CN102685405A - 固态成像器件及其驱动方法、成像装置以及电子设施 - Google Patents

Abstract

一种固态成像器件，包括：器件部分，其中沿着预定方向排列单元构成元件，每个单元构成元件包括检测基于物理信息改变而产生的电荷的电荷检测单元、和传输该电荷检测单元所检测的信号电荷的传输单元；以及供电电压控制部分，其能够通过向传输单元供应用于抑制高光溢出的控制电压来传输该电荷检测单元所检测的电荷的一部分、并且能够通过向传输单元供应与用于抑制高光溢出的所述控制电压不同的第一控制电压来传输该电荷检测单元所检测的信号电荷。

Description

固态成像器件及其驱动方法、成像装置以及电子设施

技术领域

本公开涉及一种固态成像器件、成像装置、电子设施、以及驱动该固态成像器件的方法。

背景技术

在多种电子设施中已经使用了电荷检测器件、电荷传输器件、固态成像器件或成像装置。在多种领域中已经使用了将物理量分布(例如，压力分布等)读取作为电信号的物理量分布检测半导体器件(所述物理量分布已经被单元构成元件(unit constituent elements)转换为电信号)、或者将图像信息处理为物理量分布的固态成像器件。例如，已经以线性形状或矩阵形式排列了单元构成元件(例如，单元像素)，所述单元构成元件具有用于检测基于电磁波、压力或其它多种物理信息中的改变而产生的电荷的电荷检测功能，诸如具有对外部输入的电磁波(诸如光或辐射)的灵敏度、或者检测基于压力改变而产生的电荷。例如，在视频设施领域中，已经使用了在多种物理量中检测光的CCD(电荷耦合器件)类型的、MOS(金属氧化物半导体)类型的、或者CMOS(互补金属氧化物半导体)类型的固态成像器件(例如，参见JP-A-2008-99158)。它们将已经被单元构成元件(固态成像器件中的像素)转换为电信号的物理量分布读取作为电信号。

发明内容

这里，例如，在高强度光入射时的大信号情况下，高光溢出(blooming)现象发生，其中，电荷超出饱和值并且漏出到相邻像素。高光溢出造成图像变差，诸如曝光过度的(blown-out)高光区域的扩展或错误颜色。

因此，期望提供一种能够抑制由于高光溢出现象而引起的图像变差的技术。

本公开的第一实施例针对一种固态成像器件，其包括：其中沿着预定方向排列单元构成元件的器件部分，其中，每个单元构成元件包括检测基于物理信息改变而产生的电荷的电荷检测单元、和传输该电荷检测单元所检测的信号电荷的传输单元；以及供电电压控制部分，其能够通过向传输单元(具体地，向其控制电极等)供应用于抑制高光溢出的控制电压来传输该电荷检测单元所检测的电荷的一部分、并且能够通过向传输单元供应与用于抑制高光溢出的所述控制电压不同的第一控制电压来传输该电荷检测单元所检测的电荷。在与本公开的第一实施例相关的固态成像器件的具体实施例中描述的各种固态成像器件进一步定义了与本公开的第一实施例相关的固态成像器件的有利具体示例。

本公开的第二实施例针对一种成像装置，其包括：其中沿着预定方向排列单元构成元件的器件部分，其中，每个单元构成元件包括检测基于物理信息改变而产生的电荷的电荷检测单元、和传输该电荷检测单元所检测的信号电荷的传输单元；入射系统，其将物理信息引导至电荷检测单元；以及供电电压控制部分，其能够通过向传输单元供应用于抑制高光溢出的控制电压来传输该电荷检测单元所检测的电荷的一部分、并且能够通过向传输单元供应与用于抑制高光溢出的所述控制电压不同的第一控制电压来传输该电荷检测单元所检测的信号电荷。在与第一实施例相关的固态成像器件的具体实施例中描述的各种技术和方法可施加于与本公开的第二实施例相关的成像装置，并且向其施加了所述技术和方法的配置进一步定义了与本公开的第二实施例相关的成像装置的有利具体示例。

本公开的第三实施例针对一种电子设施，其包括：其中沿着预定方向排列单元构成元件的器件部分，其中，每个单元构成元件包括检测基于物理信息改变而产生的电荷的电荷检测单元、和传输该电荷检测单元所检测的信号电荷的传输单元；供电电压控制部分，其能够通过向传输单元供应用于抑制高光溢出的控制电压来传输该电荷检测单元所检测的电荷的一部分、并且能够通过向传输单元供应用于与抑制高光溢出的所述控制电压不同的第一控制电压来传输该电荷检测单元所检测的信号电荷；以及信号处理部分，其基于该器件部分所检测的信号电荷而处理信号。在与本公开的第一实施例相关的固态成像器件的具体实施例中描述的各种技术和方法可施加于与本公开的第三实施例相关的电子设施，并且向其施加了所述技术和方法的配置进一步定义了与本公开的第三实施例相关的电子设施的有利具体示例。

本公开的第四实施例针对一种驱动固态成像器件的方法，所述固态成像器件包括：其中沿着预定方向排列单元构成元件的器件部分，其中，每个单元构成元件包括检测基于物理信息改变而产生的电荷的电荷检测单元、和传输该电荷检测单元所检测的信号电荷的传输单元，所述方法包括：通过向传输单元供应用于抑制高光溢出的控制电压来传输该电荷检测单元所检测的电荷的一部分，以及通过向传输单元供应用于与抑制高光溢出的所述控制电压不同的第一控制电压来传输该电荷检测单元所检测的电荷。在与本公开的第一实施例相关的固态成像器件的具体实施例中描述的各种技术和方法可施加于与本公开的第四实施例相关的驱动固态成像器件的方法，并且向其施加了所述技术和方法的配置进一步定义了与本公开的第四实施例相关的驱动固态成像器件的方法的有利具体示例。

例如，根据在本说明书中公开的内容，在处理基于一器件部分所检测的信号电荷的信号时，首先向传输单元供应用于抑制高光溢出的控制电压，并传输电荷检测单元所检测的电荷的一部分。所述用于抑制高光溢出的控制电压与此后被用来检测基于该器件部分的信号电荷而读取信号的第一控制电压不同。在向传输单元(具体地，其控制电极等)供应第一控制信号之前，向该传输单元供应用于抑制高光溢出的控制电压，并且在规定电荷检测时间内物理信息的改变量超过电荷检测单元的饱和电荷量的情况下，当向传输单元供应用于抑制高光溢出的控制电压时，通过该传输单元来传输该电荷检测单元所检测的电荷的一部分。也就是说，通过在电荷超出饱和电平(多余电荷从电荷检测单元中流出)之前施加用于抑制高光溢出的控制电压，可以通过传输单元预先释放多余电荷的一部分。

例如，在入射光较弱的情况下，电荷检测单元产生少量电荷，并且信号电荷不超过通过施加高光溢出控制电压而造成的传输单元的电势。相应地，所检测到的电荷被保持在电荷检测单元中，并且然后通过施加第一控制电压而被完全传输最终被读取为信号电平。另一方面，如果入射光较强，电荷检测单元产生大量电荷，并且信号电荷的一部分超过通过施加高光溢出控制电压而造成的传输单元的电势而要被传输。由此，在低光强度时，可以在没有信号变差的情况下通过在充分曝光时间之后的完全传输来读取信号，然而在高光强度时，可以将高光溢出量降低与超过通过施加高光溢出控制电压而造成的电势的多余量一样的量。

根据与第一实施例相关的固态成像器件、与第二实施例相关的成像装置、与第三实施例相关的电子设施、以及与第四实施例相关的驱动固态成像器件的驱动方法，在大信号情况下，可以预先释放多余电荷的一部分，并且由此可以抑制由于高光溢出现象而引起的图像变差。

附图说明

图1是根据实施例的CMOS固态成像器件的基本配置图；

图2是解释固态成像器件的信号获取差分处理的时序图；

图3是固态成像器件的关注于AD转换处理和CDS处理的简单电路图；

图4A到4E是解释高光溢出现象的图；

图5A和5B是解释对抗高光溢出现象的对策的原理的图(图1)；

图6A到6D是解释对抗高光溢出现象的对策的原理的图(图2)；

图7是解释BM快门定时和BM控制电压设置条件的基础的图(图1)；

图8A到8C是解释BM快门定时和BM控制电压设置条件的基础的图(图2)；

图9A和9B是解释BM快门定时和BM控制电压设置条件的基础的图(图3)；

图10是解释BM快门定时和BM控制电压设置条件的修改示例的图(图1)；

图11A和11B是解释BM快门定时和BM控制电压设置条件的修改示例的图(图2)；

图12是图示垂直扫描单元的第一示例的图；

图13是图示垂直扫描单元的第二示例的图；

图14是图示垂直扫描单元的第三示例的图；

图15A到15D是解释传输驱动缓冲器的配置示例的图；

图16A到16C是解释根据实施例1的像素驱动方法的图；

图17A到17C是解释根据实施例2的像素驱动方法的图；

图18是解释根据实施例3的像素驱动方法的图；

图19是解释实施例4的图；

图20A和20B是解释实施例5的图；以及

图21A到21D是解释实施例5的图。

具体实施方式

下文中，将参考附图描述本公开的实施例。在功能元件的类型彼此不同的情况下，利用字母、“_n”(n是图)、或者其组合的参考标记来描述相应的功能元件，然而，在功能元件的类型不彼此具体区分的情况下，在省略参考标记的情况下描述相应的功能元件。同样适用于附图。

将按照以下顺序作出说明。

1.概述

2.固态成像器件：基本配置和操作

3.抗高光溢出快门(BM快门)：高光溢出现象，对策的原理

4.BM快门定时和控制电压

5.垂直扫描单元

6.像素驱动电路

7.具体施加示例

实施例1：BM快门一次

实施例2：BM快门多次，每次具有相同的BM控制电压

实施例3：与使用中间电压快门的动态范围扩展相组合

实施例4：成像装置的施加示例

实施例5：线性传感器的施加示例

实施例6：其它电子设施的施加示例

<概述>

首先，下文中将描述基本问题。

在根据该实施例的配置中，固态成像器件或成像装置包括器件部分和供电电压控制部分。该器件部分具有单元构成元件，所述单元构成元件包括传输信号电荷的传输单元并且被沿着预定方向排列。所述供电电压控制部分能够通过向传输单元供应用于抑制高光溢出的控制电压来传输该电荷检测单元所检测的电荷的一部分，并且能够通过向传输单元供应与用于抑制高光溢出的所述控制电压不同的第一控制电压来传输该电荷检测单元所检测的信号电荷。第一控制电压是电荷检测单元的存储电荷能够通过传输单元被完全传输时的电压。

下文中，第一控制电压也可以被描述为“完全传输电压”。向传输单元供应第一控制电压也可以被描述为执行(或“施加”)“完全传输”。供应用于抑制高光溢出的控制电压也可以被描述为执行(或“施加”)抗高光溢出快门。用于抑制高光溢出的控制电压也可以被描述为“高光溢出控制电压”。该器件部分的单元构成元件可以被排列在一条线上或者可以被排列为二维(2D)矩阵。也就是说，固态成像器件可以是线传感器或区域传感器。

优选地，单元构成元件可以附加地配备有电荷存储单元或复位单元，该电荷存储单元存储该传输单元传输的电荷，该复位单元将该电荷存储单元复位在预定电势。此外，单元构成元件可以具有放大晶体管，其将通过传输单元从电荷检测单元传输而来的信号电荷放大为信号电压。在此情况下，通过驱动单元驱动单元构成元件。电荷存储单元可以由浮动扩散或浮动栅极来表示，但不限于此。

这里，作为高光溢出控制电压的优选设置值，在规定电荷检测时间内物理信息改变超出电荷检测单元的饱和电荷量的情况下，在向传输单元供应高光溢出控制电压时，如果能够传输该电荷检测单元所检测的电荷的一部分则是足够的。也就是说，在超过饱和电荷量的大信号的情况下，将高光溢出控制电压设置至抗高光溢出快门起作用的程度。换句话说，高光溢出控制电压是在执行抗高光溢出快门时电荷检测单元可以保持与电荷检测单元的饱和电荷量相对应的电荷量时的电压。这里“与电荷检测单元的饱和电荷量相对应的电荷量”意味着通过将饱和电荷量乘以以下比率而获得的电荷量，在假设电荷量在规定存储时间处达到电荷检测单元的饱和电荷量的情况下，所述比率为从通过电荷检测单元开始进行电荷检测到执行抗高光溢出快门所占的时间与“规定存储时间”单位的比率。

例如，可以仅向传输单元供应高光溢出控制电压一次。也就是说，可以仅施加抗高光溢出快门一次。在此情况下高光溢出控制电压的最优值可以为在执行抗高光溢出快门时电荷检测单元可以保持与电荷检测单元的饱和电荷量相对应的电荷量时的电压。换句话说，在假设从通过电荷检测单元开始进行电荷检测到施加抗高光溢出快门所占的时间为Tbm、并且电荷量在存储时间Ts处达到电荷检测单元的饱和电荷量Hs的情况下，完全适合于将高光溢出控制电压设置至电荷检测单元可以保持Tbm×Hs/Ts的电荷量时的电压。

仅向传输单元供应高光溢出控制电压一次。也就是说，在仅施加抗高光溢出快门一次的情况下，可以在时间到达某一时间点(预定定时)时向传输单元供应高光溢出控制电压，或者向传输单元供应用于抑制高光溢出的控制电压可以持续到电荷检测单元开始电荷检测后的预定时间为止。在后者情况下，高光溢出控制电压的最优值可以为在停止向传输单元供应高光溢出控制电压时电荷检测单元可以保持与电荷检测单元的饱和电荷量相对应的电荷量时的电压。换句话说，在假设从通过电荷检测单元开始进行电荷检测到停止抗高光溢出快门所占的时间为Tbm、并且电荷量在存储时间Ts处达到电荷检测单元的饱和电荷量Hs的情况下，完全适合于将高光溢出控制电压设置至电荷检测单元可以保持Tbm×Hs/Ts的电荷量时的电压。

供电电压控制单元可以向传输单元供应用于抑制高光溢出的控制电压多次。也就是说，抗高光溢出快门不限于一次，而可以被执行多次。

在执行抗高光溢出快门多次的情况下，在每次中，最优地设置可以以与施加抗高光溢出快门一次的情况相同的方式获得的高光溢出控制电压。在此情况下高光溢出控制电压的最优值可以为在执行抗高光溢出快门多次时电荷检测单元可以保持与电荷检测单元的饱和电荷量相对应的电荷量时的电压。换句话说，在假设从通过电荷检测单元开始进行电荷检测到本次施加抗高光溢出快门所占的时间为Tbm、并且电荷量在存储时间Ts处达到电荷检测单元的饱和电荷量Hs的情况下，完全适合于将高光溢出控制电压设置至电荷检测单元可以保持Tbm×Hs/Ts的电荷量时的电压。具体地，第n高光溢出控制电压可以被设置至电荷检测单元可以保持n×Hs/N(n＝1到N-1)的电荷量时的值，并且抗高光溢出快门可以以Ts/N时间间隔被执行N-1(N≥2)次。

