CN107079116B - 摄像元件、驱动方法和电子装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及能够更快速地获取高质量图像的成像设备、驱动方法、以及电子装置。在固态成像设备的像素中，对入射光执行光电转换的光电转换单元被布置。电荷/电压转换单元将通过光电转换所获取的电荷转换为电压信号。信号比较器对所供应的参考信号与由电荷/电压转换单元所获取的电压信号进行比较，并且输出比较的结果。存储单元存储根据基于从信号比较器输出的比较的结果所获取的控制信号，来改变电荷/电压转换单元的转换效率。本发明可以被应用到固态成像设备。

Description

摄像元件、驱动方法和电子装置
技术领域
本发明涉及成像设备、驱动方法和电子装置，并且更具体地，涉及能够更快速地获取高质量图像的成像设备、驱动方法和电子装置。
背景技术
通常，已知固态成像设备通过下述操作来获取图像：接收从对象入射到每个像素的光，对接收到的光执行光电转换，并且从每个像素中读取作为光电转换的结果所获取的电荷。
在使用这类固态成像设备捕获图像的情形中，当高亮度区域和低亮度区域一起存在于作为成像目标的对象中时，存在下述这样的情形：在所捕获的图像中发生所谓的曝光过度或曝光不足。
因此，已经提出了一种技术，其中，第一电荷累积单元和第二电荷累积单元被布置在固态成像设备的像素内，并且使得第二电荷累积单元用作电容器，该电容器接收无法在第一电荷累积单元中累积的电荷，换言之，溢出信号(例如，参见专利文件1)。
在这类固态成像设备中，在低亮度时电荷仅被累积在第一电荷累积单元中，并且在高亮度时电荷被累积在第一电荷累积单元和第二电荷累积单元这二者中，从而实现图像的动态范围的增加。换言之，曝光过度或曝光不足被抑制。
引用列表
专利文件
专利文件1：日本专利申请公开No.2013-21533
发明内容
发明要解决的问题
然而，根据上面所述的技术，尽管动态范围被保证，并且可以获取高质量图像，但是针对高亮度的信号和针对低亮度的信号之一被选择，并且因此，读取由成像处理所获取的信号要花费时间。换言之，由于对复位电平的读取和对信号电平的读取中的每一者被执行两次，因此图像无法被快速地获取。
本发明鉴于这类情况并且能够实现更快速地获取高质量图像。
问题的解决方案
本发明的第一方面的成像设备包括：光电转换单元，该光电转换单元对入射光执行光电转换；电荷/电压转换单元，该电荷/电压转换单元利用预定转换效率将通过光电转换所获取的电荷的一部分或全部转换为电压信号；以及信号比较单元，该信号比较单元对电压信号与具有预定电压的参考信号进行比较，其中，转换效率根据由信号比较单元所执行的比较的结果被改变。
可以配置为使得成像设备包括多个像素，并且每个像素包括光电转换单元和电荷/电压转换单元。
成像设备还可以包括存储单元，该存储单元存储基于比较的结果所确定的控制信号，并且基于所存储的控制信号来改变转换效率。
可以配置为使得成像设备还包括电容器，该电容器对光电转换单元中溢出的电荷进行累积，并且存储单元基于控制信号通过将电容器连接到电荷/电压转换单元来改变转换效率。
可以配置为使得信号比较单元在光电转换单元的曝光之后，在从光电转换单元转移的电荷被累积在电荷/电压转换单元中的状态下，对电压信号与参考信号进行比较，并且存储单元在曝光之后，在与电荷/电压转换单元中累积的电荷相对应的电压信号作为信号电平被获取之前改变转换效率。
可以配置为使得还包括接纳单元，该接纳单元基于电压信号和斜坡形状的参考信号之间的比较的结果来获取信号电平的数字值，并且信号比较单元在转换效率被改变之后，在从光电转换单元转移的电荷被累积在电荷/电压转换单元中的状态下，对电压信号与斜坡形状的参考信号进行比较。
接纳单元可以基于比较的结果通过接纳从外部供应的计数信号来获取信号电平的数字值。
可以配置为使得信号比较单元，在电荷/电压转换单元被复位到预定电压的复位状态下，对电压信号与斜坡形状的参考信号进行比较，并且接纳单元还基于复位状态下的比较的结果来获取复位电平的数字值。
可以配置为使得接纳单元输出针对多个互不相同的转换效率所获取的复位电平的数字值和信号电平的数字值，并且存储单元输出表示根据控制信号确定的变化之后的转换效率的确定信号。
可以配置为使得成像设备包括多个像素，并且每个像素包括光电转换单元、电荷/电压转换单元、以及信号比较单元。
可以配置为使得成像设备包括多个像素，并且每个像素包括光电转换单元、电荷/电压转换单元、信号比较单元、以及存储单元。
可以配置为使得成像设备包括多个像素，并且每个像素包括光电转换单元、电荷/电压转换单元、信号比较单元、以及存储单元，输出处于从光电转换单元转移的电荷被累积在电荷/电压转换单元中的状态的电压信号的模拟值，并且输出针对多个互不相同的转换效率中的每个转换效率所获取的处于电荷/电压转换单元被复位到预定电压的复位状态的电压信号的模拟值，并且存储单元输出表示根据控制信号确定的变化之后的转换效率的确定信号。
在成像设备中，将从光电转换单元转移的电荷保持到电荷/电压转换单元的电荷保持单元还可以被包括在光电转换单元和电荷/电压转换单元之间，
可以配置为使得信号比较单元紧随在将电荷从光电转换单元转移到电荷/电压转换单元之后对电压信号与参考信号进行比较，并且存储单元在将电荷转移到电荷/电压转换单元之后，在与电荷/电压转换单元中累积的电荷相对应的电压信号作为信号电平被获取之前改变转换效率。
存储单元可以基于控制信号通过将电容器连接到电荷/电压转换单元来改变转换效率。
信号比较单元和存储单元可以被布置在成像设备的像素外部。
成像设备还可以包括像素信号计算单元，该像素信号计算单元在转换效率被改变之后，通过基于在从光电转换单元转移的电荷被累积在电荷/电压转换单元中的状态下对电压信号与斜坡形状的参考信号进行比较所获取的比较的结果获取信号电平、以及在电荷/电压转换单元被复位到预定电压的复位状态下对电压信号与斜坡形状的参考信号进行比较所获取的比较的结果来获取复位电平来计算由信号电平和复位电平所形成的像素信号。
像素信号计算单元可以通过使用根据控制信号在针对多个互不相同的转换效率所获取的复位电平中指定的复位电平和信号电平来计算像素信号。
本发明的第一方面的驱动方法是一种驱动成像设备的方法，该成像设备包括：光电转换单元，该光电转换单元对入射光执行光电转换；电荷/电压转换单元，该电荷/电压转换单元利用预定转换效率将通过光电转换所获取的电荷的一部分或全部转换为电压信号；以及信号比较单元，该信号比较单元对电压信号与具有预定电压的参考信号进行比较，该方法包括：通过使用电荷/电压转换单元来将从光电转换单元转移的电荷转换为电压信号；通过使用信号比较单元来对电压信号与参考信号进行比较；以及根据使用信号比较单元的比较的结果来改变转换效率。
根据本发明的第一方面，在成像设备中，该成像设备包括：光电转换单元，该光电转换单元对入射光执行光电转换；电荷/电压转换单元，该电荷/电压转换单元利用预定转换效率将通过光电转换所获取的电荷的一部分或全部转换为电压信号；以及信号比较单元，该信号比较单元对电压信号与具有预定电压的参考信号进行比较，从光电转换单元转移的电荷由电荷/电压转换单元转换为电压信号，电压信号与参考信号被互相比较，并且转换效率根据比较的结果被改变。
根据本发明的第二方面的电子装置包括：光电转换单元，该光电转换单元对入射光执行光电转换；电荷/电压转换单元，该电荷/电压转换单元利用预定转换效率将通过光电转换所获取的电荷的一部分或全部转换为电压信号；以及信号比较单元，该信号比较单元对电压信号与具有预定电压的参考信号进行比较，其中，转换效率根据由信号比较单元所执行的比较的结果被改变。
根据本发明的第二方面，在电子装置中，该电子装置包括：光电转换单元，该光电转换单元对入射光执行光电转换；电荷/电压转换单元，该电荷/电压转换单元利用预定转换效率将通过光电转换所获取的电荷的一部分或全部转换为电压信号；以及信号比较单元，该信号比较单元对电压信号与具有预定电压的参考信号进行比较，转换效率根据由信号比较单元所执行的比较的结果被改变。
本发明的有益效果如下：
根据本发明的第一方面和第二方面，可以更快速地获取高质量图像。
注意，有益效果不一定限于本文所描述的效果，而是可以是本公开中所描述的任意效果。
附图说明
图1是示出了固态成像设备的配置的示例的图示。
图2是示出了固态成像设备的像素的配置的示例的图示。
图3是示出了固态成像设备的像素的配置的示例的图示。
图4是示出了固态成像设备的配置的示例的图示。
图5是示出了固态成像设备的像素的配置的示例的图示。
图6是示出了成像处理的时序图。
图7是示出了固态成像设备的像素的配置的示例的图示。
图8是示出了固态成像设备的配置的示例的图示。
图9是示出了固态成像设备的像素的配置的示例的图示。
图10是示出了固态成像设备的配置的示例的图示。
图11是示出了固态成像设备的配置的示例的图示。
图12是示出了固态成像设备的配置的示例的图示。
图13是示出了成像处理的时序图。
图14是示出了成像装置的配置的示例的图示。
具体实施方式
在下文中，将参照附图描述本发明的实施例。
<本发明的概览>
<实现本发明的电路的配置的示例>
本发明涉及固态成像设备，例如互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，例如包括被形成在芯片(半导体基板)上的像素阵列单元和被集成在芯片上的外围电路。在下文中，由固态成像设备所捕获的图像将被称为捕获图像。
在根据本发明的固态成像设备的像素阵列单元中，单元像素(在下文中，简称为像素)在行方向(水平方向)和列方向(垂直方面)被安排，换言之，单元像素按矩阵模式被二维地安排，其中每个像素包括对来自对象的入射光执行光电转换的光电转换单元。此外，在固态成像设备中，还布置有电荷/电压转换单元，该电荷/电压转换单元将由光电转换单元所获取的电荷转换为电压信号，并且在电荷/电压转换单元中，将电荷转换为电压信号的效率在多个阶段中被改变。
例如，在高亮度区域和低亮度区域一起存在于作为成像目标的对象的情形中，当电荷/电压转换单元针对所有像素的转换效率被设置为适用于高亮度的转换效率时，低亮度区域曝光不足。相反，当电荷/电压转换单元针对所有像素的转换效率被设置为适用于低亮度的转换效率时，高亮度区域曝光过度。
因此，在本发明中，通过根据由光电转换单元针对每个像素所获取的电荷量(换言之，信号量)来适应性地改变电荷/电压转换单元的转换效率，高质量图像可以更快速地被获取。换言之，通过将转换效率设置为针对每个像素是可改变的，曝光不足或曝光过度的发生可以被抑制。此外，通过根据信号量来适应性地改变电荷/电压转换单元的转换效率，读取电压信号的次数被减少，从而捕获图像可以更快速地被获取。
本发明由例如图1中所示的电路配置实现。
图1示出了对根据本发明的固态成像设备11的一部分进行配置的电路，并且在该示例中，在固态成像设备11中，光电转换单元21、传输单元22、电荷/电压转换单元23、信号比较器24、以及存储单元25被布置。
上面所述的光电转换单元21至存储单元25被布置在与配置固态成像设备11的芯片相同的芯片上或被布置在多个堆叠芯片上。此外，例如，光电转换单元21至电荷/电压转换单元23被布置在固态成像设备11中所布置的多个像素中的每个像素中。此外，信号比较器24和存储单元25可以被布置在每个像素中或可以被布置为对数个像素(换言之，数个光电转换单元21)共有。
光电转换单元21例如是由光电二极管等形成的，并且根据入射光的量(换言之，通过对从成像目标入射的光执行光电转换而接收到的光的量)生成电荷。传输单元22将由光电转换单元21所获取的电荷发送到电荷/电压转换单元23。在此，可以布置两个或更多个传输单元22。
电荷/电压转换单元23对通过传输单元22从光电转换单元21供应的电荷进行累积，利用预定转换效率将所累积的电荷的一部分或全部转换为表示信号量的电压信号，并且将经转换的电压信号供应给信号比较器24。电荷/电压转换单元23具有下述配置：其中，可以在两个或更多个步骤中执行对转换效率的切换。
信号比较器24将从外部供应的参考信号与从电荷/电压转换单元23供应的电压信号进行比较，并且输出比较的结果。
在固态成像设备11中，基于从信号比较器24输出的比较的结果或从电荷/电压转换单元23输出的电压信号，表示由每个像素所获取的信号量的像素信号(像素值)被生成，并且由像素的像素信号所形成的捕获图像的图像信号被获取。
