固態成像裝置、成像系統和固態成像裝置的驅動方法
2023-05-08 20:28:11 1
專利名稱：固態成像裝置、成像系統和固態成像裝置的驅動方法
技術領域：
本發明涉及實施跳過(skip)有效像素的一部分以讀出該部分的操作的固態成像裝置和包含該固態成像裝置的成像系統。
背景技術：
近年來，各安裝有在高速讀出信號方面優異的互補金屬氧化物半導體(CMOS)傳感器的攝像機和靜態照相機已在增加。此外，照相機也已在發展成具有多功能，並且，要求傳感器執行多種讀出方法。例如，要求傳感器在以下模式之間切換它們的感測模式，並實現電 子變焦屏幕的橫向和縱向之間的比為4比3的靜態圖像模式、屏幕的橫向和縱向之間的比為16比9的高清晰度(HD)運動圖像模式、和屏幕的橫向和縱向之間的比為4比3的例如視頻圖形陣列(VGA)的運動圖像模式。作為用於切換要獲得的圖像的解析度即從其讀出信號的像素的數量的手段，存在間引(thin out)操作。在間引操作中，能通過每隔一條或多條線(行或列)選擇從其讀出信號的像素來獲得解析度比成像器件的最大解析度低的圖像。一般地，在要用於圖像形成的有效像素區域周圍存在稱為光學黑像素區域(以下稱為OB區域)的像素區域。OB區域被用於諸如偏移消除的信號校正，並且OB區域包含各具有作為光電轉換元件並被遮光的光電二極體的像素。一般地，實施使用OB區域中的多個像素的信號校正(以下稱為OB箝位(clamping))。以下，OB區域中的像素將被稱為OB像素。在OB箝位中，從OB區域中的多個像素讀出信號並將其平均化。但是，如果在通過上述間引操作從有效像素讀出信號時OB像素也被間引，那麼存在噪聲不被充分減少的可能性。針對該問題，在日本專利申請公開NO.H09-163236中提出一種技術。根據日本專利公開No. H09-163236，即使當在通過間引操作讀出像素的間引讀出模式中讀出有效像素區域中的光接收像素時，也在像素不被間引而讀出的正常讀出模式中讀出OB像素。另夕卜，在該公開物中描述了以不同的頻率驅動光接收像素和OB像素。日本專利申請公開No. H09-163236描述了由此即使在間引讀出模式中也能不增加OB像素的數量而實現高精度的OB箝位操作。但是，該公開物的方法具有以下問題。一般地，在用於運動成像的CMOS傳感器中，像素的電荷積累時段由滾動快門操作控制。在滾動快門操作中，要被復位的行和從其讀出信號的行被依次移動(shift)，由此，從復位到讀出的時段被設為積累時段。圖14示出對於成像器件施加滾動快門操作時的定時，該成像器件包含其上部中的四行上的OB像素、和第五行上及第五行後的有效像素。圖14所示的圖的橫坐標軸表示時間，其縱坐標軸表示像素行的位置。圖14示出OB像素行讀出時段39、有效像素行讀出時段40、其間不讀出信號即掃描要被間引的像素的有效像素行跳過時段41、0B像素行復位時段42、和有效像素行復位時段43。從時間tl到時間t2的時段是像素的電荷積累時段，在所述時間tl，從其讀出信號的有效像素行的復位結束，在所述時間t2，開始讀出。由於在這裡OB區域和有效像素區域均由相同的驅動脈衝驅動，因此有效像素行讀出時段40中的每一個和有效像素行跳過時段41中的每一個都是相同的長度。因此，各行上的電荷積累時段不相互移動。需要縮短讀出所有像素的信號所需要的總讀出時間，以便增加每一時間的成像屏幕的數量。因此，可設想縮短有效像素行跳過時段41，以便縮短所有像素的總讀出時間，但在這種情況下出現另一問題。由滾動快門操作設定的電荷積累時段在各自行上相互不同。導致該問題的原因是，用相同的驅動脈衝的圖案(pattern)來執行讀出信號的控制和執行復位的控制。由此導致各自行的復位時段相互不同，以使得電荷積累時段不均一。
發明內容
本發明致力於提供一種固態成像裝置，其當在不間引OB像素的情況下讀出所述OB像素以及通過間引有效像素而讀出所述有效像素時，即使縮短所有像素的總讀出時間， 也能夠使得積累時段相等。