ТВЕРДОТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ, СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТАКИМ УСТРОЙСТВОМ И СИСТЕМА КАМЕРЫ
SOLID-STATE IMAGING APPARATUS, METHOD OF CONTROLLING SAID APPARATUS AND CAMERA SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к твердотельному устройству формирования изображения, которое представляет собой устройство с датчиком изображения типа CMOS (КМОП, комплементарный металлооксидный полупроводник), способу управления таким устройством и системе камеры.
Уровень техники
Был предложен датчик изображения КМОП, который имеет блок матрицы пикселей, имеющей множество пикселей, расположенных двумерно, считывает пиксельные сигналы, считываемые из отдельных пикселей в блоке матрицы пикселей, последовательно столбец пикселя за столбцом пикселя, выполняет CDS (коррелированную двойную выборку) или тому подобное для каждого столбца пиксельных сигналов, для преобразования пиксельных сигналов в сигналы изображения, предназначенные для вывода.
В основном в датчиках изображения КМОП используется параллельный вывод в столбце, который имеет FD (с плавающей диффузионной областью) усилитель, имеющий FD для каждого пикселя, выбирает одну строку пикселей в матрице пикселей и одновременно считывает пиксельные сигналы в строке в направлении столбца.
Это связано с тем, что для усилителей FD, расположенных в пикселях, трудно обеспечить достаточные характеристики управления, в результате чего требуется уменьшать скорость передачи данных, что делает предпочтительной параллельную обработку.
Различные схемы считывания (вывода) пиксельных сигналов были предложены для параллельного вывода в столбце датчиков изображения типа КМОП.
Наиболее совершенный тип схем считывания имеет аналогово-цифровой преобразователь (ниже сокращенно обозначен как АЦП), предусмотренный для каждого столбца, для получения сигнала пикселя в виде цифрового сигнала.
Датчик изображения КМОП, имеющий параллельный для столбца АЦП, установленный в нем, раскрыт, например, в публикации W.Yang et al., An Integrated 800×600 CMOS Image System, ISSCC Digest of Technical Papers, pp.304-305, Feb., 1999 (Непатентный документ 1) и JP A 2005278135 (Патентный документ 1).
Известно, что, когда очень интенсивный свет, такой как солнечный свет, попадает на такой датчик изображения КМОП, уровень сигнала на входном участке падает, в результате чего возникает явление зачернения, в соответствии с которым, даже если свет будет очень ярким, изображение выглядит черным.
В датчике изображения КМОП предусмотрены некоторые средства коррекции для исключения такого явления (см., например, JP A 2008283557 (Патентный документ 2)).
В качестве подхода для недопущения явления зачернения был предложен способ, в котором усилитель без фотодиода (ниже называется "транзистором фиктивного усиления пикселя") предусмотрен в пикселе во время обнаружения явления зачернения и напряжение сброса, выводимое из пикселя, заменяют выходным напряжением транзистора фиктивного усиления пикселя.
Этот способ раскрыт, например, в JP A 2000287131 (Патентный документ 3).
Также был предложен другой способ, в котором используется множество напряжений питания в блоке пикселей, используемых для различных целей, таких как расширение рабочего диапазона блока пикселей и полная передача зарядов сигнала (см., например, WO 03/085964 (Патентный документ 4)).
На фиг.1 показана принципиальная схема, представляющая общую конфигурацию твердотельного устройства формирования изображения (датчика КМОП изображения), для которого приспособлены предложенные технологии.
Твердотельное устройство 1 формирования изображения включает в себя блок 2 пикселей, блок 3 вертикальной развертки, блок 4 горизонтальной развертки и группу 5 схемы обработки столбца, имеющую АЦП, как показано на фиг.1.
Твердотельное устройство 1 формирования изображения дополнительно включает в себя цифроаналоговый преобразователь (ниже сокращенно обозначен как "DAC" (ЦАП)) 6, схему 7 смещения коррекции, блок 8 управления синхронизацией при передаче данных, блок 9 цифровых операций и выходной блок 10.
Действительная область пикселей в блоке 2 пикселей имеет двумерную матрицу единичных пикселей 21, причем каждый столбец имеет фиктивный блок 22 пикселей, включающий в себя транзистор фиктивного усиления пикселей.
Единичный пиксель 21 имеет фотодиод PD21, который представляет собой элемент фотоэлектрического преобразования. Единичный пиксель 21, кроме того, включает в себя всего четыре транзистора, а именно транзистор Т21 передачи, транзистор Т22 сброса, транзистор Т23 усиления и транзистор Т24 выбора.
Импульс TRG передачи, импульс RST сброса, импульс SEL выбора и т.д. подают в соответствующие транзисторы пикселя из блока 3 вертикальной развертки для преобразования зарядов сигналов, полученных фотодиодом PD21, в сигнал SIG пикселя, который, в свою очередь, выводят в линию 23 вертикального сигнала.
Фиктивный блок 22 пикселей включает в себя транзистор DT фиктивного усиления пикселя и транзистор ST фиктивного выбора пикселя. Фиктивным блоком 22 пикселей управляют с помощью импульса DSEL выбора из блока 3 вертикальной развертки и напряжения SLP_SUN фиксации из схемы смещения коррекции зачернения.
Хотя схема единичного пикселя выполнена с использованием четырех транзисторов, в приведенном выше описании она может иметь другую конфигурацию, например с тремя транзисторами, без транзистора выбора. Желательно, чтобы фиктивный блок 22 пикселей имел ту же конфигурацию, что и схема единичного пикселя.
На фиг.2А и 2В показаны схемы, предназначенные для пояснения работы и AD (АЦ, аналогово-цифрового) преобразования для строк пикселей, которые считывают при нормальном количестве света, а когда свет очень интенсивный, вызывающие явление зачернения.
Выходной сигнал при нормальном количестве света, показанный на фиг.2А, определяется разностью между величиной отсчета в период А, когда сигнал пикселя SIG становится идентичным опорному сигналу SLP_ADC для АЦ преобразования в период Р-фазы, и величиной отсчета в период В, когда сигнал SIG пикселя становится идентичным опорному сигналу SLP_ADC для АЦ преобразования в период D-фазы.
