專利名稱：固態(tài)成像器件、驅(qū)動固態(tài)成像器件的方法和成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固態(tài)成像器件、驅(qū)動固態(tài)成像器件的方法和成像裝置，更具體而言，涉 及在像素信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換時在參考信號中設(shè)置偏移的固態(tài)成像器件、驅(qū)動固態(tài)成像器件的 方法和成像裝置。
背景技術(shù)：
諸如電荷耦合器件(CXD)或互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)之類的固態(tài)成像器件 已用于各種應(yīng)用中。適用于更高速成像的CMOS型固態(tài)成像器件已經(jīng)吸引了注意力，并且其 各種架構(gòu)已經(jīng)提出。這里，在CMOS型固態(tài)成像器件中將像素信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換中，采用 了通過比較器將作為參考信號的兩個斜坡信號與像素信號進(jìn)行比較的雙斜坡型列ADC系 統(tǒng)(例如，參見 JP-A-2008-187565 和 JP-A-2008-193373)。在采用雙斜坡型列ADC系統(tǒng)的CMOS型固態(tài)成像器件中，從參考信號產(chǎn)生單元輸出 的參考信號的自動歸零時段中的基準(zhǔn)信號的幅值、P相時段中斜坡的幅值和D相時段中斜 坡的幅值在模擬增益調(diào)節(jié)中被改變。模擬增益和參考信號的幅值彼此成反比，并且各幅值 之比恒定。

發(fā)明內(nèi)容
然而，在采用雙斜坡型列ADC系統(tǒng)的CMOS型固態(tài)成像器件中，高增益下的白點出 現(xiàn)和垂直線出現(xiàn)與低增益下的黑點出現(xiàn)之間的折衷關(guān)系成為問題。S卩，因為將自動歸零時段中的偏移幅值設(shè)置得比P相時段中的斜坡幅值更大，所 以導(dǎo)致高增益下的白點的出現(xiàn)，并且由此存在由于像素特性中的不均勻性而未產(chǎn)生P相斜 坡中比較器的反轉(zhuǎn)的像素。另一方面，由于降低自動歸零時段中基準(zhǔn)信號的幅值以在增益上升時避免白點的 出現(xiàn)，因此導(dǎo)致垂直線的出現(xiàn)，并且比較器的反轉(zhuǎn)狀態(tài)很糟糕地受到影響。隨著增益降低，由于高增益下自動歸零時的基準(zhǔn)信號的幅值與P相斜坡的幅值之 差比所需更大，因此導(dǎo)致低增益下黑點的出現(xiàn)。由此，期望在采用雙斜坡型列ADC系統(tǒng)的固態(tài)成像器件中抑制垂直線并且抑制白 點禾口黑點。根據(jù)本發(fā)明的一實施方式，提供了如下的固態(tài)成像器件，包括像素單元，其中布 置了多個光電轉(zhuǎn)換元件；比較單元，其將一參考信號與像素單元的光電轉(zhuǎn)換元件所獲取的 信號進(jìn)行比較；參考信號產(chǎn)生單元，其產(chǎn)生所述參考信號；計數(shù)單元，其對由比較單元將像 素信號和參考信號的相對大小進(jìn)行反轉(zhuǎn)時的時間量進(jìn)行計數(shù)；以及偏移設(shè)置單元，其在參 考信號產(chǎn)生單元產(chǎn)生的參考信號中設(shè)置偏移。根據(jù)此配置，由于在比較單元中使用的參考信號中設(shè)置了偏移，因此可以通過偏 移量吸收(absorb)光電轉(zhuǎn)換元件中的信號變化，從而使得比較單元精確地反轉(zhuǎn)信號。
這里，參考信號的示例包括從像素單元不發(fā)出信號時的基準(zhǔn)信號；第一斜坡信 號(P相斜坡信號)，其用于對與所述不發(fā)出信號相對應(yīng)的時間量進(jìn)行計數(shù)；以及第二斜坡 信號(D相斜坡信號)，其用于對與像素信號相對應(yīng)的時間量進(jìn)行計數(shù)。在該配置中，在參考信號當(dāng)中的基準(zhǔn)信號中設(shè)置偏移，或者在第一斜坡信號和第 二斜坡信號中設(shè)置偏移，或者在基準(zhǔn)信號、第一斜坡信號和第二斜坡信號的所有之中設(shè)置 偏移。于是，即使在改變斜坡信號的動態(tài)范圍時，也可以基于此抑制垂直線、白點和黑點的 生成。根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式，提供了一種驅(qū)動固態(tài)成像器件的方法，所述固態(tài)成 像器件具有比較單元，其將一參考信號與像素單元所獲取的信號進(jìn)行比較；參考信號產(chǎn) 生單元，其產(chǎn)生參考信號；以及計數(shù)單元，其對由比較單元將像素信號和參考信號的相對大 小進(jìn)行反轉(zhuǎn)時的時間量進(jìn)行計數(shù)，所述方法包含以下步驟在參考信號產(chǎn)生單元產(chǎn)生的參 考信號中設(shè)置偏移。