图像传感器和摄像设备的制作方法

文档序号:14942979发布日期:2018-07-13 21:32

本发明涉及一种图像传感器和摄像设备。



背景技术:

近年来,由于针对具有高分辨率和高帧频的运动图像的需求有所增加,因此针对使用CMOS传感器的摄像设备,需要更高速的信号读出技术。日本专利5219481聚焦于用作用于将从像素输出的信号传送至列读出电路的信号输出线的配线的寄生电容,并且介绍了用于通过改变配线的长度来减小信号输出线的寄生电容的方法。利用该方法,通过缩短信号输出线的稳定时间(settling time),实现了高速信号读出。

然而,通过减小配线的寄生电容来缩短稳定时间的方法,使得针对电源变动和外部噪声的应答性同时提高,因此存在信号噪声可能劣化的担忧。



技术实现要素:

本发明是考虑到上述情形而作出的,并且在抑制信号噪声的增大的同时提高了信号读出速度。

根据本发明,提供一种图像传感器,包括:像素阵列,其以矩阵方式配置有多个单位像素;多个信号输出线,其是针对所述像素阵列的各列而设置的;信号读出电路,其是针对所述像素阵列的各列而设置的;以及控制电路,用于进行控制以将来自所选择的第一行中的各列的单位像素的信号输出至所述多个信号输出线中的任意信号输出线,并且进行控制以将输出至所述多个信号输出线中的所述任意信号输出线的信号输入至所述信号读出电路,其中,所述控制电路针对各列进行控制,以在将输出至所述多个信号输出线中的所述任意信号输出线的信号正向所述信号读出电路输入期间,将来自与所述第一行不同的第二行中的单位像素的信号输出至所述多个信号输出线中的其它信号输出线。

此外,根据本发明,提供一种摄像设备,包括:图像传感器,其包括:像素阵列,其以矩阵方式配置有多个单位像素,多个信号输出线,其是针对所述像素阵列的各列而设置的,信号读出电路,其是针对所述像素阵列的各列而设置的,以及控制电路,用于进行控制以将来自所选择的第一行中的各列的单位像素的信号输出至所述多个信号输出线中的任意信号输出线,并且进行控制以将输出至所述多个信号输出线中的所述任意信号输出线的信号输入至所述信号读出电路;以及处理单元,用于对从所述图像传感器输出的信号进行处理,其中,所述控制电路针对各列进行控制,以在将输出至所述多个信号输出线中的所述任意信号输出线的信号正向所述信号读出电路输入期间,将来自与所述第一行不同的第二行中的单位像素的信号输出至所述多个信号输出线中的其它信号输出线。

通过以下(参考附图)对典型实施例的说明,本发明的其它特征将变得明显。

附图说明

包含于说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出本发明的实施例,并且与说明书一起用来解释本发明的原理。

图1是示出根据本发明的第一实施例的单位像素的结构的等效电路图;

图2是示出根据第一实施例的信号读出电路的结构的等效电路图;

图3是示出根据第一实施例的图像传感器的一部分的结构的框图;

图4是用于说明根据第一实施例的信号读出操作的概要的图;

图5是示出根据第一实施例的信号读出操作的时序图;

图6是示出根据第二实施例的信号读出电路的结构的等效电路图;

图7是用于说明根据第二实施例的信号读出操作的概要的图;

图8是示出根据第二实施例的信号读出操作的时序图;

图9是示出根据第三实施例的信号读出电路的结构的等效电路图;

图10是示出根据第三实施例的相加读出操作的时序图;以及

图11示出根据第四实施例的摄像设备的示意结构的框图。

具体实施方式

将根据附图来详细说明本发明的典型实施例。

第一实施例

图1是示出根据第一实施例的单位像素10的电路结构的图。单位像素10包括光电二极管(PD)11、传送开关12、浮动扩散部(FD)13、放大MOS放大器14、行选择开关15和复位开关16。

PD 11生成与通过摄像光学系统(未示出)入射的光相对应的电荷。传送开关12通过输入至传送开关12的栅极端子的传送脉冲φTX来驱动,并且将PD11处所生成的电荷传送至FD 13。FD 13用作暂时累积电荷并且将所累积的电荷转换成电压信号的电压转换单元。放大MOS放大器14与后述的恒流电路22一起用作源极跟随器,并且将通过FD 13转换电压而得到的信号输入至放大MOS放大器14的栅极。

