CN103369259A - 光电转换装置和图像拾取系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光电转换装置和图像拾取系统。当从像素输出的信号的电平高于比较电平时，从像素输出的信号通过使用第一基准信号在第一时间段中被转换成数字信号。如果从像素输出的信号的电平低于比较电平，那么从像素输出的信号通过使用第二基准信号在比第一时间段长的第二时间段中被转换成数字信号。
Description
技术领域
实施例的一个公开的方面涉及光电转换装置和图像拾取系统，更特别地，涉及包括模拟－数字（AD）转换器的光电转换装置和包含AD转换器的图像拾取系统。
背景技术
包括AD转换器的图像拾取装置是已知的。日本专利公开No.2010-45789描述了比较模拟信号与随时间变化的基准信号的AD转换器。具体而言，日本专利公开No.2010-45789描述了通过根据像素信号的信号电平改变基准信号的斜率获得具有与从各像素输出的像素信号的信号电平对应的分辨率的数字信号。
在日本专利公开No.2010-45789中，没有考虑包含于AD转换器中的比较器的偏移电压的变化。因此，不能精确地执行AD转换。
发明内容
实施例的一个公开的方面提供一种光电转换装置，该光电转换装置包括被配置为通过光电转换产生信号的像素、模拟－数字转换单元、基准信号产生单元和控制单元。基准信号产生单元产生相对于时间以第一变化率改变的第一基准信号和以比第一变化率小的第二变化率改变的第二基准信号。控制单元导致模拟－数字转换单元在从像素输出的信号的电平高于比较电平的情况下在第一时间段中通过使用第一基准信号将从像素输出的信号转换成数字信号，并且在从像素输出的信号的电平低于比较电平的情况下在第二时间段中通过使用第二基准信号将从像素输出的信号转换成数字信号，并且使得第二时间段比第一时间段长。
从参照附图对示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清晰。
附图说明
图1是示出根据第一实施例的图像拾取元件的配置的示图。
图2A和图2B是示出根据第一实施例的操作的定时图。
图3A～3C是描述对从AD转换获得的数据执行的位偏移的概念图。
图4是示出根据第一实施例的基准信号的示图。
图5A和图5B是描述实施例的原理的示图。
图6是示出根据第一实施例的输出电路的配置的示图。
图7是描述斜率之间的误差的示图。
图8是示出根据第一实施例的图像拾取元件的配置的示图。
图9是示出根据第一实施例的操作的示图。
图10是示出根据第二示例性实施例的图像拾取系统的配置的示图。
具体实施方式
实施例的一个公开的方面旨在解决上述的问题。
第一示例性实施例
图1是示出根据第一实施例的图像拾取元件100的示意性配置的示图。用作光电转换装置的图像拾取元件100对于接收的被照体光学图像执行光电转换，并且输出得到的电信号作为数字信号。图像拾取元件100包含像素单元10、垂直扫描电路15、放大器单元20、斜坡信号产生电路（基准信号产生单元）25、比较器单元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和具有控制单元的功能的定时产生电路（TG）70。比较器单元30和计数器单元40构成AD转换单元。像素单元10包含二维矩阵状布置的多个像素10-1。每个像素10-1通过光电转换产生像素信号。垂直扫描电路15向像素单元10输出驱动脉冲X-1和X-2等。放大器单元20放大从像素单元10供给的像素信号。斜坡信号产生电路25产生随时间改变的斜坡信号（基准信号）作为用于与像素信号比较的比较信号。比较器单元30比较由放大器单元20放大的各像素信号与斜坡信号。计数器单元40执行计数，直到比较器单元30输出比较结果。存储器单元（校正单元）50在其中保持通过计数器单元40获得的计数数据并且对于保持于其中的数据执行位移和其它的计算。水平扫描电路65执行水平扫描以将数据从存储器单元50传送到输出电路60。定时产生电路70控制上述的各单个电路块的定时。
多个像素10-1被布置于像素单元10中，但是，为了简化，图1仅示出四个像素。像素10-1的行根据从垂直扫描电路15供给的驱动脉冲X-1和X-2等被依次驱动。当像素10-1处于复位状态时获得的各像素10-1的基础信号（复位信号）和当像素10-1处于非复位状态时获得的像素10-1的有效信号（光电转换信号）经由垂直输出线V-1到V-n中的相应的一个被引向放大器单元20。在放大器单元20、比较器单元30、计数器单元40和存储器单元50中，对于垂直输出线V-1到V-n中的每一个设置电路。放大器单元20包含放大器电路20-1，每个放大器电路20-1可只具有放大从像素10-1输出的信号的功能，或者可具有该放大功能和用于通过从有效信号减去基础信号减少噪声的相关双重采样（CDS）功能。可通过在放大器单元20中执行放大减少在比较器单元30中产生的噪声的影响。在放大器单元20不具有CDS功能的情况下，可在比较器单元30的输入段处执行CDS。
