固态成像装置、其信号处理方法和成像设备的制作方法

专利名称：固态成像装置、其信号处理方法和成像设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及固态成像装置、其信号处理方法和成像设备。
背景技术：
图31示出了固态成像装置的单元像素100的配置的示例。关于该示例， 在具有用于传送在光电转换元件101中通过光电转换获得的信号电荷的传送 晶体管的单元像素100中，使能够传送到单元像素的浮置扩散电容器 (floating diffusion capacitor, FD ) 106的累积电荷的最大量Qfd. max 充分大于作为光接收单元的光电转换元件101中的累积电荷的最大量 Qpd.max。结果，通过在光电转换元件101中去除残余电荷，实现信号电荷从 光电转换元件101到浮置扩散电容器106的完全传送。
对于以上述方式在光电转换元件101中通过光电转换获得的信号电荷实 现了完全传送，这使得可以防止在拍摄图像阶段的残余图像并且可以实现在 入射光的亮度和传感器输出信号之间的满意线性度。关于这一点，该实施例 的单元像素100除了传送晶体管102之外还包括复位晶体管103、放大晶体 管104和像素选择晶体管105。
然而，图31中所示的单元像素100包含以下问题。 (1 )由于累积电荷的最大量Qfd.max必须大于光电转换元件101中的累 积电荷的最大量Qpd.max,所以存在用于提高电荷到电压转换效率的浮置扩 散电容器106的电容减小的局限。
(2)由于与上述相同的理由，用作用于浮置扩散电容器106的复位电压 的电源电压Vdd的减小导致在浮置扩散电容器106中累积电荷的最大量 Qfd.max的减小，存在降低电源电压Vdd的局限。然后，迄今为止，上述问题(1)和(2)以以下方式解决。也就是说，
当由于用于提高电荷到电压转换效率的浮置扩散电容器106的电容的减小而 使得累积电荷的最大量Qfd.max更小时，或者当由于降低复位电压(电源电 压)Vdd而使得累积电荷的最大量Qfd.max更小时，在执行电荷传送、信号 读和浮置扩散电容器106的复位之后，由于超出传送晶体管102可以传送的 电荷而剩在光电转换元件101中的电荷被再次传送以便读出信号。结果，以 多批次读出光电转换元件101中累积的所有电荷。例如，这项技术在日本专 利公开No. 2001-177775中描述。

发明内容
然而，当如上述现有技术中的那样，通过光电转换在光电转换元件101 中在累积时间段期间累积的电荷基于分段传送基础(分段传送(partition transfer))而传送，然后对于与由此传送的电荷相对应的模拟信号执行模数 转换时，必须根据在分段传送基础中分段的数目执行多次模数转换处理。结 果，难于加速模数转换处理，并且功耗也增大。
根据前述，因此需要提供使用当所有累积电荷不能在一次读出操作中读 出时用于以多批传送所有累积电荷并且基于分段传送基础输出信号电荷的配 置、能够加速模数转换处理并且减小功耗的固态成像装置、用于所述固态成 像装置的信号处理方法以及成像设备。
为了达到上述目标，根据本发明的实施例，提供固态成像装置，包括
像素阵列单元，通过将单元像素以矩阵形式排列而构成，每一个所述单
元像素包括被配置为将光信号转换为信号电荷的光电转换单元、被配置为传 送在所述光电转换单元中通过光电转换而获得的信号电荷的传送元件以及被 配置为输出由所述传送元件传送的信号电荷的输出部件；
驱动部件，被配置为读出在所述光电转换单元中在一个单元的累积时间 段期间累积的、通过所述输出部分由所述传送元件至少以两批传送的电荷； 以及
模数转换部件，被配置为使用不同的转换精度对以多批从所述单元像素 读出的多个输出信号执行^^莫数转换。
根据本发明的另 一个实施例，提供了用于固态成像装置的信号处理方法， 包括像素阵列单元，通过将单元像素以矩阵形式排列而构成，每一个所述单 元像素包括被配置为将光信号转换为信号电荷的光电转换单元、被配置为传 送在所述光电转换单元中通过光电转换而获得的信号电荷的传送元件以及被 配置为输出由所述传送元件传送的信号电荷的输出部件；以及
驱动部件，被配置为读出在所述光电转换单元中在一个单元的累积时间 段期间累积的、通过所述输出部分由所述传送元件至少以两批传送的信号电
荷；
其中所述固态成像装置使用不同的转换精度对以多批从所述单元像素读 出的多个输出信号执行模数转换。
根据本发明的再一个实施例，提供了成像设备，包括
固态成像装置，通过将单元像素以矩阵排列而组成，每一个所述单元像 素包括被配置为将光信号转换为信号电荷的光电转换单元、被配置为传送在 所述光电转换单元中通过光电转换而获得的信号电荷的传送元件以及被配置 为输出由所述传送元件传送的信号电荷的输出部件；以及
光学系统，用于将入射光聚焦到所述固态成像装置的成像区域上，
其中所述固态成像装置包括
驱动部件，被配置为读出在所述光电转换单元中在一个单元的累积时间 段期间累积的、通过所述输出部分由所述传送元件至少以两批传送的信号电 荷；以及
模数转换部件，被配置为使用不同的转换精度对以多批从所述单元像素 读出的多个输出信号执行模数转换。
根据本发明，当基于分段传送基础来传送不能在一次读出操作中读出的 累积电荷时，使用不同的转换精度对从单元像素读出的多个输出信号执行模 数转换。结果，可以实现模数转换处理的加速和功耗的减小。


图1是示出根据本发明的第一实施例的CMOS图像传感器的系统配置图； 图2是示出图1中所示的单元像素的电路配置的示例的电路图； 图3是示出图1中所示的单元像素的电路配置的另一示例的电路图； 图4是示出图1中所示的单元像素的电路配置的再一示例的电路图； 图5是示出当基于四分段(quadri-partition)基础执行分段传送时复位脉冲RST和传送脉冲TRG之间的定时关系的定时图6是解释当在四分段传送中入射光亮度高时的操作的能量图7是解释当在四分段传送中入射光亮度低时的操作的能量图8是示出图1中所示的信号处理电路的配置的示例的框图9是示出图1中所示的信号处理电路的配置的另一示例的框图IO是示出图9中所示的具有噪声去除功能和加法功能的A/D转换单元
的具体配置的示例的框图11是示出使用相同的转换精度执行的A/D转换处理的操作定时的定时
图12是示出使用不同的转换精度执行的A/D转换处理的操作定时的定时
图13是示出当将累积电荷的最大量设置为10,000电子时入射光强度和 读出信号的噪声级之间关系的特性图14是示出根据本发明的第二实施例的CMOS图像传感器的系统配置图15是示出图14中所示的列电路的配置的示例的框图16是示出图14中所示的列电路的配置的另一示例的框图17是示出根据本发明的第三实施例的CMOS图像传感器的系统配置图18是示出图17中所示的供应电压控制电路的电路配置的示例的电路
图19是示出在供应电压控制电路中输入操作和输出操作之间的定时关 系的定时周20是示出在三分段传送的情况下驱动定时示例的定时图； 图21是解释在三分段传送的情况下的操作的能量关系的示例的实验结果的图23是示出在n分段传送的情况下驱动定时示例的定时图24A和24B每一个分别是示出光电转换单元可以处理的累积电荷的最
大量Qpd. max和相应分段传送操作中的最大值Qfd. max之间的关系的图25是解释当在三分段传送期间使用不同转换精度执行A/D转换时的处
理的图26是示出信号电平和噪声电平之间关系的特性图，其中信号电平和噪声电平中的每一个均与入射光亮度成比例；
