专利名称：成像系统以及驱动所述成像系统的方法
技术领域：
对于固态成像器件，需要改善S/N比率并且增加动态范围。 曰本专利申请特开No.2004-015701描述了这样的情况为了满足这种 需要，对于按矩阵布置的像素的每一列提供用于检测图像信号的电平 的检测电路和放大器电路，以基于像素控制图像信号的增益。这样允 许在保持S/N比率的情况下增加动态范围。作为本发明第一方面的成像系统包括固态成像器件，其 具有按矩阵布置的多个像素、各自与所述像素的一列对应地被提供的 列放大器、以及用于输出基于所述列放大器所进行的放大的图像信号 的输出部；和信号处理单元，用于接收所述图像信号，其中，所述列 放大器按大于1的增益q对从所述像素输出的信号进行放大，以及所 述信号处理单元按小于1的因子对基于按增益q所放大的信号的所述 图像信号进行放大。图2A、图2B和图2C是描述本发明原理的图。图3是示出根据第 一 实施例的固态成像器件的配置的示意图。0014图4是根据第一实施例的等效电路。
图7是示出根据第一实施例的比特转换单元的配置的例子 的示意图。图8A和图8B是表示根据第一实施例的y处理的概念的图。
0019图9是示出根据第二实施例的固态成像器件的配置的示意图。
图11是示出根据第三实施例的固态成像器件的配置的示意图。图12是示出根据本发明实施例的固态成像器件的配置的 示意图。图2A参照图1所示的固态成像器件1，示出在列放大器 102的增益为1的情况下从固态成像器件1输出的信号分量相对于在 像素101上入射的光量的关系。在图中由"信号xl"指示该关系，其中， 入射光量为横坐标，而固态成像器件1的输出的幅度为纵坐标。超过 Isat ( x 1)的入射光量使得输出饱和而达到Vsat。关于饱和电平Vsat 的以下讨论可以应用于列放大器102和输出部103。在图中，虛线指 示像素101中生成的像素噪声n，而长短交替的虚线指示输出部103 中生成的输出噪声N。像素噪声n例如是像素中所包括的像素输出单 元和像素选择单元中生成的噪声。更具体地说，在像素输出单元与垂 直信号线VL上提供的恒定电流源一起构成源极跟随器电路的情况 下，流过恒定电流源的电流值的时间波动可能产生像素噪声n。例如， 输出噪声N包括通过对输出放大器1031进行驱动而生成的噪声。像 素噪声n和输出噪声N并非总是电平恒定的，而是随时间而变化的。 图2A示出在各个噪声随时间变化的情况下的最大电平。在图2A中，通过列放大器102按增益G (其中，G>1) 对由用于输出信号(x 1)的同一像素所输出的信号进行放大。在图 2A中由信号(xG)来表示入射光量与来自固态成像器件1的输出之 间的关系。信号(xG)以小于信号(xl)的入射光量的入射光量lsat
(xG)而达到饱和输出Vsat。换句话说，列放大器102的增益越大， 指示固态成像器件1的输出对于入射光量的直线的斜率就越陡。此外， 通过改变列放大器102的增益，按增益G来放大信号分量和像素噪声 n。然而，输出噪声N不取决于列放大器102的增益。为此，增加列 放大器102的增益导致放大后的像素噪声n超过输出噪声N。也就是 说，将列放大器102的增益设置为G，使得放大后的像素噪声n成为 主导，这使得输出噪声N相对较小。相应地，可以捕获对应于入射光 量的信号，其中，当列放大器102的增益为1时因为输出噪声N占主 导而无法正确捕获所述信号。在图中由A来指示可以通过将列放大器 102的增益设置为G而捕获信号的入射光量的范围。换句话说，固态 成像器件1的动态范围增加了入射光量的范围A。可以在从0到Ia的入射光量的范围内使用信号(xG)， 并且可以在大于Ia的入射光量的范围内使用信号(x l),然而，信 号电平在Ia的入射光量处显著改变。为此，通过作为信号处理单元的 外部处理电路将从固态成像器件1输出的信号(x G)乘以1/G。图 2B示出以上描述。信号(xG)转变为信号(xG，l/G)，以与信号
