CN108696702B

CN108696702B - 装置、系统和移动物体

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Publication number: CN108696702B
Application number: CN201810274648.6A
Authority: CN
Inventors: 吉田大介
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2021-06-29
Anticipated expiration: 2038-03-30
Also published as: US10812748B2; CN108696702A; JP2018174493A; JP6921587B2; US20180288349A1

Abstract

本发明涉及装置、系统和移动物体。一种装置包括多个像素、与所述多个像素对应布置的多个电路，以及连接到所述多个电路的输出线。所述电路中的每个电路通过以第一转换率转换模拟信号来生成信号并且通过以第二转换率转换用于生成以第一转换率转换的所述信号的所述模拟信号来生成信号。所述电路具有信号获得单元，该信号获得单元被配置为获得与以第一转换率转换的信号和以第二转换率转换的信号之间的差异对应的差异信号。

Description

装置、系统和移动物体

技术领域

本公开涉及装置、系统和移动物体。

背景技术

已知基于从像素输出的信号的幅值来改变用在AD转换中的斜坡信号的电位的变化率的技术。

日本专利公开第2014-140152号公开了一种用于校正由其电位具有不同变化率的斜坡信号之间的误差造成的数字信号的误差的技术。数字信号校正由输出电路执行，数字信号从列的AD转换单元顺序传送到所述输出电路。

此外，近年，需要成像装置中的像素数量的增加和增加的帧速率。进一步增加的像素数量和进一步增加的帧速率也可以增加从列的电路向其顺序传送数字信号的输出电路中的信号处理量。这种输出电路的信号处理能力可能会限制成像装置的性能(诸如成像装置的像素数量和帧速率)。

根据日本专利公开第2014-140152号中公开的技术，从列的电路向其顺序传送信号的输出电路执行信号校正处理。但是，这会造成输出电路的信号处理能力紧张，并且会导致成像装置的受限的性能(诸如成像装置的像素数量和帧速率)。

发明内容

根据实施例的一个方面，一种装置，包括：多个像素，与多个像素对应布置的多个电路，以及连接到多个电路的输出线。每个电路通过以第一转换率转换模拟信号来生成信号并且通过以第二转换率转换用于生成以第一转换率转换的信号的该模拟信号来生成信号。所述电路具有信号获得单元，该信号获得单元被配置为获得对应于以第一转换率转换的信号与以第二转换率转换的信号之间的差异的差异信号。

从参考附图对示例性实施例的以下描述，本公开的进一步的特征将变得清晰。

附图说明

图1A和1B是示出成像装置的配置的框图。

图2是比较器的等效电路图。

图3是示出要由成像装置执行的操作的定时图。

图4是示出要由AD转换单元中的计数器执行的操作的定时图。

图5是示出要由AD转换单元中的计数器执行的操作的定时图。

图6A和6B是示出成像装置的配置的框图。

图7是示出要由成像装置执行的操作的定时图。

图8是示出AD转换单元的配置的框图。

图9是示出AD转换单元的配置的框图。

图10是示出要由成像装置执行的操作的定时图。

图11是示出AD转换单元的配置的框图。

图12A和12B是示出成像装置的配置的框图。

图13是示出要由成像装置执行的操作的定时图。

图14是示出成像系统的配置的框图。

图15A和15B是示出成像系统的配置的框图。

具体实施方式

下面将参考附图描述根据实施例的成像装置。

图1A是示出根据本公开第一实施例的成像装置的框图。

像素阵列102具有多行和多列像素100。垂直扫描电路101被配置为顺序地选择像素阵列102的预定行并使得该预定行的像素100输出信号。

在像素阵列102的外部，为像素100的每一列提供包括比较器104的列电路(AD转换单元150)。下面将描述一个示例，其中为像素100的每一列提供一个列电路(AD转换单元150)。

像素100和对应的AD转换单元150通过垂直信号线50连接。

AD转换单元150具有第一选择器80-1、第二选择器80-2、比较器104、计数器105和存储器106。图1A示出了从包括在成像装置中的控制单元(未示出)输出的信号

和clk。控制单元通常是定时发生器。

信号

被输入到第一选择器80-1。第一选择器80-1接收信号Vrf和从像素100输出到垂直信号线50的信号。基于信号

的信号电平是高电平还是低电平，第一选择器80-1选择性地将信号Vrf和来自像素100的信号中的一个作为信号Vin_cmp输出到比较器104。

信号

是来自比较器104的输出信号或者要由控制单元(未示出)控制的信号。信号

被输出到第二选择器80-2。基于信号

的信号电平，第二选择器80-2将从斜坡信号供给电路103输出的斜坡信号Vr1和斜坡信号Vr2中的一个作为信号Vr_cmp输出到比较器104。

公共计数器108将计数信号输出到用于各列的AD转换单元150中的存储器106。存储器106接收来自比较器104的输出信号。存储器106保持将在下面描述的信号code_N、信号code_S和信号flg。

计数器105接收作为时钟信号的信号clk和来自比较器104的输出信号。计数器105保持将在下面描述的信号code_dif。

水平扫描电路107被配置为执行用于顺序地从列的AD转换单元150中的计数器105和存储器106读取数字信号的控制。列的AD转换单元150中的计数器105连接到输出线160-1。列的存储器106连接到输出线160-2。信号处理电路109被配置为通过使用从列的计数器105和存储器106读出的数字信号来执行包括相关双采样处理的数字信号处理。信号处理电路109将通过执行数字信号处理而生成的信号作为图像信号输出到成像装置外部的装置。

