成像元件、控制方法和成像設備的制作方法
【專利摘要】本發明涉及成像元件、控制方法和成像設備，通過其能夠獲取具有較高質量的圖像。公開的成像設備被提供有：多個比較單元，其對通過垂直信號線從包括光電轉換元件的像素所供應的模擬信號和具有不同傾斜度的斜波的參考信號進行比較，并且輸出比較結果；多個計數器，其對相互不同的比較單元執行計數直到所述比較結果被反轉，并且輸出計數值作為數字數據；和采樣保持單元，其在比較單元進行比較時電斷開所述垂直信號線與所述比較單元并且將所保持的模擬信號供應至所述比較單元。本發明可以應用于成像元件、控制方法和成像設備。
【專利說明】成像元件、控制方法和成像設備

【技術領域】
[0001] 本公開涉及成像元件、控制方法和成像設備，并且尤其涉及使能夠獲取具有較高 圖像質量的圖像的成像元件、控制方法和成像設備。

【背景技術】
[0002] 最近，隨著顯示技術的發展，對于半導體成像元件，已經日益要求高圖像質量的成 像。通過增加成像像素的數量來改進空間分辨率，并且通過高速成像（高幀頻）操作來改 進時間分辨率。此外，通過增加每個像素的輸出位數（增加灰度（gradation))來增加顏色 再現性或校正效果。
[0003] 在互補金屬氧化半導體（CMOS)圖像傳感器中的模擬/數字（A/D)轉換操作中，使 用斜坡波形作為參考電壓的時間積分型的A/D轉換器已經被廣泛地使用。時間積分型的A/ D轉換器在線性度或噪聲特性方面更優良。對每個像素列布置多個A/D轉換器，并且多個 A/D轉換器同時執行A/D轉換，使得可以降低每個A/D轉換器的操作頻率。此外，為每個像 素列布置的A/D轉換器可以彼此共享參考電壓生成器。因此，與其他A/D轉換方法相比較， 面積/功率效率更優良，并且與CMOS圖像傳感器的兼容性更優良。
[0004] 然而，在時間積分型的A/D轉換器的情況下，灰度增加和轉換速度處于折衷 (trade-off)的關系。因此，需要犧牲巾貞頻以增加輸出數據的位灰度（bit gradation)。
[0005] 因此，已經考慮了將多個比較器連接至一個像素垂直信號線、同時執行與多個參 考電壓的比較并且提升幀頻的方法（例如，參見專利文獻1)。
[0006] 此外，已經考慮了在壓縮數據而不生成不自然的灰度的對原始圖像的非線性壓縮 中將用于圖像元件的輸入（光強度）劃分為多個部分、設置輸出的傾斜度并同時并行地操 作多個線性A/D轉換器的方法。
[0007] 引用列表
[0008] 專利文獻
[0009] 專利文獻 1 :JP 2011_〇35689A


【發明內容】

[0010] 本發明要解決的技術問題
[0011] 然而，在專利文獻1中描述的方法的情況下，需要犧牲像素的數目（減少輸出圖像 的像素數目）。因為斜波的傾斜度是相同的，所以灰度不能增加。此外，由于參考電壓的偏 移變化而可能產生噪聲，并且輸出圖像的圖像質量可能惡化。
[0012] 此外，在上面描述的另一方法的情況下，因為多個比較器相連接，由于反沖 (kickback)而可能產生噪聲并且輸出圖像的圖像質量可能惡化。
[0013] 考慮到上述情況而提出本公開，并且本公開的一個目標是獲得具有較高質量的圖 像。
[0014] 對問題的解決方案
[0015] 根據本公開的一個方面，提供一種成像元件，其包括：多個比較單元，其對通過垂 直信號線從包括光電轉換元件的像素所供應的模擬信號和具有不同傾斜度的斜波的參考 信號進行比較，并且輸出比較結果；多個計數器，其對于不同的比較單元執行計數直到所述 比較結果被反轉，并且輸出計數值作為數字數據；和采樣及保持單元，其在對所述模擬信號 和除了具有最緩和傾斜度的斜波之外的斜波的參考信號進行比較的比較單元開始比較之 前保持通過所述垂直信號線供應的模擬信號，并且在所述比較單元執行比較時，該采樣及 保持單元電切斷所述垂直信號線和所述比較單元并且將所保持的模擬信號供應至所述比 較單元。
[0016] 具有最緩和傾斜度的斜波的電壓范圍可以操作在其中kT/C噪聲在所有噪聲中最 具支配性的范圍內。
[0017] 基于每個比較單元的比較結果而從所述多個計數器中選擇的并且對如下比較單 元執行計數的計數器可以輸出計數值：該比較單元將所述模擬信號和與根據該模擬信號的 信號電平的照度區域相對應的參考信號相比較。
[0018] 可以從所述多個計數器中選擇如下計數器：該計數器中的計數值最大，并且與該 計數器相對應的比較單元的比較結果被反轉。
[0019] 可以與所述計數值一起輸出標志信息，所述標志信息示出由與所選擇的計數器相 對應的比較器所使用的參考信號的電壓范圍。
[0020] 所述采樣及保持單元可以包括開關和電容器，所述開關電連接或電切斷所述垂直 信號線和所述比較單元，所述電容器在所述垂直信號線和所述比較單元通過所述開關電連 接時保持通過所述垂直信號線所供應的模擬信號，并且在所述垂直信號線和所述比較單元 通過所述開關電切斷時將由所述電容器保持的模擬信號供應至所述比較單元。
[0021] 該成像元件還可以包括：多個參考信號生成單元，其生成具有不同傾斜度的斜波 的參考信號，并且所述多個比較單元可以將所述模擬信號與由不同的參考信號生成單元所 生成的參考信號進行比較。
[0022] 所述多個參考信號生成單元可以在相同的時刻開始生成參考信號。
[0023] 在生成具有最緩和傾斜度的斜波的參考信號的參考信號生成單元生成參考信號 之后具有最緩和傾斜度的斜波的電壓值和具有其他傾斜度的斜波的電壓值不交叉的時刻， 生成具有其他傾斜度的斜波的參考信號的參考信號生成單元可以開始生成參考信號。
[0024] 在生成具有最緩和傾斜度的斜波的參考信號的參考信號生成單元生成參考信號 之前的時刻，生成具有其他傾斜度的斜波的參考信號的參考信號生成單元可以開始生成參 考信號。
[0025] 在生成具有最緩和傾斜度的斜波的參考信號的參考信號生成單元生成參考信號 時，生成具有其他傾斜度的斜波的參考信號的參考信號生成單元可以順序地生成具有不同 傾斜度的斜波的參考信號。
[0026] 所述多個比較單元的部分或全部可以比較模擬信號與具有相同傾斜度的斜波的 參考信號，并且所述成像元件還可以包括求和平均單元，其對由與比較模擬信號與具有相 同傾斜度的斜波的參考信號的多個比較單元相對應的計數器輸出的計數值進行平均。
[0027] 根據本公開的一方面，提供了成像元件的控制方法，包括：使得多個比較單元對通 過垂直信號線從包括光電轉換元件的像素所供應的模擬信號和具有不同傾斜度的斜波的 參考信號進行比較，并且輸出比較結果；使得多個計數器對于不同的比較單元執行計數直 到所述比較結果被反轉，并且使得所述多個計數器輸出計數值作為數字數據；以及使得采 樣及保持單元在對所述模擬信號和除了具有最緩和傾斜度的斜波之外的斜波的參考信號 進行比較的比較單元開始比較之前保持通過所述垂直信號線供應的模擬信號，并且致使在 所述比較單元執行比較時，該采樣及保持單元電切斷垂直信號線和所述比較單元并且將所 保持的模擬信號供應至所述比較單元。
[0028] 根據本公開的一方面，提供了成像設備，包括：成像元件，具有多個比較單元、多 個計數器、和采樣及保持單元，所述多個比較單元對通過垂直信號線從包括光電轉換元件 的像素所供應的模擬信號和具有不同傾斜度的斜波的參考信號進行比較，并且輸出比較結 果，所述多個計數器對于不同的比較單元執行計數直到所述比較結果被反轉，并且所述多 個計數器輸出計數值作為數字數據，所述采樣及保持單元在對所述模擬信號和除了具有最 緩和傾斜度的斜波之外的斜波的參考信號進行比較的比較單元開始比較之前保持通過所 述垂直信號線供應的模擬信號，并且在所述比較單元執行比較時，該采樣及保持單元電切 斷所述垂直信號線和所述比較單元并且將所保持的模擬信號供應至所述比較單元；圖像處 理單元，其對從成像元件輸出的成像圖像的數字數據執行圖像處理；以及存儲單元，其存儲 經受了所述圖像處理單元的圖像處理的成像圖像的數字數據。
[0029] 根據本公開的另一方面，提供了成像元件，包括：多個參考信號生成單元，其在不 同的時刻生成具有不同傾斜度的斜波的參考信號；多個比較單元，其對通過垂直信號線從 包括光電轉換元件的像素所供應的模擬信號和由不同的參考信號生成單元生成的參考信 號進行比較，并且輸出比較結果；和多個計數器，其對于不同的比較單元執行計數直到所述 比較結果被反轉，并且輸出計數值作為數字數據。
[0030] 在生成具有最緩和傾斜度的斜波的參考信號的參考信號生成單元生成參考信號 之后具有最緩和傾斜度的斜波的電壓值和具有其他傾斜度的斜波的電壓值不交叉的時刻， 生成具有其他傾斜度的斜波的參考信號的參考信號生成單元可以開始生成參考信號。
[0031] 在生成具有最緩和傾斜度的斜波的參考信號的參考信號生成單元生成參考信號 之前的時刻，生成具有其他傾斜度的斜波的參考信號的參考信號生成單元可以開始生成參 考信號。
[0032] 可以與所述計數值一起輸出標志信息，所述標志信息示出由與所選擇的計數器相 對應的比較器所使用的參考信號的電壓范圍。
[0033] 根據本公開的另一方面，提供了成像元件的控制方法，包括：使得多個參考信號生 成單元在不同的時刻生成具有不同傾斜度的斜波的參考信號；使得多個比較單元對通過垂 直信號線從包括光電轉換元件的像素所供應的模擬信號和由不同的參考信號生成單元生 成的參考信號進行比較并且輸出比較結果；和使得多個計數器對于不同的比較單元執行計 數直到所述比較結果被反轉，并且使得所述多個計數器輸出計數值作為數字數據。
[0034] 根據本公開的另一方面，提供了成像設備，包括：成像元件，其具有多個參考信號 生成單元、多個比較單元和多個計數器，所述多個參考信號生成單元在不同的時刻生成具 有不同傾斜度的斜波的參考信號，所述多個比較單元對通過垂直信號線從包括光電轉換元 件的像素所供應的模擬信號和由不同的參考信號生成單元生成的參考信號進行比較并且 輸出比較結果，所述多個計數器對于不同的比較單元執行計數直到所述比較結果被反轉， 并且輸出計數值作為數字數據；圖像處理單元，其對從成像元件輸出的成像圖像的數字數 據執行圖像處理；以及存儲單元，其存儲經受了所述圖像處理單元的圖像處理的成像圖像 的數字數據。
[0035] 在本公開的一個方面，通過垂直信號線從包括光電轉換元件的像素所供應的模擬 信號與具有不同傾斜度的斜波參考信號進行比較，并且輸出比較結果。對于不同的比較單 元執行計數直到比較結果被反轉，并且輸出計數值作為數字數據。在對模擬信號和除了具 有最緩和傾斜度的斜波之外的斜波進行比較的比較單元開始比較之前，通過所述垂直信號 線供應的模擬信號被保持，并且在所述比較單元進行比較時，垂直信號線和所述比較單元 被電切斷，并且所保持的模擬信號被供應至比較單元。
[0036] 在本公開的另一方面，在不同的時刻生成具有不同傾斜度的斜波參考信號。將通 過垂直信號線從包括光電轉換元件的像素所供應的模擬信號與由不同的參考信號生成單 元生成的參考信號進行比較，并且輸出比較結果。對于不同的比較單元執行計數直到比較 結果被反轉，并且輸出計數值作為數字數據。
[0037] 本發明的效果
[0038] 根據本公開，可以對對象成像。特別地，可以獲得較高圖像質量的圖像。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0039] 圖1是示出根據相關技術的高灰度成像圖像的像素值的A/D轉換的方面的示例的 圖。
