DE112022001831T5

DE112022001831T5 - Festkörper-bildgebungselement, bildgebungsvorrichtung und verfahren zum steuern eines festkörper-bildgebungselements

Info

Publication number: DE112022001831T5
Application number: DE112022001831.3T
Authority: DE
Inventors: Luonghung Asakura
Original assignee: Sony Semiconductor Solutions Corp
Current assignee: Sony Semiconductor Solutions Corp
Priority date: 2021-03-30
Filing date: 2022-01-13
Publication date: 2024-02-15
Also published as: CN116941250A; WO2022209126A1

Abstract

Verbesserung der Bildqualität in einem Festkörper-Bildgebungselement, das eine Belichtung in allen Pixeln gleichzeitig durchführt.In einer Vorstufen-Schaltung sind ein Paar Floating-Diffusionsschichten, das Ladungen in eine Spannung umwandelt, und ein Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor angeordnet, der einen Umwandlungswirkungsgrad, mit dem die Ladungen in Spannung umgewandelt werden, steuert, indem ein Pfad zwischen dem Paar Floating-Diffusionsschichten geöffnet und geschlossen wird. Erste, zweite, dritte und vierte kapazitive Elemente sind mit ihrem jeweiligen einen Ende gemeinsam mit der Vorstufen-Schaltung verbunden. Die Auswahlschaltung wählt eines ihrer jeweiligen anderen Enden der ersten, zweiten, dritten und vierten kapazitiven Elemente aus und verbindet das ausgewählte andere Ende mit einem vorbestimmten Nachstufen-Knoten. Die Nachstufen-Schaltung liest über den Nachstufen-Knoten einen Rücksetzpegel, der erhalten wird, indem die Spannung verstärkt wird, wenn das Paar Floating-Diffusionsschichten initialisiert ist, und einen Signalpegel, der erhalten wird, indem die Spannung verstärkt wird, wenn die Ladungen übertragen werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Technologie bezieht sich auf ein Festkörper-Bildgebungselement. Konkret bezieht sich die vorliegende Technologie auf ein Festkörper-Bildgebungselement, eine Bildgebungsvorrichtung und ein Verfahren zum Steuern eines Festkörper-Bildgebungselements, bei dem eine Analog-Digital-(AD-)Umwandlung für jede Spalte durchgeführt wird.
HINTERGRUNDTECHNIK
Herkömmlicherweise wurde für ein Festkörper-Bildgebungselement, um Pixel zu miniaturisieren, ein Spalten-Analog-Digital-Wandler-(ADC-)Verfahren verwendet, bei dem mit einem für jede Spalte außerhalb einer Pixel-Arrayeinheit angeordneten ADC Pixel-Signale Reihe für Reihe sequentiell gelesen werden. Bei diesem Spalten-ADC-Verfahren besteht in einem Fall, in dem eine Belichtung mittels eines zeilenweisen bzw. Rolling-Shutter-Verfahrens durchgeführt wird, bei dem eine Belichtung zeilenweise bzw. Reihe für Reihe beginnt, die Möglichkeit, dass eine Rolling-Shutter-Verzerrung auftritt. Um ein Global-Shutter-Verfahren zu realisieren, bei dem eine Belichtung in allen Pixeln gleichzeitig beginnt, wurde ein Festkörper-Bildgebungselement vorgeschlagen, in dem eine Vielzahl von Kondensatoren für jedes Pixel vorgesehen ist und die Kondensatoren einen Rest- bzw. Rücksetzpegel und einen Signalpegel halten (siehe zum Beispiel Nicht-Patentdokument 1). In diesem Festkörper-Bildgebungselement sind zwei vertikale Signalleitungen für jede Spalte verdrahtet, werden der Rücksetzpegel und der Signalpegel gleichzeitig gelesen und sind eine Pufferschaltung und ein ADC, um eine Differenz zwischen den Pegeln zu erhalten, für jede Spalte angeordnet.
ZITATLISTE
NICHT-PATENTDOKUMENT
Nicht-Patentdokument 1: Ken Miyauchi, et al., A Stacked Back Side-Illuminated Voltage Domain Global Shutter CMOS Image Sensor with a 4.0 µm Multiple Gain Readout Pixel, Sensors 2020, 20, 486.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
In der oben beschriebenen herkömmlichen Technologie werden der Rücksetzpegel und der Signalpegel in der Vielzahl von Kondensatoren für jedes Pixel gehalten, wodurch das Global-Shutter-Verfahren basierend auf dem Spalten-ADC-Verfahren realisiert wird. Jedoch kann Rauschen im Pixel-Signal aufgrund eines Pfads der zwei vertikalen Signalleitungen oder einer Offset-Komponente des ADC auftreten. Infolgedessen besteht das Problem, dass sich die Bildqualität der Bilddaten verschlechtert.
Die vorliegende Technologie wurde in Anbetracht derartiger Umstände geschaffen, und es ist daher ein Ziel der vorliegenden Technologie, die Bildqualität für ein Festkörper-Bildgebungselement, in dem alle Pixel gleichzeitig belichtet werden, zu verbessern.
LÖSUNGEN FÜR DIE PROBLEME
Die vorliegende Technologie wurde geschaffen, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, und ein erster Aspekt der vorliegenden Technologie umfasst ein Festkörper-Bildgebungselement und ein Verfahren zum Steuern eines Festkörper-Bildgebungselements, wobei das Festkörper-Bildgebungselement eine Vorstufen-Schaltung umfasst, in der ein Paar Floating-Diffusionsschichten, das übertragene Ladungen in eine Spannung umwandelt, und ein Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor, der eine Umwandlungseffizienz bzw. einen Umwandlungswirkungsgrad, mit dem die Ladungen in die Spannung umgewandelt werden, steuert, indem ein Pfad zwischen dem Paar der Floating-Diffusionsschichten geöffnet und geschlossen wird, angeordnet sind, erste, zweite, dritte und vierte kapazitive Elemente, die mit ihrem jeweiligen einen Ende gemeinsam mit der Vorstufen-Schaltung verbunden sind, eine Auswahlschaltung, die eines ihrer jeweiligen anderen Enden der ersten, zweiten, dritten und vierten kapazitiven Elemente auswählt und das ausgewählte andere Ende mit einem vorbestimmten Vorstufen-Knoten verbindet, und eine Nachstufen-Schaltung, die über den Nachstufen-Knoten einen Rücksetzpegel liest, der erhalten wird, indem die Spannung verstärkt wird, wenn das Paar Floating-Diffusionsschichten initialisiert wird, und einen Signalpegel, der erhalten wird, indem die Spannung verstärkt wird, wenn die Ladungen übertragen werden. Diese Konfiguration bringt den Effekt einer Verbesserung der Bildqualität für das Festkörper-Bildgebungselement mit sich.
Darüber hinaus kann gemäß dem ersten Aspekt der Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor den Umwandlungsgrad auf entweder einen hohen Umwandlungswirkungsgrad, der höher als ein vorbestimmter Wert ist, oder einen niedrigen Umwandlungswirkungsgrad steuern, der niedriger als der vorbestimmte Wert ist, kann das erste kapazitive Element den Rücksetzpegel, wenn der Umwandlungswirkungsgrad der hohe Umwandlungswirkungsgrad ist, als Rücksetzpegel für hohe Umwandlung (HC) halten, kann das zweite kapazitive Element den Signalpegel, wenn der Umwandlungswirkungsgrad der hohe Umwandlungswirkungsgrad ist, als HC-Signalpegel halten, kann das dritte kapazitive Element den Rücksetzpegel, wenn der Umwandlungswirkungsgrad der niedrige Umwandlungswirkungsgrad ist, als Rücksetzpegel für niedrige Umwandlung (LC) halten und kann das vierte kapazitive Element den Signalpegel, wenn der Umwandlungswirkungsgrad der niedrige Umwandlungswirkungsgrad ist, als LC-Signalpegel halten. Diese Konfiguration bringt den Effekt mit sich, dass die Dual-Gain-Ansteuerung und der Global-Shutter-Betrieb ermöglicht werden.
Darüber hinaus können gemäß dem ersten Aspekt ferner eine Analog-Digital-Umwandlungseinheit, die sowohl den HC-Rücksetzpegel, den HC-Signalpegel, den LC-Rücksetzpegel als auch den LC-Signalpegel in ein digitales Signal umwandelt, eine Einheit zur Verarbeitung einer korrelierten Doppelabtastung, die eine Differenz zwischen dem digitalen Signal entsprechend dem HC-Rücksetzpegel und dem digitalen Signal entsprechend dem HC-Signalpegel als HC-Differenzdaten berechnet und eine Differenz zwischen dem digitalen Signal entsprechend dem LC-Rücksetzpegel und dem digitalen Signal entsprechend dem LC-Signalpegel als LC-Differenzdaten berechnet, eine Beleuchtungsstärke-Bestimmungseinheit, die auf der Basis der HC-Differenzdaten bestimmt, ob eine Beleuchtungsstärke höher als ein vorbestimmter Wert ist oder nicht, und ein Bestimmungsergebnis erzeugt, und ein Nachstufen-Selektor vorgesehen werden, der entweder die HC-Differenzdaten oder die LC-Differenzdaten auf der Basis des Bestimmungsergebnisses auswählt. Diese Konfiguration bringt den Effekt mit sich, dass der Umwandlungswirkungsgrad entsprechend der Beleuchtungsstärke ausgewählt wird.
Darüber hinaus kann gemäß dem ersten Aspekt der nachstufen-Knoten einen HC-seitigen Nachstufen-Knoten und einen LC-seitigen Nachstufen-Knoten umfassen, kann die Auswahlschaltung eine HC-seitige Auswahlschaltung, die eines ihrer jeweiligen anderen Enden der ersten und zweiten kapazitiven Elemente auswählt und das ausgewählte andere Ende mit dem HC-seitigen Nachstufen-Knoten verbindet, und eine LC-seitige Auswahlschaltung enthalten, die eines ihrer jeweiligen anderen Enden der dritten und vierten kapazitiven Elemente auswählt und das ausgewählte andere Ende mit dem LC-seitigen Nachstufen-Knoten verbindet, und kann die Nachstufen-Schaltung eine HC-seitige Nachstufen-Schaltung, die den HC-Signalpegel und den HC-Rücksetzpegel vom HC-seitigen Nachstufen-Knoten liest und den HC-Signalpegel und den HC-Rücksetzpegel über eine HC-seitige vertikale Signalleitung abgibt, und eine LC-seitige Nachstufen-Schaltung enthalten, die den LC-Signalpegel und den LC-Rücksetzpegel vom LC-seitigen Nachstufen-Knoten liest und den LC-Signalpegel und den LC-Rücksetzpegel über eine LC-seitige vertikale Signalleitung abgibt. Diese Konfiguration bringt den Effekt mit sich, dass das HC-seitige Signal und das LC-seitige Signal gleichzeitig gelesen werden.
Gemäß dem ersten Aspekt können ferner ein Vorstufen-Selektor, der entweder ein Potential der HC-seitigen vertikalen Signalleitung oder ein Potential der LC-seitigen vertikalen Signalleitung gemäß einem vorbestimmten Latch-Ausgangssignal auswählt und das ausgewählte Potential als Ausgangspotential abgibt, ein Komparator, der das Ausgangspotential mit einer vorbestimmten Referenzspannung vergleicht und ein Vergleichsergebnis ausgibt, eine Latch-Schaltung, die das Latch-Ausgangssignal auf der Basis des Vergleichsergebnisses erzeugt, und ein Zähler vorgesehen werden, der einen Zählwert über eine Periode zählt, bis das Vergleichsergebnis invertiert ist. Diese Konfiguration bringt den Effekt mit sich, dass die Beleuchtungsstärke auf der Basis des analogen Signals bestimmt wird.
Ferner können gemäß dem ersten Aspekt fünfte, sechste, siebte und achte kapazitive Elemente vorgesehen sein, kann das Paar Floating-Diffusionsschichten ein Paar erster Floating-Diffusionsschichten in einem ersten Pixel und ein Paar zweiter Floating-Diffusionsschichten in einem zweiten Pixel umfassen, kann der Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor einen ersten Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor in dem ersten Pixel und einen zweiten Umwandlungsgrad-Steuerungstransistor in dem zweiten Pixel umfassen, kann die Vorstufen-Schaltung eine erste Vorstufen-Schaltung, in der das Paar erster Floating-Diffusionsschichten und der erste Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor angeordnet sind, und eine zweite Vorstufen-Schaltung umfassen, in der das Paar zweiter Floating-Diffusionsschichten und der zweite Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor angeordnet sind, können die ersten, zweiten, dritten und vierten kapazitiven Elemente mit ihrem jeweiligen einen Ende gemeinsam mit der ersten Vorstufen-Schaltung verbunden sein und können die fünften, sechsten, siebten und achten kapazitiven Elemente mit ihrem jeweiligen einen Ende gemeinsam mit der zweiten Vorstufen-Schaltung verbunden sein. Diese Konfiguration bringt den Effekt mit sich, dass die Schaltungen nach der Auswahlschaltung von zwei Pixeln gemeinsam genutzt werden.
Darüber hinaus kann gemäß dem ersten Aspekt die Vorstufen-Schaltung in einem ersten Chip vorgesehen sein und können die ersten, zweiten, dritten und vierten kapazitiven Elemente, die Auswahlschaltung und die Nachstufen-Schaltung in einem zweiten Chip vorgesehen werden. Diese Konfiguration bringt den Effekt mit sich, dass eine Pixel-Miniaturisierung erleichtert wird.
Überdies kann gemäß dem ersten Aspekt ein Analog-Digital-Wandler, der den Rücksetzpegel und den Signalpegel sequentiell in ein digitales Signal umwandelt, ferner vorgesehen werden und kann der Analog-Digital-Wandler in einem dritten Chip vorgesehen werden. Diese Konfiguration bringt den Effekt mit sich, dass eine Pixel-Miniaturisierung erleichtert wird.
Darüber hinaus ist ein zweiter Aspekt der vorliegenden Technologie eine Bildgebungsvorrichtung, die eine Vorstufen-Schaltung enthält, in der ein Paar Floating-Diffusionsschichten, das übertragene Ladungen in eine Spannung umwandelt, und ein Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor, der einen Umwandlungswirkungsgrad, mit dem die Ladungen in die Spannung umgewandelt werden, steuert, indem ein Pfad zwischen dem Paar Floating-Diffusionsschichten geöffnet und geschlossen wird, angeordnet sind, erste, zweite, dritte und vierte kapazitive Elemente, die mit ihrem jeweiligen einen Ende gemeinsam mit der Vorstufen-Schaltung verbunden sind, eine Auswahlschaltung, die eines ihrer jeweiligen anderen Enden der ersten, zweiten, dritten und vierten kapazitiven Elemente auswählt und das ausgewählte andere Ende mit einem vorbestimmten Nachstufen-Knoten verbindet, eine Nachstufen-Schaltung, die über den Nachstufen-Knoten einen Rücksetzpegel liest, der erhalten wird, indem die Spannung verstärkt wird, wenn das Paar Floating-Diffusionsschichten initialisiert wird, und einen Signalpegel, der erhalten wird, indem die Spannung verstärkt wird, wenn die Ladungen übertragen werden, und eine Signalverarbeitungsschaltung, die den Rücksetzpegel und den Signalpegel verarbeitet. Diese Konfiguration bringt den Effekt mit sich, dass die Bildqualität für die Bildgebungsvorrichtung verbessert wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Bildgebungsvorrichtung in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie veranschaulicht.
2 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Festkörper-Bildgebungselements in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie veranschaulicht.
3 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Pixels in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie veranschaulicht.
4 ist ein Diagramm, um Merkmale einer Dual-Gain-Ansteuerung in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie zu beschreiben.
5 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Spalten-Signalverarbeitungsschaltung in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt.
6 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Digital-Signalverarbeitungseinheit in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt.
7 ist ein Zeitablaufdiagramm, das ein Beispiel eines Global-Shutter-Betriebs in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt.
8 ist ein Zeitablaufdiagramm, das ein Beispiel einer Leseoperation des Pixels in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt.
9 ist ein Zeitablaufdiagramm, das ein anderes Beispiel der Leseoperation des Pixels in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt.
10 ist ein Diagramm, um ein Verfahren zum Korrigieren einer digitalen Verstärkung in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie zu beschreiben.
11 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Pixels in einem Vergleichsbeispiel darstellt.
12 ist ein Diagramm, das ein Beispiel von Zuständen des Pixels zum Zeitpunkt einer Initialisierung eines Nachstufen-Knotens und zum Zeitpunkt des Lesens eines Rücksetzpegels in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt.
13 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Zustands des Pixels zum Zeitpunkt des Lesens eines Signalpegels in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt.
14 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Betriebs des Festkörper-Bildgebungselements in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt.
15 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer laminierten Struktur eines Festkörper-Bildgebungselements in einem ersten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt.
16 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Pixels im ersten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt.
17 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer laminierten Struktur eines Festkörper-Bildgebungselements in einem zweiten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt.
18 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Festkörper-Bildgebungselements in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt.
19 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Pixel-Blocks in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt.
20 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel des Pixel-Blocks in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt.
21 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein weiteres Konfigurationsbeispiel des Pixels in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt.
22 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Spalten-Signalverarbeitungsschaltung in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt.
23 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Betriebs einer Latch-Schaltung in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt.
24 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Digital-Signalverarbeitungseinheit in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt.
25 ist ein Zeitablaufdiagramm, das ein Beispiel eines Global-Shutter-Betriebs in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt.
26 ist ein Zeitablaufdiagramm, das ein Beispiel einer Leseoperation eines ersten Pixels in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt.
27 ist ein Zeitablaufdiagramm, das ein Beispiel einer Leseoperation eines zweiten Pixels in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt.
28 ist ein Zeitablaufdiagramm, das ein Beispiel einer Leseoperation eines Pixels in einem Modifikationsbeispiel der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt.
29 ist ein Blockdiagramm, das ein schematisches Konfigurationsbeispiel eines Fahrzeugsteuerungssystems darstellt.
