固態圖像傳感器及其控制方法、圖像感測系統以及照相機與流程

2023-10-28 04:21:32 1

本發明涉及固態圖像傳感器及其控制方法、圖像感測系統以及照相機。

背景技術：

為了實現寬動態範圍或高速讀出，已知存在對由像素生成的一個像素信號施加多個增益的固態圖像傳感器。日本特開2005-175517號公報和日本特開2014-131147號公報各自公開了如下的方法：對通過使像素信號放大給定的增益而獲得的像素信號，根據所獲得的信號的電平來放大另一增益。通過a/d轉換器將所放大的像素信號轉換成數位訊號。將該數位訊號除以與用於放大像素信號的增益對應的值，並獲得增益差校正像素值。

技術實現要素：

如稍後所述，僅通過將放大的數位訊號除以對應於增益的值，生成的像素值可能不具有良好的線性度(linearity)。本發明的一方面提供在能夠切換放大像素信號的放大電路的增益的固態圖像傳感器中，生成具有良好的線性度的像素值的技術。

根據本發明的一些實施例，固態圖像傳感器包括像素，其被構造為生成對應於入射光的像素信號；放大電路，其被構造為放大所述像素信號；設置電路，其被構造為基於閾值與由所述放大電路放大的所述像素信號之間的比較結果，來設置所述放大電路的增益；以及校正電路，其被構造為通過使用第一校正值和第二校正值，來對放大了由所述設置電路設置的增益的所述像素信號進行校正，所述第一校正值為對應於增益誤差的值，所述第二校正值為與所述增益中的放大電路偏置對應的值。

根據本發明的一些其他實施例，所述圖像感測系統包括：固態圖像傳感器和校正電路，所述固態圖像傳感器包括：像素，其被構造為生成對應於入射光的像素信號；放大電路，其被構造為放大所述像素信號，以及設置電路，其被構造為基於閾值與由所述放大電路放大的所述像素信號之間的比較結果，來設置所述放大電路的增益；所述校正電路，其被構造獲得用於對放大了由所述設置電路設置的增益的所述像素信號進行校正的第一校正值和第二校正值，其中，所述第一校正值為對應於增益誤差的值，所述第二校正值為與在所述增益中的放大電路偏置對應的值。

根據本發明的一些其他實施例，固態圖像傳感器的控制方法，所述固態圖像傳感器包括：被構造為生成對應於入射光的像素信號的像素、和被構造為放大所述像素信號的放大電路，所述控制方法包括：基於閾值與由所述放大電路放大的所述像素信號之間的比較結果，來設置所述放大電路的增益；以及通過使用第一校正值和第二校正值，來對放大了由所述設置電路設置的增益的所述像素信號進行校正，所述第一校正值為對應於增益誤差的值，所述第二校正值為與在所述增益中的放大電路偏置對應的值。

通過以下(參照附圖)對示例性實施例的描述，本發明的進一步特徵將變得清楚。

附圖說明

圖1是用於說明根據第一實施例的固態圖像傳感器的布置的示例的框圖；

圖2a至圖2c是用於說明圖1的固態圖像傳感器的各電路布置的示例的圖；

圖3是用於說明圖1的固態圖像傳感器的圖像信號讀取操作的時序圖；

圖4是用於說明圖1的固態圖像傳感器的像素值校正操作的曲線圖；

圖5是用於說明圖1的固態圖像傳感器的校正值計算操作的時序圖；

圖6是用於說明圖1的固態圖像傳感器的第一變型例的電路布置的示例的圖；

圖7是用於說明圖1的固態圖像傳感器的第一變型例的像素信號讀取操作的時序圖；

圖8是用於說明圖1的固態圖像傳感器的第二變型例的布置的示例的框圖；

圖9是用於說明圖1的固態圖像傳感器的第二變型例的電路布置的示例的圖；

圖10是用於說明圖1的固態圖像傳感器的第二變型例的像素信號讀取操作的時序圖；

圖11是用於說明圖1的固態圖像傳感器的第三變型例的電路布置的示例的框圖；

圖12是用於說明根據第二實施例的固態圖像傳感器的布置的示例的框圖；

圖13是用於說明圖12的固態圖像傳感器的電路布置的示例的圖；

圖14是用於說明圖12的固態圖像傳感器的像素值校正操作的曲線圖；

圖15是用於說明圖12的固態圖像傳感器的校正值計算操作的時序圖；以及

圖16是用於說明根據第三實施例的圖像感測系統的布置的示例的圖。

具體實施方式

下面將參照附圖來描述本發明的實施例。貫穿各個實施例，相同的附圖標記將表示相同的元件，並將省略其重複描述。可以根據需要改變和組合各實施例。

將參照圖1的電路框圖來描述根據第一實施例的固態圖像傳感器im1的布置。固態圖像傳感器im1包括圖1所示的部件。像素陣列101由以矩陣布置的多個像素100形成。如圖1中的示例，將描述像素陣列101包括4行和3列的像素100的情況。然而，像素陣列101的布置不限於此。根據到像素100的入射光，在各個像素100中生成像素信號。形成同一行的多個像素100共同連接到單個驅動線。將用於控制各個像素100的操作的控制信號經由驅動線從垂直掃描電路103供給到像素100。形成同一列的多個像素100也共同連接到單個垂直線102。經由對應的垂直線102被供給到各個放大電路104的電壓信號被稱為垂直線信號vvl。在將像素信號從各個像素100讀出到垂直線102的情況下，垂直線信號vvl改變為與像素信號對應的值。

