CN103533264B - 图像传感器和摄像系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种图像传感器和摄像系统。在图像传感器中，在行方向和列方向上排列多个像素，并且在所述多个像素的每一列上设置A/D转换器。所述A/D转换器从作为与来自像素的输出信号相对应的电压的初始值开始进行充电和放电中的一个，输出与所述电压变得高于或低于预定参考电压所花费的时间相对应的值作为所述输出信号的数字值，并且根据所述输出信号的可能值来改变每单位时间的充电量和放电量中的一个。

Description

图像传感器和摄像系统

技术领域

本发明涉及一种图像传感器和摄像系统。

背景技术

近年来，通过将CMOS逻辑制造工艺与图像传感器制造工艺结合，而开发了包括复杂模拟电路、数字电路和信号处理电路的图像传感器。例如，已知在行和列方向上二维地排列多个像素并且包含模拟/数字转换器(A/D转换器)的图像传感器。

作为包括A/D转换器的图像传感器，已知将A/D转换器设置在每个像素列上的配置(列并列型A/D转换)。使用这种配置，能够将A/D转换器的转换速率降低到一行的读出速率，由此与将A/D转换器设置在图像传感器外部的情况相比，降低了A/D转换器的工作速度。这可以减少电力消耗，并且还容易地提高了从图像传感器的读出速率。

作为这种包括列并列型A/D转换器的图像传感器，已知如下的图像传感器：通过在对像素的输出电压放电或者充电时，对直到达到参考电压的时间进行计数，来将像素值转换为数字值(日本特开2005-348325)。

参考图13和14描述这种传统技术。图13是示出包括列并列型A/D转换器的图像传感器的电路配置的示例的电路图。图14是示出图13所示的积分器1018的输出水平的时间变化的时序图。

参考图13，像素1001包括光电转换元件。从像素1001输出的信号经由相关双采样(CDS)电路1002、采样/保持(S/H)电路1003、列放大器1004和开关1016连接到积分器1018的输出端子1008。从端子1006经由开关1005、电阻1019和开关1017向积分器1018的输入端子(-)施加固定电压V_DE。从端子1007向积分器1018的另一输入端子(+)施加参考电压V_REF。假设固定电压V_DE比参考电压V_REF低。

积分器1018具有基于电阻1019和电容器1020的时间常数。比较器1009将输出端子1008的电压与参考电压V_REF进行比较。比较器1009的触发输出1010经由序列电路1011控制存储器单元1012的数据加载定时。共用计数器1013的计数输出连接到存储器单元1012的输入端子。

参考图14所示的时序图描述图13所示的图像传感器的操作。接通开关1016，并且在时间t0，来自列放大器1004的信号电压Vsig1保持在积分器1018的输出端子1008中。然后，开关1016关断，而接通开关1005和1017。在接通开关1017时，共用计数器1013开始进行计数。

经由开关1005和1017对电阻1019施加低于参考电压V_REF的固定电压V_DE。其结果是，积分器1018开始以根据基于电阻1019和电容器1020的时间常数而确定的负斜率，向着作为放电结束电压的固定电压V_DE放电。在时间t1积分器1018的输出端子1008的电压变得低于参考电压V_REF，并且比较器1009生成触发输出1010。这时，该触发输出选择存储器单元1012，并且将共用计数器1013的值加载到存储器单元1012中。此外，触发输出1010使序列电路1011工作，并且开关1017关断，由此终止放电。存储器单元1012的输出信号连接到共用水平输出线1014。在选择一个存储器单元1012之后，选择的存储器单元1012的输出信号经由放大器1015数字地输出到外部。提出了使得能够通过根据像素信号的强度，改变对列并列型A/D转换器施加的基准电压，来切换动态范围的技术(日本特开2001-346106)。

然而，在上述传统技术中，随着初始信号电压越高，达到参考电压花费越长的时间，由此延长了A/D转换所需的时间。参考图14来对此进行描述。如果信号电压是Vsig1，则如粗点线所示，A/D转换所需的时间是时间t1-t0。然而，如果信号电压是比Vsig1高的Vsig0，则A/D转换所需的时间是长t2-t1的t2-t0。

如果例如存在通过将像素信号相加来进行读出操作的模式，作为图像传感器的读出模式，则该模式下的信号电压高于在不将像素信号相加的情况下进行读出操作的模式下的信号电压。因此，在通过将像素信号相加来进行读出操作的模式下，A/D转换所需的时间比在不将像素信号相加的正常读出模式下长。