然而，在此情况下，相对于多次而准备设置值。换句话说，准备用于产生多个电压的多个功能单元。需要可以为所述多次中的每次改变电压值的配置，并且因此电路规模增大。作为对此的对策，可以为每次使用相同的电压。在此情况下高光溢出控制电压的最优值可以为在最后一次执行抗高光溢出快门时电荷检测单元可以保持与电荷检测单元的饱和电荷量相对应的电荷量时的电压。换句话说，所述多次中的每次的高光溢出控制电压可以被共同地设置至电荷检测单元可以保持(N-1)×Hs/N的电荷量时的值，并且抗高光溢出快门可以以Ts/N时间间隔被执行N-1(N≥2)次。

此外，优选地在电荷检测单元开始电荷检测之后经过2×Ts/N时间时执行第一次抗高光溢出快门。此外，优选地将高光溢出控制电压设置至电荷检测单元可以保持Hs/2的电荷量时的值。

可以共同使用根据该实施例执行抗高光溢出快门的技术与使用通过向传输单元供应中间电压而获得的信号来扩展动态范围的技术。这里，为了实现扩展动态范围的技术，例如，优选地，该配置包括：第一驱动单元，其被驱动来以第一电荷检测周期读取在单元构成元件中存储的信号电荷并且将从器件部分读出的信号电荷输出为第一图像信号；以及第二驱动单元，被驱动来，在第一电荷检测周期中，读取在输出第一图像信号的单位构成元件中与根据驱动传送单元的时间间隔确定的第一电荷检测周期成比例地存储的信号电荷，并且作为具有与第一图像信号不同的灵敏度的第二图像信号从器件部分输出读出的信号电荷。

在此情况下，优选地，第二驱动单元被驱动来，在第一曝光周期中，读取在输出第一图像信号的单元构成元件中与多个曝光时间成比例地存储的信号电荷，所述多个曝光时间是通过驱动传输单元的时间间隔而确定的，并且依序将从器件部分读出的信号电荷输出为具有与第一图像信号不同的多个灵敏度的图像信号。

作为用于实现扩展动态范围的技术的其他形式，供电电压控制部分包括：第一供电电压控制单元，其向传输单元供应第一控制电压；第二供电电压控制单元，其依序向传输单元供应具有与第一控制电压不同的电压的一个或多个第二控制电压；以及第三供电电压控制单元，其在一个或多个第二控制电压的供应之前供应与一个或多个第二控制电压中的任一个具有相同电压值的第三控制电压一次或多次。在该情况下，为了获取图像信号，优选地，第一驱动单元被驱动来在第一控制电压被供应时读取传输单元所传输的信号电荷，以及第二驱动单元被驱动来在第二控制电压被依序供应时读取传输单元所传输的信号电荷一次或多次。

下文中，向传输单元供应第二控制电压也可以被描述为“执行”(或“施加”)用于中间读出的中间快门。第二控制电压也可以被描述为“用于中间读出的控制电压”或者“用于中间读出的中间电压”。供应第三控制电压也可以被描述为“执行”(或“施加”)用于抑制阈值变化的中间快门。第三控制电压也可以被描述为“用于抑制阈值变化的控制电压”或者“用于抑制阈值变化的中间电压”。用于中间读出的中间电压和用于抑制阈值变化的中间电压可以被集合，并且也可以被简单地描述为“中间电压”。

在保持在电荷检测单元中存储的电荷的一部分的状态下，第二控制电压被设置至传输单元可以传输超过该保持量的存储电荷时的电压。在此情况下第二控制电压的最优值可以为在用于中间读出的中间快门被执行一次或多次时电荷检测单元可以保持与电荷检测单元的饱和电荷量相对应的电荷量时的电压。换句话说，在假设从通过电荷检测单元开始进行电荷检测到本次施加用于中间读出的中间快门所占的时间为Trd、并且电荷量在存储时间Ts处达到电荷检测单元的饱和电荷量Hs的情况下，完全适合于将用于中间读出的控制电压设置至电荷检测单元可以保持Trd×Hs/Ts的电荷量时的值。

优选地，附加地提供复位单元，其在第一控制电压的供应和第二控制电压的供应之前将存储传输单元所传输的电荷的电荷存储单元复位至预定电势。电荷存储单元可以由浮动扩散或浮动栅极来表示，但不限于此。

更优选地，当第三控制电压在第二控制电压的多次供应之前时，第三供电电压控制单元可以以相同时间间隔将第三控制电压供应多次。此外，第三供电电压控制单元可以在多次供应中以不同时间间隔来供应第三控制电压。此外，第二供电电压控制单元可以在多次供应中供应具有不同电压值的第二控制电压。

单元构成元件可以被配置为具有放大晶体管，其将传输单元从电荷检测单元传输的信号电荷放大为信号电压。在此情况下，第一驱动单元和第二驱动单元被驱动来通过放大晶体管读取传输单元传输到该放大晶体管的信号电荷。此外，第一驱动单元和第二驱动单元可以被配置为具有电荷传输单元，其传输由传输单元从电荷检测单元所传输的信号电荷，并且在此情况下，第一驱动单元和第二驱动单元被驱动来通过该电荷传输单元读取由传输单元传输到该电荷传输单元的信号电荷。

为了读取由传输单元传输的信号电荷，第一驱动单元和第二驱动单元可以具有：通过扫描而依序选择单元构成元件的2D排列中的一行或多行并向传输单元供应第一到第三控制电压的功能单元；以及执行选择一行或多行并且在通过逐行扫描而选择行之前向传输单元供应第一到第三控制电压多次的操作的功能单元。

例如，如果入射光较弱，电荷检测单元产生的电荷降低，并且信号电荷不超过通过施加第二控制电压而造成的传输单元的电势。相应地，检测电荷被保持在电荷检测单元中，并且然后通过施加最终的第一控制电压而被完全传输从而被读取为信号电平。另一方面，如果入射光较强，电荷检测单元产生的电荷增多，并且信号电荷的一部分超过通过施加第二控制电压而造成的传输单元的电势以便要被传输。该部分顺序地被读取为信号电平。由此，在低光强度时，可以在充分曝光时间之后在没有信号变差的情况下通过完全传输读取信号，然而，在高光强度时，分阶段读出超过通过施加第二控制电压而造成的传输单元的电势的多余量，最终制备了具有宽动态范围的合成图像。

在创建“合成图像”时，以下操作是优选的。关于通过供应中间电压多次经过中间传输所获得的信号，通过利用预定饱和电平裁剪通过供应中间电压多次经过中间传输所获得的信号并将所述信号相加，可以获得连续的输入/输出特性。例如，在第i次读出的典型曝光中，通过供应第一控制电压而以高S/N输出高达典型饱和电平的完全传输的结果，而在第(i-1)次传输中，利用电荷检测周期(曝光时间)的1/2执行中间传输以便使得动态范围可以近似为两倍。此外，在第(i-2)次传输中，利用电荷检测周期的1/8执行中间传输以便使得动态范围可以近似为八倍，并且通过在相应的饱和电平的附近裁剪它们并将它们相加，可以获得连续特性。使用帧存储器来执行通过执行这样的裁剪和相加而得到高S/N和宽动态范围的处理，该帧存储器用于存储在被安装在固态成像器件的后端的信号处理电路中被读取多次的图像。然而，该处理示例仅仅是示范性的，并且这样的功能单元可以被安装在固态成像器件中。也就是说，通过在固态成像器件上装配帧存储器，还可以采用其中固态成像器件执行处理并仅仅输出最终图像的配置。可以采用任何配置，只要保留了多次读取的图像即可，例如，也可以采用个人计算机等来执行处理。

例如，通过在电荷检测周期(曝光周期)中供应一个或多个第二控制电压而读取信号直至在电子快门关闭之后执行用于向传输单元供应第一控制电压的完全传输，在低强度区域中确保高S/N的状态下，也获取了高强度区域中的信息。此外，通过使用多个中间电压(第二控制电压和第三控制电压)传输信号多次并且将电荷存储单元复位至规定电势，在无需关于第三控制电压的供应而执行读取一次或多次的情况下，可以有效地抑制传输单元(具体地，传输晶体管)的阈值差。

此外，如果在中间读出操作期间施加的中间电压(第二控制电压)的值不同于在之前施加的用于抑制传输单元的阈值变化的中间电压(第三控制电压)的值，则不能充分地抑制预定特性变化。“预定特性变化”可以是正被供应的中间电压的偏移值、在像素排列中中间电压的偏移值、在像素排列中向传输单元施加中间电压所处的时间的变化、以及在传输中间电压时残留电荷传输的量。此时，优选地，第二控制电压和第三控制电压为“相同电压值”。由于“相同电压值”不仅仅意味着电压值彼此完全相等的情况，因此可能存在在若干百分比(％)范围内的一些误差。

在扩展这样的动态范围的技术中，优选地，单元构成元件是具有破坏性读出的传输单元的像素。第一图像信号是具有第一曝光时间的高灵敏度图像信号，并且第二图像信号是具有在第一曝光时间内设置的第二曝光时间的低灵敏度图像信号。从相同的单元构成元件中读出第一图像信号和第二图像信号，而没有在空间上对器件部分(像素排列)进行划分。由于可以将利用第二曝光时间的存储操作设置在第一曝光时间内的任何定时，因此读取第二图像信号的定时变为任何时间。通过这样，不需要取决于最短曝光时间间隔的高帧速率，并且利用由图像信号的读取次数所确定的帧速率可以获得具有较短曝光时间的图像信号。当在第一曝光时间内设置第二曝光时间时，不需要在时间上划分帧周期。相应地，为了最大地确保与帧周期相等的时间作为第一曝光时间，由于在第二曝光时间中寻求扩展动态范围，因此可以在不降级第一图像信号的灵敏度的情况下获取高S/N(高质量)图像信号。由于在低光强度时不缩窄典型饱和电平可以进行具有线性和高S/N的信号获取、以及由于即使关于具有典型饱和电平或更高电平的入射光在线性范围中实现了良好的S/N而可以扩展动态范围，因此，在各种环境下在环境光改变时，关于具有低光强度的场景可以获取具有高S/N的高质量图像，并且可以以线性响应获取高强度场景中具有高质量图像的少饱和的图像。此外，即使在具有其中低强度和高强度共存的高对比度的场景中，由于在低强度部分中保持了高S/N，因此可以避免高强度部分的饱和。

如果将抗高光溢出快门施加于扩展动态范围的技术，抑制了高光溢出现象，并且可以获取具有宽动态范围的图像。这里，优选地，高光溢出快门不对用于产生宽动态范围图像的第二图像信号的获取施加影响。由此，在供应用于抑制高光溢出的控制电压的时间点与供应第一控制电压的时间点之间，在能够确保用于获取第二图像信号的时间的范围内，将用于抑制高光溢出的控制电压供应至传输单元。用于获取第二图像信号的时间(也被描述为“用于短时存储的存储时间”)可以是向传输单元供应第三控制电压的时间点与向传输单元供应第二控制电压的时间点之间的时间间隔，或者在每次向传输单元供应第二控制电压之前向传输单元供应第三控制电压多次的情况下可以是用于使得第三控制电压之间的时间间隔彼此相等的时间间隔。例如，在以α(＝Ts/N)的时间间隔执行抗高光溢出快门(N-1)次的情况下，优选地，仅仅在与短时存储的存储时间T之间的关系为α≥T的情况下，增加抗高光溢出快门。通过这样做，可以避免高光溢出，而对用于扩展动态范围的中间快门的效果不施加影响。可以获取具有更少高光溢出的高质量图像，而对用于通过中间电压快门和中间读出而扩展动态范围的信号输出不施加影响。

此外，根据该实施例的配置可以被施加于将各种物理量改变检测为电荷量改变的任何情况，而不受限于配备有对于外部输入的电磁波(诸如光或辐射)具有灵敏度的电荷检测单元的固态成像器件。例如，根据该实施例的配置可以被施加于检测物理改变的其它设备，诸如指纹识别设备，对于指纹信息，其在电特性或光特性基于压力的改变的基础上检测指纹的图像。例如，根据本公开的技术可以被施加于触摸面板中的检测单元。此外，尽管在计算机设备领域中使用了对于指纹信息在电特性或光特性基于压力的改变的基础上检测指纹图像的指纹识别设备，但这是将已经被单元构成元件(固态成像器件中的像素)转换为电信号的物理量分布读取为电信号，并且由此可以将本公开的技术施加于此。在电子设施上装配的照相机模块也可以被称为成像装置。下文中要描述的配置可以被表示为固态成像器件和在其上装配了固态成像器件的成像装置，但不限于此，而是可以被施加于具有成像功能的各种电子设施。如可以由此理解的，本公开的技术不限于在所附权利要求书中描述的技术，可以将物理量分布检测半导体器件或具有功能器件(诸如电荷检测器件、电荷传输器件、或固态成像器件)的物理信息获取设备提取为根据本公开所提出的技术。此外，在说明书中，除非另有说明(例如，作为在该部分中分离地描述的点)，物理量分布检测半导体器件是为了固态成像器件(换句话说，物理量分布检测半导体器件包括固态成像器件)而描述的，并且物理信息获取设备是为了成像装置(换句话说，物理信息获取设备包括成像装置)而描述的。

<固态成像器件：基本配置和操作>

下文中，作为示例，将描述其中使用CMOS固态成像器件作为器件的情况，CMOS固态成像器件是X-Y地址类型的固态成像器件的示例。除非另有说明，假设：所有单元像素都为nMOS(n沟道MOS晶体管)，在CMOS固态成像器件中信号电荷是负电荷(电子)。然而，这是示范性的，该器件不限于MOS固态成像器件。单元像素可以被配置为pMOS(p沟道MOS晶体管)，信号电荷可以是正电荷(空穴)。下文中将描述的所有类型可以相同地施加于其中在一条线上或者在矩阵中排列多个单元像素并且通过地址控制读取信号的所有物理量分布检测半导体器件，所述多个单元像素对外部输入的电磁波(诸如光或辐射)灵敏。

[基本配置]

图1是作为固态成像器件的一个实施例的CMOS固态成像器件(CMOS图像传感器)的基本配置图。固态成像器件是半导体器件的示例。图2是解释图1所示的固态成像器件1的信号获取差分处理的时序图。

