CN103002232B - 成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及成像装置，包括：像素，被配置为产生光电转换信号；比较器，被配置为将基于处于重置状态的像素的基准信号与时间变化的第一参考信号进行比较，用于将基于处于非重置状态的像素的有效信号与时间变化的第二参考信号进行比较，所述第二参考信号具有比所述第一参考信号的时间变化率大的时间变化率；计数器，被配置为对第一计数值进行计数，直到所述基准信号与所述第一参考信号之间的大小关系逆转为止，并且被配置为对第二计数值进行计数，直到所述有效信号与所述第二参考信号之间的大小关系逆转为止；校正单元，被配置为校正所述第一计数值与所述第二计数值的分辨度的差异，并且被配置为输出经过校正的第一计数值与第二计数值之间的差异。
Description
技术领域
本发明涉及一种成像装置。
背景技术
近年，CMOS图像传感器在传感器器件中对像素信号进行模拟-数字转换(以下称为A/D转换)。这里，高速和高分辨度(resolution)的A/D转换处理技术是已知的。日本专利申请公开No.2007-281987的技术包括：将图像信号输入到多个比较器中，将该图像信号与具有彼此不同的时间变化的参考信号进行比较，并且在S-N处理之后，合成像素信号的重置电平(以下称为基准信号)N和有效信号S的计数数据。从而，该技术可获取具有大量比特(bit)的A/D转换数据。
发明内容
在常规技术中，在合成的A/D转换数据中存在精度问题。日本专利申请公开No.2007-281987的技术包括通过下述方式将A/D转换数据合成为高精度数据，但是对提高A/D转换精度的影响小，所述方式即，将以时间变化小的参考信号获得的A/D转换数据(j比特)定位在最低有效位，该最低有效位包括用时间变化较大的参考信号获得的A/D转换数据(i比特)的量化误差。另外，该技术具有设置在每行中的两个比较器，因此，具有电路规模增大的顾虑。
根据本发明，一种成像装置包括：像素，其被配置为通过光电转换产生信号；比较器，其被配置为将基于处于重置状态的像素的基准信号与时间变化的第一参考信号进行比较，并且将基于处于非重置状态的像素的有效信号与时间变化的第二参考信号进行比较，其中，所述第二参考信号具有比所述第一参考信号的时间变化率大的时间变化率；计数器，其被配置为对第一计数值进行计数，直到所述基准信号与所述第一参考信号之间的幅值关系逆转为止，并且被配置为对第二计数值进行计数，直到所述有效信号与所述第二参考信号之间的大小关系逆转为止；校正单元，其被配置为校正所述第一计数值与所述第二计数值的分辨度的差异，并且被配置为输出经过校正的第一计数值与第二计数值之间的差异。
根据本公开内容的技术可提高模拟-数字转换的精度，同时抑制电路规模的增大。
从以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的进一步的特征将变得清晰。
附图说明
图1是根据本发明的第一实施例的成像器件的框图。
图2是像素信号的SN比的说明图。
图3是多个斜坡信号的说明图。
图4是本发明的第一实施例的A/D转换单元的框图。
图5是图4的A/D转换单元的定时图。
图6A、图6B和图6C是A/D转换数据的移位的说明图。
图7是成像系统的框图。
图8是示出成像器件的结构例子的概念图。
图9是像素的等效电路图。
图10是示出图8中所示的成像器件的操作例子的定时图。
具体实施方式
现在将根据附图来详细描述本发明的优选实施例。
(第一实施例)
图1是根据本发明的第一实施例的成像器件100的示意性框图。成像器件100是被称为CMOS图像传感器的成像器件；并且对被摄体的光接收图像进行光电转换，并且将电信号作为数字信号输出。成像器件100具有像素单元10、垂直扫描电路15、放大单元20、斜坡信号产生电路(参考信号产生电路)25、比较单元30、计数器单元40、存储器单元50、输出电路60、水平扫描电路65和定时产生电路(TG)70。像素单元10具有按二维矩阵形式布置的多个像素10-1。像素10-1通过光电转换产生像素信号。垂直扫描电路15将驱动脉冲X-1、X-2等输出到像素单元10。放大单元20放大从像素单元10发送的像素信号。斜坡信号产生电路25产生相对于时间变化的斜坡信号(参考信号)作为像素信号的比较信号。比较单元30将已被放大单元20放大的像素信号与斜坡信号进行比较。计数器单元40对值进行计数，直到比较单元30输出比较结果为止。存储器单元(校正单元)50保存计数器单元40的计数数据，并且对所保存的数据进行移位和计算。水平扫描电路65通过使用水平扫描来将从存储器单元50发送的数据传送到输出电路60。定时产生电路70分别控制上述电路块的定时。
