圖像傳感器和攝像系統的製作方法
2023-10-06 22:55:34 1
圖像傳感器和攝像系統的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種圖像傳感器和攝像系統。在圖像傳感器中，在行方向和列方向上排列多個像素，並且在所述多個像素的每一列上設置A/D轉換器。所述A/D轉換器從作為與來自像素的輸出信號相對應的電壓的初始值開始進行充電和放電中的一個，輸出與所述電壓變得高於或低於預定參考電壓所花費的時間相對應的值作為所述輸出信號的數字值，並且根據所述輸出信號的可能值來改變每單位時間的充電量和放電量中的一個。
【專利說明】圖像傳感器和攝像系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種圖像傳感器和攝像系統。
【背景技術】
[0002]近年來，通過將CMOS邏輯製造工藝與圖像傳感器製造工藝結合，而開發了包括複雜模擬電路、數字電路和信號處理電路的圖像傳感器。例如，已知在行和列方向上二維地排列多個像素並且包含模擬/數字轉換器(A/D轉換器)的圖像傳感器。
[0003]作為包括A/D轉換器的圖像傳感器，已知將A/D轉換器設置在每個像素列上的配置(列並列型A/D轉換)。使用這種配置，能夠將A/D轉換器的轉換速率降低到一行的讀出速率，由此與將A/D轉換器設置在圖像傳感器外部的情況相比，降低了 A/D轉換器的工作速度。這可以減少電力消耗，並且還容易地提高了從圖像傳感器的讀出速率。
[0004]作為這種包括列並列型A/D轉換器的圖像傳感器，已知如下的圖像傳感器:通過在對像素的輸出電壓放電或者充電時，對直到達到參考電壓的時間進行計數，來將像素值轉換為數字值(日本特開2005-348325)。
[0005]參考圖13和14描述這種傳統技術。圖13是示出包括列並列型A/D轉換器的圖像傳感器的電路配置的示例的電路圖。圖14是示出圖13所示的積分器1018的輸出水平的時間變化的時序圖。
[0006]參考圖13，像素1001包括光電轉換元件。從像素1001輸出的信號經由相關雙採樣(CDS)電路1002、採樣/保持(S/Η)電路1003、列放大器1004和開關1016連接到積分器1018的輸出端子1008。從端子1006經由開關1005、電阻1019和開關1017向積分器1018的輸入端子(_)施加固定電壓V_DE。從端子1007向積分器1018的另一輸入端子(+)施加參考電SV_REF。假設固定電壓V_DE比參考電壓V_REF低。
[0007]積分器1018具有基於電阻1019和電容器1020的時間常數。比較器1009將輸出端子1008的電壓與參考電壓V_REF進行比較。比較器1009的觸發輸出1010經由序列電路1011控制存儲器單元1012的數據加載定時。共用計數器1013的計數輸出連接到存儲器單元1012的輸入端子。
[0008]參考圖14所示的時序圖描述圖13所示的圖像傳感器的操作。接通開關1016，並且在時間to，來自列放大器1004的信號電壓Vsigl保持在積分器1018的輸出端子1008中。然後，開關1016關斷，而接通開關1005和1017。在接通開關1017時，共用計數器1013開始進行計數。
[0009]經由開關1005和1017對電阻1019施加低於參考電壓V_REF的固定電壓V_DE。其結果是，積分器1018開始以根據基於電阻1019和電容器1020的時間常數而確定的負斜率，向著作為放電結束電壓的固定電壓V_DE放電。在時間tl積分器1018的輸出端子1008的電壓變得低於參考電壓V_REF，並且比較器1009生成觸發輸出1010。這時，該觸發輸出選擇存儲器單元1012，並且將共用計數器1013的值加載到存儲器單元1012中。此外，觸發輸出1010使序列電路1011工作，並且開關1017關斷，由此終止放電。存儲器單元1012的輸出信號連接到共用水平輸出線1014。在選擇一個存儲器單元1012之後，選擇的存儲器單元1012的輸出信號經由放大器1015數字地輸出到外部。提出了使得能夠通過根據像素信號的強度，改變對列並列型A/D轉換器施加的基準電壓，來切換動態範圍的技術(日本特開2001-346106)。
[0010]然而，在上述傳統技術中，隨著初始信號電壓越高，達到參考電壓花費越長的時間，由此延長了 A/D轉換所需的時間。參考圖14來對此進行描述。如果信號電壓是Vsigl，則如粗點線所示，A/D轉換所需的時間是時間tl-tO。然而，如果信號電壓是比Vsigl高的VsigOJU A/D轉換所需的時間是長t2-tl的t2-t0。
