УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ И СПОСОБ ЕГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
IMAGE FORMING APPARATUS AND DRIVING METHOD THEREFOR

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству формирования изображений и способу его возбуждения.
Описание предшествующего уровня техники
Известны цифровые камеры с использованием CMOS-датчика изображений в качестве устройства формирования изображений. Известно устройство формирования изображений, которое применяет аналого-цифровое (AD) преобразование к пикселному сигналу, обеспечивая считывание сигнала на высокой скорости. Известна одна из технологий аналого-цифрового преобразования, в которой модуль сравнения сравнивает пикселный сигнал с зависимым от времени опорным сигналом (пилообразным сигналом) и обнаруживает данные после аналого-цифрового преобразования согласно амплитуде сигнала. Устройство формирования изображений, таким образом включающее в себя аналого-цифровой преобразователь, предположительно должно достигать высокоскоростного считывания и высокого разрешения.
С учетом оптического дробового шума пикселного сигнала необходимы только биты, достаточные для достижения SN-отношения. Согласно классификации на несколько уровней сигнала, высокоскоростное считывание и высокое разрешение может достигаться посредством уменьшения числа битов. Дополнительно, известен способ комбинирования компараторов и опорных сигналов согласно амплитудам сигнала (например, см. выложенную патентную заявку Японии № 2007-281987).
Технология в выложенной патентной заявке Японии № 2007-281987 использует множество компараторов. Соответственно, возникает проблема в том, что скорости реакции отличаются согласно изменению при изготовлении элементов, конфигурирующих компараторы, приводя ошибке в данных после аналого-цифрового преобразования. Кроме того, существует проблема увеличения площади схемы и потребления мощности.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно одному аспекту настоящего изобретения, устройство формирования изображений содержит пиксел для формирования сигнала посредством фотоэлектрического преобразования; схему сравнения для сравнения сигнала на основе пиксела с зависимым от времени опорным сигналом; счетную схему, выполняющую операцию подсчета до инверсии соотношения величин между сигналом на основе пиксела и зависимым от времени опорным сигналом; и схему выбора для задания зависимой от времени скорости изменения опорного сигнала согласно уровню сигнала на основе пиксела.
Дополнительные признаки настоящего изобретения будут очевидны из последующего описания примерных вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 - конфигурационная схема устройства формирования изображений согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.2 - схема, иллюстрирующая SN-отношение пикселного сигнала.
Фиг.3 - схема, иллюстрирующая пилообразные сигналы.
Фиг.4 - блок-схема модуля аналого-цифрового преобразования первого варианта осуществления настоящего изобретения.
Фиг.5 - временная диаграмма модуля аналого-цифрового преобразования на Фиг.4.
Фиг.6 - схема, иллюстрирующая модуль побитового сдвига для данных после аналого-цифрового преобразования.
Фиг.7 - блок-схема модуля аналого-цифрового преобразования согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.8 - блок-схема модуля аналого-цифрового преобразования согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.9 - блок-схема модуля регулирования числа битов для данных после аналого-цифрового преобразования.
Фиг.10 - конфигурационная схема системы формирования изображений.
Фиг.11 - концептуальная схема, иллюстрирующая пример конфигурации устройства формирования изображений на Фиг.1.
Фиг.12 - эквивалентная принципиальная схема пиксела.
Фиг.13 - временная диаграмма, иллюстрирующая пример работы устройства формирования изображений, проиллюстрированного на Фиг.11.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения далее подробно описаны в соответствии с прилагаемыми чертежами.
Первый вариант осуществления
Фиг.1 является схематичной конфигурационной схемой устройства 100 формирования изображений первого варианта осуществления настоящего изобретения. Устройство 100 формирования изображений является CMOS-датчиком изображений, фотоэлектрически преобразует изображение объекта, сформированное посредством принимаемого света, и выводит электрический сигнал в качестве цифрового сигнала. Устройство 100 формирования изображений включает в себя пикселный модуль 10, схему 15 вертикального сканирования, модуль 20 усиления, схему 25 формирования пилообразных сигналов (схему формирования опорных сигналов), модуль 30 сравнения, счетный модуль 40, запоминающее устройство 50, выходную схему 60, схему 65 горизонтального сканирования и схему 70 формирования тактовых импульсов (TG). Пикселный модуль 10 включает в себя пикселы 10-1 размещенные в двумерной матрице. Пиксел 10-1 выводит пикселный сигнал посредством фотоэлектрического преобразования. Схема 15 вертикального сканирования выводит возбуждающие импульсы X-1, X-2,..., в пикселный модуль 10. Модуль 20 усиления усиливает пикселный сигнал из пикселного модуля 10. Схема 25 формирования пилообразных сигналов формирует зависимый от времени пилообразный сигнал (опорный сигнал) в качестве сигнала сравнения для пикселного сигнала. Модуль 30 сравнения сравнивает пикселный сигнал, усиленный посредством модуля 20 усиления, с пилообразным сигналом. Счетный модуль 40 выполняет подсчет, пока модуль 30 сравнения выводит результат сравнения. Запоминающее устройство 50 хранит подсчитанные данные счетного модуля 40 и выполняет побитовый сдвиг и операцию с хранимыми данными. Схема 65 горизонтального сканирования передает данные из запоминающего устройства 50 в выходную схему 60 посредством горизонтального сканирования. Схема 70 формирования тактовых импульсов управляет синхронизацией схемных блоков.
