CN106357996A - 成像装置和成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及成像装置和成像系统。提供在光学信号小于阈值的情况下执行用于产生数字信号的AD转换的次数比在光学信号大于阈值的情况下执行AD转换的次数多的成像装置。

Description

成像装置和成像系统
技术领域
本发明涉及成像装置和成像系统。
背景技术
具有被配置为AD转换从像素输出的信号的AD转换单元的成像装置是已知的。
日本专利公开No.2010-103913公开了一种技术：该技术通过重复使用从斜坡开始电势到斜坡结束电势都具有相等振幅和相等梯度的斜坡信号，对从像素输出的一个信号执行多次AD转换。执行该多次AD转换的时段的长度彼此相等。根据日本专利公开No.2010-103913，该技术可提供具有改善的噪声特性的成像装置。
发明内容
鉴于以前的技术遇到的一些挑战，提出本发明。本发明的一个方面提供一种成像装置，该成像装置包括被配置为输出光学信号的像素、AD转换单元、被配置为向AD转换单元供给斜坡信号的基准信号供给单元、以及被配置为通过对时钟信号计数来产生计数信号的计数器，其中，AD转换单元执行作为斜坡信号与光学信号之间的比较的第一比较，斜坡信号具有以依赖于经过时间的第一变化率在第一振幅范围中改变的信号电平，在斜坡信号与光学信号之间的大小关系在第一比较中改变的情况下，AD转换单元通过获取与从第一比较开始到斜坡信号与光学信号之间的大小关系改变的变化对应的计数信号而产生第一数字信号，并且通过执行作为具有以依赖于经过时间的第二变化率在第二振幅范围中改变的信号电平的斜坡信号与光学信号之间的比较的第二比较而产生第二数字信号，在该斜坡信号与光学信号之间的大小关系在第一比较中不改变的情况下，AD转换单元通过执行作为具有以大于第一变化率和第二变化率两者的、依赖于经过时间的第三变化率的斜坡信号与光学信号之间的比较的第三比较而产生第三数字信号，在大于第一振幅范围的第三振幅范围中改变的信号电平。
本发明的另一方面提供一种成像装置，该成像装置包括分别被配置为通过对光执行光电转换产生光学信号并且输出光学信号的像素、AD转换单元、被配置为向AD转换单元供给斜坡信号的基准信号供给单元、被配置为通过对时钟信号计数来产生计数信号的计数器、以及被配置为向AD转换单元输出作为通过以预定放大因子放大光学信号所获取的信号的放大信号的放大单元，其中，AD转换单元执行作为斜坡信号与已在放大单元中以第一放大因子经受放大的第一放大信号之间的比较的第一比较，在斜坡信号与第一放大信号之间的大小关系在第一比较中改变的情况下，AD转换单元通过获取与从第一比较开始到斜坡信号与第一放大信号之间的大小关系改变的时段对应的计数信号产生第一数字信号，并且通过执行作为斜坡信号与第一放大信号之间的比较的第二比较产生第二数字信号，在斜坡信号与第一放大信号之间的大小关系在第一比较中不改变的情况下，AD转换单元通过执行作为斜坡信号与已在放大单元中以小于第一放大因子的第二放大因子经受放大的第二放大信号之间的比较的第三比较产生第三数字信号。
参照附图阅读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1A示出成像装置的配置的例子。
图1B示出像素的配置的例子。
图2A示出成像装置的操作的例子。
图2B示出成像装置的操作的例子。
图2C示出成像装置的操作的例子。
图3示出成像装置的操作的例子。
图4示出成像装置的配置的例子。
图5A示出成像装置的操作的例子。
图5B示出成像装置的操作的例子。
图5C示出成像装置的操作的例子。
图6示出成像系统的配置的例子。
图7示出成像装置的配置的例子。
图8(包含图8A和图8B)示出AD转换单元的配置的例子。
图9A示出成像装置的操作的例子。
图9B示出成像装置的操作的例子。
图9C示出成像装置的操作的例子。
图9D示出成像装置的操作的例子。
图10示出成像装置的操作的例子。
具体实施方式
在日本专利公开No.2010-103913所公开的成像装置中，重复使用从斜坡开始电势到斜坡结束电势具有相同的振幅和相同的梯度的斜坡信号，以与像素的信号的振幅无关地执行多次AD转换。例如，在斜坡信号的振幅被设定为包含像素的信号的振幅的所有可能范围的情况下，这可能需要长的用于执行多次AD转换的时间。另一方面，将斜坡信号的振幅设定为仅部分地包含像素的信号的振幅的可能范围会减小可执行AD转换的像素的信号的范围并且由此会减小动态范围。在日本专利公开No.2010-103913中公开的成像装置没能适当地考虑AD转换所需要的时段的长度与动态范围的宽度之间的平衡。
以下将参照附图描述示例性实施例。为了在以下的描述中描述信号电平的高度，使用表达“振幅/该振幅大”和“振幅/该振幅小”。术语“振幅”代表从基准信号值的变化量。例如，可能存在信号A可具有在数值上小于信号B的电势(诸如1V)的电势(诸如0V)的情况。在这种情况下，如果信号A和信号B的电势的基准信号电平(诸如3V)大于信号A与信号B的电势之间的中间电势，那么它表达为“信号A的振幅大于信号B的振幅”。
第一示例性实施例
图1A示出根据第一示例性实施例的成像装置。
像素阵列101具有布置于多个行和多个列上的多个像素100。垂直扫描电路102被配置为执行逐行依次扫描像素阵列101中的多个像素100的垂直扫描。各行的多个像素100通过控制信号线与垂直扫描电路102电连接。各列的多个像素100与垂直信号线110电连接。对多个像素100的各列设置各列的垂直信号线110。垂直信号线110与设置在像素阵列101外面的比较器104电连接。通过垂直信号线110从像素100输出的信号被输入到相应的比较器104。以下，输入到比较器104的信号将被称为信号VIN。比较器104中的每一个与选择电路108电连接。斜坡信号VRMP1和斜坡信号VRMP2从基准信号供给电路103被供给到选择电路108。选择电路108选择斜坡信号VRMP1和斜坡信号VRMP2中的一个斜坡信号并且将选择的一个斜坡信号输出到相应的比较器104。从选择电路108输出到相应的比较器104的斜坡信号将被称为斜坡信号VRMPI。斜坡信号VRMP1和斜坡信号VRMP2中的每一个是具有以预定变化率根据经过时间改变的信号电平的信号。根据本示例性实施例，斜坡信号VRMP1的信号电平的变化率为斜坡信号VRMP2的信号电平的变化率的1/4倍。
基准信号供给电路103是被配置为供给斜坡信号VRMP1和斜坡信号VRMP2的基准信号供给单元。
各列的比较器104与一个计数器105电连接。时钟信号从未示出的定时发生器被输入到计数器105。计数器105被配置为作为时钟信号的计数的结果产生计数信号。
各列的计数器105与一个存储器106电连接。各列的存储器106保持通过相应的计数器105产生的计数信号。
一个模数(AD)转换单元200具有一个比较器104和一个计数器105、以及一个存储器106。对每列的多个像素100设置一个AD转换单元200。
水平扫描电路107执行依次扫描列的存储器106的水平扫描。因此，保持于列的存储器106中的计数信号(图像信号)被输出。
图1B示出像素100中的一个像素的配置。像素100具有光电二极管PD、复位晶体管M1、传送晶体管M2、放大晶体管M3和选择晶体管M4。复位晶体管M1具有接收从垂直扫描电路102输入的信号φR的控制节点。传送晶体管M2具有接收从垂直扫描电路102输入的信号φT的控制节点。选择晶体管M4具有接收从垂直扫描电路102输入的信号φSEL的输入节点。电源电压VDD被输入到复位晶体管M1的一个主节点和放大晶体管M3的一个主节点。复位晶体管M1的另一主节点、传送晶体管M2的一个主节点和放大晶体管M3的控制节点与节点FD电连接。传送晶体管M2的另一主节点与光电二极管PD电连接。
放大晶体管M3的另一主节点与选择晶体管M4的一个主节点电连接。选择晶体管M4的另一主节点与垂直信号线110电连接。放大晶体管M3、与垂直信号线110电连接的未示出的电流源、以及电源电压VDD构成源跟随器电路。