[0040] 圖2是示出根據相關技術的高灰度成像圖像的像素值的A/D轉換的方面的另一示 例的圖。
[0041] 圖3是示出CMOS圖像傳感器的主要配置示例的方框圖。
[0042] 圖4是示出單元像素配置的的示例的圖。
[0043] 圖5是示出列A/D的主要配置示例的電路圖。
[0044] 圖6是示出像素信號的A/D轉換的方面的示例的圖。
[0045] 圖7是示出像素信號的A/D轉換的方面的另一示例的圖。
[0046] 圖8是示出區域劃分的方面的示例的圖。
[0047] 圖9是示出圖像信號輸出控制過程的流程的示例的流程圖。
[0048] 圖10是示出信號讀取過程的流程的示例的流程圖。
[0049] 圖11是示出像素信號的A/D轉換的方面的另一示例的圖。
[0050] 圖12是示出信號讀取過程的流程的另一示例的流程圖。
[0051] 圖13是示出像素信號的A/D轉換的方面的另一示例的圖。
[0052] 圖14是示出信號讀取過程的流程的另一示例的流程圖。
[0053] 圖15是示出在三個區域的情況下像素信號的A/D轉換的方面的示例的圖。
[0054] 圖16是示出在三個區域的情況下像素信號的A/D轉換的方面的另一示例的圖。
[0055] 圖17是示出三區域劃分的方面的示例的圖。
[0056] 圖18是示出信號讀取過程的流程的示例的流程圖。
[0057] 圖19是示出高灰度信號讀取過程的流程的示例的流程圖。
[0058] 圖20是示出中間/低灰度信號讀取過程的流程的示例的流程圖。
[0059] 圖21是示出列A/D的另一配置示例的電路圖。
[0060] 圖22是示出應用本技術的成像設備的典型示例結構的方框圖。
[0061] 圖23是示出計算機的典型示例結構的方框圖。

【具體實施方式】
[0062] 下面是對用于實施本技術的方式（下文中稱作實施例）的描述。將以下面的順序 來進行解釋。
[0063] 1.第一實施例（圖像傳感器）
[0064] 2.第二實施例（成像設備）
[0065] 3.第三實施例（計算機）
[0066] 〈1.第一實施例〉
[0067][積分類型的A/D轉換]
[0068] 首先，將描述使用斜坡波形作為參考電壓的積分類型的模擬/數字（A/D)轉換。因 為與其他A/D轉換方式相比較，使用斜坡波形作為參考電壓的時間積分類型的A/D轉換器 在線性度或噪聲特性方面更優良的并且在與互補金屬氧化半導體（CMOS)圖像傳感器的兼 容性方面更優良的，所以，該A/D轉換器已經廣泛使用在CMOS圖像傳感器中。
[0069] 在CMOS圖像傳感器中，例如，為每個像素列提供A/D轉換器（也被稱作列模擬數 字轉換器（ADC))，并且垂直信號線輸出（像素值等）經受A/D轉換。這樣，為每個圖像列布 置A/D轉換器（列ADC)，從而多個A/D轉換器可以同時操作（每列的A/D轉換并行執行）。 因此，可以降低每個A/D轉換器的操作頻率。
[0070] 在時間積分型A/D轉換器的情況下，因為如上所述布置的多個A/D轉換器可以彼 此共享參考電壓生成器，所以面積/功率效率是優良的。因此，時間積分型的A/D轉換器適 合于用于每個像素列的A/D轉換器（列ADC)。
[0071] 然而，在時間積分型的A/D轉換器的情況下，灰度增加和轉換速度處于折衷的關 系。因為該緣故，需要犧牲幀頻（降低幀頻）以增加輸出數據的位灰度。
[0072] 圖1示出當傳感器輸出增加一位時一個A/D轉換的時間。假設通過應用時間T將 特定位灰度輸出與參考電壓生成電路的具有OdB增益的傾斜度（inclination)的斜波參考 電壓進行比較。為了將輸出位數增加1，需要將參考電壓的增益操作為6dB并且將參考電 壓的斜波的傾斜度設置為1/2。為此緣故,花費雙倍的轉換時間2T以不減小動態范圍而執 行全規模（full-scale)A/D轉換。作為不犧牲幀頻而增加輸出位數的方法，增加計數頻率 的方法也是有效的。然而，如果考慮操作的可靠性，存在對可以使用的頻率的限制。也考慮 將A/D轉換器加倍和并行地處理A/D轉換器的操作的方法。然而，消耗功率或電路面積可 能加倍。
[0073] 因此，考慮這樣的方法：將用于成像元件的輸入（光強度）劃分為多個部分，設置 輸出的傾斜度，并且同時并行地操作多個線性A/D轉換器。然而，在這種方法的情況下，因 為多個A/D轉換器相連接，所以由于在特定A/D轉換器中反沖的產生而引起的輸入信號的 波動傳播至在其他操作期間的A/D轉換器，并且A/D轉換變得不準確。因此，可能在圖像中 產生噪聲，并且圖像質量可能惡化。
[0074] 圖2是示出由于反沖引起的噪聲的產生的方面的示例的圖。當通過具有不同傾斜 度的多個斜波來同時開始比較操作時，要比較的像素信號電平是相同的。為此緣故，具有較 陡峭傾斜度的斜波的比較器當然較早地將輸出反轉。如在圖2中所示，比較器的輸出反轉 通過反饋路徑傳輸，并且像素垂直信號線的像素信號可能波動。
[0075] 因為垂直信號線被共享為多個比較器的輸入，所以波動的像素信號可能影響與其 他的具有緩和傾斜度的斜波的比較操作，并且可能比理想的計數值更早地將比較器反轉。 也就是說，盡管信號是需要最高精度的信號，但是該信號可能被輸出為包含大的噪聲的信 號。在此情況下，因為大的噪聲被包括在需要較高精度的、具有低照度（illuminance)的像 素信號中，所以其中視覺影響大的噪聲（很可能可見）可能被包括在圖像中，并且圖像質量 可能極大地惡化。
[0076][圖像傳感器]
[0077] 因此，在本公開中，將描述用于抑制由于反沖引起的噪聲的產生的技術。
[0078] 圖3是示出應用本技術的圖像傳感器的一部分的配置示例的方框圖。在圖3中示 出的互補金屬氧化半導體（CMOS)圖像傳感器100是對對象進行成像并且獲得成像圖像的 數字數據的成像元件。
[0079] 在CMOS圖像傳感器100中，為一個垂直信號線提供使用具有不同灰度的參考信號 執行A/D轉換的多個A/D轉換單元，并且在部分地實現高灰度A/D轉換操作而不犧牲幀頻。
[0080] CMOS圖像傳感器100在A/D轉換期間將使用不具有最高灰度的參考信號的AD轉 換單元的垂直信號線輸入與其他電路電切斷，并且抑制反沖的影響傳播至其他A/D轉換單 元。以此方式，CMOS圖像傳感器100可以抑制由于反沖而產生噪聲。
[0081] 下文中，給出更具體的描述。
[0082] 如在圖3中所示，CMOS圖像傳感器100包括在半導體基板（下文中也稱作"芯 片")101上形成的像素陣列單元102、以及與像素陣列單元102在相同的芯片101上集成的 外圍電路單元。在該示例中，行掃描單元103、列處理單元104、列掃描單元105、和系統控制 單元106被提供為外圍電路單元。
[0083] 在像素陣列單元102中，在矩陣中二維地布置單元像素（下文中也被簡稱為"像 素"）120,每個單元像素具有光電轉換元件，該光電轉換元件生成根據入射光量的電荷量的 光電荷并且在其中累積。在圖3中，在像素陣列單元102中的每個方塊表示像素120。在 圖3中，在矩陣中布置的像素120中的僅右上端的像素120由附圖標號表示。然而，當像素 120不需要彼此區分時，在矩陣中布置的像素也被稱作"像素120"。
[0084] 在像素陣列單元102中，關于矩陣的像素布置，沿著每個像素行的水平方向/行方 向（像素行的像素的布置方向）提供像素驅動線107,并且沿著每個像素列的垂直方向/列 方向（像素列的像素的布置方向）提供垂直信號線108。像素驅動線107傳輸用于進行驅 動的驅動信號以從像素讀取信號。在圖3中，每個像素驅動線107被示作一個配線（wiring line)。然而，每個像素驅動線107并不局限于一個配線。像素驅動線107的一端連接至與 行掃描單元103的每行相對應的輸出端。
[0085] 行掃描單元103是像素驅動單元，其由移位寄存器或地址解碼器構成并且對于所 有像素或者以行單位同時驅動像素陣列單元102的每個像素120。在附圖中沒有示出行 掃描單元103的具體配置。然而，行掃描單元103通常配置為具有讀取掃描系統和掃出 (sweeping)掃描系統這兩種掃描系統。
[0086] 讀取掃描系統選擇性地以行為單位順序地掃描像素陣列單元102的單元像素，以 從單元像素讀取信號。從單元像素讀取的信號是模擬信號。掃出掃描系統對已經由讀取掃 描系統進行了讀取掃描的讀取行進行掃出掃描，快門速度時間比讀取掃描更早。
[0087] 通過掃出掃描系統的掃出掃描來將不需要的電荷從讀取行的單元像素的光電轉 換元件中掃出，使得光電轉換元件被復位。此外，通過掃出掃描系統掃出（復位）不需要的 電荷來執行所謂的電子快門操作。在此，電子快門操作意味著用于在丟棄光電轉換元件的 光電荷之后新開始曝光（開始光電荷的累積）的操作。
[0088] 通過讀取掃描系統的讀取操作而讀取的信號對應于在緊接在前的讀取操作或電 子快門操作之后的入射光量。此外，從緊接在前的讀取操作的讀取時刻或電子快門操作的 掃出時刻到當期讀取操作的讀取時刻的時段成為單元像素中的光電荷的累積時段（曝光 時段）。
[0089] 從由行掃描單元103選擇性掃描的像素行的每個像素120輸出的信號通過每個垂 直信號線108被供應至列處理單元104。對像素陣列單元102的每個像素列，列處理單元 104對從由行掃描單元103選擇的行的每個像素120經過垂直信號線108輸出的信號來執 行預定信號處理，并且暫時存儲在信號處理之后的像素信號。
[0090] 具體地，列處理單元104接收單元像素120的信號，并且對該信號執行信號處理， 比如通過相關雙采樣（⑶S)的噪聲消除、信號放大和A/D轉換。
[0091] 通過對在單元像素（實際上，下文中要描述的浮置擴散單元）被復位時讀取的復 位電平和根據經受了光電轉換兀件的光電轉換的信號電荷的信號電平取差來執行通過CDS 的噪聲消除。通過噪聲消除處理，復位噪聲或像素特有的諸如放大晶體管的閾值變化的固 定樣式噪聲被消除。在此描述的信號處理僅僅是示例性的，而不是限制性的。
[0092] 在列處理單元104中，提供用于每個像素列的列ADC。通過列ADC來執行上文所描 述的對每個像素列的A/D轉換。盡管在下文中描述了列ADC的細節，但是列處理單元104 具有多個參考信號生成電路。每個參考信號生成電路生成斜波作為參考信號。然而，由每 個參考信號生成電路生成的斜波的傾斜度是不同的。
[0093] 列ADC具有對于一個垂直信號線的多個A/D轉換單元，如上文所述。多個A/D轉 換單元使用由不同的參考信號生成電路生成的參考信號。也就是說，每個A/D轉換單元使 用具有不同傾斜度的斜波。當斜波的傾斜度緩和時，A/D轉換單元可以執行較高灰度的A/ D轉換（輸出位數可以增加）。也就是說，列ADC可以以多種灰度執行A/D轉換。
[0094] 如上文所述，如果斜波的傾斜度變得緩和，則A/D轉換的處理時間可能增加。因 此，列ADC將垂直信號線輸出所占據的值的范圍劃分為多個區域（照度區域），并且僅對部 分照度區域使用具有緩和傾斜度的斜波執行高灰度A/D轉換。一般地，在像素輸出信號的 小的低照度區域中，獲得較高精度的圖像數據。
[0095] 因此，列ADC僅對預先設置的最低照度區域使用具有最緩和傾斜度的斜波執行最 高灰度的A/D轉換，并且對整個區域使用具有最陡峭傾斜度的斜波執行除了最高灰度A/D 轉換之外的A/D轉換。
[0096] 以此方式，列處理單元108的列ADC可以部分地實現高灰度A/D轉換操作，而不犧 牲幀頻。
