圖像拾取器件和相機(jī)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】提供圖像拾取器件和相機(jī)系統(tǒng)，它們可以以很低的噪聲對(duì)來自像素的微弱信號(hào)或單光子信號(hào)進(jìn)行高精確、高速的檢測，由此改善幀速率并且實(shí)現(xiàn)各種高性能的俘獲。每一個(gè)感測電路包含用于將來自像素的輸出信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行比較的比較器。當(dāng)檢測信號(hào)時(shí)，感測電路在提供于比較器一側(cè)或兩側(cè)的輸入部件中保持電荷，并且將參考信號(hào)和來自所選像素的第二像素信號(hào)進(jìn)行比較以便數(shù)字地判定像素上入射光的強(qiáng)度，所述電荷使得第一像素信號(hào)輸出從所選像素偏移，所述偏移偏置抵消由比較器帶來的偏移，并且所述參考信號(hào)階梯式地改變。
【專利說明】圖像拾取器件和相機(jī)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及諸如CMOS圖像傳感器之類的圖像拾取器件和相機(jī)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]最近，CMOS圖像傳感器已經(jīng)廣泛地使用在數(shù)字靜態(tài)相機(jī)、便攜式攝像放像一體機(jī)、監(jiān)視相機(jī)等，并且CMOS圖像傳感器的市場已擴(kuò)展。CMOS圖像傳感器中的每一個(gè)像素通過作為光電轉(zhuǎn)換器件的光電二極管來將入射光轉(zhuǎn)換為電子，并且在特定時(shí)段內(nèi)積聚電子，然后將與積聚電荷量相對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出至包含在芯片中的模擬數(shù)字(AD)轉(zhuǎn)換器。AD轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，并且然后將數(shù)字化的信號(hào)輸出至AD轉(zhuǎn)換器之后的階段。在CMOS圖像傳感器中，以矩陣形式布置這樣的像素用于圖像拾取。
[0003]圖1是圖示作為固態(tài)圖像拾取器件的CMOS圖像傳感器的典型芯片配置的示圖。
[0004]該CMOS圖像傳感器10包含像素陣列部件11、行驅(qū)動(dòng)電路12、AD轉(zhuǎn)換器13、開關(guān)14、輸出電路15、行控制線16、豎直信號(hào)線17和傳輸線18。
[0005]在像素陣列部件11中，沿著行方向和列方向以矩陣形式布置多個(gè)像素PX，并且豎直信號(hào)線17由沿著列方向布置的多個(gè)像素PX共享且連接至對(duì)應(yīng)于每列布置的AD轉(zhuǎn)換器13。另一方面，行驅(qū)動(dòng)電路12從多行中僅選擇一行，并且驅(qū)動(dòng)行控制線16從在所選行中的像素PX中讀取積聚電荷。行控制線16由一條或多條控制線構(gòu)成，以執(zhí)行這樣從像素中的讀取或像素的復(fù)位。如在此所使用的，術(shù)語“復(fù)位”是指這樣的操作，其中從像素中對(duì)積聚電荷進(jìn)行放電以便使像素返回至曝光之前的狀態(tài)，并且例如讀取每行之后馬上、或當(dāng)曝光開始時(shí)執(zhí)行復(fù)位作為快門操作。在讀取時(shí)，通過豎直信號(hào)線17傳遞至AD轉(zhuǎn)換器13的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并且通過開關(guān)14將數(shù)字信號(hào)順序地傳遞至輸出電路15，以便輸出至位于未示出的芯片內(nèi)部或外部的圖像處理單元。
[0006]當(dāng)CMOS圖像傳感器10以這種方式完成從一行的讀取時(shí)，選擇下一行，并且以相似的方式重復(fù)進(jìn)行讀取、AD轉(zhuǎn)換和輸出。當(dāng)完成所有行的處理時(shí)，完成一幀圖像數(shù)據(jù)的輸出。
[0007]另一方面，PTLl已經(jīng)提出了一種以時(shí)分方式對(duì)光子進(jìn)行計(jì)數(shù)的新技術(shù)。在該計(jì)數(shù)技術(shù)中，關(guān)于在特定時(shí)段內(nèi)是否在光電二極管上入射光子的二值判定重復(fù)進(jìn)行多次，并且對(duì)二值判定的結(jié)果進(jìn)行整合以獲得二維圖像拾取數(shù)據(jù)。換言之，感測在每一個(gè)特定時(shí)段(每一個(gè)單位曝光時(shí)段)內(nèi)來自光電二極管的信號(hào)，并且當(dāng)在時(shí)段內(nèi)一個(gè)或多個(gè)光子入射到光電二極管上時(shí)，不考慮入射光子的數(shù)目，連接至每一個(gè)像素的計(jì)數(shù)器增加計(jì)數(shù)I。如果光子入射的頻率沿著時(shí)間軸是隨機(jī)的，則入射光子的實(shí)際數(shù)目和計(jì)數(shù)的數(shù)目遵循泊松分布；因此，當(dāng)入射頻率為低時(shí)，入射光子的實(shí)際數(shù)目和計(jì)數(shù)的數(shù)目具有基本線性的關(guān)系，并且當(dāng)入射頻率為高時(shí)，輸出被壓縮。
[0008]此外，PTL2已經(jīng)提出了一種通過將感測電路和用于上述時(shí)分光子計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器電路從像素中分離并且分級(jí)地布置它們來改進(jìn)像素的孔徑比的技術(shù)。
[0009]使用這樣的時(shí)分光子計(jì)數(shù)的圖像傳感器持續(xù)地將從像素輸出的數(shù)據(jù)處理為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)；因此，并不產(chǎn)生與模擬信號(hào)的發(fā)送和放大相關(guān)聯(lián)的隨機(jī)噪聲和固定噪聲。此時(shí)，僅僅剩余在像素中產(chǎn)生的光擊中噪聲(light shot noise)和暗電流(dark current),并且特別在低光照度的情況下在圖像拾取中允許獲得相當(dāng)高的S/N比。
[0010]引用列表
[0011]專利文獻(xiàn)
[0012][PTL1]日本未審查專利申請第H7-67043號(hào)
[0013][PTL2]日本未審查專利申請第2011-71958號(hào)
[0014][PTL3]日本未審查專利申請第2008-193373號(hào)
[0015][PTL4]日本未審查專利申請第2006-20173號(hào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]技術(shù)問題
[0017]最近，作為在上述CMOS圖像傳感器中AD轉(zhuǎn)換的技術(shù)，所謂的單斜率轉(zhuǎn)換已成為主流，其中多個(gè)像素列連接至多個(gè)AD轉(zhuǎn)換器，并且AD轉(zhuǎn)換器在以臺(tái)階階梯式改變共同參考信號(hào)時(shí)通過將相應(yīng)像素的每一個(gè)輸出與共同參考信號(hào)進(jìn)行比較從而同時(shí)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。特別地，在諸如在低光照度情況下的圖像拾取和光子計(jì)數(shù)之類的極小像素信號(hào)的檢測中，需要降低隨機(jī)噪聲和固定噪聲；因此，主要需要兩種噪聲抵消。
[0018]噪聲抵消種類中的一種是抵消像素的復(fù)位噪聲。通過輸出來自像素的復(fù)位信號(hào)并且然后保持電荷(所述電荷用于抵消在比較器輸入部件中的信號(hào))，從而來執(zhí)行所述抵消，并且該抵消被稱為DCS (相關(guān)雙采樣，correlated double sampling)。另一種噪聲抵消是抵消在比較器側(cè)生成的偏移噪聲。在典型的圖像傳感器中，偏移噪聲在圖像中出現(xiàn)為豎直線，并且可以在后續(xù)圖像處理階段中被處理；但是，在光子計(jì)數(shù)中，需要在對(duì)像素信號(hào)進(jìn)行二值判定之前抵消偏移噪聲。
[0019]例如，在PTL3中，實(shí)質(zhì)上在被稱為“自動(dòng)調(diào)零(auto-zero)”的過程中執(zhí)行對(duì)來自像素的復(fù)位信號(hào)的CDS，并且階梯式脈沖的首先施加以及隨后要執(zhí)行的向下計(jì)數(shù)是用于抵消在比較器側(cè)的偏移噪聲和隨機(jī)噪聲的處理。在自動(dòng)調(diào)零處理中，還進(jìn)行在比較器上的偏移調(diào)節(jié)；然而，在此時(shí)，出現(xiàn)剩余偏移分量。該剩余偏移分量通過在隨后要進(jìn)行的關(guān)于無信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換來檢測，并且從待抵消的像素信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果中減去并且?guī)缀跬耆蝗コ?br> [0020]在該技術(shù)中，當(dāng)參考信號(hào)的階梯寬度在上述AD轉(zhuǎn)換中被變窄以增加分辨率時(shí)，允許以極高的精確性抵消噪聲；因此，該技術(shù)對(duì)于檢測極小信號(hào)是有優(yōu)勢的。此外，當(dāng)提供了閾值并且進(jìn)行了關(guān)于作為二進(jìn)制數(shù)據(jù)的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的判定時(shí)，該技術(shù)也可以被用作用于時(shí)分光子計(jì)數(shù)的感測電路。
[0021]替換地，在PTL4中，使用光屏蔽像素的暗信號(hào)在每一幀上執(zhí)行比較器偏移的校準(zhǔn)。在像素讀取中，在復(fù)位信號(hào)的CDS之后執(zhí)行像素信號(hào)和的讀取和AD轉(zhuǎn)換，并且通過從每一個(gè)比較器中獲取在像素信號(hào)和校準(zhǔn)結(jié)果之間的差來抵消偏移。在每一幀上的校準(zhǔn)具有在比較器側(cè)生成的隨機(jī)噪聲不允許抵消的問題；然而，比較器的抵消偏移噪聲的處理允許在一定程度上縮短。
[0022]但是，在其中像素信號(hào)極小的情況下，上述技術(shù)具有下面的問題。例如，考慮這樣的情況，其中轉(zhuǎn)換效率上升至600 μ V/e-，并且進(jìn)行關(guān)于單光子是否入射的二值判定。在此時(shí)，像素信號(hào)具有600 μ V，并且閾值判定值大約是300 μ V ;因此，理想地，允許通過用參考信號(hào)覆蓋這樣的寬度并且階梯式地改變參考信號(hào)來執(zhí)行判定。然而，比較器的偏移具有幾個(gè)μ V至幾十個(gè)μ V。換言之，在這樣的情況下，在比較器側(cè)的偏移是像素信號(hào)的數(shù)量級(jí)或者比像素信號(hào)的數(shù)量級(jí)大。
[0023]還需要以與檢測像素信號(hào)時(shí)相同的精確性來檢測在比較器側(cè)的偏移。因此，在上述示例中，花在讀取關(guān)于像素信號(hào)的判定上的時(shí)間大多由用于通過參考信號(hào)消除比較器偏移的時(shí)間所占據(jù)。例如，在前一示例中，需要在讀取像素信號(hào)的單個(gè)周期中兩次消除偏移，而在后一示例中，需要在讀取像素信號(hào)的單個(gè)周期中一次消除偏置。然而，已經(jīng)提出了幾個(gè)方案以便減少用于關(guān)于像素信號(hào)來消除參考信號(hào)的時(shí)間，但是幾乎沒有考慮過降低用于消除比較器側(cè)上的偏移的時(shí)間。
