CN103297724B - 成像装置、成像系统和成像装置驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供成像装置、成像系统和成像装置驱动方法，其中，像素输出具有不同的可行信号范围的至少两个图像信号，并且，具有较大的信号范围的像素信号在第一时段期间被转换成数字信号，并且，具有较小的信号范围的像素信号在比第一时段短的第二时段期间被转换成数字信号。

Description

成像装置、成像系统和成像装置驱动方法

技术领域

本技术涉及包括用于将模拟信号转换成数字信号的模数转换电路的成像系统和成像装置。

背景技术

根据相关技术，成像装置已知包括以矩阵状布置、执行光电转换并基于入射光而输出信号的像素，并且包括在各像素列中设置的、对于从像素输出的信号执行AD转换的列并列型的模数电路（以下，模数电路被称为ADC（模数转换器），并且，列并列型ADC被称为列ADC）。列ADC中的各列中的电路单元执行用于将从像素输出的模拟信号（以下，“从像素输出的模拟信号”被称为像素信号）转换成数字信号的模数转换（以下，称为AD转换）。

此外，日本专利公开No.2004-134867公开了包括输出基于在至少一个光电转换单元中蓄积的第一信号电荷的第一像素信号、以及基于从第一信号电荷计算的信号电荷和在另一光电转换单元中蓄积的信号电荷的第二像素信号的像素的成像装置。根据该成像装置，第一像素信号的信号值的可行信号范围比第二像素信号的信号值的可行信号范围窄。

日本专利公开No.2000-59687公开了包括像素的成像装置，所述像素包括具有不同的表面面积的多个光电转换单元。当相同的光量照射到多个光电转换单元上时，与具有较小的表面面积的光电转换单元相比，具有较大的表面面积的光电转换单元生成较多的信号电荷。因此，基于具有较小的表面面积的光电转换单元的像素信号的可行信号范围比基于具有较大的表面面积的光电转换单元的像素信号的可行信号范围窄。

发明内容

根据现有技术，当转换具有不同的可行信号范围的至少两个光电转换信号时，没有充分考虑将像素信号转换成数字信号的精度与缩短用于执行该转换的时间之间的平衡。实施例是一种成像装置，该成像装置包括：包括被配置为生成信号电荷并输出基于信号电荷的信号的多个光电转换单元的像素；和被配置为将从像素输出的信号转换成数字信号的AD转换单元，其中，与第一转换时段相比，基于来自包含于像素中的n（n是比m小的整数）个光电转换单元的信号电荷的信号在比第一转换时段短的第二转换时段中被转换成数字信号，在所述第一转换时段中，基于来自包含于像素中的m（m是整数）个光电转换单元的信号电荷的信号被转换成数字信号。

根据本技术，当转换具有不同的可行信号范围的至少两个光电转换信号时，实现了将像素信号转换成数字信号的精度与缩短用于执行该转换的时间之间的平衡。

参照附图阅读示例性实施例的以下描述，本公开的其它特征将变得清晰。

附图说明

图1是成像装置的俯视图和等效电路图。

图2是成像装置的断面图。

图3是成像装置的等效电路图。

图4是示出计数器电路和存储器的配置的例子的示图。

图5是示出成像装置的操作定时的示图。

图6是根据另一实施例的成像装置的俯视图和等效电路图。

图7是根据另一实施例的成像装置的俯视图和等效电路图。

图8是根据另一实施例的成像装置的等效电路图。

图9是示出根据另一实施例的成像装置的操作定时的示图。

图10是根据另一实施例的成像装置的俯视图和等效电路图。

图11是示出与根据另一实施例的成像装置有关的动态范围的示图。

图12是示出根据另一实施例的成像装置的操作定时的示图。

图13是成像系统的示意图。

图14A是示出根据另一实施例的成像装置的操作定时的示图。

图14B是示出数字信号校正的例子的示图。

图15是示出根据另一实施例的成像装置的操作定时的示图。

图16是根据另一实施例的成像装置的等效电路图。

图17是示出根据另一实施例的成像装置的操作定时的示图。

图18是示出根据另一实施例的数字信号校正的例子的示图。

图19是示出根据另一实施例的成像装置的操作定时的示图。

图20是根据另一实施例的成像装置的等效电路图。

图21A是根据另一实施例的AD转换单元的等效电路图。

图21B是示出根据另一实施例的成像装置的动态范围的示图。

图21C是示出根据另一实施例的成像装置的动态范围的示图。

图22A是示出根据另一实施例的成像装置的动态范围的示图。

图22B是示出根据另一实施例的成像装置的动态范围的示图。

图22C是示出根据另一实施例的成像装置的动态范围的示图。

图23A是根据另一实施例的成像装置的等效电路图。

图23B是示出根据另一实施例的成像装置的动态范围的示图。

图23C是根据另一实施例的成像装置的等效电路图。

图24是根据另一实施例的成像系统的示意图。

具体实施方式

第一实施例

以下将参照附图描述根据本实施例的成像装置。图1是示出根据本实施例的成像装置的概观的示图和从像素读出信号的电路配置的示例性示意图。附图标记1表示作为第一光电转换单元的第一光电二极管，51表示作为第二光电转换单元的第二光电二极管，21表示与光电二极管1和51电连接的像素内读出电路单元。附图标记100表示由多个光电二极管1和51以及像素内读出电路单元21构成的像素。像素内读出电路单元21由传送MOS晶体管20和50、复位MOS晶体管4、放大器MOS晶体管5和选择MOS晶体管6构成。像素100被布置于多个行和多个列上。也就是说，像素100被矩阵状配置。该矩阵中的像素100所在的区域被称为像素单元。包含光电二极管1和51的一个像素100将被统称为受光单元。附图标记23表示将入射光引向受光单元的微透镜。一个微透镜被分配为覆盖一个受光单元。因此，对于每个受光单元设置一个微透镜。此外，微透镜覆盖包含于相应的像素100中的多个光电转换单元，并且，还将照射光引向包含于相应的像素100中的多个光电转换单元。根据本实施例的成像装置包括具有多个微透镜的微透镜阵列。光电二极管的表面面积为例如在图1中示为a×b的光电二极管1的表面面积。对于光电二极管51同样如此，它在图1中被示为c×d。此外，具有被表达为a×b的表面面积的区域是光电二极管1的受光区域。类似地，具有被表达为c×d的表面面积的区域是光电二极管51的受光区域。

附图标记2表示逐行连续扫描像素100的垂直扫描电路。垂直扫描电路2将像素信号从属于选择的行的像素100输出到垂直信号线7。垂直信号线7将从像素100输出的像素信号传送到信号处理电路101。信号处理电路101是处理从像素100输出的像素信号的电路。附图标记14表示对于各列依次扫描信号处理电路101的水平扫描电路。在图1中，像素100中的光电二极管1和51沿各列的信号处理电路101排成一行的方向并置地布置。也就是说，光电二极管1和51的两个列被布置于像素100内。

下面，图2沿线α-β示出图1所示的一个像素100的一部分的断面。附图标记22表示透射特定的波长带的光的滤色器。滤色器22被设置在微透镜23与光电二极管1和51之间。

设置在本实施例中的成像装置中的像素输出形成用于根据相位差检测方法的焦点检测的焦点检测信号的基础的信号和形成用于成像的图像获得信号的基础的信号。例如，可从以线状态或交叉（crossed）状态布置的多个像素输出形成焦点检测信号的基础的信号。成像装置处理形成焦点检测信号的基础的信号和形成从像素输出的图像获得信号的基础的信号，并且输出焦点检测信号和图像获得信号。基于从成像装置输出的焦点检测信号，可以检测照射光的相互的相位差。因此，基于该检测的相位差，可以执行焦点检测。

图3是示意性地示出作为本实施例中的成像装置的多个部分的第二行、第二列中的像素100和第二列中的信号处理电路101的框图。

首先，将描述像素100。附图标记20和50表示传送MOS晶体管，附图标记4表示复位MOS晶体管，附图标记5表示放大器MOS晶体管，附图标记6表示选择MOS晶体管。当光被照射到光电二极管1和51上时，通过光电转换生成信号电荷。传送MOS晶体管20与光电二极管1和放大器MOS晶体管5的输入节点电连接。传送MOS晶体管50还与光电二极管51和放大器MOS晶体管5的输入节点电连接。当从后面描述的垂直扫描电路供给到传送MOS晶体管20的栅极的传送脉冲φT1处于高电平（以下，称为H电平。类似地，低电平将被称为L电平。）时，来自光电二极管1的信号电荷被传送到放大器MOS晶体管5的输入节点。类似地，当从第二垂直扫描电路供给到传送MOS晶体管50的栅极的传送脉冲φT2处于H电平时，来自光电二极管51的信号电荷被传送到放大器MOS晶体管5的输入节点。当垂直扫描电路2供给到放大器MOS晶体管5的输入节点的复位脉冲φR变为H电平时，放大器MOS晶体管5的输入节点的电势被复位。放大器MOS晶体管5与选择MOS晶体管6电连接。放大器MOS晶体管5基于放大器MOS晶体管5的输入节点中的信号电荷向选择晶体管6输出电信号。选择MOS晶体管6与垂直信号线7电连接，并且，当从第二垂直扫描电路2供给的选择脉冲φSEL1处于H电平时，从放大器MOS晶体管5输出的信号被输出到垂直信号线7。基于传送来自光电二极管1的信号电荷的放大器MOS晶体管5的输入节点的电势，从垂直信号线7输出的信号被称为信号A。并且，基于传送来自光电二极管51的信号电荷的放大器MOS晶体管5的输入节点的电势，从垂直信号线7输出的信号被称为信号B。信号A和信号B是形成用于焦点检测的焦点检测信号的基础的信号。根据本实施例，信号A是第二光电转换信号（信号A+B表示第一光电转换信号，在后面描述）。并且，在光电二极管1和51两者中蓄积的信号电荷可通过将传送脉冲φT1和φT2两者设定为H电平而被传送到放大器MOS晶体管5的输入节点。基于此时的放大器MOS晶体管5的输入节点的电势，输出到垂直信号线7的信号被称为信号A+B。信号A+B形成图像获得信号的基础，并且是第一光电转换信号。根据本实施例，信号B或通过仅仅将在光电二极管51处的光电转换之后保持的信号电荷传送到放大器MOS晶体管5的输入节点而输出到垂直信号线7的信号不是通过来自像素100的输出操作生成的。通过将在后面描述的由数字信号处理电路执行的图像获得信号与焦点检测信号的差分处理，获得与信号B相当的信号。

根据本实施例，执行相关双重采样（以下，称为CDS），这将在后面描述。也就是说，从像素100输出三个信号，即，作为当放大器MOS晶体管5的输入节点的电势处于复位电平时从放大器MOS晶体管5经由选择MOS晶体管6输出的信号的信号N、以及先前描述的信号A和信号A+B。根据本实施例，像素信号是包含从像素100输出到垂直信号线7的信号N、信号A和信号A+B的总称（collective）信号。此外，信号A和信号A+B是基于由从受光单元照射的光生成的信号电荷的光电转换信号。此外，信号N是包含来自像素100的噪声成分的噪声信号。

前面描述了像素100。附图标记C0表示箝位电容器。附图标记8表示放大并输出通过箝位电容器C0从像素100输出的像素信号的运算放大器。反馈电容器C1和C2以及开关SW2和SW3被设置在运算放大器8的反馈路径上。通过箝位电容器C0和CF_total的电容比，在运算放大器8的输出端子中生成反向增益，CF_total是反馈电容器C1和C2之中的与运算放大器8的输出端子和输入端子对应的处于导电状态的反馈电容器的总电容值。放大器单元由运算放大器8、反馈电容器C1和C2、以及开关SW2和SW3、开关SW1构成。

