成像裝置的制作方法

專利名稱：成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及成像裝置。
背景技術(shù)：
對于圖像傳感器的像素讀出電路，已經(jīng)提出了一種配備有所謂的列并行AD (模擬-數(shù)字)轉(zhuǎn)換器的圖像傳感器，該列并行AD轉(zhuǎn)換器對于每一個像素列具有AD轉(zhuǎn)換器。在此類型的列并行AD轉(zhuǎn)換器中，由比較器將像素信號和斜坡狀的參考信號相比較，并且由計數(shù)器對從開始轉(zhuǎn)換到反轉(zhuǎn)來自比較器的輸出的時間進行計數(shù)，由此執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換。此外，在此類型的列并行AD轉(zhuǎn)換器中，為每個像素列提供低速AD轉(zhuǎn)換器，因而由提供的低速AD轉(zhuǎn)換器并行執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換。為此，由于可以降低構(gòu)成列并行AD轉(zhuǎn)換器的比較器和放大器的帶，因此使用列并行AD轉(zhuǎn)換器的AD轉(zhuǎn)換系統(tǒng)比其它AD轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在S/N (信噪)比方面有優(yōu)勢。
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順便提及，參考信號的電壓與對轉(zhuǎn)換時間進行計數(shù)的計數(shù)器的操作同步變化。因此，例如，當使用八位AD轉(zhuǎn)換器時，必需與28個級，即256個級對應(yīng)的處理時間。此外，當斜坡狀的參考信號的梯度增大時，對于每一個級的AD轉(zhuǎn)換器的電壓值增大。也就是說，存在通過降低AD轉(zhuǎn)換器的分辨率(使AD轉(zhuǎn)換器的分辨率變粗糙)來擴展AD轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍的方法。此外，作為擴展動態(tài)范圍而不惡化分辨率特性的方法，已經(jīng)知道在日本專利申請公開出版物No. 2008-098722中描述的方法。也就是說，在日本專利申請公開出版物No. 2008-098722中，使用其斜線的梯度分別不同的參考電壓，單位像素的輸出電壓與參考電壓彼此比較，并且進一步該參考電壓與第二參考電壓彼此比較。因而，由于通過使用兩個比較器執(zhí)行計數(shù)操作，因此可以實現(xiàn)高速AD轉(zhuǎn)換，由此可以擴展動態(tài)范圍。但是，在此方法中，由于每個列必需主要占據(jù)AD轉(zhuǎn)換構(gòu)造的兩個比較器，因此存在電路面積由此增大的問題。在配備有列并行AD轉(zhuǎn)換器的圖像傳感器(即，被配備有列并行AD轉(zhuǎn)換器的圖像傳感器)中，轉(zhuǎn)換時間的計數(shù)的數(shù)目被給出為AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果。為此，由于轉(zhuǎn)換時間的限制，難以擴展動態(tài)范圍。在一般列并行AD轉(zhuǎn)換器中，可以通過增大參考電壓的斜線的梯度來擴展動態(tài)范圍。但是，在這種情況下，一個LSB的電壓變大，由此存在在電壓和分辨率之間發(fā)生折衷的問題。為此，當?shù)驼斩认袼睾透哒斩认袼鼗旌系卮嬖谟谙嗤男兄袝r，存在難以選擇參考信號的斜線的合適的梯度的問題。這里，作為擴展AD轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍同時保持分辨率的方法，存在幾種方法，包括對于每一個轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)列放大器的增益的方法、在幀方向上執(zhí)行加法處理的方法、和使用多個比較器的方法。但是，在這些方法中的任一個方法中，存在幾個問題。即，總體的電路構(gòu)造變得復雜，幀的數(shù)目減少，并且芯片自身在尺寸上變大。由于如上所述的這樣的原因，在使用列并行AD轉(zhuǎn)換器的成像裝置中，必須通過使用在行中具有不同的梯度的參考信號來適當?shù)馗淖儎討B(tài)范圍而不使電路構(gòu)造復雜化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種成像裝置，其特征在于包括第一像素，被配置為通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生信號；第二像素，被布置在與布置第一像素的行相同的行中，被配置為通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生信號；第一比較器，被配置為比較基于第一像素的信號與第一參考信號，第一參考信號的電平根據(jù)時間推移而變化；第二比較器，被配置為比較基于第二像素的信號與第二參考信號，第二參考信號對于時間推移的變化率與第一參考信號對于時間推移的變化率不同；第一計數(shù)器，被配置為執(zhí)行計數(shù)，直到第一比較器輸出指示基于第一像素的信號和第一參考信號的大小關(guān)系被反轉(zhuǎn)的信號為止；第二計數(shù)器，被配置為執(zhí)行計數(shù)，直到第二比較器輸出指示基于第二像素的信號和第二參考信號的大小關(guān)系被反轉(zhuǎn)的信號為止；和處理單元，被配置為至少基于第一計數(shù)器的計數(shù)值和/或第二計數(shù)器的計數(shù)值來產(chǎn)生一個像 素信號。通過下面參考附圖對示范性實施例的描述，本發(fā)明的進一步的特征將變得清楚。


