成像元件、控制方法和成像设备的制作方法

xiaoxiao2020-9-10  3

成像元件、控制方法和成像设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及成像元件、控制方法和成像设备,通过其能够获取具有较高质量的图像。公开的成像设备被提供有:多个比较单元,其对通过垂直信号线从包括光电转换元件的像素所供应的模拟信号和具有不同倾斜度的斜波的参考信号进行比较,并且输出比较结果;多个计数器,其对相互不同的比较单元执行计数直到所述比较结果被反转,并且输出计数值作为数字数据;和采样保持单元,其在比较单元进行比较时电断开所述垂直信号线与所述比较单元并且将所保持的模拟信号供应至所述比较单元。本发明可以应用于成像元件、控制方法和成像设备。
【专利说明】成像元件、控制方法和成像设备

【技术领域】
[0001] 本公开涉及成像元件、控制方法和成像设备,并且尤其涉及使能够获取具有较高 图像质量的图像的成像元件、控制方法和成像设备。

【背景技术】
[0002] 最近,随着显示技术的发展,对于半导体成像元件,已经日益要求高图像质量的成 像。通过增加成像像素的数量来改进空间分辨率,并且通过高速成像(高帧频)操作来改 进时间分辨率。此外,通过增加每个像素的输出位数(增加灰度(gradation))来增加颜色 再现性或校正效果。
[0003] 在互补金属氧化半导体(CMOS)图像传感器中的模拟/数字(A/D)转换操作中,使 用斜坡波形作为参考电压的时间积分型的A/D转换器已经被广泛地使用。时间积分型的A/ D转换器在线性度或噪声特性方面更优良。对每个像素列布置多个A/D转换器,并且多个 A/D转换器同时执行A/D转换,使得可以降低每个A/D转换器的操作频率。此外,为每个像 素列布置的A/D转换器可以彼此共享参考电压生成器。因此,与其他A/D转换方法相比较, 面积/功率效率更优良,并且与CMOS图像传感器的兼容性更优良。
[0004] 然而,在时间积分型的A/D转换器的情况下,灰度增加和转换速度处于折衷 (trade-off)的关系。因此,需要牺牲巾贞频以增加输出数据的位灰度(bit gradation)。
[0005] 因此,已经考虑了将多个比较器连接至一个像素垂直信号线、同时执行与多个参 考电压的比较并且提升帧频的方法(例如,参见专利文献1)。
[0006] 此外,已经考虑了在压缩数据而不生成不自然的灰度的对原始图像的非线性压缩 中将用于图像元件的输入(光强度)划分为多个部分、设置输出的倾斜度并同时并行地操 作多个线性A/D转换器的方法。
[0007] 引用列表
[0008] 专利文献
[0009] 专利文献 1 :JP 2011_〇35689A


【发明内容】

[0010] 本发明要解决的技术问题
[0011] 然而,在专利文献1中描述的方法的情况下,需要牺牲像素的数目(减少输出图像 的像素数目)。因为斜波的倾斜度是相同的,所以灰度不能增加。此外,由于参考电压的偏 移变化而可能产生噪声,并且输出图像的图像质量可能恶化。
[0012] 此外,在上面描述的另一方法的情况下,因为多个比较器相连接,由于反冲 (kickback)而可能产生噪声并且输出图像的图像质量可能恶化。
[0013] 考虑到上述情况而提出本公开,并且本公开的一个目标是获得具有较高质量的图 像。
[0014] 对问题的解决方案
[0015] 根据本公开的一个方面,提供一种成像元件,其包括:多个比较单元,其对通过垂 直信号线从包括光电转换元件的像素所供应的模拟信号和具有不同倾斜度的斜波的参考 信号进行比较,并且输出比较结果;多个计数器,其对于不同的比较单元执行计数直到所述 比较结果被反转,并且输出计数值作为数字数据;和采样及保持单元,其在对所述模拟信号 和除了具有最缓和倾斜度的斜波之外的斜波的参考信号进行比较的比较单元开始比较之 前保持通过所述垂直信号线供应的模拟信号,并且在所述比较单元执行比较时,该采样及 保持单元电切断所述垂直信号线和所述比较单元并且将所保持的模拟信号供应至所述比 较单元。
[0016] 具有最缓和倾斜度的斜波的电压范围可以操作在其中kT/C噪声在所有噪声中最 具支配性的范围内。
[0017] 基于每个比较单元的比较结果而从所述多个计数器中选择的并且对如下比较单 元执行计数的计数器可以输出计数值:该比较单元将所述模拟信号和与根据该模拟信号的 信号电平的照度区域相对应的参考信号相比较。
[0018] 可以从所述多个计数器中选择如下计数器:该计数器中的计数值最大,并且与该 计数器相对应的比较单元的比较结果被反转。
[0019] 可以与所述计数值一起输出标志信息,所述标志信息示出由与所选择的计数器相 对应的比较器所使用的参考信号的电压范围。
[0020] 所述采样及保持单元可以包括开关和电容器,所述开关电连接或电切断所述垂直 信号线和所述比较单元,所述电容器在所述垂直信号线和所述比较单元通过所述开关电连 接时保持通过所述垂直信号线所供应的模拟信号,并且在所述垂直信号线和所述比较单元 通过所述开关电切断时将由所述电容器保持的模拟信号供应至所述比较单元。
[0021] 该成像元件还可以包括:多个参考信号生成单元,其生成具有不同倾斜度的斜波 的参考信号,并且所述多个比较单元可以将所述模拟信号与由不同的参考信号生成单元所 生成的参考信号进行比较。
[0022] 所述多个参考信号生成单元可以在相同的时刻开始生成参考信号。
[0023] 在生成具有最缓和倾斜度的斜波的参考信号的参考信号生成单元生成参考信号 之后具有最缓和倾斜度的斜波的电压值和具有其他倾斜度的斜波的电压值不交叉的时刻, 生成具有其他倾斜度的斜波的参考信号的参考信号生成单元可以开始生成参考信号。
[0024] 在生成具有最缓和倾斜度的斜波的参考信号的参考信号生成单元生成参考信号 之前的时刻,生成具有其他倾斜度的斜波的参考信号的参考信号生成单元可以开始生成参 考信号。
[0025] 在生成具有最缓和倾斜度的斜波的参考信号的参考信号生成单元生成参考信号 时,生成具有其他倾斜度的斜波的参考信号的参考信号生成单元可以顺序地生成具有不同 倾斜度的斜波的参考信号。
[0026] 所述多个比较单元的部分或全部可以比较模拟信号与具有相同倾斜度的斜波的 参考信号,并且所述成像元件还可以包括求和平均单元,其对由与比较模拟信号与具有相 同倾斜度的斜波的参考信号的多个比较单元相对应的计数器输出的计数值进行平均。
[0027] 根据本公开的一方面,提供了成像元件的控制方法,包括:使得多个比较单元对通 过垂直信号线从包括光电转换元件的像素所供应的模拟信号和具有不同倾斜度的斜波的 参考信号进行比较,并且输出比较结果;使得多个计数器对于不同的比较单元执行计数直 到所述比较结果被反转,并且使得所述多个计数器输出计数值作为数字数据;以及使得采 样及保持单元在对所述模拟信号和除了具有最缓和倾斜度的斜波之外的斜波的参考信号 进行比较的比较单元开始比较之前保持通过所述垂直信号线供应的模拟信号,并且致使在 所述比较单元执行比较时,该采样及保持单元电切断垂直信号线和所述比较单元并且将所 保持的模拟信号供应至所述比较单元。
[0028] 根据本公开的一方面,提供了成像设备,包括:成像元件,具有多个比较单元、多 个计数器、和采样及保持单元,所述多个比较单元对通过垂直信号线从包括光电转换元件 的像素所供应的模拟信号和具有不同倾斜度的斜波的参考信号进行比较,并且输出比较结 果,所述多个计数器对于不同的比较单元执行计数直到所述比较结果被反转,并且所述多 个计数器输出计数值作为数字数据,所述采样及保持单元在对所述模拟信号和除了具有最 缓和倾斜度的斜波之外的斜波的参考信号进行比较的比较单元开始比较之前保持通过所 述垂直信号线供应的模拟信号,并且在所述比较单元执行比较时,该采样及保持单元电切 断所述垂直信号线和所述比较单元并且将所保持的模拟信号供应至所述比较单元;图像处 理单元,其对从成像元件输出的成像图像的数字数据执行图像处理;以及存储单元,其存储 经受了所述图像处理单元的图像处理的成像图像的数字数据。
[0029] 根据本公开的另一方面,提供了成像元件,包括:多个参考信号生成单元,其在不 同的时刻生成具有不同倾斜度的斜波的参考信号;多个比较单元,其对通过垂直信号线从 包括光电转换元件的像素所供应的模拟信号和由不同的参考信号生成单元生成的参考信 号进行比较,并且输出比较结果;和多个计数器,其对于不同的比较单元执行计数直到所述 比较结果被反转,并且输出计数值作为数字数据。
[0030] 在生成具有最缓和倾斜度的斜波的参考信号的参考信号生成单元生成参考信号 之后具有最缓和倾斜度的斜波的电压值和具有其他倾斜度的斜波的电压值不交叉的时刻, 生成具有其他倾斜度的斜波的参考信号的参考信号生成单元可以开始生成参考信号。
[0031] 在生成具有最缓和倾斜度的斜波的参考信号的参考信号生成单元生成参考信号 之前的时刻,生成具有其他倾斜度的斜波的参考信号的参考信号生成单元可以开始生成参 考信号。
[0032] 可以与所述计数值一起输出标志信息,所述标志信息示出由与所选择的计数器相 对应的比较器所使用的参考信号的电压范围。
[0033] 根据本公开的另一方面,提供了成像元件的控制方法,包括:使得多个参考信号生 成单元在不同的时刻生成具有不同倾斜度的斜波的参考信号;使得多个比较单元对通过垂 直信号线从包括光电转换元件的像素所供应的模拟信号和由不同的参考信号生成单元生 成的参考信号进行比较并且输出比较结果;和使得多个计数器对于不同的比较单元执行计 数直到所述比较结果被反转,并且使得所述多个计数器输出计数值作为数字数据。
[0034] 根据本公开的另一方面,提供了成像设备,包括:成像元件,其具有多个参考信号 生成单元、多个比较单元和多个计数器,所述多个参考信号生成单元在不同的时刻生成具 有不同倾斜度的斜波的参考信号,所述多个比较单元对通过垂直信号线从包括光电转换元 件的像素所供应的模拟信号和由不同的参考信号生成单元生成的参考信号进行比较并且 输出比较结果,所述多个计数器对于不同的比较单元执行计数直到所述比较结果被反转, 并且输出计数值作为数字数据;图像处理单元,其对从成像元件输出的成像图像的数字数 据执行图像处理;以及存储单元,其存储经受了所述图像处理单元的图像处理的成像图像 的数字数据。
[0035] 在本公开的一个方面,通过垂直信号线从包括光电转换元件的像素所供应的模拟 信号与具有不同倾斜度的斜波参考信号进行比较,并且输出比较结果。对于不同的比较单 元执行计数直到比较结果被反转,并且输出计数值作为数字数据。在对模拟信号和除了具 有最缓和倾斜度的斜波之外的斜波进行比较的比较单元开始比较之前,通过所述垂直信号 线供应的模拟信号被保持,并且在所述比较单元进行比较时,垂直信号线和所述比较单元 被电切断,并且所保持的模拟信号被供应至比较单元。
[0036] 在本公开的另一方面,在不同的时刻生成具有不同倾斜度的斜波参考信号。将通 过垂直信号线从包括光电转换元件的像素所供应的模拟信号与由不同的参考信号生成单 元生成的参考信号进行比较,并且输出比较结果。对于不同的比较单元执行计数直到比较 结果被反转,并且输出计数值作为数字数据。
[0037] 本发明的效果
[0038] 根据本公开,可以对对象成像。特别地,可以获得较高图像质量的图像。

【专利附图】

【附图说明】
[0039] 图1是示出根据相关技术的高灰度成像图像的像素值的A/D转换的方面的示例的 图。