本發明的第一方面是提供一種固態成像裝置，其包括包含沿多個行布置的像素的有效像素區域，各像素包含將入射光轉換成電荷並積累所述電荷的光電轉換元件；包含沿多個行布置的像素的光學黑像素區域，各像素包含被遮光的光電轉換元件；復位控制單元，用於通過使地址前移而逐行控制在有效像素區域和光學黑像素區域的像素中的光電轉換元件中積累的電荷的復位操作；以及讀出控制單元，用於通過使地址前移而逐行控制來自有效像素區域和光學黑像素區域的像素的信號的讀出操作，其中，像素的電荷積累時段是從通過復位控制單元進行的光電轉換元件中積累的電荷的復位操作的結束直到通過讀出控制單元進行的來自像素的信號的讀出操作的開始的時段，所述讀出控制單元和所述復位控制單元進行控制，使得在有效像素區域中，從使地址前移到不讀出信號的像素行直到使地址前移到相鄰的像素行的時段的長度短於從使地址前移到從其讀出信號的像素行直到使地址前移到相鄰的像素行的時段的長度；以及，所述讀出控制單元和所述復位控制單元進行控制，使得在光學黑像素區域中，從使地址前移到像素行直到使地址前移到相鄰的像素行的時段的長度與有效像素區域中從使地址前移到從其讀出信號的像素行直到使地址前移到相鄰的像素行的時段的長度相同。本發明的第二方面提供一種固態成像裝置的驅動方法，該固態成像裝置包括包含沿多個行布置的像素的有效像素區域，各像素包含光電轉換元件；包含沿多個行布置的像素的光學黑像素區域，各像素包含被遮光的光電轉換元件，其中，像素的電荷積累時段是從光電轉換元件中積累的電荷的復位直到來自像素的信號的讀出的開始的時段，該方法包括以下步驟進行尋址(address)，使得在有效像素區域中，從尋址不從其讀出信號的像素行直到尋址相鄰的像素行的地址前進的時段的長度短於從尋址從其讀出信號的像素行直到尋址相鄰的像素行的地址前進的時段的長度；以及，進行尋址，使得在光學黑像素區域中，從尋址像素行直到尋址相鄰的像素行的地址前進的時段的長度與有效像素區域中從尋址從其讀出信號的像素行直到尋址相鄰的像素行的地址前進的時段的長度相同。根據本發明，在間引有效像素以讀出所述有效像素而不間引OB像素時，即使縮短所有像素的總讀出時間，也能夠使得積累時段相等。由參照附圖對示例性實施例的以下描述，本發明的進一步的特徵將變得明顯。
圖I是示出根據第一實施例的固態成像裝置的示意圖。圖2是用於示出根據第一實施例的固態成像裝置的驅動的時序圖。圖3是用於示出根據第一實施例的 固態成像裝置的驅動的比較例的時序圖。圖4是示出根據第一實施例的垂直掃描電路的配置例子的示圖。圖5是用於示出根據第二實施例的固態成像裝置的驅動的時序圖。圖6是示出根據第二實施例的垂直掃描電路的配置例子的示圖。圖7是示出根據第三實施例的固態成像裝置的示意圖。圖8是用於示出第三實施例的固態成像裝置的驅動的時序圖。圖9是示出根據第四實施例的成像系統的示意圖。圖10是示出像素的配置例子的示圖。圖11是示出圖10的像素的驅動的時序圖。圖12是示出像素的另一配置例子的示圖。圖13是示出圖12的像素的驅動的時序圖。圖14是OB像素區域和有效像素區域由相同的驅動圖案驅動並且跳過行的讀出時間和讀出行的讀出時間被設為相同的情況下的時序圖。
具體實施例方式(第一實施例)將參照圖I、圖2和圖3描述本發明的第一實施例。圖I是示意地示出固態成像裝置的配置的一部分的示意圖。固態成像裝置100包含像素區域01、水平掃描電路06和垂直掃描電路07。像素區域01包含布置有由半色調點網示出的多行光學黑像素(以下稱為OB像素)的光學黑像素區域(以下稱為OB像素區域
02);和布置有由白底示出的多行有效像素的有效像素區域03。OB像素被遮光，以便防止光電轉換元件將入射光轉換成電荷。垂直掃描電路07包含作為每行掃描OB像素的第一復位控制電路單元和第一讀出控制電路單元的垂直掃描電路I (04);以及作為每行掃描有效像素的第二復位控制電路單元和第二讀出控制電路單元的垂直掃描電路2(05)。垂直掃描電路I和2被配置為能夠在相互不同的定時使要被掃描的行的地址前移。在本實施例中，示出這樣的情況使用具有由包含四行OB像素的OB像素區域02和包含12行有效像素的有效像素區域03組成的像素區域01的固態成像裝置100，且OB像素區域02中的所有OB像素被讀出，有效像素區域03中的有效像素每三行被讀出。在圖I中，要被讀出的像素由ο標記，要被跳過的像素即在不執行讀出信號的操作而執行使地址前移到下一行的地址處的像素由X標記。並且，在圖I中，在有效像素區域03的各自行的左側也存在OB像素區域02中的OB像素。提供這些OB像素以便校正各自行的變化，並且，由於按照行來控制像素區域01，因此與有效像素區域03中的像素類似地驅動這些OB像素。以下，將不考慮提供在有效像素區域03的各自行的左側的OB像素，並且，對於OB像素區域02將考慮只包含OB像素的行。圖2是用於執行圖I中所示的讀出方法的操作模式的讀出方法的解釋性圖。