各個放大電路104通過放大垂直線信號vvl來生成放大信號vamp,並將放大信號vamp供給到對應的設置電路105和對應的比較電路107。放大電路104通過使垂直線信號vvl放大多個增益(稍後描述)中的一個，來生成放大信號vamp。當垂直線信號vvl是對應於像素信號的值時，放大電路104放大像素信號。

各個設置電路105將放大信號vamp與預定閾值電壓vsh進行比較，並且基於比較結果來設置對應的放大電路104的增益。設置電路105將指示放大電路104的增益設置的設置信號att供給到放大電路104和對應的存儲器單元109。作為示例，本實施例的各個設置電路105在放大信號vamp小於閾值電壓vsh的情況下將設置信號att設置為l電平，而在放大信號vamp大於閾值電壓vsh的情況下將設置信號att設置為h電平。放大電路104根據設置信號att的電平，來維持或改變用於放大垂直線信號vvl的增益。即，設置電路105確定是否應該改變放大電路104的增益。在放大電路104正在放大像素信號的同時改變增益。

除了來自放大電路104的放大信號vamp之外，將參照信號vr從參照信號生成電路106供給到各個比較電路107。參照信號生成電路106根據來自控制電路113的指令，輸出斜坡信號作為參照信號vr。斜坡信號是隨著經過的時間以預定比率改變的信號。比較電路107將放大信號vamp與參照信號vr進行比較，並且將與比較結果對應的比較信號vcmp供給到對應的存儲器單元109。作為示例，本實施例的各個比較電路107在放大信號vamp大於參照信號vr的情況下將比較信號vcmp設置為l電平，而在放大信號vamp小於參照信號vr的情況下將比較信號vcmp設置為h電平。例如，使用比較器作為比較電路107。

除了來自對應的設置電路105的設置信號att和來自對應的比較電路107的比較信號vcmp之外，將計數信號cnt從計數器108供給到各個存儲器單元109。根據來自控制電路113的指令，計數器108連同開始由參照信號生成電路106進行的斜坡信號供給來開始計數，並且隨著時間經過來向上計數由計數信號cnt表達的計數值。各個存儲器單元109包括存儲器109s、存儲器109n以及存儲器109d。存儲器109d保持從對應的設置電路105供給的設置信號att的電平。存儲器109s和存儲器109n中的各個保持在比較信號vcmp的電平已經切換時的計數值。即，參照信號生成電路106、比較電路107、計數器108以及存儲器單元109形成將放大信號vamp轉換成數字值的a/d轉換電路。存儲器109n在已經重置對應的像素100的狀態下，保持與由放大電路104輸出的放大信號vamp對應的數字值。存儲器109s在已經從對應的像素100讀出像素信號的狀態下，保持與由放大電路104輸出的放大信號vamp對應的數字值。

針對各個單獨垂直線102布置放大電路104、設置電路105、比較電路107以及存儲器單元109。水平掃描電路110將數字值從多個存儲器單元109順次讀出到信號處理電路111。信號處理電路111基於從各個存儲器單元109讀出的數字值來生成與各個像素信號對應的數位訊號d，並且將數位訊號d輸出到固態圖像傳感器im1的外部。數位訊號d表達了各個像素100的像素值。控制電路113通過將控制信號(稍後描述)供給到固態圖像傳感器im1的各部件，來控制各部件的操作。

接下來，將分別參照圖2a、圖2b和圖2c來描述圖1中的像素100、放大電路104以及設置電路105的電路布置的示例。圖2a描述了像素100的電路布置的示例。像素100包括光電二極體pd、放大電晶體msf、傳送電晶體mtx、復位電晶體mrs以及選擇電晶體msel。光電二極體pd產生與到像素100的入射光對應的電荷，並累積這些電荷。根據從垂直掃描電路103供給的各自的控制信號φptx、控制信號φprs以及控制信號φpsel，傳送電晶體mtx、復位電晶體mrs以及選擇電晶體msel被控制為處於導通狀態或非導通狀態。放大電晶體msf的柵極連接到浮動擴散fd。放大電晶體msf的源極經由選擇電晶體msel連接到垂直線102。當控制信號φprs改變為h電平時，復位電晶體mrs被改變到導通狀態，浮動擴散fd連接到電源電壓vdd，並且浮動擴散fd的電壓被復位。對浮動擴散fd的電壓的復位被稱為對像素100的復位。當控制信號φptx改變為h電平時，傳送電晶體mtx被改變到導通狀態，並且光電二極體pd中累積的電荷被傳送到浮動擴散fd。當控制信號φpsel改變為h電平時，選擇電晶體msel被改變到導通狀態，並且電流經由垂直線102從電流源(未示出)被供給到放大電晶體msf。這使得基於來自浮動擴散fd的電壓的信號(即，像素信號)被讀出到垂直線102。

圖2b描述了放大電路104的電路布置的示例。放大電路104包括反相放大器amp，電容器cin、cfb1和cfb2，以及開關sw1和開關sw2。垂直線信號vvl經由電容器cin被供給到反相放大器amp的輸入端子。在反相放大器amp的輸入端子與輸出端子之間，開關sw1、電容器cfb1以及串聯連接的開關sw2和電容器cfb2被並聯連接。電容器cfb1作為反饋電容進行操作。開關sw2的接通/斷開由設置信號att和控制信號φfb2的邏輯和來控制。當該邏輯和為h電平時，開關sw2被接通，並且電容器cfb2作為反饋電容進行操作。當控制信號φars為h電平時，開關sw1被接通，並且使電容器cfb1和電容器cfb2中累積的電荷復位。作為示例，本實施例的電容器cin、cfb1和cfb2的電容值分別為c、c和3c。因此，如果開關sw2斷開，則放大電路104的增益被設置為1倍，而如果開關sw2接通，則放大電路104的增益被設置為4倍。反相放大器amp輸出通過使垂直線信號vvl放大設置的增益而獲得的信號，作為放大信號vamp。根據要在放大電路104中設置的增益，來適當地設置各電容cin、cfb1和cfb2的電容值。

