CN108234908A - 摄像设备 - Google Patents
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Abstract
在相关的摄像设备中，存在不能减小叠加在来自像素电路的信号读取路径上的信号上的噪声的影响的问题。根据本发明的一种实施方式，摄像设备包括：第一采样及保持电路51，配置为对从像素电路输出的信号进行采样；缓冲电路52，配置为放大保持在第一采样及保持电路51中的信号；和第二采样及保持电路53，配置为对从缓冲电路52输出的信号进行采样，其中，所述摄像设备通过使从像素电路输出的信号依次经过第一采样及保持电路51、缓冲电路52和第二采样及保持电路53，以将该信号传输到模/数转换电路24，来获得与从像素电路输出的信号对应的数字值。
Description
相关申请的交叉引用
本申请基于并要求2016年12月15日提交的第2016-243520号日本专利申请的优先权权益，通过引用将该日本专利申请所公布的全部内容并入本文。
技术领域
本公开涉及摄像设备(image pickup device)，例如，本公开涉及以下摄像设备，该摄像设备读取当复位浮动扩散部时获得的黑电平信号(dark level signal)和根据光接收元件接收到的光量输出的摄像信号(image pickup signal)，并且，基于这两种读取信号之间的差，输出与在像素中获得的信号的信号电平对应的数字值。
背景技术
日本未经审查专利申请第2009-253930号公布文献公开了摄像设备的电路结构的例子。在该公布文献所公开的电路结构中，摄像设备包括光电二极管、信号保持电路、缓冲器、信号减法电路(signal subtraction circuit)和采样及保持电路(sampling-and-holding circuit)14。其中，所述信号保持电路保持与该光电二极管的光电流量对应的光电流检测信号和与该光电二极管的暗电流量对应的暗电流检测信号；所述缓冲器缓冲、放大并依次输出从所述信号保持电路依次输入的光电流检测信号和暗电流检测信号；所述信号减法电路用于生成从所述缓冲器依次输入的光电流检测信号和暗电流检测信号之间的差分信号；所述采样及保持电路14用于保持并输出所述差分信号。
发明内容
然而，本发明的发明人发现了以下问题。在日本未经审查专利申请第2009-253930号公布文献所公开的摄像设备中，光电流检测信号和暗电流检测信号分别经过它们各自不同的含有开关的信号路径。此外，当不同的开关导通/断开时，由于它们之间的工艺变化(process variation)等原因，它们产生波形不同的噪声。因此，在日本未经审查专利申请第2009-253930号公布文献所公开的摄像设备中，具有不同波形的噪声叠加在光电流检测信号和暗电流检测信号上。当生成光电流检测信号和暗电流检测信号之间的差分信号时，这些噪声作为残留噪声残留了下来。也就是说，在日本未经审查专利申请第2009-253930号公布文献所公开的摄像设备中，存在由残留噪声引起的图像质量劣化的问题。
基于说明书和附图中的以下描述，其他目的和新颖特征将更加明显。
根据一个实施方式，摄像设备包括：第一采样及保持电路，配置为对从像素电路输出的信号进行采样；缓冲电路，配置为放大在所述第一采样及保持电路中保持的信号；和第二采样及保持电路，配置为对从所述缓冲电路输出的信号进行采样，其中，通过使从所述像素电路输出的信号依次经过所述第一采样及保持电路、缓冲电路和第二采样及保持电路，以将所述像素电路输出的信号传输到模/数转换电路，从而获得与所述像素电路输出的信号对应的数字值。
根据上述实施方式，可以改善根据由摄像设备所获得的数字值生成的图像的图像质量。
附图说明
基于以下结合附图对特定实施方式的描述，上述及其他方面、优点和特征将更加明显，其中：
图1是显示包括根据第一实施方式的摄像设备的摄影系统的框图；
图2是根据第一实施方式的摄像设备的平面布局示意图；
图3是根据第一实施方式的摄像设备的像素电路、像素电流源和放大电路的电路图；
图4是根据第一实施方式的摄像设备的AD转换电路的框图；
图5是根据第一实施方式的摄像设备的时序控制电路的电路图；
图6是用于显示根据第一实施方式的摄像设备的前级采样及保持电路、缓冲电路和后级采样及保持电路的第一示例的电路图；
图7是用于简要说明根据第一实施方式的摄像设备所执行的像素读取操作的时序图；
图8是用于详细说明根据第一实施方式的摄像设备所执行的像素读取操作的时序图；
图9是用于显示根据第一实施方式的摄像设备的前级采样及保持电路、缓冲电路和后级采样及保持电路的第二示例的电路图；
图10是用于显示根据第一实施方式的摄像设备的前级采样及保持电路、缓冲电路和后级采样及保持电路的第三示例的电路图；
图11是根据第二实施方式的摄像设备的像素电路、像素电流源和放大电路的电路图；
图12是用于简要说明根据第二实施方式的摄像设备所执行的像素读取操作的时序图；
图13是用于详细说明根据第二实施方式的摄像设备所执行的像素读取操作的时序图；
图14是根据第三实施方式的摄像设备的像素电路、像素电流源和放大电路的电路图；
图15是根据第四实施方式的摄像设备的像素电路、像素电流源和放大电路的电路图；
图16是用于详细说明根据第四实施方式的摄像设备所执行的像素读取操作的时序图；
图17是根据第五实施方式的摄像设备的像素电路、像素电流源和放大电路的电路图；
图18是用于详细说明根据第五实施方式的摄像设备所执行的像素读取操作的时序图；
图19是根据第六实施方式的摄像设备的像素电路、像素电流源和放大电路的电路图；
图20是根据第七实施方式的摄像设备的像素电路、像素电流源和放大电路的电路图；和
图21是用于详细说明根据第七实施方式的摄像设备所执行的像素读取操作的时序图。
具体实施方式
第一实施方式
为了清楚地进行说明，可能对部分以下描述和附图适当地进行省略和简化。此外，在整个附图中给相同的部件分配相同的附图标记，并且，根据需要省略重复的解释。