其橫坐標軸表示時間t，其縱坐標軸表示要被讀出的像素行的位置，所述位置與圖I中所示的行的位置對應。在圖2中，還示出要用於垂直掃描電路I (04)的驅動脈衝的對於OB像素區域02的驅動脈衝φ 、和要用於垂直掃描電路2(05)的驅動脈衝的對於有效像素區域03的驅動脈衝φ2。雖然在圖2中僅由線示出驅動脈衝的上升定時，但在實際的實施中脈衝具有時間寬度。垂直掃描電路I和2被配置為響應驅動脈衝的上升而發送要被掃描的行，即，使地址前移。電荷積累時段的控制由電子快門操作執行。圖2示出OB像素行讀出時段39、有效像素行讀出時段40、有效像素行跳過時段41、OB像素行復位時段42和有效像素行復位時段43。圖2的操作模式將從開始讀出OB像素區域02的第一行到結束讀出有效像素區域
03的最後行(圖2中的最後的有效像素行跳過時段41的結束)的時段設為一幀讀出時段，並且，基於對於一幀讀出時段而讀出的信號形成用於一個屏幕的圖像。 現在詳細描述本實施例的操作。首先，在時間t0從像素區域01的第一行開始像素的復位操作，然後，響應垂直掃描電路I和2的驅動脈衝使要被復位的行移動。在圖2中，在作為復位掃描的滾動快門復位使地址從OB像素區域O2中的第四行前移到有效像素區域
03中的第一行時的定時，作為讀出掃描的像素讀出從OB像素區域02中的第一行開始。已知的是，從各行的像素的復位的結束到像素的讀出的開始的時段即電荷積累時段(積累時段)是恆定的。順便說一句，在本實施例中，像素的復位操作被假定為表示光電轉換元件中積累的電荷的復位操作。作為比較例，圖3示出這樣的情況下的時序圖用相同的驅動脈衝圖案來驅動垂直掃描電路I和垂直掃描電路2，並且，與有效像素行讀出時段40中的每一個相比縮短有效像素行跳過時段41中的每一個。在圖2中，有效像素行跳過時段41中的每一個具有與有效像素行讀出時段40中的每一個相同的長度，但在圖3中，垂直掃描電路I和2由相同的驅動脈衝圖案驅動，並且有效像素行跳過時段41中的每一個比有效像素行讀出時段40中的每一個短。因此，圖3的一幀讀出時段變得比圖2的短，並且，例如在運動圖像的情況下成像巾貞速率得到改善。但是，由於一般通過將用於多行OB像素的信號平均化而降低噪聲，因此需要讀出所有的OB像素而不跳過它們。檢查了用相同的驅動脈衝圖案來驅動OB像素區域02和有效像素區域03的情況。如果假定讀出所有的OB像素行而執行驅動，那麼，在與OB像素行讀出時段39中的一個相同的定時執行的有效像素行復位時段43中的一個，與OB像素行讀出時段39是相同的長度，而不管是否從該行讀出信號或者是否使地址前移而不讀出任何信號。另一方面，在與有效像素行跳過時段41中的一個相同的定時執行的OB像素行復位時段42中的一個或有效像素行復位時段43中的一個，根據有效像素行跳過時段41而變得較短。因此，作為由圖3中的從時間tl到時間t2的時段示出的電荷積累時段的積累時段，變得與由從時間t3到時間t4的時段示出的積累時段不同(在這種情況下，(t2-tl)> (t4-t3))。如果基於從電荷積累時段不同的像素讀出的信號而形成圖像，那麼例如在屏幕中亮度變得不同，特別是如果電荷積累時段按照線控制，那麼可以設想產生條紋輝度陰影(streaky luminanceshading)。在圖4中示出根據本實施例的垂直掃描電路07的配置例子。垂直掃描電路07的各級由D觸發器(flip_flop)9至15組成。觸發器9至12各響應作為控制信號的垂直掃描信號I (16)的輸入而移動到下一級,並且,觸發器13至15各響應作為控制信號的垂直掃描信號2 (17)的輸入而移動到下一級。由於以這種方式配置垂直掃描電路07，因此與垂直掃描電路I對應的前面的部分中的D觸發器9至12以及與垂直掃描電路2對應的後面的部分中的D觸發器13至15可以以相互不同的驅動圖案來掃描像素。圖4還示出垂直掃描開始信號18和垂直選擇信號19。垂直掃描電路07的使用使得能夠在OB像素區域02中和有效像素區域03中之間改變使地址前移的定時，結果，能夠使得各行的積累時段恆定。雖然這裡作為一個例子垂直掃描電路07被示為構成由D觸發器9至15組成的移位寄存器，但是能夠通過使用計時的逆變器(clocked inverter)等配置垂直掃描電路07以獲得相同的效果。並且，雖然為了簡化圖4僅示出用於執行七行的輸出的部分，但是實際 上存在與像素區域01中的所有行對應的輸出。雖然在本實施例中第一復位控制電路單元和第一讀出控制電路單元、以及第二復位控制電路單元和第二讀出控制電路單元被相互組合為一體，但是它們可被配置為相互獨立。