TW200926790A - Solid-state image pickup device and camera system - Google Patents

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200926790 九、發明說明 相關申請案之對照 本申請案主張2007年8月13日在日本專利局中所申 請之日本專利申請案第2007-2 1 0868號的優先權之權益， ' 該申請案的全部揭示將結合於本文以供參考。 【發明所屬之技術領域】 φ 本發明關於一種由CMOS影像感測器所代表之固態影 像拾取裝置，以及一種相機系統。 【先前技術】 最近，取代CCD以做爲固態影像拾取裝置（影像感 測器）之CMOS影像感測器已引起注意。 針對此之理由在於，CMOS影像感測器解決了 CCD中 所固有的問題，其中CCD像素的製造需要精密的過程， © 針對複數個電源供應電壓的操作，且該操作需要複數個週 邊1C的結合，而使系統高度地複雜化。 CMOS影像感測器具有複數個有效的優點，其中··針 對製造’可使用與一般CMOS積體電路之製造方法相似的 製造方法；CMOS影像感測器可由單一的電源供應所驅動 :以及使用CMOS方法的類比電路及邏輯電路可共存於同 —晶片之內，因而，降低了週邊1C的數目。 針對CCD的輸出電路’主要係使用利用具有浮動擴 散（FD)層之FD放大器的1通道（ch)輸出。 -4- 200926790 相反地，CMOS影像感測器具有用於各個像素的FD 放大器。針對其輸出，主要係使用行並聯輸出方案，其中 選擇像素陣列中之一列，且將該列之中的像素以行之方向 而同時地讀出。 * 針對此方案之理由在於，設置在像素中之FD放大器 ' 很難以提供充分的驅動能力，且因此，資料速率的降低會 變成必然的，而該並聯處理將係有利的。 φ 下文將說明一般的CMOS影像感測器。 第1圖係顯示包含四個電晶體之CMOS影像感測器的 像素之一實例的圖式。 例如，像素1 〇包含光二極體11以做爲光轉換元件。 針對此一光二極體11，像素1 〇包含四個電晶體以做爲主 動裝置，其係轉移電晶體12、放大器電晶體13，選擇電 晶體1 4，以及重設電晶體1 5。 光二極體11光電地轉換入射光以成爲電荷（在此情 Φ 況中，係電子），該電荷具有對應於入射光量之數量。 轉移電晶體12係連接於光二極體11與浮動擴散FD 之間，該轉移電晶體12的閘極（轉移閘極）係透過轉移 控制線LTx而被施加驅動信號，因此，轉移電晶體12可 轉移光二極體11處之光電轉換的電子至浮動擴散FD。 放大器電晶體13的閘極係連接至浮動擴散FD’該放 大器電晶體1 3係經由選擇電晶體14而連接至信號線 LSGN，源極隨耦器係由放大器電晶體1 3及在像素陣列之 外面的恆定電流源1 6所建構。 -5- 200926790 位址信號係透過選擇控制線LSEL而施加至選擇電晶 體14的閘極。當使選擇電晶體14導通時，放大器電晶體 13會放大浮動擴散FD的電位，且輸出對應於該電位的電 壓至輸出（垂直）信號線LSGN ;透過該信號線LSGN而 自各個像素所輸出之信號電壓係輸出至像素信號讀出電路 重設電晶體1 5係連接於電源供應線LVDD與浮動擴 © 散FD之間。當重設信號係透過重設控制線LRST而施加 至重設電晶體15時，重設電晶體15可將浮動擴散FD的 電位重設爲電源供應線LVDD的電位。 更特定地，當重設該像素時，轉移電晶體12會導通 而電性地清除所累積在光二極體11之中的電荷；隨後， 轉移電晶體12關閉，而光二極體11轉換光信號成爲電荷 ，且累積該電荷。 當讀出時，重設電晶體15導通以重設浮動擴散FD; Ο 重設電晶體15關閉，且在此時之浮動擴散FD的電壓係透 過放大器電晶體13及選擇電晶體14而輸出。此時之輸出 係P相輸出。 接著，轉移電晶體12導通以轉移所累積在光二極體 11中之電荷至浮動擴散FD，且此時之浮動擴散FD的電 壓係由放大器電晶體13所輸出。此時之輸出係D相輸出 當使用D相輸出與P相輸出之間的差異來做爲影像信 號時’不僅各個像素之DC成分的偏差，而且浮動擴散之 200926790 FD重設雜訊均可自影像信號來去除。 例如’該等操作係針對一列之各個像素而同時執行， 因爲轉移電晶體12，選擇電晶體14，及重設電晶體15的 個別之閘極係以列爲單位而連接。 ‘ 各式各樣的提議已就有關行並聯輸出類型之CMOS影 ' 像感測器的像素信號讀出（輸出）電路而作成，其之最先 進的模式之一係設置有用於各個行之類比至數位轉換器（ © 下文中，係縮寫爲ADC (類比數位轉換器）），且可提取 像素信號而成爲數位信號之類型。 例如，包含行並聯的ADC被安裝於該處之上的CMOS 影像感測器係揭示於 W.Yang等人之“積體之 800 x 600 CMOS影像系統”之中（ISSCC技術論文之文摘，第304至 3 05頁，1 999年2月），或日本未審查之專利申請案公告 第 2005-278135 號中。 第2圖係方塊圖，用以顯示包含行並聯的ADC被安 © 裝於該處之上的固態影像拾取裝置（CMOS影像感測器） 之組態實例。 如第2圖中所示，固態影像拾取裝置20包含做爲成 像單元之像素陣列21，垂直掃描電路22，水平轉移掃描 電路23，時序控制電路24，ADC之組群25 ’數位至類比 轉換器（在下文中，縮寫爲DAC (數位類比轉換器））26 ，放大器電路（S/A) 27’及信號處理電路28。 