比较器单元30包含对于从放大器单元20延伸的各单个像素列设置的比较器单元30-1和分别从多个斜坡信号选择一个斜坡信号的选择器电路30-2。比较器单元30比较从放大器电路20-1供给的基础信号与具有小的相对于时间的变化率的斜坡信号，并然后确定有效信号的电平是否高于与比较电平对应的比较电压。根据确定结果，比较器单元30选择要与有效信号比较的斜坡信号并执行比较。在考虑有效信号的信号－噪声（SN）比的同时设定上面提到的比较电压。计数器单元40对于各像素执行转换操作两次。在第一转换操作中，比较器单元30比较基础信号与相对于时间的变化率小的斜坡信号，并且，计数器单元40对于从斜坡信号的上升到比较器单元30的输出信号的逆转的时间段递减计数。基础信号为例如当放大器单元20的输入被复位时输出的信号，或者，如果放大器单元20被省略，为当像素10-1的输出被复位时输出的信号。在第二转换操作中，如果有效信号的电平高于比较电压，那么比较器单元30比较有效信号与相对于时间的变化率大的斜坡信号，并且，计数器单元40校正通过相对于时间的变化率小的斜坡信号实现的分辨率和相对于时间的变化率大的斜坡信号实现的分辨率之间的比率，并且递增计数。得到的多比特AD转换数据保持于包含于存储器单元50中的存储器电路50-1中的相应的一个中。有效信号为例如作为放大器单元20放大通过光电转换由像素10-1获得的信号的结果获得的信号或者当放大器单元20被省略时从像素10-1输出的信号。在基础信号的递减计数之后，如果有效信号的电平低于比较电压，那么比较器单元30比较有效信号与相对于时间的变化率小的斜坡信号，并且计数器单元40递增计数。结果作为AD转换数据保持于存储器单元50的存储器电路50-1中。保持于存储器电路50-1中的AD转换数据根据从水平扫描电路65供给的扫描脉冲被传送到输出电路60。存储器电路50-1可包含保持标记信号的标记存储器。并且，输出电路60可具有对于从存储器电路50-1传送的信号执行校正的功能。
如上所述，不管有效信号的电平如何，图像拾取元件100都比较基础信号与相对于时间的变化率小的斜坡信号。因此，图像拾取元件100可获取基础信号的高分辨率AD转换数据。由于从有效信号的AD转换数据减去基础信号的AD转换数据，因此，获得由大量的位构成的高精度AD转换数据。并且，各比较器电路30-1比较有效信号与根据有效信号的电平选择的斜坡信号。这使得能够实现使用较少的位的AD转换，并因此加速AD转换。
图2A是示出根据第一实施例的图像拾取元件100的驱动方法的定时图。
参照图2A，时间段Tad是对输入到比较器电路30-1的模拟信号Va的基础信号和有效信号执行AD转换的AD转换时间段。时间段Tdata是传送AD转换数据的传送时间段。在时间段Tad中，时间段Td是对从像素10-1供给的基础信号执行AD转换的AD转换时间段。在该AD转换中使用的比较信号是用于基础信号的斜坡信号（以下，称为基础信号斜坡信号，并与基础信号基准信号对应）VR。在时间段Tad中，时间段Tj是确定有效信号的电平的信号电平确定时间段。在该信号电平确定中使用的比较信号是比较电压VREF。时间段Tu是对有效信号执行AD转换的AD转换时间段。在该AD转换中使用的比较信号是用于有效信号的斜坡信号（以下，称为有效信号斜坡信号，并与有效信号基准信号对应）VH或VL。用作图2A所示的基础信号和有效信号的从放大器电路20-1输出的信号Va被引向比较器电路30-1的输入端子。作为信号Va的比较信号的斜坡信号VRAMP被输入到比较器电路30-1的另一输入端子。这里，当在比较器单元30的上游侧设置CDS电路时，基础信号是例如作为将放大器电路20-1的输入复位的结果输出的信号。另一方面，当不设置CDS电路时，基础信号为例如响应将浮置扩散部分复位而输出到垂直信号线的信号。类似地，当在比较器单元30的上游侧设置CDS电路时，有效信号是例如进行了减噪的信号。另一方面，当不设置CDS电路时，有效信号是例如作为将由光电二极管产生的信号电荷传送到浮置扩散部分的结果输出到垂直信号线的信号。斜坡信号产生电路25根据从定时产生电路70输出的控制信号CNT2被控制，以产生斜坡信号VH/比较电压VREF和斜坡信号VL/斜坡信号VR。斜坡信号VH是用于较高位比特的斜坡信号，并具有大的斜率，而斜坡信号VL是用于较低位比特的斜坡信号，并具有小的斜率。并且，比较电压VREF是用于确定有效信号的电平的比较基准信号，而基础信号斜坡信号VR是要与基础信号相比较的斜坡信号。由根据从定时产生电路70输出的控制信号CNT1控制的选择器电路30-2选择这四个斜坡信号，并且，所选择的斜坡信号被输入到比较器电路30-1。定时产生电路70通过使用控制信号CNT2控制斜坡信号产生电路25。