行选择开关15通过输入至行选择开关15的栅极的行选择脉冲φSEL来驱动,行选择开关15的漏极连接至放大MOS放大器14,并且行选择开关15的源极连接至垂直输出线21(信号输出线)。行选择脉冲φSEL处于有效电平(高电平)的行选择开关15进入导通状态,并且与该导通状态相对应的放大MOS放大器14的源极连接至垂直输出线21。垂直输出线21被多个单位像素10共用,并且连接至后述的信号读出电路20。

复位开关16的漏极连接至电源线VDD,并且通过输入至复位开关16的栅极的复位脉冲φRES来驱动,以移除FD 13中所累积的电荷。此外,通过同时接通复位开关16和传送开关12,可以复位PD 11。应当注意,在FD 13被复位脉冲φRES复位时,放大MOS放大器14将复位信号输出至垂直输出线21。另外,在通过传送脉冲φTX来传送PD 11中所生成的电荷的情况下,输出包括通过PD 11的光电转换所获得的信号的转移信号。

图2示出第一实施例的信号读出电路20的结构。信号读出电路20以两个垂直输出线21的信号作为输入来进行信号读出。恒流电路22连接至这两个垂直输出线21中的每一个,并且与放大MOS放大器14一起用作源极跟随器。同时,FD 13中的信号的电位反映在垂直输出线21的电位中。

在以下说明中,这两个垂直输出线21被彼此区分开,并且被称为垂直输出线21a和21b,以及分别连接至垂直输出线21a和21b的两个恒流电路22被彼此区分开,并且被称为恒流电路22a和22b。

信号读出电路20包括输入切换开关23a和23b、钳位电容器24、差分放大器25、增益电容器26、钳位开关27和AD转换电路(ADC)28。

输入切换开关23a和23b通过输入至相应栅极的垂直输出线切换脉冲φSELCa和φSELCb来驱动,以在相应的垂直输出线21a和21b与钳位电容器24之间进行连接/断开的切换。结果,钳位电容器24可以选择性地连接至垂直输出线21a和21b中的任意垂直输出线。差分放大器25、钳位电容器24和增益电容器26作为如附图所示那样连接的模拟增益放大器而进行工作,并且将模拟信号输出至AD转换电路28。

钳位开关27通过输入至钳位开关27的栅极的钳位脉冲φC0R来驱动,以在差分放大器25的输出端子和一个输入端子之间进行短路。基准电压VC0R输入至差分放大器25的另一个输入端子,并且在钳位开关27变成有效电平(高电平)时,差分放大器25的输出端子和输入端子被复位成基准电压VC0R。

AD转换电路28连接至差分放大器25的输出端子,并且将从差分放大器25输出的模拟信号转换成数字信号并输出该数字信号。在第一实施例中,作为模拟增益放大器进行工作的电路设置在AD转换电路28的上游。然而,可以省略该电路,并且可以经由输入切换开关23a和23b来连接垂直输出线21a和21b以及AD转换电路28。

图3是示出第一实施例中的图像传感器1的一部分的结构的框图。图像传感器1包括图1所示的以矩阵方式配置单位像素10的像素阵列100、针对像素阵列100的各列分别设置的多个信号读出电路20、以及用于以行为单位控制信号读出的读出控制电路30。在图3所示的示例中,位于奇数行中的单位像素10连接至垂直输出线21a,并且位于偶数行中的单位像素10连接至垂直输出线21b。

读出控制电路30将行选择脉冲φSEL、复位脉冲φRES和传送脉冲φTX供给至这些单位像素行之一,以控制垂直输出线21a和21b的信号输出操作。另外,读出控制电路30将垂直输出线切换脉冲φSELCa和φSELCb以及钳位脉冲φC0R供给至信号读出电路20,以控制垂直输出线21a和21b的信号读出操作。在图3的说明和随后的说明中,将“第n行的复位脉冲φRES”称为具有后缀n的“复位脉冲φRES(n)”。这同样适用于传送脉冲φTX和行选择脉冲φSEL。

此外,在第一实施例中,说明了信号读出电路20被像素阵列100的各列中的单位像素10共用的结构,但是本发明的主旨不限于此,并且可以采用各种结构。例如,在具有经由凹凸接合(bump junction)等而连接的第一基板和第二基板的层叠型图像传感器中,像素阵列100设置在第一基板上,并且多个信号读出电路20可以配置在第二基板上,以使得各信号读出电路20是针对各单位像素10、或者针对各组单位像素10而设置的。

