CN102197640B - 图像传感器和摄像设备 - Google Patents

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Abstract

一种图像传感器，包括：像素单元阵列；驱动单元；第二保持块；第一输出放大器；以及第二输出放大器，所述像素单元阵列的各列包括多个第一像素单元和多个第二像素单元，其中，所述驱动单元驱动所述像素单元阵列，以对所述像素单元阵列的各列并行地进行以下操作：用以将信号从所述第一像素单元经由第一垂直输出线传送至第一保持块的操作；以及用以将信号从所述第二像素单元经由第二垂直输出线传送至所述第二保持块的操作。

Description

图像传感器和摄像设备
技术领域
本发明涉及图像传感器和摄像设备。
背景技术
日本特开2001-45375号公报公开了以下的固态摄像设备：如日本特开2001-45375号公报的图1所示，在该固态摄像设备中，在与沿着行的方向和沿着列的方向排列多个像素的像素阵列中的各列的像素相连接的垂直输出线8上配置了两对外部累积电容。在该固态摄像设备中，外部累积电容CTN2、CTS2、CTN1和CTS1经由MOS晶体管9～12连接至垂直输出线8，并且经由MOS晶体管18、17、16和15连接至水平输出线。分别利用两个水平传送控制线24和25使MOS晶体管18和17以及MOS晶体管16和15接通/断开(on/off)。
在日本特开2001-45375号公报的图2所示的时间段TH1中，如由波形HSRC所示，顺次激活各个列的水平传送控制线24，以顺次接通各个列的MOS晶体管18和17。响应于此，将各个列的外部累积电容CTN2和CTS2中所累积的第(n-1)行的像素的信号经由水平输出线顺次传送至差分放大器21。在时间段TH1中的时间段T1中，φRES1变为高电平，以复位第(n)行的各像素中的放大器6的栅极的杂散电容。在时间段TH1中的时间段T2中，φTN1变为高电平，以将来自第(n)行的各像素的噪声成分的信号经由垂直输出线8传送至外部累积电容CTN1。外部累积电容CTN1保持传送来的信号。在时间段TH1中的时间段T3中，φTX1变为高电平，以将第(n)行的各像素的光电转换元件2中所存储的光电荷经由MOS晶体管3传送至MOS晶体管的栅极的杂散电容。在时间段TH1中的时间段T4中，φTS1变为高电平，以将来自第(n)行的各像素的“光电荷成分+噪声成分”的信号经由垂直输出线8传送至外部累积电容CTS1。外部累积电容CTS1保持传送来的信号。
根据日本特开2001-45375号公报，可以在水平传送期间从像素读出信号。因而，可以将一个水平扫描时间段完全用于水平传送时间段。
日本特开2001-45378号公报公开了以下的固态摄像设备：如日本特开2001-45378号公报的图1所示，在该固态摄像设备中，垂直移位寄存器VSR对与沿着行的方向和沿着列的方向排列多个像素‘a11’～‘b23’的像素阵列中的各行的像素相连接的行选择线进行扫描。在该固态摄像设备中，累积单元1和2分别连接至与像素阵列的各列的像素相连接的垂直信号线的两端。
如日本特开2001-45378号公报的图2所示，在TXa变为高电平的时间段(‘传送a’)中，垂直移位寄存器VSR将像素阵列的奇数行上的像素‘a11’～‘a13’的信号传送至累积单元1。在TXb变为高电平的时间段(‘传送b’)中，垂直移位存储器VSR将像素阵列的偶数行上的像素‘b11’～‘b13’的信号传送至累积单元2。与垂直移位寄存器VSR的该操作(‘传送b’)并行地，水平移位寄存器HSR1从累积单元1顺次输出像素‘a11’～‘a13’的信号作为OUT1。在水平移位寄存器HSR1开始该操作之后经过了预定时间段(‘传送b’完成)时，与水平移位寄存器HSR1的操作并行地，水平移位寄存器HSR2从累积单元2顺次输出像素‘b11’～‘b13’的信号作为OUT2。
根据日本特开2001-45378号公报，在给定的水平扫描时间段中，可以将两行的信号独立传送至两个累积单元。可以确保传送之后的读出周期长，从而抑制读出操作频率降低。
在日本特开2001-45375号公报中，固态摄像设备具有从像素阵列延伸至差分放大器21的一个信号传送路径(针对一行的像素)。该摄像设备对于缩短从像素阵列到差分放大器21的总读出时间段存在限制。
根据日本特开2001-45378号公报，如日本特开2001-45378号公报的图2所示，在将奇数行上的像素‘a11’～‘a13’的信号传送至累积单元1的时间段(‘传送a’)期间，无法进行将信号从累积单元1传送至差分放大器D1的水平传送操作OUT1。此外，在将偶数行上的像素‘b11’～‘b13’的信号传送至累积单元2的时间段(‘传送b’)期间，无法进行将信号从累积单元2传送至另一差分放大器的水平传送操作OUT2。该摄像设备包括针对两行的像素所配置的两个累积单元和两个差分放大器。然而，从一个累积单元到一个差分放大器的信号传送和从另一累积单元到另一差分放大器的信号传送需要在等于或长于‘传送a’或‘传送b’的时间段的延迟的情况下开始。这使得难以缩短从像素阵列到多个差分放大器的总读出时间段。
发明内容
本发明的目的是缩短从像素单元阵列到多个输出放大器的总读出时间段。
根据本发明的第一方面，提供一种图像传感器，包括：像素单元阵列，在所述像素单元阵列中在沿着行的方向和沿着列的方向上排列有多个像素单元，其中，各像素单元包括：至少一个光电转换单元；电荷-电压转换器；至少一个传送单元，用于将在所述至少一个光电转换单元中生成的电荷传送至所述电荷-电压转换器；输出单元，用于输出与所述电荷-电压转换器的电压相对应的信号；以及与所述至少一个光电转换单元相对应的至少一个滤色器；驱动单元，用于驱动所述像素单元阵列；第一保持块，用于保持从所述像素单元阵列经由多个第一垂直输出线传送来的信号；第二保持块，用于保持从所述像素单元阵列经由多个第二垂直输出线传送来的信号；第一输出放大器，用于输出从所述第一保持块传送来的信号；以及第二输出放大器，用于输出从所述第二保持块传送来的信号，所述像素单元阵列的各列包括：多个第一像素单元，所述多个第一像素单元各自的所述至少一个滤色器的颜色彼此相同，并且所述多个第一像素单元的所述输出单元将信号输出至所述第一垂直输出线；以及多个第二像素单元，所述多个第二像素单元各自的所述至少一个滤色器的颜色彼此相同，并且所述多个第二像素单元的所述输出单元将信号输出至所述第二垂直输出线，其中，所述驱动单元驱动所述像素单元阵列，以对所述像素单元阵列的各列并行地进行用以将信号从所述第一像素单元经由所述第一垂直输出线传送至所述第一保持块的操作以及用以将信号从所述第二像素单元经由所述第二垂直输出线传送至所述第二保持块的操作。
根据本发明的第二方面，提供一种摄像设备，包括：根据本发明第一方面的图像传感器；光学系统，用于在所述图像传感器的摄像面上形成图像；以及信号处理单元，用于处理从所述图像传感器输出的信号以生成图像数据。
根据本发明的第三方面，提供一种图像传感器，包括：阵列，其包括列，在所述列上，在垂直方向上交替配置有用于将第一颜色的光转换成电荷的多个第一光电转换单元和用于将第二颜色的光转换成电荷的多个第二光电转换单元；第一电荷-电压转换器，用于将所述多个第一光电转换单元所生成的电荷转换成电压；第二电荷-电压转换器，用于将所述多个第二光电转换单元所生成的电荷转换成电压；第一垂直输出线，用于在所述垂直方向上传送与所述第一电荷-电压转换器的电压相对应的第一信号；以及第二垂直输出线，用于在所述垂直方向上传送与所述第二电荷-电压转换器的电压相对应的第二信号。
根据本发明的第四方面，提供一种摄像设备，包括：根据本发明第三方面的图像传感器；光学系统，用于在所述图像传感器的摄像面上形成图像；以及信号处理单元，用于处理从所述图像传感器输出的信号以生成图像数据。
本发明可以缩短从像素单元阵列到多个输出放大器的总读出时间段。
通过以下参考附图对典型实施例的说明，本发明的其它特征将变得明显。