固态成像器件1具有像素阵列单元10，其中在2D矩阵上排列了多个单元像素3(单元构成元件的示例)。固态成像器件1使用颜色分离过滤器，其中RGB滤色器是Bayer排列的，并且由此像素阵列单元10可以对应于彩色成像。在图1中，由于简化而省略了行和列中的部分。然而，在实现中，在每行或每列中排列几十至几千个单元像素3。如下文中描述的，单元像素3例如具有放大器，在每个像素中，除了配备有作为检测单元示例的光电检测器的光电二极管之外，还配备有三个或四个晶体管用于电荷传输、复位或放大。在像素阵列单元10中，单元像素3是二维排列的。排列形式不限于2D各格子，而可以是其中单元像素3在倾斜格子上排列的排列或者单元像素3在蜂窝状网上的排列。此外，在像素共享配置的情况下，像素阵列单元10被配置为具有图中被包括在单元像素组2中的单元像素3。也就是说，在像素共享期间，像素阵列单元10被配置为使得在行或列上排列像素共享配置的单元像素组2，其中，多个单元像素3共享单元像素3的部分元件。

对于每行，通过垂直信号线19从单元像素3输出像素信号电压Vx。垂直信号线19的像素信号电压Vx在复位电平Srst(暗信号)之后示出了信号电平Ssig(光接收信号)，所述复位电平Srst包括参考电平的像素信号的噪声作为时间序列。例如，复位电平Srst是通过将复位分量Vrst加到馈电通道电平Sfeed而获得的电平。信号电平Ssig是通过将信号分量Vsig加到复位电平Srst而获得的电平，可以通过Ssig(＝Srst+Vsig)-Srst获得信号分量Vsig。该差分处理对应于CDS(相关双采样)处理。通过获取暗信号和光接收信号并且获取它们之间的差(电平差)，由于噪声分量以相同方式出现在暗信号和光信号两者上，因此在该差中包括的噪声变得相当低。

垂直信号线的一端延伸到列单元26侧，读出电流源单元24连接到其通路，操作电流(读出电流)被供应到垂直信号线19。操作电流供应单元24配备有用于每条垂直信号线19(列)的电流源240、以及每列共同使用的参考电流源单元248。

列单元26具有由采样保持电路构成的电路配置，所述采样保持电路采样并保持通过垂直信号线19输出的信号，或者包括采样保持电路和噪声消除电路，所述噪声消除电路通过CDS(相关双采样)处理来消除像素固有的复位噪声或固定图案噪声(诸如放大晶体管的阈值差)。然而，列单元26的这种配置仅仅是示范性的，而不限于此。例如，可以采用其中列电路16具有AD(模拟/数字)转换功能以将信号电平输出为数字信号。下文中，将描述其中列电路16具有AD转换功能的情况。

列单元26具有AD转换单元250，其具有CDS处理功能或数字转换功能并且以并联列被安装中。也就是说，在固态成像器件1中，为每列安装电流源240和AD转换单元250。列单元26包括比较单元252、计数操作周期控制单元253、以及计数器单元254，对于每一列，AD转换单元250被配置为一组功能单元，后面将描述其细节。术语“并联列”意味着：诸如CDS处理功能单元或数字转换单元(AD转换单元)之类的多个功能元件(在该示例中，AD转换单元250)相对于垂直列的垂直信号线19(列信号线的示例)被并联安装。该读出方法被称为列读出方法。在典型的列读出方法中，可以采用其中提供了垂直信号线19和AD转换单元250的列共享配置。然而，配置不限于此，并且可以采用所谓的其中相对于预定多列安装一个AD转换单元250的列共享配置。在此情况下，尽管未示出，然而在列单元26中安装可以相对于被预先确定的多列而选择一条垂直信号线19的垂直线选择单元。通过采用列共享配置，可以共享多个列中的比较器和计数器，可以降低列单元26在传感器芯片上占据的区域，并且降低制造成本。

固态成像器件1包括驱动控制单元7、向单元像素3供应用于读出像素信号的操作电流(读出电流)的读出电流源单元24、向列单元26供应用于AD变换的参考信号SLP_ADC的参考信号产生单元27、以及输出单元28。

驱动控制单元7包括用于实现依序读取像素阵列单元10的信号的控制电路功能的水平传输单元11、垂直扫描单元14(行扫描电路)、以及通信和定时控制单元20。水平传输单元11响应于来自通信和定时控制单元20的控制信号CN2来启动列扫描，指示在数据传输操作期间要读取的数据的列位置，以及在水平方向传输列单元26获取的像素数据。垂直扫描单元14具有用于控制行地址或行扫描的垂直地址设置单元14a或垂直驱动单元14b。垂直扫描单元14选择一行像素阵列单元10，供应用于该行的脉冲，并且响应于来自通信和定时控制单元20的控制信号CN1来启动行扫描。垂直地址设置单元14a除了选择信号读出行(读出行：也被称为选择行或信号输出行)之外还选择用于电子快门的行。

水平传输单元11除了可以执行用于水平地传输在水平方向上的全部像素的数据的典型读出处理之外，还可以执行用于仅水平地传输在水平方向上的一部分像素的像素数据的水平方向上一部分读出处理。水平传输单元11具有用于实现用于依序读取像素阵列单元10的信号的控制电路功能的水平扫描单元12(列扫描电路)。水平扫描单元12例如具有用于控制列地址或列扫描的水平地址设置单元12a或水平驱动单元12b，从而指示在数据传送操作期间要读取的数据的列位置。

单元像素3通过用于选择行的行控制线15连接到垂直扫描单元14，并且通过垂直信号线19连接到未列单元26的每个垂直列安装的AD转换单元250。行控制线15示出了从垂直扫描单元14进入像素的全部连线。

通信和定时控制单元20包括定时产生器(读出地址控制设备的示例)功能块，其向该设备中的相应单元(水平传输单元11、垂直扫描单元14、列单元26等)供应与通过端子5a输入的主时钟CLK0同步的时钟。此外，通信和定时控制单元20包括通信接口功能块，其通过端子5a接收从外部主控制单元供应的主时钟CLK0，通过端子5b接收从外部主控制单元供应的用于指示操作模式等的数据，以及将包括固态成像器件1的信息的数据输出到该外部主控制单元。例如，通信和定时控制单元20包括具有生成内部时钟的功能的时钟变换单元20a、以及具有通信功能和控制相应单元的功能的系统控制单元20b。时钟变换单元20a具有内置倍增器(multiplier)电路，其基于通过端子5a输入的主时钟CLK0产生比主时钟CLK0更高频率的脉冲，并且产生内部时钟，诸如计数时钟CKcnt1和计数时钟CKdac1。

输出单元28包括信号放大单元402(感测放大器SA)和数字接口单元406(DIF)，该数字接口单元406具有固态成像器件1和外部之间的接口功能。信号放大单元402检测水平信号线18上的信号，该水平信号线18是利用水平传输单元11进行数据传输的信号线(传输连线)。根据需要，输出单元28可以具有安装在信号放大单元402和数字接口单元406之间的用于执行各种数字操作处理的数字操作单元404(SIG)。数字接口单元406被布置在信号放大单元402和外部电路之间，以便实现与外部电路的接口功能。数字接口单元406的输出连接到输出端子5c，以及图像数据通过输出端子被输出到随后电路。

[列AD电路和参考信号产生电路的细节]

作为AD转换单元250中的AD转换方法，已经从电路规模、处理速度(加速)或分辨率的视角考虑了各种方法。作为示例，采用被称为参考信号比较型、斜率积分型、或灯信号比较型。该方法具有以下特征：可以利用简单配置实现AD变换器，并且即使它们被并联，电路规模也不增加。在参考信号比较型AD变换器中，基于从变换开始(比较处理开始)到变换结束(比较处理结束)所占的时间来确定计数操作有效时段Ten(这里，指示该时段的计数使能信号EN)，并且要处理的信号被基于该时段中时钟的数量而被转换为数字数据。

通过比较处理获得信息为具有与模拟信号(这里，像素信号电压Vx)的大小相对应的时间信息的脉冲信息。在参考信号比较型AD变换器中，基于通过比较处理获得的脉冲信息(时间信息)来确定计数处理的有效时段，执行在计数处理的有效时段中以恒定速率改变值的计数处理。作为典型示例，使用计数器，在一个参考时钟周期中最低有效位被逐一地改变。通过此处理获得的计数值被获取为根据模拟信号的大小的数字数据。当然，可以执行以恒定速率改变值的计数处理，配置不限于使用计数器的配置，而是可以作出各种修改。例如，可以使用用于在参考时钟周期中保持加法器或减法器的结果的数据保持单元(锁存器)来提供循环配置，以便每次以恒定速率(在该典型示例中为1)作出改变值。

在采用参考信号比较型AD变换器的情况下，可以考虑在每个AD转换单元250中安装参考信号产生单元27。例如，对于每个AD转换单元250安装比较器和参考信号产生器，以便基于比较器的比较结果依序通过对应列的参考信号产生器改变参考信号值。然而，这造成电路规模和功率消耗增加。在该实施例中，采用对于所有AD转换单元250共同使用参考信号产生单元27的配置，在相应的AD转换单元250中共同使用从参考信号产生单元27产生的参考信号SLP_ADC。

由此，参考信号产生单元27(其具有DA转换单元270)(DAC：数字模拟转换器)将通过来自通信和定时控制单元20的控制数据CN4指示的初始值与计时时钟CKdac1同步，并且产生具有控制数据CN4所指示的斜率(改变速率)的参考信号SLP_ADC。计数时钟CKdac1可以被设置为等于用于计数器单元254所执行的计数处理的计数时钟CKcnt1。以下是足够的：参考信号SLP_ADC具有以某个总斜率线性改变的波形，以及改变可能以平滑斜率出现或者可以为逐步依序改变。

在参考信号比较型AD变换中，基于通过比较单元252进行的参考信号SLP_ADC和像素信号电压Vx之间的比较的结果，来确定计数操作有效时段Ten(指示该时段的信号被称为计数使能信号EN)，要处理的模拟信号被基于在计数使能信号EN有效的时段中计数时钟CKcnt1的时钟数量而转换为数字数据。参考电平(复位电平Srst)的处理被称为预充电阶段(可以简单地被称为P阶段)处理，信号电平Ssig的处理被称为数据阶段(可以简单地被称为D阶段)处理。在P阶段处理之后执行D阶段处理的情况下，D阶段处理变为通过将信号分量Vsig加到复位电平Srst所获得的信号电平的处理。作为计数操作有效时段Ten，存在：前半部分计数方法，其中执行计数直至P阶段和D阶段的比较输出被反转；后半部分计数方法，其中在P阶段和D阶段的比较输出被反转之后执行计数；以及前半部分和后半部分计数方法，其中P阶段和D阶段之一执行计数直至比较输出被反转，而P阶段和D阶段中的另一阶段在比较结果被反转之后执行计数。此外，在每种情况下，通过灵活地组合P阶段和D阶段计数模式或者控制在P阶段处理开始时设置的初始值，可以在列中执行CDS处理。发明人已经提出了多种参考信号比较型AD变换方法，诸如如何获得计数操作有效时段，是否在AD转换单元250中执行差分处理(CDS处理)等等，并且它们基本上可以被采用作为要在后面描述的实施例。作为示例，图2是参考信号比较型AD变换方法的操作时序图。

在任何处理示例中，原则上，向电压比较器供应参考信号SLP_ADC，将通过垂直信号线19输入的模拟像素信号与参考信号SLP_ADC彼此进行比较。在计数操作有效时段Ten中，时钟信号的计数开始，并且通过对在所指定的计时操作有效时段Ten中时钟数量进行计数来执行AD变换。

为了执行参考信号比较型AD变换，根据该实施例的列单元26的每列的AD转换单元250包括比较处理单元322(COMP：电压比较单元，比较器)、计数器控制信号产生单元332(EN产生单元)、以及计数处理单元351。在根据该实施例的列单元26中，在比较单元252(比较处理单元322)和计数器单元254(计数处理单元351)之间排列计数操作时段控制单元253(计数器控制信号产生单元332)。优选地，计数处理单元351可以切换向上计数模式和向下计数模式(向上-向下计数器)。使用该向上-向下计数器，可以在不增大电路规模的情况下实现高帧速率。相应的AD转换单元250的一组比较处理单元322构成比较单元252。相应的AD转换单元250的一组计数器控制信号产生单元332构成计数操作时段控制单元253。相应的AD转换单元250的一组计数处理单元352构成计数器单元254。

比较单元252(比较处理单元322)将参考信号产生单元27(DA变换单元270)产生的参考信号SLP_ADC与可以通过垂直信号线19(H1，H2，...，和Hh)从所选择的行的单元像素3获得的模拟像素信号电压Vx进行比较。当参考信号SLP_ADC与像素信号电压Vx一致时，比较处理单元322反转比较脉冲Co(比较器输出)。

计数操作时段控制单元253的计数器控制信号产生单元332基于比较输出Co和来自通信和定时控制单元20的控制信息产生计数使能信号EN以便将所产生的计数使能信号EN供应给计数处理单元351，并且控制计数处理单元351的计数操作时段。这里，根据按照本公开的配置的特征，逐列向计数器控制信号产生单元332输入用于控制计数操作时段控制的开/关的列停止信号CLMSTP_n(后面将描述其细节)。由于停止了未选择的列(不需要对其上的像素数据进行水平传输)的计数操作时段控制功能，因此降低了功率消耗。

从通信和定时控制单元20向每个AD转换单元250的计数处理单元351，输入用于指示控制信息的控制信号CN5，所述控制信息诸如计数处理单元351是以向下计数模式还是以向上计数模式执行P阶段和D阶段的计数处理、以及在P阶段的计数处理中设置初始值Dini还是进行复位处理。

通过参考信号产生单元27产生的参考信号SLP_ADC被共同地输入到一个比较处理单元322的输入端子(+)和另一个比较处理单元322的输入端子(+)。比较处理单元322的另一输出端子(-)连接到对应的垂直列的垂直信号线19，并且向其输入来自像素阵列单元10的像素信号电压Vx。

来自通信和定时控制单元20的计数时钟CKcnt1被共同地输入到计数处理单元351的时钟端子CK和另一计数处理单元351的时钟端子CK。计数处理单元351具有保持计数结果的锁存功能。

相应的AD转换单元250的输出(具体地，计数器单元254的计数处理单元351)连接到水平传输单元11。此外，在计数处理单元351(其使得管线水平传输成为可能)的后端，可以采用配备有作为存储器器件的数据存储单元(其具有用于保持计数处理单元351的计数结果的锁存器)的配置。该锁存器保持并存储在确定定时从计数处理单元351输出的计数数据。管线水平传输是以下处理，其并行地执行在AD转换单元250中列处理(AD转换或CDS处理)和像素数据的水平传输。

