专利名称：固态图像获取设备及其控制方法
技术领域：
本发明一般地涉及例如CMOS图像传感器的固态图像获取设备领域。更具体地说，本发明面向一种使用所谓的列系统的固态图像获取设备以及一种控制所述设备的方法，以致由光电转换区域单元获得的像素信号被顺序地存储在为每一像素列而设的列区域单元中，并且所述列区域单元被顺序地选择，以便顺序地输出每一个像素信号。
背景技术：
图12是示出一个使用了列系统的的CMOS图像传感器的一种结构实例的电路图。在半导体衬底(没有示出)上，所述CMOS图像传感器包括由二维像素阵列形成的光电转换区域单元1；用于沿水平方向选择的水平扫描电路9；用于沿垂直方向选择的垂直扫描电路10；用于产生各种定时信号的定时发生器单元11；用于放大像素信号的输出放大器12；PGA(可编程增益控制放大器)电路13；AD(模拟数字转换)电路14等等。
所述CMOS图像传感器使用列系统，其中在所述光电转换区域单元1的输出端上提供的被称为列区域的部分中，为每一像素列提供了电容器6，从每一像素读取的信号被顺序地存储在所述电容器中并被顺序地输出到所述输出放大器12。由于以像素列为单位读取像素信号之后对每一像素信号执行信号处理，所以与在每一单元像素内执行类似信号处理的设备相比较，每一单元像素内的结构被简化了，结果对于所述图像传感器来讲，像素数量增加了，尺寸减小了，成本降低了等等。
接下来将简短地说明这种电路的操作。用于接收光信号的所述光电转换区域单元1包括多个沿行和列方向排列的单元像素P(1-1-1，1-1-2，1-1-3，…)。这种单元像素中包括至少一个光电转换设备。一般使用光电二极管或者光门作为光电转换设备。
对于要被从所述光电转换区域单元1输出的像素信号，所述垂直扫描电路10经由控制线3(3-1，3-2，3-3，…)按次序选择预定行。
顺便提及，虽然在图12中的每一像素行中仅仅示出一条控制线3，但所述垂直扫描电路10的每一像素行中一般提供彼此平行的多个控制线3，以便可以为读取像素信号而选择每一像素行。
然后经由所述控制线3选择的所述行的信号被顺序地存储到在所述光电转换区域单元1的输出端上并行排列的列区域单元的电容器6(6-1，6-2，6-3，….)中。同时执行存储来自所述行的信号的操作。
通过水平扫描电路9从最左边的一列顺次扫描的操作，顺序地选择存储在所述列区域单元的电容器6中的像素信号。也就是说，所述水平扫描电路9顺次选择并驱动列选择晶体管7(7-1，7-2，7-3，…)。从而顺次读取每一像素P的像素信号。
所述输出放大器12顺序地放大输出到水平信号线8的像素信号，然后将结果作为电压信号输出。所述PGA电路13以小增益级放大所述电压信号的电压。所述电压放大的像素信号被输入给所述AD电路14，然后作为数字信号15输出到所述半导体芯片的外部。
顺便提及，由偏置电路2经由负载晶体管5(5-1，5-2，5-3，…)向垂直信号线提供固定偏压。现在已经开发的、并在如上所述的传统固态图像获取设备中使用的所述AD电路14一般具有12位或者14位的位精度。当所述AD电路14的位数目增加时，功耗增加，电路本身的噪声使得提高位精度极其困难。
因此，使用列系统的传统图像传感器具有难以提高位精度以及无法在将信噪比维持在满意水平的同时扩展动态范围等问题。
顺便提及，当在所述光电转换区域单元1的每一像素内以逐个像素为基础控制像素信号的增益时，所述光电转换区域单元可以提高位精度和扩展输出信号的动态范围。
然而在该情况下，每一像素的结构变得很复杂，由此不能获得由上述列系统提供的成本减少和尺寸减少等有益效果。
因此本发明的目的之一是提供一种固态图像获取设备及其控制方法，即使在使用列系统的电路结构中，也可以在逐个像素的基础上控制像素信号的增益并扩展动态范围，同时将信噪比S/N维持在良好水平。本发明的其他目的和有益效果将根据下述发明内容和本最佳实施例的详细说明而变得清楚明显。
发明内容
