CN101352033B - 固体摄像元件以及暗电流分量除去方法 - Google Patents

固体摄像元件以及暗电流分量除去方法 Download PDF

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Abstract

不降低AD转换时的分辨率而从像素信号中除去由于温度而发生改变的暗电流分量。DA转换器(11)生成从规定的初始信号电平以固定的斜率增加的基准信号，比较器(12)对基准信号和像素信号进行比较，计数器(13)进行与基准信号的增加同步的计数，锁存电路(14)保持像素信号的量化值，平均值计算部(15)计算出从多个遮光像素读出的像素信号的量化值的平均值，基准信号调整部(16)以平均值为基础，设定与从受光像素读出的像素信号进行比较的基准信号的初始信号电平。

Description

固体摄像元件以及暗电流分量除去方法
技术领域
本发明涉及固体摄像元件以及暗电流分量除去方法，特别涉及使用了按照像素阵列的每列而设置的模拟数字转换器的固体摄像元件以及固体摄像元件的暗电流分量除去方法。
背景技术
在CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器等固体摄像元件中，公知有安装了按照图像阵列的每列(column)而设置的模拟数字转换器、即列AD(模拟数字)转换器的固体摄像元件(例如，参照专利文献1)。
图11是表示以往的固体摄像元件中的计数型的列AD转换器的简略结构的图。
计数型的列AD转换器具有比较器51和锁存电路52。它们分别按照像素阵列(未图示)的每列而设置，所述像素阵列将通过光电转换使光信号转换成电信号的多个像素配置成矩阵状。
比较器51对来自未图示的像素阵列的像素信号与基准信号(兰姆波)进行比较，并输出比较结果，所述基准信号从规定的初始信号电平与计数值同步地以固定的斜率增加。
锁存电路52输入比较器51的比较结果以及计数值。并且，将像素信号与基准信号一致时的计数值保持为表示像素信号大小的量化值。
图12是表示使用了以往的固体摄像元件的列AD转换器的AD转换情况的图。
纵轴是电压[V]，横轴是计数值。
来自受光像素的像素信号作为含有由于暗电流等影响而产生的偏移(offset)分量的信号而被检测出。并且，例如根据受光量在图中的斜线部的范围的电压电平被读出，并输入到列AD转换器中。图11所示的列AD转换器的比较器51对所输入的像素信号和基准信号进行比较。锁存电路52锁存所输入的像素信号与基准信号一致时的计数值，并作为像素信号的量化值输出。另外，暗电流受温度的影响较强，随着温度变化实际偏移的电压电平(实际偏移电平)发生上升下降。因此，在以往的固体摄像元件的列AD转换器中，如图12所示，将距实际偏移电平设置了某种程度的裕度(margin)的固定的电压电平(模拟偏移电平)设为基准信号的初始信号，以补偿(cover)由温度变化而引起的受光像素的像素信号的电压电平的改变。
专利文献1：日本专利文献特开2000-349638号公报。
发明内容
发明所要解决的问题
但是，如图12所示，如果设定这样的模拟偏移电平则存在如下问题：能够得到的实际量化数与最大的量化数相比偏移量变小，并且由于分辨率降低、清晰度的下降而导致图像质量的降低。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种固体摄像元件，能够不降低AD转换时的分辨率而从像素信号中除去由于温度影响而改变的暗电流分量。
另外，本发明的另一目的在于提供一种暗电流分量除去方法，能够不降低AD转换时的分辨率而从像素信号中除去由于温度影响而改变的暗电流分量。
用于解决问题的手段
在本发明中，为了解决上述问题，如图1所示，提供了一种固体摄像元件，使用了按照像素阵列的每个列而设置的模拟数字转换器，所述固体摄像元件的特征在于，包括：基准信号生成部(在图1中为DA(数字模拟)转换器11)，生成从规定的初始信号电平以固定的斜率增加的基准信号；比较部(比较器12)，对基准信号和像素信号进行比较；计数部(计数器13)，进行与基准信号的增加同步的计数；保持部(锁存电路14)，将基准信号和像素信号一致时的计数值保持为像素信号的量化值；平均值计算部15，计算出从多个遮光像素读出的像素信号的量化值的平均值；以及基准信号调整部16，以平均值为基础，设定与从受光像素读出的像素信号进行比较的基准信号的初始信号电平。