此外，由信号比较器24所获取的比较的结果还被供应给存储单元25。存储单元25是由N位存储器等形成的，并且对从信号比较器24供应的比较的结果进行存储，并且更具体地，对用于根据比较的结果切换转换效率的控制信号进行存储。此外，通过向电荷/电压转换单元23供应所存储的控制信号，存储单元25改变电荷/电压转换单元23的转换效率。换言之，使用控制信号来控制电荷/电压转换单元23的转换效率中的变化。
按这种方式，在固态成像设备11中，电荷/电压转换单元23的转换效率基于从电荷/电压转换单元23输出的表示信号量的电压信号是高于参考信号还是低于参考信号来进行适应性改变。
<第一实施例>
<像素的配置的示例>
接下来，将描述根据本发明的实施例的固态成像设备。
在根据该实施例的固态成像设备中，例如，如图2中所示，上面所述的光电转换单元21至存储单元25被布置用于每个像素。注意，在图2中，相同的参考数字被分配给与图1中所示情形的部分相对应的部分，并且在适当的情况下将不呈现其中的描述。
图2是示出被布置在根据本发明的固态成像设备51的像素内的电路的一部分的图示。在该示例中，被布置在固态成像设备51内的像素61包括光电转换单元21、传输单元22、电荷/电压转换单元23、信号比较器24、以及存储单元25。这类设备的连接关系和操作如图1中所示的示例中所示。此外，在该示例中，仅示出了光电转换单元21至存储单元25，其它电路等被包括在像素61内。此外在该示例中，可以布置多个传输单元22。
在固态成像设备51的像素阵列单元中，以矩阵模式安排多个像素61。
<第一实施例的经修改的示例1>
<像素的配置的示例>
此外，可以使用图2中所示出的像素61中布置的信号比较器24来执行对电压信号的模拟-数字(AD)转换。在这类情形中，在信号比较器24的输出侧，还布置有例如用于锁存在外部被计数的计数信号的机制、递增-递减计数器等，并且电压值关于时间以斜坡形状改变的信号作为参考信号在执行AD转换时被供应给信号比较器24。
例如，诸如存储器之类的存储单元被布置在信号比较器24的输出侧，在通过锁存从外部计数器被发送到每个像素61的计数信号来实现AD转换的情形中，像素61具有图3中所示的配置。注意，在图3中，相同的参考数字被分配给与图2中所示情形的部分相对应的部分，并且在适当的情况下将不呈现其中的描述。
在图3中所示的示例中，在固态成像设备51的像素61中，除光电转换单元21至存储单元25外，还布置有存储单元91。
存储单元91例如是由M位存储器等形成的并且被连接到信号比较器24的输出侧端子和输出信号线92。存储单元91基于从信号比较器24供应的比较的结果，锁存(接纳)通过输出信号线92从外部供应的计数信号。在此时，临时被存储在存储单元91中的计数信号(换言之，经锁存的计数信号)具有通过对表示电荷/电压转换单元23的信号量的电压信号执行AD转换所获取的值。
当根据用于选择由在行方向对准的多个像素61所形成的像素行的控制信号WORD来选择其中布置有存储单元91的像素61时，存储单元91将所存储的(所保持的)值作为输出电压信号输出到输出信号线92，输出电压信号是通过对从电荷/电压转换单元23输出的电压信号以及转换效率切换的应用信息的信号执行AD转换所获取的。
<成像设备的配置的示例>
随后，将描述如参照图3所述的信号比较器24还被用于AD转换的情形的固态成像设备51的更具体的实施例。
图4是示出固态成像设备51的具体配置的示例的图示。注意，在图4中，相同的参考数字被分配给与图3中所示情形的部分相对应的部分，并且在适当的情况下将不呈现其中的描述。
在图4中所示的固态成像设备51中，像素阵列单元121、计数器122、参考信号供应单元123、垂直驱动电路124、读出电路125、信号处理单元126、以及输入/输出单元127被布置在一个芯片上。
在像素阵列单元121中，具有与图3中所示的像素61的配置类似的配置的多个像素131被安排。注意，在图4中，尽管在像素阵列单元121中仅示出了一个像素131，但是实际上布置有多个像素131。
像素阵列单元121中所布置的每个像素131通过输出信号线92被连接到计数器122和读出电路125，并且例如，图中在垂直方向(换言之，在列上(垂直方向))对准的多个像素131被连接到一个输出信号线92。
此外，图中在水平方向(换言之，行方向(水平方向))对准的多个像素131通过控制线(在水平方向是长的)被连接到参考信号供应单元123。此外，在行方向对准的多个像素131还通过另一控制线(在水平方向是长的)被连接到垂直驱动电路124。
计数器122例如是由格雷码计数器等形成的，并且通过输出信号线92向像素131供应计数信号(时钟信号)。参考信号供应单元123通过控制信号向像素131供应参考信号。
例如，当将电压信号与用于确定转换效率的参考信号进行比较时，参考信号供应单元123向像素131供应为恒定电压(也称为确定电平)的参考信号。与此相比，当AD转换被执行用于获取像素信号时，参考信号供应单元123将具有电压关于时间线性减少的斜坡形状的信号(在下文中，也简称为斜坡)作为参考信号供应给像素131。
通过经由控制线向像素131供应控制信号WORD，垂直驱动电路124以行为单位选择像素131。读出电路125通过输出信号线92从像素131中读取经AD转换的信号，并且向信号处理单元126供应所读取的信号。
信号处理单元126通过以从读出电路125供应的信号为基础进行计算，来计算每个像素131的像素信号，从而获取从每个像素131的获取的像素信号形成的捕获图像的图像信号。此外，针对所获取的图像信号，信号处理单元126执行各种图像处理，例如黑电平调整、马赛克等，并且将产生的信号供应给输入/输出单元127。
输入/输出单元127被连接到芯片外的后续阶段的块，并且向/从所连接的块发送/接收信息。例如，输入/输出单元127向后续阶段的块输出从信号处理单元126供应的捕获图像的图像信号。
在具有这类配置的固态成像设备51中，例如，AD转换被执行用于复位电平，复位电平是在计算像素信号时用作参考的电平，并且在像素131接收到来自对象的光时所获取的信号电平、以及经转换的电平被供应给读出电路125。
在此，复位电平是由处于复位状态的电荷/电压转换单元所获取的电压信号的电平(电压)，在复位状态下，电荷/电压转换单元被复位(初始化)到预定电压。此外，信号电平是由处于下述状态的电荷/电压转换单元所获取的电压信号的电平(电压)：其中，由光电转换单元所获取的电荷的一部分或全部被累积在电荷/电压转换单元中。
在固态成像设备51中，在像素131内，电压信号作为复位电平被获取，并且针对所获取的电压信号基于从参考信号供应单元123供应的参考信号和从计数器122供应的计数信号执行AD转换。然后，当使用控制信号WORD选择像素131时，经AD转换的复位电平通过读出电路125被供应给信号处理单元126。
此外，在像素131中，在曝光像素131后，将根据像素131中累积的电荷的电压信号与参考信号(确定电平)进行比较，然后，在适应性地改变转换效率后，电压信号作为信号电平被获取。然后，针对所获取的电压信号基于从参考信号供应单元123供应的参考信号和从计数器122供应的计数信号执行AD转换，并且当使用控制信号WORD选择像素131时，经AD转换的信号电平通过读出电路125被供应给信号处理单元126。
在信号处理单元126中，基于由读出电路125所读取的复位电平和信号电平来计算像素信号。
注意，在图4中所示的固态成像设备51中，未示出各种各样的用于对像素131中的转换效率进行初始化和对信号比较器进行控制的驱动器、控制线等。此外，图4中所示的配置是像素阵列单元121和其外围电路的安排的示例，但本发明不限于此。
<像素的配置的示例>
如更详细描述的，图4中所示的像素131例如被配置为如图5中所示。此外，在图5中，相同的参考数字被分配给与图3中所示情形的部分相对应的部分，并且在适当的情况下将不呈现其中的描述。
图5中所示的像素131包括光接收单元161、信号比较器162、存储单元163、以及存储单元164。
在该示例中，光接收单元161接收来自对象的光，对接收到的光进行光电转换，并且输出与所获取的电荷相对应的电压信号。在此，信号比较器162例如与图3中所示的信号比较器24相对应，并且存储单元163和存储单元164分别与图3中所示的存储单元25和存储单元91相对应。此外，光接收单元161和信号比较器162共享一部分元件。
光接收单元161包括光电转换单元21、转移晶体管171、电荷放电晶体管172、晶体管173、电容器174、晶体管175、电荷/电压转换单元176、放大晶体管177、以及复位晶体管178。
转移晶体管171被布置在光电转换单元21和电荷/电压转换单元176之间，并且例如与图3中所示的传输单元22相对应。例如，当供应给转移晶体管171的栅电极的驱动信号TG1变为高电平时，转移晶体管171处于导电状态(换言之，On状态)，并且转移晶体管171将光电转换单元21中所累积的电荷转移到电荷/电压转换单元176。
电荷放电晶体管172被连接到光电转换单元21，并且当供应给电荷放电晶体管172的栅电极的驱动信号OFG变为高电平时，将光电转换单元21中所累积的电荷放电到外部。
晶体管173的源极/漏极区域中的一个区域被连接到光电转换单元21和电荷放电晶体管172，并且晶体管173的源极/漏极区域中的另一区域被连接到电容器174。为恒定电压的驱动信号TG2恒定地被供应给晶体管173的栅电极，并且晶体管173用作用于将从光电转换单元21溢出的电荷发送到电容器174的溢出路径。
电容器174被连接到晶体管173和晶体管175，并且对通过晶体管173从光电转换单元21转移的电荷进行累积。换言之，电容器174对从光电转换单元21溢出的电荷进行累积。
晶体管175被布置在电容器174和电荷/电压转换单元176之间，并且当供应给晶体管175的栅电极的控制信号Gain处于高电平时，晶体管175处于On状态并且电连接电容器174和电荷/电压转换单元176。
换言之，在控制信号Gain处于低电平的情形中，形成电容器174和电荷/电压转换单元176彼此电分离的状态。与此相比，在控制信号Gain处于高电平的情形中，形成电容器174和电荷/电压转换单元176彼此电连接的状态，并且电容器174的电荷存储电容被添加到电荷/电压转换单元176。
电荷/电压转换单元176包括寄生电容C11并且被连接到转移晶体管171的源极/漏极区域、晶体管175的源极/漏极区域、复位晶体管178的源极/漏极区域、以及放大晶体管177的栅电极。
电荷/电压转换单元176是浮动传播区域，其对通过转移晶体管171从光电转换单元21转移的电荷进行累积，将所累积的电荷转换为电压信号，并且输出经转换的电压信号。
例如，在控制信号Gain处于低电平的情形中，电容器174和电荷/电压转换单元176彼此电分离，并且电荷/电压转换单元176的电荷累积电容仅是寄生电容C11。在该状态下，电荷/电压转换单元176中电荷到电压信号的转换效率为高并且处于高增益状态。
与此相比，在控制信号Gain处于高电平的情形中，形成电容器174被电连接到电荷/电压转换单元176的状态，并且电荷/电压转换单元176的电荷累积电容增长与电容器174相对应的量。在这类情形中，改变电荷/电压转换单元176的电势所需的电荷量增加，并且相应地，电荷/电压转换单元176中的转换效率降低并且处于低转换效率(换言之，低增益)状态。
在像素131中，电荷/电压转换单元176与图3中所示的电荷/电压转换单元23所对应，并且转换效率随着电容器174被连接到电荷/电压转换单元176而改变。
放大晶体管177将由电荷/电压转换单元176所获取的电压信号作为电流信号输出。
复位晶体管178的源极/漏极区域中的一个区域被连接到电荷/电压转换单元176，并且复位晶体管178的源极/漏极区域中的另一区域被连接到放大晶体管177的源极/漏极区域。
当供应给复位晶体管178的栅电极的驱动信号RST处于高电平时，复位晶体管178处于On状态并且初始化电荷/电压转换单元176和信号比较器162。
此外，信号比较器162将从光接收单元161供应的电压信号与从参考信号供应单元123供应的参考信号REF进行比较，并且向存储单元163和存储单元164输出比较的结果。
信号比较器162由被布置在第一阶段上的差分放大器181、被布置在第二阶段上的正反馈(PFB)电路182、以及被布置在输出侧的逆变器183来配置。