像素单元10具有布置在其区域上的多个像素10-1，但是为了简单起见，图1仅示出了4个像素。通过要从垂直扫描电路15发送的驱动脉冲X-1和X-2来顺序地驱动每个像素10-1的线路。每个像素10-1的基于处于重置状态的像素10-1的基准信号(重置信号)和每个像素10-1的基于处于非重置状态的像素10-1的有效信号(光电转换信号)通过垂直输出线V-1至V-n被引导到放大单元20。放大单元20与存储器单元50之间的每个电路是对于垂直输出线V-1至V-n中的每条设置的。放大单元20的每个放大电路20-1可仅具有简单地放大从像素10-1发送的信号的功能，并且还可具有通过对有效信号和基准信号进行差分处理来降低噪声的CDS处理功能。在比较单元30中出现的噪声的影响可通过在放大单元20中放大信号而被降低。当放大单元20不设有CDS处理功能时，比较单元30的输入部分可执行CDS处理。
比较单元30具有比较器电路30-1和选择电路30-2，比较器30-1对应于从放大单元20连接的像素行，选择电路30-2从多个斜坡信号选择一个信号。稍后将在图3中描述多个斜坡信号。比较单元30将从放大电路20-1发送的基准信号与时间变化率较小的斜坡信号进行比较，然后确定有效信号的电平是大于还是小于比较电压，根据该结果选择将与有效信号进行比较的斜坡信号，并且将有效信号与该斜坡信号进行比较。上述比较电压是考虑有效信号的SN比来设置的。计数器单元40对一个像素执行两次转换操作。第一次，比较单元30将基准信号与时间变化率较小的斜坡信号进行比较，并且计数器单元40从斜坡信号的上升沿开始对值进行倒数计数，直到比较单元30的输出信号逆转为止。基准信号例如是当放大单元20的输入被重置时将输出的信号，或者如果成像设备被构造为不具有放大单元20，则基准信号是当像素10-1的输出被重置时将输出的信号。第二次，当有效信号的电平大时，比较单元30将有效信号与时间变化率较大的斜坡信号进行比较，并且计数器单元40校正其中斜坡信号具有较小的时间变化率的情况和其中斜坡信号具有较大的时间变化率的情况的分辨度比率，并且对值进行正数计数。结果所得的具有大量比特的A/D转换数据被保存在存储器单元50的存储器电路50-1中。有效信号是通过用放大单元20放大在像素10-1中通过光电转换获得并且从其发送的信号而获得的信号，或者当成像器件中不具有放大单元20时，有效信号是从像素10-1发送的信号。当有效信号的电平小时，在基准信号已被倒数计数之后，比较单元30顺序地将有效信号与时间变化率较小的斜坡信号进行比较，并且计数器单元40对值进行正数计数。结果作为A/D转换数据被保存在存储器单元50的存储器电路50-1中。已保存在存储器电路50-1中的A/D转换数据通过将从水平扫描电路65发送的扫描脉冲被传送到输出电路60。
如上所述，无论有效信号的电平如何，成像器件100都将基准信号与时间变化率较小的斜坡信号进行比较，因此，具有能够获得基准信号的高分辨度的A/D转换数据的效果。成像器件根据基准信号的A/D转换数据来执行校正有效信号的A/D转换数据的处理，结果，可获得具有高精度和大量比特的A/D转换数据。另外，一个比较器30-1根据有效信号的电平来将有效信号与斜坡信号进行比较，因此，用少量比特执行A/D转换处理，并且可提高处理速度。
图2是像素信号的SN比的说明图，该说明图用于描述图1的成像器件100的操作原理。图2中的横轴指示入射在像素10-1上的光量，纵轴使用对数刻度指示已根据入射光量被光电转换的信号的电平。实线201指示该信号，并且1V的信号电平应暂时对应于10000粒的光电荷N。虚线202指示光散粒噪声(opticalshotnoise)，并且众所周知，噪声的量用√N表达。虚线203是CDS之后的基于像素的噪声(其包括源于放大器中的噪声，不包括源于A/D转换中的噪声)。假设基于像素的噪声203为0.2mV，并且SN比变为74dB，该SN比为1V的信号电平与0.2mV的基于像素的噪声之比。为了执行覆盖该SN比的A/D转换，考虑到量化比特误差，需要大约14比特的分辨度。当成像器件具有更高的分辨度时，计数器周期变得更长。因此，成像器件需要A/D转换时间段，并且以低速读取信号。最后，成像装置导致不能以高速拍摄图像。
然后，本实施例的成像器件通过减少用于A/D转换的比特数来实现高速读出。如果大幅度信号的电平临时设为例如1V，则光散粒噪声202大。那么，假设，当大幅度信号的电平对应于10000粒电荷时，光散粒噪声为100粒，并且SN比为40dB。另外，当小幅度信号的电平临时设为10mV时，SN比为20dB。换句话讲，理解的是，无论信号的大小如何，稍大于40dB的SN比对于A/D转换都是满意的。
在图2中，对于按62.5mV的界限分类的大幅度信号AD(H)和小幅度信号AD(L)，考虑具有10比特的A/D转换，在62.5mV的界限处，电压为1V的信号的1/16(等同于4比特)。对于大小为1V的信号的A/D转换的分辨度用双点划线204表达，并且对于大小为62.5mV的信号的A/D转换的分辨度用交替长短虚线205表达。那么，该图表明，尽管具有10比特A/D转换精度，但是即使考虑到光散粒噪声202的量化误差，两个A/D转换也都具有小的A/D分辨度。在10比特A/D转换器中，可通过对这两个A/D转换数据的比特进行移位来获得14比特精度的A/D转换数据。然而，因为在大幅度信号AD(H)的A/D转换数据的最低有效位中存在量化误差，所以A/D转换数据实际上不具有10比特精度，并且由于有效信号与基准信号之间的差分处理，量化误差变大。
