固態攝像元件、其驅動方法以及攝像設備的製作方法

2023-06-19 22:18:46 1

專利名稱：固態攝像元件、其驅動方法以及攝像設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及固態攝像元件、其驅動方法及控制程序，並且更具體地說，涉及一種CMOS固態攝像元件、其驅動方法及控制程序。
背景技術：
近來，攝像元件的像素越來越多，伴隨該發展，讀出時間的高速化也成為問題。可以列舉多通道化作為用於攝像元件的高速讀出的公知技術之一。多通道化是這樣的技術即設置多個輸出端子，例如使得多組垂直輸出線分別地向不同的輸出端子並行地輸出信號，由此使得能夠進行高速讀出。然而，在攝像元件的驅動方法中，這種多通道化只是縮短水平傳送所需的時間。因此，難以針對需要在水平傳送之前執行的、所謂的水平消隱期中的操作而縮短該時間。這種操作例如是這樣的將信號電荷從光電轉換元件傳送到浮動擴散層部，將垂直輸出線上出現的信號電位傳送到以列為單位布置的用作信號存儲單元的電容器等。另一方面，除了多通道化以外，還已知一種用於高速讀出的技術，其通過同時地進行要在水平消隱期中進行的操作的一部分和水平傳送來實現。根據日本特開專利申請第2010-206653號(專利文獻I)的官方公報，公開了一種能夠實現這樣的技術的攝像元件的構造及驅動方法。即，公開了一種攝像元件，其包括二維地布置的多個像素；在所述多個像素的各列中各隔預定行布置的多個像素分別地連接到的多個垂直輸出線；用於積聚通過所述多個垂直輸出線從所述像素傳送的像素信號的第一信號存儲單元；用於積聚從所述第一信號存儲單元傳送的像素信號的第二信號存儲單元；以及用於水平地傳送所述第二信號存儲單元中所積聚的像素信號的水平傳送單元，其中，在所述多個垂直輸出線將像素信號從所述像素傳送到所述第一信號存儲單元的同時，所述水平傳送單元將所述第二信號存儲單元中已經積聚的像素信號水平地傳送。根據以上專利文獻，由於將像素信號從像素傳送到第一信號存儲單元的時間段(即，覆蓋水平消隱期的預定部分的時段)，以及水平傳送時段可以同時地並行，因此能夠進行高速讀出。下文中將「覆蓋預定部分的時段」稱作「第一水平消隱期」。然而，根據以上專利文獻，並未公開像素信號從第一信號存儲單元到第二信號存儲單元的傳送，並且該傳送不能與水平傳送和到第一信號存儲單元的傳送中的任一個相併行。因此，即使使用以上專利文獻的技術，通過從現有技術中的水平消隱期減去第一水平消隱期而獲得的時段(下文中將這樣的時段稱作「第二水平消隱期」，並且其與像素信號從第一信號存儲單元到第二信號存儲單元的傳送時段相一致)仍保持為針對垂直線的數量而簡單地相加的讀出時間。另一方面，還提出了用於縮短水平消隱期自身的技術。根據日本特開專利申請第2004-134867號(專利文獻2)的官方公報，公開了能夠實現這種技術的攝像元件的驅動方法。即，公開了一種固態攝像設備，其通過布置分別具有多個光電轉換元件和一個放大元件的多個單位單元(cell)來構造，各光電轉換元件用於將光信號轉換成要積聚的信號電荷，並且放大元件接收所述各光電轉換元件的信號電荷並輸出與該信號電荷相對應的信號，其中，所述固態攝像設備具有連接到所述放大元件的輸出線並通過該輸出線輸入從所述單位單元輸出的信號的讀出電路系統，並且所述讀出電路系統具有輸入第一信號、第二信號以及第三信號並且獲得所述三個輸入信號中的任意兩個的多個組合之間的差分的差分單元，其中，所述第一信號與所述放大元件的輸入單元的復位電平相對應，通過將與所述多個光電轉換元件中的至少一個光電轉換元件中所積聚的信號電荷相對應的信號加到所述第一信號來提供所述第二信號，並且通過將與所述多個光電轉換元件中的至少一個光電轉換元件中所積聚的信號電荷相對應的信號加到所述第二信號來提供所述第三信號。根據以上專利文獻，由於所述放大元件的輸入單元由多個光電轉換元件共用，因此不需在每次傳送與各個元件的信號電荷相對應的信號時都對該放大元件的輸入單元進行復位，並且還能夠公共地使用與復位電平相對應的信號。因此，獲得了這樣的優點用於將放大元件的輸入單元復位的時間以及用於在復位之後傳送與復位電平相對應的信號的時段能夠減少與(共用放大元件的輸入單元的光電轉換元件的數量-1)所得的數量相對應的時間。
然而，根據以上專利文獻，關於時間完全地分離了水平消隱期和水平傳送時段，而未提供如專利文獻I中所公開的能夠將它們並行化這樣的構造。因此，關於實現高速讀出這一點，其效果僅在於縮短水平消隱期的範圍內。而且，為了通過將第一水平消隱期和水平傳送時段的同時並行化(專利文獻I)與水平消隱期的縮短(專利文獻2)相結合來實現更高速的讀出，存在它們不能被簡單地結合的下列問題。即，在將根據專利文獻2的攝像元件的驅動方法應用於根據專利文獻I的攝像元件的構造及其驅動方法的情況下，從第一信號存儲單元到第二信號存儲單元的傳送、以及相加信號從光電轉換元件到第一信號存儲單元的傳送不能被簡單地並行化。這是因為，必須提供相加信號的數量+1的電容器(+1是積聚與復位電平相對應的信號所必需的電容器的數量)作為第一信號存儲單元。原因是，在將信號從第一信號存儲單元傳送到第二信號存儲單元時(在第二水平消隱期中)，新的相加信號不能被傳送到與緊接傳送時段之後執行的水平傳送相伴隨的差分處理相關的兩個第一信號存儲單元。如果結合根據專利文獻2的攝像元件的驅動方法，則儘管相加信號的數量越大、縮短水平消隱期的效果越好，但是伴隨著存儲單元的電容器數量的增大。這導致晶片面積的增大。在晶片上的空間與由歸因於大量像素的細化所導致的像素列方向上的節距縮小相關聯地減小這樣的情況下，存儲單元的電容器的布局自身出現困難。

發明內容
本發明的目的是提供一種固態攝像元件，其中，能夠在無需如上所述地布置用作第一信號存儲單元的大量電容器的情況下將相加信號從光電轉換元件到第一信號存儲單元的傳送與從第一信號存儲單元到第二信號存儲單元的傳送並行化。根據本發明的一方面，一種固態攝像元件包括多個第一信號存儲單元，至少第一預定數量的所述多個第一信號存儲單元連接到各垂直輸出線以存儲從選擇的單位單元傳送到該垂直輸出線的信號；以及多個第二信號存儲單元，至少第二預定數量的所述多個第二信號存儲單元連接到各垂直輸出線以存儲從所述第一預定數量的第一信號存儲單元傳送的信號，其中，選擇性地驅動所述多個第一信號存儲單元以及所述多個第二信號存儲單元，以使得在用於選擇性地驅動所述第一信號存儲單元以存儲通過驅動所選擇的單位單元的信號讀出單元而傳送到所述垂直輸出線的信號的時間段中，連接到所述垂直輸出線的其他的第一信號存儲單元以及用於存儲從所述其他的第一信號存儲單元傳送的信號的所述第二信號存儲單元被選擇性地驅動。通過以下參照附圖對示例性實施例的描述，本發明的其他特徵和方面將變得清 楚


包含在說明書中並構成說明書的一部分的附圖例示了本發明的示例性實施例、特徵和方面，並且與文字說明一起用來解釋本發明的原理。圖1是例示根據本發明的攝像設備的整體構造的框圖。圖2是根據本發明第一實施例的固態攝像元件的構造圖。圖3是例示根據本發明第一實施例的固態攝像元件的單位像素的構造的等效電路圖。圖4是例示用於描述根據本發明第一實施例的固態攝像元件的驅動方法的時序圖的圖。圖5是例示用於描述根據本發明第一實施例的固態攝像元件的驅動方法的時序圖的圖。圖6是例示用於描述根據本發明第一實施例的固態攝像元件的驅動方法的時序圖的圖。圖7是根據本發明第二實施例的固態攝像元件的構造圖。圖8是例示用於描述根據本發明第二實施例的固態攝像元件的驅動方法的時序圖的圖。圖9是根據本發明第三實施例的固態攝像元件的構造圖。圖10是例示用於描述根據本發明第三實施例的固態攝像元件的驅動方法的時序圖的圖。圖11是根據本發明第四實施例的固態攝像元件的構造圖。圖12是例示用於描述根據本發明第四實施例的固態攝像元件的驅動方法的時序圖的圖。
具體實施例方式下面將參照附圖詳細描述本發明的各種示例性實施例、特徵和方面。下文中將參照附圖詳細描述本發明的示例性實施例。首先，將描述具有根據本發明實施例的固態攝像元件的攝像設備的整體構造。圖1是例示根據本發明的攝像設備的整體構造的框圖。在圖1中，諸如透鏡等的攝影光學系統I包括光圈和機械快門。固態攝像元件2對由攝影光學系統I聚焦的被攝體圖像進行光電轉換並獲得電信號。在下文中的實施例中將詳細描述作為本發明的特徵的固態攝像元件2。