在差分放大器181中，作为光接收单元161的一部分的放大晶体管177和复位晶体管178、晶体管191、晶体管192、晶体管193、晶体管194、晶体管195、以及晶体管196被布置。
晶体管191的一个源极/漏极区域接地，并且晶体管191的另一源极/漏极区域被连接到放大晶体管177和晶体管192。此外，为恒定电压的电压信号Vb被供应给作为电流源的晶体管191的栅电极。注意，在下文中，应用到晶体管191的栅电极的电压还将称为电压Vb。
晶体管192被布置在晶体管191和放大晶体管177与晶体管193之间，并且参考信号REF被供应给晶体管192的栅电极。此外，放大晶体管177生成与电压差相对应的电流信号，该电压差是连接到栅电极的电荷/电压转换单元176中累积的电荷量(换言之，电压)和供应给与放大晶体管177形成对的晶体管192的栅电极的参考信号REF的电压之间的电压差。因此，与由放大晶体管177生成的电流信号相对应的电压信号被输出到后续阶段的PFB电路182。
晶体管193是由pMOS晶体管形成的，并且被布置在晶体管192和晶体管195之间。晶体管193的栅电极接地，并且晶体管193处于恒定On状态。
晶体管194是由pMOS晶体管形成的。晶体管194的一个源极/漏极区域被连接到晶体管196的源极/漏极区域和PFB电路182的输入侧，并且晶体管194的另一源极/漏极区域被连接到放大晶体管177的源极/漏极区域和复位晶体管178的源极/漏极区域。此外，晶体管194的栅电极被连接到PFB电路182的输出侧，并且晶体管194对信号比较器162执行功率控制。
晶体管195是由pMOS晶体管形成的并且通过晶体管193被连接到晶体管192。晶体管196是由pMOS晶体管形成的并且通过晶体管194被连接到放大晶体管177和复位晶体管178。
此外，晶体管195的栅电极和晶体管196的栅电极被连接，并且晶体管195的被布置在晶体管193侧的源极/漏极区域还被连接到晶体管195的栅电极。在差分放大器181中，电流镜电路由晶体管195和晶体管196配置。
按这种方式配置的差分放大器181对由电荷/电压转换单元176所获取的电压信号与参考信号REF进行比较，并且向PFB电路182输出比较的结果。换言之，与由电荷/电压转换单元176所获取的电压信号和参考信号REF之间的差异相对应的电压信号(电流)作为比较的结果被输出。
PFB电路182通过对从差分放大器181供应的比较的结果应用正反馈来增加信号比较器162的运行速度，并且向逆变器183供应比较的结果。
在PFB电路182中，晶体管197、晶体管198、晶体管199、以及晶体管200被布置。
晶体管197是由pMOS晶体管形成的，并且晶体管197的栅电极被连接到晶体管196的被布置在晶体管194侧的源极/漏极区域。此外，晶体管198是由pMOS晶体管形成的，晶体管198的源极/漏极区域中的一个区域被连接到晶体管197的源极/漏极区域，并且晶体管198的源极/漏极区域中的另一区域被连接到晶体管199的栅电极。
用于电连接晶体管197的源极/漏极区域和晶体管199的栅电极的驱动信号INI2被供应给晶体管198的栅电极。当驱动信号INI2处于低电平时，晶体管198处于On状态，并且晶体管197和晶体管199彼此连接。
晶体管199的一个源极/漏极区域接地，并且晶体管199的另一源极/漏极区域被连接到晶体管197的栅电极和晶体管196的被布置在晶体管194侧的源极/漏极区域。
此外，晶体管194的栅电极和晶体管200被连接到晶体管198的被布置在晶体管199侧的源极/漏极区域。用于初始化PFB电路182的驱动信号INI被供应给晶体管200的栅电极，并且当驱动信号INI处于高电平时，PFB电路182被复位。
此外，逆变器183和存储单元163被连接到晶体管198的被布置在晶体管199侧的源极/漏极区域。逆变器183将从晶体管198供应的电压信号(在下文中，也称为电压信号PFBO)(换言之，由差分放大器181所执行的比较的结果)进行逆变，并且将经逆变的电压信号供应给存储单元164。
在此，在由电荷/电压转换单元176所获取的电压信号高于(大于)参考信号REF的情形中，低电平的电压信号VCO从逆变器183中被输出。另一方面，在由电荷/电压转换单元176所获取的电压信号低于(小于)参考信号REF的情形中，高电平的电压信号VCO从逆变器183中被输出。
存储单元163被供应有表示来自晶体管198的比较的结果的电压信号PFBO，存储与电压信号PFBO相对应的控制信号Gain，并且向晶体管175的栅电极供给控制信号Gain。存储单元163通过经由使用控制信号Gain导通或断开晶体管175，来将电容器174连接到电荷/电压转换单元176或将电容器174从电荷/电压转换单元176断开，从而控制转换效率的切换。
此外，存储单元163向输出信号线92输出表示控制信号Gain的状态(换言之，高增益(高转换效率)状态或低增益(低转换效率)状态)的增益确定信号。
存储单元163包括开关211、或非门212、逆变器213、开关214、晶体管215、以及晶体管216。
当所供应的驱动信号GTR变为高电平时，开关211导通并且向或非门212的输入端子供应从晶体管198供应的电压信号PFBO。另一方面，当驱动信号变为低电平时，开关211断开。
或非门212向开关214和逆变器213供应控制信号Gain，该控制信号Gain具有使用输入控制信号HGFIX和从开关211供应的电压信号PFBO或从逆变器213供应的信号来确定的值。换言之，从或非门212输出的控制信号Gain通过开关214被供应给晶体管175的栅电极。驱动信号GTR被供应给该开关214。当所供应的驱动信号GTR处于高电平时，开关214断开，当驱动信号GTR处于低电平时，开关214导通。
当所供应的驱动信号GTR处于低电平时，逆变器213运行，对从或非门212供应的控制信号Gain进行逆变，并且向晶体管215的栅电极和或非门212供应经逆变的控制信号。
因此，在驱动信号GTR处于高电平的情形中，从开关211供应的电压信号PFBO被供应给或非门212的输入端子。另一方面，在驱动信号GTR处于低电平的情形中，从逆变器213供应的经逆变的控制信号被供应给或非门212的输入端子。
晶体管215根据从逆变器213供应到晶体管215的栅电极的电压信号(换言之，经逆变的控制信号Gain)来输出增益确定信号。晶体管215的源极/漏极区域中的一个区域接地，并且晶体管215的源极/漏极区域中的另一区域被连接到晶体管216的源极/漏极。
根据从外部供应到晶体管216的栅电极的控制信号WORD，晶体管216向输出信号线92输出从晶体管215供应的增益确定信号。根据控制信号WORD输出的增益确定信号是表示必要变化之后的转换效率的信号。
存储单元164是由多个D锁存电路形成的，并且根据从信号比较器162的逆变器183供应的电压信号VCO来锁存(接纳)通过输出信号线92从计数器122供应的计数信号，从而获取经AD转换的复位电平或信号电平。此外，存储单元164在AD转换后通过输出信号线92向读出电路125输出所获取的复位电平或信号电平。
对存储单元164进行配置的每个D锁存电路包括晶体管221、晶体管222、以及晶体管223。
逆变器183被连接到晶体管221的栅电极。输出信号线92被连接到晶体管221的源极/漏极区域中的一个区域，并且晶体管222的栅电极被连接到晶体管221的源极/漏极区域中的另一区域。此外，寄生电容C12存在于晶体管221的源极/漏极区域与晶体管222的栅电极之间。此外，在区域中存在空间的情形中，可以在晶体管221的源极/漏极区域与晶体管222的栅电极之间布置电容器而非寄生电容C12。
当从逆变器183供应到栅电极的电压信号VCO处于高电平时，晶体管221处于On状态，并且向寄生电容C12供应通过输出信号线92从计数器122供应的计数信号。
从在每个D锁存电路的寄生电容C12中被保持为电荷的计数信号形成的信号在AD转换后处于复位电平或信号电平。换言之，每个D锁存电路的寄生电容C12保持与复位电平或信号电平中的一位相对应的信号。
晶体管222的一个源极/漏极区域接地，并且晶体管222的另一源极/漏极区域被连接到晶体管223的源极/漏极区域。晶体管222输出与寄生电容C12中保持的计数信号(电荷)相对应的信号。晶体管223的源极/漏极区域中的一个区域被连接到输出信号线92，并且晶体管223的源极/漏极区域中的另一区域被连接到晶体管222的源极/漏极区域。
晶体管223根据从外部供应到晶体管223的栅电极的控制信号WORD输出从晶体管222供应到输出信号线92的信号。
<成像处理的描述>
随后，将描述图4中所示的固态成像设备51的操作。
当成像指示被执行时，固态成像设备51通过驱动固态成像设备51的每个单元来执行成像处理，并且输出所获取的捕获图像。在下文中，将参照图6中所示的时序图来描述由固态成像设备51所执行的成像处理。
注意，在图6中，水平方向表示时间，并且垂直方向表示电势(电压)。具体地，在附图中，信号等向上凸出的状态表示高电平状态，并且信号等向下凸出的状态表示低电平状态。
在图6中，折线L11至L19表示驱动信号OFG、驱动信号RST、驱动信号TG1、驱动信号INI、驱动信号INI2、控制信号HGFIX、驱动信号GTR、控制信号Gain、以及参考信号REF的波形。此外，为虚线的曲线120表示电荷/电压转换单元176的电压(在下文中，也称为电压FD)，换言之，表示由电荷/电压转换单元176所获取的电压信号。
此外，折线L21至L24分别表示计数信号BITXn、电压信号PFBO、电压信号VCO、以及控制信号WORD。计数信号BITXn是从计数器122输出的计数信号。折线125表示输出信号线92的电势Coln，换言之，表示通过输出信号线92读取的复位电平或信号电平。
当成像处理被启动时，首先，在时间t1处，驱动信号RST被设置为高电平，复位晶体管178导通，并且电荷/电压转换单元176和差分放大器181被初始化为预定电压。此外，驱动信号INI和驱动信号INI2被设置为高电平，晶体管198断开，并且晶体管200导通，从而PFB电路182被初始化。在此时，晶体管194变为On状态。
此外，供应给或非门212的控制信号HGFIX被设置为高电平状态。在控制信号HGFIX处于高电平的状态下，控制信号Gain变为低电平。因此，在像素131中，形成电容器174与电荷/电压转换单元176电隔离的状态，换言之，形成高增益状态。
随后，驱动信号RST被设置为低电平，复位晶体管178断开，并且相应地，差分放大器181的阈值变化被存储。换言之，参考信号REF和电荷/电压转换单元176的电压FD变得相同，并且每个差分放大器181的变化的影响消失。
此外，在时间t2处，在驱动信号INI2被设置为低电平，并且晶体管198导通后，驱动信号INI被设置为低电平，并且初始化被释放。此外，通过将供应给晶体管192的参考信号REF的电平升高到预定电平，参考信号供应单元123为AD转换的启动做准备。
此外，在要求曝光调整的情形中，在驱动信号OFG被设置为高电平后，电荷放电晶体管172导通，并且光电转换单元21被初始化，驱动信号OFG还被设置为低电平，因而电荷放电晶体管172断开。当电荷放电晶体管172断开时，光电转换单元21(像素131)的曝光，换言之，光电转换单元21中用于获取捕获图像的光电转换和对电荷的累积被启动。另一方面，在不需要曝光调整的情形中，驱动信号OFG未被输入，并且与一伏(V)时段相对应的时间变为光电转换单元21的曝光时间。
此外，参考信号供应单元123向晶体管192供应作为参考信号REF的斜坡，并且计数器122通过输出信号线92向晶体管221供应计数信号BITXn。按这种方式，启动对处于高增益状态的复位电平的获取。
紧随启动对复位电平的获取之后，由于参考信号REF高于电压FD(电势)，电压信号VCO处于高电平。为此，晶体管221处于On状态，并且计数信号BITXn通过晶体管221被顺序地供应到寄生电容C12，以便被写入其中。
然后，在时间t3处，当参考信号REF接近电压FD，并且晶体管196的源极/漏极区域的电压降低时，晶体管197导通，并且因此，应用到晶体管199的栅电极的电压升高。然后，晶体管199变为On状态，并且应用到晶体管197的栅电极的电压降低。因此，正反馈被应用，并且信号比较器162以更高的速度运行。