[0097] 在圖3的示例的情況下，提供參考信號生成電路131和參考信號生成電路132,作 為參考信號生成電路。參考信號生成電路131生成用于高灰度A/D轉換的參考信號，而參 考信號生成電路132生成用于低灰度A/D轉換的參考信號。也就是說，參考信號生成電路 131生成具有比在參考信號生成電路132中的傾斜度更緩和的傾斜度的斜波，作為參考信 號。每個由參考信號生成電路131和參考信號生成電路132所生成的參考信號（斜波）被 供應至每個列ADC的對應的A/D轉換單元。
[0098] 在圖3的示例的情況下，為每個垂直信號線提供兩個A/D轉換單元。兩個A/D轉 換單元之一使用由參考信號生成電路131生成的具有緩和傾斜度的斜波來執行高灰度A/D 轉換，并且另一 A/D轉換單元使用由參考信號生成電路132生成的具有陡峭傾斜度的斜波 下來執行低灰度A/D轉換。
[0099] 列掃描單元105由移位寄存器或地址解碼器構成，并且順序地選擇與列處理單元 104的像素列相對應的單元電路。通過列掃描單元105的選擇性掃描，經受了列處理單元 104的信號處理的像素信號被順序地輸出至水平總線109,經過水平總線109供應至輸出端 (Vout) 110,并且從輸出端110傳輸至半導體基板101 (CMOS圖像傳感器100)的外部。
[0100] 系統控制單元106接收從半導體基板101的外部提供的時鐘或指示操作模式的數 據，并且輸出諸如CMOS圖像傳感器100的內部信息之類的數據。系統控制單元106還具有 用于生成各種定時信號的定時生成器，并且基于由定時生成器所生成的各種定時信號來直 接或間接地執行對諸如行掃描單元103、列處理單元104和列掃描單元105的外圍控制單元 的驅動控制。
[0101] 例如，系統控制單元104控制列處理單元104的參考信號生成電路131和參考信 號生成電路132進行的參考信號的生成。此外，例如，系統控制單元106控制列掃描單元 105并且控制在列處理單元104中的每個列ADC的操作。
[0102] [像素配置]
[0103] 圖4是示出像素120的電路配置示例的電路圖。如圖4所示，除了用作光電轉換 單元的光電二極管121之外，像素120還具有轉移晶體管122、復位晶體管123、放大晶體管 124和選擇晶體管125這四個晶體管。
[0104] 在此，N溝道金屬氧化半導體（M0S)晶體管被用作這四個晶體管（轉移晶體管122 至選擇晶體管125)。然而，轉移晶體管122、復位晶體管123、放大晶體管124和選擇晶體管 125的導電組合僅僅是示例性的，而不是限制性的。
[0105] 關于像素120,對相同像素行的每個像素共同地提供轉移線107-1、復位線107-2 和選擇線107-3這三條驅動配線作為像素驅動線107。傳輸線107-1、復位線107-2和選擇 線107-3的一端連接至與像素行單元中的行掃描單元103的每個像素行相對應的輸出端， 并且轉移線107-1、復位線107-2和選擇線107-3傳輸轉移脈沖c^TRF、復位脈沖c^RST和 選擇脈沖Φ3Ε?，它們用作用于驅動像素120的驅動信號。
[0106] 光電二極管121的陽極電極連接至負側電源（例如地），并且光電二極管121執行 光電轉換以將所接收到的光轉換為根據其光量的電荷量的光電荷（在此，光電子），并且累 積光電荷。光電二極管121的陰極電極通過轉移晶體管122電連接至放大晶體管124的柵 極電極。與放大晶體管124的柵極電極電連接的節點126被稱作浮置擴散（FD)單元。
[0107] 轉移晶體管122連接在光電二極管121的陰極電極和FD單元126之間。通過轉 移線107-1向轉移晶體管122的柵極電極提供轉移脈沖c^TRF，在該轉移脈沖c^TRF中高電 平（例如，Vdd電平）是有效的（下文中，稱作"高有效"）。由此，轉移晶體管122導通，并 且將經受了光電二極管121的光電轉換的光電荷轉移至FD單元126。
[0108] 復位晶體管123的漏極電極連接至像素電源Vdd，并且其源極電極連接至FD單元 126。通過復位線107-2向復位晶體管123提供高有效復位脈沖ΦΙ?Τ。由此，復位晶體管 123導通并且將FD單元126的電荷丟棄至像素電源Vdd，以使FD單元126復位。
[0109] 放大晶體管124的柵極電極連接至FD單元126,并且其漏極電極連接至像素電源 Vdd。此外，放大晶體管124輸出在被復位晶體管復位之后的FD單元126的電勢作為復位 信號（復位電平）。此外，放大晶體管124輸出在通過轉移晶體管122傳輸信號電荷之后的 FD單兀126的電勢，作為光累積信號（信號電平）。
[0110] 選擇晶體管125的漏極電極連接至放大晶體管124的源極電極，并且其源極電極 連接至垂直信號線108。通過選擇線107-2將高有效選擇脈沖(tSEL提供至選擇晶體管125 的柵極電極。由此，選擇晶體管125導通，使得像素120的狀態變為選擇狀態，并且將從放 大晶體管124輸出的信號中繼（relay)至垂直信號線。
[0111] 關于選擇晶體管125,可以采用連接于像素電源Vdd和放大晶體管124的漏極之間 的電路配置。
[0112] 此外，像素120的配置不限于包含四個晶體管的像素配置。例如，像素120的配置 可以是包含用作放大晶體管124和選擇晶體管125的三個晶體管的像素配置，并且其像素 電路的配置可以是任何配置。
[0113] [列 ADC]
[0114] 圖5是示出列處理單元104的列ADC的主要配置示例的方框圖。圖5中示出的列 ADC 140是與一條垂直信號線相對應的配置示例。為每個垂直信號線提供在圖5中示出的 配置的列ADC 140。
[0115] 如上所述，列ADC 140具有多個A/D轉換單元，這些A/D轉換單元執行不同灰度的 A/D轉換。在圖5的示例的情況下，列ADC 140具有執行高灰度A/D轉換的A/D轉換單元 和執行低灰度A/D轉換的A/D轉換單元這兩個A/D轉換單元。在圖5的示例中，由虛線框 包圍的列ADC 140的內部部分的左側配置是執行高灰度A/D轉換的AD轉換單元（也稱作 高灰度A/D轉換單元），而列ADC 140的內部部分的右側配置是執行低灰度A/D轉換的A/D 轉換單元（也稱作低灰度A/D轉換單元）。
[0116] 也就是說，高灰度A/D轉換單元具有電容器151和152、比較器153、開關（ΦΑΖ) 154 和U/D計數器155。低灰度A/D轉換單元具有電容器161和162、比較器163、開關（ΦΑΖ) 164 和U/D計數器165。通過對各個A/D轉換單元示意性表示列掃描單元105的功能（從列掃 描單元105供應的控制信號）來示出HSCAN 105-1和HSCAN 105-2,但是實際上在列處理單 元 104 中并不存在 HSCAN 105-1 和 HSCAN 105-2。
[0117] 通過垂直信號線108從像素陣列單元102所供應的信號（垂直信號線輸出）經 過電容器151被供應至比較器153的一個輸入（VSL Fi)。此外，從參考信號生成電路131供 應的參考信號、即具有緩和傾斜度的斜波經過電容器152被供應至比較器153的另一輸入 (DAC Fi)。
[0118] 比較器153比較這兩個輸入，并且輸出示出了其兩個輸入的比較結果（哪一個大） 的信號（VC0 F)。開關154適當地連接比較器153的輸入和輸出，執行模擬⑶S，并且移除比 較器153的偏移。
[0119] 與比較器153開始一起，U/D計數器155根據HSCAN 105-1的控制以預定的步調開 始計數（遞增計數值）。如果比較器153的輸出被反轉（斜波的信號電平變得小于垂直信 號線輸出）或者計數值飽和（斜波的信號電平達到最大值），則U/D計數器155根據HSCAN 105-1的控制而結束計數，保持先前的計數值，并且將計數值適當地輸出至水平總線109。
[0120] 以此方式，高灰度A/D轉換單元執行對低照度區域的高灰度A/D轉換。
[0121] 垂直信號線輸出經過電容器161被供應至比較器163的一個輸入（VSLCi)。此外， 從參考信號生成電路132供應的參考信號、也就是具有陡峭傾斜度的斜波經過電容器162 被供應至比較器163的另一輸入（DAC Ci)。
[0122] 比較器163比較這兩個輸入，并且輸出示出了其兩個輸入的比較結果（哪一個大） 的信號（VC0。）。開關164適當地連接比較器163的輸入和輸出，執行模擬⑶S，并且移除比 較器163的偏移。
[0123] 與比較器163開始比較一起，U/D計數器163根據HSCAN 105-2的控制以預定的 步調開始計數（遞增計數值）。如果比較器163的輸出被反轉（斜波的信號電平變得小于 垂直信號線輸出）或者計數值飽和（斜波的信號電平達到最小值），則U/D計數器103根據 HSCAN 105-2的控制而結束計數，保持先前的計數值，并且適當地將該計數值輸出至水平總 線 109。
[0124] 以此方式，低灰度A/D轉換單元執行對整個區域的低灰度A/D轉換。
[0125] 然而，如圖5中所示，列ADC 140還具有采樣及保持單元170。采樣及保持單元170 提供在垂直信號線108和電容器161之間。采樣及保持單元170具有開關（〇 s/H) 171和電 容器（Cs/H) 172。開關171電連接或者切斷垂直信號線108和電容器161。電容器172保持 垂直信號線輸出。
[0126] 在低灰度A/D轉換單元執行A/D轉換時，開關171打開，并且電切斷垂直信號線 108和電容器161。在比較器163中，根據電路配置，在輸入和輸出之間容易產生寄生電容， 輸出的反轉影響輸入側，并且輸入信號的信號電平可能波動（可能產生反沖）。
[0127] 如果信號電平的波動傳播至高灰度A/D側，則在比較器153中的比較結果中可能 產生錯誤。該錯誤可能變成噪聲并且可能被輸出。對于該現象，開關171在A/D轉換期間 電切斷垂直信號線108和比較器161，以便開關可以抑制波動的傳播。也就是說，開關171 可以抑制由反沖造成的噪聲的產生。
[0128] 然而，如果垂直信號線108和電容器161被電切斷，貝U垂直信號線輸出不被輸出至 比較器163。因此，在低灰度A/D轉換單元不執行A/D轉換時，開關171電連接垂直信號線 108和電容器161。以此方式，垂直信號線輸出的信號電平在電容器172中累積。也就是說， 在開關171切斷之后，在電容器172中累積的信號電平被供應至低灰度A/D轉換單元。
[0129] 如上文中所述，采樣及保持單元170可以抑制由于反沖造成的信號電平的波動被 傳播，并且可以抑制由于反沖造成的噪聲的產生。因此，通過簡單的配置，列ADC 140可以 部分地執行高灰度A/D轉化，同時抑制由于反沖造成的噪聲的產生，而不犧牲幀頻。結果， CMOS圖像傳感器100可以獲得較高圖像質量的圖像。
[0130] 如果添加采樣及保持單元170,則kT/C噪聲可能增加。然而，由于高灰度A/D轉 換單元執行對低照度區域的A/D轉換，所以實際上僅對高照度區域采用低灰度A/D轉換單 元的A/D轉換結果。也就是說，在低灰度輸出/高照度側信號中，光學散粒噪聲（optical shot noise)成為主要的噪聲因素。因此，即使kT/C噪聲增加，這并不很大地影響整個噪聲 量。
[0131] 相應地，在低灰度A/D轉換單元的輸入中而不是在高灰度A/D轉換單元的輸入中 提供采樣及保持單元170,使得可以抑制噪聲增加。