图27是示出设置不同的A/D转换精度的具体示例的说明图28是示出修改1的单元像素的像素电路的电路图29是示出修改2的单元像素的像素电路的电路图30是示出根据本发明的实施例的成像设备的配置的框图；以及
图31是示出现有技术中单元像素的配置的示例的电路图。
具体实施例方式
在下文中，参照附图将详细地描述本发明的优选实施例。 [第一实施例]
图1是示出根据本发明的第一实施例的固态成像装置(例如CM0S图像传 感器)的配置的系统配置图。
如图1所示，该实施例的CMOS图像传感器10A包括像素阵列单元11及 其外围电路。在这种情况下，配置像素阵列单元ll,使得每一个均包括光电 转换元件的单元像素(下文中在一些情况下简单称为"像素")20以矩阵形 式二维地排列。例如，提供垂直扫描电路12、水平扫描电路13、列信号选择 电路14、信号处理电路15等作为像素阵列单元11的外围电路。
对于像素阵列单元11中的像素20的矩阵排列，垂直信号线111是按每 一个像素列布线，并且驱动控制线，例如传送控制线112、复位控制线113 和选择控制线114按每一个像素行布线。
将恒流源16分别连接到垂直信号线111的一端。可以使用用于电流偏置 的晶体管(例如其栅极由偏置电压Vbias偏置)而不是使用恒流源16。在这 种情况下，用于电流偏置的晶体管与将在后面描述的放大晶体管24 —起配置 电源i 艮随器电^各(source follower circuit)(参照图2)。
垂直扫描电路12由移位寄存器、地址译码器等组成。另外，当关于电子 快门(shutter)行和读出行中的每一个、以行为单元垂直地扫描像素阵列单 元11的像素20时，垂直扫描电路12执行用于从属于电子快门行的像素20 的对应 一个中扫除信号的电子快门操作，并且执行用于从属于读出行的像素 的对应 一个读出信号的操作。
尽管在此省略了图示，但是垂直扫描电路12包括读出扫描系统和电子快 门扫描系统。在这种情况下，读出扫描系统在以行为单元连续地选择像素20的同时执行用于从属于读出行的像素20读出信号的读出操作。此外，在由读 出扫描系统执行读出扫描的与快门速度相对应的时间段之前，电子快门扫描 系统对于相同行执行电子快门操作。
此外，从第一定时到第二定时的时间段变为用于每一个像素20中的信号
电荷的一个单元的累积时间段(曝光时间段)。这里，在第一定时中，通过电 子快门扫描系统的快门扫描来复位光电转换单元中的不必要的电荷。此外， 在第二定时，通过读出扫描系统的读出扫描来分别从像素读出信号。也就是 说，电子快门操作意味着用于复位(扫除)在光电转换单元中累积的信号电 荷，并在信号电荷的复位完成之后开始重新累积信号电荷的操作。
水平扫描电路13由移位寄存器、地址译码器等组成。水平扫描电路13 顺次水平扫描像素阵列单元11的像素列。列信号选择电路14由水平选择开 关、水平信号线等组成。列信号选择电路14与水平扫描电路13进行的水平 扫描操作同步地连续分别输出各个像素20的信号，所述像素20的信号通过 与像素行相对应的垂直信号线111从像素阵列单元11输出。
信号处理单元15对于以像素为单元从列信号选择电路14输出的像素20 的信号执行诸如噪声去除处理、模数(A/D)转换处理和相加处理之类的各种 信号处理。该实施例特征在于信号处理电路15的配置和操作。稍后将描述该 实施例的特征的细节。
需要注意，从定时控制电路(未示出)产生定时信号和控制信号，所述 定时信号和控制信号的每一个均成为用于垂直扫描电路12、水平扫描电路 13、信号处理电路15等的操作的基准。 (像素电路)
图2是示出单元像素20的电路配置的示例的电路图。将该示例的单元像 素20配置为除了诸如嵌入式(buried)光电二极管之类的光电转换元件(光 电转换单元)21之外，还包括四个晶体管，例如传送晶体管(传送元件)22、 复位晶体管23、放大晶体管24和选择晶体管25,的像素电路。在这种情况 下，例如，尽管将N沟道MOS晶体管用作四个晶体管22到25，但是本发明 决不限于这种配置。
传送晶体管22连接在光电转换元件21的阴极电极与浮置扩散电容器 (FD ) 26之间。传送晶体管22通过将传送脉冲TRG提供到其栅极电极(控 制电极)来将通过光电转换已经累积在光电转换元件21中的信号电荷(在这种情况下为电子)传送到浮置扩散电容器26。由此，浮置扩散电容器26作
为用于将信号电荷转换成电压信号的电荷到电压转换单元。
复位晶体管23的漏极电极连接到用于提供电源电压Vdd的像素电源，并 且其源极电极连接到与浮置扩散电容器的接地端相对的浮置扩散电容器的一 端。在将信号电荷从光电转换元件21传送到浮置扩散电容器26之前，复位 晶体管23根据提供到其栅极电极的复位脉冲RST,将浮置扩散电容器26的 电势复位到复位电压Vrst。
放大晶体管24的栅极电极连接到浮置扩散电容器26的一端，并且其漏 极电极连接到用于提供电源电压Vdd的像素电源。放大晶体管24以具有复位 电平的信号的形式输出被复位晶体管23复位之后的输出浮置扩散电容器26 的电势，并以具有信号电平的信号的形式输出由传送晶体管22将信号电荷传 送到浮置扩散电容器26之后的浮置扩散电容器26的电势。
例如，将选择晶体管25的漏极电极连接到放大晶体管24的源极电极， 并且将其源极电极连接到垂直信号线111。选择晶体管25根据施加到其栅极 电极的选择脉冲SEL而导通，以便将像素20设置在选择状态下，由此将从放 大晶体管24输出的信号输出到垂直信号线111。选择晶体管25也可以采用 连接在像素电源(Vdd)和放大晶体管24的漏极电极之间的配置。
注意，尽管在此已经给出了将本发明的实施例应用到包括具有四个晶体 管配置，即包括传送晶体管22、复位晶体管23、放大晶体管24和选择晶体 管25的单元像素20的CMOS图像传感器的情况作为示例，但是本发明决不受 限于该应用示例。
具体地说，本发明也可以应用到包括具有三个晶体管配置(在图3中示 出)的单元像素20，的CMOS图像传感器，省略图2中所示的选择晶体管25， 并且使电源电压SELVdd可变，由此将选择晶体管25的功能赋予放大晶体管 24,在多个像素之中共享具有图4中所示的配置的CMOS图像传感器、浮置扩 散电容器FD和读出电路200,等等。
在具有上述配置的CMOS图像传感器10A中，用于驱动单元像素20的构 成元件(传送晶体管22、复位晶体管23和选择晶体管25 )的垂直扫描电路 12构成了驱动部分。在这种情况下，由传送晶体管22将在光电转换元件21 中在一个单元的累积时间段期间累积的信号电荷至少分段成两批(batch )。 由此，驱动部分基于分段传送通过输出部分(由复位晶体管23、浮置扩散电容器26、放大晶体管24和选择晶体管25组成)将信号电荷读出到垂直信号 线111。
(分段传送)
具有上述配置的CMOS图像传感器IOA执行用于至少以两批将在光电转换 元件21中在一个单元的累积时间段期间累积的信号电荷传送到浮置扩散电 容器26 (基于分段传送)，并在基于从垂直扫描电路12合适地输出的传送脉 冲TRG、复位脉冲RST和选择脉冲SEL的驱动之下，以〗象素行为单元、通过 放大晶体管24将通过光电转换元件21中的光电转换获得的信号电压输出到 垂直信号线lll。此外，基于分段传送从单元像素20读出的多个信号电压在 接下来的级(stage)中在信号处理电路15中经历相加处理。