图1B是像素100的等效电路图。像素100具有作为光电转换单元的光电二极管PD。像素100进一步具有重置晶体管M1、传送晶体管M2、放大晶体管M3和选择晶体管M4。从图1A中所示的垂直扫描电路101输出信号

信号

和信号

重置晶体管M1的一个主节点、传送晶体管M2的一个主节点以及放大晶体管M3的输入节点连接到浮置扩散部分FD。

图2是图1A中所示的比较器104的等效电路图。根据这个实施例的比较器104具有自动调零钳位功能(auto-zero clamp function)。差分放大器具有电容性耦合输入单元。差分放大器具有当控制单元将信号

改变为高电平时要被重置到公共重置电位的输入端子。因此，比较器104经历自动调零钳位。

图3是示出要由图1A中所示的成像装置执行的操作的定时图。图3示出了与图1A和1B中所示的信号对应的信号。

根据这个实施例，第二斜坡信号Vr2相对于时间的电压变化是第一斜坡信号Vr1相对于时间的电压变化的四倍大。

参考图3，时段V blank是垂直消隐时段。垂直消隐时段是没有信号从像素100被读取的时段。时段Valid 1H是从像素100读取信号的时段并且是一个水平时段(一行读取时段)。虽然未示出，但是一个水平时段中的操作可被重复与像素阵列中的行数相等的次数，以获得一屏的信号。当信号

信号

信号

和信号

改变为高电平时，接收信号的开关被接通。

在时段V blank期间，控制单元将信号

改变为高电平。因此，第一选择器80-1输出信号Vrf作为信号Vin_cmp。同时，控制单元将信号

改变为高电平。因此，第二选择器80-2输出第一斜坡信号Vr1作为信号Vr_cmp。

控制单元将信号

改变为高电平。因此，比较器104经历自动调零钳位。之后，控制单元将信号

改变为低电平。

斜坡信号供给电路103开始第一斜坡信号Vr1的电位随着时间推移的改变。比较器104关于其量值关系比较第一斜坡信号Vr1与信号Vin_cmp，并输出表示比较结果的比较结果信号。

这里将简要描述要由计数器105执行的操作，并且将在下面参考图4详细描述所述操作。计数器105响应于第一斜坡信号Vr1的电位改变的开始而开始对信号clk进行计数。在这里，计数器105执行在计数值增加的方向(第一方向)上对信号clk进行计数的向上计数操作。

响应于第一斜坡信号Vr1与信号Vin_cmp之间的量值关系的改变，从比较器104输出的比较结果信号的信号电平改变。响应于比较结果信号的信号电平的改变，计数器105停止对信号clk进行计数。因此，计数器105获得与信号Vrf对应的第一数字信号。

接下来，控制单元将信号

的信号电平改变为低电平。因此，第二选择器80-2输出第二斜坡信号Vr2作为信号Vr_cmp。

斜坡信号供给电路103开始第二斜坡信号Vr2的电位随着时间推移的改变。比较器104关于其量值关系比较第二斜坡信号Vr2与信号Vin_cmp，并输出表示比较结果的比较结果信号。

计数器105响应于第二斜坡信号Vr2的电位改变的开始而开始对信号clk进行计数。在这个时候，计数器105执行从第一数字信号的数字值开始在计数值减小的方向(与第一方向相反的第二方向)上对信号clk进行计数的向下计数操作。

响应于第二斜坡信号Vr2与信号Vin_cmp之间的量值关系的改变，从比较器104输出的比较结果信号的信号电平改变。响应于比较结果信号的信号电平的改变，计数器105停止对信号clk进行计数。因此，计数器105获得与信号Vrf对应的第二数字信号。该第二数字信号将被称为信号code_dif。信号code_dif是与第一斜坡信号Vr1和信号Vrf对应的数字信号以及与第二斜坡信号Vr2和信号Vrf对应的数字信号之间的差异信号。信号code_dif被保持在用于每列的AD转换单元150中的计数器105中。计数器105是信号获得单元，它被配置为获得作为与作为模拟信号的信号Vrf和第一斜坡信号Vr1对应的数字信号(第一数字信号)以及与信号Vrf和第二斜坡信号Vr2对应的数字信号之间的差异的校正值(第二数字信号)。

参考图4，将详细描述用于通过由计数器105执行的向上/向下计数操作来获得信号code_dif的方法。

计数器105的计数值被设置为0。计数器105从第一斜坡信号Vr1的电位改变的开始起开始向上计数。响应于取决于信号Vr_cmp与信号Vin_cmp之间的量值关系的改变的比较结果信号的改变，计数器105停止对信号clk进行计数。在这个时候，计数器105获得第一数字信号。

接下来，响应于第二斜坡信号Vr2的电位改变的开始，计数器105开始向下计数。计数器105从第一数字信号开始向下计数。执行向下计数，使得每单位时间的计数值的变化量可以大于向上计数的变化量。这是因为，与具有以第一变化率改变的电位的第一斜坡信号Vr1相比，第二斜坡信号Vr2具有为第一变化率四倍大的第二变化率。使用第二斜坡信号Vr2的AD转换的AD转换增益为使用第一斜坡信号Vr1的AD转换的AD转换增益的1/4。换句话说，列电路(AD转换单元150)使用第二斜坡信号Vr2的输入信号转换率是使用第一斜坡信号Vr1的输入信号转换率的1/4。为了减小AD转换增益之间的差异，执行向下计数，使得每单位时间段的计数值的改变量可以大于向上计数的改变量。可以执行向下计数，使得每单位时间段的计数值的改变量可以是执行向上计数时每单位时间段的计数值的改变量的四倍大。更具体而言，它可以通过将向下计数中的信号clk的时钟频率增加到向上计数中的信号clk的时钟频率的四倍来实现。因此，计数器105可以获得信号code_dif。