从运算放大器8输出的信号经由箝位电容器C3被输入到比较器9。从斜坡（ramp）信号供给电路10经由箝位电容器C4向比较器9供给其电势根据时间改变的斜坡信号VRAMP。比较器9执行斜坡信号VRAMP和从运算放大器8经由箝位电容器C3输出的信号的比较，该比较器9基于比较结果产生输出到计数器电路11的锁存信号LAT。因此，当斜坡信号VRAMP和从运算放大器8输出的信号之间的大小关系颠倒时，从比较器9输出的锁存信号LAT的信号电平改变。锁存信号LAT是基于从运算放大器8输入的信号与其电势根据时间改变的斜坡信号VRAMP之间的比较结果的比较结果信号。时钟脉冲信号CLK从TG12被输出到计数器电路11。计数器电路11通过在从斜坡信号供给电路10开始根据时间改变斜坡信号VRAMP的电势到通过比较器9改变锁存信号LAT的时段期间计数时钟脉冲信号CLK而生成计数信号。在从比较器9输出的锁存信号LAT改变时，时钟脉冲信号CLK的计数终止，并且，还保持锁存信号LAT改变时的计数信号。当其中斜坡信号VRAMP改变的时段终止时，作为信号保持单元的存储器13输入保持于计数器电路11处的计数信号并保持该计数信号。根据本实施例，模数转换单元包含比较器9、斜坡信号供给电路10、计数器电路11和存储器13。水平扫描电路14基于来自TG12的定时连续选择各列中的存储器13，并且传送保持于各列中的存储器13处的计数信号。由该水平扫描电路14输出的信号是从成像装置输出的输出信号SIGOUT。根据本实施例的输出信号SIGOUT是在后面描述的数字信号N、数字信号A和数字信号A+B。也就是说，输出信号SIGOUT是基于像素信号的信号。此外，数字信号A是焦点检测信号，并且，数字信号A+B是图像获得信号。此外，斜坡信号VRAMP是根据本实施例的基准信号。此外，斜坡信号供给电路10是向比较器供给其电势根据时间改变的基准信号的基准信号供给单元。数字信号A是第一数字信号，数字信号A+B是第二数字信号，并且，数字信号N是第三数字信号。

下面，图4示出包含计数器电路11和存储器13的模数转换单元的示例性配置。计数器电路11基于从TG12供给的时钟脉冲信号CLK生成n位计数时钟信号CKn，并将其输出到存储器13。用于传送n位计数信号的n个计数信号传送线被设置在计数器电路11与存储器13之间。根据本实施例，成像装置的像素100输出三个信号，即，信号N、信号A和信号A+B。根据本实施例，信号N、信号A和信号A+B是模拟信号，其中，无论何时从像素100输出它们，都执行用于将这些信号中的每一个转换成数字信号的操作。出于这种原因，用于保持这三个不同的数字信号的三个存储器单元被设置在存储器13中。具体而言，存储器单元M1保持基于信号N的数字信号N，存储器单元M2保持基于信号A的数字信号A，并且存储器单元M3保持基于信号A+B的数字信号A+B。信号线N15和信号线S16在存储器13中被电连接，因此，数字信号N从存储器单元M1被输出到信号线N15，并且，数字信号A和基于A+B信号的数字信号A+B以时分方式分别从存储器单元M2和M3被输出到数字线S16。

下面，图5示出本实施例中的成像装置的示例性操作定时。开关脉冲φSW1是接通和关断开关SW1的脉冲，因此，开关SW1在该脉冲处于H电平时为接通。附图标记V1表示来自运算放大器8的输出。附图标记φH表示导致从存储器13输出保持于存储器13处的计数信号的来自水平扫描电路14的水平选择信号。对于以下的描述，φSW2和φSW3中的至少一个处于H电平，也就是说，信号以与箝位电容器C0的电容值的比被放大。

在时间点t11，复位脉冲φR变为H电平，并且，这将放大器MOS晶体管5的输入节点的电势设为复位电平。此外，选择脉冲φSEL1变为H电平。这导致放大器MOS晶体管5的输入节点的电势处于复位电平时的像素信号从像素100被输出到垂直信号线7。开关脉冲φC变为H电平，这接通开关SW4和开关SW5。开关SW5在开关脉冲φC处于高电平时被接通，因此，保持于箝位电容器C4中的电荷被复位。开关脉冲φSW1变为H电平，这导致运算放大器8的输出端子和输入端子之间的短路，这又导致保持于箝位电容器C0和C3处的电荷被复位。

在时间点t12，复位脉冲φR、开关脉冲φSW1和φC变为L电平。当开关脉冲φSW1和φC变为L电平时，箝位电容器C0、C3和C4的电势被保持。当复位脉冲φR从H电平变为L电平时，通过由复位MOS晶体管4生成的电荷注入，放大器MOS晶体管5的输入节点的电势改变。结果，从垂直信号线7输出的像素信号的信号电平也改变。在以下的描述中，将在时间点t12输出的像素信号表示为信号N。信号N是基于光电二极管1和51暗时的信号电荷的信号。类似地，将以下信号表示为信号S：该信号是基于正在保持当受光单元执行入射光的光电转换时生成的信号电荷的放大器MOS晶体管5的输入节点的电势的、输出到垂直信号线7的像素信号。运算放大器8放大经由箝位电容器C0供给的信号，然后将其输出到箝位电容器C3。供给到箝位电容器C3的信号是叠加了来自运算放大器8的偏移信号Voff的从像素100经由箝位电容器C0输出的放大信号。从运算放大器8输出的信号然后经由箝位电容器C3被供给到比较器9。

在时间点t13，斜坡信号供给电路10开始改变斜坡信号VRAMP。比较器9对于从运算放大器8经由箝位电容器C3输出的信号和从斜坡信号供给电路10供给的斜坡信号VRAMP开始比较操作。并且，计数器电路11在斜坡信号供给电路10开始改变斜坡信号VRAMP时开始时间点t13处的时钟脉冲信号CLK的计数，并然后将计数结果信号输出到存储器13。

在时间点t14，例如，从运算放大器8经由箝位电容器C3输出的信号与斜坡信号VRAMP之间的大小关系颠倒。响应于此，比较器9输出锁存信号LAT。该锁存信号LAT输出到的电路11终止向存储器13输出计数信号。存储器13保持其在时间点t14的当前状态的计数信号。在时间点t15，斜坡信号供给电路10停止改变斜坡信号VRAMP。该斜坡信号VRAMP在时间点t13～t15的时段（表示为时段TN）期间的电势变化的宽度被表示为VN。与将在后面讨论的信号S到数字信号的转换相比，用于在将该信号N转换为数字信号时改变斜坡信号VRAMP的时间缩短，另外，改变电势范围VN也比电势范围VA（也在后面讨论）小。一般而言，这是由于以下事实：信号N主要是噪声成分和偏移成分，因此，信号N的信号范围比信号S的信号范围窄。结果，用于从第一行中的像素输出的像素信号的转换操作的时间会缩短。

在这些时间点t13～t15期间由比较器9、计数器电路11和存储器13执行的操作使得从运算放大器8经由电容器C3输出的模拟信号能够被转换成数字信号。在这些时间点t13～t15期间由比较器9、计数器电路11和存储器13执行的操作被组在一起，并在以下的描述中被称为N转换。作为该N转换的结果保持于存储器13中的数字信号是数字信号N。

在时间点t16，传送脉冲φT1变为H电平。结果，由光电二极管1处的光电转换生成的信号电荷被传送到放大器MOS晶体管5的输入节点。因此，作为信号S的一部分的信号A被输出到垂直信号线7（在本实施例中，信号S是通过信号A和信号A+B的时间分割的输出）。在信号A从像素100被输出到箝位电容器C0之后，传送脉冲φT1变为L电平。运算放大器8放大从像素100经由箝位电容器C0输出的信号A，并然后通过箝位电容器C3将其输出到比较器9。

在时间点t17，斜坡信号供给电路10开始改变斜坡信号VRAMP。并且，比较器9对于从运算放大器8经由箝位电容器C3输出的信号和斜坡信号VRAMP开始比较操作。并且，与前面描述的信号N的情况类似，计数器电路11在斜坡信号VRAMP的信号电平开始改变的同时开始时钟脉冲信号CLK的计数。

在时间点t18，例如，从运算放大器8经由箝位电容器C3输出的信号A和斜坡信号VRAMP之间的大小关系颠倒。响应于此，比较器9将锁存信号LAT输出到计数器电路11。该锁存信号LAT被输出到的计数器电路11终止向存储器13输出计数信号。存储器13保持其在时间点t18的当前状态的计数信号。在时间点t19，斜坡信号供给电路10停止改变斜坡信号VRAMP。该斜坡信号VRAMP在时间点t17～t19的时段（表示为时段TA）期间的电势变化的宽度表示为VA。与将在后面讨论的对于信号A+B的转换改变斜坡信号VRAMP的时段VAB相比，对于信号A的转换改变斜坡信号VRAMP的时段VA更短。斜坡信号VRAMP改变的电势宽度VA也比斜坡信号VRAMP对于信号A+B的转换所改变的电势宽度VAB小。这是由于以下事实：与信号A+B的可行信号幅度相比，信号A的可行信号幅度更小。时段TA表示第一AD转换时段。

在这些时间点t17～t19期间由比较器9、计数器电路11和存储器13执行的操作使得从运算放大器8经由电容器C3输出的模拟信号能够被转换成数字信号。在这些时间点t17～t19期间由比较器9、计数器电路11和存储器13执行的操作被组在一起并在以下的描述中被称为A转换。作为该A转换的结果保持于存储器13中的数字信号是数字信号A。

然后，在时间点t20，水平选择信号φH变为H电平，并且，信号线N15中的数字信号N和信号线S16中的数字信号A从存储器13被传送到成像装置外面的器件。成像装置外面的器件可以是例如将在后面描述的数字信号处理电路。根据本实施例，在时间点t20执行对于水平选择信号φH的到H电平的设定，并在时间点t21设定传送脉冲φT2，但是这两个操作的次序可颠倒。如果通过后面讨论的结束A+B转换的时间点t24完成数字信号A和数字信号N的传送，那么这是优选的。结果，A+B转换一完成，就会出现后面讨论的数字信号A+B和数字信号N的传送。

然后，在时间点t21，传送脉冲φT2变为H电平。结果，由光电二极管51处的光电转换生成的信号电荷被传送到放大器MOS晶体管5的输入节点。来自光电二极管1的信号电荷已保持于放大器MOS晶体管5的输入节点处。因此，通过将传送脉冲φT2设为H电平，来自光电二极管1和51两者的信号电荷保持于FD区域中。基于来自这些光电二极管1和51两者的信号电荷被传送到的放大器MOS晶体管5的输入节点的电势的信号，即信号A+B，被输出到垂直信号线7。因此，运算放大器8放大从像素100经由箝位电容器C0输出的信号A+B，并且经由箝位电容器C3将其输出到比较器9。

在时间点t22，斜坡信号供给电路10开始改变斜坡信号VRAMP。并且，比较器9对于从运算放大器8经由箝位电容器C3输出的信号和斜坡信号VRAMP开始比较操作。并且，与前面描述的信号N的情况类似，计数器电路11也在斜坡信号VRAMP的信号电平开始改变的同时开始时钟脉冲信号CLK的计数。

在时间点t23，例如，从运算放大器8经由箝位电容器C3输出的信号和斜坡信号VRAMP之间的大小关系颠倒。响应于此，从比较器9输出到计数器电路11的锁存信号LAT的信号电平改变。该锁存信号LAT被输出到的计数器电路11终止向存储器13输出计数信号。存储器13保持其在时间点t23的当前状态的计数信号。在时间点t24，斜坡信号供给电路10停止改变斜坡信号VRAMP。该斜坡信号VRAMP在时间点t22～t24的时段（表示为时段TAB）期间的电势变化的宽度表示为VAB。如上所述，与斜坡信号VRAMP对于信号A+B的转换改变的时段VAB相比，对于信号A的转换改变斜坡信号VRAMP的时段VA更短。斜坡信号VRAMP改变的电势宽度VA也比斜坡信号VRAMP对于信号A+B的转换而改变的电势宽度VAB窄。这是由于以下事实：与信号A+B的可行信号幅度相比，信号A的可行信号幅度更窄。时段TAB表示第二AD转换时段。