圖I是示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的成像裝置的構(gòu)造示例的框圖。圖2是示出了配備有列并行AD轉(zhuǎn)換器的圖像傳感器的框圖。圖3A和3B是用于描述AD轉(zhuǎn)換操作的時序圖。圖4是用于描述要在像素之間執(zhí)行的參考信號的分配和信號處理的框圖。圖5是用于描述AD轉(zhuǎn)換操作的時序圖。圖6是用于描述AD轉(zhuǎn)換操作的時序圖。圖7是用于描述配備有列并行AD轉(zhuǎn)換器的圖像傳感器的像素單元的圖。圖8是示出了配備有列并行AD轉(zhuǎn)換器的圖像傳感器的框圖。圖9是用于描述要在像素之間執(zhí)行的參考信號的分配和信號處理的框圖。
具體實施例方式現(xiàn)在根據(jù)附圖詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。(第一實施例)圖I是示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的成像裝置的構(gòu)造示例的框圖。這里，成像裝置是例如照相機系統(tǒng)，并且包括將入射光引入到配備有列并行AD轉(zhuǎn)換器的圖像傳感器110的像素區(qū)域中(形成對象圖像)的光學系統(tǒng)。例如，用于在成像表面上形成入射光(SP，圖像光)的透鏡101被用作光學系統(tǒng)。更具體地，成像裝置具有配備有列并行AD轉(zhuǎn)換器的圖像傳感器110、對從配備有列并行AD轉(zhuǎn)換器的圖像傳感器110傳送的像素信號執(zhí)行信號處理的圖像處理單元108、和控制圖像處理單元108的驅(qū)動的總體控制和操作單元109。此夕卜，總體控制和操作單元109具有產(chǎn)生各種類型的定時信號的定時發(fā)生器，因而以預(yù)定的定時驅(qū)動配備有列并行AD轉(zhuǎn)換器的圖像傳感器110，該定時信號包括用于驅(qū)動在配備有列并行AD轉(zhuǎn)換器的圖像傳感器110中提供的電路的起始脈沖和時鐘脈沖。此外，圖像處理單元108執(zhí)行諸如用于將RGB色彩空間中的像素輸出信號轉(zhuǎn)換成YCbCr色彩空間中的信號的轉(zhuǎn)換處理、伽馬校正處理等之類的圖像處理。然后，由圖像處理單元108處理后的圖像信號被記錄在諸如存儲器等之類的記錄介質(zhì)上，并且在記錄介質(zhì)上記錄和存儲的圖像信息然后由打印機等復制為硬拷貝。此外，由圖像處理單元108處理后的圖像信號作為運動圖像顯示在包括液晶顯示器等的監(jiān)視器上。配備有列并行AD轉(zhuǎn)換器的圖像傳感器110具有將由透鏡101成像的光轉(zhuǎn)換成電信號的像素陣列單元102和產(chǎn)生要被用在AD轉(zhuǎn)換中的參考信號的斜坡產(chǎn)生電路單元103。這里，應(yīng)當注意，參考信號根據(jù)時間推移而變化。此外，配備有列并行AD轉(zhuǎn)換器的圖像傳感器110具有將從像素陣列單元102傳送的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的列并行AD轉(zhuǎn)換單元104和產(chǎn)生要被用在AD轉(zhuǎn)換中的控制脈沖的定時產(chǎn)生電路單元105。此外，配備有列并行AD轉(zhuǎn)換器的圖像傳感器110具有對AD轉(zhuǎn)換后的輸出結(jié)果執(zhí)行諸如⑶S (相關(guān)雙采樣)等之類的處理的信號處理單元106和執(zhí)行諸如LVDS (低電壓差分信令)等之類的處理的外部I/F (接口)單元107。在任何情況下，雖然成像裝置具有其它各種功能部分，但是上面僅僅描述了作為本實施例中的特征的部分。圖2是示出了圖I中的配備有列并行AD轉(zhuǎn)換器的圖像傳感器(CMOS (互補金屬氧化物半導體)圖像傳感器)的構(gòu)造示例的框圖。這里，圖2中的像素陣列單元209對應(yīng)于圖I中的像素陣列單元102，圖2中的列并行AD轉(zhuǎn)換單元210對應(yīng)于圖I中的列并行AD轉(zhuǎn)換 單元104，圖2中的斜坡產(chǎn)生電路(參考信號產(chǎn)生電路)208對應(yīng)于圖I中的斜坡產(chǎn)生電路單元103，圖2中的定時產(chǎn)生電路單元207對應(yīng)于圖I中的定時產(chǎn)生電路單元105，以及圖2中的信號處理單兀206對應(yīng)于圖I中的信號處理單兀106。