在时段Valid 1H期间，控制单元将信号

改变为低电平。因此，第一选择器80-1将要从像素100输出的信号作为信号Vin_cmp输出到垂直信号线50。

在时段Valid 1H期间，垂直扫描电路101从像素阵列102的预定的一行(在下文中，选择的行)的像素100读出信号。垂直扫描电路101将要输出到选择的行的像素100的信号

的信号电平改变为高电平。这接通选择的行的像素100中的选择晶体管M4。因此，选择的行的像素100中的放大晶体管M3通过选择晶体管M4连接到垂直信号线50。

然后，垂直扫描电路101将要输出到选择的行的像素100的信号

的信号电平改变为高电平。这将选择的行的像素100中的浮置扩散部分FD重置为预定电位。

垂直扫描电路101将信号

的信号电平改变为低电平。要通过选择晶体管M4从放大晶体管M3输出到垂直信号线50的信号将被称为像素重置信号。

控制单元将信号

的信号电平改变为高电平。在这里，控制单元使信号

具有高电平。因此，第二选择器80-2输出第一斜坡信号Vr1作为信号Vr_cmp。

控制单元将信号CLMP的信号电平改变为高电平。因此，比较器104经历自动调零钳位。控制单元将信号

的信号电平改变为低电平。

接下来，AD转换单元150对像素重置信号执行AD转换。参考图3，在其中执行AD转换的时段被称为“N AD”。在下文中，该时段将被称为“N AD”。

斜坡信号供给电路103开始第一斜坡信号Vr1的电位随着时间推移的改变。比较器104关于其量值关系比较第一斜坡信号Vr1与像素重置信号，并输出表示比较结果的比较结果信号。

公共计数器108响应于第一斜坡信号Vr1的电位改变的开始而开始对信号clk进行计数。公共计数器108对信号clk进行向上计数。

响应于第一斜坡信号Vr1与像素重置信号之间的量值关系的改变，从比较器104输出的比较结果信号的信号电平改变。响应于比较结果信号的信号电平的改变，存储器106保持从公共计数器108输出的计数信号。因此，计数器105获得第三数字信号，第三数字信号是与像素重置信号对应的数字信号。该数字信号被称为信号code_N。

接下来，垂直扫描电路101将选择的行的信号

的信号电平改变为高电平，然后改变为低电平。因此，积聚在光电二极管PD中的电荷被传送到浮置扩散部分FD。因此，放大晶体管M3通过选择晶体管M4输出基于积聚在光电二极管PD中的电荷的信号。这个信号将被称为光信号。

比较器104确定该光信号是否具有高于阈值电平的幅值。斜坡信号供给电路103将第一斜坡信号Vr1的电位设置为阈值电平。控制单元将信号

保持在高电平。因此，第二选择器80-2输出阈值电平作为信号Vr_cmp。比较器104比较阈值电平与光信号。控制单元将对信号

的控制从由控制单元进行控制改变为基于来自比较器104的输出的控制。在比较器104确定光信号的幅值高于阈值电平的情况下，信号

的信号电平改变为低电平。另一方面，在比较器104确定光信号具有低于阈值电平的幅值的情况下，信号

的信号电平改变为高电平。

在光信号的幅值低于阈值电平的情况下：

确定结果标志flg＝0被保持在存储器106中，该标志是阈值电平与光信号之间的比较结果。

接下来，AD转换单元150对光信号执行AD转换。参考图3，对光信号执行AD转换的时段被称为“S AD”。在下文中，该时段将被称为“S AD”。

在时段S AD期间，如上所述，基于阈值电平和光信号之间的比较结果，信号

的信号电平被改变为高电平。

因此，第二选择器80-2将第一斜坡信号Vr1作为信号Vr_cmp输出到比较器104。后续操作与在时段N AD中要执行的操作相同。作为AD转换的结果，存储器106获得作为与光信号对应的数字信号的第四数字信号。该数字信号将被称为信号code_S。

在光信号的幅值高于阈值电平的情况下：

确定结果标志flg＝1被保持在存储器106中，该标志是阈值电平与光信号之间的比较结果。

接下来，AD转换单元150对光信号执行AD转换。

在时段S AD期间，如上所述，基于阈值电平与光信号之间的比较结果，信号

的信号电平改变为低电平。

因此，第二选择器80-2将第二斜坡信号Vr2作为信号Vr_cmp输出到比较器104。后续操作与在时段N AD中要执行的操作相同。作为AD转换的结果，存储器106获得信号code_S。

信号处理电路109处理从列的AD转换单元150输出的数字信号。该处理包括用于获得信号code_S与信号code_N之间的差异的数字相关双采样。通过使用第一斜坡信号Vr1获得的信号code_S与通过使用第二斜坡信号Vr2获得的信号code_S由于斜坡信号的电位之间的变化率的差异而具有AD转换增益差。为了减小AD转换增益差，信号处理电路109对通过使用第二斜坡信号Vr2获得的信号code_S应用四倍增益。该处理是通过执行将通过使用第二斜坡信号Vr2获得的信号code_S移高两位的移位来实现的。然后，信号处理电路109执行用于获得第五数字信号与信号code_S之间的差异的处理，第五数字信号是信号code_N与信号code_dif之间的差异。该处理可以补偿数字相关双采样处理和由于使用具有不同电位变化率的两个斜坡信号而引起的AD转换中的误差。

