CN101287064A - 固态成像设备及其驱动方法、信号处理方法和成像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固态成像设备及其驱动方法、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、第一驱动部件、第二驱动部件和第三驱动部件。

Description

固态成像设备及其驱动方法、信号处理方法和成像装置
技术领域
本发明涉及固态成像设备、驱动该固态成像设备的方法、用于该固态成像设备的信号处理方法和成像装置。
背景技术
图27示出了固态成像设备的单位像素100的配置的例子。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，将可以被转移到单位像素的浮动扩散电容器(floating diffusion capacitor；FD)106的累积电荷的最大量Qfd.max做得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，这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。这样，除转移晶体管102以外，此实施例的像素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27所示的单位像素100存在下列问题。
(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电容器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
在上述现有技术中，浮动扩散电容器106中累积的电荷的最大量Qfd.max小于光电转换元件101中累积的电荷的最大量Qpd.max。而且，如图28所示，转移了能够被转移到浮动扩散电容器106的所有电荷。因此，不能以浮动扩散电容器106中累积的电荷的最大量Qfd.max为单位来分割光电转换元件101中累积的电荷的最大量Qpd.max(A)。由于此原因，不能以任意电荷量为单位来多批转移光电转换元件101中累积的电荷的最大量Qpd.max(B)。
另外，如图29所示，在采用在多个像素之间共享浮动扩散电容器FD和读出电路200的配置的固态成像设备中，在某些情况下不能降低浮动扩散电容器FD的电容。在这些情况下，由于不能以多批转移信号电荷，因此不能将用于将以多批转移的信号分别与权重因子相加的处理应用于固态成像设备。结果，不能获得由于例如对应于光量的范围而改变灵敏度的这些处理带来的效果。
根据前述，因此希望提供一种固态成像设备，当转移电荷时，其能够以任意电荷量作为单位来多批转移通过光电转换元件中的光电转换而获得的信号电荷，以及驱动该固态成像设备的方法、其信息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；
第一驱动部件，被配置用于通过使用第一控制电压来驱动所述转移元件，其中在一个单位的累积时间段内在所述光电转换元件中累积的信号电荷的一部分被保持在所述光电转换元件中，其中所述转移元件根据所述第一控制电压来转移具有超过所保持的信号电荷量的量的累积电荷；
第二驱动部件，被配置用于通过使用第二控制电压来驱动所述转移元件，其中所述转移元件根据所述第二控制电压来转移在所述光电转换元件中所保持的所有信号电荷；以及
第三驱动部件，被配置用于驱动所述输出部分以便读出通过所述第一驱动部件和所述第二驱动部件连续进行驱动而转移的信号电荷。
根据本发明的另一实施例，提供了驱动通过排列单位像素而形成的固态成像设备的方法，其中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，所述方法包括步骤：
通过使用第一控制电压来驱动所述转移元件，其中在一个单位的累积时间段内在所述光电转换元件中累积的信号电荷的一部分被保持在所述光电转换元件中，其中所述转移元件根据所述第一控制电压来转移具有超过所保持的信号电荷量的量的累积电荷；
通过使用第二控制电压来驱动所述转移元件，其中所述转移元件根据所述第二控制电压来转移在所述光电转换元件中所保持的所有信号电荷；以及
读出通过连续进行使用所述第一控制电压的驱动和使用所述第二控制电压的驱动而转移的信号电荷。
根据本发明的另一实施例，提供了用于一种固态成像设备的信息处理方法，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；
第一驱动部件，被配置用于通过使用第一控制电压来驱动所述转移元件，其中在一个单位的累积时间段内在所述光电转换元件中累积的信号电荷的一部分被保持在所述光电转换元件中，其中所述转移元件根据所述第一控制电压来转移具有超过所保持的信号电荷量的量的累积电荷；
第二驱动部件，被配置用于通过使用第二控制电压来驱动所述转移元件，其中所述转移元件根据所述第二控制电压来转移在所述光电转换元件中所保持的所有信号电荷；以及
第三驱动部件，被配置用于驱动所述输出部分以便读出通过所述第一驱动部件和所述第二驱动部件连续进行驱动而转移的信号电荷，
所述信号处理方法包括步骤：
在由所述第一和第二驱动部件对所述转移元件的驱动下，将通过所述第三驱动部件的驱动而从所述输出部件连续读出的多个输出信号相加。
根据本发明的另一实施例，提供了一种成像装置，包括：
通过排列单位像素而形成的固态成像设备，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；以及
光学系统，用于将入射光聚焦到所述固态成像设备的成像区域上；
其中，所述固态成像设备包括：
第一驱动部件，被配置用于通过使用第一控制电压来驱动所述转移元件，其中在一个单位的累积时间段内在所述光电转换元件中累积的信号电荷的一部分被保持在所述光电转换元件中，其中所述转移元件根据所述第一控制电压来转移具有超过所保持的信号电荷量的量的累积电荷；
第二驱动部件，被配置用于通过使用第二控制电压来驱动所述转移元件，其中所述转移元件根据所述第二控制电压来转移在所述光电转换元件中所保持的所有信号电荷；
第三驱动部件，被配置用于驱动所述输出部分以便读出通过所述第一驱动部件和所述第二驱动部件连续进行驱动而转移的信号电荷；以及
信号处理部件，被配置用于在由所述第一和第二驱动部件对所述转移元件的驱动下，将通过所述第三驱动部件的驱动而从所述输出部件连续读出的多个输出信号相加。