[0040] 图2是示出根据相关技术的高灰度成像图像的像素值的A/D转换的方面的另一示 例的图。
[0041] 图3是示出CMOS图像传感器的主要配置示例的方框图。
[0042] 图4是示出单元像素配置的的示例的图。
[0043] 图5是示出列A/D的主要配置示例的电路图。
[0044] 图6是示出像素信号的A/D转换的方面的示例的图。
[0045] 图7是示出像素信号的A/D转换的方面的另一示例的图。
[0046] 图8是示出区域划分的方面的示例的图。
[0047] 图9是示出图像信号输出控制过程的流程的示例的流程图。
[0048] 图10是示出信号读取过程的流程的示例的流程图。
[0049] 图11是示出像素信号的A/D转换的方面的另一示例的图。
[0050] 图12是示出信号读取过程的流程的另一示例的流程图。
[0051] 图13是示出像素信号的A/D转换的方面的另一示例的图。
[0052] 图14是示出信号读取过程的流程的另一示例的流程图。
[0053] 图15是示出在三个区域的情况下像素信号的A/D转换的方面的示例的图。
[0054] 图16是示出在三个区域的情况下像素信号的A/D转换的方面的另一示例的图。
[0055] 图17是示出三区域划分的方面的示例的图。
[0056] 图18是示出信号读取过程的流程的示例的流程图。
[0057] 图19是示出高灰度信号读取过程的流程的示例的流程图。
[0058] 图20是示出中间/低灰度信号读取过程的流程的示例的流程图。
[0059] 图21是示出列A/D的另一配置示例的电路图。
[0060] 图22是示出应用本技术的成像设备的典型示例结构的方框图。
[0061] 图23是示出计算机的典型示例结构的方框图。

【具体实施方式】
[0062] 下面是对用于实施本技术的方式(下文中称作实施例)的描述。将以下面的顺序 来进行解释。
[0063] 1.第一实施例(图像传感器)
[0064] 2.第二实施例(成像设备)
[0065] 3.第三实施例(计算机)
[0066] 〈1.第一实施例〉
[0067][积分类型的A/D转换]
[0068] 首先,将描述使用斜坡波形作为参考电压的积分类型的模拟/数字(A/D)转换。因 为与其他A/D转换方式相比较,使用斜坡波形作为参考电压的时间积分类型的A/D转换器 在线性度或噪声特性方面更优良的并且在与互补金属氧化半导体(CMOS)图像传感器的兼 容性方面更优良的,所以,该A/D转换器已经广泛使用在CMOS图像传感器中。
[0069] 在CMOS图像传感器中,例如,为每个像素列提供A/D转换器(也被称作列模拟数 字转换器(ADC)),并且垂直信号线输出(像素值等)经受A/D转换。这样,为每个图像列布 置A/D转换器(列ADC),从而多个A/D转换器可以同时操作(每列的A/D转换并行执行)。 因此,可以降低每个A/D转换器的操作频率。
[0070] 在时间积分型A/D转换器的情况下,因为如上所述布置的多个A/D转换器可以彼 此共享参考电压生成器,所以面积/功率效率是优良的。因此,时间积分型的A/D转换器适 合于用于每个像素列的A/D转换器(列ADC)。
[0071] 然而,在时间积分型的A/D转换器的情况下,灰度增加和转换速度处于折衷的关 系。因为该缘故,需要牺牲帧频(降低帧频)以增加输出数据的位灰度。
[0072] 图1示出当传感器输出增加一位时一个A/D转换的时间。假设通过应用时间T将 特定位灰度输出与参考电压生成电路的具有OdB增益的倾斜度(inclination)的斜波参考 电压进行比较。为了将输出位数增加1,需要将参考电压的增益操作为6dB并且将参考电 压的斜波的倾斜度设置为1/2。为此缘故,花费双倍的转换时间2T以不减小动态范围而执 行全规模(full-scale)A/D转换。作为不牺牲帧频而增加输出位数的方法,增加计数频率 的方法也是有效的。然而,如果考虑操作的可靠性,存在对可以使用的频率的限制。也考虑 将A/D转换器加倍和并行地处理A/D转换器的操作的方法。然而,消耗功率或电路面积可 能加倍。
[0073] 因此,考虑这样的方法:将用于成像元件的输入(光强度)划分为多个部分,设置 输出的倾斜度,并且同时并行地操作多个线性A/D转换器。然而,在这种方法的情况下,因 为多个A/D转换器相连接,所以由于在特定A/D转换器中反冲的产生而引起的输入信号的 波动传播至在其他操作期间的A/D转换器,并且A/D转换变得不准确。因此,可能在图像中 产生噪声,并且图像质量可能恶化。
[0074] 图2是示出由于反冲引起的噪声的产生的方面的示例的图。当通过具有不同倾斜 度的多个斜波来同时开始比较操作时,要比较的像素信号电平是相同的。为此缘故,具有较 陡峭倾斜度的斜波的比较器当然较早地将输出反转。如在图2中所示,比较器的输出反转 通过反馈路径传输,并且像素垂直信号线的像素信号可能波动。
[0075] 因为垂直信号线被共享为多个比较器的输入,所以波动的像素信号可能影响与其 他的具有缓和倾斜度的斜波的比较操作,并且可能比理想的计数值更早地将比较器反转。 也就是说,尽管信号是需要最高精度的信号,但是该信号可能被输出为包含大的噪声的信 号。在此情况下,因为大的噪声被包括在需要较高精度的、具有低照度(illuminance)的像 素信号中,所以其中视觉影响大的噪声(很可能可见)可能被包括在图像中,并且图像质量 可能极大地恶化。
[0076][图像传感器]
[0077] 因此,在本公开中,将描述用于抑制由于反冲引起的噪声的产生的技术。
[0078] 图3是示出应用本技术的图像传感器的一部分的配置示例的方框图。在图3中示 出的互补金属氧化半导体(CMOS)图像传感器100是对对象进行成像并且获得成像图像的 数字数据的成像元件。
[0079] 在CMOS图像传感器100中,为一个垂直信号线提供使用具有不同灰度的参考信号 执行A/D转换的多个A/D转换单元,并且在部分地实现高灰度A/D转换操作而不牺牲帧频。
[0080] CMOS图像传感器100在A/D转换期间将使用不具有最高灰度的参考信号的AD转 换单元的垂直信号线输入与其他电路电切断,并且抑制反冲的影响传播至其他A/D转换单 元。以此方式,CMOS图像传感器100可以抑制由于反冲而产生噪声。
[0081] 下文中,给出更具体的描述。
[0082] 如在图3中所示,CMOS图像传感器100包括在半导体基板(下文中也称作"芯 片")101上形成的像素阵列单元102、以及与像素阵列单元102在相同的芯片101上集成的 外围电路单元。在该示例中,行扫描单元103、列处理单元104、列扫描单元105、和系统控制 单元106被提供为外围电路单元。
[0083] 在像素阵列单元102中,在矩阵中二维地布置单元像素(下文中也被简称为"像 素")120,每个单元像素具有光电转换元件,该光电转换元件生成根据入射光量的电荷量的 光电荷并且在其中累积。在图3中,在像素阵列单元102中的每个方块表示像素120。在 图3中,在矩阵中布置的像素120中的仅右上端的像素120由附图标号表示。然而,当像素 120不需要彼此区分时,在矩阵中布置的像素也被称作"像素120"。
[0084] 在像素阵列单元102中,关于矩阵的像素布置,沿着每个像素行的水平方向/行方 向(像素行的像素的布置方向)提供像素驱动线107,并且沿着每个像素列的垂直方向/列 方向(像素列的像素的布置方向)提供垂直信号线108。像素驱动线107传输用于进行驱 动的驱动信号以从像素读取信号。在图3中,每个像素驱动线107被示作一个配线(wiring line)。然而,每个像素驱动线107并不局限于一个配线。像素驱动线107的一端连接至与 行扫描单元103的每行相对应的输出端。
[0085] 行扫描单元103是像素驱动单元,其由移位寄存器或地址解码器构成并且对于所 有像素或者以行单位同时驱动像素阵列单元102的每个像素120。在附图中没有示出行 扫描单元103的具体配置。然而,行扫描单元103通常配置为具有读取扫描系统和扫出 (sweeping)扫描系统这两种扫描系统。
[0086] 读取扫描系统选择性地以行为单位顺序地扫描像素阵列单元102的单元像素,以 从单元像素读取信号。从单元像素读取的信号是模拟信号。扫出扫描系统对已经由读取扫 描系统进行了读取扫描的读取行进行扫出扫描,快门速度时间比读取扫描更早。
[0087] 通过扫出扫描系统的扫出扫描来将不需要的电荷从读取行的单元像素的光电转 换元件中扫出,使得光电转换元件被复位。此外,通过扫出扫描系统扫出(复位)不需要的 电荷来执行所谓的电子快门操作。在此,电子快门操作意味着用于在丢弃光电转换元件的 光电荷之后新开始曝光(开始光电荷的累积)的操作。
[0088] 通过读取扫描系统的读取操作而读取的信号对应于在紧接在前的读取操作或电 子快门操作之后的入射光量。此外,从紧接在前的读取操作的读取时刻或电子快门操作的 扫出时刻到当期读取操作的读取时刻的时段成为单元像素中的光电荷的累积时段(曝光 时段)。
[0089] 从由行扫描单元103选择性扫描的像素行的每个像素120输出的信号通过每个垂 直信号线108被供应至列处理单元104。对像素阵列单元102的每个像素列,列处理单元 104对从由行扫描单元103选择的行的每个像素120经过垂直信号线108输出的信号来执 行预定信号处理,并且暂时存储在信号处理之后的像素信号。
[0090] 具体地,列处理单元104接收单元像素120的信号,并且对该信号执行信号处理, 比如通过相关双采样(⑶S)的噪声消除、信号放大和A/D转换。
[0091] 通过对在单元像素(实际上,下文中要描述的浮置扩散单元)被复位时读取的复 位电平和根据经受了光电转换兀件的光电转换的信号电荷的信号电平取差来执行通过CDS 的噪声消除。通过噪声消除处理,复位噪声或像素特有的诸如放大晶体管的阈值变化的固 定样式噪声被消除。在此描述的信号处理仅仅是示例性的,而不是限制性的。
[0092] 在列处理单元104中,提供用于每个像素列的列ADC。通过列ADC来执行上文所描 述的对每个像素列的A/D转换。尽管在下文中描述了列ADC的细节,但是列处理单元104 具有多个参考信号生成电路。每个参考信号生成电路生成斜波作为参考信号。然而,由每 个参考信号生成电路生成的斜波的倾斜度是不同的。
[0093] 列ADC具有对于一个垂直信号线的多个A/D转换单元,如上文所述。多个A/D转 换单元使用由不同的参考信号生成电路生成的参考信号。也就是说,每个A/D转换单元使 用具有不同倾斜度的斜波。当斜波的倾斜度缓和时,A/D转换单元可以执行较高灰度的A/ D转换(输出位数可以增加)。也就是说,列ADC可以以多种灰度执行A/D转换。
[0094] 如上文所述,如果斜波的倾斜度变得缓和,则A/D转换的处理时间可能增加。因 此,列ADC将垂直信号线输出所占据的值的范围划分为多个区域(照度区域),并且仅对部 分照度区域使用具有缓和倾斜度的斜波执行高灰度A/D转换。一般地,在像素输出信号的 小的低照度区域中,获得较高精度的图像数据。
[0095] 因此,列ADC仅对预先设置的最低照度区域使用具有最缓和倾斜度的斜波执行最 高灰度的A/D转换,并且对整个区域使用具有最陡峭倾斜度的斜波执行除了最高灰度A/D 转换之外的A/D转换。
[0096] 以此方式,列处理单元108的列ADC可以部分地实现高灰度A/D转换操作,而不牺 牲帧频。