A/D轉換單元3將從固態攝像元件2輸出的模擬信號轉換成數位訊號。數字圖像信號被存儲到圖像存儲器7中並經受信號處理單元6的諸如白平衡校正、伽馬校正等的各種信號處理。記錄電路8將經受信號處理的圖像信號記錄到記錄介質9中。記錄電路8還是與記錄介質9的接口電路。還可以通過顯示電路接口 10來將圖像信號直接地顯示到諸如液晶顯示器等的顯示設備11。顯示設備11還可以進行用於以實時的方式連續地顯示從現在起要拍攝的畫面的實時取景顯示或者已記錄的運動圖像的再現顯示。定時生成單元4生成用於通過驅動單元5來驅動諸如攝影光學系統1、固態攝像元件2等的攝像系統的定時信號。此外，定時生成單元4還生成用於與攝像系統的驅動相同步地驅動並控制A/D轉換單元3的定時信號及固態攝像元件2的輸出信號。由於本發明的固態攝像元件的驅動方法的特徵涉及定時生成單元4的功能，因此下文中將詳細描述它們。系統控制單元12通過執行暫時地存儲在易失性存儲器13中的程序來控制整個攝像設備。在執行程序時，存儲器13還用作工作存儲器。在執行處理時要傳送的程序及各種數據存儲在非易失性存儲器14中。第一實施例接下來，將詳細描述具有用作本實施例的特徵的構造的固態攝像元件2的構造。圖2是例示根據本實施例的固態攝像元件2的構造的等效電路圖。固態攝像元件2具有其中被攝體應當被攝影光學系統I聚焦的像素區20。在像素區20中以規則的間隔垂直地(沿列方向)且水平地(沿行方向)以二維方式布置有多個單位單元，各單位單元包括多個光電轉換元件。在圖中，各單位單元包括四個光電轉換元件，並且單位單元以4行6列的矩陣形式二維地布置。儘管圖中單位單元的構造不是很清楚，但圖3中詳細地放大例示了該構造。圖3是用於描述圖2中所例示的固態攝像元件2的單位像素的構造的等效電路 圖。在下面全部描述中，(n，m)表示像素區20中單位單元布置中第η行第m列的位置。因此，一個單位單元中的所有的組成元件具有相同的位置(n, m)。四個符號LU、RU、LD和RD表示單位單元中按圖上左上位置、右上位置、左下位置、及右下位置的順序存在的光電轉換元件。微透鏡200(n，m)將一個或多個光電轉換元件覆蓋在其半徑內。在本實施例中，光電轉換元件與微透鏡之間的對應關係基本上是任意關係，並且被覆蓋在半徑內的單位單元中的光電轉換元件的數量也不受限制。201LU(n，m)、201RU(n，m)、201LD(n，m)和 201RD(n，m)分別地表示單位單元中的光
電轉換元件。光電轉換元件包括N型半導體區，並且還用作電荷積聚部。分別通過傳送電晶體203LU(n，m)、203RU(n，m)、203LD(n，m)和 203RD(n，m)將光電轉換元件中所生成的信號電荷傳送到電荷-電壓轉換單元202 (n, m)。與四個傳送電晶體相對應的是，存在傳送電晶體的四個控制線TxLU (n)、TxRU (η)、TxLD (η)、TxRD (η)。在本發明中，通過各傳送電晶體來共用電荷-電壓轉換單元202的一套光電轉換元件及連接到電荷-電壓轉換單元的放大電晶體(下文中將描述)的組稱作「單位單元」。在傳送電晶體的控制線處於高狀態時，對應的傳送電晶體被導通。在控制線處於低狀態時，對應的傳送電晶體被截止。由於對沿水平方向布置的多個光電轉換元件公共地設置控制線，因此按照僅取決於如上所述示出行號的「η」的方式表達參考號。電荷-電壓轉換單元202還包括N型半導體區，並且還按照與光電轉換元件相似的方式用作電荷積聚部。僅在從光電轉換元件到電荷-電壓轉換單元202的信號電荷傳送之前和之後選擇性地使用作為電荷積聚部的功能。還能夠以在下文中將描述的時序圖的周期，通過由控制線Rx(n)導通和截止的復位電晶體204 (n,m)(復位單元)來將電荷-電壓轉換單元202復位成電源電壓VDD。通過向控制線Rx(n)提供高信號，復位電晶體被導通並且進行復位。由於在復位完成之後截止復位電晶體，因此電荷-電壓轉換單元202被設定成電浮動狀態。當從光電轉換元件傳送信號電荷時，電位減小比電源電壓VDD多與所傳送的信號電荷相對應的量。因此，通過將其讀取為信號，模擬電信號被輸出。這樣的處理是單位單元的功能。與信號電荷相對應的電位是通過將信號電荷量除以電荷-電壓轉換單元202具有的電容並將所獲得的值乘以被構造成連接到垂直輸出線Vm(下文中將描述)的源跟隨器電路的電壓放大因子而提供的電位。
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電荷-電壓轉換單元202連接到放大電晶體205 (n，m)的柵極，並且在選擇電晶體206 (n,m)(傳送單元)被控制線Sx (n,m)導通時與連接到垂直輸出線Vm的恆定電流源(未示出)一起構成源跟隨器電路。因此，與信號電荷相對應的電位被傳送到垂直輸出線Vm。各垂直輸出線Vm公共地連接到沿垂直方向布置的多個單位單元，並且按一一對應的方式與沿水平方向布置的多個電荷-電壓轉換單元202相對應。因此，按照僅取決於示出列號的「m」的方式來表達參考號。如上所述的用於從信號電荷到電壓的轉換、信號放大等的構造的各元件是傳統上公知的元件。本發明的構造的特徵涉及使用單位單元的高速信號讀出驅動方法，在所述單位單元中的各個單位單元中，通過傳送電晶體來共用電荷-電壓轉換單元202的光電轉換元件的組、及連接到電荷-電壓轉換單元的放大電晶體如上所述地組合。圖2例示了根據本實施例的固態攝像元件2的構造，其中按4行X6列的矩陣形式以規則的間隔垂直地且水平地布置有圖3中所例示的單位單元。然而，單位單元在像素區20中的布置數(4行X6列)是為了簡化對本實施例的描述而設定的，而實際上，使用約幾百至幾千個像素的像素布置。在圖2中，將關於單位單元的控制線Rx(n)、TxLU(η)、TxRU(n) ,TxLD(n) ,TxRD(η)、及Sx(η)省略以避免複雜。按照與垂直掃描電路對垂直行的指定的互鎖關係方式來控制它們，下文中將描述。垂直輸出線Vm公共地連接到關於垂直方向的四行。另一方面，關於沿水平方向布置的六個電荷-電壓轉換單元按一一對應的方式存在總共六個垂直輸出線(V0至V5)。六個垂直輸出線中的半數的三個垂直輸出線(V1、V3、V5)連接到布置在圖的上部位置的第一信號存儲單元。其餘的三個垂直輸出線(V0、V2、V4)連接到布置在圖中下部位置的第一信號存儲單元。如下文中將描述的，第一輸出端子存在於圖的上部位置，第二輸出端子存在於圖的下部位置，並且提供了其中它們被分成偶數列和奇數列並且信號被並行地輸出的多通道化的構造。第一信號存儲單元的電容器Clml、Clm2和Clm3並聯地連接到各垂直輸出線Vm的非單位單元側的側的邊緣部分。因此，實現了作為用於將垂直輸出線Vm的電位作為信號來積聚和傳送的單位單元的一行的存儲器的功能。在現有技術中公知的CMOS型固態攝像元件中，存在其中設置有諸如與信號電荷的傳送之後的電位相對應的存儲器以及與信號電荷的傳送之前的電位相對應的存儲器的兩個存儲器的元件。本發明的特徵之一在於，針對一個垂直輸出線設置三個(第一預定數量)第一信號存儲單元以便進行高速信號讀出驅動。有效地控制那三個第一信號存儲單元的驅動方法也是本發明的特徵之一。用於將信號傳送到第一信號存儲單兀的電容器Clml、Clm2和Clm3的電晶體的控制線分別地由Pl_l、Pl_2和Pl_3示出。在系統控制單元12的控制下，提供給它們的控制信號通過定時生成單元4從驅動單元5發送。可以在第一信號存儲單元的前段設置用於放大信號電壓的放大電路。儘管放大電路因為其作為用於在以高ISO拍攝時減小暗被攝體的噪聲的單元是有用的而被廣泛地使用，但是由於其不是本發明必不可少的構造，因此圖2中將其省略。用作第二信號存儲單元的電容器C2ml、C2m2和C2m3在第一信號存儲單元的後段串聯地布置。它們實現作為用於進一步積聚第一信號存儲單元的電容器Clml、Clm2和Clm3 的電位作為信號的一行的存儲器的功能。構成單位單元的各列的第二信號存儲單元的電容器的數量(第二預定數量)可以被設定成2而不是3。