CN101621632A

CN101621632A - 成像系统以及驱动所述成像系统的方法

Info

Publication number: CN101621632A
Application number: CN200910151324A
Authority: CN
Inventors: 桥本诚二; 太田径介; 繁田和之
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2009-06-30
Publication date: 2010-01-06
Anticipated expiration: 2029-06-30
Also published as: US20130033630A1; US8310576B2; US20090322903A1; JP2010016416A; CN101621632B; US8553119B2; JP5188292B2

Abstract

本发明公开了一种成像系统以及驱动所述成像系统的方法。本发明的目的在于提供一种能够改善S/N比率并且增加动态范围的成像系统以及一种适合于所述改善和增加的成像系统的驱动方法。该成像系统包括：固态成像器件，其具有按矩阵布置的多个像素、各自与所述像素的一列对应的列放大器、以及用于输出基于所述列放大器所进行的放大的图像信号的输出部；和信号处理部，用于接收所述图像信号，其中，所述列放大器按大于1的增益q对从所述像素输出的信号进行放大，并且所述信号处理部将基于按增益q所放大的信号的图像信号乘以小于1的因子。

Description

成像系统以及驱动所述成像系统的方法

技术领域

[0001]本发明涉及一种成像系统以及一种驱动所述成像系统的方法，具体地说，涉及动态范围的增加和S/N比率的改善。

背景技术

[0002]对于固态成像器件，需要改善S/N比率并且增加动态范围。日本专利申请特开No.2004-015701描述了这样的情况：为了满足这种需要，对于按矩阵布置的像素的每一列提供用于检测图像信号的电平的检测电路和放大器电路，以基于像素控制图像信号的增益。这样允许在保持S/N比率的情况下增加动态范围。

[0003]日本专利申请特开No.H06-070222描述了一种放大器电路，它用于放大从成像器件输出的信号。对于相对亮的区域中的信号，使用其中对来自成像器件的输出信号进行模拟-数字转换的数据来执行合成。对于相对暗的区域中的信号，使用其中对以较高放大率所放大的信号进行模拟-数字转换的数据来执行镶嵌式合成(inlaysynthesis)。根据该申请，这样允许有效使用成像器件的动态范围。

[0004]然而，在日本专利申请特开No.2004-015701中所公开的技术中，对于每一列像素提供用于检测来自像素的像素信号的检测电路，这增加了固态成像器件所占用的面积。此外，对于每一像素执行检测，这导致功率消耗的增加。

[0005]另一方面，在日本专利申请特开No.H06-070222中所公开的技术中，从成像器件输出的信号的S/N比率不改变。成像器件自身的动态范围也未增加。

发明内容

[0006]鉴于以上问题而做出本发明，并且本发明的目的在于提供一种能够改善S/N比率和增加动态范围的成像系统、以及一种驱动适合于该目的的成像系统的方法。

[0007]作为本发明第一方面的成像系统包括：固态成像器件，其具有按矩阵布置的多个像素、各自与所述像素的一列对应地被提供的列放大器、以及用于输出基于所述列放大器所进行的放大的图像信号的输出部；和信号处理单元，用于接收所述图像信号，其中，所述列放大器按大于1的增益q对从所述像素输出的信号进行放大，以及所述信号处理单元按小于1的因子对基于按增益q所放大的信号的所述图像信号进行放大。

[0008]作为本发明另一方面的一种驱动成像系统的方法，所述成像系统包括：固态成像器件，其具有按阵列布置的多个像素、各自与所述像素的一列对应的列放大器、以及用于输出基于所述列放大器所进行的放大的图像信号的输出单元；和用于接收所述图像信号的信号处理单元，其中，所述方法包括以下步骤：由所述列放大器按大于1的增益q对从所述像素输出的信号进行放大，以及由所述信号处理单元按小于1的因子对基于按增益q所放大的信号的所述图像信号进行放大。

[0009]根据本发明，能够改善从固态成像器件输出的信号的S/N比率，并且增加固态成像器件的动态范围。

[0010]参照附图从以下示例性实施例的描述，本发明的进一步的特征将变得清楚。

附图说明

[0011]图1是根据实施例的成像器件的示意图。

[0012]图2A、图2B和图2C是描述本发明原理的图。

[0013]图3是示出根据第一实施例的固态成像器件的配置的示意图。

[0014]图4是根据第一实施例的等效电路。

[0015]图5是根据第一实施例的固态成像器件的时序图。

[0016]图6是示出根据第一实施例的成像系统的示意性框图。

[0017]图7是示出根据第一实施例的比特转换单元的配置的例子的示意图。

[0018]图8A和图8B是表示根据第一实施例的γ处理的概念的图。

[0019]图9是示出根据第二实施例的固态成像器件的配置的示意图。

[0020]图10是根据第二实施例的固态成像器件的时序图。

[0021]图11是示出根据第三实施例的固态成像器件的配置的示意图。

[0022]图12是示出根据本发明实施例的固态成像器件的配置的示意图。

[0023]图13是示出根据本发明实施例的固态成像器件的配置的示意图。

具体实施方式

[0024]以下描述本发明的原理。

[0025]图1是固态成像器件的示意图。固态成像器件1包括：其中按矩阵布置像素101的像素部10、列放大器102和输出部103。像素部10包括光电转换元件，并且还可以包括：像素输出单元，用于将光电转换元件中生成的电荷转换为用于输出的电压信号；和像素选择单元，用于选择像素101。为了简化附图，在此仅示出四个像素101。然而，在假设在固态成像器件1中存在m行和n列像素101的情况下进行以下描述。列放大器102包括：与像素101的每一列对应而提供的列放大器102。每一个列放大器102是增益可调节的。输出部103例如包括输出放大器1031，并且通过输出放大器1031将信号输出到固态成像器件1的外部。同一列上所提供的像素101通过同一垂直信号线VL连接到列放大器102。当由垂直扫描电路选择像素101时，像素101将信号输出到垂直信号线VL，并且该信号被列放大器102放大。当接通用于将列放大器102的输出节点连接到水平信号线HL的开关时，列放大器102通过输出放大器1031将信号输出到固态成像器件1的外部。定时发生器106被配置为：将信号供应给垂直扫描电路104和水平扫描电路105，并且可以供应用于控制列放大器102的增益的信号。可以在固态成像器件1外部提供定时发生器106。

