CN104137535A - 成像装置、成像系统和成像装置的驱动方法 - Google Patents

成像装置、成像系统和成像装置的驱动方法 Download PDF

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Abstract

常规地，为了获得A+N信号和N信号之间的差信号以及A+B+N信号与A+N信号之间的差信号，A+N信号需要被保持在两个不同电容器中。这导致了如下问题：由于这两个电容器的电容的变化，可能不能精确地获得A+N信号和N信号之间的差信号以及A+B+N信号与A+N信号之间的差信号。本发明提供了一种成像装置，该成像装置生成通过从数字A+N信号和数字A+B+N信号减去同一数字N信号而获得的信号。

Description

成像装置、成像系统和成像装置的驱动方法
技术领域
本发明涉及一种成像装置，其具有包括模数转换单元和多个光电转换单元的像素。
背景技术
常规地已知包括像素单元和列并行模数转换单元的成像装置，该像素单元执行光电转换并且在其上以矩阵形式布置有像素，每个像素被配置用于输出基于入射光的信号，在该列并行模数转换单元中安置模数转换单元以便对应于各像素列(下文，模数转换单元被称为ADC(模数转换器)，并且列并行ADC被称为列ADC)。在列ADC中，用于各列的电路单元执行模数转换(下文被称为AD转换)以将从像素输出的模拟信号(从像素输出的模拟信号在下文被称为像素信号)转换成数字信号。
PTL1描述了一种成像装置，该成像装置包括像素，像素具有将光信号转换成信号电荷并累积该信号电荷的多个光电转换单元，以及在接收到来自多个光电转换单元中的每一个的信号电荷时输出对应于该信号电荷的信号的一个放大MOS晶体管。PTL1中描述的像素1向垂直信号线输出从像素输出的具有噪声水平的第一信号(下文被称为N信号)、基于要在至少一个光电转换单元中累积的第一信号电荷的第二信号(下文被称为A+N信号)、以及基于通过进一步将要在另一光电转换单元中累积的信号电荷添加到该第一信号电荷而获得的信号电荷的第三信号(下文被称为A+B+N信号)。A+N信号被保持在第一电容器和第二电容器中的每一个中，第一电容器和第二电容器与垂直信号线电连接。A+B+N信号被保持在第三电容器中，第三电容器与垂直信号线8电连接。
引文列表
专利文献
PTL 1：日本专利特开No.2004-134867
发明内容
技术问题
在PTL 1中描述的成像装置中，A+N信号需要被保持在两个不同的电容器中以便获得A+N信号与N信号之间的差信号以及A+B+N信号与A+N信号之间的差信号。因此，存在如下问题：由于两个电容器的电容的变化，可能不能准确地获得A+N信号与N信号之间的差信号以及A+B+N信号与A+N信号之间的差信号。
问题的解决方案
本发明是鉴于前述问题被提出的，并且本发明的一个方面提供了一种成像装置，该成像装置包括模拟信号输出单元和模数转换单元，模拟信号输出单元包括像素，该像素具有光电转换单元，该模拟信号输出单元输出作为模拟信号输出单元中的噪声信号的第一信号，基于在光电转换单元中生成的信号电荷的第二信号，以及基于通过将在光电转换单元中生成的其它信号电荷加到该信号电荷上而获得的信号电荷的第三信号，该模数转换单元将第一信号、第二信号和第三信号中的每一个转换成数字信号，该模数转换单元包括保持从第一信号转换得到的数字信号的信号保持单元。
本发明的另一方面提供了一种成像装置的驱动方法，该成像装置包括模拟信号输出单元和模数转换单元，其中，模拟信号输出单元包括像素，该像素具有光电转换单元，该模拟信号输出单元输出代表模拟信号输出单元中的噪声信号的第一信号，基于在光电转换单元中生成的信号电荷的第二信号，以及基于通过将在光电转换单元中生成的其它信号电荷加到该信号电荷上而获得的信号电荷的第三信号，该模数转换单元将第一信号、第二信号和第三信号转换成数字信号。
此外，本发明的一个方面提供一种成像系统的驱动方法，该成像系统包括成像装置，该成像装置包括多个模拟信号输出单元、被设置为对应于模拟信号输出单元的模数转换单元、具有多个微透镜的微透镜阵列、以及将光聚集到成像装置上的光学系统，每个模拟信号输出单元包括像素，该像素包括分别被设置为对应于微透镜之一的多个光电转换单元中的至少n个(n是为2或更大的自然数)光电转换单元，该方法包括以下步骤，模拟信号输出单元输出作为模拟信号输出单元中的噪声信号的第一信号，基于通过n个光电转换单元中的m个(m是自然数，满足关系式n>m)光电转换单元生成的信号电荷的第二信号，以及基于通过n个光电转换单元生成的信号电荷的第三信号，并且模数转换单元将第一信号、第二信号和第三信号中的每一个转换成数字信号；第一步骤，其中通过使用从第一信号转换得到的同一数字信号，成像装置生成从第二信号转换得到的数字信号与从第一信号转换得到的数字信号之间的第一差信号，以及从第三信号转换得到的数字信号与从第一信号转换得到的数字信号之间的第二差信号；以及第二步骤，该第二步骤获得第三差信号，该第三差信号是第一差信号和第二差信号之间的差，并且使用第三差信号和第一差信号执行焦点检测。
本发明的有利效果
本发明可提供一种成像装置，该成像装置可在不在多个电容器中保持从像素输出的噪声信号的情况下获得A信号和A+B信号，由此更准确地生成A信号和A+B信号。
附图说明
图1A是示出像素的等效电路的示例的示图。
图1B是示出成像装置的等效电路的示例的示图。
图2是示出成像装置的操作的示例的示图。
图3A是示出另一种形式的成像装置的等效电路的示例的示图。
图3B是示出其它形式的成像装置的操作的示例的示图。
图4A是示出另一种形式的成像装置的等效电路的示例的示图。
图4B是示出其它形式的计数器的等效电路的示例的示图。
图5是示出其它形式的成像装置的操作的示例的示图。
图6A是示出另一种形式的成像装置的等效电路的示例的示图。
图6B是示出其它形式的计数器的等效电路的示例的示图。
图7是示出其它形式的成像装置的操作的示例的示图。
图8A是示出另一种形式的像素的等效电路的示例的示图。
图8B是示出其它形式的像素的截面的示例的示图。
图9是示出另一种形式的成像装置的操作的示例的示图。
图10是示出另一种形式的成像装置的操作的示例的示图。
图11A是示出另一种形式的像素的布置的示例的示图。
图11B是示出另一种形式的像素的布置的示例的示图。
图11C是示出另一种形式的像素的布置的示例的示图。
图11D是示出另一种形式的像素的布置的示例的示图。
图11E是示出另一种形式的像素的操作的示例的示图。
图11F是示出另一种形式的像素的操作的示例的示图。
图11G是示出另一种形式的像素的布置的示例的示图。
图11H是示出另一种形式的像素的布置的示例的示图。
图12是示意性地示出成像系统的框图。
具体实施方式
示例性实施例1
下文将参照附图描述此示例性实施例的成像装置。
图1A示出根据此示例性实施例的像素的等效电路的示例。附图标记1和51指示光电转换单元。在此示例性实施例中，光电转换单元是光电二极管。附图标记20和50指示传送MOS晶体管，附图标记4指示复位MOS晶体管，附图标记5指示放大MOS晶体管，并且附图标记6指示选择MOS晶体管。在光电二极管1和51中，通过光电转换生成基于入射光的信号电荷。当要通过下文描述的垂直扫描电路(在图1B中表示为VSC(垂直扫描电路))2被供给传送MOS晶体管20的栅极的传送脉冲PTX1被设定为高电平(下文被称为H电平，类似的，低电平被称为L电平)时，光电二极管1中保持的信号电荷被传送至放大MOS晶体管5的栅极。放大MOS晶体管5的栅极是放大MOS晶体管5的控制电极。类似的，当要通过垂直扫描电路2被供给传送MOS晶体管50的栅极的传送脉冲PTX2被设定为H电平时，光电二极管51中保持的信号电荷被传送至放大MOS晶体管5的栅极。当要通过垂直扫描电路2被供给复位MOS晶体管4的栅极的复位脉冲PRES被设定为H电平时，放大MOS晶体管5的栅极的电势被复位。放大MOS晶体管5将基于被传送至其栅极的信号电荷的电信号输出至选择MOS晶体管6。在要从垂直扫描电路2供给其栅极的选择脉冲PSEL被设定为H电平时，选择MOS晶体管6将从放大MOS晶体管5输出的信号输出至垂直信号线7。从像素100输出至垂直信号线7的信号对应于上文所述的像素信号。各列的垂直信号线7被供给来自电流源8的电流。此示例性实施例的模拟信号输出单元包括像素100。