30 ist ein erläuterndes Diagramm, das ein Beispiel einer Installationsposition einer Bildgebungssektion darstellt.

MODUS ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Im Folgenden werden hierin Modi zum Ausführen der vorliegenden Technologie (worauf hier im Folgenden als Ausführungsformen verwiesen wird) beschrieben. Die Beschreibung wird in der folgenden Reihenfolge gegeben.

1. Erste Ausführungsform (Beispiel, bei dem vier kapazitive Elemente für jedes Pixel angeordnet sind)
2. Zweite Ausführungsform (Beispiel, bei dem vier kapazitive Elemente für jedes Pixel angeordnet sind, um die Frequenz einer AD-Umwandlung zu reduzieren)
3. Anwendungsbeispiel für einen mobilen Körper

<1. Erste Ausführungsform>
[Konfigurationsbeispiel einer Bildgebungsvorrichtung]
1 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Bildgebungsvorrichtung 100 in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt. Die Bildgebungsvorrichtung 100 ist eine Vorrichtung, die Bilddaten erfasst, und enthält eine Abbildungslinse 110, ein Festkörper-Bildgebungselement 200, eine Aufzeichnungseinheit 120 und eine Bildgebungs-Steuerungseinheit 130. Als die Bildgebungsvorrichtung 100 werden eine Digitalkamera und eine elektronische Vorrichtung (ein Smartphone, ein Personal Computer oder dergleichen) mit einer Abbildungs- bzw. Bildgebungsfunktion unterstellt.
Das Festkörper-Bildgebungselement 200 erfasst die Bilddaten unter einer Steuerung der Bildgebungs-Steuerungseinheit 130. Das Festkörper-Bildgebungselement 200 stellt der Aufzeichnungseinheit 120 über eine Signalleitung 209 die Bilddaten bereit.
Die Abbildungslinse 110 bündelt Licht und führt das Licht zum Festkörper-Bildgebungselement 200. Die Bildgebungs-Steuerungseinheit 130 steuert das Festkörper-Bildgebungselement 200, um die Bilddaten zu erfassen. Beispielsweise stellt die Bildgebungs-Steuerungseinheit 130 ein Bildgebungs-Steuerungssignal, das ein vertikales Synchronisationssignal XVS enthält, dem Festkörper-Bildgebungselement 200 über eine Signalleitung 139 bereit. Die Aufzeichnungseinheit 120 zeichnet die Bilddaten auf.
Das vertikale Synchronisationssignal XVS ist hier ein Signal, das einen Bildgebungszeitpunkt angibt, und ein periodisches Signal mit einer konstanten Frequenz (wie etwa 60 Hz) wird als das vertikale Synchronisationssignal XVS genutzt.
Man beachte, dass, obgleich die Bildgebungsvorrichtung 100 die Bilddaten aufzeichnet, die Bilddaten zur äußeren Umgebung der Bildgebungsvorrichtung 100 bzw. nach außen übertragen werden können. In diesem Fall ist ferner eine externe Schnittstelle zum Übertragen der Bilddaten vorgesehen. Alternativ dazu kann die Bildgebungsvorrichtung 100 ferner die Bilddaten anzeigen. In diesem Fall ist ferner eine Anzeigesektion vorgesehen.
[Konfigurationsbeispiel eines Festkörper-Bildgebungselements]
2 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel des Festkörper-Bildgebungselements 200 in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt. Das Festkörper-Bildgebungselement 200 enthält eine Schaltung 211 für vertikales Scannen, eine Pixel-Arrayeinheit 220, eine Schaltung zur Zeitsteuerung bzw. Zeitsteuerungsschaltung 212, einen Digital-Analog-Wandler (DAC) 213, einen Last-MOS-Schaltungsblock 250 und eine Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260. In der Pixel-Arrayeinheit 220 ist eine Vielzahl von Pixeln wie etwa Pixel 301 in einem zweidimensionalen Gittermuster angeordnet. Darüber hinaus ist jede Schaltung im Festkörper-Bildgebungselement 200 in beispielsweise einem einzigen Halbleiter-Chip vorgesehen.
Die Zeitsteuerungsschaltung 212 steuert Betriebszeitpunkte von sowohl der Schaltung 211 für vertikales Scannen, des DAC 213 als auch der Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 synchron mit dem vertikalen Synchronisationssignal XVS von der Bildgebungs-Steuerungseinheit 130.
Der DAC 213 erzeugt ein sägezahnartiges Rampensignal durch eine Digital-Analog-(DA-)Umwandlung. Der DAC 213 stellt der Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 das erzeugte Rampensignal bereit.
Die Schaltung 211 für vertikales Scannen wählt Reihen sequentiell aus und steuert sie an und gibt analoge Pixel-Signale ab. Das Pixel wandelt einfallendes Licht fotoelektrisch um, um ein analoges Pixel-Signal zu erzeugen. Dieses Pixel stellt der Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 über den Last-MOS-Schaltungsblock 250 das Pixel-Signal bereit.
Im Last-MOS-Schaltungsblock 250 ist für jede Spalte ein MOS-Transistor vorgesehen, der einen Konstantstrom bereitstellt.
Die Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 führt eine Signalverarbeitung wie etwa eine AD-Umwandlungsverarbeitung und eine Verarbeitung einer korrelierten Doppelabtastung (CDS) am Pixel-Signal für jede Spalte durch. Die Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 stellt der Aufzeichnungseinheit 120 die verarbeiteten Signale enthaltenden Bilddaten bereit. Man beachte, dass die Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 ein Beispiel einer in den Ansprüchen beschriebenen Signalverarbeitungsschaltung ist.
[Konfigurationsbeispiel eines Pixels]
3 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel des Pixels 301 in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt. In Pixel 301 sind eine Vorstufen-Schaltung 310, kapazitive Elemente 331 bis 334, eine Auswahlschaltung 350, ein Nachstufen-Rücksetztransistor 361 und eine Nachstufen-Schaltung 370 angeordnet. Als die kapazitiven Elemente 331 bis 334 wird beispielsweise ein Kondensator mit einer Metall-Isolator-Metall-(MIM-)Struktur genutzt. Man beachte, dass die kapazitiven Elemente 331 bis 334 Beispiele für in den Ansprüchen beschriebene erste, zweite, dritte und vierte kapazitive Elemente sind.
Die Vorstufen-Schaltung 310 erzeugt sequentiell einen Rücksetzpegel und einen Signalpegel und veranlasst, dass die kapazitiven Elemente 331 und 332 den Rücksetzpegel und den Signalpegel halten. Die Vorstufen-Schaltung 310 enthält ein fotoelektrisches Umwandlungselement 311, einen Übertragungstransistor 312, einen Floating-Diffusions-(FD-)Rücksetztransistor 313, eine FD 314, einen Vorstufen-Verstärkungstransistor 315 und einen Stromquellentransistor 316. Darüber hinaus enthält die Vorstufen-Schaltung 310 ferner einen Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor 317 und eine FD 318.
Das fotoelektrische Umwandlungselement 311 erzeugt Ladungen durch die fotoelektrische Umwandlung. Der Übertragungstransistor 312 überträgt Ladungen vom fotoelektrischen Umwandlungselement 311 gemäß einem Übertragungssignal trg von der Schaltung 211 für vertikales Scannen zu zumindest einer der FDs 314 und 318.
Der FD-Rücksetztransistor 313 extrahiert die Ladungen aus den FDs 314 und 318, um die FDs 314 und 318 zu initialisieren, gemäß einem FD-Rücksetzsignal rst von der Schaltung 211 für vertikales Scannen. Die FDs 314 und 318 akkumulieren Ladungen und erzeugen eine einer Ladungsmenge entsprechende Spannung.
Der Vorstufen-Verstärkungstransistor 315 verstärkt den Pegel der Spannung von jeder der FDs 314 und 318 und gibt die verstärkte Spannung an einen Vorstufen-Knoten 330 ab.
Der Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor 317 öffnet und schließt einen Pfad zwischen der FD 314 und der FD 318 gemäß einem Steuerungssignal fdg von der Schaltung 211 für vertikales Scannen. In einem Fall, in dem der Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor 317 einschaltet, werden die FD 314 und die FD 318 verbunden und ist ihre kombinierte Kapazität größer als die Kapazität der FD 314. Daher nimmt der Umwandlungswirkungsgrad, mit dem Ladungen in eine Spannung umgewandelt werden, im Vergleich mit einem Fall ab, in dem nur die FD 314 vorgesehen ist. Auf den Wert des Umwandlungswirkungsgrads zu diesem Zeitpunkt wird hier im Folgenden als „niedriger Umwandlungswirkungsgrad“ oder „niedrige Umwandlung (LC)“ verwiesen.
Auf der anderen Seite werden in einem Fall, in dem der Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor 317 ausschaltet, Ladungen nur durch die FD 314 in eine Spannung umgewandelt und ist der Wert des Umwandlungswirkungsgrads höher als die LC. Auf den Wert des Umwandlungswirkungsgrads zu diesem Zeitpunkt wird hier im Folgenden als „hoher Umwandlungswirkungsgrad“ oder „hohe Umwandlung (HC)“ verwiesen.
Der FD-Rücksetztransistor 313 und der Vorstufen-Verstärkungstransistor 315 sind mit ihrem jeweiligen Drain mit einer Stromversorgungsspannung VDD verbunden. Der Stromquellentransistor 316 ist mit der Source des Vorstufen-Verstärkungstransistors 315 verbunden. Der Stromquellentransistor 316 stellt einen Strom id1 unter der Steuerung der Schaltung 211 für vertikales Scannen bereit.
Die kapazitiven Elemente 331 bis 334 sind mit ihrem jeweiligen einen Ende gemeinsam mit dem Vorstufen-Knoten 330 verbunden und sind mit ihrem jeweiligen anderen Ende mit der Auswahlschaltung 350 verbunden.
Die Auswahlschaltung 350 enthält Auswahltransistoren 351 bis 354. Der Auswahltransistor 351 öffnet und schließt einen Pfad zwischen dem kapazitiven Element 331 und dem Nachstufen-Knoten 360 gemäß einem Auswahlsignal Φph von der Schaltung 211 für vertikales Scannen. Der Auswahltransistor 352 öffnet und schließt einen Pfad zwischen dem kapazitiven Element 332 und dem Nachstufen-Knoten 360 gemäß einem Auswahlsignal Φdh von der Schaltung 211 für vertikales Scannen.
Der Auswahltransistor 353 öffnet und schließt einen Pfad zwischen dem kapazitiven Element 333 und dem Nachstufen-Knoten 360 gemäß einem Auswahlsignal Φpl von der Schaltung 211 für vertikales Scannen. Der Auswahltransistor 354 öffnet und schließt einen Pfad zwischen dem kapazitiven Element 334 und dem Nachstufen-Knoten 360 gemäß einem Auswahlsignal Φdl von der Schaltung 211 für vertikales Scannen.
Der Nachstufen-Rücksetztransistor 361 initialisiert den Pegel des Nachstufen-Knotens 360 auf ein vorbestimmtes Potential Vreg gemäß einem Nachstufen-Rücksetzsignal rstb von der Schaltung 211 für vertikales Scannen. Ein von der Stromversorgungsspannung VDD verschiedenes Potential (zum Beispiel ein Potential, das niedriger als VDD ist) wird als das Potential Vreg eingestellt.
Die Nachstufen-Schaltung 370 enthält den Nachstufen-Verstärkungstransistor 371 und den Nachstufen-Auswahltransistor 372. Der Nachstufen-Verstärkungstransistor 371 verstärkt den Pegel des Nachstufen-Knotens 360. Der Nachstufen-Auswahltransistor 372 gibt gemäß einem Nachstufen-Auswahlsignal selb von der Schaltung 211 für vertikales Scannen ein Signal bei dem durch den Nachstufen-Verstärkungstransistor 371 verstärkten Pegel an eine vertikale Signalleitung 309 als Pixel-Signal ab.
Man beachte, dass beispielsweise n-Kanal-Metalloxid-Halbleiter-(nMOS-)Transistoren als verschiedene Transistoren (Übertragungstransistor 312 und dergleichen) im Pixel 301 genutzt werden können.
Die Schaltung 211 für vertikales Scannen stellt allen Reihen zum Beginn der Belichtung ein FD-Rücksetzsignal rst mit hohem Pegel, ein Steuerungssignal fdg mit hohem Pegel und ein Übertragungssignal trg mit hohem Pegel bereit. Daher ist das fotoelektrische Umwandlungselement 311 initialisiert. Auf diese Steuerung wird hier im Folgenden als „PD-Reset bzw. -Rücksetzung“ verwiesen.
Die Schaltung 211 für vertikales Scannen stellt dann über die Impulsperiode das FD-Rücksetzsignal rst mit hohem Pegel bereit, während das Steuerungssignal fdg, das Nachstufen-Rücksetzsignal rstb und das Auswahlsignal Φpl für all die Reihen unmittelbar vor dem Ende der Belichtung auf den hohen Pegel gesetzt werden. Daher ist der LC eingestellt und sind die FDs 314 und 318 initialisiert. Auf diese Steuerung wird hier im Folgenden als „FD-Reset bzw. -Rücksetzung“ verwiesen. Ein Pegel, der zu diesem Zeitpunkt dem Pegel der FD (314 und 318) entspricht, wird im kapazitiven Element 333 gehalten.
Anschließend setzt für alle Reihen die Schaltung 211 für vertikales Scannen das Auswahlsignal Φph auf den hohen Pegel, während das Steuerungssignal fdg auf den niedrigen Pegel gesetzt wird. Daher ist der HC eingestellt, und der dem Pegel der FD 314 entsprechende Pegel wird im kapazitiven Element 331 gehalten.
Die Pegel der FDs 314 und 318 zur Zeit bzw. zum Zeitpunkt des FD-Resets und Pegel (die in den kapazitiven Elementen 331 und 333 gehaltenen Pegel und der Pegel der vertikalen Signalleitung 309), die den Pegeln entsprechen, werden hier im Folgenden zusammen als „P-Phase“ oder „Reset- bzw. Rücksetzpegel“ bezeichnet. Darüber hinaus wird hier im Folgenden auf den Rücksetzpegel zur Zeit der HC-Einstellung als „HC-Rücksetzpegel“ verwiesen und wird auf den Rücksetzpegel zur Zeit der LC-Einstellung als „LC-Rücksetzpegel“ verwiesen.
Am Ende der Belichtung stellt die Schaltung 211 für vertikales Scannen das Übertragungssignal trg mit hohem Pegel über die Impulsperiode, während das Steuerungssignal fdg auf den niedrigen Pegel und das Nachstufen-Rücksetzsignal rstb auf den hohen Pegel gesetzt werden, für alle Reihen bereit. Daher ist der HC eingestellt und werden dem Belichtungsbetrag entsprechende Signalladungen zur FD 314 übertragen. Ein Auswahlsignal Φdh mit hohem Pegel wird all den Reihen bereitgestellt, und ein dem Pegel der FD 314 zu diesem Zeitpunkt entsprechender Pegel wird im kapazitiven Element 332 gehalten.
Als Nächstes werden all den Reihen das Steuerungssignal fdg mit hohem Pegel und ein Auswahlsignal Φdl mit hohem Pegel bereitgestellt. Daher ist der LC eingestellt und wird ein dem Pegel der FD (314 und 318) zu diesem Zeitpunkt entsprechender Pegel im kapazitiven Element 334 gehalten.
Die Pegel der FD 314 und der FD 318 zum Zeitpunkt der Signalladungsübertragung und Pegel (die in den kapazitiven Elementen 332 und 334 gehaltene Pegel und der Pegel der vertikalen Signalleitung 309), die den Pegeln entsprechen, werden hier im Folgenden zusammen als „D-Phase“ oder „Signalpegel“ bezeichnet. Darüber hinaus wird auf den Signalpegel zur Zeit der HC-Einstellung hier im Folgenden als „HC-Signalpegel“ verwiesen und wird auf den Signalpegel zur Zeit der LC-Einstellung hier im Folgenden als „LC-Signalpegel“ verwiesen.
Die Belichtungssteuerung, bei der auf diese Weise die Belichtung für all die Pixel gleichzeitig begonnen und beendet wird, wird als Global-Shutter-Verfahren bezeichnet. Durch diese Belichtungssteuerung erzeugt die Vorstufen-Schaltung 310 all der Pixel sequentiell den LC-Rücksetzpegel, den HC-Rücksetzpegel, den HC-Signalpegel und den LC-Signalpegel. Der LC-Rücksetzpegel wird im kapazitiven Element 333 gehalten, und der HC-Rücksetzpegel wird im kapazitiven Element 331 gehalten. Der HC-Signalpegel wird im kapazitiven Element 332 gehalten, und der LC-Signalpegel wird im kapazitiven Element 334 gehalten.
Nach dem Ende der Belichtung wählt die Schaltung 211 für vertikales Scannen sequentiell eine Reihe aus und gibt sequentiell den HC-Rücksetzpegel, den HC-Signalpegel, den LC-Rücksetzpegel und den LC-Signalpegel der Reihe aus. Zum Zeitpunkt des Lesens stellt die Schaltung 211 für vertikales Scannen den Nachstufen-Rücksetzpegel rstb mit hohem Pegel über die Impulsperiode der ausgewählten Reihe über die Impulsperiode bereit, während das Nachstufen-Auswahlsignal selb, das FD-Rücksetzsignal rst und das Steuerungssignal fdg der ausgewählten Reihe auf den hohen Pegel gesetzt werden.
Danach stellt die Schaltung 211 für vertikales Scannen das Auswahlsignal Φph mit hohem Pegel über eine vorbestimmte Periode bereit. Daher wird das kapazitive Element 331 mit dem Nachstufen-Knoten 360 verbunden und wird der HC-Signalpegel gelesen.
Als Nächstes stellt die Schaltung 211 für vertikales Scannen das Auswahlsignal Φdh mit hohem Pegel über eine vorbestimmte Periode bereit. Deshalb wird das kapazitive Element 332 mit dem Nachstufen-Knoten 360 verbunden und wird der HC-Signalpegel gelesen.
