專利名稱：具有減少的列固定圖案噪聲的成像傳感器的制作方法
技術領域：
本發明大體上是關于成像傳感器，且具體而言但不限于是關于具有列讀出電路的成像傳感器。
背景技術：
圖像傳感器已變得無處不在。圖像傳感器廣泛用于數字靜態相機、蜂窩電話、安全攝像機以及醫療、汽車及其他應用中。用于制造圖像傳感器(且具體而言互補金屬氧化物半導體(CM0Q圖像傳感器)的技術持續快速發展。舉例而言，較高分辨率、較高品質圖像及較低耗電的需要激發此等圖像傳感器的進一步小型化及整合。然而，列固定圖案噪聲 (fixedpattern noise, FPN)是CMOS圖像傳感器的一眾所周知問題。FPN是歸因于器件及互連件在傳感器上不匹配而在均勻照明下的像素輸出的空間變動。FPN可在一所得圖像中將自己呈現為與在相同溫度及曝光的條件下拍攝的圖像同時發生的較亮或較暗像素的相同圖案。各種采樣方法可用于減少列FPN。舉例而言，一方法(例如，相關雙重采樣)可包含將該CMOS圖像傳感器的一像素設定為一參考值，接著采樣該像素處的該參考值(例如， 黑電平信號)。在實際圖像獲取期間，該像素曝露于光且經充電以產生一光亮信號(例如， 光亮電平信號)。接著比較此光亮信號與該經采樣的參考值(例如，從該光亮電平信號減去黑電平信號)以到達一最后值處(例如，所得圖像)。此過程試圖從該最后值(且因此該所得圖像)消除噪聲。然而，傳統圖像傳感器歸因于在采樣光亮電平信號及黑電平信號中所涉及的單獨元件間的不匹配而引入一新偏移噪聲。換言之，該最后值將是該光亮電平信號減該黑電平信號加該偏移噪聲。通常，因為各列包含其自己的列采樣電路，所以一特定列中的各像素將具有相同偏移。另一列中的像素將具有另一偏移值。因此，當顯示一檢測的圖像時，形成列FPN的垂直線將出現于屏幕上。各垂直線代表一成像傳感器中的一列且具有對應于一像素的一寬度。該線的亮度對應于該特定列的偏移值。此外，舉例而言，一方法(例如，三角(delta)雙重采樣)可包含檢測各列的偏移值；接著從該特定列處的像素的最后值扣除該檢測的偏移值。以此方式，可理想地推導出該最后值以具有減少的列FPN。然而，諸如此類的方法涉及信號相減，這些信號相減由于列采樣電路的非線性及變動而不可能具有100%準確度。因此，即使在應用諸如相關雙重采樣及 /或三角雙重采樣方法的方法后，通常仍留有列FPN的一小部分(即，剩余列FPN)。在一些情況下，一高信號增益施加于CMOS圖像傳感器，以在低照明條件下“升壓 (boost)”一圖像。在此等情形下，剩余列FPN可變得更加可見。另外，在CMOS圖像傳感器的大量生產中，制造過程變動對于一些芯片而言可使該列FPN更差。此外，當在諸如非常高或非常低溫度、利用一低供應電壓及/或利用一具有噪聲的電源供應器的差條件下運行該傳感器時，該列FPN可變得更加差。因此，圖像中的所得列FPN可能是對人眼非常不舒服的一顯著假影，且可能限制大量生產中的CMOS圖像傳感器的成品率。
發明內容
根據本發明的第一方面，提供了一種成像傳感器，包括配置于一列中的多個成像像素；耦合至所述列的列采樣電路；包含于所述列采樣電路中的多個采樣通道，其中，所述列采樣電路從所述多個采樣通道中隨機選擇第一采樣通道以采樣來自包含于所述多個成像像素中的一像素的第一數據信號，并且其中，所述列采樣電路從所述多個采樣通道中隨機選擇第二采樣通道以采樣來自該像素的第二數據信號。根據本發明的第二方面，提供了一種方法，包括以下步驟接收來自包含于成像傳感器的成像像素的一列中的第一成像像素的第一數據信號；從耦合至所述列的多個采樣通道中隨機選擇第一采樣通道；以及在所述隨機選擇的第一采樣通道上采樣所述第一數據信號。根據本發明的第三方面，提供了一種互補金屬氧化物半導體成像傳感器，包括配置于多個行和列中的成像像素的陣列；多個列采樣電路，被耦合至所述陣列的各自列以采樣來自多個成像像素的黑電平信號和光亮電平信號，其中，每個列采樣電路包含多個采樣通道，其中，所述多個列采樣電路中的每個列采樣電路從所述多個采樣通道中隨機選擇至少兩個采樣通道以采樣所述黑電平信號和所述光亮電平信號。根據本發明的第四方面，提供了一種成像傳感器，包括配置于多個列中的多個成像像素，每個成像像素用于當該像素重置時產生黑電平信號以及當在圖像獲取期間該像素曝露于光時產生光亮電平信號；多個列采樣電路，每個列采樣電路耦合至所述多個列中的各自列，其中，所述列采樣電路中的每個列采樣電路包含耦合至它們的各自列的多個采樣通道，其中所述列采樣電路從所述多個采樣通道中隨機選擇第一采樣通道以采樣所述像素的所述黑電平信號以及從所述多個采樣通道中隨機選擇第二采樣通道以采樣所述像素的所述光亮電平信號；全局切換矩陣；以及差分放大器，該差分放大器具有負輸入和正輸入， 其中，采樣所述黑電平信號的所選第一采樣通道通過所述全局切換矩陣而耦合至所述差分放大器的負輸入，并且采樣所述光亮電平信號的所選第二采樣通道通過所述全局切換矩陣而耦合至所述差分放大器的正輸入。根據本發明的第五方面，提供了一種能夠在圖像傳感器中實現的用于減少列固定圖案噪聲的方法，包括以下步驟提供所述圖像傳感器的一列中的一像素的光亮電平信號， 其中，所述光亮電平信號是當所述像素在圖像獲取期間曝露于光時由所述像素產生的；提供所述像素的黑電平信號，其中，所述黑電平信號是當所述像素重置時由所述像素產生的； 提供耦合至所述列的列采樣電路的偏移，其中，所述偏移的特征是由所述列采樣電路決定的；隨機化所述偏移的正負號；以及提供包含隨機化的偏移的所述列中的一像素的讀出， 使得所述列中的像素的所述讀出隨機為(光亮電平信號-黑電平信號+偏移)和(光亮電平信號-黑電平信號-偏移)中的一個。