Пикселы 10-1 размещаются в области пикселного модуля 10. Фиг.1 схематично иллюстрирует только четыре пиксела. Строки пикселов 10-1 последовательно возбуждаются посредством соответствующих возбуждающих импульсов X-1, X-2 из схемы 15 вертикального сканирования. Сигнал сброса (сигнал сравнения) каждого пиксела 10-1 и эффективный сигнал в качестве сигнала фотоэлектрического преобразования направляются в модуль 20 усиления через вертикальные выходные линии V-1-V-n. Схемы от модуля 20 усиления до запоминающего устройства 50 обеспечиваются для соответствующих вертикальных выходных линий V-1-V-n. Каждая схема 20-1 усиления модуля 20 усиления может иметь только функцию простого усиления сигнала из пиксела 10-1. Вместо этого схема может иметь функцию CDS-обработки, которая выполняет разностный процесс между эффективным сигналом и сигналом сброса. В случае без функции CDS-обработки в модуле 20 усиления, CDS-процесс выполняется во входном узле модуля 30 сравнения. Модуль 20 усиления не является обязательным. Тем не менее, усиление обеспечивает преимущество снижения влияния шума, вызываемого в модуле 30 сравнения.
Модуль 30 сравнения включает в себя схему 30-1 сравнения из модуля 20 усиления согласно столбцу пикселов и схему 30-2 выбора, которая выбирает один из пилообразных сигналов. Модуль 30 сравнения определяет то, больше или меньше амплитуда пикселного сигнала из схемы 20-1 усиления опорного сигнала сравнения, заданного с учетом SN-отношения пикселного сигнала, выбирает пилообразный сигнал, который должен сравниваться с пикселным сигналом согласно результату, и выполняет процесс сравнения. Каждая схема 30-1 сравнения выводит сигнал инверсии, который является результатом сравнения с выбранным одним пилообразным сигналом согласно определенному результату амплитуды входного сигнала. Модуль 30 сравнения сравнивает пикселный сигнал с пилообразным сигналом. Счетный модуль 40 выполняет подсчет счетных синхросигналов от переднего фронта пилообразным сигналом до инверсии выходного сигнала. Результат подсчета хранится в качестве данных после аналого-цифрового преобразования в запоминающей схеме 50-1 запоминающего устройства 50. Запоминающая схема 50-1 выполняет одно из побитового сдвига и операции с данными после аналого-цифрового преобразования сигнала сброса и данными после аналого-цифрового преобразования эффективного сигнала, тем самым увеличивая число битов, и передает обработанные данные в выходную схему 60 согласно импульсам сканирования из схемы 65 горизонтального сканирования.
Как описано выше, устройство 100 формирования изображений предписывает одной схеме 30-1 сравнения выполнять сравнение с пилообразным сигналом согласно амплитуде пикселного сигнала. Соответственно, устройство обеспечивает преимущество, которое позволяет обнаруживать многобитовые данные после аналого-цифрового преобразования посредством процесса аналого-цифрового преобразования относительно небольшого числа битов.
Фиг.2 является схемой, иллюстрирующей SN-отношение пикселного сигнала для описания принципа работы устройства 100 формирования изображений на Фиг.1. Абсцисса на Фиг.2 представляет количество падающего света на пиксел 10-1. Ордината указывает LOG-представление уровня сигнала, фотоэлектрически преобразованного согласно количеству падающего света. Сплошная линия 201 представляет сигнал. Предусмотрено, что фотоносители N=10000 имеют уровень сигнала в 1 В. Пунктирная линия 202 представляет оптический дробовой шум. Хорошо известно, что уровень шума представляется как √N. Пунктирная линия 203 представляет шум пикселной системы после CDS (включающий в себя шум вследствие усилителя, но исключающий шум вследствие аналого-цифрового преобразования). При условии, что шум 203 пикселной системы составляет 0,2 мВ, SN-отношение, т.е. отношение между уровнем сигнала в 1 В и шумом пикселной системы в 0,2 мВ, составляет 74 дБ. Аналого-цифровое преобразование, поддерживающее это SN-отношение, требует разрешения приблизительно 14 битов с учетом битовой ошибки квантования. Чем выше разрешение, тем больше возрастает время подсчета. Соответственно, требуется определенное время для аналого-цифрового преобразования. В устройстве формирования изображений скорость считывания сигнала уменьшается. В результате высокоскоростное формирование изображений не может быть выполнено.
Этот вариант осуществления тем самым достигает высокоскоростного считывания посредством уменьшения числа битов после аналого-цифрового преобразования. Например, при допущении, что уровень большого амплитудного сигнала составляет 1 В, оптический дробовой шум 202 является большим. Соответственно, при условии, что уровень большого амплитудного сигнала составляет 10000 зарядов, и оптический дробовой шум равняется 100, SN-отношение составляет 40 дБ. При допущении, что уровень небольшого амплитудного сигнала составляет 10 мВ, SN-отношение составляет 20 дБ. Т.е. любая точка уровня сигнала должна иметь разрешение только для обеспечения SN-отношения немного более 40 дБ.
Фиг.2 поясняет 10-битовое аналого-цифровое преобразование с классификацией на большой амплитудный сигнал AD(H) и небольшой амплитудный сигнал AD(L) на границе 62,5 мВ, что составляет 1/16 (соответствует четырем битам) сигнала в 1 В. Двойная штрихпунктирная линия 204 представляет разрешение аналого-цифрового преобразования для амплитуды сигнала в 1 В. Пунктирная линия 205 с чередующимся длинным и коротким тире представляет разрешение аналого-цифрового преобразования для амплитуды сигнала в 62,5 мВ. Хотя оба типа аналого-цифрового преобразования имеют точность аналого-цифрового преобразования в 10 битов, представление указывает, что аналого-цифровое разрешение является небольшим даже с учетом ошибки квантования в оптическом дробовом шуме 202. 10-битовый аналого-цифровой преобразователь может обнаруживать данные после аналого-цифрового преобразования, имеющие 14-битовую точность, посредством побитового сдвига для двух данных после аналого-цифрового преобразования.