Die Schaltung 211 für vertikales Scannen stellt dann das Auswahlsignal Φpl mit hohem Pegel über eine vorbestimmte Periode bereit. Daher wird das kapazitive Element 333 mit dem Nachstufen-Knoten 360 verbunden und wird der LC-Rücksetzpegel gelesen.
Als Nächstes stellt die Schaltung 211 für vertikales Scannen das Auswahlsignal Φdl mit hohem Pegel über eine vorbestimmte Periode bereit. Daher ist das kapazitive Element 334 mit dem Nachstufen-Knoten 360 verbunden und wird der LC-Signalpegel gelesen.
Durch die oben beschriebene Lesesteuerung führt die Auswahlschaltung 350 der ausgewählten Reihe eine Steuerung, um die kapazitiven Elemente 331 bis 334 vom Nachstufen-Knoten 360 zu trennen, und eine Steuerung, um die kapazitiven Elemente 331 bis 334 sequentiell auszuwählen und mit dem Nachstufen-Knoten 360 zu verbinden, durch.
Darüber hinaus initialisiert, wenn die kapazitiven Elemente 331 bis 334 vom Nachstufen-Knoten 360 getrennt sind, der Nachstufen-Rücksetztransistor 361 der ausgewählten Reihe den Pegel des Nachstufen-Knotens 360. Überdies liest die Nachstufen-Schaltung 370 der ausgewählten Reihe sequentiell den HC-Rücksetzpegel, den HC-Signalpegel, den LC-Rücksetzpegel und den LC-Signalpegel von den kapazitiven Elementen 331 bis 334 über den Nachstufen-Knoten 360 und gibt den HC-Rücksetzpegel, den HC-Signalpegel, den LC-Rücksetzpegel und den LC-Signalpegel an die vertikale Signalleitung 309 aus.
4 ist ein Diagramm, um Merkmale einer Dual-Gain-Ansteuerung in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie zu beschreiben. Wenn hier ein Verhältnis einer Spannung (das heißt der FD-Abgabe) zu einer Signalladungsmenge, die übertragen werden soll, (das heißt der FD-Eingabe) als Verstärkung definiert wird, nimmt die Verstärkung in einem Fall des hohen Umwandlungswirkungsgrads (HC) zu und nimmt die Verstärkung im Fall des niedrigen Umwandlungswirkungsgrads (LC) ab.
In einem Fall, in dem der Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor 317 und die FD 318 vorgesehen sind, kann die Verstärkung mittels der Steuerung des Umwandlungswirkungsgrads in zwei Stufen bzw. Pegeln gesteuert werden. Auf der anderen Seite ist in einem Fall, in dem weder der Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor 317 noch die FD 318 vorgesehen sind, die Verstärkung ein fester Wert. Auf die erstgenannte Pixel-Ansteuerung wird als „Ansteuerung mit dualer Verstärkung bzw. Dual-Gain-Ansteuerung“ verwiesen, und auf die letztgenannte Pixel-Ansteuerung wird als „Ansteuerung mit einer einzigen Verstärkung bzw. Single-Gain-Ansteuerung“ verwiesen.
Wie in der Zeichnung veranschaulicht ist, nimmt bei der Single-Gain-Ansteuerung in einem Fall, in dem der Umwandlungswirkungsgrad bei einem verhältnismäßig niedrigen Wirkungsgrad festgelegt ist, eine Menge Qs an Signalladungen, die umgewandelt werden kann, zu, nimmt aber eingangsbezogenes Rauschen zu, was bei geringer Beleuchtungsstärke nachteilig ist. In einem Fall, in dem der Umwandlungswirkungsgrad bei einem verhältnismäßig hohen Wirkungsgrad festgelegt ist, nimmt darüber hinaus das eingangsbezogene Rauschen ab, nimmt aber die Qs ab, was bei hoher Beleuchtungsstärke nachteilig ist. Wie oben beschrieben wurde, ist es bei der Single-Gain-Ansteuerung schwierig, sowohl eine Abnahme des eingangsbezogenen Rauschens als auch eine Zunahme in der Qs zu erzielen.
Auf der anderen Seite ermöglichen bei der Dual-Gain-Ansteuerung ein Verringern der Verstärkung bei hoher Beleuchtungsstärke und ein Erhöhen der Verstärkung bei geringer Beleuchtungsstärke, sowohl eine Abnahme des eingangsbezogenen Rauschens als auch eine Zunahme der Qs (mit anderen Worten eine Verbesserung der Empfindlichkeit) zu erzielen. Daher kann die Bildqualität der Bilddaten verbessert werden.
[Konfigurationsbeispiel einer Spalten-Signalverarbeitungsschaltung]
5 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel der Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt.
Im Last-MOS-Schaltungsblock 250 ist die vertikale Signalleitung 309 für jede Spalte verdrahtet. In einem Fall, in dem die Anzahl der Spalten I ist (I ist eine ganze Zahl), sind I vertikale Signalleitungen 309 verdrahtet. Darüber hinaus ist ein Last-MOS-Transistor 251, der einen konstanten Strom id2 bereitstellt, mit jeder der vertikalen Signalleitungen 309 verbunden.
In der Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 sind ein ADC 270 und eine Digital-Signalverarbeitungseinheit 400 für jede Spalte angeordnet.
Der ADC 270 wandelt sowohl den HC-Rücksetzpegel, den HC-Signalpegel, den LC-Rücksetzpegel als auch den LC-Signalpegel von der entsprechenden Spalte unter Verwendung eines Rampensignals rmp vom DAC 213 in ein digitales Signal um. Der ADC 270 enthält einen Komparator 271, Auto-Zero-Schalter (engl.: auto-zero switches) 272 und 273 und einen Zähler 274.
Der Komparator 271 vergleicht den Rücksetzpegel und den Signalpegel von der vertikalen Signalleitung 309 mit einer Referenzspannung, bei der es sich um einen Pegel des Rampensignals rmp handelt. Der Komparator 271 stellt ein Vergleichsergebnis VCO dem Zähler 274 bereit.
Der Auto-Zero-Schalter 272 schließt einen invertierenden Eingangsanschluss (-) und einen Ausgangsanschluss des Komparators 271 gemäß einem Auto-Zero-Signal az von der Zeitsteuerungsschaltung 212 kurz. Der Auto-Zero-Schalter 273 schließt einen nicht-invertierenden Eingangsanschluss (+) und den Ausgangsanschluss des Komparators 271 gemäß dem Auto-Zero-Signal az von der Zeitsteuerungsschaltung 212 kurz.
Der Zähler 274 zählt einen Zählwert über eine Periode, bis das Vergleichsergebnis VCO invertiert ist. Der Zähler 274 stellt der Digital-Signalverarbeitungseinheit 400 ein den Zählwert angebendes digitales Signal bereit.
Die Digital-Signalverarbeitungseinheit 400 führt an dem digitalen Signal eine CDS-Verarbeitung, eine Bestimmung der Beleuchtungsstärke, eine digitale Verstärkungskorrektur und dergleichen durch. Details solch einer Verarbeitung werden später beschrieben. Die Digital-Signalverarbeitungseinheit 400 stellt der Aufzeichnungseinheit 120 die verarbeiteten Daten bereit.
[Konfigurationsbeispiel einer Digital-Signalverarbeitungseinheit]
6 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel der Digital-Signalverarbeitungseinheit 400 in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt. Die Digital-Signalverarbeitungseinheit 400 enthält einen Selektor 411, einen Speicher 412, eine CDS-Verarbeitungseinheit 420, einen Selektor 413, eine Beleuchtungsstärke-Bestimmungseinheit 414, einen Speicher 415, einen Selektor 416 und eine Digital-Verstärkungskorrektureinheit 417.
Der Selektor 411 schaltet das Ausgabeziel des digitalen Signals vom ADC 270 unter der Steuerung der Zeitsteuerungsschaltung 212 um. Hier wird angenommen, dass das dem HC-Rücksetzpegel entsprechende digitale Signal als DOph bezeichnet wird und das dem HC-Signalpegel entsprechende digitale Signal als DOdh bezeichnet wird. Ein dem LC-Rücksetzpegel entsprechendes digitales Signal wird als DOpl bezeichnet, und ein dem LC-Signalpegel entsprechend digitale Signal wird als DOdl bezeichnet.
Der Selektor 411 gibt die digitalen Signale DOph und DOpl entsprechend dem Rücksetzpegel an den Speicher 412 ab, um zu veranlassen, dass der Speicher 412 die digitalen Signale DOph und DOpl hält, und gibt die digitalen Signale DOdh und DOdl entsprechend dem Signalpegel an die CDS-Verarbeitungseinheit 420 ab.
Die CDS-Verarbeitungseinheit 420 führt eine CDS-Verarbeitung durch, um eine Differenz zwischen dem Rücksetzpegel und dem Signalpegel zu erhalten. Die CDS-Verarbeitungseinheit 420 enthält einen Subtrahierer 421.
Der Subtrahierer 421 erhält eine Differenz zwischen dem dem HC-Rücksetzpegel entsprechenden digitalen Signal DOph und dem dem HC-Signalpegel entsprechenden digitalen Signal DOdh und stellt dem Selektor 413 die Differenz als digitales Signal DOh bereit, das einen Netto-HC-Signalpegel angibt. Darüber hinaus erhält der Subtrahierer 421 eine Differenz zwischen dem dem LC-Rücksetzpegel entsprechenden digitalen Signal DOpl und dem dem LC-Signalpegel entsprechenden digitalen Signal DOdl und stellt dem Selektor 413 die Differenz als digitales Signal DOl bereit, das einen Netto-LC-Signalpegel angibt.
Der Selektor 411 schaltet das Ausgabeziel des digitalen Signals vom Subtrahierer 421 unter der Steuerung der Zeitsteuerungsschaltung 212 um. Der Selektor 411 stellt zur Zeit der HC-Einstellung der Beleuchtungsstärke-Bestimmungseinheit 414 und dem Speicher 415 das digitale Signal SOh (HC-Signalpegel) bereit. Darüber hinaus stellt der Selektor 411 zur Zeit der LC-Einstellung dem Selektor 416 das digitale Signal DOl (LC-Signalpegel) bereit.
Die Beleuchtungsstärke-Bestimmungseinheit 414 bestimmt auf der Basis des digitalen Signals DOh (HC-Signalpegel) zur Zeit der HC-Einstellung, ob die Beleuchtungsstärke höher als ein vorbestimmter Wert ist oder nicht. Die Beleuchtungsstärke-Bestimmungseinheit 414 vergleicht das digitale Signal DOh mit einem vorbestimmten Schwellenwert Th und bestimmt, dass die Beleuchtungsstärke eine hohe Beleuchtungsstärke ist, die höher als der vorbestimmte Wert ist, falls das digitale Signal DOh höher als der Schwellenwert Th ist. Falls auf der anderen Seite das digitale Signal DOh geringer als der oder gleich dem Schwellenwert Th ist, wird bestimmt, dass die Beleuchtungsstärke eine niedrige Beleuchtungsstärke ist, die geringer als der oder gleich dem vorbestimmten Wert ist. Die Beleuchtungsstärke-Bestimmungseinheit 414 stellt dem Selektor 416 und der Digital-Verstärkungskorrektureinheit 417 ein Bestimmungsergebnis DET bereit.
Der Selektor 416 wählt entweder das digitale Signal DOh (HC-Signalpegel) zur Zeit der HC-Einstellung oder das digitale Signal DOl (LC-Signalpegel) zur Zeit der LC-Einstellung gemäß dem Bestimmungsergebnis DET aus. Falls das Bestimmungsergebnis DET die hohe Beleuchtungsstärke angibt, wählt der Selektor 416 das digitale Signal DOl zur Zeit der LC-Einstellung vom Selektor 413 aus und stellt der Digital-Verstärkungskorrektureinheit 417 das digitale Signal DOl bereit. Falls auf der anderen Seite das Bestimmungsergebnis DET die niedrige Beleuchtungsstärke angibt, wählt der Selektor 416 das digitale Signal DOh zur Zeit der HC-Einstellung aus, das im Speicher 415 gehalten wird, und stellt der Digital-Verstärkungskorrektureinheit 417 das digitale Signal DOh bereit. Man beachte, dass der Selektor 416 ein Beispiel für einen in den Ansprüchen beschriebenen Nachstufen-Selektor ist.
Die Digital-Verstärkungskorrektureinheit 417 korrigiert nach Bedarf den Signalpegel. Falls das Bestimmungsergebnis DET die hohe Beleuchtungsstärke angibt, gibt die Digital-Verstärkungskorrektureinheit 417 ohne Korrektur das digitale Signal DOl wie es ist an die Aufzeichnungseinheit 120 als Pixel-Daten DO ab. Falls auf der anderen Seite das Bestimmungsergebnis DET die niedrige Beleuchtungsstärke angibt, korrigiert die Digital-Verstärkungskorrektureinheit 417 das digitale Signal DOh, um die Verstärkung gleich dem Wert zur Zeit der LC-Einstellung zu machen, und gibt das korrigierte digitale Signal DOh als Pixel-Daten DO an die Aufzeichnungseinheit 120 ab.
Man beachte, dass ein Teil der Verarbeitung oder die gesamte Verarbeitung der Digital-Signalverarbeitungseinheit 400 auch außerhalb des Festkörper-Bildgebungselements 200 durchgeführt werden kann. Beispielsweise kann zumindest ein Teil der Verarbeitung der Digital-Signalverarbeitungseinheit 400 von einer Digital-Signalverarbeitungs-(DSP-)Schaltung durchgeführt werden.
Darüber hinaus wird die CDS-Verarbeitung in der Nachstufe des ADC 270 durchgeführt oder kann alternativ dazu der ADC 270 die CDS-Verarbeitung durchführen. In diesem Fall ist es nur erforderlich, dass der Zähler 274 im ADC 270 die Zähloperation zwischen der Zeit der P-Phasenumwandlung und der Zeit der D-Phasenumwandlung ändert. Beispielsweise ist es nur erforderlich, dass der Zähler 274 eine Abwärtszählung zum Zeitpunkt der P-Phasenumwandlung und eine Aufwärtszählung zum Zeitpunkt der D-Phasenumwandlung durchführt.
Überdies bestimmt die Digital-Signalverarbeitungseinheit 400 die Beleuchtungsstärke auf der Basis des digitalen Signals DOh (HC-Signalpegel) nach der CDS-Verarbeitung, kann aber die Beleuchtungsstärke auch auf der Basis des digitalen Signals DOdh (HC-Signalpegel) vor der CDS-Verarbeitung bestimmen.
[Betriebsbeispiel eines Festkörper-Bildgebungselements]
7 ist ein Zeitablaufdiagramm, das ein Beispiel eines Global-Shutter-Betriebs in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt. Die Schaltung 211 für vertikales Scannen stellt all den Reihen (mit anderen Worten allen Pixeln) über eine Periode vom Zeitpunkt T0 unmittelbar vor dem Beginn der Belichtung bis zum Zeitpunkt T1, nachdem die Impulsperiode abläuft, das FD-Rücksetzsignal rst mit hohem Pegel, das Steuerungssignal fdg mit hohem Pegel und das Übertragungssignal trg mit hohem Pegel bereit. Daher sind all die Pixel PD-zurückgesetzt und beginnt die Belichtung gleichzeitig in all den Reihen.
Hier geben rst_[n], fdg_[n], trg_[n], rstb_[n], Φpl_[n], Φph_[n], Φdh_[n] und Φdl_[n] in der Zeichnung Signale an Pixel in der n-ten Reihen unter den N Reihen an. N ist eine ganze Zahl, die die Gesamtzahl an Reihen angibt, und n ist eine ganze Zahl von 1 bis N.
Zum Zeitpunkt T2 unmittelbar vor dem Ende der Belichtung setzt die Schaltung 211 für vertikales Scannen das Steuerungssignal fdg, das Nachstufen-Rücksetzsignal rstb und das Auswahlsignal Φpl all der Reihen auf den hohen Pegel. Darüber hinaus stellt die Schaltung 211 für vertikales Scannen all den Reihen über der Impulsperiode vom Zeitpunkt T2 an das FD-Rücksetzsignal rst mit hohem Pegel bereit. Daher sind all die Pixel FD-zurückgesetzt.
Die Schaltung 211 für vertikales Scannen setzt dann zum Zeitpunkt T3 das Auswahlsignal Φpl all der Reihen auf den niedrigen Pegel. Der LC-Rücksetzpegel wird während einer Periode vom Zeitpunkt T2 bis zum Zeitpunkt T3 abgetastet und gehalten.
Anschließend setzt die Schaltung 211 für vertikales Scannen das Steuerungssignal fdg all der Reihen zum Zeitpunkt T4 auf den niedrigen Pegel und setzt das Auswahlsignal Φph all der Reihen über eine Periode vom Zeitpunkt T4 bis unmittelbar vor T5 auf den hohen Pegel. Daher wird der HC-Rücksetzpegel abgetastet und gehalten.
Die Schaltung 211 für vertikales Scannen stellt all den Reihen über die Impulsperiode vom Zeitpunkt T5 an das Übertragungssignal trg mit hohem Pegel bereit. Daher endet die Belichtung all der Reihen.
Das Auswahlsignal Φdh all der Reihen wird dann über eine Periode vom Zeitpunkt T6 bis zum Zeitpunkt T7 auf den hohen Pegel gesetzt. Daher wird der HC-Signalpegel abgetastet und gehalten.
Anschließend setzt die Schaltung 211 für vertikales Scannen das Steuerungssignal fdg all der Reihen zum Zeitpunkt T8 auf den hohen Pegel und setzt das Auswahlsignal Φdl all der Reihen über eine Periode vom Zeitpunkt T9 bis zum Zeitpunkt T10 auf den hohen Pegel. Daher wird der LC-Signalpegel abgetastet und gehalten.
Darüber hinaus schaltet zur Zeit der Belichtung die Schaltung 211 für vertikales Scannen den Stromquellentransistor 316 all der Reihen ein, um einen Strom id1 bereitzustellen und schaltet den Last-MOS-Transistor 251 all der Reihen aus, um den Strom id2 zu stoppen.
