固体摄像装置、及其驱动方法以及摄像机.pdf

提供一种固体摄像装置，其可以在不必进行诸如按照读出像素改变可变电阻的电阻值或切换开关等复杂的控制，且不会使AD转换中的S/N比变差的情况下，使各个色彩的增益最佳化。该固体摄像装置包括：多个像素(10)，被排列为矩阵状；列放大器(20)和(50)，在所述矩阵的每一列至少被设置一个，对从构成对应的列的像素输出的信号进行放大，所述列放大器为多个；以及列AD转换器(30)和(60)，对从对应的列放大器(20)和(50)输出的信号进行AD转换，且所述列AD转换器为多个；多个所述列放大器(20)和(50)的每一个被设置成与所述多个色彩的某一个相对应，对输出信号进行放大，该输出信号是从构成对应的列的像素(10)中的、与所述多个色彩中的某一个色彩相对应的所有的像素(10)输出的信号。

1.  一种固体摄像装置，其特征在于，包括：
多个像素，被配置为矩阵状；
列放大器，在所述矩阵的每一列至少被设置一个，对从构成对应的列的像素输出的信号进行放大，所述列放大器为多个；以及
列模拟数字转换器，被设置于每个所述列放大器，对从对应的列放大器输出的信号进行模拟数字转换，所述列模拟数字转换器为多个；
所述多个像素的每一个输出与多个色彩中的某一个色彩的光的强度相对应的信号；
多个所述列放大器的每一个被设置成与所述多个色彩的某一个相对应，对输出信号进行放大，该输出信号是从构成对应的列的像素中的、与所述多个色彩中的某一个色彩相对应的所有的像素输出的信号。

2.  如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述多个像素被配置成至少在每一列包括与多个色彩相对应的像素；
所述列放大器在所述矩阵的每一列被设置多个；
在所述矩阵的每一列设置的多个列放大器的一个对输出信号进行放大，该输出信号是从对应的列所包含的多个色彩所对应的像素中的、与一个色彩相对应的像素输出的信号；
在所述矩阵的每一列设置的多个列放大器的另外的一个对输出信号进行放大，该输出信号是从所对应的列所包含的多个色彩所对应的像素中的、与另外的一个色彩相对应的像素输出的信号。

3.  如权利要求2所述的固体摄像装置，其特征在于，
从构成所述矩阵的列的像素而来的输出信号至少在每一列，至少通过多个列信号线中的某一个，被耦合于与该列相对应而设置的多个列放大器的输入端子；
与构成所述矩阵的列的多个色彩相对应的像素中的、与一个色彩相对应的像素，通过所述多个列信号线中的一个列信号线，将信号输出到对应的列放大器；
与构成所述矩阵的列的多个色彩相对应的像素中的、与另外的一个色彩相对应的像素，通过所述多个列信号线的另外的一个列信号线，将信号输出到对应的列放大器。

4.  如权利要求2所述的固体摄像装置，其特征在于，
从构成所述矩阵的列的像素而来的输出信号至少在每一列，通过共同的列信号线，被耦合于与该列相对应而设置的多个列放大器的输入端子；
与构成所述矩阵的列的多个色彩相对应的像素中的、与一个色彩相对应的像素和与另外的一个色彩相对应的像素，以时分的方式，通过所述列信号线，将信号输出到对应的列放大器。

5.  如权利要求2所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述固体摄像装置被形成在一个半导体衬底上；
在所述矩阵的每一列设置的多个列放大器分别被设置于，形成有电路的所述半导体衬底的上表面的不同的区域，以便夹持形成有所述多个像素的区域。

6.  如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述多个列放大器的每一个根据来自外部的指示，从多个增益中选择一个增益，并以选择的增益来放大所述信号。

7.  如权利要求6所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述固体摄像装置还具有多个控制线，该多个控制线用于，针对所述多个列放大器中的、与同一个所述色彩相对应的列放大器，指示相同的增益。

8.  如权利要求6所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述固体摄像装置还包括参考信号生成部，生成随着时间而单调变化的斜坡波形；
所述多个列模拟数字转换器的每一个具有比较器和计数器部，
所述比较器被设置成与所述像素的阵列的各个列相对应，并对从对应的列的像素输出的像素信号和由所述参考信号生成部生成的参考信号进行比较，
所述计数器部，从所述参考信号生成部使参考信号开始发生变化直到所对应的列的比较器示出像素信号和参考信号一致为止，对输入的时钟进行计数，
所述参考信号生成部根据来自外部的指示，使产生的参考信号的斜坡波形中的倾斜发生变化。

9.  如权利要求8所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述固体摄像装置具有多个参考信号生成部，该多个参考信号生成部生成与所述多个色彩相对应的多个斜坡波形；
所述比较器，对由所述多个参考信号生成部所生成的所述多个色彩所对应的多个参考信号之中的一个和所述像素信号进行
比较；
