固态成像设备、其信号处理方法和成像装置的制作方法

专利名称：固态成像设备、其信号处理方法和成像装置的制作方法
技术领域：
本申请涉及固态成像设备、其信号处理方法和成像装置。
背景技术：
图36示出了固态成像设备100的单位像素100的配置例子。如该例子， 在具有用于转移通过光电转换元件101中的光电转换而获得的信号电荷的转 移晶体管的单位像素100中，使得可以被转移到单位像素的浮动扩散电容器 (floating diffusion capacitor; FD )的累积电荷的最大量Qfd .max比作为光接 收单元的光电转换元件101中的累积电荷的最大量Qpd.max大得多。结果， 通过移除光电转换元件101中的剩余电荷，实现了信号电荷从光电转换元件 101到浮动扩散电容器106的完美转移。
以如上所述的方式对通过光电转换元件101中的光电转换而获得的信号 电荷实现了完美转移，使得可以防止拍摄图像阶段中的剩余图像，并且可以 实现入射光亮度和传感器输出信号之间的满意的线性。在这样的背景下，除 转移晶体管102以外，此实施例的单位像素100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36所示的单位像素100包含下列问题。
(1 )由于累积电荷的最大量Qfd.max必须比光电转换元件中的累积电荷 的最大量Qpd.max大，因此存在为了提高电荷-电压转换效率而降低浮动扩散 晶体管106的电容的限制。
(2 )与以上原因相同，用作浮动扩散电容器106的复位电压的电源电压 Vdd的下降导致浮动扩散电容器106中的累积电荷的最大量Qfd.max的降低， 因此存在对于降低电源电压Vdd的限制。
然后，目前以下列方式解决上述问题(1)和(2)。也就是说，当由于降 低浮动扩散电容器106的电容以提高电荷-电压转换效率、从而引起累积电荷 的最大量Qfd.max变少时，或者当由于降低了复位电压(电源电压)Vdd而 引起累积电荷的最大量Qfd.max变少时，在电荷转移之后，执行信号读取和浮动扩散电容器106的复位，由于多于转移晶体管102能转移的电荷而剩余 在光电转换元件101中的电荷可以被再次转移，以读取信号。结果，以多批 (batch)读出光电转换元件101中的所有累积电荷。例如在日本专利特开No. 2001-177775中描述了这种技术。

发明内容
然而，在上述现有技术的情况下，以多批转移电荷，并且由此以多批转 移的信号电荷被输出以无条件地彼此相加，尤其是当入射光的亮度低时，尽 管信号电平低，但是与信号电平高的情况类似，随机噪声和固定模式噪声不 可避免地分别相加。结果，与不分成多批读出信号电荷的情况相比，随机噪 声和固定模式噪声进一步增加，因此图像质量恶化。
例如，当通过一批读出信号电荷中的随机噪声是NRN并且通过一批读出
信号电荷中的固定模式噪声是NFPN时，通过以n批分别读出随机噪声和固定 模式噪声并将其彼此相加而得到的噪声由固定模式噪声Nfpn的n倍和随机噪 声Nrn的倍的均方(mean square)来表示。
根据前述，因此希望提供一种固态成像设备，尤其在具有低入射光亮度 的区域(低亮度区域)中，能够实现高S/N比，具有用于当不能通过一次读 出操作而输出所有的累积电荷时以多批转移所有累积电荷的配置，以及用于 其的信号处理方法和成像装置。
为了达到上述期望，根据本发明的实施例，提供了一种固态成像设备， 包括像素阵列单元，通过以矩阵排列单位像素而形成，每个单位像素包括 被配置用于将光信号转换成信号电荷的光电转换单元、被配置用于转移通过 光电转换单元中的光电转换而获得的信号电荷的转移元件、以及被配置用于 输出通过转移元件所转移的信号电荷的输出部件；驱动部件，被配置用于通 过输出部件读出在一个单位的累积时间段内在光电转换单元中累积的并由转 移元件以至少两批转移的信号电荷；信号处理部件，被配置用于对基于分割 (partition)而从单位像素读出的多个输出信号执行相加处理；电平确定部件， 被配置用于比较多个输出信号的信号电平的每一个与参考电平；以及控制部 件，被配置用于命令信号处理部件根据从电平确定部件获得的确定结果对多 个输出信号中具有每个等于或高于参考电平的信号电平的输出信号执行相加 处理。根据本发明的另 一实施例，提供了 一种用于固态成像设备的信号处理方
法，该固态成像设备包括像素阵列单元，通过以矩阵排列单位像素而形成，
每个单位像素包括被配置用于将光信号转换成信号电荷的光电转换单元、被 配置用于转移通过光电转换单元中的光电转换而获得的信号电荷的转移元
件、以及被配置用于输出通过转移元件所转移的信号电荷的输出部分；驱动 部件，被配置用于通过输出部分读出在一个单位的累积时间段内在光电转换 单元中累积的并由转移元件以至少两批转移的信号电荷；固态成像设备对基 于分割而从单位像素读出的多个输出信号执行相加处理，该信号处理方法包 括步骤比较多个输出信号的信号电平的每个与参考电平；以及根据比较结 果，对多个输出信号中具有每个等于或高于参考电平的信号电平的输出信号 执行相加处理。
根据本发明的另一实施例，提供了一种成像装置，包括通过以矩阵排 列单元像素而形成的固态成像设备，每个单元像素包括被配置用于将光信号 转换成信号电荷的光电转换单元、被配置用于转移通过光电转换单元中的光 电转换而获得的信号电荷的转移元件、以及被配置用于输出由转移元件所转 移的信号电荷的输出部件；以及光学系统，被配置用于将入射光聚焦到固态 成像设备的成像区上；其中，固态成像设备包括驱动部件，被配置用于通 过输出部件读出在一个单位的累积时间段内在光电转换单元中累积的并由转 移元件至少以两批转移的信号电荷；信号处理部件，被配置用于对基于分割 而从单位像素读出的多个输出信号执行相加处理；电平确定部件，被配置用 于比较多个输出信号的信号电平的每一个与参考电平；以及控制部件，被配 置用于命令信号处理部件根据从电平确定部件获得的确定结果对多个输出信 号中具有每个等于或高于参考电平的信号电平的输出信号执行相加处理。
根据本发明的实施例，在以多批转移不能在一次读出操作中输出的累积 电荷的情况下，当入射光亮度低时，分别防止了固定模式噪声和随机噪声的 累加，这使得尤其在低亮度端可以实现高S/N比。从而，可以提高所捕获图 像的图像质量。


图1是示出了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是示出了图1所示的单位像素的电路配置的例子的电路图； 图3是示出了图1所示的单位像素的电路配置的另一例子的电路图； 图4是示出了图1所示的单位像素的电路配置的另一例子的电路图； 图5是示出了当基于四分割转移执行分割转移时复位脉冲RST和转移脉
冲TRG之间的时序关系的时序图6是说明在四分割转移中当入射光的亮度高时的操作的能量图； 图7是说明在四分割转移中当入射光的亮度低时的操作的能量图； 图8A和8B分别是每个示出了光电转换单元可以处理的累积电荷的最大
量Qpd.max个各个分割转移4乘作中的最大值Qfd.max之间的关系的图9是示出了当将光电转换单元中的累积电荷的最大量设置为IO,OOO个
电子时累积电荷和S/N比之间的关系的图IO是示出了例子1的信号处理电路的配置例子的方框图11是示出了例子2的信号处理电路的配置例子的方框图12是示出了例子3的信号处理电路的配置例子的方框图13是示出了例子4的信号处理电路的配置例子的方框图14是示出了例子5的信号处理电路的配置例子的方框图15是示出了电平确定单元的配置例子的方框图16是示出了图15所示的电平确定单元中的电平比较单元的配置例子
的电路图17是说明图15所示的电平确定单元的操作的时序图； 图18是示出了根据本发明的第二实施例的CMOS图像传感器的系统配 置图19是示出了例子1的列电路的配置例子的方框图； 图20是示出了例子2的列电路的配置例子的方框图； 图21是示出了例子3的列电路的配置例子的方框图； 图22是示出了 A/D转换单元和处理停止单元的具体配置的例子的方框
图23是示出了具有噪声移除单元和加法单元的A/D转换单元的操作顺 序的时序图24是示出了根据本发明的第三实施例的CMOS图像传感器的系统配 置图；图25是示出了图24中所示的供应电压控制电路的电路配置的例子的电 路图26是示出了供应电压控制电路中的输入操作和输出操作之间的时序 关系的时序图27是示出了在三分割转移的情况下的驱动时序例子的时序图28是说明在三分割转移的情况下的操作的能量图29是示出了在n分割转移的情况下的驱动时序例子的时序大量Qpd.max和各个分割转移操作中的最大值Qfd.max之间的关系的图； 图31是示出了图25所示的列电路的配置例子的方框图； 图32是示出了本发明的当提高电荷-电压转换效率时入射光强度与S/N
比的关系以及现有技术中的比较例子的入射光强度与S/N比的关系的图； 图33是示出了变型1的单位像素的像素电路的电路图； 图34是示出了变型2的单位像素的像素电路的电路图； 图35是示出了根据本发明的实施例的成像装置的配置的方框图；以及 图36是示出了现有技术中的单位像素的配置例子的电路图。
具体实施例方式