图2A～2C示出图1A所示的成像装置的操作。图2A～2C示出图1A所示的多个行的像素100中的一个行的像素100的操作。虽然图2A～2C没有示出信号φSEL，但是垂直扫描电路102从时间T0到时间T11向一个行的像素100的选择晶体管M4输出具有作为其信号电平的高电平(以下，称为Hi)的信号φSEL。因此，从时间T0到时间T11，选择晶体管M4具有ON(“导通”)状态。
图2A～2C所示的信号φR和信号φT与图1B所示的信号对应。图2A～2C所示的斜坡信号VRMPI是如上面描述的那样从选择电路108输出到比较器104的斜坡信号。
在时间T0之前的时段中，垂直扫描电路102输出具有低电平(以下，称为Lo)的信号电平的信号φR和φT。因此，接收信号φR和φT的复位晶体管M1和传送晶体管M2具有OFF(“截止”)状态。
在时间T0，垂直扫描电路102将信号φR改变为具有Hi。因此，复位晶体管M1改变以具有ON状态。由于复位晶体管M1变为ON状态，因此，节点FD被复位到基于电源电压VDD的信号电平。
在时间T1，垂直扫描电路102将信号φR变为Lo。因此，复位晶体管M1关断。因此，节点FD的复位被解除。放大晶体管M3输出基于复位已被解除的节点FD的信号电平的信号。该信号将被称为N信号。
从时间T2起，基准信号供给电路103开始根据经过时间改变斜坡信号VRMP1的信号电平。基准信号供给电路103不改变斜坡信号VRMP2的信号电平。所有列的选择电路108向各比较器104输出斜坡信号VRMP1作为斜坡信号VRMPI。比较器104中的每一个比较斜坡信号VRMP1与输出到垂直信号线110的N信号。比较器104向计数器105输出代表输出到斜坡信号VRMP1和垂直信号线110的信号的信号电平之间的比较结果的比较结果信号。
计数器105在时间T2开始时钟信号的计数。因此，通过计数器105产生的计数信号的信号值根据经过时间增大。
在从时间T2到时间T3的时段中，斜坡信号VRMP1与N信号的信号电平之间的大小关系改变。在该时间点，通过比较器104输出的比较结果信号的信号值改变。计数器105保持比较结果信号的信号值改变的时间点处的计数信号。该计数信号将被称为第一N数字信号。
在时间T3，基准信号供给电路103完成依赖于经过时间的斜坡信号VRMP1的信号电平的改变并且将斜坡信号VRMP1复位为具有初始值。
从时间T2到时间T3的时段将被称为第一N转换时段N1。第一N转换时段N1是产生第一N数字信号的模数(AD)转换时段。
在时间T4，基准信号供给电路103重新开始根据经过时间改变斜坡信号VRMP1的信号电平。在该时间点，基准信号供给电路103也不改变斜坡信号VRMP2的信号电平。所有列的选择电路108向各比较器104输出斜坡信号VRMP1作为斜坡信号VRMPI。计数器105从它保持的第一N数字信号的信号值开始计数时钟信号。
在从时间T4到时间T5的时段中，比较结果信号的信号值再次改变。计数器105保持比较结果信号的信号值改变的时间点的计数信号。该计数信号将被称为第二N数字信号。
从时间T4到时间T5的时段将被称为第二N转换时段N2。第二N转换时段N2是在其中产生第二N数字信号的模数(AD)转换时段。第二N转换时段N2的长度等于第一N转换时段N1的长度。在第一N转换时段N1和第二N转换时段N2中，比较器104执行第四比较，该第四比较对于噪声信号与在第一振幅范围内以依赖于经过时间的第一变化率改变信号电平的斜坡信号进行比较。如后面将描述的那样，第一到第三比较比较斜坡信号与光学信号。作为多个第四比较的结果产生的第二N数字信号是第四数字信号。第一到第三数字信号是作为将在后面描述的斜坡信号与光学信号之间的比较的结果产生的数字信号。
存储器106保持保持于计数器105中的第二N数字信号。计数器105将计数信号的信号值复位到初始值。
水平扫描电路107执行水平扫描以使得列的存储器106依次输出保持于列的存储器106中的第二N数字信号。
在时间T6，垂直扫描电路102将信号φT变为Hi。这接通传送晶体管M2。因此，开始通过传送晶体管M2向节点FD传送蓄积于光电二极管PD中的电气载流子。
在时间T7，垂直扫描电路102将信号φT变为Lo。这关断传送晶体管M2。因此，从光电二极管PD到节点FD的电气载流子的传送结束。
放大晶体管M3通过选择晶体管M4向垂直信号线110输出基于节点FD的信号电平的信号。从放大晶体管M3输出到垂直信号线110的信号将被称为S信号。S信号是通过光电转换由像素产生和输出的光学信号。
在时间T8，基准信号供给电路103开始根据经过时间改变斜坡信号VRMP1的信号电平。这里，基准信号供给电路103不改变斜坡信号VRMP2的信号电平。所有列的选择电路108向各比较器104输出斜坡信号VRMP1作为斜坡信号VRMPI。比较器104比较输出到垂直信号线110的S信号的信号电平与斜坡信号VRMP1。在时间T8，计数器105从初始值开始计数时钟信号。
以下，将分开描述S信号的振幅等于或小于时间T9的斜坡信号VRMP1的振幅的情况、以及S信号的振幅大于时间T9的斜坡信号VRMP1的振幅的情况。
图2B示出S信号的振幅等于或小于时间T9的斜坡信号VRMP1的振幅的情况。图2B中的时间T8、时间T9、时间T10和时间T11与图2A所示的那些时间对应。
在从时间T8到时间T9的时段中，在S信号的振幅小于时间T9的斜坡信号VRMP1的振幅的情况下，斜坡信号VRMP1与S信号的信号电平之间的大小关系例如在时间T8A可能改变。在这种情况下，大小关系的变化改变比较结果信号的信号值。计数器105保持比较结果信号的信号值改变的时间点处的计数信号。该计数信号将被称为第一S数字信号。时间T8A处的比较结果信号的信号值的变化也被输出到选择电路108。选择电路108响应于比较结果信号的信号值的变化，将在时间T10及以后供给到比较器104的斜坡信号VRMPI变为斜坡信号VRMP1。根据本示例性实施例，作为用于第一S转换时段S1中的AD转换的斜坡信号VRMPI的变化率的、依赖于经过时间的第一变化率等于作为用于第二S转换时段S2中的AD转换的斜坡信号VRMPI的变化率的、依赖于经过时间的第二变化率。
在时间T9，基准信号供给电路103完成依赖于经过时间的斜坡信号VRMP1的信号电平的改变并且将斜坡信号VRMP1复位为具有初始值。
从时间T8到时间T9的时段是第一S转换时段S1。第一S转换时段S1是在其中比较光学信号与具有依赖于经过时间的第一变化率的斜坡信号的第一时段。在图2B中的操作中，在第一时段期间，比较器104执行第一比较，该第一比较比较光学信号与在第一振幅范围内以依赖于经过时间的第一变化率改变信号电平的斜坡信号。作为第一比较的结果产生的第一S数字信号是第一数字信号。
在从时间T9到时间T10的时段期间，选择电路108选择斜坡信号VRMP1和斜坡信号VRMP2中的一个作为斜坡信号VRMPI。如上所述，在图2B中的操作中，选择电路108响应于时间T8A处的比较结果信号的信号值的变化，选择斜坡信号VRMP1作为斜坡信号VRMPI。
在时间T10，基准信号供给电路103重新开始根据经过时间改变斜坡信号VRMP1的信号电平。斜坡信号VRMP1的信号电平的每单位时间的变化率等于从时间T8到时间T9的时段中的斜坡信号VRMP1的信号电平的每单位时间的变化率。换句话说，在从时间T10到时间T11的时段中改变其电势的斜坡信号的信号电平的依赖于经过时间的变化率也等于依赖于经过时间的第一变化率。计数器105从它保持的第一S数字信号的信号值开始计数时钟信号。
在从时间T10到时间T11的时段期间，诸如在时间T10A，比较结果信号的信号值再次改变。计数器105保持比较结果信号的信号值改变的时间点处的计数信号。该计数信号将被称为第二S数字信号。
从时间T10到时间T11的时段是第二S转换时段S2。第二S转换时段S2的长度等于第一S转换时段S1的长度。第二S转换时段S2是在其中比较光学信号与具有依赖于经过时间的第一变化率的斜坡信号的第二时段。第二S转换时段S2是长度等于第一S转换时段S1的长度的时段。第二时段中的斜坡信号的(时间T11处的信号电平的)最大振幅等于第一时段中的斜坡信号的(时间T9处的信号电平的)最大振幅。在图2B中的操作中，在第二时段期间，比较器104执行第二比较，该第二比较比较光学信号与在第二振幅范围内以依赖于经过时间的第二变化率改变信号电平的斜坡信号。作为第二比较的结果产生的第二S数字信号是第二数字信号。