將在第三實施例中描述使用兩個電容器的情況下的具體構造。用於將信號傳送到第二信號存儲單兀的電容器C2ml、C2m2和C2m3的電晶體的控制線分別地由P2_l、P2_2和P2_3示出。在系統控制單元12的控制下，提供給它們的控制信號也通過定時生成單元4而從驅動單元5提供。這對於將在其他實施例中描述的其他控制線也是適用的。緊接第二信號存儲單元之前設置有作為緩衝器的稱作電壓跟隨器電路F_ml、F_m2和F_m3的電路。電壓跟隨器電路具有將等於第一信號存儲單元中所存儲的電位的電位傳送到第二信號存儲單元的功能。垂直掃描電路21根據下文中將描述的時序圖來發送用於沿垂直方向順序地導通前述傳送電晶體、復位電晶體及選擇電晶體的行指定信號。水平掃描電路22U和22D具有沿水平方向順序地掃描以使得第二信號存儲單元的電容器C2ml、C2m2和C2m3中所積聚的電位分別地被輸出到輸出端子23U或23D的功能。輸出端子23U和23D具有例如用於進行信號電荷的傳送之前的電位(例如，復位電位)與信號電荷的傳送之後的電位之間的減法並輸出減法結果的差分電路的構造。因此，能夠獲得其中噪聲已經被去除的稱作S-N信號的信號。如同專利文獻2，還能夠獲得不同的相加信號之間的差分信號，並將其輸出作為與單個光電轉換元件的信號電荷相對應的信號。除了固有的掃描功能以外，水平掃描電路22U和22D包括用於關於第二信號存儲單元的各電容器的水平傳送的兩個電晶體，以便改變輸入到差分電路23U和23D的水平輸出線上的電位的符號。通過那兩個水平傳送電晶體的導電控制，能夠自由地獲得不同的相加信號之間的差分信號。水平掃描電路22U和22D中的PHI+、PH1-、PH2+、PH2-、PH3+和PH3-分別地表示關於導電控制的水平掃描信號控制線。將參照下文中將描述的時序圖來詳細描述該操作。連接到用作輸出端子的差分電路23U和23D的信號線還稱作「水平輸出線」。還存在水平掃描和差分信號的輸出被共同地稱作「水平傳送」的情況。在水平傳送中，由於從第二信號存儲單元到水平輸出線的傳送電位減小到第二信號存儲單元的電容C2與水平輸出線的電容CH之間的電容分比C2/(C2+CH)倍的值，因此從輸出端子輸出減小的電位之間的差分。在水平傳送中，由於關於一行的信號沿水平方向順序地掃描多列中所布置的單位單元，因此沿水平方向所謂破壞性地讀出來自第二信號存儲單元的降低的電位，而損失其沿水平輸出線的信息。另一方面，由於控制線P2_l、P2_2和P2_3在水平傳送時段中處於關狀態，因此第一信號存儲單元的電位沿水平方向未被損壞，而是被保持，只要其不被新的信號傳送復位即可。此外，由於緊接第二信號存儲單元之前設置有電壓跟隨器電路F_ml、F_m2和F_m3，因此能夠將不取決於電容劃分的電位再次傳送到第二信號存儲單元。圖4例示了用於實現根據本發明的固態攝像元件的驅動方法的時序圖。圖4的時序圖是在系統控制單元12的控制下通過定時生成單元4來實現的。下文中將參照時序圖具體地描述固態攝像元件2的操作。
圖4例示了如由水平sync信號所示出的在垂直掃描電路21選擇了第η行的情況下各控制線的狀態的時間依賴改變。因此，在完成圖4中所例示的操作時，垂直掃描電路21選擇第(η+1)行並重複圖4中所例示的操作。下文中繼續這樣的重複，直到不剩餘可選擇的行為止。在圖4中的時間tl時，與水平sync信號的引導一起，所選擇的行(第η行)的選擇電晶體206(n，m)的控制線Sx(n)上升，並且與所選擇的第η行相對應的所有的單位單元連接到垂直輸出線Vm(m = O 5)。在時間t2時，第η行的復位電晶體204(n，m)的控制線Rx(η)上升，並且第η行中存在的單位單元的所有的電荷-電壓轉換單元202 (n，m)被復位成電源電壓VDD。以這種方式，電荷-電壓轉換單元202 (n，m)的電位被設定成將近等於VDD的值。即使在控制線Rx(η)在時間t3時被拖尾並且復位電晶體204(n，m)被截止的時間點，這樣的電位狀態也幾乎不改變。儘管在時間t2之前水平sync信號被拖尾，但是由於僅將高狀態維持如同sync信號所具有的信息的足夠的時間段是足夠的，因此拖尾時間不受限制。由於復位電晶體204 (n，m)在時間t3時被截止，因此電荷-電壓轉換單元202 (n，m)處於浮動狀態。在時間t4時，控制線Pl_l上升以便將處於這樣的浮動狀態的電荷-電壓轉換單元202(n，m)的細節電位作為信號傳送到由電容器Clml (m = O 5)構造的一行的存儲器。在圖4中，控制線Pl_l在時間t5時拖尾。接下來，在時間t6時，傳送電晶體203LU(n，m)的控制線TxLU(η)上升，並且經光電轉換並被積聚在光電轉換兀件201LU(n, m)中的所有的信號電荷被傳送到電荷-電壓轉換單元202(n，m)。在等待已經過足以傳送信號電荷的時間的時間t7之後，控制線TxLU(η)拖尾。在時間t8時，控制線Pl_2上升以便將通過將與光電轉換元件201LU(n，m)的信號電荷相對應的電位加到處於浮動狀態的前述電位而提供的電位作為一行的信號傳送到第一信號存儲單元的電容器Clm2(m = O 5)。控制線Pl_2在時間t9時拖尾。在根據本發明的固態攝像元件2的驅動定時中，上述時間點之前的時段是與現有技術中的第一水平消隱期相對應的時間段。在現有技術以及專利文獻I中，由於光電轉換信號與復位電位所對應的信號之間的差分被輸出，因此第一水平消隱期在該時間點完成。另一方面，在其中通過加上另一光電轉換元件的信號電荷而提供的加和信號被讀出(這是專利文獻2的特徵)的固態攝像元件中，由於新信號電荷組成部分的電壓被順序地加到電荷-電壓轉換單元202的電壓，因此第一水平消隱期還繼續。另一方面，根據專利文獻1，在時間t9時完成的第一水平消隱期之後，必須提供從第一信號存儲單元到第二信號存儲單元的傳送時段作為與水平傳送時段無關的第二水平消隱期。傳統上，即使在繼續加和信號的讀出的情況下，也可以考慮僅提供獨立的第二水平消隱期，以使得不導致讀出時間的減少。而且，用作與相加的信號的數量一樣多的數量的第一信號存儲單元的電容器必須並聯地布置，使得電路空間也大大地徒勞消耗。
根據本發明，專注於電路空間這一點，並且，首先通過使用以下驅動方法將水平消隱期的部分與第二水平消隱期並行化而發展了專利文獻I的技術。第二，其中所積聚的電荷由於並行化而變得不必要的第一信號存儲單元的電容器被順序地再使用，以便從電荷-電壓轉換單元202傳送對其新加上光電轉換信號電荷的信號。因此，即使加次數的數量增加，也可以僅通過針對一個垂直輸出線使用至少三個電容器來獲得加和信號的高速讀出的優點。接下來，將參照圖4來描述與第二水平消隱期相對應的實施例的時段的驅動定時。儘管從圖4中的時間tlO開始與第二水平消隱期相對應的時段，但是還同時地開始新的加和信號的傳送。如上所述，在該點上存在並行化。首先，將描述第二水平消隱期，緊接其後，還將描述與之同時地進行的新的加和信號的傳送。在時間tio時，控制線P2_l和P2_2上升，並且用於從第一信號存儲單元的電容器Clml到第二信號存儲單元的電容器C2ml的傳送的電晶體以及用於從電容器Clm2到電容器C2m2的傳送的電晶體被導通。如上所述，與電荷-電壓轉換單元202(n，m)的浮動擴散層部的復位電位相對應的信號被傳送到電容器Clml，並且通過將與光電轉換元件20ILU (η, m)的信號電荷相對應的電位加到復位電位而提供的電位作為信號而被傳送到電容器Clm2。根據電壓跟隨器電路F_ml、F_m2和F_m3的功能，將理解，以上兩個電位被完全地傳送到第二信號存儲單元的電容器C2ml和C2m2。在經過足以傳送的時間之後，在時間til時，控制線P2_l和P2_2被拖尾，並且操作可以移至在其期間兩個信號之間的差分被輸出的水平傳送時段。與第二水平消隱期相併行地，進行新的加和信號到第一信號存儲單元的傳送。按照與以上相似的方式，在時間tio時，傳送電晶體203RU(n，m)的控制線TxRU(η)上升，並且經光電轉換並積聚在光電轉換兀件201RU(n, m)中的所有的信號電荷被傳送到電荷-電壓轉換單元202(n，m)。在等待已經過足以傳送信號電荷的時間的時間tl2之後，控制線TxRU (η)拖尾。接下來，在時間tl3時，控制線Pl_3上升。因此，加和信號作為信號被完全地傳送到由第一信號存儲單元的電容器Clm3(m = O 5)構造的一行的存儲器。此時的加和信號是通過將與對其加上光電轉換元件201LU(n，m)和201RU(n，m)中的各個光電轉換元件的信號電荷的信號電荷相對應的電位加到復位電位而提供的電位所對應的信號。在時間tl4時，控制線Pl_3拖尾。為了將加和信號傳送到第一信號存儲單元，首先，必須將信號電荷傳送到電荷-電壓轉換單元202 (n，m)。然而，為了傳送小量的電荷而不將其洩漏，相對長的時間是必需的。具體地說，當以高ISO拍攝等時增益上升時，即使小量的電荷的傳送的小洩漏也作為其明顯的缺陷而出現在圖像上。並且針對在信號電荷的傳送完成之後到第一信號存儲單元的信號傳送，由於依賴於與像素區20的垂直配線相對應的長度而出現傳送延遲，因此必需具有餘量的相對長的時間作為所謂的建立時間。即，易於成為讀出時間的瓶頸的到第一信號存儲單元的信號傳送可以在無需等待如上所述的第二水平消隱期結束的情況下開始這一點可以成為高速讀出的關鍵點。可以進行如上所述的並行化的原因是針對一個垂直輸出線設置用作第一信號存儲單元的至少三個電容器。