[0097] 在图3的示例的情况下,提供参考信号生成电路131和参考信号生成电路132,作 为参考信号生成电路。参考信号生成电路131生成用于高灰度A/D转换的参考信号,而参 考信号生成电路132生成用于低灰度A/D转换的参考信号。也就是说,参考信号生成电路 131生成具有比在参考信号生成电路132中的倾斜度更缓和的倾斜度的斜波,作为参考信 号。每个由参考信号生成电路131和参考信号生成电路132所生成的参考信号(斜波)被 供应至每个列ADC的对应的A/D转换单元。
[0098] 在图3的示例的情况下,为每个垂直信号线提供两个A/D转换单元。两个A/D转 换单元之一使用由参考信号生成电路131生成的具有缓和倾斜度的斜波来执行高灰度A/D 转换,并且另一 A/D转换单元使用由参考信号生成电路132生成的具有陡峭倾斜度的斜波 下来执行低灰度A/D转换。
[0099] 列扫描单元105由移位寄存器或地址解码器构成,并且顺序地选择与列处理单元 104的像素列相对应的单元电路。通过列扫描单元105的选择性扫描,经受了列处理单元 104的信号处理的像素信号被顺序地输出至水平总线109,经过水平总线109供应至输出端 (Vout) 110,并且从输出端110传输至半导体基板101 (CMOS图像传感器100)的外部。
[0100] 系统控制单元106接收从半导体基板101的外部提供的时钟或指示操作模式的数 据,并且输出诸如CMOS图像传感器100的内部信息之类的数据。系统控制单元106还具有 用于生成各种定时信号的定时生成器,并且基于由定时生成器所生成的各种定时信号来直 接或间接地执行对诸如行扫描单元103、列处理单元104和列扫描单元105的外围控制单元 的驱动控制。
[0101] 例如,系统控制单元104控制列处理单元104的参考信号生成电路131和参考信 号生成电路132进行的参考信号的生成。此外,例如,系统控制单元106控制列扫描单元 105并且控制在列处理单元104中的每个列ADC的操作。
[0102] [像素配置]
[0103] 图4是示出像素120的电路配置示例的电路图。如图4所示,除了用作光电转换 单元的光电二极管121之外,像素120还具有转移晶体管122、复位晶体管123、放大晶体管 124和选择晶体管125这四个晶体管。
[0104] 在此,N沟道金属氧化半导体(M0S)晶体管被用作这四个晶体管(转移晶体管122 至选择晶体管125)。然而,转移晶体管122、复位晶体管123、放大晶体管124和选择晶体管 125的导电组合仅仅是示例性的,而不是限制性的。
[0105] 关于像素120,对相同像素行的每个像素共同地提供转移线107-1、复位线107-2 和选择线107-3这三条驱动配线作为像素驱动线107。传输线107-1、复位线107-2和选择 线107-3的一端连接至与像素行单元中的行扫描单元103的每个像素行相对应的输出端, 并且转移线107-1、复位线107-2和选择线107-3传输转移脉冲c^TRF、复位脉冲c^RST和 选择脉冲Φ3Ε?,它们用作用于驱动像素120的驱动信号。
[0106] 光电二极管121的阳极电极连接至负侧电源(例如地),并且光电二极管121执行 光电转换以将所接收到的光转换为根据其光量的电荷量的光电荷(在此,光电子),并且累 积光电荷。光电二极管121的阴极电极通过转移晶体管122电连接至放大晶体管124的栅 极电极。与放大晶体管124的栅极电极电连接的节点126被称作浮置扩散(FD)单元。
[0107] 转移晶体管122连接在光电二极管121的阴极电极和FD单元126之间。通过转 移线107-1向转移晶体管122的栅极电极提供转移脉冲c^TRF,在该转移脉冲c^TRF中高电 平(例如,Vdd电平)是有效的(下文中,称作"高有效")。由此,转移晶体管122导通,并 且将经受了光电二极管121的光电转换的光电荷转移至FD单元126。
[0108] 复位晶体管123的漏极电极连接至像素电源Vdd,并且其源极电极连接至FD单元 126。通过复位线107-2向复位晶体管123提供高有效复位脉冲ΦΙ?Τ。由此,复位晶体管 123导通并且将FD单元126的电荷丢弃至像素电源Vdd,以使FD单元126复位。
[0109] 放大晶体管124的栅极电极连接至FD单元126,并且其漏极电极连接至像素电源 Vdd。此外,放大晶体管124输出在被复位晶体管复位之后的FD单元126的电势作为复位 信号(复位电平)。此外,放大晶体管124输出在通过转移晶体管122传输信号电荷之后的 FD单兀126的电势,作为光累积信号(信号电平)。
[0110] 选择晶体管125的漏极电极连接至放大晶体管124的源极电极,并且其源极电极 连接至垂直信号线108。通过选择线107-2将高有效选择脉冲(tSEL提供至选择晶体管125 的栅极电极。由此,选择晶体管125导通,使得像素120的状态变为选择状态,并且将从放 大晶体管124输出的信号中继(relay)至垂直信号线。
[0111] 关于选择晶体管125,可以采用连接于像素电源Vdd和放大晶体管124的漏极之间 的电路配置。
[0112] 此外,像素120的配置不限于包含四个晶体管的像素配置。例如,像素120的配置 可以是包含用作放大晶体管124和选择晶体管125的三个晶体管的像素配置,并且其像素 电路的配置可以是任何配置。
[0113] [列 ADC]
[0114] 图5是示出列处理单元104的列ADC的主要配置示例的方框图。图5中示出的列 ADC 140是与一条垂直信号线相对应的配置示例。为每个垂直信号线提供在图5中示出的 配置的列ADC 140。
[0115] 如上所述,列ADC 140具有多个A/D转换单元,这些A/D转换单元执行不同灰度的 A/D转换。在图5的示例的情况下,列ADC 140具有执行高灰度A/D转换的A/D转换单元 和执行低灰度A/D转换的A/D转换单元这两个A/D转换单元。在图5的示例中,由虚线框 包围的列ADC 140的内部部分的左侧配置是执行高灰度A/D转换的AD转换单元(也称作 高灰度A/D转换单元),而列ADC 140的内部部分的右侧配置是执行低灰度A/D转换的A/D 转换单元(也称作低灰度A/D转换单元)。
[0116] 也就是说,高灰度A/D转换单元具有电容器151和152、比较器153、开关(ΦΑΖ) 154 和U/D计数器155。低灰度A/D转换单元具有电容器161和162、比较器163、开关(ΦΑΖ) 164 和U/D计数器165。通过对各个A/D转换单元示意性表示列扫描单元105的功能(从列扫 描单元105供应的控制信号)来示出HSCAN 105-1和HSCAN 105-2,但是实际上在列处理单 元 104 中并不存在 HSCAN 105-1 和 HSCAN 105-2。
[0117] 通过垂直信号线108从像素阵列单元102所供应的信号(垂直信号线输出)经 过电容器151被供应至比较器153的一个输入(VSL Fi)。此外,从参考信号生成电路131供 应的参考信号、即具有缓和倾斜度的斜波经过电容器152被供应至比较器153的另一输入 (DAC Fi)。
[0118] 比较器153比较这两个输入,并且输出示出了其两个输入的比较结果(哪一个大) 的信号(VC0 F)。开关154适当地连接比较器153的输入和输出,执行模拟⑶S,并且移除比 较器153的偏移。
[0119] 与比较器153开始一起,U/D计数器155根据HSCAN 105-1的控制以预定的步调开 始计数(递增计数值)。如果比较器153的输出被反转(斜波的信号电平变得小于垂直信 号线输出)或者计数值饱和(斜波的信号电平达到最大值),则U/D计数器155根据HSCAN 105-1的控制而结束计数,保持先前的计数值,并且将计数值适当地输出至水平总线109。
[0120] 以此方式,高灰度A/D转换单元执行对低照度区域的高灰度A/D转换。
[0121] 垂直信号线输出经过电容器161被供应至比较器163的一个输入(VSLCi)。此外, 从参考信号生成电路132供应的参考信号、也就是具有陡峭倾斜度的斜波经过电容器162 被供应至比较器163的另一输入(DAC Ci)。
[0122] 比较器163比较这两个输入,并且输出示出了其两个输入的比较结果(哪一个大) 的信号(VC0。)。开关164适当地连接比较器163的输入和输出,执行模拟⑶S,并且移除比 较器163的偏移。
[0123] 与比较器163开始比较一起,U/D计数器163根据HSCAN 105-2的控制以预定的 步调开始计数(递增计数值)。如果比较器163的输出被反转(斜波的信号电平变得小于 垂直信号线输出)或者计数值饱和(斜波的信号电平达到最小值),则U/D计数器103根据 HSCAN 105-2的控制而结束计数,保持先前的计数值,并且适当地将该计数值输出至水平总 线 109。
[0124] 以此方式,低灰度A/D转换单元执行对整个区域的低灰度A/D转换。
[0125] 然而,如图5中所示,列ADC 140还具有采样及保持单元170。采样及保持单元170 提供在垂直信号线108和电容器161之间。采样及保持单元170具有开关(〇 s/H) 171和电 容器(Cs/H) 172。开关171电连接或者切断垂直信号线108和电容器161。电容器172保持 垂直信号线输出。
[0126] 在低灰度A/D转换单元执行A/D转换时,开关171打开,并且电切断垂直信号线 108和电容器161。在比较器163中,根据电路配置,在输入和输出之间容易产生寄生电容, 输出的反转影响输入侧,并且输入信号的信号电平可能波动(可能产生反冲)。
[0127] 如果信号电平的波动传播至高灰度A/D侧,则在比较器153中的比较结果中可能 产生错误。该错误可能变成噪声并且可能被输出。对于该现象,开关171在A/D转换期间 电切断垂直信号线108和比较器161,以便开关可以抑制波动的传播。也就是说,开关171 可以抑制由反冲造成的噪声的产生。
[0128] 然而,如果垂直信号线108和电容器161被电切断,贝U垂直信号线输出不被输出至 比较器163。因此,在低灰度A/D转换单元不执行A/D转换时,开关171电连接垂直信号线 108和电容器161。以此方式,垂直信号线输出的信号电平在电容器172中累积。也就是说, 在开关171切断之后,在电容器172中累积的信号电平被供应至低灰度A/D转换单元。
[0129] 如上文中所述,采样及保持单元170可以抑制由于反冲造成的信号电平的波动被 传播,并且可以抑制由于反冲造成的噪声的产生。因此,通过简单的配置,列ADC 140可以 部分地执行高灰度A/D转化,同时抑制由于反冲造成的噪声的产生,而不牺牲帧频。结果, CMOS图像传感器100可以获得较高图像质量的图像。
[0130] 如果添加采样及保持单元170,则kT/C噪声可能增加。然而,由于高灰度A/D转 换单元执行对低照度区域的A/D转换,所以实际上仅对高照度区域采用低灰度A/D转换单 元的A/D转换结果。也就是说,在低灰度输出/高照度侧信号中,光学散粒噪声(optical shot noise)成为主要的噪声因素。因此,即使kT/C噪声增加,这并不很大地影响整个噪声 量。
[0131] 相应地,在低灰度A/D转换单元的输入中而不是在高灰度A/D转换单元的输入中 提供采样及保持单元170,使得可以抑制噪声增加。