对于大幅度信号的转换和对于小幅度信号的转换分别用10比特执行，但是因为24＝16，所以它对应于4比特分辨度的变化，以将在该转换期间将供给的斜坡信号(参考信号)的梯度(换句话讲，参考信号的时间变化率的比率)设置为16。对于1V的信号范围，通过合成具有这样的关系的两个信号来创建14比特的分辨度。这里，将考虑大幅度信号的转换。在本实施例中，根据信号大小是否大于该信号大小的最大值1V的1/16(其为界限)来确定信号是否是大幅度信号。该值为62.5mV，其为1000mV/16。因此，确定界限为62.5mV。
另一方面，当对小幅度信号进行转换时，通过使用梯度为用于大幅度信号的斜坡信号的1/16的斜坡信号来对直到62.5mV(其为界限)的小幅度信号进行A/D转换。因为这，对于小幅度信号的A/D转换的分辨度205变为对于大幅度信号的A/D转换的分辨度204的1/16。因此，因为62.5mV/1024≈0.0612mV，所以对于大小为62.5mV的信号的10比特A/D转换的分辨度变为0.0612mV。相对于上述基于像素的噪声203的值0.2mV，0.0612mV的分辨度是足够小的值。对于信息，界限上的62.5mV的信号可被作为大幅度信号和小幅度信号中的任何一个进行处理。
图3是根据本实施例的多个斜坡信号的说明图。图3示出作为斜坡信号的时间变化的梯度。在图2中，第一斜坡信号(第一参考信号)VH用于大小为62.5mV或更大的信号，第二斜坡信号(第二参考信号)VL用于小于62.5mV的信号。第二斜坡信号VL具有比第一斜坡信号VH的梯度(时间变化率)小的梯度(时间变化率)。斜坡信号VH的梯度与斜坡信号VL的梯度的比被设置为16。当所述梯度的比被设置为16时，分辨度可增大4比特。因为上述两个AD转换电路都将信号转换为具有10比特的信号并且具有相同的最长转换时间段，所以计数器时钟的时钟频率变为相同。如果所述梯度的比被设置为8，则分辨度可增大3比特。在图2中，对于小幅度信号的A/D转换的分辨度远小于系统噪声的分辨度，因此AD转换电路可将信号转换为具有9比特的信号。在这种情况下，如果计数器的最大时钟频率fmax没有改变，则A/D转换电路对于9比特的转换时间段变为1/2，并且速度可提高。斜坡信号的梯度的比和A/D转换电路的分辨度由像素的饱和电荷的数量、系统噪声、对于成像器件100必要的分辨度等来确定。梯度彼此不同的斜坡信号VH和斜坡信号VL的梯度的比可以是2的倍数。另外，对于斜坡信号VH和VL，计数器单元40可用具有相同频率的计数器时钟对值进行计数，或者可用具有彼此不同的频率的计数器时钟对值进行计数。
图4是本发明的第一实施例中的A/D转换单元的框图，该框图用于描述比较器30-1与输入侧和输出侧的电路之间的连接；并且具有与图1中的功能相同的功能的块用相同的标号表示，并且省略描述。A/D转换单元能够以高速将已被光电转换的模拟信号转换为数字信号。
接下来，以下将描述不具有A/D转换器的成像装置的结构例子和操作，以便于描述本实施例。图8是示出成像器件中的像素单元210和放大电路220-1的结构例子的视图，并且是其中省略了比较单元30、计数器单元40和存储器单元50的视图。CDS电路119设置在放大电路220-1的后级中。像素单元210被配置为包括根据多行和多线布置的多个像素210-1。在图8中，当从左开始计数时从奇数行像素输出的信号被布置在像素单元210的下部中的读出电路读取。另一方面，当从左开始计数时从偶数行像素输出的信号被布置在像素单元210的上部中的读出电路(未示出)读取。因此，通过交替地设置读出电路，当安排读出电路时，可使用用于两行像素单元210的区域。CDS电路119具有对信号进行采样和保持的功能，并且与差分处理单元118一起减少了相关组件。
图9是一个像素210-1的电路图。传输开关102由传输脉冲PTX驱动。重置开关103由重置脉冲PRES驱动。线选择开关105由线选择脉冲PSEL驱动。PTX是表示PTX1至PTXn(n为线数)的符号。PRES是表示PRES1至PRESn的符号。PSEL是表示PSEL1至PSELn的符号。
图10是示出图8中所示出的成像器件的操作例子的定时图。以下将参照图8至图10来描述成像器件的操作例子。在读出操作之前，使成像器件在所设置的曝光时间段内曝光，并且光电荷在光电二极管101中累积。在以下描述中，假设将被从垂直扫描电路215输出的PRES1、PTX1和PSEL1驱动的线被选择。
首先，像素重置脉冲PRES从高电平变为低电平，并且放大MOSFET104的栅电极的重置被清除。此时，与重置的清除对应的电势保存在与栅电极连接的浮置扩散区FD中。随后，当线选择脉冲PSEL变为高电平时，然后通过由放大MOSFET104和恒流源107形成的源极跟随器电路，与浮置扩散区FD的电势对应的输出出现在垂直输出线V-1中。当箝位脉冲PC0R在这种状态下被激活到高电平时，箝位开关109开启，可变放大单元131变为电压跟随器状态，并且箝位电容器108的行放大器侧的电极的电压变为大约等于电压VREF。此后，箝位脉冲PC0R被从高电平非激活到低电平，并且垂直输出线V-1的输出被箝位。
