固态成像装置、用于固态成像装置的方法、成像方法和成像器的制作方法

专利名称：固态成像装置、用于固态成像装置的方法、成像方法和成像器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种固态图像传感器、固态图像传感器的驱动方法、图像拾取方法和图像拾取器件。
背景技术：
传统上，CCD(电荷耦合器件)广泛地被用作图像拾取器件的电荷转移单元。当CCD用于图像拾取器件时，布置了与水平像素的数量大致相同数量的垂直CCD和一个水平CCD，并且从在每个像素中布置的光电转换器向所述垂直CCD、水平CCD和输出单元转移电荷。
后来，由于对于在摄像机和其他器件中的图像的小型化和高分辨率的要求，试图增加在相同的光学尺寸中的像素的数量，以便改善图像拾取器件的画面分辨率。但是，当增加像素数量时，读出时间不可避免地提高。相反，当在相同的时段期间读出所有的像素时，用于读出的时钟频率必然提高，因为必须在所述相同时段中读出的信号数量增加。
图17示出了传统的CCD固态图像传感器。图17所示的CCD固态图像传感器1是线间方法，多个光电二极管(光电导单元)——每个对应于像素3——在垂直(列)方向和水平(行)方向上以二维矩阵形状被布置在图像拾取区域2中。而且，在图像拾取区域2中，对于光电二极管4的各个列提供了多个垂直CCD，它们通过读出栅8垂直地转移从每个光电二极管4读出的信号电荷e。
而且，在附图的左右方向上延伸的水平CCD 6提供作为靠近在垂直CCD5的多个列的转移方向上每个端部即靠近其最后一行的一条线。在水平CCD 6的转移方向上的端部分(在附图的左侧)中提供由例如一个浮动扩散放大器FDA组成的电荷检测单元7。电荷检测单元7将从水平CCD 6依次输入的信号电荷转换为像素信号电压以输出。通过以时间序列来输出像素信号来获得图像信号S。
图18是用于驱动传统的固态图像传感器1的转移脉冲的时序图的示意图。通过读出栅8向垂直CCD 5读出通过与在图像拾取区域2中的像素3对应的光电二极管4中的光电转换获得的信号电荷。被例如用于四相位驱动器的垂直转移脉冲φV1到φV4驱动的垂直CCD 5使用多个行并列地向水平CCD 6转移向垂直CCD 5读出的信号电荷e。水平CCD 6由用于两相驱动器的水平转移脉冲φH1和φH2驱动，并且还向电荷检测单元7转移从垂直CCD5转移来的信号电荷e。因此，信号电荷e以时间序列转换为图像信号S，并且从电荷检测单元7输出。
此时，如图18所示，当比较在光电二极管4中获得的信号电荷e通过垂直CCD转移到水平CCD 6的时段和转移到水平CCD 6的信号电荷e通过水平CCD 6转移到电荷检测单元7的时段时，后者非常长。具体地说，通过水平CCD 6的转移速度来限制读出所有像素3的信号电荷e所需要的时间。即，水平CCD 6的时钟频率是在固态成像器件中最高的，并且其限制变为用于获得高密度像素的关键点之一。
而且，在相同的光学尺寸中的像素的数量的提高引起问题每个像素的传感器部分的面积降低，因此引起灵敏度下降的问题。
时钟频率上的限制和每个像素的灵敏度的降低是在CCD固态图像传感器中的像素数量的提高的限制因素，CCD固态图像传感器是最近的固态图像传感器的主流。下面具体地说明这个事实。
作为其中降低水平CCD的时钟频率的读出方法，已经设计了主要两种方法。第一种方法是在例如日本专利第2785782号中和日本公开专利申请2001-119010中提出的方法，其中固态图像传感器的传感器部分被划分为多个块，并且通过每个块的水平CCD来转移电荷。以下，第一种方法被称为“多个水平CCD读出方法”。
第二种方法是在例如日本公开专利申请H6-97414和日本专利第3057898号中提出的方法，其中对于每个垂直CCD提供诸如浮动扩散放大器FDA等的电荷检测单元，信号电荷在这个电荷检测单元中被转换为单元信号，并且每个垂直CCD的电压信号通过转换选择被依次输出到输出单元。以下，第二种方法被称为“扫描读出方法”。
在此，进一步建立上述的两种读出方法。首先建立所述“多个水平CCD读出方法”，水平CCD被划分为多个块，并且通过并行输出多个输出而明显改善数据率。因此，可以降低水平CCD的时钟频率。
但是，因为其中信号电荷被转换为像素信号的电荷检测单元被划分为多个部分，因此在由每个块输出的信号电平中出现密度不均匀，并且在块之间的接缝部分由于在被划分的电荷检测单元中的转换增益的差而变得不连续。因为整个图像被划分为多个块，因此，这种密度不均匀以粗条纹模式出现在图像上，并且所述条纹模式(密度不均匀)由于较低的频率而可见。
而且，所述读出方法基本上与传统的CCD类型的图像传感器保持不变，并且对于一个块执行串行输出。未来，为了补偿由高密度像素引起的灵敏度上的降低，使用其中彼此混合在同一线(行)中的相同颜色的信号的增加方法的信号补偿被认为是重要的，但是，所述“多个水平CCD读出方法”的图像信号的选择性极小，因为一般所述方法是串行输出的。因此，不可以信号校正来补偿由高密度像素引起的灵敏度的降低。
接着，当考虑所述“扫描读出方法”时，如在日本公开专利申请H6-97414中所示，对应于每列CCD或对应于多列CCD而提供诸如浮动扩散放大器FDA的电荷缓冲单元。在这种情况下，由在转换增益中的差引起的电荷检测单元中的密度不均匀由于较高的频率而变得在画面上不可见，它不是问题了，但是，在电荷检测单元之间的复位漂移(reset dispersion)却成了问题。为了消除复位散布，期望在例如电荷检测单元后提供CDS(相关双采样)电路。考虑CDS电路的大小(CDS电路的大部分是几个pF的电容量)，期望具有其中可以降低CDS电路的数量的方法。
在这种情况下，考虑这样两种方法。在第一种方法中，来自在每列CCD中提供的电检测单元的输出信号通过转换选择被输入到一个CDS电路；在第二种方法中，对应于多个列CCD而提供一个电荷检测单元，并且对于每个电荷检测单元提供一个CDS电路。
但是，虽然在第一种方法种CDS电路的数量降低，但是在CDS电路部分中的处理频率等于水平CCD的时钟频率，这变为对于高密度像素的一个问题。换句话说，高时钟频率的问题仅仅从水平CCD被转移到CDS电路。考虑到上述情况，更期望所述第二种方法，其中对应于多个列CCD而提供一个电荷检测单元。
但是，在所述第二种方法中，必须在垂直CCD和电荷检测单元之间提供选通栅VOG(读出栅)，它选择用于读出信号电荷的多个列CCD。当建立关于图19A所示的等同电路的“扫描读出方法”时，在垂直CCD和电荷检测单元之间提供选通栅是可能的，但是，当考虑实际模式时，到所述读出栅的选择导线的布线变为问题。
具体地说，如图19B所示，当四列CCD 11被分配到一个电荷检测单元12时，可以以引导到选通栅13A和13D的选择导线来形成外部列A和D的模式，但是，没有用于存在于中心的内部列B和C的空间，并且难于将通向以斜线示出的选通栅13B和13C的选择导线形成为实际模式(pattern)。可以考虑对于浮动扩散FD执行模式形成(patterning)，但是，在一次引起噪声发生的问题。
如上所述，通过提高像素密度而引起的灵敏度降低和水平CCD的时钟频率的降低的问题在传统的CCD固态图像传感器中仍然未解决。

发明内容
本发明旨在提供一种其中可以改善时钟频率和灵敏度的CCD固态图像传感器，一种用于驱动CCD固态图像传感器的方法和使用CCD固态图像传感器的图像拾取方法和图像拾取器件。
按照本发明的第一种固态图像传感器包括多个光电导单元，它们被布置在二维形状的行和列的每个方向上，并且它们通过接收光来获得信号电荷；列电荷转移单元，它在列方向上转移由光电导单元获得的信号电荷；电荷检测单元，它对于每多个相邻的列提供，并且将从列电荷转移单元转移的信号电荷转换为像素信号；伪电荷转移单元，它被布置在列电荷转移单元和电荷检测单元之间，其中对于多列的每个使得电荷转移的级的数量不同。
在上述的第一固态图像传感器中，期望与多个相邻列电荷转移单元共享用于垂直转移驱动器的电极。
而且，可以为每两个相邻的列提供电荷检测单元。在这种情况下，伪电荷转移单元使得当在相同行方向上的光电导单元的信号电荷到达电荷检测单元时、电荷转移的相位不同在电荷转移的所述多个级中反转的180度。
按照本发明的第二固态图像传感器包括多个光电导单元，它们被布置在二维形状的行和列的每个方向上，并且它们通过接收光来获得信号电荷；列电荷转移单元，它在列方向上转移由光电导单元获得的信号电荷；在每多个相邻的列提供的电荷检测单元，它将从列电荷转移单元转移的信号电荷转换为像素信号。而且，形成用于垂直转移驱动器的电极，以便在公共的垂直转移控制信号被施加到多个相邻的列的情况下，使得当在光电导单元中获得的在行方向上的相同位置的信号电荷达到电荷检测单元时的电荷转移的相位不同。
