光電轉(zhuǎn)換裝置及其校正輸出方法和圖像生成裝置的制造方法
【專利摘要】一種光電轉(zhuǎn)換裝置，包含：包含光電晶體管的像素單元、包含參考晶體管的參考單元、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、校正量計算單元和校正單元，參考晶體管具有與光電晶體管的溫度特性相同的溫度特性并具有固定電氣狀態(tài)，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將像素單元的模擬輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出，校正量計算單元基于參考單元的輸出和參考值來計算模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出的校正量，校正單元基于校正量校正模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出。
【專利說明】光電轉(zhuǎn)換裝置及其校正輸出方法和圖像生成裝置
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請是基于并要求于2015年I月5日提交的、日本專利申請N0.2015-000516的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，在此通過整體引用并入其內(nèi)容。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及光電轉(zhuǎn)換裝置、圖像生成裝置以及光電轉(zhuǎn)換裝置的校正輸出方法。
【背景技術(shù)】
[0004]已知采用光電二極管的圖像傳感器(諸如互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器)作為光電轉(zhuǎn)換裝置。
[0005]為了改善采用光電二極管的圖像傳感器，提出了采用光電晶體管作為光電轉(zhuǎn)換元件并適于提供靈敏度增加的圖像傳感器。例如，參見日本在審公開專利公開號N0.2012-028975。
[0006]然而，在使用光電晶體管作為光電轉(zhuǎn)換元件的圖像傳感器的情況下，光電晶體管的電流增益(hFE)可能各芯片之間不同，并且即使給出了具有同樣強度的光輸入，圖像傳感器的輸出值仍可能各芯片之間不同。下面，光電晶體管的電流增益(hFE)也稱為電流放大因子。
[0007]另外，光電晶體管的電流增益hFE具有溫度依賴性，并且當(dāng)環(huán)境溫度變化時，即使給出了具有同樣強度的光輸入，圖像傳感器的輸出值也可能改變。因此，存在光電晶體管具有由于溫度依賴性的輸出錯誤的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]在一個方面，本發(fā)明提供了使用光電晶體管作為光電轉(zhuǎn)換元件的光電轉(zhuǎn)換裝置，其能夠校正光電晶體管的芯片到芯片的電流增益hFE變化以及由于溫度依賴性而生成的輸出錯誤。
[0009]在一個實施例中，本發(fā)明提供了一種光電轉(zhuǎn)換裝置，包含:含有光電晶體管的像素單元;含有參考晶體管的參考單元，參考晶體管具有與光電晶體管的溫度特性相同的溫度特性并具有固定電氣狀態(tài);模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其配置成將像素單元的模擬輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出；校正量計算單元，其配置成基于參考單元的輸出和參考值來計算模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出的校正量；以及校正單元，其配置成基于校正量來校正模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出。
[0010]本發(fā)明的目的和優(yōu)點將通過在權(quán)利要求中具體指出的元件及其組合來實現(xiàn)和獲得。應(yīng)當(dāng)理解的是，前面一般性的說明和后面詳細(xì)的說明這兩者都是示范性的和解釋性的，且不是對本發(fā)明的限制，如要求的那樣。
【附圖說明】
[0011 ]圖1是根據(jù)實施例的光電轉(zhuǎn)換裝置的框圖。
[0012]圖2是像素單元的示例的電路圖。
[0013]圖3是像素單元的另一個示例的電路圖。
[0014I圖4是參考單元的示例的電路圖。
[0015]圖5是參考單元的另一個示例的電路圖。
[0016]圖6是校正量計算單元的示例的框圖。
[0017]圖7是根據(jù)另一個實施例的光電轉(zhuǎn)換裝置的框圖。
[0018]圖8是根據(jù)另一個實施例的光電轉(zhuǎn)換裝置的框圖。
[0019]圖9是根據(jù)另一個實施例的光電轉(zhuǎn)換裝置的框圖。
[0020]圖10是光電轉(zhuǎn)換裝置中光電轉(zhuǎn)換陣列的示例的框圖。
[0021]圖11是用于解釋通常所知的使用光電晶體管來校正圖像傳感器輸出的方法的框圖。
【具體實施方式】
[0022]在一個實施例中，光電轉(zhuǎn)換裝置可包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)器和校正量計算單元，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)器配置成將參考單元的模擬輸出信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，校正量計算單元配置成基于從參考單元的模擬輸出信號轉(zhuǎn)換來的數(shù)字信號和參考值來計算校正量。校正量計算單元還可配置成基于參考單元的模擬輸出信號來計算校正量。
