CN100502474C - 固态成像装置、驱动固态成像装置的方法和图像拾取设备 - Google Patents
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Abstract
在将像素信息读到水平信号线的阶段，对单元像素块中的相同颜色的像素进行相加/平均过程时，也对在从像素到水平信号线的信号处理中添加的噪声分量执行相加/平均过程。这样，出现信噪比问题。列信号处理电路部件中的每个信号处理电路装备有反向放大器和反馈电容，其中，反向放大器以低阻抗输出由垂直信号线传送的像素信号，反馈电容可调节地并联连接到这些反向放大器，其中在每一列布置该信号处理电路。这些反馈电容用于对单元像素块中的相同颜色的像素执行行和列像素相加，以取出模拟中的单个像素的像素信号。
Description
技术领域
本发明涉及固态成像装置、驱动固态成像装置的方法、以及图像拾取设备。
背景技术
固态成像装置大致地分成由CCD(电荷耦合器件)图像传感器代表的电荷传输固态成像装置、以及由MOS(金属氧化物半导体)图像传感器代表的X-Y寻址固态成像装置。近年来，例如MOS图像传感器的后一种固态成像装置特别地被安装用于诸如蜂窝式移动电话和高速电子照相机的移动设备的低功耗相机模块。
例如，在要求高分辨率的电子照相机中，由于通过点击快门而拍摄的静止画面要求高清晰度，所以，要使用具有较大像素数目的固态成像装置。然而，在电子照相机中，在电子取景器和小屏幕监视器上显示运动画面，以允许确认主体。因此，在确认主体的阶段，应高速地读出相对低的分辨率的画面信号。
过去，为了高速读取相对低的分辨率的画面信号，像素被形成为具有拥有预定颜色编码的滤色器，由像素块构成单元，其中像素块由在行方向(沿着行的方向)和列方向(沿着列的方向)上彼此相邻的多个像素形成，并且，对与在单元像素块中具有相同颜色的滤色器的像素有关的信息进行相加/平均，以读取它作为模拟中的单个像素的像素信息(例如，参见专利参考文献1：JP-A-2004-266369)。
发明内容
然而，在上面的相关技术中，在将像素信息读出到水平信号线的阶段，对与在单元像素块中具有相同颜色的滤色器的像素有关的信息进行相加/平均过程，并且，因此，可能在从像素到水平信号线的信号处理系统中添加的噪声分量也经历相加/平均，其引起有关信噪比的难题。
期望提供一种可以获得信噪比优异的像素相加信号的固态成像装置、驱动该固态成像装置的方法、以及使用该固态成像装置作为成像装置的图像拾取设备。
根据本发明的实施例，本发明采用固态成像装置的配置，其包括：像素阵列部件，具有多个像素、多个垂直信号线以及滤色器，其中，该多个像素以二维方式排列、且该多个像素中的每个包括光电转换元件，该多个垂直信号线从该多个像素中的每个传送信号，该滤色器在该多个像素处具有预定的颜色编码；
列信号处理电路部件，具有多个模拟放大器和多个反馈电容，其中，该多个模拟放大器接收通过该多个垂直信号线传送的、来自该多个像素中的每个的信号，该多个反馈电容可调节地并联连接到该多个模拟放大器；
第一控制部件，其执行控制，其中，在行和列方向上的特定数目的相同颜色的像素是单元像素块，并且，在读取单元像素块中的单个行中的相同颜色的像素的信号时，将相同颜色的像素的信号存储在列信号处理电路部件中的单个列的第一反馈电容中；
第二控制部件，其执行控制，其中，在读取单元像素块中的与该单个行不同的行的相同颜色的像素信号时，将存储在第一反馈电容中的信号预充电到列信号处理电路部件中的与该单个列不同的列的第二反馈电容中；以及
第三控制部件，其执行控制，其中，在预充电之后，将该不同行的相同颜色的像素信号存储在第二反馈电容中。
在具有以上配置的固态成像装置中，假定颜色布置被形成为进行滤色器的颜色编码，使得在行方向(沿着行的方向、或水平方向)上以每两个像素而重复相同颜色的像素，并且在列方向(沿着列的方向、或垂直方向)上以每两个像素而重复相同颜色的像素。在读取单元像素块(在该实施例中，三个行像素乘以三个列像素)中的单个行中的相同颜色的像素的信号时，将相同颜色的像素的信号存储在列信号处理电路部件中的单元像素块中的单个列的第一反馈电容中。这样，首先将相同颜色的两个行像素的信号相加，并且将其存储在第一反馈电容中。