所述固体摄像装置还具有控制部，该控制部用于对所述多个参考信号生成部的每一个来指示所述斜坡波形的倾斜。

10.  如权利要求9所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述控制部，通过对所述多个列放大器指示增益，从而对来自所述像素的输出信号进行粗调的放大率控制，并且，通过对所述多个参考信号生成部指示斜坡波形的倾斜，从而对来自所述像素的输出信号进行微调的放大率控制。

11.  一种摄像机，具备权利要求1所述的固体摄像装置。

12.  一种固体摄像装置的驱动方法，对固体摄像装置进行驱动，其特征在于，
在权利要求8所述的固体摄像装置中，通过对所述多个列放大器指示增益，从而对来自所述像素的输出信号进行粗调的放大率控制，并且，通过对所述参考信号生成部指示斜坡波形的倾斜，从而对来自所述像素的输出信号进行微调的放大率控制。

固体摄像装置、及其驱动方法以及摄像机
技术领域
本发明涉及将光转换为电信号的固体摄像装置，尤其涉及按照被排列为矩阵状的多个像素的每一列而被设置了放大器和模拟数字转换器的固体摄像装置。
背景技术
在能够对应色彩的固体摄像装置(彩色图像传感器)中，需要与被摄物体的色温等的变化相对应地调整白平衡。例如，由于光的种类(太阳光以及萤光灯等)而被摄物体的色彩会发生变化，因此，需要与这时的色温相对应，在固体摄像装置内进行处理，以便被摄物体的白色在图像信号中也为白色。
以往，为了调整白平衡，或者增加A/D转换器的比特数(分辨率)，并将其中的1至2比特用作进行白平衡调整时所使用的数字增益，或者利用因每个色彩而不同的模拟增益来放大像素信号(例如，参照专利文献1)，或者通过改变并列A/D转换器中成为参考电压的斜坡波形的倾斜，来调整每个色彩的并列A/D转换器(例如，参照专利文献2)。
图14是上述专利文献1所公开的以往的固体摄像装置的电路方框图。该固体摄像装置包括：多个像素D11至D44，与各个像素相对应，并按照各个色彩检测入射到光电转换元件的光，并将与各个色彩相对应的光电流作为传感器信号来输出；可变电阻VR1至VR4，被设置在像素的输出方，且与偏置电源连接；开关SW1至SW4，从多个像素中选择读出传感器信号的像素；以及控制部，与被读出的像素的色彩相对应地改变可变电阻的电阻值，并使读出负载发生变化。该固体摄像装置通过上述这样的构成，从而分别调整各个像素的各个色彩的增益。
专利文献1日本特开2005-318292号公报
专利文献2日本特开2005-328135号公报
然而，在以往的为了白平衡而增加AD转换器的比特数的方法中出现的问题是，例如像上述专利文献2记载那样，将斜坡波形用于参考信号，从参考信号开始发生变化直到对应的列的比较器示出像素信号和参考信号一致为止，通过计数时钟，从而在进行AD转换的方式中计数所花费的时间就会增加。例如，要增加1比特，AD转换时间就要增加两倍，这样就阻碍了帧率的高速化。并且，对于多比特化，可以考虑到采用多个上述的比较器电路并进行并列处理，在这种情况下，由于电路规模的增大而出现的问题是，芯片面积增大或耗电量增大等。另外，要增加AD转换器的比特数，还考虑到可以使用于转换的时钟的频率增大，从而出现的问题是，时钟的速度达到极限或者因高速驱动而造成的耗电量增加。
并且，在上述的专利文献1的技术中，需要与读出像素所担负的色彩相对应，适当地改变可变电阻VR1至VR4的电阻值，或者切换开关SW1至SW4等复杂的控制。
并且，在上述的专利文献2的技术中出现的问题是，通过改变斜坡波形的倾斜从而按照各个色彩来调整增益，在需要大的增益的情况下，需要使斜坡波形的倾斜变得非常小，这样就会使用于比较像素信号和参考信号的1比特的比较电压变小，也就是说使加权电压变小，从而造成AD转换时的误差增大，S/N比(信/噪比)变差。
发明内容
因此，本发明鉴于上述的问题，目的在于提供一种固体摄像装置等，其可以在不必进行诸如按照读出像素改变可变电阻的电阻值或切换开关等复杂的控制，且不会使AD转换中的S/N比变差的情况下，使各个色彩的增益最佳化。
为了达成上述的目的，本发明所涉及的固体摄像装置包括：多个像素，被排列为矩阵状；列放大器，在所述矩阵的每一列至少被设置一个，对从构成对应的列的像素输出的信号进行放大，所述列放大器为多个；以及列模拟数字转换器，被设置于每个所述列放大器，对从对应的列放大器输出的信号进行模拟数字转换，所述列模拟数字转换器为多个；所述多个像素的每一个输出与多个色彩中的某一个色彩的光的强度相对应的信号；多个所述列放大器的每一个被设置成与所述多个色彩的某一个相对应，对输出信号进行放大，该输出信号是从构成对应的列的像素中的、与所述多个色彩中的某一个色彩相对应的所有的像素输出的信号。据此，由于按照每个色彩分别设置了列放大器，因此可以回避在仅由模拟数字(AD)转换器进行白平衡调整而造成的速度降低以及S/N比变差，并且，不必进行诸如按照读出像素改变可变电阻的电阻值或切换开关等复杂的控制。