附图说明
图1是示出根据本发明第一实施例的图像传感器100的结构的电路图；
图2是示出在不对来自根据本发明第一实施例的图像传感器的各像素单元的三个光电转换单元的信号进行相加的情况下读出这些信号时的驱动时序(全部像素读出模式)的时序图；
图3是示出当相加并读出来自根据本发明第一实施例的图像传感器的各像素单元的三个光电转换单元中的两个光电转换单元的信号时的驱动时序(相加读出模式)的时序图；
图4A和4B是各自示出根据本发明第一实施例的图像传感器100的布局的图；
图5是示出根据本发明第二实施例的图像传感器100i的结构的电路图；
图6是示出在不对来自根据本发明第二实施例的图像传感器的各像素单元的三个光电转换单元的信号进行相加的情况下读出这些信号时的驱动时序(全部像素读出模式)的时序图；
图7是示出当相加并读出来自根据本发明第二实施例的图像传感器的各像素单元的所有三个光电转换单元的信号时的驱动时序(相加读出模式)的时序图；
图8是示出根据本发明第二实施例的图像传感器100i的布局的图；
图9A和9B是各自示出根据本发明第三实施例的图像传感器100j的布局的图；
图10是示出使用根据本发明第一实施例的图像传感器的摄像设备的结构的框图；
图11是示出图像传感器200的结构的电路图；以及
图12是示出图像传感器200的操作的时序图。
具体实施方式
在图11所示的图像传感器200中，信号从一行的像素传送至保持块的时间段可能长于水平传送时间段。图11是示出图像传感器200的结构的电路图。将详细说明图像传感器200。
图像传感器200包括像素阵列PA、驱动单元230、保持块240和输出放大器225。
在像素阵列PA中，沿着行的方向(水平方向)和沿着列的方向(垂直方向)排列多个像素P11～P44。图11示出由4×4个像素构成的像素阵列PA。
像素P 11包括光电转换单元202、传送单元203、电荷-电压转换器205、复位单元204、输出单元206和选择单元207。
光电转换单元202生成并累积与入射光相对应的电荷。光电转换单元202包括例如光电二极管。
传送单元203将在光电转换单元202中生成的电荷传送至电荷-电压转换器205。传送单元203包括例如传送晶体管。当在栅极处从(后面要说明的)垂直扫描电路201接收到激活水平的传送控制信号φTXn时，传送单元203接通，以将在光电转换单元202中生成的电荷传送至电荷-电压转换器205。
电荷-电压转换器205根据其寄生电容，将传送来的电荷转换成电压。电荷-电压转换器205包括例如浮动扩散部。
复位单元204复位电荷-电压转换器205。复位单元204包括例如复位晶体管。当在栅极处从垂直扫描电路201接收到激活水平的复位控制信号φRESn时，复位单元204接通，以复位电荷-电压转换器205。
输出单元206将与电荷-电压转换器205的电压相对应的信号输出至垂直输出线VL1。输出单元206包括例如放大晶体管。输出单元206连同连接至垂直输出线VL1的负载电流源209一起进行源极跟随器操作，由此将与电荷-电压转换器205的电压相对应的信号输出至垂直输出线VL1。更具体地，在复位单元204已经复位了电荷-电压转换器205的状态下，输出单元206将与电荷-电压转换器205的电压相对应的噪声信号输出至垂直输出线VL1。在传送单元203已将光电转换单元202的电荷传送至电荷-电压转换器205的状态下，输出单元206将与电荷-电压转换器205的电压相对应的光信号输出至垂直输出线VL1。
选择单元207选择/取消选择像素P11。选择单元207例如包括选择晶体管。在栅极处从垂直扫描电路201接收到激活水平的选择控制信号φSELn时，选择单元207接通以选择像素P11。在栅极处从垂直扫描电路201接收到非激活水平的选择控制信号φSELn时，选择单元207断开以取消选择像素P11。
其余的像素P12～P44具有与像素P11的结构相同的结构。
驱动单元230驱动像素阵列PA。驱动单元230包括垂直扫描电路201。垂直扫描电路201垂直扫描像素阵列PA以从像素阵列PA选择用以读出信号的行(读出行)，并将噪声信号和光信号从该读出行的像素输出至多个垂直输出线VL1～VL4。驱动单元230在不同的时刻将噪声信号和光信号从读出行的像素输出至垂直输出线VL1～V14。
保持块240保持从像素阵列PA经由垂直输出线VL1～VL4传送来的噪声信号和光信号。更具体地，保持块240接收从垂直扫描电路201所选择的读出行的像素输出至垂直输出线VL1～VL4的噪声信号和光信号，并且临时保持接收到的噪声信号和光信号。水平扫描电路224水平扫描保持块240，以将保持块240所保持的各个列的噪声信号和光信号顺次输出至水平输出线222和223。
水平扫描电路224与水平扫描脉冲φH同步地使与开始脉冲φHST相对应的脉冲偏移，从而顺次激活各个列的水平扫描线236或237。
保持块240包括传输门210～213、保持电容214～217和读出开关218～221。
传输门210～213根据控制信号φTS1～φTN2而接通，从而将输出至垂直输出线VL1～VL4的信号传送至保持电容214～217。
保持电容214～217临时保持传送来的信号。保持电容214和215保持单个像素的光信号和噪声信号。保持电容216和217保持单个像素的光信号和噪声信号。
水平扫描电路224根据控制信号φLSEL顺次激活各个列的水平扫描线236或237。当顺次激活各个列的水平扫描线236时，各个列的读出开关218和219顺次接通，以将各个列的保持电容214和215中所保持的光信号和噪声信号顺次输出至水平输出线222和223。当顺次激活各个列的水平扫描线237时，各个列的读出开关220和221顺次接通，以将各个列的保持电容216和217中所保持的光信号和噪声信号顺次输出至水平输出线222和223。
输出放大器225接收分别输出至水平输出线222和223的噪声信号和光信号。输出放大器225获得接收到的噪声信号和光信号之间的差，从而生成并输出图像信号。
复位开关226和227分别连接至水平输出线222和223。复位开关226和227在预定时刻复位水平输出线222和223。
将参考图12来解释图像传感器200的操作。图12是示出图像传感器200的操作的时序图。
在时刻t51，φLSEL变为LOW(低)，并且水平扫描电路224开始顺次激活各个列的水平扫描线237。此外，φHD和φHST变为非激活水平(LOW)。φHD是水平同步信号。响应于此，水平扫描电路224开始用以与φH同步地顺次接通各个列的读出开关220和221的水平传送操作。然后，将各个列的保持电容216和217中所保持的第(n-1)行的像素的光信号和噪声信号经由水平输出线222和223顺次传送至输出放大器225。在时刻t51～t59的时间段内连续进行针对第(n-1)行的像素的信号的水平传送操作。换言之，时刻t51～t59的时间段用作针对第(n-1)行的像素的信号的水平传送时间段HT3(n-1)。
同样，在时刻t59～t66的时间段内进行针对第(n)行的像素的信号的水平传送操作。也就是说，时刻t59～t66的时间段用作针对第(n)行的像素的信号的水平传送时间段HT3(n)。
在水平传送时间段HT3(n-1)的时刻t52，垂直扫描电路201将激活水平的选择控制信号φSELn提供至第(n)行的像素以选择这些像素。垂直扫描电路201将激活水平的复位控制信号φRESn提供至第(n)行的像素。在第(n)行的像素中，复位单元204复位电荷-电压转换器205。输出单元206将与电荷-电压转换器205的电压相对应的噪声信号输出至垂直输出线VL1～VL4。
在水平传送时间段HT3(n-1)的时刻t53，φTN1变为激活水平，以接通各个列的传输门211。然后，将已输出至垂直输出线VL1～VL4的第(n)行的像素的噪声信号传送至各个列的保持电容215。
在水平传送时间段HT3(n-1)的时刻t54，φTN1变为非激活水平，以断开各个列的传输门211。各个列的保持电容215保持传送来的第(n)行的像素的噪声信号。
