CN103975579A - 固态成像元件及其驱动方法以及相机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使得能够抑制由于外围电路的影响导致在图像边缘的白色模糊的固态成像元件、驱动该元件的方法和相机系统。本发明具有：像素部分，其中以行排列多个像素，像素部分包括用于将光信号转换为电信号并且存储信号电荷的光电转换元件，信号电荷取决于曝光时间；外围电路，布置成以与像素部分的彼此相对排列与边缘部分相邻并且与至少像素信号的读取操作相关联地驱动；和像素信号读取单元，以多个像素为单位从像素部分读取像素信号。当像素信号读取单元读取全部像素时，复位全部像素，且然后从靠近外围电路的特定区域中的行开始一次至少一行地交替地读取像素，外围电路以与像素部分的彼此相对的排列向着边缘部分布置。

Description

固态成像元件及其驱动方法以及相机系统
技术领域
本发明涉及执行全像素读出的固态成像装置、驱动所述固态成像装置的方法以及相机系统。
背景技术
近年来，尽管图像传感器具有高分辨率，但是仍然需要图像传感器以低分辨率成像高质量图像。
例如，诸如使用数字静态相机拍摄运动图像以及相反地，使用摄像机对静态图像进行成像这样的功能正受到欢迎。
并且，这种电子设备常常具有用于确认画面的取景器，可是取景器的分辨率通常低于所成像的图像的分辨率。
而且，一些数字静态相机和移动电话整合有在以低分辨率成像时增大帧速率的功能，以便对常规上无法辨识的高速运动进行成像。
如前所述，需要仅以一个图像传感器来既支持具有高分辨率的低帧速率的静态图像又支持具有相对低分辨率的高帧速率的运动图像。
专利文献1公开了一种技术，其使电荷耦合装置(CCD)图像传感器能够获取输出信号而无需信号输出负载时段并且能够满足对高帧速率的要求。
相比之下，已经提出了这样的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器：所述互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器支持用于从全部像素读取信号的全像素模式以及用于通过跳过行和/或列来间断性地读取信号的稀疏模式(thinning mode)。
在CMOS图像传感器中，在拍摄静态高分辨率图像时使用全像素模式，而稀疏模式用于成像低分辨率运动图像和/或高帧速率的图像。
如今，使用具有FD层的浮动扩散(FD)放大器的单通道(ch)输出电路主要用作CCD的输出电路。
与此相对，CMOS图像传感器在每个像素中均具有FD放大器，并且主要使用列并行输出配置，在该列并行输出配置中，从像素阵列中选择一个行，并且在该行中的像素沿列方向被同时读出。
这是因为并行处理有利于降低数据速率，由于仅从每个像素中所布置的FD放大器难以获得足够的驱动功率，所以并行处理是必要的。
已经提出了用于列并行输出型CMOS图像传感器的多种像素信号读出(输出)电路。
在这些像素信号读出电路中最先进的电路之一是这样的类型：其在每一列中包括模拟-数字转换装置(下文简称模数转换器(ADC))从而将像素信号取出作为数字信号。
这里，将对普通的CMOS图像传感器中的全校正操作(full proofreadoperation)进行说明。
图1(A)至图2(B)是示出在普通的CMOS图像传感器中的全像素读出操作的概况的示例图。
图1的CMOS图像传感器1被配置为包括：像素单元2，在该像素单元2中，包括光电转换功能的像素排列成阵列配置；用于像素读出的像素电流源3D和3U；以及诸如列ADC的读出电路4D和4U。
当像素电流源3D和3U与信号线连接从而形成具有像素的FD放大器的源极跟随器用于像素读出时，采用将像素电流源3D和3U提供在信号线的两端(像素单元2的上侧和下侧)上的配置，以便保证阻抗。
图1示出了一实例，在该实例中，读出电路4D和4U布置在像素单元2的上端和下端。图2示出了一实例，在该实例中，读出电路4D仅布置在像素单元的上端和下端中的一端(下端)。
如图1(A)和图2(A)中所示，当执行全像素读出时，全部像素被同时复位。
然后，例如，以从像素单元2的下端到上端的顺序一次一行地执行读出。
引文列表
专利文献
专利文献1：JP H06-217206A
发明内容
技术问题
然而，在读取操作期间，从外围电路(例如像素电流源和读出电路)产生光和热。
在像素电流源3中所产生的光和热具有特别大的影响。
当像素单元2被从下端至上端读出时，靠近上端的位置具有更长的电荷存储时间。
由于在上端靠近外围电路的部分(由虚线包围的部分)长时间地受到从外围电路所产生的光和热的影响，所以该部分导致具有阴影图案的白化(whitening)。
并且，如图3中所示，当帧速率降低时，受到来自外围电路的影响的时间进一步延长，使得白化现象明显。由于具有大量像素的图像传感器具有低帧速率，所以这种现象导致严重问题。
当像素电流源被提供在上侧和下侧时，即使读出电路(诸如列ADC)仅提供在一侧上，由于由像素电流源所产生的光和热，后来被读出的像素也导致白化。
本发明的目的是提供一种能够抑制由于外围电路的影响所导致的屏幕的端处的白化的固态成像装置、驱动所述固态成像装置的方法、以及相机系统。