在此，最好是，所述多个像素被排列成至少在每一列包括与多个色彩相对应的像素；所述列放大器在所述矩阵的每一列被设置多个；在所述矩阵的每一列设置的多个列放大器的一个对输出信号进行放大，该输出信号是从对应的列所包含的多个色彩所对应的像素中的、与一个色彩相对应的像素输出的信号；在所述矩阵的每一列设置的多个列放大器的另外的一个对输出信号进行放大，该输出信号是从所对应的列所包含的多个色彩所对应的像素中的、与另外的一个色彩相对应的像素输出的信号。据此，在拜尔排列的彩色滤光片等中，由于每一列的像素包含了两种色彩，因此通过在摄像面的上下两个区域设置列放大器，以便能够更加适合于拜尔排列的彩色滤光片等。
并且，关于列信号线的设置也可以是，来自构成所述矩阵的列的像素的输出信号至少在每一列，至少通过多个列信号线中的某一个，被连接于与该列相对应而设置的多个列放大器的输入端子；与构成所述矩阵的列的多个色彩相对应的像素中的、与一个色彩相对应的像素，通过所述多个列信号线中的一个列信号线，将信号输出到对应的列放大器；与构成所述矩阵的列的多个色彩相对应的像素中的、与另外的一个色彩相对应的像素，通过所述多个列信号线的另外的一个列信号线，将信号输出到对应的列放大器；来自构成所述矩阵的列的像素的输出信号至少在每一列，通过共同的列信号线，被连接于与该列相对应而设置的多个列放大器的输入端子；与构成所述矩阵的列的多个色彩相对应的像素中的、与一个的色彩相对应的像素和与另外的一个色彩相对应的像素，以时分的方式，通过所述列信号线，将信号输出到对应的列放大器。
并且，关于平面设置最好是，所述固体摄像装置被形成在一个半导体衬底上；在所述矩阵的每一列设置的多个列放大器分别被设置于，形成有电路的所述半导体衬底的上面的不同的区域，以使形成有所述多个像素的区域被夹在所述不同的区域的中间。
并且，最好是，所述多个列放大器的每一个根据来自外部的指示，从多个增益中选择一个增益，并以选择的增益来放大所述信号。例如，最好是，所述固体摄像装置还具有多个控制线，该多个控制线用于，针对所述多个列放大器中的、与同一个所述色彩相对应的列放大器，指示相同的增益。据此，能够按照各个色彩所对应的列放大器分别设定增益，并能够进行白平衡调整。
并且，也可以是，所述固体摄像装置还包括参考信号生成部，生成随着时间而单调变化的斜坡波形；所述多个列模拟数字转换器的每一个具有比较器和计数器部，所述比较器被设置成与所述像素的阵列的各个列相对应，并对从对应的列的像素输出的像素信号和由所述参考信号生成部生成的参考信号进行比较；所述计数器部，从所述参考信号生成部使参考信号开始发生变化直到所对应的列的比较器示出像素信号和参考信号一致为止，对输入的时钟进行计数；所述参考信号生成部根据来自外部的指示，使产生的参考信号的斜坡波形中的倾斜发生变化。此时，也可以是，所述固体摄像装置具有多个参考信号生成部，该多个参考信号生成部生成与所述多个色彩相对应的多个斜坡波形；所述比较器，对由所述多个参考信号生成部所生成的所述多个色彩所对应的多个参考信号之中的一个和所述像素信号进行比较；所述固体摄像装置还具有控制部，该控制部用于对所述多个参考信号生成部的每一个指示所述斜坡波形的倾斜。据此，不仅能够调整列放大器的增益，而且还能够调整AD转换的增益，因此能够进行更高精确度地白平衡调整。
在此，最好是，所述控制部，通过对所述多个列放大器指示增益，从而对来自所述像素的输出信号进行粗调的放大率控制，并且，通过对所述多个参考信号生成部指示斜坡波形的倾斜，从而对来自所述像素的输出信号进行微调的放大率控制。据此，通过进行粗调和微调，从而能够进行更精确地白平衡调整，并且，通过互补地进行两个调整，因此能够回避伴随增益的变更而造成的图像的紊乱。
并且，本发明不仅可以作为固体摄像装置来实现，而且可以作为内藏了固体摄像装置的摄像机来实现，还可以作为固体摄像装置的驱动方法来实现。
通过本发明所涉及的固体摄像装置，可以在不必进行诸如按照读出像素改变可变电阻的电阻值或切换开关等复杂的控制，且不会使AD转换中的S/N比变差的情况下，使各个色彩的增益最佳化。
因此，可以在不必使处理速度降低，以及不必使S/N比变差的情况下，按照被摄物体的色温来进行适当地白平衡调整，因此，对于需要高像素、高S/N比、低耗电量且能够高速摄像的数码相机以及带有摄像机的移动电话已经非常普及的市场，实用价值非常高。
附图说明
图1是本发明的实施例1中的固体摄像装置的电路方框图。
图2是像素的详细电路图。
图3是图1中的一对列放大器和列AD转换器的详细电路图。
图4(a)是列放大器的详细电路方框图。(b)是以晶体管来构成(a)所示的放大器时的列放大器的详细电路图。
图5(a)是本实施例中的固体摄像装置的控制部的构成的电路方框图。(b)示出了摄像面的块分割。
图6是用于说明本发明的实施例1中的固体摄像装置的工作的图。
图7是由控制部对用于白平衡的增益调整进行控制的顺序的流程图。
图8示出了针对色温而设定的白平衡的例子。
图9是实施例1中的变形例所涉及的固体摄像装置的电路方框图。
图10是本发明的实施例2中的固体摄像装置的电路方框图。
图11是实施例2所涉及的固体摄像装置的电路方框图。
图12是内藏了本发明所涉及的固体摄像装置的摄像机的功能方框图。
图13是该摄像机的外观图的一个例子。
图14是以往的固体摄像装置的电路方框图。
符号说明
1、1a、2、2a  固体撮像装置
10  像素
11至13  列信号线
20、20a至20e、50、50a至50e  列放大器
