CN102098458A - 图像拍摄装置 - Google Patents

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Abstract

一种拍摄图像的图像拍摄装置，包括：光电转换器，用于将入射光转换为电荷并累积电荷；转移元件，用于转移在光电转换器中累积的电荷；转换器，用于将经由转移元件转移的光电转换器中的电荷转换为电压；复位元件，用于复位转换器的电位；以及放大器，用于放大由转换器转换的电压以生成像素信号，并将像素信号输出至用于读取像素信号的读取信号线。至少在水平方向上设置的多个光电转换器和转移元件共享放大器和读取信号线。通过本发明，可以抑制由小型化CMOS传感器所导致的图像质量下降。

Description

图像拍摄装置
本申请是申请日为2008年8月20日、申请号为200810210859.X、发明名称为“图像拍摄装置”的专利申请的分案申请，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及一种图像拍摄装置。
背景技术
电荷耦合器件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器等已被用作摄像器件，并且图像拍摄设备的多像素化和小型化也已取得了进展。
像素数量的增加和图像拍摄设备的小型化使像素的单元尺寸缩小，晶体管面积与像素面积的比例增大，并使得光电二极管的面积变小。结果，每个像素的饱和电荷量和灵敏度可能降低，并且图像的质量也可能下降。
日本未审查专利申请公开第2006-340044号公开了具有以矩阵状形成的像素的每一列设置了ADC的CMOS传感器(下文根据需要称为安装列并列模数转换器(ADC)的CMOS传感器)，并且平行设置这些ADC。
图1是示出安装列并列ADC的CMOS传感器的结构实例的框图。
在图1中，CMOS传感器11包括定时控制电路12、行扫描器13、像素阵列14、m个负载MOS 151～15m、DAC(数模转换器)16、列处理单元17、列扫描器18和水平输出线19。
基于具有预定频率的主时钟，定时控制电路12向行扫描器13、DAC16、列处理单元17和列扫描器18提供这些组件操作所需的时钟信号、定时信号等。
行扫描器13以预定定时将用于控制像素信号输出的信号顺序提供给像素阵列14的垂直方向上设置的像素。
像素阵列14有m列n行的像素211，1～21m，n、n条水平信号线221～22n和m条垂直信号线231～23m。
像素211，1～21m，n的每一个都包括光电二极管(未示出)。响应于经由每条水平信号线221～22n从行扫描器13提供的信号，对应于每个光电二极管中累积的电荷的像素信号被输出至每条垂直信号线231～23m。
水平信号线221～22n在水平方向上将行扫描器13连接至像素211，1～21m，n。即，像素211，1～21m，1连接至水平信号线221，像素211，2～21m，2连接至水平信号线222，以类似的方式，像素211，n～21m，n连接至水平信号线22n。
垂直信号线231～23m在垂直方向上将列处理单元17连接至像素211，1～21m，n。即，像素211，1～211，n连接至垂直信号线231，像素212，1～212，n连接至垂直信号线232，以类似的方式，像素21m，1～21m，n连接至垂直信号线23m。
负载MOS 151～15m的漏极连接至垂直信号线231～23m。将偏置电压施加给栅极，并且源极接地。负载MOS和每个像素211，1～21m，n中的放大晶体管(未示出)构成了源极跟随电路。
根据来自定时控制电路12的定时信号等，DAC 16生成斜坡信号(具有稍后描述的图2所示的波形)，并将斜坡信号提供给列处理单元17。
列处理单元17包括并列设置的ADC 241～24m，其中，ADC的数量为m。
ADC 241～24m分别连接至垂直信号线231～23m，并通过使用由DAC16提供的斜坡信号，对经由垂直信号线231～23m提供的像素信号执行A/D转换。
ADC 241～24m的每一个均包括比较器、计数器、开关和存储器。即，ADC 241包括比较器251、计数器(CNT)261、开关271和存储器281。ADC242包括比较器252、、计数器262、开关272和存储器282，以类似的方式，ADC 24m包括比较器25m、计数器26m、开关27m和存储器28m。
经由垂直信号线231～23m，像素信号从像素21m，1～21m，n分别提供给比较器251～25m。来自DAC 16的斜坡信号被分别提供给比较器251～25m。
比较器251～25m将由DAC 16提供的斜坡信号与经由垂直信号线231～23m提供的像素信号进行比较，并将表示比较结果的比较信号提供给计数器261～26m。即，比较器251将来自DAC 16的斜坡信号和经由垂直信号线231从像素211，1～211，n提供的像素信号之间的比较信号提供给计数器261。比较器252将来自DAC 16的斜坡信号和经由垂直信号线232从像素212，1～212，n提供的像素信号之间的比较信号提供给计数器262，以类似的方式，比较器25m将来自DAC 16的斜坡信号和经由直信号线23m从像素21m，1～21m，n提供的像素信号之间的比较信号提供给计数器26m。