以下将描述比较电压VREF。可以在另一电源电路中或者在斜坡信号产生电路25中产生比较电压VREF。与斜坡信号VH的形成同样，斜坡信号产生电路25可通过在产生过程中（例如，以约60mV）停止充电电流来产生比较电压VREF。比较电压VREF的产生耗费产生斜坡信号VH所耗费的时间段的1/16的时间段。为了进一步缩短该时间段，可以增加充电电流。并且，比较电压VREF需要比作为斜坡信号VL最终到达的电压VL（H）的67mV低。通过以这种方式使比较电压VREF保持较低，有效信号可与斜坡信号VH或斜坡信号VL相比较。
比较器电路30-1在基础信号的AD转换时间段Td中比较基础信号与基础信号斜坡信号VR。这里，使Tr代表从基础信号斜坡信号VR开始改变到基础信号斜坡信号VR与基础信号之间的大小关系逆转的时间段。计数器电路40-1在该时间段Tr中递减计数。存储器电路50-1在其中保持递减计数值（第一计数值）作为基础信号数字数据。斜坡信号VR具有与斜坡信号VL基本上相同的斜率。通过使得基础信号斜坡信号VR和斜坡信号VL具有基本上相同的斜率，可以获得具有高的分辨率的基础信号数字数据。随后，在信号电平确定时间段Tj中，比较器电路30-1比较有效信号与比较电压VREF。在图2A所示的例子中，在信号电平确定时间段Tj中，比较器电路30-1向选择器电路30-2输出表示有效信号高于比较电压VREF的高电平的选择信号SEL。作为结果，在有效信号的AD转换时间段Tu中，选择器电路30-2选择具有大的斜率的斜坡信号VH，并将斜坡信号VH输出到比较器电路30-1。比较器电路30-1比较有效信号与斜坡信号VH。这里，使Ts代表直到有效信号与斜坡信号VH之间的大小关系逆转的时间段。在该时间段Ts中，计数器电路40-1在基础信号的递减计数之后递增计数。存储器电路50-1在其中保持递增计数值（第二计数值）作为有效信号数字数据。如果比较器电路30-1的输出在信号电平确定时间段Tj内不逆转，那么选择信号SEL保持为低，这表示有效信号的电平低于比较电压VREF。因此，选择器电路30-2选择具有小的斜率的斜坡信号VL。在这种情况下，比较器电路30-1比较有效信号与斜坡信号VL。基于由放大器单元20放大的有效信号的电平，选择器电路30-2选择具有不同的斜率的斜坡信号VH和VL中的一个。即，基于从像素10-1获得的有效信号的电平，选择器电路30-2设定斜坡信号随时间的变化率。比较器电路30-1比较由选择器电路30-2选择的斜坡信号与由放大器单元20放大的有效信号。计数器电路40-1对于从斜坡信号开始变化到比较器电路30-1输出表示有效信号与斜坡信号之间的大小关系逆转的信号的时间段递增计数。
参照图2A，如上所述，基础信号斜坡信号VR和斜坡信号VL具有基本上相同的斜率。基础信号斜坡信号VR与基础信号相比较。由于基础信号用作有效信号的基础信号，因此，基础信号可取地具有高的精度。基础信号斜坡信号VR具有与产生较低位比特的斜坡信号VL基本上相同的斜率。这有益地允许使用相同的斜坡信号产生电路25。在后面将参照图3A～3C描述递减计数模式和递增计数模式中的计数器电路40-1的功能。
可根据图像拾取环境设定放大器电路20-1的增益。例如，在感光度标定设定（speed rating setting）为16倍的情况下，62.5mV的信号电平被放大到1V，并且，经放大的信号被输入到比较器电路30-1。此时，通过高振幅信号与斜坡信号VH相比的10比特AD转换的分辨率，充分地实现此时AD转换所需要的SN比。因此，在感光度标定设定为16倍或更高的情况下，可根据从定时产生电路70供给的控制信号CNT1控制选择器电路30-2，以选择斜坡信号VH并将斜坡信号VH输出到比较器电路30-1。由于像素单元10的SN比大大地受像素单元10的开口面积影响，因此，斜坡信号VH的斜率与斜坡信号VL的斜率之间的比以及用于选择斜坡信号VH的感光度标定设定根据开口面积改变。
下面将描述如何确定斜坡信号VR的振幅和比较电压VREF的值的例子。图2B示出图2A所示的时间段Tad中的斜坡信号VRAMP和放大器电路20-1的输出信号Va，使得斜坡信号VRAMP和输出信号Va相互重叠。假定斜坡信号VH的最大值即其振幅为1000mV。在这种情况下，具有1000mV或更低的信号电平的模拟信号可被转换成数字值。
斜坡信号VR的振幅需要被设定为比输入到比较器电路30-1的基础信号的最大振幅大的值。这里，斜坡信号VR的振幅被设定为50mV。
在斜坡信号VH的斜率为斜坡信号VL的斜率的16倍的情况下，斜坡信号VL在时间段Tu-H结束时达到62.5mV。因此，为了通过使用斜坡信号VL转换具有低于62.5mV的信号电平的模拟信号，比较电压VREF可理想地被设为62.5mV。但是，实际上，由于比较器电路具有用作偏移的特性误差（变化），因此，如果比较电压VREF被设为62.5mV，可能出现不方便。例如，在比较器电路30-1具有50mV的偏移的情况下，如果有效信号的电平比12.5mV高，那么通过使用斜坡信号VH执行AD转换。即，虽然具有比62.5mV低的电平的有效信号被假定为通过使用斜坡信号VL被转换，但是，由于比较器电路30-1的添加的偏移，因此实际上通过使用斜坡信号VH执行AD转换。因此，没有实现希望的精度。