在按照本发明的第一或第二固态图像传感器中，电荷检测单元最好提供在信号电荷的输入侧上的浮动扩散(浮动扩散层)。而且在这种情况下，期望在输入侧上具有读出栅，它被多个相邻列共享以读出信号电荷。而且，可以与到用于其他相邻电荷检测单元的读出栅的布线共享到所述读出栅的布线。
因此，可以要求上述的第一和第二固态图像传感器被形成包括多个光电导单元、用于在列方向上转移由光电导单元获得的信号电荷的列电荷转移单元、对于每列提供的并且用于将由列电荷转移单元转移的信号电荷转换为像素信号的电荷检测单元；其中，当所述公共垂直转移控制信号被施加到多个相邻列时，电荷转移的相位当在由光电导单元获得的在行方向上相同位置的信号电荷达到电荷检测单元时不同。
然后，作为用于实现上述的具体装置，第一固态图像传感器使用伪电荷转移单元，其中电荷转移的级的数量不同，第二固态图像传感器使用这样的配置，其中对应地进行被施加了垂直转移控制信号(转移脉冲)的垂直转移电极的形成。
以与上述的第一和第二固态图像传感器不同的角度获得的、按照本发明的第三固态图像传感器包括多个光电导单元，它们被布置在二维形状的行和列的每个方向上，并且它们通过接收光来获得信号电荷；列电荷转移单元，它在列方向上转移由光电导单元获得的信号电荷；在每两个相邻的列提供的电荷检测单元，它将从列电荷转移单元转移的信号电荷转换为像素信号。而且，对于所述两个相邻列的每个，在电荷检测单元的电荷的输入端上独立地提供选通栅，以读出信号电荷。
在按照本发明的第一、第二和第三固态图像传感器中，每个电荷检测单元可以包括复位栅，它在将信号电荷转换为像素信号后被初始化。
或者，期望在电荷检测单元后提供差分检测单元，用于检测在像素信号中的没有信号电荷的输出和具有信号电荷的信号电平之间的差。
而且，期望提供用于在列方向上的多个相邻列的多个电荷检测单元，以多个相邻列作为一组，并且在所述多个电荷检测单元后提供水平扫描单元，用于选择和输出在行方向上以时间序列依次从所述多个电荷检测单元的每个输出的像素信号。
按照本发明的固态图像传感器的驱动方法是驱动按照本发明的第一、第二或第三固态图像传感器的驱动方法，其中相对于多个相邻列的像素信号每个被驱动来在列方向上的信号电荷的转移中以不同的相位输出。
而且，例如，在电荷检测单元包括用于读出信号电荷的选通栅和在将信号电荷转换为像素信号后要被初始化的复位栅的情况下，当选通栅关闭时，复位栅接通，以便可以依次读出多个相邻列。
按照本发明的图像拾取方法是这样的图像拾取方法，其中使用第一、第二或第三固态图像传感器来获得图像信号，并且首先，使用在列方向上的信号电荷的转移中的不同相位来获得相对于多个相邻列的像素信号。接着，通过在行方向上以时间序列依次选择所获得的像素信号来获得相对于每个不同相位的图像信号。最后，通过按照所述多个列的顺序来在行方向上重新布置图像信号的像素信号来获得在行方向上依次排列的图像信号。
按照本发明的图像拾取器件是用于使用第一、第二或第三固态图像传感器来获得图像信号的图像拾取器件，并且包括水平扫描单元，用于通过在行方向上以时间序列依次选择在列方向上的信号电荷的转移中以不同相位从固态图像传感器输出的像素信号而获得相对于每个不同相位的图像信号；行调整单元，用于通过按照所述多个列的顺序来在行方向上重新布置从水平扫描单元输出的图像信号的像素信号来获得在行方向上依次排列的图像信号。
对于第一固态图像传感器，向多个列分配一个电荷检测单元，并且在列电荷转移单元和电荷检测单元之间提供伪电荷转移单元。因此，可以与所述多个列共享各种电极和栅，诸如垂直转移电极和用于选通栅的电极。
对于第二固态图像传感器，向多个列分配一个电荷检测单元，并且形成用于垂直转移驱动器的电极，以便当在同一行中的光电导单元的信号电荷达到电荷检测单元时，电荷转移的相位相对于所述多个相邻列电荷转移单元不同。因此，可以相对于所述多个列来共享各种电极和栅，诸如垂直转移电极和用于选通栅的电极。
对于第三固态图像传感器，向每两个列分配一个电荷检测单元，并且对于所述两个列的每个，在电荷检测单元的信号电荷的输入端上独立地提供用于读出信号电荷的选通栅。因此，解决了向选通栅布线选择导线的问题。
在按照本发明的驱动方法中，相对于多个相邻列的像素信号被驱动以便以在垂直转移中以不同的相位输出。而且，按照本发明的图像拾取方法和图像拾取器件，通过以时间序列在行方向上依次选择在垂直转移中以不同相位获得的像素信号来相对于每个相位获得图像信号。然后，通过按照垂直列的排列顺序在行方向上重新布置像素信号，关于图像拾取区域的图像画面信息和图像信号被使得具有相同的布置。
如上所述，按照本发明的第一实施例的固态图像传感器(例如第一和第二固态图像传感器)被形成，以便在向一个电荷检测单元分配所述多个相邻列、使得向电荷检测单元的垂直转移的级的数量变得不同、设计电极的布置、调整驱动脉冲定时或执行其他操作后，使得当通过光电导单元获得的在行方向上的相位位置的信号电荷达到电荷检测单元时的电荷转移的相位不同。因此，不要求相对于多个列独立的提供选通栅VOG，并且在布线上的限制大大降低，可以保证用于诸如随后级的CDS电路的空间。
而且，在按照本发明的第二实施例的固态图像传感器(例如，第三固态图像传感器)中，即在其中所述两个列被分配到一个电荷检测单元并且独立地提供用于控制来自列的电荷转移的选择机构(选通栅)的配置中，虽然对于选通栅的布线的数量大于第一实施例，但是在中心部分中的用于选择木讷的布线空间不成为问题。
如上所述，在本发明的固态图像传感器中，因为通过使用用于各个列的公共垂直转移电极和通过使用用于所述多个列的公共选通栅来获得在水平方向上的信号以降低在布线上的限制和依次选择和在水平方向上重新布置在电荷检测单元中被转换的每列的像素信号，可以不使用在水平方向上的电荷转移单元(诸如水平CCD)而获得对应于信号电荷的图像信号。
因为未使用在水平方向上使用的电荷转移单元，因此可以解决当固态图像传感器的数量增加时水平时钟频率变为限制的问题。
因为可以通过每列来读出信号，因此可以使用相邻像素(或者相隔两个像素而定位的相同彩色像素)的信号来补偿由高密度像素引起的每个像素的灵敏度下降。


图1是示出使用按照本发明的CCD固态图像传感器的图像拾取器件的第一实施例的示意构成图；图2是示出按照本发明的第一实施例的CCD固态图像传感器的、在垂直CCD和读出处理单元之间的边界部分的附近的示意平面图；图3是示意地示出按照本发明的第一实施例的CCD固态图像传感器的、在垂直CCD和读出处理单元之间的边界部分的附近的剖视图；图4是按照本发明的第一实施例的CCD固态图像传感器的、用于驱动垂直CCD和伪垂直CCD的垂直转移脉冲φV1到φV6的时序图的示意图；图5是说明按照本发明的第一实施例的CCD固态图像传感器的、在由垂直CCD和伪垂直CCD构成的垂直转移电极和被施加到那里的垂直转移脉冲φV1到φV6之间的关系的图；图6是说明按照本发明的第一实施例的CCD固态图像传感器的、在用于驱动垂直CCD和伪垂直CCD的垂直转移脉冲φV1到φV6和电荷转移之间的关系的图；图7是垂直转移脉冲φV1到φV6的时序图的示意图，它说明通过改变垂直转移电极的布置而使得电荷转移进入相反相位的示例；图8A是示出在垂直转移电极和被施加到那里的垂直转移脉冲φV1到φV6之间的关系的图，用于说明通过改变垂直转移电极的捕获之来使得电荷转移进入相反相位的示例；图8B是在垂直转移电极上的模式形成的示意图；图9是说明在垂直转移脉冲和电荷转移之间的关系的图；图10A是示出在读出处理单元中用于一个单元的结构的第一示例的电路图；图10B是示出每个信号波形的图；图11是示出在读出处理单元中用于一个单元的结构的第二示例的电路图；图12A是示出包括与读出处理单元的后面的级连接的信号处理电路的图像拾取器件的整体配置的示例的方框图；图12B是示出其相关部分的方框图；图13是说明按照本发明的第一实施例的CCD固态图像传感器的第一修改示例的图；图14是说明按照本发明的第一实施例的CCD固态图像传感器的第二修改示例的图；图15是说明当通过四相驱动器来确定CCD固态图像传感器的第一实施例时的修改示例的图；图16A是说明本发明的第三实施例的CCD固态图像传感器的相关部分的电路图；图16B是其示意平面图；图17是示出传统的CCD固态图像传感器的构成图；图18是用于驱动传统的CCD固态图像传感器的转移脉冲的时序图的示意图；以及图19A是说明传统类型的“扫描读出方法”的问题的相关部分的电路图；图19B是其示意平面图。
