CN101309350A - 固态成像装置和照相机 - Google Patents

Abstract

一种固态成像装置包括：像素阵列，包括设置成行和列的多个像素；以及读出单元，用于逐行读出所述像素阵列中包括的像素的像素信号。所述读出单元(i)除了在水平读出期之内的读出待命期中，在所述水平读出期中以列顺序读出所述像素阵列的一行像素的像素信号，并且(ii)在所述读出待命期中暂停以列顺序读出所述像素行的像素信号。

Description

固态成像装置和照相机

技术领域

本发明涉及用于数字照相机等的固态成像装置，尤其涉及用于抑制MOS型固态成像装置中的图像噪声的技术。

背景技术

通常，MOS型固态成像装置包括(i)包括多个设置成行和列的多个像素的像素阵列和(ii)并行处理和存储像素阵列中包括的一行像素的像素信号的信号处理单元。在水平消隐期中，信号处理单元并行处理像素行的像素信号并存储这些处理过的像素信号。然后在水平消隐期后的水平读出期中，按照像素阵列的列顺序逐个从信号处理单元中读出这些已处理像素信号。通过针对帧中每行重复上述一组操作，可以读出一帧像素的像素信号(例如，参见日本公开专利申请No.1-122277)。

近年来，固态成像装置不仅被用于普通的数字照相机，而且还被用在车载相机、检查相机和各种其他系统中。因此，对具有常规上没有的功能的固态成像装置的需求在增长，这些功能例如是超高速快门和超高速读出。在这种需求之下为开发相机而工作期间，本发明的发明人发现，根据技术规格，在每个水平读出期中都会周期性地出现噪声，这可能导致出现以下图像噪声。

图37为用于解释图像噪声和图像噪声原因的图示。

图37示出了电子快门脉冲，作为周期性图像噪声的原因的范例。电子快门脉冲是经由行信号线相互施加到像素阵列中包括的每行像素的驱动脉冲之一。常规上，在水平消隐期(HBLK)中施加电子快门脉冲。不过，在图37的范例中，在水平读出期之内的预定时段中施加电子快门脉冲，以便精细地调节超高速快门和曝光时间。如果如刚刚所述在水平读出期中施加电子快门脉冲，电子快门脉冲会触发噪声，导致噪声经由一系列连接的电路进入一些像素信号中。由于在每个水平读出期中噪声都反复出现，在所拍摄的图像中图像噪声71就会作为垂直线或垂直带显著地出现。

应当注意，电子快门脉冲是周期性噪声原因的一个范例。根据技术规格，电子快门脉冲之外的脉冲也可能导致这种周期性噪声。

发明内容

考虑到以上问题，本发明旨在提供一种固态成像装置和一种相机，即使在水平读出期中出现周期性噪声的时候，它们也能够抑制在所拍摄图像中的图像噪声。

以上目的是通过一种固态成像装置实现的，其包括：像素阵列，包括设置成行和列的多个像素；以及读出单元，用于逐行读出所述像素阵列中包括的像素的像素信号，其中所述读出单元(i)除了在水平读出期之内的读出待命期中，在所述水平读出期中以列顺序读出所述像素阵列的一行像素的像素信号，并且(ii)在所述读出待命期中暂停以列顺序读出所述像素行的像素信号。这里，“以列顺序读出所述像素阵列的一行像素的像素信号”一句表示，假设给像素阵列中的列编号，则按照编号的顺序读出像素行的像素信号。

根据以上结构，(i)在除了读出待命期之外的水平读出期中执行以列顺序读出像素信号，而(ii)在读出待命期中暂停以列顺序读出像素信号。假如预计周期性噪声会持续出现特定期间，那么通过暂停读出像素信号有可能抑制所拍摄图像中的图像噪声。因此，所述读出待命期可以包括至少一个预计会出现噪声的时段，所述噪声影响到所述像素信号的质量。

所述读出单元可以包括：移位寄存器，用于(i)在其中存储选择数据，所述选择数据选择目标列，所述目标列为所述像素阵列中的列之一，并且(ii)沿(a)对应于列顺序的正向和(b)与所述正向相反的反向之一选择性地对所述选择数据移位；输出子单元，用于从所述像素行的像素信号中向外输出位于由所述移位寄存器中存储的所述选择数据选择的所述目标列中的所述像素行之一的像素信号；以及移位寄存器控制子单元，用于(i)在除了所述读出待命期之外的所述水平读出期中使所述移位寄存器沿所述正向移位所述选择数据，(ii)在相当于所述读出待命期的一半的期间中使所述移位寄存器沿所述反向移位所述选择数据，并且(iii)在相当于所述读出待命期的另一半的期间中使所述移位寄存器沿所述正向移位所述选择数据。

所述读出单元可以包括：移位寄存器，用于(i)在其中存储选择数据，所述选择数据选择目标列，所述目标列为所述像素阵列中的列之一，并且(ii)选择性地执行如下操作之一：(a)沿对应于列顺序的正向移位所述选择数据，(b)暂停移位所述选择数据；输出子单元，用于从所述像素行的像素信号中向外输出位于由所述移位寄存器中存储的所述选择数据选择的所述目标列中的所述像素行之一的像素信号；以及移位寄存器控制子单元，用于(i)在除了所述读出待命期之外的所述水平读出期中使所述移位寄存器沿所述正向移位所述选择数据，并且(ii)在所述读出待命期中暂停所述选择数据的移位。