图1示出了根据第一实施方式的摄影系统1的框图。如图1所示，摄影系统1包括变焦透镜11、光圈机构(或孔径机构)12、定焦透镜13、聚焦透镜14、摄像设备15、变焦透镜致动器16、聚焦透镜致动器17、信号处理电路18、系统控制MCU19、监视器和存储设备。需要注意的是，监视器和存储设备用于检查和存储由摄影系统1拍摄的图像，并且可以设置在与摄影系统1不同的单独系统中。
变焦透镜11、光圈机构12、定焦透镜13和聚焦透镜14形成摄影系统1的一组透镜(以下称为“透镜组”)。通过变焦透镜致动器16来改变变焦透镜11的位置。通过聚焦透镜致动器17来改变聚焦透镜14的位置。此外，在摄影系统1中，通过使用各种致动器移动透镜来改变变焦倍率和焦点，并且，通过操作光圈机构12来改变入射光量。
变焦透镜致动器16基于由系统控制MCU 19输出的变焦控制信号SZC来移动变焦透镜11。聚焦透镜致动器17基于由系统控制MCU 19输出的聚焦控制信号SFC来移动聚焦透镜14。光圈机构12基于由系统控制MCU19输出的光圈控制信号SDC调整光圈等级。
例如，摄像设备15包括诸如光电二极管之类光接收元件，将从这些光接收元件得到的光接收像素信息转换为数字值，并将这些数字值作为图像信息Do输出。此外，摄像设备15分析其如上所述输出的图像信息Do，并输出表示图像信息Do的特征的图像特征信息DCI。该图像特征信息DCI包括在自动对焦处理(稍后描述)中获取的两个图像。此外，摄像设备15基于由系统控制MCU19提供的传感器控制信号SSC，对图像信息Do的每个像素执行增益控制、对图像信息Do执行曝光控制、以及对图像信息Do执行HDR(High Dynamic Range，高动态范围)控制。稍后描述摄像设备15的细节。
信号处理电路18对从摄像设备15接收到的图像信息Do执行图像修正等图像处理，并输出处理后的图像信息作为图像数据Dimg。此外，信号处理电路18分析接收到的图像信息Do并输出色彩空间信息DCD。色彩空间信息DCD包括：例如，图像信息Do的亮度信息和色彩信息。
系统控制MCU19基于从摄像设备15输出的图像特征信息DCI来控制透镜组的焦点。更具体地，系统控制MCU 19通过向聚焦透镜致动器17输出聚焦控制信号SFC来控制透镜组的焦点。系统控制MCU19通过向光圈机构12输出光圈控制信号SDC来调整光圈机构12的光圈等级。此外，系统控制MCU19基于外部提供的变焦指令生成变焦控制信号SZC，并且，通过向变焦透镜致动器16输出变焦控制信号SZC来控制透镜组的变焦倍率。
更具体地，通过使用变焦透镜致动器16移动变焦透镜11来改变焦点。因此，系统控制MCU19基于从摄像设备15获得的图像特征信息DCI中所包含的两个图像来计算两个目标图像之间的位置相位差(positional phase difference)，根据计算出的位置相位差计算透镜组的离焦量。系统控制MCU19根据该离焦量自动获得正确的焦点。上述处理即为自动对焦控制。
此外，系统控制MCU19基于从信号处理电路18输出的色彩空间信息DCD中包括的亮度信息来计算指示摄像设备15的曝光设置的曝光控制值，并且控制摄像设备15的曝光设置和增益设置，从而使得从信号处理电路18输出的色彩空间信息DCD中包括的亮度信息更接近于曝光控制值。需要注意的是，系统控制MCU19可以在曝光发生改变时计算光圈机构12的控制值。
此外，系统控制MCU19根据用户的指令输出用于调节图像数据Dimg的亮度或颜色的色彩空间控制信号SIC。需要注意的是，系统控制MCU19基于从信号处理电路18获取的色彩空间信息DCD与由用户提供的信息之间的差来生成色彩空间控制信号SIC。
根据第一实施方式的摄像系统1的特征之一在于：在从传感器15中的光电二极管读取像素信息时，执行其控制方法。因此，在下文中将更详细地说明摄像设备15。
图2示出了根据第一实施方式的摄像设备15的一部分平面布局的示意图。图2仅示出了摄像设备15的一部分平面布局，其中配置有像素垂直控制单元20、像素阵列21、像素电流源22、放大电路23、模/数转换电路24、像素值生成电路(例如，CDS(Correlated DoubleSampling，相关双采样)电路)25、水平传送电路26、时序发生器27、输出控制单元28和输出接口29。
像素垂直控制单元20逐行地控制由像素阵列21中以格子图案排列的像素电路执行的操作。像素电流源22包括为像素阵列21中每列像素电路分别设置的电流源。放大电路23放大从像素电路读取的信号并调整其增益。模/数转换电路24将被放大电路23调整增益的信号转换成数字值。CDS电路25输出对应于黑电平信号(其在复位像素电路中的浮动扩散部时获取)的黑电平值和对应于摄像信号(其根据接收到的光量而变化并由像素电路输出)的信号电平的像素值(pixel value)之间的差作为图像元素值。此外，从CDS电路25输出的图像元素值成为像素信息。叠加在摄像信号上的噪声被CDS电路25去除。水平传送电路26从最靠近输出控制单元28的像素电路开始，将经CDS电路25去除了噪声的像素信息依次传送到输出控制单元28。时序发生器27控制像素垂直控制单元20、像素电流源22、放大电路23、AD转换电路24和CDS电路25运行的时序。输出控制单元28将由水平传送电路26传送的像素信息输出到输出接口29。输出接口29是摄像设备15的输出接口电路。
根据第一实施方式的摄像设备的特征之一在于放大电路23。因此，在下文中将更详细地说明放大电路23。图3示出了根据第一实施方式的像素阵列21、像素电流源22和放大电路23的电路图。图3示出像素垂直控制单元20和时序控制电路(例如，时序发生器27)，用于说明提供给像素电路中每个组件的控制信号和提供给像素电流源22和放大电路的控制信号。此外，图3还示出了设置在放大电路23后面的模/数转换电路24，用于说明电路的概况。需要注意的是，图3示出了一个像素列的电路。在图3中，将以下说明中使用的电压的附图标记显示在括号中。