发明内容

考虑传统技术的前述问题作出了本发明，本发明提供一种包括列并列型A/D转换器的图像传感器，其中，即使如在将像素信号相加的情况下那样，信号电压变得更高，该图像传感器也抑制A/D转换所需的时间增加。

本发明的第一方面提供一种图像传感器，在所述图像传感器中在行方向和列方向上排列有多个像素，并且在所述多个像素的每一列上设置有A/D转换器，其中，所述A/D转换器从作为与来自像素的输出信号相对应的电压的初始值开始进行充电和放电中的一个，输出与所述电压变得高于或低于预定参考电压所花费的时间相对应的值作为所述输出信号的数字值，并且根据所述输出信号的可能值来改变每单位时间的充电量和放电量中的一个。

本发明的第二方面提供一种摄像系统，包括：上述的图像传感器；以及控制单元，用于对所述图像传感器的驱动进行控制，其中，所述控制单元对所述图像传感器的驱动进行控制，使得随着所述输出信号的可能最大值增大，A/D转换器中的每单位时间的充电量和放电量中的一个增大。

从以下对示例性实施例的描述(参考附图)，本发明的其它特征将变得明显。

附图说明

图1是示出根据本发明的第一实施例的图像传感器的配置的电路图；

图2是示出根据本发明的第一实施例的图像传感器的操作的示例的时序图；

图3是示出根据本发明的像素的配置的电路图；

图4是示出根据本发明的实施例的摄像设备的系统配置的框图；

图5是示出根据本发明的第二实施例的图像传感器的配置的电路图；

图6是示出根据本发明的第二实施例的图像传感器的操作的示例的时序图；

图7是示出在根据本发明的第二实施例的每个感光度设置中使用的信号振幅范围的时序图；

图8是示出在根据本发明的第二实施例的每个感光度设置中使用的信号振幅范围的时序图；

图9是示出在根据本发明的第二实施例的每个感光度设置中使用的固定信号值和电阻值的表；

图10是示出在根据本发明的第二实施例的每个感光度设置中使用的固定信号值和电阻值的表；

图11是示出根据本发明的第三实施例的图像传感器的配置的电路图；

图12是示出根据本发明的第三实施例的图像传感器的操作的示例的时序图；

图13是示出根据传统示例的图像传感器的配置的电路图；以及

图14是示出根据传统示例的图像传感器的操作的示例的时序图。

具体实施方式

第一实施例

下面，参考附图，详细描述本发明的第一实施例。注意，在本实施例和后续实施例中，除非另外需要，否则将开关和工作放大器模型化。此外，除非另外需要，否则省略外围操作所需的开关。当然，本发明不限于下面描述的实施例。

图4示出了使用图像传感器的摄像系统的概要。该摄像系统包括具有透镜单元401、透镜驱动单元402、快门403、快门/光圈驱动单元404和光圈405等的光学系统以及图像传感器406。图像传感器406包含用于进行相关双采样、增益调整和A/D转换的电路。此外，该摄像系统包括摄像信号处理电路407、定时生成单元408、存储器单元I409、总体控制单元410、记录介质控制I/F单元411、显示单元412、记录介质413、外部I/F单元414、存储器单元II415和操作单元416。

在通过透镜单元401之后，光圈405将被摄体图像调整为适当的光量，并且在图像传感器406上形成被摄体图像。光作为被摄体图像进入图像传感器406，并且在图像传感器406中对其进行光电转换，将其转换为电信号。在包含在图像传感器406中的CDS电路和A/D转换电路中，对电信号进行相关双采样、增益调整、从模拟信号到数字信号的转换，并且作为数字信号输出到摄像信号处理电路407。摄像信号处理电路407执行诸如用于降低噪声的低通滤波处理、阴影校正、白平衡(WB)处理的各种图像信号处理，并且还执行各种校正操作、图像数据压缩等。

透镜驱动单元402对诸如变焦和聚焦的对透镜单元401的驱动进行控制。快门/光圈驱动单元404对快门403和光圈405的驱动进行控制。定时生成单元408基于来自总体控制单元410的控制信号，向图像传感器406和摄像信号处理电路407输出用于图像传感器406的驱动定时控制和增益设置的控制信号。总体控制单元410对整个摄像设备进行控制，并且进行各种计算操作。存储器单元I409临时存储图像数据。记录介质控制I/F单元411将图像数据记录在记录介质413中，或者从记录介质413中读出图像数据。显示单元412显示图像数据。记录介质413是用于记录或者读出图像数据的诸如半导体存储器的可拆卸存储介质。外部I/F单元414用作用于与外部计算机等进行通信的接口。存储器单元II415存储总体控制单元410的计算结果。将关于用户使用操作单元416设置的摄像设备驱动条件的信息发送到总体控制单元410，然后总体控制单元410基于该信息对整个摄像设备进行控制。