С другой стороны, выходной сигнал при очень интенсивном свете, который приводит к явлению зачернения, как показано на фиг.2В, фиксируют таким образом, что сигнал SIG пикселя не становится равным или меньше, чем установленное напряжение, с помощью напряжения фиксации SLP_SUN из схемы смещения коррекции зачернения.
В соответствии с этим сигнал SIG пикселя не становится идентичным опорному сигналу SLP_ADC для АЦ преобразования период в Р-фазы, как можно видеть в период С.
Когда сигнал SIG пикселя не становится идентичным опорному сигналу SLP_ADC для АЦ преобразования в период Р-фазы, определяют, что возникло явление зачернения и что величина отсчета была полностью подсчитана или что явление зачернения было скорректировано в результате выполнения некоторой операции, такой как замена величины отсчета фиксированной величиной отсчета, которая равна или больше сигнала насыщения. Следует, однако, отметить, что напряжение SLP_SUN фиксации из схемы смещения коррекции зачернения должно быть правильно установлено. Когда установленное значение является неправильным, явление зачернения не может быть скорректировано, или коррекция может быть выполнена неправильно, и приведет к ухудшению выходной характеристики при нормальных условиях.
Сущность изобретения
Однако в такой конфигурации схемы наклон опорного сигнала SLP_ADC для АЦ преобразования изменяется в соответствии с количеством битов квантования, аналоговым коэффициентом усиления, частотой управления схемой счетчика и т.д.
Это сужает диапазон, в котором можно корректировать явление зачернения, используя установленное значение для напряжения фиксации SLP_SUN.
Когда используют множество напряжений питания для блока пикселей, как описано в Патентном документе 4, опорное напряжение для схемы смещения коррекции зачернения может отличаться от напряжения сброса блока пикселей, а независимые колебания опорного напряжении и напряжения сброса сужают диапазон, в котором можно корректировать зачернение.
С учетом этих условий, рабочих колебаний параметров, транзисторов и т.п., когда установленное значение для напряжения фиксации SLP_SUN из схемы смещения коррекции зачернения используется в качестве фиксированного напряжения, неправильное напряжение фиксации при некоторых условиях может привести к возникновению проблем.
Как очевидно из приведенного выше, технологии в соответствии с предшествующим уровнем техники имеют проблему, состоящую в том, что диапазон, в котором можно корректировать зачернение, ограничен некоторыми условиями.
Таким образом, желательно обеспечить твердотельное устройство формирования изображения, способ управления им и систему камеры, которая позволяет расширить диапазон, в котором можно корректировать зачернение.
Твердотельное устройство формирования изображения в соответствии с вариантом выполнения изобретения включает в себя блок пикселей, имеющий множество пикселей, выполняющих фотоэлектрическое преобразование и расположенных в виде матрицы, модуль считывания пиксельного сигнала, включающий в себя блок аналогово-цифрового (АЦ) преобразования, который считывает пиксельные сигналы из блока пикселей в сигнальную линию в модуле из множества пикселей и выполняет сравнение опорного сигнала, имеющего пилообразную форму, с пиксельными сигналами для выполнения АЦ преобразования, модуль фиксации, который фиксирует сигнальную линию напряжением фиксации, так что пиксельные сигналы удерживаются при напряжении, равном или большем установленного напряжения, схему смещения коррекции, которая генерирует напряжение фиксации в соответствии с подаваемым установленным значением напряжения фиксации и подает напряжение фиксации в модуль фиксации, и модуль выбора смещения коррекции, который выбирает установленное значение напряжения фиксации таким образом, что напряжение фиксации генерируется в связи с информацией определения наклона для определения наклона опорного сигнала, и подает установленное значение напряжения фиксации в схему смещения коррекции.
Способ управления для твердотельного устройства формирования изображения в соответствии с другим вариантом выполнения изобретения включает в себя этап считывания, заключающийся в считывании пиксельных сигналов из блока пикселей, имеющего множество пикселей, выполняющих фотоэлектрическое преобразование и расположенных в форме матрицы, в сигнальную линию в модуле из множества пикселей, этап фиксации, заключающийся в фиксации сигнальной линии напряжением фиксации, так что пиксельные сигналы удерживаются при напряжении, равном или большем установленного напряжения, и этап считывания пиксельных сигналов, на котором позволяют блоку аналогово-цифрового (АЦ) преобразования сравнивать опорный сигнал, имеющий пилообразную форму, с пиксельными сигналами для выполнения АЦ преобразования, причем на этапе фиксации установленное значение напряжения фиксации выбирают таким образом, что напряжение фиксации генерируется в связи с информацией определения наклона для определения наклона опорного сигнала, и генерируют напряжение фиксации в соответствии с выбранным установленным значением напряжения фиксации для фиксации сигнальной линии напряжением фиксации.
Система камеры в соответствии с еще одним вариантом выполнения включает в себя твердотельное устройство формирования изображения и оптическую систему, которая формирует изображение объекта в твердотельном устройстве формирования изображения, при этом твердотельное устройство формирования изображения включает в себя блок пикселей, имеющий множество пикселей, выполняющих фотоэлектрическое преобразование и расположенных в форме матрицы, модуль считывания пиксельного сигнала, включающий в себя блок аналогово-цифрового (АЦ) преобразования, который считывает пиксельные сигналы из блока пикселей в сигнальную линию в модуле из множества пикселей и сравнивает опорный сигнал пилообразной формы с пиксельными сигналами для выполнения АЦ преобразования, модуль фиксации, который фиксирует сигнальную линию напряжением фиксации, так что пиксельные сигналы удерживаются при напряжении, равном или большем установленного напряжения, блок смещения коррекции, который генерирует напряжение фиксации в соответствии с подаваемым установленным значением напряжения фиксации и подает напряжение фиксации в модуль фиксации, и модуль выбора смещения коррекции, который выбирает установленное значение напряжения фиксации таким образом, что напряжение фиксации генерируется в связи с информацией определения наклона для определения наклона опорного сигнала, и подает установленное значение напряжения фиксации в схему смещения коррекции.