随后，累积脉冲PTN被激活到高电平，并且放大电路220-1的偏置信号通过传输栅极110n被存储在保持电容器112n中。此后，传输脉冲PTX被激活到高电平，从而传输开关102在固定时间段变为高电平，并且累积在光电二极管101中的光电荷被传输到放大MOSFET104的栅电极。这里，将被传输的电荷是电子，并且当传输的电荷的量的绝对值用Q表达时，以及当浮置扩散区FD的电容用CFD表达时，栅极电势降低Q/CFD。与此相对应地，垂直输出线V-1的电势改变。当源极跟随器增益用Gsf表达时，由于从光电二极管101到浮置扩散单元FD的电荷传输而导致的垂直输出线V-1的电势Vvl的变化ΔVvl用表达式(1)表达。
ΔVvl＝-Q·Gsf/CFD...(1)
该电势变化ΔVvl的电压被可变放大单元131放大，可变放大单元131包括计算放大器120、箝位电容器108和反馈电容器121，并且可变放大单元131的输出Vct用表达式(2)表达。
Vct＝VREF+Q·(Gsf/CFD)·(C0/Cf)...(2)
这里，C0表示箝位电容器108的电容，Cf表示当灵敏度切换脉冲×1、×2和×4分别被激活时将选择的反馈电容器121a、121b和121c的电容值。例如，C0为1pF。当反馈电容器121a被选择时，Cf为1pF，当反馈电容器121b被选择时，Cf为0.5pF，当反馈电容器121c被选择时，Cf为0.25pF。用-C0/Cf表示的电压放大比分别为-1倍、-2倍和-4倍。换句话讲，在负反馈应用于计算放大器120的系统中，通过切换对于多个反馈电容器121a至121c中的任何反馈电容器的选择来改变由Cf与C0的分压比确定的反馈系数，从而可切换电压放大比。对于信息，附到电压放大比的负号表明可变放大单元是反相放大电路。传输脉冲PTX变为低电平，然后累积脉冲PTS变为高电平，此时从放大电路220-1输出的电平通过传输门110s累积在保持电容器112s中。
随后，通过由水平扫描电路65产生的扫描脉冲COLSEL1、COLSEL2等顺序地开启行选择开关114s和114n。然后，累积在保持电容器112s中的信号按行的顺序输出到水平输出线116s，并且累积在保持电容器112n中的信号按行的顺序输出到水平输出线116n。多行中的信号对顺序地输出到水平输出线116s和116n。差分处理单元118输出已输出到水平输出线116s和116n的每行中的信号对之间的差异。从而，可降低保存在保持电容器112s中的信号中所包含的噪声分量。
图5是示出用于驱动本实施例的成像器件100的方法的定时图，具体是图4中的A/D转换单元的定时图。以下将参照图4和图5来描述A/D转换操作。在图5中，时间段Tad表示用于从像素读取的模拟信号Va的基准信号和有效信号的A/D转换时间段。时间段Tdata表示传输A/D转换数据的传输时间段。在时间段Tad内，时间段Td表示用于从像素发送的基准信号的A/D转换时间段，并且用于基准信号的斜坡信号(用于基准信号的参考信号，换句话讲，第一参考信号)VR表示用于该基准信号的比较信号。时间段Tj表示用于有效信号的信号电平确定时间段，并且比较电压VREF表示用于有效信号的比较信号。另外，时间段Tu表示用于有效信号的A/D转换时间段，并且用于每个有效信号的斜坡信号(用于有效信号的参考信号，换句话讲，第二参考信号)VH和VL表示用于有效信号的比较信号。从放大电路20-1发送的输出信号Va主要采取如图所示的基准信号和有效信号的这样的形式，并且被引导到比较器30-1的输入端子。作为用于信号Va的比较信号的斜坡信号VRAMP被输入到比较器30-1的另一个输入端子。这里，当成像器件具有设置在比较单元30前面的CDS电路时，基准信号对应于将被图10中的信号PTN采样的信号。另一方面，当成像器件不具有CDS电路时，基准信号对应于将响应于对于浮置扩散单元的重置操作而被输出到垂直信号线的信号。类似地，当成像器件具有设置在比较单元30前面的CDS电路时，有效信号对应于将被图10中的信号PTS采样的信号。另一方面，当成像器件不具有CDS电路时，有效信号对应于将通过把在光电二极管中产生的电荷传输到浮置扩散单元的操作而被输出到垂直信号线的信号。
斜坡信号产生电路25由定时产生电路70的控制信号CNT2控制，并且产生斜坡信号VH/比较电压VREF以及斜坡信号VL/斜坡信号VR。斜坡信号VH为梯度大的用于高位比特的斜坡信号，并且斜坡信号VL是梯度小的用于低位比特的斜坡信号。另外，比较电压VREF是用于确定有效信号的电平的比较基准信号，并且用于基准信号的斜坡信号VR是用于将有效信号与基准信号进行比较的斜坡信号。这四种类型的斜坡信号由选择电路30-2选择，并且被输入到比较器30-1，选择电路30-2由定时产生电路70的控制信号CNT1控制。定时产生电路70还通过控制信号CNT2来控制斜坡信号产生电路25。
