CN111095917A - 固态摄像器件和电子设备 - Google Patents

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Abstract

固态摄像器件设置有：像素阵列单元，在该像素阵列单元中，以矩阵形式布置包括光电转换单元的多个单位像素；放大器单元，其调节通过垂直信号线从单位像素输出的像素信号的电平，垂直信号线设置成对应于像素阵列单元的列阵列；采样保持单元，其采样和保持通过放大器单元的像素信号；和模数转换单元，其将从采样保持单元输出的像素信号转换成数字信号。采样保持单元具有分别用于保持像素信号的至少三个电容器，且并行地进行：到一个电容的像素信号的提取和在先提取至另一电容器的像素信号的向着模数转换单元的输出。

Description

固态摄像器件和电子设备
技术领域
本公开涉及一种固态摄像器件和电子设备。
背景技术
在固态摄像器件中，例如，单斜率型模数转换器能够用作模数转换单元的模数转换器，其将单位像素输出的模拟像素信号转换成数字信号。在单斜率型模数转换器中，当将一次的像素信号读取和模数转换时间设定为1AD时间时，1AD时间的大部分由来自单位像素的输入信号的稳定时间(settling time)和模数转换器的计数器的计数时间占据。
常规地，具有自适应增益控制或自动增益控制(AGC：Automatic Gain Control)功能的列放大器单元布置在模数转换单元的前端，以缩短1AD时间(例如，参见非专利文献1)。在非专利文献1所述的常规技术中，因为即使当模数转换单元的分辨率降低时，也能够保持最终的分辨率，所以能够降低模数转换单元的分辨率。因此，在单斜率型模数转换器中，特别地，能够缩短信号电平的计数时间，且因此，能够缩短1AD时间。
引用列表
非专利文献
非专利文献1：An APS-H-Size 250Mpixel CMOS image sensor using columnsingle-slope ADCs with dual-gain amplifiers(使用具有双增益放大器的列单斜率ADC的APS-H尺寸250M像素CMOS图像传感器).ISSCC 2016
发明内容
本发明要解决的技术问题
在上述的列放大器单元被布置在模数转换单元的前端的构造中，在完成稳定后，列放大器单元的输出电压和单位像素的输出电压需要在模数转换过程中连续保持恒定值，且因此，后续单位像素的输出需要等待模数转换的完成。同时，模数转换单元需要等待直到完成稳定为止的模数转换的开始。因此，即使非专利文献1所述的常规技术能够缩短1AD时间，1AD时间的减少量也由于其他的计数时间和稳定时间而被限制。
因此，本公开的目的是提出一种能够将包括模数转换的实质像素信号读取时间缩短的固态摄像器件以及具有该固态摄像器件的电子设备。
技术问题的解决方案
用于达到上述目的的本公开的固态摄像器件包括：
像素阵列单元，在像素阵列单元中以矩阵形式布置多个单位像素，各多个单位像素包括光电转换单元，
放大器单元，其调节通过垂直信号线从单位像素输出的像素信号的电平，垂直信号线设置成对应于像素阵列单元的列布置，
采样保持单元，其采样和保持通过放大器单元的像素信号，和
模数转换单元，其将从采样保持单元输出的像素信号转换成数字信号，
其中，采样保持单元包括用于保持像素信号的至少三个电容器，且并行地进行：到一个电容器的像素信号的提取以及提取至另一电容器的图像信号的向着所述模数转换单元的输出。
此外，用于达到上述目的的根据本公开的电子设备包括具有上述构造的固态摄像器件。
在具有上述构造的固态摄像器件或电子设备中，设置在放大器单元和模数转换单元之间的采样保持单元能够暂时保持通过放大器单元的像素信号。以此方式，在完成稳定后，放大器单元的输出电压保持在采样保持单元的电容器中，而放大器单元能够立即切换到后续的输入信号提取和稳定。然后，在放大器单元提取后续的输入信号的同时，模数转换单元对保持在采样保持单元中的电压信号进行模数转换。以此方式，并行地进行稳定和模数转换。
本发明的有益效果
根据本公开，通过并行地进行稳定和模数转换，能够缩短有效的1AD时间，且因此，可以缩短包括模数转换的实质像素信号读取时间。
注意，这里所述的效果不必是限制性的，而可以采用本说明书所述的任一效果。此外，本说明书所述的效果仅是示例，且本发明不限于此。此外，可以呈现附加的效果。
附图说明
图1是图示了根据本公开的实施方案的CMOS图像传感器的基本构造的概要的框图。
图2是图示了单位像素的电路构造的示例的电路图。
图3是图示了根据本实施方案的CMOS图像传感器的堆叠结构的概要的分解立体图。
图4是图示了具有不包括列放大器单元的电路构造的CMOS图像传感器的一个像素列的构造的电路图。
图5A是用于对不包括列放大器单元的电路构造的操作进行说明的波形图，图5B是用于对包括列放大器单元的电路构造的操作进行说明的波形图。
图6是图示了具有包括列放大器单元的电路构造的CMOS图像传感器的一个像素列的构造的电路图。
图7A是图示了列放大器单元的输入与模数转换单元的输出之间的关系的图，图7B是图示了列放大器单元的输入与线性化后的输出之间的关系的图。
图8是图示了根据实施例1的CMOS图像传感器的一个像素列的构造的电路图。
图9是用于对根据本实施方案的CMOS图像传感器的电路操作进行说明的时序波形图。
图10是图示了根据实施例2的CMOS图像传感器的一个像素列的构造的电路图。
图11是图示了根据实施例3的CMOS图像传感器的一个像素列的构造的电路图。
图12是图示了根据实施例4的CMOS图像传感器的一个像素列的构造的电路图。
图13是图示了根据实施例5的CMOS图像传感器的一个像素列的构造的电路图。
图14是图示了根据实施例6的CMOS图像传感器的一个像素列的构造的电路图。
图15是用于对根据实施例6的CMOS图像传感器的电路操作进行说明的时序图。
图16是图示了本公开的技术的应用例的图。
图17是图示了作为本公开的电子设备的示例的摄像装置的构造的框图。
图18是图示了作为能够应用本公开的技术的移动体控制***的示例的车辆控制***的示意性构造例的框图。
图19图示了成像单元的安装位置的示例。
具体实施方式
以下，将参照附图详细说明本公开的技术的实施方式(以下，称为“实施方案”)。本公开的技术不限于实施方案，且实施方案中的各种数值等是示例。在下面的说明中，相同的附图标记用于相同的元件或具有相同功能的元件，且省略赘述。注意，将以下面的顺序给出说明。
1.本公开的固态摄像器件和电子设备的总体说明
2.本公开的固态摄像器件
2-1.基本构造
2-2.单位像素的电路构造
2-3.堆叠结构
2-4.关于1AD时间
2-4-1.不具有列放大器单元的电路构造
2-4-2.具有列放大器单元的电路构造
2-5.关于采样保持单元
2-5-1.实施例1(具有四个用于保持像素信号的电容器的示例)
2-5-2.实施例2(实施例1的变型例：反相放大器包括P型MOS输入源接地运算放大器的示例)
2-5-3.实施例3(实施例1的变型例：使用反相放大器的输入作为电平判定电路的输入的示例)
2-5-4.实施例4(实施例1的变型例：列放大器单元的反馈电容器的电容值被设定为可变的示例)
2-5-5.实施例5(实施例1的变型例：具有多个电平判定电路的示例)
2-5-6.实施例6(具有三个用于保持像素信号的电容器的示例)
2-6.实施方案的变型例
2-7.实施方案的应用例
3.本公开的技术的适用例
3-1.本公开的电子设备(摄像装置的示例)
3-2.移动体的应用例
4.本公开能够采用的构造
<本公开的固态摄像器件和电子设备的总体说明>
在本公开的固态摄像器件和电子设备中，可以采用具有这样堆叠结构的构造：其中堆叠有至少第一半导体基板和第二半导体基板这两个半导体基板。此外，在该堆叠结构中，像素阵列单元优选形成在第一半导体基板上，且采样保持单元优选形成在第一半导体基板以外的半导体基板上，例如，形成在第二半导体基板上。