具体实施例方式
以下，参照附图来详细说明本发明的实施例。
图1是示出使用按照本发明的CCD固态图像传感器的图像拾取器件的第一实施例、并且示出其中本发明被应用到线间转移方法的CCD区域传感器的情况的示意构成图。
如图1所示，图像拾取器件20包括CCD固态图像传感器40，它具有图像拾取区域100和读出处理单元200，读出处理单元200相对于图像拾取区域100被布置在附图中的下侧；以及外部电路30，用于驱动CCD固态图像传感器10。
所述外部电路30包括驱动电源70，用于向CCD固态图像传感器40提供期望的驱动电压，诸如漏极电压VDD、栅电压VGG或复位漏极电压VRD；定时产生器80(TG)，它产生各种脉冲信号，诸如垂直转移脉冲φV1到φV6、读出脉冲XSG、选通栅电压(固定电压)VOG、复位栅(reset gate)脉冲φRG、钳位脉冲CLP、用于驱动CCD固态图像传感器40的保持脉冲HP和其他脉冲、或相对于列选择脉冲产生器280的控制信号CNT等。
构成图像拾取器件20的CCD固态图像传感器40被形成使得由多个作为对应于像素(单元(unit cell))的传感器的一个示例的PN结光电二极管组成的光电导单元(传感器单元光电单元)被布置在二维矩阵形状中的垂直(列)方向和水平(行)方向上的半导体基底上。那些光电导单元120将从光接收表面进入的入射光转换为按照要存储的光量的信号电荷。
而且，在CCD固态图像传感器40中，提供了垂直CCD 140，它是列电荷转移单元的一个示例，具有与在光电导单元120的每列中的六相驱动器对应的多个垂直转移电极V1到V6(在这个实施例中为每单元6个)。所述垂直转移电极V1到V6相对于在图像拾取区域100中的相邻垂直CCD 130在附图中的行方向上几乎直线延伸，以便在同一行中的光电导单元120的信号电荷以相同的相位被转移到电荷检测单元210。
图像拾取区域100包括多个光电导单元120，它们以二维矩阵形状排列；多个垂直CCD 130，它们对于那些光电导单元120的每列提供，并且它们通过读出栅(在附图中未示出)垂直地转移从每个光电导单元120读出的信号电荷。
垂直转移电极V1到V6的每个在光电导单元120的每一个像素(换句话说，单元(unit cell))中在转移方向上设置一个重复单元。所述转移方向是在附图中的垂直方向，并且在这个方向上提供垂直CCD 130。而且，在那些垂直CCD 130和相应的光电导单元120之间存在读出栅部分(转移栅)ROG。而且，在每个单元的边界部分中提供沟道阻挡器(channel stop)(元件隔离层)CS。而且，读出处理单元200提供在接近多个列的垂直CCD 130的转移方向上的每个端部分、即接近垂直CCD 130的最后行。
从构成外部电路30的定时产生器80发送的读出脉冲XSG被施加到读出栅单元ROG的栅端子电极，以便在那个栅端子电极下的电势(potential)变得深，并且在每个光电导单元120中存储的信号电荷通过相关的读出栅单元ROG被读出到垂直CCD 130。被读出到垂直CCD 130的信号电荷沿着列被依次转移到读出处理单元200，并且固定定时的垂直转移脉冲φV1到φV6被施加到垂直转移电极V1到V6(称为六电极/六相驱动器)。
读出处理单元200包括电荷检测单元210，用于接收从垂直CCD 130依次输入的信号电荷，并且将其转换为电压信号；频带限制单元230，它用于限制由电荷检测单元210转换的电压信号的频率带宽；CDS处理单元250，它抑制在电荷检测单元210出现的复位噪声；列选择单元270，用于选择从CDS处理单元250输出的电压信号的列以输出。而且，读出处理单元200包括列选择脉冲产生器280，用于产生列选择脉冲(水平扫描脉冲)SP(n)，它限定在水平方向上的扫描，并且向列选择单元270提供结果。
在此，这个第一实施例其特征在于对于每两个相邻列提供电荷检测单元210、频带限制单元230、CDS处理单元250和列选择单元270。换句话说，对于在水平方向上的一组两个相邻列，电荷检测单元210和其他被分别对应地提供在图像拾取区域100中，其中并列地布置了多个像素线，包括由多个光电二极管组成的一个光电导单元120列和通过每个读出栅单元ROG连接到每个光电导单元120的一个垂直CCD 130。虽然在此使用其中两列被置于一组的示例，但是不特别限制到这个值，如在后面的其他实施例中所述。
在读出处理单元200中，电荷检测单元210在未示出的浮动扩散中存储从在图像拾取区域100中的垂直CCD 130依次输入的信号电荷，通过诸如未示出的源极跟随器类型的输出电路来将在选通栅电压VOG的控制下和从定时产生器80提供的复位栅脉冲φRG的控制下被转换为电压信号的信号电荷输出作为像素信号(CCD输出信号)。
在通过电荷检测单元210被转换为电压信号后，像素信号的频率带宽被频带限制单元230限制，然后，在电荷检测单元210中出现的复位噪声被CDS处理单元250抑制。当从列选择脉冲产生器280提供的列选择脉冲SP(n)有效时，列选择单元270向输出信号导线290输出来自CDS处理单元250的电压信号。
换句话说，在垂直方向上的奇数列和偶数列的每个的电压信号被列选择单元270在水平方向上依次选择，并且相对于所述奇数列和偶数列的每个被分别读出(通过时间共享)，以便获得相对于具有不同相位的所述奇数列和偶数列的每个的图像信号。即，按照本发明的水平扫描单元由画面再现装置270和列选择脉冲产生器280组成。
图2和3是示出在第一实施例中的CCD固态图像传感器40中的垂直CCD 130和读出处理单元200之间的边界部分附近的图。图2是示意平面图，图3是在列方向上的示意垂直剖面图。
如图所示，在垂直CCD 130的一侧上提供浮动扩散类型的放大器FDA，它是在电荷检测单元210之前的级。换句话说，放大器FDA包括选通栅VOG、作为N+区域的浮动扩散FD、复位栅导线RG、作为N+区域的复位漏极RD等。对应于垂直CCD 130的奇数列A、C、E、...和偶数列B、D、F、...的两个相邻列而分别提供一个电荷检测单元210。
在垂直CCD 130上形成多个垂直转移电极(在这个实施例中每一个像素6个垂直转移电极V1到V6)，并且在相应列之间形成沟道阻挡器CS，在这些列中提供未示出的光电导单元120和读出栅单元ROG。
在电荷检测单元210的选通栅VOG侧和在图像拾取区域100中的垂直CCD 130之间提供作为伪电荷转移单元的一个示例的伪垂直CCD 132。伪垂直CCD 132被覆盖遮光的涂层。对于伪垂直CCD 132的长度，即对于伪垂直转移电极的级的数量，奇数列具有对应于转移电极V1-V3的3个级，偶数列具有6个级V1-V6。换句话说，包括全部垂直CCD 130和伪垂直CCD 132的垂直CCD的长度(对应于电极的寄存器的级的数量)仅仅相差寄存器的3个级。
其中每个具有如下所述的定时的垂直转移脉冲φV1到φV6被公共地依次施加到垂直CCD 130的转移电极V1到V6和伪垂直CCD 132的转移电极V1到V6。
对于伪垂直CCD 132的长度，即对于伪垂直转移电极的级的数量，对于奇数列提供三个级V1-V3，对于偶数列提供六个级V1-V6。因此，即使相同的垂直转移脉冲φV1到φV6被施加到奇数列和偶数列，从垂直CCD 130到电荷检测单元210的信号电荷的转移相位(读出相位)被移相180度，并且电荷在不同的定时到达电荷检测单元210(在这个实施例中是浮动扩散FD)。
换句话说，改变连接到浮动扩散FD的伪垂直CCD 132的长度(电荷阱的级的数量)，并且通过当达到浮动扩散FD时在两列的垂直CCD 130之间将电荷转移相位移相180度，可以取代使用用于选择垂直CCD 130的每个垂直CCD的两个选通栅VOG而使用到浮动扩散FD的单个选通栅VOG来向一个浮动扩散FD转移两列的垂直CCD 130的信号电荷。结果，与传统类型的“扫描读出方法”相比较，可以降低连接到栅的布线的数量，并且可以有效地使用传感器区域。
