固态图像拾取装置和照相机系统的制作方法

专利名称：固态图像拾取装置和照相机系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种以CMOS图像传感器为代表的固态图像拾取 装置、以及照相4几系统。
背景技术：
近来，作为替代CCD的固态图像拾取装置(图像传感器)， CMOS图像传感器已引起关注。
关于这一点的原因在于，CMOS图^f象传感器解决了 CCD所固 有的问题，该固有的问题是CCD像素的制造需要专门的处理、对 于多个电源电压的操作，并且该操作需要结合多个外围IC，从而使 系统变得非常复杂。
CMOS图像传感器的多个显著优点在于对于制造，可以使用 与普通CMOS集成电路的制造工艺类似的制造工艺；可以通过单个 电源来驱动CMOS图像传感器；以及使用CMOS工艺的模拟电路 和逻辑电^各可以共存于同一个芯片内，乂人而减少了外围IC的凄史量。 对于CCD的输出电路，主要使用采用了具有浮动扩散区(FD) 层的FD放大器的1通道(ch)输出。
另一方面，CMOS图1"象传感器具有用于每个1"象素的FD》丈大器。 对于其输出，主要使用了列并行输出方案，其中，选择在像素阵列 中的一4亍，并在列方向上同时读出该4亍中的{象素。
关于此的原因在于，难以向置于像素中的FD放大器提供足够 的驱动能力，因此，必须降低数据率，并且并行处理是有利的。
以下将给出普通CMOS图^f象传感器的描述。
图1是示出了包括四个晶体管的CMOS图Y象传感器的像素的一 个实例的示图。
例如，像素10包括作为光电转换元件的光电二极管11。对于 这一个光电二极管11，像素10包括作为有源器件的四个晶体管， 它们是转移晶体管12、放大晶体管13、选择晶体管14和复位晶体 管15。
光电二极管11将入射光光电地转换为具有与入射光的量对应 的量的电荷(在这种情况下为电子)。
转移晶体管12连4妄在光电二才及管11和浮动扩散区(floating diffusion) FD之间。通过转移控制线LTx向转移晶体管12的栅极 (转移栅极)施加驱动信号，从而转移晶体管12将在光电二4及管 11处光电地转换后的电子转移至浮动扩散区FD。
;故大晶体管13的棚-才及连接至浮动扩散区FD。；改大晶体管13 经由选择晶体管14连接至信号线LSGN。源极跟随器由放大晶体管 13和在4象素阵列外的恒流源16构成。
通过选择控制线LSEL将地址信号施加至选择晶体管14的栅 极。当选择晶体管14导通时，放大晶体管13放大浮动扩散区FD 的电位并将对应于该电位的电压输出至输出(垂直)信号线LSGN。 通过信号线LSGN从每个像素输出的信号电压被输出至像素信号读 出电^各。
复位晶体管15连接在电源线LVDD和浮动扩散区FD之间。 当通过复位控制线LRST将复位信号施加至复位晶体管的栅极时， 复位晶体管15将浮动扩散区FD的电位复位为电源线LVDD的电 位。
更具体地，当对像素进行复位时，转移晶体管12导通以电清 除在光电二极管11中累积的电荷。随后，转移晶体管12截止，光 电二极管11将光信号转换为电荷并累积电荷。
当进行读出时，复位晶体管15导通以4吏浮动扩散区FD复位， 复位晶体管15截止，以及通过放大晶体管13和选择晶体管14输 出浮动扩散区FD在此时的电压。此时的输出是P-相位输出。
随后，转移晶体管12导通以将在光电二^^及管11中累积的电荷 转移至浮动扩散区FD，并且通过方欠大晶体管13输出浮动扩散区FD 在此时的电压。此时的输出是D-相位输出。
当将D-相位输出和P-相位输出之间的差用作图像信号时，不 仅可以从图像信号中去除每个像素的输出的DC分量的偏差，而且 还可以从图像信号中去除浮动扩散区的FD复位噪声。
例如，因为转移晶体管12、选"^奪晶体管14、复位晶体管15的 各个栅极以行为单位连接，所以对一行中的每个像素同时执行这些 操作。
已对列并行输出型的CMOS图像传感器的像素信号读出(输 出)电路作出了多种提议。其中最先进的一种模式是向每一列设置 模-数转换器(下文中，简称为ADC (才莫数转换器))并提取像素信 号作为数字信号的类型。
例如，在W. Yang等人的"An Integrated 800x600 CMOS Image System", ISSCC Digest of Technical Papers, pp. 304至305, Feb., 1999 中或者在日本未审查专利申请公开第2005-278135号中，披露了包 括安装于其上的列并4亍ADC的CMOS图4象传感器。
图2是示出了包括安装于其上的列并行ADC的固态图像拾取 装置(CMOS图像传感器)的配置实例的框图。
如图2所示，固态图像拾取装置20包括作为成像单元的像素 阵歹'J 21、垂直扫描电i 各22、水平转移扫描电3各23、定时控制电^各 24、 ADC组25、数-模转换器(下文中，简称为DAC (数模转换器)) 26、放大器电路(S/A) 27和信号处理电路28。
