CN101969535A - 固态成像装置和相机系统 - Google Patents
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Abstract
提供了固态成像装置和相机系统。该固态成像装置包括：像素单元，其中以矩阵形状排列执行光电转换的多个像素；和像素信号读出单元，以多个像素为单位从像素单元执行像素信号的读出，所述像素信号读出单元包括执行模数(AD)转换的AD转换单元，其中所述像素信号读出单元包括多个比较器，其比较作为斜坡波的基准信号和其中提供比较器的行中的像素的读出的模拟信号电位，多个计数器锁存器，布置其以对应于多个比较器，且能够对与其对应的比较器的比较时间进行计数，当比较器的输出反转时停止计数，并存储计数的值，和调整单元，每次执行AD转换时执行基准信号的偏移调整。
Description
技术领域
本发明涉及由CMOS图像传感器代表的固态成像装置和相机系统。
背景技术
为了制造CMOS图像传感器，可以使用与一般CMOS集成电路相同的制造过程。可以由单个电源驱动CMOS图像传感器。在CMOS图像传感器中，可以在相同芯片中混合通过使用CMOS过程制造的模拟电路和逻辑电路。
因此，CMOS图像传感器具有多个显著的优点，比如可以减少外围IC的数目的优点。
作为CCD的输出电路的输出，主要使用由具有浮动扩散层(FD)的FD放大器输出的一个通道(ch)。
另一方面，CMOS图像传感器具有用于每一像素的FD放大器。作为CMOS图像传感器的输出，主要使用用于在像素阵列中选择某一个行并同时在列方向读出行中的像素的列并行(column-parallel)输出。
这是因为以在像素中布置的FD放大器难以获得足够的驱动能力，且因此必须减少数据速率且并行处理是有益的。
提出各种电路作为列并行输出CMOS图像传感器的图像信号读出(输出)电路。
该电路的最先进的形式之一是包括用于每一列的模拟数字转换器(在下文中缩写为ADC)并提取像素信号作为数字信号的类型的电路。
以这种列并行ADC安装的CMOS图像传感器被公开在，例如，W.Yang等，“An Integrated 800(600CMOS Image System，”ISSCC Digest ofTechnicalPapers，pp.304-305，1999年2月和JP-A-2005-278135中。
图1是安装有列并行ADC的固态成像装置(CMOS图像传感器)的配置示例的框图。
如图1所示，固态成像装置1包括像素单元2、垂直扫描电路3、水平转移扫描电路4和包括ADC组的列处理电路组5。
固态成像装置1进一步包括数模转换器(在下文中缩写为DAC)6和放大器电路(S/A)7。
在像素单元2中，以矩阵形状布置包括光电二极管(光电转换元件)和像素内放大器的单元像素21。
在列处理电路组5中，在多个列中排列列处理电路51以在各个列中形成ADC。
列处理电路(ADC)51包括比较器51-1，其比较作为由步进地改变由DAC 6产生的基准信号获得的斜坡波形(ramp waveform)(RAMP)的基准信号RAMP(Vslop)和对于各个行线(row line)通过垂直信号线从像素获得的模拟信号。
列处理电路51进一步包括计数器锁存器(存储器)51-2，其对比较器51-1的比较时间计数，并存储计数的结果。
列处理电路51具有n-位数字信号转换功能且被布置在各个垂直信号线(列线)8-1到8-n中。因此，形成列并行ADC块。
存储器51-2的输出连接到具有例如k位宽度的水平转移线9。布置与水平转移线9对应的k个放大器电路7。
图2是图1所示的电路的定时图。
在列处理电路(ADC)51中，由在各个列中布置的比较器5-1将读出到垂直信号线8的模拟信号(电位Vsl)与步进地改变的基准信号RAMP(Vslop)比较。
由计数器锁存器51-2执行计数，直到模拟电位Vsl和基准信号RAMP(Vslop)的电平交叉且比较器51-1的输出反转。垂直信号线8的电位(模拟信号)Vsl被转换为数字信号(AD-转换)。
在一个读出中执行AD转换两次。
在第一AD转换中，将单元像素21的复位电平(P相位(phase))读出到垂直信号线8(8-1到8-n)并执行AD转换。
复位电平P相位包括每一像素中的波动。
在第二AD转换中，将由单元像素21的光电转换的信号读出到垂直信号线8(8-1到8-n)(D相位)并执行AD转换。
D相位也包括每一像素中的波动。因此，可以通过执行(D相位电平-P相位电平)来实现相关二重抽样(CDS)。