作為示例，由作為nmos電晶體的電晶體m1和m2與作為pmos電晶體的電晶體m3和m4形成的nmos共源極放大電路，來實現本實施例的反相放大器amp。電晶體m1作為共源極放大電晶體進行操作。電晶體m2作為共柵極放大電晶體進行操作。此外，電晶體m3和m4為共源共柵連接並且形成恆定電流負荷。dc偏置電壓vbn1、vbp1及vbp2被分別供給到電晶體m2、m3及m4的柵極。由這些各自的dc偏壓來確定電晶體的操作點(operatingpoint)。

圖2c描述了設置電路105的電路布置的示例。設置電路105包括比較器cmp1、d鎖存電路dl及and門。將放大信號vamp供給到比較器cmp1的非反相輸入端子。將閾值電壓vsh供給到比較器cmp1的反相輸入端子。比較器cmp1確定放大信號vamp與閾值電壓vsh的大小關係，並且將與確定結果對應的信號供給到d鎖存電路dl的d端子。比較器cmp1在放大信號vamp小於閾值電壓vsh的情況下輸出l電平信號，而在放大信號vamp大於閾值電壓vsh的情況下輸出h電平信號。d鎖存電路dl根據供給到e端子的控制信號φdl來保持供給到d端子的信號的電平，並將所保持的電平供給到and門的輸入端子。將控制信號φdlo供給到and門的其他輸入端子。當控制信號φdlo為h電平時，and門將由d鎖存電路dl保持的電平的信號作為設置信號att，輸出到設置電路105的外部。另外，當控制信號φdlo為l電平時，and門將l電平信號作為設置信號att，輸出到設置電路105的外部。

接下來，將參照圖3至圖5來描述固態圖像傳感器im1的操作。通過控制電路113控制固態圖像傳感器im1的各部件的操作，來進行固態圖像傳感器im1的操作。通過控制電路113控制垂直掃描電路103來進行各個像素100的操作。通過控制電路113控制水平掃描電路110來進行從各個存儲器單元109到信號處理單元111的數字值讀出。固態圖像傳感器im1主要進行像素信號讀取操作、校正值計算操作及像素值計算操作。像素信號讀取操作是從各個像素讀出像素信號並將與該像素信號對應的數字值保持在對應的存儲器單元109中的操作。校正值計算操作是計算校正值以校正該數字值的操作。像素值計算操作是校正該數字值以計算像素值的操作。固態圖像傳感器im1按照校正值計算操作、像素信號讀出操作以及像素值計算操作的順序來進行操作。針對各個像素100來進行這些操作。在以下部分中，將按照像素信號讀出操作、像素值計算操作及校正值計算操作的順序進行描述。

將參照圖3的時序圖來描述像素信號讀出操作。圖3描述了用於從單個像素100一次讀出像素信號的操作。針對形成同一行的多個像素100同時進行圖3中描述的操作。固態圖像傳感器im1通過對形成像素陣列101的多個像素行上的各個像素進行圖3中描述的操作，來從像素陣列101的各個像素讀出像素信號。貫穿圖3中所示的周期，垂直掃描電路103將供給到像素信號讀出操作對象像素100的控制信號φpsel維持在h電平，並且將供給到其他像素100的控制信號φpsel維持在l電平。

當開始像素信號讀出操作時，垂直掃描電路103通過暫時將控制信號φprs改變到h電平來復位像素100。因此，將與復位狀態下的像素100對應的信號讀出到對應的垂直線102。該信號被稱為像素復位信號。當將像素復位信號讀出到垂直線102時，垂直線信號vv1變為與該信號對應的值。控制電路113通過暫時將控制信號φars和φfb2改變到h電平，與像素的復位並行地，來使電容器cfb1和cfb2中累積的電荷復位。在垂直掃描電路103將控制信號φprs改變到l電平之後，控制電路113將控制信號φars和φfb2改變到l電平。

在上述操作期間，控制電路113將控制信號φdlo設置為l電平。結果，由設置電路105輸出的設置信號att改變為l電平。由於設置信號att和控制信號φfb2兩者都為l電平，因此斷開放大電路104的開關sw2，並且連接到反相放大器amp的反饋電容器的電容值改變為c。由於連接到反相放大器amp的輸入電容器的電容值也為c，因此放大電路104的增益被設置為1倍。

接下來，參照信號生成電路106根據來自控制電路113的指令，開始供給斜坡信號作為參照信號vr。換言之，參照信號生成電路106隨著經過的時間而開始改變參照信號vr的值。同時，計數器108根據來自控制電路113的指令，從零開始向上計數輸出計數值。當參照信號vr超過放大信號vamp並且比較信號vcmp從l電平切換到h電平時，存儲器109n保持在該時點來自計數器108的計數值。該計數值對應於對通過使像素復位信號放大1倍增益而獲得的放大信號vamp進行a/d轉換而獲得的數字值。下文中，該數字值將被稱為n。