例如，如果第一復位控制電路單元和第一讀出控制電路單元被獨立配置，那麼第一復位控制電路單元和第一讀出控制電路單元可分別基於復位控制信號和讀出控制信號而產生上述的驅動脈衝。這同樣能夠適用於第二復位控制電路單元和第二讀出控制電路單元。並且，可以說，這同樣適用於後面將描述的其它實施例。通過如上所述用相互不同的驅動脈衝圖案來掃描OB像素區域02和有效像素區域03，能夠獲得以下優點。即，當垂直掃描電路I在不間引的情況下讀出OB像素區域02並且垂直掃描電路2間引有效像素區域03以讀出所述區域03中的像素時，即使垂直掃描電路2縮短用於對不從其讀出信號的像素行尋址的時段，也變得能在縮短一幀的同時使得電荷積累時段在要被讀出的各行中均一。(第二實施例)將參照圖I和圖5描述根據本發明的第二實施例。圖5是示出根據本發明的本實施例的驅動定時的時序圖，並且，與圖2中共同的項目由與圖2中相同的附圖標記表示。本實施例使用OB像素區域02的驅動脈衝φ3即垂直掃描電路I的驅動脈7彳φ3、和有效像素區域03的驅動脈衝φ4即垂直掃描電路2的驅動脈衝φ4。本實施例對於OB像素區域02中的復位和讀出時段中的每一個提供積累調整時段22。這能夠使得通過垂直掃描電路I使OB像素區域02中的掃描行的地址前移的定時與通過垂直掃描電路2使有效像素區域03中的掃描行的地址前移的定時一致。在圖5中，積累調整時段22的長度被設為與有效像素行跳過時段41的兩行一致。即，積累調整時段22與OB像素行讀出時段39中的每一個的和、或者積累調整時段22與OB像素行復位時段42中的每一個的和對應於有效像素行讀出時段40中的每一個與有效像素行跳過時段41的兩行的時段的和。換句話說，要求積累調整時段22的長度與使地址由從其讀出信號的像素行前移到從其讀出信號的下一像素行的時段相同，而從其不讀出信號的像素行被放在從其讀出信號的兩個像素行之間。但是，實際上存在難以使得兩個時段完全相同的情況，於是，如果在兩個時段之間的差異不能夠在由讀出信號形成的圖像中被識別的範圍內兩個時段基本上相同，那麼不會出現問題。通過垂直掃描電路I以這種方式提供積累調整時段22使得OB像素區域02中的掃描行的地址前移，能夠使得各行的電荷積累時段均一。因此，第二實施例使得即使縮短用於使跳過行復位的時段，也能夠進行縮短讀出一幀的時段的驅動，而不相互區分各行上的電荷積累時段。在圖6中示出根據本實施例的垂直掃描電路07的配置例子。 垂直掃描電路07的各級由D觸發器23至29中的每一個組成。觸發器23至26各響應從垂直掃描信號30和掩蔽信號(mask signal) 31產生的OB像素區域02的驅動脈衝的輸入而移動到下一級，並且，觸發器27至29各響應作為控制信號的垂直掃描信號30的輸入而移動到下一級。由於以這種方式配置垂直掃描電路07，因此掩蔽信號31如圖6中所示的那樣在提供積累調整時段22的時段中取其高電平，因此，D觸發器23至26不輸出OB 像素區域02的任何驅動脈衝。由於以這種方式配置垂直掃描電路07，因此與垂直掃描電路I對應的前部分中的D觸發器23至26以及與垂直掃描電路2對應的後部分中的D觸發器27至29能夠以相互不同的驅動圖案掃描像素。垂直掃描電路07的使用使得能夠在OB像素區域02中的掃描行中和有效像素區域03中的掃描行中之間區分使地址前移的定時，結果，能夠使得各行的電荷積累時段恆定。並且，可以獲知，基於來自圖6的一個控制信號而產生要供給到像素的驅動脈衝。雖然作為一個例子垂直掃描電路07被示為由D觸發器23至29組成的移位寄存器，但是，能夠通過使用計時的逆變器等配置垂直掃描電路07以獲得相同的效果。並且，雖然為了簡化圖6僅示出用於執行七行的輸出的部分，但在實際的實施中存在與像素區域01中的所有行對應的輸出。如上所述，積累調整時段22的提供使得能夠通過在OB像素區域02中和在有效像素區域03中相互不同的驅動脈衝圖案使要被掃描的行的地址前移。由此，當垂直掃描電路I在不間引像素的情況下讀出OB像素區域02並且垂直掃描電路2間引有效像素區域03以讀出區域03中的像素時，即使垂直掃描電路2縮短用於對不從其讀出信號的像素行尋址的時段，也允許電荷積累時段在各行中均一。(第三實施例)將參照圖7和圖8描述本發明的第三實施例。圖7是示意性地示出本實施例的固態成像裝置的配置的一部分的示意圖。與圖I相同的組件由與圖I相同的附圖標記表示。