專利名稱：光電轉(zhuǎn)換裝置、焦點檢測裝置和成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電轉(zhuǎn)換裝置、焦點檢測裝置和成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
成像系統(tǒng)通常包括用于檢測焦點的焦點檢測(AF 自動聚焦)傳感器。對于近年的AF傳感器,不僅要求大量測距點(ranging point),而且還要求高精度高速焦點檢測。面型AF傳感器被實現(xiàn)為用于增加測距點數(shù)量的部件，其中，形成測距點的多個線性傳感器并行布置，并且在列方向上通過公共配線連接。面型AF傳感器的電路構(gòu)造的例子包括日本專利申請公開H09-200614中所述的固態(tài)成像裝置，該固態(tài)成像裝置包括用于將從傳感器基元單元(sensor cell unit)輸出的信號傳輸?shù)酱鎯獑卧?memory cell unit)的傳輸系統(tǒng)。傳感器的復位噪聲(reset noise)和固定模式噪聲需要被除去，以增大傳感器信號的SN比，從而提高AF的測距精度。在日本專利申請公開H09-200614中，傳感器基元單元和存 儲基元單元具有信號的反相輸出功能，以除去傳感器基元單元和存儲基元單元自身的固定模式噪聲。然而，當如日本專利申請公開No. H09-200614中那樣傳感器基元單元和存儲基元單元具有信號的反相輸出功能時，在信號的輸入/輸出線性與電路面積之間引起折衷。例如，通常用作反相輸出電路的開關(guān)電容器包括差動電路和反饋電容器，并且電路尺寸非常大。當如日本專利申請公開NO.H09-200614中那樣使用共源反相放大器時，可列出以下三個問題。首先，半導體基板偏壓效應(yīng)使輸出信號的線性劣化。第二，輸入信號的振幅改變反相放大器的驅(qū)動電流，并且如果改進電路響應(yīng)性，則電流消耗增大。第三，晶體管的相對變化使反相放大器的增益變化，并且輸出電壓的不均勻性劣化。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種光電轉(zhuǎn)換裝置，其包括傳感器基元單元，其用于通過第一非反相放大器執(zhí)行根據(jù)光電轉(zhuǎn)換元件的光電轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的信號到公共輸出線的非反相輸出；第一存儲基元單元，其用于將從公共輸出線輸入的信號保持在第一存儲電容器中，并且用于通過第二非反相放大器執(zhí)行第一存儲電容器所保持的信號到公共輸出線的非反相輸出；傳輸單元，其用于通過放大器使公共輸出線中的信號不反相或反相，并且用于將不反相或反相的信號輸出到公共輸出線；傳輸開關(guān)，其布置在傳輸單元的輸入端子與公共輸出線之間；和反饋開關(guān)，其布置在傳輸單元的輸出端子與公共輸出線之間，其中，所述傳感器基元單元通過第一開關(guān)將來自第一非反相放大器的非反相輸出輸出到公共輸出線，所述第一存儲基元單元通過第一存儲基元寫開關(guān)將來自公共輸出線的信號輸入到第一存儲電容器，并且通過第二開關(guān)將來自第二非反相放大器的非反相輸出輸出到公共輸出線。從以下參照附圖對示例性實施例的描述，本發(fā)明的另外的特征將會變得清楚。


圖I是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的光電轉(zhuǎn)換裝置的成像平面的示意圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的線傳感器單元的框圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的光電轉(zhuǎn)換裝置的電路圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的時序圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的光電轉(zhuǎn)換裝置的第一布局圖。圖6是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的光電轉(zhuǎn)換裝置的第二布局圖。圖7是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的光電轉(zhuǎn)換裝置的電路圖。圖8是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的時序圖。 圖9是根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的焦點檢測裝置的框圖。圖10是根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的成像系統(tǒng)的框圖。
具體實施例方式現(xiàn)在將參照附圖來詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。(第一實施例)本發(fā)明的第一實施例示出了應(yīng)用于用于基于相位差的焦點檢測(AF 自動聚焦)的光電轉(zhuǎn)換裝置的例子。圖I是示意性地示出用于相位差AF的光電轉(zhuǎn)換裝置中的成像平面的示圖。成像平面包括多對線傳感器單元LlA和LIB、L2A和L2B、…LNA和LNB。一對線傳感器單元用于測量對象在成像平面的區(qū)域中的散焦量。多對線傳感器單元被布置以提供多個測距點以提高AF的精度。在線傳感器單元的像素孔(pixel aperture)之間具有窄的布置間隔并且具有二維陣列布置的構(gòu)造被稱為面型AF傳感器。