为了实现上述目的，本发明提供了一种固态图像获取设备，包括一个具有多个以二维阵列排列的单元像素的光电转换区域单元，每一单元像素至少包括一个光电转换设备；为所述光电转换区域单元的每一像素列设置的垂直信号线，用于顺序地读取在所述光电转换区域单元的每一单元像素中产生的像素信号；在所述光电转换区域单元的输出端上设置的列区域单元，用于顺序地存储由所述垂直信号线读取的每一单元像素的像素信号；以及输出单元，用于顺序地读取存储在所述列区域单元中的像素信号并输出所述像素信号；其中所述列区域单元中具有像素控制部件，用于以逐个像素为基础检测由所述垂直信号线读取的像素信号的电平，并以逐个像素为基础控制所述像素信号的增益，以便输出。
另外，本发明提供了一种包括固态图像获取设备的电子装置，所述固态图像获取设备包括具有多个以二维阵列排列的单元像素的光电转换区域单元，每一单元像素至少包括一个光电转换设备；为所述光电转换区域单元的每一像素列设置的垂直信号线，用于顺序地读取在所述光电转换区域单元的每一单元像素中产生的像素信号，在所述光电转换区域单元的输出端上设置的列区域单元，用于顺序地存储由所述垂直信号线读取的每一单元像素的像素信号，以及输出单元，用于顺序地读取存储在所述列区域单元中的像素信号并输出所述像素信号，所述电子装置特征在于固态图像获取设备的列区域单元具有像素控制部件，用于以逐个像素为基础检测由所述垂直信号线读取的像素信号的电平，并以逐个像素为基础控制所述像素信号的增益，以便输出。
另外，本发明提供了一种固态图像获取设备的控制方法，所述固态图像获取设备包括具有多个以二维阵列排列的单元像素的光电转换区域单元，每一单元像素至少包括一个光电转换设备；为所述光电转换区域单元的每一像素列设置的垂直信号线，用于顺序地读取在所述光电转换区域单元的每一单元像素中产生的像素信号；在所述光电转换区域单元的输出端上设置的列区域单元，用于顺序地存储由所述垂直信号线读取的每一单元像素的像素信号；以及输出单元，用于顺序地读取存储在所述列区域单元中的像素信号并输出所述像素信号，所述方法特征在于包括在所述列区域单元中，以逐个像素为基础检测由所述垂直信号线读取的像素信号的电平，并以逐个像素为基础控制所述像素信号的增益，以便输出。
另外，本发明提供了一种固态图像获取设备，特征在于包括具有以二维阵列形式排列的多个单元像素的光电转换区域单元，每一单元像素至少包括一个光电转换设备；为所述光电转换区域单元的每一像素列设置的垂直信号线，用于顺序地读取在所述光电转换区域单元的每一单元像素中产生的像素信号；在所述光电转换区域单元的输出端上设置的列区域单元，用于顺序地存储由所述垂直信号线读取的每一单元像素的像素信号；以及输出单元，用于顺序地读取存储在所述列区域单元中的像素信号并输出所述像素信号；其中所述列区域单元中具有像素控制部件，用于检测由所述垂直信号线读取的像素信号的电平，并以像素列为基础处理所述像素信号，以便输出。
使用根据本发明的所述固态图像获取设备及其控制方法，由所述垂直信号线读取的像素信号的电平是在所述列区域单元中以逐个像素为基础检测的，像素信号的增益是以逐个像素为基础控制输出的。因此，即使是对于使用列系统的电路结构，也可以以逐个像素为基础控制像素信号的增益，因此可以在将信噪比S/N维持在良好水平的同时扩展动态范围。因此易于改善图像质量，降低成本和尺寸，同时增加了固态图像获取设备的像素数目等等。
另外，在具有这种固态图像获取设备的电子装置中，也可以容易实现图像获取设备的图像质量改善，成本减少，尺寸减少，像素数目增加等等，从而有助于增强该电子装置的功能。
图1是表示示例说明本发明的CMOS图像传感器结构的第一示范性实施例的电路图；图2是表示根据本发明的第二示范性实施例的CMOS图像传感器的电路图；图3是表示根据本发明的第三示范性实施例的CMOS图像传感器的电路图；图4是表示根据本发明的第四示范性实施例的放大电路的增益设置方法的图表；图5根据本发明的第五示范性实施例，示例说明用于与放大电路一起使用的增益设置方法的第二实例；图6是表示根据本发明的第六示范性实施例在列区域单元中形成的检测电路的实例的方框图；图7是表示根据本发明的第七示范性实施例的CMOS图像传感器在一水平周期内的定时操作的时序图；图8是表示根据本发明的第八示范性实施例形成用于检测电路的比较器的差动放大器实例的电路图；图9是表示在图1示出的列区域单元中的放大电路的下一级中形成的示范性抽样保持电路的方框图。