21  放大器
22  增益切换部
30、30a至30e、60、60a至60e  列AD(模数)转换器
31、31a至31e、61、61a至61e  比较器
32、32a至32e、62、62a至62e  计数器
40  水平扫描电路
80  垂直扫描电路
90a、90b、91至94  斜波发生部
100  控制部
101  块平均值计算部
102  数据处理部
具体实施方式
以下，利用附图对本发明所涉及的固体摄像装置的实施例进行详细说明。
(实施例1)
首先，对本发明的实施例1进行说明。
图1是本发明的实施例1中的固体摄像装置1的电路方框图。该固体摄像装置1是具有被形成在一个半导体衬底上的、将光转换为电信号的多个像素10的彩色图像传感器，所具有的特点是，具有例如针对RGB(红、蓝、绿)等各个色彩而独立的多个列放大器20(20a至20e)以及50(50a至50e)，并且具有针对各个色彩而独立的多个列AD转换器30(31a至31e、32a至32e)以及60(61a至61e、62a至62e)，该多个列AD转换器30以及60中具有，对信号进行比较的比较器部31(31a至31e)以及61(61a至61e)和通过在比较器31以及61对像素信号和斜波进行比较来计数到规定时间为止的时钟的计数器部32(32a至32e)以及62(62a至62e)，且该固体摄像装置1还包括：斜波发生部90a以及90b、水平扫描电路40以及70、以及垂直扫描电路80。
像素10是将RGB中的某一个光转换为电信号的MOS型图像传感器等，该像素10被配置成矩阵状，从而构成摄像面(摄像部)。如图2所示，各个像素10包括：光电二极管(PD)10a，对入射的光进行光电转换并产生电荷；信号转换部(浮动扩散：FD)10d，蓄积在PD10a产生的电荷，并将蓄积的电荷作为电压信号输出；复位晶体管10c，使FD10d所示出的电压复位为初始电压(在此为VDD)；传输晶体管10b，将在PD10a产生的电荷传输到FD10d；放大晶体管10e，输出追随FD10d所示的电压而变化的电压；选择晶体管10f，在从行选择线10g接受了行选择信号时，将放大晶体管10e的输出输出到列信号线11以及12；以及彩色滤光片等，与透过彩色滤光片的光的强度相对应的电信号被输出到列信号线11以及12。如图1所示，彩色滤光片例如以拜尔排列方式被配置，以一个红色滤光片(R)和两个(第一以及第二)绿色滤光片(Gr、Gb)以及一个蓝色滤光片(B)为一组，并且，这样的组被配置成二维状。
在此，各个像素10和列信号线11的连接如以下所述。即，如图1所示，在被配置成矩阵状的像素10，每一列被设置了与红、绿、蓝(RGB)色分别对应的两条列信号线11以及12。也就是说，这两条列信号线11以及12分别与担负构成这个列的两个色彩的像素10中、同一个色彩的所有的像素10相连接。例如，如图1所示，在最左边的第一列中，构成第一列的所有第一绿色(图中的“Gr”)的像素10与列信号线11相连接，构成第一列的所有蓝色(图中的“B”)的像素10与列信号线12连接。这是因为，需要按照各个色彩来采用不同的列放大器和列AD转换器，并以独立的列放大器增益和列AD转换器增益，放大并处理信号的缘故。
列放大器20以及50是可变增益放大器，其根据来自外部的指示从多个增益中选择一个增益，并以被选择出的增益对来自像素10的输出信号进行放大，并且，列放大器20以及50与RGB的每个色彩相对应，在像素10的每一列上设置两个。
该列放大器20以及50分别被配置在形成有电路的半导体衬底的上面的不同的区域(像素的上部区域以及下部区域)，形成像素10的区域被夹在这个不同的区域(像素的上部区域以及下部区域)中间。也就是说，位于像素10的上部区域的列放大器20对信号进行放大，该将要被放大的信号是通过列信号线11，从与该列放大器20所对应的列中所包含的两个色彩相对应的像素10中的、与一方的色彩(Gr以及R)相对应的像素10输出的信号；并且，位于像素10的下部区域的列放大器50对信号进行放大，该将要被放大的信号是通过列信号线12，从与该列放大器50所对应的列中所包含的两个色彩相对应的像素10中的、与另外一方的色彩(B以及Gb)相对应的像素10输出的信号。
另外，在该固体摄像装置1中设置了多个控制线(增益控制线1至4)，该多个控制线用于，对多个列放大器20以及50中的、与同一色彩相对应的列放大器20以及50，指示共同的列放大器增益。也就是说，增益控制线1是对列放大器20a、20c以及20e指示共同的列放大器增益的控制线，在此，列放大器20a、20c以及20e是对来自所有的第一绿色(Gr)所对应的像素10的输出信号进行放大的列放大器；增益控制线2是对列放大器20b以及20d指示共同的列放大器增益的控制线，在此，列放大器20b以及20d是对来自所有的红色(R)所对应的像素10的输出信号进行放大的列放大器；增益控制线3是对列放大器50a、50c以及50e指示共同的列放大器增益的控制线，在此，列放大器50a、50c以及50e是对来自所有的蓝色所对应的像素10的输出信号进行放大的列放大器；增益控制线4是对列放大器50b以及50e指示共同的列放大器增益的控制线，在此，列放大器50b以及50e是对来自所有的第二绿色(Gb)所对应的像素10的输出信号进行放大的列放大器。
