CN115835040A - 光电转换装置及其驱动方法、摄像系统、移动体和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供光电转换装置及其驱动方法、摄像系统、移动体和设备。所公开的光电转换装置包括：像素，其包括光电转换单元；AD转换单元，用于对像素中所生成的模拟信号进行AD转换；以及控制单元，其被配置为控制AD转换单元。控制单元被配置为控制AD转换单元对同一模拟信号进行多次AD转换。多次AD转换中的第一AD转换时段的长度短于多次AD转换中的第二AD转换时段的长度。第二AD转换时段中的参考信号的变化率小于第一AD转换时段中的参考信号的变化率。在第一AD转换时段和第二AD转换时段中的各个AD转换时段中，参考信号的电位变化为第一电平。

Description

光电转换装置及其驱动方法、摄像系统、移动体和设备

技术领域

本公开涉及光电转换装置和光电转换装置的驱动方法。

背景技术

在诸如固态摄像装置等的光电转换装置中，为了提高S/N比，需要噪声水平的降低、动态范围的扩大和高速读出。响应于这种需求，日本特开2015-128253公开了一种用于通过设置以不同放大因数放大来自摄像元件的输出信号的多个放大器、并根据被摄体的明度选择/合成该多个放大器的信号输出来扩展动态范围的技术。日本特开2016-054424公开了一种用于通过根据放大器的放大因数改变对放大器的输出信号进行模数转换的时段的长度来增加速度的技术。

然而，在日本特开2015-128253中所描述的技术中，当通过合成多个输出信号来获得图像时，由于包括多个放大器的信号处理电路之间的特性变化，图像质量可能由于输出信号之间的偏移和/或增益误差而劣化。作为对此的措施，可以考虑相同的信号处理电路以不同放大因数顺次进行信号处理的配置，但是因为读出时间增加，所以不能说该配置适合于加速读出。此外，日本特开2016-054424中所描述的技术具有在放大器的输出振幅小时能够增加模数转换的速度的配置，但是从S/N比和动态范围的观点出发的研究尚不充分。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于改善光电转换装置的性能的有利技术。

根据本公开的实施例，提供了一种光电转换装置，包括：像素，其包括光电转换单元；AD转换单元，用于通过将所述像素中所生成的模拟信号的电平与电平随时间变化的参考信号的电平进行比较，来对所述模拟信号进行AD转换；以及控制单元，其被配置为控制所述AD转换单元，其中，所述控制单元被配置为控制所述AD转换单元对所述像素中所生成的同一模拟信号进行多次AD转换，其中，所述多次AD转换中的第一AD转换时段的长度短于所述多次AD转换中的第二AD转换时段的长度，其中，所述第二AD转换时段中所使用的参考信号相对于时间的变化率小于所述第一AD转换时段中所使用的参考信号相对于时间的变化率，其中，在所述第二AD转换时段中，所述参考信号的电位变化为第一电平，以及其中，在所述第一AD转换时段中，所述参考信号的电位变化为所述第一电平。

根据本说明书的另一实施例，提供了一种光电转换装置的驱动方法，所述光电转换装置包括像素和AD转换单元，所述像素包括光电转换单元，所述AD转换单元被配置为通过将所述像素中所生成的模拟信号的电平与电平随时间变化的参考信号的电平进行比较来对所述模拟信号进行AD转换，所述驱动方法包括：对所述像素中所生成的同一模拟信号进行具有不同长度的AD转换时段的多次AD转换，以获取与所述多次AD转换相对应的多个数字信号；以及通过对所述多个数字信号进行合成来生成图像信号，其中，所述多次AD转换中的第一AD转换时段的长度短于所述多次AD转换中的第二AD转换时段的长度，所述第二AD转换时段中所使用的参考信号相对于时间的变化率小于所述第一AD转换时段中所使用的参考信号相对于时间的变化率，在所述第二AD转换时段中，所述参考信号的电位变化为第一电平，以及在所述第一AD转换时段中，所述参考信号的电位变化为所述第一电平。

本发明的其他特征将从参考附图对示例性实施例的以下描述变得清楚。

附图说明

图1是示出根据本发明第一实施例的光电转换装置的配置示例的示意图。

图2是示出根据本发明第一实施例的光电转换装置中的像素的配置示例的等效电路图。

图3是示出根据本发明第一实施例的光电转换装置中的放大器的配置示例的等效电路图。

图4和图5是示出光电转换装置的驱动方法的时序图。

图6、图7和图8是示出数字信号处理单元中的数字信号处理的示例的图。

图9是示出入射光量与像素输出信号和光散粒噪声(optical shot noise)之间的关系的图。

图10和图14是示出根据本发明第一实施例的光电转换装置的驱动方法的时序图。

图11、图12和图13是示出根据本发明第一实施例的光电转换装置的驱动方法中的数字信号处理的示例的图。

图15是示出根据本发明第二实施例的光电转换装置的驱动方法的时序图。

图16是示出根据本发明第三实施例的光电转换装置的驱动方法的时序图。

图17和图18是示出根据本发明第三实施例的光电转换装置的驱动方法中的数字信号处理的示例的图。

图19是示出根据本发明第四实施例的光电转换装置的驱动方法的时序图。

图20和图21是示出根据本发明第四实施例的光电转换装置的驱动方法中的数字信号处理的示例的图。

图22是示出根据本发明第五实施例的光电转换装置中的信号处理内容的图。

图23是示出根据本发明第五实施例的光电转换装置的驱动方法的时序图。

图24是示出根据本发明第六实施例的光电转换装置的驱动方法的时序图。

图25是示出根据本发明第六实施例的光电转换装置的驱动方法的时序图。

图26是示出根据本发明第六实施例的光电转换装置中的信号处理内容的图。

图27是示出根据本发明第七实施例的摄像系统的示意性配置的框图。

图28A是示出根据本发明第八实施例的摄像系统的配置示例的图。

图28B是示出根据本发明第八实施例的移动体的配置示例的图。

图29是示出根据本发明第九实施例的设备的示意性配置的框图。

具体实施方式

现在将参考附图详细描述本发明的优选实施例。

[第一实施例]

将参考图1至图3描述根据本发明第一实施例的光电转换装置的结构。图1是示出根据本实施例的光电转换装置的配置示例的示意图。图2是示出根据本实施例的光电转换装置中的像素的配置示例的等效电路图。图3是示出根据本实施例的光电转换装置中的放大器的配置示例的等效电路图。

如图1所示，根据本实施例的光电转换装置100包括像素单元10、像素驱动单元20、放大单元30、比较单元40、存储器单元50、水平扫描单元60、数字信号处理单元70、输出单元80和定时生成单元90。光电转换装置100还包括参考信号生成单元46和计数器单元54。

像素单元10包括以矩阵形式布置在多行和多列上的多个像素12。各个像素12包括光电转换单元并且输出与入射光量相对应的像素信号，其中光电转换单元包括诸如光电二极管等的光电转换元件。各个像素12可以包括具有预定光谱灵敏度特性的滤色器。布置在像素单元10中的像素阵列的行数和列数没有特别限制。另外，在像素单元10中，除了输出与入射光量相对应的像素信号的有效像素之外，还可以布置使光电转换单元被遮光的光学黑色像素以及不输出信号的伪像素等。

在像素单元10的各行中，像素驱动信号线14被布置成在第一方向(图1中的横向方向)上延伸。各行的像素驱动信号线14分别连接到布置在第一方向上的像素12，并且用作这些像素12共同的信号线。像素驱动信号线14延伸的第一方向可以被称为行方向或水平方向。像素驱动信号线14连接到像素驱动单元20。

在像素单元10的各列中，像素输出线16被布置成在与第一方向相交的第二方向(图1中的垂直方向)上延伸。各列的像素输出线16连接到布置在第二方向上的像素12，并且用作这些像素12共同的信号线。像素输出线16延伸的第二方向可以被称为列方向或垂直方向。电流源18连接到像素输出线16中的各个像素输出线16。像素输出线16连接到放大单元30。

像素驱动单元20是如下的控制电路单元，该控制电路单元具有接收从定时生成单元90供给的控制信号、生成用于驱动像素12的控制信号、并且将控制信号经由像素驱动信号线14供给到像素12的功能。诸如移位寄存器或地址译码器等的逻辑电路可以用于像素驱动单元20。像素驱动单元20可以被配置为向各行的像素驱动信号线14顺次供给控制信号，并且以行为单位顺次驱动像素单元10的像素12。以行为单位从像素12读出的信号经由设置在像素单元10的各列中的像素输出线16被输入到放大单元30。

放大单元30包括与像素单元10的各列相对应地设置的多个放大器32。放大器32中的各个放大器具有输出节点和连接到相应列中的像素输出线16的输入节点。多个放大器32中的各个放大器的输出节点连接到与像素单元10的各列相对应地设置的多个放大信号输出线36中的相应列的放大信号输出线36。多个放大信号输出线36连接到比较单元40。

参考信号生成单元46是如下的电路单元，该电路单元用于接收从定时生成单元90供给的控制信号、生成要用于模数转换(AD转换)的参考信号、并且经由参考信号输出线48将所生成的参考信号输出到比较单元40。参考信号是信号电平随时间变化的信号，例如斜坡信号。斜坡信号是信号电平随时间以恒定变化率从预定值逐渐变化(增加或减少)的信号。在以下描述中，参考信号(斜坡信号)相对于时间的变化率可以表示为参考信号(斜坡信号)的斜率。参考信号可以是具有可以适用于AD转换的预定振幅的任何信号，并且没有必要一定局限于斜坡信号。

比较单元40包括与像素单元10的各列相对应地设置的多个缓冲电路42和多个比较器44。比较器44中的各个比较器具有连接到相应列的放大信号输出线36的第一输入节点、经由相应列的缓冲电路42连接到参考信号输出线48的第二输入节点、以及输出节点。比较器44的输出节点连接到存储器单元50。

计数器单元54是如下的电路单元，该电路单元用于接收从定时生成单元90供给的控制信号、生成计数值以恒定频率转变的计数信号、并且将所生成的计数信号经由计数信号线56输出到存储器单元50。计数信号包括多位，并且计数信号线56包括与计数信号的位数相对应的多个信号线。

