成像設(shè)備及其驅(qū)動方法
【專利說明】成像設(shè)備及其驅(qū)動方法
[0001]本申請是基于申請?zhí)枮?01210204450.3、申請日為2012年6月18日、發(fā)明名稱為“成像設(shè)備及其驅(qū)動方法”的專利申請的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及成像設(shè)備及其驅(qū)動方法。
【背景技術(shù)】
[0003]已知使用CMOS圖像傳感器作為成像裝置的數(shù)字式照相機。對像素信號應(yīng)用模數(shù)(AD)轉(zhuǎn)換的成像裝置已知使得能夠以高速讀出信號。已經(jīng)知道了一種AD轉(zhuǎn)換技術(shù)，在其中比較器將像素信號與時間相關(guān)的參考信號(斜坡信號)進行比較并且獲取根據(jù)信號振幅的AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。因此期望包括AD轉(zhuǎn)換器的成像裝置實現(xiàn)高速讀取和高分辨率。
[0004]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(jù)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(shù)來實現(xiàn)。此外，已知根據(jù)信號振幅結(jié)合比較器和參考信號的方法(例如，參見日本專利申請公開N0.2007-281987)。
[0005]日本專利申請公開N0.2007-281987的技術(shù)利用多個比較器。因此，存在響應(yīng)速度根據(jù)制造構(gòu)成比較器的元件的變化而不同從而導(dǎo)致AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)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(nèi)容】

[0006]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種成像設(shè)備包括:用于通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)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(guān)的參考信號進行比較；計數(shù)器電路，執(zhí)行計數(shù)操作直到基于像素的信號與時間相關(guān)的參考信號之間的大小關(guān)系反轉(zhuǎn)；以及選擇電路，用于根據(jù)基于像素的信號的信號電平來設(shè)定參考信號的時間相關(guān)的變化率。
[0007]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。
【附圖說明】
[0008]圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的成像裝置的結(jié)構(gòu)圖。
[0009]圖2是示出像素信號的信噪比的圖。
[0010]圖3是示出斜坡信號的圖。
[0011]圖4是本發(fā)明的第一實施例的AD轉(zhuǎn)換單元的框圖。
[0012]圖5是圖4中的AD轉(zhuǎn)換單元的時序圖。
[0013]圖6是示出用于AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)的比特移位(bit-shift)單元的圖。
[0014]圖7是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的AD轉(zhuǎn)換單元的框圖。
[0015]圖8是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的AD轉(zhuǎn)換單元的框圖。
[0016]圖9是用于AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)的比特數(shù)調(diào)整單元的框圖。
[0017]圖10是成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
[0018]圖11是示出了圖1中的成像裝置的配置的示例的示意圖。
[0019]圖12是像素的等效電路圖。
[0020]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。
【具體實施方式】
[0021]現(xiàn)在將根據(jù)附圖詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
[0022](第一實施例)
[0023]圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的成像裝置100的示意性結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換，并且輸出電信號作為數(shù)字信號。成像裝置100包括像素單元10、垂直掃描電路15、放大單元20、斜坡信號產(chǎn)生電路(參考信號產(chǎn)生電路)25、比較器單元30、計數(shù)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(chǎn)生電路(TG)70。像素單元10包括以二維矩陣方式布置的像素10-1。像素10-1通過光電轉(zhuǎn)換輸出像素信號。垂直掃描電路15向像素單元10輸出驅(qū)動脈沖Χ-1、Χ-2、……。放大單元20放大來自像素單元10的像素信號。斜坡信號產(chǎn)生電路25產(chǎn)生時間相關(guān)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(shù)器單元40計數(shù)直到比較器單元30輸出比較結(jié)果。存儲單元50保持計數(shù)器單元40的計數(shù)數(shù)據(jù)，并且對保持的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳送到輸出電路60。定時產(chǎn)生電路70控制電路模塊的定時。
[0024]在像素單元10的區(qū)域中布置多個像素10-1。然而，圖1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(yīng)的驅(qū)動脈沖Χ-1、Χ-2順序地驅(qū)動。每個像素10-1的復(fù)位信號(比較信號)和作為光電轉(zhuǎn)換信號的有效信號經(jīng)由垂直輸出線V-1?V-n被引導(dǎo)到放大單元20。針對相應(yīng)的垂直輸出線V-1?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(fù)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處理在比較器單元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。
[0025]比較器單元30包括從放大單元20來的與像素列對應(yīng)的比較電路30-1以及選擇斜坡信號之一的選擇電路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(shè)定的參考比較信號，根據(jù)該結(jié)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(jù)輸入信號振幅的確定的結(jié)果而選擇的一個斜坡信號比較的比較結(jié)果。比較器單元30將像素信號與斜坡信號進行比較。計數(shù)器單元40計數(shù)從斜坡信號的前沿到輸出信號的反相的計數(shù)器時鐘。計數(shù)結(jié)果作為AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)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(fù)位信號的AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)和有效信號的AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)執(zhí)行比特移位和運算之一，由此增加比特數(shù)，并且根據(jù)來自水平掃描電路65的掃描脈沖將處理后的數(shù)據(jù)傳送到輸出電路60。
[0026]如上所述，成像裝置100使得一個比較電路30-1根據(jù)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(zhuǎn)換處理而獲取多比特的AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)的有利的效果。
[0027]圖2是示出用于描述圖1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?？v坐標指示根據(jù)入射光量光電轉(zhuǎn)換的信號電平的對數(shù)表示。實線201表示信號。假設(shè)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 No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(zhuǎn)換引起的噪聲)。假設(shè)像素系統(tǒng)噪聲203是0.2mV，作為IV的信號電平和0.2mV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(zhuǎn)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(shù)器時間增加越多。因此，要求一定的AD轉(zhuǎn)換時間。在成像裝置中，信號讀出的速度被降低。結(jié)果，不能執(zhí)行高速成像。
[0028]因此本實施例通過減少AD轉(zhuǎn)換的比特的數(shù)量來實現(xiàn)高速讀出。例如，在假設(shè)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(shè)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(shè)小振幅信號電平為10mV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。
[0029]圖2討論10比特的AD轉(zhuǎn)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(L)，62.5mV為IV的信號的1/16(對應(yīng)于四比特)。雙點一線的虛線204表示對于IV的信號振幅的AD轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換的分辨率。雖然兩種類型AD轉(zhuǎn)換都具有10比特的AD轉(zhuǎn)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A(yù)D分辨率也較小。10比特AD轉(zhuǎn)換器可以通過對兩個AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)比特移位來獲取具有14比特精度的AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。
[0030]對于大振幅信號和小振幅信號的轉(zhuǎn)換對應(yīng)于10比特。在該轉(zhuǎn)換中，提供的斜坡信號的斜度(其為參考信號的時間相關(guān)的變化率)的設(shè)為16的比例與對于24= 16(即四比特)的分辨率的變化對應(yīng)。對于IV的信號范圍可以通過結(jié)合具有這種關(guān)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(zhuǎn)換被討論。本實施例根據(jù)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。
[0031]另一方面，在小振幅信號的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換。因此，小振幅信號的AD轉(zhuǎn)換的分辨率205為大振幅信號的AD轉(zhuǎn)換的分辨率204的1/16。因此，對于62.5mV的信號振