[0011]如果例如存在通過將像素信號相加來進行讀出操作的模式，作為圖像傳感器的讀出模式，則該模式下的信號電壓高於在不將像素信號相加的情況下進行讀出操作的模式下的信號電壓。因此，在通過將像素信號相加來進行讀出操作的模式下，A/D轉換所需的時間比在不將像素信號相加的正常讀出模式下長。
【發明內容】
[0012]考慮傳統技術的前述問題作出了本發明，本發明提供一種包括列並列型A/D轉換器的圖像傳感器，其中，即使如在將像素信號相加的情況下那樣，信號電壓變得更高，該圖像傳感器也抑制A/D轉換所需的時間增加。
[0013]本發明的第一方面提供一種圖像傳感器，在所述圖像傳感器中在行方向和列方向上排列有多個像素，並且在所述多個像素的每一列上設置有A/D轉換器，其中，所述A/D轉換器從作為與來自像素的輸出信號相對應的電壓的初始值開始進行充電和放電中的一個，輸出與所述電壓變得高於或低於預定參考電壓所花費的時間相對應的值作為所述輸出信號的數字值，並且根據所述輸出信號的可能值來改變每單位時間的充電量和放電量中的一個。
[0014]本發明的第二方面提供一種攝像系統，包括:上述的圖像傳感器；以及控制單元，用於對所述圖像傳感器的驅動進行控制，其中，所述控制單元對所述圖像傳感器的驅動進行控制，使得隨著所述輸出信號的可能最大值增大，A/D轉換器中的每單位時間的充電量和放電量中的一個增大。
[0015]從以下對示例性實施例的描述(參考附圖)，本發明的其它特徵將變得明顯。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是示出根據本發明的第一實施例的圖像傳感器的配置的電路圖；
[0017]圖2是示出根據本發明的第一實施例的圖像傳感器的操作的示例的時序圖；
[0018]圖3是示出根據本發明的像素的配置的電路圖；
[0019]圖4是示出根據本發明的實施例的攝像設備的系統配置的框圖；
[0020]圖5是示出根據本發明的第二實施例的圖像傳感器的配置的電路圖；
[0021]圖6是示出根據本發明的第二實施例的圖像傳感器的操作的示例的時序圖；
[0022]圖7是示出在根據本發明的第二實施例的每個感光度設置中使用的信號振幅範圍的時序圖；
[0023]圖8是示出在根據本發明的第二實施例的每個感光度設置中使用的信號振幅範圍的時序圖；
[0024]圖9是示出在根據本發明的第二實施例的每個感光度設置中使用的固定信號值和電阻值的表；
[0025]圖10是示出在根據本發明的第二實施例的每個感光度設置中使用的固定信號值和電阻值的表；
[0026]圖11是示出根據本發明的第三實施例的圖像傳感器的配置的電路圖；
[0027]圖12是示出根據本發明的第三實施例的圖像傳感器的操作的示例的時序圖；
[0028]圖13是示出根據傳統示例的圖像傳感器的配置的電路圖；以及
[0029]圖14是示出根據傳統示例的圖像傳感器的操作的示例的時序圖。
【具體實施方式】
[0030]第一實施例
[0031]下面，參考附圖，詳細描述本發明的第一實施例。注意，在本實施例和後續實施例中，除非另外需要，否則將開關和工作放大器模型化。此外，除非另外需要，否則省略外圍操作所需的開關。當然，本發明不限於下面描述的實施例。
[0032]圖4示出了使用圖像傳感器的攝像系統的概要。該攝像系統包括具有透鏡單元401、透鏡驅動單元402、快門403、快門/光圈驅動單元404和光圈405等的光學系統以及圖像傳感器406。圖像傳感器406包含用於進行相關雙採樣、增益調整和A/D轉換的電路。此外，該攝像系統包括攝像信號處理電路407、定時生成單元408、存儲器單元1409、總體控制單元410、記錄介質控制I/F單元411、顯示單元412、記錄介質413、外部I/F單元414、存儲器單元II415和操作單元416。
[0033]在通過透鏡單元401之後，光圈405將被攝體圖像調整為適當的光量，並且在圖像傳感器406上形成被攝體圖像。光作為被攝體圖像進入圖像傳感器406，並且在圖像傳感器406中對其進行光電轉換，將其轉換為電信號。在包含在圖像傳感器406中的CDS電路和A/D轉換電路中，對電信號進行相關雙採樣、增益調整、從模擬信號到數位訊號的轉換，並且作為數位訊號輸出到攝像信號處理電路407。攝像信號處理電路407執行諸如用於降低噪聲的低通濾波處理、陰影校正、白平衡(WB)處理的各種圖像信號處理，並且還執行各種校正操作、圖像數據壓縮等。