接下来，以下将描述比较电压VREF。比较电压VREF可从另一个电源电路产生，但是可在斜坡产生电路25中产生。斜坡产生电路25能够以与形成斜坡信号VH的方式类似的方式通过在产生信号的过程(例如，大约60mV)中停止充电电流来产生比较电压VREF。比较电压VREF可在相对于斜坡信号VH的时间段的1/16的时间段内产生。为了进一步缩短该时间段，可增大充电电流。另外，比较电压VREF需要被设置为低于62.5mv，62.5mv是斜坡信号VL的最终可达电压VL(H)。如果电压被如此设置，则有效信号肯定可与斜坡信号VH和VL中的任一个进行比较处理。
比较器30-1在基准信号的A/D转换时间段Td期间将基准信号与用于该基准信号的斜坡信号VR进行比较，并且假设Tr表示当用于基准信号的斜坡信号VR开始改变时的时间与当基准信号与斜坡信号之间的幅值关系逆转时的时间之间的时间段。计数器40-1在时间段Tr期间对值进行倒数计数，并且存储器电路50-1将倒数计数值(第一计数值)作为基准信号的数字数据保存。用于基准信号的斜坡信号VR具有与斜坡信号VL的梯度相同的梯度。通过将斜坡信号的梯度设置为相同值，可获得基准信号的具有高分辨度的数字数据。接着，在信号大小确定时间段Tj内，比较器30-1将有效信号与比较电压VREF进行比较。在图中所示的例子中，比较器30-1在信号大小确定时间段Tj内将高电平选择信号SEL输出到选择电路30-2，该高电平选择信号SEL意味着有效信号大于比较电压VREF。结果，在有效信号A/D转换时间段Tu内，选择电路30-2选择梯度大的斜坡信号VH，并且将该斜坡信号输出到比较器30-1。比较器30-1将有效信号与斜坡信号VH进行比较。当这两个信号之间的大小关系逆转时，时间所花费的长度用Ts表示。计数器40-1在上述对基准信号的倒数计数之后在时间段Ts对值进行正数计数。存储器电路50-1将正数计数值(第二计数值)保存为有效信号的数字数据。如果比较器30-1的输出在信号电平确定时间段Tj内没有逆转，则选择信号SEL保持在低电平，并且因为有效信号的电平已被确定为小于比较电压VREF，所以选择电路30-2选择梯度小的斜坡信号VL。在这种情况下，比较器30-1将有效信号与斜坡信号VL进行比较。选择电路30-2根据已被放大单元20放大的有效信号的电平来选择梯度彼此不同的斜坡信号VH和VL中的任一个。换句话讲，选择电路30-2根据基于像素的有效信号的电平来设置斜坡信号的时间变化率。比较器30-1将已被选择电路30-2选择的斜坡信号与已被放大单元20放大的有效信号进行比较。计数器40-1在下述时间段内对值进行正数计数，该时间段在当斜坡信号开始改变时的时间与当比较器30-1输出指示有效信号与斜坡信号之间的大小关系逆转的信号时的时间之间。
在图5中，如上所述，用于基准信号的斜坡信号VR和斜坡信号VL具有相同的梯度。用于基准信号的斜坡信号VR被与基准信号进行比较，但是基准信号还是用于有效信号的基准信号，因此，斜坡信号需要具有高精度。因为斜坡信号VR具有与用于产生具有低位比特的数据的斜坡信号VL的梯度相同的梯度，所以存在能够使用相同的斜坡产生电路25的这样的优点。稍后将参照图6A至图6C来描述计数器40-1的倒数计数模式和正数计数模式的功能。
假设从像素单元10发送的像素信号是图2中所述的信号201，那么，图4中的放大电路20-1的增益为1。然而，稍后将在图7中描述的成像系统具有设置适合于拍摄环境的灵敏度的功能。例如，当灵敏度设置为16倍时，放大电路应将图2中的62.5mV的信号电平放大到1V，并且将放大的信号输入到比较器30-1。此时，对于A/D转换必要的SN比示出了(如果具有10比特的A/D转换的分辨度)通过将大幅度信号与斜坡信号VH进行比较而获得的足够的效果。因此，如果灵敏度被设置为16倍或更大，则选择电路30-2可通过从定时产生电路70发送的控制信号CONT1被控制为选择斜坡信号VH，并且将该斜坡信号VH输出到比较器30-1。因为像素单元10的SN比受像素单元10的开口面积的影响大，所以斜坡信号VH与斜坡信号VL的梯度的比以及用于选择上述斜坡信号VH的灵敏度设置根据开口面积而变化。
图6A至图6C是用于示出计数器电路(校正单元)40-1的结构例子的视图。当基准信号已被与用于该基准信号的斜坡信号VR进行比较时，以及当有效信号已被与用于该有效信号的斜坡信号VH和VL之一进行比较时，计数器40-1对值进行计数，直到比较器30-1的输出逆转为止。当比较器30-1将基准信号与斜坡信号进行比较时，计数器40-1对值进行倒数计数。与此相反，当比较器30-1将有效信号与斜坡信号进行比较时，计数器40-1对值进行正数计数。然后，存储器单元(校正单元)50对计数数据的比特进行移位，以便校正分辨度比率。
图6A是示出计数器40-1的结构例子的视图。图6B和图6C是用于描述存储器单元(校正单元)50中的处理的视图。图6B是这样的视图，其示出基准信号已被与用于该基准信号的斜坡信号VR进行比较、然后有效信号大于比较电压VREF的情况，并且示出当有效信号被与斜坡信号VH进行比较时的计数数据。图6C是这样的视图，其示出基准信号已被与用于该基准信号的斜坡信号VR进行比较、然后有效信号小于比较电压VREF的视图，并且示出当有效信号被与斜坡信号VL进行比较时的计数数据。
