CN101835001A - 固态摄像装置、固态摄像装置的驱动方法以及摄像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种固态摄像装置、固态摄像装置的驱动方法以及摄像装置。同时复位像素阵列部的所有像素并开始曝光，在曝光期间内将溢流路径保持为开放的状态。之后，在从关闭机械快门而结束曝光开始到从像素读取信号为止的期间内，降低FD部的电位，转移晶体管(22)的栅极下的沟道的电势由于此时因寄生电容(C)产生的电容耦合而变低。即，通过降低FD部的电位时的电容耦合，将溢流路径向封闭的方向驱动。由此，在使用机械快门来执行所有像素同时曝光时，抑制了越是靠后读取的像素、关闭了机械快门后的像素内的电荷越是减少的现象。
Description
技术领域
本发明涉及固态摄像装置、固态摄像装置的驱动方法以及摄像装置，特别是涉及与机械快门组合使用的固态摄像装置、该固态摄像装置的驱动方法、以及具有该固态摄像装置的摄像装置。
背景技术
固态摄像装置大致分为以CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器为代表的X-Y寻址方式的固态摄像装置和以CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)图像传感器为代表的电荷转移方式的固态摄像装置。这里，CMOS图像传感器能够执行像素信号的随机存取，与CCD图像传感器相比具有以下优点：像素信号的读取更加高速，并且灵敏度高、消耗功率低。
很多CMOS图像传感器具有通过电子方式来执行以下动作的电子快门的功能：复位蓄积在光电转换部中的信号电荷，并重新开始信号电荷的蓄积。CMOS图像传感器的电子快门功能的快门方式是对二维排列的多个像素的每一像素行设定曝光的开始和结束的所谓滚动快门(也称为帘幕式快门)方式。
因此，滚动快门方式的CMOS图像传感器与对所有像素以相同的定时进行曝光的全域快门方式的CCD图像传感器不同，其对每一像素行的曝光期间错开(不同)。如果曝光期间针对每一像素行错开，则摄像图像会产生失真。
因此，以往对CMOS图像传感器，通过组合使用机械快门来使曝光期间对所有的像素行一致，所述机械快门选择性地对入射到该CMOS图像传感器的受光面的光进行遮光(例如参照专利文献1)。
具体地说，通过打开机械快门并同时复位所有像素行的像素来开始信号电荷的蓄积。并且，通过关闭机械快门来结束曝光。在该曝光结束后，一行一行地来读取像素信号。通过该一系列的动作，所有像素行的曝光期间不错开而是一致，因此摄像图像不会产生失真。
现有技术文献：
专利文献1：日本专利文献特开2006-191236号公报。
发明内容
发明所要解决的问题
但是，上述现有技术存在以下问题：在从关闭机械快门后到读取各像素的信号为止的期间内，越是靠后读取的像素，蓄积在各像素中的电荷量越是会依次减少(后面将详细地说明其原因)。
因此，本发明的目的在于提供以下的固态摄像装置、固态摄像装置的驱动方法以及摄像装置：在使用机械快门来执行所有像素同时曝光时，能够抑制越是靠后读取的像素、关闭了机械快门后的像素内的电荷越是减少的现像。
为了达到上述目的，本发明的固态摄像装置包括配置有多个像素的像素阵列部，所述像素将通过机械快门选择性地入射的光转换为电荷蓄积在蓄积部中并具有释放超过了该蓄积部的饱和电荷量的电荷的溢流路径，在该固态摄像装置中，同时复位所述像素阵列部的所有像素并开始曝光，在曝光期间内将所述溢流路径保持为开放的状态，之后在从关闭所述机械快门而结束曝光开始到从所述像素读取信号为止的期间内将所述溢流路径向封闭的方向驱动。
在上述构成方式的固态摄像装置中，通过所有像素同时的复位动作开始曝光期间，通过机械快门的关闭动作结束曝光期间。这样，通过使用机械快门，所有像素行的各像素的曝光期间一致，因此能够使摄像图像不产生失真。另外，通过在曝光期间内将溢流路径保持为开放的状态，能够阻止电荷向相邻像素泄漏，因此能够抑制溢出。
并且，在从曝光结束后开始到信号读取为止的期间内，将溢流路径向封闭的方向驱动，由此蓄积在像素的蓄积部中的电荷的一部分由于热激励而作为亚阈值电流通过溢流路径流出的现象得以缓和。由此，能够抑制越是靠后读取的像素、像素内的电荷越是依次减少的现象，即能够抑制饱和电荷量的减少。
根据本发明，通过在曝光期间内使溢流路径(overflow path)发挥作用并在机械快门关闭后使溢流路径不发挥作用，能够抑制溢出(blooming)，并且能够抑制会导致机械快门动作发生问题的饱和电荷量的减少。
附图说明
图1是简要地表示应用本发明的CMOS图像传感器的结构的系统构成图；
图2是表示单位像素的电路结构的一个例子的电路图；
图3是简要地表示本发明的摄像装置的结构的系统构成图；
图4用于说明作为本发明的前提的技术，是示意性地表示单位像素的一部分的截面和该部分的电势的图；
图5是用于说明本发明的实施例1的驱动方法的时序图；
图6是用于说明实施例1的驱动方法中的各动作(1)、(4)的时序图；
图7是用于说明实施例1的驱动方法中的动作(2)的时序图；
图8是用于说明实施例1的驱动方法中的动作(3)的时序图；
图9用于说明实施例1，是示意性地表示单位像素的一部分的截面和该部分的电势的图；
图10是用于说明实施例2的驱动方法的各动作(1)～(4)的时序图；
图11是表示采用多个像素共有结构的本发明的应用示例的像素电路的一个例子的电路图；