[0034]透鏡驅動單元402對諸如變焦和聚焦的對透鏡單元401的驅動進行控制。快門/光圈驅動單元404對快門403和光圈405的驅動進行控制。定時生成單元408基於來自總體控制單元410的控制信號，向圖像傳感器406和攝像信號處理電路407輸出用於圖像傳感器406的驅動定時控制和增益設置的控制信號。總體控制單元410對整個攝像設備進行控制，並且進行各種計算操作。存儲器單元1409臨時存儲圖像數據。記錄介質控制I/F單元411將圖像數據記錄在記錄介質413中，或者從記錄介質413中讀出圖像數據。顯示單元412顯示圖像數據。記錄介質413是用於記錄或者讀出圖像數據的諸如半導體存儲器的可拆卸存儲介質。外部I/F單元414用作用於與外部計算機等進行通信的接口。存儲器單元II415存儲總體控制單元410的計算結果。將關於用戶使用操作單元416設置的攝像設備驅動條件的信息發送到總體控制單元410，然後總體控制單元410基於該信息對整個攝像設備進行控制。[0035]圖3示出了圖像傳感器406的像素的結構。光電二極體(PD) 301將入射光轉換為信號電荷。傳送開關302將由TO301生成的信號電荷傳送到浮置擴散(FD)304，並且臨時累積在FD304中。FD304、放大器305和恆定電流源307構成浮置擴散放大器。將由對選擇開關306的柵極所施加的選擇脈衝選擇的累積在FD304中的信號電荷轉換為電壓，並且經由信號輸出線、讀出電路和放大器輸出到CDS電路101。在行和列方向上排列的多個像素構成圖像傳感器。
[0036]根據本實施例的圖像傳感器具有使得多個PD301能夠共享FD304的配置。在將像素信號相加的讀出 模式(像素相加讀出模式)下，通過由傳送開關302將來自多個TO301的電荷同時讀出到FD304中，能夠在FD304中將來自多個TO301的電荷相加。
[0037]參考圖1，描述圖像傳感器的⑶S電路的後級的配置。來自每個像素的信號經由均設置在每一列上的CDS(相關雙採樣)電路101、採樣/保持(S/Η)電路102、列放大器103和開關117連接到積分器119的輸出端子109。通過切換開關122，從端子106或107經由具有不同電阻值的電阻RO或Rl，向開關118施加固定電壓V_DE0或V_DEI。經由開關118和電阻120向積分器119的輸入端子㈠輸入固定電壓V_DE0*V_DE1。從端子108向積分器119的另一輸入端子⑴施加參考電壓V_REF。固定電壓V_DE0和V_DE1具有低於積分器的參考電壓V_REF的電位，並且具有關係V_DE0 ( V_DE1。電阻RO和Rl具有關係RO≤Rl。注意，將V_DE0、V_DE1、RO和Rl設置為不滿足條件V_DE0=V_DE1且RO=Rl。
[0038]積分器119具有基於電阻RO或R1、電阻120和電容器121的時間常數。比較器110將積分器119的輸出端子109的電壓與參考電壓V_REF進行比較。來自比較器110的觸發輸出111經由序列電路112控制存儲器單元113的數據加載定時。共用計數器114的計數輸出連接到存儲器單元113的輸入。在生成觸發輸出111後，選擇存儲器單元113，並且將共用計數器114的計數值加載到所選擇的存儲器單元113中。
[0039]存儲器單元113的輸出信號連接到共用水平輸出線115。在選擇了一個存儲器單元之後，將所選擇的存儲器單元113的輸出經由放大器116數字地輸出到外部。
[0040]存在用於將來自存儲器單元113的信號選擇性地輸出到共用水平輸出線115的各種實現方法。例如，在圖像傳感器側設置用於選擇存儲器單元的端子，並且從外部向要選擇的存儲器單元的端子發送ON (接通)信號。可選地，為了減少用於選擇存儲器單元的端子的數量，向圖像傳感器串行發送編碼的選擇信號，並且圖像傳感器對該信號進行解碼，以選擇存儲器單元。此外，從外部發送定時信號，並且將ON信號移位一列，由此選擇存儲器單元。
[0041]參考圖2描述根據圖1所示的實施例的操作。參考圖2，縱坐標表示積分器119的輸出水平，並且橫坐標表示時間。粗點線表示在不進行像素相加的情況下進行讀出操作的模式下(正常讀出模式)下的操作的示例。實線表示通過將兩個像素的像素信號相加來進行讀出操作的像素相加讀出模式下的操作的示例。為了在像素相加讀出模式下將像素信號相加，FD304可以將由三個或更多個像素的TO301生成的電荷相加。基於根據從總體控制單元410向定時生成單元408發送的控制信號的、從定時生成單元408向圖像傳感器406發送的驅動定時控制信號，進行圖像傳感器406中的一系列A/D轉換操作。