要被输出至垂直信号线7的、基于在该处复位脉冲PRES被设为H电平然后被设定为L电平的放大MOS晶体管5的栅极的电势的信号被表示为PN信号。PN信号是在放大MOS晶体管5的栅极的电势具有复位电平时被输出至垂直信号线7的噪声信号。PN信号是要从包括像素的模拟信号输出单元输出的第一信号。此外，要被输出至垂直信号线7的、基于已被传送来自光电二极管1的信号电荷的放大MOS晶体管5的栅极的电势的信号被表示为P(A+N)信号。P(A+N)信号是如下这样的信号，其中基于通过作为多个光电二极管之一的光电二极管1生成的信号电荷的PA信号被叠加在PN信号上。在此示例性实施例中，P(A+N)信号是要从模拟信号输出单元输出的第二信号。此外，传送脉冲PTX1和PTX2被设定为H电平，使得在光电二极管1和51中的每一个中累积的信号电荷被传送至放大MOS晶体管5的栅极。由于在此时段期间复位脉冲PRES被保持为L电平，因此从两个光电二极管供给的电荷被保持在放大MOS晶体管5的栅极中。要被输出至垂直信号线7的、基于此时放大MOS晶体管5的栅极的电势的信号被表示为P(A+B+N)信号。P(A+B+N)信号是如下这样的信号，其中基于多个光电二极管1和51生成的信号电荷的P(A+B)信号被叠加在PN信号上。在此示例性实施例中，P(A+B+N)信号是要从模拟信号输出单元输出的第三信号。此外，第一、第二和第三信号是模拟信号。前文描述了像素100。
接下来，将参照图1B描述此示例性实施例的模数转换单元160。
比较器(在图1B中被表示为Comp(比较器))9比较斜坡信号Vramp与从像素100输出至垂直信号线7的信号，并且将作为基于比较结果的信号的比较结果信号CMP输出至锁存器选择电路(在图1B中表示为Latch puls Gen.)12。斜坡信号Vramp是基准信号，其电势随时间改变并且由斜坡信号生成电路(在图1B中被表示为RampGen.(斜坡发生器))10生成。斜坡信号生成电路10被从定时发生器(未示出)供给模数转换单元复位脉冲AD Reset，该复位脉冲被公共地供给下文描述的第一计数器18。锁存器选择电路12被设置为对应于其中布置多个像素100的矩阵的列。锁存器选择电路12中的每一个根据锁存器选择脉冲PTn、PTa和PTb的信号值将比较结果信号CMP输出至Latch_n 13-1、Latch_a 13-2以及Latch_b 13-3中的任一个。例如，如果锁存器选择脉冲PTn位于H电平并且其它锁存器选择脉冲PTa和PTb位于L电平，则锁存器选择电路12将比较结果信号CMP输出至Latch_n 13-1。此外，如果锁存器选择脉冲PTa位于H电平并且其它锁存器选择脉冲PTn和PTb位于L电平，则锁存器选择电路12将比较结果信号CMP输出至Latch_a 13-2。此外，如果锁存器选择脉冲PTb位于H电平并且其它锁存器选择脉冲PTa和PTn位于L电平，则锁存器选择电路12将比较结果信号CMP输出至Latch_b 13-3。在以下描述中，Latch_n 13-1、Latch_a 13-2以及Latch_b 13-3被统称为锁存器电路13。锁存器电路13是存储器单元，并且被设置为对应于其中布置多个像素100的矩阵的每一列。Latch_n13-1是第一信号保持电源，其保持从作为第一信号的PN信号转换得到的数字信号。Latch_a 13-2保持从P(A+N)信号转换得到的数字信号。Latch_b 13-3保持从P(A+B+N)信号转换得到的数字信号。Latch_a 13-2和Latch_b 13-3是第二信号保持单元，其分别保持从作为第二信号的P(A+N)信号以及作为第三信号的P(A+B+N)信号转换得到的数字信号。模数转换单元160包括多个电路单元21。多个电路单元21被设置为对应于各个像素列。此外，多个电路单元21中的每一个包括比较器9、锁存器选择电路12和锁存器电路13。
时钟脉冲信号clk和模数转换单元复位脉冲AD Reset被从定时发生器(未示出)输出至第一计数器(在图1B中表示为Counter)18。第一计数器18生成通过对于斜坡信号生成电路10的斜坡信号Vramp的随时间的电势变化的从开始到结束的时间段对时钟脉冲信号clk的脉冲进行计数而获得的计数值。锁存器电路13(即Latch_n 13-1、Latch_a 13-2以及Latch_b 13-3)中的每一个保持在从比较器9输出的比较结果信号CMP改变时获得的计数信号。水平扫描电路(在图1B中表示为HSC(水平扫描电路))14依次选择用于各个列的锁存器电路13，并且使得用于各个列的锁存器电路13输出其中保持的计数信号。在水平扫描电路14的控制下输出的数字N信号和数字A+B+N信号被输出至差信号输出单元15-1。差信号输出单元15-1输出数字A+B信号作为OUT_b输出，数字A+B信号是数字A+B+N信号与数字N信号之间的差信号。数字N信号和数字A+N信号被输出至差信号输出单元15-2。差信号输出单元15-2输出数字A信号作为OUT_a输出，数字A信号是数字A+N信号与数字N信号之间的差信号。数字A+B信号和数字A信号是此示例性实施例中的成像装置输出的信号。
接下来，将参照图2描述图1A和1B中的作为示例示出的成像装置的操作。
在时间t11，选择脉冲PSEL和模数转换单元复位脉冲AD Reset处于H电平。模数转换单元复位脉冲AD Reset被供给图1B中所示的斜坡信号生成电路10和第一计数器18中的每一个。当模数转换单元复位脉冲AD Reset为H电平时，斜坡信号Vramp的电势具有复位电平，并且第一计数器18的计数信号被复位为初始值。在时间t11，此外，复位脉冲PRES被从H电平改变为L电平。在时间t11复位被释放之后从像素100输出至垂直信号线7的信号是PN信号。
在时间t12，模数转换单元复位脉冲AD Reset从H电平改变为L电平。然后，斜坡信号Vramp的电势开始随时间改变。此外，第一计数器18开始对时钟脉冲信号clk的脉冲进行计数，并且将计数信号输出至用于各个列的锁存器电路13。此外，锁存器选择脉冲PTn被设定为H电平。
例如，假定斜坡信号Vramp与垂直信号线7的电势Vline之间的大小关系在时间t13反转。在此情况下，比较器9输出比较结果信号CMP至锁存器选择电路12。由于锁存器选择脉冲PTn处于H电平，因此比较结果信号CMP被输出至Latch_n 13-1。Latch_n 13-1保持在比较结果信号CMP被输出时获得的计数信号。此时，计数信号值为“4”，由此在Latch_n 13-1中保持计数信号“4”。在Latch_n 13-1中保持的计数信号“4”是数字N信号。在此示例性实施例中，为了便于描述，计数信号值被用十进制形式表示。实际上，要被保持在Latch_n 13-1中的计数信号是通过将十进制数“4”转换成二进制而获得的值。而且在以下的描述中，计数信号值在文中将被用十进制形式表示。
在时间t14，模数转换单元复位脉冲AD Reset从L电平改变为H电平，并且斜坡信号Vramp的电势的随时间的改变结束。此外，锁存器选择脉冲PTn从H电平改变为L电平。
在时间t15，传送脉冲PTX1从L电平改变为H电平。因此，在光电二极管51中累积的电荷被传送至放大MOS晶体管5的栅极，并且P(A+N)信号被从像素100输出至垂直信号线7。
在时间t16，模数转换单元复位脉冲AD Reset从H电平改变为L电平。然后，斜坡信号Vramp的电势开始随时间改变。此外，第一计数器18开始对时钟脉冲信号clk的脉冲进行计数，并且将计数信号输出至用于各个列的锁存器电路13。此外，锁存器选择脉冲PTa被设定为H电平。
例如，假定斜坡信号Vramp与垂直信号线7的电势Vline之间的大小关系在时间t17反转。在此情况下，比较器9输出比较结果信号CMP至锁存器选择电路12。由于锁存器选择脉冲PTa处于H电平，因此比较结果信号CMP被输出至Latch_a 13-2。Latch_a 13-2保持在比较结果信号CMP被输出时获得的计数信号。由于此时的计数信号值为“6”，由此在Latch_a 13-2中保持计数信号“6”。在Latch_a 13-2中保持的计数信号“6”是数字A+N信号。
在时间t18，模数转换单元复位脉冲AD Reset从L电平改变为H电平，并且斜坡信号Vramp的电势的随时间的改变结束。此外，锁存器选择脉冲PTa从H电平改变为L电平。此外，水平扫描电路14使得Latch_n 13-1和Latch_a 13-2分别将其中保持的计数信号输出至差信号输出单元15-2。差信号输出单元15-2执行Latch_a 13-2中保持的计数信号“6”与Latch_n 13-1中保持的计数信号“4”之间的差分处理，并且输出计数信号“2”作为OUT_a输出。计数信号“2”是数字A信号。
在时间t19，传送脉冲PTX2从L电平改变为H电平。因此，在光电二极管1中累积的电荷被传送至放大MOS晶体管5的栅极，并且P(A+B+N)信号被从像素100输出至垂直信号线7。
在时间t20，模数转换单元复位脉冲AD Reset从H电平改变为L电平。然后，斜坡信号Vramp的电势开始随时间改变。此外，第一计数器18开始对时钟脉冲信号clk的脉冲进行计数，并且将计数信号输出至用于各个列的锁存器电路13。此外，锁存器选择脉冲PTb被设定为H电平。
