專利名稱：固態(tài)成像設(shè)備及其驅(qū)動方法、信號處理方法和成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固態(tài)成像設(shè)備、驅(qū)動該固態(tài)成像設(shè)備的方法、用于該固態(tài)成 像設(shè)備的信號處理方法和成像裝置。
背景技術(shù)：
圖27示出了固態(tài)成像設(shè)備的單位像素100的配置的例子。如該例子，在 具有用于轉(zhuǎn)移通過光電轉(zhuǎn)換元件101中的光電轉(zhuǎn)換而獲得的信號電荷的轉(zhuǎn)移 晶體管的單位像素100中，將可以被轉(zhuǎn)移到單位像素的浮動擴散電容器 (floating diffusion capacitor; FD ) 106的累積電荷的最大量Qfd.max做得比 作為光接收單元的光電轉(zhuǎn)換元件101中的累積電荷的最大量Qpd.max大得多。 結(jié)果，通過移除光電轉(zhuǎn)換元件101中的剩余電荷，實現(xiàn)了信號電荷從光電轉(zhuǎn) 換元件101到浮動擴散電容器106的完美轉(zhuǎn)移。
以如上所述的方式對通過光電轉(zhuǎn)換元件101中的光電轉(zhuǎn)換而獲得的信號 電荷實現(xiàn)了完美轉(zhuǎn)移，這使得可以防止拍攝圖像階段中的剩余圖像，并且可 以實現(xiàn)入射光亮度和傳感器輸出信號之間的滿意的線性。這樣，除轉(zhuǎn)移晶體 管102以外，此實施例的像素IOO還包括復(fù)位晶體管103、；改大晶體管104 和像素選擇晶體管105。
然而，圖27所示的單位像素IOO存在下列問題。
(1 )由于累積電荷的最大量Qfd.max必須比光電轉(zhuǎn)換元件中的累積電荷 的最大量Qpd.max大，因此存在為了提高電荷-電壓轉(zhuǎn)換效率而降低浮動擴散 電容器106的電容的限制。
(2)與以上原因相同，用作浮動擴散電容器106的復(fù)位電壓的電源電壓 Vdd的下降導(dǎo)致浮動擴散電容器106中的累積電荷的最大量Qfd.max降低， 因此存在對于降低電源電壓Vdd的限制。
然后，目前以下列方式解決上述問題(1 )和(2)。也就是說，當(dāng)由于降 低浮動擴散電容器106的電容以提高電荷-電壓轉(zhuǎn)換效率、從而引起累積電荷 的最大量Qfd.max變少時，或者當(dāng)由于降低了復(fù)位電壓(電源電壓)Vdd而引起累積電荷的最大量Qfd.max變少時，在電荷轉(zhuǎn)移之后，執(zhí)行信號讀取和 浮動擴散電容器106的復(fù)位，由于多于轉(zhuǎn)移晶體管102能轉(zhuǎn)移的電荷而剩余 在光電轉(zhuǎn)換元件101中的電荷可以被再次轉(zhuǎn)移，以讀取信號。結(jié)果，以多批 (batch)讀出光電轉(zhuǎn)換元件101中的所有累積電荷。例如在日本專利特開No. 2001-177775中描述了這種技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
在上述現(xiàn)有技術(shù)中，浮動擴散電容器106中累積的電荷的最大量Qfd.max 小于光電轉(zhuǎn)換元件101中累積的電荷的最大量Qpd.max。而且，如圖28所示， 轉(zhuǎn)移了能夠被轉(zhuǎn)移到浮動擴散電容器106的所有電荷。因此，不能以浮動擴 散電容器106中累積的電荷的最大量Qfd.max為單位來分割光電轉(zhuǎn)換元件101 中累積的電荷的最大量Qpd.max (A)。由于此原因，不能以任意電荷量為單 位來多批轉(zhuǎn)移光電轉(zhuǎn)換元件101中累積的電荷的最大量Qpd.max ( B )。
另外，如圖29所示，在采用在多個像素之間共享浮動擴散電容器FD和 讀出電路200的配置的固態(tài)成像設(shè)備中，在某些情況下不能降低浮動擴散電 容器FD的電容。在這些情況下，由于不能以多批轉(zhuǎn)移信號電荷，因此不能 將用于將以多批轉(zhuǎn)移的信號分別與權(quán)重因子相加的處理應(yīng)用于固態(tài)成像設(shè) 備。結(jié)果，不能獲得由于例如對應(yīng)于光量的范圍而改變靈敏度的這些處理帶 來的效果。
根據(jù)前述，因此希望提供一種固態(tài)成像設(shè)備，當(dāng)轉(zhuǎn)移電荷時，其能夠以 任意電荷量作為單位來多批轉(zhuǎn)移通過光電轉(zhuǎn)換元件中的光電轉(zhuǎn)換而獲得的信 號電荷，以及驅(qū)動該固態(tài)成像設(shè)備的方法、其信息處理方法和成像裝置。
為了達(dá)到上述期望，根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供了一種固態(tài)成像設(shè)備， 包括
像素陣列單元，通過以矩陣排列單位像素形成，每個所述單位像素包括 被配置用于將光信號轉(zhuǎn)換成信號電荷的光電轉(zhuǎn)換單元、被配置用于轉(zhuǎn)移通過 所述光電轉(zhuǎn)換單元中的光電轉(zhuǎn)換而獲得的所述信號電荷的轉(zhuǎn)移元件、以及被 配置用于輸出通過所述轉(zhuǎn)移元件所轉(zhuǎn)移的信號電荷的輸出部件；
第 一驅(qū)動部件，被配置用于通過使用第 一控制電壓來驅(qū)動所述轉(zhuǎn)移元件， 其中在一個單位的累積時間段內(nèi)在所述光電轉(zhuǎn)換元件中累積的信號電荷的一 部分被保持在所述光電轉(zhuǎn)換元件中，其中所述轉(zhuǎn)移元件根據(jù)所述第一控制電壓來轉(zhuǎn)移具有超過所保持的信號電荷量的量的累積電荷；
第二驅(qū)動部件，被配置用于通過使用第二控制電壓來驅(qū)動所述轉(zhuǎn)移元件， 其中所述轉(zhuǎn)移元件根據(jù)所述第二控制電壓來轉(zhuǎn)移在所述光電轉(zhuǎn)換元件中所保 持的所有信號電荷；以及
第三驅(qū)動部件，被配置用于驅(qū)動所述輸出部分以便讀出通過所述第一驅(qū) 動部件和所述第二驅(qū)動部件連續(xù)進行驅(qū)動而轉(zhuǎn)移的信號電荷。
根據(jù)本發(fā)明的另 一實施例，提供了驅(qū)動通過排列單位像素而形成的固態(tài) 成像設(shè)備的方法，其中每個單位像素包括被配置用于將光信號轉(zhuǎn)換成信號電 荷的光電轉(zhuǎn)換單元、被配置用于轉(zhuǎn)移通過所述光電轉(zhuǎn)換單元中的光電轉(zhuǎn)換而 獲得的所述信號電荷的轉(zhuǎn)移元件、以及被配置用于輸出通過所述轉(zhuǎn)移元件所
轉(zhuǎn)移的信號電荷的輸出部件，所述方法包括步驟
通過使用第一控制電壓來驅(qū)動所述轉(zhuǎn)移元件，其中在一個單位的累積時 間段內(nèi)在所述光電轉(zhuǎn)換元件中累積的信號電荷的一部分被保持在所述光電轉(zhuǎn) 換元件中，其中所述轉(zhuǎn)移元件根據(jù)所述第一控制電壓來轉(zhuǎn)移具有超過所保持 的信號電荷量的量的累積電荷；
通過使用第二控制電壓來驅(qū)動所述轉(zhuǎn)移元件，其中所述轉(zhuǎn)移元件根據(jù)所 述第二控制電壓來轉(zhuǎn)移在所述光電轉(zhuǎn)換元件中所保持的所有信號電荷；以及
讀出通過連續(xù)進行使用所述第 一控制電壓的驅(qū)動和使用所述第二控制電 壓的驅(qū)動而轉(zhuǎn)移的信號電荷。
根據(jù)本發(fā)明的另 一實施例，提供了用于一種固態(tài)成像設(shè)備的信息處理方 法，該固態(tài)成像設(shè)備包括
像素陣列單元，通過以矩陣排列單位像素形成，每個所述單位像素包括 被配置用于將光信號轉(zhuǎn)換成信號電荷的光電轉(zhuǎn)換單元、被配置用于轉(zhuǎn)移通過 所述光電轉(zhuǎn)換單元中的光電轉(zhuǎn)換而獲得的所述信號電荷的轉(zhuǎn)移元件、以及#皮 配置用于輸出通過所述轉(zhuǎn)移元件所轉(zhuǎn)移的信號電荷的輸出部件；
第一驅(qū)動部件，被配置用于通過使用第一控制電壓來驅(qū)動所述轉(zhuǎn)移元件， 其中在一個單位的累積時間段內(nèi)在所述光電轉(zhuǎn)換元件中累積的信號電荷的一 部分被保持在所述光電轉(zhuǎn)換元件中，其中所述轉(zhuǎn)移元件根據(jù)所述第一控制電 壓來轉(zhuǎn)移具有超過所保持的信號電荷量的量的累積電荷；
第二驅(qū)動部件，被配置用于通過使用第二控制電壓來驅(qū)動所述轉(zhuǎn)移元件， 其中所述轉(zhuǎn)移元件根據(jù)所述第二控制電壓來轉(zhuǎn)移在所述光電轉(zhuǎn)換元件中所保持的所有信號電荷；以及
第三驅(qū)動部件，被配置用于驅(qū)動所述輸出部分以便讀出通過所述第一驅(qū) 動部件和所述第二驅(qū)動部件連續(xù)進行驅(qū)動而轉(zhuǎn)移的信號電荷，
所述信號處理方法包括步驟
在由所述第一和第二驅(qū)動部件對所述轉(zhuǎn)移元件的驅(qū)動下，將通過所述第 三驅(qū)動部件的驅(qū)動而從所述輸出部件連續(xù)讀出的多個輸出信號相加。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，提供了一種成像裝置，包括
通過排列單位像素而形成的固態(tài)成像設(shè)備，每個所述單位像素包括被配 置用于將光信號轉(zhuǎn)換成信號電荷的光電轉(zhuǎn)換單元、被配置用于轉(zhuǎn)移通過所述 光電轉(zhuǎn)換單元中的光電轉(zhuǎn)換而獲得的所述信號電荷的轉(zhuǎn)移元件、以及被配置 用于輸出通過所述轉(zhuǎn)移元件所轉(zhuǎn)移的信號電荷的輸出部件；以及
光學(xué)系統(tǒng)，用于將入射光聚焦到所述固態(tài)成像設(shè)備的成像區(qū)域上；
其中，所述固態(tài)成像設(shè)備包括
