CN104822034A

CN104822034A - 固态成像装置和成像系统

Info

Publication number: CN104822034A
Application number: CN201510039255.3A
Authority: CN
Inventors: 前桥雄; 龟山弘明; 小林秀央; 山崎和男
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2014-01-30
Filing date: 2015-01-27
Publication date: 2015-08-05
Anticipated expiration: 2035-01-27
Also published as: CN104822034B; US9407847B2; JP2015142338A; US20150215561A1; JP6246004B2

Abstract

本发明涉及固态成像装置和成像系统。提供一种固态成像装置，包括：在多条垂直输出线和多个存储器之间连接的写存储器选择单元，被配置为将从所述多条垂直输出线的至少一条传输的信号选择性地存储在所述多个存储器的至少一个中；多个水平扫描通道，被配置为输入存储在所述多个存储器中的信号；以及在所述多个存储器和所述多个水平扫描通道之间连接的读存储器选择单元，被配置为将存储在所述多个存储器的至少一个中的信号选择性地输出到所述多个水平扫描通道的至少一个。读存储器选择单元被配置为按对应于光电转换元件的空间布置的顺序输出信号。

Description

固态成像装置和成像系统

技术领域

本发明涉及固态成像装置和成像系统。

背景技术

致力于被设计以使得单个像素放大器被多个光电转换元件共享的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器中的每一列中布置的像素的像素信号的高速读取，日本专利申请特开No.2011-130032中公开了使用针对像素的每一列布置的两条垂直输出线来同时读取两行中的像素信号的技术。

日本专利申请特开No.2011-130032中，公开以下配置作为成像元件的一个实施例。像素组包括两个光电二极管和两个传送开关。该像素组进一步包括单个重置开关、单个像素放大器和单个行选择开关。这两个光电二极管通过各自的传送开关被连接到单个浮置扩散部分，并且共享该重置开关、像素放大器和行选择开关。

在上述配置中，针对像素的每列布置两条垂直输出线。如此，可以从该两条垂直输出线同时读取在沿着列的方向上连续的两个像素组的像素信号。这样可以确保光电二极管的面积并且还可以完成高速读取。注意，在此实施例中，从被选为两个连续像素组的各自行的两行，而不是从同一像素组内的两行，同时读取像素信号。

在以上描述的其中从两条垂直输出线同时读取像素信号的配置中，读取的顺序可能无法匹配像素的实际空间布置。在上述的技术中，像素信号不是被如空间信息指示地读取。此外，同样在其中针对单个像素放大器布置单个光电转换元件的另一配置中，像素信号可能无法被如空间信号指示地读取。因此有必要使用外部数字信号处理电路将像素信号如空间信息指示地排序(sort)。

发明内容

根据本发明的一个实施例，提供了一种固态成像装置，包括：像素部分，包括布置为矩阵的多个单元像素，所述多个单元像素中的每一个包括光电转换元件；针对像素部分的每一列布置的多条垂直输出线，所述多条垂直输出线被配置为传输从所述光电转换元件输出的信号，多个存储器，被配置为存储从所述光电转换元件输出的信号；在所述多条垂直输出线和所述多个存储器之间连接的写存储器选择单元，被配置为将从所述多条垂直输出线的至少一条传输的信号选择性地存储在所述多个存储器的至少一个中；多个水平扫描通道，被配置为输入存储在所述多个存储器中的信号；以及在所述多个存储器和所述多个水平扫描通道之间连接的读存储器选择单元，被配置为将存储在所述多个存储器的所述至少一个中的信号选择性地输出到所述多个水平扫描通道的至少一个。所述读存储器选择单元被配置为按对应于所述光电转换元件的空间布置的顺序输出信号。

从以下参考附图对示例性实施例的描述，本发明的进一步特征将变得清楚。

附图说明

图1是图解根据本发明的第一实施例的固态成像装置的示例性配置的图。

图2是图解根据本发明的第一实施例的像素部分和信号处理单元的示例性配置的图。

图3是图解根据本发明的第一实施例的单元像素的示例性配置的图。

图4是图解用于描述根据本发明的第一实施例的驱动定时的示例性电路的图。

图5是图解根据本发明的第一实施例的驱动定时的图。

图6是图解用于描述根据本发明的第二实施例的驱动定时的示例性电路的图。

图7是图解根据本发明的第二实施例的驱动定时的图。

图8是图解用于描述根据本发明的第三实施例的驱动定时的示例性电路的图。

图9是图解根据本发明的第三实施例的驱动定时的图。

图10是图解用于描述根据本发明的第四实施例的驱动定时的示例性电路的图。

图11是图解根据本发明的第四实施例的驱动定时的图。

图12是图解用于描述根据本发明的第五实施例的驱动定时的示例性电路的图。

图13A是图解根据本发明的第五实施例的第一模式中的驱动定时的图。

图13B是图解根据本发明的第五实施例的第二模式中的驱动定时的图。

图14是图解根据本发明的第六实施例的成像系统的配置的图。

具体实施方式

现在将根据附图详细描述本发明的优选实施例。遍及附图，相同的附图标记表示相同的组件，并且重叠的组件的描述有时被省略。

(第一实施例)

图1是图解根据本发明的第一实施例的固态成像装置的示例性电路配置的示意图。该固态成像装置包括像素部分1、信号处理单元2、水平扫描电路3和垂直扫描电路4。

像素部分1包括布置为矩阵的多个单元像素。信号处理单元2被连接到像素部分1的各个列中的单元像素以便从各个列读取信号，并且每个信号处理单元包括用于存储所读取的信号的存储器。水平扫描电路3被连接到信号处理单元2从而选择性地读取信号处理单元2中存储的信号。垂直扫描电路4被连接到像素部分1的各个行中的单元像素以便执行诸如选择将从哪个像素读取信号的处理。