存储器106保持在计数器105中保持的第二S数字信号。计数器105将计数信号的信号值复位为初始值。
水平扫描电路107执行水平扫描，以使得列的存储器106依次输出保持于列的存储器106中的第二S数字信号。
图2C示出S信号的振幅大于时间T9处的斜坡信号VRMP1的振幅的情况。时间T8、时间T9、时间T10和时间T11与图2A所示的相应时间对应。
在S信号的振幅大于时间T9处的斜坡信号VRMP1的振幅的情况下，在从时间T8到时间T9的时段中，比较结果信号的信号值不改变。在这种情况下，计数器105在时间T9完成时钟信号的计数并且将计数信号的信号值复位为初始值。选择电路108响应于从时间T8到时间T9的时段中的比较结果信号的信号值的不改变，选择斜坡信号VRMP2作为在时间T10以及以后供给到比较器104的斜坡信号VRMPI。根据本示例性实施例，作为用于第二S转换时段S2的AD转换的斜坡信号VRMPI的变化率的依赖于经过时间的第三变化率大于作为用于第一S转换时段S1的AD转换的斜坡信号VRMPI的信号电平的变化率的第一变化率。
在时间T9，基准信号供给电路103重新开始根据经过时间改变斜坡信号VRMP的信号电平。计数器105从初始值开始计数时钟信号。在图2C所示的情况下，执行图2B所示的情况的8倍向上计数(count up)(3位偏移)。执行8×向上计数的一个原因是，斜坡信号VRMP2的依赖于经过时间的变化率为斜坡信号VRMP1的依赖于经过时间的变化率的四倍。另一原因是，通过图2B中的操作产生的第二S数字信号是在通过执行一次AD转换的操作获取通过图2C中的操作产生的数字信号时将两次AD转换的结果相加获取的信号。因此，为了在通过图2B中的操作产生的第二S数字信号与通过图2C中的操作产生的数字信号之间获取相等的AD转换增益，计数器105对在图2B中的操作中执行的计数操作执行8倍(＝4倍×2倍)向上计数。
在从时间T10到时间T11的时段期间，诸如在时间T10B，比较结果信号的信号值改变。计数器105保持比较结果信号的信号值改变的时间点处的计数信号。该计数信号将被称为第三S数字信号。第三S数字信号是通过仅计数从时间T10到时间T10B的时段获取的信号，而第二S数字信号是通过相加和计数从时间T8到时间T8A的时段与从时间T10到时间T10A的时段获取的信号。第三S数字信号是通过由比较器104执行的一个比较操作产生的数字信号。另一方面，第二S数字信号是通过相加通过由比较器104执行的多个比较操作产生的数字信号获取的数字信号。计数器105是被配置为通过相加通过多次AD转换产生的数字信号产生数字信号的相加单元。在图2C中的操作中，在第二时段，比较器104执行第三比较，该第三比较是在第三振幅范围内以依赖于经过时间的第三变化率改变信号电平的斜坡信号与光学信号之间的比较。作为第三比较的结果产生的第三S数字信号是第三数字信号。
存储器106保持在计数器105中保持的第三S数字信号。计数器105然后将计数信号的信号值复位为初始值。
在图2C中，第二S转换时段S2的长度也等于第一S转换时段S1的长度。由于斜坡信号VRMP2的依赖于经过时间的变化率为斜坡信号VRMP1的依赖于经过时间的变化率的四倍，因此，时间T11处的斜坡信号VRMP2的振幅为相同时间的斜坡信号VRMP1的振幅的四倍。因此，斜坡信号VRMP2的信号电平改变的振幅大于斜坡信号VRMP1的信号电平改变的振幅。
斜坡信号VRMP的信号电平改变的振幅范围关于第一N转换时段N1的AD转换和第二N转换时段N2的AD转换相等。第一S转换时段S1中的AD转换的斜坡信号VRMP的信号电平改变的振幅范围在图2B和图2C中的操作中均为第一振幅范围。第二S转换时段S2中的AD转换的斜坡信号VRMP的信号电平改变的振幅范围在图2B中的操作中为第二振幅范围，在图2C中的操作中为第三振幅范围。根据本示例性实施例，第一振幅范围和第二振幅范围彼此相等。第三振幅范围大于第一振幅范围和第二振幅范围。
在图2B所示的操作中，第二S数字信号是基于通过对S信号执行多次AD转换产生的数字信号的相加的结果的信号。由于通过执行多次AD转换产生的数字信号的相加，因此，与通过对S信号执行一次AD转换获取的数字信号相比，第二S数字信号可具有减少的随机噪声。因此，本示例性实施例的成像装置可有利地输出具有减少的随机噪声的数字信号。
当输出S信号的像素100中的光电二极管PD接收高亮度被照体的光时，导致以下情况：S信号的振幅在图2C所示的操作中大于时间T9处的斜坡信号VRMP1的振幅。在这种情况下，包含于通过对S信号执行AD转换获取的数字信号中的噪声主要包含光冲击(lightshot)噪声并且包含可忽略的量的随机噪声。因此，本示例性实施例的成像装置对随机噪声不明显的高亮度被照体限定基于S信号的一个数字信号，并且，对于随机噪声明显的低亮度被照体，基于S信号的数字信号的产生被执行两次。
根据在日本专利公开No.2010-103913中公开的配置，具有相同的依赖于经过时间的变化率的斜坡信号被多次使用以执行多次AD转换。这里，所使用的斜坡信号应具有包含S信号的所有可能振幅的振幅，使得可对S信号执行AD转换。例如，结合本示例性实施例的图2C中的操作描述的斜坡信号VRMP2包含S信号的所有可能振幅。另一方面，为了执行AD转换以允许减少随机噪声，可能需要降低斜坡信号的依赖于经过时间的变化率以增加AD转换的分辨率。因此，可以使用具有小的依赖于经过时间的变化率的斜坡信号，诸如根据本示例性实施例的斜坡信号VRMP1。当具有小的依赖于经过时间的变化率的斜坡信号改变以包含S信号的所有可能振幅时，AD转换时段增大。例如，当根据本示例性实施例的斜坡信号VRMP1改变信号电平以包含S信号的所有可能振幅范围时，可能需要为第一S转换时段S1的四倍的时段。因此，在日本专利公开No.2010-103913中，执行用于以高精度减少随机噪声的多次AD转换增大AD转换时段。
另一方面，在日本专利公开No.2010-103913中，当使用具有大的依赖于经过时间的变化率的斜坡信号以执行多次AD转换时，关于降低随机噪声的精度会下降。
在根据本示例性实施例的成像装置中，AD转换的次数根据S信号的振幅改变。当S信号的振幅大于预定阈值时，斜坡信号的依赖于经过时间的变化率增大以执行多次AD转换。因此，本示例性实施例的成像装置允许减少随机噪声并可提高AD转换的速度。
为了缩短执行多次AD转换所需要的时段并且同时产生具有减少的S信号随机噪声的数字信号，可调整第一S转换时段S1的斜坡信号VRMP1的最大振幅。更具体而言，第一S转换时段S1中的斜坡信号VRMP1的最大振幅可以为作为第二S转换时段S2中的斜坡信号VRMP2的最大振幅的1/2N。此外，第一S转换时段S1中的斜坡信号VRMP1的最大振幅可等于或低于第二S转换时段S2的斜坡信号VRMP2的最大振幅的1/2且等于或高于其1/8。
从成像装置输出的第二数字N信号是通过将包含于N信号中的波动(随机噪声)平均化而获取的信号。因此，AD转换单元200可获取作为减少包含于N信号中的随机噪声的结果的信号。
设置在成像装置外面的未示出的信号处理单元执行用于获取第二N数字信号与第二S数字信号之间的差值的双重相关采样(CDS)处理。信号处理单元使用该差值来产生图像。应当注意，信号处理单元可由根据将在后面描述的第三示例性实施例的输出信号处理单元155实现。
另一方面，当不产生第一S数字信号时，获取第二N数字信号与第三S数字信号之间的差值。信号处理单元使用该差值来产生图像。
本示例性实施例假定N1＝N2<S1＝S2作为第一N转换时段N1、第二N转换时段N2、第一S转换时段S1和第二S转换时段S2的长度之间的关系。由于噪声信号具有小的振幅，因此，随机噪声趋于明显。因此，作为N信号，通过使用在相同的振幅范围内具有相同的依赖于经过时间的变化率的斜坡信号VRMP1，获取多个数字信号。因此，可以获取允许减少N信号的随机噪声的数字信号。
虽然在根据本示例性实施例的成像装置的外面执行获取第二S数字信号或第三S数字信号与第二N数字信号之间的差值的处理，但是可在成像装置内执行该处理。在这种情况下，成像装置将第二S数字信号或第三S数字信号与第二N数字信号之间的差值输出到设置在成像装置的外面的信号处理单元。信号处理单元可执行用于获取从成像装置输出的差值的信号的CDS处理并然后产生图像。