图10是表示根据本发明的第九示范性实施例的示范性增益校正电路的方框图；图11是表示根据本发明的第十示范性实施例的CMOS图像传感器的电路图；以及图12是表示使用列系统的传统CMOS图像传感器的结构实例的电路图。
具体实施例方式
在下文中将说明根据本发明的一种固态图像获取设备及其控制方法的优选实施例。
根据这些实施例，如上所述的具有列系统的CMOS图像传感器为每一像素列提供列区域单元。该单元执行独立检测每一像素信号的电平以及为该信号电平独立设置增益的功能。由此，这些实施例使用一个简单的电路结构和微小像素(minute pixel)，改善了每一像素的信噪比，并扩展了其动态范围。具体来讲，使用该列系统可以实现16位的精度。
图1是示出CMOS图像传感器结构的第一示范性实施例的电路图，帮助解释本发明的实施例的原理。顺便提及，与图12中示出的传统实例共同的结构是使用相同的附图标记说明的。
该CMOS图像传感器包括光电转换区域单元1(单元像素1-1-1，1-1-2，…)；垂直扫描电路10；水平扫描电路9；连接到所述垂直扫描电路10的控制线3(3-1，3-2，3-3)；垂直信号线4(4-1，4-2，4-3，4-4，…)；负载MOS晶体管5(5-1，5-2，5-3，5-4，…)；用于检测输入信号的信号电平的检测电路(比较器)17(17-1，17-2，17-3，17-4，…)；可编程增益控制(PGA)电路18(18-1，18-2，18-3，…)；采样保持(S/H)电路19(19-1，19-2，19-3，…)；控制信号产生电路20；比较器输出线25；输出信号线22；输出缓冲器26；AD转换器(ADC)27；以及噪声消除器加增益失配校正电路30。
接下来将说明这种CMOS图像传感器的操作原理。
垂直信号线4(4-1，4-2，4-3，…)主要输出信号电压Vsig。所述检测电路C17将该信号电压Vsig与预定参考电压进行比较。
例如，参考电压是500毫伏、250毫伏和125毫伏。这些值对应于所述垂直信号线4的1伏的饱和信号。也就是说，1伏被分成125毫伏的八个区域。
所述检测电路C17的比较输出是基于下列规则的代码输出(划分信号)。
Vsig＜125mV…代码000125 mV＝＜Vsig＜250mV…代码001250 mV＝＜Vsig＜375mV…代码002375 mV＝＜Vsig＜500mV…代码003500 mV＝＜Vsig＜625mV..代码004625 mV＝＜Vsig＜750mV…代码005750 mV＝＜Vsig＜875mV…代码006875 mV＝＜Vsig＜1000mV…代码007具体来讲，例如当Vsig＝300毫伏时，从所述线25向所述列区域单元的外部输出代码“002”的3位数字信号。当Vsig＝100毫伏时，从所述线25向所述列区域单元的外部输出代码“000”的3位数字信号。
所述检测电路C17还向PGA电路18(18-1，18-2，18-3，…)输出该比较输出。
例如当Vsig＝300毫伏时，通过来自检测电路C17的编码信号“002”的控制，该PGA电路18的增益乘以2。当vsig＝100毫伏时PGA电路18的增益乘以8。因此在该实例中，PGA电路18将输入信号电压Vsig转换为高压。
因此，传统上按原样使用小信号(在该情况下是100毫伏)，导致低信噪比以及仅具有大量噪声的图像。另一方面，在所述第一实施例中，输入信号相当于变成800毫伏，因此得到具有高S/N比的图像质量。
另外，例如当ADC电路27的位数是10并且Vsig＝100毫伏时，精度仅仅是6位或者7位。在所述第一实施例中，可以实现9位至10位的精度。这相当于将所述ADC电路27的10位性能增加至13位。除此之外，由于可以为每一像素信号设定PGA增益，所以可以很方便的获得很多AD位。另外，当所述检测电路C17的参考电压数目增加至4时，可以实现4位精度，并可以获得具有高信噪比的模拟信号。