图12是用于说明本发明的应用示例的像素电路的电路动作的时序图。
具体实施方式
以下，使用附图来详细地说明用于实施发明的方式(以下称为“实施方式”)。按照以下的顺序来进行说明。
1.应用本发明的固态摄像装置(CMOS图像传感器的例子)
2.本发明的摄像装置(数字静态照相机的例子)
3.作为本发明的前提的技术及其缺陷
4.本发明的特征部分
4-1.实施例1(驱动定时示例1)
4-2.实施例2(驱动定时示例2)
5.变形示例
6.应用示例(多个像素共有结构的示例)
<1.应用本发明的固态摄像装置>
图1是简要地表示应用本发明的固态摄像装置、例如作为X-Y寻址方式的固态摄像装置的一种的CMOS图像传感器的结构的系统构成图。
如图1所示，本应用示例的CMOS图像传感器10具有形成在半导体基板(芯片)11上的像素阵列部12和集成在与该像素阵列部12相同的芯片11上的外围电路部。作为外围电路部，例如设置有垂直驱动部13、列(column)处理部14、水平驱动部15、输出电路部16、以及系统控制部17。
在像素阵列部12中，包括光电转换部(光电转换元件)的未图示的单位像素(以下有时简称为“像素”)二维排列成矩阵状，所述光电转换部对入射的可视光进行光电转换并蓄积电荷量与可视光的光量相对应的信号电荷(光电荷)。后面将详细地说明单位像素的具体结构。
在像素阵列部12中，像素驱动线121对矩阵状的像素排列的每行沿图中的左右方向(像素行的像素排列方向/水平方向)布线，垂直信号线122对矩阵状的像素排列的每列沿图中的上下方向(像素列的像素排列方向/垂直方向)布线。在图1中，像素驱动线121表示为每行一条，但是不限于一条。像素驱动线121的一端与对应于垂直驱动部13的各行的输出端连接。
垂直驱动部13由移位寄存器或寻址解码器等构成，是针对所有像素同时地或者以行为单位等来驱动像素阵列部12的各像素的像素驱动部。虽然省略了关于该垂直驱动部13的具体结构的图示，但是该垂直驱动部13通常具有读取扫描系统和清除扫描系统这两个扫描系统。
读取扫描系统为了从单位像素读取信号而以行为单位依次选择并扫描像素阵列部12的单位像素。清除扫描系统对由读取扫描系统执行读取扫描的读取行，比该读取扫描提前快门速度的时间量来执行清除扫描。
通过由该清除扫描系统执行的清除扫描，从清除行的单位像素的光电转换部清除(复位)不需要的电荷。并且，通过由该清除扫描系统执行的对不需要的电荷的清除(复位)来执行所谓的电子快门动作。这里，电子快门动作是指释放光电转换元件的光电荷并重新开始曝光(开始信号电荷的蓄积)的动作。
通过读取扫描系统的读取动作而被读取的信号与紧接在此前的读取动作或者在电子快门动作之后入射的光量相对应。并且，从紧接在此前的读取动作的读取定时或电子快门动作的清除定时到此次的读取动作的读取定时为止的期间是单位像素的光电荷的蓄积期间(曝光期间)。
从由垂直驱动部13执行了选择扫描的像素行的各单位像素输出的信号通过垂直信号线122的每一个被提供给列处理部14。列处理部14针对像素阵列部12的每一像素列，对从选择行的各单位像素通过垂直信号线122输出的信号执行预定的信号处理，并暂时保存信号处理后的像素信号。
具体地说，列处理部14接收各单位像素的信号并对该信号执行例如基于CDS(Correlated Double Sampling，相关双采样)的噪声除去、信号放大、AD(模拟一数字)转换等信号处理。通过噪声除去处理来除去复位噪声、放大晶体管的阈值偏差等像素所特有的固定模式噪声。这里所例示的信号处理仅为一个示例，作为信号处理，并不限于此。
水平驱动部15由移位寄存器或寻址解码器等构成，该水平驱动部15依次选择与列处理部14的像素列相对应的单位电路。通过由该水平驱动部15执行的选择扫描，由列处理部14针对每一单位电路执行了信号处理的像素信号被依次输出给水平总线18，并通过该水平总线18被传送给输出电路部16。
输出电路部16对通过水平总线18传送的信号进行处理并输出。作为输出电路部16的处理，既有仅执行缓冲处理的情况，还可以列举出在缓冲之前调整黑电平或修正各列的偏差等各种数字信号处理。
系统控制部17接收从芯片11的外部提供的时钟或指示动作模式的数据等，或者输出该CMOS图像传感器10的内部信息等数据。系统控制部17还包括生成各种定时信号的定时发生器，并基于由该定时发生器生成的各种定时信号来对垂直驱动部13、列处理部14、以及水平驱动部15等外围电路部进行驱动控制。
在芯片11的周边部设置有包括电源端子的输入输出端子群19A、19B的各端子。输入输出端子群19A、19B在芯片11的内部与外部之间执行电源电压或信号的交换。作为输入输出端子群19A、19B的配置位置，考虑信号的输入方向、输出方向等而决定为适合的位置。
(单位像素的电路结构)
图2是表示单位像素20的电路结构的一个示例的电路图。如图2所示，本电路示例的单位像素20除了光电转换部、例如光电二极管21之外，例如还具有转移晶体管22、复位晶体管23、以及放大晶体管24这三个晶体管。
这里，作为三个晶体管22～24，例如使用N沟道的MOS晶体管。但是，这里所例示的转移晶体管22、复位晶体管23、以及放大晶体管24的导电类型的组合仅为一个示例，不限于这些组合。
对于该单位像素20，作为像素驱动线121，例如转移布线121-1、复位布线121-2、以及选择布线121-3这三条驱动布线对同一像素行的各像素共用地设置。