[0026]图2A参照图1所示的固态成像器件1，示出在列放大器102的增益为1的情况下从固态成像器件1输出的信号分量相对于在像素101上入射的光量的关系。在图中由“信号×1”指示该关系，其中，入射光量为横坐标，而固态成像器件1的输出的幅度为纵坐标。超过Isat(×1)的入射光量使得输出饱和而达到Vsat。关于饱和电平Vsat的以下讨论可以应用于列放大器102和输出部103。在图中，虚线指示像素101中生成的像素噪声n，而长短交替的虚线指示输出部103中生成的输出噪声N。像素噪声n例如是像素中所包括的像素输出单元和像素选择单元中生成的噪声。更具体地说，在像素输出单元与垂直信号线VL上提供的恒定电流源一起构成源极跟随器电路的情况下，流过恒定电流源的电流值的时间波动可能产生像素噪声n。例如，输出噪声N包括通过对输出放大器1031进行驱动而生成的噪声。像素噪声n和输出噪声N并非总是电平恒定的，而是随时间而变化的。图2A示出在各个噪声随时间变化的情况下的最大电平。

[0027]当图2A所示的那样列放大器102具有1倍增益时，输出噪声N通常大于像素噪声n(×1)，这使得输出噪声N占主导。因为输出噪声N的影响，所以不能从固态成像器件1正确地捕获从已经接收到入射光量的像素101所输出的信号，在该信号中，信号(×1)小于输出噪声N。例如，假设从固态成像器件1所输出的输出电平是v0。在输出v0被输出的定时，噪声电平小，并且该电平可以与入射光量正确地对应，或者，尽管本来可以获得电平小于v0的输出，但由于噪声的影响而导致输出可以是v0。输出噪声N大于像素噪声n的原因在于，因为通常逐行地来扫描像素，所以输出部之前的部分是以相对低的速度来驱动且频带窄的，另一方面，输出部是以高速度来驱动且频带宽的。

[0028]在图2A中，通过列放大器102按增益G(其中，G＞1)对由用于输出信号(×1)的同一像素所输出的信号进行放大。在图2A中由信号(×G)来表示入射光量与来自固态成像器件1的输出之间的关系。信号(×G)以小于信号(×1)的入射光量的入射光量Isat(×G)而达到饱和输出Vsat。换句话说，列放大器102的增益越大，指示固态成像器件1的输出对于入射光量的直线的斜率就越陡。此外，通过改变列放大器102的增益，按增益G来放大信号分量和像素噪声n。然而，输出噪声N不取决于列放大器102的增益。为此，增加列放大器102的增益导致放大后的像素噪声n超过输出噪声N。也就是说，将列放大器102的增益设置为G，使得放大后的像素噪声n成为主导，这使得输出噪声N相对较小。相应地，可以捕获对应于入射光量的信号，其中，当列放大器102的增益为1时因为输出噪声N占主导而无法正确捕获所述信号。在图中由A来指示可以通过将列放大器102的增益设置为G而捕获信号的入射光量的范围。换句话说，固态成像器件1的动态范围增加了入射光量的范围A。

[0029]可以在从0到Ia的入射光量的范围内使用信号(×G)，并且可以在大于Ia的入射光量的范围内使用信号(×1)，然而，信号电平在Ia的入射光量处显著改变。为此，通过作为信号处理单元的外部处理电路将从固态成像器件1输出的信号(×G)乘以1/G。图2B示出以上描述。信号(×G)转变为信号(×G·1/G)，以与信号(×1)的特性一致。相似地，像素噪声n(×G)乘以1/G，以与像素噪声n(×1)一致。另一方面，将列放大器的增益乘以G不改变输出噪声N，从而通过固态成像器件1外部所提供的处理电路将输出噪声N乘以1/G允许输出噪声N变为输出噪声N(1/G)。换句话说，通过外部处理电路将输出噪声N乘以1/G在从0到Isat的入射光量的范围内减少了由于输出噪声N而导致的噪声分量，这使得信号(×G·1/G)的对于输出噪声N的S/N比率高于信号(×1)。

[0030]如图2B所示，如果Isat(×G)大于Ia，则甚至在从Ia到Isat(×G)的入射光量的范围中使用信号(×G·1/G)使得能够获得具有高S/N比率的信号。由于在直至Isat(×G)的入射光量的范围中，物体相对较暗，因此S/N比率的改善效果是显著的。

[0031]图2C是以上描述的综述。在从0到Isat的入射光量的范围中使用信号(×G·1/G)，并且在大于Isat的入射光量的范围中使用信号(×1)。当入射光量处于Isat上时，可以使用两种信号中任何一个。信号(×G·1/G)在S/N比率方面高于信号(×1)，从而期望使用信号(×G·1/G)。将关注聚焦在输出噪声和像素噪声上，像素噪声n(×1)在从0到Isat的入射光量的范围中相对于输出噪声N而占主导，而输出噪声N在大于Isat的入射光量的范围中超过像素噪声n(×1)而占主导。在其中入射光量小于图2C中的A所指示的范围中的入射光量的范围中，信号(×G·1/G)在电平方面小于像素噪声n(×1)。因此，从固态成像器件1输出的信号仅在其中入射光量大于Ib的范围中有效。如上所述，输出噪声和像素噪声具有时间波动，并且图2A、图2B和图2C示出其最大电平。连续捕获图像(比如运动图像)使得噪声分量平均化，从而使得噪声分量整体上小于像素噪声n。为此，可以识别出其中信号(×G·1/G)小于像素噪声n(×1)的范围中的一部分图像。换句话说，根据本发明，在小入射光量的范围中抑制输出噪声N带来的效果是，甚至可以将根据低于图2B中的像素噪声n(×1)的入射光量的信号识别为图像。