计数器261～26m提供有来自定时控制电路12的时钟信号，并基于来自比较器251～25m的比较信号对时钟信号计数。表示计数器261～26m对时钟信号的计数结果的计算值经由开关271～27m提供给存储器281～28m，作为通过像素信号的A/D转换获得的像素数据。
响应于来自定时控制电路12的定时信号，开关271～27m连接计数器261～26m和存储器281～28m。
存储器281～28m临时存储由计数器261～26m提供的像素数据，并在列扫描器18的控制下将像素数据输出至水平输出线19。
列扫描器18以预定定时将存储在存储器281～28m中的像素数据顺序输出至水平输出线19。
水平输出线19连接至后级的图像处理电路等，并将从存储器281～28m输出的像素数据提供给图像处理电路等。
图2是示出图1所示CMOS传感器11的操作时序图。
例如，如图2最上部所示，在1H周期(一个水平扫描周期)内，从第N行的像素21N读取像素信号，并通过列处理单元17进行A/D转换。在下一个1H周期内，从第N+1行的像素21N+1读取像素信号时，如图2从上往下第二部分所示，输出由第N行像素信号的A/D转换得到的像素数据。
从像素21读取的像素信号具有如图2第三部分所示的波形，并且从DAC 16输出的斜坡信号具有如图2第四部分(最底部)所示的波形。图1中的比较器25将斜坡信号与具有这些波形的像素信号进行比较。
如上所述，在CMOS传感器11中，以与像素211，1～21m，n的水平方向上的间距相似的间距设置ADC 241～24m。结果，ADC 241～24m并行执行像素信号的A/D转换。如上所述，由于近年来安装列并列ADC的CMOS传感器11变小，所以像素阵列14也变小。相应地，水平方向上像素211，1～21m，n的间距变窄，使得难于以与像素间距相同的间距设置ADC 241～24m。
从而，例如，在两个区域中设置列处理单元17。结果，ADC 241～24m可以以宽于像素211，1～21m，n在水平方向上的间距而设置。
图3是示出具有两个列处理单元17A和17B的CMOS传感器11’的结构实例的框图。
在图3中，CMOS传感器11’包括定时控制电路12、行扫描器13、像素阵列14、m个负载MOS 151～15m、两个DAC 16A和16B、两个列处理单元17A和17B、两个列扫描器18A和18B以及两条水平输出线19A和19B。
如图3所示，在安装列并列ADC的CMOS传感器11’中，将列处理单元17A和17B设置为在垂直方向(上/下)上夹置像素阵列14。
虽然图1所示的列处理单元17包括m个ADC 241～24m，但列处理单元17A和17B的每一个均具有m/2个ADC(未示出)。即，列处理单元17A设置有用于对从像素211，1～21m，n读取的像素信号中的偶数列的像素信号进行A/D转换的ADC。列处理单元17B设置有用于对从像素211，1～21m，n读取的像素信号中的奇数列的像素信号进行A/D转换的ADC。
因此，在列处理单元17A和17B中，ADC可以以像素211，1～21m，n在水平方向上的两倍间距而设置。
两个列处理单元17A和17B可以在水平方向上夹置像素阵列14，或者可以以两级设置在像素阵列14的相同侧。
CMOS传感器11’中的两个列处理单元17A和17B可具有不同的特性。在这种情况下，拍摄的图像可能出现纵向条纹，使得图像质量下降。
例如，日本未审查专利申请公开第2006-80861号公开了一种CMOS传感器，其中，一个ADC对多列的像素进行A/D转换，使得ADC可以比像素在水平方向的间距更宽的间距进行设置。
图4是示出一个ADC对两列像素信号进行A/D转换的CMOS传感器11”的结构实例的框图。
在图4中，CMOS传感器11”包括定时控制电路12、行扫描器13、像素阵列14、列处理单元17’、列扫描器18以及水平输出线19。
图4所示CMOS传感器11”的列处理单元17’的结构与图1所示CMOS传感器11的列处理单元17的结构不同。
即，列处理单元17’包括数量为m个的电容器311～31m、数量为m个的开关321～32m、数量为m/2个的ADC 331～33m/2、数量为m个的开关341～34m以及数量为m个的存储器351～35m。
电容器311～31m分别连接至垂直信号线231～23m，并保持经由垂直信号线231～23m提供的像素信号。
开关321～32m切换电容器311～31m和ADC 331～33m/2的连接。例如，开关321切换电容器311和ADC 331的连接以及电容器312和ADC 331的连接。当电容器311连接至ADC 331时，电容器311中保持的像素信号被提供给ADC 331。当电容器312连接至ADC 331时，电容器312中保持的像素信号被提供给ADC 331。