第 一驅(qū)動部件，被配置用于通過使用第一控制電壓來驅(qū)動所述轉(zhuǎn)移元件， 其中在一個單位的累積時間段內(nèi)在所述光電轉(zhuǎn)換元件中累積的信號電荷的一 部分被保持在所述光電轉(zhuǎn)換元件中，其中所述轉(zhuǎn)移元件根據(jù)所述第一控制電 壓來轉(zhuǎn)移具有超過所保持的信號電荷量的量的累積電荷；
第二驅(qū)動部件，被配置用于通過使用第二控制電壓來驅(qū)動所述轉(zhuǎn)移元件，
其中所述轉(zhuǎn)移元件根據(jù)所述第二控制電壓來轉(zhuǎn)移在所述光電轉(zhuǎn)換元件中所保 持的所有信號電荷；
第三驅(qū)動部件，被配置用于驅(qū)動所述輸出部分以便讀出通過所述第一驅(qū) 動部件和所述第二驅(qū)動部件連續(xù)進行驅(qū)動而轉(zhuǎn)移的信號電荷；以及
信號處理部件，被配置用于在由所述第一和第二驅(qū)動部件對所述轉(zhuǎn)移元 件的驅(qū)動下，將通過所述第三驅(qū)動部件的驅(qū)動而從所述輸出部件連續(xù)讀出的 多個輸出信號相加。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，連續(xù)執(zhí)行(其中在一個單位的累積時間段內(nèi)在所 述光電轉(zhuǎn)換元件中累積的信號電荷的一部分被保持在所述光電轉(zhuǎn)換元件中) 通過使用第一控制電壓來驅(qū)動所述轉(zhuǎn)移元件的操作和通過使用第二控制電壓 來驅(qū)動所述轉(zhuǎn)移元件的操作，其中所述轉(zhuǎn)移元件^f艮據(jù)所述第一控制電壓來轉(zhuǎn) 移具有超過所保持的信號電荷量的量的累積電荷，所述轉(zhuǎn)移元件根據(jù)所述第 二控制電壓來轉(zhuǎn)移在所述光電轉(zhuǎn)換元件中所保持的所有信號電荷。而且，適當(dāng)設(shè)置第一控制電壓的電壓值。結(jié)果，可以以任意電荷量為單位來多批轉(zhuǎn)移 通過光電轉(zhuǎn)換元件中的光電轉(zhuǎn)換而獲得的信號電荷。


圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的CMOS圖像傳感器的系統(tǒng)配置圖； 圖2是示出了圖1所示的單位像素的電路配置的電路圖； 圖3是示出了圖1所示的單位像素的電路配置的另一例子的電路圖； 圖4是示出了圖1所示的供應(yīng)電壓控制電路的電路配置的例子的電路圖； 圖5是示出了供應(yīng)電壓控制電路中的輸入操作和輸出操作之間的時序關(guān) 系的時序圖6是示出了在三分割轉(zhuǎn)移的情況下的驅(qū)動時序例子的時序圖7是說明三分割轉(zhuǎn)移的情況下的操作的能量圖8是示出了作為TRG驅(qū)動電壓和光電轉(zhuǎn)換元件中所保持的電荷數(shù)之間 的關(guān)系的例子的實驗結(jié)果的圖9是示出了兩分割轉(zhuǎn)移的情況下的驅(qū)動時序的例子的時序圖IO是說明兩分割轉(zhuǎn)移的情況下的操作的圖ll是示出了 n分割轉(zhuǎn)移的情況下的驅(qū)動時序例子的時序圖12是示出了例子1的列電路的配置例子的方框圖13是示出了輸出信號選擇電路、輸出信號保持電路和輸出信號加法電 路的具體電路例子的電路圖14是示出了復(fù)位脈沖ADDRDT和選擇脈沖Sl 、 S2和S3之間的關(guān)系 的時序圖15是示出了例子2的列電路的配置例子的方框圖16是示出了例子3的列電路的配置例子的方框圖17是例子3的列電路中的ADC電路的具體配置例子的方框圖18是示出了參考信號Vref、從電壓比較器獲得的比較結(jié)果Vco和計數(shù)
器的計凄t值的波形的時序波形圖19是說明當(dāng)在三分割轉(zhuǎn)移期間以不同轉(zhuǎn)換精度執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換時的處
理的圖20是示出了每個都與入射光的亮度成比例的信號電平和噪聲電平之 間的關(guān)系的特性圖；圖21是示出了設(shè)置不同的A/D轉(zhuǎn)換精度的具體例子的示意圖； .圖22是示出了入射光強度(累積電荷)和讀出的信號的噪聲電平之間的 關(guān)系的特性圖23是示出了變型1的單位像素的像素電路的電路圖24是示出了變型2的單位像素的像素電路的電路圖25是示出了變型3的單位像素的像素電路的電路圖26是示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的成像裝置的配置的方框圖27是示出了現(xiàn)有技術(shù)中的單位像素的配置例子的電路圖28A和28B是分別說明現(xiàn)有技術(shù)中的問題的圖(部分1 );以及
圖29是說明現(xiàn)有技術(shù)中的問題的圖(部分1 )。
具體實施例方式
下文中將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
圖l是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的例如CMOS圖像傳感器的固態(tài)成 像設(shè)備的配置的系統(tǒng)配置圖。
如圖1所示，該實施例的CMOS圖像傳感器10包括像素陣列單元11及 其外圍電路。在該情況下，配置像素陣列單元11使得以矩陣二維地排列每個 包括光電轉(zhuǎn)換元件(下文中，在某些情況下簡稱為"像素")20的單位像素。
例如，提供垂直掃描電路12、供應(yīng)電壓控制電路13、電壓供應(yīng)電路14、 定時生成電路(TG) 15、多個列電路16、水平掃描電路17、列信號選擇電 路18等作為像素陣列單元11的外圍電路。
對于像素陣列單元11中的像素20的矩陣排列，對每個像素列，布置垂 直信號線lll，并對每個像素行，布置驅(qū)動控制線，例如轉(zhuǎn)移控制線112、復(fù) 位控制線113和選擇控制線114。
恒定電流源19分別連接到垂直信號線111的一端。代替使用恒定電流源 16,可以使用用于電流偏置的晶體管，其中例如由偏置電壓Vbias偏置該晶 體管的柵電極。在該情況下，用于電流偏置的晶體管與稍后將描述的放大晶 體管24 —起配置源跟隨器(follower)電路(參見圖2 )。
垂直掃描電路12由移位寄存器、地址解碼器等構(gòu)成。另外，當(dāng)以關(guān)于電 子快門(shutter)行和讀出行的行為單位來垂直掃描像素陣列單元11的像素20 時，垂直掃描電路12執(zhí)行用于從屬于電子快門行的像素20的相應(yīng)像素中除去信號的電子快門操作，并執(zhí)行用于從屬于讀出行的像素的相應(yīng)像素讀出信 號的讀出操作。
盡管在此省略了圖示，但是垂直掃描電路12包括讀出掃描系統(tǒng)和電子快
門掃描系統(tǒng)。在該情況下，在以行為單位連續(xù)選才奪像素20的同時，讀出掃描 系統(tǒng)執(zhí)行從屬于讀出行的像素20讀出信號的讀出操作。而且，在期間，對于 比讀出掃描系統(tǒng)的讀出掃描提前對應(yīng)于快門速度的時間段的相同的行(電子 快門行)，電子快門掃描系統(tǒng)執(zhí)行電子快門操作。
而且，從第一定時到第二定時的時間段成為每個像素20中的信號電荷的 一個單位的累積時間段(曝光時間段)。在此，在第一定時，由電子快門掃描 系統(tǒng)通過快門掃描，復(fù)位光電轉(zhuǎn)換單元中的不需要的電荷。而且，在第二定 時，由讀出掃描系統(tǒng)通過讀出掃描，分別從像素讀出信號。也就是說，電子 快門操作意味著復(fù)位(除去)光電轉(zhuǎn)換單元中累積的信號電荷并在信號電荷 的復(fù)位完成后開始重新累積信號電荷的操作。
供應(yīng)電壓控制電路13控制供應(yīng)(施加)至像素單元20中的轉(zhuǎn)移晶體管 22 (轉(zhuǎn)移元件)的柵電極(控制電極)的轉(zhuǎn)移脈沖TRG的電壓值(峰值)。 將稍后描述供應(yīng)電壓控制電路13的具體配置。
電壓供應(yīng)電路14將具有不同電壓值的多個控制電壓供應(yīng)至供應(yīng)電壓控 制電路13。將多個控制電壓作為具有不同電壓值的轉(zhuǎn)移脈沖而連續(xù)供應(yīng)至轉(zhuǎn) 移晶體管22的柵電極。將稍后描述具有不同電壓值的轉(zhuǎn)移脈沖TRG的細(xì)節(jié)。
定時生成電路(TG) 15生成定時信號PTRG,根據(jù)該定時信號PTRG， 確定供應(yīng)電壓控制電路13連續(xù)地將具有不同電壓值的轉(zhuǎn)移脈沖TRG供應(yīng)至 轉(zhuǎn)移晶體管22的柵電極的定時。
例如，列電路16被布置為分別對應(yīng)于像素陣列單元11的像素列，即具 有與像素列的一一對應(yīng)關(guān)系。列電路16對通過各個垂直信號線111從屬于通 過垂直掃描電路12的垂直掃描操作所選擇的讀出行的像素20連續(xù)輸出的信 號執(zhí)行預(yù)定處理，并在預(yù)定信號處理完成后將像素信號臨時保持在其中。
具有用于采樣和保持通過垂直信號線111輸出的像素信號的采樣和保持 電路的電路配置，具有包括采樣和保持電路的、用于通過執(zhí)行相關(guān)雙采樣 (CDS )處理而移除復(fù)位噪聲或由于放大晶體管24的閾值漂移而引起的像素 中固有的固定模式噪聲的噪聲移除電路的電路配置等用于列電路16。
然而，上述電路配置僅是示例，因此本發(fā)明的實施例絕不限于此。例如，也能夠采用向列電路16給出模擬-數(shù)字(A/D )轉(zhuǎn)換功能使得以數(shù)字信號形式
輸出具有預(yù)定信號電平的像素信號的電路配置。
水平掃描電路17包括移位寄存器、地址解碼器等。水平掃描電路17以 被布置為分別對應(yīng)于像素陣列單元11的像素列的順序來水平掃描列電路17。 列信號選擇電路18包括水平選擇開關(guān)、水平信號線等。列信號選擇電路18 與水平掃描電路17的水平掃描操作同步地連續(xù)輸出分別被臨時保持在列電 路16中的像素信號。