在详细说明用于读出单位像素10的信号的操作之前,将说明第一实施例的操作的概要。图4是示意性示出在读出控制电路30的控制下、单位像素10所执行的信号输出操作以及信号读出电路20所执行的信号读出操作的流程的图。为了读出单位像素10的信号,大致进行以下四种操作A~D。

·操作A:读出控制电路30接通单位像素10的复位开关16,并使得执行信号输出操作,其中该信号输出操作是为了将复位信号输出至单位像素10连接至的垂直输出线21a和21b中的任一个。然后,输出至垂直输出线21a和21b之一的复位信号等待稳定。

·操作B:读出控制电路30使得信号读出电路20执行信号读出操作,其中,该信号读出操作是为了将输出至垂直输出线21a和21b之一的复位信号读出至信号读出电路20。

·操作C:读出控制电路30接通单位像素10的传送开关12,并且使得执行信号输出操作,其中该信号输出操作是为了将来自PD 11的转移信号输出至单位像素10连接至的垂直输出线21a和21b中的任一个。然后,输出至垂直输出线21a和21b之一的转移信号等待稳定。

·操作D:读出控制电路30使得信号读出电路20执行信号读出操作,其中该信号读出操作是为了经由信号读出电路20读出输出至垂直输出线21a和21b之一的转移信号。

读出控制电路30针对第n行执行操作A,并将复位信号输出至垂直输出线21a。此时,如稍后将详细说明的,针对第(n-1)行执行操作D。接着,针对第n行执行操作B,并且将输出至垂直输出线21a的复位信号读出至信号读出电路20。随后,执行操作C,并且将来自第n行的PD 11的转移信号输出至垂直输出线21a。在接着的操作D中,经由信号读出电路20来读出输出至垂直输出线21a的第n行的转移信号。

这里,在操作A中,使用垂直输出线21a,而没有使用信号读出电路20。因此,在第一实施例中,在进行操作D期间,使用另一垂直输出线21b针对单位像素的其它行执行操作A。

这里,读出控制电路30控制信号读出电路20,以针对第n行进行操作D,并且还控制单位像素10,以针对第(n+1)行执行操作A。换句话说,读出控制电路30进行并行控制,以进行用于从第n行的单位像素10读出转移信号的操作D、以及用于将第(n+1)行的复位信号输出至垂直输出线21b的操作A。这样,在完成了从第n行的单位像素10读出转移信号的操作D之后,可以在无需等待进行用于将复位信号输出至垂直输出线21b的操作A的时间的情况下,进行用于读出已经输出至垂直输出线21b的第(n+1)行的复位信号的操作B,并且可以提高读出速度。

之后,进行用于读出第(n+1)行的复位信号的操作B以及用于将第(n+1)行的转移信号输出至垂直输出线21a的操作C。之后,同样地,读出控制电路30进行控制,以并行进行用于读出第(n+1)行的转移信号的操作D以及用于将第(n+2)行的复位信号输出至垂直输出线21a的操作A。

应当注意,在上述示例中,说明了并行进行针对第n行的操作D和针对第(n+1)行的操作A的情况。然而,本发明不限于此,并且需要在针对第n行的操作B和操作D之间的时间段期间,并行进行针对第(n+1)行的操作A。与在任意的上述定时进行操作A无关地,在等待针对第n行的操作D的完成之后,进行针对第(n+1)行的操作B。

接着,将使用时序图来详细说明第一实施例中的读出控制电路30所进行的具体操作。图5是示出第一实施例中的读出控制电路30所进行的信号输出操作和信号读出操作的时序图。

在时间段t1内,行选择脉冲φSEL(n)变成“H”,并且第n行中的单位像素10开始向相应的垂直输出线21a输出信号。此时,复位脉冲φRES(n)变成“H”,以消除FD 13的不必要电荷,并且在复位了FD 13的电位之后复位脉冲φRES(n)变成“L”。此时,第n行的单位像素10将复位信号输出至垂直输出线21a。随着稳定时间的经过,复位信号如Vline a所示地反映在垂直输出线21a上(操作A)。

在时间段t2内,垂直输出线切换脉冲φSELCa变成“H”并且垂直输出线切换脉冲φSELCb变成“L”,以使得选择垂直输出线21a,并且信号读出电路20从垂直输出线21a读出复位信号。同时,钳位脉冲φC0R变成“H”,并且差分放大器25的输入端子和输出端子被复位成基准电压VC0R。之后,在钳位脉冲φC0R变成“L”时,钳位电容器24将第n行的复位信号钳位(保持)至基准电压VC0R(操作B)。