[0132] 具有上述配置的列ADC 140應當被設計為處于像素的水平方向的間距（pitch)。 然而，在本技術的情況下，如上文所述，僅添加具有簡單配置的采樣及保持單元170,使得可 以抑制由于反沖造成的噪聲的產生。因此，可以更容易地實現列ADC 140。
[0133] [操作示例]
[0134] 下文中，將描述具體操作示例。首先，將描述其中選擇低照度側的輸出的情況（其 中像素值小的情況）。圖6是示出在選擇低照度側的輸出的情況下像素信號的A/D轉換的 方面的示例的圖。
[0135] 在圖6的最上面的步驟中，示出了垂直信號線像素信號201和用于低照度信號獲 取的參考電壓202,該垂直信號線像素信號201是經過垂直信號線108從像素120供應至 列ADC的信號（垂直信號線輸出）的波形，該參考電壓202是由參考信號生成電路131生 成的斜波的波形。此外，在從圖6頂部的第二步驟中，示出了 S/Η電路像素信號204和用于 高照度信號獲取的參考電壓205,該S/N電路像素信號204是采樣及保持單元170的輸出信 號的波形，該參考電壓205是由參考信號生成電路132生成的斜波的波形。
[0136] 如上文所述，因為通過在電容器172中保持垂直信號線像素信號201來獲得S/H 電路像素信號204,所以S/Η電路像素信號204的波形變為與垂直信號線像素信號201基本 相同的波形。
[0137] 在圖6的較低側，示出了示出U/D計數器155的計數的方面的用于低照度信號獲 取的計數器203、示出U/D計數器165的計數的方面的用于高照度信號獲取的計數器206、 和作為用于切換開關171的接通/斷開（連接/切斷）的控制信號的波形的Φ S/H 207。
[0138] 在該示例中，執行數字CDS，以對每個像素移除固定樣式噪聲。在數字CDS中，在時 間T0至T3的部分中在先讀取FD的復位電壓作為像素的黑電平（black level)，在時間T4 至T7的部分中讀取像素的像素信號（像素值），并且其后從讀取的像素信號的信號電平中 減去在先讀取的黑電平。
[0139] 數字CDS的操作是任意的，并且可以執行其他操作。例如，在后面的步驟可以放置 幀存儲器，并且可以由幀存儲器執行減法處理，并且所獲取的黑電平的計數值可以被反轉 (向下計數）并且可以被向上計數作為像素信號的A/D轉換的初始值。
[0140] 如在圖6中所示，在對于FD的復位電壓的A/D轉換開始時的T0之前，（tS/H 207 接通，并且開關171變為連接狀態（接通）。因此，在電容器172中保持垂直信號線輸出（FD 的復位電壓）。如果時間變為T0,則c^S/H 207斷開并且開關171變為切斷狀態（斷開）。 在該狀態中，在從時間T0至時間T3的時段期間執行對FD的復位電壓的A/D轉換。因此， 可以抑制由于比較器163的反沖造成的信號電平波動的傳播。
[0141] 類似地，在從對于FD的復位電壓的A/D轉換結束時的時間T3到對于像素信號的 A/D轉換開始時的時間T4的時段期間，c^S/H 207接通，并且開關171變為連接狀態（接 通）。因此，在電容器172中保持垂直信號線輸出（像素信號電平）。如果時間變為T4,則 Φ S/H 207斷開并且開關171變為切斷狀態（斷開）。在該狀態下，在從時間T4至時間T7 的時段期間，執行對于像素信號的A/D轉換。因此，可以抑制由于比較器163的反沖造成的 信號電平波動的傳播。
[0142] 如圖6所示，在時間Τ5,用于高照度信號獲取的參考電壓205變得小于S/Η電路像 素信號204,并且比較器163的輸出被反轉。因此，如在用于高照度信號獲取的計數器206 的波形中所示，在時間Τ5, U/D計數器165的計數結束，并且其計數值被保持。
[0143] 此外，在時間Τ6,用于低照度信號獲取的參考電壓202變得小于垂直信號線像素 信號201，并且比較器153的輸出被反轉。因此，如在用于低照度信號獲取的計數器203的 波形中所示，在時間Τ6, U/D計數器155的計數結束，并且其計數值被保持。
[0144] 從多個數字輸出值中選擇具有最大計數值并且不飽和的一個數字輸出值，并且將 其輸出至后面的步驟。因為用于高照度信號獲取的參考電壓205的斜波的傾斜度是陡峭 的，所以用于高照度信號獲取的計數器206較早結束。為此緣故，當用于低照度信號獲取的 計數器203的計數值不飽和時，用于低照度信號獲取的計數器203的計數值是大的。
[0145] 也就是說，當用于低照度信號獲取的計數器203的計數值不飽和時，U/D計數器 155的計數值被選擇作為輸出。
[0146] 圖7是示出在選擇高照度側的輸出的情況下像素信號的A/D轉換的方面的示例的 圖。圖7的配置基本上與圖6的配置相同。
[0147] 在圖7中示出的示例的情況下，在時間Τ8,用于高照度信號獲取的參考電壓205變 得小于S/Η電路像素信號204,但是用于低照度信號獲取的參考電壓202直到時間Τ7才變 得小于垂直信號線像素信號201。也就是說，用于低照度信號獲取的計數器203的計數值飽 和。在此情況下，U/D計數器165的計數值被選擇作為輸出。
[0148] 從上述配置中，需要示出哪個信號電平已經被選擇并且輸出。因此，系統控制單元 106根據U/D計數器155的計數值（用于低照度信號獲取的計數器203的計數值）是否飽 和來設置示出了哪個信號電平已經被選擇并且輸出的標志信息，并且與像素信號一起輸出 該標志信息。
[0149] 圖8示出在照度區域被劃分為兩個區域并且通過兩個A/D轉換器來獲取信號的情 況下像素輸入光量和傳感器輸出的關系的示例。在該示例中，各個最大計數值被設置為相 同值。然而，最大計數值可以不設置為相同值。
[0150] 作為具有不同灰度的照度區域的劃分方法，考慮到量化噪聲、電路kT/C噪聲和光 學散粒噪聲而確定劃分方法是現實的。光學散粒噪聲是具有如下性質的隨機噪聲，其中當 照度增加時噪聲增加，并且在特定照度處變得大于kT/c噪聲。劃分照度區域使得通過添加 S/Η電路而增加的kT/C噪聲與光學散粒噪聲相比可以被忽略并且將S/Η電路添加至高照度 側的讀取是合適的。此外，確定A/D轉換的灰度使得在每個照度區域內量化噪聲可以被忽 略是合適的。
[0151] 如上所描述的，CMOS圖像傳感器100可以不犧牲幀頻和像素數目而獲取其中已經 降低了反沖的影響的優秀的高灰度圖像信號。本技術與相關技術相比可以降低消耗功率和 面積，并且可以降低成本。
[0152] 如果恒定地設置計數頻率，則在相關技術的情況下，只要位數增加一位，像素陣列 每行的垂直信號線數目就加倍，并且執行并行處理。為此緣故，每個比較器、計數器和信號 線的負荷加倍。
[0153] 同時，在本技術的情況下，不管要增加的位數如何，計數器和比較器的數目加倍， 并且參考電壓生成器的數目增加（1+ α )倍（當參考電壓生成器數目是2時，1+ α < 2)。例 如，當以全規模在1/4的照度區域內實現2位高灰度時，因為具有0. 25倍電流值的電路塊 的數目增加1，所以參考電壓生成器的消耗功率是1.25倍。因此，從消耗功率和占據面積這 兩點來看，與相關技術相比，當需要的輸出位數增加時本技術的效果增加。
[0154] [圖像信號輸出控制過程的流程]
[0155] 接下來，將描述由上述CMOS圖像傳感器100執行的處理。首先，將參考圖9的流 程圖來描述圖像信號輸出控制處理的流程的示例。圖像信號輸出控制處理是如上面參考圖 6或圖7所描述的用于輸出圖像信號的控制處理。
[0156] 如果圖像信號輸出控制處理開始，則在步驟S101中，系統控制單元106控制行掃 描單元103和列掃描單元105,并且選擇未處理的像素作為處理目標（關注像素）。
[0157] 在步驟S102,根據系統控制單元106的控制，列處理單元104執行信號讀取處理， 讀取關注像素的FD的復位電壓作為像素的黑電平，并且執行A/D轉換。
[0158] 在步驟S103,根據系統控制單元106的控制，列處理單元104執行信號讀取處理， 讀取垂直信號線輸出作為像素信號電平，并且執行A/D轉換。
[0159] 在步驟S104,列處理單元104從在步驟S103中讀取的像素信號電平中減去在步驟 S102中讀取的黑電平，并且執行數字⑶S。
[0160] 如上所述，如果關注像素的像素值被讀取，則在步驟S105中，系統控制單元106確 定是否已經處理了像素陣列單元102的所有像素120的像素信號。當存在未處理的像素時， 系統控制單元106將處理返回至步驟S101，并且重復接下來的處理。
[0161] 此外，如上所述，重復步驟S101至S105的處理，并且當在步驟S105中確定已經處 理了所有像素時，系統控制單元106結束像素信號輸出控制處理。
[0162] [信號讀取處理的流程]
[0163] 接下里，將參考圖10的流程圖描述在圖9的步驟S102和S103中執行的信號讀取 處理的流程的示例。
[0164] 在圖9的步驟S102和S103中，執行相同的信號讀取處理，其中僅僅處理的信號是 不同的。在下面的描述中，為了方便描述，將僅僅描述在步驟S103執行的對于像素信號的 信號讀取處理。
[0165] 當信號讀取處理開始時，開關171接通（連接狀態）。
[0166] 如果信號讀取處理開始，則在步驟121中，電容器172存儲垂直信號線輸出（關注 像素的像素信號電平）。在步驟S121結束之后直到像素信號的A/D轉換開始的時段內，在 步驟S122中，開關171變為切斷狀態（斷開）并且電切斷垂直信號線108和電容器161。
[0167] 在步驟S123, U/D計數器155和U/D計數器165開始對于高灰度輸出的計數和對 于低灰度輸出的計數。在步驟S124,比較器163開始比較用于低灰度輸出的斜波的信號值 和垂直信號線輸出（關注像素的像素信號電平）。
[0168] 在步驟S125,比較器153開始比較用于高灰度輸出的斜波的信號值和垂直信號線 輸出（關注像素的像素信號電平）。
[0169] 在步驟S126,比較器163確定用于低灰度輸出的斜波的信號值是否小于垂直信號 線輸出，并且重復該確定直到確定用于低灰度輸出的斜波的信號值小于垂直信號線輸出。 當在步驟S126中確定用于低灰度輸出的斜波的信號值小于垂直信號線輸出時，比較器163 使得處理前進至步驟S127。
[0170] 在步驟S127中，U/D計數器163結束用于低灰度輸出的計數。此外，在步驟S128 中，U/D計數器165存儲用于低灰度輸出的計數值，該計數值是當計數已經結束時的計數 值。
[0171] 在步驟S129,比較器153確定用于高灰度輸出的斜波的信號值是否小于垂直信號 線輸出。實際上，本處理例如與步驟S126的低灰度側的處理并行地執行。然而，在此情況 下，因為低灰度側必然較早地反轉，所以該處理被描述為在低灰度側反轉之后的步驟S129 的處理。當確定用于高灰度輸出的斜波的信號值小于垂直信號線輸出時，比較器153使得 處理前進至步驟S130。
[0172] 在步驟S130, U/D計數器155結束用于高灰度輸出的計數。在步驟S131中，U/D 計數器輸出示出了低照度側的標志信息。在步驟S132, U/D計數器155選擇用于高灰度輸 出的計數值并且輸出該計數值。如果步驟S132的處理結束，則U/D計數器155結束信號讀 取處理并且將處理返回至圖9。
[0173] 此外，當在步驟S129中確定用于高灰度輸出的斜波的信號值不小于垂直信號線 輸出時，比較器153使得處理前進至步驟S133。