本發明的非限制性且非詳盡的實施例參考圖式而描述，其中除非另有指定，相同參考數字是指各種圖中的相同部分。圖IA是繪示根據本發明的一實施例具有通道隨機化的一成像傳感器的一功能框圖IB是繪示根據本發明的一實施例一成像像素陣列內的兩個四晶體管(“4T”) 像素的像素電路的一電路圖；圖2是繪示根據本發明的一實施例具有通道隨機化的一成像傳感器的讀出電路的一功能框圖；圖3是繪示根據本發明的一實施例一列采樣電路的一功能框圖；圖4是繪示根據本發明的一實施例一種采樣一成像像素的像素的過程的一流程圖；圖5是繪示根據本發明的一實施例一列采樣電路的一功能框圖；圖6是繪示根據本發明的一實施例具有通道隨機化的一成像傳感器的讀出電路的一功能框圖；及圖7是繪示根據本發明的一實施例具有通道隨機化的一成像傳感器的讀出電路的一功能框圖。
具體實施例方式本文描述具有減少的列固定圖案噪聲的一成像傳感器的實施例。一傳統成像傳感器的一列中的一像素的讀出通常含有對于該列中的所有像素而言恒定的一偏移。不同列的各種恒定偏移會在所得圖像中產生可見垂直線。本文中所揭示的圖像傳感器的實施例在讀出一列中的一像素時隨機化偏移的正負號。因此，一些像素讀出將含有一正偏移及一些其他讀出將含有一負偏移，這些偏移是隨機選擇的。因此，所得圖像中的可見垂直線變得較不可見或不可見。在以下描述中，闡述許多特定細節以深入理解這些實施例。然而本領域技術人員將認識到，可在沒有這些特定細節的一個或多個或利用其他方法、元件、材料等的情況下實踐本文中所述的技術。在其他情況下，未詳細展示或描述眾所周知的結構、材料或操作以避免混淆某些方面。本說明書中提及的“一個實施例”或” 一實施例”意味著結合該實施例所述的一特定特征、結構或特性包含于本發明的至少一實施例中。因此，本說明書不同地方中的短語 “在一個實施例中”或”在一實施例中”的出現并不一定都是指相同實施例。此外，可以任何合適方式組合這些特定特征、結構或特性于一個或多個實施例中。圖IA是繪示根據本發明的一實施例具有采樣通道隨機化的一成像傳感器100的一功能框圖。所繪示實施例的成像傳感器100包含一像素陣列105、讀出電路110、功能邏輯115及控制電路120。像素陣列105是成像像素(例如，像素PU P2. . .、Pn)的二維(“2D”)陣列。在一實施例中，各像素為諸如一互補金屬氧化物半導體(“CMOS”)成像傳感器的一主動像素傳感器(”APS”)的一成像像素。如所繪示，各像素被配置于一行(例如，行Rl至Ry)及一列(例如，列Cl至Cx)中以獲得一人物、地方或物件的圖像數據，該圖像數據接著可用于呈現該人物、地方或物件的一 2D圖像。在各像素獲得其圖像數據或圖像電荷后，該圖像數據由讀出電路110讀出且傳送至功能邏輯115。讀出電路110可包含采樣通道隨機化電路(以下討論)、放大電路、模擬至數字轉換電路等。功能邏輯115存儲該圖像數據或甚至通過應用后圖像效果(例如，裁剪、旋轉、消除紅眼、調整亮度、調整對比度等)而操縱該圖像數據。在一實施例中，讀出電路110可沿著讀出列線(繪示)一次讀出圖像數據的一行，或可使用各種其他技術(未繪示)而讀出該圖像數據。控制電路120耦合至像素陣列105以控制像素陣列105的操作特性。舉例而言， 控制電路120可產生一快門信號以控制圖像獲取。圖IB是繪示根據本發明的一實施例一成像像素陣列內的兩個四晶體管(“4T”) 像素的像素電路130的一電路圖。像素電路130是可實現圖1的像素陣列100內的各像素的一像素電路架構。然而，應了解，本發明的實施例并不限于4T像素架構，相反，受益于本發明的本領域普通技術人員應了解，本發明教導亦適用于3T設計、5T設計及各種不同像素電路架構。在圖IB中，像素1 及1 配置于兩行和一列中。所繪示實施例的各像素電路130 包含一光電二極管PD、一傳送晶體管Tl、一重置晶體管T2、一源極跟隨器(“SF”)晶體管 T3及一選擇晶體管T4。在操作期間，傳送晶體管Tl接收一傳送信號TX，該傳送信號將光電二極管PD中累積的電荷(例如，光亮電平信號)傳送至一浮動擴散節點FD。重置晶體管T2耦合于一電源軌VDD與該浮動擴散節點FD之間以通過放電或充電該浮動擴散節點FD而在一重置信號RST控制下重置為一預設電壓(例如，黑電平信號)。 