像素陣列21包含光二極體及放大器於像素之內’且 係組構而以矩陣方式來配置像素，如第1圖中所示。 200926790 固態影像拾取裝置20包含控制電路，用以連續地讀 出像素陣列21的信號。該控制電路包含：時序控制電路 24，用以產生內部時脈；垂直掃描電路22，用以控制列位 址或列掃描；以及水平轉移掃描電路23，用以控制行位址 或行掃描。 ADC的組群25係由設置在複數個行之中的ADC所形 成，該等ADC包含比較器25-1、計數器25-2、及閂鎖器 〇 25-3。該等比較器比較參考電壓Vslop及類比信號，該參 考電壓Vslop係由逐步變化DAC 26所產生之參考電壓所 獲得的斜坡波形（RAMP )，以及類比信號係來自各列線 之像素而經由通過垂直信號線所獲得；該等計數器計數比 較時間；以及該等閂鎖器保持計數結果。ADC的組群25 具有η位元之數位信號轉換功能，且具有設置用於各個垂 直信號線（行線）的各個 ADC，藉以建構行並聯之ADC 區塊。 ❹ 個別的閂鎖器25-3之輸出係連接至具有例如2η位元 之寬度的水平轉移線29。 進一步地，設置對應於水平轉移線29之2η個放大器 電路27’及信號處理電路28。 在ADC之組群25中，所讀出至垂直信號線之類比信 號（電位Vsl )係與參考電壓Vsl〇p (改變爲具有某一梯 度之線性形狀的傾斜波形）比較於設置用於各個行的比較 器25-1處。 此時’操作相似於比較器25-1之用於各個行的計數 -8- 200926790 器25-2，且當具有斜坡波形之參考電壓Vslop及計數器値 係以一對一之關聯爲基礎而改變時，可將垂直信號線的電 位（類比信號）Vsl轉換成數位信號。 參考電壓Vslop的改變在於將電壓中的改變轉換成爲 時間中的改變，且該時間係計數於某一循環（時脈）中， 藉以執行變成爲數位値之轉換。 當類比電性信號之電位Vsl與參考電壓Vslop相交時 〇 ，比較器25-1的輸出會反相而停止計數器25-2的輸入時 脈；因而，可完成AD轉換。 在結束上述的AD轉換週期之後，藉由水平轉移掃描 電路23來將保持於閂鎖器25-3中的資料經由水平轉移線 29及放大器電路27而輸入至信號處理電路28;因而，產 生二維影像。 如上述地，執行行並聯之輸出過程。 〇 【發明內容】 在使用以做爲諸如數位相機之可伴隨著增加數目的像 素或高訊框速率來將光轉換成爲電性信號及輸出影像信號 之裝置的固態影像拾取裝置中，高速讀出或低功率消耗已 在最近變成所需之技術。 如上述，其係固態影像拾取裝置之一的MOS ( CMOS )影像感測器利用該影像感測器可依據與CMOS積體電路 之方法相似的方法而製造之特徵，變換電荷成爲各個像素 的電性信號，且並聯地處理自各行之像素所讀出的電性信 -9- 200926790 號，藉以改善讀出速度。 另一方面，當並聯地處理各行之電性信號時，可獲得 高的速度；然而，由於在並聯處理時之由電路所消耗的電 流之集中所導致的電流增加或區域性電流集中，會產生電 源供應中所引起之變化的問題。 此問題將進一步地予以硏討。 上述計數器之操作以及由該等計數器所消耗的電流將 ^ 與第3及4圖相關聯地予以說明。 第3圖係顯示在其中所成像之目標係相當明亮的景色 中之狀態的圖。 信號係依據亮度而累積於像素之中，且當讀出時，垂 直信號線電位Vsl會減少超過重設位準，如第3圖中所示 。讀出電路執行信號改變的A/D轉換。 在此情況中’計數器的電流消耗係產生於計數器操作 之期間的週期中，亦即’直至其中所讀出至垂直信號線之 〇 信號電位Vsl與參考電壓Vslop相交之點爲止。在當計數 器停止時之點，即將被消耗的電流幾乎變成零。 在一次的AD轉換中由計數器所消耗的電流對應於第 3圖中所不之瞬間電流’亦即，第3圖中所示之區域的總 計。 在第3圖之中’計數器操作兩次，亦即，在讀出像素 的重設位準時’以及在讀出信號位準時；且操作以取出自 該處所獲得之差異資料。然而，此僅係一實例，且該計數 器亦可組構而只操作於讀出信號位準時。 -10- 200926790 第4圖係顯示在其中所成像之目標係陰暗的景色中之 狀態的圖。 此時，垂直信號線電位Vsl與參考電壓Vslop立即地 相交；因此，計數器的操作週期變短，且在一次的讀出中 所消耗的計數器之電流（第4圖中所示之瞬間電流的總計 )會減少。 因此，計數器操作之期間的週期依據信號量而變化， 0 且電流消耗亦依據信號而變化；也就是說，在針對各個列 所執行一次的AD轉換中，所有行之總計的電流消耗將根 據各個列而變化。 第5圖係用以顯示當成像其中在垂直方向中具有白色 、黑色、白色、黑色之改變的影像時之計數器電流消耗的 圖。 在拍攝白色之期間的週期中，計數器的電流消耗變成 最大，以及在拍攝黑色之期間的週期中，該電流消耗變成 〇 最小。 因此，計數器之行的總電流消耗會針對各列而依據亮 度來變化，且變化會根據信號而不同。因而，變化會在整 個非固定的間隔產生於電流供應中，使得電源供應變化會 回到讀出電路，而使圖像劣化。 爲了要解決類似於此之電流負載變動，一般已採用藉 由增加外部電容以使變動平穩化之手段；然而，最近地， 因爲影像感測器常實施於諸如可攜帶式電話的行動裝置中 ，所以使外部電容作成更小或降低尺寸，而存在有同樣做 -11 - 200926790 爲模組之小型化的需求。因此，存在著無法依賴上述手段 之傾向。 因而，所企望的是，提供一種固態影像拾取裝置，及 使用該固態影像拾取裝置之相機系統，該固態影像拾取裝 置能減輕當執行同時之並聯處理時所產生的電流集中以達 成電流平穩化，且能抑制電源供應的變動。 