4
Преобразование для большого амплитудного сигнала и небольшого амплитудного сигнала выполняется согласно 10 битам. В этом преобразовании крутизна подаваемого пилообразного сигнала, который является зависимой от времени скоростью изменения опорного сигнала, в 16 соответствует изменению разрешения для 2=16, т.е. для четырех битов. 14-битовое разрешение может достигаться для диапазона сигнала в 1 В посредством комбинирования обоих типов, имеющих такую взаимосвязь. Здесь, поясняется преобразование большого амплитудного сигнала. Этот вариант осуществления определяет то, является сигнал большим амплитудным сигналом или нет, в отношении границы в 1/16 для 1 В, которое является максимальным значением амплитуды сигнала. Значение составляет 1000 мВ/16=62,5 мВ. Соответственно, граница для определения составляет 62,5 мВ.
С другой стороны, при преобразовании небольшого амплитудного сигнала, небольшой амплитудный сигнал вплоть до границы 62,5 мВ подвергается аналого-цифровому преобразованию с использованием пилообразного сигнала, имеющего крутизну в 1/16 пилообразного сигнала для большого амплитудного сигнала. Соответственно, разрешение 205 аналого-цифрового преобразования небольшого амплитудного сигнала составляет 1/16 разрешения 204 аналого-цифрового преобразования большого амплитудного сигнала. Соответственно, разрешение 10-битового аналого-цифрового преобразования для амплитуды сигнала в 62,5 мВ составляет 62,5 мВ/1024 ≅ 0,0612 мВ. Разрешение в 0,0612 мВ является достаточно небольшим относительно значения в 0,2 мВ шума 203 пикселной системы. Сигнал 62,5 мВ в качестве границы может быть рассмотрен в качестве большого амплитудного сигнала или небольшого амплитудного сигнала.
Фиг.3 является схемой, иллюстрирующей пилообразные сигналы согласно этому варианту осуществления. Фиг.3 иллюстрирует крутизну, которая представляет временное изменение пилообразного сигнала. Первый пилообразный сигнал (первый опорный сигнал) VH используется для амплитуд сигнала в 62,5 мВ и выше на Фиг.2. Второй пилообразный сигнал (второй опорный сигнал) VL используется для сигналов меньше 62,5 мВ. Второй пилообразный сигнал имеет меньшую крутизну (зависимую от времени скорость изменения), чем первый пилообразный сигнал VH. Тангенс угла наклона пилообразных сигналов VH и VL составляет 16. Для тангенса угла наклона в 16 разрешение увеличивается на четыре бита. Обе схемы аналого-цифрового преобразования приспосабливают 10-битовое преобразование и идентичное максимальное время преобразования. Соответственно, счетный синхросигнал имеет идентичную тактовую частоту. Для тангенса угла наклона в 8 разрешение увеличивается на три бита. На Фиг.2, разрешение после аналого-цифрового преобразования для небольшого амплитудного сигнала существенно меньше системного шума. Соответственно, разрешение может составлять девять битов. В этом случае, максимальная тактовая частота fmax счетчика назначается 10-битовому аналого-цифровому преобразованию, чтобы уменьшать время преобразования. Соответственно, счетные синхросигналы 9-битовой схемы аналого-цифрового преобразования составляют 1/2*fmax.  Тангенс угла наклона пилообразного сигнала и разрешение схемы аналого-цифрового преобразования определяются на основе числа насыщенных зарядов пиксела, системного шума и разрешения, требуемого для устройства 100 формирования изображений. Тангенс угла наклона пилообразных сигналов VH и VL, имеющих различные наклоны, может быть кратным двум. Счетный модуль 40 может подсчитывать пилообразные сигналы VH и VL с использованием счетного синхросигнала, имеющего идентичную частоту. Вместо этого подсчет может выполняться согласно счетным синхросигналам, имеющим различные частоты.
Фиг.4 является блок-схемой модуля аналого-цифрового преобразования, иллюстрирующей соединение схемы 30-1 сравнения со схемами ввода и вывода согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. Блоки, имеющие функции, идентичные функциям блоков на Фиг.1, обозначены идентичными символами. Их описание опускается. Модуль аналого-цифрового преобразования может преобразовывать фотоэлектрически преобразованный аналоговый сигнал в цифровой сигнал на высокой скорости.
Далее описывается пример конфигурации и работы устройства формирования изображений без аналого-цифрового преобразователя для упрощения описания этого варианта осуществления. Фиг.11 является схемой, иллюстрирующей пример конфигураций пикселного модуля 210 и схемы 220-1 усиления в устройстве формирования изображений, при этом модуль 30 сравнения, счетный модуль 40 и запоминающее устройство 50 опущены. CDS-схема 119 обеспечивается после схемы 220-1 усиления. Пикселный модуль 210 включает в себя пикселы 210-1, размещенные в несколько столбцов и несколько строк. На Фиг.11, сигналы, выводимые из пикселов в нечетных столбцах слева, считываются посредством считывающих схем, размещенных ниже пикселного модуля 210. С другой стороны, сигналы, выводимые из пикселов в четных столбцах слева, считываются посредством считывающих схем (не проиллюстрированы), размещенных выше пикселного модуля 210. Таким образом, считывающие схемы размещаются попеременно. Соответственно, область для двух столбцов пикселного модуля 210 может быть использована для размещения считывающей схемы.
Фиг.12 является принципиальной схемой одного пиксела 210-1. Переключатель 102 переноса возбуждается посредством импульса PTX переноса. Переключатель 103 сброса возбуждается посредством импульса PRES сброса. Переключатель 105 выбора строки возбуждается посредством импульса PSEL выбора строки. Представление PTX предназначено для PTX1-n (n - это число строк). Представление PRES предназначено для PRES1-n. Представление PSEL предназначено для PSEL1-n.
Фиг.13 является временной диаграммой, иллюстрирующей пример работы устройства формирования изображений, проиллюстрированного на Фиг.11. Далее со ссылкой на Фиг.11-13 описывается пример работы устройства формирования изображений. Устройство формирования изображений открыто для воздействия света в течение заданного времени экспонирования перед операцией считывания. Фотоносители накапливаются в фотодиоде 101. В последующем описании PRES1, PTX1 и PSEL1, выводимые из схемы вертикального сканирования 215, выбирают строку, которая должна быть возбуждена.