这里，图5示出了作为示例当基于四分段传送执行分段传送时，复位脉 冲RST和传送脉冲TRG之间的定时关系。另外，图6示出解释当入射光的亮 度高时的操作的能量图，而图7示出解释当入射光的亮度低时的操作的能量 图。在图6和7中，操作(1)到(l5)分别与图5中所示的时间段(1)到 (15 )相对应。
当以四批传送信号电荷时，具有在相应的电荷传送4喿作中读出的量 Qfdl、 Qfd2、 Qfd3和Qfd4的电荷彼此相加以获得具有量Qpd (Qfdl+Qfd2+Qfd3+Qfd4)的累积电荷。另外，在入射光的亮度高的像素中， 光电转换元件21在其中累积大量电荷，如图6中所示，可以读出具有量Qpd 的所有累积电荷，这是因为执行了四分段与相加(quadri-partition and addition )。
(信号处理电路)
图8是示出了图1中所示的信号处理电路15的配置的示例的框图。在这 种情况下，给出将在分段传送基础中分段的数目n设置为例如3 (n=3)的情 况作为示例。
如图8所示，该示例的信号处理电路15包括噪声去除单元151、 A/D转 换单元152、信号选择单元153、信号保持单元154以及相加单元l55。
例如，噪声去除单元151包括相关欢采样(correlated double sampling, CDS)电路。噪声去除单元151连续地获得复位电平和信号电平(所述复位电 平和信号电平的相应信号从单元像素20连续地提供)之差，由此去除复位噪 声和由于放大晶体管24的阈值中的扩散而引起的每个像素中固有的固定模式噪声等。A/D转换单元152将由此提供到其的模拟输出信号通过A/D转换
转换为数字信号。
信号选择单元153与第一次、第二次和第三次分段传送基础相对应地、 连续地选择顺次从A/D转换单元152输出的数字信号之一，并指导信号保持 单元154分别在其保持单元154-1、 154-2和154-3中顺次保持由此选择的数 字信号。相加单元155将分别在保持单元154-1、 154-2和154-3中保持的第 一次、第二次和第三次输出信号彼此相加。
在具有上述配置的信号处理电路15中，例如，将噪声去除单元151、 A/D 转换单元152、信号选择单元153、信号保持单元154和相加单元155彼此集 成在与像素阵列单元11的半导体衬底相同的半导体衬底上。
然而，不是必需将所有噪声去除单元151、 A/D转换单元152、信号选择 单元153、信号保持单元154和相加单元155彼此集成在与像素阵列单元11 的半导体村底相同的半导体村底上。也就是说，所有这些单元中的一些或其
全部可以彼此集成在另一半导体衬底上。
注意，在以上情况中，已经示出了在A/D转换单元152的之前级的一侧 布置噪声去除单元151的示例。然而，可以将噪声去除单元151布置在A/D 转换单元152的之后级的一侧，使得在数字处理中执行A/D转换单元。或者， 可以将A/D转换单元152赋予噪声去除功能，使得在执行A/D转换的同时执 行噪声去除。
另外，如图9所示，具有噪声去除功能和相加功能的A/D转换单元152 可以组成信号处理电路15,使得与A/D转换处理并行地执行噪声去除处理和 才目力口^t玉里。
图10是示出了具有噪声去除功能和相加功能的A/D转换单元156的具体 配置的示例的框图。另外，该示例的A/D转换单元156包括电压比较器1561 和计数器1562。
电压比较器1561在其反相(-)输入端接收具有斜坡(ramp)波形的基 准信号Vref，并且在其非反相(+ )端通过垂直信号线lll接收从单元像素 20提供的输出信号Vout。当输出信号Vout的电平高于基准信号Vref的电平 时，电压比较器1561输出比较结果Vco。
计数器1562由升值/降值计数器组成。计数器1562在基于加/减控制信 号的控制之下、与时钟CK同步地执行用于升值计数/降值计数的计数操作长达电压比较器1561中的比较结果Vco改变所需的时间段，由此增大或减小计数值。
图11示出了具有斜坡波形的基准信号Vref、从电压比较器1561获得的 比较结果Vco和在计数器1562中的计数值的波形。
在该示例中，对于基于三分段传送获得的输出信号，计数器1562中的计 数值在用于读出具有复位电平的信号的第 一次读出操作中减小，然后在用于 读出具有信号电平的信号的第一次读出操作中减小。结果，获得了与复位电 平和信号电平之差对应的计数值(噪声去除处理)。
以这种方式，与A/D转换处理同时执行噪声去除处理。另外，计数器1562 中的计数值在用于读出具有复位电平的信号的第二次读出操作中减小，并且 计数器1562中的计数值在用于读出具有信号电平的第二次读出操作中减小 以便跟随第一次A/D转换处理。结果，可以将在第二次清楚处理结束之后的 结果加到在第一次去除处理结束之后的结果上(相加处理)。
也就是说，对于基于三分段传送获得的输出信号，重复地执行用于获得 与复位电平与信号电平之差对应的计数值，使得计数器1562中的计数值重复 地增大或减小。结果，可以获得基于相应的分段传送通过相加在读出操作中 复位电平和信号电平之差而获得的数字输出信号。
如以上显而易见的那样，可以将A/D转换单元156赋予信号保持单元153 和相加单元155的功能。
信号处理电路15包括以上述方式具有噪声去除功能和相加功能的A/D 转换单元156，这导致噪声去除单元151以及信号保持单元153的保持单元 153-1、 153-2和153-3变得不必要，并且不必要与用于分段传送基础的分段 数n相对应地增大保持单元153-1、 153-2和153-3的数目。结果，可以简化 信号处理电路15的电路配置。
〈A/D转换的问题〉
这里，当在图11中所示的基于n分段的所有读出操作中使用相同的转换 精度对于从单元像素20读出的输出信号执行A/D转换时，A/D转换的每一个 执行时间和功耗与分段的数目n成比例地增大。
<使用不同转换精度的A/D转换〉
为了应付这样的情况，在该实施例的CMOS图像传感器中，如图12中所 示，对于第一次和第二次读出操作使用不同的转换精度执行A/D转换。具体地说，使第二次读出才喿作中基准信号Vref的斜坡大于第一次读出操作中基准 信号Vref的斜坡以便增大A/D转换中最小量的检测，即每一个计数的信号量， 由此减小第二次A/D转换中的转换精度。
该示例的A/D转换单元156釆用用于与A/D转换同时执行相加处理的配 置。由于这个原因，对于使用同一加权因子而执行的相加处理，当在第二次 读出操作中基准信号Vref的斜坡是第一次读出操作中基准信号Vref的斜坡 的N倍时，每一个时钟(使其N倍于第 一次计数操作中的时钟)使用其计数 来执行第二次计数操作，由此引起第二次计数操作中的转换精度为第 一次计 数操作中的转换精度的1 /N。
图13是示出当将在光电转换元件21中累积的电荷的最大量设置为 10，000个电子时入射光(累积电荷)的强度与所读出的信号的噪声电平之间 的关系的特性图。在这种情况下，读出操作中固定模式噪声与2e—对应，读出 操作中随机噪声与7e—对应，并且与累积电荷对应的光散射噪声(optical shot noise)被作为噪声分量而包含。
如图13所示，在具有较少累积电荷的低亮度区域中暗相(dark-phase) 电平是主要的。然而，当入射光的强度增大并且累积电荷量因此增大时，光 散射噪声变为主要的。由于这个原因，在其中设置到低亮度的、具有高转换 精度的A/D转换的应用导致即使在其中设置到高亮度的、具有低转换精度的 A/D转换的应用的情况下，例如，如图13所示，由于A/D转换中没有量化误 差变为主要的，所以图像质量几乎不劣化。