根据本发明的实施例，连续执行(其中在一个单位的累积时间段内在所述光电转换元件中累积的信号电荷的一部分被保持在所述光电转换元件中)通过使用第一控制电压来驱动所述转移元件的操作和通过使用第二控制电压来驱动所述转移元件的操作，其中所述转移元件根据所述第一控制电压来转移具有超过所保持的信号电荷量的量的累积电荷，所述转移元件根据所述第二控制电压来转移在所述光电转换元件中所保持的所有信号电荷。而且，适当设置第一控制电压的电压值。结果，可以以任意电荷量为单位来多批转移通过光电转换元件中的光电转换而获得的信号电荷。
附图说明
图1是示出了根据本发明的实施例的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所示的供应电压控制电路的电路配置的例子的电路图；
图5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；
图6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；
图7是说明三分割转移的情况下的操作的能量图；
图8是示出了作为TRG驱动电压和光电转换元件中所保持的电荷数之间的关系的例子的实验结果的图；
图9是示出了两分割转移的情况下的驱动时序的例子的时序图；
图10是说明两分割转移的情况下的操作的图；
图11是示出了n分割转移的情况下的驱动时序例子的时序图；
图12是示出了例子1的列电路的配置例子的方框图；
图13是示出了输出信号选择电路、输出信号保持电路和输出信号加法电路的具体电路例子的电路图；
图14是示出了复位脉冲ADDRDT和选择脉冲S1、S2和S3之间的关系的时序图；
图15是示出了例子2的列电路的配置例子的方框图；
图16是示出了例子3的列电路的配置例子的方框图；
图17是例子3的列电路中的ADC电路的具体配置例子的方框图；
图18是示出了参考信号Vref、从电压比较器获得的比较结果Vco和计数器的计数值的波形的时序波形图；
图19是说明当在三分割转移期间以不同转换精度执行A/D转换时的处理的图；
图20是示出了每个都与入射光的亮度成比例的信号电平和噪声电平之间的关系的特性图；
图21是示出了设置不同的A/D转换精度的具体例子的示意图；
图22是示出了入射光强度(累积电荷)和读出的信号的噪声电平之间的关系的特性图；
图23是示出了变型1的单位像素的像素电路的电路图；
图24是示出了变型2的单位像素的像素电路的电路图；
图25是示出了变型3的单位像素的像素电路的电路图；
图26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；
图27是示出了现有技术中的单位像素的配置例子的电路图；
图28A和28B是分别说明现有技术中的问题的图(部分1)；以及
图29是说明现有技术中的问题的图(部分1)。
具体实施方式
下文中将参考附图详细描述本发明的优选实施例。
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10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(下文中，在某些情况下简称为“像素”)20的单位像素。
例如，提供垂直扫描电路12、供应电压控制电路13、电压供应电路14、定时生成电路(TG)15、多个列电路16、水平扫描电路17、列信号选择电路18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，布置垂直信号线111，并对每个像素行，布置驱动控制线，例如转移控制线112、复位控制线113和选择控制线114。
恒定电流源19分别连接到垂直信号线111的一端。代替使用恒定电流源16，可以使用用于电流偏置的晶体管，其中例如由偏置电压Vbias偏置该晶体管的栅电极。在该情况下，用于电流偏置的晶体管与稍后将描述的放大晶体管24一起配置源跟随器(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。
供应电压控制电路13控制供应(施加)至像素单元20中的转移晶体管22(转移元件)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13的具体配置。
电压供应电路14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13。将多个控制电压作为具有不同电压值的转移脉冲而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)15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连续地将具有不同电压值的转移脉冲TRG供应至转移晶体管22的栅电极的定时。
例如，列电路16被布置为分别对应于像素阵列单元11的像素列，即具有与像素列的一一对应关系。列电路16对通过各个垂直信号线111从属于通过垂直扫描电路12的垂直扫描操作所选择的读出行的像素20连续输出的信号执行预定处理，并在预定信号处理完成后将像素信号临时保持在其中。
具有用于采样和保持通过垂直信号线111输出的像素信号的采样和保持电路的电路配置，具有包括采样和保持电路的、用于通过执行相关双采样(CDS)处理而移除复位噪声或由于放大晶体管24的阈值漂移而引起的像素中固有的固定模式噪声的噪声移除电路的电路配置等用于列电路16。
然而，上述电路配置仅是示例，因此本发明的实施例绝不限于此。例如，也能够采用向列电路16给出模拟-数字(A/D)转换功能使得以数字信号形式输出具有预定信号电平的像素信号的电路配置。
水平扫描电路17包括移位寄存器、地址解码器等。水平扫描电路17以被布置为分别对应于像素阵列单元11的像素列的顺序来水平扫描列电路17。列信号选择电路18包括水平选择开关、水平信号线等。列信号选择电路18与水平扫描电路17的水平扫描操作同步地连续输出分别被临时保持在列电路16中的像素信号。
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的每个成为垂直扫描电路12、列电路16、水平扫描电路17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的漏电极连接到复位线，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。