ADC 331～33m/2对由电容器311～31m提供的像素信号进行A/D转换。即，ADC 331对由电容器311和312提供的像素信号进行A/D转换。ADC 332对由电容器313和314提供的像素信号执行A/D转换，以类似的方式，ADC33m/2对由电容器31m-1和31m提供的像素信号执行A/D转换。
开关341～34m切换ADC 331～33m/2和存储器351～35m的连接。例如，在ADC 331对经由垂直信号线231提供的像素信号进行A/D转换时，开关341连接331和存储器351。在ADC 331对经由垂直信号线232提供的像素信号执行A/D转换时，开关342连接332和存储器352。
存储器351～35m临时存储从ADC 331～33m/2输出的像素数据，并在列扫描器18的控制下将像素数据输出至水平输出线19。
在如上构造的CMOS传感器11”中，ADC 331～33m/2可以以像素211，1～21m，n在水平方向的两倍间距而设置。
在CMOS传感器11”中，电容器311～31m保持从像素211，1～21m，n读取的模拟像素信号。如果电容器311～31m的电容变化或者存在从像素信号保持到像素信号被提供给ADC 331～33m/2的时间差，电容器311～31m中的像素信号可能会泄漏变化。因此，由CMOS传感器11”拍摄的图像质量可能会有所下降。
如上所述，由于像素的单元尺寸变小，所以光电二极管的面积也变小，并且如果饱和电荷数量和像素灵敏度下降，图像质量也将下降。
作为避免饱和电荷数量和灵敏度下降的方法，存在通过使用垂直方向上的像素共享浮置扩散节点(floatng diffusion)的方法。
参照图5对共享浮置扩散进行说明。
图5的上部区域示出了具有没有共享浮置扩散节点结构的像素21N和21N+1。图5的下部区域示出了具有共享浮置扩散节点结构的像素21N’。
如图5所示，像素21N包括光电二极管411、转移晶体管421、复位晶体管431、放大晶体管441、选择晶体管451以及浮置扩散节点461。
对应于光电二极管411的光接收量的电荷经由转移晶体管421被转移到浮置扩散节点461，并在其中累积。浮置扩散节点461被复位晶体管431钳位至预定基准电位，并且在复位晶体管431累积的电荷被放大晶体管441放大并经由选择晶体管451输出至垂直信号线23。
与像素21N类似，像素21N+1包括光电二极管412、转移晶体管422、复位晶体管432、放大晶体管442、选择晶体管452以及浮置扩散节点462。
像素21N’包括光电二极管411和412、转移晶体管421和422、复位晶体管43、放大晶体管44、选择晶体管45以及浮置扩散节点46。在像素21N’中，对应于光电二极管411的光接收量的电荷和对应于光电二极管412的光接收量的电荷交替累积在浮置扩散节点46中。
因此，像素21N’共享了浮置扩散节点46，使得可以避免饱和电荷量和像素灵敏度的下降。
然而，在具有由共享浮置扩散节点的像素构成的像素阵列的CMOS传感器中，ADC以与像素相同的间距设置。
发明内容
如上所述，由于CMOS传感器的小型化，所以难以以与像素相同的间距设置ADC。因为饱和电荷量和像素灵敏度的下降，图像质量也下降。
因此，期望抑制由小型化CMOS传感器所导致的图像质量下降。
根据本发明的一个方面，提供了一种图像拍摄装置，包括光电转换器、转移元件、转换器、复位元件和放大器。光电转换器将入射光转换为电信号并累积电信号。转移元件转移累积在光电转换器中的电荷。转换器将经由转移元件转移的光电转换器中的电荷转换为电压。复位元件复位转换器的电位。放大器放大由转换器转换的电压以生成像素信号，并将像素信号输出至用于读取像素信号的读取信号线。至少设置在水平方向上的多个光电转换器和转移元件共享放大器和读取信号线。
根据本发明的一个实施例，可以抑制由小型化CMOS传感器所导致的图像质量下降。
本发明的上述概述并非用于描述本发明的每个示出的实施例或每种实施方案。下面的附图和详细描述将更具体地举例说明这些实施例。
附图说明
图1是示出安装列并列ADC的CMOS传感器的结构实例的框图；
图2是解释CMOS传感器11操作的时序图；
图3是解释CMOS传感器11’操作的时序图；
图4是解释CMOS传感器11”操作的时序图；
图5是解释共享的浮置扩散节点的示图；
图6是示出根据本发明实施例的CMOS传感器的结构实例的框图；
图7是解释由四个像素构成的2×2共享像素的示图；
图8是示出CMOS传感器51操作实例的时序图；
图9是示出CMOS传感器51操作的另一实例的时序图；
图10是示出根据另一个实施例的CMOS传感器的结构实例的框图；以及
图11是示出CMOS传感器51’操作实例的时序图。
具体实施方式
