CN101990070B - 固态图像传感设备、其模拟-数字转换方法和电子装置 - Google Patents

Abstract

一种固态图像传感设备，包括：像素阵列单元，包括以矩阵排列的像素和关于每个像素列而布设的垂直信号线；关于每个像素列而提供的模拟数字转换电路，具有使用模拟信号作为比较目标输入的比较器以及测量从比较器的比较的开始到结束的时间的计数器；参考信号生成单元，其生成具有斜坡波形的参考信号；第一开关，其在稀疏读出模式中，短路属于特定组像素列的一个像素列的垂直信号线和属于另一组像素列的不从其读出信号的垂直信号线；以及第二开关，在稀疏读出模式中，分别提供作为比较标准输入的多个参考信号到属于该一个像素列的比较器和属于不同于该特定组像素列的另一组像素列的比较器。

Description

固态图像传感设备、其模拟-数字转换方法和电子装置

技术领域

本发明涉及固态图像传感设备、固态图像传感设备的模拟-数字转换方法和电子装置。具体地，由CMOS(包括MOS)图像传感器代表的X-Y地址类型固态图像传感设备、数字-模拟转换方法和电子装置。

背景技术

诸如数字静态照相机的将光转换成电信号并且输出图像信号的成像装置使用固态图像传感设备作为它的图像捕获单元(光电转换单元)。在固态图像传感设备的领域中，最近，随着更大量的像素和更高的帧速率，实现更快的读出和更低的功耗的技术已经不可缺少。

作为固态成像传感器的一种，存在CMOS(包括MOS)类型的图像传感器(在下文中，称为“CMOS图像传感器”)，其具有如下特征：传感器可能以与CMOS集成电路相同的工艺制造。CMOS图像传感器具有这样的配置，其关于每个像素将电荷转换为电信号并且关于每个像素列并行地处理从像素读出的电信号。关于每一像素列的并行处理可以改进像素信号的读出速度。

在相关技术中，作为关于每一像素列并行地从以矩阵排列的多个像素中读出信号的COMS图像传感器，已知使用关于每一像素列对像素信号进行模拟-数字转换(在下文中，称为“AD转换”)的列AD转换系统的COMS图像传感器(例如，见JP-A-2005-278135)。

列AD转换系统CMOS图像传感器具有如下配置：其在以矩阵二维排列的像素的垂直方向上共享信号读出线(在下文中，称为“垂直信号线”)，并且包括关于每个像素列的AD转换电路和读出电路。此外，传感器通过同时驱动AD转换电路和读出电路，来进行相当于像素列的总数的同时信号处理。

AD转换电路通过下面一系列电路操作来进行AD转换。即，第一，电路使用比较器将通过垂直信号线从像素读出的模拟像素信号与具有一定斜率(gradient)并关于每个像素列而线性地改变的斜坡波形相比较，并且，同时开始计数器的计数操作。在这点上，计数器与具有固定周期的时钟同步地进行计数操作。

然后，当模拟像素信号和参考信号交叉时，AD转换电路在比较器的输出的反相定时停止计数器的计数操作。计数器的最终计数值是根据模拟像素信号的幅度的数字信号。如上所述，列AD转换系统是特征在于用于一次一行的像素信号的AD转换的高速成像的读出系统。

发明内容

最近，对高速的成像的需求越来越高。在列AD转换系统CMOS图像传感器中，通过减少垂直读出的数量(行的数量/线的数量)来改进帧速率，用于实现高速成像。在这里，作为减少垂直读出的数量的方法，例如，存在以固定行周期跳过像素行的垂直稀疏(thinning)读出，和诸如在垂直方向上读出在指定区域中的像素的信号的垂直削波(clipping)的线交织。然而，当垂直读出的数量被减少用于改进帧速率时，出现了一个问题，即在纵向(垂直)方向上的视角减少，且成像的图像变得横向加长。

所以，期望提供一种可以改进帧速率同时维持成像的图像的纵向和横向平衡的固态图像传感设备、模拟-数字转换方法和具有该固态图像传感设备的电子装置。

根据本发明的实施例的一种固态图像传感设备，包括：

像素阵列单元，其中，以矩阵排列包含光电转换设备的像素，且关于每个像素列布设垂直信号线，

关于像素阵列单元的每个像素列而提供的模拟数字转换电路，具有使用从该像素通过垂直信号线提供的模拟信号作为比较目标输入的比较器以及测量从比较器的比较的开始到比较的结束的时间的计数器，以及

参考信号生成单元，其生成具有斜坡波形的多个参考信号，

其中，在从像素阵列单元的特定组像素列的像素向垂直信号线读出信号的稀疏读出模式中，短路属于特定组像素列的一个像素列的垂直信号线和属于不同于该特定组像素列的另一组像素列的不从像素读出信号垂直信号线；以及

分别提供作为比较标准输入的多个参考信号到属于该一个像素列的比较器和属于不同于该特定组像素列的另一组像素列的比较器。

在从像素阵列单元的特定组像素列的像素读出信号到垂直信号线的稀疏读出模式中，即在水平稀疏读出模式中，不从不同于特定组像素列的另一组像素列的像素中读出信号到垂直信号线。因此，通过提供水平稀疏读出模式和由水平稀疏读出减少在水平方向上的像素信息，可以改进帧速率。尤其是，通过组合水平稀疏读出与已知的垂直稀疏读出、垂直削波等且适当设置稀疏比率，可以维持成像的图像的纵向和横向平衡。