線傳感器單元L1A、L2A、…、LNA包括多個單位像素(unit pixel) 11A、12A、…，線傳感器單元LIB、L2B、…、LNB包括多個單位像素11B、12B、…。圖2是更詳細地示出線傳感器單元L1A、L2A、…的一部分的框圖。線傳感器LlA包括單位像素11A、12A、…。線傳感器單元L2A包括單位像素21A、22A、…。單位像素11A、12A、21A、22A等均具有傳感器基元單元100、第一存儲基元單元101和第二存儲基元單元102。傳感器基元單元100、第一存儲基元單元101和第二存儲基元單元102通過公共輸出線112與傳輸單元113連接。不同的線傳感器單元LlA和L2A的在同一列中的位置處的單位像素IlA和21A通過公共輸出線112與公共傳輸單元113連接。類似地，不同的線傳感器單元LlA和L2A的在同一列中的位置處的單位像素12A和22A通過公共輸出線112與公共傳輸單元113連接。傳輸單元113與公共緩沖放大器123連接。線傳感器單元L1B、L2B、…也具有與圖2中的構(gòu)造相同的構(gòu)造。圖3中提取了圖2所示的構(gòu)造的一部分，具體地講，將關(guān)注并描述單位像素IlA和與單位像素IlA連接的傳輸單元113。單位像素IlA包括傳感器基元單元100、第一存儲基元單元101和第二存儲基元單元102。在圖3中，MOS晶體管的控制電極和開關(guān)所附的“ Φ ”表示從未示出的控制單元供給的信號。在單位像素IlA中，傳感器基元單元100包括作為光電轉(zhuǎn)換元件的光電二極管(PD)103、傳感器基元單元寫開關(guān)106以及晶體管Mll和M12。光電二極管103的陽極與傳感器基元單元寫開關(guān)106的端子之一連接并且與晶體管Mll的控制電極連接，陰極與電源電壓節(jié)點連接。因為晶體管Mll通過自偏壓連接，所以當MOS晶體管M12導通時，晶體管Mll和負載MOS晶體管M13形成增益為I的自偏壓源極跟隨器，S卩，非反相放大器?；诟鶕?jù)光電二極管103的光電轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的電荷量的累積信號通過該源極跟隨器輸出到公共輸出線112。因此，MOS晶體管M12用作用于選擇傳感器基元單元100的選擇開關(guān)。傳感器基元單元寫開關(guān)106切換光電二極管103的陽極和公共輸出線112的導通與非導通，并且可包括PMOS晶體管、NMOS晶體管和CMOS晶體管。在存儲基元單元101和102中，存儲電容器104和105取代傳感器基元單元100的光電二極管103。在第一存儲基元單元101中，晶體管M31和M32以及開關(guān)107分別對應(yīng)于傳感器基元單元100的晶體管Mll和M12以及開關(guān)106。在第二存儲基元單元102中，晶體管M41和M42以及開關(guān)108分別對應(yīng)于傳感器基元單元100的晶體管Mll和M12以及開關(guān)106。傳感器基元單元100執(zhí)行根據(jù)光電轉(zhuǎn)換元件103的光電轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的信號通過第一非反相放大器Mll到公共輸出線112的非反相輸出。第一存儲基元單元101將從公共輸出線112輸入的信號保持在第一存儲電容器104中，并且執(zhí)行第一存儲電容器104中所保持的信號通過第二非反相放大器M31到公共輸出線112的非反相輸出。第二存儲基元單元102將從公共輸出線112輸入的信號保持在第二存儲電容器105中，并且執(zhí)行第二存儲電容器105中所保持的信號通過第三非反相放大器M41到公共輸出線112的非反相輸出。傳感器基兀單兀100通過第一開關(guān)M12將第一非反相放大·器Mll的非反相輸出輸出到公共輸出線112。第一存儲基元單元101通過第一存儲基元單元寫開關(guān)107將公共輸出線112的信號輸入到第一存儲電容器104，并且通過第二開關(guān)M32將第二非反相放大器M31的非反相輸出輸出到公共輸出線112。第二存儲基兀單兀102通過第二存儲基元單元寫開關(guān)108將公共輸出線112的信號輸入到第二存儲電容器105，并且通過第三開關(guān)M42將第三非反相放大器M41的非反相輸出輸出到公共輸出線112。將描述傳輸單元113。傳輸單元113包括MOS晶體管M21和M23、傳輸電容器117和恒流源124。MOS晶體管M21和恒流源124形成源極跟隨器。公共輸出線112與傳輸開關(guān)121和反饋開關(guān)120連接。傳輸開關(guān)121的另一端子與傳輸電容器117的端子A、M0S晶體管M22的主電極之一和MOS晶體管M24的主電極之一連接。MOS晶體管M22的另一主電極與參考電壓VRS的節(jié)點連接。作為光學信號讀開關(guān)的MOS晶體管M24的另一主電極與緩沖放大器123連接。傳輸電容器117的另一端子B與MOS晶體管M21的控制電極和MOS晶體管M23的主電極之一連接。MOS晶體管M21的主電極之一與電源電壓VDD的節(jié)點連接，另一主電極與恒流源124、反饋開關(guān)120的另一端子和布置在傳感器陣列外部的監(jiān)視器單元130連接。基于稍后描述的操作，傳輸單元113執(zhí)行(I)使傳感器基元單元100的輸出反相的處理和(2)對于從傳感器基元單元100輸出的信號、存儲基元單元101和102中所寫入的復位噪聲以及傳輸單元113所產(chǎn)生的噪聲之間的差的處理。傳輸單元113通過放大器M21使來自公共輸出線112的信號不反相或反相，并且將該信號輸出到公共輸出線112。傳輸開關(guān)121布置在傳輸單兀113的輸入端子與公共輸出線112之間。反饋開關(guān)120布置在傳輸單兀113的輸出端子與公共輸出線112之間。圖4示出了被提供給圖3所示的開關(guān)和MOS晶體管的控制電極的信號。