[0023]另外，光電轉(zhuǎn)換裝置可包含每個與像素單元相同的多個像素單元和每個與參考單元相同的多個參考單元，并且校正量計算單元可配置成基于多個參考單元中的一個參考單元的輸出和參考值來計算多個像素單元中的一個像素單元的校正量，多個參考單元中的一個參考單元根據(jù)多個像素單元中的一個像素單元的放置位置來選擇?？商娲?，光電轉(zhuǎn)換裝置可只包含一個參考單元。
[0024]另外，光電轉(zhuǎn)換裝置可包含多個參考單元和參考單元選擇器，參考單元包含參考晶體管，參考晶體管內(nèi)互相不同的基極電勢被供應(yīng)給參考晶體管的基極區(qū)域，并且參考晶體管具有不同的輸出特性，參考單元選擇器配置成響應(yīng)于像素單元的發(fā)射極輸出電流量來選擇多個參考單元中的一個參考單元，以及校正量計算單元可配置成基于參考單元選擇器選擇的多個參考單元中的一個參考單元的輸出來計算校正量。
[0025]在另一個實施例中，光電轉(zhuǎn)換裝置可包含像素單元、參考單元、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和參考模擬量計算單元，像素單元包含光電晶體管，參考單元包含具有與光電晶體管的溫度特性相同的溫度特性的參考晶體管并具有固定電氣狀態(tài)，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器配置成將像素單元的模擬輸出轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出，參考模擬量計算單元配置成基于參考單元的輸出和參考值來計算參考模擬量，將參考模擬量提供給模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。
[0026]另外，光電轉(zhuǎn)換裝置可包含每個與像素單元相同的多個像素單元和每個與參考單元相同的多個參考單元，以及參考模擬量計算單元可配置成基于多個參考單元中的一個參考單元的輸出來計算多個像素單元中的一個像素單元的參考模擬量，多個參考單元中的一個參考單元根據(jù)多個像素單元中的一個像素單元的放置位置來選擇。可替代地，光電轉(zhuǎn)換裝置可只包含一個參考單元。
[0027]另外，光電轉(zhuǎn)換裝置可包含多個參考單元和參考單元選擇器，參考單元包含參考晶體管，參考晶體管內(nèi)互相不同的基極電勢被供應(yīng)給參考晶體管的基極區(qū)域并且參考晶體管具有不同的輸出特性，參考單元選擇器配置成響應(yīng)于像素單元的發(fā)射極輸出電流量來選擇多個參考單元中的一個參考單元，以及參考模擬量計算單元可配置成基于由參考單元選擇器選擇的多個參考單元中的一個參考單元的輸出來計算參考模擬量。
[0028]另外，在光電轉(zhuǎn)換裝置中，包含在參考單元內(nèi)的參考晶體管的基極區(qū)域可連接到端子，參考晶體管基極區(qū)域的預(yù)定基極電勢從外部裝置供應(yīng)給端子。在光電轉(zhuǎn)換裝置中，供應(yīng)給參考晶體管基極區(qū)域的基極電勢可是電源線提供的電源電壓或轉(zhuǎn)換成預(yù)定電壓值的電源電壓。
[0029]在一個實施例中，圖像生成裝置可包含根據(jù)前面描述的實施例的光電轉(zhuǎn)換裝置。圖像生成裝置的示例可包含數(shù)字相機(jī)、車載相機(jī)、醫(yī)用相機(jī)以及靜脈認(rèn)證相機(jī)。
[0030]在一個實施例中，校正光電轉(zhuǎn)換裝置的輸出的方法可包含在光電轉(zhuǎn)換裝置中設(shè)置包含光電晶體管的像素單元以及包含參考晶體管的參考單元，參考晶體管具有與光電晶體管的溫度特性相同的溫度特定并具有固定電氣狀態(tài)，以及基于參考晶體管的輸出和參考值校正像素單元的輸出。
[0031]根據(jù)一個實施例的光電轉(zhuǎn)換裝置是配置成校正光電晶體管的電流增益hFE的芯片到芯片變化以及由于溫度依賴性的輸出錯誤。
[0032]為校正準(zhǔn)備包含具有與像素單元的光電晶體管相同的溫度特性的參考晶體管的參考單元。光電晶體管的溫度特性是光電晶體管相對于溫度變化的電流輸出特性。
[0033]通過使用電路來執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換(模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換)和與像素單元獲得光信號強度相同的那些方法從參考單元獲得數(shù)據(jù)條目。參考單元的輸出是預(yù)先知道的，并且其可能決定像素單元的輸出由于電流增益hFE的制備變化和溫度特性而帶來有多大變化。通過使用數(shù)字倍增器來校正像素單元的輸出變化，校正光電晶體管的電流增益hFE的芯片到芯片的變化和由于溫度依賴性的輸出錯誤。
[0034]在上面的實施例中，基于模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換獲得的信息直接校正數(shù)據(jù)條目。可替代地，在另一個實施例中，到A/D轉(zhuǎn)換器的參考輸入信號可是用來自參考單元的模擬數(shù)據(jù)條目來生成，以及來自像素單元的模擬數(shù)據(jù)條目可使用參考輸入信號通過模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換來轉(zhuǎn)換。