隨後，在暫時將控制信號φptx改變到h電平時，垂直掃描電路103將光電二極體pd中累積的電荷傳送到浮動擴散fd。結果，將來自像素100的像素信號讀出到垂直線102，並且垂直線信號vv1改變為與該像素信號對應的值。δvvl代表在使用像素100的復位時間作為基準的該時間點處的垂直線信號vv1的改變量(即，像素信號與像素復位信號之間的差)。δvvl具有與到像素100的入射光量對應的值。放大信號vamp隨著垂直線信號vv1的改變而改變。δvamp1表達了在放大電路104的增益被設置為1倍的狀態下的放大信號vamp的改變量。在此，閾值電壓vsh被設置為等於或小於放大電路104的輸出動態範圍的1/4。因此，固態圖像傳感器im1在放大信號vamp等於或大於閾值電壓vsh的情況下和在放大信號vamp小於閾值電壓vsh的情況下進行不同的操作。下面將描述通過使像素信號放大1倍增益而獲得的放大信號vamp大於閾值電壓vsh的情況。

在自垂直掃描電路103將控制信號φptx改變為l電平起經過了預定時間之後，控制電路113暫時將控制信號φdl改變為h電平。由於放大信號vamp大於閾值電壓vsh，因此將h電平信號保持在d鎖存電路dl中。接下來，控制電路113將控制信號φdlo改變為h電平。設置電路105輸出d鎖存電路dl中保持的信號，並且設置信號att變為h電平。結果，放大電路104的開關sw2被接通，電容器cfb2連接到反相放大器amp，並且連接到反相放大器amp的反饋電容器的電容值改變為4c。由於連接到反相放大器amp的輸入電容器的電容值為c，因此放大電路104的增益被設置為1/4倍。放大信號vamp的值也隨著該設置而改變。δvamp2代表在放大電路104的增益被設置為1/4倍的狀態下的放大信號vamp的改變量。

隨後，固態圖像傳感器im1以與對通過放大像素復位信號而獲得的放大信號vamp進行a/d轉換相同的方式，來對通過放大像素信號而獲得的放大信號vamp進行a/d轉換。存儲器109s保持對通過放大像素信號而獲得的放大信號vamp進行a/d轉換而獲得的數字值。下文中，該數字值將被稱為s。然後，存儲器109d保持設置信號att的電平。最後，控制電路113將控制信號φdlo改變為l電平來將設置信號att改變為l電平，以繼續移動到下一行讀出。

通過上述操作，將在對像素信號進行a/d轉換時的設置信號att的電平保持在存儲器109d中，將代表放大像素復位信號的數字值n保持在存儲器109n中，並且將代表放大像素信號的數字值s保持在存儲器109s中。如在上述示例中，當將放大電路104的增益從1倍改變為1/4倍時，將h電平設置信號att保持在存儲器109d中，並且將代表像素信號放大了1/4倍增益的數字值保持在存儲器109s中。另一方面，當通過使像素信號放大1倍增益而獲得的放大信號vamp小於閾值電壓vsh時，放大電路104的增益被維持在1倍。在這種情況下，將l電平設置信號att保持在存儲器109d中，並且將代表像素信號放大了1倍增益的數字值s保持在存儲器109s中。當將放大電路104的增益從1倍改變為1/4倍時以及當增益被維持在1倍時，將代表像素復位信號放大了1倍增益的數字值n保持在存儲器109n中。

接下來，將描述像素值計算操作。信號處理電路111基於在存儲器單元109中保持的數字值來計算像素值。首先將描述將l電平設置信號att保持在存儲器109d中的情況。在這種情況下，將代表像素信號放大了1倍增益的數字值s保持在存儲器109s中，並且將代表像素復位信號放大了1倍增益的數字值n保持在存儲器109n中。因此，信號處理電路111通過進行數字cds(correlateddoublesampling，相關雙採樣)處理來計算像素值。特別是，信號處理電路111計算出s-n並將該值設置為像素值。

接下來，將描述將h電平設置信號att保持在存儲器109d中的情況。在這種情況下，將代表像素信號放大了1/4倍增益的數字值s保持在存儲器109s中，並且將代表像素復位信號放大了1倍增益的數字值n保持在存儲器109n中。因此，信號處理電路111僅通過使用數字值s和數字值n簡單地進行數字cds處理無法計算出正確的像素值。將參照圖4來解釋該理由。

圖4中的曲線圖的橫坐標表示垂直線信號vvl的改變量δvvl。圖4中的曲線圖的縱坐標代表數字值。改變量δvvl對應於到像素100的入射光量。當垂直線信號vvl是與像素復位信號對應的值時，改變量δvvl變為零。

線401代表在放大電路104的增益被設置為1倍的範圍中包括的改變量δvvl與通過下式(1)計算出的數位訊號d1之間的關係，

d1＝s-n...(1)

由於數字值s和數字值n兩者都為在放大電路104的增益被設置為1倍的狀態下生成的值，因此通過進行數字cds處理來獲得適當地代表入射光量的數位訊號d1。例如，如果改變量δvvl(入射光量)為零，則數位訊號d1也改變為零。當放大電路104的增益被設置為1倍時(即，當將l電平信號保持在存儲器109d中時)，信號處理電路111輸出數位訊號d1作為上述的數位訊號d。

線402代表在放大電路104的增益被設置為1/4倍的範圍中包括的改變量δvvl與通過下式(2)計算出的數位訊號d2之間的關係，

d2＝4(s-n)...(2)

由於通過數字cds處理獲得的s-n已經乘以增益的倒數(4)，因此線402的斜率與線401的斜率匹配。然而，由於在連接電容器cfb2時生成的開關sw2等的饋通，因此放大了1倍增益的像素復位信號和放大了1/4倍增益的像素信號彼此具有不同的偏置。因此，如圖4所示，在切換增益設置的δvvl值中，生成數位訊號d2與數位訊號d1之間的偏移α。

因此，當放大電路104的增益被設置為1/4倍時，信號處理電路111通過下式(3)計算出數位訊號d3，

d3＝4(s-n)-α...(3)