[0032]以上描述了按两种增益来对从像素输出的信号进行放大。然而，根据本发明的构思，明显的是，可以按三种或更多种的增益来对从像素输出的信号进行放大。由此，能够在宽的入射光量范围上提高S/N比率。

[0033]虽然以上例子示出将列放大器102的放大率设置为1和G，但应理解，放大率的组合方式并不是受限的。例如，放大率可以是2与16的组合或0.5与4的组合。

[0034]在以上描述中，按G倍放大的信号乘以1/G，也就是说，按G倍放大的信号乘以列放大器的增益的倒数(inverse number)。执行该操作，以使得按不同增益放大的两个信号的特性彼此一致(从而特性在图2A、图2B和图2C中遵循相同直线)。然而，这并不意味着必须将信号乘以1/G。如果例如通过列放大器102按2倍和16倍的增益对信号进行放大，则按16倍增益放大的信号乘以1/8，以允许其特性与另一信号的特性一致。或者，按2倍增益放大的信号可以乘以1/2，并且按16倍增益放大的信号可以乘以1/16，以使得它们的特性彼此一致。

[0035]可以在没有两个信号的前述特性之间的一致性的情况下实现增加动态范围并且改善S/N比率的目的。即使在按1倍增益和G倍增益放大的两个信号之中，按G倍增益放大的信号不乘以1/G，而是例如乘以1/(2G)，也可以减少输出噪声N，以使得能够提高动态范围并且改善S/N比率。然而，在此情况下，在图2C中特性在Isat(×G)处变为不连续的(引起偏移)，从而期望执行偏移校正。

[0036]为了概括以上描述，获得通过列放大器按增益p和增益q放大的从像素所输出的信号。其中，p＜q，并且1＜q。基于按较高增益q放大的信号的、从固态成像器件输出的图像信号经受小于1的乘法。由此，提高了动态范围，并且改善了S/N比率。

[0037]小于1的因子被取作P/q，以使得特性能够与按增益p放大的信号的特性一致。如果按增益p放大的信号进一步乘以因子r，则小于1的因子被取作(p/q)×r，以使得两个信号的特性能够彼此一致。换句话说，小于1的因子可以是具有p/q作为约数的值。

[0038]为了进行比较，研究日本专利申请特开No.H06-070222中所公开的技术。在日本专利申请特开No.H06-070222中，在成像器件外部提供用于放大信号的单元。这意味着，图2A、图2B和图2C中的输出噪声N也被放大，从而未改善S/N比率，并且也未提高动态范围。

[0039](第一实施例)

[0040]图3是示出根据本发明第一实施例的固态成像器件的配置的例子的示意图。以相同的标号来表示与图1相同的组件。固态成像器件1在输出部103中包括信号存储单元107。

[0041]图4是更详细地示出包括图3中从像素101到输出放大器1031的配置的等效电路图。

[0042]像素101包括：光电二极管PD，其为光电转换元件；和传送单元，用于将光电二极管中存储的电荷传送到形成像素输出单元SF的MOS晶体管的栅极端子。作为像素输出单元SF的输入部的栅极端子通过复位部RES连接到电源VDD。像素输出单元SF的源极端子通过像素选择单元SEL连接到列放大器102的输入电容器C0的一个端子，并且连接到恒定电流源Iconst。

[0043]列放大器102包括运算放大器Amp。运算放大器Amp的反转输入端子连接到输入电容器C0的另一端子。反馈电容器C1、C2和C3被提供为：通过开关将运算放大器Amp的反转输入端子连接到其输出端子。此外，提供开关，以用于将运算放大器Amp的反转输入端子短路到其输出端子。运算放大器的非反转输入端子被提供有电源Vref。从像素101输出到垂直信号线VL的信号按如下增益被放大，其中，由连接到运算放大器Amp的反馈路径的反馈电容器C1、C2和C3的电容值对于输入电容器C0的电容值的比率来确定所述增益。在这种情况下，反馈电容器C1、C2和C3的电容值分别取为输入电容器C0的电容值乘以1、1/8和1/16。也就是说，在本实施例中，每一个列放大器被配备有具有可变增益的列放大电路。如稍后将描述的那样，输入电容器C0减少了能归因于像素的噪声。在此，对其输入信号的开关、输入电容器C0和运算放大器Amp共同被看作第一相关双采样(correlated double sampling，CDS)电路。

[0044]有选择地将列放大器102所放大的信号传送到存储电容器CTS1、CTN1、CTS2和CTN2，并且将信号存储在其中。存储电容器CTS1和CTS2存储基于通过光电二极管PD进行光电转换所获得的电荷的信号。存储电容器CTN1和CTN2存储基于像素输出单元SF的复位的信号。存储电容器CTS1、CTN1、CTS2和CTN2连接到彼此不同的水平信号线HLn(n是1至4)。存储电容器CTS1和CTN1中存储的信号通过开关分别连接到差分放大器DAmp1的不同输入端子。存储电容器CTS2和CTN2中存储的信号通过开关分别连接到差分放大器DAmp2的不同输入端子。当从水平扫描电路105输入信号

......时，通过水平信号线将存储电容器CTS1、CTN1、CTS2和CTN2中存储的信号输入到对应差分放大器。差分放大器DAmp1输出存储电容器CTS1与CTN1中存储的信号之间的差。差分放大器DAmp2输出存储电容器CTS2与CTN2中存储的信号之间的差。存储电容器和差分放大器共同被看作第二CDS电路。第二CDS电路减少了能归因于列放大器的偏移。