注意，伪垂直CCD 132的级的数量不限于在附图中所示的示例，可以适当地被改变，以便在按照下列的转移的一个周期中使得每列的信号电荷以不同的相位(定时)达到电荷检测单元210相位的数量、转移电极的数量、一个电荷检测单元210的列的数量等。而且，在图中所示的示例中，仅仅在奇数列的级Da的数量和偶数列的级Db的数量——诸如奇数列的0级和偶数列的三级——之间需要关系“Db＝Da+3”，去除相对于奇数列和偶数列的公共部分例如V1-V3。而且，在奇数列和偶数列之间的关系可以反转，诸如“Da＝Db+3”。
图4-6是说明在用于驱动垂直CCD 130和伪垂直CCD 132的垂直转移脉冲φV1到φV6和在第一实施例的CCD固态图像传感器40中的电荷转移之间的关系的图。在此，图4是六相驱动器的垂直转移脉冲φV1到φV6的基本类型的时序图。图5是示出在垂直CCD 130和伪垂直CCD 132中奇数列和偶数列的转移电极V1到V6和被施加到那里的垂直转移脉冲φV1到φV6之间的关系的示意图。而且，图6是示出在图5所示的垂直CCD 130中和伪垂直CCD 132中的电压电势和电荷转移之间的关系的示意图。
如上所述，对应于垂直CCD 130和伪垂直CCD 132的各个转移电极V1到V6的寄存器(电荷阱；电荷分组)公共地被图4所示的垂直转移脉冲φV1到φV6驱动。
如图5所示，在其中6个转移电极V1、V2、V3、V4、V5和V6从图上的左侧依次重复排列的电极结构中，分别施加到转移电极V1的第一相位垂直转移脉冲φV1、到转移电极V2的第二相位垂直转移脉冲φV2、到转移电极V3的第三相位垂直转移脉冲φV3、到转移电极V4的第四相位垂直转移脉冲φV4、到转移电极V5的第五相位垂直转移脉冲φV5、到转移电极V6的第六相位垂直转移脉冲φV6。然后，如图6所示，当接通垂直转移脉冲φV1到φV6并且向转移电极V1到V6的每个施加高压的时候，在对应的转移电极下的电势变深以形成电荷分组。而且，当关断垂直转移脉冲φV1到φV6并且向转移电极V1到V6的每个施加低压的时候，在对应的转移电极下的电势变浅以形成势垒(potential barrier)。
在时间T0，通过向转移电极V1施加高压和通过向转移电极V2、V3、V4、V5和V6施加低压，在转移电极V1下的电势深，并且在转移电极V2-V6下的电势变浅；并且在转移电极V1下形成电荷分组以存储信号电荷，并且在转移电极V2-V6下建立势垒以防止混合信号。用于存储电荷的分组大小由两个电极组成。
接着，在时间T1，转移电极V2变为高电势，并且将转移电极V1保持在具有在电极下形成的电荷分组的高压，并且将转移电极V3-V6保持在形成势垒的低电势中。相应地，因为在电极V2下的电势变深，因此以两个电极V1和V2来形成电荷分组，并且在转移电极V1下事先存储(在时间T0)的信号电荷也移动到转移电极V2侧。
在时间T2，转移电极V1变为低电势，并且将转移电极V2保持在具有在电极下形成的电荷分组的高压，并且将转移电极V3-V6保持在形成势垒的低电势中。相应地，因为在电极V1下的电势变浅，因此，在转移电极V1下所有信号电荷移动到在转移电极V2下的位置，其中存储了信号电荷。
在时间T3，转移电极V3变为高电势，并且将转移电极V2保持在具有在电极下形成的电荷分组的高压，并且将转移电极V4-V6保持在形成势垒的低电势中。相应地，因为在电极V3下的电势变深，因此以两个电极V2和V3来形成电荷分组，并且在转移电极V2下的信号电荷也移动到转移电极V3侧。
在时间T4，转移电极V2变为低电势，并且将转移电极V3保持在具有在电极下形成的电荷分组的高压，并且将转移电极V4-V6保持在形成势垒的低电势中。相应地，因为在电极V2下的电势变浅，因此，在转移电极V2下所有信号电荷移动到在转移电极V3下的位置，其中存储了信号电荷。
在时间T5，转移电极V4变为高电势，并且将转移电极V3保持在具有在电极下形成的电荷分组的高压，并且将转移电极V1、V2、V5和V6保持在形成势垒的低电势中。相应地，因为在电极V4下的电势变深，因此以两个电极V3和V4来形成电荷分组，并且在转移电极V3下存储的信号电荷也移动到转移电极V4侧。
在时间T6，转移电极V3变为低电势，并且将转移电极V4保持在具有在电极下形成的电荷分组的高压，并且将转移电极V1、V2、V5和V6保持在形成势垒的低电势中。相应地，因为在电极V3下的电势变浅，因此，在转移电极V3下所有信号电荷移动到在转移电极V4下的位置，其中存储了信号电荷。
在转移电极V1下的信号电荷通过从时间T1向时间T6的驱动系列被转移到在转移电极V4下的位置。时间T1到时间T6的时段大致为垂直转移脉冲φV1到φV6的周期的一半。
随后，在时间T7，转移电极V5变为高电势，并且将转移电极V4保持在具有在电极下形成的电荷分组的高压，并且将转移电极V1、V2、V3和V6保持在形成势垒的低电势中。相应地，因为在电极V5下的电势变深，因此，以两个电极V4和V5形成电荷分组，在转移电极V4下的信号电荷也移动到转移电极V5侧。
在时间T8，转移电极V4变为低电势，并且将转移电极V5保持在具有在电极下形成的电荷分组的高压，并且将转移电极V1、V2、V3和V6保持在形成势垒的低电势中。相应地，因为在电极V4下的电势变浅，因此，在转移电极V4下所有信号电荷移动到在转移电极V5下的位置，其中存储了信号电荷。
在时间T9，转移电极V6变为高电势，并且将转移电极V5保持在具有在电极下形成的电荷分组的高压，并且将转移电极V1-V4保持在形成势垒的低电势中。相应地，因为在电极V6下的电势变深，因此，以两个电极V5和V6形成电荷分组，在转移电极V5下的信号电荷也移动到转移电极V6侧。
在时间T10，转移电极V5变为低电势，并且将转移电极V6保持在具有在电极下形成的电荷分组的高压，并且将转移电极V1-V4保持在形成势垒的低电势中。相应地，因为在电极V5下的电势变浅，因此，在转移电极V5下所有信号电荷移动到在转移电极V6下的位置，其中存储了信号电荷。
在时间T11，转移电极V1变为高电势，并且将转移电极V6保持在具有在电极下形成的电荷分组的高压，并且将转移电极V2-V5保持在形成势垒的低电势中。相应地，因为在电极V1下的电势变深，因此，以两个电极V6和V1形成电荷分组，在转移电极V6下的信号电荷也移动到转移电极V1侧。
在时间T12，转移电极V6变为低电势，并且将转移电极V1保持在具有在电极下形成的电荷分组的高压，并且将转移电极V2-V5保持在形成势垒的低电势中。相应地，因为在电极V6下的电势变浅，因此，在转移电极V6下所有信号电荷移动到在转移电极V1下的位置，其中存储了信号电荷。
在转移电极V4下的信号电荷通过从时间T7向时间T12的驱动系列被转移到在转移电极V1下的位置。从时间T7到时间T12的时段大致为垂直转移脉冲φV1到φV6的周期的一半。
因此，从上面可以明白，在时间T0在转移电极V1下存储的信号电荷通过从时间T0到时间T12的驱动系列转移到仅仅距离一个像素的在转移电极V1下的位置。然后，在时间T6的电荷转移与在时间T12(等同于T0)的相比较处于移相180度的状态(反相)。另外，在时间T2和时间T6之间或在时间T4和T8之间，电荷转移处在彼此相移180度的状态。
因此，按照上述描述，可以通过所述六相驱动的1/6周期(60度相差)来执行一个电极的电荷转移，并且可以通过1/3周期(120的相差)来执行两个电极的电荷转移，并且可以通过1/2周期(180度相差)来执行三个电极的电荷转移，通过一个周期执行6个电极的电荷转移。
换句话说，在这种驱动方法中，对于奇数列和偶数列的每个伪垂直CCD132，提供了三个垂直转移电极(三个寄存器)的差，以便即使对于奇数列和偶数列使用垂直转移电极V1到V6，也可以获得到达电荷检测单元210的、具有180度差的相位的信号电荷的状态。
而且，当奇数列的信号电荷通过垂直转移脉冲φV1到φV6的一个周期(图6所示的T1到T12)而到达浮动扩散FD的时候，偶数列的信号电荷还没有到达。相反，当偶数列的信号电荷到达浮动扩散FD时，奇数列的信号电荷还没有到达。
因此，在选通栅电压VOG固定的状态下，通过从时间T1到T6垂直地转移信号电荷和通过水平地扫描来完成奇数列的读出。接着，在接通复位栅脉冲φRG和清除浮动扩散FD后，通过在从T7到T12的剩余时间垂直地转移信号电荷和通过水平地扫描来完成偶数列的读出。通过重复这样的处理，可以从输出信号导线290输出对应于一个屏幕(整个图像拾取区域100)的信号电荷的时间序列的像素信号。
而且，如上假定，为了获得电荷转移具有180度差(反相)的状态，可以不共享垂直转移电极V1到V6，但是可以使用对于奇数列和偶数列的每个独立可以驱动的垂直转移电极V1到V6。在这种情况下，伪垂直CCD 132变得不必要，垂直CCD可以具有相同的长度。但是，必须独立地建立用于奇数列和偶数列的垂直转移电极V1到V6的布局(构成)。因此，在垂直转移电极侧上的模式形成(patterning)变得困难。