图2是图解根据本发明的第一实施例的像素部分1和信号处理单元2的示例性配置的示意图。像素部分1包括单元像素200和连接到单元像素200的每个列的两条垂直输出线201和202。

同一列中的单元像素200的输出被连接到垂直输出线201和202以及恒定电流源203和204。垂直输出线201和202被连接到信号处理单元2。信号处理单元2包括放大器205、模数(AD)转换器206和存储器部分207。放大器205和AD转换器206被连接到垂直输出线201和202中的每一条。

放大器205放大输出到对应的垂直输出线的像素信号，并且输出经放大的像素信号到AD转换器206。AD转换器206AD转换经放大的像素信号，并且将经转换的信号作为数字数据输出到存储器部分207。

存储器部分207包括写存储器选择单元208、并联的多个存储器209和读存储器选择单元210。存储器部分207具有将像素信号作为数字数据保持的功能。

这里，每个单元仅仅需要具有开关功能或放大功能，并且例如可以由诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的晶体管形成。以下描述假设每个单元是具有栅极、源极和漏极端子的FET。

写存储器选择单元208被配置为选择使用哪个存储器209来存储输入到存储器部分207的数字数据。

写存储器选择单元208和读存储器选择单元210之间连接有多个存储器209。并联的存储器209的数量等于或大于连接到信号处理单元的垂直输出线的数量。在此实施例中，关于两条垂直输出线201和202四个存储器209并联。每个存储器209能够存储两种信号，即包含像素中生成的噪声成分的重置信号N和在其上叠加有对应于重置信号N的噪声的光电转换信号S。可以在固态成像装置的外部执行(S-N)的减法处理，或者该功能可以被包括在固态成像装置中，诸如被包括在存储器209中。在其中(S-N)的减法处理在存储器209的上游侧执行的情况下，存储器209可以被配置为存储仅一种数据。

读存储器选择单元210具有选择将从其读取信号的存储器209中的任一个的功能。来自读存储器选择单元210的信号的读取由水平扫描电路3控制。

当垂直扫描电路4恰当地选择像素部分1的像素行时，执行上述有关将来自像素的像素信号读取到垂直输出线的操作序列。注意，由传输自被分离地提供的定时控制单元(未示出)的脉冲信号控制每个电路。

注意，图2中示出的单元像素200和垂直输出线201和202具有如下关系：两条垂直输出线被连接到像素的每一列。然而，像素的列的数量和垂直输出线的数量之间的关系并不限于此，并且仅必需多条垂直输出线被连接到像素的每一列。

在图2的信号处理单元2中，一个放大器205和一个AD转换器206被连接到两条垂直输出线中的每一条，并且包括四个存储器209的存储器部分207被连接到两个AD转换器206。然而，信号处理单元2并不限于此配置，并且放大器205和AD转换器206不是必要的组件。换言之，垂直输出线可以直接连接到AD转换器206，或者垂直输出线可以作为未经任何转换的模拟信号在不经由AD转换器206的情况下连接到存储器部分207。

图3是图解根据第一实施例的单元像素的示例性配置的图。单元像素200包括两个光电转换元件301和302、电荷传送单元303和304、浮置扩散部分FD、重置单元305、像素信号放大单元306和行选择单元307。

每个光电转换元件301和302包括用于通过光电转换生成对应于所检测的光的强度的电荷的诸如光电二极管的元件。光电转换元件301和302以及共同的浮置扩散部分FD之间分别连接有电荷传送单元303和304。如此处使用的，共同的浮置扩散部分指的是共同的节点，其指的是“电荷传送单元303和304被连接到共同的像素放大部分”。例如，在其中固态成像装置在半导体衬底上形成的情况下，多个扩散区域可以被用于形成单个浮置扩散部分。

作为替代地，可以为单元像素200中包含的多个光电转换元件301提供共同的微透镜。此配置可以获得相位差信息以执行焦点检测。

电荷传送单元303和304分别是用于读取光电转换元件301和302中积累的电荷的传送晶体管，并且分别被像素传送信号PTX1和PTX2控制为导通/不导通(接通/关断)。

在供电电压VDD和浮置扩散部分FD之间连接着重置单元305。重置单元305是用于通过将供电电压VDD供应到浮置扩散部分FD来重置电路的重置晶体管，并且被像素部分重置信号PRES控制为导通/不导通(接通/关断)。

像素信号放大单元306具有连接到浮置扩散部分FD的栅极端子、连接到供电电压VDD的漏极端子和连接到行选择单元307的源极端子。像素信号放大单元306是用于放大由浮置扩散部分FD中积累的电荷获得的电压从而将经放大的电压作为信号电压输出到垂直输出线201或202的源级跟随晶体管。

行选择单元307是用于控制像素信号放大单元306的输出和垂直输出线201或202之间的连接从而选择将从其输出二维布置的像素的信号的行的行选择晶体管。行选择单元307被行选择信号PSEL控制为导通/不导通(接通/关断)。

在图3中示出的单元像素200中，两个光电转换元件共享单个浮置扩散部分FD，但是单元像素200并不限于此。更大数量的光电转换元件可以共享或可以不共享单个浮置扩散部分FD。

