CN108429894B - 图像传感器、电子设备及图像处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种图像传感器，其包括：多个像素，其包括待解析像素和参考像素；比较器，其第一输入端与第一电容相连，第一电容分别通过第一开关和第二开关与参考像素和待解析像素相连，比较器还包括连接在其第一输入端和输出端，以及第二输入端和输出端之间的第三开关；波形发生器，其通过第二电容与比较器的第二输入端相连；计数器，其输入端与比较器的输出端相连；第一锁存器和第二锁存器，第一锁存器通过第四开关与计数器的输出端相连，第二锁存器通过第五开关与计数器的输出端相连；控制器，用于控制第一开关至第五开关，以根据待解析像素和参考像素输出的Reset信号和Signal信号生成转换结果，从而能够有效消除像素阵列的电源噪声，提高了解析精度。
Description
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，特别涉及一种图像传感器、一种电子设备和一种图像处理方法。
背景技术
图像传感器(CMOS image sensors，CIS)由于功耗低、可在同一芯片上集成传感器和读出电路等优点得到了越来越广泛的应用。相关技术中的图像传感器一般由像素(pixel)阵列及相应的读出电路组成，由于金属走线寄生的存在，导致在实际应用中每列的电源不一致，从而引起列与列之间的差异即产生电源噪声，其中，电源噪声可包括像素阵列的电源不一致引起的电源噪声和读出电路的电源不一致引起的电源噪声。
但是，相关技术存在的缺点是，无法消除像素阵列的电源不一致引起的电源噪声。
因此，相关技术需要进行改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种图像传感器，该图像传感器能够有效消除像素阵列的电源噪声。
本发明的另一个目的在于提出一种电子设备。本发明的又一个目的在于提出一种图像处理方法。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出的一种图像传感器，包括：多个像素，其中，所述多个像素包括待解析像素和参考像素；比较器，所述比较器包括第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端与第一电容相连，所述第一电容分别通过第一开关和第二开关与所述参考像素和所述待解析像素相连，所述比较器还包括连接在所述第一输入端和所述输出端，以及所述第二输入端和所述输出端之间的第三开关；波形发生器，所述波形发生器通过第二电容与所述比较器的第二输入端相连；计数器，所述计数器的输入端与所述比较器的输出端相连；第一锁存器和第二锁存器，所述第一锁存器通过第四开关与所述计数器的输出端相连，所述第二锁存器通过第五开关与所述计数器的输出端相连；控制器，用于控制所述第一开关至第五开关，以根据所述待解析像素和所述参考像素输出的Reset信号和Signal信号生成转换结果。
根据本发明实施例提出的图像传感器，通过控制器控制第一开关至第五开关的闭合或者断开，先控制待解析像素和参考像素输出Reset信号，再控制待解析像素和参考像素输出Signal信号，并根据待解析像素和参考像素输出的Reset信号和Signal信号生成转换结果，从而能够有效消除像素阵列的电源噪声，实现待解析像素的解析，提高了像素解析的精度。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出的一种电子设备，包括所述的图像传感器。
根据本发明实施例提出的电子设备，通过上述图像传感器，能够消除像素的电源噪声，实现待解析像素的解析，提高了像素解析的精度。
为达到上述目的，本发明又一方面实施例提出的一种图像处理方法，图像传感器包括多个像素、比较器、波形发生器、计数器、第一锁存器和第二锁存器，其中，所述多个像素包括待解析像素和参考像素，所述比较器包括第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端与第一电容相连，所述第一电容分别通过第一开关和第二开关与所述参考像素和所述待解析像素相连，所述比较器还包括连接在所述第一输入端和所述输出端，以及所述第二输入端和所述输出端之间的第三开关，所述波形发生器通过第二电容与所述比较器的第二输入端相连，所述计数器的输入端与所述比较器的输出端相连，所述第一锁存器通过第四开关与所述计数器的输出端相连，所述第二锁存器通过第五开关与所述计数器的输出端相连，其中，所述方法包括以下步骤：控制所述待解析像素和所述参考像素输出Reset信号；控制所述待解析像素和所述参考像素输出Signal信号；根据所述待解析像素和所述参考像素输出的Reset信号和Signal信号生成转换结果。
根据本发明实施例提出的图像处理方法，先控制待解析像素和参考像素输出Reset信号，再控制待解析像素和参考像素输出Signal信号，并根据待解析像素和参考像素输出的Reset信号和Signal信号生成转换结果，从而能够有效消除像素阵列的电源噪声，实现待解析像素的解析，提高了像素解析的精度。
附图说明
图1为根据本发明一个实施例的图像传感器的电路原理图；
图2为根据本发明一个实施例的图像传感器的方框示意图；
图3为根据本发明一个实施例的图像传感器的控制时序的示意图；
图4为根据本发明另一个实施例的图像传感器的电路原理图；
图5为根据本发明实施例的电子设备的方框示意图；以及
图6为根据本发明实施例的图像处理方法的流程图。
附图说明：
多个像素10、比较器20、波形发生器30、计数器40、第一锁存器50、第二锁存器60和控制器70；
