CN101257563A - 成像设备和成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种成像设备和成像系统。成像设备包括像素单元阵列和驱动单元。各像素单元包括多个光电转换单元、所述多个光电转换单元所共用的电荷－电压转换器、把由所述多个光电转换单元生成的电荷传输给电荷－电压转换器的多个传输单元、把基于电荷的信号输出到信号线的输出单元、以及设置电荷－电压转换器的电位的设置单元。各像素单元根据电荷－电压转换器中设置的电位被选择或不被选择。驱动单元驱动像素单元阵列，以便输出单元连续地将基于由被选择的像素单元中的多个光电转换单元生成的电荷的信号输出到信号线，而不执行使所述被选择的像素单元成为未选择状态的操作。

Description

成像设备和成像系统
技术领域
本发明涉及一种成像设备和一种成像系统。
背景技术
已提议了不包括选择晶体管、并且多个光电转换单元共享一个重置晶体管和一个放大晶体管的像素单元，用于减小诸如CMOS图像传感器之类的成像设备中的像素面积，如日本专利特开第2004-172950号中所公开的。
在日本专利特开第2004-172950号中所公开的技术中，全局选择信号线被设置为低电位，在每次读出信号时所有像素单元的重置晶体管导通，从而使所有像素单元成为未选择状态。然后，全局选择信号线被设置为高电位，被选择的像素单元的重置晶体管导通，从而只选择被选择的像素单元。即，必须频繁地转换全局选择信号线的电位。全局选择信号线连接到所有像素单元。由于该原因，当像素单元数量增大时，线路的寄生电容增大，并且充电/放电时间变长。因此，从像素单元读出信号时需要很长的时间来切换电位。因此很难高速地从像素单元读出信号。
发明内容
本发明提供一种成像设备和一种成像系统，它们可以高速地从像素单元读出信号。
根据本发明的第一方面，提供一种成像设备，其包括具有二维排列的多个像素单元的像素单元阵列和驱动该像素单元阵列的驱动单元，其特征在于，各像素单元包括多个光电转换单元、所述多个光电转换单元所共用的电荷-电压转换器、把由所述多个光电转换单元生成的电荷传输给电荷-电压转换器的多个传输单元、把基于传输给电荷-电压转换器的电荷的信号输出到信号线的输出单元、以及设置电荷-电压转换器的电位的设置单元，各像素单元根据由设置单元在电荷-电压转换器中设置的电位而被选择或不被选择，所述驱动单元驱动像素单元阵列，以便输出单元连续地将基于由被选择的像素单元中的多个光电转换单元生成的电荷的信号输出到信号线，而不执行使所述被选择的像素单元成为未选择状态的操作。
根据本发明的第二方面，提供一种成像系统，其特征在于包括根据本发明第一方面的成像设备、把光导向该成像设备的像素阵列的光学系统、以及处理从该成像设备输出的信号以生成图像数据的信号处理单元。
根据本发明，能够高速地从像素单元读出信号。
参考附图，根据下列示例性实施例的描述，本发明的其他特征将变得明显。
附图说明
图1是示出根据本发明的一个实施例的成像设备的布置的电路图；
图2是示出驱动单元的电子快门操作的视图；
图3是示出驱动单元的驱动序列的视图；
图4是示出根据本发明的该实施例的成像设备的驱动时序的时序图；
图5是示出根据一个比较例的成像设备的驱动时序的时序图；
图6是示出图4和图5中的驱动时序之间的对比的示意视图；
图7是示出根据本发明的该实施例的变型的成像设备的驱动时序的时序图；和
图8是示出使用根据该实施例的成像设备的成像系统的布置的框图。
具体实施方式
将参考图1描述根据本发明的一个实施例的成像设备100。图1是示出根据本发明的该实施例的成像设备100的布置的电路图。图1中所示的所有MOS晶体管都是N型。MOS晶体管在栅极电位为高时导通，在栅极电位为低时关断。
成像设备100包括像素单元阵列PA和驱动单元103，如图1所示。
驱动单元103布置在像素单元阵列PA的外围。驱动单元103驱动像素单元阵列PA中的多个像素单元。驱动单元103例如是沿着垂直方向扫描像素单元阵列PA的垂直移位寄存器。
图1没有示出用于读出输出到各列的列信号线10的信号的读出电路，和用于沿着水平方向扫描该读出电路的水平移位寄存器。