將參照圖3和圖4來描述根據(jù)本實施例的光電轉(zhuǎn)換裝置的操作。當圖4所示的信號處于高電平時，這些開關(guān)和MOS晶體管導通。在高電平，信號ΦL被設(shè)為使得負載MOS晶體管M13驅(qū)動某一電流的柵極電勢。在圖4中，在時間段Tl內(nèi)執(zhí)行復位光電二極管103以及存儲電容器104和105的操作。隨后，執(zhí)行將傳感器基元單元100的源極跟隨器的固定模式噪聲Ns寫入傳輸電容器117的操作。具體地講，信號(tRS、(tFT、ΦΡΞΚ ΦΡ82_Κ (tPS2_2和(^GR在時間段Tl內(nèi)被切換到高電平。結(jié)果，傳感器基元單元寫開關(guān)106、存儲基元單元寫開關(guān)107和108、傳輸開關(guān)121、MOS晶體管M22和MOS晶體管M23導通。MOS晶體管M22是用于將傳輸單元113的輸入端子A復位為參考電壓VRS的復位單元。結(jié)果，光電二極管103以及存儲電容器104和105被復位為參考電壓VRS。傳輸電容器117的端子A被復位為參考電壓VRS，端子B被復位為箝位電壓VGR。箝位電壓VGR的電勢被設(shè)為VGR=VRS+Vth，其為參考電勢VRS和傳感器基元單元100、存儲基元單元101和102或傳輸單元113的自偏壓源極跟隨器的閾值Vth之和。在信號(^51、(^52_1、(^52_2和Φ RS被切換到低電平之后，信號(jiSLl和Φ 被切換到高電平。隨后，通過將傳感器基元單元100的源極跟隨器的閾值Vth和傳感器基元單元100的固定模式噪聲Ns添加到復位電勢VRS而得到的VRS-Vth+Ns被寫入在傳輸電容器117的端子A中。當信號CtGR被切換到低電平時，傳輸電容器117的端子B浮動。當在信號ARS被切換到高電平之后信號AFT被切換到低電平時，傳輸電容器117的端子A變?yōu)?參考電壓VRS。因此，端子B的電勢為VGR+Vth-Ns=VRS+2XVth-Ns。這樣，當信號(jiSLl和ΦΡΤ被切換到高電平時，傳輸單元113被傳感器基元單元100的輸出箝位。在當信號C^GR被切換到低電平時箝位被釋放之后，當信號0RS被切換到高電平時參考電壓VRS被輸入。在時間段T2內(nèi)，當信號ΦΡΒ被切換到高電平時，通過將傳輸單元113的源極跟隨器的閾值Vth和噪聲Nt疊加在傳輸電容器117的端子B中所保持的電壓VRS+2XVth-Ns上而得到的電壓VRS+Vth-NS+Nt輸出到公共輸出線112。在該時間段內(nèi)，信號ΦΡ31被臨時切換到高電平，并且電壓VRS+Vth-Ns+Nt被寫入傳感器基元單元100中。當信號C^PSl被切換到低電平時，傳感器基元單元100的累積操作時間段開始。因此，當信號CtPSl和CtFB被切換到高電平時，傳輸單兀113將傳感器基兀單兀100的固定模式噪聲Ns和由傳輸單兀113引起的噪聲Nt輸出到傳感器基元單元100。在時間段T3內(nèi)，當信號(tRS和CtGR被切換到高電平時，參考電勢VRS被提供給傳輸電容器117的端子A，并且箝位電壓VGR (=VRS+Vth)被提供給另一端子B。當信號(^GR被切換到低電平時，傳輸電容器117的端子B浮動。當信號CtRS被切換到高電平時，傳輸單元113被箝位在參考電壓VRS，當信號AGR被切換到低電平時，箝位被釋放。在時間段T4內(nèi)，當信號(^SLHL和ΦFT被切換到高電平時，存儲基元單元101和102的源極跟隨器的閾值電壓Vth和固定模式噪聲Ns被添加到傳感器基元單元100中所保持的電壓VRS+Vth-Ns+Nt，并且被輸出。因此，傳感器基元單元100的輸出為電壓VRS+Vth-Ns+Nt-Vth+Ns=VRS+Nt0此刻，傳感器基元單元100的噪聲Ns被抵消。傳輸電容器117的端子A的電勢被切換到VRS+Nt，并且該電勢以傳輸單元的噪聲Nt的量改變。因此，端子B的電勢被切換到VRS+Vth+Nt。當在信號Φ FT被切換到低電平之后信號(tFB被切換到高電平時，電壓VRS+2XNt從傳輸單元113的源極跟隨器輸出。雖然在公式中未指定，但是除了噪聲2XNt之外，在時間段Tl內(nèi)傳感器基元單元100的初始化所引起的隨機噪聲(以下，“復位噪聲”)也被疊加。在釋放箝位之后，當信號0SL1和ΦΡΤ被切換到高電平時，傳輸單元113輸入傳感器基元單元100的輸出，并且當信號(tPS2_l和C^FB被切換到高電平時，傳輸單兀113將來自傳感器基兀單兀100的復位噪聲輸出到第一存儲基兀單元101。第一存儲基元單元101保持傳感器基元單元100的復位噪聲。在時間段T4內(nèi)，信號ΦPS2_1和ΦPS2_2都被切換到高電平。因此，電壓VRS+2XNt也同時通過開關(guān)107和108被寫入存儲基元單元101和102中?！巴瑫r”表示當在時間段T4內(nèi)信號(tFB處于高電平時電壓VRS+2 X Nt基于信號(^PS2_1和(^PS2_2被寫入存儲基元單元101和102這二者中。信號(]^52_1和(tPS2_2可能不同時轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?。在時間段T5內(nèi)，信號(tSL、Φ 和(tFT被切換到高電平。因此，傳感器基元單元100的源極跟隨器被激活，并且與根據(jù)傳感器基元單元100的光電轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的信號SI對應(yīng)的電平出現(xiàn)在公共輸出線112中。在直到時間段Τ5的操作中，電壓VRS+Vth-Ns+Nt被寫入傳感器基元單元100中。因此，從傳感器基元單元100輸出并且輸入到傳輸電容器117的端子A的信號為電壓VRS+Nt+Sl。信號CtGR被切換到高電平，端子B被復位為箝位電壓VGR(=VRS+Vth)0信號(tFT和CtGR被切換到低電平，傳輸電容器117的端子A和B浮動。