在该示例中，在12位、1Q位和8位A/D转换中每1LSB的转换精度分别 变为2. 4e—、 9. 8e—和39. le—。由此，当基于四分段传送累积电荷时，图13中
所示的转换精度到基于四分段的相应四分段传送操作的应用导致取决于与 1LSB相对应的电子数的量化误差大大地小于诸如光散射噪声之类的噪声分 量。结果，这几乎不在图4象质量上施加坏的影响。
在图10中例示的A/D转换单元156的情况中，由于取决于转换精度的等 级(gradation)数与执行时间彼此成比例，所以图13中所示的转换精度到 A/D转换的应用导致执行4次12位A/D转换(4， 096等级x 4 )。另一方面， 当使用12位(4，096个等级)、10位(1,024个等级)和8位(256个等级) 执行A/D转换时，以2. 6倍于以上A/D转换的速度的高速执行A/D转换。另 外，计数器1562中消耗的功率也可以减小到以上情况中的大约1/2. 6,这是因为计数器1562中的改变数与等级数成比例。
(该实施例的效果)
如目前已经描述的那样，在当光电转换元件21中的所有累积电荷不能在 一个读出操作中读出时基于分段执行电荷传送和信号输出的CMOS图像传感 器10A中，在n分段传送基础中从单元像素20输出的输出信号经历不同转换 精度的A/D转换以彼此相加。结果，可以缩短A/D转换的执行时间(转换速 度)而不损害图像质量，并且可以减小在每一个A/D转换单元152和156中 的功耗。
更具体地说，在该实施例的CMOS图像传感器中使用基于参照图5到图7 所描述的分段传送的驱动方法，导致当在光电转换元件21中累积的电荷量较 少时，可以在第一分段传送基础操作中读出所有累积的电荷。由此，如图13 中所记录的那样，A/D转换的转换精度与读出顺序相对应地逐渐减小，由此 实现A/D转换的加速以及功耗的减小。
图14是示出了根据本发明的第二实施例的固态成像装置(如CMOS图像 传感器)的配置的系统配置图。在该图中，分别将相同的附图标记指定给等 效于之前参照图1所描述的单元的单元。
如图14所示，该实施例的CMOS图像传感器10B除了包括像素阵列单元 11、垂直扫描电路12、水平扫描电路13和列信号选择电路14之外，还包括 列电路17，将其排列以便分别与像素阵列单元11的像素列相对应。除了上 述配置之外的任意其他配置与第一实施例的CMOS图像传感器1 OA的配置基本 相同。
多个列电路17对于分别通过垂直信号线111从像素阵列单元11以像素 为单元输出的像素20的信号执行诸如噪声去除处理、A/D转换处理和相加处 理之类的各种信号处理。该实施例特征在于每一个列电路17的配置和操作。
该实施例的CMOS图像传感器IOB还使用基于参照图5到7描述的分段传 送的驱动方法。在使用所述驱动方法的情况下，在第一个分段传送基础操作 或几个分段传送基础操作中读出所有累积电荷。结果，当累积电荷量较少时， 在第一分段传送基础操作中读出所有累积电荷。 (列电路)
图15是示出了列电路17的配置的示例的框图。在这种情况下，给出了将分段传送基础的分段数n，例如设置为3 (n=3)的情况作为示例。
如图15所示，该示例的列电路17包括噪声去除单元171、 A/D转换单元 172、信号选择单元173、信号保持单元174和相加单元175。由此，列电路 17具有与图8所示的信号处理电路基本相同的配置。
例如，噪声去除单元171由CDS电路组成。噪声去除单元171连续地获 得复位电平和信号电平(所述复位电平和信号电平的相应信号从单元像素20 连续地提供)之差，由此去除复位噪声和由于放大晶体管24的阈值中的扩散 而引起的每个像素中固有的固定模式噪声等。A/D转换单元172将由此提供 到其的模拟输出信号通过A/D转换转换为数字信号。
信号选捧单元173与第一次、第二次和第三次分段传送基础操作相对应 地、连续地选择顺次从A/D转换单元172输出的数字信号之一，并指令信号 保持单元174分别在其保持单元174-1、 174-2和174-3中顺次保持由此选择 的数字信号。相加单元175将分别在保持单元174-1、 174-2和I74-3中保持 的第一次、第二次和第三次输出信号彼此相加。
注意，在以上情况下，已经示出了将噪声去除单元171布置在A/D转换 单元172的之前级的一侧的示例。然而，可以将噪声去除单元171布置在A/D 转换单元172的之后级的一侧，以便在数字处理中执行A/D转换。或者，可 以将A/D转换单元172赋予噪声去除功能，以便在执行A/D转换的同时执行 噪声去除。
另外，如图16所示，具有噪声去除功能和相加功能的A/D转换单元176 可以组成信号处理电路15，以便与A/D转换处理并行地执行噪声去除处理和 相加处理。具有噪声去除功能和相加功能的A/D转换单元176可以采用图10 中所示的电路配置。
为了解决使用相同的转换精度执行A/D转换的情况中的上述问题，具有 以上配置的列电路17特征在于与第一实施例(参照图12)的情况类似地、 对于第一次和第二次读出操作使用不同的转换精度执行A/D转换。具体地说， 使第二次读出操作中基准信号Vref的斜坡大于第一次读出操作中基准信号 Vref的斜坡以便增大A/D转换中最小量的检测，即每一个计数的信号量，由 此减小第二次A/D转换的转换精度。 (该实施例的效果)
如目前已经描述的那样，在当光电转换元件21中的所有累积电荷不能在
17一个读出操作中读出时基于分段执行电荷传送和信号输出的CMOS图像传感 器10A中，在n分段传送中从单元像素20输出的输出信号经历不同转换精度 的A/D转换以彼此相加。结果，与第一实施例的情况类似，可以实现A/D转 换的加速以及功耗的减小而不损害图像质量。 [第三实施例]
图17是示出了根据本发明的第三实施例的固态成像装置(如CMOS图像 传感器)的配置的系统配置图。在该图中，分别将相同的附图标记指定给等 效于之前参照图1所描述的单元的单元。
如图17所示，该实施例的CMOS图像传感器lOC除了像素阵列单元ll、 垂直扫描电路12、水平扫描电路13和列信号选择电路14之外，还包括供应 电压控制电路31、电压供应电路32和定时产生电路(TG) 33。此外，CMOS 图像传感器10C包括多个列电路34,将其排列成分别与像素阵列单元11的 像素列相对应。除了上述配置之外的任意其他配置与第二实施例的CMOS图像 传感器10B的配置基本相同。
多个列电路17对于分别通过垂直信号线111从像素阵列单元11以像素 为单元输出的像素20的信号执行诸如噪声去除处理、A/D转换处理和相加处 理之类的各种信号处理。该实施例特征在于每一个列电路17的配置和操作。 将在后面详细描述该实施例的特征。
供应电压控制电路31控制在单元像素内施加到传送晶体管(传送元件) 22的栅极电极(控制电极)的传送脉冲TRG的电压值(峰值)。将在后面描 述该供应电压控制电路31的具体配置。
电压供应电路32向供应电压控制电路31提供具有不同电压值的多个控 制电压。将多个控制电压作为具有不同电压值的传送脉冲TRG提供到传送晶 体管22的栅极电极。将在后面描述具有不同电压值的传送脉冲TRG的细节。
定时产生电路(TG) 33根据当电压供应电路32将具有不同电压值的多 个传送脉冲TRG提供到传送晶体管22的栅极电极时确定定时来产生定时信号 PTRG。
