固态成像装置、成像系统和成像装置的驱动方法

专利名称：固态成像装置、成像系统和成像装置的驱动方法
技术领域：
本发明涉及固态成像装置、成像系统和成像装置的驱动方法。
背景技术：
固态成像装置被用作数字静态照相机和数字视频摄像机的图像传感器。这种成像 系统需要的功能包括选择性地仅读取成像区域的一部分并由此对图像进行放大或缩小的 电子变焦功能。在固态成像装置中，当从像素读取信号时，在像素的光电转换单元中聚积的电荷 被排放。但是，在没有从中读取信号的像素(以下称为非读出像素)的情况下，由于在光 电转换单元中聚积的电荷没有被排放，因此，超过光电转换单元的饱和电荷容量的电荷会 从光电转换单元溢出。从光电转换单元溢出的电荷将通过半导体基板泄漏到邻近的像素， 并且会在从中读取信号的像素(以下称为读出像素)中产生伪信号。该现象被称为模糊 (blooming)。针对这种问题，日本专利申请公开No. 2005-184358提出在整理扫描(trim scan)的情况下在通信时间段或帧读出时间段中将非读出像素复位。

发明内容
一般地，在成像装置的周缘侧设置光电转换单元被遮蔽的像素(以下称为光学黑 像素OB像素)以校正信号的基准电平。由于使用OB像素用于校正，因此，在整理扫描的情 况下，不仅从用于信号读出的区域(以下称为读出区域)而且从OB像素读出信号。此外， 在运动图像被显示在用作成像系统的照相机的电子取景器中的应用中，有时必须使用涉及 从成像区域中的每隔一行或更多行读出信号的跳跃读出(skipped read out)以提高帧速 率。即，设想与两个读出区域邻近地设置非读出区域。一般地，由于成像装置逐行依次扫描，因此关心的是，在邻近非读出区域的两个读 出区域中，从非读出区域溢出的电荷将不同地影响邻接非读出区域的行中的像素。由于在 各行中不同地出现这种影响，因此会在得到的图像中出现台阶状不规则性。日本专利申请公开No. 2005-184358没有以任何方式解决以上的问题。鉴于以上 的情况，本发明的目的是，在邻近多个读出区域设置非读出区域的情况下，减小从非读出区 域向邻近非读出区域的读出区域的电荷泄漏的影响的差异。为了解决以上的问题，根据本发明的第一方面，提供一种固态成像装置，该固态成 像装置包括像素区域，其中，以矩阵的方式布置多个像素，所述多个像素中的每一个都包 含用于光电转换的光电转换单元和输出基于在光电转换单元中聚积的电荷的信号的像素 输出单元；和行选择单元，用于逐行选择像素，其中，固态成像装置还包括用于控制固态成 像装置的操作模式的控制单元，并且，控制单元执行操作模式，使得从包含多个行的像素的 第一读出区域读出信号，从包含多个行的像素的第二读出区域读出信号，并且，不从包含多 个行的像素并且邻近第一和第二读出区域的非读出区域读出信号，并且，在操作模式期间， 在第一和第二读出区域的读出扫描之前，开始非读出区域中的邻近第一或第二读出区域的行的复位扫描。为了解决以上的问题，根据本发明的第二方面，提供一种固态成像装置的驱动方法，该固态成像装置包括像素区域，其中，以矩阵的方式布置多个像素，所述多个像素中的 每一个都包含用于光电转换的光电转换单元和输出基于在光电转换单元中聚积的电荷的 信号的像素输出单元，其中，驱动方法包括以下步骤从包含沿多个行的像素的第一读出区 域读出信号；从包含沿多个行的像素的第二读出区域读出信号；和在不从包含沿多个行的 像素并且邻近第一和第二读出区域的非读出区域读出信号的情况下，在从第一或第二读出 区域读出的过程中，在第一和第二读出区域的读出扫描之前，开始非读出区域中的邻近第 一或第二读出区域的行的复位扫描。本发明使得能够减小从非读出区域向邻近非读出区域的多个读出区域的电荷泄漏的影响的差异。通过参照附图阅读示例性实施例的以下说明，本发明的其它特征将变得明显。


图1是例示本发明可应用于的固态成像装置的配置例子的示图。图2是本发明可应用于的固态成像装置中的像素的等效电路图。图3是例示本发明可应用于的固态成像装置的一部分的示图。图4是例示本发明可应用于的固态成像装置的垂直扫描单元的配置例子的示图。图5是根据第一实施例的固态成像装置的概念操作图。图6示出根据第一实施例的固态成像装置的操作定时图。图7是本发明可应用于的固态成像装置中的像素的等效电路图。图8是根据第二到第四实施例的固态成像装置的概念操作图。图9是例示根据第二实施例的垂直扫描单元的配置例子的示图。图10是根据第二实施例的固态成像装置的操作定时图。图11是例示根据第二实施例的边界判别单元的处理的示图。图12是例示根据第三实施例的垂直扫描单元的配置例子的示图。图13示出根据第三实施例的固态成像装置的操作定时图。图14是例示根据第三实施例的边界判别单元的处理的示图。图15是例示根据第四实施例的垂直扫描单元的配置例子的示图。图16示出根据第四实施例的固态成像装置的操作定时图。图17是例示根据第四实施例的边界判别单元的处理的示图。图18是例示根据第五实施例的垂直扫描单元的配置例子的示图。图19是根据第五实施例的固态成像装置的概念操作图。图20示出根据第五实施例的固态成像装置的操作定时图。图21是例示根据第五实施例的边界判别单元的处理的示图。图22是本发明可应用于的固态成像装置中的像素的等效电路图。图23是例示本发明可应用于的成像系统的配置例子的示图。图24是根据本发明的概念操作图。