其中沿水平方向順序地掃描從第二信號存儲單元的電容器C2ml和C2m2傳送的一行的信號的第一次的水平傳送通過使用從結束第二水平消隱期時的時間til之後的任意時間起的tl5(下文中將描述)的時區來執行。儘管在圖4中的時間tl2之前開始水平掃描，但是在本發明中其在時間til之後開始是足夠的，並且其不是本發明限定的並行化。然而，為了進行高速讀出，期望在時間til之後不久開始第一次的水平傳送時段。第一次的水平傳送時段的長度由作為針對一個信號的傳送時間的倒數的驅動頻率以及針對並行輸出而準備的ch(通道)的數量來指定。在圖4中，在假設第一次的水平傳送時段的結束與加和信號從第一信號存儲單元到第二信號存儲單元的傳送開始時間tl5相同的情況下例示了示例。因此，可以無中斷地進行沿垂直方向的信號傳送和沿水平方向的信號傳送。在時間tl5時，控制線P2_2和P2_3上升，並且用於從第一信號存儲單元的電容器Clm2到第二信號存儲單元的電容器C2m2的傳送的電晶體以及用於從Clm3到C2m3的傳送的電晶體被導通。如上所述，通過將與光電轉換元件201LU(n，m)的信號電荷相對應的電位加到電荷-電壓轉換單元202的復位電位而提供的電位作為信號而被保持在Clm2中。如上所述，通過將與對其加上光電轉換元件201LU(n，m)和201RU(n，m)中的各個光電轉換元件的信號電荷的信號電荷相對應的電位加到電荷-電壓轉換單元的復位電位而提供的電位作為信號而被保持在Clm3中。存在以上兩個信號之間傳送到Clm2的信號已經被傳送到C2m2從時間tlO至til的時間間隔的情況。然而，在從時間til至tl5的時間間隔執行的第一次的水平傳送時段，已經沿水平方向破壞性地讀出此時各列的信號。因此，不僅對其新加上光電轉換信號電荷並被傳送到Clm3的信號作為信號而被傳送到電容器C2m3而且Clm2中所保持的信號再次被傳送到C2m2是必要的。根據電壓跟隨器電路F_ml、F_m2和F_m3的功能，以上兩個電位被保持在第一信號存儲單元中而不被破壞。由於它們被完全地傳送到第二信號存儲單元的電容器C2m2和C2m3，因此前述必要性能夠得到滿足。其後，與關於對其加上光電轉換信號電荷的信號的第二水平消隱期並行地執行對其新加上光電轉換信號電荷的信號到第一信號存儲單元的傳送。按與以上相似的方式，在時間tl5時，傳送電晶體203LD(n，m)的控制線TxLD(η)上升，並且經光電轉換並積聚在光電轉換元件201LD(n, m) (m = O 5)中的所有的信號電荷被傳送到電荷-電壓轉換單元202 (n，m)。在等待已經過足以傳送信號電荷的時間的時間tl7之後，控制線TxLD(n)拖尾。接下來，在時間tl8時，控制線Pl_l上升。因此，一行的新的加和信號作為信號被完全地傳送到第一信號存儲單元的電容器Clml (m = O 5)。此時的新的加和信號是通過將與對其加上光電轉換元件201LU(n，m)、201RU(n，m)和201LD(n，m)中的各個光電轉換元件的信號電荷的信號電荷相對應的電位加到復位電位而提供的電位所對應的信號。在時間tl9時，控制線Pl_l拖尾。通過使用從時間tl6之後的任意時間起的t20(下文中將描述)的時區來執行其中沿水平方向順序地掃描被讀出到第二信號存儲單元的電容器的一行的信號的第二次的水平傳送。儘管在圖4中的時間tl7之前開始水平掃描，但是在時間tl6之後開始是足夠的，其不是本發明限定的並行化。然而，為了進行高速讀出，期望在時間tl6之後不久開始第二次的水平傳送時段。按照與第一次的水平傳送時段相似的方式，第二次的水平傳送時段的長度也由作為針對一個信號的傳送時間的倒數的驅動頻率以及針對並行輸出而準備的Ch (通道)的數
量來指定。在第一次的水平傳送時段中，將與其中電荷-電壓轉換單元202的復位噪聲被去 除的光電轉換兀件201LU (n, m)的信號電荷相對應的信號輸出。在第二次的水平傳送時段中，將其中電荷-電壓轉換單元的復位噪聲未被去除的光電轉換兀件201LU(n,m)的信號電荷與其中復位噪聲未被去除的光電轉換兀件201LU(n,m)和201RU(n，m)的信號電荷的總和之間的差分信號所對應的信號輸出。因此，能夠將這樣的信號作為與其中電荷-電壓轉換單元202的復位噪聲被去除的光電轉換元件201RU(n，m)的信號電荷相對應的信號來處理。如上所述，在第二次的水平傳送時段中，保持在第二信號存儲單元的電容器C2m2中的一行的存儲器信號的符號在其被輸入到差分電路23U和23D時必須針對第一水平傳送時段而被反相。將參照圖5中所例示的時序圖來描述作為示例的水平掃描電路22U和22D的驅動方法。如圖2中的水平掃描電路22U和22D中所例示的，圖5中的水平掃描信號PH1+、PH1-、PH2+、PH2-、PH3+和PH3-分別地是用於水平傳送的電晶體的控制線。對於那些電晶體，針對為各列設置的第二信號存儲單元的三個電容器C2ml、C2m2和C2m3中的各個電容器設置一套兩個電晶體。因此，沿水平方向順序地選擇電容器中所保持的信號，以確定差分電路23U或23D的哪個輸入端子選擇性地提供信號。控制信號具有脈衝狀形式並且該信號的前沿和後沿被設定成一個周期足以選擇一個像素的信號。在以下描述中使用的關於時間t的標號與圖4中所使用的相同。在圖5中，從時間til至tl5的時段成為第一次的水平傳送時段。在第一次的水平傳送時段中，控制線PH2+和PHl-處於忙狀態。因此，在第二信號存儲單元中，對其傳送電荷-電壓轉換單元202的復位電位的電容器C2ml中所保持的信號被輸入到差分電路23U或23D的負側輸入端子。對其傳送通過將復位電位與光電轉換元件201LU(n，m)的信號電荷所對應的電位相加而提供的電位的電容器C2m2的信號被輸入到差分電路23U或23D的正側輸入端子。另一方面，在其期間針對圖5中從時間tl6至t20的時段而執行信號傳送的第二次的水平傳送時段中，控制線PH2+和PHl-處於忙狀態。在這種情況下，第二信號存儲單元的電容器C2m2連接到差分電路23U或23D的負側輸入端子。在該實例中，通過將電荷_電壓轉換單兀202的復位電位與光電轉換兀件201LU(n, m)的信號電荷所對應的電位相加而提供的電位被傳送到電容器C2m2。對其傳送通過將與光電轉換元件201LU(n，m)的信號電荷相對應的電位進一步加到上述電位而提供的電位的電容器C2m3連接到差分電路23U或23D的正側輸入端子。圖4中已經描述的水平傳送與時間t20之前第二次的水平傳送時段相對應。儘管圖4中尚未描述，但是在本實施例的固態攝像元件中，其後，存在從時間t21至t25的第三次的水平傳送時段以及從時間t26至t30的第四次的水平傳送時段。由於在考慮與圖4的時序圖相結合的描述的情況下能夠容易地理解第三次和第四次的水平傳送時段中的忙控制線，因此省略其描述，並且將描述返回到圖4的時序圖。圖5和以上描述僅涉及本實施例中水平掃描的示例。即使構造和驅動方法不完全地與上述那些相同，也能夠獲得本發明所獨有的優點。