技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種成像裝置和成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

已知在圖像傳感器器件中對(duì)像素信號(hào)執(zhí)行不同的增益處理并且對(duì)像素信號(hào)進(jìn)行AD(模數(shù))轉(zhuǎn)換的技術(shù)。通過(guò)該技術(shù)，從存儲(chǔ)器讀出轉(zhuǎn)換后的信號(hào)，其后對(duì)該信號(hào)的增益進(jìn)行校正，并基于信號(hào)電平選擇所得的AD數(shù)據(jù)，從而使動(dòng)態(tài)范圍變寬。這樣的技術(shù)在日本專利申請(qǐng)公開No.2008-124842的官方公報(bào)中被公開。

根據(jù)目前的芯片上AD轉(zhuǎn)換技術(shù)，通常，從具有相同分辨率的像素信號(hào)的AD數(shù)據(jù)減去比較器的復(fù)位噪聲的AD數(shù)據(jù)。

復(fù)位噪聲的AD數(shù)據(jù)具有由比較器的復(fù)位噪聲引起的AD轉(zhuǎn)換精度問(wèn)題。根據(jù)日本專利申請(qǐng)公開No.2008-124842的官方公報(bào)，沒(méi)有公開與AD轉(zhuǎn)換器中的不同增益信號(hào)的復(fù)位噪聲的校正有關(guān)的任何內(nèi)容。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的一方面，一種成像裝置包括：像素，被配置為通過(guò)光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生信號(hào)；放大器電路，被配置為以設(shè)置的增益放大來(lái)自像素的信號(hào)；AD轉(zhuǎn)換單元；以及校正單元，其中，AD轉(zhuǎn)換單元將在像素的復(fù)位之后來(lái)自放大器電路的輸出信號(hào)與隨時(shí)間變化的參照信號(hào)進(jìn)行比較，以輸出第一數(shù)字值，當(dāng)在像素的非復(fù)位狀態(tài)下來(lái)自放大器電路的輸出信號(hào)大于閾值時(shí)，將放大器電路的增益設(shè)置為第一增益，當(dāng)在像素的非復(fù)位狀態(tài)下來(lái)自放大器電路的輸出信號(hào)小于閾值時(shí)，將放大器電路的增益設(shè)置為比第一增益大的第二增益，以及，在將放大器電路的增益設(shè)置為第一增益或第二增益之后，將在像素的非復(fù)位狀態(tài)下來(lái)自放大器電路的輸出信號(hào)與隨時(shí)間變化的參照信號(hào)進(jìn)行比較，以輸出第二數(shù)字值，以及，當(dāng)?shù)谝粩?shù)字值的分辨率不同于第二數(shù)字值的分辨率時(shí)，校正單元校正分辨率的差異。

從以下參照附圖對(duì)示例性實(shí)施例的描述，本發(fā)明的進(jìn)一步的特征將變得清晰。

附圖說(shuō)明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的成像器件的構(gòu)造圖。

圖2是示出像素的構(gòu)造例子的示圖。

圖3A和圖3B是與像素信號(hào)中包含的噪聲、信號(hào)電平和閾值電壓的比較方法有關(guān)的解釋性示圖。

圖4是AD轉(zhuǎn)換單元的框圖。

圖5是圖4中的AD轉(zhuǎn)換單元的時(shí)序圖。

圖6A、圖6B和圖6C是計(jì)數(shù)器的比特移位的解釋性示圖。

圖7是本發(fā)明的第二實(shí)施例的放大器電路的框圖。

圖8是成像器件的時(shí)序圖。

圖9是本發(fā)明的第三實(shí)施例的AD轉(zhuǎn)換單元的框圖。

圖10是圖9中的AD轉(zhuǎn)換單元的時(shí)序圖。

圖11是像素信號(hào)的解釋性示圖。

圖12A和圖12B是計(jì)數(shù)器的比特移位的解釋性示圖。

圖13是成像時(shí)的放大器增益和斜坡信號(hào)的解釋性示圖。

圖14A和圖14B是高靈敏度成像時(shí)的比特的解釋性示圖。

圖15是成像系統(tǒng)的構(gòu)造圖。

具體實(shí)施方式

(第一實(shí)施例)

圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的成像器件100的示意性構(gòu)造圖。成像器件100是被稱為“CMOS圖像傳感器”的器件，并且光電轉(zhuǎn)換光感測(cè)的對(duì)象圖像，并將獲得的電信號(hào)作為數(shù)字信號(hào)輸出。成像器件100具有像素單元10、垂直掃描電路15、放大單元20、斜坡信號(hào)產(chǎn)生電路(參照信號(hào)產(chǎn)生電路)25、比較單元30、計(jì)數(shù)器單元40、存儲(chǔ)器單元50、輸出電路60、水平掃描電路65和定時(shí)產(chǎn)生電路(TG)70。像素單元10具有按二維矩陣形式布置的多個(gè)像素10-1。像素10-1通過(guò)光電轉(zhuǎn)換輸出像素信號(hào)。垂直掃描電路15將驅(qū)動(dòng)脈沖X-1、X-2、…輸出到像素單元10。放大單元20以預(yù)設(shè)的增益放大來(lái)自像素單元10的像素信號(hào)。作為與像素信號(hào)的比較信號(hào)，斜坡信號(hào)產(chǎn)生電路25產(chǎn)生時(shí)變(也就是說(shuō)，隨著時(shí)間的逝去而變化)的斜坡信號(hào)(參照信號(hào))。比較單元30將被放大單元20放大的像素信號(hào)與斜坡信號(hào)進(jìn)行比較。計(jì)數(shù)器單元40進(jìn)行計(jì)數(shù)，直到比較單元30輸出比較結(jié)果為止。存儲(chǔ)器單元50保存來(lái)自計(jì)數(shù)器單元40的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)。水平掃描電路65將數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器單元50傳送到輸出電路60。定時(shí)產(chǎn)生電路70控制前述每個(gè)電路塊的定時(shí)。

在像素單元10中，在區(qū)域上布置多個(gè)像素10-1，以下將參照?qǐng)D2來(lái)描述它的構(gòu)造例子。各個(gè)像素10-1的行依次被來(lái)自垂直掃描電路15的驅(qū)動(dòng)脈沖X-1和X-2驅(qū)動(dòng)。從各個(gè)像素10-1輸出的信號(hào)通過(guò)垂直信號(hào)線V-1至V-n被引導(dǎo)到放大單元20。針對(duì)每一條垂直信號(hào)線V-1至V-n為放大單元20到存儲(chǔ)器單元50設(shè)置每個(gè)電路。每個(gè)電路可被設(shè)置在垂直信號(hào)線V-1至V-n的垂直方向上。例如，可以以在示圖中的像素單元中向下發(fā)送信號(hào)這樣的方式為偶數(shù)指定列的像素設(shè)置每個(gè)電路，并且可以以在示圖中的像素單元中向上發(fā)送信號(hào)這樣的方式為奇數(shù)指定列的像素設(shè)置每個(gè)電路。放大單元20中的每個(gè)放大器電路20-1可僅具有用于僅放大來(lái)自像素10-1的信號(hào)的功能，或者可具有用于通過(guò)相關(guān)雙采樣來(lái)執(zhí)行降噪處理的CDS處理功能。CDS處理可在比較單元30的輸入單元中被執(zhí)行。

比較單元30具有與多個(gè)像素列對(duì)應(yīng)的多個(gè)比較器電路30-1。首先，比較器電路30-1將來(lái)自放大器電路20-1的N信號(hào)(N-signal)與來(lái)自斜坡信號(hào)產(chǎn)生電路25的斜坡信號(hào)進(jìn)行比較。如果放大器電路20-1具有CDS功能，則N信號(hào)是與放大器電路20-1被復(fù)位的狀態(tài)對(duì)應(yīng)的信號(hào)。如果放大器電路20-1不具有CDS功能，則N信號(hào)是與像素10-1被復(fù)位的狀態(tài)對(duì)應(yīng)的信號(hào)。通過(guò)在其中增益差被校正的計(jì)數(shù)設(shè)置，計(jì)數(shù)器單元40的計(jì)數(shù)器電路40-1從斜坡信號(hào)的斜率的起點(diǎn)開始向下計(jì)數(shù)，直到N信號(hào)與斜坡信號(hào)之間的幅值關(guān)系在比較器電路30-1中翻轉(zhuǎn)為止。此后，比較器電路30-1將來(lái)自放大器電路20-1的S信號(hào)(S-signal)與來(lái)自斜坡信號(hào)產(chǎn)生電路25的閾值進(jìn)行比較。如果放大器電路20-1具有CDS功能，則S信號(hào)是與放大器的未被復(fù)位狀態(tài)對(duì)應(yīng)的信號(hào)，換句話講，放大器輸出被輸入到該放大器的信號(hào)。如果放大器電路20-1不具有CDS功能，則S信號(hào)是基于像素10-1的光電轉(zhuǎn)換的信號(hào)。根據(jù)比較結(jié)果，比較器電路30-1決定或選擇所有像素列的放大器電路20-1的增益是低增益還是高增益，并將這樣的增益下的S信號(hào)與斜坡信號(hào)進(jìn)行比較。計(jì)數(shù)器電路40-1具有用于校正增益差的功能。作為校正方法，存在針對(duì)低增益校正高增益的方法和針對(duì)高增益校正低增益的方法。以下將詳細(xì)描述校正方法。將主要描述前一種校正方法。當(dāng)放大器電路20-1的增益低時(shí)，執(zhí)行向上計(jì)數(shù)而不校正增益差。當(dāng)放大器電路20-1的增益高時(shí)，在增益差被校正的狀態(tài)下執(zhí)行向上計(jì)數(shù)。其中增益差被校正的計(jì)數(shù)表示這樣的操作：輸入到計(jì)數(shù)器電路40-1的時(shí)鐘信號(hào)的計(jì)數(shù)值的增大或減小被改變，并計(jì)數(shù)被執(zhí)行。也就是說(shuō)，當(dāng)與N信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換時(shí)的增益的增益差未被校正時(shí)，計(jì)數(shù)值的波動(dòng)寬度等于N信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)的波動(dòng)寬度。當(dāng)增益差被校正時(shí)，計(jì)數(shù)值的波動(dòng)寬度不同于N信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)的波動(dòng)寬度。存儲(chǔ)器單元50的存儲(chǔ)器電路50-1保存計(jì)數(shù)器電路40-1的計(jì)數(shù)值(數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù))。存儲(chǔ)器電路50-1中保存的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通過(guò)來(lái)自水平掃描電路65的掃描脈沖被傳送到輸出電路60。在前述計(jì)數(shù)器單元40中，描述了列計(jì)數(shù)器系統(tǒng)的操作，在所述列計(jì)數(shù)器系統(tǒng)中，通過(guò)每一列提供的向上/向下計(jì)數(shù)器來(lái)執(zhí)行計(jì)數(shù)。然而，在公共計(jì)數(shù)器被多個(gè)比較器電路30-1使用的公共計(jì)數(shù)器系統(tǒng)中，還可以以這樣的方式構(gòu)造：根據(jù)比較器電路的比較結(jié)果鎖存計(jì)數(shù)器信號(hào)，將N信號(hào)的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)和S信號(hào)的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)單獨(dú)地存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，并在后面的級(jí)處對(duì)增益差進(jìn)行校正。此后，執(zhí)行N信號(hào)和S信號(hào)的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)的差分處理。

