固态图像传感器及其控制方法、图像感测系统以及照相机与流程

本发明涉及固态图像传感器及其控制方法、图像感测系统以及照相机。

背景技术：

为了实现宽动态范围或高速读出，已知存在对由像素生成的一个像素信号施加多个增益的固态图像传感器。日本特开2005-175517号公报和日本特开2014-131147号公报各自公开了如下的方法：对通过使像素信号放大给定的增益而获得的像素信号，根据所获得的信号的电平来放大另一增益。通过a/d转换器将所放大的像素信号转换成数字信号。将该数字信号除以与用于放大像素信号的增益对应的值，并获得增益差校正像素值。

技术实现要素：

如稍后所述，仅通过将放大的数字信号除以对应于增益的值，生成的像素值可能不具有良好的线性度(linearity)。本发明的一方面提供在能够切换放大像素信号的放大电路的增益的固态图像传感器中，生成具有良好的线性度的像素值的技术。

根据本发明的一些实施例，固态图像传感器包括像素，其被构造为生成对应于入射光的像素信号；放大电路，其被构造为放大所述像素信号；设置电路，其被构造为基于阈值与由所述放大电路放大的所述像素信号之间的比较结果，来设置所述放大电路的增益；以及校正电路，其被构造为通过使用第一校正值和第二校正值，来对放大了由所述设置电路设置的增益的所述像素信号进行校正，所述第一校正值为对应于增益误差的值，所述第二校正值为与所述增益中的放大电路偏置对应的值。

根据本发明的一些其他实施例，所述图像感测系统包括：固态图像传感器和校正电路，所述固态图像传感器包括：像素，其被构造为生成对应于入射光的像素信号；放大电路，其被构造为放大所述像素信号，以及设置电路，其被构造为基于阈值与由所述放大电路放大的所述像素信号之间的比较结果，来设置所述放大电路的增益；所述校正电路，其被构造获得用于对放大了由所述设置电路设置的增益的所述像素信号进行校正的第一校正值和第二校正值，其中，所述第一校正值为对应于增益误差的值，所述第二校正值为与在所述增益中的放大电路偏置对应的值。

根据本发明的一些其他实施例，固态图像传感器的控制方法，所述固态图像传感器包括：被构造为生成对应于入射光的像素信号的像素、和被构造为放大所述像素信号的放大电路，所述控制方法包括：基于阈值与由所述放大电路放大的所述像素信号之间的比较结果，来设置所述放大电路的增益；以及通过使用第一校正值和第二校正值，来对放大了由所述设置电路设置的增益的所述像素信号进行校正，所述第一校正值为对应于增益误差的值，所述第二校正值为与在所述增益中的放大电路偏置对应的值。

通过以下(参照附图)对示例性实施例的描述，本发明的进一步特征将变得清楚。

附图说明

图1是用于说明根据第一实施例的固态图像传感器的布置的示例的框图；

图2a至图2c是用于说明图1的固态图像传感器的各电路布置的示例的图；

图3是用于说明图1的固态图像传感器的图像信号读取操作的时序图；

图4是用于说明图1的固态图像传感器的像素值校正操作的曲线图；

图5是用于说明图1的固态图像传感器的校正值计算操作的时序图；

图6是用于说明图1的固态图像传感器的第一变型例的电路布置的示例的图；

图7是用于说明图1的固态图像传感器的第一变型例的像素信号读取操作的时序图；

图8是用于说明图1的固态图像传感器的第二变型例的布置的示例的框图；

图9是用于说明图1的固态图像传感器的第二变型例的电路布置的示例的图；

图10是用于说明图1的固态图像传感器的第二变型例的像素信号读取操作的时序图；

图11是用于说明图1的固态图像传感器的第三变型例的电路布置的示例的框图；

图12是用于说明根据第二实施例的固态图像传感器的布置的示例的框图；

图13是用于说明图12的固态图像传感器的电路布置的示例的图；

图14是用于说明图12的固态图像传感器的像素值校正操作的曲线图；

图15是用于说明图12的固态图像传感器的校正值计算操作的时序图；以及

图16是用于说明根据第三实施例的图像感测系统的布置的示例的图。

具体实施方式

下面将参照附图来描述本发明的实施例。贯穿各个实施例，相同的附图标记将表示相同的元件，并将省略其重复描述。可以根据需要改变和组合各实施例。

<第一实施例>

将参照图1的电路框图来描述根据第一实施例的固态图像传感器im1的布置。固态图像传感器im1包括图1所示的部件。像素阵列101由以矩阵布置的多个像素100形成。如图1中的示例，将描述像素阵列101包括4行和3列的像素100的情况。然而，像素阵列101的布置不限于此。根据到像素100的入射光，在各个像素100中生成像素信号。形成同一行的多个像素100共同连接到单个驱动线。将用于控制各个像素100的操作的控制信号经由驱动线从垂直扫描电路103供给到像素100。形成同一列的多个像素100也共同连接到单个垂直线102。经由对应的垂直线102被供给到各个放大电路104的电压信号被称为垂直线信号vvl。在将像素信号从各个像素100读出到垂直线102的情况下，垂直线信号vvl改变为与像素信号对应的值。

各个放大电路104通过放大垂直线信号vvl来生成放大信号vamp,并将放大信号vamp供给到对应的设置电路105和对应的比较电路107。放大电路104通过使垂直线信号vvl放大多个增益(稍后描述)中的一个，来生成放大信号vamp。当垂直线信号vvl是对应于像素信号的值时，放大电路104放大像素信号。