随后，在读取与单元像素块中的该单个行不同的行的相同颜色的像素的信号时，将存储在第一反馈电容中的信号预充电到列信号处理电路部件中的、与该单个列不同的列的第二反馈电容中。这样，将与在第一行的两个行像素的信号相加的信号存储在第二反馈电容中。然后，将在该不同行的相同颜色的像素信号存储在第二反馈电容中，并且，因此，将在不同行的相同颜色的两行像素的信号相加并存储。因此，在第二反馈电容中，最后执行单元像素块中的相同颜色的行和列像素的像素相加，在该实施例中，是两行像素乘以两列像素的像素的像素相加。
如上所述，在具有模拟放大器的列信号处理电路部件中，依次通过水平选择开关组选择、并且通过水平信号线，而输出由通过使用该模拟放大器的反馈电容的像素相加而产生的信号。然而，这里的描述是以两行像素乘以两列像素的像素的像素相加为例的基本操作的情况。同样，在诸如三行像素乘以三列像素的像素、四行像素乘以四列像素等的像素的像素相加的情况下，重复地运行该基本操作。
根据本发明的实施例，在具有模拟放大器的列信号处理电路部件中，模拟放大器的反馈电容用来执行像素相加，并且，因此，在可以进行相加过程时，可以放大像素的信号。因此，可以获得信噪比优异的像素相加信号。
附图说明
通过考虑以下结合附图的详细描述，可以容易地理解本发明的教导，附图中：
图1是示出根据本发明实施例的X-Y寻址固态成像装置的总体配置的框图；
图2是示出像素的示例性电路配置的电路图；
图3是示出滤色器的示例性颜色编码的图；
图4是示出像素相加的示例性相加结果的图；
图5是示出列信号处理电路部件中的每个信号处理电路的示例性电路配置的电路图；
图6A和6B是用于说明在进行2×2像素相加(第一个)时的电路操作的图解；
图7A、7B和7C是用于说明在进行2×2像素相加(第二个)时的电路操作的图解；
图8是示出驱动开关S1至S14的定时关系的时序图；以及
图9是示出根据本发明实施例的图像拾取设备的示例性配置的框图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图而详细描述根据本发明的实施例。
图1是示出根据本发明实施例的固态成像装置的总体配置的框图，例如，所述固态成像装置为由CMOS图像传感器代表的X-Y寻址固态成像装置。如图1所示，该实施例的固态成像装置10具有像素阵列部件11、以及外围电路，其中，外围电路包括垂直驱动部件12、列信号处理电路部件(列信号处理电路部件)13、水平驱动部件14、模拟放大器15、A/D转换器16、以及定时生成器17，并且，该装置具有这样的配置，其中，如同像素阵列部件11那样，在半导体衬底(芯片)18上形成这些外围电路。
然而，它不局限于必定在半导体衬底18上形成所有外围电路的配置。例如，可采用将A/D转换器16放置在半导体衬底18之外的配置。
像素阵列部件11被配置成：将包括光电转换元件的像素20二维排列在矩阵中(以矩阵形式)，并且，形成用于每一个像素的具有预定颜色编码的滤色器。在像素阵列部件11中，垂直信号线111连线到矩阵布局的列单元中的每个像素20，并且，在行单元中连线驱动线，如后面描述的复位线112、传输线113和选择线114。
像素电路
图2是示出像素20的示例性电路配置的电路图。如图2所示，该示例性电路的像素20具有由例如光电二极管21的光电转换元件、以及诸如传输晶体管22、复位晶体管23、放大晶体管24和选择晶体管25的四个晶体管形成的像素电路。这里，例如，对于这些晶体管22至25，使用N沟道MOS晶体管。
传输晶体管22连接在光电二极管21的阴极和浮动扩散(diffusion)部件(在下文中，被表示成“FD部件”)26之间，并且，其栅极连接到传输线113。通过传输线113将传输脉冲TR施加到该栅极，以变成导通(ON)状态，从而将经历光电转换且被存储在光电二极管21处的信号电荷(这里为电子)传输到FD部件26。
复位晶体管23的漏极连接到电源电位VDD，源极连接到FD部件26，而栅极连接到复位线112。在将信号电荷从光电二极管21传输到FD部件26之前，通过复位线112将复位脉冲RST施加到栅极，以变成导通状态，从而将FD部件26的电位重置为电源电位VDD。
例如，选择晶体管25的漏极连接到电源电位VDD，源极连接到放大晶体管24的漏极，而栅极连接到选择线114。通过选择线114将选择脉冲SEL施加到栅极，以变成导通状态，从而将电源电位VDD提供给放大晶体管24，以便选择像素20。另外，对于选择晶体管25，它可具有其连接在放大晶体管24的源极和垂直信号线111之间的配置。