图3示出了图像传感器406的像素的结构。光电二极管(PD)301将入射光转换为信号电荷。传送开关302将由PD301生成的信号电荷传送到浮置扩散(FD)304，并且临时累积在FD304中。FD304、放大器305和恒定电流源307构成浮置扩散放大器。将由对选择开关306的栅极所施加的选择脉冲选择的累积在FD304中的信号电荷转换为电压，并且经由信号输出线、读出电路和放大器输出到CDS电路101。在行和列方向上排列的多个像素构成图像传感器。

根据本实施例的图像传感器具有使得多个PD301能够共享FD304的配置。在将像素信号相加的读出模式(像素相加读出模式)下，通过由传送开关302将来自多个PD301的电荷同时读出到FD304中，能够在FD304中将来自多个PD301的电荷相加。

参考图1，描述图像传感器的CDS电路的后级的配置。来自每个像素的信号经由均设置在每一列上的CDS(相关双采样)电路101、采样/保持(S/H)电路102、列放大器103和开关117连接到积分器119的输出端子109。通过切换开关122，从端子106或107经由具有不同电阻值的电阻R0或R1，向开关118施加固定电压V_DE0或V_DE1。经由开关118和电阻120向积分器119的输入端子(-)输入固定电压V_DE0或V_DE1。从端子108向积分器119的另一输入端子(+)施加参考电压V_REF。固定电压V_DE0和V_DE1具有低于积分器的参考电压V_REF的电位，并且具有关系V_DE0≤V_DE1。电阻R0和R1具有关系R0≤R1。注意，将V_DE0、V_DE1、R0和R1设置为不满足条件V_DE0=V_DE1且R0=R1。

积分器119具有基于电阻R0或R1、电阻120和电容器121的时间常数。比较器110将积分器119的输出端子109的电压与参考电压V_REF进行比较。来自比较器110的触发输出111经由序列电路112控制存储器单元113的数据加载定时。共用计数器114的计数输出连接到存储器单元113的输入。在生成触发输出111后，选择存储器单元113，并且将共用计数器114的计数值加载到所选择的存储器单元113中。

存储器单元113的输出信号连接到共用水平输出线115。在选择了一个存储器单元之后，将所选择的存储器单元113的输出经由放大器116数字地输出到外部。

存在用于将来自存储器单元113的信号选择性地输出到共用水平输出线115的各种实现方法。例如，在图像传感器侧设置用于选择存储器单元的端子，并且从外部向要选择的存储器单元的端子发送ON(接通)信号。可选地，为了减少用于选择存储器单元的端子的数量，向图像传感器串行发送编码的选择信号，并且图像传感器对该信号进行解码，以选择存储器单元。此外，从外部发送定时信号，并且将ON信号移位一列，由此选择存储器单元。

参考图2描述根据图1所示的实施例的操作。参考图2，纵坐标表示积分器119的输出水平，并且横坐标表示时间。粗点线表示在不进行像素相加的情况下进行读出操作的模式下(正常读出模式)下的操作的示例。实线表示通过将两个像素的像素信号相加来进行读出操作的像素相加读出模式下的操作的示例。为了在像素相加读出模式下将像素信号相加，FD304可以将由三个或更多个像素的PD301生成的电荷相加。基于根据从总体控制单元410向定时生成单元408发送的控制信号的、从定时生成单元408向图像传感器406发送的驱动定时控制信号，进行图像传感器406中的一系列A/D转换操作。

首先说明在正常读出模式下驱动图像传感器406的情况。接通开关117，并且在时间t0保持像素的信号电压Vsig1作为积分器119的输出端子109中的初始值。然后，关断开关117，开关122选择端子105，并且开关118接通。在接通开关118时，共用计数器114开始计数，并且积分器119开始以负斜率向着固定电压V_DE1放电。在时间t1，积分器119的输出变得低于比较器110的参考电压。这时，将共用计数器114的计数值加载到存储器单元113中。在加载计数值之后，序列电路112的输出使开关118关断，由此终止放电。以这种方式，分别将以列并列方式进行了A/D转换的值存储在相应的存储器单元113中。之后，依次选择存储器单元113，从每个存储器单元113中读出像素中的数字信号。虽然描述了通过放电进行的操作，但是可以以正斜率对负像素信号充电，直到超过参考电压为止。

