固态成像元件、其驱动方法以及照相机系统的制作方法

专利名称：固态成像元件、其驱动方法以及照相机系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种固态成像元件(诸如互补金属氧化物半导体器件(CMOS)图像传感器)、其驱动方法以及照相机系统。
背景技术：
近年来，CM0S图像传感器作为替代电荷耦合器件(CCD)图像传感器的固态成像元
件(图像传感器)吸引了注意力。 CMOS图像传感器克服了下列问题 CCD像素的制造包含特殊的工艺，并且要使用多个电源电压对其进行操作。另外，需要组合地操作多个外围集成电路(IC)。 这种CCD技术增加了系统复杂性。这些不同问题已经被CMOS图像传感器克服了 。
X-Y寻址固态成像元件(诸如CMOS图像传感器)被配置来在具有二维像素阵列(包括排列成矩阵的光电转换元件)的像素阵列单元上逐行、逐列、或逐个像素地进行像素选择。 此外，行访问固态成像元件提供对所述像素阵列单元的读访问和用于快门释放的重置访问。 CMOS图像传感器一般采用像素重置方法，在该方法中，顺序地对像素逐行进行重置。这种方法被称作巻动快门法。 在所述固态成像元件中，还形成遮光图像或光学黑区，以确定本底噪声。
在所述固态成像元件中，提出了一种用于指定像素阵列单元中的期望区域并部分截取和读出与期望区域相关的像素信息的技术(例如，参见日本未审查专利申请公报2001-45383号)。 因此，日本未审查专利申请公报2001-45383号中所公开的固态成像元件具有用于截取并读出所需区域的功能("窗口读出"功能)。 利用窗口读出功能，固态成像元件能够减少到固态成像元件外部的输出线的数目。 然而，在固态成像元件中，当逐行顺序地读取期望的部分读出区时，由于对诸如所述部分读出区的下方和上方的行中的像素的读出没有访问控制，因此会出现下面称作高光溢出(blooming)的现象。 通过光电转换积累在某个像素的光电转换元件中的电荷可能会超出该光电转换元件的容量，并溢出到邻近像素中。 溢出到邻近像素的电荷影响由邻近像素进行的成像。在CMOS图像传感器中，电荷
从所述部分读出区中的像素的上方和下方的像素的溢出会引起高光溢出现象，从而在该区
域中产生不希望有的图像缺陷。 防止高光溢出的方法之一如下。 将窗口区设置得比期望的大，并对所设置的区域进行正常访问以防止不希望有的
4电荷流。 然而，在这种方法中，不需要的行中的像素数据也被输出到外部，使得到外部的输出的数目增加，如图l所示。 现在将参考图1和图2来描述行访问固态成像元件的输出行等。 如图1所示，行访问固态成像元件的输出行包括记录像素区、颜色处理边际区、无
效区、光学黑区、无效光学黑区和消隐区中的行。 无效区、无效光学黑区和消隐区的数据不是所需要的。 消隐输出是为固态成像元件和外部之间的通信时段、固态成像元件的设置(诸如增益值)改变之后用于稳定内部电路的等待时间、固态成像元件和外部之间的定时调节等提供的。 在消隐时段中，如图2所示，不对所述像素阵列单元进行读访问或重置访问。或者，对特殊地址进行不影响读出数据的访问。 在固态成像元件中， 一般地，在光学黑区中不设置窗口区，并且输出行的数目由所述像素阵列单元来固定。 此外，光学黑线(optical black line)的数目取决于用途。例如，拍摄静止图像
时需要大量的光学黑线，而拍摄运动图像时，可以使用较少数目的光学黑线。 日本未审查专利申请公报2006-310932号公开了一种用于防止出现高光溢出和
防止将不必要的像素数据行输出到外部的方法。

发明内容
然而，日本未审查专利申请公报2006-310932号中公开的技术的缺点是增加了所需电路的数目，这导致电路尺寸的增加。 具体地，在这种技术中，在读操作和快门操作的同时对非访问的行进行重置。因此，需要提供包括"行读取控制电路12"、"行重置控制电路13"和"非访问行重置控制电路14"的像素阵列控制电路。 所以，期望提供一种能够防止出现高光溢出并防止将不必要的像素数据行输出到外部同时防止增加电路尺寸的固态成像元件、其驱动方法以及照相机系统。
根据本发明的实施例，一种固态成像元件包括像素阵列单元，具有排列成矩阵的像素，每个像素都包括光电转换元件；以及像素驱动控制单元，能够控制像素阵列单元的驱动，以便根据指定的地址信息来进行像素阵列单元的读取或重置访问操作。像素驱动控制单元能够在像素阵列单元中设置期望的区域，作为要访问的窗口区。像素驱动控制单元包括用于在对窗口区进行访问以及输出处理的同时，对与窗口区邻近的至少一个邻近外部行进行读取或重置访问的功能。 根据本发明的另一个实施例，一种用于固态成像元件的驱动方法，包括步骤在像素阵列单元中设置期望的区域，作为要访问的窗口区，像素阵列单元具有排列成矩阵的像
