CN105049753A - 图像传感器和摄像设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种图像传感器和摄像设备。图像传感器包括以矩阵形式配置的多个像素和按照列而设置的模拟/数字转换器，其中，各个像素包括多个光电转换部，所述模拟/数字转换器用于将来自所述像素的模拟信号转换成数字信号。所述模拟/数字转换器进行第一操作、第二操作和第三操作，其中，所述第一操作用于将与复位电平相对应的模拟信号转换成数字信号，所述第二操作用于将从所述多个光电转换部中的一部分光电转换部中所获得的模拟信号转换成数字信号，所述第三操作用于将从所有所述多个光电转换部所获得的模拟信号转换成数字信号。

Description

图像传感器和摄像设备

技术领域

本发明涉及一种图像传感器和摄像设备。

背景技术

近年来，研发了一种CMOS图像传感器，该CMOS图像传感器具有在行方向和列方向上所排列的多个像素，其中，按照多个像素的列来配置模拟/数字转换器(A/D转换器)，并且该CMOS图像传感器被设计成将来自像素的模拟信号转换成数字信号、并且输出该数字信号。当通过针对每一列所配置的A/D转换器对信号进行A/D转换来从图像传感器按照列输出像素信号时，可以对来自图像传感器的像素信号进行数字水平传送。

日本特开2005-278135所述的技术使用单斜率型A/D转换器作为A/D转换器。单斜率型A/D转换器包括比较器和计数器。在模拟像素信号被输入至比较器的一个输入端子时，将斜坡信号作为基准信号输入至另一输入端子，其中，斜坡信号的电压水平随着时间的经过以预定斜率变化。当像素信号和基准信号之间的大小关系反转时，反转来自比较器的输出。当生成斜坡信号时，计数器开始计数。来自比较器的输出反转时，停止计数器。由计数器所计数的值，变成与模拟像素信号的电平相对应的数字值。

另外，日本特开2005-278135所述的技术使用用于通过反转向上/向下计数器的计数方向以从信号成分减去复位成分的方法，作为用于获取像素信号的复位信号和通过光电二极管所生成的信号成分之间的差的方法。该方法仅需要一个计数器，并且不需要从信号成分减去复位成分的任何减法器，从而实现电路规模的降低。

近年来的CMOS图像传感器的各像素均具有下面的特征：两个以上的光电二极管共享用于传送光电二极管所生成的信号的、浮置扩散之后的读出电路。根据日本特开2004-134867，当从共享浮置扩散的两个光电二极管输出信号时，首先读出复位电平，然后读出第一光电二极管的信号。另外，在浮置扩散未被复位时，在第一光电二极管的信号之后，读出第二光电二极管的信号。将各信号相减，以读出通过从来自这两个光电二极管的各自的信号排除复位电平所获得的信号。该方法可以节省读出一个复位电平所需的时间，因此可以缩短读出像素信号所需的时间。

另外，如日本特开2001-83407所述，可以使用用于对CMOS图像传感器配置用于自动调焦的光电二极管的技术。根据日本特开2001-83407，两个光电二极管被设置在一个微透镜下方。各个光电二极管被配置成接收来自摄像镜头的不同光瞳面的光。比较来自这两个光电二极管的输出，从而可以进行焦点检测。还可以使用来自这两个光电二极管的输出的和作为图像信号。

然而，日本特开2005-278135所述的使用向上/向下计数器的单斜率型A/D转换器，不能使用如日本特开2004-134867所述那样的用于缩短时间的技术。根据日本特开2005-278135所述的方法，当首先读出复位电平、然后读出第一光电二极管的信号时，反转计数器以通过从第一光电二极管的信号减去复位电平来获得信号。结果，复位电平的信息丢失。当在第一光电二极管的信号之后，对第二光电二极管的信号进行A/D转换时，第一光电二极管的信号的值和复位电平信号的值也丢失。这样使得不可能进行适当的差分处理。因此，在如日本特开2001-83407所述的、对于一个微透镜设置两个光电二极管的CMOS图像传感器中，难以使用日本特开2005-278135和日本特开2004-134867所述的技术来缩短读出信号所需的时间。

发明内容

本发明可以提供一种对来自共享浮置扩散的多个光电二极管的信号进行模拟/数字转换、并且输出作为结果的信号的图像传感器，作为有利于缩短输出所需的时间的图像传感器。

本发明的第一方面，提供一种图像传感器，其包括以矩阵形式配置的多个像素以及按照列而设置的模拟/数字转换器，其中，各个像素包括多个光电转换部、所述多个光电转换部共享的浮置扩散部、用于将所述多个光电转换部所生成的电荷传送至所述浮置扩散部的传送部、以及用于复位所述浮置扩散部的复位部，所述模拟/数字转换器用于将与所述浮置扩散部中的电荷量相对应的模拟信号转换成数字信号，其特征在于，所述模拟/数字转换器包括比较器和计数器，其中，所述比较器用于将所述模拟信号和基准信号进行比较，并且根据所述模拟信号和所述基准信号之间的大小关系来改变输出，所述计数器被来自所述比较器的输出所控制；所述模拟/数字转换器进行第一操作、第二操作和第三操作，其中，所述第一操作用于将与被所述复位部复位后的所述浮置扩散部中的电荷量相对应的模拟信号转换成数字信号，所述第二操作用于将从所述多个光电转换部中的一部分光电转换部中所获得的模拟信号转换成数字信号，所述第三操作用于将从所有所述多个光电转换部所获得的模拟信号转换成数字信号；以及所述模拟/数字转换器在所述第一操作中在第一方向上增大或者减小所述计数器的计数值，并且在所述第二操作和所述第三操作中在与所述第一方向相反的方向上增大或者减小所述计数器的计数值。

