固態成像元件及其驅動方法以及相機系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及使得能夠抑制由于外圍電路的影響導致在圖像邊緣的白色模糊的固態成像元件、驅動該元件的方法和相機系統。本發明具有：像素部分，其中以行排列多個像素，像素部分包括用于將光信號轉換為電信號并且存儲信號電荷的光電轉換元件，信號電荷取決于曝光時間；外圍電路，布置成以與像素部分的彼此相對排列與邊緣部分相鄰并且與至少像素信號的讀取操作相關聯地驅動；和像素信號讀取單元，以多個像素為單位從像素部分讀取像素信號。當像素信號讀取單元讀取全部像素時，復位全部像素，且然后從靠近外圍電路的特定區域中的行開始一次至少一行地交替地讀取像素，外圍電路以與像素部分的彼此相對的排列向著邊緣部分布置。
【專利說明】固態成像元件及其驅動方法以及相機系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及執行全像素讀出的固態成像裝置、驅動所述固態成像裝置的方法以及相機系統。
【背景技術】
[0002]近年來，盡管圖像傳感器具有高分辨率，但是仍然需要圖像傳感器以低分辨率成像高質量圖像。
[0003]例如，諸如使用數字靜態相機拍攝運動圖像以及相反地，使用攝像機對靜態圖像進行成像這樣的功能正受到歡迎。
[0004]并且，這種電子設備常常具有用于確認畫面的取景器，可是取景器的分辨率通常低于所成像的圖像的分辨率。
[0005]而且，一些數字靜態相機和移動電話整合有在以低分辨率成像時增大幀速率的功能，以便對常規上無法辨識的高速運動進行成像。
[0006]如前所述，需要僅以一個圖像傳感器來既支持具有高分辨率的低幀速率的靜態圖像又支持具有相對低分辨率的高幀速率的運動圖像。
[0007]專利文獻I公開了一種技術，其使電荷耦合裝置(CCD)圖像傳感器能夠獲取輸出信號而無需信號輸出負載時段并且能夠滿足對高幀速率的要求。
[0008]相比之下，已經提出了這樣的互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器:所述互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器支持用于從全部像素讀取信號的全像素模式以及用于通過跳過行和/或列來間斷性地讀取信號的稀疏模式(thinning mode)。
[0009]在CMOS圖像傳感器中，在拍攝靜態高分辨率圖像時使用全像素模式，而稀疏模式用于成像低分辨率運動圖像和/或高幀速率的圖像。
[0010]如今，使用具有FD層的浮動擴散(FD)放大器的單通道(ch)輸出電路主要用作CXD的輸出電路。
[0011]與此相對，CMOS圖像傳感器在每個像素中均具有FD放大器，并且主要使用列并行輸出配置，在該列并行輸出配置中，從像素陣列中選擇一個行，并且在該行中的像素沿列方向被同時讀出。
[0012]這是因為并行處理有利于降低數據速率，由于僅從每個像素中所布置的FD放大器難以獲得足夠的驅動功率，所以并行處理是必要的。
[0013]已經提出了用于列并行輸出型CMOS圖像傳感器的多種像素信號讀出(輸出)電路。
[0014]在這些像素信號讀出電路中最先進的電路之一是這樣的類型:其在每一列中包括模擬-數字轉換裝置(下文簡稱模數轉換器(ADC))從而將像素信號取出作為數字信號。
[0015]這里,將對普通的CMOS圖像傳感器中的全校正操作(full proofread operation)進行說明。
[0016]圖1(A)至圖2(B)是示出在普通的CMOS圖像傳感器中的全像素讀出操作的概況的示例圖。
[0017]圖1的CMOS圖像傳感器I被配置為包括:像素單元2，在該像素單元2中，包括光電轉換功能的像素排列成陣列配置；用于像素讀出的像素電流源3D和3U ;以及諸如列ADC的讀出電路4D和4U。
[0018]當像素電流源3D和3U與信號線連接從而形成具有像素的FD放大器的源極跟隨器用于像素讀出時，采用將像素電流源3D和3U提供在信號線的兩端(像素單元2的上側和下側)上的配置，以便保證阻抗。
[0019]圖1示出了一實例，在該實例中，讀出電路4D和4U布置在像素單元2的上端和下端。圖2示出了一實例，在該實例中，讀出電路4D僅布置在像素單元的上端和下端中的一端(下端)。
[0020]如圖UA)和圖2⑷中所示，當執行全像素讀出時，全部像素被同時復位。
[0021]然后，例如，以從像素單元2的下端到上端的順序一次一行地執行讀出。
[0022]引文列表
[0023]專利文獻
[0024]專利文獻I JP H06-217206A
【發明內容】

[0025]技術問題
[0026]然而，在讀取操作期間，從外圍電路(例如像素電流源和讀出電路)產生光和熱。
[0027]在像素電流源3中所產生的光和熱具有特別大的影響。
[0028]當像素單元2被從下端至上端讀出時，靠近上端的位置具有更長的電荷存儲時間。
[0029]由于在上端靠近外圍電路的部分(由虛線包圍的部分)長時間地受到從外圍電路所產生的光和熱的影響，所以該部分導致具有陰影圖案的白化(whitening)。
[0030]并且，如圖3中所示，當幀速率降低時，受到來自外圍電路的影響的時間進一步延長，使得白化現象明顯。由于具有大量像素的圖像傳感器具有低幀速率，所以這種現象導致嚴重問題。
[0031]當像素電流源被提供在上側和下側時，即使讀出電路(諸如列ADC)僅提供在一側上，由于由像素電流源所產生的光和熱，后來被讀出的像素也導致白化。
[0032]本發明的目的是提供一種能夠抑制由于外圍電路的影響所導致的屏幕的端處的白化的固態成像裝置、驅動所述固態成像裝置的方法、以及相機系統。