[0042]首先說明在正常讀出模式下驅動圖像傳感器406的情況。接通開關117，並且在時間t0保持像素的信號電壓Vsigl作為積分器119的輸出端子109中的初始值。然後，關斷開關117，開關122選擇端子105，並且開關118接通。在接通開關118時，共用計數器114開始計數，並且積分器119開始以負斜率向著固定電壓V_DE1放電。在時間tl，積分器119的輸出變得低於比較器110的參考電壓。這時，將共用計數器114的計數值加載到存儲器單元113中。在加載計數值之後，序列電路112的輸出使開關118關斷，由此終止放電。以這種方式，分別將以列並列方式進行了 A/D轉換的值存儲在相應的存儲器單元113中。之後，依次選擇存儲器單元113，從每個存儲器單元113中讀出像素中的數位訊號。雖然描述了通過放電進行的操作，但是可以以正斜率對負像素信號充電，直到超過參考電壓為止。
[0043]通過以兩個像素相加為例，來描述在像素相加讀出模式下驅動圖像傳感器406的情況。在像素相加讀出模式下，通過一次接通圖3所示的兩個像素的傳送開關302，將兩個PD301中的電荷累積在FD304中，並且經由放大器305輸出與累積的電荷相對應的電壓信號。經由⑶S電路101、採樣/保持電路102和列放大器103對開關117施加用於兩個像素的輸出信號電壓。如果這時開關117接通，則將時間t0的積分器119的輸出端子109的電壓，作為初始值保持在用於兩個像素的信號電壓VsigO。然後，開關117關斷，開關122選擇端子104，並且開關118接通。在接通開關118後，共用計數器114開始計數，並且積分器119開始以負斜率向著固定電壓V_DE0放電。在時間tl，積分器119的輸出變得低於比較器110的參考電壓。這時，將共用計數器114的計數值加載到存儲器單元113中，由此終止A/D轉換。在A/D轉換結束時，序列電路112的輸出使開關118關斷，由此終止放電。共用計數器114進行計數，直到針對一行的A/D轉換完成為止，或者直到達到完全計數為止。
[0044]如果積分器的時間常數和作為由開關122選擇的放電結束電壓的固定電壓，在進行像素相加的模式和不進行像素相加的模式之間相同，則放電斜率也相同。因此，當進行像素相加時，放電在時間t2結束。然而，在該示例中，將基於電阻RO和120及電容器121的積分時間常數以及固定電壓V_DE0，設置為分別與基於電阻Rl和120及電容器121的時間常數以及固定電壓V_DE1不同。將像素相加讀出模式下的放電斜率設置為比在不進行像素相加的模式下的放電斜率陡。即使在像素相加讀出模式下，與不進行像素相加的正常讀出模式類似，A/D轉換結束時間也可以為tl，A/D轉換所需的時間可以縮短t2-tl。計數值的權重在正常讀出模式和像素相加讀出模式之間不同。攝像信號處理電路按照需要，根據模式之間的切換，對從圖像傳感器輸出的數字值進行校正。
[0045]如上所述，切換在積分電路中設置的時間常數電路的電阻值和固定電壓值，使得隨著在讀出操作中要相加的像素的數量增加，每單位時間充電或者放電的量變得越大。通過根據像素的輸出信號的電壓值的可能範圍，改變每單位時間充電或者放電的量，能夠縮短像素相加讀出模式中的A/D轉換所需的時間。注意，在本實施例中，設置固定電壓V_DE0和V_DE1以及電阻RO和R1，使得在進行像素相加的模式和在不進行像素相加的模式之間，A/D轉換所需的時間變得相同。當然，不總是需要進行設置，使得在相同的時間內完成A/D轉換。僅需要適當地設置固定電壓V_DE0和V_DE1以及電阻RO和R1，以在A/D轉換精度的容許範圍內提高A/D轉換的速度。
[0046]第二實施例
[0047]描述在感光度可以改變的情況下進行A/D轉換的情況。作為改變感光度的方法，輸出在圖像傳感器中進行了 A/D轉換的數位訊號，然後根據由隨後的階段的攝像信號處理電路407設置的感光度，對信號進行數字放大。在這種情況下，隨著感光度提高，數字增益的增大程度變得越大。考慮到數字處理可以處理的數字值的最大值，當感光度提高時，需要減小從列放大器103輸出並且輸入到A/D轉換器的信號的振幅。為此，根據感光度設置來改變要輸入到積分器的信號的振幅。用戶通過操作單元416來設置感光度，並且總體控制單元410經由定時生成單元408向攝像信號處理電路407發送與所設置的感光度相對應的設置信號，以對其進行設置。