依據本發明之第一觀點。提供一種固態影像拾取裝置 〇 ’其包含像素陣列及像素信號讀出電路，該像素陣列包含 以矩陣所配置之複數個像素，以及該像素信號讀出電路係 用於以像素爲單位而自該像素陣列來讀出像素信號。該等 像素的各個像素執行光電轉換，像素信號讀出電路包含複 數個比較器及複數個計數器，該等計數器之操作係由該等 比較器的輸出所控制，該等比較器係設置以對應於該等像 素之一行像素，該等比較器之各個比較器比較讀出之信號 電位與參考電壓而產生決定信號且輸出該決定信號，該等 ® 計數器之各個計數器係組構以計數該複數個比較器之對應 比較器的比較時間；針對複數個行的各個行或該複數個行 ’該複數個計數器具有不同的操作週期。 依據本發明之第二觀點，提供有一種相機系統，其包 含固態影像拾取裝置及光學系統，該光學系統係用以將目 標影像成像至影像拾取裝置之上。該固態影像拾取裝置包 含：像素陣列，其中複數個像素係以矩陣而配置，各個像 素係組構以執行光電轉換；以及像素信號讀出電路，用於 以複數個像素爲單位而自該像素陣列來讀出像素信號。該 -12- 200926790 像素信號讀出電路包含複數個比較器及複數個計數器，該 等計數器之操作係由該等比較器的輸出所控制，該等比較 器係設置以對應於該等像素之一行配置，該等比較器之各 個比較器比較讀出之信號電位與參考電壓而產生決定信號 且輸出該決定信號，該複數個計數器之各個計數器係組構 以計數對應之比較器的比較時間；針對複數個行的各個行 或該複數個行，該等計數器具有不同的操作週期。 Ο 較佳地，當讀出之信號電位與參考電壓一致時，比較 器反相輸出位準；設置用於各個行之具有不同操作週期的 複數個計數器可包含：第一計數器，係各自地組構以操作 ，直至對應之比較器的輸出被反相爲止；以及第二計數器 ，係各自地組構而在該對應之比較器的輸出被反相之後才 操作。 第一計數器及第二計數器可交替地設置，以供各個彩 色用。 〇 第一計數器及第二計數器可交替地設置用於該等像素 行之各個像素行，以對應於鄰接相同彩色系列之複數個像 素行，其中該複數個像素行具有接近的値。 第一計數器及第二計數器的其中之一執行向上計數操 作，以及其另一執行向下計數操作。 像素信號讀出電路包含時脈傳輸控制單元，用以控制 時脈至第一計數器或第二計數器之傳輸。當傳輸第一計數 器的時脈時，時脈傳輸控制單元可傳輸該時脈，直至對應 之比較器的輸出被反相爲止，且停止該時脈之傳輸以回應 -13- 200926790 於該比較器之輸出的反相。當傳輸第二計數器的時脈’時 脈傳輸控制單元會停止該時脈的傳輸’直至該比較器之輸 出被反相爲止，且傳輸該時脈以回應於該比較器之輸出的 反相。 可提供信號處理單元，用以執行影像處理於藉由像素 信號讀出電路所讀出之信號上；該信號處理單元可密集地 執行影像信號處理於除了計數器的操作週期之外的週期。 Q 依據本發明之實施例，在像素信號讀出電路中，讀出 之信號電位及參考電壓係由比較所決定，且將藉由該決定 所獲得的決定信號輸出。在計數器之中，操作係由比較器 之輸出所控制，且將對應之比較器的比較時間計數。 此時，複數個計數器之操作週期在以複數個行之一行 或複數個行爲單位中係不同的，且當執行同時之並聯處理 時所產生之電流集中會被減輕，使得電流平穩。 依據本發明之實施例，可使執行同時之並聯處理時所 〇 產生之電流集中減輕，藉以達成電流平穩化，因此可使電 源供應之變動能被抑制。 本發明之上述槪論並非打算來描述本發明之各個所描 繪的實施例或所有的實施；更特別地，隨後之圖式及詳細 說明將例示該等實施例。 【實施方式】 下文將敘述與圖式相關聯之本發明的實施例。 第6圖係方塊圖，用以顯示依據本發明第一實施例之 -14- 200926790 包含並聯的ADC被安裝於該處之上的行之固態影像拾取 裝置（CMOS影像感測器）的組態實例。 如第6圖中所示，固態影像拾取裝置1 〇〇包含當作成 像單元之像素陣列110，垂直掃描電路120，水平轉移掃 描電路130，時序控制電路140，當作像素信號讀出電路 之一組群的ADC 150，DAC (數位至類比轉換器）1 60 ’ 放大器電路（S/A) 170，信號處理電路180，及水平轉移 ❹ 線190。 像素陣列110包含光二極體及放大器於像素之內，且 係組構以矩陣方式來配置例如第1圖中所示之像素。 該固態影像拾取裝置1 00包含：控制電路，用以連續 地讀出像素陣列1 1 0之信號；時序控制電路1 40，用以產 生內部時脈；垂直掃描電路1 20，用以控制列位址及列掃 描；以及水平轉移掃描電路1 3 0，用以控制行位址及行掃 描。 〇 在ADC的組群150之中，由比較器151，計數器152 ，及閂鎖器153所形成的ADC係設置於複數個行之中。 比較器151係用以比較藉由逐步變化由DAC 160所產生的 參考電壓所獲得之斜坡波形（RAMP)的參考電壓Vslop， 與來自各個列線的像素之經由通過垂直信號線所獲得的類 比信號（電位Vsl );計數器1 52係用以計數比較時間； 以及閂鎖器1 53係用以保持計數結果。 ADC的組群150具有η位元之數位信號轉換功能，且 該等ADC之各個ADC係設置用於各個垂直信號線（行線 -15- 200926790 )，藉以建構行並聯的ADC區塊。 個別之閂鎖器1 53的輸出係耦接至具有例如2n位元 之寬度的水平轉移線1 9 〇。 