[0035]在根據(jù)本發(fā)明的光電轉(zhuǎn)換裝置中，涉及使用光電晶體管作為光電轉(zhuǎn)換元件的圖像傳感器，通過使用來自參考單元的數(shù)據(jù)條目實時校正電流增益的變化，而不使用反饋控制。
[0036]在CMOS圖像傳感器中，通常，電荷響應(yīng)于光而在光電二極管中累積并且像素單元通過MOS晶體管形成的源極跟隨器而輸出對應(yīng)的電壓。在電荷耦合裝置(CCD)圖像傳感器中，響應(yīng)于光而在光電二極管內(nèi)累積的電荷被轉(zhuǎn)移并獲得輸出電壓。
[0037]在CMOS圖像傳感器和CCD圖像傳感器這兩者中，電荷在光電二極管內(nèi)累積并且對應(yīng)的信號從光電二極管輸出。獲得通過根據(jù)光電二極管的容量來分割光電轉(zhuǎn)換的電荷而產(chǎn)生的電壓值作為信號量。另外，在某個情況下，光電二極管的電荷被轉(zhuǎn)移到像素單元內(nèi)的其他電容元件，并且電壓放大與電容元件的電容值與光電二極管的電容值的比例對應(yīng)的值以增加靈敏度。已知的是，以這種方式獲得的增益通常在幾倍到10倍的范圍內(nèi)。
[0038]另一方面，當(dāng)光電晶體管用作光電轉(zhuǎn)換元件時，由光電轉(zhuǎn)換獲得的電荷被光電晶體管的電流放大功能放大并通常期望信號放大是在50倍到500倍的范圍中增大。通過使用光電晶體管作為光電轉(zhuǎn)換元件，可以提供靈敏度高于CMOS圖像傳感器和CCD圖像傳感器的靈敏度的圖像傳感器。
[0039]然而，在使用光電晶體管的光電轉(zhuǎn)換裝置的情況下，難以為每個芯片提供需要的光電晶體管電流增益，并且存在光電晶體管的芯片到芯片的電流增益變化。這種電流增益的變化是明顯的并且不能被忽略。優(yōu)選是提供能夠校正光電晶體管電流增益變化的光電轉(zhuǎn)換裝置。另外，光電晶體管的電流增益根據(jù)環(huán)境溫度而變化，并優(yōu)選是提供能夠校正光電晶體管電流增益變化和校正由于溫度依賴性的輸出錯誤的光電轉(zhuǎn)換裝置。
[0040]接下來，結(jié)合圖11說明通常已知的用光電晶體管校正圖像傳感器輸出的方法。
[0041]在產(chǎn)品測試期間，逐個芯片測量設(shè)置在像素單元陣列101內(nèi)的光電晶體管的電流增益hFE的數(shù)據(jù)條目。另外，在產(chǎn)品測試期間，還逐個芯片測量電流增益溫度系數(shù)，電流增益溫度系數(shù)表示光電晶體管的電流增益隨溫度變化的變化。
[0042]這些測試數(shù)據(jù)條目存儲在存儲單元103內(nèi)，以及例如存儲單元103由非易失性存儲器形成。其中存儲有測試數(shù)據(jù)條目的存儲單元103與像素單元陣列101的芯片組合使用，從像素單元陣列101的芯片獲取測試數(shù)據(jù)條目。
[0043]設(shè)置在像素單元陣列101內(nèi)的光電晶體管的模擬信號由A/D轉(zhuǎn)換器105轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并且來自A/D轉(zhuǎn)換器105的數(shù)字信號由放大器107進(jìn)行放大。溫度檢測器111配置成檢測像素單元陣列101的芯片溫度。增益量計算單元109配置成基于存儲在存儲單元103內(nèi)的數(shù)據(jù)條目和由溫度檢測器111檢測的溫度來計算放大器107的電流增益的校正量。放大器107的電流增益基于來自增益量計算單元109的校正量進(jìn)行校正。
[0044]通過使用上述過程，能夠校正圖像傳感器的輸出。然而，出現(xiàn)了幾個問題。例如，必須為圖像傳感器準(zhǔn)備存儲單元103和溫度檢測器111。在產(chǎn)品測試時必須預(yù)先獲取測試數(shù)據(jù)條目。另外，需要結(jié)合管理像素單元陣列101的芯片和測試數(shù)據(jù)條目。
[0045]接下來，將參照附圖給出實施例的說明。
[0046]圖1是根據(jù)實施例的光電轉(zhuǎn)換裝置的框圖。
[0047]如在圖1中示出的，光電轉(zhuǎn)換裝置包含像素單元陣列I并且包含與像素單元分離的一個或多個參考單元3，像素單元陣列I內(nèi)按照行和列設(shè)置有包含光電晶體管的像素單元。每個參考單元3包含參考晶體管。參考晶體管配置成具有與包含在像素單元陣列I內(nèi)的光電晶體管的溫度特性相同的溫度特性。
[0048]A/D轉(zhuǎn)換器5配置成將像素單元陣列I的模擬輸出轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出。在A/D轉(zhuǎn)換器5內(nèi)，與依序從像素單元陣列I內(nèi)的像素單元獲得數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)條目類似，從參考單元3獲得數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)條目。例如，當(dāng)如果像素單元陣列I的數(shù)量隨著參考單元3增加時，進(jìn)行這個過程。
[0049]從參考單元3獲得的數(shù)據(jù)條目反應(yīng)了當(dāng)前包含在參考單元3內(nèi)的參考晶體管的溫度特性。如果給定參考溫度下從參考芯片獲得的數(shù)據(jù)條目是預(yù)先知道的，那么就能夠容易地計算校正A/D轉(zhuǎn)換器5的數(shù)字輸出的校正量(增益)。