例如，如图1所示，像素阵列21包括光电二极管和在像素内 的放大器，并被配置为以矩阵方式布置像素。
固态图像拾取装置20包括用于连续读出像素阵列21的信号的 控制电路。控制电路包括定时控制电路24,用于生成内部时钟； 垂直扫描电路22，用于控制行地址或4亍扫描；以及水平转移扫描电 路23,用于控制列;也址或列扫描。
ADC组25由以多列形式方文置的ADC形成。ADC包4舌比專交器 25-1、计数器25-2和锁存器25-3。比较器将基准电压Vsl叩(为通 过逐步改变由DAC 26生成的基准电压获得的斜坡波形(RAMP )) 与关于从关于每个行线的像素经由垂直信号线获得的模拟信号进
行比较。计数器对比较时间进行计数。锁存器保存计数结果。ADC 组25具有n位数字信号转换功能并具有对每条垂直信号线(列线) 设置的ADC中的每个，从而构成了列并行ADC块。
例如，各个锁存器25-3的输出连接至宽度为2n个位的水平转 移线29。
此外，；改置与水平转移线29对应的2n个方文大器电3各27和处 理电路28。
在ADC组25中，将读出至垂直信号线的模拟信号(电位Vsl) 与在对每列设置的比较器25-1处的基准电压Vslop (变为具有一定 斜度的线性形状的斜坡波形)进行比较。
此时，使类似于比较器25-1对每列设置的计数器25-2操作， 并且当4吏具有斜;皮波形的基准电压Vslop和计凄t器的值——对应地 改变时，垂直信号线的电位(模拟信号)Vsl被转换为数字信号。
以一定循环(时钟)对时间进行计数，从而执行向数字值的转换。
当模拟电信号的电位Vsl与基准电压Vslop相交时，将比较器 25-1的输出反转以z使计凄丈器25-2的输入时钟停止。因此，完成了 AD转换。
在上述AD转换期间结束之后，通过水平转移扫描电^各23,将 保存在锁存器25-3中的凄t据经由水平转移线29和方文大器电3各27 输入至信号处理电路28。因此，生成了二维图^f象。
如上所述，执行了列并行输出处理。

发明内容
近来，在用作诸如数码相机的装置的固态图像拾取装置(将光 转换为电信号并输出图像信号)中，连同像素数量的增加或高帧率， 高速读出或低功耗已成为一项必需的技术。
如上所述，作为固态图像拾取装置之一的MOS (CMOS)图像 传感器利用了可以4艮据与CMOS集成电路的工艺类似的工艺来制 造图像传感器的特性，以对每个像素将电荷转换为电信号并对每列 并行处理从像素读出的电信号，从而提高了读出速度。
另一方面，当对每列并行处理电信号时，可以实现高速度。然 而，由于在并4亍处理时，电3各所消肆€的电流的集中引起的电流增大 或区域电流集中，出现了引起电源变化的问题。
下面将进一步研究该问题。
结合图3和图4描述上述计数器的操作和计数器消耗的电流。
图3是示出了所成像的对象较亮情况下的状态的示图。
根据亮度将信号累积在像素中，并且当进行读出时，如图3所 示，垂直信号线电位Vsl降低为比复位电平低。读出电路执行信号 改变的A/D转换。
在此情况下，在计数器操作的期间内，即，在读出至垂直信号 线的^f言号电〗立Vsl和基准电压Vslop相交之前产生计凄t器的电流消 耗。在计数器停止的时间点，将消耗的电流几乎变为零。
计数器在一次AD转换中消耗的电流对应于图3所示的瞬时电 流的总量，即，图3所示的区域。在图3中，计数器操作两次，即，在读出像素的复位电平时和 在读出信号电平时，并且操作以取出从中获得的差异数据。然而， 这是一个实例，计数器可以被配置为仅在读出信号电平时操作。
图4是示出了在所成像的对象很暗的场景下的状态的示图。
此时，垂直信号线电位Vsl和基准电压Vsl叩直接相交。因此， 计数器的操作期间很短，并且计数器在一次读出中消耗的电流(图 4所示的瞬时电流的总量)减小。
因此，计数器进行操作的期间根据信号量变化，并且电流消耗 也才艮据信号变化。即，在对每4亍才丸4亍一次的AD转换中，所有列总
共的电流消耗随每行变化。
图5是示出了当在垂直方向上存在白色、黑色、白色、黑色变 化的图像被成像时计数器的电流消耗的示图。
在拍摄白色的期间内，计数器的电流消耗变为最大，而在拍摄 黑色的期间内，电流消碑毛变为最小。
因此，计数器的列总电流消耗相对于每行根据亮度变化，并且 该变4匕随<言号而不同。因此，在电源中以完全不固定的间隔引起变 化，使得电源变化可以被返回给读出电路，这可能使图片劣化。
为了解决像这样的电流载荷波动，通常已采取用于通过增大外 部电容来平滑波动的措施。然而，近来，由于图像传感器经常被实 施在诸如便携式电话的移动装置中，所以使外部电容更小或者降 低，同时还需要模块小型化。因此，存在不能依靠上述措施的趋势。
因此，需要提供一种固态图像拾取装置以及使用该固态图像拾 取装置的照相机系统，该固态图像拾取装置能够使在执行同时并行