注意，從定時控制電路(未示出)生成定時信號和控制信號，該定時信 號和控制信號的每個成為垂直掃描電路12、列電路16、水平掃描電路17等 的操作的參考。 (像素電路)
圖2是示出單位像素20的電路配置的例子的電路圖。該例子的單位像素 20被配置為以下像素電路除了諸如埋入光電二極管的光電轉(zhuǎn)換元件(光電 轉(zhuǎn)換單元)21之外，還包括四個晶體管，例如轉(zhuǎn)移晶體管(轉(zhuǎn)移元件)22、 復(fù)位晶體管23、放大晶體管24和選擇晶體管25。在該情況下，盡管將例如 N溝道MOS晶體管用作四個晶體管22到25,但是本發(fā)明絕不限于此配置。
26之間。通過向轉(zhuǎn)移晶體管22的柵電極(控制電極)供應(yīng)轉(zhuǎn)移脈沖TRG，
轉(zhuǎn)移晶體管22將已經(jīng)通過光電轉(zhuǎn)換元件21中的光電轉(zhuǎn)換而累積的信號電荷
(此情況下是電子)轉(zhuǎn)移到浮動擴散電容器26。因此，浮動擴散電容器26 用作將信號電荷轉(zhuǎn)換成電壓信號的電荷-電壓轉(zhuǎn)換單元。
復(fù)位晶體管23的漏電極連接到復(fù)位線，并且其源電極連接到浮動擴散電 容器26的與接地端相反的一端。在將信號電荷從光電轉(zhuǎn)換元件21轉(zhuǎn)移到浮 動擴散電容器26之前，復(fù)位晶體管23供應(yīng)至其柵電極的復(fù)位脈沖RST將浮 動擴散電容器26的電勢復(fù)位到復(fù)位電壓Vrst。
放大晶體管24的柵電極連接到浮動擴散電容器26的一端，并且其漏電 極連接到用于供應(yīng)電源電壓Vdd的像素電源。放大晶體管24在被復(fù)位晶體 管23復(fù)位后，以具有復(fù)位電平的信號的形式輸出浮動擴散電容器24的電勢， 并在信號電荷被轉(zhuǎn)移晶體管22轉(zhuǎn)移到浮動擴散電容器26之后，以具有信號 電平的信號的形式輸出浮動擴散電容器26的電勢。
例如，選擇晶體管25的漏電極連接到放大晶體管24的源電極，并且其源電極連接到垂直信號線111。根據(jù)施加到選擇晶體管25的柵電極的選擇脈
沖SEL來導(dǎo)通選擇晶體管25，以將像素20設(shè)置在選擇狀態(tài)，由此將從放大 晶體管24輸出的信號輸出到垂直信號線111。選擇晶體管25還可以采用連接 在像素電源(Vdd)和放大晶體管24的漏電極之間的配置。
注意，盡管在此已經(jīng)給出了將本發(fā)明的實施例應(yīng)用于包括單位像素20的 CMOS圖像傳感器的情況作為例子，其中單位像素20具有包括轉(zhuǎn)移晶體管 22、復(fù)位晶體管23、放大晶體管24和選擇晶體管25的四晶體管配置，但本 發(fā)明絕不限于該應(yīng)用例子。
具體地，本發(fā)明還可以應(yīng)用于包括具有如圖3所示的三晶體管配置的單 位像素20'的CMOS圖像傳感器等，在該單位像素20'中省略了圖2所示的選 擇晶體管25,并且使電源電壓SELVdd可變，由此將選擇晶體管25的功能賦 予放大晶體管24， CMOS圖像傳感器具有如圖29所示的配置，其中在多個 像素之間共享浮動擴散電容器FD和讀出電路200。
供應(yīng)電壓控制電路13接收地址信號ADR作為其輸入，其中根據(jù)該地址 信號ADR驅(qū)動屬于通過垂直掃描電路12的垂直掃描操作而選擇的像素行的 單位像素20，以選擇從電壓供應(yīng)電路14供應(yīng)的多個電壓之一，從而將由此 選擇的電壓作為轉(zhuǎn)移脈沖TRG供應(yīng)至單位像素20中的轉(zhuǎn)移晶體管22的柵電 極。
供應(yīng)用來導(dǎo)通轉(zhuǎn)移晶體管22的導(dǎo)通電壓Von、用來截止轉(zhuǎn)移晶體管22 的截止電壓Voff、以及介于導(dǎo)通電壓與截止電壓之間的中間電壓Vmid,作為 來自電壓供應(yīng)電路14的多個電壓。在此，中間電壓Vmid意味著這樣的電壓 在保持光電轉(zhuǎn)換元件21中的累積電荷的一部分的同時，通過該電壓可以將其 余的累積電荷部分地轉(zhuǎn)移到浮動擴散電容器26。
在上述像素電路中，由于轉(zhuǎn)移晶體管是N溝道的，因此將導(dǎo)通電壓設(shè)置 為電源電壓Vdd,并將截止電壓設(shè)置為地電壓，優(yōu)選地，設(shè)置為比地電壓低 的電壓。另外，在該實施例中，使用具有不同電壓值的兩個中間電壓，具體 地，每個都比截止電壓Voff大并且都比導(dǎo)通電壓Von小的兩個中間電壓 VmidO和Vmidl，作為中間電壓Vmid。這樣，在轉(zhuǎn)移晶體管22是P溝道的
此，中間電壓Vmid變?yōu)槊總€都比導(dǎo)通電壓Von大并且都比截止電壓Voff小的兩個中間電壓VmidO和Vmidl 。
結(jié)果，將四個電壓，即導(dǎo)通電壓Von、中間電壓VmidO和Vmidl以及截 止電壓Voff,從電壓供應(yīng)電路14供應(yīng)至供應(yīng)電壓控制電路13。四個電壓的 電壓值示出了關(guān)系Voff<VmidO<Vmidl<Von。而且，導(dǎo)通電壓Von、中間電壓 Vmid0和Vmidl以及截止電壓Voff中的每個都用作轉(zhuǎn)移脈沖TRG。
為了控制分別從電壓供應(yīng)電路13供應(yīng)中間電壓Vmid0和Vmidl和導(dǎo)通 電壓Von的定時，將三個定時信號0TRF1、 PTRG2和PTRG3從定時生成電 路15供應(yīng)至供應(yīng)電壓控制電路13。供應(yīng)電壓控制電路13基于定時信號 0TRF1 、 PTRG2和PTRG3選擇中間電壓VmidO和Vmidl和導(dǎo)通電壓Von之 一，并將所選擇的一個作為中間電壓Vmid供應(yīng)至轉(zhuǎn)移晶體管22的柵電極。
圖4是示出供應(yīng)電壓控制電路13的電路配置的例子的電路圖。如圖4所 示，供應(yīng)電壓控制電路13包括分別對應(yīng)于四個電壓，即中間電壓VmidO和 Vmidl、導(dǎo)通電壓Von和截止電壓Voff的四個電路塊131至134，三輸入NOR (異或)電路135。
將地址信號ADR從垂直掃描電路12公共地供應(yīng)至每個電路塊131至 134。將定時信號PTRG1、 PTRG2和PTRG3作為三個輸入從定時生成電路 15供應(yīng)至NOR電路135。
電路塊131包括用于接收地址信號ADR和定時信號PTRG1作為其兩個 輸入的NAND(與非)電路1311、電平移位器1312和P溝道驅(qū)動晶體管1313。 電路塊131選擇中間電壓Vmid0，并將由此選擇的中間電壓Vmid0供應(yīng)至轉(zhuǎn) 移晶體管22的柵電極。
電路塊132包括用于接收地址信號ADR和定時信號PTRG2作為其兩個 輸入的NAND電路1321以及P溝道驅(qū)動晶體管1322。電路塊132選擇中間 電壓Vmidl,并將由此選擇的中間電壓Vmidl供應(yīng)至轉(zhuǎn)移晶體管22的柵電 極。
電路塊133包括用于接收地址信號ADR和定時信號PTRG3作為其兩個 輸入的NAND電路1331以及N溝道驅(qū)動晶體管1332。電路塊133選擇導(dǎo)通 電壓Von，并將由此選擇的導(dǎo)通電壓Von供應(yīng)至轉(zhuǎn)移晶體管22的柵電極。
電路塊134包括用于接收地址信號ADR和來自NOR電路135的輸出信 號作為其兩個輸入的AND(與)電路1341、用于在具有設(shè)置了負(fù)邏輯的一個 輸入端接收地址信號ADR并在另一輸入端接收來自AND電路1341的輸出信號的OR(或)電路、電平移位器1343以及N溝道驅(qū)動晶體管1344。電路 塊134選擇截止電壓Voff,并將由此選擇的截止電壓Voff供應(yīng)至轉(zhuǎn)移晶體管 22的4冊電才及。
為了供應(yīng)比地電壓低的電壓(例如-1.0V)作為據(jù)此截止轉(zhuǎn)移晶體管22 的截止電壓Voff，電路塊134采用與其他電路塊131、 132和133不同地、基 于NOR電路135的操作而操作的電路配置。
圖5示出了供應(yīng)電壓控制電路13的輸入和輸出之間的時序關(guān)系。在假設(shè) 要供應(yīng)至轉(zhuǎn)移晶體管22的柵電極的電壓是中間電壓VmidO和Vmidl 、導(dǎo)通 電壓Von和截止電壓Voff的情況下，當(dāng)通過地址信號ADR選擇像素行時， 根據(jù)定時信號PTRG1、 PTRG2和PTRG3,將分別與之對應(yīng)的中間電壓VmidO 和Vmidl以及導(dǎo)通電壓Von連續(xù)供應(yīng)至轉(zhuǎn)移晶體管22的4冊電極，并且在除 了以上情況之外的情況下，供應(yīng)截止電壓Voff。
以如上所述方式，在供應(yīng)電壓控制電路13的控制下，對每個像素行，將 中間電壓VmidO和Vmidl和導(dǎo)通電壓Von以此順序、與垂直掃描電3各12的 垂直掃描操作同步地從供應(yīng)電壓控制電路13連續(xù)供應(yīng)到轉(zhuǎn)移晶體管22的柵 電極。結(jié)果，能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的三分割轉(zhuǎn)移在該三分割轉(zhuǎn)移中，光電轉(zhuǎn)換元 件21中累積的信號電荷被例如分三批轉(zhuǎn)移到浮動擴散電容器26。
c三分割轉(zhuǎn)移]
下文中，將參考圖6的時序圖和圖7的操作示意圖描述某個像素行中在 三分割轉(zhuǎn)移情況下的具體操作。在圖7中，操作(1)到(11 )分別對應(yīng)于圖 6所示的時間段(1)到(11)。
當(dāng)對于某個像素行的 一個單位的累積時間段基于三分割轉(zhuǎn)移來轉(zhuǎn)移信號 電荷時，以給定的間隔將復(fù)位脈沖PTS從垂直掃描電路12施加到復(fù)位晶體 管23的柵電極三次，由此對浮動擴散電容器26執(zhí)行三次復(fù)位操作。當(dāng)經(jīng)過 每個復(fù)位操作與該復(fù)位操作同步的某個時間段時，將中間電壓Vmid0和 Vmidl和導(dǎo)通電壓Von以此順序從供應(yīng)電壓控制電路13連續(xù)供應(yīng)到轉(zhuǎn)移晶體 管22的柵電極。