斜波发生部90a以及90b是用于产生用于AD转换的、在时间上单调变化的斜坡波形的参考信号的参考信号生成部，其能够根据来自外部(后述的控制部100)的指示，为变更在列AD转换器30以及60的列AD转换器增益，而使斜坡波形的倾斜发生变化。例如，该斜波发生部90a以及90b产生按照一定的频率而递增的数字值，对该各个数字值进行DA转换，并使其通过低通滤波器从而得到模拟电压，并通过输出该模拟电压，从而产生斜波，通过按照来自外部的指示来变更上述频率，从而变更斜波的倾斜。
并且，在本实施例中，设置了两个斜波发生部，即90a以及90b，不过本发明所涉及的固体摄像装置也可以由一个斜波发生部构成。即，也可以是，来自一个共同的斜波发生部的斜波被同样地输入到所有的列AD转换器30以及60。关于选择哪样的构成，可以根据列AD转换器增益控制的灵活性和电路规模的折衷关系的观点来决定。
列AD转换器30以及60分别被设置在与RGB的各个色彩相对应而被配置的列放大器20以及50，是对从对应的列放大器20以及50输出的信号进行AD转换的电路。列AD转换器30以及60分别具有比较器31(31a至31e)以及61(61a至61e)和计数器32(32a至32e)以及62(62a至62e)，所述比较器31(31a至31e)以及61(61a至61e)对来自斜波发生部90a以及90b的参考信号和来自对应的列放大器20以及50的输出信号进行比较，所述计数器32(32a至32e)以及62(62a至62e)根据在比较器31以及61对像素信号和斜波所进行的比较，来计数到规定时间为止的时钟。另外，计数时钟的期间是指，例如从使斜波开始变化直至对应的列的比较器示出像素信号和参考信号一致为止的这段时间。
水平扫描电路40以及70是分别将控制信号输出到计数器32以及62的读出控制电路，所述控制信号用于对计数器32以及62所锁存的数字值依次进行水平方向的扫描并输出。据此，由计数器32锁存的数字值与从水平扫描电路40输出的控制信号同步，作为数字输出A被依次输出；另外，由计数器62锁存的数字值与从水平扫描电路70输出的控制信号同步，作为数字输出B被依次输出。
垂直扫描电路80是将控制信号(行选择信号)输出到各个像素10的读出控制电路，所述控制信号(行选择信号)用于对被配置为矩阵状的像素10，以行为单位，在垂直方向上依次使在像素10得到的信号输出到列放大器20以及50。并且，在本实施例中，由于像素10每一行与列信号线11或12交替地连接，因此，也可以以两行为单位(同时选择奇数行以及偶数行的方式)进行垂直扫描。
图3是将图1中的一对列放大器20(50)和列AD转换器(在此仅示出输入部分的比较器31(61))提取出来的电路图。在该固体摄像装置1中，按每一列的像素10、并按各个色彩(R、Gr、Gb、B)，设置了本图所示的一个列放大器20(50)和一个列AD转换器(在此仅示出输入部分的比较器31(61))。列放大器20(50)包括放大器21和增益切换部22。增益切换部22根据来自增益控制线1(2至4)的指示，将列放大器20的增益，例如以电压放大为0至12dB的范围(1.5dB步长)来切换增益。另外，12dB相当于AD转换中的2个比特(分辨度)，且12dB是为了白平衡以及将列放大器20(50)的输出信号最佳化为与列AD转换器30(60)的输入范围的满量程接近的电压时所需要的增益。
图4(a)是列放大器20(50)的详细电路方框图。在此，示出了图3所示的增益切换部22的详细电路图。增益切换部22包括：按照来自增益控制线1(2-4)的指示而能够成为导通状态的四个晶体管22a至22d，以及决定增益的四个电容器22e至22h。三个晶体管22a至22c分别是将对应的电容器22e至22g作为放大器21的反馈电容器来连接的开关晶体管。按照三个晶体管22a至22c中成为导通状态的晶体管的组合(八种)，决定放大器21的总反馈电容量Cfb，这样，如以下的公式所示，列放大器20(50)的增益Gain成为输入用电容器22h的电容量Cin和总反馈电容量Cfb的比。
Gain＝Cin/Cfb
这样，就决定了例如0至12dB的范围(1.5dB步长的8个阶段)的增益。另外，晶体管22d是一开关晶体管，用于在列放大器20(50)的放大工作开始之前等，通过使放大器21的输入输出端子短路，来使列放大器20(50)复位。
图4(b)示出了以晶体管来构成图4(a)所示的放大器21时的列放大器20以及50的详细电路例子。在此，示出的例子是，以一对CMOS晶体管(PMOS晶体管21a和NMOS晶体管21b)来构成图4(a)所示的放大器21。NMOS晶体管21b是放大用晶体管，PMOS晶体管21a是负载(恒流电源)。
图5(a)是本实施例中的固体摄像装置1所具有的控制部100的构成电路方框图。该控制部100是内部控制块或DSP等，具体而言，为了进行用于白平衡增益调整，通过将增益指示给列放大器20以及50，从而对来自像素10的输出信号进行粗调的放大范围(列放大器增益)的控制，并且，通过将斜坡波形的倾斜指示给斜波发生部90a以及90b，从而对来自像素10的输出信号进行微调的放大范围(列AD转换器增益)的控制，在此，该控制部100在功能上包括：块平均值算出部101和数据处理部102。