如图3所示，在根据第一实施方式的像素阵列21中，针对一条垂直信号线SL设置了n个像素电路(图3中的像素电路31至3n)。由于像素电路31至3n彼此相同，因此在图3中仅示出了像素电路31的详细电路结构。像素电路31在不同时刻输出黑电平信号和摄像信号，其中，所述黑电平信号具有与预设复位电平对应的信号电平，并且，所述摄像信号具有与光接收元件(例如，光电二极管)接收到的光量对应的信号电平。像素电路31包括光/电转换元件(例如，光电二极管41)、传输晶体管42、复位晶体管43、放大晶体管44和选择晶体管45。
光电二极管41根据入射在摄像设备15上的光量产生电荷。传输晶体管42是NMOS晶体管并且从光电二极管41读取电荷。传输晶体管42的源极连接光电二极管41及其漏极连接浮动扩散部FD。此外，向传输晶体管42的栅极提供读取控制信号TX1。浮动扩散部FD蓄积通过传输晶体管42读取的电荷。复位晶体管43是NMOS晶体管，并且连接在浮动扩散部FD和电源线PWR之间。向复位晶体管43的栅极提供复位控制信号RST1。放大晶体管44是NMOS晶体管，浮动扩散部FD连接放大晶体管44的栅极。此外，放大晶体管44的漏极连接电源线PWR，并且其源极连接输出线。此外，放大晶体管44输出像素信息Vopx，该像素信息Vopx具有与在浮动扩散部FD中累积的电荷量对应的电压。选择晶体管45是NMOS晶体管，设置于放大晶体管44的源极和垂直信号线SL之间。此外，向选择晶体管45的栅极提供选择信号SEL1。
此外，在垂直信号线SL上形成寄生电容CvsL。该寄生电容CvsL是垂直信号线SL的接线电容。像素电流源22设置在垂直信号线SL的一端。像素电流源22包括恒定电流源46。恒定电流源46从垂直信号线SL汲取恒定电流。
放大电路23包括第一采样及保持电路(例如，前级采样及保持电路51)、缓冲电路52和第二采样及保持电路(例如，后级采样及保持电路53)。
前级采样及保持电路51通过垂直信号线SL接收从像素电路31至3n输出的信号，并对接收到的信号进行采样。前级采样及保持电路51包括开关SWshf和电容器Cshf。开关SWshf设置在通过垂直信号线SL输入信号的输入端和连接后续电路的输出端之间。电容器Cshf设置在该输出端和地线之间。开关SWshf的断开/闭合状态由从时序发生器27输出的第一采样及保持控制信号Sswshf控制。
缓冲电路52放大保持在第一采样及保持电路中的信号。更具体地，缓冲电路52在防止保持在电容器Cshf中的电荷流出的同时时将保持在电容器Cshf中的电压值传输到设置在缓冲电路52后面的后级采样及保持电路53。
后级采样及保持电路53对从缓冲电路52输出的信号进行采样。后级采样及保持电路53包括开关SWshb和电容器Cshb。开关SWshb设置在连接于缓冲电路52的输出端的信号输入端和连接于后续电路的输出端之间。电容器Cshb设置在输出端和地线之间。开关SWshb的断开/闭合状态由从时序发生器27输出的第二采样及保持控制信号Sswshb控制。
模/数转换电路24产生与保持在第二采样及保持电路53中的信号相对应的数字值。时序发生器27控制由前级采样及保持电路51和后级采样及保持电路53执行的采样操作和保持操作。时序发生器27输出第一采样及保持控制信号Sswshf和第二采样及保持控制信号Sswshb，作为用于控制采样操作和保持操作的信号。需要注意的是，图3仅示出了时序发生器27中用于输出第一采样及保持控制信号Sswshf和第二采样及保持控制信号Sswshb的部分。
需要注意的是，图4示出了根据第一实施方式的模/数转换电路24的框图。如图4所示，模/数转换电路24包括斜坡信号发生电路Vramp、比较器CMP和计数器CNT。在模/数转换电路24中，斜坡信号发生电路Vramp生成斜坡信号，该斜坡信号的电压从预设电压值随着时间而下降。此外，比较器CMP将从后级采样及保持电路53输出的保持信号Vsh与斜坡信号进行比较，并且，计数器CNT对从斜坡信号的电压开始变化的时刻到比较器CMP输出的反转时刻的时间段进行计数。此外，该计数值成为黑电平值或像素值。
此外，图4示出了设置在模/数转换电路24之后的CDS电路25和输出电路26。CDS电路25计算黑电平值和像素值之间的差值，并输出计算出的数值作为在像素中获取的输出值。输出电路26将从CDS电路25输出的输出值传送到后续电路。
以下更详细地说明时序发生器27和放大电路23。首先，图5示出了根据第一实施方式的摄像设备的时序发生器27的电路图。如图5所示，时序发生器27包括反相器61至63和NAND(与非)电路64和65。
反相器61接收时钟信号CLK，反转输入的时钟信号，并输出反转的时钟信号。设置在反相器61后面的反相器62进一步反转从反相器61输出的时钟信号CLK，并输出反转的时钟信号CLK。设置在反相器62后面的反相器63进一步反转从反相器62输出的时钟信号CLK，并输出反相的时钟信号CLK。
NAND电路64计算输入到反相器61的时钟信号CLK和从反相器62输出的时钟信号CLK的反转的逻辑和，并将计算出的反转的逻辑和作为第一采样及保持控制信号Sswshf输出。NAND电路65计算从反相器61输出的时钟信号CLK和从反相器63输出的时钟信号CLK的反转的逻辑和，并将计算出的反转的逻辑和作为第二采样及保持控制信号Sswshb输出。
通过上述电路配置，时序发生器27控制前级采样及保持电路51和后级采样及保持电路53，以使得采样操作和保持操作在连续的时间交替进行。
更具体地，时序发生器27控制前级采样及保持电路51和后级采样及保持电路53，以便于：前级采样及保持电路51针对于黑电平信号的采样操作和后级采样及保持电路53针对于黑电平信号的采用操作在不同的时刻相继执行；在后级采样及保持电路53保持黑电平信号的期间，执行前级采样及保持电路51针对于摄像信号的采样操作；并且，在前级采样及保持电路51针对于摄像信号的采样操作之后的不同时刻，相继执行后级采样及保持电路53针对于摄像信号的采样操作。