存储器单元50包括与像素单元10的各列相对应地设置的多个存储器52。多个存储器52中的各个存储器由多位构成。多个存储器52中的各个存储器包括连接到相应列的比较器44的输出节点的第一输入节点、连接到计数信号线56的第二输入节点、连接到水平扫描单元60的第三输入节点、以及连接到水平传送线58的输出节点。存储器52被配置为保持在从比较器44输出锁存信号的定时接收到的计数信号所指示的计数值，其中该锁存信号指示放大器32的输出信号的电平与参考信号的电平之间的大小关系被反转。以这种方式保持在存储器52中的计数值变为像素信号的数字数据。

水平扫描单元60是如下的控制电路单元，该控制电路单元具有接收从定时生成单元90供给的控制信号、生成用于从存储器单元50读出像素信号的数字数据的控制信号、并且将控制信号供给到存储器单元50的功能。与像素单元10的各列相对应地设置的水平扫描单元60的控制线连接到相应列的存储器52。水平传送线58连接到数字信号处理单元70。

数字信号处理单元70具有对从存储器单元50传送的数字数据进行诸如数据之间的加法/减法处理、数字增益处理、偏移加法/减法处理、解码处理和数据加扰处理等的数字信号处理的功能。数字信号处理单元70连接到输出单元80。

输出单元80具有将数字信号处理单元70所处理的数据输出到光电转换装置100的外部的功能。例如，输出单元80可以包括诸如缓冲电路等的从单个端子输出电压的系统，或者具有两个差分端子的输出LVDS(低压差分信号)的系统。输出单元80可以具有并行/串行转换(P/S转换)的功能。

定时生成单元90是用于供给用于控制像素驱动单元20、放大单元30、比较单元40、参考信号生成单元46、存储器单元50、计数器单元54、水平扫描单元60和输出单元80的操作和定时的控制信号的电路。也就是说，定时生成单元90用作用于控制像素驱动单元20、放大单元30、比较单元40、参考信号生成单元46、存储器单元50、计数器单元54、水平扫描单元60和输出单元80的控制单元。这些控制信号中的至少一部分可以从光电转换装置100的外部来供给。

接下来，将参考图1描述根据本实施例的光电转换装置100的操作的概述。

在定时生成单元90的控制下，像素驱动单元20通过经由像素驱动信号线14所供给的控制信号来进行以行为单位驱动构成了像素单元10的多个像素12的操作(即，所谓的垂直扫描)。由此，多个像素12的像素信号以行为单位顺次输出到各列的像素输出线16。从多个像素12中的各个像素输出的像素信号可以包括与对应于向光电转换单元的入射光量的信号量相对应的信号(光信号或光电转换信号)以及与噪声量相对应的信号(参考信号或复位信号)。从像素12输出到像素输出线16的像素信号被输入到放大单元30。

将经由像素输出线16从像素12输出的像素信号在相应列的放大器32中以预定放大因数放大，然后输入到相应列的比较器44。比较器44将像素信号的信号电平与经由缓冲电路42从参考信号生成单元46输入的参考信号的信号电平进行比较，并且在像素信号的信号电平与斜坡信号的信号电平之间的大小关系被反转的定时输出锁存信号。从计数器单元54供给的计数信号和比较器44的输出信号被输入到存储器52。存储器52将计数信号在从比较器44接收到锁存信号时的定时所指示的计数值存储为像素信号的数字数据。以这种方式，将作为从像素12输出的模拟信号的像素信号转换为数字数据(数字像素信号)。比较单元40、参考信号生成单元46、存储器单元50和计数器单元54构成用于将作为从像素12输出的模拟信号的像素信号转换为数字信号的AD转换单元。

在定时生成单元90的控制下，水平扫描单元60将各列的控制信号顺次输出到存储器单元50的存储器52。已从水平扫描单元60接收到控制信号的存储器52将所保持的数字像素信号输出到水平传送线58。

输出到水平传送线58的数字像素信号在数字信号处理单元70中经过预定的数字信号处理，然后经由输出单元80输出到光电转换装置100的外部。

接下来，将参考图2描述根据本实施例的光电转换装置100中的像素12的配置示例。

如图2所示，例如，像素12中的各个像素可以包括光电转换元件PD、传送晶体管M1、复位晶体管M2、放大晶体管M3和选择晶体管M4。各个像素12可以包括布置在直到入射光被引导到光电转换元件PD为止的光路上的微透镜和滤色器。微透镜具有将入射光聚光到光电转换元件PD上的作用。滤色器选择性地透射预定颜色的光。

光电转换元件PD例如是光电二极管，其阳极连接到基准电压线GND，并且其阴极连接到传送晶体管M1的源极。传送晶体管M1的漏极连接到复位晶体管M2的源极和放大晶体管M3的栅极。传送晶体管M1的漏极、复位晶体管M2的源极和放大晶体管M3的栅极相连接的节点是所谓的浮动扩散FD。浮动扩散FD包括电容组件(浮动扩散电容器)并且用作电荷保持部。浮动扩散电容器可以包括p-n结电容和互连电容。复位晶体管M2的漏极和放大晶体管M3的漏极连接到电源电压线VDD(电压VDD)。放大晶体管M3的源极连接到选择晶体管M4的漏极。选择晶体管M4的源极连接到像素输出线16。

在图2的像素配置的情况下，各行的像素驱动信号线14包括连接到传送晶体管M1的栅极的信号线、连接到复位晶体管M2的栅极的信号线和连接到选择晶体管M4的栅极的信号线。控制信号PTX经由信号线从像素驱动单元20供给到传送晶体管M1的栅极。控制信号PRES经由信号线从像素驱动单元20供给到复位晶体管M2的栅极。控制信号PSEL经由信号线从像素驱动单元20供给到选择晶体管M4的栅极。在各个晶体管由n沟道MOS晶体管形成的情况下，当从像素驱动单元20供给高电平控制信号时，相应晶体管导通。当从像素驱动单元20供给低电平控制信号时，相应晶体管关断。

在本实施例中，将给出假设在通过光入射而在光电转换元件PD中生成的电子-空穴对中的电子用作信号电荷的情况的描述。当电子用作信号电荷时，像素12中所包括的各个晶体管可以由n沟道MOS晶体管形成。然而，信号电荷不限于电子，并且空穴可以用作信号电荷。当空穴用作信号电荷时，各个晶体管的导电类型与本实施例中所描述的导电类型相反。另外，MOS晶体管的术语“源极”或“漏极”可以根据晶体管的导电类型或目标功能而变化。在本实施例中使用的源极和漏极的名称中的部分或全部有时被称为相反的名称。

光电转换元件PD将入射光转换(光电转换)为与入射光量相对应的量的电荷，并且累积所生成的电荷。当传送晶体管M1导通时，将保持在光电转换元件PD中的电荷传送到浮动扩散FD。从光电转换元件PD传送的电荷被保持在浮动扩散FD的电容组件(浮动扩散电容器)中。结果，浮动扩散FD通过利用浮动扩散电容器的电荷-电压转换而变为与从光电转换元件PD传送的电荷量相对应的电位。

当选择晶体管M4导通时，放大晶体管M3的源极连接到像素输出线16。放大晶体管M3被配置为使得电压VDD被供给到漏极并使得偏置电流经由选择晶体管M4从电流源18供给到源极，并且构成具有栅极作为输入节点的放大器单元(源极跟随器电路)。因此，放大晶体管M3经由选择晶体管M4将基于浮动扩散FD的电位的信号输出到像素输出线16。在这个意义上，放大晶体管M3和选择晶体管M4形成用于输出与保持在浮动扩散FD中的电荷量相对应的像素信号的输出单元。

复位晶体管M2具有控制向浮动扩散FD供给用于使作为电荷保持部的浮动扩散FD复位的电压(电压VDD)的功能。当复位晶体管M2导通时，浮动扩散FD被复位到与电压VDD相对应的电位。

接下来，将参考图3描述根据本实施例的光电转换装置100中的放大器32的配置示例。

如图3所示，例如，放大器32中的各个放大器可以包括放大器电路34、输入电容器C0、反馈电容器C1、C2和C3以及开关S0、S1、S2和S3。放大器电路34例如可以是差分放大电路。放大器电路34的输入节点经由输入电容器C0连接到像素输出线16。放大器电路34的输出节点连接到放大信号输出线36。开关S0、反馈电容器C1和开关S1的串联连接体、反馈电容器C2和开关S2的串联连接体以及反馈电容器C3和开关S3的串联连接体并联连接在放大器电路34的输入节点和输出节点之间。

当放大器电路34是反相放大电路时，放大器32的电压放大因数表示为-(输入电容(C0)/反馈电容(C1至C3))。可以通过切换由开关S1至S3选择反馈电容器C1至C3中的哪一个以改变由反馈电容器C1至C3与输入电容器C0之间的分压比确定的反馈系数，来切换放大器32的电压放大因数。也就是说，放大器32是被配置为能够改变电压放大因数的放大器。从定时生成单元90供给开关S0、S1、S2和S3的控制信号。

接下来，将参考图4描述根据本实施例的光电转换装置的标准驱动示例。图4是示出根据本实施例的光电转换装置的驱动方法的时序图。图4示出放大器32的电压放大因数、控制信号PRES、PTX和PSEL、开关S0、S1、S2和S3的控制信号、放大器32的输出信号、斜坡信号、比较器44的输出信号和计数信号的时间变化。假设当相应控制信号处于高电平时，开关S0、S1、S2和S3接通，并且当相应控制信号处于低电平时，开关S0、S1、S2和S3断开。

在读出操作之前，在设置的时间段(曝光时段)期间，曝光光电转换元件PD。在光电转换元件PD中，累积与曝光时段期间的入射光量相对应的电荷。在该时段期间，控制信号PRES处于高电平，复位晶体管M2导通，并且放大晶体管M3的栅极和浮动扩散FD处于复位状态。此外，开关S0至S3接通(on)，放大器电路34处于电压跟随器状态，并且放大信号输出线36处于电位V0。此时，反馈电容器C1至C3中的各个反馈电容器的两个端子都被短路，并且这些端子也处于电位V0。

首先，通过将开关S2和S3的控制信号从高电平变换到低电平以断开开关S2和S3，来将反馈电容器C2和C3与放大器电路34的反馈路径断开连接。

接下来，通过将开关S0的控制信号从高电平变换到低电平以断开开关S0，来解除放大器电路34的复位状态。通过将控制信号PRES从高电平切换到低电平以关断复位晶体管M2，来解除放大晶体管M3的栅极和浮动扩散FD的复位状态。在浮动扩散FD中保持与复位状态的解除相对应的电位。此时，控制信号PSEL处于高电平并且选择晶体管M4导通，并且具有与浮动扩散FD的复位电位相对应的电位的信号通过由放大晶体管M3和电流源18配置的源极跟随器电路而输出到像素输出线16。