例如，在图2所示的示例中，计数器单元254从初始值“0”开始向下计数，作为P阶段计数操作。也就是说，计数器单元254沿着负(-)方向开始计数处理。电压比较单元252将来自参考信号产生单元27的参考信号SLP_AD与通过垂直信号线19输入的像素信号电压Vx进行比较，并且当两者的电压变得彼此相等时，电压比较单元252将比较器结果从H电平反转至L电平。响应于该结果，计数器单元254几乎与比较器输出的反转同时地停止计数操作，并且将此时的计数值(考虑符号“-Drst”)锁存(保持和存储)为像素数据以便完成AD转换。如果经过了预定的向下计数时段，则通信和定时控制单元20使得数据保持控制脉冲HLDC有效为H(t14)。通过这样，参考信号产生单元27停止产生参考信号SL_ AD(t14)，并且返回初始电压SLP_ini。在P阶段处理期间，由于电压比较单元252检测像素信号电压Vx的复位电平Vrst并且计数器单元254执行计数操作，则单元像素3的复位电平Vrst被读取并且复位电平Vrst的AD转换被执行。

继续，在作为信号电平Ssig的AD转换时段的数据阶段(D阶段)的信号获取期间，除了复位电平Vrst之外，根据每个单元像素3的入射光量的信号分量Vsig也被读取，并且执行与P阶段读出相同的操作。也就是说，通信和定时控制单元20首先通过使得计数模式控制信号UD处于高电平而将计数器单元254设置处于向上计数模式(t16)。此时，在单元像素3中，在要读取的行Vn的垂直选择信号处于有效状态H(t18至t19)的状态下，通过使得传输信号有效为H来将信号电平Ssig读取至垂直信号线19。在垂直信号线19(H1，H2，...)上的信号电平Ssig聚集并且变得稳定时，通信和定时控制单元20使用数据保持控制脉冲HLDC作为控制数据CN4并且使得数据保持控制脉冲HLDC无效为L，从而与计数器单元254中计数操作的开始同步地开始参考信号SLP_AD的改变(t20)。相应地，参考信号产生单元27输入从初始电压SLP_ini开始的逐步的或线性形状的电压波形作为参考信号SLP_AD，其整体上具有时变锯齿形状(RAMP形状)并且与P阶段具有相同的斜率，所述参考信号SLP_AD作为输入到电压比较单元252的一个输入端子RAMP的比较电压。电压比较单元252将参考信号SLP_AD与从像素阵列单元10供应的垂直信号线19的像素信号电压Vx进行比较。与参考信号SLP_AD输入到电压比较器252的输入端子RAMP同时地，电压比较单元252中的比较时间与从参考信号产生单元27产生的参考信号SLP_AD同步，并且由在每行中排列的计数器单元254作出测量。作为D阶段计数操作，计数器单元254读取P阶段，并且从在AD转换器件获取的像素信号电压Vx的复位电平Srst的数字值Drst(这里，负(-)值)开始向上计数(其与P阶段计数操作相反)。也就是说，沿正(+)方向的计数处理开始。

电压比较单元252将来自参考信号产生单元27的参考信号SLP_AD与通过垂直信号线19输入的像素信号电压Vx进行比较，并且当两者的电压变得彼此相等时，电压比较单元252将比较器输出从H电平反转至L电平(t22)。响应于该结果，计数器单元254几乎与比较器输出的反转同时地停止计数操作，并且锁存(保持和存储)此时的计数值作为像素数据，以便完成AD转换(t22)。通过利用计数时钟CKcnt1对通过电压比较单元252执行的比较处理所获得的有效的低(L)脉冲信号(其沿时间轴方向具有一尺寸)的宽度进行计数，获得与像素信号电压Vx中的信号电平Ssig相对应的计数值。如果经过了预定的向上计数时段，则在单元像素3中，通过使得要读取的行Vn的垂直选择信号无效为L来禁止像素信号输出至垂直信号线19，并且使得相对于要读取的下一行Vn+1的垂直选择信号有效为H(t26)。此时，通信和定时控制单元20准备好用于要读取的下一行Vn+1的处理。例如，通信和定时控制单元20通过使得计数模式控制信号UD处于低电平而将计数器单元254设置处于向上/向下计数模式。在D阶段处理期间，由于电压比较单元252检测像素信号电压Vx的信号电平Ssig以执行计数操作，因此单元像素3的信号分量Vsig被读取并且信号电平Ssig的AD转换被执行。

这里，由于信号电平Ssig是通过将信号分量Vsig加到复位电平Srst而获得的电平，因此信号电平Ssig的AD转换的结果的计数值基本上为“Drst+Dsig”。然而，由于向上计数的开始点为“-Drst”，其为复位电平Srst的AD转换的结果，因此实际上保持的计数值变为“-Drst+(Dsig+Drst)＝Dsig”。

也就是说，在该实施例中，由于计数器单元254在P阶段处理期间执行向下计数，而在D阶段处理期间执行向上计数，因此在计数器单元254中自动地执行在作为复位电平Srst的AD转换的结果的计数值“-Drst”和作为信号电平Ssig的AD转换的结果的计数值“Drst+Dsig”之间的差分处理(减法处理)，并且依据该差分处理的结果的计数值Dsig被保持在计数器单元254中。被保持在计数器单元254中的所述依据该差分处理的结果的计数值Dsig遵从信号分量Vsig。

如上所述，通过两次读出和计数处理(诸如在P阶段处理期间的向下计数以及在D阶段处理期间的向上计数)进行的计数器单元254中的差分处理，可以去除包括了每个单元像素3的差异的复位电平Vrst，并且通过简单且容易的配置可以获取仅仅根据每个单元像素3的入射光量的信号分量Vsig的AD转换的结果。相应地，该实施例中的列AD电路25不仅操作为将模拟像素信号转换为数字像素信号的数字转换单元，而且还操作为CDS(相关双采样)处理功能单元。如果在计数器单元254的后端提供数据存储单元，则在计数器单元254的操作之前，可以基于来自通信和定时控制单元20的存储器传输指令脉冲将前一行Hx-1的计数结果传输到该数据存储单元。也就是说，在AD转换时段完成之后，计数器单元254中的数据被保存到数据存储单元，并且列AD电路25开始下一行Vx+1的AD转换。行扫描电路12可以依序选择数据存储单元中的数据，并且可以使用输出电路28读取数据存储单元中的数据。

根据该实施例中的基本配置，计数器单元254(其计数处理单元351)执行CDS处理。然而，处理不限于此。复位电平Srst的P阶段数据和信号电平Ssig的D阶段数据可以被单独地传输到输出单元28，并且可以由位于AD转换单元250后端的数字操作单元404执行CDS处理。

使用诸如半导体集成电路制造技术之类的技术，将驱动控制单元7的每个元件(诸如水平传输单元11或垂直扫描单元14)与像素阵列单元10一起集成地形成在诸如单晶硅之类的半导体区域上以便形成一个芯片(在相同的半导体基板上安装的)，并且配置根据该实施例的固态成像设备1。固态成像设备1可以处于一个芯片的形式，其中在半导体区域上集成地形成每个单元，或者尽管未在图中示出，可以处于一个模块的形式，其中多个不同类型的信号处理单元(诸如像素阵列单元10、驱动控制单元7、列单元26灯)以及光学系统(诸如摄影镜头、光学低通滤波器、红外截止滤光器等)被集合并且被封装以便进行成像功能。

[固态成像设备的基本操作]

图3是集中于AD转换处理和CDS处理的固态成像设备1的简单电路图。在图3中，省略了计数操作时段控制单元253。

除了电荷产生单元32之外，单元像素3还配备有四个晶体管作为基本元件，其构成了像素信号产生单元5。晶体管包括读出选择晶体管34(构成传送单元)、复位晶体管36、垂直选择晶体管40、以及放大晶体管42。通过从传送驱动缓冲器BF1向传输线55(传输控制线)供应的传输信号TR，来驱动构成传输单元的读出选择晶体管34。通过从复位驱动缓冲器BF2向复位线56(复位控制线)供应的复位信号RS，来驱动构成初始化单元的复位晶体管36。通过从行选择驱动缓冲器FB3向垂直选择线52(选择控制线)供应的垂直选择信号VSEL，来驱动垂直选择晶体管40。

电荷产生单元32是由光电检测器(诸如光电二极管)构成的检测单元的示例。电荷产生单元32被配置为使得：光学检测器的阳极连接到低电势侧的参考电势Vss，其阴极连接到读出选择晶体管34的源极。参考电势Vss可以是地电势GND。读出选择晶体管34(传输门)具有连接到一连接节点的漏极，在所述连接节点处，复位晶体管36、浮动扩散38(存储单元的示例)、以及放大晶体管42被连接在一起。复位晶体管36具有连接到浮动扩散38的源极、以及连接到复位电源Vrd(典型地，与电源Vdd共同)的漏极。通过读出选择晶体管34的导通，像素信号产生单元5(典型地，浮动扩散38)读取在电荷产生单元32中已经产生并保持的电荷，并且电荷产生单元32的保持电荷量被降低至该程度。也就是说，这里出现的单元像素3变为破坏性读出的像素配置。

垂直选择晶体管40例如具有与放大晶体管42的源极连接的漏极、与像素线51连接的源极、以及与垂直选择线52连接的栅极(具体地，被称为垂直选择栅极SELV)。放大晶体管42具有与浮动扩散38连接的栅极、与电源Vdd连接的漏极、以及通过垂直选择晶体管40与像素线51连接的源极。此外，像素线51连接到垂直信号线19。在另一连接示例中，垂直选择晶体管40具有与电源Vdd连接的漏极、以及与放大晶体管42的漏极连接的源极。此外，放大晶体管42的源极可以连接到像素线51。

垂直信号线19的一端延伸到列单元26侧，读出电流源单元24连接到其路径。操作电流供应单元24的每列的电流源240相对于垂直列具有负载MOS晶体管，形成电流镜电路，并且相对于垂直信号线19起作用为恒流源242，所述电流镜电路的栅极连接在公用于各个列的参考电流源单元248和负载MOS晶体管之间。此外，在放大晶体管42和垂直信号线19之间采用源极跟随器配置，其供应基本上恒定的操作电流(读出电流)。

参考信号产生单元27包括DA转换单元270和电阻器单元340。尽管未示出，DA转换单元270具有作为恒流源、计数器单元、偏移产生单元、电流源控制单元和参考电流源单元(其设置规定电流I_0)的组合的电流源单元，并且变为电流输出型DA转换电路。具有电阻值R_340的电阻器单元340连接到电流源单元的电流输出端子，作为电流电压转换单元。电流源单元、电流源控制单元、电阻器单元340构成电流电压转换单元，并且在电流源单元和电阻器单元340之间的连接点处产生的电压被用作参考信号SLP_ADC。

每列的垂直信号线19连接到比较处理单元322的一个端子(在该示例中，反向输入端子)。通过这样，像素信号电压Vx被通过垂直信号线19供应到列单元26的AD转换单元250。在AD转换单元250中，AD转换单元250的比较处理单元322将从单元像素3读取到垂直信号线19的像素信号电压Vx与参考信号SLP_ADC进行比较。此外，计数器控制信号产生单元332(未示出)在计数器使能信号EN的基础上操作计数处理单元351，与计数操作一一对应地改变参考信号电势，并且将垂直信号线19的像素信号电压Vx转换为数字数据。

此外，在单元像素3中，像素信号产生单元5的配置不限于上述的四个晶体管，而是可以为三个晶体管的配置，其中省略了垂直选择晶体管40并且放大晶体管42也被用作垂直选择晶体管40，或者可以为其中在多个单元像素之间共享放大晶体管42的配置。

[抗高光溢出快门]

[关于高光溢出现象]

图4A到4E是解释高光溢出现象的图。这里，图4A示出了在未采用根据该实施例的抗高光溢出的情况下(下文中称为“在典型驱动的情况下”)的像素驱动定时的示例，图4B是解释了在入射光量较弱时的电势改变的图，图4C是解释了在入射光量较强时的电势改变的图。图4D是图示在此情况下的存储时间(曝光时间)和在电荷产生单元32中存储的电荷量之间的关系的图，并且图4E是图示高光溢出现象(其中电荷溢出到相邻像素中)的示例的图。

作为示例，图4A示出了图3所示的四个晶体管的配置的情况(没有像素共享)。在该情况下的典型驱动中，如图4A所图示的，电荷产生单元32和浮动扩散38在时段T1中被利用预定电压复位，在时段T2中所接收的光被光电转换为信号电荷(在示例中，电子)，以便被存储在电荷产生单元32中。浮动扩散38在时段T4(其是时段T2的后一半)中被复位，并且此时浮动扩散38的电压被读取为复位电平。在此后的预定时间之后，通过在时段T3中向读出选择晶体管34的栅极供应传输脉冲TR(其有效电平：在该示例中，高电平)而存储在电荷产生单元32中的信号电荷被传输到浮动扩散38，并且此时浮动扩散38的电压在时段T5中被读取为信号电平。

在此情况下，在其中入射光量大得不足以使电荷产生单元32饱和(暗：在入射光较“弱”时)的规定曝光时间中，如图4B所示，在电荷产生单元32中存储的信号电荷不超过在曝光期间电荷产生单元32的可存储量，并且所有信号电荷被传输至浮动扩散38。如果浮动扩散38的电压在时段T5中被读取为信号电平，则如图4D中实线所示地读取未达到饱和电平的信号。

另一方面，在其中入射光量大得足以使电荷产生单元32饱和(明：在入射光较“强”时)的规定曝光时间中，如图4C所示，在电荷产生单元32中存储的信号电荷在曝光期间溢出，并且其部分溢出到相邻像素。如果浮动扩散38的电压在时段T5中被读取为信号电平，则如图4D中虚线所示地读取已经达到饱和电平的信号。

如图4E所示，在图像传感器中比在存储时间中饱和的像素更量的像素中，出现所谓的高光溢出现象，其中，信号电荷超过饱和信号电平并且溢出到相邻像素中。高光溢出造成过曝光区域的扩展或图像质量的变差(诸如错误颜色)。此外，在图4E中，R表示红色像素，G表示绿色像素，B表示蓝色像素。

[对抗高光溢出现象的对策的原理]

图5A、5B和6A到6D是解释对抗高光溢出现象的对策的原理。为了避免上述的高光溢出现象，对传输门(读出选择晶体管34)施加使用中间电压的电子快门。典型的传感器是向其给出了用于导通/截止传输门的二值电压中的用于导通传输门(读出选择晶体管34)的电压的电子快门，理想地，电荷产生单元32(诸如光电二极管)的所有电荷被传输(其被称为“完全传输”)到像素信号产生单元5侧(例如，浮动扩散38区域)。另一方面，如图5A所示，向传输门给出用于导通/截止传输门的二值电压之间的电压(其被称为抗高光溢出控制电压或BM控制电压)，并且根据向其给出了BM控制电压的电子快门(其被称为抗高光溢出快门或BM快门)，如图5B所示，即使在对应的BM快门操作之后，期望电荷可以保留在电荷产生单元32中。