根据本发明的第一方面，提供一种固态成像装置，包括：像素单元，其适于具有以矩阵形式排列的多个像素，所述多个像素包括光电转换元件，所述光电转换元件将光信号转换为电信号并且存储与曝光时间相对应的信号电荷；外围电路，其适于被布置成与所述像素单元的彼此相对的边缘部分相邻，并且适于至少与像素信号的读取操作相关联地被驱动；以及像素信号读出单元，其适于以多个像素为单位从所述像素单元读取所述像素信号。当执行全像素读出时，所述像素信号读出单元复位全部像素，然后至少从靠近所述外围电路的特定区域中的行来至少逐行交替地执行像素读出，所述外围电路布置在所述像素单元的彼此相对的所述边缘部分旁边。
根据本发明的第二方面，提供一种用于驱动固态成像装置的方法，所述固态成像装置包括外围电路和像素单元，所述外围电路适于被布置成与彼此相对的边缘部分相邻并且适于与至少像素信号的读取操作相关联地被驱动，所述像素单元适于具有以矩阵形式排列的多个像素，所述多个像素包括光电转换元件，所述光电转换元件将光信号转换为电信号并且存储与曝光时间相对应的信号电荷，所述方法包括，当对所述像素单元执行全像素读出时，复位全部像素的复位步骤；以及读出步骤，所述读出步骤至少从靠近所述外围电路的特定区域中的行来至少逐行交替地执行像素读出，所述外围电路布置在所述像素单元的彼此相对的所述边缘部分旁边。
根据本发明的第三方面，提供一种相机系统，包括：固态成像装置；以及光学系统，其适于在所述固态成像装置上形成目标图像。所述固态成像装置包括：像素单元，其适于具有以矩阵形式排列的多个像素，所述多个像素包括光电转换元件，所述光电转换元件将光信号转换为电信号并且存储与曝光时间相对应的信号电荷；外围电路，其适于被布置成与所述像素单元的彼此相对的边缘部分相邻，并且适于与至少像素信号的读取操作相关联地被驱动，以及像素信号读出单元，其适于以多个像素为单位从所述像素单元读取所述像素信号。当执行全像素读出时，所述像素信号读出单元复位全部像素，然后至少从靠近所述外围电路的特定区域中的行来至少逐行交替地执行像素读出，所述外围电路布置在所述像素单元的彼此相对的所述边缘部分旁边。
本发明的有益效果
根据本发明，能够抑制由于外围电路的影响所导致的屏幕的端处的白化。
附图说明
图1是用于说明在普通的CMOS图像传感器中的全像素读出操作的概况的第一组图。
图2是用于说明在普通的CMOS图像传感器中的全像素读出操作的概况的第二组图。
图3是示出在普通的CMOS图像传感器中出现白化的示例图。
图4是示出根据第一实施例的安装有列并行ADC的固态成像装置(CMOS图像传感器)的配置实例的框图。
图5示出了在根据实施例的CMOS图像传感器中的包括四个晶体管的像素的一个实例。
图6示出了根据实施例的布置在像素单元的上端和下端的像素电流源的具体配置实例。
图7是示出在根据本实施例的固态成像装置中的全像素读出的操作实例的示例图。
图8示出了两个像素共享中的像素配置实例。
图9示出了四个像素共享中的像素配置实例。
图10是示出根据第二实施例的安装有列并行ADC的固态成像装置(CMOS图像传感器)的配置实例的框图。
图11示出了在根据第三实施例的安装有列并行ADC的固态成像装置(CMOS图像传感器)中的像素单元的配置。
图12示出了根据实施例的固态成像装置应用的相机系统的一个配置实例。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细说明本发明的优选实施例。
将以下面所示的顺序进行说明：
1、第一实施例(固态成像装置的第一配置实例)
2、第二实施例(固态成像装置的第二配置实例)
3、第三实施例(固态成像装置的第三配置实例)
4、第四实施例(相机系统的配置实例)
<1.第一实施例>
图4是示出根据第一实施例的安装有列并行ADC的固态成像装置(CMOS图像传感器)的配置实例的框图。
[固态成像装置的总体配置实例]
如图4中所示，固态成像装置100具有作为成像部分的像素单元110、垂直扫描电路(行扫描电路)120、水平转移扫描电路(列扫描电路)130和定时控制电路140。
并且，固态成像装置100具有作为列电路的像素电流源150D和150U、形成ADC组的列并行处理单元160D和160U、数字-模拟转换器(DAC)170以及内部电压生成电路(偏压电路)180。
在本实施例中，像素信号读出单元由水平转移扫描电路130、像素电流源150、列并行处理单元160、DAC170等形成。定时控制电路140具有与控制单元相对应的功能。
并且，在本实施例中，像素电流源150、列并行处理单元160以及DAC170被配置为包括用于接收内部或外部所生成的偏压的供应的功能单元。
像素单元110具有多个单元像素110A，所述多个单元像素110A以由m行和n列所形成的二维配置(矩阵配置)排列，每个单元像素110A包括在像素内的光电二极管(光电转换元件)和放大器。
[单元像素的配置实例]
图5示出了在根据本实施例的CMOS图像传感器中的包括四个晶体管的像素的一个实例。
单元像素110A例如具有光电二极管111作为光电转换元件。
单元像素110A针对一个光电二极管111具有作为有源元件的四个晶体管，所述四个晶体管包括作为转移元件的转移晶体管112、作为复位元件的复位晶体管113、放大晶体管114以及选择晶体管115。
光电二极管111光电地将入射光转换为电荷(在该情形中为电子)，所述电荷的量与入射光的量相对应。
转移晶体管112连接在光电二极管111与用作输出节点的浮动扩散FD之间。