[0033]根據本發明的第一方面，提供一種固態成像裝置，包括:像素單元，其適于具有以矩陣形式排列的多個像素，所述多個像素包括光電轉換元件，所述光電轉換元件將光信號轉換為電信號并且存儲與曝光時間相對應的信號電荷；外圍電路，其適于被布置成與所述像素單元的彼此相對的邊緣部分相鄰，并且適于至少與像素信號的讀取操作相關聯地被驅動；以及像素信號讀出單元，其適于以多個像素為單位從所述像素單元讀取所述像素信號。當執行全像素讀出時，所述像素信號讀出單元復位全部像素，然后至少從靠近所述外圍電路的特定區域中的行來至少逐行交替地執行像素讀出，所述外圍電路布置在所述像素單元的彼此相對的所述邊緣部分旁邊。[0034]根據本發明的第二方面，提供一種用于驅動固態成像裝置的方法，所述固態成像裝置包括外圍電路和像素單元，所述外圍電路適于被布置成與彼此相對的邊緣部分相鄰并且適于與至少像素信號的讀取操作相關聯地被驅動，所述像素單元適于具有以矩陣形式排列的多個像素，所述多個像素包括光電轉換元件，所述光電轉換元件將光信號轉換為電信號并且存儲與曝光時間相對應的信號電荷，所述方法包括，當對所述像素單元執行全像素讀出時，復位全部像素的復位步驟；以及讀出步驟，所述讀出步驟至少從靠近所述外圍電路的特定區域中的行來至少逐行交替地執行像素讀出，所述外圍電路布置在所述像素單元的彼此相對的所述邊緣部分旁邊。
[0035]根據本發明的第三方面，提供一種相機系統，包括:固態成像裝置；以及光學系統，其適于在所述固態成像裝置上形成目標圖像。所述固態成像裝置包括:像素單元，其適于具有以矩陣形式排列的多個像素，所述多個像素包括光電轉換元件，所述光電轉換元件將光信號轉換為電信號并且存儲與曝光時間相對應的信號電荷；外圍電路，其適于被布置成與所述像素單元的彼此相對的邊緣部分相鄰，并且適于與至少像素信號的讀取操作相關聯地被驅動，以及像素信號讀出單元，其適于以多個像素為單位從所述像素單元讀取所述像素信號。當執行全像素讀出時，所述像素信號讀出單元復位全部像素，然后至少從靠近所述外圍電路的特定區域中的行來至少逐行交替地執行像素讀出，所述外圍電路布置在所述像素單元的彼此相對的所述邊緣部分旁邊。
[0036]本發明的有益效果
[0037]根據本發明，能夠抑制由于外圍電路的影響所導致的屏幕的端處的白化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]圖1是用于說明在普通的CMOS圖像傳感器中的全像素讀出操作的概況的第一組圖。
[0039]圖2是用于說明在普通的CMOS圖像傳感器中的全像素讀出操作的概況的第二組圖。
[0040]圖3是示出在普通的CMOS圖像傳感器中出現白化的示例圖。
[0041]圖4是示出根據第一實施例的安裝有列并行ADC的固態成像裝置(CMOS圖像傳感器)的配置實例的框圖。
[0042]圖5示出了在根據實施例的CMOS圖像傳感器中的包括四個晶體管的像素的一個實例。
[0043]圖6示出了根據實施例的布置在像素單元的上端和下端的像素電流源的具體配置實例。
[0044]圖7是示出在根據本實施例的固態成像裝置中的全像素讀出的操作實例的示例圖。
[0045]圖8示出了兩個像素共享中的像素配置實例。
[0046]圖9示出了四個像素共享中的像素配置實例。
[0047]圖10是示出根據第二實施例的安裝有列并行ADC的固態成像裝置(CMOS圖像傳感器)的配置實例的框圖。
[0048]圖11示出了在根據第三實施例的安裝有列并行ADC的固態成像裝置(CMOS圖像傳感器)中的像素單元的配置。
[0049]圖12示出了根據實施例的固態成像裝置應用的相機系統的一個配置實例。【具體實施方式】
[0050]在下文中，將參照附圖詳細說明本發明的優選實施例。
[0051]將以下面所示的順序進行說明:
[0052]1、第一實施例(固態成像裝置的第一配置實例)
[0053]2、第二實施例(固態成像裝置的第二配置實例)
[0054]3、第三實施例(固態成像裝置的第三配置實例)
[0055]4、第四實施例(相機系統的配置實例)
[0056]〈1.第一實施例>
[0057]圖4是示出根據第一實施例的安裝有列并行ADC的固態成像裝置(CMOS圖像傳感器)的配置實例的框圖。
[0058][固態成像裝置的總體配置實例]
[0059]如圖4中所示，固態成像裝置100具有作為成像部分的像素單元110、垂直掃描電路(行掃描電路)120、水平轉移掃描電路(列掃描電路)130和定時控制電路140。
[0060]并且，固態成像裝置100具有作為列電路的像素電流源150D和150U、形成ADC組的列并行處理單元160D和160U、數字-模擬轉換器(DAC) 170以及內部電壓生成電路(偏壓電路)180。
[0061]在本實施例中，像素信號讀出單元由水平轉移掃描電路130、像素電流源150、列并行處理單元160、DAC170等形成。定時控制電路140具有與控制單元相對應的功能。
[0062]并且，在本實施例中，像素電流源150、列并行處理單元160以及DAC170被配置為包括用于接收內部或外部所生成的偏壓的供應的功能單元。
[0063]像素單元110具有多個單元像素110A，所述多個單元像素IlOA以由m行和η列所形成的二維配置(矩陣配置)排列，每個單元像素IIOA包括在像素內的光電二極管(光電轉換元件)和放大器。
[0064][單元像素的配置實例]
[0065]圖5示出了在根據本實施例的CMOS圖像傳感器中的包括四個晶體管的像素的一個實例。
[0066]單元像素IlOA例如具有光電二極管111作為光電轉換元件。
[0067]單元像素IlOA針對一個光電二極管111具有作為有源元件的四個晶體管，所述四個晶體管包括作為轉移元件的轉移晶體管112、作為復位元件的復位晶體管113、放大晶體管114以及選擇晶體管115。
[0068]光電二極管111光電地將入射光轉換為電荷(在該情形中為電子)，所述電荷的量與入射光的量相對應。