被转换为数字信号的信号被记录在计数器锁存器51-2中，由水平(列)转移扫描电路4经由水平转移线9依次读出到放大器电路7，并最终输出。
以这种方式，执行列并行输出处理。
在P相位期间的计数器锁存器51-2的计算处理被称为初级采样。在D相位期间的计数器锁存器51-2的计算处理被称为次级采样。
发明内容
即使忽视光电二极管(PD)的特征和暗电流(dark current)的影响，也执行CDS以除去在读出到垂直信号线8的信号电位Vsl中出现的读出放大器晶体管的阈值上的波动。
在CDS中，计算在复位电平和信号电平(复位电平+净信号电平)之间的差值。因此，理想地，当净信号是0时，该差值是0。
有时，即使当没有入射光时差值也不是0。
这是因为，虽然可以想象多个原因，但因为除噪音之外的倾斜波的复位特征和比较器的复位特征的影响，而在初级采样值或次级采样值上叠加偏移值。
即使在采样之间存在偏移值的叠加，当以A/D转换的舍入(rounding)方式而没有差值时对图像质量也没有影响。
但是，当舍入的方式不同时，即，当发生量化误差时，难以取消CDS的波动。
因为在每一列中提供一个比较器，列中的相关性高。在固定条件下发生的量化误差易于发生在某些列中且几乎不发生在其他列中。
当分辨率高时，离散值所取的值的范围是宽的。但是，根据分辨率的下降，量化误差作为图像中的固定垂直条纹(vertical streak)而出现。
因此，需要提供可以抑制由在AD转换期间的舍入误差所引起的量化垂直条纹的发生并实现图像质量的改进的固态成像装置和相机系统。
根据本发明的实施例，提供了固态成像装置，包括：像素单元，其中以矩阵形状排列执行光电转换的多个像素；和像素信号读出单元，且执行以多个像素为单位从像素单元读出像素信号，该像素信号读出单元包括执行模数(AD)转换的AD转换单元。像素信号读出单元包括：多个比较器，其比较作为倾斜波的基准信号和其中提供比较器的行中像素的读出的模拟信号电位；多个计数器锁存器，布置其以对应于多个比较器并能够对与其对应的比较器的比较时间计数，当比较器的输出反转时停止计数，并存储计数的值；和调整单元，其在每次执行AD转换时执行基准信号的偏移调整。
根据本发明的另一实施例，提供了相机系统，包括：固态成像装置；和在固态成像装置上聚焦被摄物图像的光学系统。固态成像装置包括：像素单元，其中以矩阵形状排列执行光电转换的多个像素；和像素信号读出电路，其执行以多个像素为单位从像素单元读出像素信号，该像素信号读出电路包括执行模数(AD)转换的AD转换单元。像素信号读出电路包括：多个比较器，其比较作为倾斜波的基准信号和其中提供比较器的行中像素的读出的模拟信号电位；多个计数器锁存器，布置其以对应于多个比较器并能够对与其对应的比较器的比较时间计数，当比较器的输出反转时停止计数，并存储计数的值；和调整单元，其在每次执行AD转换时执行基准信号的偏移调整。
根据本发明的实施例，可以抑制由在AD转换期间的舍入误差所引起的量化垂直条纹的发生并实现图像质量的改进。
附图说明
图1是安装有列并行ADC的固态成像装置(CMOS图像传感器)的配置示例的框图；
图2是图1所示的电路的定时图；
图3是根据本发明实施例的安装有列并行ADC的固态成像装置(CMOS图像传感器)的配置示例的框图；
图4是图3所示的安装有列并行ADC的固态成像装置(CMOS图像传感器)中的ADC组的更具体的框图；
图5是根据本实施例的包括四个晶体管的CMOS图像传感器的像素的示例的图；
图6是根据本实施例的流控DAC的基本配置示例的图；
图7A和图7B是用于解释根据本实施例的根据伪随机数的DAC控制的具体示例的图；
图8是当将偏移调整功能选择性地应用于每一行时获得的操作波形的图；和
图9是根据本实施例的固态成像装置应用到的相机系统的配置的示例的图。
具体实施方式
以下将参考附图解释本发明的实施例。以如下次序解释本实施例：
1.固态成像装置的整体配置示例
2.列ADC的配置示例
3.经由DAC的基准信号的形成示例
4.相机系统的配置示例
图3是根据本发明实施例的安装有列并行ADC的固态成像装置(CMOS图像传感器)的配置示例的框图。
图4是图3所示的安装有列并行ADC的固态成像装置(CMOS图像传感器)中的ADC组的更具体的框图。
<1.固态成像装置的整体配置示例>
如图3和图4所示，固态成像装置100包括作为成像单元的像素单元110；垂直扫描电路120、水平转移扫描电路130和定时控制电路140。
固态成像装置100进一步包括作为像素信号读出电路的作为ADC组的列处理电路组150和包括DAC(数模转换器)161的DAC及偏置电路160。