因此，为了在具有比通过在要通过使用斜坡信号VL转换的最大信号振幅625.5mV上加上比较器电路30-1的偏移50mV获得的112.5mV低的电平的信号被输入到比较器电路30-1作为有效信号时通过使用斜坡信号VL执行AD转换，比较电压VREF被设为112.5mV或更低。图2B示出在考虑斜坡信号产生电路25也具有变化的同时将比较电压VREF设为110mV的情况。
斜坡信号VL的振幅被设为大于比较电压VREF的值，使得可对具有等于比较电压VREF或更低的电平的模拟信号执行AD转换。这里，示出比较电压VREF为110mV并且斜坡信号VL的振幅为115mV的情况。由于振幅115mV比斜坡信号VH的振幅1000mV的1/16大，因此，在通过使用斜坡信号VL对有效信号执行AD转换的AD转换时间段Tu-L长于通过使用斜坡信号VH对有效信号执行AD转换的AD转换时间段Tu-H。通过将AD转换时间段Tu-L设为比AD转换时间段Tu-H长，即使比较器电路30-1具有偏移，也可通过使用斜坡信号VL精确地执行AD转换。
图3A～3C是示出计数器电路（校正单元）40-1的示例性配置的示图。计数器电路40-1计数，直到比较器电路30-1关于基础信号与基础信号斜坡信号VR之间的比较或者有效信号与有效信号斜坡信号VH或VL之间的比较的输出逆转。当比较器电路30-1对基础信号执行比较时，计数器电路40-1递减计数。相反，当比较器电路30-1对有效信号执行比较时，计数器电路40-1递增计数。存储器单元（校正单元）50对于计数数据执行位偏移，以校正分辨率之间的比率。
图3A是示出计数器电路40-1的示例性配置的示图。图3B和图3C是用于描述由存储器单元（校正单元）50执行的处理的示图。具体而言，图3B是示出在有效信号的电平高于比较电压VREF的情况下当基础信号与基础信号斜坡信号VR相比并且有效信号然后与斜坡信号VH相比时获得的计数数据的示图。图3C是示出在有效信号的电平低于比较电压VREF的情况下当基础信号与基础信号斜坡信号VR相比并且有效信号然后与斜坡信号VL相比时获得的计数数据的示图。
计数器电路40-1包含逆变器601、4比特递增/递减计数器602、10比特递增/递减计数器603、开关SW1和开关SW2。计数器时钟信号CLK被输入到开关SW1和SW2。逆变器601输出选择信号SEL的逻辑反信号。开关SW1根据逆变器601的输出信号被控制，而开关SW2根据选择信号SEL被控制。计数器时钟信号CLK根据选择信号SEL被输入到4比特递增/递减计数器602或10比特递增/递减计数器603的时钟端子。
将参照图3B，描述有效信号的电平高于比较电压VREF的情况，即选择信号SEL表示高电平并且比较器电路30-1比较有效信号与斜坡信号VH的情况。在时间段Tr中，选择信号SEL表示低电平。然后，计数器时钟信号CLK经由开关SW1被输入到4比特递增/递减计数器602的时钟端子。4比特递增/递减计数器602的承载输出co经由开关SW2被输出到10比特递增/递减计数器603的时钟端子。4比特递增/递减计数器602与计数器时钟信号CLK同步地递减计数，并且输出数据比特D0～D3。10比特递增/递减计数器603与4比特递增/递减计数器602的承载输出co同步地递减计数，并且输出数据比特D4～D6。基础信号的递减计数值（第一计数值）由数据比特D0～D6构成。然后，在时间段Ts中，选择信号SEL变为高电平。然后，计数器时钟信号CLK不再经由开关SW1被输入到4比特递增/递减计数器602的时钟端子。事实上，计数器时钟信号CLK经由开关SW2被输出到10比特递增/递减计数器603的时钟端子。10比特递增/递减计数器603与计数器时钟信号CLK同步地递增计数，并且将递增计数值输出到存储器单元50。存储器单元50将递增计数值偏移4个比特，并且将得到的10个数据比特D4～D13存储为数据比特Da4～Da13。存储器单元50还将从4比特递增/递减计数器602输出的4个数据比特D0～D3存储为数据比特Da0～Da3。得到的数据比特Da0～Da13代表通过从4比特递增/递减计数器602和10比特递增/递减计数器603中的有效信号减去基础信号获得的数据。14个数据比特Da0～Da13分别与数据比特D0～D13对应，并被存储于存储器电路50-1中。如上所述，从有效信号与斜坡信号VH的比较获得的AD转换数据比特D4～D13相对于在对其执行减法之前从基础信号与基础信号斜坡信号VR的比较获得的数据比特D0～D6偏移4个比特。以这种方式，获得由数据比特Da0～Da13代表的14比特高精度AD转换数据。