待解析像素101和参考像素102；
第一开关S1至第五开关S5；模数转换器1；
比较电路80；第一MOS管MOS1至第五MOS管MOS5；
电子设备100和图像传感器200。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图来描述本发明实施例的图像传感器、电子设备及图像处理方法。
图1为根据本发明实施例的图像传感器的方框示意图。如图1所示，本发明实施例的图像传感器包括：包括：多个像素10、比较器20、波形发生器30、计数器40、第一锁存器50、第二锁存器60和控制器70。
其中，多个像素10包括待解析像素101和参考像素102；比较器20包括第一输入端IN1、第二输入端IN2和输出端OUT，第一输入端IN1与第一电容C1相连，第一电容C1分别通过第一开关S1和第二开关S2与参考像素102和待解析像素101相连，比较器20还包括连接在第一输入端IN1和输出端OUT，以及第二输入端IN2和输出端OUT之间的第三开关S3；波形发生器30通过第二电容C2与比较器20的第二输入端IN2相连；计数器40的输入端与比较器20的输出端OUT相连；第一锁存器50通过第四开关S4与计数器40的输出端OUT相连，第二锁存器60通过第五开关S5与计数器40的输出端OUT相连；控制器70用于控制第一开关S1至第五开关S5，以根据待解析像素101和参考像素102输出的Reset信号和Signal信号生成转换结果。
具体来说，在本发明的实施例中，包括比较器20、波形发生器30、计数器40、第一锁存器50、第二锁存器60和控制器70可构成模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)1。其中，波形发生器30用于输出下降的单斜率斜坡信号，比较器20通过第一输入端IN1接收像素输出的信号即Reset信号和Signal信号，并通过第二输入端IN2接收波形发生器30输出的斜坡信号；比较器20用于对像素输出的信号和波形发生器30输出的斜坡信号进行比较，当两者相等时，比较器20的输出端OUT输出的电平信号发生翻转；计数器40用于接收比较器20的输出端OUT输出的电平信号，记录从斜坡信号开始下降到比较器20输出的电平信号发生翻转所用的时间，并将其转换为时钟周期数，以及将该时钟周期数以二进制形式即数字信号形式输出；第一锁存器50和第二锁存器60用于存储计数器40输出的数字信号。
进一步地，在本发明的一个实施例中，如图2所示，多个像素10可为像素阵列中的任意一列的像素，每个像素输出的信号包括Reset信号Vr和Signal信号Vs，其中，Vr大于Vs。选择像素阵列中的任意一行作为参考行，并将其余行中的至少一行作为待解析行即正常的需要解析的像素行，其中，参考行包括多个参考像素102，待解析行包括多个待解析像素101，对参考行的参考像素102进行无光处理，以使参考像素102输出的Reset信号Vr0和Signal信号Vs0只保留像素阵列的电源噪声信号。
需要说明的是，像素用于将光信号转换成电信号，以便后续电路将其转换成二进制数字码进行输出。为了消除像素阵列的固定噪声，现在的处理方式是采用相关双采样方式，即先对像素复位一次，以使像素输出第一电压即为方案中的reset信号Vr0，其中，reset信号Vr0的电压值随时间发生变化，对第一电压进行采样，以使获取到的reset信号Vr0只在一段时间里电压值有效。然后对像素进行曝光处理，以使像素输出第二电压即为方案中的signal信号Vs0，其中，signal信号Vs0的电压值也随时间发生变化，对第二电压进行采样，以使获取到的signal信号Vs0只在一段时间里电压值有效。
如图2所示，像素阵列中多列像素与多个模数转换器1对应，每一列的参考像素102和待解析像素101分别经过第一开关S1和第二开关S2与对应的模数转换器1的第一输入端相连，波形发生器30与每一列对应的模数转换器1的第二输入端相连，即多列像素对应的多个模数转换器1共用同一波形发生器30，这样，在图像传感器的工作过程中，模数转换器1对待解析像素101和参考像素102输出的信号即Reset信号和Signal信号进行模数转换，并在数字电路中将待解析像素101输出的信号减去相应列的参考像素102输出的信号，以消除像素的电源噪声。
根据本发明的一个具体实施例，如果选择多个像素10中的多个像素作为待解析像素101，则可将多个待解析像素101的输出端相连后再通过第二开关S2与模数转换器1的第一输入端相连，或者多个待解析像素101与多个第二开关S2对应相连，即每个待解析像素101分别通过对应的第二开关S2与模数转换器1的第一输入端相连。
需要说明的是，待解析像素101输出的Reset信号Vr1和参考像素102输出的Reset信号Vr0同时出现，待解析像素101输出的Signal信号Vs1和参考像素102输出的Reset信号Vr0同时出现。具体来说，在图像传感器的工作过程中，首先待解析像素101输出Reset信号Vr1，同时参考像素102输出Reset信号Vr0，控制器70按照图3所示的控制时序控制第一开关S1至第五开关S5闭合或者断开，其中，高电平表示相应的开关闭合，低电平状态表示相应的开关断开，从而根据待解析像素101输出的Reset信号Vr1和参考像素102输出的Reset信号Vr0生成第一转换结果，并将第一转换结果存储在第一锁存器50中。然后，待解析像素101输出Signal信号Vs1，同时参考像素102输出Signal信号Vs0，控制器70按照图3所示的控制时序控制第一开关S1至第五开关S5闭合或者断开，以根据待解析像素101输出的Signal信号Vs1和参考像素102输出的Signal信号Vs0生成第二转换结果，并将第二转换结果存储在第二锁存器60中。进而，将第二锁存器60中存储的第二转换结果减去第一锁存器50中存储的第一转换结果，以生成最终的转换结果。
