光電轉換裝置和圖像捕獲系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 實施例的一個公開的方面涉及光電轉換裝置和圖像捕獲系統。特別地，實施例涉 及具有AD轉換器的光電轉換裝置和圖像捕獲系統。
【背景技術】
[0002] 已提出了具有AD轉換器的圖像捕獲裝置。
[0003] 日本專利公開No. 2009-177797公開了比較信號電平隨時間變化的基準信號與模 擬信號以獲得數字信號的基于斜坡的近似方法的AD轉換。還公開了改變基準信號隨時間 的變化速率可改變AD轉換中的增益。
[0004] 在日本專利公開No. 2010-045789中，公開了比較模擬信號與通過將滿量程模擬 信號的振幅除以2k獲得的閾值的圖像傳感器。在該現有技術中，如果模擬信號大于閾值，那 么模擬信號與具有相對大的變化速率的基準信號相比較，以獲得MSB側的n位數字數據。如 果模擬信號等于或小于閾值，那么模擬信號與具有相對小的變化速率的基準信號相比較， 以獲得LSB側的n位數字數據。
【發明內容】
[0005] 在實施例的一個方面中，一種能夠設定靈敏度水平的光電轉換裝置包括：包含多 個像素并被配置為輸出根據在多個像素中產生的信號的模擬信號的多個模擬信號輸出單 元；和被設置為與多個模擬信號輸出單元對應并被配置為通過比較斜坡信號與從模擬信號 輸出單元輸出的模擬信號執行模擬-數字（AD)轉換的多個AD轉換器，其中，在第一靈敏度 水平中，多個AD轉換器之中的每一個通過根據模擬信號的電平選擇性地使用具有相互不 同的斜率的第一斜坡信號和第二斜坡信號之中的任一個執行AD轉換，并且，在與第一靈敏 度水平不同的第二靈敏度水平中，AD轉換器之中的每一個僅使用第三斜坡信號作為用于執 行AD轉換的斜坡信號。
[0006] 在實施例的另一方面中，一種能夠設定靈敏度水平的光電轉換裝置包括：包含多 個像素并被配置為輸出根據在多個像素中產生的信號的模擬信號的多個模擬信號輸出單 元；和被設置為與多個模擬信號輸出單元對應并被配置為通過比較斜坡信號與從模擬信號 輸出單元輸出的模擬信號執行AD轉換的多個AD轉換器，其中，在第一靈敏度水平中，多個 AD轉換器之中的每一個通過根據模擬信號的大小選擇性地使用具有相互不同的斜率的第 一斜坡信號和第二斜坡信號之中的任一個執行AD轉換，并且，在與第一靈敏度水平不同的 第二靈敏度水平中，多個AD轉換器之中的每一個通過根據模擬信號的大小選擇性地使用 具有相互不同的斜率的第三斜坡信號和第四斜坡信號中的任一個執行AD轉換，并且，第四 斜坡信號具有與第一斜坡信號的斜率和第二斜坡信號的斜率不同的斜率。
[0007] 在實施例的又一方面中，一種能夠設定靈敏度水平的光電轉換裝置包括：包含多 個像素并被配置為輸出根據在多個像素中產生的信號的模擬信號的多個模擬信號輸出單 元；被設置為與多個模擬信號輸出單元對應的多個比較器；和斜坡信號供給單元，其中，在 第一靈敏度水平中，斜坡信號供給單元根據輸入比較器中的模擬信號的大小在比較器中選 擇性地輸入具有相互不同的斜率的第一斜坡信號和第二斜坡信號之中的任一個，并且，t匕 較器通過比較模擬信號和選擇性地輸入的第一斜坡信號和第二斜坡信號中的一個執行AD 轉換，并且，在第二靈敏度水平中，斜坡信號供給單元僅在比較器中輸入第三斜坡信號，并 且，比較器通過比較模擬信號與第三斜坡信號執行AD轉換。