具体实施例方式(第一实施例)图1是示意性地例示本发明可应用于的固态成像装置的配置例子的示图。固态成 像装置1包含像素单元11、垂直扫描单元12、边界判别单元13、线存储器14、水平扫描单元 15、定时发生器16、通信单元17、放大器18和垂直信号线19。像素111以矩阵的方式被配置在像素单元11中。图2例示像素111的配置例子。 这里作为例子描述第η行中的像素。作为光电转换单元的光电二极管(以下称PD)112通 过作为传送单元的传送晶体管113与作为像素输出单元的放大器晶体管115的栅极端子连 接。PD 112还通过传送晶体管113与作为像素复位单元的复位晶体管114的源极端子连 接。复位晶体管114的漏极端子与电源Vres连接。电源Vres被配置为可切换以选择性地 供给High(VresJl)和Low (Vres_L)。放大器晶体管115的源极端子与垂直信号线19连接。 通过垂直扫描单元12提供被供给到传送晶体管113的信号Ptx (N)和被供给到复位晶体管 114的信号Pres(N)。信号名称所附带的标注(N)意味着像素位于第N行。垂直扫描单元12作为控制固态成像装置的操作的控制单元的一部分被包含。垂 直扫描单元12包含读出行选择单元121、间门(shutter)行选择单元122和非读出行选择 单元123。被用于从像素单元11选择读出行的读出行选择单元121通过使用读出行选择单 元121从像素单元11逐行选择像素，并由此将来自像素的信号输出到垂直信号线19。闸门 行选择单元122从像素单元11逐行选择像素并使得选择的像素执行像素复位操作。像素 复位操作是将在PD 112中聚积的电荷排放到电源VCC的操作。在通过使用读出行选择单 元121选择像素的行(以下称为像素行)的操作之前执行通过使用闸门行选择单元122选 择像素行的操作，并且，像素复位操作的结束与PD 112的聚积时间的开始对应。在整理扫 描或跳跃读出中，非读出行选择单元123从非选择行逐行选择像素并使得选择的像素执行 像素复位操作。包含于控制单元中的边界判别单元13确定由闸门行选择单元122选择的像素的 行是否邻近非读出行，并且基于确定的结果控制垂直扫描单元。作为像素信号存储单元的线存储器14暂时保持通过垂直信号线19从由读出行选 择单元121选择的像素111输出的信号。水平扫描单元15扫描线存储器14并由此通过放大器18输出保持在线存储器14 中的信号。定时发生器16基于同步信号或基于从通信单元17接收的信号产生脉冲，并且通 过使用产生的脉冲驱动垂直扫描单元12、线存储器14和水平扫描单元15。顺便说一句，定 时发生器16可被安装在与像素单元11相同或不同的基板上。图3是示意性地例示从图1所示的固态成像装置1提取的像素单元11、垂直扫描 单元12、线存储器14、水平扫描单元15和放大器18的示图。线存储器14包含与垂直信号 线19相关的写入晶体管141、电容器142和读取晶体管143。信号写入晶体管141在从定 时发生器16供给的信号Pct的控制下接通和关断。另一方面，读取晶体管143在被作为例 如移位寄存器的水平扫描单元15依次选择时接通，因此，保持在电容器142中的信号被输 出到水平信号线20。图4是例示根据本实施例的垂直扫描单元12的配置例子的示图。读出行选择单元121包含计数器A，间门行选择单元122包含计数器B和D，并且，非读出行选择单元123 包含计数器C。计数器A D的输出与选择器1212连接，并且，通过信号Psw选择的计数器 的输出作为地址值被输入到解码器1217中。计数器A D和选择器1212作为地址产生单 元操作，并且，向解码器1217供给地址值作为地址信号。解码器1217选择与来自地址产生 单元的地址信号对应的位，即，行。
垂直扫描单元12还包含AND电路1210 (N)、D锁存器1218 (N)、SR锁存器1211 (N) 和缓冲器1219(N)。D锁存器1218(N)和SR锁存器1211 (N)作为存储由解码器1217选择 的位的存储单元操作。符号(N)意味着单元与第N行中的像素有关。以下也使用该符号。AND电路1210(N)向SR锁存器1211的S端子供给来自解码器1217的输出信号与 信号Latch_s的逻辑积。SR锁存器1211在R端子上接收信号Latch_r。另一方面，D锁存 器1218 (N)在D端子上接收来自解码器1217的输出信号，并在G端子上接收信号Latch_ do D锁存器1218 (N)的输出与AND电路ANDl (N)、AND电路AND3 (N)和OR电路0R3 (N)连 接，AND电路ANDl (N)输出与信号Ptx的逻辑积，AND电路AND3 (N)输出与信号Pres的逻 辑积。SR锁存器1211 (N)的输出与AND电路AND2 (N)和AND电路AND4 (N)连接，AND电路 AND2 (N)输出与信号Ptxr的逻辑积，AND电路AND4(N)输出与信号Presr的逻辑积。AND电 路ANDl (N)和AND电路AND2 (N)的输出均与OR电路ORl连接，并且，这两个输出的逻辑和 作为信号Ptx(N)被供给到像素单元。AND电路AND3(N)和AND电路AND4(N)的输出与OR 电路0R2(N)连接，并且，这两个输出的逻辑和作为信号Pres (N)被供给到像素单元。此外， D锁存器1218(N)和AND电路AND4(N)的输出与OR电路0R3连接，并且，这两个输出的逻辑 和控制缓冲器1219(1)。在图4所示的配置中，OR电路ORl (1)、OR电路0R2 (2)和缓冲器 1219(1)作为像素驱动单元操作，该像素驱动单元根据存储在D锁存器1218 (N)和SR锁存 器1211(N)中的位向像素供给信号。以下将描述本实施例的操作。图5是例示仅读出第一和第二读出区域的操作模式 的操作的概念图。在图5中，纵轴代表像素单元11中的位置，并且，横轴代表时间。在图5 中，还与包括闸门扫描和读出扫描的各种类型的扫描相关地指示图4所例示的计数器。这里将描述像素单元11中的P行像素。第一到第η行构成从像素中读出信号的 第一读出区域。第一读出区域包含例如PD被遮蔽的OB像素。第η+1到第m行构成不从像 素中读出信号的第一非读出区域。第m+1到第1行构成第二读出区域。第1+1到第ρ行构 成第二非读出区域。在图5中，作为一个帧时间段将描述Tl T9的时间段。即，在图5所示的例子 中，从第一行开始读出扫描的时间到重新从第一行开始读出扫描的时间的间隔与一个帧时 间段对应。在时间TO上，通过闸门行选择单元122从第一行开始闸门扫描。在第yl行中执 行闸门扫描的时间Tl上，通过读出行选择单元121从第一行开始读出扫描。TO Tl的时 间段是第一行中的像素的聚积时间。当完成第一读出区域的闸门扫描时，在时间T2上开始第一非读出区域的复位扫 描和第二读出区域的闸门扫描。