在时间段t3内,传送脉冲φTX(n)变成“H”,并且将第n行的PD 11中累积的电荷传送至FD 13。之后,传送脉冲φTX(n)变成“L”,并且第n行的单位像素10将转移信号输出至垂直输出线21a。随着稳定时间的经过,转移信号如Vline a所示地反映在垂直输出线21a上(操作C)。

在时间段t4内,信号读出电路20从垂直输出线21a读取第n行的转移信号。差分放大器25根据钳位电容器24和增益电容器26的电容比所确定的信号增益来进行信号放大,并且将结果输出至AD转换电路28。严格地说,由于复位信号被钳位电容器24钳位至基准电压VC0R,因此复位信号和转移信号之间的差被放大。AD转换电路28将从差分放大器25输入的信号转换成数字信号,并且将该数字信号输出至图像传感器1的外部(操作D)。

在相同的时间段t4内,行选择脉冲φSEL(n+1)变成“H”,并且第(n+1)行中的单位像素10开始向相应的垂直输出线21b输出信号。同时,复位脉冲φRES(n+1)变成“H”,以消除FD 13的不必要电荷,并且在复位了FD 13的电位之后,复位脉冲φRES(n+1)变成“L”。此时,第(n+1)行中的单位像素10将复位信号输出至垂直输出线21b。随着稳定时间的经过,复位信号如Vline b所示地反映在垂直输出线21b上(操作A)。

在时间段t5内,行选择脉冲φSEL(n)变成“L”,并且第n行中的单位像素10和垂直输出线21a被断开。另外,垂直输出线切换脉冲φSELCa变成“L”,并且垂直输出线切换脉冲φSELCb变成“H”,以使得选择垂直输出线21b。结果,信号读出电路20从稳定了的垂直输出线21b读出第(n+1)行的复位信号。同时,钳位脉冲φC0R变成“H”,并且差分放大器25的输入端子和输出端子被复位成基准电压VC0R。之后,在钳位脉冲φC0R变成“L”时,钳位电容器24将第(n+1)行的复位信号钳位(保持)至基准电压VC0R(操作B)。

在时间段t6内,传送脉冲φTX(n+1)变成“H”,并且将PD 11中所累积的电荷传送至FD 13。之后,传送脉冲φTX(n+1)变成“L”,并且第(n+1)行中的单位像素10将转移信号传送至垂直输出线21b。随着稳定时间的经过,转移信号如Vline b所示地反映在垂直输出线21b上(操作C)。

在时间段t7内,信号读出电路20从垂直输出线21b读出第(n+1)行的转移信号。差分放大器25根据钳位电容器24和增益电容器26的电容比所确定的信号增益来进行信号放大,并且将结果输出至AD转换电路28。AD转换电路28将从差分放大器25输入的信号转换成数字信号,并且将该数字信号输出至图像传感器1的外部(操作D)。

尽管未示出,但是在同一时间段t7内,行选择脉冲φSEL(n+2)变成“H”,并且第(n+2)行中的单位像素10开始向相应的垂直输出线21a输出信号。同时,复位脉冲φRES(n+2)变成“H”,以消除FD 13的不必要电荷,并且在复位了FD13的电位之后,复位脉冲φRES(n+2)变成“L”。此时,第(n+2)行中的单位像素10将复位信号输出至垂直输出线21a。随着稳定时间的经过,复位信号反映在垂直输出线21a上(操作A)。之后,通过重复与从时间段t2起的操作相同的操作,顺次读出单位像素10的信号。

根据如上所述的第一实施例,信号读出电路20各自具有选择多个垂直输出线21其中之一的结构,并且如时间段t4内那样执行垂直输出线21a中的第n行的转移信号的读出操作。与该读出操作并行地,针对第(n+1)行中的单位像素10执行垂直输出线21b的复位信号输出操作,并且使复位信号稳定。在针对各列仅存在一条垂直输出线21的情况下,在读出一行的信号时,需要与时间段t1~t4相对应的时间段。与此相对,在本实施例中,可以缩短复位信号的稳定时间(即,与时间段t1相对应的时间),这使得可以提高读出速度。

在上述示例中,说明了针对各列配置了两条垂直输出线21a和21b的配线的情况,然而,本发明不限于此,并且可以针对各列配置三条以上的垂直输出线。

第二实施例

接着,将说明本发明的第二实施例。图6是示出第二实施例的信号读出电路60(其可以用于代替第一实施例中的信号读出电路20使用)的结构的电路图。在第二实施例的信号读出电路60中,向与第一实施例的信号读出电路20的结构相同的结构赋予相同的附图标记,并且将省略这些结构的说明。