此后，当参考信号REF变得低于电压FD，并且电压信号VCO从高电平被逆变到低电平时，晶体管221断开，并且形成计数信号BITXn不被供应给寄生电容C12的状态。
在此时，形成与每个数据锁存电路(在下文中，称为D锁存电路)的寄生电容C12中所保持的计数信号BITXn相对应的电荷(电压)的处于高增益状态的经AD转换的复位电平。换言之，电压FD的作为表示复位电平的模拟信号(模拟值)的电压信号被转换为数字信号(数字值)。
此外，在电压信号VCO被逆变到低电平的情形中，晶体管194断开，并且因此，电流流经差分放大器181的晶体管192侧(晶体管195侧)。然后，随着流经PFB电路182(晶体管196侧)的电流量增大，根据电压Vb限制的电流值被限制到根据电流镜复制的量。
换言之，在PFB电路182中，在电压信号VCO进行逆变之前，仅根据电压Vb确定的电流Ib流动，并且在电流于逆变时瞬间增加之后，流经PFB电路182的电流被稳定到根据总量为2Ib限制的电流。按这种方式，可以实现下述机制：尽可能压缩电流值Ib，仅在对电压信号VCO进行逆变所需的时间处供应电流，并且在此后，压缩电流。换言之，可以实现以高速度运行而具有低功耗的信号比较器162。
此外，当对复位电平的获取结束时，参考信号REF的电压在时间t4处降低到预定值，并且晶体管192断开。通过按此执行，差分放大器181内的稳定电流可以被降低。
在时间t5处，当控制信号WORD被设置为高电平，并且以行为单位选择像素131时，晶体管223导通，寄生电容C12中所保持的高增益状态的复位电平被读取。换言之，复位电平由读出电路125通过输出信号线92读取，并且被供应给信号处理单元126。然后，所读取的复位电平被存储在信号处理单元126内布置的帧存储器中。
注意，如更详细描述的，在读取复位电平时，在输出信号线92被预充电到高电平电势后，根据控制信号WORD选择像素行，并且晶体管223导通。然后，根据寄生电容C12中所保持的电势，晶体管222变为On状态或被保持为处于Off状态。然后，根据状态的输出信号线92的电势由读出电路125检测并且作为复位电平被读取。
更具体地，在为高(高电平)的信号被保持在寄生电容C12中，并且晶体管222导通的情形中，电流流经输出信号线92，并且输出信号线92的电势变为低电平。相反，在为低(低电平)的信号被保持在寄生电容C12中，并且晶体管222断开的情形中，电流不流经输出信号线92，并且因此，输出信号线92的电势被保持为处于高电平。
读出电路125检测输出信号线92的电势中的这类变化，从而读取复位电平。
此外，当处于选定状态的像素131的复位电平被读取时，此后，控制信号WORD被设置为低电平，并且选择被释放。垂直驱动电路124通过使用控制信号WORD顺序地选择每个像素行并且读取复位电平。
接下来，在时间t6处，驱动信号TG1被设置为高电平，因而转移晶体管171导通，并且光电转换单元21中所累积的电荷被转移到电荷/电压转换单元176。
在此时，驱动信号INI和驱动信号INI2被设置为高电平，晶体管198断开，并且晶体管200导通，并且PFB电路182被初始化。此外，参考信号REF的电平被升高到预定电平。在此，驱动信号RST被保持为处于低电平。
此后，当驱动信号TG1被设置为低电平时，转移晶体管171断开，并且光电转换单元21(像素131)的曝光时段结束，在时间t7处，驱动信号INI2被返回至低电平，并且对PFB电路182的初始化结束。此外，驱动信号INI也被设置到低电平，并且晶体管200断开。
按这种方式，在曝光时段结束后，当形成从光电转换单元21转移的电荷被累积到电荷/电压转换单元176中的状态时，在时间t8处，参考信号供应单元123将参考信号REF降低至预定电平。然后，在信号比较器162中，将参考信号REF与电压FD进行比较，并且确定是保持高增益还是将增益改变为低增益。
换言之，在由光电转换单元21所获取的信号量较小，并且电压FD高于(大于)参考信号REF的情形中，为高电平的电压信号PFBO作为比较的结果被获取。在这类情形中，高增益被保持。
相反，在由光电转换单元21所获取的信号量较大，并且参考信号REF高于电压FD的情形中，为低电平的电压信号PFBO作为比较的结果被获取。在这类情形中，执行到低增益的切换。
此外，当对参考信号REF和电压FD进行相互比较时，在时间t8处，控制信号HGFIX被设置为低电平，从而使得根据比较的结果的控制信号Gain被输出。
在时间t9处，用于输出根据比较的结果的控制信号Gain的驱动信号GTR被设置为高电平。因此，开关211导通，并且作为比较的结果的电压信号PFBO从晶体管198被输入到或非门212。换言之，当驱动信号GTR被设置为高电平时，作为比较的结果的电压信号PFBO由或非门212接收。
或非门212基于已经被输入的电压信号PFBO和控制信号HGFIX来生成控制信号Gain，并且输出所生成的控制信号Gain。此外，在该状态下，由于开关214断开，从或非门212输出的控制信号Gain未被供应给晶体管175的栅电极而是仅被供应给逆变器213。
按这种方式，当关于电荷/电压转换单元176的转换效率是否改变的确定被执行，并且控制信号Gain被生成时，此后，驱动信号GTR被设置为低电平。
然后，开关211断开，并且或非门212和PFB电路182彼此电断开。此外，开关214导通，并且从或非门212输出的控制信号Gain通过开关214被供应给晶体管175的栅电极。
在此时，由于驱动信号GTR被设置为低电平，逆变器213也运行。换言之，逆变器对从或非门212供应的控制信号Gain进行逆变，并且将经逆变的控制信号Gain输入到异或门212。在该情形中，输入到异或门212的经逆变的控制信号Gain具有与在异或门212从PFB电路182断开前瞬间由异或门212接收到的电压信号PFBO的电平相同的电平，并且因此，从异或门212输出的控制信号Gain未改变。
如上所述，当关于是否改变转换效率的确定被执行，并且根据确定的结果的控制信号Gain被供应给晶体管175时，晶体管175根据控制信号Gain导通或断开，并且电荷/电压转换单元176的转换效率被适当地改变。
例如，在电压FD高于参考信号REF，并且电压信号PFBO处于高电平的情形中，异或门212输出低电平的信号作为控制信号Gain。在这类情形中，由于由光电转换单元21所获取的信号量较小，因此从光电转换单元21溢出的电荷未被累积在电容器174中。
当控制信号Gain处于低电平时，晶体管175被保持为处于Off状态，并且因此，晶体管174未被连接到电荷/电压转换单元176，而是电荷/电压转换单元176的转换效率被保持为高，换言之，被保持为处于高增益状态。
与此相反，在参考信号REF高于电压FD，并且电压信号PFBO处于低电平的情形中，异或门212输出高电平的信号作为控制信号Gain，以使得电荷/电压转换单元176的转换效率被控制为是改变的。
在这类情形中，由于由光电转换单元21所获取的信号量较大，因此从光电转换单元21溢出的电荷被累积在电容器174中。换言之，在光电转换单元21中，所生成的超过光电转换单元21的饱和信号量的信号电荷溢出，并且通过晶体管173被供应给电容器174，以便被累积在其中。
通过按此执行，在时间t6处被读取到电荷/电压转换单元176中的电荷(信号)变为接近光电转换单元21的饱和信号量的信号，并且低增益被选择。换言之，控制信号Gain变为高电平。
当控制信号Gain处于高电平时，晶体管175变为On状态，并且晶体管174被连接到电荷/电压转换单元176，并且电荷/电压转换单元176的转换效率被改变为较低的转换效率。换言之，状态被改变为低增益状态。
在电荷/电压转换单元176的转换效率被改变，并且电容器174被连接到电荷/电压转换单元176的情形中，电容器174中所累积的电荷还被转换为电压，并且因此，由光电转换单元21所获取的电荷(信号)可以被读取而未被浪费。
此外，在该情形中，由于电容器174被添加到电荷/电压转换单元176，当转换效率被改变为低增益时，电压FD被改变。然而，即使在电压FD变得高于参考信号REF的情形中，或非门212和PFB电路182彼此电断开，并且因此，控制信号Gain未被逆变。
在时间t10处，驱动信号INI和驱动信号INI2被设置为高电平，晶体管198断开，并且晶体管200导通，由此PFB电路182被初始化。此外，参考信号REF的电平还被升高到预定电平，并且对斜坡的供应被准备。
此后，驱动信号INI2被返回到低电平，晶体管198导通，并且对PFB电路182的初始化结束。此外，在时间t11处，驱动信号INI也被设置为低电平，并且晶体管200也断开。
当初始化结束时，参考信号供应单元123将斜坡作为参考信号REF供应给晶体管192，并且计数器122通过输出信号线92向晶体管221供应计数信号BITXn。
因此，对信号电平的获取被启动。在此时，形成下述状态：其中，由光电转换单元21在曝光时段期间所获取的电荷被累积在电荷/电压转换单元176或电荷/电压转换单元176和连接到电荷/电压转换单元176的电容器174中。
紧随在启动对信号电平的获取之后，参考信号REF高于(大于)电压FD，并且因此，电压信号VCO处于高电平。为此，晶体管221处于On状态，并且计数信号BITXn通过晶体管221被顺序地供应到寄生电容C12。
此后，例如在时间t12处，当参考信号REF低于(小于)电压FD，并且电压信号VCO从高电平被逆变为低电平时，晶体管221断开，并且形成计数信号BITXn不被供应给寄生电容C12的状态。在此时，与每个D锁存电路的寄生电容C12中所保持的计数信号BITXn相对应的电荷(电压)处于经AD转换的信号电平。换言之，电压FD的作为表示信号电平的模拟信号(模拟值)的电压信号被转换为数字信号(数字值)。
此外，当对信号电平的获取结束时，与在对复位电平进行获取时类似，在时间t13处，参考信号REF的电压被降低到预定值，并且晶体管192断开。
然后，在时间t14处，当控制信号WORD被设置为高电平，并且以行为单位选择像素131时，与在读取复位电平时类似，晶体管223导通，并且寄生电容C12中所保持的信号电平被读取。
换言之，信号电平由读出电路125通过输出信号线92读取，并且被供应给信号处理单元126。然后，所读取的信号电平被存储在信号处理单元126内的帧存储器中。
此外，在读取信号电平时，同时读取增益确定信号。与对信号电平的读取类似，对增益确定信号的读取在输出信号线92被预充电到高电平电势后被执行。
换言之，当晶体管216根据控制信号WORD导通时，晶体管215根据作为逆变器213的输出的经逆变的控制信号Gain变为On状态或被保持为处于Off状态。读出电路125通过检测根据晶体管215的On/Off状态确定的输出信号线92的电势来读取增益确定信号，并且将所读取的增益确定信号供应给信号处理单元126。
在增益确定信号是表示高增益的信号的情形中，信号处理单元126从帧存储器中读取复位电平和信号电平，并且获取复位电平和信号电平之间的差值，并且将所获取的值设置为作为数字信号的像素信号(相关双采样(CDS)的信号)的值。此外，所计算的像素信号的值被供应给帧存储器以便被存储在其中。
与此相比，在增益确定信号是表示低增益的信号的情形中，信号处理单元126从帧存储器中读取复位电平和信号电平，丢弃复位电平，并且将信号电平写回到帧存储器中。
垂直驱动电路124通过使用控制信号WORD顺序地选择每个像素行，并且读取信号电平和增益确定信号。
接下来，为了获取处于低增益状态的复位电平，驱动信号RST在时间t15处被设置为高电平，复位晶体管178导通，并且电荷/电压转换单元176和差分放大器181被初始化为预定电压。此外，驱动信号INI和驱动信号INI2被设置为高电平，晶体管198断开，并且晶体管200导通，由此PFB电路182被初始化。
此后，通过将驱动信号RST和驱动信号INI2返回到低电平来释放初始化，并且驱动信号在时间t16被返回到低电平。此外，在此时，参考信号REF的电平被升高到预定电平，并且对斜坡的供应被准备。
在该状态下，当增益确定信号是表示低增益的信号时，电容器174处于被保持为连接到电荷/电压转换单元176的状态，换言之，处于低增益状态。