線403代表在放大電路104的增益被設置為1/4倍的範圍中包括的改變量δvvl與根據上式(3)計算出的數位訊號d3之間的關係。如圖4所示，線403具有相對於線401的良好線性度。當放大電路104的增益被設置為1/4倍時(即，當將h電平信號保持在存儲器109d時)，信號處理電路111輸出數位訊號d3作為數位訊號d。

在此，當將放大電路104的增益概括為g時，信號處理電路111通過下式(4)計算出數位訊號d，

d＝βg×(s-n)-αg...(4)

其中，αg為與放大電路104的偏置對應的偏置校正值，而βg為與放大電路104的增益對應的增益校正值。針對各個增益來設置αg和βg，並將αg和βg保持在存儲器112中。在上述示例中，α1＝0、α1/4＝α、β1＝1且β1/4＝4。在本實施例中，由於代表像素復位信號放大了1倍增益的數字值n被用來進行數字cds處理，因此α1＝0。通過校正值計算操作(稍後描述)來計算α。βg為增益的倒數。在製造固態圖像傳感器im1時，基於連接到反相放大器amp電容值邏輯計算βg，並將βg存儲存儲器112中。信號處理電路111生成代表以上述方式計算出的像素值的數位訊號d，並將該數位訊號d輸出到固態圖像傳感器im1的外部。如上所述，由於信號處理電路111校正代表像素信號的數字值s，因此信號處理電路111可以被稱為校正電路。

將參照圖5的時序圖來描述校正值計算操作。圖5描述了針對一個放大電路104計算校正值的操作。該校正值用於共同連接到對應的放大電路104的多個像素100。像素陣列101包括由不助於圖像生成並用於計算校正值的像素100形成的一個或更多個行。貫穿圖5所示的周期，垂直掃描電路103將供給到校正值計算像素100的控制信號φpsel維持在h電平，並將供給到其他像素100的控制信號φpsel維持在l電平。此外，貫穿圖5所示的周期，垂直掃描電路103將供給到校正值計算像素100的控制信號φprs維持在h電平，並將控制信號φptx維持在l電平。因此，貫穿圖5所示的周期，供給像素復位信號作為垂直線信號vvl。

通過在周期h1中進行的操作和在隨後的周期h2中進行的操作，來形成校正值計算操作。在周期h1中，控制電路113以與在像素信號讀出操作中相同的方式，在將數字值n1保持在存儲器109n中之後將數字值s1保持在存儲器109s中。在周期h1中，通過控制電路113將控制信號φdlo設置為l電平來輸出l電平設置信號att。因此，數字值n1和數字值s1兩者代表了由1倍增益獲得的放大信號vamp。信號處理電路111讀出數字值n1和數字值s1，並將該讀出值保持在存儲器112中。

接下來，在周期h2中，控制電路113通過進行與在周期h1中相同的處理，在將數字值n2保持在存儲器109n中之後將數字值s2保持在存儲器109s中。然而，控制電路113在生成數字值s2之前，通過將控制信號φfb2切換為h電平來將放大電路104的增益設置為1/4倍。因此，數字值n2代表了由1倍增益獲得的放大信號vamp，而數字值s2代表了由1/4倍增益獲得的放大信號vamp。信號處理電路111讀出數字值n2和數字值s2，並將該讀出值保持在存儲器112中。

接下來，信號處理電路111通過下式(5)計算出偏置校正值α1/4，

α1/4＝(s2-n2)-(s1-n1)...(5)

在此，數字值n1和數字值n2各自代表通過使像素復位信號放大1倍增益而獲得的放大信號vamp的值。數字值s1代表通過將在δvvl＝0時的像素信號放大1倍增益而獲得的放大信號vamp的值。數字值s2代表通過將在δvvl＝0時的像素信號放大1/4倍增益而獲得的放大信號vamp的值。因此，通過式(5)獲得的α1/4與圖4所示的α匹配。

如上所述，根據本實施例，可以移除由於改變放大電路104的增益而引起的饋通等造成的偏置誤差，並且可以實現具有良好線性度的固態圖像傳感器。在本實施例的校正值計算操作中，基於像素復位信號來計算數字值s1和數字值s2。然而，代替這些值，可以從與像素100不同的其他電壓源，將預定值的測試信號供給到放大電路104。可以在相同半導體基板上實現固態圖像傳感器im1的各部件。作為另選方案，可以在離開固態圖像傳感器im1的剩餘部件所在的半導體基板的其他半導體基板上實現信號處理電路111。

將參照圖6和圖7來描述固態圖像傳感器im1的第一變型例。在第一變型例中，設置電路105的布置不同。第一變型例的設置電路105具有將放大信號vamp削波(clip)為等於或小於閾值電壓vsh的功能。圖6描述了根據第一變型例的設置電路105的電路布置的示例。

設置電路105包括作為pmos電晶體的電晶體m5與作為nmos電晶體的電晶體m6和電晶體m7。電晶體m5的源極連接到放大電路104的輸出端子，並且電晶體m5削波放大信號vamp。削波操作的閾值電壓vsh由輸入到電晶體m5的柵極的電壓vclp來確定。將dc偏壓vbn2輸入到電晶體m6的柵極，並且當電晶體m5進行削波操作時，將恆定電流供給到電晶體m5的漏極。電晶體m5的漏極也連接到反相器和電晶體m7的柵極。電晶體m7的源極被接地到gnd電勢，並且電晶體m7的漏極連接到放大電路104的輸出端子。在以控制信號φdrs進行nor處理之後，來自反相器的輸出被輸入到rs鎖存電路lch的s端子。控制信號φdrs被輸入到作為rs鎖存電路lch的其他輸入端子的r端子。因此，當控制信號φdrs改變為h電平時，由於r端子被設置為h電平並且s端子被設置為l電平，因此rs鎖存電路lch被復位。來自rs鎖存電路lch的輸出變為來自設置電路105的輸出，並輸出設置信號att。