通过以两个像素相加为例，来描述在像素相加读出模式下驱动图像传感器406的情况。在像素相加读出模式下，通过一次接通图3所示的两个像素的传送开关302，将两个PD301中的电荷累积在FD304中，并且经由放大器305输出与累积的电荷相对应的电压信号。经由CDS电路101、采样/保持电路102和列放大器103对开关117施加用于两个像素的输出信号电压。如果这时开关117接通，则将时间t0的积分器119的输出端子109的电压，作为初始值保持在用于两个像素的信号电压Vsig0。然后，开关117关断，开关122选择端子104，并且开关118接通。在接通开关118后，共用计数器114开始计数，并且积分器119开始以负斜率向着固定电压V_DE0放电。在时间t1，积分器119的输出变得低于比较器110的参考电压。这时，将共用计数器114的计数值加载到存储器单元113中，由此终止A/D转换。在A/D转换结束时，序列电路112的输出使开关118关断，由此终止放电。共用计数器114进行计数，直到针对一行的A/D转换完成为止，或者直到达到完全计数为止。

如果积分器的时间常数和作为由开关122选择的放电结束电压的固定电压，在进行像素相加的模式和不进行像素相加的模式之间相同，则放电斜率也相同。因此，当进行像素相加时，放电在时间t2结束。然而，在该示例中，将基于电阻R0和120及电容器121的积分时间常数以及固定电压V_DE0，设置为分别与基于电阻R1和120及电容器121的时间常数以及固定电压V_DE1不同。将像素相加读出模式下的放电斜率设置为比在不进行像素相加的模式下的放电斜率陡。即使在像素相加读出模式下，与不进行像素相加的正常读出模式类似，A/D转换结束时间也可以为t1，A/D转换所需的时间可以缩短t2-t1。计数值的权重在正常读出模式和像素相加读出模式之间不同。摄像信号处理电路按照需要，根据模式之间的切换，对从图像传感器输出的数字值进行校正。

如上所述，切换在积分电路中设置的时间常数电路的电阻值和固定电压值，使得随着在读出操作中要相加的像素的数量增加，每单位时间充电或者放电的量变得越大。通过根据像素的输出信号的电压值的可能范围，改变每单位时间充电或者放电的量，能够缩短像素相加读出模式中的A/D转换所需的时间。注意，在本实施例中，设置固定电压V_DE0和V_DE1以及电阻R0和R1，使得在进行像素相加的模式和在不进行像素相加的模式之间，A/D转换所需的时间变得相同。当然，不总是需要进行设置，使得在相同的时间内完成A/D转换。仅需要适当地设置固定电压V_DE0和V_DE1以及电阻R0和R1，以在A/D转换精度的容许范围内提高A/D转换的速度。

第二实施例

描述在感光度可以改变的情况下进行A/D转换的情况。作为改变感光度的方法，输出在图像传感器中进行了A/D转换的数字信号，然后根据由随后的阶段的摄像信号处理电路407设置的感光度，对信号进行数字放大。在这种情况下，随着感光度提高，数字增益的增大程度变得越大。考虑到数字处理可以处理的数字值的最大值，当感光度提高时，需要减小从列放大器103输出并且输入到A/D转换器的信号的振幅。为此，根据感光度设置来改变要输入到积分器的信号的振幅。用户通过操作单元416来设置感光度，并且总体控制单元410经由定时生成单元408向摄像信号处理电路407发送与所设置的感光度相对应的设置信号，以对其进行设置。

图7示出了从图像传感器的PD301获得的信号的振幅范围和感光度设置之间的关系。纵坐标表示图像传感器中的信号输出值，横坐标表示累积时间。设Ymax是PD301的饱和输出。在感光度设置1中，摄像信号处理电路407中的放大程度是α，并且信号的最大振幅值是Y1。在这种情况下，在感光度设置2中，摄像信号处理电路407中的放大程度是2×α，并且信号的最大振幅值是作为值Y1的一半的Y2。类似地，在感光度设置3中，摄像信号处理电路407中的放大程度是4×α，并且信号的最大振幅值是作为值Y2的一半的Y3。在感光度设置4中，摄像信号处理电路407中的放大程度是8×α，并且信号的最大振幅值是作为值Y3的一半的Y4。随着感光度设置的数量增加，信号的振幅范围增加。因此，如果使用具有相同斜率的积分电路分别进行A/D转换操作，则A/D转换所需的时间产生很大的变化。在本实施例中，参考图5至10，描述不管使用的感光度设置如何，进行A/D转换所需的时间都不产生变化的A/D转换的方法。注意，图像传感器的配置、摄像设备的系统配置等与第一实施例中的图1至4所示的相同，并且省略其描述。