素，每个像素都包括光电转换元件；以及在对窗口区进行访问以及输出处理的同时，对与窗口区邻近的至少一个邻近外部行进行读取或重置访问。 根据本发明的再一个实施例，一种照相机系统，包括固态成像元件；用来在固态成像元件上形成目标图像的光学系统；以及用来对固态成像元件的输出图像信号进行处理的信号处理电路。固态成像元件包括像素阵列单元，具有排列成矩阵的像素，每个像素都 包括光电转换元件，以及像素驱动控制单元，能够控制像素阵列单元的驱动，以便根据指定 的地址信息来进行像素阵列单元的读取或重置访问操作。像素驱动控制单元能够在像素阵 列单元中设置期望的区域，作为要访问的窗口区。像素驱动控制单元包括用于在对窗口区 进行访问以及输出处理的同时，对与窗口区邻近的至少一个邻近外部行进行读取或重置访 问的功能。 根据本发明的实施例，像素驱动控制单元在像素阵列单元中设置期望的区域，作 为要访问的窗口区。 此外，像素驱动控制单元在对窗口区进行访问以及输出处理的同时，对与窗口区 邻近的至少一个邻近外部行进行读取或重置访问。 所以，根据本发明的实施例，能够防止出现高光溢出并可以防止将不必要的像素 数据行输出到外部同时防止增加电路尺寸。


图1是说明典型的CMOS图像传感器(固态成像元件)的窗口读出的例子的图；
图2是示出典型的CMOS图像传感器的像素线访问的例子的图；
图3是示出根据本发明第一实施例的CMOS图像传感器(固态成像元件)的示例 结构的图； 图4是示出根据本实施例的具有4个晶体管的CMOS图像传感器中的像素的例子 的图； 图5是示出根据本实施例的定时控制电路的示例结构的图；
图6是示出根据本实施例的读地址生成单元的示例结构的图；
图7是示出读地址的选择结果的例子的图； 图8是示出根据本实施例的CMOS图像传感器的像素线访问的例子的图； 图9是示出根据本实施例的用于在CMOS图像传感器中防止高光溢出的像素行访
问的第一示例性变型的图； 图IO是示出根据本实施例的用于在CMOS图像传感器中防止高光溢出的像素行访 问的第二示例性变型的图； 图11是示出根据本发明第二实施例的CMOS图像传感器(固态成像元件)的示理 性结构的图； 图12是示出根据本发明第二实施例的输出线的示例图像的图； 图13是示出根据本发明第二实施例的输出线的另一个示例图像的图； 图14是示出根据本发明第三实施例的具有列并行ADC结构的固态成像元件(CMOS
图像传感器)的示例结构的图；以及 图15是示出根据本发明第四实施例的包含固态成像元件的照相机系统的示例结 构的图。
具体实施例方式
下面将参考附图来描述本发明的实施例。
第一实施例 图3是示出根据本发明第一实施例的CMOS图像传感器(固态成像元件)100的示 例结构的图。 根据第一实施例的CMOS图像传感器100包括像素阵列单元110、行读取控制电 路120、行重置控制电路130、并行信号处理电路140、输出控制电路150以及定时控制电路 160。 行读取控制电路120、行重置控制电路130和定时控制电路160可以构成像素驱动 控制单元。 像素阵列单元110具有被布置成矩阵的像素电路的二维阵列。 像素阵列单元110包括有效像素区110A以及沿着有效像素区110A的周边限定的
遮光像素区(光学黑区)110B。 有效像素区IIOA可以是这样的区域其中，使用在像素电路中进行光电转换而获 得的信号作为成像信号。 围绕有效像素区110A限定光学黑区IIOB，使其免受光的照射，并用于确定每个像 素电路的信号的黑电平(black level)。 图4是示出根据本实施例的具有4个晶体管的CMOS图像传感器中的像素电路的 例子的图。 所述像素电路包括光电转换元件111，该元件例如可以由光电二极管构成。
所述像素电路具有4个晶体管，作为针对光电转换元件111的有源元件，S卩，转移 晶体管112、重置晶体管113、放大晶体管114和选择晶体管115。 光电转换元件111将入射光光电转换为其量与光量相对应的电荷(这里为电子)。
转移晶体管112被连接在光电转换元件111和作为输出节点的浮动扩散FD之间。 作为控制信号的传输信号TG经由转移控制线LTx被提供到转移晶体管112的栅极(转移 栅极)。 因此，转移晶体管112将由光电转换元件111光电转换成的电子转移到浮动扩散 FD。 重置晶体管113被连接在电源线LVDD和浮动扩散FD之间，并且作为控制信号的
重置信号RST经由重置控制线LRST被获供到重置晶体管113的栅极。 因此，重置晶体管113将浮动扩散FD的电势重置为电源线LVDD的电势。 放大晶体管114的栅极被连接到浮动扩散FD。放大晶体管114通过选择晶体管
115被连接到垂直信号线116，并与像素电路外部的恒定电流源一起构成源极跟随器。 根据地址信号的作为控制信号的选择信号SEL经由选择控制线LSEL被提供到选
择晶体管115的栅极，选择晶体管115导通。 当选择晶体管115导通时，放大晶体管114将浮动扩散FD的电势放大，并将与所 述放大的电势相对应的电压输出到垂直信号线116。经由垂直信号线116从每个像素输出 的电压被输出到并行信号处理电路140。 因为，例如，转移晶体管112、重置晶体管113和选择晶体管115的栅极被逐行彼此 相连，所以上面的操作同时对一行中的像素进行。 布置在像素阵列单元110中的一组重置控制线LRST、转移控制线LTx和选择控制线LSEL按所述像素阵列的行逐行进行布置。 转移控制线LTx和选择控制线LSEL由行读取控制电路120进行驱动，且重置控制 线LRST由行重置控制电路130进行驱动。 行读取控制电路120的功能是在进行CMOS图像传感器(固态成像元件)100的 读取操作时指定行。 行读取控制电路120具有例如地址解码电路的基本结构，且行读取控制电路120