例如，假定斜坡信号Vramp与垂直信号线7的电势Vline之间的大小关系在时间t21反转。在此情况下，比较器9输出比较结果信号CMP至锁存器选择电路12。由于锁存器选择脉冲PTb处于H电平，因此比较结果信号CMP被输出至Latch_b 13-3。Latch_b 13-3保持在比较结果信号CMP被输出时获得的计数信号。由于此时的计数信号值为“8”，由此在Latch_b 13-3中保持计数信号“8”。在Latch_b 13-3中保持的计数信号“8”是数字A+B+N信号。
在时间t22，模数转换单元复位脉冲AD Reset从L电平改变为H电平，并且斜坡信号Vramp的电势的随时间的改变结束。此外，锁存器选择脉冲PTb从H电平改变为L电平。此外，水平扫描电路14使得Latch_n 13-1和Latch_b 13-3分别将其中保持的计数信号输出至差信号输出单元15-1。差信号输出单元15-1执行Latch_b 13-3中保持的计数信号“8”与Latch_n 13-1中保持的计数信号“4”之间的差分处理，并且输出计数信号“4”作为OUT_b输出。计数信号“4”是数字A+B信号。
通过上述操作，此示例性实施例的成像装置可输出数字A信号和数字A+B信号。在此示例性实施例的成像装置中，数字N信号、数字A+N信号以及数字A+B+N信号被保持在各个锁存器电路13中。因此，不同于PTL1，由于在多个不同的电容器保持一个信号而导致的电容器的电容的变化不会发生。因此，此示例性实施例的成像装置可准确获得数字A信号和数字A+B信号。除了像素100的噪声分量之外，此示例性实施例的数字N信号还包含多个比较器9中的各比较器的操作变化分量。此示例性实施例的成像装置从数字A+N信号和数字A+B+N信号中减去数字N信号，并且输出所得到的信号。因此，可去除被包含在数字A+N信号和数字A+B+N信号中的像素100的噪声分量和多个比较器9中的各比较器的操作变化分量，并且可减小图像质量降低。
差信号输出单元15-2输出数字A信号。数字A信号是从第二信号转换得到的数字A+N信号与从第一信号转换得到的数字N信号之间的第一差信号。差信号输出单元15-1输出数字A+B信号。数字A+B信号是从第三信号转换得到的数字A+B+N信号与从第一信号转换得到的数字N信号之间的第二差信号。
此外，为了通过使用PTL1中描述的成像装置获得P(A+B)信号，该信号是从P(A+B+N)信号减去PN信号而获得的差信号，可考虑除了电容器23-1之外，N信号还被保持在电容器23-2中。但是，在此形式中，多个电容器需要保持N信号，并且存在如下问题：由于多个电容器的电容的变化，A信号和A+B信号不能被准确地获得。因此，在PTL1中，即使从一个像素100输出相同PN信号，由于保持PN信号的多个电容器的电容的变化，PN信号的信号值仍可能变化。作为对比，在此示例性实施例的成像装置中，PN信号被保持在锁存器电路Latch_n 13-1中作为数字N信号。因此，由于被保持在不同电容器中而导致的PN信号的变化可被减小。
在此示例性实施例中，已经描述了包括像素100的成像装置，每个像素100具有两个光电二极管1和51。此示例性实施例不限于此形式。此示例性实施例还可根据需要通过如下这样的成像装置实现，该成像装置包括均具有单个光电二极管的像素100。也就是说，在作为示例在图1A中所示的像素100的配置中，光电二极管51和传送MOS晶体管50可被省略。在此情况中，传送脉冲PTX2可在时间t15和时间t19被设定为H电平。首先，传送脉冲PTX2在时间t15被设定为H电平，使得通过光电二极管1生成的信号电荷被传送至放大MOS晶体管5的栅极。这里输出的信号是第二信号。此后，传送脉冲PTX2被设定为L电平。然后，光电二极管1再次基于入射光执行光电转换以生成信号电荷。在时间t19，传送脉冲PTX2再次被设为H电平。因此，在光电二极管1中累积的信号电荷被传送至放大MOS晶体管5的栅极。由于在此时段期间复位脉冲PRES被保持为L电平，因此在时间t15从光电二极管1传送的信号电荷以及在时间t19传送的信号电荷被保持在放大MOS晶体管5的栅极中。此时从像素100输出的信号是第三信号。这样，例如，第二信号和第三信号可以是基于通过改变光电二极管1的曝光持续期而生成的信号电荷的信号。
此外，像素100具有多个光电二极管的形式甚至可与此示例性实施例中描述的形式不同。即，在一种形式中，像素100可输出通过将放大MOS晶体管5的栅极的电势设定为复位电平而被输出至垂直信号线7的第一信号、基于像素100中包含的多个光电二极管之中的m(m是自然数)个光电二极管生成的信号电荷的第二信号、以及基于n(n是自然数)个光电二极管生成的信号电荷的第三信号，其中n大于m。
本示例性实施例提供了Latch_n 13-1保持一个数字N信号的形式。在另一种形式中，具有能够保持数字N信号的多个存储器的双缓冲器存储器可被使用。即，Latch_n 13-1中包含的第一存储器保持数字N信号，该数字N信号是从在时间t14此示例性实施例的第一行中的像素的PN信号转换得到的。然后，在从时间t14到时间t18的任何时段期间数字N信号被从第一存储器传送至第二存储器。水平扫描电路14使得数字N信号被从第二存储器输出至差信号输出单元15-2。同时，在数字N信号被传送至第二存储器之后，选择脉冲PSEL在时间t22被设定为L电平，并且用于后续行中的像素100的选择脉冲PSEL和复位脉冲PRES被设定为H电平。此后，模数转换单元复位脉冲AD Reset从H电平改变为L电平，并且执行生成从后续行中的像素100的PN信号转换得到的数字信号的操作。因此，在时间t22，Latch_n 13-1可并行地执行数字N信号到差信号输出单元15-1的输出以及从后续行中的像素100的PN信号转换得到的数字信号的生成。这可减少生成和输出从多个行中的像素100输出的信号转换得到的数字信号所需的时间。
此外，此示例性实施例已经基于如下形式被描述，其中水平扫描电路14使得数字A+N信号和数字A+B+N信号分别从Latch_a 13-2和Latch_b 13-3输出。在另一种形式中，数字信号可被从Latch_a 13-2传送至Latch_b 13-3，并且水平扫描电路14可使得从Latch_b 13-2输出数字信号。具体而言，在时间t18，Latch_a 13-2将其中保持的数字A+N信号传送至Latch_b 13-3。水平扫描电路14使得数字A+N信号从Latch_b 13-3输出。此外，Latch_a 13-2保持从P(A+B+N)信号转换得到的数字A+B+N信号，该P(A+B+N)信号是通过对于从时间t20到时间t22的时间段对时钟脉冲信号clk的脉冲进行计数而得到的。在时间t22，Latch_a 13-2将其中保持的数字A+B+N信号传送至Latch_b 13-3。水平扫描电路14将数字A+B+N信号从Latch_b 13-3传送至差信号输出单元15。因此，在此示例性实施例中提供的多个差信号输出单元15-1和15-2可被用一个差信号输出单元15替换。
此外，此示例性实施例的模数转换单元是如下类型的，即基于电势随时间改变的斜坡信号与像素信号的比较而执行AD转换。任何其它AD转换类型(例如，逐次逼近AD转换或者delta-sigma AD转换)可被执行。
示例性实施例2
将专注于与示例性实施例1不同之处而描述此示例性实施例的成像装置。
将参照附图进行以下描述。
图3A是示出此示例性实施例的成像装置的示例的等效电路图。与上文在示例性实施例1中描述的图1B中的部分具有相同功能的部分被分配与图1B中分配的附图标记相同的附图标记。
与示例性实施例1的不同之处在于从各像素100输出的PN信号、P(A+N)信号和P(A+B+N)信号中的每一个被反相放大器17反转和放大，并且被输出至比较器9。反相放大器17是放大单元，放大像素信号并且将放大后的信号输出至比较器9。多个反相放大器17被设置为与以矩阵形式布置的多个像素100的列对应。每个垂直信号线7被分别标识为表示从像素100延伸到反相放大器17的电气路径的垂直信号线7-1和表示从反相放大器17延伸到比较器9的电气路径的垂直信号线7-2。此示例性实施例的模拟信号输出单元包括像素100和反相放大器17。在此示例性实施例中，基于从像素100输出的PN信号而从反相放大器17输出的信号被供给比较器9。基于从像素100输出的PN信号而从反相放大器17输出的信号被表示为GN信号。类似的，基于从像素100输出的P(A+N)信号而从反相放大器17输出的信号被表示为G(A+N)信号，并且基于P(A+B+N)信号而从反相放大器17输出的信号被表示为G(A+B+N)信号。在此示例性实施例中，从模拟信号输出单元输出的第一信号是GN信号。此外，从模拟信号输出单元输出的第二信号是G(A+N)信号。此外，从模拟信号输出单元输出的第三信号是G(A+B+N)信号。
图3B是示出在图3A中作为示例示出的成像装置的操作的示例的时序图。在图2中，如上文在示例性实施例1中描述的，对应于此示例性实施例的垂直信号线7-1的电势被表示为垂直信号线7的电势Vline。相反，此示例性实施例的图3B示出垂直信号线7-2的电势Vline2，该垂直信号线7-2是从反相放大器7延伸到比较器9的电气路径。