列电路34对于通过垂直信号线111从像素阵列单元11以像素为单元输 出的像素20的信号执行诸如噪声去除处理、A/D转换处理和相加处理之类的 各种信号处理。将在后面描述列电路34的具体配置和操作。 (供应电压控制电路)供应电压控制电路31通过驱动扫描电路12以选择从电压供应电路32
提供的多个电压之一，根据属于通过垂直扫描操作而选择的行的单元像素20 来接收地址信号ADR作为其输入，由此提供电压从而将其选择为在单元像素 20内到传送晶体管22的栅极电极的传送脉冲TRG。
将使传送晶体管22导通的ON电压Von、使传送晶体管22截止的OFF电 压Voff以及在ON电压和OFF电压之间的中间电压Vmid作为来自电压供应电 路32的多个电压而提供。这里，中间电压Vmid指的是这样一个电压，通过 该电压，当在光电转换元件21中保持累积电荷的一部分时，可以将剩余的累 积电荷部分地传送到浮置扩散电容器26。
在上述像素电路中，由于传送晶体管22是N沟道的，所以将0N电压设 置为电源电压Vdd，并且将OFF电压Voff设置为接地电压，最好将0FF电压 Voff设置为低于接地电压的电压。另外，在该实施例中，使用具有不同电压 值的两个中间电压VmidO和Vmidl作为中间电压Vmid。
结果，将四个电压，即0N电压Von、中间电压VmidO和Vmidl以及OFF 电压Voff，从电压供应电路32提供到供应电压控制电路31。四个电压示出 了这样的关系Voff < VmidO < Vmidl 〈Von。此外，将四个电压的中间电压 VmidO和Vmidl以及ON电压Von的每一个用作传送脉沖TRG。
为了分别控制中间电压VmidO和Vmidl以及ON电压Von从电压供应电路 32提供的定时，将三个定时信号PTRG1、 PTRG2和PTRG3从定时产生电路33 提供到供应电压控制电路31。供应电压控制电路31基于定时信号PTRG1、 PTRG2和PTRG3选4奪中间电压VmidO和Vmidl和ON电压Von中之一并将所选 择的一个作为中间电压Vmid提供到传送晶体管22的栅极电极。
图18是示出了供应电压控制电路31的电路配置的示例的电路图。如图 18中所示，供应电压控制电路31包括分别与四个电压(即中间电压VmidO 和Vmidl、 ON电压Von以及0FF电压Voff )相对应的四个电3各块311到314 以及3输入NOR电路315。
将地址信号ADR从垂直扫描电路12公共地提供到每一个电路块311到 314。将定时信号PTRG1、 PTRG2和PTRG3作为来自定时产生电路33的三个输 入提供到NOR电路315。
电路块311包括用于接收其两个输入地址信号ADR和定时信号PTRG1的 NAND电路3111、电平转移电路3112和信道驱动晶体管3113。电路块311选栅极电极。
电路块312包括用于接收地址信号ADR和定时信号PTRG2作为其两个输 入的NAND电路3121和P沟道驱动晶体管3122。电路块312选择中间电压 Vmidl并将由此被选择的中间电压Vmidl提供到传送晶体管22的栅极电极。
电路块313包括用于接收其两个输入地址信号ADR和定时信号PTRG3的 AND电路3131和N沟道驱动晶体管3132。电路块313选择ON电压Von并将 由此被选择的ON电压Von提供到传送晶体管22的栅极电极。
电路块314包括用于接收地址信号ADR和来自NOR电3各315的输出信号 作为其两个输入的AND电路3141、用于在具有在那里设置的负逻辑的一个输 入端接收地址信号ADR并且在另一输入端从AND电路3141接收输出信号的 OR电路3142、电平转移电路3143和N沟道驱动晶体管3144。电路块314选 择OFF电压Vof f,并将由此被选择的OFF电压Vof f提供到传送晶体管22的 栅极电极。
为了提供低于接地电压的电压，例如-l. OV作为OFF电压Voff (传送晶 体管22根据该电压而截止)，电路块314采用用于专门基于NOR电路315的 操作从其他电路块311、 312和313操作的电路配置。
图19示出了向供应电压控制电路31的输入和从供应电压控制电路31 的输出之间的定时关系。在假定要提供到传送晶体管22的栅极电极的电压是 中间电压VmidO和Vmidl、 ON电压Von以及OFF电压Vof f的情况下，当由地 址信号ADR选择像素行时，根据定时信号PTRG1、 PTRG2和PTRG3，分别将与 其对应的中间电压VmidO和Vmidl、 ON电压Von连续地提供到传送晶体管22 的栅极电极，而在除了以上情况之外的情况下提供OFF电压Voff 。
以上述方式，在供应电压控制电路31所进行的控制之下，与垂直扫描电 路12的垂直扫描才喿作同步地在每一像素行将中间电压VmidO和Vmidl以及 ON电压Von,以这种顺序从供应电压控制电路31提供到传送晶体管22的栅 极电极。结果，可以实现三分段传送，其中以例如3批将在光电转换元件21 中累积的信号电荷传送到浮置扩散电容器26。
〈三分段传送〉
在下文中，将参照图20的定时图和图21的操作说明图描述某一像素行 中三分段传送的情况中的具体操作。在图21中，操作(1)到(11)分别与图20中所示的时间段(1 )到(11 )相对应。
当在某一像素行中基于三分段传送来传送信号电荷长达一个单元的累积
时间段时，在给定的间隔中将复位脉冲PTS三次施加到复位晶体管23的栅极 电极，由此执行三次用于浮置扩散电容器26的复位操作。当每次复位操作与 该复位操作同步地经过某一时间段时，将中间电压VmidO和Vmidl以及0N电 压Von以这种顺序连续地从供应电压控制电路31提供到传送晶体管22的栅 极电极。
对于时间段(l),在光电转换元件21中累积电荷Qpd。此时，将0FF电 压Voff施加到传送晶体管22的栅极电极。另外，已经由第一次复位脉冲RST 使浮置扩散电容器26复位。通过放大晶体管24和选择晶体管25将浮置扩散 电容器26的复位电平以第一次复位电平的形式读出到垂直信号线111。
在完成复位电平的第一次读出之后，对于时间段(2)将中间电压VmidO 施加到传送晶体管22的栅极电极。中间电压VmidO的施加导致将电荷 (Qpd-QmidO)传送到浮置扩散电容器26，而留下光电转换元件21中累积电 荷Qpd的部分电荷QmidO不变。
接着，对于时间段(3 )，将OFF电压施加到传送晶体管22的栅极电极。 结果，将与传送到浮置扩散电容器26的电荷(Qpd-QmidO)相对应的信号以 具有第一信号电平的形式读出到垂直信号线111。
接着，对于时间段(4)，将第二次复位脉冲RST施加到复位晶体管23 的栅极电极，由此复位浮置扩散电容器26。接着，对于时间段(5)，将具有
产生的复位电平的信号以具有第二次复位电平的形式读出到垂直信号线111。 接着，对于时间段(6)，将中间电压Vmidl施加到传送晶体管22的栅极 电极。中间电压Vmidl的施加导致将电荷(Qpd-Vmidl)传送到浮置扩散电容 器26,而将光电转换元件21中剩余的电荷QmidO的部分电荷Qmidl仍然留 下不变。
接着，对于时间段(7 )，将OFF电压Voff施加到传送晶体管22的栅极 电极。结果，将与传送到浮置扩散电容器26的电荷(Qpd-Qmidl)相对应的 信号以具有第二次信号电平的形式读出到垂直信号线111 。