在这些时间点t22～t24期间由比较器9、计数器电路11和存储器13执行的操作使得从运算放大器8经由电容器C3输出的模拟信号能够被转换成数字信号。在这些时间点t22～t24期间由比较器9、计数器电路11和存储器13执行的操作被组在一起并在以下的描述中被称为A+B转换。作为该A+B转换的结果保持于存储器13中的数字信号是数字信号A+B。

然后，在时间点t25，水平选择信号φH变为H电平，并且，信号线N15中的数字信号N和在信号线S16中通过A+B转换获得的数字信号A+B从存储器13被传送到成像装置外面的器件。成像装置外面的器件可以为例如数字信号处理电路，诸如图13所示的成像系统的输出信号处理单元155的例子。该数字信号处理电路执行用于获得数字信号A与数字信号N之间的差值和数字信号A+B与数字信号N之间的差值的处理、或用于计算数字信号A+B与数字信号A之间的差值以获得数字信号B的处理等。数字信号B是这样的数字信号：其不是基于在放大器MOS晶体管5的输入节点处相加的来自光电二极管1和51的信号电荷的结果，而是基于当保持于放大器MOS晶体管5的输入节点处的信号电荷仅来自光电二极管51时所输出的信号B，该信号B然后以与A转换相同的方式被转换成数字信号。数字信号B是差值信号，具体而言，是数字信号A和数字信号A+B之间的差值。数字信号处理电路使用数字信号A和数字信号B通过相位差检测方法执行焦点检测。并且，可通过使用作为对于从各像素输出的A+B信号执行A+B转换的结果的数字A+B信号，形成图像。并且，关于叠加了数字信号A和数字信号A+B的从像素100、运算放大器8和其它器件生成的信号噪声水平，数字处理电路从数字信号A和数字信号A+B去除数字信号N以减少噪声。

如上所述，信号N、信号A和信号A+B的模拟信号被转换成数字信号。根据本实施例，成像装置在比较器9处在第一时段TAB期间比较通过第一范围VAB改变的第一基准信号VRAMP与信号A+B，其中，信号A+B是基于从包含于像素100中的m个光电转换单元输出的信号电荷的光电转换信号。并且，在比较器9处，在比第一时段短的第二时段TA期间，比较通过作为比第一范围小的信号幅度的第二范围VA改变的第二基准信号VRAMP和作为基于从包含于像素100中的n个（比m个少）光电转换单元输出的信号电荷的光电转换信号的信号A。

根据本实施例的成像装置，对于A转换改变斜坡信号VRAMP的时段TA比对于A+B转换改变斜坡信号VRAMP的时段TAB短。结果，与时段TA和时段TAB花费相同的时间量的情况相比，作为用于将像素信号转换成数字信号的时段Ttotal可缩短。

并且，如前面描述的那样，用于N转换的斜坡信号VRAMP的信号幅度VN比用于A转换的斜坡信号VRAMP的信号幅度VA小，并且，时段TN比时段TA短。通过使得时段TN比时段TA短，与时段TN和时段TA花费相同的时间量的情况相比，时段Ttotal可缩短。并且，第三基准信号是这样的斜坡信号VRAMP：其电势是通过作为第三范围的信号幅度VN而改变的。

根据本实施例的成像装置，虽然斜坡信号VRAMP的斜率（对于某单位时间的斜坡信号VRAMP的电势变化量）对于A转换和A+B转换相同，但是，可使得时段TA比时段TAB短。在这种情况下，用于将模拟信号转换成数字信号的AD转换的精度在A转换和A+B转换之间没有不同，而与时段TA和时段TAB花费相同的时间量的情况相比，时段Ttotal可缩短。此外，也可使得对于N转换的斜坡信号VRAMP的斜率与对于A转换和A+B转换的相同。此外，在这种情况下，用于将模拟信号转换成数字信号的AD转换的精度在N转换、A转换和A+B转换之间没有不同，而与时段TN和时段TA花费相同的时间量的情况相比，时段Ttotal可缩短。

根据本实施例的成像装置，信号A+B的信号值与信号A的相同或者比信号A的更高。因此，与信号A相比，更容易允许降低信号A+B的AD转换精度。因此，可使得对于A+B转换的斜坡信号VRAMP的斜率比对于A转换的斜坡信号VRAMP的斜率大。在这种情况下，增加A+B转换期间的斜坡信号VRAMP的斜率的大小使得AD转换精度降低。这种由于斜坡信号VRAMP的斜率的增大导致的AD转换精度的降低表示数字信号A+B的位数的减少。例如，通过用图13所示的输出信号处理单元155对于具有减少的位数的数字信号A+B执行位数校正处理，数字信号A+B的位数可恢复到与用于A+B转换的斜坡信号VRAMP的斜率与用于A转换的斜坡信号VRAMP的斜率相同时的相同的位数。

作为用于缩短时段Ttotal的另一实施例，斜坡信号VRAMP的信号幅度VA和信号幅度VAB是相同的信号幅度，因此，通过使得用于A转换的斜坡信号VRAMP的斜率的大小比用于A+B转换的斜坡信号VRAMP的斜率的大小大，使得时段TA比时段TAB短。与这种实施例相比，本实施例的成像装置的优点在于，在不必改变用于A转换和A+B转换的斜坡信号VRAMP的斜率的情况下使得时段TA比时段TAB短，同时还抑制AD转换精度的降低。

此外，如果关于用于比较基于m个光电转换单元的信号A+B的基准信号的信号幅度VAB和用于比较基于n个光电转换单元的信号A的基准信号的信号幅度VA满足关系式(VA/VAB)≥(n/m)，那么它是优选的。换句话说，如果信号幅度VA比信号幅度VAB的n/m倍大，那么它是优选的。当光电二极管1和51的表面面积几乎相同时，该关系式特别适用。

在本实施例中，描述了根据时间的电势变化从这样的电势开始的模式：该电势对于用于A转换和A+B转换两者的斜坡信号VRAMP是相同的。本实施例不限于该模式，因此，如图5所示的时间点t21～t24的时段期间的斜坡信号VRAMP的虚线形式所示，根据时间的电势变化可从这样的电势开始：该电势对于用于A转换和A+B转换的斜坡信号VRAMP是不同的。在这种情况下，用于A+B转换的信号幅度VAB是斜坡信号VRAMP的电势变化开始的时间点t22与斜坡信号VRAMP的电势变化结束的时间点t24之间的电势差。该信号幅度VA可比信号幅度VAB小，并且，时段TA可比时段TAB短。这里，描述了用于A+B转换的斜坡信号VRAMP的开始电势从用于A转换的斜坡信号VRAMP的开始电势偏移的模式。可进行用于A转换的斜坡信号VRAMP的斜坡开始电势从用于A+B转换的斜坡开始电势偏移的另一模式。此外，可以提出用于N转换的斜坡信号VRAMP的开始电势从用于A转换和A+B转换的斜坡信号VRAMP的开始电势偏移的另一模式。

在本实施例中，基本上描述了在单个微透镜23下面布置有光电二极管1和51的焦点检测像素的模式。但是，本实施例不限于焦点检测像素的模式，可进行输出信号A或信号B和信号A+B的模式。

此外，基本上通过布置于第二列中的光电二极管1和51描述了本实施例的成像装置，但是，如图6所示，可以在第二行中布置光电二极管1和51。在这种情况下，可根据图5所示的操作定时执行操作。

本实施例中的成像装置包括计数器电路11与各列的存储器13电连接的配置，但是，也可使用计数器电路11向多个列的存储器13传送共享的计数信号的所谓的共享计数器类型的按列的ADC。

此外，通过包括包含多个像素的像素单元的成像装置描述了本实施例，但是，也可优选通过设置一个像素和像素信号被输入到的一个模数转换单元来实现实施例。

如上所述，根据本实施例的成像装置，已知具有不同的可行信号范围的至少两个像素信号被选择以被转换为数字信号，并且，具有较小的可行信号范围的像素信号被转换成数字信号。在这种情况下，使得斜坡信号VRAMP的信号幅度较小，并且，用于改变斜坡信号VRAMP的时段T也比将其它的像素信号转换成数字信号的情况短。具体而言，斜坡信号VRAMP的电势的信号幅度被表达为VAB>VA。此外，关于改变斜坡信号VRAMP的时段TAB和TA，应满足关系式TAB>TA。结果，用于将像素信号转换成数字信号的时段Ttotal可缩短。通过关于改变斜坡信号VRAMP的电势的范围满足式VA>VN并且关于用于改变斜坡信号VRAMP的时段TA和TN满足关系式TA>TN，可进一步缩短时段Ttotal。

第二实施例

本实施例的描述将着重于与第一实施例的不同。图7是本实施例的成像装置中的像素100的俯视图。图7所示的具有与图1中的部件的功能相同的功能的部件由相同的附图标记表示。

设置本实施例的成像装置中的像素100，使得当输入相同的光量时，由光电二极管1生成的信号电荷量比由光电二极管51生成的信号电荷量大。提供本实施例，使得光电二极管1的表面面积比光电二极管51的表面面积大。包含光电二极管1的像素100-1是第一像素，包含光电二极管51的像素100-2是第二像素。因此，当输入相同的光量时，通过第二像素输出的光电转换信号的信号幅度比通过第一像素输出的光电转换信号的信号幅度小。

图8是示出本实施例的成像装置中的像素100和信号处理电路101的等效电路的示意图。图8所示的具有与图3中的部件的功能相同的功能的部件由与图3中相同的附图标记表示。

在第一实施例中，由光电二极管1和51生成的信号电荷被传送到放大器MOS晶体管5的输入节点。在本实施例的像素100中，由光电二极管1生成的信号电荷通过传送MOS晶体管20被传送到放大器MOS晶体管5-1的输入节点。并且，由光电二极管51生成的信号电荷通过传送MOS晶体管50被传送到FD区域52。将放大器MOS晶体管5-1和5-2的输入节点的电势复位的复位MOS晶体管4-1和4-2与放大器MOS晶体管5-1和5-2的输入节点电连接。复位脉冲φR1和φR2分别被供给到复位MOS晶体管4-1和4-2的栅极。分别地，放大器MOS晶体管5-1通过选择MOS晶体管6-1与垂直信号线7电连接，并且，放大器MOS晶体管5-2通过选择MOS晶体管6-2与垂直信号线7电连接。选择脉冲φSEL1和φSEL2分别被供给到选择MOS晶体管6-1和6-2的栅极。根据本实施例，作为基于由光电二极管1生成的信号电荷的像素信号A的信号A和作为基于由光电二极管51生成的信号电荷的像素信号的信号B以时分方式被输出到垂直信号线7。在第一实施例中，在运算放大器8中以及在从运算放大器8的输出端子到输入端子的反馈路径中设置电容器C1和C2。相对照地，本实施例不包含运算放大器8。因此，输出到垂直信号线7的像素信号通过箝位电容器C0被输出到比较器9。由于本实施例的成像装置不包含运算放大器8，因此，输出到本实施例的成像装置中的比较器9的信号具有其符号与输入到第一实施例的成像装置中的比较器9的信号的符号相反的电势。因此，斜坡信号VRAMP改变的方向与第一本实施例中的成像装置的斜坡信号VRAMP改变的方向相反。

下面，图9是示出用于图8所示的成像装置的操作定时的例子的示图。附图标记V2表示垂直信号线7的电势。

在时间点t31，复位脉冲φR1、选择脉冲φSEL1和开关脉冲φC变为H电平。放大器MOS晶体管5-1的输入节点的电势通过变为H电平的复位脉冲φR1被复位。将选择脉冲φSEL1变为H电平导致放大器MOS晶体管5-1的输入节点的电势处于复位电平时的像素信号从像素100输出到垂直信号线7。开关脉冲φC在时间点t31变为H电平，并且，通过在时间点t32变为L电平，放大器MOS晶体管5-1的输入节点的电势处于复位电平时的从像素100输出的像素信号的电势保持于箝位电容器C0处。