[0008] 在實施例的又一方面中，能夠設定靈敏度水平的光電轉換裝置包括：包含多個像 素并被配置為輸出根據在多個像素中產生的信號的模擬信號的多個模擬信號輸出單元；被 設置為與多個模擬信號輸出單元對應的多個比較器；和斜坡信號供給單元，其中，在第一靈 敏度水平中，斜坡信號供給單元根據輸入比較器中的模擬信號的大小在比較器中選擇性地 輸入具有相互不同的斜率的第一斜坡信號和第二斜坡信號之中的任一個，并且，比較器通 過比較模擬信號和選擇性地輸入的第一斜坡信號和第二斜坡信號中的一個執行AD轉換， 并且，在與第一靈敏度水平不同的第二靈敏度水平中，斜坡信號供給單元根據輸入比較器 中的模擬信號的大小在比較器中選擇性地輸入具有相互不同的斜率的第三斜坡信號和第 四斜坡信號中的任一個，并且，比較器通過比較模擬信號和選擇性地輸入的第三斜坡信號 和第四斜坡信號中的一個執行AD轉換，并且，第四斜坡信號與第一斜坡信號和第二斜坡信 號不同。
[0009] 從參照附圖對示例性實施例的以下描述，本發明的其它特征將變得清晰。
【附圖說明】
[0010] 圖1是示出通過AD轉換器比較的模擬信號與基準信號之間的關系的示圖。
[0011] 圖2是示出光電轉換裝置的示例性構成的示圖。
[0012] 圖3是示出像素的示例性構成的示圖。
[0013] 圖4是用于解釋動作的定時圖。
[0014] 圖5是示出模擬信號的信號振幅與數字數據之間的關系的示圖。
[0015] 圖6是示出數字信號處理器（DSP)的示例性構成的詳細示圖。
[0016] 圖7A~7C是示出斜坡信號的時間變化的示圖。
[0017] 圖8是示出基準信號隨時間的變化的示圖。
[0018] 圖9A和圖9B是示出根據本實施例的基準信號隨時間的變化的示圖。
[0019] 圖10是示出基準信號隨時間的變化的示圖。
[0020] 圖11是示出光電轉換裝置的示例性構成的示圖。
[0021] 圖12是示出列信號處理單元的示例性構成的詳細示圖。
[0022] 圖13A~13B是用于解釋圖像捕獲系統的動作序列的示圖。
[0023] 圖14是用于解釋動作的示圖。
[0024] 圖15是用于解釋動作的示圖。
[0025] 圖16是示出光電轉換裝置的示例性構成的示圖。
[0026] 圖17是示出放大器電路的示例性構成的示圖。
[0027] 圖18A和圖18B是示出成像靈敏度、放大器電路的放大因子和斜坡信號之間的關 系的不圖。
[0028] 圖19是示出圖像捕獲系統的示例性構成的示圖。
【具體實施方式】
[0029] 典型的圖像捕獲裝置具有可根據成像條件切換的多個靈敏度水平。本發明的發明 人發現，如果通過使用在以上的日本專利公開No. 2009-177797和No. 2010-045789中描述 的技術切換靈敏度水平，那么存在能夠被AD轉換的信號的動態范圍可變窄的可能性。
[0030] 本公開減少切換靈敏度水平時的動態范圍的變窄。
[0031] 為了有利于理解實施例，描述以上的日本專利公開No. 2009-177797和 No. 2010-045789的光電轉換裝置中在切換靈敏度水平時可導致的問題。
[0032] 為了改變光電轉換裝置中的靈敏度水平，可以改變關于信號的放大因子。在基于 斜坡的近似方法的AD轉換中，基準信號可在執行AD轉換的AD轉換時段中采取的信號電平 的范圍變為AD轉換器的動態范圍。如在日本專利公開No. 2009-177797中描述的那樣，當 通過改變基準信號的變化速率即關于時間的斜率改變關于信號的放大因子時，當使得放大 因子變大即使得基準信號的變化速率變小時，AD轉換器的動態范圍變窄。換句話說，當靈 敏度水平被設定為越高時，AD轉換器的動態范圍變得越窄。