图7和8是说明其中改变垂直转移电极V1到V6的布置以解决上述问题和使得电荷转移具有反相的示例的图。在这个示例中，共享垂直转移电极V1到V6，并且不提供伪垂直CCD 132，并且当在同一行中的光电导单元120的信号电荷到达电荷检测单元210时使得电荷转移的相位变为反相。如图8A所示，对于奇数列和偶数列，使得在同一行中的垂直转移电极V1到V6的布置具有反相。为了获得这样的模式，可以执行示意的Z字形的、如图8B所示的模式。
使用上述的配置，可以反相向浮动扩散FD侧转移信号电荷，并且使用用于奇数列和用于偶数列的公共垂直转移脉冲φV1到φV6来共享各种电极，诸如垂直转移电极V1到V6、用于选通栅VOG的电极等，并且不用提供伪垂直CCD 132。即，当奇数列的信号电荷到达浮动扩散FD时，偶数列的信号电荷还没有到达。相反，当偶数列的信号电荷到达浮动扩散FD时，奇数列的信号电荷还没有到达。
图9是时序图，它说明在使用第一实施例的CCD固态图像传感器的情况下在水平方向上的垂直转移和读出，并且示出了从在垂直方向上的电荷转移直到在一个水平扫描周期中从输出信号导线290获得时间序列的像素信号的整体操作。
如上所述，与垂直CCD和伪垂直CCD 132的每个转移电极V1到V6对应的寄存器(电荷分组)被完全相同的垂直转移脉冲φV1到φV6驱动。而且，相应地对于奇数列和偶数列公共使用复位栅脉冲φRG，因为对应的电极被公共地形成。
在图9所示的一个水平周期中的奇数列或偶数列的每个读出周期的时段中，通过以附图所示的定时来驱动垂直转移脉冲φV1到φV6，在垂直转移脉冲φV1到φV6下的寄存器中存储的奇数列和偶数列的每个信号电荷依次被并行(同时)转移到伪垂直CCD 132侧。已经被转移到对应于垂直CCD的最后阶段的像素的寄存器的每列的电荷通过伪垂直CCD 132被转移到电荷检测单元210的浮动扩散FD。
因此，浮动扩散FD的电势改变，并且通过在图中未示出的源极跟随器型的放大器来检测所述电势。在检测到信号电荷后，通过复位栅脉冲来接通复位栅导线(电极)RG，并且浮动扩散FD的电势被复位到作为N+区域的复位漏极的电压VRD。
在此，奇数列的寄存器(电荷分组)与在伪垂直CCD 132中的偶数列具有三级差，并且使得信号电荷在垂直转移脉冲φV1到φV6的一个周期(图中所示的T1-T12)中达到具有180度差(反相)的浮动扩散FD。因此，当奇数列的信号电荷达到浮动扩散FD时，偶数列的信号电荷还没有到达。相反，当偶数列的信号电荷到达浮动扩散FD时，奇数列的信号电荷还没有到达。
因此，当通过在定时T1-T12的图解的定时驱动垂直转移脉冲φV1到φV6时，在第一半的奇数列读出周期(T1-T7)中的时间T6，奇数列A、C、E、...的信号电荷被转移到浮动扩散FD；在电荷检测单元210中被转换为电压信号(读出电荷)；通过频带限制单元230和CDS处理单元250被输入到列选择单元270。在时间T6-T7之间，对应于在一行中的诸如列A、C、E、...之类的奇数列的信号电荷的时间序列的图像信号通过在列选择单元270上的列选择脉冲SP(n)的控制、即通过列选择脉冲产生器280的水平扫描输出到输出信号导线290。
在此，因为奇数列A、C、D、...的长度与偶数列B、D、F、...的伪垂直CCD 132的不同，以至于电荷转移的相位旋转180度，因此在当奇数列A、C、E、...的电荷在T1-T7的奇数列读出周期中到达浮动扩散FD的时候的时间T6，偶数列B、D、F的信号电荷还没有到达浮动扩散FD。
在通过列选择脉冲产生器180的水平扫描后直到时间T7，通过复位栅脉冲φRG来接通复位栅RG的开关，并且在浮动扩散FD的电势被返回到复位电平并且清除浮动扩散FD后，关断复位栅的开关。
然后，当通过在第二半的偶数列读出周期的定时T7-T1中的每个的说明性定时驱动垂直转移脉冲φV1到φV6时，与列A、C、E、...的上述的操作类似地，偶数列B、D、F的信号电荷开始被转移，并且在时间T12到达浮动扩散FD。此时，奇数列的信号电荷还没有到达浮动扩散FD，因为其电荷转移的相位具有180度的差。
在被转移到浮动扩散FD后，偶数列的信号电荷在电荷检测单元210中被转换为电压信号(读出信号电荷)，然后通过频带限制单元230和CDS处理单元250被输入到列选择单元270。在下一个水平扫描周期的T12和T1之间的时间期间，对应于在一行中的诸如A、C、E、...之类的奇数列的信号电荷的时间序列的图像信号通过在列选择单元270上的列选择脉冲SP(n)的控制、即通过列选择脉冲产生器280的水平扫描输出到输出信号导线290。
因此，如图所示，重复执行完成向输出信号导线290的奇数列图像信号的输出和完成向输出信号导线190的偶数列图像信号的输出的处理，以便可以从输出信号导线290输出对应于一个水平扫描周期的信号电荷的时间系列的像素信号。然后，通过依次重复相对于一个水平扫描周期的处理，对应于一个屏幕的信号电荷的图像信号可以从输出信号导线290输出。
如上所述，因为垂直CCD的多个相邻列(在上述实施例中的奇数列和偶数列)作为一组被分配到其中在每列中包括的级数被改变的一个电荷检测单元，因此奇数列和偶数列的每个信号电荷可以依次以时间序列被读出到电荷检测单元侧。然后，当浮动扩散FD例如被用作电荷检测单元210时，可以通过提供共同地用于多个列(在上述实施例中的奇数列和偶数列)的选通栅VOG来减少连接到选通栅VOG的导线的数量，并且可以有效地使用所述区域，例如，考虑合并CDS处理单元250等。而且，在电荷检测单元210后现有的电路的数量需要是与电荷检测单元210相同的数量，并且所述数量可以减少，因为多个列(在上述实施例中的奇数列和偶数列)被编入一个组，以便可以降低电功耗。
图10A和10B是示出相对于在读出处理单元200中的电荷检测单元210、频带限制单元230、CDS处理单元250和列选择单元270的操作的一个单元的配置的第一示例。图10A是电路图，图10B是说明其操作的时序图。
在这个读出处理单元200中，电荷检测单元210构成被并入到CCD固态图像传感器10内的在先级输出单元(预置放大器)；具有源极跟随器(电流放大电路)结构，所述结构具有驱动MOS晶体管(DM驱动MOS)DM和安装MOS晶体管(LM安装MOS)LM；并且包括MOS晶体管，它具有基于复位栅脉冲φRG控制的复位栅端子和功能将来自垂直CCD 130的信号电荷转换为电压信号。注意，虽然在图中使用一个级源极跟随器，但是可以使用多级源极跟随器。
驱动MOS晶体管DM的栅极连接到浮动扩散FD，其中通过选通栅VOG从垂直CCD 130提供的信号电荷被累积，并且用于复位栅RG的MOS晶体管RGTr的源极连接到复位漏极电源VRD以释放信号电荷。浮动扩散FD连接到两列——一个奇数列和一个偶数列——的垂直CCD 130，以构成浮动扩散放大器FDA。可以与电源VDD共享复位漏极电源VRD。
在电荷检测单元210中，预定的选通栅电压VOG被施加到选通栅VOG，并且复位栅脉冲φRG在信号电荷检测周期中被施加到复位栅导线RG。然后，在浮动扩散FD中累积的信号电荷被转换为信号电压，并且作为像素信号通过源极跟随器结构的输出电路输出，所述源极跟随器结构包括驱动MOS晶体管DM和负载MOS晶体管LM。
然后，当一个脉冲被施加到复位栅导线RG时，复位在第一级源极跟随器的栅(gate)容量中在特定时间之前存储的信号电荷。此时，端子A变为复位电势。对于点B，在通过一个时间常数延迟后固定复位电势，所述时间常数由第一级源极跟随器的输出阻抗和频道限制电容Cout确定。当在点B固定复位电势时，一个脉冲输出到钳位脉冲CLP，并且钳位所述复位电势。
接着，通过所述输入脉冲向端子A输入信号电荷。然后，所述电势下降到在端子A的信号电荷的程度。而且，在点B，与当复位时的时间类似，在通过所述时间常数的延迟后固定所述信号电势。此时，一个脉冲被施加到保持脉冲HP，并且在点C存储此时的电势。在点C存储在信号电势和复位电势之间的差的电势。
随后，通过经由列选择脉冲产生器280向列选择单元270输出列选择脉冲SP(n)来向输出信号导线290输出图像信号。在这种操作中，使得当检测信号电势时的时段和当检测复位电势时的时段相等。这是因为当在随后的级在CDS处理单元250中获得在信号电势和复位电势之间的差时，需要通过同一带宽来限制两个电势以具有相同电平的噪声分量。换句话说，这是因为在其中获得所述差的信号中噪声分量变大，即使两个信号之一具有低噪声分量。