将参照图3C，描述有效信号的电平低于比较电压VREF的情况，即选择信号SEL表示低电平并且比较器电路30-1比较有效信号与斜坡信号VL的情况。与图3B同样，在时间段Tr中，计数器电路40-1对于基础信号递减计数。递减计数值（第一计数值）由数据比特D0～D6代表。然后，在时间段Ts中，选择信号SEL表示低电平。然后，计数器时钟信号CLK经由开关SW1被输入到4比特递增/递减计数器602的时钟端子。4比特递增/递减计数器602的承载输出co经由开关SW2被输出到10比特递增/递减计数器603的时钟端子。4比特递增/递减计数器602与计数器时钟信号CLK同步地递增计数。10比特递增/递减计数器603与4比特递增/递减计数器602的承载输出co同步地递增计数，并且将10个数据比特D0～D9输出到存储器单元50。伪数据比特D10～D13为“0”。数据比特D0～D9和伪数据比特D10～D13分别作为数据比特Da0～Da9和数据比特Da10～Da13被存储于存储器单元50中。以这种方式，在存储器单元50中存储14个数据比特D0～Da13。得到的数据比特Da0～Da10代表通过从4比特递增/递减计数器602和10比特递增/递减计数器603中的有效信号减去基础信号获得的数据。伪数据比特D11～D13作为数据比特Da11～Da13被添加。14个数据比特D0～Da13被存储于存储器电路50-1中。伪数据比特D10～D13表示，由于有效信号是低振幅数据，因此较高位比特是零。通过AD转换获得的数据在图3B的情况下由10个比特即数据比特D4～D13构成，并且，在图3C的情况下由11个比特即数据比特D0～D10构成。这是由于AD转换时间段Tu-L如图2B所示的那样比AD转换时间段Tu-H长并且AD转换时间段之间的差值表现为一个数据比特的差值。
如上所述，当从有效信号减去基础信号时，不管有效信号是高振幅信号还是低振幅信号，都使用源自通过使用基础信号斜坡信号VR在高分辨率下执行的比较的基础信号的计数数据。这可提供减少量子化噪声的影响的高精度AD转换数据。并且，在图3B中，可通过使用源自4比特偏移的10个数据比特D4～D13，获得由数据比特Da0～Da13构成的14比特AD转换数据。
比较器电路30-1在时间段Td中比较像素10-1的基础信号与基础信号斜坡信号VR，并且计数器电路40-1在直到像素10-1的基础信号和基础信号斜坡信号VR之间的大小关系逆转的时间段Tr中计数，以获得第一计数值。然后，比较器电路30-1在时间段Tu中比较像素10-1的有效信号与有效信号斜坡信号VH或VL，并且，计数器电路40-1在直到像素10-1的有效信号与有效信号斜坡信号VH或VL之间的大小关系逆转的时间段Ts中计数，以获得第二计数值。由计数器电路40-1和存储器单元50构成的校正单元校正第一计数值和第二计数值之间的分辨率差，该分辨率差对应于基础信号斜坡信号VR与有效信号斜坡信号VH或VL的随时间的变化率之间的差值。然后，存储器单元（校正单元）50输出代表经校正的第一和第二计数值之间的差值的数据比特Da0～Da13。具体而言，存储器单元（校正单元）50在图3B的情况下通过对第二计数值执行位偏移来校正分辨率之间的差值。
以上描述了在时间段Tr中执行递减计数以获得第一计数值并且在时间段Ts中执行递增计数以获得第二计数的例子，但是，可以按相反的方式执行计数。具体而言，计数器电路40-1可在时间段Tr中递增计数以获得第一计数值，并可在时间段Ts中递减计数以获得第二计数值，由此，可以输出代表第一计数值与第二计数值之间的差值的数据比特Da0～Da13。即，计数器电路40-1递减计数或递增计数以获得第一计数值，并且沿与第一计数值的计数方向相反的方向计数以获得第二计数值。因此，存储器单元（校正单元）50输出代表经校正的第一和第二计数值之间的差值的数据比特Da0～Da13。
以上描述了通过具有以递减计数模式和递增计数模式计数的功能的计数器电路40-1执行减法的例子，但是，减法不限于此。基础信号和有效信号的计数结果可被存储于存储器单元50中。当计数结果从存储器单元50被传送到输出电路60时，当计数结果从输出电路60被输出到图像拾取元件100的外面时，或者，在外部电路（例如，图10所示的图像信号处理电路单元830）中，可对于有效信号和基础信号执行减法。此时，表示相对于比较电压VREF确定的信号电平（选择信号SEL）的标记数据被加到AD转换数据上。这使得更容易处理任何位偏移方法。AD转换数据与表示有效信号的电平的标记数据一起通过计数器单元40被输出。
下面，将详细描述用作基准信号的斜坡信号VH和VL。图4表示图2A和图2B的时间段Tu上的斜坡信号VL和VH的变化。假定在通过使用斜坡信号VL执行转换的情况与通过使用斜坡信号VH执行转换的情况之间存在等于3个比特的差异。因此，斜坡信号VL的斜率被设为等于斜坡信号VH的斜率的1/（2^3）＝1/8。由于通过使用斜坡信号VL转换的模拟信号具有低的振幅，因此，模拟信号相对大地受比较器电路的特性的变化影响。因此，在约1/8Vramp的信号电平处，作为比较器电路30-1的偏移分量加到信号电平上的结果，信号的信号电平可能超过1/8Vramp。因此，如图4所示，斜坡信号VL的信号电平在比斜坡信号VH长的时间段上变化。这允许在考虑比较器电路30-1的偏移分量的同时执行AD转换。此时的斜坡信号VL的最大值为例如图2A和图2B所示的比较电压VREF。