处理时所产生的电流集中得到緩和以实现电流平滑化，并且抑制电 源波动。
根据本发明的第一方面，提供了一种固态图像拾取装置，其包
括像素阵列，包括以矩阵排列的多个像素；以及像素信号读出电 路，用于以像素为单位从像素阵列中读出像素信号。每个像素执行 光电转换。像素信号读出电路包括多个比较器和其操作受到比较器 的输出控制的多个计数器。比较器被设置为对应于一列像素。每个 比较器将读出信号电位与基准电压进行比较以产生确定信号，并输 出该确定信号。每个计数器被配置为对多个比较器中的对应比较器 的比较时间进行计数。对每一列或多列，多个计凄t器具有不同的梯: 作期间。
根据本发明的第二方面，提供了一种相机系统，其包括固态图 像拾取装置和用于将对象图像成像到固态图像拾取装置上的光学 系统。固态图像拾取装置包括多个像素以矩阵排列的像素阵列， 每个像素被配置为执行光电转换；以及像素信号读出电路，用于以 多个像素为单位从像素阵列中读出像素信号。像素信号读出电路包 括多个比较器和操作受到比较器的输出控制的多个比较器。比较器 被设置为对应于像素的列排列。每个比较器将读出信号电位与基准 电压进行比较以生成确定信号，并输出确定信号。多个比较器中的 每个被配置为对对应比较器的比较时间进行计数。对每一列或多 列，计数器具有不同的"J喿作期间。
优选地，当读出信号电位与基准电压一致时，比4交器可以反转 输出电平。对每列设置的具有不同的操作期间的多个计数器可以包 括第一计数器，每个被配置为在对应比较器的输出被反转之前操 作；以及第二计数器，每个被配置为在对应比较器的输出被反转之 后操作。 可以对每种色彩交替地设置第一计数器和第二计数器。
可以对每一像素列交替设置第 一计数器和第二计数器，以对应 于作为相邻同色系的多个像素列，其中，多个像素列具有近似值。
第一计数器和第二计数器中的一个可以执行向上计数操作，而 另 一个可以执行向下计数操作。
像素信号读出电路可以包括用于控制时钟向第一计数器或第 二计数器的传输的时钟传输控制单元。当传输第一计数器的时钟 时，时钟传输控制单元可以在对应比较器的输出净皮反转之前传输时 钟，并且响应于比较器的输出的反转而停止时钟的传输。当传输第 二计数器的时钟时，时钟传输控制单元可以在比较器的输出被反转 之前停止时钟的传输，并且响应于比较器的输出的反转而传输时 钟。
可以提供用于对由像素信号读出电路读出的信号执行图像处 理的信号处理单元。信号处理单元可以在除计凄欠器的4喿作期间之外 的期间内集中地执行图像信号处理。
根据本发明的实施例，在4象素信号读出电路中，通过进行比较 来确定读出信号电位和基准电压，并输出通过进^f亍确定而获得的确 定信号。在计数器中，通过比较器的输出控制操作，并且对对应计 数器的比较时间进行计数。
此时，以一列或多列为单位，多个计数器的操作期间不同，并 且在执行同时并行处理时所产生的电流集中得到了緩和，从而使电
流平滑。
才艮据本发明的实施例，可以緩和在执行同时并行处理时所产生 的电流集中以实J见电流平滑，乂人而能够^卩制电源波动。
以上本发明的概述并不用于描述本发明的每一所示的实施例 或每个实施方式。以下的附图和详细描述更具体示出了这些实施 例。


图l是示出了包括四个晶体管的CMOS图像传感器的像素的一 个实例的示图2是示出了包括安装于其上的列并行ADC的固态图像拾取 装置(CMOS图像传感器)的配置实例的框图3是用于描述计数器的操作和计数器消耗的电流的示图，以 及是示出了在所成像的对象比较清楚的情况下的状态的示图4是用于描述计数器的操作和计数器消耗的电流的示图，以 及是示出了在所成像的对象很暗的情况下的状态的示图5是示出了计数器在垂直方向上存在白色、黑色、白色、黑 色变化的图像被成像时的电流消耗的示图6是示出了根据本发明的第一实施例的包括安装于其上的列 并列ADC的固态图像拾取装置(CMOS图像传感器)的配置实例 的框图7是示出了根据实施例的计数器的操作的一个实例的示图8是示出了根据实施例的时钟传输控制单元的配置实例的示
图9A和图9B是均示出了图8中的门电路组块的配置实例的 示图10是示出了处理根据设置数据切换的前一计数器和后一计 凄史器的配置的示图11是用于描述以下配置实例的示图，其中，由于相邻的同 色像素具有近似值，所以每两列交替地执行前计数和后计数；
图12是示出了计数器在输入某个适当信号电平(像素信号) 时的才喿作的示图13是示出了计数器在向所有列输入饱和电平(即，白电平 信号)时的操作的示图14是示出了计^:器在在几乎没有向所有列4t入任何llT入信 号(即，黑电平信号)时的操作的示图15是示出了当获得一幅图^象时信号在水平方向和垂直方向 上的转才灸的 一 个实例的示图16A、图16B和图16C是用于描述向一列统一输入白电平信 号情况的示图17A、图17B和图17C是用于描述向多列统一输入接近黑电 平的信号1情况的示图18A、图18B和图18C是用于描述向多列输入在水平方向上 改变的信号而非统一信号情况的示图19A、图19B和图19C是用于描述输入了从黑色变为白色(边 缘)的信号的情况的示图20是示出了某个图J象的一个实例的示图，示出了4妾近在暗 室中存在窗户和在窗户外部图像很亮(给出维持在白色电平附近的 底色)的场景的图^象的实例。