像素单元阵列PA包括沿着行和列方向排列(二维排列)的多个像素单元(1，21，......)。
像素单元1包括多个光电转换单元(2和3)、电荷-电压转换器8、多个传输单元(4和5)、输出单元7、以及设置单元6。即，在像素单元1中，输出单元7和设置单元6被公共地提供给多个像素(多个光电转换单元)。
所述多个光电转换单元(2和3)包括第一光电转换单元2和第二光电转换单元3。第一光电转换单元2生成和累积对应于入射光的电荷。第一光电转换单元2例如是用于累积负电荷(电子)的光电二极管(PD)。第二光电转换单元3生成和累积对应于入射光的电荷。第二光电转换单元3例如是用于累积负电荷(电子)的光电二极管(PD)。
电荷-电压转换器8被公共地提供给多个光电转换单元(2和3)。电荷-电压转换器8充当输出单元7(将在后面描述)的输入单元。电荷-电压转换器8把由多个光电转换单元(2和3)生成的电荷转换成电压并保持它。更具体地，电荷-电压转换器8保持基于由多个光电转换单元(2和3)所生成的电荷的信号(电压)。电荷-电压转换器8例如是浮动扩散(FD)。
多个传输单元(4和5)把由多个光电转换单元(2和3)生成的电荷传输给电荷-电压转换器8。更具体地，多个传输单元(4和5)接收在不同时刻变为有效的信号，并在不同时刻把由多个光电转换单元(2和3)生成的电荷传输给电荷-电压转换器8。多个传输单元(4和5)包括第一传输单元4和第二传输单元5。第一传输单元4在预定时刻把累积在第一光电转换单元2中的电荷传输给电荷-电压转换器8。第一传输单元4例如是传输MOS晶体管。第二传输单元5在预定时刻把累积在第二光电转换单元3中的电荷传输给电荷-电压转换器8。第二传输单元5例如是传输MOS晶体管。
输出单元7把基于传输给电荷-电压转换器8的电荷的信号输出到列信号线10。在输出过程中，输出单元7放大基于电荷的信号。输出单元7例如是放大MOS晶体管。
设置单元6设置电荷-电压转换器8的电位。设置单元6通过把电荷-电压转换器8的电位设为第一电位(图4中的V1)来设置被选择状态，通过把电荷-电压转换器8的电位设为第二电位(图4中的V2)设置未选择状态。设置单元6例如是重置MOS晶体管。第一电位使输出单元(MOS晶体管)7导通，并且需要高于使第一光电转换单元2重置所必需的电位。第二电位使输出单元(MOS晶体管)7关断，并且需要低于“‘例如列信号线10的电位’+‘使输出单元7(放大NMOS晶体管)导通的阈值电压’”。
如上文所述，像素单元1根据由设置单元6在电荷-电压转换器8中设置的电位而被选择或不被选择。
注意，剩余的像素单元21等与像素单元1相同。
接下来将参考图2和3描述成像设备100的驱动单元103的操作。图2是示出驱动单元103的电子快门操作的视图。图3是示出驱动单元103的驱动序列的视图。在图2中，纵坐标代表像素单元的位置，横坐标代表时刻。在图3中，横坐标代表时刻。
在以下描述中，信号读出在第n块完成，累积电荷的清除(光电转换单元的重置)在第m块完成。包括在各像素单元中的多个光电转换单元共享输出单元(放大NMOS晶体管)，多行的读出在一个水平周期HT中执行。因此，在相同水平周期HT中执行读出的多行被表示为一个块。
驱动单元103通过电子快门操作控制信号电荷的累积时间。更具体地，驱动单元103通过重置各光电转换单元来开始各光电转换单元的电荷累积操作，并且通过把各光电转换单元中累积的电荷传输给电荷-电压转换器来结束各光电转换单元的电荷累积操作。
如图2所示，预定块(第n块)中累积的结束(读出)和另一块(第m块)中累积的开始在一个水平周期HT中执行。从累积电荷的清除(光电转换单元的重置)到信号读出的时间为累积时间。当m和n被设置为适当的值时，可以设定任意的累积时间。
驱动单元103驱动像素单元阵列PA以便输出单元7连续地将信号输出到列信号线10(由“读出”指示)，该信号基于由被选择的像素单元(第n块)中的多个光电转换单元(2和3)生成的电荷(图3)。在这种情况下，驱动单元103驱动像素单元阵列PA以便输出单元7连续地将基于电荷的信号输出到列信号线10，而不执行使被选择的像素单元(第n块)成为未选择状态的操作(由“FDLow”指示)。驱动单元103还驱动像素单元阵列PA以便输出单元7经由使设置单元6重置电荷-电压转换器8电位的操作(由“FDHigh”指示)而连续地将基于电荷的信号输出到列信号线10。