下文中将参考附图详细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例如CMOS图像传感器的固态成 像设备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。在该情况下，配置像素阵列单元11使得以矩阵二维地排列每 个包括光电转换元件20的单位像素(下文中，在某些情况下简称为"像素")。 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，对每个像素列布置垂直 扫描线lll，对每个像素行，布置驱动控制线，例如转移控制线112、复位控 制线113和选纟奪控制线114。
恒定电流源16分别连接到垂直扫描线111的一端。代替使用恒定电流源
916,可以使用用于电流偏置的晶体管，其中例如由偏置电压Vbias偏置该用 于电流偏置的晶体管的栅电极。在该情况下，用于电流偏置的晶体管与将稍 后描述的放大晶体管24 —起配置源跟随器(follower)电路(参见图2 )。
垂直扫描电路12由移位寄存器、地址解码器等构成。另外，当以关于电 子快门(shutter)行和读出行的行为单位来垂直扫描像素阵列单元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的相应像素中除 去信号的电子快门操作，并执行用于从属于读出行的像素的相应像素读出信 号的读出操作。
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。在该情况下，在以行为单位连续选择像素20的同时，读出扫描 系统执行从属于读出行的像素20读出信号的读出操作。而且，在期间，对于 比读出扫描系统的读出扫描提前对应于快门速度的时间段的相同的行(电子 快门行)，电子快门扫描系统执行电子快门操作。
而且，从第一定时到第二定时的时间段成为每个像素20中的信号电荷的 一个单位的累积时间段(曝光时间段)。在此，在第一定时，由电子快门扫描 系统通过快门扫描，复位光电转换单元中的不需要的电荷。而且，在第二定 时，由读出扫描系统通过读出扫描，分别从像素读出信号。也就是说，电子 快门操作意味着复位(除去)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、地址解码器等组成。水平扫描电路13 按顺序水平扫描像素阵列单元11的像素列。列信号选择电路14包括水平选 择开关、水平信号线等。列信号选择电路14与水平扫描电路13的水平扫描 操作同步地连续输出通过分别对应于像素行的垂直信号线111从像素阵列单 元ll输出的各个像素20的信号。
信号处理电路15对以像素为单位而从列信号选择电路14输出的像素20 的信号进行诸如移除处理、模拟-数字(A/D)转换处理和相加处理的各种信 号处理。本实施例的特征在于信号处理电路15的配置和操作。将稍后描述本 实施例的特征的详情。
注意，从定时控制电路(未示出)生成定时信号和控制信号，该定时信 号和控制信号中的每一个成为垂直扫描电路12、水平扫描电路13、信号处理 电路15等的操作的参考。(像素电路)
图2是示出单位像素20的电路配置的例子的电路图。该例子的单位像素
20被配置为以下像素电路除了诸如埋入光电二极管的光电转换元件(光电 转换单元)21之外，还包括四个晶体管，例如转移晶体管(转移元件)22、 复位晶体管23、放大晶体管24和选择晶体管25。在该情况下，尽管将例如 N沟道MOS晶体管用作四个晶体管22到25，但是本发明绝不限于此配置。
转移晶体管22连接在光电转换元件21的阴电极和浮动扩散电容器(FD ) 26之间。通过向转移晶体管22的栅电极(控制电极)供应转移脉冲TRG， 转移晶体管22将已经通过光电转换元件21中的光电转换而累积的信号电荷 (此情况下是电子)转移到浮动扩散电容器26。因此，浮动扩散电容器26 用作将信号电荷转换成电压信号的电荷-电压转换单元。
复位晶体管23的漏电极连接到用于供应电源电压Vdd的像素电源，并 且其源电极连接到浮动扩散电容器26的与接地端相反的一端。在将信号电荷 从光电转换元件21转移到浮动扩散电容器26之前，复位晶体管23根据供应 至其栅电极的复位脉冲RST将浮动扩散电容器26的电势复位到复位电压 Vrst。
放大晶体管24的栅电极连接到浮动扩散电容器26的一端，并且其漏电 极连接到用于供应电源电压Vdd的像素电源。放大晶体管24在被复位晶体 管23复位后，以具有复位电平的信号的形式输出浮动扩散电容器24的电势， 并在信号电荷被转移晶体管22转移到浮动扩散电容器26之后，以具有信号 电平的信号的形式输出浮动扩散电容器26的电势。
例如，选择晶体管25的漏电极连接到放大晶体管24的源电极，并且其 源电极连接到垂直信号线111。根据施加到选择晶体管25的栅电极的选择脉 冲SEL来导通选择晶体管25,以将像素20设置在选择状态，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还可以采用连接 在像素电源(Vdd)和放大晶体管24的漏电极之间的配置。
CMOS图像传感器的情况作为例子，其中单位像素20具有包括转移晶体管 22、复位晶体管23、放大晶体管24和选择晶体管25的四晶体管配置，但本 发明绝不限于该应用例子。
具体地，本发明还可以应用于包括具有如图3所示的三晶体管配置的单
ii位像素20'的CMOS图像传感器等，在该单位像素20'中省略了图2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, CMOS图像传感器具有如图4所示的配置，其中在多个像 素之间共享浮动扩散电容器FD和读出电路200。
在具有上述配置的CMOS图像传感器10A中，用于驱动单位像素20的 组成元件(转移晶体管22、复位晶体管23和选择晶体管25)组成了驱动部 分。在此情况下，由转移晶体管22将在一个单位的累积时间段内在光电转换 元件21中累积的信号电荷至少分为两批。因此，驱动部分通过输出部分(包 括复位晶体管23、浮动扩散电容器26、放大晶体管24和选择晶体管25 )将 基于分割转移的信号电荷读出到垂直扫描线111。 (分割转移)
具有上述配置的CMOS图像传感器IOA执行至少以两批将在一个单位的 累积时间段内在光电转换元件21中所累积的信号电荷转移到浮动扩散电容 器26 (基于分割转移)、并在基于从垂直扫描电路12适当输出的转移脉沖 TRG、复位脉冲RST和选择脉冲SEL的驱动下，以4象素行为单位，通过》丈大 晶体管24,将通过光电转换元件21中的光电转换而获得的电压信号读出到 垂直扫描线lll。而且，基于分割转移从单位像素20读出的多个电压信号在 后一级的信号处理电路15中进行相加处理。
在此，作为例子，图5示出了当基于四分割转移执行分割转移时复位脉 冲RST和转移脉冲TRG之间的时序关系。另外，图6示出了说明在入射光 的亮度高时的操作的能量图，并且图7示出了说明在入射光的亮度低时的操 作的能量图。在图6和图7中，操作(1 )到(15)分别对应于图5所示的时 间段(1)到(15)。
当以四批转移信号电荷时，将在各个电荷转移操作中读出的具有量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，在入射光亮度高并且光电转换元件21中累积了大 量电荷的像素中，如图6所示，由于进行了四分割和相加，因此可以读出具 有量Qpd的所有累积电荷。 <分割转移中的问题>
另一方面，在入射光亮度低并且光电转换元件21中累积了少量电荷的像 素中，如图7所示，在该例子中，在前几次转移操作中(在前两次转移操作中)读出所有的累积电荷。结果，对于该例子中的最后的几次转移操作(最 后两次转移操作中)，没有要输出的信号电荷。
结果，尤其是当入射光亮度低(低亮度)时，尽管信号电平低，但是与 信号电平高的情况类似，随机噪声和固定模式噪声分别相加。因此，与不分 割地执行读出操作的情况相比，操作随机噪声和固定模式噪声进一步增加， 由此恶化了图像质量。 <本实施例的特征>
另一方面，在本实施例的CMOS图像传感器10A中，当信号电平等于或 高于参考电平时，执行相加处理或A/D转换处理。因此，当获得了低于各个 分割转移操作中的最大值(即在第一次转移操作中能够被转移的电荷的最大 量Qfdl.max 、在第二次转移操作中能够被转移的电荷的最大量 Qfd2.max……)的输出时，确定完成了读出具有量Qpd的所有累积电荷的读 出操作。然后停止在有关分割转移操作之后的相加处理或A/D转换处理。以 上述方式执行控制。这是该实施例的CMOS图像传感器10A的特征。
当基于分割转移而转移能够由光电转换单元(光电转换元件21)处理的 最大值Qfd.max时，如图8A所示，最大值Qfd.max变成被转移的电荷量。
例如，当Qpd〉Qfdl.max,并且Qpd〈Qfdl.max+Qfd2.max时，如图8B所 示，在第一次读出操作中读出具有量Qfdl (=Qfdl.max)的电荷，并且在第 二次读出操作中读出具有量Qfd2 (=Qpd-Qfdl)的剩余电荷。