Варианты выполнения изобретения позволяют расширить диапазон, в котором можно корректировать зачернение.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показана принципиальная схема, представляющая общую конфигурацию твердотельного устройства формирования изображения (датчика изображения КМОП), в котором применяют предложенные технологии;
на фиг.2А и 2В показаны схемы, предназначенные для пояснения работы и АЦ преобразования для строки пикселей, считываемых при нормальном количестве света и при очень интенсивном свете, который вызывает явление зачернения;
на фиг.3 показана блок-схема, представляющая пример конфигурации твердотельного устройства формирования изображения (датчика изображения КМОП) с АЦП, установленным параллельно столбцу, в соответствии с вариантом выполнения изобретения;
на фиг.4 показана схема, представляющая увеличенный вид примерного пикселя в датчике изображения КМОП, имеющего четыре транзистора, в соответствии с вариантом выполнения;
на фиг.5 показана схема, представляющая, что наклон опорного сигнала для АЦ преобразования изменяется в соответствии с количеством битов квантования;
на фиг.6 показана схема, представляющая, что наклон опорного сигнала для АЦ преобразования изменяется на установленное значение для аналогового коэффициента усиления;
на фиг.7 показана схема, представляющая пример схемы, включающей в себя схему смещения коррекции в соответствии с вариантом выполнения;
на фиг.8 показана схема, иллюстрирующая временные соотношения при работе твердотельного устройства формирования изображения в соответствии с вариантом выполнения во время периода обнаружения зачернения и периода нормального управления;
на фиг.9 показана схема, представляющая пример таблицы напряжения фиксации для наклона опорного сигнала для АЦ преобразования, которое формируют в блоке выбора смещения коррекции, в соответствии с вариантом выполнения;
на фиг.10 показана схема, представляющая пример конфигурации блока выбора смещения коррекции в соответствии с вариантом выполнения;
на фиг.11 показана схема, иллюстрирующая временную диаграмму, предназначенную для пояснения работы блока выбора смещения коррекции по фиг.10 в период обнаружения зачернения; и
на фиг.12 показана схема, представляющая пример конфигурации системы камеры, в которой применяют твердотельное устройство формирования изображения в соответствии с вариантом выполнения.
Описание предпочтительного варианта выполнения
Предпочтительный вариант выполнения настоящего изобретения будет описан ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи. Описание будет приведено в следующем порядке.
1. Пример общей конфигурации твердотельного устройства формирования изображения
2. Пример конфигурации АЦП столбца
3. Пример управления для выбора смещения коррекции
4. Пример конфигурации системы камеры
На фиг.3 показана блок-схема, представляющая пример конфигурации твердотельного устройства 100 формирования изображения (датчика изображения КМОП) с АЦП, установленным параллельно столбцу, в соответствии с вариантом выполнения изобретения.
1. Пример общей конфигурации твердотельного устройства формирования изображения
Как показано на фиг.3, твердотельное устройство 100 формирования изображения имеет блок 110 пикселей, в качестве блока формирования изображения, блок 120 вертикальной (по строкам) развертки, блок 130 горизонтальной (по столбцам) развертки и контроллер 140 синхронизации передачи данных.
Твердотельное устройство 100 формирования изображения дополнительно имеет группу 150 схем обработки данных столбца, такую как группа из АЦП, ЦАП 160 в качестве блока генерирования опорного сигнала, блока 170 выбора смещения коррекции, схемы 180 смещения коррекции и блока 190 обработки сигналов.
Блок 190 обработки сигналов имеет блок 191 цифровых операций и выходной блок 192.
Твердотельное устройство 100 формирования изображения в соответствии с вариантом выполнения генерирует напряжение фиксации для обнаружения зачернения на основе напряжения питания, равного напряжению сброса для блока пикселей, для подавления колебаний в напряжении питания и расширения диапазона, в котором можно корректировать зачернение.
Твердотельное устройство 100 формирования изображения в соответствии с вариантом выполнения изменяет напряжение фиксации обнаружения зачернения в связи с количеством битов квантования, которое определяет наклон опорного сигнала для АЦ преобразования, аналоговым коэффициентом усиления, частотой блока счетчика в АЦ-схеме столбца и т.д.
Соответственно, твердотельное устройство 100 формирования изображения имеет возможность установки оптимального напряжения фиксации при любых условиях для расширения диапазона, в котором можно корректировать зачернение.
Блок 110 пикселей имеет двумерный массив (матрицу) единичных пикселей 110А в m строках и n столбцах, причем каждый единичный пиксель 110А включает в себя фотодиод (элемент фотоэлектрического преобразования) и встроенный внутри пикселя усилитель.
Блок 110 пикселей также имеет фиктивные блоки 110В пикселей, используемые в качестве блоков фиксации в связи с отдельными столбцами массива пикселей.
Фиктивный блок 110В пикселей в качестве блока фиксации выполняет фиксацию вертикальной сигнальной линии 116 так, что пиксельный сигнал SIG удерживают равным или большим установленного напряжения, с помощью напряжения фиксации, то есть пиксельный сигнал SIG не становится равным или меньшим установленного напряжения.
Пример конфигурации единичного пикселя
На фиг.4 показана схема, представляющая с увеличением пример пикселя датчика изображения КМОП, имеющего четыре транзистора, в соответствии с вариантом выполнения.
Единичный пиксель 110А имеет фотодиод 111 в качестве элемента фотоэлектрического преобразования.
Единичный пиксель 110А имеет четыре транзистора в качестве активных компонентов для одного фотодиода 111, а именно транзистор 112 передачи в качестве элемента передачи, транзистор 113 сброса в качестве элемента сброса, транзистор 114 усиления и транзистор 115 выбора.
Фотодиод 111 выполняет фотоэлектрическое преобразование входного света в заряды (электроны в данном примере), количество которых соответствует количеству входного света.
Транзистор 112 передачи включен между фотодиодом 111 и плавающей диффузионной областью ПДО в качестве выходного узла.