在完成第一读出区域的读出扫描之后，在时间T5上开始第二读出区域的读出扫 描。由于时间T2 T5的时间段等于时间TO Tl的时间段，因此第一和第二读出区域的聚积时间相等。在时间T6上完成第一非读出区域的复位扫描和第二读出区域的闸门扫描。在时间T7上，重新开始第一读出区域的闸门扫描，并且，在时间T8上，完成第一帧的读出扫描。然后，在时间T9上，开始第二帧的操作并且开始第一读出区域的读出扫描。顺 便说一句，虽然在图5中在完成第二读出区域的读出扫描之前开始第一读出区域的闸门扫 描，但可以在完成第二读出区域的读出扫描之后开始第一读出区域的闸门扫描。图6的(a)和(b)中示出用于更详细地例示根据本实施例的垂直扫描单元12的 操作的定时图。在图6的(a)中例示在图5中的时间Tl上开始的操作，并且，在图6的(b) 中例示在图5中的时间T4上开始的操作。从图5可以看出，第一行的读出扫描和第yl行的闸门扫描在时间Tl上开始。在 图6的(a)中的时间Tl上，计数器A从0增加到1，并且，计数器B从yl-1增加到yl。在 该点上，计数器C和D指示0。并且，由于信号Psw为0，因此计数器A的计数值作为地址值 从选择器1212被供给到解码器1217。然后，在时间119上，信号Latch_r和1^切11_(1变为高并且电源Vres被设为VresH。 因此，D锁存器1218 (1)的输出Q变为高，使得缓冲器1219 (1)输出VresH作为Vres (1)。然后，当信号Pres变为高时，通过OR电路0R2(1)输出信号Pres(I)。因此，复位 晶体管114接通，从而将放大器晶体管的控制电极节点(浮动扩散；以下称为FD)的电压电 平复位为VresH。然后，当信号Ptx变为高时，通过OR电路ORl(I)输出信号Ptx(I)。因此，传送晶 体管113接通，使得在第一行中的PD 112中聚积的电荷被传送到FD。然后，在时间t20上， 电源Vres变为Vres_L，并且，信号Ptx变为低。当信号Psw在时间t21上变为1时，从选择器1212将计数器B的计数值给予解码 器1217。在这种情况下，由于计数器B的计数值为yl，因此解码器1217执行与第yl行有 关的操作。当信号Latch_s在时间t22上变为高时，SR锁存器1211_yl的输出也是如此。因 此，第yl行的地址被设置。然后，信号Psw变为2，然后变为3，并且，信号为高。 但是，由于计数器C和D的计数值为0，因此没有行被选择。在时间t23上，当电源Vres变为Vres_H并且信号Pres和Ptxr变为高时，垂直扫 描单元12输出信号Ptx_yl和Pres_yl。因此，传送晶体管113和复位晶体管114接通，使 得在第yl行中执行像素复位操作。下面将参照图6中的(b)描述在T4上开始的操作。这里执行第y3行的读出扫描、 第y4行的复位扫描和第y5行的闸门扫描。在时间T4上，计数器A从y3_l增加到y3，计数器C从y4+l减小为y4，并且，计数 器D从y5-l增加到y5。计数器B的计数值保持为0。在时间t25上，信号Latch_i^PLatch_d变为高，并且电源Vres被设为VresH。因 此，D锁存器1218_y3的输出Q变为高，使得缓冲器1219_y3输出VresH作为Vres_y3。然后，当信号Pres变为高时，通过OR电路0R2输出信号Pres_y3。因此，复位晶体 管114接通，从而将FD的电压电平复位为VresH。然后，当信号Ptx变为高时，通过OR电路ORl输出信号Ptx_y3。因此，传送晶体管113接通，使得在PD 112中聚积的电荷被传送到FD。然后，在时间t26上，电源Vres变为 Vres_L并且信号Ptx变为低。当信号Psw在时间t27上变为1时，从选择器1212将计数器B的计数值给予解码 器1217。在这种情况下，由于计数器B的计数值为0，因此没有行被选择。 当信号Psw在时间t28上变为2时，从选择器1212将计数器D的计数值给予解码 器1217。在这种情况下，由于计数器D的计数值为y5，因此解码器1217执行与第y5行有 关的操作。随后，当信号Latch_s变为高时，SR锁存器1211_y5的输出也是如此。因此，第 y5行的地址被设置。当信号Psw在时间t29上变为3时，从选择器1212将计数器C的计数值给予解码 器1217。在这种情况下，由于计数器D的计数值为y4，因此解码器1217执行与第y4行有 关的操作。随后，当信号Latch_s变为高时，SR锁存器1211_y4的输出也是如此。因此，第 y4行的地址被设置。当信号Presr在时间t30上变为高时，信号Pres_y4和Pres_y5也是如此。此外， 当信号Ptxr变为高时，信号Ptx_y4和Ptx_y5也是如此。由于电源Vres为Vres_H，因此， 在第y4行和第y5行中执行像素复位操作。根据本实施例，在完成第一读出区域的闸门扫描之后，需要开始第一非读出区域 的复位扫描和第二读出区域的闸门扫描。现在，描述控制该定时的边界判别单元13的处 理。在图11中的流程图中，首先，边界判别单元13确定计数器B的计数值是否已达到η。 如果计数值还没有达到η，那么边界判别单元13重复确定，直到计数值达到η。当计数器B 的计数值在某时间上变得等于η时，边界判别单元13将计数器C设在第m行并将计数器D 设在第m+1行。因此，从适当的位置开始第二读出区域的闸门扫描和第一非读出区域的复 位扫描。从图5可以看出，在第一帧中，在邻近第一非读出区域的第二读出区域的读出扫 描之前开始第一非读出区域的复位扫描。并且，在第η行中的像素的读出扫描之前执行第 η+1行中的像素的复位扫描。因此，与当从第η+1行到第m行依次执行非读出区域的复位扫 描时相比，第η行和第η+1行之间的聚积时间差变得更加接近第m行和第m+1行之间的聚 积时间差。因此，即使电荷从第一非读出区域中的像素溢出，本实施例也可减少邻近第一非 读出区域的多个读出区域之间的模糊现象影响的差异。在图5所示的操作例子中，在完成第一帧中的读出扫描之后完成第一帧中的第一 非读出区域的复位扫描。但是，第一帧中的第一非读出区域的复位扫描可被设为在完成第 一帧中的读出扫描之前完成。以上作为例子已描述了各像素111包含PD 112、传送晶体管113、复位晶体管114 和放大器晶体管115的配置。但是，本发明不限于以上描述的像素配置。例如，如图22所示，一个放大器晶体管115和一个复位晶体管114可被多个PD 112和多个传送晶体管113共享。当以这种方式配置像素单元时，可以减小放大器晶体管和 复位晶体管在像素区域中占据的面积，从而使得容易增加PD 112的光接收面积。(第二实施例)将参照附图描述本发明的第二实施例。固态成像装置的配置与图1所示的第一实 施例相同。像素111的配置与第一实施例不同，并且在图7中被例示。