在包括上述优选构造的本公开的固态摄像器件和电子设备中，像素信号包括单位像素在复位期间输出的复位信号和单位像素在光电转换期间输出的数据信号。此外，采样保持单元可以采用具有相对于单位像素在时间序列上先后输出的两个像素信号的总计四个电容器的构造，这四个电容器为一个像素信号的复位信号和数据信号用的两个电容器和另一图像信号的复位信号和数据信号用的两个电容器。
此外，在包括上述优选构造的本公开的固态摄像器件和电子设备中，采样保持单元可以具有包括复位开关的构造，该复位开关使将像素信号输出到模数转换单元的电路输出端的电位复位。
此外，在包括上述优选构造的本公开的固态摄像器件和电子设备中，放大器单元可以具有包括自适应增益型放大器的构造，该自适应增益型放大器自适应地调节增益以获得恒定的信号电平。此外，放大器单元可以具有能够切换至少两种类型增益的构造。此外，放大器单元可以具有包括用于判定像素信号的电平的电平判定电路的构造，以根据电平判定电路的判定结果来切换增益。
此外，在包括上述优选构造的本公开的固态摄像器件和电子设备中，可以采用包括数字信号处理单元的构造，该数字信号处理单元处理从模数转换单元输出的数字信号。此外，在数字信号处理单元中，可以采用这样的构造：根据电平判定电路的判定结果对数字信号进行电平调节，具体为压缩处理。
<本公开的固态摄像器件>
[基本构造]
首先，将给出本公开的固态摄像器件的基本构造的说明。在本实施方案中，将互补金属氧化物半导体(CMOS：Complementary Metal Oxide Semiconductor)图像传感器作为固态摄像器件的示例进行说明，该CMOS图像传感器是X-Y地址型固态摄像器件这种类型。CMOS图像传感器是通过应用或部分使用CMOS工艺制造的图像传感器。
图1是图示了根据本公开的实施方案的CMOS图像传感器的基本构造的概要的框图。根据本实施方案的CMOS图像传感器1具有包括像素阵列单元11以及像素阵列单元11的周边电路部的构造，通过沿着行方向和列方向(即，以矩阵形式)二维地布置单位像素(以下，在一些情况下，简称为“像素”)2而获得该像素阵列单元11，每个单位像素包括光电转换单元。这里，行方向指的是像素行中的单位像素2的布置方向(所谓的水平方向)，列方向指的是像素列中的单位像素2的布置方向(所谓的垂直方向)。每个单位像素2通过进行光电转换来产生和累积根据接收的光量的光电荷。
例如，像素阵列单元11的周边电路部包括行选择单元12、负载MOS单元13、列放大器单元14、采样保持单元15、模数转换单元16、存储单元17、数据处理单元18、输出单元19、时序控制器20等等。
在像素阵列单元11中，对于类似矩阵的像素阵列，像素驱动线31(311至31m)沿着各像素行的行方向布线，垂直信号线32(321至32n)沿着各像素列的列方向布线。像素驱动线31传输用于当从单位像素2读取信号时进行驱动的驱动信号。在图1中，将像素驱动线31图示为一条配线。然而，数量不限于一条。像素驱动线31的一端连接至与行选择单元12的各行对应的输出端。
以下，将给出像素阵列单元11的周边电路部的各电路单元的说明，即行选择单元12、负载MOS单元13、列放大器单元14、采样保持单元15、模数转换单元16、存储单元17、数据处理单元18、输出单元19和时序控制器20的说明。
行选择单元12包括移位寄存器、地址译码器等，并且以行为单位或类似方式同时驱动像素阵列单元11的各像素2。即，行选择单元12被包括在与控制行选择单元12的时序控制器20一起对像素阵列单元11的各像素2进行驱动的驱动单元中。未图示行选择单元12的具体构造。然而，通常，行选择单元12具有两个扫描***，即读取扫描***和清除(sweeping)扫描***。
为了从单位像素2中读取像素信号，读取扫描***以行为单位顺序地有选择扫描像素阵列单元11的单位像素2。从单位像素2中读取的像素信号是模拟信号。在比读取扫描提前对应于快门速度的时间，清除扫描***对由读取扫描***进行读取扫描的读取行进行清除扫描。
通过使用清除扫描***进行的清除扫描，从读取行的单位像素2的光电转换单元中清除不必要电荷，从而复位光电转换单元。然后，通过清除扫描***清除(复位)不必要电荷来进行所谓的电子快门操作。这里，电子快门操作指的是这样的操作：丢弃光电转换单元的光电荷，且新开始曝光(开始光电荷累积)。
通过读取扫描***进行读取操作读取的信号对应于紧接在前的读取操作后或电子快门操作后接收的光量。此外，从紧接在前的读取操作的读取时序或电子快门操作的清除时序至当前读取操作的读取时序的时间段变为单位像素2中的光电荷曝光时间段。
负载MOS单元13包括一组电流源I，其具有连接至用于各像素列(参照图2)的各垂直信号线32(321至32n)的MOS晶体管，且偏置电流通过各垂直信号线32被提供给被行选择单元12有选择地扫描的像素行的各像素2。
列放大器单元14包括自适应增益型放大器，该自适应增益型放大器具有自适应增益控制或自动增益控制(AGC：Automatic Gain Control)功能，以用于自适应地调节增益以获得恒定的信号电平。列放大器单元14调节从被行选择单元12有选择地扫描的像素行的各像素2中读取且通过各垂直信号线32(321至32n)输出的像素信号的电平。稍后将说明列放大器单元14的详情。
采样保持单元15采样和保持从列放大器单元14中输出的像素信号。本公开的技术应用于采样保持单元15。应用本公开的技术的采样保持单元15具有用于保持像素信号的至少三个电容器，并且并行地进行：到一个电容器的像素信号的提取和提取至另一电容器的图像信号的向着后续阶段的输出。稍后将说明采样保持单元15的详情。
模数转换单元16包括与垂直信号线32(321至32n)对应设置的一组多个模数转换器，并且将从采样保持单元15针对每像素列输出的模拟像素信号转换成数字信号。公知的模数转换器可以用作模数转换器。具体地，模数转换器的示例可以包括单斜率型模数转换器、逐次逼近型模数转换器或德尔塔-西格玛(Delta-Sigma)调制型(ΔΣ调制型)模数转换器。然而，模数转换器不限于此。
存储单元17存储在数据处理单元18的处理下的模数转换单元16中的模数转换结果。
数据处理单元18是对从模数转换单元16中输出的数字信号进行处理的数字信号处理单元，并且进行将模数转换结果写入存储单元17或从存储单元17读取模数转换结果的处理或对模数转换结果进行各种处理。此外，数据处理单元18根据列放大器单元14的稍后说明的电平判定电路142(参照图6)的电平判定结果对数字信号进行电平调节。
输出单元19输出由数据处理单元18处理后的信号。时序控制器20产生各种时序信号、时钟信号、控制信号等，并且根据产生的信号对行选择单元12、列放大器单元14、采样保持单元15、模数转换单元16、数据处理单元18等进行驱动控制。
[单位像素的电路构造]
图2是图示了单位像素2的电路构造的示例的电路图。例如，单位像素2包括作为光电转换单元的光电二极管21。单位像素2具有这样的像素构造：除了光电二极管21以外，还包括传输晶体管22、复位晶体管23、放大晶体管24和选择晶体管25。
注意，这里，例如，N型MOSFET用作传输晶体管22、复位晶体管23、放大晶体管24和选择晶体管25这四个晶体管。然而，这里图示的四个晶体管22至25的导电类型的组合只是示例，而本公开不限于该组合。
对于单位像素2，多条像素驱动线共同布线至与上述的像素驱动线31(311至31m)相同的像素行中的各像素2。多条像素驱动线以像素行为单位连接至行选择单元12的与相应的像素行对应的输出端。行选择单元12将传输信号TRG、复位信号RST和选择信号SEL适当地输出到多条像素驱动线。
光电二极管21具有连接至低电位侧电源(例如，接地)的阳极电极，并且将接收的光光电转换成光电荷(这里，光电子)且累积光电荷，光电荷具有与光量对应的电荷量。光电二极管21的阴极电极通过传输晶体管22电连接至放大晶体管24的栅极电极。这里，放大晶体管24的栅极电极电连接的区域是浮动扩散部(浮动扩散区域/杂质扩散区域)FD。浮动扩散部FD是将电荷转换成电压的电荷电压转换单元。