8 ist ein Zeitablaufdiagramm, das ein Beispiel einer Leseoperation des Pixels in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt. Die Leseoperation in der Zeichnung wird synchron mit einem horizontalen Synchronisationssignal XHS durchgeführt. Das horizontale Synchronisationssignal XHS ist ein Zeitsteuerungssignal mit einer höheren Frequenz als das vertikale Synchronisationssignal XVS. Eine Länge der Leseperiode jeder Reihe entspricht einer Periode des horizontalen Synchronisationssignals XHS.
Zum Zeitpunkt T11 am Beginn des Lesens der n-ten Reihe setzt die Schaltung 211 für vertikales Scannen das Nachstufen-Auswahlsignal selb, das FD-Rücksetzsignal rst und das Steuerungssignal fdg der n-ten Reihe auf den hohen Pegel und stellt der n-ten Reihe über die Impulsperiode das Nachstufen-Rücksetzsignal rstb mit hohem Pegel bereit. Daher ist der Pegel des Nachstufen-Knotens 360 initialisiert. rstb_[n] in der Zeichnung gibt ein Signal an Pixel in der n-ten Reihe unter den N Reihen an.
Danach stellt die Schaltung 211 für vertikales Scannen das Auswahlsignal Φph mit hohem Pegel über eine Periode vom Zeitpunkt T12 bis unmittelbar vor dem Zeitpunkt T13 der n-ten Reihe bereit. Der DAC 213 erhöht allmählich die Spannung (das heißt die Referenzspannung) des Rampensignals rmp über eine bestimmte Periode, nachdem die Auto-Zero-Periode abläuft. Daher wird der HC-Rücksetzpegel über die vertikale Signalleitung 309 gelesen.
Die Schaltung 211 für vertikales Scannen stellt das Auswahlsignal Φdh mit hohem Pegel über eine Periode vom Zeitpunkt T13 bis unmittelbar vor dem Zeitpunkt T14 der n-ten Reihe bereit. Nach der Initialisierung der Referenzspannung erhöht der DAC 213 allmählich die Spannung des Rampensignals rmp über eine bestimmte Periode. Daher wird der HC-Signalpegel über die vertikale Signalleitung 309 gelesen.
Anschließend stellt die Schaltung 211 für vertikales Scannen das Auswahlsignal Φpl mit hohem Pegel der n-ten Reihe über eine Periode vom Zeitpunkt T14 bis unmittelbar dem Zeitpunkt T15 bereit. Der DAC 213 erhöht allmählich die Spannung des Rampensignals rmp über eine bestimmte Periode, nachdem die Auto-Zero-Periode abläuft. Daher wird der LC-Rücksetzpegel über die vertikale Signalleitung 309 gelesen.
Die Schaltung 211 für vertikales Scannen stellt der n-ten Reihe das Auswahlsignal Φdl mit hohem Pegel über eine Periode vom Zeitpunkt T15 bis zum Zeitpunkt T16 des Endes des Lesens der n-ten Reihe bereit. Nach der Initialisierung der Referenzspannung erhöht der DAC 213 allmählich die Spannung des Rampensignals rmp über eine bestimmte Periode. Daher wird der LC-Signalpegel über die vertikale Signalleitung 309 gelesen.
Darüber hinaus schaltet zum Zeitpunkt des Lesens die Schaltung 211 für vertikales Scannen den Stromquellentransistors 316 all der Reihen aus, um den Strom id1 zu stoppen, und schaltet den Last-MOS-Transistor 251 all der Reihen ein, um den Strom id2 bereitzustellen.
Wie in der Zeichnung veranschaulicht ist, liest das Festkörper-Bildgebungselement 200 die Signale in der Reihenfolge des HC-Rücksetzpegels (P-Phase), des HC-Signalpegels (D-Phase), des LC-Rücksetzpegels (P-Phase) und des LC-Signalpegels (D-Phase); die Lesereihenfolge ist aber nicht auf solch eine Reihenfolge beschränkt.
Wie in 9 veranschaulicht ist, kann das Lesen in der Reihenfolge der D-Phase, der P-Phase, der D-Phase und der P-Phase durchgeführt werden. In diesem Fall ist, wie in der Zeichnung veranschaulicht ist, die Steigung des Rampensignals rmp der Steigung in 8 entgegengesetzt.
10 ist ein Diagramm, um ein Verfahren zum Korrigieren einer digitalen Verstärkung in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie zu beschreiben. Die vertikale Achse in der Zeichnung gibt den Wert des digitalen Signals in Einheiten eines Bits mit dem niedrigsten Stellenwert bzw. niederwertigsten Bits (LSB) an. Die horizontale Achse in der Zeichnung gib die Menge an Signalladungen an.
Darüber hinaus gibt eine lang-kurz gestrichelte Linie ein Beispiel einer Beziehung zwischen dem digitalen Wert und der Ladungsmenge zur Zeit der Einstellung eines niedrigen Umwandlungswirkungsgrads (LC) an. Die Steigung der lang-kurz gestrichelten Linie entspricht der Verstärkung zur Zeit der LC-Einstellung. Eine dünne Linie (engl.: practice) gibt ein Beispiel einer Beziehung zwischen dem digitalen Wert vor einer Korrektur und der Ladungsmenge zur Zeit der Einstellung eines hohen Umwandlungswirkungsgrads (HC) an. Die Steigung der dünnen durchgezogenen Linie entspricht der Verstärkung vor der Korrektur zur Zeit der HC-Einstellung.
Bei niedriger Beleuchtungsstärke wählt die Digital-Signalverarbeitungseinheit 400 das digitale Signal DOh (HC-Signalpegel) zur Zeit der HC-Einstellung aus und führt eine Korrektur durch, um die Verstärkung gleich dem Wert zur Zeit der LC-Einstellung zu machen. Wird beispielsweise die Verstärkung zur Zeit der LC-Einstellung als G_L bezeichnet und wird die Verstärkung zur Zeit der HC-Einstellung als G_H bezeichnet, multipliziert die Digital-Signalverarbeitungseinheit 400 das digitale Signal DOh zur Zeit der HC-Einstellung mit G_L/G_H.
Eine dicke Linie in der Zeichnung gibt ein Beispiel einer Beziehung zwischen dem digitalen Wert nach der Korrektur und der Ladungsmenge zur Zeit der HC-Einstellung an. Die Steigung der dicken durchgezogenen Linie entspricht der Verstärkung nach einer Korrektur zur Zeit der HC-Einstellung.
11 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Pixels in einem Vergleichsbeispiel darstellt. In diesem Vergleichsbeispiel sind die Auswahlschaltung 350, der Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor 317 und die FD 319 nicht vorgesehen und ist ein Übertragungstransistor zwischen dem Vorstufen-Knoten 330 und der Vorstufen-Schaltung eingefügt. Darüber hinaus sind anstelle der kapazitiven Elemente 331 bis 334 Kondensatoren C1 und C2 eingesetzt. Der Kondensator C1 ist zwischen dem Vorstufen-Knoten 330 und dem Masseanschluss eingesetzt, und der Kondensator C2 ist zwischen dem Vorstufen-Knoten 330 und dem Nachstufen-Knoten 360 eingesetzt.
Die Belichtungssteuerung und die Lesesteuerung des Pixels in diesem Vergleichsbeispiel sind beispielsweise in 5.5.2 von „Jae-kyu Lee, et al., A 2.1e-Temporal Noise and -105dB Parasitic Light Sensitivity Backside-Illuminated 2.3 um-Pixel Voltage-Domain Global Shutter CMOS Image Sensor Using High-Capacity DRAM Capacitor Technology, ISSCC 2020“ beschrieben. In diesem Vergleichsbeispiel wird unter der Annahme, dass der Kapazitätswert von jedem der Kondensatoren C1 und C2 C ist, ein Pegel Vn eines kTC-Rauschens zur Zeit der Belichtung und des Lesens durch den folgenden Ausdruck ausgedrückt. $Vn = {(3 * kT / C)}^{1 / 2}$
In dem obigen Ausdruck ist k eine Boltzmann-Konstante, und die Einheit ist beispielsweise Joule pro Kelvin (J/K). T ist eine absolute Temperatur, und die Einheit ist beispielsweise Kelvin (K). Darüber hinaus ist die Einheit von Vn beispielsweise Volt (V) und ist die Einheit von C beispielsweise Farad (F).
12 ist ein Diagramm, das ein Beispiel von Zuständen eines Pixel-Blocks zum Zeitpunkt der Initialisierung des Nachstufen-Knotens und zum Zeitpunkt des Lesens des Rücksetzpegels in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt. In der Zeichnung gibt a einen Zustand eines Pixel-Blocks 300 zum Zeitpunkt der Initialisierung des Nachstufen-Knotens 360 an und gibt b in der Zeichnung einen Zustand des Pixel-Blocks 300 zum Zeitpunkt des Lesens des Rücksetzpegels an. Darüber hinaus sind in der Zeichnung der zweckmäßigen Beschreibung halber der Auswahltransistor 351, der Auswahltransistor 352 und der Nachstufen-Rücksetztransistor 361 durch grafische Symbole von Schaltern dargestellt. Darüber hinaus sind die Auswahltransistoren 353 und 354 weggelassen.
Wie in a der Zeichnung veranschaulicht ist, öffnet, unmittelbar bevor der Rücksetzpegel gelesen wird, die Schaltung 211 für vertikales Scannen die Auswahltransistoren 351 bis 354 und schließt den Nachstufen-Rücksetztransistor 361. Daher werden die kapazitiven Elemente 331 und 332 vom Nachstufen-Knoten 360 getrennt und wird der Pegel des Nachstufen-Knotens 360 initialisiert.
Der Kapazitätswert einer parasitären Kapazität Cp des Nachstufen-Knotens 360, der von den kapazitiven Elementen 331 und 332 auf diese Weise getrennt ist, wird im Vergleich mit den kapazitiven Elementen 331 und 3332 als sehr klein angenommen. Nimmt man beispielsweise an, dass die parasitäre Kapazität Cp einige Femtofarad (fF) beträgt, liegen die kapazitiven Elemente 331 und 332 in der Größenordnung einiger zehn Femtofarad vor.
Wie in b in der Zeichnung veranschaulicht ist, schließt dann die Schaltung 211 für vertikales Scannen den Auswahltransistor 351 und öffnet den Auswahltransistor 352 und die Nachstufen-Rücksetztransistor 361. Daher wird der HC-Rücksetzpegel über die Nachstufen-Schaltung 370 gelesen.
13 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Zustands des Pixel-Blocks 300 zum Zeitpunkt des Lesens des Signalpegels in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt.
Nachdem der HC-Rücksetzpegel gelesen ist, schließt die Schaltung 211 für vertikales Scannen den Auswahltransistor 352 und öffnet den Auswahltransistor 351 und den Nachstufen-Rücksetztransistor 361. Daher wird der HC-Signalpegel über die Nachstufen-Schaltung 370 gelesen.
Hier wird kTC-Rauschen zur Zeit einer Belichtung der Pixel betrachtet. Zur Zeit der Belichtung tritt kTC-Rauschen bei sowohl dem Abtasten des Rücksetzpegels als auch dem Abtasten des Signalpegels unmittelbar vor dem Ende der Belichtung auf. Nimmt man an, dass der Kapazitätswert von jedem der kapazitiven Elemente 331 bis 334 C ist, wird ein Pegel Vn von kTC-Rauschen zum Zeitpunkt der Belichtung durch den folgenden Ausdruck ausgedrückt. $Vn = {(2 * kT / C)}^{1 / 2}$
Wie in 12 und 13 veranschaulicht ist, tritt darüber hinaus, da der Nachstufen-Rücksetztransistor 361 zum Zeitpunkt des Lesens angesteuert wird, zu dieser Zeit kTC-Rauschen auf. Jedoch sind die kapazitiven Elemente 331 und 332 zum Zeitpunkt der Ansteuerung des Nachstufen-Rücksetztransistors 361 getrennt und ist die parasitäre Kapazität Cp zu dieser Zeit klein. Daher kann im Vergleich mit dem kTC-Rauschen zum Zeitpunkt der Belichtung das kTC-Rauschen zum Zeitpunkt des Lesens ignoriert werden. Daher wird das kTC-Rauschen zum Zeitpunkt der Belichtung und des Lesens durch Ausdruck 2 ausgedrückt.
Mit den Ausdrücken 1 und 2 ist im Pixel-Block 300, in dem der Kondensator zum Zeitpunkt des Lesens getrennt ist, das kTC-Rauschen geringer als jenes im Vergleichsbeispiel, in dem der Kondensator zum Zeitpunkt des Lesens nicht getrennt ist. Daher kann die Bildqualität der Bilddaten verbessert werden.
14 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel des Betriebs des Festkörper-Bildgebungselements 200 in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt. Der Betrieb wird beispielsweise in einem Fall begonnen, in dem eine vorbestimmte Anwendung zum Erfassen von Bilddaten ausgeführt wird.
Die Schaltung 211 für vertikales Scannen belichtet all die Pixel (Schritt S901). Danach wählt die Schaltung 211 für vertikales Scannen eine zu lesende Reihe aus (Schritt S902). Die Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 liest den Pegel (HC-Rücksetzpegel und HC-Signalpegel) der Reihe im Fall des hohen Umwandlungswirkungsgrads (Schritt S903) und führt die CDS-Verarbeitung durch (Schritt S904). Als Nächstes liest die Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 den Pegel (LC-Rücksetzpegel und LC-Signalpegel) der Reihe im Fall des niedrigen Umwandlungswirkungsgrads (Schritt S905) und führt die CDS-Verarbeitung (Schritt S906) durch.
Die Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 bestimmt für jede Spalte, ob eine Beleuchtungsstärke die hohe Beleuchtungsstärke ist oder nicht (Schritt S907). Falls eine bestimmte Spalte die niedrige Beleuchtungsstärke aufweist (Schritt S907: Nein), wählt die Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 den HC-Signalpegel für die Spalte aus (Schritt S908) und führt eine Verstärkungskorrektur durch (Schritt S909). Falls eine bestimmte Spalte die hohe Beleuchtungsstärke aufweist (Schritt S907: Ja), wählt die Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 den LC-Signalpegel für die Spalte aus (Schritt S910) .
Nach Schritt S909 oder S910 bestimmt das Festkörper-Bildgebungselement, ob das Lesen all der Reihen abgeschlossen worden ist oder nicht (Schritt S911). Falls das Lesen all der Reihen nicht abgeschlossen worden ist (Schritt S911: Nein), führt das Festkörper-Bildgebungselement 200 Schritt S902 und nachfolgende Schritte wiederholt aus. Falls auf der anderen Seite das Lesen all der Reihen abgeschlossen worden ist (Schritt S911: Ja), führt das Festkörper-Bildgebungselement 200 die CDS-Verarbeitung oder dergleichen durch und beendet den Betrieb für eine Bildgebung. Falls eine Vielzahl von Stücken von Bilddaten kontinuierlich erfasst wird, werden die Schritte S901 bis S911 synchron mit dem vertikalen Synchronisationssignal wiederholt ausgeführt.
Wie oben beschrieben wurde, steuert gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie das Festkörper-Bildgebungselement 200 den Umwandlungswirkungsgrad durch den Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor 317 und hält den HC-Rücksetzpegel, den HC-Signalpegel, den LC-Rücksetzpegel und den LC-Signalpegel in den kapazitiven Elementen 331 bis 334. Daher kann im Global-Shutter-Verfahren die Verstärkung bei der hohen Beleuchtungsstärke gesenkt werden und kann die Verstärkung bei der niedrigen Beleuchtungsstärke erhöht werden. Diese Dual-Gain-Ansteuerung ermöglicht eine Verbesserung der Bildqualität durch Reduzieren des eingangsbezogenen Rauschens, während die Empfindlichkeit erhöht wird.
[Erstes Modifikationsbeispiel]
In der oben beschriebenen ersten Ausführungsform sind die Schaltungen im Festkörper-Bildgebungselement 200 in einem einzigen Halbleiter-Chip vorgesehen; es besteht aber bei dieser Konfiguration die Möglichkeit, dass das Element nicht in den Halbleiter-Chip passt, falls das Pixel miniaturisiert wird. Das Festkörper-Bildgebungselement 200 des ersten Modifikationsbeispiels der ersten Ausführungsform unterscheidet sich von jenem der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Schaltungen im Festkörper-Bildgebungselement 200 in zwei Halbleiter-Chips verteilt angeordnet sind.
15 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer laminierten Struktur des Festkörper-Bildgebungselements 200 im ersten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt. Das Festkörper-Bildgebungselement 200 des ersten Modifikationsbeispiels der ersten Ausführungsform umfasst einen Schaltungs-Chip 202 und einen auf dem Schaltungs-Chip 202 gestapelten Pixel-Chip 201. Diese Chips sind durch beispielsweise Cu-Cu-Bonding elektrisch verbunden. Man beachte, dass zusätzlich zum Cu-Cu-Bonding eine Verbindung über ein Kontaktloch oder einen Kontakthöcker geschaffen sein kann.
Eine obere Pixel-Arrayeinheit 221 ist im Pixel-Chip 201 angeordnet. Eine untere Pixel-Arrayeinheit 222 und die Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 sind im Schaltungs-Chip 202 angeordnet. Für jedes Pixel in der Pixel-Arrayeinheit 220 ist ein Teil des Pixels in der oberen Pixel-Arrayeinheit 221 angeordnet und ist der Rest in der unteren Pixel-Arrayeinheit 222 angeordnet.
Darüber hinaus sind im Schaltungs-Chip 202 die Schaltung 211 für vertikales Scannen, die Zeitsteuerungsschaltung 212, der DAC 213 und der Last-MOS-Schaltungsblock 260 ebenfalls angeordnet. Diese Schaltungen sind in der Zeichnung weggelassen.