根據(jù)本發(fā)明的又一實施方式，提供了一種成像裝置，包含固態(tài)成像器件，其從被 攝體的圖像獲取圖像信號；以及信號處理器，其處理固態(tài)成像器件所獲取的信號，其中，所 述固態(tài)成像器件包括像素單元，其中布置了多個光電轉(zhuǎn)換元件；比較單元，其將一參考信 號與像素單元的光電轉(zhuǎn)換元件所獲取的信號進(jìn)行比較；參考信號產(chǎn)生單元，其產(chǎn)生參考信 號；計數(shù)單元，其對比較單元將像素信號和參考信號的相對大小進(jìn)行反轉(zhuǎn)時的時間量進(jìn)行 計數(shù)；以及偏移設(shè)置單元，其在參考信號產(chǎn)生單元產(chǎn)生的參考信號中設(shè)置偏移。根據(jù)此配置，由于在比較單元中使用的基準(zhǔn)信號中設(shè)置偏移，因此可以通過偏移 量來吸收光電轉(zhuǎn)換元件中的信號變化，從而使得比較單元精確地反轉(zhuǎn)信號。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，可以在固態(tài)成像器件中抑制垂直線、白點和黑點。


圖1是圖示根據(jù)本發(fā)明實施方式的固態(tài)成像器件的框圖。圖2是圖示應(yīng)用于根據(jù)本發(fā)明實施方式的固態(tài)成像器件的DAC的配置的圖。圖3是圖示雙斜坡型列ADC系統(tǒng)的時序圖。圖4是圖示由于模擬增益的調(diào)節(jié)所引起的參考信號中的變化的曲線圖。圖5A和圖5B是圖示高增益下的垂直線的曲線圖。圖6是圖示高增益下的白點的曲線圖。圖7是圖示大光強中的黑點的曲線圖。圖8是圖示大光強中的黑點的校正的曲線圖。圖9是圖示大光強中的黑點的校正的問題的曲線圖。圖IOA和圖IOB是圖示自動歸零時段中設(shè)置的基準(zhǔn)信號中的偏移的曲線圖。圖IlA和圖IlB是圖示P相斜坡信號和D相斜坡信號中的偏移的曲線圖。圖12是圖示基準(zhǔn)信號、P相斜坡信號和D相斜坡信號中的偏移的曲線圖。圖13是并行地圖示圖IOA到圖12中所示的偏移的示例的時序圖。圖14是圖示依據(jù)增益的偏移量的變化的曲線圖。圖15是圖示設(shè)置偏移的具體過程(其第一個)的曲線圖。圖16是圖示設(shè)置偏移的具體過程(其第二個)的曲線圖。
圖17是圖示根據(jù)本發(fā)明實施方式的成像裝置的配置的框圖。
具體實施例方式下文描述用于實施本發(fā)明的方式(下文將其稱為“實施方式”)。以下列順序進(jìn)行 描述。1.固態(tài)成像器件的配置(整體配置、DAC的配置)2.雙斜坡型列ADC系統(tǒng)(時序圖、模擬增益、高增益下的垂直線、高增益下的白點、 大光強中的黑點)3.驅(qū)動固態(tài)成像器件的方法(自動歸零基準(zhǔn)信號中的偏移、P相和D相斜坡信號 中的偏移、基準(zhǔn)信號以及P相和D相斜坡信號中的偏移、各種參考信號中的偏移)4.偏移的自適應(yīng)設(shè)置5.設(shè)置偏移的具體過程6.成像裝置的配置<1.固態(tài)成像器件的配置〉[整體配置]圖1是圖示根據(jù)本發(fā)明實施方式的固態(tài)成像器件1的配置的框圖。即，根據(jù)本實 施方式的固態(tài)成像器件1包括像素單元10，其中布置了多個光電轉(zhuǎn)換元件12 ；比較器(比 較單元)16，其將值像階梯那樣變化的斜坡信號(參考信號)與像素單元10的光電轉(zhuǎn)換元 件12所獲取的信號進(jìn)行比較；以及DAC(參考信號產(chǎn)生單元)15，其生成所述斜坡信號。固 態(tài)成像器件1進(jìn)一步包括計數(shù)器(計數(shù)單元)17，其將比較器16改變像素信號和斜坡信 號的相對大小時的時間量輸出為數(shù)字值；以及緩沖器18，其暫時存儲所述計數(shù)值。固態(tài)成 像器件1進(jìn)一步包括復(fù)位信號產(chǎn)生單元(復(fù)位信號產(chǎn)生部件)19，其產(chǎn)生復(fù)位信號(自動歸 零脈沖信號)，該復(fù)位信號用于觸發(fā)復(fù)位操作并被輸入到比較器16以用于計數(shù)器17的基本 匹配；行掃描電路13，其掃描像素單元10中的光電轉(zhuǎn)換元件12的各行；列掃描電路14，其 掃描各列；以及驅(qū)動控制器21，其控制驅(qū)動。像素單元10具有多個光電轉(zhuǎn)換元件12以矩陣方式布置的配置。行掃描電路13 在行方向上掃描光電轉(zhuǎn)換元件12，并且依次將其像素信號發(fā)送至比較器16。將要與像素信 號比較的斜坡信號從DAC 15輸入至比較器16。該斜坡信號是其電平以恒定比率逐步變化 的信號。比較器16檢測與像素信號的比較結(jié)果在什么電平處被反轉(zhuǎn)。作為比較器16中的比較結(jié)果，升降計數(shù)器17對直到像素信號和斜坡信號的相對 大小被反轉(zhuǎn)為止的時間進(jìn)行計數(shù)，并且將該計數(shù)值存儲在緩沖器18中。列掃描電路14依 次掃描緩沖器18中存儲的每一列的值，并且輸出得到的信號。驅(qū)動控制器21控制各單元。根據(jù)此實施方式的固態(tài)成像器件1包括偏移設(shè)置單元15a，其在從DAC15生成的斜 坡信號中設(shè)置預(yù)定偏移。在此實施方式中，將偏移設(shè)置單元15a放置在DAC 15中?？梢詫?偏移設(shè)置單元15a放置在DAC 15的外部。[DAC 的配置]圖2是圖示應(yīng)用于根據(jù)此實施方式的固態(tài)成像器件的DAC的配置的圖。