更具体而言，信号处理电路109以下面的方式执行数字相关双采样处理。

If flg＝0

code_out＝code_S-code_N

If flg＝1

code_out＝code_S×4-(code_N-code_dif)

以这种方式，根据这个实施例的成像装置执行用于补偿数字相关双采样处理和通过使用具有不同电位变化率的两个斜坡信号引起的AD转换中的误差的处理。因此，根据这个实施例的成像装置可以获得更高质量的图像信号。

在根据这个实施例的成像装置中，每列的AD转换单元150获得作为校正值的信号code_dif。与信号处理电路109为每列的AD转换单元150生成校正值的情况相比，这可以减少信号处理电路109的信号处理量。因此，可以容易地实现改进的性能(诸如成像装置的增加的像素数量和增加的帧速率)。

根据这个实施例，例如，为一列的像素100提供一个AD转换单元150。这个实施例不限于此，而是可以为多个列的像素100提供一个AD转换单元150。可替代地，可以为一列的像素100提供多个AD转换单元150。

根据这个实施例，第二斜坡信号具有为第一斜坡信号的电位变化率的四倍大的电位变化率。这个实施例不限于该示例，而是可以应用其它比率。为了促进由信号处理电路109进行的信号处理，可以将斜坡信号的斜率比提高到2的n次幂。可以将斜率比提高到2的n次幂，使得要由信号处理电路109执行的用于将信号code_S乘以增益的处理可以通过移位来实现。

根据这个实施例，例如，斜坡信号以斜着的方式改变它们的电位。这个实施例不限于该示例，而是斜坡信号可以按阶梯方式改变它们的电位。其电位以阶梯方式改变的信号也包括在与其电位随着时间推移而改变的斜坡信号的类别相同的类别中。

根据这个实施例，在其上具有成像装置的半导体基板上提供的斜坡信号供给电路103生成斜坡信号。可以在其上具有成像装置的半导体基板的外部提供生成其电位随着时间推移而改变的斜坡信号的电路。在这种情况下，成像装置具有斜坡信号供给电路(诸如缓冲电路)，用于将外部输入的斜坡信号输出到每列的AD转换单元150。

根据这个实施例，用于每列的AD转换单元150获得作为校正值的信号code_dif。在另一个示例中，用于多个列的AD转换单元150可以作为一个块来操作，以获得一个信号code_dif。在这种情况下，由用于多个列的AD转换单元150生成的信号code_dif可以由信号处理电路109求平均。可替代地，由用于多个列的AD转换单元150中的一个AD转换单元150生成的信号code_dif也可以用作这多个列的每个AD转换单元150的校正值。在这种情况下，用于多个列的AD转换单元150中的一些AD转换单元150可以具有作为信号保持单元的计数器105。

根据这个实施例，为了获得信号code_dif，在使用第二斜坡信号Vr2执行AD转换之前使用第一斜坡信号Vr1执行AD转换。在另一个示例中，可以在使用第一斜坡信号Vr1执行AD转换之前使用第二斜坡信号Vr2执行AD转换。

根据这个实施例，在从每列的像素100读出信号之前，获得信号code_dif。在另一个示例中，在读出来自每列的像素100的信号期间，信号code_dif可以获得一次。计数器105可以在从预定行的像素100读出信号到从预定行的像素100下一次读出信号的时段(一个帧周期)期间获得信号code_dif。当成像装置通电时，计数器105可以获得信号code_dif。

下面将描述要由计数器105执行的用于获得信号code_dif的其它操作。

图5示出了计数器105是连续计数器的情况。为了测量使用第一斜坡信号Vr1的AD转换中的误差以及使用第二斜坡信号Vr2的AD转换中的误差，计数器105可以不必具有用于满量程AD转换的位数。如果获得具有一定准确度的数字信号，那么可以通过算术处理来估计误差的可能范围。

参考图5，计数器105是生成具有4位信号和指示负或正的代码的计数信号的计数器。计数器105是连续计数器，它不限制(clip)上溢和下溢。如图3中所示，在用于获得第一数字信号和第二数字信号的时段期间，在向上计数和向下计数中均发生等量的轮次(round)。而且在这种情况下，可以正确地获得差值code_dif。利用图5中所示的计数器105的配置，与执行图4中所示的操作的计数器105的配置相比，位数可以减少。因此，计数器105的电路面积也可以减小。

第二实施例

将主要关于与第一实施例的差异来描述根据第二实施例的成像装置。

图6A是示出根据第二实施例的成像装置的配置的框图。根据这个实施例的成像装置与图1A中所示的成像装置的配置的不同之处在于省略了第一选择器80-1，并且来自虚拟像素100a的输出可以用信号

而不是信号Vrf被选择。

图6B是虚拟像素100a的等效电路图。虚拟像素100a具有要由从垂直扫描电路101输出的信号

控制的重置晶体管M1a和虚拟像素晶体管M3a以及要由信号

控制的选择晶体管M4a。

图7是示出由图6A中所示的成像装置执行的操作的定时图。

图7中的定时图与图3中所示的定时图的不同之处在于还给出了信号

在时段V blank期间，信号

和

的信号电平是高电平。与重置电平对应的信号从虚拟像素100a输出。通过使用该信号，用于每列的AD转换单元150通过执行与第一实施例的AD转换操作相同的AD转换操作来获得差异信号code_dif。其它操作与第一实施例的操作相同。

已经使用虚拟像素描述了示例，根据本公开，用于针对每列获得差异信号code_dif的模拟输入信号可以是其它任意信号。本公开不意欲受模拟输入信号的类型的限制。

第三实施例

将主要关于与第一实施例的差异来描述第三实施例。根据这个实施例的成像装置与第一实施例的不同之处在于AD转换单元150包括作为数字低通滤波器电路的无限脉冲响应(IIR)滤波器112及差异存储器106-1。

