成像设备及其驱动方法
【专利说明】成像设备及其驱动方法
[0001]本申请是基于申请号为201210204450.3、申请日为2012年6月18日、发明名称为“成像设备及其驱动方法”的专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及成像设备及其驱动方法。
【背景技术】
[0003]已知使用CMOS图像传感器作为成像装置的数字式照相机。对像素信号应用模数(AD)转换的成像装置已知使得能够以高速读出信号。已经知道了一种AD转换技术，在其中比较器将像素信号与时间相关的参考信号(斜坡信号)进行比较并且获取根据信号振幅的AD转换的数据。因此期望包括AD转换器的成像装置实现高速读取和高分辨率。
[0004]考虑到像素信号的光学散粒噪声，仅仅足以实现信噪比的比特是必需的。根据分类成多个信号电平，高速读出和高分辨率可以通过减少比特数来实现。此外，已知根据信号振幅结合比较器和参考信号的方法(例如，参见日本专利申请公开N0.2007-281987)。
[0005]日本专利申请公开N0.2007-281987的技术利用多个比较器。因此，存在响应速度根据制造构成比较器的元件的变化而不同从而导致AD转换的数据的误差的问题。此外，存在增大电路面积和功率消耗的难点。
【发明内容】
[0006]根据本发明的一个方面，一种成像设备包括:用于通过光电转换产生信号的像素；比较电路，用于将基于像素的信号与时间相关的参考信号进行比较；计数器电路，执行计数操作直到基于像素的信号与时间相关的参考信号之间的大小关系反转；以及选择电路，用于根据基于像素的信号的信号电平来设定参考信号的时间相关的变化率。
[0007]从以下参考附图的示例性实施例的描述中本发明更多的特征将变得清晰。
【附图说明】
[0008]图1是根据本发明的第一实施例的成像装置的结构图。
[0009]图2是示出像素信号的信噪比的图。
[0010]图3是示出斜坡信号的图。
[0011]图4是本发明的第一实施例的AD转换单元的框图。
[0012]图5是图4中的AD转换单元的时序图。
[0013]图6是示出用于AD转换的数据的比特移位(bit-shift)单元的图。
[0014]图7是根据本发明第二实施例的AD转换单元的框图。
[0015]图8是根据本发明第三实施例的AD转换单元的框图。
[0016]图9是用于AD转换的数据的比特数调整单元的框图。
[0017]图10是成像系统的结构图。
[0018]图11是示出了图1中的成像装置的配置的示例的示意图。
[0019]图12是像素的等效电路图。
[0020]图13是示出了图11中示出的成像装置的工作的示例的时序图。
【具体实施方式】
[0021]现在将根据附图详细描述本发明的优选实施例。
[0022](第一实施例)
[0023]图1是根据本发明的第一实施例的成像装置100的示意性结构图。成像装置100是CMOS图像传感器，对由所接收的光形成的被摄物图像进行光电转换，并且输出电信号作为数字信号。成像装置100包括像素单元10、垂直扫描电路15、放大单元20、斜坡信号产生电路(参考信号产生电路)25、比较器单元30、计数器单元40、存储单元50、输出电路60、水平扫描电路65和定时产生电路(TG)70。像素单元10包括以二维矩阵方式布置的像素10-1。像素10-1通过光电转换输出像素信号。垂直扫描电路15向像素单元10输出驱动脉冲Χ-1、Χ-2、……。放大单元20放大来自像素单元10的像素信号。斜坡信号产生电路25产生时间相关的斜坡信号(参考信号)作为用于像素信号的比较信号。比较器单元30将由放大单元20放大的像素信号与斜坡信号进行比较。计数器单元40计数直到比较器单元30输出比较结果。存储单元50保持计数器单元40的计数数据，并且对保持的数据执行比特移位和运算。水平扫描电路65通过水平扫描将来自存储单元50的数据传送到输出电路60。定时产生电路70控制电路模块的定时。