[0174] 在步驟S133,比較器153確定用于高灰度輸出的計數值是否已經飽和。當確定用 于高灰度計數的計數值已經飽和時，比較器153將處理返回至步驟S129并且重復后續處 理。
[0175] 此外，當確定用于垂直信號線輸出的A/D轉換已經結束（時間已到達T7)并且在 步驟S133中確定用于高灰度輸出的計數值已經飽和時，比較器153使得處理前進至步驟 S134。
[0176] 在步驟S134，U/D計數器155結束用于高灰度輸出的計數。在步驟S135，U/D計數 器135輸出示出了高照度側的標志信息。在步驟S136中，U/D計數器165選擇在步驟S128 中存儲的用于低灰度輸出的計數值，并且輸出該計數值。如果步驟S136的處理結束，則U/ D計數器165結束信號讀取處理并且將處理返回至圖9。
[0177] 如上所述，執行每個處理，使得CMOS圖像傳感器100可以輸出具有較高圖像質量 的高灰度圖像而不犧牲幀頻。
[0178] [A/D轉換開始時間控制1]
[0179] 已經描述了其中最高灰度的A/D轉換處理和其他灰度的A/D轉換處理同時開始的 情況。然而，本公開不限于此，并且可以在不同的時間開始A/D轉換處理。
[0180] 通過不同地設置多個斜波的開始時間并且進行驅動，可以增大反沖降低效果。
[0181] 例如，如圖11所示，具有最緩和傾斜度的斜波可以較早地開始，并且用于高灰度 信號獲取的比較器153可以較早地反轉。為此，在具有最緩和傾斜度的斜波可以較早開始 (時間T10)之后，具有陡峭傾斜度的斜波可以在具有最緩和傾斜度的斜波和具有陡峭傾斜 度的斜波的電壓值彼此不交叉時的時刻（時間T11)開始。此外，可以根據該時刻而開始/ 結束U/D計數器155或U/D計數器165的計數。
[0182] 在此情況下，如圖11所示，只要信號在低照度側，則用于高灰度信號獲取的比較 器153必然較早地（時間T12)將輸出反轉。也就是說，用于低照度信號獲取的參考電壓 252比用于高照度信號獲取的參考電壓253更早地變得小于垂直信號線（S/Η電路）像素信 號 251 〇
[0183] 由比較器153的反轉所產生的反沖可能通過采樣及保持單元170而使用于低灰度 獲取的比較器163的輸入端波動，并且可能包括大的噪聲。然而，在此情況下，因為不選擇 低灰度信號，所以即使噪聲被包括在U/D計數器165的計數值中，噪聲并不引起問題。
[0184] 相對照，當選擇低灰度信號時，也就是說，當關注像素的像素值存在于高照度區域 中時，因為高灰度信號飽和（比較器153的輸出不反轉），所以不產生反沖。
[0185] 因此，在此情況下，列ADC 140還可以抑制由于反沖造成的信號電平波動的傳播。 也就是說，CMOS圖像傳感器100可以輸出較高圖像質量的圖像。
[0186] 當用于高灰度信號獲取的比較器155將輸出反轉時，可以停止U/D計數器165的 用于低灰度信號獲取的計數操作。以此方式，列ADC 140可以減少執行不必要的處理并且 減少消耗功率。
[0187] [信號讀取處理的流程]
[0188] 甚至在此情況下，也以與以上參考圖9的流程圖所描述的情況相同的方式來執行 圖像信號輸出控制處理。然而，如圖12的流程圖中所示執行信號讀取處理。將參考圖12的 流程圖來描述信號讀取處理的流程的示例。因為類似于圖10的情況，以相同的方式執行步 驟S102的處理和步驟S103的處理，所以下文中將僅描述步驟S103的像素信號電平的A/D 轉換。
[0189] 以與步驟S121和S122的每個處理相同的方式來執行步驟S201和步驟S202的每 個處理。
[0190] 在步驟S203中，U/D計數器155開始用于高灰度輸出的計數。在步驟S204,比較 器153開始比較用于高灰度輸出的斜波的信號值和垂直信號線輸出（關注像素的像素信號 電平）。
[0191] 在步驟S205, U/D計數器165維持等待狀態達預定時間。然后，在步驟S206, U/D 計數器165開始用于低灰度輸出的計數。在步驟S207,比較器163開始比較用于低灰度輸 出的斜波的信號值和垂直信號線輸出（關注像素的像素信號電平）。
[0192] 以與步驟S129至S135的每個處理相同的方式來執行步驟S208至S214的每個處 理。
[0193] 在步驟S215,類似于步驟S126的情況，比較器163確定用于低灰度輸出的斜波的 信號值是否小于垂直信號線輸出（采樣及保持單元170的輸出）。實際上，本處理與步驟 S208的高灰度側的處理并行地執行。然而，在此情況下，因為高灰度側必然較早地被反轉 (或飽和），所以該處理被描述為在高灰度側飽和之后的步驟S215的處理。
[0194] 比較器163重復該確定直到在步驟S215中確定用于低灰度輸出的斜波的信號值 小于垂直信號線輸出。當確定用于低灰度輸出的斜波的信號值小于垂直信號線輸出時，t匕 較器163使處理前進至步驟S216。
[0195] 在步驟S216，U/D計數器165結束用于低灰度輸出的計數。此外，在步驟S217，U/ D計數器165選擇用于低灰度輸出的計數值并且輸出該計數值，該計數值是當計數已經結 束時的計數值。
[0196] 如果步驟S217的處理結束，則U/D計數器165結束信號讀取處理并且將處理返回 至圖9。
[0197] 以此方式，CMOS圖像傳感器100可以輸出較高圖像質量的圖像。
[0198] [A/D轉換開始時間控制2]
[0199] 相對照，例如，如圖13所示，具有陡峭傾斜度的斜波可以較早地開始，并且具有最 緩和傾斜度的斜波可以在經過了預定時間之后開始。
[0200] 也就是說，首先，具有陡峭傾斜度的斜波可以較早地（時間T20)開始，而具有最緩 和傾斜度的斜波可以在經過了預定時間之后（時間T21)開始。此外，U/D計數器155或U/ D計數器165的計數可以根據定時而開始/結束。
[0201] 在此情況下，如圖13所示，各個斜波的電壓值與上面參考圖6和7所描述的情況 相比較，像預定等待時間那樣而不同。因此，如圖13所示，即使由于低灰度側的反沖（時間 T22)而在垂直信號線輸出的信號電平中產生波動，該波動引起高灰度側的反轉的概率也變 低。這樣，如果沒有產生由反沖引起的反轉，則在高灰度側也可以獲得準確的計數值（時間 T23)。
[0202] 也就是說，甚至在此情況下，列ADC 140也可以進一步抑制由于反沖引起的信號 電平波動的傳播。也就是說，CMOS圖像傳感器100可以輸出較高圖像質量的圖像。
[0203] [信號讀取處理的流程]
[0204] 甚至在此情況下，也以與以上參考圖9的流程圖所描述的情況相同的方式執行圖 像信號輸出控制處理。然而，如圖14的流程圖所示執行信號讀取處理。將參考圖14的流 程圖來描述信號讀取處理的流程的示例。因為類似于圖10的情況，以相同的方式執行步驟 S102的處理和步驟S103的處理，所以下文中將僅描述步驟S103的像素信號電平的A/D轉 換。
[0205] 以與步驟S121和S122的每個處理相同的方式執行步驟S231和S232的每個處理。
[0206] 在步驟S233, U/D計數器165開始用于低灰度輸出的計數。在步驟S234,比較器 163開始比較用于低灰度輸出的斜波的信號值和垂直信號線輸出（關注像素的像素信號電 平）。
[0207] 在步驟S235, U/D155維持等待狀態達預定時間。然后，在步驟S236, U/D計數器 155開始用于高灰度輸出的計數。在步驟S237,比較器153開始比較用于高灰度輸出的斜 波的信號值和垂直信號線輸出（關注像素的像素信號電平）。
[0208] 以與步驟S129至S136的每個處理相同的方式執行步驟S238至S248的每個處理。
[0209] 以此方式，CMOS圖像傳感器100可以輸出較高圖像質量的圖像。
[0210] [A/D轉換開始時間控制3]
[0211] 如上所述，甚至在最高灰度的A/D轉換處理和其他灰度的A/D轉換處理在不同的 時間開始時，也可以抑制反沖的影響被傳播。因此，在此情況下，采樣及保持單元170可以 被省略，并且其輸入/輸出可以一直被短路（被包括在低灰度側的A/D轉換單元的配置中 的電容器161 -直連接至垂直信號線108)。以此方式，可以進一步簡化列ADC 140的配置。
[0212] 這可以應用于以下兩種情況：其中具有最緩和傾斜度的斜波較早地開始并且具有 陡峭傾斜度的斜波在經過了預定時間之后開始的情況（圖11)，以及其中具有陡峭傾斜度 的斜波較早地開始并且具有最緩和傾斜度的斜波在經過了預定時間之后開始的情況（圖 13)。
[0213] 在該信號讀取處理中，在圖12的情況下可以省略步驟S201和S202的每個處理， 并且在圖14的情況下可以省略步驟S231和S232的每個處理。也就是說，在此情況下，也 可以促進信號讀取處理。
[0214] [三區域劃分]
[0215] 在上述情況中，能夠由垂直信號線輸出的信號電平（像素值）所取的值的范圍已 經被劃分為低照度區域和高照度區域這兩個區域。然熱，劃分之后的區域數目是任意的，并 且區域可以被劃分為三個區域或者更多。
[0216] 在其中該范圍被劃分為三個區域或者更多并且進行讀取的情況下，在最長讀取時 段的區域的信號讀取期間，可以讀取其他照度區域的信號。
[0217] 在下文中，基于其中該范圍被劃分為高照度區域、中間照度區域和低照度區域這 三個區域的情況的示例來給出更具體的描述。這在其中該范圍被劃分為四個區域或者更多 的情況下應該是基本相同的。
[0218] 圖15是示出在像素值位于中間照度區域處的情況下的A/D轉換的方面的示例的 圖。
[0219] 如圖15所示，在此情況下，與在其中讀取時間最長的低照度區域的信號讀取（高 灰度的A/D轉換）并行地執行中間照度區域的讀取（中間灰度的A/D轉換），并且執行高照 度區域的讀取（低灰度的A/D轉換）。
[0220] 也就是說，首先，在與參考信號生成電路131開始生成用于高灰度的具有最緩和 傾斜度的斜波同時，參考信號生成電路132開始生成用于中間灰度的具有第二緩和傾斜度 的斜波。此外，參考信號生成電路132順序地生成用于中間灰度的斜波和用于低灰度的具 有最陡峭傾斜度的斜波，而參考信號生成電路131生成用于高灰度的斜波。
[0221] 當類似于圖15的示例，像素值處于中間照度區域中時，比較器163在用于中間照 度信號獲取的參考電壓303變得小于垂直信號線（S/Η電路）像素信號301時的時間T31 將輸出反轉。在此情況下，用于低照度信號獲取的計數器305的值飽和（用于低照度信號 獲取的參考電壓302沒有變得小于垂直信號線（S/Η電路）像素信號301)。
[0222] 這樣，當在高灰度的A/D轉換中計數器的計數值飽和而在中間灰度的A/D轉換中 不飽和時，用于中間/高照度信號獲取的計數器306的計數值被選擇作為中間灰度的A/D 轉換結果，并且被輸出。
[0223] 圖16是示出在像素值位于高照度區域處的情況下A/D轉換的方面的示例的圖。
[0224] 當類似于圖16的示例，像素值處于高照度區域中時，用于中間照度信號獲取的參 考電壓303沒有變得小于垂直信號線（S/Η電路）像素信號301，并且在時間T41，中間灰度 的A/D轉換飽和。然后，在時間T42,開始生成用于低灰度的具有最陡峭傾斜度的斜波。在 用于高照度信號獲取的參考電壓304變得小于垂直信號線（S/Η電路）像素信號301時的 時間T43,比較器163將輸出反轉。甚至在此情況下，用于低照度信號獲取的計數器305的 數值也飽和（用于低照度信號獲取的參考電壓302沒有變得小于像素信號301)。