计数器40-1具有反相器601、4比特正/倒数计数器602、10比特正/倒数计数器603以及开关SW1和SW2。计数时钟信号CLK输入到开关SW1和SW2中。反相器601输出选择信号SEL的逻辑反相信号。开关SW1由反相器601的输出信号控制。开关SW2由选择信号SEL控制。计数器时钟信号CLK根据选择信号SEL输入到4比特正/倒数计数器602和10比特正/倒数计数器603的时钟端子中的任何一个。
图6B示出有效信号大于比较电压VREF的情况。在这种情况下，选择信号SEL变为高电平，并且比较器30-1将有效信号与斜坡信号VH进行比较。在时间段Tr内，选择信号SEL变为低电平。然后，计数器时钟信号CLK通过开关SW1输入到4比特正/倒数计数器602的时钟端子中。4比特正/倒数计数器602的进位输出(carryout)co通过开关SW2输出到10比特正/倒数计数器603的时钟端子。4比特正/倒数计数器602与计数器时钟信号CLK同步，对值进行倒数计数，并且输出数据D0至D3。10比特正/倒数计数器603与4比特正/倒数计数器602的进位输出co同步，对值进行倒数计数，并且输出数据D4至D6。基准信号的倒数计数值(第一计数值)变为数据D0至D6。接着，在时间段Ts内，选择信号SEL变为高电平。然后，计数器时钟信号CLK不应通过开关SW1输入到4比特正/倒数计数器602的时钟端子中。计数器时钟信号CLK通过开关SW2输出到10比特正/倒数计数器603的时钟端子。10比特正/倒数计数器603与计数器时钟信号CLK同步，对值进行正数计数，并且将正数计数值输出到存储器单元50。存储器单元50将正数计数值的比特移位4比特，并且将其位已被移位4比特的10比特数据D4至D13存储为数据Da4至Da13。存储器单元50还将4比特正/倒数计数器602的输出的4比特数据D0至D3存储为数据Da0至Da3。结果，在4比特正/倒数计数器602和10比特正/倒数计数器603中，数据变为已经受了有效信号与基准信号之间的差分处理的Da0至Da13。14比特数据Da0至Da13分别对应于数据D0至D13，并且被存储在存储器电路50-1中。因而，A/D转换数据D4至D13相对于数据D0至D6经受4比特移位，并且经受差分处理，A/D转换数据D4至D13是通过有效信号与斜坡信号VH之间的比较而获得的，数据D0至D6是通过基准信号与用于该基准信号的斜坡信号VR之间的比较而获得的。从而，获得高精度的14比特A/D转换数据Da0至Da13。
图6C示出有效信号小于比较电压VREF的情况。在这种情况下，选择信号SEL变为低电平，并且比较器30-1将有效信号与斜坡信号VL进行比较。在时间段Tr内，与图6B中类似地，对基准信号进行倒数计数。倒数计数值(第二计数值)变为数据D0至D6。接着，在时间段Ts内，选择信号SEL变为低电平。然后，计数器时钟信号CLK通过开关SW1输入到4比特正/倒数计数器602的时钟端子中。4比特正/倒数计数器602的进位输出(carryout)co通过开关SW2输出到10比特正/倒数计数器603的时钟端子。4比特正/倒数计数器602与计数器时钟信号CLK同步，并且对值进行正数计数。10比特正/倒数计数器603与4比特正/倒数计数器602的进位输出co同步，对值进行正数计数，并且将10比特数据D0至D9输出到存储器单元50。虚拟(dummy)数据D10至D13为“0”。数据D0至D9被存储为数据Da0至Da9，虚拟数据D10至D13被存储为数据Da10至Da13，并且14比特数据Da0至Da13分别被存储在存储器单元50中。结果，数据变为已在4比特正/倒数计数器602和10比特正/倒数计数器603中经受有效信号与基准信号的差分处理的Da0至Da9。虚拟数据D10至D13被作为数据Da10至Da13添加。14比特数据Da0至Da13被存储在存储器电路50-1中。虚拟数据D10至D13意味着，因为信号是小幅度数据，所以高阶位为0。
如上所述，无论有效信号是大幅度信号还是小幅度信号，当对有效信号和基准信号进行差分处理时，成像器件都使用通过对基准信号进行与用于该基准信号的斜坡信号VR的比较处理而获得的这样的计数数据，以便具有高分辨度。从而，成像器件可获得几乎不受量化噪声影响并且具有高精度的A/D转换数据。在图6B中，成像器件还可通过使用其位已被移位4比特的10比特数据D4至D13来获取具有14比特的A/D转换数据Da0至Da13。