這樣，當信號0SL1和CtFT被切換到高電平時，傳輸單元113被傳感器基元單元100的輸出箝位，并且當信號AGR被切換到低電平時，箝位被釋放。自動增益控制(AGC)操作從時間段T6開始。在該時間段內(nèi)，信號ΦΙ 被切換到·高電平，并且傳輸電容器117的端子A被固定在參考電壓VRS。因此,傳輸電容器117的端子B的電勢為VRS+Vth-Nt-Sl。通過添加傳輸單元113的源極跟隨器閾值電壓Vth和固定模式噪聲Nt而得到的電壓VRS-Sl輸入到監(jiān)視器單元130。因此，監(jiān)視器130可僅監(jiān)視光學信號SI，而不受噪聲影響。監(jiān)視器單元130實時地觀察傳感器基元單元100在時間段T6內(nèi)的輸出。監(jiān)視器單元130包括可變增益放大器，該增益根據(jù)稍后描述的對比度(contrast)檢測結(jié)果而改變。這將被稱為自動增益控制(AGC)。時間段T5和T6的周期性重復使得監(jiān)視器單元130可實時地監(jiān)視光電二極管103的電荷累積狀態(tài)。作為監(jiān)視器單元130的監(jiān)視操作的結(jié)果，在時間段T6內(nèi)電荷累積操作結(jié)束時從傳感器基兀單兀100輸出的光學信號將被稱為光學信號S2。這樣,在釋放箝位之后,傳輸單兀113在信號<i>RS被切換到高電平時輸入?yún)⒖茧妷篤RS，并且將傳感器基元單元100的輸出電壓輸出到外部監(jiān)視器單元130。在時間段T7內(nèi)，當信號(tSL2_l、Φ 、(^GR和Φ FT被切換到高電平時，第一存儲基元單元101的噪聲Nml被添加到第一存儲基元單元101中所保持的噪聲2Nt。從而，電壓VRS-Vth+2Nt+Nml被提供給傳輸電容器117的端子A，并且端子B的電勢被切換到箝位電壓VGR (=VRS+Vth)。當信號CtGR被切換到低電平時，傳輸電容器117的端子B浮動。這樣，當信號031^2_1和CtFT被切換到高電平時，傳輸單元113被第一存儲基元單元101的輸出箝位，并且當信號AGR被切換到低電平時，箝位被釋放。在時間段T8內(nèi)，當信號(tFT^SLUP Φ L被切換到高電平時，電壓VRS+S2+Nt被輸入到傳輸電容器117的端子A，并且電壓VRS+2Vth+S2-Nt-Nml出現(xiàn)在傳輸電容器117的端子B。這樣，在釋放箝位之后，當信號C^SLl和CtFT被切換到高電平時，傳輸單元113輸入傳感器基元單元100的輸出。在時間段T9內(nèi)，信號ΦFT被切換到低電平。如果當信號ΦFB處于高電平時信號ΦΡε2_1被切換到高電平，則從傳輸單元113添加傳輸單元113的閾值Vth和噪聲Nt，并且電壓VRS+Vth+S2-Nml被提供給第一存儲基元單元101。這樣，當信號(tPS2_l和(^FB被切換到高電平時，傳輸單元113將通過從傳感器基元單元100的輸出電壓除去第一存儲基元單元101中所保持的復位噪聲而得到的電壓輸出到第一存儲基元單元101。
在時間段TlO內(nèi)，信號ΦFB被切換到低電平，并且信號CtFT被切換到高電平。在該時間段內(nèi)，當信號Φ 和(tSL2_l被切換到高電平時，輸出第一存儲基元單元101中所保持的電壓VRS+Vth+S2-Nml。第一存儲基元單元101的閾值Vth和噪聲Nml被添加，并且電壓VRS+S2被提供給傳輸電容器117的端子A。結(jié)果，輸出噪聲影響被減小的信號。如果在該時間段內(nèi)從未示出的移位寄存器供給信號ΦH，則信號S2被發(fā)送到緩沖放大器123，并且被輸出到未不出的后一級的信號處理電路。在時間段Tll至T14的操作中，對第二存儲基元單元102執(zhí)行時間段T7至TlO內(nèi)的操作。結(jié)果，在一個電荷累積序列中，可從傳感器基元單元100獲取基于不同的電荷累積時間的信號。這樣，在一個電荷累積序列內(nèi)可在同一行中布置多個測距點。因此，可增加測距點的數(shù)量，并且可實現(xiàn)高速焦點檢測操作。如所述，在本實施例中，以下兩個要點是獨特的。首先，傳感器基元單元100以及存儲基元單元101和102的輸出從日本專利申請公開No. H09-200614的反相輸出變?yōu)樽云珘涸礃O跟隨器的非反相輸出。第二，傳輸單元113執(zhí)行箝位操作，以使得即使在傳感器基元單元100以及存儲基元單元101和102的非反相輸出的情況下也可除去由傳感器基元單元·100、存儲基元單元101和102以及傳輸單元113產(chǎn)生的固定模式噪聲?？s小布局和所述輸出特性這二者的實現(xiàn)在日本專利申請公開No. H09-200614中所使用的反相放大器中是困難的。更具體地講，包括差動放大器和反饋電容器的開關(guān)電容器的使用增大了布局面積。AF傳感器上的像素孔位置受取景器上的取決于光學系統(tǒng)的測距點布置限制。因此，如果反相放大器的布局大，則不能密集地布置測距點，這引起AF特性的劣化。日本專利申請公開No. H09-200614中所使用的共源反相放大器可用比開關(guān)電容器小的面積實現(xiàn)。然而，在共源反相放大器中由于襯底偏壓效應(yīng)而導致輸出的線性劣化。驅(qū)動電流根據(jù)反相放大器的輸入而極大地改變，并且傳感器的節(jié)能和電路響應(yīng)性這二者的實現(xiàn)困難。此外，反相放大器的晶體管中的相對變化趨向于改變輸出的增益，使得光響應(yīng)非均勻性(photo response non-uniformity, PRNU)劣化。另一方面，與共源反相放大器相比，如本實施例中那樣的自偏壓源極跟隨器的非反相輸出的使用具有線性優(yōu)良、驅(qū)動電流穩(wěn)定和相對變化對光響應(yīng)非均勻性(PRNU)的影響較小的優(yōu)點。結(jié)果，即使在面型AF傳感器中增加自動聚焦的測距點的數(shù)量，也可實現(xiàn)高精度和高速度。