[0225] 這樣，當在高灰度和中間灰度的A/D轉換中計數器的計數值飽和并且在低灰度的 A/D轉換中該值不飽和時，用于中間/高照度信號獲取的計數器306的計數值被選擇作為低 灰度的A/D轉換結果，并且被輸出。
[0226] 盡管省略圖示，但是當在高灰度的A/D轉換中計數器的計數值不飽和時，用于低 照度信號獲取的計數器305的計數值被選擇作為高灰度的A/D轉換結果并且被輸出。
[0227] 示出了所選擇和輸出的計數值是哪個灰度的A/D轉換結果的標志信息也與其計 數值一起被輸出。基于每個灰度的A/D轉換是否飽和、也就是比較器153和163的輸出是 否被反轉，可以容易地設置該標志信息的值。
[0228] 也就是說，例如，當比較器153的輸出被反轉時，標志信息被設置為示出所選擇的 計數值是高灰度的A/D轉換結果的值。此外，例如，當在從時間T40至時間T41的時段期間 比較器153的輸出未被反轉而比較器163的輸出被反轉時，標志信息被設置為不出所選擇 的計數值是中間灰度的A/D轉換結果的值。此外，例如，當在從時間T42至時間T43的時段 期間比較器153的輸出未被反轉而比較器163的輸出被反轉時，標志信息被設置為不出所 選擇的計數值是低灰度的A/D轉換結果的值。
[0229] 在圖15所示的示例的情況中，低灰度的A/D轉換變為不必要的。因此，在時間T31 之后，U/D計數器165可以停止。這樣，即使高照度區域的斜波（低灰度信號）在這之后開 始，如果計數器不操作，則消耗功率也可以降低。
[0230] 圖17示出在此示例中可以獲取的像素輸入光量和傳感器輸出的關系的示例。在 此情況下，在低照度區域中獲取的最大計數值變得大于通過將中間照度區域和高照度區域 的最大計數值相加所獲得的值。
[0231] 如上所述，每個垂直信號線的A/D轉換器的數目和具有不同灰度的照度區域的劃 分的數目可能不相同。通過根據本實施例的操作，列ADC 140可以降低消耗功率和面積。
[0232] [信號讀取處理的流程]
[0233] 甚至在此情況下，也以與上文中參考圖9的流程圖所描述的情況相同的方式來執 行圖像信號輸出控制處理。然而，如圖18的流程圖所示執行信號讀取處理。將參考圖18 的流程圖來描述該信號讀取處理的流程的示例。因為類似于圖10的情況，以相同的方式執 行步驟S102的處理和步驟S103的處理，所以在下文中將僅描述步驟S103的像素信號電平 的A/D轉換。
[0234] 以與步驟S121和S122的每個處理相同的方式來執行步驟S301和S302的每個處 理。
[0235] 在步驟S303,列ADC 140的高灰度側的A/D轉換單元執行高灰度信號讀取處理并 且執行高灰度的A/D轉換。與該處理并行地，在步驟S304中，列ADC 140的中間/低灰度 側（不是高灰度側）的A/D轉換單元執行中間/低灰度信號讀取處理并且執行中間灰度和 低灰度的A/D轉換。
[0236] 如果步驟S303和S304的處理結束，則在步驟S305中，U/D計數器155和U/D計 數器165基于由步驟S303和S304的處理所設置的標志信息的值來選擇計數值，并且與標 志信息一起輸出該計數值。
[0237] 如果步驟S305的處理結束，則U/D計數器155和U/D計數器165結束該信號讀取 處理，并且將處理返回至圖9。
[0238] [高灰度信號讀取處理的流程]
[0239] 接下來，將參考圖19的流程圖來描述在圖18的步驟S303中執行的高灰度信號讀 取處理的流程的示例。
[0240] 當高灰度信號讀取處理開始時，在步驟S321中，電容器172存儲垂直信號線輸出 (關注像素的像素信號電平）。在步驟S321結束之后直到像素信號的A/D轉換開始的時段 期間，在步驟S322中，開關171變為切斷狀態（斷開）并且電切斷垂直信號線108和電容 器 161。
[0241] 在步驟S323, U/D計數器155開始用于高灰度輸出的計數。在步驟S324,比較器 153開始比較用于高灰度輸出的斜波的信號值和垂直信號線輸出（關注像素的像素信號電 平）。
[0242] 在步驟S325,比較器153確定用于高灰度輸出的斜波的信號值是否小于垂直信號 線輸出。當確定用于高灰度輸出的斜波的信號值小于垂直信號線輸出時，比較器153使處 理前進至步驟S326。
[0243] 在步驟S326, U/D計數器155結束用于高灰度輸出的計數。在步驟S327, U/D計 數器155設置示出了低照明側的標志信息并且存儲該標志信息。在步驟S328, U/D計數器 155存儲當在步驟S326中計數已經結束時的用于高灰度輸出的計數值。如果步驟S328的 處理結束，則U/D計數器155結束高灰度信號讀取處理并且將處理返回至圖18。
[0244] 此外，當在步驟S325中確定用于高灰度輸出的斜波的信號值不小于垂直信號線 輸出時，比較器153使處理前進至步驟S329。
[0245] 在步驟S329,比較器153確定用于高灰度輸出的計數值是否已經飽和。當確定用 于高灰度輸出的計數值還沒有飽和時，比較器153將處理返回至步驟S325,并且重復后續 的處理。
[0246] 此外，當在步驟S329中確定用于高灰度輸出的計數值已經飽和時，比較器153使 處理前進至步驟S330。
[0247] 在步驟S330, U/D計數器155結束用于高灰度輸出的計數。在步驟S331中，U/D 計數器155設置示出了中間照度側的標志信息并且存儲該標志信息。如果步驟S331的處 理結束，則U/D計數器155結束高灰度信號讀取處理并且使處理返回至圖18。
[0248] [中間/低灰度信號讀取處理的流程]
[0249] 接下來，將參考圖20的流程圖來描述在圖18的步驟S304中執行的中間/低灰度 信號讀取處理的流程的示例。
[0250] 如果中間/低灰度信號讀取處理開始，則在步驟S351中，電容器172存儲垂直信 號線輸出（關注像素的像素信號電平）。在步驟S351結束之后直到像素信號的A/D轉換開 始的時段期間，開關171變為切斷狀態（斷開）并且電切斷垂直信號線108和電容器161。
[0251] 在步驟S353中，U/D計數器165開始用于中間灰度輸出的計數。在步驟S354中， 比較器163開始比較用于中間灰度輸出的斜波的信號值和垂直信號線輸出（關注像素的像 素號電平）。
[0252] 在步驟S355,比較器163確定用于中間灰度輸出的斜波的信號值是否小于垂直信 號線輸出。當確定用于中間灰度輸出的斜波的信號值小于垂直信號線輸出時，比較器163 使處理前進至步驟S356。
[0253] 在步驟S356, U/D計數器結束用于中間灰度輸出的計數。在步驟S357, U/D計數 器165設置示出了中間照度側的標志信息并且存儲該標志信息。在步驟S358, U/D計數器 165存儲當在步驟S356中計數已經結束時的用于中間灰度輸出的計數值。如果步驟S358 的處理結束，則U/D計數器165結束中間/低灰度信號讀取處理并且將處理返回至圖18。
[0254] 此外，當在步驟S355中確定用于中間灰度輸出的斜波的信號值不小于垂直信號 線輸出時，比較器163使處理前進至步驟S359。
[0255] 在步驟S359中，比較器163確定用于中間灰度輸出的計數值是否已經飽和。當確 定用于中間灰度輸出的計數值還沒有飽和時，比較器163將處理返回至步驟S355,并且重 復后續的處理。
[0256] 此外，當在步驟S359中確定用于中間灰度輸出的計數值已經飽和時，比較器163 使處理前進至步驟S360。
[0257] 在步驟S360，U/D計數器165結束用于中間灰度輸出的計數。在步驟S361，U/D計 數器165設置示出了高照度側的標志信息并且存儲該標志信息。
[0258] 如果步驟S361的處理結束，則在步驟S362中，U/D計數器165開始用于低灰度輸 出的計數。在步驟S363中，比較器363開始比較用于低灰度輸出的斜波的信號值和垂直信 號線輸出（關注像素的像素信號電平）。
[0259] 在步驟S364,比較器163確定用于低灰度輸出的斜波的信號值是否小于垂直信號 線輸出。當確定用于低灰度輸出的斜波的信號值小于垂直信號線輸出時，比較器163使處 理前進至步驟S366。
[0260] 此外，當在步驟S364中確定用于低灰度輸出的斜波的信號值不小于垂直信號線 輸出時，比較器163使處理前進至步驟S365。
[0261] 在步驟S365中，比較器163確定用于低灰度輸出的計數值是否已經飽和。當確定 用于低灰度輸出的計數值還未飽和時，比較器163使處理返回至步驟S364,并且重復后續 的處理。
[0262] 此外，當在步驟S365中確定用于低灰度輸出的計數值已經飽和時，比較器163使 處理前進至步驟S366。
[0263] 在步驟S366中，U/D計數器165結束用于低灰度輸出的計數。在步驟S367中，U/ D計數器165存儲當在步驟S366中計數已經結束時的用于低灰度輸出的計數值。如果步驟 S367的處理結束，則U/D計數器165結束中間/低灰度信號讀取處理并且使處理返回至圖 18。
[0264] 如上面所描述的，執行每個處理，使得CMOS圖像傳感器100可以降低列ADC140的 消耗功率或者面積。
[0265] [A/D轉換單元并行配置]
[0266] 在以上描述中，為一個垂直信號線提供多個執行不同灰度的A/D轉換的A/D轉換 單元作為列ADC 140,但是每個灰度的A/D轉換單元的數目是一個。然而，每個灰度的A/D 轉換單元的數目是任意的。例如，可以提供多個使用相同參考電壓（具有相同傾斜度的斜 波）執行A/D轉換的A/D轉換單元。
[0267] 圖21是示出在該情況下的列ADC的主要配置示例的方框圖。
[0268] 在圖21中示出的列ADC 440是與上文中參考圖5所描述的列ADC 140基本相同 的處理單元。然而，如圖21所示，列ADC 440具有并行操作的兩個A/D轉換單元（在附圖 中，左側的兩列）作為用于高灰度的A/D轉換單元，并且具有并行操作的兩個A/D轉換單元 (在附圖中，右側的兩列）作為用于低灰度的A/D轉換單元。
[0269] 也就是說，在列ADC 440中的左側兩列的A/D轉換單元使用由參考信號生成電路 131生成的用于高灰度A/D轉換的參考信號（具有最緩和傾斜度的斜波）執行A/D轉換。 此外，在列ADC 440的右側的兩列的A/D轉換單元使用由參考信號生成電路132生成的用 于低灰度A/D轉換的參考信號（具有陡峭傾斜度的斜波）執行A/D轉換。
[0270] 這樣，多個A/D轉換器并行地操作，獲取多個相同灰度的信號，通過后面步驟的信 號處理（例如，圖21的求和平均計算單元491)來對這多個信號求平均，并且獲得一個數字 數據。以此方式，可以抑制隨機噪聲，并且可以獲取具有高精度的圖像信號。
[0271] 例如，如果使用如上所述的兩個A/D轉換單元生成兩個信號并且對信號求平均， 則可以使隨機噪聲變為原始噪聲的丨/上，并且S/N比可以提升3dB。
[0272] 并行操作的A/D轉換單元的數目是任意的，并且可以是三個或更多個。此外，對于 每個灰度，獨立地設置A/D轉換單元的數目。因此，每個灰度的A/D轉換單元的數目可以相 同或者可以不同。
[0273] 應用本技術的成像元件（成像設備）并不限于上述配置，而是可以具有其他配置。