在时间点t32，复位脉冲φR1和开关脉冲φC变为L电平。

从时间点t33到时间点t39出现的操作可与图5所示的第一实施例中的从时间点t13到时间点t19出现的操作相同。在从时间点t33到时间点t35的时段TN期间出现的操作是N转换。此外，在从时间点t37到时间点t39的时段TA期间出现的操作是A转换。根据本实施例，在时间点t39，选择脉冲φSEL1变为L电平是与第一实施例的图5所示的操作不同之处。

在时间点t40，复位脉冲φR2、选择脉冲φSEL2和开关脉冲φC变为H电平。FD区域52的电势通过复位脉冲φR2变为H电平而被复位。选择脉冲φSEL2变为H电平导致FD区域52的电势处于复位电平时的像素信号从像素100输出到垂直信号线7。开关脉冲φC在时间点t40变为H电平，并且，通过在时间点t41变为L电平，FD区域52的电势处于复位电平时的从像素100输出的像素信号的电势保持于箝位电容器C0处。此外，水平选择信号φH变为H电平，并且，数字信号N和数字信号A从存储器13被输出。

在时间点t41，复位脉冲φR1和开关脉冲φC变为L电平。

从时间点t42到时间点t44出现的与比较器9和斜坡信号供给电路10相关的操作可与从时间点t33到时间点t35出现的操作相同。在从该时间点t42到时间点t44的时段TN期间出现的操作是N转换。

在时间点t45，传送脉冲φT2变为H电平。结果，由光电二极管51生成的信号电荷被传送到FD区域52。因此，基于保持信号电荷的FD区域52的电势的信号（该信号具体为信号B）从像素100被输出到垂直信号线7。

在时间点t46，斜坡信号供给电路10开始改变斜坡信号VRAMP。从时间点t46到时间点t48出现的比较器9和斜坡信号供给电路10的操作可与从时间点t37到时间点t39出现的A转换操作相同。在从该时间点t46到时间点t48的时段TB期间出现的操作被称为B转换。

信号B的可行信号幅度比信号A的可行信号幅度小。因此，用于B转换的斜坡信号VRAMP的信号幅度VB也比用于A转换的斜坡信号VRAMP的信号幅度VA小。此外，时段TB比时段TA短。通过使得时段TB比时段TA短，可使得用于将像素信号转换成数字信号的时段Ttotal比时段TB和时段TA花费相同的时间量的情况短。

在时间点t49，水平选择信号φH变为H电平，并且，数字信号A和数字信号B从存储器13被输出。

在本实施例的成像装置中，用于A转换和B转换两者的斜坡信号VRAMP的斜率相同，却可使得时段TB比时段TA短。在这种情况下，AD转换的精度在A转换和B转换之间没有不同，却可使得时段Ttotal比时段TA和时段TB花费相同的时间量的情况短。此外，还可使得用于N转换的斜坡信号VRAMP的斜率与用于A转换和B转换的相同。并且，在这种情况下，AD转换的精度在N转换、A转换和B转换之间没有不同，却可使得时段Ttotal比时段TN和时段TA花费相同的时间量的情况短。

作为用于缩短时段Ttotal的另一模式，斜坡信号VRAMP的信号幅度VA和斜坡信号VRAMP的信号幅度VB相同，并且，用于B转换的斜坡信号VRAMP的斜率比用于A转换的大，这能够使得时段TB比时段TA短。与这种模式相比，本实施例中的成像装置的优点在于，通过不改变用于A转换和B转换两者的斜坡信号VRAMP的斜率，抑制AD转换精度的降低，并且，使得时段TB比时段TA短。

如果斜坡信号VRAMP的信号幅度VA被设为与基于由光电二极管1生成的饱和水平的信号电荷的像素信号对应，那么它是优选的。例如，用于A转换的斜坡信号VRAMP的最小值被设为几乎等于基于由光电二极管1生成的饱和水平的信号电荷的像素信号。结果，可转换为数字信号的模拟信号的信号范围不受损太多，并且，时段TA可缩短。类似地，如果斜坡信号VRAMP的信号幅度VB被设为与基于由光电二极管51生成的饱和水平的信号电荷的像素信号对应，那么它是优选的。例如，用于B转换的斜坡信号VRAMP的最小值被设为几乎等于基于由光电二极管51生成的饱和水平的信号电荷的像素信号。结果，可转换为数字信号的模拟信号的信号范围不受损太多，并且，时段TB可缩短。

同样在本实施例中，给出的例子具有比信号A的可行信号范围小的信号B的可行信号范围，并具有光电二极管51的表面面积比光电二极管1的表面面积小的配置。除了该配置例子以外，还可以在本实施例中使用信号B的可行信号范围比信号A的可行信号范围小的不同配置。这种例子包括光电二极管1和51具有不同的杂质水平的配置、或者在光电二极管1和51中的一个上在入射光路之上设置遮光部件的配置。换句话说，已知具有不同的可行信号范围的至少两个像素信号被选择以被转换成数字信号，并且，具有较小的可行信号范围的像素信号被转换成数字信号。在这种情况下，与将其它的像素信号转换成数字信号的情况相比，使得斜坡信号VRAMP的信号幅度较小，并且，用于改变斜坡信号VRAMP的时段T也较短。与使用具有共享的信号幅度和改变时段的斜坡信号VRAMP将至少两个像素信号转换成数字信号的情况相比，这种配置能够使得用于将至少两个像素信号转换成数字信号的时段Ttotal被缩短。

第三实施例

本实施例的描述将着重于与第一实施例的不同。图10是本实施例中的成像装置的像素100的顶视图。图10所示的具有与图1中的部件的功能相同的功能的部件由相同的附图标记表示。图10所示的成像装置具有光电二极管1的表面面积比光电二极管51的表面面积大的配置。换句话说，光电二极管1的灵敏度比光电二极管51的灵敏度高。因此，当在光电二极管1和51上输入相同的光量时，由光电二极管1生成的信号电荷量比由光电二极管51生成的信号电荷量大。因此，当在光电二极管1和51上输入相同的光量时，基于光电二极管1的信号A的信号幅度比基于光电二极管51的信号B的信号幅度大。

可通过使用基于由分别具有不同的灵敏度的光电二极管1和51生成的信号电荷的信号A和信号B来扩展动态范围。图11是示出通过将作为具有高灵敏度的信号的信号A和作为具有低灵敏度的信号的信号B加在一起而获得的扩展动态范围的示图。当使用作为具有高的灵敏度的信号的信号A时，如实线所示，信号在亮度X变为饱和。仅通过信号A，不可能进一步改变表达比亮度X大的亮度的灰度值。相对照地，灰度值处于或高于阈值th的区域在图11中由虚线表示，该虚线是灰度值与使用作为具有低的灵敏度的信号的信号B时的亮度之间的关系。如虚线所示，当对于灰度值处于或高于阈值th的区域使用信号B时，能够表达大于X的亮度高达至亮度Y。因此，动态范围可从亮度X扩展到亮度Y。本实施例描述了仅对于灰度值处于或高于阈值th的区域使用信号B，但是，可向信号A和信号B两者赋予权重，然后将它们加在一起。例如，信号A的70%和信号B的30%可被加在一起。在这种实施例中，与仅使用信号A的情况相比，动态范围仍可被扩展。

此外，可以按与关于第一实施例的图3中相同的方式实现示意性地示出从图10所示的成像装置取得的第二行、第二列中的像素100和第二列中的信号处理电路101的框图。

下面，将参照图12描述与图10所示的操作定时不同的操作定时。根据基于关于第一实施例的图5描述的来自像素100的像素信号的输出操作的操作定时，在输出信号A之后输出信号A+B。相对照地，根据图12所示的操作定时，在输出信号A之后将放大器MOS晶体管5的输入节点的电势复位，然后输出信号N和信号B。此外，信号处理电路101的操作与关于第二实施例的图9所示的信号处理电路101的操作相同。

以下将描述图12所示的操作定时。除了前面描述的斜坡信号VRAMP改变的方向以外，从时间点t51到时间点t60出现的操作可与依照关于第一实施例的图5中的操作定时的从时间点t11到时间点t20出现的操作相同。

在时间点t61，复位脉冲φR变为H电平，并且，放大器MOS晶体管5的输入节点的电势被复位。此外，开关脉冲φC变为H电平，并且，保持于箝位电容器C0和C4中的电荷被复位。选择脉冲φSEL1继续处于H电平。

在时间点t62，复位脉冲φR和开关脉冲φC变为L电平，并且，复位脉冲φR和开关脉冲φC变为L电平时的箝位电容器C0和C4的电势被保持。

从时间点t63到时间点t69出现的操作与依照关于第二实施例的图9中的操作定时的从时间点t42到时间点t49出现的操作相同。

根据本实施例，信号B的可行信号幅度也比信号A的可行信号幅度小。因此，用于B转换的斜坡信号VRAMP的信号幅度VB比用于A转换的斜坡信号VRAMP的信号幅度VA小。此外，时段TB比时段TA短。与时段TB和时段TA花费相同的时间量的情况相比，通过使时段TB比时段TA短，用于将像素信号转换成数字信号的时段Ttotal可缩短。

作为用于缩短时段Ttotal的另一模式，斜坡信号VRAMP的信号幅度VA和斜坡信号VRAMP的信号幅度VB相同，因此，通过使得用于A转换的斜坡信号VRAMP的斜率比用于B转换的斜坡信号VRAMP的斜率大，时段TB比时段TA短。与这种模式相比，本实施例中的成像装置的优点在于，通过对于A转换和B转换两者不改变斜坡信号VRAMP的斜率，AD转换精度的降低被抑制，并且，使得时段TB比时段TA短。

如上所述，本实施例的成像装置可根据图9或图12中的操作定时来操作。在任一种情况下，对于A转换、A+B转换或B转换，不必改变斜坡信号VRAMP的斜率。在这些情况下，AD转换精度的降低被抑制，并且，与时段TB、时段TAB和时段TA均花费相同的时间量的情况相比，用于将像素信号转换成数字信号的时段Ttotal可缩短。

作为不同的模式，图10所示的成像装置可根据与基于关于第一实施例的图5中的操作定时描述的相同的操作定时操作。但是，由于本实施例的成像装置不包含运算放大器8，因此，输出到本实施例中的成像装置的比较器9的信号具有这样的电势：其符号与输入到第一实施例中的成像装置的比较器9的信号的相反。因此，斜坡信号VRAMP改变的方向是第一实施例中的成像装置的相反方向。

即使在这种模式中，信号A+B的可行信号幅度也比信号A的可行信号幅度小。因此，与第一实施例类似，使得用于改变用于A转换的斜坡信号VRAMP的时段TA比用于改变用于A+B转换的斜坡信号VRAMP的时段TAB短。结果，与时段TA和时段TAB花费相同的时间量的情况相比，将像素信号转换成数字信号的时段Ttotal可更短。

作为用于缩短时段Ttotal的另一模式，斜坡信号VRAMP的信号幅度VA和斜坡信号VRAMP的信号幅度VB相同，因此，通过使得用于A转换的斜坡信号VRAMP的斜率比用于B转换的斜坡信号VRAMP的斜率大，时段TA比时段TAB短。与这种实施例相比，本实施例中的成像装置的优点在于，通过对于A转换和B转换两者不改变斜坡信号VRAMP的斜率，AD转换精度的降低被抑制，并且，使得时段TA比时段TAB短。

第四实施例

这里将描述把在第一实施例中描述的成像装置应用于成像系统的实施例。成像系统可以为例如数字静止照相机、数字摄像机或监视照相机。图13是示出成像装置被应用于作为成像系统的例子的数字静止照相机的示意图。