本发明的第二方面，提供一种图像传感器，其包括以矩阵形式配置的多个像素以及按照列而设置的模拟/数字转换器，其中，各个像素包括多个光电转换部、所述多个光电转换部共享的浮置扩散部、用于将所述多个光电转换部所生成的电荷传送至所述浮置扩散部的传送部、以及用于复位所述浮置扩散部的复位部，所述模拟/数字转换器用于将与所述浮置扩散部中的电荷量相对应的模拟信号转换成数字信号，其特征在于，所述模拟/数字转换器包括比较器和计数器，其中，所述比较器用于将所述模拟信号和基准信号进行比较，并且根据所述模拟信号和所述基准信号之间的大小关系来改变输出，所述计数器被来自所述比较器的输出所控制；所述模拟/数字转换器进行第一操作、第二操作和第三操作，其中，所述第一操作用于将与被所述复位部复位后的所述浮置扩散部中的电荷量相对应的模拟信号转换成数字信号，所述第二操作用于将从所述多个光电转换部中的一部分光电转换部中所获得的模拟信号转换成数字信号，所述第三操作用于将从所有所述多个光电转换部所获得的模拟信号转换成数字信号；以及在所述第二操作和所述第三操作中，所述计数器从通过所述第一操作所获得的计数值开始计数。

本发明的第三方面，提供一种摄像设备，其特征在于，包括：上述的图像传感器；光学系统，用于使得光在所述图像传感器上形成图像；以及摄像信号处理电路，用于处理来自所述图像传感器的输出信号。

通过以下参考附图对典型实施例的说明，本发明的其它特征将显而易见。

附图说明

图1是示出根据本发明实施例的图像传感器的结构的示意图；

图2是示出根据第一实施例的像素和列电路的图；

图3A和3B是用于示例性说明一个像素的结构的图；

图4是示出根据第一实施例的驱动图像传感器的方法的时序图；

图5是示出根据本发明实施例的摄像设备的结构的示意图；

图6是示出根据第二实施例的像素和列电路的图；

图7是示出根据第二实施例的驱动图像传感器的方法的时序图；

图8是示出根据第三实施例的像素和列电路的图；

图9是示出根据第三实施例的驱动图像传感器的方法的时序图；

图10是示出根据第四实施例的像素和列电路的图；

图11是示出根据第四实施例的驱动图像传感器的方法的时序图；

图12是示出根据第五实施例的像素和列电路的图；

图13是示出根据第五实施例的驱动图像传感器的方法的时序图；以及

图14A和14B是示出根据第六实施例的图像传感器的结构的图。

具体实施方式

第一实施例

下面参考图1～4，说明本发明的第一实施例。图1是示意性示出根据本实施例的图像传感器100的整体结构的图。参考图1，图像传感器100包括具有以矩阵形式所排列的多个像素的像素单元101。用于选择按照行所排列的像素的垂直选择电路102，被配置在像素单元101周边。来自通过垂直选择电路102所选择的像素的信号，被输入至按照像素的列所设置的列电路103。列电路103是对输入信号进行A/D转换、并且将作为结果的信号输出至水平输出线106的电路。水平选择电路105顺序选择列电路103。所选择的列电路103对来自像素单元101的信号进行A/D转换，并且将作为结果的信号输出至水平输出线106。经由输出放大器107，从图像传感器100输出被输出至水平输出线106的信号。将通过基准信号生成电路104所生成的、并且具有随着时间的经过以预定斜率而改变的电压水平的基准信号(斜坡信号)，输入至对于A/D转换所要使用的各列电路103。注意，用于提供时序信号的时序生成器或者控制电路等，控制图像传感器的各个部。

图2是示出根据第一实施例的像素和列电路的图。本实施例示例性说明下面的情况：像素201设置有作为用于将光转换成电荷的光电转换部的两个光电二极管(以下称为“PD”)202和203。然而，PD的数量不局限于两个。为了获得在视觉上的立体图像或者用于焦点检测的信号，对于一个像素，可以配置和使用多个PD。PD202和203共享用于将电荷转换成电压的浮置扩散部(以下称为“FD”)206。传送晶体管204和205被分别设置在PD202和203与FD206之间。分别通过传送脉冲φTX1和φTX2驱动传送晶体管204和205。当传送脉冲φTX1和φTX2被设置在高电平(H电平)时，传送晶体管204和205用作将通过PD202和203所生成的电荷传送至FD206的传送部。

放大晶体管207和复位晶体管209被连接至FD206。来自放大晶体管207的输出，经由选择晶体管208被输出至与列电路103所连接的列输出线217。恒流源210被连接至列输出线217。FD206、放大晶体管207和恒流源210构成浮置扩散放大器。当选择脉冲φSEL被设置成H电平时，选择晶体管208被接通以将来自PD的、通过FD206被转换成电压并且通过放大晶体管207被放大的信号，输出至列电路103。复位晶体管209是在复位脉冲φRES被设置成H电平时被接通的复位部，并且使用电源电压VDD复位FD206等。注意，如列电路一样，对于每一列配置恒流源210。

在本实施例中，尽管传送晶体管204和205被分别连接至PD202和203，但是PD202和203共享由FD206、复位晶体管209、放大晶体管207和选择晶体管208等所构成的信号读出电路。

接着说明各列电路103的结构。设置在列电路103中的放大器211，放大经由列输出线217从选择晶体管208输出至列电路103的像素信号。注意，从低噪声的角度出发，放大器211可以是具有增益的放大器。然而，这并非必需的。从放大器211输出的模拟信号，被输入至比较器212的一个输入端子。从基准信号生成电路104所提供的基准信号(斜坡信号)Vslope，被输入至比较器212的另一输入端子。比较器212将来自放大器211的输出的电压水平，即，作为放大后模拟信号的像素信号和基准信号Vslope的电压水平进行比较，并且根据来自放大器211的输出的电压水平和基准信号Vslope的电压水平之间的大小关系，输出比较输出Cout。