進一步地，設置對應於水平轉移線190之2n個放大 器電路170，以及信號處理電路180。 在ADC的組群1 50之中，將所讀出至垂直信號線之 類比信號（電位Vsl)與參考電壓Vsl〇p(改變至具有某 φ 一梯度之線性形狀的斜面波形）比較於設置用於各個行之 比較器1 5 1。 此時，操作相似於比較器1 5 1之設置用於各個行的計 數器152，且當具有斜坡波形之參考電壓Vslop與計數器 値係以一對一之結合爲基礎而改變時，則將垂直信號線的 電位（類比信號）Vsl轉換成爲數位信號。 參考電壓Vslop的改變在於將電壓中的改變轉換成爲 時間中的改變，且該時間係以某一週期（時脈）而計數， Θ 藉以執行變成數位値之轉換。 當類比電性信號的電位Vsl與參考電壓Vslop相交時 ，比較器151的輸出被反相而停止輸入計數器152的時脈 ，或將停止輸入之時脈輸入至計數器152之內；因而，可 完成AD轉換。 在結束上述之AD轉換週期之後，保持在閂鎖器153 中的資料係由水平轉移掃描電路130來轉移至水平轉移線 190，經歷放大器電路170，且輸入至信號處理電路180; 結果’二維影像可由預定的信號過程所產生。 -16- 200926790 在依據本發明實施例之AD C的組群1 5 0中，可減輕 當執行同時之並聯過程時所產生之電流集中，以達成電流 平穩化，而使電源供應之變動能被抑制。爲了要達成此， 在ADC (像素信號讀出電路）的組群150中，計數器152 操作之時間週期係基本地針對各個行而改變（此意指的是 ，計數器1 5 2操作之時間週期會針對各個行而有所不同） 〇 〇 更特定地，在該實施例之ADC的組群150中，係實 施兩類型之電路於針對各個行所設置的計數器1 52之中。 該等電路之一係操作直至比較器151的輸出被反相爲止的 電路，以及另一係在比較器151的輸出被反相之後才操作 的電路。 在此情況中，在操作上不同的兩類型之計數器係交替 地設置用於各個彩色。 進一步地，在操作上不同的該等計數器之中，一係組 © 構以執行向上計數之操作，以及另一係組構以執行向下計 數之操作。 在下文中，將詳細說明具有該實施例的特徵組態之 ADC (像素信號讀出電路）的組群150之組態，尤其是該 等計數器之組態及功能。 第7圖係顯示依據本發明實施例之各個計數器的操作 之一實例的圖式。 第7圖中所示之採取在前計數的計數器組態（第一計 數器）係組構以操作計數器1 52，直到比較器1 5 1之決定 -17- 200926790 信號s 1 5 1抵達爲止（直到比較器1 5 1之輸出被反相爲止 )。採取在後計數的計數器組態（第二計數器）係組構以 便在比較器151之決定信號S151抵達之後（在比較器 151之輸出信號被反相之後）才傳輸時脈至計數器152。 第8圖係顯示依據本發明實施例之時脈傳輸控制單元 的組態實例之圖式。 時脈傳輸控制單元200包含閘區塊單元210，用以控 φ 制輸入時序，在該處可將時脈CLK輸入至計數器152以 回應於比較器151的決定信號S151。 採取在前計數之計數器及採取在後計數之計數器係以 複數個行之一行或複數個行爲單位而設置；因此，該等閘 區塊單元210係設置於複數個行之一行或複數個行的單位 中之計數器152的輸入級。 第9A及9B圖係各自地顯示第8圖中之閘區塊單元 2 1 0的組態實例之圖式。 〇 在第9A圖之中，閘區塊單元210A包含2輸入之 NOR (反或）閘21 1。 閘區塊單元210A對應於在前之計數，其中計數器 152係操作直至比較器151之決定信號S151抵達爲止（ 直到比較器151之輸出被反相爲止）。 在第9B圖之中，閘區塊單元210B包含2輸入之 NAND (反及）閘 212。 閘區塊單元210B對應於在後之計數，其中計數器 152係在比較器151之決定信號S151抵達之後（在比較 -18- 200926790 器151之輸出信號被反相之後）才操作。 取代採用如上述之固定式配置，可組構以對應於資料 而在前計數與在後計數之間切換，該資料係從外面設定至 例如設置在時序控制電路140中的暫存器141，如第10圖 中所示。 在第10圖的實例中，係設置具有2輸入之NOR (反 或）閘211及2輸入之NAND (反及）閘212的區塊213 φ 。當所設定之資料係低（L )時，則選擇2輸入之NOR ( 反或）閘211，以致使執行在前之計數；以及當所設定之 資料係高（Η )時，則選擇2輸入之NAND (反及）閘212 ，以致使執行在後之計數。 在該組態中，於使用在前之計數中，計數器1 52係在 操作之前被初始化爲零，且同時，計數器152開始隨著時 脈CLK之傳輸而計數。 在當其係比較器151之輸出的決定信號S151被反相 Q 時，則計數器1 52停止，且將此時所獲得的値保持於閂鎖 器153之中，藉以執行AD轉換。 在第10圖的實例中，比較器151的輸出係反相於第 3 00個時脈時，且此時所獲得的値係保持於閂鎖器153之 中。 其次，於使用在後之計數中，在操作之前’將計數器 1 5 2初始化爲全部“ 1 ”，亦即’在1 0位元的情況中’係初 始化爲1 0 2 3。 之後，雖然開始輸入時脈CLK，但計數器1 52係先由 -19- 200926790 閘區塊單元210所停止。 計數器152係操作於當比較器151之輸出被反相時； 此時，計數器1 52執行向下計數之操作。計數器1 52係停 止於當時脈到達1 023個時脈時，且因此，計數器的値到 達 300。 