DAC包括 偏移設(shè)置單元15a、斜坡信號產(chǎn)生電路15b和增益控制電路15c。斜坡信號產(chǎn)生電路15b包括移位寄存器151和多級可變電流源pw-b。開關(guān)sw-b放置在移位寄存器151和每個可變電流源pw-b之間。響應(yīng)于時鐘脈沖，通過依次從移位寄 存器151輸出的信號來選擇開關(guān)sw-b，并且所選可變電流源pw-b的級數(shù)增大以生成斜坡信 號。當(dāng)將自動歸零脈沖輸入至移位寄存器151時，選擇與預(yù)定級數(shù)相對應(yīng)的開關(guān)sw-b，并且 生成與所選可變電流源pw-b的級數(shù)相對應(yīng)的參考電壓。增益控制電路15c包括解碼器152和多級電流源pw-c。開關(guān)sw-c放置在解碼器 152和每個可變電流源pw-c之間。放大控制信號(PCG CODE)輸入至解碼器152，并由解碼 器152來解碼。響應(yīng)于解碼值來設(shè)置所選開關(guān)sw-c的數(shù)目，并且確定電流源pw-c的級數(shù)。 將偏置電壓(1)施加至電流源pw-c，并且將所選電流源pw-c的級數(shù)所對應(yīng)的電流作為偏置 施加給斜坡信號產(chǎn)生電路15b的可變電流源pw-b。于是，由從增益控制電路15c施加給斜 坡信號產(chǎn)生電路15b的偏置電流來設(shè)置斜坡信號的斜坡。偏移設(shè)置單元15a包括使能邏輯153以及施加了偏置電壓(2)的電流源pW_a。使 能邏輯153參考自動歸零脈沖、斜坡使能脈沖和從控制切換單元154輸出的控制信號，任意 地或固定地控制偏移操作的ON和OFF。當(dāng)執(zhí)行偏移操作時，從使能邏輯153輸出用于選擇 開關(guān)sw-a的信號，并且將電流從施加了偏置電壓⑵的電流源pw-a發(fā)送至斜坡信號產(chǎn)生 電路15b的輸出線。于是，將預(yù)定偏置疊加在輸出自斜坡信號產(chǎn)生電路15b的參考電壓(參 考信號)上。這里，偏移設(shè)置單元15a不依賴于與從增益控制電路15c發(fā)送至斜坡信號產(chǎn)生電 路15b的增益對應(yīng)的偏置?？刂魄袚Q單元154不特別受限，而可以是可由軟件改變的外部控 制信號、基于布線接合(wire bonding)的硬件外部控制信號以及基于半導(dǎo)體的內(nèi)部布線的 連接變化的硬件內(nèi)部信號。偏置電壓(2)可以是預(yù)設(shè)的固定值，或者可以是在控制器(未 示出)的控制下改變的值。在此實施方式中，在固態(tài)成像器件1和DAC 15的配置中，偏移設(shè)置單元15a在從 DAC 15輸出的參考信號中設(shè)置預(yù)定偏移。偏移設(shè)置單元15a設(shè)置偏移的具體示例包括這樣的示例在參考信號當(dāng)中，在光 電轉(zhuǎn)換元件不發(fā)出信號時的基準(zhǔn)信號(自動歸零信號)中設(shè)置預(yù)定偏移。偏移設(shè)置單元15a設(shè)置偏移的具體示例包括這樣的示例在P相斜坡信號和D相 斜坡信號中設(shè)置預(yù)定偏移。這里，P相斜坡信號是參考信號當(dāng)中的第一斜坡信號，其用于 允許計數(shù)器對與從光電轉(zhuǎn)換元件不發(fā)出信號相對應(yīng)的時間量進(jìn)行計數(shù)。D相斜坡信號是第 二斜坡信號，其用于允許計數(shù)器對與光電轉(zhuǎn)換元件獲取的像素信號相對應(yīng)的時間量進(jìn)行計 數(shù)。偏移設(shè)置單元15a設(shè)置偏移的具體示例包括這樣的示例在自動歸零信號、P相斜 坡信號和D相斜坡信號中設(shè)置預(yù)定偏移。在基準(zhǔn)信號中設(shè)置偏移時，偏移設(shè)置單元15a設(shè)置偏移以便從基準(zhǔn)信號的最大值 中減去預(yù)定偏移，或者設(shè)置偏移以便P相斜坡信號和D相斜坡信號移至基準(zhǔn)信號的電平。偏移設(shè)置單元15a在P相斜坡信號和D相斜坡信號中設(shè)置相同的偏移量，或者在 基準(zhǔn)信號、P相斜坡信號和D相斜坡信號中設(shè)置相同的偏移量。在基準(zhǔn)信號、P相斜坡信號和D相斜坡信號中設(shè)置偏移時，偏移設(shè)置單元15a設(shè)置 依據(jù)增益控制電路15c中的增益而變化的偏移。這里，增益控制電路15c中的增益是指P 相斜坡信號和D相斜坡信號的動態(tài)范圍中的放大因子。
<2.雙斜坡型列ADC系統(tǒng)>[時序圖]將描述雙斜坡型列ADC系統(tǒng)。圖3是雙斜坡型列ADC系統(tǒng)中的時序圖。該時序圖 示出從像素信號的復(fù)位到讀取的時段中每一光電轉(zhuǎn)換元件中的各種信號的時間。首先，與像素復(fù)位脈沖的ON同步地將自動歸零脈沖改變至ON。當(dāng)自動歸零脈沖處 于ON時，從DAC輸出基準(zhǔn)信號，并且像素的零電平的輸出值可以與基準(zhǔn)信號相關(guān)聯(lián)。該操 作稱為自動歸零(在下面的描述中同樣如此)。自動歸零中設(shè)置的基準(zhǔn)信號是比較器的工 作點。然后，當(dāng)自動歸零脈沖變?yōu)镺FF、然后斜坡使能脈沖變?yōu)镺N時，將P相斜坡信號從 DAC輸出至比較器。