該浮動擴散節點FD耦合至SF晶體管T3的柵極。SF晶體管T3耦合于該電源軌VDD與選擇晶體管T4之間。SF晶體管T3操作為從浮動擴散節點FD提供一高阻抗輸出(例如，緩沖光亮電平信號或黑電平信號)的一源極跟隨器。最后，選擇晶體管T4在一選擇信號SEL(例如，讀取光亮電平信號或黑電平信號)控制下將像素電路130的輸出選擇性地耦合至列位線。在一實施例中，由控制電路120產生TX信號、RST信號及SEL信號。圖2是繪示根據本發明的一實施例具有采樣通道隨機化的一成像傳感器的讀出電路210的一功能框圖。讀出電路210是圖IA的讀出電路110的一可能實現方式。所繪示實施例的讀出電路210包含列采樣電路2(^a-202x、一隨機位序列產生器204、一全局切換矩陣206、一全局增益級208、一模擬至數字轉換器(ADC)212、一信號輸出總線214、一隨機輸出總線216、一保持信號總線218及一隨機輸入總線220。在圖2的所繪示實施例中，這些列采樣電路2(^a-202X的每個耦合至一單一列位線。舉例而言，列采樣電路20 耦合至列位線Li，列采樣電路202b耦合至列位線L2，及列采樣電路202c耦合至列位線L3等。一列采樣電路耦合至該成像傳感器的一各自列。此外，列采樣電路202a-20h各自包含被耦合以從它們各自的列中所包含的成像像素接收數據信號的一輸入SIG_IN。因此，在一實施例中，由一各自列讀出電路接收來自一特定列中所包含的所有成像像素的數據信號。在一實施例中，來自一像素的數據信號包含一黑電平信號(亦稱為參考值信號)及一光亮電平信號。列采樣電路2(^a-202x的每個包含被耦合以輸出數據信號至信號輸出總線(即， SIG_0UT總線)214的一輸出SIG_0UT。該輸出SIG_0UT及信號輸出總線214可包含多個通道以采樣這些數據信號。舉例而言，信號輸出總線214可包含兩根或更多根線以傳輸這些數據信號(例如，至少一根線用于傳輸一黑電平信號及至少一根線用于傳輸一光亮電平信號)。本發明的實施例包含從這多個通道中隨機選擇一通道以傳輸及采樣這些數據信號。 即，一通道可用于在一特定成像像素的讀出期間采樣一黑電平信號，同時該同一通道可用于在同一列中的另一成像像素的讀出期間采樣一光亮電平信號。即使如此，不同通道可用于在該成像陣列的隨后讀出期間讀出相同像素的黑電平信號及光亮電平信號。所繪示實施例的列采樣電路20h-202X響應于一隨機位序列而隨機選擇采樣通道。具體而言，列采樣電路202a-20h的每個包含耦合至隨機輸入總線220的一輸入RNDM_ IN以接收由隨機位序列產生器204產生的一隨機位序列。在一實施例中，隨機位序列產生器204是一線性反饋移位寄存器(LFSR)。LFSR是輸入位為其先前狀態的一線性函數的一移位寄存器。舉例而言，一 LFSR的輸入位可以是總移位寄存器值的位的某種組合的線性函數互斥或O(OR)或線性函數互斥非或(XNOR)。由該LFSR產生的值的串流是通過其先前狀態來確定的且可能由于該移位寄存器中可能的狀態的有限數目而最終重復。然而，具有一良好選擇的反饋功能的一 LFSR可提供一位序列，該位序列出現隨機且具有一非常長的循環。 因此，在一實施例中，一”隨機”位序列可以是具有足夠長以出現隨機的一循環的一重復序列。在一實施例中，隨機位序列產生器204輸出一 1位隨機位序列。即，輸出至隨機輸入總線220上的隨機位序列可以是隨機位的一單一串流。在另一實施例中，隨機位序列產生器204輸出一 η位隨機序列，其中多個隨機位序列并列輸出至隨機輸入總線220上。在一列采樣電路(例如，202a、202b等)從一列位線采樣數據信號之后，這些經采樣的數據信號需要傳送至全局增益級208及模擬至數字轉換器(ADC) 212。因為數據信號通過這些列采樣電路而隨機化的通道，讀出電路210進一步包含全局切換矩陣206以切換回這些通道以匹配全局增益級208的輸入。因此，通道的隨機化可能對于全局增益級208及 ADC是透明的。舉例而言，全局增益級208可包含一差分放大器，該差分放大器包含用以接收該光亮電平信號的一正輸入及用以接收該黑電平信號的一負輸入。在此實例中，全局切換矩陣206切換回這些通道以確保用于采樣該光亮電平信號的通道耦合至該差分放大器的正輸入及用于采樣該黑電平信號的通道耦合至該差分放大器208的負輸入。全局切換矩陣206響應于經由一隨機輸出總線(即，RNDM_0UT總線)216自列采樣電路20^-20 接收的隨機位而切換回這些列以匹配全局增益級208的輸入。自列采樣電路20^-20 接收的該(這些)隨機位可由在各列采樣電路中所包含的存儲自隨機輸入總線220接收的該(這些)隨機位的電路而產生。即，列采樣電路2(^a-202X的每個可自隨機序列產生器204接收隨機位，存儲該(這些)隨機位，及接著將該(這些)隨機位輸出至全局切換矩陣206。在一實施例中，隨機輸出總線216包含一單一線以根據像素讀出輸出一單一存儲位。