(x 1)的特性一致。相似地，像素噪声n ( x G)乘以1/G,以与像素 噪声n(xl)—致。另一方面，将列放大器的增益乘以G不改变输出 噪声N，从而通过固态成像器件1外部所提供的处理电路将输出噪声 N乘以1/G允许输出噪声N变为输出噪声N (1/G)。换句话说，通 过外部处理电路将输出噪声N乘以1/G在从0到Isat的入射光量的范 围内减少了由于输出噪声N而导致的噪声分量，这使得信号(xG*l/G)的对于输出噪声N的S/N比率高于信号(xl)。图3是示出根据本发明第 一实施例的固态成像器件的配置 的例子的示意图。以相同的标号来表示与图1相同的组件。固态成像 器件1在输出部103中包括信号存储单元107。像素101包括光电二极管PD，其为光电转换元件；和传 送单元，用于将光电二极管中存储的电荷传送到形成像素输出单元SF 的MOS晶体管的栅极端子。作为像素输出单元SF的输入部的栅极端 子通过复位部RES连接到电源VDD。像素输出单元SF的源极端子通 过像素选择单元SEL连接到列放大器102的输入电容器C0的一个端 子，并且连接到恒定电流源Iconst。列放大器102包括运算放大器Amp。运算放大器Amp的 反转输入端子连接到输入电容器CO的另一端子。反馈电容器Cl、 C2 和C3被提供为通过开关将运算放大器Amp的反转输入端子连接到 其输出端子。此外，提供开关，以用于将运算放大器Amp的反转输 入端子短路到其输出端子。运算放大器的非反转输入端子被提供有电 源Vref。从像素101输出到垂直信号线VL的信号按如下增益被放大， 其中，由连接到运算放大器Amp的反馈路径的反馈电容器Cl、 C2 和C3的电容值对于输入电容器C0的电容值的比率来确定所述增益。 在这种情况下，反馈电容器Cl、 C2和C3的电容值分别取为输入电 容器C0的电容值乘以1、 1/8和1/16。也就是说，在本实施例中，每 一个列放大器被配备有具有可变增益的列放大电路。如稍后将描述的 那样，输入电容器C0减少了能归因于像素的噪声。在此，对其输入 信号cpC的开关、输入电容器C0和运算放大器Amp共同被看作第一 相关双采样(correlated double sampling, CDS )电路。在时间t0，将除了信号cpTX和cpHn之外的信号变为高电 平。信号(pSEL转变为高电平使得像素选择单元SEL变为导通状态， 从而将像素输出单元的源极端子电连接到恒定电流源Iconst，以形成 源极跟随器电路。由此，允许与像素输出单元SF的栅极端子的电位 对应的电平出现为垂直信号线VL上的信号。信号cpRES在该定时为 高电平，因而在垂直信号线VL上出现与复位像素输出单元SF的栅极 端子的状态对应的电平。此外，通过将信号(pC、 q)Cl、 (pC2和q)C3 变成高电平，运算放大器Amp的反转输入端子和输出端子被短路，并且复位反馈电容器C1、 C2和C3。因为运算放大器Amp的虛接地， 所以反馈电容器Cl和C2的两端子的电位可以,皮看作与电源Vref相 同的电位。由于信号cpCTNl、 (pCTSl、 cpCTN2和cpCTS2为高电平， 所以由运算放大器Amp的输出对存储电容器CTN1、 CTS1、 CTN2 和CTS2进行复位。信号q)Cl、 (pC2、 q)C3、 q)CTNl、 cpCTSl、 q)CTN2和cpCTS2 在时间t2转变为低电平使得与之对应的开关不导通。当信号cpCTSl在时间tlO变为高电平并且然后变为低电平 时，在存储电容器CTS1中存储其中垂直信号线VL上出现的电平按1 倍增益被放大的信号。存储电容器CTS1中存储的信号包括能归因于 列放大器102的偏移分量，如在存储电容器CTN1的情况那样。根据信号(pHn从时间tll向高电平的依次转变，通过差分 放大器DAmpl和DAmp2从一行的各像素依次输出信号。存储电容器中存储的信号包括能归因于列放大器102的偏移分量，因此，可通 过由差分放大器获得差来减小偏移分量。差分放大器DAmpl输出按1 倍增益放大的信号Sl，差分放大器DAmp2输出按8倍增益放大的信 号S2。信号Sl和S2包括前述输出噪声N。信号Sl和S2与图2A、 图2B和图2C中的输出V对应。