[发明专利]具有增益补偿的HDR图像传感器、读出电路及方法

说明书

本发明提出一种具有增益补偿的HDR图像传感器，其包括像素阵列，控制电路及读出电路。所述控制电路根据控制以顺序读取所述像素阵列输出的低转换增益的复位信号、高转换增益的复位信号、高转换增益的图像信号以及低转换增益的图像信号；所述读出电路包括选择开关，低转换增益模数转换电路和高转换增益模数转换电路，低转换增益模数转换电路用于量化所述像素阵列在低转换增益下输出的复位信号和图像信号；高转换增益模数转换电路用于量化所述像素阵列在高转换增益下输出的复位信号和图像信号。本发明还提出一种具有增益补偿的HDR图像传感器读出电路及实现方法。

技术领域

本发明涉及CMOS图像传感器技术领域，尤其涉及一种具有增益补偿和高动态范围的图像传感器、读出电路及实现方法。

背景技术

动态范围是图像传感器成像质量的关键因素，动态范围大可输出更宽光强范围内的场景图像信息，呈现更丰富的图像细节。通常情况下图像传感器输出的动态范围大约为60～70db，在一般自然环境应用中为了同时捕获高光及阴影部分的图像信息所需要的动态范围约为100db。在图像传感器设计中，提高动态范围的方式有几种实现方式，例如进一步提高像素电路的满阱电荷容量，可获得更大的动态范围；或者采用读取多帧图像进行多帧合成的方式来实现图像传感器高动态范围(HDR)。

DCG(Dual Conversion Gain)双转换增益应用于图像传感器像素电路，在低照度条件下以较小的积分电容提高转换增益，以提高灵敏度；在高照度条件下以较大的积分电容提升存储电荷，降低转换增益以提高动态范围。采用多帧合成的高动态范围实现方式中多帧读取过程存在时间差，最后合成的图像中会出现拖尾的现象，电路的读取噪声大。如何进一步提高图像传感器的动态范围，并同时降低像素电路的噪声是当前设计中面临的主要问题。

基于上述问题，本发明旨在提供一种解决方案以有效实现图像传感器高动态范围。

发明内容

本发明目的提供一种具有增益补偿的HDR图像传感器，所述图像传感器包括:

像素阵列；

控制电路，连接到所述像素阵列，所述控制电路控制以顺序读取所述像素阵列输出的低转换增益的复位信号、高转换增益的复位信号、高转换增益的图像信号以及低转换增益的图像信号；

读出电路，包括选择开关，低转换增益模数转换电路和高转换增益模数转换电路，所述低转换增益模数转换电路用于量化所述像素阵列在低转换增益下输出的复位信号和图像信号；所述高转换增益模数转换电路用于量化所述像素阵列在高转换增益下输出的复位信号和图像信号；

进一步地，所述选择开关对低转换增益模数转换电路和高转换增益模数转换电路进行切换选择；

进一步地，所述低转换增益模数转换电路和高转换增益模数转换电路分别包括比较器，计数器及存储器；

进一步地，所述像素阵列在低转换增益下的像素输出的复位信号或图像信号和低转换增益斜坡电压分别通过电容耦合到所述低转换增益模数转换电路比较器的两个输入端；所述像素阵列在高转换增益下的像素输出的复位信号或图像信号和高转换增益斜坡电压分别通过电容耦合到所述高转换增益模数转换电路比较器的两个输入端；所述低转换增益斜坡电压和高转换增益斜坡电压的斜率相同或不同；所述低转换增益斜坡电压和高转换增益斜坡电压的斜率不同时，可进一步提升电路增益；

进一步地，所述低转换增益斜坡电压通过可变电容耦合到所述低转换增益模数转换电路比较器的输入端；所述高转换增益斜坡电压通过可变电容耦合到所述高转换增益模数转换电路比较器的输入端；调节所述可变电容可进一步提升电路增益；

进一步地，所述像素阵列包括多个按行和列排列的像素单元，每个所述像素单元包括DCG晶体管及电容，所述DCG晶体管及电容根据控制实现所述像素单元的高增益和低增益转换；