[0048]圖7示出了從圖像傳感器的PD301獲得的信號的振幅範圍和感光度設置之間的關係。縱坐標表不圖像傳感器中的信號輸出值，橫坐標表不累積時間。設Ymax是Η)301的飽和輸出。在感光度設置I中，攝像信號處理電路407中的放大程度是α，並且信號的最大振幅值是Υ1。在這種情況下，在感光度設置2中，攝像信號處理電路407中的放大程度是2Χ α，並且信號的最大振幅值是作為值Yl的一半的Υ2。類似地，在感光度設置3中，攝像信號處理電路407中的放大程度是4Χ α，並且信號的最大振幅值是作為值Υ2的一半的Υ3。在感光度設置4中，攝像信號處理電路407中的放大程度是8 X α，並且信號的最大振幅值是作為值Υ3的一半的Υ4。隨著感光度設置的數量增加，信號的振幅範圍增加。因此，如果使用具有相同斜率的積分電路分別進行A/D轉換操作，則A/D轉換所需的時間產生很大的變化。在本實施例中，參考圖5至10，描述不管使用的感光度設置如何，進行A/D轉換所需的時間都不產生變化的A/D轉換的方法。注意，圖像傳感器的配置、攝像設備的系統配置等與第一實施例中的圖1至4所示的相同，並且省略其描述。
[0049]參考圖5，來自每個像素的信號經由⑶S(相關雙採樣)電路501、採樣/保持(S/H)電路502、列放大器503和開關521，連接到積分器523的輸出端子513。通過切換開關526，從端子508、509、510或511經由具有不同電阻值的電阻R2、R3、R4或R5向開關522，施加固定電壓V_DE2、V_DE3、V_DE4或V_DE5。當開關522接通時，經由電阻R2至R5之一和電阻524，對積分器523的輸入端子(-)施加固定電壓V_DE2至V_DE5中的一個。從端子512向積分器523的另一輸入端子(+)施加參考電壓V_REF。
[0050]固定電壓V_DE2、V_DE3、V_DE4和V_DE5具有低於積分器的參考電壓V_REF的電位的電位，並且具有V_DE2 ( V_DE3 ( V_DE4 ( V_DE5的關係。電阻R2、R3、R4和R5具有R5 ≤ R4 ≤ R3 ≤ R2 的關係。注意，V_DE2、V_DE3、V_DE4、V_DE5、R2、R3、R4 和 R5 被設置為不滿足條件 V_DE2=V_DE3=V_DE4=V_DE5 且 R2=R3=R4=R5。
[0051]積分器523具有基於電容器525的電容值以及固定電阻524與電阻R2至R5中的選擇的一個的總和的時間常數。比較器514將積分器523的輸出端子513的電壓與參考電&V_REF進行比較。來自比較器514的觸發輸出515經由序列電路516控制存儲器單元517的數據加載定時。共用計數器518的計數輸出連接到存儲器單元517的輸入端子。存儲器單元517的輸出信號連接到共用水平輸出線519。在選擇了一個存儲器單元之後，將所選擇的存儲器單元517的輸出經由放大器520數字地輸出到外部。與在第一實施例中所描述的相同，可以使用各種方法，作為從存儲器單元517向共用水平輸出線519選擇性地輸出信號的方法。
[0052]結合圖6來描述圖5所不的電路的操作。在圖6中，縱坐標表不積分器的輸出水平，橫坐標表示時間。注意，基於根據從總體控制單元410向定時生成單元408發送的控制信號的、從定時生成單元408向圖像傳感器406發送的驅動定時控制信號，進行圖像傳感器406中的一系列A/D轉換操作。
[0053]如果將感光度設置為感光度設置1，則開關521接通，並且在時間t0，積分器523的輸出端子513保持在來自像素的信號電壓Vsig2。然後，開關521關斷，開關526選擇固定電壓V_DE2，並且開關522接通。在接通開關522後，共用計數器518開始計數。積分器523開始以由基於電阻R2和電阻524以及電容器525的時間常數確定的負斜率，向著固定電壓V_DE2放電。在時間tl，積分器523的輸出變得低於比較器514的參考電壓V_REF。這時，將共用計數器518的計數值加載到存儲器單元517中，由此終止A/D轉換。在A/D轉換結束時，序列電路516的輸出使開關522關斷，由此終止放電。
[0054]如果將感光度設置為感光度設置2，則開關521接通，並且在時間t0，積分器523的輸出端子513保持在來自像素的信號電壓Vsig3。然後，開關521關斷，開關526選擇固定電壓V_DE3。當開關522接通時，對積分器523施加固定電壓V_DE3，並且共用計數器518開始計數。然後，積分器523開始以負斜率向著固定電壓V_DE3放電。在時間tl，積分器523的輸出變得低於比較器514的參考電壓V_REF。這時，將共用計數器518的計數值加載到存儲器單元517中，由此終止A/D轉換。在A/D轉換結束時，序列電路516的輸出使開關522關斷，由此終止放電。
[0055]類似地，如果將感光度設置為感光度設置3，則開關526選擇固定電壓V_DE4。如果將感光度設置為感光度設置4，則開關526選擇固定電壓V_DE5，以進行A/D轉換。圖9示出了通過對開關526的操作而設置的針對感光度的電阻R2至R5和固定電壓之間的關係。通過根據所設置的感光度，來改變基於電阻R2至R5中的一個、電阻524和電容器525的時間常數以及固定電壓V_DE2至V_DE5中的相應的一個，能夠根據感光度提高A/D轉換的速度。
