專利名稱：成像設備及其驅動方法
技術領域：
本發(fā)明涉及成像設備及其驅動方法。
背景技術：
已知使用CMOS圖像傳感器作為成像裝置的數字式照相機。對像素信號應用模數(AD)轉換的成像裝置已知使得能夠以高速讀出信號。已經知道了ー種AD轉換技術，在其中比較器將像素信號與時間相關的參考信號(斜坡信號)進行比較并且獲取根據信號振幅的AD轉換的數據。因此期望包括AD轉換器的成像裝置實現(xiàn)高速讀取和高分辨率。考慮到像素信號的光學散粒噪聲，僅僅足以實現(xiàn)信噪比的比特是必需的。根據分類成多個信號電平，高速讀出和高分辨率可以通過減少比特數來實現(xiàn)。此外，已知根據信號振幅結合比較器和參考信號的方法(例如，參見日本專利申請公開No. 2007-281987)。日本專利申請公開No. 2007-281987的技術利用多個比較器。因此，存在響應速度根據制造構成比較器的元件的變化而不同從而導致AD轉換的數據的誤差的問題。此外，存在增大電路面積和功率消耗的難點。

發(fā)明內容
根據本發(fā)明的ー個方面，ー種成像設備包括用于通過光電轉換產生信號的像素；比較電路，用于將基于像素的信號與時間相關的參考信號進行比較；計數器電路，執(zhí)行計數操作直到基于像素的信號與時間相關的參考信號之間的大小關系反轉；以及選擇電路，用于根據基于像素的信號的信號電平來設定參考信號的時間相關的變化率。從以下參考附圖的示例性實施例的描述中本發(fā)明更多的特征將變得清晰。


圖I是根據本發(fā)明的第一實施例的成像裝置的結構圖。圖2是示出像素信號的信噪比的圖。圖3是示出斜坡信號的圖。圖4是本發(fā)明的第一實施例的AD轉換單元的框圖。圖5是圖4中的AD轉換單元的時序圖。圖6是示出用于AD轉換的數據的比特移位(bit-shift)單元的圖。圖7是根據本發(fā)明第二實施例的AD轉換單元的框圖。圖8是根據本發(fā)明第三實施例的AD轉換單元的框圖。圖9是用于AD轉換的數據的比特數調整単元的框圖。圖10是成像系統(tǒng)的結構圖。圖11是示出了圖I中的成像裝置的配置的示例的示意圖。圖12是像素的等效電路圖。圖13是示出了圖11中示出的成像裝置的工作的示例的時序圖。
具體實施例方式現(xiàn)在將根據附圖詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。(第一實施例)圖I是根據本發(fā)明的第一實施例的成像裝置100的示意性結構圖。成像裝置100是CMOS圖像傳感器，對由所接收的光形成的被攝物圖像進行光電轉換，并且輸出電信號作為數字信號。成像裝置100包括像素単元10、垂直掃描電路15、放大單元20、斜坡信號產生電路(參考信號產生電路)25、比較器單元30、計數器單元40、存儲單元50、輸出電路60、水平掃描電路65和定時產生電路(TG) 70。像素單元10包括以ニ維矩陣方式布置的像素10-1。像素10-1通過光電轉換輸出像素信號。垂直掃描電路15向像素單兀10輸出驅動脈沖Χ-1、Χ-2、……。放大單元20放大來自像素単元10的像素信號。斜坡信號產生電路25產生時間相關的斜坡信號(參考信號)作為用于像素信號的比較信號。比較器單元30將由放大單元20放大的像素信號與斜坡信號進行比較。計數器単元40計數直到比較器單元30輸出比較結果。存儲單元50保持計數器単元40的計數數據，并且對保持的數據執(zhí)行比 特移位和運算。水平掃描電路65通過水平掃描將來自存儲單元50的數據傳送到輸出電路60。定時產生電路70控制電路模塊的定時。在像素單元10的區(qū)域中布置多個像素10-1。然而，圖I僅僅示意性地示出四個像素。多行像素10-1由來自垂直掃描電路15的相應的驅動脈沖Χ-1、Χ-2順序地驅動。每個像素10-1的復位信號(比較信號)和作為光電轉換信號的有效信號經由垂直輸出線V-I V-n被引導到放大單元20。針對相應的垂直輸出線V-I V-n提供從放大單元20到存儲單元50的電路。放大單元20的每個放大電路20-1可以僅僅具有簡單地放大來自像素10-1的信號的功能。作為替代，該電路可以具有CDS處理功能，該CDS處理功能執(zhí)行有效信號和復位信號之間的差分處理。在放大單元20中沒有⑶S處理功能的情況下，⑶S處理在比較器単元30的輸入部中被執(zhí)行。