如上所述，根據(jù)成像器件100，因?yàn)樵鲆娌畋恍Ｕ⑶以贜信號(hào)與斜坡信號(hào)之間進(jìn)行比較時(shí)執(zhí)行計(jì)數(shù)，所以存在數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的量化誤差減小這樣的效果。通過(guò)使用具有用于校正增益差和進(jìn)行計(jì)數(shù)的功能的計(jì)數(shù)器電路40-1，存在可簡(jiǎn)化存儲(chǔ)器電路50-1并且可從存儲(chǔ)器電路50-1中減少差分處理電路這樣的效果。通過(guò)增益校正功能，執(zhí)行少數(shù)比特的AD轉(zhuǎn)換處理，提高比特率，并且可實(shí)現(xiàn)高速。

圖2是示出像素10-1的構(gòu)造例子的電路圖。像素10-1具有光電二極管101、傳送晶體管102、復(fù)位晶體管103、放大晶體管104和選擇晶體管105。光電二極管101是用于通過(guò)光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電荷的光電轉(zhuǎn)換元件。傳送晶體管102通過(guò)控制脈沖將光電二極管101中累積的電荷傳送到浮置擴(kuò)散部分FD。放大晶體管104通過(guò)源極跟隨器讀出來(lái)放大浮置擴(kuò)散部分FD中的電荷。復(fù)位晶體管103響應(yīng)于控制脈沖通過(guò)電源電勢(shì)來(lái)復(fù)位浮置擴(kuò)散部分FD中的電荷。選擇晶體管105響應(yīng)于控制脈沖將來(lái)自放大晶體管104的輸出信號(hào)輸出到垂直信號(hào)線V-1。電流源106與垂直信號(hào)線V-1連接。像素10-1不限于圖2的構(gòu)造例子，而可以具有其中消除選擇晶體管105并且通過(guò)被設(shè)置到浮置擴(kuò)散部分FD中的電勢(shì)來(lái)執(zhí)行像素的選擇控制的構(gòu)造、其中多個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件101共享公共放大晶體管104的構(gòu)造、等等。

圖3A和圖3B是與像素信號(hào)中包含的噪聲、其信號(hào)電平和閾值電壓的比較方法有關(guān)的解釋性示圖。在圖3A和圖3B中，橫軸指示入射到像素10-1中的光量，縱軸指示經(jīng)AD轉(zhuǎn)換的信號(hào)的電平。圖3A和圖3B中的實(shí)線所示的G1和G8表示在其中放大器電路的增益不同的像素信號(hào)。虛線301指示電路系列噪聲(由電源、地、放大器電路、AD轉(zhuǎn)換等引起的噪聲)。虛線302-1指示CDS之后的放大器電路的輸入處的像素噪聲(像素噪聲<放大器的輸入轉(zhuǎn)換噪聲<電路系列噪聲)。電路系列噪聲301大于像素噪聲302-1。假定電路系列噪聲301等于0.2mV，用作1V信號(hào)電平與0.2mV像素噪聲之比的S/N比等于74dB。為了在覆蓋S/N比的同時(shí)執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換，考慮到量化比特誤差，大約14比特的分辨率是必需的。分辨率越高，計(jì)數(shù)時(shí)間段越長(zhǎng)。因此，AD轉(zhuǎn)換時(shí)間變長(zhǎng)，并且作為成像器件100的信號(hào)讀出速度低，使得不能執(zhí)行高速成像。

因此，在本實(shí)施例中，減少AD轉(zhuǎn)換的比特?cái)?shù)，從而實(shí)現(xiàn)高速讀出。當(dāng)像素信號(hào)大時(shí)，因?yàn)楣庾由⒘Ｔ肼暣笥陔娐废盗性肼?，所以電路系列噪聲?duì)S/N比的影響小。因此，例如，放大器電路20-1的增益被設(shè)置為1倍(G1的特性)。當(dāng)像素信號(hào)小時(shí)，在G1的入射光-輸出特性中，因?yàn)殡娐废盗性肼暣笥谙袼卦肼暎运優(yōu)镾/N比的主導(dǎo)因素。因此，通過(guò)將放大器電路20-1的增益設(shè)置為8倍(G8的特性)，像素噪聲302-2大于電路系列噪聲301，并且像素噪聲302-2變?yōu)镾/N比的主導(dǎo)因素。通過(guò)使用G1的特性，可獲得在其中直到輸出飽和為止的光量范圍寬的信號(hào)。通過(guò)使用G8的特性，可獲得S/N比高于G1的特性的情況下的S/N比的信號(hào)。如上所述，根據(jù)入射光量(即，信號(hào)電平)來(lái)選擇G1的特性和G8的特性中的一個(gè)。因此，關(guān)于從成像裝置獲得的信號(hào)，對(duì)于輸出小信號(hào)的像素，獲得良好的S/N比，并且，對(duì)于輸出大信號(hào)的像素，可獲得比輸出小信號(hào)的像素的動(dòng)態(tài)范圍寬的動(dòng)態(tài)范圍。

作為信號(hào)電平的判別方法，存在使用G1的特性的方法和使用G8的特性的方法。圖3A示出通過(guò)將實(shí)線所示的特性G1與交替長(zhǎng)短虛線401所示的閾值電壓VREF1進(jìn)行比較來(lái)判別信號(hào)電平的情況。圖3B示出通過(guò)將實(shí)線所示的特性G8與交替長(zhǎng)短虛線402所示的閾值電壓VREF2進(jìn)行比較來(lái)判別信號(hào)電平的情況。

在圖3A和圖3B中，與光量L2對(duì)應(yīng)的信號(hào)電平被設(shè)置為閾值電壓VREF1或VREF2。當(dāng)增益信號(hào)大于閾值電壓時(shí)，使用特性G1。當(dāng)增益信號(hào)小于閾值電壓時(shí)，使用特性G8。

希望的是，將閾值電壓VREF2設(shè)置為在G8的特性中存在線性度這樣的值，并且它小于飽和信號(hào)。希望的是，將閾值電壓VREF1設(shè)置為通過(guò)將閾值電壓VREF2除以G8的特性與G1的特性之間的增益比而獲得的值。然而，不需要將閾值電壓設(shè)置為嚴(yán)格的值。這是因?yàn)榇笮盘?hào)具有大的光子散粒噪聲，即使判別閾值電壓稍微不同的信號(hào)，S/N比的主導(dǎo)因素也不改變。

將描述入射光量等于L1的情況。當(dāng)入射光量等于L1時(shí)，如圖3A所示，現(xiàn)在將考慮通過(guò)使用G1的特性的信號(hào)和閾值電壓VREF1來(lái)判別信號(hào)電平的情況。根據(jù)G1的特性，入射光量等于L1的情況下的信號(hào)電平等于V2，并且小于閾值電壓VREF1。因此，選擇G8的特性的信號(hào)。如圖3B所示，現(xiàn)在將考慮通過(guò)使用G8的特性的信號(hào)和閾值電壓VREF2來(lái)判別信號(hào)電平的情況。根據(jù)G8的特性，入射光量等于L1的情況下的信號(hào)電平等于V1，并且小于閾值電壓VREF2。因此，選擇特性G8的信號(hào)。

對(duì)在入射光量L1處獲得的信號(hào)被放大到8倍的特性G8的像素信號(hào)V1進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換之后執(zhí)行增益校正(返回到原始信號(hào)幅度)，并獲得像素信號(hào)V2的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。因此，根據(jù)計(jì)算使電路系列噪聲降至1/8，并且存在獲得高S/N比的這樣的效果。像素信號(hào)電平不特別限于光量L1時(shí)的電平，而是即使在它小于光量L2的閾值電壓的范圍中，也可獲得類似的效果。

通過(guò)對(duì)增益差進(jìn)行增益校正，也就是說(shuō)，通過(guò)對(duì)如上所述的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行比特移位(比特校正：在前述例子中，3比特)，可通過(guò)10比特AD轉(zhuǎn)換器來(lái)理想地獲得13比特精度的AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。然而，當(dāng)考慮從S信號(hào)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)N信號(hào)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行差分處理的情況時(shí)，在增益等于1倍的像素信號(hào)G1的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的最低有效比特的情況下，因?yàn)榱炕`差由于S信號(hào)和N信號(hào)的差分處理而增大，所以未獲得10比特的精度。為了減小量化誤差，對(duì)N信號(hào)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的增益差進(jìn)行校正，也就是說(shuō)，將N信號(hào)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)移位3比特，從而減小由于S信號(hào)和N信號(hào)的差分處理而引起的量化誤差。

