CN107770460B - 图像感测装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及图像感测装置。为了解决常规的图像感测装置需要很多时间来读取像素信号的问题，根据实施例的图像感测装置包括耦合到第一垂直读取线的第一像素单元、耦合到第二垂直读取线并且被置于第一像素单元的列中的第二像素单元、设于第一读取线的一端的第一转移开关以及设于第二读取线的一端的第二转移开关。当第一转移开关被控制为断开并且第二转移开关被控制为导通时，图像感测装置执行用从第二像素单元输出的暗电平信号重置垂直读取线的重置处理以及将从第一像素单元读取的暗电平和像素信号转换为数字值的转换处理。

Description

图像感测装置

相关申请的交叉引用

2016年11月29日提交的日本专利申请No.2016-231426和2016年8月17日提交的No.2016-159804的公开内容(包括说明书、附图和摘要)全文通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及一种图像感测装置，并且更具体地，涉及例如一种用于将从像素获得的像素信号转换为数字值并且输出像素信息的图像感测装置。

背景技术

最近，用于拍摄图像的图像感测装置在监控和测量应用中的使用一直在扩大。专利文件1(日本未审查专利申请公开No.2013-175936)公开了这样的图像感测装置的例子。专利文件1中所描述的图像感测装置是包括像素、斜波发生器以及AD转换单元的图像感测装置，斜波发生器用于产生具有斜波波形的斜波电压，AD转换单元用于通过使用斜波电压来将与入射在像素上的光量相对应的输入模拟信号转换为输出数字信号并且输出该输出数字信号。

发明内容

在图像感测装置中，AD转换单元对每个像素的作为模拟信号输出的像素信号执行模数转换处理以产生具有与该像素信号的电压电平相对应的值的数字值。然而，近年来，图像感测装置中的像素数量或帧率一直显著地增大。对于升级图像感测装置的这样的需求导致对被允许用于输出一个像素的数字值的时间的约束更大。由于这个原因，最近的图像感测装置一直被要求在较短的时间内输出一个像素的数字值。

从以下描述和附图，本发明的其它的目的和新颖的特征将变得清楚。

根据实施例，一种图像感测装置包括：第一像素单元，其耦合到第一垂直读取线；第二像素单元，其耦合到第二垂直读取线，并且被放置在与第一像素单元相同的行中；第一转移开关，其设于第一读取线的一端；以及第二转移开关，其设于第二读取线的一端。在第一转移开关被控制为断开并且第二转移开关被控制为导通的状态下，图像感测装置通过使用从第一像素单元和第二像素单元两者之一输出的暗电平信号来对垂直读取线执行重置处理，并且对从第一像素单元和第二像素单元两者中的另一个像素单元输出的暗电平信号以及像素信号执行转换为数字值的转换处理。

根据以上描述的一个实施例，可以提高读取像素信息的处理的速度。

附图说明

图1是应用根据第一实施例的图像感测装置的相机系统的框图；

图2是根据第一实施例的图像感测装置的框图；

图3是示出根据第一实施例的图像感测装置的垂直读取线和转移开关的构造的框图；

图4是根据第一实施例的图像感测装置内的像素单元的电路图；

图5是根据第一实施例的图像感测装置的模拟/数字转换电路的电路图；

图6是示出根据第一实施例的图像感测装置的第一操作例子的时序图；

图7是示出根据第一实施例的图像感测装置的第二操作例子的时序图；

图8是示出根据第一实施例的图像感测装置的第三操作例子的时序图；

图9是示出根据第一实施例的图像感测装置的第四操作例子的时序图；

图10是根据第二实施例的图像感测装置的框图；

图11是根据第二实施例的图像感测装置内的像素单元的电路图；

图12是根据第三实施例的图像感测装置的框图；

图13是根据第三实施例的图像感测装置内的像素单元的电路图；

图14是示出根据第三实施例的图像感测装置的操作的例子的时序图；

图15是根据第四实施例的图像感测装置的框图；

图16是示出根据第四实施例的图像感测装置的垂直读取线和转移开关的构造的框图；

图17是根据第四实施例的图像感测装置内的像素单元的电路图；

图18是示出根据第四实施例的图像感测装置的光电二极管的结构的截面图；

图19是示出根据第四实施例的图像感测装置的操作的例子的时序图；

图20是示出根据第四实施例的图像感测装置中的图像信息的输出处理的流程图；

图21是示出根据第四实施例的图像感测装置中的图像特征信息的输出处理的流程图；

图22是示出根据第四实施例的图像感测装置中的相差自动聚焦的原理的示图；

图23是示出当聚焦偏离发生在根据第四实施例的图像感测装置中时光电二极管的输出的曲线图；

图24是根据第五实施例的图像感测装置的框图；

图25是示出根据第五实施例的图像感测装置的像素阵列的电路构造的框图；

图26是根据第五实施例的图像感测装置内的像素单元和浮置扩散部公共开关电路的电路图；

图27是示出在根据第五实施例的图像感测装置的第一操作模式下的图像感测装置的像素单元的构造的框图；

图28是示出在根据第五实施例的第二操作模式下的图像感测装置的像素单元的构造的框图；

图29是示出在根据第五实施例的第二操作模式下的图像感测装置的操作的例子的时序图；以及

图30是示出在根据第五实施例的第一操作模式下的图像感测装置的读取操作的变型的示图。

具体实施方式

第一实施例

为了使描述更清楚，以下描述和附图因此被省略或简化。此外，在附图中被描绘为用于执行各种处理的功能块的元件从硬件的角度来看每个均可以用CPU、存储器和其它电路来构造，并且从软件的角度来看每个均可以用加载在存储器中的程序等来实现。因此，本领域技术人员要理解，这些功能块可以以各种方式(比如仅硬件、仅软件或这两者的组合)实现。本发明不限于任何构造。注意到，相同的元件在每个图中由相似的附图标记指定，并且冗余的描述将视情况被省略。