当通过转移控制线LTx将驱动信号TG提供给转移晶体管112的栅极时(转移栅极)，转移晶体管112将电子转移至浮动扩散FD，所述电子在作为光电转换元件的光电二极管111中被光电地转换。
复位晶体管113连接在电源线LVDD与浮动扩散FD之间。
当通过复位控制线LRST将复位RST提供给复位晶体管113的栅极时，复位晶体管113将浮动扩散FD的电位复位为电源线LVDD的电位。
浮动扩散FD与放大晶体管114的栅极连接。放大晶体管114通过选择晶体管115与垂直信号线116连接，并且与像素单元外部的像素电流源150D和150U的恒流源ID和IU一起形成源极跟随器。
当通过选择控制线LSEL将控制信号(寻址信号或选择信号)SEL提供给选择晶体管115的栅极时，选择晶体管115被导通。
当选择晶体管115被导通时，放大晶体管114放大浮动扩散FD的电位，并且将与该电位相对应的电压输出至垂直信号线116。通过垂直信号线116从每个像素输出的电压被输出至列并行处理单元160，所述列并行处理单元160用作像素信号读出电路。
例如，由于转移晶体管112、复位晶体管113和选择晶体管115的各个栅极以列为单位相连接，所以这些操作在一行的每个像素上同时并行执行。
连线到像素单元110的复位控制线LRST、转移控制线LTx以及选择控制线LSEL在像素阵列中的每个行中被分组并被连线为一条控制线LCTL。
这些复位控制线LRST、转移控制线LTx以及选择控制线LSEL由垂直扫描电路120驱动，所述垂直扫描电路120用作像素驱动单元。
在固态成像装置100中，布置生成内部时钟的定时控制电路140、垂直扫描电路120以及水平转移扫描电路130，该定时控制电路140作为用于像素单元110中的信号的顺序读出的控制电路，该垂直扫描电路120控制行寻址和行扫描，该水平转移扫描电路130控制列寻址和列扫描。
例如，当执行全像素读出时，垂直扫描电路120首先在定时控制电路140的控制下执行像素单元110的全复位。
在该情形中，当转移晶体管112和复位晶体管113被导通时(或者复位晶体管113被导通时)，同时执行全屏复位。
更具体地，执行转移晶体管112的导通/截止控制的控制信号Tx与执行复位晶体管113的导通/截止控制的控制信号RST两者(或两者之一)被设置为激活(在该实例中为高电平)。
结果，存储在光电二极管(光电转换元件)111中的电荷被丢弃。然后，在复位完成之后，控制信号Tx和控制信号RST均被切换为低电平，并且转移晶体管112和复位晶体管被截止。结果，光电二极管111将光信号转换为电荷，并且存储该电荷。
接下来，在读出时，垂直扫描电路120导通复位晶体管113以复位浮动扩散FD，然后截止复位晶体管113。结果，此时点的浮动扩散FD的电压通过放大晶体管114和选择晶体管115输出。此时点的输出被定义为P相输出。
接下来，转移晶体管112被导通以将存储在光电二极管111中的电荷转移至浮动扩散FD。此时点的浮动扩散FD的电压通过放大晶体管114输出。此时点的输出被定义为D相输出。
使用D相输出与P相输出之间的差作为图像信号使得不仅能够从图像信号中去除每个像素的输出中的DC分量变化，而且还能够从图像信号中去除浮动扩散中的FD复位噪声。
在定时控制电路140的控制下，垂直扫描电路120驱动每个行中的像素，以便从像素单元110的上侧和下侧，即，从接近像素电流源150U和150D的区域中的行向中心交替地执行像素读出。
定时控制电路140生成用于像素单元110、垂直扫描电路120、水平转移扫描电路130、列并行处理单元160、DAC170以及内部电压生成电路180的信号处理所必要的定时信号。
定时控制电路140包括DAC控制功能单元，所述DAC控制功能单元例如控制DAC170中的基准信号RAMP(Vslop)的生成以及内部电压生成电路180。
DAC控制功能单元进行控制，以便为每个行调整基准信号RAMP的偏移，所述基准信号RAMP在列并行处理单元160中的每个列处理电路(ADC)161中被AD转换。
在像素单元110中，通过使用行快门(line shutter)通过光子的积聚和放电，画面和屏幕图像在每个像素行中被光电地转换，并且模拟信号VSL输出至列并行处理单元160(D、U)中的每个列处理电路161。
在列并行处理单元160中，每个ADC块(每个列单元)通过使用来自DAC170的基准信号(斜坡信号)RAMP来对像素单元110的模拟输出执行基于APGA的集成ADC和数字CDS，并且输出几个位的数字信号。
当像素电流源150D和150U与信号线连接以便与像素的放大晶体管(FD放大器)一起形成源极跟随器用于像素读出时，应用将像素电流源150D和150U提供在信号线的两端(像素单元110的上侧和下侧)的配置，以便保证阻抗。
在内部电压生成电路180中所生成的偏压VBIAS1被提供给像素电流源150D。
在内部电压生成电路180中所生成的偏压VBIAS2被提供给像素电流源150U。
图6示出了根据本实施例的布置在像素单元的上端和下端的像素电流源的具体配置实例。
根据像素的列阵列，像素电流源150D具有负载MOS晶体管151D-1至151D-n以及152D-1至152D-n。负载MOS晶体管151D-1至151D-n以及152D-1至152D-n串联连接在基准电位VSS与垂直信号线116-1至116-n中的每条线的一端(下端)侧之间。