[0069]轉移晶體管112連接在光電二極管111與用作輸出節點的浮動擴散FD之間。
[0070]當通過轉移控制線LTx將驅動信號TG提供給轉移晶體管112的柵極時(轉移柵極)，轉移晶體管112將電子轉移至浮動擴散FD，所述電子在作為光電轉換元件的光電二極管111中被光電地轉換。[0071]復位晶體管113連接在電源線LVDD與浮動擴散FD之間。
[0072]當通過復位控制線LRST將復位RST提供給復位晶體管113的柵極時，復位晶體管113將浮動擴散FD的電位復位為電源線LVDD的電位。
[0073]浮動擴散FD與放大晶體管114的柵極連接。放大晶體管114通過選擇晶體管115與垂直信號線116連接，并且與像素單元外部的像素電流源150D和150U的恒流源ID和IU一起形成源極跟隨器。
[0074]當通過選擇控制線LSEL將控制信號(尋址信號或選擇信號)SEL提供給選擇晶體管115的柵極時，選擇晶體管115被導通。
[0075]當選擇晶體管115被導通時，放大晶體管114放大浮動擴散FD的電位，并且將與該電位相對應的電壓輸出至垂直信號線116。通過垂直信號線116從每個像素輸出的電壓被輸出至列并行處理單元160，所述列并行處理單元160用作像素信號讀出電路。
[0076]例如，由于轉移晶體管112、復位晶體管113和選擇晶體管115的各個柵極以列為單位相連接，所以這些操作在一行的每個像素上同時并行執行。
[0077]連線到像素單元110的復位控制線LRST、轉移控制線LTx以及選擇控制線LSEL在像素陣列中的每個行中被分組并被連線為一條控制線LCTL。
[0078]這些復位控制線LRST、轉移控制線LTx以及選擇控制線LSEL由垂直掃描電路120驅動，所述垂直掃描電路120用作像素驅動單元。
[0079]在固態成像裝置100中，布置生成內部時鐘的定時控制電路140、垂直掃描電路120以及水平轉移掃描電路130，該定時控制電路140作為用于像素單元110中的信號的順序讀出的控制電路，該垂直掃描電路120控制行尋址和行掃描，該水平轉移掃描電路130控制列尋址和列掃描。
[0080]例如，當執行全像素讀出時，垂直掃描電路120首先在定時控制電路140的控制下執行像素單元110的全復位。
[0081]在該情形中，當轉移晶體管112和復位晶體管113被導通時(或者復位晶體管113被導通時)，同時執行全屏復位。
[0082]更具體地，執行轉移晶體管112的導通/截止控制的控制信號Tx與執行復位晶體管113的導通/截止控制的控制信號RST兩者(或兩者之一)被設置為激活(在該實例中為高電平)。
[0083]結果，存儲在光電二極管(光電轉換元件)111中的電荷被丟棄。然后，在復位完成之后，控制信號Tx和控制信號RST均被切換為低電平，并且轉移晶體管112和復位晶體管被截止。結果，光電二極管111將光信號轉換為電荷，并且存儲該電荷。
[0084]接下來，在讀出時，垂直掃描電路120導通復位晶體管113以復位浮動擴散FD，然后截止復位晶體管113。結果，此時點的浮動擴散FD的電壓通過放大晶體管114和選擇晶體管115輸出。此時點的輸出被定義為P相輸出。
[0085]接下來，轉移晶體管112被導通以將存儲在光電二極管111中的電荷轉移至浮動擴散FD。此時點的浮動擴散FD的電壓通過放大晶體管114輸出。此時點的輸出被定義為D相輸出。
[0086]使用D相輸出與P相輸出之間的差作為圖像信號使得不僅能夠從圖像信號中去除每個像素的輸出中的DC分量變化，而且還能夠從圖像信號中去除浮動擴散中的FD復位噪聲。
[0087]在定時控制電路140的控制下，垂直掃描電路120驅動每個行中的像素，以便從像素單元110的上側和下側，即，從接近像素電流源150U和150D的區域中的行向中心交替地執行像素讀出。
[0088]定時控制電路140生成用于像素單元110、垂直掃描電路120、水平轉移掃描電路130、列并行處理單元160、DAC170以及內部電壓生成電路180的信號處理所必要的定時信號。
[0089]定時控制電路140包括DAC控制功能單元，所述DAC控制功能單元例如控制DAC170中的基準信號RAMP(Vslop)的生成以及內部電壓生成電路180。
[0090]DAC控制功能單元進行控制，以便為每個行調整基準信號RAMP的偏移，所述基準信號RAMP在列并行處理單元160中的每個列處理電路(ADC) 161中被AD轉換。
[0091]在像素單元110中，通過使用行快門(line shutter)通過光子的積聚和放電，畫面和屏幕圖像在每個像素行中被光電地轉換，并且模擬信號VSL輸出至列并行處理單元160 (D、U)中的每個列處理電路161。
[0092]在列并行處理單元160中，每個ADC塊(每個列單元)通過使用來自DAC170的基準信號(斜坡信號)RAMP來對像素單元110的模擬輸出執行基于APGA的集成ADC和數字⑶S，并且輸出幾個位的數字信號。
[0093]當像素電流源150D和150U與信號線連接以便與像素的放大晶體管(FD放大器)一起形成源極跟隨器用于像素讀出時，應用將像素電流源150D和150U提供在信號線的兩端(像素單元110的上側和下側)的配置，以便保證阻抗。
[0094]在內部電壓生成電路180中所生成的偏壓VBIASl被提供給像素電流源150D。
[0095]在內部電壓生成電路180中所生成的偏壓VBIAS2被提供給像素電流源150U。
[0096]圖6示出了根據本實施例的布置在像素單元的上端和下端的像素電流源的具體配置實例。
[0097]根據像素的列陣列，像素電流源150D具有負載MOS晶體管151D-1至151D_n以及152D-1至152D-n。負載MOS晶體管151D-1至151D_n以及152D-1至152D_n串聯連接在基準電位VSS與垂直信號線116-1至116-n中的每條線的一端(下端)側之間。