[0132] 具有上述配置的列ADC 140应当被设计为处于像素的水平方向的间距(pitch)。 然而,在本技术的情况下,如上文所述,仅添加具有简单配置的采样及保持单元170,使得可 以抑制由于反冲造成的噪声的产生。因此,可以更容易地实现列ADC 140。
[0133] [操作示例]
[0134] 下文中,将描述具体操作示例。首先,将描述其中选择低照度侧的输出的情况(其 中像素值小的情况)。图6是示出在选择低照度侧的输出的情况下像素信号的A/D转换的 方面的示例的图。
[0135] 在图6的最上面的步骤中,示出了垂直信号线像素信号201和用于低照度信号获 取的参考电压202,该垂直信号线像素信号201是经过垂直信号线108从像素120供应至 列ADC的信号(垂直信号线输出)的波形,该参考电压202是由参考信号生成电路131生 成的斜波的波形。此外,在从图6顶部的第二步骤中,示出了 S/Η电路像素信号204和用于 高照度信号获取的参考电压205,该S/N电路像素信号204是采样及保持单元170的输出信 号的波形,该参考电压205是由参考信号生成电路132生成的斜波的波形。
[0136] 如上文所述,因为通过在电容器172中保持垂直信号线像素信号201来获得S/H 电路像素信号204,所以S/Η电路像素信号204的波形变为与垂直信号线像素信号201基本 相同的波形。
[0137] 在图6的较低侧,示出了示出U/D计数器155的计数的方面的用于低照度信号获 取的计数器203、示出U/D计数器165的计数的方面的用于高照度信号获取的计数器206、 和作为用于切换开关171的接通/断开(连接/切断)的控制信号的波形的Φ S/H 207。
[0138] 在该示例中,执行数字CDS,以对每个像素移除固定样式噪声。在数字CDS中,在时 间T0至T3的部分中在先读取FD的复位电压作为像素的黑电平(black level),在时间T4 至T7的部分中读取像素的像素信号(像素值),并且其后从读取的像素信号的信号电平中 减去在先读取的黑电平。
[0139] 数字CDS的操作是任意的,并且可以执行其他操作。例如,在后面的步骤可以放置 帧存储器,并且可以由帧存储器执行减法处理,并且所获取的黑电平的计数值可以被反转 (向下计数)并且可以被向上计数作为像素信号的A/D转换的初始值。
[0140] 如在图6中所示,在对于FD的复位电压的A/D转换开始时的T0之前,(tS/H 207 接通,并且开关171变为连接状态(接通)。因此,在电容器172中保持垂直信号线输出(FD 的复位电压)。如果时间变为T0,则c^S/H 207断开并且开关171变为切断状态(断开)。 在该状态中,在从时间T0至时间T3的时段期间执行对FD的复位电压的A/D转换。因此, 可以抑制由于比较器163的反冲造成的信号电平波动的传播。
[0141] 类似地,在从对于FD的复位电压的A/D转换结束时的时间T3到对于像素信号的 A/D转换开始时的时间T4的时段期间,c^S/H 207接通,并且开关171变为连接状态(接 通)。因此,在电容器172中保持垂直信号线输出(像素信号电平)。如果时间变为T4,则 Φ S/H 207断开并且开关171变为切断状态(断开)。在该状态下,在从时间T4至时间T7 的时段期间,执行对于像素信号的A/D转换。因此,可以抑制由于比较器163的反冲造成的 信号电平波动的传播。
[0142] 如图6所示,在时间Τ5,用于高照度信号获取的参考电压205变得小于S/Η电路像 素信号204,并且比较器163的输出被反转。因此,如在用于高照度信号获取的计数器206 的波形中所示,在时间Τ5, U/D计数器165的计数结束,并且其计数值被保持。
[0143] 此外,在时间Τ6,用于低照度信号获取的参考电压202变得小于垂直信号线像素 信号201,并且比较器153的输出被反转。因此,如在用于低照度信号获取的计数器203的 波形中所示,在时间Τ6, U/D计数器155的计数结束,并且其计数值被保持。
[0144] 从多个数字输出值中选择具有最大计数值并且不饱和的一个数字输出值,并且将 其输出至后面的步骤。因为用于高照度信号获取的参考电压205的斜波的倾斜度是陡峭 的,所以用于高照度信号获取的计数器206较早结束。为此缘故,当用于低照度信号获取的 计数器203的计数值不饱和时,用于低照度信号获取的计数器203的计数值是大的。
[0145] 也就是说,当用于低照度信号获取的计数器203的计数值不饱和时,U/D计数器 155的计数值被选择作为输出。
[0146] 图7是示出在选择高照度侧的输出的情况下像素信号的A/D转换的方面的示例的 图。图7的配置基本上与图6的配置相同。
[0147] 在图7中示出的示例的情况下,在时间Τ8,用于高照度信号获取的参考电压205变 得小于S/Η电路像素信号204,但是用于低照度信号获取的参考电压202直到时间Τ7才变 得小于垂直信号线像素信号201。也就是说,用于低照度信号获取的计数器203的计数值饱 和。在此情况下,U/D计数器165的计数值被选择作为输出。
[0148] 从上述配置中,需要示出哪个信号电平已经被选择并且输出。因此,系统控制单元 106根据U/D计数器155的计数值(用于低照度信号获取的计数器203的计数值)是否饱 和来设置示出了哪个信号电平已经被选择并且输出的标志信息,并且与像素信号一起输出 该标志信息。
[0149] 图8示出在照度区域被划分为两个区域并且通过两个A/D转换器来获取信号的情 况下像素输入光量和传感器输出的关系的示例。在该示例中,各个最大计数值被设置为相 同值。然而,最大计数值可以不设置为相同值。
[0150] 作为具有不同灰度的照度区域的划分方法,考虑到量化噪声、电路kT/C噪声和光 学散粒噪声而确定划分方法是现实的。光学散粒噪声是具有如下性质的随机噪声,其中当 照度增加时噪声增加,并且在特定照度处变得大于kT/c噪声。划分照度区域使得通过添加 S/Η电路而增加的kT/C噪声与光学散粒噪声相比可以被忽略并且将S/Η电路添加至高照度 侧的读取是合适的。此外,确定A/D转换的灰度使得在每个照度区域内量化噪声可以被忽 略是合适的。
[0151] 如上所描述的,CMOS图像传感器100可以不牺牲帧频和像素数目而获取其中已经 降低了反冲的影响的优秀的高灰度图像信号。本技术与相关技术相比可以降低消耗功率和 面积,并且可以降低成本。
[0152] 如果恒定地设置计数频率,则在相关技术的情况下,只要位数增加一位,像素阵列 每行的垂直信号线数目就加倍,并且执行并行处理。为此缘故,每个比较器、计数器和信号 线的负荷加倍。
[0153] 同时,在本技术的情况下,不管要增加的位数如何,计数器和比较器的数目加倍, 并且参考电压生成器的数目增加(1+ α )倍(当参考电压生成器数目是2时,1+ α < 2)。例 如,当以全规模在1/4的照度区域内实现2位高灰度时,因为具有0. 25倍电流值的电路块 的数目增加1,所以参考电压生成器的消耗功率是1.25倍。因此,从消耗功率和占据面积这 两点来看,与相关技术相比,当需要的输出位数增加时本技术的效果增加。
[0154] [图像信号输出控制过程的流程]
[0155] 接下来,将描述由上述CMOS图像传感器100执行的处理。首先,将参考图9的流 程图来描述图像信号输出控制处理的流程的示例。图像信号输出控制处理是如上面参考图 6或图7所描述的用于输出图像信号的控制处理。
[0156] 如果图像信号输出控制处理开始,则在步骤S101中,系统控制单元106控制行扫 描单元103和列扫描单元105,并且选择未处理的像素作为处理目标(关注像素)。
[0157] 在步骤S102,根据系统控制单元106的控制,列处理单元104执行信号读取处理, 读取关注像素的FD的复位电压作为像素的黑电平,并且执行A/D转换。
[0158] 在步骤S103,根据系统控制单元106的控制,列处理单元104执行信号读取处理, 读取垂直信号线输出作为像素信号电平,并且执行A/D转换。
[0159] 在步骤S104,列处理单元104从在步骤S103中读取的像素信号电平中减去在步骤 S102中读取的黑电平,并且执行数字⑶S。
[0160] 如上所述,如果关注像素的像素值被读取,则在步骤S105中,系统控制单元106确 定是否已经处理了像素阵列单元102的所有像素120的像素信号。当存在未处理的像素时, 系统控制单元106将处理返回至步骤S101,并且重复接下来的处理。
[0161] 此外,如上所述,重复步骤S101至S105的处理,并且当在步骤S105中确定已经处 理了所有像素时,系统控制单元106结束像素信号输出控制处理。
[0162] [信号读取处理的流程]
[0163] 接下里,将参考图10的流程图描述在图9的步骤S102和S103中执行的信号读取 处理的流程的示例。
[0164] 在图9的步骤S102和S103中,执行相同的信号读取处理,其中仅仅处理的信号是 不同的。在下面的描述中,为了方便描述,将仅仅描述在步骤S103执行的对于像素信号的 信号读取处理。
[0165] 当信号读取处理开始时,开关171接通(连接状态)。
[0166] 如果信号读取处理开始,则在步骤121中,电容器172存储垂直信号线输出(关注 像素的像素信号电平)。在步骤S121结束之后直到像素信号的A/D转换开始的时段内,在 步骤S122中,开关171变为切断状态(断开)并且电切断垂直信号线108和电容器161。
[0167] 在步骤S123, U/D计数器155和U/D计数器165开始对于高灰度输出的计数和对 于低灰度输出的计数。在步骤S124,比较器163开始比较用于低灰度输出的斜波的信号值 和垂直信号线输出(关注像素的像素信号电平)。
[0168] 在步骤S125,比较器153开始比较用于高灰度输出的斜波的信号值和垂直信号线 输出(关注像素的像素信号电平)。
[0169] 在步骤S126,比较器163确定用于低灰度输出的斜波的信号值是否小于垂直信号 线输出,并且重复该确定直到确定用于低灰度输出的斜波的信号值小于垂直信号线输出。 当在步骤S126中确定用于低灰度输出的斜波的信号值小于垂直信号线输出时,比较器163 使得处理前进至步骤S127。
[0170] 在步骤S127中,U/D计数器163结束用于低灰度输出的计数。此外,在步骤S128 中,U/D计数器165存储用于低灰度输出的计数值,该计数值是当计数已经结束时的计数 值。
[0171] 在步骤S129,比较器153确定用于高灰度输出的斜波的信号值是否小于垂直信号 线输出。实际上,本处理例如与步骤S126的低灰度侧的处理并行地执行。然而,在此情况 下,因为低灰度侧必然较早地反转,所以该处理被描述为在低灰度侧反转之后的步骤S129 的处理。当确定用于高灰度输出的斜波的信号值小于垂直信号线输出时,比较器153使得 处理前进至步骤S130。
[0172] 在步骤S130, U/D计数器155结束用于高灰度输出的计数。在步骤S131中,U/D 计数器输出示出了低照度侧的标志信息。在步骤S132, U/D计数器155选择用于高灰度输 出的计数值并且输出该计数值。如果步骤S132的处理结束,则U/D计数器155结束信号读 取处理并且将处理返回至图9。
[0173] 此外,当在步骤S129中确定用于高灰度输出的斜波的信号值不小于垂直信号线 输出时,比较器153使得处理前进至步骤S133。