在本實施例中，將描述以下情況在OB像素區域02中沿垂直方向彼此相鄰的兩行即每兩個像素被讀出以被彼此相加；在有效像素區域03中沿垂直方向彼此相鄰的兩行即每兩個像素被讀出以被彼此相加；並且，有效像素區域03中的兩組的兩個讀出像素行之間的四行被跳過。在圖7中，要被讀出的像素由ο標記，處於不執行讀出信號的操作且僅執行使地址前移到下一行的地址處的像素由X標記。並且，在圖7中，在有效像素區域03的各自行的左側也存在OB像素區域02中的OB像素。提供這些OB像素，以便校正各自行的變化，並且，由於像素區域01按照行來控制，因此與有效像素區域03中的像素類似地驅動這些OB像素。以下，將不考慮提供在有效像素區域03的各自行的左側的OB像素，並且，對於OB像素區域02將考慮只包含OB像素的行。圖8是用於執行圖7中所示的讀出方法的操作模式的讀出方法的解釋性圖。其橫坐標軸表示時間t，其縱坐標軸表示要被讀出的像素行的位置，所述位置與圖7中所示的行的位置對應。在圖8中，還示出要用於垂直掃描電路I的驅動脈衝的對於OB像素區域02的驅動脈衝φ5、和要用於垂直掃描電路2的驅動脈衝的對於有效像素區域03的驅動脈衝φ6。雖然在圖8中僅由線示出驅動脈衝的上升定時，但在實際的實施中脈衝具有時間寬度。垂直掃描電路I和2被配置為響應驅動脈衝的上升而使要被掃描的行移動。在本實施例中，首先，在時間t0從像素區域01的第一行開始像素的復位操作，然後，響應垂直掃描電路I和2的驅動脈衝使要被復位的行的地址前移。在圖8中，在作為復位掃描的滾動快門復位使地址從OB像素區域02中的第二行前移到OB像素區域02中的第三行時的定時，作為讀出掃描的像素讀出從OB像素區域02中的第一行開始。已知的是，從各行的像素的復位的結束到像素的讀出的開始的時段即電荷積累時段是恆定的。 在讀出掃描中，用於兩行的信號被依次輸出並在固態成像裝置中的任何部分中被彼此相加。例如，可以設想提供至少兩行的保持從各行中的像素讀出的信號的線存儲器，並且，保持在線存儲器中的信號被彼此相加以被輸出到固態成像裝置的外面。在本實施例中，用於連續兩行的信號被依次讀出以在固態成像裝置中的任何部分中被彼此相加，並且，用於隨後四行的信號不被讀出且地址被前移。此時，與復位掃描類似地提供積累調整時段22，以使得使光學黑像素行中的掃描行移動的定時與使從其讀出信號的有效像素行中的掃描行移動的定時一致。可以獲知，如圖8中的積累時段所示的那樣，使得作為各行中從復位到讀出的時段的信號積累時段均一。如上所述，根據本實施例，即使執行諸如OB像素區域02中的兩個像素相加以及有效像素區域03中的兩行相加和四行跳過的複雜操作，也能夠使得各行中的信號積累時段均一。順便說一句，對於垂直掃描電路07的配置的類型，如在第一實施例中描述的將不同的驅動脈衝輸入到固態成像裝置中的類型以及如在第二實施例中描述的從掩蔽信號產生驅動脈衝的類型中的任一個都能夠獲得本實施例的前述優點。如上所述，通過提供積累調整時段22，能夠通過由OB像素區域02中和有效像素區域03中相互不同的驅動脈衝圖案使要被掃描的行的地址前移，而獲得以下優點。即，當垂直掃描電路I在不間引區域02中的行的情況下讀出OB像素區域02並且垂直掃描電路2通過間引區域03中的行讀出有效像素區域03中的像素時，即使垂直掃描電路2縮短讀出跳過行的時間，也變得能使信號積累時段在各行中均一，且縮短一幀的讀出時間。(第四實施例)下面，將參照圖9描述根據本實施例的成像系統的概況。成像系統200包含例如光學單元110、固態成像裝置120、信號處理電路130、記錄和通信單元140、定時控制電路單元150、系統控制電路單元160、以及再現和顯示單元170。作為諸如鏡頭的光學系統的光學單元110通過在固態成像裝置120的其中二維布置多個像素的像素單元上執行來自對象的光的圖像形成，而形成所述對象的圖像。像素單元包含上述的有效像素區域03。固態成像裝置120在基於來自定時控制電路單元150的信號的定時，輸出根據形成為像素單元上的圖像的光的信號。從固態成像裝置120輸出的信號被輸入到作為信號處理單元的信號處理電路130中，並且，信號處理電路130根據由程序等限定的方法對於輸入的電信號執行諸如AD轉換的處理。通過信號處理電路130的處理獲得的信號作為圖像數據被傳送到記錄和通信單元140。記錄和通信單元140將用於形成圖像的信號傳送到再現和顯示單元170，並使再現和顯示單元170再現和顯示運動圖像或靜態圖像。