返回到圖4，將描述從時間t20起的關於新的加和信號(LU+RU+LD)的第二水平消隱期和新的加和信號(LU+RU+LD+RD)的讀出。在時間t20時，控制線P2_3和P2_l上升，並且用於從第一信號存儲單元的電容器Clm3到第二信號存儲單兀的電容器C2m3的傳送的電晶體和用於從Clml到C2ml的傳送的電晶體被導通。如上所述，通過將與光電轉換元件201LU(n，m)和201RU(n，m)中的各個光電轉換元件的信號電荷相對應的電位加到電荷-電壓轉換單元202的復位電位而提供的電位作為信號而被傳送到電容器Clm3。通過將與對其加上光電轉換元件201LU(n，m)、201RU(n,m)和201LD(n,m)中的各個光電轉換兀件的信號電荷的信號電荷相對應的電位加到電荷-電壓轉換單元202的復位電位而提供的電位作為信號而被傳送到電容器Clml。與關於新的加和信號(LU+RU+LD)的第二水平消隱期相併行的是，進行新的加和信號(LU+RU+LD+RD)到第一信號存儲單元的傳送。按照與上述相似的方式，在時間t20時，傳送電晶體203RD(n，m)的控制線TxRD (η)上升，並且經光電轉換並積聚在光電轉換元件201RD(n, m)中的所有的信號電荷被傳送到電荷-電壓轉換單元202 (n, m)。在等待已經過足以傳送信號電荷的時間的時間t22之後，控制線TxRD(η)拖尾。接下來，在時間t23時，控制線Pl_2上升。因此，一行的新的加和信號作為信號而被完全地傳送到第一信號存儲單元的電容器Clm2。此時的新的加和信號是通過將與對其加上光電轉換元件201LU(n，m)、201RU(n，m)、201LD(n，m)和201RD(n, m)中的各個光電轉換元件的信號電荷的信號電荷相對應的電位加到復位電位而提供的電位所對應的信號。在時 間t24時，控制線Pl_2拖尾。其中沿水平方向順序地掃描被讀出到第二信號存儲單元的電容器的一行的信號的第三次的水平傳送通過使用從時間t21之後任意時間起直到t25 (下文中將描述)的時區來執行。儘管圖4中在時間t22之前開始水平掃描，但是在時間t21之後開始是足夠的，並且不是本發明限定的並行化。然而，為了進行高速讀出，期望在時間t21之後不久開始第三次的水平傳送時段。在第三次的水平傳送時段中輸出的信號是其中電荷-電壓轉換單元202的復位噪聲未被去除的信號電荷的以下總和(I)與(2)之間的差分信號所對應的信號即，(I)光電轉換元件201LU(n，m)和201RU(n，m)的信號電荷的總和；以及⑵光電轉換元件201LU(n，m)、201RU(n，m)和201LD(n，m)的信號電荷的總和。因此，可以將該信號作為其中電荷-電壓轉換單元的復位噪聲被去除的光電轉換元件201LD(n，m)的信號電荷所對應的信號來處理。接下來，在時間t25時，控制線P2_l和P2_2上升，並且用於從第一信號存儲單元的電容器Clml到第二信號存儲單元的電容器C2ml的傳送的電晶體和用於從Clm2到C2m2的傳送的電晶體被導通。如上所述，通過將與光電轉換元件201LU(n，m)、201RU(n，m)和201LD (n,m)中的各個光電轉換兀件的信號電荷相對應的電位加到電荷-電壓轉換單兀202的復位電位而提供的電位作為信號而被傳送到電容器Clml。按照與上述相似的方式，通過將下列信號電荷中的各個信號電荷加到電荷-電壓轉換單元202的復位電位而提供的信號電荷所對應的電位作為信號而被傳送到電容器Clm2 :即，光電轉換兀件201LU(n, m)、201RU(n，m)、201LD(n，m)和201RD(n，m)中的各個光電轉換元件的信號電荷。接下來，其中沿水平方向順序地掃描被讀出到第二信號存儲單元的電容器的一行的信號的第四次的水平傳送通過時間t26之後任意時間起的t27的時區來執行。在第四次的水平傳送時段中，能夠獲得其中電荷-電壓轉換單元202的復位噪聲被去除的光電轉換兀件201RD(n,m)的信號電荷所對應的信號。
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關於時間t25之後的構造，由於不必構造其中單位單元連接到垂直輸出線Vm的源跟隨器電路，因此在時間t25時，控制線Sx (η)拖尾以便截止選擇電晶體206 (n，m)。以上描述了根據圖4中所例示的實施例的驅動方法中的時序圖。現在將總結本實施例的技術優點。首先，由於針對各列設置三個第一信號存儲單元，因此與第二水平消隱期的開始同時地，能夠開始易於成為讀出時間的瓶頸的新的加和信號的讀出。因此，能夠進行高速讀出。第二，通過將兩個或更多個光電轉換元件的信號電荷相加而提供的信號電荷所對應的信號被順序地傳送到保持在差分輸出之後變得不必要的信號的第一信號存儲單元的電容器。因此，第一信號存儲單元的電容器的數量可以針對各列而設定成3。對於可以使用通過將更大數量的光電轉換元件的信號電荷相加而提供的信號的單位單元構造，第二個技術優點更大。即，假定構成單位單元的光電轉換元件的數量等於N，在針對N( ^ 3)或更多個光電轉換元件設置一個電荷-電壓轉換單元這樣的構造中，N的值越大，該優點越大。儘管單位單元中所包括的光電轉換元件的數量被設定成4以便簡化本實施例中的描述，但是在考慮該優點時，本發明可以應用於具有分別具有三個或更多個光電轉換元件的單位單元的CMOS固態攝像元件。描述中所使用的圖4的時序圖至此僅涉及用於具體地描述本發明的優點的示例，並考慮各種變型例。根據上述實施例，在具有分別具有三個或更多個光電轉換元件的單位單元的CMOS固態攝像元件中，用於各列的電容器的數量可以被設定成3，並且能夠進行使用通過將各元件的信號電荷相加而提供的信號的高速讀出。儘管第一實施例是僅關於第η行的水平掃描操作來描述的，但是即使在選擇下一行並開始相似的水平掃描操作時，也能夠按與第一實施例相似的方式來進行水平消隱期的並行化。將參照圖6將這樣的構造作為第一實施例的應用示例來描述。在圖6中，在時間t25時拖尾的選擇電晶體的控制線Sx(n+1)在時間t26時再次上升，並且開始第(η+1)行上存在的單位單元的選擇。這是因為在針對從時間t26至t30的時段執行的針對第η行的信號傳送的第四次的水平傳送時段之後，將第η行的單位單元的信號保持在第一信號存儲單元中是不必要的。因此，在水平傳送時段中，執行用於復位第(η+1)行的單位單元的電荷-電壓轉換單元的操作以及復位電位到第一信號存儲單元的傳送。在時間t27時，復位電晶體的控制線Rx (η+1)上升，並且第(η+1)行的電荷-電壓轉換單元202被復位成電源電壓VDD。在時間t28時，控制線Rx (η+1)拖尾，並且電荷-電壓轉換單元被設定成浮動狀態。為了將處於浮動狀態的電位傳送到第一信號存儲單元，控制線Pl_l在時間t29時上升。在第η行中，針對從時間t25至t29的時段執行的操作與針對從時間tl至t4的時段的操作相似(圖4)。S 卩，由於針對圖4中從時間tl至t4的時段的操作可以在如圖6中的陰影區域中所示的前一行的最後一個水平傳送時段中執行，因此能夠縮短操作時間，並且有助於更高速讀出。第一實施例的該應用示例還可以應用於第二實施例隨後的實施例。第二實施例在本實施例中，將描述其中可以針對一個垂直輸出線設置第二信號存儲單元的兩個電容器並且能夠獲得本發明特有的優點的構造。圖7是例示根據本實施例的固態攝像元件2的構造的圖。在該圖中，與圖2中的構造中的部分實質上相同的部分由相同的參考標號來表示，並且除非另外特別必要，否則省略它們的描述。本實施例關於下列四點與第一實施例的描述中所使用的圖2的固態攝像元件不同。首先，針對一個垂直輸出線設置用作第二信號存儲單元的兩個電容器C2ml和C2m2。第二，根據第二信號存儲單元的兩個電容器，在它們之前和之後設置兩個電壓跟隨器電路F_ml和F_m2。第三，根據第二信號存儲單元的兩個電容器，水平掃描信號的數量減少到4個(PHI+, PH1-、PH2+、PH2-)。第四，用於控制從第一信號存儲單元到兩個電壓跟隨器電路的輸入的傳送電晶體的數量僅針對第一信號存儲單元中的電容器Clm2而增加I個，以使得針對各個垂直輸出線設置四個傳送電晶體。