比较输出Cout取用两个值，即，低电平(L电平)和高电平(H电平)。在本实施例中，当基准信号Vslope的电压水平等于或者小于放大器211的输出时，比较输出Cout取值L电平。当基准信号Vslope的电压水平高于放大器211的输出时，比较输出Cout取值H电平。计数器213是能够在向上计数和向下计数之间进行切换的计数器，并且是在输入时钟CLK时对时钟CLK进行向上或者向下计数的可预设计数器。在开始生成基准信号Vslope的同时，将时钟CLK输入至计数器213。当比较输出Cout是H电平时，计数器213进行计数操作(向上计数或者向下计数)。当比较输出Cout被设置成L电平时，计数器213同时停止计数操作。可以通过一般电路实现计数器213。计数器213将输入至比较器212的模拟信号数字转换成数字信号。

如上所述，放大器211和计数器213构成单斜率型模拟/数字转换器。计数器213的输出端子设置有用于存储来自计数器213的计数值的存储器214～216。也就是说，存储器214～216存储通过模拟/数字转换(A/D转换)所获得的数字信号。存储器214～216具有下面的功能。存储器214存储作为A/D转换FD206的复位信号(N信号)电平的结果所获得的值。存储器215存储通过从通过叠加来自PD202的像素信号和来自FD206的N信号所获得的信号(以下称为S(A)+N信号)，减去FD206的N信号所获得的值(以下称为S(A)信号)。存储器216存储通过从通过叠加来自PD203的像素信号S(B)、N信号和S(A)信号所获得的信号(以下称为S(A+B)+N信号)，减去N信号所获得的值(以下称为S(A+B)信号)。根据来自水平选择电路105的信号，选择存储在存储器215和216中的数字信号，并且经由水平输出线106和输出放大器107，从图像传感器100读出该数字信号。可以通过从存储在存储器216中的来自PD202和PD203的S(A+B)数字信号，减去存储在存储器215中的来自PD202的数字信号S(A)，获得来自PD203的图像信号S(B)。

如图3A和3B所示，用于使得光聚焦于PD的微透镜被配置在像素单元101中。如图3A所示，可以针对PD202和203分别配置微透镜。可选地，如图3B所示，PD202和203可以共享微透镜。当如图3B所示，共享微透镜时，可以通过使用PD202和203获得用于焦点检测的信号和图像信号。

接着参考图4的时序图，说明图像传感器的操作。从水平同步脉冲Hsync从H电平变成L电平的时刻到水平同步脉冲Hsync再次变成H电平的时刻的间隔，表示与用于像素单元101的一个行的读出操作相关联的操作定时。按照列进行从一个行的像素的像素信号的读出、以及A/D转换。下面是该操作的概略说明。通过将选择脉冲φSEL从L电平改变成H电平，接通选择晶体管208以将在列方向上被配置在像素单元101的一个行上的像素分别连接至列电路103。此后，在完成来自一个行的像素的信号的A/D转换的时刻t402，通过将复位脉冲φRES设置成H电平，再次接通复位晶体管209。同时，通过将选择脉冲φSEL设置成L电平，来再次断开选择晶体管208。通过上述操作，完成从一个行上的像素的读出操作。按照该时序图，依次说明本实施例的操作。注意，下面说明与本实施例相关的一部分，但是省略对从像素的一般读出操作的说明。

首先，在时刻t401，复位脉冲φRES从H电平变成L电平，以将复位晶体管209从ON状态改变成OFF状态，从而解除FD206的复位状态。当在时刻t401断开复位晶体管209时，将复位信号(N信号)的电压存储在FD206中。此时，由于选择脉冲φSEL处于H电平，因而选择晶体管208处于ON，并且经由放大器211，将与FD206中的N信号相对应的电压，输入至比较器212的一个输入端子。此后，开始N信号的A/D转换。在时刻t403，基准信号生成电路104生成随着时间的经过而从初始值开始减小的斜坡信号Vslope。斜坡信号Vslope被输入至比较器212的另一输入端子。在开始斜坡信号Vslope的生成的同时，向计数器213提供时钟CLK。

当在开始计数器213被设置成向下计数模式时，计数器213的计数值根据所提供的时钟CLK的数量而减小。在时刻t405，当输入至比较器212的斜坡信号Vslope的电压水平与N信号的相一致时，将来自比较器212的输出Cout从H电平反转成L电平。当输出Cout被设置成L电平时，计数器213同时停止向下计数操作。获得计数器213从初始值开始直到时刻t405所计数的值，作为通过对N信号进行A/D转换所获得的数字值。时刻t404表示对N信号进行A/D转换所需的预定时刻。从生成斜坡信号Vslope的时刻t403到时刻t404的间隔，是N信号读出期。在时刻t404，将与通过对N信号进行A/D转换所获得的数字值相对应的、计数器213的计数值，复制至存储器214。计数器213的计数值被复制至存储器214的时刻，可以与时刻t404之后的期间T406(稍后说明)重叠。