注意，尽管在此已经给出了将本发明的实施例应用于包括单位像素20的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29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。
[供应电压控制电路]
供应电压控制电路13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14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、以及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14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，通过该电压可以将其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，并将截止电压设置为地电压，优选地，设置为比地电压低的电压。另外，在该实施例中，使用具有不同电压值的两个中间电压，具体地，每个都比截止电压Voff大并且都比导通电压Von小的两个中间电压Vmid0和Vmid1，作为中间电压Vmid。这样，在转移晶体管22是P沟道的情况下，地电压和电源电压Vdd分别成为导通电压Von和截止电压Voff。因此，中间电压Vmid变为每个都比导通电压Von大并且都比截止电压Voff小的两个中间电压Vmid0和Vmid1。
结果，将四个电压，即导通电压Von、中间电压Vmid0和Vmid1以及截止电压Voff，从电压供应电路14供应至供应电压控制电路13。四个电压的电压值示出了关系Voff＜Vmid0＜Vmid1＜Von。而且，导通电压Von、中间电压Vmid0和Vmid1以及截止电压Voff中的每个都用作转移脉冲TRG。
为了控制分别从电压供应电路13供应中间电压Vmid0和Vmid1和导通电压Von的定时，将三个定时信号OTRF1、PTRG2和PTRG3从定时生成电路15供应至供应电压控制电路13。供应电压控制电路13基于定时信号OTRF1、PTRG2和PTRG3选择中间电压Vmid0和Vmid1和导通电压Von之一，并将所选择的一个作为中间电压Vmid供应至转移晶体管22的栅电极。
图4是示出供应电压控制电路1 3的电路配置的例子的电路图。如图4所示，供应电压控制电路13包括分别对应于四个电压，即中间电压Vmid0和Vmid1、导通电压Von和截止电压Voff的四个电路块131至134，三输入NOR(异或)电路135。
将地址信号ADR从垂直扫描电路12公共地供应至每个电路块131至134。将定时信号PTRG1、PTRG2和PTRG3作为三个输入从定时生成电路15供应至NOR电路135。
电路块131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)电路1311、电平移位器1312和P沟道驱动晶体管1313。电路块131选择中间电压Vmid0，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132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1321以及P沟道驱动晶体管1322。电路块132选择中间电压Vmid1，并将由此选择的中间电压Vmid1供应至转移晶体管22的栅电极。
电路块133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NAND电路1331以及N沟道驱动晶体管1332。电路块133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134包括用于接收地址信号ADR和来自NOR电路135的输出信号作为其两个输入的AND(与)电路1341、用于在具有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1341的输出信号的OR(或)电路、电平移位器1343以及N沟道驱动晶体管1344。电路块134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。
为了供应比地电压低的电压(例如-1.0V)作为据此截止转移晶体管22的截止电压Voff，电路块134采用与其他电路块131、132和133不同地、基于NOR电路135的操作而操作的电路配置。
图5示出了供应电压控制电路13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Vmid1、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，将分别与之对应的中间电压Vmid0和Vmid1以及导通电压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之外的情况下，供应截止电压Voff。
以如上所述方式，在供应电压控制电路13的控制下，对每个像素行，将中间电压Vmid0和Vmid1和导通电压Von以此顺序、与垂直扫描电路12的垂直扫描操作同步地从供应电压控制电路13连续供应到转移晶体管22的栅电极。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。
[三分割转移]
下文中，将参考图6的时序图和图7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7中，操作(1)到(11)分别对应于图6所示的时间段(1)到(11)。
当对于某个像素行的一个单位的累积时间段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从垂直扫描电路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该复位操作同步的某个时间段时，将中间电压Vmid0和Vmid1和导通电压Von以此顺序从供应电压控制电路13连续供应到转移晶体管22的栅电极。