垂直信号线7-2的电势Vline2是通过将垂直信号线7-1的电势反转和放大而获得的信号，因此具有与垂直信号线7-1的电极性相反的电极性。因此，在此示例性实施例中，垂直信号线7-2的电势Vline2响应于从像素100输出的P(A+N)信号和P(A+B+N)信号而改变的方向与示例性实施例1中的方向相反。因此，斜坡信号Vramp的电势随时间改变的方向也与示例性实施例1中的相反。
Latch_n 13-1中保持的数字N信号是通过将GN信号转换成数字信号而获得的信号。此示例性实施例的数字N信号是包括模拟信号输出单元的噪声分量以及多个比较器19中的每个比较器的操作变化分量的信号，该模拟信号输出单元包括像素100和反相放大器17。
此外，Latch_a 13-2中保持的数字A+N信号是通过将从像素100输出的G(A+N)信号转换成数字信号而获得的信号。
此外，Latch_b 13-3中保持的数字A+B+N信号是通过将G(A+B+N)信号转换成数字信号而获得的信号。
其它方面与示例性实施例1的成像装置中的那些相似。即，在时间t31到t42中的每一个处的操作可类似于在示例性实施例1的时间t11到t22中的每一个处的操作。
除了包括像素100和反相放大器17的模拟信号输出单元的噪声分量之外，此示例性实施例的数字N信号还包括多个比较器19中的每个比较器的操作变化分量。此示例性实施例的成像装置从数字A+N信号和数字A+B+N信号减去数字N信号，并且输出得到的信号。因此，包含于数字A+N信号和数字A+B+N信号中的包括像素100和反相放大器17的模拟信号输出单元的噪声分量和多个比较器19中的每个比较器的操作变化分量可被去除，并且可减小图像质量的下降。
此示例性实施例的成像装置也可实现与示例性实施例1类似的优点。反相放大器17可被非反相放大器或者缓冲器电路替换。在此情况中，电势Vline2和斜坡信号Vramp改变的方向与图2中所示的电势Vline和斜坡信号Vramp的改变方向匹配。
示例性实施例3
将专注于与示例性实施例2不同之处而描述此示例性实施例的成像装置。
将参照附图进行以下描述。
图4A是示出此示例性实施例的成像装置的示例的等效电路图。此示例性实施例的成像装置没有设置有锁存器选择电路12，而是设置有计数器控制电路16以便对应于各个像素列。此外，在示例性实施例1和2中，第一计数器18向用于各个列的锁存器电路13供给公共计数信号。但是，在此示例性实施例中，第二计数器19被设置为对应于用于各列的计数器控制电路16。保持第二计数器19的信号的存储器25被设置为对应于用于各个列的第二计数器19。保持第二计数器19的信号的存储器25是第一信号保持单元，其保持基于从反相放大器17输出的GN信号生成的数字N’信号。此外，在第三信号与斜坡信号Vramp之间的比较中，存储器25输出数字N’信号给第二计数器19。时钟脉冲信号clk从定时发生器(未示出)被输入计数器控制电路16。此外，计数器控制电路16基于计数信号复位脉冲CNT Reset、脉冲“transtom”和脉冲“transtoc”激活第二计数器19和存储器25。锁存器26保持第二计数器19的计数信号。在示例性实施例2中，两个锁存器、即Latch_a 13-1和Latch_b 13-2被包含在第二信号保持单元中，该第二信号保持单元保持从第二信号转换得到的数字信号和从第三信号转换得到的数字信号。作为对比，在此示例性实施例中，仅一个锁存器、即锁存器26可被使用。锁存器26是此示例性实施例的第二信号保持单元，其保持从第二信号转换得到的数字信号和从第三信号转换得到的数字信号。锁存信号LAT被供给用于各个列的锁存器26。当锁存信号LAT处于H电平时，锁存器26捕获从第二计数器19输出的计数信号值。用于将斜坡信号的电势复位为初始值的斜坡信号复位脉冲Ramp Reset被供给斜坡信号生成电路10。
图4B是作为示例示出在图4A中作为示例示出的成像装置中的第二计数器19和存储器25的等效电路图。第二计数器19具有生成计数信号的多个触发电路FF1-1到FF1-4。即，第二计数器19具有生成包括多个位信号的计数信号的多个触发电路FF1-1到FF1-4。位信号是计数信号的每一位的信号。作为第一信号保持单元的存储器25具有多个位存储器250-1到250-4，并且多个位存储器250-1到250-4中的每一个电连接到多个触发电路FF1-1到FF1-4中的每一个。即，存储器25具有保持单独的位信号的多个位存储器250-1到250-4，并且多个位存储器中的每一个电连接到多个触发电路FF1-1到FF1-4中的对应的一个触发电路。此示例性实施例的第二计数器19被配置为使得多个触发电路FF1-1到FF1-4以如下方式电连接，即在先级的非反相输出端子Q的输出连接到在后级的时钟端子的输入。此外，触发电路FF1-1到FF1-4的非反相输出端子Q的输出D0到D3连接到锁存器26的输入，并且还分别被供给位存储器250-1到250-4。
此外，作为此示例性实施例的特征，多个触发电路FF1-1到FF1-4中的每一个具有反相输出端子NQ，该反相输出端子NQ的输出被供给其端子D，并且各个非反相输出端子Q的输出也被供给位存储器250-1到250-4。此外，位存储器250-1到250-4中保持的信号被输出至各个触发电路的S端子。
图5是示出上文参照图4A和4B描述的成像装置的操作的示例的时序图。计数器控制脉冲是从计数器控制电路16输出至第二计数器19的信号，并且第二计数器19基于该计数器控制脉冲进行操作。
在时间t51，选择脉冲PSEL和斜坡信号复位脉冲Ramp Reset处于H电平。此外，在时间t51，复位脉冲PRES从H电平改变为L电平。此外，计数器控制脉冲处于“停止”状态，在该状态中第二计数器19不工作。
在时间t52，斜坡信号复位脉冲Ramp Reset从H电平改变为L电平。然后，斜坡信号Vramp的电势随时间开始改变。
例如，假定斜坡信号Vramp的电势与垂直信号线7-2的电势Vline2之间的大小关系在时间t53反转。在此情况下，比较器9输出比较结果信号CMP至计数器控制电路16。计数器控制电路16接收比较结果信号CMP，并且将计数器控制脉冲从“停止”状态改变为“计数”状态。因此，第二计数器19在时间t53开始其计数操作。
在时间t54，斜坡信号Vramp的电势的随时间的改变结束，并且斜坡信号复位脉冲Ramp Reset从L电平改变为H电平。此外，计数器控制脉冲从“计数”状态改变为“停止”状态。因此，第二计数器19在时间t54临时停止其计数操作。此外，脉冲“transtom”被设定为H电平。因此，通过从时间t53到时间t54进行计数而获得的计数信号被保持在存储器25中。在此时刻在存储器25中保持的信号是数字N’信号。然后，脉冲“transtom”被设定为L电平。
在时间t55，传送脉冲PTX1从L电平改变为H电平。因此，在光电二极管51中累积的电荷被传送至放大MOS晶体管5的栅极，并且P(A+N)信号被从像素100输出至垂直信号线7。G(A+N)信号被从反相放大器17输出至比较器9。
在时间t56，斜坡信号复位脉冲Ramp Reset从H电平改变为L电平。然后，斜坡信号Vramp的电势开始随时间改变。此外，计数器控制脉冲从“停止”状态改变为“计数”状态。因此，第二计数器19从在时间t54获得的计数信号值开始其计数操作。
例如，假定斜坡信号Vramp的电势与垂直信号线7-2的电势Vline2之间的大小关系在时间t57反转。在此情况下，比较器9输出比较结果信号CMP至计数器控制电路16。计数器控制电路16接收比较结果信号CMP，并且将计数器控制脉冲从“计数”状态改变为“停止”状态。因此，第二计数器19保持通过从在时间t54获得的计数信号值开始从时间t56到时间t57进一步计数而获得的计数信号。
在时间t58，斜坡信号复位脉冲Ramp Reset从L电平改变为H电平，并且斜坡信号Vramp的电势的随时间的改变结束。此外，锁存信号LAT被设定为H电平。因此，在时间t58，在第二计数器19中保持的计数信号被捕获在锁存器26中。
现在将描述在此时刻保持的数字信号。从时间t52到时间t54的操作在下文被称为N转换。在此示例性实施例的N转换中，作为当通过从比较器9输出比较结果信号CMP时的时间t53至时间t54计数而获得的计数信号值的数字N’信号被保持在第二计数器19中。此计数信号值是如下的计数信号值(Nmax-Ncnt)，其是通过从在N转换期间的最大计数信号值Nmax(即，从斜坡信号Vramp的电势开始随时间改变时的时间t52到时间t54的整个时段中进行计数而获得的计数信号值)减去通过从时间t52到时间t53计数而获得的计数信号值Ncnt来获得的。尽管在示例性实施例2中，Latch_n 13-1保持计数信号值Vcnt，但是在此示例性实施例中，锁存器26保持计数信号值(Nmax-Ncnt)。