从垂直驱动部13分别向转移布线121-1和复位布线121-2提供高有效(高电平有效)的转移脉冲φTRF和复位脉冲φRST。另外，向选择布线121-3提供选择性地取电源Vdd电平和0.8V左右的低电平(Low电平)这两种电源电位的选择电源SELVdd。
光电二极管21的正极与负侧电源(例如接地)连接，该光电二极管21将接收的光光电转换为电荷量与所接收的光的光量相对应的光电荷(这里为光电子)。光电二极管21的负极经由转移晶体管22与放大晶体管24的栅极电连接。
以下，将与放大晶体管24的栅极电连接的节点25称为FD(浮动扩散)部。即，FD部25是由相当于转移晶体管22的漏极区域的扩散层、放大晶体管24的栅极、以及连接它们的布线构成的节点，该FD部25具有寄生电容。
转移晶体管22连接在光电二极管21的负极与FD部25之间。转移晶体管22通过经由转移布线121-1向其栅极提供转移脉冲φTRF而变为导通状态，并将由光电二极管21进行了光电转换的光电荷转移给FD部25。
复位晶体管23将FD部25作为一个主电极，其另一个主电极与选择布线121-3连接。在本例的情况下，一个主电极为源极，另一个主电极为漏极。复位晶体管23通过经由复位布线121-2向其栅极提供复位脉冲φRST而变为导通状态，并通过将FD部25的电荷释放到选择布线121-3而复位该FD部25。该FD部25的复位即为单位像素20的复位。
放大晶体管24的栅极与FD部25连接，漏极与像素电源Vdd连接，源极与垂直信号线122连接。并且，放大晶体管24将通过复位晶体管23复位后的FD部25的电位作为复位信号(复位电平)输出给垂直信号线122。放大晶体管24还将通过转移晶体管22转移了光电荷后的FD部25的电位作为光蓄积信号(信号电平)输出给垂直信号线122。
在上述构成方式的像素电路中，多个像素20与垂直信号线122连接，关于不希望读取信号(非选择)的像素，将FD部25设定为低电压。并且，通过仅对于希望读取信号(选择)的像素将FD部25设定为与非选择像素相比足够高的电压，能够仅将希望读取的像素的信号输出给垂直信号线122。
具体地说，使用选择电源SELVdd和复位晶体管23，对于非选择像素将FD部25设定为低电压(例如0.8V左右的低电平)，对于选择像素将FD部25设定为高电压(例如Vdd电平)。由此，能够以行为单位来选择像素20。
在以上说明的一般的系统结构的CMOS图像传感器10中，作为电子快门而执行针对每一像素行来设定曝光的开始和结束的滚动快门(帘幕式快门)。但是，在滚动快门的情况下，由于每一像素行的曝光期间错开(不同)，因此摄像图像会产生失真。
与此相对，本发明的前提是使用以下技术：将上述构成方式的CMOS图像传感器10与对入射到其摄像面的光选择性地进行遮光的机械快门组合使用，使所有像素行的曝光期间一致，从而使摄像图像不会产生失真。
以上以将与可视光的光量相对应的电荷作为物理量来进行检测的单位像素配置成矩阵状的CMOS图像传感器为例进行了说明，但是本发明可以应用于所有的X-Y寻址方式的固态摄像装置。
固态摄像装置既可以是作为单芯片而形成的形式，也可以是摄像部、信号处理部或光学系统被汇集封装在一起的具有摄像功能的模块状的形式。
<2.本发明的摄像装置>
以下，说明将CMOS图像传感器与机械快门组合使用的本发明的摄像装置。图3是简要地表示本发明的摄像装置的结构的系统构成图。
如图3所示，本发明的摄像装置例如是数字静态照相机，除了CMOS图像传感器10之外，还具有光学块51、相机信号处理部52、编码器/解码器53、控制部54、输入部55、显示部56、以及记录介质57。
光学块51具有用于将来自被摄像体的光汇聚到CMOS图像传感器10的透镜511、用于调节光的量的可变光阑512、以及用于选择性地获取光的机械快门513。
光学块51还具有用于使透镜511移动以进行调焦或变焦的透镜驱动机构、用于控制可变光阑12的可变光阑机构、以及用于驱动机械快门513的机械快门机构等。这些机构部基于来自控制部54的控制信号而被驱动。
CMOS图像传感器10是X-Y读取方式的固态摄像装置，根据来自控制部54的控制信号来执行上述的像素20的曝光、信号读取、复位等的定时控制。
相机信号处理部52在控制部54的控制下对从CMOS图像传感器10输出的图像信号执行白平衡调整处理、颜色修正处理等相机信号处理。
编码器/解码器53在控制部54的控制下动作，对从相机信号处理部52输出的图像信号，通过JPEG(Joint Photographic Coding ExpertsGroup，联合图像专家组)方式等预定的静止图像数据格式化等来执行压缩编码处理。
另外，编码器/解码器53对从控制部54提供的静止图像的编码数据执行扩展解码处理。并且，在编码器/解码器53中，能够通过MPEG(Moving Picture Experts Group，运动图像专家组)方式等来执行运动图像的压缩编码/扩展解码处理。
控制部54例如是由CPU(Central Processing Unit，中央处理器)、ROM(Read Only Memory，只读存储器)、RAM(Random AccessMemory，随机读取存储器)等构成的微型控制器。并且，控制部54通过执行存储在ROM等中的程序来综合地控制本摄像装置的各个部分。
输入部55例如由快门开关按钮等各种操作键、杆、刻度盘等构成，将与用户的输入动作相对应的各种控制信号输出给控制部54。