负载MOS晶体管151D-1至151D-n的栅极共同连接到在内部电压生成电路180中所生成的偏压VBIAS11的供应线。
负载MOS晶体管152D-1至152D-n的栅极共同连接到在内部电压生成电路180中所生成的偏压VBIAS12的供应线。
在像素读出时，串联连接的负载MOS晶体管151D-1到151D-n与152D-1到152D-n用作源极跟随器的电流源ID。
根据像素的列阵列，像素电流源150U具有负载MOS晶体管151U-1至151U-n以及152U-1至152U-n。负载MOS晶体管151U-1至151U-n以及152U-1至152U-n串联连接在基准电位VSS与垂直信号线116-1至116-n中的每条线的另一端(上端)侧之间。
负载MOS晶体管151U-1至151U-n的栅极共同连接到在内部电压生成电路180中所生成的偏压VBIAS21的供应线。
负载MOS晶体管152U-1至152U-n的栅极共同连接到在内部电压生成电路180中所生成的偏压VBIAS22的供应线。
在读出像素时，串联的负载MOS晶体管151U-1至151U-n以及152U-1至152U-n用作源极跟随器的电流源IU。
[列ADC的配置实例]
本实施例的列并行处理单元160D和160U具有相同的配置，在所述列并行处理单元160D和160U中排列多个列处理电路(ADC)161，所述多个列处理电路(ADC)161形成ADC块。
更具体地，每个列并行处理单元160(D、U)具有k位数字信号转换功能，并且被布置在垂直信号线(列线)116-1至116-n中的每条线中，以便形成列并行ADC块。
每个ADC161均具有比较器162作为功能单元，所述比较器162将基准信号RAMP(Vslop)与模拟信号VSL进行比较，其中所述基准信号RAMP通过将由DAC170所生成的基准信号变为类阶梯的斜坡波形来形成，所述模拟信号VSL通过垂直信号线从每条行线中的像素获得。
并且，每个ADC均具有计数器163和存储器(锁存器)164，其中所述计数器163对比较次数进行计数，所述存储器164保留计数器163的计数结果。ADC161具有转移开关165。
例如，每个存储器164的输出端与具有k位宽度的水平转移线LTRF连接。
与水平转移线LTRF相对应地布置有k个放大电路和信号处理电路。
在具有这种比较器的列并行处理单元160中，被读入至垂直信号线116中的模拟信号电位VSL在被布置于每列(每列)中的比较器162中与基准信号RAMP进行比较。
此时，计数器163进行操作，所述计数器163像比较器162一样地被布置于每列中。
每个ADC161通过具有斜坡波形的基准信号RAMP(电位Vslop)中的变化以及具有一对一对应的计数值来将垂直信号线116的电位(模拟信号)VSL转换为数字信号。
ADC161将基准信号RAMP(电位Vslop)的电压的变化转换为时间的变化。通过对一定周期(时钟)中的时间进行计数，所述变化被转化为数字值。
当模拟信号VSL与基准信号RAMP(Vslop)相交时，比较器162的输出反转，并且计数器163的输入时钟停止，或者停止的时钟输入到计数器163中，从而完成AD转换。经AD转换的数据被保留在存储器164中。
在上述AD转换时段结束之后，保留在存储器164中的数据由水平转移扫描电路130转移至水平转移线LTRF。然后，所述数据通过放大电路被输入至信号处理电路中，并且经历特定的信号处理，从而生成二维图像。
在水平转移扫描电路130中，同时并行使用几条信道用以转移数据，以便保证转移速率。
定时控制电路140生成用于在诸如像素单元110和列并行处理单元160之类的各个块中进行信号处理所必要的定时。
下行信号处理电路使用存储在行存储器中的信号来执行对垂直线缺陷和/或点缺陷的校正、信号的钳位处理以及数字信号处理，所述数字信号处理包括并行/串行转换、压缩、编码、加法、平均以及采样操作。
在本实施例的固态成像装置100中，信号处理电路的数字输出被发送作为ISP或基带LSI的输入。
在定时控制电路140的控制下，DAC170生成具有斜坡波形的基准信号(斜坡信号)并且将所述基准信号提供给列并行处理单元160，其中所述基准信号从具有一定倾角变为线性形式。
例如，在定时控制电路140的控制下，DAC170为每一列生成具有经调整的偏移的基准信号RAMP，所述基准信号RAMP经历由列并行处理单元160中的每个列处理电路(ADC)161所进行的AD转换。
内部电压生成电路180生成偏压VBIAS1(11、12)和VBIAS2(21、22)，并且将它们提供给像素电流源150D和150U。
内部电压生成电路180生成偏压VBIAS3，并且将其提供给用于DAC170的电流控制的电流源(例如晶体管的栅极)。
[固态成像装置中的全像素读出的操作实例]
图7(A)和图7(B)是示出在根据本实施例的固态成像装置中的全像素读出的操作实例的示例图。
现在，参照图7对根据上述配置的操作进行说明。
例如，当在定时控制电路140的控制下执行全像素读出时，如图7(A)中所示，首先执行像素单元110的全复位。
在该情形中，当转移晶体管112和复位晶体管113被导通时，同时执行全屏复位以便导通。
更具体地，垂直扫描电路120将控制信号Tx和控制信号RST设置为激活或高电平，其中所述控制信号Tx执行转移晶体管112的导通/截止控制，所述控制信号RST执行复位晶体管113的导通/截止控制。