記錄和通信單元140還從信號處理電路130接收信號，以執行與系統控制電路單元160的通信，以及執行在未示出的記錄介質上記錄用於形成圖像的信號的操作。系統控制電路單元160集體控制成像系統的操作，並控制光學單元110、定時控制電路單元150、記錄和通信單元140、以及再現和顯示單元170的驅動。並且，系統控制電路單元160配備有例如未示出的作為記錄介質的記錄器件，並記錄用於 控制成像系統的操作所必需的程序。定時控制電路單元150基於作為控制單元的系統控制電路單元160的控制，控制固態成像裝置120和信號處理電路130的驅動定時。(其它)在本發明中，像素的配置不是特別要緊。在圖10中示出配置的例子。該配置包含光電二極體32，其作為光電轉換元件；放大電晶體35，通過作為其主電極的放大電晶體35的源極向垂直輸出線36輸出根據作為其控制電極的其柵極處的電勢的信號；傳送電晶體33,用於向放大電晶體35的柵極傳送在光電二極體32中產生的電荷；復位電晶體34,用於將放大電晶體35的柵極和光電二極體32復位；以及選擇電晶體38，用於選擇行。能夠用選擇電晶體38將所選擇的行的信號從圖10中所示的像素取出到垂直輸出線36。在圖11中示出讀出像素中的具體操作定時。選擇信號PSEL被供給到選擇電晶體38,並且,在選擇信號PSEL處於其高電平時的時段期間，放大電晶體35和對於垂直輸出線36提供的未示出的恆流源構成源跟隨器電路。復位信號PRES被供給到復位電晶體34。作為其柵極的放大電晶體35的浮動擴散(FD)部分在選擇信號PSEL和復位信號PRES均是它們的高電平時的時段期間被復位，並且，在垂直輸出線36上出現根據此時的放大電晶體35的柵極電勢的電勢。在復位信號PRES變為其低電平之後，被供給到傳送電晶體33的傳送信號PTX變為其高電平，並且，傳送電晶體33從其非導電狀態切換到其導電狀態。在光電二極體32中積累的電荷由此被傳送到FD部分，並且，在垂直輸出線36上出現根據FD部分的電勢的電勢。此後，傳送信號PTX變為其低電平，隨後選擇信號PSEL轉變到其低電平。由此，完成讀出操作。順便說一句，雖然這裡已描述了讀出信號的操作，但是，如果執行復位掃描，那麼復位信號PRES和傳送信號PTX同時變為它們的高電平，由此允許將光電二極體32中積累的電荷復位。下面，在圖12中示出用於在兩個光電二極體之間共享FD部分的所謂二像素共享的配置例子。與圖10相同的組件由與圖10相同的附圖標記表示，並且將省略對它們的描述。順便說一句，如圖10中那樣，對於垂直輸出線36提供與放大電晶體35 —起構成源跟隨器的未示出的恆流源。為了在圖12的像素中選擇從其讀出信號的行，所選擇的行的FD部分被設為高電勢，未選擇的行的其它H)部分被設為低電勢。由此允許所選擇的行上的放大電晶體35被導通，並且未選擇的行上的放大電晶體35被斷開。所選擇的行的信號能夠由此被取出到垂直輸出線36。由於存在兩個光電二極體，因此該配置可被視為兩個像素。由於放大電晶體35和復位電晶體34被共享，因此每個像素的電晶體的數量減少，因此該配置具有改善像素的開口率的優點。順便說一句，雖然這裡已示出了用於在兩個光電二極體之間共享FD部分的所謂二像素共享類型電路，但是，可以使用用於在四個光電二極體之間共享FD部分的四像素共享類型電路和用於在其它數量的光電二極體之間共享FD部分的其它共享類型配置。在圖13中示出執行讀出掃描時的具體定時。圖13的上部表示從其讀出信號的選擇像素的操作，圖13的下部表示不從其讀出信號的未選擇像素的操作。在圖13中，電壓VRES被供給到圖12中的電路的端子VRES。信號PRES_sel被供給到所選擇的行上的像素中的復位電晶體34，並且，信號PRES_notsel被供給到未選擇的行上的像素中的復位電晶體34。並且，傳送信號PTXl和PTX2分別被供給到傳送電晶體33-1和33_2。首先，信號PRES_sel和PRES_notsel在時間tl處分別對於所選擇的行和未選擇的行變為它們的高電平，並且，從端子VRES供給的電壓被切換為低電平(以下稱為電平VRES_L)。由此，所選擇的行和未選擇的行的FD部分均變為電平VRES_L，並且，放大電晶體 35被斷開。在時間t2處，信號PRES_notsel變為低電平，並且，FD部分與電源端子VRES分開。同時，從端子VRES供給的信號被切換為高電平(以下稱為電平VRES_H)。