放大晶体管24具有源跟随器(source follower)配置，其中，其栅极连接到FD部件26，漏极连接到选择晶体管25的源极，而源极连接到垂直信号线111。它将在由复位晶体管23重置之后的FD部件26处的电位作为复位电平输出到垂直信号线111，并且，将在传输晶体管22已传输信号电荷之后的FD部件26的电位作为信号电平输出到垂直信号线111。
另外，这里，虽然将具有四个晶体管26至29的电路配置作为示例，并将其作为像素20的电路配置进行说明，但是它不被限定为四个晶体管配置，而可以是三个晶体管配置，其中，放大晶体管24还用作选择晶体管。
外围电路
现在返回到图1。垂直驱动部件12具有读扫描电路121和电子快门扫描电路122，其中具有并排放置扫描电路121和122的配置。它通过图2所示的复位线112、传输线113和选择线114，以行单元的方式依次选择性地驱动像素20。
读扫描电路121被配置成具有移位寄存器和驱动电路，其依次选择像素20，以便以行单元的方式读取信号。电子快门扫描电路122基本上具有与读扫描电路121的电路配置相同的电路配置，其实现电子快门操作，其中，它以这样的方式扫描经历了由读扫描电路121进行的读扫描的行，该方式即：它从该行中的像素20的光电二极管21读取不期望(undesired)的电荷，比读扫描电路121所进行的读扫描要早快门速度的时间而进行读出扫描。因此，电子快门扫描电路122的扫描定时和读扫描电路121的扫描定时之间的周期是光电二极管21的曝光周期，即信号电荷的充电周期。
列信号处理电路部件13被配置成具有按照水平像素的数目的列信号处理电路，其中，每个所述像素被布置在每个垂直信号线111处，其具有连接到每个垂直信号线111的输出端的输入端。列信号处理电路部件13的每个信号处理电路被配置成具有CDS(相关双重取样)电路，其中，它取得依次从像素20读出到垂直信号线111的、信号电平和复位电平(0电平)之间的差值，并将该差值设置为像素信号电平，以消除每一个像素的固定模式噪声。
在本发明的实施例中，其具有的特征在于，列信号处理电路部件13执行后面描述的像素相加。后面将描述列信号处理电路部件13的每个信号处理电路的具体配置和电路操作的细节。
水平驱动部件14被配置成具有：水平信号线141；水平选择开关组142，其连接在列信号处理电路部件13的每个信号处理电路的输出端和水平信号线141之间；以及水平扫描电路143，其选择性地扫描水平选择开关组142的每个开关。
在水平驱动部件14中，水平扫描电路143被配置成具有移位寄存器和驱动电路，其依次选择水平选择开关组142的每个开关。水平选择开关组142的每个开关由水平扫描电路143选择性地驱动，并且，通过水平信号线141而依次输出在每个列、从列信号处理电路部件13的每个信号处理电路输出的像素20的信号。
模拟放大器15放大并输出通过水平信号线141而逐一提供的模拟信号。A/D转换器16将从模拟放大器15输出的模拟信号转换为数字信号，并将它们输出到芯片(衬底18)之外。
定时生成器(TG)17基于垂直同步信号Vsync、水平同步信号Hsync和主时钟MCK而创建时钟脉冲和驱动脉冲，用于对以下电路操作的基准，所述电路即读扫描电路121、电子快门扫描电路122、列信号处理电路部件13、以及水平扫描电路143，并且，将所述脉冲施加到读扫描电路121、电子快门扫描电路122、列信号处理电路部件13以及水平扫描电路143等。
颜色编码
图3是示出布置在像素阵列部件11中的每个像素20处的滤色器的示例性颜色编码的图。这里，举例说明Bayer阵列，其中，GB线具有交替排列的G(绿)和B(蓝)，RG线具有交替排列的R(红)和G，并且，它们在列方向上交替排列。然而，此Bayer阵列仅为示例，并且，该阵列不限于此。
在具有采用此颜色编码的滤色器的固态成像装置10中，为了高速读取相对低的分辨率的画面信号，以便显示运动画面，将相同颜色的像素的信号相加，以读取作为模拟中的单个像素的像素信号的信号。在本发明的实施例中，其具有的特征在于，在列信号处理电路部件13执行此像素相加。
在图3所示的颜色编码中，例如，假定三行像素乘以三列像素的像素是单元像素块，针对单元像素块中的相同颜色的两个像素而进行相加过程，也就是，针对两行像素乘以两列像素的像素而进行相加过程。如图4所示，作为相加过程的结果，获得这样的画面信号，其中，像素信息在水平方向(行方向)和垂直方向(列方向)上被稀疏化(thin out)了一半。