结果，将存储在光电二极管111中的电荷丢弃。
然后，在复位完成之后，将控制信号Tx和控制信号RST切换至低电平，并且将转移晶体管112和复位晶体管截止。结果，光电二极管111将光信号转换为电荷，并且存储该电荷。
接下来，执行像素读出。
在读取操作期间，从外围电路，特别是像素电流源150D和150U产生光和热。
因此，当像素单元110被以从下端至上端顺序读出时，更靠近上端的位置具有更长的电荷存储时间。
由于靠近上端的外围电路的部分长时间地受到从所述外围电路所产生的光和热的影响，所以所述部分导致具有阴影图案的白化。
从图3的实例来看，可以假设，白化趋于出现在从屏幕的一端开始的占据大约1/5全屏的每个区域中。
因此，在本实施例中，如图7(B)中所示，驱动每行中的像素，使得从像素单元110的上侧和下侧，即从靠近像素电流源150U和150D的区域中的行向中心交替地执行像素读出。
例如，当像素单元110在垂直(V)方向上具有5000行时，以下面所示的顺序执行读出。
注意，在该实例中，假定，第1行是在下端侧靠近像素电流源150的行，而第5000行是在上端侧靠近像素电流源150U的行。然而，该顺序可以被反转。
[像素读出顺序的第一实例]
在第一实例中，以下面的顺序执行读出。
实例1)以第1行、第5000行、第2行、第4999行、第3行、第4998行、…第2500行、第2501行(R行->B行->B行->R行)的顺序
在第一实例中，驱动每行的像素，使得从靠近像素电流源150U和150D的区域中的行向中心交替地每次一行地执行读出。
在第一实施例中，由于屏幕的上端和下端被首先读出，所以这些部分的存储时间被显著缩短。结果，能够抑制由于外围电路，特别是像素电流源的影响所导致的屏幕的端处的白化。
[像素读出顺序的第二实例]
在第二实例中，以下面的顺序执行读出。
实例2)以第1行、第2行、第4999行、第5000行、第3行、第4行、…第2501行、第2502行(R行->B行->R行->B行)的顺序
在第二实例中，驱动每行的像素，使得从靠近像素电流源150U和150D的区域中的行向中心交替地每次两行地执行读出。
在第二实例中，由于屏幕的上端和下端也被首先读出，所以这些部分的存储时间被显著缩短。结果，能够抑制由于外围电路，特别是像素电流源的影响所导致的屏幕的端处的白化。
如第二实例中的从上侧和下侧交替地每次两行地读取像素的方法可应用于如图8中所示的采用两个像素共享配置的固态成像装置。
更具体地，执行对多个行的连续读出，并且从上侧和下侧交替地执行所述连续读出，其中所述多个行的数量等于共享像素的数量。这使得可执行适于像素共享配置的全像素读出。
应注意的是，在如图9中所示的四像素共享的情形中，以下面的顺序执行读出。
实例3)以第1行、第2行、第3行、第4行、第4997行、第4998行、第4999行、第5000行、第5行、第6行、第7行、第8行、…第2501行、第2502行、第2503行、第2504行(R行->B行->R行->B行)的顺序
不是必须以如上述实例中的规律性来交替地读取像素。
例如，从屏幕的上端和下端开始的、包括有一些行的特定区域SAR-D和SAR-U或者被设置为包括边缘的一些行首先被交替地读出，其中所述特定区域SAR-D和SAR-U以及所述被设置为包括边缘的一些行被预测为出现由于外围电路的影响所导致的白化。
之后，以从与一个特定区域相邻的行向与另一特定区域相邻的行的顺序执行读出，或者以从与一个特定区域相邻的行向位于中心的行的顺序执行读出，然后以从与另一特定区域相邻的行向与已读取的中心行相邻的行的顺序执行读出。
换言之，从屏幕的上端和下端开始的、包括有一些行的特定区域或者被设置为包括边缘的一些行首先被交替地读出，然后可以以任意的顺序执行读出，其中所述特定区域以及所述被设置为包括边缘的一些行被预测为出现由于外围电路的影响所导致的白化。
下面将对读出时的具体操作进行说明。
在读出时，垂直扫描电路120导通复位晶体管113从而复位浮动扩散FD，并且截止复位晶体管113。结果，此时的浮动扩散FD的电压通过放大晶体管114和选择晶体管115输出。此时的输出被定义为P相输出。
接下来，导通转移晶体管112，从而将存储在光电二极管111中的电荷转移至浮动扩散FD。此时点的浮动扩散FD的电压通过放大晶体管114输出。此时点的输出被定义为D相输出。
将从每个像素读取的信号输入至每个列处理电路(ADC)161中。
在每个列处理电路(ADC)161中，在布置于每个列中的比较器162中将已读出至垂直信号线116中的模拟信号电位VSL与基准信号RAMP进行比较。
计数器163执行计数直到模拟电位VSL的电平与基准信号RAMP的电平相交并且由此比较器162的输出反转为止。
例如，计数器163与时钟CLK同步执行计数操作。一旦比较器162的输出电平反转，则停止计数操作并且将那时的值保留在存储器164中。
所述P相复位电平随像素而改变。
在第二轮，将在每个单元像素110A中经光电转换的信号读出至垂直信号线116(-1至-n)(D相)，并且执行AD转换。
在每个列处理电路(ADC)161中，在布置于每一列中的比较器162中将已读出至垂直信号线116中的模拟信号电平VSL与基准信号RAMP进行比较。