Когда сигнал TRG передачи подают на затвор (затвор передачи) транзистора 112 передачи через линию LTx управления передачей, транзистор 112 передачи передает электроны, полученные в результате фотоэлектрического преобразования, выполненного с помощью фотодиода 111, в плавающую диффузионную область ПДО.
Транзистор 113 сброса включен между линией LVDDRST питания и плавающей диффузионной областью ПДО.
Когда сигнал RST сброса подают на затвор транзистора 113 сброса через линию LRST управления сбросом, транзистор 113 сброса выполняет сброс потенциала плавающей диффузионной области ПДО до потенциала линии LVDDRST питания.
Напряжение VDDRST, которое подают в линию LVDDRST питания, соединенную со стоком транзистора 113 сброса, генерируют на основе напряжения питания, равного напряжению фиксации для обнаружения зачернения.
Плавающая диффузионная область ПДО соединена с затвором транзистора 114 усиления.
Транзистор 114 усиления имеет исток, соединенный с вертикальной линией 116 сигналов через транзистор 115 выбора, и формирует истоковый повторитель вместе с источником ISRS постоянного тока, который расположен за пределами блока пикселя. Сток транзистора 114 усиления соединен с линией LVDDAMP питания.
Затем сигнал SEL управления (сигнал адреса или сигнал выбора) подают на затвор транзистора 115 выбора через линию LSEL управления выбором для включения транзистора 115 выбора.
Когда транзистор 115 выбора включен, транзистор 114 усиления усиливает потенциал плавающей диффузионной области ПДО и выводит напряжение (сигнал SIG пикселя), соответствующее потенциалу, в вертикальную линию 116 сигналов.
Пиксельные сигналы SIG, эквивалентные напряжениям, выводимым из отдельных пикселей, выводят в группу 150 схем обработки столбца в качестве схемы считывания пиксельного сигнала через вертикальную линию 116 сигналов.
Поскольку затворы транзистора 112 передачи, транзистора 113 сброса и транзистора 115 выбора, например, подключены построчно, эти операции выполняют параллельно одновременно для одной строки пикселей.
Набор из линии LRST управления сбросом, линии LTx управления передачей и линии LSEL управления выбором, предусмотренных в блоке 110 пикселей, обеспечен для каждой строки пикселей.
Этими линией LRST управления сбросом, линией LTx управления передачей и линией LSEL управления выбором управляют с помощью блока 120 вертикальной развертки в качестве блока управления пикселем.
Пример конфигурации фиктивного блока пикселей
Фиктивный блок 110В пикселей выполнен так, что он включает в себя транзистор 117 фиктивного усиления пикселя и транзистор 118 фиктивного выбора пикселя.
Транзистор 117 фиктивного усиления пикселя имеет сток, соединенный с линией LVDDAMP питания, и исток, соединенный со стоком транзистора 118 фиктивного выбора пикселя.
Исток транзистора 118 фиктивного выбора пикселя соединен с вертикальной линией 116 сигналов.
Затвор транзистора 117 фиктивного усиления пикселя соединен с линией питания для подачи напряжения SLP_SUN фиксации с помощью схемы 180 смещения коррекции.
Затвор транзистора 118 фиктивного выбора пикселя соединен с линией питания для подачи импульса DSEL выбора с помощью блока 120 вертикальной развертки.
Как очевидно из приведенного выше, фиктивным блоком 110В пикселя управляют с помощью импульса DSEL выбора из блока 120 вертикальной развертки и напряжения SLP_SUN фиксации из схемы 180 смещения коррекции.
Хотя блок единичного пикселя выполнен так, что он имеет четыре транзистора, в приведенном выше описании он может иметь другую конфигурацию, имеющую, например, три транзистора, из которой исключен транзистор выбора.
Желательно, чтобы фиктивный блок 110В пикселя имел такую же конфигурацию, как и блок единичного пикселя.
В твердотельном устройстве 100 формирования изображения предусмотрен контроллер 140 синхронизации передачи данных, который генерирует внутренние тактовые сигналы, в качестве схемы управления для последовательного считывания сигналов из блока 110 пикселей, блок 120 вертикальной развертки, который управляет адресами строк и разверткой по строкам, и блок 130 горизонтальной развертки, который управляет адресами столбцов и разверткой по столбцам.
Контроллер 140 синхронизации передачи данных генерирует сигналы синхронизации, необходимые при обработке сигналов блока 110 пикселей, блока 120 вертикальной развертки, блока 130 горизонтальной развертки, группы 150 схем обработки столбца, ЦАП 160, блока 170 выбора смещения коррекции, схемы 180 смещения коррекции и т.д.
Контроллер 140 синхронизации передачи данных включает в себя блок управления ЦАП, который управляет генерированием опорного сигнала SLP_ADC (пилообразный сигнал) в ЦАП 160.
Блок управления ЦАП выполняет управление таким образом, чтобы регулировать наклон опорного сигнала SLP_ADC для каждой строки, в которой должно быть выполнено АЦ преобразование с использованием каждой схемы 151 обработки столбца (АЦП) в группе 150 схем обработки столбца.
Блок управления ЦАП может выполнять управление таким образом, чтобы регулировать наклон опорного сигнала SLP_ADC для каждой из первой выборки и второй выборки, в соответствии с разностью количества битов квантования во время выполнения CDS (коррелированная двойная выборка) в группе 150 схем обработки столбца.
Блок 110 пикселей выполняет фотоэлектрическое преобразование видеоизображения или изображения на экране в аналоговый сигнал SIG пикселя для каждой строки пикселей путем сохранения и разряда фотонов, используя линейный затвор, и выводит аналоговый сигнал SIG пикселя в каждую схему 151 обработки столбца в группе 150 схем обработки столбца.
В группе 150 схем обработки столбца каждый блок АЦП (каждый блок столбца) выполняет APGA-совместимое интегрированное АЦП и цифровое CDS для аналогового выходного сигнала из блока 110 пикселей, используя опорный сигнал SLP_ADC из ЦАП 160, для вывода цифрового сигнала, состоящего из нескольких битов.
2. Пример конфигурации АЦП столбца
Группа 150 схем обработки столбца в соответствии с вариантом выполнения имеет множество столбцов, состоящих из схем 151 обработки столбца (АЦП), в качестве блоков АЦП.
