CN102572311A - 固体摄像器件、用于固体摄像器件的驱动方法和电子装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了固体摄像器件、用于固体摄像器件的驱动方法以及电子装置。所述固体摄像器件包括：像素阵列部，所述像素阵列部被配置成具有呈二维布置的多个单位像素，各所述单位像素至少设有光电转换部、传输部和复位部，所述传输部被配置用来将所述光电转换部中所累积的电荷传输至电荷保持部，所述复位部被配置用来将所述电荷保持部的电荷复位；以及驱动控制部，所述驱动控制部被配置用来控制所述单位像素的驱动。所述驱动控制部以如下方式来控制所述单位像素的驱动：在所述传输部进行电荷传输之前，所述复位部以所述像素阵列部中的互不相邻的多行所述单位像素为单位将所述电荷保持部的电荷复位。根据本发明，能够提高所拍摄图像的质量。

Description

固体摄像器件、用于固体摄像器件的驱动方法和电子装置
相关申请的交叉参考
本申请包含与2010年12月15日向日本专利局提交的日本优先权专利申请JP 2010-279509所公开的内容相关的主题，因此将该日本优先权申请的全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及固体摄像器件、用于固体摄像器件的驱动方法、以及电子装置。更加具体地，本发明涉及能够提高所拍摄图像的质量的固体摄像器件、驱动方法和电子装置。
背景技术
一般地，普通图像传感器(固体摄像器件)是这样布置的：将该图像传感器的受光部中所累积的电荷存放到电荷电压转换部(所谓的浮动扩散区域；下文中在适当的时候被称为FD区域)中，或者出于暂时保持电荷的目的而将上述电荷存放到为各像素设置的除了上述FD区域之外的诸如电容元件等电荷保持部中。这样布置的主要目的是使得在顺次进行信号读取操作时各像素之间在曝光及电荷累积期间方面的差别最小化(例如，参见日本专利特许公报第2009-268083号和第2005-328493号)。
此外，当读取信号时，上述普通图像传感器首先读取与电荷保持部中所累积的电荷对应的电压(被称为信号电平)，然后读取当电荷保持部中所累积的电荷被复位后的实际电压(被称为复位电平)。该图像传感器基于上述两种电平之间的差分来消除噪声。
在上述情况下，较佳的是，在受光部中所累积的电荷被传输至电荷保持部之前当电荷保持部中的电荷被复位(初始化)后的实际电压(下文中将该电压称为传输之前的复位电压)应当与上述信号被读出时的实际复位电平(下文中被称为读取之后的复位电压)相一致。
此外，当图像传感器为了维持信号电荷累积期间的同步性而在其内部进行全局式快门操作时(参见图1)，曝光开始之前的电荷排出(如图1中的三角形所示)和曝光完成时的电荷传输(如图1中的矩形所示)都是对全部像素同时进行的。另一方面，信号电平的读取以及复位电平的读取是以像素行为单位来进行的。
在电荷传输之前对全部像素的电荷保持部同时进行初始化(如图1中的圆圈所示)的情况下，由于被设计用来使电荷保持部初始化(即，复位)的复位晶体管的电源中的电压降，以及由于电荷保持部与向相互邻接的各行像素供给复位电压的复位信号线之间的串扰(cross talk)，就可能使得传输之前的复位电压与读取之后的复位电压之间存在明显差异。此外，当同时驱动全部像素时所带来的负荷可能会使这种情况下的复位操作的过渡时间(transition timing)不同于信号读取时的复位操作的过渡时间。这就可能导致传输之前的复位电压与读取之后的复位电压之间的显著差别。传输之前的复位电压与读取之后的复位电压之间的显著差异会产生噪声，该噪声是因为在输出过程发生的偏移而引起的(下文中该噪声被称为偏移噪声(offset noise))，因此损害了所拍摄图像的质量。
如图2中(圆圈)所示，如果在电荷传输之前以像素行为单位顺次对电荷保持部执行初始化，那么虽然可以减少偏移噪声，但是将花费较长时间来使全部像素行的电荷保持部初始化。这可能会使帧频(frame rate)下降，从而损害所拍摄图像的质量(尤其是移动图像的质量)。
发明内容
鉴于上述情况而提出了本发明，且本发明的目的是提供能够提高所拍摄图像的质量的固体摄像器件、驱动方法和电子装置。
本发明的一个实施方案提供了一种固体摄像器件，所述固体摄像器件包括：像素阵列部，所述像素阵列部被配置成具有呈二维布置的多个单位像素，各所述单位像素至少设有光电转换部、传输部和复位部，所述传输部被配置用来将所述光电转换部中所累积的电荷传输至电荷保持部，所述复位部被配置用来将所述电荷保持部的电荷复位；以及驱动控制部，所述驱动控制部被配置用来控制所述单位像素的驱动。在所述固体摄像器件中，所述驱动控制部以如下方式来控制所述单位像素的驱动：在所述传输部进行电荷传输之前，所述复位部以所述像素阵列部中的互不相邻的多行所述单位像素为单位将所述电荷保持部的电荷复位。
优选地，所述驱动控制部能够以如下方式来控制所述单位像素的驱动：所述传输部对所述像素阵列部中的全部所述单位像素同时进行电荷传输。
优选地，所述驱动控制部能够以如下方式来控制所述单位像素的驱动：对所述像素阵列部中的全部所述单位像素同时进行所述光电转换部的电荷排出。
优选地，所述驱动控制部能够以如下方式来控制所述单位像素的驱动：以所述像素阵列部中的彼此相邻的多行所述单位像素为单位进行所述光电转换部的电荷排出，并且所述传输部以所述像素阵列部中的彼此相邻的多行所述单位像素为单位进行电荷传输。
优选地，所述复位部能够排出所述光电转换部中所累积的电荷；并且所述驱动控制部能够以如下方式来控制所述单位像素的驱动：在所述复位部进行所述光电转换部的电荷排出之后且在所述传输部进行电荷传输之前，所述复位部以所述像素阵列部中的互不相邻的多行所述单位像素为单位将所述电荷保持部的电荷复位。