放大單元20不是強制性的。然而，放大具有減少比較器單元30中引起的噪聲的影響的有利效果。比較器單元30包括從放大單元20來的與像素列對應的比較電路30-1以及選擇斜坡信號之ー的選擇電路30-2。比較器單元30確定來自放大電路20-1的像素信號的振幅是大于還是小于考慮到像素信號的信噪比而設定的參考比較信號，根據該結果選擇要與像素信號進行比較的斜坡信號，并且執(zhí)行比較處理。每個比較電路30-1輸出反相信號，其是與根據輸入信號振幅的確定的結果而選擇的一個斜坡信號比較的比較結果。比較器單元30將像素信號與斜坡信號進行比較。計數器単元40計數從斜坡信號的前沿到輸出信號的反相的計數器時鐘。計數結果作為AD轉換的數據被保持在存儲單元50的存儲電路50-1中。存儲電路50-1對復位信號的AD轉換的數據和有效信號的AD轉換的數據執(zhí)行比特移位和運算之一，由此增加比特數，并且根據來自水平掃描電路65的掃描脈沖將處理后的數據傳送到輸出電路60。如上所述，成像裝置100使得ー個比較電路30-1根據像素信號的振幅執(zhí)行與斜坡信號的比較。因此，裝置發(fā)揮可以通過涉及少量比特的AD轉換處理而獲取多比特的AD轉換的數據的有利的效果。圖2是示出用于描述圖I中的成像裝置100的工作原理的像素信號的信噪比的圖。圖2的橫坐標表示到像素10-1上的入射光量。縱坐標指示根據入射光量光電轉換的信號電平的對數表示。實線201表示信號。假設在IV的信號電平處光載流子N=10000。虛線202表示光學散粒噪聲。如公知的，噪聲的量被表示為V N。虛線203表示在CDS之后的像素系統(tǒng)噪聲(包括由放大器引起的噪聲但是排除由AD轉換引起的噪聲)。假設像素系統(tǒng)噪聲203是O. 2mV，作為IV的信號電平和O. 2mV的像素系統(tǒng)噪聲之間的比例的信噪比是74dB。支持該信噪比的AD轉換考慮到量化比特誤差而要求大約14比特的分辨率。分辨率越高，計數器時間增加越多。因此，要求一定的AD轉換時間。在成像裝置中，信號讀出的速度被降低。結果，不能執(zhí)行高速成像。因此本實施例通過減少AD轉換的比特的數量來實現(xiàn)高速讀出。例如，在假設大振幅信號電平為IV的情況下，光學散粒噪聲202大。因此，假設大振幅信號電平為10000個電荷并且光學散粒噪聲為100，信噪比為40dB。在假設小振幅信號電平為IOmV的情況下，信噪比為20dB。也就是說，僅僅要求任一點的信號電平具有用于保證在40dB之上一點的信噪比的分辨率。圖2討論10比特的AD轉換，其中以62. 5mV為界線分類成大振幅信號AD⑶和小 振幅信號AD CL), 62. 5mV為IV的信號的1/16 (對應于四比特)。雙點ー線的虛線204表示對于IV的信號振幅的AD轉換的分辨率。交替長短的虛線205表示對于62. 5mV的信號振幅的AD轉換的分辨率。雖然兩種類型AD轉換都具有10比特的AD轉換精度，但是圖示指示了即使考慮到光學散粒噪聲202中的量化誤差AD分辨率也較小。10比特AD轉換器可以通過對兩個AD轉換的數據比特移位來獲取具有14比特精度的AD轉換的數據。對于大振幅信號和小振幅信號的轉換對應于10比特。在該轉換中，提供的斜坡信號的斜度(其為參考信號的時間相關的變化率)的設為16的比例與對于24 = 16(即四比持)的分辨率的變化對應。對于IV的信號范圍可以通過結合具有這種關系的兩個類型來實現(xiàn)14比特分辨率。在這里，大振幅信號的轉換被討論。本實施例根據IV (其為信號振幅的最大值)的1/16的界線來確定信號是否為大振幅信號。該值為1000mV/16 = 62. 5mV。因此，用于確定的界線為62. 5mV。另ー方面，在小振幅信號的轉換中，直到62. 5mV的界線的小振幅信號使用具有用于大振幅信號的斜坡信號的1/16的斜度的斜坡信號來被AD轉換。因此，小振幅信號的AD轉換的分辨率205為大振幅信號的AD轉換的分辨率204的1/16。因此，對于62. 5mV的信號振幅的10比特AD轉換的分辨率為62.5 mV/1024 Ξ 0.0612 mV。0.06i2mV的分辨率相對于像素系統(tǒng)噪聲203的O. 2mV的值足夠地小。作為界線的62. 5mV的信號可以作為大振幅信號或者小振幅信號被處理。圖3是示出根據本實施例的斜坡信號的圖。圖3示出表示斜坡信號的時間變化的斜度。