在时刻t404之后的时间段T406，传送脉冲φTX1被设置成H电平以接通传送晶体管204，从而将经过了光电转换的、并且被存储在PD202中的像素信号传送至FD206。结果，将通过叠加来自PD202的像素信号和N信号所获得的S(A)+N信号，存储在FD206中。经由放大器211，将与FD206中的S(A)+N信号相对应的电压输入至比较器212的一个输入端子。在这种状态下，在时刻t407，基准信号生成电路104开始生成随着时间的经过而从初始值开始减小的基准信号(斜坡信号)Vslope。在开始斜坡信号Vslope的生成的同时，向计数器213提供时钟CLK以使得计数器213进行计数操作。在这种状态下，如果计数器213预先被设置处于向上计数模式，则计数器213的计数值根据所提供的时钟CLK的数量而增大。在时刻t409，当输入至比较器212的斜坡信号Vslope的电压水平，与S(A)信号的相一致时，比较器212将输出Cout从H电平反转成L电平。在将输出Cout被设置成L电平的同时，计数器213停止向上计数操作。计数器213获得从通过向下计数操作所获得的与N信号相对应的初始值开始直到时刻t409的通过计数器213所计数的值，作为与通过从S(A)+N信号减去N信号所获得的S(A)信号相对应的值。时刻t408表示对S(A)信号进行A/D转换所需的预定时刻。从时刻t407到时刻t408的间隔，是用于S(A)信号的读出期。随后，在时刻t408，在S(A)信号读出期结束之后，将通过对S(A)信号进行A/D转换所获得的计数器213的值，复制至存储器215。在水平传送期T414期间，通过水平选择电路105按照列、顺次选择被存储在存储器215中的S(A)信号的值，这些值从存储器215被顺次输出，并且被输出至水平输出线106。

在时刻t408之后，在S(A+B)信号的A/D转换之前，将存储在存储器214中的N信号的值设置在计数器213中。以下两个时间段可以与时间段T410(稍后说明)重叠：将与通过对S(A)信号进行A/D转换所获得的数字值相对应的计数器213的值复制至存储器215的时间段，以及将存储在存储器214中的N信号的值设置在计数器213中的时间段。

随后，在时间段T410，传送脉冲φTX2被设置成H电平以接通传送晶体管205，从而将存储在PD203中的信号传送至FD206。结果，将来自PD203的信号相加至来自PD202的信号和N信号，并且将S(A+B)+N信号存储在FD206中。经由放大器211，将与FD206中的S(A+B)+N信号相对应的电压输入至比较器212的一个输入端子。在这种状态下，在时刻t411，基准信号生成电路104开始生成基准信号(斜坡信号)Vslope。在开始斜坡信号Vslope的生成的同时，向计数器213提供时钟CLK使得进行计数操作。此时，计数器213被设置处于向上计数模式。根据所提供的时钟CLK的数量，计数器213的计数值从被从存储器214设置在计数器213中的N信号的值(通过向下计数复位信号所获得的值)开始增大。在时刻t413，当输入至比较器212的斜坡信号Vslope的电压水平与S(A+B)信号的电平相一致时，比较器212将输出Cout从H电平反转成L电平。在输出Cout被设置成L电平的同时，计数器213停止向上计数操作。由于计数器213的初始值是通过向下计数操作所获得的与N信号相对应的值，因而通过计数器213向上计数直到时刻t413为止而获得的值，是通过从S(A+B)+N信号减去N信号所获得的值。因此，在时刻t413，计数器213存储通过对S(A+B)信号进行A/D转换所获得的值。时刻t412表示对S(A+B)信号进行A/D转换所需的预定时刻。因此，从时刻t411到时刻t412的间隔，是用于S(A+B)信号的读出期。在时刻t412，在S(A+B)信号读出期结束之后，将计数器213的值复制至存储器216。结果，将通过对S(A+B)信号进行A/D转换所获得的数字值存储在存储器216中。

如上所述，在S(A+B)信号读出期之前，将存储在存储器214中的N信号设置在计数器213中。这样使得可以以S(A+B)+N信号和N信号之间的差分，作为计数器对S(A+B)信号进行A/D转换时的复位电压。该结构使得可以进行N信号读出、S(A)信号读出和S(A+B)信号读出。与用于在每当进行S(A)信号读出和S(A+B)信号读出时读出N信号、并且减去该信号的操作相比，这样使得可以将用于A/D转换所需的时间缩短用于一个N信号读出的时间。另外，由于可以从各信号差读出中获得与各PD的像素信号相对应的数字信号，因而可以获得焦点检测信号和图像信号。

存储器214可以存储N信号的值直到在S(A+B)信号读出时将N信号设置在计数器213中为止。存储器215和216可以存储像素信号的值直到水平传送期T414和T415结束为止。

在本实施例中，作为电压水平随着时间的经过而减小的斜坡信号，说明了基准信号Vslope。然而，该信号可以是电压水平随着时间的经过而增大的斜坡信号。更具体地，如果放大器211是同相放大器，则由于放大器211的输出随着来自PD的信号的增大而减小，因而基准信号可以是电压水平随着时间的经过而减小的信号。当放大器211是反相放大器时，由于放大器211的输出随着来自PD的信号的增大而增大，因而可以使用电压水平随着时间的经过而增大的信号，作为基准信号。如果基准信号Vslope是电压水平随着时间的经过而增大的电压，则需要反转用于控制计数器213的计数操作的输出Cout的L电平和H电平的功能。省略对这一点的说明。

另外，可以反转计数器213的计数方向(向上或者向下)。在这种情况下，由于反转A/D转换后的信号的值之间的大小关系，因而通过用于处理来自图像传感器的输出信号的摄像信号处理电路506(图5)等，可以反转信号。