在水平传送时间段HT3(n-1)的时刻t55，垂直扫描电路201将激活水平的传送控制信号φTXn提供至第(n)行的像素。在第(n)行的像素中，传送单元203将光电转换单元202的电荷传送至电荷-电压转换器205。输出单元206将与电荷-电压转换器205的电压相对应的光信号输出至垂直输出线VL1～VL4。
在水平传送时间段HT3(n-1)的时刻t56，垂直扫描电路201将传送控制信号φTXn变为非激活水平。此外，φTS1变为激活水平，以接通各个列的传输门210。将已输出至垂直输出线VL1～VL4的第(n)行的像素的光信号传送至各个列的保持电容214。
在水平传送时间段HT3(n-1)的时刻t57，φTS1变为非激活水平，以断开各个列的传输门210。然后，各个列的保持电容214保持传送来的第(n)行的像素的光信号。
在水平传送时间段HT3(n-1)的时刻t58，垂直扫描电路201将非激活水平的选择控制信号φSELn提供至第(n)行的像素，以取消选择这些像素。
这样，图像传感器200并行执行以下操作：用于将第(n-1)行的像素的信号从保持块240传送至输出放大器225的水平传送操作以及用于将第(n)行的像素的信号从这些像素传送至保持块240的操作。
如果将信号从一行的像素传送至保持块所需的时间比水平传送操作所需的时间短，则可以连续执行各个行的水平传送操作，而无需在这些操作之间生成水平消隐时间段。在这种情况下，可以缩短从像素阵列到输出放大器的总读出时间段，以提高从像素阵列到输出放大器的读出速度。
然而，如果将信号从一行的像素传送至保持块所需的时间比水平传送操作所需的时间长，则传送至保持块的信号的水平传送操作必须进行等待，直到可以读出下一行的像素的信号为止。也就是说，水平扫描时间段需要期间不进行水平传送操作的水平消隐时间段。如果在每次读出一行的像素的信号时都需要水平消隐时间段，则根据信号从像素阵列传送至保持块的时间段来确定从像素阵列到输出放大器的总读出时间段。在这种情况下，难以缩短从像素阵列到输出放大器的总读出时间段。无法提高从像素阵列到输出放大器的读出速度。
在信号从像素阵列传送至保持块的时间段内，除保持电容以外，还需要对垂直输出线的杂散电容进行充电和放电。此外，就图像传感器的省电和抑制温度上升的观点而言，不能增加输出单元(放大晶体管)的负载电流。因此，除了用以对保持电容进行充电和放电的时间以外，必须确保至少预定时间，以对垂直输出线进行充电和放电。这使得难以提高读出速度。特别地，数字单镜头反光照相机所使用的大型图像传感器的垂直输出线的杂散电容大，并且该图像传感器对提高读出速度存在限制。
将参考图1来说明根据本发明第一实施例的图像传感器100。图1是示出根据本发明第一实施例的图像传感器100的结构的电路图。将主要解释与图11所示的图像传感器200的不同之处。
图像传感器100包括像素单元阵列PUA、驱动单元130、第一保持块240-1、第二保持块240-2、第一输出放大器225-1和第二输出放大器225-2。
在像素单元阵列PUA中，沿着行的方向和沿着列的方向排列多个像素单元PU11～PU44。图1示出由4×4个像素单元组成的像素单元阵列PUA。
在各个像素单元PU11～PU44中，沿着图1中的列的方向间隔一个像素所配置的三个像素(光电转换单元)共用电荷-电压转换器、复位单元、输出单元和选择单元。
像素单元阵列PUA的各列包括多个第一像素单元和多个第二像素单元。例如，像素单元阵列PUA的第一列(图1中的左侧列)包括第一像素单元PU11和PU31以及第二像素单元PU21和PU41。像素单元阵列PUA中的各列的像素单元在第一侧(左侧)与第一垂直输出线邻接并且在第二侧(右侧)与第二垂直输出线邻接。
第一像素单元PU11包括三个光电转换单元1、3和5、三个传送单元7、9和11、电荷-电压转换器15、复位单元13、输出单元17、选择单元19以及三个滤色器CF1、CF3和CF5(参见图4A和4B)。
当接通时，传送单元(传送晶体管)7使光电转换单元1和电荷-电压转换器15电连接，并且当断开时，使光电转换单元1和电荷-电压转换器15电断开。当接通时，传送单元(传送晶体管)9使光电转换单元3和电荷-电压转换器15电连接，而当断开时，使光电转换单元3和电荷-电压转换器15电断开。当接通时，传送单元(传送晶体管)11使光电转换单元5和电荷-电压转换器15电连接，而当断开时，使光电转换单元5和电荷-电压转换器15电断开。
可以接通三个传送单元7、9和11的其中一个，以将一个光电转换单元的电荷传送至电荷-电压转换器。可以接通三个传送单元7、9和11的其中两个，以将两个光电转换单元的电荷传送至电荷-电压转换器。在这种情况下，电荷-电压转换器将在这两个光电转换单元中生成的电荷相加。可以接通所有的三个传送单元7、9和11，以将三个光电转换单元的电荷传送至电荷-电压转换器。在这种情况下，电荷-电压转换器将在这三个光电转换单元中生成的电荷相加。
当传送一个光电转换单元的电荷时，电荷-电压转换器15将传送来的电荷转换成电压。当传送两个光电转换单元的电荷时，在电荷-电压转换器15中将利用两个传送单元从这两个光电转换单元传送来的电荷相加，并且电荷-电压转换器15将相加后的电荷转换成电压。当传送三个光电转换单元的电荷时，在电荷-电压转换器15中将利用三个传送单元从这三个光电转换单元传送来的电荷相加，并且电荷-电压转换器15将相加后的电荷转换成电压。
输出单元17将与电荷-电压转换器15的电压相对应的信号输出至第一垂直输出线VL1-1。
选择单元19选择/取消选择像素单元PU11。
三个滤色器CF1、CF3和CF5与三个光电转换单元1、3和5相对应。三个滤色器CF1、CF3和CF5透过同一颜色(R)的光，以使得将同一颜色(R)的光引导至三个光电转换单元1、3和5。
第一像素单元PU31具有与第一像素单元PU11的结构相同的结构。更具体地，第一像素单元PU11和PU31均包括这些像素单元之间相同的颜色(R)的三个滤色器(参见图4A)。第一像素单元PU11和PU31的输出单元将信号输出至第一垂直输出线VL1-1。
第二像素单元PU21包括三个光电转换单元2、4和6、三个传送单元8、10和12、电荷-电压转换器16、复位单元14、输出单元18、选择单元20以及三个滤色器CF2、CF4和CF6(参见图4A)。
当接通时，传送单元(传送晶体管)8使光电转换单元2和电荷-电压转换器16电连接，而当断开时，使光电转换单元2和电荷-电压转换器16电断开。当接通时，传送单元(传送晶体管)10使光电转换单元4和电荷-电压转换器16电连接，而当断开时，使光电转换单元4和电荷-电压转换器16电断开。当接通时，传送单元(传送晶体管)12使光电转换单元6和电荷-电压转换器16电连接，而当断开时，使光电转换单元6和电荷-电压转换器16电断开。
可以接通三个传送单元8、10和12的其中一个，以将一个光电转换单元的电荷传送至电荷-电压转换器。可以接通三个传送单元8、10和12的其中两个，以将两个光电转换单元的电荷传送至电荷-电压转换器。在这种情况下，电荷-电压转换器将在这两个光电转换单元中生成的电荷(信号)相加。可以接通所有的三个传送单元8、10和12，以将三个光电转换单元的电荷传送至电荷-电压转换器。在这种情况下，电荷-电压转换器将在这三个光电转换单元中生成的电荷(信号)相加。
当传送一个光电转换单元的电荷时，电荷-电压转换器16将传送来的电荷转换成电压。当传送两个光电转换单元的电荷时，在电荷-电压转换器16中将利用两个传送单元从这两个光电转换单元传送来的电荷相加，并且电荷-电压转换器16将相加后的电荷转换成电压。当传送三个光电转换单元的电荷时，在电荷-电压转换器16中将利用三个传送单元从这三个光电转换单元传送来的电荷相加，并且电荷-电压转换器16将相加后的电荷转换成电压。
输出单元18将与电荷-电压转换器16的电压相对应的信号输出至第二垂直输出线VL1-2。
选择单元20选择/取消选择像素单元PU21。