图5A和图5B是示出由横轴代表的入射光强度和由纵轴代表的源自AD转换的数字数据之间的关系的示图。光强度与供给到比较器电路30-1的模拟信号Va对应。并且，V（H）代表从通过使用斜坡信号VH执行的比较获得的信号，而V（L）代表从通过使用斜坡信号VL执行的比较获得的信号。实线V（H）与等于零的信号电平之间的虚线是信号V（L）的具有理想的斜率的线。在理想情况下，数字数据关于入射光强度是线性的。图5A示出当光强度比I1低时通过使用斜坡信号VL执行转换以及当光强度超过I1时通过使用斜坡信号VH执行转换的情况。等于I1的光强度的信号电压在通过使用斜坡信号VL执行转换获得的数据V1与通过使用斜坡信号VH执行转换获得的数据V2之间不同。
其原因如下。由于由制造变化导致的斜率与理想斜率之间的误差，因此，由斜坡信号产生电路25产生的斜坡信号VL和VH中的每一个改变。并且，使用斜坡信号VL和VH中的每一个的像素的数量根据信号电平改变，并且，传送信号的线的寄生电容的总值改变。作为结果，信号V（L）和V（H）的斜率改变。并且，当斜坡信号VL和VH的斜率之间的比率改变时，信号电压V1和V2可能相互不同。当信号电压V1和V2以这种方式相互不同时，像素信号电平变得不连续。因此，在具有轻微的亮度差的图像中导致亮度间隙。因此，需要通过调整信号V（L）或V（H）的斜率提高线性。
除了斜率误差以外，还可能出现偏移的误差。图5B是描述偏移误差的示图。图5B示出在光强度比I1低的区域中表现理想特性而在光强度比I1高的区域中导致相对于由虚线代表的理想特性降低信号电平的偏移的情况。当出现偏移误差时，可通过调整偏移量提高线性。
以下将描述校正线性的方法。
图6是示出根据第一示例性实施例的输出电路60的示例性配置的示图。输出电路60具有调整斜率之间的比率、检测斜率之间的比率的误差、校正斜率之间的比率的误差、以及从有效信号数据减去基础信号数据的功能。
存储器单元50包含存储器（标记）50-1、存储器（S）50-2和存储器（N）50-3。存储器（S）50-2在其中保持在AD转换时间段Tu-H或Tu-L中获得的数字数据，而存储器（N）50-3在其中保持在AD转换时间段Td中获得的数字数据。存储器（标记）50-1在其中保持表示使用斜坡信号VH和VL中的哪一个以对有效信号执行AD转换的数据。
输出电路60包含电平偏移电路60-2、斜率误差检测电路60-4、斜率误差校正电路60-6和S-N减法电路60-8。电平偏移电路60-2调整斜坡信号的斜率之间的比率。斜率误差检测电路60-4检测斜坡信号的斜率的误差。斜率误差校正电路60-6校正AD转换数据的斜率的误差。S-N减法电路60-8从经受了斜率比率和斜率误差的校正的有效信号的AD转换结果（S3-AD）减去基础信号的AD转换结果（N-AD）。由电平偏移电路60-2和斜率误差校正电路60-6执行的处理根据标记数据FG被切换。
图7是用于描述斜率误差的斜坡信号的波形的示图。
将详细描述数字数据的斜率误差。在图7中，斜坡信号VH（实线）表示要与有效信号相比的实际信号，而斜坡信号VH′（虚线）表示理想信号。这里，使“k”表示要与基础信号相比较的斜坡信号VL的斜率，使“a”表示斜坡信号VL和VL的斜率之间的比率，并使β表示斜坡信号VH的斜率的误差。从而，斜坡信号VH′的斜率由a·k表示并且斜坡信号VH的斜率由a·β·k表示。
由点划线表示的像素信号Va与斜坡信号VRAMP相比。这里，T1表示基础信号的AD转换时间段。关于理想斜坡信号VH′，T2′表示基础信号的AD转换时间段，T3′表示有效信号的AD转换时间段。关于实际斜坡信号VH，T2表示基础信号的AD转换时间段，T3表示有效信号的AD转换时间段。
在使用理想斜坡信号VH′的AD转换时间段中，当为了调整基础信号与有效信号的斜率之间的比率将有效信号的AD转换时间段乘以“a”时，有效信号的AD转换时间段表示为a·（T2′+T3′）。由于满足a·T2′＝T1，因此，作为基础信号的AD转换时间段T1的减法的结果，有效信号的AD转换时间段由下式表示：
a·T3'=a·(T2'+T3')-T1 (1)。
在使用实际斜坡信号VH的AD转换时间段中，可通过调整实际AD转换数据的斜率比、将结果除以斜率误差β、然后减去基础信号T1，获得有效信号的适当的AD转换数据。得到的AD转换数据的AD转换时间段由下式表示：
a·(T2+T3)/β-T1=a·T3' (2)。
因此，为了获得高精度AD转换数据，需要检测斜率误差β。图8示出用作信号源的试验基础信号产生单元的配置。试验基础信号产生单元107包含信号产生电路1071。信号产生电路1071根据信号φS1供给电压Vs1或Vs2。信号产生电路1071经由根据信号φS2被驱动的开关与各垂直信号线连接。
图9是示出用于检测斜坡信号VL和VH的斜率之间的比率的定时的示图。