[0050]在圖1中示出的光電轉(zhuǎn)換裝置中，校正量計算單元7配置成計算校正A/D轉(zhuǎn)換器5的數(shù)字輸出的增益(校正量)。具體來說，校正量計算單元7配置成基于參考單元3的輸出和參考值來計算校正A/D轉(zhuǎn)換器5的數(shù)字輸出的校正量。在圖1中示出的光電轉(zhuǎn)換裝置中，校正單元9(其包含放大器)配置成基于校正量計算單元7計算的增益(校正量)來校正A/D轉(zhuǎn)換器5的數(shù)字輸出。
[0051 ]從參考單元3獲得數(shù)據(jù)條目可與從包含在像素單元陣列I內(nèi)的像素單元獲得數(shù)據(jù)條目的數(shù)據(jù)獲得時間同時執(zhí)行?？商娲?，從參考單元3獲得數(shù)據(jù)條目可適當(dāng)跳躍。當(dāng)光電轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)包含一個參考單元3時，使用從參考單元3獲得數(shù)據(jù)條目。當(dāng)光電轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)包含多個參考單元3時，可以使用從多個參考單元3中的一些參考單元獲得的數(shù)據(jù)條目的平均值?？商娲兀?dāng)包含多個參考單元3時，根據(jù)設(shè)置在像素單元陣列I內(nèi)的對應(yīng)像素單元的放置位置來選擇和使用從多個參考單元3獲得的各個數(shù)據(jù)條目中的一個。
[0052]圖2是像素單元11的示例的電路圖。如在圖2中示出的，像素單元11包含用作光電轉(zhuǎn)換單元的光電晶體管13(其由雙極晶體管形成)。在像素單元11內(nèi)，包含單元選擇開關(guān)元件15，并且在單元選擇開關(guān)元件15處接收光電晶體管13的輸出作為像素單元11的電流。光電晶體管13的集電極連接電源線17。光電晶體管13的發(fā)射極連接單元選擇開關(guān)元件15。
[0053]由控制線19控制接通/斷開單元選擇開關(guān)元件15。當(dāng)單元選擇開關(guān)元件15處于接通狀態(tài)時，選擇像素單元11并且來自像素單元11的電流輸出到輸出線21。
[0054]當(dāng)單元選擇開關(guān)元件15處于斷開狀態(tài)時，來自像素單元11的電流不輸出到輸出線21。由光生成的電荷累積作為光電晶體管13的基極電勢。在這種狀態(tài)下，光電晶體管13的基極電勢不同于光電晶體管13的發(fā)射極電勢，這與當(dāng)單元選擇開關(guān)元件15處于接通狀態(tài)時的光電晶體管13的狀態(tài)形成對照。一旦單元選擇開關(guān)元件15是接通的，像素單元11的輸出電流就會緩慢增加，并且光電晶體管13的狀態(tài)會逐漸變得穩(wěn)定。
[0055]圖3是像素單元IIa的示例的電路圖。如在圖3中示出的，除了圖2中示出的像素單元11的元件外，像素單元I Ia還包含第二單元選擇開關(guān)元件23。
[0056]在圖3中示出的像素單元Ila中，第二控制線25控制第二單元選擇開關(guān)元件23的接通/斷開。第二單元選擇開關(guān)元件23的一端與光電晶體管13和單元選擇開關(guān)元件15件間的連接點連接，并且另一個端點連接到偏壓線2 7。
[0057]在像素單元Ila中，由控制線19控制單元選擇開關(guān)元件15(其連接到輸出線21)的接通/斷開，并且，當(dāng)單元選擇開關(guān)元件15接通時，光電晶體管13的電流通過單元選擇開關(guān)元件15輸出到輸出線21，這與圖2中示出的像素單元11的操作類似。
[0058]當(dāng)單元選擇開關(guān)元件15處于斷開狀態(tài)并且沒有選擇像素單元Ila時，在單元選擇開關(guān)元件15斷開狀態(tài)開始起間隔預(yù)定時間終止后通過激活第二控制線25來接通第二單元選擇開關(guān)元件23。這樣第二單元選擇開關(guān)元件23處于接通狀態(tài)，并且光電晶體管13的電流輸出到偏壓線27。
[0059]預(yù)定時間間隔是非零時間。例如，可在單元選擇開關(guān)元件15斷開狀態(tài)開始后立即接通第二單元選擇開關(guān)元件23。可替代地，可在單元選擇開關(guān)元件15斷開狀態(tài)開始后的接下來的時間接通第二單元選擇開關(guān)元件23。第二單元選擇開關(guān)元件23僅在第二單元選擇開關(guān)元件23接通狀態(tài)開始與像素單元Ila的選擇開始之間的任意時間間隔內(nèi)是電傳導(dǎo)的。因此，可比圖2中示出的像素單元11的情況更靈活地來控制沒有被選擇的像素單元11 a的光電晶體管13的狀態(tài)。例如，像素單元Ila能夠控制光電晶體管13的曝光時間、重設(shè)時間以及重設(shè)電勢。
[0060]注意，在根據(jù)本發(fā)明的光電轉(zhuǎn)換裝置中使用的像素單元不限于上面描述的實施例，并且可對使用光電晶體管作為光電轉(zhuǎn)換元件的光電轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行修改。
[0061]圖4是參考單元31的示例的電路圖。如在圖4中示出的，參考單元31包含參考晶體管33，參考晶體管33代替光電晶體管13，其不同于圖2中示出的像素單元11。圖4中示出的參考單元31的其他元件實質(zhì)上與圖2中示出的像素單元11的對應(yīng)元件相同。