稍后将描述的电平确定单元确定Qfd2<Qfd2.max的关系成立，并且停止 在第二次相加处理或A/D转换处理之后的随后的第三次和第四次相加处理或 A/D转换处理。结果，可以读出通过将具有量Qfdl的电荷和具有量Qfd2的 电荷彼此相加而获得的具有量Qpd的电荷，并且也能够避免在第三次和第四 次相加处理或A/D转换处理中的噪声成分的相加。 <实施例的效果>
图9是示出了本实施例的CMOS图像传感器10A的效果的例子的图。即， 图9示出了当将光电转换单元中的累积电荷的最大量"i殳置为10,000个电子时 累积电荷和S/N比UB)之间的关系。注意， 一般而言，累积电荷量与入射 光强度成比例，直到达到累积电荷的最大量。
在此情况下，读出操作中的固定模式噪声对应于2e—，读出操作中的随机 噪声对应于7e—,并且对应于累积电荷的光射噪声(叩tical shot noise )被包含为噪声成分。
一般公知光射噪声以累积电荷量的平方根的形式产生。另外， 参考图9,以直线形式示出了仅光射噪声被包含作为噪声成分时的理论特性。
在现有技术中的四分割转移和相加处理中，即使当累积电荷量较少时， 对应于分割的数量，将读出操作中的固定模式噪声和随机噪声分别相加。结 果，如图9所示，特性严重恶化。
另一方面，在该实施例的CMOS图像传感器10A中，当入射光亮度低时， 仅执行仅仅读出操作所需的次数的相加处理。因此，由于读出操作中的固定 模式噪声和随机噪声的影响很小，因此尤其在低亮度方面可以实现高S/N比。 从而，可以因此提高图像质量。
下文中，将给出关于用于执行这样的处理的信号处理电路15的具体例子 的描述使得当获得了比能够在第 一 次转移操作中被转移的电荷的最大量 Qfdl.max、在第二次转移操作中能够4皮转移的电荷的最大量Qfd2.max……的 每个更低的输出时，确定完成了读出具有量Qpd的所有累积电荷的读出操作， 然后停止在有关相加处理或A/D转换处理之后的后续相加处理或A/D转换处 理。
例子1
图IO是示出了例子1的信号处理电路15A的配置例子的方框图。例子1 的信号处理电路15A包括噪声移除单元151、 A/D转换单元152、电平确定单 元153、处理停止单元154和加法单元156。
噪声移除单元151例如是包括相关双采样(CDS)电路。噪声移除单元 151连续获得复位电平和信号电平之间的差，由此移除由于放大晶体管24等 的阈值偏移(dispersion)引起的每个像素中固有的复位噪声和固定模式噪声， 其中从单位像素20连续供应复位电平和信号电平的各个信号。
将模拟输出信号供应至A/D转换单元152和电平确定单元153的每个， 其中基于分割转移而转移该模拟输出信号并且在噪声移除单元151中从该模 拟输出信号中移除了噪声。A/D转换单元152通过A/D转换将由此供应至其 处的模拟输出信号转换成数字信号。
电平确定单元153比较移除噪声后的模拟信号的电平与参考电平，当确 定模拟信号的电平低于参考电平时输出确定结果，并以处理停止信号的形式 将确定结果供应至处理停止单元154。稍后将描述处理停止单元154的具体 配置。设置参考电平以便分别对应于能够在第一次转移操作中被转移的电荷的最大量Qfdl.max、在第二次转移操作中能够被转移的电荷的最大量 Qfd2.max......。
当从电平确定单元153提供确定结果时，处理停止单元154命令加法单 元156停止对从A/D转换单元152输出同时基于分割转移的数字信号执行相 加处理。预期有将对加法单元156的输入设置为零的技术、停止用于加法单 元156的控制信号或时钟的技术、在采用使得加法单元156响应于使能信号 而执行相加处理的配置的情况下停止使能信号的供应的技术等，作为处理停 止单元154停止相加处理的技术。
当根据从处理停止单元154发出的指令而停止相加处理时，加法单元156 停止执行相加处理(假设加零的情况也包含在停止相加处理的概念中)。然而， 在与上述情况不同的任何情况下，加法单元156执行用于将从A/D转换单元 152连续供应的伴随分割转移的数字信号相加的处理，以输出具有一个像素 的像素信号的形式的结果信号。
在具有上述配置的信号处理电路15A中，将噪声移除单元151、 A/D转 换单元152、电平确定单元153、处理单元154和加法单元156相互集成在作 为像素阵列单元11的半导体衬底的同一半导体衬底上。
然而，不需要将所有的噪声移除单元151、 A/D转换单元152、电平确定 单元153、处理单元154和加法单元156相互集成在作为像素阵列单元11的 半导体衬底的同一半导体衬底上。也就是说，可以将它们中的几个或所有相 互集成在另 一半导体衬底上。 例子2
图11是示出了例子2的信号处理电路15B的配置例子的方框图。在图中， 由相同的参考标记分别表示与先前参考图IO描述的单元等同的单元。
例子2的信号处理电路15B包括A/D转换单元152、电平确定单元153、 处理单元154和加法单元156。而且，对于噪声移除单元151,例子2的信号 处理电路15B采用使得彼此并行地提供噪声移除单元151以便分别对应于像 素阵列单元11的像素列的配置。
尽管在此情况下，采用了使得彼此并行地提供噪声移除单元151以便分 别对应于像素阵列单元11的像素列的配置，但是也可以采用任何其他合适的 配置。也就是说，还可以采用使得彼此并行地提供A/D转换单元152、电平 确定单元153、处理单元154和加法单元156中的几个或所有以便分别对应于像素阵列单元11的像素列的配置。 例子3
图12是示出了例子3的信号处理电路15C的配置例子的方框图。在图中， 由相同的参考标记分别表示与先前参考图IO描述的单元等同的单元。
例子3的信号处理电路15C采用下列配置。也就是说，将处理停止单元 154布置在A/D转换单元152的前一级的一侧。而且，当以处理停止信号的 形式将确定结果从电平确定单元153供应至处理停止单元154时，处理停止 单元154命令A/D转换单元152停止A/D转换处理。
预期有将对A/D转换单元152的输入设置为零的技术、停止用于A/D转 换单元152的控制信号或时钟的技术、在采用使得A/D转换单元152响应于 使能信号而执行相加处理的配置的情况下停止使能信号的供应的技术等，作 为处理停止单元154停止A/D转换处理的技术。
注意，将理解，可以与例子1的情况类似地采用将噪声移除单元151布 置在信号处理电路15C中的配置。 例子4
图13是示出了例子4的信号处理电路15D的配置例子的方框图。在图 中，由相同的参考标记分别表示与先前参考图IO描述的单元等同的单元。
例子4的信号处理电路15D采用使得电平确定单元153比较通过A/D转 换单元152中的A/D转换而获得的设置值与参考电平的配置。而且，当以处 理停止信号的形式将确定结果从电平确定单元153供应至处理停止单元154 时，与例子1的情况类似，处理停止单元154命令加法单元156停止相加处 理。
与例子1的情况类似，预期有将对加法单元156的输入设置为零的技术、 停止用于加法单元156的控制信号或时钟的技术、在采用使得加法单元156 响应于使能信号而执行相加处理的配置的情况下停止使能信号的供应的技术 等，作为处理停止单元154停止相加处理的技术。
注意，将理解，可以与例子1的情况类似地采用将噪声移除单元151布 置在信号处理电路15C中的配置。 例子5
图14是示出了例子5的信号处理电路15E的配置例子的方框图。在图中， 由相同的参考标记分别表示与先前参考图IO描述的单元等同的单元。例子5的信号处理电路15E采用下列配置。也就是说，电平确定单元153 比较通过A/D转换单元152中的A/D转换而获得的设置值与参考电平。将处 理停止单元154布置在A/D转换单元152的前一级的一侧。因此，当以处理
而读出的输出信号中的随后 一 些或随后所有的A/D转换处理。
与例子3的情况类似，预期有将对A/D转换单元152的输入设置为零的 技术、停止用于A/D转换单元152的控制信号或时钟的技术、在采用使得相 A/D转换单元152响应于使能信号而执行相加处理的配置的情况下停止使能 信号的供应的技术等，作为处理停止单元154停止A/D转换处理的技术。
注意，将理解，可以与例子1的情况类似地采用将噪声移除单元151布 置在信号处理电路15C中的配置。
如目前为止已经描述的，在基于部分执行电荷转移和信号输出的CMOS 图像传感器10A中，当不能在一次读出操作中读出光电转换元件21中的所 有累积电荷时，当将基于分割转移从单位像素20输出的信号彼此相加时，在 输出信号的电平的每个等于或高于参考电平时执行相加处理，并且在剩余输 出信号的电平的每个低于参考电平时光电转换元件21处于光电转换元件21 中的所有累积电荷都已经被读出的状态(或者剩余电荷量较少的状态)。由此， 在该时间后的随后的读出操作中停止相加处理。结果，尤其是当入射光亮度 低时，仅执行仅读出操作所需次数的相加处理。因此，防止了读出操作中的 固定模式噪声和随机噪声分别累计，这使得固定模式噪声和随机噪声的影响 很小，并且尤其在低亮度端实现了高S/N比。从而，可以提高所捕获图像的 图像质量。