接下来，将描述从时间t56到时间t58的时段期间的操作(下文被称为A+N转换)。在时间t56，第二计数器19保持计数信号值(Nmax-Ncnt)。因此，第二计数器19在从时间t56到时间t57的时段期间、从计数信号值(Nmax-Ncnt)起开始其计数操作。在时间t58在第二计数器19中保持的计数信号值是通过将计数信号值(Nmax-Ncnt)与计数信号值Acnt+Ncnt相加而获得的值，该计数信号值Acnt+Ncnt是通过在时间t56到时间t57的时段期间的、从初始计数信号值(即在时间t52获得的计数信号值)起的计数操作获得的。在时间t58获得的计数信号值由Acnt+Ncnt+(Nmax-Ncnt)表示，即Acnt+Amax。因此，不包含GN信号的分量并且其中Nmax的偏差被加到数字A信号上的数字信号被保持在锁存器26中。具有计数信号值Acnt+Amax的数字信号是从要基于PA信号被输出的GA信号转换得到的数字信号。
因此，为了获得数字A信号，从在时间t58保持在第二计数器19中的计数信号值Acnt+Nmax减去在N转换期间获得的已知的最大计数信号值Nmax。因此，可获得计数信号值Acnt，即数字A信号。
在锁存信号LAT在时间t58被设定为H电平之后，锁存信号LAT被设定为L电平。
在时间t59，脉冲“transtoc”被设定为H电平，并且第二计数器19的计数信号值返回在时间t54获得的计数信号值。即，计数信号值被设定为数字N’信号的信号值。此外，水平扫描电路14依次选择用于各个列的锁存器26，并且输出在该锁存器26中保持的数字A信号。
在时间t60，传送脉冲PTX2从L电平改变为H电平。因此，在光电二极管1中累积的电荷被传送至放大MOS晶体管5的栅极，并且P(A+B+N)信号被从像素100输出至垂直信号线7。G(A+B+N)信号被从反相放大器17输出至比较器9。
在时间t61，斜坡信号复位脉冲Ramp Reset从H电平改变为L电平。然后，斜坡信号Vramp的电势开始随时间改变。此外，计数器控制脉冲从“停止”状态改变为“计数”状态。因此，第二计数器19从在时间t54获得的计数信号值(也是在时间t59获得的计数信号值)开始其计数操作。
例如，假定斜坡信号Vramp的电势与垂直信号线7-2的电势Vline2之间的大小关系在时间t62反转。在此情况下，比较器9输出比较结果信号CMP至计数器控制电路16。计数器控制电路16接收比较结果信号CMP，并且将计数器控制脉冲从“计数”状态改变为“停止”状态。因此，第二计数器19保持通过从在时间t54获得的计数信号值开始从时间t61到时间t63进一步计数而获得的计数信号。
在时间t63，斜坡信号Vramp的电势的随时间的改变结束，并且斜坡信号复位脉冲Ramp Reset从L电平改变为H电平。此外，锁存信号LAT被设定为H电平。因此，在时间t63在第二计数器19中保持的计数信号被捕获在锁存器26中。
现在将描述在此时刻在锁存器26中捕获的数字信号。将描述从时间t61到时间t63的操作(在下文被称为A+B+N转换)。在时间t61，第二计数器19保持计数信号值(Nmax-Ncnt)。因此，第二计数器19在从时间t61到时间t62的时段期间从计数信号值(Nmax-Ncnt)开始计数操作。在时间t62在第二计数器19中保持的计数信号值是通过将计数信号值(Nmax-Ncnt)与计数信号值Acnt+Bcnt+Ncnt相加而得到的值，计数信号值Acnt+Bcnt+Ncnt是通过在从时间t61到时间t62的时段期间的从初始计数信号值(即，在时间t52获得的计数信号值)开始的计数操作得到的。在时间t58的计数信号值被由Acnt+Bcnt+Ncnt+(Nmax-Ncnt)、即Acnt+Bcnt+Nmax表示。因此，在锁存器26中保持如下这样的数字信号，该数字信号不包含GN信号的分量并且在该数字信号中Nmax的偏差加到数字A+B信号。具有计数信号值Acnt+Bcnt+Nmax的数字信号是从要基于P(A+B)信号输出的G(A+B)信号转换得到的数字信号。
因此，为了获得数字A+B信号，从在时间t63保持在第二计数器19中的计数信号值Acnt+Bcnt+Nmax减去在N转换期间获得的已知的最大计数信号值Nmax。因此，可获得计数信号值Acnt+Bcnt，即数字A+B信号。
在锁存信号LAT在时间t63被设定为H电平之后，锁存信号LAT被设定为L电平。
在时间t64，计数信号复位脉冲CNT Reset被设定为H电平。因此，第二计数器19的计数信号的信号值被复位为初始值。此外，水平扫描电路14依次选择用于各个列的锁存器26，并且输出在时间t63在该锁存器26中保持的数字信号。
为了获得数字A信号以及数字A+B信号而执行的用于从锁存器26中保持的数字信号减去Nmax的处理可在成像装置中执行，或者通过与成像装置电连接的信号处理单元(未示出)来执行。
此示例性实施例的对于各列安置的电路单元21包括比较器9、计数器控制单元16、第二计数器19、存储器25和锁存器26。用于各列的电路单元21输出数字A信号。数字A信号是从第二信号转换得到的数字A+N信号与从第一信号转换得到的数字N信号之间的第一差信号。用于各列的电路单元21还输出数字A+B信号。数字A+B信号是从第三信号转换得到的数字A+B+N信号与从第一信号转换得到的数字N信号之间的第二差信号。
如上所述，此示例性实施例的成像装置也可获取数字A信号和数字A+B信号。此外，锁存器26中保持的数字信号可以是不包含从PN信号转换得到的GN信号的分量的信号。即，此示例性实施例的操作允许比较像素信号与斜坡信号Vramp的操作以及从获得通过从A+N信号和A+B+N信号减去N信号而获得的信号转换得到的数字信号的操作并行地执行。
此示例性实施例的成像装置也可获得与示例性实施例1和2的优点类似的优点。
示例性实施例4
将专注于与示例性实施例3不同之处而描述此示例性实施例的成像装置。
将参照附图进行以下描述。
图6A是示出此示例性实施例的成像装置的示例的等效电路图。此示例性实施例的成像装置与示例性实施例3中的成像装置的不同之处在于从定时发生器(未示出)经由计数器控制电路16向第二计数器19供给模式设定脉冲“模式”。模式设定脉冲“模式”是用于如下所述切换第二计时器19的模式的脉冲。
图6B是示出在图6A中作为示例示出的此示例性实施例的第二计数器19的等效电路图。此示例性实施例的第二计数器19被配置为使得触发电路FF2-1到FF2-4以如下方式电连接，即在先级的非反相输出端子Q的输出连接到在后级的时钟端子的输入。此外，触发电路FF2-1到FF2-4的非反相输出端子Q的输出作为D0到D3被供给锁存器26。此外，计数器控制电路15向电连接到触发电路FF2-1到FF2-4的端子D的开关SW3-1到SW3-4以及电连接到时钟脉冲端子的开关SW4-1到SW4-4供给模式设定脉冲“模式”以切换模式。此外，定时发生器(未示出)经由计时器控制电路16分别向开关SW1和开关SW2供给脉冲“transtoc”和“transtom”。当模式设定脉冲“模式”处于L电平时，触发电路FF2-1到FF2-4中的每一个的反相输出端子NQ电连接到触发电路的端子D。此外，计数CLK被供给时钟脉冲端子。另一方面，当模式设定脉冲“模式”处于H电平时，触发电路FF2-1到FF2-4中的每一个的端子D电连接到前一触发电路的非反相输出端子Q。此外，当模式设定脉冲“模式”处于H电平时，偏移CLK被供给触发电路FF2-1到FF2-4的时钟脉冲端子。此外，当要被供给开关SW2的脉冲“transtom”处于H电平时，触发电路FF2-4的非反相输出端子Q与存储器25电连接。因此，当模式设定脉冲“模式”和脉冲“transtom”两者处于H电平时，从触发电路FF2-1到FF2-4输出的信号被依次输出至存储器25。存储器25是例如移位寄存器电路，并且保持计数信号，该计数信号具有从触发电路FF2-1到FF2-4输出的、被依次输出的信号。此外，当模式设定脉冲“模式”和脉冲“transtoc”两者处于H电平时，触发电路FF2-1的端子D经由开关SW1电连接到存储器25。因此，存储器25中保持的计数信号被依次供给触发电路FF2-1到FF2-4。
图7是示出作为示例在图6A中示出的成像装置的操作的示例的时序图。以下的描述将专注于与上文参照图5在示例性实施例3中描述的操作的不同之处。
在时间t71，模式设定脉冲“模式”处于L电平。其它操作可类似于图5中所示的在时间t51进行的操作。
从时间t72到时间t74的操作可类似于图5中所示的从时间t52到时间t54进行的操作。
在从时间t74到时间t76的任意时段期间，模式设定脉冲“模式”和脉冲“transtom”被设定为H电平。因此，在时间t74获得的计数信号值被保持在存储器25中。
从时间t74到时间t76的其它操作以及从时间t77到时间t78的操作可类似于图5中所示的从时间t54到时间t58进行的操作。
在从时间t78到时间t80的任意时段期间，模式设定脉冲“模式”和脉冲“transtoc”被设定为H电平。因此，在时间t74到时间t76的任意时段期间被保持在存储器25中的在时间t74获得的计数信号值被设定在第二计数器19中。