[0062]在圖4中示出的參考單元31中，參考晶體管33具有與圖2的像素單元11內(nèi)的光電晶體管13的形狀和溫度特性實質(zhì)相同的形狀和溫度特性。例如，參考晶體管33的發(fā)射極區(qū)域、集電極區(qū)域和基極區(qū)域的結(jié)構(gòu)實質(zhì)上與光電晶體管13的對應(yīng)結(jié)構(gòu)相同。然而，參考晶體管33與光電晶體管13的不同之處在于，參考晶體管33的基極區(qū)域電連接電源線17。因此，參考晶體管33的基極電勢固定為電源線17的電勢。
[0063]準(zhǔn)備參考單元31，其中參考晶體管33的操作狀態(tài)如在圖4中示出的是電氣固定的。通過測量這個參考單元31的參考晶體管33的輸出，可以以包括參考單元31的一致性和溫度特性的集成方式獲得預(yù)定條件下的參考晶體管33的輸出變化。
[0064]圖5是參考單元31a另一個的示例的電路圖。圖5中示出的參考單元31a與圖4中示出的參考單元31的不同之處在于，參考單元31a包含具有連接到偏壓線35的基極區(qū)域的參考晶體管33。
[0065]偏壓線35連接到端子，從外部裝置將參考晶體管33的基極區(qū)域的預(yù)定基極電勢供應(yīng)給了這個端子。結(jié)果，參考晶體管33的基極電勢就可從外面設(shè)置為合適電勢以容許參考單元31a操作以具有像素單元11的特性。
[0066]當(dāng)雙極晶體管發(fā)射極的輸出電流變化時，雙極晶體管的電流增益hFE不必定維持在同樣的值。在特定類型的雙極晶體管情況下，取決于發(fā)射極輸出電流的變化，電流增益可以變化很大。
[0067]例如，假設(shè)設(shè)置了兩個或更多個參考單元31a并且不同的基極電勢供應(yīng)給了參考晶體管33的基極區(qū)域。通過根據(jù)像素單元11的光電晶體管13的發(fā)射極輸出電流值來選擇參考單元31a中的一個參考單元，可以校正由于根據(jù)發(fā)射極輸出電流變化的電流增益變化導(dǎo)致的錯誤。
[0068]根據(jù)本發(fā)明的光電轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)的參考單元不限于前面的實施例并且如果參考單元操作具有光電晶體管的特性就可以做出改變。
[0069]圖6是校正量計算單元7的示例的框圖。如在圖6中示出的，校正量計算單元7包含計算單元7a和參考值存儲單元7b。
[ΟΟΤ?] 參考值存儲單元7b配置成存儲理想數(shù)字值(REFideal)作為參考值，其從參考單元3獲得。這個理想數(shù)字值是在設(shè)計階段期間預(yù)定義的。
[0071]計算單元7a配置成基于數(shù)字信號(REF)和來自參考值存儲單元7b的理想數(shù)字值(REFideal)來計算增益(校正量)，增益供應(yīng)給校正單元9，數(shù)字信號(REF)通過A/D轉(zhuǎn)換器5由參考單元3的模擬輸出信號的轉(zhuǎn)換而生成。例如，計算單元7a通過理想數(shù)字值(REFideal)除以來自參考單元3的數(shù)字值(REF)來計算(其供應(yīng)給校正單元9)增益(增益= REFideal/REF) ο
[0072]校正單元9(其包含放大器)配置成基于校正量計算單元7計算的增益來校正A/D轉(zhuǎn)換器5的數(shù)字輸出。
[0073]存儲在參考值存儲單元7b內(nèi)的理想數(shù)字值可在多個芯片中設(shè)置為相同值。這個理想數(shù)字值是固定的并且不會隨著溫度變化而改變。結(jié)果，根據(jù)圖1中示出的實施例的光電轉(zhuǎn)換裝置能夠校正設(shè)置在像素單元陣列I內(nèi)的光電晶體管的芯片到芯片的電流增益hFE變化以及由于溫度依賴性的輸出錯誤。
[0074]圖7是根據(jù)另一個實施例的光電轉(zhuǎn)換裝置的框圖。在圖7中，與圖1中示出的光電轉(zhuǎn)換裝置的對應(yīng)元件實質(zhì)相同的元件由相同的附圖標(biāo)記表示，并省略了對其的描述。
[0075]如在圖7中示出的，光電轉(zhuǎn)換裝置包含像素單元陣列1、參考單元3、A/D轉(zhuǎn)換器41以及參考模擬量計算單元43。
[0076]參考模擬量計算單元43配置成基于參考單元3的輸出和參考值來計算參考模擬量(其供應(yīng)給A/D轉(zhuǎn)換器41) j/D轉(zhuǎn)換器41配置成基于參考模擬量計算單元43的參考模擬量將像素單元陣列I內(nèi)的像素單元的模擬輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出。
[0077]參考單元3的輸出由電流表示。參考模擬量計算單元43由電流電壓轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)。由參考模擬量計算單元43提供的參考模擬量由電壓表示。
[0078]在參考模擬量計算單元43內(nèi)，將來自參考單元3并在設(shè)計階段預(yù)定義的電流值(I)與在設(shè)計階段預(yù)定義的A/D轉(zhuǎn)換器41的參考模擬量(V)的比率(I/V)設(shè)置為參考值。參考單元3的模擬信號通過參考模擬量計算單元43調(diào)整為合適的量，并且將調(diào)整后的量提供給A/D轉(zhuǎn)換器41作為參考模擬量。
[0079]參考模擬量計算單元43使用的用于計算參考模擬量的參考值在多個芯片中設(shè)置為相同的值。這個參考值是固定的并且不會隨著溫度變化而改變。結(jié)果，根據(jù)圖7中示出的實施例的光電轉(zhuǎn)換裝置能夠校正設(shè)置在像素單元陣列I內(nèi)的光電晶體管的芯片到芯片的電流增益hFE變化以及由于溫度依賴性的輸出錯誤。