列信号处理电路部件
接下来，将描述列信号处理电路部件13中的每个信号处理电路的具体配置和电路操作，其为根据本发明的实施例的特征。这里，在图3所示的颜色编码中，采用这样的情况作为示例，其中，例如，三行像素乘以三列像素的像素是单元像素块，并且，针对该单元像素块中的相同颜色的两个像素而进行相加过程。
电路配置
图5是示出列信号处理电路部件13中的每个信号处理电路的示例性电路配置的电路图。这里，为了简化说明起见，在列信号处理电路部件13中仅示出了与某个单元像素块(三行像素乘以三列像素)相对应的三个列的信号处理电路。
另外，单元像素块中的三个行是行n、行(n+1)和行(n+2)，并且，三个列是列m、列(m+1)和列(m+2)。在行方向上，由于在列m和列(m+2)的像素之间进行相加，所以，仅具体地示出了列m中的列信号处理电路13m和列(m+2)中的列信号处理电路13(m+2)的电路配置。
在列信号处理电路13m中，CDS电容C1的一端连接到第m列中的垂直信号线111m的一端，并且，控制开关S2的一端连接到CDS电容C1的另一端。例如反向放大器A1的模拟放大器的输入端连接到控制开关S2的另一端。反向放大器A1以低阻抗输出由垂直信号线111m传送的像素20的信号。
控制开关S3和S4的一端也连接到控制开关S2的另一端。反馈电容C3的一端连接到控制开关S3的另一端，并且，控制开关S5和S6的另一端连接到反馈电容C3的另一端。控制开关S4和S5的另一端共同连接到反向放大器A1的输出端。控制开关S7的一端连接到控制开关S6的另一端。控制开关S7的另一端连接到被施加参考电压(参考电压)Vc的电压线L。
列信号处理电路13(m+2)具有与列信号处理电路13m相同的电路配置。更具体地，CDS电容C2的一端连接到第(m+2)列中的垂直信号线111(m+2)的一端，并且，控制开关S8的一端连接到CDS电容C2的另一端。反向放大器A2的输入端连接到控制开关S8的另一端。反向放大器A2以低阻抗输出由垂直信号线111(m+2)传送的像素20的信号。
控制开关S9和S10的一端也连接到控制开关S8的另一端。反馈电容C4的一端连接到控制开关S9的另一端，并且，控制开关S11和S12的另一端连接到反馈电容C4的另一端。控制开关S10和S11的另一端共同连接到反向放大器A2的输出端。控制开关S13的一端连接到控制开关S12的另一端。控制开关S13的另一端连接到电压线L。
另外，在列信号处理电路13m和列信号处理电路13(m+2)之间提供两个相加开关S1和S14。相加开关S1连接在CDS电容C1和C2的另一端之间。相加开关S14连接在反向放大器A1的输出端和列信号处理电路13m中的控制开关S4和S5的另一端的连接节点N1、与列信号处理电路13(m+2)中的控制开关S12和S13的连接节点N2之间。
在上面配置的列信号处理电路13m和(m+2)中，反馈电容C3和C4具有作为样本保持电容的功能，其保持从垂直信号线111m和111(m+2)传送的像素20的信号，并且，它们连同其它列中的反馈电容一起配置存储单个行(单个线)的信号的线存储器。
控制开关S2和S3以及控制开关S8和S9操作，以选择性地连接CDS电容C1和C2与反馈电容C3和C4。控制开关S4和S10操作，以在读出复位电平时，反馈反向放大器A1和A2。控制开关S5和S11操作，以选择性地将反馈电容C3和C4连接到反向放大器A1和A2。控制开关S6和S7以及控制开关S12和S13操作，以在读出复位电平时，将基准电压Vc预充电到反馈电容C3和C4。
第m列中的水平选择开关Ym连接在列信号处理电路13m的输出端(即，连接节点N1)与第一水平信号线141-1之间，并且，第(m+2)列的水平选择开关Y(m+2)连接在列信号处理电路13(m+2)的输出端(即，反向放大器A2的输出端和控制开关S10和S11的另一端的连接节点N3)与第二水平信号线141-2之间。
在这点上，第(m+1)列中的水平选择开关Y(m+1)连接在列信号处理电路13(m+1)的输出端和第一水平信号线141-1之间，并且，第(m+3)列中的水平选择开关Y(m+3)(未示出)连接在列信号处理电路13(m+3)(未示出)的输出端和第二水平信号线141-2之间。此后，对两个列单元中的第一水平信号线141-1和第二水平信号线141-2进行类似的连接。
电路操作
接下来，将描述上面配置的列信号处理电路部件13中的每个信号处理电路的电路操作。