如从这些图中清楚可见的，根据BM控制电压Vbm的值，如图5A所示，可以在电荷产生单元32中存储不同量的电荷。此外，随着BM控制电压Vbm变得更高，所存储的电荷量变得更大，然而随着BM控制电压Vbm变得更低，所存储的电荷量变得更小。另一方面，电荷产生单元32可以具有与被BM快门释放到浮动扩散38的电荷量相同的曝光余量，直至其通过随后的曝光而饱和。此后，典型的导通电压被最终供应到通过连续曝光的传输门，并且执行完全传输来读取信号。通过降低BM快门相对于理想信号的超额电荷，可以实现具有降低的高光溢出量的高分辨率传感器。通过经过设置BM控制电压并从比饱和像素更亮的像素拉出额外电荷来执行快门操作，以避免高光溢出。

例如，图6A示出了入射光较弱并且信号电荷在存储时间Ts处没有达到饱和电荷量的情况。在该情况下，如果施加BM快门，则在电荷产生单元32中存储的信号电荷量没有达到超过由于施加BM控制电压Vbm而形成的传输门的电势的量，并且所产生并存储的电荷被释放至浮动扩散38(未被传输)。此后，通过继续曝光，在BM快门之后，继续存储信号电荷。最后，执行典型的快门操作(完全传输)以读取信号。通过这样做，可以适当地读出暗信号。

图6B示出了以下情况：其中，入射光较强，并且在电荷产生单元32中存储的信号电荷足够大以便在存储时间Ts处达到饱和电荷量，但是如果在中途施加BM快门，则信号电荷仍不能达到饱和电平。在该情况下，如果施加BM快门，则在由于施加BM控制电压Vbm而形成的传输门的电势之上，在电荷产生单元32中存储的信号电荷的一部分被释放(传输)至浮动扩散38，而与BM控制电压Vbm相对应的量保留在电荷产生单元32中。此后，通过继续曝光，在BM快门之后，从与BM控制电压Vbm相对应的量开始继续存储信号电荷。最后，执行典型的快门操作(完全传输)以读取信号。通过这样做，通过BM快门可以降低相对于理想信号的超额电荷，并且可以实现具有降低的高光溢出量的高分辨率传感器。

图6C示出了以下情况：其中，入射光非常强，并且在电荷产生单元32中存储的信号电荷非常大，即使施加BM快门，信号电荷已经达到饱和电平。在该情况下，在施加BM快门之前，在电荷产生单元32中存储的信号电荷超过饱和电平并且溢出到相邻像素(过溢)，此后，执行如图6B所示的操作。即使在此情况下，过溢到相邻像素的电荷量变得小于在不施加BM快门情况下的电荷量，由此抑制了高光溢出。

图6D示出了在图6C的BM快门之前防止过溢的一方面。在从电子快门后的时间点到图6C的BM快门时间点所占的时段中，连续地向传输门施加BM控制电压Vbm。也就是说，在电子快门之后，连续地施加BM快门直至图6C中的BM快门时间点。通过这样做，当在电荷产生单元32中存储的信号电荷在施加图6C的BM快门之前的超过饱和电平的情况下，在信号电平达到饱和电荷量Hs之前可以将电荷释放到浮动扩散38，并且因此填充相邻像素。

如上所述，根据该实施例的对抗高光溢出的对策，在低光强度时，可以通过完全传输读取充分曝光时间的信号，信号不会变差。另一方面，在高光强度时，超过与BM控制电压Vbm相对应的传输门的电势的额外量被释放到像素信号产生单元5侧(浮动扩散38)，可以在抑制了高光溢出现象的情况下提供高分辨率图像。

被BM快门传输到浮动扩散38的信号电荷可以被照原样保留或者可以通过复位操作被丢弃。此外，无论是否执行复位操作，其可以被读出为信号。在不执行复位操作的情况下，此时的信号被保持，并且被用来执行动态范围的扩展处理。

如果入射光格外强，浮动扩散38充满了由BM控制电压Vbm释放的电荷，并且在浮动扩散38中可能出现过溢现象。作为对策，优选地，通过执行复位操作，将在浮动扩散38中收集的不必要电荷吐出到复位电源Vrd侧。不必对每个BM快门执行复位操作，并且在适当定时执行复位操作是足够的。如果凹陷结构(depression structure)被用作复位晶体管36，则即使复位晶体管36处于截止状态(未被选择状态)漏电流仍可以流动。相应地，使用该特征，可以在浮动扩散38过溢之前自然地将在浮动扩散38中聚集的不必要电荷吐出到复位电源Vrd。在将使用具有凹陷结构的复位晶体管36的特征将不必要电荷释放到复位电源Vrd的情况下，如果BM控制电压Vbm变得更接近规定H电平的电压，不必要电荷的量的增加变得更快。相应地，通过复位晶体管36释放不必要电荷的功能可能太迟，并且由此浮动扩散38可能过溢。为了精确地将不必要电荷释放到复位电源Vrd，而不使浮动扩散38过溢，优选地，BM控制电压Vbm稍低于规定H电平的电压。如果BM快门的定时、以及BM控制电压Vbm的设置条件1)和2)被满足，则该条件被清除。

<BM快门定时和控制电压>

[基本设置：每个BM快门的BM控制电压]

图7到9B是解释BM快门的定时和BM控制电压Vbm的设置条件的基础的图。该基本设置是设置对每个BM快门最优的BM控制电压Vbm的方法。

下文中，作为假设，定义：固态呈现器件1在存储时间Ts处达到饱和电荷量Hs。优选地，饱和电荷量Hs被设置至以下电平，所述电平确保考虑了晶片上或屏幕上的变化或者中间电压的变化的余量。使驱动信号TRG有效被称为快门操作，所述驱动信号TRG被供应到传输门(诸如用于典型读出或高光溢出抑制的中间快门)。具体地，与避免高光溢出相关的快门操作被称为抗高光溢出快门。此外，用于典型读出或高光溢出抑制的中间快门的快门操作的总次数被设置为N。读出选择晶体管34被称为传输门。

这里，在典型的二值驱动中，作为抗高光溢出电压的示例的BM控制电压Vbm可以处于除了H电平和L电平之外的范围中，并且原理上，BM控制电压Vbm可以是除了规定H电平的电压Vcc_H和规定L电平的电压Vcc_L之外的任何电压电平值。由于在超额入射期间填满的电荷可以被传输到其自己的浮动扩散38侧所处的电压是BM控制电压Vbm(抗高光溢出电压)，因此其可以是处于有效电平(H电平)侧的电压而不是规定无效电平(L电平)的低电压。此外，尽管规定H电平的电压是允许的，但是使得电压处于H电平不好。在该实施例中，规定H电平的电压不被用作抗高光溢出电压。

首先，如果电压太接近规定L电平的电压Vcc_L，则抗高光溢出效果变得更小，然而如果电压太接近规定H电平的电压Vcc_H，则极其接近读出选择晶体管34(传输门)总是处于导通状态的状态。例如，即使复位晶体管36具有凹陷结构，释放不必要电荷的功能变得不充分，并且由此浮动扩散38可能过溢。

例如，为了强化信号电荷被转换为信号电压时的转换效率，需要降低浮动扩散38的电容(包括寄生电容)，并且为此，浮动扩散38很可能过溢。此时，如果通过具有凹陷结构的复位晶体管36向复位电平Vrd的释放能力不足，则浮动扩散38可能过溢。

考虑抗高光溢出，可以将BM控制电压Vbm的最优范围确定为从电荷产生单元32溢出的不必要电荷分量容易流动到浮动扩散38的程度，并且即使在高曝光的情况下，从电荷产生单元32溢出的不必要电荷分量不使浮动扩散38过溢。此外，考虑上述可靠度和在复位晶体管36总是处于导通状态下的暗电流问题，优选地，BM控制电压低于电压Vcc_H并高于电压Vcc_L。进一步细节如下。

首先，关于BM快门定时和BM控制电压Vbm，可以考虑以下设置条件。

1)优选地，BM快门中的“与饱和电荷量相对应的电荷量”(后面将描述细节)为可以由电荷产生单元32保持的电压。

2)在最终的完全传输期间读出信号的情况下，由于可以读取饱和电平，优选地设置最终的BM快门的定时。

为了满足设置条件1)，在每个定时所存储的电荷可以被设置为以下电压，在所述电压时，电荷产生单元32可以保持在从典型的电子快门到典型的读出(完全传输)的曝光时段期间在达到饱和电平的光量入射的条件下所存储的电荷。具体地，假设存储时间和存储电荷量处于线性关系，并且电荷在存储时间Ts达到饱和电荷量Hs，如图7所示，依据指示该特性的直线Ls，在施加BM快门的BM控制电压Vbm的定时处要在电荷产生单元32中保持的电荷量被规定为“与饱和电荷量相对应的电荷量”。下文中，“与饱和电荷量相对应的电荷量”也被称为抗高光溢出电荷量或BM电荷量。电荷产生单元32可以保持“与饱和电荷量相对应的电荷量”(BM电荷量Qbm)所处的BM控制电压Vbm为在考虑存储时间和饱和信号量的情况下不对传感器的理想输出施加影响的电压。相应地，依据如图5B所示的所施加的电压(BM控制电压Vbm)和电荷产生单元32的保持电荷量之间的关系，确定BM电荷量Qbm可以被保持时所施加的电压。此外，关于用于给出如上面所确定的“与饱和电荷量相对应的电荷量”的最优电压值，BM控制电压Vbm不限于完全相同，而可以允许一些误差(例如，百分之几)。

此外，如果BM控制电压Vbm低于可以保持BM电荷量Qbm时的电压(不考虑误差)，即使在入射光具有不饱和电平的情况下，电荷产生单元32产生的电荷的一部分在BM快门期间也被释放到浮动扩散38，因此在完全传输期间读取的信号电平变得不正确。也就是说，如果BM控制电压Vbm低于可以保持BM电荷量Qbm时的电压，这对传感器的理想输出施加影响。相反，如果BM控制电压Vbm稍高于可以保持BM电荷量Qbm时的电压，则在电荷在BM快门期间被释放至浮动扩散38之前存在一些余量。此外，在满足设置条件1)的情况下，自动满足设置条件2)。这是因为：在入射光具有饱和电平的情况下，指示存储时间和存储电荷量之间的线性关系的直线的斜率一定大于当电荷在存储时间Ts处达到饱和电荷量Hs时的直线Ls的斜率。

根据上面的描述，在存储时间和存储电荷量之间存在线性关系。然而，即使在不存在线性关系的情况下，也可以依据特性曲线获得在BM快门期间“与饱和电荷量相对应的电荷量”。即使在此情况下，在BM快门期间可以保持“与饱和电荷量相对应的电荷量”时的电压可以被设置为传输门的控制电压。

如上所述，电荷产生单元32在BM快门期间可以保持“与饱和电荷量相对应的电荷量”或者比该电荷量稍大的电荷量时的电压可以被设置为传输门的控制电压(也就是说，BM控制电压Vbm)。

可以依据对高光溢出现象的承受力来规定施加BM快门的次数和定时。例如，如果意图相对于通过一次BM快门得到的饱和电荷量Hs具有近似两倍承受力，如图8A所示，可以在Ts/2的定时施加BM快门，使得在Ts/2的定时不饱和。可以降低高光溢出量，并且在完全传输期间，可以读出饱和电平。如图8B所示，在比Ts/2更迟地施加BM快门的情况下，高光溢出承受力变为近似Ts/Tbm倍(＜2倍)。相反，如图8C所示，在比Ts/2更早地施加BM快门的情况下，可以考虑高光溢出承受力为近似Ts/Tbm倍(＞2倍)，但在BM快门之后产生的高光溢出量变大，并且实际上不能获得Ts/Tbm倍的效果。换句话说，通过在Ts/2的定时执行BM快门一次，可能最佳地具有相对于饱和电荷量Hs近似两倍的承受力。

此外，如果在n×Ts/N(其中，n是从“1”到“N-1”的正(+)整数)的每个定时施加BM快门，可以获得近似N倍的承受力。也就是说，当将BM快门执行多次时(相应地，准备多种BM控制电压Vbm)，抗高光溢出效果变得倍强化。以Ts/N的时间间隔，将BM快门施加N-1次(N＝2)。在第n个BM快门期间，设置BM控制电压Vbm，使得通过电荷产生单元32可以保持的BM电荷量Qbm此时变为n×Ts/N。例如，如果N＝2，则以Ts/2的时间间隔执行BM快门，使得电荷产生单元32中的电荷变为Hs/2。如果N＝4，则以Ts/4的时间间隔执行BM快门，使得电荷产生单元32中的电荷变为Hs/4、2×Hs/4、和3×Hs/4。

例如，图9A和9B示出了执行BM快门三次的情况。通过多次BM快门，如图9A所示，进一步降低了可以在电荷产生单元32中保持的电荷量，并且作为结果，可以降低高光溢出量。另一方面，如图9B所示，由于像素必须饱和并且变为恒定值，因此电荷产生单元32在读出期间的电荷量变得等于不施加BM快门时的情况，并且因此这不对图像传感器的输出施加影响。如上所述，可以在不对输出施加影响的情况下实现具有降低的高光溢出量的高质量图像。

[修改示例：公共BM控制电压]

图10和11是解释BM快门定时和BM控制电压Vbm的设置条件的修改示例的图。该修改设置是：在执行BM快门多次的情况下，使得每次的BM快门的BM控制电压Vbm彼此相等(相同电压值)。关于用于每次的BM控制电压Vbm，“相同电压值”不意味着仅仅电压值完全彼此相同的情况，并且可以在百分之几的范围中存在一些误差。

在执行BM快门多次的情况下，准备最优的BM控制电压Vbm要求对应的电压设置电路，并且这造成对芯片面积和功率损耗的负面影响。作为对策，使用一种BM控制电压Vbm。

首先，如从图8C可以理解的，通过在Ts/2之前施加BM快门，此时的高光溢出承受力变为近似Ts/Tbm倍。然而，在BM快门之后出现的高光溢出量较大，并且不能获得Ts/Tbm倍的效果。为了解决该问题，可以在对应的BM快门之后另外地施加BM快门。通过该重复，将BM快门施加多次。这里，每次在BM快门期间的BM控制电压Vbm变为当电荷产生单元32可以在最后一次的BM快门中保持“与饱和电荷量相对应的电荷量”(BM电荷量Qbm)时的电压。

检查可以在哪个定时执行最后的BM快门(换句话说，如何确定BM控制电压Vbm的设置值)。在执行BM快门多次的情况下，可以以相等间隔施加BM快门。然而，由于电荷在BM快门之后保持在电荷产生单元32中，因此与已经执行完全快门的情况相比，电荷更早地达到饱和。相应地，优选地，不使得从电子快门后到BM快门一次所占的时间和此后的BM快门时间间隔TBm x彼此相等，而优选地确定“Tbm_1＜Tbm_x”。相应地，x是等于或大于“2”且等于或小于“N-1”的正(+)整数，Tbm_x是第(x-1)次BM快门和第x次BM快门之间的时间间隔。