另外，由于可以通过向属于特定组像素列中的一个像素列的比较器和属于不同于特定组像素列的另一组像素列的比较器提供多个参考信号并使用这些比较器对比较操作进行并行处理，可以短路AD转换时间，因此可以进一步改进帧速率。尤其是，在对比较操作的并行处理中，使用属于从其不读出信号的像素列的比较器，且作为比较器，对于一个像素列需要一个比较器，且电路尺寸和电路面积不变大。

根据本发明的实施例，通过提供水平稀疏读出模式并且组合水平稀疏读出与已知的垂直稀疏读出、垂直削波等等，可以改善帧速率，同时可以保持成像的图像的纵向和横向平衡。

附图说明

图1是系统配置图，其示出了本发明的实施例所应用的CMOS图像传感器的示意系统配置。

图2是电路图，其示出了单位像素的电路配置的例子。

图3是系统配置图，其示出了根据本发明的一个实施例的CMOS图像传感器的示意系统配置。

图4是用于说明在所有像素读出模式中的AD转换操作的定时波形图。

图5示出了在水平稀疏读出模式中开关单元的各个开关的连接关系。

图6是用于说明根据工作例子1的AD转换操作的定时波形图。

图7是用于说明根据工作例子2的AD转换操作的定时波形图。

图8是系统配置图，其示出了根据参考例子的CMOS图像传感器的示意系统配置。

图9是示出了作为根据本发明的实施例的电子装置之一的成像装置的配置的例子的框图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细说明用于实现本发明(在下文中，称为“实施例”)的模式。该说明将按以下顺序进行。

1.本发明所应用的固态图像传感设备(CMOS图像传感器的例子)

1-1.系统配置

1-2.单位像素的电路配置

2.实施例

2-1.系统配置

2-2.所有像素读出模式

2-3.水平稀疏读出模式

2-3-1.工作例子1

2-3-2.工作例子2

2-4.实施例的优点

3.参考例子(关于每个像素具有两个比较器的AD转换电路的例子)

4.修改的例子

5.电子装置(成像装置的例子)

<1.本发明所应用的固态图像传感设备>

[1-1.系统配置]

图1是示出了本发明的实施例所应用的固态图像传感设备的示意系统配置图的系统配置图，例如，作为X-Y地址类型固态图像传感设备的一类的CMOS图像传感器。这里，CMOS图像传感器指的是通过CMOS工艺的应用或部分使用所制作的图像传感器。

根据应用例子的CMOS图像传感器10具有在半导体基底(在下文中，可以称为“芯片”)11上形成的像素阵列单元12、和在形成像素阵列单元12的芯片11上集成的外围电路单元。在这个例子中，作为外围电路单元，例如，提供了行扫描部分13、列处理部分14、列扫描部分15和系统控制部分16。

在像素阵列单元12中，以矩阵二维地排列具有光电转换设备的单位像素(在下文中，可以简称为“像素”)，其中该光电转换设备生成并内部积聚响应于入射光量的电荷量的光电电荷。将随后描述单位像素的具体配置例子。

另外，在像素阵列单元12中，像素驱动线17关于矩阵中的像素排列的每个像素行沿水平方向/行方向(在像素行中的像素的排列方向)布线，并且垂直信号线18关于每个像素列沿垂直方向/列方向(在像素列中的像素的排列方向)布线。像素驱动线17传输进行驱动的用于从像素中读出信号的驱动信号。在图1中，像素驱动线17被示出为一条线，然而，并不局限于此。像素驱动线17的一端连接至对应于行扫描部分13的每一行的输出端。

行扫描部分13是像素驱动部分，其包括移位电阻器(shift resistor)、地址解码器等，用于驱动像素阵列单元12的各个像素、同时或以行为单位驱动所有像素。在图中省略了行扫描部分13的具体配置，然而，该部分通常包括读出扫描系统和清除扫描系统(sweep-out scanning system)两个扫描系统。

读出扫描系统顺序并选择性地以行为单位扫描像素阵列单元12的单位像素以从这些单位像素读出信号。从单位像素读出的信号是模拟信号。清除扫描系统在读出扫描之前，到快门速度时，对将由读出扫描系统读出扫描的读出行进行清除扫描。

通过使用清除扫描系统的清除扫描从读出行中的单位像素的光电转换设备清除不必要的电荷，因此，光电转换设备被重置。然后，通过由清除扫描系统清除(重置)不必要的电荷，来进行所谓的电子快门操作。这里，电子快门操作指丢弃光电转换设备的光电电荷并且重新开始曝光(开始积聚光电电荷)的操作。

通过读出扫描系统的读出操作所读出的信号对应于读出操作之后或紧接在电子快门操作之前进入的光量。此外，从读出操作的读出定时或紧接在电子快门操作之前的清除定时到该读出操作的读出定时的时段是单位像素中的光电电荷的积聚时段(曝光时段)。