第二实施例的信号读出电路60具有分别设置在垂直输出线21a与输入切换开关23a之间以及垂直输出线21b与输入切换开关23b之间的两个钳位电容器24a和24b。在第二实施例中,作为模拟增益放大器进行工作的电路设置在AD转换电路28的前级。然而,可以省略该电路,并且钳位电容器24a和24b可以经由输入切换开关23a和23b而连接至AD转换电路28。

在详细说明用于读出单位像素10的信号的操作之前,将说明第二实施例中的操作的概要。图7是示意性示出在读出控制电路30的控制下、单位像素10所执行的信号输出操作和信号读出电路60所执行的信号读出操作的流程的图。为了读出单位像素10的信号,大致进行以下四种操作A~D。在这四种操作中,由于第一实施例的操作B与第二实施例的操作B不同,因此设置操作B’。

·操作A:读出控制电路30接通单位像素10的复位开关16,并使得执行信号输出操作,其中该信号输出操作是为了将复位信号输出至单位像素10连接至的垂直输出线21a和21b中的任一个。然后,输出至垂直输出线21a和21b之一的复位信号等待稳定。

·操作B’:读出控制电路30使得信号读出电路60执行信号读出操作,其中,该信号读出操作是为了将输出至垂直输出线21a和21b之一的复位信号钳位至信号读出电路60的钳位电容器24a和24b之一。

·操作C:读出控制电路30接通单位像素10的传送开关12,并且使得执行信号输出操作,其中该信号输出操作是为了将来自PD 11的转移信号输出至单位像素10连接至的垂直输出线21a和21b中的任一个。然后,输出至垂直输出线21a和21b之一的转移信号等待稳定。

·操作D:读出控制电路30使得信号读出电路60执行信号读出操作,其中该信号读出操作是为了经由信号读出电路60读出输出至垂直输出线21a和21b之一的转移信号。

在第一实施例中,从钳位电容器24对操作B中所读出的复位信号进行钳位时起、直到在操作D中读出转移信号为止,信号读出电路20的钳位电容器24被钳位的复位信号占用。

另一方面,在第二实施例中,设置有两个钳位电容器24a和24b,以使得分别与垂直输出线21a和21b相对应,并且信号读出电路60可以在两个钳位电容器24a和24b之间进行切换。结果,在操作C期间,即使在将钳位电容器24a和24b中的一个用于钳位信号的情况下,信号读出电路60也可以使用钳位电容器24a和24b中的另一个。即,在操作C中,信号读出电路60没有被占用,并且可以并行进行使用信号读出电路60的操作B’。

因此,可以将读出控制电路30的操作的流程概括如下。首先,与针对第n行的操作A的执行并行地,使得信号读出电路60经由钳位电容器24b选择垂直输出线21b,并且针对第(n-1)行进行操作D。接着,通过使得信号读出电路60经由钳位电容器24a选择垂直输出线21a,与针对第n行的操作B’的执行并行地,针对第(n+1)行执行操作A。

接着,与针对第n行的操作C的执行并行地,通过使得信号读出电路60经由钳位电容器24b选择垂直输出线21b,针对第(n+1)行进行操作B’。接着,读出控制电路30使得信号读出电路60经由钳位电容器24a选择垂直输出线21a,并且与针对第n行的操作D的执行并行地,针对第(n+1)行执行操作C。

之后,针对第(n+1)行,经由钳位电容器24b选择垂直输出线21b,并且与针对第(n+1)行所执行的操作D并行地,针对第(n+2)行执行操作A。重复上述操作。

如上所述,可以与使用信号读出电路60的操作B’和D并行地执行包括垂直输出线21a和21b的信号稳定的操作A和C,并且可以进一步提高读出速度。

接着,将使用时序图来详细说明第二实施例中的读出控制电路30所进行的具体操作。图8是示出第二实施例中的读出控制电路30所进行的信号输出操作和信号读出操作的时序图。

在时间段t11内,行选择脉冲φSEL(n)变成“H”,并且第n行中的单位像素10开始向相应的垂直输出线21a输出信号。同时,复位脉冲φRES(n)变成“H”,以消除FD 13的不必要电荷,并且在复位了FD 13的电位之后复位脉冲φRES(n)变成“L”。此时,第n行的单位像素10将复位信号输出至垂直输出线21a。随着稳定时间的经过,复位信号如Vline a所示地反映在垂直输出线21a上(操作A)。