根据上述构成，DA转换器11生成从规定的初始信号电平以固定的斜率增加的基准信号，比较器12对基准信号和像素信号进行比较，计数器13进行与基准信号的增加同步的计数，锁存电路14保持像素信号的量化值，平均值计算部15计算出从多个遮光像素读出的像素信号的量化值的平均值，基准信号调整部16以平均值为基础，设定与从受光像素读出的像素信号进行比较的基准信号的初始信号电平。
另外，本发明提供了一种固体摄像元件的暗电流分量除去方法，其特征在于，对从像素阵列读出的遮光像素的像素信号与同计数值同步并从规定的初始信号电平以固定的斜率增加的基准信号进行比较，以一致时的所述计数值为基础，取得所述遮光像素中的所述像素信号的量化值，计算出多个所述遮光像素的所述量化值的平均值，以所述平均值为基础，设定与从所述像素阵列读出的受光像素的所述像素信号进行比较的所述基准信号的所述初始信号电平，对以所述平均值为基础而设定的所述初始信号电平的所述基准信号与所述受光像素的所述像素信号进行比较，以一致时的所述计数值为基础来取得在所述受光像素中的所述像素信号的所述量化值。
根据上述方法，在取得受光像素的像素信号的量化值之前取得遮光像素的像素信号的量化值，以其平均值为基础，设定与受光像素的像素信号进行比较时的基准信号的初始信号电平，使用以平均值为基础而设定的初始信号电平的基准信号来取得受光像素中的像素信号的量化值。
另外，本发明提供了一种固体摄像元件，使用了按照图像阵列的每列而设置的模拟数字转换器，所述固体摄像元件的特征在于，包括：计算部，从所述像素阵列读出遮光像素，计算出通过所述模拟数字转换器转换后的遮光像素数字值；以及边界值计算部，根据由所述计算部计算出的遮光像素数字值来决定所述模拟数字变换器的量化范围的边界值。
根据上述构成，计算部从像素阵列读出遮光像素，并计算出通过模拟数字转换器转换后的遮光像素数字值，边界值计算部根据由计算部计算出的遮光像素数字值来决定模拟数字转换器的量化范围的边界值。
发明的效果
根据本发明，由于在取得受光像素的像素信号的量化值之前，取得遮光像素的像素信号的量化值，计算出其平均值，并以计算出的平均值为基础设定与受光像素的像素信号进行比较的基准信号的初始信号电平，因此能够不降低AD转换时的分辨率而除去由于温度而改变的暗电流分量。
本发明的上述、其他的目的、特征、以及优点通过表示为本发明的例子的优选实施方式的、与附图关联的下述说明可变得清楚。
附图说明
图1是表示第一实施方式的固体摄像元件的主要部分的构成的图；
图2是表示一例像素阵列的图；
图3是说明第一实施方式的固体摄像元件的AD转换处理的流程图；
图4是说明遮光像素的像素信号的AD转换情况的图；
图5是说明受光像素的像素信号的AD转换情况的图；
图6是表示第二实施方式的固体摄像元件的主要部分的构成的图；
图7是说明第二实施方式的固体摄像元件的AD转换处理的流程图；
图8是说明遮光像素的像素信号的AD转换情况的图；
图9是说明受光像素的像素信号的AD转换情况的图；
图10是表示一例遮光像素区域被设定在多个位置时的像素阵列的图；
图11是表示以往的固体摄像元件中的计数型的列AD转换器的简略构成的图；
图12是表示使用了以往的固体摄像元件的列AD转换器的AD转换情况的图。
标号的说明
10固体摄像元件
11DA转换器
12比较器
13计数器
14锁存电路
15平均值计算部
16基准信号调整部
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细的说明。
图1是表示第一实施方式的固体摄像元件的主要部分的构成的图。
第一实施方式的固体摄像元件10包括DA转换器11、比较器12、计数器13、以及锁存电路14。并且，第一实施方式的固体摄像元件10包括平均值计算部15以及基准信号调整部16。
DA转换器11以计数器13的计数值为基础进行DA转换，并生成从规定的初始信号电平以固定的斜率增加的基准信号(兰姆波)。
按照每列设置的比较器12对基准信号和从像素阵列读出的像素信号进行比较。
图2是表示一例像素阵列的图。
像素阵列20包括遮光像素区域21和受光像素区域22，在各区域中由MOS晶体管或光电二极管等构成的像素(未图示)被排列成矩阵状。遮光像素区域21是用于测量黑色电平而被遮光的像素(遮光像素)排列而成的区域。受光像素区域22是光照射的像素(受光像素)排列而成的区域。
对于从这样的像素阵列20读出像素信号，是在如图的列方向上一行行地进行读出的。例如，几千列的像素信号分别经由未图示的读出电路而被输入到各列的比较器12中。
返回到图1，计数器13进行与基准信号的增加同步的计数。