另外，关于参考电平，如前所述，将能够在对应的第n次读出操作中被 转移的电荷的最大量设置为Qfdn.max。因此，当相应输出信号的电平等于或 低于电荷的最大量Qfdn.max时，生成处理停止信号。然而，优选的是，考虑 像素特性方面的偏移等，设置某个余量AQ,并且将小于最大量Qfdn.max的 电荷量(Qfdn.max-AQ)设置为参考电平。
在上述例子1到5的信号处理电路15A到15E的每个中，处理停止单元 154组成了控制部分，用于命令加法单元156基于从电平确定单元153获得 的确定结果对基于分割转移而从单位像素20输出的多个输出信号中具有每个等于或高于参考电平的信号电平的输出信号执行相加处理，具体地，命令 加法单元156在多个输出信号的信号电平的每个等于或高于参考电平时执行
相加处理、以及命令加法单元156在多个输出信号的信号电平的每个低于参
考电平时停止相加处理。
注意，尽管在上述例子1到5的每个中，目前为止已经通过给出在多个
号的相加处理的情况作为例子而给出了描述，但是即使在对该时间后的随后 输出信号的相加处理仅停止了 一次时，也防止了在该时间处固定模式噪声和 随机噪声的分别累计。结果，能够抑制固定模式噪声和随机噪声的影响。 (电平确定单元)
图15是示出了电平确定单元153的配置例子的方框图。在该情况下，给 出用于模拟信号的电平确定的情况作为例子。
该例子的电平确定单元153包括电平比较器1531和处理停止信号保持单 元1532。
电平比较器1531例如被配置为如图16所示的差分放大电路的形式。电 平比较器1531在其反相(-)输入端接收基于分割转移而转移的输出信号， 并在其非反相(+ )输出端接收参考电平，比较输出信号的电平与参考信号的 电平，并以处理停止信号的形式输出比较结果。
处理停止信号保持单元1532包括由D型触发器组成的锁存电路15321、 以及逻辑和电路15322。在此，逻辑和电路15322接收作为从电平比较器1531 获得的比较结果的处理停止信号和来自锁存电路15321的Q输出，作为其两 个输入，并将D输入输出到锁存电路15321。
电平确定单元153具有对应于以下情况的电路配置即使在基于电平比 较器1531中的比较而生成处理停止信号之后的随后读出操作中，仍然希望处 理停止。当不进行处理停止时，在生成处理停止信号之后的随后读出操作中， 必须省略用于保持处理停止信号的处理停止信号保持单元1532。
现在将参考图17的时序图来描述上述电平确定单元153的操作。
由复位信号RESET复位锁存电路15321,这使得作为锁存电路15321的 Q输出的处理停止信号变成低电平(下文中称作"L"电平)。接下来，当来 自电平比较器1531的比较结果变成高电平(下文中称作"H"电平)时，锁 存电路15321根据下一设置信号SET而将比较结果保持在"H"电平，并继续保持该比较结果，而不考虑直到向其输入复位信号RESET为止的比较结 果。
在图15所示的电路例子的情况下，在第二次读出操作中，处理停止信号 变成"H"电平。因此，即使在第三次或第四次读出操作中来自电平比较器 1531的比较结果处于"L，，电平，处理停止信号也被保持在"H"电平。
另外，当希望立即做出反应，使得在来自电平比较器1531的比较结果变 成"H，，电平的第二次读出操作之时和之后停止相加处理时，可以对比较结 果和处理停止信号逻辑求和。
注意，目前为止已经描述了用于模拟信号的电平确定的情况作为例子。 然而，在用于数字信号的电平确定的情况下，可以采用进行简单减法的方法、 确定数字信号的位宽中的某个数字是否是"1"或"0"的方法、以及确定在 A/D转换期间某个数字是否变成"1"或"0"的方法中的任意一个，只要通 过利用其可以基于参考电平的判定(resolution)来执行电平比较即可。 [第二实施例]
图18是示出了根据本发明的第二实施例的例如CMOS图像传感器的固 态成像设备的配置的系统配置图。在图中，由相同的参考标记分别表示与先 前参考图1描述的那些单元等同的单元。
如图18所示，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，本实施例的CMOS图像传感器10B包括 被布置为分别对应于像素阵列单元11的像素列的多个列电路17。列电路17 对通过垂直扫描线111从像素阵列单元11的像素的单元中输出的像素20的 信号执行诸如噪声移除处理、A/D转换处理和相加处理的各种信号处理。不 同于以上配置的任何其他适当的配置基本上与第 一实施例的CMOS图像传感 器10A相同。
与第一实施例的CMOS图像传感器10A的情况类似，当信号电平等于或 高于参考电平时，本实施例的CMOS图像传感器10B也执行相加处理或者 A/D转换处理。因此，当获得了比各个分割转移操作中的最大值(即能够在 第一次转移操作中被转移的电荷的最大量Qfdl.max、在第二次转移操作中能 够被转移的电荷的最大量Qfd2.max……)的每个更低的输出时，确定完成了 读出具有量Qpd的所有累积电荷的读出操作。然后停止在该时间后的随后的 相加处理或A/D转换处理。以如上所述方式执行控制。而且，在列电路17的每个中执行控制。
下文中，将给出关于用于执行这样的控制的列电路17的具体例子的描
述使得当获得了比能够在第一次转移操作中被转移的电荷的最大量 Qfdl.max、在第二次转移操作中能够被转移的电荷的最大量Qfd2,max…...的 每个更低的输出时，确定完成了读出具有量Qp d的所有累积电荷的读出操作， 然后停止在该时间后的随后相加处理或A/D转换处理。 例子1
图19是示出了例子1的列电路17A的配置例子的方框图。例子1的列 电路17A包括A/D转换单元171、电平确定单元172、处理停止单元(控制 部分)173和加法单元174。尽管在此省略了图示，但是也能够采用使得在 A/D转换单元171的前一级的一侧提供对应于图IO所示的噪声移除单元151 的噪声移除单元的配置。
A/D转换单元171将基于分割转移而通过垂直扫描线111从像素阵列单 元11的单位像素20转移的模拟输出信号转换成数字信号。电平确定单元172 比较通过A/D转换单元171中的A/D转换获得的数字信号的数字值与参考电 平。当确定数字值低于参考电平时，电平确定单元171输出确定结果，并将 以处理停止信号形式的确定结果供应至处理停止单元154。设置参考电平以 便对应于能够在第一次转移操作中被转移的电荷的最大量Qfdl.max、在第二 次转移操作中能够被转移的电荷的最大量Qfd2.max......。
当从电平确定单元172供应确定结果时，处理停止单元173命令加法单 元156停止对从A/D转换单元152输出的伴随分割转移的数字信号执行相加 处理。预期有将对加法单元174的输入设置为零的技术、停止用于加法单元 174的控制信号或时钟的技术、在采用使得加法单元174响应于使能信号而 执行相加处理的配置的情况下停止使能信号的供应的技术等，作为处理停止 单元173停止相加处理的技术。
当根据从处理停止单元173发出的指令而停止相加处理时，加法单元174 停止执行相加处理(假设加零的情况也包含在停止相加处理的概念中)。然而， 在与上述情况不同的任何情况下，加法单元174执行用于将从A/D转换单元 171连续供应的伴随分割转移的数字信号相加的处理，以输出具有一个像素 的像素信号的形式的结果信号。 例子2图20是示出了例子2的列电路17B的配置例子的方框图。在图中，由相 同的参考标记分别表示与之前参考图19所述的单元等同的单元。
例子2的列电路17B采用下列配置。也就是说，电平确定单元172比较 通过A/D转换单元171中的A/D转换获得的数字值与参考电平。处理停止单 元173被布置在A/D转换单元171的前一级的一侧。因此，当以处理停止信 号的形式将确定结果从电平确定单元172供应至处理停止单元173时，处理 停止单元173命令A/D转换单元171停止对在该时间后基于分割转移而读出 输出信号的随后一些或随后所有的A/D转换处理。
预期有将对A/D转换单元171的输入设置为零的技术、停止用于A/D转 换单元171的控制信号或时钟的技术、在采用使得A/D转换单元171响应于 使能信号而执行相加处理的配置的情况下停止使能信号的供应的技术等，作 为处理停止单元173停止相加处理A/D转换处理的技术。 例子3
图21是示出了例子3的列电路17C的配置例子的方框图。在图中，由相 同的参考标记分别表示与之前参考图19所述的单元等同的单元。
在例子3的列电路17C中，除了例子2的列电路17B中的A/D转换功能 以外，A/D转换单元171具有噪声移除(CDS)功能和相加功能。 < A/D转换单元和处理停止单元>
图22是示出了 A/D转换单元171和处理停止单元173的具体配置例子 的方框图。
如图22所示，该例子的A/D转换单元171包括电压比较器1711和计数 器1712。另外，该例子的处理停止单元173包括逻辑乘积电路1731。
电压比较器1711在其反相(-)输入端接收具有斜坡波形的参考信号Vref, 并在其非反相(+ )端接收通过垂直扫描线111从单位像素20供应的输出信 号。当输出信号Vout在电平方面高于参考信号Vref时，电压比较器1711输 出比较结果Vco。