正常成像时的电路操作
首先，将描述正常成像时的电路操作，其中，不执行像素相加，也就是，当像素信息不被稀疏化时。在正常成像时，垂直驱动部件12执行垂直扫描，以便以行单元的方式依次选择像素阵列部件11的每个像素，并且，将选定行中的像素20的信号读出到垂直信号线111。
将读出到垂直信号线111的像素信号输入到列信号处理电路部件13，在CDS电容C1、C2等处的CDS过程(取得复位电平和信号电平之间的差值的过程)中对其进行处理，在反向放大器A1和A2处对其进行放大，然后将其存储在由反馈电容C3、C4等形成的线存储器中。
在水平扫描电路143处通过水平扫描而依次选择水平选择开关组142(Y至Ym、Y(m+1)、Y(m+2)等)的开关，并且，依次将存储在线存储器中的单个线的像素信号读出到水平信号线141。在模拟放大器15处放大像素信号，在A/D转换器16处对其进行数字转换，并将其输出到芯片之外。
针对每一行的所有像素20执行一系列处理步骤，并且，因此，可以获得单个屏幕的画面信号。因而，可以从单个屏幕的画面信号创建高清晰度的单个静止画面。
执行像素相加时的电路操作
接下来，将参考图6和7所示的图解描述通过像素相加而稀疏化像素信息时的电路操作。
这里，在图3所示的颜色编码中，以这样的情况为例，其中，例如，三行像素乘以三列像素的像素为单元像素块，并且，针对单元像素块中的相同颜色的两个像素(两行像素乘以两列像素)进行相加过程。
在此2×2像素相加中，针对奇数行和偶数行而各自进行相加过程。因此，以这样的方式，交替且重复地选择一对奇数行和一对偶数行，该方式即：垂直驱动部件12执行垂直扫描，以在第一单个H周期(H是水平扫描周期)中选择第一行和第三行，在随后的单个H周期中选择第二行和第四行，在随后的单个H周期中选择第五行和第七行，在随后的单个H周期中选择第六行和第八行等等。
另外，在图6和7中，为了易于理解起见，仅示出和说明了第n行、第(n+2)行、第m列和第(m+2)列中的像素，以及第m列中的列信号处理电路13m和第(m+2)列中的列信号处理电路13(m+2)。
在执行像素相加时，对于开关相加开关S1和S14、以及控制开关S2至S13而言，定时是重要的。图8示出了用于驱动开关S1至S14的定时关系。在图1所示的定时生成器17处创建控制对开关S1至S14进行开关的定时信号。
在图8所示的时序图中，传输脉冲TR是将存储在光电二极管21中的电荷传输到FD部件26的脉冲信号。通过传输操作，从像素20中将信号电平(在下文中，被表示成“D相位电平”)Vd读出到垂直信号线111。读出D相位电平Vd的周期是D相位传输周期。
复位脉冲RST是将FD部件26处的电位重置为电源电位VDD的脉冲信号。通过重置操作，从像素20中将0电平的复位电平(在下文中，被表示成“P相位电平”)Vp读出到垂直重置线111。读出P相位电平Vp的周期是P相位传输周期。
第n行中的P相位传输周期
首先，如图6A所示，将描述从第n行的相同颜色的像素中读出P相位电平时的操作。同时地从第n行中的第m列和第(m+2)列的相同颜色的打开(open)像素读出信号，并且，同时使相加开关S1以及控制开关S2和S3变成导通状态，以便进行行像素相加。
此时，由于控制开关(反馈开关)S4处于导通状态，并且反馈在反向放大器A1上，所以，反向放大器A1在预定操作点操作。另外，与相加开关S1相同步地，使控制开关S5变成关断状态，并且，使控制开关S6和S7变成导通状态，并且，因此将基准电压Vc预充电到线存储器的反馈电容C3，以便进行模拟箝位(clamping)。
通过一系列操作，CDS电容C1和C2被存储成具有P相位电平，其包括每个像素的阈值Vth的变化信息。这里，第(m+2)列的列信号处理电路13(m+2)中的控制开关S8至S13全都处于关断状态。更具体地，当执行第n行中的行(横向)相加时，仅第m列中的列信号处理电路13m操作。
第n行中的D相位传输周期
在完成P相位电平读出之后，操作转移到D相位电平读出。在P相位电平之后读出D相位电平，然后进行CDS过程，其中，取得CDS电容C1和C2处的P相位电平和D相位电平之间的差值，以便消除每个像素的固定模式噪声。
另外，在D相位电平读出中，如图6B所示，如同在P相位传输周期中那样，在相加开关S1以及控制开关S2和S3保持导通状态的情况下，使控制开关S4变成关断状态，并且，使控制开关S5变成导通状态。因此，反馈电容C3与反向放大器A1并联连接，并且，将在第m列和第(m+2)列中的CDS过程之后的打开像素的像素信号存储在反馈电容C3中。因此，在反馈电容C3处将两列中的两个像素的信号相加。