按照每列而设计的锁存电路14将基准信号与像素信号一致时的计数值保持为像素信号的量化值(数字值)。
平均值计算部15计算出从多个(例如几千列)遮光像素读出的像素信号的量化值(下面有时也称为“遮光像素数字值”)的平均值。
基准信号调整部16以由平均值计算部15计算出的平均值为基础，来设定与从受光像素读出的像素信号进行比较的基准信号的初始信号电平。
即，平均值计算部15和基准信号调整部16具有根据遮光像素数字值来确定AD转换的量化范围的边界值的功能。
另外，平均值计算部15以及基准信号调整部16可以集成在对固体摄像元件10的全体进行控制的数字控制电路(未图示)上。
下面，对第一实施方式的固体摄像元件10的像素信号的读出动作、特别是AD转换处理进行说明。
图3是说明第一实施方式的固体摄像元件的AD转换处理的流程图。
首先，基准信号调整部16将计数器13的计数初始值设定为默认值(例如0)(步骤S1)。
并且，通过未图示的读出电路，首先从图2示出的遮光像素区域21读出遮光像素的像素信号(步骤S2)，并通过AD转换取得量化值(步骤S3)。
图4是说明遮光像素的像素信号的AD转换情况的图。
纵轴是电压[V]，横轴是计数器13的计数值。
在AD转换中，DA转换器11生成从某个初始信号电平随着计数值以固定的斜率增加的基准信号。另外，基准信号的初始信号电平或者斜率例如由基准信号调整部16设定。当遮光像素的像素信号输入到比较器12时计数器13开始计数。然后，将以该计数值为基础由DA转换器11生成的基准信号与被输入到比较器12的遮光像素的像素信号进行比较。当基准信号与像素信号的值一致时，锁存电路14将此时的计数值保持为被输入的像素信号的量化值。
接着，平均值计算部15取得来自各个锁存电路14的遮光像素的像素信号的量化值，并计算出其平均值(步骤S4)。
基准信号调整部16将能得到的遮光像素数字值的平均值设定为计数器13的计数初始值(步骤S5)。即，由遮光像素数字值决定AD转换的量化范围的最小值。
接着，进行受光像素的读出(步骤S6)，并通过AD转换取得受光像素的量化值(步骤S7)。
图5是说明受光像素的像素信号的AD转换情况的图。
纵轴是电压[V]，横轴是计数器13的计数值。
基准信号调整部16将计算出的平均值中的基准信号的信号电平(遮光像素的平均信号电平)设定为使用在受光像素的像素信号的AD转换上的基准信号的初始信号电平。并且，基准信号调整部16可以根据目标量化数设定基准信号的斜率(增益)。并且，DA转换器11以把计算出的平均值作为计数初始值的计数值为基础，生成基准信号。
使用这样设定的基准信号，通过比较器12以及锁存电路14取得如图2所示的受光像素区域22的受光像素的像素信号的量化值。另外，在取得了量化值之后，为了使黑色电平一致而从取得的量化值中减去平均值。
通过上述处理，在受光像素的AD转换中，由于可使实际偏移电平与基准信号的初始信号电平一致，因此能够保持使最大量化数和实际量化数相等的状态除去暗电流分量。因此，能够防止由于温度变化而导致AD转换时的分辨率下降。由此，能以高清晰度得到图像质量高的摄像图像。
另外，基准信号调整部16通过在设定基准信号的初始信号电平时在计算出的平均值上增加裕度，可以防止由于遮光像素的像素信号的量化值的偏差而引起黑色电平溃败。该裕度远远小于以往为补偿由于暗电流的温度变化产生的偏差而设置的裕度。
另外，为了补偿遮光像素的像素信号的量化值的偏差范围而需要的裕度由于按照每个基准信号的斜率(增益)而发生变化，因此可以按照每个基准信号的斜率设定该裕度。例如，如果基准信号的斜率陡峭，则在计数器13上增加的裕度少，如果斜率和缓则增加较多。
接着，说明第二实施方式的固体摄像元件。
在使用了计数型的列AD转换器的固体摄像元件中，公知有通过恒定电流产生电路生成基准信号，但是即使在该情况下，通过以下构成也能够不降低AD转换时的分辨率而除去暗电流分量。
图6是表示第二实施方式的固体摄像元件的主要部分的构成的图。
对与第一实施方式的固体摄像元件10相同的构成要素标有相同符号并省略说明。
第二实施方式的固体摄像元件10a具有两个生成基准信号的电路。即，具有DA转换器11a和恒定电流产生电路11b。
DA转换器11a在基准信号调整部16a的控制下生成使用在遮光像素的AD转换上的基准信号。另外，由于使用在遮光像素的AD转换中，因此该DA转换器11a可以分辨率较低，能够以较小的电路规模实现。
恒定电流产生电路11b生成使用在受光像素的AD转换上的基准信号。
基准信号调整部16a以遮光像素的AD转换所取得的量化值的平均值为基础，来设定恒定电流产生电路11b的初始信号电平。