各个设置电路105将放大信号vamp与预定阈值电压vsh进行比较，并且基于比较结果来设置对应的放大电路104的增益。设置电路105将指示放大电路104的增益设置的设置信号att供给到放大电路104和对应的存储器单元109。作为示例，本实施例的各个设置电路105在放大信号vamp小于阈值电压vsh的情况下将设置信号att设置为l电平，而在放大信号vamp大于阈值电压vsh的情况下将设置信号att设置为h电平。放大电路104根据设置信号att的电平，来维持或改变用于放大垂直线信号vvl的增益。即，设置电路105确定是否应该改变放大电路104的增益。在放大电路104正在放大像素信号的同时改变增益。

除了来自放大电路104的放大信号vamp之外，将参照信号vr从参照信号生成电路106供给到各个比较电路107。参照信号生成电路106根据来自控制电路113的指令，输出斜坡信号作为参照信号vr。斜坡信号是随着经过的时间以预定比率改变的信号。比较电路107将放大信号vamp与参照信号vr进行比较，并且将与比较结果对应的比较信号vcmp供给到对应的存储器单元109。作为示例，本实施例的各个比较电路107在放大信号vamp大于参照信号vr的情况下将比较信号vcmp设置为l电平，而在放大信号vamp小于参照信号vr的情况下将比较信号vcmp设置为h电平。例如，使用比较器作为比较电路107。

除了来自对应的设置电路105的设置信号att和来自对应的比较电路107的比较信号vcmp之外，将计数信号cnt从计数器108供给到各个存储器单元109。根据来自控制电路113的指令，计数器108连同开始由参照信号生成电路106进行的斜坡信号供给来开始计数，并且随着时间经过来向上计数由计数信号cnt表达的计数值。各个存储器单元109包括存储器109s、存储器109n以及存储器109d。存储器109d保持从对应的设置电路105供给的设置信号att的电平。存储器109s和存储器109n中的各个保持在比较信号vcmp的电平已经切换时的计数值。即，参照信号生成电路106、比较电路107、计数器108以及存储器单元109形成将放大信号vamp转换成数字值的a/d转换电路。存储器109n在已经重置对应的像素100的状态下，保持与由放大电路104输出的放大信号vamp对应的数字值。存储器109s在已经从对应的像素100读出像素信号的状态下，保持与由放大电路104输出的放大信号vamp对应的数字值。

针对各个单独垂直线102布置放大电路104、设置电路105、比较电路107以及存储器单元109。水平扫描电路110将数字值从多个存储器单元109顺次读出到信号处理电路111。信号处理电路111基于从各个存储器单元109读出的数字值来生成与各个像素信号对应的数字信号d，并且将数字信号d输出到固态图像传感器im1的外部。数字信号d表达了各个像素100的像素值。控制电路113通过将控制信号(稍后描述)供给到固态图像传感器im1的各部件，来控制各部件的操作。

接下来，将分别参照图2a、图2b和图2c来描述图1中的像素100、放大电路104以及设置电路105的电路布置的示例。图2a描述了像素100的电路布置的示例。像素100包括光电二极管pd、放大晶体管msf、传送晶体管mtx、复位晶体管mrs以及选择晶体管msel。光电二极管pd产生与到像素100的入射光对应的电荷，并累积这些电荷。根据从垂直扫描电路103供给的各自的控制信号φptx、控制信号φprs以及控制信号φpsel，传送晶体管mtx、复位晶体管mrs以及选择晶体管msel被控制为处于导通状态或非导通状态。放大晶体管msf的栅极连接到浮动扩散fd。放大晶体管msf的源极经由选择晶体管msel连接到垂直线102。当控制信号φprs改变为h电平时，复位晶体管mrs被改变到导通状态，浮动扩散fd连接到电源电压vdd，并且浮动扩散fd的电压被复位。对浮动扩散fd的电压的复位被称为对像素100的复位。当控制信号φptx改变为h电平时，传送晶体管mtx被改变到导通状态，并且光电二极管pd中累积的电荷被传送到浮动扩散fd。当控制信号φpsel改变为h电平时，选择晶体管msel被改变到导通状态，并且电流经由垂直线102从电流源(未示出)被供给到放大晶体管msf。这使得基于来自浮动扩散fd的电压的信号(即，像素信号)被读出到垂直线102。

图2b描述了放大电路104的电路布置的示例。放大电路104包括反相放大器amp，电容器cin、cfb1和cfb2，以及开关sw1和开关sw2。垂直线信号vvl经由电容器cin被供给到反相放大器amp的输入端子。在反相放大器amp的输入端子与输出端子之间，开关sw1、电容器cfb1以及串联连接的开关sw2和电容器cfb2被并联连接。电容器cfb1作为反馈电容进行操作。开关sw2的接通/断开由设置信号att和控制信号φfb2的逻辑和来控制。当该逻辑和为h电平时，开关sw2被接通，并且电容器cfb2作为反馈电容进行操作。当控制信号φars为h电平时，开关sw1被接通，并且使电容器cfb1和电容器cfb2中累积的电荷复位。作为示例，本实施例的电容器cin、cfb1和cfb2的电容值分别为c、c和3c。因此，如果开关sw2断开，则放大电路104的增益被设置为1倍，而如果开关sw2接通，则放大电路104的增益被设置为4倍。反相放大器amp输出通过使垂直线信号vvl放大设置的增益而获得的信号，作为放大信号vamp。根据要在放大电路104中设置的增益，来适当地设置各电容cin、cfb1和cfb2的电容值。