在时间段t12内,垂直输出线切换脉冲φSELCa变成“H”并且垂直输出线切换脉冲φSELCb变成“L”,由此差分放大器25经由钳位电容器24a连接至垂直输出线21a。此时,信号读出电路60从垂直输出线21a读出第n行的复位信号。同时,钳位脉冲φC0R变成“H”,并且差分放大器25的输入端子和输出端子被复位成基准电压VC0R。之后,在钳位脉冲φC0R变成“L”时,钳位电容器24a将第n行的复位信号钳位(保持)至基准电压VC0R(操作B’)。

在相同的时间段t12内,行选择脉冲φSEL(n+1)变成“H”,并且第(n+1)行中的单位像素10开始向相应的垂直输出线21b输出信号。同时,复位脉冲φRES(n+1)变成“H”,以消除FD 13的不必要电荷,并且在复位了FD 13的电位之后复位脉冲φRES(n+1)变成“L”。此时,第(n+1)行的单位像素10将复位信号输出至垂直输出线21b。随着稳定时间的经过,复位信号如Vline b所示地反映在垂直输出线21b上(操作A)。

在时间段t13内,垂直输出线切换脉冲φSELCa变成“L”并且垂直输出线切换脉冲φSELCb变成“H”。结果,在第n行的复位信号钳位至基准电压VC0R的状态下,钳位电容器24a从差分放大器25断开,并且钳位电容器24b连接至差分放大器25。此时,信号读出电路60从垂直输出线21b读出第(n+1)行的复位信号。同时,钳位脉冲φC0R变成“H”,并且差分放大器25的输入端子和输出端子被复位成基准电压VC0R。之后,在钳位脉冲φC0R变成“L”时,钳位电容器24b将第(n+1)行的复位信号钳位至基准电压VC0R(操作B’)。

此外,在相同的时间段t13内,传送脉冲φTX(n)变成“H”,并且将第n行的PD 11中累积的电荷传送至FD 13。之后,传送脉冲φTX(n)变成“L”,并且第n行的单位像素10将转移信号输出至垂直输出线21a。随着稳定时间的经过,转移信号如Vline a所示地反映在垂直输出线21a上(操作C)。

在时间段t14内,在垂直输出线切换脉冲φSELCb变成“L”的情况下,在第(n+1)行的复位信号被钳位至基准电压VC0R的状态下,钳位电容器24b从差分放大器25断开。同时,钳位脉冲φC0R变成“H”,并且差分放大器25的输入端子和输出端子被复位成基准电压VC0R。

在时间段t15内,钳位脉冲φC0R变成“L”,并且垂直输出线切换脉冲φSELCa变成“H”,并且垂直输出线21a经由钳位电容器24a连接至差分放大器25。由此,信号读出电路60从稳定了的垂直输出线21a读取第n行的转移信号。差分放大器25根据钳位电容器24a和增益电容器26的电容比所确定的信号增益来进行信号放大,并且将结果输出至AD转换电路28。严格地说,由于复位信号被钳位电容器24钳位至基准电压VC0R,因此复位信号和转移信号之间的差被放大。AD转换电路28将从差分放大器25输入的信号转换成数字信号,并且将该数字信号输出至图像传感器1的外部(操作D)。

此外,在相同的时间段t15内,传送脉冲φTX(n+1)变成“H”,并且将第(n+1)行的PD 11中所累积的电荷传送至FD 13。之后,传送脉冲φTX(n+1)变成“L”,并且第(n+1)行中的单位像素10将转移信号输出至垂直输出线21b。随着稳定时间的经过,转移信号如Vline b所示地反映在垂直输出线21b上(操作C)。

在时间段t16内,行选择脉冲φSEL(n)变成“L”,并且第n行中的单位像素10和垂直输出线21a被断开。另外,垂直输出线切换脉冲φSELCa变成“L”,并且钳位电容器24a从差分放大器25断开。同时,钳位脉冲φC0R变成“H”,并且差分放大器25的输入端子和输出端子被复位成基准电压VC0R。

在时间段t17内,钳位脉冲φC0R变成“L”,并且垂直输出线切换脉冲φSELCb变成“H”,并且垂直输出线21b经由钳位电容器24b而连接至差分放大器25。由此,信号读出电路60从稳定了的垂直输出线21b读取第(n+1)行的转移信号。差分放大器25根据钳位电容器24b和增益电容器26的电容比所确定的信号增益来进行信号放大,并且将结果输出至AD转换电路28。AD转换电路28将从差分放大器25输入的信号转换成数字信号,并且将该数字信号输出至图像传感器1的外部(操作D)。