[0174] 在步骤S133,比较器153确定用于高灰度输出的计数值是否已经饱和。当确定用 于高灰度计数的计数值已经饱和时,比较器153将处理返回至步骤S129并且重复后续处 理。
[0175] 此外,当确定用于垂直信号线输出的A/D转换已经结束(时间已到达T7)并且在 步骤S133中确定用于高灰度输出的计数值已经饱和时,比较器153使得处理前进至步骤 S134。
[0176] 在步骤S134,U/D计数器155结束用于高灰度输出的计数。在步骤S135,U/D计数 器135输出示出了高照度侧的标志信息。在步骤S136中,U/D计数器165选择在步骤S128 中存储的用于低灰度输出的计数值,并且输出该计数值。如果步骤S136的处理结束,则U/ D计数器165结束信号读取处理并且将处理返回至图9。
[0177] 如上所述,执行每个处理,使得CMOS图像传感器100可以输出具有较高图像质量 的高灰度图像而不牺牲帧频。
[0178] [A/D转换开始时间控制1]
[0179] 已经描述了其中最高灰度的A/D转换处理和其他灰度的A/D转换处理同时开始的 情况。然而,本公开不限于此,并且可以在不同的时间开始A/D转换处理。
[0180] 通过不同地设置多个斜波的开始时间并且进行驱动,可以增大反冲降低效果。
[0181] 例如,如图11所示,具有最缓和倾斜度的斜波可以较早地开始,并且用于高灰度 信号获取的比较器153可以较早地反转。为此,在具有最缓和倾斜度的斜波可以较早开始 (时间T10)之后,具有陡峭倾斜度的斜波可以在具有最缓和倾斜度的斜波和具有陡峭倾斜 度的斜波的电压值彼此不交叉时的时刻(时间T11)开始。此外,可以根据该时刻而开始/ 结束U/D计数器155或U/D计数器165的计数。
[0182] 在此情况下,如图11所示,只要信号在低照度侧,则用于高灰度信号获取的比较 器153必然较早地(时间T12)将输出反转。也就是说,用于低照度信号获取的参考电压 252比用于高照度信号获取的参考电压253更早地变得小于垂直信号线(S/Η电路)像素信 号 251 〇
[0183] 由比较器153的反转所产生的反冲可能通过采样及保持单元170而使用于低灰度 获取的比较器163的输入端波动,并且可能包括大的噪声。然而,在此情况下,因为不选择 低灰度信号,所以即使噪声被包括在U/D计数器165的计数值中,噪声并不引起问题。
[0184] 相对照,当选择低灰度信号时,也就是说,当关注像素的像素值存在于高照度区域 中时,因为高灰度信号饱和(比较器153的输出不反转),所以不产生反冲。
[0185] 因此,在此情况下,列ADC 140还可以抑制由于反冲造成的信号电平波动的传播。 也就是说,CMOS图像传感器100可以输出较高图像质量的图像。
[0186] 当用于高灰度信号获取的比较器155将输出反转时,可以停止U/D计数器165的 用于低灰度信号获取的计数操作。以此方式,列ADC 140可以减少执行不必要的处理并且 减少消耗功率。
[0187] [信号读取处理的流程]
[0188] 甚至在此情况下,也以与以上参考图9的流程图所描述的情况相同的方式来执行 图像信号输出控制处理。然而,如图12的流程图中所示执行信号读取处理。将参考图12的 流程图来描述信号读取处理的流程的示例。因为类似于图10的情况,以相同的方式执行步 骤S102的处理和步骤S103的处理,所以下文中将仅描述步骤S103的像素信号电平的A/D 转换。
[0189] 以与步骤S121和S122的每个处理相同的方式来执行步骤S201和步骤S202的每 个处理。
[0190] 在步骤S203中,U/D计数器155开始用于高灰度输出的计数。在步骤S204,比较 器153开始比较用于高灰度输出的斜波的信号值和垂直信号线输出(关注像素的像素信号 电平)。
[0191] 在步骤S205, U/D计数器165维持等待状态达预定时间。然后,在步骤S206, U/D 计数器165开始用于低灰度输出的计数。在步骤S207,比较器163开始比较用于低灰度输 出的斜波的信号值和垂直信号线输出(关注像素的像素信号电平)。
[0192] 以与步骤S129至S135的每个处理相同的方式来执行步骤S208至S214的每个处 理。
[0193] 在步骤S215,类似于步骤S126的情况,比较器163确定用于低灰度输出的斜波的 信号值是否小于垂直信号线输出(采样及保持单元170的输出)。实际上,本处理与步骤 S208的高灰度侧的处理并行地执行。然而,在此情况下,因为高灰度侧必然较早地被反转 (或饱和),所以该处理被描述为在高灰度侧饱和之后的步骤S215的处理。
[0194] 比较器163重复该确定直到在步骤S215中确定用于低灰度输出的斜波的信号值 小于垂直信号线输出。当确定用于低灰度输出的斜波的信号值小于垂直信号线输出时,t匕 较器163使处理前进至步骤S216。
[0195] 在步骤S216,U/D计数器165结束用于低灰度输出的计数。此外,在步骤S217,U/ D计数器165选择用于低灰度输出的计数值并且输出该计数值,该计数值是当计数已经结 束时的计数值。
[0196] 如果步骤S217的处理结束,则U/D计数器165结束信号读取处理并且将处理返回 至图9。
[0197] 以此方式,CMOS图像传感器100可以输出较高图像质量的图像。
[0198] [A/D转换开始时间控制2]
[0199] 相对照,例如,如图13所示,具有陡峭倾斜度的斜波可以较早地开始,并且具有最 缓和倾斜度的斜波可以在经过了预定时间之后开始。
[0200] 也就是说,首先,具有陡峭倾斜度的斜波可以较早地(时间T20)开始,而具有最缓 和倾斜度的斜波可以在经过了预定时间之后(时间T21)开始。此外,U/D计数器155或U/ D计数器165的计数可以根据定时而开始/结束。
[0201] 在此情况下,如图13所示,各个斜波的电压值与上面参考图6和7所描述的情况 相比较,像预定等待时间那样而不同。因此,如图13所示,即使由于低灰度侧的反冲(时间 T22)而在垂直信号线输出的信号电平中产生波动,该波动引起高灰度侧的反转的概率也变 低。这样,如果没有产生由反冲引起的反转,则在高灰度侧也可以获得准确的计数值(时间 T23)。
[0202] 也就是说,甚至在此情况下,列ADC 140也可以进一步抑制由于反冲引起的信号 电平波动的传播。也就是说,CMOS图像传感器100可以输出较高图像质量的图像。
[0203] [信号读取处理的流程]
[0204] 甚至在此情况下,也以与以上参考图9的流程图所描述的情况相同的方式执行图 像信号输出控制处理。然而,如图14的流程图所示执行信号读取处理。将参考图14的流 程图来描述信号读取处理的流程的示例。因为类似于图10的情况,以相同的方式执行步骤 S102的处理和步骤S103的处理,所以下文中将仅描述步骤S103的像素信号电平的A/D转 换。
[0205] 以与步骤S121和S122的每个处理相同的方式执行步骤S231和S232的每个处理。
[0206] 在步骤S233, U/D计数器165开始用于低灰度输出的计数。在步骤S234,比较器 163开始比较用于低灰度输出的斜波的信号值和垂直信号线输出(关注像素的像素信号电 平)。
[0207] 在步骤S235, U/D155维持等待状态达预定时间。然后,在步骤S236, U/D计数器 155开始用于高灰度输出的计数。在步骤S237,比较器153开始比较用于高灰度输出的斜 波的信号值和垂直信号线输出(关注像素的像素信号电平)。
[0208] 以与步骤S129至S136的每个处理相同的方式执行步骤S238至S248的每个处理。
[0209] 以此方式,CMOS图像传感器100可以输出较高图像质量的图像。
[0210] [A/D转换开始时间控制3]
[0211] 如上所述,甚至在最高灰度的A/D转换处理和其他灰度的A/D转换处理在不同的 时间开始时,也可以抑制反冲的影响被传播。因此,在此情况下,采样及保持单元170可以 被省略,并且其输入/输出可以一直被短路(被包括在低灰度侧的A/D转换单元的配置中 的电容器161 -直连接至垂直信号线108)。以此方式,可以进一步简化列ADC 140的配置。
[0212] 这可以应用于以下两种情况:其中具有最缓和倾斜度的斜波较早地开始并且具有 陡峭倾斜度的斜波在经过了预定时间之后开始的情况(图11),以及其中具有陡峭倾斜度 的斜波较早地开始并且具有最缓和倾斜度的斜波在经过了预定时间之后开始的情况(图 13)。
[0213] 在该信号读取处理中,在图12的情况下可以省略步骤S201和S202的每个处理, 并且在图14的情况下可以省略步骤S231和S232的每个处理。也就是说,在此情况下,也 可以促进信号读取处理。
[0214] [三区域划分]
[0215] 在上述情况中,能够由垂直信号线输出的信号电平(像素值)所取的值的范围已 经被划分为低照度区域和高照度区域这两个区域。然热,划分之后的区域数目是任意的,并 且区域可以被划分为三个区域或者更多。
[0216] 在其中该范围被划分为三个区域或者更多并且进行读取的情况下,在最长读取时 段的区域的信号读取期间,可以读取其他照度区域的信号。
[0217] 在下文中,基于其中该范围被划分为高照度区域、中间照度区域和低照度区域这 三个区域的情况的示例来给出更具体的描述。这在其中该范围被划分为四个区域或者更多 的情况下应该是基本相同的。
[0218] 图15是示出在像素值位于中间照度区域处的情况下的A/D转换的方面的示例的 图。
[0219] 如图15所示,在此情况下,与在其中读取时间最长的低照度区域的信号读取(高 灰度的A/D转换)并行地执行中间照度区域的读取(中间灰度的A/D转换),并且执行高照 度区域的读取(低灰度的A/D转换)。
[0220] 也就是说,首先,在与参考信号生成电路131开始生成用于高灰度的具有最缓和 倾斜度的斜波同时,参考信号生成电路132开始生成用于中间灰度的具有第二缓和倾斜度 的斜波。此外,参考信号生成电路132顺序地生成用于中间灰度的斜波和用于低灰度的具 有最陡峭倾斜度的斜波,而参考信号生成电路131生成用于高灰度的斜波。
[0221] 当类似于图15的示例,像素值处于中间照度区域中时,比较器163在用于中间照 度信号获取的参考电压303变得小于垂直信号线(S/Η电路)像素信号301时的时间T31 将输出反转。在此情况下,用于低照度信号获取的计数器305的值饱和(用于低照度信号 获取的参考电压302没有变得小于垂直信号线(S/Η电路)像素信号301)。
[0222] 这样,当在高灰度的A/D转换中计数器的计数值饱和而在中间灰度的A/D转换中 不饱和时,用于中间/高照度信号获取的计数器306的计数值被选择作为中间灰度的A/D 转换结果,并且被输出。
[0223] 图16是示出在像素值位于高照度区域处的情况下A/D转换的方面的示例的图。
[0224] 当类似于图16的示例,像素值处于高照度区域中时,用于中间照度信号获取的参 考电压303没有变得小于垂直信号线(S/Η电路)像素信号301,并且在时间T41,中间灰度 的A/D转换饱和。然后,在时间T42,开始生成用于低灰度的具有最陡峭倾斜度的斜波。在 用于高照度信号获取的参考电压304变得小于垂直信号线(S/Η电路)像素信号301时的 时间T43,比较器163将输出反转。甚至在此情况下,用于低照度信号获取的计数器305的 数值也饱和(用于低照度信号获取的参考电压302没有变得小于像素信号301)。