[0045]以下参照图5描述本实施例的操作。在此使用反馈电容器C1和C2。各个电容值被取为等于输入电容器C0的电容值的1和1/8倍。以下描述按1倍增益和8倍增益放大信号的情况。分别以

和

来表示输入到图4中TX、RES和SEL所指示的开关的信号。当相应信号处于高电平时，接通每个开关。分别以和

来表示施加到位于反馈电容器C1、C2和C3与运算放大器Amp的反转输入端子之间的开关的信号。当信号处于高电平时，接通每个开关。分别以

和来表示施加到位于存储电容器CTS1、CTN1、CTS2和CTN2与列放大器102的输出端子之间的开关的信号。当信号处于高电平时，接通开关。

[0046]在时间t0，将除了信号

和之外的信号变为高电平。信号转变为高电平使得像素选择单元SEL变为导通状态，从而将像素输出单元的源极端子电连接到恒定电流源Iconst，以形成源极跟随器电路。由此，允许与像素输出单元SF的栅极端子的电位对应的电平出现为垂直信号线VL上的信号。信号在该定时为高电平，因而在垂直信号线VL上出现与复位像素输出单元SF的栅极端子的状态对应的电平。此外，通过将信号

和

变成高电平，运算放大器Amp的反转输入端子和输出端子被短路，并且复位反馈电容器C1、C2和C3。因为运算放大器Amp的虚接地，所以反馈电容器C1和C2的两端子的电位可以被看作与电源Vref相同的电位。由于信号

和

为高电平，所以由运算放大器Amp的输出对存储电容器CTN1、CTS1、CTN2和CTS2进行复位。

[0047]信号

在时间t1转变为低电平释放了对像素输出单元SF的栅极端子进行复位的状态。与释放复位状态一起生成的噪声分量产生像素噪声n。

[0048]信号

和

在时间t2转变为低电平使得与之对应的开关不导通。

[0049]此后，信号

在时间t3转变为低电平释放了运算放大器的输入端子和输出端子之间的短路。在输入电容器C0处由电源Vref来对与像素输出单元SF的栅极端子的复位对应的电平进行箝位。

[0050]通过将信号

和

在时间t4转变为高电平并且将信号

在时间t5转变为低电平，列放大器102在此时的输出被存储在存储电容器CTN1中。此时的信号

处于高电平，所以仅反馈电容器C1电连接到运算放大器Amp的反馈路径。换句话说，列放大器102的增益变为C0/C1＝C0/C0＝1。存储电容器CTN1中存储的信号包括能归因于列放大器102的偏移分量。

[0051]通过信号

在时间t6转变为低电平之后信号

在时间t7转变为高电平，仅将反馈电容器C2电连接到运算放大器Amp的反馈路径。也就是说，列放大器102的增益变为C0/C2＝C0/(C0/8)＝8。

[0052]在信号

在时间t7脉冲形状变为高电平之后并且当信号

变为低电平时，在存储电容器CTN2中存储包括能归因于列放大器102的偏移分量的信号。

[0053]当信号

在时间t8变为高电平时，将光电二极管PD中存储的电荷传送到像素输出单元SF的栅极端子。因此，在像素输出单元SF的栅极端子处的电位改变，这使得垂直信号线VL上出现的电平发生改变。由于输入电容器C0在这一点处于浮动状态，因此仅相对于垂直信号线VL上在时间t1所箝位的电平的电位差被输入到运算放大器Amp的反转输入端子。在箝位电容器之前所生成的噪声分量之中，可以通过箝位操作来减少具有在时间t3在垂直信号线VL上的电平和在时间t8或之后在垂直信号线VL上的电平之间的相关性的噪声分量。因此，基于光电转换的信号被输入到运算放大器Amp。由于流入恒定电流源Iconst的电流中的波动以及像素输出单元SF中生成的噪声(称为1/f噪声)在时间t1与时间t8之间是不同的(彼此不相关)，因此无法通过箝位操作来减少它们。在本实施例中，没有相关性的噪声分量与像素噪声n对应。

[0054]在时间t8在运算放大器Amp的反馈路径中仅存在具有输入电容器C0的电容值乘以1/8的电容值的反馈电容器C2，这意味着基于光电转换的信号按8倍增益被放大。信号

在时间t8脉冲形状转变为高电平并且随着信号

转变为低电平，在存储电容器CTS2中存储通过列放大器102按8倍增益放大的信号。存储电容器CTS2中存储的信号包括能归因于列放大器102的偏移分量，如在存储电容器CTN2的情况那样。

[0055]在信号

在时间t9变为低电平之后，当信号

在时间t10变为高电平时，仅将反馈电容器C1连接到运算放大器Amp的反馈路径。由于反馈电容器C1的电容值等于输入电容器C0的电容值，因此输入到列放大器102的信号按1倍增益被放大。

[0056]当信号

在时间t10变为高电平并且然后变为低电平时，在存储电容器CTS1中存储其中垂直信号线VL上出现的电平按1倍增益被放大的信号。存储电容器CTS1中存储的信号包括能归因于列放大器102的偏移分量，如在存储电容器CTN1的情况那样。

[0057]在上述操作之后，当信号

变为低电平时释放像素101的选择状态。

[0058]根据信号

从时间t11向高电平的依次转变，通过差分放大器DAmp1和DAmp2从一行的各像素依次输出信号。存储电容器中存储的信号包括能归因于列放大器102的偏移分量，因此，可通过由差分放大器获得差来减小偏移分量。差分放大器DAmp1输出按1倍增益放大的信号S1，差分放大器DAmp2输出按8倍增益放大的信号S2。信号S1和S2包括前述输出噪声N。信号S1和S2与图2A、图2B和图2C中的输出V对应。