[0033] 并且，在日本專利公開No. 2010-045789描述的構成中，如果基準信號的斜率改變 以改變光電轉換裝置的靈敏度水平，那么，與日本專利公開No. 2009-177797同樣，當靈敏 度水平被設定為越高時，AD轉換器的動態范圍變得越窄。
[0034] 鑒于以上的問題，在以下描述的實施例中，關于多個靈敏度水平之中的至少一個 靈敏度水平，根據AD轉換的模擬信號的大小從具有不同的斜率的多個基準信號選擇基準 信號。關于其它的靈敏度水平，與模擬信號的大小無關地通過使用一個基準信號執行ADR 換，或者，根據模擬信號的大小選擇與在上述的一個靈敏度水平中使用的多個基準信號不 同的組合的多個基準信號。
[0035] 以下，描述本公開的各種實施例。
[0036] 第一實施例
[0037] 圖1是示出通過AD轉換器比較的模擬信號與基準信號之間的關系的示圖。在橫 軸上表示時間，在縱軸上表示信號電平。畫出作為基準信號的斜坡信號H和斜坡信號L。斜 坡信號H的最大值是VH。具有0~VH的信號電平的模擬信號可通過使用斜坡信號H被AD 轉換。斜坡信號L的信號電平的最大值是低于VH的VL。因此，當模擬信號的信號電平比 VL高時，該信號不能被AD轉換。這意味著，當使用斜坡信號L時，與使用斜坡信號H的情況 相比，AD轉換器的動態范圍變窄。如果模擬信號比VL小，那么使用斜坡信號L，并且，如果 模擬信號比VL大，那么使用斜坡信號H。因此，可在對相對低亮度的信號保持高分辨率的同 時擴展AD轉換器的動態范圍。
[0038] 圖2是示出根據本實施例的光電轉換裝置的示例性構成的示圖。光電轉換裝置1 可選擇性地設定多個靈敏度水平，并且具有像素陣列10、行選擇單元15、列信號處理單元 20、基準信號產生單元30、計數器40、列選擇單元50、數字信號處理器（DSP)60和輸出單元 70 〇
[0039] 像素陣列10包含矩陣狀布置的多個像素11。在圖2中，在兩個行和兩個列中布置 像素11。在本實施例中，像素陣列10用作模擬信號輸出單元。
[0040] 列信號處理單元20被設置為與像素陣列10的列對應，并且具有比較單元22和存 儲器單元24。比較單元22具有比較器221和選擇電路222。從像素陣列10輸出的信號在 比較器221的輸入端子的相應的一個中被輸入。從基準信號產生單元30輸出的信號通過 選擇電路222在比較器221的輸入端子中的另一個中被輸入。基準信號產生單兀30輸出 用作閾值的信號和信號電平隨時間改變的基準信號。選擇電路222具有用作斜坡信號供給 單元的功能，選擇從基準信號產生單元30輸出的任意信號，并且向比較器221的輸入端子 中的另一個供給選擇的信號。
[0041] 計數器40通過計數例如從未示出的定時控制單元供給的時鐘信號輸出計數信 號。
[0042] 存儲器單元24具有標記存儲器241、S存儲器242和N存儲器243。標記存儲器 241存儲后面描述的標記信號。S存儲器242和N存儲器243根據比較器221的輸出即根 據模擬信號與基準信號之間的大小關系的變化存儲從計數器40供給的計數信號。
[0043] 列選擇單元50選擇存儲器單元24。存儲于選擇的存儲器單元24中的信號然后被 傳送到DSP60。
[0044]DSP60根據標記信號校正信號。DSP60可執行存儲于S存儲器242中的信號與 存儲于N存儲器243中的信號之間的差值處理。
[0045] 輸出單元70輸出從DSP60輸出的信號。輸出單元70可具有緩沖功能。
[0046] 定時產生單元80供給關于光電轉換裝置1的動作的信號。