接下来，通过将控制信号PTX在预定时间段中变换到高电平以导通传送晶体管M1，来将光电转换元件PD中所累积的电荷传送到浮动扩散FD。这里，当传送到浮动扩散FD的电荷量的绝对值由Q表示、并且浮动扩散FD的电容由CFD表示时，连接到浮动扩散FD的放大晶体管M3的栅极电位降低了Q/CFD。像素输出线16的电位也响应于放大晶体管M3的栅极电位的变化而变化。当源极跟随器电路的增益由Gsf表示时，由以下表达式(1)表示由于电荷从光电转换元件PD传送到浮动扩散FD而导致的像素输出线16的电位V1的电位变化量(振幅)ΔV1。

ΔV1＝-Q×Gsf/CFD…(1)

电位变化量ΔV1由包括放大器电路34、输入电容器C0和反馈电容器C1的放大器32来放大。此时，放大器32的输出电位的电位变化量(振幅)ΔV2由以下表达式(2)表示。放大器32的输出电位V2由以下表达式(3)表示。此时在放大器32中设置的电压放大因数C0/C1被称为Gain1。

ΔV2＝Q×(Gsf/CFD)×(C0/C1)…(2)

V2＝V0+Q×(Gsf/CFD)×(C0/C1)…(3)

在以下描述中，从控制信号PRES和开关S0的控制信号从高电平到低电平的转变到控制信号PTX到高电平的转变的时段被称为像素噪声电平读出时段。控制信号PTX变为高电平之后的时段被称为像素信号电平读出时段。比较单元40将像素信号与参考信号进行比较的时段被称为比较时段或AD转换时段。像素噪声电平读出时段期间的AD转换时段被称为NAD时段TN1。像素信号电平读出时段期间的AD转换时段被称为SAD时段TS1。从NAD时段的开始到SAD时段的结束的时段被称为一个像素的AD转换时段T1。

比较器44进行将放大器32的输出信号的电位电平与参考信号的电位电平进行比较的比较操作。比较器44在放大器32的输出信号的电位电平与参考信号的电位电平之间的大小关系被反转的定时，输出指示比较结果的脉冲信号(锁存信号)。

计数器单元54响应于由参考信号生成单元46开始改变参考信号的电位电平而开始对时钟信号(时钟脉冲)进行计数。此时，参考信号的电位电平的变化的开始和计数器单元54的计数的开始不必彼此完全一致。例如，计数单元54的计数可以在从参考信号的电位电平的变化开始起经过了预定时间段之后开始。当在NAD时段TN1期间从比较器44接收到锁存信号时，存储器52保持此时从计数信号线56供给的计数信号所指示的计数值a。类似地，当在SAD时段TS1期间从比较器44接收到锁存信号时，存储器52保持此时从计数信号线56供给的计数信号所指示的计数值b。以这种方式保持在存储器52中的计数值a和b是像素信号的AD转换值(数字数据)。假设存储器52具有与像素噪声电平读出和像素信号电平读出相对应的多个存储器。

存储器52中所保持的计数值响应于来自水平扫描单元60的控制信号而被传送到数字信号处理单元70，并且在数字信号处理单元70的数字信号处理之后经由输出单元80输出到外部。数字信号处理单元70中的数字信号处理的示例是从AD转换值b减去AD转换值a的处理。通过进行减法处理，可以去除像素12的复位噪声、在包括像素12的多个放大器32和多个比较器44中生成的偏移差和固定模式噪声，并且可以提高图像质量。

接下来，将参考图5描述驱动根据本实施例的光电转换装置的另一示例。图5是示出根据本实施例的光电转换装置的驱动方法的时序图。图5示出放大器32的电压放大因数、控制信号PRES、PTX和PSEL、开关S0、S1、S2和S3的控制信号、放大器32的输出信号、斜坡信号、比较器44的输出信号和计数信号的时间变化。假设当相应控制信号处于高电平时，开关S0、S1、S2和S3接通，并且当相应控制信号处于低电平时，开关S0、S1、S2和S3断开。

图5的驱动示例是用于扩展动态范围的标准驱动示例。也就是说，图5的驱动示例可以适用于通过使用通过以不同电压放大因数放大而获得的信号来生成扩大了动态范围的图像的情况。具体地，像素信号被两种放大因数(即，电压放大因数Gain1和电压放大因数Gain2放大，并且对放大像素信号中的各个放大像素信号进行AD转换。

首先，以与图4的驱动示例相同的方式，执行直到SAD时段TS1为止的处理以获得AD转换值a和AD转换值b。此时的电压放大因数为Gain1。

接下来，开关S2和S3的控制信号从低电平变换到高电平，并且开关S2和S3接通。由此，放大器电路34的反馈电容变为(C1+C2+C3)，并且放大器32的电压放大因数变为C0/(C1+C2+C3)。此时的电压放大因数是Gain2。此时的放大器32的输出电位V3由以下表达式(4)表示。

V3＝V0+Q×(Gsf/CFD)×(C0/(C1+C2+C3))…(4)

与SAD时段TS1类似地，比较单元40和存储器单元50对以电压放大因数Gain2放大的像素信号进行AD转换，并将所获取的AD转换值存储在存储器52中。该时段被称为SAD时段TS2。假设计数值c作为AD转换值保持在存储器52中。

接下来，将控制信号PRES在预定时间段中变换到高电平以导通复位晶体管M2，由此使浮动扩散FD复位。此外，开关S0的控制信号在预定时间段中变换到高电平以接通开关S0，由此使放大器32复位。由此，将像素噪声电平的像素信号输出到像素输出线16，并且将通过以电压放大因数Gain2放大像素信号而获得的信号输出到放大信号输出线36。

与NAD时段TN1类似地，比较单元40和存储器单元50对以电压放大因数Gain2放大的像素噪声电平的像素信号进行AD转换，并将所获取的AD转换值保持在存储器52中。该时段被称为NAD时段TN2。假设计数值d作为AD转换值保持在存储器52中。

注意，在NAD时段TN2中获得的AD转换值包括在复位晶体管M2和开关S0关断时的噪声，但是该噪声可能与在NAD时段TN1中获得的AD转换值中所包括的噪声不同。在NAD时段TN2中获得的数据可以在数字信号处理单元70中的数字信号处理中有效地去除偏移或固定模式噪声。

此外，在该驱动示例中，存储器52中的各个存储器可以具有与NAD时段TN1和TN2以及SAD时段TS1和TS2相对应的多个存储器。可替代地，可以将AD转换时段TN1和TS1中所保持的AD转换值传送到其他存储器并保持在其他存储器中，并且可以将在传送AD转换值之后的存储器的一部分用作用于在AD转换时段TN2和TS2中保持AD转换值的存储器。保持在其他存储器中的AD转换时段TN1和TS1的数据可以在AD转换时段TN2和TS2期间被水平地传送。

在该驱动示例中，从NAD时段TN1的开始到NAD时段TN2的结束的时段被称为一个像素的AD转换时段T2。在该驱动示例中，AD转换的顺序是AD转换时段TN1、TS1、TS2和TN2，但是可以改变放大器32的配置以改变为AD转换时段TN1、TN2、TS2和TS1或者AD转换时段TN1、TN2、TS1和TS2的顺序。在本实施例中，AD转换时段是从参考信号的电位变化的开始到电位变化的结束的时段。另一方面，AD转换时段是从计数单元54的计数操作的开始到计数操作的结束的时段。在图中，同时进行参考信号的电位变化的开始和计数器单元54的计数操作的开始。因此，从参考信号的电位变化的开始到电位变化的结束的时段与从计数单元54的计数操作的开始到计数操作的结束的时段一致。然而，本发明不限于该示例，并且如上所述，参考信号的电位变化的开始到结束、或者计数器单元54的计数操作的开始到结束可以用作AD转换时段。尽管在本实施例中作为示例描述了使用参考信号的AD转换，但是本发明不限于该示例。例如，在逐次逼近型AD转换的情况下，AD转换时段可以是从参考信号与模拟信号相比的电位变化的开始到结束的时段。

存储器52中所保持的计数值a、b、c和d响应于来自水平扫描单元60的控制信号而被传送到数字信号处理单元70，并且在数字信号处理单元70的数字信号处理之后经由输出单元80输出到外部。

图6至图8是用于说明对在图5所示的驱动示例中获得的AD转换值进行数字信号处理的示例的图。

图6示出数字信号处理单元70中的减法处理之后的结果。在图6中，横轴表示像素输出线16的信号振幅(电位变化量ΔV1)，并且纵轴表示从在SAD时段中获得的AD转换值减去在NAD时段中获得的AD转换值的结果。这里，假设基于表达式(1)的像素输出线16的电位变化量ΔV1的最大值为1.0V，并且在AD转换时段TN1和TS1中获得的AD转换值之间的差(在下文中被称为AD转换结果)的最大值为4096LSB。也就是说，AD转换的分辨率被设置为12位。还假设电压放大因数Gain1为C0/C1＝2，并且电压放大因数Gain2为C0/(C1+C2+C3)＝1。

参考信号的斜率和计数器的频率被设置成使得在电压放大因数为Gain2(＝1)、像素输出线16的电位变化量ΔV1为1.0V、并且放大器32的电位变化量ΔV2为1.0V时，AD转换结果(c-d)变为4096LSB。这在图6中用虚线示出。另一方面，当电压放大因数为Gain1(＝2)并且像素输出线16的电位变化量ΔV1为0.5V时，放大器32的电位变化量ΔV2为1.0V，并且AD转换结果(b-a)为4096LSB。这在图6中用实线示出。

图6的图示出AD转换结果相对于像素输出线16的电位变化的变化量根据放大器32的电压放大因数而变化。具体地，当电压放大因数为Gain1(＝2)时，AD转换结果的变化量是在电压放大因数为Gain2(＝1)时的AD转换结果的变化量的两倍。

图7是示出当应用了AD转换结果(c-d)的两倍大的数字增益(＝(c-d)×2)时的结果的图。当电压放大因数为Gain2(＝1)并且像素输出线16的电位变化量ΔV1为0.5V时，通过将AD转换结果(c-d)乘以数字增益所获得的值(＝(c-d)×2)为4096LSB。也就是说，此时的AD转换结果相对于像素输出线16的电位变化量ΔV1的变化量与当电压放大因数为Gain1时的AD转换结果(b-a)相对于像素输出线16的电位变化量ΔV1的变化量相同。此时，AD转换值的最大值是8192LSB。