所以，在該實施例中，係使用在前計數及在後計數二 者；然而，該計數之組態並未受限於此。向下計數之操作 〇 無需一定要在後之計數中，且當執行向上計數之操作及在 隨後的處理區塊處減去最大値時，可獲得相似的値。 例如，在第7圖中，當在後之計數使用漸增模式（向 上系統）時，計數器之値係723，且當執行（1 023-723 ) 的計算於隨後的階段時，可獲得300。 在該實施例中之要點在於，如第Π圖中所示地，用 於在前計數之計數器及在後計數之計數器係交替地設置以 供各個彩色用。 Q 在第11圖中之實施例係組構使得鄰接之相同彩色的 像素具有接近的値，且因此，在前之計數及在後之計數係 由各兩行所交替地執行。 也就是說，在第11圖的實施例中，對應於複數個鄰 接之具有相同的彩色系列及具有接近的値之像素行，在前 之計數器及在後之計數器係交替地設置以供該等像素行之 各個像素行用。 此處’鄰接的像素一般地具有相近位準之圖像信號， 雖然存在有迅速改變的邊緣，但除非有關測試圖案，否則 -20- 200926790 並不會產生其中白色及黑色在像素接著像素之基礎上交互 地改變的影像。 在該實施例中’此一圖像信號之特徵係利用來達成用 以獲得電流平穩化之電路，優點將與第12圖，第13圖， 及第1 4圖相關聯地予以敘述。 第12圖係顯示當輸入適當的信號位準（像素信號） 時之計數器的操作之圖。 〇 在第12圖中’將假定在前的計數器係設置用於各個 偶數之行’以及在後的計數器係設置用於各個奇數之行， 而給予說明。 因爲在偶數之行中’係設置在前的計數器，所以計數 器152係操作直至比較器151之輸出被反相爲止，且在該 操作之期間，會產生電流消耗。 反之，因爲在奇數之行中，係設置在後的計數器，所 以計數器1 52係在比較器1 5 1之輸出被反相之後才操作， 〇 且在該操作之期間，會產生電流消耗。 如第1 2圖中所示地，在現有的計數器組態中，相對 於當在整個水平的行之中輸入相同的信號時的所有行之總 電流消耗，電流會集中於一週期，直至所有行中之比較器 1 5 1停止爲止。 相反地，在該實施例之計數器組態中，一半的計數器 係操作直至比較器151的輸出被反相爲止’以及另一半的 計數器係在比較器1 5 1的輸出被反相之後才操作；因此’ 在A D轉換之期間，計數器的電流消耗會變成恆定的電流 -21 - 200926790 接著，第13圖係顯示當輸入飽和之位準，亦即，白 位準之信號至所有的行時之計數器的操作之圖。 在此情況中，計數器的操作係與第1 2圖中所描繪之 計數器的操作相同；然而，在現有的組態中，因爲計數器 執行全部的計數，所以計數器係恆定地操作而使所有的行 被AD轉換，且因此，電流消耗變成最大値。 φ 相反地，在根據該實施例之計數器組態中，該等計數 器的一半計數器執行全部的計數，而其另一半的計數器實 際上並不操作。 因而，在全部的行之中所消耗之計數器的電流消耗會 以現有之計數器組態的幾乎一半而降低。 此處，應注意的是，當相較於第12圖中所示之在適 當輸入信號時的計數器電流消耗時，在現有系統中之計數 器的電流消耗會對應於輸入位準而變化；然而，在該實施 〇 例之計數器組態中，在前讀取之計數器與在後讀取之計數 器會在消耗電流之期間的時間週期相互補償，因而，可使 電流保持幾乎恆定。 第14圖係顯示當幾乎無輸入信號時，亦即，當輸入 黑位準之信號於所有的行之中時的計數器操作之圖。 在此情況中，於現有的系統之中，比較器151之輸出 被立即地反相，且因此，計數器的操作週期會變短，以及 所有計數器的電流消耗會降低。 相反地，在該實施例中之計數器電流消耗係幾乎相同 -22- 200926790 於與第1 2及1 3圖相關聯所描述之輸入信號的情況。 例如，相較於當讀出黑位準之信號時的電流消耗，電 流消耗會比現有之計數器組態的電流消耗增加；然而，若 獲得該圖像信號時，僅讀取該黑位準將意指的是，並未提 供圖像資訊，且因此，類似於此的讀出不會被連續地執行 〇 相較於其中當存在有圖像信號時之電流消耗會依據該 φ 信號位準而變化之現有系統，在其係該實施例之像素信號 讀出電路的ADC之組群150中，可幾乎無需依賴信號位 準地控制電流消耗。 爲了要簡化說明起見，到目前爲止，所作之說明係其 中在該處將相同的信號同時地輸入至所有的行之情況。 然而，在實際的圖像信號中，在水平方向中，亦即， 在個別的行之中所輸入的信號並不相同。 第15圖係顯示當獲得一件影像時之在水平方向及垂 〇 直方向中的信號轉換之一實例的圖。 如第15圖中所示，正常信號位準在水平方向及垂直 方向中改變。 在水平方向中之讀出係同時地執行，且因此，除非電 路之電流消耗係恆定的，否則即使當信號係以任何形式的 圖案在水平方向之中時，在該電路中所消耗的電流也會在 垂直方向中的讀出之中不同；因而，造成電源供應變動， 如第3及4圖中所示。 進一步地，將由使用其中在水平方向中之信號亦在個 -23- 200926790 別的行之中不同的情況，以敘述本發明實施例之優點。 首先，如第16A至16C圖中所示地’將說明其中在該 處係均勻地輸入白位準的信號於該等行之中的情況。 在計數器之中，電流消耗會依據操作時間而線性地變 化，也就是說，電流消耗係依據信號量而線性地改變。在 此情況中，將給予的是’將信號的最大値設定爲1 0 ’以及 直接使用信號量來做爲電流消耗之說明。 0 在其中接近白位準之8的信號係均勻地輸入至個別的 行之第16B圖中所示現有電路的電流消耗之實例中，行的 數目係10;因此，可獲得80之電流消耗。 