[0274] 例如，可以提供列ADC的多個參考信號生成電路，其生成具有不同傾斜度的斜坡 波形的參考信號，并且其數目可以是三個或者更多個。在列ADC中，為每個垂直信號線提供 至少一個A/D轉換單元，其基于每個參考信號來執行A/D轉換。也就是說，在列ADC中，對 每個垂直信號線，執行與參考信號生成電路的數目相同的數目的灰度種類的A/D轉換。在 此情況下，各個灰度的A/D轉換可以并行地執行。
[0275] 可以為每個灰度提供采樣及保持單元170,并且可以僅在除了執行最高灰度的A/ D轉換的A/D轉換單元之外的A/D轉換單元和垂直信號線108之間提供采樣及保持單元 170,類似于圖5的情況。
[0276] 此外，參考信號生成電路可以提供在列ADC外部，只要如上所述所生成的參考信 號被提供至在列ADC中的每個A/D轉換單元；并且參考信號生成電路可以提供在CMOS圖像 傳感器100外部。
[0277] 〈2.第二實施例〉
[0278] [成像設備]
[0279] 圖22是示出應用本技術的成像設備的主要配置示例的圖。在圖22中示出的成像 設備500是對對象進行成像并且輸出對象的圖像作為電信號的設備。如圖22中所示，成像 設備500具有光學系統，該光學系統包括透鏡組501、成像兀件502、作為相機信號處理單兀 的數字信號處理器（DSP) 503、幀存儲器504、顯示裝置505、記錄裝置506、操縱系統507和 電源系統508。此外，DSP 503、幀存儲器504、顯示裝置505、記錄裝置506、操縱系統507和 電源系統508通過總線509互相連接。
[0280] 透鏡組501捕獲來自對象的入射光（圖像光）并且在成像元件502的成像表面上 形成圖像。成像元件502將已經通過透鏡組501在成像表面上形成圖像的入射光的光量轉 換為在像素單元中的電信號，并且輸出該電信號作為像素信號。可以使用諸如根據上述實 施例的CMOS圖像傳感器之類的固態成像設備作為成像元件502。DSP 503執行已知的相機 信號處理。
[0281] 顯示裝置505由液晶顯示裝置或有機電致發光（EL)顯示裝置構成，并且顯示通過 成像元件502成像的運動圖像或靜止圖像。記錄裝置506在諸如錄像帶或數字多用途盤 (DVD)之類的記錄介質上記錄通過成像元件502所成像的運動圖像或靜止圖像。
[0282] 操縱系統507在用戶操縱下，輸出用于該成像設備的各種功能的操縱命令。電源 系統508將來自成為DSP 503、幀存儲器504、顯示裝置505、記錄裝置506和操縱系統507 的操作電源的各種電源的功率適當地供應至供應目標。
[0283] 成像設備500被應用于攝像機、數字靜態相機和用于諸如移動電話之類的移動設 備的相機模塊。上述CMOS圖像傳感器100被用作成像元件502,使得成像設備500可以減 少由反沖引起的噪聲的產生并且可以獲得較高圖像質量的成像圖像。
[0284] 包括應用本技術的成像元件和圖像處理單元的成像設備并不限于上述配置，而是 可以具有其他配置。
[0285] 〈3.第三實施例〉
[0286] [計算機]
[0287] 上文中描述的系列處理可以通過硬件進行，并且也可以通過軟件進行。當該系列 操作要通過軟件進行時，形成軟件的程序被安裝至計算機中。在此，計算機包括在諸如圖3 的系統控制單元106之類的專用硬件中所嵌入的計算機和通過安裝各種程序可以執行各 種功能的通用計算機。
[0288] 圖23是示出通用計算機的主要配置示例的圖。在圖23中，通用計算機600的中 央處理單元（CPU) 601根據在只讀存儲器（ROM) 602中存儲的程序或者從存儲單元613加載 至隨機存取存儲器（RAM) 603的程序來執行各種處理。CPU 601進行各種操作等所需的數據 在需要時也存儲在RAM 603中。
[0289] CPU 601、R0M 602和RAM 603經由總線604彼此相連接。輸入/輸出接口 610也 連接至總線604。
[0290] 輸入/輸出接口 610具有與之相連接的以下組件：由鍵盤、鼠標等形成的輸入單元 611 ;由諸如CRT (陰極射線管）或LCD (液晶顯示器）之類的顯示器以及揚聲器形成的輸出 單元612 ;由硬盤等形成的存儲單元613 ;以及由調制解調器形成的通信單元614。通信單 元614經由包括因特網的網絡來進行通信。
[0291] 驅動器615在需要時也連接至輸入/輸出接口 610,并且諸如磁盤、光盤、磁光盤或 半導體存儲器之類的可移除介質621在適當時安裝在該驅動器上。從這樣的可移除盤讀取 的計算機程序在需要時被安裝在存儲單元613中。
[0292] 當上述的系列處理通過軟件進行時，從網絡或記錄介質安裝構成該軟件的程序。
[0293] 如圖23所示，該記錄介質由可移除介質621形成，該可移除介質被分發用于從在 其上記錄了程序的諸如磁盤（包括軟盤）、光盤（包括CD-ROM(緊湊盤-只讀存儲器）或 DVD (數字多用途盤））、磁光盤（包括MD (迷你盤））或者半導體存儲器的裝置獨立地將程 序傳遞給用戶。可替換地，記錄介質可以由在其中記錄了程序的ROM 602或者被包括在存 儲單元613中的硬盤而形成。在交付給用戶之前，這樣的記錄介質被預先合并至裝置中。
[0294] 要由計算機執行的程序可以是用于根據在本說明書中描述的序列按照時間次序 進行處理的程序，或者可以是用于并行進行處理或者在需要時、比如當存在調用時進行處 理的程序。
[0295] 在本說明書中，描述要記錄在記錄介質中的程序的步驟包含如果不是必須按照時 間次序進行的話要并行進行的或者彼此獨立地進行的處理，以及根據在此描述的順序要以 時間次序進行的處理。
[0296] 在本說明書中，系統涉及包括多于一個裝置的整個設備。
[0297] 此外，如上所述的作為一個裝置（或一個處理單元）的任何結構可以被劃分為兩 個或多個裝置（或處理單元）。相反，如上所述的作為兩個或多個裝置（或處理單元）的 任何結構可以組合成一個裝置（或處理單元）。此外，當然可以將除了上文中描述的那些 部件之外的部件添加至任何裝置（或處理單元）的結構。此外，裝置（或處理單元）的一 些部件可以合并至另一裝置（或處理單元）的結構中，只要系統整體的結構和功能基本相 同。也就是說，本技術不限于上文中描述的實施例，而是可以不脫離本技術的范圍對其進行 各種修改。
[0298] 本技術也可以具有以下形式。
[0299] (1)成像元件，包括：
[0300]多個比較單元，其對通過垂直信號線從包括光電轉換元件的像素所供應的模擬信 號和具有不同傾斜度的斜波的參考信號進行比較，并且輸出比較結果；
[0301] 多個計數器，其對于不同的比較單元執行計數直到所述比較結果被反轉，并且輸 出計數值作為數字數據；和
[0302] 采樣及保持單元，其在對所述模擬信號和除了具有最緩和傾斜度的斜波之外的斜 波的參考信號進行比較的比較單元開始比較之前保持通過所述垂直信號線供應的模擬信 號，并且在所述比較單元執行比較時，該采樣及保持單元電切斷垂直信號線和比較單元并 且將所保持的模擬信號供應至所述比較單元。
[0303] (2)按照（1)所述的成像元件，
[0304] 其中，具有最緩和傾斜度的斜波的電壓范圍操作在其中kT/C噪聲在所有噪聲中 最顯著的范圍內。
[0305] (3)按照⑵所述的成像元件，
[0306] 其中，基于每個比較單元的比較結果而從所述多個計數器中選擇的并且對如下比 較單元執行計數的計數器輸出計數值：該比較單元將所述模擬信號和與根據該模擬信號的 信號電平的照度區域相對應的參考信號相比較。
[0307] (4)按照（3)所述的成像元件，
[0308] 其中，從所述多個計數器中選擇如下計數器：該計數器中的計數值最大，并且與該 計數器相對應的比較單元的比較結果被反轉。
[0309] ⑶按照⑷所述的成像元件，
[0310] 其中，與所述計數值一起輸出標志信息，所述標志信息示出由與所選擇的計數器 相對應的比較器所使用的參考信號的電壓范圍。
[0311] (6)按照⑴至（5)中的任一項所述的成像元件，
[0312] 其中，所述采樣及保持單元包括開關和電容器，所述開關電連接或電切斷所述垂 直信號線和所述比較單元，所述電容器在所述垂直信號線和所述比較單元通過所述開關電 連接時保持通過所述垂直信號線所供應的模擬信號，并且在所述垂直信號線和所述比較單 元通過所述開關電切斷時將由所述電容器保持的模擬信號供應至所述比較單元。
[0313] (7)按照⑴至（6)中的任一項所述的成像元件，還包括：
[0314] 多個參考信號生成單元，其生成具有不同傾斜度的斜波的參考信號，
[0315] 其中，所述多個比較單元將所述模擬信號與由不同的參考信號生成單元所生成的 參考信號進行比較。
[0316] (8)按照（7)所述的成像元件，
[0317] 其中，所述多個參考信號生成單元在相同的時刻開始生成參考信號。
[0318] (9)按照（7)所述的成像元件，
[0319] 其中，在生成具有最緩和傾斜度的斜波的參考信號的參考信號生成單元生成參考 信號之后具有最緩和傾斜度的斜波的電壓值和具有其他傾斜度的斜波的電壓值不交叉的 時刻，生成具有其他傾斜度的斜波的參考信號的參考信號生成單元開始生成參考信號。
[0320] (10)按照（7)所述的成像元件，
[0321] 其中，在生成具有最緩和傾斜度的斜波的參考信號的參考信號生成單元生成參考 信號之前的時刻，生成具有其他傾斜度的斜波的參考信號的參考信號生成單元開始生成參 考信號。
[0322] (11)按照（7)所述的成像元件，
[0323] 其中，在生成具有最緩和傾斜度的斜波的參考信號的參考信號生成單元生成參考 信號時，生成具有其他傾斜度的斜波的參考信號的參考信號生成單元順序地生成具有不同 傾斜度的斜波的參考信號。
[0324] (12)按照（1)至（11)中的任一項所述的成像元件，
[0325] 其中，所述多個比較單元的部分或全部比較所述模擬信號與具有相同傾斜度的斜 波的參考信號，并且
[0326] 所述成像元件還包括求和平均單元，其對由與比較所述模擬信號與具有相同傾斜 度的斜波的參考信號的多個比較單元相對應的計數器輸出的計數值進行平均。
[0327] (13) -種成像元件的控制方法，包括：
[0328] 使得多個比較單元對通過垂直信號線從包括光電轉換元件的像素所供應的模擬 信號和具有不同傾斜度的斜波的參考信號進行比較，并且輸出比較結果；
[0329] 使得多個計數器對于不同的比較單元執行計數直到所述比較結果被反轉，并且使 得所述多個計數器輸出計數值作為數字數據；以及
[0330] 使得采樣及保持單元在對所述模擬信號和除了具有最緩和傾斜度的斜波之外的 斜波的參考信號進行比較的比較單元開始比較之前保持通過所述垂直信號線供應的模擬 信號，并且致使在所述比較單元執行比較時，該采樣及保持單元電切斷垂直信號線和所述 比較單元并且將所保持的模擬信號供應至所述比較單元。
[0331] (14) 一種成像設備，包括：
[0332] 成像元件，具有多個比較單元、多個計數器、和采樣及保持單元，所述多個比較單 元對通過垂直信號線從包括光電轉換元件的像素所供應的模擬信號和具有不同傾斜度的 斜波的參考信號進行比較，并且輸出比較結果，所述多個計數器對于不同的比較單元執行 計數直到所述比較結果被反轉，并且所述多個計數器輸出計數值作為數字數據，所述采樣 及保持單元在對所述模擬信號和除了具有最緩和傾斜度的斜波之外的斜波的參考信號進 行比較的比較單元開始比較之前保持通過所述垂直信號線供應的模擬信號，并且在所述比 較單元執行比較時，該采樣及保持單元電切斷所述垂直信號線和所述比較單元并且將所保 持的模擬信號供應至所述比較單元；