图4是图解用于描述根据本发明的第一实施例的驱动定时的示例性电路的图。在像素部分1的一列、针对该列的信号处理单元2和水平扫描电路3的组件之中，图4仅图解了对于描述驱动定时必要的部分。在图4的电路中，光电转换元件411和412共享单个浮置扩散部分FD，并且被连接到垂直输出线201。光电转换元件421和422共享单个浮置扩散部分FD，并且被连接到垂直输出线202。类似地，从顶部起奇数单元像素中包括的光电转换元件被连接到垂直输出线201，并且偶数单元像素中包括的光电转换元件被连接到垂直输出线202。同样地，图4总共例示了十二个光电转换元件411到462。连接到各个光电转换元件411到462的像素传送单元被像素传送信号PTX411到PTX462控制为导通/不导通(接通/关断)。

写存储器选择单元208具有在垂直输出线201或202和每个存储器之间选择性地传输信号的功能。垂直输出线和存储器之间的连接关系由写存储器选择信号MSEL_W1到MSEL_W4控制。写存储器选择单元208可以由例如均具有一个或多个输入端和一个或多个输出端的开关构成。类似地，读存储器选择单元210也可以具有在每个存储器和水平扫描电路之间选择性地传输信号的功能，并且被读存储器选择信号MSEL_R1到MSEL_R4控制。水平扫描电路3具有两个水平扫描通道ch1和ch2。从读存储器选择单元210输入的信号被输出到水平扫描通道ch1或ch2。

图5是图解根据本发明的实施例的驱动定时的定时图。图5中，MEM1到MEM4和水平扫描通道ch1和ch2代表图解存储器209和输出通道中的数据占用时间段的转变的转变图。转变图中描述的附图标记511到561代表分别对应于图4中的光电转换元件411到461的像素信号。换言之，附图标记的最后两位以如下方式代表像素信号和光电转换元件之间的对应关系：在该方式下转变图中描述的附图标记511代表从光电转换元件411输出的像素信号。MEM1的行中描述的区段511指示基于图4的光电转换元件411的光电电荷的信号511占据(保持)于存储器209的MEM1中。注意，在图4和图5中，出于简化的目的省略像素部分重置信号PRES和行选择信号PSEL。

表1示出根据本实施例的由MSEL_W1到MSEL_W4控制的用于存储来自垂直输出线201和202的信号的MEM1到MEM4的选择以及由MSEL_R1到MSEL_R4控制的从MEM1到MEM4到ch1和ch2的信号读取的对应关系。注意，多个处理块作为对应于相应控制信号的信号写处理或读处理被示出，这意味着处理块的所有操作被执行。

表1

接下来，参考图5的定时图描述本实施例中的如下操作：两个单元像素200被同时驱动使得数据从这两个单元像素200写入存储器209，随后该数据被按不同于写入顺序的顺序读取。注意，在此处的描述中，电荷传送单元等被配置为导通/不导通(接通/关断)从而在当定时图中图解的信号为高时被接通并且在当信号为低时被关断。

在TW51时间段内，PTX411和PTX421变为高从而分别从光电转换元件411和421读取像素信号511和521。此时，写存储器选择信号MSEL_W1变为高从而将像素信号511写入MEM1以及将像素信号521写入MEM3。

在TW52时间段内，PTX412和PTX422变为高从而分别从光电转换元件412和422读取像素信号512和522。此时，写存储器选择信号MSEL_W2变为高从而将像素信号512写入MEM2以及将像素信号522写入MEM4。

在TR51时间段内，读存储器选择信号MSEL_R1变为高从而从MEM1读取像素信号511以及从MEM2读取像素信号512。

在TW53时间段内，PTX431和PTX441变为高从而分别从光电转换元件431和441读取像素信号531和541。此时，写存储器选择信号MSEL_W3变为高从而将像素信号531写入MEM1以及将像素信号541写入MEM2。

在TR52时间段内，读存储器选择信号MSEL_R2变为高从而从MEM3读取像素信号521以及从MEM4读取像素信号522。

在TW54时间段内，PTX432和PTX442变为高从而分别从光电转换元件432和442读取像素信号532和542。此时，写存储器选择信号MSEL_W4变为高从而将像素信号532写入MEM3以及将像素信号542写入MEM4。

在TR53时间段内，读存储器选择信号MSEL_R3变为高从而从MEM1读取像素信号531以及从MEM3读取像素信号532。

在TW55时间段内，PTX451和PTX461变为高从而分别从光电转换元件451和461读取像素信号551和561。此时，写存储器选择信号MSEL_W1变为高从而将像素信号551写入MEM1以及将像素信号561写入MEM3。

在TR54时间段内，读存储器选择信号MSEL_R4变为高从而从MEM2读取像素信号541以及从MEM4读取像素信号542。

注意，图5的定时图是用于描述本实施例的示意图，并不意在限制用于控制存储器部分207的脉冲的实际定时。例如，在本实施例中，像素传送信号PTX变为高的定时和读存储器选择信号MSEL_R变为高的定时彼此匹配。此配置可以提高帧速率。然而，在本实施例中并不必需匹配定时，并且定时可以相互偏移。

在本实施例中，按以下顺序从像素部分1读取像素信号。第一，从光电转换元件411和421同时读取信号。第二，从光电转换元件412和422同时读取信号。第三，从光电转换元件431和441同时读取信号。第四，从光电转换元件432和442同时读取信号。这样，从垂直输出线201和202的两行同时读取信号，并且因此高速地执行读取。

如果从存储器部分207读取像素信号到水平扫描电路3的顺序与在未应用根据本实施例的电路和用于其的驱动方法的情况下从像素部分1进行读取的顺序相同，那么空间布置的顺序与上述顺序相同。具体地，像素信号按以下顺序被读取：像素信号511和521、像素信号512和522、像素信号531和541以及像素信号532和542。另一方面，图4中图解的像素的空间布置从顶部起依次为411、412、421、422、431、432、441和442。换言之，读取的顺序与像素的空间布置不同。