利用上述结构，有可能在读出待命期中暂停以列顺序读出像素信号，同时向移位寄存器施加时钟脉冲。可以通过暂停向移位寄存器施加时钟脉冲来暂停以列顺序读出像素信号；不过这造成了以下缺陷。不过，如果暂停向移位寄存器施加时钟脉冲，在恢复施加时钟脉冲时会发生陡峭的负载变化，导致电源电压变化。因此，可能在恢复施加时钟脉冲之后马上产生噪声。相反，以上结构允许在向移位寄存器施加时钟脉冲的同时暂停以列顺序读出像素信号。因此，以上结构没有所述的缺陷，在抑制图像噪声方面更加有效。

输出子单元可以在接收到存储在移位寄存器中的选择数据的输入时向外输出位于目标列中的像素行之一的像素信号，并且读出单元还可以包括非选择数据输入子单元，其用于在读出待命期中向输出子单元输入非选择数据以代替选择数据，所述非选择数据不在像素阵列中选择任一列。

利用以上结构，在读出待命期中不从固态成像装置中读出任何像素信号。这样还可以降低读出像素信号的电路和图像处理系统中所消耗的功率。

还允许在水平读出期中读出单元读出已经存储在第一存储器和第二存储器之一中的像素行的像素信号，同时将另一像素行的像素信号存储到第一存储器和第二存储器的另一个中，且读出待命期包括至少一个预计会出现噪声的时段，该噪声由存储另一像素行的像素信号的操作引起。

为了有效地读出一帧中所有的像素信号，一些固态成像装置具有用于实现如下功能的规格，该功能允许在水平读出期中读出存储在行存储器中的像素行的像素信号，同时向行存储器中存储将要在下一水平读出期中读出的另一行像素信号的像素信号。该规格导致有可能因为存储像素信号的操作引起噪声。不过，上述结构使得，即使在使用具有所述规格的固态成像装置的情况下，也可以通过暂停读出像素信号来抑制所拍摄图像中的图像噪声。

一种涉及本发明的相机包括固态成像装置和图像处理单元，其中(i)所述固态成像装置包括：像素阵列，包括设置成行和列的多个像素；以及读出单元，用于逐行读出所述像素阵列中包括的像素的像素信号，(ii)所述读出单元(a)除了在水平读出期之内的读出待命期中之外，在所述水平读出期中以列顺序读出所述像素阵列的像素行的像素信号，并且(b)在所述读出待命期中暂停以列顺序读出像素行的像素信号，并且(iii)所述信号处理单元从所述读出单元读出的像素行的像素信号中抛弃掉在所述读出待命期中读出的一个或多个像素信号。

如刚刚所述，通过抛弃掉在读出待命期中读出的一个或多个像素信号，有可能抑制图像噪声，以免其在所拍摄图像中看起来像垂直线或垂直带。

附图说明

结合示出本发明特定实施例的附图，通过以下描述，本发明的这些和其他目的、优点和特征将变得明了。在附图中：

图1示出了涉及本发明第一实施例的固态成像装置的一般结构；

图2示出了涉及本发明第一实施例的读出待命操作，用于暂停以列顺序读出的像素信号；

图3示出了涉及本发明第一实施例的信号处理单元15的结构；

图4示出了涉及本发明第一实施例的列选择译码器14的结构；

图5示出了涉及本发明第一实施例的列选择译码器14的另一结构；

图6示出了从触发器的输出端子(Q和A)输出的输出信号之间的关系；

图7示出了涉及本发明第一实施例的列选择译码器14的操作；

图8示出了涉及本发明第一实施例的相机的结构；

图9A到9C均为解释涉及本发明第一实施例的固态成像装置产生的优点的图示；

图10示出了涉及本发明第二实施例的读出待命操作，用于暂停以列顺序读出像素信号；

图11示出了涉及本发明第二实施例的列选择译码器14的结构；

图12示出了涉及本发明第二实施例的列选择译码器14的操作；

图13示出了涉及本发明第三实施例的读出待命操作，用于暂停以列顺序读出的像素信号；

图14示出了涉及本发明第三实施例的列选择译码器14的结构；

图15示出了涉及本发明第三实施例的列选择译码器14的操作；

图16示出了涉及本发明第四实施例的读出待命操作，用于暂停以列顺序读出的像素信号；

图17示出了涉及本发明第四实施例的列选择译码器14的结构；

图18示出了涉及本发明第四实施例的列选择译码器14的操作；

图19示出了涉及本发明第五实施例的读出待命操作，用于暂停以列顺序读出的像素信号；

图20示出了涉及本发明第五实施例的信号处理单元15的结构；

图21示出了涉及本发明第五实施例的列选择译码器14的结构；

图22示出了涉及本发明第五实施例的列选择译码器14的操作；

图23示出了涉及本发明第六实施例的读出待命操作，用于暂停以列顺序读出的像素信号；

图24示出了涉及本发明第六实施例的列选择译码器14的结构；

图25示出了涉及本发明第六实施例的列选择译码器14的操作；

图26示出了涉及本发明第七实施例的读出待命操作，用于暂停以列顺序读出的像素信号；

图27示出了涉及本发明第七实施例的列选择译码器14的结构；

图28示出了涉及本发明第七实施例的列选择译码器14的操作；

图29示出了涉及本发明第八实施例的读出待命操作，用于暂停以列顺序读出的像素信号；

图30示出了涉及本发明第八实施例的列选择译码器14的结构；

图31示出了涉及本发明第八实施例的列选择译码器14的操作；

图32示出了具有第一实施例中引入的技术规格的列选择译码器14的操作，读出待命期长度得到延长；

图33示出了具有第一实施例中引入的技术规格的列选择译码器14的操作，读出待命期长度得到延长；

图34示出了像素结构的示范性变型；

图35示出了像素结构的另一示范性变型；

图36示出了读出待命操作的示范性变型，用于暂停以列顺序读出的像素信号；

图37为用于解释图像噪声和图像噪声原因的示图；以及

图38为用于解释图像噪声和图像噪声原因的示图。

具体实施方式

(第一实施例)

