VOP_OUT形成一个交点，交叉处比较器CMP输出发生翻转，比较器输出信号VCMP_OUT由低跳高使得计数器CNT停止计数并将第一个计数值(t1对应的计数值)D1存储。

此后，信号TX由低变高，将光电二极管PD中的电子传递出去，拉低了VFD节点电位，信号TX再由高变低，像素单元输出端信号VPIX_OUT＝VSIG。同时，斜波信号VRAMP产生第二个斜波VS，经放大器OP放大后的放大器输出端信号VOP_OUT又与第二个斜波VRAMP形成第二个交点，比较器输出端信号VCMP_OUT由低跳高使得计数器CNT停止计数并将第二个计数值(t2对应的计数值)D2存储；在第二个斜波产生阶段，开关S1断开，开关S2闭合；由于之前采样电容C1上储存了VRST信号电荷，放大电容Cf上储存了VREF2信号电荷，VRST与VSIG的差值VRST-VSIG将先减去ΔV再通过采样电容C1、放大电容C2比值进行放大，放大倍数为-C1/C2(负号表示反向放大)；放大器输出端信号VOP_OUT＝-(c1/c2)×(VRST-VSIG-ΔV)，该结果为减去了暗电流信号的值，对应图5中的Vsig-Vob。

最后将D2与D1作差，计数器CNT输出D2-D1的差值作为最终读出电路的输出，即像素单元的感光信号值。

本发明提供的读出电路和方法实现了在模拟域信号放大前实现暗校正，有效保证了列读出电路信号转换的性能，也即保证了CIS输出的动态范围。

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。