接下来，图6示出了用于显示根据第一实施方式的摄像设备的前级采样及保持电路51、缓冲电路52和后级采样及保持电路53的第一示例的电路图。如图6所示，前级采样及保持电路51包括与开关SWshf对应的开关晶体管和电容器Cshf。开关SWshf是NMOS晶体管，其漏极连接垂直信号线SL。此外，开关SWshf的源极连接缓冲电路52。电容器Cshf的一端连接开关SWshf的源极，另一端连接地线。开关SWshf的漏极输入像素信息Vopx。该像素信息Vopx根据像素电路31的操作时序成为黑电平信号或摄像信号。
缓冲电路52包括放大晶体管MA1和电流源IS1。保持在前级采样及保持电路51的电容器Cshf中的电压被输入到放大晶体管MA1的栅极。放大晶体管MA1的漏极连接电源线。放大晶体管MA1的源极经由电流源IS1连接地线。电流源IS1是恒定电流源。此外，放大晶体管MA1的源极作为缓冲电路52的输出端。即，在缓冲电路52中，放大晶体管MA1形成源极跟随器电路(source follower circuit)。
后级采样及保持电路53包括与开关SWshb对应的开关晶体管和电容器Cshb。开关SWshb是NMOS晶体管，其漏极连接缓冲电路52的输出端。此外，开关SWshb的源极连接设置在后级采样及保持电路53后面的模/数转换电路24。电容器Cshb的一端连接到开关SWshb的源极，另一端连接到地线。来自缓冲电路52的输出信号被输入到开关SWshb的漏极。后级采样及保持电路53输出基于保持在电容器Cshb中的电荷而生成的电压，作为保持信号Vsh。根据像素电路31的操作时序，该保持信号Vsh的电压电平成为黑电平信号的电压电平或摄像信号的电压电平。
需要注意的是，前级采样及保持电路51的开关SWshf的栅极和源极之间存在寄生电容Cswf。此外，后级采样及保持电路53的开关SWshf的栅极和源极之间存在寄生电容Cswb。这两个开关的断开/闭合状态由输入至其栅极的矩形波控制。因此，当这些开关的断开/导通状态改变时，由于寄生电容Cshf和Cshb导致噪声叠加在各采样及保持电路中保持的信号上。在根据第一实施方式的摄像设备15中，由于黑电平信号和摄像信号经由包含放大电路23的同一路径传送到模/数转换电路24，因此，叠加在黑电平信号和摄像信号上的噪声具有相同的波形。此外，在根据第一实施方式的摄像设备15中，通过执行计算：对应于黑电平信号的黑电平值和对应于摄像信号的信号电平的像素值(pixel value)之间的差成为位于模/数转换电路24之后的电路所执行的处理中的图像元素值(picture-elementvalue)，可以消除开关SWshf和SWshb中产生的噪声。
相应地，对根据第一实施方式的摄像设备15执行的操作进行说明。图7是用于简要说明由根据第一实施方式的摄像设备执行的像素读取操作的时序图。图7中所示出的时序图用于示出处理流程。因此，在本时序图中未考虑每个处理的实际长度等。此外，图7所示的操作是用于从像素电路读取对应于一个像素的像素信息的操作。
如图7所示，在根据第一实施方式的摄像设备15中，像素电路经由四个操作输出摄像信号。第一操作是针对浮动扩散部的复位处理(FD复位)。第二个操作是黑电平信号静态稳定处理，该处理用于将垂直信号线SL和电容器Cshf的电压电平静态地稳定到由所述复位处理生成的黑电平信号的电压电平。第三个操作是传输处理，该处理用于将电荷从光电二极管传输到浮动扩散部。第四个操作是摄像信号静态稳定处理，该处理用于将垂直信号线SL和电容器Cshf的电压电平静态地稳定到由所述传输处理生成的摄像信号的电压电平。
在根据第一实施方式的摄像设备15中，根据上述像素电路执行的操作来控制由前级采样及保持电路51和缓冲电路52执行的采样操作和保持操作。具体而言，当像素电路正在执行第一操作时，由前级采样及保持电路51和缓冲电路52执行的操作如下。在该时段中，前级采样及保持电路51断开开关SWshf从而保持在该时段之前的时段中采样的摄像信号。此外，后级采样及保持电路53接通开关SWshb从而对由前级采样及保持电路51保持的摄像信号进行采样。此外，在后级采样及保持电路53正在执行该采样操作期间，从后级采样和保持电路53输出的保持信号Vsh改变。因此，模/数转换电路24不执行转换处理。
此外，当像素电路正在执行第二操作时，由前级采样及保持电路51和缓冲电路52执行的操作如下。在此时段中，垂直信号线SL的电压变为黑电平信号的电压电平。因此，在此时段中，前级采样及保持电路51接通开关SWshf从而对黑电平信号进行采样。此外，后级采样及保持电路53断开开关SWshb从而保持在该时段之前的时段中采样的摄像信号。另外，在后级采样及保持电路53正执行该保持操作期间，从后级采样及保持电路53输出的保持信号Vsh稳定。因此，模/数转换电路24对在后级采样及保持电路53中保持的摄像信号进行转换处理。
此外，当像素电路正执行第三操作时，由前级采样及保持电路51和缓冲电路52执行的操作如下。在此时段中，前级采样及保持电路51断开开关SWshf，从而保持在该时段之前的时段中采样的黑电平信号。此外，后级采样及保持电路53接通开关SWshb，从而对由前级采样及保持电路51保持的黑电平信号进行采样。另外，在后级采样及保持电路53正执行该采样操作期间，从后级采样及保持电路53输出的保持信号Vsh改变。因此，模/数转换电路24不执行转换处理。
此外，当像素电路正执行第四操作时，由前级采样及保持电路51和缓冲电路52执行的操作如下。在此时段中，垂直信号线SL的电压变为摄像信号的电压电平。因此，在此时段中，前级采样及保持电路51接通开关SWshf并对摄像信号进行采样。此外，后级采样及保持电路53断开开关SWshb，保持在该时间段之前的时段中采样的黑电平信号。另外，在后级采样及保持电路53执行该保持操作期间，从后级采样及保持电路53输出的保持信号Vsh稳定。因此，模/数转换电路24对在后级采样及保持电路53中保持的黑电平信号进行转换处理。