[0059]在本实施例中，在每一列上提供列放大器102使得能够并行处理一行的各像素。换句话说，可以通过比输出放大器1031低的速度来驱动列放大器，产生的优点是，列放大器较不容易变为噪声源。

[0060]以下，描述如何处理从固态成像器件输出的信号。图6是示出使用固态成像器件1的成像系统100的配置的例子的框图。

[0061]从固态成像器件1的差分放大器DAmp1和DAmp2输出的信号S1和S2被输入到与之对应的增益校正电路110。增益校正电路110使得从固态成像器件1输出的信号经受增益校正处理。例如，由于制造条件的离差而导致确定列放大器102的增益的电容值(例如输入电容器C0和反馈电容器C1和C2)有时偏离于设计值。增益校正电路110对归因于这种离差的增益误差进行校正。可以基于存储器中先前存储的校正值来校正增益误差。如果增益误差是可忽略的，则可以省略增益校正电路110。

[0062]由模拟-数字转换器(ADC)120将增益校正电路110所处理的信号转换为数字信号。

[0063]从ADC 120输出的数字信号被输入到比特转换单元130，以用于被称为比特转换的处理。稍后将详细描述比特转换。

[0064]例如，从比特转换单元130输出的信号在数字信号处理器(DSP)140中经受γ(伽马)校正，并且其后显示在显示器150上，并且被存储在记录单元160中。在本实施例中，信号处理部包括增益校正电路110、ADC 120、比特转换单元130和DSP 140。

[0065]例如，显示器150是例如在数码相机中提供的电子取景器(EVF)的显示单元。

[0066]记录单元160可以是可拆卸记录介质(例如半导体存储器或磁光盘)或固连到系统的记录介质。

[0067]CPU 170是用于控制整个成像系统100的电路，用来设置例如包括在固态成像器件1中的定时发生器106和增益校正电路的操作定时。

[0068]图7是示出比特转换单元130的配置的例子的示意图。ADC 120-1和ADC 120-2中的每一个具有12比特分辨率。待从其中输出的数据分别被称为DATA1和DATA2。在以下描述中，增益G取为8。在DATA1、DATA2和DATA3中，其Da11、Db11和Dc14分别被取为最高有效位。在图7中，Da0至Da11以及Db0至Db11表示数据DATA1和DATA2的每一比特的输出端子。Dc0至Dc14表示比特转换单元130中的每一比特的输入端子和输出端子。

[0069]比特转换单元130被配置为：将作为12比特数据的DATA1和DATA2有选择地转换为15比特数据，并且输出它们，以及比特转换单元130具有将列放大器102中按8倍增益放大的信号乘以该增益的倒数的功能。

[0070]更详细地描述比特转换单元130的操作。基于按1倍增益放大的信号的数据DATA1满足图2C中信号(×1)所示的特性。基于按G倍增益放大的信号的数据DATA2满足图2C中信号(×G)所示的特性。假设数据DATA2是饱和的，即，数据DATA2的所有比特串都是1。通常，低于图2A、图2B和图2C中固态成像器件的输出的饱和电平Vsat的信号电平取为AD转换器的最大值(即饱和电平)。这是因为，尽管为了简化图2A、图2B和图2C中的描述，将输出电平相对于入射光量的特性看作直至饱和电平的直线，然而实际上，这种特性在入射光量Isat的附近是弯曲的。

[0071]如果数据DATA2饱和，则将信号

输入到开关组SW，其将比特转换单元130中的数据输入端子Dc0至Dc14之中的数据输入端子Dc3至Dc11连接到数据DATA1的较低比特Da0至Da8。数据输入端子Dc0至Dc2连接到恒定比特输入端子CNST。恒定比特输入端子CNST所给出的比特可以是0或1。因此，通过将开关组SW连接到端子“a”，执行等同于将3比特冗余比特添加到数据DATA1的低比特侧的操作。由于所添加的3个较低比特电平太小而由于输出噪声N而无法被捕获，因此所添加的3个较低比特无论它们是0还是1都对图像的影响非常小。

[0072]如果数据DATA2不饱和，即，数据DATA2的比特串中包括0，则将信号输入到开关组SW，其将数据输入端子Dc0至Dc11连接到数据DATA2的Db0至Db11。数据DATA1的Da9至Da11连接到数据输入端子Dc12至Dc14。基于按数据DATA1的增益的8倍高的增益放大的信号的数据DATA2使得在数据DATA2不饱和的光量的范围中数据DATA1的值等于数据DATA2的1/8。换句话说，在Da9至Da11处的比特将总是为零。为此，通过将为零的3比特冗余比特添加到12比特数据DATA2的高阶比特，将在数据DATA2不饱和的情况下的比特转换器130的输出数据DATA3转换为15比特。换句话说，使得输出数据DATA3在电平方面比数据DATA1的信号小3比特(1/2的立方＝1/8)，这与图2C所指示的×1/G(其中，×1/8)的操作是同义的。

[0073]上述操作使得比特转换器130总是提供适当的信号。也就是说，在按较高增益放大的信号不饱和的范围中，基于按较高增益被放大的信号来输出数据，以及在按较高增益被放大的信号饱和的范围中，基于按较低增益被放大的信号来输出数据。在图7中，虽然示出适用于两个数据DATA1和DATA2之间的增益差是8倍的情况的比特转换器的配置的例子，但比特转换器可以被配置为适用于增益差不是8倍的情况。可以由列放大器102设置多个增益差。可以扩展图7所示的配置，从而省略详细配置。

[0074]将讨论添加到数据DATA1和DATA2的冗余比特的长度。数据DATA1是基于按增益p放大来自像素的信号所获得的信号的，数据DATA2是基于按增益q放大来自像素的信号所获得的信号的，其中，p＜q，并且1＜q。数据DATA2对于入射光量的幅度是数据DATA1的q/p倍大。将添加到两个数据的冗余比特的比特数量取为q/P比特使得两个数据的特性能够彼此一致(这意味着所述特性在图2A、图2B和图2C中遵循相同的直线)。