Таким образом, группа 150 схем обработки столбца имеет функцию преобразования k-битного цифрового сигнала и имеет отдельные АЦП 151, установленные для вертикальных линий 116-1-116-n сигнала (линий столбцов), соответственно, формируя, таким образом, параллельные столбцам блоки АЦП.
Каждый АЦП 151 имеет компаратор 152 для сравнения опорного сигнала SLP_ADC, имеющего пилообразную форму, получаемого путем изменения опорного сигнала, ступенчато генерируемого ЦАП 160, с аналоговыми пиксельными сигналами SIG, получаемыми через вертикальную линию 116 сигнала от каждой строки пикселей.
Кроме того, каждый АЦП 151 имеет фиксатор 153 счетчика, который подсчитывает время сравнения и удерживает результат подсчета.
Выход каждого фиксатора 153 счетчика соединен с горизонтальной линией LTRF передачи, имеющей ширину, например, k битов.
В группе 150 схем обработки столбца аналоговые пиксельные сигналы SIG, считываемые по вертикальной линии 116 сигнала, сравнивают с опорным сигналом SLP_ADC (сигнал RAMP пилообразной формы, в качестве напряжения пилообразной формы, которое линейно изменяется с заданным наклоном) с помощью компаратора 152, установленного для каждого столбца.
В это время работает фиксатор 153 счетчика, установленный для каждого столбца, как и компаратор 152.
Каждый АЦП 151 преобразует потенциал (аналоговый сигнал) Vsl вертикальной линии 116 сигнала в цифровой сигнал, в то время как опорный сигнал SLP_ADC, имеющий пилообразную форму, и величина подсчета изменяются во взаимно однозначном соответствии.
АЦП 151 преобразует изменение в напряжении опорного сигнала SLP_ADC в изменение во времени и выполняет подсчет времени в данном цикле (тактовом сигнале) для преобразования времени в цифровое значение.
Когда аналоговый пиксельный сигнал SIG пересекает опорный сигнал SLP_ADC, выходной сигнал компаратора 152 инвертируется для прекращения подачи входных тактовых сигналов в фиксатор 153 счетчика или подают тактовые сигналы, подача которых в фиксатор 153 счетчика ранее была прекращена, завершая, таким образом, АЦ преобразование.
После окончания периода АЦ преобразования блок 130 горизонтальной развертки передает данные, содержащиеся в фиксаторе 153 счетчика, в линию LTRF горизонтальной передачи. Данные вводят через усилитель в блок 190 обработки сигналов для выполнения заданной обработки сигналов для генерирования двумерного изображения.
Блок 130 горизонтальной развертки выполняет параллельную передачу для нескольких каналов одновременно для обеспечения скорости передачи.
Контроллер 140 синхронизации передачи данных генерирует синхронизирующие импульсы, необходимые при обработке сигнала в отдельных блоках, таких как блок 110 пикселей и группа 150 схем обработки столбца.
Блок 190 обработки сигналов на последующем этапе выполняет обработку цифрового сигнала, такую как коррекция дефекта вертикальной линии или точечного дефекта для сигналов, сохраненных в запоминающем устройстве линии, фиксация сигнала, параллельно-последовательное преобразование, сжатие, кодирование, суммирование, усреднение и прерывистая операция.
Цифровые сигналы, передаваемые для каждой строки пикселей, сохраняют в запоминающем устройстве линии.
В твердотельном устройстве 100 формирования изображения в соответствии с вариантом выполнения цифровой выходной сигнал блока 190 обработки сигналов подают в качестве входного сигнала в ISP (или в LSI) основной полосы частот.
ЦАП 160 генерирует опорный сигнал (пилообразный сигнал) с наклонной формой колебаний, которая линейно изменяется с заданным наклоном под управлением блока управления ЦАП, и подает этот опорный сигнал SLP_ADC в группу 150 схем обработки столбца.
Наклон опорного сигнала SLP_ADC для преобразования АЦ изменяется в соответствии с информацией определения наклона. Такая информация определения наклона включает в себя количество битов квантования, установленное значение для аналогового усиления и частоту блока счетчика в АЦ схеме столбца.
Поэтому наклон опорного сигнала SLP_ADC для АЦ преобразования изменяется, например, в соответствии с количеством битов квантования, установленным значением для аналогового коэффициента усиления или частотой блока счетчика в АЦ схеме столбца.
На фиг.5 показана схема, показывающая, что наклон опорного сигнала SLP_ADC для АЦ преобразования изменяется в соответствии с количеством битов квантования.
На фиг.6 показана схема, показывающая, что наклон опорного сигнала SLP_ADC для АЦ преобразования изменяется в соответствии с установленным значением для аналогового коэффициента усиления.
Как показано на фиг.5, наклон опорного сигнала SLP_ADC для АЦ преобразования становится более пологим, когда количество битов квантования становится больше, и становится более крутым, когда количество битов квантования становится меньше.
Поэтому время (величина подсчета), необходимое для совпадения опорного сигнала SLP_ADC для АЦ преобразования с пиксельным сигналом SIG, отличается между периодом Р-фазы и периодом D-фазы.
Например, когда количество битов квантования велико, величина сигналов представляет собой разность между величиной А подсчета в период Р-фазы и величиной В подсчета в период D-фазы.
Когда количество битов квантования мало, величина сигналов представляет собой разность между величиной С подсчета в период Р-фазы и величиной D подсчета в период D-фазы.
Как показано на фиг.6, наклон опорного сигнала SLP_ADC для АЦ преобразования становится более пологим, когда установленное значение для аналогового коэффициента усиления становится выше, и становится более крутым, когда установленное значение для аналогового коэффициента усиления становится меньше.
Поэтому время (величина подсчета), необходимое для совпадения опорного сигнала SLP_ADC для АЦ преобразования с пиксельным сигналом SIG, отличается между периодом Р-фазы и периодом D-фазы.
Например, когда установленное значение для аналогового коэффициента усиления велико, величина сигналов представляет собой разность между величиной Е подсчета в период Р-фазы и величиной F подсчета в период D-фазы.