以下对本发明实施例的描述中，所披露的发明和实施例之间的对应关系如下。这些描述用于证实在本说明书中描述了支持说明书中描述的本发明的实施例。因此，与部分发明不对应的本说明书中描述的实施例并不意味着该实施例与本发明不对应。相反，与部分发明相对应的本说明书中描述的实施例并不意味着该实施例与除所述部分发明以外的本发明不对应。
根据本发明的一个实施例，提供了一种用于拍摄图像的图像拍摄装置，包括：
光电转换器(例如，图7中的光电二极管71a、71b、71c、71d)，用于将入射光转换为电信号并累积电荷；
转移元件(例如，图7中的转移晶体管72a、72b、72c、72d)，用于转移在光电转换器中累积的电荷；
转换器(例如，图7中的浮置扩散节点76)，用于将经由转移元件转移的光电转换器中的电荷转换为电压；
复位元件(例如，图7中的复位晶体管73)，用于复位转换器的电位；以及
放大器(例如，图7中的放大晶体管74)，用于放大由转换器转换的电压，并将通过放大电压值获得的像素信号输出至用于读取像素信号的读取信号线，
其中，至少设置在水平方向上的多个光电转换器和转移元件共享放大器和读取信号线。
根据本发明实施例的图像拍摄装置还包括控制线(例如，图6中的水平信号线611～61n)，用于传输用于控制转移元件的电荷转移的信号，其中，控制线独立用于共享放大器和读取信号线的多个转移元件的每一个。
根据本发明实施例的图像拍摄装置还可以包括连接至读取信号线的负载金属氧化物半导体(MOS)(例如，图6中的负载MOS 551～55m/2)，并且负载MOS和放大器构成源极跟随电路。
根据本发明实施例的图像拍摄装置还可以包括模数(A/D)转换器(例如，图6中的ADC 641～64m/2)，用于将经由读取信号线读取的像素信号转换为数字信号。
在根据本发明实施例的图像拍摄装置中，A/D转换器还可包括：
比较元件(例如，图6中的比较器651～65m/2)，具有用于接收像素信号的第一输入端和用于接收恒定斜率从预定基准电位开始降低的基准电压的第二输入端，其中，在第一和第二输入端的电位被复位之后，比较元件将输入至第一输入端的像素信号和输入至第二输入端的基准电压进行比较；以及
测量元件(例如，图6中的计数器661～66m/2)，用于测量从基准电压以恒定斜率从预定基准电位开始下降到比较元件判断出基准电压低于像素信号时的时间。
参照附图，详细描述采用本发明的具体实施例。
图6是示出根据本发明实施例的CMOS传感器的结构实例的框图。
在图6中，CMOS传感器51包括定时控制电路52、行扫描器53、像素阵列54、m/2个负载MOS 551～55m/2、DAC 56、列处理单元57、列扫描器58和水平输出线59。
基于具有预定频率的主时钟，定时控制电路52向行扫描器53、DAC56、列处理单元57和列扫描器58提供这些组件操作所需的时钟信号、定时信号等。
行扫描器53以预定定时将用于控制像素信号输出的信号顺序提供给像素阵列54垂直方向上设置的像素。
像素阵列54包括具有m列n行的像素611，1～61m，n、n条水平信号线621～62n和m/2条垂直信号线631～63m/2。
如稍后参照图7所描述的，像素611，1～61m，n的每一个均包括光电二极管71和转移晶体管72。两个水平像素和两个垂直像素的共四个像素共享复位晶体管73、放大晶体管74、选择晶体管75和浮置扩散节点76。
在该实例中，作为CMOS传感器51拍摄的图像构成元素的像素被定义为具有用于光电转换的光电二极管71和用于转移电荷的转移晶体管72的像素61。然而，硬件像素不仅包括光电二极管和转移晶体管，还包括复位晶体管、放大晶体管、选择晶体管和浮置扩散节点。例如，由两个水平像素和两个垂直像素的四个像素、复位晶体管、放大晶体管、选择晶体管和浮置扩散节点构成的组件在下文应用中称作“2×2共享像素”。
即，例如，由图6中虚线包围的像素611，1、612，1、611，2和612，2构成一个2×2共享像素，像素613，1、614，1、613，2和614，2构成一个2×2共享像素，以类似的方式，像素61m-1，n-1、61m，n-1、61m-1，n和61m，n构成一个2×2共享像素。
像素611，1～61m，n将与两列光电二极管61中累积的电荷相对应的像素信号同时输出至一条垂直信号线63。即，第一列的像素611，1～611，n和第二列的像素612，1～612，n输出像素信号至垂直信号线631，第三列的像素613，1～613，n和第四列的像素614，1～614，n输出像素信号至垂直信号线632，以类似的方式，第m-1列的像素61m-1，1～61m-1，n和第m列的像素61m，1～61m，n输出像素信号至垂直信号线63m/2。
水平信号线621～62n在水平方向上连接行扫描器53和像素611，1～61m，n。即，像素611，1～61m，n连接至水平信号线621，像素611，2～61m，2连接至水平信号线622，以类似的方式，像素611，n～61m，n连接至水平信号线62n。