此時，由於信號PRES_sel為高電平，因此所選擇的行上的放大電晶體35被導通。因此，所選擇的行上的像素變為能夠讀出在像素中帶電的信號的狀態。在時間t3處，傳送信號PTXl變為高電平，然後，在光電二極體32-1中積累的電荷被傳送到FD部分，並且，在垂直輸出線36上出現根據電荷量的電勢。在從時間t4到時間t6的時段中，重複與從時間tl到時間t3的時段中的操作類似的操作，但是，從時間t4到時間t6的時段中的操作與從時間tl到時間t3的時段中的操作的不同之處在於，傳送信號PTX2在時間t6處變為高電平。順便說一句，在未選擇的行上，傳送信號PTXl和PTX2保持為低電平。並且，如果光電二極體32-1和32-2被復位，那麼執行同時將要供給到復位電晶體34以及傳送電晶體33-1和33-2的信號變為高電平的操作。通過上述的操作，能夠執行從二像素共享類型像素讀取信號的操作。這裡示出的定時是示例性定時，並且，本發明的定時不限於該定時。雖然在上述的實施例中不從其讀出信號的像素行上的光電轉換元件也被復位，但是，可以不對這些像素行執行復位操作，並且，可僅對這些行執行使地址前移，以實現進一步的加速。但是，在這種情況下，不執行復位和讀出，因此，存在光電轉換元件中積累的電荷溢出以洩露到周圍的像素中的可能性。因此，從圖像質量的觀點看，優選還將不從其讀出信號的像素復位。雖然已參照示例性實施例描述了本發明，但應理解，本發明不限於公開的示例性實施例。以下的權利要求的範圍應被賦予最寬的解釋，以包含所有這樣的修改以及等同的結構和功能。
權利要求
1.一種固態成像裝置，包括 包含沿多個行布置的像素的光學黑像素區域； 包含沿多個行布置的像素的有效像素區域；以及 控制單元， 所述控制單元並行地執行所述光學黑像素區域和所述有效像素區域的復位掃描以及所述光學黑像素區域和所述有效像素區域的讀出掃描，以及 所述控制單元對讀出進行控制，使得從其讀出信號的所述有效像素區域的像素的密度低於從其讀出信號的所述光學黑像素區域的像素的密度， 其中，所述控制單元對復位和讀出進行控制，使得所述光學黑像素區域中的像素的積累時段的長度等於所述有效像素區域中的像素的積累時段的長度。
2.根據權利要求I的固態成像裝置，其中 所述控制單元包括用於復位掃描的復位控制單元、以及用於執行讀出掃描以對讀出進行控制的讀出控制單元， 所述復位控制單元具有第一復位控制單元和第二復位控制單元，所述第一復位控制單元用於供給用於控制所述光學黑像素區域中的像素的光電轉換元件的復位的驅動脈衝，所述第二復位控制單元用於供給用於控制所述有效像素區域中的像素的光電轉換元件的復位的驅動脈衝， 由所述第一復位控制單元供給到所述光學黑像素區域中的像素的驅動脈衝和由所述第二復位控制單元供給到所述有效像素區域中的像素的驅動脈衝分別基於相互不同的復位控制信號而產生， 所述讀出控制單元具有第一讀出控制單元和第二讀出控制單元，所述第一讀出控制單元用於供給用於控制來自所述光學黑像素區域中的像素的信號的讀出的驅動脈衝，所述第二讀出控制單元用於供給用於控制來自所述有效像素區域中的像素的信號的讀出的驅動脈衝，以及 由所述第一讀出控制單元供給到所述光學黑像素區域中的像素的驅動脈衝和由所述第二讀出控制單元供給到所述有效像素區域中的像素的驅動脈衝分別基於相互不同的讀出控制信號而產生。
3.根據權利要求I的固態成像裝置，其中 所述控制單元包括用於復位掃描的復位控制單元、以及用於執行讀出掃描以對讀出進行控制的讀出控制單元， 所述復位控制單元具有第一復位控制單元和第二復位控制單元，所述第一復位控制單元用於供給用於控制所述光學黑像素區域中的像素的光電轉換元件的復位的驅動脈衝，所述第二復位控制單元用於供給用於控制所述有效像素區域中的像素的光電轉換元件的復位的驅動脈衝， 由所述第一復位控制單元供給到所述光學黑像素區域中的像素的驅動脈衝和由所述第二復位控制單元供給到所述有效像素區域中的像素的驅動脈衝基於共用的復位控制信號而產生， 所述讀出控制單元具有第一讀出控制單元和第二讀出控制單元，所述第一讀出控制單元用於供給用於控制來自所述光學黑像素區域中的像素的信號的讀出的驅動脈衝，所述第二讀出控制單元用於供給用於控制來自所述有效像素區域中的像素的信號的讀出的驅動脈衝，以及 由所述第一讀出控制單元供給到所述光學黑像素區域中的像素的驅動脈衝和由所述第二讀出控制單元供給到所述有效像素區域中的像素的驅動脈衝基於共用的讀出控制信號而產生。