在使得信号φS为高之后，由试验基础信号产生单元107产生的基础信号作为试验信号VT被输入到比较器电路30-1。比较器电路30-1比较试验信号VT与斜坡信号VRAMP。通过在时间段TsL中使用斜坡信号VL执行AD转换获得的数据SL保持于存储器电路50-1中。然后，通过在时间段TsH中使用斜坡信号VH执行AD转换获得的数据SH保持于存储器电路50-1中。保持于存储器电路50-1中的各条数据SL和SH可同时或依次地被传送到外面。
为了确定比较器电路30-1的偏移电压并最终消除或至少减少偏移电压，可以输入示出的斜坡信号VR-L和VR-H。斜坡信号VR-L和VL可具有基本上相同的斜率，而斜坡信号VR-H和VH可具有基本上相同的斜率。通过将各对斜坡信号设为具有基本上相同的斜率，可以在图3A所示的递增/递减计数器中减去偏移电压。
这里，简要描述通过使用试验信号VT校正分辨率的示例性情况。当斜率之间的比率为1/16时，通过在使用斜坡信号VL时将时钟信号CLK输入到4比特递增/递减计数器602并在使用斜坡信号VH时将时钟信号CLK输入到10比特递增/递减计数器603，校正分辨率。后段的图像信号处理电路单元830计算经校正的数据的斜率的误差，并存储计算的结果K。参照图5A和图5B所示的信号电平，计算的结果由K＝V1/V2表示。通过将信号V（L）乘以1/K，校正信号V（L）的斜率。结果，数据SL可被校正，使得信号V（L）与信号V（H）线性连接。该校正处理可将图像的亮度间隙减少到低于检测极限的水平。可对信号V（H）执行校正。不必在递增计数器－递减计数器中执行分辨率之间的差值的校正。通过使用斜坡信号VL和斜坡信号VH执行比较获得的数据可在后段的电路中偏移4个比特。这同样适用于在对通过使用斜坡信号VR-L和VR-H执行转换获得的信号执行减法的S-N减法处理。
并且，试验基础信号产生单元107可被省略，并且，可通过向图像拾取元件100照射均匀的光产生试验信号VT。
在使得信号φS2为高以连接试验信号线1072与垂直信号线V-1之后，试验信号VT从试验基础信号产生单元107经由放大器电路被输入到比较器电路30-1。试验信号VT在使得信号φS1为高时具有等于像素信号的基础信号的电压，并在使得信号φS1为低时具有等于有效信号的电压。
在图9所示的例子中，在时间段Test1中，通过对源自试验信号VT与具有小的斜率的斜坡信号VR-L之间的比较和试验信号VT与斜坡信号VL之间的比较的各条AD转换数据执行减法，获得有效信号的AD转换数据1（TsL-Tr1）。AD转换数据1保持于斜率误差检测电路60-4中。随后，在时间段Test2中，通过对源自试验信号VT与具有大的斜率的斜坡信号VR-H之间的比较以及试验信号VT与斜坡信号VH之间的比较的各条AD转换数据执行减法，获得有效信号的AD转换数据2（TsH-Tr2）。AD转换数据2保持于斜率误差检测电路60-4中。可通过使用式（3）从保持的AD转换数据1和AD转换数据2确定斜率误差β。
β=a·(TsH-Tr2)/(TsL-Tr1) (3)。
并且，可通过使用通过向图像拾取元件100照射均匀的光而不是设置试验基础信号产生单元107产生的试验信号VT，确定斜率误差β。
斜率误差β存储于斜率误差检测电路60-4中。当图像拾取元件100实际被驱动时通过使用具有大的斜率的斜坡信号VH执行比较获得的AD转换数据SH1-DATA被乘以1/β。
例如可在图像拾取元件100被内置于图像拾取系统中之前执行上述的操作，并且可在图像拾取系统的存储器中存储校正数据。并且，通过在图像拾取操作之前执行操作，还可减少诸如温度的环境条件的影响。
第二示例性实施例
图10是示出根据第二示例性实施例的图像拾取系统的示例性配置的示图。图像拾取系统800包括例如光学单元810、图像拾取元件100、图像信号处理电路单元830、记录/通信单元840、定时控制电路单元850、系统控制电路单元860和再现/显示单元870。图像拾取元件100和图像信号处理电路单元830构成图像拾取装置820。作为图像拾取元件100，使用在第一示例性实施例中描述的图像拾取元件100。
包含诸如透镜的光学系统的光学单元810在二维布置多个像素的图像拾取元件100的像素单元10（图1）上形成基于从被照体反射的光的被照体的图像。图像拾取元件100在基于从定时控制电路单元850供给的信号的定时输出与在像素单元10上形成的光学图像对应的信号。从图像拾取元件100输出的信号被输入到作为图像信号处理单元的图像信号处理电路单元830。图像信号处理电路单元830根据由程序等确定的方法执行信号处理。图像信号处理电路单元830可对输入的信号执行诸如在图3A～3C中描述的位偏移/减法的信号处理。通过由图像信号处理电路单元830执行的处理获得的信号作为图像数据被发送到记录/通信单元840。记录/通信单元840向再现/显示单元870发送用于形成图像的信号。再现/显示单元870再现并显示动画或静止图像。记录/通信单元840还在从图像信号处理电路单元830接收信号之后执行与系统控制电路单元860的通信，并且执行在未示出的记录介质上记录用于形成图像的信号的操作。