计数器163执行计数直到模拟电位VSL的电平与基准信号RAMP的电平相交并且由此比较器162的输出反转为止。
例如，计数器163与时钟CLK同步执行计数操作。一旦比较器162的输出电平反转，则停止计数操作并且将那时的值保留在存储器164中。
然后，(D相电平－P相电平)的计算与P相和D相转换的结果的结合可实现相关二重采样(CDS)。
由水平(列)转移扫描电路130通过水平转移线LTRF将已转换为数字信号的信号一个接一个地读至放大电路中，并最终输出该信号。
这就是列并行输出处理是如何执行的。
如前所述，根据本实施例的固态成像装置，屏幕的上端和下端首先被读出，因此这些部分中的存储时间显著缩短。结果，能够抑制由于外围电路的影响所导致的屏幕的端处的白化。
<2.第二实施例>
图10是示出根据第二实施例的安装有列并行ADC的固态成像装置(CMOS图像传感器)的配置实例的框图。
根据第二实施例的固态成像装置100A与根据第一实施例的固态成像装置100的不同在于：作为读出电路(例如列ADC)的列并行处理单元160仅被布置在一侧。
在该情形中，由于像素电流源也被提供在上侧和下侧，所以可采用第一实施例中所公开的全像素读出方法。
根据第二实施例，能够获得与前述第一实施例相同的效果。
<3.第三实施例>
图11示出了在根据第三实施例的安装有列并行ADC的固态成像装置(CMOS图像传感器)中的像素单元的配置。
在根据第三实施例的固态成像装置100B中，像素单元200具有垂直(V)光学黑体(OBP)区域220和水平(H)光学黑体(OBP)区域230，所述区域220和区域230在有效像素区域210的下端侧和右端侧以遮光状态形成。
在该实施例中，VOPB区域220包括16行：从第0行至第15行，而有效像素区域210包括5000行，从第16行至第5015行。
在固态成像装置100B中，执行全像素读出，使得首先顺序读出VOPB区域220的16行，然后执行有效像素区域210的读出。在第一实施例中所述的第一实例、第二实例和第三实例的读出方法被应用于所述读出。
当应用第二实例时，以下面的顺序执行读出。
实例2)以第16行、第17行、第5014行、第5015行、第18行、第19行、…第25016行、第25017行(R行->B行->R行->B行)的顺序
当以这样的方式应用第二实例的读出方法时，驱动每个行的像素，使得从靠近像素电流源150U和150D的区域中的行向中心每次两行地交替地执行读出。
在第三实施例中，由于屏幕的上端和下端首先被读出，所以这些部分的存储时间显著缩短。结果，能够抑制由于外围电路，特别是像素电流源的影响所导致的屏幕的端处的白化。
具有这种效果的固态成像装置可被应用为用于数码相机和/或视频相机的成像装置。
<4.第四实施例>
图12示出了应用根据本发明的实施例的固态成像装置的相机系统的一个配置实例。
如图12中所示，相机系统300具有成像装置310，根据实施例的固态成像装置100、100A和100B可被应用于所述成像装置310。
例如，相机系统300具有作为光学系统的镜头320，其中所述镜头320在成像平面上形成入射光(图像光)的图像，所述光学系统将入射光引导至成像装置310的像素区域(在所述像素区域上形成目标图像)。
并且，相机系统300具有驱动电路(DRV)330和信号处理电路(PRC)340，其中所述驱动电路330驱动成像装置310，所述信号处理电路340处理成像装置310的输出信号。
驱动电路330具有定时发生器(未示出)并且通过特定的定时信号驱动成像装置310，所述定时发生器生成包括起始脉冲和时钟脉冲的各种定时信号，所述各种定时信号驱动成像装置310中的电路。
信号处理电路340还对成像装置310的输出信号执行特定的信号处理。
例如，在信号处理电路340中所处理的图像信号被记录在诸如存储器之类的记录介质上。记录在记录介质上的图像信息由打印机等进行打印，从而制作硬拷贝。信号处理电路340中所处理的图像信号在由液晶显示器等制成的监视器上被投射为运动图像。
如前所述，通过在诸如数字静态相机这样的成像设备上安装固态成像装置100、100A和100B作为成像装置310，能够实现高精度相机。
此外，还可将本技术如下配置。
(1)一种固态成像装置，包括：
像素单元，其适于具有以矩阵形式排列的多个像素，所述多个像素包括光电转换元件，所述光电转换元件将光信号转换为电信号并且存储与曝光时间相对应的信号电荷；
外围电路，其适于被布置成与像素单元的彼此相对的边缘部分相邻，并且适于与至少像素信号的读取操作相关联地被驱动；以及
像素信号读出单元，其适于以多个像素为单位从像素单元读取像素信号，其中
当执行全像素读出时，像素信号读出单元复位全部像素，然后至少从靠近外围电路的特定区域中的行来至少逐行交替地执行像素读出，外围电路布置在像素单元的彼此相对的边缘部分旁边。
(2)根据(1)的固态成像装置，其中
当执行全像素读出时，像素信号读出单元复位全部像素，然后从靠近布置在像素单元的彼此相对的边缘部分旁边的外围电路的区域中的行来至少逐行交替地执行读出，并且对在除了特定区域以外的像素单元的边缘部分之间的中心区域执行读出。
(3)根据(1)或(2)的固态成像装置，其中
当执行全像素读出时，像素信号读出单元复位全部像素，然后从靠近布置在像素单元的彼此相对的边缘部分旁边的外围电路的区域中的行向像素单元的边缘部分之间的中心部分来至少逐行交替地执行读出。