显示部56由LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)等显示设备、针对该液晶显示器的接口电路等构成，根据从控制部54提供的图像信号来生成用于使显示设备显示的图像信号。并且，显示部56通过将生成的图像信号提供给显示设备来使该显示设备显示图像。
记录介质57例如作为可移动型的半导体存储器、光盘、HDD(HardDisk Drive，硬盘驱动器)、磁盘等而实现，该记录介质57从控制部54接收由编码器/解码器53执行了编码的图像数据文件并存储。另外，基于来自控制部54的控制信号读取被指定了的数据并输出给控制部54。
以上作为摄像装置而以数字静态照相机为例进行了说明，但是不限于数字静态照相机，也可以应用于具有选择性地获取来自被摄像体的入射光的机械快门的所有摄像装置。另外，有时也将安装在具有摄像功能的电子设备上的模块状的方式、即相机模块作为摄像装置。
<3.关于作为本发明的前提的技术及其缺陷>
在上述构成方式的摄像装置中，首先说明作为本发明的前提的技术，即：通过将COMS图像传感器10与机械快门513组合使用，使所有像素行的曝光期间一致，从而使摄像图像不会产生失真。图4示意性地表示了单位像素20的一部分的截面和该部分的电势。
首先，在机械快门513打开的状态下同时复位所有像素行的像素，由此开始光电子(信号电荷)的蓄积。在曝光期间内，在光量足够的情况下，光电子在光电二极管21中蓄积并直至溢出。溢出的部位是光电二极管21的周围的电位最高(电势也最高)的部位。
这里，如果从光电二极管21向相邻像素的光电二极管21溢出电子，则成为被称作溢出的假信号。因此，有意地使用于释放因超过预先确定的饱和电荷量而从光电二极管21溢出的光电子的路径(以下称为“溢流路径”)成为相邻像素的光电二极管21以外的方向。
该溢流路径由FET(Field Effect Transistor，场效应管)构成，该FET将作为路径的入口侧的光电二极管21的光电子蓄积部作为源极区域，并将作为路径的出口侧的FD部25的扩散层作为漏极区域。并且，在本例的情况下，形成该溢流路径的FET是将蓄积在光电二极管21中的光电子转移到FD部25的转移晶体管22。
在本例中，从转移晶体管22的栅极下到FD部25形成溢流路径，使光电子通过该溢流路径溢出到FD部25。并且，当关闭机械快门513而结束了曝光时，光电子向光电二极管21的流入停止。
刚刚关闭了机械快门513后的电势如图4的(a)所示。即，在刚刚关闭了机械快门513后的饱和的状态下，在光电二极管21中光电子蓄积到转移晶体管22的栅极下的势垒的高度位置。
在曝光结束后，一行一行地读取像素信号。此时，如前所述，在从关闭了机械快门513后到读取各像素的信号为止的期间内，越是靠后读取的像素，蓄积在各像素中的电荷量越是依次减少，即饱和电荷量减少。其原因如下。
在直到读取各像素的信号为止的期间内，蓄积在光电二极管21中的光电子的一部分由于热激励而作为亚阈值电流通过溢流路径流出，光电二极管21内的电子数减少。在关闭了机械快门513后，信号读取前的饱和状态下的电势如图4的(b)所示。
从机械快门513关闭后到读取各像素的信号为止的期间在读取的起始行处短，随着接近最终行而变长，因此在最终行附近光电子的消失变大，导致缩小了动态范围。有时30％～50％的光电子会消失，即作为信号而至多仅能利用光电二极管21的饱和电子的50％～70％。
<4.本发明的特征部分>
因此，本发明的特征是用于当使用机械快门513来执行所有像素同时曝光时抑制越是靠后读取的像素、关闭了机械快门513后的像素内的电荷越是依次减少的现象的驱动方法。以下，说明用于抑制关闭了机械快门513后的像素内的电荷减少的现象、即饱和电荷量的减少的驱动方法的具体的实施例。
[4-1.实施例1]
图5是用于说明本发明的实施例1的驱动方法的时序图。在图5中，横轴表示时间。
通常，摄像装置的机械快门513打开。另一方面，CMOS图像传感器10通过一行一行地扫描电子快门动作和读取动作的监控模式来动作。在该动作中，每一行的曝光期间错开，适合运动图像摄像。将该监控模式下的各行的动作作为动作(1)。
当机械快门513的开关按钮被按下了时(定时T1)，CMOS图像传感器10从监控模式转变到静止图像摄像模式。当转变成了静止图像摄像模式时，在以接下来的垂直(V)同步信号的定时一行一行地依次读取了像素信号之后，不执行电子快门扫描而等待接下来的垂直同步信号的定时。
并且，在接下来的垂直同步信号的定时到来后，在与曝光时间相对应的预定的定时对所有像素行同时执行复位动作(定时T2)。通过该复位动作，开始了曝光期间。将此时的动作作为动作(2)。通过对于所有的像素行，使复位脉冲φRST有效(高)、使选择电源SELVdd为高的Vdd电平、并使转移脉冲φTRF有效(高)，能够复位光电二极管21和FD部25。
然后，在曝光期间的结束定时，由于机械快门513的关闭(CLOSE)信号变为有效(高)，机械快门513被关闭(定时T3)。由此，向CMOS图像传感器10的入射光被完全遮挡。将此时的动作作为动作(3)。
另一方面，在CMOS图像传感器10中，与机械快门513的关闭动作同步地使所有像素行的复位脉冲φRST无效(低)，并使选择电源SELVdd为低电平。