参考图5，来自每个像素的信号经由CDS(相关双采样)电路501、采样/保持(S/H)电路502、列放大器503和开关521，连接到积分器523的输出端子513。通过切换开关526，从端子508、509、510或511经由具有不同电阻值的电阻R2、R3、R4或R5向开关522，施加固定电压V_DE2、V_DE3、V_DE4或V_DE5。当开关522接通时，经由电阻R2至R5之一和电阻524，对积分器523的输入端子(-)施加固定电压V_DE2至V_DE5中的一个。从端子512向积分器523的另一输入端子(+)施加参考电压V_REF。

固定电压V_DE2、V_DE3、V_DE4和V_DE5具有低于积分器的参考电压V_REF的电位的电位，并且具有V_DE2≤V_DE3≤V_DE4≤V_DE5的关系。电阻R2、R3、R4和R5具有R5≤R4≤R3≤R2的关系。注意，V_DE2、V_DE3、V_DE4、V_DE5、R2、R3、R4和R5被设置为不满足条件V_DE2=V_DE3=V_DE4=V_DE5且R2=R3=R4=R5。

积分器523具有基于电容器525的电容值以及固定电阻524与电阻R2至R5中的选择的一个的总和的时间常数。比较器514将积分器523的输出端子513的电压与参考电压V_REF进行比较。来自比较器514的触发输出515经由序列电路516控制存储器单元517的数据加载定时。共用计数器518的计数输出连接到存储器单元517的输入端子。存储器单元517的输出信号连接到共用水平输出线519。在选择了一个存储器单元之后，将所选择的存储器单元517的输出经由放大器520数字地输出到外部。与在第一实施例中所描述的相同，可以使用各种方法，作为从存储器单元517向共用水平输出线519选择性地输出信号的方法。

结合图6来描述图5所示的电路的操作。在图6中，纵坐标表示积分器的输出水平，横坐标表示时间。注意，基于根据从总体控制单元410向定时生成单元408发送的控制信号的、从定时生成单元408向图像传感器406发送的驱动定时控制信号，进行图像传感器406中的一系列A/D转换操作。

如果将感光度设置为感光度设置1，则开关521接通，并且在时间t0，积分器523的输出端子513保持在来自像素的信号电压Vsig2。然后，开关521关断，开关526选择固定电压V_DE2，并且开关522接通。在接通开关522后，共用计数器518开始计数。积分器523开始以由基于电阻R2和电阻524以及电容器525的时间常数确定的负斜率，向着固定电压V_DE2放电。在时间t1，积分器523的输出变得低于比较器514的参考电压V_REF。这时，将共用计数器518的计数值加载到存储器单元517中，由此终止A/D转换。在A/D转换结束时，序列电路516的输出使开关522关断，由此终止放电。

如果将感光度设置为感光度设置2，则开关521接通，并且在时间t0，积分器523的输出端子513保持在来自像素的信号电压Vsig3。然后，开关521关断，开关526选择固定电压V_DE3。当开关522接通时，对积分器523施加固定电压V_DE3，并且共用计数器518开始计数。然后，积分器523开始以负斜率向着固定电压V_DE3放电。在时间t1，积分器523的输出变得低于比较器514的参考电压V_REF。这时，将共用计数器518的计数值加载到存储器单元517中，由此终止A/D转换。在A/D转换结束时，序列电路516的输出使开关522关断，由此终止放电。

类似地，如果将感光度设置为感光度设置3，则开关526选择固定电压V_DE4。如果将感光度设置为感光度设置4，则开关526选择固定电压V_DE5，以进行A/D转换。图9示出了通过对开关526的操作而设置的针对感光度的电阻R2至R5和固定电压之间的关系。通过根据所设置的感光度，来改变基于电阻R2至R5中的一个、电阻524和电容器525的时间常数以及固定电压V_DE2至V_DE5中的相应的一个，能够根据感光度提高A/D转换的速度。

如果在感光度设置1、2或3中，使用与在感光度设置4中相同的时间常数来进行A/D转换，则A/D转换在时间t4、t3或t2结束。在本实施例中，即使在摄像系统中设置的感光度低，与所设置的感光度高的情况类似，A/D转换所需的时间也可以是t1-t0。这意味着能够将A/D转换所需的时间缩短t2-t1、t3-t1或t4-t1。