在另一實施例中，隨機輸出總線216包含η根線以取決于由隨機序列產生器204輸出的隨機位序列數目而并行輸出多個位。在圖2的所繪示實施例中，列采樣電路2(^a-202X的每個包含被耦合以經由保持信號總線(HOLD SIGNAL總線)218接收保持信號的一輸入H0LD_IN。該輸入H0LD_IN及保持信號總線218可包含多根線以傳送多個保持信號。舉例而言，保持信號總線218可包含二根或更多根線以傳輸這些保持信號(例如，至少一根線用于傳輸一保持黑色信號及至少一根線用于傳輸一保持光亮信號)。在一實施例中，這些保持信號由圖IA中所示的控制電路 120產生且用于控制采樣各像素的各種數據信號的時序。一保持黑色信號可控制采樣一黑電平信號的時序，而一保持光亮信號可控制采樣一光亮電平信號的時序。在一實施例中，列采樣電路20h-202X的每個包含用于將一保持信號選擇性耦合至隨機選擇的通道的電路。在一實施例中，列采樣電路響應于自隨機位序列產生器204接收的隨機位而將該保持信號選擇性耦合至適當通道。舉例而言，列采樣電路20 可將一保持黑色信號耦合至隨機選擇以采樣該黑電平信號的一通道，且列采樣電路20 可進一步將一保持光亮電平信號耦合至隨機選擇以采樣該光亮電平信號的一通道。圖3是繪示根據本發明的一實施例一列采樣電路302的一功能框圖。列采樣電路302是圖2的列采樣電路202(例如，202a、202b等)的一可能實現方式。所繪示實例的列采樣電路302包含一寄存器304、一切換矩陣306、一保持信號輸入308、一數據信號輸出 310、列選擇開關316、318及320、采樣電容器322及324以及保持開關3 及328。切換矩陣306繪示為包含復用器312及314。所繪示實施例的列采樣電路302包含兩個采樣通道(即，通道A及通道B)以采樣自輸入SIG_IN(即，一列位線)接收的數據信號。因此，數據信號輸出310包含兩根線 (即，SIG1_0UT及SIG2_0UT)以輸出經采樣的數據信號。在一實施例中，通道A包含沿著節點330與輸出SIG1_0UT之間的信號路徑的所有電路元件及導體。舉例而言，通道A可包含保持開關326、采樣電容器322、列選擇開關316及它們之間的導體。在一實施例中，通道A 進一步包含沿著該輸出SIG1_0UT與該全局切換矩陣(例如，圖2的全局切換矩陣206)之間的信號路徑的任何電路元件及導體。類似地，在一實施例中，通道B包含沿著節點330與輸出SIG2_0UT之間的信號路徑的所有電路元件及導體，且在另一實施例中，通道B可進一步包含沿著該輸出SIG2_0UT與該全局切換矩陣之間的信號路徑的電路元件及導體。保持信號輸入308繪示為包含兩根線(即，HSIGl及HSIG^以輸入保持信號。在一實施例中，HSIGl被耦合以接收由圖IA的控制電路120產生的保持黑色信號，及HSIG2被耦合以接收由圖IA的控制電路120產生的保持光亮信號。如圖3中所示，復用器314被耦合以將保持信號選擇性連接至通道A的保持開關326，而復用器312被耦合以將保持信號選擇性連接至通道B的保持開關328。如圖3中所示，寄存器304的Q及Qb輸出分別耦合至復用器312及314的SEL輸入。寄存器304被配置為存儲自輸入RNDM_IN接收的一隨機位及將輸出Q及Qb提供至切換矩陣306的SEL輸入。在一實施例中，由寄存器304接收的該隨機位是由圖2的隨機序列產生器204產生的一隨機位。在一實施例中，寄存器304的Qb輸出是Q輸出的反相。因此，在此實施例中，若復用器314被選擇以將保持信號HSIGl耦合至保持開關326，則復用器 312將被選擇以將另一保持信號(即，HSIG^耦合至保持開關328，且反之亦然。圖4是繪示根據本發明的一實施例一種采樣一成像像素的像素的過程400的一流程圖。過程400將參考圖2、3及4而描述。過程400中出現的過程塊的一些或全部的次序不應視為限制。相反，受益于本發明的本領域普通技術人員應了解，這些過程塊的一些可以未繪示的各種次序而執行。在一過程塊405中，隨機序列產生器204產生一隨機位序列。在一實施例中，該隨機位序列是一1位串行隨機位串流。該隨機位序列的隨機位中的一個由一列采樣電路(例如，圖3的列采樣電路30 接收且存儲于寄存器304中。寄存器304接著在輸出Q上輸出該隨機位及在輸出Qb上輸出該隨機位的反相位。在一過程塊410中，基于寄存器304的輸出而選擇一第一隨機采樣通道。舉例而言，假設保持信號HSIGl是該保持黑色信號，則取決于寄存器304中存儲的隨機位，復用器314可將HSIGl耦合至通道A的保持開關326，或者復用器312可將HSIGl耦合至通道B的保持開關328。一旦選擇該第一采樣通道，就在一過程塊415中采樣一像素的黑電平信號。即，該保持黑色信號可致使這些保持開關中的一個(即，3 或328)能夠容許自一列位線接收的該黑電平信號充電一各自采樣電容器(即，322或324)。在一過程塊420中，基于寄存器304的輸出而選擇一第二隨機采樣通道。