图8是示出使用AD转换结果(b-a)和AD转换结果(c-d)来合成图像的方法的图。如图8所示，将以电压放大因数Gain1放大的像素信号的AD转换结果(b-a)用作像素输出线16的电位变化量ΔV1等于或大于0V、且小于0.5V的范围(低亮度区域)中的图像数据。在像素输出线16的电位变化量ΔV1为0.5V或更大的范围(高亮度区域)中，以电压放大因数Gain2放大的像素信号的AD转换结果(c-d)×2用作图像数据。

由于电压放大因数Gain1高于电压放大因数Gain2，因此在放大器32的后级处的噪声量方面，AD转换结果(b-a)比AD转换结果(c-d)更有利。另一方面，由于当像素输出线16的电位变化量ΔV1为1.0V(电位变化量ΔV1变为最大)时，AD转换结果(c-d)变为4096LSB，因此在输入动态范围方面，AD转换结果(c-d)比AD转换结果(b-a)更有利。因此，如图8所示合成的图像变为在提高S/N比的同时扩大了动态范围的图像。

另一方面，由于NAD时段TN1和NAD时段TN2以及SAD时段TS1和SAD时段TS2需要相同的处理时间，因此一个像素的AD转换时段T2的处理时间是参考图4所描述的一个像素的AD转换时段T1的处理时间的两倍。因此，在图5的驱动示例中，读出时间长，并且帧频降低。

作为用于获得通过使用以不同电压放大因数获得的两个AD转换结果来扩大动态范围的图像的另一方法，可以认为在放大器32的后级处提供两个或多于两个信号处理电路，并且在这些信号处理电路中同时处理相同的像素信号。根据该配置示例，尽管可以缩短读出时间，但是图像质量可能由于两个或多于两个信号处理电路中的误差(例如，放大器32的电压放大因数的误差或操作点的误差)所导致的偏移而劣化。此外，电路尺寸变大，这从芯片尺寸和电源的可允许电流量的观点来看可能是不利的。

图9是说明参考图6至图8所描述的数字信号处理中的像素信号的S/N比的图。在图9中，横轴表示向像素12的入射光的量，并且纵轴在对数轴上表示根据入射光进行光电转换的信号电平(像素输出信号)和光散粒噪声。在图9中，实线指示入射光量与像素输出信号之间的关系。虚线指示入射光量与光散粒噪声之间的关系。点线指示像素噪声(这包括放大器32所引起的噪声。不包括由于AD转换所导致的噪声)。

假设像素噪声为0.2mV，被表示为1.0V的信号电平与0.2mV的基于像素的噪声之间的比的S/N比是74dB。考虑到量化位误差，为了在覆盖该S/N比的情况下对像素信号进行AD转换，需要高于12位的分辨率来进行AD转换。

接下来，将描述像素信号和光散粒噪声之间的关系。这里，假设在1.0V的信号电平处的光电荷的数量N为10,000。光散粒噪声的噪声量通常被表示为

(N的平方根)。当像素信号的大振幅信号电平为1.0V时，对于10,000个光电荷，光散粒噪声的数量为100，并且此时的S/N比为40dB。当小振幅信号电平为10mV时，此时的S/N比为20dB。换句话说，可以理解，用于确保40dB以上的S/N比的分辨率在信号电平的任何点都是足够的。

在图9中，从8位到12位的AD转换中的分辨率由单点划线(one-dot-chain line)指示。如图9所示，根据光量，可以在考虑光散粒噪声和量化误差的同时将AD转换的分辨率设置得低。在参考图6至图8所描述的数字信号处理中，通过对以电压放大因数Gain2(＝1)放大的像素信号的AD转换值应用两倍的数字增益，分辨率变为一半，等同于11位。如参考图9所述，在像素输出线16的电位变化量ΔV1为0.5V或更大的范围中，即使分辨率变为11位，也不存在对图像质量的影响。

图10是示出与图5的驱动示例相比读出速度增加的情况下的驱动方法的时序图。图10示出放大器32的电压放大因数、控制信号PRES、PTX和PSEL、开关S0、S1、S2和S3的控制信号、放大器32的输出信号、斜坡信号、比较器44的输出信号和计数信号的时间变化。

在该驱动示例中，在SAD时段TS3和NAD时段TN3中，参考信号生成单元46所生成的参考信号相对于时间的变化率加倍。因此，可以在图5中的SAD时段TS2的一半的时间期间对像素输出线16的电位变化量ΔV1的最大值(1.0V)进行比较。

在图10中，SAD时段TS2缩短到1/2的时段被定义为SAD时段TS3，并且NAD时段TN2缩短到1/2的时段被定义为NAD时段TN3。通过以这种方式缩短SAD时段TS3和NAD时段TN3，可以将一个像素的AD转换时段T3缩短到图5中的一个像素的AD转换时段T2的3/4。在图10的驱动示例中，在SAD时段TS3中将计数值e保持在存储器52中，并且在NAD时段TN3中将计数值f保持在存储器52中。

图11至图13是用于说明对在图10所示的驱动示例中获得的AD转换值进行数字信号处理的示例的图。

图11示出在数字信号处理单元70中的减法处理之后的结果。在图11中，横轴表示像素输出线16的信号振幅(电位变化量ΔV1)，并且纵轴表示从在SAD时段中获得的AD转换值减去在NAD时段中获得的AD转换值的结果。这里，如图6的情况那样，假设电压放大因数Gain1为C0/C1＝2，并且电压放大因数Gain2为C0/(C1+C2+C3)＝1。

在图11中，实线指示与电压放大因数Gain1相对应的信号，并且当像素输出线16的电位变化量ΔV1为0.5V时，放大器32的电位变化量ΔV2为1.0V，并且AD转换结果(b-a)为4096LSB。虚线指示与电压放大因数Gain2相对应的信号。如上所述，当放大器32的电压放大因数是Gain2(＝1)时，由于参考信号相对于时间具有两倍的变化量，因此AD转换所需的时间是1/2。也就是说，当像素输出线16的电位变化量ΔV1为1.0V时，AD转换结果(e-f)变为2048LSB。也就是说，当电压放大因数为Gain1(＝2)时的AD转换结果的变化量是当电压放大因数为Gain2(＝1)时的AD转换结果的变化量的四倍。

图12是示出在应用了AD转换结果(e-f)的四倍大的数字增益(＝(e-f)×4)时的结果的图。当电压放大因数为Gain2(＝1)并且像素输出线16的电位变化量ΔV1为0.5V时，通过将AD转换结果(e-f)乘以4倍数字增益所获得的值(＝(e-f)×4)为4096LSB。也就是说，此时的AD转换结果相对于像素输出线16的电位变化量ΔV1的变化量与当电压放大因数为Gain1时的AD转换结果(b-a)相对于像素输出线16的电位变化量ΔV1的变化量相同。此时，AD转换值的最大值是8192LSB。

图13是说明使用AD转换结果(b-a)和AD转换结果(e-f)来合成图像的方法的图。如图13所示，在像素输出线16的电位变化量ΔV1等于或大于0V、且小于0.5V的范围(低亮度区域)中，将在Gain1的电压放大因数的情况下的AD转换结果(b-a)用作图像数据。在像素输出线16的电位变化量ΔV1为0.5V或更大的范围(高亮度区域)中，将在Gain2的电压放大因数的情况下的AD转换结果(e-f)×4用作图像数据。

在图10的驱动示例中，在SAD时段TS3和NAD时段TN3的比较操作中，由于参考信号的电平相对于时间的变化量被设置为两倍，因此分辨率变为1/2。此外，通过将数字增益设置为四倍，分辨率变为1/4。因此，尽管图13的高亮度区域中的分辨率变为1/8，但是如参考图9所述即使在分辨率变为1/8时，该分辨率也不影响图像质量，这是因为在像素输出线16的电位变化量为0.5V或更大的高亮度区域中光散粒噪声大。也就是说，在图10的驱动示例中，也可以在提高S/N比的同时，获得扩大了动态范围的图像。另外，由于电压放大因数为Gain2(＝1)的SAD时段TS3的长度和NAD时段TN3的长度可以减少到1/2，因此读出时间变得比图5的驱动示例中的读出时间短，并且可以抑制帧频的降低。

在图10的驱动示例中，尽管从获得扩大了动态范围的图像的观点来看，针对相同的像素信号获得了以电压放大因数Gain1放大的信号和以电压放大因数Gain2放大的信号，但是可以获取以相同电压放大因数放大的多个信号。

图14是示出在与图5的驱动示例相比读出速度增加的情况下的另一驱动方法的时序图。图14示出放大器32的电压放大因数、控制信号PRES、PTX和PSEL、开关S0、S1、S2和S3的控制信号、放大器32的输出信号、斜坡信号、比较器44的输出信号和计数信号的时间变化。在该驱动示例中，省略了图10的驱动示例中的NAD时段TN3。

从在SAD时段TS3中获得的AD转换值e减去在图10的驱动示例中的NAD时段TN3中获得的AD转换值f，并且该AD转换值f用于减去偏移和固定模式噪声。另一方面，在该驱动示例中，由于省略了NAD时段TN3，因此不获取AD转换值f。这里，除了一些噪声分量之外，在图10的NAD时段TN3中获得的AD转换值f相对于在NAD时段TN1中获得的AD转换值a被近似为Gain2/Gain1。

如参考图13所述，在像素输出线16的电位变化量为0.5V或更大的范围中，将电压放大因数为Gain2时的AD转换值(e-f)×4的数据用作图像。在该范围中，光散粒噪声的电平大，并且即使用AD转换值a×Gain2/Gain1来代替在图10的NAD时段TN3中获得的AD转换值f，图像质量也不会受到影响。因此，在图14的驱动示例中，数字信号处理单元70计算AD转换值a×Gain2/Gain1，并进行从AD转换值e减去AD转换值a×Gain2/Gain1的处理。在图14的驱动示例中，与图10的驱动示例中的一个像素的AD转换时段T3相比，可以进一步缩短一个像素的AD转换时段T4。

如参考图8和图13所述，在以特定亮度(像素输出线16的电位变化量)作为边界而使用不同电压放大因数的AD转换结果的情况下，即使在相同信号处理路径中也可能发生电压放大因数的误差。这是由于低亮度区域和高亮度区域之间的边界处的偏移、或低亮度区域和高亮度区域之间的线性度误差，并且可能影响图像质量。在这种情况下，可以通过在像素输出线16的电位变化量小于0.5V的范围中获取不同电压放大因数的AD转换值、并处理这些信号以计算偏移和线性度的校正值，来校正图像。