[0024]提出本技術(shù)以便提供圖像拾取器件和相機(jī)系統(tǒng)，它們能夠高速地以較少的噪聲和高精確性對(duì)來自像素的極小信號(hào)或單光子信號(hào)進(jìn)行檢測，并且能夠借助本技術(shù)通過增加幀速率來執(zhí)行各種高性能拍攝。
[0025]解決方案
[0026]根據(jù)本技術(shù)的第一方面的固態(tài)圖像拾取器件包含:像素陣列部件，其包含布置在陣列中的多個(gè)像素，每一個(gè)像素包含光電轉(zhuǎn)換器件、被配置為積聚通過光電轉(zhuǎn)換而生成的電荷的存儲(chǔ)部件、和被配置為輸出積聚的電荷作為電信號(hào)的放大器器件，所述像素中的每一個(gè)被配置為響應(yīng)于光子入射而輸出電信號(hào)至輸出信號(hào)線；感測電路部件，其包含感測電路，所述感測電路中的每一個(gè)被配置為進(jìn)行對(duì)來自所述像素的像素信號(hào)進(jìn)行檢測的處理；和驅(qū)動(dòng)部件，其被配置為在讀取時(shí)從所選擇像素中進(jìn)行第一像素信號(hào)的讀取和第二像素信號(hào)的讀取，其中，所述第一像素信號(hào)和所述第二像素信號(hào)是與無信號(hào)積聚狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的像素的復(fù)位信號(hào)和反映通過光電轉(zhuǎn)換而生成的積聚電荷的積聚信號(hào)中的一個(gè)和另一個(gè)，在所述感測電路部件中，所述感測電路中的每一個(gè)包含比較器，所述比較器被配置為將來自所述像素的輸出信號(hào)與參考信號(hào)相比較，并且當(dāng)進(jìn)行信號(hào)檢測時(shí)，在所述比較器的輸入部件中的一個(gè)或兩者中保持允許從所述所選擇像素中輸出的所述第一像素信號(hào)被抵消的電荷，用于每一個(gè)比較器的獨(dú)立偏移偏置被施加于所述比較器的輸入部件中的一個(gè)上以便抵消該比較器的偏移，并且通過將步進(jìn)式變化的參考信號(hào)與從所述所選擇像素中輸出的第二像素信號(hào)進(jìn)行比較來進(jìn)行入射在像素上的光強(qiáng)度的數(shù)字判定。
[0027]轉(zhuǎn)換器件偏移偏移根據(jù)本技術(shù)的第二方面的相機(jī)系統(tǒng)配備圖像拾取器件、光學(xué)系統(tǒng)和信號(hào)處理電路，所述光學(xué)系統(tǒng)被配置為在圖像拾取器件上形成對(duì)象的圖像，所述信號(hào)處理電路被配置為處理所述圖像拾取電路的輸出圖像信號(hào)，所述圖像拾取器件包含:像素陣列部件，其包含布置在陣列中的多個(gè)像素，每一個(gè)像素包含光電轉(zhuǎn)換器件、被配置為積聚通過光電轉(zhuǎn)換而生成的電荷的存儲(chǔ)部件、和被配置為輸出積聚的電荷作為電信號(hào)的放大器器件，所述像素中的每一個(gè)被配置為響應(yīng)于光子入射而輸出電信號(hào)至輸出信號(hào)線；感測電路部件，其包含感測電路，所述感測電路中的每一個(gè)被配置為進(jìn)行對(duì)來自所述像素的像素信號(hào)進(jìn)行檢測的處理；和驅(qū)動(dòng)部件，其被配置為在讀取時(shí)從所選擇像素中進(jìn)行第一像素信號(hào)的讀取和第二像素信號(hào)的讀取，其中，所述第一像素信號(hào)和所述第二像素信號(hào)是與無信號(hào)積聚狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的像素的復(fù)位信號(hào)和反映通過光電轉(zhuǎn)換而生成的積聚電荷的積聚信號(hào)中的一個(gè)和另一個(gè)，在所述感測電路部件中，所述感測電路中的每一個(gè)包含比較器，所述比較器被配置為將來自所述像素的輸出信號(hào)與參考信號(hào)相比較，并且當(dāng)進(jìn)行信號(hào)檢測時(shí)，在所述比較器的輸入部件中的一個(gè)或兩者中保持允許從所述所選擇像素中輸出的所述第一像素信號(hào)被抵消的電荷，用于每一個(gè)比較器的獨(dú)立偏移偏置被施加于所述比較器的輸入部件中的一個(gè)上以便抵消該比較器的偏移，并且通過將步進(jìn)式變化的參考信號(hào)與從所述所選擇像素中輸出的第二像素信號(hào)進(jìn)行比較來進(jìn)行入射在像素上的光強(qiáng)度的數(shù)字判定。
[0028]轉(zhuǎn)換器件偏移偏移有利效果
[0029]根據(jù)本技術(shù)，允許高速地以低噪聲和高精確性檢測來自像素的極小信號(hào)和單光子信號(hào)，并且允許借助本技術(shù)通過增加幀速率進(jìn)行各種高性能拍攝。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是圖示作為固態(tài)成像器件的CMOS圖像傳感器的典型芯片配置的示圖。
[0031]圖2是圖示在單位曝光時(shí)段內(nèi)入射光子的平均數(shù)目和計(jì)數(shù)概率(每單位曝光時(shí)段的平均計(jì)數(shù)數(shù)目)的示例的示圖。
[0032]圖3是圖示根據(jù)第一實(shí)施例的CMOS圖像傳感器(圖像拾取器件)的配置示例的示圖。
[0033]圖4是圖示根據(jù)第一實(shí)施例的像素的電路配置示例的示圖。
[0034]圖5是圖示像素布局的示例的示圖。
[0035]圖6是圖示在根據(jù)第一實(shí)施例的感測電路中的AD轉(zhuǎn)換器件的配置示例的示圖。
[0036]圖7是圖示在圖6中的AD轉(zhuǎn)換器件的運(yùn)行波形的示例的示圖。
[0037]圖8是圖示在其中不提供偏移偏置施加部件的情況下AD轉(zhuǎn)換器件的運(yùn)行波形的示圖。
[0038]圖9是用于描述根據(jù)實(shí)施例偏移偏置的校準(zhǔn)的示例的示圖。
[0039]圖10是圖不根據(jù)實(shí)施例的被配置為生成偏移偏置的偏移偏置生成電路的配置不例的示圖。
[0040]圖11是圖示在根據(jù)實(shí)施例的AD轉(zhuǎn)換器件中在其中從一行到另一行地進(jìn)行錯(cuò)誤校正的情況下運(yùn)行波形示例的示圖。
[0041]圖12是圖示在根據(jù)實(shí)施例的AD轉(zhuǎn)換器件中在其中從一行到另一行地進(jìn)行偏移校準(zhǔn)的情況下運(yùn)行波形的示例的示圖。
[0042]圖13是圖示在根據(jù)實(shí)施例的AD轉(zhuǎn)換器件中在其中從一行到另一行地進(jìn)行偏移校準(zhǔn)的情況下運(yùn)行波形的另一示例的示圖。
[0043]圖14是圖示根據(jù)第一實(shí)施例的像素的電路配置的另一示例的示圖。
[0044]圖15是圖示在應(yīng)用圖14中的像素的情況下與圖7中的示例相對(duì)應(yīng)的運(yùn)行波形的示圖。
[0045]圖16是圖示根據(jù)第二實(shí)施例的CMOS圖像傳感器(圖像拾取器件)的配置示例的示圖。
[0046]圖17是圖示在根據(jù)第二實(shí)施例的感測電路中的AD轉(zhuǎn)換器件的配置示例的示圖。
[0047]圖18是圖示根據(jù)第二實(shí)施例的像素的電路配置的示例的示圖。
[0048]圖19是圖示向其應(yīng)用任何根據(jù)實(shí)施例的固態(tài)圖像拾取器件的相機(jī)系統(tǒng)的配置的示例的示圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0049]將在下文中參考附圖描述本公開的一些實(shí)施例。要注意的是，將以下面的順序給出描述。
[0050]1.第一實(shí)施例(圖像拾取器件的第一配置示例)
[0051]2.第二實(shí)施例(圖像拾取器件的第二配置示例)
[0052]3.相機(jī)系統(tǒng)的配置示例
[0053](1.第一實(shí)施例)
[0054]圖3是圖示根據(jù)第一實(shí)施例的CMOS圖像傳感器(圖像拾取器件)的配置示例的示圖。
[0055][整個(gè)配置的總結(jié)]
[0056]該CMOS圖像傳感器100包含像素陣列部件110、感測電路部件120、輸出信號(hào)線組130、傳輸線組140和判定結(jié)果整合電路部件150。
[0057]像素陣列部件110包含多個(gè)數(shù)字像素PX，其以矩陣的形式沿著行方向和列方向布置。每一個(gè)數(shù)字像素PX包含光電轉(zhuǎn)換器件，并且具有響應(yīng)于光子入射輸出電信號(hào)的功能。像素陣列部件110例如形成在 第一半導(dǎo)體基底SUBl上。
[0058]感測電路部件120形成在與第一半導(dǎo)體基底SUBl不同的第二半導(dǎo)體基底SUB2上。在感測電路部件120中，例如以矩陣的形式沿著行方向和列方向布置多個(gè)感測電路，以便在一對(duì)一的基礎(chǔ)上對(duì)應(yīng)于以像素陣列部件110的矩陣形式布置的多個(gè)像素PX。感測電路121中的每一個(gè)具有這樣的功能:在接收來自數(shù)字像素PX的信號(hào)時(shí)，關(guān)于在預(yù)定時(shí)段內(nèi)光子是否入射到數(shù)字像素PX上進(jìn)行二值判定。
[0059]然后，第一半導(dǎo)體基底SUBl和第二半導(dǎo)體基底SUB2被層壓。例如，第一半導(dǎo)體基底SUBl和第二半導(dǎo)體基底SUB2被層壓，以便允許在第一半導(dǎo)體基底SUBl上形成的多個(gè)像素PX和在第二半導(dǎo)體基底SUB2上形成的多個(gè)感測電路121在一對(duì)一的基礎(chǔ)上朝向彼此。朝向彼此的像素PX和感測電路121通過輸出信號(hào)線組130的各個(gè)輸出信號(hào)線131連接至彼此。
[0060]在圖3的示例中，位于第O行第O列的像素PX-OO的輸出通過輸出信號(hào)線131-00被連接至位于第O行第O列的感測電路121-00的輸入。位于第O行第I列的像素PX-Ol的輸出通過輸出信號(hào)線131-01被連接至位于第O行第I列的感測電路121-01的輸入。位于第I行第O列的像素PX-?ο的輸出通過輸出信號(hào)線131-10被連接至位于第I行第O列的感測電路121-10的輸入。位于第I行第I列的像素PX-1l的輸出通過輸出信號(hào)線131-11被連接至位于第I行第I列的感測電路121-11的輸入。盡管沒有圖示，位于其他行和列的像素和感測電路以相同的方式連接于彼此。
[0061]在感測電路部件120中，位于相同行中的感測電路121的輸出被連接至共同的傳輸線141。在圖3的示例中，布置在第O行的感測電路121-00、121-01、…的輸出被連接至傳輸線141-0。位于第一行的感測電路121-10、121_11、…的輸出被連接至傳輸線141-1。盡管沒有圖示，在第二及之后的行中的感測電路以相同的方式形成。
[0062]在該實(shí)施例中，如將詳細(xì)描述的，感測電路部件120的每一個(gè)感測電路121包含包括比較器的AD轉(zhuǎn)換器件，所述比較器被配置為將從像素讀取的信號(hào)和參考信號(hào)REF進(jìn)行比較。[0063]判定結(jié)果整合電路部件150具有這樣的功能:多次整合由感測電路121得到的來自每一個(gè)像素的判定結(jié)果以便生成具有灰度級(jí)的二維圖像拾取數(shù)據(jù)。在判定結(jié)果整合電路部件150中，對(duì)應(yīng)于在感測電路部件120中的感測電路121的行布置，來布置判定結(jié)果整合電路151-0、151-1、…。換言之，判定結(jié)果整合電路151-0連接至傳輸線141-0，位于第O行的感測電路121-00、121-01、…連接至該傳感線141-0。判定結(jié)果整合電路151-1連接至傳輸線141-1，位于第I行的感測電路121-10、121-11、…連接至所述傳輸線141-1。