以下，描述如何处理从固态成像器件输出的信号。图6是 示出使用固态成像器件1的成像系统100的配置的例子的框图。从ADC 120输出的数字信号被输入到比特转换单元130， 以用于被称为比特转换的处理。稍后将详细描述比特转换。例如，显示器150是例如在数码相机中提供的电子取景器 (EVF)的显示单元。CPU 170是用于控制整个成像系统100的电路，用来设置 例如包括在固态成像器件1中的定时发生器106和增益校正电路的操 作定时。比特转换单元130被配置为将作为12比特数据的DATA1 和DATA2有选择地转换为15比特数据，并且输出它们，以及比特转 换单元130具有将列放大器102中按8倍增益放大的信号乘以该增益 的倒数的功能。如果数据DATA2不饱和，即，数据DATA2的比特串中包 括0，则将信号q)b输入到开关组SW，其将数据输入端子DcO至Dcll 连接到数据DATA2的DbO至Dbll。数据DATA1的Da9至Dall连 接到数据输入端子Dcl2至Dcl4。基于按数据DATA1的增益的8倍 高的增益放大的信号的数据DATA2使得在数据DATA2不饱和的光 量的范围中数据DATA1的值等于数据DATA2的1/8。换句话说，在 Da9至Dall处的比特将总是为零。为此，通过将为零的3比特冗余 比特添加到12比特数据DATA2的高阶比特，将在数据DATA2不饱 和的情况下的比特转换器130的输出数据DATA3转换为15比特。换 句话说，使得输出数据DATA3在电平方面比数据DATA1的信号小3 比特(1/2的立方=1/8),这与图2C所指示的xl/G (其中，x 1/8)
的操作是同义的。上述操作使得比特转换器130总是提供适当的信号。也就 是说，在按较高增益放大的信号不饱和的范围中，基于按较高增益被 放大的信号来输出数据，以及在按较高增益被放大的信号饱和的范围 中，基于按较低增益被放大的信号来输出数据。在图7中，虽然示出 适用于两个数据DATA1和DATA2之间的增益差是8倍的情况的比 特转换器的配置的例子，但比特转换器可以被配置为适用于增益差不 是8倍的情况。可以由列放大器102设置多个增益差。可以扩展图7 所示的配置，从而省略详细配置。将讨论添加到数据DATA1和DATA2的冗余比特的长度。 数据DATA1是基于按增益p放大来自像素的信号所获得的信号的， 数据DATA2是基于按增益q放大来自像素的信号所获得的信号的， 其中，p〈q，并且l<q。数据DATA2对于入射光量的幅度是数据 DATA1的q/p倍大。将添加到两个数据的冗余比特的比特数量取为q/p比特使得两个数据的特性能够彼此一致(这意味着所述特性在图 2A、图2B和图2C中遵循相同的直线)。在以上描述中，信号Sl和S2二者都乘以具有由图8B中"x l"所表示的特性的Y值。使用具有根据列放大器102的增益的特性的 Y值允许获得具有更合适的亮度的图像。例如，可以通过对输入到DSP 140的DATA3的值与先前准备的查找表进行比较来确定y值。信号cpTX在时间t6转变为高电平将光电二极管PD中存 储的电荷传送到像素输出单元SF的栅极端子。由此，在像素输出单 元SF的栅极端子处的电位改变，从而改变垂直信号线VL上出现的电 平。由于输入电容器C0此时漂移，因此垂直信号线VL上的仅相对 于在时间tl所箝位的电平的波动部分被输入到运算放大器的反转输 入端子。换句话说，可以通过箝位操作来减少在箝位电容器之前生成 的噪声分量，并且基于光电转换的信号被输入到运算放大器Amp。在 本实施例中，如上所述的没有相关性的噪声分量残留作为像素噪声n。信号cpHn在时间t9依次转变为高电平使得通过差分放大 器DAmpl和DAmp2从一行的各像素输出信号。存储电容器中存储 的信号包括能归因于列放大器102的偏移分量，从而获得差的差分放 大器允许减少偏移分量。差分放大器DAmpl输出按1倍增益放大的 信号Sl，差分放大器DAmp2输出按8倍增益放大的信号S2。信号 Sl和S2包括前述输出噪声N。在本实施例中，在每一列中提供列放大器102使得能够并行处理一行部分的像素。换句话说，可以通过比输出放大器1031低的 速度来驱动列放大器，产生的优点是，列放大器较不容易变为噪声源。