调整单元包括定时控制电路140、列处理电路组(ADC组)150和DAC及偏置电路160的功能。
固态成像装置100包括放大器电路(S/A)170、信号处理电路180和线存储器190。
在这些组件当中，像素单元110、垂直扫描电路120、水平转移扫描电路130、列处理电路组(ADC组)150、DAC及偏置电路160、和放大器电路(S/A)170包括模拟电路。
定时控制电路140、信号处理电路180和线存储器190包括数字电路。
根据该实施例的固态成像装置100还包括从放大器电路170的输出鉴别被摄物的亮度的鉴别单元200。
如后面所解释的那样，鉴别单元200的鉴别结果用于确定是否执行对钳位DAC的偏移调整。
在像素单元110中，以m×n的二维形状(矩阵形状)排列包括光电二极管(光电转换元件)和像素内放大器的多个单元像素110A。
[单元像素的配置示例]
图5是根据该实施例的包括四个晶体管的CMOS图像传感器的像素的示例的图。
例如，单元像素110A包括作为光电转换元件的光电二极管111。
单元像素110A关于一个光电二极管111包括作为有源元件的四个晶体管，即，作为转移元件的转移晶体管112，作为复位元件的复位晶体管113，放大晶体管114和选择晶体管115。
光电二极管111将入射光光电地转换为与入射光的量对应的量的电荷(电子)。
在光电二极管111和作为输出节点的浮动扩散FD之间连接转移晶体管112。
当通过转移控制线LTx将驱动信号TG给予转移晶体管112的栅极(转移栅极)时，转移晶体管112将由作为光电转换元件的光电二极管111光电转换的电子转移到浮动扩散FD。
复位晶体管113连接在电源线LVDD和浮动扩散FD之间。
当通过复位控制线LRST将复位信号RST给予复位晶体管113的栅极时，复位晶体管113将浮动扩散FD的电位复位到电源线LVDD的电位。
放大晶体管114的栅极连接到浮动扩散FD。放大晶体管114经由选择晶体管115连接到垂直信号线116，并与像素单元外部的恒流源一起配置源极跟随器。
当通过选择控制线LSEL将控制信号(地址信号或选择信号)SEL给予选择晶体管115的栅极时，选择晶体管115导通。
当选择晶体管115导通时，放大晶体管114放大浮动扩散FD的电位并将与该电位对应的电压输出到垂直信号线116。从像素输出的电压通过垂直信号线116输出到作为像素信号读出电路的列处理电路组150。
例如，因为转移晶体管112、复位晶体管113和选择晶体管115的栅极以行为单位连接，所以对于一行中的像素并行地同时执行这些种类的操作。
在像素单元110中连线(wire)的复位控制线LRST、转移控制线LTx和选择控制线LSEL被作为以像素阵列的行为单位的组而连线。
复位控制线LRST、转移控制线LTx和选择控制线LSEL由作为像素驱动单元的垂直扫描电路120驱动。
在固态成像装置100中，布置产生内部时钟的定时控制电路140、控制行地址和行扫描的垂直扫描电路120以及控制列地址和列扫描的水平转移扫描电路130。定时控制电路140是用于顺序地读出像素单元110的信号的控制电路。
定时控制电路140产生像素单元110、垂直扫描电路120、水平转移扫描电路130、列处理电路组150、DAC及偏置电路160、信号处理电路180和线存储器190的信号处理所需的定时信号。
定时控制电路140包括控制DAC及偏置电路160中DAC 161的基准信号RAMP(Vslop)的生成的DAC控制单元141。
DAC控制单元141对于每一行(对于该行执行列处理电路组150的列处理电路(ADC)151的AD转换)执行控制以调整基准信号RAMP的偏移。
DAC控制单元141在列处理电路组150的相关二重采样(CDS)期间可以执行控制以执行每一初级采样和次级采样的基准信号RAMP的偏移调整。
像素单元110对于每一像素行，使用线快门(line shutter)通过光子累积和放电来光电转换视频或屏幕图像，并输出模拟信号VSL到列处理电路组150的列处理电路151。
在每一ADC块(列单元)中，ADC组150使用来自DAC 161的基准信号(斜坡信号)RAMP，使来自像素单元110的模拟输出经历APGA自适应集成ADC和数字CDS，并输出几位的数字信号。
<2.列ADC的配置示例>
在根据该实施例的列处理电路组150中，以多个列排列作为列处理电路(ADC)块的ADC 151。
具体地，列处理电路组150具有k位数字信号转换功能。列处理电路组150包含在各个垂直信号线(列线)116-1到116-n中布置的列并行ADC块。