垂直信号线631～63m/2在垂直方向上连接列处理单位57和两列像素611，n～61m，n。即，像素611，1～611，n和像素612，1～612，n连接至垂直信号线631，像素613，1～613，n和像素614，1～614，n连接至垂直信号线632，以类似的方式，像素61m-1，1～61m-1，n和像素61m，1～61m，n连接至垂直信号线63m/2。
负载MOS 551～55m/2的漏极连接至垂直信号线631～63m/2，偏置电压施加到栅极，并且源极接地。负载MOS和像素611，1～61m，n每一个中的放大晶体管74(图7)构成了源极跟随电路。
根据来自定时控制电路52的定时信号等，DAC 56生成斜坡信号，并将斜坡信号提供给列处理单元57。
在列处理单元57中，并列设置m/2个ADC 641～64m/2。
ADC 641～64m/2分别连接至垂直信号线631～63m/2，并通过使用由DAC 56提供的斜坡信号将经由垂直信号线631～63m/2提供的像素信号进行A/D转换。
ADC 641～64m/2的每一个均具有比较器、计数器、开关和存储器。即，ADC 641具有比较器651、计数器(CNT)661、开关671和存储器681，ADC642具有比较器652、计数器662、开关672和存储器682，以类似的方式，ADC 64m/2具有比较器65m/2、计数器66m/2、开关67m/2和存储器68m/2。
像素信号经由垂直信号线631～63m/2从像素61m，1～64m，n提供给比较器651～65m，并从DAC 56提供斜坡信号。
比较器651～65m/2将由DAC 56提供的斜坡信号与经由垂直信号线631～63m/2提供的像素信号进行比较，并将表示比较结果的比较信号提供给计数器661～66m/2。即，比较器651将来自DAC 56的斜坡信号与经由垂直信号线631从像素611，1～611，n和像素612，1～612，n提供的像素信号之间的比较信号提供给计数器661。
比较器652将来自DAC 56的斜坡信号与经由垂直信号线632从像素613，1～613，n和像素614，1～614，n提供的像素信号之间的比较信号提供给计数器662，以类似的方式，比较器65m/2将来自DAC 56的斜坡信号与经由垂直信号线63m/2从像素61m-1，1～61m-1，n和像素61m，1～61m，n提供的像素信号之间的比较信号提供给计数器66m/2。
计数器661～66m/2提供有来自定时控制电路52的时钟信号，并基于来自比较器651～65m/2的比较信号对时钟信号进行计数。表示计数器661～66m/2对时钟信号的计数结果的计算值经由开关671～67m/2提供给存储器681～68m/2，作为A/D转换像素信号所获得的像素数据。
响应于来自定时控制电路52的定时信号，开关671～67m/2分别连接计数器661～66m/2和存储器681～68m/2。
存储器681～68m/2临时存储由计数器661～66m/2提供的像素数据，并在列扫描器58的控制下将像素数据输出至水平输出线59。
列扫描器58以预定定时将存储在存储器681～68m/2中的像素数据顺序输出至水平输出线59。
水平输出线59连接至后级的图像处理电路等，并将从存储器681～68m/2输出的像素数据提供给图像处理电路等。
如上所述，在CMOS传感器51中，两列像素611，1～61m，n，同时连接至一条垂直信号线63，并且两列像素信号由一个ADC 64进行A/D转换。
下面将参考图7描述由四个像素构成的2×2共享像素。
如图7所示，2×2共享像素由四个像素61a～61d构成。像素61a是奇数列中第N行的像素，像素61b是偶数列中第N行的像素，像素61c是奇数列中第N+1行的像素，而像素61d是偶数列中第N+1行的像素。
像素61a包括光电二极管71a和转移晶体管72a，像素61b包括光电二极管71b和转移晶体管72b。像素61c包括光电二极管71c和转移晶体管72c，像素61d包括光电二极管71d和转移晶体管72d。
在2×2共享像素中，四个像素61a～61d共享复位晶体管73、放大晶体管74、选择晶体管75和浮置扩散节点76。即，光电二极管71a～71d经由转移晶体管72a～72d连接至浮置扩散节点76。
在响应于用于控制复位晶体管73的复位信号RST(N)将浮置扩散节点76钳位至预定基准电位之后，由光电二极管71a产生的电荷响应于用于控制转移晶体管72a的转移信号TR1(N)被转移至浮置扩散节点76，并在其中累积。在浮置扩散节点中累积的电荷经由选择晶体管75输出至垂直信号线63，作为像素61a的像素信号。
继输出像素61a的像素信号之后，在响应于用于控制复位晶体管73的复位信号RST(N)将浮置扩散节点76钳位至预定基准电位之后，由光电二极管71b产生的电荷响应于用于控制转移晶体管72b的转移信号TR2(N)转移至浮置扩散节点76，并且类似像素61a，像素61b的像素信号输出至垂直信号线63。以相同的方式，由光电二极管71c产生的电荷转移至浮置扩散节点76，并且像素61c的像素信号输出至垂直信号线63，以及由光电二极管71d产生的电荷转移至浮置扩散节点76，并且像素61d的像素信号输出至垂直信号线63。