在相同的时间段t17内,行选择脉冲φSEL(n+2)变成“H”,并且第(n+2)行中的单位像素10开始向相应的垂直输出线21a输出信号。同时,复位脉冲φRES(n+2)变成“H”,以消除FD 13的不必要电荷,并且在复位了FD 13的电位之后,复位脉冲φRES(n+2)变成“L”。此时,第(n+2)行中的单位像素10将复位信号输出至垂直输出线21a。随着稳定时间的经过,复位信号反映在垂直输出线21a上。之后,通过重复与从时间段t12起的操作相同的操作,顺次读出单位像素10的信号。

根据如上所述的第二实施例,信号读出电路60各自具有用于选择多个垂直输出线21其中之一的结构,并且如在时间段t12和t15内那样并行执行垂直输出线21a的读出操作和向垂直输出线21b的信号输出操作。此外,如在时间段t13和t17内那样,信号读出电路60并行执行垂直输出线21b的读出操作和向垂直输出线21a的信号输出操作。这样,可以进一步提高读出速度。

在上述示例中,说明了使用两个垂直输出线21a和21b以及钳位电容器24a和24b的结构,然而,本发明不限于此,可以针对各列配置三个以上的垂直输出线和钳位电容器。

第三实施例

接着,将说明本发明的第三实施例。在第三实施例中,将说明进行将多个单位像素的输出信号相加成一个输出信号的相加读出操作的情况。为了将该相加读出操作与上述信号读出操作区分开,以下将图5和8所示的信号读出操作称为非相加读出操作。例如,在需要高帧频并且可以接受低分辨率的运动图像的记录的情况下,该相加读出操作是有效的。

图9是示出第三实施例的信号读出电路90(其可以用于代替第一实施例中的信号读出电路20)的结构的电路图。图9示出设置有用于连接不同列的垂直输出线21的相加开关29的电路结构的示例。在图9中,向与图2所示的结构相同的结构赋予相同的附图标记,并且将省略这些结构的说明。

在单位像素10中,配置了拜尔阵列的颜色滤波器,并且形成了包括具有R(红色)的颜色滤波器的单位像素10和具有G(绿色)的颜色滤波器的单位像素10的RG列、以及包括具有G的颜色滤波器的单位像素10和具有B(蓝色)的颜色滤波器的单位像素10的GB列。将具有相同颜色的颜色滤波器的单位像素10连接至各垂直输出线。更具体地,在两个邻接的RG列中,将连接具有R颜色滤波器的单位像素10的垂直输出线经由输入切换开关23r1和相加开关29r而连接至钳位电容器24r。同样,将连接G颜色滤波器的单位像素10的邻接的垂直输出线经由输入切换开关23g2和相加开关29g而连接至钳位电容器24g。

尽管未示出,但是在两个邻接的BG列中,将连接具有B颜色滤波器的两个单位像素10的垂直输出线经由输入切换开关23b1和相加开关29b而连接至钳位电容器24b。同样地,将连接具有G颜色滤波器的两个单位像素10的垂直输出线经由输入切换开关23g2和相加开关29g而连接至钳位电容器24g。

图10是示出第三实施例中的读出控制电路30的相加读出操作的时序图。

首先,在时间段t21内,行选择脉冲φSEL(n)和行选择脉冲φSEL(n+1)变成“H”,并且第n行和第(n+1)行中的单位像素10分别向相应的垂直输出线21a和21b输出信号。同时,复位脉冲φRES(n)和φRES(n+1)变成“H”,以消除相应的FD 13的不必要电荷,并且在复位了FD 13的电位之后复位脉冲φRES(n)和φRES(n+1)变成“L”。此时,第n行和第(n+1)的单位像素10向相应的垂直输出线21a和21b输出复位信号。随着稳定时间的经过,复位信号如Vline a和Vline b所示地反映在垂直输出线21a和21b上。

此外,垂直输出线切换脉冲φSELCr1和相加切换脉冲φADDr变成“H”,并且输出R像素的复位信号的两条垂直输出线21a连接至钳位电容器24r。同样地,垂直输出线切换脉冲φSELCg2和相加切换脉冲φADDg变成“H”,并且输出G像素的复位信号的两条垂直输出线21b连接至钳位电容器24g。