从行选择单元12向传输晶体管22的栅极电极提供高电平(例如，VDD电平)有效(active)的传输信号TRG。传输晶体管22响应于传输信号TRG变得导通，从而将由光电二极管21光电转换且累积在光电二极管21中的光电荷传输至浮动扩散部FD。
复位晶体管23连接在高电位侧电源VDD的节点与浮动扩散部FD之间。从行选择单元12向复位晶体管23的栅极电极提供高电平有效的复位信号RST。复位晶体管23响应于复位信号RST变得导通，且通过将浮动扩散部FD的电荷丢弃至电压VDD的节点来复位浮动扩散部FD。
放大晶体管24具有连接至浮动扩散部FD的栅极电极和连接至高电位侧电源VDD的节点的漏极电极。放大晶体管24用作源极跟随器的输入单元，该源极跟随器读取通过光电二极管21中的光电转换获得的信号。即，放大晶体管24的源极电极经由选择晶体管25连接至垂直信号线32。此外，源极跟随器包括放大晶体管24和与垂直信号线32的一端连接的电流源I，该源极跟随器将浮动扩散部FD的电压转换成垂直信号线32的电位。
例如，选择晶体管25具有连接至放大晶体管24的源极电极的漏极电极和连接至垂直信号线32的源极电极。从行选择单元12向选择晶体管25的栅极电极提供高电平有效的选择信号SEL。选择晶体管25响应于选择信号SEL变得导通，使得单位像素2处于被选状态且从放大晶体管24输出的信号被传输至垂直信号线32。
注意，选择晶体管25可以采用连接在高电位侧电源VDD的节点和放大晶体管24的漏极电极之间的电路构造。此外，在本示例中，作为单位像素2的像素电路的示例给出包括传输晶体管22、复位晶体管23、放大晶体管24和选择晶体管25，即包括四个晶体管(Tr)的4Tr构造。然而，本发明不限于此。例如，可以采用省略选择晶体管25且放大晶体管24具有选择晶体管25的功能的3Tr构造，或可以在必要时采用其中晶体管的数量增加的5Tr或更多Tr的构造。
[堆叠结构]
如图3所示，具有上述构造的根据本实施方案的CMOS图像传感器1可以设定为具有所谓堆叠结构的图像传感器，在该结构中，至少对应于第一半导体基板41和第二半导体基板42的两个半导体基板(芯片)被堆叠。此外，根据本实施方案的CMOS图像传感器1可以具有背面照射型像素结构，在该结构中，当将其上放置有配线层的基板表面设定为正表面(正面)时，获得从位于相反侧的背面侧照射的光。
在具有堆叠结构的CMOS图像传感器1中，在第一层中的第一半导体基板41上形成像素阵列单元11，该像素阵列单元通过以矩阵形式布置具有背面照射型像素结构的单位像素2而获得。此外，在第二层中的第二半导体基板42上形成诸如行选择单元12、负载MOS单元13、列放大器单元14、采样保持单元15、模数转换单元16、存储单元17、数据处理单元18、输出单元19和时序控制器20等电路部分。此外，第一层中的第一半导体基板41和第二层中的第二半导体基板42通过过孔(VIA)43电连接。
根据具有该堆叠结构的CMOS图像传感器1，第一半导体基板41仅需要具有能够形成像素阵列单元11的尺寸(面积)，且因此，可以不仅减小第一层中的第一半导体基板41的尺寸(面积)，而且减小整个芯片的尺寸。此外，适于制造单位像素2的工艺能够应用于第一层中的第一半导体基板41，且适于制造电路部件的工艺能够应用于第二层中的第二半导体基板42。因此，在CMOS图像传感器1的制造中，存在能够优化工艺的优势。
注意，这里，图示了其中堆叠有第一半导体基板41和第二半导体基板42的两层结构的堆叠结构。然而，堆叠结构不限于两层结构，而可以采用三层或更多层的结构。此外，在三层或更多层的堆叠结构的情况下，诸如行选择单元12、负载MOS单元13、列放大器单元14、采样保持单元15、模数转换单元16、存储单元17、数据处理单元18、输出单元19和时序控制器20等电路部件可以分布式地形成在第二以及后续半导体基板上。
此外，在上面的示例中，以将本发明应用于具有堆叠结构的CMOS图像传感器1的情况为例进行说明。然而，本公开的技术不限于应用于具有堆叠结构的CMOS图像传感器1。即，本公开的技术能够还应用于所谓的平置结构型CMOS图像传感器，在该平置结构中，诸如行选择单元12、负载MOS单元13、列放大器单元14、采样保持单元15、模数转换单元16、存储单元17、数据处理单元18、输出单元19和时序控制器20等电路部件形成在与像素阵列单元11相同的半导体基板上。
[关于1AD时间]
这里，将给出在例如单斜率型模数转换器被用作模数转换单元16的模数转换器的情况下的1AD时间的说明。1AD时间是一次的像素信号读取和模数转换时间。
这里，将通过对不具有列放大器单元14的电路构造的情况与具有列放大器单元14的电路构造的情况进行比较来说明1AD时间。此外，在任一电路构造中，将给出不设有应用有本公开的技术的采样保持单元15的情况的说明。
(不具有列放大器单元的电路构造)
首先，将给出具有不包括列放大器单元14的电路构造的CMOS图像传感器的1AD时间的说明。图4图示了具有不包括列放大器单元的电路构造的CMOS图像传感器的一个像素列的构造。
单斜率型模数转换器161具有包括比较器1611和计数器1612的电路构造。在单斜率型模数转换器161中，使用电压值随时间逐渐变化的所谓斜坡(RAMP)波形(斜率波形)参考电压。斜坡波形的参考电压由参考电压生成器162生成。参考电压生成器162能够使用例如数字模拟转换(DAC：Digital-Analog Conversion)电路构造。
比较器1611将从单位像素2读取的像素信号用作比较输入，将由参考电压生成器162生成的参考电压用作参考输入，且比较这两个输入。然后，在比较器1611中，例如，在参考电压大于像素信号时，输出处于第一状态(例如，高电平)，且在参考电压小于或等于像素信号时，输出处于第二状态(例如，低电平)。以此方式，比较器1611的输出信号变为具有与像素信号的电平对应的脉宽的脉冲信号。
在与开始向比较器1611提供参考电压的时刻相同的时刻，将时钟信号给到计数器1612。然后，计数器1612通过与时钟信号同步地进行计数操作来测量比较器1611的输出脉冲的脉宽的时间段，即从比较操作开始至比较操作结束的时间段。计数器1612的计数结果(计数值)变为通过对模拟像素信号进行数字化而获得的数字值。
如上所述，在将单斜率型模数转换器161用作模数转换器的模数转换单元16中，生成具有逐渐变化的模拟值的参考电压，且从直至参考电压和信号电压之间的大小关系发生变化为止的时间信息中获得数字信号值。
像素信号包括：P相信号(复位信号)，其对应于单位像素2在复位期间输出的黑电平(复位电平)；和D相信号(数据信号)，其对应于单位像素2在光电转换期间输出的信号电平。然后，在CMOS图像传感器中，对于一次读取像素信号，在通常进行的处理中，首先对P相信号进行模数转换，然后对D相信号进行模数转换，此后获得两个信号之间的差值。获取P相信号和D相信号之间的差值的处理是被称为相关双采样(CDS：correlated doublesampling)的降噪处理。
图5A图示了不具有列放大器单元的CMOS图像传感器中的模数转换的时序图和参考电压的斜率波形。在图5A中，RST表示单位像素2的复位时间段，P_settling表示P相信号的稳定时间段，P_count表示P相信号的模数转换时间段，且TRG表示单位像素2中的D相信号的传输时间段(即，传输晶体管22的导通时间段)。此外，电平判定表示像素信号的电平判定时间段，D_settling表示D相信号的稳定时间段，且D_count表示D相信号的模数转换时间段。
从图5A明显看出，在单斜率型模数转换器161中，1AD时间的大部分被来自单位像素2的输入信号的稳定时间段(P_settling、D_settling)和计数器1612的计数时间段(P_count、D_count)占据。
(具有列放大器单元的电路构造)
接着，将给出具有包括列放大器单元14的电路构造的CMOS图像传感器的1AD时间的说明。图6图示了具有包括列放大器单元的电路构造的CMOS图像传感器的一个像素列的构造。