随后，参考信号供应单元123将斜坡作为参考信号REF供应给晶体管192，并且计数器122通过输出信号线92向晶体管221供应计数信号BITXn。因此，对处于低增益状态的复位电平的获取被启动。在对低增益的复位电平进行获取时，与对高增益的复位电平进行获取时的操作类似的操作被执行。
换言之，紧随在启动对复位电平的获取之后，由于参考信号REF高于(大于)电压FD，并且电压信号VCO处于高电平，因此计数信号BITXn被供应到寄生电容C12。
此后，在t17处，当参考信号REF低于(小于)电压FD，并且电压信号VCO从高电平被逆变为低电平时，晶体管221断开，并且形成计数信号BITXn不被供应给寄生电容C12的状态。在此时，与每个D锁存电路的寄生电容C12中所保持的计数信号BITXn相对应的电荷(电压)变为处于低增益的经AD转换的复位电平。换言之，电压FD的作为表示复位电平的模拟信号(模拟值)的电压信号被转换为数字信号(数字值)。
此外，当对复位电平的获取结束时，参考信号REF的电压被降低到预定值，并且晶体管192断开。
然后，当控制信号WORD在时间t18处被设置为高电平，并且以行为单位选择像素131时，与在读取高增益的复位电平时类似，晶体管223导通，并且寄生电容C12中所保持的复位电平被读取。
换言之，复位电平由读出电路125通过输出信号线92读取，并且被供应给信号处理单元126。然后，所读取的信号电平被存储在信号处理单元126内的帧存储器中。
在于时间t14处被读取的增益确定信号是表示低增益的信号的情形中，信号处理单元126从帧存储器中读取复位电平和信号电平，获取复位电平和信号电平之间的差值，并且将所获取的值设置为像素信号(双数据采样(DDS)的信号)的值。然后，信号处理单元126通过输入/输出单元127向外部输出作为所获取的数字信号的像素信号的值。
与此相比，在增益确定信号是表示高增益的信号的情形中，信号处理单元126通过输入/输出单元127向外部输出已经被存储在帧存储器中的像素信号的值。
垂直驱动电路124通过使用控制信号WORD顺序地选择每个像素行并且读取复位电平。
按这种方式，当所有像素行都被选择，并且像素阵列单元121的所有像素的像素信号都被获取时，从像素的这类像素信号形成的捕获图像的图像信号被获取。当作为静止图像的捕获图像或与作为活动图像的一帧相对应的捕获图像被获取时，图像处理结束。此外，在所捕获的图像是活动图像的情形中，在与一帧相对应的捕获图像被获取后，对下一帧的成像被启动。
如上所述，固态成像设备51针对每个像素131对参考信号REF与电荷/电压转换单元176的电压FD进行比较，并且根据比较的结果在曝光时段之后且在对信号电平的获取之前适应性地改变像素131的转换效率。
按这种方式，可以根据高增益(低亮度)或低增益(高亮度)来为每个像素131设置最佳转换效率，并且可以获取曝光不足和曝光过度被抑制的高质量的捕获图像。此外，通过适应性地改变转换效率，对信号电平的获取和读取的次数可以被设置为一，并且因此，所捕获的图像可以更快地被获取。
此外，由于固态成像设备51还通过使用用于改变转换效率的信号比较器162针对每个像素131执行AD转换，因此AD转换可以同时在所有像素131中被执行，并且可以实现全局快门功能。
此外，在图5中所示的像素131中，尽管已经描述了转换效率的切换具有低增益和高增益这两个模式(两个阶段)的示例，但此外在三个或更多个模式中执行切换的情形中，可以通过与两个模式的情形的驱动操作类似的驱动操作来获取捕获图像的图像信号。
在这类情形中，可以被配置为使得通过将最高增益(高转换效率)的状态运行为初始值，使用CDS获取像素信号，并且针对其它低增益使用DDS获取像素信号。在使用CDS获取像素信号时，KTC噪声(复位噪声)可以被消除，并且在使用DDS获取像素信号时，信号量是充足的，并且KTC可以被忽略。CDS和DDS之间的切换(换言之，上述的确定电平)例如优选地是32dB或更多dB的S/N比率所存在的位置。
<第一实施例的经修改的示例2>
<像素的配置的示例>
此外，在图2中所示的像素61中，表示由电荷/电压转换单元23所获取的复位电平和信号电平的模拟信号、以及作为数字信号的增益确定信号可以被配置为被输出到外部。
在这类情形中，固态成像设备51的像素例如被配置为如图7中所示。注意，在图7中，相同的参考数字被分配给与图2中所示情形的部分相对应的部分，并且在适当的情况下将不呈现其中的描述。
在图7中所示的示例中，像素261包括光电转换单元21、传输单元22、电荷/电压转换单元23、信号比较器24、存储单元25、以及输出电路271。
在图7中所示的示例中，垂直信号线272被连接到输出电路271，并且未在图中示出的电流源被连接到该垂直信号线272以便对源极跟随器进行配置。
当根据从外部供应的控制信号SEL选择输出电路271时，输出电路271将与从电荷/电压转换单元23供应的电压信号相对应的模拟信号(模拟值)作为表示复位电平或信号电平的信号输出到垂直信号线272。
在此，针对每个转换效率对信号电平的模拟值的输出和对复位电平的模拟值的输出例如可以使用与参照图6所述的情形的驱动和定时类似的驱动和定时来被执行。
存储单元25存储从信号比较器24供应的比较的结果中获取的控制信号Gain，并且还存储使用控制信号Gain获取的增益确定信号。此外，存储单元25被连接到输出信号线273,。因此，当根据从外部供应的控制信号SEL选择存储单元25时，存储单元25将所存储的增益确定信号输出到输出信号线273。在此时输出的增益确定信号是表示在必要的转换后的转换效率的信号。
<固态成像设备的配置的示例>
此外，包括图7中所示的像素261的固态成像设备51例如可以具有图8中所示的配置。注意，在图8中，相同的参考数字被分配给与图7或图4中所示情形的部分相对应的部分，并且在适当的情况下将不呈现其中的描述。
在图8中所示的固态成像设备51中，像素阵列单元301、参考信号供应单元123、垂直驱动电路302、列处理单元303、信号处理单元304、以及输入/输出单元127被布置在一个芯片上。
在像素阵列单元301中，多个如图7中所示的像素261被安排。注意，在图8中，尽管在像素阵列单元301中仅示出了一个像素261，但是实际上布置有多个像素261。
像素阵列单元301中所布置的每个像素261使用垂直信号线272和输出信号线273被连接到列处理单元303，并且例如，图中在垂直方向(换言之，在列方向(垂直方向)上)对准的多个像素261被连接到一个垂直信号线272或一个输出信号线273。
此外，图中在水平方向(换言之，行方向(水平方向))对准的多个像素261通过控制线(在水平方向是长的)被连接到参考信号供应单元123。此外，在行方向对准的多个像素261还通过另一控制线(在水平方向是长的)被连接到垂直驱动电路302。
参考信号供应单元123向每个像素261的信号比较器24供应参考信号REF。在该示例中，由于在信号比较器24中未执行AD转换，因此仅确定电平的参考信号REF在必要时被供应给信号比较器24。换言之，对斜坡的供应未被执行。
通过经由控制线向像素261的输出电路271和存储单元25供应控制信号SEL，垂直驱动电路302以行为单位选择像素261。
列处理单元303执行对作为通过垂直信号线272从像素261的输出电路271供应的模拟信号的复位电平和信号电平的AD转换。
此外，列处理单元303基于通过输出信号线273从像素261的存储单元25供应的增益确定信号，获取已经对其执行AD转换的复位电平和信号电平之间的差值，使用CDS或DDS计算作为数字信号的像素信号，并且将所计算的像素信号供应给信号处理单元304。
信号处理单元304针对由从列处理单元303供应的每个像素261的像素信号形成的捕获图像的图像信号，例如执行各种图像处理，例如黑电平调整、马赛克等，并且将产生的信号供应给输入/输出单元127。
在固态成像设备51具有图8中所示的配置，并且使用被布置在像素261外部的列处理单元303来执行对复位电平和信号电平的AD转换的情形中，AD转换无法针对所有像素261一起被执行。为此，并非使用全局快门而是使用滚动快门来执行成像。
注意，作为对列处理单元303进行配置的AD转换电路，尽管单一斜坡型的电路具有较小的区域并且能够使得列处理单元303的尺寸减小，但除此之外，可以使用各种电路，例如循环型、两级循环型、流水线型、顺序比较型等的电路。此外，在像素261中，可以被配置为使得信号比较器24的输入和输出的短电路被形成为运算放大器的配置，以便被形成为具有整体增益的缓冲器，并且具有整体增益的缓冲器替代配置源极跟随器电路的输出电路271被使用。
<第一实施例的经修改的示例3>
<像素的配置的示例>
此外，通过布置用于保持图7中所示的模拟读取的像素配置中的电荷的模拟存储器，可以实现全局快门功能。
例如，在图5中所示的像素131的情形中，通过使用所有像素131中的每个像素131内的信号比较器162来同时执行AD转换，可以实现全局快门功能。
然而，在列处理单元303从如图7中所示的像素261的情形中的像素261中读取表示复位电平或信号电平的模拟信号的情形中，像素行被顺序扫描(选择)，并且因此可以实现全局快门功能。
因此，通过布置用于保持像素261内的电荷的模拟存储器，并且将来自所有像素261的信号同时传输到模拟存储器，可以实现全局快门功能以及转换效率中的适应性变化。
在这类情形中，图8中所示的固态成像设备51的像素261例如被配置为如图9中所示。注意，在图9中，相同的参考数字被分配给与图7中所示情形的部分相对应的部分，并且在适当的情况下将不呈现其中的描述。
图9中所示的像素261包括光电转换单元21、传输单元22、电荷/电压转换单元23、信号比较器24、存储单元25、输出电路271、以及存储单元331。
在图9中所示的像素261的配置中，存储单元331被布置在传输单元22和电荷/电压转换单元23之间，这不同于图7中所示的像素261的配置，并且配置在其他方面与图7中所示的像素261的配置相同。
存储单元331是模拟存储器，临时保持通过传输单元22从光电转换单元21供应的电荷，并且将所保持的电荷供应给电荷/电压转换单元23。按这种方式，通过布置临时保持光电转换单元21和电荷/电压转换单元23之间的电荷的存储单元331，可以实现全局快门功能以及转换效率中的适应性变化。
<第二实施例>
<固态成像设备的配置的示例>
注意，尽管上面已经描述了用于改变电荷/电压转换单元的转换效率的信号比较器被布置在像素内的示例，但是信号比较器可以被布置在像素外部。
在这类情形中，在根据本发明的固态成像设备中，例如如图10中所示，信号比较器被布置在像素外部的列处理单元中。注意，在图10中，相同的参考数字被分配给与图1中所示情形的部分相对应的部分，并且在适当的情况下将不呈现其中的描述。
图10中所示的固态成像设备361包括像素371和列处理单元372。在此，图中被布置于在垂直方向布置的虚线的左侧的元件表示被布置在像素371内的元件，并且图中被布置于在垂直方向布置的虚线的右侧的元件表示被布置在列处理单元372内的元件。注意，如更详细描述的，在固态成像设备361中，多个像素371被布置。
在像素371中，光电转换单元21、传输单元22、电荷/电压转换单元23、以及对源极跟随器电路381进行配置的电路的一部分被布置。此外，在列处理单元372中，对源极跟随器电路381进行配置的电路的一部分、信号比较器24、以及存储单元25被布置。
在固态成像设备361中，通过使用源极跟随器电路381，对由电荷/电压转换单元23所获取的电压信号的源极跟随器读取被执行，并且所读取的电压信号被供应给信号比较器24。
当作为参考信号REF的斜坡被供应时，信号比较器24对参考信号REF与从源极跟随器电路381供应的电压信号进行比较，换言之，对表示复位电平或信号电平的模拟信号与参考信号REF进行比较。然后，基于比较的结果，AD转换被执行。
此外，在确定电平的参考信号REF被供应的情形中，信号比较器24对从源极跟随器电路381供应的电压信号与参考信号REF进行比较。然后，基于比较的结果，转换效率被适应性地切换。
按这种方式，在固态成像设备361中，用于AD转换的信号比较器24被使用，并且对转换效率的切换在像素371外部被控制。
<固态成像设备的具体配置的示例>
随后，如参照图10所述，将描述固态成像设备361的更具体的实施例，其中，信号比较器24被布置在像素371外部的列处理单元372中。