计数器1712由上/下计数器组成。计数器1712在电压比较器1711的比 较结果Vco的变化所需的时间段内，在基于上/下控制信号的控制下，与时钟 CK同步地执行用于上计数/下计数的计数操作，由此使计数值递增或递减。
更具体地，当读出复位电平时，计数器1712通过下计数来递减计数值， 而当读出信号电平时，计数器1712通过上计数来递增计数值。结果，可以与A/D转换处理同时地执行用于获取复位电平和信号电平之间的差的噪声移除 处理。
此外，当在获得第一次A/D转换处理的结果之后类似地执行对复位电平 和信号电平的第二次A/D转换处理时，计数值变成第一次A/D转换处理的结 果和第二次A/D转换处理的结果之和。因此，也可以同时执行相加处理。
注意，计数器1712不需要向下计数复位电平。也就是说，也可以采用使 得在向上计数复位电平之后、恰好在读出信号电平之前将'T，加到信号电平 上以反转信号电平的处理，由此将信号电平处理为负值，并且类似地向上计 数信号电平。
除此之外，也可以采用下列处理。也就是说，当在读出复位电平时的总 计数值是N并且对应于复位电平的值的计数值是Nsig时，在计数比较结果 Vco的变化后，完成直到总计数值N的计数为止的计数值(N-Nsig),并且 计数对应于信号电平的值的计数值Msig以输出具有(N-Nsig-Msig)的形式 的结果值。之后，最后，从值(N-Nsig-Msig)减去作为已知值的总计数值N， 由此获得噪声移除后的信号输出(Msig-Nsig)。
逻辑乘积电路1731在一个输入端接收时钟CK，并在具有负逻辑的另一 输入端接收处理停止信号。当从电平确定单元172关于处理停止信号时，逻 辑乘积电路1731停止将时钟CK输入到计数器1712,由此停止计数器1712 的技术操作，即A/D转换单元171的A/D转换处理、噪声移除处理和相加处 理。
随后，现在将参考图23的时序图给出关于具有上述配置的A/D转换单 元341,即具有噪声移除功能和相加功能的A/D转换单元341的操作时序的 描述。在此情况下，假设通过给出在如图8B所示的前两次读出操作中读出所 有电荷的情况作为例子而给出描述。
对被执行了 A/D转换处理和相加处理的信号执行电平确定单元172中的 电平确定。因此，关于参考电平，设置通过累加在基于分割转移的第一次读 出操作中转移的电荷的最大量Qfdl.max、在基于分割转移的第二次读出操作 中转移的电荷的最大量Qfd2.max...…，作为各个读出操作中的参考电平。
在图23所示的例子中，如前所述，设置AQ作为用于^^素特性的偏移的 余量。因此，将用于第一次读出操作的参考电平设置为(Qfdl.max-AQ)、将 用于第二次读出操作的参考电平设置为(Qfdl.max+Qfd2.max-AQ)等。
22在完成信号电平的读出时，执行信号电平与参考电平的比较，在第二次 读出操作中生成处理停止信号以停止在第三次读出操作之中和之后的A/D转
换处理。由于此原因，基于A/D转换处理和相加处理的输出而获得通过仅将
第 一次读出结果和第二次读出结果相加而得到的值。
注意，尽管在例子1、 2和3的每个中，电平确定单元172比较在A/D 转换单元171的后一级的一侧的数字值与参考电平，但是也能够釆用电平确 定单元172比较在A/D转换单元171的前一级的一侧的数字值与参考电平的配置。
另外，对于例子l、 2、和3的每个的电平确定单元172,可使用与图15 所示的电平确定单元153相同的配置。
如目前为止所描述的，在利用基于分割转移的驱动方法的CMOS图像传 感器10B中，当信号电平等于或高于参考电平时，执行相加处理或A/D转换 处理，并且当信号电平变成比参考电平低时，在此时和此后的读出操作中停 止相加处理或A/D转换处理。结果，尤其在低亮度的情况下，仅执行仅读出 操作所需次数的相加处理或A/D转换处理。因此，防止了固定模式噪声和随 机噪声的分别累加，这使得固定模式噪声和随机噪声的影响很小，并且尤其 在低亮度端实现了高S/N比。从而，可以提高所捕获图像的图像质量。
在上述例子1到3的列电路17A到17C的每个中，处理停止单元173组 成了控制部分，用于命令加法单元174根据从电平确定单元172获得的确定 结果对基于分割转移从单位像素20输出的多个输出信号中具有每个等于或 高于参考电平的信号电平的输出信号执行相加处理、具体地，命令加法单元 174在多个输出信号的信号电平的每个等于或高于参考电平时执行相加处理 并命令加法单元174在多个输出信号的信号电平的每个低于参考电平时停止 相加处理。 [第三实施例]
图24是示出根据本发明的第三实施例的例如CMOS图像传感器的固态 成像设备的配置的系统配置图。在图中，由相同的参考标记分别表示与先前 参考图l描述的那些单元等同的单元。
如图24所示，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，本实施例的CMOS图像传感器10C包括供应 电压控制电路31、电压供应电路32和时序生成电路(TG) 33。而且，CMOS图像传感器10C包括被布置为分别对应于像素阵列单元11的像素列的多个列
电路34。不同于以上配置的任何其他合适的配置基本上与第二实施例的 CMOS图像传感器10B的配置相同。
供应电压控制电路31控制被施加到单位像素20中的转移晶体管(转移 元件)22的栅电极(控制电极)的转移脉冲TRG的电压值(峰值)。将稍后 描述供应电压控制电路31的具体配置。
电压供应电路32将具有不同电压值的多个控制电压供应至供应电压控 制电路31。作为具有不同电压值的转移脉冲TRG,将多个控制电压连续供应 至转移晶体管22的栅电极。将稍后描述具有不同电压值的转移脉冲TRG的 细节。
定时生成电路(TG) 33生成定时信号PTRG,根据该定时信号PTRG, 确定供应电压控制电路13将具有不同电压值的多个转移脉冲TRG连续供应 至转移晶体管22的栅电极的定时。
列电路34对通过垂直扫描线111从像素阵列单元11的像素单元中输出 的像素20的信号执行诸如噪声移除处理、A/D转换处理和相加处理的各种信 号处理。稍后将描述列电路34的具体配置和揭:作。 (供应电压控制电路)
供应电压控制电路31接收地址信号ADR作为其输入，其中根据该地址 信号ADR驱动属于通过垂直扫描电路12的垂直扫描操作而选择的像素行的 单位像素20,以选择从电压供应电路32供应的多个电压之一，从而将由此 选择的电压作为转移脉冲TRG而供应至单位像素20中的转移晶体管22的栅 电极。
供应用来导通转移晶体管22的导通电压Von、用来截止转移晶体管22 的截止电压Voff和介于导通电压与截止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。在此，中间电压Vmid意味着这样的电压 在保持光电转换元件21中的累积电荷的一部分的同时，通过该电压可以将剩 余的累积电荷部分地转移到浮动扩散电容器26。
在上述像素电路中，由于转移晶体管是N沟道的，因此将导通电压设置 为电源电压Vdd,并且将截止电压Voff设置为地电压，优选地，将其设置为 比地电压更低的电压。另外，在该实施例中，使用具有不同电压值的两个中 间电压Vmid0和Vmidl作为中间电压Vmid。
24结果，将四个电压，即导通电压Von、中间电压VmidO和Vmidl、和截 止电压Voff从电压供应电路32供应至供应电压控制电路31。四个电压示出 了关系Voff<VmidO<Vmidl<Von。而且，四个电压中的中间电压VmidO和 Vmidl、以及导通电压Von的每一个都用作转移脉沖TRG。
为了控制分别从电压供应电路32供应中间电压VmidO和Vmidl和导通 电压Von的定时，将三个定时信号PTRG1、 PTRG2和PTRG3从定时生成电 路33供应至供应电压控制电路31。供应电压控制电路13基于定时信号 PTRG1 、 PTRG2和PTRG3选择中间电压Vmid0和Vmidl和导通电压Von之 一，并将所选4奪的一个作为中间电压Vmid供应至转移晶体管22的栅电极。
图25是示出供应电压控制电路31的电路配置的例子的电路图。如图25 所示，供应电压控制电路31包括分别对应于四个电压，即中间电压Vmid0 和Vmidl、导通电压Von和截止电压Voff的四个电路块311至314,以及三 输入NOR (异或)电路315。
将地址信号ADR从垂直扫描电路12公共地供应至电路块311至314的 每一个。将定时信号PTRG1、 PTRG2和PTRG3作为三个输入从定时生成电 路33供应至NOR电^各315。
电路块311包括用于接收地址信号ADR和定时信号PTRG1作为其两个 输入的NAND (与非)电^各3111、电平移位器(level shifter)3112和P沟道驱 动晶体管3113。电路块311选择中间电压VmidO,并将由此选择的中间电压 Vmid0供应至转移晶体管22的栅电极。
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、以及P沟道驱动晶体管3122。电路块312选择中 间电压Vmidl,并将由此选择的中间电压Vmidl供应至转移晶体管22的栅 电极。