如果放大信號vamp低於閾值電壓vsh，則電晶體m5處於非導通狀態。由於dc偏壓被輸入到電晶體m6的柵極，因此電晶體m7的柵極電壓被設置為幾乎gnd電平。因此，電晶體m7被設置為非導通狀態。在這種情況下，電晶體m5和電晶體m7兩者都處於非導通狀態並且不影響反相放大器amp的操作。另一方面，如果放大信號vamp超過閾值電壓vsh，則電晶體m5改變為導通狀態。在這種情況下，電晶體m7的柵極電壓上升，並且電晶體m7改變為導通狀態。結果，從電晶體m3和電晶體m4供給的反相放大器amp的負載電流也被供給到設置電路105，並且負載電流變為放大信號vamp幾乎不上升超過閾值電壓vsh的削波狀態。

將參照圖7的時序圖來描述根據第一變型例的像素信號讀出操作。根據第一變型例的校正值計算操作和像素值計算操作可以與上述第一實施例的校正值計算操作和像素值計算操作相同。根據第一變型例的像素信號讀出操作與根據第一實施例的像素信號讀出操作的不同點在於：控制電路113向設置電路105供給控制信號φdrs，代替控制信號φdl和φdlo。其餘點可以與第一實施例相同。

當開始像素信號讀出操作時，控制電路113暫時將控制信號φdrs改變為h電平以復位rs鎖存電路lch。結果，設置電路105輸出l電平設置信號att。隨後，在進行與第一實施例中相同的處理之後，從像素100讀出像素信號到對應的垂直線102，並且垂直線信號vvl改變到對應於像素信號的值。

如果放大信號vamp低於閾值電壓vsh，則電晶體m7的柵極電壓處於幾乎gnd電平。因此，由於l電平信號繼續被輸入到rs鎖存電路lch的s端子，因此設置信號att維持l電平。另一方面，如果放大信號vamp達到閾值電壓vsh，則電晶體m7的柵極電壓也達到反相器的閾值。結果，到rs鎖存電路lch的s端子的輸入被反相到h電平。伴隨與此，rs鎖存電路lch輸出h電平設置信號att並維持這種狀態。當設置信號att改變為h電平時，放大電路104的增益被改變為1/4倍，放大信號vamp變為等於或小於閾值電壓vsh，並且取消削波。此時，由於設置信號att被保持在h電平，因此垂直線信號vvl放大了1/4倍增益。在已經充分安定(settle)該放大信號vamp之後，進行與第一實施例中的處理相同的處理，並且生成數字值s。

可以在第一變型例中獲得與第一實施例相同的效果。另外，在第一變型例中，由於設置電路105的削波功能，因此放大信號vamp將變得大於閾值電壓vsh。因此，閾值電壓vsh可以被設置為放大電路104的輸出飽和電平，並且可以有效地使用放大電路104的動態範圍。注意，如果放大信號vamp改變為接近於削波電壓的值，則放大信號vamp將大大地受電晶體m5的影響並且無法以高精度輸出信號。因此，除了從當對應於像素信號的垂直線信號vvl被輸入到放大電路104時起到當設置電路105進行確定時的期間之外，可以使設置電路105的削波功能失效。例如，如果控制電路113在像素信號被讀出到垂直線102之前並且在設置電路105進行確定之後使電壓vclp上升，則可以獲得具有更高精度的數字值。

將參照圖8至圖10來描述作為固態圖像傳感器im1的第二變型例的固態圖像傳感器im2。如圖8所示，根據第二變型例的固態圖像傳感器im2與固態圖像傳感器im1的不同之處在於：包括設置電路805，代替設置電路105和比較電路107。其餘點可以與固態圖像傳感器im1的相同。將參照圖9來描述設置電路805的電路布置的示例。如圖9所示，設置電路805包括圖1中所示的設置電路105和比較電路107已經被共同化的布置。

接下來，將參照圖10的時序圖來描述根據第二變型例的像素信號讀出操作。根據第二變型例的校正值計算操作和像素值計算操作可以與上述第一實施例中的校正值計算操作和像素值計算操作相同。根據第二變型例的像素信號讀出操作與根據第一實施例的像素信號讀出操作的不同之處在於：由參照信號生成電路106供給的參照信號vr不同。其餘點可以與第一實施例的相同。在將數字值n保持在存儲器109n中之後，控制電路113將由參照信號生成電路106供給的參照信號vr的值改變為閾值電壓vsh。結果，由設置電路805來對放大信號vamp和閾值電壓vsh進行比較，並且將比較結果輸出為設置信號att。

將參照圖11來描述作為固態圖像傳感器im1的第三變型例的固態圖像傳感器im3。如圖11所示，根據第三變型例的固態圖像傳感器im3與固態圖像傳感器im1的不同之處在於：包括計數器1108和存儲器單元1109，代替計數器108和存儲器單元109。其餘點可以與固態圖像傳感器im1的相同。