正如可以从图1的电路结构中理解的，在每一列中设置用于检测每一垂直信号线4的信号电平的检测电路C17，从而可以将PGA电路18的增益施加到每一像素。
最后，所述噪声消除器加增益失配校正电路30基于所述检测电路C17的输出检测信号(在该实例中是M位的数字信号)和所述像素信号输出(在该实例中是N位的数字信号)，提供M+N位的数字输出信号。所述噪声消除器加增益失配校正电路30还执行数字噪声消除和增益失配校正处理。稍后将说明该处理的细节。
图2是示出CMOS图像传感器的第二实施例的电路图。在上述第一实施例中示出的是仅仅产生每一像素的模拟输出的CMOS图像传感器的实例，而在第二实施例中将说明列区域单元中包括AD电路的数字输出型固态图像获取设备的实例。
该CMOS图像传感器包括光电转换区域单元1(单元像素1-1-1，1-1-2，…)；垂直信号线4(4-1，4-2，…)；垂直扫描电路10；水平扫描电路9；控制信号产生电路20；检测电路17(17-1，17-2，…)；放大电路18(18-1，18-2，…)；AD电路32 ( 32-1，32-2，…)；偏置电路2；和增益校正电路30。
该实例具有用于与每个像素列对应的每一列区域单元的检测电路17、放大电路18以及AD电路32，所以每一列区域单元可以形成一数字信号。
在该实例中，该检测电路17检测垂直信号线4的信号电平。检测结果提供给放大电路18，用于将放大电路18的增益设置至最佳值。该放大电路18放大信号，并将该信号提供给下一级中的AD电路32。
在每一列中，AD电路32将该模拟信号转换为数字信号。结果输出到列区域的外部。在该实例中，该检测电路17具有N位的信息，而该AD电路输出具有M位的信息。因此，通过使用该方法，可以获得N+M位的信息。增益校正电路30实现该方法。
图3是示出CMOS图像传感器的第三示范性实施例的电路图。在该实例中，举例来说，形成光电转换区域单元1的每一单元像素包括光电二极管单元34、传输门35、复位门36、放大门38、选择门37等等。
通过选择信号线SV3-1-1，复位信号线R3-1-2和传输信号线TX3-1-3控制每一单元像素。垂直信号线4与负载晶体管5连接，从而作为源输出电路运转。该垂直信号线4还连接到检测电路17，并经由开关50(通过φ2控制)和电容39连接到放大电路40。
通过控制开关43到45，连接到OP-amp(放大器)40的电容的电容值可以从C变化到8C。从而，放大电路18形成一个可编程增益放大器，其增益可以根据电容39的电容值8C与电容46到49的电容值C至8C之间的比率从1变化到8，其中电容46到49的电容值取决于其连接的状态。
该检测电路17(该实例中的比较器)检测垂直信号线4的信号电平。检测电路17确定增益的水平，以便OP-amp 40的输出信号41是在比饱和信号电平低的范围之内的最大值。
这样一种方法可以将放大电路52中存在的输入信号转换噪声的电平最小化。此外，输出信号41的电平可以增大，以便变得接近于每一像素中的饱和信号，这样便提供了抗噪声的优点。
顺便提及，尽管在该实例中，放大电路52的增益是通过电容划分比率改变的，但是也可以通过电阻划分改变该放大电路52的增益。
图4是根据本发明的第四示范实施例，说明放大电路52的增益设置方法的第一实例的图。在该实例中，当垂直信号线4的输出信号是0至125毫伏时，该增益设置为8。然后，即使当输入信号为最大值125毫伏的时候，OP-amp 40的输出信号也是1伏。也就是说，当输出到列区域单元的外部时，该输出信号是以1伏输出的。虽然该实例中的输出信号是1V，但是该电压可以根据固态图像获取设备的技术要求任意地设置。
当125mV＜输入信号＝＜250毫伏时，放大电路52的增益设置为4。类似地，当250mV＜输入信号＝＜500毫伏时，放大电路52的增益设置为2。当500mV＜输入信号＝＜1伏时，放大电路52的增益保持为1。
因此通过设置放大电路52的增益，可以将放大电路52中出现的信号噪声比最大化。这在实现高灵敏度的固态图像获取设备时是很重要的。
图5是一个示出根据本发明的第五示范性实施例的放大电路52的增益设置方法的第二实例的图。