图8是示出根据这个实施例的AD转换单元150的框图。IIR滤波器112被配置为比较由计数器105获得的信号code_dif与上一次获得的信号code_dif。IIR滤波器112对信号code_dif进行滤波并将滤波的结果存储在差异存储器106-1中。

根据这个实施例，由于在信号code_dif之间的差值的测量中出现的噪声所引起的误差可能恶化结果所得的图像信号的质量。

即使当噪声混合到所获得的差值并导致误差时，这个实施例的配置也可以通过由IIR滤波器112执行低通滤波处理来降低噪声的影响。

第四实施例

将关于与第一实施例的不同之处来描述根据第四实施例的成像装置。根据第一实施例的成像装置通过使用从为多个列的AD转换单元150共同提供的公共计数器108输出的计数信号来获得信号code_S和信号code_N。根据这个实施例的成像装置与根据第一实施例的成像装置的不同之处在于信号code_S和信号code_N是通过使用从在用于每列的AD转换单元150中提供的计数器105输出的计数信号来获得的。

图9是示出根据这个实施例的成像装置中的AD转换单元150的配置的框图。每个AD转换单元150具有标志存储器110、差异存储器106-1以及S-N存储器106-2。

除了计数信号是从计数器105而不是公共计数器108输出之外，可以通过执行与图3中所示的操作相同的操作来获得信号code_dif。差异存储器106-1被配置为保持信号code_dif。

将参考图10描述在时段Valid 1H期间要执行的操作。

AD转换单元150通过使用第一斜坡信号Vr1在时段N AD期间执行AD转换。在这里，计数器105通过执行向下计数来对信号clk进行计数。响应于比较结果信号的信号电平的改变，S-N存储器106-2保持从计数器105输出的计数信号。因此，S-N存储器106-2获得作为与像素重置信号对应的数字信号的信号code_N。

之后，比较器104比较光信号的幅值与阈值电平。基于比较的结果，选择图10中所示的由实线指示的情况和由虚线指示的情况中的一个作为要由AD转换单元150执行的后续处理。

在光信号的幅值低于阈值电平的情况下：

作为阈值电平与光信号之间的比较结果的确定结果标志被保持在标志存储器110中。此后，在时段S AD期间，计数器105基于计数信号的每单位时间段的变化量来向上计数信号clk，所述变化量被视为等于时段N AD中的变化量。计数器105将用于开始向上计数的初始值定义为信号code_N的值。其余部分与时段N AD中的处理相同。因此，S-N存储器106-2保持信号code_S-code_N。因此，可以获得与具有降低的噪声分量的光信号对应的数字信号。

在光信号的幅值高于阈值电平的情况下：

作为阈值电平与光信号之间的比较结果的确定结果标志flg＝1被保持在标志存储器110中。此后，在时段S AD期间，计数器105基于计数信号的每单位时间段的变化量来向上计数信号clk，所述变化量被视为等于时段N AD中的变化量的四倍大。计数器105将用于开始向上计数的初始值定义为信号code_N的值。其它点与时段N AD中的点相同。因此，S-N存储器106-2将信号code_S×4-code_N保持在S-N存储器106-2中。因此，可以获得具有降低的噪声分量的与光信号对应的数字信号。计数器105将每单位时间段的计数值的变化量定义为在时段S AD中是在时段N AD中的四倍大。因此，使用具有为第一斜坡信号Vr1的电位变化率的四倍的电位变化率的第二斜坡信号Vr2的AD转换可以导致在使用第一斜坡信号Vr1的情况下假定要获得的数字信号。换句话说，因为第二斜坡信号Vr2的梯度是第一斜坡信号Vr1的梯度的四倍大，所以结果所得的AD转换增益是1/4倍，而四倍的AD转换增益可以通过计数操作获得。在使用第二斜坡信号Vr2的情况下以及在使用第一斜坡信号Vr1的情况下，1/4倍和4倍的乘积导致相等的AD转换增益。

以这种方式，在AD转换单元150内包括计数器105而不是公共计数器108的成像装置可以获得与根据第一实施例获得的数字信号相对应的数字信号。根据这个实施例的成像装置也提供与根据第一实施例的成像装置的效果相同的效果。

第五实施例

将关于与第一实施例的不同之处来描述根据第五实施例的成像装置。根据第一实施例，通过使用从在AD转换单元150中提供的计数器105输出的计数信号来获得信号code_dif。这个实施例与第一实施例的不同之处在于，通过使用从公共计数器108输出的计数信号而不是从计数器105输出的计数信号来获得信号code_dif。

图11是示出根据这个实施例的成像装置中的AD转换单元150的框图。与第一实施例一样，为用于多个列的AD转换单元150中的每一个共同提供公共计数器108。每个AD转换单元150具有标志存储器110、减法电路111和差异存储器106-1。

参考图3，在时段V blank期间，存储器106保持通过使用第一斜坡信号Vr1对信号vrf执行AD转换所获得的第一数字信号。在时段V blank期间，存储器106保持通过使用第二斜坡信号Vr2对信号vrf执行AD转换所获得的数字信号(第六数字信号)。减法电路111获得表示第一数字信号与第六数字信号之间的差异的数字信号。换句话说，减法电路111是被配置为获得表示保持在存储器106中的第一数字信号与第六数字信号之间的差异的数字信号的计算单元。该数字信号是与根据第一实施例的信号code_dif对应的第二数字信号。差异存储器106-1保持由减法电路111获得的信号code_dif。