图11是示出固态成像设备361的具体配置的示例的图示。此外，在图11中，相同的参考数字被分配给与图10中所示情形的部分相对应的部分，并且在适当的情况下将不呈现其中的描述。
在图11中，图中在水平方向布置的虚线的上侧和下侧分别是像素371和列处理单元372。
在像素371中，光电转换单元21、转移晶体管411、电荷/电压转换单元412、晶体管413、电容器414、以及复位晶体管415被布置在半导体基板上的p型阱401中。
光电转换单元21是由被布置在p型阱401内部的p+型半导体区域416和n-型半导体区域417形成的，执行对入射光的光电转换，并且对作为光电转换的结果所获取的电荷进行累积。此外，当供应给栅电极的驱动信号TRG变为高电平时，被布置在光电转换单元21和电荷/电压转换单元412之间的转移晶体管411处于导电状态(On状态)，并且将光电转换单元21中所累积的电荷转移到电荷/电压转换单元412。转移晶体管411与图10中所示的传输单元22相对应。
电荷/电压转换单元412是由被布置在p型阱401内部的n+型半导体区域形成的浮动传播区域，对通过转移晶体管411从光电转换单元21供应的电荷进行累积，并且将所累积的电荷转换为电压信号。放大晶体管418的栅电极被连接到电荷/电压转换单元412。
此外，放大晶体管418具有被连接到具有预定电压Vdd的电源的漏极，并且是源极跟随器电路的输入单元，源极跟随器电路读取在电荷/电压转换单元412中所累积的电荷(电压信号)。换言之，放大晶体管418具有通过选择晶体管419被连接到垂直信号线420的源极，从而配置被连接到垂直信号线420的一端的恒定电流源和源极跟随器电路。按这种方式配置的源极跟随器电路与图10中所示的源极跟随器电路381相对应。
选择晶体管419被连接在放大晶体管418的源极和垂直信号线420之间。当供应给栅电极的控制信号SEL变为高电平时，选择晶体管419处于On状态(换言之，导电状态)，并且通过垂直信号线420向列处理单元372供应从放大晶体管418输出的电压信号。
放大晶体管418和选择晶体管419被布置在像素371内。
晶体管413是由被布置在p型阱401内部的电荷/电压转换单元412和电容器414之间的p-型半导体区域或n-型半导体区域以及被连接到晶体管421的栅电极形成的。当供应给栅电极的控制信号增益变为高电平时，晶体管413处于导电状态(On状态)并且电连接电荷/电压转换单元412和电容器414。
电容器414是由n+型半导体区域形成的，并且当被电连接到电荷/电压转换单元412时对转移到电荷/电压转换单元412的电荷的一部分进行累积。此外，电容器414在供应给复位晶体管415的栅电极的驱动信号RST变为高电平时被初始化，并且复位晶体管415导通。
在图11中所示的示例中，电荷/电压转换单元412与图10中所示的电荷/电压转换单元23相对应，并且电荷/电压转换单元412的转换效率随着电容器414被连接到电荷/电压转换单元412而改变。
晶体管421被布置在像素371内。当供应给栅电极的控制信号SEL变为高电平时，晶体管421处于On状态(换言之，导电状态)，并且通过控制线422向晶体管413供应从列处理单元372供应的控制信号Gain。
此外，列处理单元372包括电容器423、晶体管424、信号比较器24、以及D-FF电路425。
电容器423被布置在垂直信号线420和信号比较器24的输入侧端子之间，并且切断从垂直信号线420供应到信号比较器24的电压信号的DC分量。晶体管424被连接到信号比较器24的输入端子和输出端子，并且当供应给晶体管424的栅电极的驱动信号AZ变为高电平时处于On状态(导电状态)。当晶体管424导通时，由信号比较器24获取自动归零，即用作参考的电压电平。
D-FF电路425是被布置在信号比较器24的输出端子和控制线422之间的D-型触发器电路，并且与图10中所示的存储单元25相对应。D-FF电路425的输入端子D被连接到信号比较器24，并且D-FF电路425的输出端子Q被连接到控制线422。
D-FF电路425根据从外部供应的采样脉冲FDG来锁存(获取)从信号比较器24供应的电压信号VCO，并且将经锁存的电压信号作为控制信号Gain输出到控制线422。此外，当高电平的实施设置信号HFIX被供应给D-FF电路425的输入端子S时，从D-FF电路425输出的控制信号Gain被固定为高电平，并且当高电平的初始化信号INI被供应给D-FF电路425的输入端子R时，从D-FF电路425输出的控制信号Gain被初始化为低电平。
此外，未在图中示出的递增-递减计数器被连接到信号比较器24。递增-递减计数器对时间进行计数，直到从信号比较器24供应的电压信号VCO被逆变为止，并且从计数的结果中获取像素信号的数字值。
接下来，将描述图11中所示的固态成像设备361的操作。
首先，高电平的初始化信号INI被供应给D-FF电路425的输入端子R，并且控制信号Gain被固定为低电平。
此外，控制信号SEL被设置为高电平，并且晶体管421和选择晶体管419变为On状态。由于控制信号Gain处于低电平，因此晶体管413处于Off状态。电荷/电压转换单元412和电容器414彼此电隔离。换言之，形成高增益状态。
接下来，在这类状态下，供应给晶体管424的驱动信号AZ被设置为高电平，并且自动归零被获取。然后，作为参考信号REF的斜坡被供应给信号比较器24，并且复位电平被获取。换言之，在从信号比较器24供应的电压信号VCO被逆变之前的时间由未在图中示出的递增-递减计数器进行递减计数，并且被存储在内部存储器中。按这种方式所获取的计数的结果是高增益的复位电平的数字值。
此后，高电平的实施设置信号HFIX被供应给D-FF电路425的输入端子S，并且控制信号Gain被固定为高电平。然后，晶体管413变为On状态，并且电荷/电压转换单元412和电容器414彼此电连接。换言之，形成低增益状态。
在该状态下，作为参考信号REF的斜坡被供应给信号比较器24，并且复位电平被获取。换言之，在未在图中示出的递增-递减计数器中，与在获取高增益的复位电平时的情形类似，低增益的复位电平被获取并且被存储在内部存储器中。
随后，再次，高电平的初始化信号INI被供应给D-FF电路425的输入端子R，并且控制信号Gain被设置为低电平。因此，晶体管413变为Off状态，并且电荷/电压转换单元412和电容器414彼此电断开。换言之，从低增益状态形成高增益状态。
然后，高电平的驱动信号TRG被供应给转移晶体管411，转移晶体管411变为On，并且目前为止由光电转换单元21所获取的电荷被转移到电荷/电压转换单元412。
此外，紧随在将电荷从光电转换单元21转移到电荷/电压转换单元412之后，更详细地，在转移期间，参考信号REF的电压被设置为确定电平，并且，在对与转移到光电转换单元21的电荷相对应的电压信号的读取期间，换言之，在对由垂直信号线420所读取的电压信号的安置期间，脉冲形状的采样脉冲FDG被输入到D-FF电路425。
然后，在信号比较器24中，在安置期间被设置为确定电平的参考信号REF和由电荷/电压转换单元412所获取的且通过垂直信号线420被读取的电压信号被互相比较，并且表示比较的结果的电压信号VCO由D-FF电路425接收。
在此时，在输入采样脉冲FDG时输出的像素(换言之，由电荷/电压转换单元412所获取的电压信号)高于(信号量小于)确定电平的情形中，电压信号VCP变为低电平。在该情形中，由于从D-FF电路425输出的控制信号Gain也处于低电平，因此电容器414和电荷/电压转换单元412被保持为彼此断开，换言之，高增益状态被保持。
与此相比，在输入采样脉冲FDG时由电荷/电压转换单元412所获取的电压信号低于(信号量大于)预定电平的情形中，电压信号VCP变为高电平。在该情形中，由于从D-FF电路425输出的控制信号Gain变为高电平，因此电容器414和电荷/电压转换单元412彼此连接，并且由处于低增益状态的电荷/电压转换单元412所获取的电压信号被读取。换言之，在对信号电平的读取期间，换言之，在对信号电平的读取完成之前，增益从高增益被切换到低增益。
按这种方式，在适当的情况下，在增益(转换效率)改变，并且由电荷/电压转换单元412所获取的电压信号被读取的情形中，此后，与获取复位电平时的情形类似，信号电平被获取。
换言之，在未在图中示出的递增-递减计数器中，根据控制信号Gain所指定的复位电平从内部存储器中被读取并且被设置在计数器中。更具体地，当控制信号Gain处于高电平时，低增益的复位电平被读取。另一方面，当控制信号Gain处于低电平时，高增益的复位电平被读取。
然后，作为参考信号REF的斜坡被供应给信号比较器24，并且在未在图中示出的递增-递减计数器中，通过使用复位电平被设置到的计数器，对从信号比较器24供应的电压信号VCO进行逆变之前的时间被递增计数。按这种方式所获取的计数的结果是根据复位电平和信号电平之间的差值所获取的像素信号的数字值。换言之，在该示例中，对像素信号的计算还与对信号电平的读取同时被执行。
如上所述，还通过在启动读取信号电平时同时适应性地改变转换效率，高质量捕获图像可以更快地被获取。
<第二实施例的经修改的示例1>
<固态成像设备的配置的示例>
此外，图11中所示的固态成像设备361的配置假定对由垂直信号线420所读取的电压信号的安置是在输入采样脉冲FDG之后的情形，存在其它情形。因此，通过也考虑这类情形，D-FF电路425的部分可以被配置在两个阶段中，并且接纳数据(电压信号)的时序和反映设置的时序可以被配置为是可控制的。
在接纳数据的时序和反映设置的时序被配置为是可控制的情形中，固态成像设备361例如被配置为如图12中所示。此外，在图12中，相同的参考数字被分配给与图11中所示情形的部分相对应的部分，并且在适当的情况下将不呈现其中的描述。
在图12中所示的固态成像设备361中，像素371的部分的配置与图11中所示的固态成像设备361的像素371的部分的配置相同。
此外，在图12中所示的固态成像设备361的列处理单元372的配置中，替代图11中所示的固态成像设备361的列处理单元372的D-FF电路425，D-FF电路461和D-FF电路462被布置，这不同于图11中所示的列处理单元372。此外，在图12中所示的列处理单元372中，还布置有图11中省略的递增-递减计数器463。
D-FF电路461是被布置在信号比较器24和D-FF电路462之间的D型触发器电路。D-FF电路461的输入端子D被连接到信号比较器24的输出端子，并且D-FF电路461的输出端子Q被连接到D-FF电路462的输入端子D。D-FF电路461根据从外部供应的采样脉冲FDG来锁存(获取)从信号比较器24供应的电压信号VCO。
D-FF电路462是被布置在D-FF电路461和控制线422之间的D型触发器电路，并且D-FF电路462的输出端子Q被连接到控制线422。D-FF电路462根据由D-FF电路461在像素371上所锁存的电压信号VCO反映设置。换言之，D-FF电路462根据从外部供应的采样脉冲FDG’来锁存从D-FF电路461供应的电压信号VCO，并且将经锁存的电压信号作为控制信号Gain输出到控制线422。
此外，当高电平的实施设置信号LGFIX被供应给D-FF电路462的输入端子S时，从D-FF电路462输出的控制信号Gain被固定为高电平，并且当高电平的初始化信号INI被供应给D-FF电路462的输入端子R时，从D-FF电路462输出的控制信号Gain被初始化为低电平。
递增-递减计数器463被连接到信号比较器24和控制线422，并且基于从控制线422供应的控制信号Gain和从信号比较器24供应的电压信号VCO来生成像素信号，并且输出所生成的像素信号。
<成像处理的描述>
接下来，将描述图12中所示的固态成像设备361的操作。
当成像指示被做出时，固态成像设备361执行成像处理并且输出所获取的捕获图像。在下文中，将参照图13中所示的时序图来描述由固态成像设备361所执行的成像处理。
此外，在图13中，水平方向表示时间，并且垂直方向表示电势(电压)。具体地，在附图中，信号等向上凸出的状态表示高电平状态，并且信号等向下凸出的状态表示低电平状态。