如上所述，在四个像素61a～61d构成的2×2共享像素中，浮置扩散节点76和垂直信号线63提供用于像素61a～61d。
图8是示出CMOS传感器51操作的时序图。
在用于读取第N行的像素信号的1H周期开始时，用于控制如图7所示选择晶体管75的选择信号SEL(N)从L电平转变为H电平，从而开始从图7所示四像素61a～61d构成的2×2共享像素读取像素信号。
在选择信号SEL(N)由L电平转变为H电平之后，用于控制复位晶体管73的复位信号RST(N)变为脉冲形式的H电平，并且响应于该复位信号RST(N)，浮置扩散节点76被钳位为预定基准电位，以在复位电平(P相位)执行A/D转换。
此后，用于控制转移晶体管72a的转移信号TR1(N)变为脉冲形式的H水平，并且响应于该转移信号TR1(N)，由像素61a的光电二极管71a产生的电荷转移至浮置扩散节点76，以在数据电平(D相位)执行A/D转换。
以下将描述复位电平的A/D转换和数据电平的A/D转换。
如图8的倒数第二部分所示，当浮置扩散节点76被钳位为预定基准电位时，输出对应于基准电位的像素信号。此后，由于由光电二极管71a产生的电荷转移至浮置扩散节点76，所以输出对应于电荷的像素信号。
像素信号经由选择晶体管75和垂直信号线63输入至比较器65(图6)的一端。图8最底部所示的斜坡信号被提供给比较器65的另一端。
比较器65在通过内部短路两个输入端复位输入端的电位之后，比较像素信号与斜坡信号。比较器65将表示比较结果的比较结果信号提供给计数器66。例如，如果像素信号不小于斜坡信号，则比较器65输出L电平的比较结果信号，如果像素电平小于斜坡信号，则比较器65输出H电平的比较结果信号。即，在斜坡信号的电压值以恒定斜率降低的同时，当斜坡信号变得等于像素信号时，比较器65输出从H电平转变为L电平的比较结果信号。
当输出复位电平的像素信号时，计数器66使用从斜坡信号开始以恒定斜率降低的时刻到比较结果信号从H电平转变到L电平的时刻的计数值(时间)，作为复位电平的像素信号的A/D转换值。当输出数据电平的像素信号时，计数器66使用从斜坡信号开始以恒定斜率下降的时刻到比较结果信号从H电平转变为L电平的时刻的计数值，作为数据电平的像素信号的A/D转换值。
复位电平的像素信号的A/D转换值和数据电平的像素信号的A/D转换值之间的差作为像素数据被存储在存储器68(图6)中。
以上述方式，从像素61a读取的像素数据进行A/D转换，并且像素61a的像素数据被存储到存储器68中。此后，用于控制复位晶体管73的复位信号RST(N)变为脉冲形式的H电平，并且响应于该复位信号RST(N)，浮置扩散节点76被钳位为预定基准电位。即，由像素光电二极管71a产生并累积在浮置扩散节点76中的电荷被复位。
此后，用于控制转移晶体管72b的转移信号TR2(N)变为脉冲形式的H电平，并且响应于转移信号TR2(N)，由像素61b的光电二极管71b产生的电荷被转移至浮置扩散节点76。此后，与从像素61a读取的像素信号的A/D转换类似，从像素61b读取的像素信号进行A/D转换。在像素61b的像素信号的A/D转换的同时，存储在存储器68中的像素61a的像素数据在列扫描器58的控制下被输出至水平输出线59。
在用于读取第N行像素信号的1H周期结束之后，另一个用于读取第N+1行像素信号的1H周期开始。用于控制复位晶体管73的复位信号RST(N)变为脉冲形式的H电平，从而复位由像素61b的光电二极管71b产生并累积在浮置扩散节点76中的电荷。
此后，用于控制转移晶体管72c的转移信号TR3(N)变为脉冲形式的H电平，并且响应于该转移信号TR3(N)，由像素61c的光电二极管71c产生的电荷转移至浮置扩散节点76。在像素61c的像素信号的A/D转换的同时，存储在存储器68中的像素61b的像素数据在列扫描器58的控制下输出至水平输出线59。
此后，用于控制复位晶体管73的复位信号RST(N)变为脉冲形式的H电平，从而复位由像素61c的光电二极管71c产生并累积在浮置扩散节点76中的电荷。
此后，用于控制转移晶体管72d的转移信号TR4(N)变为脉冲形式的H电平，并且响应于该转移信号TR4(N)，由像素61d的光电二极管71d产生的电荷转移至浮置扩散节点76。在像素61d的像素信号的A/D转换的同时，存储在存储器68中的像素61c的像素数据在列扫描器58的控制下输出至水平输出线59。在下一个1H周期内，存储在存储器68中的像素61d的像素数据输出至水平输出线59。
如上所述，在CMOS传感器51中，ADC 64在1H期间内执行两次A/D转换来输出一行的像素数据。