图7是根据本实施例的像素的等效电路图。与第一实施例的不同之处在于放大器 晶体管115的源极通过选择晶体管116与垂直信号线19连接。当选择晶体管116通过从 垂直扫描单元12供给的信号Psel (N)被接通时，恒流源(未例示)和放大器晶体管115形 成源跟随器电路，并且，在垂直信号线19上出现与FD的电势对应的电压电平。图8是例示本实施例的操作的示图。在图8中，纵轴代表像素单元11中的位置， 横轴代表时间。本实施例与第一实施例的不同之处在于，通过在时间T2上完成，第一读出 区域的闸门扫描延伸到第一非读出区域的复位扫描中。此外，本实施例与第一实施例的不 同之处在于，从第m行开始复位扫描，并且，从第m+1行开始第二读出区域的闸门扫描。因 此，同时开始第n+1行、第m行和第m+1行中的像素的聚积时间，并且，第η行和第η+1行之 间的聚积时间差变得更加接近第m行和第m+1行之间的聚积时间差。在图8中，在某一点上，从第m行开始的复位扫描和从第m+1行开始的复位扫描在 地址上一致或地址之间的大小关系颠倒。因此，当这两个复位扫描操作的行地址相互一致 或行地址之间的大小关系颠倒时，可停止第一非读出区域的这两个复位扫描操作。图9是例示根据本实施例的垂直扫描单元12的配置例子的示图。读出行选择单 元121包含解码器和计数器A。间门行选择单元122包含解码器和计数器B。复位行选择 单元123包含解码器、计数器C和D以及选择器1212。计数器C和D的输出与选择器1212 连接，并且，被信号Psw选择的计数器的输出作为地址值被输入到解码器中。垂直扫描单元12还包含AND电路1210、SR锁存器1211、OR电路124以及AND电 路125、126和127。OR电路124 (N)接收读出行选择单元121、闸门行选择单元122和复位 行选择单元123的输出，并且输出所接收输出的逻辑和。来自OR电路124(N)的输出被输 入到AND电路1210(N)中，并且，该输出与信号Latch_s的逻辑积被给予SR锁存器1211的 S端子。信号Latch_r被给予SR锁存器1211的R端子。SR锁存器1211的输出被给予OR 电路0R4 (N)和OR电路0R5 (N)，由此产生与OR电路124 (N)的输出的逻辑OR。AND电路125 (N)接收OR电路0R4的输出和信号Ptx，并且将其逻辑积作为信号 Ptx(N)输出到像素单元。AND电路126 (N)接收OR电路0R5 (N)的输出和信号Pres，并且 将其逻辑积作为信号Pres (N)输出到像素单元。AND电路127 (N)接收读出行选择单元121 的输出以及信号Psel，并且将其逻辑积作为信号Psel (N)输出到像素单元。下面，参照图10描述本实施例的操作。图10例示在图8中的时间T2附近发生的 事件的定时和与下一扫描行有关的事件的定时。从图8可以看出，在时间T2上开始第yl 行的读出扫描、第n+1行的复位扫描和第m+1行的闸门扫描。首先，在时间T2之前的时间tl3上，信号Latch_r变为高并且SR锁存器1211被复位。然后，在时间T2上，计数器A从yl-Ι增加到yl，并且，计数器B从η变为m+1，并 且，计数器C和D分别被设为m和n+1。由于信号Psw为0，因此计数器C的计数值作为地 址值从选择器1212被供给到解码器1217。在该点上，来自第yl行、第m+1行和第m行的 OR电路124 (N)的输出变为1。然后，在时间115上，当信号1^切11_8变为高时，来自51 锁存器1211(吣的输出也 是如此。当信号Psw在时间tl6上变为1时，计数器D的计数值作为地址值从选择器1212被供给到解码器1217。因此，来自第n+1行的OR电路124(N+1)的输出变为高。 在时间tl7上，当信号Latch_ s变为高时，来自SR锁存器1211 (N+1)的输出也是 如此。在时间tl8上，当信号Psel变为高时，来自第yl行的AND电路127_yl的输出 Psel_yl也是如此。因此，第yl行中的像素被选择。在时间tl9上，当信号Pres变为高时，来自第yl行、第m+1行、第m行和第n+1行 的AND电路126 (N)的输出Pres(N)也是如此。因此，第yl行、第m+1行、第m行和第n+1 行中的像素的FD被复位。在时间t20上，当信号Ptx变为高时，第yl行、第m+1行、第m行和第n+1行中的 像素的传送晶体管接通，使得在PD 112中聚积的电荷被传送到FD。然后，在时间t21上，当信号Pres和Ptx变为高时，第yl行、第m+1行、第m行和 第n+1行中的像素的复位晶体管和传送晶体管接通，使得在PD中聚积的电荷被排放到电源 VCC。在时间t22上，开始与下一行有关的操作，该操作是上述的操作的重复。用于从第 m行到第n+1行扫描的计数器C在时间t22上从m减小到m_l。其它的计数器A、B和D增 加。参照图11中的流程图描述根据本实施例的边界判别单元的处理。首先，边界判别 单元13确定用于读出区域的闸门扫描的计数器B的计数值是否为η (137)。如果计数器B 的计数值为η，那么边界判别单元13将用于第一非读出区域的复位扫描的计数器C和D的 计数值分别设为m和n+1 (139和1310)。另一方面，如果计数器B的计数值不为n，那么边界判别单元13前进到步骤138。 在步骤138中，边界判别单元确定计数器B的计数值是否为1。