第一斜坡信號(第一參考信號)VH被用于圖2中的62. 5mV及更高的信號振幅。第二斜坡信號(第二參考信號)VL被用于小于62. 5mV的信號。第二斜坡信號具有比第一斜坡信號VH小的斜度(時間相關的變化率)。斜坡信號VH和VL的斜度比為16。利用16的斜度比，分辨率増大四比持。兩個AD轉換電路采用10比特轉換和相同的最大轉換時間。因此，計數器時鐘具有相同的時鐘頻率。利用8的斜度比，分辨率増大三比持。在圖2中，用于小振幅信號的AD轉換的分辨率足夠地小于系統(tǒng)噪聲。因此，分辨率可以為九比持。在該情況下，計數器的最大時鐘頻率fmax被分配給10比特AD轉換，以便減少轉換時間。因此，9比特AD轉換電路的計數器時鐘為l/2Xfmax。基于像素的飽和電荷的數量、系統(tǒng)噪聲和為成像裝置100所需的分辨率來確定AD轉換電路的分辨率和斜坡信號的斜度比。具有不同的斜度的斜坡信號VH和VL的斜度比可以為ニ的倍數。計數器単元40可以使用具有相同的頻率的計數器時鐘來對斜坡信號VH和VL計數。作為替代，計數可以根據具有不同頻率的計數器時鐘。圖4為示出根據本發(fā)明第一實施例的比較電路30-1與輸入和輸出電路的連接的AD轉換單元的框圖。具有與圖I中的模塊相同作用的模塊被分配有相同的符號。省略了描述。AD轉換單元可以以高速將光電轉換的模擬信號轉換成數字信號。接下來，為了便于描述本實施例，描述了沒有AD轉換器的成像設備的操作和配置的示例。圖11為示出成像裝置中的像素單元210和放大電路220-1的配置的示例的圖，其中省略了比較器單元30、計數器單元40和存儲單元50。在放大電路220-1之后設置⑶S電路119。像素單元210包括以多個列和多個行的方式布置的像素210-1。在圖11中，從左邊數來奇數列處的像素輸出的信號由布置在像素単元210下方的讀取電路讀取。另一方
面，從左邊數來偶數列處的像素輸出的信號由布置在像素單元210上方的讀取電路(未示出)讀取。因此，讀取電路被交替地布置。因此，用于兩列像素単元210的面積可以被用于讀取電路的布局。圖12為ー個像素210-1的電路圖。由傳送脈沖PTX驅動傳送開關102。由復位脈沖PRES驅動復位開關103。由行選擇脈沖PSEL驅動行選擇開關105。圖示PTX代表PTXl η (η為行數)。圖示PRES代表PRESl η。圖示PSEL代表PSELl η。圖13是示出了圖11中示出的成像裝置的工作的示例的時序圖。在下文中，參考圖11 13，描述成像裝置的操作的示例。在讀取操作之前，成像裝置暴露于光持續(xù)設定的曝光時間。光載流子被蓄積在光電ニ極管101中。在下面的描述中，從垂直掃描電路215輸出的PRES1、PTXl和PSELl選擇要被驅動的行。首先，像素復位脈沖PRES從高電平變?yōu)榈碗娖?，以便解除放大器MOSFET 104的柵極電極的復位。在這時候，與復位的解除對應的電位被保持在與柵極電極連接的浮置擴散區(qū)域FD中。隨后，在行選擇脈沖PSEL變?yōu)楦唠娖綍r，與浮置擴散區(qū)域FD的電位對應的輸出通過由放大器MOSFET 104和恒流源107形成的源極跟隨器電路出現(xiàn)在垂直輸出線V-I處。在該狀態(tài)下，箝位脈沖PCOR被激活到高電平。因此，箝位開關109導通，可變放大器131變?yōu)殡妷焊S器狀態(tài)，并且箝位電容器108的列放大器側的電極具有基本上和電壓VREF —致的電壓。隨后，箝位脈沖PCOR被從高電平去激活到低電平，并且垂直輸出線V-I上的輸出被箝位。接下來，蓄積脈沖PTN被激活到高電平，并且放大電路220-1的偏移(offset)信號經由傳送柵極IlOn被存儲在保持電容器112η中。隨后，傳送脈沖PTX被激活到高電平。因此，傳送開關102變?yōu)楦唠娖匠掷m(xù)一定的時間，并且蓄積在光電ニ極管101中的光載流子被傳送到放大器MOSFET 104的柵極電極。在這里，傳送的電荷為電子。假設傳送的電荷的量的絕對值為Q并且浮置擴散區(qū)域FD的電容為CFD，則柵極電位減少Q/CFD。垂直輸出線V-I的電位因此改變。假設源極跟隨器增益為Gsf，根據公式(I)來表示由從光電ニ極管101到浮置擴散單元FD的電荷的傳送引起的垂直輸出線V-I的電位Vvl的變化量AVvl。AVvl=-Q · Gsf/CFD …(I)