从时间t78到时间t80的其它操作可类似于图5中所示的从时间t58到时间t61进行的操作。
从时间t81到时间t83的操作可类似于图5中所示的从时间t62到时间t64进行的操作。
如上所述，此示例性实施例的成像装置也可获得数字A信号和数字A+B信号。
此示例性实施例的成像装置也可实现与示例性实施例3中的优点类似的优点。
示例性实施例5
下文将参照附图描述此示例性实施例的成像装置。
此示例性实施例为如下形式，其中使用从成像装置中设置的像素100输出的像素信号执行基于相位差检测方法的焦点检测。
图8A是示出具有四个光电转换单元、即光电二极管1、51、61和71的像素的示例的等效电路图。
光电二极管1、51、61和71中生成的信号电荷分别经由传送MOS晶体管20、50、60和70被传送至放大MOS晶体管5的栅极。类似于上文使用图1B描述的成像装置，传送脉冲PTX1被从垂直扫描电路2供给传送MOS晶体管20的栅极。而且，类似于上文使用图1B描述的成像装置，从垂直扫描电路2，传送脉冲PTX2被供给传送MOS晶体管50，传送脉冲PTX3被供给传送MOS晶体管60，并且传送脉冲PTX4被供给传送MOS晶体管70。不管模数转换单元具有上文在示例性实施例1到4中描述的配置中的哪一种，此示例性实施例的成像装置都可被实现。在以下的描述中，将描述包括根据示例性实施例1的模数转换单元160的成像装置。
图8B是图8A中所示的像素100中包含的两个光电二极管的截面图。图8B示出所谓的背照明成像装置，其中光电二极管1、51、61和71被设置在一个微透镜23和电路单元200之间。此示例性实施例可根据需要通过背照明成像装置实现。电路单元200与光电二极管1、51、61和71可在分离的基板上形成，并且这两块基板可电连接以形成背照明成像装置。将组件分离到基板的示例由线段α-β指示。此外，还可在微透镜23与光电二极管1、51、61和71之间设置内部透镜，以提高将光聚集到光电二极管上的效率。
图9是示出图8A中的成像装置的操作的示例的时序图。将专注于与上文使用图2在示例性实施例1中描述的时序不同之处进行描述。
从时间t91到时间t94的操作可类似于示例性实施例1中的从时间t11到时间t14的操作。
在时间t95，传送脉冲PTX1和PTX2被设定为H电平。因此，在光电二极管1和51中生成的信号电荷被传送至放大MOS晶体管5的栅极。此时要被输出至垂直信号线7的像素信号是P(A+B+N)信号，在该信号中，基于光电二极管1的信号电荷的PA信号与基于光电二极管51的信号电荷的PB信号之和被叠加在PN信号上。在此示例性实施例中，在时间t95从像素100到垂直信号线7的信号输出操作被表示为第一像素输出操作。
从时间t96到时间t98的操作可类似于示例性实施例1中的从时间t16到时间t18的操作。因此，通过将P(A+B+N)信号转换成数字信号而获得的数字A+B+N信号可被获得。
在时间t99，传送脉冲PTX3和PTX4被设定为H电平。因此，在光电二极管61和71中生成的信号电荷被传送至已经保持了在时间t96在光电二极管1和51中生成的信号电荷的放大MOS晶体管5的栅极。因此，P(A+B+C+D+N)信号输出至垂直信号线7，在该信号中，通过将P(A+B)信号、基于光电二极管61中的信号电荷的PC信号与基于光电二极管71的信号电荷的PD信号相加而获得的信号被叠加在PN信号上。在此示例性实施例中，在时间t99从像素100至垂直信号线7的信号输出操作被表示为第二像素输出操作。
从时间t100到时间t102的操作可类似于示例性实施例1中的从时间t20到时间t22的操作。因此，通过将P(A+B+C+D+N)信号转换成数字信号而获得的数字A+B+C+D+N信号可被获得。
差信号输出单元15-2输出数字A信号。数字A信号是从第二信号转换得到的数字A+N信号与从第一信号转换得到的数字N信号之间的第一差信号。差信号输出单元15-1输出数字A+B信号。数字A+B信号是从第三信号转换得到的数字A+B+N信号与从第一信号转换得到的数字N信号之间的第二差信号。
在上文描述的第一像素输出操作中，P(A+B+N)信号被从像素100输出至垂直信号线7。但是，此示例性实施例并不局限于此组合，并且基于相位差检测方法的操作可根据需要通过以下形式被实现，即信号电荷被从两个不同的光电二极管传送至放大MOS晶体管5的栅极。下文将使用图11B到11D描述细节。
接下来，图11A示出了具有微透镜23和四个光电二极管的像素100的布置的示例。此示例性实施例的成像装置包括具有多个微透镜23的微透镜阵列，并且对于一个像素100设置一个微透镜23。在图11A中，A、B、C和D分别代表生成用于获得PA、PB、PC和PD信号的信号电荷的光电二极管的示例性位置。例如，上文结合图8A描述的光电二极管1被设置在由A表示的区域中。
接下来，将使用图11B到11D描述基于相位差检测方法的焦点检测的示例。在图11B到11D中，被椭圆围绕的区域中的信号将加起来，并且得到的信号被输出至垂直信号线7。即，在图11B中，在第一像素输出操作中，P(A+C)信号或者P(B+D)信号被从像素100输出至垂直信号线7。类似地，在图11C中，在第一像素输出操作中，P(A+B+N)信号或者P(C+D+N)信号被从像素100输出至垂直信号线7。类似地，在图11D中，在第一像素输出操作中，P(A+D+N)信号或者P(B+C+N)信号被从像素100输出至垂直信号线7。在第二像素输出操作中，在图11B到11D中的形式的任一种中，P(A+B+C+D+N)信号被输出。从为图11B到11D中的形式的模拟信号输出单元输出的第一信号是PN信号。此外，图11B中的第二信号是P(A+C+N)信号或者P(B+D+N)信号。此外，图11C中的第二信号是P(A+B+N)信号或者P(C+D+N)信号。图11D中的第二信号是P(A+D+N)信号或者P(B+C+N)信号。此外，图11B到11D的形式中的第三信号是P(A+B+C+D+N)信号。
接下来，将描述包括此示例性实施例的成像装置的成像系统。此成像系统的示例可包括数字静物照相机、数字摄影机、和安全照相机。图12示出当此示例性实施例的成像装置被用作数字静物照相机时的成像系统的示例的示意图。
在图12中，成像系统包括用于保护透镜的挡板151、用于在此示例性实施例的成像装置154上形成对象的光学图像的透镜152、用于改变透射通过透镜152的光量的孔径光阑153、以及用于处理从成像装置154输出的输出信号的输出信号处理单元155。输出信号处理单元155是处理从成像装置154输出的数字信号的数字信号处理单元。透镜152和孔径光阑153形成将光聚集到成像装置154上的光学系统。成像装置154输出从第二信号转换得到的数字信号以及从第三信号转换得到的数字信号。输出信号处理单元155可执行用于从数字A+B信号减去数字A信号以得到数字B信号的差分处理。此外，输出信号处理单元155在必要情况下执行对于信号执行各种校正和压缩操作的其它操作，并且输出得到的信号。
在图12中作为示例示出的成像系统还包括用于临时存储图像数据的缓冲器存储器单元156，以及用于与外部计算机等通信的外部接口单元157。成像系统进一步包括用于记录或者读取捕获的图像数据的可移除记录介质159(诸如半导体存储器)，以及用于在记录介质159上进行记录或者从记录介质159进行读取的记录介质控制接口单元158。成像系统进一步包括执行各种计算并且控制整个数字静物照相机的总体控制/计算单元1510，以及将各种定时信号输出至成像装置154和输出信号处理单元155的定时生成单元1511。这里，定时信号等可被从外部输入，并且成像系统可至少包括成像装置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。
在图11B中的形式中，假定例如在第一像素输出操作中输出P(A+C+N)信号并且通过上文使用图9描述的数字转换来获得数字A+C+N信号。在第二像素输出操作中输出P(A+B+C+D+N)信号并且以与用于P(A+C+N)信号的方式相似的方式来执行数字转换以获得数字A+B+C+D+N信号。差信号输出单元15输出A+C信号以及A+B+C+D信号。输出信号处理单元155获得数字(B+D)’信号，其是从成像装置输出的数字A+C信号与数字A+B+C+D信号之间的差。数字(B+D)’信号是对应于通过对假定从像素100输出的P(B+D)信号(但是P(B+D)并不以此形式从像素100输出)进行数字转换而得到的数字B+D信号的信号。光电二极管列中的相位差可使用数字A+C信号和数字(B+D)’信号被检测，并且焦点检测可被执行。
类似地，在图11C中，可检测光电二极管行中的相位差，并且可执行焦点检测。此外，可检测对角线方向上的光电二极管中的相位差，并且可执行焦点检测。