接着参考图5，更详细地说明将根据本实施例的图像传感器应用于摄像设备500的实施例。光学系统的透镜单元501在图像传感器505上形成被摄体的光学图像。透镜驱动单元502通过驱动透镜单元501，进行变焦控制、调焦控制和光圈控制等。在本实施例中，快门驱动单元504控制机械快门503来控制快门的开放/关闭和速度。图像传感器505将通过透镜单元501所形成的被摄体图像转换成图像信号，并且输出该图像信号。根据本实施例，来自图像传感器505的图像信号，被输出为数字值。摄像信号处理电路506针对从图像传感器505输出的图像信号进行各种类型的校正，并且压缩数据。时序生成单元507输出用于驱动包括图像传感器505和摄像信号处理电路506的摄像设备的各种类型的时序信号。整体控制单元509控制各种类型的算术运算和整个摄像设备。存储器单元508临时存储图像数据。记录介质控制I/F单元510将数据记录在记录介质上、或者从记录介质读出数据。记录介质511是诸如用于记录或者读出图像数据的半导体存储器等的可拆卸记录介质。显示单元512是显示各种类型的信息和拍摄图像的显示单元。

接着说明根据本实施例的摄像设备的操作。当摄像设备的主电源被接通时，包括整体控制单元509和时序生成单元507的控制系统的电源被接通。另外，包括摄像信号处理电路506的摄像系统电路的电源被接通。

当按下释放按钮(未示出)时，测距单元514基于来自图像传感器的图像信号，通过与整体控制单元509协作操作，来获得与被摄体的距离。此后，透镜驱动单元502驱动透镜单元，并且整体控制单元509判断是否获得了聚焦状态。在判断为没有获得聚焦状态时，整体控制单元509再次进行测距。在测距时，机械快门503可以开放以将被摄体图像投影至图像传感器505，并且摄像信号处理电路506和整体控制单元509可以处理摄像信号，从而计算与被摄体的距离。当使用根据本实施例的图像传感器时，可以通过使用来自一个微透镜下方的两个PD的像素信号之间的相位差来检测焦点。在这种情况下，可以通过组合来自这两个PD的像素信号，获得图像信号。可以通过使得摄像信号处理电路506和整体控制单元509对从图像传感器所输出的A/D转换后信号进行处理，来进行这些处理。

在确认聚焦状态之后，开始摄像操作。在开始摄像操作时，根据通过照相机所做出的灵敏度设置，进行图像传感器505的增益设置。可以根据通过测光单元513所确定的测光值获得灵敏度设置，或者可以通过使用灵敏度设置按钮(未示出)等来设置。

当完成了摄像操作时，摄像信号处理电路506处理从图像传感器505所输出的图像信号。整体控制单元509然后将作为结果的数据存储在存储器单元508中。在整体控制单元509的控制下，经由记录介质控制I/F单元510，将存储在存储器单元508中的数据记录在诸如半导体存储器等的可拆卸记录介质511上。另外，可以经由外部I/F单元(未示出)将该数据直接输入至计算机等以对其进行图像处理。

第二实施例

接着说明本发明的第二实施例。图6示出根据本实施例的图像传感器中的像素和列电路的结构的图。与第一实施例的图2中相同的附图标记，表示相同组件，并且省略对其的重复说明。与第一实施例的不同在于，共用存储器601用作为以下两个存储器：存储S(A)信号的值的存储器215和存储S(A+B)信号的值的存储器216。存储器601在特定时刻存储通过对S(A)信号进行A/D转换所获得的数字值，并且在另一时刻存储通过对S(A+B)信号进行A/D转换所获得的数字值。

参考图7说明用于驱动根据本发明第二实施例的图像传感器的方法。如第一实施例所述，从时刻t403开始复位信号(N信号)的A/D转换。在时刻t404，将在时刻t405所获得的N信号的值存储在存储器214中。在反转计数器213的计数方向时，从时刻t407开始S(A)信号的A/D转换。结果，计数器213在时刻t409存储与减去了N信号的S(A)信号相对应的数字值。此后，在时刻t408，S(A)信号读出期结束之后，将与存储在计数器213中的S(A)信号相对应的数字值复制至存储器601。在将与S(A)信号相对应的数字值复制至存储器601之后，在水平传送期T414期间，将存储在存储器601中的S(A)信号的值输出至水平输出线106。

接着说明S(A+B)信号的A/D转换。首先，将存储在存储器214中的N信号的值设置在计数器213中。在时间段T410，然后将传送脉冲φTX2设置成H电平。结果，将S(A+B)+N信号存储在FD206中。在将S(A)信号的值输出至水平输出线106的水平传送期T414期间，通过使得计数器213进行向上计数，进行S(A+B)信号的A/D转换。由于通过对N信号进行向下计数所获得的值作为初始值已被设置在计数器213中，因而在时刻t413，将与S(A+B)信号相对应的值存储在计数器213中。在水平传送期T414结束之后的时刻t412，将存储在计数器213中的S(A+B)信号的值复制至存储器601。

如上所述，通过进行水平传送以使用共用存储器来存储S(A)信号和S(A+B)信号，以在从计数器213的S(A+B)信号读出结束之前，结束水平传送期T414。这使得可以将电路规模减少一个存储器。还可以在结束水平传送期T414之后S(A+B)信号读出结束的时刻t412，通过将存储器601复位成初始值，准备与(A+B)信号相对应的值的存储区。另外，通过对于第一实施例所述的摄像设备使用根据本实施例的图像传感器，可以形成摄像设备。

第三实施例

下面参考附图说明本发明的第三实施例。图8是示出图1所示的图像传感器中，根据第三实施例的像素和列电路的结构的图。省略对与其它实施例相同的组件的说明。与图2所示第一实施例的不同在于，存储器801用作为第一实施例中的以下两个存储器：存储N信号的存储器214和存储S(A+B)信号的存储器216。存储器801在特定时刻存储通过对N信号进行A/D转换所获得的数字值，并且在另一时刻存储通过对S(A+B)信号进行A/D转换所获得的数字值。