如图8最上部分所示，CMOS传感器51以奇数列中第N行的像素61a、偶数列中第N行的像素61b、奇数列中第N+1行的像素61c和偶数列中第N+1行的像素61d的顺序读取像素信号并执行A/D转换。像素数据以奇数列中第N行的像素61a、偶数列中第N行的像素61b、奇数列中第N+1行的像素61c和偶数列中第N+1行的像素61d的顺序输出至水平输出线。即，在CMOS传感器51中，由于先输出奇数列的像素数据再输出偶数列的像素信号，所以后级的处理电路重新配置像素数据的顺序，以使像素数据具有像素的相同顺序，从而形成图像。
由于一个DAC 64执行两列像素信号的A/D转换，所以ADC 641～64m/2可以以两倍于像素611，1～61m，n的间距来并列设置。即使像素611，1～61m，n的间距很窄，也可以容易地布置ADC 641～64m/2。与ADC 64不被两列像素共享的情况相比，ADC 64的数量可减少一半。由于列处理单元57的面积减小，使得CMOS传感器51可被小型化。由于ADC 64的数量减少，所以有利于减少诸如图像中出现的条纹等的特性。
此外，如参照图7所描述的，由于四个像素61a～61d共享复位晶体管73、放大晶体管74和选择晶体管75，所以与这些晶体管没有被共享的情况相比，可以减少晶体管的数量。因此，可以改善诸如饱和电荷量和灵敏度等的摄像特性。即使CMOS传感器51小型化，也可以通过增加每个像素的孔径率来抑制图像质量的降低。
此外，在CMOS传感器51中，如参照图3所描述的，没有出现由于在两个区域设置列处理单元而引起的图像质量的下降。另外，没有发生由参照图4所描述的在电容器中保持模拟信号而引起的问题。
在CMOS传感器51中，如上所述，从每个像素中顺序读取像素值，另外，从多个像素输出的电荷通过浮置扩散节点76加在一起，使得可以读取对应于相加电荷的像素信号。
图9是示出CMOS传感器51操作的另一个实例的时序图。
参照图9，描述设置在水平方向上两个像素的电荷的加法实例，例如，图7所示像素61a和61b电荷的相加和像素61c和61d电荷的相加。
在选择信号SEL(N)由L电平转变为H电平之后，复位信号RST(N)变为脉冲形式的H电平，并且浮置扩散节点76被钳位为预定基准电位，以执行复位电平的A/D转换。
此后，转移信号TR1(N)和转移信号TR2(N)同时变为脉冲形式的H电平，并且响应于转移信号TR1(N)和转移信号TR2(N)，由光电二极管71a和71b产生的电荷同时被转移至浮置扩散节点76。
结果，在浮置扩散节点76中，由光电二极管71a和71b产生的电荷被相加，并且通过使用与相加电荷对应的像素信号，执行数据电平的A/D转换。复位电平的A/D转换值和数据电平的A/D转换值之间的差作为像素数据存储在存储器68中。
在用于读取第N行像素信号的1H周期结束之后，复位信号RST(N)变为脉冲形式的H电平，并且浮置扩散节点76被钳位为预定基准电位，即，复位累积电荷，以执行复位电平的A/D转换。
此后，与通过相加光电二极管71a和71b而得到的像素信号的A/D转换类似，使由光电二极管71c和71d产生的电荷相加，并通过使用与相加电荷相应的像素信号，执行数据电平的A/D转换。
在通过光电二极管71c和71d的相加而得到的像素信号的A/D转换的同时，将通过相加光电二极管71a和71b而得到的像素信号的A/D转换所获得的像素数据从存储器68输出至水平输出线59。在下一个1H周期输出通过光电二极管71c和71d的相加而得到的像素信号的A/D转换所获得的像素数据。
如上所述，两个像素的电荷在浮置扩散节点76处相加，并读取与相加电荷相对应的像素信号。因此，可使拍摄图像的帧率加倍。
由于电荷在浮置扩散节点76处相加，例如，与来自两个像素的像素信号被A/D转换然后数字相加像素数据的情况相比，可以减少A/D转换处理的次数并且可减少噪声。更具体地，由于包含在图像信号中的噪声在A/D转换处理中以平方增长，所以对应于A/D转换处理次数的减少，可将放大晶体管74的噪声和ADC 64的噪声减少1/√2。
图10是示出根据另一实施例的CMOS传感器的结构实例的框图。
在图10中，CMOS传感器51’包括定时控制电路52、行扫描器53、像素阵列54、m/2个负载MOS 551～55m/2、DAC 56、列处理单元57’、列扫描器58和水平输出线59。在图10中，与图6所示CMOS图像传感器51中类似的组件用相同的参考符号表示，并且在下文中适当地省略关于它们的说明。
即，图10所示CMOS传感器51’与图6所示CMOS传感器51的相似之处在于CMOS传感器51’也包括定时控制电路52、行扫描器53、像素阵列54、m/2个负载MOS 551～55m/2、DAC 56、列扫描器58和水平输出线59。CMOS传感器51’包括与CMOS传感器51中不同的列处理单元57’。
列处理单元57’包括并列设置的m/2个ADC 641～64m/2。每个ADC641～64m/2均包括比较器、计数器、两个开关和两个存储器。