在之后的垂直同步信号的定时，针对每一行依次执行来自像素20的信号的读取动作(定时T4～T5)。将此时的各行的动作作为动作(4)。并且，当所有像素行的信号的读取结束了、机械快门513的关闭信号变为了无效(低)时，机械快门513被打开，CMOS图像传感器10恢复为监控模式。
这里，具体地说明CMOS图像传感器10的各动作(1)～(4)。这些动作在图1所示的系统控制部17的控制下通过垂直驱动部13的驱动而被执行。动作(1)和动作(4)是基本相同的动作。
·动作(1)、(4)
首先，使用图6的时序图来说明各动作(1)～(4)。在图6的时序图中，(a)表示读取行，(b)表示非读取行。
当在使选择电源SELVdd为高电平(Vdd电平)的状态下使复位脉冲φRST有效并使复位晶体管23成为了导通状态时，FD部25经由该复位晶体管23被复位为高电平。并且，与该像素的FD部25的电位相对应的信号作为复位电平经由放大晶体管24被输出给垂直信号线122。
然后，当使转移脉冲φTRF有效并使转移晶体管22成为了导通状态时，光电子经由该转移晶体管22从光电二极管21向FD部25转移。并且，与此时的FD部25的电位相对应的信号作为信号电平经由放大晶体管24被输出给垂直信号线122。
在与垂直信号线122的末端连接的列处理部14中，通过获取经由垂直信号线122从像素20依次输出的复位电平与信号电平的差来获得正确的信号。这里，正确的信号是除去了复位噪声、放大晶体管24的阈值偏差等像素所特有的固定模式噪声后的本来的信号。
在读取了复位电平和信号电平后，使选择电源SELVdd为低电平(例如0.8V)。并且，通过使复位脉冲φRST有效并使复位晶体管23成为导通状态，使FD部25的电位恢复为低电平，使像素成为非选择状态。
关于非读取行，在该动作(1)和(4)的期间内，由于复位脉冲φRST和转移脉冲φTRF同时处于无效状态，因此不动作。通过一行一行地扫描读取行，在动作(1)中输出运动图像，在动作(4)中输出静止图像。
·动作(2)
接下来，使用图7的时序图来说明动作(2)的动作。在图7的时序图中，(a)表示本实施例，(b)表示以往的例子。
如图7的(a)所示，在定时T2对于所有的像素行，使选择电源SELVdd为高电平并同时使复位脉冲φRST和转移脉冲φTRF有效。由此，关于所有像素行的各像素，FD部25经由复位晶体管23被复位为高电平，并且光电二极管21经由转移晶体管22被复位为高电平。
在本实施例的情况下，在该所有像素行同时复位后，维持选择电源SELVdd的高电平状态和复位脉冲φRST的有效状态。顺便提及的是，在以往的例子的情况下，如图7的(b)所示，使复位脉冲φRST与转移脉冲φTRF同时无效，然后恢复为选择电源SELVdd的低电平。
·动作(3)
最后，使用图8的时序图来说明动作(3)的动作。在图8的时序图中，(a)表示本实施例，(b)表示以往的例子。
如图8的(a)所示，与机械快门513的关闭的定时T3同时或者在其前后、优选的是在定时T3之后恢复为选择电源SELVdd的低电平，然后使复位脉冲φRST无效。通过在定时T3之后执行该动作，在曝光期间内能够可靠地形成上述溢流路径，因此能够抑制溢出。
在现有的例子中，选择电源SELVdd和复位脉冲φRST在动作(2)的所有像素同时复位后已恢复为低电平，因此如图8的(b)所示保持为低电平。顺便提及的是，关于选择电源SELVdd的低电平，无论是在本实施例中还是在以往的例子中都被设定为0.8V等电子不会向光电二极管21倒流的电压值。
根据以上对动作的说明可知，在CMOS图像传感器10中，在静止图像摄像模式的动作中，通过所有像素行同时的复位动作而开始曝光期间，通过机械快门513的关闭动作而结束曝光期间。这样，通过将CMOS图像传感器10与机械快门513组合使用，所有像素行的各像素的曝光期间一致，因此能够使摄像图像不产生失真。关于这一点，与以往的例子相同。
另一方面，在以下的动作方面与以往的例子不同。即，在曝光期间内，使选择电源SELVdd和复位脉冲φRST为高电平，将溢流路径的出口侧、即FD部25的电势保持为高的状态。另外，在从曝光结束后到信号读取为止的期间内，使选择电源SELVdd和复位脉冲φRST恢复为Low电平，将溢流路径的出口侧(FD部25)的电势保持为低的状态。使用图9来说明这些动作的意义。
在静止图像摄像模式下，在曝光期间内选择电源SELVdd和复位脉冲φRST为高电平，因此FD部25也为比较高的电位。在入射光量多、光电二极管21充满了光电子的像素中，充满量以上的光电子从光电二极管21通过上述溢流路径向FD部25溢出。
然后，当机械快门513变为了关闭状态、选择电源SELVdd变为了低电平时，FD部25的电位变为低电平。即，FD部25的电势变低。并且，由于FD部25的电势发生变化，转移晶体管22的栅极下的溢流路径的电位接受调制。
具体地说，通过由于寄生电容C产生的电容耦合来接受调制，所述寄生电容C介于转移晶体管22的栅极下的沟道与FD部25的扩散层(相当于转移晶体管22的漏极区域的扩散层)之间。即，通过由于寄生电容C产生的电容耦合，溢流路径的电位变为比曝光期间低的电位(栅极下的沟道的电势变低)，由此溢流路径向封闭的方向变动。
由此，蓄积在光电二极管21中的光电子的一部分由于热激励而作为亚阈值电流通过溢流路径流出的现象被缓和。因此，能够抑制在现有技术中发生的、越是靠后读取的像素饱和电子数越是依次减少的现象。
另一方面，在曝光期间内使溢流路径有效，由此能够抑制溢出。如果机械快门513关闭了，则之后光不会进入，因此不需要溢流路径。因此，通过在封闭溢流路径的方向上控制该溢流路径的电位，能够抑制饱和电子数的减少。