图1示出了涉及本发明第一实施例的固态成像装置的一般结构。

固态成像装置10包括像素阵列11、负载电路12、行选择译码器13、列选择译码器14、信号处理单元15和输出放大器16。

像素阵列11包括二维设置的多个像素。每一个像素包括光电二极管PD、浮置扩散区FD和晶体管Tr1、Tr2和Tr3。晶体管Tr1和Tr2的栅极分别连接到行信号线17a和17b。晶体管Tr3的栅极连接到浮置扩散区FD，晶体管Tr3的源极连接到列信号线18。

通过从外部定时控制单元接收各种驱动脉冲，负载电路12、行选择译码器13、列选择译码器14、信号处理单元15和输出放大器16起到了逐行从像素阵列11中包括的像素读出像素信号的读出单元的作用。

在第一实施例中，本发明的主要特征在于列选择译码器14的结构和固态成像装置10的驱动方法。其他特征是共同的技术，因此省略其描述。

图2示出了涉及本发明第一实施例的读出待命操作，用于暂停以列顺序读出的像素信号。

沿输出信号示出的数字是分配到列的数字，每个列都将被列选择译码器14选为目标列。在第一实施例中，列选择译码器14包括能够沿正向或沿与正向相反的反向移位的移位寄存器，该正向对应于像素阵列的列顺序。在反向扫描脉冲的电平低时移位寄存器沿正向移位，在反向扫描脉冲的电平高时沿反向移位。将反向扫描脉冲的电平设计成：(i)在除了读出待命期之外的水平读出期中电平低，(ii)在读出待命期的前半段电平高，且(iii)在读出待命期的后半段电平低。以上述方式设计反向扫描脉冲，就有可能在除了读出待命期之外的水平读出期中以列顺序读出一行像素信号，并在读出待命期中以列顺序暂停读出像素信号。

图2示范性地示出了由于电子快门脉冲上升噪声进入来自第四到第五像素周期的像素信号，由于电子快门脉冲的下降噪声进入来自第九和第十像素周期的像素信号。这里，每个像素周期对应于读出一个像素的像素信号所需的时间。在图2的范例中，分别在第四和第五像素周期中再次读出第二和第三列中的像素信号。这样，在读出待命期中暂停了对第四列和后面列的像素信号的读出，在读出待命期过后(即在第六像素周期和后面周期中)继续读出。同样地，分别在第九和第十像素周期中再次读出第五和第六列中的像素信号。这样，在读出待命期中暂停了对第七列和后面列的像素信号的读出，在读出待命期过后(即在第十一像素周期和后面周期中)继续读出。

如上所述，在除了读出待命期之外的水平读出期中进行以列顺序读出像素信号，在读出待命期中暂停读出。假如预计噪声会持续特定时段且噪声会影响像素信号的质量，则通过抑制在该特定时段期间所述的读出有可能抑制所拍摄图像中的图像噪声。

图3示出了涉及本发明第一实施例的信号处理单元15的结构。

信号处理单元15具有多个结构相同的电路，每个电路被分配到不同的一个列。例如，观察第一列，电容器921和晶体管931和971耦合到列信号线18。列信号线18具有一个晶体管931和971所连接的节点；该节点又经由晶体管941连接至基准电压源并经由电容器961连接至地。

一组电容器(960，961，962，963等)起到存储一行像素信号的行存储器的作用。一组晶体管(970，971，972，973等)、水平信号线19和输出放大器16起到输出子单元的作用，向外输出存储在行存储器中的像素信号行之一。

图4和5均示出了涉及本发明第一实施例的列选择译码器14的结构。

列选择译码器14具有相同结构的多个电路，每个电路被分配到不同的一个列。例如，观察第一列，经由选择器111将触发器101的输入端子(D)连接到触发器100和102的输出端子(Q)。触发器101的输出端子(A)经由选择信号线20连接到信号处理单元15。将时钟脉冲输入到触发器101的时钟脉冲输入端(CK)。选择器111有选择地：(i)在反向扫描脉冲电平低的时候将触发器100的输出端子(Q)连接到触发器101的输入端子(D)，(ii)在反向扫描脉冲电平高的时候将触发器102的输出端子(Q)连接到触发器101的输入端子(D)。在每一列都具有上述相同结构的情况下，移位寄存器能够沿正向和反向两个方向移位。

图6示出了从触发器的输出端子(Q和A)输出的输出信号之间的关系。

图6的范例示出了沿正向与时钟脉冲同步移位的移位寄存器。假定以时钟脉冲周期重复，输出信号(A0)在另一输出信号(Q0)之后的半个周期。

图7示出了涉及本发明第一实施例的列选择译码器14的操作。

列选择译码器14在作为触发器工作的数据输入(HIN脉冲)时开始移位操作。如图7所示，在反向扫描脉冲电平低时列选择译码器14令移位寄存器沿正向移位，在反向扫描脉冲电平高时令其沿反向移位。观察水平读出期的一段(例如第一段)，高电平的唯一一个输出信号是输出信号A1；其他输出信号A0、A2、A3、A4等的电平都低。这些输出信号的组合为选择数据，选择数据选择构成像素阵列11的列之一。