對于時間段(l),在光電轉(zhuǎn)換元件21中累積電荷Qpd。此時，截止電壓 Voff被施加到轉(zhuǎn)移晶體管22的柵電極。另外，已經(jīng)通過第一次復(fù)位脈沖RST 將浮動擴散電容器26復(fù)位。以第一次復(fù)位電平的形式，通過放大晶體管24 和選擇晶體管25將浮動擴散電容器26的復(fù)位電平讀出到垂直信號線111。在完成復(fù)位電平的第一次讀出后，對于時間段(2)，將中間電壓VmidO 施加到轉(zhuǎn)移晶體管22的^f冊電;f及。中間電壓Vmid0的施加#_得電荷(Qpd -QmidO W皮轉(zhuǎn)移到浮動擴散電容器26,同時累積電荷Qpd中的部分電荷Qmid0 仍然照原樣留在光電轉(zhuǎn)換元件21中。
接下來，對于時間段(3),將截止電壓施加到轉(zhuǎn)移晶體管22的柵電極。 結(jié)果，以具有第一信號電平的信號的形式，將與被轉(zhuǎn)移到浮動擴散電容器26 的電荷(Qpd-Qmid0)相對應(yīng)的信號讀出到垂直信號線111。
接下來，對于時間段(4)，將第二次復(fù)位脈沖RST施加到轉(zhuǎn)移晶體管22 的柵電極，由此將浮動擴散電容器26復(fù)位。接下來，對于時間段(5),以具 有第二次復(fù)位電平的信號的形式，將具有所得到的復(fù)位電平的信號讀出到垂 直信號線111。
接下來，對于時間-敬(6),將中間電壓Vmidl施加到轉(zhuǎn)移晶體管11的 柵電極。中間電壓Vmidl的施加使得電荷(QpdO-Qmidl )被轉(zhuǎn)移到浮動擴散 電容器26,同時電荷Qmid0的部分電荷Qmidl仍然照原樣留在光電轉(zhuǎn)換元 件21中。
接下來，對于時間段(7),將截止電壓Voff施加到轉(zhuǎn)移晶體管22的柵 電極。結(jié)果，以具有第二次信號電平的信號的形式，將與被轉(zhuǎn)移到浮動擴散 電容器26的電荷(QpdO-Qmidl )相對應(yīng)的信號讀出到垂直信號線111。
接下來，對于時間段(8 )，將第三次復(fù)位脈沖施加到復(fù)位晶體管23的柵 電極，由此將浮動擴散電容器26復(fù)位。接下來，對于時間段(9),以具有第 三次復(fù)位電平的信號的形式，將具有所得到的復(fù)位電平的信號讀出到垂直信 號線111。
接下來，對于時間段(IO)，將導(dǎo)通電壓Von施加到轉(zhuǎn)移晶體管22的柵 電極。導(dǎo)通電壓Von的施加使得光電轉(zhuǎn)換元件21的剩余電荷Qmidl被轉(zhuǎn)移 到浮動擴散電容器26。
接下來，對于時間段(ll),將截止電壓Voff施加到轉(zhuǎn)移晶體管22的柵 電極。結(jié)果，以具有第三次信號電平的信號的形式，將與被轉(zhuǎn)移到浮動擴散 電容器26的電荷Qmidl相對應(yīng)的信號讀出到垂直信號線111。
圖8示出了作為TRG驅(qū)動電壓(施加到轉(zhuǎn)移晶體管22的柵電極的轉(zhuǎn)移 脈沖TRG)和光電轉(zhuǎn)換元件21中保持的電荷數(shù)之間的關(guān)系的例子的實驗結(jié) 果。在此情況下，示出了當(dāng)將在導(dǎo)通電壓Von和截止電壓Voff之間的中間電 壓Vmid施加到具有飽和電子數(shù)大約為5,500 ^的光電轉(zhuǎn)換元件21時光電轉(zhuǎn)換 元件21中所保持的電荷數(shù)，其中分別根據(jù)導(dǎo)通電壓Von和截止電壓Voff導(dǎo) 通和截止轉(zhuǎn)移晶體管22。
圖8還示出了當(dāng)執(zhí)行三分割轉(zhuǎn)移的驅(qū)動同時將中間電壓Vmid設(shè)置為 Vmid0和Vmidl時所保持的電荷的數(shù)量Qmid0和數(shù)量Qmidl作為例子。以 這種方式設(shè)置中間電壓Vmid的電壓值和中間電壓Vmidl的lt量使得可以以 任意數(shù)量的轉(zhuǎn)移電荷作為單位并以任意多個分割來轉(zhuǎn)移光電轉(zhuǎn)換元件21中 累積的電荷，并且可以輸出與基于該分割而轉(zhuǎn)移的電荷相對應(yīng)的信號。
在三分割轉(zhuǎn)移的情況下，每個中間電壓Vmid0和Vmidl成為第一控制信 號，并且導(dǎo)通電壓Von成為第二控制信號。 (兩分割轉(zhuǎn)移)
圖9示出了在某個像素行中的兩分割轉(zhuǎn)移的情況下的驅(qū)動時序的例子， 并且圖IO示出了說明兩分割轉(zhuǎn)移的情況下的操作的圖。在圖IO中，操作(I) 到(7)對應(yīng)于圖9所示的時間段(1)到(7)。兩分割轉(zhuǎn)移情況下的轉(zhuǎn)移操 作的數(shù)量僅比三分割轉(zhuǎn)移情況下的數(shù)量少一個。因此，兩分割轉(zhuǎn)移的情況下 的基本操作與三分割轉(zhuǎn)移的情況一致。
在兩分割轉(zhuǎn)移的情況下，中間電壓Vmid0成為第一控制電壓，并且導(dǎo)通 電壓Von成為第二控制電壓。
<n分割轉(zhuǎn)移>
如從上變得更清楚的，可以任意設(shè)置用于轉(zhuǎn)移操作的分割的數(shù)量。而且， 當(dāng)執(zhí)行n分割轉(zhuǎn)移(n: 2或更大的整數(shù))時，如圖11所示，需要按順序?qū)?(n-1 )個中間電壓VmidO、 Vmidl、 ...、 Vmid(n-2)和導(dǎo)通電壓Von從供應(yīng)電 壓控制電路13施加到轉(zhuǎn)移晶體管22的柵電極，由此驅(qū)動有關(guān)的轉(zhuǎn)移晶體管 22。
在n分割轉(zhuǎn)移的情況下，(n-1 )個中間電壓VmidO至Vmid(n-2)的每個成 為第一控制電壓，并且導(dǎo)通電壓Von成為第二電壓。
在基于包括上述的三分割轉(zhuǎn)移、四分割轉(zhuǎn)移等的n分割轉(zhuǎn)移的驅(qū)動下， 對每個像素行執(zhí)行電荷轉(zhuǎn)移、復(fù)位和像素選擇。結(jié)果，列并行地(即以像素
列為單位并行地)將具有復(fù)位電平的信號和具有信號電平的信號(即，來自 單位像素20的輸出信號)從單位像素20讀出到垂直信號線111，以通過有關(guān)垂直信號線111將其供應(yīng)至列電路16。
在具有上述配置的CMOS圖像傳感器10中，用于驅(qū)動單位像素20的組 成元件(轉(zhuǎn)移晶體管22、復(fù)位晶體管23和選擇晶體管25 )的垂直掃描電路 12包括第一驅(qū)動部分、第二驅(qū)動部分和第三驅(qū)動部分。在該情況下，在一個 單位的累積時間段內(nèi)在光電轉(zhuǎn)換元件21中累積的信號電荷的一部分被保持 在光電轉(zhuǎn)換元件21中的情況下，第一驅(qū)動部分通過使用第一控制電壓來驅(qū)動 轉(zhuǎn)移晶體管22，其中根據(jù)該第一控制電壓，由轉(zhuǎn)移晶體管22轉(zhuǎn)移具有超過 所保持的信號電荷量的量的累積電荷。第二驅(qū)動部分通過使用第二控制信號 來驅(qū)動轉(zhuǎn)移晶體管22,其中根據(jù)該第二控制信號，由轉(zhuǎn)移晶體管22轉(zhuǎn)移光 電轉(zhuǎn)換元件21中所保持的所有信號電荷。而且，第三驅(qū)動部分驅(qū)動輸出部分 (包括復(fù)位晶體管23和選4奪晶體管25 )，以便讀出通過連續(xù)進行第一驅(qū)動部 分的驅(qū)動和第二驅(qū)動部分的驅(qū)動而轉(zhuǎn)移的信號電荷。
下文中，將通過給出例子1至3作為具體例子來描述列電路16的配置例 子?，F(xiàn)在將通過給出每個都對應(yīng)于三分割基礎(chǔ)轉(zhuǎn)移(tri-partition basis transfer) 的配置的情況作為例子來描述例子1至3。 (例子1)
圖12是示出例子1的列電路16A的配置例子的方框圖。在圖中，由相 同的參考標(biāo)記來指示與先前參考圖l描述的單元相同的單元。在此情況下， 為了附圖的簡潔，示出了用于兩列的單位像素20和列電路16A。
例子1的列電路16A包括噪聲移除電路161、輸出信號選擇電路162、 輸出信號保持電路163和輸出信號加法電路164。
噪聲移除電路161由CDS電路組成。噪聲移除電路161連續(xù)獲取第一次、 第二次、第三次復(fù)位電平與信號電平(從單位像素20連續(xù)供應(yīng)各個信號)之 間的差，由此移除復(fù)位噪聲和由于放大晶體管24的閾值的漂移而引起的每個 像素中固有的固定模式噪聲等。
在上述情況下，目前已經(jīng)通過給出每個像素列布置了噪聲移除電路161 的配置的情況作為例子而給出了描述。然而，也可采用提供噪聲移除電路161 作為輸出放大器30的一個單元的配置，同時列信號選擇電路17單獨選擇復(fù) 位電平和信號電平，并將具有復(fù)位電平的信號和具有信號電平的信號供應(yīng)至 輸出放大器30的噪聲移除電路161,并且噪聲移除電路161執(zhí)行CDS處理。輸出信號選擇單元162按對應(yīng)于第一次、第二次和第三次分割轉(zhuǎn)移操作
的順序而連續(xù)選擇從噪聲移除電路161輸出的輸出信號的一些，并命令輸出 保持電路162將由此按順序選擇的輸出信號分別保持在其保持單元163-1、 163-2和163-3中。輸出信號加法單元164分別將在保持單元163-1、 163-2和 163-3中保持的第一次、第二次和第三次輸出信號彼此相加。
在此情況下，列電路16A執(zhí)行將對應(yīng)于第一次、第二次和第三次分割轉(zhuǎn) 移操作的輸出信號相加的處理。然而，也可采用這樣的配置，使得在對應(yīng)于 第一次、第二次和第三次分割轉(zhuǎn)移操作的輸出信號被讀出到CMOS圖像傳感 器IO外之后，外部信號處理系統(tǒng)執(zhí)行將這些輸出信號彼此相加的處理。