[0064]判定結(jié)果整合電路151-0包括:寄存器152-0，其被配置為保持通過傳輸線141_0傳輸?shù)呐卸ㄖ?；?jì)數(shù)電路153-0，其被配置為對(duì)由寄存器152-0所保持的值進(jìn)行計(jì)數(shù)；和存儲(chǔ)器154-0，其被配置為保持由計(jì)數(shù)電路153-0得到的計(jì)數(shù)結(jié)果。判定結(jié)果整合電路151-1包含:寄存器152-1，其被配置為保持通過傳輸線141-1傳輸?shù)呐卸ㄖ担挥?jì)數(shù)電路153-1，其被配置為對(duì)由寄存器152-1所保持的值進(jìn)行計(jì)數(shù)；和存儲(chǔ)器154-1，其被配置為保持由計(jì)數(shù)電路153-1得到的計(jì)數(shù)結(jié)果。在該實(shí)施例中，判定結(jié)果整合電路151-0的計(jì)數(shù)電路153-0由多個(gè)感測電路121-00、121-01、…所共享。判定結(jié)果整合電路151-1的計(jì)數(shù)電路153-1由多個(gè)感測電 路121-10、121-11、…所共享。
[0065][像素的配置示例]
[0066]如上文所描述的，每一個(gè)像素PX包含光電轉(zhuǎn)換器件和放大器器件，并且響應(yīng)于光子入射輸出電信號(hào)。作為圖像拾取器件的CMOS圖像傳感器100具有使像素PX復(fù)位的功能和從像素PX中進(jìn)行讀取的功能，并且被允許在任意定時(shí)執(zhí)行復(fù)位和讀取。在復(fù)位中，像素PX被復(fù)位至其中光子不入射于其上的狀態(tài)。每一個(gè)像素PX可以優(yōu)選地在其光接收表面上包含透鏡和濾色器。下面將描述像素的示例配置。
[0067]圖4是圖示根據(jù)該實(shí)施例的像素的電路配置示例的示圖。圖4圖示其中一個(gè)單位像素PX包含三個(gè)晶體管的像素電路的示例，。
[0068]一個(gè)單位像素PX包含作為光電轉(zhuǎn)換器件的光電二極管111、復(fù)位晶體管113和作為放大器器件的放大器晶體管114。像素PX包含存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)115和浮動(dòng)擴(kuò)散(FD)節(jié)點(diǎn)116。
[0069]傳輸晶體管112的柵極電極連接至傳輸線117，并且復(fù)位晶體管3的柵極電極連接至復(fù)位線118。放大器晶體管114的柵極電極連接至FD節(jié)點(diǎn)116，并且放大器晶體管114的源極連接至輸出信號(hào)線131。FD節(jié)點(diǎn)116用作放大器晶體管114的輸入節(jié)點(diǎn)。
[0070]在像素PX中，入射到像素的硅基底上的光生成電子空穴對(duì)，并且通過光電二極管111將在電子空穴對(duì)中的電子積聚在節(jié)點(diǎn)115中。當(dāng)在預(yù)定定時(shí)接通傳輸晶體管112時(shí)，電子傳輸至節(jié)點(diǎn)116以便驅(qū)動(dòng)放大器晶體管114的柵極。由此，讀取信號(hào)電荷作為到輸出信號(hào)線131的信號(hào)。
[0071]輸出信號(hào)線131可以通過恒流源或電阻器件被接地以便進(jìn)行源極跟隨操作，或者可以在讀取之前暫時(shí)地接地然后被轉(zhuǎn)至浮動(dòng)狀態(tài)以便通過放大器晶體管114輸出電荷電平。
[0072]與傳輸晶體管112的接通同時(shí)地接通復(fù)位晶體管113，以便將積聚在光電二極管111中的電子汲取至電源，由此將像素復(fù)位至積聚之前的暗狀態(tài)，也就是其中光子不入射于其上的狀態(tài)。要注意的是，在圖4中，PS表示用于復(fù)位和源極跟隨器的電源，并且，例如可以將3V供應(yīng)至電源PS。
[0073]這樣的像素PX的基本電路或運(yùn)行機(jī)構(gòu)(驅(qū)動(dòng)部件)類似于典型的像素，并且像素PX可以具有變形。但是，與典型的像素相比較，在本實(shí)施例中采用的像素被設(shè)計(jì)具有極高的轉(zhuǎn)換效率。對(duì)此，配置源極跟隨器的放大器晶體管114的輸入節(jié)點(diǎn)116的寄生電容可以優(yōu)選地盡可能小，并且從單光子獲得的輸出信號(hào)可以優(yōu)選地比放大器晶體管114的隨機(jī)噪聲大足夠多。
[0074]圖5是圖示像素布局的示例的示圖。在圖5中，對(duì)角線表示晶體管的柵極電極，并且虛線表示金屬布線。
[0075]放大器晶體管114的輸入節(jié)點(diǎn)116由夾在傳輸晶體管112和復(fù)位晶體管113之間的擴(kuò)散層部件、放大器晶體管114的柵極部件和它們之間的布線部件構(gòu)成；然而，布置這些部件中的每一個(gè)以便具有最小面積。此外，在減小放大器晶體管114的漏極寬度的情況下，用與作為源極輸出的信號(hào)線131相連接的布線來平面地覆蓋節(jié)點(diǎn)116的大部分。因?yàn)樵礃O跟隨器的(在信號(hào)線131側(cè)上的)輸出關(guān)于來自輸入節(jié)點(diǎn)116的輸入具有接近I的增益，所以它們之間的實(shí)際寄生電容極小。因此，通過采用這樣的屏蔽配置使得節(jié)點(diǎn)116的寄生電容最小化，并且允許很大地增加轉(zhuǎn)換效率。
[0076]例如，在轉(zhuǎn)換效率增大至600 μ v/e-的情況下，信號(hào)量足夠大于放大器晶體管114的隨機(jī)噪聲，并且相應(yīng)地，原則上允許檢測單光子。在這種情況下，當(dāng)對(duì)在單位曝光時(shí)段內(nèi)光子是否入射進(jìn)行二值判定以便執(zhí)行時(shí)分光子計(jì)數(shù)時(shí)，允許在放大器晶體管114和后面器件中生成的噪聲降低到基本上為零。
[0077]替換地，這樣的像素允許在例如具有大約3V電源電壓的光電二極管(I)中積聚大約IOOOe-的電量。盡管此時(shí)的輸出是具有0.6V運(yùn)行范圍的模擬輸出，每一個(gè)電子的信號(hào)比現(xiàn)有技術(shù)中的信號(hào)大十倍；因此，在放大器晶體管114、探測器等上的隨機(jī)噪聲的影響降低至1/10，并且像素適合在低光照度情況下的圖像拾取。
[0078]換言之，只要轉(zhuǎn)換效率足夠高，這樣的包含光電轉(zhuǎn)換器件和放大器器件的像素PX的輸出可以被處理為二進(jìn)制數(shù)據(jù)或具有灰度級(jí)的模擬數(shù)據(jù)。另一方面，在這些像素中，在圖像拾取的單個(gè)周期中的檢測光量的上限是小的。換言之，在圖像拾取的動(dòng)態(tài)范圍中存在問題。為了改進(jìn)這一點(diǎn)，有效的是，在增加圖像信號(hào)的讀取速度以便增加幀頻的同時(shí)，整合讀取的多個(gè)周期的結(jié)果。例如，當(dāng)通過1023次執(zhí)行曝光和讀取所得到的二值判定的結(jié)果被整合時(shí)，獲得10位的灰度級(jí)。此外，即使在積聚電子的最大數(shù)目是IOOOe-的情況下，通過執(zhí)行16次曝光和讀取所得到的結(jié)果的整合等于16000e-的積聚。
[0079]圖6是圖示在根據(jù)第一實(shí)施例的感測電路中的AD轉(zhuǎn)換器件的配置示例的示圖。
[0080]AD轉(zhuǎn)換器件300包含比較器301、計(jì)數(shù)器302、偏移偏置施加部件303、用于輸入?yún)⒖夹盘?hào)FRF的參考端TREF以及電容Cl和C2。
[0081]偏移偏置施加部件303由開關(guān)SW11、電容Cll和C12、向其施加偏移偏置OFFSET的偏置端T0FFSET以及節(jié)點(diǎn)NDll和ND12構(gòu)成偏移。
[0082]在比較器301中，非倒置輸入端(+)連接至輸出信號(hào)線131，在此處從單個(gè)像素PX輸出像素信號(hào)PX0UT，在所述非倒置輸入端和單個(gè)像素之間具有電容Cl。在比較器301中，倒置輸入端(一)連接至位于參考信號(hào)REF的供應(yīng)線上的偏移偏置施加部件303的節(jié)點(diǎn)ND12，在所述倒置輸入端和所述偏移偏置施加部件之間具有電容C2。計(jì)數(shù)器302級(jí)聯(lián)至比較器301的輸出。在偏移偏置施加部件303中，節(jié)點(diǎn)NDll連接至參考信號(hào)REF的供應(yīng)線，并且電容Cll連接在節(jié)點(diǎn)NDll和ND12之間。此外，開關(guān)SWll的端a和b連接在節(jié)點(diǎn)NDll和ND12之間，以便允許將電容Cll旁路。此外，電容C12連接在偏置端TOFFSET和節(jié)點(diǎn)ND12之間。
[0083]比較器301比較像素信號(hào)PXOUT和參考信號(hào)REF。
[0084]計(jì)數(shù)器302具有時(shí)鐘門功能，例如，其中在接收來自比較器301的輸出CMOUT時(shí)阻塞時(shí)鐘CTIN以便停止計(jì)數(shù)的功能。在根據(jù)該實(shí)施例的AD轉(zhuǎn)換器件300中，施加對(duì)于每一個(gè)比較器301而言特定的偏移偏置的偏移偏置施加部件303被添加至用于比較器301的參考信號(hào)REF的輸入端(倒置輸入端)。
[0085]原則上，包含配備比較器301的感測電路121的CMOS圖像傳感器100通過下述過程以這種方式來執(zhí)行信號(hào)檢測。
[0086](1-1)過程:首先，從選擇的像素PX中輸出第一信號(hào)PXOUTl。
[0087](1-2)過程:接著，允許第一像素信號(hào)PXOUTl被抵消的電荷被保持在比較器301的一個(gè)或兩個(gè)輸入部件中。
[0088](1-3)過程:接著，每一個(gè)比較器301的獨(dú)立偏移偏置被施加于比較器301的輸入部件中的一個(gè)，以便抵消比較器301的偏移。
[0089](1-4)過程:接著，從選擇的像素中輸出第二像素信號(hào)PX0UT2。
[0090](1-5)最后，在階梯式地改變參考信號(hào)REF的同時(shí)，將第二像素信號(hào)PX0UT2與參考信號(hào)REF相比較，并且執(zhí)行關(guān)于入射到像素上的光強(qiáng)度的數(shù)字判定。數(shù)字判定是關(guān)于光子是否入射的二值判定。
[0091]要注意的是，上述第一像素信號(hào)PXOUTl和上述第二像素信號(hào)PX0UT2是與無信號(hào)積聚狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的像素的復(fù)位信號(hào)和反映由光電轉(zhuǎn)換所生成的積聚電荷的積聚信號(hào)中的一個(gè)和另一個(gè)。
[0092]在根據(jù)該實(shí)施例的CMOS成像傳感器100中，通過在每一個(gè)比較器301中的下述順序的校準(zhǔn)來得到偏移偏置。
[0093](2-1)過程:首先，預(yù)定信號(hào)被施加于用于像素信號(hào)的輸入部件和用于參考信號(hào)REF的輸入部件中的每一個(gè)上。
[0094](2-2)過程:接著，在比較器301的輸入部件中的一個(gè)或兩者中保持允許上述信號(hào)間的差抵消的電荷，以及
[0095](2-3)過程:當(dāng)以多個(gè)階梯將偏移偏置施加于比較器30的輸入部件之一上時(shí)，輸入信號(hào)中的兩者彼此相比較，由此確定對(duì)每一個(gè)比較器的偏移偏置。