[0098]負載MOS晶體管151D-1至151D_n的柵極共同連接到在內部電壓生成電路180中所生成的偏壓VBIAS11的供應線。
[0099]負載MOS晶體管152D-1至152D_n的柵極共同連接到在內部電壓生成電路180中所生成的偏壓VBIAS12的供應線。
[0100]在像素讀出時，串聯連接的負載MOS晶體管151D-1到151D_n與152D-1到152D_n用作源極跟隨器的電流源ID。
[0101]根據像素的列陣列，像素電流源150U具有負載MOS晶體管151U-1至151U_n以及152U-1至152U-n。負載MOS晶體管151U-1至151U_n以及152U-1至152U_n串聯連接在基準電位VSS與垂直信號線116-1至116-n中的每條線的另一端(上端)側之間。
[0102]負載MOS晶體管151U-1至151U_n的柵極共同連接到在內部電壓生成電路180中所生成的偏壓VBIAS21的供應線。
[0103]負載MOS晶體管152U-1至152U_n的柵極共同連接到在內部電壓生成電路180中所生成的偏壓VBIAS22的供應線。
[0104]在讀出像素時，串聯的負載MOS晶體管151U-1至151U_n以及152U-1至152U_n用作源極跟隨器的電流源IU。
[0105][列ADC的配置實例]
[0106]本實施例的列并行處理單元160D和160U具有相同的配置，在所述列并行處理單元160D和160U中排列多個列處理電路(ADC) 161，所述多個列處理電路(ADC) 161形成ADC塊。
[0107]更具體地，每個列并行處理單元160 (D、U)具有k位數字信號轉換功能，并且被布置在垂直信號線(列線)116-1至116-n中的每條線中，以便形成列并行ADC塊。
[0108]每個ADC161均具有比較器162作為功能單元，所述比較器162將基準信號RAMP (Vslop)與模擬信號VSL進行比較，其中所述基準信號RAMP通過將由DAC170所生成的基準信號變為類階梯的斜坡波形來形成，所述模擬信號VSL通過垂直信號線從每條行線中的像素獲得。
[0109]并且，每個ADC均具有計數器163和存儲器(鎖存器)164，其中所述計數器163對比較次數進行計數，所述存儲器164保留計數器163的計數結果。ADC161具有轉移開關165。
[0110]例如，每個存儲器164的輸出端與具有k位寬度的水平轉移線LTRF連接。
[0111]與水平轉移線LTRF相對應地布置有k個放大電路和信號處理電路。
[0112]在具有這種比較器的列并行處理單元160中，被讀入至垂直信號線116中的模擬信號電位VSL在被布置于每列(每列)中的比較器162中與基準信號RAMP進行比較。
[0113]此時，計數器163進行操作，所述計數器163像比較器162 —樣地被布置于每列中。
[0114]每個ADC161通過具有斜坡波形的基準信號RAMP (電位Vslop)中的變化以及具有一對一對應的計數值來將垂直信號線116的電位(模擬信號)VSL轉換為數字信號。
[0115]ADC161將基準信號RAMP(電位Vslop)的電壓的變化轉換為時間的變化。通過對一定周期(時鐘)中的時間進行計數，所述變化被轉化為數字值。
[0116]當模擬信號VSL與基準信號RAMP (Vslop)相交時，比較器162的輸出反轉，并且計數器163的輸入時鐘停止，或者停止的時鐘輸入到計數器163中，從而完成AD轉換。經AD轉換的數據被保留在存儲器164中。
[0117]在上述AD轉換時段結束之后，保留在存儲器164中的數據由水平轉移掃描電路130轉移至水平轉移線LTRF。然后，所述數據通過放大電路被輸入至信號處理電路中，并且經歷特定的信號處理，從而生成二維圖像。
[0118]在水平轉移掃描電路130中，同時并行使用幾條信道用以轉移數據，以便保證轉移速率。
[0119]定時控制電路140生成用于在諸如像素單元110和列并行處理單元160之類的各個塊中進行信號處理所必要的定時。
[0120]下行信號處理電路使用存儲在行存儲器中的信號來執行對垂直線缺陷和/或點缺陷的校正、信號的鉗位處理以及數字信號處理，所述數字信號處理包括并行/串行轉換、壓縮、編碼、加法、平均以及采樣操作。[0121]在本實施例的固態成像裝置100中，信號處理電路的數字輸出被發送作為ISP或基帶LSI的輸入。
[0122]在定時控制電路140的控制下，DAC170生成具有斜坡波形的基準信號(斜坡信號)并且將所述基準信號提供給列并行處理單元160，其中所述基準信號從具有一定傾角變為線性形式。
[0123]例如，在定時控制電路140的控制下，DAC170為每一列生成具有經調整的偏移的基準信號RAMP，所述基準信號RAMP經歷由列并行處理單元160中的每個列處理電路(ADC) 161所進行的AD轉換。
[0124]內部電壓生成電路180生成偏壓VBIASl (I 1、12)和VBIAS2 (21、22)，并且將它們提供給像素電流源150D和150U。
[0125]內部電壓生成電路180生成偏壓VBIAS3，并且將其提供給用于DAC170的電流控制的電流源(例如晶體管的柵極)。
[0126][固態成像裝置中的全像素讀出的操作實例]
[0127]圖7㈧和圖7(B)是示出在根據本實施例的固態成像裝置中的全像素讀出的操作實例的示例圖。
[0128]現在，參照圖7對根據上述配置的操作進行說明。
[0129]例如，當在定時控制電路140的控制下執行全像素讀出時，如圖7(A)中所示，首先執行像素單元110的全復位。
[0130]在該情形中，當轉移晶體管112和復位晶體管113被導通時，同時執行全屏復位以便導通。