電位變化AVvl由包括運算放大器120、箝位電容器108和反饋電容器121的可變放大器131電壓放大。根據公式(2)表不可變放大器131的輸出Vet。Vct=VREF+Q · (Gsf/CFD) · (C0/Cf) ... (2)在這里，箝位電容器108具有電容CO。靈敏度切換脈沖xl、x2和x4被激活時選擇的反饋電容器121a、121b和121c具有電容Cf。例如，C0=lpF。在選擇反饋電容器121a吋，Cf=IpF0在選擇反饋電容器121b時，Cf=O. 5pF。在選擇反饋電容器121c時，Cf=O. 25pF。被表示為-C0/Cf的電壓增益為-I倍、-2倍和-4倍。也就是說，在向運算放大器120施加負反饋的系統(tǒng)中，對于反饋電容器121a到121c中的任一個的選擇改變由Cf和CO的分壓比確定的反饋比，由此使得能夠切換電壓增益。電壓增益的負號表示電路為反相放大電路。在傳送脈沖PTX變?yōu)榈碗娖街?，蓄積脈沖PTS變?yōu)楦唠娖健Ｔ谀菚r來自放大電路220-1的輸出的電平經由傳送柵極IlOs被蓄積在保持電容器112s中。隨后，由水平掃描電路65產生的掃描脈沖C0LSEL1和C0LSEL2、……使列選擇開關114s和114η順序地導通。在保持電容器112s中蓄積的信號根據列的順序被輸出到水 平輸出線116s。在保持電容器112η中蓄積的信號以列的順序被輸出到水平輸出線116η。列的信號對被順序地輸出到水平輸出線116s和116η。差分處理器118輸出向水平輸出線116s和116η輸出的信號對的差。因此，包括在保持在保持電容器112s中的信號內的噪聲成分可以被減少。圖5為示出本實施例的驅動成像裝置100的方法的時序圖，并且特別地是圖4中的AD轉換單元的時序圖。在下文中，參考圖4和圖5，描述AD轉換操作。在圖5中，時間Tad是從像素讀取的模擬信號Va的N信號和S信號的AD轉換時間。時間Tdata是AD轉換的數據傳送時間。在時間Tad中，時間Td是來自像素的N信號AD轉換時間，并且斜坡信號VR是用于其的比較信號。時間Tj是用于S信號的信號電平確定時間。比較信號VREF是用于其的比較信號。時間Tu是S信號AD轉換時間。斜坡信號VH (或者斜坡信號VL)是用于其的比較信號。放大電路20-1的輸出信號Va主要獲取示出的N和S信號電平，并且被引導到比較電路30-1的輸入端子中。作為用于信號Va的比較信號的斜坡信號VRAMP被輸入到比較電路30-1的另ー個輸入端子中。在比較器單元30之前設置⑶S電路的情況下，在下面的描述中N信號與由圖13中的信號PTN采樣的信號對應。另ー方面，在沒有CDS電路的情況下，該信號與響應于浮置擴散單元的復位而輸出到垂直信號線的信號對應。同樣地，在比較器單元30之前設置CDS電路的情況下，在下面的描述中S信號與由圖13中的信號PTS采樣的信號對應。另ー方面，在沒有CDS電路的情況下，該信號與響應于光電ニ極管中引起的電荷到浮置擴散單元的傳送而輸出到垂直信號線的信號對應。斜坡信號產生電路25在定時產生電路70的控制信號CNT2的控制之下產生斜坡信號VH/比較信號VREF和斜坡信號VL/斜坡信號VR。斜坡信號VH用于具有大的斜度的較高位的比持。斜坡信號VL用于具有小斜度的較低位的比持。比較信號VREF為用于確定S信號電平的參考比較信號。斜坡信號VR用干與N信號比較。這四個斜坡信號由選擇電路30-2在定時產生電路70的控制信號CNTl的控制之下選擇，并且輸入到比較電路30-1中。定時產生電路70通過控制信號CNT2控制斜坡信號產生電路25。比較電路30-1在N信號AD轉換時間Td中將N信號與斜坡信號VR進行比較。在時間Tr中，斜坡信號VR開始變化并且與N信號的大小關系反轉。計數器電路40-1在時間Tr中計數。存儲電路50-1保持該計數值作為N信號數據。斜坡信號VR具有與斜坡信號VL相同的斜度。根據相同的斜度，可以獲得具有高分辨率的N信號AD轉換的數據。接下來，在S信號電平確定時間Tj中，比較電路30-1將S信號的信號電平與比較信號VREF互相進行比較。根據示出的示例，在S信號電平確定時間Tj中，比較電路30-1將表示其中S信號高于比較信號VREF的比較結果的高電平選擇信號SEL輸出到選擇電路30-2。結果，選擇電路30-2在S信號AD轉換時間Tu中選擇具有大的斜度的斜坡信號VH，并且將該信號輸出到比較電路30-1。