为了将该操作系列形成到方程中，假定两个打开像素的P相位电平是Vp(n)，并且，D相位电平是Vd(n)，并且，随后，将通过在第n行的D相位传输周期中的CDS过程(减法过程)、以及通过像素相加而产生的电压(即，反向放大器A1的输出电压V1)以下面的方程式(1)表示：
V1＝A(Vp(n)-Vd(n))+Vc (1)
这里，常量A表示反向放大器A1的增益，其由A＝(C1+C2)/C3给出。
从方程式(1)可以清楚看到，由于反向放大器A1的输出电压V1由两个列的CDS电容C1和C2确定，所以，信号电平是正常单元像素读出时的信号电平的两倍。然后，使得反馈电容C3的电容值是可变的，以允许可以调节反向放大器A1的增益A的配置。例如，假定反馈电容C3的电容值被加倍，那么，可以这样进行，即：将放大系数设置成与在正常单元像素读出时相同的值，并且，像素相加时的信号电平等于单元像素读出时的信号电平。
第(n+2)行中的P相位/D相位传输周期
对于第(n+2)行中的读出，使相加开关S1以及控制开关S8和S9变成导通状态，然后执行与第n行中的读出基本上相同的操作。其差别在于增加了这些操作：使用第(m+2)列中的列信号处理电路13(m+2)的操作、以及第n行与第(n+2)行的列(纵向)相加的操作。
在第(n+2)行中的P相位电平的读出时，如图7A所示，使控制开关S11变成关断状态，并且，同时使控制开关S12和相加开关S14变成导通状态。这样，存储在反馈电容C3中的电荷穿过从控制开关S5到相加开关S14到控制开关S12的路径，然后被预充电到反馈电容C4中。
更具体地，在第n行中的读出时，基准电压Vc用于线存储器(反馈电容C3)的预充电电压，而在第(n+2)行中的读出时，由行像素相加获得的输出电压V1用于反馈电容C4的预充电电压。因此，如下所述，可以实现列像素相加。
在输出电压V1用于反馈电容C4的预充电电压的状态中，针对第(n+2)行中的第m列和第(m+2)列的相同颜色的虚线像素，而进行P相位电平读出。此后，如图7B所示，在相加开关S1以及控制开关S8和S9保持导通状态的情况下，使控制开关S10和相加开关S14变成关断状态，并且，使控制开关S11变成导通状态，以便读出D相位电平。
这样，将第n行中的第m列和第(m+2)列的两个打开像素的信号相加，并且，还将第(n+2)行中的第m列和第(m+2)列的两个虚线(dashed)像素的信号存储在反馈电容C4中，其中，列相加信号被预充电。因此，在反馈电容C4处，相加两行和两列的四个像素的信号。此后，如图7C所示，使相加开关S1以及控制开关S8和S9变成关断状态，以便完成第n行和第(n+2)行中的像素信号读出的操作、以及两次两个像素相加的操作。
此时，在第(m+2)列的反向放大器A2的输出电压V2是如由下面的方程(2)表示的电压，其中，在列(纵向)方向上将第n行和第(n+2)行的电压相加，其中，两个虚线像素的P相位是Vp(n+2)，并且D相位电平是Vd(n+2)：
V2＝A(Vp(n)-Vd(n))+A(Vp(n+2)-Vd(n+2))+Vc (2)
最后，与水平扫描电路143的水平扫描相同步地，使第(m+2)列的水平选择开关Y(m+2)变成导通状态，并且，通过水平信号线141(141-2)、模拟放大器15和A/D转换器16输出该输出电压V2。因此，在图3所示的颜色编码中，例如，三行像素乘以三列像素的像素是单元像素块，并且，将单元像素块中的相同颜色的两个像素的信号相加，以便取出作为模拟中的单个像素的像素信号。
为了说明而总结操作系列，在装备有在每个像素20处具有预定颜色编码的滤色器、以及布置在每个垂直信号线11中的列信号处理电路部件13的X-Y寻址固态成像装置10中，进行以下操作，其中，在行和列方向上的、相同颜色的多个像素是单元像素块，在读取单个行n中的该单元像素块中的相同颜色的像素的信号时，将相同颜色的像素的信号存储在列信号处理电路部件13中的、单元像素块中的单个列m的第一反馈电容C3中，然后，在读取单元像素块中的、与该单个行n不同的行(n+2)中的相同颜色的像素的信号时，将存储在第一反馈电容C3中的信号预充电到列信号处理电路部件13中的、与该单个列m不同的列(m+2)的第二反馈电容C4中，在预充电之后，将在该不同行(n+2)的相同颜色的像素的信号存储在第二反馈电容C4中，并且，将存储在第二反馈电容C4中的信号选择性地输出到水平信号线141。