在本实施例中，设置固定电压V_DE2、V_DE3、V_DE4和V_DE5以及电阻R2、R3、R4和R5，使得A/D转换所需的时间在不同的感光度设置之间变得相同。当然，不总是需要进行设置，使得在相同的时间内完成A/D转换。仅需要适当地设置固定电压和电阻，以在A/D转换精度的容许范围内提高A/D转换的速度。

在本实施例中，在对来自图像传感器的输出信号进行A/D转换之后，后级的摄像信号处理电路407改变用于对经过A/D转换的输出信号进行数字放大的放大因数，由此实现所设置的感光度。A/D转换的前级的放大器、例如列放大器503可以对增益进行控制，由此实现所设置的感光度。为了由列放大器503设置增益，总体控制单元410获得用户通过操作单元416设置的感光度，并且经由定时生成单元408向图像传感器406中的列放大器503输出设置值，以对其进行设置。

图8示出了A/D转换的前级对增益进行控制时的传感器输出和在每个感光度设置中使用的信号振幅范围的示例。纵坐标表示在图像传感器中进行A/D转换之前的信号输出值，横坐标表示累积时间。在感光度设置1中，β表示列放大器503中的放大程度，并且Y1表示信号的最大振幅值。在这种情况下，在感光度设置2中，列放大器503中的放大程度是2×β，并且信号的最大振幅值是作为值Y1的两倍的Y2。类似地，在感光度设置3中，列放大器503中的放大程度是4×β，并且信号的最大振幅值是作为值Y2的两倍的Y3。在感光度设置4中，列放大器503中的放大程度是8×β，并且信号的最大振幅值是作为值Y3的两倍的Y4。

在这种情况下，与摄像信号处理电路407对来自图像传感器的数字信号进行数字放大以设置感光度的实施例类似，按照感光度设置4、感光度设置3、感光度设置2和感光度设置1的顺序，设置的感光度变得更高。相对于前述实施例，按照感光度设置4、感光度设置3、感光度设置2和感光度设置1的顺序，要进行A/D转换的信号的振幅范围变得更宽。在这种情况下，通过针对感光度设置4选择V_DE2，针对感光度设置3选择V_DE3，针对感光度设置2选择V_DE4，并且针对感光度设置1选择V_DE5，来进行A/D转换。图10示出了针对所设置的感光度的电阻R2至R5和固定电压之间的关系。

如上所述，在本实施例中，即使在包括列并列型A/D转换器的摄像系统中进行不同的感光度设置，通过根据在摄像系统中设置的感光度而切换固定电压和电阻，也能够减小A/D转换所需的时间的改变。

第三实施例

在包括列并列型A/D转换器的摄像系统中，通常在针对一个信号的A/D转换所需的转换时间和A/D转换精度之间存在折衷。也就是说，随着A/D转换时间越短，A/D转换精度趋于降低。

在第一和第二实施例中，即使处理A/D转换的信号振幅范围宽，与信号振幅范围窄的情况类似，也能够以高速进行A/D转换。然而，如果信号振幅范围宽(输出信号的最大电压大或者感光度高)，则每单位时间的数字值(分辨率)大于正常状态下的每单位时间的数字值，由此A/D转换精度降低。为了解决该问题，在第三实施例中，说明如下的方法：即使信号振幅范围宽，也以高速进行A/D转换，并且获得与信号振幅范围窄时相同的A/D转换精度。在第三实施例中，与在第一实施例中相同，以在不进行像素相加的模式下驱动图像传感器的情况和在进行二像素相加的模式下驱动图像传感器的情况为例。注意，图像传感器的配置、摄像设备的系统配置等与第一实施例中的图3和4所示的相同，并且省略其描述。

参考图11，描述根据第三实施例的图像传感器的CDS电路的后级的配置。参考图11，来自每个像素的输出经由CDS(相关双采样)电路701、采样/保持(S/H)电路702、列放大器703和开关724，连接到积分器721的输出端子711。

通过切换开关723，从端子704、705或706经由具有不同电阻值的电阻R6、R7或R8向开关720，施加固定电压V_DE6、V_DE7或V_DE8。当开关720接通时，经由电阻R6至R8中的一个和电阻722，对积分器721的输入端子(-)施加固定电压V_DE6、V_DE7和V_DE8中的一个。从端子710向积分器721的另一输入端子(+)施加参考电压V_REF。固定电压V_DE6和V_DE7分别被设置为低于积分器721的参考电压V_REF的电位的电位。固定电压V_DE8被设置为高于参考电压V_REF的电位的电位。