由此，能够消除像素的电源噪声，实现待解析像素的解析，提高了像素解析的精度。
下面结合图1和图3，以像素阵列中的一列为例，对本发明实施例的图像传感器的具体工作原理进行描述。
根据本发明的一个实施例，控制器70进一步用于，控制第三开关S3闭合以对比较器20进行复位，并控制第一开关S1闭合，其中，第一开关S1的闭合时间小于第三开关S3的闭合时间，以及在第三开关S3断开之后依次控制第二开关S2和第四开关S4闭合，以将第一转换结果存储在第一锁存器50中。
其中，第一转换结果可为((Vramp_max-Vramp0)-(Vr1-Vr0))，其中，Vramp_max为波形发生器30的预设斜坡电平，Vramp0为波形发生器30的预设初始电平，Vr1为待解析像素101的Reset信号，Vr0为参考像素102的Reset信号，其中，波形发生器的预设初始电平Vramp0小于波形发生器的预设斜坡电平Vramp_max。
根据本发明的一个实施例，控制器70进一步用于，控制第三开关S3闭合以对比较器20进行复位，并控制第一开关S1闭合，其中，第一开关S1的闭合时间小于第三开关S3的闭合时间，以及在第三开关S3断开之后依次控制第二开关S2和第五开关S5闭合，以将第二转换结果存储在第二锁存器60中。
其中，第二转换结果可为((Vramp_max-Vramp0)-(Vs1-Vs0))，其中，Vramp_max为波形发生器30的预设斜坡电平，Vramp0为波形发生器30的预设初始电平，Vs1为待解析像素101的Signal信号，Vs0为参考像素102的Signal信号，其中，波形发生器的预设初始电平Vramp0小于波形发生器的预设斜坡电平Vramp_max。
具体来说，如图3所示，获取转换结果的过程包括两个工作阶段即第I阶段和第II阶段，其中，控制器70在图3所示的t1至t4时刻和图3所示的t1＇至t4＇时刻控制第三开关S3闭合，并在图3所示的t2至t3时刻和图3所示的t2＇至t3＇时刻控制第一开关S1闭合，以使第一开关S1的闭合时间小于第三开关S3的闭合时间。
在第I阶段，待解析像素101输出Reset信号Vr1，参考像素102输出Reset信号Vr0，控制器70在图3所示的t1时刻控制第三开关S3闭合，以使比较器20的输入端和输出端相连，以对比较器20进行复位，此时，比较器20的输入输出相等且等于参考电压Vref，其中，参考电压Vref由电路自身参数决定，将比较器20的第一输入端IN1的电压值记为Vn，比较器20的第二输入端IN2的电压值记为Vp，则在第三开关S3闭合时，Vp＝Vn＝Vref。
然后，控制器70在图3所示的t2时刻再控制第一开关S1闭合，参考像素102将Reset信号Vr0输出至第一电容C1，假设第一电容C1的电容值Q1与第二电容C2的电容值Q2相等且均记为Q，则此时第一电容C1上的电荷为Q*(Vref-Vr0)。此时，波形发生器30输出的初始电平记为预设初始电平Vramp0，则第二电容C2上的电荷为Q*(Vref-Vramp0)，其中，预设初始电平Vramp0低于预设斜坡电平Vramp_max。
进而，控制器70先在图3所示的t3时刻控制第一开关S1断开，再在图3所示的t4时刻控制第三开关S3断开，然后在图3所示的t5时刻控制第二开关S2闭合，此时待解析像素101将Reset信号Vr1输出至第一电容C1，同时，使波形发生器30的输出预设斜坡电平Vramp_max，此时，比较器20的第一输入端IN1的电压值记为Vn1，比较器20的第二输入端IN2的电压值记为Vp1，则此时第一电容C1上的电荷为Q*(Vn1-Vr1)，第二电容C2上的电荷为Q*(Vp1-Vramp_max)。根据电荷守恒定律可知，第三开关S3断开前后，第一电容C1和第二电容C2上的电荷分别保持不变，则
对于第一电容C1而言，满足下式(1)，即：
Q*(Vref-Vr0)＝Q*(Vn1-Vr1) (1)
由式(1)可知，Vn1＝Vref+(Vr1-Vr0) (2)
对于第二电容C2而言，满足下式(3)，即：
Q*(Vref-Vramp0)＝Q*(Vp1-Vramp_max) (3)
由式(3)可知，Vp1＝Vref+(Vramp_max-Vramp0) (4)
由上式(2)和(4)可知，在波形发生器30输出预设斜坡电平Vramp_max时即在图3所示的t5时刻，比较器20的第一输入端IN1的电压Vn1和比较器20的第二输入端IN2的电压Vp1满足下式(5)，即
Vp1-Vn1＝(Vramp_max-Vramp0)-(Vr1-Vr0) (5)
此时，比较器20输出第一电平例如高电平至计数器40，计数器40接收到高电平并从零开始进行计数。由于波形发生器30输出一个下降的单斜率斜坡信号，在t5时刻过后，波形发生器30的输出电平开始下降，当比较器20的输入电压Vp1-Vn1等于0时，比较器20的输出电平发生翻转，控制计数器40停止计数，从而获取第一转换结果即(Vramp_max-Vramp0)-(Vr1-Vr0)。进而，控制器70在图3所示的t6时刻控制第二开关S2断开，并在图3所示的t7时刻控制第四开关S4闭合，以将第一转换结果存储在第一锁存器50中。
需要说明的是，在第I阶段，可根据比较器20的输入电压Vr0-Vr1获取第一转换结果，但是，由于电路的不确定性，Vr0-Vr1的值可正可负，最终可能无法得到正确的转换结果。本发明实施例的图像传感器通过比较器20的第二输入端IN2引入(Vramp_max-Vramp0)，能够保证比较器20的输入电压Vp1-Vn1大于0，从而准确获取第一转换结果。