ADC 151包括比较器151-1，其比较作为通过步进地改变由DAC 161产生的基准信号获得的斜坡波形的基准信号RAMP(Vslop)和对于各个行线通过垂直信号线从像素获得的模拟信号Vsl。
ADC 151进一步包括计数器锁存器151-2，其对比较时间计数并存储计数结果。
计数器锁存器151-2的输出连接到具有例如k位宽度的水平转移线LTRF。
布置与水平转移线LTRF对应的k个放大器电路170和信号处理电路180。
在ADC组150中，在各个列中布置的比较器151-1将读出到垂直信号线116的模拟信号电位Vsl与基准信号Vslop(作为以具有确定倾斜度的线性形状改变的倾斜波形的斜坡信号RAMP)比较。
在这点上，以与比较器151-1相同的方式在各个列中布置的计数器锁存器151-2正在操作。
当作为斜坡波形的基准信号RAMP(电位Vslop)和计数器值在以一对一关系彼此对应的同时改变时，ADC 151将垂直信号线116的电位(模拟信号)Vsl转换为数字信号。
ADC 151将基准信号RAMP的电压(电位Vslop)的改变转换为时间的改变，并通过对在确定时段(时钟)对时间计数而将时间转换为数字值。
当模拟信号Vsl和基准信号RAMP(Vslop)交叉时，比较器151-1的输出反转，计数器锁存器151-2的输入时钟停止或将要停止输入的时钟输入到计数器锁存器151-2以完成AD转换。
在以上解释的AD转换时段结束之后，在计数器锁存器151-2中存储的数据由水平转移扫描电路130转移到水平转移线LTRF，并通过放大器170输入到信号处理电路180。通过预定信号处理产生二维图像。
水平转移扫描电路130执行几个通道的并发并行转移以保证转移速度。
定时控制电路140产生像素单元110、列处理电路组150等的块中的信号处理所需的定时。
在后级上的信号处理电路180执行来自存储在线存储器(line memory)190中的信号的垂直线缺陷校正或点检测，或信号的钳位处理，并执行比如并串行转换、压缩、编码、相加、平均和间歇操作之类的数字信号处理。
为各个像素行发送的数字信号被存储在线存储器190中。
在根据该实施例的固态成像装置100中，发送信号处理电路180的数字输出作为到ISP或基带LSI的输入。
作为用于CMOS图像传感器的像素信号读出的方法，存在经由在比如光电二极管之类的光电转换元件附近布置的MOS开关将信号电荷临时采样为通过在MOS开关之前的电容器中光电转换元件产生的光信号并读出该信号电荷的方法。
在采样电路中，通常在采样电容值上叠加具有反相关的噪音。在像素中，当信号电荷被转移到采样电容器时，通过使用电位梯度完全地转移信号电荷。因此，在该采样过程中不出现噪音。但是，当在采样过程之前的电容器的电压电平被复位到某个基准值时叠加噪音。
作为除去该噪音的方法，采用CDS。
这是一旦读出和存储紧接在采样信号电荷之前的状态(复位电平)，随后就读出采样之后的信号电平，并从该信号电平减去复位电平以除去噪音的方法。
<3.经由DAC的基准信号的形成示例>
DAC 161在DAC控制单元141的控制下产生作为以具有确定倾斜度的线性形状改变的倾斜波形的基准信号(斜坡信号)，并提供该基准信号RAMP到列处理电路组150。
DAC 161在DAC控制单元141的控制下，产生每次列处理电路组150的列处理电路(ADC)151执行AD转换时就经历偏移调整的基准信号RAMP。
DAC 161在DAC控制单元141的控制下，在列处理电路组150中的CDS期间，产生在初级采样和次级采样每个中的采样过程期间经历偏移调整的基准信号RAMP。
如图4所示，DAC 161包括斜坡DAC(倾斜DAC)162、钳位DAC 163和相加单元164。
图6是根据该实施例的流控DAC的基本配置示例的图。
流控DAC 161被配置为以电源VDD作为基准的电源基准型DAC。流控DAC 161还可以被配置为以地GND作为基准的地基准型DAC。
具体地，基准寄存器R1的一端连接到电源VDD且斜坡DAC 162的输出和钳位DAC 163的输出连接到基准寄存器R1的另一端。由输出的连接点形成灯输出节点ND 161。
由基准寄存器R1和输出节点ND 161形成相加单元164。
灯DAC 162包括x个电流源I1-1到I1-x和x个开关SW1-1到SW1-x。
连接到地GND的电流源I1-1到I1-x分别连接到开关SW1-1到SW1-x的端子“a”。
开关SW1-1到SW1-x的端子“b”公共地连接到输出节点ND 161。