图13所示的成像系统包括用于透镜保护的镜筒151、用于将被摄体的光学图像形成到成像装置154上的透镜152、以及用于改变穿过透镜152的光量的光阑153。透镜152和光阑153构成将光会聚到成像装置154的光学系统。此外，图13所示的成像系统包括执行从成像装置154输出的输出信号的处理的输出信号处理单元155。

输出信号处理单元155包含用于执行从均从成像装置154输出的数字信号A和数字信号A+B减去数字信号N的差分处理的数字信号处理单元。此外，输出信号处理单元155执行从信号A+B减去数字信号A以获得信号B的差分处理。此外，在希望时，输出信号处理单元155还在执行各种校正和压缩之后执行输出信号的操作。

此外，图13所示的成像系统还包括暂时存储图像数据的缓冲存储器单元156、与计算机或其它外部设备通信的接口单元157、执行从记录介质的读取操作/向记录介质的写入操作的接口单元158、执行成像数据的读取/写入操作的诸如半导体存储器的可移除记录介质159、控制各种计算和整个数字静止照相机的总体控制和计算单元1510、以及向成像装置154和输出信号处理单元155输出各种定时信号的定时产生单元1511。这里，定时信号可从外部设备被输入，并且，成像系统可仅包含成像装置154和处理从成像装置154输出的输出信号的输出信号处理单元155。

对于从同一像素输出的信号执行由输出信号处理单元155执行的从数字信号A+B减去数字信号A的处理。也就是说，对于基于从像素100输出的信号A的焦点检测信号和基于从输出焦点检测信号的像素100输出的信号A+B的图像获得信号，执行差分处理。结果，可获得基于来自像素100的信号B的信号，并且，可通过比较基于该信号的信号与信号A的信号值，执行焦点检测的相位差检测方法。

如上所述，本实施例的成像系统可通过应用成像装置154执行焦点检测操作和成像操作。

第五实施例

本实施例的描述将着重于与第一实施例的不同。图14A是示出本实施例的操作定时的示图。图14A所示的从时间点t71到时间点t77出现的操作可与依照关于第一实施例的图5中的操作定时的从时间点t11到时间点t17出现的操作相同。此外，从时间点t81到时间点t85出现的操作可与依照关于第一实施例的图5中的操作定时的从时间点t20到时间点t25出现的操作相同。图14A中所示的与依照关于第一实施例的图5中的操作定时的操作不同的操作是对于时段TA从时间点t77到时间点t79出现的操作。出于比较目的，与第一实施例的时间点t17、t18和t19对应的操作在图14A中由t77、t78′和t79′表示。

比较图14A所示的操作与参照关于第一实施例的图5描述的操作，用于A转换的斜坡信号VRAMP的幅度VA相同，并且，单位时间的电势变化量加倍。因此，用于A转换的时段TA可缩短到参照关于第一实施例的图5描述的操作的一半时间。因此，图14A所示的从时间点t79到时间点t79′的时段可缩短。

因此，根据本实施例，单位时间的用于A转换的斜坡信号VRAMP的电势变化量为单位时间的用于A+B转换的斜坡信号VRAMP的电势变化量的两倍。通过使得用于A转换的斜坡信号VRAMP的斜率为用于A+B转换的斜坡信号的斜率的两倍，用于幅度VA的AD转换计数减半。结果，信号A的分辨率比信号A+B的分辨率低。在本说明书中描述的低分辨率规定了模拟信号的如下信号范围：与高分辨率相比，该信号范围大数字信号的1个LSB。下面，将参照图14B描述将以低分辨率生成的数字信号A校正到数字信号A+B的分辨率。

图14B是示出数字信号N、数字信号A和数字信号A+B的信号中的每一个的有效位的示意图。数据位Da0是LSB，Da9是MSB。

根据本实施例，数字信号A+B用10位表示，因此，如果幅度VN为幅度VAB的大小的1/16，那么图14B所示的数字信号N用6位表示。出于这种原因，在图14B中，数据位Da0～Da5是该信号的有效位。

相对照地，如果考虑校正之前的数字信号A，通过使得用于A转换的斜坡信号VRAMP的斜率为用于A+B转换的斜坡信号的斜率的两倍，幅度VA的AD转换计数减半，关于数字信号A+B，信号的有效位仅减小1。根据本实施例，用于A转换的斜坡信号VRAMP的幅度VA为用于A+B转换的斜坡信号VRAMP的幅度VAB的一半，因此，关于数字信号A+B，数字信号A的位计数进一步减小1位。因此，校正之前的数字信号A用从数据位Da0到数据位Da7的8个位表示。

在转换A中使用的斜坡信号VRAMP的斜率为在转换N和转换A+B中使用的斜坡信号VRAMP的斜率的两倍，并且，由于在数字信号N和数字信号A+B中均使用校正之前的数字信号A，因此，应对于该信号执行校正。具体而言，数据位Da0～Da7中的每一个被向上位偏移1个数位（digit）。可以在执行位偏移之后对于数据位Da0设定任意的值。

可在存储器13处执行数字信号A的校正。存储器13执行将校正之前的数字信号A的数据的每个位上移1位的位偏移。也就是说，作为校正之前的数字信号A的LSB的位Da0是偏移到位Da1的位。将其它的位类似地上移1位。结果，数字信号A变为具有使用位1～8的信号值的数字信号。此外，作为LSB的位Da0被赋予为0的信号值。

此外，可以在通过在第一实施例中描述的计数器电路11计数时钟信号CLK时执行该数字信号A的校正。此外，存储器13可在由计数器电路11生成的计数信号保持于存储器13处时执行数字信号A的校正。此外，可与数字信号A的连续输出结合地由存储器13执行数字信号A的校正，或者，可按照第四实施例中的成像系统的类型，由设置在成像装置154外面的输出信号处理单元155执行该校正。

第六实施例

本实施例的描述将着重于与第五实施例的不同。图15是示出虽然用于A转换和A+B转换的斜坡信号幅度VA和VAB相同、但是用于A转换的单位时间的斜坡信号VRAMP的电势变化量为用于A+B转换的单位时间的斜坡信号VRAMP的电势变化量的两倍时的操作的示图。图15所示的从时间点t90到时间点t96出现的操作可与关于第五实施例的图14A所示的从时间点t71到时间点t77出现的操作相同。图15所示的从时间点t99到时间点t104出现的操作可与图14A所示的从时间点t81到时间点t85出现的操作相同。

当用于A转换的斜坡信号VRAMP和用于A+B转换的斜坡信号VRAMP的单位时间的电势变化量相同时，用于A转换的时段TA是时间点t96～t98′的点线所示的操作。相对照地，如果如在本实施例中那样，用于A转换的单位时间的斜坡信号VRAMP的电势变化量为A+B转换的两倍，那么用于A转换的时段TA是时间点t96～t98上的由实线所示的操作。因此，根据本实施例，与单位时间的电势变化量对于用于A转换的斜坡信号VRAMP和用于A+B转换的斜坡信号VRAMP来说相同的情况相比，用于A转换的时段TA缩短一半。

此外，由本实施例的操作生成的数字信号A的校正可以是与参照图14B对于第五实施例描述的操作相同的操作。

第七实施例

本实施例的成像装置根据信号A+B的信号电平而改变单位时间的用于A+B转换的斜坡信号VRAMP的电势变化量。将参照附图描述本实施例的成像装置。

图16是本实施例中的成像装置的示意图。成像装置154包含在多个行和多个列中排列像素100的像素单元200。斜坡信号供给电路10向每个列中的选择电路302输出斜坡信号Vr1和Vr2。比较器9基于比较结果信号CMP，通过开关303向选择电路302输出选择信号，所述比较结果信号CMP代表从运算放大器8输出的信号与阈值信号的比较结果。选择电路302基于选择信号从多个斜坡信号Vr1和Vr2中选择输出到比较器9的斜坡信号VRAMP。比较器9基于代表从运算放大器8输出的信号与斜坡信号VRAMP的比较结果的比较结果信号CMP，向存储器13输出锁存信号LAT。存储器13包含第一存储器502、第二存储器503和第三存储器504。TG110向标记（flag）存储器501输出信号F_En。计数器电路110向第一存储器502、第二存储器503和第三存储器504输出计数时钟信号CLK的计数信号。TG110分别向第一存储器502、第二存储器503和第三存储器504输出信号M1_En、信号M2_En和信号M3_En。水平扫描电路14向DSP80相继输出保持于各列中的标记存储器501、第一存储器502、第二存储器503和第三存储器504中的数字信号。DSP80处理从标记存储器501、第一存储器502、第二存储器503和第三存储器504输出的信号，并且将其输出到输出电路90。输出电路90基于从TG110输出的信号，将从标记存储器501、第一存储器502、第二存储器503和第三存储器504输出的这些信号输出到成像装置外面的器件。

对于图16所示的成像装置，与像素100的各列对应地设置各列中的信号处理电路101。图17是示出图16所示的成像装置的操作的例子的示图。图17所示的操作在用于A+B转换的信号A+B超过信号A+B的最大有效信号值的1/4时比较信号A+B和斜坡信号Vr2。相反，当用于A+B转换的信号A+B处于或低于信号A+B的最大有效信号值的1/4时，比较信号A+B和斜坡信号Vr1。

图17中的V1表示运算放大器8输出的信号。Vr1和Vr2中的每一个是斜坡信号供给电路10输出的斜坡信号。斜坡信号Vr1包含电势随单位时间的第一变化量变化的斜坡信号、电势随比第一变化量大的第二变化量变化的斜坡信号和为了确定信号电平而进行比较的阈值电压VREF。此外，斜坡信号Vr2包含电势随第二变化量变化的斜坡信号。

斜坡信号VRAMP是由选择电路302选择并被输出到比较器9的斜坡信号Vr1或Vr2。在改变斜坡信号Vr1和Vr2两者的电势的操作开始时的基准电压为电压值V0。

比较结果信号CMP是代表由比较器9对V1和信号VRAMP进行比较的结果的信号。信号S1控制开关303的导通，并且当处于H电平时，开关303处于导通状态。当信号F_En处于H电平时，标记存储器501保持比较结果信号CMP。当信号M1_En处于H电平时，第一存储器502在比较结果信号CMP的信号值改变时保持计数信号。当信号M2_En处于H电平时，第二存储器503在比较结果信号CMP的信号值改变时保持计数信号。当信号M3_En处于H电平时，第三存储器504在比较结果信号CMP的信号值改变时保持计数信号。

在时间点t0，比较结果信号CMP变为H电平，并且，信号S1和信号F_En、M1_En、M2_En及M3_En变为L电平。信号N从像素100被输出。运算放大器8放大信号N，并且将其输出到比较器9。

在时间点t1，斜坡信号供给电路10开始改变依赖于斜坡信号Vr1的时间的电势。选择电路302的输入在开关303为关断时处于H电平，并且从两个斜坡信号Vr1和Vr2中选择斜坡信号Vr1，并且将其输出到比较器9，直到在时间点t7确定信号电平。此外，信号M2_En变为H电平。

在时间点t2，从运算放大器8输出的信号与斜坡信号VRAMP的大小关系颠倒，并且，比较结果信号CMP的信号值变为L电平。第一存储器502依照此时的信号LAT保持计数信号。该计数信号是数字信号N。

在时间点t3，斜坡信号供给电路10停止改变斜坡信号Vr1的依赖于时间的电势，并且，斜坡信号Vr1的电势在时间点t3变为电势V0。此外，TG110将信号M1_En变为L电平。

在时间点t4之前的定时，像素100输出信号A。运算放大器8放大信号A，并且将其输出到比较器9。斜坡信号供给电路10开始改变斜坡信号Vr1的依赖于时间的电势。当信号SEL处于L电平时，选择电路302将两个斜坡信号Vr1和Vr2之中的斜坡信号Vr1输出到比较器9。此外，信号M2_En变为H电平。