這里,配備有列并行AD轉(zhuǎn)換器的圖像傳感器110具有充當成像單元的像素陣列單元209、信號處理單元206和對各種驅(qū)動脈沖執(zhí)行定時控制的定時產(chǎn)生電路單元207。像素陣列單元209包括以二維矩陣排列的像素(P) 202和垂直掃描單元201。此外，配備有列并行AD轉(zhuǎn)換器的圖像傳感器110具有充當用于像素陣列單元209的讀出單元的列并行AD轉(zhuǎn)換單元210以及控制在列放大器203、比較器204等中流動的電流的偏置電路單元211。此外，配備有列并行AD轉(zhuǎn)換器的圖像傳感器110具有產(chǎn)生參考信號的斜坡產(chǎn)生電路208。這里，列并行AD轉(zhuǎn)換單元210包括列放大器203、比較器204和計數(shù)器(C) 205。計數(shù)器205對由定時產(chǎn)生電路單元207產(chǎn)生的時鐘信號CLK的時鐘的數(shù)目進行計數(shù)。應(yīng)當注意，在上述組成部分中，像素陣列單元209、垂直掃描單元201、列并行AD轉(zhuǎn)換單元210、斜坡產(chǎn)生電路208和偏置電路單元211分別由模擬電路構(gòu)成。另一方面，定時產(chǎn)生電路單元207和信號處理單元206分別由數(shù)字電路構(gòu)成。此外，包括光電二極管和像素內(nèi)放大器的每個像素202通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生信號。例如，每個示出在圖7中的像素以矩陣(行和列)排列。圖7是用于描述包括在配備有列并行AD轉(zhuǎn)換器的圖像傳感器110中的像素202的每一個的構(gòu)造的示例的圖。更具體地，像素202具有光電轉(zhuǎn)換元件(例如，光電二極管)701、充當轉(zhuǎn)移開關(guān)的轉(zhuǎn)移晶體管706、重置像素電平的重置晶體管703、放大晶體管704和選擇晶體管705。這里,光電二極管701將入射光光電轉(zhuǎn)換成電荷(即,在這種情況下,為電子)，電荷的量對應(yīng)于入射光的量。轉(zhuǎn)移晶體管706連接在光電二極管701和充當光電二極管701的輸出節(jié)點的浮動擴散(FD)707之間。當通過轉(zhuǎn)移控制線LTX向轉(zhuǎn)移晶體管706的柵極(轉(zhuǎn)移柵極)給予驅(qū)動信號TG時，由光電二極管701光電轉(zhuǎn)換后的電荷由轉(zhuǎn)移晶體管706轉(zhuǎn)移到浮動擴散707。重置晶體管703連接在電源線LVDD和浮動擴散707之間。當通過重置控制線LRST向重置晶體管703的柵極給予重置信號RST時，浮動擴散707的電勢由重置晶體管703重置到電源線LVDD的電勢。浮動擴散707通過放大晶體管704連接到垂直信號線702。放大晶體管704連同像素202的外部恒流源一起構(gòu)成源極跟隨器。
然后，通過選擇控制線LSEL向選擇晶體管705的柵極給予控制信號(地址信號或選擇信號)SEL，并且選擇晶體管705導通。當選擇晶體管705導通時，浮動擴散707的電勢由放大晶體管704放大，并且與放大后的電勢對應(yīng)的電壓輸出到垂直信號線702。然后，通過垂直信號線702從每個像素202輸出的電壓進一步被輸出到充當像素信號讀出電路的列并行AD轉(zhuǎn)換單元210。這里，應(yīng)當注意，對于與一行對應(yīng)的像素202同時執(zhí)行上述操作，因為例如轉(zhuǎn)移晶體管706、重置晶體管703和選擇晶體管705的柵極以一行連接。像素陣列單元209中的重置控制線LRST、轉(zhuǎn)移控制線LTX和選擇控制線LSEL對于每一行像素202被布置為一組導線。這里，重置控制線LRST、轉(zhuǎn)移控制線LTX和選擇控制線LSEL由充當像素驅(qū)動單元的垂直掃描單元201驅(qū)動。像素陣列單元209、垂直掃描單元201、信號處理單元206、列并行AD轉(zhuǎn)換單元210和斜坡產(chǎn)生電路208中的信號處理所需的定時信號由定時產(chǎn)生電路單元207產(chǎn)生。在像素陣列單元209中，通過利用線快門累積和釋放光子來對于每一個像素行光電轉(zhuǎn)換視頻和畫面圖像，然后將獲得的模擬信號輸出到列并行AD轉(zhuǎn)換單元210。隨后，在列并行AD轉(zhuǎn)換單元210中，對于每一個列將像素陣列單元209的模擬輸出信號和來自于斜坡產(chǎn)生電路208的參考信號彼此比較，然后輸出基于比較結(jié)果獲得的數(shù)字信號?！ぴ诹胁⑿蠥D轉(zhuǎn)換單元210中布置多個AD轉(zhuǎn)換器。這里，每個AD轉(zhuǎn)換器具有將類似于階躍或斜線改變的參考信號與通過垂直信號線702從像素202中獲得并由列放大器203放大的模擬信號相比較的比較器204。此外，每個列的AD轉(zhuǎn)換器具有對比較時間計數(shù)、鎖存計數(shù)結(jié)果和保持鎖存結(jié)果的計數(shù)器205。當來自于列放大器203的像素信號的電壓和參考信號的電壓達到相同時，對于每個列布置的比較器204的輸出被反轉(zhuǎn)、計數(shù)器205的計數(shù)停止以及AD轉(zhuǎn)換完成。在本實施例中，雖然列放大器203用于每個像素列，但是來自于像素的垂直信號線702的信號可以直接輸入到比較器204。