三个滤色器CF2、CF4和CF6与三个光电转换单元2、4和6相对应。三个滤色器CF2、CF4和CF6透过同一颜色(Gb)的光，以使得将同一颜色(Gb)的光引导至三个光电转换单元2、4和6。
第二像素单元PU41具有与第二像素单元PU21的结构相同的结构。更具体地，第二像素单元PU21和PU41均包括这些像素单元之间相同的颜色(Gb)的三个滤色器(参见图4A)。第二像素单元PU21和PU41的输出单元将信号输出至第二垂直输出线VL1-2。
像素单元阵列PUA中的滤色器的阵列形成拜尔阵列(参见图4A)。更具体地，在像素单元阵列PUA的滤色器的阵列中，同一颜色的滤色器间隔一个滤色器而排列在各列上。与此相对应地，在像素单元阵列PUA中的光电转换单元的阵列中，第一像素单元的光电转换单元和第二像素单元的光电转换单元在沿着列的方向上交替排列在各列上。
驱动单元130驱动像素单元阵列PUA，以对像素单元阵列PUA的各列并行进行第一操作和第二操作。在第一操作中，将噪声信号和光信号从第一像素单元经由第一垂直输出线传送至第一保持块。在第二操作中，将噪声信号和光信号从第二像素单元经由第二垂直输出线传送至第二保持块。更具体地，驱动单元130从像素单元阵列PUA中第一像素单元所排列的多个行中选择第一行。与此并行地，驱动单元130从像素单元阵列PUA中第二像素单元所排列的多个行中选择第二行。驱动单元130将信号从所选择的第一行的第一像素单元输出至第一垂直输出线VL1-1～VL4-1。此外，驱动单元130将像素从所选择的第二行的第二像素单元输出至第二垂直输出线VL1-2～VL4-2。
第一保持块240-1保持从像素单元阵列PUA经由第一垂直输出线VL1-1～VL4-1传送来的噪声信号和光信号。更具体地，第一保持块240-1接收从垂直扫描电路61所选择的第一行的第一像素单元输出至第一垂直输出线VL1-1～VL4-1的噪声信号和光信号，并且临时保持接收到的噪声信号和光信号。当水平扫描电路224-1水平扫描第一保持块240-1时，将第一保持块240-1中所保持的各个列的噪声信号和光信号顺次输出至水平输出线222-1和223-1。
第二保持块240-2保持从像素单元阵列PUA经由第二垂直输出线VL1-2～VL4-2传送来的噪声信号和光信号。更具体地，第二保持块240-2接收从垂直扫描电路61所选择的第二行的第二像素单元输出至第二垂直输出线VL1-2～VL4-2的噪声信号和光信号，并且临时保持接收到的噪声信号和光信号。当水平扫描电路224-2水平扫描第二保持块240-2时，将第二保持块240-2中所保持的各个列的噪声信号和光信号顺次输出至水平输出线222-2和223-2。
第一保持块240-1和第二保持块240-2具有与图11所示的保持块240的结构相同的结构。
第一输出放大器225-1输出从第一保持块240-1传送来的信号。更具体地，第一输出放大器225-1接收输出至水平输出线222-1和223-1的噪声信号和光信号。第一输出放大器225-1获得接收到的噪声信号和光信号之间的差，从而生成并输出图像信号。
第二输出放大器225-2输出从第二保持块240-2传送来的信号。第二输出放大器225-2接收输出至水平输出线222-2和223-2的噪声信号和光信号。第二输出放大器225-2获得接收到的噪声信号和光信号之间的差，从而生成并输出图像信号。
以这种方式，在像素单元阵列PUA和多个保持块之间配置垂直信号线的两个系统(针对两行的像素)。驱动单元并行执行将信号从像素单元阵列传送至第一保持块以及将信号从像素单元阵列传送至第二保持块。这使得可以同时开始后续的从第一保持块到第一输出放大器的水平传送操作以及后续的从第二保持块到第二输出放大器的水平传送操作。结果，图像传感器可以缩短从像素单元阵列到多个输出放大器的总读出时间段。
与顺次进行从像素单元阵列到第一保持块的信号传送和从像素单元阵列到第二保持块的信号传送相比较，可以使将信号从像素阵列传送至保持块的时间段的长度大致减少一半。
各个像素单元包括沿着列的方向配置的2N+1个光电转换单元、2N+1个传送单元和沿着列的方向配置的2N+1个滤色器。N是正整数，并且在第一实施例中N＝1。在这种情况下，可以将2M+1个(M是等于或小于N的正整数)光电转换单元的信号并行传送至电荷-电压转换器，对这些信号进行相加，并且读出这些信号。在第一实施例中信号从像素单元阵列传送至保持块的时间段比图11的图像传感器中信号从像素阵列传送至保持块的时间段短。此外，第一实施例可以抑制根据从像素单元阵列读出的信号所获得的图像质量的劣化。
更具体地，驱动单元130可以驱动像素单元阵列PUA，以并行进行第一相加操作和第二相加操作。在第一相加操作中，第一像素单元中的2M个传送单元将2M个光电转换单元的电荷传送至电荷-电压转换器，以对这些电荷进行相加。该电荷-电压转换器将相加后的电荷转换成电压。输出单元将与该电荷-电压转换器的电压相对应的信号输出至第一垂直输出线。在第二相加操作中，第二像素单元中的2M个传送单元将2M个光电转换单元的电荷传送至电荷-电压转换器，以对这些电荷进行相加。该电荷-电压转换器将相加后的电荷转换成电压。输出单元将与该电荷-电压转换器的电压相对应的信号输出至第二垂直输出线。
将参考图2和3来解释根据本发明第一实施例的图像传感器的操作。
图2示出在不对来自根据本发明第一实施例的图像传感器的各像素单元中的三个光电转换单元的信号进行相加的情况下读出这些信号时的驱动时序(全部像素读出模式)。将沿着各像素单元中的列的方向排列的三个光电转换单元从上开始顺次称为第一光电转换单元、第二光电转换单元和第三光电转换单元。将沿着各像素单元中的列的方向排列的三个传送单元从上开始顺次称为第一传送单元、第二传送单元和第三传送单元。
在时刻t1～t8的时间段中，水平扫描电路224-1将第一保持块240-1中所保持的第(n-2)行的像素单元中的第三光电转换单元的信号传送至第一输出放大器225-1。与此并行地，水平扫描电路224-2将第二保持块240-2中所保持的第(n-1)行的像素单元中的第三光电转换单元的信号传送至第二输出放大器225-2。在时刻t1～t8的时间段内连续进行针对第(n-2)行和第(n-1)行的第三光电转换单元的信号的水平传送操作。也就是说，时刻t1～t8的时间段用作针对第(n-2)行和第(n-1)行的第三光电转换单元的信号的水平传送时间段HT1(n-2_3，n-1_3)。
同样，在时刻t8～t15的时间段内进行针对第(n)行和第(n+1)行的第一光电转换单元的信号的水平传送操作。也就是说，时刻t8～t15的时间段用作针对第(n)行和第(n+1)行的第一光电转换单元的信号的水平传送时间段HT1(n_1，n+1_1)。
在时刻t15～t22的时间段内进行针对第(n)行和第(n+1)行的第二光电转换单元的信号的水平传送操作。也就是说，时刻t15～t55的时间段用作针对第(n)行和第(n+1)行的第二光电转换单元的信号的水平传送时间段HT1(n_2，n+1_2)。
在时刻t22～t29的时间段内进行针对第(n)行和第(n+1)行的第三光电转换单元的信号的水平传送操作。也就是说，时刻t22～t29的时间段用作针对第(n)行和第(n+1)行的第三光电转换单元的信号的水平传送时间段HT1(n_3，n+1_3)。
在水平传送时间段HT1(n-2_3，n-1_3)的时刻t2，垂直扫描电路61将激活水平的选择控制信号φSELk_o和φSELk_e提供至第(n)行和第(n+1)的像素单元，以选择这些像素单元。
垂直扫描电路61将激活水平的复位控制信号φRESk_o和φRESk_e提供至第(n)行和第(n+1)行的像素单元。在第(n)行的像素单元中，复位单元复位电荷-电压转换器，并且输出单元将与电荷-电压转换器的电压相对应的噪声信号输出至第一垂直输出线VL1-1～VL4-1。与此并行地，在第(n+1)行的像素单元中，复位单元复位电荷-电压转换器，并且输出单元将与电荷-电压转换器的电压相对应的噪声信号输出至第二垂直输出线VL1-2～VL4-2。