对于时间段(1)，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冲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，对于时间段(2)，将中间电压Vmid0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-Qmid0)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Vmid1施加到转移晶体管11的栅电极。中间电压Vmid1的施加使得电荷(Qpd0-Qmid1)被转移到浮动扩散电容器26，同时电荷Qmid0的部分电荷Qmid1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(Qpd0-Qmid1)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(10)，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Qmid1被转移到浮动扩散电容器26。
接下来，对于时间段(11)，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Qmid1相对应的信号读出到垂直信号线111。
图8示出了作为TRG驱动电压(施加到转移晶体管22的栅电极的转移脉冲TRG)和光电转换元件21中保持的电荷数之间的关系的例子的实验结果。
在此情况下，示出了当将在导通电压Von和截止电压Voff之间的中间电压Vmid施加到具有饱和电子数大约为5,500e-的光电转换元件21时光电转换元件21中所保持的电荷数，其中分别根据导通电压Von和截止电压Voff导通和截止转移晶体管22。
图8还示出了当执行三分割转移的驱动同时将中间电压Vmid设置为Vmid0和Vmid1时所保持的电荷的数量Qmid0和数量Qmid1作为例子。以这种方式设置中间电压Vmid的电压值和中间电压Vmid1的数量使得可以以任意数量的转移电荷作为单位并以任意多个分割来转移光电转换元件21中累积的电荷，并且可以输出与基于该分割而转移的电荷相对应的信号。
在三分割转移的情况下，每个中间电压Vmid0和Vmid1成为第一控制信号，并且导通电压Von成为第二控制信号。
(两分割转移)
图9示出了在某个像素行中的两分割转移的情况下的驱动时序的例子，并且图10示出了说明两分割转移的情况下的操作的图。在图10中，操作(1)到(7)对应于图9所示的时间段(1)到(7)。两分割转移情况下的转移操作的数量仅比三分割转移情况下的数量少一个。因此，两分割转移的情况下的基本操作与三分割转移的情况一致。
在两分割转移的情况下，中间电压Vmid0成为第一控制电压，并且导通电压Von成为第二控制电压。
<n分割转移>
如从上变得更清楚的，可以任意设置用于转移操作的分割的数量。而且，当执行n分割转移(n：2或更大的整数)时，如图11所示，需要按顺序将(n-1)个中间电压Vmid0、Vmid1、...、Vmid(n-2)和导通电压Von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-1)个中间电压Vmid0至Vmid(n-2)的每个成为第一控制电压，并且导通电压Von成为第二电压。
在基于包括上述的三分割转移、四分割转移等的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16。
在具有上述配置的CMOS图像传感器10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)的垂直扫描电路12包括第一驱动部分、第二驱动部分和第三驱动部分。在该情况下，在一个单位的累积时间段内在光电转换元件21中累积的信号电荷的一部分被保持在光电转换元件21中的情况下，第一驱动部分通过使用第一控制电压来驱动转移晶体管22，其中根据该第一控制电压，由转移晶体管22转移具有超过所保持的信号电荷量的量的累积电荷。第二驱动部分通过使用第二控制信号来驱动转移晶体管22，其中根据该第二控制信号，由转移晶体管22转移光电转换元件21中所保持的所有信号电荷。而且，第三驱动部分驱动输出部分(包括复位晶体管23和选择晶体管25)，以便读出通过连续进行第一驱动部分的驱动和第二驱动部分的驱动而转移的信号电荷。
[列电路]
下文中，将通过给出例子1至3作为具体例子来描述列电路1 6的配置例子。现在将通过给出每个都对应于三分割基础转移(tri-partition basis transfer)的配置的情况作为例子来描述例子1至3。
(例子1)
图12是示出例子1的列电路16A的配置例子的方框图。在图中，由相同的参考标记来指示与先前参考图1描述的单元相同的单元。在此情况下，为了附图的简洁，示出了用于两列的单位像素20和列电路16A。
例子1的列电路16A包括噪声移除电路161、输出信号选择电路162、输出信号保持电路163和输出信号加法电路164。
噪声移除电路161由CDS电路组成。噪声移除电路161连续获取第一次、第二次、第三次复位电平与信号电平(从单位像素20连续供应各个信号)之间的差，由此移除复位噪声和由于放大晶体管24的阈值的漂移而引起的每个像素中固有的固定模式噪声等。
在上述情况下，目前已经通过给出每个像素列布置了噪声移除电路161的配置的情况作为例子而给出了描述。然而，也可采用提供噪声移除电路161作为输出放大器30的一个单元的配置，同时列信号选择电路17单独选择复位电平和信号电平，并将具有复位电平的信号和具有信号电平的信号供应至输出放大器30的噪声移除电路161，并且噪声移除电路161执行CDS处理。
输出信号选择单元162按对应于第一次、第二次和第三次分割转移操作的顺序而连续选择从噪声移除电路161输出的输出信号的一些，并命令输出保持电路162将由此按顺序选择的输出信号分别保持在其保持单元163-1、163-2和163-3中。输出信号加法单元164分别将在保持单元163-1、163-2和163-3中保持的第一次、第二次和第三次输出信号彼此相加。
在此情况下，列电路16A执行将对应于第一次、第二次和第三次分割转移操作的输出信号相加的处理。然而，也可采用这样的配置，使得在对应于第一次、第二次和第三次分割转移操作的输出信号被读出到CMOS图像传感器10外之后，外部信号处理系统执行将这些输出信号彼此相加的处理。
图13是示出输出信号选择电路162、输出信号保持电路163和输出信号加法电路164的具体电路的例子的电路图。