电路块313包括用于接收地址信号ADR和定时信号PTRG3作为其两个 输入的AND (与)电路3131、以及N沟道驱动晶体管3132。电路块313选 择导通电压Von,并将由此选择的导通电压Von供应至转移晶体管22的栅电极。
电路块314包括用于接收地址信号ADR和来自NOR电路315的输出信 号作为其两个输入的AND电路3141、用于在设置了负逻辑的一个输入端接 收地址信号ADR并在另 一输入端接收来自AND电路3141的输出信号的OR(或)电^各3142、电平移位器3143和N沟道驱动晶体管3144。电^各块314 选择截止电压Voff，并将由此选择的截止电压Voff供应至转移晶体管22的 栅电极。
为了供应比地电压更低的电压，例如-1.0V,作为用来截止转移晶体管 22的截止电压Voff,电路块314采用与其他电路块311、 312和313不同的、 基于NOR电路315的操作而操作的电路配置。
图26示出了供应电压控制电路31的输入和输出之间的时序关系。在假 设要供应至转移晶体管22的栅电极的电压是中间电压Vmid0和Vmidl、导 通电压Von和截止电压Voff的情况下，当通过地址信号ADR选择像素行时， 根据定时信号PTRG1 、 PTRG2和PTRG3,将分别与其对应的中间电压Vmid0 和Vmidl和导通电压Von连续供应至转移晶体管22的栅电极，并且在除了 以上情况以外的情况下，供应截止电压Voff。
以如上所述方式，在供应电压控制电路31做出的控制下，以从供应电压 控制电路31到转移晶体管22的栅电极的这种顺序，每个像素行与垂直扫描 电路12的垂直扫描操作同步地连续供应中间电压Vmid0和Vmidl和导通电 压Von。结果，能够实现这样的三分割转移在该三分割转移中，光电转换 元件21中累积的信号电荷被例如分三批转移到浮动扩散电容器26。
下文中，将参考图27的时序图和图28的操作示意图描述某个像素行中 在三分割转移情况下的具体操作。在图28中，操作(1)到(11)分别对应 于图27所示的时间段(1 )到(11 )。
当在某个像素行中，在一个单位的累积时间段内基于三分割转移来转移 信号电荷时，以给定的间隔将复位脉冲PTS /人垂直扫描电^各12施加到复位 晶体管23的栅电极三次，由此对浮动扩散电容器26执行三次复位操作。当 经过每个复位操作与这些复位操作同步的某个时间段时，将中间电压Vmid0 和Vmidl和导通电压Von以此顺序/人供应电压控制电3各31连续供应到转移 晶体管22的栅电极。
对于时间段(l),在光电转换元件21中累积电荷Qpd。此时，截止电压 Voff被施加到转移晶体管22的栅电极。另外，已经通过第一次复位脉沖RST 将浮动扩散电容器26复位。以第一次复位电平的形式，通过放大晶体管24 和选择晶体管25将浮动扩散电容器26的复位电平读出到垂直信号线111。在完成复位电平的第一次读出后，对于时间-歐(2),将中间电压VmidO 施加到转移晶体管22的栅电极。中间电压Vmid0的施加使得电荷(Qpd -QmidO )被转移到浮动扩散电容器26,同时累积电荷Qpd中的部分电荷Qmid0 仍然照原样留在光电转换元件21中。
接下来，对于时间段(3),将截止电压施加到转移晶体管22的栅电极。 结果，以具有第一信号电平的信号的形式，将与被转移到浮动扩散电容器26 的电荷(Qpd-Qmid0)相对应的信号读出到垂直信号线111。
接下来，对于时间段(4),将第二次复位脉冲RST施加到转移晶体管22 的栅电极，由此将浮动扩散电容器26复位。接下来，对于时间段(5)，以具 有第二次复位电平的信号的形式，将具有所得到的复位电平的信号读出到垂 直信号线111。
接下来，对于时间段(6)，将中间电压Vmidl施加到转移晶体管11的 栅电极。中间电压Vmidl的施加使得电荷(QpdO-Qmidl )被转移到浮动扩散 电容器26,同时电荷Qmid0的部分电荷Qmidl仍然照原样留在光电转换元 件21中。
接下来，对于时间段(7)，将截止电压Voff施加到转移晶体管22的栅 电极。结果，以具有第二次信号电平的信号的形式，将与被转移到浮动扩散 电容器26的电荷(QpdO-Qmidl)相对应的信号读出到垂直信号线111。
接下来，对于时间段(8 ),将第三次复位脉冲施加到复位晶体管23的栅 电极，由此将浮动扩散电容器26复位。接下来，对于时间段(9),以具有第 三次复位电平的信号的形式，将具有所得到的复位电平的信号读出到垂直信 号线111。
接下来，对于时间段(IO),将导通电压Von施加到转移晶体管22的栅 电极。导通电压Von的施加使得光电转换元件21的剩余电荷Qmidl被转移 到浮动扩散电容器26。
接下来，对于时间段(ll),将截止电压Voff施加到转移晶体管22的栅 电极。结果，以具有第三次信号电平的信号的形式，将与被转移到浮动扩散 电容器26的电荷Qmidl相对应的信号读出到垂直信号线111。
在三分割转移的情况下，中间电压Vmid0和Vmidl的每一个成为第一控 制信号，并且导通电压Von成为第二控制信号。 <n分割转移>尽管在此情况下，目前已经通过给出三分割转移的情况作为例子而进行 了描述，但是可以任意设置用于转移操作的部分的数量。而且，当执行n分
割转移时(n: 2或更大的整数)时，如图29所示，需要将(n-1)个中间电 压Vmid0、 Vmidl, ..., Vmid ( n-2 )和导通电压Von按此顺序从供应电压控 制电路13施加到转移晶体管22的栅电极，由此驱动有关的转移晶体管22。
在n分割转移的情况下，(n-l )个中间电压Vmid0至Vmid ( n-2 )的每 个都成为第一控制电压，并且导通电压Von成为第二电压。
在基于上述n分割转移的驱动下，对每个像素行执行电荷转移、复位和 像素选择。结果，列并行地(即以像素列为单位并行地)将具有复位电平的 信号和具有信号电平的信号(即，来自单位像素20的输出信号)从单位像素 20读出到垂直信号线111，以通过有关垂直信号线111将其供应至列电路34。
当基于分割基础转移的驱动方法对应于用于将中间电压VmidO和Vmidl 按顺序施加到转移晶体管22的栅电极以基于分割转移而转移任意电荷量的 单位中的电荷的系统时，与基于第 一 和第二实施例的分割基础转移的驱动方 法的情况相反，首先在具有高亮度的像素中进行电荷转移和输出，而在具有 低亮度的像素中不首先进行电荷转移和输出。
在基于图28所示的分割基础转移的驱动方法的情况下，如图27所示， 通过利用能够被保持在光电转换单元(光接收单元)中的电荷量依据用于转 移晶体管22的驱动电压而不同的事实而执行分割基础转移。例如，在图27 所示的例子中，通过使用中间电压VmidO和Vmidl的每一个作为用于转移晶 体管22的驱动电压，可以按顺序将电荷QmidO和Qmidl保持在光电转换单 元中，并且可以按顺序将在量上超过电荷QmidO和Qmidl的电荷连续转移以 读出。
<本实施例的特征>
采用如目前所描述的中间电压VmidO和Vmidl以及导通电压Von被按此 顺序作为转移脉冲TRG而供应至转移晶体管22的栅电极、例如基于三分割 转移将在一个单位的累积时间段内在光电转换元件中累积的信号电荷转移到 浮动扩散电容器26、并且读出基于三分割转移而由此转移的信号电荷的配置 的CMOS图像传感器10C的特征如下。也就是说，当输出等于或大于分割基 础转移操作的相应 一个中的最大值时，在有关的分割基础转移操作之前读出 的结果或其相加结果被复位，并且开始执行在该时间后的随后的相加处理或A/D转换处理。 <本实施例的效果>
在第一和第二实施例的每个中，当信号电平等于或高于参考电平时，执
行相加处理或A/D转换处理，并且当信号电平变成低于参考电平时，读出了
光电转换元件中的所有累积电荷。因此，停止在该时间后的随后的相加处理
或A/D转换处理。另一方面，在本实施例中，从光电转换元件中没有累积电 荷的状态开始，电荷被累积在光电转换元件中。而且，当信号电平变成等于 或高于参考电平时，在该时间前读出的结果或其相加结果被复位，并且开始 执行在在该时间后的随后的相加处理或A/D转换处理。结果，可以获得与第 一和第二实施例的每个的情况下相同的操作和效果，而不增加尤其是低亮度
阶段的噪声成分，因为在该阶段的读出搡作中没有输出。
例如，如图30A所示，确定能被转移的电荷的最大量。而且，如图30B 所示，例如，当累积电荷量满足关系Qpd>Qfd4.max并且Qpd<Qfd4.max+ Qfd3.max时，具有量Qpd的累积电荷被转移以不在第一次读出操作和第二次 读出操作之一中被输出。而且，具有量Qfd3 ( =Qpd-Qfd4.max )的电荷被转 移以在第三次读出操作中被读出，并且具有量Qfd4,max的电荷被转移以在第 四次读出操作中被读出。
而且，分别在第三次读出操作和第四次读出操作中输出的输出信号的相 加使得获得具有量Qpd的所有累积电荷。在此情况下，根据在第三次读出操 作中的电平确定Qfd3〈Qfd3,max生成保持数据复位信号。因此，要被保持到 该时间的通过A/D转换而获得的第一次数据和第二次数据、或者通过将要被 保持的第一次数据和第二次数据相加而获得数据被复位。而且，仅第三次数 据和第四次数据的相加使得能够抑制噪声成分。