這里，多個參考信號由斜坡產(chǎn)生電路208產(chǎn)生。在下文中，將詳細地描述斜坡產(chǎn)生電路208的具體的構(gòu)造和功能。斜坡產(chǎn)生電路208產(chǎn)生其電平根據(jù)時間推移改變的參考信號。更具體地，參考信號是具有傾斜的(具有梯度)波形的信號，該波形的電平根據(jù)時間推移類似于階躍或斜坡而變化。例如，在斜坡產(chǎn)生電路208中，數(shù)模轉(zhuǎn)換由數(shù)模轉(zhuǎn)換電路響應(yīng)于從定時產(chǎn)生電路單元207給出的控制信號來執(zhí)行，因而產(chǎn)生參考信號。成像裝置具有多個斜坡產(chǎn)生電路208，并且該多個斜坡產(chǎn)生電路208基于從定時產(chǎn)生電路單元207傳送的時鐘信號產(chǎn)生分別具有不同梯度的斜線的多個系統(tǒng)的參考信號，例如兩個參考信號RAMP_A和RAMP_B。順便提及，用于產(chǎn)生具有傾斜的波形的參考信號的裝置不局限于數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。此外，產(chǎn)生多個系統(tǒng)的參考信號的方法不局限于使用多個斜坡產(chǎn)生電路208的方法。信號處理單元106或圖像處理單元108在使得列放大器203的增益對于每一個列不同時執(zhí)行增益校正，和像素選擇處理。增益校正在配備有列并行AD轉(zhuǎn)換器的圖像傳感器110內(nèi)由信號處理單元106執(zhí)行，而增益校正在配備有列并行AD轉(zhuǎn)換器的圖像傳感器110外由圖像處理單元108執(zhí)行。在任何情況下，后面將詳細描述像素選擇處理。成像裝置具有選擇使得參考信號的梯度對于多個列不同的模式和對于多個列使用相同梯度的參考信號的模式中的任一個的模式切換單元。隨后，將描述基于濾色器用于每個像素202的情況的參考信號的對應(yīng)關(guān)系。圖4指示使用分別具有不同的梯度的兩種參考信號RAMP_B的構(gòu)造示例。這里，圖2中的多個像素202分為像素列組402和403，并且在每個像素202上提供濾色器。像素列組402是與參考信號RAMP_A對應(yīng)的列的像素區(qū)域，以及像素列組403是與參考信號RAMP_B對應(yīng)的列的像素區(qū)域。這里，列并行AD轉(zhuǎn)換單元404對應(yīng)于圖2中的列并行AD轉(zhuǎn)換單元210，以及信號處理單元401對應(yīng)于圖2中的信號處理單元206。信號處理單元401具有像素選擇/合成單元和增益校正單元。分別與分別具有不同的梯度的參考信號RAMP_A和RAMP_B對應(yīng)的像素列組402和403在最相鄰并且被提供相同顏色的濾色器的像素列之間劃分。圖4示出了在對于相鄰的四個像素分別使用R、Gr、Gb和B濾色器的情況下參考信號RAMP_A和RAMP_B的對應(yīng)示例。由于參考信號RAMP_A和RAMP_B在相同顏色的相鄰的像素列之間劃分，因此兩個參考信號RAMP_B的每一個交替地用于每兩個像素列。也就是說，分別具有不同的梯度的參考信號RAMP_A和RAMP_B的每一個用于像素列組402和403的每一個。此外，信號處理單元401利用分別具有不同的梯度的參考信號RAMP_A和RAMP_B在由比較器204比較的相同顏色的像素的信號之間執(zhí)行像素選擇/合成處理和增益校正處理。信號處理單元401對應(yīng)于圖I中的信號處理單元106或圖像處理單元108。這里，應(yīng)當注意，本實施例不局限于使用利用R、Gr、Gb和B布置相鄰的四個像素的濾色器的配備有列并行AD轉(zhuǎn)換器的圖像傳感器110。
同樣，在使用三種或更多種參考信號的情況下，使得參考信號的梯度在一個行中最相鄰的相同顏色的像素的信號中是不同的，并且執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換。更具體地，當三種參考信號用于圖4所示的對于四個像素具有R、Gr, Gb和B的濾色器的配備有列并行AD轉(zhuǎn)換器的圖像傳感器110時，對于每六個像素列具有相同梯度的參考信號用在AD轉(zhuǎn)換中。順便提及，三CCD彩色傳感器、單色傳感器等由使用單色濾色器的像素布置構(gòu)成。為此，當兩種參考信號用于相關(guān)傳感器時，在AD轉(zhuǎn)換中，參考信號RAMP_B的每一個交替地用于每個像素列。圖5是用于描述在對于所有列使用相同的參考信號RAMP執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換的第二模式中要執(zhí)行的操作的時序圖。這里，參考信號RAMP由斜坡產(chǎn)生電路208產(chǎn)生?；谙袼?02的信號(像素信號)SIG是列放大器203的輸出信號。此外，AD轉(zhuǎn)換時間段包括轉(zhuǎn)換像素202的重置電平的N信號轉(zhuǎn)換時間段和轉(zhuǎn)換光學信號的電平的S信號轉(zhuǎn)換時間段。在N信號轉(zhuǎn)換時間段中，如圖7所示，像素信號SIG是當重置晶體管703導通時獲得的列放大器203的輸出信號，并且對像素重置信號執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換。