控制与像素阵列单元110中期望的行范围的读取相对应的像素的行读取。 行重置控制电路130的功能是在进行CMOS图像传感器(固态成像元件)100的
快门操作时指定行。 行重置控制电路130具有例如地址解码电路的基本结构，且行重置控制电路130 在行读取操作的同时，对通过在不同行的像素上进行光电转换而积累的电荷进行重置，以 控制所述电荷的积累周期，从而实现电子快门。 并行信号处理电路140对从像素阵列单元110的各个像素逐行读取的信号并行地 进行诸如噪声去除、信号处理以及模拟/数字(A/D)转换的处理。 输出控制电路150被配置为包括与各个列相对应的元件，诸如水平选择开关、水 平信号线、水平扫描电路和放大电路。 输出控制电路150的功能是利用进行水平扫描的水平扫描电路将已经由并行信 号处理电路140并行处理过的一行的信号输出，或者顺序地将只在期望的列范围内的信号 输出。 在输出控制电路150中，利用所述放大电路对从并行信号处理电路140顺序输出 的信号进行放大，并将其输出到所述芯片的外部。 定时控制电路160根据行读取控制电路120、行重置控制电路130、并行信号处理 电路140和输出控制电路150的期望操作模式生成各种定时信号，并利用各个定时信号对 各个电路进行定时控制。 下面将详细描述定时控制电路160的具体示例结构。 根据本实施例的具有上面的结构的CMOS图像传感器100在用于提供所需区域的 截取和读出的窗口读出方面具有下面的特征功能。
现在将描述所述窗口读出的概况。 CMOS图像传感器(固态成像元件)100的配置使得能够减少到CMOS图像传感器 100的外部的不必要的输出线的数目，并能够防止在窗口读出中出现高光溢出。
在根据本实施例的CMOS图像传感器100中，既可以在有效像素区110A也可以在 光学黑区110B中设置窗口读出位置和尺寸。 在到CMOS图像传感器100的外部的输出线的数目受到限制的情形中，CMOS图像 传感器100能够以折衷的方式选择是为有效像素区IIOA还是为光学黑区110B分配较多数 目的输出线。 —般地，根据本实施例的CMOS图像传感器IOO在所述窗口读出方面具有下面两个 特征功能 (1)对与进行所述窗口读出(截取)的区域邻近的行执行一个时段的读访问或重 置访问，在所述时段期间，该行被作为消隐线从CMOS图像传感器(固态成像元件)100输出
8(诸如固态成像元件和外部之间的通信时段)。 因此，CMOS图像传感器100清除(放出)所访问行的像素中的电荷，以防止在未 进行快门操作或窗口读出的窗口帧之外的区域中发生高光溢出。 (2)根据本实施例的CMOS图像传感器100也在光学黑区110B以及有效像素区 110A上进行窗口截取。 所以，在CMOS图像传感器100中，在到CMOS图像传感器100的外部的输出线的数 目受到限制的情形下，能够减少光学黑区110B的输出的数目。 由于减少了光学黑区IIOB的输出的数目，所以可以增加有效像素区IIOA的输出 的数目。 因此，根据本实施例的CMOS图像传感器100能够根据所要求的输出格式以折衷的 方式来进行控制，以选择是为有效像素区110A还是为光学黑区110B分配较大的尺寸。
例如，在利用相同成像装置获取静止图像时，可以将光学黑区IIOB设置得大，而 在获取运动图像时，可以将光学黑区IIOB设置得小。 CMOS图像传感器100还可以对进行窗口读出(截取)的光学黑区110B提供上面 的项(1)中提到的访问。 更具体说，CMOS图像传感器100能够对与光学黑区110B中的窗口读出区(截取 区)邻近的行提供一个时段的读访问或重置访问，在所述时段期间，该行作为消隐线输出 (诸如CMOS图像传感器100与外部进行通信的时段)。 因此，CMOS图像传感器100清除(放出)所访问行的像素中的电荷，以防止在未 进行快门操作或窗口读出的窗口帧之外的区域中发生高光溢出。 根据本实施例的CMOS图像传感器100在与消隐输出时段相对应的时间段内进行
读访问或重置访问以防止出现高光溢出，所述消隐输出时段例如是CMOS图像传感器100
的通信时段、模拟稳定等待时间、或传感器100与外部之间的定时调节时段。 CMOS图像传感器100通过在正常的读地址计数器或重置地址计数器的值与高光
溢出防止行的值之间进行选择和切换对像素阵列单元110进行访问。 这里所使用的术语"高光溢出防止行"是指为防止高光溢出而访问的行。 CMOS图像传感器100利用根据窗口区设置值进行的计算，使用寄存器进行直接设