积分器721具有基于电阻R6至R8中的一个、电阻722和电容器725的时间常数。比较器712将积分器721的输出端子711的输出电压与参考电压V_REF进行比较。来自比较器712的触发输出713经由序列电路714控制用于保持高n位的存储器单元715或者用于保持低n位的存储器单元719的数据加载定时。共用计数器716连接到每个存储器单元的输入。存储器单元715和719的输出信号连接到共用水平输出线717。选择的存储器单元715和719的输出经由放大器718数字地输出到外部。与在第一实施例中所描述的相同，能够使用各种方法，作为从存储器单元715和719向共用水平输出线717选择性地输出信号的方法。

结合图12来描述该电路的操作。在图12中，纵坐标表示积分器的输出水平，横坐标表示时间。粗点线表示不进行像素相加的模式下的操作的示例。实线表示二像素相加模式下的操作的示例。注意，基于根据从总体控制单元410向定时生成单元408发送的控制信号的、从定时生成单元408向图像传感器406发送的驱动定时控制信号，进行图像传感器406中的一系列A/D转换操作。

首先，说明不进行像素相加的模式。要针对高n位进行A/D转换。开关724接通，并且在时间t0，积分器721的输出端子711保持在像素的信号电压Vsig1。然后，开关724关断，开关723选择端子705，并且开关720接通，由此经由电阻R7、开关720和电阻722对积分器721的输入端子(-)施加固定电压V_DE7。在接通开关720后，共用计数器716开始计数。

如图12中的粗点线所表示的，积分器721开始以负斜率向着固定电压V_DE7放电。在时间t3，积分器的输入(-)变得低于参考电压V_REF。这时，将共用计数器716的计数值加载到存储器单元715中。这使对高n位的A/D转换结束。在A/D转换结束时，序列电路714的输出使开关720关断，由此临时中断放电。由于根据离散时间(数字地设置的时间)对开关进行控制，因此实际在时间t3之后的时间t4中断放电。因此，在积分器的输出和比较电压之间存在电位差ΔV。

在接下来的步骤中，通过由积分器721对电位差ΔV充电，来进行对低m位的转换。更具体地，开关723选择端子706，并且开关720接通，由此对积分器721施加固定电压V_DE8。由于固定电压V_DE8的电位比积分器721的参考电压V_REF的电位高，因此相对于时间以正斜率进行充电。在时间t5，比较器712的参考电压与积分器721的输出再次相交，积分器721生成输出，向存储器单元719发送触发信号，并且将共用计数器716的计数值加载到用于低m位的存储器单元719中，由此终止对ΔV的A/D转换。之后，依次选择存储器单元715和719，并且将高位信号和低位信号连接到共用水平输出线717，并且经由放大器718将其数字地输出到外部。根据对ΔV进行A/D转换所需的A/D转换精度，设计充电/放电的改变量的斜率和作为充电/放电结束电压的固定电压。

描述在像素相加读出模式下驱动图像传感器406的情况。通过一次接通两个像素的传送开关302，输出两个PD301的信号电压。之后，通过与针对一个像素的控制相同的控制，积分器721的输出端子711保持在用于两个像素的信号电压Vsig0。在二像素相加模式下，开关723选择固定电压V_DE6，来开始放电。在时间t1，积分器的输出变得低于参考电压。这时，将共用计数器716的计数值加载到用于高n位的存储器单元715中，由此终止对高n位的A/D转换。由于根据离散时间(数字地设置的时间)对开关进行控制，因此实际在时间t1之后的时间t2终止A/D转换。积分器的输出和比较电压之间的差不为0，在其间存在电位差ΔV'。

在接下来的步骤中，通过由积分器721对电位差ΔV'充电，来进行对低m位的转换。与一个像素的情况类似，对积分器721施加固定电压V_DE8。由于固定电压V_DE8的电位比积分器721的参考电压V_REF的电位高，因此相对于时间以正斜率进行充电。在时间t5，比较器712的参考电压与积分器721的输出再次相交，向存储器单元719发送触发信号，并且将共用计数器716的计数值加载到存储器单元719中，由此终止对低m位的A/D转换。之后，将存储器单元715和719选择性地连接到共用水平输出线717，并且经由放大器718将存储在存储器单元中的计数值数字地输出到外部。描述了首先进行放电的示例。然而，可以通过进行充电和放电中的一个，然后进行另一个，来实现本发明。