根据由DAC控制单元141产生的控制信号CTL1将开关SW1-1到SW1-x选择性地导通和断开。
钳位DAC 163包括y个电流源I2-1到I2-y和y个开关SW2-1到SW2-y。
连接到地GND的电流源I2-1到I2-y分别连接到开关SW2-1到SW2-y的端子“a”。
开关SW2-1到SW2-y的端子“b”公共地连接到输出节点ND 161。
根据由DAC控制单元141产生的控制信号CTL2将开关SW2-1到SW2-y选择性地导通和断开。
在钳位DAC 163中，执行不仅包括与控制信号CTL2对应的固定值还包括偏移值的电流输出。
在DAC 161中，如图6所示，通过合计用于DC电平控制的钳位DAC 163的输出信号S163和斜坡DAC 162的输出信号S162来产生集成ADC中的基准信号RAMP(斜坡波)。
在现有技术的控制方法中，在行中的AD转换期间，通过将钳位DAC 163的输出信号设置为固定值来产生基准信号。
因此，当在各列当中在初级采样和次级采样中以AD转换中的舍入方式存在差值时，很可能出现由于量化误差引起的垂直条纹。
在该实施例中，在行中的AD转换期间钳位DAC 163的输出信号S163不固定(即，控制信号不被设置为固定值)，且使用根据伪随机数的控制信号CTL2。
在该实施例中，在初级采样、次级采样或两个采样中执行根据伪随机数的控制。
以下解释根据伪随机数的DAC控制的具体示例。
图7A和图7B是用于解释根据该实施例的根据伪随机数的DAC控制的具体示例的图。
图7A示出没有偏移调整的DAC控制。图7B示出具有偏移调整的DAC控制。
在图7A和图7B中，(X)指示AD转换之前的模拟值，(Y)指示AD转换之后的数字值，且(Z)指示CDS之后的值。
在该示例中，在没有偏移调整的情况下的P相位中，在“a”行和“A”列中经数字转换的模拟值是“0.9”，在“b”行和“A”列中经数字转换的模拟值是“0.7”，且在“c”行和“A”列中经数字转换的模拟值是“0.9”。
在“a”行和“B”列中经数字转换的模拟值是“0.4”，在“b”行和“B”列中经数字转换的模拟值是“0.5”，且在“c”行和“B”列中经数字转换的模拟值是“0.3”。
在“a”行和“C”列中经数字转换的模拟值是“1.6”，在“b”行和“C”列中经数字转换的模拟值是“1.5”，且在“c”行和“C”列中经数字转换的模拟值是“1.4”。
例如，如图7A和图7B所示，以如下方式设置偏移值，即在“a”行中的设置值被设置为等效于+0.3LSB(其最初是模拟控制，但是为了理解，将该值进行数字转换)，在下一“b”行中为等效于+0.2LSB，且在下一“c”行中为等效于0.1LSB。
结果，在P相位中，在“a”行和“A”列中经数字转换的模拟值从“0.9”改变为“1.2”，在“b”行和“A”列中经数字转换的模拟值从“0.7”改变为“0.9”，且在“c”行和“A”列中经数字转换的模拟值从“0.9”改变为“1.0”。
在“a”行和“B”列中经数字转换的模拟值从“0.4”改变为“0.7”，在“b”行和“B”列中经数字转换的模拟值从“0.5”改变为“0.7”，且在“c”行和“B”列中经数字转换的模拟值从“0.3”改变为“0.4”。
在“a”行和“C”列中经数字转换的模拟值从“1.6”改变为“1.9”，在“b”行和“C”列中经数字转换的模拟值从“1.5”改变为“1.7”，且在“c”行和“C”列中经数字转换的模拟值从“1.4”改变为“1.4”。
在没有偏移调整的情况下的D相位中，在“a”行和“A”列中经数字转换的模拟值是“1.2”，在“b”行和“A”列中经数字转换的模拟值是“1.1”，且在“c”行和“A”列中经数字转换的模拟值是“1.3”。
在“a”行和“B”列中经数字转换的模拟值是“0.8”，在“b”行和“B”列中经数字转换的模拟值是“0.8”，且在“c”行和“B”列中经数字转换的模拟值是“0.6”。
在“a”行和“C”列中经数字转换的模拟值是“1.9”，在“b”行和“C”列中经数字转换的模拟值是“1.6”，且在“c”行和“C”列中经数字转换的模拟值是“1.7”。
例如，如图7A和图7B所示，以如下方式设置偏移值，即在“a”行中的设置值被设置为等效于+0.1LSB(其最初是模拟控制，但是为了理解，将该值进行数字转换)，在下一“b”行中为等效于+0.0LSB，且在下一“c”行中为等效于0.0LSB。
结果，在P相位中，在“a”行和“A”列中经数字转换的模拟值从“1.2”改变为“1.3”，在“b”行和“A”列中经数字转换的模拟值保持在“1.1”，且在“c”行和“A”列中经数字转换的模拟值保持在“1.3”。