如上所述，根据本示例性实施例，在图2B中的操作中执行两次AD转换，但是可以执行更多的AD转换。在这种情况下，图2C中的操作可包含使用斜坡信号VRMP2的多次AD转换。此时，同样，图2C中的操作中，计数器105操作以相加使用斜坡信号VRMP2的多次AD转换的计数信号。因此，在图2C中的操作中，可产生包含可减少的随机噪声的数字信号。
本示例性实施例的成像装置执行第一S转换时段S1中的AD转换，包括设定第二S转换时段S2中的AD转换的斜坡信号VRMPI的依赖于经过时间的变化率和执行较小振幅的S信号的情况下的AD转换。另一方面，在一些情况下，可在不使计数器105操作的情况下，通过比较对预定阈值电压设定的信号与S信号、并且基于比较结果设定第二S转换时段S2中的AD转换的斜坡信号VRMPI的依赖于经过时间的变化率，执行第一S转换时段S1中的AD转换。与这种情况相对，由于本示例性实施例的成像装置还可使用S信号具有较小的振幅的情况下的AD转换，因此，可获取可减少随机噪声的数字信号。
如上所述，本示例性实施例的成像装置在S信号具有大于阈值的振幅时执行预定次数的AD转换，在S信号具有小于阈值的振幅时，执行比在S信号的振幅小于阈值时执行的AD转换的次数更多的AD转换。因此，本示例性实施例的成像装置可适当地平衡AD转换所需要的时段的长度与动态范围的宽度。
根据本示例性实施例，第一S转换时段S1和第二S转换时段S2中的斜坡信号VRMP1具有相同的依赖于经过时间的变化率。作为另一例子，第二S转换时段S2中的斜坡信号VRMP1的依赖于经过时间的变化率可关于第一S转换时段S1中的斜坡信号VRMP1改变。在这种情况下，由计数器105执行的计数操作可改变，以在第一S转换时段S1中的AD转换与第二S转换时段S2中的AD转换之间获取相等的AD转换增益。
根据本示例性实施例，斜坡信号VRMP2的依赖于经过时间的变化率为斜坡信号VRMP1的依赖于经过时间的变化率的四倍。不限于该例子，斜坡信号VRMP2的依赖于经过时间的变化率可只需要大于斜坡信号VRMP1的依赖于经过时间的变化率。斜坡信号VRMP2的依赖于经过时间的变化率可以为斜坡信号VRMP1的依赖于经过时间的变化率的2N倍。这是为了便于获取通过在第一S转换时段S1和第二S转换时段S2两者中执行的AD转换的操作产生的数字信号的相同AD转换增益。更具体而言，这是由于可通过向较高电平位偏移N位来执行通过计数器105产生计数信号的操作。
本示例性实施例中的成像装置不限于上述的那些例子，而可以按各种方式改变。以下将描述变更例。
根据本示例性实施例，在存储器106后面的级(stage)中执行CDS处理。作为另一例子，计数器105可执行CDS处理。更具体而言，在第二N转换时段N2之后，计数器105获取第二N数字信号的2的补数(complement)。该补数保持于计数器105中。计数器105从作为初始值的保持的补数开始在第一S转换时段S1中开始计数时钟信号。在这种情况下，可在不需要第二N转换时段N2之后的水平扫描的情况下在第二S转换时段S2之后通过水平扫描输出CDS处理的结果。
在第一和第二N转换时段中，计数器105向下计数(down-count)并且保持负的计数值，然后在第一S转换时段S1中从计数器105的初始值开始向上计数。
已描述了对N信号提供两个AD转换时段，但可提供更多的AD转换时段。由于基于N信号的数字N信号的产生次数增加，因此可以产生具有减少的随机噪声的基于N信号的数字信号。
如图3所示，用于第二N转换时段N2中的斜坡信号VRMPI可以是斜坡信号VRMP2。在这种情况下，在存储器106保持第一N数字信号之后，计数器105将计数信号的信号值复位到初始值。在第二N转换时段N2中执行的AD转换可导致第二N数字信号。存储器106进一步保持第二N数字信号。通过后续的水平扫描，存储器106输出第一N数字信号和第二N数字信号。信号处理单元获取通过图2B中的操作产生的第二S数字信号与加倍的第一N数字信号之间的差值。另一方面，获取通过图2C中的操作产生的第三S数字信号与第二N数字信号之间的差值。
根据本示例性实施例，通过在计数器105中相加从第二S转换时段S2中的AD转换得到的计数信号与第一S数字信号，产生第二S数字信号。作为另一例子，在第一S数字信号保持于存储器106中之后，计数器105将计数信号的信号值复位到初始值。在第二S转换时段S2中执行的AD转换可得到第二S数字信号，并且，存储器106进一步保持第二S数字信号。通过后续的水平扫描，存储器106输出第一S数字信号和第二S数字信号。信号处理单元可相加第一S数字信号与第二S数字信号。以相同的方式，可在不在计数器105中相加计数信号与第一N数字信号的情况下产生第二N数字信号。在这种情况下，信号处理单元也可相加第一N数字信号和第二N数字信号。在这种情况下，信号处理单元是被配置为相加通过多次AD转换产生的数字信号的相加单元。
根据本示例性实施例，多个AD转换单元200中的每一个具有计数器105。作为另一例子，可包含向多个AD转换单元200中的存储器106供给共用计数信号的计数器。在这种情况下，计数器不执行在根据本示例性实施例在图2C中的第二S转换时段S2中的AD转换中执行的、用于产生计数信号的向上计数操作。在图2C中的操作中执行第二S转换时段S2中的AD转换的情况下，各列的存储器106可使从计数器供给的计数信号位偏移至较高的级别并且保持结果。因此，与本示例性实施例的成像装置类似，可在图2B和图2C中的第二S转换时段S2中的AD转换中使AD转换增益相加。可能不一定在存储器106中执行位偏移。例如，接收通过水平扫描通过存储器106输出的数字信号的输入的信号处理单元可执行位偏移。
作为另一例子，放大器可被设置在垂直信号线110与比较器104之间的电气路径中。放大器向比较器104输出通过放大输出到垂直信号线110的N信号和S信号而获取的信号。在这种情况下，第一N数字信号和第二N数字信号是基于通过用放大器放大N信号获取的信号的信号。第一S数字信号、第二S数字信号和第三S数字信号是基于通过用放大器放大S信号获取的信号的信号。
作为另一例子，双重相关采样(CDS)电路可被设置在垂直信号线110与比较器104之间的电气路径中。CDS电路输出通过从输出到垂直信号线110的S信号减去N信号而获取的信号。在这种情况下，第一N数字信号和第二N数字信号主要包含由比较器104导致的噪声和偏置(offset)。
已描述了斜坡信号VRMP1和斜坡信号VRMP2是具有以倾斜的(slopewise)方式改变的信号电平的信号，但它们可以是具有以阶梯式的(stepwise)方式改变的信号电平的信号。具有以阶梯式的方式改变的信号电平的信号也是具有根据经过时间改变的信号电平的斜坡信号。
第二示例性实施例
将着眼于与第一示例性实施例的不同，描述根据第二示例性实施例的成像装置。
根据第一示例性实施例的成像装置根据S信号的振幅改变要输入到比较器104的斜坡信号VRMPI的依赖于经过时间的变化率。根据本示例性实施例，通过放大S信号获取的信号被输入到比较器104。本示例性实施例的成像装置与第一示例性实施例的成像装置的不同在于，S信号的放大因子根据S信号的振幅改变。
图4示出根据本示例性实施例的成像装置的配置。在图1A和图4中，类似的附图标记指的是具有类似功能的类似的部分。
基准信号供给电路113向各列的比较器104输出斜坡信号VRMP。
放大电路109向相应的比较器104输出通过放大从相应的像素100输出到垂直信号线110的N信号和S信号获取的信号。本示例性实施例的信号VIN代表从放大电路109输出到比较器104的信号。本示例性实施例的放大电路109具有1倍和4倍的放大因子。4倍的放大因子被称为第一放大因子，1倍的放大因子被称为第二放大因子。在这里，1倍的放大因子也属于放大的范畴。第一放大因子优选为第二放大因子的2N倍。通过由放大电路109放大要输出的N信号而获取的信号将被称为放大N信号。通过由放大电路109放大要输出的S信号而获取的信号将被称为放大S信号。放大S信号是通过由作为放大单元的放大电路109放大光学信号产生的放大信号。第一放大信号是通过用作为第一放大因子的4倍的放大因子放大S信号获取的放大S信号。第二放大信号是通过用作为第二放大因子的1倍的放大因子放大S信号获取的放大S信号。第三放大信号是通过用作为第一放大因子的4倍的放大因子放大N信号获取的放大N信号。