在水平传送时间段HT1(n-2_3，n-1_3)的时刻t3，φTN1变为激活水平，以接通第一保持块240-1和第二保持块240-2中的各个列的传输门211(参见图11)。因此，将已被输出至第一垂直输出线VL1-1～VL4-1的第(n)行的像素单元的噪声信号传送至第一保持块240-1中的各个列的保持电容215(参见图11)。与此并行地，将已被输出至第二垂直输出线VL1-2～VL4-2的第(n+1)行的像素单元的噪声信号传送至第二保持块240-2中的各个列的保持电容215。
在水平传送时间段HT1(n-2_3，n-1_3)的时刻t4，φTN1变为非激活水平，以断开第一保持块240-1和第二保持块240-2中的各个列的传输门211。响应于此，第一保持块240-1中的各个列的保持电容215保持传送来的第(n)行的像素单元的噪声信号。第二保持块240-2中的各个列的保持电容215保持传送来的第(n+1)行的像素单元的噪声信号。
在水平传送时间段HT1(n-2_3，n-1_3)的时刻t5，垂直扫描电路61将激活水平的传送控制信号φTXk_o1和φTXk_e1提供至第(n)行和第(n+1)行的像素单元的第一传送单元。在第(n)行的像素单元中，第一传送单元将第一光电转换单元的电荷传送至电荷-电压转换器。输出单元将与电荷-电压转换器的电压相对应的光信号输出至第一垂直输出线VL1-1～VL4-1。与此并行地，在第(n+1)行的像素单元中，第一传送单元将第一光电转换单元的电荷传送至电荷-电压转换器。输出单元将与电荷-电压转换器的电压相对应的光信号输出至第二垂直输出线VL1-2～VL4-2。
在水平传送时间段HT1(n-2_3，n-1_3)的时刻t6，垂直扫描电路61将传送控制信号φTXk_o1和φTXk_e1变为非激活水平。此外，φTS1变为激活水平，以接通第一保持块240-1和第二保持块240-2中的各个列的传输门210(参见图11)。然后，将已被输出至第一垂直输出线VL1-1～VL4-1的第(n)行的像素单元中的第一光电转换单元的光信号传送至第一保持块240-1中的各个列的保持电容214(参见图11)。与此并行地，将已被输出至第二垂直输出线VL1-2～VL4-2的第(n+1)行的像素单元中的第一光电转换单元的光信号传送至第二保持块240-2中的各个列的保持电容214。
在水平传送时间段HT1(n-2_3，n-1_3)的时刻t7，φTS1变为非激活水平，以断开第一保持块240-1和第二保持块240-2中的各个列的传输门210。第一保持块240-1中的各个列的保持电容214保持传送来的第(n)行的像素单元中的第一光电转换单元的光信号。第二保持块240-2中的各个列的保持电容214保持传送来的第(n+1)行的像素单元中的第一光电转换单元的光信号。
在水平传送时间段HT1(n_3，n+1_3)的时刻t22，垂直扫描电路61将非激活水平的选择控制信号φSELk_o和φSELk_e提供至第(n)行和第(n+1)行的像素单元，以取消选择这些像素单元。
在水平传送时间段HT1(n_3，n+1_3)的时刻t23，垂直扫描电路61将激活水平的选择控制信号φSELk+1_o和φSELk+1_e提供至第(n+2)行和第(n+3)行的像素单元，以选择这些像素单元。
可以顺次执行该操作，以分别读出所有的光电转换单元的信号，而不对这些信号进行相加。即使在这种情况下，两行的像素单元也将信号并行传送至两个保持块240-1和240-2。与图11所示的图像传感器相比较，第一实施例中的图像传感器可以使将信号从像素单元阵列传送至保持块的时间段的长度大致减少一半。
图3示出当相加并读出来自根据本发明第一实施例的图像传感器的各像素单元中的三个光电转换单元的其中两个光电转换单元的信号时的驱动时序(相加读出模式)。将沿着各像素单元中的列的方向排列的三个光电转换单元从上开始顺次称为第一光电转换单元、第二光电转换单元和第三光电转换单元。将沿着各像素单元中的列的方向排列的三个传送单元从上开始顺次称为第一传送单元、第二传送单元和第三传送单元。
在时刻t31～t38的时间段中，水平扫描电路224-1将第一保持块240-1中所保持的第(n-2)行的像素单元的信号传送至第一输出放大器225-1。该信号是第(n-2)行的各像素单元中的第一光电转换单元和第二光电转换单元的信号的总和。与此并行地，水平扫描电路224-2将第二保持块240-2中所保持的第(n-1)行的像素单元的信号传送至第二输出放大器225-2。该信号是第(n-1)行的各像素单元中的第一光电转换单元和第二光电转换单元的信号的总和。在时刻t31～t38的时间段内连续进行针对第(n-2)行和第(n-1)行的像素单元的信号的水平传送操作。也就是说，时刻t31～t38的时间段用作针对第(n-2)行和第(n-1)行的像素单元的信号的水平传送时间段HT2(n-2，n-1)。
同样，在时刻t38～t45的时间段内进行针对第(n)行和第(n+1)行的像素单元的信号的水平传送操作。也就是说，时刻t38～t45的时间段用作针对第(n)行和第(n+1)行的像素单元的信号的水平传送时间段HT2(n，n+1)。
在水平传送时间段HT2(n-2，n-1)的时刻t32，垂直扫描电路61将激活水平的选择控制信号φSELk_o和φSELk_e提供至第(n)行和第(n+1)行的像素单元，以选择这些像素单元。
垂直扫描电路61将激活水平的复位控制信号φRESk_o和φRESk_e提供至第(n)行和第(n+1)行的像素单元。在第(n)行的像素单元中，复位单元复位电荷-电压转换器，并且输出单元将与电荷-电压转换器的电压相对应的噪声信号输出至第一垂直输出线VL1-1～VL4-1。与此并行地，在第(n+1)行的像素单元中，复位单元复位电荷-电压转换器，并且输出单元将与电荷-电压转换器的电压相对应的噪声信号输出至第二垂直输出线VL1-2～VL4-2。
在水平传送时间段HT2(n-2，n-1)的时刻t33，φTN1变为激活水平，以接通第一保持块240-1和第二保持块240-2中的各个列的传输门211(参见图11)。因此，将已被输出至第一垂直输出线VL1-1～VL4-1的第(n)行的像素单元的噪声信号传送至第一保持块240-1中的各个列的保持电容215(参见图11)。与此并行地，将已被输出至第二垂直输出线VL1-2～VL4-2的第(n+1)行的像素单元的噪声信号传送至第二保持块240-2中的各个列的保持电容215。
在水平传送时间段HT2(n-2，n-1)的时刻t34，φTN1变为非激活水平，以断开第一保持块240-1和第二保持块240-2中的各个列的传输门211。响应于此，第一保持块240-1中的各个列的保持电容215保持传送来的第(n)行的像素单元的噪声信号。第二保持块240-2中的各个列的保持电容215保持传送来的第(n+1)行的像素单元的噪声信号。
在水平传送时间段HT2(n-2，n-1)的时刻t35，垂直扫描电路61将激活水平的传送控制信号φTXk_o1和φTXk_o2提供至第(n)行的像素单元的第一传送单元和第二传送单元。在第(n)行的像素单元中，第一传送单元和第二传送单元将第一光电转换单元和第二光电转换单元的电荷传送至电荷-电压转换器。在第(n)行的像素单元中，电荷-电压转换器将第一光电转换单元和第二光电转换单元的电荷相加，并将相加后的电荷转换成电压。输出单元将与电荷-电压转换器的电压相对应的光信号输出至第一垂直输出线VL1-1～VL4-1。也就是说，第(n)行的像素单元(第一像素单元)进行第一相加操作。
与此并行地，垂直扫描电路61将激活水平的传送控制信号φTXk_e1和φTXk_e2提供至第(n+1)行的像素单元的第一传送单元和第二传送单元。在第(n+1)行的像素单元中，第一传送单元和第二传送单元将第一光电转换单元和第二光电转换单元的电荷传送至电荷-电压转换器。在第(n+1)行的像素单元中，电荷-电压转换器将第一光电转换单元和第二光电转换单元的电荷相加，并将相加后的电荷转换成电压。在第(n+1)行的像素单元中，输出单元将与电荷-电压转换器的电压相对应的光信号输出至第二垂直输出线VL1-2～VL4-2。也就是说，第(n+1)行的像素单元(第二像素单元)执行第二相加操作。