Überdies wird der Pixel-Chip 201 beispielsweise durch einen Pixel-gebundenen Prozess bzw. auf Pixel abgestimmten Prozess hergestellt und wird der Schaltungs-Chip 202 durch beispielsweise einen komplementären MOS-(CMOS-)Prozess hergestellt. Man beachte, dass der Pixel-Chip 201 ein Beispiel eines in den Ansprüchen beschriebenen ersten Chips ist und der Schaltungs-Chip 202 ein Beispiel eines in den Ansprüchen beschriebenen zweiten Chips ist.
16 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Pixels 301 im ersten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt. Im Pixel 301 ist die Vorstufen-Auswahlschaltung 310 im Pixel-Chip 201 angeordnet und sind andere Schaltungen und Elemente (wie etwa die kapazitiven Elemente 331 bis 334) im Schaltungs-Chip 202 angeordnet. Man beachte, dass die Stromquellentransistoren 316 ferner im Schaltungs-Chip 202 angeordnet sein können. Wie in der Zeichnung veranschaulicht ist, kann, indem man die Elemente im Pixel 301 in dem gestapelten Pixel-Chip 201 und dem Schaltungs-Chip 202 verteilt anordnet, die Pixel-Fläche reduziert werden und wird eine Pixel-Miniaturisierung erleichtert.
Wie oben beschrieben wurde, wird gemäß dem ersten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie, da die Schaltungen und Elemente im Pixel-Block 300 in den zwei Halbleiter-Chips verteilt angeordnet sind, eine Pixel-Miniaturisierung erleichtert.
[Zweites Modifikationsbeispiel]
Im ersten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform, das oben beschrieben wurde, sind ein Teil des Pixels 301 und die periphere Schaltung (wie etwa die Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260) im Schaltungs-Chip 202 auf der unteren Seite vorgesehen. Mit dieser Konfiguration ist jedoch durch die periphere Schaltung die Anordnungsfläche der Schaltungen und Elemente auf der Seite des Schaltungs-Chips 202 größer als jene des Pixel-Chips 201, und es besteht die Möglichkeit, dass unnötiger Raum ohne Schaltungen und Elemente im Pixel-Chip 201 geschaffen wird. Das Festkörper-Bildgebungselement 200 des zweiten Modifikationsbeispiels der ersten Ausführungsform unterscheidet sich von jenem des ersten Modifikationsbeispiels der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Schaltungen im Festkörper-Bildgebungselement 200 in drei Halbleiter-Chips verteilt angeordnet sind.
17 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer laminierten Struktur des Festkörper-Bildgebungselements 200 im zweiten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt. Das Festkörper-Bildgebungselement 200 des zweiten Modifikationsbeispiels der ersten Ausführungsform umfasst einen oberen Pixel-Chip 203, einen unteren Pixel-Chip 204 und den Schaltungs-Chip 202. Diese Chips sind gestapelt und durch beispielsweise Cu-Cu-Bonding elektrisch verbunden. Man beachte, dass zusätzlich zum Cu-Cu-Bonding eine Verbindung durch ein Kontaktloch oder einen Kontakthöcker geschaffen sein kann.
Die obere Pixel-Arrayeinheit 221 ist im oberen Pixel-Chip 203 angeordnet. Die untere Pixel-Arrayeinheit 222 ist im unteren Pixel-Chip 204 angeordnet. Für jedes Pixel in der Pixel-Arrayeinheit 220 ist ein Teil des Pixels in der oberen Pixel-Arrayeinheit 221 angeordnet und ist der Rest in der unteren Pixel-Arrayeinheit 222 angeordnet.
Darüber hinaus sind im Schaltungs-Chip 202 die Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260, die Schaltung 211 für vertikales Scannen, die Zeitsteuerungsschaltung 212, der DAC 213 und der Last-MOS-Schaltungsblock 250 angeordnet. Andere Schaltungen als die Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 sind in der Zeichnung weggelassen.
Man beachte, dass der obere Pixel-Chip 203 ein Beispiel eines in den Ansprüchen beschriebenen ersten Chips ist und der untere Pixel-Chip 204 ein Beispiel eines in den Ansprüchen beschriebenen zweiten Chips ist. Der Schaltungs-Chip 202 ist ein Beispiel eines in den Ansprüchen beschriebenen dritten Chips.
Indem man die dreischichtige Konfiguration wie in der Zeichnung veranschaulicht übernimmt, ist es im Vergleich mit der zweischichtigen Konfiguration möglich, unnötigen Raum zu reduzieren und das Pixel weiter zu miniaturisieren. Überdies kann der untere Pixel-Chip 204, der eine zweite Schicht bildet, durch einen dedizierten Prozess für den Kondensator und Schalter hergestellt werden.
Wie oben beschrieben wurde, kann im zweiten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie, da die Schaltungen im Festkörper-Bildgebungselement 200 in den drei Halbleiter-Chips verteilt angeordnet sind, das Pixel im Vergleich mit einem Fall, in dem die Schaltungen in den zwei Halbleiter-Chips verteilt angeordnet sind, weiter miniaturisiert werden.
<2. Zweite Ausführungsform>
In der oben beschriebenen ersten Ausführungsform wird die Beleuchtungsstärke bestimmt, nachdem der HC-Rücksetzpegel, der HC-Signalpegel, der LC-Rücksetzpegel und der LC-Signalpegel für jede Reihe sequentiell AD-umgewandelt sind; aber in dieser Konfiguration kann die Lesegeschwindigkeit unzureichend sein. Das Festkörper-Bildgebungselement 200 der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von jenem der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Frequenz einer AD-Umwandlung reduziert ist und die Lesegeschwindigkeit verbessert ist, indem die Beleuchtungsstärke vor einer AD-Umwandlung bestimmt wird.
18 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel des Festkörper-Bildgebungselements 200 in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt. In der Pixel-Arrayeinheit 220 der zweiten Ausführungsform ist eine Vielzahl von Pixel-Blöcken 300 angeordnet. In jedem der Pixel-Blöcke 300 sind das Pixel 301 und ein Pixel 302 angeordnet. Die Pixel 301 und 302 sind beispielsweise in einer vertikalen Richtung angeordnet. Man beachte, dass die Pixel im Pixel-Block 300 in einer horizontalen Richtung oder in einer schrägen Richtung angeordnet sein können.
19 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel des Pixel-Blocks 300 in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt. Im Pixel-Block 300 sind Vorstufen-Schaltungen 310 und 510, die kapazitiven Elemente 331 bis 334, kapazitive Elemente 531 bis 534, die Auswahlschaltung 350, Nachstufen-Rücksetztransistoren 361 und 366 und die Nachstufen-Schaltung 370 angeordnet.
In der Auswahlschaltung 350 sind eine HC-seitige Auswahlschaltung 355 und eine LC-seitige Auswahlschaltung 356 angeordnet. Darüber hinaus sind in der Nachstufen-Schaltung 370 eine HC-seitige Nachstufen-Schaltung 375 und eine LC-seitige Nachstufen-Schaltung 376 angeordnet.
Die kapazitiven Elemente 331 und 332 sind mit ihrem jeweiligen einen Ende über den Vorstufen-Knoten 330 gemeinsam mit der Vorstufen-Schaltung 310 verbunden und sind mit ihrem jeweiligen anderen Ende mit der HC-seitigen Auswahlschaltung 355 verbunden. Die kapazitiven Elemente 333 und 334 sind mit ihrem jeweiligen einen Ende über den Vorstufen-Knoten 330 gemeinsam mit der Vorstufen-Schaltung 310 verbunden und sind mit ihrem jeweiligen anderen Ende mit der LC-seitigen Auswahlschaltung 356 verbunden.
Die kapazitiven Elemente 531 und 532 sind mit ihrem jeweiligen einen Ende über einen Vorstufen-Knoten 530 gemeinsam mit der Vorstufen-Schaltung 510 verbunden und sind mit ihrem jeweiligen anderen Ende mit der HC-seitigen Auswahlschaltung 355 verbunden. Die kapazitiven Elemente 533 und 534 sind mit ihrem jeweiligen einen Ende über den Vorstufen-Knoten 530 gemeinsam mit der Vorstufen-Schaltung 510 verbunden und sind mit ihrem jeweiligen anderen Ende mit der LC-seitigen Auswahlschaltung 356 verbunden.
Darüber hinaus ist die HC-seitige Auswahlschaltung 355 über den Nachstufen-Knoten 360 mit der HC-seitigen Nachstufen-Schaltung 375 verbunden und ist die LC-seitige Auswahlschaltung 356 über einen Nachstufen-Knoten 365 mit der LC-seitigen Nachstufen-Schaltung 376 verbunden.
Der Nachstufen-Rücksetztransistor 361 initialisiert den Nachstufen-Knoten 360 gemäß dem Nachstufen-Rücksetzsignal rstb, und der Nachstufen-Rücksetztransistor 366 initialisiert den Nachstufen-Knoten 365 gemäß dem Nachstufen-Rücksetzsignal rstb.
Überdies sind in der Pixel-Arrayeinheit 220 vertikale Signalleitungen 308 und 309 für jede Spalte des Pixel-Blocks 300 verdrahtet. Die HC-seitige Nachstufen-Schaltung 375 gibt über die vertikale Signalleitung 309 ein Signal ab, und die LC-seitige Nachstufen-Schaltung 376 gibt über die vertikale Signalleitung 308 ein Signal ab. Ein Potential der vertikalen Signalleitung 308 wird als vsll bezeichnet, und ein Potential der vertikalen Signalleitung 309 wird als vslh bezeichnet.
Eine Schaltung, die die Vorstufen-Schaltung 310, die kapazitiven Elemente 331 bis 334, die Auswahlschaltung 350, die Nachstufen-Rücksetztransistoren 361 und 366 und die Nachstufen-Schaltung 370 in der Zeichnung enthält, fungiert als das Pixel 301. Darüber hinaus fungiert eine Schaltung, die die Vorstufen-Schaltung 510, die kapazitiven Elemente 531 bis 534, die Auswahlschaltung 350, die Nachstufen-Rücksetztransistoren 361 und 366 und die Nachstufen-Schaltung 370 enthält, als das Pixel 302. Die Pixel 301 und 302 nutzen die Auswahlschaltung 350 und die folgenden Teile gemeinsam, sodass es möglich ist, den Schaltungsmaßstab im Vergleich mit einem Fall ohne gemeinsame Nutzung zu reduzieren.
20 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel des Pixel-Blocks 300 in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt. Eine Konfiguration der Vorstufen-Schaltung 310 der zweiten Ausführungsform ist jener der ersten Ausführungsform ähnlich.
Die Vorstufen-Schaltung 510 enthält ein fotoelektrisches Umwandlungselement 511, einen Übertragungstransistor 512, einen FD-Rücksetztransistor 513, eine FD 514, einen Vorstufen-Verstärkungstransistor 515, einen Stromquellentransistor 516, einen Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor 517 und eine FD 518. Eine Verbindungskonfiguration dieser Elemente ist jener der Elemente in der Vorstufen-Schaltung 310 ähnlich.
In der HC-seitigen Auswahlschaltung 355 sind Auswahltransistoren 351, 352, 551 und 552 angeordnet. In der LC-seitigen Auswahlschaltung 356 sind Auswahltransistoren 353, 354, 553 und 554 angeordnet. In der HC-seitigen Nachstufen-Schaltung 375 sind der Nachstufen-Verstärkungstransistor 371 und der Nachstufen-Auswahltransistor 372 angeordnet, und in der LC-seitigen Nachstufen-Schaltung 376 sind ein Nachstufen-Verstärkungstransistor 377 und ein Nachstufen-Auswahltransistor 378 angeordnet.
Eine Verbindungskonfiguration der Auswahltransistoren 351 bis 354 und des Nachstufen-Verstärkungstransistors 371 und des Nachstufen-Auswahltransistors 372 der zweiten Ausführungsform ist ähnlich jener der ersten Ausführungsform. Jedoch werden den Auswahltransistoren 351, 352, 353 und 354 Auswahlsignale Φph1, Φdh1, Φpl1 und Φdl1 bereitgestellt.
Der Auswahltransistor 551 öffnet und schließt einen Pfad zwischen dem kapazitiven Element 531 und dem Nachstufen-Knoten 360 gemäß einem Auswahlsignal Φph2 von der Schaltung 211 für vertikales Scannen. Der Auswahltransistor 552 öffnet und schließt einen Pfad zwischen dem kapazitiven Element 532 und dem Nachstufen-Knoten 360 entsprechend einem Auswahlsignal Φdh2 von der Schaltung 211 für vertikales Scannen.
Der Auswahltransistor 553 öffnet und schließt einen Pfad zwischen dem kapazitiven Element 533 und dem Nachstufen-Knoten 365 gemäß einem Auswahlsignal Φpl2 von der Schaltung 211 für vertikales Scannen. Der Auswahltransistor 554 öffnet und schließt einen Pfad zwischen dem kapazitiven Element 534 und dem Nachstufen-Knoten 365 entsprechend einem Auswahlsignal Φdl2 von der Schaltung 211 für vertikales Scannen.
Eine Verbindungskonfiguration des Nachstufen-Verstärkungstransistors 377 und des Nachstufen-Auswahltransistors 378 ist jener des Nachstufen-Auswahltransistors 371 und des Nachstufen-Auswahltransistors 372 ähnlich.
Mit der in der Zeichnung veranschaulichten Schaltungskonfiguration werden der HC-Rücksetzpegel und der HC-Signalpegel von der vertikalen Signalleitung 309 ausgegeben. Darüber hinaus werden der LC-Rücksetzpegel und der LC-Signalpegel von der vertikalen Signalleitung 308 ausgegeben. Die Konfiguration, bei der die HC-Seite und die LC-Seite individuell mit einer Schaltung und einer vertikalen Signalleitung versehen sind, ermöglicht, dass das HC-seitige Signal (Rücksetzpegel und Signalpegel) und das LC-seitige Signal parallel gelesen werden.
Man beachte, dass die Vorstufen-Schaltungen 310 und 510 Beispiele von in den Ansprüchen beschriebenen ersten und zweiten Vorstufen-Schaltungen sind. Die FDs 314 und 318 sind ein Beispiel eines Paars erster Floating-Diffusionsschichten, das in den Ansprüchen beschrieben ist. Die FDs 514 und 518 sind ein Beispiel eines Paars zweiter Floating-Diffusionsschichten, das in den Ansprüchen beschrieben ist. Die Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistoren 317 und 517 sind Beispiele eines ersten Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistors und eines zweiten Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistors, die in den Ansprüchen beschrieben sind. Die kapazitiven Elemente 531, 532, 533 und 534 sind Beispiele fünfter, sechster, siebter und achter kapazitiver Elemente, die in den Ansprüchen beschrieben sind.
Darüber hinaus können die Pixel 301 und 302 die Auswahlschaltung 350 und die folgenden Teile gemeinsam nutzen, müssen aber die Auswahlschaltung 350 und die folgenden Teile nicht unbedingt gemeinsam nutzen. In diesem Fall ist, wie in 21 veranschaulicht ist, eine Schaltung, die erhalten wird, indem die Vorstufen-Schaltung 510, die kapazitiven Elemente 531 bis 534 und die Auswahltransistoren 551 bis 554 aus dem Pixel-Block 300 entfernt werden, im Pixel 301 angeordnet.
22 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel der Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt. In der Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 der zweiten Ausführungsform sind zusätzlich zu dem ADC 270 und der Digital-Signalverarbeitungseinheit 400 für jede Spalte des Pixel-Blocks 300 ein Selektor 261 und eine Latch-Schaltung 262angeordnet.
Der Selektor 261 wählt entweder das Potential vsll der LC-seitigen vertikalen Signalleitung 308 oder das Potential vslh der HC-seitigen vertikalen Signalleitung 309 gemäß einem Latch-Ausgangssignal LTO von der Latch-Schaltung 262 aus. Der Selektor 261 gibt das ausgewählte Potential als Ausgangspotential vslo an den Komparator 271 im ADC 270 ab. Man beachte, dass der Selektor 261 ein Beispiel eines in den Ansprüchen beschriebenen Vorstufen-Selektors ist.
Darüber hinaus erzeugt die Latch-Schaltung 262 das Latch-Ausgangssignal LTO auf der Basis des Vergleichsergebnisses VCO. Zusätzlich zum Vergleichsergebnis VCO werden ein Rücksetzsignal L_rst, ein Setzsignal L_set und ein Latch-Signal LT von der Zeitsteuerungsschaltung 212 in die Latch-Schaltung 262 eingespeist. Darüber hinaus gibt die Latch-Schaltung 262 das Latch-Ausgangssignal LTO an den Selektor 261 und die Digital-Signalverarbeitungseinheit 400 ab.
23 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Betriebs der Latch-Schaltung 262 in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt. Falls das Rücksetzsignal L_rst bei dem hohen Pegel liegt, wird das Latch-Ausgangssignal LTO ungeachtet des Setzsignals L_set, des Latch-Signals LT und des Vergleichsergebnisses VCO (Eingabe) auf den niedrigen Pegel zurückgesetzt.
Falls nur das Setzsignal L_set aus dem Rücksetzsignal L_rst und dem Setzsignal L_set bei dem hohen Pegel liegt, wird das Latch-Ausgangssignal LTO ungeachtet des Latch-Signals LT und des Vergleichsergebnisses VCO auf den hohen Pegel gesetzt.
Falls nur das Latch-Signal LT aus dem Rücksetzsignal L_rst, dem Setzsignal L_set und dem Latch-Signal LT bei dem hohen Pegel liegt, wird das Vergleichsergebnis VCO als das Latch-Ausgangssignal LTO wie es ist durchgeschaltet.
Falls das Rücksetzsignal L_rst, das Setzsignal L_set und das Latch-Signal LT bei dem niedrigen Pegel liegen, tritt die Latch-Schaltung 262 in einen Latch-Zustand ein und wird der letzte Wert als das Latch-Ausgangssignal LTO ausgegeben.
24 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel der Digital-Signalverarbeitungseinheit 400 in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt. Die Digital-Signalverarbeitungseinheit 400 der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von jener der ersten Ausführungsform dadurch, dass der Selektor 413, die Beleuchtungsstärke-Bestimmungseinheit 414, der Speicher 415 und der Selektor 416 nicht angeordnet sind.