例如，通过对以不同电压放大因数获得的AD转换值进行减法来计算偏移，并且进行校正处理。可替代地，可以通过对以不同电压放大因数获得的AD转换值进行平均来获得图像数据。此外，在被配置为处理多个光电转换元件所生成的信号以检测相位差的光电转换装置中，可以使用在像素输出线16的电位变化量小于0.5V的范围中以不同电压放大因数获得的AD转换值。例如，可以通过针对多个光电转换元件所生成的信号选择并处理以不同电压放大因数获得的AD转换值中的任一个或进行平均处理，来获得合适的处理结果(相位差检测信号)。

此外，如在本实施例的驱动示例中那样，当根据多个AD转换结果中的像素信号的电平来选择AD转换结果并将其用作图像信号时，可以调整从存储器单元50水平地传送的数据量或数字信号处理单元70的信号处理数据量。

例如，不使用小于2048LSB的数据作为在图5的驱动示例中的SAD时段TS2和NAD时段TN2中获得的AD转换结果(c-d)。因此，根据所需的分辨率，可以不从存储器单元50水平地传送下位侧的若干位。可替代地，在数字信号处理单元70中的信号处理期间，可以使下位侧的若干位无效。

另一方面，对于在图10的驱动示例中的SAD时段TS3和NAD时段TN3中获得的AD转换结果(e-f)，由于不使用2048LSB或更大的数据，因此可以不从存储器单元50水平地传送最高有效位。可替代地，在数字信号处理单元70的信号处理时可以是无效的。在本实施例的驱动示例中，可以通过根据分辨率和AD转换值的所需范围减少水平传送和信号处理的数据量，来减少功耗。

此外，如参考图7和图12所述，当由数字信号处理单元70进行数字增益处理时，AD转换值的位宽度增加。在这种情况下，可以通过增加输出单元80的操作频率来抑制读出速度的降低。可替代地，数字信号处理单元70可以被配置为在各种信号处理之后压缩数据并将其输出到输出单元80。

本实施例中所描述的多个电压放大因数的设置值、电压放大因数的比率、AD转换操作的分辨率、像素的电荷-电压转换比率、光散粒噪声和像素噪声的数值是示例，并且可以根据参考图9所描述的S/N比的概念适当地改变设置。

如上所述，在本实施例中，在对以多个不同电压放大因数放大的像素信号进行AD转换处理的配置中，以一些电压放大因数放大的像素信号的AD转换时段被缩短。因此，根据本实施例，可以在抑制帧频的降低的同时，获得具有高S/N比且扩大了动态范围的图像。

[第二实施例]

将参考图15描述根据本发明第二实施例的光电转换装置的驱动方法。与根据第一实施例的光电转换装置的组件类似的组件由相同附图标记表示，并且将省略或简化对其的描述。

在本实施例中，将描述第一实施例中所描述的光电转换装置的另一驱动方法。图15是示出根据本实施例的光电转换装置的驱动方法的时序图。图15示出放大器32的电压放大因数、控制信号PRES、PTX和PSEL、开关S0、S1、S2和S3的控制信号、放大器32的输出信号、斜坡信号、比较器44的输出信号和计数信号的时间变化。

在本实施例的驱动方法中，由计数器单元54在针对以电压放大因数Gain2放大的像素信号的AD转换时段中所生成的计数信号的频率被设置为高于图10所示的根据第一实施例的光电转换装置的驱动方法的情况下的频率。具体地，在本实施例中，在SAD时段TS2和NAD时段TN2中的计数信号的频率被设置为图10的驱动示例的情况下的频率的两倍。在本说明书中，计数器的频率和计数信号的频率是计数信号所指示的计数值转变的频率。

在本实施例的驱动方法中，如图10所示的驱动方法的情况那样，在SAD时段TS2和NAD时段TN2中的参考信号相对于时间的变化量被设置为在NAD时段TN1和SAD时段TS1中的参考信号相对于时间的变化量的两倍。当参考信号相对于时间的变化量被设置为两倍时，可以缩短AD转换时段，但是AD转换的分辨率降低到1/2。然而，由于在本实施例中计数器的频率被设置为两倍，因此即使当参考信号相对于时间的转换量被设置为两倍时，也可以针对像素输出线16的电位变化量获得与图5的驱动示例的情况相同的AD转换结果。

计数器单元54的配置的示例包括PLL(锁相环(Phase Locked Loop))电路以及由从PLL电路输出的时钟驱动的计数器电路。在这种配置中，可以通过切换PLL电路的输出时钟的倍数来改变计数器的频率。可替代地，可以通过提供具有要生成的不同频率的时钟的多个PLL电路，来切换被输入到计数器电路的时钟。利用这种配置，不需要确保与乘数的切换相关联的稳定时间，并且可以缩短处理时间。

在本实施例中，使用这样的配置，在SAD时段TS2中获取计数值g并将其保持在存储器52中，并且在NAD时段TN2中获取计数值h并将其保持在存储器52中。如果不存在噪声的影响，则以这种方式获取的计数值g和h等同于在图5的驱动示例中获得的计数值c和d。

在图10的驱动示例中，高亮度区域中的AD转换结果的分辨率随着参考信号相对于时间的变化量增加而降低。例如，假设诸如电压放大因数Gain1(＝4)与电压放大因数Gain2(＝1)等的电压放大因数的比率大。在这种情况下，将以电压放大因数Gain2放大的像素信号的AD转换值用作图像的范围是像素输出线16的电位变化量为0.25V或更大的范围，并且向低亮度侧偏移。也就是说，由于参考图9所描述的光散粒噪声偏移到小区域，因此有必要抑制AD转换的分辨率的降低。另一方面，当计数信号变为高频率时，例如在比较操作中出现电源噪声或时钟抖动的影响，这可能影响图像质量。因此，可期望在光散粒噪声小的低亮度区域中将计数信号的频率设置为较低，并且在光散粒噪声大的高亮度区域中增加计数信号的频率。

如上所述，根据本实施例，可以在抑制AD转换的分辨率和帧频的降低的同时，获得具有高S/N比且扩大了动态范围的图像。

[第三实施例]

将参考图16至图18描述根据本发明第三实施例的光电转换装置的驱动方法。图16是示出根据本实施例的光电转换装置的驱动方法的时序图。图17和图18是用于说明对AD转换值的数字信号处理的示例的图。与根据第一实施例和第二实施例的光电转换装置的组件类似的组件由相同附图标记表示，并且将省略或简化对其的描述。

在本实施例中，将描述第一实施例中所描述的光电转换装置的另一驱动方法。图16示出放大器32的电压放大因数、控制信号PRES、PTX和PSEL、开关S0、S1、S2和S3的控制信号、放大器32的输出信号、斜坡信号、比较器44的输出信号和计数信号的时间变化。

在本实施例的驱动方法中，向图14的驱动示例中添加对以电压放大因数Gain3放大的像素信号进行AD转换的时段(SAD时段TS3)。在本实施例中，将描述电压放大因数Gain1为C0/C1＝4、电压放大因数Gain2为C0/(C1+C2)＝2、并且电压放大因数Gain3为C0/(C1+C2+C3)＝1的情况作为示例。

与各个电压放大因数相对应地，将以电压放大因数Gain1放大的像素信号的AD转换时段定义为NAD时段TN1和SAD时段TS1。此外，以电压放大因数Gain2放大的像素信号的AD转换时段是SAD时段TS2，并且以电压放大因数Gain3放大的像素信号的AD转换时段是SAD时段TS3。SAD时段TS2和SAD时段TS3中的参考信号的电平相对于时间的变化量被设置为SAD时段TS1中的参考信号的电平相对于时间的变化量的两倍。在各个AD转换时段中，如图16所示，计数值i、j、k和l被保持在存储器52中。

在图17中，以电压放大因数Gain1放大的像素信号的AD转换结果由实线指示，以电压放大因数Gain2放大的像素信号的AD转换结果由单点划线指示，并且以电压放大因数Gain3放大的像素信号的AD转换结果由虚线指示。

图18是示出将以各个电压放大因数放大的像素信号的AD转换结果乘以预定数字增益、并将结果合成为图像的方法的图。以电压放大因数Gain2放大的像素信号的AD转换结果通过应用4倍的数字增益而变为与在电压放大因数Gain1的情况下的斜率相同。以电压放大因数Gain3放大的像素信号的AD转换结果通过应用8倍的数字增益而变为与在电压放大因数Gain1的情况下的斜率相同。

在像素输出线16的电位变化量小于0.25V的区域中，将以电压放大因数Gain1放大的像素信号的AD转换结果设置为图像信号。在像素输出线16的电位变化量为0.25V或更大且小于0.5V的区域中，将以电压放大因数Gain2放大的像素信号的AD转换结果用作图像信号。在像素输出线16的电位变化量为0.5V或更大的区域中，将以电压放大因数Gain3放大的像素信号的AD转换结果用作图像信号。可以通过将在NAD时段TN1中获得的AD转换值i乘以各个电压放大因数的比、并将其从AD转换值k和l减去，来获得以电压放大因数Gain2和电压放大因数Gain3放大的像素信号的AD转换结果。

为了提高S/N比，如果增加低亮度侧的电压放大因数并且增加不同电压放大因数之间的比率，则无法降低高亮度侧的AD转换值的分辨率。因此，在本实施例中，设置了三种电压放大因数Gain1、Gain2和Gain3，并且可以针对各个亮度设置最佳电压放大因数和分辨率。在本实施例中，设置了三种类型的电压放大因数Gain1、Gain2和Gain3，但是电压放大因数的设置值不限于三种类型，并且可以是四种或多于四种类型。

在SAD时段TS2和TS3中，可以调整参考信号的电平相对于时间的变化量或计数器的频率。例如，在SAD时段TS2的时段中，计数器的频率加倍，并且在SAD时段TS3的时段中，参考信号的电平相对于时间的变化量进一步加倍并且计数器的频率加倍。通过以这种方式进行设置，可以使分辨率和AD转换时段最优化。

如上所述，根据本实施例，可以在抑制帧频的降低的同时，进一步提高S/N比。

[第四实施例]