在进行二像素相加的模式下，如果固定电压V_DE7和电阻R7连接到积分器721，则与不进行像素相加的模式类似，A/D转换结束时间是时间t6。在本实施例中，通过连接固定电压V_DE6和电阻R6，并且改变积分时间常数和充电/放电的改变量的斜率，能够在时间t5完成A/D转换。选择固定电压和电阻，使得即使在进行像素相加的模式下，对低m位进行A/D转换时的充电的改变量的斜率(从时间t2到t5或者时间t4到t5绘制的充电线)也变得与对一个像素进行A/D转换时相同。这使得即使在进行像素相加的模式下驱动图像传感器，也能够在保持与在不进行像素相加的模式下相同的精度的同时，以高速完成A/D转换。

在本实施例中，将对N位的转换分割为对高n位的转换和对低m位的转换，其中，N=n+m。然而，例如，可以将转换分割为包括对高位的转换、对中间位的转换和对低位的转换的三个转换操作，其中，N=l+n+m。在这种情况下，仅需要增加用于积分的新固定电压，并且按照需要改变固定电压和电阻。在上面的描述中，紧接在对高位的转换结束之后，开始对低位的转换。然而，A/D转换所需的时间依据来自像素的信号电压而变化。为了解决该问题，能够通过改变为在对所有列的高位的转换结束之后对低位进行转换，来同时开始对所有列的低位的转换。如上所述，根据本发明，能够与摄像设备中的诸如要相加的像素信号的数量的改变或者感光度设置的改变的驱动模式的改变无关地，实现高精度、高速的A/D转换。

在前述第一至第三实施例中，通过CDS来去除像素的噪声。然而，依据规范或者像素的类型，可能不需要该操作。在这种情况下，可以去除CDS电路。此外，存在各种CDS方法，可以使用它们中的任意一个。

虽然参考示例性实施例对本发明进行了说明，但是应当理解，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符合最宽的解释，以使其涵盖所有这种变形、等同结构及功能。

Claims (8)

1.一种图像传感器，在所述图像传感器中在行方向和列方向上排列有多个像素，并且在所述多个像素的每一列上设置有A/D转换器，

其特征在于，所述A/D转换器保持与来自所述多个像素中的像素的输出信号相对应的电压值作为初始值，从所述初始值开始进行充电和放电中的一个，将充电或放电的电压与预定参考电压进行比较，输出与充电或放电的所述电压变得高于或低于所述预定参考电压所花费的时间相对应的值作为所述输出信号的数字值，并且根据所述输出信号的可能值来改变每单位时间的充电量和放电量中的一个。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述A/D转换器从所述初始值开始充电和放电中的一个，在所述电压第一次变得高于或低于所述预定参考电压之后进行充电和放电中的另一个，然后进一步输出与所述电压变得低于或高于所述预定参考电压所花费的时间相对应的值作为所述输出信号的数字值。

3.一种摄像系统，其特征在于，包括：

根据权利要求1所述的图像传感器；以及

控制单元，用于对所述图像传感器的驱动进行控制，

其中，所述控制单元对所述图像传感器的驱动进行控制，使得随着所述输出信号的可能最大值增大，A/D转换器中的每单位时间的充电量和放电量中的一个增大。

4.根据权利要求3所述的摄像系统，其中，

提供通过将像素相加来进行读出操作的模式和在不进行像素相加的情况下进行读出操作的正常读出模式，以及

在通过将像素相加来进行读出操作的模式下，所述控制单元进行控制，使得每单位时间的充电量和放电量中的一个变得比在所述正常读出模式下的大。

5.根据权利要求3所述的摄像系统，其中，所述控制单元进行控制，使得随着所述图像传感器的感光度越高，每单位时间的充电量和放电量中的一个变得越大。

6.根据权利要求3所述的摄像系统，其中，所述控制单元进行控制，使得随着用于对来自所述图像传感器的输出进行放大的增益增大，所述输出信号的可能最大值变得更小。

7.根据权利要求3所述的摄像系统，其中，所述控制单元通过控制充电结束电压和放电结束电压中的一个的设置以及充电时间常数和放电时间常数中的一个的设置中的至少一个，来控制每单位时间的充电量和放电量中的一个。

8.根据权利要求3至7中的任一项所述的摄像系统，其中，还包括：

光学系统，用于在所述图像传感器上对光进行成像；以及

信号处理电路，用于对来自所述图像传感器的输出信号进行处理。