可以按与第 一 实施例相同的方式来处理从固态成像器件1 输出的信号。信号(pbres在緩冲器单元buf中转变为高电平，从而对緩 冲器单元buf的输入部进行复位。在从垂直CCD电路VCCD传送后 续像素的电荷之前，需要进行复位。在本实施例中，在緩冲器单元biif 中生成与像素噪声ii对应的噪声。在本实施例中，在每一列中提供列放大器102使得能够并 行处理一行部分的各像素。换句话说，可以通过比输出放大器1031低的速度来驱动列放大器，产生的优点是，列放大器较不容易变为噪 声源。
00107可以按与第一实施例相同的方式来处理从固态成像器件 l输出的信号。(其它)
00110可以通过各种配置来实现本发明。图12示出所述配置的 一个例子。以相同的标号来表示与图3所示的固态成像器件中使用的 组件相同的组件。图12所示的固态成像器件在列放大器102的后级具有列 AD部108。对于每一像素列(即对于每一个列放大器)提供AD转换 器使得能够并行进行一行部分的信号的A/D转换，产生了适合于高速 操作的优点。尽管图12仅示出单个水平信号线HL，然而，在实际的 配置中，提供数量与列AD部的分辨率(比特数量)对应的水平信号 线HL。列AD部108可以与列放大器102部分地共享。
[001121在其中对于每一列像素提供两个列放大器的配置中，对于 每一个列放大器提供AD转换器，以使得能够进行进一步更高速操作。
[00113图13是图4所示的配置的框图。固态成像器件包括像 素部10，其中按矩阵布置像素101;和CDS电路CDS1，用于减少能 归因于像素部10的噪声。固态成像器件还包括列放大器，用于放大 从第一 CDS电路CDS1输出的信号；和第二 CDS电路CDS2，用于 减少能归因于列放大器的偏移分量。固态成像器件还包括输出部 103，用于输出从笫二CDS电路CDS2输出的信号。通过第一CDS电 路CDS1来减少能归因于像素部10的噪声，以使得能够有效使用列放大器102的输入侧上的动态范围。由于在列;故大器102中所4吏用的方文 大器中存在归因于制造条件的离差的偏移分量，因此提供第二 CDS 电路CDS2对于改善图片质量是有效的。此外，在这种配置中，毋庸 置疑，可以如图12所示提供列AD部。
[00114虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本 发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围与最宽泛的 解释一致，从而包括所有这样的修改和等同结构以及功能。
权利要求
1.一种成像系统，包括固态成像器件，其具有按矩阵布置的多个像素、各自与所述像素的一列对应地被提供的列放大器以及用于输出基于所述列放大器所进行的放大的图像信号的输出部；以及信号处理单元，用于接收所述图像信号，其中，所述列放大器按大于1的增益q对从所述像素输出的信号进行放大，以及所述信号处理单元按小于1的因子对基于按增益q所放大的信号的图像信号进行放大。
2. 根据权利要求1的成像系统，其中，所述信号处理单元具有用于将所迷图像信号转换为数字信号的 模拟-数字转换器，并且按所述小于1的因子对由所述;^莫拟-数字转换 器转换的数字信号进行放大。
3. 根据权利要求1的成像系统，其中，所述固态成像器件具有模拟-数字转换器，用于将所述图像信号 转换为数字信号，以及所述信号处理单元将由所述模拟-数字转换器转换的数字信号乘 以所述小于1的因子。
4. 根据权利要求3的成像系统，其中，所述模拟-数字转换器中的每一个与所述像素的 一 列对应地而被布置。
5. 根据权利要求2的成像系统，其中，所述列放大器按小于增益q 增益p对从所述 素输出的信号进行放大，以及所述信号处理单元具有比特转换器，用于通过将冗余比特添加到 由所述模拟-数字转换器从基于按增益p进行的放大的图像信号所转 换的数字信号，以及将冗余比特添加到由所述模拟-数字转换器从基于按增益q进行的放大的图像信号所转换的数字信号，来转换所述数字 信号的比特数量。