输出信号选择电路162包括MOS晶体管162-1、162-2和162-3。响应于分别与第一次、第二次和第三次分割转移操作同步的选择脉冲S1、S2和S3，MOS晶体管162-1、162-2和162-3按顺序导通，由此选择第一次、第二次和第三次输出信号。
输出信号保持电路163的保持单元163-1、163-2和163-3例如包括分别与MOS晶体管162-1、162-2和162-3串联的电容器。保持单元163-1、163-2和163-3中保持分别由MOS晶体管162-1、162-2和162-3选择的输出信号。
输出信号加法电路164被连接在复位电源VRST和输出信号保持电路163的输出节点之间。输出信号加法电路164包括MOS晶体管164-1、MOS晶体管164-2和电流源164-3。在此，响应于复位脉冲ADDRST而导通MOS晶体管164-1。MOS晶体管164-2的栅电极与输出信号保持电路163的输出节点连接，并且其漏电极与电源Vdd连接。而且，电流源164-3被连接在MOS晶体管164-2的源电极和地之间。
图14示出了复位脉冲ADDRST以及选择脉冲S1、S2和S3之间的时序关系。
在具有上述配置的列电路16A中，响应于复位脉冲ADDRST，MOS晶体管164-1导通，使得输出信号加法电路164变成初始状态。接下来，对于在第一次、第二次和第三次分割转移操作中转移的输出信号，分别响应于选择脉冲S1、S2和S3，连续导通MOS晶体管162-1、162-2和162-3。结果，这些输出信号分别被保持在保持单元163-1、163-2和163-3中。而且，在分割基础转移上所转移的所有输出信号分别被保持在输出信号保持电路163的保持单元163-1、163-2和163-3中的时间点上，MOS晶体管164-2从其源电极输出通过将这些输出信号彼此相加而获得的输出信号。
如目前为止已经描述的，在n分割基础转移操作中转移在一个单位的累积时间段内在单位像素20中累积的信号电荷，并将分别对应于n分割基础转移操作的输出信号彼此相加。结果，由于可以以高转换效率读出累积的电荷而不削弱饱和电平，因此能够实现高灵敏度图像传感器。除此之外，由于防止输出率与分割的数量n成比例地增加，因此能够实现高帧频。
顺便提及，通过例如降低在浮动扩散电容器(电荷-电压转换单元)26上寄生的寄生电容而增加转换效率的方法、增加读出电路的电压放大因子的方法等已知为实现高灵敏度图像传感器的方法。然而，采用这样的方法，限制了能够通过电荷转移而从感光转换元件21读出的电荷的最大量，从而削弱了饱和电平。
另一方面，根据例子1，可以使用中间电压Vmid通过转移驱动将读出操作的数量分成任意次数的读出操作，其中以任意电荷量作为单位。因此，可以以多批读出光电转换元件21中累积的所有电荷，而与浮动扩散电容器(电荷-电压转换单元)26的电容或初始电压无关。
(例子2)
图1 5是示出了例子2的列电路16B的配置例子的方框图。在图中，由相同的参考标记分别指示与之前参考图12所描述的那些单元相同的单元。
例子2的列电路16B包括被提供在噪声移除电路161的后一级中的模拟-数字转换(ADC)电路165。列电路16B采用以下配置。也就是说，输出信号选择电路162连续选择对应于第一次、第二次和第三次分割转移操作按顺序从噪声移除电路161输出的并然后在ADC电路165中数字化的输出信号。然后将得到的数字输出信号分别保持在输出信号保持电路162的保持单元163-1、163-2和163-3中。而且，加法电路164将第一次、第二次和第三次数字输出信号彼此相加。
也就是说，例子1的列电路16A通过对在第一次、第二次和第三次分割基础转移操作中转移的输出信号的模拟处理来执行相加处理。另一方面，例子2的列电路16B通过对在第一次、第二次和第三次分割基础转移操作中转移的输出信号的数字处理来执行相加处理。因此，例子2的列电路16B与例子1的列电路16A的不同之处仅在于此方面，并且因此在基本的电路操作中与例子1的列电路16A一致。
(例子3)
图16是示出了例子3的列电路16C的配置例子的方框图。在图中，由相同的参考标记分别指示与之前参考图12描述的那些单元相同的单元。
例子3的列电路16C由具有加法功能的ADC电路166组成。除了加法功能之外，ADC电路166具有噪声移除(CDS处理)功能。然而，ADC电路具有噪声移除功能并不是必要的。也就是说，如在例子2中的情况，可采用噪声移除电路被布置在ADC电路166的前一级的一侧的配置。
图1 7是示出了A/D转换单元166的具体配置的例子的方框图。如图17所示，该例子的ADC电路166包括电压比较器1661和计数器1662。
电压比较器1661在其反相(-)输入端接收具有斜波形的参考信号Vref，并在其非反相(+)端接收通过垂直信号线111从单位像素20供应的输出信号Vout。当输出信号Vout的电平高于参考信号Vref的电平时，电压比较器1661输出比较结果Vco。
计数器1662包括上/下计数器。计数器1662对于电压比较器1661的比较结果Vco的变化所需的时间段，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。
图18示出了具有斜波形的参考信号Vref的波形和从电压比较器1661获得的比较结果Vco以及计数器1662中的计数值。
在该例子中，对于基于三分割转移获得的输出信号，在用于读出具有复位电平的信号的第一次读出操作中，计数器1662中的计数值递减，并且然后在用于读出具有信号电平的信号的第一次读出操作中，计数器1662中的计数值递增。结果，获得了对应于复位电平与信号电平之间的差的计数值(噪声移除处理)。
以这种方式，与A/D转换处理同时执行噪声移除处理。另外，在用于读出具有复位电平的信号的第二次读出操作中，计数器1662中的计数值递减，并且在用于读出具有信号电平的信号的第二次读出操作中，计数器1662中的计数值递增，以便遵循第一次A/D转换处理。结果，可以将第二次噪声移除处理完成后的结果与第一次噪声移除处理完成后的结果相加(加法处理)。
也就是说，对于基于三分割转移而获得的输出信号，重复执行用于获取与复位电平和信号电平之间的差相对应的计数值的操作，以便重复递增或递减计数器1662中的计数值。结果，能够获得通过将基于各个分割转移的读出操作中的复位电平和信号电平之间的差相加而获得的数字输出信号。从以上很明显，可以将图12的噪声移除电路161、输出信号保持电路163和输出信号加法电路164的功能赋予ADC电路166。