另一方面，在其中应用根据本实施例的电路和用于其的驱动方法的情况下，按以下顺序读取信号。第一，同时读取像素信号511和512。第二，同时读取像素信号521和522。第三，同时读取像素信号531和532。第四，同时读取像素信号541和542。因此，读取的顺序和如下的像素的空间布置匹配。具体地，按以下顺序读取像素信号，像素信号511和512、像素信号521和522、像素信号531和532以及像素信号541和542。

结果，信号将被读取的顺序可以与像素的空间布置匹配，同时通过以上描述地同时读取两个信号来维持高速读取。

在包括固态成像装置的一些成像系统中，按特别是列方向上的空间布置顺序对于像素信号执行诸如显影、校正和插值的图像处理。根据本实施例的固态成像装置能够按空间布置的顺序，即按处理的顺序，将像素信号供应到下游电路。

此处，读取顺序可以匹配空间布置顺序的信号的读取(包括同时读取)被表示为“如空间信息指示的读取”。换言之，如在其中未应用本实施例的上述示例中地，在像素412之前从像素421读取信号被表示为“未如空间信息所指示地读取”。

根据本实施例，通过在存储器部分207中切换存储器209的写入和读取的顺序，从像素部分1输出的信号可以被如空间信息指示地读取并且被输出到水平扫描电路3。

此外，在本实施例中，用于切换读取顺序的存储器209被布置在用于存储由水平扫描电路3针对每一列读取的信号的列存储器(未示出)的上游侧(在更靠近用于生成信号的光电转换元件的一侧)。与存储器209被布置在列存储器的下游侧相比，此配置可以减少布置在整个成像系统中的存储器的数量，并且因此可以缩小该装置的尺寸并且改善该装置的成本效率。此外，因为需要少量的存储器，可以低速驱动该装置以减少功耗。

更进一步，如上所述，可以修改该实施例使得AD转换器206被布置在存储器部分207的下游侧，并且在这种情况下，从垂直输出线201和202读取的像素信号可以作为未进行任何转换的模拟信号被写入并保持在存储器209中。然而，存储器等中保持的模拟信号可能由于噪声或泄漏电流而劣化。因此，在其中在存储器中保持信号达长于迄今为止的时间段的时间段的本实施例中，更优选地是保持数字信号，与模拟信号相比，数字信号的由于噪声或泄漏电流而导致的劣化较小。

本实施例已经示例了针对单个像素放大器布置两个光电转换元件并提供两条垂直输出线的情况。上述描述已经示出本配置由于多条垂直输出线而实现高速读取并使得信号能够被如空间布置指示地读取。然而本实施例可以被适当修改以可应用于具有不同数量的光电转换元件和垂直输出线的其它配置。在以下实施例中描述其示例。

(第二实施例)

接下来描述本发明的第二实施例。除了像素部分的配置、存储器部分的配置和驱动方法之外，根据本实施例的固态成像装置与根据上述第一实施例的固态成像装置相同。因此，以下描述与第一实施例不同的部分。

图6是图解用于描述根据第二实施例的驱动定时的示例性电路的图。在单元像素600中，两行两列总共四个光电转换元件611、612、613和614共享单个浮置扩散部分FD，并且被连接到垂直输出线201。在沿光电转换元件611的行的方向(水平方向)上，光电转换元件612被与光电转换元件611相邻地布置。在沿光电转换元件611的列的方向(垂直方向)上，光电转换元件613被与光电转换元件611相邻地布置。类似地，两行两列总共四个光电转换元件621、622、623和624共享单个浮置扩散部分FD，并且被连接到垂直输出线202。图6总共例示了8个光电转换元件611到624。连接到各个光电转换元件611到624的像素传送单元被各自的像素传送信号PTX611到PTX624控制为导通/不导通(接通/关断)。

为单元像素的每两行安装8个存储器209(MEM1到MEM8)。从存储器部分207到水平扫描电路3连接有4条读取线，分别连接到ch1到ch4。

图7是图解根据本实施例的驱动定时的定时图。以和第一实施例中的方式相同的方式表示该驱动定时。MEM1到MEM8以及水平扫描通道ch1到ch4的转变图中描述的数字711到724分别代表对应于图6的光电转换元件611到624的像素信号。注意，在图6和图7中，出于简化目的省略像素部分重置信号PRES和像素选择信号PSEL。注意，图7的定时图是用于描述此实施例的示意图，并不意在限制用于控制存储器部分207的脉冲的实际定时。

表2示出根据本实施例的由MSEL_W1到MSEL_W4控制的用于存储来自垂直输出线201和202的信号的MEM1到MEM8的选择以及由MSEL_R1和MSEL_R2控制的从MEM1到MEM8到ch1到ch4的信号读取的对应关系。注意，多个处理块作为对应于相应控制信号的信号写处理或读处理被示出，这意味着处理块的所有操作被执行。

表2

在TW71时间段内，PTX611和PTX621变为高从而分别从光电转换元件611和621读取像素信号711和721。此时，写存储器选择信号MSEL_W1变为高从而将像素信号711写入MEM1以及将像素信号721写入MEM5。

在TW72时间段内，PTX612和PTX622变为高从而分别从光电转换元件612和622读取像素信号712和722。此时，写存储器选择信号MSEL_W2变为高从而将像素信号712写入MEM2以及将像素信号722写入MEM6。

在TW73时间段内，PTX613和PTX623变为高从而分别从光电转换元件613和623读取像素信号713和723。此时，写存储器选择信号MSEL_W3变为高从而将像素信号713写入MEM3以及将像素信号723写入MEM7。

在TW74时间段内，PTX614和PTX624变为高从而分别从光电转换元件614和624读取像素信号714和724。此时，写存储器选择信号MSEL_W4变为高从而将像素信号714写入MEM4以及将像素信号724写入MEM8。