比较器30-1在时间段Td内将基于像素的基准信号与用于该基准信号的斜坡信号VR进行比较，并且计数器40-1在时间段Tr内对第一计数值进行计数，直到基于像素的基准信号与用于该基准信号的斜坡信号VR之间的大小关系逆转为止。此后，比较器30-1在时间段Tu内将基于像素的有效信号与用于该有效信号的斜坡信号VH和VL之一进行比较，并且计数器40-1在时间段Ts内对第二计数值进行计数，直到基于像素的有效信号与用于该有效信号的斜坡信号VH和VL之一之间的大小关系逆转为止。计算器40-1和存储器单元50的校正单元校正第一计数值与第二计数值的分辨度之间的差异，该分辨度的差异对应于用于基准信号的斜坡信号VR的时间变化率与用于有效信号的斜坡信号VH和VL之一的时间变化率之间的差异。然后，存储器单元(校正单元)50输出已被校正的第一计数值与第二计数值的差异数据Da0至Da13。具体地讲，在图6B的情况下，存储器单元(校正单元)50通过移位第二计数值的位来校正分辨度的差异。
在以上描述中，第一计数值在时间段Tr内被倒数计数，第二计数值在时间段Ts内被正数计数，但是计数方法可反过来。计数器40-1可在时间段Tr内对第一计数值进行正数计数并且在时间段Ts内对第二计数值进行倒数计数，从而输出第一计数值与第二计数值的差异数据Da0至Da13。换句话讲，计数器40-1对第一计数值进行倒数计数或正数计数，并且对第二计数值进行计数以使方向变为与当对第一计数值进行计数时的正数或倒数方向相反的方向。从而，存储器单元(校正单元)50可输出已被校正的第一计数值和第二计数值的差异数据Da0至Da13。
在以上描述中，描述了具有倒数计数模式和正数计数模式的计数功能的计数器40-1执行上述差分处理的例子，但是所述方法不受该例子限制。当在基准信号和有效信号的计数结果已存储在存储器中之后计数器结果被从存储器单元50传送到输出电路60时，当该结果被从输出电路60传送到成像器件100的外部时，或者甚至在外部电路(例如，图7中的视频信号处理电路单元830)中，也可执行对于有效信号和基准信号的差分处理。此时，如果相对于比较电压VREF识别信号确定电平(选择信号SEL)的标志数据被添加到A/D转换数据，则成像器件导致易于应对任何移位方法。计数器单元40输出的A/D转换数据与指示有效信号的电平的标志数据一起输出。
(第二实施例)
图7是示出根据本发明的第二实施例的成像系统的结构例子的视图。成像系统800包括，例如：光学单元810；成像器件100；信号处理电路单元830；记录和通讯单元840；定时控制电路单元850；系统控制电路单元860；以及播放和显示单元870。成像装置820具有成像器件100和信号处理电路单元830。已经在第一实施例中描述的成像器件100用于上述成像器件100。
作为光学系统的光学单元810(诸如透镜)使从被摄体发射的光成像在成像器件100的像素单元10(图1)上，并且在像素单元10上形成该被摄体的图像，在像素单元10上，二维地布置了多个像素。成像器件100在基于从定时控制电路单元850输出的信号的定时，根据成像在像素单元10上的光来输出信号。从成像器件100输出的信号输入到作为信号处理单元的信号处理电路单元830中，并且信号处理电路单元830通过程序等用指定方法对该信号进行处理。信号处理电路单元830可对输入信号进行信号处理，诸如图6中所示的移位处理和差分处理。通过信号处理电路单元830中的处理而获得的信号作为图像数据被发送到记录和通讯单元840。记录和通讯单元840将用于形成图像的信号发送到播放和显示单元870，并且使播放和显示单元870播放或显示运动图像或静态图像。记录和通讯单元840还通过从信号处理电路单元830接收信号来与系统控制电路单元860进行通讯，并且还执行将用于形成图像的信号记录在记录介质(未示出)上的操作。
系统控制电路单元860是用于对成像系统的操作进行总控制的单元，并且控制光学单元810、定时控制电路单元850、记录和通讯单元840、以及播放和显示单元870中的每个的驱动。另外，系统控制电路单元860例如设有作为记录介质的存储单元(未示出)，并且将对于控制成像系统的操作必要的程序等记录在该存储单元中。系统控制电路单元860还将例如根据用户操作切换驱动模式的信号供给到成像系统中。具体例子包括：用于改变将被读取的线或将被重置的线的信号；用于随着电子变焦操作来改变视角的信号；和用于随着电子振动控制来移动视角的信号。定时控制电路单元850基于作为控制单元的系统控制电路单元860的控制来控制用于成像器件100和信号处理电路单元830的驱动定时。
如上所述，根据第一实施例和第二实施例，无论像素的有效信号是大幅度信号还是小幅度信号，成像器件都将该像素的基准信号与用于该基准信号的具有高分辨度的斜坡信号VR进行比较。成像器件确定有效信号的电平，然后选择适合于所确定的信号的斜坡信号VH和斜坡信号VL之一，并且通过差分处理来获取A/D转换数据，该差分处理校正有效信号与基准信号的分辨度比率；从而能够获得具有高精度和多个位的A/D转换数据。
在黑暗的拍摄环境下，尽管取决于曝光条件，像素信号趋向于是小幅度信号，并且灵敏度可通过放大该像素信号来提高。在第一实施例中，灵敏度可通过在放大电路20-1中放大信号来提高。当从像素单元10发送的信号没有被放大地输入到比较器30-1中时，灵敏度因此可通过改变斜坡信号的梯度来提高。第一实施例和第二实施例中的成像器件主要不是确定斜坡信号的梯度，但是可根据所要求的灵敏度增强来改变斜坡信号的梯度，并且当意图将灵敏度提高到例如两倍时，可将斜坡信号的梯度控制为一半。