即，在根据第一实施方式的摄像设备15中，前级采样及保持电路51和后级采样及保持电路53重复地并且交替地执行采样操作和保持操作。以这种方式，根据第一实施方式的摄像设备15对后级采样及保持电路53中保持的信号执行模/数转换处理，并且并行地由前级采样及保持电路51执行信号采样操作。
接下来，将更详细地阐述根据第一实施方式的摄像设备15所执行的操作。因此，图8示出了用于解释根据第一实施方式的摄像设备所执行的像素读取操作细节的时序图。图8示出了当从像素电路31和像素电路32读取摄像信号时由摄像设备15执行的操作的示例。
如图8所示，在根据第一实施方式的摄像设备15中，首先，按照读取的顺序执行用于将像素电路中的光电二极管的电压设置为复位电压的PD复位处理。在图8所示的示例中，复位晶体管43和传输晶体管42同时导通的时间段是执行PD复位的时间段。当该PD复位处理结束时，复位晶体管43和传输晶体管42断开，开始每个光电二极管的曝光处理。
然后，在光电二极管曝光期间，通过控制像素电路中的复位晶体管43进入导通状态、传输晶体管42进入断开状态，在不同的时刻对各像素电路进行浮动扩散的复位处理(下文称为FD复位处理)。在FD复位处理之后，像素电路首先通过导通选择晶体管45将具有对应于复位电压的电压电平的黑电平信号输出到垂直信号线SL。此外，在输出黑电平信号之后，像素电路在维持选择晶体管45处于导通状态的同时通过导通传输晶体管42来将摄像信号输出到垂直信号线SL。
需要注意的是，在根据第一实施方式的摄像设备15中，在像素电路31的选择晶体管45导通之后的时段T11至时段T14(以及时段T22和随后的时段)中，通过执行以上参照图7说明的第一操作至第四操作，获得对应于黑电平信号的黑电平值和对应于摄像信号的信号电平的像素值。需要注意的是，图7示出了读取处理从晶格状布置的像素电路的第一行的像素电路31开始。时段T1到时段T4中的处理(对应于第一行的读取处理)，与在其他时段中执行的处理略有不同。
具体而言，当执行像素电路31的读取处理时，在前级采样及保持电路51和后级采样及保持电路53中不对信号进行采样或保持。因此，在时段T1至时段T4中，由前级采样及保持电路51和后级采样及保持电路53执行的采样操作和保持操作可以不是并发执行的。
在时段T1中，执行像素电路31的浮动扩散的复位处理。此时，前级采样及保持电路51和后级采样及保持电路53中不存在采样信号或保持信号。
在时段T2中，通过控制开关SWshf和像素电路31的选择晶体管45进入导通状态、开关SWshb进入断开状态，来将垂直信号线SL和电容器Cshb的电压电平静态地稳定到由像素电路31输出的黑电平信号Dark1的电压电平。即，在时段T2中，执行将黑电平信号Dark1采样到电容器Cshf中。
在时间段T3中，电容器Cshb通过断开开关SWshf并接通开关SWshb来对保持在电容器Cshb中的黑电平信号Dark1的信号电平进行采样。此外，在时间段T3中，像素电路32的传输晶体管42导通，同时选择晶体管45维持导通状态，从而从像素电路31向垂直信号线SL输出摄像信号Sig1，并且将垂直信号线SL静态地稳定到摄像信号Sig1的电压电平。
在时段T4中，对与保持在电容器Cshb中的黑电平信号Dark1对应的保持信号Vsh执行模/数转换处理。此外，在时段T4中，通过接通开关SWshf并断开开关SWshb，来将摄像信号Sig1采样到电容器Cshf中。此外，在时段T4的结束时刻，像素电路31的选择晶体管45从导通状态变为截止状态。
在时段T11中执行的操作是以上参照图7说明的第一操作。在时段T11中，执行像素电路32的浮动扩散的复位处理。此外，在时段T11中，电容器Cshb通过断开开关SWshf并接通开关SWshb来对保持在电容器Cshb中的摄像信号Sig1的信号电平进行采样。结果，从后级采样及保持电路53输出的保持信号Vsh的电压电平变为摄像信号Sig1的电压电平。
在时段T12中执行的操作是以上参考图7说明的第二操作。在时段T12中，通过控制开关SWshf和像素电路32的选择晶体管45进入导通状态、开关SWshb进入断开状态，将垂直信号线SL和电容器Cshb的电压电平静态地稳定到由像素电路32输出的黑电平信号Dark2的电压电平。即，在时段T12中，将黑电平信号Dark2采样到电容器Cshf中。此外，在时段T12中，由于电容器Cshb保持摄像信号Sig1，因此执行摄像信号Sig1的模/数转换处理。
在时段T13中执行的操作是以上参照图7说明的第三操作。在时段T13中，电容器Cshb通过断开开关SWshf并导通开关SWshb，来对保持在电容器Cshb中的黑电平信号Dark2的信号电平进行采样。此外，在时段T13中，像素电路32的传输晶体管42导通，同时将选择晶体管45维持导通状态，从而从像素电路32向垂直信号线SL输出摄像信号Sig2，并且将垂直信号线SL静态地稳定到摄像信号Sig2的电压电平。
在时段T14中执行的操作是以上参考图7说明的第四操作。在时段T14中，对与保持在电容器Cshb中的黑电平信号Dark2对应的保持信号Vsh执行模/数转换处理。而且，在时段T14中，通过接通开关SWshf并断开开关SWshb，将摄像信号Sig2采样到电容器Cshf中。此外，在周期T14的结束时刻，像素电路32的选择晶体管45从导通状态变为截止状态。
在时段T14之后，在改变被执行读取操作的像素电路的同时，重复执行在时段T11至T14中说明的操作。
如上所述，在根据第一实施方式的摄像设备15中，经同一路径(包含前级采样及保持电路51和后级采样及保持电路53)将黑电平信号和摄像信号传输到模/数转换电路24。此外，由CDS电路25计算黑电平值(对应于黑电平信号)和像素值(对应于从模/数转换电路24输出的摄像信号的信号电平)之间的差值，并且计算出的值作为图像元素值输出。以这种方式，根据第一实施方式的摄像设备15可以消除在信号传输路径上叠加在这两种信号上的噪声分量，从而显着降低图像元素值中的噪声。
