CN101626462B - 图像感测设备和成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种图像感测设备和成像系统。一种图像感测设备包括：第一传送单元和第二传送单元的传送块，其中第一传送单元包括将第一信号传送到输出单元的第一阻抗变换器，第一传送单元将第一阻抗变换器的第一偏移与通过在第一信号上叠加第一偏移而获得的信号之间的差分信号作为第三信号进行传送，第二传送单元包括将第二信号传送到输出单元的第二阻抗变换器，以及第二传送单元将第二阻抗变换器的第二偏移与通过在第二信号上叠加第二偏移而获得的信号之间的差分信号作为第四信号进行传送，输出单元计算所述第三信号与所述第四信号之间的差，生成并输出图像信号。

Description

图像感测设备和成像系统
技术领域
本发明涉及一种图像感测设备和一种成像系统。
背景技术
在日本专利特开No.11-150255中公开的图像感测设备中，电容C、放大器2、开关SW、电容Csh和放大器5按所描述的顺序连接到信号线SIG，信号线SIG连接到像素阵列中每一列上的像素，如图28所示。在这种图像感测设备中，复位开关1根据复位信号“rc”来对电容C进行复位，如图29所示。于是，薄膜晶体管T根据传送信号“gx”而导通，以将光电转换元件S的信号传送到电容C，并且信号被存储在电容C中。此后，当开关SW响应于脉冲“smpl”而导通时，放大器2对电容C中存储的信号进行放大。放大后的信号被传送到采样和保持电路3中的电容Csh，并且被存储在其中。在开关SW关断之后，当模拟复用器4根据脉冲ad0至ad8选择端子4时，电容Csh中存储的信号被传送到A/D转换器7。A/D转换器7对接收到的信号进行A/D转换，并且将转换后的信号输出到Dout。这种布置可以防止在开关SW处于OFF时，从放大器2输出的模拟电压的波动对于电容Csh中存储的信号的不利影响。根据日本专利特开No.11-150255，这种设备可以容易地改进S/N比率。
在日本专利特开No.2003-51989中公开的图像感测设备中，在不同定时将噪声信号和光信号从像素读出到输出放大器。输出放大器执行CDS处理，以输出光信号与噪声信号之间的差。根据日本专利特开No.2003-51989，图像感测设备可以输出无固定模式噪声的图像信号。
已经要求图像感测设备以更高的速度执行信号从像素到输出放大器的读出操作，并且要求在其中包含更低噪声的情况下输出根据从像素读出的信号而生成的图像信号。通常难以同时满足这两个要求。
发明内容
本发明用于加速信号从像素到输出放大器的读出操作，并且用于减少图像信号中包含的固定模式噪声。
根据本发明的第一方面，提供一种图像感测设备，包括：多个像素，每个像素包括光电转换单元；信号线，其被连接到所述多个像素；输出单元；以及传送块，其将以在所述多个像素之中的读出像素被选择时的不同定时从读出像素输出到所述信号线的第一信号和第二信号传送到所述输出单元，其中，所述传送块包括：第一传送单元和第二传送单元，所述第一传送单元包括用于将第一信号传送到所述输出单元的第一阻抗变换器，以及所述第一传送单元将所述第一阻抗变换器的第一偏移与通过在所述第一信号上叠加所述第一偏移而获得的信号之间的差分信号作为第三信号传送到输出单元，所述第二传送单元包括用于将第二信号传送到所述输出单元的第二阻抗变换器，并且所述第二传送单元将所述第二阻抗变换器的第二偏移与通过在所述第二信号上叠加所述第二偏移而获得的信号之间的差分信号作为第四信号传送到输出单元，以及所述输出单元计算所述第三信号与所述第四信号之间的差，生成并输出图像信号。
根据本发明第二方面，提供一种成像系统，包括：根据本发明的第一方面的图像感测设备；光学系统，其在所述图像感测设备的图像感测表面上形成图像；和信号处理单元，其处理从所述图像感测设备输出的信号，以生成图像数据。
本发明可以加速信号从像素到输出放大器的读出操作，并且减少图像信号中包含的固定模式噪声。
结合附图从以下示例性实施例的描述，本发明的进一步的特征将变得清楚。
附图说明
图1是示出根据本发明第一实施例的图像感测设备100的布置的示图；
图2是示出像素101的结构的电路图；
图3是示出每一列上的读出电路103的结构的电路图；
图4是示出每一列上的读出电路103的操作的时序图；
图5是应用了根据第一实施例的图像感测设备的成像系统的配置的框图；
图6是示出根据本发明第二实施例的图像感测设备100i中每一列上的读出电路103i的结构的电路图；
图7是示出每一列上的读出电路103i的操作的时序图；
图8是示出在时间t10在每一列上的光信号传送单元103Si的连接状态的电路图；
图9是示出在时间t14在每一列上的光信号传送单元103Si的连接状态的电路图；
图10是示出根据本发明第三实施例的图像感测设备100j中每一列上的读出电路103j的结构的电路图；
图11是示出每一列上的读出电路103j的操作的时序图；
图12A和图12B是示出在时间t20在每一列上的光信号传送单元103Sj的连接状态的电路图；
图13A和图13B是示出在时间t22在每一列上的光信号传送单元103Sj的连接状态的电路图；
图14是示出根据本发明第四实施例的图像感测设备100k中每一列上的读出电路103j的操作的时序图；
图15是示出根据本发明第五实施例的图像感测设备100n中每一列上的读出电路103n的结构的电路图；
图16是示出根据本发明第六实施例的图像感测设备100p中每一列上的读出电路103p的结构的电路图；
图17是示出根据本发明第七实施例的图像感测设备100q中每一列上的读出电路103q的结构的电路图；
图18是示出每一列上的读出电路103q的操作的时序图；
图19是示出根据本发明第八实施例的图像感测设备100h中每一列上的读出电路103h的结构的电路图；
图20是示出每一列上的读出电路103h的操作的时序图；
图21是示出在时间t50噪声信号传送单元103Nh的连接状态或在时间t52光信号传送单元103Sh的连接状态的电路图；
图22是示出在时间t54噪声信号传送单元103Nh的连接状态或在时间t54光信号传送单元103Sh的连接状态的电路图；
图23是示出阻抗变换器的结构的例子的电路图；
图24是示出阻抗变换器的结构的例子的电路图；
图25是示出运算放大器的结构的例子的电路图；
图26是示出阻抗变换器的输入端子和输出端子处的信号的表；
图27是用于解释本发明所要解决的问题的电路图；
图28是用于解释现有技术的电路图；
图29是用于解释现有技术的电路图。
具体实施方式
将参照图27详细描述本发明所要解决的问题。图27是示出图像感测设备2000中一列的布置的电路图。
图像感测设备2000包括以下构成元件。
在像素阵列PA2000中，包括像素2001和2002的多个有效像素(active pixel)被排列在沿着行和列的方向上。线存储器2010经由多个列信号线SIG连接到像素阵列PA2000中多个列上的像素。像素2001和2002属于单个列，并且连接到单个列信号线SIG。列信号线SIG连接到恒定电流负载2003。
垂直扫描电路(未示出)选择读出行(读出像素)，以读出像素阵列PA2000中的信号。经由多个列信号线SIG将信号从所选读出行读出到线存储器2010。
线存储器2010包括电容2004、2005、2008和2009、以及阻抗变换器2006和2007。
在从垂直扫描电路接收到有效电平选择控制信号时，选择单元(选择晶体管)SEL导通，以使得像素进入所选状态。在所选像素中，像素输出单元(源极跟随器晶体管)SF的栅极经由传送单元TX接收由光电转换单元PD生成的信号。像素输出单元SF和恒定电流负载2003对该信号进行放大，将放大后的信号输出到信号线SIG。
更具体地说，在选择像素2001的第一时段中，将噪声信号Vn从像素2001读出到电容2005。此后，将通过在噪声信号Vn上叠加图像信号而获得的光信号Vs从像素2001读出到电容2004。
在选择像素2001的第二时段中，经由阻抗变换器2006将读出到电容2004的光信号传送到电容2008。电容2008保持传送的光信号。经由阻抗变换器2007将读出到电容2005的噪声信号传送到电容2009。电容2009保持传送的噪声信号。
在选择像素2001的第三时段，将电容2008中保持的光信号读出到后级上的输出线(未示出)。将电容2009中保持的噪声信号读出到后级上的输出线(未示出)。输出放大器(未示出)经由所述输出线接收光信号和噪声信号，并且输出它们之间的差，生成图像信号。输出放大器将图像信号输出到图像感测设备2000外部。
假设并行执行将预定像素(例如像素2001)的信号从电容2008和2009读出到输出线的操作以及将信号从另一像素(例如像素2002)读出到电容2004和2005的操作。这样可以缩短用于将信号从像素阵列PA2000读出到输出放大器的读出时段。
然而，在光信号包含阻抗变换器2006的偏移，并且噪声信号包含阻抗变换器2007的偏移的时候，光信号和噪声信号被传送到输出放大器。在此情况下，即使输出放大器计算出光信号与噪声信号之间的差，阻抗变换器2006与2007的偏移之间的差也仍然留下作为图像信号中的噪声。因此，需要减少图像信号中的偏移分量，并且改进从图像信号所获得的图像的质量。