下文中，将对用于执行以下控制的列电路34的具体例子给出描述根据 该控制，当输出大于分割基础转移操作的相应一个中的最大值时，在有关的 分割基础转移操作之前读出的结果或其相加结果被复位，并且开始执行在该 时间后的随后的相加处理或A/D转换处理。 (列电路)
图31是示出了列电路34的配置例子的方框图。如图31所示，列电路 34包括A/D转换单元341、电平确定单元342和加法单元343。
A/D转换单元341将基于分割转移而从像素阵列单元11的单位像素20通过垂直扫描线111转移的模拟输出信号转换成数字信号。电平确定单元342
比较通过A/D转换单元341中的A/D转换而获得的数字信号的数字值与参考 电平。当确定数字电平高于参考电平时，电平确定单元342输出确定结果， 并以保持数据复位信号形式将确定结果供应至加法单元343。
加法单元343将从A/D转换单元341连续供应的伴随分割基础转移的数 字信号相加以保持相加结果。当保持数据复位信号被供应至电平确定单元342 时，加法单元343将在完成了直到该时间的相加处理后已经被保持在其中的 保持数据复位，开始再次对从A/D转换单元341连续供应的伴随分割基础转 移的数字信号进行相加处理，并输出最终的保持数据，作为一个像素的像素 信号。
当将从电平确定单元342获得的确定结果用作保持邀:据复位信号时，需 要进行一次保持数据的复位。因此，电平确定单元342可以不像如图所示的 电平确定单元153那样具有用于连续保持该保持数据复位信号的配置。
注意，尽管在此省略了图示，但是也可以采用使得将对应于图IO所示的 噪声移除单元151的噪声移除单元被提供在A/D转换单元341的前一级的一 侧的配置。
在上述例子的列电路34中，加法单元343还具有作为控制部分的功能， 该控制部分用于根据从电平确定部分34获得的确定结果，对基于分割转移而 从单位像素20读出的多个输出信号中具有每个等于或高于参考电平的信号 电平的输出信号执行相加处理，具体地，当多个输出信号的信号电平的每个 变成等于或高于参考电平时，复位在该时间之前读出的输出信号或其相加结 果，以开始相加处理。 [高转换效率]
在上述第一到第三实施例的CMOS图像传感器IOA到10C的每个中， 为了提高浮动扩散电容器26中的电荷-电压的转换效率，使得寄生在浮动扩 散电容器(电荷-电压转换单元)26上的寄生电容(FD电容)很微小，其中 电荷被从光电转换元件21转移到该浮动扩散电容器26，具体地，减小寄生 电容使得浮动扩散电容器26处理的电荷的最大量变成小于能够在光电转换 元件21中累积的电荷的最大量，由此使得能够获得较高的电荷-电压转换效 率。
当将累积在光电转换元件21中的电荷的最大量设置为10，000e—时，将可用来在一次转移操作中读出所有的累积电荷的FD电容设置为1。图32示出 了当在此情况下的读出操作中的随机噪声被设置为7f时的累积电荷与S/N比 (dB)的关系，将读出操作中的固定模式噪声设置为2e—，并且将光射噪声设 置为光射噪声的平方根。
图32也示出了在本发明的停止确定下执行四分割转移和相加处理的情 况与在相同条件下在FD电容被设置为1/4的现有技术中的分割转移和相加处 理的情况之间的比较。
从图32很明显，可以理解由于在用于高转换效率之后，相对减小了不同 于光射噪声的噪声成分，并且基于分割转移读出了所有的累积电荷，因此在 低亮度情况下可以防止仅仅噪声成分被相加，可以实现高图像质量。
另外，如在进行FD电容被类似地设置为1/10的十分割并且执行本发明 的相加处理的情况下，使得FD电容4艮微小并且增加分割基础转移中的分割 的数量，由此使得能够减少除了光射噪声以外的噪声成分。
如目前为止所描述的，在每个通过例如降低寄生在浮动扩散电容器26上 的寄生电容以相对降低针对输出信号的信号电平的随机噪声和固定模式噪声 并提高电荷-电压转换效率、由此基于分割转移而转移不能在一次读出操作中 读出的累积电荷而提高电荷-电压转换效率的CMOS图像传感器10A到10C 中，当将基于分割转移从单位像素20输出的信号彼此相加时，基于入射光亮 度或者累积电荷来检测相加处理不需要的读出操作，以防止相应的信号彼此 相加。结果，可以防止不需要的随机噪声和固定模式噪声被包含在相加结果 中。从而，尤其在低亮度区域可以实现高S/N比。 [变型]
尽管在第一到第三实施例的每个中，目前为止已经通过给出信号处理电 路15 ( 15A、 15B、 15C、 15D和15E)和列电路17 ( 17A、 17B和17C )以 及34的每个具有A/D转换功能的情况作为例子而给出了描述，但是A/D转 换功能不是必要的组成要素。因此，只要信号处理电路15以及列电路17和 34的每个至少具有相加功能，就能够获得期望的目标。
另外，尽管在第一到第三实施例的每个中，目前为止已经通过给出将本 发明应用于这样的CMOS图像传感器的情况作为例子而给出了描述该 CMOS图像传感器包括具有通过一个转移晶体管22基于分割转移而将光电转 换元件21中的电荷转移到公共浮动扩散电容器26并将其连续读出到公共垂直扫描线111的配置的单位像素20,但是本发明绝不限于此，并且可以进行 各种改变。 (变型1)
图33是示出了变型1的单位像素20A的像素电路的电路图。在图中， 分别由相同的参考标记表示与先前参考图2所描述的单元等同的单元。
如图33所示，变型1的单位像素20A被配置为使得电流源31连接在与 放大晶体管24串联的选择晶体管25的漏电极和电源之间，并且从选择晶体 管25的漏极节点得到输出信号Vout。
在单位像素20A中，浮动扩散电容器26中的电荷-电压转换效率取决于 浮动扩散电容器26和垂直扫描线lll之间的寄生电容的电容值Ci。因此，使 得寄生电容的电容值Ci比浮动扩散电容器26的电容值Cfd更小，由此使得 能够提高电荷-电压转换效率。
在此，获得高电荷-电压转换效率的效果的条件是关系Qi.max<Qfd.max， 其中Qfd.max是浮动扩散电容器26中累积的电荷的最大量，而Qi.max是寄 生电容Ci中累积的电荷的最大量。由于此原因，必须基于分割转移以比累积 电荷的最大量Qfd.max更小的累积电荷的最大量Qi.max作为单位，来转移光 电转换元件21中累积的具有量Qpd的电荷。
如目前为止所描述的，包括具有高电荷-电压转换效率或高电压放大因子 的单位像素20A的CMOS图像传感器在S/N方面是有优势的，虽然可能存在 对于能够在一次读出操作中读出的电荷量的限制。
将先前描述的分割转移应用于包括单位像素20A的CMOS图像传感器， 从而基于分割转移而转移光电转换元件21中的电荷，这使得可以依据读出电 路的输出范围，有效地输出光电转换元件21中生成的所有累积电荷。
另外，在图33所示的变型1的单位像素20A中，必须将复位阶段中的 电荷-电压转换单元(浮动扩散电容器26)的电压设置在读出电路的操作点。 然而，前述分割基础转移的应用使得能够不依赖电荷-电压转换单元的电势来 控制基于分割转移而转移的电荷量。 (变型2)
图34是示出了变型2的单位像素20B的像素电路的电路图。在图中，分 别由相同的参考标记来表示与先前参考图2所述的单元等同的单元。
如图34所示，配置变型2的单位像素20B,使得代替使用放大晶体管24,在浮动扩散电容器26和选择晶体管25之间连接反放大(inverting amplification) 电路27，并且复位晶体管23与反放大电路27并联。以这种方式在像素内部 提供反放大电路27，使得可以放大信号电平以提高S/N比。
在包括具有以这种方式在像素内部提供的反放大电^各27的单位像素20C 的CMOS图像传感器中，当将反放大电路27的放大因子设置为-A时，在某 些情况下，当将具有最大量Qfd.max的累积电荷转移到浮动扩散电容器26时 输出电压Vout的幅度-A Qfd.max/Cfd超出输出Vout的可输出范围△ Vout.pp。
在此情况下，为了以输出信号的形式输出所有电荷，必须以以下电荷量 为单位来执行分割基础转移在该电荷量单位中，将小于浮动扩散电容器26 中累积的电荷的最大量Qfd.max的电荷量Qmid( <Qfd.max )设置作为最大值。
将前述分割基础转移应用于包括单位像素20B的CMOS图像传感器，并 且基于任意分割转移来转移光电转换元件21中的电荷，这使得可以对应于输 出电压Vout的可输出范围AVout.pp,有效地输出光电转换元件21中生成的 所有电荷。
注意，在上述第一到第三实施例的每个中，目前为止已经通过给出将本 发明应用于这样的CMOS图像传感器的情况作为例子而给出了描述在该 CMOS图像传感器中，每个用于检测具有物理量的形式的、对应于可见光量 的信号电荷的单位像素被布置为矩阵。然而，本发明绝不限于应用于CMOS 图像传感器。也就是说，本发明还可以应用于每个使用列系统的一般的固态 成像设备，在该列系统中，对于像素阵列单元的每个像素列，布置列电路。
另外，本发明绝不限于应用于用于检测入射可见光量的分布而以图像的 形式捕获其分布的成像设备。也就是说，本发明还可应用于用于检测入射红 外线、X射线、粒子等的量的分布而以图像的形式捕获其分布的所有固态成 像设备，以及诸如指紋检测传感器的、用于广义地检测诸如压力或静电电容 的其他物理量的分布而以图像的形式来捕获其分布的固态成像设备(物理量 分布检测设备)。