在圖3的實施例中，因為僅有兩個通道，所以除用于采樣該黑電平信號的通道外的通道經選擇以采樣該光亮電平信號。舉例而言，假設通道A經選擇以采樣該黑電平信號，則通道B可經選擇以采樣該光亮電平信號。該保持光亮信號接著被耦合以致使這些保持開關中的一個(即， 3 或328)能夠容許自該列位線接收的該光亮電平信號充電一各自采樣電容器(即，322 或 324)。在該黑電平信號及該光亮電平信號兩者都經采樣之后，這些數據信號將接著需要傳送至全局增益級208及ADC 212。該列采樣電路302接收一列選擇信號以啟用列選擇開關316、318及320。因為這些通道經隨機化，所以列采樣電路302包含一輸出RNDM_0UT以將關于哪些通道用于采樣哪些數據信號的信息提供給全局切換矩陣206。在所繪示實施例中，當啟用列選擇開關320時，該輸出RNDM_0UT耦合至寄存器304的Q輸出。全局切換矩陣206接著切換回這些數據信號以匹配全局增益級208的適當輸入。舉例而言，全局增益級 208可包含一差分放大器，該差分放大器具有用以接收這些黑電平信號的一負輸入及用以接收這些光亮電平信號的一正輸入。全局切換矩陣206從列采樣電路302接收該(這些) 隨機位，且接著將適當通道連接至該差分放大器的匹配輸入。換言之，一像素的黑電平信號可一直指向該差分放大器的負輸入，而該像素的光亮電平信號可一直指向該差分放大器的正輸入。因此，通道次序的隨機化可能對于全局增益級208是透明的。在一過程塊430中， 全局增益級208產生該第二(例如，光亮電平信號)和第一(例如，黑電平信號)隨機選擇的采樣通道的一差分輸出。在沒有隨機化采樣通道的情況下，通過各自固定通道而采樣黑電平信號及光亮電平信號。舉例而言，黑電平信號將一直由通道A采樣，及光亮電平信號將一直由通道B采樣。 該差分放大器208的負輸入處的信號的量值是黑電平信號加A，其中A是由沿著自圖3的節點330、電容器322、輸出SIG1_0UT至該差分放大器208的通道A的所有電路元件及導體產生的背景電平。類似地，該差分放大器208的正輸入處的信號的量值是光亮電平信號加B， 其中B是由沿著自圖3的節點330、電容器324、輸出SIG2_0UT至該差分放大器208的通道 B的所有電路元件及導體產生的背景電平。因此，在沒有隨機化采樣通道的情況下，一特定列中的像素的全局增益級208的差分輸出將為差分輸出=光亮電平信號-黑電平信號+通道偏移等式1其中通道偏移為(B-A)， 該通道偏移主要因在制造期間的元件不匹配及/或歸因于各通道中的元件的實體放置而引起。在沒有通道隨機化的情況下，此通道偏移(亦稱為列固定圖案噪聲(FPN))可出現為在由一圖像傳感器產生的所得圖像中的垂直線。然而，根據包含采樣通道隨機化的本發明的實施例，黑電平信號及光亮電平信號是由一列采樣電路內的采樣通道來隨機采樣。舉例而言，當Q= 1時，由通道A采樣該黑電平信號(即，黑電平信號加A)，及由通道B采樣該光亮電平信號(即，光亮電平信號加B)。 該全局切換矩陣206可一直將該光亮電平信號引導至該差分放大器208的正輸入，以及將該黑電平信號引導至該差分放大器208的負輸入。因此，該差分輸出將為光亮電平信號減該黑電平信號加(B減A)。當Q = O時，由通道B采樣該黑電平信號(S卩，黑電平信號加B)， 及由通道A采樣該光亮電平信號(即，光亮電平信號加A)。因為該全局切換矩陣206可一直將該光亮電平信號引導至該差分放大器208的正輸入以及將該黑電平信號引導至該差分放大器208的負輸入，所以該差分輸出將為光亮電平信號減該黑電平信號減(B減A)。因此，一特定列中的像素的全局增益級208的差分輸出將為當Q = 1時，差分輸出=光亮電平信號-黑電平信號+通道偏移；及等式2當Q = 0時，差分輸出=光亮電平信號-黑電平信號-通道偏移；其中通道偏移為(B減A)。因此，有兩個差分背景電平(B減A)及負(B減A)，這些電平利用一零均值而隨機分布。因此，該通道偏移仍存在于等式2中，但是因為采樣通道是隨機的，所以人眼難以檢測通道偏移對所得圖像的影響。即，因一特定列的通道偏移而引起的一可見實垂直線變為具有嵌入于該圖像中的兩個電平的隨機點的一較不可見垂直線， 這歸因于這些采樣通道的隨機化。在一實施例中，通過一特定列采樣電路中的至少兩個采樣通道而隨機采樣一像素的黑電平信號及光亮電平信號。屬于一 2D成像傳感器的一特定列的所有像素都由同一列采樣電路而采樣。沒有交叉列互連。此外，一列及另一列中的像素的隨機采樣之間沒有相關性。換言之，黑電平信號及光亮電平信號采樣在一行以及一列中是隨機的。現參考圖2，模擬至數字轉換器(ADC) 212接著從全局增益級208接收該差分輸出且產生一數字輸出。在一實施例中，ADC 212的數字輸出提供至圖IA的功能邏輯115以存儲或通過應用后圖像效果(例如，裁剪、旋轉、消除紅眼、調整亮度、調整對比度等)而操縱。在計算機軟件及硬件方面描述以上解釋的過程400。