[0096]此外，在根據(jù)該實(shí)施例的CMOS圖像傳感器100中，在上述(1_3)和(1_5)過程中，可以執(zhí)行下述處理。在(1-3)過程中，在施加偏移偏置之后，階梯式地消除參考電勢以測量用于比較器的倒置定時(shí)。然后，在(1-5)過程中的判定過程中，以相同的階梯消除該參考電勢以測量用于比較器301的倒置定時(shí)，并且從所述倒置定時(shí)之間的差導(dǎo)出光強(qiáng)度。
[0097]在包含比較器301的AD轉(zhuǎn)換器件300中，為了通過參考信號(hào)REF降低或去除針對(duì)比較器301的偏移的消除時(shí)間，將用于抵消特定于每一個(gè)比較器301的偏移的偏置施加于在每一個(gè)比較器301 —側(cè)上的輸入。
[0098]圖7是圖示在圖6中的AD轉(zhuǎn)換器件的運(yùn)行波形的示例的示圖。下文中將參考圖7描述圖6中的AD轉(zhuǎn)換器件的特定運(yùn)行步驟。
[0099][定時(shí)Tl][0100]在定時(shí)Tl，將脈沖供應(yīng)至在圖4的像素PX中的復(fù)位晶體管113的柵極，并且從像素PX輸出在復(fù)位電平處的信號(hào)PX0UT。
[0101][定時(shí) T2]
[0102]在定時(shí)T2，比較器301的輸入級(jí)保持用于抵消上述復(fù)位信號(hào)的電荷以執(zhí)行所謂的⑶S(相關(guān)雙采樣)。例如，在專利文獻(xiàn)(日本未審查專利申請第2008-193373號(hào))中，在“自動(dòng)調(diào)零”過程中，比較器301的輸入和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)短路，并且電荷分布于輸入節(jié)點(diǎn)301_P和301_R之間以便允許到比較器301的兩個(gè)輸入都被平衡，并且電荷然后保持在輸入節(jié)點(diǎn)301_卩和301_R中。要注意的是，形成參考信號(hào)REF2之處的中間節(jié)點(diǎn)ND12可以在該運(yùn)行期間例如通過接通開關(guān)SWll來被優(yōu)選地復(fù)位至某一偏置狀態(tài)。
[0103][定時(shí)T3]
[0104]在定時(shí)T3，特定于每一個(gè)比較器301的偏移偏置OFFSET被施加于偏移端TOFFSETo偏移偏置OFFSET的幅值通過稍后描述的校準(zhǔn)來確定，并且是允許比較器301的偏移被抵消的幅值。理想地，在在定時(shí)T2處執(zhí)行偏移的抵消的點(diǎn)，比較器301的輸入處于真正的平衡狀態(tài)。
[0105][定時(shí)T4]
[0106]在定時(shí)T4,某一共同偏移在負(fù)信號(hào)方向上被施加于端TREF,以平衡比較器301到一側(cè)的輸出。另一方面，脈沖被施加于圖4中的像素PX中的傳輸晶體管112的柵極，并且從像素PX輸出像素信號(hào)PXOUT。
[0107][定時(shí)T5]
[0108]在定時(shí)T5，在將階梯式脈沖供應(yīng)至參考端TREF的同時(shí)，與階梯式脈沖同步的脈沖被供應(yīng)至計(jì)數(shù)器302以便允許計(jì)數(shù)器302運(yùn)行。
[0109][定時(shí)T6]
[0110]在定時(shí)T6，當(dāng)在節(jié)點(diǎn)ND 12處的參考信號(hào)REF2的電平超出了在定時(shí)T3處相對(duì)于像素信號(hào)PXOUT的平衡狀態(tài)時(shí)，比較器301的輸出CMOUT被倒置。相應(yīng)地，計(jì)數(shù)器302停止運(yùn)行，并且保持狀態(tài)。以這種方式獲得的計(jì)數(shù)器302的輸出值線性地反映了在像素信號(hào)PXOUT(第二像素信號(hào)PX0UT2)和復(fù)位信號(hào)(第一像素信號(hào)PXOUTl)之間的差。
[0111]在該實(shí)施例中，通過在定時(shí)T3施加于偏移端TOFFSET的偏移偏置0DDSET，來校正通過每一個(gè)比較器301的偏置所引起的在倒置定時(shí)中的變化。
[0112]圖8是圖示在其中不提供偏移偏置施加部件的情況下AD轉(zhuǎn)換器件的運(yùn)行波形的示圖。為了清楚地說明其中提供偏移偏置施加部件的本實(shí)施例的效果，圖示在如下情況下的運(yùn)行波形:AD轉(zhuǎn)換器件通過直接連接圖6中的參考信號(hào)REF2來運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)ND12形成至端TREF，而不通過偏移偏置執(zhí)行這樣的校正。
[0113]不像本實(shí)施例，在不執(zhí)行通過偏移偏置的上述校正的情況下，在圖8的定時(shí)T4b處，需要施加大電勢以便允許供應(yīng)到節(jié)點(diǎn)ND12(REF2)的共同偏移覆蓋。例如，在一些mV的偏移在比較器301中期待的情況下，除非供應(yīng)了充分超出該偏移的共同偏移，否則所有比較器的輸出不允許被平衡至一側(cè)。典型地，為了消除參考信號(hào)REF，除了對(duì)于像素信號(hào)檢測本來需要的范圍之外，還需要覆蓋如上述偏移兩倍大的范圍(對(duì)應(yīng)于在正側(cè)和負(fù)側(cè)上的變化)，并且相應(yīng)地，需要過量的計(jì)數(shù)。例如，在專利文獻(xiàn)(日本未審查專利申請第2006-20173號(hào))或?qū)＠墨I(xiàn)(日本未審查專利申請第2008-193373號(hào))中，通過從過量計(jì)數(shù)中減去通過光屏蔽像素或無信號(hào)的校準(zhǔn)而獲得的計(jì)數(shù)值，來執(zhí)行偏移校正。然而，在這些情況下，仍然需要上述過量計(jì)數(shù)。
[0114]另一方面，當(dāng)采用本實(shí)施例的技術(shù)時(shí)，允許在定時(shí)T4的共同偏移通過在定時(shí)T3施加偏移偏置來很大地降低，并且與每一個(gè)比較器301的偏移相關(guān)聯(lián)的參考信號(hào)的消除范圍和計(jì)數(shù)數(shù)目的冗余是不需要的。因此，尤其在單光子信號(hào)的二值判定中或在低照度信號(hào)的檢測中，讀取過程很大地縮短，并且速度的增加和幀速率的增加時(shí)可能的。
[0115]上述AD轉(zhuǎn)換器件是本實(shí)施例中采用的最簡單的AD轉(zhuǎn)換器件的示例。
[0116]圖9是圖示根據(jù)本實(shí)施例校準(zhǔn)偏移偏置的示例的示圖。下文中將參考圖9描述偏移偏置的校準(zhǔn)的示例。在該情況下，像素輸出PXOUT和參考信號(hào)REF是固定的，而施加于偏移端TOFFSET的偏移偏置OFFSET相對(duì)于無信號(hào)而言以多個(gè)階梯改變，以導(dǎo)出在從比較器301的輸出狀態(tài)中倒置時(shí)的偏移偏置。
[0117][定時(shí)Tll]
[0118]在定時(shí)T11，比較器301的輸入級(jí)保持用于以類似讀取像素信號(hào)時(shí)的方式執(zhí)行所謂的⑶S的電荷以便平衡用于像素信號(hào)PXOUT的輸入側(cè)和用于參考信號(hào)REF的輸入側(cè)。在該運(yùn)行期間例如通過接通開關(guān)SWll來將中間節(jié)點(diǎn)ND 12 (REF2)復(fù)位至某一偏置狀態(tài)。
[0119][定時(shí)T12]
[0120]在定時(shí)T12，某一共同偏移在負(fù)信號(hào)方向上被供應(yīng)到偏移端T0FFSET，以平衡到一側(cè)的比較器301的輸出。
[0121][定時(shí)T13]
[0122]在定時(shí)T13，偏移偏置OFFSET的偏置以階梯式的方式以多個(gè)階梯改變。
[0123][定時(shí)T14]
[0124]在定時(shí)T14，當(dāng)比較器301的輸出被倒置時(shí)偏移偏置OFFSET的偏置值Λ VOFF被看作針對(duì)每一個(gè)比較器301的偏移偏置。存儲(chǔ)針對(duì)每一個(gè)比較器301的偏移量，并且在讀取像素信號(hào)的過程中，偏移量被施加于偏移端TOFFSET。
[0125]要注意的是，在在像素讀取中高速地消除參考信號(hào)REF的情況下，除了比較器301的上述偏移之外，在每一個(gè)比較器301的倒置延遲中的變化和在參考信號(hào)REF的發(fā)送中的延遲被疊加為其他固定的噪聲。作為針對(duì)這樣的噪聲的措施，在節(jié)點(diǎn)ND12 (REF2)和節(jié)點(diǎn)NDll (REF)之間的耦合電容與在節(jié)點(diǎn)ND 12 (REF2)和圖6的端TOFFSET之間的耦合電容被均衡。然后，在圖9的校準(zhǔn)中的偏移偏置OFFSET的偏置值沿著與在圖7的像素讀取中參考信號(hào)REF的階梯消除的梯度相同的梯度進(jìn)行改變。相應(yīng)地，噪聲允許與比較器301的偏移的抵消一起被抵消。
[0126]圖10 (A)和(B)是圖不根據(jù)本實(shí)施例被配置為生成偏移偏置的偏移偏置生成電路的配置示例的示圖。接下來，下文中將參考圖10 (A)和(B)描述偏移偏置生成電路的配置示例。在這些電路的每一種中，布置被配置為保持由校準(zhǔn)所確定的偏置量的存儲(chǔ)部件。
[0127]在圖10 (A)中的偏移偏置生成電路310A由源極跟隨器SF21、開關(guān)SW21和SW22、電容C21和電源V21所構(gòu)成。
[0128]在該偏移偏置生成電路310A中，通過源極跟隨器SF21來供應(yīng)偏置。換言之，通過將偏移偏置OFFSET的輸出從與作為偏移偏置的參考電平連接到電源V21的固定電源端BSLEV切換至源極跟隨器SF21的輸出。在校準(zhǔn)中，源極跟隨器SF21的輸入被連接至對(duì)于其間具有開關(guān)SW21的各個(gè)比較器而言是共同的偏移偏置供應(yīng)端TOFFSET_SRC，并且從OFFSET_SRC供應(yīng)多個(gè)偏置階梯。當(dāng)在圖9中的上述定時(shí)T14處倒置比較器301的輸出時(shí)，開關(guān)SW21斷開，并且此時(shí)的偏移的偏置量被存儲(chǔ)為電容C21中的電荷。
[0129]在圖10 (B)中的偏移偏置生成電路310B由固定電壓供應(yīng)線0FFSET_[1]至[3]、固定電壓供應(yīng)端BSLEV、包含開關(guān)SW23至SW26的開關(guān)組SWG和選擇電路SEL21構(gòu)成。
[0130]在該偏移偏置生成單元310B中，多個(gè)偏置階梯被提前供應(yīng)至對(duì)于各自比較器而言共同的固定電壓供應(yīng)線0FFSET_[1]至[3]。通過從開關(guān)組SWG中選擇一個(gè)開關(guān)以將偏移偏置OFFSET的輸出從作為偏移偏置參考電平的固定電壓供應(yīng)端BSLEV切換至0FFSET_[1]至[3]中的一個(gè)，從而生成偏置。在校準(zhǔn)中，通過相繼地選擇固定電壓供應(yīng)線0FFSET_[1]至[3]，來供應(yīng)多個(gè)偏置階梯。當(dāng)在圖9的上述定時(shí)T14處倒置比較器301的輸出時(shí)，此時(shí)的選擇狀態(tài)被存儲(chǔ)在選擇電路SEL21的寄存器中，并且由此存儲(chǔ)偏置量。
[0131]此外，借助與偏移偏置生成電路310B類似的選擇電路以及開關(guān)，電容可以并排地布置在各個(gè)開關(guān)的輸出側(cè)上，并且利用電容的耦合來生成偏移偏置。
[0132]順便提及，在AD轉(zhuǎn)換器件中，包含在每次讀取中隨機(jī)生成的噪聲分量，并且其只有通過施加上述偏移偏置才允許被抵消。例如，在電荷在圖2的定時(shí)T2處被保持在比較器301的輸入部件中用于⑶S的情況下,在實(shí)際上增加了與保持容量(retention capacity)相關(guān)的kTC噪聲，并且該kTC噪聲引起生成極小隨機(jī)偏移。這樣的隨機(jī)偏移允許通過附加地消除參考電勢以便在施加上述偏移偏置之后抵消剩余的偏移而被完全地抵消。此外，在此時(shí)，由校準(zhǔn)生成的確定偏移量中的錯(cuò)誤允許被同時(shí)校正。