列放大器单元14具有包括反相放大器141、电平判定电路142、逻辑或(OR)电路143、输入电容器C1、输出电容器C2、至少两个反馈电容器C3和C4、自动归零开关SW1和增益选择器开关SW2的电路构造。从单位像素2输出的像素信号经由输入电容器C1输入至反相放大器141。反相放大器141能够采用各种形式。作为典型示例，可以使用图6所示的N型MOS输入源接地运算放大器。
输出电容器C2连接在反相放大器141的输出端与参考电位(例如，地)的节点之间。自动归零开关SW1连接在反相放大器141的输入端与输出端之间，并且响应于从时序控制器20(参照图1)给出的控制信号AZ而接通(闭合)以在反相放大器141的输入端与输出端之间有选择性地短路。即，控制信号AZ是初始化列放大器单元14的自动归零信号。
反馈电容器C3连接在反相放大器141的输入端与输出端之间。反馈电容器C4经由增益选择器开关SW2有选择性地并联连接至反馈电容器C3。电平判定电路142将反相放大器141的输出电压与从外部提供的参考电压Vref进行比较，并且将它们的电平判定结果用作OR电路143的一个输入。此外，电平判定电路142的电平判定结果还提供到数据处理单元18。OR电路143将控制信号AZ用作另一个输入，并且根据输出进行增益选择器开关SW2的接通/断开控制。
在如上所述地构造的自适应增益型列放大器单元14中，在一系列操作开始时使控制信号AZ有效，且当自动归零开关SW1接通(闭合)时，反相放大器141的输入和输出端被短路，且反相放大器141被初始化。然后，在反相放大器141的操作点被确定的同时，像素复位期间的垂直信号线32的电位与反相放大器141的操作点之间的电压差值被保持在输入电容器C1中，且直流(DC)偏置被吸收。以此方式，列放大器单元14相对于从自动归零状态(初始化状态)的变化量进行操作。此外，同时，反馈电容器C3和反馈电容器C4复位。
列放大器单元14的增益由输入电容器C1与反馈电容器C3和C4的比确定。在高增益模式下，增益选择器开关SW2处于断开(开路)状态，且增益是C1/C3。在低增益模式下，增益选择器开关SW2处于接通(闭合)状态，且增益是C1/(C3+C4)。
在增益选择器开关SW2在自动归零(AZ：auto zero)时间段内接通后，增益选择器开关SW2在P相信号的稳定期间断开。在用于在单位像素2内传输D相信号的传输晶体管22的导通时间段(TRG时间段)内，当D相信号稳定到一定程度时，电平判定电路142将列放大器单元14的输出电压与参考电压Vref进行比较，从而区分D相信号的明暗。当确定D相信号为明(高照度)的时，电平判定电路142的输出对应于高电平。因此，增益选择器开关SW2被接通。
列放大器单元14的响应速度在一定程度上受限于针对降噪而设置的输出电容器C2。因此，在P相信号的稳定时间段和D相信号的稳定时间段内，不仅进行垂直信号线32的电位的稳定，而且进行列放大器单元14的稳定。
在列放大器单元14中，在CDS期间，对于P相信号或暗(低照度)D相信号，放大器增益增大，且对于明(高照度)D相信号，放大器增益通过AGC功能自动减小，从而调节从单位像素2中输出的像素信号的电平。即，列放大器单元14能够在至少两种类型的增益之间切换。图7A图示了列放大器单元14的输入与模数转换单元16的输出之间的关系。
这里，因为明D相信号包含大的光散粒噪声且量子化误差被隐藏其中，所以能够降低模数转换的分辨率。此外，在P相信号或暗D相信号中，通过模数转换后在数据处理单元18中根据电平判定电路142的电平判定结果进行压缩处理来使列放大器单元14中的信号的放大量线性化，并且生成图像。因此，即使当模数转换单元16的分辨率降低时，也能够保持最终的分辨率。因此，通过设置具有AGC功能的列放大器单元14，能够降低模数转换单元16的分辨率。图7B图示了列放大器单元14的输入与线性化后的输出之间的关系。
此外，在使用单斜率型模数转换器161的模数转换单元16中，如图5B所示，能够特别缩短D相信号的模数转换时间D_count，且因此，能够缩短1AD时间。此外，出于类似原因，由于减小了模数转换单元16所需的噪声量，因此能够减小受到噪声的大小影响的电路规模。因此，可以减小模数转换单元16的面积或功率，且可以将减小的量分配给列放大器单元14。在图5B中，AZ表示其中列放大器单元14被初始化的自动归零时间段。
如上所述，根据具有列放大器单元14的CMOS图像传感器，当在列放大器单元14中自适应调节增益时，如从图5B中明显看出，可以缩短D相信号的模数转换时间D_count，且因此，可以缩短1AD时间。然而，即使能够缩短D相信号的模数转换时间D_count，剩余计数器1612的计数时间和输入信号的稳定时间依然保留。因此，为了缩短1AD时间，当仅设有列放大器单元14时存在限制。
[关于采样保持单元]
因此，根据本实施方案的CMOS图像传感器1采用这样的构造：应用本公开的技术的采样保持单元15设在列放大器单元14和模数转换单元16之间。采样保持单元15具有用于保持像素信号的至少三个电容器，并且并行地进行：到一个电容器的像素信号的提取以及提取至另一电容器的图像信号的向着模数转换单元16的输出。
采样保持单元15能够暂时保持通过列放大器单元14的像素信号。以此方式，在完成稳定后，列放大器单元14的输出电压保持在采样保持单元15的电容器中，而列放大器单元14能够立即切换到后续的输入信号提取和稳定。然后，在列放大器单元14提取后续的输入信号的同时，模数转换单元16对保持在采样保持单元15中的电压信号进行模数转换。
以此方式，通过并行地进行稳定和模数转换，能够缩短有效的1AD时间，且因此，可以缩短包括模数转换的实质像素信号读取时间。因此，可以提高帧速率。此外，在帧速率相同情况下(在帧速率未被提高的情况下)，能够增大不进行读取和模数转换的消隐(blank)时间段，且因此，能够减小平均能耗。
此外，可以增加并行操作的模数转换单元16的数量，以增大帧速率。然而，当通过本公开的技术缩短读取和模数转换时间时，可以减少并行操作的模数转换单元16的数量。因此，能够减小CMOS图像传感器1的面积，且能够降低成本。
下面将说明应用本公开的技术的采样保持单元15的具体实施例。注意，在下文中，在单位像素2在时间序列上先后输出的两个像素信号中，当将先输出的像素信号设定为奇数(奇数行)像素信号且将后输出的像素信号设定为偶数(偶数行)像素信号时，将各像素信号的P相和D相称为奇数P相信号和D相信号，以及偶数P相信号和D相信号。
(实施例1)
实施例1是采样保持单元15包括四个用于保持像素信号的电容器的实施例。在实施例1中，类似于图6所示的电路构造的情况，将N型MOS输入源接地运算放大器用作列放大器单元14的反相放大器141，且将单斜率型模数转换器用作模数转换单元16的模数转换器161。例如，采样保持单元15包括针对各像素列设置的一组多个采样保持电路151。此外，针对各像素列设置的采样保持电路151各者具有四个用于保持像素信号的电容器。图8图示了根据实施例CMOS图像传感器的一个像素列的构造。
如图8所示，针对各像素列设置的采样保持电路151包括总计四个电容器Cs_P_odd、Cs_D_odd、Cs_P_even和Cs_D_even，这四个电容器对应于保持奇数P相信号和D相信号用的两个电容器Cs_P_odd和Cs_D_odd和保持偶数P相信号和D相信号用的两个电容器Cs_P_even和Cs_D_even。四个电容器Cs_P_odd，Cs_D_odd、Cs_P_even和Cs_D_even各自的一端连接至参考电位(例如，接地)的节点。
开关SWin_P_odd和开关SWin_D_odd连接在采样保持电路151的电路输入端与两个电容器Cs_P_odd和Cs_D_odd各自的另一端之间。此外，开关SWin_P_even和开关SWin_D_even连接在采样保持电路151的电路输入端与两个电容器Cs_P_even和Cs_D_even各自的另一端之间。