另外，在上述操作系列中，举例并说明了两行像素乘以两列像素的像素相加，但操作不限于此。同样，在诸如三行像素乘以三列像素的像素、四行像素乘以四列像素的像素等的像素相加中，可以重复地运行该基本操作。
如上所述，列信号处理电路部件13的信号处理电路中的每个(该电路被布置在每一列上)装备有：反向放大器A1和A2，其以低阻抗输出由垂直信号线111传送的像素20的信号；以及反馈电容C3和C4，其适当地与这些反向放大器并联连接，并且，反馈电容C3和C4用来执行单元像素块中的相同颜色的像素的行和列像素相加，以便取出作为模拟中的单个像素的像素信号的信号。这样，当在模拟中增加像素区域、并减小等于或大于由像素间距确定的奈奎斯特频率的空间频率区域中的MTF(调制传递函数)值时，可以稀疏化像素信息，其中，像素信息的次序和空间位置关系两者保持与在正常成像时(在读取所有像素时)相同。
特别地，反向放大器A1和A2的反馈电容C3和C4用来进行具有反向放大器(模拟放大器)A1和A2的列信号处理电路部件13的每个信号处理电路中的像素相加，并且，因此，可在增加像素的信号时进行相加过程。因此，可获得信噪比优异的像素相加信号。除此之外，由于在2×2像素相加的示例中，所要进行的是简单地将相同颜色的像素的信号相加，所以，相加之后的信号电平可以增加四倍。这样，还有增加灵敏度的优点。
另外，由于可以通过反向放大器A1和A2的增益控制来吸收在执行像素相加时引起的信号增益变化，所以，正常的所有像素读出、以及像素相加读出时的输出电压可以保持恒定。因此，同样，在所有像素读出和像素相加读出之间切换操作时，可在不改变后续阶段的信号处理系统的情况下进行信号处理。
另外，在实施例中，举例并说明了三行像素乘以三列像素的像素是单元像素块，但是它不局限于该单元像素块配置。更具体地，当用一般方程式表示时，(2k+3)行像素×(2k+3)列像素(k是0或更大的整数)的像素块是单元像素块，并且，将单元像素块中的相同颜色的像素信息全部相加。这样，当在模拟中增加像素区域、并且小等于或大于由像素间距确定的奈奎斯特频率的空间频率区域中的MTF值时，可以稀疏化像素信息，其中，像素信息的次序和空间位置关系两者保持与正常成像时(在读取所有像素)相同。
应用
根据上述实施例的固态成像装置10优选地用作图像拾取设备中的成像装置，该图像拾取设备包括旨在用于诸如蜂窝式移动电话的移动设备的低功耗相机部件、以及高速电子照相机。
图9是示出根据本发明实施例的图像拾取设备的示例性配置的框图。如图9所示，该实施例的图像拾取设备被配置成具有透镜31、成像装置32、相机信号处理电路33、模式设置单元34等。
透镜31将来自对象的图像的光形成在成像装置32的成像表面上。成像装置32以像素单元的方式输出通过将由透镜31形成在成像表面上的图像的光转换为电信号而获得的画面信号。对于成像装置32，使用根据上述实施例的固态成像装置10。
相机信号处理电路部件33对从成像装置32输出的画面信号执行各种信号处理。模式设置单元34选择性地设置成像装置32的操作模式：所有像素读出模式，其中单独地读出所有像素的信号；以及像素相加读出模式，其中根据用户的指定而进行像素相加。一般地，在成像模式中设置所有像素读出模式，以显示静止画面，并且在监视模式中设置像素相加读出模式，以显示运动画面。
当设置了所有像素读出模式时，用于成像装置32的固态成像装置10执行如上所述的独立地读取所有像素的信号的操作，而当设置了像素相加读出模式时，其执行上述操作系列，即，对单元像素块中的相同颜色的像素进行行和列像素相加、以读取模拟中的单个像素的像素信号的操作。
如上所述，根据上面实施例的固态成像装置10用作图像拾取设备中的成像装置32，该图像拾取设备包括旨在用于诸如蜂窝式移动电话和高速电子照相机的移动设备的相机部件，并且，因此可以获得质量优异的图像，这是因为固态成像装置10可以取出信噪比优异的像素相加信号。
另外，通过反向放大器A1和A2的增益控制来吸收在执行像素相加时引起的信号增益变化，并且，所有像素读出和像素相加读出时的输出电压可以维持不变。因此，存在这样的优点，即：在所有像素读出和像素相加读出之间的切换操作时也进行信号处理，而无需改变相机信号处理电路33。