Когда установленное значение для аналогового коэффициента усиления мало, величина сигналов представляет собой разность между величиной G подсчета в период Р-фазы и величиной Н подсчета в период D-фазы.
3. Пример управления над выбором смещения коррекции
Блок 170 выбора смещения коррекции принимает данные, которые определяют коэффициент для определения наклона опорного сигнала SLP_ADC для АЦ преобразования, от контроллера 140 синхронизации передачи данных и передает оптимальное значение SCVL установки напряжения фиксации для обнаружения зачернения в схему 180 смещения коррекции.
Схема 180 смещения коррекции генерирует напряжение SLP_SUN фиксации для обнаружения зачернения в соответствии со значением SCVL установки напряжения фиксации для обнаружения зачернения, установленным блоком 170 выбора смещения коррекции, и подает это напряжение SLP_SUN фиксации для обнаружения зачернения на затвор транзистора 117 фиктивного усиления пикселей из фиктивного блока 110В пикселей.
На фиг.7 показана схема, представляющая пример схемы, включающей в себя схему смещения коррекции в соответствии с вариантом выполнения.
На фиг.8 показана схема, иллюстрирующая временные характеристики работы твердотельного устройства формирования изображения в соответствии с вариантом выполнения в период обнаружения зачернения и периода нормального управления.
Схема 180 смещения коррекции имеет N резисторов, R1-RN, включенных последовательно между линией LVDDRST питания и землей GND, служащей в качестве опорного потенциала, и узлы ND0-NDN с установленными значениями напряжения, в которых N+1 напряжений фиксации для обнаружения зачернения вырабатывают с помощью резисторного деления напряжения.
Схема 180 смещения коррекции имеет селектор 181 и переключатели SW0-SWN, которые избирательно подают установленные значения SVL0-SVLN напряжения в узлы ND0-NDN на первый вход селектора 181.
Включением/выключением переключателей SW0-SWN управляют в соответствии со значением SCVL установки напряжения фиксации для обнаружения зачернения, установленного с помощью блока 170 выбора смещения коррекции.
Селектор 181 имеет первый вход, соединенный с выходными выводами переключателей SW0-SWN, и второй вход, соединенный с опорным потенциалом, например с землей GND.
Селектор 181 выбирает первый вход или второй вход в соответствии с сигналом SCTL управления выбором из контроллера 140 синхронизации передачи данных и выводит напряжение SLP_SUN фиксации для обнаружения зачернения с уровнем, соответствующим выбранному входному сигналу.
В данном случае напряжение VDDRST сброса для блока 110 пикселей установлено равным напряжению, которое должно составлять опорное напряжение для резисторного деления напряжения.
Соответственно, когда напряжение VDDRST сброса для блока 110 пикселей изменяется, напряжение SLP_SUN фиксации для обнаружения зачернения изменяется в соответствии с ним, подавляя, таким образом, колебания напряжения питания.
Это расширяет диапазон, в котором можно корректировать зачернение при фиксированном значении установки напряжения фиксации для обнаружения зачернения.
Контроллер 140 синхронизации передачи данных переключает напряжение SLP_SUN фиксации детектирования зачернения между периодом детектирования зачернения и другим периодом.
На фиг.7 период K1 обозначает период обнаружения зачернения, а период K2 обозначает период нормального управления.
Как описано выше, блок 170 выбора смещения коррекции устанавливает оптимальное напряжение фиксации для наклона опорного сигнала SLP_ADC для АЦ преобразования в отношении схемы 180 смещения коррекции.
Поэтому напряжение SLP_SUN фиксации для обнаружения зачернения изменяется в соответствии с наклоном опорного сигнала SLP_ADC для АЦ преобразования, как показано на фиг.8.
Это расширяет диапазон, в котором можно корректировать зачернение.
В соответствии с вариантом выполнения установленное значение фиксации для схемы 180 смещения коррекции представляет собой N+1, которое можно изменять в соответствии с изменением сопротивления.
Хотя установленное напряжение в период нормального управления (период K2) представляет собой потенциал заземления в примере, показанном на фиг.7, оно может быть любым напряжением, которое не влияет на период нормального управления.
Как описано выше, вариант выполнения изобретения позволяет расширить диапазон, в котором можно корректировать зачернение и который ограничен некоторыми условиями в соответствии с предшествующим уровнем техники.
В качестве модификации изобретения диапазон, в котором можно корректировать зачернение, может быть расширен в соответствии с внешним управлением вместо установки блока выбора смещения коррекции внутри твердотельного устройства формирования изображения (датчика изображения КМОП).
В общем случае наклон опорного сигнала SLP_ADC для АЦ преобразования определяют по содержанию данных, передаваемых извне твердотельного устройства формирования изображения (датчик изображения КМОП).
Это может обеспечить возможность работы твердотельного устройства формирования изображения (датчика изображения КМОП) в соответствии с наклоном опорного сигнала SLP_ADC для АЦ преобразования путем выполнения управления на основе переданных данных над напряжением фиксации, установленным схемой смещения коррекции, в соответствии с содержанием наклона опорного сигнала SLP_ADC для АЦ преобразования.
Это позволяет сделать диапазон, в котором можно корректировать зачернение, более широким, чем было возможно в предшествующем уровне техники.
На фиг.9 показана схема, представляющая пример таблицы напряжения фиксации для наклона опорного сигнала для АЦ преобразования, который сформирован в блоке выбора смещения коррекции в соответствии с вариантом выполнения.
Блок 170 выбора смещения коррекции содержит таблицу TBL170 для установленных напряжений, соответствующих условиям для определения наклона опорного сигнала для АЦ преобразования, как показано, например, на фиг.9.
Блок 170 выбора смещения коррекции извлекает установленное значение, соответствующее условию для периода обнаружения зачернения (период K1), показанному на фиг.8, из таблицы TBL170 и выводит это установленное значение в блок 180 смещения коррекции.
В таблице TBL170 установленного напряжения показан аналоговый коэффициент усиления Gain и количество битов квантования QBN в соответствии друг с другом.