本发明的特征是在对该溢流路径的电位的控制中使用FD部25的电压这一点。即，在曝光期间内使FD部25为高电平并使转移晶体管22的栅极下的溢流路径发挥作用来抑制溢出。并且，在从关闭了机械快门513之后到读取信号为止的期间内，使FD部25为低电平，在封闭溢流路径的方向上驱动溢流路径，使该溢流路径难以发挥作用，从而抑制了饱和电子数(饱和电荷量)的减少。
根据仿真，在目前本申请的发明者等正在开发的像素中，当FD部25的电压为高电平时和为低电平时，溢流路径的电位大约改变300mV。另一方面，在以往的例子的驱动方法中，饱和电子数的减少相当于PD电位的300mV的量。进而，通过采用本发明的驱动方法，能够使该减少量大致为0。
顺便提及的是，关于溢流路径的电位(电势)，也可以考虑根据施加给转移晶体管22的栅极的电压值来进行控制的方法。但是，关于转移晶体管22，通常将施加给其栅极的转移脉冲φTRF的低电平设定为负电压并在栅极下的衬底表层部形成空穴并形成为锁定(pinning)的状态。因此，即使进一步使转移脉冲φTRF的低电平为负电压，也仅是增加空穴，溢流路径的电势不改变。因此，无法根据施加给转移晶体管22的栅极的电压值来控制溢流路径的电势。
[4-2.实施例2]
本实施例2的驱动方法的动作的流程基本上与实施例1的驱动方法的动作的流程相同，因此表示动作的流程的时序图也与图5所示的实施例1相同。并且，在图5的动作(1)～(4)的细微的定时关系这一点上与实施例1不同。以下，使用图10的时序图来说明该区别。
在图10的时序图中，(a)表示动作(1)、(4)的情况，(b)表示动作(2)的情况，(c)表示动作(3)的情况。
·动作(1)、(4)
当在使选择电源SELVdd为高电平(Vdd电平)的状态下使复位脉冲φRST有效并使复位晶体管23成为了导通状态时，FD部25经由该复位晶体管23被复位为高电平。并且，与该像素的FD部25的电位相对应的信号作为复位电平经由放大晶体管24被输出给垂直信号线122。
然后，当使转移脉冲φTRF有效并使转移晶体管22成为了导通状态时，光电子经由该转移晶体管22从光电二极管21向FD部25转移。并且，与此时的FD部25的电位相对应的信号作为信号电平经由放大晶体管24被输出给垂直信号线122。
在与垂直信号线122的末端连接的列处理部14中，通过获取经由垂直信号线122从像素20依次输出的复位电平与信号电平的差来获得正确的信号。这里，正确的信号是除去了复位噪声、放大晶体管24的阈值偏差等像素所特有的固定模式噪声后的本来的信号。
在读取了复位电平和信号电平后，使选择电源SELVdd为低电平。并且，通过使复位脉冲φRST有效并使复位晶体管23成为导通状态，使FD部25的电位恢复为低电平，使像素成为非选择状态。
然后，使复位脉冲φRST无效，然后使选择电源SELVdd恢复为高电平。这样，在使复位脉冲φRST无效后使选择电源SELVdd恢复为高电平这一点与实施例1不同。当在选择电源SELVdd为低电平的状态下使复位晶体管23成为了截止状态时，即使使选择电源SELVdd恢复为高电平，FD部25也维持为低电平。
关于非读取行，在该动作(1)和(4)的期间内，由于复位脉冲φRST和转移脉冲φTRF同时处于无效状态，因此不动作。通过一行一行地扫描读取行，在动作(1)中输出运动图像，在动作(4)中输出静止图像。
·动作(2)
选择电源SELVdd从动作(1)开始持续保持为高电平。并且，如图10的(b)所示，在定时T2对于所有的像素行，使复位脉冲φRST和转移脉冲φTRF同时有效。由此，关于所有像素行的各像素，FD部25经由复位晶体管23被复位为高电平，并且光电二极管21经由转移晶体管22被复位为高电平。在该所有像素行同时复位后，也维持选择电源SELVdd的高电平状态和复位脉冲φRST的有效状态。
·动作(3)
如图10的(c)所示，与机械快门513的关闭的定时T3同时或者在其前后、优选的是在定时T3之后恢复为选择电源SELVdd的低电平，然后使复位脉冲φRST无效。然后，使选择电源SELVdd恢复为高电平。
这样，在使复位脉冲φRST无效后使选择电源SELVdd恢复为高电平这一点与实施例1不同。当在选择电源SELVdd为低电平的状态下使复位晶体管23成为了截止状态时，即使使选择电源SELVdd恢复为高电平，FD部25也被维持为低电平。
在本实施例2的驱动方法的情况下，由于基本的动作流程与实施例1相同，因此能够取得与实施例1相同的作用效果，即能够抑制溢出并能够减少会导致机械快门动作发生问题的饱和电荷量的减少。
<5.变形示例>
在上述实施方式中，作为单位像素20而使用了由三个晶体管22～24构成的电路结构，但是本发明不限于由三个晶体管构成的像素结构。作为一个示例，也可以是将执行像素选择的选择晶体管配置在放大晶体管24与像素电源Vdd之间或者配置在放大晶体管24与垂直信号线122之间的由四个晶体管构成的像素结构。
但是，在由四个晶体管构成的公知的像素结构的情况下，复位晶体管的漏极与固定电源连接，在该公知的像素结构下无法应用本发明。通过将复位晶体管的漏极与选择电源SELVdd连接，能够控制FD部25的电位，因此能够应用本发明。
<6.应用示例>
以上说明的实施例1、2的驱动方法作为一个例子还可以应用于采用以下的多个像素共有结构的像素电路：在多个像素之间共有本来针对每一像素而设置的构成要素的一部分。