由於在增加一個傳送電晶體的同時減少第二信號存儲單元的電容器、電壓跟隨器電路及水平掃描信號的數量，因此信號存儲單元附近的電路規模比第一實施例中小。假定針對第一信號存儲單元中的電容器Clm2而增加的一個傳送電晶體的新控制線由P2_4示出，下文中將描述該實施例中光電轉換元件的構造。圖8是例示根據圖7中所例示的實施例的固態攝像元件2的驅動方法的時序圖。其關於下列兩點與圖4中所例示的時序圖不同。首先，從第一信號存儲單元的Clm2到第二信號存儲單元的C2ml和C2m2的傳送電晶體的控制線P2_2的信號改變，並增加了控制線P2_4。另一點在於，由於水平掃描信號的數量減少，因此簡化了水平傳送。由於除上述那些以外的關於控制線的所有的導引時間和拖尾時間與圖2中那些相同，因此省略它們的描述。在以下描述中所使用的關於時間t的標號中，與圖4中所例示的標號相同的標號指不相同的時間。圖8關於以下一點與圖4不同，首先，對於從時間tlO至til的時段，在暫時地傳送到第一信號存儲單元的Clm2的光電轉換元件201LU(n，m)的信號電荷所對應的信號被進一步傳送到第二信號存儲單元時，其在控制線P2_4的控制下被傳送到C2m2。接下來，對於從時間tl5至tl6的時段，在保持在第一信號存儲單元的Clm2中的光電轉換元件201LU(n，m)的信號電荷所對應的信號被再次傳送到第二信號存儲單元時，其在控制線P2_2的控制下被傳送到C2ml。這是因為必須獲得在從時間tlO至tl4的時段中被傳送到第一信號存儲單元的Clm3並接著被傳送到第二信號存儲單元的C2m2的加和信號與被傳送到電容器C2ml的前述信號之間的差分。被傳送到C2m2的加和信號是通過將與對其加上光電轉換元件201LU(n，m)和201RU(n,m)中的各個光電轉換兀件的信號電荷的信號電荷相對應的電位加到復位電位而提供的電位所對應的信號。針對從時間til至tl5的時段進行第一次的水平傳送，並且針對從時間tl6至t20的時段進行第二次的水平傳送。如將根據以上描述而理解的，在水平傳送時段中的任一個水平傳送時段中，分別地，第 二信號存儲單元的電容器C2m2中的信號被傳送到差分電路23U和23D的正側輸入端子，並且第二信號存儲單元的電容器C2ml中的信號被傳送到差分電路23U和23D的負側輸入端子。因此，水平掃描信號的控制線PHl-和PH2+處於忙狀態。接下來，在針對從時間t20至t26的時段進行的從第一信號存儲單元到第二信號存儲單元的信號傳送中，由於不存在從第一信號存儲單元的Clm2的傳送，因此進行與圖4中的控制相同的控制。從時間t21至t25的第三次的水平傳送時段與第一次和第二次的水平傳送時段不同。即，分別地，第二信號存儲單元的電容器C2ml中的信號被傳送到差分電路23U和23D的正側輸入端子，並且第二信號存儲單元的電容器C2m2中的信號被傳送到差分電路23U和23D的負側輸入端子。因此，水平掃描信號的控制線PHl+和PH2-處於忙狀態。來自光電轉換元件的最新的加和信號(LU+RU+LD+RD)在從時間t20至t24的時段中被傳送到第一信號存儲單兀的電容器Clm2。該信號被傳送到第二信號存儲單元的C2m2，以便獲得與Clml中所保持的前一加和信號(LU+RU+LD)的差分。因此，針對從時間t25至t26的時段，傳送電晶體的控制線P2_4被設定成高狀態。在第四次的水平傳送時段中，水平掃描信號的控制線PH2+和PHl-進入忙狀態，並且獲得關於最新的加和信號的差分輸出。在該實施例中，關於第一信號存儲單元的所有的Clml、Clm2和Clm3，還可以設置能夠將信號傳送到第二信號存儲單元的兩個電容器C2ml和C2m2的6( = 3X2)個傳送電晶體。在這種情況下，由於第二信號存儲單元的C2m2或C2ml總是能夠連接到差分電路23U和23D的正側輸入端子，並且Clm2或C2m2總是能夠連接到其負側輸入端子，因此僅PH2+和PHl-的兩個控制線作為水平掃描信號的控制線是足夠的。加和信號之間的差分不是通過差分電路獲得的，而是還可以按這樣的方式來構造負側輸入總是被設定成與復位電位相對應的信號，並且順序地獲得單位單元中的光電轉換元件的信號電荷的總和。例如，還可以按這樣的方式來構造第一信號存儲單元中的電容器Clml被固定到與復位電位相對應的信號，其是按照總是傳送到第二信號存儲單元的Clml的方式來確定的，並且關於第一信號存儲單元的Clml的傳送電晶體的數量被設定成I。在這種情況下，將第一信號存儲單元的Clm2和Clm3用作其中順序地保持來自光電轉換元件的加和信號的電容器是足夠的。第三實施例在該實施例中，現在將描述與第二實施例中相比能夠進一步簡化水平掃描信號的控制線的構造。圖9是例示根據本實施例的固態攝像元件的構造的圖。在該圖中，與圖2或圖7中的構造中的那些部分實質上相同的部分由相同的參考標號來表示，並且除非另外特別必要，否則省略它們的描述。圖9中所例示的構造關於下列點與圖7中所例示的第二實施例的構造不同。即，除了作為電壓跟隨器的功能以外，作為反相放大放大器的功能被添加到布置在連接到一個垂直輸出線Vm的第二信號存儲單元的C2ml和C2m2的前段的操作放大器F_02和F_02中的各個操作放大器。具體地說，增加了各操作放大器伴隨有用於操作控制的兩個電晶體和基準電壓Vrf (未示出)這樣的構造。針對一個操作放大器而設置的兩個操作控制電晶體的柵極連接到各個操作放大器的控制線PCl或PC2。在控制線PCl或PC2的信號處於高電平時，操作放大器用作反相放大器。在其處於低電平時，操作放大器用作電壓跟隨器電路。針對控制線 PCl和PC2中的各個控制線而設置的反相器具有用於將加到控制線的信號的極性反相的功倉泛。假定COml = Cfml且C0m2 = Cf m2,反相放大放大器的放大因子等於1. O。因此，被傳送到第一信號存儲單元的信號的符號可以僅通過控制線的信號來確定。在反相放大的情況下，其中基準電壓Vrf用作基準的反相電位被傳送，並且不實際地出現負電位。在電壓跟隨器與反相放大放大器之間進行切換的目的是簡化水平掃描電路22U和22D，以使得能夠僅通過控制線PH2+和PHl-的功能來進行水平傳送。即，在信號被傳送到第二信號存儲單元時，通過改變其符號，第二信號存儲單元的電容器C2ml總是能夠(固定地)連接到差分電路23U或23D的負側輸入端子，並且C2m2總是能夠連接到正側輸入端子。圖10例示了用於驅動根據圖9中所例示的實施例的固態攝像元件的時序圖。下文中將參照附圖來具體地描述根據本實施例的固態攝像元件的操作。在關於以下描述中所使用的時間t的標號中，與圖4中所例不的標號相同的標號指不相同的時間。圖10中所例不的時序圖關於下列兩點與關於圖8中所例不的第_■實施例的時序圖不同。首先，關於在從時間tlO至til的時段中、從時間tl5至tl6的時段中、從時間t20至t21的時段中、以及從時間t25至t26的時段中執行的信號傳送的所謂的第二水平消隱期而不同。即，通過使用控制線PCl或PC2來各個信號地控制從第一信號存儲單元傳送到第二信號存儲單元的信號的符號。第二，與前述第一差異相關聯地簡化在從時間til至tl5的時段中、從時間tl6至t20的時段中、從時間t21至t25的時段中、以及從時間t26至t27的時段中執行的所謂的水平傳送的控制信號。由於其他構造並不與圖8中所例示的構造不同，因此將僅描述上述時間時的信號傳送結構。首先，在從時間tlO至til的時段執行的信號傳送的第二水平消隱期中，控制線PCl和PC2還保持在低狀態。即，操作放大器F_ml和F_m2 二者都用作電壓跟隨器電路，並且未發生第二信號存儲單元的信號反相。根據其，即使在用作第一次的水平傳送時段的從時間til至tl5的時段中，通過將PH2+和PHl-設定成忙狀態，從差分電路23U和23D輸出與光電轉換兀件201LU (n, m)的信號電荷相對應的信號。