比較器將P相斜坡信號與發(fā)送自光電轉(zhuǎn)換元件的零電平的輸出值進(jìn)行 比較。在比較器的比較操作中，當(dāng)P相斜坡信號等于零電平的輸出值時，比較器的輸出極性 被反轉(zhuǎn)。另一方面，當(dāng)斜坡使能脈沖處于ON狀態(tài)時，將計數(shù)器時鐘脈沖輸入至計數(shù)器。在 斜坡使能脈沖變?yōu)镺N狀態(tài)之后，計數(shù)器對計數(shù)器時鐘脈沖數(shù)進(jìn)行計數(shù)，直到比較器的輸出 被反轉(zhuǎn)為止。將計數(shù)值(計數(shù)值m)存儲在緩沖器中。然后，當(dāng)像素傳輸脈沖變?yōu)镺N狀態(tài)時，光電轉(zhuǎn)換元件所獲取的像素信號被讀取并 發(fā)送至比較器。此后，當(dāng)斜坡使能脈沖再次改變至ON狀態(tài)時，將D相斜坡信號從DAC輸出 至比較器。比較器將D相斜坡信號與發(fā)送自光電轉(zhuǎn)換元件的像素信號進(jìn)行比較。在比較器 的比較操作中，當(dāng)D相斜坡信號等于像素信號時，比較器的輸出極性被反轉(zhuǎn)。另一方面，當(dāng) 斜坡使能脈沖處于ON狀態(tài)時，將計數(shù)器時鐘脈沖輸入至計數(shù)器。在斜坡使能脈沖變?yōu)镺N 狀態(tài)之后，計數(shù)器對計數(shù)器時鐘脈沖數(shù)進(jìn)行計數(shù)，直到比較器的輸出被反轉(zhuǎn)為止。將計數(shù)值 (計數(shù)值N2)存儲在緩沖器中。此后，將存儲在緩沖器中的計數(shù)值m和N2發(fā)送至后一級的信號處理電路，并且 通過計算計數(shù)值N2-計數(shù)值m，來生成通過去除光電轉(zhuǎn)換元件的噪聲分量所獲得的像素信號。[模擬增益]圖4是圖示由于模擬增益調(diào)節(jié)所引起的參考信號的變化的曲線圖。在圖中，僅示 出了圖3所示的時序圖當(dāng)中的計數(shù)時鐘脈沖、自動歸零脈沖和DAC輸出的波形(參考信號 的波形)。模擬增益對應(yīng)于圖2所示的DAC的配置中從增益控制電路15c發(fā)送到斜坡信號 產(chǎn)生電路15b的偏置。依據(jù)固態(tài)成像器件的感光度來設(shè)置模擬增益。即，增益隨著感光度 變得更高而更高，并且增益隨著感光度變得更低而更低。在參考信號中，參考信號的幅值隨著模擬增益變得更高而更小，并且幅值隨著模 擬增益變得更低而更大。在P相斜坡信號的D相斜坡信號中，峰值部分的幅值隨著增益變 得更高而更小，并且峰值部分的幅值隨著增益變得更低而更大。即，斜坡隨著增益變得更高 而更小，并且斜坡隨著增益變得更低而更大。隨著P相斜坡信號和D相斜坡信號的斜坡變 得更小，用于表示信號的一個灰度級的計數(shù)數(shù)量增大，并且分辨率增大。這里，當(dāng)依據(jù)模擬增益來調(diào)節(jié)參考信號的幅值時，下列現(xiàn)象是已知的。[高增益下的垂直線]圖5A和圖5B是圖示高增益下的垂直線的圖，其中，圖5A是圖示參考信號和像素 信號的時序圖，圖5B是圖示比較器的輸出的圖像的圖。如上所述，隨著模擬增益變得更高，從DAC輸出的參考信號的幅值變得更小。圖5A所示的參考信號的實線表示低增益，而虛線 表示高增益。這里，如圖5B所示，隨著從DAC發(fā)送的參考信號的幅值變得更小，比較器可更 加容易地引起比較器輸出的變化。即，隨著參考信號的幅值變得更小，比較器輸出中的反轉(zhuǎn) 延遲增加。于是，比較器的輸出在P相斜坡時段中可能不反轉(zhuǎn)。具體地，在高增益下可容易 地生成由于比較器輸出的變化所引起的具有強垂直相關(guān)性(即，垂直線出現(xiàn)的現(xiàn)象)的圖 像。[高增益下的白點]圖6是圖示高增益下的白點的時序圖，其中示出了參考信號和像素信號。如上所 述，從DAC輸出的參考信號的幅值隨著模擬增益變得更高而更小。在圖6所示的參考信號 中，實線表示低增益下的參考信號，而虛線表示高增益下的參考信號。這里，隨著增益變得 更高，P相斜坡信號的幅值變得更小，并且斜坡減小，籍此像素信號的不均勻性對比較器輸 出的反轉(zhuǎn)時間具有很大影響。于是，比較器輸出在P相斜坡時段中可能不反轉(zhuǎn)。這樣，當(dāng)出 現(xiàn)比較器的輸出在P相斜坡時段中不反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象時，認(rèn)為黑點出現(xiàn)，由此通過黑點校正電 路的操作來輸出白點。這里，黑點校正電路是這樣的電路其將自動歸零時段中的基準(zhǔn)信號 設(shè)置為不低于強光入射時像素信號的下限。于是，強制設(shè)置比較器的輸出在P相斜坡時段 中不反轉(zhuǎn)。比較器感測比較結(jié)果在P相斜坡時段中不反轉(zhuǎn)，并且校正其輸出以便對這種情 況下的白點進(jìn)行計數(shù)。[大光強中的黑點]圖7是圖示大光強中的黑點的圖，其中示出了像素復(fù)位脈沖、像素傳輸脈沖、自動 歸零脈沖、像素信號和參考信號。在附圖中，虛線表示正常電平的像素信號，而點劃線表示 生成黑點時的像素信號。在正常電平的像素信號中，使用DAC的像素信號和基準(zhǔn)信號的零電平來設(shè)置自動 歸零，并且使用P相斜坡信號來對零電平的計數(shù)值(Ni)進(jìn)行計數(shù)。