列电路16C以上述方式由具有加法功能的ADC电路166组成，使得除了例子1的操作和效果之外，保持单元163-1、163-2和163-3变为不必要的，并且也不需要对应于分割基础转移的分割数量来增加保持单元163-1、163-2和163-3的数量。结果，能够简化列电路16C的电路配置。
另外，采用ADC电路166具有噪声移除功能的配置，还使得噪声移除电路161也是不必要的。结果，能够进一步简化列电路16C的电路配置。
<具有不同转换精度的A/D转换>
在此，在如图18所示的基于n分割转移的所有读出操作中，在每次执行A/D转换时，以相同的转换精度对从单位像素20读出的输出信号执行A/D转换，并且功耗与分割数量n成比例地增加。
另一方面，对于n分割转移操作中转移的输出信号，以不同的转换精度执行A/D转换，并且将得到的数字输出信号彼此相加，这样得到的是，可以获得诸如A/D转换所需的执行时间(转换速度)的改进、功耗的降低等的效果，而不削弱图像质量。下面具体描述这个方面。
图19是说明当在三分割转移期间以不同转换精度执行A/D转换时的处理的图。该处理是这样的例子，其中在第一次读出操作中，以相对低的转换精度执行A/D转换，并且还对第二次和第三次读出操作连续增加转换精度。以这种方式，基于分割转移的n个读出操作的输出信号经历了不同转换精度的A/D转换，以彼此相加，由此使得能够获得这样的A/D转换特性，其中转换精度与入射光的亮度相对应地逐个变化。
其原因在于，由于当入射光的亮度低时，光电转换元件21中累积的电荷数较少，因此在第一分割基础转移中不生成输出，并且仅在用以生成具有超过取决于中间电压的阈值的量的累积电荷的亮度情况下，电荷才被转移。
在如图8所示的例子中的基于三分割转移电荷的情况下，当生成数量小于所保持的电荷的数量Qmid1的累积电荷时，即，当入射光的亮度较低时，仅在第三次转移操作中获得输出信号。另一方面，当存在数量超过所保持的电荷的数量Qmid0的累积电荷时，即，当入射光的亮度较高时，由于从第一次转移操作开始转移电荷，因此获得输出信号。
结果，如图19所示，能够获得这样的特性，其中当亮度较低时，应用高A/D转换精度，而当亮度较高时，应用与低A/D转换精度连续混合的A/D转换精度。
在此，粗略地将输出信号的噪声电平分类成当没有入射光的亮度时在电路等中生成的暗阶段噪声以及由取决于入射光的亮度的、以入射光亮度的平方根的形式获得的能量所生成的光射噪声(optical shot noise)。由于此原因，如图20所示，噪声电平具有这样的特性，其中对于与入射光的亮度成比例的信号电平，将具有信号电平的平方根特性的光射噪声与暗阶段噪声相加。
由于优选A/D转换精度(即A/D转换中的最小检测单位)比噪声电平低，在低亮度情况下，需要以高精度执行A/D转换。然而，在高亮度的情况下，光射噪声是主要的。因此，即使当以低精度对输出信号执行A/D转换而增加A/D转换中的量化误差时，也很难削弱图像质量。
<设置不同A/D转换精度的具体例子>
随后，将参考图21给出关于以图17所示的ADC电路166的配置设置不同的A/D转换精度的具体例子的描述。
使得参考信号Vref的倾斜是N形的(N-fold)，由此使得能够将每一计数的电压值(即A/D转换中的最小检测量)变得粗糙。例如，如图21所示，在第一次读出操作中，使得参考信号Vref的倾斜程度(ramp)是第二次读出操作中的参考信号Vref的倾斜程度的两倍，由此将具有设置了低转换精度的A/D转换应用于第一次读出操作。
另一方面，当将基于三分割转移而转移的输出信号彼此相加时，在时钟CK的一个时钟内计数值增加了N，这使得可以用相同的权重因子将基于三分割转移而转移的输出信号彼此相加，其中与时钟CK同步地操作计数器1662。
例如，当如图21所示参考信号Vref的倾斜程度是两倍时，每个时钟计数值增加2或减少2，这使得执行具有相同权重因子的加法，同时降低了转换精度。
另外，改变参考信号Vref的倾斜程度而使得计数值不是N形的，或者使得计数值是N形的而不改变参考信号Vref的倾斜程度，这使得也可以将基于分割转移而转移的输出信号彼此相加，同时分别乘以任意的权重因子。
图22是示出了当将光电转换元件21中累积的电荷的最大量设置为10,000个电子时入射光强度(累积电荷)与读出的信号的噪声电平之间的关系的特性图。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-，并且包含对应于累积电荷的光射噪声作为噪声分量。
如图22所示，在具有较少的累积电荷的低亮度区域中，暗阶段噪声电平是主要的。然而，当入射光的强度增加并且累积的电荷量因此增加时，光射噪声变成主要的。由于此原因，将设置了高转换精度的A/D转换应用到低亮度，导致即使在例如如图22所示，将设置了低转换精度的A/D转换应用于高亮度的情况下，由于在A/D转换中量化误差没有变为主要的，因此很难恶化图像质量。
在此例子中，在12位、10位和8位的A/D转换中，每1LSB的转换精度分别是2.4e-、9.8e-和39.1e-。因此，当如图22所示基于四分割而转移累积电荷时，将如图13所示的转换精度应用于相应的四个分割，使得取决于与1LSB相对应的电子数的量化误差比诸如光射噪声的噪声分量小得多。结果，这很难对图像质量产生不利影响。
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CMOS图像传感器(其包括具有通过一个转移晶体管22基于分割转移将光电转换元件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信号线111的配置的单位像素20)的情况作为例子而给出了描述，但是本发明绝不限于此，并且可以做出各种改变。
(变型1)
图23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指示与先前参考图2所描述的那些单元相同的单元。
如图23所示，变型1的单位像素20A包括用于单个光电转换元件21的转移晶体管22-1至22-n、复位晶体管23-1至23-n、放大晶体管24-1至24-n、选择晶体管25-1至25-n和浮动扩散电容器26-1至26-n，以便对应于分割基础转移中的分割的数量n。
在单位像素20A中，由转移晶体管22-1至22-n基于分割转移将光电转换元件21中的电荷分别转移到单独的浮动扩散电容器26-1至26-n，以分别通过分离的输出电路(包括复位晶体管23-1至23-n、放大晶体管24-1至24-n和选择晶体管25-1至25-n)获得以n个系统的输出信号Vout-1至Vout-n的形式的电荷。