[多个像素共有结构]
图11是表示采用多个像素共有结构的本发明的应用示例的像素电路的一个例子的电路图，在该图中对与图2相等同的部分标注相同的标号。
在本应用示例的像素电路中，以相邻的多个像素、例如属于同一像素列并相邻的纵向四个像素20-1、20-2、20-3、20-4为单位，在这四个像素之间共用(共有)一个FD部25。在相邻的多个像素之间的共用中，在同一像素列中实行共用化的方法容易执行来自各像素的信号读取的定时控制。
作为单位的四个像素20-1、20-2、20-3、20-4中的每一个具有作为光电转换部的光电二极管21-1、21-2、21-3、21-4。四个像素20-1、20-2、20-3、20-4中的每两个形成为一组(一对)。并且，在其中的一组的两个像素20-1、20-2的像素区域设置有放大晶体管24，在另一组的两个像素20-3、20-4的像素区域设置有复位晶体管23。
在不采用图2所示的多个像素共有结构的像素电路中，复位晶体管23和放大晶体管24的各自的漏极均与选择电源SELVdd连接。即，作为复位晶体管23和放大晶体管24的各自的漏极电源，准备了共用的选择电源SELVdd。与此相对，在本应用示例的像素电路中，作为复位晶体管23和放大晶体管24的各自的漏极电源，准备了不同的电源。
作为不同的电源，准备了电源电压(电压电平)固定的固定电源Vdd和电源电压可变的选择电源SELVdd。选择电源SELVdd选择性地取0.8V左右的第一电压电平和与固定电源Vdd的电压电平Vdd相同程度的第二电压电平Vdd，并通过从第一电压电平切换为第二电压电平来执行像素选择。
并且，复位晶体管23的漏极与选择电源SELVdd连接，放大晶体管24的漏极与固定电源Vdd连接。复位晶体管23的源极与在纵向四个像素20-1、20-2、20-3、20-4之间共有的FD部25连接。向复位晶体管23的栅极选择性地施加复位脉冲φRST。放大晶体管24的栅极与FD部25连接，源极与垂直信号线122连接。
[本应用示例的像素电路的电路动作]
接下来，使用图12的时序图来说明上述构成方式的本应用示例的像素电路的电路动作。
通过在时刻t11选择电源SELVdd从第一电压电平(例如0.8V)切换为第二电压电平Vdd，第一行～第四行的各像素变为选择状态。与此同时，复位脉冲φRST变为有效状态(在本例中为“H”电平)，由此四个像素共用(第一行～第四行)的复位晶体管23变为导通状态。由此，四个像素共用的FD部25的电荷通过复位晶体管23被释放到选择电源SELVdd。结果，FD部25的电位被复位为选择电源SELVdd的第二电压电平Vdd。并且，此时的FD部25的电位作为第一行的像素20-1的复位电平通过放大晶体管24被输出给垂直信号线122。
然后，在复位脉冲φRST转变为无效状态(在本例中为“L”电平)后，在时刻t12第一行的转移脉冲φTRF1变为有效状态(在本例中为“H”电平)，由此像素20-1的转移晶体管22-1变为导通状态。由此，由光电二极管21-1进行了光电转换的信号电荷(光电子)通过转移晶体管22-1被转移到FD部25。此时，FD部25的电位变为与从光电二极管21-1转移了的信号电荷的电荷量相对应的电位。并且，该FD部25的电位作为第一行的像素20-1的信号电平通过放大晶体管24被输出给垂直信号线122。
然后，在时刻t13复位脉冲φRST变为有效状态，然后在时刻t14选择电源SELVdd从第二电压电平Vdd切换为第一电压电平0.8V，由此第一行～第四行的各像素变为非选择状态。
然后，在时刻t21选择电源SELVdd从第一电压电平0.8V切换为第二电压电平Vdd，由此第一行～第四行的各像素再次变为选择状态。与此同时，复位脉冲φRST变为有效状态，四个像素共用的复位晶体管23变为导通状态，由此四个像素共用的FD部25的电位被复位为选择电源SELVdd的第二电压电平Vdd。并且，此时的FD部25的电位作为第二行的像素20-2的复位电平通过放大晶体管24被输出给垂直信号线122。
然后，在复位脉冲φRST转变为无效状态后，在时刻t22第二行的转移脉冲φTRF2变为有效状态，由此像素20-2的转移晶体管22-2变为导通状态。由此，由光电二极管21-2进行了光电转换的信号电荷通过转移晶体管22-2被转移到FD部25。并且，此时的FD部25的电位作为第二行的像素20-2的信号电平通过放大晶体管24被输出给垂直信号线122。
然后，在时刻t23复位脉冲φRST变为有效状态，然后在时刻t24选择电源SELVdd从第二电压电平Vdd切换为第一电压电平0.8V，由此第一行～第四行的各像素变为非选择状态。
然后，在时刻t31选择电源SELVdd从第一电压电平0.8V切换为第二电压电平Vdd，由此第一行～第四行的各像素再次变为选择状态。与此同时，复位脉冲φRST变为有效状态，四个像素共用的复位晶体管23变为导通状态，由此四个像素共用的FD部25的电位被复位为选择电源SELVdd的第二电压电平Vdd。并且，此时的FD部25的电位作为第三行的像素20-3的复位电平通过放大晶体管24被输出给垂直信号线122。
然后，在复位脉冲φRST转变为无效状态后，在时刻t32第三行的转移脉冲φTRF3变为有效状态，由此像素20-3的转移晶体管22-3变为导通状态。由此，由光电二极管21-3进行了光电转换的信号电荷通过转移晶体管22-3被转移到FD部25。并且，此时的FD部25的电位作为第三行的像素20-3的信号电平通过放大晶体管24被输出给垂直信号线122。