置或使用任何其它合适的方法来确定高光溢出防止行(为防止高光溢出而访问的行)的值。 在本实施例中，可以从诸如0、1、2和3的不同值中选择高光溢出防止行(为防止 高光溢出而访问的行)的数目。 此外，根据本实施例的CMOS图像传感器IOO被配置为根据使用目的以折衷的方式 选择有效像素区110A的窗口区宽度和光学黑区110B的窗口区宽度。 根据本实施例的窗口读出操作由行读取控制电路120和行重置控制电路130响应 于定时控制电路160所生成的定时控制信号进行驱动控制。 下面将描述根据本实施例的用于控制窗口读出操作的定时的定时控制电路160 的示例结构。 图5是示出根据本实施例的定时控制电路160的示例结构的图。 如图5所示，定时控制电路160包括通信接口 (1/F)1601、读取/快门行起始与结束地址计算和保持单元(下文中称作"地址计算和保持单元")1602以及行方向计数器
1603。 定时控制电路160还包括通信时段/消隐输出时段确定单元(下文中称作"确 定单元")1604、读地址计数器1605、窗口邻近地址生成单元1606、读地址选择单元1607和 快门地址计数器1608。 定时控制电路160还包括读定时控制单元1609和快门定时控制单元1610。
读地址生成单元1620由地址计算和保持单元1602、行方向计数器1603、确定单元
1604、 读地址计数器1605、窗口邻近地址生成单元1606和读地址选择单元1607构成。
在接收到从控制单元(未示出)提供的命令、访问地址等时，通信I/F 1601将所 述命令、访问地址等提供给必要的部分，即，地址计算和保持单元1602以及行方向计数器
1603。 地址计算和保持单元1602生成像素阵列单元110的有效像素区110A中的有效像
素窗口区EWND的起始地址Yl和结束地址Y2，并保持所述生成的地址。地址计算和保持单元1602生成像素阵列单元110的光学黑区110B中的光学黑窗
口区(下文中称作"OB窗口区")OWND的起始地址Y3和结束地址Y4，并保持所述生成的地址。 地址计算和保持单元1602读取所生成的有效像素窗口区EWND的起始地址Yl和 结束地址Y2，并将所读取的起始地址Yl和结束地址Y2输出到地址计数器1605和窗口邻近 地址生成单元1606。 地址计算和保持单元1602也读取所生成的OB窗口区OWND的起始地址Y3和结束 地址Y4，并将所读取的起始地址Y3和结束地址Y4输出到地址计数器1605和窗口邻近地址 生成单元1606。行方向计数器1603对行方向上的访问地址进行计数，并将结果输出到确定单元
1604。 确定单元1604基于行方向计数器1603的输出信号来确定通信时段或消隐输出时
段，并将确定结果输出到读地址选择单元1607，作为确定信号S1604。在从地址计算和保持单元1602接收到地址Y1、Y2、Y3和Y4时，读地址计数器1605
生成有效像素窗口区EWND和OB窗口区OWND的访问地址。 读地址计数器1605将所生成的访问地址输出到读地址选择单元1607。 在从地址计算和保持单元1602接收到地址Y1、Y2、Y3和Y4时，窗口邻近地址生成
单元1606生成邻近外部行访问地址Yl' 、 Y2' 、 Y3'和Y4'。邻近外部行访问地址Yl' 、 Y2'、
Y3'和Y4'用来标识在所述有效像素窗口区EWND和OB窗口区OWND的外部邻近的一个或多个行。 窗口邻近地址生成单元1606将所生成的有效像素窗口区EWND和OB窗口区OWND 的外部的行的邻近外部行访问地址Y1'、Y2'、Y3'和Y4'输出到读地址选择单元1607。
根据来自确定单元1604的确定信号S1604，读地址选择单元1607选择由读地址计 数器1605生成的访问地址或由窗口邻近地址生成单元1606生成的访问地址，并将所选择 的访问地址输出到行读取控制电路120 。 当确定信号S1604表明处于非消隐输出时段，S卩，有效像素输出时段时，读地址选择单元1607选择由读地址计数器1605生成的访问地址，并将访问地址输出到行读取控制 电路120。 当确定信号S1604表明处于消隐输出时段时，读地址选择单元1607选择由窗口邻
近地址生成单元1606生成的访问地址，并将所述访问地址输出到行读取控制电路120。 在从地址计算和保持单元1602接收到地址Yl、 Y2、 Y3和Y4时，快门地址计数器
1608生成有效像素窗口区EWND和OB窗口区OWND的快门访问地址。 快门地址计数器1608将所生成的快门访问地址输出到行重置控制电路130。 读定时控制单元1609对行读取控制电路120的读定时进行控制。 快门定时控制单元1610对行重置控制电路130的行重置定时进行控制。 图6是示出根据本实施例的读地址生成单元1620的示例结构的图。 读地址生成单元1620由地址计算和保持单元1602、行方向计数器1603、确定单元
1604、读地址计数器1605、窗口邻近地址生成单元1606和读地址选择单元1607构成。 参考图6，地址计算和保持单元1602包括光学黑区窗口 (下文中称作"OB区窗
口")起始位置地址生成单元16021，以及OB区窗口结束位置地址生成单元16022。 地址计算和保持单元1602还具有有效像素区窗口起始位置地址生成单元16023