在“a”行和“B”列中经数字转换的模拟值从“0.8”改变为“0.9”，在“b”行和“B”列中经数字转换的模拟值保持在“0.8”，且在“c”行和“B”列中经数字转换的模拟值保持在“0.6”。
在“a”行和“C”列中经数字转换的模拟值从“1.9”改变为“2.0”，在“b”行和“C”列中经数字转换的模拟值保持在“1.6”，且在“c”行和“C”列中经数字转换的模拟值保持在“1.7”。
以下解释在没有偏移调整的情况下的AD转换之后的数字值。
在P相位中，在“a”行和“A”列中经数字转换的模拟值“0.9”改变为数字值“0”，在“b”行和“A”列中经数字转换的模拟值“0.7”改变为数字值“0”，且在“c”行和“A”列中经数字转换的模拟值“0.9”改变为数字值“0”。
在“a”行和“B”列中经数字转换的模拟值“0.4”改变为数字值“0”，在“b”行和“B”列中经数字转换的模拟值“0.5”改变为数字值“0”，且在“c”行和“B”列中经数字转换的模拟值“0.3”改变为数字值“0”。
在“a”行和“C”列中经数字转换的模拟值“1.6”改变为数字值“1”，在“b”行和“C”列中经数字转换的模拟值“1.5”改变为数字值“1”，且在“c”行和“C”列中经数字转换的模拟值“1.4”改变为数字值“1”。
在D相位中，在“a”行和“A”列中经数字转换的模拟值“1.2”改变为数字值“1”，在“b”行和“A”列中经数字转换的模拟值“1.1”改变为数字值“1”，且在“c”行和“A”列中经数字转换的模拟值“1.3”改变为数字值“1”。
在“a”行和“B”列中经数字转换的模拟值“0.8”改变为数字值“0”，在“b”行和“B”列中经数字转换的模拟值“0.8”改变为数字值“0”，且在“c”行和“B”列中经数字转换的模拟值“0.6”改变为数字值“0”。
在“a”行和“C”列中经数字转换的模拟值“1.9”改变为数字值“1”，在“b”行和“C”列中经数字转换的模拟值“1.6”改变为数字值“1”，且在“c”行和“C”列中经数字转换的模拟值“1.7”改变为数字值“1”。
以下解释CDS之后的数字值。
“a”行和“A”列中的数字值改变为“1”，“b”行和“A”列中的数字值改变为“1”，且“c”行和“A”列中的数字值改变为“1”。
“a”行和“B”列中的数字值改变为“0”，“b”行和“B”列中的数字值改变为“0”，且“c”行和“B”列中的数字值改变为“0”。
“a”行和“C”列中的数字值改变为“0”，“b”行和“C”列中的数字值改变为“0”，且“c”行和“C”列中的数字值改变为“0”。
在该情况下，在“A”列中，因为行当中的相关性高，因此很可能量化误差作为固定垂直条纹而出现。
以下解释在具有偏移调整的情况下的AD转换之后的数字值。
在P相位中，在“a”行和“A”列中经数字转换的模拟值“1.2”改变为数字值“1”，在“b”行和“A”列中经数字转换的模拟值“0.9”改变为数字值“0”，且在“c”行和“A”列中经数字转换的模拟值“1.0”改变为数字值“1”。
“a”行和“B”列中经数字转换的模拟值“0.7”改变为数字值“0”，“b”行和“B”列中经数字转换的模拟值“0.7”改变为数字值“0”，且“c”行和“B”列中经数字转换的模拟值“0.4”改变为数字值“0”。
“a”行和“C”列中经数字转换的模拟值“1.9”改变为数字值“1”，“b”行和“C”列中经数字转换的模拟值“1.7”改变为数字值“1”，且“c”行和“C”列中经数字转换的模拟值“1.5”改变为数字值“1”。
在D相位中，“a”行和“A”列中经数字转换的模拟值“1.3”改变为数字值“1”，“b”行和“A”列中经数字转换的模拟值“1.1”改变为数字值“1”，且“c”行和“A”列中经数字转换的模拟值“1.3”改变为数字值“1”。
“a”行和“B”列中经数字转换的模拟值“0.9”改变为数字值“0”，“b”行和“B”列中经数字转换的模拟值“0.8”改变为数字值“0”，且“c”行和“B”列中经数字转换的模拟值“0.6”改变为数字值“0”。
“a”行和“C”列中经数字转换的模拟值“2.0”改变为数字值“2”，“b”行和“C”列中经数字转换的模拟值“1.6”改变为数字值“1”，且“c”行和“C”列中经数字转换的模拟值“1.7”改变为数字值“1”。
以下解释CDS之后的数字值。
“a”行和“A”列中的数字值改变为“0”，“b”行和“A”列中的数字值改变为“1”，且“c”行和“A”列中的数字值改变为“0”。