另一方面，在S信號轉(zhuǎn)換時間段中，如圖7所示，像素信號SIG是當重置晶體管703截止時獲得的列放大器203的輸出信號，并且對存儲在光電二極管701中的光學信號執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換。在N信號轉(zhuǎn)換時間段中，重置晶體管703導通。當像素信號SIG和參考信號RAMP的大小關(guān)系反轉(zhuǎn)時，輸出信號OUT由比較器204反轉(zhuǎn)。計數(shù)器205在從參考信號RAMP的梯度開始時間tl到比較器204的輸出信號OUT被反轉(zhuǎn)的時間t2的時間段期間將時鐘信號CLK的時鐘的數(shù)目計數(shù)為計數(shù)值(數(shù)字信號)。因而，像素信號SIG被從模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。在S信號轉(zhuǎn)換時間段中，重置晶體管703截止。當像素信號SIG和參考信號RAMP的大小關(guān)系反轉(zhuǎn)時，輸出信號OUT由比較器204反轉(zhuǎn)。計數(shù)器205在從參考信號RAMP的梯度開始時間t3到比較器204的輸出信號OUT被反轉(zhuǎn)的時間t4的時間段期間將時鐘信號CLK的時鐘的數(shù)目計數(shù)為計數(shù)值(數(shù)字信號)。因而，像素信號SIG被從模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。然后，在時間t3到t4的S信號轉(zhuǎn)換時間段中經(jīng)歷AD轉(zhuǎn)換的計數(shù)值和在時間tl到t2的N信號轉(zhuǎn)換時間段中經(jīng)歷AD轉(zhuǎn)換的計數(shù)值之間的差由信號處理單元106或圖像處理單元108操作，由此獲得已經(jīng)減去了重置電平的像素信號。在成像裝置中，AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果檢測圖像的照度，并且改變參考信號RAMP的梯度以使得比較器204的反轉(zhuǎn)在S信號轉(zhuǎn)換時間段中結(jié)束。但是，在當參考信號RAMP共同用于各個列時要執(zhí)行的操作中，如果高亮度像素和低亮度像素混合地存在于相同的行中，如圖6所示，則比較器204的輸出信號OUT在S信號轉(zhuǎn)換時間段中不被反轉(zhuǎn)，由此計數(shù)器205的計數(shù)值飽和。本實施例中的成像裝置通過模式切換來在使用不同的參考信號RAMP_A和RAMP_B的第一模式和使用所有列共用的參考信號RAMP的第二模式之間切換模式。此外，用戶可以任意地在使得參考信號的梯度對于各個列不同的模式和使得參考信號的梯度相同的模式之間執(zhí)行模式切換，并且可替換地，成像裝置可以通過檢測圖像中的亮度差來自動地執(zhí)行模式切換。例如，當亮度差在圖像中大時，成像裝置通過模式切換設(shè)置如圖4所示通過使用分別具有不同梯度的參考信號RAMP_B來對具有相同顏色的相鄰的兩個像素的信號執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換的第一模式。在下文中將描述此操作。圖3A和3B是分別指示此情況的時 序圖。在圖3A和3B中，假定具有相同顏色的相鄰的兩個像素的像素信號SIG是相同的，由此這些信號由一個像素信號SIG表示。這里，輸出信號0爪_么和0UT_B是比較器204對于具有相同顏色的相鄰的兩個像素的各個信號的輸出信號。更具體地，輸出信號0UT_A是來自于比較像素列組402中的像素與具有小的梯度的參考信號RAMP_A的比較器204的輸出信號，而輸出信號0UT_B是來自于比較像素列組403中的像素與具有大的梯度的參考信號RAMP_B的比較器204的輸出信號。如圖3A所示，當通過使用兩個參考信號RAMP_B對高照度的像素執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換時，對于具有小的梯度的參考信號用于的像素，比較器204的輸出信號0UT_A不被反轉(zhuǎn)。另一方面，對于具有大的梯度的參考信號RAMP_B被用于的像素，比較器204的輸出信號0爪_8被反轉(zhuǎn)。在后期的信號處理單元401中，從對于具有相同顏色的相鄰的兩個像素使用參考信號RAMP_A和RAMP_B的計數(shù)值A(chǔ)和B，選擇沒有飽和的計數(shù)值B，并且選擇的計數(shù)值B被設(shè)置為具有相同顏色的相鄰的兩個像素的代表值。在本實施中，使用通過使用兩個像素中的僅僅一個執(zhí)行選擇的選擇方法。但是，信號處理方法不受選擇方法的限制。也就是說，可以通過執(zhí)行多個像素的合成處理等來獲得像素信號。這里，當使用三種參考信號時，在三個像素當中執(zhí)行信號處理。圖3B指示對一個像素行中的低照度像素執(zhí)行的AD轉(zhuǎn)換。在圖3B中，由于像素信號SIG的光學信號電平小，因此使用具有小的梯度的參考信號RAMP_A的比較器204的輸出信號0UT_A和使用具有大的梯度的參考信號RAMP_B的比較器204的輸出信號0UT_B 二者都被反轉(zhuǎn)。