参考图9说明用于驱动根据本发明第三实施例的图像传感器的方法。首先，计数器213从时刻t403开始N信号的A/D转换。在时刻t404，将存储在计数器213中的N信号的值复制至存储器801。然后从时刻t407，反转计数器213的计数方向，以开始S(A)信号的A/D转换。结果，在时刻t409，将通过对S(A)信号进行A/D转换所获得的值存储在计数器213中。在时刻t408，S(A)信号读出结束，并且将计数器213的值复制至存储器215。此后，在S(A+B)信号的A/D转换之前，将存储在存储器801中N信号的值设置在计数器213中。由于存储在存储器801中的N信号的值在此后变得不需要，因而可以将存储器801复位成初始值。在时间段T410，接通传送晶体管205以将存储在PD203中的电荷传送至FD206。从时刻t411开始S(A+B)+N信号的A/D转换。计数器213从所设置的N信号的值开始向上计数。在时刻t412，S(A+B)信号读出期结束之后，将通过对存储在计数器213中的S(A+B)信号进行A/D转换所获得的数字值复制至存储器801。与S(A+B)信号的A/D转换并行地进行S(A)信号的水平传送。此后，在时间段T415，进行S(A+B)信号的水平传送。可以在读出下一行的像素的N信号、并且将其复制至存储器801之前，结束S(A+B)信号的水平传送。

如上所述，在将下一行的N信号存储在存储器801中之前，结束水平传送期T415，这样允许存储器801用作为下面的两个存储器：用于存储N信号的存储器和用于存储S(A+B)信号的存储器，从而将电路规模减少一个存储器。根据第二实施例，需要在读出S(A+B)信号之前，结束水平传送期T414。与此相反，根据第三实施例，需要在将下一行的N信号存储在存储器801中之前，结束水平传送期T415。通过根据水平传送期T414和水平传送期T415所需的时间而使用上述方法中有利的一个，可以加速从图像传感器读出像素信号的速度。可以通过以上述方式针对第一实施例所述的摄像设备使用根据本实施例的图像传感器来形成摄像设备。

第四实施例

参考附图说明本发明的第四实施例。图10是示出图1所示的图像传感器中根据第四实施例的像素和列电路的结构的图。与这些实施例中相同的附图标记表示相同组件，并且省略对其的重复说明。与第一实施例的不同在于：没有设置用于存储N信号的存储器214，并且代替作为向上/向下计数器的计数器213，设置向下计数器1001和向上计数器1002。

向下计数器1001和向上计数器1002两者响应于时钟CLK，进行向下计数和向上计数。在开始斜坡信号Vslope的生成的同时，向各计数器提供时钟CLK。向下计数器1001和向上计数器1002在来自比较器212的输出Cout处于H电平时，分别进行向下计数和向上计数，并且在输出Cout被设置成L电平的同时停止计数操作。由于向下计数器1001和向上计数器1002在不同定时进行计数操作，因而独立控制它们。在本实施例中，独立控制这两个计数器，从而使得向下计数器1001在控制信号EN_D处于H电平时进行计数操作、并且向上计数器1002在控制信号EN_U处于H电平时进行计数操作。可选地，可以通过独立控制时钟CLK的输入和输出Cout的输入，来独立控制向下计数器1001和向上计数器1002的计数操作。参考图11说明本实施例的操作。

在从时刻t403开始N信号的A/D转换之前，将控制信号EN_D设置成H电平。当生成斜坡信号Vslope时，向下计数器1001开始向下计数。当斜坡信号Vslope的电压水平与N信号的电平相一致时，在时刻t405反转来自比较器212的输出Cout，并且向下计数器1001停止计数。当在时刻t404完成N信号的A/D转换时，将通过对存储在向下计数器1001中的N信号进行A/D转换所获得的值，复制至向上计数器1002。在时刻t404将控制信号EN_D设置成L电平，以使得向下计数器1001停止操作。

随后，在从时刻t407开始S(A)信号的A/D转换之前，将向上计数器1002的控制信号EN_U设置成H电平。向上计数器1002然后对S(A)信号进行A/D转换。向上计数器1002的初始值是通过向下计数器1001对N信号进行向下计数所获得的值。生成斜坡信号Vslope，并且向向上计数器1002输入时钟CLK，从而开始对时钟CLK进行计数。当在时刻t409，斜坡信号Vslope的电压水平与S(A)信号的电平相一致时，反转来自比较器212的输出Cout，以使得向上计数器1002停止计数操作。此时，将通过对S(A)信号进行A/D转换所获得的值，存储在向上计数器1002中。在时刻t408，将通过对存储在向上计数器1002中的S(A)信号进行A/D转换所获得的值，复制至存储器215。此后，在S(A+B)信号的A/D转换之前，将通过对存储在向下计数器1001中的N信号进行A/D转换所获得的值，复制至向上计数器1002。在将向下计数器1001中的N信号的值复制至向上计数器1002之后，可以使得向下计数器1001中的值恢复至初始值。在从下一行开始的N信号读出期之前，可以使得向下计数器1001恢复至初始值。向上计数器1002从时刻t411开始，对S(A+B)信号进行A/D转换。当在时刻t413，斜坡信号Vslope的电压水平与S(A+B)信号的电平相一致时，反转来自比较器212的输出Cout，并且结束A/D转换。此时，将通过对S(A+B)信号进行A/D转换所获得的值，存储在向上计数器1002中。在时刻t412，然后将向上计数器1002的值复制至存储器216。