Во-первых, импульс PRES сброса пиксела изменяется от высокого уровня к низкому уровню, чтобы подавлять сброс электрода затвора усилителя MOSFET 104. В это время, потенциал, соответствующий подавлению сброса, хранится в плавающей диффузионной области FD, соединенной с электродом затвора. Затем, когда импульс PSEL выбора строки переходит к высокому уровню, вывод, соответствующий потенциалу плавающей диффузионной области FD, появляется в вертикальной выходной линии V-1 посредством схемы истокового повторителя, сформированной посредством усилителя MOSFET 104 и источника 107 тока постоянной величины. В этом состоянии фиксирующий импульс PC0R активируется к высокому уровню. Соответственно, фиксирующий переключатель 109 включается, регулируемый усилитель 131 переходит в состояние повторителя напряжения, и электрод фиксирующего конденсатора 108 на стороне столбцового усилителя имеет напряжение, практически идентичное напряжению VREF. Затем, фиксирующий импульс PC0R деактивируется от высокого уровня к низкому уровню, и вывод на вертикальной выходной линии V-1 фиксируется.
Затем, накопленный импульс PTN активируется к высокому уровню, и сигнал смещения схемы 220-1 усиления сохраняется в запоминающем конденсаторе 112n через передающий затвор 110n. Затем, импульс PTX переноса активируется к высокому уровню. Соответственно, переключатель 102 переноса переходит к высокому уровню в течение определенного времени, и фотоносители, накопленные в фотодиоде 101, переносятся на электрод затвора усилителя MOSFET 104. Здесь, переносимые заряды являются электронами. При условии, что абсолютное значение величины переносимых зарядов составляет Q, и емкость плавающей диффузионной области FD составляет CFD, потенциал затвора снижается посредством Q/CFD. Потенциал вертикальной выходной линии V-1 изменяется соответствующим образом. При условии, что усиление истокового повторителя составляет Gsf, величина изменения ∆Vvl потенциала Vvl вертикальной выходной линии V-1 вследствие переноса зарядов от фотодиода 101 на модуль FD плавающей диффузионной области представляется согласно уравнению (1).
∆Vvl=-Q*Gsf/CFD... (1)
Изменение ∆Vvl потенциала усиливается по напряжению посредством регулируемого усилителя 131, который включает в себя операционный усилитель 120, фиксирующий конденсатор 108 и конденсатор 121 с обратной связью. Вывод Vct регулируемого усилителя 131 представляется согласно уравнению (2).
Vct=VREF+Q*(Gsf/CFD)*(C0/Cf)... (2)
Здесь, фиксирующий конденсатор 108 имеет емкость C0. Конденсаторы 121a, 121b и 121c с обратной связью выбраны, когда импульсы x1, x2 и x4 переключения чувствительности имеют емкость Cf. Например, C0=1 пФ. Когда конденсатор 121a с обратной связью выбирается, Cf=1 пФ. Когда конденсатор 121b с обратной связью выбирается, Cf=0,5 пФ. Когда выбирается конденсатор 121c с обратной связью, Cf=0,25 пФ. Усиления по напряжению, представленные как -C0/Cf, являются -1-кратным, -2-кратным и -4-кратным. Т.е. в системе с применением отрицательной обратной связи к операционному усилителю 120, выбор любого из конденсаторов 121a-121c с обратной связью изменяет коэффициент обратной связи, определенный посредством отношения парциальных давлений Cf и C0, тем самым давая возможность переключения усиления по напряжению. Знак минус усиления по напряжению представляет то, что схема является схемой инвертирующего усиления. После того, как импульс PTX переноса переходит к низкому уровню, накопленный импульс PTS переходит к высокому уровню. Уровень вывода из схемы 220-1 усиления в это время накапливается в запоминающем конденсаторе 112s через передающий затвор 110s.
Затем, импульсы COLSEL1 и COLSEL2,..., сканирования, последовательно сформированные посредством схемы 65 горизонтального сканирования, включают переключатели 114s и 114n выбора столбца. Сигналы, накопленные в запоминающем конденсаторе 112s, выводятся в горизонтальную выходную линию 116s согласно последовательности столбцов. Сигналы, накопленные в запоминающем конденсаторе 112n, выводятся в горизонтальную выходную линию 116n в последовательности столбцов. Пары сигналов столбцов последовательно выводятся в горизонтальные выходные линии 116s и 116n. Разностный процессор 118 выводит разности пар сигналов, выводимые в горизонтальные выходные линии 116s и 116n. Соответственно, компоненты шума, включенные в сигналы, хранимые в запоминающем конденсаторе 112s, могут быть уменьшены.