在水平传送时间段HT2(n-2，n-1)的时刻t36，垂直扫描电路61将传送控制信号φTXk_o1、φTXk_o2、φTXk_e1和φTXk_e2变为非激活水平。此外，φTS1变为激活水平，以接通第一保持块240-1和第二保持块240-2中的各个列的传输门210(参见图11)。然后，将已被输出至第一垂直输出线VL1-1～VL4-1的第(n)行的像素单元的光信号传送至第一保持块240-1中的各个列的保持电容214(参见图11)。该光信号是第(n)行的各像素单元中的第一光电转换单元和第二光电转换单元的信号的总和。与此并行地，将已被输出至第二垂直输出线VL1-2～VL4-2的第(n+1)行的像素单元的光信号传送至第二保持块240-2中的各个列的保持电容214。该光信号是第(n+1)行的各像素单元中的第一光电转换单元和第二光电转换单元的信号的总和。
在水平传送时间段HT2(n-2，n-1)的时刻t37，φTS1变为非激活水平，以断开第一保持块240-1和第二保持块240-2中的各个列的传输门210。第一保持块240-1中的各个列的保持电容214保持传送来的第(n)行的像素单元的光信号。第二保持块240-2中的各个列的保持电容214保持传送来的第(n+1)行的像素单元的光信号。
在水平传送时间段HT2(n-2，n-1)的时刻t38，垂直扫描电路61将非激活水平的选择控制信号φSELk_o和φSELk_e提供至第(n)行和第(n+1)行的像素单元，以取消选择这些像素单元。
在水平传送时间段HT2(n，n+1)的时刻t39，垂直扫描电路61将激活水平的选择控制信号φSELk+1_o和φSELk+1_e提供至第(n+2)行和第(n+3)行的像素单元，以选择这些像素单元。
可以顺次执行该操作，以在垂直方向(沿着列的方向)上对两个光电转换单元的电荷进行相加，并读出相加后的电荷。与图2所示的操作相比较，图3所示的操作可以使信号从像素单元阵列传送至保持块的时间段的长度减少至1/3。
将参考图4A和4B来说明根据本发明第一实施例的图像传感器100的布局。图4A和4B是各自示出根据本发明第一实施例的图像传感器100的布局的图。图4A和4B均没有示出各像素单元中除光电转换单元、电荷-电压转换器和滤色器以外的组件。在图4A和4B中，光电转换单元和滤色器彼此重叠。
图4A中的箭头表示参考图2所述的用以在不对各像素单元中的三个光电转换单元的信号进行相加的情况下读出这些信号的操作。图4B所示的箭头表示参考图3所述的用以相加并读出各像素单元中的三个光电转换单元的其中两个光电转换单元的信号的操作。
如图4A所示，像素单元阵列PUA中的滤色器的阵列形成拜尔阵列。在像素单元阵列PUA的各列上，同一颜色的滤色器配置为间隔一个滤色器。与此相对应地，各像素单元被配置为将间隔一个光电转换单元所配置的三个光电转换单元的信号经由电荷-电压转换器输出至垂直输出线。像素单元阵列PUA的各列的右侧和左侧上配置的两个垂直输出线均从像素信号接收同一颜色的信号，并将这些信号传送至保持块。
如图4B所示，在第一像素单元PU11中，在电荷-电压转换器15中对与R滤色器CF1相对应的光电转换单元1的电荷(信号)和与R滤色器CF3相对应的光电转换单元3的电荷(信号)进行相加。此时，相加后的信号的重心与以阴影线表示的光电转换单元2的位置一致。在图4B中，相加之后的光电转换单元2的位置处的信号的颜色不同于如括号中的颜色所示的相加之前的光电转换单元2的位置处的信号的颜色。
在第二像素单元PU21中，在电荷-电压转换器16中对与Gb滤色器CF4相对应的光电转换单元4的电荷(信号)和与Gb滤色器CF6相对应的光电转换单元6的电荷(信号)相加。此时，相加后的信号的重心与以阴影线表示的光电转换单元5的位置一致。在图4B中，相加之后的光电转换单元5的位置处的信号的颜色不同于如由括号中的颜色所示的相加之前的光电转换单元5的位置处的信号的颜色。
如图4B所示，在像素单元阵列PUA中，第二像素单元中要经过相加的两个光电转换单元均未被置于第一像素单元中要经过相加的两个光电转换单元之间。在像素单元阵列PUA的各列上，第一像素单元中要经过相加的两个光电转换单元和第二像素单元中要经过相加的两个光电转换单元沿着列的方向交替排列。如由阴影线所示，相加后的信号形成拜尔阵列，并且这些相加后的信号的重心按等间隔呈现。该布局可以抑制生成诸如波纹等的伪信号。
注意，各像素单元可以包括一个以上的光电转换单元、一个以上的传送单元和一个以上的滤色器。换言之，在各像素单元中，与图11中的像素相同，可以不共用电荷-电压转换器、复位单元、输出单元和选择单元。即使在这种情况下，两行的像素单元也将信号并行传送至两个保持块240-1和240-2。因此，与图11所示的图像传感器相比较，第一实施例中的图像传感器可以使信号从像素单元阵列传送至保持块的时间段的长度大致减少一半。
将参考图5来说明根据本发明第二实施例的图像传感器100i。图5是示出根据本发明第二实施例的图像传感器100i的结构的电路图。将主要解释与第一实施例的不同之处。
图像传感器100i包括像素单元阵列PUAi。在像素单元阵列PUAi的各列上，第一像素单元PU11和第二像素单元PU21i的相对位置与第一实施例中的相对位置不同。
在第一实施例中，第二像素单元的光电转换单元2被置于第一像素单元的光电转换单元1和光电转换单元3之间。第二像素单元的光电转换单元4被置于第一像素单元的光电转换单元3和光电转换单元5之间。第一像素单元的光电转换单元5被置于第二像素单元的光电转换单元4和光电转换单元6之间。
在第二实施例中，第二像素单元的光电转换单元2被置于第一像素单元的光电转换单元3和光电转换单元5之间。第一像素单元的光电转换单元5被置于第二像素单元的光电转换单元2和光电转换单元4之间。
如图6和7所示，图像传感器的操作与第一实施例在以下几点不同。
图6示出在不对来自根据本发明第二实施例的图像传感器的各像素单元中的三个光电转换单元的信号进行相加的情况下读出这些信号时的驱动时序(全部像素读出模式)。将沿着各像素单元中的列的方向排列的三个光电转换单元从上开始顺次称为第一光电转换单元、第二光电转换单元和第三光电转换单元。将沿着各像素单元中的列的方向排列的三个传送单元从上开始顺次称为第一传送单元、第二传送单元和第三传送单元。
在不对来自各像素单元中的三个光电转换单元的信号进行相加的情况下读出这些信号的操作中，如图6所示，第二像素单元的操作相对于第一像素单元的操作偏移了一个水平扫描时间段(参见图2)。
更具体地，在水平传送时间段HT1i(n-2_3，n-1_2)中，水平传送第(n-2)行上的第三光电转换单元的信号和第(n-1)行上的第二光电转换单元的信号。
在水平传送时间段HT1i(n_1，n-1_3)中，水平传送第(n)行上的第一光电转换单元的信号和第(n-1)行上的第三光电转换单元的信号。
在水平传送时间段HT1i(n_2，n+1_1)中，水平传送第(n)行上的第二光电转换单元的信号和第(n+1)行上的第一光电转换单元的信号。
在水平传送时间段HT1i(n_3，n+1_2)中，水平传送第(n)行上的第三光电转换单元的信号和第(n+1)行上的第二光电转换单元的信号。
φSELk-1_e、φRESk-1_e、φTXk-1_e3、φRESk_e、φSELk+1_e和φRESk+1_e的信号波形相对于图2中的信号波形延迟了一个水平扫描时间段。
也就是说，从第二像素单元的第一光电转换单元到第二保持块的信号传送操作相对于从第一像素单元的第一光电转换单元到第一保持块的信号传送操作偏移了一个水平扫描时间段。
从第二像素单元的第二光电转换单元到第二保持块的信号传送操作相对于从第一像素单元的第二光电转换单元到第一保持块的信号传送操作偏移了一个水平扫描时间段。