如上所述，代替向上/向下计数器，设置向下计数器1001和向上计数器1002，并且将通过向下计数器1001进行A/D转换之后的N信号，存储在向下计数器1001中。然后在S(A)信号读出和S(A+B)信号读出之前，将该值复制至向上计数器1002。这样消除对用于N信号的存储器214的需要。当向下计数器1001和向上计数器1002的电路规模小于作为向上/向下计数器的计数器213和存储器214的电路规模时，本实施例可以减小电路规模。可以通过以上述方式对于第一实施例所述的摄像设备使用根据本实施例的图像传感器来形成摄像设备。

第五实施例

下面参考附图说明本发明的第五实施例。图12是示出根据第五实施例的图像传感器中的像素和列电路的结构的图。与其它实施例中相同的附图标记表示相同组件，并且省略对其的重复说明。本实施例与第四实施例的相同在于使用向上计数器和向下计数器，但是不同在于存储器601用作为用于存储S(A)信号的存储器215和用于存储S(A+B)信号的存储器216两者。存储器601运行以在特定时刻存储S(A)信号、并且在另一时刻存储S(A+B)信号。

参考图13说明第五实施例。向下计数器1001对N信号进行A/D转换，并且存储作为结果的值。在通过向上计数器1002对S(A)信号和S(A+B)信号进行A/D转换之前，将存储在向下计数器1001中的N信号的值作为初始值，复制至向上计数器1002。第五实施例与第四实施例的相同在于：向上计数器1002对S(A)信号和S(A+B)信号进行A/D转换。在将通过对S(A)信号进行A/D转换所获得的值从向上计数器1002复制至存储器601之后，在水平传送电路的控制下，将该值传送至水平输出线。第五实施例与第四实施例的不同在于：在进行水平传送的时间段T414期间，向上计数器1002通过使用N信号的值作为初始值对S(A+B)信号进行A/D转换。在水平传送期T414结束之后，在时刻t412将存储在计数器213中的S(A+B)信号的值复制至存储器601，并且然后读出该值。

如上所述，在读出通过对S(A+B)信号进行A/D转换所获得的信号之前，水平传送期T414结束，这样允许使用共用存储器存储S(A)信号和S(A+B)信号。与第四实施例相比，这样使得可以将电路规模减少一个存储器。注意，在水平传送期T414的结束和S(A+B)信号读出之间的间隔，可以将存储器601复位至初始值。可以通过以上述方式针对第一实施例所述的摄像设备使用根据本实施例的图像传感器来形成摄像设备。

第六实施例

参考图14A和14B说明本发明的第六实施例。本实施例示例性说明图像传感器100是多层图像传感器的情况。如图14A所示，在根据本实施例的图像传感器100中，在芯片级别，用于图像传感器的第一半导体芯片1300和用于高速逻辑处理的第二半导体芯片1301相互堆叠。

图14A是半导体芯片的透视图。图14B是第一半导体芯片1300和第二半导体芯片1301的平面图。第一半导体芯片1300设置有包括像素单元101的区域。第二半导体芯片1301设置有能够进行高速处理的逻辑电路1302和1303，诸如列电路103和水平选择电路105等。注意，诸如列电路103等的、设置在第二半导体芯片1301上的组件中的一部分组件，可以被设置在第一半导体芯片1300上。另外，在该多层结构中要相互堆叠的半导体芯片的数量没有特别限制，只要是两个以上即可。

这样使得图像传感器100具有多层结构，可以在无需增大图像传感器100的芯片面积的情况下，实现第一～第五实施例所述的结构。注意，可以通过以上述方式对于第一实施例所述的摄像设备使用根据本实施例的图像传感器来形成摄像设备。

尽管参考典型实施例说明了本发明，但是应该理解，本发明不局限于所公开的典型实施例。所附权利要求书的范围符合最宽的解释，以包含所有这类修改、等同结构和功能。

Claims (22)

1.一种图像传感器，其包括以矩阵形式配置的多个像素以及按照列而设置的模拟/数字转换器，其中，各个像素包括多个光电转换部、所述多个光电转换部共享的浮置扩散部、用于将所述多个光电转换部所生成的电荷传送至所述浮置扩散部的传送部、以及用于复位所述浮置扩散部的复位部，所述模拟/数字转换器用于将与所述浮置扩散部中的电荷量相对应的模拟信号转换成数字信号，

其特征在于，所述模拟/数字转换器包括比较器和计数器，其中，所述比较器用于将所述模拟信号和基准信号进行比较，并且根据所述模拟信号和所述基准信号之间的大小关系来改变输出，所述计数器被来自所述比较器的输出所控制；

所述模拟/数字转换器进行第一操作、第二操作和第三操作，其中，所述第一操作用于将与被所述复位部复位后的所述浮置扩散部中的电荷量相对应的模拟信号转换成数字信号，所述第二操作用于将从所述多个光电转换部中的一部分光电转换部中所获得的模拟信号转换成数字信号，所述第三操作用于将从所有所述多个光电转换部所获得的模拟信号转换成数字信号；以及

所述模拟/数字转换器在所述第一操作中在第一方向上增大或者减小所述计数器的计数值，并且在所述第二操作和所述第三操作中在与所述第一方向相反的方向上增大或者减小所述计数器的计数值。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述基准信号包括电压水平随着时间的经过而变化的斜坡信号。

3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，在执行所述第一操作之后，在所述浮置扩散部未被复位的情况下，进行所述第二操作和所述第三操作。

4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，还包括微透镜，其中，所述多个光电转换部被配置在同一微透镜下方。

5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，还包括第一存储器，其中，将通过所述第一操作在所述计数器中所获得的值作为第一数字信号而保持在所述第一存储器中，在将所述第一数字信号的值设置在所述计数器中的情况下进行所述第二操作，将在所述计数器中所获得的值输出为第二数字信号，将在所述第三操作之前被保持在所述第一存储器中的所述第一数字信号的值设置在所述计数器中，并且进行所述第三操作以输出在所述计数器中所获得的值作为第三数字信号。