块平均值算出部101通过监视从计数器32以及62输出的数字值，从而针对将摄像面划分为多个区域(块)时的各个块(参照图5(b))，算出各个色彩(R、Gr、Gb、B)的数字值的平均值(Bmn_R、Bmn_Gr、Bmn_Gb、Bmn_B)。
数据处理部102利用在块平均值算出部101得到的各个色彩的平均值，计算R/G比以及B/G比，并从算出的R/G比以及B/G比中抽出最接近于白色的块，接着，计算出抽出的块中的白平衡系数Wb，并与前一帧中的白平衡系数Wb进行比较，据此来判断是否进行白平衡的控制，在进行白平衡的控制的情况下，进行上述的粗调以及微调的增益控制(即，通过增益控制线1-4等，对列放大器20和50以及斜波发生部90a和90b输出增益的指示wb_R、wb_Gr、wb_Gb、wb_B)。详细的工作待以后用流程图来说明。
以下，对具有以上构成的本发明的实施例中的固体摄像装置1的工作进行说明。
首先，在信号从像素10被读出之前，通过来自控制部100的指示，来决定列放大器20和50的增益，以及由斜波发生部90a和90b产生的斜波的倾斜。
也就是说，根据来自增益控制线1的指示，来决定列放大器20a、20c以及20e的增益，该列放大器20a、20c以及20e对来自与所有的第一绿色(Gr)相对应的像素10的输出信号进行放大；根据来自增益控制线2的指示，来决定列放大器20b以及20d的增益，该列放大器20b以及20d对来自与所有的红色(R)相对应的像素10的输出信号进行放大；根据来自增益控制线3的指示，来决定列放大50a、50c、50e的增益，该列放大器50a、50c、50e对来自与所有的蓝色(B)相对应的像素10的输出信号进行放大；根据来自增益控制线4的指示，来决定列放大器50b以及50e的增益，该列放大器50b以及50e对来自与所有的第二绿色(Gb)相对应的像素10的输出信号进行放大。
并且，根据从控制部100向连接的斜波发生部90a以及90b的控制线(图中未示出的控制线)发出的指示，斜波发生部90a以及90b所产生的斜波的倾斜被决定。
并且，在光在各个像素10被转换为电信号的情况下，在各个像素10所得到的电信号通过列信号线11以及12被读出，并被输入到列放大器20以及50。在该读出工作中，根据垂直扫描电路80的控制信号，在被排列成矩阵状的像素10，按照各个行(或者每两行)，例如从上边的行向下边的行(垂直方向)，在像素10得到的信号被依次地输入到列放大器20以及50。此时，在一行的像素10的读出中，来自与所有的第一绿色(Gr)相对应的像素10的信号被输入到列放大器20a、20c以及20e，来自与所有的红色相对应的像素10的信号被输入到列放大器20b以及20d，来自与所有的蓝色(B)相对应的像素10的信号被输入到列放大器50a、50c以及50e，与来自所有的第二绿色(Gb)相对应的像素10的信号被输入到列放大器50b以及50e。这样，从各个像素10被读出的信号被输入到与该像素所在的列相对应的专用的列放大器20以及50。
接着，从列放大器20以及50输出的信号，被输入到在每个列放大器20以及50上设置的列AD转换器30以及60，如图6所示那样，被AD转换。并且，在图6中示出了，从列放大器20以及50输出的像素信号(在此所示的例子是，四种电压值G1至G4)和斜波(RAMP)被比较，且在此期间(从斜波开始上升直到斜波和像素信号一致为止的期间)的时钟数被计数。
具体而言，在从列放大器20以及50输出的信号被输入到比较器31以及61时，斜波发生部90a以及90b产生斜波，比较器31以及61对这两个信号(来自列放大器的输出信号和斜波)进行比较。与此同时，计数器32以及62使一定频率的时钟计数(时间计测)与斜波的产生同步开始，当在比较器31以及61检测出两个输入信号一致时停止计数，并保持此时的计数值。这样，与来自列放大器的输出信号的电压相对应的数字值被保持到计数器32以及62。
并且，各个计数器32以及62中所保持的数字值通过来自水平扫描电路40以及70的控制信号，作为数字输出_A以及数字输出_B被依次扫描输出。
图7是控制部100对用于白平衡的增益调整进行控制的流程图。在此，示出的是以帧为单位的控制部100的处理。
首先，块平均值算出部101通过监视从计数器32以及62输出的数字值，从而对摄像面的各个块算出各个色彩(R、Gr、Gb、B)的数字值的平均值(Bmn_R、Bmn_Gr、Bmn_Gb、Bmn_B)(S10)。
之后，数据处理部102利用在块平均值算出部101得到的各个色彩的平均值，按照图中所示的公式，计算R/G比以及B/G比(S11)，并从算出的R/G比以及B/G比中抽出最接近白色的块(S12)。例如，将R/G比以及B/G比中接近于1的块作为最接近于白色的块来抽出。
接着，数据处理部102利用各个色彩(R、Gr、Gb、B)的数字值的平均值(Bave_R、Bave_Gr、Bave_Gb、Bave_B)，按照图中所示的公式，针对抽出的块算出各个色彩的白平衡系数(wb_R、wb_Gr、wb_Gb、wb_B)(S13)。并且，数据处理部102通过和前一帧中的白平衡系数进行比较，来判断是否进行白平衡控制(S14)。例如，仅在当前的帧和前一帧中的白平衡系数的比超过1.5dB的色彩只有一个的情况下，判断为进行白平衡的控制。