[0131]更具體地，垂直掃描電路120將控制信號Tx和控制信號RST設置為激活或高電平，其中所述控制信號Tx執行轉移晶體管112的導通/截止控制，所述控制信號RST執行復位晶體管113的導通/截止控制。
[0132]結果，將存儲在光電二極管111中的電荷丟棄。
[0133]然后，在復位完成之后，將控制信號Tx和控制信號RST切換至低電平，并且將轉移晶體管112和復位晶體管截止。結果，光電二極管111將光信號轉換為電荷，并且存儲該電荷。
[0134]接下來，執行像素讀出。
[0135]在讀取操作期間，從外圍電路，特別是像素電流源150D和150U產生光和熱。
[0136]因此，當像素單元110被以從下端至上端順序讀出時，更靠近上端的位置具有更長的電荷存儲時間。
[0137]由于靠近上端的外圍電路的部分長時間地受到從所述外圍電路所產生的光和熱的影響，所以所述部分導致具有陰影圖案的白化。
[0138]從圖3的實例來看，可以假設，白化趨于出現在從屏幕的一端開始的占據大約1/5全屏的每個區域中。
[0139]因此，在本實施例中，如圖7(B)中所示，驅動每行中的像素，使得從像素單元110的上側和下側，即從靠近像素電流源150U和150D的區域中的行向中心交替地執行像素讀出。
[0140]例如，當像素單元110在垂直(V)方向上具有5000行時，以下面所示的順序執行讀出。
[0141]注意，在該實例中，假定，第I行是在下端側靠近像素電流源150的行，而第5000行是在上端側靠近像素電流源150U的行。然而，該順序可以被反轉。
[0142][像素讀出順序的第一實例]
[0143]在第一實例中，以下面的順序執行讀出。
[0144]實例I)以第I行、第5000行、第2行、第4999行、第3行、第4998行、…第2500行、第2501行(R行->B行->B行->R行)的順序
[0145]在第一實例中，驅動每行的像素，使得從靠近像素電流源150U和150D的區域中的行向中心交替地每次一行地執行讀出。
[0146]在第一實施例中，由于屏幕的上端和下端被首先讀出，所以這些部分的存儲時間被顯著縮短。結果，能夠抑制由于外圍電路，特別是像素電流源的影響所導致的屏幕的端處的白化。
[0147][像素讀出順序的第二實例]
[0148]在第二實例中，以下面的順序執行讀出。
[0149]實例2)以第I行、第2行、第4999行、第5000行、第3行、第4行、…第2501行、第2502行(R行->B行->R行->B行)的順序
[0150]在第二實例中，驅動每行的像素，使得從靠近像素電流源150U和150D的區域中的行向中心交替地每次兩行地執行讀出。
[0151]在第二實例中，由于屏幕的上端和下端也被首先讀出，所以這些部分的存儲時間被顯著縮短。結果，能夠抑制由于外圍電路，特別是像素電流源的影響所導致的屏幕的端處的白化。
[0152]如第二實例中的從上側和下側交替地每次兩行地讀取像素的方法可應用于如圖8中所示的采用兩個像素共享配置的固態成像裝置。
[0153]更具體地，執行對多個行的連續讀出，并且從上側和下側交替地執行所述連續讀出，其中所述多個行的數量等于共享像素的數量。這使得可執行適于像素共享配置的全像素讀出。
[0154]應注意的是，在如圖9中所示的四像素共享的情形中，以下面的順序執行讀出。
[0155]實例3)以第I行、第2行、第3行、第4行、第4997行、第4998行、第4999行、第5000行、第5行、第6行、第7行、第8行、…第2501行、第2502行、第2503行、第2504行(R行->B行->R行->B行)的順序
[0156]不是必須以如上述實例中的規律性來交替地讀取像素。
[0157]例如，從屏幕的上端和下端開始的、包括有一些行的特定區域SAR-D和SAR-U或者被設置為包括邊緣的一些行首先被交替地讀出，其中所述特定區域SAR-D和SAR-U以及所述被設置為包括邊緣的一些行被預測為出現由于外圍電路的影響所導致的白化。
[0158]之后，以從與一個特定區域相鄰的行向與另一特定區域相鄰的行的順序執行讀出，或者以從與一個特定區域相鄰的行向位于中心的行的順序執行讀出，然后以從與另一特定區域相鄰的行向與已讀取的中心行相鄰的行的順序執行讀出。
[0159]換言之，從屏幕的上端和下端開始的、包括有一些行的特定區域或者被設置為包括邊緣的一些行首先被交替地讀出，然后可以以任意的順序執行讀出，其中所述特定區域以及所述被設置為包括邊緣的一些行被預測為出現由于外圍電路的影響所導致的白化。
[0160]下面將對讀出時的具體操作進行說明。
[0161]在讀出時，垂直掃描電路120導通復位晶體管113從而復位浮動擴散FD，并且截止復位晶體管113。結果，此時的浮動擴散FD的電壓通過放大晶體管114和選擇晶體管115輸出。此時的輸出被定義為P相輸出。
[0162]接下來，導通轉移晶體管112，從而將存儲在光電二極管111中的電荷轉移至浮動擴散FD。此時點的浮動擴散FD的電壓通過放大晶體管114輸出。此時點的輸出被定義為D相輸出。
[0163]將從每個像素讀取的信號輸入至每個列處理電路(ADC) 161中。
[0164]在每個列處理電路(ADC) 161中，在布置于每個列中的比較器162中將已讀出至垂直信號線116中的模擬信號電位VSL與基準信號RAMP進行比較。
[0165]計數器163執行計數直到模擬電位VSL的電平與基準信號RAMP的電平相交并且由此比較器162的輸出反轉為止。
[0166]例如，計數器163與時鐘CLK同步執行計數操作。一旦比較器162的輸出電平反轉，則停止計數操作并且將那時的值保留在存儲器164中。
[0167]所述P相復位電平隨像素而改變。
[0168]在第二輪，將在每個單元像素IlOA中經光電轉換的信號讀出至垂直信號線116 (-1至-n) (D相)，并且執行AD轉換。