[0080]當(dāng)包含多個參考單元3時，可使用從多個參考單元3中的一些參考單元獲得的平均數(shù)據(jù)條目?？商娲兀谶@種情況下，可根據(jù)設(shè)置在像素單元陣列I內(nèi)的對應(yīng)像素單元的放置位置選擇和使用從多個參考單元3獲得的各個數(shù)據(jù)條目中的一個。例如，可包含多個A/D轉(zhuǎn)換器41并為各個A/D轉(zhuǎn)換器41設(shè)置相應(yīng)數(shù)目的參考單元3。
[0081]從參考單元3獲得的數(shù)據(jù)條目反應(yīng)了當(dāng)前包含在參考單元3內(nèi)的參考晶體管的溫度特性。適當(dāng)設(shè)置參考模擬量計算單元43的參考值使得A/D轉(zhuǎn)換器41的參考模擬量在參考溫度下的參考芯片溫度特性內(nèi)處于適當(dāng)值。
[0082]當(dāng)根據(jù)這個實施例的光電轉(zhuǎn)換裝置的溫度變化時或當(dāng)像素單元的特性變化時，來自參考單元3的輸出根據(jù)這個變化而變化。根據(jù)來自參考單元3的輸出變化，由參考模擬量計算單元43計算的并提供給A/D轉(zhuǎn)換器41的參考模擬量也變化。結(jié)果，將基于設(shè)置在像素單元陣列I內(nèi)的像素單元輸出的A/D轉(zhuǎn)換器41的數(shù)字輸出校正到合適值。
[0083]在根據(jù)圖2示出的實施例的光電轉(zhuǎn)換裝置和圖5中示出的實施例的光電轉(zhuǎn)換裝置中，在不形成反饋環(huán)的情況下，使用來自參考單元3的校正數(shù)據(jù)條目，并且可能不發(fā)生反饋環(huán)的穩(wěn)定性問題和時間延遲問題。另外，根據(jù)這些實施例的光電轉(zhuǎn)換裝置，實時獲得了校正數(shù)據(jù)條目并且利用校正數(shù)據(jù)條目，并可能對于環(huán)境變化迅速地采取校正措施，與圖11中示出的通常所知的光電轉(zhuǎn)換裝置的情況形成對照。
[0084]圖8是根據(jù)另一個實施例的光電轉(zhuǎn)換裝置的框圖。在圖8中，與圖1中示出的光電轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)的對應(yīng)元件實質(zhì)相同的元件由相同的附圖標(biāo)記表示，并省略了對其的描述。
[0085]如在圖8中示出的，這個實施例的光電轉(zhuǎn)換裝置包含像素單元陣列1、多個參考單元3-1、3-2.....3-n、A/D轉(zhuǎn)換器5、校正量計算單元7、校正單元9和參考單元選擇器45?！唉恰?br>表示大于2的正整數(shù)。
[0086]例如，每個參考單元3-1、3_2.....3-n由圖5中示出的參考單元31a來實現(xiàn)，并且互相不同的基極電勢提供給各個參考單元的參考晶體管33的基極區(qū)域。由于互相不同的基極電勢提供給了參考單元3-1、3-2、...，3-n，因此發(fā)射極輸出電流量彼此不同。
[0087]參考單元3-1、3-2.....3-n的模擬輸出通過A/D轉(zhuǎn)換器5轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出，并且這些數(shù)字輸出提供給參考單元選擇器45。提供給參考單元選擇器45的參考單元3-1、3-2.....3-n的數(shù)字輸出量彼此不同。通過A/D轉(zhuǎn)換器5將由設(shè)置在像素單元陣列I內(nèi)的像素單元的模擬輸出生成的數(shù)字輸出也提供給參考單元選擇器45。注意，A/D轉(zhuǎn)換器5對設(shè)置在像素單元陣列I內(nèi)的像素單元的模擬輸出和參考單元3-1、3-2.....3-n的模擬輸出執(zhí)行相同的A/D轉(zhuǎn)換。
[0088]參考單元選擇器45配置成根據(jù)來自對應(yīng)像素單元的光電晶體管的電流的A/D轉(zhuǎn)換獲得的數(shù)字信號值，選擇參考單元3-1、3-2.....3-n中的一個。例如，參考單元選擇器45選擇參考單元3-1、3-2、...、3-n中的一個參考單元，這個參考單元具有通過參考單元的模擬輸出A/D轉(zhuǎn)換獲得的數(shù)字信號值，這個數(shù)字信號值最接近由對應(yīng)像素單元的模擬輸出的A/D轉(zhuǎn)換獲得的數(shù)字信號值。
[0089]校正量計算單元7配置成通過使用參考單元選擇器45選擇的參考單元的輸出，計算提供給校正單元9的增益。校正單元9配置成基于由校正量計算單元7計算的增益(校正量)來校正數(shù)字輸出值(其通過A/D轉(zhuǎn)換器5從設(shè)置在像素單元陣列I內(nèi)的像素單元的模擬輸出生成)。
[0090]圖9是根據(jù)另一個實施例的光電轉(zhuǎn)換裝置的框圖。在圖9中，與圖7或圖8中示出的光電轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)的對應(yīng)元件實質(zhì)相同的元件由相同的附圖標(biāo)記表示，并省略了對其的描述。
[0091]如在圖9中示出的，這個實施例的光電轉(zhuǎn)換裝置包含像素單元陣列1、多個參考單元3-1、3-2.....3-n、A/D轉(zhuǎn)換器41、參考模擬量計算單元43和參考單元選擇器47。多個參考單元3-1、3-2.....3-n與在圖8中示出的電子轉(zhuǎn)換裝置的那些相同。