优选地，本发明的固体摄像器件还可以包括排出部，所述排出部被配置用来排出所述光电转换部中所累积的电荷。
优选地，所述驱动控制部能够以如下方式来控制所述单位像素的驱动：在所述排出部进行所述光电转换部的电荷排出之前，所述复位部以所述像素阵列部中的互不相邻的多行所述单位像素为单位将所述电荷保持部的电荷复位。
优选地，所述驱动控制部能够以如下方式来控制所述单位像素的驱动：所述复位部以所述像素阵列部中的间隔m行所述单位像素的n行所述单位像素为单位将所述电荷保持部的电荷复位。
优选地，上述数字m可以为1或2。
优选地，所述电荷保持部可以是浮动扩散区域。
优选地，所述电荷保持部除了含有所述浮动扩散区域之外还可以含有电容元件。
优选地，本发明的固体摄像器件还可以包括读取部，所述读取部被配置用来读取与所述电荷保持部的电荷对应的电压。在所述固体摄像器件中，所述驱动控制部能够控制所述单位像素的驱动，使得以每一行所述单位像素为单位顺次进行如下操作：利用所述读取部，读取与在所述电荷传输之后累积于所述电荷保持部中的电荷对应的电压以作为信号电平；利用所述复位部，把在所述电荷传输之后累积于所述电荷保持部中的电荷复位；以及利用所述读取部，读取与经过所述电荷复位之后的所述电荷保持部的电荷对应的电压以作为复位电平。
优选地，本发明的固体摄像器件还可以包括计算部，所述计算部被配置用来计算由所述读取部读出的所述信号电平与所述复位电平之间的差分。
本发明的另一实施方案提供了一种用于固体摄像器件的驱动方法，所述固体摄像器件包括：像素阵列部，所述像素阵列部具有呈二维布置的多个单位像素，各所述单位像素至少设有光电转换部、传输部和复位部，所述传输部被配置用来将所述光电转换部中所累积的电荷传输至电荷保持部，所述复位部被配置用来将所述电荷保持部的电荷复位；以及驱动控制部，所述驱动控制部被配置用来控制所述单位像素的驱动。所述驱动方法包括如下步骤：使所述驱动控制部以如下方式来控制所述单位像素的驱动：在所述传输部进行电荷传输之前，所述复位部以所述像素阵列部中的互不相邻的多行所述单位像素为单位将所述电荷保持部的电荷复位。
本发明的又一实施方案提供了一种电子装置，所述电子装置包括固体摄像器件，所述固体摄像器件包括：像素阵列部，所述像素阵列部被配置成具有呈二维布置的多个单位像素，各所述单位像素至少设有光电转换部、传输部和复位部，所述传输部被配置用来将所述光电转换部中所累积的电荷传输至电荷保持部，所述复位部被配置用来将所述电荷保持部的电荷复位；以及驱动控制部，所述驱动控制部被配置用来控制所述单位像素的驱动。在所述固体摄像器件中，所述驱动控制部以如下方式来控制所述单位像素的驱动：在所述传输部进行电荷传输之前，所述复位部以所述像素阵列部中的互不相邻的多行所述单位像素为单位将所述电荷保持部的电荷复位。
在本发明的各实施方案中，是以如下方式来控制所述单位像素的驱动的：在所述传输部进行电荷传输之前，所述复位部以多行所述单位像素为单位将所述电荷保持部的电荷复位，所述多行互不相邻。
因此，根据本发明的各实施方案，能够提高所拍摄图像的质量。
附图说明
图1是示出了普通固体摄像器件如何操作的说明图。
图2是示出了普通固体摄像器件如何操作的另一说明图。
图3是示出了适用于本发明的固体摄像器件的典型结构的框图。
图4是示出了单位像素的第一典型结构的示意图。
图5是示出了如何典型地驱动上述单位像素的时序图。
图6是示出了如何典型地驱动该固体摄像器件的说明图。
图7是示出了如何典型地驱动该固体摄像器件的另一说明图。
图8是示出了单位像素的第二典型结构的示意图。
图9是示出了单位像素的第三典型结构的示意图。
图10是示出了单位像素的第四典型结构的示意图。
图11是示出了单位像素的第五典型结构的示意图。
图12是示出了如何典型地驱动上述单位像素的时序图。
图13是示出了如何典型地驱动该固体摄像器件的说明图。
图14是示出了如何典型地驱动该固体摄像器件的另一说明图。
图15是示出了如何典型地驱动该固体摄像器件的又一说明图。
图16是示出了单位像素的第六典型结构的示意图。
图17是示出了单位像素的第七典型结构的示意图。
图18是示出了单位像素的第八典型结构的示意图。
图19是示出了适用于本发明的电子装置的典型结构的框图。
具体实施方式
下面将参照附图来说明本发明的一些优选实施方案。
固体摄像器件的结构
图3是示出了作为适用于本发明的固体摄像器件的互补型金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor；CMOS)图像传感器30的典型结构的框图。
CMOS图像传感器30被构造成包括像素阵列部41、垂直驱动部42、列处理部43、水平驱动部44和系统控制部45。像素阵列部41、垂直驱动部42、列处理部43、水平驱动部44和系统控制部45都被形成在未图示的半导体基板(芯片)上。
像素阵列部41具有以矩阵形式呈二维布置的单位像素(图4中的附图标记50示出了其中一个单位像素)，各单位像素设置有光电转换元件，该光电转换元件生成具有与入射光量对应的电荷量的光电荷并且将所生成的光电荷存储在内部。在后续说明中，在下文中的适当情况下，可将具有与入射光量对应的电荷量的光电荷简称为电荷，且将单位像素简称为像素。
此外，像素阵列部41具有与各像素行对应的在水平方向上(在像素行中的像素布置方向上)形成的像素驱动线46，并且具有与各像素列对应的在垂直方向上(在像素列中的像素布置方向上)形成的垂直信号线47。各像素驱动线46的一端与垂直驱动部42中各行的输出端相连接。
CMOS图像传感器30还包括信号处理部48和数据存储部49。信号处理部48和数据存储部49可以设置成以例如数字信号处理器(digitalsignal processor；DSP)等外部信号处理部的形式或以软件的形式而被安装在与CMOS图像传感器30的基板不同的基板上，或者被安装在与CMOS图像传感器30的基板为同一基板的基板上。