系统控制电路单元860以一体化的方式控制图像拾取系统800的操作，并且，控制光学单元810、定时控制电路单元850、记录/通信单元840、以及再现/显示单元870的驱动。系统控制电路单元860还包括例如记录介质的存储装置（未示出）。存储装置存储控制图像拾取系统800的操作所需要的程序。另外，例如，系统控制电路单元860根据图像拾取系统800内的用户操作供给用于切换驱动模式的信号。信号的具体例子包括用于改变要被读取的行或要被复位的行的信号、用于响应电子变焦改变视角的信号、以及用于响应电子图像稳定化偏移视角的信号。定时控制电路单元850在系统控制电路单元860的控制下控制图像拾取元件100和图像信号处理电路单元830的驱动定时。
如上所述，根据第一和第二示例性实施例，不管像素的有效信号是高振幅信号还是低振幅信号，像素的基础信号都与高分辨率基础信号斜坡信号VR相比较。在确定有效信号的电平之后，适于所确定的信号电平的斜坡信号VH或VL被选择。通过执行校正有效信号与基础信号的分辨率之间的比率的减法，获得AD转换数据。以这种方式，可以实现高的精度和位数的增加。
在暗的图像拾取环境中，像素信号可能根据曝光条件为低振幅信号，并且，可通过放大像素信号增加感光度标定。在第一示例性实施例中，放大器电路20-1可放大信号以增加感光度标定。当信号在不被放大的情况下从像素单元10被输入到比较器电路30-1时，可通过改变斜坡信号的斜率增加感光度标定。在第一和第二本示例性实施例中，斜坡信号的斜率不被唯一地确定，而可根据感光度标定的希望的增加改变斜坡信号的斜率。例如，当感光度标定加倍时，斜坡信号的斜率可被控制到1/2。
在上述的第一和第二示例性实施例中，使用相对于时间连续变化的斜坡信号作为基准信号，但是，可以使用诸如逐步改变的基准信号的另一类型的信号。
上述的示例性实施例中的每一个仅是用于实施本公开的例子，并且，本公开的技术范围不应受这些示例性实施例限制。可以以各种形式实施本公开而不背离其技术精神或主要特征。例如，虽然电平相对于时间线性变化的斜坡信号被描述为基准信号，但是，可以使用其电平逐步变化的信号。
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包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。
Claims (11)
1.一种光电转换装置，包括：
像素，所述像素被配置为通过光电转换产生信号；
基准信号产生单元，所述基准信号产生单元被配置为产生相对于时间以第一变化率改变的第一基准信号和以第二变化率改变的第二基准信号，第二变化率比第一变化率小；
模拟－数字转换单元；和
控制单元，该控制单元被配置为：
使所述模拟－数字转换单元在从所述像素输出的信号的电平高于比较电平的情况下在第一时间段中通过使用第一基准信号将从像素输出的信号转换成数字信号，以及，在从所述像素输出的信号的电平低于所述比较电平的情况下在第二时间段中通过使用第二基准信号将从像素输出的信号转换成数字信号，并且该控制单元被配置为使得第二时间段比第一时间段长。
2.根据权利要求1的光电转换装置，其中，在第二时间段中获得的数字信号由比在第一时间段中获得的数字信号多的位数代表。
3.根据权利要求1或2的光电转换装置，其中，所述比较电平比第二基准信号在第二时间段中所取的最大值低。
4.根据权利要求1或2的光电转换装置，其中，所述控制单元使所述模拟－数字转换单元将基础信号转换成数字信号，所述基础信号是响应所述像素的复位而获得的。
5.根据权利要求4的光电转换装置，其中，响应所述像素的复位而获得的基础信号通过使用第二基准信号被转换成数字信号。
6.根据权利要求4的光电转换装置，还包括校正单元，
其中，所述控制单元使所述模拟－数字转换单元以与在第一时间段或第二时间段中获得的数字信号的分辨率不同的分辨率将响应所述像素的复位而获得的基础信号转换成数字信号，以及
其中，所述校正单元校正分辨率之间的差值。
7.根据权利要求5的光电转换装置，还包括校正单元，
其中，所述控制单元使所述模拟－数字转换单元以与在第一时间段或第二时间段中获得的数字信号的分辨率不同的分辨率将响应所述像素的复位而获得的基础信号转换成数字信号，以及
其中，所述校正单元校正分辨率之间的差值。
8.根据权利要求6的光电转换装置，其中，所述校正单元校正第一基准信号的相对于时间的第一变化率或第二基准信号的相对于时间的第二变化率。
9.根据权利要求7的光电转换装置，其中，所述校正单元校正第一基准信号的相对于时间的第一变化率或第二基准信号的相对于时间的第二变化率。
10.根据权利要求1的光电转换装置，
其中，所述模拟－数字转换单元包含计数器，并且，
其中，所述计数器用作校正单元。
11.一种图像拾取系统，包括：
根据权利要求1的光电转换装置；和
被配置为处理从光电转换装置输出的信号的信号处理单元。
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