作为示例，由作为nmos晶体管的晶体管m1和m2与作为pmos晶体管的晶体管m3和m4形成的nmos共源极放大电路，来实现本实施例的反相放大器amp。晶体管m1作为共源极放大晶体管进行操作。晶体管m2作为共栅极放大晶体管进行操作。此外，晶体管m3和m4为共源共栅连接并且形成恒定电流负荷。dc偏置电压vbn1、vbp1及vbp2被分别供给到晶体管m2、m3及m4的栅极。由这些各自的dc偏压来确定晶体管的操作点(operatingpoint)。

图2c描述了设置电路105的电路布置的示例。设置电路105包括比较器cmp1、d锁存电路dl及and门。将放大信号vamp供给到比较器cmp1的非反相输入端子。将阈值电压vsh供给到比较器cmp1的反相输入端子。比较器cmp1确定放大信号vamp与阈值电压vsh的大小关系，并且将与确定结果对应的信号供给到d锁存电路dl的d端子。比较器cmp1在放大信号vamp小于阈值电压vsh的情况下输出l电平信号，而在放大信号vamp大于阈值电压vsh的情况下输出h电平信号。d锁存电路dl根据供给到e端子的控制信号φdl来保持供给到d端子的信号的电平，并将所保持的电平供给到and门的输入端子。将控制信号φdlo供给到and门的其他输入端子。当控制信号φdlo为h电平时，and门将由d锁存电路dl保持的电平的信号作为设置信号att，输出到设置电路105的外部。另外，当控制信号φdlo为l电平时，and门将l电平信号作为设置信号att，输出到设置电路105的外部。

接下来，将参照图3至图5来描述固态图像传感器im1的操作。通过控制电路113控制固态图像传感器im1的各部件的操作，来进行固态图像传感器im1的操作。通过控制电路113控制垂直扫描电路103来进行各个像素100的操作。通过控制电路113控制水平扫描电路110来进行从各个存储器单元109到信号处理单元111的数字值读出。固态图像传感器im1主要进行像素信号读取操作、校正值计算操作及像素值计算操作。像素信号读取操作是从各个像素读出像素信号并将与该像素信号对应的数字值保持在对应的存储器单元109中的操作。校正值计算操作是计算校正值以校正该数字值的操作。像素值计算操作是校正该数字值以计算像素值的操作。固态图像传感器im1按照校正值计算操作、像素信号读出操作以及像素值计算操作的顺序来进行操作。针对各个像素100来进行这些操作。在以下部分中，将按照像素信号读出操作、像素值计算操作及校正值计算操作的顺序进行描述。

将参照图3的时序图来描述像素信号读出操作。图3描述了用于从单个像素100一次读出像素信号的操作。针对形成同一行的多个像素100同时进行图3中描述的操作。固态图像传感器im1通过对形成像素阵列101的多个像素行上的各个像素进行图3中描述的操作，来从像素阵列101的各个像素读出像素信号。贯穿图3中所示的周期，垂直扫描电路103将供给到像素信号读出操作对象像素100的控制信号φpsel维持在h电平，并且将供给到其他像素100的控制信号φpsel维持在l电平。

当开始像素信号读出操作时，垂直扫描电路103通过暂时将控制信号φprs改变到h电平来复位像素100。因此，将与复位状态下的像素100对应的信号读出到对应的垂直线102。该信号被称为像素复位信号。当将像素复位信号读出到垂直线102时，垂直线信号vv1变为与该信号对应的值。控制电路113通过暂时将控制信号φars和φfb2改变到h电平，与像素的复位并行地，来使电容器cfb1和cfb2中累积的电荷复位。在垂直扫描电路103将控制信号φprs改变到l电平之后，控制电路113将控制信号φars和φfb2改变到l电平。

在上述操作期间，控制电路113将控制信号φdlo设置为l电平。结果，由设置电路105输出的设置信号att改变为l电平。由于设置信号att和控制信号φfb2两者都为l电平，因此断开放大电路104的开关sw2，并且连接到反相放大器amp的反馈电容器的电容值改变为c。由于连接到反相放大器amp的输入电容器的电容值也为c，因此放大电路104的增益被设置为1倍。

接下来，参照信号生成电路106根据来自控制电路113的指令，开始供给斜坡信号作为参照信号vr。换言之，参照信号生成电路106随着经过的时间而开始改变参照信号vr的值。同时，计数器108根据来自控制电路113的指令，从零开始向上计数输出计数值。当参照信号vr超过放大信号vamp并且比较信号vcmp从l电平切换到h电平时，存储器109n保持在该时点来自计数器108的计数值。该计数值对应于对通过使像素复位信号放大1倍增益而获得的放大信号vamp进行a/d转换而获得的数字值。下文中，该数字值将被称为n。

