[发明专利]矩阵图像传感器以及读取矩阵图像传感器中的像素的方法

说明书

在矩阵图像传感器中，读取列中像素的方法允许对由列提供的电压电平进行两种模‑数转换模式：第一种模式是在具有标称持续时间d_n的标称转换时间槽F_CONV中执行单次模‑数转换，并且计数开始于标称持续时间d_n的斜坡且在比较器的输出S_CMP的切换时停止；第二种模式通过在相同标称转换时间槽中与缩短的斜坡d_r进行比较而提供多次转换。要应用的转换模式的选择基于在斜坡开始时刻t之后的预定持续时间之后，比较器的输出S_CMP的状态观察：如果输出被切换，则要转换的有用电平表示低光水平，将对其应用第二多次转换模式；如果输出未被触发，则要转换的有用电平表示高光水平，并且将应用第一传统的单次转换模式。本发明能够通过降低由于转换链的电路所引起的高斯噪声部分来对低光水平改善传感器的输出处的信噪比。

技术领域

本发明涉及一种读取图像传感器中的像素的方法，并且更具体地涉及具有大动态范围的图像传感器，其旨在聚集处于低亮度级和高亮度级的图像。

背景技术

图像传感器包括被组织成行和列的像素矩阵。同一列的像素连接至本身连接至读取电路的列导体，从而将通过用于读取而选择的像素而施加至列导体的电压电平转换成数字。该电压电平表示由像素接收的光水平。该转换通过包括比较器和计数器的斜坡型模-数转换器来执行，所述比较器用于将要转换的电压电平与线性电压斜坡进行比较，所述计数器从斜坡开始的时刻起以高频进行计数直到比较器触发为止。计数器在触发时刻的内容表示要转换的电压电平的数值。

该像素主要包括光电二极管和MOS晶体管(例如，四个晶体管)，使得能够驱动光电二极管中的光所产生的电荷的读取。具有四个晶体管的像素通过将电荷从光电二极管传送至之前被初始化至重新初始化电位的电容性存储节点来操作；像素的读取通常包括：在重新初始化电位的列导体上执行，然后在表示由像素接收的光水平的存储节点的电位的列导体上执行。

采用已知的方式，为了避免与像素的电容性存储节点相关的噪声，可以执行两个电平(重新初始化电平和有用电平)中的每一个的模-数转换，并且在两个数值之间执行减法，因而消除了这个相关的噪声成分，其中所述噪声为相关噪声，其对于存储节点的重新初始化电平以及对于在接收的电荷传送之后的有用电平是同样的。还可以在将差值转换之前对模拟电压执行减法。在这种情况下，在执行差值转换之前，使用两个采样电容器来对由列提供的电信号进行采样，一次是在重新初始化之后，另一次是在电荷传送之后。

读取电路根据传感器的动态范围(也就是说，期望测量的照度范围)来限定尺寸。尤其地，考虑到计数频率、计数器的位数量以及期望的转换速率来确定斜坡的持续时间，以允许测量期望的最高照度水平的转换。

这些图像传感器的动态范围实际上受限于转换链的各种噪声源的低照度水平，所述转换链包括：像素中安装为跟随器的晶体管，以将存储节点的电位复制至列导体上；为全部的列所共用的电流源；形成比较器的大增益放大器等。该链噪声完全是随机的，并且不依赖于要测量的信号的电平。其对增加传感器对于低照度水平的动态范围的能力构成障碍。

更具体地，本发明涉及读取电路，其直接地对由列提供的两个电压电平中的每一个执行模-数转换，以及所获得的两个数值之间的减法。实际上，在上下文中，理论上已知如何通过对该信号执行n次转换并且对该n次转换进行平均来降低n的根比率(rapportracine de n)、存在于信号中的高斯噪声的量。

但执行n次转换增加了用于读取所确定的像素，以针对这些传感器获得宽的动态范围和良好的分辨率所需的时间，该时间主要由斜坡的标称持续时间来确定。

发明内容

为了解决这个问题，本发明提出了在由列提供的电压电平的模-数转换阶段中，确定这个电平表示低照度水平还是高照度水平，从而在低照度水平的情况下通过利用对于n次转换中的每一次降低的持续时间的斜坡，在用于单次转换所正常分配的时间中执行n次转换并进行平均。