以与图3中相同的方式执行时段Valid 1H中的操作。

在每列的AD转换单元150不具有计数器105的情况下，根据这个实施例的成像装置可以获得与根据第一实施例获得的数字信号对应的数字信号。因此，根据这个实施例的成像装置可以提供与根据第一实施例的成像装置相同的效果。在根据这个实施例的成像装置中，可以省略每列的AD转换单元150中的计数器105。因此，与根据第一实施例的成像装置相比，还可以获得功耗降低的效果。在减法电路111具有比计数器105的电路尺寸小的电路尺寸的情况下，与根据第一实施例的成像装置相比，根据这个实施例的成像装置可以提供AD转换单元150的电路面积减小的效果。

第六实施例

图12A和12B是示出根据本公开第六实施例的成像装置的框图。除了第一实施例的配置之外，第六实施例进一步具有放大器110，每个放大器110与放大单元对应。根据第一实施例，斜坡信号的变化率基于光信号的幅值而改变。根据这个实施例，要用于光信号的AD转换的斜坡信号具有一个变化率。放大器110被配置为输出通过以预定放大率放大输入到放大器110的信号而获得的放大信号。

列电路170包括放大器110和AD转换单元150。放大器110具有运算放大器，电容器元件Ci、Cf1和Cf2，以及由信号

和

控制的开关。放大器110可以具有能够被设置为第一放大增益以及高于第一放大增益的第二放大增益的放大增益。在下文中，第一放大增益和第二放大增益将分别被称为低增益和高增益。将放大器110设置为低增益的状态称为低增益状态，将放大器110设置为高增益的状态称为高增益状态。列电路的转换率基于放大器110的增益而改变。放大器110具有通过选择器80-3连接到垂直信号线或信号Vrf的输入端。放大器110的输出和斜坡信号Vr被输入到比较器104。

图13是示出图12A和12B中的操作的定时图。

图13中的时段V blank是垂直消隐时段，如图3所示。在时段V blank期间，控制单元将信号

改变为高电平。放大器110具有值为Vrf的输入Vin_amp。控制单元将信号

和

改变为高状态并且将放大器110重置。在信号

和

被顺序地改变为低状态并且放大器110改变为高增益状态之后，信号

被改变为高状态，使得比较器104经历自动调零钳位。接下来，斜坡信号Vr斜坡升高，从而利用具有高增益的放大器110执行AD转换。接下来，信号

被改变为高状态，使得放大器110被改变为具有低增益状态。接下来，斜坡参考信号Vr再次斜坡升高，使得利用处于低增益状态的放大器110执行AD转换。因此，可以在高增益状态和低增益状态下获得数字值。虽然在图3的示例中基于斜坡信号的梯度来执行增益切换，但是根据这个实施例，放大器110的增益直接被改变。换句话说，根据这个实施例，列电路的转换率基于放大器110的增益而改变。

在读出像素信号时的时段Valid 1H期间，控制单元将信号

改变为低状态，并且垂直信号线连接至放大器110的输入端。信号

和

被顺序地改变为低状态，并且利用具有高增益放大状态的放大器110和像素重置状态来执行AD转换。这个时段在图13中被称为“N AD”。数字信号是响应于斜坡升高斜坡参考信号Vr与Vin_cmp之间的量值关系的改变而获得的。接下来，确定光信号是否具有高于阈值电平的幅值。在图13中，所述操作由“确定亮度级别”指示。控制单元确定信号Vim_cmp与信号Vr之间的量值关系，以改变信号

在光信号的幅值低于阈值电平的情况下：

信号Vin_cmp和

在图13中用实线指示。信号

保持低状态，并且放大器110具有高增益状态。通过保持高增益状态，光信号经历AD转换。参考图13，这个时段被称为“SAD”。

在光信号的幅值高于阈值电平的情况下：

信号Vin_cmp和

在图13中用虚线指示。当控制单元检测到Vin_cmp高于阈值时，信号

被改变为高状态。这将放大器110改变为具有低增益状态。接下来，以低增益状态对光信号执行AD转换。

而且在根据这个实施例的成像装置中，用于每列的AD转换单元150获得作为校正值的信号code_dif。因此，就像根据第一实施例的成像装置，与信号处理电路109为用于每列的AD转换单元150生成校正值的情况相比，可以减少信号处理电路109的信号处理量。因此，可以容易地实现改进的性能(诸如成像装置的增加的像素数量和增加的帧速率)。

第七实施例

图14是示出根据第七实施例的成像系统500的配置的框图。根据这个实施例的成像系统500包括应用根据上面提到的实施例的成像装置中的任何一个的配置的固态成像装置200。成像系统500的具体示例可以包括数码静态相机、数码摄像机和监控相机等。图14示出了应用根据上面提到的实施例中的任何一个的成像装置作为固态成像装置200的数码静态相机的配置示例。

图14中所示的成像系统500具有固态成像装置200、被配置为在固态成像装置200上形成物体的光学图像的透镜502、可用于调节通过透镜502的光量的光圈504，以及用于保护透镜502的屏障506。透镜502和光圈504形成被配置为将光搜集到固态成像装置200的光学系统。

成像系统500具有被配置为处理从固态成像装置200输出的信号的信号处理单元508。信号处理单元508被配置为执行信号处理操作，包括校正和压缩输入信号并输出处理后的信号。信号处理单元508能够对从固态成像装置200输出的信号执行AD转换处理。在这种情况下，固态成像装置200可以不必在内部具有AD转换电路。