图21是示出了根据本发明的第一实施例的包括安装于其上的 列并行ADC的固态图像拾取装置(CMOS图像传感器)的配置实 例的框图22是用于描述第二实施例的特性的示图；以及
图23是示出了应用根据本发明实施例的固态图像拾取装置的 照相才几系统的配置的 一 个实例的示图。
具体实施例方式
以下将结合附图描述本发明的实施例。
图6是示出了根据本发明的第一实施例的包括安装于其上的列 并行ADC的固态图像拾取装置(CMOS图像传感器)的配置实例 的框图。
如图6所示，固态图像拾取装置100包括作为成像单元的像素 阵列110、垂直扫描电路120、 7K平转移扫描电^各130、定时控制电 路140、作为像素信号读出电路的ADC组150、 DAC (数模转换器) 160、；改大器电^各(S/A)170、 ^言号处理电^各180和水平转移线190。
像素阵列110包括光电二极管和在像素内的放大器，并被配置
为例如以矩阵的形式排列图1所示的像素。
固态图像拾取装置100包括作为用于连续地读出像素阵列110 的信号的控制电路的定时控制电路140，用于生成内部时钟；垂直 扫描电i 各120,用于控制行地址和行扫描；以及7K平转移扫描电^各 130,用于控制列地址和列扫描。
在ADC组150中，以多列的形式设置ADC, ADC由以下部件 组成比较器151，用于对基准电压Vslop和模拟信号(电位Vsl) 进行比较，基准电压Vslop是通过逐步改变由DAC 160产生的基准 电压而获得的斜坡波形(RAMP)，模拟信号是从关于每条行线的像 素经由垂直信号线获得的；计数器152,用于对比较时间进行计数； 以及锁存器153，用于保存计数结果。
ADC组150具有n位tt字信号转换功能，并且每个ADC是为 每条垂直信号线(歹'J线)设置的，从而构成了列并行ADC組块。
例如，各个锁存器153的输出连接至宽度为2n个位的水平转 移线190。
此外，i殳置了乂十应于7K平转移线190和^f言号处理电^各180的2n 个》文大器电^各170。
在ADC组150中，在对每列设置的比较器151处将读出至垂 直信号线的模拟信号(电位Vsl)与基准电压Vslop (变为具有一定 倾斜度的线性形状的斜坡波形)进行比较。
此时，对类似于比较器151而为每列设置的计数器152进行操 作，并且当具有斜坡波形的基准电压Vslop和计数器值——对应地 改变时，电位(模拟信号)Vsl和垂直信号线被转换为数字信号。
改变基准电压Vslop用于将电压改变转换为时间改变，并且以 一定循环(时钟)对时间进行计数，从而执行向数字值的转换。
当模拟电信号的电位Vsl和基准电压Vslop相交时，比较器151 的输出被反转以使计数器152的输入时钟停止或者将停止输入的时 钟输入到计数器152中。因此，完成了 AD转换。
在上述的AD转换期间结束之后，通过水平转移扫描电^各130 将保存在锁存器153中的数据传输至水平转移线190，经过放大器 电路170,然后被输入至信号处理电路180。因此，通过预定的信 号处理生成二维图^f象。
在根据本发明的ADC组150中，可以緩和在才丸行同时并行处 理时所产生的电流集中，以实if见电流平滑，这才羊能够^^制电源波动。 为了实现此，在ADC组(像素信号读出电路)150中，基本上改变 改变计数器152在每列操作的时间期间(这意味着计数器152操作 的时间期间对于每列有所不同)。
更具体地，在该实施例的ADC组150中，在为每列:没置的计 数器152中，实现了两种类型的电路。 一种是在计数器151的输出 被反转之前操作的电路；以及另一种是在比较器151的输出被反转 之后操作的电路。
在这种情况下，对每种色彩交替地设置在操作上不同的两种类 型的计数器。
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此外，在操作不同的计数器中， 一种被配置为执行向上计数操
作，而另一种净皮配置为执4亍向下计凝:才喿作。
下文中，将详细描述具有该实施例的特性配置的ADC (像素 信号读出电i 各)组150的配置，具体地，计凄t器的配置和功能。
图7是示出了根据本发明实施例的每个计数器的操作的一个实 例的示图。
采用图7所示的前计数的计数器配置(第一计数器)被配置为 在比较器151的预定信号S151到达之前(在比4交器151的输出被 反转之前)使计数器152操作。采用后计数的计数器配置(第二计 数器)被配置为在比较器151的确定信号S151到达之后(在比较 器151的输出信号被反转之后)将时钟传输至计数器152。