已描述了這樣的方法，通過(guò)該方法，當(dāng)像素信號(hào)小時(shí)，以8倍的高增益放大的像素信號(hào)G8的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)被校正為1倍的原始增益的數(shù)據(jù)，從而最終改進(jìn)S/N比，如上所述。已描述了這樣的方法，通過(guò)該方法，當(dāng)像素信號(hào)大時(shí)，為了優(yōu)先使像素信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍變寬，將大信號(hào)被以1倍的低增益放大的特性G1的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)設(shè)置為特性G8的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的高比特，并執(zhí)行增益差的比特移位。

圖4是本實(shí)施例中的AD轉(zhuǎn)換單元的框圖，該框圖用于描述與比較器電路30-1的輸入/輸出電路的連接。具有基本上與圖1的實(shí)施例中的功能相同的功能的塊用相同的標(biāo)號(hào)指定，并且省略它們的描述。AD轉(zhuǎn)換單元可高速地將光電轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。比較器電路30-1通過(guò)來(lái)自定時(shí)產(chǎn)生電路70的脈沖來(lái)復(fù)位像素信號(hào)Va的N信號(hào)和斜坡信號(hào)VRAMP的輸入信號(hào)。

圖5是圖4中的AD轉(zhuǎn)換單元的時(shí)序圖。以下將參照?qǐng)D4和圖5來(lái)描述AD轉(zhuǎn)換操作。在圖5中，時(shí)間段Tad是執(zhí)行從像素10-1讀出的像素信號(hào)Va的N信號(hào)和S信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換的時(shí)間段。時(shí)間段Tdata是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的傳送時(shí)間段。在時(shí)間段Tad中，時(shí)間段Td是N信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換時(shí)間段，并且它的比較信號(hào)是斜坡信號(hào)N-RAMP。時(shí)間段Tj是S信號(hào)的信號(hào)電平判別時(shí)間段，并且它的比較信號(hào)是閾值VREF。時(shí)間段Tu是S信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換時(shí)間段，并且它的比較信號(hào)是斜坡信號(hào)S-RAMP。

在圖5所示的操作的初始時(shí)間，放大器電路20-1被設(shè)置為1倍的第一增益(圖3A和圖3B中的信號(hào)G1)。作為輸出信號(hào)Va，放大器電路20-1依次輸出N信號(hào)和S信號(hào)，并且它們通過(guò)電容器Ci被引導(dǎo)到比較器電路30-2的輸入端子。信號(hào)VRAMP通過(guò)另一電容器Ci被輸入到比較器電路30-2的另一輸入端子。斜坡信號(hào)產(chǎn)生電路25由定時(shí)產(chǎn)生電路70的脈沖CNT1控制，并且產(chǎn)生信號(hào)VRAMP。信號(hào)VRAMP包括斜坡信號(hào)N-RAMP和S-RAMP以及閾值VREF。放大器電路20-1由定時(shí)產(chǎn)生電路70的信號(hào)CNT2控制。

現(xiàn)在將描述閾值VREF。盡管已示出了閾值VREF由斜坡信號(hào)產(chǎn)生電路25產(chǎn)生的例子，但是它可從另一電源電路產(chǎn)生。因?yàn)榭赏ㄟ^(guò)在斜坡信號(hào)產(chǎn)生電路25中在斜坡信號(hào)傾斜且時(shí)變的時(shí)間段的中途停止充電電流來(lái)產(chǎn)生閾值VREF，所以存在可簡(jiǎn)化電路構(gòu)造的這樣的優(yōu)點(diǎn)。閾值VREF可在到斜坡信號(hào)S-RAMP的短時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)生。為了進(jìn)一步縮短這樣的時(shí)間段，增大充電電流就足夠了。有必要將閾值VREF設(shè)置為比可通過(guò)斜坡信號(hào)N-RAMP進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換的最大值大。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)增大閾值VREF，試圖使得比較處理能夠在小信號(hào)肯定大于斜坡信號(hào)N-RAMP的信號(hào)電平的范圍內(nèi)被執(zhí)行?，F(xiàn)在將提及具體的數(shù)值。在圖3A和圖3B中所示的例子中，考慮可通過(guò)斜坡信號(hào)N-RAMP進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換的最大值被設(shè)置為60mV并且閾值VREF被設(shè)置為大約(60+V11)mV的情況。

在N信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換時(shí)間段Td內(nèi)，放大器電路20-1將N信號(hào)作為輸出信號(hào)Va輸出。斜坡信號(hào)產(chǎn)生電路25將斜坡信號(hào)N-RAMP作為輸出信號(hào)VRAMP輸出。為了提高N信號(hào)的分辨率，將斜坡信號(hào)N-RAMP的斜坡(斜率)設(shè)置為斜坡信號(hào)S-RAMP的斜率的1/8。比較器電路30-1將N信號(hào)和斜坡信號(hào)N-RAMP進(jìn)行比較。在時(shí)間段Tr過(guò)去之后，這些信號(hào)之間的幅值關(guān)系翻轉(zhuǎn)。計(jì)數(shù)器電路40-1在時(shí)間段Tr內(nèi)執(zhí)行向下計(jì)數(shù)。也就是說(shuō)，當(dāng)斜坡信號(hào)N-RAMP開始傾斜時(shí)，計(jì)數(shù)器電路40-1開始向下計(jì)數(shù)，并且，當(dāng)這些信號(hào)之間的幅值關(guān)系翻轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)數(shù)器電路40-1結(jié)束向下計(jì)數(shù)。被計(jì)數(shù)的向下計(jì)數(shù)值(第一計(jì)數(shù)值)被設(shè)置到計(jì)數(shù)器電路40-1中。

隨后，在信號(hào)電平判別時(shí)間段Tj內(nèi)，放大器電路20-1將S信號(hào)作為輸出信號(hào)Va輸出。斜坡信號(hào)產(chǎn)生電路25將閾值VREF作為輸出信號(hào)VRAMP輸出。比較器電路30-1將S信號(hào)與閾值VREF進(jìn)行比較。在這個(gè)例子中，因?yàn)镾信號(hào)大于閾值VREF，所以比較器電路30-1將低電平的增益切換信號(hào)HO輸出到放大器電路20-1。因此，放大器電路20-1的增益保持為1倍的第一增益，并且放大器電路20-1將被放大到1倍的S信號(hào)(圖3A和圖3B中的信號(hào)G1)作為輸出信號(hào)Va輸出。如果S信號(hào)小于閾值VREF，則比較器電路30-1將高電平的增益切換信號(hào)HO輸出到放大器電路20-1。因此，放大器電路20-1的增益被切換到8倍的第二增益，并且放大器電路20-1將被放大到8倍的S信號(hào)(圖3A和圖3B中的信號(hào)G8)作為輸出信號(hào)Va輸出。第二增益(高增益：8倍)大于第一增益(低增益)。

在增益被如上所述那樣設(shè)置之后的S信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換時(shí)間段Tu內(nèi)，放大器電路20-1隨后將S信號(hào)作為輸出信號(hào)Va輸出。斜坡信號(hào)產(chǎn)生電路25將斜坡信號(hào)S-RAMP作為輸出信號(hào)VRAMP輸出。比較器電路30-1將S信號(hào)和斜坡信號(hào)S-RAMP進(jìn)行比較。在時(shí)間段Ts過(guò)去之后，這些信號(hào)之間的幅值關(guān)系翻轉(zhuǎn)。保持針對(duì)時(shí)間段Td設(shè)置的第一計(jì)數(shù)值的計(jì)數(shù)器電路40-1在時(shí)間段Ts內(nèi)執(zhí)行向上計(jì)數(shù)直到前述向下計(jì)數(shù)值。也就是說(shuō)，當(dāng)斜坡信號(hào)S-RAMP開始傾斜時(shí)，計(jì)數(shù)器電路40-1開始向上計(jì)數(shù)，并且，當(dāng)這些信號(hào)之間的幅值關(guān)系翻轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)數(shù)器電路40-1結(jié)束向上計(jì)數(shù)。被計(jì)數(shù)的向上計(jì)數(shù)值(第二計(jì)數(shù)值)被設(shè)置到計(jì)數(shù)器電路40-1中。因此，因?yàn)檫@個(gè)值指示第一計(jì)數(shù)值(第一數(shù)字值)與第二計(jì)數(shù)值(第二數(shù)字值)之間的差值，所以它變?yōu)榈扔谕ㄟ^(guò)從S信號(hào)減去N信號(hào)而獲得的值的計(jì)數(shù)值。以下將參照?qǐng)D6A至圖6C來(lái)描述計(jì)數(shù)器電路40-1的向下計(jì)數(shù)模式功能和向上計(jì)數(shù)模式功能。

通過(guò)圖4中的放大器電路20-1設(shè)置的低增益和高增益分別被假定為1倍和8倍。然而，在以下將在圖12A和圖12B中描述的成像系統(tǒng)中，為了設(shè)置適合于成像環(huán)境的靈敏度，改變放大器電路20-1的低增益或高增益。即使當(dāng)改變放大器電路20-1的增益時(shí)，如果使低增益(第一增益)的放大倍率與高增益(第二增益)的放大倍率之間的增益比在不同的成像靈敏度下恒定，則也可使校正量匹配。如果這樣的增益比被設(shè)置為2的次冪的值，則數(shù)字信號(hào)可被容易地校正。圖像信號(hào)的同一幀中的低增益(第一增益)與高增益(第二增益)之間的增益比是恒定的。圖像信號(hào)的同一水平像素行中的低增益(第一增益)與高增益(第二增益)之間的增益比是恒定的。可通過(guò)改變斜坡信號(hào)的斜率來(lái)設(shè)置靈敏度。具體地講，通過(guò)減小斜坡信號(hào)的斜率，在高分辨率下對(duì)信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，并且可最終實(shí)現(xiàn)高靈敏度。