本领域的技术人员应当理解，根据设计要求和其它因素，可以进行各种修改、组合、子组合以及变更，只要它们在所附权利要求或其等效物的范围之内即可。
对相关申请的交叉引用
本发明包含与于2005年4月26日在日本专利局提交的日本专利申请JP2005-127631相关的主题内容，在此将其全文引作参考。
Claims (4)
1.一种固态成像装置，包括：
像素阵列部件，其具有多个像素、多个垂直信号线以及滤色器，其中，该多个像素以二维方式排列、且该多个像素中的每个包括光电转换元件，该多个垂直信号线从该多个像素中的每个传送信号，该滤色器在该多个像素处具有预定的颜色编码；
列信号处理电路部件，其具有多个模拟放大器和多个反馈电容，其中，该多个模拟放大器接收通过该多个垂直信号线传送的、来自该多个像素中的每个的信号，该多个反馈电容可调节地并联连接到该多个模拟放大器；
第一控制部件，其执行控制，其中，在行和列方向上一定数量的像素是单元像素块，并且，在读取单元像素块中的单个行中的相同颜色的像素的信号时，将相同颜色的像素的信号存储在列信号处理电路部件中的单个列的第一反馈电容中；
第二控制部件，其执行控制，其中，在读取单元像素块中的与该单个行不同的行的相同颜色的像素的信号时，将存储在第一反馈电容中的信号预充电到列信号处理电路部件中的与该单个列不同的列的第二反馈电容中；以及
第三控制部件，其执行控制，其中，在预充电之后，将该不同行的相同颜色的像素信号存储在第二反馈电容中。
2.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中
该多个模拟放大器具有可通过调节第一和第二反馈电容的电容值而变化的放大系数。
3.一种驱动固态成像装置的方法，该固态成像装置具有：像素阵列部件，其具有多个像素、多个垂直信号线以及滤色器，其中，该多个像素以二维方式排列、且该多个像素中的每个包括光电转换元件，该多个垂直信号线从该多个像素中的每个传送信号，该滤色器在该多个像素处具有预定的颜色编码，以及
列信号处理电路部件，其具有多个模拟放大器和多个反馈电容，其中，该多个模拟放大器接收通过该多个垂直信号线传送的来自该多个像素中的每个的信号，该多个反馈电容可调节地并联连接到该多个模拟放大器，该方法包括：
第一步骤，其中，在行和列方向上一定数目的像素是单元像素块，并且，在读取单元像素块中的单个行的相同颜色的像素的信号时，将相同颜色的像素的信号存储在列信号处理电路部件中的单个列的第一反馈电容中；
第二步骤，其中，在读取单元像素块中的与该单个行不同的行的相同颜色的像素信号时，将存储在第一反馈电容中的信号预充电到列信号处理电路部件中的与该单个列不同的列的第二反馈电容中；以及
第三步骤，其中，在预充电之后，将该不同行的相同颜色的像素信号存储在第二反馈电容中。
4.一种图像拾取设备，包括：
固态成像装置，其具有像素阵列部件和列信号处理电路部件，该像素阵列部件具有多个像素、多个垂直信号线以及滤色器，其中，该多个像素以二维方式排列、且该多个像素中的每个包括光电转换元件，该多个垂直信号线传送像素的信号，该滤色器在每个像素处具有预定的颜色编码，该列信号处理电路部件具有多个模拟放大器和多个反馈电容，其中，该多个模拟放大器以低阻抗输出通过垂直信号线传送的像素的信号，并且，该多个反馈电容可调节地并联连接到该多个模拟放大器；
光学系统，其将来自主体的图像的光形成在固态成像装置的成像表面上；以及
模式设置部分，其选择性地设置固态成像装置的操作模式，即：所有像素读出模式，其读取固态成像装置的所有多个像素的信号；以及像素相加读出模式，其将该多个像素的信号相加以便读出，
其中，该固态成像装置具有：
第一控制部件，其执行控制，其中，在行和列方向上一定数目的像素是单元像素块，并且，在读取单元像素块中的单个行的相同颜色的像素的信号时，将相同颜色的像素的信号存储在列信号处理电路部件中的单个列的第一反馈电容中；
第二控制部件，其执行控制，其中，在读取单元像素块中的与该单个行不同的行的相同颜色的像素信号时，将存储在第一反馈电容中的信号预充电到列信号处理电路部件中的与该单个列不同的列的第二反馈电容中；以及
第三控制部件，其执行控制，其中，在预充电之后，将该不同行的相同颜色的像素信号存储在第二反馈电容中；并且
其中，当通过模式设置部件设置了像素相加读出模式时，执行第一控制部件和第二控制部件的控制。
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