在图13中，折线L51至L60表示驱动信号SEL、驱动信号RST、初始化信号INI、实施设置信号LGFIX、控制信号Gain、驱动信号AZ、驱动信号TRG、采样脉冲FDG、采样脉冲FDG’、以及参考信号REF的波形。此外，为虚线的曲线161表示供应给信号比较器24的被布置在电容器423侧的输入端子的信号的电压(在下文中，也称为电压VSLin)。该电压VSLin通过经由源极跟随器电路读取电荷/电压转换单元412的电压并且经由使用电容器423切断DC分量来被获取。
此外，折线L62和L63分别表示在递增-递减计数器463内部执行的计数和电压信号VCO的表现。
首先，在时间t21处，控制信号SEL被设置为高电平，像素371被选择，并且形成晶体管421和选择晶体管419导通的状态。
此外，实施设置信号LGFIX被设置为高电平，从D-FF电路462输出的控制信号Gain被固定为高电平，并且形成电荷/电压转换单元412和电容器414彼此电连接的状态(换言之，低增益状态)。同时，驱动信号RST被设置为高电平，并且电荷/电压转换单元412和电容器414被初始化为预定电压，并且驱动信号AZ变为高电平。
此后，在实施设置信号LGFIX被设置为低电平后，在时间t22处，初始化信号INI被设置为高电平，从D-FF电路462输出的控制信号Gain被固定为低电平，并且电荷/电压转换单元412和电容器414彼此电断开。换言之，高增益状态被形成。然后，初始化信号INI被返回到低电平。
在时间t23处，驱动信号RST被返回到低电平，电容器414的初始化被释放，并且随后，在时间t24处，驱动信号AZ从高电平状态被返回到低电平。按这种方式，自动归零被信号比较器24获取。换言之，信号比较器24被初始化。
随后，在电荷/电压转换单元412被设置为高增益的状态下，复位电平被获取。
换言之，信号比较器24对通过垂直信号线420从电荷/电压转换单元412所读取的电压VSLin与被供应为参考信号REF的斜坡进行比较，并且将作为其结果所获取的电压信号VCO供应给D-FF电路461和递增-递减计数器463。
当对复位电平的获取被启动时，递增-递减计数器463开始对时间进行递减计数。然后，在时间t25处，当电压信号VCO从高电平被逆变为低电平时，递增-递减计数器463结束计数并且将该时间点处的计数的结果作为复位电平存储在内部存储器中。因此，高增益的复位电平的数字值被获取。
此外，在时间t26处，实施设置信号LGFIX被设置为高电平，并且控制信号Gain被固定为高电平，并且在电荷/电压转换单元412和电容器414彼此电连接的低增益状态被形成后，实施设置信号LGFIX被返回至低电平。
在这类低增益状态下，与在获取高增益的复位电平时的情形类似，低增益的复位电平被获取。
换言之，信号比较器24对所读取的电压VSLin与被供应为参考信号REF的斜坡进行比较，并且将作为其结果所获取的电压信号VCO供应给D-FF电路461和递增-递减计数器463。
当对复位电平的获取被启动时，递增-递减计数器启动对时间的递减计数，在时间t27处，当电压信号VCO从高电平被逆变为低电平时结束计数，并且将该时间点处的计数的结果作为复位电平存储在内部存储器中。因此，低增益的复位电平的数字值被获取。
此外，在此，尽管在获取高增益的复位电平之后获取低增益的复位电平，但是可以在获取低增益的复位电平之后，获取高增益的复位电平。
当复位电平被获取时，在时间t28处，初始化信号INI被设置为高电平，控制信号Gain被初始化为低电平，并且电荷/电压转换单元412和电容器414彼此电断开。换言之，高增益状态被形成。然后，初始化信号INI被返回到低电平。在此时，供应给信号比较器24的参考信号REF被改变为用于确定转换效率的确定电平。
按这种方式，当高增益状态被形成时，在时间t29处，驱动信号TRG被设置为高电平，转移晶体管414导通，并且由光电转换单元21所获取的电荷到电荷/电压转换单元412的转移被启动。
然后，信号比较器24对被供应为参考信号REF的确定电平与电压VSLin进行比较，并且输出表示比较的结果的电压信号VCO。同时，驱动信号TRG被返回到低电平，并且像素371的曝光时段结束，并且高电平的采样脉冲FDG在时间t30处被输入到D-FF电路461，并且从信号比较器24供应的电压信号VCO由D-FF电路461读取。
然后，采样脉冲FDG被设置为低电平，并且在时间t31处，高电平的采样脉冲FDG’被供应给D-FF电路462。按这种方式，D-FF电路462读取从D-FF电路461输出的电压信号VCO，并且将电压信号VCO作为控制信号Gain直接输出到控制线422。
然后，当由光电转换单元21所获取的信号量较小，并且电压信号VCO处于低电平时，低电平的控制信号Gain被输出，并且晶体管413被保持为断开。换言之，电容器414被保持为处于与电荷/电压转换单元412隔离的高增益状态。
与此相比，当由光电转换单元21所获取的信号量较大，并且电压信号VCO处于高电平时，高电平的控制信号Gain被输出，晶体管413导通，并且电容器414被连接到电荷/电压转换单元412。换言之，低增益状态被形成。
按这种方式，在增益(换言之，电荷/电压转换单元412的转换效率)在读取与由光电转换单元21所获取的电荷相对应的电压信号(电荷/电压转换单元412的电压)时被适应性改变的情形中，供应给信号比较器24的电压VSLin据此进行改变。
在转换效率在必要时被改变的情形中，采样脉冲FDG’被设置为低电平，并且参考信号REF被升高到预定电平。
随后，在电荷/电压转换单元412根据由信号比较器24所执行的比较的结果处于高增益和低增益之一的状态的状态下，信号电平被获取。在该状态下，在电荷/电压转换单元412中或在电荷/电压转换单元412和电容器414中，由光电转换单元21在曝光时段期间所获取的电荷被累积。
递增-递减计数器463首先从内部存储器中读取根据通过控制线422从D-FF电路462供应的控制信号Gain所指定的复位电平，并且将所读取的复位电平设置在计数器中。换言之，当控制信号Gain处于高电平时，低增益的复位电平被读取。另一方面，当控制信号处于低电平时，高增益的复位电平被读取。
此外，信号比较器24对通过垂直信号线420从电荷/电压转换单元412中读取的电压VSLin与被供应为参考信号REF的斜坡进行比较，并且将作为其结果所获取的电压信号VCO供应给D-FF电路461和递增-递减计数器463。
当对信号电平的获取被启动时，递增-递减计数器通过使用复位电平被设置到的计数器来启动对时间的递增计数。然后，在时间t32处，当电压信号VCO从高电平被逆变为低电平时，递增-递减计数器463结束计数。按这种方式，在获取信号电平的同时，信号电平和复位电平之间的减法(换言之，对CDS或DDS的计算)被执行，由此，像素信号的数字值被获取。
按这种方式，当对信号电平的获取被完成时由递增-递减计数器463所获取的计数的结果是像素信号的数字值，并且递增-递减计数器463将所获取的像素信号输出到之后的阶段，并且成像处理结果。
如上所示，固态成像设备361针对每个像素371对参考信号REF与电压VSLin进行比较，并且根据在获取信号电平时的比较的结果来适应性地改变像素371的转换效率。
按这种方式，可以根据高增益(低亮度)或低增益(高亮度)来为每个像素371设置最佳转换效率，并且可以获取抑制曝光不足和曝光过度的高质量捕获图像。此外，通过适应性地改变转换效率，获取信号电平的次数变为仅一次，并且所捕获的图像可以更快地被获取。
注意，上面所述的固态成像设备的配置仅仅是示例，并且固态成像设备可以具有任意配置，只要转换效率可以通过针对固态成像设备的每个像素对信号量与参考信号进行比较而适应性地被改变。
例如，配置不限于信号比较器被布置在像素内的示例，而是信号比较器可以由被布置在像素外部的列处理单元中的电路的一部分以及被布置在像素内的电路的一部分来配置。
作为这样的示例，例如，尽管通用图像传感器的像素的源极跟随器电路通过使用选择线将像素的输出线连接到被布置在列处理单元中的电流源来被配置，还可以考虑具有与其类似的配置的信号比较器。此外，由于源极跟随器电路和信号比较器的作用(换言之，其中的操作时序)彼此不同，因此通过改变要连接到的电路配置，可以包括源极跟随器电路和信号比较器这二者的功能。
<成像装置的配置的示例>
此外，本发明可以被应用到整体电子装置，每个电子装置使用光电转换单元中的固态成像设备，例如成像装置，如数字静物照相机或视频摄像机、具有成像功能的移动终端设备、以及使用图像读取单元中的固态成像设备的复印机。固态成像设备可以具有被形成为一个芯片的形式或具有成像功能的模块设备的形式，其中成像单元和信号处理单元或光学系统被封装在一起。
图14是示出作为根据本发明的电子装置的成像装置的配置的示例的图示。
图14中所示的成像装置511包括由镜头组等形成的光学单元521、固态成像设备(成像设备)522、以及作为照相机信号处理电路的数字信号处理器(DSP)电路523。此外，成像装置511包括帧存储器524、显示单元525、存储单元526、操作单元527、以及电源单元528。DSP电路523、帧存储器524、显示单元525、存储单元526、操作单元527、以及电源单元528通过总线529互连。
光学单元521接纳来自对象的入射光(图像光)并且在固态成像设备522的成像面上形成图像。固态成像设备522将通过光学单元521被形成为成像面上的图像的入射光的光量转换为以像素为单位的电信号，并且将电信号作为像素信号输出。该固态成像设备522与上面所述的固态成像设备11等相对应。
显示单元525例如是由面板型显示器设备(例如液晶面板或有机电发光(EL)面板)形成的，并且显示由固态成像设备522所捕获的活动图像或静止图像。存储单元526将由固态成像设备522所捕获的活动图像或静止图像存储在存储介质上，存储介质例如为视频磁带或数字通用光盘(DVD)。
操作单元527在用户的操作下发出针对成像装置511中所包括的各种功能的操作指示。电源单元518适当地向这类供应目标供应各种电源，其是DSP电路523、帧存储器524、显示单元525、存储单元526、以及操作单元527的操作电源。
此外，在上面所述的实施例中，本发明被应用到以矩阵模式安排像素的CMOS图像传感器的情形已经作为示例被描述，其中，像素各自检测与作为物理量的可见光的光量相对应的信号电荷。然而，本发明不限于对CMOS图像传感器的应用而是可以被应用到整体固态成像设备。
本发明的实施例不限于上面所述的实施例，而是可以在不脱离本发明的概念的范围内做出各种变化。
此外，本发明可以采用下面的配置。
[1]
一种成像设备，包括：
光电转换单元，该光电转换单元对入射光执行光电转换；
电荷/电压转换单元，该电荷/电压转换单元利用预定转换效率将通过光电转换所获取的电荷的一部分或全部转换为电压信号；以及
信号比较单元，该信号比较单元对电压信号与具有预定电压的参考信号进行比较，
其中，转换效率根据由信号比较单元所执行的比较的结果被改变。
[2]
根据[1]的成像设备，
其中，成像设备包括多个像素，并且
每个像素包括光电转换单元和电荷/电压转换单元。
[3]
根据[1]或[2]的成像设备，还包括存储单元，该存储单元存储基于比较的结果所确定的控制信号，并且基于所存储的控制信号来改变转换效率。
[4]
根据[3]的成像设备，还包括电容器，该电容器对光电转换单元中溢出的电荷进行累积，
其中，存储单元基于控制信号通过将电容器连接到电荷/电压转换单元来改变转换效率。
[5]
根据[3]或[4]的成像设备，
其中，信号比较单元在光电转换单元的曝光之后，在从光电转换单元转移的电荷被累积在电荷/电压转换单元中的状态下，对电压信号与参考信号进行比较，并且
存储单元在曝光之后，在与电荷/电压转换单元中累积的电荷相对应的电压信号作为信号电平被获取之前改变转换效率。
[6]
根据[5]的成像设备，还包括接纳单元，该接纳单元基于电压信号和斜坡形状的参考信号之间的比较的结果来获取信号电平的数字值，
其中，信号比较单元在转换效率被改变之后，在从光电转换单元转移的电荷被累积在电荷/电压转换单元中的状态下，对电压信号与斜坡形状的参考信号进行比较。
[7]
根据[6]的成像设备，其中，接纳单元基于比较的结果通过接纳从外部供应的计数信号来获取信号电平的数字值。
[8]
根据[6]或[7]的成像设备，
其中，信号比较单元，在电荷/电压转换单元被复位到预定电压的复位状态下，对电压信号与斜坡形状的参考信号进行比较，并且
接纳单元还基于复位状态下的比较的结果来获取复位电平的数字值。
[9]
根据[8]的成像设备，
其中，接纳单元输出信号电平的数字值和针对多个互不相同的转换效率所获取的复位电平的数字值，并且