利用图3到图7所示的结构和操作，不仅能够以列顺序读出像素信号，而且能够以列顺序暂停像素信号的读出，如图2所示。

图8示出了涉及本发明第一实施例的相机的结构。

相机50包括固态成像装置10、图像处理单元51、定时控制单元52和光学系统53(例如透镜)。定时控制单元52将控制信号施加到固态成像装置10和图像处理单元51的功能组件上。在定时控制单元52的所有子单元中，具体而言是生成用于驱动移位寄存器的信号(即时钟脉冲、反向扫描脉冲和HIN脉冲)的信号发生子单元起到了移位寄存器控制子单元的功能。

如图2所示，第一实施例的情况是，在读出待命期中再次读出已经被读出的像素信号。根据第一实施例的结构，通过“破坏性读出”读出每个像素信号；因此，从第一次读出获得的信号电平不同于从第二次读出获得的信号电平，这使得后一个像素信号不可靠。出于这一原因，在固态成像装置10读出的所有像素信号中，图像处理单元51抛弃掉在读出待命期中读出的像素信号。这能够抑制图像噪声在所拍摄图像中表现为垂直线或垂直带。应当指出，为了执行“非破坏性读出”，信号处理单元15需要用于在读出像素信号前后存储信号电平的机构。在这种情况下，可允许使用在读出待命期中读出的像素信号。

图9A到9C均为解释涉及本发明第一实施例的固态成像装置产生的优点的图示。

这里示出的是施加到第(N+1)行中的像素信号的复位脉冲(RST脉冲)和转移脉冲(TRANS脉冲)。当把复位脉冲电平和转移脉冲电平同时都设置为高电平时，每个像素的晶体管Tr1和Tr2都进入导通状态，因此能够将光电二极管PD的电势复位到电源电势(参见图9A中的61)。这使得电子快门能够起作用。另一方面，当仅把复位脉冲电平设置为高电平时，仅晶体管Tr2进入导通状态，因此能够将浮置扩散区FD的电势复位到基准电势(参见图9A中的62)。类似地，当仅把转移脉冲电平设置为高电平时，仅晶体管Tr1进入导通状态，因此能够将浮置扩散区FD的电势设置成对应于光电二极管PD产生的电荷的信号电势(参见图9A中的63)。电子快门和转移之间的时间段为存储期间(曝光时间)。

在第一实施例中，即使在水平读出期中施加电子快门脉冲时也能够抑制所拍摄图像中的图像噪声。因此，可以精细调节针对每个像素周期的曝光时间长度(参见图9B的64)。还可能实现超高速快门，其中曝光时间长度短于水平信号时段的长度(参见图9C)。

(第二实施例)

在第二实施例中，利用与第一实施例中所述的方法不同的方法暂停以列顺序读出像素信号。其他特征与第一实施例的相同，因此省略其描述。

图10示出了涉及本发明第二实施例的读出待命操作，用于暂停以列顺序读出像素信号。

在第二实施例中，列选择译码器14包括移位寄存器，该移位寄存器能够(i)沿对应于像素阵列列顺序的正向移位，以及(ii)在接收到时钟脉冲时暂停移位操作。在循环扫描脉冲的电平低时移位寄存器沿正向移位，在循环扫描脉冲的电平高时暂停移位操作。将循环扫描脉冲的电平设计成：(i)在除了读出待命期之外的水平读出期中为低电平，(ii)在读出待命期中为高电平。以上述方式设计循环扫描脉冲，就有可能在除了读出待命期之外的水平读出期中以列顺序读出一行像素信号，并在读出待命期中以列顺序暂停读出像素信号。

图10示范性地示出了由于电子快门脉冲上升噪声进入来自第四到第五像素周期的像素信号，由于电子快门脉冲的下降噪声进入来自第九和第十像素周期的像素信号。在图10的范例中，在第四和第五像素周期中读出第三列中的像素信号。这样，在读出待命期中暂停了对第四列和后面列的像素信号的读出，在读出待命期过后(即在第六像素周期和后面周期中)继续读出。同样地，在第九和第十像素周期中读出第六列中的像素信号。这样，在读出待命期中暂停了对第七列和后面列的像素信号的读出，在读出待命期过后(即在第十一像素周期和后面周期中)继续读出。

如上所述，在除了读出待命期之外的水平读出期中进行以列顺序读出的像素信号，在读出待命期中暂停读出。因而，假如预计噪声会持续特定时段且噪声会影响像素信号的质量，则通过抑制在该特定时段期间所述的读出有可能抑制所拍摄图像中的图像噪声。

图11示出了涉及本发明第二实施例的列选择译码器14的结构。

列选择译码器14具有多个结构相同的电路，每个电路被分配到不同的一个列。例如，观察第一列，触发器201的输入端子(D)经由选择器211连接到触发器200和201的输出端子(Q)。触发器201的输出端子(A)经由选择信号线20连接到信号处理单元15。将时钟脉冲输入到触发器201的时钟脉冲输入端(CK)。选择器211有选择地：(i)在循环扫描脉冲电平低的时候将触发器200的输出端子(Q)连接到触发器201的输入端子(D)，(ii)在循环扫描脉冲电平高的时候将触发器201的输出端子(Q)连接到触发器201的输入端子(D)。在每列具有上述相同结构的情况下，移位寄存器不仅能沿正向移位，而且可以在接收到时钟脉冲时暂停移位操作。

图12示出了涉及本发明第二实施例的列选择译码器14的操作。

列选择译码器14在作为触发器工作的数据输入(HIN脉冲)时开始移位操作。如图12所示，在循环扫描脉冲电平低时列选择译码器14令移位寄存器沿正向移位，在循环扫描脉冲电平高时暂停移位操作。