在时间点t5，从运算放大器8输出的信号与斜坡信号VRAMP的大小关系颠倒，并且，比较结果信号CMP的信号值变为L电平。第二存储器503保持此时的计数信号。该计数信号是数字信号A。在时间点t6，斜坡信号供给电路10停止改变斜坡信号Vr1的依赖于时间的电势，并且，斜坡信号Vr1的电势变为时间点t3时的电势V0。此外，TG110将信号M2_En变为L电平。

在时间点t7，像素100输出信号A+B。运算放大器8放大信号A+B，并且将其输出到比较器9。在时间点t8，斜坡信号供给电路10将斜坡信号Vr1的电势变为阈值信号VREF。阈值信号VREF的电势比后面将描述的时间点t12处的斜坡信号Vr1的电势低。当从运算放大器8输出的信号比阈值信号VREF大时，比较器9输出处于L电平的比较结果信号CMP。相反，当阈值信号VREF比从运算放大器8输出的信号大时，比较器9原样输出处于H电平的信号。这里，描述了阈值信号VREF比信号A+B小并且从比较器9输出的比较结果信号CMP的信号值对于时间点t8处于H电平的实施例。此外，TG110将信号S1变为H电平。结果，时间点t8的处于H电平的比较结果信号CMP被输出到选择电路302。此外，信号A+B比阈值信号VREF大时的信号SEL的信号值在图17中示为虚线。

现在将描述时间点t8和时间点t9之间的选择电路302的操作与比较结果信号CMP的信号值之间的关系。当比较结果信号CMP在从时间点t8到时间点t9的时段期间处于H电平时，选择电路302对于A+B转换向比较器9输出斜坡信号Vr1。类似地，当比较结果信号CMP处于L电平时，选择电路302对于A+B转换将斜坡信号Vr2供给到比较器9。

此外，在时间点t8，TG110将信号F_En变为H电平。结果，标记存储器501保持时间点t7的比较结果信号CMP。在时间点t9，TG110将信号F_En变为L电平。在时间点t10，斜坡信号供给电路10开始改变斜坡信号Vr1和Vr2的依赖于时间的电势。用于A+B转换的单位时间的斜坡信号Vr1的电势变化量为用于A转换的单位时间的斜坡信号Vr1的电势变化量的1/4。此外，用于A+B转换的单位时间的斜坡信号Vr1的电势变化量等于用于N转换的单位时间的斜坡信号Vr1的电势变化量。当所有列的斜坡信号Vr2被输出到比较器9时，斜坡信号供给电路10可以不开始改变斜坡信号Vr1的电势。在这种情况下，可以节省将用于改变斜坡信号Vr1的电势的耗费功率的量。选择电路302基于处于H电平的比较结果信号CMP向比较器9输出斜坡信号Vr1。TG110将信号M3_En变为H电平。

在时间点t11，从运算放大器8输出的信号与斜坡信号VRAMP的大小关系颠倒，并且，比较结果信号CMP的信号值变为L电平。第三存储器504保持此时的计数信号。该计数信号是数字信号A+B。在时间点t12，斜坡信号供给电路10停止改变斜坡信号Vr1和Vr2的依赖于时间的电势。TG110将信号M3_En变为L电平。在时间点T11之后，水平扫描电路14相继地扫描各列中的存储器13，并且，将保持于各列的标记存储器501、第一存储器502、第二存储器503和第三存储器504中的各数字信号输出到DSP80。

下面，将参照图18描述生成的数字信号N、数字信号A和数字信号A+B。根据本实施例，数字信号N是包含从第0位到第7位的数据位的8位数字信号。在A转换中使用的斜坡信号Vr1的单位时间的电势变化量为在N转换中使用的斜坡信号Vr1的单位时间的电势变化量的4倍，因此，存储器13执行将数字信号A的每个位向上位偏移两个位的校正。校正之后的数字信号A是具有从第2位到第10位的有效位的9位数字信号。通过使用斜坡信号Vr1生成的数字信号A+B是包含从第0位到第9位的数据位的10位数字信号。当通过使用斜坡信号Vr2生成数字信号A+B时，存储器13执行将数字信号A+B的每个位位偏移两个位的校正。校正之后的数字信号A+B是具有从第2位到第11位的有效位的10位数字信号。

当信号A+B的信号幅度由于对于本实施例描述的操作而小时，通过减小斜坡信号VRAMP的单位时间的电势变化量，信号A+B的AD转换的分辨率可比信号A的AD转换的分辨率高。换句话说，可使得信号A+B的信号值比数字信号A+B小1LSB。结果，即使对于低光条件中的场景的拍摄，也可通过增加AD转换的分辨率而获得具有很少的灰度损失的图像。

本实施例的成像装置可根据信号A+B的信号幅度改变AD转换的分辨率。结果，当信号A+B的信号幅度大时，快速执行AD转换，并且，当信号A+B的信号幅度小时，在增加分辨率的同时执行AD转换，因此，可以更容易地同时实现速度和AD转换分辨率的提高。斜坡信号Vr1和Vr2之间的切换基于阈值信号VREF和信号A+B的比较。出于这种原因，当对于A+B转换使用斜坡信号Vr1时，依赖于与时间点t12相同的时间的斜坡信号Vr2的电势的变化会终止。当在不比较该阈值信号VREF和信号A+B的情况下对于A+B转换使用斜坡信号Vr1时，电势应变为斜坡信号Vr2的信号幅度，因此，希望为图17所示的时段TAB的4倍的时段。因此，根据本实施例中的成像装置，当添加了用于比较阈值信号VREF与信号A+B的时段Tj时，与斜坡信号Vr1的电势变为与斜坡信号Vr2相同的幅度的情况相比，仍可使得AD转换时段较短。

根据本实施例，斜坡信号Vr1的电势的变化在时间点t12终止，该时间点t12也是终止斜坡信号Vr2的时间。斜坡信号Vr1的电势的变化不必在时间点t12终止，可以比斜坡信号Vr2的电势变化的终止晚地终止斜坡信号Vr1的电势的变化。为了实现这种模式，通过斜坡信号Vr1生成的数字信号A+B应是具有一个冗余位的10位数字信号。

第八实施例

本实施例的描述将着重于与第七实施例的不同。与在关于第七实施例的图17中描述的操作对应，本实施例的成像装置改变用于A转换的单位时间的斜坡信号VRAMP的电势变化量。

图19是作为实线示出第七实施例的用于A转换的斜坡信号Vr1的波形的示图。此外，图19示出为代表单位时间的用于A转换的斜坡信号Vr1的电势变化量的实线波形的两倍的虚线波形和为代表单位时间的用于A转换的斜坡信号Vr1的电势变化量的实线波形的四倍的点划线波形。当信号A被用作焦点检测信号时，根据希望的信号A的分辨率确定单位时间的用于A转换的斜坡信号VRAMP的电势变化量。并且，当使得焦点检测信号的AD转换的分辨率比图像获得信号的AD转换的分辨率低时，本实施例的操作会是特别适用的。

本实施例中的执行A转换的时段TA2是第七实施例中的执行A转换的时段TA1的时间的一半。以与在第六实施例和第七实施例中描述的方式相同的方式，可通过位偏移执行通过改变单位时间的用于A转换的斜坡信号VRAMP的电势变化量来校正数字信号A。

关于第五实施例、第六实施例、第七实施例和第八实施例，驱动计数器电路11或计数器电路110的时钟频率对于N转换、A转换和A+B转换是相同的。除了如上面描述的那样改变单位时间的斜坡信号VRAMP的电势变化量以外，作为控制AD转换的分辨率的方法，也可使用驱动计数器电路的时钟频率。具体而言，当降低AD转换的分辨率时，对于A+B转换，对于单位时间的第一计数量生成计数信号。此外，对于A转换，对于比第一计数量小的单位时间的第二计数量生成计数信号。结果，A转换的分辨率比A+B转换的分辨率低。在这种情况下，可减小由计数器电路消耗的功率。

第九实施例

将对于本实施例描述包括作为逐次比较（sequentialcomparison）类型的AD转换电路和斜坡类型的AD转换电路操作的AD转换单元的成像装置。斜坡类型的AD转换电路指的是将信号与斜坡电压比较的AD转换电路的类型。图20是示出本实施例中的成像装置的示例性配置的示意图。在图20中，包括与图3中的功能相同的功能的配置的部分由与在图3中使用的附图标记相同的附图标记表示。供给到运算放大器8的像素信号基于运算放大器8的增益被放大，然后被输出到比较输入单元210。由运算放大器8输出的该信号被称为放大的像素信号。来自信号供给电路310的信号VRF和来自斜坡信号供给电路10的斜坡信号VRAMP被供给到各列中的比较接口单元210。根据本实施例的基准信号是信号VRF和斜坡信号VRAMP。根据本实施例的基准信号供给单元是信号供给单元310和斜坡信号供给电路10。比较器9输出基于比较基于信号VRF的信号与放大的像素信号的结果的比较结果信号CMP。AD转换单元260基于比较结果信号CMP生成具有N位中的m个高位的数字信号Dhi。并且，比较器9基于斜坡信号VRAMP与基于放大的像素信号的信号的比较而输出比较结果信号CMP。AD转换单元260基于比较结果信号CMP而生成具有N位中的n个低位的数字信号Dlo。这里，附图标记N、m和n形成表达式N＝m+n。

控制电路230基于来自TG12和比较器9的信号而使比较输入单元210、计数器电路11和存储器250操作。时钟信号CLK从TG12被供给到计数器电路11。控制电路230基于通过斜坡信号供给电路10的斜坡信号VRAMP的依赖于时间的电势的变化的开始而开始计数器电路11中的时钟信号CLK的计数。控制电路230在存储器250中保持数字信号Dhi和数字信号Dlo。AD转换单元260包含比较输入单元210、比较器9、控制电路230、计数器电路11和存储器250。

基于来自TG12的信号，水平扫描电路14向数字信号处理电路410相继传送保持于各列中的存储器250中的各数字信号Dhi和数字信号Dlo。数字信号处理电路410基于数字信号Dhi和数字信号Dlo而输出成像信号SIGOUT。时钟信号CLK和垂直同步信号VD被供给到TG12。基于垂直同步化信号VD，TG12使垂直扫描电路2扫描像素100的各行。

图21A是示出比较输入单元210和比较器9的示例性配置的示图。来自运算放大器8的输出V1通过电容器元件C0被供给到比较器9的非反相输入节点。并且，当开关211导通时，电容器元件C0的另一节点被复位到地电势。这里，它被复位到地电势是为了便于解释，但是，它可被复位到比较器9的输入范围内的电势。此外，多个电容器元件C1、C2、C3、C4、C5、C6和C7中的每一个的一个节点被并置并与比较器9的非反相输入节点电连接。此外，多个电容器元件C1、C2、C3、C4、C5、C6和C7的另一节点分别通过开关s_lo、s0、s1、s2、s3、s4和开关212与比较器9的非反相输入节点电连接。供给到比较器9的非反相输入节点的信号被称为比较信号C_INP。

此外，信号VRF被供给到开关s_lo、s0、s1、s2、s3和s4。斜坡信号VRAMP被供给到电容器元件C2的另一节点。如果电容器元件C3的电容被设为1C，那么电容器元件C4、C5、C6和C7的电容分别是2C、4C、8C和16C。此外，电容器元件C1和C2的电容分别为C/2和2C。各电容器元件的电容在图21A中在括号内被示出。当复位信号res变为H电平时，开关211和212变为导通。此外，当供给到开关s_lo、s0、s1、s2、s3和s4的控制信号处于H电平时，信号VRF被供给到电容器元件。相对照地，当供给到开关s_lo、s0、s1、s2、s3和s4的控制信号处于L电平时，将地电势提供给电容器元件。当开关212导通时，电容器元件C1、C3、C4、C5、C6和C7的电势被复位。比较输入单元210是比较信号供给电路。