开关SWout_P_odd和开关SWout_D_odd连接在两个电容器Cs_P_odd和Cs_D_odd各自的另一端与采样保持电路151的电路输出端之间。此外，开关SWout_P_even和开关SWout_D_even连接在两个电容器Cs_P_even和Cs_D_even各自的另一端与采样保持电路151的电路输出端之间。
采样保持电路151包括连接在电路输出端与参考电位(例如，接地)的节点之间的复位开关SWout_Reset。复位开关SWout_Reset复位采样保持电路151的电路输出端的电位，该电路输出端即是将像素信号输出至模数转换单元16(模数转换器161)的电路输出端。
在具有上述电路构造的采样保持电路151中，输入侧的开关SWin_P_odd、SWin_D_odd、SWin_P_even和SWin_D_even，输出侧的开关SWout_P_odd、SWout_D_odd、SWout_P_even和SWout_D_even，和复位开关SWout_Reset的接通/断开由图1的时序控制器20控制。
此外，从列放大器单元14输出的奇数P相信号经由开关SWin_P_odd保持在电容器Cs_P_odd中，且奇数D相信号经由开关SWin_D_odd保持在电容器Cs_D_odd中。从列放大器单元14输出的偶数P相信号经由开关SWin_P_even保持在电容器Cs_P_even中，且偶数D相信号经由开关SWin_D_even保持在电容器Cs_D_even中。
接着，将参照图9的时序波形图给出包括具有上述电路构造的采样保持电路151的根据本实施方案的CMOS图像传感器1的电路操作，主要是采样保持电路151的电路操作的说明。在时序控制器20的控制下执行电路操作。
图9的时序波形图图示了信号处理***的前段部分(即，列放大器单元14+采样保持电路151)的时序图，以及信号处理***的后段部分(即，采样保持电路151+模数转换器161)的时序图。此外，该图图示了列放大器单元14的输入Input、电平判定电路142的输出、列放大器单元14的输出Output、采样保持电路151的输出、参考电压和控制信号AZ的相应波形。此外，该图图示了奇数SWin_P_odd、SWin_D_odd、SWout_P_odd和SWout_D_odd，偶数SWin_P_even、SWin_D_even、SWout_P_even和SWout_D_even、以及复位开关SWout_Reset的接通/断开状态。
在采样保持电路151中，首先顺序地接通输入侧的开关SWin_P_odd和开关SWin_D_odd，且将奇数P相信号和D相信号提取且保持在奇数电容器Cs_P_odd和Cs_D_odd中。然后，在提取奇数P相信号和D相信号的同时，顺序地接通输出侧的开关SWout_P_even和开关SWout_D_even，且将前一操作周期内保持在偶数电容器Cs_P_even和Cs_D_even中的偶数P相信号和D相信号顺序地输出至模数转换器161。
类似地，首先，顺序地接通输入侧的开关SWin_P_even和开关SWin_D_even，且将偶数P相信号和D相信号提取且保持在偶数电容器Cs_P_even和Cs_D_even中。然后，在提取偶数P相信号和D相信号的同时，顺序地接通输出侧的开关SWout_P_odd和开关SWout_D_odd，且将前一操作周期内保持在奇数电容器Cs_P_odd和Cs_D_odd中的奇数P相信号和D相信号顺序地输出至模数转换器161。
在这样的基本操作中，依次逐个接通输出侧的开关SWout_P_odd、SWout_D_odd、SWout_P_even和SWout_D_even。然而，从断开每个开关时直至接通后续的开关为止，在短时间段内接通复位开关SWout_Reset。通过复位开关SWout_Reset的该作用，使累积在采样保持电路151的输出配线的寄生电容器或模数转换器161的输入寄生电容器中的电荷被复位一次，使得可以防止传输至模数转换器161的各信号的历史与后续传输的信号混合。
如上所述，在具有位于列放大器单元14和模数转换单元16之间的采样保持单元15的CMOS图像传感器1中，列放大器单元14的输出电压能够由采样保持单元15暂时保持。以此方式，在完成稳定后，列放大器单元14的输出电压保持在采样保持单元15的电容器中，而列放大器单元14能够立即切换到后续的输入信号提取和稳定。然后，在列放大器单元14提取后续的输入信号的同时，模数转换单元16对保持在采样保持单元15中的电压信号进行模数转换。
以此方式，通过并行地进行稳定和模数转换，能够缩短有效的1AD时间。在稳定时间和模数转换时间相同的情况下，缩短1AD时间的效果最高，且当与不并行地进行稳定和模数转换的情况相比时，能够将1AD时间减少至几乎一半。
当采样和保持信号时，会产生kT/C噪声。然而，在根据本实施方案的CMOS图像传感器1中，通过使用列放大器单元14的AGC操作能够抑制它的影响。对于P相信号和暗D相信号，列放大器单元14处于高增益模式，且因此，能够在输入方面抑制采样保持单元15的kT/C噪声。其原因可以如下。当模数转换后通过使用数据处理单元18进行压缩处理来使列放大器单元14中的信号的放大量线性化时，也会压缩和减小kT/C噪声。另一方面，对于明D相信号，列放大器单元14处于低增益模式，且因此，对于采样保持单元15的kT/C噪声，可能无法获得上述效果。然而，因为明D相信号包含大的光散粒噪声，所以kT/C噪声被隐藏其中，且不是问题。
基于相同的原则，能够使用列放大器单元14的AGC操作来降低模数转换的分辨率。此外，由于小了模数转换单元16所需的噪声量，因此能够减小模数转换单元16的能耗和面积且能够用于其他模块。
(实施例2)
实施例2是实施例1的变型例，并且是反相放大器141包括P型MOS输入源接地运算放大器的示例。图10图示了根据实施例2的CMOS图像传感器的一个像素列的构造。
列放大器单元14的反相放大器141能够采用各种形式。在实施例1中，将N型MOS输入源接地运算放大器用作反相放大器141。另一方面，在实施例2中，将P型MOS输入源接地运算放大器用作反相放大器141。以此方式，即使在将P型MOS输入源接地运算放大器用作反相放大器141的情况下，也可以获得与使用N型MOS输入源接地运算放大器的实施例1相同的操作和效果。
(实施例3)
实施例3是实施例1的变型例，并且是将反相放大器141的输入用作电平判定电路142的输入的示例。图11图示了根据实施例3的CMOS图像传感器的一个像素列的构造。
在实施例1中，将反相放大器141的输出(即，列放大器单元14的输出)用作电平判定电路142的输入。另一方面，在实施例3中，将反相放大器141的输入(即，列放大器单元14的输入)用作电平判定电路142的输入。以此方式，即使在将反相放大器141的输入用作电平判定电路142的输入的情况下，也可以获得与实施例1相同的操作和效果。实施例3的技术还能够应用于实施例2。
(实施例4)
实施例4是实施例1的变型例，并且是列放大器单元14的反馈电容器C3和C4的电容值被设定为可变的示例。图12图示了根据实施例4的CMOS图像传感器的一个像素列的构造。
在实施例1中，列放大器单元14的反馈电容器C3和C4的电容值被设定为固定。另一方面，在实施例4中，将可变的电容器用作列放大器单元14的反馈电容器C3和C4，且反馈电容器C3和C4的电容值被设定为可变。以此方式，通过将反馈电容器C3和C4的电容值设定为可变，可以在列放大器单元14中设定更精细的增益。实施例4的技术还能够应用于实施例2和实施例3。
(实施例5)
实施例5是实施例1的变型例，并且是具有多个电平判定电路142的示例。图13图示了根据实施例5的CMOS图像传感器的一个像素列的构造。
在实施例1中，设有一个电平判定电路142，且电平判定电路142的判定输出被设定为1比特。另一方面，在实施例5中，设有多个电平判定电路142。相应地，具有不同电压值的多个参考电压Vref被提供给多个电平判定电路142中的各者，且从多个电平判定电路142中输出多个比特的电平判定结果。此外，对应于多个电平判定电路142设置有多个OR电路143、反馈电容器C4、和增益选择器开关SW2。