[0225] 这样,当在高灰度和中间灰度的A/D转换中计数器的计数值饱和并且在低灰度的 A/D转换中该值不饱和时,用于中间/高照度信号获取的计数器306的计数值被选择作为低 灰度的A/D转换结果,并且被输出。
[0226] 尽管省略图示,但是当在高灰度的A/D转换中计数器的计数值不饱和时,用于低 照度信号获取的计数器305的计数值被选择作为高灰度的A/D转换结果并且被输出。
[0227] 示出了所选择和输出的计数值是哪个灰度的A/D转换结果的标志信息也与其计 数值一起被输出。基于每个灰度的A/D转换是否饱和、也就是比较器153和163的输出是 否被反转,可以容易地设置该标志信息的值。
[0228] 也就是说,例如,当比较器153的输出被反转时,标志信息被设置为示出所选择的 计数值是高灰度的A/D转换结果的值。此外,例如,当在从时间T40至时间T41的时段期间 比较器153的输出未被反转而比较器163的输出被反转时,标志信息被设置为不出所选择 的计数值是中间灰度的A/D转换结果的值。此外,例如,当在从时间T42至时间T43的时段 期间比较器153的输出未被反转而比较器163的输出被反转时,标志信息被设置为不出所 选择的计数值是低灰度的A/D转换结果的值。
[0229] 在图15所示的示例的情况中,低灰度的A/D转换变为不必要的。因此,在时间T31 之后,U/D计数器165可以停止。这样,即使高照度区域的斜波(低灰度信号)在这之后开 始,如果计数器不操作,则消耗功率也可以降低。
[0230] 图17示出在此示例中可以获取的像素输入光量和传感器输出的关系的示例。在 此情况下,在低照度区域中获取的最大计数值变得大于通过将中间照度区域和高照度区域 的最大计数值相加所获得的值。
[0231] 如上所述,每个垂直信号线的A/D转换器的数目和具有不同灰度的照度区域的划 分的数目可能不相同。通过根据本实施例的操作,列ADC 140可以降低消耗功率和面积。
[0232] [信号读取处理的流程]
[0233] 甚至在此情况下,也以与上文中参考图9的流程图所描述的情况相同的方式来执 行图像信号输出控制处理。然而,如图18的流程图所示执行信号读取处理。将参考图18 的流程图来描述该信号读取处理的流程的示例。因为类似于图10的情况,以相同的方式执 行步骤S102的处理和步骤S103的处理,所以在下文中将仅描述步骤S103的像素信号电平 的A/D转换。
[0234] 以与步骤S121和S122的每个处理相同的方式来执行步骤S301和S302的每个处 理。
[0235] 在步骤S303,列ADC 140的高灰度侧的A/D转换单元执行高灰度信号读取处理并 且执行高灰度的A/D转换。与该处理并行地,在步骤S304中,列ADC 140的中间/低灰度 侧(不是高灰度侧)的A/D转换单元执行中间/低灰度信号读取处理并且执行中间灰度和 低灰度的A/D转换。
[0236] 如果步骤S303和S304的处理结束,则在步骤S305中,U/D计数器155和U/D计 数器165基于由步骤S303和S304的处理所设置的标志信息的值来选择计数值,并且与标 志信息一起输出该计数值。
[0237] 如果步骤S305的处理结束,则U/D计数器155和U/D计数器165结束该信号读取 处理,并且将处理返回至图9。
[0238] [高灰度信号读取处理的流程]
[0239] 接下来,将参考图19的流程图来描述在图18的步骤S303中执行的高灰度信号读 取处理的流程的示例。
[0240] 当高灰度信号读取处理开始时,在步骤S321中,电容器172存储垂直信号线输出 (关注像素的像素信号电平)。在步骤S321结束之后直到像素信号的A/D转换开始的时段 期间,在步骤S322中,开关171变为切断状态(断开)并且电切断垂直信号线108和电容 器 161。
[0241] 在步骤S323, U/D计数器155开始用于高灰度输出的计数。在步骤S324,比较器 153开始比较用于高灰度输出的斜波的信号值和垂直信号线输出(关注像素的像素信号电 平)。
[0242] 在步骤S325,比较器153确定用于高灰度输出的斜波的信号值是否小于垂直信号 线输出。当确定用于高灰度输出的斜波的信号值小于垂直信号线输出时,比较器153使处 理前进至步骤S326。
[0243] 在步骤S326, U/D计数器155结束用于高灰度输出的计数。在步骤S327, U/D计 数器155设置示出了低照明侧的标志信息并且存储该标志信息。在步骤S328, U/D计数器 155存储当在步骤S326中计数已经结束时的用于高灰度输出的计数值。如果步骤S328的 处理结束,则U/D计数器155结束高灰度信号读取处理并且将处理返回至图18。
[0244] 此外,当在步骤S325中确定用于高灰度输出的斜波的信号值不小于垂直信号线 输出时,比较器153使处理前进至步骤S329。
[0245] 在步骤S329,比较器153确定用于高灰度输出的计数值是否已经饱和。当确定用 于高灰度输出的计数值还没有饱和时,比较器153将处理返回至步骤S325,并且重复后续 的处理。
[0246] 此外,当在步骤S329中确定用于高灰度输出的计数值已经饱和时,比较器153使 处理前进至步骤S330。
[0247] 在步骤S330, U/D计数器155结束用于高灰度输出的计数。在步骤S331中,U/D 计数器155设置示出了中间照度侧的标志信息并且存储该标志信息。如果步骤S331的处 理结束,则U/D计数器155结束高灰度信号读取处理并且使处理返回至图18。
[0248] [中间/低灰度信号读取处理的流程]
[0249] 接下来,将参考图20的流程图来描述在图18的步骤S304中执行的中间/低灰度 信号读取处理的流程的示例。
[0250] 如果中间/低灰度信号读取处理开始,则在步骤S351中,电容器172存储垂直信 号线输出(关注像素的像素信号电平)。在步骤S351结束之后直到像素信号的A/D转换开 始的时段期间,开关171变为切断状态(断开)并且电切断垂直信号线108和电容器161。
[0251] 在步骤S353中,U/D计数器165开始用于中间灰度输出的计数。在步骤S354中, 比较器163开始比较用于中间灰度输出的斜波的信号值和垂直信号线输出(关注像素的像 素号电平)。
[0252] 在步骤S355,比较器163确定用于中间灰度输出的斜波的信号值是否小于垂直信 号线输出。当确定用于中间灰度输出的斜波的信号值小于垂直信号线输出时,比较器163 使处理前进至步骤S356。
[0253] 在步骤S356, U/D计数器结束用于中间灰度输出的计数。在步骤S357, U/D计数 器165设置示出了中间照度侧的标志信息并且存储该标志信息。在步骤S358, U/D计数器 165存储当在步骤S356中计数已经结束时的用于中间灰度输出的计数值。如果步骤S358 的处理结束,则U/D计数器165结束中间/低灰度信号读取处理并且将处理返回至图18。
[0254] 此外,当在步骤S355中确定用于中间灰度输出的斜波的信号值不小于垂直信号 线输出时,比较器163使处理前进至步骤S359。
[0255] 在步骤S359中,比较器163确定用于中间灰度输出的计数值是否已经饱和。当确 定用于中间灰度输出的计数值还没有饱和时,比较器163将处理返回至步骤S355,并且重 复后续的处理。
[0256] 此外,当在步骤S359中确定用于中间灰度输出的计数值已经饱和时,比较器163 使处理前进至步骤S360。
[0257] 在步骤S360,U/D计数器165结束用于中间灰度输出的计数。在步骤S361,U/D计 数器165设置示出了高照度侧的标志信息并且存储该标志信息。
[0258] 如果步骤S361的处理结束,则在步骤S362中,U/D计数器165开始用于低灰度输 出的计数。在步骤S363中,比较器363开始比较用于低灰度输出的斜波的信号值和垂直信 号线输出(关注像素的像素信号电平)。
[0259] 在步骤S364,比较器163确定用于低灰度输出的斜波的信号值是否小于垂直信号 线输出。当确定用于低灰度输出的斜波的信号值小于垂直信号线输出时,比较器163使处 理前进至步骤S366。
[0260] 此外,当在步骤S364中确定用于低灰度输出的斜波的信号值不小于垂直信号线 输出时,比较器163使处理前进至步骤S365。
[0261] 在步骤S365中,比较器163确定用于低灰度输出的计数值是否已经饱和。当确定 用于低灰度输出的计数值还未饱和时,比较器163使处理返回至步骤S364,并且重复后续 的处理。
[0262] 此外,当在步骤S365中确定用于低灰度输出的计数值已经饱和时,比较器163使 处理前进至步骤S366。
[0263] 在步骤S366中,U/D计数器165结束用于低灰度输出的计数。在步骤S367中,U/ D计数器165存储当在步骤S366中计数已经结束时的用于低灰度输出的计数值。如果步骤 S367的处理结束,则U/D计数器165结束中间/低灰度信号读取处理并且使处理返回至图 18。
[0264] 如上面所描述的,执行每个处理,使得CMOS图像传感器100可以降低列ADC140的 消耗功率或者面积。
[0265] [A/D转换单元并行配置]
[0266] 在以上描述中,为一个垂直信号线提供多个执行不同灰度的A/D转换的A/D转换 单元作为列ADC 140,但是每个灰度的A/D转换单元的数目是一个。然而,每个灰度的A/D 转换单元的数目是任意的。例如,可以提供多个使用相同参考电压(具有相同倾斜度的斜 波)执行A/D转换的A/D转换单元。
[0267] 图21是示出在该情况下的列ADC的主要配置示例的方框图。
[0268] 在图21中示出的列ADC 440是与上文中参考图5所描述的列ADC 140基本相同 的处理单元。然而,如图21所示,列ADC 440具有并行操作的两个A/D转换单元(在附图 中,左侧的两列)作为用于高灰度的A/D转换单元,并且具有并行操作的两个A/D转换单元 (在附图中,右侧的两列)作为用于低灰度的A/D转换单元。
[0269] 也就是说,在列ADC 440中的左侧两列的A/D转换单元使用由参考信号生成电路 131生成的用于高灰度A/D转换的参考信号(具有最缓和倾斜度的斜波)执行A/D转换。 此外,在列ADC 440的右侧的两列的A/D转换单元使用由参考信号生成电路132生成的用 于低灰度A/D转换的参考信号(具有陡峭倾斜度的斜波)执行A/D转换。
[0270] 这样,多个A/D转换器并行地操作,获取多个相同灰度的信号,通过后面步骤的信 号处理(例如,图21的求和平均计算单元491)来对这多个信号求平均,并且获得一个数字 数据。以此方式,可以抑制随机噪声,并且可以获取具有高精度的图像信号。
[0271] 例如,如果使用如上所述的两个A/D转换单元生成两个信号并且对信号求平均, 则可以使随机噪声变为原始噪声的丨/上,并且S/N比可以提升3dB。
[0272] 并行操作的A/D转换单元的数目是任意的,并且可以是三个或更多个。此外,对于 每个灰度,独立地设置A/D转换单元的数目。因此,每个灰度的A/D转换单元的数目可以相 同或者可以不同。
[0273] 应用本技术的成像元件(成像设备)并不限于上述配置,而是可以具有其他配置。