“a”行和“B”列中的数字值改变为“0”，“b”行和“B”列中的数字值改变为“0”，且“c”行和“B”列中的数字值改变为“0”。
“a”行和“C”列中的数字值改变为“1”，“b”行和“C”列中的数字值改变为“0”，且“c”行和“C”列中的数字值改变为“0”。
在该情况下，在各个列中，行当中的相关性不高，量化误差不会作为固定垂直条纹而出现。
当如在该实施例中执行钳位DAC 163的输出的偏移调整时，钳位DAC163的输出改变。
当钳位DAC 163的输出改变时，整个基准信号RAMP的电平在每个采样中移位。结果，直到比较器151-1的输出反转的时间提前或延迟，且计数器的输出值增大或减小。
在该情况下，如果安装将增大或减小宽度减小到1LSB或更小的钳位DAC(足够改变在AD转换期间的舍入的方式的调整：±0.5LSB)，则有可能抑制CDS之后的量化垂直条纹的发生。
偏移调整的效果等效于抖动处理的效果。但是，可以通过设计没有后续处理的现有电路来实现模拟处理中的偏移调整。
集成ADC将直到比较器的输出反转的时间测量为信号值。
如以上解释的那样，根据该实施例的固态成像装置100包括从放大器电路170的输出鉴别被摄物的亮度的鉴别单元200。
如后面所解释的那样，鉴别单元200的鉴别结果用于确定是否执行对钳位DAC的偏移调整。
例如，当亮度高而超过某个阈值且从DAC 161输出的基准信号RAMP被设置为高增益时，鉴别单元200断开开关SW3并控制钳位DAC 163的输出以被设置为固定值。
另一方面，当亮度低于阈值且从DAC 161输出的基准信号RAMP被设置为低增益时，鉴别单元200导通开关SW3并控制钳位DAC 163的输出经历偏移调整而不被设置为固定值。
当调整增益时(放大输出信号)，作为斜坡波的基准信号RAMP的倾斜改变且调整直到比较器的输出反转的时间。但是，基准信号RAMP的倾斜的改变意味着分辨率的改变。
通常，当分辨率越粗糙时量化垂直条纹在图像中出现得越多。因此，如果在低增益下在使用时执行用于使得偏移调整功能工作的控制，则因为当不发生量化误差时不损坏图像质量，所以其是有效的。
因为垂直条纹在黑暗中是明显的，因此当光量小时用于使得偏移调整功能工作的控制也是有效的。
图8是当将偏移调整功能选择性地应用于每一行时获得的操作波形的图。
在图8所示的示例中，偏移调整功能不应用于第n行，而是应用于(n+1)行。
以下解释通过以上解释的配置的操作。
在以下解释的示例中，在P相位和D相位中执行钳位DAC输出的偏移调整。
这仅是示例。也可以在初级采样、次级采样或两个采样中执行根据伪随机数的偏移调整控制。也可为每一行选择性地执行偏移调整控制。
在P相位期间，DAC 161将用于DC电平控制的钳位DAC 163的输出信号S163和经历偏移调整的斜坡DAC 162的输出信号S162合计，并产生基准信号RAMP(Vslop)。
在列处理电路(ADC)151中，在各个列中布置的比较器151-1比较读出到垂直信号线116的模拟信号电位Vsl与基准信号RAMP。
计数器锁存器151-2执行计数，直到模拟电位Vsl和基准信号RAMP的电平交叉且比较器151-1的输出反转为止。
计数器锁存器151-2与例如时钟CLK同步地执行计数操作，当比较器151-1的输出电平反转时停止计数操作，并存储在停止计数操作时的时间的值。
每一像素中的波动被包括在该复位电平P相位中。
在第二次操作中，将由单元像素110A光电转换的信号读出到垂直信号线116(116-1到116-n)(D相位)并执行AD转换。
在D相位期间，如在P相位中那样，DAC 161将用于DC电平控制的钳位DAC 163的输出信号S163和经历偏移调整的斜坡DAC 162的输出信号S162合计，并产生基准信号RAMP(Vslop)。
在列处理电路(ADC)151中，在各个列中布置的比较器151-1比较读出到垂直信号线116的模拟信号电位Vsl与基准信号RAMP。
计数器锁存器151-2执行计数，直到模拟电位Vsl和基准信号RAMP的电平交叉且比较器151-1的输出反转为止。
计数器锁存器151-2与例如时钟CLK同步地执行计数操作，当比较器151-1的输出电平反转时停止计数操作，并存储在停止计数操作时的时间的值。
可以根据P相位和D相位转换的结果，通过执行(D相位电平-P相位电平)实现相关二重采样(CDS)。
被转换为数字信号的信号由水平(列)转移扫描电路130经由水平转移线LTRF依次读出到放大器电路170，并最终输出。
以这种方式，执行列并行输出处理。
如以上解释的那样，通过根据该实施例的固态成像装置，可以获得以下解释的效果。