比較電路30-1將S信號與斜坡信號VH進行比較，計數器電路40-1在信號的大小關系反轉的時間Ts中執(zhí)行計數操作。存儲電路50-1保持該計數值作為S信號AD轉換的數據。如果比較電路30-1的輸出在S信號電平確定時間Tj中不反轉，則比較結果被表示為選擇信號SEL處于低電平并且S信號電平低于比較信號VREF ;選擇電路30-2選擇具有小斜度的斜坡信號VL作為斜坡信號。在該情況下，比較電路30-1將S信號與斜坡信號VL進行比較。選擇電路30-2根據由放大單元20放大的S信號的電平選擇具有不同斜度的斜坡信號VH和VL中的ー個。也就是說，選擇電路30-2根據基于像素的S信號的電平設定斜坡信號的時間相關的變化率。比較電路30-1將由選擇電路30-2選擇的斜坡信號與由放大單元20放大的S信號互相進行比較。計數器電路40-1從斜坡信號開始變化時 的時間到比較電路30-1輸出表示S信號和斜坡信號之間的大小關系反轉的信號時的時間進行計數。在圖5中，如上所述，斜坡信號VR和斜坡信號VL具有相同的斜度。在N信號AD轉換時間Td中，斜坡信號VR與N信號進行比較。然而，N信號還用作用于S信號的比較信號，并且因此要求具有高精度。斜坡信號VR具有與用于產生低位比特的斜坡信號VL相同的斜度。因此，存在能夠利用相同的斜坡信號產生電路25的有利的效果。計數器電路40-1的計數結果被存儲在存儲單元50中。存儲單元50從S信號AD轉換的數據中減去N信號AD轉換的數據。在水平掃描電路65的控制之下，減去后的數據被從存儲單元50傳送到輸出電路60。該差分處理去除了由放大電路20-1的偏移的變化和比較電路30-1的響應速度的變化引起的AD轉換誤差。已經使用斜坡信號VL來被AD轉換的S信號的AD轉換的數據經受與N信號AD轉換的數據的差分操作。另ー方面，已經使用斜坡信號VH來被AD轉換的并且具有與N信號AD轉換的數據不同的斜坡信號斜度的S信號AD轉換的數據經受比特移位四個比特，并且隨后經受與N信號AD轉換的數據的差分操作。N信號的電位的變化的主要因素是像素被復位時的N信號、放大電路20-1的偏移、以及初始設定處的比較電路30-1的變化的成分(直到幾十毫伏)。在N信號和放大電路20-1之間的偏移成分在比較電路30-1之前的CDS處理中被減少。然而，比較電路30-1的變化的成分可以被認為是N信號AD轉換的數據。作為差分處理的結果，N信號被減少。大振幅信號的AD轉換的數據具有14比特。然而，根據圖6的描述，四個最低有效比特(4LSB)小于光學散粒噪聲202 (圖2)并且因此可以被認為是偽數據。假設來自像素単元10的像素信號是利用圖2描述的信號201，則圖4中的放大電路20-1的增益為一。然而，稍后將利用圖10描述的成像系統(tǒng)具有適合于成像環(huán)境的靈敏度設定。例如，在16倍靈敏度設定的情況下，圖2中的62. 5mV的信號電平被放大到IV，并且信號被輸入到比較電路30-1中。在這時候，將大振幅信號與斜坡信號VH進行比較的10比特AD轉換的分辨率對于為AD轉換所需的信噪比是足夠的。因此，在16倍或更大的靈敏度設定的情況下，選擇電路30-2可以執(zhí)行控制以便根據來自定時產生電路70的控制信號CONTl而選擇斜坡信號VH并且將信號輸出到比較電路30-1。像素單元10的信噪比主要受像素単元10的開ロ面積的影響。因此，斜坡信號VH和斜坡信號VL的斜度比以及用于選擇斜坡信號VH的靈敏度設定根據開ロ面積而變化。圖6是示出本實施例的用于AD轉換的數據的比特移位単元的圖。例如，存儲電路50-1中的比特移位單元執(zhí)行比特移位處理。在這里AD轉換的數據被描述為通過從S信號AD轉換的數據中減去N信號AD轉換的數據而獲得的數據。圖6A示出其中S信號大于參考比較信號(在本實施例中為62. 5mV)的情況；AD轉換的數據為與具有大斜度的斜坡信號VH的比較結果。AD轉換的數據DO到D9經受4比特移位并且作為AD轉換的數據Da4到Dal3輸出。在該情況下，在數據Da3處和比數據Da3低的低位比特小于光學散粒噪聲202。因此，低電平數據被輸出。圖6B示出其中S信號低于參考比較信號的情況;AD轉換的數據為與具有低斜度的斜坡信號VL的比較結果。AD轉換的數據DO到D9不經受比特移位，而是原樣地作為AD轉換的數據DaO到Da9輸出。在該情況下，到數據Da9的比特的信號振幅被 AD轉換。