将参照图1描述根据本发明第一实施例的图像感测设备100。图1是示出根据本发明第一实施例的图像感测设备100的布置的示图。
图像感测设备100是用于摄像机、数码相机或图像扫描仪的图像输入设备中所使用的CMOS图像传感器。图像感测设备100包括像素阵列PA、多个列信号线SIG、垂直扫描电路110、多个读出电路(多个传送块)103、多个列传送单元109、水平扫描电路120以及输出放大器(输出单元)108。
在像素阵列PA中，多个像素101被排列在沿着行和列的方向上。在图1中，4×6个像素101构成像素阵列PA。
列信号线SIG连接到像素阵列PA中各个列上的像素101。每一列信号线SIG连接到恒定电流源102。恒定电流源102将恒定电流提供给列信号线SIG。
垂直扫描电路110(沿着列的方向)垂直扫描像素阵列PA，以选择读出行(读出像素)，从而读出信号。垂直扫描电路110驱动所选读出行上的像素(读出像素)，以将信号从所选读出行上的像素输出到列信号线SIG。
读出电路103被布置为与像素阵列PA中各个列上的像素101对应。每一读出电路103从每一列上的像素读出输出到列信号线SIG的信号。更具体地说，在选择像素阵列PA中(读出行上)的读出像素101的时候，读出电路103临时保持在不同定时从读出像素101接收到的光信号和噪声信号。读出电路103包括光信号传送单元(第一传送单元)103S以及噪声信号传送单元(第二传送单元)103N，稍后将对其进行描述。光信号传送单元103S临时保持光信号。噪声信号传送单元103N临时保持噪声信号。
列传送单元109被布置为与像素阵列PA中各个列上的像素101对应。每一列传送单元109将读出电路103中保持的光信号和噪声信号传送到输出放大器108。列传送单元109包括传送开关104和105。
传送开关104将光信号传送单元103S连接到光信号输出线106/将光信号传送单元103S与光信号输出线106断开。传送开关104导通，以经由光信号输出线106将光信号传送单元103S中保持的光信号传送到输出放大器108。
传送开关105将噪声信号传送单元103N连接到噪声信号输出线107/将噪声信号传送单元103N与噪声信号输出线107断开。传送开关105导通，以经由噪声信号输出线107将噪声信号传送单元103N中保持的噪声信号传送到输出放大器108。
水平扫描电路120(沿着行的方向)水平扫描列传送单元109，以依次导通各个列上的传送开关104和105。于是，经由光信号输出线106将各个列上光信号传送单元103S中保持的光信号依次读出到输出放大器108。经由噪声信号输出线107将各个列上噪声信号传送单元103N中保持的噪声信号依次输出到输出放大器108。
输出放大器108从每一列上的读出电路103的光信号传送单元103S接收光信号，并且从每一列上的读出电路103的噪声信号传送单元103N接收噪声信号。输出放大器108输出接收到的光信号与噪声信号之间的差，生成图像信号并且将其输出。输出放大器108是例如差分放大器。
将参照图2解释像素阵列PA中的每一像素101的结构。图2是示出像素101的结构的电路图。
像素101包括光电转换单元PD、传送单元TX、电荷-电压转换器FD、复位单元RES、选择单元SEL和像素输出单元SF。
光电转换单元PD生成与光对应的电荷，并且累积所述电荷。光电转换单元PD是例如光电二极管。
传送单元TX将光电转换单元PD中生成的电荷传送到电荷-电压转换器FD。传送单元TX是例如传送MOS晶体管。于在栅极从垂直扫描电路110(见图1)接收到有效电平传送控制信号时，传送单元TX导通，以将光电转换单元PD生成的信号电荷传送到电荷-电压转换器FD。
电荷-电压转换器FD将传送的电荷转换为电压。电荷-电压转换器FD是例如浮动扩散。
复位单元RES对电荷-电压转换器FD进行复位。复位单元RES是例如复位MOS晶体管。于在栅极从垂直扫描电路110(见图1)接收到有效电平复位控制信号时，复位单元RES导通，以对电荷-电压转换器FD进行复位(复位为复位电源VDD的电位)。
选择单元SEL选择/取消选择像素101。选择单元SEL是例如选择MOS晶体管。于在栅极从垂直扫描电路110(见图1)接收到有效电平/无效电平选择控制信号时，选择单元SEL导通/关断，以选择/取消选择像素101。
像素输出单元SF将与电荷-电压转换器FD的电压对应的信号输出到列信号线SIG。像素输出单元SF是例如源极跟随器MOS晶体管SF。像素输出单元SF连同连接到列信号线SIG的恒定电流源102一起执行源极跟随器操作，将与电荷-电压转换器FD的电压对应的信号输出到列信号线SIG。更具体地说，在由复位单元RES对电荷-电压转换器FD进行复位之后，像素输出单元SF将与电荷-电压转换器FD的电压对应的噪声信号输出到列信号线SIG。在由传送单元TX将光电转换单元PD中的电荷传送到电荷-电压转换器FD之后，像素输出单元SF将与电荷-电压转换器FD的电压对应的光信号输出到列信号线SIG。
将参照图3解释每一列上的读出电路103的结构。图3是示出每一列上的读出电路103的结构的电路图。
读出电路103包括光信号传送单元103S和噪声信号传送单元103N。
光信号传送单元103S包括开关PTS1、第一保持单元CTS1、开关PC0RB、第一阻抗变换器201、开关PC0R1和第一箝位电容C0S。光信号传送单元103S还包括第一开关PC0R21、开关PTS2和第二保持单元CTS2。
光信号传送单元103S在第五状态与第六状态之间切换。在第五状态下，第一阻抗变换器201的输出端子连接到第一箝位电容C0S的第一电极C0S1，基准电压VREF2被提供给第二电极C0S2。在第六状态下，在维持第一阻抗变换器201的输出端子与第一电极C0S1之间的连接的时候，基准电压VREF2不被提供给第二电极C0S2。
开关PTS1对充当第一信号的光信号进行采样。开关PTS1导通，以将从像素101输出到列信号线SIG的光信号传送到第一保持单元CTS1。开关PTS1关断，以在第一保持单元CTS1中保持传送的光信号。
第一保持单元CTS1保持经由开关PTS1从像素101传送的光信号。
开关PC0RB将第一保持单元CTS1中保持的光信号传送到第一阻抗变换器201。
第一阻抗变换器201变换传送的光信号的阻抗，并且输出变换后的光信号。第一阻抗变换器201将第一保持单元CTS1中保持的光信号传送到第二保持单元CTS2。第一阻抗变换器201具有第一偏移Vof1。第一阻抗变换器201是例如缓冲放大器。
第一阻抗变换器201也可以是如图23所示的源极跟随器SF，或如图24所示的使用运算放大器2201的电压跟随器。图24中的运算放大器2201也可以是如图25所示的差分放大器。
开关PC0R1导通，以将基准电压VREF1提供给第一阻抗变换器201的输入。
第一箝位电容C0S对从第一阻抗变换器201输出的信号进行箝位。第一箝位电容C0S具有第一电极C0S1和第二电极C0S2。第一电极C0S1从第一阻抗变换器接收第一偏移Vof1。例如，第二电极C0S2与第一电极C0S1相对。第二电极C0S2提供第一阻抗变换器201的第一偏移Vof1与通过在光信号上叠加第一偏移Vof1所获得的信号之间的差分信号，作为充当第三信号的光信号。从第二电极C0S2提供的光信号不包含第一偏移Vof1。
第一开关PC0R21导通，以将基准电压VREF2提供给第二电极C0S2。第一开关PC0R21关断，以从第二电极C0S2提供不包含第一偏移Vof1的光信号。
开关PTS2对从第二电极C0S2提供的信号进行采样。开关PTS2导通，以将从第二电极C0S2提供的光信号传送到第二保持单元CTS2。开关PTS2关断，以在第二保持单元CTS2中保持传送的光信号。
第二保持单元CTS2保持经由开关PTS2从第二电极C0S2传送的光信号。第二保持单元CTS2保持从第一阻抗变换器201传送的光信号。当导通后级上的传送开关104时，经由光信号输出线106将第二保持单元CTS2中保持的光信号读出到输出放大器108。
噪声信号传送单元103N包括开关PTN1、第三保持单元CTN1、开关PC0RB、第二阻抗变换器202、开关PC0R1和第二箝位电容C0N。噪声信号传送单元103N还包括第二开关PC0R22、开关PTN2和第四保持单元CTN2。
噪声信号传送单元103N在第七状态与第八状态之间切换。在第七状态下，第二阻抗变换器202的输出端子连接到第二箝位电容C0N的第三电极C0N1，基准电压VREF2被提供给第四电极C0N2。在第八状态下，在维持第二阻抗变换器202的输出端子与第三电极C0N1之间的连接的时候，基准电压VREF2不被提供给第四电极C0N2。
开关PTN1对充当第二信号的噪声信号进行采样。开关PTN1导通，以将从像素101输出到列信号线SIG的噪声信号传送到第三保持单元CTN1。开关PTN1关断，以在第三保持单元CTN1中保持传送的噪声信号。
第三保持单元CTN1保持经由开关PTN1从像素101传送的噪声信号。