成像系统500进一步包括被配置为临时存储图像数据的缓冲存储器单元510和用于与外部计算机通信的外部接口单元(外部I/F单元)512。成像系统500进一步包括向其写入和从中读取图像数据的记录介质514(诸如半导体存储器)以及用于向记录介质514写入和从中读取数据的记录介质控制接口单元(记录介质控制I/F单元)516。记录介质514可以在内部提供在成像系统500中或可分离地安装在成像系统500中。

成像系统500进一步包括总体控制/计算单元518和定时生成单元520，总体控制/计算单元518被配置为执行不同种类的计算并且总体上控制成像系统500(诸如数码静态相机)，定时生成单元520被配置成将定时信号输出到固态成像装置200和信号处理单元508。在这里，定时信号可以从外部输入，并且成像系统500可以仅包括至少固态成像装置200和被配置为处理从固态成像装置200输出的信号的信号处理单元508。总体控制/计算单元518和定时生成单元520可以被配置为实现固态成像装置200的控制功能的一部分或全部。

固态成像装置200被配置成将图像信号输出到信号处理单元508。信号处理单元508被配置为对从固态成像装置200输出的图像信号执行预定信号处理并输出图像数据。信号处理单元508还被配置为通过使用图像信号来生成图像。

应用与上面提到的实施例中的任何一个对应的固态成像装置的成像系统可以提供更高质量的图像。

第八实施例

图15A和图15B示出了根据第八实施例的成像系统1000和移动物体的配置。图15A示出了与车载相机相关的成像系统1000的示例。成像系统1000具有成像装置1010。成像装置1010可以是根据上面提到的实施例的成像装置中的任何一个。成像系统1000包括图像处理单元1030和视差获得单元1040，图像处理单元1030被配置为对由成像装置1010获得的多个图像数据集执行图像处理，视差获得单元1040被配置为根据由成像系统1000获得的多个图像数据片段计算视差(视差图像之间的相位差)。成像系统1000进一步包括：距离获得单元1050，被配置为基于计算出的视差计算到目标物体的距离；以及碰撞确定单元1060，被配置为基于计算出的距离确定是否存在碰撞可能性。在这里，视差获得单元1040和距离获得单元1050是被配置为获取到目标物体的距离信息的距离信息获取单元的示例。换句话说，例如，距离信息是关于视差、离焦量以及到目标物体的距离的信息。碰撞确定单元1060可以通过使用这种距离信息来确定碰撞可能性。距离信息获得单元可以通过专门设计的硬件模块或软件模块来实现。距离信息获得单元可以通过现场可编程门阵列(FPGA)、ASIC(专用集成电路)等或其组合来实现。

成像系统1000连接到车辆信息获得装置1310，并且可以获得车辆信息(诸如车辆速度、偏航率和舵位置(helm position))。控制ECU 1410连接到成像系统1000。控制ECU1410是被配置为基于碰撞确定单元1060的确定结果输出用于对车辆产生制动力的控制信号的控制设备。换句话说，控制ECU 1410是被配置为基于距离信息来控制移动物体的移动物体控制单元的示例。成像系统1000还连接到警报装置1420，该警报装置1420被配置为基于碰撞确定单元1060的确定结果向驾驶员发出警报。例如，如果碰撞确定单元1060确定存在高碰撞可能性，那么，控制ECU 1410通过例如制动、释放加速踏板或抑制发动机输出来执行车辆控制，以避免碰撞或减少损坏。例如，警报装置1420通过发出音频警报、在汽车导航系统的屏幕上显示警报信息、或者振动片带(sheet belt)或转向装置来警告用户。

根据这个实施例，成像系统1000可以用于捕获车辆周围(诸如其前方或后方)的图像。图15B示出了在要捕获车辆前方(图像捕获范围1510)的图像的情况下的成像系统1000。车辆信息获得装置1310向成像系统1000发送指令，以操作和捕获图像。根据上面提到的实施例的成像装置中的任何一个可以用作成像装置1010，使得根据这个实施例的成像系统1000可以具有更加改进的聚焦准确度。

已经描述了用于防止与另一个车辆碰撞的控制的示例，例如，这个实施例也可应用于通过跟随另一个车辆的自动驾驶的控制或用于防止车辆越过车道标志的控制。此外，成像系统不仅适用于车辆，诸如其上安装成像系统的车辆，而且还适用于移动物体(移动装置)(诸如船舶、飞机和工业机器人)。此外，成像系统不仅适用于移动物体，而且适用于应用物体识别的装置(诸如智能交通系统(ITS))。

变化示例

所有上面提到的实施例仅仅是为了说明用于体现本公开的具体示例而给出的。本公开的技术范围不应当基于示例被受限地解释。换句话说，可以在不背离其技术范围或特征的情况下实现实施例的各个方面。上面提到的实施例的各种组合也可以被实现。

根据本公开，可以提供能够容易地实现改进的信号输出性能(诸如成像装置的增加的像素数量和增加的帧速率)的成像装置。

虽然已经参考示例性实施例描述了本公开，但应当理解的是，本公开不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应当被赋予最宽泛的解释，以涵盖所有这些修改以及等同的结构和功能。

Claims

1.一种装置，其特征在于，包括：

多个像素，布置在多个列中；

多个电路，与所述多个列对应地布置；以及

输出线，连接到所述多个电路，

其中，所述电路中的每个电路获得差异信号，所述差异信号对应于通过以第一转换率转换模拟信号获得的第一信号与通过以第二转换率转换用于获得第一信号的所述模拟信号获得的第二信号之间的差异。