[0056]如果在感光度設置1、2或3中，使用與在感光度設置4中相同的時間常數來進行A/D轉換，則A/D轉換在時間t4、t3或t2結束。在本實施例中，即使在攝像系統中設置的感光度低，與所設置的感光度高的情況類似，A/D轉換所需的時間也可以是tl-tO。這意味著能夠將A/D轉換所需的時間縮短t2-tl、t3-tl或t4-tl。
[0057]在本實施例中，設置固定電壓V_DE2、V_DE3、V_DE4和V_DE5以及電阻R2、R3、R4和R5，使得A/D轉換所需的時間在不同的感光度設置之間變得相同。當然，不總是需要進行設置，使得在相同的時間內完成A/D轉換。僅需要適當地設置固定電壓和電阻，以在A/D轉換精度的容許範圍內提高A/D轉換的速度。
[0058]在本實施例中，在對來自圖像傳感器的輸出信號進行A/D轉換之後，後級的攝像信號處理電路407改變用於對經過A/D轉換的輸出信號進行數字放大的放大因數，由此實現所設置的感光度。A/D轉換的前級的放大器、例如列放大器503可以對增益進行控制，由此實現所設置的感光度。為了由列放大器503設置增益，總體控制單元410獲得用戶通過操作單元416設置的感光度，並且經由定時生成單元408向圖像傳感器406中的列放大器503輸出設置值，以對其進行設置。
[0059]圖8示出了 A/D轉換的前級對增益進行控制時的傳感器輸出和在每個感光度設置中使用的信號振幅範圍的示例。縱坐標表示在圖像傳感器中進行A/D轉換之前的信號輸出值，橫坐標表示累積時間。在感光度設置I中，β表示列放大器503中的放大程度，並且Yl表示信號的最大振幅值。在這種情況下，在感光度設置2中，列放大器503中的放大程度是2Χ β，並且信號的最大振幅值是作為值Yl的兩倍的Υ2。類似地，在感光度設置3中，列放大器503中的放大程度是4Χ β，並且信號的最大振幅值是作為值Υ2的兩倍的Υ3。在感光度設置4中，列放大器503中的放大程度是8X β，並且信號的最大振幅值是作為值Y3的兩倍的Υ4。
[0060]在這種情況下，與攝像信號處理電路407對來自圖像傳感器的數位訊號進行數字放大以設置感光度的實施例類似，按照感光度設置4、感光度設置3、感光度設置2和感光度設置I的順序，設置的感光度變得更高。相對於前述實施例，按照感光度設置4、感光度設置
3、感光度設置2和感光度設置I的順序，要進行A/D轉換的信號的振幅範圍變得更寬。在這種情況下，通過針對感光度設置4選擇V_DE2，針對感光度設置3選擇V_DE3，針對感光度設置2選擇V_DE4，並且針對感光度設置I選擇V_DE5，來進行A/D轉換。圖10示出了針對所設置的感光度的電阻R2至R5和固定電壓之間的關係。
[0061]如上所述，在本實施例中，即使在包括列並列型A/D轉換器的攝像系統中進行不同的感光度設置，通過根據在攝像系統中設置的感光度而切換固定電壓和電阻，也能夠減小A/D轉換所需的時間的改變。
[0062]第三實施例
[0063]在包括列並列型A/D轉換器的攝像系統中，通常在針對一個信號的A/D轉換所需的轉換時間和A/D轉換精度之間存在折衷。也就是說，隨著A/D轉換時間越短，A/D轉換精度趨於降低。
[0064]在第一和第二實施例中，即使處理A/D轉換的信號振幅範圍寬，與信號振幅範圍窄的情況類似，也能夠以高速進行A/D轉換。然而，如果信號振幅範圍寬(輸出信號的最大電壓大或者感光度高)，則每單位時間的數字值(解析度)大於正常狀態下的每單位時間的數字值，由此A/D轉換精度降低。為了解決該問題，在第三實施例中，說明如下的方法:即使信號振幅範圍寬，也以高速進行A/D轉換，並且獲得與信號振幅範圍窄時相同的A/D轉換精度。在第三實施例中，與在第一實施例中相同，以在不進行像素相加的模式下驅動圖像傳感器的情況和在進行二像素相加的模式下驅動圖像傳感器的情況為例。注意，圖像傳感器的配置、攝像設備的系統配置等與第一實施例中的圖3和4所示的相同，並且省略其描述。
[0065]參考圖11，描述根據第三實施例的圖像傳感器的⑶S電路的後級的配置。參考圖11，來自每個像素的輸出經由⑶S(相關雙採樣)電路701、採樣/保持(S/Η)電路702、列放大器703和開關724，連接到積分器721的輸出端子711。
[0066]通過切換開關723，從端子704、705或706經由具有不同電阻值的電阻R6、R7或R8向開關720，施加固定電壓V_DE6、V_DE7*V_DE8。當開關720接通時，經由電阻R6至R8中的一個和電阻722，對積分器721的輸入端子(-)施加固定電壓V_DE6、V_DE7和V_DE8中的一個。從端子710向積分器721的另一輸入端子(+)施加參考電壓V_REF。固定電壓V_DE6和V_DE7分別被設置為低於積分器721的參考電壓V_REF的電位的電位。固定電壓V_DE8被設置為高於參考電壓V_REF的電位的電位。