各個計數器1108具有向上/向下計數功能。針對各個像素列布置計數器1108。當對通過放大像素復位信號而獲得的放大信號vamp進行a/d轉換時，計數器1108根據來自控制電路113的指令，開始從零向下計數。結果，將通過改變第一實施例的數字值n的符號而獲得的值保持在計數器1108中。接下來，當對通過放大像素信號而獲得的放大信號vamp進行a/d轉換時，計數器1108根據來自控制電路113的指令，使用保持的值(即，-n)作為初始值開始向上計數。計數器1108在該a/d轉換結束的時點，輸出與第一實施例中的s-n對應的值。各個存儲器單元1109的存儲器1109v保持該值。信號處理電路111通過使用各個存儲器1109v中保持的值(s-n)，來進行上述像素值計算操作。此外，在校正值計算操作中，由於與s1-n1和s2-n2對應的值被保持在存儲器1109v中，因此信號處理電路111使用這些值來計算校正值。

將參照圖12至圖15來描述根據第二實施例的固態圖像傳感器im4。固態圖像傳感器im4與固態圖像傳感器im1的不同之處在於：還包括測試信號生成電路1201。測試信號生成電路1201向多個垂直線102中的各個供給測試信號。在第一實施例中，使用基於反饋電容器的電容值邏輯計算出的值(4)，作為增益校正值β1/4。然而，由於難於精確地控制增益，因此即使放大電路104的增益被設置為1/4，實際放大信號vamp也可能被放大不同值的增益。

圖14中的曲線圖的橫坐標表示垂直線信號vvl的改變量δvvl。圖14中的曲線圖的縱坐標代表數字值。改變量δvvl對應於到像素100的入射光量。當垂直線信號vvl為與像素復位信號對應的值時，改變量δvvl變為零。

以和線401相同的方式，線1401代表在放大電路104的增益被設置為1倍的範圍中包括的改變量δvvl與根據上式(1)計算出的數位訊號d1之間的關係。

線1402代表在放大電路104的增益被設置為1/4倍的範圍中包括的改變量δvvl與根據上式(2)計算出的數位訊號d2之間的關係。由於通過數字cds處理獲得的s-n乘以增益的倒數(4)，因此線1402的斜率與線1401的斜率邏輯匹配。然而，這些線的斜率由於增益誤差而可能不匹配。在這種情況下，即使如在圖1的實施例中進行了偏置校正，數位訊號d也將不具有良好的線性度。因此，第二實施例的信號處理電路111不由邏輯值而是基於已經實際上獲得的放大信號vamp，來確定上述式(4)的增益校正值β1/4。

在一個示例中，信號處理電路111計算校正係數b用於校正增益校正值，並設置通過使該邏輯增益值的倒數(4)乘以該校正係數b而獲得的值，作為增益校正值β1/4。特別是，信號處理電路111計算校正係數b，使得表達通過下式(6)計算出的數位訊號d4的線1403的斜率將與線1401的斜率匹配。

d4＝4b(s-n)...(6)

稍後將描述校正係數b的計算方法。

隨後，信號處理電路111通過從d4中減去偏置校正值α，來計算數字值。即，信號處理電路111通過下式(7)來計算數位訊號d5，

d5＝4b(s-n)-α...(7)

線1404代表在放大電路104的增益被設置為1/4倍的範圍中包括的改變量δvvl與根據上式(7)計算出的數位訊號d5之間的關係。如圖14所示，線1404相對於線1401具有良好的線性度。當放大電路104的增益被設置為1/4倍時(即，當h電平信號被保持在對應的存儲器109d時)，信號處理電路111輸出數位訊號d5，作為上述數位訊號d。

將參照圖13來描述測試信號生成電路1201的電路布置的示例。測試信號生成電路1201包括由控制信號φts1控制的多路轉換器mx1、由控制信號φts2控制的多路轉換器mx2、以及連接到各列的垂直線102的電晶體m8。各個電晶體m8是nmos電晶體。各個電晶體m8的源極連接到垂直線102，並且各個電晶體m8的漏極連接到電源。各個電晶體m8根據由多路轉換器mx2控制的柵極電壓，來控制垂直線102的電壓。電壓v5和來自多路轉換器mx1的輸出被供給到多路轉換器mx2。電壓v3和電壓v4被供給到多路轉換器mx1。多路轉換器mx1在控制信號φts1為l電平時輸出電壓v3，而在控制信號φts1為h電平時輸出電壓v4。在電壓v3被供給到對應的電晶體m8的柵極的情況下，由測試信號生成電路1201向各個垂直線102供給的信號被稱為第一測試信號。在電壓v4被供給到對應的電晶體m8的柵極的情況下，由測試信號生成電路1201向各個垂直線102供給的信號被稱為第二測試信號。第一測試信號和第二測試信號具有彼此不同的值。

當控制信號φts2改變為l電平時，多路轉換器mx2選擇電壓v5並將電壓v5供給到各個電晶體m8的柵極。另一方面，當控制信號φts2改變為h電平時，多路轉換器mx2選擇來自多路轉換器mx1的輸出並將電壓v3或電壓v4供給到各個電晶體m8的柵極。在校正值計算操作中，控制信號φts2改變為h電平，並將與電壓v3或電壓v4對應的電壓供給到各個垂直線102，作為垂直線信號vvl。在像素信號讀出操作中，控制信號φts2改變為l電平，並且根據電壓v5來削波各個垂直線102。測試信號生成電路1201具有防止在局部增大像素信號電平時生成的各個垂直線102中的過度電壓下降的削波功能，並且獲得汙跡(smear)抑制效果。

將參照圖15的時序圖來描述校正值計算操作。在第二實施例的校正值計算操作中，還計算增益校正值以及偏置校正值。圖15描述了用於計算單個放大電路104的校正值的操作。該校正值用於共同連接到放大電路104的多個像素100。貫穿圖15所示的周期，垂直掃描電路103將供給到所有計算像素100的控制信號φpsel維持在l電平。