垂直驱动部42可以由移位寄存器和地址解码器构成。这样，垂直驱动部42就作为对像素阵列部41中的全部像素同时进行驱动或者对像素阵列部41中的像素以行为单位进行驱动的像素驱动部。垂直驱动部42(具体结构未图示)包括读取扫描系统、清除扫描系统(或同时清除系统)和同时传输系统。
读取扫描系统以行为单位顺次且选择性地扫描像素阵列部41中的单位像素，由此从单位像素中读取信号。在行驱动(卷帘式快门操作；rolling shutter operation)的情况下，对每行进行的清除扫描比上述读取扫描系统将要对该行进行的读取扫描提前一个快门速度时间。在全局曝光(全局式快门操作；global shutter operation)的情况下，所进行的同时清除比同时传输提前一个快门速度时间。
清除操作使得正被读取的行中的各单位像素的光电转换元件中的不必要电荷被排出(即，复位)。对不必要电荷的清除操作(即，复位操作)导致了所谓的电子快门操作的执行。电子快门操作是这样的操作：该操作丢弃光电转换元件中的光电荷并且开始新的曝光(即，开始光电荷的累积)。
由读取扫描系统在读取操作中读出的信号对应于在上一次读取操作或电子快门操作之后进入的入射光量。在行驱动的情况下，从在上一次读取操作中对单位像素进行读取或用于清除的电子快门操作的时刻直到由当前这次读取操作对单位像素进行读取的时刻为止，这样得到的期间提供了该单位像素的光电荷累积时间(即，曝光时间)。在全局曝光的情况下，从同时清除到同时传输的期间构成了电荷累积时间(曝光时间)。
从被水平驱动部42选择性地进行扫描的像素行的各单位像素中输出的像素信号通过垂直信号线47提供给列处理部43。对于像素阵列部41中的各像素列来说，列处理部43对通过垂直信号线47从所选像素行的单位像素中输出的像素信号进行预定的信号处理。此外，列处理部43暂时保存经过上述信号处理的像素信号。
更具体地，作为列处理部43的信号处理的一部分，列处理部43至少进行噪声消除(例如，相关双采样(correlated double sampling；CDS))处理。由列处理部43进行的相关双采样处理消除了复位噪声以及诸如放大晶体管中的阈值差异等像素所特有的固定模式噪声。除了具有噪声消除功能以外，列处理部43还可以具有用于以数字信号的形式输出信号电平的模拟数字(analog-to-digital；AD)转换功能。
水平驱动部44可以由移位寄存器和地址解码器构成。这样，水平驱动部44顺次选择与列处理部43中的像素列对应的单元电路。由水平驱动部44进行的选择性扫描使得已经由列处理部43进行过信号处理的像素信号被顺次输出至信号处理部48。
系统控制部45由用于生成各种时序信号的时序发生器和其他元件构成。基于由时序发生器生成的各种时序信号，系统控制部45向垂直驱动部42、列处理部43和水平驱动部44提供驱动控制。
信号处理部48至少具有相加处理功能，从而对从列处理部43输出的像素信号进行包括相加处理的各种信号处理。在信号处理部48进行信号处理的期间内，数据存储部49暂时地存储上述处理所需的数据。
单位像素的第一典型电路结构
下面说明在图3所示的像素阵列部41中以矩阵形式布置的单位像素50中的一个单位像素50的第一典型电路结构。
图4所示的单位像素50包括光电二极管(PD)61、传输栅极62、浮动扩散(FD)区域63、复位晶体管64、放大晶体管65、选择晶体管66和垂直信号线67。
光电二极管61的阳极接地，光电二极管61的阴极与传输栅极62的源极相连接。传输栅极62的漏极与复位晶体管64的漏极以及放大晶体管65的栅极相连接。复位晶体管64的漏极与放大晶体管65的栅极之间的连接点构成了浮动扩散区域63。
复位晶体管64的源极连接至预定的电源Vrst。放大晶体管65的源极连接至另一预定的电源Vdd。放大晶体管65的漏极与选择晶体管66的源极相连接。选择晶体管66的漏极与垂直信号线(VSL)67相连接。垂直信号线67与源极跟随器电路的恒定电流源相连接。
传输栅极62的栅极、复位晶体管64的栅极和选择晶体管66的栅极通过控制线(未图示)与图3中所示的垂直驱动部42相连接。这些栅极被供给有作为驱动信号的脉冲。
光电二极管61对入射光进行光电转换，从而生成具有与入射光量对应的电荷量的电荷，并且存储所生成的具有上述电荷量的电荷。
根据从垂直驱动部42提供的驱动信号TRG，传输栅极62使从光电二极管61到浮动扩散区域63的电荷传输动作接通或断开。例如，当被提供有高电平(H)驱动信号TRG时，传输栅极62将光电二极管61中所累积的电荷传输至浮动扩散区域63；当被提供有低电平(L)驱动信号TRG时，传输栅极62停止传输上述电荷。在传输栅极62不向浮动扩散区域63传输上述电荷的时候，光电二极管61就把因进行光电转换而产生的电荷累积起来。
浮动扩散区域63累积通过传输栅极62从光电二极管61传输来的电荷，并且将所累积的电荷转换成电压。在CMOS图像传感器30进行全局式快门操作的情况下，浮动扩散区域63用作电荷保持部，该电荷保持部对在曝光期间内累积于光电二极管61中的电荷进行保持。
根据从垂直驱动部42提供的驱动信号RST，复位晶体管64使浮动扩散区域63中所累积的电荷的排出动作接通或断开。例如，当被提供有高电平驱动信号RST时，复位晶体管64将浮动扩散区域63钳位(clamp)至电源电压Vrst，从而使浮动扩散区域63中所累积的电荷排出(即，复位)。当被提供有低电平驱动信号RST时，复位晶体管64使浮动扩散区域63处于电浮置状态。
放大晶体管65放大与浮动扩散区域63中所累积的电荷对应的电压。由放大晶体管65放大后的电压(电压信号)通过选择晶体管66被输出至垂直信号线67。