使用上述配置，因为可以通过由第一级源极跟随器的输出阻抗和频带限制电容Cout组成的低通滤波器来限制带宽，因此可以使得在输出信号中包括的噪声分量小。而且，读出处理单元200并入CDS处理单元250，它检测在实际上没有信号电荷的时段的复位电势和实际上具有信号电荷的时段的信号电势之间的差(在输出中的差)，以便同时也可以使用CDS(相关性双采样)功能来抑制当复位在所述事件之前的电荷时的电势的扩散中发生的复位噪声和固定模式噪声(FPN)；并且可以获得具有良好的S/N的信号。注意，由于在电荷检测单元210中的转换增益的差引起的密度不均匀变为较高频率，以便在屏幕上的密度不均匀可以无形以不引起问题。
而且，与电荷检测单元210类似地，仅仅需要对于垂直CCD 130的多个列(在这个实施例中是两列)提供一个频带限制单元230和一个CDS处理单元250，这有助于降低传感器面积和电功耗。另外，因为CDS电路不必具有附加到外部的结构，因此也可以减少外围电路。
虽然在上述配置中对于每两个垂直CCD 130提供电荷检测单元210等，但毋庸置疑，也可以对于每三个或更多的垂直CCD 130提供一个电荷检测单元210、一个CDS处理单元250等，并且可以通过进一步的时间共享来使用一个电荷检测单元210、一个CDS处理单元250等。使用这种配置，因为可以进一步降低电荷检测单元210、CDS处理单元250和其他单元的总数量，因此可以更加缩小传感器面积和电功耗。
而且，可以在图2的配置中省略选通栅VOG。
使用浮动扩散来构造图10A所示的电荷检测单元210，但是，所述配置不限于此，例如可以使用浮动栅(参照ISSCC(国际固体电路会议)技术论文文摘，197391，第154-155页)。当使用浮动扩散时，可以获得没有直流的信号，以便可以容易地在下一级放大器中在电源电压的大约一半附近设置工作点。
图11是示出对于在读出处理单元200中的电荷检测单元210、频带限制单元230、CDS处理单元250和列选择单元270的操作的一个单元的配置的第二示例的电路图。在所述配置的第二实施例中，在电荷检测单元210后的电路被划分为诸如信号分量检测系统和复位噪声分量检测系统之类的两个系统以执行处理。换句话说，这种配置其特征在于使用具有频带限制容量Ca的第一频带限制单元230a和具有频带限制容量Cb的第二频带限制单元230b来分别限制信号分量和复位噪声分量。
信号分量选择MOS晶体管220a被布置在电荷检测单元210和信号分量检测系统的频带限制单元230a之间，并且频带限制单元230a具有用于信号分量的频带限制容量Ca。用于信号分量的列选择MOS晶体管222a被布置在频带限制单元230a和输出信号导线290之间。而且，复位噪声分量选择MOS晶体管220b被布置在电荷检测单元210和复位噪声分量检测系统的频带限制单元230b之间，并且频带限制单元230b具有用于复位噪声分量的频带限制容量。用于复位噪声分量的列选择MOS晶体管222b被布置在频带限制单元230b和输出信号导线290之间。电荷检测单元210及其附近类似于所述配置的第一示例。
在第二配置的操作中，当信号分量被输入到端子A时，信号分量选择MOS晶体管220a被接通；并且当复位噪声分量被输入到端子A时，复位噪声分量选择MOS晶体管220b被接通。然后，信号分量在用于信号分量的频带限制电容Ca中累积，并且复位噪声分量在用于复位噪声分量的频带限制电容Cb中累积。而且，当选择一个列时，用于复位噪声分量的列选择MOS晶体管222b和用于信号分量的列选择MOS晶体管222a被依次接通。结果，复位噪声分量和信号分量被依次输出到输出信号导线290，并且输出到被附加在外部的CDS电路。
在CDS电路中发生的噪声依赖于图10所示的钳位电容CL和保持电容Ch。如果尽可能地放大每个电容，则出现的噪声变小。在所述配置的第二示例中，依次输出复位噪声分量和信号分量，以便可以对外部执行CDS处理。因为对外部执行CDS处理，因此可以放大钳位电容CL和保持电容Ch的每个值以使得在CDS电路中出现的噪声小。
图12A和12B是示出包括在读出处理单元200后连接的信号处理电路的图像拾取器件20的整个配置的示例的方框图。在此，示出了系统方框图，用于使用第一实施例的CCD固态图像传感器40从图像拾取器件20再现画面。
信号处理单元300连接到输出信号导线290，并且包括模数转换器310，用于将模拟的图像信号转换为数字图像数据；画面存储单元(场存储器)320，用于以一个屏幕的单位存储数字图像数据；存储器控制单元330，用于控制画面存储单元320的数据的写入和读出。按照本发明的行调整单元由画面存储单元320和存储器控制单元330组成。具体地说，通过在对应于行和列的布置的行的方向上重新布置从读出处理单元200输出的奇数列和偶数列的每个图像信号的每个像素信号来获得用于获得在水平方向上依次对齐的图像信号的作为行调整单元的功能。
信号处理单元300还包括数模转换器340，它将从画面存储单元320读出的水平数据转换为模拟信号；NTSC转换器350，它根据由数模转换器340转换为模拟信号的水平信号来产生作为广播格式的一个示例的NTSC信号；显示器360，用于根据从NTSC转换器350输出的NTSC信号来显示可见的画面。
在这种配置中，通过在光电导单元120中的光电转换而转换的信号电荷被分别读出到对应的垂直CCD 130。被读出到垂直CCD 130的信号电荷在与作为一组的多个相邻行共享的时间中通过浮动扩散被依次并行转移到电荷检测单元210。
被转移到电荷检测单元210的每列的信号电荷在电荷检测单元210中被转换为电压信号；偏移噪声和固定模式噪声被CDS处理单元250控制；并且通过列选择脉冲产生器280相对于列选择单元270的水平扫描功能来从输出信号导线290以时间序列输出对应于在图像拾取区域100中的每个光电导单元120的图像信号。
从输出信号导线290以时间序列输出的、对应于每个光电导单元120的图像信号被输入到信号处理单元300，并且通过模数转换器310执行模数转换以转换信号，并且将信号存储在画面存储单元320中。存储器控制单元330连接到画面存储单元320，并且执行存储器区域的地址设置和读出顺序的控制等。
在第一实施例的CCD固态图像传感器40的情况下，垂直CCD 130的奇数列和偶数列的每个信号电荷在共享的时间中被转移到读出处理单元200，并且在被转换为电压信号后，通过列选择脉冲产生器280相对于列选择单元270的水平扫描功能来使得对应于在图像拾取区域100中的每个光电导单元120的图像信号以时间序列。因此，在每个水平扫描周期中，在第一半的水平扫描周期中，仅仅首先输出用于奇数列的时间序列的图像信号，随后，在后一半的水平扫描周期中，仅仅输出用于偶数列的时间序列的图像信号。
其中在共享的时间中输出奇数列和偶数列的图像信号被数字化和被发送到画面存储单元320侧，并且存储器控制单元330在读入事件设置画面存储单元320的地址以对应于图像拾取区域100的像素位置，以便使得在图像拾取区域100中的被拾取画面信息具有与在画面存储单元320中的画面信息具有相同的布置。
因此，对应于在垂直CCD 130中的奇数列中的信号电荷的画面数据被存储在例如存储区域320-1到320-(2n-1)中，并且对应于在垂直CCD 130的偶数列中信号电荷的画面数据存储在存储区域320-2到320-(2n)中。
当再现画面时，从在画面存储单元320内的存储区域320-1到320-2n依次读出画面数据来作为串行数据，并且通过数模转换器340和NTSC转换器350被显示在显示器360中。
应当注意，在上述的示例中，在画面存储单元320中存储数据时的写入位置被存储器控制单元330控制，以便在图像拾取区域100中的图像画面信息和画面存储单元320的画面信息具有相同的布置，但是，可以在读出时间而不是写入时间执行控制。具体地说，如图12B中首先、在画面存储单元320的存储区域的示意图中所示，画面存储单元320的存储区域被划分为奇数列区域和偶数列区域，并且相对于奇数列和偶数列的、来自模数转换器310的输入数据以数据输入的顺序在写入时间被依次存储在每个存储区域中。然后，在读出时间，奇数列和偶数列A、B、C、D的数据在每个水平扫描周期中被从被划分的奇数列区域和偶数列区域交替读出，并且提供到数模转换器340。因此，可以使得在图像拾取区域100中的图像画面信息和在显示器360上的画面具有相同的布置。