如果计数器B的计数值为 1，那么边界判别单元前进到步骤1311以将计数器D的计数值设为1+1。如果在步骤138中 发现计数器B的计数值不为1，那么边界判别单元返回第一步骤。根据本实施例，在时间T2上开始第n+1行和第m行中的像素的复位扫描。S卩，同 时开始邻近两个读出区域的非读出区域的两个复位扫描操作。因此，可使得第η行和第n+1 行中的像素之间的聚积时间差更接近第m行和第m+1行中的像素之间的聚积时间差。同时 执行非读出区域中的两个行的复位扫描的本实施例可使得这两个聚积时间差比第一实施 例更加相互接近。(第三实施例)以下描述本发明的第三实施例。像素配置与图7所示的第二实施例相同。图12 是例示根据本实施例的垂直扫描单元12的配置例子的示图。该配置与图9所示的配置的 不同之处在于，闸门行选择单元122具有计数器B和D。在图8所示的概念操作图中，计数 器B被用于第一读出区域的闸门扫描和第一非读出区域的一部分的复位扫描。另一方面， 在图8的概念操作图中，计数器D被用于第二读出区域的闸门扫描和第二非读出区域的复 位扫描。图13在(a)和(b)中示出用于例示本实施例的操作的操作定时图。在图13的 (a)中例示在图8中的时间T2上开始的操作。此外，在图13的(b)中例示与下一行有关的 操作。
在图13中的时间T2上，计数器A从yl-Ι增加到yl，计数器B从η增加到η+1，计 数器C和D分别被设为m和m+1。由于信号Psw为0，因此计数器B的计数值作为地址值从 选择器1212被供给到解码器。在该点上，来自第yl行、第η+1行和第m行的OR电路124 (N) 的输出变为1。然后，当信号Latch_s在时间tl5上变为高时，来自第yl行、第η+1行和第m行的 SR锁存器1211(N)的输出也是如此。当信号Psw在时间tl6上变为1时，计数器D的计数值作为地址值从选择器1212 被供给到解码器。因此，来自第m+1行的OR电路124_m+l的输出变为高。在时间tl7上，当信号为高时，来自SR锁存器1211_m+l的输出也是如 此。在时间tl8上，当信号Psel变为高时，来自第yl行的A ND电路127_yl的输出 Psel_yl也是如此。因此，第yl行中的像素被选择。在时间tl9上，当信号Pres变为高时，来自第yl行、第η+1行、第m行和第m+1行 的AND电路126_N的输出Pres_N也是如此。因此，第yl行、第η+1行、第m行和第m+1行 中的像素的FD被复位。在时间t20上，当信号Ptx变为高时，第yl行、第η+1行、第m行和第m+1行中的 像素的传送晶体管接通，使得在PD 112中聚积的电荷被传送到FD。然后，在时间t21上，当信号Pres和Ptx变为高时，第yl行、第η+1行、第m行和 第m+1行中的像素的复位晶体管和传送晶体管接通，使得在PD 112中聚积的电荷被排放到 电源VCC。在时间t22上，开始与下一行有关的操作，该操作是上述的操作的重复。用于从第 m行到第η+1行扫描的计数器C在时间t22上从m减小到m_l。其它的计数器A、B和D增 加。将参照图14中的流程图描述根据本实施例的边界判别单元的处理。首先，边界 判别单元13确定用于读出区域的闸门扫描的计数器B的计数值是否为n(137)。如果计 数器B的计数值为n，那么边界判别单元13将用于第一非读出区域的复位扫描的计数器 C设为m(139)。此外，边界判别单元13将用于第二读出区域的闸门扫描的计数器D设为 m+1(1312)。另一方面，如果计数器B的计数值不为n，那么边界判别单元13返回第一步骤，并 且，当计数值变化时，前进到步骤137。上面描述的本实施例提供与第二实施例类似的优点。(第四实施例)以下，描述本发明的第四实施例。图15是例示根据本实施例的垂直扫描单元12的配置例子的示图。本实施例与第 一到第三实施例的不同之处在于，读出行选择单元121、间门行选择单元122和复位行选择 单元123包含移位寄存器而不是解码器。包含于读出行选择单元121中的移位寄存器响应移位脉冲(未例示)从第一行到 第P行依次将地址增加。包含于闸门行选择单元122中的移位寄存器响应移位脉冲(未 例示)从第一行到第P行依次将地址增加。此外，复位行选择单元123包含执行第一非读出区域的正向扫描的移位寄存器块127、执行第二非读出区域的正向扫描的移位寄存器块 129和执行反向扫描的移位寄存器块128。将信号Vil_st给予移位寄存器块127和128以开始扫描。此外，将信号Vi2_st 给予移位寄存器块129以开始扫描。根据本实施例的垂直扫描单元12对于从第一行到第η行的各行和从第m+1行到 第一行的各行，即对于第一和第二读出区域，使用OR电路124 (N)，该OR电路124 (N)输出 读出行选择单元121和闸门行选择单元122的输出的逻辑和。另一方面，对于从第n+1行 到第m行的各行和从第1+1行到第ρ行的各行，即，对于第一和第二非读出区域，垂直扫描 单元12使用OR电路130 (N)，该OR电路130 (N)输出读出行选择单元121、闸门行选择单元 122和复位行选择单元123的输出的逻辑和。AND电路125 (N)将OR电路124 (N)的输出与信号Ptx的逻辑积作为信号Ptx(N) 供给到像素单元。此外，AND电路126 (N)将OR电路124(N)的输出与信号Pres的逻辑积 作为信号Pres(N)供给到像素单元。此外，AND电路127 (N)将读出行选择单元121的输出 与信号Psel的逻辑积作为信号Psel (N)供给到像素单元。在第一和第二非读出区域中，设置OR电路130_N替代OR电路124(N)。OR电路 130_N与OR电路124 (N)的不同之处在于，除了来自读出行选择单元121和闸门行选择单元 122的输出以外，OR电路130_N供给有来自复位行选择单元123的输出。OR电路130 (N)被 配置为输出行选择单元121、122和123的输出的逻辑和。在其它方面，OR电路130 (N)被 配置为与OR电路124(N)相同。图16在(a)、(b)和(c)中示出用于例示本实施例的操作的示图。