[0133]圖11是圖示在根據(jù)本實(shí)施例在AD轉(zhuǎn)換器件中從一行到另一行地執(zhí)行錯(cuò)誤校正的情況下的運(yùn)行波形的示例的示圖。
[0134]AD轉(zhuǎn)換器件的電路配置類似于圖6中的電路配置。在這種情況下，在通過施加偏移偏置來校正比較器301的偏移之后，通過附加地消除參考信號(hào)REF，比較器的錯(cuò)誤分量和隨機(jī)噪聲分量等在此時(shí)被校正和抵消。
[0135][定時(shí)T21]
[0136]在定時(shí)T21，脈沖被供應(yīng)至圖4的像素PX中的復(fù)位晶體管113的柵極，并且從像素PX輸出在復(fù)位電平處的信號(hào)PX0UT。
[0137][定時(shí)T22]
[0138]在定時(shí)T22，比較器301的輸入級(jí)保持用于抵消上述復(fù)位信號(hào)的電荷以執(zhí)行所謂的⑶S。要注意的是，在該運(yùn)行期間，例如通過接通開關(guān)SW11，可以優(yōu)選地將中間節(jié)點(diǎn)ND12(在此處形成參考信號(hào)REF2)復(fù)位至某一偏置狀態(tài)。
[0139][定時(shí)T23]
[0140]在定時(shí)T23，特定于每一個(gè)比較器301的偏移偏置OFFSET被施加于偏移端TOFFSEto偏移偏置OFFSET的幅值由稍后描述的校準(zhǔn)來確定，并且是允許比較器301的偏移被抵消的幅值。理想地，在定時(shí)T22處執(zhí)行對(duì)偏移的抵消的點(diǎn)，比較器301的輸入處于真正平衡狀態(tài)；然而，在比較器301側(cè)或校準(zhǔn)中生成的隨機(jī)噪聲中的錯(cuò)誤作為極小的偏移分量殘留下來。
[0141][定時(shí)T24]
[0142]在定時(shí)T24，某一共同偏移在負(fù)信號(hào)方向上被供應(yīng)至端TREF，以平衡比較器301到一側(cè)的輸出。
[0143][定時(shí) T25]
[0144]在定時(shí)T25，在第一階梯式脈沖被供應(yīng)至端TREF的同時(shí)，與階梯式脈沖同步的脈沖被供應(yīng)至計(jì)數(shù)器302以便允許計(jì)數(shù)器302向下計(jì)數(shù)。當(dāng)比較器301的輸出被倒置時(shí)，計(jì)數(shù)器302相應(yīng)地停止運(yùn)行，并且狀態(tài)被維持。
[0145][定時(shí)T26]
[0146]在定時(shí)T26，端TREF返回至在定時(shí)T24處的狀態(tài)。在此時(shí)，比較器301的輸出也返回至在定時(shí)T24處的狀態(tài)。另一方面，脈沖被供應(yīng)至圖4的像素PX中的傳輸晶體管112的柵極，并且從像素PX輸出像素信號(hào)PXOUT。
[0147][定時(shí)T27]
[0148]在定時(shí)T27，在第二階梯式脈沖被供應(yīng)至端TREF的同時(shí)，與階梯式脈沖同步的脈沖被供應(yīng)至計(jì)數(shù)器302以便允許計(jì)數(shù)器302向上計(jì)數(shù)。
[0149][定時(shí)T28]
[0150]在定時(shí)T28，比較器301的輸出CMOUT被倒置，并且相應(yīng)地，計(jì)數(shù)器302停止運(yùn)行，并且狀態(tài)被維持。以這種方式獲得的計(jì)數(shù)器302的輸出值線性地反映了在從像素PX輸出的像素信號(hào)PX0UT2和復(fù)位信號(hào)PXOUTl之間的差。
[0151]在這種情況下，在與在定時(shí)T25處用于校正的消除相關(guān)聯(lián)的消除時(shí)間上的增加被疊加的情況下，相應(yīng)地改善了信號(hào)檢測的精確性。此外，因?yàn)樘崆霸诙〞r(shí)T23在每一個(gè)比較器301上執(zhí)行偏移偏置的校正，所以與不執(zhí)行偏移偏置的情況相比較，在定時(shí)T24處僅僅需要極小的共同偏移，并且所有需要的時(shí)間被大大縮短。
[0152]順便提及，偏移偏置的校準(zhǔn)執(zhí)行的定時(shí)具有各種選擇，諸如當(dāng)供電時(shí)和在每一幀中。此外，當(dāng)以大階梯執(zhí)行校準(zhǔn)時(shí)，有效的是結(jié)合用于校正的參考信號(hào)的上述消除，在每次讀取中執(zhí)行校準(zhǔn)。
[0153]圖12是圖示在根據(jù)本實(shí)施例在AD轉(zhuǎn)換器件中從一行到另一行地執(zhí)行偏移校準(zhǔn)的情況下的運(yùn)行波形的示例的圖。
[0154][定時(shí)T31]
[0155]在定時(shí)T31，脈沖供應(yīng)至圖4的像素PX內(nèi)的復(fù)位晶體管113的柵極，并且從像素PX輸出處于復(fù)位電平的信號(hào)PX0UT。
[0156][定時(shí)T32]
[0157]在定時(shí)T32，比較器301的輸入級(jí)保持用于抵消上述復(fù)位信號(hào)的電荷以執(zhí)行所謂的CDS。要注意的是，中間節(jié)點(diǎn)ND12 (在此處形成參考信號(hào)REF2)可以在該運(yùn)行期間優(yōu)選地復(fù)位至某一偏置狀態(tài)，例如通過接通開關(guān)SWll來實(shí)現(xiàn)。
[0158][定時(shí)T33]
[0159]在定時(shí)T33，通過在定時(shí)T33至T34的校準(zhǔn)過程，特定于每一個(gè)比較器301的偏移偏置Λ VOFF被施加于偏移端T0FFSET。首先，某一共同偏移被施加以便平衡比較器301到一側(cè)的輸出。
[0160][定時(shí)Τ34]
[0161]在定時(shí)Τ34，偏移偏置OFFSET的偏置以階梯式的方式以多個(gè)階梯改變。當(dāng)比較器301的輸出被倒置時(shí)，偏移偏置OFFSET的偏置值Λ VOFF被看做每一個(gè)比較器301的偏移偏置。校準(zhǔn)過程本質(zhì)上相當(dāng)于在每次讀取中執(zhí)行圖9中的校準(zhǔn)的校準(zhǔn)過程。
[0162][定時(shí) T35]
[0163]在定時(shí)T35，某一共同偏移在負(fù)信號(hào)方向上施加于端TREF，并且比較器301的輸出被再次倒置。
[0164][定時(shí)T36]
[0165]在定時(shí)T36，在第一階梯式脈沖被供應(yīng)至端TREF的同時(shí)，與階梯式脈沖同步的脈沖被供應(yīng)至計(jì)數(shù)器302以便允許計(jì)數(shù)器302向下計(jì)數(shù)。當(dāng)比較器301的輸出被倒置時(shí)，計(jì)數(shù)器302相應(yīng)地停止運(yùn)行，并且狀態(tài)被維持。
[0166][定時(shí)T37]
[0167]在定時(shí)T37，端TREF返回至在定時(shí)T35處的狀態(tài)。在此時(shí)，比較器301的輸出也返回至在定時(shí)T35處的狀態(tài)。另一方面，脈沖被供應(yīng)至圖4的像素PX內(nèi)的傳輸晶體管112的柵極，并且從像素PX輸出像素信號(hào)PXOUT。
[0168][定時(shí)T38]
[0169]在定時(shí)T38，在第二階梯式脈沖被供應(yīng)至端TREF的同時(shí)，與階梯式脈沖同步的脈沖被供應(yīng)至計(jì)數(shù)器302以便允許計(jì)數(shù)器302向上計(jì)數(shù)。
[0170][定時(shí)T39]
[0171]在定時(shí)T39，比較器301的輸出CMOUT被倒置，并且相應(yīng)地，計(jì)數(shù)器302停止運(yùn)行，并且狀態(tài)被維持。以這種方式獲得的計(jì)數(shù)器302的輸出值線性地反映了在從像素PX輸出的像素信號(hào)PX0UT2和復(fù)位信號(hào)PXOUTl之間的差。
[0172]在該技術(shù)中，除了比較器301的偏移的抵消之外，例如，當(dāng)在定時(shí)T32處保持電荷時(shí)，在AD轉(zhuǎn)換器側(cè)生成的kTC噪聲等最終幾乎完全被抵消。比較器中生成的隨機(jī)噪聲的低頻分量等也被抵消，因此，隨機(jī)噪聲的影響保持最小。此外，在定時(shí)T34，提前以大階梯抵消比較器301的偏移；因此，在定時(shí)T36僅消除偏移的校正部分，并且必要階梯數(shù)目允許被很大地降低。例如，當(dāng)在N個(gè)階梯(N > I)中執(zhí)行偏移偏置的校準(zhǔn)時(shí)，在T106處參考信號(hào)REF的必要階梯數(shù)目可以是典型的必要階梯數(shù)目的1/N。
[0173]圖13是圖示在根據(jù)本實(shí)施例在AD轉(zhuǎn)換器件中從一行到另一行地執(zhí)行偏移校準(zhǔn)的情況下運(yùn)行波形的另一示例的示圖。圖13圖示其中在逆偏置方向上執(zhí)行偏移偏置的校準(zhǔn)的示例。在在每次讀取時(shí)執(zhí)行校準(zhǔn)的情況下，由此簡化了部分步驟。
[0174][定時(shí)T41]
[0175]在定時(shí)T41，脈沖供應(yīng)至圖4的像素PX內(nèi)的復(fù)位晶體管113的柵極，并且從像素PX輸出在復(fù)位電平處的信號(hào)PX0UT。
[0176][定時(shí)T42]
[0177]在定時(shí)T42，比較器301的輸入級(jí)保持用于抵消上述復(fù)位信號(hào)的電荷以執(zhí)行所謂的CDS。要注意的是，中間節(jié)點(diǎn)ND12 (在此處形成參考信號(hào)REF2)可以在該運(yùn)行期間優(yōu)選地復(fù)位至某一偏置狀態(tài)，例如通過接通開關(guān)SWll來實(shí)現(xiàn)。
[0178][定時(shí)T43]
[0179]在定時(shí)T43，通過在定時(shí)T43至T44的校準(zhǔn)過程，特定于每一個(gè)比較器301的偏移偏置Λ VOFF被施加于偏移端T0FFSET。首先，某一共同偏移被施加以平衡比較器301到一側(cè)的輸出。[0180][定時(shí)T44]
[0181]在定時(shí)T44，偏移偏置OFFSET的偏置以階梯式的方式以多個(gè)階梯改變。當(dāng)比較器301的輸出被倒置時(shí)，偏移偏置OFFSET的偏置值Λ VOFF被看做每一個(gè)比較器301的偏移偏置。校準(zhǔn)過程本質(zhì)上相當(dāng)于其中在每次讀取中執(zhí)行圖9中的校準(zhǔn)的校準(zhǔn)過程。在與圖12中的偏置方向相反的偏置方向上執(zhí)行該示例中的校準(zhǔn)，并且比較器301的輸出被設(shè)置到適于消除下一參考信號(hào)REF的一側(cè)；因此，不需要倒置比較器301的輸出。
[0182][定時(shí)Τ45]
[0183]在定時(shí)Τ45，在第一階梯式脈沖被供應(yīng)至端TREF的同時(shí)，與階梯式脈沖同步的脈沖被供應(yīng)至計(jì)數(shù)器302以便允許計(jì)數(shù)器302向下計(jì)數(shù)。當(dāng)比較器301的輸出CMOUT被倒置時(shí)，計(jì)數(shù)器302相應(yīng)地停止運(yùn)行，并且狀態(tài)被維持。
[0184][定時(shí)Τ46]
[0185]在定時(shí)Τ46，端TREF返回至在定時(shí)Τ45處的狀態(tài)。在此時(shí)，比較器301的輸出CMOUT也返回至在定時(shí)Τ4處的初始狀態(tài)。另一方面，脈沖被供應(yīng)至圖4的像素PX內(nèi)的傳輸晶體管112的柵極，并且從像素PX輸出像素信號(hào)PXOUT。