随后，在暂时将控制信号φptx改变到h电平时，垂直扫描电路103将光电二极管pd中累积的电荷传送到浮动扩散fd。结果，将来自像素100的像素信号读出到垂直线102，并且垂直线信号vv1改变为与该像素信号对应的值。δvvl代表在使用像素100的复位时间作为基准的该时间点处的垂直线信号vv1的改变量(即，像素信号与像素复位信号之间的差)。δvvl具有与到像素100的入射光量对应的值。放大信号vamp随着垂直线信号vv1的改变而改变。δvamp1表达了在放大电路104的增益被设置为1倍的状态下的放大信号vamp的改变量。在此，阈值电压vsh被设置为等于或小于放大电路104的输出动态范围的1/4。因此，固态图像传感器im1在放大信号vamp等于或大于阈值电压vsh的情况下和在放大信号vamp小于阈值电压vsh的情况下进行不同的操作。下面将描述通过使像素信号放大1倍增益而获得的放大信号vamp大于阈值电压vsh的情况。

在自垂直扫描电路103将控制信号φptx改变为l电平起经过了预定时间之后，控制电路113暂时将控制信号φdl改变为h电平。由于放大信号vamp大于阈值电压vsh，因此将h电平信号保持在d锁存电路dl中。接下来，控制电路113将控制信号φdlo改变为h电平。设置电路105输出d锁存电路dl中保持的信号，并且设置信号att变为h电平。结果，放大电路104的开关sw2被接通，电容器cfb2连接到反相放大器amp，并且连接到反相放大器amp的反馈电容器的电容值改变为4c。由于连接到反相放大器amp的输入电容器的电容值为c，因此放大电路104的增益被设置为1/4倍。放大信号vamp的值也随着该设置而改变。δvamp2代表在放大电路104的增益被设置为1/4倍的状态下的放大信号vamp的改变量。

随后，固态图像传感器im1以与对通过放大像素复位信号而获得的放大信号vamp进行a/d转换相同的方式，来对通过放大像素信号而获得的放大信号vamp进行a/d转换。存储器109s保持对通过放大像素信号而获得的放大信号vamp进行a/d转换而获得的数字值。下文中，该数字值将被称为s。然后，存储器109d保持设置信号att的电平。最后，控制电路113将控制信号φdlo改变为l电平来将设置信号att改变为l电平，以继续移动到下一行读出。

通过上述操作，将在对像素信号进行a/d转换时的设置信号att的电平保持在存储器109d中，将代表放大像素复位信号的数字值n保持在存储器109n中，并且将代表放大像素信号的数字值s保持在存储器109s中。如在上述示例中，当将放大电路104的增益从1倍改变为1/4倍时，将h电平设置信号att保持在存储器109d中，并且将代表像素信号放大了1/4倍增益的数字值保持在存储器109s中。另一方面，当通过使像素信号放大1倍增益而获得的放大信号vamp小于阈值电压vsh时，放大电路104的增益被维持在1倍。在这种情况下，将l电平设置信号att保持在存储器109d中，并且将代表像素信号放大了1倍增益的数字值s保持在存储器109s中。当将放大电路104的增益从1倍改变为1/4倍时以及当增益被维持在1倍时，将代表像素复位信号放大了1倍增益的数字值n保持在存储器109n中。

接下来，将描述像素值计算操作。信号处理电路111基于在存储器单元109中保持的数字值来计算像素值。首先将描述将l电平设置信号att保持在存储器109d中的情况。在这种情况下，将代表像素信号放大了1倍增益的数字值s保持在存储器109s中，并且将代表像素复位信号放大了1倍增益的数字值n保持在存储器109n中。因此，信号处理电路111通过进行数字cds(correlateddoublesampling，相关双采样)处理来计算像素值。特别是，信号处理电路111计算出s-n并将该值设置为像素值。

接下来，将描述将h电平设置信号att保持在存储器109d中的情况。在这种情况下，将代表像素信号放大了1/4倍增益的数字值s保持在存储器109s中，并且将代表像素复位信号放大了1倍增益的数字值n保持在存储器109n中。因此，信号处理电路111仅通过使用数字值s和数字值n简单地进行数字cds处理无法计算出正确的像素值。将参照图4来解释该理由。

图4中的曲线图的横坐标表示垂直线信号vvl的改变量δvvl。图4中的曲线图的纵坐标代表数字值。改变量δvvl对应于到像素100的入射光量。当垂直线信号vvl是与像素复位信号对应的值时，改变量δvvl变为零。

线401代表在放大电路104的增益被设置为1倍的范围中包括的改变量δvvl与通过下式(1)计算出的数字信号d1之间的关系，

d1＝s-n...(1)

由于数字值s和数字值n两者都为在放大电路104的增益被设置为1倍的状态下生成的值，因此通过进行数字cds处理来获得适当地代表入射光量的数字信号d1。例如，如果改变量δvvl(入射光量)为零，则数字信号d1也改变为零。当放大电路104的增益被设置为1倍时(即，当将l电平信号保持在存储器109d中时)，信号处理电路111输出数字信号d1作为上述的数字信号d。

线402代表在放大电路104的增益被设置为1/4倍的范围中包括的改变量δvvl与通过下式(2)计算出的数字信号d2之间的关系，

d2＝4(s-n)...(2)

由于通过数字cds处理获得的s-n已经乘以增益的倒数(4)，因此线402的斜率与线401的斜率匹配。然而，由于在连接电容器cfb2时生成的开关sw2等的馈通，因此放大了1倍增益的像素复位信号和放大了1/4倍增益的像素信号彼此具有不同的偏置。因此，如图4所示，在切换增益设置的δvvl值中，生成数字信号d2与数字信号d1之间的偏移α。

因此，当放大电路104的增益被设置为1/4倍时，信号处理电路111通过下式(3)计算出数字信号d3，

d3＝4(s-n)-α...(3)