从由行扫描部分13所选择并扫描的各个单位像素所输出的信号通过各自的垂直信号线18被提供至列处理部分14。列处理部分14关于像素阵列单元12的每个像素列，对通过垂直信号线18从通过行扫描部分13选择的行中的各个像素输出的信号进行预定信号处理，并在信号处理之后暂时地保存像素信号。

具体地，列处理部分14接收单位像素的信号，并且例如通过CDS(相关双采样)、信号放大、AD(模拟-数字)转换等对信号进行噪声移除的信号处理。

通过获得当单位像素(实际上，是将在以下描述的浮置扩散部分)被读出时所读出的重置电平、与响应于由光电转换设备光电转换的信号电荷所读出的信号电平之间的差异，来进行通过CDS的噪声消除处理。通过噪声消除处理，重置噪声和诸如放大晶体管的阈值中的变化的像素固有的固定模式噪声被消除。注意这里举例的信号处理只是例子并且信号处理并不局限于此。

列扫描部分15包括移位电阻器、地址解码器等，并且顺序地选择对应于列处理部分14的像素列的单元电路。通过使用列扫描部分15选择性地扫描，在列处理部分14中被信号处理的像素信号被顺序地输出至水平总线19并且通过水平总线19传输至芯片11的外部。

系统控制部分16接收从芯片11的外部提供的时钟和管理(command)操作模式的数据，并输出CMOS图像传感器10等的内部信息的数据。系统控制部分16还具有生成各种定时信号的定时生成器，并且基于由定时生成器所生成的各种定时信号进行行扫描部分13、列处理部分14、列扫描部分15等的外围电路单元的驱动控制。

[1-2.单位像素的电路配置]

图2是示出了单位像素20的电路配置的例子的电路图。如图2中所示，除了作为光电转换部分的光电二极管21之外，根据电路例子的单位像素20例如具有传送晶体管22、重置晶体管23、放大晶体管24和选择晶体管25的四个晶体管。

这里，作为四个晶体管22至25，例如，使用N-沟道MOS晶体管。注意这里举例的传送晶体管22、重置晶体管23、放大晶体管24和选择晶体管25的传导类型的组合只是个例子，并不局限于此组合。

对于单位像素20，作为像素驱动线17，关于相同像素行的每个像素共同提供例如传送线171、重置线172，和选择线173的三条驱动线。这些传送线171、重置性172和选择线173的各自的一端被连接至对应于以像素行为单位的行扫描部分13的每个像素行的输出端，并且传输传送脉冲重置脉冲

和选择脉冲

作为用于驱动像素20的驱动信号。

光电二极管21具有连接至负侧电源(例如，接地)的阳极电极，并且将接收的光光电转换为响应于光量的电荷量的光电电荷(这里是光电子)，并积聚光电电荷。光电二极管21的阴极电极经由传送晶体管22电连接至放大晶体管24的栅极电极。电连接至放大晶体管24的栅极电极的节点26称为FD(浮置扩散)部分。

传送晶体管22连接在光电二极管21的阴极电极和FD部分26之间。对于传送晶体管22的栅极电极，经由传送线171提供高电平(例如，Vdd电平)有效(以下称为“高有效”)的传送脉冲

因此，传送晶体管22被导通，并且在光电二极管21中光电转换的光电电荷被传送至FD部分26。

重置晶体管23分别具有连接至像素电源Vdd的漏极电极和连接至FD部分26的源极电极。经由重置线172提供高有效重置脉冲到重置晶体管23的栅极电极。因此，重置晶体管23被导通，并且FD部分26的电荷被丢弃至像素电源Vdd用于FD部分26的重置。

放大晶体管24具有分别连接至FD部分26的栅极电极和连接至像素电源Vdd的漏极电极。此外，放大晶体管24在通过重置晶体管23重置之后输出FD部分26的电势作为重置信号(重置电平)。放大晶体管24进一步在传送晶体管22的信号电荷的传送之后输出FD部分26的电势作为光积聚信号(信号电平)。

例如，选择晶体管25具有分别连接至放大晶体管24的源极电极的漏极电极和连接至垂直信号线18的源极电极。对于选择晶体管25的栅极电极，高有效选择脉冲经由选择线173被提供至选择晶体管25的栅极电极。因此，选择晶体管25被导通，并且单位像素20转为被选择状态，并且从放大晶体管24所输出的信号被中继至垂直信号线18。

可以使用如下电路配置，在该电路配置中选择晶体管25连接在像素电源Vdd和放大晶体管24之间。

此外，单位像素20并不局限于包括具有以上所描述的配置的四个晶体管的像素配置的单位像素。例如，可以使用包括三个晶体管的像素配置，其中一个晶体管用作放大晶体管24和选择晶体管25，或像素电路的任何配置。

<2.实施例>

[2-1.系统配置]

图3是示出了根据本发明的实施例的固态图像传感设备的示意系统配置的系统配置图，例如，作为x-y地址类型固态图像传感设备的一类的CMOS图像传感器。在图3中，相同的标记被分配给与图1中的相同部分(对应部分)，并且将省略它们的重复的详细的说明。