[0186][定時(shí)Τ47]
[0187]在定時(shí)Τ47，在第二階梯式脈沖被供應(yīng)至端TREF的同時(shí)，與階梯式脈沖同步的脈沖被供應(yīng)至計(jì)數(shù)器302以便允許計(jì)數(shù)器302向上計(jì)數(shù)。
[0188][定時(shí)Τ48]
[0189]在定時(shí)Τ48，比較器301的輸出CMOUT被倒置，并且相應(yīng)地，計(jì)數(shù)器302停止運(yùn)行，并且狀態(tài)被維持。以這種方式獲得的計(jì)數(shù)器302的輸出值線性地反映了在從像素PX輸出的像素信號(hào)PX0UT2和復(fù)位信號(hào)PXOUTl之間的差。
[0190]原則上，基于圖4中的像素PX描述上述技術(shù)中的每一個(gè)。像素PX不局限于圖4中的配置，并且例如可以采用圖14中的配置，并且本技術(shù)可以應(yīng)用于這些像素。
[0191]圖14是圖示根據(jù)第一實(shí)施例的像素的電路配置的另一示例的示圖。
[0192]在圖14中的像素PXc本質(zhì)上由光電二極管Illc和放大器晶體管114c構(gòu)成。通過對(duì)位于放大器晶體管114的基底側(cè)上的電勢借助像素的積聚電荷進(jìn)行調(diào)制，該像素PX2獲得輸出信號(hào)。像素PXc在節(jié)點(diǎn)115c中積聚由光電二極管Illc的光電轉(zhuǎn)換生成的電荷(在本情況下，使用空穴)，并且通過調(diào)制放大器晶體管114c的基底偏置來調(diào)制像素PXc的輸出。
[0193]在這樣的像素PXc中，積聚的電荷大批地(in a bulk)持續(xù)留在深電勢部件(de印potential section)中，并且并不被基底表面上的電荷陷講(charge trap)容易地捕獲；因此，存在在極小電荷的處理中像素PXc是有利的可能性。此外，可以通過完全地耗盡節(jié)點(diǎn)115c以使節(jié)點(diǎn)115c變至復(fù)位狀態(tài)，來使得可以防止kTC噪聲的生成。
[0194]在信號(hào)讀取中，首先讀取處于積聚狀態(tài)中的信號(hào)，并且然后將高電壓施加至電源驅(qū)動(dòng)線PSD1、PSD2等以便從基底側(cè)排出節(jié)點(diǎn)115c的電荷，由此將像素變至復(fù)位狀態(tài)。這之后，重新讀取信號(hào)，并且通過獲得在該讀取中的信號(hào)和在先前讀取中的信號(hào)之間的差來抵消通過放大器晶體管114等的閾值中的變化所引起的偏移分量，從而導(dǎo)出在像素中的凈積聚信號(hào)。換言之，積聚信號(hào)和復(fù)位信號(hào)的讀取順序與典型順序是相反的。
[0195]還在這樣的像素中，例如，在應(yīng)用本技術(shù)的同時(shí)，允許利用具有與圖6中電路配置相類似的電路配置的AD轉(zhuǎn)換器件來進(jìn)行信號(hào)檢測。在這種情況下，首先從像素中輸出積聚信號(hào)，然后在執(zhí)行DCS之后輸出復(fù)位信號(hào)。
[0196]圖15是圖示在應(yīng)用圖14中的像素的情況下與圖7中的示例相對(duì)應(yīng)的運(yùn)行波形的示圖。在這種情況下運(yùn)行波形如下。
[0197][定時(shí) T51]
[0198]在定時(shí)T51，脈沖供應(yīng)至圖14的像素PXc內(nèi)的放大器晶體管114c的柵極，并且從像素PXc輸出積聚信號(hào)PXOUT。
[0199][定時(shí)T52]
[0200]在定時(shí)T52，比較器301的輸入級(jí)保持用于抵消上述積聚信號(hào)的電荷以執(zhí)行所謂的 CDS。
[0201][定時(shí)T53]
[0202]在定時(shí)T53，特定于每一個(gè)比較器301的偏移偏置OFFSET被施加于偏移端TOFFSEto偏移偏置OFFSET的幅值通過校準(zhǔn)來被確定，并且是允許比較器301的偏移被抵消的幅值。理想地，在定時(shí)T52處執(zhí)行偏移的抵消時(shí)，比較器3010的輸入處于真正平衡狀態(tài)。
[0203][定時(shí)T54]
[0204]在定時(shí)T54，某一共同偏移被施加于端TREF以平衡比較器301到一側(cè)的輸出。另一方面，高壓脈沖從電源驅(qū)動(dòng)線PSDl和PSD2供應(yīng)至圖14的像素PXc中的放大器晶體管114c的柵極和漏極。相應(yīng)地，在基底側(cè)上的節(jié)點(diǎn)115c內(nèi)積聚的空穴被排出，并且從像素PXc輸出復(fù)位信號(hào)PXOUTI。
[0205][定時(shí)T55]
[0206]在定時(shí)T55，在階梯式脈沖被供應(yīng)至端TREF的同時(shí)，與階梯式脈沖同步的脈沖被供應(yīng)至計(jì)數(shù)器302以允許計(jì)數(shù)器302運(yùn)行。
[0207][定時(shí)T56]
[0208]在定時(shí)T56，當(dāng)在中間節(jié)點(diǎn)ND12中的參考信號(hào)REF2的電平超出在定時(shí)T53相對(duì)于像素信號(hào)PXOUT的平衡狀態(tài)時(shí)，比較器301的輸出CMOUT被倒置。相應(yīng)地，計(jì)數(shù)器302停止運(yùn)行，并且狀態(tài)被維持。以這種方式獲得的計(jì)數(shù)器302的輸出值線性地反映了在從像素PXc輸出的復(fù)位信號(hào)PXOUTl和像素信號(hào)PX0UT2之間的差。
[0209]換言之，在如圖14中圖示的像素中，在定時(shí)T55至T56，在AD轉(zhuǎn)換中的實(shí)際模擬信號(hào)輸入的極性只是正的；因此，本技術(shù)可以容易地與像素相適應(yīng)，通過諸如將在AD轉(zhuǎn)換中所應(yīng)用的參考信號(hào)REF的脈沖的極性倒置之類的變動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。
[0210]接下來，下文中將描述由多個(gè)像素PX共享感測電路121的AD轉(zhuǎn)換器件的配置作為第二實(shí)施例。
[0211](3.第二實(shí)施例)
[0212]圖16是圖示根據(jù)第二實(shí)施例的CMOS圖像傳感器(圖像拾取器件)的配置示例的示圖。
[0213]在根據(jù)第一實(shí)施例的CMOS圖像傳感器100中，像素PX和感測電路121在一對(duì)一的基礎(chǔ)上彼此對(duì)應(yīng)。然而，由像素PX占據(jù)的面積和由感測電路121占據(jù)的面積并不必然彼此相等。此外，在兩個(gè)基底的層壓中，具有大電路規(guī)模的計(jì)數(shù)電路或存儲(chǔ)器可以布置在像素陣列區(qū)域之外；因此，當(dāng)需要高速地從每一個(gè)感測電路121長距數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，兩個(gè)基底的層壓可能受限在布局中。根據(jù)第二實(shí)施例的CMOS圖像傳感器IOOA通過由多個(gè)像素共享一個(gè)感測電路(AD轉(zhuǎn)換器件)為上述問題提供靈活的解決方案。然后，在根據(jù)該實(shí)施例的CMOS圖像傳感器100A中，由多個(gè)像素共享AD轉(zhuǎn)換器件的放大器(列放大器304)。
[0214]在CMOS圖像傳感器100A中，像素陣列部件IlOA包含以矩陣形式沿著行方向和列方向布置的多個(gè)像素PX。然后，像素塊160-0至160-3、…的每一個(gè)由在同一列中的多個(gè)像素PX和選擇電路所構(gòu)成。
[0215]CMOS圖像傳感器100A包含行驅(qū)動(dòng)電路170和行控制線組180，所述行驅(qū)動(dòng)電路170被配置為驅(qū)動(dòng)像素陣列部件IIOA的像素PX從而將像素PX的電信號(hào)輸出至輸出信號(hào)線131。
[0216]CMOS圖像傳感器100A包含電路塊200，其被配置為在通過輸出信號(hào)線131發(fā)送的電信號(hào)上執(zhí)行二值判定并且多次整合來自每一個(gè)像素的判定結(jié)果以便生成具有灰度級(jí)的二維圖像拾取數(shù)據(jù)。在電路塊200中，布置感測電路部件120A和判定結(jié)果整合電路部件150A。
[0217]在感測電路部件120A中，與像素陣列部件110A的像素塊160_0至160_3相對(duì)應(yīng)地分別布置感測電路121-0、121-1、121-2、121-3、…。
[0218]感測電路121-0的輸入被連接至向其連接形成像素塊160-1的所有像素ΡΧ-00和PX-10至(PX-150)的輸出的輸出信號(hào)線131-0。換言之，一個(gè)感測電路121-1由多個(gè)像素PX-OO 至(PX-150)所共享。
[0219]感測電路121-1的輸入被連接至向其連接形成像素塊160-1的所有像素PX-01和PX-1l至(PX-151)的輸出的輸出信號(hào)線131-1。換言之，一個(gè)感測電路121-1由多個(gè)像素PX-01 至(PX-151)所共享。
[0220]感測電路121-2的輸入被連接至向其連接形成像素塊160-2的所有像素PX-02和PX-12至(PX-152)的輸出的輸出信號(hào)線131-2。換言之，一個(gè)感測電路121-2由多個(gè)像素PX-02 至(PX-152)所共享。
[0221]感測電路121-3的輸入被連接至向其連接形成像素塊160-3的所有像素PX-03和PX-13至(PX-153)的輸出的輸出信號(hào)線131-3。換言之，一個(gè)感測電路121-3由多個(gè)像素PX-03 至(PX-153)所共享。
[0222]在感測電路部件120A中，布置感測電路以便由未圖示的每一個(gè)其他像素塊的多個(gè)像素所共享。
[0223]判定結(jié)果整合電路部件150A具有如下功能:多次整合由感測電路121-1至121_3所得到的來自每一個(gè)像素的判定結(jié)果以便生成具有灰度級(jí)的二維圖像拾取數(shù)據(jù)。判定結(jié)果整合電路部件150A包含寄存器152A-0至152A-3、選擇電路155、計(jì)數(shù)電路153A和存儲(chǔ)器154A。
[0224]寄存器152A-0至152A-3分別保持經(jīng)過傳輸線141A-0至141A-3所傳輸?shù)膶?duì)應(yīng)感測電路121-0至121-3的判定值。
[0225]選擇電路155相繼地選擇寄存器152A-0至152A-3的輸出，并且將由寄存器152A-0至152A-3所 保持的判定值供應(yīng)至計(jì)數(shù)電路153A。
[0226]計(jì)數(shù)電路153A相繼地在要通過選擇電路155選擇以讀取的行內(nèi)的多個(gè)像素(在該示例中，4個(gè)像素)的判定值上執(zhí)行計(jì)數(shù)過程，并且將用于每一個(gè)像素的計(jì)數(shù)結(jié)果保存在存儲(chǔ)器154A中。
[0227]將先前讀取時(shí)的像素?cái)?shù)據(jù)從存儲(chǔ)器154A中加載至計(jì)數(shù)電路153A。
[0228]根據(jù)第二實(shí)施例的判定結(jié)果整合電路部件150A包含一個(gè)計(jì)數(shù)電路153A，并且該計(jì)數(shù)電路153A由多個(gè)寄存器152A-0至152A-3所共享。換言之，在根據(jù)第二實(shí)施例的CMOS圖像傳感器100A中，計(jì)數(shù)電路153A由多個(gè)感測電路121A-0至121A-3所共享。