根据从垂直驱动部42提供的驱动信号SEL，选择晶体管66使来自放大晶体管65的电压信号向垂直信号线67的输出动作接通或断开。例如，当被提供有高电平驱动信号SEL时，选择晶体管66将上述电压信号向垂直信号线67输出。当被提供有低电平驱动信号SEL时，选择晶体管66停止输出上述电压信号。
如上面所说明的那样，根据从垂直驱动部42提供的驱动信号TRG、驱动信号RST和驱动信号SEL，来驱动单位像素50。
单位像素的驱动示例
下面参照图5的时序图来说明如何典型地驱动单位像素50。
首先，在时刻t1与时刻t2之间，以脉冲的形式施加驱动信号RST和驱动信号TRG。这就使光电二极管61中所累积的电荷和浮动扩散区域63中所累积的电荷被排出。
当光电二极管61中所累积的电荷被清除之后，在时刻t2与时刻t5之间将从来自新的被拍摄物体的光获得的电荷累积到光电二极管61中。当在时刻t3与时刻t4之间以脉冲的形式施加驱动信号RST时，用作电荷保持部的浮动扩散区域63中所累积的电荷被初始化(即，复位)。
当在时刻t5与时刻t6之间以脉冲的形式施加驱动信号TRG时，通过传输栅极62将光电二极管61中所累积的电荷传输至浮动扩散区域63。此后，进入时刻t6与时刻t7之间的电荷保持期间。
当在时刻t7与时刻t8之间以从低电平到高电平的方式用驱动信号SEL进行驱动时，与浮动扩散区域63中所累积的电荷对应的电压被读出而作为信号电平，该操作一直持续到时刻t9与时刻t10之间以高电平用驱动信号RST进行驱动时为止。
当在时刻t9与时刻t10之间以高电平用驱动信号RST进行驱动时，浮动扩散区域63中所累积的电荷被复位晶体管64复位(排出)。该复位状态一直持续到在时刻t11以低电平用驱动信号SEL进行驱动时为止。在复位状态期间，代表着复位电平的电压被读出。这就是如何通过得到所读出的复位电平与信号电平之间的差分来进行CDS处理从而消除噪声，由此读出无噪声的像素信号。
固体摄像器件的一个驱动示例
下面参照图6来说明在CMOS图像传感器30中如何以行为单位典型地对单位像素50进行驱动。
在图6中，水平轴表示时间，而垂直轴表示CMOS图像传感器30中呈二维布置的单位像素50的行。在上面参照图5说明的单位像素50中的电荷排出(discharge)、电荷保持部初始化、电荷传输和信号电平读出都是以行为单位进行的。在图6中，三角形表示单位像素50的电荷排出，圆圈表示电荷保持部初始化，矩形表示电荷传输，沿水平方向伸长的六边形表示信号电平读出。
如图6所示，电荷排出和电荷传输都是对所有行同时进行的。信号电平是逐行读出的。也就是说，图6示出了这样的示例：该示例中，以实现包含全部像素的同时电荷排出和全部像素的同时电荷传输的全局式快门操作的方式，对CMOS图像传感器30进行驱动。
如上面参照图5所述的那样，在电荷排出之后且在电荷传输之前对浮动扩散区域63执行初始化。如图6所示，以互不相邻的多行为单位对浮动扩散区域63执行初始化，更具体地，以由间隔两行间距的三个行组成的组为单位对浮动扩散区域63执行初始化。
当执行上面的操作时，在进行全局式快门操作的CMOS图像传感器中，不是对全部像素的作为电荷保持部的浮动扩散区域63同时执行初始化的，而是以互不相邻的多行为单位对浮动扩散区域63执行初始化的。这使得能够抑制复位晶体管的电源中的电压降，并且能够抑制作为一方的相邻复位信号线与作为另一方的电荷保持部之间的串扰，上述被抑制的两种现象是因为对全部像素的电荷保持部同时执行初始化而引起的潜在缺点。由于减轻了在复位操作中同时驱动全部像素时所导致的负荷，所以能够使复位操作的过渡时间与信号读取时的复位操作同步。这就使传输之前的复位电压与读取之后的复位电压之间的差异最小化，从而抑制了偏移噪声的产生并且提高了所拍摄图像的质量。
当以互不相邻的多行为单位对浮动扩散区域63执行初始化时，对所有行的电荷保持部执行初始化所需的时间比逐行顺次执行初始化所需的时间短。这就使得能够防止帧频下降，并且能够提高所拍摄图像的质量。
在上述全局式快门操作中，电荷排出和电荷传输都是对所有行同时进行的。这就意味着向传输栅极62提供驱动信号TRG和向复位晶体管64提供驱动信号RST的驱动电路所承受的负荷比卷帘式快门操作期间的负荷大。增大的负荷导致了用于向传输栅极62提供驱动信号TRG和向复位晶体管64提供驱动信号RST的电源中的电压降，并且导致了电荷排出的过渡时间的延迟和电荷传输的过渡时间的延迟的增大。这就使得必须延长各驱动信号的脉冲宽度，因而必然会阻碍从电荷排出到电荷传输的期间(即，曝光和累积期间)的缩短。
接下来将要说明如何以缩短曝光和累积期间的方式典型地驱动CMOS图像传感器。
固体摄像器件的另一驱动示例
图7是以行为单位对CMOS图像传感器30的单位像素50进行驱动的另一示例的说明图。
图7所示的驱动示例与图6所示的驱动示例的不同之处在于：电荷排出和电荷传输都是以彼此相邻的多行为单位进行的，更具体地，是以由三个相邻行组成的组为单位进行的。
在图7中，如图6的驱动示例中那样，在电荷排出之后且在电荷传输之前以互不相邻的多行为单位对浮动扩散区域63执行初始化，更具体地，以由间隔两行间距的三个行组成的组为单位对浮动扩散区域63执行初始化。
当执行上面的操作时，不是对全部像素的作为电荷保持部的浮动扩散区域63同时执行初始化的，而是以互不相邻的多行为单位执行初始化的。这就使得像上面所述的那样，能够抑制偏移噪声的产生，并且能够提高所拍摄图像的质量。
另外，由于电荷排出和电荷传输不是对全部像素同时进行的，而是以彼此相邻的多行为单位进行的，所以向传输栅极62提供驱动信号TRG和向复位晶体管64提供驱动信号RST的驱动电路所承受的负荷比全局式快门操作期间的负荷小。减小的负荷在使得电荷排出的过渡时间的延迟和电荷传输的过渡时间的延迟最小化的同时，还能够防止用于提供驱动信号TRG和驱动信号RST的电源中的电压降。这就使得能够缩短各驱动信号的脉冲宽度，从而能够缩短曝光和累积期间。