而且，虽然在附图中未示出，但是取代使用场存储器来作为画面存储单元320，当对于奇数列和偶数列的每个使用具有对应于一行的一半的像素数量的级的移位寄存器(先入先出存储器)和用于转换所述移位寄存器的选择电路时，数据可以被转换为以图像画面信息的顺序在图像拾取区域100内布置的一个水平行的时间序列的信号(数据可以被重新布置以在水平方向上依次对齐)。
如上所述，按照第一实施例的图像拾取器件20，可以不使用水平CCD来解决其中当CCD固态图像传感器的像素数量提高时水平CCD的时钟频率达到极限的问题，以便信号电荷在与作为一组的多个垂直CCD共享的时间中被转移到电荷检测单元(在上述实施例中到使用浮动扩散的放大器FDA)，并且在电荷检测单元中被转换为电压信号，其后，在垂直线中的电压信号在水平方向上被依次选择并且被读出。可以使用较简单的电路来执行通过在共享的时间中读出垂直线的数据系列的重新布置，这可以避免一个问题。
另外，虽然使用了时间共享，但是可以使用相邻像素(或相距两个像素定位的相同颜色像素)的信号来补充由高密度像素引起的每个像素的灵敏度下降，因为每个垂直CCD可以读出信号电荷。
而且，当多列垂直CCD连接到电荷检测单元(在上述实施例中是浮动扩散放大器FDA)来作为一组时，垂直CCD的长度、即由垂直转移电极限制的寄存器(分组)的级的数量相对于列而改变，并且使得当到达电荷检测单元时的电荷转移的相位为反相，以便即使共享一个垂直转移电极，也可以使用用于选择列CCD的一个选通栅而不是使用其多个来向电荷检测单元读出信号电荷。结果，可以减少在电荷检测单元附近的导线的数量，并且可以考虑到相对于固态图像传感器的小型化来并入CDS电路和其他电路而有效地使用区域。
而且，虽然使用时间共享，但是因为实际上对于每个垂直CCD提供了电荷检测单元，因此仅仅几个(与一个电荷检测单元负责的列的相同数量)时间的信号在一个水平扫描周期中被输入到电荷检测单元，并且信号的频率带宽变得相当小。因此，可以使用低通滤波器来限制构成电荷检测单元的放大器的频率带宽。结果，可以限制同时在晶体管中发生的热噪声的频带，并且可以使得噪声分量小。而且，因为可以降低信号带宽，因此可以通过频带限制单元使得噪声带宽变窄，并且可以获得具有良好的信噪比的画面。
图13和14是说明第一实施例的CCD固态图像传感器40的修改的示例的附图，并且是示出垂直CCD 130和读出处理单元200的边界部分的附近的示意平面图。在此，在图13所示的第一修改示例中，两组相邻列还变为一个组，其中使得伪垂直CCD 132的级的数量的布置相对于所述两组交替，相邻选通栅VOG的电极被连接，并且共享输出导线。
即，以两组的中心线被执行作为边界，使得伪垂直CCD 132的级的数量对应于与所述中心线的距离而依次改变。而且，在图13所示的第一修改示例中，邻近的复位栅导线连接到与上述两组的中心线不同位置的中心线，并且可以共享输出导线。按照第一修改示例，用于选通栅VOG和复位栅的电极连接在相邻组之间，以便可以进一步降低输出导线的数量。
而且，在图13中，例如，使得两组相邻列A和B和相邻列C和D成为一组，而使得两组相邻列C和D和相邻列E和F成为一组；并且在列B和C之间连接用于选通栅VOG的电极，在列D和E之间连接复位栅导线。但是，可以使用除了上述的其他分组方式。
例如，使得两组列C和D和列E和F分别成为一组，并且可以以相同的方式在列D、E之间连接用于选通栅VOG的电极。图14所示的第二修改示例是从上述示例进一步发展的示例，其中用于选通栅VOG的所有电极被连接，并且可以进一步减少选通栅的输出导线。在这种情况下，基本上，输出导线的数量是一，但是，出现导线阻抗的问题。因此，优选的是，根据在导线阻抗和布线的困难之间的平衡来实际地确定选通栅VOG的电极和输出导线被安装的位置。
图15是说明当使用四相驱动的垂直转移脉冲φV1到φV4时的时序图的修改示例的图，并且说明在第一实施例的CCD固态图像传感器中的电极和信号电荷之间的位置关系。这个修改的示例其特征在于以移相的90度来驱动垂直转移脉冲φV1到φV4的每个。垂直转移脉冲φV1到φV4被应用到的、除了转移电极V1到V4之外的其他配置与图1相同。
从图15明白，可以在这个修改示例中获得相对于在电极和信号电荷之间的位置关系的下列优点。具体地说，对于奇数列，当向浮动扩散FD转移分组V4的信号电荷时，相关的偶数列的分组V2在时间t1期间作为势垒。而且，对于偶数列，当分组V2的信号电荷被转移到浮动扩散FD时，相关奇数列的分组V4在时间t2期间作为势垒(barier)。
另外，在这个修改的示例中，当累加分组太小时，提高电源电压VDD以获得电压电势的深度，并且可以解决问题。
图16A和16B是说明第三实施例的CCD固态图像传感器40的图。在这个第三实施例中，作为一组的两个相邻的垂直CCD被分配到一个电荷检测单元，它对于第一实施例的CCD固态图像传感器40是相同的，但是，在这个实施例中，不提供伪垂直CCD 132，并且垂直CCD的级的数量保持相同。即，向具有浮动扩散FD的配置的电荷检测单元210读出两列垂直CCD 130。
如图16A所示，因为可以从相对侧向其间具有浮动扩散的每个垂直CCD130连接选通栅VOG的布线，因此与其中三个或更多的作为一组被分配到一个电荷检测单元210并且出现针对向中心部分的选通栅VOG的布线空间的问题的配置相比较，在布线中的限制降低，并且即使在实际模式下也比较避免问题。
但是，如图16B所示，因为需要与垂直CCD 130相同数量的用于垂直CCD 130的选通栅的布线的事实保持不变，因此占用布线与面积的比率变得大于第一或第二实施例。
以上使用实施例说明了本发明，但是，本发明的范围不限于上述实施例。可以在不脱离本发明的精神的范围内向上述实施例增加各种改变或改进，并且这样的改变或改进被应用到的实施例也被包括在本发明的范围内。
而且，在所附的权利要求中所述的本发明不限于上述实施例，在实施例中所述的特征的所有组合对于本发明的解决方案不是必不可缺少的。在上述的实施例中，包括各个阶段的发明，并且可以通过适当地组合多个所公开的组成部分而提取各种发明。即使从在实施例中所示的所有组成部分中删除一些组成部分，只要可以获得其有效性，也可以提取从其删除那些组成部分的配置来作为一个发明。
例如，虽然在上述实施例中说明了适合于六电极/六相驱动和四电极/四相驱动的示例，但是垂直转移电极的数量和与转移脉冲的相位的关系不限于具有上述定时的那些。而且，不限于两列或三列，可以针对与转移脉冲的关系向一个电荷检测部分分配多列。
换句话说，当向一个电荷检测单元分配多个相邻列时，在伪垂直转移单元(实际上与垂直CCD相同)中的级的数量、垂直转移电极的布置和垂直转移脉冲的定时被改变，以便在同一行中的每个信号电荷以彼此不同的相位到达电荷检测单元。在伪垂直转移部分中的级的数量和垂直转移电极的布置是相同的，仅仅驱动方法可能不同，换句话说，仅仅转移脉冲的定时会不同，这也是可以接受的。
而且，虽然在上述实施例中使用线间转移型CCD固态图像传感器进行说明，但是本发明不限于此，可以应用到其他转移方法的CCD固态图像传感器，所述其他转移方法诸如帧线间转移型、全帧转移型和帧转移型。
而且，除了上述之外的其他电荷转移单元也可以被使用，以便对于垂直转移部分，以例如CSD(电荷扫描器件)来替代CCD。
权利要求
1.一种固态图像传感器，包括多个光电导单元，它们被布置在二维形状的行和列的每个方向上，并且它们通过接收光来获得信号电荷；以及列电荷转移单元，它在所述列方向上转移由光电导单元获得的信号电荷；电荷检测单元，它对于每多个所述相邻的列提供，并且将由所述列电荷转移单元转移的所述信号电荷转换为像素信号，其中对于所述多个相邻列，当在所述行方向上在相同位置由所述光电导单元获得的所述信号电荷达到所述电荷检测单元时，使得电荷转移的相位不同。
2.一种固态图像传感器，包括多个光电导单元，它们被布置在二维形状的行和列的每个方向上，并且它们通过接收光来获得信号电荷；列电荷转移单元，它在所述列方向上转移由光电导单元获得的信号电荷；电荷检测单元，它对于每多个所述相邻的列提供，并且将由所述列电荷转移单元转移的所述信号电荷转换为像素信号；伪电荷转移单元，它被布置在所述列电荷转移单元和所述电荷检测单元之间，其中对于所述多列的每个，电荷转移的级的数量不同。
3.按照权利要求2的固态图像传感器，其中在所述多个相邻列的电荷转移单元中，公共地使用用于垂直转移驱动的电极。