在TR71时间段内，读存储器选择信号MSEL_R1变为高从而从MEM1读取像素信号711、从MEM2读取像素信号712、从MEM3读取像素信号713以及从MEM4读取像素信号714。

在TR72时间段内，读存储器选择信号MSEL_R2变为高从而从MEM5读取像素信号721、从MEM6读取像素信号722、从MEM7读取像素信号723以及从MEM8读取像素信号724。

在本实施例中，按以下顺序从像素部分1读取像素信号。第一，从光电转换元件611和621同时读取信号。第二，从光电转换元件612和622同时读取信号。第三，从光电转换元件613和623同时读取信号。第四，从光电转换元件614和624同时读取信号。与第一实施例类似，从垂直输出线201和202的两行同时读取信号，因此高速执行读取。

另一方面，按以下顺序从存储器部分向水平扫描电路读取像素信号。首先，同时读取像素信号711、712、713和714。第二，同时读取像素信号721、722、723和724。因此，本实施例中还从每个单元像素读取信号。

具体地，信号将被读取的顺序可以与像素的空间布置匹配，同时通过以上描述的两个信号的同时读取来维持高速读取。

在包括固态成像装置的一些成像系统中，按特别是列方向上的空间布置顺序对于像素信号执行诸如显影、校正和插值的图像处理。根据本实施例的固态成像装置能够按空间布置的顺序，即处理的顺序，供应像素信号。

具体地，在图6中，可以在存储器部分207中切换存储器209的写入和读取的顺序从而从光电转换元件611、612、613、614、621、622、623、624…依次读取信号(包括同时读取)。结果，同时读取从光电转换元件611、612、613和614输出的像素信号，并且之后同时读取从光电转换元件621、622、623和624输出的像素信号，即，实现了如空间信息指示的读取。

进一步，在本实施例中，当在光电转换元件上提供分别被配置为传输具有特定波长的光的多个颜色的滤色器时，可以获得彩色成像。光电转换元件上的滤色器的图案可以是例如其中布置为2×2的正方形的R(红色像素)、G(绿色像素)、G和B(蓝色像素)四个元件为一个单位的Bayer布置。在这种情况下，例如，通过为R布置光电转换元件611、为G布置光电转换元件612和613以及为B布置光电转换元件614，以显影处理的单位读取信号。然而，只要重复作为一个单位的多个像素，那么滤色器就可以具有另一种图案，并且在这种情况下，可以通过修改本实施例从而使一个单位中的信号作为组被读取来获得相同的效果。注意，上述“一个单位中的信号作为组被读取”指的是在该读取顺序中，来自某个单位中的单元像素的连续信号不包含来自另一单位中的单元像素的信号。

(第三实施例)

接下来描述本发明的第三实施例。除了像素部分的配置、存储器部分的配置和驱动方法之外，根据本实施例的固态成像装置与根据上述第一实施例的固态成像装置相同。因此，以下描述与第一实施例不同的部分。

图8是图解用于描述根据第三实施例的驱动定时的示例性电路的图。三条垂直输出线801、802和803被连接到单元像素的每列。为像素的每列安装6个存储器209(MEM1到MEM6)。从存储器部分207到水平扫描电路连接有两条读取线，它们被连接到ch1和ch2。

图9是图解根据本实施例的驱动定时的定时图。以和第一实施例中的方式相同的方式表示该驱动定时。MEM1到MEM6和水平扫描通道ch1和ch2的转变图中描述的数字911到932分别代表对应于图8的光电转换元件811到832的像素信号。注意，在图8和图9中，

出于简化目的省略像素部分重置信号PRES和像素选择信号PSEL。注意，图9的定时图是用于描述此实施例的示意图，并不意在限制用于控制存储器部分207的脉冲的实际定时。

表3示出根据本实施例的由MSEL_W1和MSEL_W2控制的用于存储来自垂直输出线801、802和803的信号的MEM1到MEM6的选择以及由MSEL_R1到MSEL_R3控制的从MEM1到MEM6到ch1和ch2的信号读取的对应关系。注意，多个处理块作为对应于相应控制信号的信号写处理或读处理被示出，这意味着处理块的所有操作被执行。

表3

在TW91时间段内，PTX811、PTX821和PTX831变为高从而分别从光电转换元件811、821和831读取像素信号911、921和931。此时，写存储器选择信号MSEL_W1变为高从而将像素信号911写入MEM1、将像素信号921写入MEM3以及将像素信号931写入MEM5。

在TW92时间段内，PTX812、PTX822和PTX832变为高从而分别从光电转换元件812、822和832读取像素信号912、922和932。此时，写存储器选择信号MSEL_W2变为高从而将像素信号912写入MEM2、将像素信号922写入MEM4以及将像素信号932写入MEM6。

在TR91时间段内，读存储器选择信号MSEL_R1变为高从而从MEM1读取像素信号911以及从MEM2读取像素信号912。

在TR92时间段内，读存储器选择信号MSEL_R2变为高从而从MEM3读取像素信号921以及从MEM4读取像素信号922。

在TR93时间段内，读存储器选择信号MSEL_R3变为高从而从MEM5读取像素信号931以及从MEM6读取像素信号932。

在本实施例中，按以下顺序从像素部分1读取像素信号。第一，从光电转换元件811、821和831同时读取信号。第二，从光电转换元件812、822和832同时读取信号。从垂直输出线801、802和803的三行同时读取信号，因此高速执行读取。另一方面，按以下顺序从存储器部分向水平扫描电路读取像素信号。第一，同时读取像素信号911和912。第二，同时读取像素信号921和922。第三，同时读取像素信号931和932。换言之，从相邻像素同时读取像素信号。