因此，在數據DalO處和高于數據DalO的較高位的比特不處于高電平。因此，數據DalO到Dal3被設定為低電平。具有不同斜度的斜坡信號的類型的數量可以為三個或更多個。比特移位單元至少對與具有最大斜度的斜坡信號對應的數據DO到D9應用比特移位。本實施例在S信號的振幅的62. 5mV的界線處改變斜坡信號的斜度。因此，在S信號的振幅為62. 5mV或更大的情況下，10比特AD轉換的數據DO到D9經受4比特移位。因此，14比特AD轉換的數據DaO到Dal3可以被獲取。本實施例已經描述了斜坡信號在62. 5mV的信號電平處的切換。然而，電平可以為65和70mV中的ー個。也就是說,任何S信號必須與斜坡信號VH和VL中的一個進行比較，由此允許獲得AD轉換的數據。在該情況下，光學散粒噪聲202和AD轉換的數據在分辨率的差方面彼此不同。然而，AD轉換的分辨率低于光學散粒噪聲202，其不引起問題。如上所述，關于AD轉換精度，切換信號電平不一定設定為AD轉換精度或更小。該電平可以具有低精度。比特移位単元可以設置在其中來自計數器単元40的數據存儲在存儲單元50中、從存儲單元50傳送到輸出電路60以及從輸出電路60輸出到成像裝置100外的任何地點處的成像裝置中。比特移位単元可以設置在成像裝置100タト(例如，在圖10中的視頻信號處理電路單元830中)。在該情況下，如果用于識別對于參考比較信號的信號確定電平(選擇信號SEL)的標志數據被添加到AD轉換的數據，則可以容易支持任何比特移位方法。從計數器單元40輸出的AD轉換的數據DO到D9與表示S信號的電平的標志數據一起被輸出。(第二實施例)圖7是根據本發(fā)明第二實施例的AD轉換單元的框圖。在本實施例中，信號電平由信號電平確定電路(選擇電路)30-3確定。在下文中將描述本實施例與第一實施例的差另U。如同關于圖6中的比特移位的描述ー樣，斜坡信號切換可以以低精度確定。因此，切換不一定由比較電路30-1確定。作為替代，該切換可以由信號電平確定電路30-3確定。在該情況下，斜坡信號產生電路25將斜坡信號VH和斜坡信號VL/斜坡信號VR輸出到選擇電路30-2。在S信號高于比較信號VREF時，信號電平確定電路30-3將高電平確定信號SEL2輸出到選擇電路30-2，并且選擇電路30-2基于高電平確定信號SEL2將斜坡信號VH輸出到比較電路30-1。另ー方面，在S信號低于比較信號VREF時，信號電平確定電路30-3將低電平確定信號SEL2輸出到選擇電路30-2，并且選擇電路30-2基于低電平確定信號SEL2將斜坡信號VL輸出到比較電路30-1。比較信號VREF不是為本實施例的斜坡信號VRAMP所必需的。由于斜坡信號產生電路25不產生斜坡信號VREF，因此斜坡信號產生電路25可以被簡化。(第三實施例)圖8是根據本發(fā)明第三實施例的AD轉換單元的框圖。在下文中將描述本實施例與第二實施例的差別。在本實施例中，斜坡信號產生電路25產生斜坡信號VH并且將該信號輸出到衰減器30-4。衰減器30-4衰減由斜坡信號產生電路25產生的斜坡信號VH，由此產生具有不同斜度的斜坡信號VL和VR。衰減器30-4根據控制信號CONTl和確定信號SEL2(或者選擇信號SEL)輸出斜坡信號VH、VL和VR中的一個到比較電路30_1。因此，設置衰減器30-4，由此發(fā)揮減少從斜坡信號產生電路25到衰減器30-4的布線的數量的有利的效果O
圖9是本實施例的用于AD轉換的數據的比特數調整単元的框圖。比特數調整單元包括輸出緩沖器。根據第一到第三實施例的描述，10比特AD轉換的數據DO到D9經受比特移位成14比特AD轉換的數據DaO到Dal3，由此實現(xiàn)高分辨率。然而，在成像裝置100的某些應用中，可以要求低分辨率和低功率消耗。在對較暗的被攝物成像并且放大像素信號的情況下，光學散粒噪聲和系統(tǒng)噪聲高并且信號的信噪比降低。在該情況下，可以采用12和10比特中的任意一個作為AD轉換的數據。輸出緩沖器被供應有電源電壓Vdd，并且緩沖器輸出14比特數據DaO到Dal3。用于四個最低有效比特數據DaO到Da3的輸出緩沖器通過控制信號Dcont2和Dcont4被供應有電源電壓Vdd。在用于四個最低有效比特數據DaO到Da3的輸出緩沖器通過控制信號Dcont2和Dcont4不被供應有電源電壓Vdd的情況下，用于較高位的10比特數據Da4到Dal3的輸出緩沖器輸出10比特數據Da4到Dal3。