即，ADC 641包括比较器651、计数器(CNT)661、两个开关671’和672’以及两个存储器681’和682’，ADC 642包括比较器652、计数器662、两个开关673’和674’以及两个存储器683’和684’，以相同的方式，DAC 64m/2包括比较器65m/2、计数器66m/2、两个开关67m-1’和67m’以及两个存储器68m-1’和68m’。
在如上构造的CMOS传感器51’中，例如，像素611，1～61m，n中奇数列的像素信号和偶数列的像素信号可存储在不同的存储器中。
例如，在用于读取第N行的像素611，1～61m，n的1H周期内，当ADC641’的计数器661对第一列中的像素611，N的像素信号进行A/D转换时，开关671’连接至存储器681’，第一列中像素611，N的像素数据被存储在存储器681’中。当计数器661对第二列中的像素612，N的像素信号执行A/D转换时，开关672’连接至存储器682’，第二列中的像素612，N的像素数据存储到存储器682’中。
类似地，在ADC 642’中，第三列中的像素613，n的像素数据存储在存储器683’中，第四列中的像素614，n的像素数据存储在存储器684’中。在ADC 64m’中，第(m-1)列中的像素61m-1，n的像素数据存储在存储器68m-1’中，第m列中的像素61m，n的像素数据存储在存储器68m’中。
如上所述，通过在不同的存储器中存储奇数列中像素的像素数据和偶数列中像素的像素数据，第一列中的像素61，n的像素数据到第m列中的像素61m，n的像素数据可以在列扫描器58的控制下顺序输出至水平输出线59。
即，如参考图8所描述的，在CMOS传感器51中，通过后级的处理电路执行像素数据顺序的重新配置处理，以重新配置像素的顺序。在CMOS传感器51’中，像素数据以像素顺序输出。结果，不需要执行像素数据顺序的中心配置处理。
图11是示出CMOS传感器51’操作实例的时序图。
如图11所示，在用于读取第N行的像素信号的1H周期内，读取奇数列中第N行的像素61a的像素信号，此后，读取偶数列中第N行的像素61b的像素信号。此后，在用于读取第N+1行的像素信号的1H周期内，读取奇数列中第N+1行的像素61c的像素信号，此后，在读取偶数列中第N+1行的像素61d的像素信号的同时，以像素顺序输出第N行的像素数据。在下一1H周期以像素顺序输出第N+1行的像素数据。在图11中，选择信号的SEL(N)、复位信号RST(N)、转移信号TR1～TR4、像素信号和斜坡信号与图8的时序图中一样。
在本发明的实施例中，描述了两个垂直像素×两个水平像素的2×2共享像素61a～61d共享放大晶体管等。例如，为了使ADC的间距比像素的宽，如果至少水平方向的多个像素共享放大晶体管等就可满足需要。即，即使在水平方向上具有两个像素的共享像素共享放大晶体管等，类似于2×2共享像素，可以容易地布置ADC。
本发明实施例不仅限于上述实施例，而且在不背离本发明精神的情况下，可以进行各种改进。

Claims (6)

1.一种图像拍摄装置，包括：
光电转换装置，用于将入射光转换为电荷并累积电荷；
转移装置，用于转移在所述光电转换装置中累积的电荷；
电荷电压转换装置，用于将经由所述转移装置转移的所述光电转换装置中的电荷转换为电压信号；
复位装置，用于复位所述电荷电压转换装置的电位；以及
模/数(A/D)转换装置，用于经由读取信号线将所述电压信号转换为数字信号，
其中，一个所述光电转换装置和一个所述转移装置组成一个像素，每四个像素共享所述读取信号线，一个所述模/数(A/D)转换装置执行两列所述电压信号的A/D转换。
2.根据权利要求1所述的图像拍摄装置，还包括：控制线，用于传输用于控制由所述转移装置进行的电荷转移的信号，其中，所述控制线独立用于共享所述放大装置和所述读取信号线的多个所述转移装置的每一个。
3.根据权利要求1所述的图像拍摄装置，还包括：负载金属氧化物半导体(MOS)，连接至所述读取信号线，其中，所述负载金属氧化物半导体和所述放大装置构成源极跟随电路。
4.根据权利要求3所述的图像拍摄装置，其中所述模/数(A/D)转换装置还包括：
比较装置，具有用于接收所述电压信号的第一输入端和用于接收以恒定斜率从预定基准电位下降的基准电压的第二输入端，在所述第一输入端和所述第二输入端的电位被复位之后，所述比较装置将输入至所述第一输入端的电压信号和输入至所述第二输入端的基准电压进行比较；以及
测量装置，用于测量所述基准电压以恒定斜率从预定基准电位下降时到所述比较装置判断出所述基准电压低于所述电压信号时的时间。
5.根据权利要求4所述的图像拍摄装置，其中，所述模/数(A/D)转换装置包括：一个或多个保持装置，用于保持用所述测量装置测量的值，作为被转换为数字信号的所述电压信号。
6.根据权利要求5所述的图像拍摄装置，其中，在水平方向上扫描读取所述电压信号的一个扫描周期内，所述模/数(A/D)转换装置中的一个执行多次A/D转换，并以所述光电转换装置在水平方向上的顺序输出被转换为数字信号的电压信号。
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