下面，说明第二实施方式的固体摄像元件10a的动作。
图7是说明第二实施方式的固体摄像元件的AD转换处理的流程图。
首先，基准信号调整部16a将计数器13的计数初始值设定为0，并且将基准信号的初始信号电平设定为0V(步骤S10)。
然后，通过未图示的读出电路，首先从图2所示的遮光像素区域21读出遮光像素的像素信号(步骤S11)，并通过AD转换取得量化值(步骤S12)。
图8是说明遮光像素的像素信号的AD转化情况的图。
纵轴是电压[V]，横轴是计数器13的计数值。
在AD转换中，DA转换器11a从0V随着计数值生成以固定的斜率增加的基准信号。另外，基准信号的斜率由基准信号调整部16a设定。当遮光像素的像素信号输入到比较器12时计数器13开始计数。然后，将以该计数值为基础由DA转换器11a生成的基准信号与由比较器12输入的遮光像素的像素信号进行比较。当基准信号与像素信号的值一致时，锁存电路14将此时的计数值保持为被输入的像素信号的量化值。
另外，在遮光像素的像素信号的AD转换时，恒定电流产生电路11b断开。
接着，平均值计算部15取得来自各个锁存电路14的遮光像素的像素信号的量化值，并计算出该平均值(步骤S13)。
基准信号调整部16a将计数器13的计数初始值设置为0，并将计算出的平均值中的基准信号的信号电平(遮光像素的平均信号电平)设定为由恒定电流产生电路11b生成的基准信号的初始信号电平(步骤S14)。
接着，进行受光像素的读出(步骤S15)，接通恒定电流产生电路11b(步骤S16)，并通过AD转换取得受光像素的量化值(步骤S17)
图9是说明受光像素的像素信号的AD转换情况的图。
纵轴是电压[V]，横轴是计数器13的计数值。
恒定电流产生电路11b从由基准信号调整部16a设定的初始信号电平生成以固定的斜率增加的基准信号。
使用这样设定的基准信号，通过比较器12以及锁存电路14取得图2所示的受光像素区域22的受光像素的像素信号的量化值。另外，与第一实施方式的固体摄像元件10不同，由于计数值从0开始计数，因此不需要从取得的量化值中减去平均值。
根据如上所述的处理，在受光像素的AD转换中，由于可使实际偏移电平与基准信号的初始信号电平一致，因此能够保持使最大量化数与实际量化数相等的状态而除去暗电流分量。因此，能够防止由于温度变化而降低AD转换时的分辨率。由此，能以高清晰度得到高图像质量的摄像图像。
另外，基准信号调整部16通过在基准信号的初始信号的设定时在计算出的平均值上增加裕度，可以防止由于遮光像素的像素信号的量化值的偏差或者DA转换器11a的调整界限而引起黑色电平溃败。该裕度远远小于以往为补偿由于暗电流的温度变化产生的偏差而设置的裕度。
另外，为了补偿遮光像素的像素信号的量化值的偏差范围而需要的裕度由于按照每个基准信号的斜率(增益)而发生变化，因此可以按照每个基准信号的斜率设定该裕度。例如，如果基准信号的斜率陡峭则增加的裕度少，如果斜率和缓则增加较多。
另外，在上述第一以及第二实施方式的固体摄像元件10、10a中，在动画摄像时等的情况下，前面所述的基准信号的初始信号电平的设定可以按帧进行。例如，在帧的像素信号的读出的起始进行。或者在帧的最后进行，使用该初始信号电平进行下一帧的受光像素的AD转换。
另外，在帧间的温度变化小的情况下，为了缩短处理时间，可以每隔规定帧数进行一次(例如每30帧一次等)。
另外，图2示出了遮光像素区域21位于像素阵列20的上侧的情况，但是例如可以位于下侧。
图10是表示一例遮光像素区域被设定在多个位置时的像素阵列的图。
像素阵列30在上下配置遮光像素区域31a、31b以夹持受光像素区域32。在这样的像素阵列30的情况下，例如通过从上侧和下侧两个方向的遮光像素的像素信号计算出平均值，能够更准确地估测暗电流分量。除此之外，使用了包围受光像素区域32的遮光像素区域的情况也能够适用本发明。
关于上述仅表示了本发明的原理。并且，对于本领域技术人员来说能够进行更多的变形和改变，本发明并不限定于上述示出并说明的正确的构成以及应用例，对应的所有的变形例以及等价物也视为权利要求及其等价物的本发明的范围。

Claims (19)

1.一种固体摄像元件，使用了按照像素阵列的每个列而设置的模拟数字转换器，所述固体摄像元件的特征在于，包括：
基准信号生成部，生成从规定的初始信号电平以固定的斜率增加的基准信号；
比较部，对所述基准信号和像素信号进行比较；
计数部，进行与所述基准信号的增加同步的计数；