4.根據權利要求I的固態成像裝置，其中 像素還包含放大電晶體和傳送電晶體，所述放大電晶體具有主電極和接收在光電轉換元件中積累的電荷的控制電極，從所述主電極讀取信號，所述傳送電晶體在光電轉換元件和所述放大電晶體的控制電極之間的電路徑的連續性和不連續性之間切換，以及 所述放大電晶體是對於多個像素共同提供的。
5.根據權利要求I的固態成像裝置，其中 所述控制單元包括用於復位掃描的復位控制單元、以及用於執行讀出掃描以對讀出進行控制的讀出控制單元，以及 所述復位控制單元和所述讀出控制單元在從尋址所述光學黑像素區域中的像素行直到尋址所述光學黑像素區域中的所述像素行的相鄰像素行的地址前進的時段內具有積累調整時段。
6.根據權利要求5的固態成像裝置，其中 所述積累調整時段的長度等於將地址由從其讀出信號的像素行前移到從其讀出信號的下一像素行的時段，而從其不讀出信號的像素行被放在從其讀出信號的像素行與從其讀出信號的下一像素行之間。
7.根據權利要求I的固態成像裝置，其中 所述控制單元包括用於復位掃描的復位控制單元、以及用於執行讀出掃描以對讀出進行控制的讀出控制單元， 像素的電荷積累時段是從由所述復位控制單元進行的光電轉換元件中積累的電荷的復位操作的結束直到由所述讀出控制單元進行的來自像素的信號的讀出操作的開始的時段，以及 所述電荷積累時段由電子快門控制。
8.根據權利要求I或4的固態成像裝置，其中 所述有效像素區域還在各行包含被遮光的光電轉換元件， 所述控制單元包括用於復位掃描的復位控制單元、以及用於執行讀出掃描以對讀出進行控制的讀出控制單元，以及 所述復位控制單元和所述讀出控制單元中的每一個在與所述有效像素區域中的其它像素的定時相同的定時，控制包含所述被遮光的光電轉換元件的像素。
9.根據權利要求5或6的固態成像裝置，其中 所述積累調整時段由電子快門控制。
10.根據權利要求2-3以及5-7中任一項的固態成像裝置，其中 所述有效像素區域還在各行包含被遮光的光電轉換元件，以及 所述復位控制單元和所述讀出控制單元中的每一個在與所述有效像素區域中的其它像素的定時相同的定時，控制包含所述被遮光的光電轉換元件的像素。
11.一種成像系統，包括 根據權利要求I至7中任一項的固態成像裝置； 用於在所述固態成像裝置的像素區域上形成圖像的光學系統；以及 用於通過處理從所述固態成像裝置輸出的信號而產生圖像數據的信號處理單元。
12.一種固態成像裝置的驅動方法，所述固態成像裝置包括光學黑像素區域和有效像素區域，所述光學黑像素區域包含沿多個行布置的像素，所述有效像素區域包含沿多個行布置的像素，所述驅動方法包括以下步驟 並行地執行所述光學黑像素區域和所述有效像素區域的復位掃描以及所述光學黑像素區域和所述有效像素區域的讀出掃描；以及 對讀出進行控制，使得從其讀出信號的所述有效像素區域的像素的密度低於從其讀出信號的所述光學黑像素區域的像素的密度， 其中，在所述執行的步驟和所述控制的步驟中，所述光學黑像素區域中的像素的積累時段的長度等於所述有效像素區域中的像素的積累時段的長度。
13.根據權利要求12的固態成像裝置的驅動方法，其中 在從尋址所述光學黑像素區域中的像素行直到尋址所述光學黑像素區域中的所述像素行的相鄰像素行的地址前進的時段內，提供積累調整時段。
14.根據權利要求13的固態成像裝置的驅動方法，其中 所述積累調整時段等於將地址由從其讀出信號的像素行前移到從其讀出信號的下一像素行的時段，而從其不讀出信號的像素行被放在從其讀出信號的像素行與從其讀出信號的下一像素行之間。
全文摘要
本發明涉及固態成像裝置、成像系統和固態成像裝置的驅動方法。所述固態成像裝置包括包含沿多個行布置的像素的光學黑像素區域；包含沿多個行布置的像素的有效像素區域；以及控制單元，所述控制單元並行地執行所述光學黑像素區域和所述有效像素區域的復位掃描以及所述光學黑像素區域和所述有效像素區域的讀出掃描，以及所述控制單元對讀出進行控制，使得從其讀出信號的所述有效像素區域的像素的密度低於從其讀出信號的所述光學黑像素區域的像素的密度。其中，所述控制單元對復位和讀出進行控制，使得所述光學黑像素區域中的像素的積累時段的長度等於所述有效像素區域中的像素的積累時段的長度。
文檔編號H04N5/374GK102883114SQ20121034710
公開日2013年1月16日 申請日期2009年1月9日 優先權日2008年1月10日
發明者野田智之, 藤村大, 竹中真太郎, 園田一博 申請人:佳能株式會社