图5A示出图4所示的成像装置的操作。用于第一N转换时段N1、第二N转换时段N2、第一S转换时段S1和第二S转换时段S2中的所有斜坡信号VRMP具有相同的变化率。斜坡信号VRMP的信号电平改变的振幅范围关于第一N转换时段N1的AD转换和N转换时段N2的AD转换相等。斜坡信号VRMP的信号电平改变的振幅范围关于第一S转换时段S1的AD转换和第二S转换时段S2的AD转换相等。斜坡信号VRMP的信号电平改变的振幅范围关于第一S转换时段S1中的AD转换和第二S转换时段S2中的AD转换大于关于第一N转换时段N1中的AD转换和第二N转换时段N2中的AD转换的振幅范围。
图5B示出S信号的振幅等于或小于时间T9处的斜坡信号VRMP的振幅的情况。在第一S转换时段S1中，放大电路109用4倍的放大因子放大S信号。
其它操作与参照图2B描述的第一S转换时段S1中的操作相同。时间T8A处的比较结果信号的信号值的变化被输出到计数器105和放大电路109。放大电路109响应于比较结果信号的信号值的变化，对第二S转换时段S2中的S信号保持4倍的放大因子。
第二S转换时段S2中的操作与参照图2B描述的操作相同。响应于时间T10A处的比较结果信号的信号值的变化，产生第二S数字信号。
图5C示出S信号的振幅大于时间T9处的斜坡信号VRMP的振幅的情况。在第一S转换时段S1中，放大电路109以4倍的放大因子放大S信号。
响应于从时间T8到时间T9的时段中的比较结果信号的信号值的不变化，放大电路109将第二S转换时段S2中的S信号的放大因子变为1倍。其它操作与参照图2C描述的操作相同。响应于时间T10B处的比较结果信号的信号值的变化，产生第三S数字信号。
根据在日本专利公开No.2010-103913中公开的配置，斜坡信号VRMP的信号电平改变的振幅范围需要包含通过将S信号放大4倍获取的放大S信号的所有振幅范围。另一方面，根据本示例性实施例的成像装置基于第一S转换时段S1中的AD转换的结果改变第二S转换时段S2中的放大电路109的放大因子。该配置可减小斜坡信号VRMP的信号电平改变的振幅范围。因此，与日本专利公开No.2010-103913中的配置相比，多次AD转换所需要的时段可缩短。而且，可获取作为可减少随机噪声的信号的第二S数字信号。
应当理解，与第一示例性实施例同样，也可对根据本示例性实施例的成像装置提出各种变化。
第三示例性实施例
着眼于与第一示例性实施例的不同，将描述根据第三示例性实施例的成像装置。图7示出根据本示例性实施例的成像装置的配置。
在图1A和图7中，类似的附图标记指的是具有类似功能的类似的部分。
根据本示例性实施例的成像装置包括多个AD转换单元2000。AD转换单元2000中的每一个具有选择电路108、比较器104、第二选择电路120、第一存储器组121、第二存储器组122和决定信号存储器128。
第二选择电路120向第一存储器组121、第二存储器组122和决定信号存储器128之一输出作为比较结果信号的控制信号VCOMP。
计数器1050例如通过多个信号线输出作为包含11位格雷码(Gray code)信号的计数信号的计数信号组123。计数信号组123从计数器1050被输出到的多个信号线与各列的第一存储器组121和第二存储器组122共同连接。由计数信号组123表现的值(计数信号)与从开始斜坡信号VRMPI的变化起的经过时间对应。第一存储器组121和第二存储器组122将与控制信号VCOMP的信号值改变的时间点对应的计数信号保持为作为AD转换的结果的数字信号。通过从水平扫描电路107扫描，保持于第一存储器组121和第二存储器组122中的数字信号通过输出线124被依次输出到成像装置的后级中的电路。根据本示例性实施例，第一存储器组121和第二存储器组122二者作为被配置为保持从AD转换得到的数字信号的存储器组被设置在AD转换单元2000中。
决定信号存储器128被配置为保持控制信号VCOMP。
图8A和图8B示出包含于根据本示例性实施例的一个AD转换单元2000中的存储器的配置。图8A示出第一存储器组121、第二存储器组122和决定信号存储器128。图8B是更详细地示出包含于第一存储器组121和第二存储器组122中的存储器的配置的框图。
计数器1050通过12个信号线输出包含12个计数信号的计数信号组123。这里假定计数信号123-0～123-10和123-3M通过各信号线被传送。计数信号123-0～123-10构成以计数信号123-0为最低有效位且以计数信号123-10为最高有效位的11位格雷码信号。计数信号123-0、123-1、123-2和123-3M构成以计数信号123-0为最低有效位且以计数信号123-3M为最高有效位的4位格雷码信号。
第一存储器组121包含5位存储器121-0～121-3。存储器121-0～121-3接收计数信号123-0、123-1、123-2和123-3M的输入。存储器121-C接收控制信号VCOMP的输入。第二存储器组122包含11位存储器122-0～122-10。存储器122-0～122-10接收计数信号123-0～123-10的输入。
图8B示出第一存储器组121和第二存储器组122的配置例子。将描述存储器122-0的配置作为这些存储器的典型例子，但是其它的存储器也可具有相同的配置。本示例性实施例的存储器122-0被配置为保持两个数字信号，使得成像装置内或者成像装置的后级中的视频信号处理单元可执行数字双重相关采样(CDS)处理。存储器122-0具有被配置为保持复位电平处的信号的AD转换结果的N锁存器200-N和被配置为保持光学信号的AD转换结果的S锁存器200-S。这里，包含于第一存储器组121中的存储器的数量即第一存储器组121的位宽被限定为比对一个信号执行的多次AD转换的AD转换结果之间的差值的最高值高的值。这些差值主要是由于叠加于像素信号VIN和斜坡信号VRMP上的随机噪声成分和通过比较器104产生的随机噪声成分导致的。因此，可以提供保持可在两次AD转换结果之间改变的多个位值的配置。
例如，当第一和第二AD转换结果之间的差值的绝对值等于或低于2N-1[LSB]时，第一存储器组121所需要的位宽等于N+1个位。本示例性实施例假定N＝3，即，差值的绝对值等于或低于7[LSB]，因此，第一存储器组121的位宽等于4个位。这是由于AD转换结果的较高的7个位(＝11个位-4个位)在第一AD转换和第二AD转换中具有相等的值，并且，第一存储器组121的位宽可因此等于至少4个位。
下面，将参照图9A～9D描述根据本示例性实施例的成像装置的操作。图9A和图9B是示出本示例性实施例的整个成像装置的操作的定时图。图9A示出被照体具有低亮度的情况，图9B示出被照体具有高亮度的情况。图9C是示出计数信号的定时图。图9D是示出计数信号的变更例的定时图。
首先，在从时间T0到时间T1的时段中，控制信号φR改变以具有高电平，这接通复位晶体管M1。因此，浮置扩散FD的电压被复位到预定电压电平。然后，在从时间T2到时间T3的时段N1和从时间T4到时间T5的时段N2中，对复位电平处的像素信号VIN执行两次AD转换。
首先，将描述时段N1中的第一AD转换。在时段N1中，第二选择电路120选择第一存储器组121作为控制信号VCOMP的输出目的地。在时间T2，从基准信号供给电路103输出的斜坡信号VRMP的电压开始降低。同时，根据经过时间，包含于从计数器1050输出的计数信号组123中的计数信号的数量开始增多。在该时间点，由于斜坡信号VRMP的电压比复位电平处的像素信号VIN的电压高，因此，从比较器104输出的控制信号VCOMP具有高电平。
然后，在斜坡信号VRMP的电压变得比复位电平处的像素信号VIN的电压低的时间T2A，斜坡信号VRMP的电压与复位电平处的像素信号VIN的电压之间的大小关系改变，使得控制信号VCOMP变为具有低电平。第一存储器组121保持包含于时间T2A处的计数信号组123中的计数信号作为AD转换之后的复位电平处的数字信号。第一存储器组121包含四个存储器121-0～121-3。换句话说，由于第一存储器组121具有4个位的位宽，因此在时段N1中保持于第一存储器组121中的数字信号仅仅是包含于计数信号组123中的计数信号中的从最低有效位到第四位的下4位。