[0075]与比特转换单元130对应的功能块无需以图6所示的相同方式与其它构成元件相连。例如，在由ADC 120对信号进行AD转换之前，信号S2可以乘以1/8。

[0076]以下描述数字信号处理器140执行的伽马(γ)校正的操作。图8A是示出入射光量与固态成像器件1的输出(传感器输出)之间的关系的图。图8B是示出传感器输出与γ值之间的关系的图。

[0077]如对于图2A、图2B和图2C的情况那样，图8A示出，列放大器102的增益越大，达到饱和输出的入射光量就越小。图8B示出被取作输入的图8A中的传感器输出所乘以的γ值。纵坐标指示通过增益校正电路110、ADC 120和比特转换器130输入到DSP的数据。横坐标指示输入数据的γ值。为了方便，将其示出为传感器输出。

[0078]以下讨论具有入射光量I1的光所入射的像素。假设入射光量I1具有由列放大器102按8倍增益放大而不使输出饱和的水平。根据前面描述，入射光量I1使用乘以高增益的信号。图8A示出，当基于入射光量I1的信号乘以8倍增益时，固态成像器件的输出变为v1(输出A)。此外，当在入射光量I2处列放大器102所乘以的增益为1时，传感器输出变为v1(输出B)。也就是说，甚至当入射光量是不同的时，取决于列放大器102所乘以的增益的值，传感器输出有时处于相同电平。

[0079]如果传感器输出处于相同电平，则传感器输出所乘以的γ值通常是相同的。换句话说，当入射光量为I1并且列放大器102具有8倍增益时所获得的传感器输出v1以及当入射光量为I2并且列放大器102具有1倍增益时所获得的传感器输出v1乘以相同γ值(在此，γ1)。虽然传感器输出处于相同电平，但初始入射光量在输出A与B之间不同，从而将这两个传感器输出乘以相同γ值使得所获得的图像的亮度不自然。这是因为，这两个传感器输出都乘以相同的γ值，而没有考虑如下情况：与当在列放大器102中增益为8倍时所获得的传感器输出v1对应的入射光量I1小于(暗于)与当在列放大器102中的增益为1倍时所获得的传感器输出v1对应的入射光量I2。

[0080]在本实施例中，按以下方式确定γ值。当列放大器102的增益为1时所获得的信号取为S1，而当列放大器102的增益为8时所获得的信号取为S2。当入射光量是I1并且在列放大器102中增益是1时所获得的传感器输出取为v2。输出A乘以与传感器输出v2对应的γ值，这样使得能够获得自然亮图像。

[0081]在以上描述中，信号S1和S2二者都乘以具有由图8B中“×1”所表示的特性的γ值。使用具有根据列放大器102的增益的特性的γ值允许获得具有更合适的亮度的图像。例如，可以通过对输入到DSP140的DATA3的值与先前准备的查找表进行比较来确定γ值。

[0082]在本实施例中，虽然在图像信号乘以小于1的因子之后执行γ处理，但可以在图像信号乘以小于1的因子之前执行γ处理。

[0083]如上所述，根据本发明第一实施例，可以增加固态成像器件的动态范围，并且可以改善成像系统的S/N比率。此外，在DSP 140中执行乘以根据列放大器102的增益的γ值的处理允许获得合适的图像。

[0084]在本实施例中，虽然描述了其中使用对于每一个列放大器102提供的多个反馈电容器中的任何一个来确定增益的例子，但两个或更多反馈电容器可以一起电连接到运算放大器Amp的反馈路径。改变组合方式使得能够多样地切换列放大器102的增益。

[0085](第二实施例)

[0086]以下参照图9描述本发明第二实施例。本实施例与第一实施例不同之处在于，对于像素的每一列提供多个列放大器。

[0087]图9是示出从像素列提取的一个像素的示意图。在垂直信号线VL上提供两个列放大器102-1和102-2。在此，列放大器102-1和102-2的输入电容器C0电容值是相同的。列放大器102-1和102-2不同之处在于，在运算放大器Amp的反转输入端子与输出端子之间的反馈路径上提供的反馈电容器的电容彼此不同。反馈电容器C1和C2连接到列放大器102-1，反馈电容器C3和C4连接到列放大器102-2。反馈电容器C1、C2、C3和C4的电容值分别取为输入电容器C0的电容值乘以1、1/2、1/8和1/16。也就是说，在本实施例中，每一个列放大器被配备有能够设置彼此不同的增益的列放大器。如果列放大器102可以设置彼此不同的增益，则可以将列放大器设置为相同增益。存储电容器CTS1和CTS2受控于信号

存储电容器CTN1和CTN2受控于信号

[0088]以下参照图10描述本发明的操作。图10是用于关于按矩阵布置的像素之中的行上的像素从固态成像器件获得信号的时序图。由与图5相同的标号来表示输入到与图5相同的组件的信号。列放大器102-1的增益是1，列放大器102-2的增益是8。

[0089]在时间t0，将除了信号和之外的信号转变为高电平。信号

转变为高电平使得像素选择单元SEL导通，从而将像素输出单元的源极端子电连接到恒定电流源Iconst，以形成源极跟随器电路。由此，与像素输出单元SF的栅极端子的电位对应的电平出现作为垂直信号线VL上的信号。信号

在该定时为高电平使得在垂直信号线VL上出现与复位像素输出单元SF的栅极端子的状态对应的电平。此外，处于高电平的信号和

使得在运算放大器Amp的反转输入端子与输出端子之间短路，并且复位反馈电容器C1、C2、C3和C4。因为运算放大器Amp的虚接地，所以跨越反馈电容器C1和C3的两个端子的电位可以被看作与电源Vref相同的电位。信号