圖6A至圖6C是示出計(jì)數(shù)器電路(校正單元)40-1的構(gòu)造例子的示圖。計(jì)數(shù)器電路40-1執(zhí)行計(jì)數(shù)，直到比較器電路30-1在N信號(hào)與斜坡信號(hào)N-RAMP之間的比較以及S信號(hào)與斜坡信號(hào)S-RAMP之間的比較中的輸出之間的關(guān)系翻轉(zhuǎn)為止。當(dāng)比較器電路30-1執(zhí)行N信號(hào)的比較時(shí)，計(jì)數(shù)器電路40-1執(zhí)行向下計(jì)數(shù)。另一方面，當(dāng)比較器電路30-1執(zhí)行S信號(hào)的比較時(shí)，計(jì)數(shù)器電路40-1執(zhí)行向上計(jì)數(shù)。存儲(chǔ)器單元50保持分辨率比率被校正的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)。

圖6A是示出計(jì)數(shù)器電路40-1的構(gòu)造例子的示圖。圖6B和圖6C是用于描述計(jì)數(shù)器電路40-1的包括校正處理的計(jì)數(shù)處理的示圖。圖6B是示出在N信號(hào)和斜坡信號(hào)N-RAMP被比較了之后S信號(hào)大于閾值VREF的情況的示圖，并且是示出當(dāng)S信號(hào)和斜坡信號(hào)S-RAMP被比較時(shí)的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)的示圖。圖6C是示出在N信號(hào)和斜坡信號(hào)N-RAMP被比較了之后S信號(hào)小于閾值VERF的情況的示圖，并且是示出當(dāng)S信號(hào)和斜坡信號(hào)S-RAMP被比較時(shí)的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)的示圖。

計(jì)數(shù)器電路40-1具有反相器601、3比特向上/向下計(jì)數(shù)器602、10比特向上/向下計(jì)數(shù)器603以及開關(guān)SW1和SW2。構(gòu)造例子中所示的向上/向下計(jì)數(shù)器是異步計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)CLK被輸入到開關(guān)SW1和SW2。反相器601輸出增益切換信號(hào)HO的邏輯反相信號(hào)。開關(guān)SW1由來(lái)自反相器601的輸出信號(hào)控制。開關(guān)SW2由增益切換信號(hào)HO控制。計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)CLK響應(yīng)于增益切換信號(hào)HO被輸入到3比特向上/向下計(jì)數(shù)器602的時(shí)鐘端子和10比特向上/向下計(jì)數(shù)器603的時(shí)鐘端子中的一個(gè)。

圖6B涉及S信號(hào)大于閾值VREF并且放大器電路20-1的增益被設(shè)置為1倍的情況。在時(shí)間段Tr內(nèi)，將增益切換信號(hào)HO設(shè)置為低電平，并執(zhí)行N信號(hào)的比較處理。因此，計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)CLK通過(guò)開關(guān)SW1被輸入到3比特向上/向下計(jì)數(shù)器602的時(shí)鐘端子。3比特向上/向下計(jì)數(shù)器602的進(jìn)位輸出(進(jìn)位)co通過(guò)開關(guān)SW2被輸出到10比特向上/向下計(jì)數(shù)器603的時(shí)鐘端子。3比特向上/向下計(jì)數(shù)器602與計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)CLK同步地執(zhí)行向下計(jì)數(shù)，并輸出數(shù)據(jù)D0至D2。10比特向上/向下計(jì)數(shù)器603與3比特向上/向下計(jì)數(shù)器602的進(jìn)位輸出co同步地執(zhí)行向下計(jì)數(shù)，并輸出數(shù)據(jù)D3至D6。N信號(hào)的向下計(jì)數(shù)值(第一計(jì)數(shù)值)變?yōu)閿?shù)據(jù)D0至D6。隨后，在時(shí)間段Tj內(nèi)，因?yàn)镾信號(hào)大于閾值VREF，所以增益切換信號(hào)HO被設(shè)置為低電平，放大器電路20-1的增益被設(shè)置為1倍，并且放大器電路20-1輸出1倍的低增益信號(hào)G1。隨后，在時(shí)間段Ts內(nèi)，增益切換信號(hào)HO處于低電平，并且計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)CLK不通過(guò)開關(guān)SW1被輸入到3比特向上/向下計(jì)數(shù)器602的時(shí)鐘端子。計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)CLK通過(guò)開關(guān)SW2被輸出到10比特向上/向下計(jì)數(shù)器603的時(shí)鐘端子。10比特向上/向下計(jì)數(shù)器603與計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)CLK同步地向上計(jì)數(shù)，直到第一計(jì)數(shù)值為止，并將向上計(jì)數(shù)值(第二計(jì)數(shù)值)輸出到存儲(chǔ)器單元50。存儲(chǔ)器單元50將向上計(jì)數(shù)值移位3比特，并將3比特移位后的10比特?cái)?shù)據(jù)D3至D12保存為數(shù)據(jù)Da3至Da12。存儲(chǔ)器單元50還將3比特向上/向下計(jì)數(shù)器602的輸出3比特?cái)?shù)據(jù)D0至D2保存為數(shù)據(jù)Da0至Da2。最后，在3比特向上/向下計(jì)數(shù)器602和10比特向上/向下計(jì)數(shù)器603中，在其中S信號(hào)與N信號(hào)之差被計(jì)算的數(shù)據(jù)變?yōu)镈a0至Da12。13比特?cái)?shù)據(jù)Da0至Da12對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)D0至D12，并且被保存在存儲(chǔ)器單元50中。如上所述，低增益的S信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)D3至D12對(duì)于低增益的N信號(hào)的數(shù)據(jù)D0至D6被移位3比特，并經(jīng)歷差分處理。結(jié)果，獲得高精度的13比特AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)Da0至Da12。

圖6C涉及S信號(hào)小于閾值VREF并且放大器電路20-1的增益被設(shè)置為8倍的情況。在時(shí)間段Tr內(nèi)，以類似于圖6B的方式，執(zhí)行N信號(hào)的向下計(jì)數(shù)。向下計(jì)數(shù)值(第一計(jì)數(shù)值)變?yōu)閿?shù)據(jù)D0至D6。隨后，在時(shí)間段Tj內(nèi)，因?yàn)镾信號(hào)小于閾值VREF，所以增益切換信號(hào)HO被設(shè)置為高電平，放大器電路20-1的增益被設(shè)置為8倍，并且放大器電路20-1輸出8倍的高增益信號(hào)G8。隨后，在時(shí)間段Ts內(nèi)，因?yàn)樵鲆媲袚Q信號(hào)HO處于高電平，所以計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)CLK通過(guò)開關(guān)SW1被輸入到3比特向上/向下計(jì)數(shù)器602的時(shí)鐘端子。3比特向上/向下計(jì)數(shù)器602的進(jìn)位輸出(進(jìn)位)co通過(guò)開關(guān)SW2被輸出到10比特向上/向下計(jì)數(shù)器603的時(shí)鐘端子。3比特向上/向下計(jì)數(shù)器602與計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)CLK同步地向上計(jì)數(shù)。10比特向上/向下計(jì)數(shù)器603與3比特向上/向下計(jì)數(shù)器602的進(jìn)位輸出co同步地向上計(jì)數(shù)，并將10比特?cái)?shù)據(jù)D0至D9輸出到存儲(chǔ)器單元50。啞(dummy)數(shù)據(jù)D10至D12等于“0”。13比特?cái)?shù)據(jù)Da0至Da12以如下這樣的方式被保存在存儲(chǔ)器單元50中：分別將數(shù)據(jù)D0至D9保存為數(shù)據(jù)Da0至Da9并將數(shù)據(jù)D10至D12保存為數(shù)據(jù)Da10至Da12。最后，在3比特向上/向下計(jì)數(shù)器602和10比特向上/向下計(jì)數(shù)器603中，在其中S信號(hào)與N信號(hào)之差被計(jì)算的數(shù)據(jù)變?yōu)閿?shù)據(jù)Da0至Da9。啞數(shù)據(jù)D10至D12作為數(shù)據(jù)Da10至Da12被添加。13比特?cái)?shù)據(jù)Da0至Da12被保存在存儲(chǔ)器電路50-1中。因?yàn)閱?shù)據(jù)D10至D12是小幅度的數(shù)據(jù)(高增益數(shù)據(jù))，所以這意味著高位等于零。

在本實(shí)施例中，如上所述，不管S信號(hào)的增益如何，N信號(hào)最終都使用在低增益的高分辨率下被比較處理的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)。因此，可獲得低增益信號(hào)的量化噪聲的影響被降低的高精度數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。通過(guò)將經(jīng)AD轉(zhuǎn)換的10比特計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)移位3比特，可獲得13比特的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。此外，因?yàn)樵谟?jì)數(shù)器電路40-1中執(zhí)行S信號(hào)和N信號(hào)的差分處理以及增益校正，所以存在簡(jiǎn)化電路的這樣的效果。盡管在前述比特移位中使用了具有向下計(jì)數(shù)模式和向上計(jì)數(shù)模式的計(jì)數(shù)功能的計(jì)數(shù)器電路40-1，但是如上所述，計(jì)數(shù)器電路40-1可以是公共計(jì)數(shù)器系統(tǒng)的。