图8是示出了才艮据本发明实施例的时钟传输控制单元的配置实 例的示图。
时钟传输控制单元200包括门电3各组块单元210,用于响应 于比4交器151的确定信号S151控制时钟CLK纟皮输入计数器152的
專lr入时间。
以 一 列或多列为单位i殳置采用前计#t的计凄t器和采用后计翁: 的计凄t器。因此，以一列或多列为单位，将门电^各组块单元210i殳 置在计数器152的输入级处。
图9A和图9B是均示出了图8中的门电^4a块单元210的配 置实例的示图。
在图9A中，门电路组块单元210A包括2-输入或非门电路211。
门电^各组块单元210A对应于前计凄t，其中，在比4交器151的 确定信号S151到达之前(在比较器151的输出被反转之前)使计 数器152操作。
在图9B中，门电路组块单元210B包括2-输入与非门电路212。
门电路组块单元210B对应于后计数，其中，在比较器151的 确定信号S151到达之后(在比较器151的输出信号被反转之后) 使计数器152操作。
7氏替采用如上所述的固定排列，例如，如图10所示，其可以 配置为根据从外部向设置在定时控制电路140中的寄存器141设置 的凄W居来在前计凄t和后计凄t之间进4亍切才奐。
在图IO的实例中，设置了具有2-输入或非门电路211和2-输 入与非门电路212的組块213。当所设定的数据为低(L)时，选择 2-输入或非门电路211来执行前计数，而当所设定的数据为高(H ) 时，选4奪24Ir入与非门电^各212来而执4亍后计凄史。
在该配置中，在4吏用前计凄t时，在4喿作之前，，计H器152^皮初 始化为零，并且与时钟CLK的传输同时，计凄t器152开始计凄t。
在作为比较器151的输出的确定信号S151被反转时，计数器 152停止，并且此时获得的值被保存在锁存器153中，从而执行AD转换。
在图10的实例中，在第300个时钟处^f吏比较器151的输出反 转，并且将此时获得的值保存在锁存器153中。
随后，在4吏用后计lt时，在4乘作之前，所有的计H器152都#皮 初始4乜为"1"，即，在l(H立的十青况下，#皮一刀始4匕为1023。
此后，虽然开始输入时钟CLK，但是计数器152首先就被门电 i 各组块单元210 4亭止。
从比较器151的输出被反转的时间开始，计数器152操作。此 时，计数器执行向下计数操作。在时钟到达1023个时钟时，计数 器152 1亭止，因而，计凄t器的值达到300。
因而，在该实施例中，既4吏用了前计H又4吏用了后计凄t。然 而，计^t的配置并不限于此。在后计lt中可能并不必需向下计凄"喿 作，并且当执行向上操作并在随后处理组块处减去了最大值时，可 以获得近似值。
例如，在图7中，当后计数使用递增模式(向上系统)时，计 数器的值为723,而当在后一级4丸4亍(1023 -723 )的计算时，可以 得到300。
本实施例中的一点在于，如图11所示，对每种色彩交替地设 置用于前计数的计数器和用于后计数的计数器。
图11的实施例被配置以使相邻的同色像素具有近似值，因此， 每隔两列交^^;也才丸^f亍前计凄t和后计凄t。
即，在图11的实施例中，对应于具有相同色系并具有近似值 的多个相邻像素，对这些像素列中的每一列交替地设置前计数器 (preceding counter )和后计数器(subsequent counter )。
这里，相邻像素通常具有近似电平的图片信号。尽管存在急剧 改变的边缘，但是除非关心的是测试图案，否则不会产生白色和黑 色以像素为单位相继改变的图像。
在该实施例中，利用这种图片信号的特性来实现用于获取电流
平滑的电路。参考图12、图13和图14来描述这个优点。
图12是示出了计数器在适当的信号电平(像素信号)被输入 时的才喿作的示图。
在图12中，假设对每个偶数列设置前计数器而对每个奇数列 设置后计数器进行描述。
由于在偶数列中设置了前计数器，所以在比较器151的输出被 反转之前，计数器152操作，并且在该操作期间，产生了电流消耗。
相反，由于在奇数列中设置了后计数器，所以在比较器151的 输出被反转之后，计数器152才操作，并且在操作期间，产生了电 流消耗。
如图12所示，相对于当在整个水平列上都输入相同信号时所 有列的总电流消耗，在现有计数器配置中，在所有列中停止计数器 151之前，电流集中在一个期间内。
与此相反，在该实施例的计数器配置中，在比较器151的输出 蜂皮反转之前， 一半计数器一直操作，而在比较器151的输出被反转 之后，另一半计数器才开始操作。因此，计数器的电流消耗在AD 转换期间变为恒定电流。
随后，图13是示出了计数器在所有列都被输入饱和电平(即， 白电平信号)时的操作的示图。