此后，使用D相斜坡信 號對像素的信號電平的計數(shù)值(N2)進(jìn)行計數(shù)，并且通過N2-N1獲取信號幅值。當(dāng)黑點出現(xiàn)時，每一像素的浮空擴(kuò)散的電位利用復(fù)位脈沖而更新到零電平，但是 電子由于入射光的強度而從光電轉(zhuǎn)換元件溢出至浮空擴(kuò)散。于是，電子使浮空擴(kuò)散飽和，而 不管是否存在傳輸脈沖。為此，在將像素信號設(shè)置為零電平的時段、P相斜坡時段和D相斜 坡時段的任何一個中，像素信號達(dá)到可輸出的最大幅值。當(dāng)以該電平執(zhí)行比較器的自動歸 零設(shè)置時，使用P相斜坡信號對零電平的計數(shù)值(Ni)進(jìn)行計數(shù)，使用D相斜坡信號對像素 的信號電平的計數(shù)值(N2)進(jìn)行計數(shù)，并且執(zhí)行總輸出=N2-N1的計算，然后輸出總輸出= 零(黑)。圖8是圖示大光強中的黑點的校正的圖。如上所述，執(zhí)行下列校正以在接收具有 大強度的光的同時，避免輸出黑點。在圖8中，示出了圖示像素復(fù)位脈沖、像素傳輸脈沖、自 動歸零脈沖、像素信號和參考信號的時序圖。在圖中，虛線表示正常電平的像素信號，點劃 線表示黑點發(fā)生時的像素信號，而粗線表示執(zhí)行黑點校正時的像素信號。這里，在時段(1) (3)中執(zhí)行下列處理來檢測和校正黑點。(1)預(yù)先，將伴隨像素的仿真(dummy)源極跟隨器電路連接至像素信號的信號線， 并且向其施加預(yù)定模擬電壓。仿真源極跟隨器電路僅在自動歸零設(shè)置時段中被啟動。這 里，即使強光入射時，也將基準(zhǔn)信號的電平設(shè)置為不低于在設(shè)置自動歸零時的像素信號的下限。(2)當(dāng)自動歸零設(shè)置時段到期后，使仿真源極跟隨器電路不啟動。當(dāng)強光入射時， 像素信號達(dá)到下限。于是，在P相斜坡時段中，P相斜坡信號和像素信號不混合。(3)在比較器中，P相斜坡時段中比較結(jié)果的不反轉(zhuǎn)用作確定標(biāo)準(zhǔn)，該確定標(biāo)準(zhǔn)用 于感測“生成大光強中的黑點的這種電平的光強”。于是，比較器輸出完全計數(shù)(例如，10位 模數(shù)轉(zhuǎn)換中的3FF)=白。即，忽略了如下的計算使用D相斜坡信號的像素的信號電平的 計數(shù)值(N2)-使用P相斜坡信號的零電平的計數(shù)值(Ni)。于是，將黑點校正到白。圖9是圖示在校正大光強中的黑點時的問題的圖。在此圖中，示出了圖示參考信 號和像素信號的時序圖。在此圖中，虛線表示正常電平的像素信號，點劃線表示當(dāng)生成黑點 時的像素信號，而粗線表示當(dāng)校正黑點時的像素信號。在上述模擬增益的設(shè)置中，P相斜坡信號和D相斜坡信號隨著增益變得更高而在 峰值部分具有更小的幅值(見圖中的虛線)，并且隨著增益變得更低而在峰值部分具有更 大的幅值(見圖中的實線)。于是，當(dāng)?shù)驮鲆嫦碌腜相斜坡的幅值變得更高時，P相斜坡的 幅值可能大于自動歸零設(shè)置中基準(zhǔn)信號的下限電平以校正黑點。為此，比較器輸出在P相 斜坡中被反轉(zhuǎn)，由此不滿足用于允許比較器感測“生成了大光強中的黑點的這種電平的光 強”的確定標(biāo)準(zhǔn)。因此，使用D相斜坡信號的像素的信號電平的計數(shù)值(N2)-使用P相斜坡 信號的零電平的計數(shù)值(Ni)的計算導(dǎo)致零計數(shù)，從而輸出黑。即，即使旨在通過黑點的校 正來輸出白時，仍在未校正的情況下輸出黑。<3.驅(qū)動固態(tài)成像器件的方法〉在本實施方式中，執(zhí)行下列驅(qū)動方法以依據(jù)模擬增益解決垂直線、黑點和白點中 的問題。[自動歸零基準(zhǔn)信號中的偏移]圖IOA和圖IOB是圖示在自動歸零時段中設(shè)置的基準(zhǔn)信號中的偏移的圖，其中，圖 IOA示出高增益下的偏移，而圖IOB示出低增益下的偏移。如圖IOA中所示，在高增益下設(shè) 置以從設(shè)置在自動歸零時段中的基準(zhǔn)信號的最大幅值電平中減去預(yù)定偏移，以便不生成圖 5A和圖5B所示的垂直線或者允許不出現(xiàn)圖6所示的白點。這里，基準(zhǔn)信號的最大幅值處于 與P相斜坡信號的最大幅值相同的電平。考慮光電轉(zhuǎn)換元件的零電平中的不均勻性或者比 較器的反轉(zhuǎn)延遲中的不均勻性來確定偏移量。這樣，通過向自動歸零時段中設(shè)置的基準(zhǔn)信號的電平提供偏移，在基準(zhǔn)信號和P 相斜坡信號的幅值之間保證了裕量。在圖IOB所示的低增益中，也設(shè)置為從基準(zhǔn)信號的最 大幅值電平中減去預(yù)定偏移。自動歸零的基準(zhǔn)信號的幅值與P相斜坡信號的幅值以與增益 大致成反比的方式在低增益中增大，但是保證了高增益下給出的最小偏移，從而促使其之 間的峰值差抑制圖9所示的低增益下的黑點的出現(xiàn)。[P相和D相斜坡信號中的偏移]圖IlA和圖IlB是圖示P相斜坡信號和D相斜坡信號中的偏移的圖，其中，圖IlA 示出高增益下的偏移，而圖IlB示出低增益下的偏移。在此示例中，抑制了高增益下白點的 出現(xiàn)以及低增益下黑點的出現(xiàn)。