[0067]積分器721具有基於電阻R6至R8中的一個、電阻722和電容器725的時間常數。比較器712將積分器721的輸出端子711的輸出電壓與參考電壓V_REF進行比較。來自比較器712的觸發輸出713經由序列電路714控制用於保持高η位的存儲器單元715或者用於保持低η位的存儲器單元719的數據加載定時。共用計數器716連接到每個存儲器單元的輸入。存儲器單元715和719的輸出信號連接到共用水平輸出線717。選擇的存儲器單元715和719的輸出經由放大器718數字地輸出到外部。與在第一實施例中所描述的相同，能夠使用各種方法，作為從存儲器單元715和719向共用水平輸出線717選擇性地輸出信號的方法。
[0068]結合圖12來描述該電路的操作。在圖12中，縱坐標表示積分器的輸出水平，橫坐標表示時間。粗點線表示不進行像素相加的模式下的操作的示例。實線表示二像素相加模式下的操作的示例。注意，基於根據從總體控制單元410向定時生成單元408發送的控制信號的、從定時生成單元408向圖像傳感器406發送的驅動定時控制信號，進行圖像傳感器406中的一系列A/D轉換操作。
[0069]首先，說明不進行像素相加的模式。要針對高η位進行A/D轉換。開關724接通，並且在時間t0，積分器721的輸出端子711保持在像素的信號電壓Vsigl。然後，開關724關斷，開關723選擇端子705，並且開關720接通，由此經由電阻R7、開關720和電阻722對積分器721的輸入端子(_)施加固定電壓V_DE7。在接通開關720後，共用計數器716開始計數。
[0070]如圖12中的粗點線所表示的，積分器721開始以負斜率向著固定電壓V_DE7放電。在時間t3，積分器的輸入(-)變得低於參考電壓V_REF。這時，將共用計數器716的計數值加載到存儲器單元715中。這使對高η位的A/D轉換結束。在A/D轉換結束時，序列電路714的輸出使開關720關斷，由此臨時中斷放電。由於根據離散時間(數字地設置的時間)對開關進行控制，因此實際在時間t3之後的時間t4中斷放電。因此，在積分器的輸出和比較電壓之間存在電位差Λ V。
[0071]在接下來的步驟中，通過由積分器721對電位差AV充電，來進行對低m位的轉換。更具體地，開關723選擇端子706，並且開關720接通，由此對積分器721施加固定電壓V_DE8。由於固定電壓V_DE8的電位比積分器721的參考電壓V_REF的電位高，因此相對於時間以正斜率進行充電。在時間t5，比較器712的參考電壓與積分器721的輸出再次相交，積分器721生成輸出，向存儲器單元719發送觸發信號，並且將共用計數器716的計數值加載到用於低m位的存儲器單元719中，由此終止對AV的A/D轉換。之後，依次選擇存儲器單元715和719，並且將高位信號和低位信號連接到共用水平輸出線717，並且經由放大器718將其數字地輸出到外部。根據對AV進行A/D轉換所需的A/D轉換精度，設計充電/放電的改變量的斜率和作為充電/放電結束電壓的固定電壓。
[0072]描述在像素相加讀出模式下驅動圖像傳感器406的情況。通過一次接通兩個像素的傳送開關302，輸出兩個TO301的信號電壓。之後，通過與針對一個像素的控制相同的控制，積分器721的輸出端子711保持在用於兩個像素的信號電壓VsigO。在二像素相加模式下，開關723選擇固定電壓V_DE6,來開始放電。在時間tl,積分器的輸出變得低於參考電壓。這時，將共用計數器716的計數值加載到用於高η位的存儲器單元715中，由此終止對高η位的A/D轉換。由於根據離散時間(數字地設置的時間)對開關進行控制，因此實際在時間tl之後的時間t2終止A/D轉換。積分器的輸出和比較電壓之間的差不為0，在其間存在電位差Λ V』。
[0073]在接下來的步驟中，通過由積分器721對電位差AV』充電，來進行對低m位的轉換。與一個像素的情況類似，對積分器721施加固定電壓V_DE8。由於固定電壓V_DE8的電位比積分器721的參考電壓V_REF的電位高，因此相對於時間以正斜率進行充電。在時間t5，比較器712的參考電壓與積分器721的輸出再次相交，向存儲器單元719發送觸發信號，並且將共用計數器716的計數值加載到存儲器單元719中，由此終止對低m位的A/D轉換。之後，將存儲器單元715和719選擇性地連接到共用水平輸出線717，並且經由放大器718將存儲在存儲器單元中的計數值數字地輸出到外部。描述了首先進行放電的示例。然而，可以通過進行充電和放電中的一個，然後進行另一個，來實現本發明。