[0169]在每個列處理電路(ADC) 161中，在布置于每一列中的比較器162中將已讀出至垂直信號線116中的模擬信號電平VSL與基準信號RAMP進行比較。
[0170]計數器163執行計數直到模擬電位VSL的電平與基準信號RAMP的電平相交并且由此比較器162的輸出反轉為止。
[0171]例如，計數器163與時鐘CLK同步執行計數操作。一旦比較器162的輸出電平反轉，則停止計數操作并且將那時的值保留在存儲器164中。
[0172]然后，(D相電平一 P相電平)的計算與P相和D相轉換的結果的結合可實現相關二重采樣(OTS)。
[0173]由水平(列)轉移掃描電路130通過水平轉移線LTRF將已轉換為數字信號的信號一個接一個地讀至放大電路中，并最終輸出該信號。
[0174]這就是列并行輸出處理是如何執行的。
[0175]如前所述，根據本實施例的固態成像裝置，屏幕的上端和下端首先被讀出，因此這些部分中的存儲時間顯著縮短。結果，能夠抑制由于外圍電路的影響所導致的屏幕的端處的白化。
[0176]〈2.第二實施例〉
[0177]圖10是示出根據第二實施例的安裝有列并行ADC的固態成像裝置(CMOS圖像傳感器)的配置實例的框圖。
[0178]根據第二實施例的固態成像裝置100A與根據第一實施例的固態成像裝置100的不同在于:作為讀出電路(例如列ADC)的列并行處理單元160僅被布置在一側。
[0179]在該情形中，由于像素電流源也被提供在上側和下側，所以可采用第一實施例中所公開的全像素讀出方法。[0180]根據第二實施例，能夠獲得與前述第一實施例相同的效果。
[0181]〈3.第三實施例〉
[0182]圖11示出了在根據第三實施例的安裝有列并行ADC的固態成像裝置(CMOS圖像傳感器)中的像素單元的配置。
[0183]在根據第三實施例的固態成像裝置100B中，像素單元200具有垂直(V)光學黑體(OBP)區域220和水平(H)光學黑體(OBP)區域230，所述區域220和區域230在有效像素區域210的下端側和右端側以遮光狀態形成。
[0184]在該實施例中，VOPB區域220包括16行:從第O行至第15行，而有效像素區域210包括5000行，從第16行至第5015行。
[0185]在固態成像裝置100B中，執行全像素讀出，使得首先順序讀出VOPB區域220的16行，然后執行有效像素區域210的讀出。在第一實施例中所述的第一實例、第二實例和第三實例的讀出方法被應用于所述讀出。
[0186]當應用第二實例時，以下面的順序執行讀出。
[0187]實例2)以第16行、第17行、第5014行、第5015行、第18行、第19行、…第25016行、第25017行(R行->B行->R行->B行)的順序
[0188]當以這樣的方式應用第二實例的讀出方法時，驅動每個行的像素，使得從靠近像素電流源150U和150D 的區域中的行向中心每次兩行地交替地執行讀出。
[0189]在第三實施例中，由于屏幕的上端和下端首先被讀出，所以這些部分的存儲時間顯著縮短。結果，能夠抑制由于外圍電路，特別是像素電流源的影響所導致的屏幕的端處的白化。
[0190]具有這種效果的固態成像裝置可被應用為用于數碼相機和/或視頻相機的成像
>J-U ρ?α裝直。
[0191]〈4.第四實施例〉
[0192]圖12示出了應用根據本發明的實施例的固態成像裝置的相機系統的一個配置實例。
[0193]如圖12中所示，相機系統300具有成像裝置310，根據實施例的固態成像裝置100、100Α和100Β可被應用于所述成像裝置310。
[0194]例如，相機系統300具有作為光學系統的鏡頭320，其中所述鏡頭320在成像平面上形成入射光(圖像光)的圖像，所述光學系統將入射光引導至成像裝置310的像素區域(在所述像素區域上形成目標圖像)。
[0195]并且，相機系統300具有驅動電路(DRV) 330和信號處理電路(PRC) 340，其中所述驅動電路330驅動成像裝置310，所述信號處理電路340處理成像裝置310的輸出信號。
[0196]驅動電路330具有定時發生器(未示出)并且通過特定的定時信號驅動成像裝置310，所述定時發生器生成包括起始脈沖和時鐘脈沖的各種定時信號，所述各種定時信號驅動成像裝置310中的電路。
[0197]信號處理電路340還對成像裝置310的輸出信號執行特定的信號處理。
[0198]例如，在信號處理電路340中所處理的圖像信號被記錄在諸如存儲器之類的記錄介質上。記錄在記錄介質上的圖像信息由打印機等進行打印，從而制作硬拷貝。信號處理電路340中所處理的圖像信號在由液晶顯示器等制成的監視器上被投射為運動圖像。[0199]如前所述，通過在諸如數字靜態相機這樣的成像設備上安裝固態成像裝置100、100A和100B作為成像裝置310，能夠實現高精度相機。
[0200]此外，還可將本技術如下配置。
[0201](I) 一種固態成像裝置，包括:
[0202]像素單元，其適于具有以矩陣形式排列的多個像素，所述多個像素包括光電轉換元件，所述光電轉換元件將光信號轉換為電信號并且存儲與曝光時間相對應的信號電荷；
[0203]外圍電路，其適于被布置成與像素單元的彼此相對的邊緣部分相鄰，并且適于與至少像素信號的讀取操作相關聯地被驅動；以及
[0204]像素信號讀出單元，其適于以多個像素為單位從像素單元讀取像素信號，其中
[0205]當執行全像素讀出時，像素信號讀出單元復位全部像素，然后至少從靠近外圍電路的特定區域中的行來至少逐行交替地執行像素讀出，外圍電路布置在像素單元的彼此相對的邊緣部分旁邊。
[0206](2)根據⑴的固態成像裝置，其中
[0207]當執行全像素讀出時，像素信號讀出單元復位全部像素，然后從靠近布置在像素單元的彼此相對的邊緣部分旁邊的外圍電路的區域中的行來至少逐行交替地執行讀出，并且對在除了特定區域以外的像素單元的邊緣部分之間的中心區域執行讀出。