此外，本发明绝不限于应用于通过连续扫描以行为单位的像素阵列单元 的单位像素而从各个单位像素读出像素信号的固态成像设备。也就是说，本 发明还可以应用于X-Y地址型固态成像设备，用于以像素为单位来选择任意 像素，并从以像素为单位而由此选择的各个像素中读出信号。
注意，固态成像设备可以具有由单芯片形成的形式，或者可以具有其中集合封装了成像单元和信号处理单元或光学系统的、具有成像功能的模块形 式。
另外，本发明不仅可以应用于固态成像设备，而且可以应用于成像装置。 在此，成像装置意味着诸如数码静态相机或视频相机的相机系统，或者诸如 移动电话的具有成像功能的电子装置。注意，成像装置还意味着安装在电子 装置上的上述模块形式，即某些情况下的相机模块。
图35是示出了根据本发明的实施例的成像装置的配置的方框图。如图 35所示，根据本发明的实施例的成像装置50包括具有镜头组51的光学系统、 固态成像设备52、作为相机信号处理电路的DSP电路53、帧存储器54、显 示设备55、记录设备56、操纵系统57、电源系统58等。而且，DSP电路53、 帧存储器54、显示设备55、记录设备56、操纵系统57和电源系统58通过 总线59彼此连接。
镜头组51捕获来自对象的入射光(图像光)，以将入射光聚焦在固态成 像设备52的成像区域上。固态成像设备52以像素为单位，将由镜头组51聚 焦在成像区域上的入射光的量转换成电信号，并以像素信号的形式输出电信 号。使用上述第一到第三实施例的每个的CMOS图像传感器IO作为固态成 像设备52。
显示设备55由诸如液晶显示设备或有机电致发光(EL)显示设备的平 板型显示设备组成。显示设备55上显示由固态成像设备52捕获的运动图像 或静止图像。记录设备56将关于由固态成像设备52捕获的运动图像或静止 图像的数据记录在诸如录像带或数字通用盘(DVD)的记录介质中。
操纵系统57在用户进行的操纵下，发出关于该实施例的成像装置所具有 的各种功能的操纵命令。电源系统58适当地将成为用于DSP电路53、帧存 储器54、显示设备55、记录设备56和操纵系统57的操作电源的各种电源分 别供应给供电的这些对象。
如目前为止已经描述的，在诸如用于视频相机或数码静态相机的相机模 块的成像装置中，或诸如移动电话的移动装置中，使用上述第一到第三实施 例的CMOS图像传感器10 A到10C的任一个作为其固态成像设备52,这使 得当不能在一次读出操作中输出所有累积电荷时，基于分割转移而转移电荷， 并且当将基于分割转移而转移的输出信号彼此相加时，可以防止不需要的随机噪声和固定模式噪声被包含在相加结果中。从而，尤其在低亮度区域实现
了高S/N比。
本领域技术人员应当理解，只要在所附权利要求或其等效物的范围内， 视设计需要和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和变更。
相关申请的交叉引用
本发明包含与2007年4月23日在日本专利局提交的日本专利申请JP 2007-112650有关的主题，通过引用将其全部内容合并于此。
权利要求
1.一种固态成像设备，包括像素阵列单元，通过以矩阵排列单位像素而形成，每个所述单位像素包括被配置用于将光信号转换成信号电荷的光电转换单元、被配置用于转移通过所述光电转换单元中的光电转换而获得的所述信号电荷的转移元件、以及被配置用于输出通过所述转移元件所转移的信号电荷的输出部件；驱动部件，被配置用于通过所述输出部件读出在一个单位的累积时间段内在所述光电转换单元中累积的并由所述转移元件以至少两批转移的信号电荷；信号处理部件，被配置用于对基于分割而从所述单位像素读出的多个输出信号执行相加处理；电平确定部件，被配置用于比较所述多个输出信号的信号电平的每一个与参考电平；以及控制部件，被配置用于命令所述信号处理部件根据从所述电平确定部件获得的确定结果对所述多个输出信号中具有每个等于或高于所述参考电平的信号电平的输出信号执行所述相加处理。
2. 根据权利要求1所述的固态成像设备，其中当所述多个输出信号的信 号电平的每一个低于所述参考电平时，所述控制部件命令所述信号处理部件 停止所述相加处理。
3. 根据权利要求2所述的固态成像设备，其中当所述多个输出信号的信 号电平的每一个低于所述参考电平时，所述控制部件命令所述信号处理部件 停止对在所述输出部件中基于分割转移而转移时以及此后的后续输出信号的 相加处理。
4. 根据权利要求1所述的固态成像设备，其中当所述多个输出信号的信 号电平的每一个等于或高于所述参考电平时，所述控制部件命令所述信号处 理部件开始所述相加处理。
5. 根据权利要求4所述的固态成像设备，其中当所述多个输出信号的信 号电平的每一个等于或高于所述参考电平时，所述控制部件将在此时和此前 读出的输出信号或其相加结果复位。
6. 根据权利要求1所述的固态成像设备，其中所述信号处理部件包括用于对所述多个输出信号执行模拟-数字转换处理的模拟-数字转换部件。
7. 根据权利要求6所述的固态成像设备，其中当所述多个输出信号的信 号电平的每一个低于所述参考电平时，所述控制部件命令所述信号处理部件 停止所述模拟-数字转换处理。
8. 根据权利要求6所述的固态成像设备，其中当所述多个输出信号的信号电平的每一个等于或高于所述参考电平时，所述控制部件命令所述信号处 理部件开始所述模拟-数字转换处理。
9. 根据权利要求6所述的固态成像设备，其中所述模拟-数字转换部件 包括比较部件，被配置用于比较所述多个输出信号的每一个与参考信号；以及计数部件，被配置为执行用于以对应于从所述比较部件获得的比较结果 的计数值进行计数的操作。
10. 根据权利要求9所述的固态成像设备，其中所述模拟-数字转换部件 根据所述计数部件的计数操作，并行地执行模拟-数字转换处理和相加处理。
11. 根据权利要求9所述的固态成像设备，其中所述计数部件以对应于 从所述比较部件获得的比较结果的计数值执行上计数或下计数。
12. 根据权利要求11所述的固态成像设备，其中所述模拟-数字转换部 件根据所述计数部件的上计数或下计数来获得从所述单位像素获得的复位电 平和所述信号电平之间的差。
13. 根据权利要求1所述的固态成像设备，其中所述输出部件包括被配 置用于将由所述转移元件所转移的信号电荷转换成电压的电荷-电压转换单 元，并且将寄生电容设置为很小使得由所述电荷-电压转换单元所转移的电荷 的最大量小于所述光电转换单元中可累积的电荷的最大量。
14. 一种用于固态成像设备的信号处理方法，所述固态成像设备包括 像素阵列单元，通过以矩阵排列单位像素而形成，每个所述单位像素包括被配置用于将光信号转换成信号电荷的光电转换单元、被配置用于转移通 过所述光电转换单元中的光电转换而获得的所述信号电荷的转移元件、以及 被配置用于输出通过所述转移元件所转移的信号电荷的输出部分；驱动部件，被配置用于通过所述输出部分读出在一个单位的累积时间段 内在所述光电转换单元中累积的并由所述转移元件以至少两批转移的信号电荷；所述固态成像设备对基于分割而从所述单位像素读出的多个输出信号执4亍相加处理；所述信号处理方法包括步骤比较所述多个输出信号的信号电平的每一个与参考电平；以及 根据比较结果，对所述多个输出信号中具有每个等于或高于所述参考电 平的信号电平的输出信号执行相加处理。
15. 根据权利要求14所述的用于固态成像设备的信号处理方法，其中当 所述多个输出信号的信号电平的每一个低于所述参考电平时，停止所述相加 处理。
16. 根据权利要求14所述的用于固态成像设备的信号处理方法，其中当 所述多个输出信号的信号电平的每一个等于或高于所述参考电平时，开始所 述相加处理。
17. —种成像装置，包括通过以矩阵排列单元像素而形成的固态成像设备，每个所述单元像素包 括被配置用于将光信号转换成信号电荷的光电转换单元、被配置用于转移通 过所述光电转换单元中的光电转换而获得的所述信号电荷的转移元件、以及 被配置用于输出由所述转移元件所转移的信号电荷的输出部件；以及光学系统，被配置用于将入射光聚焦到所述固态成像设备的成像区上；其中，所述固态成像设备包括驱动部件，被配置用于通过所述输出部件读出在一个单位的累积时间段 内在所述光电转换单元中累积的并由所述转移元件以至少两批转移的信号电 荷；信号处理部件，被配置用于对基于分割而从所述单位像素读出的多个输 出信号执行相加处理；电平确定部件，被配置用于比较所述多个输出信号的信号电平的每一个 与参考电平；以及控制部件，被配置用于命令所述信号处理部件根据从所述电平确定部件 获得的确定结果对所述多个输出信号中具有每个等于或高于所述参考电平的 信号电平的输出信号执行所述相加处理。
全文摘要
本发明公开了一种固态成像设备、其信号处理方法和成像装置。该固态成像设备包括像素阵列单元、驱动部件、信号处理部件、电平确定部件和控制部件。
文档编号H04N5/347GK101296305SQ20081009546
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