根据本实施例，通过在存储器部分207中切换存储器209的写入和读取顺序，从像素部分1输出的信号可以被如空间信息指示地读取并且被输出到水平扫描电路3。

(第四实施例)

接下来将描述本发明的第四实施例。除了像素部分的配置、存储器部分的配置和驱动方法之外，根据本实施例的固态成像装置与根据上述第一实施例的固态成像装置相同。因此，以下描述与第一实施例不同的部分。

图10是图解用于描述根据第四实施例的驱动定时的示例性电路的图。两条垂直输出线201和202被连接到其中每个像素包括单个浮置扩散部分FD的单元像素的每列。

进一步，在每个光电转换元件上提供滤色器。在光电转换元件1001和1003上提供相同颜色的滤色器。在光电转换元件1002和1004上提供相同颜色的滤色器，其颜色与光电转换元件1001和1003的滤色器的颜色不同。换言之，光电转换元件被布置为使得相同颜色的光电转换元件被连接到不同的垂直输出线，并且其像素信号被同时读取。

如果光电转换元件1001和光电转换元件1002的输出被连接到不同的垂直输出线从而其像素信号被同时读取，那么可以如空间信息指示的顺序以连接的垂直输出线的数目同时读取像素信号。然而如下所述，根据其他因素，可能难以实现该配置。

例如，在其中提供被布置为Bayer布置的滤色器的固态成像装置中，红色像素和绿色像素或蓝色像素和绿色像素彼此相邻。如果从相邻像素同时读取像素信号，那么由于垂直输出线之间的串扰发生颜色混合等问题。因此优选地同时读取来自相同颜色的像素的像素信号。因此，在一些情况下，相同颜色的光电转换元件1001和光电转换元件1003的输出被连接到不同的垂直输出线从而减少颜色混合的担忧。在此情况下，相邻光电转换元件1001和光电转换元件1002的输出被连接到同一条垂直输出线。

进一步，在如下情况下，即在读取来自像素的信号的同时，从在垂直方向上布置的相同颜色的像素输出的信号经受使用针对每列布置的放大器的计算处理的情况，相同颜色的像素被连接到同一条垂直输出线。

根据本实施例，还在其中相同颜色的光电转换元件被连接到不同的垂直输出线的上述配置中实现“如空间信息指示的读取”。

图11是图解根据本实施例的驱动定时的定时图。以和第一实施例中的方式相同的方式表示该驱动定时。MEM1到MEM4和水平扫描通道ch1和ch2的转变图中描述的数字1101到1104分别代表对应于图10的光电转换元件1001到1004的像素信号。注意，在图10和图11中，出于简化目的省略像素部分重置信号PRES和像素选择信号PSEL。注意，图11的定时图是用于描述此实施例的示意图，并不意在限制用于控制存储器部分207的脉冲的实际定时。

表4示出根据本实施例的由MSEL_W1和MSEL_W2控制的用于存储来自垂直输出线201和202的信号的MEM1到MEM4的选择以及由MSEL_R1和MSEL_R2控制的从MEM1到MEM4到ch1和ch2的信号读取的对应关系。注意，多个处理块作为对应于相应控制信号的信号写处理或读处理被示出，这意味着处理块的所有操作被执行。

表4

在TW111时间段内，PTX1001和PTX1003变为高从而分别从光电转换元件1001和1003读取像素信号1101和1103。此时，写存储器选择信号MSEL_W1变为高从而将像素信号1101写入MEM1以及将像素信号1103写入MEM3。

在TW112时间段内，PTX1002和PTX1004变为高从而分别从光电转换元件1002和1004读取像素信号1102和1104。此时，写存储器选择信号MSEL_W2变为高从而将像素信号1102写入MEM2以及将像素信号1104写入MEM4。

在TR111时间段内，读存储器选择信号MSEL_R1变为高从而从MEM1读取像素信号1101以及从MEM2读取像素信号1102。

在TR112时间段内，读存储器选择信号MSEL_R2变为高从而从MEM3读取像素信号1103以及从MEM4读取像素信号1104。

在本实施例中，按以下顺序从像素部分1读取像素信号。第一，从光电转换元件1001和1003同时读取信号。第二，从光电转换元件1002和1004同时读取信号。从垂直输出线201和202的两行同时读取信号，因此高速执行读取。另一方面，按以下顺序从存储器部分向水平扫描电路读取像素信号。第一，同时读取像素信号1001和1002。第二，同时读取像素信号1003和1004。换言之，从相邻像素同时读取像素信号。

根据本实施例，在存储器部分207中切换存储器209的写入和读取的顺序。这样，在其中相同颜色的光电转换元件被连接到不同的垂直输出线的配置中提供“如空间信息指示的读取”。结果，可以获得“如空间信息指示的读取”并减少由垂直输出线之间的串扰造成的混合颜色，并且从相同颜色的像素输出的信号可以在来自像素的信号被读取的同时经受使用针对每列布置的放大器的计算处理。

(第五实施例)

接下来描述本发明的第五实施例。除了像素部分的配置、信号处理单元的配置和驱动方法之外，根据本实施例的固态成像装置与根据上述第一实施例的固态成像装置相同。因此，以下描述与第一实施例不同的部分。

根据本实施例的像素部分和信号处理单元可被以两种模式驱动，即，第一模式和第二模式。第一模式是连接单元像素的一列到一条垂直输出线从而从单元像素顺序读取像素信号的模式。第二模式是连接单元像素的一列到两条垂直输出线从而从单元像素的两行同时读取像素信号的模式。