接着，对于时间段(8),将第三次复位脉冲RST施加到复位晶体管23 的栅极电极，由此复位浮置扩散电容器26。接着，对于时间段(9),将具有 产生的复位电平的信号以具有第三次复位电平的形式读出到垂直信号线111。接着，对于时间段(IO),将0N电压Von施加到传送晶体管22的栅极电 极。ON电压Von的施加导致将光电转换元件21中的剩余电荷Qmidl传送到 浮置扩散电容器26。
接着，对于时间段(11 ),将OFF电压Voff施加到传送晶体管22的栅极 电极。结果，将与传送到浮置扩散电容器26的电荷Qmidl相对应的信号以具 有第三次信号电平的形式读出到垂直信号线111。
图22示出了 TRG驱动电压(施加到传送晶体管22的栅极电极的传送脉 冲TRG)和在光电转换元件21中保持的电荷数之间关系的示例的实验结果。
在这种情况下，示出了当将ON电压Von和OFF电压Voff (传送晶体管 22根据Von和Voff而导通或截止)之间的中间电压Vmid施加到具有大约 5， 500 e—的饱和电子的光电转换元件21时光电转换元件21中保持的电荷数。
作为示例，图22也示出了当使用设置为VmidO和Vmidl的中间电压执行 用于三分段传送的驱动时保持的电荷数QmidO和保持的电荷数Qmidl。以这 样的方式设置中间电压Vmid的电压值和中间电压Vmid的数量，导致在光电 转换元件21中累积的电荷可以以传送电荷的任意单元和任意分段数传送，并 且可以输出与基于分段由此传送的电荷相对应的信号。
在三分段传送的情况下，中间电压VmidO和Vmidl中的每一个均变为第 一控制信号，而ON电压Von变为第二控制信号。
<n分段传送〉
尽管在这种情况下，目前通过给出三分段传送的情况作为示例已经给出 了描述，但是可以任意地设置传送操作的分段数。此外，当执行n分段传送 (n: 2或大于2的整数)时，如图23所示，必须将(n-1 )个中间电压VmidO、
Vmidl..... Vmid ( n-2 )以及ON电压Von顺次从供应电压控制电路13施力口
到传送晶体管22的栅极电极，由此驱动相关的传送晶体管22。
在n分^a传送的情况下，(n-1)个中间电压VmidO到Vmid ( n-2 )中的 每一个变为第一控制电压，而ON电压Von变为第二电压。
在基于上述n分段传送的驱动之下，在每个像素行执行电荷的传送、复 位以及像素选择。结果，将具有复位电平的信号和具有信号电平的信号(即 来自单元像素20的输出信号)列并行地(即以像素列为单元并行地)从单元 像素20读出到垂直信号线111以便将其通过相关的垂直信号线lll提供到列 电路34。当基于分段传送基础的驱动方法与用于将中间电压VmidO和Vmidl顺次 施加到传送晶体管22的栅极电极以便基于分段传送以电荷的任意量为单元 传送电荷的系统相对应时，与基于第一和第二实施例的分段传送基础的驱动 方法的情况相反，首先在具有高亮度的像素中进行电荷传送和输出，而在具 有低亮度的像素中不首先进行电荷传送和输出。
例如，如图24A所示，确定能够传送的电荷的最大量。此外，如图24B 所示，例如，当累积的电荷量满足关系Qpd〉Qfd4.max且Qpd〈 Qfd4.max+Qfd3s.max时，不在第一次读出操作和第二次读出操作中传送具有 量Qpd的累积电荷以将其输出。此外，在第三次读出操作中传送具有量Qfd3 (=Qpd-Qfd4.max)的电荷以将其读出，并且在第四次读出操作中传送具有量 Qfd4.max的电荷以将其读出。此外，分别在第三次读出操作中和第四次读出 操作中输出的信号的相加导致获得具有量Qpd的所有累积电荷。
如上所述，在如图21所示基于分段传送基础的驱动方法的情况下，通过 利用能够在光电转换单元(光接收单元)中保持的电荷量根据用于传送晶体 管22的驱动电压而不同的事实来执行分段传送基础。例如，在图20所示的 示例中，通过4吏用中间电压VmidO和Vmidl中的每一个作为用于传送晶体管 22的驱动电压，具有量QmidO的电荷和具有量Qmidl的电荷可以顺次保持在 光电转换单元中，并且可以顺次连续地传送超过电荷量QmidO和电荷量Qmidl 中的每一个的电荷量以将其读出。 (列电路)
该实施例的CMOS图像传感器10C的列电路17可以采用与第二实施例的 CMOS图像传感器10B的列电路17相同的配置。也就是说，可以采用如图15 所示的由噪声去除单元171、 A/D转换单元172、信号选择单元173、信号保 持单元174以及相加单元175组成的电路配置，或者，可以采用如图16所示 的由具有噪声去除功能和相加功能的A/D转换单元156组成的电路配置。
为了解决使用相同转换精度执行A/D转换的情况中的上述问题，具有以 上配置的列电路17的特征在于与第一和第二实施例中的每一个情况相类似 地，对于基于分段传送而读出的输出信号在每一个A/D转换单元172和176 中使用不同的转换精度执行A/D转换。
图25是解释当在三分段传送期间使用不同的转换精度执行A/D转换时的 处理的图。该处理是在第一次读出操作中使用相对低的转换精度执行A/D转换的示例，并且对于第二次和第三次读出操作转换精度连续地增大。以这种
方式，将基于分段传送的n个读出操作的输出信号经历不同转换精度的A/D 转换以将其彼此相加，由此可以获得A/D转换特性，使用该A/D转换特性与 入射光亮度相对应地将转换精度改变到另一个。
其原因是由于当入射光的亮度低时在光电转换元件21中累积的电荷数 很少，所以仅在这样的亮度下传送电荷，以便产生具有超过根据中间电压 VmidO和Vmidl的阈值的量的电荷。
如图22所示的示例那样，在基于三分段传送电荷的情况下，当产生其数 目小于保持的电荷数Qmidl的累积电荷时，即当入射光的亮度低时，仅在第 三次传送操作中获得输出信号。另一方面，当存在其数目超过保持电荷数 QmidO的累积电荷时，即当入射光的亮度高时，从第一次传送操作传送电荷 开始获得输出信号。
结果，如图25所示，可以获得这样的特性，使用该特性当亮度低时应用 高A/D转换精度，而当亮度高时应用连续地与低A/D转换精度混合的A/D转 换精度。
这里，将输出信号的噪声电平粗略地划分为当不存在入射光时在电路等 中产生的暗相噪声，以及取决于入射光的亮度、通过以入射光的亮度的平方 根的形式获得的能量而产生的光散射噪声。由于这个原因，如图26所示，噪 声电平具有这样的特性，其中将具有信号电平的平方根的特性的光散射噪声 加到用于与入射光的亮度成比例的信号电平的暗相噪声。
由于A/D转换精度，即A/D转换中最小检测单元最好低于噪声电平，所 以在低亮度的情况下必须使用高精度执行A/D转换。然而，在高亮度的情况 下，光散射噪声是主要的。由此，即使当对于输出信号使用低精度执行A/D 转换从而增大A/D转换中的量化误差时，也几乎不损害图像质量。
〈用于设置不同A/D转换精度的具体示例〉
接着，参照图27，给出关于使用图IO所示的A/D转换单元156的配置 用于设置不同的A/D转换精度的具体示例的描述。
使基准信号Vref的斜坡成为N倍(f old ),由此使得可以粗糙每一个计 数的电压，即A/D转换中的最小检测量。例如，如图27所示，在第一次读出 操作中，使基准信号Vref的斜坡两倍于在第二次读出操作中的基准信号Vref 的斜坡，由此将具有在其中设置的低转换精度的A/D转换应用于第一次读出操作。
另一方面，当在三分段传送中传送的输出信号彼此相加时，在时钟CK(计
数器1562与其同步地操作)的一个时钟中计数值增大N,这导致可以使用相 同的加权因子将基于分段传送而传送的输出信号彼此相加。