由于电荷排出和电荷传输都是以彼此相邻的多行为单位进行的，所以能够使各行之间的曝光和累积期间差异小于在卷帘式快门操作中进行电荷排出和电荷传输时的差异。这使得所拍摄图像中的畸变最小化。
如果电荷排出和电荷传输就像对电荷保持部进行初始化时那样是以互不相邻的多行为单位来进行的，那么可能会间隔着数行而发生曝光和累积期间的差异。这就会导致移动的被拍摄物体的所拍摄图像在高频范围内出现显著畸变。为此，电荷排出和电荷传输是以彼此相邻的多行为单位顺次进行的。
在图7的示例中，电荷保持部是以三行为单位同时被初始化的，并且电荷排出和电荷传输也都是以三行为单位同时进行的。作为可供选择的方案，上述所涉及的各操作可以以其他数量的行为单位来予以进行。又或者，上述各操作可以分别以不同数量的行为单位来予以进行。
用于构成能够进行上述操作的图像传感器的各单位像素的结构可以不同于图4所示的结构。接下来说明能够适用于本发明的其他一些单位像素结构。在图4和下面将要提到的附图中，相同的附图标记表示相同的部分或对应的部分，并且可以省略对它们的多余说明。
单位像素的第二典型电路结构
图8是示出了单位像素50的第二典型电路结构的示意图。
除了含有图4所示的结构之外，图8中的单位像素50B还具有置于光电二极管61与传输栅极62之间的传输栅极81和存储部(MEM)82。
当向传输栅极81的栅极电极施加驱动信号TRX时，由光电二极管61通过光电转换产生的且累积于该光电二极管61内的电荷通过传输栅极81被传输。存储部82把通过传输栅极81从光电二极管61传输来的电荷累积起来。
另外，当向传输栅极62的栅极电极施加驱动信号TRG时，存储部82中所累积的电荷通过传输栅极62被传输至浮动扩散区域63。
也就是说，在图8的单位像素50B中，浮动扩散区域63和存储部82用作电荷保持部。在以脉冲的形式施加驱动信号RST和驱动信号TRG时，该电荷保持部被初始化。
单位像素的第三典型电路结构
图9是示出了单位像素50的第三典型电路结构的示意图。
除了含有图4所示的结构之外，图9中的单位像素50C还具有置于传输栅极62与浮动扩散区域63之间的传输栅极91和电容元件(CAP)92。
当向传输栅极91的栅极电极施加驱动信号CRG时，从光电二极管61经过传输栅极62传输来的电荷通过传输栅极91被传送至电容元件92。电容元件92把从光电二极管61先经过传输栅极62传输然后通过传输栅极91传送来的电荷累积起来。
当向传输栅极62的栅极电极施加驱动信号TRG时，传输栅极62将光电二极管61中所累积的电荷传输至浮动扩散区域63，并且还将光电二极管61中所累积的电荷通过传输栅极91传输至电容元件92。
也就是说，在图9的单位像素50C中，浮动扩散区域63和电容元件92中的一者或二者用作电荷保持部。如果仅仅是浮动扩散区域63作为电荷保持部，那么在以脉冲的形式施加驱动信号RST时，该电荷保持部就被初始化。如果仅仅是电容元件92作为电荷保持部，或者如果浮动扩散区域63和电容元件92二者都作为电荷保持部，那么在以脉冲的形式施加驱动信号RST和驱动信号CRG时，该电荷保持部就被初始化。
单位像素的第四典型电路结构
图10是示出了单位像素50的第四典型电路结构的示意图。
除了含有图4所示的结构之外，图10中的单位像素50D还具有置于光电二极管61与传输栅极62之间的传输栅极81和存储部(MEM)82，并且还具有置于传输栅极62与浮动扩散区域63之间的传输栅极91和电容元件(CAP)92。
应当注意的是，图10中的传输栅极81和存储部82与图8中的传输栅极81和存储部82是相同的，并且图10中的传输栅极91和电容元件92与图9中的传输栅极91和电容元件92是相同的。因此，将不再讨论这些组成部分。
应当注意的是，当向传输栅极91的栅极电极施加驱动信号CRG时，从光电二极管61经过传输栅极81传输来的电荷通过传输栅极91被传送至电容元件92。电容元件92把从光电二极管61先经过传输栅极81传输然后通过传输栅极91传送来的电荷累积起来。
也就是说，在图10的单位像素50D中，存储部82和电容元件92中的一者或二者与浮动扩散区域63结合起来用作电荷保持部。在浮动扩散区域63和存储部82用作电荷保持部的情况下，以脉冲的形式施加驱动信号RST和驱动信号TRG就使得该电荷保持部初始化。在浮动扩散区域63和电容元件92用作电荷保持部的情况下，或者在浮动扩散区域63、存储部82和电容元件92用作电荷保持部的情况下，以脉冲的形式施加驱动信号RST、驱动信号TRG和驱动信号CRG就使得该电荷保持部初始化。
在上述对单位像素的说明中，所给出的情况是：在电荷排出之后且在电荷传输之前对电荷保持部执行初始化。作为可供选择的方案，如果新设置有排出部以用于排出光电二极管61中所累积的电荷，则可以在电荷排出之前对电荷保持部执行初始化。
单位像素的第五典型电路结构
图11是示出了单位像素的第五典型电路结构的示意图，该单位像素被布置成在电荷排出之前将该单位像素的电荷保持部初始化。
在图11中的各组成部分之中，与图4中的组成部分在结构上对应的那些组成部分使用了相同的附图标记，并且可以省略对它们的多余说明。
与图4中所示的单位像素50相比，图11中的单位像素100增加了溢出栅极121，溢出栅极121典型地是由晶体管构成的。在图11中，溢出栅极121连接在电源Vdd与光电二极管61之间。当从垂直驱动部42通过像素驱动线46供给有驱动信号OFG时，溢出栅极121将光电二极管61复位。也就是说，溢出栅极121使光电二极管61中所累积的电荷排出。
以这样的方式，根据从垂直驱动部42供给的驱动信号TRG、驱动信号RST、驱动信号SEL和驱动信号OFG，来驱动单位像素100。
单位像素的驱动示例