线403代表在放大电路104的增益被设置为1/4倍的范围中包括的改变量δvvl与根据上式(3)计算出的数字信号d3之间的关系。如图4所示，线403具有相对于线401的良好线性度。当放大电路104的增益被设置为1/4倍时(即，当将h电平信号保持在存储器109d时)，信号处理电路111输出数字信号d3作为数字信号d。

在此，当将放大电路104的增益概括为g时，信号处理电路111通过下式(4)计算出数字信号d，

d＝βg×(s-n)-αg...(4)

其中，αg为与放大电路104的偏置对应的偏置校正值，而βg为与放大电路104的增益对应的增益校正值。针对各个增益来设置αg和βg，并将αg和βg保持在存储器112中。在上述示例中，α1＝0、α1/4＝α、β1＝1且β1/4＝4。在本实施例中，由于代表像素复位信号放大了1倍增益的数字值n被用来进行数字cds处理，因此α1＝0。通过校正值计算操作(稍后描述)来计算α。βg为增益的倒数。在制造固态图像传感器im1时，基于连接到反相放大器amp电容值逻辑计算βg，并将βg存储存储器112中。信号处理电路111生成代表以上述方式计算出的像素值的数字信号d，并将该数字信号d输出到固态图像传感器im1的外部。如上所述，由于信号处理电路111校正代表像素信号的数字值s，因此信号处理电路111可以被称为校正电路。

将参照图5的时序图来描述校正值计算操作。图5描述了针对一个放大电路104计算校正值的操作。该校正值用于共同连接到对应的放大电路104的多个像素100。像素阵列101包括由不助于图像生成并用于计算校正值的像素100形成的一个或更多个行。贯穿图5所示的周期，垂直扫描电路103将供给到校正值计算像素100的控制信号φpsel维持在h电平，并将供给到其他像素100的控制信号φpsel维持在l电平。此外，贯穿图5所示的周期，垂直扫描电路103将供给到校正值计算像素100的控制信号φprs维持在h电平，并将控制信号φptx维持在l电平。因此，贯穿图5所示的周期，供给像素复位信号作为垂直线信号vvl。

通过在周期h1中进行的操作和在随后的周期h2中进行的操作，来形成校正值计算操作。在周期h1中，控制电路113以与在像素信号读出操作中相同的方式，在将数字值n1保持在存储器109n中之后将数字值s1保持在存储器109s中。在周期h1中，通过控制电路113将控制信号φdlo设置为l电平来输出l电平设置信号att。因此，数字值n1和数字值s1两者代表了由1倍增益获得的放大信号vamp。信号处理电路111读出数字值n1和数字值s1，并将该读出值保持在存储器112中。

接下来，在周期h2中，控制电路113通过进行与在周期h1中相同的处理，在将数字值n2保持在存储器109n中之后将数字值s2保持在存储器109s中。然而，控制电路113在生成数字值s2之前，通过将控制信号φfb2切换为h电平来将放大电路104的增益设置为1/4倍。因此，数字值n2代表了由1倍增益获得的放大信号vamp，而数字值s2代表了由1/4倍增益获得的放大信号vamp。信号处理电路111读出数字值n2和数字值s2，并将该读出值保持在存储器112中。

接下来，信号处理电路111通过下式(5)计算出偏置校正值α1/4，

α1/4＝(s2-n2)-(s1-n1)...(5)

在此，数字值n1和数字值n2各自代表通过使像素复位信号放大1倍增益而获得的放大信号vamp的值。数字值s1代表通过将在δvvl＝0时的像素信号放大1倍增益而获得的放大信号vamp的值。数字值s2代表通过将在δvvl＝0时的像素信号放大1/4倍增益而获得的放大信号vamp的值。因此，通过式(5)获得的α1/4与图4所示的α匹配。

如上所述，根据本实施例，可以移除由于改变放大电路104的增益而引起的馈通等造成的偏置误差，并且可以实现具有良好线性度的固态图像传感器。在本实施例的校正值计算操作中，基于像素复位信号来计算数字值s1和数字值s2。然而，代替这些值，可以从与像素100不同的其他电压源，将预定值的测试信号供给到放大电路104。可以在相同半导体基板上实现固态图像传感器im1的各部件。作为另选方案，可以在离开固态图像传感器im1的剩余部件所在的半导体基板的其他半导体基板上实现信号处理电路111。

<第一实施例的第一变型例>

将参照图6和图7来描述固态图像传感器im1的第一变型例。在第一变型例中，设置电路105的布置不同。第一变型例的设置电路105具有将放大信号vamp削波(clip)为等于或小于阈值电压vsh的功能。图6描述了根据第一变型例的设置电路105的电路布置的示例。

设置电路105包括作为pmos晶体管的晶体管m5与作为nmos晶体管的晶体管m6和晶体管m7。晶体管m5的源极连接到放大电路104的输出端子，并且晶体管m5削波放大信号vamp。削波操作的阈值电压vsh由输入到晶体管m5的栅极的电压vclp来确定。将dc偏压vbn2输入到晶体管m6的栅极，并且当晶体管m5进行削波操作时，将恒定电流供给到晶体管m5的漏极。晶体管m5的漏极也连接到反相器和晶体管m7的栅极。晶体管m7的源极被接地到gnd电势，并且晶体管m7的漏极连接到放大电路104的输出端子。在以控制信号φdrs进行nor处理之后，来自反相器的输出被输入到rs锁存电路lch的s端子。控制信号φdrs被输入到作为rs锁存电路lch的其他输入端子的r端子。因此，当控制信号φdrs改变为h电平时，由于r端子被设置为h电平并且s端子被设置为l电平，因此rs锁存电路lch被复位。来自rs锁存电路lch的输出变为来自设置电路105的输出，并输出设置信号att。