比較器電路30-1在時(shí)間段Td內(nèi)將N信號(hào)與斜坡信號(hào)N-RAMP進(jìn)行比較。計(jì)數(shù)器電路40-1在時(shí)間段Tr內(nèi)對(duì)第一計(jì)數(shù)值進(jìn)行計(jì)數(shù)，直到N信號(hào)與斜坡信號(hào)N-RAMP之間的幅值關(guān)系翻轉(zhuǎn)為止。此后，比較器電路30-1在時(shí)間段Tj內(nèi)將S信號(hào)與閾值VREF進(jìn)行比較。當(dāng)S信號(hào)大于該閾值時(shí)，比較器電路30-1將放大器電路20-1的增益設(shè)置為第一增益(1倍)。當(dāng)S信號(hào)小于該閾值時(shí)，比較器電路30-1將放大器電路20-1的增益設(shè)置為第二增益(8倍)。此后，比較器電路30-1在時(shí)間段Tu內(nèi)將S信號(hào)與斜坡信號(hào)S-RAMP進(jìn)行比較。計(jì)數(shù)器電路40-1在時(shí)間段Ts內(nèi)對(duì)第二計(jì)數(shù)值進(jìn)行計(jì)數(shù)，直到S信號(hào)與斜坡信號(hào)S-RAMP之間的幅值關(guān)系翻轉(zhuǎn)為止。計(jì)數(shù)器電路40-1和存儲(chǔ)器單元50的校正單元校正與N信號(hào)和S信號(hào)的增益差對(duì)應(yīng)的第一計(jì)數(shù)值和第二計(jì)數(shù)值的分辨率的差異。存儲(chǔ)器單元(校正單元)50輸出被校正了的第一計(jì)數(shù)值和第二計(jì)數(shù)值的差分?jǐn)?shù)據(jù)Da0至Da12。

盡管以上描述了在時(shí)間段Tr內(nèi)對(duì)第一計(jì)數(shù)值進(jìn)行向下計(jì)數(shù)并且在時(shí)間段Ts內(nèi)對(duì)第二計(jì)數(shù)值進(jìn)行向上計(jì)數(shù)的例子，但是可以反過(guò)來(lái)。通過(guò)在時(shí)間段Tr內(nèi)對(duì)第一計(jì)數(shù)值進(jìn)行向上計(jì)數(shù)并且在時(shí)間段Ts內(nèi)對(duì)第二計(jì)數(shù)值進(jìn)行向下計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器電路40-1可輸出第一計(jì)數(shù)值和第二計(jì)數(shù)值的差分?jǐn)?shù)據(jù)Da0至Da12。也就是說(shuō)，計(jì)數(shù)器電路40-1對(duì)第一計(jì)數(shù)值進(jìn)行向下計(jì)數(shù)或向上計(jì)數(shù)，并且在與第一計(jì)數(shù)值的向上/向下方向相反的方向上對(duì)第二計(jì)數(shù)值進(jìn)行計(jì)數(shù)。因此，存儲(chǔ)器單元50可保存被校正了的第一計(jì)數(shù)值和第二計(jì)數(shù)值的差分?jǐn)?shù)據(jù)Da0至Da12。

(第二實(shí)施例)

圖7是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的成像器件中的放大器電路20-1的構(gòu)造例子的示圖。以下將相對(duì)于與第一實(shí)施例不同的點(diǎn)來(lái)描述第二實(shí)施例。根據(jù)放大器電路20-1的構(gòu)造例子，使用可減小增益切換時(shí)的偏移(offset)波動(dòng)的電路。放大器電路20-1的輸出信號(hào)Va被輸入到比較器電路30-1。即使在通過(guò)脈沖對(duì)作為比較器電路30-1的輸入信號(hào)的信號(hào)Va和VRAM進(jìn)行初始復(fù)位之后切換增益，偏移電勢(shì)的波動(dòng)也小，使得AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的變化小。如果增益從低增益被切換到高增益，則因?yàn)楦咴鲆娴腁D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)被增益校正，所以存在偏移電勢(shì)的變化量被進(jìn)一步減小的這樣的效果。

隨后，將描述放大器電路20-1的操作。放大器電路20-1具有運(yùn)算放大器20-2，通過(guò)箝位電容器Co將用作像素10-1的輸入信號(hào)的N信號(hào)箝位，并將根據(jù)增益設(shè)置(例如，1倍)放大的信號(hào)Va輸出到比較器電路30-1。運(yùn)算放大器20-2具有反相輸入端子、非反相輸入端子和輸出端子。箝位電容器(第二電容器)Co連接在反相輸入端子與像素10-1之間。反饋電路由以下構(gòu)造：開關(guān)SW1，用于將箝位電容器Co箝位到閾值電壓Vr；以及開關(guān)SW2和SW3，用于控制電容器C1和C8的連接，電容器C1和C8分別用于與箝位電容器Co一起放大進(jìn)入/來(lái)自輸入/輸出端子的輸入信號(hào)。第一電容器C1和第一開關(guān)SW2的串聯(lián)電路以及第一電容器C8和第一開關(guān)SW3的串聯(lián)電路并聯(lián)在運(yùn)算放大器20-2的反相輸入端子與輸出端子之間。當(dāng)增益被切換時(shí)，反饋電路完全地將電容器中的電荷傳送到在其中增益被切換的電容器，從而執(zhí)行偏移補(bǔ)償。用于增益切換時(shí)的增益補(bǔ)償?shù)拈_關(guān)SW4和SW5與閾值電壓Vr連接。第二開關(guān)SW4連接在第一電容器C1和第一開關(guān)SW2的相互連接點(diǎn)與運(yùn)算放大器20-2的非反相輸入端子之間。第二開關(guān)SW5連接在第一電容器C8和第一開關(guān)SW3的相互連接點(diǎn)與運(yùn)算放大器20-2的非反相輸入端子之間。在本實(shí)施例中，電容器C1、C8和Co的電容值被設(shè)置為使得增益等于Co/C1＝1并且Co/C8＝8。在這種情況下，為了簡(jiǎn)化描述，在示圖中省略了寄生電容器。開關(guān)SW1至SW5具有示圖中所示的等效電路的構(gòu)造。

將參照?qǐng)D8的時(shí)序圖來(lái)描述圖7中的放大器電路20-1的驅(qū)動(dòng)方法。以類似于圖5的時(shí)序圖的方式，時(shí)間段Tad是N信號(hào)和S信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換時(shí)間段，時(shí)間段Td是N信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換時(shí)間段，時(shí)間段Tj是S信號(hào)的信號(hào)電平的判別時(shí)間段，時(shí)間段Tu是S信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換時(shí)間段。在執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換操作之前從像素單元10讀出N信號(hào)期間對(duì)放大器電路20-1和比較器電路30-1進(jìn)行初始設(shè)置的時(shí)間段是時(shí)間段Tc。在時(shí)間段Tc內(nèi)，通過(guò)像素10-1的脈沖和的高電平使放大晶體管104工作。同時(shí)，通過(guò)接通開關(guān)SW1、SW2和SW3，放大器電路20-1被復(fù)位為初始狀態(tài)。比較器電路30-1通過(guò)脈沖的高電平被復(fù)位為初始狀態(tài)。通過(guò)將脈沖設(shè)置為低電平并且關(guān)斷復(fù)位晶體管103，浮置擴(kuò)散部分FD進(jìn)入浮置狀態(tài)。為了將放大器電路20-1設(shè)置為初始增益(例如，1倍的增益)，將開關(guān)SW2保持為閉合(ON)狀態(tài)并將開關(guān)SW1和SW3斷開，以使得放大器電路20-1的輸出信號(hào)Va被設(shè)置為在像素的N信號(hào)被箝位之后獲得的1倍增益下的偏移電壓。

隨后，通過(guò)將比較器電路30-1的復(fù)位脈沖控制為低電平，比較器電路30-1被設(shè)置為在其中像素信號(hào)的N信號(hào)被箝位的電勢(shì)。隨后，在時(shí)間段Td內(nèi)，通過(guò)使用如上所述的斜坡信號(hào)N-RAMP來(lái)執(zhí)行N信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換。當(dāng)AD轉(zhuǎn)換的時(shí)間段Td結(jié)束時(shí)，傳送晶體管102通過(guò)脈沖的高電平被接通，并且光電二極管101中的電荷被傳送到浮置擴(kuò)散部分FD。放大器電路20-1將以1倍增益放大的N信號(hào)作為信號(hào)Va輸出到比較器電路30-1。傳送晶體管102通過(guò)脈沖的低電平被關(guān)斷。隨后，在時(shí)間段Tj內(nèi)，通過(guò)使用如上所述的閾值VREF來(lái)判別S信號(hào)的信號(hào)電平。當(dāng)S信號(hào)小于閾值電壓VREF時(shí)，增益切換信號(hào)HO作為高電平信號(hào)被輸入到放大器電路20-1。因此，開關(guān)SW2斷開，開關(guān)SW3和SW4接通，放大器電路20-1的增益被切換到8倍，并且被放大到8倍的S信號(hào)作為信號(hào)Va輸出。當(dāng)S信號(hào)大于閾值電壓VREF時(shí)，增益切換信號(hào)HO保持為低電平，開關(guān)SW1至SW5不改變，并且放大器電路20-1的增益保持為1倍而沒(méi)有改變。通過(guò)以上操作，可減小放大器電路20-1的偏移。隨后，在時(shí)間段Tu內(nèi)，通過(guò)使用如上所述的斜坡信號(hào)S-RAMP來(lái)執(zhí)行S信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換。結(jié)果，可獲得在其中放大器電路20-1的偏移電壓的變化被減小的AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

盡管以上描述了低增益信號(hào)被設(shè)置為初始增益的例子，但是高增益信號(hào)可被設(shè)置為初始增益，并且通過(guò)增益切換信號(hào)將高增益信號(hào)切換到低增益。在圖8的時(shí)序圖中，斜坡信號(hào)N-RAMP和S-RAMP的斜率相等。在這種情況下，因?yàn)镹信號(hào)和S信號(hào)的分辨率相等，所以以下將參照?qǐng)D12A和圖12B來(lái)描述此時(shí)的計(jì)數(shù)處理。盡管低增益信號(hào)的量化噪聲不能被降低，但是可實(shí)現(xiàn)高比特轉(zhuǎn)換。

(第三實(shí)施例)

圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的成像器件中的放大器電路20-1和比較器電路30-1的構(gòu)造例子的示圖。以下將相對(duì)于與第一實(shí)施例和第二實(shí)施例不同的點(diǎn)來(lái)描述第三實(shí)施例。在本實(shí)施例中，提供具有兩個(gè)系統(tǒng)的放大器電路A和B的放大器電路20-1，并且執(zhí)行增益切換。在本實(shí)施例中，兩個(gè)系統(tǒng)的放大器電路A和B中的每個(gè)的電路構(gòu)造基本上與圖7中的放大器電路20-1的電路構(gòu)造相同。第一放大器電路A具有第一運(yùn)算放大器20-2、電容器Co、C8和C16以及開關(guān)SW10至SW14。第一運(yùn)算放大器20-2具有反相輸入端子、非反相輸入端子和輸出端子。第一電容器C8和第一開關(guān)SW12的串聯(lián)電路連接在第一運(yùn)算放大器20-2的反相輸入端子與輸出端子之間。第二電容器C16和第二開關(guān)SW13的串聯(lián)電路連接在第一運(yùn)算放大器20-2的反相輸入端子與輸出端子之間。第三開關(guān)SW10和第三電容器Co連接在第一運(yùn)算放大器20-2的反相輸入端子與像素10-1之間。第四開關(guān)SW11連接在第一運(yùn)算放大器20-2的反相輸入端子與輸出端子之間。第五開關(guān)SW14與第一運(yùn)算放大器20-2的輸出端子連接。

第二放大器電路B具有第二運(yùn)算放大器20-2、電容器Co、C1和C2以及開關(guān)SW21至SW24。第二運(yùn)算放大器20-2具有反相輸入端子、非反相輸入端子和輸出端子。第五電容器C1和第五開關(guān)SW22的串聯(lián)電路以及第六電容器C2和第六開關(guān)SW23的串聯(lián)電路均連接在第二運(yùn)算放大器20-2的反相輸入端子與輸出端子之間。第七開關(guān)SW21連接在第二運(yùn)算放大器20-2的反相輸入端子與輸出端子之間。第四電容器Co連接在第二運(yùn)算放大器20-2的反相輸入端子與像素10-1之間。第八開關(guān)SW24與第二運(yùn)算放大器20-2的輸出端子連接。

當(dāng)像素的復(fù)位信號(hào)被讀出時(shí)，兩個(gè)系統(tǒng)的放大器電路A和B以及比較器電路30-1同時(shí)被初始復(fù)位，其后，進(jìn)行增益設(shè)置。盡管增益設(shè)置根據(jù)成像系統(tǒng)的靈敏度設(shè)置的構(gòu)思而不同，但是在本實(shí)施例中的圖9的電路中，考慮到成像裝置的成像靈敏度而為放大器電路A選擇高增益，并且將放大器電路B設(shè)置為低增益。因?yàn)榉糯笃麟娐?0-1的基本操作基本上與圖7中的操作相同，所以省略它的描述。第一放大器電路A對(duì)應(yīng)于高增益的放大器電路，第二放大器電路B對(duì)應(yīng)于低增益的放大器電路，并且通過(guò)輸入電容器Co和反饋電容器Cn確定增益。通過(guò)使用電容器C8，第一放大器電路A可被設(shè)置為8倍的增益。通過(guò)使用電容器C16，第一放大器電路A可被設(shè)置為16倍的增益。類似地，通過(guò)使用電容器C1，第二放大器電路B可被設(shè)置為1倍的增益，通過(guò)使用電容器C2，第二放大器電路B可被設(shè)置為2倍的增益。盡管為了簡(jiǎn)化描述作為例子描述了切換兩個(gè)增益的情況，但是還可以以三個(gè)或更多個(gè)增益可被切換的這樣的方式來(lái)構(gòu)造。盡管用于將第一放大器電路A的增益設(shè)置為8倍的操作和用于將第二放大器電路B的增益設(shè)置為1倍的操作將作為例子被描述，但是即使改變?cè)鲆嬖O(shè)置，也執(zhí)行與以上提及的那些操作類似的操作。通常，根據(jù)通過(guò)成像系統(tǒng)設(shè)置的靈敏度設(shè)置來(lái)確定一幀圖像信號(hào)的增益。在本實(shí)施例中，因?yàn)槊恳幌袼匦懈鶕?jù)信號(hào)電平選擇增益之一并且對(duì)信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，所以存在可通過(guò)同一電路或相同的數(shù)據(jù)處理來(lái)容易地執(zhí)行比特移位的這樣的效果，所述比特移位用作根據(jù)前述AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的分辨率的校正處理。首先，將第一放大器電路A的增益設(shè)置為8倍的增益，并且通過(guò)比較器電路30-1來(lái)判別S8信號(hào)電平。當(dāng)S信號(hào)小于閾值VREF時(shí)，高增益的信號(hào)經(jīng)歷比較處理。當(dāng)S信號(hào)大于閾值VREF時(shí)，選擇放大器電路B的低增益信號(hào)，并執(zhí)行比較處理。將增益比設(shè)置為8倍。以下將描述為何將高增益的信號(hào)與閾值VREF進(jìn)行比較并判別信號(hào)電平的原因。

如果當(dāng)增益比等于例如16倍時(shí)從低增益信號(hào)判別信號(hào)電平，則現(xiàn)在假定飽和信號(hào)等于1V，信號(hào)電平的一對(duì)一增益(one-to-a-gain)判別電平等于大約62mV。因?yàn)橥ㄟ^(guò)假定大約60mV來(lái)設(shè)置比較器的N信號(hào)幅度(復(fù)位信號(hào)的變化)并且N信號(hào)的幅度范圍大，所以S信號(hào)的信號(hào)電平不能被準(zhǔn)確地判別。在高增益的信號(hào)的情況下，因?yàn)橥ㄟ^(guò)比N信號(hào)足夠大的信號(hào)來(lái)進(jìn)行信號(hào)電平的判別，所以可減小N信號(hào)的影響。例如，如果增益比等于4倍，則因?yàn)樾盘?hào)電平的判別電平等于大約250mV，所以N信號(hào)幅度的影響小。因此，在如上所述那樣增益比小的情況下，可通過(guò)低增益信號(hào)來(lái)判別信號(hào)電平。

放大器電路20-1是可輸出低增益和高增益的兩個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)的電路就足夠了?？墒褂昧硪幌到y(tǒng)的放大器電路(例如，源極接地類型的放大器電路)。源極接地放大器電路具有可縮減電路面積的這樣的效果?？赏瑫r(shí)獲得低增益和高增益，或者還可以以這樣的方式構(gòu)造：首先，從增益信號(hào)中的一個(gè)判別信號(hào)電平，其后，獲得另一個(gè)增益。

現(xiàn)在將參照?qǐng)D10的時(shí)序圖來(lái)描述在圖9的電路中同時(shí)獲得低增益和高增益的信號(hào)并選擇增益的驅(qū)動(dòng)方法。以類似于圖8的時(shí)序圖的方式，時(shí)間段Tad是N信號(hào)和S信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換時(shí)間段，時(shí)間段Td是N信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換時(shí)間段，時(shí)間段Tj是S信號(hào)的信號(hào)電平的判別時(shí)間段，時(shí)間段Tu是S信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換時(shí)間段。在執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換操作之前從像素單元10讀出N信號(hào)期間進(jìn)行放大器電路20-1和比較器電路30-1的初始設(shè)置的時(shí)間段是時(shí)間段Tc。在時(shí)間段Tc內(nèi)，通過(guò)像素10-1的脈沖和的高電平使放大晶體管104工作。通過(guò)接通開關(guān)SW10、SW14和SW24并控制開關(guān)SW11、SW12、SW13、SW21、SW22和SW23，放大器電路A和B被復(fù)位為初始狀態(tài)。比較器電路30-1通過(guò)脈沖的高電平而被復(fù)位為初始狀態(tài)。通過(guò)將脈沖設(shè)置為低電平，浮置擴(kuò)散部分FD進(jìn)入浮置狀態(tài)，并且N信號(hào)被輸入到放大器電路A和B。為了將放大器電路A設(shè)置為8倍的增益，使開關(guān)SW12保持處于閉合狀態(tài)，并且使開關(guān)SW11和SW13斷開，以使得放大器電路A的輸出信號(hào)Va-L被設(shè)置為在N信號(hào)被箝位之后獲得的8倍增益下的偏移電壓。以類似于放大器電路A的方式，為了將放大器電路B設(shè)置為1倍的增益，使開關(guān)SW22保持處于閉合狀態(tài)，并使開關(guān)SW21和SW23斷開，以使得放大器電路B的輸出信號(hào)Va-H被設(shè)置為N信號(hào)被箝位之后獲得的1倍增益下的偏移電壓。隨后，通過(guò)將比較器電路30-1的復(fù)位脈沖控制為低電平，比較器電路30-2的輸入被設(shè)置為在其中N信號(hào)被箝位的電壓。

隨后，使開關(guān)SW10、SW14和SW24保持處于閉合狀態(tài)，并且在時(shí)間段Td內(nèi)，通過(guò)使用如上所述的斜坡信號(hào)N-RAMP來(lái)執(zhí)行N信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換。當(dāng)N信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換時(shí)間段Td結(jié)束時(shí)，控制開關(guān)SW24斷開(OFF)，并且使放大器電路B與比較器電路30-1電斷開。也就是說(shuō)，僅放大器電路A的輸出信號(hào)Va-L通過(guò)電容器Ci被輸入到比較器電路30-2。盡管以上描述了在時(shí)間段Td結(jié)束之后使開關(guān)SW24斷開的例子，但是可在從時(shí)間段Tc結(jié)束到時(shí)間段Tj開始的范圍內(nèi)的除了時(shí)間段Td之外的任意時(shí)間段內(nèi)使開關(guān)SW24切換到斷開。