在后期的信號處理單元401中，選擇使用對于一個LSB的分辨率較大的小梯度的參考信號RAMP_A的計數(shù)值，并且選擇的計數(shù)值被設(shè)置為具有相同顏色的相鄰的兩個像素的代表值。順便提及，與以上同樣，信號處理方法不局限于該選擇方法。即，像素信號可以通過使用作為參考信號RAMP_A和RAMP_B 二者的轉(zhuǎn)換結(jié)果的計數(shù)值A(chǔ)和B獲得。在對于每一個列的經(jīng)歷AD轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換結(jié)果的計數(shù)值中，參考信號的梯度是不同的。因此，從列并行AD轉(zhuǎn)換單元210的輸入信號看過去的轉(zhuǎn)換增益對于每一個列是不同的。也就是說，用于使用具有不同梯度的參考信號對像素信號SIG執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換的列并行AD轉(zhuǎn)換單元210的操作意味著以不同的增益放大像素信號SIG。因此，為了使得相同的行中的像素的轉(zhuǎn)換增益相等，后期的信號處理單元401通過將輸出結(jié)果的計數(shù)值除以參考信號的梯度比來執(zhí)行增益校正。也就是說，信號處理單元401相對于計數(shù)器205的計數(shù)值校正與參考信號梯度的差對應(yīng)的增益的差。順便提及，從具有相同顏色的相鄰的兩個像素選擇或合成一個像素的處理以及增益校正處理可以由配備有列并行AD轉(zhuǎn)換器的圖像傳感器110內(nèi)提供的信號處理單元106或配備有列并行AD轉(zhuǎn)換器的圖像傳感器110外提供的圖像處理單元108執(zhí)行?；谟脩舻哪Ｊ角袚Q操作、成像裝置的前一幀或前一行的照度檢測結(jié)果等控制參考信號的梯度。這里，第一像素包括例如圖4的像素列組402中的像素202，并且通過光電轉(zhuǎn)換從第一像素產(chǎn)生信號。此外，第二像素包括例如圖4的像素列組403中的像素202，第二像素被布置在與第一像素相同的行中，并且通過光電轉(zhuǎn)換從第二像素產(chǎn)生信號。第一像素和第二像素是在列方向上相鄰的并且被提供相同顏色的濾色器的兩個像素。順便提及，在三CCD的彩色傳感器、單色傳感器等中，第一像素和第二像素是在列方向上相鄰的兩個像素。如圖3A和3B所不,第一比較器204比較基于第一像素獲得的像素信號SIG與電平根據(jù)時間推移而變化的第一參考信號RAMP_A，然后輸出輸出信號0UT_A。第二比較器204 比較基于第二像素獲得的像素信號SIG與對于時間推移的變化率(梯度)與第一參考信號RAMP_A不同的第二參考信號RAMP_B，然后輸出輸出信號0UT_B。第一計數(shù)器205對計數(shù)值A(chǔ)進行計數(shù)，直到第一比較器204輸出指示基于第一像素獲得的像素信號SIG和第一參考信號RAMP_A的大小關(guān)系被反轉(zhuǎn)的輸出信號0UT_A。第二計數(shù)器205對計數(shù)值B進行計數(shù)，直到第二比較器204輸出指示基于第二像素獲得的像素信號SIG和第二參考信號RAMP_B的大小關(guān)系被反轉(zhuǎn)的輸出信號0UT_B。信號處理單元401或圖像處理單元108至少基于第一計數(shù)器205的計數(shù)值A(chǔ)和/或第二計數(shù)器205的計數(shù)值B來產(chǎn)生一個像素信號。此外，如圖4所示，信號處理單元401或圖像處理單元108校正與第一參考信號RAMP_A和第二參考信號RAMP_B之間對于時間推移的變化率的差對應(yīng)的、第一計數(shù)器205的計數(shù)值A(chǔ)和第二計數(shù)器205的計數(shù)值B之間的增益的差。如圖3A和3B所示，在第二參考信號RAMP_B中，例如對于第一參考信號RAMP_A，對于時間推移的變化率大。圖3A指示基于第一像素獲得的像素信號SIG和第一參考信號RAMP_A的大小關(guān)系(參見輸出信號0UT_A)沒有被反轉(zhuǎn)并且基于第二像素獲得的像素信號SIG和第二參考信號RAMP_B的大小關(guān)系(參見輸出信號0UT_B)被反轉(zhuǎn)的情況。在這種情況下，信號處理單元401或圖像處理單元108通過選擇第二計數(shù)器205的計數(shù)值B來產(chǎn)生一個像素信號。圖3B指示基于第一像素獲得的像素信號SIG和第一參考信號RAMP_A的大小關(guān)系(參見輸出信號0UT_A)被反轉(zhuǎn)并且基于第二像素獲得的像素信號SIG和第二參考信號RAMP_B的大小關(guān)系(參見輸出信號0UT_B)被反轉(zhuǎn)的情況。在這種情況下，信號處理單元401或圖像處理單元108通過選擇高分辨率的第一計數(shù)器205的計數(shù)值A(chǔ)來產(chǎn)生一個像素信號。順便提及，在圖3B的情況下，信號處理單元401或圖像處理單元108可以通過合成第一計數(shù)器205的計數(shù)值A(chǔ)和第二計數(shù)器205的計數(shù)值B來產(chǎn)生一個像素信號。