从第二像素单元的第三光电转换单元到第二保持块的信号传送操作相对于从第一像素单元的第三光电转换单元到第一保持块的信号传送操作偏移了一个水平扫描时间段。
即使在这种情况下，两行的像素单元也将信号并行传送至两个保持块240-1和240-2。与图11所示的图像传感器相比较，第二实施例中的图像传感器可以使信号从像素单元阵列传送至保持块的时间段的长度大致减少一半。
图7示出当相加并读出来自根据本发明第二实施例的图像传感器的各像素单元中的所有三个光电转换单元的信号时的驱动时序(相加读出模式)。将沿着各像素单元中的列的方向排列的三个光电转换单元从上开始依次称为第一光电转换单元、第二光电转换单元和第三光电转换单元。将沿着各像素单元中的列的方向排列的三个传送单元从上开始依次称为第一传送单元、第二传送单元和第三传送单元。
在水平传送时间段HT2i(n-2，n-1)的时刻t35i，垂直扫描电路61将激活水平的传送控制信号φTXk_o1～φTXk_o3提供至第(n)行的像素单元的第一传送单元～第三传送单元。在第(n)行的像素单元中，第一传送单元～第三传送单元将第一光电转换单元～第三光电转换单元的电荷传送至电荷-电压转换器。在第(n)行的像素单元中，在电荷-电压转换器中对第一光电转换单元～第三光电转换单元的电荷进行相加，并且电荷-电压转换器将相加后的电荷转换成电压。输出单元将与电荷-电压转换器的电压相对应的光信号输出至第一垂直输出线VL1-1～VL4-1。也就是说，第(n)行的像素单元(第一像素单元)进行(后面要说明的)第三相加操作。
与此并行地，垂直扫描电路61将激活水平的传送控制信号φTXk_e1～φTXk_e3提供至第(n+1)行的像素单元的第一传送单元～第三传送单元。在第(n+1)行的像素单元中，第一传送单元～第三传送单元将第一光电转换单元～第三光电转换单元的电荷传送至电荷-电压转换器。在第(n+1)行的像素单元中，在电荷-电压转换器中对第一光电转换单元～第三光电转换单元的电荷进行相加，并且电荷-电压转换器将相加后的电荷转换成电压。在第(n+1)行的像素单元中，输出单元将与电荷-电压转换器的电压相对应的光信号输出至第二垂直输出线VL1-2～VL4-2。也就是说，第(n+1)行的像素单元(第二像素单元)执行(后面要说明的)第四相加操作。
在水平传送时间段HT2i(n-2，n-1)的时刻t36i，垂直扫描电路61将传送控制信号φTXk_o1～φTXk_o3和φTXk_e1～φTXk_e3变为非激活水平。
当各像素单元包括沿着列的方向排列的2N+1个光电转换单元、2N+1个传送单元和沿着列的方向排列的2N+1个滤色器时，驱动单元130执行以下操作。驱动单元130驱动像素单元阵列PUA，以并行执行第三相加操作和第四相加操作。在第三相加操作中，第一像素单元中的2M+1个传送单元将2M+1个光电转换单元的电荷传送至电荷-电压转换器，以对这些电荷进行相加。电荷-电压转换器将相加后的电荷转换成电压。输出单元将与电荷-电压转换器的电压相对应的信号输出至第一垂直输出线。M是等于或小于N的正整数。在第四相加操作中，第二像素单元中的2M+1个传送单元将2M+1个光电转换单元的电荷传送至电荷-电压转换器，以对这些电荷进行相加。电荷-电压转换器将相加后的电荷转换成电压。输出单元将与电荷-电压转换器的电压相对应的信号输出至第二垂直输出线。
如图8所示，图像传感器的布局与第一实施例中图像传感器的布局在以下几点不同。图8是示出根据本发明第二实施例的图像传感器100i的布局的图。
如图8所示，第一像素单元PU11和第二像素单元PU21i的相对位置不同于图4所示的布局中的相对位置。
如图8所示，在第一像素单元PU11中，在电荷-电压转换器15中对与R滤色器CF1、CF3和CF5相对应的光电转换单元1、3和5的电荷(信号)进行相加。此时，相加后的信号的重心与以阴影线表示的光电转换单元3的位置一致。在图8中，相加之后的光电转换单元3的位置处的信号的颜色与相加之前的光电转换单元3的位置处的信号的颜色相同。
在第二像素单元PU21i中，在电荷-电压转换器16中对与Gb滤色器CF2、CF4和CF6相对应的光电转换单元2、4和6的电荷(信号)进行相加。此时，相加后的信号的重心与以阴影线表示的光电转换单元4的位置一致。在图8中，相加之后的光电转换单元4的位置处的信号的颜色与相加之前的光电转换单元4的位置处的信号的颜色相同。
如图8所示，在像素单元阵列PUAi的各列上，第一像素单元中要经过相加的三个光电转换单元和第二像素单元中要经过相加的三个光电转换单元中位于中央的光电转换单元沿着列的方向交替排列。如由阴影线所示，相加后的信号形成拜尔阵列，并且相加后的信号的重心按等间隔呈现。该布局可以抑制生成诸如波纹等的伪信号。
将参考图9A和9B来说明根据本发明第三实施例的图像传感器100j。图9A和9B是各自示出根据本发明第三实施例的图像传感器100j的布局的图。图9A和9B均未示出各像素单元中除光电转换单元、电荷-电压转换器和滤色器以外的组件。在图9A和9B中，光电转换单元和滤色器彼此重叠。将主要说明与第一实施例的不同之处。
图像传感器100j包括像素单元阵列PUAj。在像素单元阵列PUAj的各像素单元中，沿着图9A和9B中的列的方向间隔一个像素所配置的五个像素共用电荷-电压转换器、复位单元、输出单元和选择单元。
图9A所示的箭头表示在不对各像素单元中的五个光电转换单元的信号进行相加的情况下读出这些信号的操作。图9B所示的箭头表示相加并读出各像素单元中的五个光电转换单元的其中三个光电转换单元的信号的操作。
如图9A所示，像素单元阵列PUAj中的滤色器的阵列形成拜尔阵列。在像素单元阵列PUAj的各列上，同一颜色的滤色器配置为间隔一个滤色器。与此相对应地，各像素单元被配置为将间隔一个光电转换单元所配置的五个光电转换单元的信号经由电荷-电压转换器输出至垂直输出线。像素单元阵列PUAj的各列的右侧和左侧上配置的两个垂直输出线各自从像素单元接收同一颜色的信号，并将这些信号传送至保持块。
如图9B所示，在第一像素单元PU11j中，在电荷-电压转换器15中对与R滤色器相对应的三个光电转换单元的电荷(信号)进行相加。此时，相加后的信号的重心与以阴影线表示的光电转换单元的位置一致。在图9B中，相加之后的光电转换单元的位置处的信号的颜色与相加之前的光电转换单元的位置处的信号的颜色相同。
在第二像素单元PU21j中，在电荷-电压转换器16中对与Gb滤色器相对应的三个光电转换单元4的电荷(信号)进行相加。此时，相加后的信号的重心与以阴影线表示的光电转换单元的位置一致。在图9B中，相加之后的光电转换单元的位置处的信号的颜色与相加之前的光电转换单元的位置处的信号的颜色相同。
在像素单元阵列PUAj中，如图9B所示，第二像素单元中要经过相加的三个光电转换单元均未被置于第一像素单元中要经过相加的三个光电转换单元之间。在像素单元阵列PUAj的各列上，第一像素单元中要经过相加的三个光电转换单元和第二像素单元中要经过相加的三个光电转换单元沿着列的方向交替排列。如由阴影线所示，相加后的信号形成拜尔阵列，并且相加后的信号的重心按等间隔呈现。该布局可以抑制生成诸如波纹等的伪信号。
将参考图10来说明使用根据本发明第一实施例的图像传感器的摄像设备。图10是示出使用根据本发明第一实施例的图像传感器的摄像设备的结构的框图。
摄像设备90是例如数字静态照相机。摄像设备90包括以下构成组件。
镜头(光学系统)101使入射光折射，以在图像传感器100的像素阵列(摄像面)上形成被摄体的图像。
将光圈102在光路上置于镜头101和图像传感器100之间。光圈102调节在穿过镜头101之后被引导至图像传感器100的光量。
光圈控制器113根据来自系统控制CPU 111的指示，控制光圈102的开度。
机械快门103控制在穿过镜头101之后要入射至图像传感器100上的光。换言之，机械快门103控制图像传感器100的曝光。