雖然在本實施例中所述的例子中布置了兩個存儲基元單元，但是存儲基元單元的數(shù)量可以一個或者三個或更多個。如果存儲基元單元的數(shù)量為三個或更多個，則也對附加的存儲基元單元執(zhí)行與時間段T7至TlO的操作對應(yīng)的操作。圖5和圖6示出了圖3所示的光電轉(zhuǎn)換裝置的布局的例子。圖5包括傳感器基元單元100、第一存儲基元單元101和第二存儲基元單元102的集合132，并且集合132按列布置。對于按列布置的多個傳感器基元單元100以及存儲基元單元101和102，公共地布置了傳輸單元113和移位寄存器131。圖6是包括僅布置傳感器基元單元100的區(qū)域以及僅布置存儲基元單元101和102的區(qū)域的布局的示圖。在該布局中，也對于按列布置的多個傳感器基元單元100以及存儲基元單元101和102公共地布置傳輸單元113和移位寄存器131。(第二實施例)將參照圖7和圖8描述根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的光電轉(zhuǎn)換裝置的操作。圖7是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的光電轉(zhuǎn)換裝置的電路圖，圖8是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的時序圖。在圖7中，將不描述與圖3共同的部分。圖7的傳感器基元單元100以及存儲基元單元101和102的輸出放大器為非自偏壓源極跟隨器晶體管Mil、M31和M41，并且增益為Gsf0傳輸單兀113包括差動放大器126、反饋電容器125和傳輸電容器117。傳輸電容器117和反饋電容器125形成反饋系統(tǒng)。反饋系統(tǒng)的增益為源極跟隨器的增益Gsf的倒數(shù)I/Gsf。在本實施例中，差動放大器126的非反相輸入端子與參考電壓VRS的節(jié)點連接。以下，Vth表示傳感器基元單元100以及存儲基元單元101和102的非自偏壓源極跟隨器的閾值電壓。在時間段Tl內(nèi)，執(zhí)行復位光電二極管103以及存儲電容器104和105的操作。隨后，執(zhí)行將傳感器基兀單兀100的輸出放大器的固定模式噪聲Ns寫入傳輸電容器117的操作。具體地講，信號(tRS、(tFT、(tPSl，ΦΡ82_1, (^52_2和(^GR首先被切換到高電平。結(jié)果，傳感器基元單元寫開關(guān)106、存儲基元單元寫開關(guān)107和108、傳輸開關(guān)121、M0S晶體管Μ22和開關(guān)133導通。這樣，光電二極管103以及存儲電容器104和105被復位為參考電 壓VRS，并且傳輸電容器117的兩個電極都被復位為通過將差動放大器126的輸出失調(diào)噪聲(offset noise) Nt添加到參考電壓VRS而得到的電勢。反饋電容器125的兩個電極都被電壓VRS+Nt復位。這樣，當信號(tRS被切換到高電平時，傳輸單元113被參考電壓VRS箝位。當信號CtGR被切換到低電平時，傳輸電容器117的端子B浮動。在信號c^PSl、(^52_1、(^52_2和CtRS被切換到低電平之后，信號(^SLl和Φ L被切換到高電平。從而，通過應(yīng)用源極跟隨器的增益、閾值Vth和來自傳感器基元單元100的固定模式噪聲Ns而得到的電勢VRS-Vth+Ns被寫入傳輸電容器117的端子A中。這樣，當信號C^GR被切換到低電平時，傳輸單元113釋放箝位，然后當信號C^SLl和CtFT被切換到高電平時，傳輸單元113輸入傳感器基兀單兀100的輸出。在時間段T2內(nèi)，當信號ΦΡΒ被切換到高電平時，傳輸單元113的增益_1/Gsf被應(yīng)用于傳輸電容器117的端子B的變化-Vth+Ns。傳輸單元113的噪聲Nt被進一步疊加，并且電壓VRS+(Vth-Ns)/Gsf+Nt被輸出到公共輸出線112。信號$PS1在該時間段內(nèi)被臨時切換到高電平，并且電壓VRS+(Vth-Ns)/Gsf+Nt被寫入傳感器基元單元100中。當信號φρει被切換到低電平時，傳感器基元單元100的電荷累積操作的時間段開始。這樣，當信號CjiPSl和CjiFB被切換到高電平時，傳輸單元113將通過將傳感器基元單元100的增益添加到傳感器基元單元100的固定模式噪聲Ns而得到的噪聲以及由傳輸單元113引起的噪聲Nt輸出到傳感器基元單元100。在時間段Τ3內(nèi)，當信號C^SLl和Φ 被切換到高電平時，增益Gsf應(yīng)用于傳感器基元單元100中所保持的電壓VRS+(Vth-Ns)/Gsf+Nt，并且在輸出該電壓之前固定模式噪聲Ns被施加。因此，傳感器基元單元100的輸出為電壓VRS+GsfXNt。此刻，傳感器基元單元100的噪聲Ns被抵消。當信號(tGR和AFT被切換到高電平時，該電壓被提供給傳輸電容器117的端子A，并且電壓VRS+Nt被提供給端子B。當信號(^GR被切換到低電平時，傳輸電容器117的端子B浮動。這樣，當信號Cj5SLl和CtFT被切換到高電平時，傳輸單元113被傳感器基元單元100的輸出箝位，并且當信號AGR被切換到低電平時，箝位被釋放。在時間段T4內(nèi)，當信號CtRS被切換到高電平時，傳輸電容器117的端子A的電壓被切換到參考電壓VRS。信號CtFB處于高電平，并且電壓VRS+2XNt從傳輸單元113的輸出端子輸出。雖然在公式中未指定，但是除了噪聲2XNt之外，在時間段Tl內(nèi)初始化傳感器基元單元100所產(chǎn)生的隨機噪聲(以下，“復位噪聲”)也被疊加。在時間段T4內(nèi)，信號(]^52_1和ΦPS2_2都處于高電平。因此，電壓VRS+2XNt也同時通過開關(guān)107和108被寫入到存儲基元單元101和102中?！巴瑫r”表示當信號ctRS和(tFB處于高電平時在時間段T4內(nèi)基于信號(tPS2_l和(tPS2_2寫入存儲基元單元101和102這二者中。