在此示例中，在圖IlA所示的高增益以及圖IlB所示的低 增益中，將偏移添加至P相斜坡信號。此時，朝著基準(zhǔn)信號的電平添加偏移。在P相斜坡信 號中，將偏移疊加在電平上而不改變斜坡。于是，在自動歸零時段中基準(zhǔn)信號的幅值和P相斜坡信號的幅值之間保證了裕量，從而抑制了高增益下黑點的出現(xiàn)。盡管在圖IlA和圖IlB中未示出，但是將與添加至P相斜坡信號相同的偏移添加 至D相斜坡信號，以便P相斜坡信號和D相斜坡信號的基本電平相互匹配。[基準(zhǔn)信號和P相與D相斜坡信號中的偏移]圖12是圖示基準(zhǔn)信號、P相斜坡信號和D相斜坡信號中的偏移的圖。在此示例中， 首先，將偏移添加至自動歸零時段中的基準(zhǔn)信號以抑制垂直線的出現(xiàn)，從而使基準(zhǔn)信號最 大化。通過該最大化，基準(zhǔn)信號的幅值具有與P相斜坡信號的幅值相同的電平。在此狀態(tài) 下，由于在基準(zhǔn)信號的幅值和P相斜坡信號的幅值之間沒有裕量，因此將與添加至自動歸 零時段中的基準(zhǔn)信號相同的偏移添加至P相斜坡信號。朝著基準(zhǔn)信號的電平給出偏移。在 P相斜坡信號中，在不改變斜坡的情況下在電平上疊加偏移。于是，保證了使基準(zhǔn)信號最大 化之前的相同裕量，從而防止在高增益下出現(xiàn)黑點。此時，為了使P相斜坡信號和D相斜坡信號的基本電平相互匹配，將與添加至自動 歸零時段中的基準(zhǔn)信號相同的偏移朝著基準(zhǔn)信號的電平添加至D相斜坡信號。在D相斜坡 信號中，在不改變斜坡的情況下在電平上疊加偏移。[各種基準(zhǔn)信號中的偏移]圖13是以并行方式圖示設(shè)置圖IOA到圖12中所示的偏移的示例的時序圖。在此 實施方式中，自動歸零設(shè)置中基準(zhǔn)信號的幅值與P相斜坡信號的幅值之間的峰值差不依賴 于增益，而是保持為預(yù)定電壓幅值差?？梢酝ㄟ^固態(tài)成像器件的規(guī)格來適當(dāng)?shù)卮_定應(yīng)當(dāng)使 用圖IOA到圖12所示的哪個偏移。<4.偏移的自適應(yīng)設(shè)置〉圖14是圖示依據(jù)增益的偏移的變化的圖。在偏移的上述示例中，將添加至基準(zhǔn)信 號、P相斜坡信號和D相斜坡信號的偏移設(shè)置為常數(shù)，但是偏移量可以如圖14所示那樣依 據(jù)增益而自適應(yīng)地改變。S卩，在圖14中，水平軸表示增益，而垂直軸表示基準(zhǔn)信號和P相斜坡信號之間的幅 值差。這里，在圖中，實線表示不依賴于增益的恒定偏移，而點劃線表示可依賴于增益變化 的偏移。當(dāng)將偏移添加至基準(zhǔn)信號并且偏移量恒定而不依賴于增益時，基準(zhǔn)信號和P相斜 坡信號之間的幅值差是恒定的。相反，當(dāng)偏移量可依據(jù)增益而改變時，隨著增益變得更小， 將基準(zhǔn)信號和P相斜坡信號之間的幅值差設(shè)置為更大的偏移。當(dāng)增益較小時，來自DAC的斜坡信號的斜坡陡峭。于是，正好在斜坡開始之后和之 前，可能出現(xiàn)線性度的惡化，并且具有線性度的有效范圍可能減小。在此情況下，當(dāng)將高增 益下的偏移在不進(jìn)行任何變化的情況下應(yīng)用于低增益時，在正好于斜坡結(jié)束之前不能保證 線性度的區(qū)域中可能出現(xiàn)比較器的反轉(zhuǎn)。因此，通過隨著增益變得更低而將偏移設(shè)置得更 大，可以避免該問題。當(dāng)將偏移添加至P相斜坡信號和D相斜坡信號并且偏移量恒定而不依賴于增益 時，來自沒有添加偏移的電平的偏移中的差為常數(shù)。另一方面，當(dāng)偏移量可依據(jù)增益改變 時，隨著增益變得更高，將來自沒有添加偏移的電平的偏移中的差設(shè)置得更大。如上所述，當(dāng)P相斜坡信號的幅值很大時，可能容易發(fā)生在低增益下出現(xiàn)的很大 光強中的黑點。于是，當(dāng)疊加了不依賴于增益的恒定偏移時，可能產(chǎn)生黑點。因此，通過隨
11著增益變得更低而減小偏移量，可以避免該問題。<5.設(shè)置偏移的具體過程〉[第一操作]圖15是圖示設(shè)置偏移的具體過程(其第一個)的圖。在圖中，示出了參考信號的 變化。首先，在高增益下的參考信號中，將自動歸零時段中設(shè)置的基準(zhǔn)信號的幅值設(shè)置為與 P相斜坡信號的幅值相同(參見圖中的(1))。然后，將預(yù)定的偏移疊加在基準(zhǔn)信號上。于 是，基準(zhǔn)信號具有通過從P相斜坡的幅值中減去偏移量而獲得的幅值(參見附圖中的(2))。 使用疊加了偏移的基準(zhǔn)信號來檢查白點的出現(xiàn)。隨后，將與在高增益下設(shè)置的偏移量相同的偏移量疊加在低增益下的基準(zhǔn)信號 上。即，設(shè)置通過從基準(zhǔn)信號的最大值中減去偏移量而獲得的電平。使用疊加了偏移的基準(zhǔn)信號來檢查很大光強中黑點的出現(xiàn)。這里，當(dāng)生成黑點時， 使得偏移減小預(yù)定量，偏移疊加在高增益下的基準(zhǔn)信號上，檢查白點的出現(xiàn)，偏移疊加在低 增益下的基準(zhǔn)信號上，并且檢查很大光強中黑點的出現(xiàn)。通過對這些進(jìn)行重復(fù)，可以設(shè)置可 抑制高增益下白點和低增益下黑點兩者的出現(xiàn)的偏移量。