相反地，在第16C圖中所示之依據本發明實施例的電 路之中，在後計數之電路係每隔一行地設置，且在比較器 1 5 1之輸出被反相之後，執行計數；因此，當輸入8之信 號時，係執行自8至1 0的計數。 因而，將被消耗之電流係2，此係交替地設置以供各 Q 個彩色用，且因此，全部的行之電流消耗係50。 其次，如第17A至17C圖中所示地，將檢查其中在該 處將接近黑位準之1的信號均勻地輸入至行的情況。 當以相似之方式來檢視時，在第1 7 B圖中所示的現有 系統中，總計之行電流消耗係1 0。應瞭解的是，當相較於 其中在該處係輸入第16B圖中所示之接近白位準的8之信 號的情況時，電流會大大地改變。 相反地’如第17C圖中所τρ； ’在依據本發明實施例之 電路中的電流消耗係50，其係與當讀出第16C圖中所示 -24 - 200926790 之白位準時的電流消耗相同，且並未產生電流變動。 至此爲止’已說明其中實行均勻輸入至行的情況中之 本發明實施例的優點，其係到目前爲止所敘述之內容。 接著’如第1 8A至1 8C圖中所示地，將考慮其中在該 處並非輸入均勻的信號，而是輸入在水平方向中改變之信 號至該等行的情況。 如第1 8B圖中所示地，在現有電路中之電流消耗係 Q 55，其係與讀出白位準及黑位準之該等値不同的値。 相反地’在依據本發明實施例之電路中的電流消耗係 4 5。應瞭解的是，此値係與讀出白位準及黑位準時所獲得 的値幾乎相同，且係常數。 進一步地，如第19A至19C圖中所示地，將考慮其中 在該處存在有其中信號自黑色改變（漸移）至白色的情況 〇 如第19B圖中所示地，應瞭解的是，在現有電路中之 ❹ 電流消耗係63，其意指的是，電流消耗係依據信號量而改 變；相反地，在依據本發明實施例的電路中，電流消耗係 47，此係幾乎相等於其他情況中之電流消耗的値。 第20圖係顯示影像之一實例的圖式，用以顯示靠近 其中存在有窗口於暗室中以及在窗口外面的景色之影像， 其係明亮的，而給予停留在靠近白位準的印象。 相對於由計數器在垂直（V)方向中之讀出中所消耗 的電流，電流會隨著許多白色而增加於列之中，以及電流 會隨著許多黑色而減少於列之中，且因此，產生電流變動 -25- 200926790 相反地’在依據本發明實施例的系統中，如至此所插 述地，電流會保持近乎恆定，且因此，不會產生電流變動 〇 當使用依據本發明實施例之計數器於如上述的每〜景 色時’可保持電流消耗恆定。雖然迄今之電流變動依賴著 1C的外部電容，但特徵可無需此依賴地被改善。 〇 尤其’在安裝諸如行動裝置之小的裝置中，該實施例 提供外部電容縮減之優點。 第21圖係方塊圖’用以顯示依據本發明第二實施例 之包含並聯的ADC被安裝於該處之上的行之固態影像拾 取裝置（C Μ Ο S影像感測器）的組態實例。 第2 1圖中之固態影像拾取裝置1 〇 〇 a係組構以專注於 除了計數器操作週期外之時間週期中的信號處理電路 180A之影像信號處理。 〇 在行並聯處理之影像感測器中，一次的AD轉換係針 對各列而執行，且在該一次的AD轉換中，電流消耗會針 對各列而變化。在第一實施例中，具有可解決此問題之描 述。 在第二實施例中，可進一步解決AD轉換期間之電流 變動的問題。 第22圖係用以描述第二實施例之特徵的圖。 如第2 2圖中所示，明顯地，在第—實施例中，在所 有的行中所消耗之計數器的瞬間電流消耗之形狀可均勻於 -26- 200926790 每一景色中，此能力使一次的AD轉換之電流消耗能成爲 恆定。 此處，如此的計數器並未恆定地操作於一次之AD轉 換的期間，而是存在有直至固定第22圖中所示之垂直信 號線電位V si爲止的安定週期。在該安定週期之中，計數 器的瞬間電流消耗會變成零。 在第一實施例中，所有的行之整體的計數器瞬間電流 φ 之波形係控制以容許圓中所示之均勻的瞬間電流波形，即 使當輸入任一形式之信號時亦然，此被利用於第二實施例 之中。如第22圖中所示，在計數器之瞬間電流係零的時 間週期中，信號處理電路180A的處理週期係由例如控制 信號CLT2之控制所集中，因而，進一步的電流平穩化可 在一次的AD轉換週期之中達成。 如上述，依據本發明之實施例，提供有：像素陣列 110，包含以矩陣所配置之複數個像素，且用以執行光電 G 轉換：以及像素信號讀出電路（ADC之組群）150，用於 以列爲單位而自像素陣列1 1 0來讀出資料。ADC之組群（ 像素信號讀出電路）150包含：複數個比較器151 ’係設 置以對應於該等像素，用以藉由比較讀出之信號電位與參 考電壓而決定，以產生決定信號’且輸出該決定信號；以 及複數個計數器1 5 2，係由比較器的輸出所控制’用以計 數對應之比較器的比較時間。當讀出之信號電位Vsl與參 考電壓Vslop相交時，比較器1 5 1的輸出被反相以停止計 數器152的輸入時脈，或輸入停止輸入之時脈至計數器 -27- 200926790 152之內。在以複數個行之一行或複數個行爲單位的操作 週期中，該等計數器152並不相同；更特定地，在針對各 行所設置的計數器152中，提供有：直至比較器151之輸 出被反相爲止所操作的計數器；以及在比較器151之輸出 被反相之後才操作的計數器。因此，可獲得以下的優點。 也就是說，可使影像感測器所消耗的電流平穩化，且 因此，可降低電源供應I c之負載。 Φ 電流平穩化可排除藉由外部電容之電源供應平穩化的 需要，且因此，可在使外部附屬組件小型化或減少外部附 屬的組件之中顯現功效。 