Фиг.5 является временной диаграммой, иллюстрирующей способ возбуждения устройства 100 формирования изображений этого варианта осуществления, и, в частности, является временной диаграммой модуля аналого-цифрового преобразования на Фиг.4. В дальнейшем в этом документе, ссылаясь на Фиг.4 и 5, описывается операция аналого-цифрового преобразования. На Фиг.5, время Tad является временем для аналого-цифрового преобразования N-сигнала и S-сигнала для аналогового сигнала Va, считываемого из пикселов. Время Tdata является временем передачи данных после аналого-цифрового преобразования. Во время Tad, время Td является временем для аналого-цифрового преобразования N-сигнала из пикселов, и пилообразный сигнал VR является сигналом сравнения для него. Время Tj является временем определения уровня сигнала для S-сигнала. Сигнал VREF сравнения является сигналом сравнения для него. Время Tu является временем для аналого-цифрового преобразования S-сигнала. Пилообразный сигнал VH (или пилообразный сигнал VL) является сигналом сравнения для него. Выходной сигнал Va схемы 20-1 усиления, главным образом, принимает проиллюстрированные уровни N- и S-сигнала и направляется на входной контактный вывод схемы 30-1 сравнения. Пилообразный сигнал VRAMP, который является сигналом сравнения для сигнала Va, вводится на другой входной контактный вывод схемы 30-1 сравнения. N-сигнал в последующем описании соответствует сигналу, дискретизированному посредством сигнала PTN на Фиг.13, в случае, если CDS-схема обеспечивается перед модулем 30 сравнения. С другой стороны, в случае без CDS-схемы, сигнал соответствует сигналу, выводимому в вертикальную сигнальную линию в ответ на сброс модуля плавающей диффузионной области. Аналогично, S-сигнал в последующем описании соответствует сигналу, дискретизированному посредством сигнала PTS на Фиг.13, в случае, если CDS-схема обеспечивается перед модулем 30 сравнения. С другой стороны, в случае без CDS-схемы, сигнал соответствует сигналу, выводимому на вывод вертикальной сигнальной линии в ответ на перенос зарядов, вызываемых в фотодиоде, на модуль плавающей диффузионной области.
Схема 25 формирования пилообразных сигналов формирует пилообразный сигнал VH/сигнал VREF сравнения и пилообразный сигнал VL/пилообразный сигнал VR под управлением управляющего сигнала CNT2 схемы 70 формирования тактовых импульсов. Пилообразный сигнал VH предназначен для битов высшего порядка, имеющих большую крутизну. Пилообразный сигнал VL предназначен для битов низшего порядка, имеющих небольшую крутизну. Сигнал VREF сравнения является опорным сигналом сравнения для определения уровня S-сигнала. Пилообразный сигнал VR предназначен для сравнения с N-сигналом. Эти четыре пилообразных сигнала выбираются посредством схемы 30-2 выбора под управлением управляющего сигнала CNT1 схемы 70 формирования тактовых импульсов и вводятся в схему 30-1 сравнения. Схема 70 формирования тактовых импульсов управляет схемой 25 формирования пилообразных сигналов посредством управляющего сигнала CNT2.
Схема 30-1 сравнения сравнивает N-сигнал с пилообразным сигналом VR во время Td для аналого-цифрового преобразования N-сигнала. Во время Tr, пилообразный сигнал VR начинает изменяться, и соотношение величин с N-сигналом инвертируется. Счетная схема 40-1 выполняет подсчет во время Tr. Запоминающая схема 50-1 хранит значение подсчета в качестве данных N-сигнала. Пилообразный сигнал VR имеет крутизну, идентичную крутизне пилообразного сигнала VL. Согласно идентичной крутизне, могут быть обнаружены данные после аналого-цифрового преобразования N-сигнала с высоким разрешением. Затем, схема 30-1 сравнения сравнивает уровни сигнала S-сигнала и сигнала VREF сравнения друг с другом во время Tj определения уровня S-сигнала. Согласно проиллюстрированному примеру, схема 30-1 сравнения выводит в схему 30-2 выбора сигнал SEL выбора высокого уровня, представляющий результат сравнения, при котором S-сигнал выше сигнала VREF сравнения, во время Tj определения уровня S-сигнала. Как результат, схема 30-2 выбора выбирает пилообразный сигнал VH с большой крутизной во время Tu для аналого-цифрового преобразования S-сигнала и выводит сигнал в схему 30-1 сравнения. Схема 30-1 сравнения сравнивает S-сигнал с пилообразным сигналом VH, счетная схема 40-1 выполняет операцию подсчета во время Ts, когда соотношение величин сигналов инвертируется. Запоминающая схема 50-1 хранит значение подсчета в качестве данных после аналого-цифрового преобразования S-сигнала. Если вывод схемы 30-1 сравнения не инвертируется во время Tj определения уровня S-сигнала, результат сравнения представляет, что сигнал SEL выбора имеет низкий уровень, и уровень S-сигнала ниже уровня S-сигнала VREF сравнения; схема 30-2 выбора выбирает пилообразный сигнал VL с небольшой крутизной в качестве пилообразного сигнала. В этом случае, схема 30-1 сравнения сравнивает S-сигнал с пилообразным сигналом VL. Схема 30-2 выбора выбирает один из пилообразных сигналов VH и VL, имеющих различные наклоны, согласно уровню S-сигнала, усиленного посредством модуля 20 усиления. Т.е. схема 30-2 выбора задает зависимую от времени скорость изменения пилообразного сигнала согласно уровню S-сигнала на основе пикселов. Схема 30-1 сравнения сравнивает пилообразный сигнал, выбранный посредством схемы 30-2 выбора и, S-сигнал, усиленный посредством модуля 20 усиления друг с другом. Счетная схема 40-1 выполняет подсчет от времени, когда пилообразный сигнал начинает изменяться, до времени, когда схема 30-1 сравнения выводит сигнал, представляющий инверсию соотношения величин между S-сигналом и пилообразным сигналом.