In der zweiten Ausführungsform stellt die CDS-Verarbeitungseinheit 420 der Digital-Verstärkungskorrektureinheit 417 das digitale Signal der Differenz bereit. Darüber hinaus korrigiert die Digital-Verstärkungskorrektureinheit 417 das digitale Signal unter der hohen Beleuchtungsstärke auf der Basis des Latch-Ausgangssignals LTO.
25 ist ein Zeitablaufdiagramm, das ein Beispiel eines Global-Shutter-Betriebs in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt. Die Art und Weise, wie das FD-Rücksetzsignal rst, das Steuerungssignal fdg und das Übertragungssignal trg der zweiten Ausführungsform gesteuert werden, ist jener der ersten Ausführungsform ähnlich.
Die Schaltung 211 für vertikales Scannen setzt die Auswahlsignale Φpl1 und Φpl2 während einer Periode vom Zeitpunkt T2 bis zum Zeitpunkt T3 auf den hohen Pegel. Dann setzt die Schaltung 211 für vertikales Scannen die Auswahlsignale Φph1 und Φph2 während einer Periode vom Zeitpunkt T4 bis unmittelbar vor T5 auf den hohen Pegel.
Die Schaltung 211 für vertikales Scannen setzt die Auswahlsignale Φdh1 und Φdh2 während einer Periode vom Zeitpunkt T6 bis zum Zeitpunkt T7 auf den hohen Pegel. Danach setzt die Schaltung 211 für vertikales Scannen die Auswahlsignale Φdl1 und Φdl2 während einer Periode vom Zeitpunkt T9 bis zum Zeitpunkt T10 auf den hohen Pegel.
26 ist ein Zeitablaufdiagramm, das ein Beispiel einer Leseoperation des ersten Pixels 301 in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt. Es wird angenommen, dass das Pixel 301 zur n-ten Reihe gehört und das Pixel 302 zur (n + 1)-ten Reihe gehört.
Während einer Periode vom Zeitpunkt T11 am Beginn des Lesens der n-ten Reihe bis zum Zeitpunkt T12 stellt die Schaltung 211 für vertikales Scannen der n-ten Reihe das Nachstufen-Rücksetzsignal rstb mit hohem Pegel bereit und stellt die Schaltung 211 für vertikales Scannen das Setzsignal L_set mit hohem Pegel bereit. Daher ist der Nachstufen-Knoten 360 initialisiert.
Die Schaltung 211 für vertikales Scannen setzt das Auswahlsignal Φdh1 zum Zeitpunkt T12 auf den hohen Pegel und setzt das Auswahlsignal Φdl1 zum Zeitpunkt T13 auf den hohen Pegel.
Darüber hinaus führt der Komparator 271 eine Auto-Zero-Operation während einer Periode vom Zeitpunkt T11 bis zum Zeitpunkt T13 durch. In dieser Auto-Zero-Periode erhöhen sich ihre jeweiligen Potentiale vsll und vslh der vertikalen Signalleitungen 308 und 309 auf eine Weise, die von der Beleuchtungsstärke abhängt. In der Zeichnung gibt eine durchgezogene Linie Änderungen in den Potentialen vsll und vslh unter der niedrigen Beleuchtungsstärke an und gibt eine gestrichelte Linie Änderungen in den Potentialen vsll und vslh unter der hohen Beleuchtungsstärke an.
Darüber hinaus stellt die Latch-Schaltung 262 während der Auto-Zero-Periode das Latch-Ausgangssignal LTO mit hohem Pegel bereit. Der Selektor 261 wählt überdies das LC-seitige Potential vsll in der Auto-Zero-Periode aus, wählt das HC-seitige Potential vslh in der Bestimmungsperiode aus, nachdem die Auto-Zero-Periode abläuft, und gibt die Potentiale aus das Ausgangspotential vslo ab.
Die Zeitsteuerungsschaltung 212 stellt das Rücksetzsignal L_rst mit hohem Pegel über die Impulsperiode vom Zeitpunkt T13 an bereit und stellt das Latch-Signal LT mit hohem Pegel über eine Periode vom Zeitpunkt T14 bis zum Zeitpunkt T15 bereit. Daher wechselt die Latch-Schaltung 262 zum Zeitpunkt T14 nach der Rücksetzung in einen Durchgangszustand und hält das Vergleichsergebnis VCO zum Zeitpunkt T15.
Darüber hinaus nimmt das Rampensignal rmp während einer Periode vom Zeitpunkt T14 bis zum Zeitpunkt T15 um den Schwellenwert th zu. Der Komparator 271 vergleicht das Rampensignal rmp mit Ausgangspotential vslo. Das zum Zeitpunkt T15 gehaltene Vergleichsergebnis VCO gibt an, ob eine Beleuchtungsstärke höher als der dem Schwellenwert th entsprechende vorbestimmte Wert ist oder nicht.
Falls die Beleuchtungsstärke die niedrige Beleuchtungsstärke ist, das heißt geringer als der vorbestimmte Wert oder gleich diesem ist, gibt der Komparator 271 das Vergleichsergebnis VCO mit niedrigem Pegel aus, hält die Latch-Schaltung 262 den Wert und wählt der Selektor 261 das HC-seitige Potential vslh gemäß der Ausgabe des Latch aus. Eine durchgezogene Linie in der Zeichnung gibt Änderungen im Latch-Ausgangssignal LTO unter der niedrigen Beleuchtungsstärke an.
Falls auf der anderen Seite die Beleuchtungsstärke die hohe Beleuchtungsstärke ist, gibt der Komparator 271 das Vergleichsergebnis VCO mit hohem Pegel aus, hält die Latch-Schaltung 262 den Wert und wählt der Selektor 261 das LC-seitige Potential vsll gemäß der Ausgabe des Latch aus. Eine gestrichelte Linie in der Zeichnung gibt Änderungen im Latch-Signal LTO unter der hohen Beleuchtungsstärke an.
Wie oben beschrieben wurde, bestimmt in der zweiten Ausführungsform der Komparator 271, ob die Beleuchtungsstärke die hohe Beleuchtungsstärke ist oder nicht, auf der Basis des analogen Signals (vslo) vor einer AD-Umwandlung.
Die Schaltung 211 für vertikales Scannen setzt für die n-te Reihe zum Zeitpunkt T16 nach der Beleuchtungsstärkenbestimmung das Auswahlsignal Φdl1 auf den niedrigen Pegel und setzt das Auswahlsignal Φdh1 auf den niedrigen Pegel. Die Referenzspannung des Rampensignals rmp nimmt über eine Periode von einem vorbestimmten Zeitpunkt nach der Beleuchtungsstärkenbestimmung bis zum Zeitpunkt T16 allmählich zu. Daher wird der ausgewählte (D-Phase) des LC-Signalpegels und des HC-Signalpegels AD-umgewandelt.
Die Schaltung 211 für vertikales Scannen stellt über eine Periode von unmittelbar nach dem Zeitpunkt T16 bis zum Zeitpunkt T17 der n-ten Reihe die Auswahlsignale Φpl1 Φdph1 mit hohem Pegel bereit. Die Referenzspannung des Rampensignals rmp nimmt über eine Periode von einem vorbestimmten Zeitpunkt nach dem Zeitpunkt T16 bis zum Zeitpunkt T17 allmählich zu. Daher wird der ausgewählte (P-Phase) des LC-Rücksetzpegels und des HC-Rücksetzpegels AD-umgewandelt.
Wie in der Zeichnung veranschaulicht ist, muss, da der Komparator 271 die Beleuchtungsstärke vor einer AD-Umwandlung bestimmt und der Selektor 261 die vertikale Signalleitung umschaltet, eine AD-Umwandlung sowohl des Signalpegels als auch des Rücksetzpegels nur einmal durchgeführt werden. Daher kann im Vergleich mit der ersten Ausführungsform, bei der eine AD-Umwandlung sowohl des Signalpegels als auch des Rücksetzpegels zweimal durchgeführt wird, die Lesegeschwindigkeit verbessert werden.
Man beachte, dass die Zeitsteuerungsschaltung 212 die Bereitstellung des Stroms id2 entsprechend der nicht ausgewählten der vertikalen Signalleitungen 308 und 309 in der Leseperiode nach dem Zeitpunkt T15, zu dem die Beleuchtungsstärke bestimmt wurde, auch stoppen kann. In diesem Fall stellt die Zeitsteuerungsschaltung 212 sowohl die LC-seitigen als auch HC-seitigen Ströme id2 während einer Periode vom Beginn des Lesens bis zum Zeitpunkt T15 bereit. Wenn dann zum Zeitpunkt T15 bestimmt wird, dass die Beleuchtungsstärke die hohe Beleuchtungsstärke ist, wird der HC-seitige Last-MOS-Transistor 251 gesteuert, um die Bereitstellung des HC-seitigen Stroms id2 zu stoppen. Wenn auf der anderen Seite bestimmt wird, dass die Beleuchtungsstärke die niedrige Beleuchtungsstärke ist, steuert die Zeitsteuerungsschaltung 212 den LC-seitigen Last-MOS-Transistor 251, um die Bereitstellung des LC-seitigen Stroms id2 zu stoppen. Durch diese Steuerung kann der Stromverbrauch bzw. die Leistungsaufnahme weiter reduziert werden.
27 ist ein Zeitablaufdiagramm, das ein Beispiel einer Leseoperation des zweiten Pixels 302 in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt. Da das Pixel 302 zur (n + 1)-ten Reihe gehört, steuert die Schaltung 211 für vertikales Scannen die (n + 1)-te Reihe wie in der Zeichnung veranschaulicht an. Das Ansteuerverfahren ist jenem der n-ten Reihe ähnlich.
Man beachte, dass die ersten und zweiten Modifikationsbeispiele der ersten Ausführungsform für die zweite Ausführungsform verwendet werden können.
Wie oben beschrieben wurde, kann gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Technologie, da der Komparator 271 die Beleuchtungsstärke vor einer AD-Umwandlung bestimmt und der Selektor 261 die vertikale Signalleitung umschaltet, die Frequenz einer AD-Umwandlung reduziert werden. Daher kann die Lesegeschwindigkeit verbessert werden.
[Modifikationsbeispiel]
In der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform liest das Festkörper-Bildgebungselement 200 sequentiell das Pixel-Signal von jedem der beiden Pixel im Pixel-Block 300; bei dieser Konfiguration besteht aber die Möglichkeit, dass die Lesegeschwindigkeit unzureichend ist. Dieses Festkörper-Bildgebungselement 200 eines Modifikationsbeispiels der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von jenem der ersten Ausführungsform dadurch, dass eine Pixel-Addition durchgeführt wird.
28 ist ein Zeitablaufdiagramm, das ein Beispiel einer Leseoperation des Pixels im Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt. Irgendeiner einer Vielzahl von Modi, die einen Nicht-Additionsmodus, in dem eine Pixel-Addition nicht durchgeführt wird, und einen Additionsmodus umfassen, in dem eine Pixel-Addition durchgeführt wird, wird im Festkörper-Bildgebungselement 200 im Modifikationsbeispiel der zweiten Ausführungsform durchgeführt. Der Global-Shutter-Betrieb und die Leseoperation im Nicht-Additionsmodus sind jenen in der zweiten Ausführungsform ähnlich. Der Global-Shutter-Betrieb im Additionsmodus ist jenem im Nicht-Additionsmodus ähnlich.
Falls das Lesen im Additionsmodus durchgeführt wird, steuert, wie in der Zeichnung veranschaulicht ist, die Schaltung 211 für vertikales Scannen die Auswahlsignale Φdh2, Φdl2, Φpl2 und Φph2 zum gleichen Zeitpunkt wie die Auswahlsignale Φdh1, Φdl1, Φpl1 und Φph1.
Konkret stellt während einer Periode vom Zeitpunkt T12 bis zum Zeitpunkt T16 die Schaltung 211 für vertikales Scannen der n-ten Reihe und der (n + 1)-ten Reihe die Auswahlsignale Φdh1 und Φdh2 mit hohem Pegel bereit. Während einer Periode vom Zeitpunkt T13 bis zum Zeitpunkt T16 stellt die Schaltung 211 für vertikales Scannen der n-ten Reihe und der (n + 1)-ten Reihe die Auswahlsignale Φdl1 und Φdl2 mit hohem Pegel bereit.
Während einer Periode von unmittelbar nach dem Zeitpunkt T16 bis zum Zeitpunkt T17 stellt dann die Schaltung 211 für vertikales Scannen der n-ten Reihe und der (n + 1)-ten Reihe die Auswahlsignale Φpl1, Φph1, Φpl2 und Φph2 mit hohem Pegel bereit.
Durch die oben beschriebene Steuerung werden die Pixel-Signale der zwei Pixel addiert. Durch diese Pixel-Addition können die Empfindlichkeit und die Lesegeschwindigkeit im Vergleich mit einem Fall verbessert werden, in dem die Addition nicht durchgeführt wird. Da die Anzahl an Reihen, die für eine Pixel-Addition zu lesen sind, reduziert wird, kann überdies die Leistungsaufnahme reduziert werden.
Wie oben beschrieben wurde, ist es gemäß dem Modifikationsbeispiel der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Technologie, da die Schaltung 211 für vertikales Scannen das Auswahlsignal des Pixels 301 zum gleichen Zeitpunkt wie das Auswahlsignal des Pixels 302 steuert, möglich, die jeweiligen Pixel-Signale der beiden Pixel zu addieren. Daher können im Vergleich mit dem Fall, in dem die Addition nicht durchgeführt wird, die Empfindlichkeit und die Lesegeschwindigkeit verbessert werden und kann die Leistungsaufnahme reduziert werden.
<3. Anwendungsbeispiel für einen mobilen Körper>
Die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung (vorliegende Technologie) kann für verschiedene Produkte verwendet werden. Beispielsweise kann die Technologie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung als eine Vorrichtung realisiert werden, die an einer beliebigen Art von beweglichem Körper wie etwa einem Automobil, einem Elektrofahrzeug, einem Hybrid-Elektrofahrzeug, einem Motorrad, einem Fahrrad, einer Einrichtung für persönliche Mobilität, einem Flugzeug, einer Drohne, einem Schiff oder einem Roboter montiert werden kann.
29 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer schematischen Konfiguration eines Fahrzeugsteuerungssystems als ein Beispiel eines Systems zur Steuerung beweglicher Körper darstellt, für das die Technologie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann.
Das Fahrzeugsteuerungssystem 12000 umfasst eine Vielzahl elektronischer Steuerungseinheiten, die über ein Kommunikationsnetzwerk 12001 miteinander verbunden sind. In dem in 29 dargestellten Beispiel umfasst das Fahrzeugsteuerungssystem 12000 eine Antriebssystem-Steuerungseinheit 12010, eine Karosseriesystem-Steuerungseinheit 12020, eine Einheit 12030 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs, eine Einheit 12040 zur Detektion von Information von innerhalb des Fahrzeugs und eine integrierte Steuerungseinheit 12050. Darüber hinaus sind Außerdem sind ein Mikrocomputer 12051, eine Ton-/Bild-Ausgabesektion 12052 und eine Schnittstelle (I/F) 12053 des im Fahrzeug montierten Netzwerks als funktionale Komponenten der integrierten Steuerungseinheit 12050 veranschaulicht.
Die Antriebssystem-Steuerungseinheit 12010 steuert gemäß verschiedenen Arten von Programmen die Operation von Vorrichtungen in Bezug auf das Antriebssystem des Fahrzeugs. Beispielsweise dient die Antriebssystem-Steuerungseinheit 12010 als Steuerungsvorrichtung für eine Antriebskraft-Erzeugungsvorrichtung zum Erzeugen einer Antriebskraft des Fahrzeugs wie etwa einen Verbrennungsmotor, einen Antriebsmotor oder dergleichen, einen Antriebskraft-Übertragungsmechanismus, um die Antriebskraft auf Räder zu übertragen, einen Lenkmechanismus, um den Lenkwinkel des Fahrzeugs einzustellen, eine Bremsvorrichtung, um die Bremskraft des Fahrzeugs zu erzeugen, und dergleichen.
Die Karosseriesystem-Steuerungseinheit 12020 steuert die Operation verschiedener Arten von Vorrichtungen, die an einer Fahrzeugkarosserie vorgesehen sind, gemäß verschiedenen Arten von Programmen. Beispielsweise dient die Karosseriesystem-Steuerungseinheit 12020 als Steuerungsvorrichtung für ein schlüsselloses Zugangssystem, ein System für intelligente Schlüssel, eine automatische Fenstervorrichtung oder verschiedene Arten von Leuchten wie etwa einen Frontscheinwerfer, einen Heckscheinwerfer, eine Bremsleuchte, ein Fahrtrichtungssignal, eine Nebelleuchte oder dergleichen. In diesem Fall können Funkwellen, die von einer mobilen Vorrichtung als Alternative zu einem Schlüssel gesendet werden, oder Signale verschiedener Arten von Schaltern in die Karosseriesystem-Steuerungseinheit 12020 eingespeist werden. Die Karosseriesystem-Steuerungseinheit 12020 empfängt diese eingespeisten Funkwellen oder Signale und steuert eine Türverriegelungsvorrichtung, die automatische Fenstervorrichtung, die Leuchten oder dergleichen des Fahrzeugs.
Die Einheit 12030 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs detektiert Information über die äußere Umgebung des das Fahrzeugsteuerungssystem 12000 enthaltenden Fahrzeugs. Beispielsweise ist die Einheit 12030 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs mit einer Bildgebungssektion 12031 verbunden. Die Einheit 12030 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs veranlasst die Bildgebungssektion 12031, ein Bild der äußeren Umgebung des Fahrzeugs aufzunehmen, und empfängt das aufgenommene Bild. Die Einheit 12030 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs kann auf der Basis des empfangenen Bildes eine Verarbeitung zum Detektieren eines Objekts wie etwa einer Person, eines Wagens, eines Hindernisses, eines Verkehrsschilds, eines Zeichens auf einer Straßenoberfläche oder dergleichen oder eine Verarbeitung zum Detektieren eines Abstands dazu ausführen.