图12是图解用于描述根据第五实施例的驱动定时的示例性电路的图。两条垂直输出线1201和1202被连接到单元像素1200的每一列。每个单元像素1200包括充当用于选择垂直输出线1201和1202中的哪一条将被连接的垂直输出线选择单元的两个开关。由控制信号SEL1211到SEL1242控制各个开关接通/关断。

图13A和13B是图解根据本实施例的驱动定时的定时图。以和第一实施例中的方式相同的方式表示驱动定时。图13A图解第一模式中的驱动定时，以及图13B图解第二模式中的驱动定时。MEM1到MEM4和水平扫描通道ch1和ch2的转变图中描述的数字1311到1341分别代表对应于图12的光电转换元件1211到1241的像素信号。注意，在图12、13A和13B中，出于简化目的省略了与第一模式和第二模式之间的切换相关的切换单元和/或切换控制信号以及像素部分重置信号PRES。注意，图13A和13B的定时图是用于描述本实施例的示意图，并不意在限制用于控制存储器部分207的脉冲的实际定时。

表5示出根据本实施例的由MSEL_W1到MSEL_W4控制的用于存储来自垂直输出线1201和1202的信号的MEM1到MEM4的选择以及由MSEL_R1和MSEL_R2控制的从MEM1到MEM4到ch1和ch2的信号读取的对应关系。注意，多个处理块作为对应于相应控制信号的信号写处理或读处理被示出，这意味着处理块的所有操作被执行。

表5

现在描述图13A中图解的第一模式中的驱动。在TW131时间段内，SEL1211和PTX1211变为高从而从光电转换元件1211读取像素信号1311。此时，写存储器选择信号MSEL_W1变为高从而将像素信号1311写入MEM1。

在TW132时间段内，SEL1221和PTX1221变为高从而从光电转换元件1221读取像素信号1321。此时，写存储器选择信号MSEL_W2变为高从而将像素信号1321写入MEM2。

在TW133时间段内，SEL1231和PTX1231变为高从而从光电转换元件1231读取像素信号1331。此时，写存储器选择信号MSEL_W3变为高从而将像素信号1331写入MEM3。

在TW134时间段内，SEL1241和PTX1241变为高从而从光电转换元件1241读取像素信号1341。此时，写存储器选择信号MSEL_W4变为高从而将像素信号1341写入MEM4。

在TR131时间段内，读存储器选择信号MSEL_R1变为高从而从MEM1读取像素信号1311以及从MEM2读取像素信号1321。

在TR132时间段内，读存储器选择信号MSEL_R2变为高从而从MEM3读取像素信号1331以及从MEM4读取像素信号1341。

在第一模式中，按如空间信息指示的顺序从垂直输出线1201读取信号，并且因此不切换使用存储器209的写入和读取的顺序。

现在描述图13B中图解的第二模式中的驱动。在TW131’时间段内，SEL1211、PTX1211、SEL1232、PTX1231变为高从而从光电转换元件1211和1231读取像素信号1311和1331。此时，写存储器选择信号MSEL_W1变为高从而将像素信号1311写入MEM1并且将像素信号1331写入MEM3。

在TW132’时间段内，SEL1221、PTX1221、SEL1242、PTX1241变为高从而从光电转换元件1221和1241读取像素信号1321和1341。此时，写存储器选择信号MSEL_W2变为高从而将像素信号1321写入MEM2并且将像素信号1341写入MEM4。

在TR131’时间段内，读存储器选择信号MSEL_R1变为高从而从MEM1读取像素信号1311以及从MEM2读取像素信号1321。

在TR132’时间段内，读存储器选择信号MSEL_R2变为高从而从MEM3读取像素信号1331以及从MEM4读取像素信号1341。

具体地，特别在第二种模式中，在存储器部分207中切换存储器209的写入和读取的顺序，从而实现如空间信息指示的读取。

在第一模式中，可以停止恒定电流源204的驱动和针对每列的放大器205和AD转换器206的驱动，它们被连接到与SEL1212等连接的垂直输出线1202。如此可以减少功耗。从仅一条垂直输出线1201读取信号，因此第一模式适于作为低速读取模式。

在第二模式中，另一方面，类似于第一到第四实施例，从多条垂直输出线读取信号，因此高速执行读取。换言之，第二模式适于作为用于在短时间段内读取信号的高速读取模式。

可以依赖于目的使用不同的驱动模式，例如，第一模式可被用作具有全高清(全HD)30帧每秒(fps)的低功耗模式，并且第二模式可被用作具有全HD 60fps的高速模式。如此，仅仅通过驱动定时的改变，就可以按可切换方式在两种模式中使用单个固态成像装置。

注意，在第二模式中，可以在存储器部分207的上游侧执行将不同像素列中的像素信号相加的处理或使一些像素列中的像素信号稀疏的处理。如此，水平方向上的空间信息可以被压缩或降低以减少存储器209的数量。

根据基于上述第一到第五实施例的固态成像装置，按与像素的空间布置匹配的顺序读取像素信号。结果，不需要使用外部数字信号处理电路来对数据排序，并且可以高效地执行图像处理。

注意，在第一到第三实施例和第五实施例中，每个光电转换元件可以包括或可以不包括滤色器。在光电转换元件包括滤色器的情况下，可以通过诸如Bayer布置的颜色布置实现彩色成像。在光电转换元件不包括滤色器的情况下，可以通过诸如3-芯片彩色传感器的另一种方法实现彩色成像，或作为替代的，本配置可以被用作单色传感器。在任何情况下，该实施例可以被应用以获得类似的效果。

在第一到第五实施例中，仅描述了输出信号的顺序完全匹配空间布置的示例。然而作为替代地，该实施例可以被修改为使得部分或全部信号的顺序不匹配空间布置。例如，信号的顺序可以被设置为部分如空间信息指示的。同样在该情况下，可以获得本发明的实施例的全部或部分效果。