在此情况下，计数器的操作与图12所述的操作相同。然而， 在现有配置中，由于计数器执行全计数，所以在对所有列进行AD 转换的同时，计数器持续操作，并因此，电流消耗变为最大值。与此相反，在根据实施例的计数器配置中， 一半计数器执行全 计数，而另一半实际上不操作。
因此，在近一半现有的计数器配置中，降低了计数器在所有列 中 一皮消4毛的电流消津毛。
这里，应注意，与图12所示的适当输入信号时的计数器电流 消耗相比，计数器的电流消耗对应于现有系统中的输入电平而变 化，然而，在本实施例的计数器配置中，先读计数器(read-ahead counter)和后读i十凄史器(read-behind counter ) ^皮jt匕4卜^f尝消诔毛电;危的 时间期间。因此，电流消肆毛几乎〗呆持恒定。
图14是示出了计数器在输入信号(即，黑电平信号)没有被 输入所有列时的操作的示图。
在这种情况下，在现有系统中，比较器151的输出被立即反转， 因此，计数器的操作期间很短，并且所有计数器的电流消耗降低。
与此相反，在本实施例中的计数器电流消耗与参考图12和图 14所述的输入信号的情况几乎相同。
与在读出黑电平4言号时的电流消摔毛相比，电流纟肖库毛比i见有计凄t 器配置的电流消耗大。然而，假定为图片信号，那么仅读取黑电平 意味着不提供任何图片信息，并因此，不连续执行这样的读出操作。
与当存在图片信号时电流消耗随电平而变化的现有系统相反， 在作为本实施例的^f象素^f言号读出电^各的ADC《且150中，电流消库毛 可以几乎完全受控，而无需依赖信号电平。
至此，为了简化描述，给出了关于将相同的信号输入至所有列 的情况的描述。
然而，在实际的图片信号中，在水平方向上(即，在各列上) 输入的信号不同。
图15是示出了当获得一幅图像时信号在水平方向上和垂直方 向栅的转换的 一 个实例的示图。
如图15所示，正常^f言号电平在水平方向和垂直方向上改变。
同时执行在水平方向上的读出，因此，除非即使信号在水平方 向上呈任何形式的模式时电路的电流消耗仍恒定，否则如图3和图 4所示，在垂直方向上电^各所消肆毛的电流在读出时有所不同。因此， 引起了电源波动。
此前，通过利用在水平方向上的信号在各列上也不同的实际情 况来描述本发明实施例的优点。
首先，如图16A-图16C所示，给出了关于按列统一llr入白电 平信号的情况的描述。
在计凌t器中，电流消一毛才艮据:燥作时间而线性变化。即，电流消 耗才艮据信号量而线性变化。在这种情况下，给出了将信号的最大值 设为10以及将信号量直接用作电流消耗的描述。
在图16B所示的现有电^各的电流消井毛的实例(其中，4妄近白电 平的信号8被统一输入至各列)中，列的数量为10。因此，获得了 电资u消肆毛80。
与此相反，在图16C所示的根据本发明实施例的电路中，每隔 一列设置后计数电路，并且在比较器151的输出被反转之后，执行 计数。因此，当输入信号8时，执行从8-10的计数。 因此，如图17A~图17C所示，研究将4妄近黑电平的信号1统 一输入至各列的情况。
当以类似方式》见看时，在图17B所示的现有系统中，所有列的 电流消库毛均为10。应了解，与输入图16B所示的接近白电平的信 号8的情况相比，电流明显改变。
与此相反，如图17C所示，根据本发明实施例的电路的电流消 诔毛为50,与读出图16C所示的白电平时的电流消库毛相同，并且没 有产生电流波动。
至此，描述了在对各列进4亍统一输入情况下的本发明实施例的 优点，这是为至此所述的内容。
随后，如图18A 18C所示，考虑向各个列l俞入在7jc平方向上 改变的信号而非统 一 信号的情况。
如图18B所示，现有电路的电流消耗为55,这个值与读出白 电平和黑电平时的那些^f直不同。
与此相反，根据本发明实施例的电路的电流消耗为45。应了解， 该^直与在读出白电平和黑电平时达到的电流消一毛的^f直几乎相同，并 且恒定。
此外，如图19A~ 19C所示，考虑了输入从黑色向白色变化(边 缘)的信号的情况。
如图19B所示，应了解，现有电路的电流消耗为63,这意味 着电路消耗随信号量变化，另一方面，在根据本发明实施例的电路 中，电流消耗为47，几乎等于在其他情况下的电流消耗的值。
图20是示出了图Y象的一个实例的示图，示出了4妄近在暗室中 存在窗户和在窗户外部图像很亮(给出维持在白色电平附近的底 色)的场景的图^f象的实例。
相对于在沿垂直(V)方向上读出时计数器所消耗的电流，电 流在具有许多白色的各行上增大，而电流在具有许多黑色的各4亍上 减小，因而，产生了电流波动。
与此相反，在根据本发明实施例的系统中，如上所述，电流几 乎4呆持恒定，因而，不会产生电流波动。
当在如上所述的每种情况下使用根据本发明实施例的计数器 时，可以使电流消耗保持恒定。尽管至此电流波动取决于IC的外 部电容，但是可以在没有这种依赖关系的情况下提高该特性。
具体地，在安装诸如移动装置的小型装置时，本实施例提供了 外部电容降低的优点。