下面参照图12的时序图来说明如何典型地驱动单位像素100。
首先，在时刻t21与时刻t22之间，以脉冲的形式施加驱动信号RST。这会使得浮动扩散区域63中所累积的电荷被排出(即，复位)。
然后，在时刻t23与时刻t24之间，以脉冲的形式施加驱动信号OFG。这会使得光电二极管61中所累积的电荷被排出。
当光电二极管61中所累积的电荷被清除之后，在时刻t24与时刻t25之间将从来自新的被拍摄物体的光获得的电荷累积到光电二极管61中。
在时刻t25与时刻t31之间进行的操作与在图5中的时刻t5与时刻t11之间进行的操作相同，因此将不再对它们进行讨论。
如上所述，单位像素100中可以设置有用于排出光电二极管61中的电荷的溢出栅极121。该布置允许在电荷排出之前将电荷保持部初始化。
固体摄像器件的一个驱动示例
下面参照图13说明如何以行为单位典型地驱动CMOS图像传感器中的单位像素100。
在图13中，如图6和图7中一样，水平轴表示时间，而垂直轴表示CMOS图像传感器30中呈二维布置的单位像素100的行。在上面参照图12说明的单位像素100中的电荷保持部初始化、电荷排出、电荷传输和信号电平读出都是以行为单位进行的。在图13中，圆圈表示电荷保持部初始化，三角形表示电荷排出，矩形表示电荷传输，沿水平方向伸长的六边形表示信号电平读出。
如图13所示，电荷排出和电荷传输都是对所有行同时进行的。信号电平是逐行读出的。也就是说，图13示出了这样的示例：该示例中，以实现包含全部像素的同时电荷排出和全部像素的同时电荷传输的全局式快门操作的方式，对CMOS图像传感器30进行驱动。
如上面参照图12所述的那样，在电荷传输之前且在电荷排出之前对浮动扩散区域63执行初始化。如图13所示，以互不相邻的多行为单位对浮动扩散区域63执行初始化，更具体地，以由间隔两行间距的三个行组成的组为单位对浮动扩散区域63执行初始化。
当执行上面的操作时，在进行全局式快门操作的CMOS图像传感器中，不是对全部像素的作为电荷保持部的浮动扩散区域63同时执行初始化的，而是以互不相邻的多行为单位对浮动扩散区域63执行初始化的。这使得能够抑制复位晶体管的电源中的电压降，并且能够抑制作为一方的相邻复位信号线与作为另一方的电荷保持部之间的串扰，上述被抑制的两种现象是因为对全部像素的电荷保持部同时执行初始化而引起的潜在缺点。由于减轻了在复位操作中同时驱动全部像素时所导致的负荷，所以能够使复位操作的过渡时间与信号读取时的复位操作同步。这就使传输之前的复位电压与读取之后的复位电压之间的差异最小化，从而抑制了偏移噪声的产生并且提高了所拍摄图像的质量。
当以互不相邻的多行为单位对浮动扩散区域63执行初始化时，对所有行的电荷保持部执行初始化所需的时间比逐行顺次执行初始化所需的时间短。这就使得能够防止帧频下降并且能够提高所拍摄图像的质量。
在上述全局式快门操作中，如图6的示例中一样，电荷排出和电荷传输都是对所有行同时进行的。这就意味着向传输栅极62提供驱动信号TRG和向复位晶体管64提供驱动信号RST的驱动电路所承受的负荷比卷帘式快门操作期间的负荷大。增大的负荷导致了用于向传输栅极62提供驱动信号TRG和向复位晶体管64提供驱动信号RST的电源中的电压降，并且导致了电荷排出的过渡时间和电荷传输的过渡时间的延迟的增大。这使得必须延长各驱动信号的脉冲宽度，就必然会阻碍从电荷排出到电荷传输的期间(即，曝光和累积期间)的缩短。
接下来将要说明如何以缩短曝光和累积期间的方式典型地驱动CMOS图像传感器。
固体摄像器件的另一驱动示例
图14是以行为单位对CMOS图像传感器30的单位像素100进行驱动的另一示例的说明图。
图14所示的驱动示例与图13所示的驱动示例的不同之处在于：电荷排出和电荷传输都是以彼此相邻的多行为单位顺次进行的，更具体地，是以由三个相邻行组成的组为单位进行的。
在图14中，如图13的驱动示例中一样，在电荷传输之前且在电荷排出之前以互不相邻的多行为单位对浮动扩散区域63执行初始化，更具体地，以由间隔两行间距的三个行组成的组为单位对浮动扩散区域63执行初始化。
当执行上面的操作时，不是对全部像素的作为电荷保持部的浮动扩散区域63同时执行初始化的，而是以互不相邻的多行为单位执行初始化的。这就使得像上面所述的那样，能够抑制偏移噪声的产生，并且能够提高所拍摄图像的质量。
另外，由于电荷排出和电荷传输不是对全部像素同时进行的，而是以彼此相邻的多行为单位进行的，所以向传输栅极62提供驱动信号TRG和向复位晶体管64提供驱动信号RST的驱动电路所承受的负荷比全局式快门操作期间的负荷小。减小的负荷在使得电荷排出的过渡时间和电荷传输的过渡时间的延迟最小化的同时，还能够防止用于提供驱动信号TRG和驱动信号RST的电源中的电压降。这使得能够缩短各驱动信号的脉冲宽度，从而能够缩短曝光和累积期间。
由于电荷排出和电荷传输都是以彼此相邻的多行为单位顺次进行的，所以能够使各行之间的曝光和累积期间差异小于在卷帘式快门操作中进行电荷排出和电荷传输时的差异。这使得所拍摄图像中的畸变最小化。
在图13和图14的驱动示例中，电荷保持部(浮动扩散区域63)是以由间隔两行间距的三个行组成的组为单位顺次被初始化的。作为可供选择的方案，可以以由间隔所需数量行间距的其他数量行为单位执行初始化。
例如，如图15所示，电荷保持部是以由间隔一行间距的三个行组成的组为单位顺次被初始化的。当以这种方式减少了被初始化的那些行的间隔行数并且电荷排出和电荷传输都是以彼此相邻的多行为单位顺次进行时，能够缩短从电荷保持部被初始化的时刻到电荷排出(或电荷传输)被执行的时刻的期间。这能够减少电荷保持部中的暗电流的累积。
然而，如果电荷保持部被初始化时的间隔行数太少，那么作为一方的相邻复位信号线与作为另一方的电荷保持部之间的串扰就会产生偏移噪声。因此，应当优选通过均衡如下两方面的因素来设定当像素被驱动时的最佳间隔行数：一方面是从电荷保持部的初始化直到电荷排出(或电荷传输)为止的期间，另一方面是被驱动行的相邻复位信号线与电荷保持部之间的串扰。