(第六实施例)

图14是图解根据本发明的第六实施例的使用成像元件的成像系统的配置的图。成像系统1400包括光学单元1410、成像装置1420、存储器/通信单元1440、定时控制单元1450、系统控制单元1460和重现/显示单元1470。该成像装置1420包括固态成像装置1480和图像信号处理单元1430。至于固态成像装置1480，使用上述第一到第五实施例中描述的固态成像装置。

光学单元1410(其为诸如透镜的光学系统)在其中多个像素被二维布置的固态成像装置1480的像素部分1上形成来自物体的光的图像从而形成该物体的图像。在基于从定时控制单元1450传输的信号的定时处，固态成像装置1480输出对应于在像素部分1上形成其图像的光的信号。从固态成像装置1480输出的信号被输入到图像信号处理单元1430。图像信号处理单元1430根据由程序等确定的方法执行诸如将输入信号转换为图像数据的信号处理。通过图像信号处理单元1430中的处理获得的信号被传输到存储器/通信单元1440作为图像数据。存储器/通信单元1440传输用于形成图像的信号到重现/显示单元1470，从而使得重现/显示单元1470重现或显示移动的图像或静止的图像。进一步，响应于来自图像信号处理单元1430的信号，存储器/通信单元1440与系统控制单元1460通信并在记录介质(未示出)中记录用于形成图像的信号。

系统控制单元1460以综合的方式控制成像系统的操作，并且控制光学单元1410、定时控制单元1450、存储器/通信单元1440和重现/显示单元1470的驱动。系统控制单元1460包括诸如记录介质的存储器设备(未示出)。在存储器设备中记录控制成像系统的操作所必须的程序等。例如，系统控制单元1460向成像系统供应用于根据用户操作切换驱动模式的信号。具体地，系统控制单元1460向成像系统供应用于执行诸如将被读取的行或将被重置的行的改变、伴随电子变焦的视角的改变以及伴随电子图像稳定的视角的偏移的切换的信号。定时控制单元1450基于系统控制单元1460的控制来控制固态成像装置1480和图像信号处理单元1430的驱动定时。

根据本实施例的固态成像装置1480能够按与像素的空间布置匹配的顺序读取像素信号，因此可在不需要使用外部数字信号处理电路将数据排序的情况下高效地执行图像处理。结果，通过安装根据本实施例的固态成像装置1480，可以实现能够高速处理的成像系统1400。

其它实施例

本发明的实施例还可以通过如下的方法来实现，即，通过网络或者各种存储介质将执行上述实施例的功能的软件(程序)提供给系统或装置，该系统或装置的计算机或是中央处理单元(CPU)、微处理单元(MPU)读出并执行程序的方法。

虽然已经参考示例性实施例描述本发明，但是应当理解本发明并不限于所公开的示例性实施例。以下权利要求的范围应当被给予最宽泛的解释，从而包括所有这样的修改和等同的结构和功能。

Claims

1.一种固态成像装置，其特征在于，包括：

像素部分，包括布置为矩阵的多个单元像素，

所述多个单元像素中的每一个包括光电转换元件；

针对像素部分的每一列布置的多条垂直输出线，被配置为传输从光电转换元件输出的信号，

多个存储器，被配置为存储从光电转换元件输出的信号；

在所述多条垂直输出线和所述多个存储器之间连接的写存储器选择单元，被配置为将从所述多条垂直输出线中的至少一条传输的信号选择性地存储在所述多个存储器中的至少一个中；

多个水平扫描通道，被配置为输入存储在所述多个存储器中的信号；以及

在所述多个存储器和所述多个水平扫描通道之间连接的读存储器选择单元，被配置为将存储在所述多个存储器中的所述至少一个中的信号选择性地输出到所述多个水平扫描通道中的至少一个，

所述读存储器选择单元被配置为按对应于光电转换元件的空间布置的顺序输出信号。

2.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中：

所述多个单元像素中的每一个包括多个光电转换元件；以及

从所述多个光电转换元件输出的信号作为组被读取。

3.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中：

所述多个单元像素中的每一个包括多个光电转换元件、像素放大部分和电荷传送单元；以及

所述多个光电转换元件中的每一个通过所述电荷传送单元被连接到所述像素放大部分。

4.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中从所述读存储器选择单元输出存储在所述多个存储器中的信号的顺序与在沿所述像素部分的列的方向上的光电转换元件的顺序匹配。

5.根据权利要求1所述的固态成像装置，进一步包括多种颜色的滤色器，

其中所述多个单元像素中的每一个对应于所述滤色器的颜色布置的一个单位。

6.根据权利要求1所述的固态成像装置，进一步包括多种颜色的滤色器，

其中所述读存储器选择单元被控制为使得来自包括相同颜色的滤色器的光电转换元件的信号被同时输出。

7.根据权利要求1所述的固态成像装置，进一步包括垂直输出线选择单元，所述垂直输出线选择单元被配置为选择所述多条垂直输出线中的要从其读取信号的仅一条垂直输出线，从而匹配将从所述多条垂直输出线传输的信号的顺序和将从所述读存储器选择单元输出的信号的顺序。

8.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中所述多个存储器在数量上大于所述多条垂直输出线。

9.根据权利要求1所述的固态成像装置，

其中所述多个存储器中的每一个被配置为存储多个信号，以及

其中所述多个信号至少包括重置信号和光电转换信号。

10.一种成像系统，包括：

根据权利要求1到9中任一项所述的固态成像装置，以及

图像信号处理单元，被配置为处理从所述固态成像装置输出的信号。