6. 根据权利要求5的成像系统，其中，所述比特转换器将所述冗余比特添加到由所述模拟-数字转换器 从基于按增益p进行的放大的图像信号所转换的数字信号的较低数 位，以及将所述冗余比特添加到由所述模拟-数字转换器从基于按增益 q进行的放大的图像信号所转换的数字信号的较高数位。
7. 根据权利要求5的成像系统，其中， 所述冗余比特是q/p个比特。
8. 根据权利要求5的成像系统，其中，所述信号处理单元将不同的伽马值应用于基于按增益p进行的 放大的图像信号和基于按增益q进行的放大的图像信号。
9. 根据权利要求1的成像系统，其中， 所述多个像素中的每一个包括 光电转换元件；像素输出单元，用于输出基于所述像素输出单元的输入部的电压 的信号；传送单元，用于将所述光电转换元件中累积的电荷传送到所述像素输出单元的输入部；以及复位单元，用于复位所述像素输出单元的输入部。
10. 根据权利要求1的成像系统，其中，所述固态成像器件具有第一 CDS电路，用于减少能归因于所述 像素的噪声，并且其噪声被所述第一 CDS电路所减少的信号被输入到 所述列放大器。
11. 根据权利要求l的成像系统，其中，
12. 根据权利要求1的成像系统，其中， 所述小于1的因子是p/q。
13. 根据权利要求1的成像系统，其中， 所述因子p是l。
14. 一种成像系统的驱动方法，所述成像系统包括固态成像器 件，该固态成像器件具有按阵列布置的多个像素、各自与所述像素的 一列对应的列放大器以及用于输出基于所述列放大器所进行的放大的 图像信号的输出单元；以及信号处理单元，用于接收所述图像信号，其中， 所述方法包括以下步骤由所述列放大器按大于1的增益q对从所述像素输出的信号进行 》文大，以及由所述信号处理单元按小于l的因子对基于按增益q所放大的信 号的图像信号进行放大。
15. 根据权利要求14的驱动方法，其中，所述列放大器按小于增益q的增益p对从所述像素输出的信号进 行方欠大，以及所述小于1的因子是p/q。
16. 根据权利要求14的驱动方法，其中，所述信号处理单元具有用于将所述图像信号转换为数字信号的 模拟-数字转换器，以及按所述小于1的因子对由所述模拟-数字转换 器转换的数字信号进行放大。
17. 根据权利要求16的驱动方法，还包括以下步骤 通过将冗余比特添加到由所述模拟-数字转换器从基于按增益p进行的放大的图像信号所转换的数字信号，以及将冗余比特添加到由 所述模拟-数字转换器从基于按增益q进行的放大的图像信号所转换 的数字信号，来转换所述数字信号的比特数量。
18. 根据权利要求17的驱动方法，还包括以下步骤 将所述冗余比特添加到由所述模拟-数字转换器从基于按增益p进行的放大的图像信号所转换的数字信号的较低数位，以及将所述冗余比特添加到由所述模拟-数字转换器从基于按增益q 进行的放大的图像信号所转换的数字信号的较高数位。
19. 根据权利要求17的驱动方法，其中， 所述冗余比特是q/p个比特。
20. 根据权利要求14的驱动方法，还包括以下步骤 将不同的伽马值应用于基于按增益p进行的放大的图像信号和
全文摘要
本发明公开了一种成像系统以及驱动所述成像系统的方法。本发明的目的在于提供一种能够改善S/N比率并且增加动态范围的成像系统以及一种适合于所述改善和增加的成像系统的驱动方法。该成像系统包括固态成像器件，其具有按矩阵布置的多个像素、各自与所述像素的一列对应的列放大器、以及用于输出基于所述列放大器所进行的放大的图像信号的输出部；和信号处理部，用于接收所述图像信号，其中，所述列放大器按大于1的增益q对从所述像素输出的信号进行放大，并且所述信号处理部将基于按增益q所放大的信号的图像信号乘以小于1的因子。
文档编号H04N5/335GK101621632SQ20091015132
公开日2010年1月6日 申请日期2009年6月30日 优先权日2008年6月30日
发明者太田径介, 桥本诚二, 繁田和之 申请人:佳能株式会社