Die Bildgebungssektion 12031 ist ein optischer Sensor, der Licht empfängt und der entsprechend einer empfangenen Lichtmenge des Lichts ein elektrisches Signal abgibt. Die Bildgebungssektion 12031 kann auch das elektrische Signal als Bild ausgeben oder kann das elektrische Signal als Information über einen gemessenen Abstand abgeben. Außerdem kann das von der Bildgebungssektion 12031 empfangene Licht sichtbares Licht sein oder kann unsichtbares Licht wie etwa Infrarotstrahlen oder dergleichen sein.
Die Einheit 12040 zur Detektion von Information von innerhalb des Fahrzeugs detektiert Information über das Innere bzw. aus dem Inneren des Fahrzeugs. Die Einheit 12040 zur Detektion von Information von innerhalb des Fahrzeugs ist zum Beispiel mit einer Sektion 12041 zur Detektion eines Fahrerzustands verbunden, die den Zustand eines Fahrers detektiert. Die Sektion 12041 zur Detektion eines Fahrerzustands umfasst zum Beispiel eine Kamera, die den Fahrer aufnimmt. Die Einheit 12040 zur Detektion von Information von innerhalb des Fahrzeugs kann auf der Basis einer von der Sektion 12041 zur Detektion eines Fahrerzustands eingegebenen Detektionsinformation einen Ermüdungsgrad des Fahrers oder einen Konzentrationsgrad des Fahrers berechnen oder kann bestimmen, ob der Fahrer eindöst.
Der Mikrocomputer 12051 kann einen Steuerungszielwert für die Antriebskraft-Erzeugungsvorrichtung, den Lenkmechanismus oder die Bremsvorrichtung auf der Basis der Information über das Innere oder die äußere Umgebung des Fahrzeugs berechnen, welche Information durch die Einheit 12030 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs oder die Einheit 12040 zur Detektion von Information von innerhalb des Fahrzeugs erhalten wird, und kann einen Steuerungsbefehl an die Antriebssystem-Steuerungseinheit 12010 ausgeben. Beispielsweise kann der Mikrocomputer 12051 eine kooperative Steuerung durchführen, die dazu gedacht ist, Funktionen eines fortgeschrittenen Fahrerassistenzsystems (ADAS) zu realisieren, dessen Funktionen eine Vermeidung einer Kollision oder Aufprallabschwächung für das Fahrzeug, eine Nachfolgefahrt basierend auf einem Folgeabstand, eine Fahrt bei konstanter Geschwindigkeit, eine Warnung vor einer Kollision des Fahrzeugs, eine Warnung vor einer Spurabweichung des Fahrzeugs oder dergleichen einschließen.
Außerdem kann der Mikrocomputer 12051 eine kooperative Steuerung ausführen, die für automatisiertes Fahren gedacht ist, die das Fahrzeug, ohne von einem Eingriff des Fahrers oder dergleichen abhängig zu sein, automatisiert fahren lässt, indem die Antriebskraft-Erzeugungsvorrichtung, der Lenkmechanismus, die Bremsvorrichtung oder dergleichen auf der Basis der Information über die äußere Umgebung oder das Innere des Fahrzeugs gesteuert werden, welche Information durch die Einheit 12030 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs oder die Einheit 12040 zur Detektion von Information von innerhalb des Fahrzeugs erhalten wird.
Der Mikrocomputer 12051 kann darüber hinaus einen Steuerungsbefehl an die Karosseriesystem-Steuerungseinheit 12020 auf der Basis der Information über die äußere Umgebung des Fahrzeugs ausgeben, die durch die Einheit 12030 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs erfasst wird. Beispielsweise kann der Mikrocomputer 12051 eine kooperative Steuerung ausführen, die dazu gedacht ist, eine Blendung zu verhindern, indem die Frontleuchte gemäß der Position eines vorausfahrenden Fahrzeugs oder eines entgegenkommenden Fahrzeugs, das durch die Einheit 12030 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs detektiert wird, gesteuert wird, um von Fernlicht auf Abblendlicht umzuschalten.
Die Ton-/Bild-Ausgabesektion 12052 überträgt ein Ausgangssignal eines Tons und/oder eines Bildes an eine Ausgabevorrichtung, die eine Information einem Insassen des Fahrzeugs oder der äußeren Umgebung des Fahrzeugs optisch oder akustisch übermitteln kann. Im Beispiel von 29 sind als die Ausgabevorrichtung ein Lautsprecher 12061, eine Anzeigesektion 12062 und ein Armaturenbrett 12063 angegeben. Die Anzeigesektion 12062 kann beispielsweise eine bordeigene Anzeige und/oder ein Head-Up-Display umfassen.
30 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Installationsposition der Bildgebungssektion 12031 veranschaulicht.
In 30 umfasst die Bildgebungssektion 12031 Bildgebungssektionen 12101, 12102, 12103, 12104 und 12105.
Die Bildgebungssektionen 12101, 12102, 12103, 12104 und 12105 sind beispielsweise an Positionen an einer Frontpartie, von Seitenspiegeln, einer hinteren Stoßstange und einer Hecktür des Fahrzeugs 12100 und auf einem oberen Teil einer Windschutzscheibe im Inneren des Fahrzeugs vorgesehen. Die an der Frontpartie vorgesehene Bildgebungssektion 12101 und die am oberen Teil der Windschutzscheibe im Inneren des Fahrzeugs vorgesehene Bildgebungssektion 12105 erhalten vorwiegend ein Bild von vor dem Fahrzeug 12100. Die an den Seitenspiegeln vorgesehenen Bildgebungssektionen 12102 und 12103 erhalten vorwiegend ein Bild von den Seiten des Fahrzeugs 12100. Die an der hinteren Stoßstange oder der Hecktür vorgesehene Bildgebungssektion 12104 erhält vorwiegend ein Bild von hinter dem Fahrzeug 12100. Die am oberen Teil der Windschutzscheibe im Inneren vorgesehene Bildgebungssektion 12105 wird vorwiegend genutzt, um ein vorausfahrendes Fahrzeug, einen Fußgänger, ein Hindernis, eine Verkehrsampel, ein Verkehrszeichen, eine Fahrspur oder dergleichen zu detektieren.
Im Übrigen stellt 30 ein Beispiel von Fotografierbereichen der Bildgebungssektionen 12101 bis 12104 dar. Ein Abbildungsbereich 12111 repräsentiert den Abbildungsbereich der an der Frontpartie vorgesehenen Bildgebungssektion 12101. Abbildungsbereiche 12112 und 12113 repräsentieren die Abbildungsbereiche der an den Seitenspiegeln vorgesehenen Bildgebungssektionen 12102 bzw. 12103. Ein Abbildungsbereich 12114 repräsentiert den Abbildungsbereich der an der hinteren Stoßstange oder der Hecktür vorgesehenen Bildgebungssektion 12104. Beispielsweise wird ein Bild aus der Vogelperspektive des Fahrzeugs 12100, wie es von oben gesehen wird, erhalten, indem beispielsweise durch die Bildgebungssektionen 12101 bis 12104 abgebildete Bilddaten aufeinander gelegt werden.
Zumindest eine der Bildgebungssektionen 12101 bis 12104 kann eine Funktion zum Erhalten einer Abstandsinformation aufweisen. Beispielsweise kann zumindest eine der Bildgebungssektionen 12101 bis 12104 eine Stereokamera sein, die aus einer Vielzahl von Bildgebungselementen aufgebaut ist, oder kann ein Bildgebungselement sein, das Pixel für eine Detektion von Phasendifferenzen enthält.
Der Mikrocomputer 12051 kann beispielsweise einen Abstand zu jedem dreidimensionalen Objekt innerhalb der Abbildungsbereiche 12111 bis 12114 und eine zeitliche Änderung des Abstands (Relativgeschwindigkeit in Bezug auf das Fahrzeug 12100) auf der Basis der von den Bildgebungssektionen 12101 bis 12104 erhaltenen Abstandsinformation bestimmen und dadurch insbesondere als ein vorausfahrendes Fahrzeug ein nächstgelegenes dreidimensionales Objekt extrahieren, das sich auf einem Fahrweg des Fahrzeugs 12100 befindet und das mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit (zum Beispiel gleich 0 km/h oder höher) in im Wesentlichen der gleichen Richtung wie das Fahrzeug 12100 fährt. Ferner kann der Mikrocomputer 12051 einen beizubehaltenden Folgeabstand zu einem vorausfahrenden Fahrzeug vorher festlegen und eine automatische Bremssteuerung (einschließlich einer Nachfolge-Stopp-Steuerung), eine automatische Beschleunigungssteuerung (einschließlich einer Nachfolge-Start-Steuerung) oder dergleichen durchführen. Folglich ist es möglich, eine kooperative Steuerung auszuführen, die für automatisiertes Fahren gedacht ist, was das Fahrzeug, ohne vom Eingriff des Fahrers oder dergleichen abhängig zu sein, automatisiert fahren lässt.
Der Mikrocomputer 12051 kann zum Beispiel dreidimensionale Objektdaten über dreidimensionale Objekte in dreidimensionale Objektdaten eines zweirädrigen Fahrzeugs, eines Fahrzeugs üblicher Größe, eines großen Fahrzeugs, eines Fußgängers, eines Telefonmasten und andere dreidimensionale Objekte auf der Basis der Abstandsinformation klassifizieren, die von den Bildgebungssektionen 12101 bis 12104 erhalten werden, die klassifizierten dreidimensionalen Objektdaten extrahieren und die extrahierten dreidimensionalen Objekten zum automatischen Ausweichen eines Hindernisses nutzen. Beispielsweise identifiziert der Mikrocomputer 12051 Hindernisse um das Fahrzeug 12100 als Hindernisse, die der Fahrer des Fahrzeugs 12100 optisch erkennen kann, und Hindernisse, die für den Fahrer des Fahrzeugs 12100 optisch schwer zu erkennen sind. Der Mikrocomputer 12051 bestimmt dann ein Kollisionsrisiko, das ein Risiko einer Kollision mit jedem Hindernis angibt. In einer Situation, in der das Kollisionsrisiko gleich einem eingestellten Wert oder höher ist und somit eine Möglichkeit einer Kollision besteht, gibt der Mikrocomputer 12051 über den Lautsprecher 12061 oder die Anzeigesektion 12062 eine Warnung an den Fahrer aus und führt über die Antriebssystem-Steuerungseinheit 12010 eine erzwungene Abbremsung oder Ausweichlenkbewegung durch. Der Mikrocomputer 12051 kann dadurch beim Fahren unterstützen, um eine Kollision zu vermeiden.
Zumindest eine der Bildgebungssektionen 12101 bis 12104 kann eine Infrarotkamera sein, die Infrarotstrahlen detektiert. Beispielsweise kann der Mikrocomputer 12051 einen Fußgänger erkennen, indem bestimmt wird, ob sich in aufgenommenen Bildern der Bildgebungssektionen 12101 bis 12104 ein Fußgänger befindet oder nicht. Eine solche Erkennung eines Fußgängers wird beispielsweise mittels einer Prozedur zum Extrahieren charakteristischer Punkte in den aufgenommenen Bildern der Bildgebungssektionen 12101 bis 12104 als Infrarotkameras und einer Prozedur, um zu bestimmen, ob es der Fußgänger ist oder nicht, indem eine Verarbeitung zum Musterabgleich an einer Reihe charakteristischer Punkte durchgeführt wird, die die Kontur des Objekts angeben. Wenn der Mikrocomputer 12051 bestimmt, dass es in den aufgenommenen Bildern der Bildgebungssektionen 12101 bis 12104 einen Fußgänger gibt, und somit den Fußgänger erkennt, steuert die Ton-/Bild-Ausgabesektion 12052 die Anzeigesektion 12062, so dass eine viereckige Konturlinie zur Hervorhebung so angezeigt wird, dass sie dem erkannten Fußgänger überlagert wird. Die Ton-/Bild-Ausgabesektion 12052 kann auch die Anzeigesektion 12062 so steuern, dass ein Symbol oder dergleichen, das den Fußgänger repräsentiert, an einer gewünschten Position angezeigt wird.
Ein Beispiel des Fahrzeugsteuerungssystems, für das die Technologie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann, wurde oben beschrieben. Die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung kann zum Beispiel für die Bildgebungssektion 12031 beispielsweise aus den oben beschriebenen Konfigurationen verwendet werden. Konkret kann die Bildgebungsvorrichtung 100 in 1 für die Bildgebungssektion 12031 verwendet werden. Indem man die Technologie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung für die Bildgebungssektion 12031 verwendet, kann als eine Folge davon, dass sowohl eine Reduzierung des Rauschens als auch eine Verbesserung der Empfindlichkeit erreicht werden, ein leichter betrachtbares aufgenommenes Bild erhalten werden, wodurch eine Ermüdung des Fahrers reduziert werden kann.
Man beachte, dass die obigen Ausführungsformen Beispiele zum Verkörpern der vorliegenden Technologie zeigen und Sachverhalte bzw. Aspekte in den Ausführungsformen und Aspekte, die die Erfindung in den Ansprüchen spezifizieren, Korrespondenzbeziehungen aufweisen. Ähnlich stehen die Aspekte, die die Erfindung in den Ansprüchen spezifizieren, und Aspekte mit denselben Bezeichnungen in den Ausführungsformen der vorliegenden Technologie in Korrespondenzbeziehungen zueinander. Die vorliegende Technologie ist jedoch nicht auf die Ausführungsformen beschränkt und kann verkörpert werden, indem verschiedene Modifikationen an den Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne von deren Kern abzuweichen.
Man beachte, dass in der vorliegenden Beschreibung beschriebene Effekte nur Beispiele und nicht beschränkt sind, und andere Effekte geliefert werden können.
Man beachte, dass die vorliegende Technologie auch eine folgende Konfiguration aufweisen kann.

(1) Ein Festkörper-Bildgebungselement, umfassend:
- eine Vorstufen-Schaltung, in der ein Paar Floating-Diffusionsschichten, das übertragene Ladungen in eine Spannung umwandelt, und ein Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor, der einen Umwandlungswirkungsgrad, mit dem die Ladungen in die Spannung umgewandelt werden, steuert, indem ein Pfad zwischen dem Paar Floating-Diffusionsschichten geöffnet und geschlossen wird, angeordnet sind;
- erste, zweite, dritte und vierte kapazitive Elemente, die mit ihrem jeweiligen einen Ende gemeinsam mit der Vorstufen-Schaltung verbunden sind;
- eine Auswahlschaltung, die eines ihrer jeweiligen anderen Enden der ersten, zweiten, dritten und vierten kapazitiven Elemente auswählt und das ausgewählte andere Ende mit einem vorbestimmten Nachstufen-Knoten verbindet; und
- eine Nachstufen-Schaltung, die über den Nachstufen-Knoten einen Rücksetzpegel liest, der erhalten wird, indem die Spannung verstärkt wird, wenn das Paar Floating-Diffusionsschichten initialisiert wird, und einen Signalpegel, der erhalten wird, indem die Spannung verstärkt wird, wenn die Ladungen übertragen werden.
(2) Das Festkörper-Bildgebungselement, das in (1) beschrieben ist, worin der Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor den Umwandlungswirkungsgrad auf entweder einen hohen Umwandlungswirkungsgrad, der höher als ein vorbestimmter Wert ist, oder einen niedrigen Umwandlungswirkungsgrad, der niedriger als der vorbestimmte Wert ist, steuert, das erste kapazitive Element den Rücksetzpegel, wenn der Umwandlungswirkungsgrad der hohe Umwandlungswirkungsgrad ist, als Rücksetzpegel für hohe Umwandlung (HC) hält, das zweite kapazitive Element den Signalpegel, wenn der Umwandlungswirkungsgrad der hohe Umwandlungswirkungsgrad ist, als HC-Signalpegel hält, das dritte kapazitive Element den Rücksetzpegel, wenn der Umwandlungswirkungsgrad der niedrige Umwandlungswirkungsgrad ist, als Rücksetzpegel für niedrige Umwandlung (LC) hält und das vierte kapazitive Element den Signalpegel, wenn der Umwandlungswirkungsgrad der niedrige Umwandlungswirkungsgrad ist, als LC-Signalpegel hält.
(3) Das Festkörper-Bildgebungselement, das in (2) beschrieben ist, ferner umfassend:
- eine Analog-Digital-Umwandlungseinheit, die sowohl den HC-Rücksetzpegel, den HC-Signalpegel, den LC-Rücksetzpegel als auch den LC-Signalpegel in ein digitales Signal umwandelt;
- eine Einheit zur Verarbeitung einer korrelierten Doppelabtastung, die eine Differenz zwischen dem digitalen Signal entsprechend dem HC-Rücksetzpegel und dem digitalen Signal entsprechend dem HC-Signalpegel als HC-Differenzdaten berechnet und eine Differenz zwischen dem digitalen Signal entsprechend dem LC-Rücksetzpegel und dem digitalen Signal entsprechend dem LC-Signalpegel als LC-Differenzdaten berechnet;
- eine Beleuchtungsstärke-Bestimmungseinheit, die auf der Basis der HC-Differenzdaten bestimmt, ob die Beleuchtungsstärke höher als ein vorbestimmter Wert ist oder nicht, und ein Bestimmungsergebnis erzeugt; und
- einen Nachstufen-Selektor, der entweder die HC-Differenzdaten oder die LC-Differenzdaten auf der Basis des Bestimmungsergebnisses auswählt.
(4) Das Festkörper-Bildgebungselement, das in (2) oder (3) beschrieben ist, worin der Nachstufen-Knoten einen HC-seitigen Nachstufen-Knoten und einen LC-seitigen Nachstufen-Knoten umfasst, die Auswahlschaltung eine HC-seitige Auswahlschaltung, die eines ihrer jeweiligen anderen Enden der ersten und zweiten kapazitiven Elemente auswählt und das ausgewählte andere Ende mit dem HC-seitigen Nachstufen-Knoten verbindet, und eine LC-seitige Auswahlschaltung umfasst, die eines ihrer jeweiligen anderen Enden der dritten und vierten kapazitiven Elemente auswählt und das ausgewählte andere Ende mit dem LC-seitigen Nachstufen-Knoten verbindet, und die Nachstufen-Schaltung eine HC-seitige Nachstufen-Schaltung, die den HC-Signalpegel und den HC-Rücksetzpegel vom HC-seitigen Nachstufen-Knoten liest und den HC-Signalpegel und den HC-Rücksetzpegel über eine HC-seitige vertikale Signalleitung ausgibt, und eine LC-seitige Nachstufen-Schaltung umfasst, die den LC-Signalpegel und den LC-Rücksetzpegel vom LC-seitigen Nachstufen-Knoten liest und den LC-Signalpegel und den LC-Rücksetzpegel über eine LC-seitige vertikale Signalleitung ausgibt.