将参考图19至图21描述根据本发明第四实施例的光电转换装置的驱动方法。图19是示出根据本实施例的光电转换装置的驱动方法的时序图。图20和图21是用于说明对AD转换值的数字信号处理的示例的图。与根据第一实施例至第三实施例的光电转换装置的组件类似的组件由相同附图标记表示，并且将省略或简化对其的描述。

在本实施例中，将描述第一实施例中所描述的光电转换装置的另一驱动方法。图19示出放大器32的电压放大因数、控制信号PRES、PTX和PSEL、开关S0、S1、S2和S3的控制信号、放大器32的输出信号、斜坡信号、比较器44的输出信号和计数信号的时间变化。

本实施例的驱动方法与第一实施例的驱动示例的不同之处在于为了进一步提高速度的AD转换的配置。具体地，执行SAD时段TS4来代替图14的驱动示例中的SAD时段TS1。在SAD时段TS4之前添加判断时段TJ。作为放大器32的电压放大因数，将描述如在第一实施例的情况下那样的、电压放大因数Gain1为2并且电压放大因数Gain2为1的情况作为示例。

在SAD时段TS4中，使用两种倾斜度参考信号进行AD转换。这里，假设这两种参考信号是斜坡信号H和斜坡信号L，并且斜坡信号H的斜率是斜坡信号L的斜率的两倍。斜坡信号L的斜率与图14的驱动示例中的SAD时段TS1中的参考信号的斜率相同。

在判断时段TJ中，将放大器32的输出的电平和斜坡信号L的最大值的电平VL进行比较。当放大器32的输出电平低于电平VL时，使用斜坡信号L进行SAD时段TS4的比较操作。另一方面，当放大器32的输出电平高于电平VL时，使用斜坡信号H进行SAD时段TS4的比较操作。也就是说，当像素输出线16的电位变化量小于0.25V时，使用斜坡信号L以12位的分辨率进行AD转换，并且当像素输出线16的电位变化量为0.25V或更大时，使用斜坡信号H以11位的分辨率进行AD转换。

通过应用数字信号处理单元70中的数字增益的两倍的数字增益，将使用斜坡信号H转换的AD转换值与使用斜坡信号L的AD转换结果进行合成。如参考图9所述，当像素输出线16的电位变化量为0.25V或更大时，即使分辨率为10位，在考虑光散粒噪声时对图像质量的影响也很小。因此，图14的驱动示例中的SAD时段TS1可以改变为1/2时间的SAD时段TS4。另一方面，在SAD时段TS2中，如在图14的驱动示例的情况下那样，使用具有与斜坡信号H相同的倾斜度的参考信号来进行AD转换。

使用斜坡信号L或斜坡信号H对以电压放大因数Gain1放大的像素信号进行比较操作。具体地，当像素输出线16的电位变化量小于0.25V时，使用斜坡信号L进行比较操作。当像素输出线16的电位变化量为0.25V或更大时，使用斜坡信号H进行比较操作，并且对通过比较操作所获得的AD转换值应用两倍的数字增益。由此，获得针对以电压放大因数Gain1放大的像素信号的AD转换结果。

在图20中，以电压放大因数Gain1放大的像素信号的、使用斜坡信号L的AD转换结果由实线示出，并且以电压放大因数Gain1放大的像素信号的、使用斜坡信号H的AD转换结果由单点划线示出。以电压放大因数Gain2放大的像素信号的AD转换结果由虚线指示。

图21是示出将以各个电压放大因数放大的像素信号的AD转换结果乘以数字增益、并将结果合成为图像的方法的图。以电压放大因数Gain2放大的像素信号的AD转换结果通过如图11的情况那样应用4倍的数字增益而变为与电压放大因数Gain1的斜率相同。

在以电压放大因数Gain2放大的像素信号的比较操作期间，可以以与以电压放大因数Gain1放大的像素信号的比较操作中相同的方式改变参考信号的倾斜度。此外，可以根据噪声和所需分辨率来最佳地设置电压放大因数和斜坡信号的斜率。

如上所述，在本实施例中，根据像素输出线16和放大器32的输出电平来切换参考信号的倾斜度。因此，根据本实施例，可以在提高S/N比的同时，通过缩短读出时间来进一步抑制帧频的降低。

[第五实施例]

将参考图22和图23描述根据本发明第五实施例的光电转换装置及其驱动方法。图22是示出根据本实施例的光电转换装置中的信号处理内容的图。图23是示出根据本实施例的光电转换装置的驱动方法的时序图。与根据第一实施例至第四实施例的光电转换装置的组件类似的组件由相同附图标记表示，并且将省略或简化对其的描述。

根据本实施例的光电转换装置被配置为能够调整信号处理的时间和各个信号处理。也就是说，根据本实施例的光电转换装置被配置为例如如图22所示能够选择性地执行信号处理(A)至信号处理(D)。

信号处理(A)表示在第一实施例中使用图10所描述的信号处理。在图10的驱动示例中，不论以电压放大因数Gain1放大的像素信号的SAD时段TS1中的AD转换的结果如何，都在以电压放大因数Gain2放大的像素信号的SAD时段TS2中进行比较操作。如参考图11至图13所述，当像素输出线16的电位变化量小于0.5V时，由于将以电压放大因数Gain1放大的像素信号的AD转换结果用于图像，因此没有必要总是进行电压放大因数Gain2的比较操作。

信号处理(B)是在当以电压放大因数Gain1放大的像素信号的AD转换结果不超过4096LSB时、不进行以电压放大因数Gain2放大的像素信号的比较操作并将放大器32和比较器44控制为省电状态的情况下的信号处理的示例。省电状态是放大器32或比较器44的驱动电流被切断或减小的状态。

信号处理(C)是不进行以电压放大因数Gain1放大的像素信号的比较操作、像素信号被保持或处于省电状态、并且仅进行以电压放大因数Gain2放大的像素信号的比较操作的信号处理示例。如图23所示，例如，可以通过在第四实施例中所描述的判断时段TJ中将放大器32的输出的电平与斜坡信号H的最大值的电平VH进行比较来实现信号处理(C)。也就是说，当作为放大器32的输出电平和电平VH之间的比较结果而判断为像素输出线16的电位变化量等于或大于0.5V时，可以仅对以电压放大因数Gain2放大的像素信号进行比较操作。

信号处理(D)是信号处理的另一示例。例如，当电压放大因数Gain1小于电压放大因数Gain2时，可以通过将SAD时段TS1的AD转换结果乘以Gain2/Gain1来预测电压放大因数Gain2的AD转换结果。例如，基于SAD时段TS1的AD转换结果来执行缩短了SAD时段的SAD时段TS3，并且此后，如在信号处理(B)中那样，将各个块控制为处于省电状态。由于AD转换结果是通过计数值获得的，因此可以从多个存储器52的特定高位中所存储的数据中检测像素输出线16的振幅。

如上所述，在本实施例中，基于不同电压放大因数的AD转换时段的结果和判断部件来检测像素信号的振幅，并且对信号处理时间和各个处理进行控制。因此，根据本实施例，可以降低功耗和由于AD转换而引起的诸如噪声等的串扰对其他像素信号的影响。

[第六实施例]

将参考图24至图26描述根据本发明第六实施例的光电转换装置及其驱动方法。图24和图25是示出根据本实施例的光电转换装置的驱动方法的时序图。图26是示出根据实施例的光电转换装置中的信号处理的内容的图。与根据第一实施例至第五实施例的光电转换装置的组件类似的组件由相同附图标记表示，并且将省略或简化对其的描述。

在本实施例中，将描述第一实施例中所描述的光电转换装置的另一驱动方法。图24示出放大器32的电压放大因数、控制信号PRES、PTX和PSEL、开关S0、S1、S2和S3的控制信号、放大器32的输出信号、斜坡信号和比较器44的输出信号的时间变化。在本实施例的驱动方法中，可以在SAD时段TS2的比较操作期间切换电压放大因数。

在第一实施例中参考图10和图14所描述的驱动示例中，当在电压放大因数Gain1为2的情况下像素输出线16的电位变化量超过0.5V时，像素输出线16的电位变化量在SAD时段TS1中超过AD转换的输入动态范围。在这种情况下，在进行以电压放大因数Gain2(＝1)放大的像素信号的比较操作的SAD时段TS2中的AD转换结果作为图像信号是有效的。

另一方面，当像素输出线16的电位变化量在SAD时段TS1中小于0.5V时，如第五实施例中所述，在进行以电压放大因数Gain1(＝2)放大的像素信号的比较操作的SAD时段TS1中的AD转换结果作为图像信号是有效的。因此，SAD时段TS2中的比较操作变得没有必要。

当假设NAD时段TN1中的AD转换值为100LSB时，在SAD时段TS1中，AD转换结果的满标度(full scale)被设置为4096LSB，使得被配置为被限幅为100LSB+4096LSB。例如，可以通过调整计数信号和参考信号的倾斜度来实现该配置。

在本实施例中，当SAD时段TS1中的AD转换结果未超过满标度的4096LSB+100LSB时，使SAD时段TS2中的电压放大因数Gain2可变。

在图24的驱动示例中，当SAD时段TS1中的AD转换结果未超过满标度的4096LSB+100LSB时，在SAD时段TS2中以电压放大因数Gain1进行驱动。在图24中，对于SAD时段TS2中的放大器输出和比较器输出，用虚线指示电压放大因数为Gain1的情况，并且用实线指示电压放大因数为Gain2的情况。

在SAD时段TS1和TS2这两者中以相同电压放大因数Gain1进行AD转换的结果变为两个相关信号，并且可以通过进行均方根信号处理来减少AD转换的结果中的噪声分量。例如，如果通过如第二实施例中所述调整计数器的频率来获得相同分辨率的AD转换结果，则噪声分量可以降低到1/√2。

图25示出在参考图24所描述的驱动示例中的SAD时段TS2期间进行多个比较操作的驱动示例。图25示出放大器32的电压放大因数、控制信号PRES、PTX和PSEL、开关S0、S1、S2和S3的控制信号、放大器32的输出信号、斜坡信号和比较器44的输出信号的时间变化。在图25中，在SAD时段TS2期间进行两个比较操作，但是比较操作的数量不限于两个。

可以基于SAD时段TS1的AD转换结果来确定SAD时段TS2中的比较操作。例如，当SAD时段TS1的AD转换结果等于或小于满标度的1/2时，在SAD时段TS2中，可以仅在进行满标度的AD转换所需的时段的1/2中进行比较操作，并且可以增加比较的数量。通过增加比较的数量，可以通过均方根信号处理来增加噪声减少量。具体地，由于比较的数量可以随着亮度降低而增加，因此可以增加噪声减少量并且可以提高S/N比。