图21是示出了根据本发明的第二实施例的包括安装于其上的 列并行ADC的固态图像拾取装置(CMOS图像传感器)的配置实 例的才医图。
图21中的固态图像才合取装置100A ^皮配置为^f吏信号处理电路 180A的图像信号处理集中在除计数器操作期间之外的时间期间内。
在列并行处理图像传感器中，对每行4丸行一次AD转换，并且 在一次AD转换中，电流消耗随每行而变化。在第一实施例中，已 描述该问题可以#皮解决。
在第二实施例中，还可以解决在AD转换期间的电流波动问题。
图22是用于描述第二实施例的特性的示图。
如图22所示，显而易见，在第一实施例中，在所有列中消耗 的计凄t器的瞬时电流消库毛的形状在每种情况下可以是统一。这种特 性佳_得一次AD转换的电流消摔毛恒定。
本文中，在一次AD转换期间计数器同样不始终操作。在图22 所示的垂直信号线电位Vsl稳定之前，存在稳定(settling)期间。 在稳定期间内，计数器的瞬时电流消耗变为零。
在第一实施例中，控制所有列的计数器瞬时电流的波形，从而 即使输入任何形式的信号，仍允许图中所示的统一瞬时电流波形。 第二实施例中用到了这点。如图22所示，在计凄t器瞬时电流为零 的时期内，例如，通过利用控制信号CLT2进行控制来集中信号处 理电3各180A的处理期间。因此，可以在一次AD转换的期间内实 现进一步的电流平滑。
如上所述，根据本发明的实施例，提供了像素阵列110，包 括以矩阵排列的多个像素并用于执行光电转换；以及像素信号读出 电路(ADC组)150,用于以行为单位从像素阵列中读出数据。ADC 组(像素信号读出电路)150包括多个比较器151，被设置为对 应于像素的列排列，用于通过将比较读出信号电位和基准电压进行 比较以生成确定信号，并输出确定信号；以及受到计数器的输出控 制的多个计数器152，用于对对应比较器的比较时间进行计数。当 读出信号电位Vsl和基准电压Vslop相交时，比较器151的输出被 反转以使输入比较器152的输入时钟停止或者将输入停止的时钟输 入至计数器152中。以一列或多列为单位，计数器152的操作期间 不同。更具体地，在对每列设置的计数器152中，提供了在比较 器151的输出被反转之前操作的计数器；以及在比较器151的输出 被反转之后操作的计数器。因此，可以得到以下优点。
即，可以使图像传感器消耗的电流平滑，因而，可以降低电源
IC的负载。
电流平滑消除了通过外部电容平滑化电源的需要，因而，展示 了使外部附加元件小型化或减小的影响。
与现有电路相反，在根据本发明实施例的读出电路中，在不增 大电路尺寸的情况下仅解决了电源变化的问题，而没有产生电路尺 寸与电流消一毛的折衷。
由于电流消耗没有被随亮度改变的增益而改变，所以不仅可以 抑制在读出一幅图像时的电流平滑，而且可以抑制由于场景的变化 引起的电流波动。
可以在才喿作期间-使计凄t器的瞬时电流平滑，因而，电流波动小， 并且才莫拟组块中的p喿声循环有所变4匕。因而，可以改善读出电3各的 噪声特性(持久性)。
在AD转换期间，几乎可以将操作计数器的数量减少一半，并 且在一半的现有电路中，可以降低计数器在一次AD转换时的最大 电流消4毛。因此，可以减小重复才喿作的电流负载。
具有这种优点的固态图4象拾耳又装置可以用作#1码照相才几或揭_ 像机的成像装置。
图23是示出了应用根据本发明实施例的固态图像拾取装置的 照相才几系统的配置的 一个实例的示图。
如图23所示，照相机系统300包括可应用根据实施例的固 态图像拾取装置100的成像装置310;光学系统，用于将入射光引 导到成像装置310的像素区域(用于使成像对象成像)，例如，用
于4吏入射光(图^f象光)成〗象到成^f象表面上的透4竟320;驱动电路 (DRV) 330,用于驱动成像装置310;以及信号处理电路(PRC ) 340,用于对成像装置310的输出信号进行处理。
驱动电路330包括用于产生各种定时信号的定时发生器(未示 出)，这些定时信号包括用于驱动成^象装置310中的电路的开始脉 冲或时钟"永冲，并且通过预定定时信号来驱动成^f象装置310。
信号处理电^各340对成像装置310的输出信号应用诸如CDS (相关双采用)的信号处理。
将经信号处理电路340处理的图像信号记录到诸如存储器的记 录介质中。利用打印机等以硬拷贝的形式打印被记录在记录介质中 的图像信息。将经信号处理电路340处理的图像信号作为运动图片 投影到由液晶显示器等形成的监视器上。
如上所述，在诸如数码照相机的图像拾取装置中，当固态图像 拾取装置100被实施作为成像装置310时，可以得到更高级的照相 机。
本领域技术人员应了解，根据设计要求和其它因素，可以进行 各种修改、组合、子组合和改进，均应包含在本发明的权利要求或 等同物的范围内。
权利要求