如上所述，当列放大器单元14包括多个电平判定电路142，且电平判定结果被设定为具有多个比特时，可以更精细地控制自适应增益。实施例5的技术还能够应用于实施例2、实施例3和实施例4。
(实施例6)
实施例6是采样保持单元15包括三个用于保持像素信号的电容器的示例。图14图示了根据实施例6的CMOS图像传感器的一个像素列的构造。
如图14所示，采样保持单元15的多个采样保持电路151中的每者包括三个电容器Cs1、Cs2和Cs3作为用于保持像素信号的电容器。三个电容器Cs1、Cs2和Cs3每者的一端连接至参考电位(例如，接地)的节点。
三个开关SWin1、SWin2和SWin3连接在采样保持电路151的电路输入端与三个电容器Cs1、Cs2和Cs3各自的另一端之间。此外，三个开关SWout1、SWout2和SWout3连接在三个电容器Cs1、Cs2和Cs3各自的另一端与采样保持电路151的电路输出端之间。
图15图示了用于对根据实施例6的CMOS图像传感器的电路操作进行说明的时序图。图15分别图示了信号处理***的前段部分(即，列放大器单元14+采样保持电路151)的时序图，以及信号处理***的后段部分(即，采样保持电路151+模数转换器161)的时序图。
在图15所示的时序图的情况下，P相信号的模数转换时间段P_count不与从D相信号的传输时间段TRG至D相信号的稳定时间段D_settling的时间段重叠。以此方式，在P_count的时间段不与从TRG至D_settling的时间段重叠的时序的情况下，紧接在P相信号的模数转换完成后，电容器Cs1能够用于紧随的D相信号的稳定。
该说明意味着：通过三个电容器Cs1、Cs2和Cs3，能够实现与四个电容器Cs_P_odd、Cs_D_odd、Cs_P_even和Cs_D_even的情况(即，实施例1的情况)类似的模数转换操作。此外，在这种情况下，三个电容器Cs1、Cs2和Cs3各者所用的偶数/奇数P相/D相信号中的信号每次都会发生变化。
类似于实施例1的情况，诸如实施例2，实施例3，实施例4或实施例5等变型例能够应用于实施例6。
(实施方案的变型例)
在上述的实施方案中，将应用于通过以矩阵形式布置单位像素2而形成的CMOS图像传感器的情况作为示例进行说明。然而，本公开的技术不限于应用于CMOS图像传感器。即，本公开的技术能够应用于通过以矩阵形式二维地布置单位像素2而形成的所有X-Y地址型固态摄像器件。
此外，本公开的技术不限于应用于对可见光的入射光量的分布进行检测且将该分布拍摄为图像的固态摄像器件，而是可应用于将红外线、X射线、粒子等的入射量的分布拍摄为图像的所有固态摄像器件。
(实施方案的应用例)
例如，上述的根据本实施方案的CMOS图像传感器1能够用于对诸如可见光、红外光、紫外光、X射线等光进行感测的各种装置，如图16所示。下面列出各种装置的具体示例。
·拍摄鉴赏用图像的装置，诸如数码相机和具有相机功能的移动装置等
·交通领域用的装置，诸如对汽车的前方、后方、周围、内部等的图像进行拍摄以用于诸如自动停车等安全驾驶或驾驶员状况识别的车内传感器、对行驶车辆或道路进行监控的监控相机、对车辆之间距离进行测量的测距传感器等
·家用电子产品领域用的装置，诸如对用户的手势的图像进行拍摄且根据该手势进行装置操作的电视接收器、冰箱和空调等
·医疗或保健领域用的装置，诸如内窥镜和通过接收红外光进行血管造影的装置等
·安保领域用的装置，诸如用于预防犯罪的监控相机和用于个人验证的相机等。
·美容领域用的装置，诸如对皮肤的图像进行拍摄的皮肤测量仪器和对头皮的图像进行拍摄的显微镜等
·运动领域用的装置，诸如动作相机或运动用途用的可穿戴相机等
·农业领域用的装置，诸如用于监视农田或农作物的状况的相机等
<本公开的技术的应用例>
本公开的技术能够应用于各种产品。以下，将说明更具体的应用例。
[本公开的电子设备]
这里，将给出本发明应用于电子设备的情况的说明，该电子设备诸如是摄像装置(例如，数码照相机和摄像机等)、具有摄像功能的移动终端装置(例如，移动电话等)、和在图像读取器中使用固态摄像器件的复印机等。
图17是图示了作为本公开的电子设备的示例的摄像装置的构造的框图。如图17所示，根据本示例的摄像装置50包括：包括透镜组等的成像光学***51、成像单元52、DSP电路53、帧存储器54、显示装置55、记录装置56、操作***57和电源***58等。此外，在获得的构造中，DSP电路53、帧存储器54、显示装置55、记录装置56、操作***57和电源***58经由总线59彼此连接。
成像光学***51获取来自被摄体的入射光(图像光)，并且在成像单元52的成像面上形成图像。成像单元52针对各像素将通过成像光学***51而在成像面上形成为图像的入射光的量转换成电信号，并且将该电信号输出为像素信号。DSP电路53例如进行常规相机信号处理，诸如白平衡处理、去马赛克处理和伽马校正处理等。
帧存储器54用于在DSP电路53的信号处理期间适当地存储数据。显示装置55包括平面型显示装置，诸如液晶显示装置和有机电致发光(EL：electroluminescence)显示装置等，并且显示由成像单元52拍摄的动态图像或静态图像。记录装置56将由成像单元52拍摄的动态图像或静态图像记录在诸如便携式半导体存储器、光盘和硬盘驱动器(HDD：harddisk drive)等记录介质上。
操作***57在用户的操作下发出针对摄像装置50的各种功能的操作指令。电源***58将用作DSP电路53、帧存储器54、显示装置55、记录装置56和操作***57的操作电源的各种电源适当地提供给这些供电对象。
这样的摄像装置50应用于摄像机或数码照相机的相机模块，以及诸如智能手机和移动电话等移动装置。此外，在该摄像装置50中，根据上述实施方案的CMOS图像传感器能够用作成像单元52。因此，可以缩短与一次像素信号读取和模数转换时间对应的1AD时间，且因此，这能够有助于例如加速成像操作。
[移动体的应用例]
此外，例如，本公开的技术可以实现为安装在任何类型的移动体上的装置，移动体诸如是汽车、电车、混动车、摩托车、自行车、个人移动设备、飞机、无人机、船舶和机器人等。
图18是图示了作为能够应用本公开的技术的移动体控制***的示例的车辆控制***的示意性构造例的框图。
车辆控制***12000包括经由通信网络12001连接的多个电子控制单元。在图18所示的示例中，车辆控制***12000包括驱动***控制单元12010、车体***控制单元12020、车外信息检测单元12030、车内信息检测单元12040和集成控制单元12050。此外，将微计算机12051、声音图像输出单元12052和车载网络接口(I/F：interface)12053图示为集成控制单元12050的功能构造。
驱动***控制单元12010根据各种程序来控制与车辆的驱动***相关的装置的操作。例如，驱动***控制单元12010起到下列部件的控制装置的作用：诸如内燃机和驱动电机等的驱动力产生器，其用于产生车辆的驱动力；驱动力传输机构，其用于将驱动力传输至车轮；转向机构，其用于对车辆的转向角度进行调整；和制动装置，其用于产生车辆制动力。
车体***控制单元12020根据各种程序来控制安装到车体的各种装置的操作。例如，车体***控制单元12020起到控制无钥匙进入***、智能钥匙***、电动窗装置或诸如车头灯、车尾灯、刹车灯、方向灯和雾灯等各种灯的控制装置的作用。在这种情况下，从取代钥匙的便携式装置传输的电波或来自各种开关的信号可以输入至车体***控制单元12020。车体***控制单元12020接收输入的这些电波或信号，且控制车辆的锁门装置、电动窗装置、灯等。
车外信息检测单元12030检测其上安装有车辆控制***12000的车辆的外部的信息。例如，成像单元12031连接至车外信息检测单元12030。车外信息检测单元12030使成像单元12031对车辆的外部的图像进行拍摄，并且接收拍摄的图像。车外信息检测单元12030可以根据接收的图像进行人、车、障碍物、标识或道路上的标记等的物体检测处理或距离检测处理。