如图3所示，除像素阵列单元12、行扫描部分13、列处理部分14、列扫描部分15和系统控制部分16之外，根据本实施例的CMOS图像传感器10A包括参考信号生成部分31和开关部分32。此外，例如，在像素阵列单元12的各个像素20中提供RGB Bayer布置的滤色器。这里，在RGB Bayer布置中，绿色(G)被排列在方格图案中，红(R)和蓝(blue)被排列在剩余部分中的方格图案中。

根据本实施例CMOS图像传感器10A采用列AD转换系统，其关于像素阵列单元12的每个像素列将模拟像素信号AD转换为数字信号。即，列处理部分14包括具有至少一个比较器141和计数器142的电路配置的AD转换电路140作为单元电路，并且以与像素阵列单元12的像素列的一对一关系提供AD转换电路140。可能地，AD转换电路140使用在计数器142的下游具有用于保持计数器142的计数值的存储器的配置。

参考信号生成部分31包括例如DA(数字-模拟)转换电路，和具有一定斜率且线性变化的斜坡波形的多个参考信号，即用于将电压的变化转换为时间的变化的参考信号。在本例的情况中，参考信号生成部分31包括例如参考信号1的生成电路311和参考信号2的生成电路312的两个生成电路，并且生成两个不同的参考信号1和2。以下将要描述两个不同的参考信号的1、2的细节。

在开关部分32中，提供了开关321和322的两个通道。开关321连接在属于响应于两个不同的参考信号1、2的、相同颜色的像素20的像素列的两个垂直信号线18之间，并且适当地将两个垂直信号线18短路。在根据本实施例的CMOS传感器10A的情况下，在像素阵列单元12中，其中R像素和G(Gb)像素交替排列在列方向上的RG像素列V0，V2，...，Vn-1和其中G(Gr)像素和B像素交替排列在列方向上的GB像素列V1，V3，...，Vn被交替排列。

对于RG像素列和GB像素列的排列，以属于RG像素列V0，V2，...，Vn-1的相邻两个垂直信号线18和18为单位，开关321连接在两个垂直信号线18之间。类似地，以属于BG像素列V1，V3，...，Vn的相邻两个垂直信号线18和18为单位，开关321连接在两个垂直信号线18之间。

关于像素阵列单元12的每列提供开关322，并且，通过在参考信号生成部分31中所生成的两个参考信号1、2作为两个输入，选择参考信号中的一个并且将其作为比较标准输入提供给比较器141的一个输入端(例如，非反相输入端)。在系统控制部分16的控制之下，执行开关部分32的开关311、312的切换控制。

在AD转换电路140中，比较器141使用通过开关322交替提供为比较标准输入的参考信号1或参考信号2作为一个输入(例如，非反相输入)，并且使用通过垂直信号线18提供为比较目标输入的模拟像素信号作为另一个输入(例如，反相输入)。此外，比较器141关于每个像素列将作为比较目标输入的模拟像素信号与作为比较标准输入的参考信号1或参考信号2比较。与比较的开始同时，计数器142开始计数操作。计数器142包括例如向上(U)/向下(D)计数器，且与具有固定周期的时钟同步地进行计数操作。

当模拟像素信号与参考信号1或参考信号2交叉(变得相等)时，反转比较器141的输出的极性。在比较器141的输出的极性反转定时，计数器142停止计数操作。也就是说，计数器142测量从比较器141的比较的开始到结束的时间。另外，计数器142的最终计数值是通过时间信息表示模拟像素信号的幅度的数字数据(像素数据)。通过水平扫描开关(未示出)，由列扫描部分15通过列扫描顺序读出数字数据到水平总线19，该水平扫描开关与列扫描同步地顺序接通。

根据上述实施例的CMOS图像传感器10A的特征在于以下三点。第一点是传感器具有开关321，该开关321短路属于同一颜色的像素20的像素列的两个垂直信号线18。第二点是传感器使用多个不同的参考信号(例如两个不同的参考信号1、2)作为该比较器141的参考信号。第三点是传感器具有开关322，其选择并提供两个不同的参考信号1、2之一给比较器141。

在从像素阵列单元12的所有各个像素20读出信号的所有像素读出模式中，开关321断开(打开)。另一方面，在进行仅从预定像素列的像素读出信号、而不从剩余像素列的像素读出信号的水平读出处理的水平稀疏读出模式中，在系统控制部分16的控制下接通(闭合)开关321。

[2-2.所有像素读取模式]

在所有像素读出模式中，开关321断开，且属于所有像素列的开关322选择参考信号1。用于所有像素读出模式中的AD转换的参考信号1是具有以固定角度从最大值降低到最小值的斜坡波形的信号。在最大值和最小值之间的宽度是参考信号1的动态范围，且响应于最小值(黑电平)和最大值(白电平/饱和电平)来确定该动态范围。

在此，将使用图4的定时波形图来说明所有像素读出模式中的AD转换操作。

在某个所选行中，在从单位像素20向垂直信号线18的第一读出操作变得稳定之后，从参考信号1生成电路311经由开关322向比较器141提供参考信号1。然后，在比较器141中，开始通过垂直信号线18提供的信号和参考信号1之间的比较操作。与比较操作的开始同时，计数器142开始例如向下计数操作。