與現有之電路相反地，在依據本發明實施例的讀出電 路中，可唯一地無需增加電路大小地解決電源供應變化的 問題，且不會產生伴隨著電路大小及電流消耗之交換。 因此電流消耗並不會由依據亮度所改變之增益所改變 ，所以不僅可在讀出一件影像中使電流平穩化，而且可抑 0 制由於景色中之改變所造成的電流變動。 計數器之瞬間電流可在操作週期之期間被平穩化，且 因此，電流變動會變小以及進入至類比區塊之內的雜訊循 環會變化；所以，可改善讀出電路之雜訊特徵（耐久性） 〇 將被操作之計數器的數目可在AD轉換週期之期間降 低至幾乎一半，且在一次的AD轉換中之計數器的最大電 流消耗可降低至現有之電路的一半；因此’可減少重複操 作中之電路的負載。 -28- 200926790 具有此一優點之固態影像拾取裝置可予以應用，而做 爲數位相機或攝影機的成像裝置。 第23圖係顯示應用依據本發明實施例之相機系統的 組態之一實例的圖式。 如第23圖中所示，相機系統300包含：成像裝置31〇 ’可應用依據實施例之固態影像拾取裝置1〇〇;用於導引 (用以成像被成像之目標）之光學系統，用以將入射光導 φ 引至成像裝置3 1 0的像素區，例如用以將入射光（影像光 )成像至成像表面之上的透鏡320;驅動電路（DRV) 330 ，用以驅動成像裝置310;以及信號處理電路（prc ) 3.4 0 ，用以處理成像裝置310之輸出信號。 驅動電路330包含時序產生器（未顯示），用以產生 各式各樣的時序信號及藉由預定的時序信號來驅動成像裝 置3 1 0。該等時序信號包含起始脈波或時脈脈波，用以驅 動成像裝置310之內的電路。 Q 信號處理電路340應用諸如CDS (相互關連之雙重取 樣）之信號處理至成像裝置310的輸出信號。 由信號處理電路3 40所處理的影像信號係記錄於諸如 記憶體之記錄媒體中，在該記錄媒體中所記錄之影像資訊 係由印表機等而以硬拷貝來加以列印，由信號處理電路 340所處理的影像信號係投影在由液晶顯示器等所形成的 監測器上’而成爲動畫。 如上述，在諸如數位相機之影像拾取裝置中，當實施 固態影像拾取裝置以做爲成像裝置310時’可達成高 -29- 200926790 度精巧之相機。 應由熟習於本項技藝之該等人士所瞭解的是’各式各 樣的修正，結合，子結合，及選擇例可根據設計需求及其 他因素而發生，只要它們係在附錄申請專利範圍或其等效 範圍的範疇之內即可。 【圖式簡單說明】 〇 第1圖係顯示包含四個電晶體之CMOS影像感測器的 像素之一實例的圖式； 第2圖係方塊圖，用以顯示包含並聯的ADC被安裝 於該處之上的行之固態影像拾取裝置（CMOS影像感測器 )的組態實例； 第3圖係用以描繪計數器之操作及由該計數器所消耗 之電流的圖，且係用以顯示其中在該處之成像的目標係相 當明亮的景色中之狀態的圖； © 第4圖係用以描繪計數器之操作及由該計數器所消耗 之電流的圖，且係用以顯示其中在該處之成像的目標係陰 暗的景色中之狀態的圖； 第5圖係圖式，用以顯示當使其中存在有白色、黑色 、白色、黑色之改變於垂直方向中的影像成像時之計數器 的電流消耗； 第6圖係方塊圖’用以顯示依據本發明第一實施例之 包含並聯的ADC被安裝於該處之上的行之固態影像拾取 裝置（CMO S影像感測器）的組態實例； -30- 200926790 第7圖係圖式，用以顯示依據該實施例之計數器操作 的實例； 第8圖係圖式，用以顯示依據該實施例之時脈傳輸控 制單元的組態實例； 第9A及9B圖係圖式，用以各自地顯示第8圖中之閘 區塊的組態實例； 第1〇圖係圖式，用以顯示處理依據所設定之資料所 Q 切換的在前計數及在後計數之組態； 第11圖係圖式，用以描繪其中因爲鄰接之相同彩色 像素具有接近的値，所以在前計數及在後計數係由各兩行 所交替執行之組態實例； 第12圖係顯示當輸入某一適當的信號位準（像素信 號）時之計數器操作的圖； 第1 3圖係顯示當輸入飽和之位準’亦即’白位準信 號至所有的行時之計數器操作的圖； Q 第14圖係顯示當幾乎不具有輸入信號於所有的行之 中，亦即，輸入黑位準信號時之計數器操作的圖； 第15圖係顯示當獲得一件影像時，在水平方向及垂 直方向中的信號轉換之一實例的圖； 第16A，16B，及16C圖係用以描繪其中在該處白位 準信號係均勻地輸入至行的情況之圖； 第17A，17B，及17C圖係用以描繪其中在該處接近 黑位準之1的信號係均与地輸A至行的情況之圖； 第18八，188，及18(：圖係用以描繪其中在該處將非 -31 - 200926790 均勻之信號而且是在水平方向中改變的信號輸入至行的情 況之圖； 第19A，19B，及19C圖係用以描繪其中在該處輸入 有其中信號自黑色改變（漸移）至白色之情況的圖； 第20圖係顯示某一影像之一實例的圖式，用以顯示 靠近其中存在有窗口於暗室中以及在窗口外面的景色之影 像，其係明亮的，而給予停留在靠近白位準的印象； φ 第21圖係方塊圖，用以顯示依據本發明第二實施例 之包含並聯的ADC被安裝於該處之上的行之固態影像拾 取裝置（CMOS影像感測器）的組態實例； 第22圖係用以描繪第二實施例之特徵的圖；以及 桌23圖係圖式，用以顯不應用依據本發明之實施例 的固態影像拾取裝置之相機系統的組態實例。 【主要元件符號說明】 Q 1 〇 :像素 1 1 :光二極體 1 2 :轉移電晶體 13、27、170 :放大器電晶體 1 4 :選擇電晶體 1 5 :重設電晶體 20、100、100A:固態影像拾取裝置