接下來，即使在從時間tl5至tl6的時段中執行的信號傳送的第二水平消隱期中，控制線PCl和PC2還保持在低狀態。這是因為這裡使傳送到第二信號存儲單元的信號反相也是不必要的。根據其，即使針對用作第二次的水平傳送時段的從時間tl6至t20的時段，通過將PH2+和PHl-設定成忙狀態，從差分電路23U和23D輸出與光電轉換元件201RU(n，m)的信號電荷相對應的信號。另一方面，在從時間t20至t21的時段執行的信號傳送的第二水平消隱期中，控制線PCl和PC2 二者都被設定成高狀態。即，操作放大器F_ml和F_m2 二者都用作反相放大放大器以獲得被傳送到第二信號存儲單元的信號的電位反相。這是因為，由於在第三次的水平傳送時段(從時間t21至t25)中安排PH2+和PHl-的忙狀態，因此其被設計成使得從差分電路23U和23D輸出與光電轉換元件201LD(n，m)的信號電荷相對應的信號。
更具體地解釋，在通過將光電轉換元件201LU(n，m)、201RU(n，m)和201LD(n，m)中的各個光電轉換元件的信號電荷加到復位電位而提供的信號電荷所對應的電位信號被傳送到第二信號存儲單元的電容器C2ml時，其符號被預先地反相。結果，在差分電路23的負側輸入端子處，符號被再次反相。另一方面，在通過將光電轉換元件201LU(n，m)和201RU(n, m)中的各個光電轉換兀件的信號電荷加到復位電位而提供的信號電荷所對應的信號電位被傳送到第二信號存儲單元的電容器C2m2時，其符號也被預先地反相。因此，由於信號被輸入到差分電路的正側輸入端子，因此與光電轉換兀件201LD (n, m)的信號電荷相對應的信號作為兩個輸入信號的差分信號而被輸出。在第η行的最後一個第二水平消隱期(從時間t25至t26)及第四次的水平傳送時段(從時間t26至t27)中，由於在信號傳送時不需要改變符號，因此控制線PCl和PC2二者保持在低狀態。不一定必須在第二信號存儲單元的前段執行本實施例特有的符號反相操作。例如，還可以按以下方式來構造對第一信號存儲單元的電容器Clml、Clm2和Clm3中的各個電容器的前段添加用於本實施例中的操作控制的電晶體以及伴隨有基準電壓Vrf (未示出)的操作放大器，由此添加反相放大放大器的功能。根據以上描述將理解，即使通過添加使用操作放大器的符號反相功能，用作從光電轉換元件的信號電荷的讀出與從第一信號存儲單元到第二信號存儲單元的信號傳送的並行化的本發明的優點也能夠通過更簡單的構造來實現。第四實施例在第三實施例中，本發明的優點是通過在信號被傳送到第二信號存儲單元時，其符號可以根據需要而自由地切換這樣的構造來實現的。在本實施例中，能夠在無需設置如第三實施例中所描述的符號反相功能的情況下以更不受限制的方式來實現符號改變。具體地說，在將信號傳送到第一信號存儲單元的階段，針對同一信號而準備正符號和負符號的兩個信號。為了該目的，在本實施例中，針對一個垂直輸出線Vm而設置第一信號存儲單元的四個電容器，並且在所謂的第一水平消隱期中，在加和信號的傳送中總是保持正符號和負符號的兩個信號。圖11例示了根據本實施例的固態攝像元件2的構造。在該圖中，與圖2、圖7和圖9中的構造中的那些部分實質上相同的部分由相同的參考標號來指示，並且除非另外特別必要，否則省略其描述。除了針對一個垂直輸出線設置第一信號存儲單元的四個電容器以外，圖11的構造關於下列點與圖9中的構造不同。首先，四個電容器中的Clml和Clm2選擇性地連接到差分電路23U或23D的負側輸入端子所連接的第二信號存儲單元的電容器C2ml。接下來，四個電容器中的Clm4和Clm3選擇性地連接到差分電路23U或23D的正側輸入端子所連接的第二信號存儲單元的電容器C2m2。此外，用於從垂直輸出線Vm到電容器Clml和Clm3的信號傳送的電晶體的控制線被公共地設置為Pl_l，並且用於到電容器Clm2和Clm4的信號傳送的電晶體的控制線被公共地設置為Pl_2。由於在傳送步驟中進行符號改變，因此按照與第三實施例相似的方式僅將水平掃描信號控制線簡化成PH2+和PH1-。與不需要在從第一信號存儲單元到第二信號存儲單元的信號傳送時進行符號反相相對應的是，與操作放大器F_ml和F_m2相關聯的電容器以及用於操作控制的電晶體被刪除。此外，根據它們被組合成如上所述的兩套，用於到第一信號 存儲單元的信號傳送的電晶體的控制線僅是兩個控制線Pl_l和Pl_2。圖12例示了用於驅動圖11的固態攝像元件2的時序圖的示例。假定在關於在以下描述中使用的時間t的標號中，與圖4中所例示的標號相同的標號指示相同的時間。圖12關於以下點與圖10的時序圖不同用於信號傳送的控制線Pl_l和Pl_2隨時間的流逝而被交替地設定成高狀態。在包括用於將復位電位作為信號而傳送到第一信號存儲單元的時段的第一水平消隱期中，它們在信號傳送時段(從t4至t5、從t8至t9、從tl3至tl4、從tl8至tl9以及從t23至t24)中被設定成高狀態。與用於操作放大器的操作控制的電晶體的刪除相關聯的是，它們的控制線PCl和PC2也被刪除。下文中將通過限於括號中所示的時段來描述操作。首先，在從時間t4至t5的時段中，控制線Pl_l被設定高狀態，以使得將與復位電位相對應的信號傳送到第一信號存儲單兀的電容器Clml和Clm3。在從時間t8至t9的時段中，控制線Pl_2被設定成高狀態，以使得將通過將與光電轉換元件201LU(n，m)的信號電荷相對應的電位加到復位電位而提供的信號傳送到第一信號存儲單兀的電容器Clm2和Clm4。與同一光電轉換兀件的信號電荷相對應的信號被傳送到電容器Clm2和Clm4。然而，分別地，在從時間tlO至til的時段中將信號從電容器Clm2傳送到第二信號存儲單元的電容器C2ml,並且在從時間tl5至tl6的時段中將信號從電容器Clm4傳送到第二信號存儲單元的電容器C2m2。因此，在各時段中到差分電路23U或23D的輸入的正/負符號被反相。根據這樣的第二水平消隱期及其隨後的第一次和第二次的水平傳送時段所需的符號，該信號被傳送並保持到第一信號存儲單元的兩個電容器中。在其中安排這兩種符號的信號之間，傳送到與正符號相對應的電容器Clm4的信號被傳送到第二信號存儲單元的電容器Clm2，因為在從時間tlO至til的第一次的第二水平消隱期中控制線P2_4被設定成高狀態。此時，控制線P2_l也被設定成高狀態，並且傳送到電容器Clml的信號被傳送到電容器C2ml。另一方面，與另一加和信號相一致地，傳送到與負符號相對應的電容器Clm2的信號被傳送到第二信號存儲單元的電容器C2ml，因為在從時間tl5至tl6的下一個第二水平消隱期中，控制線P2_2被設定成高狀態。按照與上述相似的方式，在從時間tl3至tl4的時段中，控制線Pl_l被設定成高狀態，以使得將下一個第二水平消隱期的另一加和信號傳送到已經對其傳送與復位電位相對應的信號的電容器Clm3和Clml。這樣的另一加和信號是通過將對其加上光電轉換元件201LU(n,m)和201RU(n,m)中的各個光電轉換兀件的信號電荷的信號電荷所對應的電位加到復位電位而提供的信號。按照與上述相似的方式，在從時間tl8至tl9的時段中，控制線Pl_2被設定成高狀態，以使得將再下一個第二水平消隱期的另一加和信號傳送到第一信號存儲單元的電容器Clm2和Clm4。這樣的另一加和信號是通過將對其加上光電轉換元件201LU(n，m)、201RU(n,m)和201LD(n,m)中的各個光電轉換兀件的信號電荷的信號電荷所對應的電位加到復位電位而提供的信號。 在從時間t23至t24的時段中被傳送到第一信號存儲單元的電容器Clml和Clm3的加和信號不被用作負符號的信號。這種情況下的加和信號是通過將對其加上光電轉換元件201LU(n，m)、201RU(n，m)、201LD(n，m)和201RD(n, m)中的各個光電轉換元件的信號電荷的信號電荷所對應的電位加到復位電位而提供的信號。與復位電荷相對應的信號也不能用作正符號的信號。然而，由於存在其中用於到第一信號存儲單元的傳送的電晶體的控制線能夠被公用而無特別困難的大優點，因此它們不單獨地受到控制。根據上述第四實施例的構造，與用以在到信號存儲單元的電容器的傳送中準備與正/負符號相對應的同一信號的驅動方法相結合，能夠獲得本發明特有的優點。本發明的各方面還可以通過讀出並執行記錄在存儲裝置上的用於進行上述實施例的功能的程序的系統或設備的計算機(或諸如CPU或MPU的裝置)來實現，以及通過由系統或設備的計算機通過例如讀出並執行記錄在存儲裝置上的用於進行上述實施例的功能的程序來進行各步驟的方法來實現。鑑於此，例如經由網絡或者從用作存儲裝置的各種類型的記錄介質(例如，計算機可讀介質)向計算機提供程序。雖然參照示例性實施例對本發明進行了描述，但是應當理解，本發明並不限於所公開的示例性實施例。應當對下列權利要求的範圍給予最寬的解釋，以使其涵蓋所有這些變型例以及等同的結構和功能。