接下来，将使用图11E描述每一像素单元行的信号输出操作。图11E示出了像素单元的示意性表示，并且L1到L4分别示出从图11E的顶部开始的第一到第四像素行。此外，行L1示出“A+C,A+B+C+D”，它们指示作为包括P(A+C)信号的P(A+C+N)信号在第一像素输出操作中被从像素100输出至垂直信号线7，以及作为包括P(A+B+C+D)信号的P(A+B+C+D+N)信号在第二像素输出操作中被从像素100输出至垂直信号线7。这同样应用于行L2到L4。此布置使得可在行L1中的像素100中检测光电二极管列中的相位差，以及可在行L2中的像素100中检测光电二极管行中的相位差。因此，在像素100的各行中可检测每列或者每行光电二极管中的相位差。另外，必要的话可如图11D那样提供用于检测对角线方向上的光电二极管中的相位差的行。
此外，在第二像素输出操作中获得的P(A+B+C+D)信号是基于入射在像素100中包含的所有光电二极管上的光的像素信号。因此，为了获得基于入射到像素100上的光的图像，可使用从P(A+B+C+D)信号转换得到的数字A+B+C+D信号而生成图像。
接下来，将使用图11F描述用于每行像素单元的信号输出操作的另一种形式。在图11F中，符号代表与图11E中的元件类似的元件。在图11F中的信号输出操作中，各行中的像素100以时间共享方式将PN信号、P(A+N)信号、P(A+B+N)信号、P(D+N)信号、和P(D+C+N)信号输出至垂直信号线7。将参照图10描述此输出操作。图10示出如下形式，其中Latch_n 13-1是具有多个存储器的双缓冲器存储器，每个存储器能够保持数字N信号。
从时间t111到时间t114的操作可类似于上文参照图9描述的从时间t91到时间t94的操作。
在时间t115，传送脉冲PTX1被设定为H电平。因此，P(A+N)信号被从像素100输出至垂直信号线7。
从时间t116到时间t118的操作可类似于上文参照图9描述的从时间t96到时间t98的操作。因此，通过将P(A+N)信号转换成数字信号而获得的数字A+N信号可被获得。
在时间t119，传送脉冲PTX2被设定为H电平。因此，P(A+B+N)信号被从像素100输出至垂直信号线7。
从时间t120到时间t122的操作可类似于上文参照图9描述的从时间t100到时间t102的操作。因此，通过将P(A+B+N)信号转换成数字信号而获得的数字A+B+N信号可被获得。
在时间t123，复位脉冲PRES被设定为H电平。因此，放大MOS晶体管5的栅极的电势具有复位电平。
从时间t124到时间t127的操作可类似于上文描述的从时间t111到时间t114的操作。由于Latch_n 13-1是双缓冲器存储器，因此N转换的时段以及在其期间在时间t114保持的数字N信号被传送至差信号输出单元15-1的时段可重叠。
在时间t128，传送脉冲PTX3被设定为H电平。因此，P(D+N)信号被从像素100输出至垂直信号线7。
从时间t129到时间t131的操作可类似于上文描述的从时间t116到时间t118的操作。因此，通过将P(D+N)信号转换成数字信号而获得的数字D+N信号可被获得。
在时间t132，传送脉冲PTX4被设定为H电平。因此，P(C+D+N)信号被从像素100输出至垂直信号线7。
从时间t133到时间t135的操作可类似于上文描述的从时间t120到时间t122的操作。因此，通过将P(D+C+N)信号转换成数字信号而获得的数字D+C+N信号可被获得。
通过使用从时间t125到时间t127的操作再次将PN信号转换成数字N信号。在一种形式中，可省略此操作，并且仅从时间t112到时间t115获得的数字N信号可被使用。
如上所述，从成像装置输出数字A信号、数字A+B信号、数字D信号和数字D+C信号。在此形式中，n个光电转换单元包括光电二极管1和51，并且与n个光电转换单元不同的p(p是自然数)个光电转换单元包括光电二极管71。此外，与n个光电转换单元不同的q(q是自然数)个光电转换单元包括光电二极管61和71，其中q大于p。此形式已经在n＝2、p＝1和q＝2的上下文中被描述。但是，此示例性实施例不局限于此形式，并且光电转换单元的数量可根据需要改变。即，光电转换单元的数量、即m、n、p和q可满足关系表达式m<n和p<q。
输出信号处理单元155获得数字B’信号，其是从成像装置输出的数字A信号和数字A+B信号之间的差。数字B’信号是对应于通过对假定被从像素100输出的B信号执行数字转换而得到的数字B信号的信号。光电二极管列中的相位差可使用数字A信号和数字B’信号被检测。类似地，输出信号处理单元获得数字C’信号，其是数字D信号和数字D+C信号之间的差。数字C’信号是对应于通过对假定被从像素100输出的C信号执行数字转换而得到的数字C信号的信号。光电二极管列中的相位差可使用数字D信号和数字C’信号被检测。即，在图11F中的形式中，使用数字A信号和数字B’信号的相位差检测以及使用数字D信号和数字C’信号的相位差检测可通过一个像素100执行。可根据需要通过使用这两个相位差检测操作中的每一个或者组合这两个相位差检测操作来执行焦点检测。与图11E中的信号输出操作相比，焦点检测的精度可被提高。
已经在如下形式的上下文中描述了图11F中的操作，在该形式中，作为示例，像素100输出P(A+N)、P(A+B+N)、P(D+N)以及P(D+C+N)信号。但是，可使用其他形式。即，可使用任何形式，只要基于一个给定光电二极管中的信号电荷的像素信号以及基于包括该给定二极管的两个光电二极管中的信号电荷的像素信号被输出即可。
此示例性实施例的成像装置并不仅仅局限于图11E和图11F中的操作，并且图11E和11F中的操作可根据需要被组合地使用。例如，在P(A+N)和P(A+B+N)信号被从像素100输出之后，P(A+B+C+D+N)可被输出。
图11G示出了光电二极管和滤色器(RGB)的布置的示例。在图11G中，两个像素100-1和100-2被示出。在图11G中，滤色器的颜色与生成用于获得PA、PB、PC和PD信号的信号电荷的光电二极管之间的布置关系被按照“滤色器的颜色与生成用于获得PA、PB、PC和PD信号的信号电荷的光电二极管”的顺序被示出。即，标记为“G-A”的区域是如下区域，其中设置绿色(G)滤色器，并且设置生成用于输出PA信号的信号电荷的光电二极管1。在一个像素100中具有同一颜色的滤色器被设置在光电二极管的一行和两列上。此外，在两个像素100-1和100-2中，不同颜色的滤色器被设置成Bayer图案，从而同一颜色的滤色器被以一行和两列为单位进行布置。在此形式中，优选地，像素100-1和100-2中的每一个以与上文描述的在图11C中的方式类似的方式输出像素信号。这是因为，通过同一颜色的滤色器入射到光电二极管上的光的使用提供了高的焦点检测精度。此外，在一种形式中，焦点检测可使用从多个像素100输出的像素信号来执行。例如，在一种形式中，焦点检测可通过检测相位差来执行，通过使用从像素100-1的像素信号转换得到的数字B信号和数字A信号的组合、从像素100-2的像素信号转换得到的数字D信号和数字C信号的组合、以及从其中设置有绿色(G)滤色器的区域中包含的光电二极管输出的数字A+B信号和数字C+D信号的组合来检测相位差，可执行焦点检测。此外，在此形式的焦点检测中，可使用数字B信号和数字A信号的组合或数字D信号和数字C信号的组合，以及数字A+B信号和数字C+D信号的组合。此外，在图11G中，示出了如下形式，其中使用在水平方向(HSC14扫描的方向)上设置的像素100-1和100-2执行焦点检测。作为对比，图11H示出了在使用在垂直方向(VSC2扫描的方向)上设置的像素100-1和100-2执行焦点检测时的滤色器的布置的示例。还在使用在垂直方向上设置的多个像素100执行焦点检测的形式中，优选地，像素100-1和100-2中的每一个以与上文描述的图11C中的形式类似的形式输出像素信号。在像素100-1和像素100-2中的滤色器的布置中，可仅需要至少在像素100-1和像素100-2中的相邻光电转换单元处设置的滤色器为同一颜色。即，在图11H中的形式中，仅需要像素100-2中的具有同一颜色的滤色器的“R-A”和“R-B”与像素100-1中的“R-C”和“R-D”相邻地布置。此外，优选地，如图11H中那样，像素100-2中的滤色器被布置成相对于像素100-1中的滤色器上下倒置。
已经基于如下形式描述了此示例性实施例，该形式包括均作为示例在图8A中示出的像素100以及示例性实施例1的模数转换单元160。在另一种形式中，如上所述，可根据需要实现如下的成像装置，该成像装置包括均作为示例在图8A中示出的像素100以及上文在示例性实施例2-5中描述的模数转换单元160。另外，图8A中的像素100具有四个光电二极管，但是此示例性实施例不局限于此数目。即，可根据需要实现如下配置，该配置包括像素100，每个像素100包括多个光电二极管并且设置有一个微透镜。根据需要，甚至上述形式仍可实现示例性实施例1到4中的上文描述的优点，并且也可提供基于相位差检测方法执行焦点检测的优点。
示例性实施例6