2 1、1 1 0 :像素陣歹IJ 22、120 :垂直掃描電路 -32- 200926790 23、130 :水平轉移掃描電路 2 4、1 4 0 :時序控制電路 25、 1 50 : ADC 之組群 26、 160 :數位至類比轉換器 28、180、180A、340 ：信號處理電路 25-1、151 :比較器 25-2 、 152 :計數器 φ 25-3 、 153 :閂鎖器 2 9、1 9 0 :水平轉移線 s 1 5 1 :決定信號 2 0 0 :時脈傳輸控制電路 210、210A、210B:閘區塊單元 21 1 : 2輸入之反或（NOR )閘 212: 2輸入之反及（NAN D)閘 21 3 :區塊 〇 141 :暫存器 3 00 :相機系統 3 1 〇 :成像裝置 3 2 0 :透鏡 3 3 0 :驅動電路 1 6 :恆定電流源 -33-

Claims (1)

1. 200926790 十、申請專利範圍 1 ·—種固態影像拾取裝置，包含： 一像素陣列，包含以一矩陣所配置之複數個像素，該 等像素的各個像素係組構以執行光電轉換；以及 一像素信號讀出電路，用於以像素爲單位而自該像素 陣列來讀出一像素信號， 其中該像素信號讀出電路包含： © 複數個比較器，係設置以對應於該等像素之一行 像素，該等比較器之各個比較器係組構以比較一讀出之信 號電位與一參考電壓，而產生一決定信號且輸出該決定信 號；以及 複數個計數器，該等計數器之操作係由該等比較 器的輸出所控制，該等計數器之各個計數器係組構以計數 該複數個比較器之一對應比較器的比較時間， 其中針對複數個行的各個行或該複數個行，該複 Ο 數個比較器具有一不同的操作週期。 2.如申請專利範圍第1項之固態影像拾取裝置，其 中： 當該讀出之信號電位與該參考電壓一致時，該等比較 器反相一輸出位準，以及 設置用於各個行之具有不同操作週期的複數個計數器 包含： 第一計數器’係各自地組構以操作，直至該對應 比較器的輸出被反相爲止；以及 -34- 200926790 第二計數器，係各自地組構而在該對應比較器的 輸出被反相之後才操作。 3 .如申請專利範圍第2項之固態影像拾取裝置’其 中該等第一計數器及該等第二計數器係交替地設置以供各 個彩色用。 4. 如申請專利範圍第2項之固態影像拾取裝置’其 中該等第一計數器及該等第二計數器係交替地設置用於該 0 等像素行之各個像素行，以對應於鄰接相同彩色系列之複 數個像素行，該複數個像素行具有接近的値。 5. 如申請專利範圍第2項之固態影像拾取裝置’其 中該第一計數器及第二計數器的其中之一執行向上計數操 作，以及其另一執行向下計數操作。 6. 如申請專利範圍第2項之固態影像拾取裝置，其 中： 該像素信號讀出電路包含一時脈傳輸控制單元，用以 〇 控制時脈至該第一計數器或該第二計數器之傳輸， 當傳輸該第一計數器的時脈時，該時脈傳輸控制單元 傳輸該時脈，直至該比較器之輸出被反相爲止，且停止該 時脈之傳輸以回應於該比較器之輸出的反相，以及 當傳輸該第二計數器的時脈時，該時脈傳輸控制單元 停止該時脈的傳輸，直至該比較器之輸出被反相爲止，且 傳輸該時脈以回應於該比較器之輸出的反相。 7 ·如申請專利範圍第5項之固態影像拾取裝置，其 中： -35- 200926790 該像素信號讀出電路包含一時脈傳輸控制單元，用以 控制時脈至該第一計數器或第二計數器之傳輸， 當傳輸該第一計數器的時脈時，該時脈傳輸控制單元 傳輸該時脈，直至該比較器之輸出被反相爲止，且停止該 時脈之傳輸以回應於該比較器之輸出的反相，以及 當傳輸該第二計數器的時脈時，該時脈傳輸控制單元 停止該時脈的傳輸，直至該比較器之輸出被反相爲止，且 Q 傳輸該時脈以回應於該比較器之輸出的反相。 8 ·如申請專利範圍第1項之固態影像拾取裝置，進 一步包含一信號處理單元，用以執行影像處理於藉由該像 素信號讀出電路所讀出之信號上，且其中該信號處理單元 密集地執行一影像信號處理於除了該等計數器的操作週期 之外的一週期中。 9-—種相機系統，包含： 一固態影像拾取裝置；以及 G —光學系統’用以將一目標影像成像至該影像拾取裝 置之上， 其中該固態影像拾取裝置包含： 一像素陣列’其中複數個像素係以一矩陣而配置 ’該等像素的各個像素係組構以執行光電轉換；以及 一像素信號讀出電路，用於以像素爲單位而自該 像素陣列來讀出像素信號，以及 該像素信號讀出電路包含： 複數個比較器’係設置以對應於該等像素之一行 -36- 200926790 像素，該等比較器之各個比較器係組構以比較一讀出之信 號電位與一參考電壓，而產生一決定信號且輸出該決定信 號；以及 複數個計數器，該等計數器之操作係由該等比較 器的輸出所控制，該等計數器之各個計數器係組構以計數 該複數個比較器之一對應比較器的比較時間，以及 針對複數個行的各個行及該複數個行，該複數個計數 φ 器具有一不同的操作週期。 1 〇.如申請專利範圍第9項之相機系統，其中·· 當該讀出之信號電位與該參考電壓一致時，該等比較 器反相一輸出位準，以及 設置用於各個行之具有不同操作週期的複數個計數器 包含： 第一計數器，係各自地組構以操作，直至該對應 比較器的輸出被反相爲止；以及 Q 第二計數器，係各自地組構而在該對應比較器的 輸出被反相之後才操作。 1 1 ·如申請專利範圍第9項之相機系統，進一步包含 一信號處理單元，用以執行影像處理於藉由該像素信號讀 出電路所讀出之信號上，且其中該信號處理單元密集地執 行影像處理於除了該等計數器的操作週期之外的一週期中 -37-