为了降低BM快门的总数量，优选地BM电荷量Qbm较小。这意味着：最终BM快门的定时早于Ts/2。然而，即使在该情况下，如可以从图8C理解的，在最终BM快门之后出现的高光溢出量变大。相应地，在整体平衡点上，以与BM快门一次相同的方式，可以优选地将Ts/2设置为最终BM快门的定时。然而，在可以增加BM快门的数量的情况下，可以将最终BM快门的定时设置为晚于Ts/2，并且BM电荷量Qbm可以大于Hs/2。在此情况下，从最终BM快门到完全传输所占的时间可以被缩短，并且因此可以降低高光溢出量。

在图10中概括并图示了以上各点。在图中，假设在电子快门之后直至电荷最初达到BM电荷量时所占的时间为Tx(＝Tbm_1)，并且直至此后电荷达到饱和所占的时间为α·Tx。相应地，在(1+α)·Tx(＝Tbm_1)的时间施加第一次BM快门，而对于每个α·Tx将BM快门施加M(＝N-2)次。在此情况下，依据至第一次BM快门的直线可以由Hs/(1+α)来表示BM电荷量Qbm，并且依据直线Ls可以由{(1+α)+M·α}·Tx·Hs/Ts来表示BM电荷量Qbm。由此，导出了(1+α)·{(1+α)+M·α}＝Ts/Tx。

例如，作为BM控制电压Vbm，将饱和电荷量的大约一半设置为在电荷产生单元32中保持的电压。如果BM快门的数量为一，则将BM快门设置于存储时间的中间。此外，在增加BM快门的情况下，优选地，增加BM快门以便确保作为从初始BM快门开始的时段的一半的快门时段。

例如，图11A示出了N＝3(M＝1)的情况，即，提供两个BM快门(抗高光溢出快门)的情况。图11B示出了N＝4(M＝2)的情况，即，提供三个BM快门(抗高光溢出快门)的情况。由于在电荷产生单元32中剩余大约一半饱和电荷量时的电压被设置为BM控制电压Vbm，因此确定α＝1，其是依据Hs/(1+α)＝Hs/2获得的。从电子快门到第一次BM快门的BM快门间隔为2·Tx，第一次和第二次之间(图11A和11B)的BM快门间隔以及第二次和第三次(图11B)之间的BM快门间隔为Tx。已知：在第一次和第二次之间以及在第二次和第三次之间确保了直至初始BM快门的时段的一半的快门时段。

<垂直扫描单元>

[第一示例]

图12是图示垂直扫描单元14的第一示例的图。根据第一示例，图1所示的固态成像器件1(CMOS图像传感器)对应于滚动快门(焦平面快门)成像，其通过对于每个像素行地逐行扫描像素阵列单元10的相应单元像素3来执行信号的复位。具体地，第一示例的垂直扫描单元14包括行选择电路512、前选择电路513、逻辑电路514、以及驱动器电路515。行选择电路512、前选择电路513和逻辑电路514对应于垂直地址设置单元14a，而驱动器电路515对应于垂直驱动单元14b。

行选择电路512对应于第一驱动单元，由移位寄存器或地址解码器等组成，并且在通信和定时控制单元20的控制下适当地产生像素驱动脉冲，诸如传输脉冲TR、复位脉冲RS和垂直选择信号VSEL。行选择电路512通过以在垂直方向(向上/向下方向)上的行为单位扫描电子快门行和读出行来选择像素阵列单元10中的相应单元像素3，相对于电子快门行来执行用于执行各行的单元像素3的信号扫除的电子快门操作，以及相对于读出行执行各行的单元像素3的信号读出操作。

这里，尽管未示出，行选择电路512被配置为具有：读出扫描系统，用于在以行为单位逐行选择并扫描单元像素3时读取读出行的相应单元像素3的信号；以及电子快门扫描系统，用于在读出扫描系统执行读出扫描之前在与快门速度相对应的时间中相对于相同行(电子快门行)执行电子快门操作。从电荷产生单元32的不必要电荷被通过电子快门扫描系统进行的电子快门操作复位的定时到通过读出扫描系统进行的读出扫描读取了单元像素3的信号的定时的时段变为单元像素3中信号电荷的存储时段(第一曝光时间)。也就是说，电子快门操作是复位(扫过)在电荷产生单元32中存储的信号电荷并且在复位之后开始重新存储信号电荷的操作。

前选择电路513对应于第二驱动单元，由多个行选择电路(例如，两个行选择电路513A和513B)组成，并且在行选择电路512选择性地扫描并读取行之前以相等间隔选择性地扫描多行(在该示例中，两行)。行选择电路513A和行选择电路513B由移位寄存器、地址译码器等配置，在通信和定时控制单元20的控制下与行选择电路512的选择性扫描同步，并且通过适当地产生传输脉冲TR而以相等间隔选择性地扫描在行选择电路512选择性地扫描的读出行之前的两行。在该选择性扫描中，基于传输脉冲TR，在电荷产生单元32中存储的信号电荷被传输至浮动扩散38。

在通信和定时控制单元20的控制下，逻辑电路514通过驱动器电路515将传输脉冲TR、复位脉冲RS、以及垂直选择信号VSEL(它们被输出来从行选择电路512以及前选择电路513的行选择电路513A和行选择电路513B选择行)供应至像素阵列单元10的相应控制行，并且将用于选择传输脉冲TR的电压值的信号提供至驱动器电路515。

驱动器电路515与行选择电路512执行的选择性扫描同步，并且向单元像素3供应用于使单元像素3的相应晶体管(读出选择晶体管34、复位晶体管36、垂直选择晶体管40)导通/截止的传输脉冲TR、复位脉冲RS、和垂直选择信号VSEL。此外，驱动器电路515与行选择电路513A和行选择电路513B执行的选择性扫描同步，并且向单元像素3供应相对于用于使读出选择晶体管34导通/截止的电压的中间电压(被描述为中间电压)的传输脉冲TR。也就是说，驱动器电路515具有第一供电电压控制单元、第二供电电压控制单元、以及第三供电电压控制单元的功能。在驱动器电路515中，提供传输驱动缓冲器BF1、复位驱动缓冲器BF2、以及行选择驱动缓冲器BF3。

[第二示例]

图13是图示垂直扫描单元14的第二示例的图。根据第二示例，图1所示的固态成像器件1(CMOS图像传感器)对应于全局快门(用于所有像素的电子快门)成像，其对于像素阵列单元10的所有单元像素3在相同的定时执行曝光。在全局快门中，不出现由卷帘快门引起的伪像(由于垂直扫描引起的电荷扫除)。具体地，根据第二示例的垂直扫描单元14配备有同时多行选择电路551替代图12的前选择电路513，该同时多行选择电路551用于同时选择多行。此外，尽管未示出，为了支持全局快门，在固态成像器件1的光学前端处提供机械快门(下文中以“机械快门(mecha-shutter)简称”)。其它配置基本上与根据第一示例的配置相同。即使在第二示例中，通过设置BM控制电压Vbm并且施加BM快门，可以降低相对于理想信号的超额电荷，并且可以实现具有降低的高光溢出量的高质量图像传感器。

[第三示例]

图14是图示垂直扫描单元14的第三示例的图。根据第三示例的垂直扫描单元14除了配备有执行典型的行选择的行选择电路512之外，还配备有图12所示的前选择电路513以及图13所示的同时多行选择电路551。其它配置基本上与根据第一示例的配置相同。如上所述，通过采用具有前选择电路513和同时多行选择电路551两者的配置，变得可以切换并执行支持焦平面快门的驱动和支持全局快门的驱动。当然，即使在第三示例中，通过设置BM控制电压Vbm并且施加BM快门，可以降低相对于理想信号的超额电荷，并且可以实现具有降低的高光溢出量的高质量图像传感器。

<像素驱动电路>

[第一示例：三值+无共享]

图15A到15D是解释用于使得传输脉冲TR能够驱动抗高光溢出中间电压Vbm的传输驱动缓冲器BF1的配置示例的图。作为参考，图15A和15B示出了对应于典型的二值驱动的用于像素复位脉冲RS的复位驱动缓冲器BF2、以及用于垂直选择脉冲VSEL的行选择驱动缓冲器BF3。图15C示出了传输驱动缓冲器BF1的配置示例，图15D是解释传输驱动缓冲器BF1的操作的真值表。第一示例是未采用像素共享结构的情况的配置示例。

尽管未示出，从被安装在固态成像器件1外部并且具有足够低输出阻抗的电源电路向传输驱动缓冲器BF1、复位驱动缓冲器BF2、和行选择驱动缓冲器BF3供应三种类型的电压，诸如正电压侧的电压Vcc_H、用于抗高光溢出的中间电压(BM控制电压Vbm)、以及负电压侧的电压VCC_L、以及参考地电压(地＝0V)。典型地，电压Vcc_H等于电源电压Vrd和单元像素3侧的电源电压Vdd(例如，近似3V)，电压Vcc_L等于参考电压Vss(例如，近似-1V)。与二值输出相关，电压Vcc_H对应于H电平，地电压GND对应于L电平。

如图15A所示，复位驱动缓冲器BF2包括反向器330和输出缓冲器348，所述反向器330执行由垂直地址设置单元14a产生的复位信号φRS的逻辑求反。向输出缓冲器348供应规定H电平的电压Vcc_H和规定L电平的地电压GND。作为示例，输出缓冲器348具有以下配置：在电压Vcc_H和地电压GND之间串联排列p沟道晶体管(p型晶体管)348H和n沟道晶体管(n型晶体管)348L。p型晶体管348H的源极连接到电压Vcc_H，n型晶体管348L的源极连接到地电压GND。p型晶体管348H和n型晶体管348L的漏极共同连接，并且该连接点连接到像素复位脉冲RS的输出端子。p型晶体管348H和n型晶体管348L的栅极共同连接，并且向该连接点供应反向器330的输出(复位信号φNRST)。

整体上，p型晶体管348H和n型晶体管348L被配置为CMOS反向器缓冲器，其基于从垂直地址设置单元14a供应的二值复位信号φRS来输出在电压Vcc H和地电压GND之间的用于二值驱动的像素复位脉冲RS。例如，如果从垂直地址设置单元14a供应的复位信号φRS为无效L，则n型晶体管348L导通并且p型晶体管348H截止，由此像素复位脉冲RS变为处于与地电压GND对应的L电平。如果从垂直地址设置单元14a供应的复位信号φRS为有效H，则p型晶体管348H导通并且n型晶体管348L截止，由此像素复位脉冲RS变为处于与电压Vcc_H对应的H电平。

如图15B所示，以与复位驱动缓冲器BF2相同的方式，行选择驱动缓冲器BF3包括反向器350和输出缓冲器368，所述反向器350执行由垂直地址设置单元14a产生的垂直选择信号φVSEL的逻辑求反。向输出缓冲器368供应规定H电平的电压Vcc_H和规定L电平的地电压GND。作为示例，输出缓冲器368具有以下配置：在电压Vcc_H和地电压GND之间串联排列p沟道晶体管(p型晶体管)368H和n沟道晶体管(n型晶体管)368L。p型晶体管368H的源极连接到电压Vcc_H，n型晶体管368L的源极连接到地电压GND。p型晶体管368H和n型晶体管368L的漏极共同连接，并且该连接点连接到垂直选择脉冲VSEL的输出端子。p型晶体管368H和n型晶体管368L的栅极共同连接，并且向该连接点供应反向器350的输出(垂直选择信号φNVSEL)。

整体上，p型晶体管368H和n型晶体管368L被配置为CMOS反向器缓冲器，其基于从垂直地址设置单元14a供应的二值垂直选择信号φVSEL来输出在电压Vcc H和地电压GND之间的用于二值驱动的垂直选择脉冲VSEL。例如，如果从垂直地址设置单元14a供应的垂直选择信号φVSEL为无效L，则n型晶体管368L导通并且p型晶体管368H截止，由此垂直选择脉冲VSEL变为处于与地电压GND对应的L电平。此外，如果从垂直地址设置单元14a供应的垂直选择信号φVSEL为有效H，则p型晶体管368H导通并且n型晶体管368L截止，由此垂直选择脉冲VSEL变为处于与电压Vcc_H对应的H电平。

如图15C所示，传输驱动缓冲器BF1被配置为能够基于从垂直地址设置单元14a供应的二值传输信号φTR和BM快门信号φBM产生用于三值驱动的传输脉冲TR。具体地，传输驱动缓冲器BF1包括具有与反向器相似的配置的逻辑电路310和输出缓冲器328以对应于三值输出。向输出缓冲器328供应三种类型的电压，诸如正电压侧的电压Vcc_H、BM控制电压Vbm、以及负电压侧的电压VCC_L。在像素信号读出定时，向逻辑电路310供应有效的H(高)地址信号ADRS和有效的H(高)传输信号φTR，所述有效的H(高)地址信号ADRS指示从垂直地址设置单元14a给出了行选择定时。此外，在施加BM控制电压Vbm的定时，向逻辑电路310供应BM快门信号φBM。

在图1图示的固态成像器件1的配置中，在向垂直扫描单元14的垂直驱动单元14b供应三种类型的电压的状态下，垂直地址设置单元14a基于来自通信和定时控制单元20的指令来确定读出行的地址ADRS，并且使得指示对应地址ADRS的地址信号φADRS输入到逻辑电路310。此时，向读出行的读出选择晶体管34供应二值(H电平和L电平)传输脉冲φTR和BM快门信号φBM，在对应于快门操作行和读出操作行的时间点的一个水平周期(1H)的预定定时，驱动读出选择晶体管34。

作为示例，输出缓冲器328包括p沟道晶体管(p型晶体管)和/或n沟道晶体管(n型晶体管)。具体地，两个并联排列的n型晶体管328BM和328L与p型晶体管328H串联排列。p型晶体管328H的源极连接到电压Vcc_H，n型晶体管328BM的源极连接到BM控制电压Vbm，并且n型晶体管348L的源极连接到电压Vcc_L。p型晶体管328H、n型晶体管328BM和n型晶体管328L的漏极共同连接，并且该连接点连接到传输脉冲TR的输出端子。从逻辑电路310，向p型晶体管328H的栅极供应有效的L(低)传输信号TRVD，向n型晶体管328BM的栅极供应有效的H(高)传输信号TRBM，向n型晶体管328L的栅极供应有效的H(高)传输信号TRVS。

整体上，p型晶体管328H和n型晶体管328L被配置为CMOS反向器缓冲器，其基于从垂直地址设置单元14a供应的二值传输信号φTR来输出在电压Vcc_H和电压Vcc_L之间的用于二值驱动的传输脉冲TR。为此，基于一定条件，n型晶体管328BM可以将BM控制电压Vbm设置为传输脉冲TR。逻辑电路310的操作如图15D中的真值表所示。