На Фиг.5, пилообразный сигнал VR и пилообразный сигнал VL имеют идентичную крутизну, как описано выше. Во время Td для аналого-цифрового преобразования N-сигнала пилообразный сигнал VR сравнивается с N-сигналом. Тем не менее, N-сигнал также выступает в качестве сигнала сравнения для S-сигнала и, следовательно, должен иметь высокую точность. Пилообразный сигнал VR имеет крутизну, идентичную крутизне пилообразного сигнала VL для формирования битов низшего порядка. Соответственно, существует преимущество, допускающее использование идентичной схемы 25 формирования пилообразных сигналов. Результат подсчета счетной схемы 40-1 сохраняется в запоминающем устройстве 50. Запоминающее устройство 50 вычитает данные после аналого-цифрового преобразования N-сигнала из данных после аналого-цифрового преобразования S-сигнала. Вычтенные данные передаются из запоминающего устройства 50 в выходную схему 60 под управлением схемы 65 горизонтального сканирования. Этот разностный процесс извлекает ошибку аналого-цифрового преобразования вследствие изменения в смещении схемы 20-1 усиления и изменения в скорости реакции схемы 30-1 сравнения. Данные после аналого-цифрового преобразования S-сигнала, после аналого-цифрового преобразования с использованием пилообразного сигнала VL, подвергаются разностной операции с данными после аналого-цифрового преобразования N-сигнала. С другой стороны, данные после аналого-цифрового преобразования S-сигнала, которые подвергнуты аналого-цифровому преобразованию с использованием пилообразного сигнала VH и имеют крутизну пилообразного сигнала, отличающуюся от данных после аналого-цифрового преобразования N-сигнала, подвергаются побитовому сдвигу на четыре бита и затем подвергаются разностной операции с данными после аналого-цифрового преобразования N-сигнала. Основными факторами изменения потенциала N-сигнала является N-сигнал, когда пикселы сбрасываются, смещение схемы 20-1 усиления и вариационный компонент (до нескольких десятков милливольт) схемы 30-1 сравнения при начальной настройке. Компонент смещения между N-сигналом и схемой 20-1 усиления уменьшается в CDS-процессе перед схемой 30-1 сравнения. Тем не менее, вариационный компонент схемы 30-1 сравнения может рассматриваться как данные после аналого-цифрового преобразования N-сигнала. В результате дифференциального процесса N-сигнал уменьшается. Данные после аналого-цифрового преобразования большого амплитудного сигнала имеют 14 битов. Тем не менее, согласно описанию с Фиг.6, четыре младших бита (4LSB) меньше оптического дробового шума 202 (Фиг.2) и могут, следовательно, рассматриваться в качестве фиктивных данных.
Усиление схемы 20-1 усиления на Фиг.4 равно единице при условии, что пикселный сигнал из пикселного модуля 10 является сигналом 201, описанным с Фиг.2. Тем не менее, система формирования изображений, которая описывается ниже с Фиг.10, имеет настройку чувствительности, подходящую для окружения формирования изображений. Например, в случае 16-кратной настройки чувствительности, уровень сигнала в 62,5 мВ на Фиг.2 усиливается до 1 В, и сигнал вводится в схему 30-1 сравнения. В это время, разрешение 10-битового аналого-цифрового преобразования, которое сравнивает большой амплитудный сигнал с пилообразным сигналом VH, является достаточным для SN-отношения, требуемого для аналого-цифрового преобразования. Соответственно, в случае настройки чувствительности как 16-кратной или более, схема 30-2 выбора может осуществлять управление так, чтобы выбирать пилообразный сигнал VH согласно управляющему сигналу CONT1 из схемы 70 формирования тактовых импульсов и выводить сигнал в схему 30-1 сравнения. На SN-отношение пикселного модуля 10, главным образом, оказывает влияние площадь апертуры пикселного модуля 10. Таким образом, тангенс угла наклона пилообразного сигнала VH и пилообразного сигнала VL и настройка чувствительности для выбора пилообразного сигнала VH изменяются согласно площади апертуры.
Фиг.6 является схемой, иллюстрирующей модуль побитового сдвига для данных после аналого-цифрового преобразования этого варианта осуществления. Например, модуль побитового сдвига в запоминающей схеме 50-1 выполняет процесс побитового сдвига. Данные после аналого-цифрового преобразования здесь описываются как данные, обнаруженные посредством вычитания данных после аналого-цифрового преобразования N-сигнала из данных после аналого-цифрового преобразования S-сигнала. Фиг.6A иллюстрирует случай, в котором S-сигнал является опорным сигналом сравнения (62,5 мВ в этом варианте осуществления); данные после аналого-цифрового преобразования являются результатом сравнения с пилообразным сигналом VH, имеющим большую крутизну. Данные D0-D9 после аналого-цифрового преобразования подвергаются 4-битовому сдвигу и выводятся в качестве данных Da4-Da13 после аналого-цифрового преобразования. В этом случае, биты низшего порядка на уровне и ниже данных Da3 меньше оптического дробового шума 202. Соответственно, выводятся низкоуровневые данные. Фиг.6B иллюстрирует случай, в котором S-сигнал ниже опорного сигнала сравнения; данные после аналого-цифрового преобразования являются результатом сравнения с пилообразным сигналом VL, имеющим низкую крутизну. Данные D0-D9 после аналого-цифрового преобразования не подвергаются побитовому сдвигу, а выводятся как есть в качестве данных Da0-Da9 после аналого-цифрового преобразования. В этом случае, амплитуды сигнала битов данных Da9 подвергаются аналого-цифровому преобразованию. Таким образом, биты высшего порядка на уровне и выше данных Da10 не имеют высокий уровень. Соответственно, данные Da10-Da13 задаются к низкому уровню. Число типов пилообразных сигналов с различными наклонами может составлять три или более. Модуль побитового сдвига применяет побитовый сдвиг, по меньшей мере, к данным D0-D9, соответствующим пилообразному сигналу с наибольшей крутизной.
Этот вариант осуществления изменяет крутизну пилообразного сигнала на границе амплитуды S-сигнала в 62,5 мВ. Соответственно, в случае, если амплитуда S-сигнала составляет 62,5 мВ или более, 10-битовые данные D0-D9 после аналого-цифрового преобразования подвергаются 4-битовому сдвигу. Таким образом, 14-битовые данные Da0-Da13 после аналого-цифрового преобразования могут быть обнаружены. Этот вариант осуществления описывает то, что переключение пилообразного сигнала выполняется на уровне сигнала в 62,5 мВ. Тем не менее, уровень может составлять одно из 65 и 70 мВ. Т.е. любой S-сигнал обязательно сравнивается с одним из пилообразных сигналов VH и VL, тем самым давая возможность обнаружения данных после аналого-цифрового преобразования. В этом случае, оптический дробовой шум 202 и данные после аналого-цифрового преобразования отличаются друг от друга по разности разрешений. Тем не менее, разрешение аналого-цифрового преобразования ниже оптического дробового шума 202, что не приводит к проблеме. Как описано выше, в отношении точности аналого-цифрового преобразования уровень переключающего сигнала не обязательно задается как имеющий точность аналого-цифрового преобразования или меньше. Уровень может иметь низкую точность.