如目前为止已经描述的，还可以将本发明的实施例应用于包括单位像素20A的CMOS图像传感器，该单位像素20A具有通过转移晶体管22-1至22-n基于分割转移将光电转换元件21中的电荷分别转移到单独的浮动扩散电容器26-1至26-n以分别通过分离的输出电路而读出的配置。另外，将分别通过分离的输出电路而读出的n个系统的输出信号Vout-1至Vout-n彼此相加，由此使得能够获得与上述实施例的情况相同的操作和效果。
(变型2)
图24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指示与先前参考图2所述的那些单元相同的单元。
如图24所示，配置变型2的单位像素20B，使得电流源31被连接在与放大晶体管24串联的选择晶体管25的漏电极与电源之间，并且从选择晶体管25的漏节点得到输出信号Vout。
在单位像素20B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和垂直信号线111之间的寄生电容的电容值Ci。因此，使得寄生电容的电容器Ci比浮动扩散电容器26的电容值Cfd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Qi.max＜Qfd.max的关系，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，必须以比累积电荷的最大量Qfd.max更小的累积的电荷最大量Qi.max作为一个单位，基于分割转移来转移在光电转换元件21中累积的、具有量Qpd的电荷。
如目前为止已经描述的，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20B的CMOS图像传感器在S/N比率方面具有优势，而可能存在对于能够在一个读出操作中读出的电荷量的限制。
将根据本发明的实施例的分割转移应用于包括单位像素20B的图像传感器，以便基于分割转移来转移光电转换元件21中的电荷，这使得可以根据读出电路的输出范围，有效地输出光电转换元件21中生成的所有电荷。
另外，在图24所示的变型1的单位像素20B中，必须在读出电路的操作点处设置复位阶段中的电荷-电压转换单元(浮动扩散电容器26)的电压。然而，根据本发明的实施例的分割基础转移的应用使得能够控制基于分割转移而转移的电荷量，而不依赖于电荷-电压转换单元的电势。
(变型3)
图25是示出变型3的单位像素20C的像素电路的电路图。在图中，分别由相同的参考标记来指示与先前参考图2所述的那些单元相同的单元。
如图25所示，配置变型3的单位像素20C，使得代替放大晶体管24，在浮动扩散电容器26和选择晶体管25之间连接逆放大电路27，并且复位晶体管23与逆放大电路27并联。以这种方式在像素内部提供逆放大电路27，使得可以放大信号电平以提高S/N比率。
在包括单位像素20C(以这种方式在像素内部提供逆放大电路27)的CMOS图像传感器中，当将逆放大电路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超出了输出Vout的可输出范围ΔVout.pp。
在此情况下，为了以输出信号的形式输出所有电荷，必须以如下电荷量为单位来执行分割基础转移：其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)设置为最大值。
将根据本发明的实施例的分割基础转移应用于包括单位像素20C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ΔVout.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如下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，将每个用于检测以物理量的形式的、对应于可见光量的信号电荷的单位像素排列为矩阵。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都使用列系统(其中，对像素阵列单元的每个像素列排列列电路)的一般固态成像设备。
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，以及诸如指纹检测传感器的、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。
[成像装置]
图26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26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10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，上述实施例的CMOS图像传感器10用作其固态成像设备52，这使得通过CMOS图像传感器10，可以以高转换效率读出累积电荷而不削弱饱和电平。因而，能够实现高灵敏度成像装置。
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12日在日本专利局提交的日本专利申请JP2007-104425有关的主题，通过引用将其全部内容合并于此。

Claims (17)

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；
第一驱动部件，被配置用于通过使用第一控制电压来驱动所述转移元件，其中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信号电荷的一部分被保持在所述光电转换单元中，其中所述转移元件根据所述第一控制电压来转移具有超过所保持的信号电荷量的量的累积电荷；
第二驱动部件，被配置用于通过使用第二控制电压来驱动所述转移元件，其中所述转移元件根据所述第二控制电压来转移在所述光电转换单元中所保持的所有信号电荷；以及
第三驱动部件，被配置用于驱动所述输出部分以便读出通过所述第一驱动部件和所述第二驱动部件连续进行驱动而转移的信号电荷。
2.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中，所述第一驱动部件将具有不同电压值的控制电压作为第一控制电压供应给所述转移元件两次或更多次，并且以两批或更多批转移所述光电转换单元中累积的信号电荷。