开关PC0RB将第三保持单元CTN1中保持的噪声信号传送到第二阻抗变换器202。
第二阻抗变换器202变换传送的噪声信号的阻抗，并且输出变换后的噪声信号。第二阻抗变换器202将第三保持单元CTN1中保持的噪声信号传送到第四保持单元CTN2。第二阻抗变换器202具有第二偏移Vof2。第二阻抗变换器202是例如缓冲放大器。
第二阻抗变换器202也可以是如图23所示的源极跟随器SF，或如图24所示的使用运算放大器2201的电压跟随器。图24中的运算放大器2201也可以是如图25所示的差分放大器。
开关PC0R1导通，以将基准电压VREF1提供给第二阻抗变换器202的输入。
第二箝位电容C0N对从第二阻抗变换器202输出的信号进行箝位。第二箝位电容C0N具有第三电极C0N1和第四电极C0N2。第三电极C0N1从第二阻抗变换器202接收第二偏移Vof2。例如，第四电极C0N2与第三电极C0N1相对。第四电极C0N2提供第二阻抗变换器202的第二偏移Vof2与通过在噪声信号上叠加第二偏移Vof2所获得的信号之间的差分信号，作为充当第四信号的噪声信号。从第四电极C0N2提供的噪声信号不包含第二偏移Vof2。
第二开关PC0R22导通，以将基准电压VREF2提供给第四电极C0N2。第二开关PC0R22关断，以从第四电极C0N2提供不包含第二偏移Vof2的噪声信号。
开关PTN2对从第四电极C0N2提供的信号进行采样。开关PTN2导通，以将从第四电极C0N2提供的噪声信号传送到第四保持单元CTN2。开关PTN2关断，以在第四保持单元CTN2中保持传送的噪声信号。
第四保持单元CTN2保持经由开关PTN2从第四电极C0N2传送的噪声信号。第四保持单元CTN2保持从第二阻抗变换器202传送的噪声信号。当导通后级上的传送开关105时，经由噪声信号输出线107将第四保持单元CTN2中保持的噪声信号读出到输出放大器108。
将参照图4解释每一列上的读出电路103的操作。图4是示出每一列上的读出电路103的操作的时序图。图4还示出除了控制信号的波形之外的列信号线SIG的电位的改变。
如图4所示，依次定义各个行的垂直传送时段VT和采样时段ST。例如，依次设置第N行的垂直传送时段VT(N)、第N行的采样时段ST(N)、第(N+1)行的垂直传送时段VT(N+1)、第(N+1)行的采样时段ST(N+1)、第(N+2)行的垂直传送时段VT(N+2)、......。
每一行的垂直传送时段VT包含用于已经读出(垂直传送)的紧接的前一行的信号的水平传送时段HT。例如，第N行的垂直传送时段VT(N)包含第(N-1)行的水平传送时段HT(N-1)。第(N+1)行的垂直传送时段VT(N+1)包含第N行的水平传送时段HT(N)。第(N+2)行的垂直传送时段VT(N+2)包含第(N+1)行的水平传送时段HT(N+1)。
将对于第N行上的像素的信号举例示出每一时段中的操作。
于紧接在垂直传送时段VT(N)之前的采样时段ST(N-1)中，垂直扫描电路110将有效电平控制信号φPRES提供给像素阵列PA中第N行上的像素的复位单元RES。在第N行上的像素中，复位单元RES对电荷-电压转换器FD进行复位，像素输出单元SF将噪声信号输出到列信号线SIG。
在垂直传送时段VT(N)中，垂直扫描电路110将有效电平控制信号(选择控制信号)φPSEL提供给像素阵列PA中第N行上的像素的选择单元SEL，由此选择第N行上的像素。垂直扫描电路110将有效电平控制信号φPTN1提供给各个列上噪声信号传送单元103N的开关PTN1。响应于此，开关PTN1导通，以将从像素101输出到列信号线SIG的噪声信号传送到第三保持单元CTN1。此时，开关PTN1关断，以在第三保持单元CTN1中保持传送的噪声信号。开关PTN2为OFF。
于是，垂直扫描电路110将有效电平控制信号(传送控制信号)φPTX提供给第N行上的像素的传送单元TX。在第N行上的像素中，传送单元TX将光电转换单元PD中的电荷传送到电荷-电压转换器FD，像素输出单元SF将光信号输出到列信号线SIG。垂直扫描电路110将有效电平控制信号φPTS1提供给各个列上的光信号传送单元103S的开关PTS1。于是，开关PTS1导通，以将从像素101输出到列信号线SIG的光信号传送到第一保持单元CTS1。此后，开关PTS1关断，以在第一保持单元CTS1中保持传送的光信号。此时，开关PTS2为OFF。
在垂直传送时段VT(N)结束的定时，垂直扫描电路110将无效电平控制信号φPSEL提供给像素阵列PA中第N行上的像素的选择单元SEL，由此取消选择第N行上的像素(读出像素)。也就是说，在垂直传送时段VT(N)中，选择第N行上的像素(读出像素)。在该时段中的定时，垂直扫描电路110将有效电平控制信号φPRES提供给像素阵列PA中第N行上的像素的复位单元RES。
在垂直传送时段VT(N)期间的水平传送时段HT(N-1)中，水平扫描电路120依次导通各个列上的传送开关104和105。经由光信号输出线106将各个列上光信号传送单元103S的第二保持单元CTS2中保持的光信号依次读出到输出放大器108。经由噪声信号输出线107将各个列上噪声信号传送单元103N的第四保持单元CTN2中保持的噪声信号依次读出到输出放大器108。
以此方式，并行地执行将信号从第N行上的像素读出到第一保持单元或第三保持单元的操作、以及将第(N-1)行上的像素的信号从第二保持单元读出到光信号输出线和从第四保持单元读出到噪声信号输出线的操作。这样可以缩短用于将信号从像素阵列PA读出到输出放大器108的读出时段。
在第N行的采样时段ST(N)中的时间t0，垂直扫描电路110将无效电平控制信号φPC0RB提供给各个列上光信号传送单元103S和噪声信号传送单元103N的开关PC0RB，由此关断它们。结果，各个列上的第一保持单元CTS1持续保持第N行上的像素的光信号。各个列上的第三保持单元CTN1持续保持第N行上的像素的噪声信号。
在时间t0，垂直扫描电路110将有效电平控制信号φPC0R1提供给各个列上光信号传送单元103S和噪声信号传送单元103N的开关PC0R1，由此导通它们。第一阻抗变换器201接收基准电压VREF1，以将通过在基准电压VREF1上叠加第一偏移Vof1所获得的信号提供给第一箝位电容C0S的第一电极C0S1。第二阻抗变换器202接收基准电压VREF1，以将通过在基准电压VREF1上叠加第二偏移Vof2所获得的信号提供给第二箝位电容C0N的第三电极C0N1。
在时间t0，垂直扫描电路110将有效电平控制信号φPC0R2提供给各个列上光信号传送单元103S的第一开关PC0R21。第一箝位电容C0S的第二电极C0S2接收基准电压VREF2。垂直扫描电路110将有效电平控制信号φPC0R2提供给各个列上噪声信号传送单元103N的第二开关PC0R22。第二箝位电容C0N的第四电极C0N2接收基准电压VREF2。
在时间t0，垂直扫描电路110将有效电平控制信号φPTS2提供给各个列上光信号传送单元103S的开关PTS2。响应于此，开关PTS2导通，以对第二保持单元CTS2进行复位。相似地，垂直扫描电路110将有效电平控制信号φPTN2提供给各个列上噪声信号传送单元103N的开关PTN2。于是，开关PTN2导通，以对第四保持单元CTN2进行复位。
在时间t1，垂直扫描电路110将有效电平控制信号φPC0RB提供给各个列上光信号传送单元103S和噪声信号传送单元103N的开关PC0RB，由此导通它们。第一阻抗变换器201接收各个列上第一保持单元CTS1中保持的光信号，以将通过在光信号与基准电压VREF1之和上叠加第一偏移Vof1所获得的信号提供给第一电极C0S1。相似地，第二阻抗变换器202接收各个列上第三保持单元CTN1中保持的噪声信号，以将通过在噪声信号与基准电压VREF1之和上叠加第二偏移Vof2所获得的信号提供给第三电极C0N1。
在时间t2，垂直扫描电路110将有效电平控制信号φPTS2提供给各个列上光信号传送单元103S的开关PTS2，由此导通它们。通过第一箝位电容C0S的箝位操作，第二电极C0S2提供均不包含第一偏移Vof1的光信号。也就是说，每一第二电极C0S2将第一阻抗变换器201的第一偏移Vof1与通过在光信号上叠加第一偏移Vof1所获得的信号之间的差分信号作为光信号提供给第二保持单元CTS2。从第二电极C0S2提供的光信号不包含第一偏移Vof1。
在时间t2，垂直扫描电路110将有效电平控制信号φPTN2提供给各个列上噪声信号传送单元103N的开关PTN2，由此导通它们。通过第二箝位电容C0N的箝位操作，第四电极C0N2提供均不包含第二偏移Vof2的噪声信号。也就是说，每一第四电极C0N2将第二阻抗变换器202的第二偏移Vof2与通过在噪声信号上叠加第二偏移Vof2所获得的信号之间的差分信号作为噪声信号提供给第四保持单元CTN2。从第四电极C0N2提供的噪声信号不包含第二偏移Vof2。
在时间t3，垂直扫描电路110将无效电平控制信号φPTS2提供给各个列上光信号传送单元103S的开关PTS2，由此关断它们。于是，第二保持单元CTS2保持接收到的光信号。