如果放大信号vamp低于阈值电压vsh，则晶体管m5处于非导通状态。由于dc偏压被输入到晶体管m6的栅极，因此晶体管m7的栅极电压被设置为几乎gnd电平。因此，晶体管m7被设置为非导通状态。在这种情况下，晶体管m5和晶体管m7两者都处于非导通状态并且不影响反相放大器amp的操作。另一方面，如果放大信号vamp超过阈值电压vsh，则晶体管m5改变为导通状态。在这种情况下，晶体管m7的栅极电压上升，并且晶体管m7改变为导通状态。结果，从晶体管m3和晶体管m4供给的反相放大器amp的负载电流也被供给到设置电路105，并且负载电流变为放大信号vamp几乎不上升超过阈值电压vsh的削波状态。

将参照图7的时序图来描述根据第一变型例的像素信号读出操作。根据第一变型例的校正值计算操作和像素值计算操作可以与上述第一实施例的校正值计算操作和像素值计算操作相同。根据第一变型例的像素信号读出操作与根据第一实施例的像素信号读出操作的不同点在于：控制电路113向设置电路105供给控制信号φdrs，代替控制信号φdl和φdlo。其余点可以与第一实施例相同。

当开始像素信号读出操作时，控制电路113暂时将控制信号φdrs改变为h电平以复位rs锁存电路lch。结果，设置电路105输出l电平设置信号att。随后，在进行与第一实施例中相同的处理之后，从像素100读出像素信号到对应的垂直线102，并且垂直线信号vvl改变到对应于像素信号的值。

如果放大信号vamp低于阈值电压vsh，则晶体管m7的栅极电压处于几乎gnd电平。因此，由于l电平信号继续被输入到rs锁存电路lch的s端子，因此设置信号att维持l电平。另一方面，如果放大信号vamp达到阈值电压vsh，则晶体管m7的栅极电压也达到反相器的阈值。结果，到rs锁存电路lch的s端子的输入被反相到h电平。伴随与此，rs锁存电路lch输出h电平设置信号att并维持这种状态。当设置信号att改变为h电平时，放大电路104的增益被改变为1/4倍，放大信号vamp变为等于或小于阈值电压vsh，并且取消削波。此时，由于设置信号att被保持在h电平，因此垂直线信号vvl放大了1/4倍增益。在已经充分安定(settle)该放大信号vamp之后，进行与第一实施例中的处理相同的处理，并且生成数字值s。

可以在第一变型例中获得与第一实施例相同的效果。另外，在第一变型例中，由于设置电路105的削波功能，因此放大信号vamp将变得大于阈值电压vsh。因此，阈值电压vsh可以被设置为放大电路104的输出饱和电平，并且可以有效地使用放大电路104的动态范围。注意，如果放大信号vamp改变为接近于削波电压的值，则放大信号vamp将大大地受晶体管m5的影响并且无法以高精度输出信号。因此，除了从当对应于像素信号的垂直线信号vvl被输入到放大电路104时起到当设置电路105进行确定时的期间之外，可以使设置电路105的削波功能失效。例如，如果控制电路113在像素信号被读出到垂直线102之前并且在设置电路105进行确定之后使电压vclp上升，则可以获得具有更高精度的数字值。

<第一实施例的第二变型例>

将参照图8至图10来描述作为固态图像传感器im1的第二变型例的固态图像传感器im2。如图8所示，根据第二变型例的固态图像传感器im2与固态图像传感器im1的不同之处在于：包括设置电路805，代替设置电路105和比较电路107。其余点可以与固态图像传感器im1的相同。将参照图9来描述设置电路805的电路布置的示例。如图9所示，设置电路805包括图1中所示的设置电路105和比较电路107已经被共同化的布置。

接下来，将参照图10的时序图来描述根据第二变型例的像素信号读出操作。根据第二变型例的校正值计算操作和像素值计算操作可以与上述第一实施例中的校正值计算操作和像素值计算操作相同。根据第二变型例的像素信号读出操作与根据第一实施例的像素信号读出操作的不同之处在于：由参照信号生成电路106供给的参照信号vr不同。其余点可以与第一实施例的相同。在将数字值n保持在存储器109n中之后，控制电路113将由参照信号生成电路106供给的参照信号vr的值改变为阈值电压vsh。结果，由设置电路805来对放大信号vamp和阈值电压vsh进行比较，并且将比较结果输出为设置信号att。

<第一实施例的第三变型例>

将参照图11来描述作为固态图像传感器im1的第三变型例的固态图像传感器im3。如图11所示，根据第三变型例的固态图像传感器im3与固态图像传感器im1的不同之处在于：包括计数器1108和存储器单元1109，代替计数器108和存储器单元109。其余点可以与固态图像传感器im1的相同。