權利要求
1.一種固態攝像元件，其包括像素區，在所述像素區中按行和列二維地布置有多個單位單元，各單位單元具有多個光電轉換元件、以及針對所述光電轉換元件公共設置的信號電荷的信號讀出單元；多個垂直輸出線，其公共連接到所述二維布置的各列的單位單元，並以列為單位來傳送由所述信號讀出單元讀出的單位單元的信號；選擇單元，被構造成以所述二維布置的行為單位來選擇所述多個單位單元；多個第一信號存儲單元，至少第一預定數量的所述多個第一信號存儲單元連接到各垂直輸出線以存儲從由所述選擇單元選擇的單位單元傳送到各垂直輸出線的信號；多個第二信號存儲單元，至少第二預定數量的所述多個第二信號存儲單元連接到各垂直輸出線以存儲從所述第一預定數量的第一信號存儲單元傳送的信號；水平傳送單元，被構造成以列為單位沿行方向來傳送從所述多個第二信號存儲單元傳送的信號；以及多個控制線單元，被構造成控制各單位單元的所述信號讀出單元、所述多個第一信號存儲單元以及所述多個第二信號存儲單元的驅動，其中，所述多個控制線單元選擇性地驅動所述多個第一信號存儲單元以及所述多個第二信號存儲單元，以使得在用於選擇性地驅動所述第一信號存儲單元以存儲通過所選擇的單位單元的所述信號讀出單元而從所述單位單元傳送到所述垂直輸出線的信號的時間段中，連接到所述垂直輸出線的其他的第一信號存儲單元以及用於存儲從所述其他的第一信號存儲單元傳送的信號的所述第二信號存儲單元被選擇性地驅動。
2.根據權利要求1所述的固態攝像元件，其中，所述第一預定數量及所述第二預定數量中的各個等於3，並且所述單位單元中所包括的多個光電轉換元件的數量等於至少3，所述信號讀出單元具有將其中將來自所述多個光電轉換元件中的至少兩個光電轉換元件的信號相加的相加信號讀出到所述垂直輸出線的功能，所述控制線單元選擇性地驅動連接到所述垂直輸出線的所述第一預定數量的第一信號存儲單元中的一個第一信號存儲單元以存儲所述相加信號，並且在此時，選擇性地驅動與其他的第一信號存儲單元相對應的第二信號存儲單元以存儲所述其他的第一信號存儲單元中存儲的信號，並且所述水平傳送單元根據所述其他的第一信號存儲單元中存儲的信號來選擇性地將所對應的第二信號存儲單元連接到不同的水平輸出線。
3.根據權利要求1所述的固態攝像元件，其中，所述第一預定數量和所述第二預定數量分別等於3和2，並且所述單位單元中所包括的多個光電轉換元件的數量等於至少3，所述信號讀出單元具有用於將其中將來自所述多個光電轉換元件中的至少兩個光電轉換元件的信號相加的相加信號讀出到所述垂直輸出線的功能，所述控制線單元選擇性地驅動連接到所述垂直輸出線的所述三個第一信號存儲單元中的一個第一信號存儲單元以存儲所述相加信號，並且在此時，選擇性地驅動所述兩個第二信號存儲單元以存儲其他的第一信號存儲單元中存儲的信號，並且所述水平傳送單元根據所述其他的第一信號存儲單元中所存儲的信號來將所述兩個第二信號存儲單元選擇性地連接到不同的水平輸出線。
4.根據權利要求1所述的固態攝像元件，其中，所述第一預定數量和所述第二預定數量分別等於3和2，並且所述單位單元中所包括的多個光電轉換元件的數量等於至少3，所述信號讀出單元具有用於將其中將來自所述多個光電轉換元件中的至少兩個光電轉換元件的信號相加的相加信號讀出到所述垂直輸出線的功能，所述控制線單元選擇性地驅動連接到所述垂直輸出線的所述三個第一信號存儲單元中的一個第一信號存儲單元以存儲所述相加信號，並且在此時，選擇性地驅動所述兩個第二信號存儲單元以存儲其他的第一信號存儲單元中存儲的信號，所述固態攝像元件還包括多個電位反相單元，被構造成根據所述其他的第一信號存儲單元中所存儲的信號，來將從所述其他的第一信號存儲單元傳送到所述兩個第二信號存儲單元的各信號的電位反相，並且所述水平傳送單元將所述兩個第二信號存儲單元固定地連接到不同的水平輸出線。
5.根據權利要求1所述的固態攝像元件，其中，所述第一預定數量和所述第二預定數量分別等於4和2，並且所述單位單元中所包括的多個光電轉換元件的數量等於至少3，所述信號讀出單元具有用於將其中將來自所述多個光電轉換元件中的至少兩個光電轉換元件的信號相加的相加信號讀出到所述垂直輸出線的功能，所述控制線單元選擇性地驅動連接到所述垂直輸出線的所述四個第一信號存儲單元中的兩個第一信號存儲單元以存儲所述相加信號，並且在此時，選擇性地驅動所述兩個第二信號存儲單元以存儲其他的第一信號存儲單元中存儲的信號，並且所述水平傳送單元將所述兩個第二信號存儲單元固定地連接到不同的水平輸出線。
6.根據權利要求1所述的固態攝像元件，其中，不同的水平輸出線分別連接到操作放大器的不同的輸入端子。
7.根據權利要求1所述的固態攝像元件，其中，所述單位單元包括復位單元，被構造成將所述信號讀出單元復位；電荷讀出單元，被構造成從所述單位單元中所包括的各光電轉換元件讀出電荷；以及傳送單元，被構造成將所述信號讀出單元的復位電位或者與由所述電荷讀出單元讀出的電荷相對應的電位作為信號而傳送到所述垂直輸出線，並且所述信號讀出單元通過所述傳送單元將通過將與從各光電轉換元件讀出的電荷相對應的電位依次加到所述復位電位而提供的電位作為相加信號讀出到所述垂直輸出線。
8.一種固態攝像元件的控制方法，所述固態攝像元件具有像素區，在所述像素區中按行和列二維地布置有多個單位單元，各單位單元具有多個光電轉換元件、以及針對所述光電轉換元件公共設置的信號電荷的信號讀出單元；多個垂直輸出線，其公共連接到所述二維布置的各列的單位單元，並以列為單位來傳送由所述信號讀出單元讀出的單位單元的信號；以及選擇單元，被構造成以所述二維布置的行為單位來選擇所述多個單位單元，所述控制方法包括將從由所述選擇單元選擇的單位單元傳送到各垂直輸出線的信號存儲到多個第一信號存儲單元中，至少第一預定數量的所述多個第一信號存儲單元連接到各垂直輸出線；將從所述第一預定數量的第一信號存儲單元傳送的信號存儲到多個第二信號存儲單元中，至少第二預定數量的所述多個第二信號存儲單元連接到各垂直輸出線；以及以列為單位沿行方向來將從所述多個第二信號存儲單元傳送的信號傳送到水平傳送單元，其中，通過被構造成驅動各單位單元的所述信號讀出單元、所述多個第一信號存儲單元以及所述多個第二信號存儲單元的多個控制線單元來選擇性地驅動所述多個第一信號存儲單元以及所述多個第二信號存儲單元，以使得在用於選擇性地驅動所述第一信號存儲單元以存儲通過驅動所選擇的單位單元的所述信號讀出單元而從所述單位單元傳送到所述垂直輸出線的信號的時間段中，連接到所述垂直輸出線的其他的第一信號存儲單元以及用於存儲從所述其他的第一信號存儲單元傳送的信號的所述第二信號存儲單元被選擇性地驅動。
9.一種攝像設備，其包括根據權利要求1至7中的任一項所述的固態攝像元件；信號處理單元，被構造成對從所述固態攝像元件輸出的圖像信號執行信號處理；以及控制單元，被構造成向所述固態攝像元件的所述控制線單元提供控制信號。
全文摘要
本發明提供一種固態攝像元件、其驅動方法以及攝像設備。所述固態攝像元件包括多個第一信號存儲單元，連接到各垂直輸出線以存儲從選擇的單位單元傳送到各垂直輸出線的信號；以及多個第二信號存儲單元，連接到各垂直輸出線以存儲從第一數量的第一信號存儲單元傳送的信號，其中，所述多個第一信號存儲單元以及所述多個第二信號存儲單元被選擇性地驅動，以使得在用於選擇性地驅動所述第一信號存儲單元以存儲通過驅動所選擇的單位單元的信號讀出單元而傳送到所述垂直輸出線的信號的時間段中，連接到所述垂直輸出線的其他的第一信號存儲單元以及用於存儲從所述其他的第一信號存儲單元傳送的信號的所述第二信號存儲單元被選擇性地驅動。
文檔編號H04N5/378GK103002227SQ20121033723
公開日2013年3月27日 申請日期2012年9月12日 優先權日2011年9月13日
發明者小林寬和 申請人:佳能株式會社