在时间t3，垂直扫描电路110将无效电平控制信号φPTN2提供给各个列上噪声信号传送单元103N的开关PTN2，由此关断它们。第四保持单元CTN2保持接收到的噪声信号。
在第N行的采样时段ST(N)中，将用于第(N+1)行上的像素的控制信号φPSEL维持在无效电平，并且将用于第(N+1)行上的像素的控制信号φPRES维持在有效电平。在取消选择第(N+1)行上的像素的时候，复位单元RES对电荷-电压转换器FD进行复位。
在采样时段ST(N)后续的垂直传送时段VT(N+1)期间的水平传送时段HT(N)中，水平扫描电路120依次导通各个列上的传送开关104和105。响应于此，经由光信号输出线106将各个列上光信号传送单元103S的第二保持单元CTS2中保持的光信号依次读出到输出放大器108。经由噪声信号输出线107将各个列上噪声信号传送单元103N的第四保持单元CTN2中保持的噪声信号依次读出到输出放大器108。
如上所述，光信号传送单元103S将第一阻抗变换器201的第一偏移Vof1与通过在光信号上叠加第一偏移Vof1所获得的信号之间的差作为光信号输出到输出放大器108。噪声信号传送单元103N将第二阻抗变换器202的第二偏移Vof2与通过在噪声信号上叠加第二偏移Vof2所获得的信号之间的差分信号作为噪声信号输出到输出放大器108。输出放大器108可以输出不包含第一偏移Vof1的光信号与不包含第二偏移Vof2的噪声信号之间的差，生成图像信号并且将其输出。相应地，即使经由不同的阻抗变换器将光信号和噪声信号从像素读出到输出放大器，图像信号也几乎不包含阻抗变换器的偏移。
图5示出对其应用了本发明的图像感测设备的成像系统。
如图5所示，成像系统90主要包括光学系统、图像感测设备100和信号处理单元。光学系统主要包括快门91、透镜92、以及光阑93。信号处理单元主要包括感测信号处理电路95、A/D转换器96、图像信号处理器97、存储器87、外部I/F 89、定时发生器98、整体控制/算术单元99、记录介质88和记录介质控制I/F 94。信号处理单元可以不包括记录介质88。
快门91被布置在光学路径上透镜92的前面，以控制曝光。
透镜92对入射光进行折射，以在图像感测设备100的像素阵列(图像感测表面)上形成对象图像。
光阑93在光学路径上插入在透镜92与图像感测设备100之间。光阑93对在穿过透镜92之后被引导到图像感测设备100的光量进行调整。
图像感测设备100将像素阵列上形成的对象图像变换为图像信号。图像感测设备100从像素阵列读出图像信号，并且将其输出。
感测信号处理电路95连接到图像感测设备100，并且处理从图像感测设备100输出的图像信号。
A/D转换器96连接到感测信号处理电路95。A/D转换器96将从感测信号处理电路95输出的处理过的图像信号(模拟信号)转换为数字信号。
图像信号处理器97连接到A/D转换器96。图像信号处理器97执行各种算术处理(例如对于从A/D转换器96输出的图像信号(数字信号)的校正)，以生成图像数据。图像信号处理器97将图像数据提供给存储器87、外部I/F 89、整体控制/算术单元99、记录介质控制I/F 94等等。
存储器87连接到图像信号处理器97，并且存储从图像信号处理器97输出的图像数据。
外部I/F 89连接到图像信号处理器97。经由外部I/F 89将从图像信号处理器97输出的图像数据传送到外部设备(例如个人计算机)。
定时发生器98连接到图像感测设备100、感测信号处理电路95、A/D转换器96和图像信号处理器97。定时发生器98将定时信号提供给图像感测设备100、感测信号处理电路95、A/D转换器96和图像信号处理器97。图像感测设备100、感测信号处理电路95、A/D转换器96和图像信号处理器97同步于定时信号而操作。
整体控制/算术单元99连接到定时发生器98、图像信号处理器97和记录介质控制I/F 94，并且控制它们全部。
记录介质88可拆卸地连接到记录介质控制I/F 94。经由记录介质控制I/F 94在记录介质88上记录从图像信号处理器97输出的图像数据。
通过这种布置，只要图像感测设备100可以获得高质量图像信号，它就可以提供高质量图像(图像数据)。
将描述根据第二实施例的图像感测设备100i。将主要解释与第一实施例的差别。
图像感测设备100i与第一实施例的不同之处在于每一列上的读出电路103i的结构，如图6所示。图6是示出根据本发明第二实施例的图像感测设备100i中每一列上的读出电路103i的结构的电路图。
读出电路103i包括光信号传送单元103Si和噪声信号传送单元103Ni。
与第一实施例不同，光信号传送单元103Si包括开关PC0RB1i、开关PC0RB2i、第一阻抗变换器(第一差分放大器)401i、开关PC0R3i和第一箝位电容C0Si。
开关PC0RB1i导通，以将第一保持单元CTS1中保持的光信号传送到第一箝位电容C0Si的第一电极C0S1i。
开关PC0RB2i导通，以将从第一箝位电容C0Si的第二电极C0S2i提供的信号传送到第一阻抗变换器401i的非反转(non-inverting)输入端子。
第一阻抗变换器401i包括如图25所示的差分放大器，其运行为如图24所示的电压跟随器。
第一箝位电容C0Si可以经由开关PC0R3i连接到将第一阻抗变换器401i的输出节点N1与第二保持单元CTS2进行连接的线路。
开关PC0R3i将第一阻抗变换器401i输出节点N1连接到第一箝位电容C0Si的第一电极C0S1i/将第一阻抗变换器401i的输出节点N1与第一箝位电容C0Si的第一电极C0S1i断开。
噪声信号传送单元103Ni包括开关PC0RB1i、开关PC0RB2i、第二阻抗变换器(第二差分放大器)402i、开关PC0R3i和第二箝位电容C0Ni，与第一实施例不同。
开关PC0RB1i导通，以将第三保持单元CTN1中保持的噪声信号传送到第二箝位电容C0Ni的第三电极C0N1i。
开关PC0RB2i导通，以将从第二箝位电容C0Ni的第四电极C0N2i提供的信号传送到第二阻抗变换器402i的非反转输入端子。
第二阻抗变换器402i包括如图25所示的差分放大器，其运行为如图24所示的电压跟随器。
第二箝位电容C0Ni可以经由开关PC0R3i连接到将第二阻抗变换器402i的输出节点N2与第四保持单元CTN2进行连接的线路。
开关PC0R3i将第二阻抗变换器402i的输出节点N2连接到第二箝位电容C0Ni的第三电极C0N1i/将第二阻抗变换器402i的输出节点N2与第二箝位电容C0Ni的第三电极C0N1i断开。
每一列上的读出电路103i的操作与第一实施例的不同之外在于如图7所示的以下几点。图7是示出每一列上的读出电路103i的操作的时序图。
在垂直传送时段VT(N)中的时间t10，垂直扫描电路110将无效电平信号φPC0RB1提供给每一列上光信号传送单元103Si的开关PC0RB1i。垂直扫描电路110将无效电平信号φPC0RB2提供给每一列上噪声信号传送单元103Ni的开关PC0RB2i。响应于此，每一列上光信号传送单元103Si的开关PC0RB1i以及噪声信号传送单元103Ni的开关PC0RB2i二者都关断。垂直扫描电路110分别将有效电平信号φPC0R1、φPC0R2和φPC0R3提供给每一列上光信号传送单元103Si和噪声信号传送单元103Ni的开关PC0R1、PC0R21、PC0R22和PC0R3i，由此导通它们。
更具体地说，在时间t10每一列上光信号传送单元103Si的连接状态(第一状态)如图8所示。第一阻抗变换器401i在其非反转输入端子接收基准电压VREF1，并且将信号(VREF1+Vof1)从其输出端子输出到输出节点N1。信号(VREF1+Vof1)被反馈到第一阻抗变换器401i的反转输入端子，并且被输入到第一箝位电容C0Si的第一电极C0S1i。此时，第一箝位电容C0Si的第二电极C0S2i接收基准电压VREF2。响应于此，第一箝位电容C0Si将电压VC0Si保持为：VC0Si＝VREF1+Vof1-VREF2        ...(1)
在时间t10在每一列上噪声信号传送单元103Ni的连接状态(第三状态)参照图8。此时，噪声信号传送单元103Ni的第二箝位电容C0Ni将电压VC0Ni保持为：VC0Ni＝VREF1+Vof2-VREF2            ...(2)
在时间t14，垂直扫描电路110分别将有效电平信号φPC0RB1和φPC0RB2提供给每一列上光信号传送单元103Si和噪声信号传送单元103Ni的开关PC0RB1i和PC0RB2i，由此导通它们。此外，垂直扫描电路110分别将无效电平信号φPC0R1、φPC0R2和φPC0R3提供给每一列上光信号传送单元103Si和噪声信号传送单元103Ni的开关PC0R1、PC0R21、PC0R22和PC0R3i，由此关断它们。
更具体地说，在时间t14每一列上光信号传送单元103Si的连接状态(第二状态)如图9所示。结果，保持由公式(1)给出的电压VC0Si的第一箝位电容C0Si串联插入在第一保持单元CTS1与第一阻抗变换器401i的非反转输入端子之间。