然后，在输出单元7连续地将基于电荷的信号输出到列信号线10之后，驱动单元103驱动像素单元阵列PA以便使该多个像素单元(第n块和第m块)成为未选择状态(由“FDLow”指示)。
在基于电荷的信号被连续地输出后，在该多个像素单元成为未选择状态之前，驱动单元103驱动像素单元阵列PA以便重置未选择状态的像素单元(第m块)中的多个光电转换单元(2和3)。
接下来参考图4到6描述成像设备100的驱动单元103的操作的细节。
图4为示出根据本发明的本实施例的成像设备100的驱动时序的时序图。参考图4，Vres指示输入到全局选择信号线9的电位的电平。Presa是输入到除了第n块和第m块之外的所有块的重置驱动线11(见图1)的脉冲。Pres为输入到第n块的重置驱动线11的脉冲。Presr是输入到第m块的重置驱动线11的脉冲。Ptx1是输入到第n块的第一电荷传输驱动线12(见图1)的脉冲。Ptx2是输入到第n块的第二电荷传输驱动线13(见图1)的脉冲。Ptxr1是输入到第m块的第一电荷传输驱动线12的脉冲。Ptxr2是输入到第m块的第二电荷传输驱动线13的脉冲。
图5是示出根据一个比较例的成像设备的驱动时序的时序图。
图6是示出图4和5中的驱动时序之间的对比的示意视图。
在不具有选择晶体管的像素单元中选择要读出的块的第一条件如下。驱动单元103驱动像素单元阵列PA以把被选择的块的电荷-电压转换器8设为高电位(V1)并且把未选择的块的电荷-电压转换器8设为低电位(V2)。通过该操作，被选择的块的输出单元(晶体管)7导通，未选择的块的输出单元(晶体管)7关断。因此，被选择的块的信号可以输出到列信号线10。
清除累积电荷(重置光电转换单元)的第二条件如下。驱动单元103驱动像素单元阵列PA以把电荷-电压转换器8设为高电位，然后使多个传输单元(4和5)导通。执行累积电荷清除的第m块不同于执行信号电荷读出的第n块。即，第m块是未选择的块。当要读出第n块的信号时，需要把第m块的电荷-电压转换器8设为低电位。更具体地，第m块的电荷-电压转换器8必须在清除累积电荷的操作中设为高电位(V1)，并且在读出第n块的信号电荷时设为低电位(V2)。
图4和5中所示的驱动时序满足这些条件。
接下来将详细描述根据图5中的该比较例的成像设备的驱动时序。
在Vres为高电位(V1)的时段T1a中，Presr和Ptxr1变为高。累积在第m块的第一光电转换单元2中的电荷被清除(重置)。
在Vres为低电位V2的时段T2a中，Presr、Presa和Pres变为高。所有块的电荷-电压转换器8设为低电位以使这些块成为未选择状态。
然后，在Vres为高电位V1的时段T3a中，Pres变为高。第n块的电荷-电压转换器8被设置(重置)为高电位V1以选择该块。
在时段T4a中，Ptx1变为高以将累积在第n块的第一光电转换单元2中的电荷读出到列信号线10。这时，在Ptx1变为高之前和之后，执行列信号线10的电位的相关双采样，从而检测累积在第n块的第一光电转换单元2中的电荷量。
在Vres为高电位V1的时段T5a中，Presr和Ptxr2变为高。累积在第m块的第二光电转换单元3中的电荷被清除(重置)。
在Vres为低电位V2的时段T6a中，Presr、Presa和Pres变为高。所有块的电荷-电压转换器8被设置为低电位V2以使这些块成为未选择状态。
然后，在Vres为高电位V1的时段T7a中，Pres变为高。第n块的电荷-电压转换器8被设置(重置)为高电位V1以选择该块。
在时段T8a中，Ptx2变为高以把累积在第n块的第二光电转换单元3中的电荷读出到列信号线10。这时，在Ptx2变为高之前和之后，执行列信号线10的电位的相关双采样，从而检测累积在第n块的第二光电转换单元3中的电荷量。
如上文所述，在图5所示的驱动时序中，在从第n块的第一光电转换单元2和第二光电转换单元3读出电荷的水平周期HTa中，全局选择信号线9的电位Vres切换两次。全局选择信号线9连接到所有像素单元。由于该原因，当像素单元的数量增大时，线路的寄生电容增大，充电/放电时间变长。因此，从像素单元读出信号时需要很长的时间来切换电位。因此很难高速地从像素单元读出信号。