图11到12中所示的结构和操作不仅允许以列顺序读出像素信号，而且允许以列顺序暂停像素信号的这种读出。

(第三实施例)

第三实施例与第一实施例的不同之处在于，限制在读出待命期中向外输出像素信号。其他特征与第一实施例的相同，因此省略其描述。

图13示出了涉及本发明第三实施例的读出待命操作，用于暂停以列顺序读出的像素信号。

在第三实施例中，在输出限制脉冲的电平低的时候向外输出像素信号，在输出限制脉冲的电平高的时候不向外输出像素信号。将输出限制脉冲的电平设计成在除了读出待命期之外的水平读出期中为低电平，在读出待命期中为高电平。以上述方式设计输出限制脉冲，有可能在读出待命期中限制向外输出不必要的像素信号，从而降低用于向外输出像素信号的电路和图像处理系统的功率消耗。

图14示出了涉及本发明第三实施例的列选择译码器14的结构。

该结构与第一实施例的不同。例如，观察第一列，将触发器301的输出端子(A)经由与门电路351连接到信号处理单元15。此外，将一对来自触发器301的输出端子(A)的输出信号和输出限制脉冲的反转信号输入到与门电路351中。由定时控制单元施加输出限制脉冲作为一种控制信号。

一组与门电路(350，351，352，353，354等)和生成由定时控制单元施加的输出限制脉冲的信号发生子单元起到非选择数据输入子单元的作用，该非选择数据输入子单元向信号处理单元15输入非选择数据，该非选择数据不选择构成像素阵列11的任一列。

图15示出了涉及本发明第三实施例的列选择译码器14的操作。

列选择译码器14在作为触发器工作的数据输入(HIN脉冲)时开始移位操作。如图15所示，在反向扫描脉冲电平低时列选择译码器14令移位寄存器沿正向移位，在反向扫描脉冲电平高时令其沿反向移位。此外，列选择译码器14在输出限制脉冲电平为低时输出选择构成像素阵列11的列之一的选择数据，在输出限制脉冲电平为高时输出不选择构成像素阵列11的列的非选择数据。这样就有可能在读出待命期中限制向外输出不必要的像素信号。

(第四实施例)

第四实施例与第二实施例的不同之处在于在读出待命期中限制向外输出像素信号。其他特征与第二实施例的相同，因此省略其描述。

图16示出了涉及本发明第四实施例的读出待命操作，用于暂停以列顺序读出像素信号。

在第四实施例中，在输出限制脉冲的电平低的时候向外输出像素信号，在输出限制脉冲的电平高的时候不向外输出像素信号。将输出限制脉冲的电平设计成在除了读出待命期之外的水平读出期中为低电平，在读出待命期中为高电平。以上述方式设计输出限制脉冲，有可能在读出待命期中限制向外输出不必要的像素信号，从而降低用于向外输出像素信号的电路和图像处理系统的功率消耗。

图17示出了涉及本发明第四实施例的列选择译码器14的结构。

该结构与第二实施例的不同。例如，观察第一列，将触发器401的输出端子(A)经由与门电路451连接到信号处理单元15。将一对来自触发器401的输出端子(A)的输出信号和输出限制脉冲的反转信号输入到与门电路451中。由定时控制单元施加输出限制脉冲作为一种控制信号。

一组与门电路(450，451，452，453，454等)和生成由定时控制单元施加的输出限制脉冲的信号发生子单元起到非选择数据输入子单元的作用，该非选择数据输入子单元向信号处理单元15输入非选择数据，该非选择数据不选择构成像素阵列11的任一列。

图18示出了涉及本发明第四实施例的列选择译码器14的操作。

列选择译码器14在作为触发器工作的数据输入(HIN脉冲)时开始移位操作。如图18所示，在循环扫描脉冲电平低时列选择译码器14令移位寄存器沿正向移位，在循环扫描脉冲电平高时暂停移位操作。此外，列选择译码器14在输出限制脉冲电平为低时输出选择构成像素阵列11的列之一的选择数据，在输出限制脉冲电平为高时输出不选择构成像素阵列11的列的非选择数据。这样就有可能在读出待命期中限制向外输出不必要的像素信号。

(第五实施例)

近年来，MOS型固态成像装置在更宽的市场中获得应用，且可望用于超高速相机中，超高速相机以比普通摄录一体机更高的帧频拍摄图像。为了实现高帧频，必须减少读出像素信号所需的时间。有鉴于此，日本公开专利申请No.2006-93816引入了一种技术，用于在水平读出期中从第一行存储器中读出一行像素信号，同时把将要在下一水平读出期中读出的另一行像素信号存储到第二行存储器中。利用这种技术，能够在完成第N行像素信号的读出之后立即开始第(N+1)行像素信号的读出。因此，可以将读出像素信号所需的时间减少对应于水平消隐期的量。

不过，引入上述技术意味着在水平读出期中读出第N行中的像素信号并同时存储第(N+1)行中的像素信号。因此，存在这种可能性，即，由将像素信号存储到第(N+1)行的操作导致的噪声可能会进入第N行中的像素信号。

图38为用于解释图像噪声和图像噪声原因的示图。

例如，根据图38，用于第N行中的像素信号的水平读出期与用于第(N+1)行中的像素信号的并行处理期相同。换言之，信号处理单元同时执行如下操作：(i)读出存储于第N行中的像素信号；以及(ii)并行处理像素信号并随后将其存储在第(N+1)行中。并行处理脉冲是用于驱动信号处理单元15的控制信号。如图38所示，一旦采用了并行处理脉冲，由并行处理脉冲导致的噪声就经由相连的电路进入像素信号。由于在每个水平读出期中都重复出现噪声，因此在所拍摄图像中图像噪声71看起来是明显的垂直线或垂直带。