(4)根据(1)至(3)中任一项的固态成像装置，其中
像素单元包括共享像素，从而在多个像素中以这样的方式共享输出节点：在共享像素中的每个像素的像素信号能够被选择性地从所共享的输出节点输出至相应的像素信号读出线，并且
像素信号读出单元执行在数量上与共享像素相等的行的连续读出，并且所述连续读出被交替地执行。
(5)根据(1)至(4)中任一项的固态成像装置，其中
像素单元包括有效像素区域和处于遮光状态的光学黑体区域，光学黑体区域位于除了有效像素区域以外的区域中的外围电路旁边，并且
当执行全像素读出时，像素信号读出单元复位全部像素，然后按顺序执行光学黑体区域的读出，并且至少从靠近外围电路的特定区域中的行来至少逐行交替执行有效像素区域中的像素读出，外围电路布置在像素单元的彼此相对的边缘部分旁边。
(6)根据(1)至(4)中任一项的固态成像装置，包括：
像素信号读出线，其中
像素信号读出单元通过像素信号读出线从像素单元读出像素信号；并且
布置在像素单元的彼此相对的边缘部分旁边的外围电路包括负载元件，负载元件用作与像素信号读出线连接的电流源，并且通过负载元件施加与偏压相对应的电流。
(7)一种用于驱动固态成像装置的方法，所述固态成像装置包括外围电路和像素单元，外围电路适于被布置成与彼此相对的边缘部分相邻并且适于与至少像素信号的读取操作相关联地被驱动，像素单元适于具有以矩阵形式排列的多个像素，所述多个像素包括光电转换元件，光电转换元件将光信号转换为电信号并且存储与曝光时间相对应的信号电荷，所述方法包括，当对像素单元执行全像素读出时：
复位步骤，复位全部像素；以及
读出步骤，至少从靠近外围电路的特定区域中的行来至少逐行交替地执行像素读出，外围电路布置在像素单元的彼此相对的边缘部分旁边。
(8)根据(7)的用于驱动固态成像装置的方法，其中
在读出步骤中，当执行全像素读出时，复位全部像素，然后从靠近布置在像素单元的彼此相对的边缘部分旁边的外围电路的区域中的行来至少逐行交替地执行读出，并且执行在除了特定区域以外的像素单元的边缘部分之间的中心区域的读出。
(9)根据(7)或(8)的用于驱动固态成像装置的方法，其中
在读出步骤中，当执行全像素读出时，复位全部像素，然后从靠近外围电路的区域中的行向像素单元的边缘部分之间的中心部分来至少逐行交替地执行读出，外围电路布置在像素单元的彼此相对的边缘部分旁边。
(10)根据(7)至(9)中任一项的用于驱动固态成像装置的方法，其中
像素单元包括共享像素，从而在多个像素中以这样的方式共享输出节点：在共享像素中的每个像素的像素信号能够被选择性地从所共享的输出节点输出至所对应的像素信号读出线，并且
在读出步骤中，执行在数量上与共享像素相等的行的连续读出，并且交替地执行所述连续读出。
(11)根据(7)至(10)中任一项的用于驱动固态成像装置的方法，其中
像素单元包括有效像素区域和处于遮光状态的光学黑体区域，光学黑体区域位于除了有效像素区域以外的区域中的外围电路旁边，
在读出步骤中，当执行全像素读出时，复位全部像素，然后顺序执行光学黑体区域的读出，并且
至少从靠近外围电路的特定区域中的行至少逐行交替地执行有效像素区域中的像素读出，外围电路布置在像素单元的彼此相对的边缘部分旁边。
(12)一种相机系统，包括：
固态成像装置；以及
光学系统，其适于在固态成像装置上形成目标图像，其中
固态成像装置包括
像素单元，其适于具有以矩阵形式排列的多个像素，所述多个像素包括光电转换元件，光电转换元件将光信号转换为电信号并且存储与曝光时间相对应的信号电荷，
外围电路，其适于被布置成与像素单元的彼此相对的边缘部分相邻，并且适于与至少像素信号的读取操作相关联地被驱动，以及
像素信号读出单元，其适于以多个像素为单位从像素单元读取像素信号，并且
当执行全像素读出时，像素信号读出单元复位全部像素，然后至少从靠近外围电路的特定区域中的行来至少逐行交替地执行像素读出，外围电路布置在像素单元的彼此相对的边缘部分旁边。
附图标记列表
100、100A、100B 固态成像装置
110 像素单元
120 垂直扫描电路
130 水平转移扫描电路
140 定时控制电路
150 负载电路
160 列并行处理单元
161 列处理电路(ADC)
162 比较器
163 计数器
164 存储器
170 DAC
180 内部电压生成电路
LTRF 水平转移线
200 像素单元
210 有效像素区域
220 垂直光学黑体区域(VOPB)
230 水平光学黑体区域(HOPB)
SAR-D,SAR-U 特定区域
300 相机系统
310 成像装置
320 镜头
330 驱动电路
340 信号处理电路

Claims (12)

1.一种固态成像装置，包括：
像素单元，适于具有以矩阵形式排列的多个像素，所述多个像素包括光电转换元件，所述光电转换元件将光信号转换为电信号并且存储与曝光时间相对应的信号电荷；
外围电路，适于被布置成与所述像素单元的彼此相对的边缘部分相邻，并且适于与至少像素信号的读取操作相关联地被驱动；以及
像素信号读出单元，适于以多个像素为单位从所述像素单元读取所述像素信号，其中
当执行全像素读出时，所述像素信号读出单元复位全部像素，然后至少从靠近所述外围电路的特定区域中的行来至少逐行交替地执行像素读出，所述外围电路布置在所述像素单元的彼此相对的所述边缘部分旁边。