然后，在时段N2中执行第二AD转换。在时段N2中，第二选择电路120选择第二存储器组122为控制信号VCOMP的输出目的地。以与上述的方式相同的方式执行AD转换。在时间T4A，第二存储器组122保持包含于时间T4A处的计数信号组123中的计数信号作为AD转换之后的复位电平处的数字信号。第二存储器组122包含11个存储器122-0～122-10。换句话说，由于第二存储器组122具有11位的位宽，因此，在时段N2中保持于第二存储器组122中的数字信号是包含于计数信号组123中的计数信号中的从最低有效位到第十一位。在时段N1和时段N2中通过AD转换获取的数字信号保持于相应存储器处的N锁存器200-N中。假定用于时段N2中的第二AD转换的斜坡信号VRMPI的梯度等于用于时段N1中的第一AD转换的斜坡信号VRMPI的梯度。
然后，在从时间T6到时间T7的时段中，控制信号φT改变以具有高电平，这接通传送晶体管M2。因此，在光电二极管PD中从入射光产生的电气载流子被传送到浮置扩散FD。响应于电气载流子的传送，像素信号VIN的电压降低。在时间T7，由于电气载流子的传送，像素信号VIN的电压改变以具有依赖于光学信号的值。然后，在从时间T8到时间T9的S转换时段S1和从时间T10到时间T11的S转换时段S2中，对具有光学信号的电平的像素信号VIN执行两次AD转换。
将描述S转换时段S1和S2中的AD转换操作。在S转换时段S1中的AD转换中，选择电路108选择并输出VRMP1信号。选择电路108使用时间T9处的控制信号VCOMP以选择要用于S转换时段S2中的AD转换的斜坡信号。在S转换时段S1和S转换时段S2中，通过执行AD转换获取的数字信号保存于相应存储器的S锁存器200-S中。决定信号存储器保持在时间T9处由比较器104输出的控制信号VCOMP的电平。
将关于光电二极管PD接收来自高亮度被照体的光的情况和光电二极管PD接收来自低亮度被照体的光的情况分开描述S转换时段S1和S2中的AD转换操作。用于确定被照体的“低亮度”和“高亮度”的阈值是时间T9处的斜坡信号VRMPI的电平。
图9C示出S转换时段S1和S转换时段S2中的计数信号123-3M的脉冲和计数信号组123的下6位的计数信号123-0～123-5。
在S转换时段S1开始的时间T8，计数信号123-0～123-2和123-3M表现“0000”的格雷码值(在十进制中为“0”)。在时间T8以及以后，该值根据经过时间增大。当格雷码值达到“1000”(在十进制中为“15”)时，它再变回“0000”。计数信号123-4～123-10总是具有低电平(0)。在S转换时段S1中，如上所述，由计数信号123-0～123-2和123-3M构成的4位格雷码信号重复计数0～15。因此，在控制信号VCOMP的电平改变的时间T8A，第一存储器组121中的S锁存器200-S以格雷码保持计数信号0～15中的一个。
在从S转换时段S1结束的时间T9到时间T9A的时段期间，决定信号存储器128保持具有低电平的信号VCOMP。当被照体具有低亮度时，即，当信号VIN具有比时间T9处的斜坡信号VRMPI小的振幅时，控制信号VCOMP在S转换时段S1期间从高电平变为低电平。由于信号VCOMP在时间T9A具有低电平，因此选择电路108选择VRMP1作为在S转换时段S2中输出的信号。
在S转换时段S2开始的时间T10，计数信号123-0～123-10表现“0…0000”的格雷码值(在十进制中为“0”)。在时间T10之后，由计数信号123-0～123-10表现的值根据经过时间增大。在S转换时段S2中，如上所述，由计数信号123-0～123-10构成的11位格雷码被计数。因此，在信号VCOMP的电平改变的时间T10A，第二存储器组122中的S锁存器200-S在11位格雷码中保持计数信号。
根据本示例性实施例，如上所述，在S转换时段S1和S2这两个时段中执行两次AD转换。由于在S转换时段S2中保持的计数信号是11位，即计数信号组123的所有位，因此在S转换时段S1中保持的计数信号是计数信号组123的下4位。如上面描述的那样在S转换时段S1和S2中获取的数字信号可被用于相加或者平均这两次AD转换的结果，使得包含于AD转换结果中的噪声可减少。
来讨论图9C中的计数信号。在S转换时段S1中输出的计数信号与在S转换时段S2中输出的计数信号不同。特别地，在S转换时段S1中，与AD转换操作无关的计数信号123-3～123-10一直具有低电平。因此，与计数信号123-3～123-10的电平在S转换时段S1中也改变的情况相比，可以减少电力消耗。但是，与图9D所示的计数信号的变更例同样，S转换时段S1和S2中的计数信号具有相同的操作定时。换句话说，对第一AD转换由计数器1050输出的计数信号和对第二AD转换由计数器1050输出的计数信号可相同。在这种情况下，计数器1050在第一AD转换中以及在第二AD转换中执行共同的操作，这可简化计数器1050的操作上的控制。
下面，将描述在被照体具有高亮度的情况下，S转换时段S1和S2中的AD转换中的操作。在S转换时段S1中，由于信号VRMPI具有比信号VIN的振幅小的振幅，因此，信号VCOMP在S转换时段S1中不变。因此，由于信号VCOMP在S转换时段S1中不变，因此没有计数信号保持于第一存储器组121中的S锁存器200-S中。S转换时段S1结束之后的信号VCOMP也保持高电平。在从时间T9到时间T9A的时段期间，决定信号存储器128保持具有高电平的信号VCOMP。在该情况下，选择电路108选择斜坡信号VRMP2作为要用于S转换时段S2中的斜坡信号VRMPI。时间T9处的后续的AD转换操作与当被照体具有低亮度时执行的那些操作相同。
下面，将参照图10描述用于在被照体具有低亮度的情况下通过使用保持于第一存储器组121和第二存储器组122中的数字信号获取与两次AD转换结果的相加的结果对应的信号的处理方法。如上所述，各存储器组保持在S转换时段S1中保持的下4位数字信号和在S转换时段S2中保持的整个11位数字信号。因此，由于它们的简单相加得不到目标值，因此，可能需要将在下面描述的算术运算处理。对从格雷码转换到二进制码之后的数字信号执行算术运算处理。
这里假定在S转换时段S1中保持的下4位值将被称为S1(Lo)。在S转换时段S2中保持的所有位、下4位和上7位值将被称为S2(ALL)、S2(Lo)和S2(Hi)。而且，虽然根据本示例性实施例在S转换时段S1中保持的数字信号不保持上7位，但假定数字信号保持所有的11位的值为S1(ALL)且上7位的值为S1(Hi)。考虑到多次AD转换之后的数字信号的高阶位表现相等的值，下式被满足。
S1(Hi)＝S2(Hi)
在该处理中，保持于第一存储器组121和第二存储器组122中的数字信号被用于获取作为两次AD转换结果之和的S1(ALL)+S2(ALL)。保持于各存储器组中的已知值是S1(Lo)和S2(ALL)。从该观点看，S1(ALL)+S2(ALL)变化如下。
S1(ALL)+S2(ALL)
＝S1(Hi)+S1(Lo)+S2(Hi)+S2(Lo)
＝2×S2(Hi)+S2(Lo)+S1(Lo)
＝2×{S2(Hi)+S2(Lo)}+S1(Lo)-S2(Lo)
＝2×S2(ALL)+diff
这里，diff＝S1(Lo)-S2(Lo)。
换句话说，两倍于保持在第二存储器组122中的S2(ALL)的值和差值diff(4位值)相加，使得可计算等于作为两次AD转换结果之和的S1(ALL)+S2(ALL)的值。
但是，由于S1(Lo)和S2(Lo)的可能值落入0～15的范围内，因此直接在上式中施加差值diff可能会由于从低阶位到高阶位的进位(carry)或延迟(postponement)而导致误差。因此，可能需要用S1(Lo)和S2(Lo)的一些组合对差值diff执行诸如进位或延迟的数字处理。根据S1(Lo)-S2(Lo)的值确定数字处理的类型。
情况1：-8<S1(Lo)-S2(Lo)<8
→不需要数字处理(diff＝S1(Lo)-S2(Lo))
情况2：S1(Lo)-S2(Lo)≤-8
→执行数字处理(diff＝S1(Lo)-S2(Lo)+24)
情况3：8≤S1(Lo)-S2(Lo)