存储单元输出表示根据控制信号确定的变化之后的转换效率的确定信号。
[10]
根据[1]-[9]中任一项的成像设备，
其中，成像设备包括多个像素，并且
每个像素包括光电转换单元、电荷/电压转换单元、以及信号比较单元。
[11]
根据[3]-[9]中任一项的成像设备，
其中，成像设备包括多个像素，并且
每个像素包括光电转换单元、电荷/电压转换单元、信号比较单元、以及存储单元。
[12]
根据[3]的成像设备，
其中，成像设备包括多个像素，并且
每个像素包括光电转换单元、电荷/电压转换单元、信号比较单元、以及存储单元，输出处于从光电转换单元转移的电荷被累积在电荷/电压转换单元中的状态的电压信号的模拟值，并且输出针对多个互不相同的转换效率中的每个转换效率所获取的处于电荷/电压转换单元被复位到预定电压的复位状态的电压信号的模拟值，并且
存储单元输出表示根据控制信号确定的变化之后的转换效率的确定信号。
[13]
根据[12]的成像设备，还包括电荷保持单元，该电荷保持单元被布置在光电转换单元和电荷/电压转换单元之间，并且将从光电转换单元转移的电荷保持到电荷/电压转换单元。
[14]
根据[3]的成像设备，
其中，信号比较单元紧随在将电荷从光电转换单元转移到电荷/电压转换单元之后对电压信号与参考信号进行比较，并且
存储单元在将电荷转移到电荷/电压转换单元之后，在与电荷/电压转换单元中累积的电荷相对应的电压信号作为信号电平被获取之前改变转换效率。
[15]
根据[14]的成像设备，其中，存储单元基于控制信号通过将电容器连接到电荷/电压转换单元来改变转换效率。
[16]
根据[3]、[14]或[15]中任一项的成像设备，其中，信号比较单元和存储单元被布置在成像设备的像素外部。
[17]
根据[16]的成像设备，还包括像素信号计算单元，该像素信号计算单元在转换效率被改变之后，通过基于在从光电转换单元转移的电荷被累积在电荷/电压转换单元中的状态下对电压信号与斜坡形状的参考信号进行比较所获取的比较的结果获取信号电平、以及在电荷/电压转换单元被复位到预定电压的复位状态下对电压信号与斜坡形状的参考信号进行比较所获取的比较的结果来获取复位电平来计算由信号电平和复位电平所形成的像素信号。
[18]
根据[17]的成像设备，其中，像素信号计算单元通过使用信号电平和根据控制信号在针对多个互不相同的转换效率所获取的复位电平中指定的复位电平来计算像素信号。
[19]
一种驱动成像设备的方法，该成像设备包括：光电转换单元，该光电转换单元对入射光执行光电转换；电荷/电压转换单元，该电荷/电压转换单元利用预定转换效率将通过光电转换所获取的电荷的一部分或全部转换为电压信号；以及信号比较单元，该信号比较单元对电压信号与具有预定电压的参考信号进行比较，该方法包括：
通过使用电荷/电压转换单元来将从光电转换单元转移的电荷转换为电压信号；
通过使用信号比较单元来对电压信号与参考信号进行比较；以及
根据使用信号比较单元的比较的结果来改变转换效率。
[20]
一种电子装置，包括：
光电转换单元，该光电转换单元对入射光执行光电转换；
电荷/电压转换单元，该电荷/电压转换单元利用预定转换效率将通过光电转换所获取的电荷的一部分或全部转换为电压信号；以及
信号比较单元，该信号比较单元对电压信号与具有预定电压的参考信号进行比较，
其中，转换效率根据由信号比较单元所执行的比较的结果被改变。
参考标记列表
11 固态成像设备
21 光电转换单元
22 传输单元
23 电荷/电压转换单元
24 信号比较器
25 存储单元
161 光接收单元
162 信号比较器
163 存储单元
164 存储单元。

Claims (16)

1.一种成像设备，包括：
光电转换单元，所述光电转换单元对入射光执行光电转换；
电荷/电压转换单元，所述电荷/电压转换单元利用预定转换效率将通过所述光电转换所获取的电荷的一部分或全部转换为电压信号；
信号比较单元，所述信号比较单元将所述电压信号与具有预定电压的参考信号进行比较；以及
存储单元，所述存储单元存储基于所述比较的结果所确定的控制信号，并且基于所存储的所述控制信号来改变所述转换效率，
其中，所述转换效率根据由所述信号比较单元所执行的所述比较的结果进行改变，当所述电荷/电压转换单元所捕获的电压信号低于所述参考信号时，所述控制信号处于低电平，所述电荷/电压转换单元中的电压信号的转换效率为高且处于高增益状态，当所述电荷/电压转换单元所捕获的电压信号高于所述参考信号时，所述控制信号处于高电平，所述电荷/电压转换单元中的转换效率降低且处于低转换效率，
其中，所述信号比较单元在所述光电转换单元的曝光之后，在从所述光电转换单元转移的电荷被累积在所述电荷/电压转换单元中的状态下，将所述电压信号与所述参考信号进行比较，并且
所述存储单元在所述曝光之后，在与所述电荷/电压转换单元中累积的电荷相对应的所述电压信号作为信号电平被获取之前改变所述转换效率，或者
其中，所述信号比较单元紧随在将电荷从所述光电转换单元转移到所述电荷/电压转换单元之后将所述电压信号与所述参考信号进行比较，并且
所述存储单元在将所述电荷转移到所述电荷/电压转换单元之后，在与所述电荷/电压转换单元中累积的电荷相对应的所述电压信号作为信号电平被获取之前改变所述转换效率。
2.如权利要求1所述的成像设备，
其中，所述成像设备包括多个像素，并且
所述像素中的每个像素包括所述光电转换单元和所述电荷/电压转换单元。
3.如权利要求1所述的成像设备，还包括电容器，所述电容器对所述光电转换单元中溢出的电荷进行累积，
其中，所述存储单元基于所述控制信号通过将所述电容器连接到所述电荷/电压转换单元来改变所述转换效率。
4.如权利要求1所述的成像设备，还包括接纳单元，所述接纳单元基于所述电压信号和斜坡形状的所述参考信号之间的所述比较的结果来获取所述信号电平的数字值，
其中，所述信号比较单元在所述转换效率被改变之后，在从所述光电转换单元转移的电荷被累积在所述电荷/电压转换单元中的状态下，对所述电压信号与所述斜坡形状的所述参考信号进行比较。
5.如权利要求4所述的成像设备，其中，所述接纳单元基于所述比较的结果通过接纳从外部供应的计数信号来获取所述信号电平的数字值。
6.如权利要求4所述的成像设备，
其中，所述信号比较单元，在所述电荷/电压转换单元被复位到预定电压的复位状态下，对所述电压信号与所述斜坡形状的所述参考信号进行比较，并且
所述接纳单元还基于所述复位状态下的所述比较的结果来获取复位电平的数字值。
7.如权利要求6所述的成像设备，
其中，所述接纳单元输出所述信号电平的数字值和针对多个互不相同的转换效率所获取的所述复位电平的数字值，并且
所述存储单元输出表示根据所述控制信号确定的变化之后的所述转换效率的确定信号。
8.如权利要求1所述的成像设备，
其中，所述成像设备包括多个像素，并且
所述像素中的每个像素包括所述光电转换单元、所述电荷/电压转换单元、以及所述信号比较单元。
9.如权利要求1所述的成像设备，
其中，所述成像设备包括多个像素，并且
所述多个像素中的每个像素包括所述光电转换单元、所述电荷/电压转换单元、所述信号比较单元、以及所述存储单元。
10.如权利要求1所述的成像设备，
其中，所述成像设备包括多个像素，并且
所述像素中的每个像素包括所述光电转换单元、所述电荷/电压转换单元、所述信号比较单元、以及所述存储单元，输出处于从所述光电转换单元转移的电荷被累积在所述电荷/电压转换单元中的状态的所述电压信号的模拟值，并且输出针对多个互不相同的转换效率中的每个转换效率所获取的且处于所述电荷/电压转换单元被复位到预定电压的复位状态的所述电压信号的模拟值，并且
所述存储单元输出表示根据所述控制信号确定的变化之后的所述转换效率的确定信号。
11.如权利要求10所述的成像设备，还包括电荷保持单元，所述电荷保持单元被布置在所述光电转换单元和所述电荷/电压转换单元之间，并且将从所述光电转换单元转移的电荷保持到所述电荷/电压转换单元。
12.如权利要求1所述的成像设备，其中，所述信号比较单元和所述存储单元被布置在所述成像设备的像素的外部。
13.如权利要求12所述的成像设备，还包括像素信号计算单元，所述像素信号计算单元在所述转换效率被改变之后，通过基于在从所述光电转换单元转移的电荷被累积在所述电荷/电压转换单元中的状态下对所述电压信号与斜坡形状的所述参考信号进行比较所获取的比较的结果获取信号电平、以及在所述电荷/电压转换单元被复位到预定电压的复位状态下对所述电压信号与斜坡形状的所述参考信号进行比较所获取的比较的结果获取复位电平来计算由所述信号电平和所述复位电平所形成的像素信号。
14.如权利要求13所述的成像设备，其中，所述像素信号计算单元通过使用所述信号电平和根据所述控制信号在针对多个互不相同的转换效率所获取的复位电平中指定的所述复位电平来计算所述像素信号。
15.一种驱动成像设备的方法，所述成像设备包括：
光电转换单元，所述光电转换单元对入射光执行光电转换；
电荷/电压转换单元，所述电荷/电压转换单元利用预定转换效率将通过所述光电转换所获取的电荷的一部分或全部转换为电压信号；
信号比较单元，所述信号比较单元将所述电压信号与具有预定电压的参考信号进行比较；以及
存储单元，所述存储单元存储基于所述比较的结果所确定的控制信号，并且基于所存储的所述控制信号来改变所述转换效率，所述方法包括：
通过使用所述电荷/电压转换单元来将从所述光电转换单元转移的电荷转换为所述电压信号；
通过使用所述信号比较单元来将所述电压信号与所述参考信号进行比较；以及
根据使用所述信号比较单元的所述比较的结果来改变所述转换效率，当所述电荷/电压转换单元所捕获的电压信号低于所述参考信号时，所述控制信号处于低电平，所述电荷/电压转换单元中的电压信号的转换效率为高且处于高增益状态，当所述电荷/电压转换单元所捕获的电压信号高于所述参考信号时，所述控制信号处于高电平，所述电荷/电压转换单元中的转换效率降低且处于低转换效率，所述方法还包括：
通过所述信号比较单元在所述光电转换单元的曝光之后，在从所述光电转换单元转移的电荷被累积在所述电荷/电压转换单元中的状态下，将所述电压信号与所述参考信号进行比较，并且
通过所述存储单元在所述曝光之后，在与所述电荷/电压转换单元中累积的电荷相对应的所述电压信号作为信号电平被获取之前改变所述转换效率，或者
通过所述信号比较单元，紧随在将电荷从所述光电转换单元转移到所述电荷/电压转换单元之后将所述电压信号与所述参考信号进行比较，并且
通过所述存储单元，在将所述电荷转移到所述电荷/电压转换单元之后，在与所述电荷/电压转换单元中累积的电荷相对应的所述电压信号作为信号电平被获取之前改变所述转换效率。
16.一种电子装置，包括
光电转换单元，所述光电转换单元对入射光执行光电转换；
电荷/电压转换单元，所述电荷/电压转换单元利用预定转换效率将通过所述光电转换所获取的电荷的一部分或全部转换为电压信号；
信号比较单元，所述信号比较单元将所述电压信号与具有预定电压的参考信号进行比较；以及
存储单元，所述存储单元存储基于所述比较的结果所确定的控制信号，并且基于所存储的所述控制信号来改变所述转换效率，
其中，所述转换效率根据由所述信号比较单元所执行的所述比较的结果进行改变，当所述电荷/电压转换单元所捕获的电压信号低于所述参考信号时，所述控制信号处于低电平，所述电荷/电压转换单元中的电压信号的转换效率为高且处于高增益状态，当所述电荷/电压转换单元所捕获的电压信号高于所述参考信号时，所述控制信号处于高电平，所述电荷/电压转换单元中的转换效率降低且处于低转换效率，
其中，所述信号比较单元在所述光电转换单元的曝光之后，在从所述光电转换单元转移的电荷被累积在所述电荷/电压转换单元中的状态下，将所述电压信号与所述参考信号进行比较，并且
所述存储单元在所述曝光之后，在与所述电荷/电压转换单元中累积的电荷相对应的所述电压信号作为信号电平被获取之前改变所述转换效率，或者
其中，所述信号比较单元紧随在将电荷从所述光电转换单元转移到所述电荷/电压转换单元之后将所述电压信号与所述参考信号进行比较，并且
所述存储单元在将所述电荷转移到所述电荷/电压转换单元之后，在与所述电荷/电压转换单元中累积的电荷相对应的所述电压信号作为信号电平被获取之前改变所述转换效率。
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