[0092]設(shè)置在像素單元陣列I內(nèi)的像素單元的模擬輸出(電流)和參考單元3-1、3_2.....3-n的模擬輸出(電流)提供給參考單元選擇器47。提供給參考單元選擇器47的參考單元3-U 3-2.....3-n的模擬輸出量是彼此不同的。
[0093]參考單元選擇器47配置成根據(jù)來自對應(yīng)像素單元的光電晶體管的電流量來選擇參考單元3-1、3-2.....3-n中的一個。例如，參考單元選擇器47選擇參考單元3_1,3-2.....3-n中的一個參考單元，其具有參考單元的電流值，該參考單元的電流值最接近來自對應(yīng)像素單元的光電晶體管的電流值。
[0094]參考模擬量計算單元43配置成通過用參考單元選擇器47選擇的參考單元的輸出來計算A/D轉(zhuǎn)換器41的參考模擬量。A/D轉(zhuǎn)換器41配置成基于由參考模擬量計算單元43計算的參考模擬量來將設(shè)置在像素單元陣列I內(nèi)的像素單元的模擬輸出轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出。
[0095]在根據(jù)圖8示出的實施例的光電轉(zhuǎn)換裝置和圖9示出的實施例的光電轉(zhuǎn)換裝置中，也能夠根據(jù)光電晶體管的發(fā)射極輸出電流變化來校正由于電流增益變化的錯誤。
[0096]光電轉(zhuǎn)換陣列可由在二維方向按照行和列設(shè)置的多個像素單元來形成，每個像素單元具有如在圖2或圖3中示出的光電轉(zhuǎn)換功能，使得可形成包含光電轉(zhuǎn)換陣列的圖像傳感器。圖10是根據(jù)一個實施例的光電轉(zhuǎn)換裝置中的光電轉(zhuǎn)換陣列的示例的框圖。
[0097]圖10中示出的光電轉(zhuǎn)換陣列中，多個像素單元11-11、11-12、...1 l_mn( “m”和“η”表示正整數(shù))在二維方向按照行和列排列。例如，多個像素單元11 -1 1、11 -12、...11 -mn中的每個形成為具有與圖2中示出的像素單元11的配置相同的配置。
[0098]圖10中示出的光電轉(zhuǎn)換陣列中，多個參考單元31-1、31-2、...31_m沿著像素單元的列設(shè)置為一列。例如，多個參考單元31-1、31-2、...31-m中的每個形成為具有與圖4中示出的參考單元31的配置相同的配置。例如，參考單元31-l、31-2、...31-m的列位于像素單元11-11、11-12、...11-mn的列的左端。
[0099]圖10中示出的光電轉(zhuǎn)換陣列中，行選擇線19-1、19-2、...19_111和列電流輸出線21-
0、21-1、...21-η 是根據(jù)像素單兀 11-11、11-12、...11-mn 和參考單兀31-1、31-2、...31-m 的配置而提供。
[0100]來自每個像素單元和參考單元的輸出電流均通過電流電壓轉(zhuǎn)換器陣列5a被轉(zhuǎn)換為電壓，并且電壓輸入A/D轉(zhuǎn)換器陣列5b。輸入電壓通過A/D轉(zhuǎn)換器陣列5b被轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)條目，并且A/D轉(zhuǎn)換器陣列5b輸出數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)條目作為圖像信號數(shù)據(jù)條目。與輸出光強度的像素單元類似，參考單元輸出數(shù)據(jù)條目并且數(shù)據(jù)條目通過A/D轉(zhuǎn)換器陣列5b轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號 REF 0
[0101]圖10中示出的光電轉(zhuǎn)換陣列中，基于從A/D轉(zhuǎn)換器陣列5b輸出的圖像信號數(shù)據(jù)條目中的參考單元輸出的數(shù)據(jù)條目來計算校正值，并且基于校正值來校正像素單元(其輸出光強)的圖像信號數(shù)據(jù)條目。
[0102]在根據(jù)這個實施例的光電轉(zhuǎn)換陣列中，假定A/D轉(zhuǎn)換器陣列5b的功率損耗是大的并且僅在A/D轉(zhuǎn)換器陣列5b部分內(nèi)的芯片溫度是高的。在這種情況下，在芯片中形成從A/D轉(zhuǎn)換器陣列5b離開的方向上溫度降低的溫度梯度。
[0103]根據(jù)這個實施例，當(dāng)參考單元像光電轉(zhuǎn)換陣列一樣設(shè)置在一列時，在陣列行的一行的像素單元的溫度與相同行的參考單元的溫度間存在強的對應(yīng)。結(jié)果，可通過基于相同行的參考單元的數(shù)據(jù)條目校正陣列行的一行的像素單元的輸出，有效地降低由于芯片內(nèi)溫度梯度的像素單元的輸出錯誤。
[0104]圖10中示出的參考單元的配置是示范性和解釋性的。參考單元如何設(shè)置，像素單元的哪些數(shù)據(jù)條目將被校正，以及參考單元的哪些數(shù)據(jù)條目將被使用用來校正，這些都不限于上面描述的實施例。
[0105]如在前面描述的，根據(jù)本發(fā)明使用光電晶體管作為光電轉(zhuǎn)換元件的光電轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)，能夠校正光電晶體管的芯片到芯片的電流增益hFE變化以及由于溫度依賴性的輸出錯誤。
[0106]根據(jù)本發(fā)明的光電轉(zhuǎn)換裝置不限于上面描述的實施例，并且在不脫離本發(fā)明范圍的情況可獲得變形和修改。