在第一读出操作中，读出单位像素20的重置电平(p相位电平)。重置电平包括取决于单位像素20而改变的固定模式噪声作为偏移量。另外，在第一比较操作中，当通过垂直信号线18提供的重置电平和参考信号1相等(交叉)时，反转比较器141的输出的极性。响应于比较器141的反转的输出，计数器142停止向下计数。在这点上，计数器142的计数值是表示重置电平的幅度的值。

在第二读出操作中，由类似于第一读出的操作的操作，读出除了重置电平以外的响应于关于每个单位像素20的入射光量的信号电平(所谓D相位电平)。也就是说，在某个所选行中，在从单位像素20向垂直信号线18的第二读出操作变得稳定之后，从参考信号1生成电路311经由开关322向比较器141提供参考信号1。然后，在比较器141中，开始在通过垂直信号线18提供的信号和参考信号1之间的比较操作。

与第二比较操作的开始同时，计数器142开始第二计数操作。在第二计数操作中，计数器142进行从第一计数值(即表示重置电平的幅度的计数值)开始向上计数。另外，在第二比较操作中，当通过垂直信号线18提供的重置电平和参考信号1相等时，反转比较器141的输出的极性。响应于比较器141的反转的输出，计数器142停止向上计数。在这点上，计数器142的计数值是表示重置电平的幅度的值。

通过上述两个读出操作、比较操作和计数操作，已经从其移除了噪声电平的纯信号电平被转换(AD-转换)为数字值。具体地，在计数器142中，在第一计数操作中对噪声电平进行向下计数，且在第二计数操作中，从向下计数的最终计数值开始对信号电平进行向上计数。

也就是说，通过计数器142的向下/向上计数，进行(包括噪声电平的信号电平)-(噪声电平)的计算操作，由此，对从其移除了噪声电平的纯信号电平进行AD转换。另外，通过关于每个像素行顺序地重复上述一系列操作，从像素阵列单元12的各个像素20的全部读出信号，结果，生成高分辨率二维图像。

[2-3.水平稀疏读出模式]

接下来，将说明仅从预定像素列的像素进行信号的读出的水平稀疏读出模式中的AD转换操作。在根据实施例的CMOS图像传感器10A的水平稀疏读出模式中，在水平的四个像素当中，稀疏两个像素，并且读出两个像素的信号。由此，在水平方向上的像素的信息量变为1/2。

在根据本实施例的CMOS图像传感器10A中，为了仅读出在水平的四个像素中的两个像素的信号，关于图5中的阴影区域所示的两个像素列的像素，在图2中的选择晶体管25被截止，且与垂直信号线18电隔开。在此，例如，在四个像素列V0到V3中，像素列V2、V3的各个像素的选择晶体管25被截止，且与垂直信号线18电隔开。另外，关于剩余两个像素列V0、V1的各个像素，选择晶体管25被导通，且与垂直信号线18电连接。

在此，如已经关于图1所示的CMOS图像传感器10所说明的，通过图2所示的选择线173以行为单位执行由行扫描部分13进行的扫描。也就是说，关于每个像素行，通过一个选择线173来进行选择晶体管25的导通/截止控制。另一方面，在根据该实施例的CMOS图像传感器10A的情况下，即使在同一像素行中，也有必要存在具有截止状态选择晶体管25的像素和具有导通状态选择晶体管25的像素。为了实现这个，关于每个像素行，在两个通道(channel)中提供选择线173。

通过四个像素行作为单位，当两个像素列的各个像素与垂直信号线18电隔开时，在开关部分32中的所有开关321被导通。例如，以四个像素列V0-V3为单位，当开关321被导通时，属于在同一颜色的像素列(在该例子中是RG像素列V0、V2)的垂直信号线18、18被开关321短路。

在水平稀疏读出模式中，作为要提供给比较器141的参考信号，除了参考信号1以外还使用参考信号2。对应于像素列V0、V1的开关322选择在参考信号1生成电路311中生成的参考信号1，且向比较器141提供该信号。另外，对应于具有与垂直信号线18电隔开的像素的像素列V2、V3的开关322选择在参考信号2生成电路312中生成的参考信号2，且向比较器141提供该信号。

参考信号1基本上与所有像素读出模式中使用的参考信号1相同。但是，动态范围(在最大值和最小值之间的宽度)是1/2。参考信号2是与参考信号1不同的参考信号。由于参考信号2的波形差异，AD转换操作变得不同。如下，将说明由于参考信号2的波形差异而导致的根据两个工作例子的AD转换操作。

在水平稀疏读出模式中，类似于在所有像素读出模式中，首先，读出噪声电平(P相位电平)，且进行AD转换，然后，移除噪声，同时读出信号电平(D-相位电平)，且进行AD转换。注意，在如下说明的水平稀疏读出模式中，将集中说明在读出信号电平(D-相位电平)和进行AD转换的情况下的操作。

[2-3-1.工作例子1]

将使用图6的定时波形图来说明根据工作例子1的AD转换操作。如图6所示，在工作例子1中所使用的参考信号1是具有与在所有像素读出模式中使用的参考信号1的斜率相同的斜率的斜坡波形的信号，且参考信号1的动态范围是在所有像素读出模式中使用的参考信号1的动态范围的1/2。由此，在工作例子1中使用的参考信号1被用于关于等于或小于像素信号的最大幅度的1/2的电平的AD转换。