信號(]^52_1和(tPS2_2可以不同時轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖健＿@樣，在釋放箝位之后，當信號ARS被切換到高電平時，傳輸單元113輸入?yún)⒖茧妷篤RS，并且當信號(tPS2_l和CtFB被切換到高電平時，傳輸單元113將傳感器基元單元100的復位噪聲輸出到第一存儲基元單元101。第一存儲基元單元101保持傳感器基元單元100的復位噪聲。在時間段T5內(nèi)，信號CjiFT處于高電平。當信號CjiRS和(^GR在時間段T5內(nèi)被切換到高電平時，公共輸出線112和傳輸電容器117的端子A被切換到參考電壓VRS,并且端子B被切換到電壓VRS+Nt。當信號(tRS和CtGR被切換到低電平時，傳輸電容器117的端子B浮動。這樣，當信號(tRS被切換到高電平時，傳輸單元113被參考電壓VRS箝位，并且 當信號Φ GR被切換到低電平時，箝位被釋放。AGC操作從時間段T6開始。信號cjiSLl和Φ L在該時間段內(nèi)被切換到高電平。因此，傳感器基元單元100的源極跟隨器操作，并且與根據(jù)傳感器基元單元100的光電轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的信號SI對應(yīng)的電平出現(xiàn)在公共輸出線112上。在直到時間段T5的操作中，電壓VRS+(Vth-Ns)/Gsf+Nt被寫入傳感器基元單元100中。因此，從傳感器基元單元100輸出的信號為電壓VRS+GsfX (Nt+Sl)。結(jié)果，傳輸電容器117的端子B改變電勢GsfX (Nt+Sl)的量，并且傳輸單元113的輸出為電壓VRS-Sl。更具體地講，監(jiān)視器單元130可僅監(jiān)視不受噪聲影響的光學信號-SI。這樣，監(jiān)視器單元130在時間段T6內(nèi)實時地觀察傳感器基元單元100的輸出的改變。監(jiān)視器單元130包括可變增益放大器，該增益根據(jù)稍后描述的對比度的檢測結(jié)果而改變。這將被稱為自動增益控制(AGC)。作為監(jiān)視器單元130的監(jiān)視操作的結(jié)果，在時間段T6內(nèi)電荷累積操作結(jié)束時從傳感器基兀單兀101輸出的光學信號將被稱為光學信號-S2。這樣，在釋放箝位之后，當信號C^SLl和CtFT被切換到高電平時，傳輸單兀113輸入傳感器基兀單兀100的輸出，并且將傳感器基兀單兀100的輸出電壓輸出到監(jiān)視器單元130。在時間段T7內(nèi)，信號C^FTjSLU Φ 和被切換到高電平。傳輸電容器117的端子A被切換到電壓VRS+Gsf X (Nt+S2)，并且端子B被切換到電壓VRS+Nt。因此，當信號cjiSLl和CtFT被切換到高電平時，傳輸單元113被傳感器基元單元100的輸出箝位，并且當信號Φ GR被切換到低電平時，箝位被釋放。在時間段T8內(nèi)，信號(tSL2_l和Φ 被切換到高電平。結(jié)果，第一存儲基元單元101的噪聲Nml被添加到第一存儲基元單元101中所保持的電壓VRS+2XNt，并且電壓VRS+GsfX2XNt-Vth+Nml被提供給傳輸電容器117的端子A。因此，傳輸電容器117的端子B被切換到電勢GsfX (Nt-S2)-Vth+Nml。這樣，在釋放箝位之后，當信號Φ SL2_1和(^FT被切換到高電平時，傳輸單兀113輸入第一存儲基兀單兀101的輸出。在時間段T9內(nèi)，信號ΦFT被切換到低電平。如果當信號ΦFB處于高電平時信號Φ PS2_1被切換到高電平，則傳輸單元113將電壓VRS+ (Vth-Nml) X 1/Gsf+S2提供給第一存儲基元單元101。因此，當信號(]^32_1和CtFB被切換到高電平時，傳輸單元113將通過從傳感器基元單元100的輸出電壓除去第一存儲基元單元101中所保持的復位噪聲而得到的電壓輸出到第一存儲基元單元101。在時間段TlO內(nèi)，信號ΦFB被切換到低電平，并且信號CtFT被切換到高電平。信號Φ 和(tSL2_l在該時間段內(nèi)被切換到高電平。結(jié)果，第一存儲基元單元101的增益Gsf和噪聲Nml被添加到第一存儲基元單元101中所保持的電壓VRS+(Vth-Nml) X 1/Gsf+S2，并且電壓VRS+Gsf X S2被提供給傳輸電容器117的端子A。結(jié)果，輸出不受噪聲影響的信號。當信號ΦΗ在該時間段內(nèi)被從未示出的移位寄存器供給時，信號S2XGsf被發(fā)送到緩沖放大器123，并且被輸出到后一級中的未示出的信號處理電路。在時間段Tll至T14內(nèi)的操作中，對第二存儲基元單元102 執(zhí)行時間段T7至TlO的操作。結(jié)果，在一個電荷累積序列中，可從傳感器基元單元100獲取基于不同電荷累積時間的信號。這樣，在一個電荷累積序列內(nèi)可在同一行中布置多個測距點。因此，可實現(xiàn)測距點的數(shù)量的增加和高速焦點檢測操作。如所述的，與第一實施例相比，在本實施例中，以下三個要點是獨特的。首先，對于傳感器基元單元100以及存儲基元單元101和102的輸出，第一實施例的自偏壓源極跟隨器變?yōu)榉亲云珘涸礃O跟隨器。第二，傳輸單元113包括開關(guān)電容器放大器，該開關(guān)電容器放大器包括差動放大器126和反饋電容器125的反饋系統(tǒng)。第三，傳輸電容器117的箝位定時被改變。在本實施例中，非自偏壓源極跟隨器的使用可縮小傳感器基元單元100以及存儲基元單元101和102中的源極跟隨器所占據(jù)的面積。因為源極跟隨器的輸出以增益Gsf(通常，〈XI)的量減小，所以具有相對大空間的傳輸單元113包括增益為-Ι/Gsf的反相放大器。驅(qū)動定時被改變以使得可除去傳感器基元單元100、存儲基元單元101和102以及傳輸單元113的固定模式噪聲。