[0074]在進行二像素相加的模式下，如果固定電&V_DE7和電阻R7連接到積分器721，則與不進行像素相加的模式類似，A/D轉換結束時間是時間t6。在本實施例中，通過連接固定電壓V_DE6和電阻R6，並且改變積分時間常數和充電/放電的改變量的斜率，能夠在時間t5完成A/D轉換。選擇固定電壓和電阻，使得即使在進行像素相加的模式下，對低m位進行A/D轉換時的充電的改變量的斜率(從時間t2到t5或者時間t4到t5繪製的充電線)也變得與對一個像素進行A/D轉換時相同。這使得即使在進行像素相加的模式下驅動圖像傳感器，也能夠在保持與在不進行像素相加的模式下相同的精度的同時，以高速完成A/D轉換。
[0075]在本實施例中，將對N位的轉換分割為對高η位的轉換和對低m位的轉換，其中，N=n+m。然而，例如，可以將轉換分割為包括對高位的轉換、對中間位的轉換和對低位的轉換的三個轉換操作，其中，N=l+n+m。在這種情況下，僅需要增加用於積分的新固定電壓，並且按照需要改變固定電壓和電阻。在上面的描述中，緊接在對高位的轉換結束之後，開始對低位的轉換。然而，A/D轉換所需的時間依據來自像素的信號電壓而變化。為了解決該問題，能夠通過改變為在對所有列的高位的轉換結束之後對低位進行轉換，來同時開始對所有列的低位的轉換。如上所述，根據本發明，能夠與攝像設備中的諸如要相加的像素信號的數量的改變或者感光度設置的改變的驅動模式的改變無關地，實現高精度、高速的A/D轉換。
[0076]在前述第一至第三實施例中，通過⑶S來去除像素的噪聲。然而，依據規範或者像素的類型，可能不需要該操作。在這種情況下，可以去除CDS電路。此外，存在各種CDS方法，可以使用它們中的任意一個。
[0077]雖然參考示例性實施例對本發明進行了說明，但是應當理解，本發明不限於所公開的示例性實施例。所附權利要求的範圍符合最寬的解釋，以使其涵蓋所有這種變形、等同結構及功能。
【權利要求】
1.一種圖像傳感器，在所述圖像傳感器中在行方向和列方向上排列有多個像素，並且在所述多個像素的每一列上設置有A/D轉換器，其中，所述A/D轉換器從作為與來自像素的輸出信號相對應的電壓的初始值開始進行充電和放電中的一個，輸出與所述電壓變得高於或低於預定參考電壓所花費的時間相對應的值作為所述輸出信號的數字值，並且根據所述輸出信號的可能值來改變每單位時間的充電量和放電量中的一個。
2.根據權利要求1所述的圖像傳感器，其中，所述A/D轉換器開始充電和放電中的一個，在所述電壓第一次變得高於或低於所述參考電壓之後進行充電和放電中的另一個，然後進一步輸出與所述電壓變得低於或高於所述參考電壓所花費的時間相對應的值作為所述輸出信號的數字值。
3.—種攝像系統，包括: 根據權利要求1所述的圖像傳感器；以及 控制單元，用於對所述圖像傳感器的驅動進行控制， 其中，所述控制單元對所述圖像傳感器的驅動進行控制，使得隨著所述輸出信號的可能最大值增大，A/D轉換器中的每單位時間的充電量和放電量中的一個增大。
4.根據權利要求3所述的攝像系統，其中， 提供通過將像素相加來進行讀出操作的模式和在不進行像素相加的情況下進行讀出操作的正常讀出模式，以及 在通過將像素相加來進行讀出操作的模式下，所述控制單元進行控制，使得每單位時間的充電量和放電量中的一個變得比在所述正常讀出模式下的大。
5.根據權利要求3所述的攝像系統，其中，所述控制單元進行控制，使得隨著所述圖像傳感器的感光度越高，每單位時間的充電量和放電量中的一個變得越大。
6.根據權利要求3所述的攝像系統，其中，所述控制單元進行控制，使得隨著用於對來自所述圖像傳感器的輸出進行放大的增益增大，所述輸出信號的可能最大值變得更小。
7.根據權利要求3所述的攝像系統，其中，所述控制單元通過控制充電結束電壓和放電結束電壓中的一個的設置以及充電時間常數和放電時間常數中的一個的設置中的至少一個，來控制每單位時間的充電量和放電量中的一個。
8.根據權利要求3至7中的任一項所述的攝像系統，其中，還包括: 光學系統，用於在所述圖像傳感器上對光進行成像；以及 信號處理電路，用於對來自所述圖像傳感器的輸出信號進行處理。
【文檔編號】H04N5/232GK103533264SQ201310281932
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年7月5日 優先權日:2012年7月5日
【發明者】根岸典央 申請人:佳能株式會社