第五实施例到第八实施例具体提供了一种具有上述技术规格但又能抑制所拍摄图像中的图像噪声的固态成像装置。

图19示出了涉及本发明第五实施例的读出待命操作，用于暂停以列顺序读出像素信号。

第五实施例与第一实施例的不同之处在于周期性噪声是由并行处理脉冲引起的。其他特征与第一实施例的相同。并行处理脉冲的具体范例包括取样与保持(SH)脉冲和箝位(CP)脉冲，它们都被施加到信号处理单元15上。

图20示出了涉及本发明第五实施例的信号处理单元15的结构。

信号处理单元15具有多个结构相同的电路，每个电路被分配给不同的一个列。例如，观察第一列，列信号线18分支成两个系统：系统-a和系统-b。电容器921和晶体管931耦合到还没有分支的列信号线18的一部分。另一方面，晶体管951a和971b耦合到系统-a，晶体管951b和971b耦合到系统-b。列信号线18具有在该处分支成系统-a和系统-b的节点，该节点经由晶体管941连接到基准电压源。列信号线18上晶体管951a和971a所连接的另一个节点经由电容器961a连接到地。列信号线18上晶体管951b和971b所连接的又一个节点经由电容器961b连接到地。

第一组电容器(960a，961a，962a，963a等)起到存储一行像素信号的第一行存储器的作用。类似的，第二组电容器(960b，961b，962b，963b等)起到存储另一行像素信号的第二行存储器的作用。一组晶体管(970a，970b，971a，971b，972a，972b，973a、973b等)、水平信号线19和输出放大器16起到输出子单元的作用，向外输出存储在每个行存储器中的像素信号行之一。

图21示出了涉及本发明第五实施例的列选择译码器14的结构。

该结构与第一实施例的不同。例如，观察第一列，将触发器501的输出端子(A)经由与门电路551和561连接到信号处理单元15。将一对来自触发器501的输出端子(A)的输出信号和系统-b的选择脉冲输入到与门电路551。将与门电路551的输出信号输入到信号处理单元15中提供的晶体管971a的栅极。另一方面，将一对来自触发器501的输出端子(A)的输出信号和系统-a的选择脉冲输入到与门电路561。将与门电路561的输出信号输入到信号处理单元15中提供的晶体管971b的栅极。由定时控制单元将系统-a的选择脉冲和系统-b的选择脉冲的每一个作为控制信号之一加以施加。

图20和21中所示的结构表明，通过设计系统-a的选择脉冲和系统-b的选择脉冲使得在一个为低电平时另一个为高电平，有可能从第一行存储器读出像素信号，同时将不同的像素信号存储到第二行存储器中，或者反之亦然(从第二行存储器读出像素信号，同时将不同的像素信号存储到第一行存储器中)。

图22示出了涉及本发明第五实施例的列选择译码器14的操作。

列选择译码器14在作为触发器工作的数据输入(HIN脉冲)时开始移位操作。当系统-a的选择脉冲电平高且系统-b的选择脉冲电平低时，从第一行存储器读出像素信号，同时将不同的像素信号存储到第二行存储器中。另一方面，当系统-a的选择脉冲电平高且系统-b的选择脉冲电平低时，将像素信号存储到第一行存储器中，同时从第二行存储器读出不同的像素信号。

这里描述的是示范性情况，其中噪声是由SH脉冲的下降和CP脉冲的下降引起的。因此，将反向扫描脉冲的电平设计成在SH脉冲和CP脉冲下降时变高。假设由于存储像素信号的操作引起的噪声预计会持续特定期间，以上述方式设计的反向扫描脉冲允许在该特定期间中以列顺序暂停读出像素信号。

(第六实施例)

图23示出了涉及本发明第六实施例的读出待命操作，用于暂停以列顺序读出像素信号。

第六实施例提出了用于实现如下功能的技术规格，该功能允许在水平读出期中读出第N行中的像素信号并同时在第(N+1)行中存储像素信号。从这个意义上讲，第六实施例类似于第五实施例。因此假设该技术规格伴随可能引起周期性噪声的并行处理脉冲。在第六实施例中，利用第二实施例中描述的方法暂停以列顺序读出像素信号。

图24示出了涉及本发明第六实施例的列选择译码器14的结构。

该结构与第二实施例的不同。例如，观察第一列，将触发器601的输出端子(A)经由与门电路651和661连接到信号处理单元15。将一对来自触发器601的输出端子(A)的输出信号和系统-b的选择脉冲输入到与门电路651。将与门电路651的输出信号输入到信号处理单元15中提供的晶体管971a的栅极。另一方面，将一对来自触发器601的输出端子(A)的输出信号和系统-a的选择脉冲输入到与门电路661。将与门电路661的输出信号输入到信号处理单元15中提供的晶体管971b的栅极。

图25示出了涉及本发明第六实施例的列选择译码器14的操作。

列选择译码器14在作为触发器工作的数据输入(HIN脉冲)时开始移位操作。当系统-a的选择脉冲电平低且系统-b的选择脉冲电平高时，从第一行存储器读出像素信号，同时将不同的像素信号存储到第二行存储器中。另一方面，当系统-a的选择脉冲电平高且系统-b的选择脉冲电平低时，将像素信号存储到第一行存储器中，同时从第二行存储器读出不同的像素信号。