圖13是示出輸出信號選擇電路162、輸出信號保持電路163和輸出信號 加法電路164的具體電路的例子的電^各圖。
輸出信號選擇電路162包括MOS晶體管162-1、 162-2和162-3。響應(yīng)于 分別與第一次、第二次和第三次分割轉(zhuǎn)移操作同步的選擇脈沖Sl、 S2和S3， MOS晶體管162-1、 162-2和162-3按順序?qū)?，由此選擇第一次、第二次和 第三次輸出信號。
輸出信號保持電路163的保持單元163-1、 163-2和163-3例如包括分別 與MOS晶體管162-1、 162-2和162-3串聯(lián)的電容器。保持單元163-1、 163-2 和163-3中保持分別由MOS晶體管162-1、 162-2和162-3選擇的輸出信號。
輸出信號加法電路164被連接在復(fù)位電源VRST和輸出信號保持電路163 的輸出節(jié)點之間。輸出信號加法電路164包括MOS晶體管164-1、 MOS晶體 管164-2和電流源164-3。在此，響應(yīng)于復(fù)位脈沖ADDRST而導(dǎo)通MOS晶體 管164-1。 MOS晶體管164-2的柵電極與輸出信號保持電路163的輸出節(jié)點 連接，并且其漏電極與電源Vdd連接。而且，電流源164-3被連接在MOS 晶體管164-2的源電極和地之間。
圖14示出了復(fù)位脈沖ADDRST以及選擇脈沖Sl 、 S2和S3之間的時序 關(guān)系。
在具有上述配置的列電路16A中，響應(yīng)于復(fù)位脈沖ADDRST， MOS晶 體管164-1導(dǎo)通，使得輸出信號加法電路164變成初始狀態(tài)。接下來，對于 在第一次、第二次和第三次分割轉(zhuǎn)移操作中轉(zhuǎn)移的輸出信號，分別響應(yīng)于選 擇脈沖S1、 S2和S3，連續(xù)導(dǎo)通MOS晶體管162-1、 162-2和162-3。結(jié)果， 這些輸出信號分別被保持在保持單元163-1、 163-2和163-3中。而且，在分割基礎(chǔ)轉(zhuǎn)移上所轉(zhuǎn)移的所有輸出信號分別被保持在輸出信號保持電路163的
保持單元163-1、 163-2和163-3中的時間點上，MOS晶體管164-2從其源電 極輸出通過將這些輸出信號彼此相加而獲得的輸出信號。
如目前為止已經(jīng)描述的，在n分割基礎(chǔ)轉(zhuǎn)移操作中轉(zhuǎn)移在一個單位的累 積時間段內(nèi)在單位像素20中累積的信號電荷，并將分別對應(yīng)于n分割基礎(chǔ)轉(zhuǎn) 移操作的輸出信號彼此相加。結(jié)果，由于可以以高轉(zhuǎn)換效率讀出累積的電荷 而不削弱飽和電平，因此能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度圖像傳感器。除此之外，由于防 止輸出率與分割的數(shù)量n成比例地增加，因此能夠?qū)崿F(xiàn)高幀頻。
順便提及，通過例如降低在浮動擴散電容器(電荷-電壓轉(zhuǎn)換單元)26上 寄生的寄生電容而增加轉(zhuǎn)換效率的方法、增加讀出電路的電壓放大因子的方 法等已知為實現(xiàn)高靈敏度圖像傳感器的方法。然而，采用這樣的方法，限制 了能夠通過電荷轉(zhuǎn)移而從感光轉(zhuǎn)換元件21讀出的電荷的最大量，從而削弱了 々包和電平。
另一方面，根據(jù)例子l，可以使用中間電壓Vmid通過轉(zhuǎn)移驅(qū)動將讀出操 作的數(shù)量分成任意次數(shù)的讀出操作，其中以任意電荷量作為單位。因此，可 以以多批讀出光電轉(zhuǎn)換元件21中累積的所有電荷，而與浮動擴散電容器(電 荷-電壓轉(zhuǎn)換單元)26的電容或初始電壓無關(guān)。 (例子2)
圖15是示出了例子2的列電路16B的配置例子的方框圖。在圖中，由相 同的參考標(biāo)記分別指示與之前參考圖12所描述的那些單元相同的單元。
例子2的列電路16B包括被提供在噪聲移除電路161的后一級中的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換(ADC)電路165。列電路16B采用以下配置。也就是說，輸出信 號選擇電路162連續(xù)選擇對應(yīng)于第一次、第二次和第三次分割轉(zhuǎn)移操作按順 序從噪聲移除電路161輸出的并然后在ADC電路165中數(shù)字化的輸出信號。 然后將得到的數(shù)字輸出信號分別保持在輸出信號保持電路162的保持單元 163-1、 163-2和163-3中。而且，加法電路164將第一次、第二次和第三次 數(shù)字輸出信號彼此相加。
也就是說，例子1的列電路16A通過對在第一次、第二次和第三次分割 基礎(chǔ)轉(zhuǎn)移操作中轉(zhuǎn)移的輸出信號的模擬處理來執(zhí)行相加處理。另一方面，例 子2的列電路16B通過對在第一次、第二次和第三次分割基礎(chǔ)轉(zhuǎn)移操作中轉(zhuǎn) 移的輸出信號的數(shù)字處理來執(zhí)行相加處理。因此，例子2的列電路16B與例子1的列電路16A的不同之處僅在于此方面，并且因此在基本的電路操作中 與例子1的列電路16A —致。 (例子3)
圖16是示出了例子3的列電路16C的配置例子的方框圖。在圖中，由相 同的參考標(biāo)記分別指示與之前參考圖12描述的那些單元相同的單元。
例子3的列電路16C由具有加法功能的ADC電路166組成。除了加法 功能之外，ADC電路166具有噪聲移除(CDS處理)功能。然而，ADC電 路具有噪聲移除功能并不是必要的。也就是說，如在例子2中的情況，可采 用噪聲移除電路被布置在ADC電路166的前一級的一側(cè)的配置。
圖17是示出了 A/D轉(zhuǎn)換單元166的具體配置的例子的方框圖。如圖17 所示，該例子的ADC電路166包括電壓比4交器1661和計數(shù)器1662。
電壓比較器1661在其反相(-)輸入端接收具有斜波形的參考信號Vref, 并在其非反相(+ )端接收通過垂直信號線111從單位像素20供應(yīng)的輸出信 號Vout。當(dāng)輸出信號Vout的電平高于參考信號Vref的電平時，電壓比較器 1661輸出比較結(jié)果Vco。
計數(shù)器1662包括上/下計數(shù)器。計數(shù)器1662對于電壓比較器1661的比 較結(jié)果Vco的變化所需的時間段，在基于上/下控制信號的控制下，與時鐘 CK同步地執(zhí)行用于上計數(shù)/下計數(shù)的計數(shù)操作，由此使計數(shù)值遞增或遞減。
圖18示出了具有斜波形的參考信號Vref的波形和從電壓比較器1661獲 得的比較結(jié)果Vco以及計數(shù)器1662中的計數(shù)值。
在該例子中，對于基于三分割轉(zhuǎn)移獲得的輸出信號，在用于讀出具有復(fù) 位電平的信號的第一次讀出操作中，計數(shù)器1662中的計數(shù)值遞減，并且然后 在用于讀出具有信號電平的信號的第一次讀出操作中，計數(shù)器1662中的計數(shù) 值遞增。結(jié)果，獲得了對應(yīng)于復(fù)位電平與信號電平之間的差的計數(shù)值(噪聲 移除處理)。
以這種方式，與A/D轉(zhuǎn)換處理同時執(zhí)行噪聲移除處理。另外，在用于讀 出具有復(fù)位電平的信號的第二次讀出操作中，計數(shù)器1662中的計數(shù)值遞減， 并且在用于讀出具有信號電平的信號的第二次讀出操作中，計數(shù)器1662中的 計數(shù)值遞增，以便遵循第一次A/D轉(zhuǎn)換處理。結(jié)果，可以將第二次噪聲移除 處理完成后的結(jié)果與第一次噪聲移除處理完成后的結(jié)果相加(加法處理)。
也就是說，對于基于三分割轉(zhuǎn)移而獲得的輸出信號，重復(fù)執(zhí)行用于獲取與復(fù)位電平和信號電平之間的差相對應(yīng)的計數(shù)值的操作，以便重復(fù)遞增或遞
減計數(shù)器1662中的計數(shù)值。結(jié)果，能夠獲得通過將基于各個分割轉(zhuǎn)移的讀出 操作中的復(fù)位電平和信號電平之間的差相加而獲得的數(shù)字輸出信號。從以上 很明顯，可以將圖12的噪聲移除電路161、輸出信號保持電路163和輸出信 號加法電路164的功能賦予ADC電路166。
列電路16C以上述方式由具有加法功能的ADC電路166組成，使得除 了例子1的操作和效果之外，保持單元163-1、 163-2和163-3變?yōu)椴槐匾模?并且也不需要對應(yīng)于分割基礎(chǔ)轉(zhuǎn)移的分割數(shù)量來增加保持單元163-1、 163-2 和163-3的數(shù)量。結(jié)果，能夠簡化列電路16C的電路配置。
另外，采用ADC電路166具有噪聲移除功能的配置，還使得噪聲移除電 路161也是不必要的。結(jié)果，能夠進一步簡化列電路16C的電路配置。
<具有不同轉(zhuǎn)換精度的A/D轉(zhuǎn)換>
在此，在如圖18所示的基于n分割轉(zhuǎn)移的所有讀出操作中，在每次執(zhí)行 A/D轉(zhuǎn)換時，以相同的轉(zhuǎn)換精度對從單位像素20讀出的輸出信號執(zhí)行A/D轉(zhuǎn) 換，并且功耗與分割數(shù)量n成比例地增加。
另一方面，對于n分割轉(zhuǎn)移操作中轉(zhuǎn)移的輸出信號，以不同的轉(zhuǎn)換精度 執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換，并且將得到的數(shù)字輸出信號彼此相加，這樣得到的是，可以 獲得諸如A/D轉(zhuǎn)換所需的執(zhí)行時間(轉(zhuǎn)換速度)的改進、功耗的降低等的效 果，而不削弱圖像質(zhì)量。.下面具體描述這個方面。