→执行数字处理(diff＝S1(Lo)-S2(Lo)-24)
将参照图10及其具体例子描述数字处理的类型。
情况1：-8<S1(Lo)-S2(Lo)<8
Bin[0]～Bin[3]是S1或S2被二进制化之后的各个位的波形的下4位。行S2(ALL)是Bin[0]～Bin[3]的可能值的例子。
将进一步在假定S2(ALL)是“55”(二进制值为“110111”)的情况下描述这种情况。行S2(Lo)表示S2(ALL)是“55”时的下4位的值“7”(二进制值为“0111”)。当S2(ALL)是“55”时，S1(ALL)的可能的范围是“55”±7[LSB]。行S1(Lo)表示作为S1(ALL)的下4位的“0”～“14”(二进制值为“0000”～“1110”)，
行S1(Lo)-S2(Lo)表示通过从S1(Lo)减去S2(Lo)获取的值，diff行表示在对其执行数字处理之后的结果。由于在这种情况下不执行数字处理，因此可获取与行S1(Lo)-S2(Lo)的值相等的值。
行S1+S2(期望值)表示在S2(ALL)是“55”的情况下，S1(ALL)的可能范围(“55”±7[LSB])中的AD转换结果的相加值S1(ALL)+S2(ALL)的期望值。
行S1+S2(Simple)表示作为在不执行数字处理的情况下获取的计算值的下式。
2×S2(ALL)+S1(Lo)-S2(Lo)
行S1+S2表示作为执行数字处理之后的计算值的下式。
2×S2(ALL)+diff
需要执行数字处理，使得该值可等于S1+S2(期望值)。由于在这种情况下-8<S1(Lo)-S2(Lo)<8，因此，在示出的S1的可能范围中，在S1+S2(Simple)与S1+S2(期望值)之间不出现差值。因此，在这种情况下不需要数字处理。
情况2：S1(Lo)-S2(Lo)≤-8
在这种情况下，S2(ALL)是“63”(二进制值为“111111”)，S2(Lo)是“15”(二进制值为“1111”)。
以下将考虑S1(ALL)是比S2(ALL)高“1”的“64”(二进制值为“1000000”)的情况。在这种情况下，实际保持于第一存储器组121中的值S1(Lo)为“0”(二进制为0000)，并且，在不执行数字处理的情况下满足下式。
S1(Lo)-S2(Lo)＝0-15＝-15
因此，没有数字处理的两次AD转换结果之和所对应的行S1+S2(Simple)的值满足下式。
2×S2(ALL)+S1(Lo)-S2(Lo)＝63×2-15＝111
该结果与作为S1+S2(期望值)的“127”不同。以下将描述其原因。S2(ALL)的值“63”的下4位S2(Lo)为“15”(二进制值为“1111”)。这里，作为比S2(ALL)的“63”高“1”的S1(ALL)的低阶位的值的S1(Lo)是“0”，不是作为“15”的下一个值的“16”。这是由于低阶位的位宽仅有4个位。因此，不执行数字处理时的S1+S2(Simple)是从S1+S2(期望值)位移了“16”的值。
因此，为了校正该值的位移“16”，可能需要关于进位的数字处理通过下式定义diff。
diff＝S1(Lo)-S2(Lo)+24
作为使用diff的S1(ALL)+S2(ALL)的计算的结果，进位处理之后的S1(ALL)+S2(ALL)的值可表达为下式。
2×S2(ALL)+diff＝2×63-15+16＝127
因此，可获取与S1+S2(期望值)匹配的结果。以上描述了S1(Lo)为“0”的情况，但是可在S1(Lo)处于“1”～“6”的范围内的情况下执行相同的处理。在S1(Lo)处于“8”～“15”的范围内的情况下不执行上述的数字处理。
情况3：8≤S1(Lo)-S2(Lo)
在这种情况下，S2(ALL)为“64”(二进制值为1000000)，S2(Lo)为“0”(二进制值为0000)。
例如，将描述S1(ALL)为比S2(ALL)大“1”的“63”(二进制值为“111111”)的例子。此时，实际保持于第一存储器组121中的值S1(Lo)为“15”(二进制值为“1111”)，如果不执行数字处理，那么满足下式。
S1(Lo)-S2(Lo)＝15-0＝15
因此，不执行数字处理的情况下的两次AD转换结果之和所对应的行S1+S2(Simple)的值，满足下式。
2×S2(ALL)+S1(Lo)-S2(Lo)＝64×2+15＝143
该结果与作为S1+S2(期望值)的“127”不同。在这种情况下，与情况2相反，可能需要对延迟的数字处理通过下式定义diff。
diff＝S1(Lo)-S2(Lo)-24
作为使用diff的S1(ALL)+S2(ALL)的计算结果，延迟处理之后的S1(ALL)+S2(ALL)的值可表达为下式。
2×S2(ALL)+diff＝2×64+15-16＝127
因此，能够获取与S1+S2(期望值)匹配的结果。以上描述了S1(Lo)为“15”的情况，但是，在S1(Lo)处于“9”～“14”的范围中的情况下，可执行相同的处理。在S1(Lo)处于“0”～“7”的范围中的情况下不执行上述的数字处理。
关于被照体具有低亮度的情况下的光学信号的AD转换结果描述了数字处理。但是，可以对像素复位电平处的AD转换结果执行相同的处理。在数字处理结束之后，执行数字CDS处理可提供可从其去除包含于复位电平处的噪声的图像数据。上述的数字处理方法可在成像装置内的各存储器组的后级中被执行，也可通过成像装置的后级中的视频信号处理单元被执行。
如果被照体具有高亮度，那么不执行上述的数字处理，而执行将在下面描述的处理。
在S2转换中，当使用斜坡信号VRMP2时，该处理提供与斜坡信号VRMP1上的AD转换的增益等同的AD转换增益。当斜坡信号VRMP2的变化率为斜坡信号VRMP1的变化率的四倍时，执行S2×4。在S2信号从格雷码转换为二进制码之后，执行该处理。
如上所述，根据本示例性实施例，对从一个像素输出的像素信号执行多次AD转换。相加通过执行多次AD转换获取的AD转换结果可减少噪声。根据假定的噪声，与信号的所有位计数相比，该相加可减少第一存储器组121的位宽。与存储器的数量被设定为等于信号的所有位计数的情况相比，这可减少第一存储器组121内的存储器的数量。例如，在以上的例子中，11个存储器减少为4个存储器。因此，成像装置的部件的数量可减少。
以上描述了从计数器信号组输出的计数信号为格雷码，但它可以是格雷码以外的任何形式。例如，可以应用使用正常的二进制数字的二进制码。但是，由于在计数信号增大时仅改变格雷码的一个位，因此，计数信号的增加与比较器输出的改变之间的定时的位移的影响可较小。因此，格雷码可被应用于计数信号。
描述了第一存储器组121的位宽为4个位、第二存储器组122的位宽为11个位且通过计数信号组123表现的计数信号也为11个位，但本发明的实施例不限于此。换句话说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，位计数可以是任何任意值。更详细地说，位计数可如上面描述的那样被一般化。在第一和第二AD转换结果之间的差值的绝对值等于或低于2N-1[LSB](N是自然数)的情况下，第一存储器组121的位宽为N+1个位。在这种情况下，假定第二存储器组122的位宽和由计数信号组123表现的计数信号的位计数为比N+1高的M个位(这里，M是自然数)。在这种情况下，第一存储器组121保持计数信号组123的从最低有效位到第(N+1)位的值。第二存储器组122保持计数信号组123的从最低有效位到第M位的值。
在这种情况下，可通过使用N将上述的数字处理一般化，如下面将描述的那样。
情况1：-(2N-1)<S1(Lo)-S2(Lo)<(2N-1)→没有数字处理
情况2：S1(Lo)-S2(Lo)≤-(2N-1)
→执行数字处理(diff＝S1(Lo)-S2(Lo)+2N+1)
情况3：(2N-1)≤S1(Lo)-S2(Lo)
→执行数字处理(diff＝S1(Lo)-S2(Lo)-2N+1)
描述了成像装置被配置为执行两次AD转换且在两个存储器组中保持AD转换结果，但AD转换的次数和存储器组的数量不限于2。例如，可执行三次或更多次的AD转换，并且，AD转换结果可保持于三个或更多个存储器组中。
描述了通过多次AD转换获取的数字信号被相加，但是可用其它方法替代相加。例如，可以用将相加值除以相加信号的数量的平均处理替代上述的相加处理。