当比较的数量增加时，所需的存储器52的数量可能增加。在这种情况下，例如，如果存储器52以满标度使用13位，则13位中的若干位可以用于各个比较操作。通过以这种方式配置存储器52，可以抑制存储器52的增加。

与第五实施例中所描述的图22类似地，图26示意性地示出在根据本实施例的光电转换装置中可执行的信号处理的示例。

信号处理(E)是在SAD时段TS2中进行四个比较操作的驱动示例。信号处理(F)是亮度低于信号处理(E)中的亮度的情况的示例(即，比较操作的时段比信号处理(E)中的比较操作的时段短的示例)，并且是在SAD时段TS2中进行四次比较操作然后设置省电状态的驱动示例。

如第一实施例中所述，可以适当地设置电压放大因数和参考信号的斜率。此外，作为包括用于调整像素12的浮动扩散FD的电容值的调整机构的配置，可以采用基于AD转换结果切换电容值的配置。此外，可以通过与第二实施例和第四实施例进行组合来减少SAD时段TS1的AD转换时段。

如上所述，在本实施例中，基于AD转换结果来设置其他AD转换时段中的电压放大因数和比较操作的数量。因此，根据本实施例，可以进一步提高S/N比。

[第七实施例]

将参考图27描述根据本发明第七实施例的摄像摄像系统。图27是示出根据本实施例的摄像系统的示意性配置的框图。

第一实施例至第六实施例中所描述的光电转换装置100可以适用于各种摄像系统。适用的摄像系统的示例包括数字静态照相机、数字摄像机、监视照相机、复印机、传真机、移动电话、车载照相机和观察卫星等。包括诸如透镜等的光学系统和摄像装置的照相机模块也被包括在摄像系统中。图27是作为这些示例的数字静态照相机的框图。

图27所示的摄像系统200包括摄像装置201、用于在摄像装置201上形成被摄体的光学图像的透镜202、用于使穿过透镜202的光量变化的光圈204、以及用于保护透镜202的屏障206。透镜202和光圈204形成在摄像装置201上收集光的光学系统。摄像装置201是根据第一实施例至第六实施例中任一实施例中所描述的光电转换装置100，并且将透镜202所形成的光学图像转换为图像数据。

摄像系统200还包括用于处理从摄像装置201输出的输出信号的信号处理单元208。信号处理单元208根据从摄像装置201输出的数字信号来生成图像数据。信号处理单元208根据需要进行各种校正和压缩，并且输出处理后的图像数据。摄像装置201可以包括用于生成信号处理单元208所要处理的数字信号的AD转换单元。AD转换单元可以形成在形成有摄像装置201的光电转换单元的半导体层(半导体基板)中，或者可以形成在与形成有摄像装置201的光电转换单元的半导体层不同的半导体基板中。信号处理单元208可以形成在与摄像装置201相同的半导体基板上。

摄像系统200还包括用于临时存储图像数据的存储器单元210和用于与外部计算机等进行通信的外部接口单元(外部I/F单元)212。此外，摄像系统200包括用于存储或读出摄像数据的诸如半导体存储器等的存储介质214、以及用于将摄像数据存储在存储介质214上或从存储介质214读出摄像数据的存储介质控制接口单元(存储介质控制I/F单元)216。存储介质214可以内置在摄像系统200中，或者可以是可拆卸的。

摄像系统200还包括用于控制各种计算和整个数字静态照相机的操作的整体控制/运算单元218、以及用于向摄像装置201和信号处理单元208输出各种定时信号的定时生成单元220。这里，可以从外部输入定时信号等，并且摄像系统200可以至少包括摄像装置201和用于处理从摄像装置201输出的输出信号的信号处理单元208。

摄像装置201将摄像信号输出到信号处理单元208。信号处理单元208对从摄像装置201输出的摄像信号进行预定的信号处理，并且输出图像数据。信号处理单元208使用摄像信号来生成图像。

如上所述，根据本实施例，可以实现应用了根据第一实施例至第六实施例的光电转换装置100的摄像系统。

[第八实施例]

将参考图28A和图28B描述根据本发明第八实施例的摄像系统和移动体。图28A是示出根据本实施例的摄像系统的配置的图。图28B是示出根据本实施例的移动体的配置的图。

图28A示出与车载照相机相关的摄像系统的示例。摄像系统300包括摄像装置310。摄像装置310是第一实施例至第六实施例中任一实施例所述的光电转换装置100。摄像系统300包括图像处理单元312和视差获取单元314，该图像处理单元312对摄像装置310所获取的多个图像数据进行图像处理，该视差获取单元314根据摄像装置310所获取的多个图像数据计算视差(视差图像的相位差)。摄像系统300包括距离获取单元316和碰撞判断单元318，该距离获取单元316基于所计算出的视差来计算到对象的距离，该碰撞判断单元318基于所计算出的距离来判断是否存在碰撞的可能性。这里，视差获取单元314和距离获取单元316是用于获取至对象的距离信息的距离信息获取单元的示例。也就是说，距离信息可以是与视差、散焦量、到对象的距离等有关的信息。碰撞判断单元318可以使用这些距离信息中的任何距离信息来判断碰撞可能性。距离信息获得单元可以通过专用硬件或软件模块来实现。此外，可以通过FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)等来实现，或者可以通过这些的组合来实现。

摄像系统300连接到车辆信息获取装置320，并且可以获取诸如车辆速度、横摆率和转向角等的车辆信息。此外，摄像系统300连接到控制ECU 330，该控制ECU 330是用于基于碰撞判断单元318的判断结果向车辆输出用于生成制动力的控制信号的控制装置。摄像系统300还连接到用于基于碰撞判断单元318的判断结果向驾驶员发出警报的警报装置340。例如，当作为碰撞判断单元318的判断结果的碰撞可能性高时，控制ECU 330进行车辆控制以通过制动、使加速器回位或抑制发动机输出等来避免碰撞并减少损坏。警报装置340通过发出诸如声音等的警报、在汽车导航系统等的画面上显示警报信息、或对安全带或方向盘施加振动来向用户发出警报。

在本实施例中，摄像系统300对车辆的周围(例如，前部或后部)进行摄像。图28B示出在车辆前方(摄像范围350)进行摄像的情况下的摄像系统。车辆信息获取装置320向摄像系统300或摄像装置310发送指令。利用这种配置，可以进一步提高距离测量的准确度。

在以上描述中，已经描述了进行控制以不与其他车辆碰撞的示例，但是本发明也适用于跟随其他车辆的自动驾驶的控制、和以使得不离开车道的自动驾驶的控制等。此外，摄像系统不限于诸如主车辆等的车辆，并且例如可以适用于诸如船舶、飞机或工业机器人等的移动体(移动装置)。另外，本发明不仅可以适用于移动体，而且可以适用于诸如智能运输系统(ITS)等的各种各样的设备。

[第九实施例]

将参考图29描述根据本发明第九实施例的设备。图29是示出根据本实施例的设备的示意性配置的框图。

图29是示出包括光电转换装置APR的设备EQP的示意图。光电转换装置APR具有第一实施例至第六实施例中任一实施例的光电转换装置100的功能。光电转换装置APR的全部或部分是半导体装置IC。本实施例的光电转换装置APR例如可以用作图像传感器、AF(自动调焦)传感器、测光传感器或距离测量传感器。半导体装置IC包括像素区域PX，在该像素区域PX中，包括光电转换单元的像素电路PXC按矩阵来布置。半导体装置IC可以在像素区域PX周围包括周边区域PR。除了像素电路之外的电路可以布置在周边区域PR中。

光电转换装置APR可以具有堆叠了设置有多个光电转换单元的第一半导体芯片和设置有周边电路的第二半导体芯片的结构(芯片堆叠结构)。第二半导体芯片中的各个周边电路可以是与第一半导体芯片的像素列相对应的列电路。第二半导体芯片中的周边电路可以是与第一半导体芯片的像素或像素块相对应的矩阵电路。作为第一半导体芯片和第二半导体芯片之间的连接，可以采用贯通电极(TSV)、通过诸如铜等的导体的直接接合的芯片间互连、通过芯片之间的微凸块(micro bump)的连接、或通过配线接合的连接等。

除了半导体装置IC之外，光电转换装置APR可以包括容纳有半导体装置IC的封装PKG。封装PKG可以包括半导体装置IC所固定到的基体、面向半导体装置IC的由玻璃等制成的盖体、以及将设置在基体上的端子连接到设置在半导体装置IC上的端子的连接构件(诸如接合线或凸块等)。

设备EQP还可以包括光学装置OPT、控制装置CTRL、处理装置PRCS、显示装置DSPL、存储装置MMRY和机械装置MCHN其中至少之一。光学装置OPT与作为光电转换装置的光电转换装置APR相对应，并且例如是透镜、快门或反射镜。控制装置CTRL控制光电转换装置APR，并且例如是诸如ASIC(专用集成电路)等的半导体装置。处理装置PRCS对从光电转换装置APR输出的信号进行处理，并且构成AFE(模拟前端)或DFE(数字前端)。处理单元PRCS是诸如中央处理单元(CPU)或ASIC等的半导体装置。显示装置DSPL可以是显示光电转换装置APR所获得的信息(图像)的EL显示装置或液晶显示装置。存储装置MMRY可以是存储光电转换装置APR所获得的信息(图像)的磁性装置或半导体装置。存储装置MMR可以是诸如SRAM或DRAM等的易失性存储器、或者诸如闪速存储器或硬盘驱动器等的非易失性存储器。机械装置MCHN包括诸如马达或引擎等的可移动部或推进部。在设备EQP中，从光电转换装置APR输出的信号可以显示在显示装置DSPL上，并且通过设备EQP中所包括的通信装置(未示出)发送到外部。因此，设备EQP优选地还包括与光电转换装置APR中所包括的存储电路单元和运算电路单元分离的存储装置MMRY和处理装置PRCS。

图29所示的设备EQP可以是诸如具有拍摄功能的信息终端(例如，智能电话或可穿戴终端)或照相机(例如，可更换镜头照相机、紧凑型照相机、视频照相机和监控照相机)等的电子装置。照相机中的机械装置MCHN可以驱动光学装置OPT的组件以进行变焦、聚焦和快门操作。设备EQP可以是诸如车辆、船舶或飞机等的运输装置(移动体)。设备EQP可以是诸如内窥镜或CT扫描器等的医疗装置。