[第二操作]圖16是圖示設(shè)置偏移的具體過程(其第二個)的圖。在該圖中，示出了參考信號 中的變化。首先，在高增益下的參考信號中，將在自動歸零時段中設(shè)置的基準(zhǔn)信號的幅值設(shè) 置為與P相斜坡信號的幅值相同的電平(參見附圖中的(1))。然后，將預(yù)定偏移(第一偏 移)疊加在基準(zhǔn)信號上。于是，基準(zhǔn)信號具有通過從P相斜坡信號的幅值中減去第一偏移 而獲得的幅值(參見附圖中的(2))。使用疊加了第一偏移的基準(zhǔn)信號來檢查白點的出現(xiàn)。隨后，在將第一偏移疊加在高增益下的作為參考信號的基準(zhǔn)信號上的狀態(tài)下，在 增大幅值的方向上將另一恒定量的偏移(第二偏移)疊加至所有的基準(zhǔn)信號、P相斜坡信 號和D相斜坡信號上(參見附圖中的(3))。使用疊加了第二偏移的參考信號來檢查垂直線 的出現(xiàn)。當(dāng)垂直線出現(xiàn)時，調(diào)節(jié)并優(yōu)化第二偏移量以抑制垂直線的出現(xiàn)。在疊加了第一和第二偏移的狀態(tài)下，檢查低增益和大光強中黑點的出現(xiàn)。當(dāng)黑點 出現(xiàn)時，調(diào)節(jié)第一偏移以使其減小。在某些情況下，疊加負(fù)偏移。在該偏移設(shè)置中檢查高增 益下白點和垂直線的出現(xiàn)。通過對這些進(jìn)行重復(fù)，可以設(shè)置可抑制高增益下白點、低增益下 垂直線和黑點的所有出現(xiàn)的偏移量。<6.成像裝置的配置〉圖17是圖示根據(jù)本發(fā)明實施方式的成像裝置的配置的框圖。如圖17中所示，根 據(jù)此實施方式的成像裝置包括含有透鏡71、成像器件72、相機(jī)信號處理電路73和系統(tǒng)控制 器74的光學(xué)系統(tǒng)。透鏡71將來自被攝體的圖像光形成在成像器件72的成像面上。成像器件72將 通過透鏡71形成在成像面上的圖像光逐像素地轉(zhuǎn)換為電信號，并且輸出得到的圖像信號。 根據(jù)本發(fā)明實施方式的上述固態(tài)成像器件用作成像器件72。相機(jī)信號處理電路73對從成像器件72輸出的圖像信號執(zhí)行各種信號處理。系統(tǒng) 控制器74控制成像器件72和相機(jī)信號處理電路73。系統(tǒng)控制器74還執(zhí)行如下的控制 在讀取了所有像素信息的逐行掃描方法中的正常幀速模式和高幀速模式(其中，通過將像 素的曝光時間設(shè)置為正常幀速模式下的1/N來提高幀速)之間切換操作模式。
根據(jù)此實施方式，在光電轉(zhuǎn)換元件設(shè)計結(jié)束之后解決了針對光電轉(zhuǎn)換元件特性改 進(jìn)的折衷，從而改進(jìn)了特性。于是，可以通過特性裕量的擴(kuò)大來延伸可適用的增益范圍。由 于可以擴(kuò)大特性裕量，因此可以擴(kuò)大產(chǎn)量。也可以降低用于特性改進(jìn)的測試制造，從而降低 成本。還可以在不改變來自光電轉(zhuǎn)換元件的信號的讀取速度的情況下改進(jìn)特性。通過將基 準(zhǔn)信號的幅值與P相斜坡信號的幅值之間需要的最小裕量始終應(yīng)用于整個增益范圍，控制 操作得到簡化，從而通過控制電路的簡化或者選擇處理的減少而降低了成本。本申請包含與2009年8月7日向日本專利局提交的日本優(yōu)先權(quán)專利申請JP 2009-184204中公開的主題有關(guān)的主題，將其全部內(nèi)容通過引用的方式合并在此。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，依據(jù)設(shè)計要求和其它因素，可出現(xiàn)各種修改、組合、部 分組合和變更，只要它們在所附權(quán)利要求書及其等效物的范圍內(nèi)即可。
權(quán)利要求
1.一種固態(tài)成像器件，包括像素單元，其中布置了多個光電轉(zhuǎn)換元件；比較單元，其將一參考信號與像素單元的光電轉(zhuǎn)換元件所獲取的信號進(jìn)行比較；參考信號產(chǎn)生單元，其產(chǎn)生所述參考信號；計數(shù)單元，其對由比較單元將像素信號和參考信號的相對大小進(jìn)行反轉(zhuǎn)時的時間量進(jìn) 行計數(shù)；以及偏移設(shè)置單元，其在參考信號產(chǎn)生單元產(chǎn)生的參考信號中設(shè)置偏移。
2.如權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像器件，其中，所述參考信號產(chǎn)生單元產(chǎn)生作為參考信 號的如下信號像素單元不發(fā)出信號時的基準(zhǔn)信號；第一斜坡信號，其用于允許所述計數(shù) 單元對與所述不發(fā)出信號相對應(yīng)的時間量進(jìn)行計數(shù)；以及第二斜坡信號，其用于允許所述 計數(shù)單元對與像素單元獲取的像素信號相對應(yīng)的時間量進(jìn)行計數(shù)，并且其中，所述偏移設(shè)置單元在所述參考信號產(chǎn)生單元產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號中設(shè)置偏移。