圖19是說明當(dāng)在三分割轉(zhuǎn)移期間以不同轉(zhuǎn)換精度執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換時的處 理的圖。該處理是這樣的例子，其中在第一次讀出操作中，以相對低的轉(zhuǎn)換 精度執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換，并且還對第二次和第三次讀出操作連續(xù)增加轉(zhuǎn)換精度。 以這種方式，基于分割轉(zhuǎn)移的n個讀出操作的輸出信號經(jīng)歷了不同轉(zhuǎn)換精度 的A/D轉(zhuǎn)換，以彼此相加，由此使得能夠獲得這樣的A/D轉(zhuǎn)換特性，其中轉(zhuǎn) 換精度與入射光的亮度相對應(yīng)地逐個變化。
其原因在于，由于當(dāng)入射光的亮度低時，光電轉(zhuǎn)換元件21中累積的電荷 數(shù)較少，因此在第一分割基礎(chǔ)轉(zhuǎn)移中不生成輸出，并且僅在用以生成具有超 過取決于中間電壓的閾值的量的累積電荷的亮度情況下，電荷才被轉(zhuǎn)移。
在如圖8所示的例子中的基于三分割轉(zhuǎn)移電荷的情況下，當(dāng)生成數(shù)量小 于所保持的電荷的數(shù)量Qmidl的累積電荷時，即，當(dāng)入射光的亮度較低時， 僅在第三次轉(zhuǎn)移操作中獲得輸出信號。另一方面，當(dāng)存在數(shù)量超過所保持的電荷的數(shù)量QmidO的累積電荷時，即，當(dāng)入射光的亮度較高時，由于從第一 次轉(zhuǎn)移操作開始轉(zhuǎn)移電荷，因此獲得輸出信號。
結(jié)果，如圖19所示，能夠獲得這樣的特性，其中當(dāng)亮度較低時，應(yīng)用高 A/D轉(zhuǎn)換精度，而當(dāng)亮度較高時，應(yīng)用與低A/D轉(zhuǎn)換精度連續(xù)混合的A/D轉(zhuǎn) 換精度。
在此，粗略地將輸出信號的噪聲電平分類成當(dāng)沒有入射光的亮度時在電 路等中生成的暗階段噪聲以及由取決于入射光的亮度的、以入射光亮度的平 方根的形式獲得的能量所生成的光射噪聲(optical shot noise )。由于此原因， 如圖20所示，噪聲電平具有這樣的特性，其中對于與入射光的亮度成比例的 信號電平，將具有信號電平的平方根特性的光射噪聲與暗階段噪聲相加。
由于優(yōu)選A/D轉(zhuǎn)換精度(即A/D轉(zhuǎn)換中的最小檢測單位)比噪聲電平低， 在低亮度情況下，需要以高精度執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換。然而，在高亮度的情況下， 光射噪聲是主要的。因此，即使當(dāng)以低精度對輸出信號執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換而增加 A/D轉(zhuǎn)換中的量化誤差時，也很難削弱圖像質(zhì)量。
<設(shè)置不同A/D轉(zhuǎn)換精度的具體例子〉
隨后，將參考圖21給出關(guān)于以圖17所示的ADC電路166的配置設(shè)置不 同的A/D轉(zhuǎn)換精度的具體例子的描述。
使得參考信號Vref的傾斜是N形的(N-fold)，由此使得能夠?qū)⒚恳挥嫈?shù) 的電壓值(即A/D轉(zhuǎn)換中的最小檢測量)變得粗糙。例如，如圖21所示， 在第一次讀出操作中，使得參考信號Vref的傾斜程度(ramp)是第二次讀出 操作中的參考信號Vref的傾斜程度的兩倍，由此將具有設(shè)置了低轉(zhuǎn)換精度的 A/D轉(zhuǎn)換應(yīng)用于第 一次讀出操作。
另一方面，當(dāng)將基于三分割轉(zhuǎn)移而轉(zhuǎn)移的輸出信號彼此相加時，在時鐘 CK的一個時鐘內(nèi)計數(shù)值增加了 N,這使得可以用相同的權(quán)重因子將基于三分 割轉(zhuǎn)移而轉(zhuǎn)移的輸出信號彼此相力口，其中與時鐘CK同步地操作計數(shù)器1662。
例如，當(dāng)如圖21所示參考信號Vref的傾斜程度是兩倍時，每個時鐘計 數(shù)值增加2或減少2,這使得執(zhí)行具有相同權(quán)重因子的加法，同時降低了轉(zhuǎn) 換精度。
另外，改變參考信號Vref的傾斜程度而使得計數(shù)值不是N形的，或者使 得計數(shù)值是N形的而不改變參考信號Vref的傾斜程度，這使得也可以將基于 分割轉(zhuǎn)移而轉(zhuǎn)移的輸出信號彼此相加，同時分別乘以任意的權(quán)重因子。圖22是示出了當(dāng)將光電轉(zhuǎn)換元件21中累積的電荷的最大量設(shè)置為10, 000個電子時入射光強度(累積電荷)與讀出的信號的噪聲電平之間的關(guān)系 的特性圖。在此情況下，讀出操作中的固定模式噪聲對應(yīng)于2e'，讀出操作中 的隨機噪聲對應(yīng)于7e、并且包含對應(yīng)于累積電荷的光射噪聲作為噪聲分量。
如圖22所示，在具有較少的累積電荷的低亮度區(qū)域中，暗階段噪聲電平 是主要的。然而，當(dāng)入射光的強度增加并且累積的電荷量因此增加時，光射 噪聲變成主要的。由于此原因，將設(shè)置了高轉(zhuǎn)換精度的A/D轉(zhuǎn)換應(yīng)用到低亮 度，導(dǎo)致即使在例如如圖22所示，將設(shè)置了低轉(zhuǎn)換精度的A/D轉(zhuǎn)換應(yīng)用于 高亮度的情況下，由于在A/D轉(zhuǎn)換中量化誤差沒有變?yōu)橹饕?，因此很難惡 化圖像質(zhì)量。
在此例子中，在12位、10位和8位的A/D轉(zhuǎn)換中，每1LSB的轉(zhuǎn)換精 度分別是2.4 e\ 9.8 e-和39.1 e\因此，當(dāng)如圖22所示基于四分割而轉(zhuǎn)移累 積電荷時，將如圖13所示的轉(zhuǎn)換精度應(yīng)用于相應(yīng)的四個分割，使得取決于與 1LSB相對應(yīng)的電子數(shù)的量化誤差比諸如光射噪聲的噪聲分量小得多。結(jié)果， 這很難對圖像質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。
另外，盡管在第一到第三實施例的每個中，目前為止已經(jīng)通過給出將本 發(fā)明應(yīng)用于CMOS圖像傳感器(其包括具有通過一個轉(zhuǎn)移晶體管22基于分 割轉(zhuǎn)移將光電轉(zhuǎn)換元件21中的電荷轉(zhuǎn)移到公共浮動擴散電容器26、并將其 連續(xù)讀出到公共垂直信號線111的配置的單位像素20)的情況作為例子而給 出了描述，但是本發(fā)明絕不限于此，并且可以做出各種改變。 (變型1)
圖23是示出了變型1的單位像素20A的像素電路的電路圖。在圖中， 分別由相同的參考標(biāo)記指示與先前參考圖2所描述的那些單元相同的單元。
如圖23所示，變型1的單位像素20A包括用于單個光電轉(zhuǎn)換元件21的 轉(zhuǎn)移晶體管22-1至22-n、復(fù)位晶體管23-1至23-n、放大晶體管24-1至24-n、 選擇晶體管25-1至25-n和浮動擴散電容器26-1至26-n，以便對應(yīng)于分割基 礎(chǔ)轉(zhuǎn)移中的分割的數(shù)量n。
在單位像素20A中，由轉(zhuǎn)移晶體管22-1至22-n基于分割轉(zhuǎn)移將光電轉(zhuǎn) 換元件21中的電荷分別轉(zhuǎn)移到單獨的浮動擴散電容器26-1至26-n，以分別 通過分離的輸出電路(包括復(fù)位晶體管23-1至23-n、放大晶體管24-1至24-n 和選擇晶體管25-1至25-n)獲得以n個系統(tǒng)的輸出信號Vout-l至Vout-n的形式的電荷。
如目前為止已經(jīng)描述的，還可以將本發(fā)明的實施例應(yīng)用于包括單位像素
20A的CMOS圖像傳感器，該單位像素20A具有通過轉(zhuǎn)移晶體管22-1至22-n 基于分割轉(zhuǎn)移將光電轉(zhuǎn)換元件21中的電荷分別轉(zhuǎn)移到單獨的浮動擴散電容 器26-l至26-n以分別通過分離的輸出電路而讀出的配置。另外，將分別通過 分離的輸出電路而讀出的n個系統(tǒng)的輸出信號Vout-l至Vout-n彼此相加，由 此使得能夠獲得與上述實施例的情況相同的4喿作和效果。 (變型2)
圖24是示出了變型2的單位像素20B的像素電路的電路圖。在圖中，分 別由相同的參考標(biāo)記來指示與先前參考圖2所述的那些單元相同的單元。
如圖24所示，配置變型2的單位像素20B，使得電流源31被連接在與 放大晶體管24串聯(lián)的選擇晶體管25的漏電極與電源之間，并且從選擇晶體 管25的漏節(jié)點得到輸出信號Vout。
在單位像素20B中，浮動擴散電容器26中的電荷-電壓轉(zhuǎn)換效率取決于 浮動擴散電容器26和垂直信號線lll之間的寄生電容的電容值Ci。因此，使 得寄生電容的電容器Ci比浮動擴散電容器26的電容值Cfd小，由此使得能 夠提高電荷-電壓轉(zhuǎn)換效率。
在此，獲得高電荷-電壓轉(zhuǎn)換效率的效果的條件是Qi.max<Qfd.max的關(guān) 系，其中Qfd.max是浮動擴散電容器26中累積的電荷的最大量，而Qi.max 是寄生電容Ci中累積的電荷的最大量。由于此原因，必須以比累積電荷的最 大量Qfd.max更小的累積的電荷最大量Qi.max作為一個單位，基于分割轉(zhuǎn)移 來轉(zhuǎn)移在光電轉(zhuǎn)換元件21中累積的、具有量Qpd的電荷。
如目前為止已經(jīng)描述的，包括具有高電荷-電壓轉(zhuǎn)換效率或高電壓放大因 子的單位像素20B的CMOS圖像傳感器在S/N比率方面具有優(yōu)勢，而可能存 在對于能夠在一個讀出操作中讀出的電荷量的限制。
將根據(jù)本發(fā)明的實施例的分割轉(zhuǎn)移應(yīng)用于包括單位像素20B的圖像傳感 器，以便基于分割轉(zhuǎn)移來轉(zhuǎn)移光電轉(zhuǎn)換元件21中的電荷，這使得可以根據(jù)讀 出電路的輸出范圍，有效地輸出光電轉(zhuǎn)換元件21中生成的所有電荷。