这里描述的是示范性情况，其中噪声是由SH脉冲的下降和CP脉冲的下降引起的。因此，将循环扫描脉冲的电平设计成在SH脉冲和CP脉冲下降时变高。假设预计噪声会持续特定期间，以上述方式设计的循环扫描脉冲允许在该特定期间中暂停以列顺序读出像素信号。

(第七实施例)

第七实施例与第五实施例的不同之处在于在读出待命期中限制向外输出像素信号。其他特征与第五实施例的相同，因此省略其描述。

图26示出了涉及第七实施例的读出待命操作，用于暂停以列顺序读出像素信号。

在第七实施例中，在输出限制脉冲的电平低的时候向外输出像素信号，在输出限制脉冲的电平高的时候不向外输出像素信号。将输出限制脉冲的电平设计成在除了读出待命期之外的水平读出期中为低电平，在读出待命期中为高电平。以上述方式设计输出限制脉冲，有可能在读出待命期中限制向外输出不必要的像素信号，从而降低用于向外输出像素信号的电路和图像处理系统的功率消耗。

图27示出了涉及本发明第七实施例的列选择译码器14的结构。

该结构与第五实施例的不同。例如，观察第一列，将输出限制脉冲的反转信号输入到与门电路751和761。注意这里输出限制脉冲与第三实施例中描述的相同。

一组与门电路(750，751，752，753，754、760、761、762、763、764等)和生成由定时控制单元施加的输出限制脉冲的信号发生子单元起到非选择数据输入子单元的作用，该非选择数据输入子单元向信号处理单元15输入非选择数据，该非选择数据不选择构成像素阵列11的任一列。

图28示出了涉及本发明第七实施例的列选择译码器14的操作。

列选择译码器14在作为触发器工作的数据输入(HIN脉冲)时开始移位操作。当系统-a的选择脉冲电平低且系统-b的选择脉冲电平高时，从第一行存储器读出像素信号，同时将不同的像素信号存储到第二行存储器中。另一方面，当系统-a的选择脉冲电平高且系统-b的选择脉冲电平低时，将像素信号存储到第一行存储器中，同时从第二行存储器读出不同的像素信号。

这里描述的是示范性情况，其中噪声是由SH脉冲的下降和CP脉冲的下降引起的。因此，将反向扫描脉冲的电平设计成在SH脉冲和CP脉冲下降时变高。假设由于存储像素信号的操作引起的噪声预计会持续特定期间，以上述方式设计的反向扫描脉冲允许在该特定期间中以列顺序暂停读出像素信号。

此外，列选择译码器14在输出限制脉冲电平为低时输出选择构成像素阵列11的列之一的选择数据，在输出限制脉冲电平为高时输出不选择构成像素阵列11的列的非选择数据。这样就有可能在读出待命期中限制向外输出不必要的像素信号。

(第八实施例)

第八实施例与第六实施例的不同之处在于在读出待命期中限制向外输出像素信号。其他特征与第六实施例的相同，因此省略其描述。

图29示出了涉及本发明第八实施例的读出待命操作，用于暂停以列顺序读出像素信号。

在第八实施例中，在输出限制脉冲的电平低的时候向外输出像素信号，在输出限制脉冲的电平高的时候不向外输出像素信号。将输出限制脉冲的电平设计成在除了读出待命期之外的水平读出期中为低电平，在读出待命期中为高电平。以上述方式设计输出限制脉冲，有可能在读出待命期中限制向外输出不必要的像素信号，从而降低用于向外输出像素信号的电路和图像处理系统的功率消耗。

图30示出了涉及本发明第八实施例的列选择译码器14的结构。

该结构与第六实施例的不同。例如，观察第一列，将输出限制脉冲的反转信号输入到与门电路851和861。注意这里输出限制脉冲与第三实施例中描述的相同。

一组与门电路(850，851，852，853，854、860、861、862、863、864等)和生成由定时控制单元施加的输出限制脉冲的信号发生子单元起到非选择数据输入子单元的作用，该非选择数据输入子单元向信号处理单元15输入非选择数据，该非选择数据不选择构成像素阵列11的任一列。

图31示出了涉及本发明第八实施例的列选择译码器14的操作。

列选择译码器14在作为触发器工作的数据输入(HIN脉冲)时开始移位操作。当系统-a的选择脉冲电平低且系统-b的选择脉冲电平高时，从第一行存储器读出像素信号，同时将不同的像素信号存储到第二行存储器中。另一方面，当系统-a的选择脉冲电平高且系统-b的选择脉冲电平低时，将像素信号存储到第一行存储器中，同时从第二行存储器读出不同的像素信号。

这里描述的是一种示范性情况，其中噪声是由SH脉冲的下降和CP脉冲的下降引起的。因此，将循环扫描脉冲的电平设计成在SH脉冲和CP脉冲下降时变高。假设由于存储像素信号的操作引起的噪声预计会持续特定期间，以上述方式设计的循环扫描脉冲允许在该特定期间中暂停以列顺序读出像素信号。

此外，列选择译码器14在输出限制脉冲电平为低时输出选择构成像素阵列11的列之一的选择数据，在输出限制脉冲电平为高时输出不选择构成像素阵列11的列的非选择数据。这样就有可能在读出待命期中限制向外输出不必要的像素信号。

上文基于以上实施例描述了涉及本发明的固态成像装置和相机。不过这些实施例不是意在限制本发明。以下为可能的变型的范例。

(1)根据以上实施例，读出待命期的长度相当于两个像素周期的长度。不过，这不是对本发明的限制。可以考虑可能发生噪声的期间长度随着各种参数(例如噪声原因和电路结构)而变化。因此最好根据可能出现噪声的这种期间适当设置读出待命期的长度。在图32和33的范例中，读出待命期的长度相当于四个像素周期的长度。