和有效像素区窗口结束位置地址生成单元16024。OB区窗口起始位置地址生成单元16021生成OB窗口区OWND的起始地址Y3。
OB区窗口结束位置地址生成单元16022生成OB窗口区OWND的结束地址Y4。
有效像素区窗口起始位置地址生成单元16023生成有效像素窗口区EWND的起始 地址Yl。 有效像素区窗口结束位置地址生成单元16024生成有效像素窗口区EWND的结束 地址Y2。 参见图6，窗口邻近地址生成单元1606包括窗口帧地址生成单元16061到16068。
在本例中，通过举例来说明邻近两行的地址的生成。 窗口帧地址生成单元16061响应于从由OB区窗口起始位置地址生成单元16021
生成的OB窗口区OWND的起始地址Y3减去2而得到的地址来生成窗口帧地址1。 窗口帧地址生成单元16062响应于从由OB区窗口起始位置地址生成单元16021
生成的OB窗口区OWND的起始地址Y3减去1而得到的地址来生成窗口帧地址2。 窗口帧地址生成单元16063响应于在由OB区窗口起始位置地址生成单元16021
生成的OB窗口区OWND的结束地址Y4上加1而得到的地址来生成窗口帧地址3。 窗口帧地址生成单元16064响应于在由OB区窗口起始位置地址生成单元16021
生成的OB窗口区OWND的结束地址Y4上加2而得到的地址来生成窗口帧地址4。 窗口帧地址生成单元16065响应于从由有效像素区窗口起始位置地址生成单元
16023生成的有效像素窗口区EWND的起始地址Yl减去2而得到的地址来生成窗口帧地址 窗口帧地址生成单元16066响应于从由有效像素区窗口起始位置地址生成单元 16023所生成的有效像素窗口区EWND的起始地址Yl减去1而得到的地址来生成窗口帧地 址6。 窗口帧地址生成单元16067响应于在由有效像素区窗口结束位置地址生成单元
1116024生成的有效像素窗口区EWND的结束地址Y2上加1而得到的地址来生成窗口帧地址7。 窗口帧地址生成单元16068响应于在由有效像素区窗口结束位置地址生成单元 16024生成的有效像素窗口区EWND的结束地址Y2上加2而得到的地址来生成窗口帧地址8。 因此，窗口邻近地址生成单元1606基于所述窗口区的设置值来计算窗口帧地址。
图7是示出读地址的选择结果的例子。 在图7所示的例子中，当行方向计数器1603具有计数值N时，所述读地址为由窗 口帧地址生成单元16061生成的地址。 当行方向计数器1603具有计数值N+1时，所述读地址为由窗口帧地址生成单元 16062生成的地址。 当行方向计数器1603具有计数值N+2时，所述读地址为由窗口帧地址生成单元 16063生成的地址。 类似地，当行方向计数器1603具有计数值N+7时，所述读地址为由窗口帧地址生 成单元16068生成的地址。 当行方向计数器1603具有计数值N+8时，选择读地址计数器1605的地址M。
当行方向计数器1603具有计数值N+9时，选择读地址计数器1605的地址M+l。
当行方向计数器1603具有计数值N+10时，选择读地址计数器1605的地址M+2。
接下来，将参考图3和图8以及任何其它合适的图来描述利用上述配置进行的操 作。 可以是X-Y寻址固态成像元件的CMOS图像传感器100逐行地读取二维排列的像 素，并进行快门(重置)操作。 在定时控制电路160的控制下，行读取控制电路120和行重置控制电路130进行 驱动控制，以在像素阵列单元110的有效像素区110A中设置窗口截取和读出区，作为地址 Yl禾口 Y2。 另外，在定时控制电路160的控制下，行读取控制电路120和行重置控制电路130
进行驱动控制，以在光学黑区110B中设置窗口截取和读出区，作为地址Y3和Y4。 可以根据所要求的输出线的数目将有效像素区110A和光学黑区110B的每一个的
窗口截取位置和尺寸设置为期望的值。 这允许以折衷的方式选择有效像素输出行和光学黑输出行。 以图3中的"〈1>像素行访问扫描"和"〈2>像素行访问扫描"所指示的方式来对 像素阵列单元110进行读扫描和重置扫描。 在图3的右侧部分中示出了从CMOS图像传感器100输出的数据图像。 从CMOS图像传感器100输出的图像也包括前消隐部分FBLK和后消隐部分RBLK。 与前消隐部分FBLK和后消隐部分RBLK相对应的消隐时段是由CMOS图像传感器
(固态成像元件)100和外部之间的通信时段、固态成像器件的设置(诸如增益值)改变之
后稳定内部电路所需的等待时间，以及CM0S图像传感器100和外部之间的定时调节所导致的。 在消隐输出时段期间，对由邻近外部行访问地址Y1'和Y2'标识的与有效像素窗
12口区EWND邻近的行以及由邻近外部行访问地址Y3'和Y4'标识的与OB窗口区0WND邻近的行进行读取和访问。 在所读取和访问的行中，电荷被清除，从而能够防止电荷溢出到所述窗口区中。
这样可以避免到外部的不必要的输出线，并能防止在没有被访问的A区或B区中出现高光溢出。 图8示出像素读出、快门(重置)访问和输出的概况。 在这种情形中，在向外部输出的消隐输出时段期间，对窗口区的帧进行访问和重