光学滤波器104限制要入射到图像传感器100上的光的波长或空间频率。
图像传感器100将像素阵列上形成的被摄体的图像转换成图像信号。图像传感器100从像素阵列读出图像信号并输出该图像信号。
模拟前端106对从图像传感器100输出的图像信号进行预定模拟处理。更具体地，模拟前端106包括CDS(相关双采样)电路107、放大器(Amp)108和A/D转换器109。CDS电路107接收从图像传感器100输出的图像信号，并对接收到的图像信号进行CDS处理以去除噪声。CDS电路107将无噪声的图像信号提供至放大器108。放大器108利用系统控制CPU111预先调整的增益来放大所提供的图像信号。放大器108将放大后的图像信号提供至A/D转换器109。A/D转换器109对所提供的图像信号(模拟信号)进行A/D转换，以生成并输出图像信号(数字信号)。
数字信号处理单元110通过对从模拟前端106输出的图像信号(数字信号)执行诸如校正处理和压缩处理等的各种处理，生成图像数据。数字信号处理单元110将所生成的图像数据经由系统控制CPU111提供至图像存储器112、外部接口(外部I/F)120、显示接口(I/F)116和记录接口(I/F)118等。
时序发生器115基于来自系统控制CPU111的指示生成各种时序信号。时序发生器115将所生成的时序信号提供至图像传感器100、模拟前端106和数字信号处理单元110。
系统控制CPU111整体控制摄像设备90的各单元。
图像存储器112经由系统控制CPU111从数字信号处理单元110接收图像数据，并且临时存储接收到的图像数据。
显示接口116经由系统控制CPU111从数字信号处理单元110接收图像数据，并将接收到的图像数据转换成显示图像信号。显示接口116将与该显示图像信号相对应的图像显示在显示单元117上。显示单元117例如是液晶显示器。
记录接口118经由系统控制CPU111从数字信号处理单元110接收图像数据，并将接收到的图像数据转换成记录用的压缩图像数据。记录接口118将该压缩图像数据记录至记录介质119上。记录接口118从记录介质119读出压缩图像数据，并对所读出的压缩图像数据进行解压缩以将其转换成图像数据。记录接口118将转换后的图像数据提供至系统控制CPU111。记录介质119例如是半导体存储器等的可拆卸记录介质。
外部接口120用于与外部计算机121等进行通信。
将解释摄像设备90的操作。
在接通电源开关(未示出)时，主电源开关接通，控制系统的电源接通，于是包括模拟前端106的摄像电路的电源接通。
为了控制曝光，系统控制CPU111经由光圈控制器113使光圈102打开至全光圈值，并且经由快门控制器114打开机械快门103。模拟前端106对从图像传感器103输出的信号进行转换，并将转换后的信号输入至数字信号处理单元110。系统控制CPU111基于该数据计算曝光。
系统控制CPU111判断作为测光的结果的亮度，并且根据该判断结果控制光圈。
系统控制CPU111在从图像传感器100输出的信号中提取高频成分，并且计算(测量)到被摄体的距离。然后，系统控制CPU111驱动镜头以判断被摄体是否对焦。如果系统控制CPU111判断为被摄体失焦，则系统控制CPU111再次驱动镜头以测量该距离。
在确认出被摄体对焦之后，系统控制CPU111使用图像传感器100的电子快门功能来开始/结束图像传感器100的实际曝光。
系统控制CPU111可以通过打开/关闭机械快门103来开始/结束图像传感器100的实际曝光。
之后，系统控制CPU111进行控制，以顺次输出图像传感器100的像素单元阵列中的各个列上的像素单元的图像信号。当从图像传感器100输出图像信号时，系统控制CPU111可以控制模式选择单元(未示出)，以选择全部像素读出模式或相加读出模式作为图像传感器100的驱动模式。模拟前端106对从图像传感器100输出的图像信号进行预定模拟处理(诸如相关双采样等的噪声去除、放大处理和A/D转换处理)，并对该图像信号进行数字化。数字信号处理单元110将该数字图像信号转换成图像数据。在系统控制CPU的控制下，将图像数据写入图像存储器112中。在系统控制CPU111的控制下，将图像存储器112中存储的图像数据经由记录接口118记录在诸如半导体存储器等的可拆卸记录介质119上。将所拍摄图像数据经由显示接口116显示在诸如液晶显示器等的显示单元117上作为图像。可选地，将所拍摄图像数据经由外部接口120直接输入至计算机121等。用户可以经由计算机121处理与该图像数据相对应的图像。
尽管已经参考典型实施例说明了本发明，但是应该理解，本发明不局限于所公开的典型实施例。所附权利要求书的范围符合最宽的解释，以包含所有这类修改、等同结构和功能。
本申请要求2008年10月22日提交的日本专利申请2008-272353的优先权，在此通过引用包含其全部内容。

Claims (6)

1.一种图像传感器，包括：
像素阵列，其包括多个第一像素单元和多个第二像素单元，其中多个所述第一像素单元各自包括2N+1个第一光电转换单元以及用于将2N+1个所述第一光电转换单元所生成的电荷转换成第一颜色的电压信号的第一电荷-电压转换器，多个所述第二像素单元各自包括2N+1个第二光电转换单元以及用于将2N+1个所述第二光电转换单元所生成的电荷转换成第二颜色的电压信号的第二电荷-电压转换器，以及在各列中，在沿着列的方向上交替配置有所述第一像素单元的所述第一光电转换单元和所述第二像素单元的所述第二光电转换单元，其中N是正整数；
第一垂直输出线，用于在所述沿着列的方向上传送所述第一颜色的电压信号；以及
第二垂直输出线，用于在所述沿着列的方向上传送所述第二颜色的电压信号，
其中，对所述像素阵列进行驱动，以并行地进行第一操作和第二操作，其中所述第一操作用以将2M或2M+1个所述第一光电转换单元的电荷传送至所述第一电荷-电压转换器以对传送来的电荷进行相加，利用所述第一电荷-电压转换器将相加后的电荷转换成电压，并且将与所述第一电荷-电压转换器得到的电压相对应的所述第一颜色的电压信号输出至所述第一垂直输出线，以及所述第二操作用以将2M+1个所述第二光电转换单元的电荷传送至所述第二电荷-电压转换器以对传送来的电荷进行相加，利用所述第二电荷-电压转换器将相加后的电荷转换成电压，并且将与所述第二电荷-电压转换器得到的电压相对应的所述第二颜色的电压信号输出至所述第二垂直输出线，其中M是不大于N的正整数。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，还包括驱动单元，所述驱动单元驱动所述像素阵列，以并行地进行以下操作：用以经由所述第一垂直输出线在所述沿着列的方向上传送所述第一颜色的电压信号的操作；以及用以经由所述第二垂直输出线在所述沿着列的方向上传送所述第二颜色的电压信号的操作。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，
所述像素阵列被配置成在第一侧上邻接所述第一垂直输出线，并且被配置成在与所述第一侧相对的第二侧上邻接所述第二垂直输出线。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，多个所述第一像素单元包括用于将所述第一颜色的光引导至所述第一光电转换单元的多个第一滤色器，以及多个所述第二像素单元包括用于将所述第二颜色的光引导至所述第二光电转换单元的多个第二滤色器。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，
所述像素阵列包括多个列，以及
多个所述第一滤色器和多个所述第二滤色器被配置成形成拜尔阵列。
6.一种摄像设备，包括：
根据权利要求1所述的图像传感器；
光学系统，用于在所述图像传感器的摄像面上形成图像；以及
信号处理单元，用于处理从所述图像传感器输出的信号以生成图像数据。
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