【主權(quán)項】
1.一種光電轉(zhuǎn)換裝置，包含: 像素單元，包含光電晶體管； 參考單元，包含參考晶體管，其具有與光電晶體管的溫度特性相同的溫度特性并具有固定電氣狀態(tài)； 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，配置成將所述像素單元的模擬輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出； 校正量計算單元，配置成基于參考單元的輸出和參考值，計算所述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出的校正量；以及 校正單元，配置成基于所述校正量，校正所述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電轉(zhuǎn)換裝置，其中 所述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器配置成將所述參考單元的模擬輸出信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以及所述校正量計算單元配置成基于通過所述參考單元的模擬輸出信號的轉(zhuǎn)換生成的數(shù)字信號和所述參考值，計算所述校正量。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光電轉(zhuǎn)換裝置，其中所述光電轉(zhuǎn)換裝置包含 多個像素單元，每個與所述像素單元相同，以及 多個參考單元，每個與所述參考單元相同，以及 所述校正量計算單元配置成基于根據(jù)所述多個像素單元中的一個像素單元的放置位置而選擇的所述多個參考單元中的一個參考單元的輸出和所述參考值，計算所述多個像素單元中的一個像素單元的校正量。4.根據(jù)權(quán)利要求1到3的任一項所述的光電轉(zhuǎn)換裝置，其中所述光電轉(zhuǎn)換裝置包含: 多個參考單元，其包含參考晶體管，其中將互相不同的基極電勢提供給所述參考晶體管的基極區(qū)域，并且所述參考晶體管具有不同的輸出特性；以及 參考單元選擇器，配置成響應(yīng)于所述像素單元的發(fā)射極輸出電流量，選擇所述多個參考晶體管中的一個參考晶體管，以及 所述校正量計算單元配置成基于由所述參考單元選擇器選擇的所述多個參考晶體管中的一個參考晶體管的輸出，計算所述校正量。5.—種光電轉(zhuǎn)換裝置，包含: 像素單元，包含光電晶體管； 參考單元，包含參考晶體管，其具有與所述光電晶體管的溫度特性相同的溫度特性并具有固定電氣狀態(tài)； 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，配置成將所述像素單元的模擬輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出；以及參考模擬量計算單元，配置成基于所述參考單元的輸出和參考值，計算提供給所述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的參考模擬量。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光電轉(zhuǎn)換裝置，其中所述光電轉(zhuǎn)換裝置包含: 多個像素單元，每個與所述像素單元相同，以及 多個參考單元，每個與所述參考單元相同，以及 所述參考模擬量計算單元配置成基于根據(jù)所述多個像素單元中的一個像素單元的放置位置而選擇的所述多個參考單元中的一個參考單元的輸出，計算所述多個像素單元中的一個像素單元的所述參考模擬量。7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的光電轉(zhuǎn)換裝置，其中所述光電轉(zhuǎn)換裝置包含: 多個參考單元，其包含參考晶體管，其中將互相不同的基極電勢提供給所述參考晶體管的基極區(qū)域，并且所述參考晶體管具有不同的輸出特性；以及 參考單元選擇器，配置成響應(yīng)于所述像素單元的發(fā)射極輸出電流量，選擇所述多個參考單元中的一個參考單元，以及 所述參考模擬量計算單元配置成基于由所述參考單元選擇器選擇的所述多個參考單元中的一個參考單元的輸出，計算所述參考模擬量。8.根據(jù)權(quán)利要求1至7的任一項所述的光電轉(zhuǎn)換裝置，其中所述參考單元內(nèi)包含的所述參考晶體管的基極區(qū)域連接到端子，所述端子從外部裝置供應(yīng)有所述參考晶體管的所述基極區(qū)域的預(yù)定基極電勢。9.一種包含根據(jù)權(quán)利要求1至8任一項所述的光電轉(zhuǎn)換裝置的圖像生成裝置。10.—種校正光電轉(zhuǎn)換裝置的輸出的方法，包含: 在所述光電轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)設(shè)置包含光電晶體管的像素單元和包含參考晶體管的參考單元，所述參考晶體管具有與所述光電晶體管的溫度特性相同的溫度特性并具有固定電氣狀態(tài)；以及 基于所述參考單元的輸出和參考值，校正所述像素單元的輸出。
【文檔編號】H04N5/3745GK105828002SQ201610143155
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年1月4日
【發(fā)明人】愛須克彥, 渡邊博文, 根來寶昭, 上田佳德, 中谷寧, 中谷寧一, 米田和洋, 櫻野勝之
【申請人】株式會社理光