Модуль побитового сдвига может обеспечиваться в устройстве формирования изображений в любом из мест, в которых данные из счетного модуля 40 сохраняются в запоминающем устройстве 50, передаются из запоминающего устройства 50 в выходную схему 60 и выводятся из выходной схемы 60 за пределы устройства 100 формирования изображений. Модуль побитового сдвига может обеспечиваться за пределами устройства 100 формирования изображений (например, в модуле 830 схемы обработки видеосигналов на Фиг.10). В этом случае, если флаговые данные для распознавания уровня определения сигнала (сигнала SEL выбора) для опорного сигнала сравнения добавляются к данным после аналого-цифрового преобразования, любой способ побитового сдвига может легко поддерживаться. Данные D0-D9 после аналого-цифрового преобразования, выводимые из счетного модуля 40, выводятся вместе с флаговыми данными, представляющими уровень S-сигнала.
Второй вариант осуществления
Фиг.7 является блок-схемой модуля аналого-цифрового преобразования согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения. В этом варианте осуществления, уровень сигнала определяется посредством схемы 30-3 определения уровня сигнала (схемы выбора). Далее описывается отличие этого варианта осуществления от первого варианта осуществления. Аналогично описанию по побитовому сдвигу на Фиг.6, переключение пилообразного сигнала может быть определено с низкой точностью. Соответственно, переключение не обязательно определяется посредством схемы 30-1 сравнения. Вместо этого переключение может быть определено посредством схемы 30-3 определения уровня сигнала. В этом случае, схема 25 формирования пилообразных сигналов выводит пилообразный сигнал VH и пилообразный сигнал VL/пилообразный сигнал VR в схему 30-2 выбора. Когда S-сигнал выше сигнала VREF сравнения, схема 30-3 определения уровня сигнала выводит сигнал SEL2 определения высокого уровня в схему 30-2 выбора, и схема 30-2 выбора выводит пилообразный сигнал VH в схему 30-1 сравнения на основе сигнала SEL2 определения высокого уровня. С другой стороны, когда S-сигнал ниже сигнала VREF сравнения, схема 30-3 определения уровня сигнала выводит сигнал SEL2 определения низкого уровня в схему 30-2 выбора, и схема 30-2 выбора выводит пилообразный сигнал VL в схему 30-1 сравнения на основе сигнала SEL2 определения низкого уровня. Сигнал VREF сравнения не требуется для пилообразного сигнала VRAMP этого варианта осуществления. Поскольку схема 25 формирования пилообразных сигналов не формирует пилообразный сигнал VREF, схема 25 формирования пилообразных сигналов может быть упрощена.
Третий вариант осуществления
Фиг.8 является блок-схемой модуля аналого-цифрового преобразования согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения. Далее описывается отличие этого варианта осуществления от второго варианта осуществления. В этом варианте осуществления, схема 25 формирования пилообразных сигналов формирует пилообразный сигнал VH и выводит сигнал в ослабитель 30-4. Ослабитель 30-4 ослабляет пилообразный сигнал VH, сформированный посредством схемы 25 формирования пилообразных сигналов, тем самым формируя пилообразные сигналы VL и VR, имеющие различные наклоны. Ослабитель 30-4 выводит один из пилообразных сигналов VH, VL и VR в схему 30-1 сравнения согласно управляющему сигналу CONT1 и сигналу SEL2 определения (или сигналу SEL выбора). Таким образом, ослабитель 30-4 обеспечивается, тем самым обеспечивая преимущество уменьшения числа межсоединений из схемы 25 формирования пилообразных сигналов с ослабителем 30-4.
Фиг.9 является блок-схемой модуля регулирования числа битов для данных после аналого-цифрового преобразования этого варианта осуществления. Модуль регулирования числа битов включает в себя выходные буферы. Согласно описанию первого-третьего вариантов осуществления, 10-битовые данные D0-D9 после аналого-цифрового преобразования подвергаются побитовому сдвигу в 14-битовые данные Da0-Da13 после аналого-цифрового преобразования, тем самым достигая высокого разрешения. Тем не менее, в некоторых вариантах использования устройства 100 формирования изображений, могут требоваться низкое разрешение и низкая потребляемая мощность. В случае формирования изображения темного объекта и усиления пикселного сигнала, оптический дробовой шум и системный шум являются высокими, а SN-отношение сигнала ухудшается. В этом случае, любой из 12 и 10 битов может приспосабливаться в качестве данных после аналого-цифрового преобразования. В выходные буферы подается напряжение Vdd питания, и они буферизуют и выводят 14-битовые данные Da0-Da13. В выходные буферы для данных Da0-Da3 четырех младших битов подается напряжение Vdd питания посредством управляющих сигналов Dcont2 и Dcont4. В случае, если в выходные буферы для данных Da0-Da3 четырех младших битов не подается напряжение Vdd питания посредством управляющих сигналов Dcont2 и Dcont4, выходные буферы для 10-битовых данных Da4-Da13 высшего порядка выводят 10-битовые данные Da4-Da13. С другой стороны, в случае, если в выходные буферы для данных Da0 и Da1 низших двух битов не подается напряжение Vdd питания посредством управляющего сигнала Dcont2, выходные буферы для 12-битовых данных Da2-Da13 высшего порядка выводят 12-битовые данные Da2-Da13. Соответственно, любые из 14-, 12- и 10-битовых данных после аналого-цифрового преобразования могут выводиться. Модуль регулирования числа битов уменьшает число битов данных, подвергнутых побитовому сдвигу посредством модуля побитового сдвига на Фиг.6 согласно управляющим сигналам Dcont2 и Dcont4. Число используемых битов и потребление мощности данных после аналого-цифрового преобразования могут управляться посредством управляющих сигналов Dcont2 и Dcont4. Так что число используемых битов управляется, тем самым обеспечивая преимущества, которые уменьшают потребление мощности устройства 100 формирования изображений и потребление мощности обработки сигналов изображений в системе формирования изображений на Фиг.10. Число используемых битов может управляться согласно одному из усилений модуля 20 усиления и настройки чувствительности системы формирования изображений на Фиг.10.