傳送晶體管102通過(guò)脈沖的高電平而接通，并且光電二極管101中的電荷被傳送到浮置擴(kuò)散部分FD。放大器電路A將以8倍增益放大的S信號(hào)輸出到比較器電路30-1。傳送晶體管102通過(guò)脈沖的低電平而斷開。在時(shí)間段Tj內(nèi)，通過(guò)使用如上所述的閾值VREF來(lái)判別S信號(hào)的信號(hào)電平。當(dāng)S信號(hào)大于閾值電壓VREF時(shí)，增益切換信號(hào)HO作為高電平信號(hào)被輸入到放大器電路20-1。因此，開關(guān)SW10被控制為斷開，開關(guān)SW11被控制為閉合，并且放大器電路A的輸出信號(hào)Va-L變?yōu)榉糯笃麟娐返钠菩盘?hào)。也就是說(shuō)，比較器和放大器電路A的輸入電容器Ci返回到初始復(fù)位電勢(shì)。隨后，因?yàn)殚_關(guān)SW24被控制為閉合，所以放大器電路B的1倍增益的信號(hào)被輸入到比較器。在時(shí)間段Tu內(nèi)，通過(guò)使用斜坡信號(hào)S-RAMP來(lái)執(zhí)行S信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換。當(dāng)放大器電路A的S信號(hào)大于閾值VREF時(shí)的開關(guān)的切換定時(shí)如時(shí)序圖中所示的點(diǎn)線所示。

當(dāng)放大器電路A的S信號(hào)小于閾值VREF時(shí)，在時(shí)間段Tu內(nèi)，通過(guò)使用斜坡信號(hào)S-RAMP來(lái)執(zhí)行放大器電路A的S信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換。在圖10中的斜坡信號(hào)VRAMP中，當(dāng)斜坡信號(hào)N-RAMP和S-RAMP相對(duì)于時(shí)間的斜率減小時(shí)，因?yàn)榈头刃盘?hào)的AD轉(zhuǎn)換處理被執(zhí)行，所以它對(duì)應(yīng)于高成像靈敏度的成像。此時(shí)，與斜坡信號(hào)的斜率(圖中的虛線)成比例地減小比較閾值電壓VREF也是有必要的。在這種情況下，因?yàn)镹信號(hào)的變化不改變，所以斜坡信號(hào)N-RAMP的幅度不改變。斜坡信號(hào)N-RAMP可變?yōu)榉认嗟?、斜率不同的多種類型的斜坡信號(hào)。如上所述，通過(guò)減小放大器電路20-1的高增益和斜坡信號(hào)的斜率，可執(zhí)行高靈敏度的AD轉(zhuǎn)換處理。

如上所述，通過(guò)控制開關(guān)SW14和SW24，選擇來(lái)自兩個(gè)系統(tǒng)的放大器電路A和B的輸出信號(hào)，并且通過(guò)設(shè)置的增益放大的信號(hào)被輸出到比較器電路30-1。當(dāng)?shù)谝辉鲆?高增益)被設(shè)置時(shí)，放大器電路20-1僅將第一放大器電路A的輸出信號(hào)Va-L輸出到比較器電路30-1。當(dāng)?shù)诙鲆?低增益)被設(shè)置時(shí)，放大器電路20-1將第二放大器電路B的輸出信號(hào)Va-H輸出到比較器電路30-1。在兩個(gè)系統(tǒng)的放大器電路A和B的輸出與比較器電路30-1連接的狀態(tài)下，放大器電路20-1和比較器電路30-1被復(fù)位為初始狀態(tài)?；蛘?，兩個(gè)系統(tǒng)的放大器電路A和B可單獨(dú)地與比較器電路30-1連接，并且放大器電路20-1和比較器電路30-1可被復(fù)位為初始狀態(tài)。結(jié)果，存在這樣的優(yōu)點(diǎn)：即使執(zhí)行增益切換，執(zhí)行用作初始復(fù)位信號(hào)的N信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換一次就足夠了，并且無(wú)論增益如何，都可使用N信號(hào)的相同的AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。通過(guò)接通開關(guān)SW14和SW24，通過(guò)將第一放大器電路A的輸出信號(hào)Va-L和第二放大器電路B的輸出信號(hào)Va-H相加而獲得的信號(hào)可被輸出到比較器電路30-2。

因?yàn)樵诘驼彰鳝h(huán)境中信號(hào)電平小，所以通過(guò)提高放大器電路中的增益，信號(hào)電平增大，或者斜坡信號(hào)的斜率減小。相反，因?yàn)樵诟哒彰鳝h(huán)境中光子散粒噪聲大，所以電路系列噪聲的影響非常小。因此，在本實(shí)施例中，通過(guò)校正通過(guò)低增益設(shè)置而獲得的數(shù)據(jù)，使信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍變寬。

將參照?qǐng)D11來(lái)描述在高增益的高ISO靈敏度的情況下(其中斜坡信號(hào)的斜率減小)的像素信號(hào)與斜坡信號(hào)之間的關(guān)系。例如，當(dāng)將在圖13中描述的成像靈敏度等于1600的高ISO時(shí)，放大器電路的飽和信號(hào)被設(shè)置為1V，低增益被設(shè)置為2倍(G2)，高增益被設(shè)置為16倍(G16)，并且斜坡信號(hào)的斜率被設(shè)置為1/2。S信號(hào)的斜坡信號(hào)幅度501等于VL，小于這樣的電平的信號(hào)被AD轉(zhuǎn)換。在圖11的實(shí)施例中，對(duì)于特性G2的信號(hào)，將被AD轉(zhuǎn)換的光量被設(shè)置為直到L6，對(duì)于特性G16的信號(hào)，將被AD轉(zhuǎn)換的光量被設(shè)置為直到L4。

現(xiàn)在將考慮光量L3的信號(hào)。因?yàn)樘匦訥16的信號(hào)V3等于或小于交替長(zhǎng)短虛線403所示的閾值電壓VREF3，所以它被AD轉(zhuǎn)換并使用。當(dāng)特性G16的信號(hào)大于閾值電壓VREF3時(shí)，使用低增益的特性G2。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)以這樣的方式被電平移位并使用：從光量L4到光量L6的范圍內(nèi)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于其光量等于或大于特性G16的光量L4的數(shù)據(jù)。因此，可使用從光量L4到光量L6的范圍內(nèi)的信號(hào)，并且使動(dòng)態(tài)范圍變寬。盡管以上描述了校正低增益的信號(hào)的例子，但是在后面的級(jí)處的成像系統(tǒng)中的視頻信號(hào)處理單元中還可校正高增益的信號(hào)并且將增益提高3比特的量。

(第四實(shí)施例)

圖12A和圖12B是用于描述根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的計(jì)數(shù)器電路(校正單元)的計(jì)數(shù)處理的示圖。在圖6A至圖6C的實(shí)施例中，在低增益時(shí)，在高分辨率下對(duì)N信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)處理，并且在低分辨率下對(duì)S信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)處理。在第四實(shí)施例中，在低分辨率下對(duì)N信號(hào)和S信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)處理。計(jì)數(shù)器在低增益下的計(jì)數(shù)處理和高增益下的計(jì)數(shù)處理時(shí)通過(guò)使用10比特計(jì)數(shù)器來(lái)執(zhí)行S-N處理。存儲(chǔ)器是13比特存儲(chǔ)器。當(dāng)數(shù)據(jù)從計(jì)數(shù)器被保存到存儲(chǔ)器中時(shí)，將用于比特移位的3比特的啞數(shù)據(jù)添加到10比特?cái)?shù)據(jù)。或者，作為另一實(shí)施例，還可以以這樣的方式構(gòu)造：存儲(chǔ)器是11比特存儲(chǔ)器，被添加的一比特用作增益信息，并且當(dāng)數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器被傳送到水平傳送線時(shí)執(zhí)行比特移位或者在成像裝置的外部執(zhí)行比特移位。通過(guò)構(gòu)造10比特而不是13比特的計(jì)數(shù)器(在其中用于比特移位的數(shù)據(jù)被添加)，存在可縮減電路規(guī)模的這樣的效果。

圖13是示出成像系統(tǒng)的成像靈敏度、放大器增益和斜坡信號(hào)RAMP的斜率的組合的表格。在相關(guān)技術(shù)中的成像系統(tǒng)中，根據(jù)用作成像靈敏度的ISO靈敏度來(lái)提高信號(hào)增益。例如，在ISO100中，增益被設(shè)置為1倍，在ISO200中，增益被設(shè)置為2倍，在ISO400中，增益被設(shè)置為4倍。根據(jù)以這種方式依照成像系統(tǒng)的靈敏度來(lái)均勻地提高增益的方法，因?yàn)樾盘?hào)在放大器電路中易于飽和，所以可使用的光量的范圍變窄，并且動(dòng)態(tài)范圍根據(jù)ISO靈敏度的提高而劣化。

在本實(shí)施例中，斜坡信號(hào)的低增益、高增益和斜率根據(jù)成像靈敏度而改變。低增益與高增益之間的增益比與比特?cái)?shù)的擴(kuò)大、S/N比的改進(jìn)和動(dòng)態(tài)范圍的增大有關(guān)。盡管斜坡信號(hào)的斜率限制了將被AD轉(zhuǎn)換的信號(hào)的幅度，但是通過(guò)減小斜率，提供類似于高靈敏度的功能。

在圖13中所示的表格中，直到ISO400的成像靈敏度，低增益被設(shè)置為1倍，高增益被設(shè)置為8倍，斜坡信號(hào)的斜率被設(shè)置為1倍。在從ISO800到ISO3200的范圍內(nèi)的成像靈敏度中，低增益被設(shè)置為2倍，高增益被設(shè)置為16倍。在從ISO6400到ISO12800的范圍內(nèi)的成像靈敏度中，低增益被設(shè)置為4倍，高增益被設(shè)置為16倍。斜坡信號(hào)的斜率在ISO1600中被設(shè)置為1/2，在ISO3200和ISO6400中的成像靈敏度中被設(shè)置為1/4，在ISO12800中被設(shè)置為1/8。在從ISO100到ISO3200的范圍內(nèi)的成像靈敏度中，比特率提高3比特的量。在ISO6400或更高的成像靈敏度中，比特率提高2比特的量。