此外，在根据第一实施方式的摄像设备15中，由于每列的图像元素值的噪声水平被均匀消除，因此可以减少由于各列之间的噪声水平差异而在屏幕上以固定方式出现的竖条纹噪声。需要注意的是，当出现竖条纹噪声时，可以使用校正电路等对它们进行校正。然而，由于根据第一实施方式的摄像设备15能够通过其电路配置减少垂直条纹噪声，因此不需要使用这样的校正电路。即，可以在不使用校正电路的情况下实施根据第一实施方式的摄像设备15，由此可以缩小电路尺寸。
此外，在摄像设备中的图像元素值读取处理中，垂直信号线SL电压的静态稳定和模/数转换处理都需要较长的处理时间。在根据第一实施方式的摄像设备15中，通过从像素电路输出的信号，垂直信号线SL的静态稳定以及电容器Cshf的采样操作与在像素电路当前输出的信号之前的一个时刻输出的信号的模/数转换处理并发执行。即，在根据第一实施方式的摄像设备15中，通过并发执行需要长处理时间的处理，可以减少读取与一个像素对应的图像元素值所需的时间。近年来，摄像设备中的像素数量增多。因此，随着像素数量的增加，减少读取处理所需时间变得更有效。
应该注意的是，对于以上参照图6说明的前级采样及保持电路51、缓冲电路52和后级采样及保持电路53，可以想到各种变形例。因此，下面说明这些电路的变形例。首先，图9示出了根据第一实施方式的摄像设备的前级采样及保持电路、缓冲电路和后级采样及保持电路的第二示例的电路图。
如图9所示，第二示例是作为放大电路23的变形例的放大电路23a。放大电路23a包括前级采样及保持电路51a、缓冲电路52a和后级采样及保持电路53a。
前级采样及保持电路51a和后级采样及保持电路53a分别构成为使用转换开关作为开关SWshf和SWshb。将使用NMOS晶体管作为放大晶体管MA1的第一源极跟随器电路和使用PMOS晶体管作为放大晶体管MA2的第二源极跟随器电路进行串联构成缓冲器电路52a。
在根据第二示例的放大电路23a中，示出了开关SWshf和SWshb的另一个配置示例。此外，在放大电路23a中，通过串联两个使用不同导电类型的放大晶体管的源极跟随器电路，可以抵消源极跟随器电路中产生的放大晶体管的电压偏移。
接下来，图10示出了显示根据第一实施方式的摄像设备的前级采样及保持电路、缓冲电路和后级采样及保持电路的第三示例的电路图。如图10所示，第三示例是作为放大电路23的变形例的放大电路23b。放大电路23b包括前级采样及保持电路51、缓冲电路52b和后级采样及保持电路53。
缓冲电路52b是使用非反相放大电路的放大电路，其放大系数由电容器C1和C2的电容之比确定。与第二个示例中的误差相比，通过使用上述反馈放大器作为缓冲电路，可以进一步降低从前级采样及保持电路51传输到后级采样及保持电路53的信号的电压电平中的误差。
第二实施方式
在第二实施方式中，对根据第一实施方式的摄像设备15的变形例进行说明。需要注意的是，在第二实施方式的说明中，对于与第一实施方式相同的部件分配相同的附图标记并省略其描述。
图11示出了根据第二实施方式的摄像设备的像素电路、像素电流源和放大电路的电路图。如图11所示，根据第二实施方式的摄像设备包括设置在前级采样及保持电路51与垂直信号线SL之间的附加的可变增益放大器231。
可变增益放大器231包括输入电容Ci、反馈电容Cf、放大器amp3、参考电压源和复位开关SWrs。像素信息Vopx被输入到输入电容Ci的一端，输入电容Ci的另一端连接于放大器amp3的反相输入端。反馈电容Cf连接在放大器amp3的输出端和其反相输入端之间。参考电压源是用于产生基准电压或参考电压Vref并将参考电压Vref提供给放大器amp3的非反相输入端的电压源。复位开关SWrs与反馈电容Cf并联连接。该复位开关SWrs的开/闭状态由从时序发生器27a输出的复位开关控制信号Sswrs控制。通过向时序发生器27添加输出复位开关控制信号Sswrs的功能而得到时序发生器27a。
通过改变输入电容Ci和反馈电容Cf的电容之比来改变可变增益放大器231的增益。此外，对于可变增益放大器231，基于每个待读取像素的预定的放大系数，改变每个待读取像素的输入电容Ci和反馈电容Cf的电容之比。输入电容Ci与反馈电容Cf的电容之比由放大系数控制电路(未图示)控制。
接下来，对根据第二实施方式的摄像设备执行的操作进行说明。首先，图12是用于简要说明由根据第二实施方式的摄像设备执行的像素读取操作的时序图。如图12所示，可变增益放大器231在垂直信号线SL的电压改变的时刻工作。具体而言，可变增益放大器231根据黑电平信号静态稳定化处理进行操作，在该黑电平信号静态稳定化处理中，像素电路将垂直信号线SL和可变增益放大器231的输入电容Ci的电压设置为像素电路自身输出的黑电平信号的电压。此外，可变增益放大器231根据摄像信号静态稳定处理进行操作，在该摄像信号静态稳定处理中，像素电路将垂直信号线SL和可变增益放大器231的输入电容Ci的电压设置为由像素电路本身输出的摄像信号的电压。
接下来，图13示出了用于解释由根据第二实施方式的摄像设备执行的像素读取操作的细节的时序图。即使当使用模/数转换电路24时，由像素电路、放大电路23等执行的操作也不会改变。然而，通过在黑电平信号或摄像信号开始被输出到垂直信号线SL之后且在采样至电容器Cshf的操作开始之前的时段中接通复位开关SWrs，执行可变增益放大器231的复位操作。该复位操作用于将反馈电容Cf的电荷设定为零，并且将可变增益放大器231的输出信号设定为参考电压Vref。
在第二实施方式中，通过可变增益放大器231将信号提供给前级采样及保持电路51。以这种方式，在第二实施方式中，可以减少由于像素之间的变化而产生的固定模式噪声(fixed pattern noise)。此外，通过设置可变增益放大器231，能够将通过垂直信号线SL提供给前级采样及保持电路51的信号，以放大状态提供给前级采样及保持电路51，从而减少由前级采样及保持电路51执行的采样操作中的变化。结果，根据第二实施方式的摄像设备可以减少在前级采样及保持电路51中产生的随机噪声。
第三实施方式