[0229]圖17是圖示根據(jù)第二實(shí)施例在感測電路中的AD轉(zhuǎn)換器件的配置示例的示圖。圖18是圖示根據(jù)第二實(shí)施例的像素的電路配置的示例的示圖。
[0230]在圖17中的AD轉(zhuǎn)換器件300A是其中AD轉(zhuǎn)換器件連接至多個(gè)像素的配置示例。在這種情況下,在像素陣列PXA (圖16中的像素塊160)中，例如，如圖19中示出的那樣，具有高轉(zhuǎn)換效率的像素PX-O至PX-3連接至相同的輸出信號(hào)線131，其間具有選擇晶體管119。選擇晶體管119的柵極連接至選擇控制線LSL。
[0231]在圖17中，AD轉(zhuǎn)換器件300A可以例如包含列放大器304、開關(guān)305，并且除了 AD轉(zhuǎn)換器件(ADC) 300之外，還可以包含加法器306和存儲(chǔ)器307。
[0232]ADC300可以例如是圖6中圖示的AD轉(zhuǎn)換器件，并且從低光照度信號(hào)中產(chǎn)生二進(jìn)制輸出或多位灰度級(jí)輸出。
[0233]列放大器304擁有具有G > I的增益的放大功能。通過放大像素信號(hào)，列放大器304相對(duì)地降低在AD轉(zhuǎn)換器側(cè)的偏移或隨機(jī)噪聲。在后續(xù)階段通過CDS來抵消列放大器具有的偏移。由此，在第二實(shí)施例中，ADC300和列放大器304由多個(gè)像素所共享。
[0234]存儲(chǔ)器307以數(shù)字形式保持每一個(gè)像素的光強(qiáng)度。來自所選擇像素的輸出信號(hào)被AD轉(zhuǎn)換至I位的或多位的灰度級(jí)，并且被輸出為輸出信號(hào)D0UT。從存儲(chǔ)器307中讀取與所選擇像素相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，并且ADC300的輸出信號(hào)DOUT的輸出被加法器306疊加至所述數(shù)據(jù)，并且來自加法器306的結(jié)果再次被保存在存儲(chǔ)器307中。
[0235]此外，加法器306可以由多個(gè)ADC所共享。多種模式被看做圖像拾取單元的芯片配置，并且加法器306和存儲(chǔ)器307可以被安裝在圖像拾取芯片中，或者圖像拾取芯片可以輸出與輸出信號(hào)DOUT相對(duì)應(yīng)的信號(hào)，并且加法器311和存儲(chǔ)器312可以被安裝在緊接圖像拾取芯片的信號(hào)處理芯片中。
[0236]要注意的是，提出本技術(shù)以便減少引起AD轉(zhuǎn)換器件中出現(xiàn)的噪聲的檢測時(shí)間；因此，信號(hào)檢測所需的階梯凈數(shù)目越少，允許獲得越高的效果。在對(duì)單光子進(jìn)行二值判定或檢測的情況下，獲得最高的效果。此外，在其中本技術(shù)的應(yīng)用被限制于在低光照度中的圖像拾取的情況下獲得大的效果。
[0237]如上所描述的，在該實(shí)施例中，為了通過參考信號(hào)REF降低或去除用于比較器偏移的消除時(shí)間，特定于每一個(gè)比較器的用于偏移抵消的偏置被施加于每一個(gè)比較器301的一側(cè)。換言之，在該實(shí)施例中，在讀取像素信號(hào)的過程中，首先，與復(fù)位信號(hào)相對(duì)應(yīng)的電荷被保持以用于⑶S，并且然后特定于每一個(gè)比較器的偏移偏置被施加，并且這之后，進(jìn)行對(duì)像素信號(hào)的讀取以便執(zhí)行信號(hào)檢測。此外，在該實(shí)施例中，在施加偏移偏置之后，參考信號(hào)REF的第一消除被執(zhí)行以便準(zhǔn)確地得到偏移，并且在讀取像素信號(hào)之后進(jìn)一步執(zhí)行第二消除，并且在這之間的差被檢測為像素信號(hào)。因此，在該實(shí)施例中，允許高速地以低噪聲和高精確性來檢測來自像素的極小信號(hào)或單光子信號(hào)，并且可以借助此通過增加幀速率來進(jìn)行各種聞性能拍攝。[0238]根據(jù)上述實(shí)施例的每一個(gè)圖像拾取器件可以應(yīng)用為數(shù)字相機(jī)和視頻相機(jī)的圖像拾取器件。
[0239](3.相機(jī)系統(tǒng))
[0240]圖19是圖示向其應(yīng)用根據(jù)實(shí)施例的任意一種固態(tài)圖像拾取器件的相機(jī)系統(tǒng)的示例配置的示圖。
[0241]如在圖19中圖示的，該相機(jī)系統(tǒng)400包含向其可以應(yīng)用根據(jù)實(shí)施例的CMOS圖像傳感器(固態(tài)圖像拾取器件)100和100A中的任意一種的圖像拾取器件410。相機(jī)系統(tǒng)400包含光學(xué)系統(tǒng)，其被配置為將入射光引導(dǎo)至(被配置為形成被攝體的圖像的)圖像拾取器件410的像素區(qū)域，例如，被配置為在圖像拾取平面上形成入射光(圖像光)的圖像的透鏡420。相機(jī)系統(tǒng)400還包含被配置為驅(qū)動(dòng)圖像拾取器件410的驅(qū)動(dòng)電路(DRV) 430和被配置為對(duì)圖像拾取器件410的輸出信號(hào)進(jìn)行處理的信號(hào)處理電路(PRC) 440。
[0242]驅(qū)動(dòng)電路430包含(未示出的)定時(shí)生成器，其被配置為生成包括啟動(dòng)脈沖和時(shí)鐘脈沖用于驅(qū)動(dòng)在圖像拾取器件410中的電路的各種定時(shí)信號(hào)，并且所述驅(qū)動(dòng)電路430通過預(yù)定定時(shí)信號(hào)來驅(qū)動(dòng)圖像拾取器件410。
[0243]此外，信號(hào)處理電路440在圖像拾取器件410的輸出信號(hào)上應(yīng)用預(yù)定信號(hào)處理。由信號(hào)處理電路440處理的圖像信號(hào)被記錄在諸如存儲(chǔ)器之類的記錄介質(zhì)上。通過打印機(jī)等來產(chǎn)生在記錄介質(zhì)上記錄的圖像信息的硬拷貝。此外，由信號(hào)處理電路440處理的圖像信號(hào)作為移動(dòng)圖像被顯示在由液晶顯示等構(gòu)成的顯示器上。
[0244]如上描述，在諸如數(shù)字靜態(tài)相機(jī)中，可以通過包含上述圖像拾取器件100或100A作為圖像拾取器件410來實(shí)現(xiàn)具有低功率消耗和高精確性的相機(jī)。
[0245]要注意，本技術(shù)可以具有以下配置。
[0246]( I) 一種圖像拾取裝置，其包含:
[0247]像素陣列部件，其包含布置在陣列中的多個(gè)像素，每一個(gè)像素包含光電轉(zhuǎn)換器件、被配置為積聚通過光電轉(zhuǎn)換而生成的電荷的存儲(chǔ)部件、和被配置為輸出積聚的電荷作為電信號(hào)的放大器器件，所述像素中的每一個(gè)被配置為響應(yīng)于光子入射而輸出電信號(hào)至輸出信號(hào)線；
[0248]感測電路部件，其包含感測電路，所述感測電路中的每一個(gè)被配置為進(jìn)行對(duì)來自所述像素的像素信號(hào)進(jìn)行檢測的處理；和
[0249]驅(qū)動(dòng)部件，其被配置為在讀取時(shí)從所選擇像素中進(jìn)行第一像素信號(hào)的讀取和第二像素信號(hào)的讀取，
[0250]其中，所述第一像素信號(hào)和所述第二像素信號(hào)是與無信號(hào)積聚狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的像素的復(fù)位信號(hào)和反映通過光電轉(zhuǎn)換而生成的積聚電荷的積聚信號(hào)中的一個(gè)和另一個(gè)，
[0251 ] 在所述感測電路部件中，所述感測電路中的每一個(gè)包含比較器，所述比較器被配置為將來自所述像素的輸出信號(hào)與參考信號(hào)相比較，并且
[0252]當(dāng)進(jìn)行信號(hào)檢測時(shí)，在所述比較器的輸入部件中的一個(gè)或兩者中保持允許從所述所選擇像素中輸出的所述第一像素信號(hào)被抵消的電荷，用于每一個(gè)比較器的獨(dú)立偏移偏置被施加于所述比較器的輸入部件中的一個(gè)上以便抵消該比較器的偏移，并且通過將步進(jìn)式變化的參考信號(hào)與從所述所選擇像素中輸出的第二像素信號(hào)進(jìn)行比較來進(jìn)行入射在像素上的光強(qiáng)度的數(shù)字判定。[0253]( 2 )根據(jù)(I)所述的圖像拾取器件，其中，
[0254]通過校準(zhǔn)，針對(duì)每一個(gè)比較器來確定所述偏移偏置，
[0255]在所述校準(zhǔn)中，預(yù)定的信號(hào)被施加于用于所述像素信號(hào)的輸入部件和用于所述參考信號(hào)的輸入部件中的每一個(gè)上，
[0256]在所述比較器的輸入部件中的一個(gè)或兩者中保持允許信號(hào)間的差被抵消的電荷，并且
[0257]當(dāng)在多個(gè)步進(jìn)中將偏移偏置施加于所述比較器的輸入部件中的一個(gè)上時(shí)，輸入信號(hào)中的兩者彼此相比較，以便確定用于每一個(gè)比較器的偏移偏置。
[0258]( 3 )根據(jù)(I)或(2 )所述的圖像拾取器件，其中，
[0259]在施加所述偏移偏置之后，所述感測電路部件通過步進(jìn)式地消除參考電勢，測量用于所述比較器的倒置定時(shí)，并且
[0260]在所述數(shù)字判定中，以相同的步進(jìn)消除所述參考電勢以便測量用于所述比較器的倒置定時(shí)，并且從所述倒置定時(shí)之間的差中推導(dǎo)光強(qiáng)度。
[0261](4)根據(jù)(I )到(3)的任一個(gè)所述的圖像拾取器件，其中，所述數(shù)字判定是關(guān)于光子是否入射的二值判定。
[0262](5)根據(jù)(I)到(4)的任一個(gè)所述的圖像拾取器件，包含判定結(jié)果整合電路部件，被配置為多次整合來自每一個(gè)像素或每一個(gè)像素組的判定結(jié)果，從而生成具有灰度級(jí)的圖像拾取數(shù)據(jù)。
[0263](6)—種相機(jī)系統(tǒng)，其具備圖像拾取器件、光學(xué)系統(tǒng)和信號(hào)處理電路，所述光學(xué)系統(tǒng)被配置為在圖像拾取器件上形成被攝體的圖像，所述信號(hào)處理電路被配置為處理所述圖像拾取器件的輸出圖像信號(hào)，所述圖像拾取器件包含:
[0264]像素陣列部件，其包含布置在陣列中的多個(gè)像素，每一個(gè)像素包含光電轉(zhuǎn)換器件、被配置為積聚通過光電轉(zhuǎn)換而生成的電荷的存儲(chǔ)部件、和被配置為輸出積聚的電荷作為電信號(hào)的放大器器件，所述像素中的每一個(gè)被配置為響應(yīng)于光子入射而輸出電信號(hào)至輸出信號(hào)線；
[0265]感測電路部件，其包含感測電路，所述感測電路中的每一個(gè)被配置為進(jìn)行對(duì)來自所述像素的像素信號(hào)進(jìn)行檢測的處理；和
[0266]驅(qū)動(dòng)部件，其被配置為在讀取時(shí)從所選擇像素中進(jìn)行第一像素信號(hào)的讀取和第二像素信號(hào)的讀取，
[0267]其中，所述第一像素信號(hào)和所述第二像素信號(hào)是與無信號(hào)積聚狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的像素的復(fù)位信號(hào)和反映通過光電轉(zhuǎn)換而生成的積聚電荷的積聚信號(hào)中的一個(gè)和另一個(gè)，
[0268]在所述感測電路部件中，所述感測電路中的每一個(gè)包含比較器，所述比較器被配置為將來自所述像素的輸出信號(hào)與參考信號(hào)相比較，并且