保持部，将所述基准信号和所述像素信号一致时的计数值保持为所述像素信号的量化值；
平均值计算部，计算出从多个遮光像素读出的所述像素信号的所述量化值的平均值；以及
基准信号调整部，以所述平均值为基础，设定与从受光像素读出的所述像素信号进行比较的所述基准信号的所述初始信号电平。
2.如权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，
所述基准信号生成部具有以所述计数值为基础生成所述基准信号的数字模拟转换器，
所述基准信号调整部将所述平均值设定为所述计数部的计数初始值，将所述平均值中的所述基准信号的信号电平设定为所述受光像素读出时的所述初始信号电平。
3.如权利要求2所述的固体摄像元件，其特征在于，
所述基准信号调整部设定在所述平均值上增加了规定裕度的所述计数初始值。
4.如权利要求3所述的固体摄像元件，其特征在于，所述基准信号调整部根据所述基准信号的斜率设定所述裕度。
5.如权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，
所述基准信号生成部包括：在所述像素信号从所述遮光像素读出时生成所述基准信号的数字模拟转换器、以及在所述像素信号从所述受光像素读出时生成所述基准信号的恒定电流产生电路，
所述基准信号调整部以所述平均值为基础，来设定由所述恒定电流产生电路生成的所述基准信号的所述初始信号电平。
6.如权利要求5所述的固体摄像元件，其特征在于，
所述基准信号调整部以在所述平均值上增加规定的裕度而得到的值为基础来设定所述初始信号电平。
7.如权利要求6所述的固体摄像元件，其特征在于，所述基准信号调整部根据所述基准信号的斜率来设定所述裕度。
8.如权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，所述初始信号电平的设定在每帧的所述受光像素开始读出前进行。
9.如权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，所述初始信号电平的设定每隔规定帧数进行一次。
10.如权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，
所述平均值计算部计算出比受光像素区域先读出的遮光像素区域中的所述平均值。
11.如权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，
所述平均值计算部计算出配置在所述像素阵列的多个位置的遮光像素区域中的所述平均值。
12.一种固体摄像元件的暗电流分量除去方法，其特征在于，
对从像素阵列读出的遮光像素的像素信号与同计数值同步并从规定的初始信号电平以固定的斜率增加的基准信号进行比较，以一致时的所述计数值为基础，取得所述遮光像素中的所述像素信号的量化值，
计算出多个所述遮光像素的所述量化值的平均值，
以所述平均值为基础，设定与从所述像素阵列读出的受光像素的所述像素信号进行比较的所述基准信号的所述初始信号电平，
对以所述平均值为基础而设定的所述初始信号电平的所述基准信号与所述受光像素的所述像素信号进行比较，以一致时的所述计数值为基础来取得在所述受光像素中的所述像素信号的所述量化值。
13.如权利要求12所述的暗电流分量除去方法，其特征在于，在所述平均值上增加规定的裕度。
14.如权利要求13所述的暗电流分量除去方法，其特征在于，根据所述基准信号的斜率设定所述裕度。
15.如权利要求12所述的暗电流分量除去方法，其特征在于，所述初始信号电平的设定在每帧的所述受光像素开始读出前进行。
16.如权利要求12所述的暗电流分量除去方法，其特征在于，所述初始信号电平的设定每隔规定帧数进行一次。
17.如权利要求12所述的暗电流分量除去方法，其特征在于，计算出比受光像素区域先读出的遮光像素区域中的所述平均值。
18.如权利要求12所述的暗电流分量除去方法，其特征在于，
计算出配置在所述像素阵列的多个位置的遮光像素区域中的所述平均值。
19.一种固体摄像元件，使用了按照像素阵列的每列而设置的模拟数字转换器，所述固体摄像元件的特征在于，包括：
计算部，从所述像素阵列读出遮光像素，计算出通过所述模拟数字转换器转换后的遮光像素的量化值；以及
边界值计算部，以由所述计算部计算出的所述遮光像素的所述量化值的平均值为基础，来设定与从受光像素读出的像素信号进行比较的基准信号的初始信号电平。
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