2.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中
当执行所述全像素读出时，所述像素信号读出单元复位全部像素，然后从靠近布置在所述像素单元的彼此相对的所述边缘部分旁边的所述外围电路的区域中的行来至少逐行交替地执行读出，并且执行在除了所述特定区域以外的所述像素单元的边缘部分之间的中心区域的读出。
3.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中
当执行所述全像素读出时，所述像素信号读出单元复位全部像素，然后从靠近所述外围电路的区域中的行向所述像素单元的边缘部分之间的中心部分来至少逐行交替地执行读出，所述外围电路布置在所述像素单元的彼此相对的所述边缘部分旁边。
4.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中
所述像素单元包括共享像素，从而在所述多个像素中以这样的方式共享输出节点：在所述共享像素中的每个像素的像素信号能够被选择性地从所共享的输出节点输出至相应的像素信号读出线，并且
所述像素信号读出单元执行在数量上与所述共享像素相等的行的连续读出，并且所述连续读出被交替地执行。
5.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中
所述像素单元包括有效像素区域和处于遮光状态的光学黑体区域，所述光学黑体区域位于除了所述有效像素区域以外的区域中的所述外围电路旁边，并且
当执行全像素读出时，所述像素信号读出单元复位全部像素，然后顺序执行所述光学黑体区域的读出，并且至少从靠近所述外围电路的所述特定区域中的行来至少逐行交替地执行所述有效像素区域中的像素读出，所述外围电路布置在所述像素单元的彼此相对的所述边缘部分旁边。
6.根据权利要求1所述的固态成像装置，包括：
像素信号读出线，其中
所述像素信号读出单元通过所述像素信号读出线从所述像素单元读出所述像素信号；并且
布置在所述像素单元的彼此相对的所述边缘部分旁边的所述外围电路包括负载元件，所述负载元件用作与所述像素信号读出线连接的电流源，并且通过所述负载元件施加与偏压相对应的电流。
7.一种用于驱动固态成像装置的方法，所述固态成像装置包括外围电路和像素单元，所述外围电路适于被布置成与彼此相对的边缘部分相邻并且适于与至少像素信号的读取操作相关联地被驱动，所述像素单元适于具有以矩阵形式排列的多个像素，所述多个像素包括光电转换元件，所述光电转换元件将光信号转换为电信号并且存储与曝光时间相对应的信号电荷，所述方法包括，当对所述像素单元执行全像素读出时：
复位步骤，复位全部像素；以及
读出步骤，至少从靠近所述外围电路的特定区域中的行来至少逐行交替地执行像素读出，所述外围电路布置在所述像素单元的彼此相对的所述边缘部分旁边。
8.根据权利要求7所述的用于驱动固态成像装置的方法，其中
在所述读出步骤中，当执行所述全像素读出时，复位全部像素，然后从靠近布置在所述像素单元的彼此相对的所述边缘部分旁边的所述外围电路的区域中的行来至少逐行交替地执行读出，并且执行在除了所述特定区域以外的所述像素单元的边缘部分之间的中心区域的读出。
9.根据权利要求7所述的用于驱动固态成像装置的方法，其中
在所述读出步骤中，当执行所述全像素读出时，复位全部像素，然后从靠近所述外围电路的区域中的行向所述像素单元的边缘部分之间的中心部分来至少逐行交替地执行读出，所述外围电路布置在所述像素单元的彼此相对的所述边缘部分旁边。
10.根据权利要求7所述的用于驱动固态成像装置的方法，其中
所述像素单元包括共享像素，从而在所述多个像素中以这样的方式共享输出节点：在所述共享像素中的每个像素的像素信号能够被选择性地从所共享的输出节点输出至所对应的像素信号读出线，并且
在所述读出步骤中，执行在数量上与所述共享像素相等的行的连续读出，并且交替地执行所述连续读出。
11.根据权利要求7所述的用于驱动固态成像装置的方法，其中
所述像素单元包括有效像素区域和处于遮光状态的光学黑体区域，所述光学黑体区域位于除了所述有效像素区域以外的区域中的所述外围电路旁边，
在所述读出步骤中，当执行所述全像素读出时，复位全部像素，然后顺序执行所述光学黑体区域的读出，并且
至少从靠近所述外围电路的所述特定区域中的行至少逐行交替地执行所述有效像素区域中的像素读出，所述外围电路布置在所述像素单元的彼此相对的所述边缘部分旁边。
12.一种相机系统，包括：
固态成像装置；以及
光学系统，适于在所述固态成像装置上形成目标图像，其中
所述固态成像装置包括
像素单元，适于具有以矩阵形式排列的多个像素，所述多个像素包括光电转换元件，所述光电转换元件将光信号转换为电信号并且存储与曝光时间相对应的信号电荷，
外围电路，适于被布置成与所述像素单元的彼此相对的边缘部分相邻，并且适于与至少像素信号的读取操作相关联地被驱动，以及
像素信号读出单元，其适于以多个像素为单位从所述像素单元读取所述像素信号，并且
当执行全像素读出时，所述像素信号读出单元复位全部像素，然后至少从靠近所述外围电路的特定区域中的行来至少逐行交替地执行像素读出，所述外围电路布置在所述像素单元的彼此相对的所述边缘部分旁边。
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