置，以便防止高光溢出。不将窗口区的帧输出到外部。 在本例中，通过例子说明利用读操作对所述帧进行重置。 尽管被遮光的光学黑区IIOB通常没有高光溢出问题，但可以防止有效像素区110A的A区中传播到光学黑区110B的高光溢出对OB窗口区OWND的地址Y4产生影响。
此外，能够防止来自像素阵列单元110的外部(在图3中，像素阵列单元110的上部)的不想要的电荷流对OB窗口区OWND的地址Y3的影响。 注意，也对由邻近外部行访问地址Y3'和Y4'标识的行进行访问，以防止高光溢出，从而防止在能够穿过遮光元件的强光进入光学黑区110B中时在光学黑区110B中出现高光溢出等。 用于防止高光溢出的、由地址Y1'、Y2'、Y3'和Y4'来标识的访问行的数目是可变的。 第一示例性变型 图9是示出根据本实施例的用于在CMOS图像传感器中防止高光溢出的像素行访问的第一示例性变型的图。 在上述实施例中，利用读操作来进行用于防止高光溢出的对与窗口区邻近的行的
访问。然而，如图9所示，也可以利用快门(重置)访问来进行所述访问。 在这种情形中，在向外部输出的消隐输出时段期间，对所述窗口区的帧进行访问
和重置，以防止高光溢出。不将所述窗口区的帧输出到外部。 在本例中，使用快门操作来重置所述窗口区的帧。 第二示例性变型 图IO是示出根据本实施例的用于在CMOS图像传感器中防止高光溢出的像素行访问的第二示例性变型。 在上述实施例中，只利用读操作来进行用于防止高光溢出的对与窗口区邻近的行的访问。然而，也可以利用读访问和快门(重置)访问来进行所述访问。
第三示例性变型 在图3中，能够将光学黑区110B设置为0(无输出)。
第四示例性变型 在图3中，也能够沿着图3中的像素阵列单元110的下部以及上部提供光学黑区IIOB。 在这种情形中，也能在沿像素阵列单元110的下部所提供的光学黑区中设置窗口区。 第五示例性变型
在图3中，也能沿图3中的像素阵列单元110的右侧和左侧提供光学黑区。
在这种情形中，也能输出所述光学黑区的数据作为水平方向的输出数据。在这种 情形中，将水平光学黑区的数据输出到图3右部所示的数据图像的左右两侧。
第六示例性变型 图3示出图3中从上向下的像素扫描。在反向读出中，也能进行从下向上的扫描。
第七示例性变型 在图6中，通过根据所述窗口位置的值进行的计算来确定窗口邻近地址值。或者，
也可以通过寄存器设置等来直接设置窗口邻近地址值。 第八示例性变型 在图6中，每个末端都有两个窗口邻近地址值。或者，每个末端可以有一个或多于 两个的窗口邻近地址值。 另外，在这种情形中，能够控制用于防止高光溢出的由邻近外部行访问地址Yl'、 Y2' 、 Y3'和Y4'标识的访问行的数目。
第二实施例 图11是示出根据本发明第二实施例的CMOS图像传感器(固态成像元件)100A的 示例性结构的图。 根据第二实施例的CMOS图像传感器100A与根据第一实施例的CMOS图像传感器 100的不同之处在于用行访问移位寄存器170来替代图3中所示的行读取控制电路120和 行重置控制电路130。 此外，在第二实施例中，定时控制电路160利用与第一实施例中相似的方法来控 制行访问移位寄存器170，由此获得相同或相似的优点。
所以，根据本实施例，能够实现下列优点。 (1)能够对与窗口区邻近的行进行读访问或快门(重置)访问，以防止高光溢出。
在将消隐数据输出到外部的时段期间进行对邻近行的访问。这可以在不使用到固 态成像元件的外部的不必要的输出线的情况下避免高光溢出问题。 在正常固态成像元件中的窗口读出涉及图l所示的输出线的数目。根据本实施 例，能够将输出线的数目减少到图12所示的数目。 在图12所示的例子中，也能够将窗口区设置在光学黑区中。窗口区既被设置在记 录像素区中，也被设置在光学黑区中。由于在向外部进行输出的消隐输出时段内对窗口区 的帧进行访问和重置以防止高光溢出，所以，不将所述窗口区的帧的数据输出到外部。
因此，在每帧的输出线数目受到限制的情形下，可以使用大量的有效像素输出线。
(2)由于在光学黑区中也进行窗口截取，所以，光学黑区的位置和尺寸是可变的， 这导致了到外部的光学黑区的输出线的数目是可变的。 这样，当每帧的输出线的数目受到限制时，允许在有效像素线的数目和光学黑线 的数目之间进行折衷。 例如，在拍摄静止图像时需要大量的光学黑线，而在拍摄运动图像时光学黑线的 数目减少。另外需要有效像素区中的大的颜色处理边际区。 在这种情形中，输出线的数目可以从图12所示的数目变为图13所示的数目。