[0274] 例如,可以提供列ADC的多个参考信号生成电路,其生成具有不同倾斜度的斜坡 波形的参考信号,并且其数目可以是三个或者更多个。在列ADC中,为每个垂直信号线提供 至少一个A/D转换单元,其基于每个参考信号来执行A/D转换。也就是说,在列ADC中,对 每个垂直信号线,执行与参考信号生成电路的数目相同的数目的灰度种类的A/D转换。在 此情况下,各个灰度的A/D转换可以并行地执行。
[0275] 可以为每个灰度提供采样及保持单元170,并且可以仅在除了执行最高灰度的A/ D转换的A/D转换单元之外的A/D转换单元和垂直信号线108之间提供采样及保持单元 170,类似于图5的情况。
[0276] 此外,参考信号生成电路可以提供在列ADC外部,只要如上所述所生成的参考信 号被提供至在列ADC中的每个A/D转换单元;并且参考信号生成电路可以提供在CMOS图像 传感器100外部。
[0277] 〈2.第二实施例〉
[0278] [成像设备]
[0279] 图22是示出应用本技术的成像设备的主要配置示例的图。在图22中示出的成像 设备500是对对象进行成像并且输出对象的图像作为电信号的设备。如图22中所示,成像 设备500具有光学系统,该光学系统包括透镜组501、成像兀件502、作为相机信号处理单兀 的数字信号处理器(DSP) 503、帧存储器504、显示装置505、记录装置506、操纵系统507和 电源系统508。此外,DSP 503、帧存储器504、显示装置505、记录装置506、操纵系统507和 电源系统508通过总线509互相连接。
[0280] 透镜组501捕获来自对象的入射光(图像光)并且在成像元件502的成像表面上 形成图像。成像元件502将已经通过透镜组501在成像表面上形成图像的入射光的光量转 换为在像素单元中的电信号,并且输出该电信号作为像素信号。可以使用诸如根据上述实 施例的CMOS图像传感器之类的固态成像设备作为成像元件502。DSP 503执行已知的相机 信号处理。
[0281] 显示装置505由液晶显示装置或有机电致发光(EL)显示装置构成,并且显示通过 成像元件502成像的运动图像或静止图像。记录装置506在诸如录像带或数字多用途盘 (DVD)之类的记录介质上记录通过成像元件502所成像的运动图像或静止图像。
[0282] 操纵系统507在用户操纵下,输出用于该成像设备的各种功能的操纵命令。电源 系统508将来自成为DSP 503、帧存储器504、显示装置505、记录装置506和操纵系统507 的操作电源的各种电源的功率适当地供应至供应目标。
[0283] 成像设备500被应用于摄像机、数字静态相机和用于诸如移动电话之类的移动设 备的相机模块。上述CMOS图像传感器100被用作成像元件502,使得成像设备500可以减 少由反冲引起的噪声的产生并且可以获得较高图像质量的成像图像。
[0284] 包括应用本技术的成像元件和图像处理单元的成像设备并不限于上述配置,而是 可以具有其他配置。
[0285] 〈3.第三实施例〉
[0286] [计算机]
[0287] 上文中描述的系列处理可以通过硬件进行,并且也可以通过软件进行。当该系列 操作要通过软件进行时,形成软件的程序被安装至计算机中。在此,计算机包括在诸如图3 的系统控制单元106之类的专用硬件中所嵌入的计算机和通过安装各种程序可以执行各 种功能的通用计算机。
[0288] 图23是示出通用计算机的主要配置示例的图。在图23中,通用计算机600的中 央处理单元(CPU) 601根据在只读存储器(ROM) 602中存储的程序或者从存储单元613加载 至随机存取存储器(RAM) 603的程序来执行各种处理。CPU 601进行各种操作等所需的数据 在需要时也存储在RAM 603中。
[0289] CPU 601、R0M 602和RAM 603经由总线604彼此相连接。输入/输出接口 610也 连接至总线604。
[0290] 输入/输出接口 610具有与之相连接的以下组件:由键盘、鼠标等形成的输入单元 611 ;由诸如CRT (阴极射线管)或LCD (液晶显示器)之类的显示器以及扬声器形成的输出 单元612 ;由硬盘等形成的存储单元613 ;以及由调制解调器形成的通信单元614。通信单 元614经由包括因特网的网络来进行通信。
[0291] 驱动器615在需要时也连接至输入/输出接口 610,并且诸如磁盘、光盘、磁光盘或 半导体存储器之类的可移除介质621在适当时安装在该驱动器上。从这样的可移除盘读取 的计算机程序在需要时被安装在存储单元613中。
[0292] 当上述的系列处理通过软件进行时,从网络或记录介质安装构成该软件的程序。
[0293] 如图23所示,该记录介质由可移除介质621形成,该可移除介质被分发用于从在 其上记录了程序的诸如磁盘(包括软盘)、光盘(包括CD-ROM(紧凑盘-只读存储器)或 DVD (数字多用途盘))、磁光盘(包括MD (迷你盘))或者半导体存储器的装置独立地将程 序传递给用户。可替换地,记录介质可以由在其中记录了程序的ROM 602或者被包括在存 储单元613中的硬盘而形成。在交付给用户之前,这样的记录介质被预先合并至装置中。
[0294] 要由计算机执行的程序可以是用于根据在本说明书中描述的序列按照时间次序 进行处理的程序,或者可以是用于并行进行处理或者在需要时、比如当存在调用时进行处 理的程序。
[0295] 在本说明书中,描述要记录在记录介质中的程序的步骤包含如果不是必须按照时 间次序进行的话要并行进行的或者彼此独立地进行的处理,以及根据在此描述的顺序要以 时间次序进行的处理。
[0296] 在本说明书中,系统涉及包括多于一个装置的整个设备。
[0297] 此外,如上所述的作为一个装置(或一个处理单元)的任何结构可以被划分为两 个或多个装置(或处理单元)。相反,如上所述的作为两个或多个装置(或处理单元)的 任何结构可以组合成一个装置(或处理单元)。此外,当然可以将除了上文中描述的那些 部件之外的部件添加至任何装置(或处理单元)的结构。此外,装置(或处理单元)的一 些部件可以合并至另一装置(或处理单元)的结构中,只要系统整体的结构和功能基本相 同。也就是说,本技术不限于上文中描述的实施例,而是可以不脱离本技术的范围对其进行 各种修改。
[0298] 本技术也可以具有以下形式。
[0299] (1)成像元件,包括:
[0300]多个比较单元,其对通过垂直信号线从包括光电转换元件的像素所供应的模拟信 号和具有不同倾斜度的斜波的参考信号进行比较,并且输出比较结果;
[0301] 多个计数器,其对于不同的比较单元执行计数直到所述比较结果被反转,并且输 出计数值作为数字数据;和
[0302] 采样及保持单元,其在对所述模拟信号和除了具有最缓和倾斜度的斜波之外的斜 波的参考信号进行比较的比较单元开始比较之前保持通过所述垂直信号线供应的模拟信 号,并且在所述比较单元执行比较时,该采样及保持单元电切断垂直信号线和比较单元并 且将所保持的模拟信号供应至所述比较单元。
[0303] (2)按照(1)所述的成像元件,
[0304] 其中,具有最缓和倾斜度的斜波的电压范围操作在其中kT/C噪声在所有噪声中 最显著的范围内。
[0305] (3)按照⑵所述的成像元件,
[0306] 其中,基于每个比较单元的比较结果而从所述多个计数器中选择的并且对如下比 较单元执行计数的计数器输出计数值:该比较单元将所述模拟信号和与根据该模拟信号的 信号电平的照度区域相对应的参考信号相比较。
[0307] (4)按照(3)所述的成像元件,
[0308] 其中,从所述多个计数器中选择如下计数器:该计数器中的计数值最大,并且与该 计数器相对应的比较单元的比较结果被反转。
[0309] ⑶按照⑷所述的成像元件,
[0310] 其中,与所述计数值一起输出标志信息,所述标志信息示出由与所选择的计数器 相对应的比较器所使用的参考信号的电压范围。
[0311] (6)按照⑴至(5)中的任一项所述的成像元件,
[0312] 其中,所述采样及保持单元包括开关和电容器,所述开关电连接或电切断所述垂 直信号线和所述比较单元,所述电容器在所述垂直信号线和所述比较单元通过所述开关电 连接时保持通过所述垂直信号线所供应的模拟信号,并且在所述垂直信号线和所述比较单 元通过所述开关电切断时将由所述电容器保持的模拟信号供应至所述比较单元。
[0313] (7)按照⑴至(6)中的任一项所述的成像元件,还包括:
[0314] 多个参考信号生成单元,其生成具有不同倾斜度的斜波的参考信号,
[0315] 其中,所述多个比较单元将所述模拟信号与由不同的参考信号生成单元所生成的 参考信号进行比较。
[0316] (8)按照(7)所述的成像元件,
[0317] 其中,所述多个参考信号生成单元在相同的时刻开始生成参考信号。
[0318] (9)按照(7)所述的成像元件,
[0319] 其中,在生成具有最缓和倾斜度的斜波的参考信号的参考信号生成单元生成参考 信号之后具有最缓和倾斜度的斜波的电压值和具有其他倾斜度的斜波的电压值不交叉的 时刻,生成具有其他倾斜度的斜波的参考信号的参考信号生成单元开始生成参考信号。
[0320] (10)按照(7)所述的成像元件,
[0321] 其中,在生成具有最缓和倾斜度的斜波的参考信号的参考信号生成单元生成参考 信号之前的时刻,生成具有其他倾斜度的斜波的参考信号的参考信号生成单元开始生成参 考信号。
[0322] (11)按照(7)所述的成像元件,
[0323] 其中,在生成具有最缓和倾斜度的斜波的参考信号的参考信号生成单元生成参考 信号时,生成具有其他倾斜度的斜波的参考信号的参考信号生成单元顺序地生成具有不同 倾斜度的斜波的参考信号。
[0324] (12)按照(1)至(11)中的任一项所述的成像元件,
[0325] 其中,所述多个比较单元的部分或全部比较所述模拟信号与具有相同倾斜度的斜 波的参考信号,并且
[0326] 所述成像元件还包括求和平均单元,其对由与比较所述模拟信号与具有相同倾斜 度的斜波的参考信号的多个比较单元相对应的计数器输出的计数值进行平均。
[0327] (13) -种成像元件的控制方法,包括:
[0328] 使得多个比较单元对通过垂直信号线从包括光电转换元件的像素所供应的模拟 信号和具有不同倾斜度的斜波的参考信号进行比较,并且输出比较结果;
[0329] 使得多个计数器对于不同的比较单元执行计数直到所述比较结果被反转,并且使 得所述多个计数器输出计数值作为数字数据;以及
[0330] 使得采样及保持单元在对所述模拟信号和除了具有最缓和倾斜度的斜波之外的 斜波的参考信号进行比较的比较单元开始比较之前保持通过所述垂直信号线供应的模拟 信号,并且致使在所述比较单元执行比较时,该采样及保持单元电切断垂直信号线和所述 比较单元并且将所保持的模拟信号供应至所述比较单元。
[0331] (14) 一种成像设备,包括:
[0332] 成像元件,具有多个比较单元、多个计数器、和采样及保持单元,所述多个比较单 元对通过垂直信号线从包括光电转换元件的像素所供应的模拟信号和具有不同倾斜度的 斜波的参考信号进行比较,并且输出比较结果,所述多个计数器对于不同的比较单元执行 计数直到所述比较结果被反转,并且所述多个计数器输出计数值作为数字数据,所述采样 及保持单元在对所述模拟信号和除了具有最缓和倾斜度的斜波之外的斜波的参考信号进 行比较的比较单元开始比较之前保持通过所述垂直信号线供应的模拟信号,并且在所述比 较单元执行比较时,该采样及保持单元电切断所述垂直信号线和所述比较单元并且将所保 持的模拟信号供应至所述比较单元;