在第II阶段，待解析像素101输出Signal信号Vs1，参考像素102输出Signal信号Vs0，控制器70在图3所示的t1＇时刻控制第三开关S3闭合，以使比较器20的输入端和输出端相连，以对比较器20进行复位，此时，比较器20的输入输出相等且等于参考电压Vref，其中，参考电压Vref由电路自身参数决定，将比较器20的第一输入端IN1的电压值记为Vn，比较器20的第二输入端IN2的电压值记为Vp，则在第三开关S3闭合时，Vp＝Vn＝Vref。
然后，控制器70在图3所示的t2＇时刻再控制第一开关S1闭合，参考像素102将Signal信号Vs0输出至第一电容C1，假设第一电容C1的电容值Q1与第二电容C2的电容值Q2相等且均记为Q，则此时第一电容C1上的电荷为Q*(Vref-Vs0)。此时，波形发生器30输出的初始电平记为预设初始电平Vramp0，则第二电容C2上的电荷为Q*(Vref-Vramp0)，其中，预设初始电平Vramp0低于预设斜坡电平Vramp_max。
进而，控制器70先在图3所示的t3时刻控制第一开关S1断开，再在图3所示的t4＇时刻控制第三开关S3断开，然后在图3所示的t5＇时刻控制第二开关S2闭合，此时，待解析像素101将Signal信号Vs1输出至第一电容C1，同时，使波形发生器30的输出预设斜坡电平Vramp_max，此时，比较器20的第一输入端IN1的电压值记为Vn1，比较器20的第二输入端IN2的电压值记为Vp1，则此时第一电容C1上的电荷为Q*(Vn1-Vs1)，第二电容C2上的电荷为Q*(Vp1-Vramp_max)。根据电荷守恒定律可知，第三开关S3断开前后，第一电容C1和第二电容C2上的电荷分别保持不变，则
对于第一电容C1而言，满足下式(6)，即：
Q*(Vref-Vs0)＝Q*(Vn1-Vs1) (6)
由式(6)可知，Vn1＝Vref+(Vs1-Vs0) (7)
对于第二电容C2而言，满足下式(3)，即：
Q*(Vref-Vramp0)＝Q*(Vp1-Vramp_max) (3)
由式(3)可知，Vp1＝Vref+(Vramp_max-Vramp0) (8)
由上式(7)和(3)可知，在波形发生器30输出预设斜坡电平Vramp_max时即在图3所示的t5＇时刻，比较器20的第一输入端IN1的电压Vn1和比较器20的第二输入端IN2的电压Vp1满足下式(9)，即
Vp1-Vn1＝(Vramp_max-Vramp0)-(Vs1-Vs0) (9)
此时，比较器20输出第一电平例如高电平至计数器40，计数器40接收到高电平并从零开始进行计数。由于波形发生器30输出一个下降的单斜率斜坡信号，在t5＇时刻过后，波形发生器30的输出电平开始下降，当比较器20的输入电压Vp1-Vn1等于0时，比较器20的输出电平发生翻转，控制计数器40停止计数，从而获取第二转换结果即(Vramp_max-Vramp0)-(Vs1-Vs0)。进而，控制器70在图3所示的t6＇时刻控制第二开关S2断开，并在图3所示的t7＇时刻控制第五开关S5闭合，以将第二转换结果存储在第二锁存器60中。
需要说明的是，在第II阶段，可根据比较器20的输入电压Vs0-Vs1获取第二转换结果，但是，由于电路的不确定性，Vs0-Vs1的值可正可负，最终可能无法得到正确的转换结果。本发明实施例的图像传感器通过比较器20的第二输入端IN2引入(Vramp_max-Vramp0)，能够保证比较器20的输入电压Vp1-Vn1大于0，从而准确获取第二转换结果。
根据本发明的一个实施例，转换结果可为((Vr1-Vs1)-(Vr0-Vs0))。
具体来说，第一转换结果即(Vramp_max-Vramp0)-(Vr1-Vr0)和第二转换结果即(Vramp_max-Vramp0)-(Vs1-Vs0)均为数字信号例如二进制字符串，控制器70在获取第一转换结果和第二转换结果之后，在数字电路中实现第二转换结果减去第一转换结果，即((Vramp_max-Vramp0)-(Vs1-Vs0))-((Vramp_max-Vramp0)-(Vr1-Vr0))＝(Vr1-Vs1)-(Vr0-Vs0)，从而可根据待解析像素101输出Reset信号Vr1、参考像素102输出Reset信号Vr0、待解析像素101输出Signal信号Vs1和参考像素102输出Signal信号Vs0获取转换结果((Vr1-Vs1)-(Vr0-Vs0))。
如上所述，控制器70最终获取到的转换结果可为((Vr1-Vs1)-(Vr0-Vs0))，其中，(Vr1-Vs1)可表示待解析像素101的转换结果，(Vr0-Vs0)可表示参考像素102的转换结果，由于参考像素102输出的Reset信号Vr0和Signal信号Vs0只保留电源噪声信号，将(Vr1-Vs1)与(Vr0-Vs0)作差，可从待解析像素101的转换结果中去除参考像素102中保存的电源噪声，即言，能够消除像素的电源噪声。
根据本发明的另一个实施例，比较器20可采用图4所示的比较电路80。其中，比较电路80包括：第一MOS管MOS1至第五MOS管MOS5。