可以对记录像素的颜色处理边际区中的线的数目以及光学黑区中的线的数目进行选择，使得在其之间进行折衷。 举例说，在图13所示的例子中，与图12所示的例子相比，光学黑区中的线的数目减少了，而颜色处理边际区中的线的数目增加了。可以对颜色处理边际区中的线的数目以及光学黑区中的线的数目进行选择，使得在不改变到外部的输出线的数目的情况下，在两者之间进行折衷。 (3)上述项(1)和(2)中所给出的优点能够克服窗口截取和读出中所牵涉的高光溢出问题，以支持像素行的数目比固态成像元件中所包含的像素阵列中的像素行的数目少的输出格式。 另外，可以支持输出线数目受限的输出格式、使用大量有效像素的输出格式、以及使用大的光学黑区的输出格式。 所以，可以实现能够支持各种输出格式的固态成像元件。 此外，在本实施例中，像素阵列控制电路不一定包括日本未审查专利申请公报2006-310932号中所使用的"行读取控制电路12"、"行重置控制电路13"和"非访问行重置控制电路14"。 具体说，在本实施例中，像素阵列控制电路可以只包括"行读取控制电路120"和"行重置控制电路130"。就是说，"非访问行重置控制电路14"不是所需要的。
原因是固态成像元件在消隐行输出时段期间对高光溢出防止行进行读取行访问或重置访问，同时只通过在正常的读取和快门地址值与高光溢出防止访问行值之间进行临时切换来访问地址。 并不是在有限制的意义上来解释根据各个实施例的CMOS图像传感器，这些CMOS图像传感器可以配置成，例如，具有列并行模拟-数字转换器(ADC)结构的CM0S图像传感器。 第三实施例 图14是示出根据本发明第三实施例的具有列并行ADC结构的固态成像元件(CMOS图像传感器)200的示例的构的图。 如图14所示，固态成像元件200包括可以作为成像单元的像素阵列单元210、垂直扫描电路220、水平转移扫描电路230和定时控制电路240。垂直扫描电路220、水平转移扫描电路230和定时控制电路240可以作为像素驱动单元(像素阵列控制电路)。
固态成像元件200还包括ADC组250 、数字-模拟转换器(DAC) 260、放大电路(信号放大器(S/A))270和信号处理电路280。 在上述结构中，垂直扫描电路220具有与图3中所示的行读取控制电路120和行重置控制电路130的功能或图11中所示的行访问移位寄存器170的功能相对应的功能。
定时控制电路240可以与图3和图11中所示的定时控制电路160相对应。
固态成像元件200的ADC组250、DAC 260、放大电路(S/A) 270和信号处理电路280可以与图3和图11中所示的并行信号处理电路140和输出控制电路150相对应。
配置像素阵列单元210，使得将都包括光电二极管和像素内放大器的各个像素(例如，图8所示的像素)排列成矩阵。 固态成像元件200还包括下列电路作为控制电路，以顺序地读取像素阵列单元210的信号。
固态成像元件200设置有用作控制电路并产生内部时钟的定时控制电路240、用来控制行地址或行扫描的垂直扫描电路220，以及用来控制列地址或列扫描的水平转移扫描电路230。ADC组250具有多个ADC，每个ADC包括比较器251、计数器252和锁存器253。
比较器251将由DAC 260产生的具有参考电压呈梯级状变化的斜坡波形(RAMP)的参考电压Vslop与经由垂直信号线从每个行线的像素获得的模拟信号进行比较。
计数器252对比较器251的比较次数进行计数。 ADC组250中的ADC具有n位数字信号转换功能，并为各个垂直信号线(列线)而提供，由此形成列并行ADC块。 锁存器253的输出被连接到具有例如2n位宽度的水平转移线290。
此外，提供与水平转移线290和信号处理电路280相对应的2n个放大电路270。
在ADC组250中，利用为各个列提供的比较器251来比较被读到垂直信号线的模拟信号(电势Vsl)和参考电压Vslop(线性地变化为具有某个倾斜度的线的斜坡波形)。
此时，以与比较器251情形类似的方式为各个列提供的计数器252进行工作。具有斜坡波形的电势Vslop与计数器值以一一对应的方式发生变化，由此将垂直信号线上的电势(模拟信号)Vsl转换为数字信号。 参考电压Vslop的变化允许将电压的变化转换成时间的变化。以某个周期(时钟)对所述时间进行计数，所以，所述计数值就被转换成数字值。 当所述模拟电信号Vsl与参考电压Vslop相匹配时，比较器251的输出就被反转，计数器252的输入时钟被中止。因此，AD转换就完成了 。 在上述AD转换时段结束之后，水平转移扫描电路230允许锁存器253中所保持的数据通过水平转移线290和放大电路270输入到信号处理电路280。因此，二维图像就产生了。 这样，就进行了列并行输出过程。 具有上述优点的固态成像元件能够被用作数字照相机或摄像机中的成像器件。
第四实施例 图15是示出根据本发明第四实施例的包含固态成像元件的照相机系统300的示例结构的图。 如图15所示，照相机系统300包括可以由根据上述实施例的CM0S图像传感器(固态成像元件)100、100A和200中的任何一种CMOS图像传感器实现的成像器件310。
照相机系统300还包括用来将入射光引导到成像器件310的像素区(形成目标图像)的光学系统，例如，用来将入射光(图像光)聚焦到成像表面上以形成图像的镜头320。
照相机系统300还包括用来驱动成像器件310的驱动电路(DRV) 330以及用来处理成像器件310的输出信号Vout的信号处理电路(PRC) 340。 驱动电路330包括定时发生器(未示出)，用来为成像器件310中的驱动电路产生各种定时信号(包括启动脉冲和时钟脉冲)，使得成像器件310能够由预定的定时信号进行驱动。 信号处理电路340对成像器件310的输出信号Vout进行预定的信号处理。