例如，当如图27所示将基准信号Vref的斜坡加倍时，每一个时钟计数 值增大或减小2,这导致在减小转换精度的同时执行使用相同加权因子的相 加。
另外，改变基准信号Vref的斜坡而不使计数值成为N倍，或者使计数值 成为N倍而不改变基准信号Vref的斜坡，这导致基于分段传送而传送的输出 信号也可以彼此相加，同时分别乘以任意的加权因子。 (该实施例的效果)
如目前所述的那样，在当光电转换元件21中的所有累积电荷不能在一次 读出操作中读出时执行电荷传送和信号输出的CMOS图像传感器10C中，将在 n分段传送中从单元像素20输出的输出信号经历使用不同的转换精度的A/D 转换以将其彼此相加。结果，可以缩短A/D转换的执行时间(转换速度)并 且可以减小每一个A/D转换单元152和156中的功耗，而不损害图像质量。
更具体地说，在该实施例的CMOS图像传感器10C中，使用基于使用中间 电压VraidO和Vmidl分段传送的驱动方法导致将在高亮度情况下产生的累积 电荷在之前的读出操作中传送并输出，并且将在低亮度情况下产生的累积电 荷在之后的读出操作中传送并输出。由于这个原因，如图W所例示的那样， 对于在之前的读出操作中输出的信号应用具有在其中设置的低转换精度的 A/D转换实现了 A/D转换的加速和功耗的减小。
在上述第一到第三实施例的CMOS图像传感器10A到10C中的每个中，为 了在浮置扩散电容器26中提高电荷到电压转换效率，使在浮置扩散电容器 (电荷到电压转换单元)26 (信号电荷从光电转换元件21传送到浮置扩散电 容器26)中寄生的寄生电容(FD电容)很小，具体地说，减小寄生电容，以 便浮置扩散电容器26所处理的最大电荷量变得小于能够在光电转换元件21 中累积的最大电荷量，由此使得可以获得更高的电荷到电压转换效率。
也就是说，在CMOS图像传感器IOA到10C (在CMOS图像传感器IOA到 10C的每个中通过例如减小浮置扩散电容器26上的寄生电容以在输出信号中相对地减小随机噪声和固定模式噪声来提高电荷到电压转换效率，并且提高 电荷到电压转换效率，由此传送基于分段传送不能在一个读出操作中读出的 累积电荷)中，将具有在其中设置的高转换精度的A/D转换应用于低亮度区 域，而将具有在其中设置的低转换精度的A/D转换(尽管在其处理中具有高 速)应用于高亮度区域(其中光散射噪声是主要的噪声分量)。结果，可以实
现A/D转换的加速和功耗的减小而不损害图像质量。
另外，尽管在第一到第三实施例的每一个中，目前已经通过给出将本发
明应用于包括单元像素20(所述单元像素20具有将光电转换元件21中的电 荷通过一个传送晶体管22、基于分段传送来传送到公共浮置扩散电容器26, 并将电荷连续地读出到公共垂直信号线111的配置)的CMOS图像传感器的情 况作为示例而给出了描述，但是本发明决不受限于此，并且可以做出各种改变。
(修改1 )
图28是示出了修改1的单元像素20A的像素电路的电路图。在该图中， 等效于之前参照图2描述的单元的单元分别由相同的附图标记指定。
如图28所示，配置修改1的单元像素20A，使得电流源31连接在与放 大晶体管24串联连接的选择晶体管25的漏极电极和电源的之间，并且输出 信号Vout源自选择晶体管25的漏极节点。
在单元像素20A中，浮置扩散电容器26的电荷到电压转换效率取决于浮 置扩散电容器26与垂直信号线111之间的电容值Ci。由此，使寄生电容的 电容值Ci小于浮置扩散电容器26的电容值Cfd,由此使得提高电荷到电压 转换效率成为可能。
这里，获得高电荷到电压转换效率的效果有Qi.max<Qfd.max的关系的 条件，其中Qfd. max是累积在浮置扩散电容器26中的电荷的最大量，而Qi.max 是累积在寄生电容Ci中的电荷的最大量。由于这个原因，累积在光电转换元 件21中的、具有量Qpd的电荷必须在累积的电荷的最大量Qi.max小于作为 单元累积的电荷的最大量Qfd. max的情况下基于分段传送。
如到目前已经描述的那样，包括单元像素20A (所述单元像素20A具有 高电荷到电压转换效率或高电压放大因子)的CMOS图像传感器在S/N比方面 是有利的，但是可能存在能够在一次读出操作中读出的电荷量的限制。将之前描述的分段传送应用于包括单元像素20A的CMOS图像传感器，使 得光电转换元件21中的电荷基于分段传送而传送，这导致了在光电转换元件 21中产生的所有电荷可以根据读出电路的输出范围而有效地输出。
另外，在如图28所示的修改1的单元像素20A中，在复位阶段中电荷到 电压转换单元(浮置扩散电容器26)的电压必须在读出电路的操作点处设置。
电荷量而不取决于电荷到电压转换单元的电势。 (修改2 )
图29是示出了修改2的单元像素20B的像素电路的电路图。在该图中， 等效于之前参照图2描述的单元的单元分别由相同的附图标记指定。
如图29所示，配置修改2的单元像素20B，使得反相放大电路27连接 在浮置扩散电容器26和选择晶体管25之间而不使用放大晶体管24，并且复 位晶体管23与反相放大电路27并联连接。以这样一种方式在像素内部提供 反相放大电路27导致可以放大信号电平以提高S/N比。
在包括单元像素20C (所述单元像素20C具有以这样一种方式在像素内 部提供的反相放大电路27 )的CMOS图像传感器中，当将反相放大电路27的 放大因子设置为-A时，当具有最大量Qfd.max的累积电荷传送到浮置扩散电 容器26时的输出电压Vout的幅度-A Qfd. max/Cfd在一些情况下超过输出 Vout的可输出范围AVout. pp。
在这种情况下，为了以输出信号的形式输出所有电荷，分段传送基础必 须以电荷量为单元执行，在所述电荷量单元中将小于在浮置扩散电容器26中 累积的电荷的最大量Qfd.max的电荷量Qmid ( 〈Qfd.max)设置为最大。
将之前陈述的分段传送基础应用于包括像素单元20B的CMOS图像传感 器，并且将光电转换元件21中的电荷基于任意分段传送而传送，这导致在光 电转换元件21中产生的所有电荷可以与输出电压Vout的可输出范围△ Vout. pp相对应地有效输出。
注意，在上述第一到第三实施例的每一个中，目前已经通过给出将本发 明应用于CMOS图像传感器的情况作为示例来给出描述，每一个在所述CMOS 图像传感器中将用作检测与以物理量的形式的可见光的量相对应的信号电荷 的单元像素以矩阵排列。然而，本发明决不受限于到CMOS图像传感器的应用。 也就是说，本发明也可以应用于一般固态成像装置，其每一个均使用列系统，在所述列系统中在像素阵列单元的每一像素列均排列列电路。
另外，本发明决不受限于到用于检测入射可见光的量的分布以便以图像 的形式捕获其分布的成像装置的应用。也就是说，本发明也可以应用于检测 入射红外线、X射线、微粒等的量的分布以便以图像的形式捕获其分布的所 有固态成像装置，以及用于广义地检测诸如按压或静电电容之类的其他物理
量以便以图像的形式捕获其分布的固态成像装置(物理量分布^r测装置)(如
指紋检测传感器)。
此外，本发明决不受限于用于通过以行为单元连续地扫描像素阵列单元 的单元像素来从相应的单元像素读出像素信号的固态成像装置。也就是说， 本发明也可以应用于以像素为单元选择任意像素并以像素为单元从由此选择
的相应像素读出信号的X-Y地址型固态成像装置。
注意，固态成像装置可以具有作为一个芯片而形成的形式，或者可以具 有模块形式，所述模块形式具有成像功能，其中成像单元以及信号处理单元 或光学系统被集中组装。