其中，第一MOS管MOS1的漏极D与预设电源VDD相连，第一MOS管MOS1的栅极G与偏置产生电路90相连；第二MOS管MOS2的漏极D与第三MOS管MOS3的漏极D相连，第二MOS管MOS2的漏极D与第三MOS管MOS3的漏极D之间具有第一节点，第一节点与第一MOS管MOS1的源极S相连，第二MOS管MOS2的栅极G与第一电容C1相连，其中，第二MOS管MOS2的栅极G等效为图1所示电路中的第一输入端IN1，其与第一电容C1相连，第三MOS管MOS3的栅极G等效为图1所示电路中的第二输入端IN2，其与第二电容C2相连。第四MOS管MOS4的漏极D与第二MOS管MOS2的源极S相连，第四MOS管MOS4的漏极D与第二MOS管MOS2的源极S之间具有第二节点Vo，第二节点Vo通过第三开关S3与第二MOS管MOS2的栅极G相连，第四MOS管MOS4的源极S接地；第五MOS管MOS5的漏极D与第三MOS管MOS3的源极S相连，第五MOS管MOS5的漏极D与第三MOS管MOS3的源极S之间具有第三节点vob，第三节点vob通过第三开关S3与第三MOS管MOS3的栅极G相连，第五MOS管MOS5的源极S接地，第五MOS管MOS5的与第四MOS管MOS4的栅极G相连，第五MOS管MOS5的与第四MOS管MOS4的栅极G之间具有第四节点，第四节点与第五MOS管MOS5的漏极D相连。其中，第二节点Vo等效为图1所示电路中的输出端OUT，其与计数器40相连。
根据本发明的一个具体实施例，第一MOS管MOS1至第三MOS管MOS3可为P沟道MOS管，第四MOS管MOS4和第五MOS管MOS5可为N沟道MOS管。
具体来说，当第三开关S3导通时，比较电路80进入复位状态，第一输入端IN1、第二输入端IN2、第二节点Vo和第三节点Vob四端的电压相等，电压值等于上述实施例中的参考电压Vref。其中，参考电压Vref的值由流过第五MOS管MOS5的电流及其尺寸决定。
综上，根据本发明实施例提出的图像传感器，通过控制器控制第一开关至第五开关的闭合或者断开，先控制待解析像素和参考像素输出Reset信号，再控制待解析像素和参考像素输出Signal信号，并根据待解析像素和参考像素输出的Reset信号和Signal信号生成转换结果，从而能够有效消除像素阵列的电源噪声，实现待解析像素的解析，提高了像素解析的精度。
图5为根据本发明实施例的电子设备的方框示意图。如图5所示，该电子设备100包括图像传感器200。
综上，根据本发明实施例的电子设备，通过上述图像传感器，能够有效消除像素阵列的电源噪声，实现待解析像素的解析，提高了像素解析的精度。
图6为根据本发明实施例的图像处理方法的流程图。图像传感器包括多个像素、比较器、波形发生器、计数器、第一锁存器和第二锁存器，其中，多个像素包括待解析像素和参考像素，比较器包括第一输入端、第二输入端和输出端，第一输入端与第一电容相连，第一电容分别通过第一开关和第二开关与参考像素和待解析像素相连，比较器还包括连接在第一输入端和输出端，以及第二输入端和输出端之间的第三开关，波形发生器通过第二电容与比较器的第二输入端相连，计数器的输入端与比较器的输出端相连，第一锁存器通过第四开关与计数器的输出端相连，第二锁存器通过第五开关与计数器的输出端相连。
如6图所示，该图像处理方法包括以下步骤：
S10：控制待解析像素和参考像素输出Reset信号。
S20：控制待解析像素和参考像素输出Signal信号。
S30：根据待解析像素和参考像素输出的Reset信号和Signal信号生成转换结果。
具体来说，在本发明的实施例中，比较器、波形发生器、计数器、第一锁存器和第二锁存器可构成模数转换器。其中，波形发生器用于输出下降的单斜率斜坡信号，比较器通过第一输入端接收像素输出的信号即Reset信号和Signal信号，并通过第二输入端接收波形发生器输出的斜坡信号；比较器用于对像素输出的信号和波形发生器输出的斜坡信号进行比较，当两者相等时，比较器的输出端输出的电平信号发生翻转；计数器用于接收比较器的输出端输出的电平信号，记录从斜坡信号开始下降到比较器输出的电平信号发生翻转所用的时间，并将其转换为时钟周期数，以及将该时钟周期数以二进制形式即数字信号形式输出；第一锁存器和第二锁存器用于存储计数器输出的数字信号。
进一步地，在本发明的一个实施例中，多个像素可为像素阵列中的任意一列的像素，每个像素输出的信号包括Reset信号Vr和Signal信号Vs，其中，Vr大于Vs。选择像素阵列中的任意一行作为参考行，并将其余行中的至少一行作为待解析行即正常的需要解析的像素行，其中，参考行包括多个参考像素，待解析行包括多个待解析像素，对参考行的参考像素进行无光处理，以使参考像素输出的Reset信号Vr0和Signal信号Vs0只保留电源噪声信号。同一列的参考像素和待解析像素分别经过第一开关和第二开关与模数转换器的第一输入端相连，波形发生器与所有列的模数转换器的第二输入端相连即所有列的模数转换器共用同一波形发生器，这样，在图像传感器的工作过程中，模数转换器对待解析像素和参考像素输出的信号即Reset信号和Signal信号进行模数转换，并在数字电路中将待解析像素输出的信号减去相应列的参考像素输出的信号，以消除像素的电源噪声。
根据本发明的一个具体实施例，如果选择多个像素中的多个像素作为待解析像素，则可将多个待解析像素的输出端相连后再通过第二开关与模数转换器的第一输入端相连，或者多个待解析像素与多个第二开关对应相连，即每个待解析像素分别通过对应的第二开关与模数转换器的第一输入端相连。
需要说明的是，待解析像素输出的Reset信号Vr1和参考像素输出的Reset信号Vr0同时出现，待解析像素输出的Signal信号Vs1和参考像素输出的Reset信号Vr0同时出现。
更具体地，首先待解析像素输出Reset信号Vr1，参考像素输出Reset信号Vr0，并按照图3所示的控制时序控制第一开关至第五开关闭合或者断开，其中，高电平表示相应的开关闭合，低电平状态表示相应的开关断开，从而根据待解析像素输出的Reset信号Vr1和参考像素输出的Reset信号Vr0生成第一转换结果，并将第一转换结果存储在第一锁存器中。然后，待解析像素输出Signal信号Vs1，参考像素输出Signal信号Vs0，并按照图3所示的控制时序控制第一开关至第五开关闭合或者断开，以根据待解析像素输出的Signal信号Vs1和参考像素输出的Signal信号Vs0生成第二转换结果，并将第二转换结果存储在第二锁存器中。进而，将第二锁存器中存储的第二转换结果减去第一锁存器中存储的第一转换结果，以生成最终的转换结果。