在该实例中，当饱和信号电平是1V时，设置增益的最大值以便产生800毫伏。
此外在该情况下，由于与图4中的上述实例的相同理由，当信号电平低时的信噪比可被最大化。也就是说，可以实现对放大电路的影响的较小敏感性。
应当注意，尽管图4和图5的实例中，提供了1、2、4和8这四个增益，但是该增益也可以被设置为更小的级，并可以被设置为更高的电平。也就是说，可以根据具体的应用适当地确定该增益。
图6示出本发明的第六个示范性实施例，或在每一列区域单元中形成的检测电路17的实例。该检测电路17包括开关57、58、59、60和63，电容器62，比较器64和65，触发电路70、71和72等等。
在该结构中，从垂直信号线4经由开关57输入的信号Vin 53被存储在比较器64的输入节点80中。通过开关58、59和60的操作，存储的信号与比较电压Vrc1(54)、Vrc2(55)和Vrc3(56)相比较。
然后基于同步时钟66、67和68(/φrc1至/φrc3)将三个比较的结果69写入触发电路70、71、和72。
由此，可以了解垂直信号线的的信号电平所处的范围，并且可以对电压的水平分级。基于输出脉冲Rc，该结果(划分信号)被作为触发电路70、71和72的输出74至79(G1，/G1，G2，/G2，G4和/G4)，与输出电压一起输出到列区域单元外部。
图7是时序图，作为本发明的第七实施例，该时序图示出采用该实施例的CMOS图像传感器的一个水平周期期间的定时操作。首先，在时钟φ1的“H”期间，放大电路18被复位。在φ1＝“H”期间，通过R(i)复位像素的浮动扩散放大器。然后设置TX(i)＝“H”，光电二极管的信号被输出到该浮动扩散放大器。此时，φ2＝“L”，因此放大电路18保持复位。
接下来，当φ1＝“H″以及φ2＝“L”时，通过设置φ4＝“H”操作检测电路17，并且顺序地选择φrc1至φrc3，从而确定对应于信号电平的增益。
当φrc3的比较结束时，确定放大电路18的增益(图7中的82)。在确定增益的操作结束之后，φ1被设置为“L”而φ2被设置为“H”，以便该放大电路18放大垂直信号线4的信号。放大的信号被输出到列区域单元的外部。顺便提及，该放大信号可以被直接地输出到外部，也可以在其后采样保持，然后输出。因此，小信号可以在模拟域被大大地放大，从而提供具有高信噪比的信号。
图8是示出构成图6中所示检测电路17的比较器64的差动放大器实例的电路图，作为本发明的第八实施例。如图8中所示，所述差动放大器构成如下将执行差动放大器操作的一对晶体管86和87的源极连接至构成恒流源的晶体管88，同时将一对晶体管84和85以级联方式连接到晶体管86和87的漏极。
由于所述比较器可以由这样一种简单的差动放大器构成，所以举例来说，可以实现具有少量组件和小型列区域的电路。顺便提及，图8中所示的各种信号89至94、电源供给82和83等等对于本发明不是唯一的，因此省略了对它们的说明。
图9是示出在每一列区域单元中在放大电路18的下一级中形成的抽样保持电路的实例的方框图。
在所述抽样保持电路中，形成用于存储信号的电容C97(97-1，97-2，…，97-n)和读取电路100(100-1，100-2，…，100-n)。
来自水平选择寄存器104的选择信号CH(i)103(103-1，103-2，…，103-n)选择希望读出的列，而来自所述电容97的信号由所述读取电路100和外部放大电路105从输出信号线101输出。
图10是示出图2中所示增益校正电路30的结构的实例的方框图，作为本发明的第九实施例。图9中所示外部放大电路105的输出信号(OUTPUT)106通过AD转换被转换为N位的数字信号，然后作为输入数字信号114输入到图10中所示的电路。
如上所述的比较器64的M位数字信号107被输入到增益校正单元108，被转换为一个增益校正值。
由1H存储器109和加法器110消除噪声后的N位数字信号经过乘法器111，以便通过所述增益校正值进行校正，并进一步经过加法器112，以便被转换为用于输出的N位和M位的数字信号(113)。