Когда аналоговый коэффициент усиления находится в диапазоне 0 дБ ≤ Gain < 3 дБ, а количество QBN битов квантования составляет 9 битов, установленное значение SVL установлено равным "2".
Когда аналоговый коэффициент усиления находится в диапазоне 0 дБ ≤ Gain < 3 дБ, а количество битов квантования QBN равно 12 битам, установленное значение SVL установлено равным "4".
Когда аналоговый коэффициент усиления находится в диапазоне 3 дБ ≤ Gain < 6 дБ, а количество битов квантования QBN равно 9 битам, установленное значение SVL установлено равным "3".
Когда аналоговый коэффициент усиления находится в диапазоне 3 дБ ≤ Gain < 6 дБ, а количество битов квантования QBN равно 12 битам, установленное значение SVL установлено равным "5".
Когда аналоговый коэффициент усиления находится в диапазоне 12 дБ ≤ Gain < 15 дБ, а количество битов квантования QBN равно 9 битам, установленное значение SVL установлено равным "6".
Когда аналоговый коэффициент усиления находится в диапазоне 12 дБ ≤ Gain < 15 дБ, а количество битов квантования QBN равно 12 битам, установленное значение SVL установлено равным "8".
Когда аналоговый коэффициент усиления находится в диапазоне 15 дБ ≤ Gain < 18 дБ, а количество битов квантования QBN равно 9 битам, установленное значение SVL установлено равным "7".
Когда аналоговый коэффициент усиления находится в диапазоне 15 дБ ≤ Gain < 18 дБ, а количество битов квантования QBN равно 12 битам, установленное значение SVL установлено равным "9".
Далее будет описан пример конфигурации блока 170 выбора смещения коррекции.
На фиг.10 показана схема, представляющая пример конфигурации блока выбора смещения коррекции в соответствии с вариантом выполнения.
На фиг.11 показана схема, иллюстрирующая временную диаграмму для пояснения работы блока выбора смещения коррекции по фиг.10 в период обнаружения зачернения.
Блок 170 выбора смещения коррекции по фиг.10 имеет компаратор 171, счетчик 172, блок 173 обнаружения наклона и блок 174 определения установленного значения.
Как показано на фиг.10, компаратор 171 в блоке 170 выбора смещения коррекции выполняет сравнение опорного сигнала SLP_ADC для АЦ преобразования с напряжением фиксации для периода K1 обнаружения зачернения для обнаружения наклона опорного сигнала SLP_ADC для АЦ преобразования.
Когда обнаруженный наклон находится за пределами допустимого диапазона, установленным значением для напряжения фиксации управляют для изменения таким образом, чтобы оно находилось в допустимом диапазоне.
В блоке 170 выбора смещения коррекции опорный сигнал (SLP_ADC) для АЦ преобразования сравнивают с напряжением фиксации для периода K1 обнаружения зачернения, а не с пиксельным сигналом (SIG).
Наклон опорного сигнала SLP_ADC для АЦ преобразования начинается от напряжения, имеющего определенное входное напряжение смещения относительно напряжения фиксации. Поэтому наклон текущего опорного сигнала (SLP_ADC) для АЦ преобразования получают из величины подсчета, подсчитываемой счетчиком 172 до момента пересечения напряжения смещения и напряжения фиксации.
Исходное значение для напряжения фиксации представляет собой установленное значение, заранее установленное твердотельным устройством формирования изображения (датчиком изображения КМОП), или установленное значение, определенное в результате исходного обмена данными.
Блок 174 определения установленного значения определяет, находится ли наклон в пределах допустимого диапазона. Когда наклон находится за пределами допустимого диапазона, блок 174 определения установленного значения изменяет текущее установленное значение.
Оптимальное напряжение фиксации может быть установлено для опорного сигнала SLP_ADC для АЦ преобразования путем повторения этого процесса.
Поскольку конфигурация схемы для изменения напряжения фиксации в соответствии с наклоном опорного сигнала для АЦ преобразования используется в блоке 170 выбора смещения коррекции, реакция на изменение наклона опорного сигнала SLP_ADC для АЦ преобразования может быть очень точной.
Поскольку такая конфигурация схемы устанавливает напряжение фиксации под управлением с обратной связью, необходимо уделять достаточное внимание обеспечению безопасности схемы.
Кроме того, конфигурация схемы изменяет то, как выглядит явление зачернения, когда происходит колебание напряжения фиксации при выводе действительного сигнала изображения.
Поэтому требуется установить установленное значение описанным ниже образом после изменения наклона опорного сигнала SLP_ADC для АЦ преобразования.
Желательно использовать такую конфигурацию, в которой после появления напряжения фиксации, которое может изменяться во время вывода одного изображения в период обратного хода развертки перед появлением действительного сигнала изображения, установленное значение изменяется, когда наклон последовательно множество раз выходит за пределы допустимого диапазона, с учетом колебаний в обнаружении наклона.
Работа описанной вышей конфигурации будет описана ниже.
Во время периода K1 детектирования зачернения блок 170 выбора смещения коррекции принимает данные, которые определяют коэффициент для определения наклона опорного сигнала SLP_ADC для АЦ преобразования, от контроллера 140 синхронизации передачи данных.
Например, как показано на фиг.9, блок 170 выбора смещения коррекции содержит таблицу TBL170 для установленных напряжений, соответствующих условиям, которые определяют наклон опорного сигнала для АЦ преобразования.
Блок 170 выбора смещения коррекции извлекает установленное значение, соответствующее условию из таблицы TBL170, и посылает оптимальное установочное значение SCVL напряжения фиксации для обнаружения зачернения в схему 180 смещения коррекции в течение периода K1 обнаружения зачернения.
Схема 180 смещения коррекции выбирает напряжение SLP_SUN фиксации для обнаружения зачернения, соответствующее установочному значению SCVL напряжения фиксации для обнаружения зачернения, установленному блоком 170 выбора смещения коррекции, и подает выбранное напряжение SLP_SUN фиксации на затвор транзистора 117 фиктивного усиления пикселей фиктивного блока 110В пикселей.