结果是，只有在判断为进行白平衡控制的情况下(S14的“是”)，数据处理部102通过将增益指示给需要控制的色彩所对应的列放大器20以及50，从而对来自像素10的输出信号进行粗调的放大控制，并且，通过将斜波波形的倾斜指示给需要控制的色彩所对应的列AD转换器30以及60的斜波发生部90a以及90b，从而对来自像素10的输出信号进行微调的放大控制(S15)。此时，进行粗略以及细微控制，以使列放大器20以及50的输出信号成为接近于列AD转换器30以及60的输入范围的满量程的电压。在此，由于急剧地增益变化会使图像紊乱，因此，例如在以粗调控制使增益上升(例如，+3dB)的情况下，首先，只将相当于该上升的增益量的负的增益设定在微调的增益控制，逐渐地使该负的增益返回到正的一侧，以这种形式来使增益发生变化。通过反复进行这样的粗调以及微调的控制，来对需要控制的色彩所对应的列放大器20以及50和列AD转换器30以及60进行增益控制。
另外，在本实施例中，由于斜波发生部90a以及90b是每隔两个色彩设定一个比例的，因此，列AD转换器30以及60的增益不是按照各个色彩完全独立的。因此，对于微调进行的调整是，针对列AD转换器所对应的两个色彩设定增益的平均值等。
在此，针对色温的白平衡的具体的增益设定例子如图8所示。在该图中，横轴表示色温，纵轴表示将绿色的信号作为0dB时的红色(Wh_Red)以及蓝色(Wh_Blue)的信号的强度(增益)。在该图中，从两个色彩的曲线中的增益差可知，由于考虑到白平衡，因此从低色温到高色温只要有12dB左右的增益设定范围即可。
如以上所述，通过本实施例中的固体摄像装置1，以各个色彩为单位设置独立的列放大器和列AD转换器，通过设定这些列放大器和列AD转换器的增益，来进行各个色彩的独立的白平衡调整。因此，不需要像以往那样的按照读出像素变更可变电阻的电阻值或切换开关等复杂的控制，并且也不会使AD转换中的S/N比变差，各个色彩的增益被最佳化。
并且，在本实施例中，像素10的每一列被设定了两个列信号线11以及12，但是，本发明不仅限于这样的列信号线配置。例如，如图9所示，像素10的每一列可以仅被设定一个列信号线13。在这样的固体摄像装置1a，来自构成矩阵的列的像素10的输出信号通过共同的列信号线13，被连接于与该列相对应被设置的两个列放大器20以及50的输入端子。该固体摄像装置1a包括：行选择开关25(25a至25e)以及55(55a至55e)，被连接于列放大器20以及50的输出端子，用于选择行的信号；信号保持电容27(27a至27e)以及57(57a至57e)，与这些行选择开关和比较器31以及61连接；以及行选择控制线A(26)以及B(56)，控制行选择开关25以及55，在构成矩阵的列的两个色彩所对应的像素10中，与一方的色彩相对应的像素10和与另一方的色彩相对应的像素10，信号通过列信号线13，并以时分的方式被分别输出到对应的列放大器20以及50，并被分别保持在信号保持电容27以及57。
具体而言，在最左侧的第一列，来自第一绿色(图中的“Gr”)的像素10的输出信号在列放大器20以及列AD变换器30被处理，另外，来自蓝色(图中的“B”)的像素10的输出信号在列放大器50以及列AD转换器60被处理。
在图9所示的列信号线的布线中，将来自某行的像素10的输出信号发送到列放大器20，将来自下一行的像素10的输出信号发送到列放大器50，并且这样的工作是交替反复进行的，分别对信号保持电容27以及57中所保持的信号在列AD转换器30以及60以时间序列进行处理。
(实施例2)
以下，对本发明的实施例2进行说明。
图10是本发明的实施例2中的固体摄像装置2的电路方框图。该固体摄像装置2具有的特点是，能够按照RGB的各个色彩设定不同的列AD转换器增益，该固体摄像装置2包括：多个像素10、多个列放大器20以及50、多个列AD转换器30以及60、水平扫描电路40以及70、垂直扫描电路80以及斜波发生部91至94。
该固体摄像装置2与实施例1的不同之处是，具有四个斜波发生部91至94，以取代实施例1中的两个斜波发生部90a以及90b，其余之处与实施例1相同。以下，对与实施例1相同的构成赋予相同的符号，并省略详细说明。
斜波发生部91至94是产生用于AD转换的四个斜坡波形的参考信号RAMP_1-RAMP_4的信号发生部，能够根据来自控制部100的指示，为分别变更在列AD转换器30以及60的列AD转换器增益而使斜坡波形的倾斜发生变化。
在此，所具有的特点是，四个斜波发生部91至94分别被设置成与四个色彩(Gr、R、B、Gb)的每一个相对应。即，斜波发生部91是产生给与第一绿色(图中的“Gr”)的像素10相对应的列AD转换器30a、30c以及30e的比较器31a、31c以及31e的斜波RAMP_1的电路；斜波发生部92是产生给与红色(图中的“R”)的像素10相对应的列AD转换器30b以及30d的比较器31b以及31d的斜波RAMP 2的电路；斜波发生部93是产生给与蓝色(图中的“B”)的像素10相对应的列AD转换器60a、60c以及60e的比较器61a、61c以及61e的斜波RAMP 3的电路；斜波发生部94是产生给与第二绿色(图中的“Gr”)的像素10相对应的列AD转换器60b以及60d的比较器61b以及61d的斜波RAMP_4的电路。