图10中所示的电路被形成在所述固态图像获取设备的同一芯片上这个例子，与图2中所示的AD电路被包含在列内的例子或AD电路被包含在同一芯片上除了列之外的区域的例子相对应。来自放大电路18的输出信号106由所述芯片内AD电路转换为一个N位的数字信号。
因此，通过将所述信号与上述比较器64的M位数字信号107结合在一起，就可以很容易地获得N+M位的数字信号。所述增益校正电路30对于增益1，将所述N位信号乘以M位，以及对于增益8，按照原样输出N位信号。
这样一种电路结构可以形成在输出小信号的时候改善信噪比并具有N+M位宽动态范围的CMOS图像传感器。
图11是示出CMOS图像传感器的第十实施例的电路图。上述实例中，在列区域单元中以逐像素方式独立地检测信号电平，并将结果反馈给每一列区域单元中设置的增益放大器，从而改变所述增益放大器的增益。然而，当不要求这种程度的结构时，它可以简化为如图11所示的结构。
在图11中所示实例中，每一列区域单元具有放大电路18和具有数据保持功能的AD电路32。作为另一种方法，所述列区域单元可以仅仅由放大电路和S/H电路构成。这样一种构造也包括在本发明的范围内。
由外部设置的增益控制电路115控制每一放大电路18的放大系数。也就是说，所述放大电路没有像上述实施例中那样为每一像素独立地设置最佳化的放大系数，而是为一行的像素信号电平提供相同的增益设置。
顺便提及，在实际的固态图像获取设备中，所述增益以一帧为单位变化。当屏幕的信号电平总体上变得低于某一阈值时，所述增益在垂直消隐期间内改变。
因此所述简化的第十实施例可以减少列区域单元中设置的组件数目。因此所述第十实施例可以减少芯片面积，或对减少芯片面积具有很好的效果。
根据上述实施例，主要可以获得以下效果1)即使使用列系统，也可以以最佳增益独立地放大每一像素的信号，并在其后作为输出提供。
2)在小信号输出时，可以实质上改善像素的信噪比，从而可以实现高灵敏度的固态图像获取设备。
3)12位AD电路和在一列内以三个或更多级设置放大系数，可以提供15位或更多的宽动态范围。
4)即使当在数字域中执行AE、闪烁校正、非线性校正、图像斑点设置、色度调节及其他处理的时候，也不会使信噪比恶化，因此易于实现高质量的图像。
应当注意，虽然在上述说明中，已经说明了在将本发明作为一个独立的单元说明应用于CMOS图像传感器的情况中的结构，但是本发明可以应用于包括如上所述固态图像获取设备的各种电子装置，例如摄像机装置，便携式终端，个人电脑等等，并从而有助于增加这些装置的图像传感器的性能等等，因此这些装置也被归入本发明的范围中。
此外，本发明还适用于其他结构的高灵敏度CMOS图像传感器以及结合CCD的混合CCD CMOS传感器。
另外，对于其他具体结构，可以不脱离本发明精神的情况下做出各种改进。
权利要求
1.一种固态图像获取设备，包括具有多个以二维阵列排列的像素的光电转换单元，每一像素至少包括一个光电转换设备；为所述光电转换单元的每一像素列设置的垂直信号线，用于顺序地读取在所述光电转换单元的每一像素中产生的像素信号；在所述光电转换单元的输出端设置的列单元，用于顺序地存储由所述垂直信号线读取的每一像素的像素信号；以及输出单元，用于顺序地读取存储在所述列单元中的像素信号并输出所述像素信号；其中，所述列单元具有像素控制部件，用于以逐个像素为基础检测由所述垂直信号线读取的像素信号的电平，并以逐个像素为基础控制所述像素信号的增益，以便提供输出。
2.如权利要求1所述的固态图像获取设备，其中，所述列单元包括检测电路，用于检测从所述垂直信号线输出的像素信号的电平，并将所述电平分为预定的电平范围；以及放大电路，用于放大从所述垂直信号线输出的像素信号。
3.如权利要求2所述的固态图像获取设备，其中，所述列单元包括增益设置部件，用于根据来自所述检测电路的结果设置所述放大电路的增益。
4.如权利要求3所述的固态图像获取设备，其中，所述增益设置部件以固定放大率控制所述放大电路的增益。
5.如权利要求2所述的固态图像获取设备，其中，为所述光电转换单元的每一像素列提供至少一对所述放大电路和检测电路。