上面参照图15说明的是这样的驱动示例：在该驱动示例中，在电荷排出之前，以间隔更小行数的复数行为单位对电荷保持部执行初始化。显然，如同上面参照图6和图7说明的那样，可以在电荷排出之后且在电荷传输之前也以间隔更小行数的复数行为单位对电荷保持部执行初始化。
用于构成能够进行上述操作的图像传感器的各单位像素的结构可以不同于图11所示的结构。下面说明能够适用于本发明的其他一些单位像素结构。在图11和下面将要提到的附图中，相同的附图标记表示相同的部分或对应的部分，并且可以省略对它们的多余说明。
单位像素的第六典型电路结构
图16是示出了单位像素100的第六典型电路结构的示意图。
除了含有图11所示的结构之外，图16中的单位像素100B还具有置于光电二极管61与传输栅极62之间的传输栅极81和存储部(MEM)82。应当注意的是，图16中的传输栅极81和存储部82与图8中的传输栅极81和存储部82是相同的。因此，将不再讨论这些组成部分。
也就是说，在图16的单位像素100B中，浮动扩散区域63和存储部82用作电荷保持部。在以脉冲的形式施加驱动信号RST和驱动信号TRG时，该电荷保持部被初始化。
单位像素的第七典型电路结构
图17是示出了单位像素100的第七典型电路结构的示意图。
除了含有图11所示的结构之外，图17中的单位像素100C还具有置于传输栅极62与浮动扩散区域63之间的传输栅极91和电容元件(CAP)92。应当注意的是，图17中的传输栅极91和电容元件92与图9中的传输栅极91和电容元件92是相同的。因此，将不再讨论这些组成部分。
也就是说，在图17的单位像素100C中，浮动扩散区域63和电容元件92中的一者或二者用作电荷保持部。如果仅仅是浮动扩散区域63作为电荷保持部，那么在以脉冲的形式施加驱动信号RST时，该电荷保持部被初始化。如果仅仅是电容元件92作为电荷保持部，或者如果浮动扩散区域63和电容元件92二者都作为电荷保持部，那么在以脉冲的形式施加驱动信号RST和驱动信号CRG时，该电荷保持部被初始化。
单位像素的第八典型电路结构
图18是示出了单位像素100的第八典型电路结构的示意图。
除了含有图11所示的结构之外，图18中的单位像素100D还具有置于光电二极管61与传输栅极62之间的传输栅极81和存储部82，并且还具有置于传输栅极62与浮动扩散区域63之间的传输栅极91和电容元件92。应当注意的是，图18中的传输栅极81和存储部82与图10中的传输栅极81和存储部82是相同的，并且图18中的传输栅极91和电容元件92与图10中的传输栅极91和电容元件92也是相同的。因此，将不再讨论这些组成部分。
也就是说，在图18的单位像素100D中，存储部82和电容元件92中的一者或二者与浮动扩散区域63结合起来用作电荷保持部。在浮动扩散区域63和存储部82用作电荷保持部的情况下，以脉冲的形式施加驱动信号RST和驱动信号TRG就使该电荷保持部初始化。在浮动扩散区域63和电容元件92用作电荷保持部的情况下，或者在浮动扩散区域63、存储部82和电容元件92用作电荷保持部的情况下，以脉冲的形式施加驱动信号RST、驱动信号TRG和驱动信号CRG就使该电荷保持部初始化。
在上述对单位像素的说明中，所给出的情况是：设置有溢出栅极121，并且如参照图12至图14说明的那样，在电荷排出之前对电荷保持部执行初始化。作为可供选择的方案，在不设置溢出栅极121的情况下，可以如上面参照图5至图7说明的那样，在电荷排出之后且在电荷传输之前对电荷保持部执行初始化。
适用于本发明的电子装置的典型结构
本发明不限于作为固体摄像器件而被实施。作为可供选择的方案，本发明可以作为如下各种电子装置中的任意一种而被实施：这些电子装置在它们的摄像部(光电转换部)中采用了固体摄像器件，且这些电子装置例如是：诸如数码照相机和摄像机等摄像装置；具有摄像功能的便携终端装置；以及在图像读取部中使用了固体摄像器件的复印机，等等。该固体摄像器件可以被形成为单芯片元件，或者可以被形成为具有摄像功能并且将摄像部及信号处理部或光学系统集成于一个封装体中的模块。
图19是示出了作为适用于本发明的电子装置的摄像装置600的典型结构的框图。
图19中的摄像装置600包括：典型地由透镜组构成的光学部601；采用了具有任一种上述结构的单位像素的固体摄像器件(摄像器件)602；以及用作相机信号处理电路的DSP电路603。摄像装置600还包括帧存储器604、显示部605、记录部606、操作部607和电源部608。DSP电路603、帧存储器604、显示部605、记录部606、操作部607和电源部608通过总线609相互连接。
光学部601获取来自被拍摄物体的入射光(图像光)从而在固体摄像器件602的摄像区域上形成图像。固体摄像器件602将通过光学部601在上述摄像区域上成像的入射光的光量转换成各像素的电信号，并且将该信号作为像素信号输出。此时，作为固体摄像器件602，可以使用例如具有已经在上文中说明过的结构的CMOS图像传感器30等固体摄像器件(即，允许基于全局曝光来拍摄无畸变图像的固体摄像器件)。
例如，显示部605可以由诸如液晶显示面板或有机电致发光面板等面板型显示器件构成，该显示部605用于显示由固体摄像器件602拍摄到的移动图像或静止图像。记录部606将由固体摄像器件602拍摄到的移动图像或静止图像记录到诸如录像带或DVD(Digital Versatile Disk；数字多功能光盘)等适当的记录媒介中。
在使用者的操作下，操作部607发出操作指令从而启动摄像装置600所具有的各种功能。电源部608作为视需要向DSP电路603、帧存储器604、显示部605、记录部606和操作部607供电的电源。