6.根据权利要求5所述的图像传感器，其中，还包括水平输出线和第二存储器，其中，按照列进行了模拟/数字转换之后的信号被输出至所述水平输出线，其中，所述第二数字信号在被存储在所述第二存储器中的情况下被输出至所述水平输出线，然后将所述第三数字信号存储在所述第二存储器中并且从所述水平输出线输出所述第三数字信号。

7.根据权利要求5所述的图像传感器，其中，还包括第二存储器，其中，在将所述第二数字信号存储在所述第二存储器中之后，将存储在所述第一存储器中的所述第一数字信号设置在所述计数器中，进行所述第三操作，并且将所获得的第三数字信号存储在所述第一存储器中。

8.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述计数器包括第一计数器和第二计数器，其中，所述第一计数器用于在所述第一方向上进行计数，所述第二计数器用于在与所述第一方向相反的方向上进行计数，

其中，所述第一计数器在所述第一操作中进行计数，并且所述第二计数器在所述第二操作和所述第三操作中进行计数。

9.根据权利要求8所述的图像传感器，其中，在所述第二操作和所述第三操作之前，将通过所述第一操作在所述第一计数器中所获得的值设置在所述第二计数器中。

10.根据权利要求9所述的图像传感器，其中，还包括第一存储器和第二存储器，其中，将通过所述第二操作在所述第二计数器中所获得的值作为第二数字信号而存储在所述第一存储器中，以及将通过所述第三操作在所述第二计数器中所获得的值作为第三数字信号而存储在所述第二存储器中。

11.根据权利要求9所述的图像传感器，其中，还包括水平输出线，其中，将按照列进行了模拟/数字转换之后的信号被输出至所述水平输出线，其中，将通过所述第二操作在所述第二计数器中所获得的值作为第二数字信号而存储在所述第一存储器中，再从所述水平输出线输出该值，然后将通过所述第三操作在所述计数器中所获得的值作为第三数字信号而存储在所述第一存储器中。

12.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，还包括通过相互堆叠多个半导体芯片所获得的结构。

13.一种摄像设备，其特征在于，包括：根据权利要求1～12中任一项所述的图像传感器；光学系统，用于使得光在所述图像传感器上形成图像；以及摄像信号处理电路，用于处理来自所述图像传感器的输出信号。

14.一种图像传感器，其包括以矩阵形式配置的多个像素以及按照列而设置的模拟/数字转换器，其中，各个像素包括多个光电转换部、所述多个光电转换部共享的浮置扩散部、用于将所述多个光电转换部所生成的电荷传送至所述浮置扩散部的传送部、以及用于复位所述浮置扩散部的复位部，所述模拟/数字转换器用于将与所述浮置扩散部中的电荷量相对应的模拟信号转换成数字信号，

其特征在于，所述模拟/数字转换器包括比较器和计数器，其中，所述比较器用于将所述模拟信号和基准信号进行比较，并且根据所述模拟信号和所述基准信号之间的大小关系来改变输出，所述计数器被来自所述比较器的输出所控制；

所述模拟/数字转换器进行第一操作、第二操作和第三操作，其中，所述第一操作用于将与被所述复位部复位后的所述浮置扩散部中的电荷量相对应的模拟信号转换成数字信号，所述第二操作用于将从所述多个光电转换部中的一部分光电转换部中所获得的模拟信号转换成数字信号，所述第三操作用于将从所有所述多个光电转换部所获得的模拟信号转换成数字信号；以及

在所述第二操作和所述第三操作中，所述计数器从通过所述第一操作所获得的计数值开始计数。

15.根据权利要求14所述的图像传感器，其中，所述基准信号包括电压水平随着时间的经过而变化的斜坡信号。

16.根据权利要求14所述的图像传感器，其中，在执行所述第一操作之后，在所述浮置扩散部未被复位的情况下，进行所述第二操作和所述第三操作。

17.根据权利要求14所述的图像传感器，其中，还包括微透镜，其中，所述多个光电转换部被配置在同一微透镜下方。

18.根据权利要求14所述的图像传感器，其中，还包括第一存储器，其中，将通过所述第一操作在所述计数器中所获得的值作为第一数字信号而保持在所述第一存储器中，在将所述第一数字信号的值设置在所述计数器中的情况下进行所述第二操作，将在所述计数器中所获得的值输出为第二数字信号，将在所述第三操作之前被保持在所述第一存储器中的所述第一数字信号的值设置在所述计数器中，并且进行所述第三操作以输出在所述计数器中所获得的值作为第三数字信号。

19.根据权利要求18所述的图像传感器，其中，还包括水平输出线和第二存储器，其中，按照列进行了模拟/数字转换之后的信号被输出至所述水平输出线，其中，所述第二数字信号在被存储在所述第二存储器中的情况下被输出至所述水平输出线，然后将所述第三数字信号存储在所述第二存储器中并且从所述水平输出线输出所述第三数字信号。

20.根据权利要求18所述的图像传感器，其中，还包括第二存储器，其中，在将所述第二数字信号存储在所述第二存储器中之后，将存储在所述第一存储器中的所述第一数字信号设置在所述计数器中，进行所述第三操作，并且将所获得的第三数字信号存储在所述第一存储器中。

21.根据权利要求14所述的图像传感器，其中，还包括通过相互堆叠多个半导体芯片所获得的结构。

22.一种摄像设备，其特征在于，包括：根据权利要求14～21中任一项所述的图像传感器；光学系统，用于使得光在所述图像传感器上形成图像；以及摄像信号处理电路，用于处理来自所述图像传感器的输出信号。