这里示出的对应于传输驱动缓冲器BF1的三值驱动的配置示例仅仅是示例性的，并且可以采用各种修改示例。例如，原理上，尽管希望该配置忠实地反映图15D所示的真值表，然而逻辑电路310可以依据栅极延迟之间的关系进行转换定时的比特移位，使得不存在相应的晶体管共同导通的时段，从而避免出现由p型晶体管328H、n型晶体管328BM、和n型晶体管328L中的两个或三个晶体管同时导通引起的贯穿电流。

[修改示例1]

尽管第一示例示出了利用一个BM控制电压Vbm执行三值驱动的情况，但是在增加BM控制电压Vbm的数量的情况下，系统可以被提供用于BM控制电压Vbm的每个n型晶体管328BM。

[修改示例2]

尽管第一示例示出了利用一个BM控制电压Vbm执行三值驱动的情况，然而通过替代给出清楚的BM控制电压Vbm而使传输门处于浮动状态，可以获得抗高光溢出效果。作为与此情况相对应的传输驱动缓冲器BF1的配置，例如，可以移除用于设置BM控制电压Vbm的n型晶体管328BM，并且可以在输出缓冲器328的后端安装其上装配了禁止端子的缓冲器。已经输入到n型晶体管328BM的栅极的传输信号TRBM被供应至该禁止端子。当该禁止端子(传输信号TRBM)处于L电平时，缓冲器从输出端子输出输入端子状态(即，输出缓冲器的输出逻辑)，而当该禁止端子处于H电平时，缓冲器使得其输出端子处于开路状态。由此，在施加BM快门时，传输门可以处于浮动状态。

<具体施加示例>

接下来，将描述具体施加示例。

[实施例1]

图16A到16C是图示根据实施例1的像素驱动方法的图。实施例1是在用于抗高光溢出的传输门电压被设置为BM控制电压Vbm并且处于BM控制电压Vbm被施加一次的形式的情况下的最基本方案。电子快门可以在传输门(读出选择晶体管34)导通并且然后截止之后使复位门(复位晶体管36)导通，或者可以使传输门(读出选择晶体管34)和复位门(复位晶体管36)一起导通。图中示出了后者。

如图16A所图示的，将电荷产生单元32可以保持与饱和电荷量Hs的一半相对应的电荷量(Hs/2)时的电压设置为BM控制电压Vbm。在入射光较弱的情况下在存储时间Ts处未达到饱和电荷量Hs的未饱和像素中，在执行完全传输时，可以适当地读出与对应的未饱和像素的存储电荷量Qs相对应的信号，而不受BM快门的影响。另一方面，在入射光较强的情况下在存储时间Ts/2处达到饱和电荷量Hs的饱和像素中，通过BM快门降低高光溢出量，并且在执行完全传输时可以读取与饱和电荷量Hs相对应的信号。另外，在执行完全传输时，对于通过紧接在之前复位浮动扩散38而读取的复位电平，执行CDS处理。

这里，图16B所示的定时示例处于以下形式：在BM快门时不读取与被释放到浮动扩散38的电荷量相对应的信号。尽管在由图中的实线指示的示例中，在BM快门时不执行复位，但是可以使用处于有效H的复位信号RS(如虚线所指示的)通过复位晶体管36复位浮动扩散38。该复位操作不引起信号读出，并且由此可以在BM快门的同时执行(图中示出该状态)。另一方面，图16C所示的定时示例处于以下形式：在BM快门时读取与被释放到浮动扩散38的电荷量相对应的信号。此时，对于通过紧接在之前复位浮动扩散38而读取的复位电平，执行CDS处理。读取BM快门时的信号，由此可以通过信号合成来扩展动态范围。

[实施例2]

图17A到17C是图示根据实施例2的像素驱动方法的图。实施例2是以下形式：BM快门被施加多次，相应的BM快门时BM控制电压Vbm的彼此相同。图中示出了以下情况：在电荷产生单元32可以保持与饱和电荷量Hs的一半相对应的电荷量(Hs/2)时的电压设置为BM控制电压Vbm，并且将BM快门施加三次。

如图17A所示，在入射光较弱的情况下在存储时间Ts处未达到饱和电荷量Hs的未饱和像素中，在执行完全传输时，可以适当地读出与对应的未饱和像素的存储电荷量Qs相对应的信号，而不受BM快门的影响。另一方面，在入射光较强的情况下在存储时间Ts/4处达到饱和电荷量Hs的饱和像素中，通过BM快门降低高光溢出量，并且在执行完全传输时可以读取与饱和电荷量Hs相对应的信号。另外，在电子快门和第一次BM快门之间的时间间隔为Ts/4，在第一次和第二次BM快门以及在第二次和第三次BM快门之间的时间间隔为Ts/8，它们具有2∶1的关系。也就是说，增加两次BM快门，从而确保快门时间高达第一次BM快门的一半。

这里，图17B所示的定时示例是以下形式：在BM快门时不读取与被释放到浮动扩散38的电荷量相对应的信号。尽管在由图中的实线指示的示例中，在BM快门时不执行复位，但是可以使用处于有效H的复位信号RS(如虚线所指示的)通过复位晶体管36复位浮动扩散38。由于在被释放到浮动扩散38的次数较大并且入射光较强时关心浮动扩散38过溢，因此优选地施加复位。另一方面，图17C所示的定时示例是以下形式：在BM快门时读取与被释放到浮动扩散38的电荷量相对应的信号。读取BM快门时的信号，由此可以在信号合成中扩展动态范围。另外，复位操作伴随在此时读取信号，并且由此不关注浮动扩散38过溢。

[实施例3]

图18是图示根据实施例3的像素驱动方法的图。实施例3具有以下特征：通过在使用中间电压读出来扩展动态范围的方案中施加BM快门，以降低高光溢出。

作为使用中间电压读出来扩展动态范围的方案，使用在JP-A-2008-99158中公开的技术。在相同公布所公开的技术中，可以通过中间电压快门(使用第二控制电压的中间快门)和中间电压读出(读出此时的信号)来获取存储了短时间(存储时间T)的数据，以便扩展动态范围，并且通过与存储了长时间的数据进行合成可以获得具有宽动态范围的图像。另外，为了防止中间电压快门的不均一性，增加了确保与存储时间相同的时间的中间快门(双快门，其中一起使用使用第三控制电压的中间快门和使用第二控制电压的中间快门)。优选地，在中间读出操作期间施加的中间电压(第二控制电压)与预先施加以便抑制读出选择晶体管34(传输门)的阈值的不均一性的中间电压(第三控制电压)相同。另外，对于第二控制电压的每一次施加(在考虑多次的情况下，也使用术语“每一次”)，优选地将第三控制电压执行多次。优选地，在具有相同电压值的中间电压被供应多次时的时间间隔彼此相同。

在该技术中，如果要增加BM快门，则在使用第三控制电压的中间快门之前增加BM快门。另外，即使此时作为条件要增加BM快门，也仅当在完全快门(使用第一控制电压的完全传输)和中间快门(使用第二控制电压或第三控制电压的中间快门)之间确保等于或多于短存储时间的间隔时才增加BM快门。这是因为防止BM快门影响用于动态范围扩展的中间电压快门的效果。

图18示出了增加BM快门的示例。另外，图中示出了将BM快门施加两次(即，N＝3)的情况。增加第二次BM快门从而确保与直至BM快门的初始快门的时段的一半相对应的快门时段，由此降低高光溢出量。在BM快门的间隔α和短时间存储的存储时间T之间的关系为α≥T时，增加BM快门，由此防止高光溢出，而不影响用于动态范围扩展的中间电压快门的效果。可以实现获得具有少高光溢出和高质量的图像，而不影响用于通过中间读出进行动态范围扩展的中间电压快门和信号读出。

[实施例3的修改示例]

尽管在实施例3中第二控制电压和第三控制电压彼此相同，但这不是必须的。可以将第二控制电压的施加和读出执行多次。对于第二控制信号的每次施加，可以将第三控制电压仅施加一次。即使具有相同电压值的中间电压被供应多次时的时间间隔不彼此相同，也可以实现抑制与其对应的阈值的不均一性的效果。在施加第二控制电压之前，可以不施加第三控制电压。然而，在此情况下，不能实现根据施加第三控制电压所得到的效果。

[实施例4]

图19是图示实施例4的图。实施例4是将本公开应用于作为物理信息获取装置的示例的成像装置的情况。成像装置被应用于数字照相机、摄像机等，并且非常适合于被用作其成像装置(图像输入设备)。这里，成像装置指示照相机模块和照相机系统，诸如在其上安装了照相机模块的数字照相机或摄像机，照相机模块(例如，在诸如便携式电话之类的电子设施上安装并使用)包括固态成像器件作为成像装置、在固态成像器件的成像表面(感光表面)上形成对象的图像光的光学系统、以及固态成像器件的信号处理电路，但是这些仅仅是示例，成像装置不限于这样的形式。

成像装置600包括摄影光学系统602、光学低通滤波器604、成像单元610、驱动控制单元620、成像信号处理单元630、显示单元660、以及数据记录单元690。摄影光学系统602主要由成像镜头构成，并且通过将携带对象Z的图像的光L引导到成像单元来形成图像。成像单元610包括滤色器组612和固态成像器件614(图像传感器)。驱动控制单元620驱动固态成像器件614。

通过摄影光学系统602，对象Z在固态成像器件614上形成其图像。固态成像器件614具有存储成像电荷的第一电荷存储单元(可见光带的检测单元，对应于C2、C3和C4)、和第二电荷存储单元(红外光带的检测单元，对应于C1)。因此，固态成像器件614还可以根据携带对象Z的图像的红外光获取信号。

成像单元610的固态成像器件614是包括以二维矩阵形状形成的光电转换像素组的成像器件。固态成像器件614使用CCD型(CCD图像传感器)替代CMOS型。尽管上面的描述中已经描述了CMOS型固态成像器件1(CMOS图像传感器)，但上述的关于BM快门的技术不限于CMOS图像传感器并且也可应用于由CCD图像传感器表示的电荷传输型固态成像器件，这是因为该技术涉及整体放大型固态成像器件和从光电转换器件读出信号电荷。

图中示出了将本公开应用于CCD型固态成像器件614的情况。在CCD图像传感器中，在作为光电转换器件的光电二极管682(感光部分)中执行光电转换，其中存储的信号电荷被传输门684(读出门)传输到垂直CCD 688(垂直传输部分)并且通过垂直CCD 688进行的垂直传输被读取。在CCD图像传感器中，将上述的BM控制电压Vbm施加到传输门684作为控制电压，由此可以控制被传输到垂直CCD 688的电子量。

例如，由于在入射光较弱时经过光电转换的电子量较小，因此即使将BM控制电压Vbm施加到传输门684，在光电二极管682中存储的电子也不超过传输门684的下电势(lower potential)并且被保持在光电二极管682中。另一方面，由于在入射光较强时经过光电转换的电子量较大，因此如果将BM控制电压Vbm施加到传输门684，在光电二极管682中存储的电子超过传输门684的下电势并且可以被部分传输到垂直CCD 688。另外，可以向其施加中间电压快门(使用第二控制电压的中间快门)和用于读出此时的信号的中间电压读出。由于在入射光较强时经过光电转换的电子量较大，因此如果将中间电压(第二控制电压)施加到传输门684，在光电二极管682中存储的电子超过传输门684的下电势并且可以被部分传输到垂直CCD 688。因此，在与CMOS图像传感器的情况的实施例3中相同的定时处施加中间电压(第三控制电压或第二控制电压)，由此以与CMOS图像传感器的情况相同的方式，在低光强度时保持信号电荷的状态下，可以通过在高光强度时将中间电压施加到传输门684来经过中间传输获取信号。

成像信号处理单元630处理从固态成像器件614输出的成像信号SV(可见光分量)。光学低通滤波器604被用来阻挡等于或高于奈奎斯特频率的高频分量以便防止混叠失真。如通过图中的虚线所表示的，可以将光学低通滤波器604与滤光器单元605一起提供，以便抑制除了可见光分量之外的不必要的分量(例如，长波长侧的红外分量、短波长侧的紫外分量等)。例如，典型地将红外截止滤光器提供为滤光器单元605，这于通用成像器件中的相同。滤光器单元605和滤色器组612是成像光学系统中具有光过滤特性的光学元件的示例。

从固态成像器件614的成像表面产生携带对象Z的图像的根据红外光IR的电荷或根据可见光VL的电荷。利用从系统控制电路(未示出)输出至驱动控制单元620的用于传感器驱动的脉冲信号，来控制诸如电荷存储操作或电荷读出操作之类的操作。从固态成像器件614读取的电荷信号，即，携带红外光图像的红外光成像信号SIR和携带可见光图像的可见光成像信号SVL，被发送到成像信号处理单元630并且经过预定信号处理。成像信号处理单元630处理从固态成像器件614输出的成像信号SIR(红外光分量)和成像信号SVL(可见光分量)。

利用从系统控制电路(未示出)输出至驱动控制单元620的用于传感器驱动的脉冲信号，来控制诸如电荷存储操作或电荷读出操作之类的操作。从固态成像器件614读取的电荷信号，即，携带可见光图像的可见光成像信号SVL，被发送到成像信号处理单元630并且经过预定信号处理。例如，成像信号处理单元630包括预处理部分632、AD转换部分634、像素信号校正处理部分636、帧存储器638、接口部分639、以及图像信号处理部分640。

预处理部分632对于从固态成像器件614输出的传感器输出信号(可见光成像信号SVL和红外光成像信号SIR)执行诸如黑色电平调整、增益调整或伽马校正之类的预处理。AD转换部分634将从预处理部分632输出的模拟信号转换为数字信号。像素信号校正处理部分636校正在摄影光学系统602中出现的阴影或者固态成像器件614的像素缺陷。

从固态成像器件614输出的图像信号被预处理部分632放大，被AD转换部分634转换为数字数据，经过诸如由像素信号校正处理部分636进行的加阴影之类的校正，并且存储在帧存储器638中。响应于来自图像信号处理部分640的请求，帧存储器638中的数字图像数据经由接口部分639输出。

取决于滤色器C1到C4的排列图案(镶嵌(mosaic)图案)，图像信号处理部分640基于对于每个像素以不同颜色和灵敏度对该对象Z进行成像的信息，来执行预定义的信号处理。例如，通过对正常图像或红外光图像执行高敏感度处理、或者基于从特定波长分量的光导出的图像信息，来测量对象距离或者检测物体。例如，使用通过测量被施加到对象Z的光的反射光的行进时间测量方法来测量行进时间(TOF)，基于行进时间来测量至对象Z的距离或者获得对象Z的三维图像。