(2)图1中具体示出了涉及上述实施例的每个像素的结构。不过，这种像素结构不是对本发明的限制。例如，可以如图34所示用四个晶体管构造每个像素，或者可以如图35所示这样构造：两个光电二极管PD共享一个浮置扩散区FD。对于图34中所示的结构而言，有可能无需调制电源VDD，通过控制晶体管Tr4来选择行，从而以更加简化的方式驱动固态成像装置。同时，利用图35中所示的结构，有可能减少连接至每个光电二极管的元件数量，从而减小固态成像装置的大小。

(3)根据以上实施例，在仍然向移位寄存器施加时钟脉冲的情况下暂停以列顺序读出像素信号。不过，这不是对本发明的限制。例如，可以在暂停移位寄存器的移位操作之前停止施加时钟脉冲。不过在这种情况下，在恢复施加时钟脉冲时会出现负载的陡峭变化，导致电源电压变化。这可能会导致相反的影响，在恢复施加时钟脉冲之后立即触发噪声(参见图36)。如果存在这种随后会发生这种相反效应的可能，最好如该实施例所示，在仍然向移位寄存器施加时钟脉冲的情况下暂停以列顺序读出像素信号。

尽管已经参考附图通过举例完整描述了本发明，但要注意的是对于本领域的普通技术人员来说各种变化和变型都是明显的。因此，除非这种变化和变型不在本发明的范围内，都应当将它们视为包括在其中。

Claims (8)

1.一种固态成像装置，包括：

像素阵列，包括设置成行和列的多个像素；以及

读出单元，用于逐行读出所述像素阵列中包括的像素的像素信号，其中

所述读出单元(i)除了在水平读出期之内的读出待命期中，在所述水平读出期中以列顺序读出所述像素阵列的一行像素的像素信号，并且(ii)在所述读出待命期中暂停以列顺序读出所述像素行的像素信号。

2.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中

所述读出待命期包括至少一个预计会出现噪声的时段，所述噪声影响到所述像素信号的质量。

3.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中所述读出单元包括：

移位寄存器，用于(i)在其中存储选择数据，所述选择数据选择目标列，所述目标列为所述像素阵列中的列之一，并且(ii)沿(a)对应于列顺序的正向和(b)与所述正向相反的反向之一选择性地对所述选择数据移位；

输出子单元，用于从所述像素行的像素信号中向外输出位于由所述移位寄存器中存储的所述选择数据选择的所述目标列中的所述像素行之一的像素信号；以及

移位寄存器控制子单元，用于(i)在除了所述读出待命期之外的所述水平读出期中使所述移位寄存器沿所述正向移位所述选择数据，(ii)在相当于所述读出待命期的一半的期间中使所述移位寄存器沿所述反向移位所述选择数据，并且(iii)在相当于所述读出待命期的另一半的期间中使所述移位寄存器沿所述正向移位所述选择数据。

4.根据权利要求3所述的固态成像装置，其中

所述输出子单元在接收到存储在所述移位寄存器中的所述选择数据的输入时向外输出位于所述目标列中的像素行之一的像素信号，并且

所述读出单元还包括非选择数据输入子单元，用于在所述读出待命期中向所述输出子单元输入非选择数据代替所述选择数据，所述非选择数据不选择所述像素阵列中的任一列。

5.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中所述读出单元包括：

移位寄存器，用于(i)在其中存储选择数据，所述选择数据选择目标列，所述目标列为所述像素阵列中的列之一，并且(ii)选择性地执行如下操作之一：(a)沿对应于列顺序的正向移位所述选择数据，(b)暂停移位所述选择数据；

输出子单元，用于从所述像素行的像素信号中向外输出位于由所述移位寄存器中存储的所述选择数据选择的所述目标列中的所述像素行之一的像素信号；以及

移位寄存器控制子单元，用于(i)在除了所述读出待命期之外的所述水平读出期中使所述移位寄存器沿所述正向移位所述选择数据，并且(ii)在所述读出待命期中暂停所述选择数据的移位。

6.根据权利要求5所述的固态成像装置，其中

所述输出子单元在接收到存储在所述移位寄存器中的所述选择数据的输入时向外输出位于所述目标列中的像素行之一的像素信号，并且

所述读出单元还包括非选择数据输入子单元，用于在所述读出待命期中向所述输出子单元输入非选择数据代替所述选择数据，所述非选择数据不选择所述像素阵列中的任一列。

7.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中

在所述水平读出期中，所述读出单元读出已经存储在第一存储器和第二存储器之一中的像素行的像素信号，同时将另一像素行的像素信号存储到所述第一存储器和第二存储器的另一个中，并且

所述读出待命期包括至少一个预计会出现噪声的时段，所述噪声由存储另一像素行的像素信号的操作引起。

8.一种相机，包括固态成像装置和图像处理单元，其中

所述固态成像装置包括：

像素阵列，包括设置成行和列的多个像素；以及

读出单元，用于逐行读出所述像素阵列中包括的像素的像素信号，

所述读出单元(i)除了在水平读出期之内的读出待命期中，在所述水平读出期中以列顺序读出所述像素阵列的一行像素的像素信号，并且(ii)在所述读出待命期中暂停以列顺序读出所述像素行的像素信号，并且

所述信号处理单元从所述读出单元读出的像素行的像素信号中抛弃掉在所述读出待命期中读出的一个或多个像素信号。

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