4.按照权利要求2的固态图像传感器，其中对于每两个所述相邻的列提供所述电荷检测单元。
5.按照权利要求4的固态图像传感器，其中在所述伪电荷转移单元中，当使得在所述行方向上相同位置的所述信号电荷到达所述电荷检测单元时，所述电荷转移的级数不同于下述范围电荷转移的相位变为在所述两个相邻列之间反转的180度。
6.一种固态图像传感器，包括多个光电导单元，它们被布置在二维形状的行和列的每个方向上，并且它们通过接收光来获得信号电荷；列电荷转移单元，它在所述列方向上转移由光电导单元获得的信号电荷；电荷检测单元，对于每多个所述相邻的列提供，它将由所述列电荷转移单元转移的所述信号电荷转换为像素信号，其中形成用于驱动垂直转移的电极，以使得在公共的垂直转移控制信号施加到所述多个相邻的列的情况下，当在所述行方向上的相同位置的由光电导单元中获得的所述信号电荷达到所述电荷检测单元时电荷转移的相位不同。
7.按照权利要求1的固态图像传感器，其中所述电荷检测单元包括与所述多个相邻列共享的一个选通栅，用于读出在所述信号电荷的输入端上的所述信号电荷。
8.按照权利要求2的固态图像传感器，其中所述电荷检测单元包括与所述多个相邻列共享的一个选通栅，用于读出在所述信号电荷的输入端上的所述信号电荷。
9.按照权利要求6的固态图像传感器，其中所述电荷检测单元包括与所述多个相邻列共享的一个选通栅，用于读出在所述信号电荷的输入端上的所述信号电荷。
10.按照权利要求1的固态图像传感器，其中与相对于相邻的其他列的所述电荷检测单元的所述选通栅的布线共享所述选通栅的布线。
11.按照权利要求2的固态图像传感器，其中与相对于相邻的其他列的所述电荷检测单元的所述选通栅的布线共享所述选通栅的布线。
12.按照权利要求6的固态图像传感器，其中与相对于相邻的其他列的所述电荷检测单元的所述选通栅的布线共享所述选通栅的布线。
13.一种固态图像传感器，包括多个光电导单元，它们被布置在二维形状的行和列的每个方向上，并且它们通过接收光来获得信号电荷；列电荷转移单元，它在所述列方向上转移由所述光电导单元获得的所述信号电荷；电荷检测单元，对于每两个所述列提供，它将由所述列电荷转移单元转移的所述信号电荷转换为像素信号，其中，所述电荷检测单元包括选通栅，它对于所述两个相邻列的每个独立地提供，用于读出在所述信号电荷的输入端上的所述信号电荷。
14.按照权利要求1的固态图像传感器，其中所述电荷检测单元的每个包括在所述电荷检测单元中的复位栅，它在将所述信号电荷转换为所述像素信号后被初始化。
15.按照权利要求2的固态图像传感器，其中所述电荷检测单元的每个包括在所述电荷检测单元中的复位栅，它在将所述信号电荷转换为所述像素信号后被初始化。
16.按照权利要求6的固态图像传感器，其中所述电荷检测单元的每个包括在所述电荷检测单元中的复位栅，它在将所述信号电荷转换为所述像素信号后被初始化。
17.按照权利要求13的固态图像传感器，其中所述电荷检测单元的每个包括在所述电荷检测单元中的复位栅，它在将所述信号电荷转换为所述像素信号后被初始化。
18.按照权利要求1的固态图像传感器，其中在所述电荷检测单元后提供差分检测单元，用于检测在像素信号中的没有所述信号电荷的输出和具有所述信号电荷的信号电平之间的差。
19.按照权利要求2的固态图像传感器，其中在所述电荷检测单元后提供差分检测单元，用于检测在像素信号中的没有所述信号电荷的输出和具有所述信号电荷的信号电平之间的差。
20.按照权利要求6的固态图像传感器，其中在所述电荷检测单元后提供差分检测单元，用于检测在像素信号中的没有所述信号电荷的输出和具有所述信号电荷的信号电平之间的差。
21.按照权利要求13的固态图像传感器，其中在所述电荷检测单元后提供差分检测单元，用于检测在像素信号中的没有所述信号电荷的输出和具有所述信号电荷的信号电平之间的差。
22.按照权利要求1的固态图像传感器，还包括相对于在所述列方向上的多个相邻列的多个所述电荷检测单元，所述多个列作为一组，和水平扫描单元，在所述多个电荷检测单元后，用于依次选择和输出在所述行方向上以时间序列从所述多个电荷检测单元的每个输出的所述像素信号。
23.按照权利要求2的固态图像传感器，还包括相对于在所述列方向上的多个相邻列的多个所述电荷检测单元，所述多个列作为一组，和水平扫描单元，在所述多个电荷检测单元后，用于依次选择和输出在所述行方向上以时间序列从所述多个电荷检测单元的每个输出的所述像素信号。
24.按照权利要求6的固态图像传感器，还包括相对于在所述列方向上的多个相邻列的多个所述电荷检测单元，所述多个列作为一组，和水平扫描单元，在所述多个电荷检测单元后，用于依次选择和输出在所述行方向上以时间序列从所述多个电荷检测单元的每个输出的所述像素信号。
25.按照权利要求13的固态图像传感器，还包括相对于在所述列方向上的多个相邻列的多个所述电荷检测单元，所述多个列作为一组，和水平扫描单元，在所述多个电荷检测单元后，用于依次选择和输出在所述行方向上以时间序列从所述多个电荷检测单元的每个输出的所述像素信号。
26.一种固态图像传感器的驱动方法，其中，从一种固态图像传感器获得像素信号，所述固态图像传感器包括列电荷转移单元，它转移由多个光电导单元获得的信号电荷，所述多个光电导单元被布置在所述列的方向上二维形状中的行和列的每个方向上，和电荷检测单元，它对于每多个所述相邻的列提供，并且将在所述列的方向上由所述列电荷转移单元转移的所述信号电荷转换为像素信号，其中所述固态图像传感器被驱动使得当在所述列方向上转移所述信号电荷时以不同的相位输出相对于所述多个所述相邻列的每个的所述像素信号。
27.按照权利要求26的驱动方法，其中所述列电荷转移单元被六相驱动器驱动。
28.按照权利要求26的驱动方法，其中所述电荷检测单元在所述信号电荷的输入端上包括选通栅，用于读出所述信号电荷，和复位栅，用于在所述信号电荷被转换为所述像素信号后初始化，并且所述复位栅被使得当所述选通栅关闭时接通。
29.一种图像拾取方法，用于使用固态图像传感器来获得图像信号，所述固态图像传感器包括列电荷转移单元，它转移由多个光电导单元获得的信号电荷，所述多个光电导单元被布置在所述列的方向上二维形状中的行和列的每个方向上，和电荷检测单元，它对于每多个所述相邻的列提供，并且将在所述列的方向上由所述列电荷转移单元转移的所述信号电荷转换为像素信号，其中在所述列的方向上的所述信号电荷的转移中获得具有不同相位的、相对于所述多个所述相邻列的每个的所述像素信号；在所述行的方向上以时间序列依次选择所获得的像素信号，以便获得相对于所述不同相位的每个的图像信号；并且其后，通过按照所述多个列的顺序在所述行方向上重新布置所述图像信号的所述像素信号来获得在所述行的方向上依次排列的图像信号。
30.按照权利要求29的驱动方法，其中所述列电荷转移单元被六相驱动器驱动。
31.一种图像拾取器件，包括固态图像传感器，包括多个光电导单元，它们被布置在二维形状的行和列的每个方向上，并且用于通过接收光而获得信号电荷，列电荷转移单元，它在所述列方向上转移由所述光电导单元获得的所述信号电荷，电荷检测单元，它对于每多个所述列提供，并且将由所述列电荷转移单元转移的所述信号电荷转换为像素信号，和伪电荷转移单元，它被布置在所述列电荷转移单元和所述电荷检测单元之间，其中电荷转移的级的数量相对于所述多个列的每个不同；水平扫描单元，它通过下述方式来获得相对于所述不同相位的每个的图像信号在所述行的方向上以时间序列依次选择在所述信号电荷的所述列方向上的转移中具有不同相位的、从所述固态图像传感器输出的所述像素信号；行调整单元，它通过下述方式来获得在所述行方向上依次排列的图像信号按照所述多个列的顺序在所述行的方向上重新排列从所述水平扫描单元输出的图像信号的所述像素信号。
全文摘要
公开扫描读出型的CCD固态成像装置及其驱动方法、成像方法和成像器。多个垂直CCD列可以以特别少量的布线定分配给一个电荷检测单元。相邻的垂直CCD列被分配到一个电荷检测单元。变更垂直CCD列和电压检测单元之间的电压转移的级数、设计电极布置或调整驱动定时。当使得在光电导单元产生的水平行方向的相同位置上的水平电荷达到电荷检测单元时，多个相邻垂直CCD列的电荷转移的相位相互不同。
文档编号H04N5/363GK1675921SQ0381861
公开日2005年9月28日 申请日期2003年6月12日 优先权日2002年6月12日
发明者远山隆之 申请人:索尼株式会社