在圖3A和3B所示的第一模式中，第一比較器204比較基于第一像素獲得的像素信號SIG與電平根據(jù)時間推移而變化的第一參考信號RAMP_A,然后輸出輸出信號0UT_A。此夕卜，第二比較器204比較基于第二像素獲得的像素信號SIG與其對于時間推移的變化率與第一參考信號RAMP_A不同的第二參考信號RAMP_B，然后輸出輸出信號OUT_B。另一方面，在圖5所示的第二模式中，第一比較器204比較基于第一像素獲得的像素信號SIG與其電平根據(jù)時間推移而變化的第一參考信號RAMP,然后輸出輸出信號OUT。此夕卜，第二比較器204比較基于第二像素獲得的像素信號SIG與其對于時間推移的變化率與第一參考信號RAMP相同的第二參考信號RAMP,然后輸出輸出信號OUT。(第二實施例)圖8是示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的成像裝置的構(gòu)造示例的框圖。雖然在第一實施例中多個斜坡產(chǎn)生電路208用于產(chǎn)生幾種參考信號,但是在本發(fā)明的第二實施例中分壓器212被用作另一種用于產(chǎn)生幾種參考信號的裝置。在本實施例(圖8)中，將分壓器212添加到如第一實施例所述的構(gòu)造(圖2)中。在本實施例中，以下將描述不同于第一實施例之處。
在本實施例中，由于為每一列提供分壓器212，因此可以由單個斜坡產(chǎn)生電路208產(chǎn)生多個不同的參考信號。斜坡產(chǎn)生電路208產(chǎn)生每一列共用的參考信號，并向每一列的分壓器212輸出產(chǎn)生的參考信號。然后，由斜坡產(chǎn)生電路208產(chǎn)生的共用參考信號被輸入到每一列的分壓器212。因而，斜坡產(chǎn)生電路208可以根據(jù)從分壓器控制單元213傳送的梯度控制信號產(chǎn)生具有不同的梯度的多個參考信號。這里，分壓器212可以通過例如電阻劃分方法來改變參考信號的梯度。比較器204比較由分壓器212產(chǎn)生的參考信號與列放大器203的輸出信號SIG。這里，應(yīng)當注意，信號處理單元401的像素選擇方法和增益校正方法與第一實施例的相同。如上所述，根據(jù)本實施例，即使沒有提供多個斜坡產(chǎn)生電路208，也可以具有與第一實施例等效的效果。(第三實施例)圖9是示出了根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的成像裝置的構(gòu)造示例的框圖。本實施例(圖9)不同于第一實施例(圖4)之處在于，提供像素列901和902。在本實施例中，以下將描述不同于第一實施例之處。在第一實施例中，使用其中四個像素R、Gr、Gb和B被布置為相鄰的濾色器。這里，存在一種變得有必要根據(jù)濾色器的布置從要在第一實施例中選擇的像素改變要由信號處理單元401選擇的像素的情況。作為這樣的示例，將使用布置了 R、R、Gr、Gr、Gb、Gb、B和B的濾色器的情況描述為本發(fā)明的第三實施例。以下將描述本實施例不同于第一實施例之處。多個像素202分為像素列組901和像素列組902，以及在像素202的每一個上提供濾色器。這里，像素列組901是與要經(jīng)歷通過使用參考信號RAMP_A的AD轉(zhuǎn)換的像素信號對應(yīng)的列的像素區(qū)域。另一方面，像素列組902是與要經(jīng)歷通過使用參考信號
AD轉(zhuǎn)換的像素信號對應(yīng)的列的像素區(qū)域。如圖9所示，在使用對于八個像素布置R、R、Gr、Gr、Gb、Gb、B和B的濾色器的情況下，在一個行中最相鄰的相同顏色的像素列之間使用具有不同的梯度的參考信號。在使用像這樣的濾色器的配備有列并行AD轉(zhuǎn)換器的圖像傳感器110中，例如，當使用兩種參考信號時，對于每個像素列，在AD轉(zhuǎn)換中交替地使用參考信號RAMP_A和RAMP_B。也就是說，分別具有不同的梯度的參考信號RAMP_A和RAMP_B分別用于像素列901和902。在第一實施例中，如圖4所示，當信號處理單元401對列并行AD轉(zhuǎn)換單元404的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果執(zhí)行選擇/合成處理時，必須使像素的選擇部分交叉。另一方面，在本實施例中，如圖9所示，由于相鄰像素具有相同的顏色，因此信號處理單元401僅僅必須在相鄰的像素之間執(zhí)行選擇/合成處理而不改變列并行AD轉(zhuǎn)換單元404的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果。順便提及，應(yīng)當注意，本實施例也可應(yīng)用于第二實施例。如上所述，由于信號處理單元401在相同顏色的像素信號之間選擇或合成AD轉(zhuǎn)換結(jié)果，因此即使在濾色器布置不同的情況下也可以擴展動態(tài)范圍。順便提及，上述實施例全部僅僅示出了在執(zhí)行本發(fā)明的情況下具體化的示例。也就是說，本發(fā)明的技術(shù)范圍不該以有限的方式被解釋。換句話說，本發(fā)明可以按照各種方式被執(zhí)行而不脫離它的技術(shù)構(gòu)思或它的主要特征。