另ー方面，在用于較低2比特數據DaO和Dal的輸出緩沖器通過控制信號Dcont2不被供應有電源電壓Vdd的情況下，用于較高位的12比特數據Da2到Dal3的輸出緩沖器輸出12比特數據Da2到Dal3。因此，14、12和10比特AD轉換數據中的任意ー個可以被輸出。比特數調整単元根據控制信號Dcont2和Dcont4減少已經通過圖6中的比特移位單元經受比特移位的數據的比特的數量。AD轉換數據的利用比特的數量和功率消耗可以通過控制信號Dcont2和Dcont4來控制。因此控制利用比特的數量，由此發(fā)揮降低成像裝置100的功率消耗和圖10中的成像系統(tǒng)的圖像信號處理的功率消耗的有利的效果。利用比特的數量可以根據圖10中的成像系統(tǒng)的靈敏度設定和放大單元20的増益中的ー個來被控制。(第四實施例)圖10是示出根據本發(fā)明第四實施例的成像系統(tǒng)的配置的示例的圖。成像系統(tǒng)800包括例如光學單元810、成像裝置100、視頻信號處理電路單元830、記錄和通信單元840、定時控制電路單元850、系統(tǒng)控制電路單元860以及再現(xiàn)和顯示單元870。成像設備820包括成像裝置100和視頻信號處理電路單元830。在這里使用的成像裝置100是實施例中示出的相同的裝置。作為光學系統(tǒng)(例如透鏡)的光學單元810在成像裝置100的其中像素被ニ維地布置的像素単元10 (圖I)上形成來自被攝物的光的圖像，以便形成被攝物圖像。成像裝置100在基于來自定時控制電路單元850的信號的定時處輸出根據在像素單元10上形成的光的信號。從成像裝置100輸出的信號被輸入到作為視頻信號處理器的視頻信號處理電路單元830中。視頻信號處理電路單元830根據由程序限定的方法對輸入信號執(zhí)行信號處理，例如圖6中的比特移位處理。通過視頻信號處理電路單元830中的處理獲得的信號作為圖像數據被發(fā)送到記錄和通信単元840。記錄和通信単元840將用于形成圖像的信號發(fā)送到再現(xiàn)和顯示単元870，由此使得再現(xiàn)和顯示単元870再現(xiàn)和顯示運動圖像和靜態(tài)圖像中的任何ー個。記錄和通信單元840從視頻信號處理電路單元830接收信號，與系統(tǒng)控制電路単元860通信，并且執(zhí)行將用于形成圖像的信號記錄在記錄介質(未示出)上的操作。
系統(tǒng)控制電路單元860以集成的方式控制成像系統(tǒng)的操作，并且控制光學單元810、定時控制電路單元850、記錄和通信單元840以及再現(xiàn)和顯示單元870的驅動。系統(tǒng)控制電路單元860包括存儲裝置，其例如是記錄介質并且未示出。為控制成像系統(tǒng)的操作所需的程序被記錄在該介質中。系統(tǒng)控制電路單元860為成像系統(tǒng)提供例如響應于用戶的操作來切換驅動模式的信號。具體的示例包括改變用于讀取和復位的行、根據電子變焦改變視角、以及對于電子防振的視角的移動。定時控制電路單元850基于由作為控制単元的系統(tǒng)控制電路單元860的控制來控制成像裝置100和視頻信號處理電路單元830的驅動定時。因此，第一到第四實施例確定要被AD轉換的信號是具有大的振幅還是小的振幅，并且使用具有適合于確定的信號的斜度的斜坡信號執(zhí)行比較處理，由此獲取AD轉換的數據，以及根據圖6中的比特移位處理實現(xiàn)多比特配置。在暗成像環(huán)境之下，在某些曝光條件中，S信號容易變?yōu)樾≌穹盘?。因此，用于提高靈敏度的S信號的放大可以被考慮。在第一實施例中，放大電路20-1放大信號，由此允許靈敏度被改善。在不放大的情況下將來自像素単元10的信號輸入到比較電路30-1中的情況下，斜坡信號的斜度可以改變，結果由此改善靈敏度。實施例不唯一地確定斜坡信號的斜度。作為替代，斜坡信號的斜度可以根據需要的靈敏度的提高而改變。例如，在靈敏度的兩倍的提高的情況下，斜度可以被控制到一半。任何實施例僅僅描述本發(fā)明的具體實現(xiàn)方式的ー個示例。本發(fā)明的技術范圍不應該根據實施例以限制的方式來解釋。也就是說，在不脫離技術想法和主要特性的情況下能夠以各種形式實現(xiàn)本發(fā)明。例如，已經描述了其電平相對于時間線性地變化的斜坡信號作為參考信號。然而，該信號可以具有階梯狀變化的斜度。雖然已經參考示例性實施例描述了本發(fā)明，但是應當理解，本發(fā)明不限于所公開的示例性實施例。以下權利要求的范圍將被給予最寬的解釋從而包括所有這樣的修改、等同的結構與功能。