在时间t16，第一箝位电容C0Si的第一电极C0S1i接收第一保持单元CTS1中保持的第N行上的每一像素的光信号Vs。通过第一箝位电容C0Si和第一阻抗变换器401i的箝位操作，第一阻抗变换器401i的输出端子输出不包含第一偏移Vof1的光信号。更具体地说，第一阻抗变换器401i的输出端子将电压(信号)Vo401i输出为：Vo401i＝Vs+VREF2-VREF1        ...(3)
在时间t14在每一列上噪声信号传送单元103Ni的连接状态(第四状态)参照图9。在时间t15，设Vn是第三保持单元CTN1中保持的第N行上的每一像素的噪声信号，则噪声信号传送单元103Ni的第二阻抗变换器402i的输出端子输出电压(信号)Vo402i为：Vo402i＝Vn+VREF2-VREF1        ...(4)
此时，通过如下进行设置，第一阻抗变换器401i的输出电压(输出信号)Vo401i变为光信号Vs：VREF1＝VREF2                  ...(5)从第一阻抗变换器401i输出的光信号不包含第一偏移Vof1。第二阻抗变换器402i的输出电压(输出信号)Vo402i变为噪声信号Vn。从第二阻抗变换器402i输出的噪声信号不包含第二偏移Vof2。
或者，通过如下进行设置，也可以对第一阻抗变换器401i的输出信号Vo401i的DC电平以及第二阻抗变换器402i的输出信号Vo402i的DC电平进行调整：VREF1≠VREF2                  ...(6)通过对输出信号Vo401i和Vo402i的DC电平进行调整，可以自由地设置输出线上的信号的操作点，以在从图像感测设备输出信号之后执行期望的信号处理。
与第一实施例不同，在第N行的采样时段ST(N)中，不执行在时间t0和t1的操作。
在第一实施例中，箝位电容C0Si施加电容分割增益C0Si/(C0Si+CTS2)(＜1)，使得信号幅度衰减。因此，需要增加最后级上的输出放大器的增益。
然而，在第二实施例中，箝位电容并未使得信号幅度衰减。因此，输出放大器可以按几乎不生成噪声的低增益而操作。
在读出电路中，穿过列信号线SIG的信号也可以直接对箝位电容C0Si和C0Ni充电，而无需布置第一保持单元CTS1和第三保持单元CTN1。在此情况下，当开关PTN1和PTS1关断时，开关PTN1和开关PTS1侧的箝位电容C0Si和C0Ni的电极电浮动。如果在浮置电极中混合了干扰噪声，则其直接出现在阻抗变换器401i和402i的输出中。也就是说，可以通过在读出电路中布置第一保持单元CTS1和第三保持单元CTN1来减少干扰噪声的不利效果。
将描述根据第三实施例的图像感测设备100j。将主要解释与第一实施例的差别。
图像感测设备100j与第一实施例的不同之处在于每一列上的读出电路103j的结构，如图10所示。图10是示出根据本发明第三实施例的图像感测设备100j中每一列上的读出电路103j的结构的电路图。
读出电路103j包括光信号传送单元103Sj和噪声信号传送单元103Nj。
与第一实施例不同，光信号传送单元103Sj包括第一保持单元CTS11j、第一保持单元CTS12j、第一阻抗变换器(第一差分放大器)801j以及开关FBS1j、FBS2j和FBS3j。
第一保持单元CTS11j、开关FBS1j与第一保持单元CTS12j并联插入在开关PTS1与第一阻抗变换器801j的反转输入端子之间。第一保持单元CTS11j和CTS12j中的每一个保持经由开关PTS1从像素101传送的光信号。第一保持单元CTS11j和CTS12j中的每一个还运行为箝位电容，用于对从第一阻抗变换器801j输出的第一偏移进行箝位。
第一阻抗变换器801j在其非反转输入端子处接收基准电压VREF。
第一保持单元CTS11j包括电极CTS111j和CTS112j。例如，电极CTS111j和CTS112j彼此相对，以形成电容。电极(第二保持电极)CTS111j经由列信号线SIG从像素接收光信号。电极(第一保持电极)CTS112j从第一阻抗变换器801j接收包含第一偏移Vof1的信号。
第一保持单元CTS12j包括电极CTS121j和CTS122j。例如，电极CTS121j和CTS122j彼此相对，以形成电容。电极(第二保持电极)CTS121j经由列信号线SIG从像素接收光信号。电极(第一保持电极)CTS122j从第一阻抗变换器801j接收包含第一偏移Vof1的信号。
组合开关FBS1j、FBS2j和FBS3j的ON/OFF状态，以切换第一阻抗变换器801j的反转输入端子与输出端子之间的路径。结果，开关FBS1j、FBS2j和FBS3j切换第一保持单元CTS11j和CTS12j的功能。
与第一实施例不同，噪声信号传送单元103Nj包括第三保持单元CTN11j、第三保持单元CTN12j、第二阻抗变换器(第二差分放大器)802j以及开关FBN1j、FBN2j和FBN3j。
第三保持单元CTN11j、开关FBN1j与第三保持单元CTN12j并联插入在开关PTN1与第二阻抗变换器802j的反转输入端子之间。第三保持单元CTN11j和CTN12j中的每一个保持经由开关PTN1从像素101传送的噪声信号。第三保持单元CTN11j和CTN12j中的每一个还运行为箝位电容，用于对从第二阻抗变换器802j输出的第二偏移进行箝位。
第二阻抗变换器802j在其非反转输入端子处接收基准电压VREF。
第三保持单元CTN11j包括电极CTN111j和CTN112j。例如，电极CTN111j和CTN112j彼此相对，以形成电容。电极(第四保持电极)CTN111j经由列信号线SIG从像素接收光信号。电极(第三保持电极)CTN112j从第二阻抗变换器802j接收包含第二偏移Vof2的信号。
第三保持单元CTN12j包括电极CTN121j和CTN122j。例如，电极CTN121j和CTN122j彼此相对，以形成电容。电极(第四保持电极)CTN121j经由列信号线SIG从像素接收光信号。电极(第三保持电极)CTN122j从第二阻抗变换器802j接收包含第二偏移Vof2的信号。
组合开关FBN1j、FBN2j和FBN3j的ON/OFF状态，以切换第二阻抗变换器802j的反转输入端子与输出端子之间的路径。结果，开关FBN1j、FBN2j和FBN3j切换第三保持单元CTN11j和CTN12j的功能。
每一列上的读出电路103j的操作与第一实施例的不同之外在于如图11所示的以下几点。图11是示出每一列上的读出电路103j的操作的时序图。
在垂直传送时段VT(N)中的时间t20，垂直扫描电路110将有效电平信号φFBS1和φFBS2提供给每一列上光信号传送单元103Sj的开关FBS1j和FBS2j。垂直扫描电路110将无效电平信号φFBS3提供给每一列上光信号传送单元103Sj的开关FBS3j。响应于这些信号，在每一列上的光信号传送单元103Sj中，开关FBS1j和FBS2j二者都导通，并且开关FBS3j关断。
相似地，垂直扫描电路110将有效电平信号φFBN1和φFBN2提供给每一列上噪声信号传送单元103Nj的开关FBN1j和FBN2j。垂直扫描电路110将无效电平信号φFBN3提供给每一列上噪声信号传送单元103Nj的开关FBN3j。响应于这些信号，在每一列上的噪声信号传送单元103Nj中，开关FBN1j和FBN2j二者都导通，并且开关FBN3j关断。
更具体地说，在时间t20每一列上光信号传送单元103Sj的连接状态(第一保持状态)如图12A所示。在每一列上的光信号传送单元103Sj中，第一保持单元CTS11j和CTS12j并联在开关PTS1与第一阻抗变换器801j的反转输入端子之间。第一阻抗变换器801j的反转输入端子和输出端子是短路的。电极CTS112j和CTS122j接收从第一阻抗变换器801j输出的信号(VREF+Vof1)。
在时间t20每一列上噪声信号传送单元103Nj的连接状态(第三保持状态)如图12A所示。在每一列上的噪声信号传送单元103Nj中，电极CTN112j和CTN122j接收从第二阻抗变换器802j输出的信号(VREF+Vof2)。
在时间t26，第一保持单元CTS11j的电极CTS111j以及第一保持单元CTS12j的电极CTS112j接收第N行上每一像素的光信号Vs。如图12B所示，设CT11是第一保持单元CTS11j的电容，则第一保持单元CTS11j将电荷Q11保持为：Q11＝CT11*(Vs-(VREF+Vof1))    ...(7)设CT12是第一保持单元CTS12j的电容，则第一保持单元CTS12j将电荷Q12保持为：Q12＝CT12*(Vs-(VREF+Vof1))    ...(8)
相似地，设Vn是在时间t25第N行上每一像素的噪声信号，CT11是第三保持单元CTN11j的电容，则第三保持单元CTN11j将电荷Q13保持为：Q13＝CT11*(Vn-(VREF+Vof2))    ...(9)设CT12是第三保持单元CTN12j的电容，则第三保持单元CTN12j将电荷Q14保持为：Q14＝CT12*(Vn-(VREF+Vof2))    ...(10)