由此，能够消除像素的电源噪声，实现待解析像素的解析，提高了像素解析的精度。
下面结合图3，以像素阵列中的一列为例，描述本发明实施例的图像传感器的具体工作原理。
根据本发明的一个实施例，根据待解析像素和参考像素输出的Reset信号生成第一转换结果，包括：控制第三开关闭合以对比较器进行复位，并控制第一开关闭合，其中，第一开关的闭合时间小于第三开关的闭合时间；在第三开关断开之后，依次控制第二开关和第四开关闭合，以将第一转换结果存储在第一锁存器中。
其中，第一转换结果可为((Vramp_max-Vramp0)-(Vr1-Vr0))，其中，Vramp_max为波形发生器的预设斜坡电平，Vramp0为波形发生器的预设初始电平，Vr1为待解析像素的Reset信号，Vr0为参考像素的Reset信号，其中，波形发生器的预设初始电平Vramp0小于波形发生器的预设斜坡电平Vramp_max。
根据本发明的一个实施例，根据待解析像素和参考像素输出的Signal信号生成第二转换结果，包括：控制第三开关闭合以对比较器进行复位，并控制第一开关闭合，其中，第一开关的闭合时间小于第三开关的闭合时间；在第三开关断开之后，依次控制第二开关和第五开关闭合，以将第二转换结果存储在第二锁存器中。
根据本发明的一个实施例，第二转换结果可为((Vramp_max-Vramp0)-(Vs1-Vs0))，其中，Vramp_max为波形发生器的预设斜坡电平，Vramp0为波形发生器的预设初始电平，Vs1为待解析像素的Signal信号，Vs0为参考像素的Signal信号，其中，波形发生器的预设初始电平Vramp0小于波形发生器的预设斜坡电平Vramp_max。
在根据本发明的一个实施例中，如图3所示，获取转换结果的过程包括两个工作阶段即第I阶段和第II阶段，其中，在图3所示的t1至t4时刻和图3所示的t1＇至t4＇时刻控制第三开关闭合，并在图3所示的t2至t3时刻和图3所示的t2＇至t3＇时刻控制第一开关闭合，以使第一开关的闭合时间小于第三开关的闭合时间。
在第I阶段，待解析像素输出Reset信号Vr1，参考像素输出Reset信号Vr0，在图3所示的t1时刻控制第三开关闭合，以使比较器的输入端和输出端相连，以对比较器进行复位，此时，比较器的输入输出相等且等于参考电压Vref，其中，参考电压Vref由电路自身参数决定，将比较器的第一输入端的电压值记为Vn，比较器的第二输入端的电压值记为Vp，则在第三开关闭合时，Vp＝Vn＝Vref。
然后，在图3所示的t2时刻再控制第一开关闭合，参考像素将Reset信号Vr0输出至第一电容，假设第一电容的电容值Q1与第二电容的电容值Q2相等且均记为Q，则此时第一电容上的电荷为Q*(Vref-Vr0)。此时，波形发生器输出的初始电平记为预设初始电平Vramp0，则第二电容上的电荷为Q*(Vref-Vramp0)，其中，预设初始电平Vramp0低于预设斜坡电平Vramp_max。
进而，先在图3所示的t3时刻控制第一开关S1断开，再在图3所示的t4时刻控制第三开关断开，然后在图3所示的t5时刻控制第二开关闭合，此时待解析像素将Reset信号Vr1输出至第一电容，同时，使波形发生器的输出预设斜坡电平Vramp_max，此时，比较器的第一输入端的电压值记为Vn1，比较器的第二输入端的电压值记为Vp1，则此时第一电容上的电荷为Q*(Vn1-Vr1)，第二电容上的电荷为Q*(Vp1-Vramp_max)。根据电荷守恒定律可知，第三开关断开前后，第一电容和第二电容上的电荷分别保持不变，则
对于第一电容而言，满足下式(1)，即：
Q*(Vref-Vr0)＝Q*(Vn1-Vr1) (1)
由式(1)可知，Vn1＝Vref+(Vr1-Vr0) (2)
对于第二电容而言，满足下式(3)，即：
Q*(Vref-Vramp0)＝Q*(Vp1-Vramp_max) (3)
由式(3)可知，Vp1＝Vref+(Vramp_max-Vramp0) (4)
由上式(2)和(4)可知，在波形发生器输出预设斜坡电平Vramp_max时即在图3所示的t5时刻，比较器的第一输入端的电压Vn1和比较器的第二输入端的电压Vp1满足下式(5)，即
Vp1-Vn1＝(Vramp_max-Vramp0)-(Vr1-Vr0) (5)
此时，比较器输出第一电平例如高电平至计数器，计数器接收到高电平并从零开始进行计数。由于波形发生器输出一个下降的单斜率斜坡信号，在t5时刻过后，波形发生器的输出电平开始下降，当比较器的输入电压Vp1-Vn1等于0时，比较器的输出电平发生翻转，控制计数器停止计数，从而获取第一转换结果即(Vramp_max-Vramp0)-(Vr1-Vr0)。进而，在图3所示的t6时刻控制第二开关断开，并在图3所示的t7时刻控制第四开关闭合，以将第一转换结果存储在第一锁存器中。
需要说明的是，在第I阶段，可根据比较器的输入电压Vr0-Vr1获取第一转换结果，但是，由于电路的不确定性，Vr0-Vr1的值可正可负，最终可能无法得到正确的转换结果。本发明实施例的图像传感器通过比较器的第二输入端引入(Vramp_max-Vramp0)，能够保证比较器的输入电压Vp1-Vn1大于0，从而准确获取第一转换结果。
在第II阶段，待解析像素输出Signal信号Vs1，参考像素输出Signal信号Vs0，在图3所示的t1＇时刻控制第三开关闭合，以使比较器的输入端和输出端相连，以对比较器进行复位，此时，比较器的输入输出相等且等于参考电压Vref，其中，参考电压Vref由电路自身参数决定，将比较器的第一输入端的电压值记为Vn，比较器的第二输入端的电压值记为Vp，则在第三开关闭合时，Vp＝Vn＝Vref。