在时间段t22内,钳位脉冲φC0R变成“H”,并且差分放大器25的输入端子和输出端子被复位成基准电压VC0R。之后,在钳位脉冲φC0R变成“L”时,钳位电容器24r和24g分别将输出至相应的垂直输出线21a和21b的复位信号钳位至基准电压VC0R。

在时间段t23内,转移信号φTX(n)和φTX(n+1)变成“H”,并且将第n行和第(n+1)行的PD 11中所累积的电荷传送至相应的FD 13。之后,转移脉冲φTX(n)和φTX(n+1)变成“L”,并且第n行和第(n+1)行中的单位像素10将转移信号输出至相应的垂直输出线21a和21b。随着稳定时间的经过,转移信号如Vline a和Vline b所示地反映在垂直输出线21a和21b上。

在时间段t24内,信号读出电路90从垂直输出线21a和21b读取第n行和第(n+1)行的转移信号。差分放大器25根据钳位电容器24r和24g与增益电容器26的电容比所确定的信号增益来进行信号放大,并且将结果输出至AD转换电路28。严格地说,由于复位信号被钳位电容器24r和24g钳位至基准电压VC0R,因此复位信号和转移信号之间的差被放大。另外,由于钳位电容器24r和24g同时连接至差分放大器25,因此在针对各颜色将转移信号相加的状态下,将输出至垂直输出线21a和21b的第n行和第(n+1)行的R和G像素的转移信号输出至AD转换电路28。AD转换电路28将从差分放大器25输入的信号转换成数字信号,并将该数字信号输出至图像传感器1的外部。之后,通过重复与从时间段t21起的操作相同的操作,顺次读出单位像素10的信号。

如上所述,通过将多个垂直输出线21同时连接至一个信号读出电路90并且使得相应的单位像素10输出信号,使得能够进行将多个输出信号相加的相加读出操作。

第四实施例

接着,将说明本发明的第四实施例。在第四实施例中,将参考图11来说明配备有第一实施例至第三实施例中所述的图像传感器1的摄像设备的示例。

在图11中,镜头单元1001将被摄体的光学图像形成在图像传感器1上。此外,通过镜头驱动装置1002来进行变焦控制、调焦控制和光圈控制等。

机械快门1003控制图像传感器1的曝光和遮光,并且由快门驱动装置1004来控制。图像信号处理电路1005对从图像传感器1输出的图像信号进行各种校正和数据压缩、以及用于获得宽动态范围图像的多个图像的合成处理等。拍摄模式/时序发生单元1006向图像传感器1和图像信号处理电路1005输出拍摄模式指示信号和各种定时信号。

存储单元1007用作用于暂时存储图像数据的存储器,以及整体控制运算单元1008是用于进行各种运算操作以及对照相机系统整体的控制的电路。记录介质控制I/F单元1009是用于在记录介质上进行记录或读取的接口,记录介质1010是用于记录或读出图像数据的可移除半导体存储器,以及显示单元1011是用于显示各种信息和拍摄图像的装置。

接着,将说明具有上述结构的数字照相机在拍摄时的操作。在接通主电源时,接通向控制系统的电源,然后接通向诸如图像信号处理电路1005等的摄像系统的电路的电源。之后,在按下释放按钮(未示出)时,开始图像拍摄操作。

当完成了图像拍摄操作时,从图像传感器1输出的图像信号通过图像信号处理电路1005来进行图像处理,并且根据来自整体控制运算单元1008的指示而写入存储单元1007中。在整体控制运算单元1008的控制下,将写入存储单元1007中的数据经由记录介质控制I/F单元1009而记录在诸如半导体存储器等的可移除记录介质1010上。此外,可以通过经由外部I/F单元(未示出)而直接输入至计算机等来处理图像。

整体控制运算单元1008可以根据来自外部操作系统(未示出)的指示来切换帧频和分辨率。可选地,可以根据其它图像拍摄条件来自动切换帧频和分辨率。此时,根据该切换,拍摄模式/时序发生单元1006控制图像传感器1的读取操作,例如指示图像传感器1进行非相加读出操作或者相加读出操作。

如上所述,通过将第一实施例至第三实施例中的任意实施例的图像传感器1安装在摄像设备中,可以提供能够以更高帧频拍摄图像的照相机。

尽管已经参考典型实施例说明了本发明,但是应该理解,本发明不局限于所公开的典型实施例。所附权利要求书的范围符合最宽的解释,以包含所有这类修改、等同结构和功能。

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