圖7的緩沖放大器123可應(yīng)用足夠的增益來防止由后一級中的電路噪聲引起的SN比的減小。本實施例實現(xiàn)該構(gòu)造和驅(qū)動方法，以與第一實施例相比增大傳感器基元單元100的像素孔面積。因此，可提高傳感器的靈敏度?？蓴U大存儲基元單元101和102的存儲電容器104和105。因此，可減小開關(guān)噪聲，并且可提高SN比。(第三實施例)將參照圖9來描述根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的焦點檢測裝置。圖9是示出將根據(jù)第一實施例或第二實施例的光電轉(zhuǎn)換裝置應(yīng)用于相位差檢測系統(tǒng)的焦點檢測裝置(以下，“AF傳感器”)的第三實施例的構(gòu)造的例子的框圖。AF傳感器811包括傳感器塊820、具有產(chǎn)生外部接口和AF傳感器的定時信號的功能的邏輯塊801以及模擬電路塊810。線傳感器單元L1A、L2A、…和LIB、L2B、…布置在傳感器塊820中。模擬電路塊810包括AGC電路802至805以監(jiān)視來自線傳感器單元的信號以及控制電荷累積時間。多個線傳感器單元對應(yīng)于AGC電路802至805之一。雖然在本實施例中包括四個AGC電路802至805，但是可從電路尺寸和電荷累積處理速度的角度來優(yōu)化AGC電路的數(shù)量。模擬電路塊810還包括參考電壓電流產(chǎn)生電路806和溫度計電路807，參考電壓電流產(chǎn)生電路806產(chǎn)生光電轉(zhuǎn)換裝置所使用的參考電壓和參考電流。標號813和814表示外部通信端子。邏輯塊801基于通過串行通信端子812與外部的串行通信來控制AF傳感器811的驅(qū)動定時。AF增益電路808將增益應(yīng)用于線傳感器單元的信號，并且該信號被通過輸出復用器809從模擬信號輸出端子815提取。在本實施例中，第一實施例或第二實施例中所述的光電轉(zhuǎn)換裝置可用于實現(xiàn)高速、高精度的焦點檢測裝置。(第四實施例)圖10是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的成像系統(tǒng)(照相機)的構(gòu)造的例子的框圖。擋板901保護透鏡902。透鏡902在固態(tài)成像裝置904上形成對象的光學圖像。光圈903調(diào)整通過透鏡902的光量。固態(tài)成像裝置904獲取通過透鏡902所形成的對象的光學圖像作為圖像信號。標號905表示使用實施例中所述的光電轉(zhuǎn)換裝置的第三實施例的AF傳感器(焦點檢測裝置)。模擬信號處理裝置906對從固態(tài)成像裝置904和AF傳感器905輸出的信號進行處理。A/D轉(zhuǎn)換器907將從信號處理裝置906輸出的信號從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字。數(shù)字信號處理單元908將各種校正和數(shù)據(jù)壓縮應(yīng)用于A/D轉(zhuǎn)換器907所輸出的圖像數(shù)據(jù)。存儲器單元909臨時存儲圖像數(shù)據(jù)。外部Ι/F電路910與外部計算機通信。定時產(chǎn)生單元911將各種定時信號輸出到數(shù)字信號處理單元908等?？偪刂?計算單元912執(zhí)行各種計算并且控制整個照相機。標號913表示記錄介質(zhì)控制Ι/F單元?？刹鹧b記錄介質(zhì)914 (諸 如半導體存儲器)記錄或讀取所獲取的圖像數(shù)據(jù)。標號915表示外部計算機。將描述成像系統(tǒng)成像期間的操作。擋板901打開，并且總控制/計算單元912基于從AF傳感器905輸出的信號來檢測相位差以計算到對象的距離?？偪刂?計算單元912基于計算結(jié)果來驅(qū)動透鏡902，以再次確定對象是否被聚焦。如果對象未被聚焦，則總控制/計算單元912執(zhí)行自動聚焦控制以便再次驅(qū)動透鏡902。在確認對象的聚焦之后，固態(tài)成像裝置904開始電荷累積操作。當固態(tài)成像裝置904的電荷累積操作結(jié)束時，A/D轉(zhuǎn)換器907將從固態(tài)成像裝置904輸出的圖像信號從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字。圖像信號通過數(shù)字信號處理單元908，并且總控制/計算單元912將該圖像信號寫入存儲器單元909中。基于總控制/計算單元912的控制，存儲器單元909上所累積的數(shù)據(jù)通過記錄介質(zhì)控制Ι/F單元910被記錄在記錄介質(zhì)914中。存儲器單元909上所累積的數(shù)據(jù)還通過外部Ι/F單元910直接輸出到計算機915等。非反相放大器Ml I、M31和M41用于第一實施例至第四實施例中的傳感器基元單元100以及存儲基元單元101和102。這可實現(xiàn)優(yōu)良的輸出線性、穩(wěn)定的驅(qū)動電流、小的增益變化、小的電路尺寸和/或優(yōu)良的光響應(yīng)非均勻性。上述實施例的意圖是示出用于實現(xiàn)本發(fā)明的例子，而不應(yīng)該被理解為限制本發(fā)明的技術(shù)范圍。在不脫離本發(fā)明的技術(shù)概念和主要特征的情況下，可以以各種形式實現(xiàn)本發(fā)明。雖然已參照示例性實施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)理解本發(fā)明不限于所公開的示例性實施例。權(quán)利要求的范圍應(yīng)被給予最廣泛的解釋，以涵蓋所有這樣的修改以及等同的結(jié)構(gòu)和功能。
權(quán)利要求