运输装置中的机械装置MCHN可以用作移动装置。作为运输装置的设备EQP适合于运输光电转换装置APR，或者适合于通过摄像功能辅助和/或使操作(操纵)自动化。用于辅助和/或使操作(操纵)自动化的处理装置PRCS可以基于光电转换装置APR所获得的信息来进行用于操作作为移动装置的机械装置MCHN的处理。

根据本实施例的光电转换装置APR可以向设计者、制造者、卖方、买方和/或用户提供高价值。因此，当光电转换装置APR安装在设备EQP上时，可以增加设备EQP的价值。因此，为了增加设备EQP的价值，在制造和销售设备EQP时，确定本实施例的光电转换装置APR在设备EQP上的安装是有利的。

[变形实施例]

本发明不限于上述实施例，并且各种变形是可能的。

例如，将任意实施例的配置中的一部分添加到其他实施例的示例、或者将任意实施例的配置中的一部分替换为其他实施例的配置中的一部分的示例也是本发明的实施例。

图2所示的像素12的电路配置是示例，并且可以适当地改变。例如，各个像素12可以包括两个或多于两个光电转换元件。此外，一个像素12的多个光电转换元件可以构成共用一个微透镜的光瞳分割像素。像素12没有必要一定包括选择晶体管M4。浮动扩散FD的电容值可以是可切换的。在这种情况下，像素信号的电压放大因数可以通过源极跟随器电路的放大因数(增益Gsf)和放大器32的放大因数的组合来设置，该源极跟随器电路的放大因数可以通过浮动扩散FD的电容值来切换。

尽管在上述实施例中在各列中布置一个像素输出线16，但是可以在各列中布置两个或多于两个像素输出线16。在这种情况下，各个像素12可以连接到各列的像素输出线16其中之一，或者可以包括与各列的像素输出线16的数量相对应的多个选择晶体管。

图3所示的放大器32的电路配置是示例，并且可以适当地改变。例如，在图3的配置示例中，三个反馈电容器C1、C2和C3可以并联连接到放大器电路34，但是反馈电容器的数量不限于此。尽管在图3的配置示例中设置了输入电容器C0，但是输入电容的电容值可以是可切换的。放大器32的电路配置可以根据所需的电压放大因数的类型等而适当地改变。

第七实施例和第八实施例中所描述的摄像系统是本发明的光电转换装置可以适用于的摄像系统的示例，并且本发明的光电转换装置可以适用于的摄像系统不限于图27和图28A所示的配置。

第九实施例中所描述的设备是本发明的光电转换装置可以适用于的设备的示例，并且本发明的光电转换装置可以适用于的装置不限于图14所示的配置。

其他实施例

本发明的实施例还可以通过如下的方法来实现，即，通过网络或者各种存储介质将执行上述实施例的功能的软件(程序)提供给系统或装置，该系统或装置的计算机或是中央处理单元(CPU)、微处理单元(MPU)读出并执行程序的方法。

虽然参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求书的范围应被赋予最广泛的解释，以涵盖所有这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (24)

1.一种光电转换装置，包括：

像素，其包括光电转换单元；

AD转换单元，用于通过将所述像素中所生成的模拟信号的电平与电平随时间变化的参考信号的电平进行比较，来对所述模拟信号进行AD转换；以及

控制单元，其被配置为控制所述AD转换单元，

其中，所述控制单元被配置为控制所述AD转换单元对所述像素中所生成的同一模拟信号进行多次AD转换，

其中，所述多次AD转换中的第一AD转换时段的长度短于所述多次AD转换中的第二AD转换时段的长度，

其中，所述第二AD转换时段中所使用的参考信号相对于时间的变化率小于所述第一AD转换时段中所使用的参考信号相对于时间的变化率，

其中，在所述第二AD转换时段中，所述参考信号的电位变化为第一电平，以及

其中，在所述第一AD转换时段中，所述参考信号的电位变化为所述第一电平。

2.根据权利要求1所述的光电转换装置，

其中，所述AD转换单元包括比较器，所述比较器被配置为进行所述模拟信号的电平与所述参考信号的电平之间的比较操作。

3.根据权利要求1所述的光电转换装置，

其中，所述AD转换单元包括：

比较器，其被配置为进行所述模拟信号的电平与所述参考信号的电平之间的比较操作；以及

计数器，其被配置为响应于所述比较操作的开始而开始对时钟信号进行计数，以及

其中，所述第一AD转换时段中的所述计数器的频率不同于所述第二AD转换时段中的所述计数器的频率。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的光电转换装置，其中，所述控制单元在所述多次AD转换中的至少一次AD转换中根据所述模拟信号的电平来设置所述参考信号相对于时间的变化率。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的光电转换装置，还包括放大单元，所述放大单元被配置为放大所述模拟信号，

其中，所述AD转换单元被配置为对放大器所放大的模拟信号进行AD转换。

6.根据权利要求5所述的光电转换装置，

其中，所述放大单元被配置为能够改变放大因数，以及

其中，所述AD转换单元在所述第一AD转换时段中对以第一放大因数放大的模拟信号进行AD转换，并且在所述第二AD转换时段中对以第二放大因数放大的模拟信号进行AD转换。

7.根据权利要求5所述的光电转换装置，

其中，所述放大单元被配置为能够改变放大因数，以及

其中，所述控制单元根据所述放大单元的放大因数来设置所述多次AD转换中的至少一次AD转换中的AD转换时段的长度。

8.根据权利要求5所述的光电转换装置，其中，所述AD转换单元被配置为对通过以至少三个放大因数放大所述模拟信号而获得的各个信号进行AD转换。

9.根据权利要求5所述的光电转换装置，其中，所述控制单元基于所述多次AD转换中的其他次AD转换的AD转换结果，来设置在所述多次AD转换中的一次AD转换中要经过AD转换的模拟信号的放大因数。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的光电转换装置，其中，所述控制单元基于所述多次AD转换中的其他次AD转换的AD转换结果，来设置所述多次AD转换中的一次AD转换中的AD转换时段的长度。

11.根据权利要求1至3中任一项所述的光电转换装置，其中，所述控制单元基于所述多次AD转换中的其他次AD转换的AD转换结果，来控制所述多次AD转换中的一次AD转换中的所述AD转换单元的驱动电流。

12.根据权利要求1至3中任一项所述的光电转换装置，其中，所述控制单元基于一次AD转换的AD转换结果来设置AD转换的次数。

13.根据权利要求1至3中任一项所述的光电转换装置，还包括数字信号处理单元，所述数字信号处理单元被配置为对从所述AD转换单元传送的数字信号进行数字信号处理，

其中，所述AD转换单元被配置为减少通过所述多次AD转换所获得的多个数字信号的至少一部分数字信号的位数，并且将位数被减少的数字信号传送到所述数字信号处理单元。

14.根据权利要求1至3中任一项所述的光电转换装置，还包括数字信号处理单元，所述数字信号处理单元被配置为对从所述AD转换单元传送的数字信号进行数字信号处理，

其中，所述数字信号处理单元被配置为减少通过所述多次AD转换所获得的多个数字信号的至少一部分数字信号的位数，并且对位数被减少的数字信号进行所述数字信号处理。

15.根据权利要求1至3中任一项所述的光电转换装置，还包括数字信号处理单元，所述数字信号处理单元被配置为对从所述AD转换单元传送的数字信号进行数字信号处理，

其中，所述数字信号处理单元根据所述参考信号相对于时间的变化率对所述数字信号进行数字增益处理。

16.根据权利要求5所述的光电转换装置，还包括数字信号处理单元，所述数字信号处理单元被配置为对从所述AD转换单元传送的数字信号进行数字信号处理，

其中，所述数字信号处理单元根据所述模拟信号的放大因数对所述数字信号进行数字增益处理。

17.根据权利要求3所述的光电转换装置，还包括数字信号处理单元，所述数字信号处理单元被配置为对从所述AD转换单元传送的数字信号进行数字信号处理，

其中，所述数字信号处理单元根据所述计数器的频率对所述数字信号进行数字增益处理。

18.根据权利要求13所述的光电转换装置，其中，所述数字信号处理单元通过对通过所述多次AD转换所获得的多个数字信号进行合成来生成图像信号。

19.根据权利要求13所述的光电转换装置，其中，所述数字信号处理单元基于通过所述多次AD转换所获得的多个数字信号来生成相位差检测信号。

20.根据权利要求13所述的光电转换装置，其中，所述数字信号处理单元通过对通过所述多次AD转换所获得的多个数字信号进行平均处理来生成图像信号。

21.一种光电转换装置的驱动方法，所述光电转换装置包括像素和AD转换单元，所述像素包括光电转换单元，所述AD转换单元被配置为通过将所述像素中所生成的模拟信号的电平与电平随时间变化的参考信号的电平进行比较来对所述模拟信号进行AD转换，所述驱动方法包括：

对所述像素中所生成的同一模拟信号进行具有不同长度的AD转换时段的多次AD转换，以获取与所述多次AD转换相对应的多个数字信号；以及

通过对所述多个数字信号进行合成来生成图像信号，

其中，所述多次AD转换中的第一AD转换时段的长度短于所述多次AD转换中的第二AD转换时段的长度，所述第二AD转换时段中所使用的参考信号相对于时间的变化率小于所述第一AD转换时段中所使用的参考信号相对于时间的变化率，在所述第二AD转换时段中，所述参考信号的电位变化为第一电平，以及在所述第一AD转换时段中，所述参考信号的电位变化为所述第一电平。

22.一种摄像系统，包括：

根据权利要求1至20中任一项所述的光电转换装置；以及

信号处理单元，其被配置为处理从所述光电转换装置输出的信号。

23.一种移动体，包括：

根据权利要求1至20中任一项所述的光电转换装置；

距离信息获取单元，其被配置为从基于来自所述光电转换装置的信号的视差图像获取至对象的距离信息；以及

控制单元，其被配置为基于所述距离信息来控制所述移动体。

24.一种设备，包括：

根据权利要求1至20中任一项所述的光电转换装置；以及

以下装置至少之一：

光学装置，其与所述光电转换装置相对应，

控制装置，其被配置为控制所述光电转换装置，

处理装置，其被配置为处理从所述光电转换装置输出的信号，

机械装置，其基于所述光电转换装置所获得的信息而被控制，

显示装置，其被配置为显示所述光电转换装置所获得的信息，以及

存储装置，其被配置为存储所述光电转换装置所获得的信息。

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