和

为高电平使得运算放大器Amp的输出对存储电容器CTN1、CTS1、CTN2和CTS2进行复位。

[0090]信号

转变为低电平释放对像素输出单元SF的栅极端子进行复位的状态。与释放复位状态一起生成的噪声分量产生像素噪声n。

[0091]信号

和

在时间t2转变为低电平使得与之对应的开关不导通。

[0092]信号在时间t3转变为低电平释放运算放大器的输入端子和输出端子之间的短路。由此，在输入电容器C0处由电源Vref来对与像素输出单元SF的栅极端子的复位对应的电平进行箝位。

[0093]信号

和

在时间t4转变为高电平以及信号在时间t5转变为低电平，在这一点在存储电容器CTN1中存储列放大器102-1的输出以及在存储电容器CTN2中存储列放大器102-2的输出。存储电容器CTN1和CTN2中存储的信号包括能归因于列放大器102的偏移分量。

[0094]信号

在时间t6转变为高电平将光电二极管PD中存储的电荷传送到像素输出单元SF的栅极端子。由此，在像素输出单元SF的栅极端子处的电位改变，从而改变垂直信号线VL上出现的电平。由于输入电容器C0此时漂移，因此垂直信号线VL上的仅相对于在时间t1所箝位的电平的波动部分被输入到运算放大器的反转输入端子。换句话说，可以通过箝位操作来减少在箝位电容器之前生成的噪声分量，并且基于光电转换的信号被输入到运算放大器Amp。在本实施例中，如上所述的没有相关性的噪声分量残留作为像素噪声n。

[0095]信号

在时间t7脉冲形状转变为高电平。信号

转变为低电平使得在存储电容器CTS1中存储从列放大器102-1输出的信号，以及在存储电容器CTS2中存储从列放大器102-2输出的信号。存储电容器CTS1和CTS2中存储的信号包括能归因于对应列放大器102的偏移分量，如关于存储电容器CTN1和CTN2的情况那样。

[0096]此后，信号

和

转变为低电平并且然后信号

在时间t8转变为低电平，从而释放像素101的选择状态。

[0097]信号

在时间t9依次转变为高电平使得通过差分放大器DAmp1和DAmp2从一行的各像素输出信号。存储电容器中存储的信号包括能归因于列放大器102的偏移分量，从而获得差的差分放大器允许减少偏移分量。差分放大器DAmp1输出按1倍增益放大的信号S1，差分放大器DAmp2输出按8倍增益放大的信号S2。信号S1和S2包括前述输出噪声N。

[0098]在本实施例中，在每一列中提供列放大器102使得能够并行处理一行部分的像素。换句话说，可以通过比输出放大器1031低的速度来驱动列放大器，产生的优点是，列放大器较不容易变为噪声源。

[0099]可以按与第一实施例相同的方式来处理从固态成像器件1输出的信号。

[00100]根据本实施例，可以提高固态成像器件的动态范围，并且可以改善成像系统的S/N比率。此外，在DSP 140中执行乘以根据列放大器102的增益的γ值的处理允许获得合适的图像。尤其对于本实施例，在垂直信号线VL上提供增益不同的多个列放大器带来的优点是，可以并行处理像素，这适合于高速操作。

[00101](第三实施例)

[00102]参照图11描述可以应用本发明的另一实施例。

[00103]图11是示出根据本实施例从像素部提取的一列的一部分的示意图。虽然将四个像素示出为像素部的一列部分，但本实施例不限于这个数量。在本实施例中，按矩阵布置包括光电二极管PD和传送部TX的像素。通过响应于信号而接通传送部TX，将光电二极管PD中存储的电荷传送到垂直CCD电路VCCD，并且响应于垂直传送脉冲(未示出)，电荷依次被传送到缓冲器单元buf。缓冲器单元buf是电荷至电压转换部，用于将从垂直CCD电路VCCD传送的电荷转换为电压。缓冲器单元buf的输出被输入到列放大器102。列放大器102和输出部103可以具有与以上描述相同的配置。

[00104]信号在缓冲器单元buf中转变为高电平，从而对缓冲器单元buf的输入部进行复位。在从垂直CCD电路VCCD传送后续像素的电荷之前，需要进行复位。在本实施例中，在缓冲器单元buf中生成与像素噪声n对应的噪声。

[00105]此外，在本实施例中，使用两个存储电容器CTS和CTN以及差分放大器DAmp允许减少能归因于缓冲器单元buf的偏移分量以及能归因于列放大器102的偏移分量。

[00106]在本实施例中，在每一列中提供列放大器102使得能够并行处理一行部分的各像素。换句话说，可以通过比输出放大器1031低的速度来驱动列放大器，产生的优点是，列放大器较不容易变为噪声源。

[00107]可以按与第一实施例相同的方式来处理从固态成像器件1输出的信号。

[00108]根据本实施例，可以增加固态成像器件的动态范围，并且可以改善成像系统的S/N比率。此外，在DSP 140中执行乘以根据列放大器102的增益的γ值的处理允许获得合适的图像。尤其对于本实施例，将光电二极管PD中生成的电荷传送到垂直CCD电路VCCD带来的优点是，噪声分量较小，这样消除了对于第一实施例和第二实施例中所执行的箝位操作的需要。

[00109](其它)

[00110]可以通过各种配置来实现本发明。图12示出所述配置的一个例子。以相同的标号来表示与图3所示的固态成像器件中使用的组件相同的组件。

[00111]图12所示的固态成像器件在列放大器102的后级具有列AD部108。对于每一像素列(即对于每一个列放大器)提供AD转换器使得能够并行进行一行部分的信号的A/D转换，产生了适合于高速操作的优点。尽管图12仅示出单个水平信号线HL，然而，在实际的配置中，提供数量与列AD部的分辨率(比特数量)对应的水平信号线HL。列AD部108可以与列放大器102部分地共享。