然后，在时刻t33复位脉冲φRST变为有效状态，然后在时刻t34选择电源SELVdd从第二电压电平Vdd切换为第一电压电平0.8V，由此第一行～第四行的各像素变为非选择状态。
然后，在时刻t41选择电源SELVdd从第一电压电平0.8V切换为第二电压电平Vdd，由此第一行～第四行的各像素再次变为选择状态。与此同时，复位脉冲φRST变为有效状态，四个像素共用的复位晶体管23变为导通状态，由此四个像素共用的FD部25的电位被复位为选择电源SELVdd的第二电压电平Vdd。并且，此时的FD部25的电位作为第四行的像素20-4的复位电平通过放大晶体管24被输出给垂直信号线122。
然后，在复位脉冲φRST转变为无效状态后，在时刻t42第四行的转移脉冲φTRF4变为有效状态，由此像素20-4的转移晶体管22-4变为导通状态。由此，由光电二极管21-4进行了光电转换的信号电荷通过转移晶体管22-4被转移到FD部25。并且，此时的FD部25的电位作为第四行的像素20-4的信号电平通过放大晶体管24被输出给垂直信号线122。
然后，在时刻t43复位脉冲φRST变为有效状态，然后在时刻t44选择电源SELVdd从第二电压电平Vdd切换为第一电压电平0.8V，由此第一行～第四行的各像素变为非选择状态。此后，以四行为单位，将上述一系列的电路动作对于所有的像素行重复执行。
在采用上述多个像素共有结构的像素电路中，复位晶体管23的漏极也与选择电源SELVdd连接，并且也能够通过切换选择电源SELVdd的电源电位来控制FD部25的电位。因此，通过将上述实施例1、2的驱动方法应用于采用该多个像素共有结构的像素电路，能够抑制溢出并能够抑制会导致机械快门动作发生问题的饱和电荷量的减少。
Claims (10)
1.一种固态摄像装置，包括：
像素阵列部，配置有多个像素，所述像素将通过机械快门选择性地入射的光转换为电荷蓄积在蓄积部中并具有释放超过了该蓄积部的饱和电荷量的电荷的溢流路径；以及
驱动部，同时复位所述像素阵列部的所有像素并开始曝光，在曝光期间内将所述溢流路径保持为开放的状态，之后在从关闭所述机械快门而结束曝光开始到从所述像素读取信号为止的期间内将所述溢流路径向封闭的方向驱动。
2.如权利要求1所述的固态摄像装置，其中，
所述驱动部在所述曝光期间内将所述溢流路径的出口侧的电势保持为高的状态，在从关闭所述机械快门而结束曝光开始到从所述像素读取信号为止的期间内将所述溢流路径的出口侧的电势保持为低的状态。
3.如权利要求1所述的固态摄像装置，其中，
所述溢流路径由将作为路径入口的所述蓄积部作为源极区域并将作为路径出口的扩散层作为漏极区域的场效应晶体管形成。
4.如权利要求3所述的固态摄像装置，其中，
所述场效应晶体管是将蓄积在所述蓄积部中的电荷转移到所述扩散层的转移晶体管。
5.如权利要求4所述的固态摄像装置，其中，
所述像素具有复位晶体管，所述复位晶体管将所述扩散层作为一个主电极，其另一个主电极与电源电位可变的电源布线连接，
所述驱动部通过切换经由所述复位晶体管从所述电源布线提供给所述扩散层的电源电位，将所述溢流路径向封闭的方向驱动。
6.如权利要求5所述的固态摄像装置，其中，
所述驱动部在关闭了所述机械快门后切换所述电源电位。
7.如权利要求5所述的固态摄像装置，其中，
在提供给所述扩散层的电源电位切换了时，所述转移晶体管的栅极下的沟道的电势由于电容耦合而变低，由此所述溢流路径向封闭的方向变动，所述电容耦合是由于介于所述扩散层与所述沟道之间的寄生电容而产生的。
8.一种固态摄像装置的驱动方法，其中，
所述固态摄像装置包括配置有多个像素的像素阵列部，所述像素将通过机械快门选择性地入射的光转换为电荷蓄积在蓄积部中并具有释放超过了该蓄积部的饱和电荷量的电荷的溢流路径，
在所述驱动方法中，同时复位所述像素阵列部的所有像素并开始曝光，在曝光期间内将所述溢流路径保持为开放的状态，之后在从关闭所述机械快门而结束曝光开始到从所述像素读取信号为止的期间内将所述溢流路径向封闭的方向驱动。
9.一种摄像装置，包括：
机械快门，选择性地获取入射光；以及
固态摄像装置，包括配置有多个像素的像素阵列部，所述像素将通过所述机械快门选择性地入射的光转换为电荷蓄积在蓄积部中并具有释放超过了该蓄积部的饱和电荷量的电荷的溢流路径，所述固态摄像装置同时复位所述像素阵列部的所有像素并开始曝光，在曝光期间内将所述溢流路径保持为开放的状态，之后在从关闭所述机械快门而结束曝光开始到从所述像素读取信号为止的期间内将所述溢流路径向封闭的方向驱动。
10.一种摄像装置的驱动方法，所述摄像装置包括：
机械快门，选择性地获取入射光；以及
固态摄像装置，包括配置有多个像素的像素阵列部，所述像素将通过所述机械快门选择性地入射的光转换为电荷蓄积在蓄积部中并具有释放超过了该蓄积部的饱和电荷量的电荷的溢流路径；
在所述驱动方法中，同时复位所述像素阵列部的所有像素并开始曝光，在曝光期间内将所述溢流路径保持为开放的状态，之后在从关闭所述机械快门而结束曝光开始到从所述像素读取信号为止的期间内将所述溢流路径向封闭的方向驱动。
Applications Claiming Priority (2)
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