由在連續周期h1到周期h4中進行的操作，來形成校正值計算操作。在各個周期中進行的操作與在圖5的周期h1中進行的操作相同。因此，將主要描述不同之處。

在周期h1中，在垂直線信號vvl為第一測試信號並且其增益被設置為1倍的狀態下，生成數字值n1。隨後，在垂直線信號vvl為第一測試信號並且其增益被設置為1倍的狀態下，生成數字值s1。在周期h2中，在垂直線信號vvl為第一測試信號並且其增益被設置為1倍的狀態下，生成數字值n2。隨後，在垂直線信號vvl為第一測試信號並且其增益被設置為1/4倍的狀態下，生成數字值s2。在周期h3中，在垂直線信號vvl為第一測試信號並且其增益被設置為1倍的狀態下，生成數字值n3。隨後，在垂直線信號vvl為第二測試信號並且其增益被設置為1倍的狀態下，生成數字值s3。在周期h4中，在垂直線信號vvl為第一測試信號並且其增益被設置為1倍的狀態下，生成數字值n4。隨後，在垂直線信號vvl為第二測試信號並且其增益被設置為1/4倍的狀態下，生成數字值s4。信號處理電路111將這些數字值適當地從對應的存儲器單元109讀出到存儲器112。

信號處理電路111通過下式(8)至式(10)計算校正係數b、增益校正值βg以及偏置校正值αg，

b＝{(s3-n3)-(s1-n1)}/{(s4-n4)/g-(s2-n2)/g}...(8)

βg＝b/g...(9)

αg＝b(s2-n2)/g-(s1-n1)...(10)

其中，g(上述示例中的1/4)為在放大電路104中設置的改變增益。信號處理電路111將以這種方式計算出的增益校正值βg和偏置校正值αg存儲在存儲器112中。代替式(10)，信號處理電路111可以通過式(11)計算偏置校正值αg，

αg＝b(s4-n4)/g-(s3-n3)...(11)

在本實施例中，可以基於放大信號vamp，通過校正放大電路的增益來實現具有更有利的線性度的固態圖像傳感器。第一實施例的第一變型例至第三變型例可以與第二實施例組合。

在各個上述實施例中，已經描述了通過計算針對各個像素列的校正值來校正像素值的情況。代替地，可以由針對各個像素列計算出的校正值來計算平均值或中間值，並且該值可以共同地用於校正來自多個像素列的像素值。此外，在各個上述實施例中，已經描述了放大電路104在兩種類型的增益之間進行切換的情況。然而，本發明不限於此，放大電路104可以在三種或更多種增益當中進行切換。在這種情況下，針對多個增益中的各個設置偏置校正值和增益校正值。

將參照圖16來描述根據第三實施例的圖像感測系統。在圖16中，圖像感測系統包括用於鏡頭保護的屏障151、使被攝體的光學圖像形成在圖像傳感器154上的鏡頭152、以及使通過鏡頭152的光量可變的光圈153。圖像感測系統還包括對從圖像傳感器154輸出的信號進行處理的信號處理單元155。從圖像傳感器154輸出的信號是用於生成通過拍攝被攝體而獲得的圖像的圖像感測信號。信號處理單元155根據需要，對從圖像傳感器154輸出的圖像感測信號進行各種校正和壓縮，並且生成圖像。鏡頭152和光圈153形成使光聚集到圖像傳感器154的光學系統。

圖16中放大的圖像感測系統還包括用於暫時存儲圖像數據的緩衝存儲器單元156和用於與外部計算機進行通信的外部接口單元157。圖像感測系統還包括用於存儲或讀出圖像感測數據的可拆卸的存儲介質159(例如，半導體存儲器等)、以及用於存儲或讀出存儲介質159的存儲介質控制接口158。圖像感測系統還包括控制各種計算和整個數字靜止照相機的控制/計算單元1510。

圖16中所示的圖像感測系統可以具有如下構造：配設在與圖像傳感器154分離的半導體基板上的信號處理單元155包括第一實施例和第二實施例中描述的信號處理電路111。在該構造中，信號處理單元155是包括校正單元的信號處理單元。即使使用該構造，根據該第三實施例的圖像感測系統也可以獲得與第一實施例和第二實施例中描述的效果相同的效果。作為其他構造，也可能是如下構造：配設在與圖像傳感器154分離的半導體基板上的控制/計算單元1510包括第一實施例和第二實施例中描述的信號處理電路111。在該構造的情況下，控制/計算單元1510是包括校正單元的信號處理單元。

儘管本實施例的上述描述假定了如下構造：第一實施例和第二實施例中描述的信號處理電路111配設在圖像傳感器154的外部，但是也可以是如下構造：僅一些功能配設在圖像傳感器154的外部。例如，信號處理電路111將s1-n1、s2-n2、s3-n3以及s4-n4輸出到圖像傳感器154的外部。信號處理單元155或控制/計算單元1510計算增益校正值βg和偏置校正值αg。信號處理單元155或控制/計算單元1510將所獲得的增益校正值βg和偏置校正值αg返回到圖像傳感器154中包括的信號處理電路111。圖像傳感器154的信號處理電路111使用這些校正值進行像素信號讀出操作。即使使用該構造，也可以獲得與第一實施例和第二實施例中描述的效果相同的效果。

可以將配設有圖像傳感器154的半導體基板和分離的半導體基板疊置起來，在該分離的半導體基板上，配設有作為校正單元的信號處理單元155或控制/計算單元1510。

雖然參照示例性實施例對本發明進行了描述，但是應當理解，本發明的方面不限於所公開的示例性實施例。應當對所附權利要求的範圍給予最寬的解釋，以使其涵蓋所有這些變型例以及等同的結構和功能。