另夕卜，在圖24所示的變型1的單位像素20B中，必須在讀出電路的操作 點處設(shè)置復(fù)位階段中的電荷-電壓轉(zhuǎn)換單元(浮動擴散電容器26)的電壓。然 而，根據(jù)本發(fā)明的實施例的分割基礎(chǔ)轉(zhuǎn)移的應(yīng)用使得能夠控制基于分割轉(zhuǎn)移而轉(zhuǎn)移的電荷量，而不依賴于電荷-電壓轉(zhuǎn)換單元的電勢。 (變型3)
圖25是示出變型3的單位像素20C的像素電路的電路圖。在圖中，分別 由相同的參考標(biāo)記來指示與先前參考圖2所述的那些單元相同的單元。
如圖25所示，配置變型3的單位像素20C,使得代替放大晶體管24,在 浮動擴散電容器26和選擇晶體管25之間連接逆放大電路27,并且復(fù)位晶體 管23與逆放大電路27并聯(lián)。以這種方式在像素內(nèi)部提供逆放大電路27，使 得可以放大信號電平以提高S/N比率。
在包括單位像素20C (以這種方式在像素內(nèi)部提供逆放大電路27)的 CMOS圖像傳感器中，當(dāng)將逆放大電路27的放大因子設(shè)置為-A時，在某些 情況下，當(dāng)將具有最大量Qfd.max的累積電荷轉(zhuǎn)移到浮動擴散電容器26時輸 出電壓Vout的幅度-A'Qfd,max/Cfd超出了輸出Vout的可輸出范圍AVoutpp。
在此情況下，為了以輸出信號的形式輸出所有電荷，必須以如下電荷量 為單位來執(zhí)行分割基礎(chǔ)轉(zhuǎn)移其中將小于浮動擴散電容器26中累積的電荷的 最大量Qfd.max的電荷量Qmid ( <Qfd.max )設(shè)置為最大值。
將根據(jù)本發(fā)明的實施例的分割基礎(chǔ)轉(zhuǎn)移應(yīng)用于包括單位像素20C的
CMOS圖像傳感器，并且基于任意分割轉(zhuǎn)移來轉(zhuǎn)移光電轉(zhuǎn)換元件21中的電荷， 這使得可以對應(yīng)于輸出電壓Vout的可輸出范圍AVout.pp，有效地輸出光電轉(zhuǎn) 換元件21中生成的所有電荷。
注意，在上述第一到第三實施例的每個中，目前為止已經(jīng)通過給出將本 發(fā)明應(yīng)用于如下CMOS圖像傳感器的情況作為例子而給出了描述在該 CMOS圖像傳感器中，將每個用于^r測以物理量的形式的、對應(yīng)于可見光量 的信號電荷的單位像素排列為矩陣。然而，本發(fā)明絕不限于應(yīng)用于CMOS圖 像傳感器。也就是說，本發(fā)明還可以應(yīng)用于每個都使用列系統(tǒng)(其中，對像 素陣列單元的每個像素列排列列電路)的一般固態(tài)成像設(shè)備。
另外，本發(fā)明絕不限于應(yīng)用于用于檢測入射可見光量的分布而以圖像的 形式捕獲其分布的成像設(shè)備。也就是說，本發(fā)明還可應(yīng)用于用于檢測入射紅 外線、X射線、粒子等的量的分布而以圖像的形式捕獲其分布的所有固態(tài)成 像設(shè)備，以及諸如指紋檢測傳感器的、用于廣義地檢測諸如壓力或靜電電容 的其他物理量的分布而以圖像的形式來捕獲其分布的固態(tài)成像設(shè)備(物理量 分布檢測設(shè)備)。此外，本發(fā)明絕不限于應(yīng)用于通過連續(xù)掃描以行為單位的像素陣列單元 的單位像素而從各個單位像素讀出像素信號的固態(tài)成像設(shè)備。也就是說，本 發(fā)明還可以應(yīng)用于X-Y地址型固態(tài)成像設(shè)備，用于以像素為單位來選擇任意 像素，并從以像素為單位而由此選擇的各個像素中讀出信號。
注意，固態(tài)成像設(shè)備可以具有由單芯片形成的形式，或者可以具有其中 集合封裝了成像單元和信號處理單元或光學(xué)系統(tǒng)的、具有成像功能的模塊形 式。
另外，本發(fā)明不僅可以應(yīng)用于固態(tài)成像設(shè)備，而且可以應(yīng)用于成像裝置。 在此，成像裝置意味著諸如數(shù)碼靜態(tài)相機或視頻相機的相機系統(tǒng)，或者諸如 移動電話的具有成像功能的電子裝置。注意，成像裝置還意味著安裝在電子 裝置上的上述模塊形式，即某些情況下的相機模塊。
圖26是示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的成像裝置的配置的方框圖。如圖 26所示，根據(jù)本發(fā)明的實施例的成像裝置50包括具有鏡頭組51的光學(xué)系統(tǒng)、 固態(tài)成像設(shè)備52、作為相機信號處理電路的DSP電路53、幀存儲器54、顯 示設(shè)備55、記錄設(shè)備56、操縱系統(tǒng)57、電源系統(tǒng)58等。而且，DSP電路53、 幀存儲器54、顯示設(shè)備55、記錄設(shè)備56、操縱系統(tǒng)57和電源系統(tǒng)58通過 總線59 4皮此連接。
鏡頭組51捕獲來自對象的入射光(圖像光)，以將入射光聚焦在固態(tài)成 像設(shè)備52的成像區(qū)域上。固態(tài)成像設(shè)備52以像素為單位，將由鏡頭組51聚 焦在成像區(qū)域上的入射光的量轉(zhuǎn)換成電信號，并以像素信號的形式輸出電信 號。使用上述第一到第三實施例的每個的CMOS圖像傳感器IO作為固態(tài)成 像設(shè)備52。
顯示設(shè)備55由諸如液晶顯示設(shè)備或有機電致發(fā)光(EL)顯示設(shè)備的平 板型顯示設(shè)備組成。顯示設(shè)備55上顯示由固態(tài)成像設(shè)備52捕獲的運動圖像 或靜止圖像。記錄設(shè)備56將關(guān)于由固態(tài)成像設(shè)備52捕獲的運動圖像或靜止 圖像的數(shù)據(jù)記錄在諸如錄像帶或數(shù)字通用盤(DVD)的記錄介質(zhì)中。
操縱系統(tǒng)57在用戶進行的操縱下，發(fā)出關(guān)于該實施例的成像裝置所具有 的各種功能的操縱命令。電源系統(tǒng)58適當(dāng)?shù)貙⒊蔀橛糜贒SP電路53、幀存 儲器54、顯示設(shè)備55、記錄設(shè)備56和操縱系統(tǒng)57的操作電源的各種電源分 別供應(yīng)給供電的這些對象。如目前為止已經(jīng)描述的，在諸如用于視頻相機或數(shù)碼靜態(tài)相機的相機模 塊的成像裝置中，或諸如移動電話的移動裝置中，上述實施例的CMOS圖像
傳感器10用作其固態(tài)成像設(shè)備52,這使得通過CMOS圖像傳感器10，可以 以高轉(zhuǎn)換效率讀出累積電荷而不削弱飽和電平。因而，能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度成
像裝置。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，只要在所附權(quán)利要求或其等效物的范圍內(nèi)， 視設(shè)計需要和其他因素，可以進行各種修改、組合、子組合和變更。
相關(guān)申請的交叉引用
本發(fā)明包含與2007年4月12日在日本專利局提交的日本專利申請JP 2007-104425有關(guān)的主題，通過引用將其全部內(nèi)容合并于此。
權(quán)利要求
1. 一種固態(tài)成像設(shè)備，包括像素陣列單元，通過以矩陣排列單位像素而形成，每個所述單位像素包括被配置用于將光信號轉(zhuǎn)換成信號電荷的光電轉(zhuǎn)換單元、被配置用于轉(zhuǎn)移通過所述光電轉(zhuǎn)換單元中的光電轉(zhuǎn)換而獲得的所述信號電荷的轉(zhuǎn)移元件、以及被配置用于輸出通過所述轉(zhuǎn)移元件所轉(zhuǎn)移的信號電荷的輸出部件；第一驅(qū)動部件，被配置用于通過使用第一控制電壓來驅(qū)動所述轉(zhuǎn)移元件，其中在一個單位的累積時間段內(nèi)在所述光電轉(zhuǎn)換單元中累積的信號電荷的一部分被保持在所述光電轉(zhuǎn)換單元中，其中所述轉(zhuǎn)移元件根據(jù)所述第一控制電壓來轉(zhuǎn)移具有超過所保持的信號電荷量的量的累積電荷；第二驅(qū)動部件，被配置用于通過使用第二控制電壓來驅(qū)動所述轉(zhuǎn)移元件，其中所述轉(zhuǎn)移元件根據(jù)所述第二控制電壓來轉(zhuǎn)移在所述光電轉(zhuǎn)換單元中所保持的所有信號電荷；以及第三驅(qū)動部件，被配置用于驅(qū)動所述輸出部分以便讀出通過所述第一驅(qū)動部件和所述第二驅(qū)動部件連續(xù)進行驅(qū)動而轉(zhuǎn)移的信號電荷。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像設(shè)備，其中，所述第一驅(qū)動部件將具 有不同電壓值的控制電壓作為第一控制電壓供應(yīng)給所述轉(zhuǎn)移元件兩次或更多 次，并且以兩批或更多批轉(zhuǎn)移所述光電轉(zhuǎn)換單元中累積的信號電荷。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像設(shè)備，還包括加法部件，被配置用于在由所述第一和第二驅(qū)動部件對所述轉(zhuǎn)移元件的驅(qū)動下，將通過所述第三驅(qū)動部件的驅(qū)動而從所述輸出部件連續(xù)讀出的多個 輸出信號相加。