各个计数器1108具有向上/向下计数功能。针对各个像素列布置计数器1108。当对通过放大像素复位信号而获得的放大信号vamp进行a/d转换时，计数器1108根据来自控制电路113的指令，开始从零向下计数。结果，将通过改变第一实施例的数字值n的符号而获得的值保持在计数器1108中。接下来，当对通过放大像素信号而获得的放大信号vamp进行a/d转换时，计数器1108根据来自控制电路113的指令，使用保持的值(即，-n)作为初始值开始向上计数。计数器1108在该a/d转换结束的时点，输出与第一实施例中的s-n对应的值。各个存储器单元1109的存储器1109v保持该值。信号处理电路111通过使用各个存储器1109v中保持的值(s-n)，来进行上述像素值计算操作。此外，在校正值计算操作中，由于与s1-n1和s2-n2对应的值被保持在存储器1109v中，因此信号处理电路111使用这些值来计算校正值。

<第二实施例>

将参照图12至图15来描述根据第二实施例的固态图像传感器im4。固态图像传感器im4与固态图像传感器im1的不同之处在于：还包括测试信号生成电路1201。测试信号生成电路1201向多个垂直线102中的各个供给测试信号。在第一实施例中，使用基于反馈电容器的电容值逻辑计算出的值(4)，作为增益校正值β1/4。然而，由于难于精确地控制增益，因此即使放大电路104的增益被设置为1/4，实际放大信号vamp也可能被放大不同值的增益。

图14中的曲线图的横坐标表示垂直线信号vvl的改变量δvvl。图14中的曲线图的纵坐标代表数字值。改变量δvvl对应于到像素100的入射光量。当垂直线信号vvl为与像素复位信号对应的值时，改变量δvvl变为零。

以和线401相同的方式，线1401代表在放大电路104的增益被设置为1倍的范围中包括的改变量δvvl与根据上式(1)计算出的数字信号d1之间的关系。

线1402代表在放大电路104的增益被设置为1/4倍的范围中包括的改变量δvvl与根据上式(2)计算出的数字信号d2之间的关系。由于通过数字cds处理获得的s-n乘以增益的倒数(4)，因此线1402的斜率与线1401的斜率逻辑匹配。然而，这些线的斜率由于增益误差而可能不匹配。在这种情况下，即使如在图1的实施例中进行了偏置校正，数字信号d也将不具有良好的线性度。因此，第二实施例的信号处理电路111不由逻辑值而是基于已经实际上获得的放大信号vamp，来确定上述式(4)的增益校正值β1/4。

在一个示例中，信号处理电路111计算校正系数b用于校正增益校正值，并设置通过使该逻辑增益值的倒数(4)乘以该校正系数b而获得的值，作为增益校正值β1/4。特别是，信号处理电路111计算校正系数b，使得表达通过下式(6)计算出的数字信号d4的线1403的斜率将与线1401的斜率匹配。

d4＝4b(s-n)...(6)

稍后将描述校正系数b的计算方法。

随后，信号处理电路111通过从d4中减去偏置校正值α，来计算数字值。即，信号处理电路111通过下式(7)来计算数字信号d5，

d5＝4b(s-n)-α...(7)

线1404代表在放大电路104的增益被设置为1/4倍的范围中包括的改变量δvvl与根据上式(7)计算出的数字信号d5之间的关系。如图14所示，线1404相对于线1401具有良好的线性度。当放大电路104的增益被设置为1/4倍时(即，当h电平信号被保持在对应的存储器109d时)，信号处理电路111输出数字信号d5，作为上述数字信号d。

将参照图13来描述测试信号生成电路1201的电路布置的示例。测试信号生成电路1201包括由控制信号φts1控制的多路转换器mx1、由控制信号φts2控制的多路转换器mx2、以及连接到各列的垂直线102的晶体管m8。各个晶体管m8是nmos晶体管。各个晶体管m8的源极连接到垂直线102，并且各个晶体管m8的漏极连接到电源。各个晶体管m8根据由多路转换器mx2控制的栅极电压，来控制垂直线102的电压。电压v5和来自多路转换器mx1的输出被供给到多路转换器mx2。电压v3和电压v4被供给到多路转换器mx1。多路转换器mx1在控制信号φts1为l电平时输出电压v3，而在控制信号φts1为h电平时输出电压v4。在电压v3被供给到对应的晶体管m8的栅极的情况下，由测试信号生成电路1201向各个垂直线102供给的信号被称为第一测试信号。在电压v4被供给到对应的晶体管m8的栅极的情况下，由测试信号生成电路1201向各个垂直线102供给的信号被称为第二测试信号。第一测试信号和第二测试信号具有彼此不同的值。

当控制信号φts2改变为l电平时，多路转换器mx2选择电压v5并将电压v5供给到各个晶体管m8的栅极。另一方面，当控制信号φts2改变为h电平时，多路转换器mx2选择来自多路转换器mx1的输出并将电压v3或电压v4供给到各个晶体管m8的栅极。在校正值计算操作中，控制信号φts2改变为h电平，并将与电压v3或电压v4对应的电压供给到各个垂直线102，作为垂直线信号vvl。在像素信号读出操作中，控制信号φts2改变为l电平，并且根据电压v5来削波各个垂直线102。测试信号生成电路1201具有防止在局部增大像素信号电平时生成的各个垂直线102中的过度电压下降的削波功能，并且获得污迹(smear)抑制效果。

将参照图15的时序图来描述校正值计算操作。在第二实施例的校正值计算操作中，还计算增益校正值以及偏置校正值。图15描述了用于计算单个放大电路104的校正值的操作。该校正值用于共同连接到放大电路104的多个像素100。贯穿图15所示的周期，垂直扫描电路103将供给到所有计算像素100的控制信号φpsel维持在l电平。