图16在(a)、 (b)和(c)中分别例示在图8中的时间Tl、T2和T3上开始的操作。观察在时间Tl上开始的操作，执行第一行中的像素的读出操作和第yl行中的像 素的闸门扫描。关于在图16的(a)中被指定为“读出行”的行，当信号Psel变为高时，信 号Psel(I)通过AND电路127(1)被供给到像素单元，使得第一行中的像素被选择。随后， 当信号Pres变为高时，信号Pres(I)通过AND电路126(1)被供给到像素单元以复位第一 行中的像素的FD。然后，当信号Ptx变为高时，信号Ptx(I)通过AND电路125(1)被供给到 像素单元，使得在PD中聚积的电荷被传送到FD。随后，当信号Pres和Ptx变为高时，由于 信号Pres(I)和Ptx(I)变为高，因此在第一行中的像素的PD中聚积的电荷被排放到电源。然后，观察在图16的(a)中被指定为“闸门行”的行，当信号Pres和Ptx变为高 时，信号PreS(yl)和Ptx(yl)被供给到像素单元，使得在第一行中的像素的PD中聚积的电 荷被排放到电源。观察图16的(a)中的“非读出区域复位行”，信号Vil_st、Vi2_st和Vclk_i在给 定时间段中均为低。因此，在该时间段中，尽管信号Pres和Ptx变化，但是非读出区域的信 号Pres (N)和Ptx (N)保持为低。将参照图16中的(b)描述在时间T2上开始的操作。在时间T2上，开始第yl行 的读出扫描、第n+1行和第m行的复位扫描和第m+1行的闸门扫描。除了扫描不同的行以 夕卜，关于“读出行”和“闸门行”的操作与参照图16中的(a)描述的操作相同，由此省略其 描述。观察“非读出区域复位行”，由于信号Vil_st在时间t9上变为高并且信号Vclk_i在时间tio上变为高，因此来自OR电路130 (n+1)和130 (m)的输出变为高。在该状态下， 当信号Pres和Ptx均变为高时，信号Pres (n+1)、Pres (m)、Ptx (n+1)和Ptx (m)被输出，使 得在第n+1行和第m行中的像素的PD中聚积的电荷被排放到电源。将参照图16中的(c)描述在时间T3上开始的操作。在时间T3上，开始第y2行 的读出扫描和第1+1行的复位扫描。除了处理不同的行以外，关于“非读出区域复位行”和 “读出行”的操作与参照图16中的(b)描述的操作相同，由此省略其描述。以下，将参照图17描述根据本实施例的边界判别单元13的处理。首先，边界判别单元13确定由闸门行选择单元122选择的行是否是第η行(131)。如果由闸门行选择单元122选择的行是第η行，那么边界判别单元13将信号Vil_st设为 高(135)。因此，从第n+1行和第m行开始第一非读出区域的复位扫描。另一方面，如果由闸门行选择单元122选择的行不是第η行，那么边界判别单元13 确定由闸门行选择单元122选择的行是否是第1行(132)。如果该行是第1行，那么边界判 别单元13将信号Vi2_st设为高(136)。因此，从第1+1行开始第二非读出区域的复位扫 描。如果在步骤132中发现该行不是第1行，那么边界判别单元13将闸门行选择单元 122的地址增加并重新执行步骤131的处理。以上描述的本实施例提供与第三实施例类似的优点。对于垂直扫描单元12使用 移位寄存器而不是计数器或解码器的本实施例具有能够实现比第三实施例更简单的配置 的优点。(第五实施例)以下，描述本发明的第五实施例。图18是例示根据本实施例的垂直扫描单元12的配置例子的示图。根据本实施例， 非读出行选择单元123可同时选择第n+1行到第m行以及同时选择第1+1行到第ρ行。读 出行选择单元121和闸门行选择单元122与图15所示的相同，因此省略它们的描述。图19是根据本实施例的操作的概念图，其中，纵轴代表像素单元11中的位置，并 且，横轴代表时间。从图19可以看出，第一非读出区域的复位扫描都在时间Τ2上一并开始。 因此，可使得第η行和第n+1行之间的聚积时间差更加接近第m行和第m+1行之间的聚积 时间差。图20在(a)、(b)和(c)中示出用于例示本实施例的操作的示图。图20在(a)、 (b)和(c)中分别例示在图19中的时间Tl、T2和T3上开始的操作。观察在时间Tl上开始的操作，执行第一行中的像素的读出操作和第yl行的闸门 扫描。观察图20的(a)中的“读出行”，当信号Psel变为高时，信号Psel(I)通过AND电路 127(1)被供给到像素单元，使得第一行中的像素被选择。随后，当信号Pres变为高时，信号 Pres(I)通过AND电路126(1)被供给到像素单元以复位第一行中的像素的FD。然后，当信 号Ptx变为高时，信号Ptx(I)通过AND电路125(1)被供给到像素单元，使得在PD中聚积 的电荷被传送到FD。随后，当信号Pres和Ptx变为高时，由于信号Pres(I)和Ptx(I)变为 高，因此在第一行中的像素的PD中聚积的电荷被排放到电源。然后，观察在图20的(a)中被指定为“闸门行”的行，当信号Pres和Ptx变为高 时，信号PreS(yl)和Ptx(yl)被供给到像素单元，使得在第一行中的像素的PD中聚积的电荷被排放到电源。另一方面，观察图20的(a)中的“非读出区域复位行”，信号Pall_l、Pall_2在给 定时间段中均为低。因此，在该时间段中，尽管信号Pres和Ptx变化，但是对于非读出区域 的信号Pres(N)和Ptx(N)保持为低。