根据该实施例，可以仅通过偏移值的调整高度精确地控制采样值。
对于每一行执行调整以模拟地实现抖动处理。可以抑制量化垂直条纹的发生和防止被摄物的图像质量的恶化。
可以仅通过向现有电路添加新的控制功能来实现该功能。不放大电路的尺寸。
具有这种效果的固态成像装置可以应用为数码相机和摄像机的成像装置。
<4.相机系统的配置示例>
图9是根据该实施例的固态成像装置应用到的相机系统的配置的示例的图。
如图9所示，相机系统300包括根据该实施例的固态成像装置100可以应用到的成像装置310。
例如，相机系统300包括将入射光(图像光)聚焦在成像平面上的镜头320，作为将入射光引导到成像装置310的像素区域(聚焦被摄物图像)的光学系统。
相机系统300进一步包括驱动成像装置310的驱动电路(DRV)330和处理成像装置310的输出信号的信号处理电路(PRC)340。
驱动电路330包括产生用于驱动成像装置310中的电路的包括起动脉冲和时钟脉冲的各种定时信号的定时发生器(没有示出)。驱动电路330以预定定时信号驱动成像装置310。
信号处理电路340将预定信号处理应用于成像装置310的输出信号。
由信号处理电路340处理的图像信号被记录在比如存储器的记录介质中。记录在记录介质中的图像信息由打印机等硬复制。由信号处理电路340处理的图像信号被显示为包括液晶显示器的监视器上的运动图像。
如以上解释的那样，可以通过在比如数字静止相机的成像设备中安装作为成像装置310的固态成像装置100来实现高精度的相机。
本申请包括与于2009年7月27日在日本专利局提交的日本优先权专利申请JP 2009-174367中公开的主题相关的主题，将其全部内容通过引用完全包括于此。
本领域技术人员应该理解根据设计要求及其它因素，可产生各种修改、组合、部分组合和替代，只要它们在所附权利要求及其等效物的范围之内。
Claims (8)
1.一种固态成像装置，包括：
像素单元，其中以矩阵形状排列执行光电转换的多个像素；和
像素信号读出单元，以多个像素为单位执行像素信号从所述像素单元的读出，所述像素信号读出单元包括执行模数转换的模数转换单元，其中
所述像素信号读出单元包括
多个比较器，比较作为斜坡波的基准信号和其中提供所述比较器的行中的像素的读出的模拟信号电位，
多个计数器锁存器，布置其以对应于所述多个比较器，并能够对与其对应的比较器的比较时间进行计数，当所述比较器的输出反转时停止计数，并存储计数的值，和
调整单元，每次执行所述模数转换时执行对所述基准信号的偏移调整。
2.如权利要求1所述的固态成像装置，其中
所述像素信号读出单元能够执行关于所述计数器锁存器的计数操作的初级采样和次级采样，并执行相关二重采样处理，和
所述调整单元能够执行关于所述初级采样和所述次级采样中的至少一个采样对基准信号的偏移调整。
3.如权利要求1或2所述的固态成像装置，其中，所述调整单元根据与控制信号对应的设置值向所述基准信号应用钳位处理。
4.如权利要求3所述的固态成像装置，其中，可为每一读出的行设置所述设置值。
5.如权利要求3或4所述的固态成像装置，其中，设置所述设置值以使得所述计数器锁存器的输出值的增加和减少在±0.5LSB内。
6.如权利要求1到5的任意一个所述的固态成像装置，其中，所述调整单元在其中所述基准信号的亮度级别低于预先设置的级别的暗环境中执行对所述基准信号的调整处理。
7.如权利要求1到6的任意一个所述的固态成像装置，进一步包括鉴别单元，其接收所述像素信号读出单元的输出信号并鉴别所述信号的亮度级别是否低于预先设置的级别，其中
所述调整单元在所述鉴别单元鉴别到亮度级别低于预先设置的级别时执行所述基准信号的调整处理。
8.一种相机系统，包括：
固态成像装置；和
光学系统，将被摄物图像聚焦在所述固态成像装置上，其中
所述固态成像装置包括
像素单元，其中以矩阵形状排列执行光电转换的多个像素，和
像素信号读出电路，以多个像素为单位执行像素信号从所述像素单元的读出，所述像素信号读出电路包括执行模数转换的模数转换单元，和
所述像素信号读出电路包括
多个比较器，比较作为斜坡波的基准信号和其中提供所述比较器的行中的像素的读出的模拟信号电位，
多个计数器锁存器，布置其以对应于所述多个比较器，并能够对与其对应的比较器的比较时间进行计数，当所述比较器的输出反转时停止计数，并存储计数的值，和
调整单元，每次执行所述模数转换时执行对所述基准信号的偏移调整。
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