如上所述，用于实现本发明且被用作固体摄像器件602的CMOS图像传感器30允许它的电荷保持部以互不相邻的多行为单位被初始化。这种结构能够使传输之前的复位电压与读取之后的复位电压之间的差异最小化，并且能够防止偏移噪声的产生。这就提高了由例如相机模块(其用于包括摄像机、数码照相机和手机等的移动装置)等摄像装置600拍摄的图像的质量。
在前面的说明中，所给出的情况是将本发明实施为这样的CMOS图像传感器：该CMOS图像传感器具有按照行和列布置的单位像素，各单位像素将与可见光的光量对应的信号电荷大小作为物理量来检测。然而，本发明不限于作为CMOS传感器的实施例。本发明也可以作为任何一种列型固体摄像器件而被实施，该列型固体摄像器件具有被分配给构成该列型固体摄像器件的像素阵列部的各像素列的列处理部。
本发明不限于被应用到用于检测可见光的入射量分布并将所检测到的光分布转换成图像的固体摄像器件。作为可供选择的方案，本发明可以被应用到用于检测红外线、X射线或粒子的入射量分布并将所检测到的分布转换成图像的固体摄像器件。本发明还可被应用到任意一种在更广泛意义上用作物理量分布检测装置的固体摄像器件，该物理量分布检测装置例如是用于检测包括压力和静电电容大小的其他物理量的分布并将所检测到的分布转换成图像的指纹传感器等。
本领域技术人员应当理解，依据设计要求和其他因素，可以在本发明随附的权利要求或其等同物的范围内进行各种修改、组合、次组合以及改变。

Claims (15)

1.一种固体摄像器件，所述固体摄像器件包括：
像素阵列部，所述像素阵列部被配置成具有呈二维布置的多个单位像素，各所述单位像素至少设有光电转换部、传输部和复位部，所述传输部被配置用来将所述光电转换部中所累积的电荷传输至电荷保持部，所述复位部被配置用来将所述电荷保持部的电荷复位；以及
驱动控制部，所述驱动控制部被配置用来控制所述单位像素的驱动，
其中，所述驱动控制部以如下方式来控制所述单位像素的驱动：在所述传输部进行电荷传输之前，所述复位部以所述像素阵列部中的互不相邻的多行所述单位像素为单位将所述电荷保持部的电荷复位。
2.根据权利要求1所述的固体摄像器件，其中，所述驱动控制部以如下方式来控制所述单位像素的驱动：所述传输部对所述像素阵列部中的全部所述单位像素同时进行电荷传输。
3.根据权利要求1所述的固体摄像器件，其中，所述驱动控制部以如下方式来控制所述单位像素的驱动：对所述像素阵列部中的全部所述单位像素同时进行所述光电转换部的电荷排出。
4.根据权利要求1所述的固体摄像器件，其中，所述驱动控制部以如下方式来控制所述单位像素的驱动：以所述像素阵列部中的彼此相邻的多行所述单位像素为单位进行所述光电转换部的电荷排出，并且所述传输部以所述像素阵列部中的彼此相邻的多行所述单位像素为单位进行电荷传输。
5.根据权利要求1所述的固体摄像器件，其中，
所述复位部将所述光电转换部中所累积的电荷排出，并且
所述驱动控制部以如下方式来控制所述单位像素的驱动：在所述复位部进行所述光电转换部的电荷排出之后且在所述传输部进行电荷传输之前，所述复位部以所述像素阵列部中的互不相邻的多行所述单位像素为单位将所述电荷保持部的电荷复位。
6.根据权利要求1所述的固体摄像器件，所述固体摄像器件还包括排出部，所述排出部被配置用来排出所述光电转换部中所累积的电荷。
7.根据权利要求6所述的固体摄像器件，其中，所述驱动控制部以如下方式来控制所述单位像素的驱动：在所述排出部进行所述光电转换部的电荷排出之前，所述复位部以所述像素阵列部中的互不相邻的多行所述单位像素为单位将所述电荷保持部的电荷复位。
8.根据权利要求1所述的固体摄像器件，其中，所述驱动控制部以如下方式来控制所述单位像素的驱动：所述复位部以所述像素阵列部中的间隔m行所述单位像素的n行所述单位像素为单位将所述电荷保持部的电荷复位。
9.根据权利要求8所述的固体摄像器件，其中，m为1或2。
10.根据权利要求1至9任一项所述的固体摄像器件，其中，所述电荷保持部是浮动扩散区域。
11.根据权利要求10所述的固体摄像器件，其中，所述电荷保持部除了含有所述浮动扩散区域之外还含有电容元件。
12.根据权利要求1所述的固体摄像器件，所述固体摄像器件还包括读取部，所述读取部被配置用来读取与所述电荷保持部的电荷对应的电压，
其中，所述驱动控制部控制所述单位像素的驱动，使得以每一行所述单位像素为单位顺次进行如下操作：
利用所述读取部，读取与在所述电荷传输之后累积于所述电荷保持部中的电荷对应的电压以作为信号电平；
利用所述复位部，把在所述电荷传输之后累积于所述电荷保持部中的电荷复位；以及
利用所述读取部，读取与经过所述电荷复位之后的所述电荷保持部的电荷对应的电压以作为复位电平。
13.根据权利要求12所述的固体摄像器件，所述固体摄像器件还包括计算部，所述计算部被配置用来计算由所述读取部读出的所述信号电平与所述复位电平之间的差分。
14.一种用于固体摄像器件的驱动方法，
所述固体摄像器件包括：
像素阵列部，所述像素阵列部被配置成具有呈二维布置的多个单位像素，各所述单位像素至少设有光电转换部、传输部和复位部，所述传输部被配置用来将所述光电转换部中所累积的电荷传输至电荷保持部，所述复位部被配置用来将所述电荷保持部的电荷复位；以及
驱动控制部，所述驱动控制部被配置用来控制所述单位像素的驱动，
所述驱动方法包括如下步骤：
使所述驱动控制部以如下方式来控制所述单位像素的驱动：在所述传输部进行电荷传输之前，所述复位部以所述像素阵列部中的互不相邻的多行所述单位像素为单位将所述电荷保持部的电荷复位。
15.一种电子装置，其包括如权利要求1至13任一项所述的固体摄像器件。
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