在圖13中，高增益信號(hào)的校正之后的噪聲和動(dòng)態(tài)范圍(DR)作為例子被示出。例如，盡管電路系列噪聲在100的成像靈敏度中被設(shè)置為1/8，但是這意味著因?yàn)楦咴鲆嫘盘?hào)在AD轉(zhuǎn)換之后被設(shè)置為1/8，所以電路系列噪聲作為計(jì)算值等于1/8。通過(guò)降低電路系列噪聲，改進(jìn)信號(hào)的S/N比。由于電路系列噪聲的降低而導(dǎo)致的S/N比的改進(jìn)量基本上具有與動(dòng)態(tài)范圍的增大相同的含義。在這種情況下，假定800的成像靈敏度被設(shè)置為1的情況，動(dòng)態(tài)范圍變寬為8倍，并且這樣的情況被示為DR值8。在從ISO200到ISO800的范圍內(nèi)的成像靈敏度中，增益高于根據(jù)相關(guān)技術(shù)中的方法的增益設(shè)置。作為最后的ISO靈敏度，比相關(guān)技術(shù)中的方法中的增益大的增益的增加量被調(diào)整。當(dāng)描述ISO200時(shí)，盡管根據(jù)相關(guān)技術(shù)中的靈敏度設(shè)置，增益等于2倍，但是在本實(shí)施例中，它等于8倍的高增益。因此，考慮到它，高增益數(shù)據(jù)的增益被校正為1/4，并且高增益數(shù)據(jù)的增益翻倍，從而調(diào)整靈敏度。最終，改進(jìn)S/N比。在ISO400和ISO800的情況下，基于類似的構(gòu)思進(jìn)行增益校正。在ISO800中，DR值被設(shè)置為1。這意味著盡管電路系列噪聲被假定為1/2并且動(dòng)態(tài)范圍通過(guò)高增益的增益校正而變寬為2倍，但是因?yàn)榈驮鲆娣叮杂捎谛盘?hào)的飽和而使動(dòng)態(tài)范圍縮小為1/2，使得DR值等于1。然而，根據(jù)相關(guān)技術(shù)中的提高增益的方法，因?yàn)镈R值等于1/8，所以根據(jù)本實(shí)施例，動(dòng)態(tài)范圍變寬為8倍。

在ISO1600中，因?yàn)楦咴鲆娴扔?6倍，所以它是與相關(guān)技術(shù)中的靈敏度設(shè)置中的增益相同的增益。如圖11所述，低增益的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)增大到8倍(8倍指示增益比)，并且信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍變寬。然而，因?yàn)樾逼滦盘?hào)的斜率等于1/2，所以動(dòng)態(tài)范圍的大幅擴(kuò)大等于1/16的DR值的4倍。在從ISO3200到ISO12800的范圍內(nèi)的成像靈敏度的情況下，可應(yīng)用類似的構(gòu)思。為了使動(dòng)態(tài)范圍比本實(shí)施例中的動(dòng)態(tài)范圍變得更寬，增大增益比就足夠了。如上所述，在本實(shí)施例中，在低靈敏度成像中，通過(guò)校正高增益的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的增益，電路系列噪聲大幅降低，使得可改進(jìn)信號(hào)的S/N比。在高靈敏度成像中，通過(guò)校正低增益的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的增益，可使用信號(hào)的光量的范圍變寬，使得可變寬使用的信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。

當(dāng)成像靈敏度提高時(shí)，因?yàn)閷?duì)象圖像變暗，所以接收光量減少，并且光子散粒噪聲主導(dǎo)地確定信號(hào)的S/N比。因此，在本實(shí)施例中，在ISO3200之后，不像相關(guān)技術(shù)那樣為了提高靈敏度而設(shè)置高增益。這是因?yàn)榉糯笃鞯脑鲆嫘Ч。⑶铱筛鶕?jù)如何構(gòu)造成像系統(tǒng)來(lái)確定是否設(shè)置更高的增益。如果高增益被設(shè)置，則有必要增大放大器的輸入電容，使得存在成像裝置的尺寸擴(kuò)大并且電流消耗增大這樣的問(wèn)題。在ISO1600或更高的高靈敏度中，放大器電路20-1的高增益不改變，但是斜坡信號(hào)的斜率改變。在本實(shí)施例中，通過(guò)減小斜坡信號(hào)的斜率來(lái)實(shí)現(xiàn)高靈敏度。

圖14A是如下計(jì)數(shù)器處理的解釋性示圖，在該計(jì)數(shù)器處理中，低ISO靈敏度時(shí)低增益與高增益之間的比率等于8倍，并且用于比特移位的3比特被組合到10比特的AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。圖14B是如下計(jì)數(shù)器處理的解釋性示圖，在該計(jì)數(shù)器處理中，高ISO靈敏度時(shí)低增益與高增益之間的比率等于4倍，并且用于比特移位的2比特被組合到9比特的AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。在高ISO靈敏度中，因?yàn)楣庾由⒘Ｔ肼暦浅４?，所以如果?jì)數(shù)器的比特?cái)?shù)被減少到9比特并且在不使用高分辨率數(shù)據(jù)的1比特或2比特的情況下減少數(shù)據(jù)數(shù)量，則可執(zhí)行高速成像。如果不同成像靈敏度中的AD轉(zhuǎn)換時(shí)間段的持續(xù)時(shí)間一致，則圖13中所示的斜坡信號(hào)的斜率的關(guān)系基本上等于斜坡信號(hào)可具有的幅度的關(guān)系。

(第五實(shí)施例)

圖15是示出根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的成像系統(tǒng)的構(gòu)造例子的示圖。成像系統(tǒng)800包括例如光學(xué)單元810、成像器件100、成像信號(hào)處理電路單元830、記錄和通信單元840、定時(shí)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。成像裝置820具有成像器件100和成像信號(hào)處理電路單元830。作為成像器件100，使用前述每個(gè)實(shí)施例中描述的成像器件100。

用作光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)單元810(比如，透鏡等)使得來(lái)自對(duì)象的光能夠被形成(聚焦)到在其中二維布置多個(gè)像素的像素單元10(圖1)中，從而形成對(duì)象圖像。在基于來(lái)自定時(shí)控制電路單元850的信號(hào)的定時(shí)處，成像器件100輸出與聚焦到像素單元10中的光對(duì)應(yīng)的信號(hào)。從成像器件100輸出的信號(hào)被輸入到用作成像信號(hào)處理單元的成像信號(hào)處理電路單元830。成像信號(hào)處理電路單元830根據(jù)程序等決定的方法來(lái)對(duì)輸入信號(hào)執(zhí)行信號(hào)處理。通過(guò)成像信號(hào)處理電路單元830執(zhí)行的處理而獲得的信號(hào)作為圖像數(shù)據(jù)被發(fā)送到記錄和通信單元840。記錄和通信單元840將用于形成圖像的信號(hào)發(fā)送到再現(xiàn)和顯示單元870，從而使得再現(xiàn)和顯示單元870能夠再現(xiàn)并顯示運(yùn)動(dòng)圖像或靜態(tài)圖像。當(dāng)接收到來(lái)自成像信號(hào)處理電路單元830的信號(hào)時(shí)，記錄和通信單元840與系統(tǒng)控制電路單元860通信，并且還執(zhí)行將用于形成圖像的信號(hào)記錄到記錄介質(zhì)(未示出)上的操作。

系統(tǒng)控制電路單元860綜合地控制成像系統(tǒng)的操作，并且還分別控制光學(xué)單元810、定時(shí)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(qū)動(dòng)。系統(tǒng)控制電路單元860具有用作記錄介質(zhì)的儲(chǔ)存器件(未示出)?？刂瞥上裣到y(tǒng)的操作必需的程序等被記錄在儲(chǔ)存器件中。系統(tǒng)控制電路單元860將例如用于根據(jù)用戶的操作切換驅(qū)動(dòng)模式的信號(hào)供給到成像系統(tǒng)中。作為具體例子，存在要被讀出的行或者要被復(fù)位的行的改變、與電子變焦相關(guān)聯(lián)的視角的改變、與電子振動(dòng)隔離相關(guān)聯(lián)的視角的偏離、等等。定時(shí)控制電路單元850基于系統(tǒng)控制電路單元860進(jìn)行的控制來(lái)控制用于驅(qū)動(dòng)成像器件100和成像信號(hào)處理電路單元830的定時(shí)。

根據(jù)第一實(shí)施例至第五實(shí)施例，可通過(guò)在高分辨率和低增益的N信號(hào)與適當(dāng)增益的S信號(hào)之間執(zhí)行差分處理來(lái)降低圖像噪聲。還可通過(guò)在同一計(jì)數(shù)器電路40-1中執(zhí)行S信號(hào)與N信號(hào)之間的差分處理以及增益校正來(lái)縮減電路規(guī)模。

僅就利用本發(fā)明時(shí)的具體例子示出并描述了前述實(shí)施例，并且本發(fā)明的技術(shù)范圍不應(yīng)通過(guò)它們來(lái)進(jìn)行有限的解釋。也就是說(shuō)，在不脫離本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思或者本發(fā)明的主要特征的情況下，可以以各種形式體現(xiàn)本發(fā)明。例如，盡管其電平線性時(shí)變的斜坡信號(hào)被描述為參照信號(hào)，但是可使用其電平以階梯的方式變化的信號(hào)。盡管在前述每個(gè)實(shí)施例中示出了為每個(gè)比較器電路提供計(jì)數(shù)器電路的構(gòu)造，但是也可使用為多個(gè)比較器電路提供公共計(jì)數(shù)器電路并且提供與每個(gè)比較電路對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器這樣的構(gòu)造。還可以以這樣的方式構(gòu)造：每個(gè)存儲(chǔ)器通過(guò)對(duì)應(yīng)比較器電路的輸出來(lái)保存公共計(jì)數(shù)器電路的計(jì)數(shù)值，從而獲得前述第一計(jì)數(shù)值和第二計(jì)數(shù)值。

雖然已參照示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是要理解本發(fā)明不限于公開的示例性實(shí)施例。以下權(quán)利要求的范圍應(yīng)被賦予最寬泛的解釋，以便包含所有這樣的修改方式以及等同的結(jié)構(gòu)和功能。