(5) Das Festkörper-Bildgebungselement, das in (4) beschrieben ist, ferner umfassend:
- einen Vorstufen-Selektor, der entweder ein Potential der HC-seitigen vertikalen Signalleitung oder ein Potential der LC-seitigen vertikalen Signalleitung gemäß einem vorbestimmten Latch-Ausgangssignal auswählt und das ausgewählte Potential als Ausgangspotential abgibt;
- einen Komparator, der das Ausgangspotential mit einer vorbestimmten Referenzspannung vergleicht und ein Vergleichsergebnis ausgibt;
- eine Latch-Schaltung, die das Latch-Ausgangssignal auf der Basis des Vergleichsergebnisses erzeugt; und
- einen Zähler, der einen Zählwert über eine Periode zählt, bis das Vergleichsergebnis invertiert ist.
(6) Das Festkörper-Bildgebungselement, das in (4) oder (5) beschrieben ist, ferner umfassend:
- fünfte, sechste, siebte und achte kapazitive Elemente, worin
- das Paar Floating-Diffusionsschichten ein Paar erster Floating-Diffusionsschichten in einem ersten Pixel und einem Paar zweiter Floating-Diffusionsschichten in einem zweiten Pixel umfasst,
- der Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor einen ersten Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor im ersten Pixel und einen zweiten Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor im zweiten Pixel umfasst,
- die Vorstufen-Schaltung
- eine erste Vorstufen-Schaltung, in der das Paar erster Floating-Diffusionsschichten und der erste Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor angeordnet sind, und
- eine zweite Vorstufen-Schaltung umfasst, in der das Paar zweiter Floating-Diffusionsschichten und der zweite Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor angeordnet sind,
- die ersten, zweiten, dritten und vierten kapazitiven Elemente mit ihrem jeweiligen einen Ende gemeinsam mit der ersten Vorstufen-Schaltung verbunden sind und
- die fünften, sechsten, siebten und achten kapazitiven Elemente mit ihrem jeweiligen einen Ende mit der zweiten Vorstufen-Schaltung verbunden sind.
(7) Das Festkörper-Bildgebungselement, das in einem von (1) bis (6) beschrieben ist, worin die Vorstufen-Schaltung in einem ersten Chip vorgesehen ist und die ersten, zweiten, dritten und vierten kapazitiven Elemente, die Auswahlschaltung und die Nachstufen-Schaltung in einem zweiten Chip vorgesehen sind.
(8) Das Festkörper-Bildgebungselement, das in (7) beschrieben ist, ferner umfassend einen Analog-Digital-Wandler, der den Rücksetzpegel und den Signalpegel sequentiell in ein digitales Signal umwandelt, wobei der Analog-Digital-Wandler in einem dritten Chip vorgesehen ist.
(9) Eine Bildgebungsvorrichtung, umfassend:
- eine Vorstufen-Schaltung, in der ein Paar Floating-Diffusionsschichten, das übertragene Ladungen in eine Spannung umwandelt, und ein Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor, der einen Umwandlungswirkungsgrad, mit dem die Ladungen in die Spannung umgewandelt werden, steuert, indem ein Pfad zwischen dem Paar Floating-Diffusionsschichten geöffnet und geschlossen wird, angeordnet sind;
- erste, zweite, dritte und vierte kapazitive Elemente, die mit ihrem jeweiligen einen Ende gemeinsam mit der Vorstufen-Schaltung verbunden sind;
- eine Auswahlschaltung, die eines ihrer jeweiligen anderen Enden der ersten, zweiten, dritten und vierten kapazitiven Elemente auswählt und das ausgewählte andere Ende mit einem vorbestimmten Nachstufen-Knoten verbindet;
- eine Nachstufen-Schaltung, die über den Nachstufen-Knoten einen Rücksetzpegel liest, der erhalten wird, indem die Spannung verstärkt wird, wenn das Paar Floating-Diffusionsschichten initialisiert wird, und einen Signalpegel, der erhalten wird, indem die Spannung verstärkt wird, wenn die Ladungen übertragen werden; und
- eine Signalverarbeitungsschaltung, die den Rücksetzpegel und den Signalpegel verarbeitet.
(10) Ein Verfahren zum Steuern eines Festkörper-Bildgebungselements, umfassend:
- Auswählen eines ihrer jeweiligen anderen Enden von ersten, zweiten, dritten und vierten kapazitiven Elementen, die mit ihrem jeweiligen einen Ende gemeinsam mit einer Vorstufen-Schaltung verbunden sind, worin ein Paar Floating-Diffusionsschichten, das übertragene Ladungen in eine Spannung umwandelt, und ein Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor, der einen Umwandlungswirkungsgrad, mit dem die Ladungen in die Spannung umgewandelt werden, steuert, indem ein Pfad zwischen dem Paar Floating-Diffusionsschichten geöffnet und geschlossen wird, angeordnet sind, und Verbinden des ausgewählten anderen Endes mit einem vorbestimmten Nachstufen-Knoten; und
- Lesen, über den Nachstufen-Knoten, eines Rücksetzpegels, der erhalten wird, indem die Spannung verstärkt wird, wenn das Paar Floating-Diffusionsschichten initialisiert ist, und eines Signalpegels, der erhalten wird, indem die Spannung verstärkt wird, wenn die Ladungen übertragen werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

100: Bildgebungsvorrichtung
110: Abbildungslinse
120: Aufzeichnungseinheit
130: Bildgebungs-Steuerungseinheit
200: Festkörper-Bildgebungselement
201: Pixel-Chip
202: Schaltungs-Chip
203: oberer Pixel-Chip
204: unterer Pixel-Chip
211: Schaltung für vertikales Scannen
212: Zeitsteuerungsschaltung
213: DAC
220: Pixel-Arrayeinheit
221: obere Pixel-Arrayeinheit
222: untere Pixel-Arrayeinheit
250: Last-MOS-Schaltungsblock
251,: 252 Last-MOS-Transistor
260: Spalten-Signalverarbeitungsschaltung
261, 411, 413, 416: Selektor
262: Latch-Schaltung
270: ADC
271: Komparator
272, 273: Auto-Zero-Schalter
274: Zähler
300: Pixel-Block
301, 302: Pixel
310, 510: Vorstufen-Schaltung
311, 511: Fotoelektrisches Umwandlungselement
312, 512: Übertragungstransistor
313, 513: FD-Rücksetztransistor
314, 318, 514, 518: FD
315, 515: Vorstufen-Verstärkungstransistor
316, 516: Stromquellentransistor
317, 517: Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor
331 bis 334, 531 bis 534: kapazitives Element
350: Auswahlschaltung
351 bis 354, 551 bis 554: Auswahltransistor
355: HC-seitige Auswahlschaltung
356: LC-seitige Auswahlschaltung
361, 366: Nachstufen-Rücksetztransistor
370: Nachstufen-Schaltung
371, 377: Nachstufen-Verstärkungstransistor
372, 378: Nachstufen-Auswahltransistor
375: HC-seitige Nachstufen-Schaltung
376: LC-seitige Nachstufen-Schaltung
400: Digital-Signalverarbeitungseinheit
412, 415: Speicher
414: Beleuchtungsstärke-Bestimmungseinheit
417: Digital-Verstärkungskorrektureinheit
420: CDS-Verarbeitungseinheit
421: Subtrahierer
12031: Bildgebungssektion

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Ken Miyauchi, et al., A Stacked Back Side-Illuminated Voltage Domain Global Shutter CMOS Image Sensor with a 4.0 µm Multiple Gain Readout Pixel, Sensors 2020, 20, 486 [0003]

Claims

Festkörper-Bildgebungselement, aufweisend: eine Vorstufen-Schaltung, in der ein Paar Floating-Diffusionsschichten, das übertragene Ladungen in eine Spannung umwandelt, und ein Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor, der einen Umwandlungswirkungsgrad, mit dem die Ladungen in die Spannung umgewandelt werden, steuert, indem ein Pfad zwischen dem Paar Floating-Diffusionsschichten geöffnet und geschlossen wird, angeordnet sind; erste, zweite, dritte und vierte kapazitive Elemente, die mit ihrem jeweiligen einen Ende gemeinsam mit der Vorstufen-Schaltung verbunden sind; eine Auswahlschaltung, die eines ihrer jeweiligen anderen Enden der ersten, zweiten, dritten und vierten kapazitiven Elemente auswählt und das ausgewählte andere Ende mit einem vorbestimmten Nachstufen-Knoten verbindet; und eine Nachstufen-Schaltung, die über den Nachstufen-Knoten einen Rücksetzpegel liest, der erhalten wird, indem die Spannung verstärkt wird, wenn das Paar Floating-Diffusionsschichten initialisiert wird, und einen Signalpegel, der erhalten wird, indem die Spannung verstärkt wird, wenn die Ladungen übertragen werden.
Festkörper-Bildgebungselement nach Anspruch 1, wobei der Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor den Umwandlungswirkungsgrad auf entweder einen hohen Umwandlungswirkungsgrad, der höher als ein vorbestimmter Wert ist, oder einen niedrigen Umwandlungswirkungsgrad, der niedriger als der vorbestimmte Wert ist, steuert, das erste kapazitive Element den Rücksetzpegel, wenn der Umwandlungswirkungsgrad der hohe Umwandlungswirkungsgrad ist, als Rücksetzpegel für hohe Umwandlung (HC) hält, das zweite kapazitive Element den Signalpegel, wenn der Umwandlungswirkungsgrad der hohe Umwandlungswirkungsgrad ist, als HC-Signalpegel hält, das dritte kapazitive Element den Rücksetzpegel, wenn der Umwandlungswirkungsgrad der niedrige Umwandlungswirkungsgrad ist, als Rücksetzpegel für niedrige Umwandlung (LC) hält und das vierte kapazitive Element den Signalpegel, wenn der Umwandlungswirkungsgrad der niedrige Umwandlungswirkungsgrad ist, als LC-Signalpegel hält.
Festkörper-Bildgebungselement nach Anspruch 2, ferner aufweisend: eine Analog-Digital-Umwandlungseinheit, die sowohl den HC-Rücksetzpegel, den HC-Signalpegel, den LC-Rücksetzpegel als auch den LC-Signalpegel in ein digitales Signal umwandelt; eine Einheit zur Verarbeitung einer korrelierten Doppelabtastung, die eine Differenz zwischen dem digitalen Signal entsprechend dem HC-Rücksetzpegel und dem digitalen Signal entsprechend dem HC-Signalpegel als HC-Differenzdaten berechnet und eine Differenz zwischen dem digitalen Signal entsprechend dem LC-Rücksetzpegel und dem digitalen Signal entsprechend dem LC-Signalpegel als LC-Differenzdaten berechnet; eine Beleuchtungsstärke-Bestimmungseinheit, die auf der Basis der HC-Differenzdaten bestimmt, ob die Beleuchtungsstärke höher als ein vorbestimmter Wert ist oder nicht, und ein Bestimmungsergebnis erzeugt; und einen Nachstufen-Selektor, der entweder die HC-Differenzdaten oder die LC-Differenzdaten auf Basis des Bestimmungsergebnisses auswählt.
Festkörper-Bildgebungselement nach Anspruch 2, wobei der Nachstufen-Knoten einen HC-seitigen Nachstufen-Knoten und einen LC-seitigen Nachstufen-Knoten umfasst, die Auswahlschaltung eine HC-seitige Auswahlschaltung, die eines ihrer jeweiligen anderen Enden der ersten und zweiten kapazitiven Elemente auswählt und das ausgewählte andere Ende mit dem HC-seitigen Nachstufen-Knoten verbindet, und eine LC-seitige Auswahlschaltung umfasst, die eines ihrer jeweiligen anderen Enden der dritten und vierten kapazitiven Elemente auswählt und das ausgewählte andere Ende mit dem LC-seitigen Nachstufen-Knoten verbindet, und die Nachstufen-Schaltung eine HC-seitige Nachstufen-Schaltung, die den HC-Signalpegel und den HC-Rücksetzpegel vom HC-seitigen Nachstufen-Knoten liest und den HC-Signalpegel und den HC-Rücksetzpegel über eine HC-seitige vertikale Signalleitung ausgibt, und eine LC-seitige Nachstufen-Schaltung umfasst, die den LC-Signalpegel und den LC-Rücksetzpegel vom LC-seitigen Nachstufen-Knoten liest und den LC-Signalpegel und den LC-Rücksetzpegel über eine LC-seitige vertikale Signalleitung ausgibt.
Festkörper-Bildgebungselement nach Anspruch 4, ferner aufweisend: einen Vorstufen-Selektor, der entweder ein Potential der HC-seitigen vertikalen Signalleitung oder ein Potential der LC-seitigen vertikalen Signalleitung gemäß einem vorbestimmten Latch-Ausgangssignal auswählt und das ausgewählte Potential als Ausgangspotential abgibt; einen Komparator, der das Ausgangspotential mit einer vorbestimmten Referenzspannung vergleicht und ein Vergleichsergebnis ausgibt; eine Latch-Schaltung, die das Latch-Ausgangssignal auf Basis des Vergleichsergebnisses erzeugt; und einen Zähler, der einen Zählwert über eine Periode zählt, bis das Vergleichsergebnis invertiert ist.
Festkörper-Bildgebungselement nach Anspruch 4, ferner aufweisend fünfte, sechste, siebte und achte kapazitive Elemente, wobei das Paar Floating-Diffusionsschichten ein Paar erster Floating-Diffusionsschichten in einem ersten Pixel und einem Paar zweiter Floating-Diffusionsschichten in einem zweiten Pixel umfasst, der Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor einen ersten Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor im ersten Pixel und einen zweiten Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor im zweiten Pixel umfasst, die Vorstufen-Schaltung eine erste Vorstufen-Schaltung, in der das Paar erster Floating-Diffusionsschichten und der erste Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor angeordnet sind, und eine zweite Vorstufen-Schaltung umfasst, in der das Paar zweiter Floating-Diffusionsschichten und der zweite Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor angeordnet sind, die ersten, zweiten, dritten und vierten kapazitiven Elemente mit ihrem jeweiligen einen Ende gemeinsam mit der ersten Vorstufen-Schaltung verbunden sind und die fünften, sechsten, siebten und achten kapazitiven Elemente mit ihrem jeweiligen einen Ende mit der zweiten Vorstufen-Schaltung verbunden sind.
Festkörper-Bildgebungselement nach Anspruch 1, wobei die Vorstufen-Schaltung in einem ersten Chip vorgesehen ist und die ersten, zweiten, dritten und vierten kapazitiven Elemente, die Auswahlschaltung und die Nachstufen-Schaltung in einem zweiten Chip vorgesehen sind.
Festkörper-Bildgebungselement nach Anspruch 7, ferner aufweisend einen Analog-Digital-Wandler, der den Rücksetzpegel und den Signalpegel sequentiell in ein digitales Signal umwandelt, wobei der Analog-Digital-Wandler in einem dritten Chip vorgesehen ist.
Bildgebungsvorrichtung, aufweisend: eine Vorstufen-Schaltung, in der ein Paar Floating-Diffusionsschichten, das übertragene Ladungen in eine Spannung umwandelt, und ein Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor, der einen Umwandlungswirkungsgrad, mit dem die Ladungen in die Spannung umgewandelt werden, steuert, indem ein Pfad zwischen dem Paar Floating-Diffusionsschichten geöffnet und geschlossen wird, angeordnet sind; erste, zweite, dritte und vierte kapazitive Elemente, die mit ihrem jeweiligen einen Ende gemeinsam mit der Vorstufen-Schaltung verbunden sind; eine Auswahlschaltung, die eines ihrer jeweiligen anderen Enden der ersten, zweiten, dritten und vierten kapazitiven Elemente auswählt und das ausgewählte andere Ende mit einem vorbestimmten Nachstufen-Knoten verbindet; eine Nachstufen-Schaltung, die über den Nachstufen-Knoten einen Rücksetzpegel liest, der erhalten wird, indem die Spannung verstärkt wird, wenn das Paar Floating-Diffusionsschichten initialisiert wird, und einen Signalpegel, der erhalten wird, indem die Spannung verstärkt wird, wenn die Ladungen übertragen werden; und eine Signalverarbeitungsschaltung, die den Rücksetzpegel und den Signalpegel verarbeitet.
Verfahren zum Steuern eines Festkörper-Bildgebungselements, aufweisend: Auswählen eines ihrer jeweiligen anderen Enden von ersten, zweiten, dritten und vierten kapazitiven Elementen, die mit ihrem jeweiligen einen Ende gemeinsam mit einer Vorstufen-Schaltung verbunden sind, worin ein Paar Floating-Diffusionsschichten, das übertragene Ladungen in eine Spannung umwandelt, und ein Umwandlungswirkungsgrad-Steuerungstransistor, der einen Umwandlungswirkungsgrad, mit dem die Ladungen in die Spannung umgewandelt werden, steuert, indem ein Pfad zwischen dem Paar Floating-Diffusionsschichten geöffnet und geschlossen wird, angeordnet sind, und Verbinden des ausgewählten anderen Endes mit einem vorbestimmten Nachstufen-Knoten; und Lesen, über den Nachstufen-Knoten, eines Rücksetzpegels, der erhalten wird, indem die Spannung verstärkt wird, wenn das Paar Floating-Diffusionsschichten initialisiert ist, und eines Signalpegels, der erhalten wird, indem die Spannung verstärkt wird, wenn die Ladungen übertragen werden.