将参照图20中的(b)描述在时间T2上开始的操作。在时间T2上，开始第yl行 的读出扫描、第n+1行到第m行的复位扫描和第m+1行的闸门扫描。除了扫描不同的行以 夕卜，关于“读出行”和“闸门行”的操作与参照图20中的(a)描述的操作相同，由此省略其 描述。观察“非读出区域复位行”，由于信号Pall_l在时间t6上变为高，因此来自OR电 路124(n+l)到124(m)的输出变为高。当信号Pres在时间t7上变为高时，从AND电路 126 (n+1)到126(m)输出信号Pres (n+1)到Pres (m)。此外，当信号Ptx在时间t8上变为 高时，从AND电路125 (n+1)到125 (m)输出信号Ptx (n+1)到Ptx (m)。将参照图20的(c)描述在时间T3上开始的操作。在时间T3上，开始第y2行的 读出扫描和第1+1行到第P行的复位扫描。除了处理不同的行以外，关于“读出行”的操作 与参照图20中的(b)描述的操作相同，由此省略其描述。观察“闸门行”，由于不存在要在时间T3上扫描的像素行，因此信号Pres(N)和 Ptx(N)保持为低。观察“非读出区域复位行”，信号Pall_2变为高。因此，来自对于第1+1行到第ρ 行的OR电路130 (1+1)到130 (ρ)的输出变为高。随后，当信号Pres变为高时，通过AND电 路126 (1+1)到126 (ρ)输出信号Pres (1+1)到Pres (ρ)。因此，第1+1行到第ρ行中的像素 的复位晶体管接通，将FD的电势复位。此外，当信号Ptx变为高时，通过AND电路125(1+1)到125 (ρ)输出信号Ptx (1+1) 到Ptx(P)。因此，第1+1行到第ρ行中的像素的传送晶体管接通，使得在PD中聚积的电荷 被排放到电源。以下，参照图21描述根据本实施例的边界判别单元13的处理。首先，边界判别单元13确定由闸门行选择单元122选择的行是否是第η行(131)。 如果由闸门行选择单元122选择的行是第η行，那么边界判别单元13将信号Pall_l设为 高(133)。因此，开始整个第一非读出区域的复位扫描。另一方面，如果由闸门行选择单元122选择的行不是第η行，那么边界判别单元13 确定由闸门行选择单元122选择的行是否是第1行(132)。如果该行是第1行，那么边界判 别单元13将信号Pall_2设为高(134)。因此，从第1+1行开始第二非读出区域的复位扫 描。如果在步骤132中发现该行不是第1行，那么边界判别单元13将闸门行选择单元 122的地址增加并重新执行步骤131的处理。以上描述的本实施例提供与第三和第四实施例类似的优点。可通过使用简单的配 置实现复位行选择单元123的本实施例具有能够实现比第四实施例更简单的配置的优点。(第六实施例)下面，参照图23描述根据本实施例的成像系统的概要。成像系统800包含例如光学单元810、固态成像装置1000、视频信号处理电路单元830、记录/通信单元840、定时控制电路单元850、系统控制电路单元860和播放/显示单 元 870。包含透镜和其它光学系的光学单元810聚焦来自对象的光，并由此在固态成像装 置1000的像素单元上形成对象的图像，在该像素单元中以二维的方式布置多个像素。像素 单元包含有效像素区域。与来自定时控制电路单元850的信号同步，固态成像装置1000输 出与聚焦到像素单元上的光对应的信号。从固态成像装置1000输出的信号被输入作为视频信号处理单元的视频信号处理 电路单元830中。视频信号处理电路单元830根据由程序等规定的方法对于输入的电信号 执行AD转换和其它的处理。作为视频信号处理电路单元的处理结果获得的信号作为图像 数据被发送到记录/通信单元840。记录/通信单元840将形成图像所需要的信号发送到 播放/显示单元870，然后该播放/显示单元870据此显示运动图像或静止图像。此外，响 应来自视频信号处理电路单元830的信号，记录/通信单元840与系统控制电路单元860 通信并且在记录介质(未例示)上记录用于形成图像的信号。对成像系统的操作进行中央控制的系统控制电路单元860控制光学单元810、定时控制电路单元850、记录/通信单元840和播放/显示单元870的驱动。此外，系统控制 电路单元860配有诸如记录介质的存储介质(未例示)，以记录控制成像系统的操作所需要 的程序等。此外，系统控制电路单元860例如响应用户动作在成像系统内供给信号以切换 驱动模式。具体的例子包括作为电子变焦的结果改变视角以及作为电子隔振的结果使视角 偏移。定时控制电路单元850在用作控制手段的系统控制电路单元860的控制下控制固 态成像装置1000和视频信号处理电路单元830的驱动定时。(其它)已陈述，根据本发明，在邻近第一非读出区域的第二读出区域的读出扫描之前开 始第一非读出区域的复位扫描。此外，已陈述在第η行中的像素的读出扫描之前执行第n+1 行中的像素的复位扫描。在图24中，假定用于第一和第二读出区域中的像素的聚积时间τ是对于给定的 入射光量PD不饱和的最长时间。此外，当第一非读出区域中的像素的聚积时间为τ的N 倍或更多倍时，模糊现象对于邻近读出区域中的像素的影响被视为大。如果第一非读出区域中的邻接读出区域的行的复位扫描的开始时间Tb关于读出 区域的读出扫描的开始时间tr满足以下的条件，那么可减少模糊现象的影响。tr-NX τ 彡 Tb < tr(l)作为满足以上条件的例子，如第一实施例的情况那样，图24例示沿与第一和第二 读出区域的扫描方向相反的方向执行第一非读出区域的复位扫描的操作的概念图。虽然已参照示例性实施例说明了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有这些变更方式以及等同的 结构和功能。
权利要求
一种固态成像装置，包括像素区域，其中，以矩阵的方式布置多个像素，所述多个像素中的每一个都包含用于光电转换的光电转换单元和输出基于在光电转换单元中聚积的电荷的信号的像素输出单元；和行选择单元，用于逐行选择像素，其中，固态成像装置还包括用于控制固态成像装置的操作模式的控制单元，并且，控制单元执行操作模式，使得从包含多个行的像素的第一读出区域读出信号，从包含多个行的像素的第二读出区域读出信号，并且，不从包含多个行的像素并且邻近第一和第二读出区域的非读出区域读出信号，并且，在操作模式期间，在第一和第二读出区域的读出扫描之前，开始非读出区域中的邻近第一或第二读出区域的行的复位扫描。
2.根据权利要求1的固态成像装置，其中，控制单元同时开始非读出区域中的邻近第一读出区域的行的复位扫描和非读出区域中的邻近第二读出区域的行的复位扫描。