2.如权利要求1所述的装置，

其中，所述电路中的每个电路生成通过以第一转换率和第二转换率中的一个转换从所述像素中的每个像素输出的信号而获得的输出信号，以及

其中，基于所述差异信号生成用于校正所述输出信号的校正值。

3.如权利要求2所述的装置，其中，用于所述多个电路中的一个电路的校正值被应用为所述多个电路中的另一个电路的校正值。

4.如权利要求2所述的装置，

其中所述多个像素进一步布置在多个行中，以及

其中，每次从所述多个行的像素中的每行像素读出信号时，所述电路获得所述校正值。

5.如权利要求2所述的装置，

其中所述多个像素进一步布置在多个行中，以及

其中，在从所述多个行的像素中的部分行的像素读出信号的时段期间，所述电路获得所述校正值。

6.如权利要求2所述的装置，

其中所述多个像素进一步布置在多个行中，以及

其中，在从所述多个行的像素中的一行像素读出信号之后并且在下一次从所述一行读出信号之前的时段期间，所述电路获得所述校正值。

7.如权利要求1所述的装置，

其中，所述多个电路中的每个电路具有AD转换单元，

其中，所述第一信号是由所述AD转换单元通过使用以第一变化率改变其电位的第一斜坡信号对所述模拟信号执行AD转换而生成的数字信号，以及

其中，所述第二信号是由所述AD转换单元通过使用以第二变化率改变其电位的第二斜坡信号对所述模拟信号执行AD转换而生成的数字信号。

8.如权利要求7所述的装置，

其中，所述差异信号是表示对应于所述模拟信号和第一斜坡信号的数字信号与对应于所述模拟信号和第二斜坡信号的数字信号之间的差异的信号。

9.如权利要求7所述的装置，

其中，所述AD转换单元具有计数器，

其中，在通过使用第一斜坡信号对所述模拟信号执行AD转换的情况下，通过改变时钟信号的计数使得结果所得的计数值在第一方向上改变，所述计数器生成对应于所述模拟信号和第一斜坡信号的第一数字信号，以及

其中，在通过使用第二斜坡信号对所述模拟信号执行AD转换的情况下，通过改变时钟信号的计数使得结果所得的计数值在与第一方向相反的第二方向上改变，所述计数器以第一数字信号作为初始值生成第二数字信号，并且其中，第二数字信号是表示第一数字信号与对应于所述模拟信号和第二斜坡信号的数字信号之间的差异的数字信号。

10.如权利要求9所述的装置，其中，所述计数器在第一方向上计数时每单位时间段的计数值的变化量与在第二方向上计数时每单位时间段的计数值的变化量之比对应于第一变化率与第二变化率之比。

11.如权利要求9所述的装置，其中，在通过使用第一斜坡信号对所述模拟信号执行AD转换的情况下，所述计数器对于所述时钟信号的计数重复从第一值达到第二值的操作。

12.如权利要求9所述的装置，

其中，所述AD转换单元进一步具有数字低通滤波器电路和第一存储器，以及

其中，第一存储器保持与通过所述数字低通滤波器电路从所述计数器输出的第二数字信号对应的信号。

13.如权利要求7所述的装置，

其中，所述AD转换单元进一步具有第二存储器，

其中，第二存储器保持通过使用第一斜坡信号对所述模拟信号执行AD转换而生成的第一数字信号和通过使用第二斜坡信号对所述模拟信号执行AD转换而生成的第二数字信号，以及

其中，所述AD转换单元获得表示第一数字信号与第二数字信号之间的差异并被保持在第二存储器中的数字信号。

14.如权利要求13所述的装置，进一步包括计数器，所述计数器被配置为将公共计数信号输出到所述多个AD转换单元，

其中，第二存储器保持从所述计数器输出的计数信号。

15.如权利要求7所述的装置，

其中，所述多个像素中的每一个像素输出光信号，

其中，所述AD转换单元执行比较与所述光信号对应的信号的幅值与阈值电平的第一比较，

其中，第二变化率高于第一变化率，

其中，在作为第一比较的结果与所述光信号对应的信号的幅值低于所述阈值电平的情况下，所述AD转换单元比较与所述光信号对应的信号与第一斜坡信号，以及

其中，在作为第一比较的结果与所述光信号对应的信号的幅值高于所述阈值电平的情况下，所述AD转换单元比较与所述光信号对应的信号与第二斜坡信号。

16.如权利要求1所述的装置，

其中，所述多个电路中的每一个电路具有放大单元，

其中，按第一转换率转换的信号是由所述放大单元通过以第一放大率放大所述模拟信号而生成的放大信号，以及

其中，按第二转换率转换的信号是由所述放大单元通过以第二放大率放大所述模拟信号而生成的放大信号。

17.如权利要求16所述的装置，

其中，所述多个像素中的每一个像素输出光信号，

其中，所述电路中的每个电路执行比较与所述光信号对应的信号的幅值与阈值电平的第一比较，

其中，第二放大率高于第一放大率，

其中，在作为第一比较的结果与所述光信号对应的信号的幅值低于所述阈值电平的情况下，所述放大单元以第二放大率放大所述光信号，以及

其中，在作为第一比较的结果与所述光信号对应的信号的幅值高于所述阈值电平的情况下，所述放大单元以第一放大率放大所述光信号。

18.一种系统，其特征在于，包括：

如权利要求1至17中任一项所述的装置；以及

信号处理单元，被配置为通过使用从所述装置输出的信号来生成图像。

19.一种移动物体，其特征在于，包括：

如权利要求1至17中任一项所述的装置；

获得单元，被配置为基于来自所述装置的信号而从视差图像获得到目标物体的距离信息；以及

控制单元，被配置为基于所述距离信息来控制所述移动物体。