在采样时段ST(N)中的时间t27，垂直扫描电路110将无效电平信号φFBS1和φFBS2提供给每一列上光信号传送单元103Sj的开关FBS1j和FBS2j，由此关断它们。
相似地，垂直扫描电路110将无效电平信号φFBN1和φFBN2提供给每一列上噪声信号传送单元103Nj的开关FBN1j和FBN2j，由此关断它们。
在时间t22，垂直扫描电路110将有效电平信号φFBS3提供给每一列上光信号传送单元103Sj的开关FBS3j，由此导通它。
相似地，垂直扫描电路110将有效电平信号φFBN3提供给每一列上噪声信号传送单元103Nj的开关FBN3j，由此导通它。
更具体地说，在时间t22每一列上光信号传送单元103Sj的连接状态(第二保持状态)如图13A所示。在每一列上的光信号传送单元103Sj中，第一保持单元CTS11j串联在开关PTS1与第一阻抗变换器801j的反转输入端子之间。第一保持单元CTS12j连接在第一阻抗变换器801j的反转输入端子与输出端子之间。通过第一保持单元CTS11j和CTS12j以及第一阻抗变换器801j的箝位操作，第一阻抗变换器801j的输出端子输出没有第一偏移Vof1的光信号。也就是说，第一阻抗变换器801j的输出端子将电压(信号)Vo801j输出为：Vo801j＝(VREF+Vof1)+(Vs-(VREF+Vof1))＝Vs            ...(11)从公式(11)明显的是，VREF+Vof1被消去。
在时间t22每一列上噪声信号传送单元103Nj的连接状态(第四保持状态)参照图13A。设Vn是第N行上每一像素的噪声信号，则噪声信号传送单元103Nj中第二阻抗变换器802j的输出端子将电压(信号)Vo802j输出为：Vo802j＝(VREF+Vof2)+(Vn-(VREF+Vof2))＝Vn           ...(12)也可以省略第三实施例中的CTS11和CTN11。
将描述根据第四实施例的图像感测设备100k。将主要解释与第三实施例的差别。
图像感测设备100k中每一列上的读出电路103j的结构与第三实施例相似。然而，每一列上读出电路的操作与第三实施例的不同之处在于，使用阻抗变换器施加增益，如图14所示。图14是示出根据本发明第三实施例的图像感测设备100k中每一列上的读出电路103j的操作的时序图。
在垂直传送时段VT(N)中的时间t30，垂直扫描电路110将有效电平控制信号φPTS1提供给每一列上光信号传送单元103Sj的开关PTS1。于是，开关PTS1导通，以将从像素101输出到列信号线SIG的光信号传送到第一保持单元CTS11j和CTS12j。垂直扫描电路110将有效电平控制信号φPTN1提供给每一列上噪声信号传送单元103Nj的开关PTN1。响应于此，开关PTN1导通，以将从像素101输出到列信号线SIG的噪声信号传送到第三保持单元CTN11j和CTN12j。其余操作与第三实施例在时间t20的操作相同。在时间t30读出电路103j的连接状态如图12A所示。
在时间t31，垂直扫描电路110将无效电平信号φFBS1和φFBS2提供给每一列上光信号传送单元103Sj的开关FBS1j和FBS2j，由此关断它们。此时，开关PTS1仍然导通。
相似地，垂直扫描电路110将无效电平信号φFBN1和φFBN2提供给每一列上噪声信号传送单元103Nj的开关FBN1j和FBN2j，由此关断它们。此时，开关PTN1仍然导通。
在时间t32，在每一列上噪声信号传送单元103Nj中的开关PTN1为ON的时候，开关FBN3j导通。于是，通过将增益(CT11+CT12)/CT11施加到在时间t30从像素101输出到列信号线SIG的噪声信号所获得的信号出现在第二阻抗变换器802j的输出端子处。在每一列上光信号传送单元103Sj中的开关PTS1为ON的时候，开关FBS3j导通。其余操作与第三实施例中在时间t22的操作相似。在时间t32读出电路103j的连接状态如图13B所示。
在时间t33，垂直扫描电路110将无效电平控制信号φPTN1提供给每一列上噪声信号传送单元103Nj的开关PTN1，由此关断它。
在时间t34，垂直扫描电路110将有效电平控制信号φPTX提供给第N行上每一像素的传送单元TX。在第N行上的像素中，传送单元TX将光电转换单元PD中的电荷传送到电荷-电压转换器FD，像素输出单元SF将光信号输出到列信号线SIG。处于ON状态的开关PTS1将从像素101输出到列信号线SIG的光信号传送到第一保持单元CTS11j。结果，通过将增益(CTS11+CTS12)/CTS11施加到传送到第一保持单元CTS11j的光信号所获得的信号出现在第一阻抗变换器801j的输出端子处。
第四实施例可以使用阻抗变换器施加增益，从而减少了待施加到第二保持单元CTS2或第四保持单元CTN2中所生成的噪声的增益。这样可以增加总S/N比率。
将描述根据第五实施例的图像感测设备100n。将主要解释与第三实施例的差别。
图像感测设备100n与第三实施例的不同之处在于每一列上的读出电路103n的结构，如图15所示。图15是示出根据本发明第五实施例的图像感测设备100n中每一列上的读出电路103n的结构的电路图。
读出电路103n包括光信号传送单元103Sn和噪声信号传送单元103Nn。
光信号传送单元103Sn还包括第一保持单元CTS1n。第一保持单元CTS1n连接在开关PTS1与第一保持单元CTS11j的电极CTS111j之间。甚至当开关PTS1关断以浮置电极CTS111j和电极CTS121j，并且干扰噪声等等混合在浮置电极CTS111j和CTS121j中时，第一保持单元CTS1n抑制电极CTS111j和CTS121j的电位波动。
相似地，噪声信号传送单元103Nn还包括第三保持单元CTN1n。第三保持单元CTN1n连接在开关PTN1与第三保持单元CTN11j的电极CTN111j之间。甚至当开关PTN1关断以浮置电极CTN111j和另一电极CTN121j，并且干扰噪声等等混合在电极CTN111j和CTN121j中时，第三保持单元CTN1n抑制电极CTN111j和CTN121j的电位波动。
每一列上读出电路103n的操作与第三实施例的操作相似。
将描述根据第六实施例的图像感测设备100p。将主要解释与第三实施例的差别。
图像感测设备100p与第三实施例的不同之处在于每一列上的读出电路103p的结构，如图16所示。图16是示出根据本发明第六实施例的图像感测设备100p中每一列上的读出电路103p的结构的电路图。
读出电路103p包括光信号传送单元103Sp和噪声信号传送单元103Np。
光信号传送单元103Sp包括开关FBS1p，代替开关FBS1j。开关FBS1p导通，以将基准电压VREF2提供给第一保持单元CTS12j的电极CTS121j。
噪声信号传送单元103Np包括开关FBN1p，代替开关FBN1j。开关FBN1p导通，以将基准电压VREF2提供给第三保持单元CTN12j的电极CTN121j。
每一列上的读出电路103p的操作与第三实施例的不同之外在于如图14所示的以下几点。
在垂直传送时段VT(N)中的时间t30与时间t31之间的间隔期间，垂直扫描电路110将有效电平控制信号φFBS1提供给每一列上光信号传送单元103Sp的开关FBS1p。于是，开关FBS1p导通，以将基准电压VREF2提供给第一保持单元CTS12j的电极CTS121j。第一保持单元CTS12j将电荷Q12p保持为：Q12p＝CT12*(VREF2-(VREF+Vof1))    ...(13)
在时间t30与时间t31之间的间隔期间，垂直扫描电路110将有效电平控制信号φFBN1提供给每一列上噪声信号传送单元103Np的开关FBN1p。于是，开关FBN1p导通，以将基准电压VREF2提供给第三保持单元CTN12j的电极CTN121j。第三保持单元CTN12j将电荷Q14p保持为：Q14p＝CT12*(VREF2-(VREF+Vof2))    ...(14)
在时间t32，在每一列上光信号传送单元103Sp中的开关PTS1为ON的时候，开关FBS3j导通。响应于此，第一保持单元CTS12j连接在第一阻抗变换器801j的输出端子与反转输入端子之间，并且信号VREF2出现在输出端子处。
相似地，信号VREF2出现在每一列上噪声信号传送单元103Np中的第二阻抗变换器802j的输出端子处。
在时间t32与时间t33之间的间隔期间，通过将增益(CT11+CT12)/CT11施加到从像素到噪声信号传送单元103Np的输入的改变量ΔVn所获得的信号出现在第二阻抗变换器802j的输出端子处。也就是说，以下给出的信号出现在第二阻抗变换器802j的输出端子处：VREF2+ΔVn*(CT11+CT12)/CT11      ...(15)。
在时间t34与时间t35之间的间隔期间，通过将增益(CT11+CT12)/CT11施加到从像素到光信号传送单元103Sp的输入的改变量ΔVs所获得的信号出现在第一阻抗变换器801j的输出端子处。也就是说，以下给出的信号出现在第一阻抗变换器801j的输出端子处：VREF2+ΔVs*(CT11+CT12)/CT11      ...(16)。