另外，本发明不仅可以应用于固态成像装置，也可以用于成像设备。这 里，成像设备指的是诸如数字照相机或摄像机之类的照相系统，或具有成像 功能的电子设备(如移动电话)。注意，在一些情况下，成像设备也指安装到 电子设备的模块形式，即照相模块。
图30是示出了根据本发明的实施例的成像设备的配置的框图。如图30 所示，根据本发明的实施例的成像设备50包括具有镜头组51、固态成像装 置52、作为照相信号处理电路的DSP电路53、帧存储器54、显示装置55、 记录装置56、操作系统57和电源系统58等的光学系统。此外，DSP电路53、 帧存储器54、显示装置55、记录装置56、操作系统57和电源系统58通过 总线59彼此连接。
镜头组51从目标捕获入射光(图像光)以在固态成像装置52的成像区 域上聚焦入射光。固态成像装置52将通过镜头组51在成像区域上聚焦的入 射光的量转换为以像素为单元的电信号，并且以像素信号的形式输出电信号。 上述第一到第三实施例的每一个中的CMOS图像传感器10均可以用作固态成 像装置52。
显示装置55由诸如液晶显示装置或有机电致发光(electroluminescence, EL )显示装置之类的平板显示装置组成。显示装置55在其上 显示由固态成像装置52捕获的运动图像或静止图像。记录装置56在诸如录 像^F兹带或数字多功能盘(DVD)之类的记录介质中记录关于由固态成像装置 52所捕获的运动图像或静止图像的图像数据。
操作系统57发布与该实施例的成像设备在用户的操作之下所具有的各 种功能有关的操作命令。电源系统58合适地分别将变为用于DSP电路53、 帧存储器54、显示装置55、记录装置56和操作系统57的操作电源的各种电 源提供到电源的那些对象。
如目前已经描述的那样，在诸如用于摄像机或数字照相机或移动设备(如 移动电话)的照相模块之类的成像设备中，将上述第一到第三实施例的CMOS 图像传感器IOA到10C中的任意一个用作其固态成像装置52，这导致了可以 加速A/D转换并且可以减小A/D转换单元的功耗，而不损害图像质量。结果，
对于成像设备可以实现处理速度的增大和功耗的减小。
本领域的技术人员应该理解，根据设计要求和其他因素可以出现各种改 变、组合、子组合以及变更，只要它们落在所附权利要求及其等价物的范围 内即可。
权利要求
1.一种固态成像装置，包括像素阵列单元，通过将单元像素以矩阵形式排列而构成，每一个所述单元像素包括被配置为将光信号转换为信号电荷的光电转换单元、被配置为传送在所述光电转换单元中通过光电转换而获得的信号电荷的传送元件以及被配置为输出由所述传送元件传送的信号电荷的输出部件；驱动部件，被配置为读出在所述光电转换单元中在一个单元的累积时间段期间累计的、通过所述输出部分由所述传送元件至少以两批传送的信号电荷；以及模数转换部件，被配置为使用不同的转换精度对以多批从所述单元像素读出的多个输出信号执行模数转换。
2. 根据权利要求1所述的固态成像装置，还包括相加部件，被配置为对于以多批从所述单元像素读出的多个输出信号执 4亍相加处理。
3.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中所述输出部件包括电荷到 电压转换单元，被配置为将由所述传送元件传送的信号电荷转换为电压，并 且将寄生电容设置得很小，使得由所述电荷到电压转换单元处理的电荷的最 大量小于在所述光电转换单元中可累积的电荷的最大量。
4. 根据权利要求1所述的固态成像装置，其中当在所述光电转换单元中 累积的电荷的一部分保持在所述光电转换单元中时，所述驱动部件至少将控 制电压提供到所述传送元件一次，根据该控制电压具有超过所保持的电荷量 的量的累积电荷由所述传送元件传送。
5. 根据权利要求1所述的固态成像装置，其中在入射光的强度相对低的从所述单元像素输出的输出信号的转换精度高的用于在引起由所述传送元件 的电荷传送时从所述单元像素输出的输出信号的转换精度执行模数转换。
6. 根据权利要求1所述的固态成像装置，其中所述模数转换部件包括 比较部件，被配置为将多个信号中的每一个与基准信号相比较；以及结果相对应的计数值计数的操作。
7. 根据权利要求6所述的固态成像装置，其中所述模数转换部件引起基准信号的斜坡为N倍，并且引起所述计数部件的计数值为N倍，由此使得转 换精度为1/N倍。
8. 根据权利要求6所述的固态成像装置，其中所述计数部件通过与从所 述比较部件获得的比较结果相对应的计数值执行升值计数或降值计数。
9. 根据权利要求8所述的固态成像装置，其中所述模数转换部件根据所 述计数部件的升值计数或降值计数来获得从所述单元像素获得的复位电平和 信号电平之差。
10. 根据权利要求6所述的固态成像装置，其中所述模数转换部件与模数 转换处理同时地根据所述计数部件的计数操作来对以多批从所述单元像素读 出的多个输出信号执行相加处理。
11. 一种用于固态成像装置的信号处理方法，所述固态成像装置包括 像素阵列单元，通过将单元像素以矩阵形式排列而构成，每一个所述单元像素包括被配置为将光信号转换为信号电荷的光电转换单元、被配置为传 送在所述光电转换单元中通过光电转换而获得的信号电荷的传送元件以及被 配置为输出由所述传送元件传送的信号电荷的输出部件；以及驱动部件，被配置为读出在所述光电转换单元中在一个单元的累积时间 段期间累积的、通过所述输出部分由所述传送元件至少以两批传送的信号电 荷,其中所述固态成像装置使用不同的转换精度对以多批从所述单元像素读 出的多个输出信号执行模数转换。
12. 根据权利要求11所述的固态成像装置，其中在入射光的强度相对低时从所述单元像素输出的输出信号高的用于在引起由所述传送元件的电荷传 送时从所述单元像素输出的输出信号的转换精度执行模数转换。
13. —种成像设备，包括固态成像装置，通过将单元像素以矩阵形式排列而构成，每一个所述单 元像素包括被配置为将光信号转换为信号电荷的光电转换单元、被配置为传 送在所述光电转换单元中通过光电转换而获得的信号电荷的传送元件以及被 配置为输出由所述传送元件传送的信号电荷的输出部件；以及光学系统，用于将入射光聚焦到所述固态成像装置的成像区域上，其中所述固态成像装置包括驱动部件，被配置为读出在所述光电转换单元中在一个单元的累积时间 段期间累积的、通过所述输出部分由所述传送元件至少以两批传送的信号电荷；以及模数转换部件，被配置为使用不同的转换精度对以多批从所述单元像素 读出的多个输出信号执行模数转换。
全文摘要
在此公开了固态成像装置、其信号处理方法和成像设备。所述固态成像装置包括像素阵列单元，通过将单元像素以矩阵形式排列而构成，每一个所述单元像素包括被配置为将光信号转换为信号电荷的光电转换单元、被配置为传送在所述光电转换单元中通过光电转换而获得的信号电荷的传送元件以及被配置为输出由所述传送元件传送的信号电荷的输出部件；驱动部件，被配置为读出在所述光电转换单元中在一个单元的累积时间段期间累计的、通过所述输出部分由所述传送元件至少以两批传送的信号电荷；以及模数转换部件，被配置为使用不同的转换精度对以多批从所述单元像素读出的多个输出信号执行模数转换。
文档编号H04N5/374GK101296304SQ200810095428
公开日2008年10月29日 申请日期2008年4月23日 优先权日2007年4月23日
发明者大池佑辅 申请人:索尼株式会社