显示单元660包括显示器件，例如LCD(液晶显示器)、有机EL等，并且显示与从驱动控制单元620输入的视频信号相对应的图像。数据记录单元690具有CODEC(编码/解码或者压缩/解压缩的缩写)，将从驱动控制单元620或显示单元660供应的图像信息记录在存储器(记录介质)(诸如存储图像信号的快闪存储器)中，读取图像信息以解码，并且将解码信息供应至驱动控制单元620或显示单元660。

成像装置600被提供为用于执行“成像”的电子设施，诸如例如，照相机或具有成像功能的便携式装置。“成像”不仅包括使用典型照相机以摄影方式进行的图像捕获，而且还包括在物理量分布检测半导体设备或物理信息获取设备(物理量分布检测设备)中使用压力作为物理量分布来进行的指纹检测或图像信息获取，诸如广义上的触摸面板。上述的BM快门功能也可以被应用于具有这样的配置的成像装置600，由此可以在降低了高光溢出量的情况下实现高图像质量的传感器。通过应用实施例3，可以在不影响中间快门和使用中间读出的用于动态范围扩展的信号读出的情况下，获取具有少高光溢出和高图像质量的信号。

[实施例5]

图20A和20B是图示实施例5的图。实施例5是将本公开应用于线性传感器的情况。尽管已经关注于CMOS型或CCD型固态成像器件(其作为实施例中所谓的区域传感器的示例)进行了描述，但是本公开中提出的BM快门技术的应用范围不限于此。

例如，如图20A和20B所示，CCD型固态成像器件可以是线性传感器。在图20A所示的第一示例中，电荷检测部分被线性地布置为两行，换句话说，器件部分被提供为两行。对于每列提供电荷传输部分，提供传输寄存器Reg以便对应于每行的电荷传输部分的每个电荷检测部分。在电荷传输部分和传输寄存器Reg之间插入传输门。最后级的传输寄存器Reg被称为最后寄存器LReg。最后寄存器LReg经由读出门ROG连接到电荷-电信号转换部分的浮动扩散FD。另外，将超额电荷扫除部分提供为一列以便与电荷传输部分并列布置，一列中的超额电荷扫除部分被两列中的电荷传输部分共同使用。具体地，对于每个设备部分提供过溢势垒(barrier)，并且在与两列对应的过溢势垒之间插入过溢漏极(drain)。

在图20B所示的第二示例中，电荷检测部分被线性地布置为一行，换句话说，器件部分被提供为一行。提供传输寄存器Reg以便对应于电荷传输部分的每个电荷检测部分。最后级的传输寄存器Reg被称为最后寄存器LReg。最后寄存器LReg经由读出门ROG连接到电荷-电信号转换部分的浮动扩散FD。另外，提供超额电荷扫除部分以便与电荷传输部分并列布置。

在第一示例和第二示例两者中，通过对在电荷检测部分和传输寄存器Reg之间的传输门应用上述的BM快门功能，可以捕获具有少高光溢出量和高图像质量的图像，并且可以在不影响中间快门和使用中间读出的用于动态范围扩展的信号读出的情况下获取具有少高光溢出量和高图像质量的图像。

[实施例6]

图21A到21D是图示实施例6的图。实施例6是关于在其上安装了具有上述BM快门功能的成像装置的其它电子设施的情况。

例如，图21A是图示电子设施700为数字照相机712的情况下的外观示例的图。数字照相机712包括显示模块714、控制开关716、快门按钮717等。固态成像器件(未示出)安装在数字照相机712上，通过向其应用固态成像器件1或成像装置600的上述BM快门功能可以捕获具有少高光溢出和高图像质量的图像。另外，可以在不影响中间快门和使用中间读出的用于动态范围扩展的信号读出的情况下获取具有少高光溢出和高图像质量的图像。

图21B是图示电子设施700为摄像机722的情况下的外观示例的图。摄像机722具有被提供在主体723的前部并且对对象进行成像的成像镜头725、显示模块724、摄像开始/停止开关726等。固态成像器件(未示出)安装在摄像机722上，通过向其应用上述BM快门功能可以捕获具有少高光溢出和高图像质量的图像。另外，可以在不影响中间快门和使用中间读出的用于动态范围扩展的信号读出的情况下获取具有少高光溢出和高图像质量的图像。

图21C是图示电子设施700为便携式电话732的情况下的外观示例的图。便携式电话732是折叠型的，并且包括上盖733a、下盖733b、显示模块734a、副显示器734b、照相机735、连接部分736(在该示例中的折叶部分)、画面灯737等等。对便携式电话732的照相机735应用固态成像器件1或成像装置8的用于RTS噪声抑制处理或多个附加AD转换处理的上述结构。此外，存储器卡738可附接到便携式电话732或者可从便携式电话732移除，并且应用上述实施例的用于RTS噪声抑制处理的结构以便从存储器卡738中读出数据。

图21D是图示电子设施700为计算机742的情况下的外观示例的图。计算机742包括下盖743a、上盖743b、显示模块744、网络照相机745、键盘746等。另外，通过向计算机742的网络照相机745应用上述BM快门功能，可以捕获具有少高光溢出量和高图像质量的图像，并且可以在不影响中间快门和使用中间读出的用于动态范围扩展的信号读出的情况下获取具有少高光溢出和高图像质量的图像。

尽管已经参考实施例描述了本说明书中公开的技术，但是所附权利要求中叙述的内容的技术范围不限于实施例中公开的范围。在不偏离本说明书中公开的技术的精神的情况下，向实施例添加各种修改或变型，并且这样的添加了修改或变型的形式也被包括在本说明书中公开的技术的技术范围中。上述实施例不限制与所附权利要求有关的技术，并且实施例中描述的特征的所有组合不是解决本说明书中公开的技术所针对的问题的解决方法所必须的。上述实施例包括相应步骤中的技术，并且通过多种构成要件的适当组合可以提取各种技术。只要可以实现与在本说明书中公开的技术所针对的问题相对应的效果，即使从实施例中示出的所有构成元件中移除若干构成要件，移除了若干构成要件的配置也可以被提取为在本说明书中公开的技术。

例如，除了全元件模式(其需要用于其中布置了单元构成元件的器件部分(具体地，其中单元构成元件被布置为矩阵的元件阵列部分)的所有单元构成元件的信息)之外，存在稀疏(thinning-out)模式(其中需要用于处于预定间隔的单元构成元件的信息)、或切除(excision)模式(其中需要用于规定区域中单元构成元件的信息)，即，其中需要用于一部分单元构成元件的信息的模式(被称为元件选择模式)。另外，可以使用以下方法(所谓的列读取方法)，其中，在从元件阵列部分(其中单元构成元件被排列为矩阵)的每个单元构成元件读取信号时，在相同时间访问与一行相对应的单元构成元件，并且利用行单元来读出信号。元件选择模式和列读取方法被一起使用的情况被称为列选择模式。例如，在JP-A-2001-298748或者JP-A-2007-142738中公开了与列读取方法或列选择模式相关的技术。

在执行“元件选择模式”的情况下，如果不驱动未被读取的单元构成元件，则考虑电荷可能被过量存储，并且围绕未被读取的单元构成元件出现高光溢出现现象。作为应对该情况的对策，可以采用上述的抗高光溢出快门技术。

本公开包含与2011年3月16日在日本专利局提交的日本优先权专利申请JP 2011-057724中公开的主题相关的主题，通过引用将其全部内容并入于此。

本领域技术人员应理解，取决于设计需求和其它因素可能出现各种修改、组合、子组合和变更，只要它们在所附权利要求或其等同物的范围内即可。

Claims (20)

1.一种固态成像器件，包括：

器件部分，其中沿着预定方向排列单元构成元件，每个单元构成元件包括检测基于物理信息改变而产生的电荷的电荷检测单元、和传输该电荷检测单元所检测的信号电荷的传输单元；以及

供电电压控制部分，其能够通过向传输单元供应用于抑制高光溢出的控制电压来传输该电荷检测单元所检测的电荷的一部分、并且能够通过向传输单元供应与用于抑制高光溢出的所述控制电压不同的第一控制电压来传输该电荷检测单元所检测的信号电荷。

2.如权利要求1所述的固态成像器件，其中，在规定电荷检测时间内物理信息的改变量超过电荷检测单元的饱和电荷量的情况下，当向传输单元供应用于抑制高光溢出的控制电压时，传输该电荷检测单元所检测的电荷的一部分。

3.如权利要求1所述的固态成像器件，其中，用于抑制高光溢出的控制电压是在向传输单元供应用于抑制高光溢出的控制电压时电荷检测单元可以保持与电荷检测单元的饱和电荷量相对应的电荷量时的电压。

4.如权利要求1所述的固态成像器件，其中，供电电压控制部分向传输单元供应用于抑制高光溢出的控制电压一次。

5.如权利要求4所述的固态成像器件，其中，用于抑制高光溢出的控制电压是在向传输单元供应用于抑制高光溢出的控制电压时电荷检测单元可以保持与电荷检测单元的饱和电荷量相对应的电荷量时的电压。

6.如权利要求4所述的固态成像器件，其中，在假设从通过电荷检测单元开始进行电荷检测到向传输单元供应用于抑制高光溢出的控制电压所占的时间为Tbm、并且电荷量在存储时间Ts处达到电荷检测单元的饱和电荷量Hs的情况下，供电电压控制部分将用于抑制高光溢出的控制电压设置至电荷检测单元可以保持Tbm×Hs/Ts的电荷量时的值。

7.如权利要求1所述的固态成像器件，其中，供电电压控制部分继续向传输单元供应用于抑制高光溢出的控制电压从电荷检测开始直至经过了预定时间。

8.如权利要求7所述的固态成像器件，其中，用于抑制高光溢出的控制电压是在停止向传输单元供应用于抑制高光溢出的控制电压时电荷检测单元可以保持与电荷检测单元的饱和电荷量相对应的电荷量时的电压。

9.如权利要求7所述的固态成像器件，其中，在假设从通过电荷检测单元开始进行电荷检测到停止向传输单元供应用于抑制高光溢出的控制电压所占的时间为Tbm、并且电荷量在存储时间Ts处达到电荷检测单元的饱和电荷量Hs的情况下，供电电压控制部分将用于抑制高光溢出的控制电压设置至电荷检测单元可以保持Tbm×Hs/Ts的电荷量时的值。

10.如权利要求1所述的固态成像器件，其中，供电电压控制部分向传输单元供应用于抑制高光溢出的控制电压多次。

11.如权利要求10所述的固态成像器件，其中，用于抑制高光溢出的控制电压是在向传输单元供应用于抑制高光溢出的控制电压多次时电荷检测单元可以保持与电荷检测单元的饱和电荷量相对应的电荷量时的电压。

12.如权利要求10所述的固态成像器件，其中，在假设电荷量在存储时间Ts处达到电荷检测单元的饱和电荷量Hs的情况下，供电电压控制部分将用于抑制高光溢出的第n控制电压设置至电荷检测单元可以保持n×Hs/N(n＝1到N-1)的电荷量时的值，并且以Ts/N时间间隔向传输单元供应该控制电压N-1(N≥2)次。

13.如权利要求10所述的固态成像器件，其中，多次用于抑制高光溢出的控制电压被设置至一公共电压，所述公共电压为在最后一次向传输单元供应用于抑制高光溢出的控制电压时电荷检测单元可以保持与电荷检测单元的饱和电荷量相对应的电荷量时的电压。

14.如权利要求10所述的固态成像器件，其中，在假设电荷量在存储时间Ts处达到电荷检测单元的饱和电荷量Hs的情况下，供电电压控制部分将用于抑制高光溢出多次的控制电压共同设置至电荷检测单元可以保持(N-1)×Hs/N的电荷量时的值，并且以Ts/N时间间隔向传输单元供应该控制电压N-1(N≥2)次。

15.如权利要求1所述的固态成像器件，还包括：

第一驱动单元，被驱动来以第一电荷检测周期读取在单元构成元件中存储的信号电荷并且将从器件部分读出的信号电荷输出作为第一图像信号；以及

第二驱动单元，被驱动来，在第一电荷检测周期中，读取在输出第一图像信号的单位构成元件中与根据驱动传送单元的时间间隔确定的第一电荷检测周期成比例地存储的信号电荷，并且作为具有与第一图像信号不同的灵敏度的第二图像信号从器件部分输出读出的信号电荷。

16.如权利要求15所述的固态成像器件，其中，供应用于抑制高光溢出的控制电压的时间点与供应第一控制电压的时间点之间，在能够确保用于获取第二图像信号的时间的范围内，将用于抑制高光溢出的控制电压供应至传输单元。

17.如权利要求1所述的固态成像器件，其中，供电电压控制部分包括：

第一供电电压控制单元，其向传输单元供应第一控制电压；

第二供电电压控制单元，其依序向传输单元供应具有与第一控制电压不同的电压的一个或多个第二控制电压；以及

第三供电电压控制单元，其在一个或多个第二控制电压的供应之前供应与一个或多个第二控制电压中的任一个具有相同电压值的第三控制电压一次或多次。

18.一种成像装置，包括：

器件部分，其中沿着预定方向排列单元构成元件，每个单元构成元件包括检测基于物理信息改变而产生的电荷的电荷检测单元、和传输该电荷检测单元所检测的信号电荷的传输单元；

入射系统，其将物理信息引导至电荷检测单元；以及

供电电压控制部分，其能够通过向传输单元供应用于抑制高光溢出的控制电压来传输该电荷检测单元所检测的电荷的一部分、并且能够通过向传输单元供应与用于抑制高光溢出的所述控制电压不同的第一控制电压来传输该电荷检测单元所检测的电荷。

19.一种电子设施，包括：

器件部分，其中沿着预定方向排列单元构成元件，每个单元构成元件包括检测基于物理信息改变而产生的电荷的电荷检测单元、和传输该电荷检测单元所检测的信号电荷的传输单元；

供电电压控制部分，其能够通过向传输单元供应用于抑制高光溢出的控制电压来传输该电荷检测单元所检测的电荷的一部分、并且能够通过向传输单元供应用于与抑制高光溢出的所述控制电压不同的第一控制电压来传输该电荷检测单元所检测的电荷；以及

信号处理部分，其处理基于该器件部分所检测的信号电荷的信号。

20.一种驱动固态成像器件的方法，所述固态成像器件包括：器件部分，其中沿着预定方向排列单元构成元件，每个单元构成元件包括检测基于物理信息改变而产生的电荷的电荷检测单元、和传输该电荷检测单元所检测的信号电荷的传输单元，所述方法包括：

通过向传输单元供应用于抑制高光溢出的控制电压来传输该电荷检测单元所检测的电荷的一部分；以及

通过向传输单元供应用于与抑制高光溢出的所述控制电压不同的第一控制电压来传输该电荷检测单元所检测的电荷。

Images