成像单元12031是光传感器，光传感器接收光且输出与接收的光量对应的电信号。成像单元12031能够将电信号输出为图像，或能够将电信号输出为距离检测信息。此外，成像单元12031所接收的光可以是可见光，或诸如红外线等不可见光。
车内信息检测单元12040检测车辆内部的信息。例如，检测驾驶员状态的驾驶员状态检测器12041连接至车内信息检测单元12040。驾驶员状态检测器12041包括例如对驾驶员的图像进行拍摄的相机，且车内信息检测单元12040可以根据从驾驶员状态检测器12041输入的检测信息来计算驾驶员的疲劳程度或精力集中度，且可以判断驾驶员是否已经入睡。
微计算机12051能够根据车外信息检测单元12030或车内信息检测单元12040获取的车辆内外的信息来计算驱动力产生器、转向机构或制动装置的控制目标值，并且将控制指令输出至驱动***控制单元12010。例如，微计算机12051能够进行为了实现先进驾驶辅助***(ADAS：advanced driver assistance system)功能的协作控制，ADAS功能包括避免车辆碰撞或减缓车辆冲击、基于车间距的跟车行驶、车速保持行驶、车辆碰撞警告、车道偏离车道警告等。
此外，微计算机12051能够通过根据由车外信息检测单元12030或车内信息检测单元12040获取的车辆周围信息来控制驱动力产生器、转向机构或制动装置等，由此可以在不依赖于驾驶员操作的情况下对用于自主行驶的自动驾驶等进行协作控制。
此外，微计算机12051能够根据由车外信息检测单元12030获取的车辆外部信息将控制指令输出到车体***控制单元12020。例如，微计算机12051能够根据由车外信息检测单元12030检测到的前行车辆或对向车辆的位置来控制车头灯，并且为了防止炫光而进行诸如将远光灯切换为近光灯等协作控制。
声音图像输出单元12052将声音和图像中的至少一者的输出信号传输至输出装置，该输出装置能够在视觉或听觉上将信息报告到车辆的乘客或车辆的外部。在图18的示例中，将音频扬声器12061、显示单元12062和仪表盘12063图示为输出装置。例如，显示单元12062可以包括车载显示装置和平视显示装置中的至少一者。
图19图示了成像单元12031的安装位置的示例。
在图19中，作为成像单元12031包括成像单元12101、12102、12103、12104和12105。
例如，成像单元12101、12102、12103、12104和12105设置在车辆12100的诸如前鼻、侧视镜、后保险杠、后门以及车厢内挡风玻璃上部的位置等。设置到前鼻的成像单元12101和设置到车厢内挡风玻璃上部的成像单元12105主要获取车辆12100前面的图像。设置到侧视镜的成像单元12102和12103主要获取车辆12100侧面的图像。设置到后保险杠或后门的成像单元12104主要获取车辆12100后面的图像。设置到车厢内挡风玻璃上部的成像单元12105主要用于检测前行车辆、行人、障碍物、交通信号灯、交通标识、车道等。
注意，图17图示了成像单元12101至12104的成像范围的示例。成像范围12111表示设置到前鼻的成像单元12101的成像范围，成像范围12112和12113分别表示设置到侧视镜的成像单元12102和12103的成像范围，成像范围12114表示设置到后保险杠或后门的成像单元12104的成像范围。例如，通过将成像单元12101至12104拍摄的图像数据叠加，获得从上方观察到的车辆12100的俯瞰图像。
成像单元12101至12104中的至少一者可以具有获取距离信息的功能。例如，成像单元12101至12104中的至少一者可以对应于包括多个摄像装置的立体相机，或对应于具有用于相位差检测的像素的摄像装置。
例如，微计算机12051能够根据从成像单元12101至12104获得的距离信息来获得与成像范围12111至12114内的各三维(3D)物体之间的距离以及该距离的时域变化(相对于车辆12100的相对速度)，由此将特别是存在于车辆12100的行驶路径上且以预定的速度(例如，大于0千米/小时)在与车辆12100大致相同的方向上行驶的最接近的三维物体提取为前行车辆。此外，微计算机12051能够预先设定要确保的与前行车辆之间的跟车距离，并且进行自动制动控制(包括跟车停止控制)、自动加速控制(包括跟车起步控制)等。以此方式，可以在不依赖于驾驶员操作的情况下对用于自主行驶的自动驾驶等进行协作控制。
例如，微计算机12051能够根据从成像单元12101至12104获得的距离信息将与3D物体相关的3D数据分类成两轮车、标准尺寸车辆、大型车辆、行人、和诸如电线杆等其他3D物体，提取3D数据，且将3D数据用于自动避开障碍物。例如，微计算机12051将车辆12100周围的障碍物区分为车辆12100的驾驶员可视觉识别的障碍物和难以视觉识别的障碍物。然后，微计算机12051能够确定碰撞风险，该风险表示与各障碍物碰撞的风险。在碰撞风险高于或等于设定值且存在碰撞可能性的情形下，微计算机12051能够通过经由音频扬声器12061或显示单元12062向驾驶员输出警告，或经由驱动***控制单元12010进行强制减速或回避转向，来进行避免碰撞的驾驶辅助。
成像单元12101至12104中的至少一者可以是检测红外线的红外相机。例如，微计算机12051能够通过判断在成像单元12101至12104的拍摄图像中是否存在行人来识别行人。例如，通过如下步骤进行行人识别：在作为红外相机的成像单元12101至12104的拍摄图像中提取特征点；通过对表示物体轮廓的一系列特征点进行模式匹配处理来判断该物体是否是行人。当微计算机12051确定在成像单元12101至12104的拍摄图像中存在行人且识别出行人时，声音图像输出单元12052控制显示单元12062使得用于强调的方形轮廓线叠加在识别出的行人上。此外，声音图像输出单元12052可以控制显示单元12062使得在期望位置处显示表示行人的图标等。
至此，已经给出了能够应用本公开的技术的车辆控制***的示例的说明。本公开的技术能够应用于例如上述构造中的成像单元12031或驾驶员状态检测器12041。具体地，例如，图1的CMOS图像传感器1能够应用于成像单元12031或驾驶员状态检测器12041。通过将本公开的技术应用于成像单元12031或驾驶员状态检测器12041，可以缩短与一次像素信号读取和模数转换时间对应的1AD时间，且因此，这能够有助于例如加速检测车辆外部和内部信息的操作。
<本公开能够采用的构造>
注意，本公开能够采用下面的构造。
<<A.固态摄像器件>>
[A-1]一种固态摄像器件，其包括：
像素阵列单元，在所述像素阵列单元中以矩阵形式布置多个单位像素，各所述多个单位像素包括光电转换单元，
放大器单元，所述放大器单元调节通过垂直信号线从所述单位像素输出的像素信号的电平，所述垂直信号线设置成对应于所述像素阵列单元的列布置，
采样保持单元，所述采样保持单元采样和保持通过所述放大器单元的像素信号，和
模数转换单元，所述模数转换单元将从所述采样保持单元输出的像素信号转换成数字信号，
其中，所述采样保持单元包括用于保持像素信号的至少三个电容器，并且并行地进行：到一个电容器的所述像素信号的提取以及提取至另一电容器的图像信号的向着所述模数转换单元的输出。
[A-2]根据[A-1]项所述的固态摄像器件，
其中，形成有堆叠结构，在所述堆叠结构中，堆叠有至少第一半导体基板和第二半导体基板这两个半导体基板，
所述像素阵列单元形成在所述第一半导体基板上，且
所述采样保持单元形成在所述第一半导体基板以外的半导体基板上。
[A-3]根据[A-1]项或[A-2]项所述的固态摄像器件，
其中，所述像素信号包括单位像素在复位期间输出的复位信号和单位像素在光电转换期间输出的数据信号，且