3.根据权利要求2的固态成像装置，其中，控制单元从非读出区域中的邻近第一读出区域的行开始复位扫描并且沿与第一和第二读出区域的读出扫描的方向相同且与闸门扫描的方向相同的方向继续复位扫描，并且，从非读出区域中的邻近第二读出区域的行开始复位扫描，并且沿与第一和第二读出区域的读出扫描的方向不同且与闸门扫描的方向不同的方向继续复位扫描。
4.根据权利要求3的固态成像装置，其中，当沿与第一和第二读出区域的读出扫描的方向相同且与闸门扫描的方向相同的方向被复位扫描复位的像素行的地址与沿与第一和第二读出区域的读出扫描的方向不同且与 闸门扫描的方向不同的方向被复位扫描复位的像素行的地址一致时，或者，当沿与第一和第二读出区域的读出扫描的方向以及闸门扫描的方向相同的方向被复位扫描复位的像素行的地址与沿与第一和第二读出区域的读出扫描的方向不同且与闸门 扫描的方向不同的方向被复位扫描复位的像素行的地址之间的大小关系反转时，控制单元停止复位扫描。
5.根据权利要求2的固态成像装置，其中，控制单元同时执行非读出区域中的所有像素行的复位扫描。
6.根据权利要求2 5中的任一项的固态成像装置，其中， 控制单元包含用于扫描像素行的垂直扫描单元，并且， 垂直扫描单元包含用于产生地址信号的地址发生器；用于选择与地址信号对应的位的解码器；用于存储由解码器选择的位的存储单元；以及用于根据存储在存储单元内的位向像素供给信号的像素驱动单元。
7.根据权利要求6的固态成像装置，其中， 地址发生器包含多个计数器；和用于将所述多个计数器的计数值输入解码器的选择器。
8.根据权利要求7的固态成像装置，其中，控制单元通过选择器相继地将所述多个计数器的计数值输入到解码器，以与多个位对 应地同时向多个像素行供给信号。
9.根据权利要求1的固态成像装置，其中，控制单元沿与第一和第二读出区域的读出扫描的方向不同且与闸门扫描的方向不同 的方向继续非读出区域的复位扫描。
10.根据权利要求1 5和7 9中的任一项的固态成像装置，其中，控制单元进行控制，使得第一或第二读出区域中的邻近非读出区域的行的读出扫描的 开始时间tr和非读出区域中的邻近第一或第二读出区域的行的复位扫描的开始时间Tb满 足条件:tr-NX τ ^ Tb < tr,其中τ是用于第一或第二读出区域中的像素的聚积时间。
11.一种成像系统，包括根据权利要求1 5和7 9中的任一项的固态成像装置； 用于将图像聚焦到固态成像装置的像素区域上的光学系；和 用于处理从固态成像装置输出的信号以产生图像数据的视频信号处理单元。
12.一种固态成像装置的驱动方法，所述固态成像装置包括像素区域，其中，以矩阵的方式布置多个像素，所述多个像素中的每一个都包含用于光 电转换的光电转换单元和输出基于在光电转换单元中聚积的电荷的信号的像素输出单元， 其中，所述驱动方法包括以下步骤 从包含沿多个行的像素的第一读出区域读出信号， 从包含沿多个行的像素的第二读出区域读出信号，和在不从包含沿多个行的像素并且邻近第一和第二读出区域的非读出区域读出信号的 情况下，在从第一或第二读出区域读出的过程中，在第一和第二读出区域的读出扫描之前， 开始非读出区域中的邻近第一或第二读出区域的行的复位扫描。
13.根据权利要求12的驱动方法，其中，非读出区域中的邻近第一读出区域的行的复位扫描和非读出区域中的邻近第二读出 区域的行的复位扫描同时开始。
14.根据权利要求13的驱动方法，其中，从非读出区域中的邻近第一读出区域的行开始的复位扫描沿与第一和第二读出区域 的读出扫描的方向不同且与闸门扫描的方向相同的方向继续，并且，从非读出区域中的邻近第二读出区域的行开始的复位扫描沿与第一和第二读出区域 的读出扫描的方向不同且与闸门扫描的方向不同的方向继续。
15.根据权利要求14的驱动方法，其中，当沿与第一和第二读出区域的读出扫描的方向以及闸门扫描的方向相同的方向被复 位扫描复位的像素行的地址与沿与第一和第二读出区域的读出扫描的方向不同且与闸门 扫描的方向不同的方向被复位扫描复位的像素行的地址一致时，或者，当沿与第一和第二读出区域的读出扫描的方向以及闸门扫描的方向相同的方向被复位扫描复位的像素行的地址与沿与第一和第二读出区域的读出扫描的方向不同且与闸门 扫描的方向不同的方向被复位扫描复位的像素行的地址之间的大小关系反转时，复位扫描停止。
16.根据权利要求13的驱动方法，其中，对于非读出区域中的所有像素行同时执行复位扫描。
17.根据权利要求13 16中的任一项的驱动方法，其中， 固态成像装置包括用于扫描像素行的垂直扫描单元；并且， 垂直扫描单元包含用于产生地址信号的地址发生器，用于选择与地址信号对应的位的解码器，存储由解码器选择的位的存储单元，以及根据存储在存储单元内的位向像素供给信号的像素驱动单元。
18.根据权利要求17的驱动方法，其中， 地址发生器包含多个计数器，和用于将所述多个计数器的计数值输入解码器的选择器。
19.根据权利要求18的驱动方法，其中，通过选择器相继地将所述多个计数器的计数值输入到解码器，以与多个位对应地同时 向多个像素行供给信号。
20.根据权利要求12的驱动方法，其中，沿与第一和第二读出区域的读出扫描的方向不同且与闸门扫描的方向不同的方向继 续非读出区域的复位扫描。
21.根据权利要求12 16和18 20中的任一项的驱动方法，其中，第一或第二读出区域中的邻近非读出区域的行的读出扫描的开始时间tr以及非读 出区域中的邻近第一或第二读出区域的行的复位扫描的开始时间Tb被控制为满足条件 tr-NX τ 彡 Tb < tr,其中τ是用于第一或第二读出区域中的像素的聚积时间。
全文摘要
本发明提供固态成像装置、成像系统和成像装置的驱动方法，其减小从非读出区域向邻近的非读出区域的多个读出区域的电荷泄漏的影响的差异。在第一和第二读出区域的读出扫描之前开始非读出区域中的邻接第一或第二读出区域的行的复位扫描。
文档编号H04N5/341GK101800862SQ201010113639
公开日2010年8月11日 申请日期2010年2月5日 优先权日2009年2月6日
发明者园田一博, 岩田公一郎, 林英俊, 竹中真太郎, 黑田享裕 申请人:佳能株式会社