В период K2 нормальной работы ЦАП 160 генерирует опорный сигнал SLP_ADC, имеющий наклон в режиме Р-фазы.
В каждой схеме (АЦП) 151 обработки столбца компаратор 152, установленный для каждого столбца, выполняет сравнение аналогового пиксельного сигнала SIG, считываемого по вертикальной линии 116 сигнала, с опорным сигналом SLP_ADC.
Фиксатор 153 счетчика выполняет операцию подсчета до тех пор, пока уровни аналогового сигнала SIG пикселя и опорного сигнала SLP_ADC не пересекут друг друга и выходной сигнал компаратора 152 не будет инвертирован.
Фиксатор 153 счетчика выполняет операцию подсчета синхронно, например, с тактовыми сигналами CLK и прекращает операцию подсчета и удерживает значение подсчета также, когда выходной уровень компаратора 152 инвертирован.
Такая Р-фаза уровня сброса включает в себя колебание от пикселя к пикселю.
Во втором цикле сигналы, полученные в результате фотоэлектрического преобразования отдельными единичными пикселями 110А, считывают в соответствующие вертикальные линии 116 (116-1-116-n) сигнала (фаза D) для выполнения АЦ преобразования.
ЦАП 160 генерирует опорный сигнал SLP_ADC, также имеющий наклон в режиме фазы D.
В каждой схеме (АЦП) 151 обработки столбца компаратор 152, установленный для каждого столбца, выполняет сравнение аналогового пиксельного сигнала SIG, считываемого в вертикальную линию 116 сигнала, с опорным сигналом SLP_ADC.
Фиксатор 153 счетчика выполняет операцию подсчета до тех пор, пока уровни аналогового пиксельного сигнала SIG и опорного сигнала SLP_ADC не пересекут друг друга и выходной сигнал компаратора 152 не будет инвертирован.
Фиксатор 153 счетчика выполняет операцию подсчета синхронно, например, с тактовыми сигналами CLK и прекращает операцию подсчета и удерживает величину подсчета, когда выходной уровень компаратора 152 инвертируется.
Поскольку (уровень фазы D - уровень фазы Р) выполняют с учетом результата преобразований, выполненных в фазе Р и фазе D, может быть реализована коррелированная двойная выборка (CDS).
Сигналы, преобразованные в цифровые сигналы, последовательно считывают в блоке 190 обработки сигналов через линию LTRF горизонтальной передачи с помощью блока горизонтальной (по столбцам) развертки для окончательного вывода.
Обработка параллельного столбцам вывода осуществляется таким образом.
Как пояснялось выше, твердотельное устройство формирования изображения в соответствии с вариантом выполнения позволяет достичь следующих преимуществ.
В соответствии с вариантом выполнения напряжение сброса для выбора пикселя устанавливают равным напряжению питания, которое представляет собой опорное напряжение для напряжения фиксации для обнаружения зачернения, подавляя, таким образом, колебания напряжения питания и обеспечивая более широкий диапазон, в котором можно корректировать зачернение, чем в нормальное время.
Кроме того, напряжение фиксации для обнаружения зачернения устанавливают на оптимальном уровне в соответствии с наклоном опорного сигнала для АЦ преобразования, так что диапазон, в котором можно корректировать зачернение, может быть более широким, чем в нормальном случае.
Хотя обе схемы при их применении по отдельности могут обеспечить эффект расширения диапазона, в котором можно корректировать зачернение, обе схемы, когда их применяют вместе, позволяют существенно расширить диапазон, в котором можно корректировать зачернение.
Твердотельное устройство формирования изображения, которое имеет такие преимущества, можно использовать в качестве устройства формирования изображения для цифровой камеры или видеокамеры.
4. Пример конфигурации системы камеры
На фиг.12 показана схема, представляющая пример конфигурации системы 200 камеры, в которой применяют твердотельное устройство формирования изображения в соответствии с вариантом выполнения.
Как показано на фиг.12, такая система 200 камеры имеет устройство 210 формирования изображения, в котором применяют твердотельное устройство 100 формирования изображения в соответствии с вариантом выполнения.
Система 200 камеры имеет объектив 220, который формирует изображение из входного света (света изображения) на поверхности формирования изображения, в качестве оптической системы, которая направляет входной свет (формирует изображение объекта) на область пикселей устройства 210 формирования изображения.
Кроме того, система 200 камеры имеет схему 230 управления (DRV), которая осуществляет управление устройством 210 формирования изображения, и схему 240 обработки сигналов (PRC), которая обрабатывает выходной сигнал устройства 210 формирования изображения.
Схема 230 управления имеет генератор синхронизации (не показан), который генерирует различные сигналы синхронизации, включающие в себя импульс запуска и импульс тактовых сигналов, для управления схемами в устройстве 210 формирования изображения, и осуществляет управление устройством 210 формирования изображения, используя заданный сигнал синхронизации.
Схема 240 обработки сигнала выполняет заданную обработку сигнала для выходного сигнала устройства 210 формирования изображения.
Сигнал изображения, обработанный схемой 240 обработки сигнала, сохраняют в запоминающем устройстве записи, таком как запоминающее устройство. Печатную копию информации изображения, записанную на носителе записи, получают с помощью принтера или тому подобного. Сигнал изображения, обработанный схемой 240 обработки сигналов, отображают как движущееся изображение на мониторе, таком как жидкокристаллический дисплей.
Как описано выше, когда описанное выше твердотельное устройство 100 формирования изображения установлено в качестве устройства 210 формирования изображения в устройстве формирования изображения, таком как цифровая фотокамера, может быть реализована камера с высокой четкостью изображения.
Настоящая заявка содержит предмет изобретения, относящийся к тому, что раскрыто в приоритетной заявке на японский патент JP 2009166170, поданной в японское патентное ведомство 14 июля 2009 г., полное содержание которой здесь приведено в качестве ссылочного документа.
Для специалиста в данной области должно быть понятно, что различные модификации, комбинации, подкомбинации и изменения могут возникнуть в зависимости от конструктивных требований и других факторов, если только они находятся в пределах объема приложенной формулы изобретения или ее эквивалентов.