[0269]當(dāng)進(jìn)行信號(hào)檢測時(shí)，在所述比較器的輸入部件中的一個(gè)或兩者中保持允許從所述所選擇像素中輸出的所述第一像素信號(hào)被抵消的電荷，用于每一個(gè)比較器的獨(dú)立偏移偏置被施加于所述比較器的輸入部件中的一個(gè)上以便抵消該比較器的偏移，并且通過將步進(jìn)式變化的參考信號(hào)與從所述所選擇像素中輸出的第二像素信號(hào)進(jìn)行比較來進(jìn)行入射在像素上的光強(qiáng)度的數(shù)字判定。
[0270](7)根據(jù)(6)所述的相機(jī)系統(tǒng)，其中，[0271]通過校準(zhǔn)，針對(duì)每一個(gè)比較器來確定所述偏移偏置，
[0272]在所述校準(zhǔn)中，預(yù)定信號(hào)被施加于用于所述像素信號(hào)的輸入部件和用于所述參考信號(hào)的輸入部件中的每一個(gè)上，
[0273]在所述比較器的輸入部件中的一個(gè)或兩者中保持允許信號(hào)間的差被抵消的電荷，并且
[0274]當(dāng)在多個(gè)步進(jìn)中將偏移偏置施加于所述比較器的輸入部件中的一個(gè)上時(shí)，輸入信號(hào)中的兩者彼此相比較，以便確定用于每一個(gè)比較器的偏移偏置。
[0275](8)根據(jù)(6)或(7)所述的相機(jī)系統(tǒng)，其中，
[0276]在施加所述偏移偏置之后，所述感測電路部件通過步進(jìn)式地消除參考電勢，測量用于所述比較器的倒置定時(shí)，并且
[0277]在所述數(shù)字判定中，以相同的步進(jìn)消除所述參考電勢以便測量用于所述比較器的倒置定時(shí)，并且從所述倒置定時(shí)之間的差中推導(dǎo)光強(qiáng)度。
[0278](9)根據(jù)(6)到(8)的任一個(gè)所述的相機(jī)系統(tǒng)，其中，所述數(shù)字判定是關(guān)于光子是否入射的二值判定。
[0279](10)根據(jù)(6)到(9)的任一個(gè)所述的圖像拾取器件，包含判定結(jié)果整合電路部件，被配置為多次整合來自每一個(gè)像素或每一個(gè)像素組的判定結(jié)果，從而生成具有灰度級(jí)的圖像拾取數(shù)據(jù)。
[0280]參考標(biāo)記列表
[0281]100，100A CMOS 圖`像傳感器
[0282]110像素陣列部件
[0283]PX, PXA 像素
[0284]111光電二極管
[0285]112傳輸晶體管
[0286]113復(fù)位晶體管
[0287]114放大器晶體管
[0288]115存儲(chǔ)晶體管
[0289]116FD 節(jié)點(diǎn)
[0290]120感測電路部件
[0291]121感測電路
[0292]130輸出信號(hào)線組
[0293]131輸出信號(hào)線
[0294]140傳輸線組
[0295]141傳輸線
[0296]150, 150A判定結(jié)果整合電路部件
[0297]152，152A 寄存器
[0298]153，153A 計(jì)數(shù)電路
[0299]154, 154A 存儲(chǔ)器
[0300]155選擇電路
[0301]160, 160C 像素塊[0302]170行驅(qū)動(dòng)電路
[0303]180行控制線組
[0304]181行控制線
[0305]200電路塊
[0306]210控制電路
[0307]220多路分配器
[0308]230寄存器組
[0309]231寄存器
[0310]300, 300A AD 轉(zhuǎn)換器件
[0311]301比較器
[0312]302計(jì)數(shù)器
[0313]303輸出模式選擇部件
[0314]304列放大器
[0315]305開關(guān)
[0316]306加法 器
[0317]307存儲(chǔ)器
[0318]400相機(jī)系統(tǒng)
[0319]410圖像拾取器件
[0320]420透鏡
[0321]430驅(qū)動(dòng)電路(DRV)
[0322]440信號(hào)處理電路(PRC)
【權(quán)利要求】
1.一種圖像拾取裝置，其包含: 像素陣列部件，其包含布置在陣列中的多個(gè)像素，每一個(gè)像素包含光電轉(zhuǎn)換器件、被配置為積聚通過光電轉(zhuǎn)換而生成的電荷的存儲(chǔ)部件、和被配置為輸出積聚的電荷作為電信號(hào)的放大器器件，所述像素中的每一個(gè)被配置為響應(yīng)于光子入射而輸出電信號(hào)至輸出信號(hào)線.感測電路部件，其包含感測電路，所述感測電路中的每一個(gè)被配置為進(jìn)行對(duì)來自所述像素的像素信號(hào)進(jìn)行檢測的處理；和 驅(qū)動(dòng)部件，其被配置為在讀取時(shí)從所選擇像素中進(jìn)行第一像素信號(hào)的讀取和第二像素信號(hào)的讀取， 其中，所述第一像素信號(hào)和所述第二像素信號(hào)是與無信號(hào)積聚狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的像素的復(fù)位信號(hào)和反映通過光電轉(zhuǎn)換而生成的積聚電荷的積聚信號(hào)中的一個(gè)和另一個(gè)， 在所述感測電路部件中，所述感測電路中的每一個(gè)包含比較器，所述比較器被配置為將來自所述像素的輸出信號(hào)與參考信號(hào)相比較，并且 當(dāng)進(jìn)行信號(hào)檢測時(shí)，在所述比較器的輸入部件中的一個(gè)或兩者中保持允許從所述所選擇像素中輸出的所述第一像素信號(hào)被抵消的電荷，用于每一個(gè)比較器的獨(dú)立偏移偏置被施加于所述比較器的輸入部件中的一個(gè)上以便抵消該比較器的偏移，并且通過將步進(jìn)式變化的參考信號(hào)與從所述所選擇像素中輸出的第二像素信號(hào)進(jìn)行比較來進(jìn)行入射在像素上的光強(qiáng)度的數(shù)字判定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像拾取器件，其中， 通過校準(zhǔn)，針對(duì)每一個(gè)比較器來確定所述偏移偏置， 在所述校準(zhǔn)中，預(yù)定的信號(hào)被施加于用于所述像素信號(hào)的輸入部件和用于所述參考信號(hào)的輸入部件中的每一個(gè)上， 在所述比較器的輸入部件`中的一個(gè)或兩者中保持允許信號(hào)間的差被抵消的電荷，并且當(dāng)在多個(gè)步進(jìn)中將偏移偏置施加于所述比較器的輸入部件中的一個(gè)上時(shí)，輸入信號(hào)中的兩者彼此相比較，以便確定用于每一個(gè)比較器的偏移偏置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像拾取器件，其中， 在施加所述偏移偏置之后，所述感測電路部件通過步進(jìn)式地消除參考電勢，測量用于所述比較器的倒置定時(shí)，并且 在所述數(shù)字判定中，以相同的步進(jìn)消除所述參考電勢以便測量用于所述比較器的倒置定時(shí)，并且從所述倒置定時(shí)之間的差中推導(dǎo)光強(qiáng)度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像拾取器件，其中，所述數(shù)字判定是關(guān)于光子是否入射的二值判定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像拾取器件，包含判定結(jié)果整合電路部件，被配置為多次整合來自每一個(gè)像素或每一個(gè)像素組的判定結(jié)果，從而生成具有灰度級(jí)的圖像拾取數(shù)據(jù)。
6.一種相機(jī)系統(tǒng)，其具備圖像拾取器件、光學(xué)系統(tǒng)和信號(hào)處理電路，所述光學(xué)系統(tǒng)被配置為在圖像拾取器件上形成被攝體的圖像，所述信號(hào)處理電路被配置為處理所述圖像拾取器件的輸出圖像信號(hào)，所述圖像拾取器件包含: 像素陣列部件，其包含布置在陣列中的多個(gè)像素，每一個(gè)像素包含光電轉(zhuǎn)換器件、被配置為積聚通過光電轉(zhuǎn)換而生成的電荷的存儲(chǔ)部件、和被配置為輸出積聚的電荷作為電信號(hào)的放大器器件，所述像素中的每一個(gè)被配置為響應(yīng)于光子入射而輸出電信號(hào)至輸出信號(hào)線.感測電路部件，其包含感測電路，所述感測電路中的每一個(gè)被配置為進(jìn)行對(duì)來自所述像素的像素信號(hào)進(jìn)行檢測的處理；和 驅(qū)動(dòng)部件，其被配置為在讀取時(shí)從所選擇像素中進(jìn)行第一像素信號(hào)的讀取和第二像素信號(hào)的讀取， 其中，所述第一像素信號(hào)和所述第二像素信號(hào)是與無信號(hào)積聚狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的像素的復(fù)位信號(hào)和反映通過光電轉(zhuǎn)換而生成的積聚電荷的積聚信號(hào)中的一個(gè)和另一個(gè)， 在所述感測電路部件中，所述感測電路中的每一個(gè)包含比較器，所述比較器被配置為將來自所述像素的輸出信號(hào)與參考信號(hào)相比較，并且 當(dāng)進(jìn)行信號(hào)檢測時(shí)，在所述比較器的輸入部件中的一個(gè)或兩者中保持允許從所述所選擇像素中輸出的所述第一像素信號(hào)被抵消的電荷，用于每一個(gè)比較器的獨(dú)立偏移偏置被施加于所述比較器的輸入部件中的一個(gè)上以便抵消該比較器的偏移，并且通過將步進(jìn)式變化的參考信號(hào)與從所述所選擇像素中輸出的第二像素信號(hào)進(jìn)行比較來進(jìn)行入射在像素上的光強(qiáng)度的數(shù)字判定。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的相機(jī)系統(tǒng)，其中， 通過校準(zhǔn)，針對(duì)每一個(gè)比較器來確定所述偏移偏置， 在所述校準(zhǔn)中，預(yù)定信號(hào)被施加于用于所述像素信號(hào)的輸入部件和用于所述參考信號(hào)的輸入部件中的每一個(gè)上， 在所述比較器的輸入部件中的一個(gè)或兩者中保持允許信號(hào)間的差被抵消的電荷，并且 當(dāng)在多個(gè)步進(jìn)中將偏移偏置施加于所述比較器的輸入部件中的一個(gè)上時(shí)，輸入信號(hào)中的兩者彼此相比較，以便確定用于每一個(gè)比較器的偏移偏置。`
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的相機(jī)系統(tǒng)，其中， 在施加所述偏移偏置之后，所述感測電路部件通過步進(jìn)式地消除參考電勢，測量用于所述比較器的倒置定時(shí)，并且 在所述數(shù)字判定中，以相同的步進(jìn)消除所述參考電勢以便測量用于所述比較器的倒置定時(shí)，并且從所述倒置定時(shí)之間的差中推導(dǎo)光強(qiáng)度。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的相機(jī)系統(tǒng)，其中，所述數(shù)字判定是關(guān)于光子是否入射的二值判定。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的圖像拾取器件，包含判定結(jié)果整合電路部件，被配置為多次整合來自每一個(gè)像素或每一個(gè)像素組的判定結(jié)果，從而生成具有灰度級(jí)的圖像拾取數(shù)據(jù)。
【文檔編號(hào)】H04N5/374GK103875237SQ201280050006
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2012年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月20日
【發(fā)明者】西原利幸, 角博文 申請人:索尼公司