像以上这样构成的本实施例中的固体摄像装置2的工作基本上与实施例1相同。但是，在实施例1中，列放大器的增益是以色彩为单位被独立地设定的，并且列AD转换器的增益是针对两个色彩设定相同的增益的，对此，在本实施例中，列放大器以及列AD转换器均是以四个色彩(Gr、R、B、Gb)分别设定增益的。
即，控制部100在进行白平衡的调整时(图7的步骤S15)，为了实现在前一个步骤S14所得到的各个色彩的白平衡系数，而按照四个色彩(Gr、R、B、Gb)的每一个来设定列放大器以及列AD转换器的增益(粗调以及微调的增益)。
像以上这样，通过实施例中的固体摄像装置2，列放大器以及AD转换器按照各个色彩被独立地设置，这些列放大器以及AD转换器的增益按照各个色彩被独立设定，据此，能够独立地进行各个色彩的白平衡调整。因此，不需要像以往那样的按照读出像素变更可变电阻的电阻值或切换开关等复杂的控制，并且也不会使AD转换中的S/N比变差，各个色彩的增益被最佳化。
并且，在本实施例中也可以是像在实施例1中的说明那样，像素10的每一列所设置的列信号线可以是一条也可以是两条。即，在本实施例，在像素10的每一列设置的列信号线11以及12这两个列信号线，不过，也可以是如图11所示那样，在像素10的每一列仅设置列信号线13这一条列信号线。在这样的固体摄像装置2a中，来自构成矩阵的列的像素10的输出信号通过共同的列信号线13，被连接于与该列相对应而被设置的两个列放大器20以及50的输入端子。该固体摄像装置2a包括：行选择开关25(25a至25e)以及55(55a至55e)，被连接于列放大器20以及50的输出端子，用于选择行的信号；信号保持容量27(27a至27e)以及57(57a至57e)，与这些行选择开关和比较器31以及61相连接；以及控制行选择开关25以及55的行选择控制线A(26)B(56)。在构成矩阵的列的两个色彩所对应的像素10中，与一方的色彩相对应的像素10和与另一方的色彩相对应的像素10，信号通过列信号线13，并以时分的方式被分别输出到对应的列放大器20以及50。
以上，根据实施例1和2以及变形例1a和2a对本发明所涉及的固体摄像装置进行了说明，不过，本发明并非受这些实施例和变形例所限。同业人员对于这些实施例以及变形例施行能够想到的变形而得到的其他的形态，以及将这些实施例以及变形例中的构成要素任意组合而实现的其他的形态也包含在本发明内。
例如，在实施例1和2以及这些变形例1a和2a中，是以RGB以拜尔排列为例进行的说明，不过，在彩色滤光片排列中，除拜尔排列以外，还有一般周知的补色过滤器、绿色条纹过滤器、高清晰视频(ClearVid)过滤器等各种排列，对于各个彩色滤光片的排列也是与每个色彩相对应，以与本实施例相同的构成来实现。
并且，在实施例1和2以及这些变形例1a和2a中，对分别与各个色彩(R、B、Gr、Gb)相对应设置列放大器、列AD转换器，并对分别进行增益调整的方法进行了说明，不过，也可以例如对于Gr、Gb等类似色彩的像素设置共同的列放大器、列AD转换器，并进行共同的增益调整，这些构成上的选择可以由增益控制等灵活性和电路规模等折衷关系观点来决定。
并且，在实施例1和2以及这些变形例1a和2a，作为例子，对列放大器和列AD转换器被设置在像素的上部区域以及下部区域、且使形成像素10的区域被夹在中间为例进行了说明，不过，上述这样的设置也可以是在像素区域的一侧，例如可以采用在各个列以加倍的密度来配置或者以2级重叠或多级重叠来配置。
并且，内藏了本发明所涉及的固体摄像装置的各种电子设备也属于本发明的范畴。例如，图12所示的功能方框图，内藏了本发明所涉及的固体摄像装置201(上述实施例以及变形例所涉及的固体摄像装置中的摄像面、列放大器、列AD转换器等)的摄像机也属于本发明的范畴。如图12所示，此摄像机包括：透镜200、固体摄像装置201、驱动电路202(上述实施例中的水平扫描电路、垂直扫描电路等)、信号处理部203(上述实施例中的控制部等)、以及外部接口部204。
在以上这种构成的摄像机中，透过透镜200的光被入射到固体摄像装置201。信号处理部203通过驱动电路202驱动固体摄像装置201，读取来自固体摄像装置201的输出信号。该输出信号被施加在信号处理部203的各种信号处理，通过外部接口部204被输出到外部。像这样的摄像机由于具有，可以不必按照读出像素改变可变电阻的电阻值或者切换开关等复杂的控制，而且，不必使AD转换中的S/N变差的情况下，就能够使各个色彩的增益最佳化的固体摄像装置，因此，不会使处理速度降低，且不会使S/N比变差，并且能够按照被摄物体的色温对白平衡进行适当地调整。像这样的摄像机，例如可以作为图13(a)所示的数字静态相机以及图13(b)所示的电视摄像机等来实现。
本发明可以作为彩色图像传感器等固体摄像装置来利用，例如可以作为数字静态相机、电视摄像机、以及带有数码相机的移动电话等的摄像元件来利用。