Четвертый вариант осуществления
Фиг.10 является схемой, иллюстрирующей пример конфигурации системы формирования изображений согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения. Система 800 формирования изображений включает в себя, например, оптический модуль 810, устройство 100 формирования изображений, модуль 830 схемы обработки видеосигналов, модуль 840 записи и связи, модуль 850 схемы управления согласно временной синхронизации, модуль 860 схемы управления системой и модуль 870 воспроизведения и отображения. Устройство 820 формирования изображений включает в себя устройство 100 формирования изображений и модуль 830 схемы обработки видеосигналов. Устройство 100 формирования изображений, используемое здесь, является идентичным устройством, проиллюстрированным в вариантах осуществления.
Оптический модуль 810, который является оптической системой, такой как линза, формирует изображение света из объекта на пикселном модуле 10 (Фиг.1) устройства 100 формирования изображений, при этом пикселы размещаются двумерным образом, чтобы формировать изображение объекта. Устройство 100 формирования изображений выводит сигнал согласно свету, сформированному на пикселном модуле 10 во время на основе сигнала из модуля 850 схемы управления согласно временной синхронизации. Сигнал, выводимый из устройства 100 формирования изображений, вводится в модуль 830 схемы обработки видеосигналов, который является процессором видеосигналов. Модуль 830 схемы обработки видеосигналов выполняет обработку сигналов, к примеру, процесс побитового сдвига на Фиг.6, для входного сигнала согласно способу, заданному посредством программы. Сигнал, обнаруженный посредством процесса в модуле 830 схемы обработки видеосигналов, передается в качестве данных изображений в модуль 840 записи и связи. Модуль 840 записи и связи передает сигнал для формирования изображения в модуль 870 воспроизведения и отображения, тем самым инструктируя модулю 870 воспроизведения и отображения воспроизводить и отображать все движущиеся изображения и неподвижные изображения. Модуль 840 записи и связи принимает сигнал из модуля 830 схемы обработки видеосигналов, обменивается данными с модулем 860 схемы управления системой и выполняет операцию записи сигнала для формирования изображения на носителе записи (не проиллюстрирован).
Модуль 860 схемы управления системой управляет работой системы формирования изображений интегрированным способом и управляет возбуждением оптического модуля 810, модуля 850 схемы управления согласно временной синхронизации, модуля 840 записи и связи и модуля 870 воспроизведения и отображения. Модуль 860 схемы управления системой включает в себя устройство хранения, которое является, например, носителем записи и не иллюстрировано. Программа, требуемая для управления работой системы формирования изображений, записывается на носитель. Модуль 860 схемы управления системой подает в систему формирования изображений сигнал, который, например, переключает режим возбуждения в ответ на операцию пользователя. Конкретные примеры включают в себя изменение строк для считывания и сброса, изменение угла обзора согласно электронному масштабированию и сдвигу угла обзора для электронной виброизоляции. Модуль 850 схемы управления согласно временной синхронизации управляет синхронизацией возбуждения устройства 100 формирования изображений и модуля 830 схемы обработки видеосигналов на основе управления посредством модуля 860 схемы управления системой в качестве модуля управления.
Таким образом, первый-четвертый варианты осуществления определяют то, имеет сигнал, который должен подвергаться аналого-цифровому преобразованию, большую или маленькую амплитуду, и выполняют процесс сравнения с использованием пилообразного сигнала, имеющего крутизну, подходящую для определенного сигнала, тем самым обнаруживая данные после аналого-цифрового преобразования и достигая многобитовой конфигурации согласно процессу побитового сдвига на Фиг.6. В затемненном окружении формирования изображений, при некоторых условиях экспонирования S-сигнал легко становится небольшим амплитудным сигналом. Таким образом, может рассматриваться усиление S-сигнала для повышения чувствительности. В первом варианте осуществления, схема 20-1 усиления усиливает сигнал, тем самым давая возможность повышения чувствительности. В случае ввода сигнала из пикселного модуля 10 в схему 30-1 сравнения без усиления, крутизна пилообразного сигнала может быть изменена, чтобы тем самым в результате повышать чувствительность. Варианты осуществления не определяют уникально крутизну пилообразного сигнала. Вместо этого крутизна пилообразного сигнала может быть изменена согласно требуемому повышению чувствительности. Например, в случае двойного повышения чувствительности, крутизна может управляться так, что она составляет половину.
Любой из вариантов осуществления описывает только пример конкретной реализации настоящего изобретения. Объем настоящего изобретения не должен истолковываться как ограниченный способом согласно вариантам осуществления. Т.е. настоящее изобретение может быть реализовано в различных формах без отступления от технической идеи и основных характеристик. Например, пилообразный сигнал, уровень которого изменяется линейно во времени, описан как опорный сигнал. Тем не менее, сигнал может иметь пошагово изменяющуюся крутизну.
Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на примерные варианты осуществления, следует понимать, что изобретение не ограничено раскрытыми примерными вариантами осуществления. Объем нижеследующей формулы изобретения должен соответствовать самой широкой интерпретации, так что он заключает в себе все такие модификации и эквивалентные структуры и функции.