由在连续周期h1到周期h4中进行的操作，来形成校正值计算操作。在各个周期中进行的操作与在图5的周期h1中进行的操作相同。因此，将主要描述不同之处。

在周期h1中，在垂直线信号vvl为第一测试信号并且其增益被设置为1倍的状态下，生成数字值n1。随后，在垂直线信号vvl为第一测试信号并且其增益被设置为1倍的状态下，生成数字值s1。在周期h2中，在垂直线信号vvl为第一测试信号并且其增益被设置为1倍的状态下，生成数字值n2。随后，在垂直线信号vvl为第一测试信号并且其增益被设置为1/4倍的状态下，生成数字值s2。在周期h3中，在垂直线信号vvl为第一测试信号并且其增益被设置为1倍的状态下，生成数字值n3。随后，在垂直线信号vvl为第二测试信号并且其增益被设置为1倍的状态下，生成数字值s3。在周期h4中，在垂直线信号vvl为第一测试信号并且其增益被设置为1倍的状态下，生成数字值n4。随后，在垂直线信号vvl为第二测试信号并且其增益被设置为1/4倍的状态下，生成数字值s4。信号处理电路111将这些数字值适当地从对应的存储器单元109读出到存储器112。

信号处理电路111通过下式(8)至式(10)计算校正系数b、增益校正值βg以及偏置校正值αg，

b＝{(s3-n3)-(s1-n1)}/{(s4-n4)/g-(s2-n2)/g}...(8)

βg＝b/g...(9)

αg＝b(s2-n2)/g-(s1-n1)...(10)

其中，g(上述示例中的1/4)为在放大电路104中设置的改变增益。信号处理电路111将以这种方式计算出的增益校正值βg和偏置校正值αg存储在存储器112中。代替式(10)，信号处理电路111可以通过式(11)计算偏置校正值αg，

αg＝b(s4-n4)/g-(s3-n3)...(11)

在本实施例中，可以基于放大信号vamp，通过校正放大电路的增益来实现具有更有利的线性度的固态图像传感器。第一实施例的第一变型例至第三变型例可以与第二实施例组合。

在各个上述实施例中，已经描述了通过计算针对各个像素列的校正值来校正像素值的情况。代替地，可以由针对各个像素列计算出的校正值来计算平均值或中间值，并且该值可以共同地用于校正来自多个像素列的像素值。此外，在各个上述实施例中，已经描述了放大电路104在两种类型的增益之间进行切换的情况。然而，本发明不限于此，放大电路104可以在三种或更多种增益当中进行切换。在这种情况下，针对多个增益中的各个设置偏置校正值和增益校正值。

<第三实施例>

将参照图16来描述根据第三实施例的图像感测系统。在图16中，图像感测系统包括用于镜头保护的屏障151、使被摄体的光学图像形成在图像传感器154上的镜头152、以及使通过镜头152的光量可变的光圈153。图像感测系统还包括对从图像传感器154输出的信号进行处理的信号处理单元155。从图像传感器154输出的信号是用于生成通过拍摄被摄体而获得的图像的图像感测信号。信号处理单元155根据需要，对从图像传感器154输出的图像感测信号进行各种校正和压缩，并且生成图像。镜头152和光圈153形成使光聚集到图像传感器154的光学系统。

图16中放大的图像感测系统还包括用于暂时存储图像数据的缓冲存储器单元156和用于与外部计算机进行通信的外部接口单元157。图像感测系统还包括用于存储或读出图像感测数据的可拆卸的存储介质159(例如，半导体存储器等)、以及用于存储或读出存储介质159的存储介质控制接口158。图像感测系统还包括控制各种计算和整个数字静止照相机的控制/计算单元1510。

图16中所示的图像感测系统可以具有如下构造：配设在与图像传感器154分离的半导体基板上的信号处理单元155包括第一实施例和第二实施例中描述的信号处理电路111。在该构造中，信号处理单元155是包括校正单元的信号处理单元。即使使用该构造，根据该第三实施例的图像感测系统也可以获得与第一实施例和第二实施例中描述的效果相同的效果。作为其他构造，也可能是如下构造：配设在与图像传感器154分离的半导体基板上的控制/计算单元1510包括第一实施例和第二实施例中描述的信号处理电路111。在该构造的情况下，控制/计算单元1510是包括校正单元的信号处理单元。

尽管本实施例的上述描述假定了如下构造：第一实施例和第二实施例中描述的信号处理电路111配设在图像传感器154的外部，但是也可以是如下构造：仅一些功能配设在图像传感器154的外部。例如，信号处理电路111将s1-n1、s2-n2、s3-n3以及s4-n4输出到图像传感器154的外部。信号处理单元155或控制/计算单元1510计算增益校正值βg和偏置校正值αg。信号处理单元155或控制/计算单元1510将所获得的增益校正值βg和偏置校正值αg返回到图像传感器154中包括的信号处理电路111。图像传感器154的信号处理电路111使用这些校正值进行像素信号读出操作。即使使用该构造，也可以获得与第一实施例和第二实施例中描述的效果相同的效果。

可以将配设有图像传感器154的半导体基板和分离的半导体基板叠置起来，在该分离的半导体基板上，配设有作为校正单元的信号处理单元155或控制/计算单元1510。

虽然参照示例性实施例对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明的方面不限于所公开的示例性实施例。应当对所附权利要求的范围给予最宽的解释，以使其涵盖所有这些变型例以及等同的结构和功能。