[0333] 圖像處理單元，其對從成像元件輸出的成像圖像的數字數據執行圖像處理；以及
[0334] 存儲單元，其存儲經受了所述圖像處理單元的圖像處理的成像圖像的數字數據。
[0335] (15) -種成像元件，包括：
[0336] 多個參考信號生成單元，其在不同的時刻生成具有不同傾斜度的斜波的參考信 號；
[0337] 多個比較單元，其對通過垂直信號線從包括光電轉換元件的像素所供應的模擬信 號和由不同的參考信號生成單元生成的參考信號進行比較，并且輸出比較結果；和
[0338] 多個計數器，其對于不同的比較單元執行計數直到所述比較結果被反轉，并且輸 出計數值作為數字數據。
[0339] (16)按照（15)所述的成像元件，
[0340] 其中，在生成具有最緩和傾斜度的斜波的參考信號的參考信號生成單元生成參考 信號之后具有最緩和傾斜度的斜波的電壓值和具有其他傾斜度的斜波的電壓值不交叉的 時刻，生成具有其他傾斜度的斜波的參考信號的參考信號生成單元開始生成參考信號。
[0341] (17)按照（15)所述的成像元件，
[0342] 其中，在生成具有最緩和傾斜度的斜波的參考信號的參考信號生成單元生成參考 信號之前的時刻，生成具有其他傾斜度的斜波的參考信號的參考信號生成單元開始生成參 考信號。
[0343] (18)按照（15)所述的成像元件，
[0344] 其中，與所述計數值一起輸出標志信息，所述標志信息示出由與所選擇的計數器 相對應的比較器所使用的參考信號的電壓范圍。
[0345] (19) 一種成像元件的控制方法，包括：
[0346] 使得多個參考信號生成單元在不同的時刻生成具有不同傾斜度的斜波的參考信 號；
[0347] 使得多個比較單元對通過垂直信號線從包括光電轉換元件的像素所供應的模擬 信號和由不同的參考信號生成單元生成的參考信號進行比較并且輸出比較結果；和
[0348] 使得多個計數器對于不同的比較單元執行計數直到所述比較結果被反轉，并且使 得所述多個計數器輸出計數值作為數字數據。
[0349] (20) -種成像設備，包括：
[0350] 成像元件，其具有多個參考信號生成單元、多個比較單元和多個計數器，所述多個 參考信號生成單元在不同的時刻生成具有不同傾斜度的斜波的參考信號，所述多個比較單 元對通過垂直信號線從包括光電轉換元件的像素所供應的模擬信號和由不同的參考信號 生成單元生成的參考信號進行比較并且輸出比較結果，所述多個計數器對于不同的比較單 元執行計數直到所述比較結果被反轉，并且輸出計數值作為數字數據；
[0351] 圖像處理單元，其對從成像元件輸出的成像圖像的數字數據執行圖像處理；以及
[0352] 存儲單元，其存儲經受了所述圖像處理單元的圖像處理的成像圖像的數字數據。
[0353] 附圖標記列表
[0354] 100 CMOS圖像傳感器
[0355] 1〇1半導體基板
[0356] 102像素陣列單元
[0357] 103 行掃描單元
[0358] 104列處理單元
[0359] 105列掃描單元
[0360] 106系統控制單元
[0361] 107像素驅動線
[0362] 108垂直信號線
[0363] 109水平總線
[0364] 110輸出端
[0365] 120 像素
[0366] 131、132參考信號生成電路
[0367] 140 列 ADC
[0368] 153比較器
[0369] 155 U/D 計數器
[0370] 163比較器
[0371] 165 U/D 計數器
[0372] 170采樣及保持單元
[0373] 171 開關
[0374] 172 電容器
[0375] 440 列 ADC
[0376] 470采樣及保持單元
[0377] 491求和平均計算單元
[0378] 500成像設備
[0379] 600計算機
【權利要求】
1. 一種成像元件，包括： 多個比較單元，其對通過垂直信號線從包括光電轉換元件的像素所供應的模擬信號和 具有不同傾斜度的斜波的參考信號進行比較，并且輸出比較結果； 多個計數器，其對于不同的比較單元執行計數直到所述比較結果被反轉，并且輸出計 數值作為數字數據；和 采樣及保持單元，其在對所述模擬信號和除了具有最緩和傾斜度的斜波之外的斜波的 參考信號進行比較的比較單元開始比較之前保持通過所述垂直信號線供應的模擬信號，并 且在所述比較單元執行比較時，該采樣及保持單元電切斷所述垂直信號線和所述比較單元 并且將所保持的模擬信號供應至所述比較單元。
2. 按照權利要求1所述的成像元件， 其中，具有最緩和傾斜度的斜波的電壓范圍操作在其中kT/C噪聲在所有噪聲中最顯 著的范圍內。
3. 按照權利要求2所述的成像元件， 其中，基于每個比較單元的比較結果而從所述多個計數器中選擇的并且對如下比較單 元執行計數的計數器輸出計數值：該比較單元將所述模擬信號和與根據該模擬信號的信號 電平的照度區域相對應的參考信號相比較。
4. 按照權利要求3所述的成像元件， 其中，從所述多個計數器中選擇如下計數器：該計數器中的計數值最大，并且與該計數 器相對應的比較單元的比較結果被反轉。
5. 按照權利要求4所述的成像元件， 其中，與所述計數值一起輸出標志信息，所述標志信息示出由與所選擇的計數器相對 應的比較器所使用的參考信號的電壓范圍。
6. 按照權利要求1所述的成像元件， 其中，所述采樣及保持單元包括開關和電容器，所述開關電連接或電切斷所述垂直信 號線和所述比較單元，所述電容器在所述垂直信號線和所述比較單元通過所述開關電連接 時保持通過所述垂直信號線所供應的模擬信號，并且在所述垂直信號線和所述比較單元通 過所述開關電切斷時將由所述電容器保持的模擬信號供應至所述比較單元。
7. 按照權利要求1所述的成像元件，還包括： 多個參考信號生成單元，其生成具有不同傾斜度的斜波的參考信號， 其中，所述多個比較單元將所述模擬信號與由不同的參考信號生成單元所生成的參考 信號進行比較。
8. 按照權利要求7所述的成像元件， 其中，所述多個參考信號生成單元在相同的時刻開始生成參考信號。
9. 按照權利要求7所述的成像元件， 其中，在生成具有最緩和傾斜度的斜波的參考信號的參考信號生成單元生成參考信 號之后、具有最緩和傾斜度的斜波的電壓值和具有其他傾斜度的斜波的電壓值不交叉的時 亥IJ，生成具有其他傾斜度的斜波的參考信號的參考信號生成單元開始生成參考信號。
10. 按照權利要求7所述的成像元件， 其中，在生成具有最緩和傾斜度的斜波的參考信號的參考信號生成單元生成參考信號 之前的時刻，生成具有其他傾斜度的斜波的參考信號的參考信號生成單元開始生成參考信 號。
11. 按照權利要求7所述的成像元件， 其中，在生成具有最緩和傾斜度的斜波的參考信號的參考信號生成單元生成參考信號 時，生成具有其他傾斜度的斜波的參考信號的參考信號生成單元順序地生成具有不同傾斜 度的斜波的參考信號。
12. 按照權利要求1所述的成像元件， 其中，所述多個比較單元的部分或全部比較模擬信號與具有相同傾斜度的斜波的參考 信號，并且 所述成像元件還包括求和平均單元，其對由與比較模擬信號與具有相同傾斜度的斜波 的參考信號的多個比較單元相對應的計數器輸出的計數值進行平均。
13. -種成像元件的控制方法，包括： 使得多個比較單元對通過垂直信號線從包括光電轉換元件的像素所供應的模擬信號 和具有不同傾斜度的斜波的參考信號進行比較，并且輸出比較結果； 使得多個計數器對于不同的比較單元執行計數直到所述比較結果被反轉，并且使得所 述多個計數器輸出計數值作為數字數據；以及 使得采樣及保持單元在對所述模擬信號和除了具有最緩和傾斜度的斜波之外的斜波 的參考信號進行比較的比較單元開始比較之前保持通過所述垂直信號線供應的模擬信號， 并且使得在所述比較單元執行比較時，該采樣及保持單元電切斷垂直信號線和所述比較單 元并且將所保持的模擬信號供應至所述比較單元。
14. 一種成像設備，包括： 成像元件，具有多個比較單元、多個計數器、和采樣及保持單元，所述多個比較單元對 通過垂直信號線從包括光電轉換元件的像素所供應的模擬信號和具有不同傾斜度的斜波 的參考信號進行比較，并且輸出比較結果，所述多個計數器對于不同的比較單元執行計數 直到所述比較結果被反轉，并且所述多個計數器輸出計數值作為數字數據，所述采樣及保 持單元在對所述模擬信號和除了具有最緩和傾斜度的斜波之外的斜波的參考信號進行比 較的比較單元開始比較之前保持通過所述垂直信號線供應的模擬信號，并且在所述比較單 元執行比較時，該采樣及保持單元電切斷所述垂直信號線和所述比較單元并且將所保持的 模擬信號供應至所述比較單元； 圖像處理單元，其對從成像元件輸出的成像圖像的數字數據執行圖像處理；以及 存儲單元，其存儲經受了所述圖像處理單元的圖像處理的成像圖像的數字數據。
15. -種成像元件，包括： 多個參考信號生成單元，其在不同的時刻生成具有不同傾斜度的斜波的參考信號； 多個比較單元，其對通過垂直信號線從包括光電轉換元件的像素所供應的模擬信號和 由不同的參考信號生成單元生成的參考信號進行比較，并且輸出比較結果；和 多個計數器，其對于不同的比較單元執行計數直到所述比較結果被反轉，并且輸出計 數值作為數字數據。
16. 按照權利要求15所述的成像元件， 其中，在生成具有最緩和傾斜度的斜波的參考信號的參考信號生成單元生成參考信 號之后、具有最緩和傾斜度的斜波的電壓值和具有其他傾斜度的斜波的電壓值不交叉的時 亥IJ，生成具有其他傾斜度的斜波的參考信號的參考信號生成單元開始生成參考信號。
17. 按照權利要求15所述的成像元件， 其中，在生成具有最緩和傾斜度的斜波的參考信號的參考信號生成單元生成參考信號 之前的時刻，生成具有其他傾斜度的斜波的參考信號的參考信號生成單元開始生成參考信 號。
18. 按照權利要求15所述的成像元件， 其中，與所述計數值一起輸出標志信息，所述標志信息示出由與所選擇的計數器相對 應的比較器所使用的參考信號的電壓范圍。
19. 一種成像元件的控制方法，包括： 使得多個參考信號生成單元在不同的時刻生成具有不同傾斜度的斜波的參考信號； 使得多個比較單元對通過垂直信號線從包括光電轉換元件的像素所供應的模擬信號 和由不同的參考信號生成單元生成的參考信號進行比較并且輸出比較結果；和 使得多個計數器對于不同的比較單元執行計數直到所述比較結果被反轉，并且使得所 述多個計數器輸出計數值作為數字數據。
20. -種成像設備，包括： 成像元件，其具有多個參考信號生成單元、多個比較單元和多個計數器，所述多個參考 信號生成單元在不同的時刻生成具有不同傾斜度的斜波的參考信號，所述多個比較單元對 通過垂直信號線從包括光電轉換元件的像素所供應的模擬信號和由不同的參考信號生成 單元生成的參考信號進行比較并且輸出比較結果，所述多個計數器對于不同的比較單元執 行計數直到所述比較結果被反轉，并且輸出計數值作為數字數據； 圖像處理單元，其對從成像元件輸出的成像圖像的數字數據執行圖像處理；以及 存儲單元，其存儲經受了所述圖像處理單元的圖像處理的成像圖像的數字數據。
【文檔編號】H04N5/378GK104115488SQ201280069321
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2012年11月30日 優先權日:2011年12月8日
【發明者】佐藤守, 榊原雅樹, 田浦忠行 申請人:索尼公司