下面，将参照图21B和图21C描述通过使用图21A所示的比较输入单元210和比较器9将基于从像素100输出的像素信号的放大像素信号转换成数字信号的操作。图21B是示出供给到开关s_lo、s0、s1、s2、s3和s4的控制信号φs_lo、φs0、φs1、φs2、φs3、φs4和斜坡信号VRAMP的电势的示图。图21C是示出来自运算放大器8的输出V1的电势和比较信号C_INP的电势的示图。

图21B所示的时间点t1～t11与图21C所示的相同的时间点t1～t11对应。在时间点t1之前，复位信号res变为H电平，并且，电容器元件C0和C2的一个节点被复位。此外，电容器元件C1和C3～C7中的电荷被复位。然后，在复位信号res变为L电平之后，放大的像素信号通过电容器元件C0被供给到比较器9的非反相输入节点。

在时间点t1，控制信号φs4变为H电平。其它的控制信号φs_lo、φs0、φs1、φs2和φs3处于L电平。并且，斜坡信号VRAMP处于斜坡开始电势rmp_st。通过将控制信号φs4变为H电平，比较信号C_INP的电势变为VRF/2（按照电路图，电势仅变为16/33.5，它是电容器元件C7的电容与和比较器9的反相节点电连接的电容器元件的总电容33.5C之比，但是，为了简化描述，它被表达为VRF/2。在实际电路中，由于寄生电容，存在一定的信号衰减，但是电容器元件C1的电容可被设定为使得实现二值比较）。由于比较信号C_INP的电势比来自运算放大器8的输出V1大，因此，比较器9向控制电路230输出具有信号值0的比较结果信号。

在时间点t2，控制电路230将控制信号φs4变为L电平，并且，在时间点t3，将控制信号φs3变为H电平。结果，比较信号C_INP的电势变为VRF/4。由于比较信号C_INP比来自运算放大器8的输出V1大，因此，比较器9向控制电路230输出具有信号值0的比较结果信号。

在时间点t4，控制电路230将控制信号φs3变为L电平，并且，在时间点t5，将控制信号φs2变为H电平。结果，比较信号C_INP的电势变为VRF/8。由于来自运算放大器8的输出V1比比较信号C_INP大，因此，比较器9向控制电路230输出具有信号值1的比较结果信号。

在时间点t6，控制电路230使控制信号φs2保持在H电平，并且将控制信号φs1变为H电平。结果，比较信号C_INP的电势从时间点t5处的电势上升VRF/16。由于来自运算放大器8的输出V1比比较信号C_INP大，因此，比较器9向控制电路230输出具有信号值1的比较结果信号。

在时间点t7，控制电路230使控制信号φs1保持在H电平，并且将控制信号φs0变为H电平。结果，比较信号C_INP的电势从时间点t6处的电势上升VRF/32。代表比较信号C_INP的电势的波动范围的该VRF/32是改变以从高位获得最低位信号的电势差。由于比较信号C_INP比来自运算放大器8的输出V1大，因此，比较器9向控制电路230输出具有信号值0的比较结果信号。结果，由来自运算放大器8的输出V1的AD转换得到的数字信号的5个高位的信号值为00110。用于获得这5个高位的信号值的该操作是高位获得操作。

在时间点t8，控制电路230将控制信号φs0变为L电平。结果，比较信号C_INP的电势变为时间点t7处的电势。此外，在时间点t9，控制电路230将控制信号φs_lo变为L电平。结果，比较信号C_INP的电势从时间点t8处的电势减小VRF/64。

此外，在时间点t10，斜坡信号供给电路10开始改变斜坡信号VRAMP的依赖于时间的电势。此外，计数器电路11基于斜坡信号VRAMP的电势的变化的该开始而开始时钟信号CLK的计数。

在时间点t11，比较信号C_INP与来自运算放大器8的输出V1的大小关系颠倒。换句话说，从比较器9输出的比较结果信号的信号值从1变为0。此时，计数器电路11保持代表计数的时钟信号CLK的计数信号CNT。该计数信号CNT是8位数字信号。用于获得这8个低位的信号值的操作是低位获得操作。可通过经由高位获得操作和低位获得操作，关于来自运算放大器8的输出V1将这5个高位和8个低位合计，执行13位AD转换。本实施例的基准信号是信号VRF和斜坡信号VRAMP。因此，根据图21C中的模式，比较从像素输出的信号与基准信号的时段是执行高位获得操作和低位获得操作的时段。

将使用图22A描述包括图1所示的像素100的图20中的成像装置的操作的例子。首先，通过在不对于5个高位执行AD转换的情况下仅对于8个低位执行AD转换，N转换生成8位数字信号。然后，通过对于去除作为最高位的MSB（s4）之后的5个高位中的4位以及对于8个低位执行AD转换，A转换生成12位数字信号。此外，A+B转换生成将5个高位和8个低位合计的13位数字A+B信号。

根据本实施例，用于A转换和A+B转换的AD转换的分辨率相同，但是，数字信号A的最大信号值是数字信号A+B的最大值的一半。它可被配置为使得信号A的信号幅度比信号A+B的信号幅度小。

此外，为了简化描述，在图22A中描述了在逐次比较中使用的控制信号φs1、φs2、φs3和φs4均从H电平变为L电平的例子。但是，如参照图21B和图21C描述的那样，其可基于依赖于来自运算放大器8的输出V1的信号值的来自比较器9的比较结果信号CMP的信号值而被控制。

第十实施例

本实施例的描述将着重于与第九实施例的不同。关于本实施例的用于转换A的操作与第九实施例的不同。图22B是示出本实施例的AD转换操作的例子的示图。图22B所示的操作使得用于A转换的单位时间的斜坡信号VRAMP的电势变化量为A+B转换的斜坡信号VRAMP的电势变化量的两倍，并且，将用于改变电势的时段减小一半。计数器电路11的计数频率对于A转换和A+B转换两者是相同的。结果，A转换的低位是7个位。并且，第九实施例中的A转换的高位是4个位，但在本实施例中有5个高位。因此，通过合计5个高位和7个低位，A转换生成12位数字信号。

根据本实施例，改变A转换的斜坡信号VRAMP的电势的时段比A+B转换的短。高位AD转换时段对于A转换和A+B转换两者具有相同的时间长度。结果，A转换的时段比A+B转换的时段短。因此，与A转换的时段和A+B转换的时段花费相同的时间量的情况相比，将本实施例的像素信号转换成数字信号的时段Ttotal可缩短。

此外，可通过以与第六实施例、第七实施例和第八实施例中描述的方式相同的方式进行位偏移，执行作为改变单位时间的斜坡信号VRAMP的电势变化量的结果的数字信号A的低位的校正。

第十一实施例

本实施例的描述将着重于与第九实施例的不同。图22C是示出本实施例中的成像装置的操作的例子的示图。在第九实施例中，通过从5个高位去除MSB或最高位的4位的高位AD转换，获得A转换。根据本实施例，通过从5个高位去除最低位的4位的高位AD转换，获得A转换。此外，用于A转换的单位时间的斜坡信号VRAMP的电势变化量增大为A+B转换的斜坡信号VRAMP的电势变化量的两倍，并且，改变电势的幅度增大为两倍。计数器电路11的计数频率对于A转换和A+B转换两者是相同的。因此，数字信号A是作为4个高位和8个低位的总计（total）的12位信号。

根据本实施例的成像装置，A转换的高位AD转换时段比A+B转换的短。因此，与A转换的时段和A+B转换的时段花费相同的时间量的情况相比，将本实施例的像素信号转换成数字信号的时段Ttotal可缩短。

此外，可通过以与第六实施例、第七实施例、第八实施例和第十实施例中描述的方式相同的方式进行位偏移，执行作为改变单位时间的斜坡信号VRAMP的电势变化量的结果的数字信号A的低位的校正。

第九实施例、第十实施例和第十一实施例的AD转换单元对于高位获得操作使用逐次比较类型的AD转换电路，并且对于低位获得操作使用斜坡类型的AD转换电路。斜坡类型的AD转换电路指的是其中将信号与诸如斜坡信号VRAMP的变化的基准信号比较的AD转换电路的类型。不限于本实施例，AD转换单元可对于高位获得操作使用斜坡类型的AD转换电路，并且对于低位获得操作使用逐次比较类型的AD转换电路。在这种模式中，数字信号A的至少高位计数或低位计数或者高位计数和低位计数两者应比数字信号A+B的小。结果，A转换的时段可比A+B转换的时段短。

第十二实施例

本实施例根据像素信号的信号电平而改变单位时间的斜坡信号VRAMP的电势变化量。图23A是示出本实施例的从运算放大器8到比较器9的电气路径的例子的示图。

根据图23A所示的配置，来自运算放大器8的输出V1通过衰减器500和电容器元件或者在没有衰减器500的情况下仅通过电容器元件被供给到比较器9。当来自运算放大器8的输出V1被供给到比较器9时，开关511或开关512应导通，或者，确定电路510应选择信号。衰减器500将来自运算放大器8的输出V1衰减1/4。由于衰减器500将来自运算放大器8的输出V1衰减，因此这用于降低输出到比较器9的像素信号的放大比。本实施例的放大器单元包括运算放大器8和衰减器500。

将参照图23B描述图23A所示的配置的操作。来自运算放大器8的输出V1的实线和虚线代表当被摄体的亮度不同时的信号。根据本实施例，单位时间的斜坡信号VRAMP的电势变化量对于N转换和A+B转换是相同的，但对于A转换比对于A+B转换大。

可以按与第六实施例中的方式相同的方式执行N转换和A转换。然后，基于A+B信号的来自运算放大器8的输出V1与阈值信号VREF相比较。此时，来自运算放大器8的输出V1是由放大器单元以第一放大比放大的第一放大信号。考虑比较器9的各列的性能误差，阈值信号VREF的电势被设为比改变用于A转换的斜坡信号VRAMP的电势的幅度小的值。当来自运算放大器8的输出V1比阈值信号VREF大时，确定电路510将开关511变为非导通状态，并且，将开关512变为导通状态。相反，当来自运算放大器8的输出V1比阈值信号VREF小时，确定电路510维持开关511的导通状态和开关512的非导通状态。

如图23B中的虚线所示，当来自运算放大器8的输出V1比阈值信号VREF大时，来自运算放大器8的输出V1通过衰减器500衰减为1/4的信号值。也就是说，以比第一放大比小的第二放大比通过放大器单元放大的第二放大信号被输出到比较器9。结果，比较器9的非反相输入节点的电势落在A+B转换的斜坡信号VRAMP的电势变化范围（其与A转换的斜坡信号VRAMP的电势变化范围相同）内。相对照地，当在没有衰减器500的情况下执行A+B转换时，A+B转换的斜坡信号VRAMP的电势变化范围必须增大为本实施例的该范围的4倍。根据本实施例，与不设置衰减器500的情况相比，A+B转换的AD转换时段可缩短。

此外，当对于A+B转换经由衰减器500向比较器9供给信号时，必须通过如前面参照图18描述的那样将信号向上位偏移两位来校正数字信号A+B。

本实施例描述了来自运算放大器8的输出V1通过衰减器500被衰减，但是，它不仅仅限于该模式。例如，如图23C所示，可对于从像素100到比较器9的电气路径切换放大比。作为另一例子，运算放大器8的放大比也可被切换。

可通过这种模式获得与在图23A描述的配置相同的结果。此外，本实施例的配置可适用于图21A中的配置。如图23A和图23C所示的那样使供给到比较器9的非反相输入节点的信号衰减的配置必须与图22A中的比较器9的非反相输入节点电连接。通过这种配置，可基于信号A配置A转换和A+B转换的斜坡信号VRAMP的电势变化宽度。结果，A转换的斜坡信号VRAMP的电势变化宽度可比基于信号A+B配置时的电势变化宽度小。因此，A转换和A+B转换的时段可缩短。