3.如權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像器件，其中，所述參考信號產(chǎn)生單元產(chǎn)生作為參考信 號的如下信號從像素單元不發(fā)出信號時的基準(zhǔn)信號；第一斜坡信號，其用于允許所述計 數(shù)單元對與所述不發(fā)出信號相對應(yīng)的時間量進(jìn)行計數(shù)；以及第二斜坡信號，其用于允許所 述計數(shù)單元對與像素單元獲取的像素信號相對應(yīng)的時間量進(jìn)行計數(shù)，并且其中，所述偏移設(shè)置單元在所述參考信號產(chǎn)生單元產(chǎn)生的第一斜坡信號和第二斜坡信 號中設(shè)置偏移。
4.如權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像器件，其中，所述參考信號產(chǎn)生單元產(chǎn)生作為參考信 號的如下信號從像素單元不發(fā)出信號時的基準(zhǔn)信號；第一斜坡信號，其用于允許所述計 數(shù)單元對與所述不發(fā)出信號相對應(yīng)的時間量進(jìn)行計數(shù)；以及第二斜坡信號，其用于允許所 述計數(shù)單元對與像素單元獲取的像素信號相對應(yīng)的時間量進(jìn)行計數(shù)，并且其中，所述偏移設(shè)置單元在所述參考信號產(chǎn)生單元產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號、第一斜坡信號和 第二斜坡信號中設(shè)置偏移。
5.如權(quán)利要求2所述的固態(tài)成像器件，其中，所述偏移設(shè)置單元從所述參考信號產(chǎn)生 單元產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號的最大值中減去所述偏移。
6.如權(quán)利要求2所述的固態(tài)成像器件，其中，所述偏移設(shè)置單元設(shè)置偏移，以使得所述 參考信號產(chǎn)生單元產(chǎn)生的第一斜坡信號和第二斜坡信號移至所述基準(zhǔn)信號的電平。
7.如權(quán)利要求3所述的固態(tài)成像器件，其中，所述偏移設(shè)置單元在所述參考信號產(chǎn)生 單元產(chǎn)生的第一斜坡信號和第二斜坡信號中設(shè)置相同的偏移量。
8.如權(quán)利要求4所述的固態(tài)成像器件，其中，所述偏移設(shè)置單元在所述參考信號產(chǎn)生 單元產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號、第一斜坡信號和第二斜坡信號中設(shè)置相同的偏移量。
9.如權(quán)利要求4所述的固態(tài)成像器件，其中，所述偏移設(shè)置單元在所述參考信號產(chǎn)生 單元產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號、第一斜坡信號和第二斜坡信號中設(shè)置與第一斜坡信號和第二斜坡信 號的動態(tài)范圍的放大因子相對應(yīng)的偏移。
10.一種用于驅(qū)動固態(tài)成像器件的方法，所述固態(tài)成像器件具有比較單元，其將一參考信號與像素單元所獲取的信號進(jìn)行比較；參考信號產(chǎn)生單元，其產(chǎn)生參考信號；以及計數(shù)單元，其對由比較單元將像素信號和參考信號的相對大小進(jìn)行反轉(zhuǎn)時的時間量進(jìn)行計數(shù)，所述方法包含以下步驟在參考信號產(chǎn)生單元產(chǎn)生的參考信號中設(shè)置偏移。
11. 一種成像裝置，包含固態(tài)成像器件，其從被攝體的圖像獲取圖像信號；以及信號處理器，其處理固態(tài)成像器 件所獲取的信號，其中，所述固態(tài)成像器件包括 像素單元，其中布置了多個光電轉(zhuǎn)換元件；比較單元，其將一參考信號與像素單元的光電轉(zhuǎn)換元件所獲取的信號進(jìn)行比較； 參考信號產(chǎn)生單元，其產(chǎn)生參考信號；計數(shù)單元，其對由比較單元將像素信號和參考信號的相對大小進(jìn)行反轉(zhuǎn)時的時間量進(jìn) 行計數(shù)；以及偏移設(shè)置單元，其在參考信號產(chǎn)生單元產(chǎn)生的參考信號中設(shè)置偏移。
全文摘要
在此公開了固態(tài)成像器件、驅(qū)動固態(tài)成像器件的方法和成像裝置。所述固態(tài)成像器件包括像素單元，其中布置了多個光電轉(zhuǎn)換元件；比較單元，其將一參考信號與像素單元的光電轉(zhuǎn)換元件所獲取的信號進(jìn)行比較；參考信號產(chǎn)生單元，其產(chǎn)生所述參考信號；計數(shù)單元，其對比較單元將像素信號和參考信號的相對大小進(jìn)行反轉(zhuǎn)時的時間量進(jìn)行計數(shù)；以及偏移設(shè)置單元，其在參考信號產(chǎn)生單元產(chǎn)生的參考信號中設(shè)置偏移。
文檔編號H04N5/335GK101998065SQ20101024375
公開日2011年3月30日 申請日期2010年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月7日
發(fā)明者二改教廣 申請人:索尼公司