所述的技術可構成體現于一機器(例如，計算機)可讀介質內的機器可執列指令，這些機器可執列指令當由一機器執行時將引起該機器執行所述的操作。另外，過程400可體現于硬件內，諸如一專用集成電路 (“ASIC”)或類似物。—機器可存取介質包含提供(S卩，存儲及/或傳輸)以一機器(例如，一計算機、網絡器件、個人數字助理、制造工具、具有一個或多個處理器的一集合的任何器件等)可存取的一形式的信息的任何機構。舉例而言，一機器可存取介質包含可記錄/不可記錄介質(例如，只讀存儲器(ROM)、隨機存取存儲器(RAM)、磁盤存儲介質、光存儲介質、閃存器件等)。圖5是繪示根據本發明的一實施例一列采樣電路502的一功能框圖。列采樣電路 502是圖2的隨機化采樣電路202(例如，202a、202b等)的一可能實現方式。所繪示實例的列采樣電路502包含一寄存器504、一切換矩陣506、列選擇開關516、518、520、522及523、 采樣電容器524、526、5沘及530以及保持開關532、534、536及538。所繪示實施例的列采樣電路502包含四個通道(S卩，通道A、通道B、通道C及通道 D)以采樣自輸入SIG_IN(S卩，一列位線)接收的數據信號。因此，數據信號輸出510包含四根線(即，SIG1_0UT、SIG2_0UT、SIG3_0UT及SIG4_0UT)以輸出經采樣的數據信號。在一實施例中，各通道包含沿著節點540與其輸出(SIGlJ)UT等)之間的各自信號路徑的所有電路元件及導體。舉例而言，通道A可包含保持開關532、采樣電容器524、列選擇開關516 及它們之間的導體。在一實施例中，各通道進一步包含沿著它們的輸出(例如，SIG1_0UT)與該全局切換矩陣(例如，圖2的全局切換矩陣206)之間的信號路徑的任何電路元件及導體。雖然圖5繪示列采樣電路502為包含四個通道，但是采樣電路502可包含含2個或更多個的任何數目的采樣通道。保持信號輸入508繪示為包含四根線(即，HSIG1、HSIG2、HSIG3及HSIG4)以輸出保持信號。在一實施例中，切換矩陣506被耦合以將保持信號HSIG1、HSIG2、HSIG3及HSIG4 分別連接至保持開關532、534、536及538。舉例而言，HSIGl及HSIG3被耦合以接收保持黑色信號，使得SIG1_0UT將為黑電平信號加A，以及SIG3_0UT將為黑電平信號加C，其中A及 C為分別在通道A及C中產生的背景噪聲。HSIG2及HSIG4被耦合以接收保持光亮信號，使得SIG2_0UT將為光亮電平信號加B，以及SIG4_0UT將為黑電平信號加D，其中B及D為分別在通道B及D中產生的背景噪聲。如圖5中所示，寄存器504的輸出被耦合以選擇性控制切換矩陣506。寄存器504 被配置為存儲自輸入RNDM_IN接收的隨機位且選擇性控制切換矩陣506的切換。在一實施例中，由寄存器504接收的隨機位是由圖2的隨機序列產生器204產生的隨機位。舉例而言，該列采樣電路被耦合以從四個采樣通道中隨機選擇一第一采樣通道以采樣該黑電平信號。接著該列采樣電路被進一步耦合以從可用的三個通道中隨機選擇一第二采樣通道以采樣該光亮電平信號。取決于所接收的隨機位，舉例而言，切換矩陣506接著可被耦合以將保持信號 HSIG1、HSIG2、HSIG3及HSIG4分別連接至保持開關534、532、538及536。舉例而言，HSIG2 及HSIG4現將被耦合以接收保持黑色信號，因此，SIG2_0UT將為黑電平信號加B，以及SIG4_ OUT將為黑電平信號加D，以及HSIGl及HSIG3被耦合以接收保持光亮信號，因此，SIG1_0UT 將為光亮電平信號加A，以及SIG3_0UT將為光亮電平信號加C。此外，取決于所指派的隨機狀態，一特定列的像素的差分放大器208的差分輸出將為差分輸出=光亮電平信號-黑電平信號+(A-B)；或差分輸出=光亮電平信號-黑電平信號-(A-B)；或等式3差分輸出=光亮電平信號-黑電平信號+(C-D)；或差分輸出=光亮電平信號-黑電平信號-(C-D)；其中(A-B)可視為一特定列中的一第一通道偏移，及(C-D)為該特定列中的一第二通道偏移。因此，有四個差分背景電平(A-B)、-(A-B)、(C-D)及-(C-D)，這些電平利用一零均值而隨機分布。以此方式，因一固定差分背景電平或一特定列的通道偏移而引起的一可見垂直線變為具有嵌入于該圖像中的四個電平的隨機點的一較不可見垂直線，這歸因于這些采樣通道的隨機化。應了解，可能的組合并不限于等式3，舉例而言，亦可由該切換矩陣 506 產生差分背景電平士 (A-C)、士 (A-D)、士 (B-C)、士 (B-D)。圖6是繪示根據本發明的一實施例具有通道隨機化的一成像傳感器的讀出電路 610的一功能框圖。讀出電路610是圖IA的讀出電路110的一可能實現方式。