第m块的电荷清除操作和电位Vres的切换紧接在用于第n块的电荷读出操作的信号Ptx1或Ptx2变为高的时段之前完成。如果电荷清除操作或电位Vres的切换导致过渡电流(transient current)流过，则像素的电源电压或地电位变动。这大大影响紧接其后的电荷读出操作。更具体地，可能发生阴影(shading)等。
接下来，将描述图4所示的根据本发明的该实施例的成像设备的驱动时序，与根据图5所示的比较例的成像设备的驱动时序进行对比。
在Vres为高电位V1的时段T1中，Pres变为高。第n块的电荷-电压转换器8被设置(重置)为高电位V1以选择该块。
在时段T2中，Ptx1变为高，以把累积在第n块的第一光电转换单元2中的电荷读出到列信号线10。这时，在Ptx1变为高之前和之后，执行列信号线10的电位的相关双采样，从而检测累积在第n块的第一光电转换单元2中的电荷量。
在Vres为高电位V1的时段T3中，Pres变为高。第n块的电荷-电压转换器8再次被设置(重置)为高电位以保持该块被选择。
在时段T4中，Ptx2变为高以把累积在第n块的第二光电转换单元3中的电荷读出到列信号线10。这时，在Ptx2变为高之前和之后，执行列信号线10的电位的相关双采样，从而检测累积在第n块的第二光电转换单元3中的电荷量。
在Vres为高电位V1的时段T5中，Presr、Ptxr1和Ptxr2变为高。累积在第m块的第一光电转换单元2和第二光电转换单元3中的电荷被清除(重置)。
在Vres为低电位V2的时段T6中，Presr、Presa和Pres变为高。所有块的电荷-电压转换器8被设为低电位以使这些块成为未选择状态。
如上文所述，在图4所示的时序中，在从第n块的第一光电转换单元2和第二光电转换单元3读出电荷的水平周期HT中，全局选择信号线9的电位Vres只切换一次。这缩短从像素单元读出信号时用于电位切换的时间。本发明的该实施例的水平周期HT可以短于比较例的水平周期HTa(见图6)。因此能够高速地从像素单元读出信号。
另外，第m块的第一光电转换单元2和第二光电转换单元3的电荷清除操作同时执行。这缩短从像素单元读出信号时的电荷清除操作时间。从该视点来看，本发明的实施例的水平周期HT也可以短于比较例的水平周期HTa(见图6)。因此能够高速地从像素单元读出信号。
此外，由于全局选择信号线9的充电/放电次数也减少，因此消耗电流减小。
第m块的电荷清除操作和电位Vres的切换在用于第n块的电荷读出操作的信号Ptx1或Ptx2变为高的时段之后进行。由于该原因，即使当电荷清除操作或电位Vres的切换导致过渡电流流过，并且像素的电源电压或地电位变动时，电荷读出操作也不会大受影响。因此能够减少阴影并且获得满意的图像信号。
注意，在图4所示的时段T6中，驱动单元103可以驱动像素单元阵列PA以至少使被选择的像素单元成为未选择状态而非使所有像素单元成为未选择状态。
还要注意，尽管在成像设备的各像素单元中，两个光电转换单元共享输出单元(放大MOS晶体管)，但是本发明并不局限于此。例如，即使当各像素单元中四个光电转换单元共享输出单元(放大MOS晶体管)时，也可以获得与上文所述相同的效果。在这种情况下，电荷清除操作和电位Vres的切换可以在每次读出两个块的信号时执行，如图4所示。作为替换方案，电荷清除操作和电位Vres的切换可以在每次读出四个块的信号时完成。
如图7所示，清除第m块的第一光电转换单元2中的累积电荷的操作的时段T51可以与清除第m块的第二光电转换单元3中的累积电荷的操作的时段T52分离。各光电转换单元的累积时间是从电荷清除操作到电荷读出操作的时间。即，当时段T51与时段T52分离时，第一光电转换单元2的累积时间与第二光电转换单元3的累积时间可以很容易相等。
图8示出使用根据本发明的成像设备100的成像系统的一个示例。
如图8所示，成像系统90主要包括光学系统、该成像设备100和信号处理单元。光学系统主要包括快门91、拍摄镜头92和光阑93。信号处理单元主要包括成像信号处理电路95、A/D转换器96、图像信号处理单元97、存储单元87、外部I/F单元89、时序发生器98、总体控制/算术单元99、记录介质88和记录介质控制I/F单元94。信号处理单元不总是需要具有记录介质88。