第四示例性实施例
本示例性实施例涉及应用根据第一到第三示例性实施例中的任一个的成像装置的成像系统。
例如，成像系统可以是数字静物照相机、数字摄像录像机或监视照相机。图6是示出成像装置被应用于作为成像系统的例子的数字静物照相机的情况的示意图。
图6所示的成像系统具有用于镜头保护的挡板151、用于将被照体的光学图像聚焦于成像装置154上的镜头152、以及用于调整穿过透镜152的光的量的光阑153。镜头152和光阑153构成将光收集到成像装置154的成像系统。图6所示的成像系统还具有被配置为处理来自成像装置154的输出信号的输出信号处理单元155。输出信号处理单元155被配置为执行包含根据需要进行校正或压缩并输出得到的信号的操作。
图6所示的成像系统还具有被配置为暂时存储图像数据的缓存器单元156和用于与例如外部计算机通信的外部接口单元157。成像系统还具有诸如半导体存储器的可拆卸地安装于其上面的写入和读出图像数据的记录介质159、以及可用于关于记录介质159进行写入和读取的记录介质控制接口158。固态成像系统还具有被配置为控制算术运算和整个数字静物照相机的一般控制/计算单元1510、以及被配置为向成像装置154和输出信号处理单元155输出定时信号的定时供给单元1511。这里，可从外面输入定时信号，并且，成像系统可至少具有成像装置154和被配置为处理来自成像装置154的输出信号的输出信号处理单元155。
与第一到第三示例性实施例同样，输出信号处理单元155可以是设置在成像装置外面的信号处理单元。
如上所述，本示例性实施例的成像系统应用成像装置154以执行成像操作。
给出上述的示例性实施例仅是为了解释说明本发明的具体实现例子，并且，应当理解，本发明的技术范围不是要被限制性地解释。换句话说，在不背离技术思想或主要特征的情况下，可对本发明提供各种变化。上述的示例性实施例可按各种方式被组合。
本发明可在AD转换所需要的时段的长度与动态范围的宽度之间实现适当的平衡。
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和等同的结构及功能。

Claims (20)

1.一种成像装置，该成像装置包括被配置为输出光学信号的像素、AD转换单元、被配置为向AD转换单元供给斜坡信号的基准信号供给单元、以及被配置为通过对时钟信号计数来产生计数信号的计数器，其特征在于，
其中，AD转换单元执行作为斜坡信号与光学信号之间的比较的第一比较，其中该斜坡信号具有以依赖于经过时间的第一变化率在第一振幅范围中改变的信号电平；
在斜坡信号与光学信号之间的大小关系在第一比较中改变的情况下，AD转换单元通过获取与从第一比较的开始到斜坡信号与光学信号之间的大小关系改变的变化对应的计数信号而产生第一数字信号，并且通过执行作为斜坡信号与光学信号之间的比较的第二比较而产生第二数字信号，其中该斜坡信号具有以依赖于经过时间的第二变化率在第二振幅范围中改变的信号电平；
在斜坡信号与光学信号之间的大小关系在第一比较中不改变的情况下，AD转换单元通过执行作为斜坡信号与光学信号之间的比较的第三比较而产生第三数字信号，其中该斜坡信号具有以大于第一变化率和第二变化率两者的、依赖于经过时间的第三变化率在大于第一振幅范围的第三振幅范围中改变的信号电平。
2.根据权利要求1所述的成像装置，其中，第一变化率和第二变化率相等。
3.根据权利要求1所述的成像装置，其中，第一振幅范围等于第三振幅范围的1/2N。
4.根据权利要求1所述的成像装置，其中，第三振幅范围大于第二振幅范围。
5.根据权利要求1所述的成像装置，其中，
AD转换单元进一步通过执行多个第四比较产生第四数字信号，其中，所述多个第四比较中的每一个都是噪声信号与具有以依赖于经过时间的第四变化率在第四振幅范围中改变的信号电平的斜坡信号之间的比较；以及
第四振幅范围小于第一振幅范围。
6.根据权利要求5所述的成像装置，其中，第四变化率等于第一变化率。
7.一种成像装置，该成像装置包括各自被配置为通过对光执行光电转换产生光学信号并且输出光学信号的像素、AD转换单元、被配置为向AD转换单元供给斜坡信号的基准信号供给单元、被配置为通过对时钟信号计数来产生计数信号的计数器、以及被配置为向AD转换单元输出作为通过以预定放大因子放大光学信号所获取的信号的放大信号的放大单元，其特征在于，
其中，AD转换单元执行作为斜坡信号与已在放大单元中以第一放大因子经受放大的第一放大信号之间的比较的第一比较；
在斜坡信号与第一放大信号之间的大小关系在第一比较中改变的情况下，AD转换单元通过获取与从第一比较开始到斜坡信号与第一放大信号之间的大小关系改变的时段对应的计数信号产生第一数字信号，并且通过执行作为斜坡信号与第一放大信号之间的比较的第二比较产生第二数字信号；
在斜坡信号与第一放大信号之间的大小关系在第一比较中不改变的情况下，AD转换单元通过执行作为斜坡信号与已在放大单元中以小于第一放大因子的第二放大因子经受放大的第二放大信号之间的比较的第三比较产生第三数字信号。
8.根据权利要求7所述的成像装置，其中，
放大单元进一步通过放大噪声信号来产生第三放大信号，
AD转换单元进一步通过执行作为第三放大信号与斜坡信号之间的比较的第四比较产生第四数字信号；以及
放大单元通过以第一放大因子放大噪声信号产生第三放大信号。
9.根据权利要求1所述的成像装置，其中，
与产生用于产生第二数字信号的计数信号的情况相比，计数器对时钟信号的计数结果执行到高阶位的位偏移，以产生用于产生第三数字信号的计数信号。
10.根据权利要求7所述的成像装置，其中，
与产生用于产生第二数字信号的计数信号的情况相比，计数器对时钟信号的计数结果执行到高阶位的位偏移，以产生用于产生第三数字信号的计数信号。
11.根据权利要求1所述的成像装置，其中，成像装置具有被配置为相加第一数字信号和第二数字信号的相加单元。
12.根据权利要求7所述的成像装置，其中，成像装置具有被配置为相加第一数字信号和第二数字信号的相加单元。
13.根据权利要求1所述的成像装置，其中，
所述多个像素被布置于多个行和多个列上；
第一存储器组和第二存储器组对所述多个列中的每一个被设置并且保持计数信号；
第一存储器组具有N+1位的位宽并且保持通过第一比较获取的计数信号的从最低有效位到第(N+1)位的值，这里，N为自然数；以及
第二存储器组具有大于N+1位的M位的位宽并且保持通过第二比较获取的计数信号的从最低有效位到第M位的值，这里，M为自然数。
14.根据权利要求7所述的成像装置，其中，
所述多个像素被布置于多个行和多个列上；
第一存储器组和第二存储器组对所述多个列中的每一个被设置并且保持计数信号；
第一存储器组具有N+1位的位宽并且保持通过第一比较获取的计数信号的从最低有效位到第(N+1)位的值，这里，N为自然数；以及
第二存储器组具有大于N+1位的M位的位宽并且保持通过第二比较获取的计数信号的从最低有效位到第M位的值，这里，M为自然数。
15.根据权利要求11所述的成像装置，其中，计数信号是包含多个位的格雷码。
16.根据权利要求13所述的成像装置，其中，
在第一比较中通过计数器输出的计数信号是(N+1)位格雷码；以及
在第二比较中通过计数器输出的计数信号是M位格雷码。
17.根据权利要求14所述的成像装置，其中，
在第一比较中通过计数器输出的计数信号是(N+1)位格雷码；以及
在第二比较中通过计数器输出的斜坡信号是M位格雷码。
18.一种成像系统，包括：
根据权利要求1～13中的任一项所述的成像装置；以及
被配置为通过处理从成像装置输出的信号来产生图像的信号处理单元。
19.根据权利要求18所述的成像系统，其中，成像装置向信号处理单元输出第一数字信号和第二数字信号；以及
信号处理单元将第一数字信号和第二数字信号相加。
20.一种成像系统，包括：
根据权利要求5、6和8中的任一项所述的成像装置；以及
信号处理单元，被配置为产生从执行了第二比较的AD转换单元输出的第一数字信号与第四数字信号之间的差值，并且产生从执行了第三比较的AD转换单元输出的第二数字信号与第四数字信号之间的差值，以产生图像。
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