然后，控制器70在图3所示的t2＇时刻再控制第一开关闭合，参考像素102将Signal信号Vs0输出至第一电容，假设第一电容的电容值Q1与第二电容的电容值Q2相等且均记为Q，则此时第一电容上的电荷为Q*(Vref-Vs0)。此时，波形发生器输出的初始电平记为预设初始电平Vramp0，则第二电容上的电荷为Q*(Vref-Vramp0)，其中，预设初始电平Vramp0低于预设斜坡电平Vramp_max。
进而，先在图3所示的t3时刻控制第一开关S1断开，再在图3所示的t4＇时刻控制第三开关断开，然后在图3所示的t5＇时刻控制第二开关闭合，此时，待解析像素将Signal信号Vs1输出至第一电容，同时，使波形发生器的输出预设斜坡电平Vramp_max，此时，比较器的第一输入端的电压值记为Vn1，比较器的第二输入端的电压值记为Vp1，则此时第一电容上的电荷为Q*(Vn1-Vs1)，第二电容上的电荷为Q*(Vp1-Vramp_max)。根据电荷守恒定律可知，第三开关断开前后，第一电容和第二电容上的电荷分别保持不变，则
对于第一电容而言，满足下式(6)，即：
Q*(Vref-Vs0)＝Q*(Vn1-Vs1) (6)
由式(6)可知，Vn1＝Vref+(Vs1-Vs0) (7)
对于第二电容而言，满足下式(3)，即：
Q*(Vref-Vramp0)＝Q*(Vp1-Vramp_max) (3)
由式(3)可知，Vp1＝Vref+(Vramp_max-Vramp0) (8)
由上式(7)和(3)可知，在波形发生器输出预设斜坡电平Vramp_max时即在图3所示的t5＇时刻，比较器的第一输入端的电压Vn1和比较器的第二输入端的电压Vp1满足下式(9)，即
Vp1-Vn1＝(Vramp_max-Vramp0)-(Vs1-Vs0) (9)
此时，比较器输出第一电平例如高电平至计数器，计数器接收到高电平并从零开始进行计数。由于波形发生器输出一个下降的单斜率斜坡信号，在t5＇时刻过后，波形发生器的输出电平开始下降，当比较器的输入电压Vp1-Vn1等于0时，比较器的输出电平发生翻转，控制计数器停止计数，从而获取第二转换结果即(Vramp_max-Vramp0)-(Vs1-Vs0)。进而，在图3所示的t6＇时刻控制第二开关断开，并在图3所示的t7＇时刻控制第五开关闭合，以将第二转换结果存储在第二锁存器中。
需要说明的是，在第II阶段，可根据比较器的输入电压Vs0-Vs1获取第二转换结果，但是，由于电路的不确定性，Vs0-Vs1的值可正可负，最终可能无法得到正确的转换结果。本发明实施例的图像传感器通过比较器的第二输入端引入(Vramp_max-Vramp0)，能够保证比较器的输入电压Vp1-Vn1大于0，从而准确获取第二转换结果。
根据本发明的一个实施例，转换结果可为((Vr1-Vs1)-(Vr0-Vs0))。
具体来说，第一转换结果即(Vramp_max-Vramp0)-(Vr1-Vr0)和第二转换结果即(Vramp_max-Vramp0)-(Vs1-Vs0)均为数字信号例如二进制字符串，在获取第一转换结果和第二转换结果之后，将第二转换结果减去第一转换结果，即((Vramp_max-Vramp0)-(Vs1-Vs0))-((Vramp_max-Vramp0)-(Vr1-Vr0))＝(Vr1-Vs1)-(Vr0-Vs0)，从而可根据待解析像素输出Reset信号Vr1、参考像素输出Reset信号Vr0、待解析像素输出Signal信号Vs1和参考像素输出Signal信号Vs0获取转换结果((Vr1-Vs1)-(Vr0-Vs0))。
如上所述，最终获取到的转换结果可为((Vr1-Vs1)-(Vr0-Vs0))，其中，(Vr1-Vs1)可表示待解析像素的转换结果，(Vr0-Vs0)可表示参考像素的转换结果，由于参考像素输出的Reset信号Vr0和Signal信号Vs0只保留电源噪声信号，将(Vr1-Vs1)与(Vr0-Vs0)作差，可从待解析像素的转换结果中去除参考像素中保存的电源噪声，即言，能够消除像素的电源噪声。
综上，根据本发明实施例提出的图像处理方法，先控制待解析像素和参考像素输出Reset信号，再控制待解析像素和参考像素输出Signal信号，并根据待解析像素和参考像素输出的Reset信号和Signal信号生成转换结果，从而能够有效消除像素阵列的电源噪声，实现待解析像素的解析，提高了像素解析的精度。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种图像传感器，其特征在于，包括：
多个像素，其中，所述多个像素包括待解析像素和参考像素；
比较器，所述比较器包括第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端与第一电容相连，所述第一电容分别通过第一开关和第二开关与所述参考像素和所述待解析像素相连，所述比较器还包括连接在所述第一输入端和所述输出端，以及所述第二输入端和所述输出端之间的第三开关；
波形发生器，所述波形发生器通过第二电容与所述比较器的第二输入端相连；
计数器，所述计数器的输入端与所述比较器的输出端相连；
第一锁存器和第二锁存器，所述第一锁存器通过第四开关与所述计数器的输出端相连，所述第二锁存器通过第五开关与所述计数器的输出端相连；
控制器，用于控制所述第一开关至第五开关，以根据所述待解析像素和所述参考像素输出的Reset信号和Signal信号生成转换结果；