所繪示實施例的讀出電路610包含列采樣電路6(^a-602x、一隨機位序列產生器604、一全局切換矩陣606、一全局增益級608、一模擬至數字轉換器(ADC)612、一信號輸出總線614、一隨機輸出總線616、一保持信號總線618、一隨機輸入總線620及一列切換矩陣622。讀出電路610的操作類似于以上所討論的圖2的讀出電路210的操作。然而，讀出電路610包含耦合于這些列位線與這些列采樣電路之間的列切換矩陣622，以將這些列位線至這些列采樣電路的耦合隨機化。具體而言，列切換矩陣622經由RNDM_IN總線接收隨機位且響應于該(這些)隨機位而將一特定列位線耦合至一列采樣電路(例如，602a、602b 等)。舉例而言，列采樣電路602b可被選擇以在耦合至列位線L3的一特定成像像素的讀出期間采樣這些數據信號，同時該列采樣電路602b可被選擇以在一不同列中的另一成像像素的讀出期間采樣這些數據信號。與由各列采樣電路(例如，602a、602b等)提供的采樣通道隨機化組合的該隨機交叉列互連更進一步混淆列固定圖案噪聲的影響，且可導致更吸引人眼的一圖像。圖7是繪示根據本發明的一實施例具有采樣通道隨機化的一成像傳感器的讀出電路710的一功能框圖。讀出電路710是圖IA的讀出電路110的一可能實現方式。所繪示實施例的讀出電路710包含列采樣電路7(^a-702x、一隨機位序列產生器704、一全局切換矩陣706、一全局增益級708、一模擬至數字轉換器(ADC)712、一信號輸出總線714、一保持信號總線718、一隨機輸入總線720及一全局寄存器722。讀出電路710的操作類似于以上所討論的圖2的讀出電路210的操作。然而，讀出電路710包含耦合于隨機序列產生器704與全局切換矩陣之間的全局寄存器722以存儲由隨機序列產生器704產生的隨機位。全局寄存器722進一步提供一輸出至全局切換矩陣 706，該輸出指示這些采樣通道的哪者被選擇以采樣黑電平信號以及這些采樣通道的哪者被選擇以采樣光亮電平信號。因此，在一實施例中，這些列采樣電路(702a、702b等)的每個不包含它們自己的寄存器以存儲該(這些)隨機位。而是，全局寄存器722可為整個讀出電路710存儲該(這些)隨機位。此外，在一實施例中，讀出電路710不包含一 RNDM_0UT總線以將該(這些) 隨機位自該列讀出電路傳送至該全局切換矩陣706。而是，全局切換矩陣706直接或經由該 RNDM_IN總線720接收關于哪些通道用于經由該隨機序列產生器704采樣這些數據信號的 fn息ο本發明的所繪示實施例的以上描述(包含摘要中所述的內容)并不意指詳盡的或限于所揭示的確切形式。雖然本文中為了說明目的描述本發明的特定實施例及實例，但是本領域技術人員應認識，在本發明的范圍內的各種修改是可能的。鑒于以上實施方式可對本發明作這些修改。以下權利要求中所使用的術語不應視為將本發明限于本說明書中所揭示的特定實施例。相反，本發明的范圍完全是由以下權利要求決定，權利要求應根據權利要求解釋的既定原則而被理解。
權利要求
1.一種成像傳感器，包括配置于一列中的多個成像像素；耦合至所述列的列采樣電路；包含于所述列采樣電路中的多個采樣通道，其中，所述列采樣電路從所述多個采樣通道中隨機選擇第一采樣通道以采樣來自包含于所述多個成像像素中的一像素的第一數據信號，并且其中，所述列采樣電路從所述多個采樣通道中隨機選擇第二采樣通道以采樣來自該像素的第二數據信號。
2.根據權利要求1所述的成像傳感器，其中，所述第一數據信號是黑電平信號，并且其中，所述第二數據信號是光亮電平信號。
3.根據權利要求1所述的成像傳感器，其中，所述列采樣電路還包括耦合至所述多個采樣通道的切換矩陣以響應于隨機位序列而將第一保持信號耦合至所述隨機選擇的第一采樣通道并且將第二保持信號耦合至所述隨機選擇的第二采樣通道。
4.根據權利要求1所述的成像傳感器，其中，所述多個采樣通道中的每個采樣通道包含采樣電容器。
5.根據權利要求1所述的成像傳感器，還包括被耦合以提供隨機位序列至所述列采樣電路的隨機位序列產生器，其中，所述列采樣電路被耦合以響應于所述隨機位序列而從所述多個采樣通道中隨機選擇采樣通道。
6.根據權利要求5所述的成像傳感器，其中，所述列采樣電路還包含寄存器以存儲所述隨機位序列的至少一部分并且提供代表所述多個采樣通道中的哪些采樣通道被選擇以采樣所述第一數據信號和所述第二數據信號的輸出。
7.根據權利要求5所述的成像傳感器，還包括放大器，具有用于接收所述第一數據信號的第一輸入和用于接收所述第二數據信號的第二輸入；以及耦合于所述多個采樣通道與所述放大器之間的全局切換矩陣，其中，該切換矩陣被耦合以將所述隨機選擇的第一采樣通道選擇性耦合至所述放大器的第一輸入以及將所述隨機選擇的第二采樣通道選擇性耦合至所述放大器的第二輸入。
8.一種方法，包括以下步驟接收來自包含于成像傳感器的成像像素的一列中的第一成像像素的第一數據信號；從耦合至所述列的多個采樣通道中隨機選擇第一采樣通道；以及在所述隨機選擇的第一采樣通道上采樣所述第一數據信號。