[00112]在其中对于每一列像素提供两个列放大器的配置中，对于每一个列放大器提供AD转换器，以使得能够进行进一步更高速操作。

[00113]图13是图4所示的配置的框图。固态成像器件包括：像素部10，其中按矩阵布置像素101；和CDS电路CDS1，用于减少能归因于像素部10的噪声。固态成像器件还包括：列放大器，用于放大从第一CDS电路CDS1输出的信号；和第二CDS电路CDS2，用于减少能归因于列放大器的偏移分量。固态成像器件还包括：输出部103，用于输出从第二CDS电路CDS2输出的信号。通过第一CDS电路CDS1来减少能归因于像素部10的噪声，以使得能够有效使用列放大器102的输入侧上的动态范围。由于在列放大器102中所使用的放大器中存在归因于制造条件的离差的偏移分量，因此提供第二CDS电路CDS2对于改善图片质量是有效的。此外，在这种配置中，毋庸置疑，可以如图12所示提供列AD部。

[00114]虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围与最宽泛的解释一致，从而包括所有这样的修改和等同结构以及功能。

Claims

1.一种成像系统，包括：

固态成像器件，其具有按矩阵布置的多个像素、各自与所述像素的一列对应地被提供的列放大器以及用于输出基于所述列放大器所进行的放大的图像信号的输出部；以及

信号处理单元，用于接收所述图像信号，其中，

所述列放大器按大于1的增益q对从所述像素输出的信号进行放大，以及

所述信号处理单元按小于1的因子对基于按增益q所放大的信号的图像信号进行放大。

2.根据权利要求1的成像系统，其中，

所述信号处理单元具有用于将所述图像信号转换为数字信号的模拟-数字转换器，并且按所述小于1的因子对由所述模拟-数字转换器转换的数字信号进行放大。

3.根据权利要求1的成像系统，其中，

所述固态成像器件具有模拟-数字转换器，用于将所述图像信号转换为数字信号，以及

所述信号处理单元将由所述模拟-数字转换器转换的数字信号乘以所述小于1的因子。

4.根据权利要求3的成像系统，其中，

所述模拟-数字转换器中的每一个与所述像素的一列对应地而被布置。

5.根据权利要求2的成像系统，其中，

所述列放大器按小于增益q的增益p对从所述像素输出的信号进行放大，以及

所述信号处理单元具有比特转换器，用于通过将冗余比特添加到由所述模拟-数字转换器从基于按增益p进行的放大的图像信号所转换的数字信号，以及将冗余比特添加到由所述模拟-数字转换器从基于按增益q进行的放大的图像信号所转换的数字信号，来转换所述数字信号的比特数量。

6.根据权利要求5的成像系统，其中，

所述比特转换器将所述冗余比特添加到由所述模拟-数字转换器从基于按增益p进行的放大的图像信号所转换的数字信号的较低数位，以及将所述冗余比特添加到由所述模拟-数字转换器从基于按增益q进行的放大的图像信号所转换的数字信号的较高数位。

7.根据权利要求5的成像系统，其中，

所述冗余比特是q/p个比特。

8.根据权利要求5的成像系统，其中，

所述信号处理单元将不同的伽马值应用于基于按增益p进行的放大的图像信号和基于按增益q进行的放大的图像信号。

9.根据权利要求1的成像系统，其中，

所述多个像素中的每一个包括：

光电转换元件；

像素输出单元，用于输出基于所述像素输出单元的输入部的电压的信号；

传送单元，用于将所述光电转换元件中累积的电荷传送到所述像素输出单元的输入部；以及

复位单元，用于复位所述像素输出单元的输入部。

10.根据权利要求1的成像系统，其中，

所述固态成像器件具有第一CDS电路，用于减少能归因于所述像素的噪声，并且其噪声被所述第一CDS电路所减少的信号被输入到所述列放大器。

11.根据权利要求1的成像系统，其中，

所述输出单元具有第二CDS电路，用于减少能归因于所述列放大器的偏移。

12.根据权利要求1的成像系统，其中，

所述小于1的因子是p/q。

13.根据权利要求1的成像系统，其中，

所述因子p是1。

14.一种成像系统的驱动方法，所述成像系统包括：固态成像器件，该固态成像器件具有按阵列布置的多个像素、各自与所述像素的一列对应的列放大器以及用于输出基于所述列放大器所进行的放大的图像信号的输出单元；以及

信号处理单元，用于接收所述图像信号，其中，

所述方法包括以下步骤：

由所述列放大器按大于1的增益q对从所述像素输出的信号进行放大，以及

由所述信号处理单元按小于1的因子对基于按增益q所放大的信号的图像信号进行放大。

15.根据权利要求14的驱动方法，其中，

所述小于1的因子是p/q。

16.根据权利要求14的驱动方法，其中，

所述信号处理单元具有用于将所述图像信号转换为数字信号的模拟-数字转换器，以及按所述小于1的因子对由所述模拟-数字转换器转换的数字信号进行放大。

17.根据权利要求16的驱动方法，还包括以下步骤：

通过将冗余比特添加到由所述模拟-数字转换器从基于按增益p进行的放大的图像信号所转换的数字信号，以及将冗余比特添加到由所述模拟-数字转换器从基于按增益q进行的放大的图像信号所转换的数字信号，来转换所述数字信号的比特数量。

18.根据权利要求17的驱动方法，还包括以下步骤：

将所述冗余比特添加到由所述模拟-数字转换器从基于按增益p进行的放大的图像信号所转换的数字信号的较低数位，以及

将所述冗余比特添加到由所述模拟-数字转换器从基于按增益q进行的放大的图像信号所转换的数字信号的较高数位。

19.根据权利要求17的驱动方法，其中，

所述冗余比特是q/p个比特。

20.根据权利要求14的驱动方法，还包括以下步骤：

将不同的伽马值应用于基于按增益p进行的放大的图像信号和基于按增益q进行的放大的图像信号。