由信号处理电路340处理的图像信号被记录在诸如存储器等记录介质上。利用打
16印机等对所述记录介质上所记录的图像信息进行"硬拷贝"。由信号处理电路340处理的图像信号还作为运动图像被显示在诸如液晶显示器的显示器上。 如上所述，上述成像元件100、 100A或200能够被安装在诸如数字照相机的成像设备中，作为成像器件310。所以，能够实现功耗低且性能高的照相机。 本申请包含与2008年IO月3日在日本专利局提交的日本优先权专利申请JP
2008-258698号中公开的主题相关的主题，其全部内容通过引用包含于此。 本领域技术人员应该明白，依据设计要求以及其它因素，可以进行各种变型、组
合、子组合或改变，只要它们在附属权利要求书或其等同物的范围内即可。
1权利要求
一种固态成像元件，包括像素阵列单元，具有排列成矩阵的像素，每个像素都包括光电转换元件；以及像素驱动控制单元，能够控制所述像素阵列单元的驱动，以根据指定的地址信息来进行所述像素阵列单元的读取或重置访问操作，其中，所述像素驱动控制单元能够在所述像素阵列单元中设置期望的区域，作为要访问的窗口区，以及其中，所述像素驱动控制单元包括用于在对所述窗口区进行访问以及输出处理的同时，对与所述窗口区邻近的至少一个邻近外部行进行读取或重置访问的功能。
2. 根据权利要求1所述的固态成像元件，其中，所述像素阵列单元具有有效像素区和 被遮光的光学黑区，以及其中，所述像素驱动控制单元能够在所述有效像素区和所述光学黑区之中的至少所述 有效像素区中设置所述窗口区。
3. 根据权利要求1或2所述的固态成像元件，其中，所述像素驱动控制单元在消隐输出 时段期间对所述邻近外部行进行读取或重置访问。
4. 根据权利要求1所述的固态成像元件，其中，所述像素驱动控制单元包括 用来产生读地址的读地址计数器， 用来产生重置地址的重置地址计数器，以及用来产生与所述窗口区邻近的所述邻近外部行的地址的窗口邻近地址生成单元，以及 其中，通过在由所述读地址计数器或所述重置地址计数器产生的地址与由所述窗口邻近地址生成单元产生的所述邻近外部行的地址之间有选择地进行切换来进行对所述像素阵列单元的访问。
5. 根据权利要求4所述的固态成像元件，其中，所述像素驱动控制单元利用根据所述 窗口区的设置值进行的计算来确定由所述窗口邻近地址生成单元产生的所述邻近外部行 的地址。
6. 根据权利要求4所述的固态成像元件，其中，所述像素驱动控制单元能够从外部来 设置由所述窗口邻近地址生成单元产生的所述邻近外部行的地址。
7. 根据权利要求4所述的固态成像元件，其中，所述像素驱动控制单元在消隐时段期 间选择由所述窗口邻近地址生成单元产生的地址，而在有效像素输出时段期间选择由所述 读地址计数器产生的地址。
8. 根据权利要求1所述的固态成像元件，其中，所述像素阵列单元具有有效像素区和 被遮光的光学黑区，其中，所述像素驱动控制单元能够在所述有效像素区和所述光学黑区中设置所述窗口 区，以及其中，所述像素驱动控制单元能够选择在所述有效像素区中的窗口区的宽度和在所述 光学黑区中的窗口区的宽度，使得在这两者之间进行折衷。
9. 一种用于固态成像元件的驱动方法，包括步骤在像素阵列单元中设置期望的区域，作为要访问的窗口区，所述像素阵列单元具有排 列成矩阵的像素，每个像素都包括光电转换元件；以及在对所述窗口区进行访问以及输出处理的同时，对与所述窗口区邻近的至少一个邻近外部行进行读取或重置访问。
10. —种照相机系统，包括 固态成像元件；用来在所述固态成像元件上形成目标图像的光学系统；以及 用来对所述固态成像元件的输出图像信号进行处理的信号处理电路， 所述固态成像元件包括像素阵列单元，具有排列成矩阵的像素，每个像素都包括光电转换元件，以及 像素驱动控制单元，能够控制所述像素阵列单元的驱动，以根据指定的地址信息来进行所述像素阵列单元的读取或重置访问操作，其中，所述像素驱动控制单元能够在所述像素阵列单元中设置期望的区域，作为要访问的窗口区，以及其中，所述像素驱动控制单元包括用于在对所述窗口区进行访问以及输出处理的同 时，对与所述窗口区邻近的至少一个邻近外部行进行读取或重置访问的功能。
全文摘要
一种固态成像元件、其驱动方法以及照相机系统。固态成像元件包括像素阵列单元，具有排列成矩阵的像素，每个像素都包括光电转换元件；以及像素驱动控制单元，能够控制像素阵列单元的驱动，以根据指定的地址信息来进行像素阵列单元的读取或重置访问操作。像素驱动控制单元能够在像素阵列单元中设置期望的区域，作为要访问的窗口区。像素驱动控制单元包括用于在对窗口区进行访问以及输出处理的同时，对与窗口区邻近的至少一个邻近外部行进行读取或重置访问的功能。
文档编号H04N5/335GK101715077SQ200910178568
公开日2010年5月26日 申请日期2009年9月29日 优先权日2008年10月3日
发明者堀口浩 申请人:索尼株式会社