将描述在成像系统中使用上文描述的示例性实施例1到4中的任一个的成像装置的示例性实施例。成像系统的示例可包括数字静物照相机、数字摄影机和安全照相机。在其中使用成像装置作为数字静物照相机的示例性实施例的成像系统的示例的示意图可与图12中的类似，已经结合图12描述了示例性实施例5。
如上所述，此示例性实施例的成像系统能够使用成像装置154执行成像操作。
本发明不限于前述示例性实施例，并且可在不背离本发明的精神和范围的情况下作出多种改变和修改。因此，所附的以下权利要求清楚限定本发明的范围。
附图标记列表
1，51 光电转换单元
2 垂直扫描电路
4 复位MOS晶体管
5 放大MOS晶体管
6 选择MOS晶体管
7 垂直信号线
8 电源
9 比较器
10 斜坡信号生成电路
13 锁存器电路
14 水平扫描电路
15 差信号输出单元
16 模数转换单元
18 计数器
20，50 传送MOS晶体管
21 电路单元
100 像素

Claims (17)

1.一种成像装置，所述成像装置包括模拟信号输出单元和模数转换单元，
所述模拟信号输出单元包括像素，
所述像素具有光电转换单元，
所述模拟信号输出单元输出
作为所述模拟信号输出单元中的噪声信号的第一信号，
基于在所述光电转换单元中生成的信号电荷的第二信号，以及
基于通过将在所述光电转换单元中生成的其它信号电荷加到所述信号电荷上而获得的信号电荷的第三信号，
所述模数转换单元将第一信号、第二信号和第三信号中的每一个转换成数字信号，
所述模数转换单元包括保持从第一信号转换得到的数字信号的信号保持单元。
2.根据权利要求1所述的成像装置，其中所述像素包括至少n(n是2或更大的自然数)个光电转换单元，并且
其中，所述模拟信号输出单元输出
第二信号，所述第二信号是基于所述n个光电转换单元中的m(m是满足关系表达式n>m的自然数)个光电转换单元中生成的信号电荷的，以及
第三信号，所述第三信号是基于在所述n个光电转换单元中生成的信号电荷的。
3.根据权利要求2所述的成像装置，其中，所述模数转换单元通过使用从第一信号转换得到的数字信号生成从第二信号转换得到的数字信号与从第一信号转换得到的数字信号之间的差信号、以及从第三信号转换得到的数字信号与从第一信号转换得到的数字信号之间的差信号，从第一信号转换得到的数字信号被保持在同一信号保持单元中。
4.根据权利要求2或3所述的成像装置，其中，所述成像装置进一步包括具有多个微透镜的微透镜阵列，并且
其中，微透镜之一将光聚集到所述像素中的多个光电转换单元上以使得光入射到该多个光电转换单元上。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的成像装置，其中，所述模数转换单元包括比较器和计数器，
其中，所述比较器输出作为第一信号、第二信号和第三信号中的每一个与基准信号进行比较的结果而获得的比较结果信号，所述基准信号的电势随时间改变，
其中，所述计数器被供给时钟脉冲信号，并且输出通过对所述时钟脉冲信号的脉冲进行计数而获得的计数信号，以及
其中，所述模数转换单元基于所述比较结果信号的信号值改变的定时以及基于所述计数信号将第一信号、第二信号和第三信号转换成数字信号。
6.根据权利要求5所述的成像装置，其中，所述信号保持单元保持在从所述基准信号的电势开始随时间改变的定时到所述比较结果信号的信号值改变的定时的时段期间获得的计数值。
7.根据权利要求5或6所述的成像装置，其中，所述模数转换单元包括多个电路单元，
其中，所述多个电路单元中的每一个包括所述比较器和所述信号保持单元，
其中，所述成像装置包括多个模拟信号输出单元，并且
其中，所述多个模拟信号输出单元中的每一个和所述多个电路单元中的每一个被设置为彼此对应。
8.根据权利要求5-7中任一项所述的成像装置，其中，从第一信号转换得到的数字信号是在从第一信号和基准信号之间的比较结果信号的信号值改变的定时到基准信号的电势的随时间的改变结束的定时的时段中获得的计数信号的信号值，并且
其中，在第二信号与基准信号进行比较时以及在第三信号与基准信号进行比较时，所述计数器对于从基准信号的电势开始随时间改变的定时到比较结果信号的信号值改变的定时的时段、从被从信号值保持单元输出给所述计数器的由第一信号转换得到的数字信号的信号值开始进行计数。
9.根据权利要求1到9中任一项所述的成像装置，其中，所述模拟信号输出单元包括放大单元，并且
其中，所述噪声信号和多个信号中的每一个是通过使用放大单元将从像素输出的信号进行放大而获得的并且被从放大单元输出的信号。
10.一种成像系统，包括：
根据权利要求4所述的成像装置；
将光聚集到所述成像装置上的光学系统；以及
数字信号处理单元，从所述成像装置向所述数字信号处理单元输入从第二信号转换得到的数字信号与从第一信号转换得到的数字信号之间的第一差信号以及从第三信号转换得到的数字信号与从第一信号转换得到的数字信号之间的第二差信号，
其中，所述数字信号处理单元
获得第三差信号，所述第三差信号是第一差信号和第二差信号之间的差，并且
使用第三差信号和第一差信号执行焦点检测。
11.一种成像装置驱动方法，所述成像装置包括模拟信号输出单元和模数转换单元，
所述模拟信号输出单元包括像素，
所述像素具有光电转换单元，
所述模拟信号输出单元输出
代表所述模拟信号输出单元中的噪声信号的第一信号，
基于在所述光电转换单元中生成的信号电荷的第二信号，以及
基于通过将在所述光电转换单元中生成的其它信号电荷加到所述信号电荷上而获得的信号电荷的第三信号，
所述模数转换单元将第一信号、第二信号和第三信号转换成数字信号。
12.根据权利要求11所述的成像装置驱动方法，其中，所述像素包括至少n(n是2或更大的自然数)个光电转换单元，并且
其中，所述模拟信号输出单元输出
第二信号，所述第二信号是基于所述n个光电转换单元中的m(m是满足关系表达式n>m的自然数)个光电转换单元中生成的信号电荷的，以及
第三信号，所述第三信号是基于在所述n个光电转换单元中生成的信号电荷的。
13.根据权利要求12所述的成像装置驱动方法，其中，在输出第一信号、第二信号和第三信号之后，所述模拟信号输出单元输出
基于与所述n个光电转换单元不同的p(p是自然数)个光电转换单元中生成的信号电荷的信号，以及
基于与所述n个光电转换单元不同的q(q是自然数)个光电转换单元中生成的信号电荷的信号，并且q大于p。
14.根据权利要求11到13中任一项所述的成像装置驱动方法，其中，所述模数转换单元通过使用从第一信号转换得到的同一数字信号生成从第二信号转换得到的数字信号与从第一信号转换得到的数字信号之间的差信号、以及从第三信号转换得到的数字信号与从第一信号转换得到的数字信号之间的差信号。
15.一种成像系统驱动方法，所述成像系统包括：
成像装置，所述成像装置包括均包含像素的多个模拟信号输出单元、被设置为与模拟信号输出单元对应的模数转换单元、以及具有多个微透镜的微透镜阵列，以及
光学系统，将光聚集到成像装置上，
所述像素包括分别被设置为与微透镜之一相对应的光电转换单元中的至少n(n是2或更大的自然数)个光电转换单元，
所述方法包括：
如下步骤，在该步骤中，模拟信号输出单元输出
作为所述模拟信号输出单元中的噪声信号的第一信号，
基于所述n个光电转换单元中的m(m是满足关系表达式n>m的自然数)个光电转换单元中生成的信号电荷的第二信号，以及
第三信号，所述第三信号是基于在所述n个光电转换单元中生成的信号电荷的，以及
模数转换单元将第一信号、第二信号和第三信号中的每一个转换成数字信号；
第一步骤，在第一步骤中，所述模数转换单元通过使用从第一信号转换得到的同一数字信号生成从第二信号转换得到的数字信号与从第一信号转换得到的数字信号之间的差信号、以及从第三信号转换得到的数字信号与从第一信号转换得到的数字信号之间的差信号，
第二步骤，所述第二步骤获得第三差信号，所述第三差信号是第一差信号和第二差信号之间的差，并且
使用第三差信号和第一差信号执行焦点检测。
16.根据权利要求15所述的成像系统驱动方法，其中，所述成像装置进一步包括滤色器，所述滤色器具有设置为与多个光电转换单元对应的颜色，
其中，第一步骤是如下步骤：基于第一信号以及基于第二信号和第三信号，来获得第一差信号和第二差信号，该第二信号和第三信号是基于通过在该处设置具有同一颜色的滤色器的n个光电转换单元和m个光电转换单元生成的信号电荷的。
17.根据权利要求16所述的成像装置驱动方法，其中，具有相同颜色的滤色器被设置在第一像素和第二像素中包含的n个光电转换单元处，并且
其中，第一步骤是对于第一像素和第二像素中的每一个、获得基于第一信号、第二信号和第三信号的第一差信号和第二差信号的步骤，并且
其中，第二步骤是获得第一像素的第三差信号的步骤，以及
基于第一差信号和第一像素的第三差信号以及基于基于第一像素的第二差信号和第二像素的第二差信号来执行焦点检测。
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