[0024]在像素单元10的区域中布置多个像素10-1。然而，图1仅仅示意性地示出四个像素。多行像素10-1由来自垂直扫描电路15的相应的驱动脉冲Χ-1、Χ-2顺序地驱动。每个像素10-1的复位信号(比较信号)和作为光电转换信号的有效信号经由垂直输出线V-1?V-n被引导到放大单元20。针对相应的垂直输出线V-1?V-n提供从放大单元20到存储单元50的电路。放大单元20的每个放大电路20-1可以仅仅具有简单地放大来自像素10-1的信号的功能。作为替代，该电路可以具有CDS处理功能，该CDS处理功能执行有效信号和复位信号之间的差分处理。在放大单元20中没有⑶S处理功能的情况下，⑶S处理在比较器单元30的输入部中被执行。放大单元20不是强制性的。然而，放大具有减少比较器单元30中引起的噪声的影响的有利效果。
[0025]比较器单元30包括从放大单元20来的与像素列对应的比较电路30-1以及选择斜坡信号之一的选择电路30-2。比较器单元30确定来自放大电路20-1的像素信号的振幅是大于还是小于考虑到像素信号的信噪比而设定的参考比较信号，根据该结果选择要与像素信号进行比较的斜坡信号，并且执行比较处理。每个比较电路30-1输出反相信号，其是与根据输入信号振幅的确定的结果而选择的一个斜坡信号比较的比较结果。比较器单元30将像素信号与斜坡信号进行比较。计数器单元40计数从斜坡信号的前沿到输出信号的反相的计数器时钟。计数结果作为AD转换的数据被保持在存储单元50的存储电路50-1中。存储电路50-1对复位信号的AD转换的数据和有效信号的AD转换的数据执行比特移位和运算之一，由此增加比特数，并且根据来自水平扫描电路65的扫描脉冲将处理后的数据传送到输出电路60。
[0026]如上所述，成像装置100使得一个比较电路30-1根据像素信号的振幅执行与斜坡信号的比较。因此，装置发挥可以通过涉及少量比特的AD转换处理而获取多比特的AD转换的数据的有利的效果。
[0027]图2是示出用于描述图1中的成像装置100的工作原理的像素信号的信噪比的图。图2的横坐标表示到像素10-1上的入射光量。纵坐标指示根据入射光量光电转换的信号电平的对数表示。实线201表示信号。假设在IV的信号电平处光载流子N = 10000。虚线202表示光学散粒噪声。如公知的，噪声的量被表示为V No虚线203表示在CDS之后的像素系统噪声(包括由放大器引起的噪声但是排除由AD转换引起的噪声)。假设像素系统噪声203是0.2mV，作为IV的信号电平和0.2mV的像素系统噪声之间的比例的信噪比是74dB。支持该信噪比的AD转换考虑到量化比特误差而要求大约14比特的分辨率。分辨率越高，计数器时间增加越多。因此，要求一定的AD转换时间。在成像装置中，信号读出的速度被降低。结果，不能执行高速成像。
[0028]因此本实施例通过减少AD转换的比特的数量来实现高速读出。例如，在假设大振幅信号电平为IV的情况下，光学散粒噪声202大。因此，假设大振幅信号电平为10000个电荷并且光学散粒噪声为100，信噪比为40dB。在假设小振幅信号电平为10mV的情况下，信噪比为20dB。也就是说，仅仅要求任一点的信号电平具有用于保证在40dB之上一点的信噪比的分辨率。
[0029]图2讨论10比特的AD转换，其中以62.5mV为界线分类成大振幅信号AD⑶和小振幅信号AD(L)，62.5mV为IV的信号的1/16(对应于四比特)。双点一线的虚线204表示对于IV的信号振幅的AD转换的分辨率。交替长短的虚线205表示对于62.5mV的信号振幅的AD转换的分辨率。虽然两种类型AD转换都具有10比特的AD转换精度，但是图示指示了即使考虑到光学散粒噪声202中的量化误差AD分辨率也较小。10比特AD转换器可以通过对两个AD转换的数据比特移位来获取具有14比特精度的AD转换的数据。
[0030]对于大振幅信号和小振幅信号的转换对应于10比特。在该转换中，提供的斜坡信号的斜度(其为参考信号的时间相关的变化率)的设为16的比例与对于24= 16(即四比特)的分辨率的变化对应。对于IV的信号范围可以通过结合具有这种关系的两个类型来实现14比特分辨率。在这里，大振幅信号的转换被讨论。本实施例根据IV(其为信号振幅的最大值)的1/16的界线来确定信号是否为大振幅信号。该值为1000mV/16 = 62.5mV。因此，用于确定的界线为62.5mV。
[0031]另一方面，在小振幅信号的转换中，直到62.5mV的界线的小振幅信号使用具有用于大振幅信号的斜坡信号的1/16的斜度的斜坡信号来被AD转换。因此，小振幅信号的AD转换的分辨率205为大振幅信号的AD转换的分辨率204的1/16。因此，对于62.5mV的信号振