另一方面，在工作例子1中使用的参考信号2是通过从在工作例子1中使用的参考信号1减去在所有像素读出模式中使用的参考信号1的动态范围的1/2的偏移量来获得的信号，即具有与参考信号1相同的斜率的信号。由此，在工作例子1中使用的参考信号2被用于关于等于或高于像素信号的最大幅度的1/2的电平的AD转换。

在图5中，例如如果关注在水平稀疏读出模式中的RG像素列V0，RG像素列V0的像素的信号被输入到RG像素列V0的比较器141，且经由开关321被输入到RG像素列V2的比较器141。在这点上，RG像素列V0的开关322选择参考信号1，且将其提供给RG像素列V0的比较器141，且RG像素列V2的开关322选择参考信号2，且将其提供给RG像素列V2的比较器141。

由此，RG像素列V0的比较器141开始在RG像素列V0的像素的信号和参考信号1之间的比较，且作为响应，RG像素列V0的计数器142开始计数操作。在此，如果RG像素列V0的像素的信号电平处于在参考信号1的动态范围内，则当该像素的信号电平和参考信号1相等时，RG像素列V0的计数器142停止计数操作。然后，计数器142的计数值是RG像素列V0的像素的信号的数字值。如果RG像素列V0的像素的信号电平处于参考信号1的动态范围之外，则RG像素列V0的计数器142进行计数操作到最大计数值。

另一方面，RG像素列V2的比较器141开始在RG像素列V0的像素的信号和参考信号2之间的比较，且作为响应，RG像素列V2的计数器142开始计数操作。然后，当该像素的信号电平和参考信号2相等时，反转RG像素列V2的比较器141的输出的极性，且作为响应，RG像素列V2的计数器142停止计数操作。

然后，通过简单地将RG像素列V2的计数器142的计数值加到RG像素列V0的计数器142的最大计数值获得的值是RG像素列V0的像素的信号的数字值。例如，在外部信号处理电路(例如，DSP电路)中执行将计数值相加的计算。

[2-3-2.工作例子2]

将使用图7的定时波形图来说明根据工作例子2的AD转换操作。如图7所示，类似于在工作例子1的情况下，在工作例子2中所使用的参考信号1是具有与在所有像素读出模式中使用的参考信号1的斜率相同的斜率的斜坡波形的信号，且该动态范围是在所有像素读出模式中使用的参考信号1的动态范围的1/2。由此，在工作例子2中使用的参考信号1被用于关于等于或小于像素信号的最大幅度的1/2的电平的AD转换。

另一方面，在工作例子2中使用的参考信号2是具有完全相反于在工作例子1中使用的参考信号2的斜率的斜率的信号。也就是说，参考信号2是通过从在工作例子2中使用的参考信号1减去在所有像素读出模式中使用的参考信号1的动态范围的1/2的偏移量来获得的、且具有完全相反于参考信号1的斜率的斜率的信号。由此，在工作例子2中使用的参考信号2被用于关于等于或高于像素信号的最大幅度的1/2的电平的AD转换。

基本上与工作例子1中相同的方式进行在水平稀疏读出模式中的AD转换操作。注意，如果RG像素列V2的计数器142的最大计数值是CNTmax，且实际的计数值是CNT0，(CNTmax-CNT0)对应于在工作例子1中的RG像素列V2的计数器142的计数值。这是因为参考信号2具有完全相反于在工作例子1中使用参考信号2的斜率的斜率。因此，在外部信号处理电路中的计算处理中，进行计算(CNTmax-CNT0)，且进行向RG像素列V0的计数器142的最大计数值增加计算结果的处理。

可替代地，由于计数器142是向上/向下计数器，因此可以在RG像素列V2的计数器V2中设置最大计数值，且可以从最大计数值进行向下计数。在该情况下的RG像素列V2的计数器142的最终计数值是(CNTmax-CNT0)。.因此，在外部信号处理电路中的计算处理中，以与工作例子1中相同的方式，可以进行向RG像素列V0的计数器142的最大计数值增加RG像素列V2的计数器142的最终计数值的处理。

[2-4.实施例的优点]

根据该实施例的CMOS图像传感器10，通过提供水平稀疏读出模式并通过水平稀疏读出减少水平方向上的像素信息(在该例子中到1/2)，可以改进帧速率。特别地，通过组合水平稀疏读出和已知的垂直稀疏读出、垂直削波等并适当地设置稀疏比率，可以维持成像的图像的纵向和横向平衡。

另外，通过使用两个参考信号1、2在两个比较器141、141中对比较操作进行并行处理，可以短路AD转换时间。特别地，使用在所有像素读出模式中使用的参考信号1的动态范围的1/2的信号作为参考信号1并补偿动态范围的缺点，可以缩短AD转换时间，特别是关于信号电平的AD转换的D相位时段。也就是说，通过使得参考信号1的动态范围变为在所有像素读出模式中的1/2，当在所有像素读出模式中的D相位时段是T(见图4)时，在水平稀疏读出模式中D相位时段可以减少到T/2。由此，可以进一步改进在水平稀疏读出模式中的帧速率。