在第三实施方式中，对根据第二实施方式的摄像设备15的变形例进行说明。需要注意的是，在第一实施方式、第二实施方式和第三实施方式的说明中，对于相同的部件分配相同的附图标记，并且省略对于相同的部件的描述。
图14是根据第三实施方式的摄像设备的像素电路、像素电流源和放大电路的电路图。如图14所示，通过在根据第二实施方式的摄像设备中添加后级缓冲电路232而得到根据第三实施方式的摄像设备。后级缓冲电路232设置在后级采样及保持电路53和模/数转换电路24之间。后级缓冲电路232是通过使用放大器amp4构成的反相放大器。
根据第三实施方式的摄像设备的操作与根据第二实施方式的摄像设备的操作相同，因此省略了使用时序图等的说明。在根据第三实施方式的摄像设备中，通过设置后级缓冲电路232来减小后级采样及保持电路53的输出阻抗。结果，根据第三实施方式的摄像设备可以减少由于模/数转换电路24工作所产生的噪声而对后级采样及保持电路53造成的影响。即，根据第三实施方式的摄像信号产生的图像元素值的噪声低于第一实施方式和第二实施方式中的噪声，从而提高图像质量。
第四实施方式
在第四实施方式中，对根据第一实施方式的像素电路的变形例进行说明。需要注意的是，在第一实施方式和第四实施方式的说明中，对于相同的部件分配相同的附图标记，并且省略对于相同的部件的描述。
图15示出根据第四实施方式的摄像设备的像素电路、像素电流源和放大电路的电路图。需要注意的是，根据第四实施方式的像素阵列21包括像素电路31a至3na。然而，由于像素电路31a至3na彼此相同，因此仅示出像素电路31a的详细电路配置。
如图15所示，对于一组复位晶体管43、放大晶体管44和选择晶体管45，根据第四实施方式的像素电路31a包括两对光电二极管和传输晶体管。在图15所示的示例中，像素电路31a中包括光电二极管41a和41b以及传输晶体管42a和42b。
以下说明根据第四实施方式的摄像设备所执行的操作。因此，图16示出了用于说明由根据第四实施方式的摄像设备执行的像素读取操作的细节的时序图。
如图16所示，在根据第四实施方式摄像设备中，由放大电路23、时序发生器27和模/数转换电路24执行的操作与第一实施方式中的相同。然而，在第四实施方式对于从像素电路输出信号的控制与第一实施方式中的控制不同。因此，对像素电路的控制方法上的差异进行说明。
如图16所示，在根据第四实施方式的像素电路中，在从两个光电二极管获取像素信号之前的时段中执行这两个光电二极管的复位处理。此外，两个光电二极管的复位处理在不同的时刻进行。然后，当预定的曝光时间过去，相继导通传送晶体管42a和42b，以便从各光电二极管输出摄像信号。此外，在根据第四实施方式的摄像设备中，当从不同的光电二极管输出摄像信号时，在前一时刻待输出的摄像信号完成输出之后，并且在当前时刻待输出的摄像信号开始输出之前，执行浮动扩散的复位处理。
如上所述，通过使用为两个光电二极管设置一组复位晶体管43、放大晶体管44和选择晶体管45的电路配置，根据第四实施方式的摄像设备可以增加光电二极管和像素电路的面积比。即，与第一实施方式中的光电二极管的数量相比，根据第四实施方式的摄像设备，在相同面积中形成的光电二极管的数量增加。
第五实施方式
在第五实施方式中，对根据第一实施方式的像素电路的变形例进行说明。需要注意的是，在第一实施方式和第五实施方式的说明中，对于相同的部件分配相同的附图标记，并且省略对于相同的部件的描述。
图17示出了根据第五实施方式的摄像设备的像素电路、像素电流源和放大电路的电路图。需要注意的是，根据第五实施方式的像素阵列21包括像素电路31b至3nb。然而，由于像素电路31b至3nb彼此相同，因此仅示出像素电路31b的详细电路配置。
如图17所示，对于一组复位晶体管43、放大晶体管44和选择晶体管45，根据第五实施方式的像素电路31b包括四对光电二极管和转移晶体管。在图17所示的示例中，像素电路31b中包括光电二极管41a至41d和传输晶体管42a至42d。
以下对根据第五实施方式的摄像设备所执行的操作进行说明。因此，图18示出了用于说明由根据第五实施方式的摄像设备执行的像素读取操作的细节的时序图。
如图18所示，在根据第五实施方式摄像设备中，由放大电路23、时序发生器27和模/数转换电路24执行的操作和第一实施方式的相同。然而，在第五实施方式中对于从像素电路输出信号的控制和第一实施方式中的控制不同。因此，对像素电路的控制方法上的差异进行说明。
如图18所示，在根据第五实施方式的像素电路中，在从四个光电二极管获取像素信号之前的时段中执行这四个光电二极管的复位处理。此外，四个光电二极管的复位处理在不同的时刻进行。然后，当预定的曝光时间过去时，相继导通传送晶体管42a和42d，以使从各光电二极管输出摄像信号。此外，在根据第五实施方式的摄像设备中，当从不同的光电二极管输出摄像信号时，在前一时刻待输出的摄像信号完成输出之后，并且在当前时刻待输出的摄像信号开始输出之前，执行浮动扩散的复位处理。
如上所述，通过使用为四个光电二极管设置一组复位晶体管43、放大晶体管44和选择晶体管45的电路配置，根据第五实施方式的摄像设备可以增加光电二极管和像素电路的面积比。即，与第一实施方式和第四实施方式中的光电二极管的数量相比，根据第五实施方式的摄像设备在相同面积中形成的光电二极管的数量增加。
第六实施方式
在第六实施方式中，对根据第一实施方式的像素电路的变形例进行说明。需要注意的是，在第一实施方式和第六实施方式的说明中，对于相同的部件分配相同的附图标记，并且省略对于相同的部件的描述。
图19示出了根据第六实施方式的摄像设备的像素电路、像素电流源和放大电路的电路图。需要注意的是，根据第六实施方式的像素阵列21包括像素电路31c至3nc。然而，由于像素电路31c至3nc彼此相同，因此仅示出像素电路31c的详细电路配置。