1.一種光電轉(zhuǎn)換裝置，包括 傳感器基元單元，其用于執(zhí)行根據(jù)光電轉(zhuǎn)換元件的光電轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的信號通過第一非反相放大器到公共輸出線的非反相輸出； 第一存儲基元單元，其用于將從所述公共輸出線輸入的信號保持到第一存儲電容器，并且用于執(zhí)行所述第一存儲電容器所保持的信號通過第二非反相放大器到所述公共輸出線的非反相輸出； 傳輸單元，其用于通過放大器使所述公共輸出線中的信號不反相或反相，并且用于將被不反相或反相的信號輸出到所述公共輸出線； 傳輸開關(guān)，其布置在所述傳輸單元的輸入端子與所述公共輸出線之間；以及 反饋開關(guān)，其布置在所述傳輸單元的輸出端子與所述公共輸出線之間，其中， 所述傳感器基元單元通過第一開關(guān)將來自所述第一非反相放大器的非反相輸出輸出到所述公共輸出線， 所述第一存儲基元單元通過第一存儲基元寫開關(guān)將來自所述公共輸出線的信號輸入到所述第一存儲電容器，并且通過第二開關(guān)將來自所述第二非反相放大器的非反相輸出輸出到所述公共輸出線。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光電轉(zhuǎn)換裝置，還包括 復位單元，其用于將所述傳輸單元的輸入端子復位為參考電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光電轉(zhuǎn)換裝置，其中， 所述傳輸單元被來自所述傳感器基元單元的輸出箝位，并且在釋放該箝位之后，輸入所述參考電壓，以將所述傳感器基元單元的固定模式噪聲輸出到所述傳感器基元單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的光電轉(zhuǎn)換裝置，其中， 所述傳輸單元被所述參考電壓箝位，并且在釋放該箝位之后，輸入來自所述傳感器基元單元的輸出，以將所述傳感器基元單元的復位噪聲輸出到所述第一存儲基元單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的光電轉(zhuǎn)換裝置，其中， 所述傳輸單元被來自所述傳感器基元單元的輸出箝位，并且在釋放該箝位之后，輸入所述參考電壓，以將來自所述傳感器基元單元的輸出電壓輸出到監(jiān)視器單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的光電轉(zhuǎn)換裝置，其中， 所述傳輸單元被來自所述第一存儲基元單元的輸出箝位，并且在釋放該箝位之后，輸入來自所述傳感器基元單元的輸出，以將通過從來自所述傳感器基元單元的輸出電壓除去所述第一存儲基元單元中所保持的復位噪聲而得到的電壓輸出到所述第一存儲基元單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光電轉(zhuǎn)換裝置，其中， 所述傳輸單元具有差動放大器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光電轉(zhuǎn)換裝置，其中， 所述傳輸單元被所述參考電壓箝位，并且在釋放該箝位之后，輸入來自所述傳感器基元單元的輸出，以將所述傳感器基元單元的固定模式噪聲輸出到所述傳感器基元單元。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的光電轉(zhuǎn)換裝置，其中， 所述傳輸單元被來自所述傳感器基元單元的輸出箝位，并且在釋放該箝位之后，輸入所述參考電壓，以將所述傳感器基元單元的復位噪聲輸出到所述第一存儲基元單元。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的光電轉(zhuǎn)換裝置，其中，所述傳輸單元被所述參考電壓箝位，并且在釋放該箝位之后，輸入來自所述傳感器基元單元的輸出，以將來自所述傳感器基元單元的輸出電壓輸出到監(jiān)視器單元。
11.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的光電轉(zhuǎn)換裝置，其中， 所述傳輸單元被來自所述傳感器基元單元的輸出箝位，并且在釋放該箝位之后，輸入來自所述第一存儲基元單元的輸出，以將通過從來自所述傳感器基元單元的輸出電壓除去所述第一存儲基元單元所保持的復位噪聲而得到的電壓輸出到所述第一存儲基元單元。
12.一種焦點檢測裝置，包括 根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、7和8中的任何一個所述的光電轉(zhuǎn)換裝置。
13.■ ~■種成像系統(tǒng)，包括 根據(jù)權(quán)利要求12所述的焦點檢測裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及光電轉(zhuǎn)換裝置、焦點檢測裝置和成像系統(tǒng)。一種光電轉(zhuǎn)換裝置包括傳感器基元單元，其用于通過第一非反相放大器執(zhí)行光電轉(zhuǎn)換元件所產(chǎn)生的信號到公共輸出線的非反相輸出；第一存儲基元單元，其用于將從公共輸出線輸入的信號保持到第一存儲電容器，并且用于通過第二非反相放大器執(zhí)行第一存儲電容器所保持的信號到公共輸出線的非反相輸出；傳輸單元，其用于通過放大器使公共輸出線中的信號不反相或反相，并且用于將不反相或反相的信號輸出到公共輸出線；傳輸開關(guān)，其布置在傳輸單元的輸入端子與公共輸出線之間；和反饋開關(guān)，其布置在傳輸單元的輸出端子與公共輸出線之間。
文檔編號H04N5/365GK102905089SQ20121025796
公開日2013年1月30日 申請日期2012年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月27日
發(fā)明者衣笠友壽 申請人:佳能株式會社