[0333] 图像处理单元,其对从成像元件输出的成像图像的数字数据执行图像处理;以及
[0334] 存储单元,其存储经受了所述图像处理单元的图像处理的成像图像的数字数据。
[0335] (15) -种成像元件,包括:
[0336] 多个参考信号生成单元,其在不同的时刻生成具有不同倾斜度的斜波的参考信 号;
[0337] 多个比较单元,其对通过垂直信号线从包括光电转换元件的像素所供应的模拟信 号和由不同的参考信号生成单元生成的参考信号进行比较,并且输出比较结果;和
[0338] 多个计数器,其对于不同的比较单元执行计数直到所述比较结果被反转,并且输 出计数值作为数字数据。
[0339] (16)按照(15)所述的成像元件,
[0340] 其中,在生成具有最缓和倾斜度的斜波的参考信号的参考信号生成单元生成参考 信号之后具有最缓和倾斜度的斜波的电压值和具有其他倾斜度的斜波的电压值不交叉的 时刻,生成具有其他倾斜度的斜波的参考信号的参考信号生成单元开始生成参考信号。
[0341] (17)按照(15)所述的成像元件,
[0342] 其中,在生成具有最缓和倾斜度的斜波的参考信号的参考信号生成单元生成参考 信号之前的时刻,生成具有其他倾斜度的斜波的参考信号的参考信号生成单元开始生成参 考信号。
[0343] (18)按照(15)所述的成像元件,
[0344] 其中,与所述计数值一起输出标志信息,所述标志信息示出由与所选择的计数器 相对应的比较器所使用的参考信号的电压范围。
[0345] (19) 一种成像元件的控制方法,包括:
[0346] 使得多个参考信号生成单元在不同的时刻生成具有不同倾斜度的斜波的参考信 号;
[0347] 使得多个比较单元对通过垂直信号线从包括光电转换元件的像素所供应的模拟 信号和由不同的参考信号生成单元生成的参考信号进行比较并且输出比较结果;和
[0348] 使得多个计数器对于不同的比较单元执行计数直到所述比较结果被反转,并且使 得所述多个计数器输出计数值作为数字数据。
[0349] (20) -种成像设备,包括:
[0350] 成像元件,其具有多个参考信号生成单元、多个比较单元和多个计数器,所述多个 参考信号生成单元在不同的时刻生成具有不同倾斜度的斜波的参考信号,所述多个比较单 元对通过垂直信号线从包括光电转换元件的像素所供应的模拟信号和由不同的参考信号 生成单元生成的参考信号进行比较并且输出比较结果,所述多个计数器对于不同的比较单 元执行计数直到所述比较结果被反转,并且输出计数值作为数字数据;
[0351] 图像处理单元,其对从成像元件输出的成像图像的数字数据执行图像处理;以及
[0352] 存储单元,其存储经受了所述图像处理单元的图像处理的成像图像的数字数据。
[0353] 附图标记列表
[0354] 100 CMOS图像传感器
[0355] 1〇1半导体基板
[0356] 102像素阵列单元
[0357] 103 行扫描单元
[0358] 104列处理单元
[0359] 105列扫描单元
[0360] 106系统控制单元
[0361] 107像素驱动线
[0362] 108垂直信号线
[0363] 109水平总线
[0364] 110输出端
[0365] 120 像素
[0366] 131、132参考信号生成电路
[0367] 140 列 ADC
[0368] 153比较器
[0369] 155 U/D 计数器
[0370] 163比较器
[0371] 165 U/D 计数器
[0372] 170采样及保持单元
[0373] 171 开关
[0374] 172 电容器
[0375] 440 列 ADC
[0376] 470采样及保持单元
[0377] 491求和平均计算单元
[0378] 500成像设备
[0379] 600计算机
【权利要求】
1. 一种成像元件,包括: 多个比较单元,其对通过垂直信号线从包括光电转换元件的像素所供应的模拟信号和 具有不同倾斜度的斜波的参考信号进行比较,并且输出比较结果; 多个计数器,其对于不同的比较单元执行计数直到所述比较结果被反转,并且输出计 数值作为数字数据;和 采样及保持单元,其在对所述模拟信号和除了具有最缓和倾斜度的斜波之外的斜波的 参考信号进行比较的比较单元开始比较之前保持通过所述垂直信号线供应的模拟信号,并 且在所述比较单元执行比较时,该采样及保持单元电切断所述垂直信号线和所述比较单元 并且将所保持的模拟信号供应至所述比较单元。
2. 按照权利要求1所述的成像元件, 其中,具有最缓和倾斜度的斜波的电压范围操作在其中kT/C噪声在所有噪声中最显 著的范围内。
3. 按照权利要求2所述的成像元件, 其中,基于每个比较单元的比较结果而从所述多个计数器中选择的并且对如下比较单 元执行计数的计数器输出计数值:该比较单元将所述模拟信号和与根据该模拟信号的信号 电平的照度区域相对应的参考信号相比较。
4. 按照权利要求3所述的成像元件, 其中,从所述多个计数器中选择如下计数器:该计数器中的计数值最大,并且与该计数 器相对应的比较单元的比较结果被反转。
5. 按照权利要求4所述的成像元件, 其中,与所述计数值一起输出标志信息,所述标志信息示出由与所选择的计数器相对 应的比较器所使用的参考信号的电压范围。
6. 按照权利要求1所述的成像元件, 其中,所述采样及保持单元包括开关和电容器,所述开关电连接或电切断所述垂直信 号线和所述比较单元,所述电容器在所述垂直信号线和所述比较单元通过所述开关电连接 时保持通过所述垂直信号线所供应的模拟信号,并且在所述垂直信号线和所述比较单元通 过所述开关电切断时将由所述电容器保持的模拟信号供应至所述比较单元。
7. 按照权利要求1所述的成像元件,还包括: 多个参考信号生成单元,其生成具有不同倾斜度的斜波的参考信号, 其中,所述多个比较单元将所述模拟信号与由不同的参考信号生成单元所生成的参考 信号进行比较。
8. 按照权利要求7所述的成像元件, 其中,所述多个参考信号生成单元在相同的时刻开始生成参考信号。
9. 按照权利要求7所述的成像元件, 其中,在生成具有最缓和倾斜度的斜波的参考信号的参考信号生成单元生成参考信 号之后、具有最缓和倾斜度的斜波的电压值和具有其他倾斜度的斜波的电压值不交叉的时 亥IJ,生成具有其他倾斜度的斜波的参考信号的参考信号生成单元开始生成参考信号。
10. 按照权利要求7所述的成像元件, 其中,在生成具有最缓和倾斜度的斜波的参考信号的参考信号生成单元生成参考信号 之前的时刻,生成具有其他倾斜度的斜波的参考信号的参考信号生成单元开始生成参考信 号。
11. 按照权利要求7所述的成像元件, 其中,在生成具有最缓和倾斜度的斜波的参考信号的参考信号生成单元生成参考信号 时,生成具有其他倾斜度的斜波的参考信号的参考信号生成单元顺序地生成具有不同倾斜 度的斜波的参考信号。
12. 按照权利要求1所述的成像元件, 其中,所述多个比较单元的部分或全部比较模拟信号与具有相同倾斜度的斜波的参考 信号,并且 所述成像元件还包括求和平均单元,其对由与比较模拟信号与具有相同倾斜度的斜波 的参考信号的多个比较单元相对应的计数器输出的计数值进行平均。
13. -种成像元件的控制方法,包括: 使得多个比较单元对通过垂直信号线从包括光电转换元件的像素所供应的模拟信号 和具有不同倾斜度的斜波的参考信号进行比较,并且输出比较结果; 使得多个计数器对于不同的比较单元执行计数直到所述比较结果被反转,并且使得所 述多个计数器输出计数值作为数字数据;以及 使得采样及保持单元在对所述模拟信号和除了具有最缓和倾斜度的斜波之外的斜波 的参考信号进行比较的比较单元开始比较之前保持通过所述垂直信号线供应的模拟信号, 并且使得在所述比较单元执行比较时,该采样及保持单元电切断垂直信号线和所述比较单 元并且将所保持的模拟信号供应至所述比较单元。
14. 一种成像设备,包括: 成像元件,具有多个比较单元、多个计数器、和采样及保持单元,所述多个比较单元对 通过垂直信号线从包括光电转换元件的像素所供应的模拟信号和具有不同倾斜度的斜波 的参考信号进行比较,并且输出比较结果,所述多个计数器对于不同的比较单元执行计数 直到所述比较结果被反转,并且所述多个计数器输出计数值作为数字数据,所述采样及保 持单元在对所述模拟信号和除了具有最缓和倾斜度的斜波之外的斜波的参考信号进行比 较的比较单元开始比较之前保持通过所述垂直信号线供应的模拟信号,并且在所述比较单 元执行比较时,该采样及保持单元电切断所述垂直信号线和所述比较单元并且将所保持的 模拟信号供应至所述比较单元; 图像处理单元,其对从成像元件输出的成像图像的数字数据执行图像处理;以及 存储单元,其存储经受了所述图像处理单元的图像处理的成像图像的数字数据。
15. -种成像元件,包括: 多个参考信号生成单元,其在不同的时刻生成具有不同倾斜度的斜波的参考信号; 多个比较单元,其对通过垂直信号线从包括光电转换元件的像素所供应的模拟信号和 由不同的参考信号生成单元生成的参考信号进行比较,并且输出比较结果;和 多个计数器,其对于不同的比较单元执行计数直到所述比较结果被反转,并且输出计 数值作为数字数据。
16. 按照权利要求15所述的成像元件, 其中,在生成具有最缓和倾斜度的斜波的参考信号的参考信号生成单元生成参考信 号之后、具有最缓和倾斜度的斜波的电压值和具有其他倾斜度的斜波的电压值不交叉的时 亥IJ,生成具有其他倾斜度的斜波的参考信号的参考信号生成单元开始生成参考信号。
17. 按照权利要求15所述的成像元件, 其中,在生成具有最缓和倾斜度的斜波的参考信号的参考信号生成单元生成参考信号 之前的时刻,生成具有其他倾斜度的斜波的参考信号的参考信号生成单元开始生成参考信 号。
18. 按照权利要求15所述的成像元件, 其中,与所述计数值一起输出标志信息,所述标志信息示出由与所选择的计数器相对 应的比较器所使用的参考信号的电压范围。
19. 一种成像元件的控制方法,包括: 使得多个参考信号生成单元在不同的时刻生成具有不同倾斜度的斜波的参考信号; 使得多个比较单元对通过垂直信号线从包括光电转换元件的像素所供应的模拟信号 和由不同的参考信号生成单元生成的参考信号进行比较并且输出比较结果;和 使得多个计数器对于不同的比较单元执行计数直到所述比较结果被反转,并且使得所 述多个计数器输出计数值作为数字数据。
20. -种成像设备,包括: 成像元件,其具有多个参考信号生成单元、多个比较单元和多个计数器,所述多个参考 信号生成单元在不同的时刻生成具有不同倾斜度的斜波的参考信号,所述多个比较单元对 通过垂直信号线从包括光电转换元件的像素所供应的模拟信号和由不同的参考信号生成 单元生成的参考信号进行比较并且输出比较结果,所述多个计数器对于不同的比较单元执 行计数直到所述比较结果被反转,并且输出计数值作为数字数据; 图像处理单元,其对从成像元件输出的成像图像的数字数据执行图像处理;以及 存储单元,其存储经受了所述图像处理单元的图像处理的成像图像的数字数据。
【文档编号】H04N5/378GK104115488SQ201280069321
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2012年11月30日 优先权日:2011年12月8日
【发明者】佐藤守, 榊原雅树, 田浦忠行 申请人:索尼公司

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