6.如权利要求2所述的固态图像获取设备，其中，所述列单元输出来自所述检测电路的划分信号。
7.如权利要求2所述的固态图像获取设备，进一步包括连接到所述放大电路的采样保持电路。
8.如权利要求2所述的固态图像获取设备，其中，所述检测电路的划分信号和所述放大电路的放大信号在同一时段从所述列单元输出。
9.如权利要求2所述的固态图像获取设备，其中，来自所述放大电路的放大信号被转换为N位的数字信号，以及所述检测电路的划分信号被转换为M位的数字信号，转换之后的两个信号都被用来获得一个N+M位的数字信号。
10.如权利要求3所述的固态图像获取设备，所述增益设置部件将所述放大电路的增益设置在不超过所述垂直信号线的饱和信号电平的范围之内。
11.如权利要求3所述的固态图像获取设备，由所述增益设置部件对所述放大电路的增益进行的设置是由所述列单元外部的控制电路执行的。
12.如权利要求1所述的固态图像获取设备，进一步包括检测电路，用于检测从所述垂直信号线输出的像素信号的电平，然后将所述电平分级为预定电平范围；放大电路，用于放大从所述垂直信号线输出的像素信号；以及AD电路，用于对所述放大电路的输出进行模-数转换。
13.如权利要求12所述的固态图像获取设备，其中，所述列单元进一步包括增益设置部件，用于根据来自所述检测电路的结果设置所述放大电路的增益。
14.如权利要求12所述的固态图像获取设备，其中，所述检测电路的划分信号和所述AD电路的输出信号是作为所述列单元的输出提供的。
15.权利要求12所述的固态图像获取设备，其中，来自所述检测电路的划分信号是M位的数字信号，而所述AD电路的输出信号是N位的数字信号，并提供增益校正电路，用于至少将这两个信号转换为N+M位的信号。
16.如权利要求1所述的固态图像获取设备，其中，所述列单元进一步包括放大电路，用于放大从所述垂直信号线输出的像素信号；抽样保持电路，用于对所述放大电路输出的放大信号进行采样保持；以及控制电路，用于控制所述放大电路的放大系数。
17.一种包括固态图像获取设备的电子装置，所述固态图像获取设备包括具有多个以二维阵列排列的像素的光电转换单元，每一像素至少包括一个光电转换设备；用于所述光电转换区域单元的每一像素列的垂直信号线，用于顺序地读取在所述光电转换区域单元的每一像素中产生的像素信号；在所述光电转换单元外部的一列单元，用于顺序地存储由所述垂直信号线读取的每一像素的像素信号；以及一输出单元，用于顺序地读取存储在所述列单元中的像素信号并输出所述像素信号；所述列单元中包括像素控制部件，用于以逐个像素为基础检测由所述垂直信号线读取的像素信号的电平，并以逐个像素为基础控制所述像素信号的增益。
18.如权利要求17所述的电子装置，其中，所述固态图像获取设备的所述列单元进一步包括检测电路，用于检测从所述垂直信号线输出的像素信号的电平，然后将所述电平分级为预定的电平范围；以及放大电路，用于放大从所述垂直信号线输出的像素信号。
19.如权利要求18所述的电子装置，其中，所述固态图像获取设备的所述列单元进一步包括增益设置部件，用于根据来自所述检测电路的结果设置所述放大电路的增益。
20.如权利要求19所述的电子装置，其中，所述增益设置部件以固定放大率控制所述放大电路的增益。
21.如权利要求18所述的电子装置，其中，所述固态图像获取设备包括用于所述光电转换单元的每一像素列的一对所述放大电路以及所述检测电路。
22.如权利要求18所述的电子装置，其中，所述固态图像获取设备从所述列单元输出所述检测电路的划分信号。
23.如权利要求18所述的电子装置，其中，所述固态图像获取设备进一步包括连接到所述放大电路的采样保持电路。
24.如权利要求18所述的电子装置，其中，所述固态图像获取设备在同一时段从所述列单元向外输出所述检测电路的划分信号和所述放大电路的放大信号。
25.如权利要求18所述的电子装置，其中，所述固态图像获取设备将所述放大电路的放大信号转换为N位的数字信号，并将所述检测电路的划分信号转换为M位的数字信号，然后使用转换之后的这两个信号来获得N+M位的数字信号。
26.如权利要求19所述的电子装置，所述增益设置部件将所述放大电路的增益设置在不超过所述垂直信号线的饱和电平的范围之内。