如上所述，除了第四实施例的效果之外，第六实施例还可以通过调整VREF2来调整信号的DC电平。因此，在水平传送时段期间可以有效地使用动态范围。
将描述根据第七实施例的图像感测设备100q。将主要解释与第五实施例的差别。
图像感测设备100q与第三实施例的不同之处在于每一列上的读出电路103q的结构，如图17所示。图17是示出根据本发明第七实施例的图像感测设备100q中每一列上的读出电路103q的结构的电路图。
读出电路103q还包括列放大器1500。列放大器1500被布置在光信号传送单元103Sn和噪声信号传送单元103Nn的前级上。
列放大器1500包括阻抗变换器(放大器)1503、箝位电容C0、反馈电容Cf和复位开关PC0R。
阻抗变换器(放大器)1503在其非反转输入端子处接收基准电压VREF，并且其反转输入端子经由箝位电容C0连接到列信号线SIG。反馈电容Cf和复位开关PC0R并联在阻抗变换器1503的输出端子与反转输入端子之间。
阻抗变换器1503对输出到列信号线SIG的光信号进行放大，并且将放大后的光信号提供给光信号传送单元103Sn。此外，阻抗变换器1503对输出到列信号线SIG的噪声信号进行放大，并且将放大后的噪声信号提供给噪声信号传送单元103Nn。
每一列上的读出电路103q的操作与第五实施例的不同之外在于如图18所示的以下几点。图18是示出每一列上的读出电路103q的操作的时序图。
在垂直传送时段VT(N)中的时间t40，垂直扫描电路110将有效电平控制信号φPC0R提供给每一列上列放大器1500中的复位开关PC0R。响应于此，复位开关PC0R导通，以对阻抗变换器1503进行复位。箝位电容C0接收从像素输出到列信号线SIG的噪声信号。
在时间t41，垂直扫描电路110将无效电平控制信号φPC0R提供给每一列上列放大器1500中的复位开关PC0R。复位开关PC0R关断，以在箝位电容C0中保持噪声信号。结果，信号N1出现在阻抗变换器1503的输出端子处：N1＝VREF+Vof11      ...(17)其中，Vof11是阻抗变换器1503的偏移。
在时间t42，箝位电容C0接收从像素输出到列信号线SIG的光信号。通过箝位电容C0和阻抗变换器1503的箝位操作，输出通过将增益C0/Cf施加到噪声信号Vn与光信号Vs之间的差而获得的信号。也就是说，信号S1出现在阻抗变换器1503的输出端子处：S1＝VREF+Vof11+(Vs-Vn)*(C0/CF)      ...(18)。
在采样时段ST(N)中的时间t43，第二保持单元CTS2将电压(信号)保持为：S1*(CT11+CT12)/CT11      ...(19)第四保持单元CTN2将电压(信号)保持为：N1*(CT11+CT12)/CT11      ...(20)
包括阻抗变换器1503的列放大器1500具有以下功能：消除像素的噪声，并且将增益C0/Cf施加到输出信号，但无法消除变换器自身的输出偏移Vof11。因此，后级上的光信号传送单元103Sn和噪声信号传送单元103Nn对偏移Vof11进行采样，并且将增益施加到信号，以将所得到的信号输出到输出放大器108。输出放大器108计算由表达式(19)给出的信号与由表达式(20)给出的信号之间的差，生成不包含阻抗变换器1503的输出偏移Vof11的图像信号。
第七实施例可以在从像素到输出放大器延伸的路径上更接近于像素的部分处施加增益。这样可以在信号穿过路径的时候减少所混合的噪声的不利效果，增加S/N比率。
将描述根据第八实施例的图像感测设备100h。将主要解释与第一实施例的差别。
图像感测设备100h与第三实施例的不同之处在于每一列上的读出电路103h的结构，如图19所示。图19是示出根据本发明第八实施例的图像感测设备100h中每一列上的读出电路103h的结构的电路图。
读出电路103h包括光信号传送单元103Sh和噪声信号传送单元103Nh。
光信号传送单元103Sh包括第一阻抗变换器(第一差分放大器)1701、开关PRS1、开关PTS13、开关PTS2、开关PRS2、第一保持单元C0Sh、开关PTS11和开关PTS12。
第一阻抗变换器1701的非反转输入端子连接到两个开关PRS1和PTS13。这两个开关PRS1和PTS13可以排他地导通/关断，以切换列信号线SIG与基准电压VREF的电源之间的非反转输入端子的连接目的地。
开关PRS1以及受与开关PRS1相同脉冲驱动的开关PRS2将第一保持单元C0Sh切换为串联或者并联到用于连接第一阻抗变换器1701与开关PTS11的线路。
第一保持单元C0Sh包括第一保持电极C0Sh1和第二保持电极C0Sh2。第一保持电极C0Sh1从第一阻抗变换器1701接收包含第一偏移Vof1的信号。第二保持电极C0Sh2经由列信号线SIG从像素接收光信号Vs。
开关PTS11将列信号线SIG连接到第一保持单元C0Sh/将列信号线SIG与第一保持单元C0Sh断开。
开关PTS12也切换垂直传送时段VT与采样时段ST之间的路径。
噪声信号传送单元103Nh包括第二阻抗变换器(第二差分放大器)1702、开关PRN1、开关PTN13、开关PTN2、开关PRN2、第三保持单元C0Nh、开关PTN11和开关PTN12。
第二阻抗变换器1702的非反转输入端子连接到两个开关PRN1和PTN13。这两个开关PRN1和PTN13可以排他地导通/关断，以切换列信号线SIG与基准电压VREF的电源之间的连接目的地。
开关PRN1以及受与开关PRN1相同脉冲驱动的开关PRN2将第三保持单元C0Nh切换为串联或者并联到用于连接第二阻抗变换器1702与开关PTN11的线路。
第三保持单元C0Nh包括第三保持电极C0Nh1和第四保持电极C0Nh2。第三保持电极C0Nh1从第二阻抗变换器1702接收包含第二偏移Vof2的信号。第四保持电极C0Nh2经由列信号线从像素接收噪声信号Vn。
开关PTN11将列信号线SIG连接到第三保持单元C0Nh/将列信号线SIG与第三保持单元C0Nh断开。
开关PTN12也切换垂直传送时段VT与采样时段ST之间的路径。
每一列上的读出电路103h的操作与第一实施例的不同之外在于如图20所示的以下几点。图20是示出每一列上的读出电路103h的操作的时序图。
在垂直传送时段VT(N)中的时间t50，垂直扫描电路110分别将有效电平控制信号φPTN11、φPTN12和φPTN13提供给每一列上噪声信号传送单元103Nh的开关PTN11、PTN12和PTN13，由此导通它们。噪声信号传送单元103Nh的连接状态(第三保持状态)如图21所示。此时，第二阻抗变换器1702的非反转输入端子接收基准电压VREF。第二阻抗变换器1702的反转输入端子连接到第三保持单元C0Nh的第三保持电极C0Nh1。第三保持单元C0Nh的第三保持电极C0Nh1接收信号(VREF+Vof2)。第三保持单元C0Nh的第四保持电极C0Nh2接收从像素输出到列信号线SIG的噪声信号Vn。
在时间t51，垂直扫描电路110分别将无效电平控制信号φPTN11、φPTN12和φPTN13提供给给每一列上噪声信号传送单元103Nh的开关PTN11、PTN12和PTN13，由此关断它们。第三保持单元C0Nh保持噪声信号。
在时间t52，垂直扫描电路110分别将有效电平控制信号φPTS11、φPTS12和φPTS13提供给每一列上光信号传送单元103Sh的开关PTS11、PTS12和PTS13，由此导通它们。光信号传送单元103Sh的连接状态(第一保持状态)如图21所示。此时，第一阻抗变换器1701的非反转输入端子接收基准电压VREF。第一阻抗变换器1701的反转输入端子连接到第一保持单元C0Sh的第一保持电极C0Sh1。第一保持单元C0Sh的第一保持电极C0Sh1接收信号(VREF+Vof1)。第一保持单元C0Sh的第二保持电极C0Sh2接收从像素输出到列信号线SIG的光信号Vs。
在时间t53，垂直扫描电路110分别将无效电平控制信号φPTS11、φPTS12和φPTS13提供给每一列上光信号传送单元103Sh的开关PTS11、PTS12和PTS13，由此关断它们。第一保持单元C0Sh保持光信号。
在采样时段ST(N)中的时间t54，垂直扫描电路110分别将有效电平控制信号φPRS1和φPRS2提供给每一列上光信号传送单元103Sh的开关PRS1和PRS2，由此导通它们。光信号传送单元103Sh的连接状态(第五保持状态)如图22所示。此时，第一阻抗变换器1701的非反转输入端子连接到第一保持单元C0Sh的第二保持电极C0Sh2。第一阻抗变换器1701的反转输入端子与第一保持单元C0Sh的第一保持电极C0Sh1断开。第一阻抗变换器1701的非反转输入端子具有电位：VREF-(VREF+Vof1-Vs)      ...(21)因此，如下给出的信号出现在第一阻抗变换器1701的输出端子处(见图26)：(VREF-(VREF+Vof1-Vs))+Vof1＝Vs      ...(22)。