3.根据权利要求1所述的固态成像设备，还包括：
加法部件，被配置用于在由所述第一和第二驱动部件对所述转移元件的驱动下，将通过所述第三驱动部件的驱动而从所述输出部件连续读出的多个输出信号相加。
4.根据权利要求1所述的固态成像设备，还包括：
模拟-数字转换部件，被配置用于在由所述第一和第二驱动部件对所述转移元件的驱动下将通过所述第三驱动部件的驱动而从所述输出部件连续读出的多个输出信号相加的同时，执行模拟-数字转换。
5.根据权利要求1所述的固态成像设备，还包括：
模拟-数字转换部件，被配置用于对在由所述第一和第二驱动部件对所述转移元件的驱动下、通过所述第三驱动部件的驱动而从所述输出部件连续读出的多个输出信号执行具有不同转换精度的模拟-数字转换。
6.根据权利要求1所述的固态成像设备，还包括：
模拟-数字转换部件，被配置用于在由所述第一和第二驱动部件对所述转移元件的驱动下将通过所述第三驱动部件的驱动而从所述输出部件连续读出的多个输出信号相加的同时，执行具有不同转换精度的模拟-数字转换。
7.根据权利要求5所述的固态成像设备，其中所述模拟-数字转换部件对应于多个输出信号从所述输出部件的读出而逐渐增加转换精度。
8.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中所述单位像素包括：
多个转移元件，被配置用于以多批转移通过所述光电转换单元中的光电转换而获得的信号电荷；以及
多个输出部件，被配置用于输出由所述多个转移元件转移到其处的信号电荷。
9.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中所述单位像素还包括：
电荷-电压转换单元，由所述转移元件将通过所述光电转换单元中的光电转换而获得的信号电荷的一部分从所述光电转换单元转移到该电荷-电压转换单元；以及
被配置用于以下的部件：在由所述输出部件从所述电荷-电压转换单元中读出通过所述光电转换单元中的光电转换而获得的信号电荷的所述一部分之后，以预定电势复位所述电荷-电压转换单元。
10.一种驱动通过排列单位像素而形成的固态成像设备的方法，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由所述转移元件所转移的信号电荷的输出部件，所述方法包括步骤：
通过使用第一控制电压来驱动所述转移元件，其中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信号电荷的一部分被保持在所述光电转换单元中，其中所述转移元件根据所述第一控制电压来转移具有超过所保持的信号电荷量的量的累积电荷；
通过使用第二控制电压来驱动所述转移元件，其中所述转移元件根据所述第二控制电压来转移在所述光电转换单元中所保持的所有信号电荷；以及
读出通过连续进行使用所述第一控制电压的驱动和使用所述第二控制电压的驱动而转移的信号电荷。
11.根据权利要求10所述的驱动固态成像设备的方法，其中将具有不同电压值的控制电压作为第一控制电压供应给所述转移元件两次或更多次，并且以两批或更多批转移所述光电转换单元中累积的信号电荷。
12.根据权利要求10所述的驱动固态成像设备的方法，其中所述单位像素还包括：
电荷-电压转换单元，由所述转移元件将通过所述光电转换单元中的光电转换而获得的信号电荷的一部分从所述光电转换单元转移到该电荷-电压转换单元，其中在由所述输出部件从所述电荷-电压转换单元中读出通过所述光电转换单元中的光电转换而获得的信号电荷的所述一部分之后，以预定电势复位所述电荷-电压转换单元。
13.一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；
第一驱动部件，被配置用于通过使用第一控制电压来驱动所述转移元件，其中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信号电荷的一部分被保持在所述光电转换单元中，其中所述转移元件根据所述第一控制电压来转移具有超过所保持的信号电荷量的量的累积电荷；
第二驱动部件，被配置用于通过使用第二控制电压来驱动所述转移元件，其中所述转移元件根据所述第二控制电压来转移在所述光电转换单元中所保持的所有信号电荷；以及
第三驱动部件，被配置用于驱动所述输出部分以便读出通过所述第一驱动部件和所述第二驱动部件连续进行驱动而转移的信号电荷，
所述信号处理方法包括步骤：
在由所述第一和第二驱动部件对所述转移元件的驱动下，将通过所述第三驱动部件的驱动而从所述输出部件连续读出的多个输出信号相加。
14.根据权利要求13所述的用于固态成像设备的信号处理方法，还包括步骤：
对多个输出信号执行具有不同转换精度的模拟-数字转换。
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，其中在将多个输出信号彼此相加的同时，对所述多个输出信号执行模拟-数字转换。
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，其中对应于多个输出信号从所述输出部件的读出而逐渐增加用于所述多个输出信号的转换精度。
17.一种成像装置，包括：
通过排列单位像素而形成的固态成像设备，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；以及
光学系统，用于将入射光聚焦到所述固态成像设备的成像区域上；
其中，所述固态成像设备包括：
第一驱动部件，被配置用于通过使用第一控制电压来驱动所述转移元件，其中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信号电荷的一部分被保持在所述光电转换单元中，其中所述转移元件根据所述第一控制电压来转移具有超过所保持的信号电荷量的量的累积电荷；
第二驱动部件，被配置用于通过使用第二控制电压来驱动所述转移元件，其中所述转移元件根据所述第二控制电压来转移在所述光电转换单元中所保持的所有信号电荷；
第三驱动部件，被配置用于驱动所述输出部分以便读出通过所述第一驱动部件和所述第二驱动部件连续进行驱动而转移的信号电荷；以及
信号处理部件，被配置用于在由所述第一和第二驱动部件对所述转移元件的驱动下，将通过所述第三驱动部件的驱动而从所述输出部件连续读出的多个输出信号相加。
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