9.根據權利要求8所述的方法，其中，從所述多個采樣通道中隨機選擇所述第一采樣通道包括產生隨機位序列；以及響應于所述隨機位序列而從所述多個采樣通道中選擇所述第一采樣通道。
10.根據權利要求8所述的方法，其中，所述第一數據信號是黑電平信號。
11.根據權利要求10所述的方法，還包括以下步驟從耦合至所述列的多個采樣通道中隨機選擇第二采樣通道；以及在所選第二采樣通道上采樣所述成像像素的光亮電平信號。
12.—種互補金屬氧化物半導體成像傳感器，包括配置于多個行和列中的成像像素的陣列；多個列采樣電路，被耦合至所述陣列的各自列以采樣來自多個成像像素的黑電平信號和光亮電平信號，其中，每個列采樣電路包含多個采樣通道，其中，所述多個列采樣電路中的每個列采樣電路從所述多個采樣通道中隨機選擇至少兩個采樣通道以采樣所述黑電平信號和所述光亮電平信號。
13.根據權利要求12所述的CMOS成像傳感器，還包括被耦合以提供隨機位序列至所述列采樣電路的隨機位序列產生器，其中，每個列采樣電路響應于所述隨機位序列而從所述多個采樣通道中隨機選擇所述至少兩個采樣通道。
14.根據權利要求13所述的CMOS成像傳感器，其中，每個列采樣電路還包括耦合至所述多個采樣通道的切換矩陣，以響應于所述隨機位序列而將保持黑色信號選擇性耦合至所述兩個隨機選擇的采樣通道中的一個采樣通道，以及響應于所述隨機位序列而將保持光亮信號選擇性耦合至所述兩個隨機選擇的采樣通道中的另一個采樣通道。
15.根據權利要求13所述的CMOS成像傳感器，還包括放大器，該放大器包含用于接收所述黑電平信號的第一差分輸入；以及用于接收所述光亮電平信號的第二差分輸入；以及全局切換矩陣，被耦合于所述多個采樣通道與所述放大器的差分輸入之間以響應于所述隨機位序列而將所述兩個隨機選擇的采樣通道選擇性耦合至所述放大器的差分輸入，使得所述黑電平信號耦合至所述第一差分輸入并且使得所述光亮電平信號耦合至所述第二差分輸入。
16.根據權利要求15所述的CMOS成像傳感器，還包括全局寄存器，該全局寄存器耦合于所述隨機位序列產生器與所述全局切換矩陣之間以存儲所述隨機位序列的至少一部分且提供代表所述多個采樣通道中的哪些采樣通道被選擇以采樣所述黑電平信號以及所述多個采樣通道中的哪些采樣通道被選擇以采樣所述光亮電平信號的輸出。
17.根據權利要求13所述的CMOS成像傳感器，還包括列切換矩陣，該列切換矩陣耦合于所述列與所述列采樣電路之間以響應于所述隨機位序列而將所述列至所述列采樣電路的耦合隨機化。
18.—種成像傳感器，包括配置于多個列中的多個成像像素，每個成像像素用于當該像素重置時產生黑電平信號以及當在圖像獲取期間該像素曝露于光時產生光亮電平信號；多個列采樣電路，每個列采樣電路耦合至所述多個列中的各自列，其中所述列采樣電路中的每個列采樣電路包含耦合至它們的各自列的多個采樣通道，其中，所述列采樣電路從所述多個采樣通道中隨機選擇第一采樣通道以采樣所述像素的所述黑電平信號以及從所述多個采樣通道中隨機選擇第二采樣通道以采樣所述像素的所述光亮電平信號；全局切換矩陣；以及差分放大器，該差分放大器具有負輸入和正輸入，其中，采樣所述黑電平信號的所選第一采樣通道通過所述全局切換矩陣而耦合至所述差分放大器的負輸入，并且采樣所述光亮電平信號的所選第二采樣通道通過所述全局切換矩陣而耦合至所述差分放大器的正輸入。
19.根據權利要求18所述的成像傳感器，還包括列切換矩陣，該列切換矩陣耦合于所述列與所述列采樣電路之間以將所述列至所述列采樣電路的耦合隨機化。
20. 一種能夠在圖像傳感器中實現的用于減少列固定圖案噪聲的方法，包括以下步驟提供所述圖像傳感器的一列中的一像素的光亮電平信號，其中，所述光亮電平信號是當所述像素在圖像獲取期間曝露于光時由所述像素產生的；提供所述像素的黑電平信號，其中，所述黑電平信號是當所述像素重置時由所述像素產生的；提供耦合至所述列的列采樣電路的偏移，其中，所述偏移的特征是由所述列采樣電路決定的；隨機化所述偏移的正負號；以及提供包含隨機化的偏移的所述列中的一像素的讀出，使得所述列中的像素的所述讀出隨機為(光亮電平信號-黑電平信號+偏移)和(光亮電平信號-黑電平信號-偏移)中的一個。
全文摘要
本發明提供了一種具有減少的列固定圖案噪聲的成像傳感器。該具有減少的列固定圖案噪聲的成像傳感器包括多個成像像素和列采樣電路。多個成像像素配置于一列中，并且列采樣電路耦合至該列。多個采樣通道包含于列采樣電路中，其中列采樣電路從多個采樣通道中隨機選擇第一采樣通道以采樣來自包含于多個成像像素中的一像素的第一數據信號，且其中列采樣電路從多個采樣通道中隨機選擇第二采樣通道以采樣來自該像素的第二數據信號。
文檔編號H04N5/374GK102238345SQ201010258868
公開日2011年11月9日 申請日期2010年8月18日 優先權日2010年4月21日
發明者代鐵軍, 張光斌 申請人:美商豪威科技股份有限公司