注意，以上实施例仅仅是可如何实施本发明的例子，并且本发明的技术范围不应严格用实施例来解释。换句话讲，在不脱离本发明的技术构思和主要特征的情况下，能够以各种方式来实施本发明。例如，尽管已将其电平相对于时间线性变化的斜坡信号作为参考信号进行了描述，但是可使用其电平相对于时间阶梯状(stepwise)变化的斜坡信号。
虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但是要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应被赋予最宽泛的解释，以涵盖所有这样的修改以及等同的结构和功能。
Claims (13)
1.一种成像装置，包括：
像素，所述像素被配置为通过光电转换产生信号；
参考信号产生电路；
比较器；和
计数器，其中
所述参考信号产生电路被配置为产生具有随时间的第一变化率水平的第一参考信号和具有随时间的第二变化率水平的第二参考信号，第二变化率水平大于第一变化率水平；
选择电路，所述选择电路被配置为从第一参考信号和第二参考信号选择参考信号，并且将参考信号供给到所述比较器；
所述比较器被配置为将基于处于重置状态的像素的基准信号与第一参考信号进行比较，并且用于将基于处于非重置状态的像素的有效信号与第二参考信号进行比较，
所述计数器被配置为获得代表直到出现所述基准信号与所述第一参考信号之间的大小关系的逆转为止的时间的第一计数值，并且被配置为获得代表直到出现所述有效信号与所述第二参考信号之间的大小关系的逆转为止的时间的第二计数值；
校正单元，所述校正单元被配置为校正所述第一计数值与所述第二计数值之间的分辨度的差异，并且被配置为输出经受了校正的第一计数值与第二计数值之间的差异。
2.根据权利要求1所述的成像装置，其中，
所述校正单元通过所述第二计数值的移位来校正所述分辨度的差异。
3.根据权利要求1或2所述的成像装置，其中，
所述计数器对所述第一计数值进行正数计数或倒数计数，并且在与所述第一计数值的正数计数或倒数计数相反的方向上对所述第二计数值进行计数。
4.根据权利要求1或2所述的成像装置，其中，
在所述有效信号大于比较电压的情况下，通过所述选择电路的选择将第二参考信号供给到所述比较器来获得第二计数值。
5.根据权利要求4所述的成像装置，其中，
在所述有效信号大于所述比较电压的情况下，所述选择电路从第一参考信号和第二参考信号选择第二参考信号，
在所述有效信号小于所述比较电压的情况下，所述选择电路从第一参考信号和第二参考信号选择第一参考信号。
6.根据权利要求5所述的成像装置，其中，
所述比较电压低于所述第二参考信号的最大电压。
7.一种成像系统，包括：
根据权利要求1或2所述的成像装置；和
信号处理单元，所述信号处理单元用于处理从所述成像装置输出的信号。
8.一种成像装置的驱动方法，所述成像装置包括：
像素，所述像素用于通过光电转换产生信号；
比较器；和
计数器，其中，所述方法包括以下步骤：
从包括第一参考信号和第二参考信号的多个参考信号选择参考信号，第二参考信号比第一参考信号具有更大的时间变化率；
通过所述比较器比较基于由处于重置状态的像素产生的信号的基准信号与第一参考信号，并且比较基于由处于非重置状态的像素产生的信号的有效信号与第二参考信号；以及
通过所述计数器进行计数以获得代表直到出现所述基准信号与所述第一参考信号之间的大小关系的逆转为止的时间的第一计数值，并且进行计数以获得代表直到出现所述有效信号与所述第二参考信号之间的大小关系的逆转为止的时间的第二计数值；以及
校正所述第一计数值与所述第二计数值之间的分辨度的差异；和
输出经过校正的第一计数值与第二计数值之间的差异。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，
所述校正的步骤包括通过所述第二计数值的移位来校正所述分辨度的差异。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，进行计数来获得第一计数值包括进行正数计数或倒数计数，并且进行计数来获得第二计数值包括在与所述第一计数值的正数计数或倒数计数相反的方向上进行计数。
11.根据权利要求8或9所述的方法，还包括：
选择步骤，用于根据所述有效信号的电平来设置所述第二参考信号的时间变化率。
12.根据权利要求8所述的方法，
在所述有效信号大于比较电压的情况下，从包括第一参考信号和第二参考信号的多个参考信号选择第二参考信号，以及
在所述有效信号小于比较电压的情况下，从包括第一参考信号和第二参考信号的多个参考信号选择第一参考信号。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，
所述比较电压低于所述第二参考信号的最大电压。
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