雖然已經(jīng)參考示范性實施例描述了本發(fā)明，但是將理解，本發(fā)明不局限于公開的示范性實施例。以下權(quán)利要求書的范圍將被給予最寬的解釋以便涵蓋所有這樣的修改和等效結(jié)構(gòu)和功能。
權(quán)利要求
1.一種成像裝置，包括 第一像素，被配置為通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生信號； 第二像素，被布置在與布置第一像素的行相同的行中，被配置為通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生信號，其中在第一像素和第二像素上提供分別具有相同的顏色的濾色器； 第一比較器，被配置為比較基于第一像素的信號與第一參考信號，該第一參考信號的電平根據(jù)時間推移而變化； 第二比較器，被配置為比較基于第二像素的信號與第二參考信號，該第二參考信號對于時間推移的變化率與第一參考信號對于時間推移的變化率不同； 第一計數(shù)器，被配置為執(zhí)行計數(shù)，直到該第一比較器輸出指示基于第一像素的信號和第一參考信號的大小關(guān)系被反轉(zhuǎn)的信號為止； 第二計數(shù)器，被配置為執(zhí)行計數(shù)，直到該第二比較器輸出指示基于第二像素的信號和第二參考信號的大小關(guān)系被反轉(zhuǎn)的信號為止；和 處理單元，被配置為基于該第一計數(shù)器的計數(shù)值和/或該第二計數(shù)器的計數(shù)值產(chǎn)生一個像素信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的成像裝置，其中該第一像素和第二像素在列方向上是相鄰的。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的成像裝置，其中該處理單元校正與第一參考信號和第二參考信號對于時間推移的變化率之間的差對應(yīng)的第一計數(shù)器和第二計數(shù)器的計數(shù)值的增益之間的差。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的成像裝置，其中 該第二參考信號對于時間推移的變化率大于該第一參考信號對于時間推移的變化率，以及 在基于第一像素的信號和第一參考信號的大小關(guān)系不被反轉(zhuǎn)并且基于第二像素的信號和第二參考信號的大小關(guān)系被反轉(zhuǎn)的情況下，該處理單元通過選擇第二計數(shù)器的計數(shù)值來產(chǎn)生一個像素信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的成像裝置，其中 該第二參考信號對于時間推移的變化率大于該第一參考信號對于時間推移的變化率，以及 在基于第一像素的信號和第一參考信號的大小關(guān)系被反轉(zhuǎn)并且基于第二像素的信號和第二參考信號的大小關(guān)系被反轉(zhuǎn)的情況下，該處理單元通過選擇第一計數(shù)器的計數(shù)值來產(chǎn)生一個像素信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的成像裝置，其中，在基于第一像素的信號和第一參考信號的大小關(guān)系被反轉(zhuǎn)并且基于第二像素的信號和第二參考信號的大小關(guān)系被反轉(zhuǎn)的情況下，該處理單元通過合成第一計數(shù)器的計數(shù)值和第二計數(shù)器的計數(shù)值來產(chǎn)生一個像素信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的成像裝置，其中該第二比較器在第一模式中比較基于第二像素的信號與其對于時間推移的變化率與第一參考信號對于時間推移的變化率不同的第二參考信號，以及在第二模式中比較基于第二像素的信號與其對于時間推移的變化率與第一參考信號對于時間推移的變化率相同的第二參考信號。
全文摘要
一種成像裝置包括第一像素，通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生信號；第二像素，被布置在與第一像素相同的行中，通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生信號；第一比較器，比較基于第一像素的信號與具有根據(jù)時間推移而變化的電平的第一參考信號；第二比較器，比較基于第二像素的信號與其對于時間推移的變化率與第一參考信號對于時間推移的變化率不同的第二參考信號；第一計數(shù)器，執(zhí)行計數(shù)，直到該第一比較器輸出指示基于第一像素的信號和第一參考信號的大小關(guān)系的反轉(zhuǎn)的信號為止；以及第二計數(shù)器，執(zhí)行計數(shù)，直到該第二比較器輸出指示基于第二像素的信號和第二參考信號的大小關(guān)系的反轉(zhuǎn)的信號為止。
文檔編號H04N5/378GK102891967SQ20121024558
公開日2013年1月23日 申請日期2012年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月19日
發(fā)明者石橋浩二 申請人:佳能株式會社