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像設(shè)備，還包括 模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換部件，被配置用于在由所述第一和第二驅(qū)動部件對所述轉(zhuǎn)移元件的驅(qū)動下將通過所述第三驅(qū)動部件的驅(qū)動而從所述輸出部件連續(xù)讀出 的多個輸出信號相加的同時，執(zhí)行;虔擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像設(shè)備，還包括 模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換部件，被配置用于對在由所述第一和第二驅(qū)動部件對所述轉(zhuǎn)移元件的驅(qū)動下、通過所述第三驅(qū)動部件的驅(qū)動而從所述輸出部件連續(xù)讀 出的多個輸出信號執(zhí)行具有不同轉(zhuǎn)換精度的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像設(shè)備，還包括 模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換部件，被配置用于在由所述第一和第二驅(qū)動部件對所述轉(zhuǎn)移元件的驅(qū)動下將通過所述第三驅(qū)動部件的驅(qū)動而從所述輸出部件連續(xù)讀出 的多個輸出信號相加的同時，執(zhí)行具有不同轉(zhuǎn)換精度的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的固態(tài)成像設(shè)備，其中所述模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換部件 對應(yīng)于多個輸出信號從所述輸出部件的讀出而逐漸增加轉(zhuǎn)換精度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像設(shè)備，其中所述單位像素包括多個轉(zhuǎn)移元件，被配置用于以多批轉(zhuǎn)移通過所述光電轉(zhuǎn)換單元中的光電 轉(zhuǎn)換而獲得的信號電荷；以及多個輸出部件，被配置用于輸出由所述多個轉(zhuǎn)移元件轉(zhuǎn)移到其處的信號 電荷。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像設(shè)備，其中所述單位像素還包括 電荷-電壓轉(zhuǎn)換單元，由所述轉(zhuǎn)移元件將通過所述光電轉(zhuǎn)換單元中的光電轉(zhuǎn)換而獲得的信號電荷的 一部分從所述光電轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)移到該電荷-電壓轉(zhuǎn) 換單元；以及被配置用于以下的部件在由所述輸出部件從所述電荷-電壓轉(zhuǎn)換單元中后，以預(yù)定電勢復(fù)位所述電荷-電壓轉(zhuǎn)換單元。
10. —種驅(qū)動通過排列單位像素而形成的固態(tài)成像設(shè)備的方法，每個所 述單位像素包括被配置用于將光信號轉(zhuǎn)換成信號電荷的光電轉(zhuǎn)換單元、被配置用于轉(zhuǎn)移通過所述光電轉(zhuǎn)換單元中的光電轉(zhuǎn)換而獲得的所述信號電荷的轉(zhuǎn) 移元件、以及被配置用于輸出由所述轉(zhuǎn)移元件所轉(zhuǎn)移的信號電荷的輸出部件， 所述方法包括步驟通過使用第 一控制電壓來驅(qū)動所述轉(zhuǎn)移元件，其中在一個單位的累積時 間段內(nèi)在所述光電轉(zhuǎn)換單元中累積的信號電荷的 一部分被保持在所述光電轉(zhuǎn) 換單元中，其中所述轉(zhuǎn)移元件根據(jù)所述第一控制電壓來轉(zhuǎn)移具有超過所保持 的信號電荷量的量的累積電荷；通過使用第二控制電壓來驅(qū)動所述轉(zhuǎn)移元件，其中所述轉(zhuǎn)移元件根據(jù)所 述第二控制電壓來轉(zhuǎn)移在所述光電轉(zhuǎn)換單元中所保持的所有信號電荷；以及讀出通過連續(xù)進行使用所述第一控制電壓的驅(qū)動和使用所述第二控制電 壓的驅(qū)動而轉(zhuǎn)移的信號電荷。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的驅(qū)動固態(tài)成像設(shè)備的方法，其中將具有不同 電壓值的控制電壓作為第一控制電壓供應(yīng)給所述轉(zhuǎn)移元件兩次或更多次，并 且以兩批或更多批轉(zhuǎn)移所述光電轉(zhuǎn)換單元中累積的信號電荷。
12. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的驅(qū)動固態(tài)成像設(shè)備的方法，其中所述單位像 素還包括電荷-電壓轉(zhuǎn)換單元，由所述轉(zhuǎn)移元件將通過所述光電轉(zhuǎn)換單元中的光電 轉(zhuǎn)換而獲得的信號電荷的一部分從所述光電轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)移到該電荷-電壓轉(zhuǎn) 換單元，其中在由所述輸出部件從所述電荷-電壓轉(zhuǎn)換單元中讀出通過所述光 電轉(zhuǎn)換單元中的光電轉(zhuǎn)換而獲得的信號電荷的所述一部分之后，以預(yù)定電勢 復(fù)位所述電荷-電壓轉(zhuǎn)換單元。
13. —種用于固態(tài)成像設(shè)備的信號處理方法，該固態(tài)成像設(shè)備包括 像素陣列單元，通過以矩陣排列單位像素而形成，每個所述單位像素包括被配置用于將光信號轉(zhuǎn)換成信號電荷的光電轉(zhuǎn)換單元、被配置用于轉(zhuǎn)移通 過所述光電轉(zhuǎn)換單元中的光電轉(zhuǎn)換而獲得的所述信號電荷的轉(zhuǎn)移元件、以及 被配置用于輸出通過所述轉(zhuǎn)移元件所轉(zhuǎn)移的信號電荷的輸出部件；第一驅(qū)動部件，被配置用于通過使用第一控制電壓來驅(qū)動所述轉(zhuǎn)移元件， 其中在一個單位的累積時間段內(nèi)在所述光電轉(zhuǎn)換單元中累積的信號電荷的一部分被保持在所述光電轉(zhuǎn)換單元中，其中所述轉(zhuǎn)移元件根據(jù)所述第一控制電 壓來轉(zhuǎn)移具有超過所保持的信號電荷量的量的累積電荷；第二驅(qū)動部件，被配置用于通過使用第二控制電壓來驅(qū)動所述轉(zhuǎn)移元件， 其中所述轉(zhuǎn)移元件根據(jù)所述第二控制電壓來轉(zhuǎn)移在所述光電轉(zhuǎn)換單元中所保 持的所有信號電荷；以及第三驅(qū)動部件，被配置用于驅(qū)動所述輸出部分以便讀出通過所述第一驅(qū)動部件和所述第二驅(qū)動部件連續(xù)進行驅(qū)動而轉(zhuǎn)移的信號電荷， 所述信號處理方法包括步驟在由所述第一和第二驅(qū)動部件對所述轉(zhuǎn)移元件的驅(qū)動下，將通過所述第 三驅(qū)動部件的驅(qū)動而從所述輸出部件連續(xù)讀出的多個輸出信號相加。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的用于固態(tài)成像設(shè)備的信號處理方法，還包括 步驟對多個輸出信號執(zhí)行具有不同轉(zhuǎn)換精度的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的用于固態(tài)成像設(shè)備的信號處理方法，其中在將多個輸出信號彼此相加的同時，對所述多個輸出信號執(zhí)行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的用于固態(tài)成像設(shè)備的信號處理方法，其中對 應(yīng)于多個輸出信號從所述輸出部件的讀出而逐漸增加用于所述多個輸出信號 的轉(zhuǎn)換精度。
17. —種成像裝置，包括通過排列單位像素而形成的固態(tài)成像設(shè)備，每個所述單位像素包括被配 置用于將光信號轉(zhuǎn)換成信號電荷的光電轉(zhuǎn)換單元、被配置用于轉(zhuǎn)移通過所述 光電轉(zhuǎn)換單元中的光電轉(zhuǎn)換而獲得的所述信號電荷的轉(zhuǎn)移元件、以及被配置 用于輸出通過所述轉(zhuǎn)移元件所轉(zhuǎn)移的信號電荷的輸出部件；以及光學(xué)系統(tǒng)，用于將入射光聚焦到所述固態(tài)成像設(shè)備的成像區(qū)域上； 其中，所述固態(tài)成像設(shè)備包括第一驅(qū)動部件，被配置用于通過使用第一控制電壓來驅(qū)動所述轉(zhuǎn)移 元件，其中在一個單位的累積時間段內(nèi)在所述光電轉(zhuǎn)換單元中累積的信號電 荷的一部分被保持在所述光電轉(zhuǎn)換單元中，其中所述轉(zhuǎn)移元件根據(jù)所述第一 控制電壓來轉(zhuǎn)移具有超過所保持的信號電荷量的量的累積電荷；第二驅(qū)動部件，被配置用于通過使用第二控制電壓來驅(qū)動所述轉(zhuǎn)移 元件，其中所述轉(zhuǎn)移元件根據(jù)所述第二控制電壓來轉(zhuǎn)移在所述光電轉(zhuǎn)換單元 中所保持的所有信號電荷；第三驅(qū)動部件，被配置用于驅(qū)動所述輸出部分以便讀出通過所述第 一驅(qū)動部件和所述第二驅(qū)動部件連續(xù)進行驅(qū)動而轉(zhuǎn)移的信號電荷；以及信號處理部件，被配置用于在由所述第一和第二驅(qū)動部件對所述轉(zhuǎn) 移元件的驅(qū)動下，將通過所述第三驅(qū)動部件的驅(qū)動而從所述輸出部件連續(xù)讀 出的多個輸出信號相加。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種固態(tài)成像設(shè)備及其驅(qū)動方法、信號處理方法和成像裝置。該固態(tài)成像設(shè)備包括像素陣列單元、第一驅(qū)動部件、第二驅(qū)動部件和第三驅(qū)動部件。
文檔編號H04N5/374GK101287064SQ20081009177
公開日2008年10月15日 申請日期2008年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月12日
發(fā)明者大池佑輔 申請人:索尼株式會社