如图19所示，根据第六实施方式的像素电路31c包括设置在放大晶体管44的漏极和电源线PWR之间的选择晶体管45c。同时，包含在根据第一实施方式的像素电路31中的选择晶体管45被移除，并且放大晶体管44的源极直接连接于垂直信号线SL。即，通过改变根据第一实施方式的像素电路31的选择晶体管的位置而获得根据第六实施方式的像素电路31c。含有根据第六实施方式的像素电路31c的摄像设备所执行的操作与图7所示的根据第一实施方式的摄像设备15所执行的操作相同，因此省略描述根据第六实施方式的摄像设备所执行的操作。
如上所述，像素电路中的选择晶体管的位置不限于在第一实施方式中所述的像素电路31的位置。即，可以想到各种实施方式。
第七实施方式
在第七实施方式中，对根据第一实施方式的像素电路的变形例进行说明。需要注意的是，在第一实施方式和第七实施方式的说明中，对于相同的部件分配相同的附图标记，并且省略对于相同的部件的描述。
图20示出了根据第七实施方式的摄像设备的像素电路、像素电流源和放大电路的电路图。需要注意的是，根据第七实施方式的像素阵列21包括像素电路31d至3nd。然而，由于像素电路31d至3nd彼此相同，因此仅示出像素电路31d的详细电路配置。
如图20所示，在根据第七实施方式的像素电路31d中，像素电路31的选择晶体管45被移除，并且放大晶体管44的源极直接连接于垂直信号线SL。此外，在根据第七实施方式的像素电路31d中，复位电源线Vrst1连接于传输晶体管42的漏极。在根据第七实施方式的像素电路31d中，通过经由复位电源线Vrst1控制施加到传输晶体管42的漏极的电压和传输晶体管42的开/闭状态来确定是否激活放大晶体管44。通过该激活控制，执行与在含有选择晶体管45的电路中执行的操作相同的操作。因此，参照图21说明由像素电路31d执行的操作。图21示出了用于说明由根据第七实施方式的摄像设备执行的像素读取操作的细节的时序图。
如图21所示，即使在第七实施方式中，由放大电路23、时序发生器27和模/数转换电路24执行的操作也与第一实施方式中的相同。然而，在第七实施方式和第一实施方式中，对于从像素电路输出信号的控制不同。因此，对像素电路的控制方法上的差异进行说明。
如图21所示，在根据第七实施方式的像素电路31d中，在从完成浮动扩散的复位处理到完成像素电路的输出的时段中，即，在像素电路31的选择晶体管45处于导通状态的时段中，复位控制信号变为低电平并由此使传输晶体管42断开。通过这种方式，在需要从像素电路向垂直信号线SL输出信号的时段中，放大晶体管44将具有与浮动扩散电压对应的电压电平的信号输出到垂直信号线SL。同时，在像素电路31d中，当执行光电二极管和浮动扩散的复位处理时，在传送晶体管42为导通状态的情形下，经由复位电源线向传送晶体管42的漏极提供的电压被设置为复位电压。此外，在像素电路31d中，在不执行光电二极管和浮动扩散的复位处理的时段中，在传送晶体管42为导通状态的情形下，经由复位电源线向传送晶体管42的漏极提供的电压被设置为低电平(例如，接地电压)。通过这样的方式，由于将放大晶体管44变为断开状态的电压被提供给放大晶体管44的栅极，没有信号从像素电路31d输出到垂直信号线SL。
如上所述，由于通过使用像素电路中的复位控制信号和复位电源线Vrst来执行与用于选择晶体管的开/闭状态的操作类似的操作，因此可以将选择晶体管45从像素电路中移除。通过这样的方式，在根据第七实施方式的摄像设备中，可以减小像素电路的电路面积，从而在芯片中布置更多数量的像素电路。
虽然依据若干个实施方式描述了本发明，但是本领域的技术人员将认识到，可以在所附权利要求的主旨和范围内以各种变形方式来实施本发明，并且本发明不限于上述示例。
此外，权利要求的范围不受上述实施方式的限制。
此外，需要注意的是，申请人意在囊括所有权利要求要素的等同要素，即使在后续的审查期间对权利要求要素进行修改。
本领域的普通技术人员可以根据需要对第一至第七实施方式进行组合。
Claims (6)
1.一种摄像设备，包括：
像素电路，配置为在不同的时刻输出黑电平信号和摄像信号，其中，所述黑电平信号具有与预定的复位电平对应的信号电平，所述摄像信号具有与接收的光量对应的信号电平；
第一采样及保持电路，配置为对从所述像素电路输出的信号进行采样；
缓冲电路，配置为放大在所述第一采样及保持电路中保持的信号；
第二采样及保持电路，配置为对从所述缓冲电路输出的信号进行采样；
模/数转换电路，配置为生成与保持在第二采样及保持电路中的信号对应的数字值；和
时序控制电路，配置为控制由所述第一采样及保持电路和所述第二采样及保持电路执行的采样操作和保持操作。
2.根据权利要求1所述的摄像设备，其中，所述时序控制电路控制所述第一采样及保持电路和所述第二采样及保持电路：
在不同的时刻依次进行由第一采样及保持电路执行的黑电平信号的采样操作和由第二采样及保持电路执行的采样操作；
在第二采样及保持电路保持黑电平信号的时段进行由第一采样及保持电路执行的摄像信号的采样操作；和
在由所述第一采样及保持电路执行的采样操作之后的不同时刻，接着进行由所述第二采样及保持电路执行的摄像信号的采样操作。
3.根据权利要求1所述的摄像设备，还包括像素值生成电路，所述像素值生成电路配置为将与所述黑电平信号对应的黑电平值和与所述摄像信号的信号电平对应的像素值之间的差作为图像元素值输出，所述黑电平值和所述像素值是由所述模/数转换电路在不同时刻输出的。
4.根据权利要求1所述的摄像设备，其中，所述第一采样及保持电路和所述第二采样及保持电路中的每一个包括：
开关，设置在信号的输入端和输出端之间；和
电容器，设置在所述输出端和地线之间。
5.根据权利要求1所述的摄像设备，还包括：可变增益放大器，所述可变增益放大器设置在垂直信号线与所述第一采样及保持电路之间，其中，从所述像素电路输出的信号被传输至所述垂直信号线。
6.根据权利要求1所述的摄像设备，还包括：后级缓冲电路，所述后级缓冲电路设置在所述第二采样及保持电路和所述模/数转换电路之间。
Applications Claiming Priority (2)
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