[0208](3)根據(I)或⑵的固態成像裝置，其中
[0209]當執行全像素讀出時，像素信號讀出單元復位全部像素，然后從靠近布置在像素單元的彼此相對的邊緣部分旁邊的外圍電路的區域中的行向像素單元的邊緣部分之間的中心部分來至少逐行交替地執行讀出。
[0210](4)根據⑴至(3)中任一項的固態成像裝置，其中
[0211]像素單元包括共享像素，從而在多個像素中以這樣的方式共享輸出節點:在共享像素中的每個像素的像素信號能夠被選擇性地從所共享的輸出節點輸出至相應的像素信號讀出線，并且
[0212]像素信號讀出單元執行在數量上與共享像素相等的行的連續讀出，并且所述連續讀出被交替地執行。
[0213](5)根據⑴至(4)中任一項的固態成像裝置，其中
[0214]像素單元包括有效像素區域和處于遮光狀態的光學黑體區域，光學黑體區域位于除了有效像素區域以外的區域中的外圍電路旁邊，并且
[0215]當執行全像素讀出時，像素信號讀出單元復位全部像素，然后按順序執行光學黑體區域的讀出，并且至少從靠近外圍電路的特定區域中的行來至少逐行交替執行有效像素區域中的像素讀出，外圍電路布置在像素單元的彼此相對的邊緣部分旁邊。
[0216](6)根據⑴至(4)中任一項的固態成像裝置，包括:
[0217]像素信號讀出線，其中
[0218]像素信號讀出單元通過像素信號讀出線從像素單元讀出像素信號；并且
[0219]布置在像素單元的彼此相對的邊緣部分旁邊的外圍電路包括負載元件，負載元件用作與像素信號讀出線連接的電流源，并且通過負載元件施加與偏壓相對應的電流。
[0220](7) 一種用于驅動固態成像裝置的方法，所述固態成像裝置包括外圍電路和像素單元，外圍電路適于被布置成與彼此相對的邊緣部分相鄰并且適于與至少像素信號的讀取操作相關聯地被驅動，像素單元適于具有以矩陣形式排列的多個像素，所述多個像素包括光電轉換元件，光電轉換元件將光信號轉換為電信號并且存儲與曝光時間相對應的信號電荷，所述方法包括，當對像素單元執行全像素讀出時:
[0221]復位步驟，復位全部像素；以及
[0222]讀出步驟，至少從靠近外圍電路的特定區域中的行來至少逐行交替地執行像素讀出，外圍電路布置在像素單元的彼此相對的邊緣部分旁邊。
[0223](8)根據(7)的用于驅動固態成像裝置的方法，其中
[0224]在讀出步驟中，當執行全像素讀出時，復位全部像素，然后從靠近布置在像素單元的彼此相對的邊緣部分旁邊的外圍電路的區域中的行來至少逐行交替地執行讀出，并且執行在除了特定區域以外的像素單元的邊緣部分之間的中心區域的讀出。
[0225](9)根據(7)或⑶的用于驅動固態成像裝置的方法，其中
[0226]在讀出步驟中，當執行全像素讀出時，復位全部像素，然后從靠近外圍電路的區域中的行向像素單元的邊緣部分之間的中心部分來至少逐行交替地執行讀出，外圍電路布置在像素單元的彼此相對的邊緣部分旁邊。
[0227](10)根據(7)至(9)中任一項的用于驅動固態成像裝置的方法，其中
[0228]像素單元包括共享像素，從而在多個像素中以這樣的方式共享輸出節點:在共享像素中的每個像素的像素信號能夠被選擇性地從所共享的輸出節點輸出至所對應的像素信號讀出線，并且
[0229]在讀出步驟中，執行在數量上與共享像素相等的行的連續讀出，并且交替地執行所述連續讀出。
[0230](11)根據(7)至(10)中任一項的用于驅動固態成像裝置的方法，其中
[0231]像素單元包括有效像素區域和處于遮光狀態的光學黑體區域，光學黑體區域位于除了有效像素區域以外的區域中的外圍電路旁邊，
[0232]在讀出步驟中，當執行全像素讀出時，復位全部像素，然后順序執行光學黑體區域的讀出，并且
[0233]至少從靠近外圍電路的特定區域中的行至少逐行交替地執行有效像素區域中的像素讀出，外圍電路布置在像素單元的彼此相對的邊緣部分旁邊。
[0234](12) 一種相機系統,包括:
[0235]固態成像裝置；以及
[0236]光學系統，其適于在固態成像裝置上形成目標圖像，其中
[0237]固態成像裝置包括
[0238]像素單元，其適于具有以矩陣形式排列的多個像素，所述多個像素包括光電轉換元件，光電轉換元件將光信號轉換為電信號并且存儲與曝光時間相對應的信號電荷，
[0239]外圍電路，其適于被布置成與像素單元的彼此相對的邊緣部分相鄰，并且適于與至少像素信號的讀取操作相關聯地被驅動，以及
[0240]像素信號讀出單元，其適于以多個像素為單位從像素單元讀取像素信號，并且
[0241]當執行全像素讀出時，像素信號讀出單元復位全部像素，然后至少從靠近外圍電路的特定區域中的行來至少逐行交替地執行像素讀出，外圍電路布置在像素單元的彼此相對的邊緣部分旁邊。[0242]附圖標記列表
[0243]100、100A、100B 固態成像裝置
[0244]110像素單元
[0245]120垂直掃描電路
[0246]130水平轉移掃描電路
[0247]140定時控制電路
[0248]150負載電路
[0249]160列并行處理單元
[0250]161列處理電路(ADC)
[0251]162比較器
[0252]163計數器
[0253]164存儲器
[0254]170 DAC
[0255]180內部電壓生成電路
[0256]LTRF水平轉移線
[0257]200像素單元
[0258]210有效像素區域
[0259]220垂直光學黑體區域(VOPB)
[0260]230水平光學黑體區域(HOPB)
[0261]SAR-D, SAR-U 特定區域
[0262]300相機系統
[0263]310成像裝置
[0264]320 鏡頭
[0265]330驅動電路
[0266]340信號處理電路
【權利要求】