<3.参考例子>

作为改进帧速率的方法，可预想通过将两个比较器连接到一个垂直信号线18，分别向这些比较器输入两类参考信号1、2，且使用两个比较器进行并行处理来短路AD转换时间。如下将说明使用该方法的CMOS图像传感器10B作为参考例子。

图8是系统配置图，其示出了根据参考例子的CMOS图像传感器10B的示意系统配置。在图8中，相同的标记被分配给与图3中的相同部分(对应部分)，并且将省略它们的重复的详细的说明。

如图8所示，在根据参考例子的CMOS图像传感器10B中，AD电路140具有一个像素列的两个比较器141-1、141-2。两个比较器141-1、141-2使用从单位像素20通过垂直信号线18提供的模拟像素信号作为反相(-)输入。比较器141-1使用在参考信号1生成电路311中生成的参考信号1作为非反相(+)输入。比较器141-2使用在参考信号2生成电路312中生成的参考信号2作为非反相(+)输入。

两个比较器141-1、141-2的比较结果被提供给计数器142。计数器142计数两个比较器141-1、141-2的比较时间，且如果首先反转比较器141-1、141-2之一的输出的极性，作为响应停止计数操作。

在具有该配置的CMOS图像传感器10B中，可以通过使用两个比较器141-1、141-2来进行并行处理来缩短AD转换时间，且可以改进帧速率。然而，因为对一个像素列需要至少两个比较器141-1、141-2，因此增加了电路尺寸和电路面积。

另一方面，根据上述实施例的CMOS图像传感器10A，可以通过对一个像素列提供一个比较器141来短路AD转换时间，且可以改进帧速率。因此，相比于对一个像素列使用至少两个比较器141-1、141-2的情况，可以减少电路尺寸和电路面积。

<4.修改的例子>

在上述实施例中，在AD转换电路140中，使用向上/向下计数器作为计数器142，且通过计数器142向上计数/向下计数的控制来移除噪声，然而不限于此。也就是说，可以使用单向计数器作为计数器142，并使用外部信号处理电路(例如，DSP电路)计算关于噪声电平的计数值和关于信号电平的计数值，来移除噪声。

另外，在上述实施例中，使用两个不同的参考信号1、2作为在比较器中使用的参考信号，但是这仅是一个例子，且可以使用三个或更多不同参考信号。例如，在使用三个不同参考信号1、2、3的情况下，将参考信号1的动态范围设置为在所有像素读出模式中使用的参考信号1的动态范围的1/3。

然后，可以通过从参考信号1减去动态范围的1/3的偏移量获得参考信号2，且可以通过从其进一步减去1/3的偏移量来获得参考信号3。在这点上，响应于三个不同参考信号1、2、3，使用属于三个像素列的比较器141并行地进行比较操作。

另外，在上述实施例中，已经说明了本发明被用于CMOS图像传感器的情况作为例子，其中用于响应于可见光量作为量化量来传感信号电荷的单位像素，但不限于此。也就是说，该发明可以应用于使用列AD转换系统的所有固态图像传感设备。

另外，不限于用于传感入射可见光量的分布并将其成像为图像的固态图像传感设备的应用，本发明可以被应用于用于将入射红外线、x射线、粒子等的量的分布成像为图像的固态图像传感设备。另外，在宽泛的意义上，诸如用于传感诸如按压和静电容量的其他量化量的分布并将其成像为图像的指纹检测传感器的量化量分布传感设备可以是固态图像传感设备。

另外，固态图像传感设备可以是一个芯片的形式和具有成像功能的模块的形式，其中集中封装成像单元和信号处理单元或光学系统。

<5.电子装置>

根据本发明的实施例的固态图像传感设备可以通过安装在对图像捕获单元(光电转换单元)使用固态图像传感设备的所有电子装置上来使用。作为电子装置，可以列举诸如数字静态相机和摄像机的成像装置(摄像机系统)、诸如蜂窝式电话的具有成像功能的便携式终端设备、对图像捕获单元使用固态图像传感设备的复印机。另外，在电子装置上安装的摄像机模块可以是成像装置。

(成像装置)

图9是示出了根据本发明的实施例的作为电子装置之一的成像装置的配置的例子的框图。如图9所示，根据本发明的实施例的成像装置100包括包含一组镜头101的光学系统、图像传感设备102、作为像机信号处理单元的DSP电路103、帧存储器104、显示设备105、记录设备106、操作系统107、电源系统108等。另外，DSP电路103、帧存储器104、显示设备105、记录设备106、操作系统107和电源系统108经由总线109相互连接。

该组镜头101捕获来自被摄体的入射光(图像光)，并将其聚焦在图像传感设备102的成像表面上。图像传感设备102以像素为单位将通过该组镜头101聚焦在成像表面上的入射光量转换为电信号，并将它们输出为像素信号。作为成像传感设备102，可以使用根据上述实施例的诸如CMOS图像传感器的固态图像传感设备。DSP电路102进行已知的像机信号处理，且在上述AD转换时进行计数器142的计数值的计算处理。