27.如权利要求19所述的电子装置，其中，由所述增益设置部件对所述放大电路的增益进行的设置是由所述列单元外部的控制电路执行的。
28.如权利要求17所述的电子装置，其中，所述固态图像获取设备的所述列单元进一步包括检测电路，用于检测从所述垂直信号线输出的像素信号的电平，然后将所述电平分级为预定的电平范围；放大电路，用于放大从所述垂直信号线输出的像素信号；以及AD电路，用于对所述放大电路的输出进行模-数转换。
29.如权利要求28所述的电子装置，其中，所述固态图像获取设备的所述列单元进一步包括增益设置部件，用于根据来自所述检测电路的结果，设置所述放大电路的增益。
30.如权利要求28所述的电子装置，其中，所述固态图像获取设备同时提供所述检测电路的划分信号和所述AD电路的输出信号，作为所述列单元的输出。
31.如权利要求28所述的电子装置，其中，所述检测电路的划分信号是M位的数字信号，而所述AD电路的输出信号是N位的数字信号，并且所述固态图像获取设备具有增益校正电路，用于至少将这两个信号转换为M+N位的信号。
32.如权利要求17所述的电子装置，其中，所述固态图像获取设备的所述列区域单元进一步包括放大电路，用于放大从所述垂直信号线输出的像素信号；抽样保持电路，用于对从所述放大电路输出的放大信号进行采样保持；以及控制电路，用于控制所述放大电路的放大系数。
33.一种用于控制固态图像获取设备的方法，所述固态图像获取设备包括具有多个以二维阵列排列的单元像素的光电转换单元，每一像素至少包括一个光电转换设备；用于所述光电转换单元的每一像素列的垂直信号线，用于顺序地读取在所述光电转换单元的每一像素中产生的像素信号；在所述光电转换区域单元的输出端设置的列单元，用于顺序地存储由所述垂直信号线读取的每一像素的像素信号；以及输出单元，用于顺序地读取存储在所述列单元中的像素信号并输出所述像素信号，所述方法包括以逐个像素为基础检测由所述垂直信号线读取的像素信号的电平，并以逐个像素为基础控制所述像素信号的增益，以便从所述列单元提供输出。
34.如权利要求33所述的控制固态图像获取设备的方法，其中，根据检测的电平的结果，以逐个像素为基础设置放大电路中的像素信号的增益。
35.如权利要求33所述的控制固态图像获取设备的方法，其中，通过以固定放大率控制放大电路的增益，来设置所述增益。
36.如权利要求33所述的控制固态图像获取设备的方法，进一步包括将所述增益设置在不超过所述垂直信号线的饱和信号电平的范围之内。
37.如权利要求33所述的控制固态图像获取设备的方法，进一步包括利用至所述列单元的外部输入，设置所述增益。
38.一种固态图像获取设备，包括具有多个以二维阵列排列的像素的光电转换单元，每一像素至少包括一个光电转换设备；用于所述光电转换单元的每一像素列的垂直信号线，用于顺序地读取在所述光电转换单元的每一像素中产生的像素信号；在所述光电转换单元的输出端设置的列单元，用于顺序地存储由所述垂直信号线读取的每一像素的像素信号；以及输出单元，用于顺序地读取存储在所述列单元中的像素信号并输出所述像素信号；其中，所述列单元具有像素控制部件，用于检测由所述垂直信号线读取的像素信号的电平，并以逐个像素列为基础处理所述像素信号。
全文摘要
一种图像传感器，以逐个像素为基础控制像素信号的增益，并在将维持信噪比在良好水平的同时扩展动态范围。图像传感器中的列单元独立地检测每一像素信号的电平，并为所述信号电平独立地设置增益。光电转换区域单元具有二维排列的像素，为每一像素列设置一条垂直信号线以便输出每一像素信号。所述列单元位于所述垂直信号线的输出端。用于每一像素列的列单元具有像素信号电平检测电路、可编程增益控制、采样保持(S/H)电路。根据对所述像素信号检测电平的结果执行增益校正。
文档编号H04N5/335GK1477860SQ03133018
公开日2004年2月25日 申请日期2003年6月11日 优先权日2002年6月11日
发明者中村信男, 二, 川人祥二, 佐藤弘树, 树, 东瑞穗 申请人:索尼公司