在时间t54，噪声信号传送单元103Nh的连接状态(第六保持状态)如图22所示。此时，第二阻抗变换器1702的非反转输入端子连接到第三保持单元C0Nh的第四保持电极C0Nh2。第二阻抗变换器1702的反转输入端子与第三保持单元C0Nh的第三保持电极C0Nh1断开。如下给出的信号出现在噪声信号传送单元103Nh中第二阻抗变换器1702的输出端子处(见图26)：(VREF-(VREF+Vof2-Vn))+Vof2＝Vn      ...(23)。
虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围与最宽泛的解释一致，从而包括所有这样的修改和等同物结构与功能。

Claims (9)

1.一种图像感测设备，包括：
多个像素，每个像素包括光电转换单元；
信号线，其被连接到所述多个像素；
输出单元；以及
传送块，其将以从所述多个像素之中选择读出像素的时段中的不同定时从读出像素输出到所述信号线的第一信号和第二信号传送到所述输出单元，所述第一信号是叠加有噪声信号的光信号，所述第二信号是所述噪声信号，
其中，所述传送块包括：第一传送单元和第二传送单元，
所述第一传送单元包括用于将所述第一信号传送到所述输出单元的第一阻抗变换器，以及所述第一传送单元将所述第一阻抗变换器的第一偏移与通过在所述第一信号上叠加所述第一偏移而获得的信号之间的差分信号作为第三信号传送到所述输出单元，
所述第二传送单元包括用于将所述第二信号传送到所述输出单元的第二阻抗变换器，以及所述第二传送单元将所述第二阻抗变换器的第二偏移与通过在所述第二信号上叠加所述第二偏移而获得的信号之间的差分信号作为第四信号传送到所述输出单元，以及
所述输出单元生成并输出用于指示所述第三信号与所述第四信号之间的差的图像信号。
2.根据权利要求1的设备，其中，
所述第一传送单元还包括：
第一箝位电容，其具有第一电极和第二电极，所述第一电极从所述第一阻抗变换器接收包含所述第一偏移的信号，以及
第一开关，其将基准电压提供给所述第二电极，以及
所述第二传送单元还包括：
第二箝位电容，其具有第三电极和第四电极，所述第三电极从所述第二阻抗变换器接收包含所述第二偏移的信号，以及
第二开关，其将基准电压提供给所述第四电极。
3.根据权利要求2的设备，其中，
所述第一阻抗变换器包括：第一差分放大器，
所述第二阻抗变换器包括：第二差分放大器，
所述第一传送单元在第一状态与第二状态之间切换，所述第一状态是将所述第一差分放大器的输出端子、所述第一电极以及所述第一差分放大器的反转输入端子彼此连接并且将基准电压提供给所述第二电极的状态，以及所述第二状态是这样的状态：在维持所述第一差分放大器的输出端子与所述第一差分放大器的反转输入端子之间的连接的时候，将所述第一差分放大器的输出端子与所述第一电极彼此断开，以及将所述第二电极连接到所述第一差分放大器的非反转输入端子，而不将基准电压提供给所述第二电极，以及
所述第二传送单元在第三状态与第四状态之间切换，所述第三状态是将所述第二差分放大器的输出端子、所述第三电极以及所述第二差分放大器的反转输入端子彼此连接并且将基准电压提供给所述第四电极的状态，以及所述第四状态是这样的状态：在维持所述第二差分放大器的输出端子与所述第二差分放大器的反转输入端子之间的连接的时候，将所述第二差分放大器的输出端子与所述第三电极彼此断开，以及所述第四电极连接到所述第二差分放大器的非反转输入端子，而不将基准电压提供给所述第四电极。
4.根据权利要求2的设备，其中，
所述第一阻抗变换器包括：第一差分放大器，
所述第二阻抗变换器包括：第二差分放大器，
所述第一传送单元在第五状态与第六状态之间切换，所述第五状态是将所述第一差分放大器的输出端子与所述第一电极彼此连接并且将基准电压提供给所述第二电极的状态，以及所述第六状态是这样的状态：在维持所述第一差分放大器的输出端子与所述第一电极之间的连接的时候，不将基准电压提供给所述第二电极，以及
所述第二传送单元在第七状态与第八状态之间切换，所述第七状态是将所述第二差分放大器的输出端子与所述第三电极彼此连接并且将基准电压提供给所述第四电极的状态，以及所述第八状态是这样的状态：在维持所述第二差分放大器的输出端子与所述第三电极之间的连接的时候，不将基准电压提供给所述第四电极。
5.根据权利要求1的设备，其中，
所述第一传送单元还包括：
第一保持单元，其保持所述第一信号，以及
第二保持单元，其保持经由所述第一阻抗变换器从所述第一保持单元传送的所述第一信号，
所述第二传送单元还包括：
第三保持单元，其保持所述第二信号，以及
第四保持单元，其保持经由所述第二阻抗变换器从所述第三保持单元传送的所述第二信号，
所述第一保持单元包括：第一保持电极和第二保持电极，所述第一保持电极从所述第一阻抗变换器接收包含所述第一偏移的信号，所述第二保持电极经由所述信号线从所述读出像素接收所述第一信号，
所述第三保持单元包括：第三保持电极和第四保持电极，所述第三保持电极从所述第二阻抗变换器接收包含所述第二偏移的信号，所述第四保持电极经由所述信号线从所述读出像素接收所述第二信号，
所述第一阻抗变换器包括：第一差分放大器，
所述第二阻抗变换器包括：第二差分放大器，
所述第一传送单元在第一保持状态与第二保持状态之间切换，所述第一保持状态是将所述第一差分放大器的反转输入端子和输出端子与所述第一保持电极彼此连接并且将所述信号线与所述第二保持电极彼此连接的状态，以及所述第二保持状态是这样的状态：在维持所述第一差分放大器的反转输入端子与所述第一保持电极之间的连接的时候，将所述第一差分放大器的输出端子与所述第一保持电极彼此断开，将所述信号线与所述第二保持电极彼此断开，以及所述第一差分放大器的输出端子与所述第二保持电极彼此连接，以及
所述第二传送单元在第三保持状态与第四保持状态之间切换，所述第三保持状态是将所述第二差分放大器的反转输入端子和输出端子与所述第三保持电极彼此连接并且将所述信号线与所述第四保持电极彼此连接的状态，以及所述第四保持状态是这样的状态：在维持所述第二差分放大器的反转输入端子与所述第三保持电极之间的连接的时候，将所述第二差分放大器的输出端子与所述第三保持电极彼此断开，将所述信号线与所述第四保持电极彼此断开，以及将所述第二差分放大器的输出端子与所述第四保持电极彼此连接。
6.根据权利要求5的设备，其中，
所述信号线仅经由所述第一保持单元连接到所述第一差分放大器，以及
所述信号线仅经由所述第三保持单元连接到所述第二差分放大器。
7.根据权利要求1的设备，其中，
所述第一传送单元还包括：
第一保持单元，其保持所述第一信号，以及
第二保持单元，其保持经由所述第一阻抗变换器从所述第一保持单元传送的所述第一信号，
所述第二传送单元还包括：
第三保持单元，其保持所述第二信号，以及
第四保持单元，其保持经由所述第二阻抗变换器从所述第三保持单元传送的所述第二信号，
所述第一保持单元包括第一保持电极和第二保持电极，所述第一保持电极从所述第一阻抗变换器接收包含所述第一偏移的信号，所述第二保持电极经由所述信号线从所述读出像素接收所述第一信号，
所述第三保持单元包括第三保持电极和第四保持电极，所述第三保持电极从所述第二阻抗变换器接收包含所述第二偏移的信号，所述第四保持电极经由所述信号线从所述读出像素接收所述第二信号，
所述第一阻抗变换器包括：第一差分放大器，
所述第二阻抗变换器包括：第二差分放大器，
所述第一传送单元在第一保持状态与第五保持状态之间切换，所述第一保持状态是将所述第一差分放大器的反转输入端子和输出端子与所述第一保持电极彼此连接并且将所述信号线与所述第二保持电极彼此连接的状态，以及所述第五保持状态是这样的状态：在维持所述第一差分放大器的输出端子与所述第一差分放大器的反转输入端子之间的连接的时候，将所述第一差分放大器的反转输入端子和输出端子与所述第一保持电极彼此断开以将基准电压提供给所述第一保持电极，将所述信号线与所述第二保持电极彼此断开，以及将所述第一差分放大器的非反转输入端子与所述第二保持电极彼此连接，以及
所述第二传送单元在第三保持状态与第六保持状态之间切换，所述第三保持状态是将所述第二差分放大器的反转输入端子和输出端子与所述第三保持电极彼此连接并且将所述信号线和所述第四保持电极彼此连接的状态，以及所述第六保持状态是这样的状态：在维持所述第二差分放大器的输出端子与所述第二差分放大器的反转输入端子之间的连接的时候，将所述第二差分放大器的反转输入端子和输出端子与所述第三保持电极彼此断开以将基准电压提供给所述第三保持电极，将所述信号线与所述第四保持电极彼此断开，以及将所述第二差分放大器的非反转输入端子与所述第四保持电极彼此连接。
8.根据权利要求1的设备，其中，
所述传送块还包括：放大器，其对输出到所述信号线的所述第一信号进行放大，以将放大后的第一信号提供给所述第一传送单元，以及对输出到所述信号线的第二信号进行放大，以将放大后的第二信号提供给所述第二传送单元。
9.一种成像系统，包括：
权利要求1中所限定的图像感测设备；
光学系统，其在所述图像感测设备的图像感测表面上形成图像；以及
信号处理单元，其处理从所述图像感测设备输出的信号，以生成图像数据。
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