所述控制器，用于控制所述第三开关闭合以对所述比较器进行复位，并控制所述第一开关闭合，其中，所述第一开关的闭合时间小于所述第三开关的闭合时间，以及在所述第三开关断开之后依次控制所述第二开关和第四开关闭合，以将第一转换结果存储在所述第一锁存器中；
所述第一转换结果为((Vramp_max-Vramp0)-(Vr1-Vr0))，其中，Vramp_max为波形发生器的预设斜坡电平，Vramp0为所述波形发生器的预设初始电平，Vr1为所述待解析像素的Reset信号，Vr0为所述参考像素的Reset信号，其中，所述波形发生器的预设初始电平Vramp0小于所述波形发生器的预设斜坡电平Vramp_max。
2.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，
所述控制器，用于控制所述第三开关闭合以对所述比较器进行复位，并控制所述第一开关闭合，其中，所述第一开关的闭合时间小于所述第三开关的闭合时间，以及在所述第三开关断开之后依次控制所述第二开关和第五开关闭合，以将第二转换结果存储在所述第二锁存器中。
3.如权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述第二转换结果为((Vramp_max-Vramp0)-(Vs1-Vs0))，其中，Vramp_max为波形发生器的预设斜坡电平，Vramp0为所述波形发生器的预设初始电平，Vs1为所述待解析像素的Signal信号，Vs0为所述参考像素的Signal信号，其中，所述波形发生器的预设初始电平Vramp0小于所述波形发生器的预设斜坡电平Vramp_max。
4.如权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，所述转换结果为((Vr1-Vs1)-(Vr0-Vs0))。
5.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-4任一项所述的图像传感器。
6.一种图像处理方法，其特征在于，图像传感器包括多个像素、比较器、波形发生器、计数器、第一锁存器和第二锁存器，所述多个像素包括待解析像素和参考像素，所述比较器包括第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端与第一电容相连，所述第一电容分别通过第一开关和第二开关与所述参考像素和所述待解析像素相连，所述比较器还包括连接在所述第一输入端和所述输出端，以及所述第二输入端和所述输出端之间的第三开关，所述波形发生器通过第二电容与所述比较器的第二输入端相连，所述计数器的输入端与所述比较器的输出端相连，所述第一锁存器通过第四开关与所述计数器的输出端相连，所述第二锁存器通过第五开关与所述计数器的输出端相连，其中，所述方法包括以下步骤：
控制所述待解析像素和所述参考像素输出Reset信号；
控制所述待解析像素和所述参考像素输出Signal信号；
根据所述待解析像素和所述参考像素输出的Reset信号和Signal信号生成转换结果；
根据所述待解析像素和所述参考像素输出的Reset信号生成第一转换结果，包括：
控制所述第三开关闭合以对所述比较器进行复位，并控制所述第一开关闭合，其中，所述第一开关的闭合时间小于所述第三开关的闭合时间；
在所述第三开关断开之后，依次控制所述第二开关和第四开关闭合，以将第一转换结果存储在所述第一锁存器中；
所述第一转换结果为((Vramp_max-Vramp0)-(Vr1-Vr0))，其中，Vramp_max为波形发生器的预设斜坡电平，Vramp0为所述波形发生器的预设初始电平，Vr1为所述待解析像素的Reset信号，Vr0为所述参考像素的Reset信号，其中，所述波形发生器的预设初始电平Vramp0小于所述波形发生器的预设斜坡电平Vramp_max。
7.如权利要求6所述的图像处理方法，其特征在于，根据所述待解析像素和所述参考像素输出的Signal信号生成第二转换结果，包括：
控制所述第三开关闭合以对所述比较器进行复位，并控制所述第一开关闭合，其中，所述第一开关的闭合时间小于所述第三开关的闭合时间；
在所述第三开关断开之后，依次控制所述第二开关和第五开关闭合，以将第二转换结果存储在所述第二锁存器中。
8.如权利要求7所述的图像处理方法，其特征在于，所述第二转换结果为((Vramp_max-Vramp0)-(Vs1-Vs0))，其中，Vramp_max为波形发生器的预设斜坡电平，Vramp0为所述波形发生器的预设初始电平，Vs1为所述待解析像素的Signal信号，Vs0为所述参考像素的Signal信号，其中，所述波形发生器的预设初始电平Vramp0小于所述波形发生器的预设斜坡电平Vramp_max。
9.如权利要求8所述的图像处理方法，其特征在于，所述转换结果为((Vr1-Vs1)-(Vr0-Vs0))。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20210316 Address after: 518119 No.1 Yan'an Road, Kuiyong street, Dapeng New District, Shenzhen City, Guangdong Province Patentee after: BYD Semiconductor Co.,Ltd. Address before: 518118 BYD Road, Pingshan New District, Shenzhen, Guangdong 3009 Patentee before: BYD Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right |