1.一種固態成像裝置，包括: 像素單元，適于具有以矩陣形式排列的多個像素，所述多個像素包括光電轉換元件，所述光電轉換元件將光信號轉換為電信號并且存儲與曝光時間相對應的信號電荷； 外圍電路，適于被布置成與所述像素單元的彼此相對的邊緣部分相鄰，并且適于與至少像素信號的讀取操作相關聯地被驅動；以及 像素信號讀出單元，適于以多個像素為單位從所述像素單元讀取所述像素信號，其中 當執行全像素讀出時，所述像素信號讀出單元復位全部像素，然后至少從靠近所述外圍電路的特定區域中的行來至少逐行交替地執行像素讀出，所述外圍電路布置在所述像素單元的彼此相對的所述邊緣部分旁邊。
2.根據權利要求1所述的固態成像裝置，其中 當執行所述全像素讀出時，所述像素信號讀出單元復位全部像素，然后從靠近布置在所述像素單元的彼此相對的所述邊緣部分旁邊的所述外圍電路的區域中的行來至少逐行交替地執行讀出，并且執行在除了所述特定區域以外的所述像素單元的邊緣部分之間的中心區域的讀出。
3.根據權利要求1所述的固態成像裝置，其中 當執行所述全像素讀出時，所述像素信號讀出單元復位全部像素，然后從靠近所述外圍電路的區域中的行向所述像素單元的邊緣部分之間的中心部分來至少逐行交替地執行讀出，所述外圍電路布置在所述像素單元的彼此相對的所述邊緣部分旁邊。
4.根據權利要求1所述的固態成像裝置，其中 所述像素單元包括共享像素，從而在所述多個像素中以這樣的方式共享輸出節點:在所述共享像素中的每個像素的像素信號能夠被選擇性地從所共享的輸出節點輸出至相應的像素信號讀出線，并且 所述像素信號讀出單元執行在數量上與所述共享像素相等的行的連續讀出，并且所述連續讀出被交替地執行。
5.根據權利要求1所述的固態成像裝置，其中 所述像素單元包括有效像素區域和處于遮光狀態的光學黑體區域，所述光學黑體區域位于除了所述有效像素區域以外的區域中的所述外圍電路旁邊，并且 當執行全像素讀出時，所述像素信號讀出單元復位全部像素，然后順序執行所述光學黑體區域的讀出，并且至少從靠近所述外圍電路的所述特定區域中的行來至少逐行交替地執行所述有效像素區域中的像素讀出，所述外圍電路布置在所述像素單元的彼此相對的所述邊緣部分旁邊。
6.根據權利要求1所述的固態成像裝置，包括: 像素信號讀出線，其中 所述像素信號讀出單元通過所述像素信號讀出線從所述像素單元讀出所述像素信號；并且 布置在所述像素單元的彼此相對的所述邊緣部分旁邊的所述外圍電路包括負載元件，所述負載元件用作與所述像素信號讀出線連接的電流源，并且通過所述負載元件施加與偏壓相對應的電流。
7.一種用于驅動固態成像裝置的方法，所述固態成像裝置包括外圍電路和像素單元，所述外圍電路適于被布置成與彼此相對的邊緣部分相鄰并且適于與至少像素信號的讀取操作相關聯地被驅動，所述像素單元適于具有以矩陣形式排列的多個像素，所述多個像素包括光電轉換元件，所述光電轉換元件將光信號轉換為電信號并且存儲與曝光時間相對應的信號電荷，所述方法包括，當對所述像素單元執行全像素讀出時: 復位步驟，復位全部像素；以及 讀出步驟，至少從靠近所述外圍電路的特定區域中的行來至少逐行交替地執行像素讀出，所述外圍電路布置在所述像素單元的彼此相對的所述邊緣部分旁邊。
8.根據權利要求7所述的用于驅動固態成像裝置的方法，其中 在所述讀出步驟中，當執行所述全像素讀出時，復位全部像素，然后從靠近布置在所述像素單元的彼此相對的所述邊緣部分旁邊的所述外圍電路的區域中的行來至少逐行交替地執行讀出，并且執行在除了所述特定區域以外的所述像素單元的邊緣部分之間的中心區域的讀出。
9.根據權利要求7所述的用于驅動固態成像裝置的方法，其中 在所述讀出步驟中，當 執行所述全像素讀出時，復位全部像素，然后從靠近所述外圍電路的區域中的行向所述像素單元的邊緣部分之間的中心部分來至少逐行交替地執行讀出，所述外圍電路布置在所述像素單元的彼此相對的所述邊緣部分旁邊。
10.根據權利要求7所述的用于驅動固態成像裝置的方法，其中 所述像素單元包括共享像素，從而在所述多個像素中以這樣的方式共享輸出節點:在所述共享像素中的每個像素的像素信號能夠被選擇性地從所共享的輸出節點輸出至所對應的像素信號讀出線，并且 在所述讀出步驟中，執行在數量上與所述共享像素相等的行的連續讀出，并且交替地執行所述連續讀出。
11.根據權利要求7所述的用于驅動固態成像裝置的方法，其中 所述像素單元包括有效像素區域和處于遮光狀態的光學黑體區域，所述光學黑體區域位于除了所述有效像素區域以外的區域中的所述外圍電路旁邊， 在所述讀出步驟中，當執行所述全像素讀出時，復位全部像素，然后順序執行所述光學黑體區域的讀出，并且 至少從靠近所述外圍電路的所述特定區域中的行至少逐行交替地執行所述有效像素區域中的像素讀出，所述外圍電路布置在所述像素單元的彼此相對的所述邊緣部分旁邊。
12.—種相機系統,包括: 固態成像裝置；以及 光學系統，適于在所述固態成像裝置上形成目標圖像，其中 所述固態成像裝置包括 像素單元，適于具有以矩陣形式排列的多個像素，所述多個像素包括光電轉換元件，所述光電轉換元件將光信號轉換為電信號并且存儲與曝光時間相對應的信號電荷， 外圍電路，適于被布置成與所述像素單元的彼此相對的邊緣部分相鄰，并且適于與至少像素信號的讀取操作相關聯地被驅動，以及 像素信號讀出單元，其適于以多個像素為單位從所述像素單元讀取所述像素信號，并且當執行全像素讀出時，所述像素信號讀出單元復位全部像素，然后至少從靠近所述外圍電路的特定區域中的行來至少逐行交替地執行像素讀出，所述外圍電路布置在所述像素單元的彼此相對的所述邊緣部分旁邊。
【文檔編號】H01L27/146GK103975579SQ201280059227
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2012年11月30日 優先權日:2011年12月7日
【發明者】辻清茂, 江口美幸 申請人:索尼公司