1.一种固态图像拾取装置，包括像素阵列，包括以矩阵排列的多个像素，每个所述像素被配置为执行光电转换；以及像素信号读出电路，用于以像素为单位从所述像素阵列中读出像素信号，其中，所述像素信号读出电路包括多个比较器，被设置为对应于一列像素，每个所述比较器被配置为将读出信号电位与基准电压进行比较，以产生确定信号并输出所述确定信号；以及多个计数器，所述多个计数器的操作受所述比较器的输出控制，每个所述计数器被配置为对所述多个比较器中的对应比较器的比较时间进行计数，以及其中，对每一列或多列，所述多个计数器具有不同的操作期间。
2. 根据权利要求1所述的固态图像拾取装置，其中当所述读出信号电位与所述基准电压一致时，所述比较 器反转输出电平，以及对每列设置的具有不同操作期间的所述多个计数器包括第一计数器，每个被配置为在对应比较器的输出被反 转之前才乘作；以及 第二计数器，每个被配置为在对应比较器的输出被反 转之后操作。
3. 根据权利要求2所述的固态图像拾取装置，其中，对每种色彩 交替设置所述第一计数器和所述第二计数器。
4. 根据权利要求2所述的固态图像拾取装置，其中，对每个像素 列交替设置所述第一计数器和所述第二计数器，以对应于作为 相邻同色系的多个^象素列，所述多个^象素列具有近似值。
5. 根据权利要求2所述的固态图像拾取装置，其中，所述第一计 数器和所述第二计数器中的 一个执行向上计数操作，而另 一个 执行向下计数操作。
6. 根据权利要求2所述的固态图像拾取装置，其中所述像素信号读出电路包括用于控制向所述第一计数器 或所述第二计数器传输时钟的时钟传输控制单元，当传输所述第一计数器的时钟时，所述时钟传输控制单 元在所述比较器的输出被反转之前传输所述时钟，并且响应于 所述比较器的输出的反转而停止所述时钟的传输，以及当传输所述第二计数器的时钟时，所述时钟传输控制单 元在所述比较器的输出被反转之前停止所述时钟的传输，并且 响应于所述比较器的输出的反转而传输所述时钟。
7. 根据权利要求5所述的固态图像拾取装置，其中所述像素信号读出电路包括用于控制向所述第一计数器 或所述第二计数器传输时钟的时钟传输控制单元，当传输所述第一计数器的时钟时，所述时钟传输控制单 元在所述比较器的输出被反转之前传输所述时钟，并且响应于 所述比较器的输出的反转而停止所述时钟的传输，以及当传输所述第二计数器的时钟时，所述时钟传输控制单 元在所述比较器的输出被反转之前停止所述时钟的传输，并且 响应于所述比较器的输出的反转而传输所述时钟。
8. 根据权利要求1所述的固态图像拾取装置，还包括信号处理 单元，对通过所述像素信号读出电路读出的所述信号执行图像 处理，其中，所述信号处理单元在除所述计凄t器的才喿作期间之 外的期间内集中地执行图像信号处理。
9. 一种照相才几系统，包4舌固态图l象才合耳又装置；以及光学系统，用于将对象图像成像到所述固态图像拾取装 置上，其中，所述固态图像拾取装置包括多个像素以矩阵排列的像素阵列，每个所述像素被配 置为纟丸行光电转换；以及像素信号读出电路，用于以像素为单位从所述像素阵 列中读出像素信号，以及所述^f象素信号读出电路包括多个比较器，被设置为对应于一列像素，每个所述比 较器被配置为将读出信号电位与基准电压进行比较，以产生确 定信号并输出所述确定信号；以及 多个计数器，所述多个计数器的操作受所述比较器的 输出控制，每个所述计数器被配置为对所述多个比较器中的对 应比较器的比较时间进行计数，以及其中，对每一列或多列，所述多个计数器具有不同的操 作期间。
10. 根据权利要求9所述的照相机系统，其中当所述读出信号电位与所述基准电压一致时，所述比较 器反转输出电平，以及对每列设置的具有不同操作期间的所述多个计数器包括第 一计数器，每个被配置为在所述对应比较器的输出 被反转之前操作；以及第二计数器，每个被配置为在所述对应比较器的输出 被反转之后操作。
11. 根据权利要求9所述的照相机系统，还包括信号处理单元， 对通过所述像素信号读出电路读出的所述信号执行图像处理， 其中，所述信号处理单元在除所述计数器的才喿作期间之外的期 间内集中地执行图像信号处理。
全文摘要
本发明提供了一种固态图像拾取装置和照相机系统，其中，该固态图像拾取装置包括像素阵列，包括以矩阵排列的多个像素；以及像素信号读出电路，用于以像素为单位从像素阵列中读出像素信号。像素信号读出电路包括多个比较器和多个计数器。比较器被设置为对应于一列像素，并且将读出信号电位与基准电压进行比较以产生确定信号并输出该确定信号。计数器受到比较器的输出控制。每个计数器被配置为对多个比较器中的对应比较器的比较时间进行计数。对每一列或多列，多个计数器具有不同的操作期间。
文档编号H01L27/146GK101370073SQ200810135180
公开日2009年2月18日 申请日期2008年8月13日 优先权日2007年8月13日
发明者松本静德 申请人:索尼株式会社