快门91在光路上被设置在拍摄镜头92的前面以控制曝光。
照相镜头92折射入射光并使对象在成像设备100上成像。
光阑93在光路上被设置在拍摄镜头92和成像设备100之间，以调节从拍摄镜头92导向成像设备100的光量。
成像设备100把形成于像素单元阵列PA上的对象图像转换成图像信号。成像设备100从像素单元阵列PA读出图像信号并把它输出。
成像信号处理电路95连接到成像设备100以处理从成像设备100输出的图像信号。
A/D转换器96连接到成像信号处理电路95以把从成像信号处理电路95输出的经过处理的图像信号(模拟信号)转换成数字信号。
图像信号处理单元97连接到A/D转换器96以执行各种算术过程，例如对从A/D转换器96输出的图像信号(数字信号)的校正，从而生成图像数据。图像数据被提供给存储单元87、外部I/F单元89、总体控制/算术单元99和记录介质控制I/F单元94。
存储单元87连接到图像信号处理单元97以存储从图像信号处理单元97输出的图像数据。
外部I/F单元89连接到图像信号处理单元97。从图像信号处理单元97输出的图像数据经由外部I/F单元89传输到外部装置(例如，个人计算机)。
时序发生器98连接到成像设备100、成像信号处理电路95、A/D转换器96和图像信号处理单元97以向它们提供时序信号。成像设备100、成像信号处理电路95、A/D转换器96和图像信号处理单元97与时序信号同步地工作。
总体控制/算术单元99连接到时序发生器98、图像信号处理单元97和记录介质控制I/F单元94以控制它们。
记录介质88可拆卸地连接到记录介质控制I/F单元94。从图像信号处理单元97输出的图像数据经由记录介质控制I/F单元94记录在记录介质88中。
上述布置允许在成像设备100获得满意的图像信号的情况下获得满意的图像(图像数据)。
虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应该理解，本发明并不局限于公开的示例性实施例。应对下列权利要求的范围给予最宽的解释以便包括所有这样的修改以及等同结构和功能。

Claims (6)

1.一种成像设备，其包括具有二维排列的多个像素单元的像素单元阵列和驱动该像素单元阵列的驱动单元，其中
各像素单元包括多个光电转换单元、所述多个光电转换单元所共用的电荷-电压转换器、把由所述多个光电转换单元生成的电荷传输给电荷-电压转换器的多个传输单元、把基于传输给电荷-电压转换器的电荷的信号输出到信号线的输出单元、以及设置电荷-电压转换器的电位的设置单元，各像素单元根据由设置单元在电荷-电压转换器中设置的电位而被选择或不被选择，以及
所述驱动单元驱动像素单元阵列，以便输出单元连续地将基于由被选择的像素单元中的多个光电转换单元生成的电荷的信号输出到信号线，而不执行使所述被选择的像素单元成为未选择状态的操作。
2.根据权利要求1的设备，其中
驱动单元驱动像素单元阵列，以在输出单元连续地将所述基于由被选择的像素单元中的多个光电转换单元生成的电荷的信号输出到信号线之后，至少使所述被选择的像素单元成为未选择状态。
3.根据权利要求2的设备，其中
驱动单元驱动像素单元阵列，以在输出单元连续地将所述基于由被选择的像素单元中的多个光电转换单元生成的电荷的信号输出到信号线之后，使所述多个像素单元成为未选择状态。
4.根据权利要求1的设备，其中
驱动单元驱动像素单元阵列，以便输出单元经由使设置单元重置电荷-电压转换器的电位的操作，连续地将所述基于由被选择的像素单元中的多个光电转换单元生成的电荷的信号输出到信号线。
5.根据权利要求1的设备，其中
驱动单元驱动像素单元阵列，以在输出单元连续地将所述基于由被选择的像素单元中的多个光电转换单元生成的电荷的信号输出到信号线之后，在被选择的像素单元成为未选择状态之前，重置未选择的像素单元中的多个光电转换单元。
6.一种成像系统，包括：
根据权利要求1的成像设备；
把光导向成像设备的光学系统；和
处理从成像设备输出的信号以生成图像数据的信号处理单元。
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