显示设备105包括面板型显示设备，诸如液晶显示设备或有机EL(电致发光)显示设备，且显示通过图像传感设备102成像的运动图像或静态图像。记录设备106在诸如视频带和DVD(数字多功能盘)的记录介质中记录由图像传感设备102成像的运动图像或静态图像。

操作系统107在用户的操作下，发出关于成像装置具有的各种功能的操作命令。电源系统108适当地向提供目标提供各种电源，作为DSP、帧存储器104、显示设备105、记录设备106和操作系统107的操作电源。

成像装置100被应用于摄像机、静止相机，且进一步的用于诸如蜂窝式电话的移动设备的像机模块。在成像装置100中，使用根据上述实施例的CMOS图像传感器作为图像传感设备102，CMOS图像传感器可以通过水平稀疏读出改进帧速率。结果，可以实现高速成像，且可以结合垂直稀疏读出、垂直削波等来维持成像的图像的纵向和横向平衡。

本申请包含涉及于2009年8月3日向日本专利局提交的日本优先权专利申请JP2009-180374中公开的主题，在此通过引用并入其全部内容。

本领域技术人员应该理解，取决于设计需求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和变更，只要它们处于权利要求及其等同物的范围内。

Claims (8)

1.一种固态图像传感设备，包括：

像素阵列单元，其中，以矩阵排列包含光电转换设备的像素，且关于每个像素列布设垂直信号线；

关于像素阵列单元的每个像素列提供的模拟数字转换电路，具有使用通过垂直信号线从该像素提供的模拟信号作为比较目标输入的比较器、以及测量从比较器的比较的开始到比较的结束的时间的计数器；

参考信号生成单元，其生成具有斜坡波形的多个参考信号；

第一开关，其在从像素阵列单元的特定组像素列的像素向垂直信号线读出信号的稀疏读出模式中，短路属于特定组像素列的一个像素列的垂直信号线和属于不同于该特定组像素列的另一组像素列的不从其像素读出信号的垂直信号线；

第二开关，在稀疏读出模式中，分别提供作为比较标准输入的多个参考信号到属于该一个像素列的比较器和属于不同于该特定组像素列的另一组像素列的比较器。

2.根据权利要求1所述的固态图像传感设备，其中，在稀疏读出模式中不同于该特定组像素列的另一组像素列的像素与垂直信号线电隔开。

3.根据权利要求1所述的固态图像传感设备，其中，在从像素阵列单元的所有像素中读出信号的所有像素读出模式中，第一开关被断开，且第二开关向属于像素阵列单元的所有像素列的比较器提供多个参考信号中的单个参考信号作为比较标准输入。

4.根据权利要求3所述的固态图像传感设备，其中，当多个参考信号是两个参考信号时，在稀疏读出模式中使用的两个参考信号中的一个参考信号的动态范围是在所有像素读出模式中使用的单个参考信号的动态范围的1/2。

5.根据权利要求4所述的固态图像传感设备，其中，两个参考信号中的另一个参考信号是通过从一个参考信号减去单个参考信号的动态范围的1/2的偏移量而获得的信号。

6.根据权利要求4所述的固态图像传感设备，其中，两个参考信号中的另一个参考信号是通过从一个参考信号减去单个参考信号的动态范围的1/2的偏移量而获得的、且具有完全相反于该一个参考信号的斜率的斜率的信号。

7.一种在固态图像传感设备的模拟数字转换中的固态图像传感设备的模拟数字转换方法，所述固态图像传感设备包括

像素阵列单元，其中，以矩阵排列包含光电转换设备的像素，且关于每个像素列布设垂直信号线，

关于像素阵列单元的每个像素列提供的模拟数字转换电路，具有使用通过垂直信号线从该像素提供的模拟信号作为比较目标输入的比较器、以及测量从比较器的比较的开始到比较的结束的时间的计数器，以及

参考信号生成单元，其生成具有斜坡波形的多个参考信号，

所述方法包括如下步骤：

在从像素阵列单元的特定组像素列的像素向垂直信号线读出信号的稀疏读出方式中，短路属于特定组像素列的一个像素列的垂直信号线和属于不同于该特定组像素列的另一组像素列的不从其像素读出信号的垂直信号线；以及

分别提供作为比较标准输入的多个参考信号到属于该一个像素列的比较器和属于不同于该特定组像素列的另一组像素列的比较器。

8.一种包括固态图像传感设备的电子装置，包括：

像素阵列单元，其中，以矩阵排列包含光电转换设备的像素，且关于每个像素列布设垂直信号线；

关于像素阵列单元的每个像素列而提供的模拟数字转换电路，具有使用从该像素通过垂直信号线提供的模拟信号作为比较目标输入的比较器、以及测量从比较器的比较的开始到比较的结束的时间的计数器；

第一开关，其在从像素阵列单元的特定组像素列的像素向垂直信号线读出信号的稀疏读出方式中，短路属于特定组像素列的一个像素列的垂直信号线和属于不同于该特定组像素列的另一组像素列的不从其像素读出信号的垂直信号线；

参考信号生成单元，其生成具有斜坡波形的多个参考信号；以及

第二开关，在稀疏读出模式中，分别提供作为比较标准输入的多个参考信号到属于该一个像素列的比较器和属于不同于该特定组像素列的另一组像素列的比较器。

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