權利要求
1.一種成像設備，包括 用于通過光電轉換產生信號的像素； 比較電路，用于將基于像素的信號與時間相關的參考信號進行比較； 計數器電路，執(zhí)行計數操作直到基于像素的信號與時間相關的參考信號之間的大小關系反轉；以及 選擇電路，用于根據基于像素的信號的信號電平來設定參考信號的時間相關的變化率。
2.根據權利要求I所述的成像設備，還包括 放大電路，用于放大從像素輸出的信號，以及 由放大器放大的信號被輸入到比較電路。
3.根據權利要求I所述的成像設備，其中 比較電路將基于像素的信號的信號電平與比較信號的信號電平進行比較，以及， 選擇電路基于比較的結果來設定參考信號的時間相關的變化率。
4.根據權利要求I所述的成像設備，還包括 用于確定基于像素的信號的電平的信號電平確定電路，其中， 基于由信號電平確定電路確定的結果，選擇電路設定參考信號的時間相關的變化率。
5.根據權利要求3所述的成像設備，其中 在基于像素的信號大于比較信號時選擇電路設定第一參考信號，而在基于像素的信號小于比較信號時選擇電路設定第二參考信號，第二參考信號的時間相關的變化率小于第一參考信號的時間相關的變化率。
6.根據權利要求1-5中任何一個所述的成像設備，還包括 參考信號產生電路，用于產生參考信號，以及 衰減器，用于衰減由參考信號產生電路產生的參考信號。
7.根據權利要求1-5中任何一個所述的成像設備，其中 像素、選擇電路、比較電路和計數器電路被布置在成像裝置內，以及成像裝置具有比特移位單元，所述比特移位單元用于至少比特移位在計數器電路的計數值之中的與具有最大的時間相關的變化率的參考信號對應的計數值。
8.根據權利要求1-5中任何一個所述的成像設備，其中 像素、選擇電路、比較電路和計數器電路被布置在成像裝置內，以及成像設備在成像裝置外還包括比特移位單元，所述比特移位單元用于至少比特移位在計數器電路的計數值之中的與具有最大的時間相關的變化率的參考信號對應的計數值。
9.根據權利要求7所述的成像設備，還包括 比特數調整單元，用于減少由比特移位單元比特移位后的數據的比特數。
10.根據權利要求1-5中任何一個所述的成像設備，其中 計數器電路的計數值與指示基于像素的信號的電平的標志一起被輸出。
11.根據權利要求1-5中任何一個所述的成像設備，其中 以矩陣方式布置的多個所述像素被設置，以及 比較電路與所述多個所述像素中的每一列對應地被布置。
12.—種驅動成像設備的方法，所述成像設備具有用于通過光電轉換產生信號的多個像素，所述方法包括 確定步驟，用于確定基于像素的信號的電平； 設定步驟，用于根據確定步驟的結果來設定參考信號； 比較步驟，用于將參考信號與基于像素的信號進行比較；以及計數步驟，用于執(zhí)行計數操作直到基于像素的信號與時間相關的參考信號之間的大小關系反轉。
13.根據權利要求12所述的方法，還包括 輸出步驟，用于基于多個像素中的每個像素輸出兩個信號； 確定步驟、設定步驟、比較步驟和計數步驟針對所述兩個信號中的每一個信號執(zhí)行；其中 所述兩個信號中的一個信號為偏移信號而所述兩個信號中的另一個信號為基于到像素的入射光的信號；此外其中 針對偏移信號設定的時間相關的參考信號的時間相關的變化率低于針對基于到像素的入射光的信號的時間相關的變化率。
全文摘要
本發(fā)明涉及成像設備及其驅動方法。提供了可以產生高分辨率像素信號的數字數據的成像設備及其驅動方法。該成像設備包括用于通過光電轉換產生信號的像素(10-1)；比較電路(30-1)，用于將基于像素的信號與時間相關的參考信號進行比較；計數器電路(40-1)，執(zhí)行計數操作直到基于像素的信號與時間相關的參考信號之間的大小關系反轉；以及選擇電路(30-2)，用于根據基于像素的信號的信號電平來設定參考信號的時間相關的變化率。
文檔編號H04N5/378GK102843528SQ201210204450
公開日2012年12月26日 申請日期2012年6月18日 優(yōu)先權日2011年6月23日
發(fā)明者橋本誠二, 松野靖司 申請人:佳能株式會社