第十三实施例

本实施例是使用成像装置的成像系统的例子。可如图24所示的那样配置本实施例的成像系统。本实施例的成像系统与图13所示的成像系统的不同在于，包括显示单元1512。显示单元1512基于来自总体控制和计算单元1510的控制而显示从输出信号处理单元输出的图像。本实施例描述了通过预览模式和拍摄静止图像的静止图像拾取模式两者来操作成像装置154。预览模式是在静止图像拾取之前将图像显示到显示单元1512的模式。预览模式是本实施例的第一模式，并且，成像模式是本实施例的第二模式。

根据本实施例，由成像装置154输出的信号对于预览模式和静止图像拾取模式被读出为不同的帧信号，然后执行信号处理。对于本实施例的预览模式，图像生成速度被优先，因此，允许生成的图像具有比静止图像拾取模式的图像质量低的图像质量。因此，关于图17和图19所示的操作，可以省略阈值VREF和信号A+B的比较，并且，可通过使用斜坡信号Vr2执行A+B转换。通过增加A转换的单位时间的斜坡信号Vr1的电势变化量，可将时段TA缩短得甚至比图5所示的模式更多。

此外，作为从成像装置154的所有像素输出像素信号的替代，为了进一步增加本实施例的预览模式的图像生成速度，可以输出仅来自一部分像素的像素信号。

下面将描述静止图像拾取模式。对于静止图像拾取模式，来自成像装置154的焦点检测信号的输出可被省略。也就是说，图5、图14A、图15、图17、图19、图22A、图22B、图22C和图23B所示的操作中的用于转换A的操作可被省略。通过省略A转换的操作，可从拾取静止图像的一个帧的操作省略用于A转换的时段和用于向存储器13输出数字信号A的时段。结果，用于生成一个静止图像的时段可比图5、图14A、图15、图17、图19、图22A、图22B、图22C和图23B所示的操作短。此外，通过省略转换A，可以减少成像装置154的功耗。

虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有这样的变更方式以及等同的结构和功能。

Claims (20)

1.一种成像装置，其特征在于，包括：

多个像素，每个像素包括被配置为生成信号电荷并输出基于信号电荷的像素信号的多个光电转换单元；和

AD转换单元，被配置为将从每个像素输出的像素信号转换成数字信号；

其中，在第一转换时段中，基于来自包含于所述多个像素中的一个像素的光电转换单元之中的m个光电转换单元的信号电荷的第一像素信号被转换成数字信号，其中，m是整数，以及

其中，在比第一转换时段短的第二转换时段中，基于来自包含于所述一个像素中的光电转换单元之中的n个光电转换单元的信号电荷的第二像素信号被转换成数字信号，其中，n是比m小的整数，第二像素信号的可行信号范围小于第一像素信号的可行信号范围。

2.根据权利要求1所述的成像装置，其中，对于第二像素信号的AD转换的每1位的信号范围比对于第一像素信号的AD转换的每1位的信号范围大。

3.根据权利要求1所述的成像装置，其中，AD转换单元基于对于从每个像素输出的像素信号与基准信号进行比较的比较结果而将从每个像素输出的像素信号转换成数字信号；

并且其中，在第一转换时段中比较第一像素信号和所述基准信号，在第二转换时段中比较第二像素信号和所述基准信号。

4.根据权利要求3所述的成像装置，其中，AD转换单元还包括比较器和被配置为向比较器供给所述基准信号的基准信号供给单元，

其中，基准信号供给单元被配置为向比较器供给第一基准信号和第二基准信号，其中，第一基准信号和第二基准信号根据时间而改变电势；以及

其中，第一基准信号是在第一转换时段期间改变电势的基准信号；

其中，第二基准信号是在比第一转换时段短的第二转换时段期间改变电势的基准信号；以及

其中，所述比较器被配置为比较第一基准信号和第一像素信号，并且比较第二基准信号和第二像素信号。

5.根据权利要求4所述的成像装置，其中，单位时间的电势变化量对于第一基准信号和第二基准信号两者是相等的，或者，第一基准信号的单位时间的电势变化量比第二基准信号的单位时间的电势变化量大。

6.根据权利要求3所述的成像装置，其中，AD转换单元还包含：比较器；被配置为向比较器供给基准信号的基准信号供给单元；被配置为对时钟信号计数的计数器，该计数器被配置为生成具有单位时间的第一计数量的计数信号和具有单位时间的第二计数量的计数信号，其中第二计数量比第一计数量小；和被配置为保持计数信号的存储器，

其中，基准信号供给单元被配置为向比较器供给根据时间改变电势的第一基准信号和第二基准信号，

并且其中，第一基准信号是如下这样的基准信号：该基准信号在用于比较第一像素信号和该基准信号的第一转换时段期间改变电势的基准信号，

其中，第二基准信号是在比第一时段短的第二时段期间改变电势的基准信号，

其中，比较器输出基于基准信号和像素信号的比较结果的比较结果信号，并且，生成基于第一基准信号与第一像素信号的比较的第一比较结果信号，存储器基于第一比较结果信号存储通过第一计数量生成的计数信号，以及

其中，比较器生成基于第二基准信号与第二像素信号的比较的第二比较结果信号，并且，存储器基于第二比较结果信号存储通过第二计数量生成的计数信号。

7.根据权利要求4所述的成像装置，其中，比较器通过比较第一像素信号与阈值信号来输出第三比较结果信号，

其中，当第三比较结果信号指示第一像素信号比阈值信号大时，比较器比较通过单位时间的第一变化量改变电势的第一基准信号与第一像素信号，以及

其中，当第三比较结果信号指示第一像素信号比阈值信号小时，比较器比较通过单位时间的第二变化量改变电势的第一基准信号与第一像素信号，其中，所述第二变化量比所述第一变化量小。

8.根据权利要求4所述的成像装置，还包括：

放大器单元；和

确定电路，

其中，放大器单元输出其中基于来自所述m个光电转换单元的信号电荷的信号以第一放大比被放大的第一放大信号；

其中，比较器向确定电路输出从比较第一放大信号和阈值信号而获得的比较结果信号，以及

其中，关于比较结果信号，当第一放大信号比阈值信号大时，确定电路使基于来自所述m个光电转换单元的信号电荷的信号被放大器单元以第二放大比放大并然后输出到比较器，其中，第二放大比比第一放大比小。

9.根据权利要求4所述的成像装置，其中，第二基准信号的根据时间的电势改变的范围比第一基准信号的根据时间的电势改变的范围小。

10.根据权利要求4所述的成像装置，其中，第二基准信号的根据时间的电势改变的范围的大小大于或等于第一基准信号的根据时间的电势改变的范围的大小的n/m倍。

11.根据权利要求4所述的成像装置，其中，每个像素还向比较器输出噪声信号，并且，在比第二基准信号的根据时间改变电势的时段小的时段期间，基准信号供给单元向比较器供给第三基准信号，其中，第三基准信号在比第二基准信号的根据时间的电势改变的范围小的范围内改变电势，以及

其中，比较器比较从像素输出的噪声信号与第三基准信号。

12.根据权利要求1所述的成像装置，其中，AD转换单元作为逐次比较类型的AD转换电路进行操作，以确定基于像素信号的数字信号的高位信号值，以及

其中，根据时间改变电势的基准信号被供给到AD转换单元，并且，AD转换单元作为斜坡类型的AD转换电路进行操作，以确定基于像素信号的数字信号的低位信号值。

13.根据权利要求12所述的成像装置，其中，关于由操作为逐次比较类型的AD转换电路的AD转换单元生成的数字信号，基于第二像素信号的数字信号的位数比以基于第一像素信号的数字信号的位数少。

14.根据权利要求1所述的成像装置，还包括：

具有矩阵状布置的所述多个像素的像素单元；和

包含多个微透镜的微透镜阵列；

其中，微透镜中的一个在像素中的多个光电转换单元上收集并照射光。

15.一种成像装置，其特征在于，包括：

像素，包括用于生成信号电荷并输出基于信号电荷的信号的多个光电转换单元；和

AD转换单元，包含基准信号供给单元和比较器，

其中，基准信号供给单元向比较器供给根据时间改变电势的第一基准信号和第二基准信号，

其中，第一基准信号是在第一时段期间在第一范围内改变电势的基准信号，并且，第二基准信号是在比第一时段短的第二时段期间在比第一范围小的第二范围内改变电势的基准信号，

其中，比较器输出基于基准信号与从像素输出的信号的比较的比较结果信号，

其中，光电转换单元包含第一光电转换单元和第二光电转换单元，其中，在这种情况下，相同的光量被输入到第一光电转换单元和第二光电转换单元，基于第一光电转换单元的信号的信号幅度比基于第二光电转换单元的信号的信号幅度大，以及

其中，比较器比较第一基准信号与基于来自第一光电转换单元的信号电荷的信号，并且比较第二基准信号与基于来自第二光电转换单元的信号电荷的信号。

16.一种成像装置，其特征在于，包括：

第一像素和第二像素，均包含用于生成信号电荷并输出基于信号电荷的信号的光电转换单元；和

AD转换单元，包含基准信号供给单元和比较器，

其中，基准信号供给单元向比较器供给根据时间改变电势的第一基准信号和第二基准信号，

其中，第一基准信号是在第一时段期间在第一范围内改变电势的基准信号，并且，第二基准信号是在比第一时段短的第二时段期间在比第一范围小的第二范围内改变电势的基准信号，

其中，比较器输出基于基准信号与从像素输出的信号的比较的比较结果信号，

其中，在这种情况下，相同的光量被输入到第一像素和第二像素，从第一像素输出的信号的信号幅度比从第二像素输出的信号的信号幅度大，以及

其中，比较器比较第一基准信号与从第一像素输出的信号，并且比较第二基准信号与从第二像素输出的信号。

17.一种成像系统，包括：

根据权利要求1～16中的任一项所述的成像装置；和

用于处理从成像装置输出的信号的信号处理单元。

18.一种成像系统，包括：

根据权利要求14所述的成像装置；

用于将光收集到成像装置中的光学系统；和

用于从成像装置输入信号的信号处理单元，

其中，成像系统以第一模式和第二模式操作，

其中，关于第一模式，AD转换单元将从第一像素信号的AD转换产生的第一数字信号输出到信号处理单元，并且，将通过第二像素信号的AD转换产生的第二数字信号输出到信号处理单元，

其中，由信号处理单元基于第一数字信号、第二数字信号、以及第一数字信号与第二数字信号之差的信号而执行焦点检测操作，

其中，关于第二模式，AD转换单元不生成第二数字信号，并且向信号处理单元输出第一数字信号，以及

其中，信号处理单元执行用于基于第一数字信号生成图像的操作。

19.一种成像系统，包括：

根据权利要求14所述的成像装置；

用于将光收集到成像装置中的光学系统；和

用于从成像装置输入信号的信号处理单元；

其中，AD转换单元将通过第一像素信号的AD转换产生的第一数字信号输出到信号处理单元，并且，将通过第二像素信号的AD转换产生的第二数字信号输出到信号处理单元，

其中，由信号处理单元基于第一数字信号、第二数字信号、以及第一数字信号与第二数字信号之差的信号而执行焦点检测操作，以及

其中，信号处理单元基于第一数字信号生成图像。

20.一种用于成像装置的驱动方法，其中，成像装置包括：

多个像素，每个像素包括被配置用于生成信号电荷并输出基于信号电荷的像素信号的多个光电转换单元；和

AD转换单元，被配置用于执行从每个像素输出的像素信号到数字信号的AD转换，

其中，在第一AD转换时段期间，基于来自包含于所述多个像素中的一个像素之中的光电转换单元中的m个光电转换单元的信号电荷的第一像素信号被转换成数字信号，其中，m是整数，以及

其中，在比第一AD转换时段短的第二AD转换时段期间，基于来自包含在所述一个像素之中的光电转换单元中的n个光电转换单元的信号电荷的第二像素信号被转换成数字信号，其中，n是比m小的整数，第二像素信号的可行信号范围比第一像素信号的可行信号范围小。