所述采样保持单元包括相对于单位像素在时间序列上先后输出的两个所述像素信号的总计四个电容器，所述四个电容器是用于一个所述像素信号的所述复位信号和所述数据信号的两个电容器和用于另一图像信号的所述复位信号和所述数据信号的两个电容器。
[A-4]根据[A-1]项至[A-3]项中任一项所述固态摄像器件，其中，所述采样保持单元包括复位开关，所述复位开关使将像素信号输出到所述模数转换单元的电路输出端的电位复位。
[A-5]根据[A-1]项至[A-4]项中任一项所述的固态摄像器件，其中，所述放大器单元包括自适应增益型放大器，所述自适应增益型放大器自适应地调节增益以获得恒定的信号电平。
[A-6]根据[A-5]项所述的固态摄像器件，其中，所述放大器单元能够在至少两种类型的增益之间切换。
[A-7]根据[A-6]项所述的固态摄像器件，其中，所述放大器单元包括电平判定电路，所述电平判定电路判定像素信号的电平，并且所述放大器单元根据所述电平判定电路的判定结果来切换所述增益。
[A-8]根据[A-7]项所述的固态摄像器件，还包括
数字信号处理单元，所述数字信号处理单元处理从所述模数转换单元输出的数字信号，
其中，所述数字信号处理单元根据所述电平判定电路的所述判定结果对所述数字信号进行电平调节。
[A-9]根据[A-8]项所述的固态摄像器件，其中，所述数字信号处理单元根据所述电平判定电路的所述判定结果对所述数字信号进行压缩处理。
<<B.电子设备>>
[B-1]一种电子设备，其包括：
固态摄像器件，所述固态摄像器件包括：
像素阵列单元，所述像素阵列单元中以矩阵形式布置多个单位像素，所述多个单位像素各者包括光电转换单元，
放大器单元，所述放大器单元调节通过垂直信号线从单位像素输出的像素信号的电平，所述垂直信号线设置成对应于所述像素阵列单元的列布置，
采样保持单元，所述采样保持单元采样和保持通过所述放大器单元的像素信号，和
模数转换单元，所述模数转换单元将从所述采样保持单元输出的像素信号转换成数字信号，
其中，所述采样保持单元包括用于保持像素信号的至少三个电容器，并且并行地进行：到一个电容器的像素信号的提取以及提取至另一电容器的图像信号的向着所述模数转换单元的输出。
[B-2]根据[B-1]项所述的电子设备，
其中，形成堆叠结构，在所述堆叠结构中，堆叠有至少第一半导体基板和第二半导体基板这两个半导体基板，
所述像素阵列单元形成在所述第一半导体基板上，且
所述采样保持单元形成在所述第一半导体基板以外的半导体基板上。
[B-3]根据[B-1]项或[B-2]项所述的电子设备，
其中，所述像素信号包括单位像素在复位期间输出的复位信号和单位像素在光电转换期间输出的数据信号，且
所述采样保持单元包括相对于单位像素在时间序列上先后输出的两个像素信号的总计四个电容器，所述四个电容器是用于一个像素信号的复位信号和数据信号用的两个电容器和用于另一图像信号的复位信号和数据信号用的两个电容器。
[B-4]根据[B-1]项至[B-3]项中任一项所述的电子设备，其中，所述采样保持单元包括复位开关，所述复位开关使将像素信号输出到所述模数转换单元的电路输出端的电位复位。
[B-5]根据[B-1]项至[B-4]项中任一项所述的电子设备，其中，所述放大器单元包括自适应增益型放大器，所述自适应增益型放大器自适应地调节增益以获得恒定的信号电平。
[B-6]根据[B-5]项所述的电子设备，其中，所述放大器单元能够在至少两种类型的增益之间切换。
[B-7]根据[B-6]项所述的电子设备，其中，所述放大器单元包括电平判定电路，所述电平判定电路判定像素信号的电平，并且所述放大器单元根据所述电平判定电路的判定结果切换增益。
[B-8]根据[B-7]项所述的电子设备，还包括
数字信号处理单元，所述数字信号处理单元处理从所述模数转换单元输出的数字信号，
其中，所述数字信号处理单元根据所述电平判定电路的判定结果对所述数字信号进行电平调节。
[B-9]根据[B-8]项所述的电子设备，其中，所述数字信号处理单元根据所述电平判定电路的判定结果对所述数字信号进行压缩处理。
附图标记的列表
1 CMOS图像传感器(固态摄像器件)
2 单位像素
11 像素阵列单元
12 行选择单元
13 负载MOS单元
14 列放大器单元
15 采样保持单元
16 模数转换单元
17 存储单元
18 数据处理单元
19 输出单元
20 时序控制器
21 光电二极管(光电转换单元)
22 传输晶体管
23 复位晶体管
24 放大晶体管
25 选择晶体管
31(311至31m) 像素驱动线
32(321至32n) 垂直信号线
151 采样保持电路
161 模数转换器

Claims (10)

1.一种固态摄像器件，其包括：
像素阵列单元，在所述像素阵列单元中以矩阵形式布置多个单位像素，各所述多个单位像素包括光电转换单元，
放大器单元，所述放大器单元调节通过垂直信号线从所述单位像素输出的像素信号的电平，所述垂直信号线设置成对应于所述像素阵列单元的列布置，
采样保持单元，所述采样保持单元采样和保持通过所述放大器单元的所述像素信号，和
模数转换单元，所述模数转换单元将从所述采样保持单元输出的所述像素信号转换成数字信号，
其中，所述采样保持单元包括用于保持所述像素信号的至少三个电容器，并且并行地进行：到一个电容器的所述像素信号的提取以及提取至另一电容器的图像信号的向着所述模数转换单元的输出。
2.根据权利要求1所述的固态摄像器件，
其中，形成有堆叠结构，在所述堆叠结构中，堆叠有至少第一半导体基板和第二半导体基板这两个半导体基板，
所述像素阵列单元形成在所述第一半导体基板上，且
所述采样保持单元形成在所述第一半导体基板以外的半导体基板上。
3.根据权利要求1所述的固态摄像器件，
其中，所述像素信号包括所述单位像素在复位期间输出的复位信号和所述单位像素在光电转换期间输出的数据信号，且
所述采样保持单元包括相对于所述单位像素在时间序列上先后输出的两个所述像素信号的总计四个电容器，所述四个电容器是用于一个所述像素信号的所述复位信号和所述数据信号的两个电容器和用于另一所述图像信号的所述复位信号和所述数据信号的两个电容器。
4.根据权利要求1所述的固态摄像器件，其中，所述采样保持单元包括复位开关，所述复位开关使将所述像素信号输出到所述模数转换单元的电路输出端的电位复位。
5.根据权利要求1所述的固态摄像器件，其中，所述放大器单元包括自适应增益型放大器，所述自适应增益型放大器自适应地调节增益以获得恒定的信号电平。
6.根据权利要求5所述的固态摄像器件，其中，所述放大器单元能够在至少两种类型的增益之间切换。
7.根据权利要求6所述的固态摄像器件，其中，所述放大器单元包括电平判定电路，所述电平判定电路判定所述像素信号的电平，并且所述放大器单元根据所述电平判定电路的判定结果来切换所述增益。
8.根据权利要求7所述的固态摄像器件，还包括
数字信号处理单元，所述数字信号处理单元处理从所述模数转换单元输出的所述数字信号，
其中，所述数字信号处理单元根据所述电平判定电路的所述判定结果对所述数字信号进行电平调节。
9.根据权利要求8所述的固态摄像器件，其中，所述数字信号处理单元根据所述电平判定电路的所述判定结果对所述数字信号进行压缩处理。
10.一种电子设备，其包括：
固态摄像器件，所述固态摄像器件包括：
像素阵列单元，在所述像素阵列单元中以矩阵形式布置多个单位像素，各所述多个单位像素包括光电转换单元，
放大器单元，所述放大器单元调节通过垂直信号线从所述单位像素输出的像素信号的电平，所述垂直信号线设置成对应于所述像素阵列单元的列布置，
采样保持单元，所述采样保持单元采样和保持通过所述放大器单元的所述像素信号，和
模数转换单元，所述模数转换单元将从所述采样保持单元输出的所述像素信号转换成数字信号，
其中，所述采样保持单元包括用于保持所述像素信号的至少三个电容器，并且并行地进行：到一个电容器的所述像素信号的提取以及提取至另一电容器的图像信号的向着所述模数转换单元的输出。
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