此外，程序可以通过使用不同类型的非暂态计算机可读介质存储，并且可以被供给计算机。非暂态计算机可读介质包括不同类型的有形存储介质。非暂态计算机可读介质的例子包括磁性存储介质(例如，软盘、磁带、硬盘驱动器)、磁光介质(例如，磁光盘)、CD-ROM(只读存储器)、CD-R、CDR/W以及半导体存储器(例如，掩模型ROM、可编程ROM(PROM)、可擦PROM(RPROM)、闪速ROM、随机存取存储器(RAM))。此外，程序也可以通过使用不同类型的暂态计算机可读介质被供给计算机。暂态计算机可读介质的例子包括电信号、光信号以及电磁波。暂态计算机可读介质可以经由有线通信路径(比如电线和光纤)或经由无线通信路径将程序供给计算机。

图1示出了根据第一实施例的相机系统1的框图。如图1所示，相机系统1包括变焦透镜11、光圈机构12、固定透镜13、聚焦透镜14、传感器15、变焦透镜致动器16、聚焦透镜致动器17、信号处理电路18、系统控制MCU19、监视器以及存储装置。这里，监视器和存储装置是检查并且存储相机系统1所拍摄的图像的装置。监视器和存储装置可以被安装在与相机系统1分开提供的另一个系统上。

变焦透镜11、光圈机构12、固定透镜13以及聚焦透镜14形成相机系统1的透镜组。变焦透镜11的位置由变焦透镜致动器16改变。聚焦透镜14的位置由聚焦透镜致动器17改变。于是，相机系统1被设计为通过借助于各种致动器移动透镜来改变变焦倍率和聚焦，并且通过操作光圈机构12来改变入射光的量。

变焦透镜致动器16基于从系统控制MCU19输出的变焦控制信号SZC来移动变焦透镜11。聚焦透镜致动器17基于从系统控制MCU19输出的聚焦控制信号SFC来移动聚焦透镜14。光圈机构12基于从系统控制MCU19输出的孔径控制信号SDC来调整孔径。

传感器15对应于根据第一实施例的图像感测装置，并且包括例如光电转换元件，比如光电二极管。传感器15将从光接收元件获得的光接收像素信息转换为数字值，然后输出像素信息Do。此外，传感器15还可以具有用于对从传感器15输出的像素信息Do进行分析并且输出示出像素信息Do的特征的像素特征信息DCI的附加功能。图像特征信息DCI包括在自动聚焦处理中获得的两个图像，这将在第四实施例中描述。此外，基于由系统控制MCU19给予的传感器控制信号SSC，传感器15执行对于像素信息Do的每个像素的增益控制、像素信息Do的曝光控制以及像素信息Do的高动态范围(HDR)控制。传感器15的细节在下面进行描述。

信号处理电路18将图像处理(比如图像校正)应用于从传感器15接收的像素信息Do，并且输出图像数据Dimg。信号处理电路18对接收的像素信息Do进行分析，并且输出颜色空间信息DCD。例如，颜色空间信息包括像素信息Do的亮度信息以及颜色信息。注意，当传感器15不输出图像特征信息DCI时，信号处理电路18输出图像特征信息DCI。

系统控制MCU19基于从信号处理电路18或传感器15输出的图像特征信息DCI来控制透镜组的聚焦。更具体地说，系统控制MCU19将聚焦控制信号SFC输出到聚焦透镜致动器17以控制透镜组的聚焦。系统控制MCU19将孔径控制信号SDC输出到光圈机构12以调整光圈机构12的孔径。此外，系统控制MCU19根据从外部给予的变焦指令来产生变焦控制信号SZC。这样，系统控制MCU19将变焦控制信号SZC输出到变焦透镜致动器16以控制透镜组的变焦倍率。

更具体地说，当变焦透镜11被变焦透镜致动器16移动时，发生聚焦偏离。因此，系统控制MCU19基于从信号处理电路18或传感器15获得的图像特征信息DCI中所包括的两个图像来计算两个物像之间的位置中的相差。然后，系统控制MCU19基于它们的位置的相差来计算透镜组的散焦量。系统控制MCU19根据散焦量来自动地调整聚焦。该处理是自动聚焦控制。

此外，系统控制MCU19基于从信号处理电路18输出的颜色空间信息DCD中所包括的亮度信息来计算指定传感器15的曝光设置的曝光控制值。然后，系统控制MCU19控制传感器15的曝光设置和增益设置，以使得从信号处理电路18输出的颜色空间信息DCD中所包括的亮度信息可以接近于曝光控制值。此时，系统控制MCU19还可以计算当曝光改变时光圈机构12的控制值。

此外，系统控制MCU19基于用户的指令输出颜色空间控制信号SIC以用于调整图像数据Dimg的亮度或颜色。注意到，系统控制MCU19基于从信号处理电路18获得的颜色空间信息DCD和从用户给予的信息之间的差异来产生颜色空间控制信号SIC。

根据第一实施例的相机系统1的一个特征在于用于从传感器15的像素单元读取像素信号的电路以及读取控制方法。此外，像素信息Do是通过对从像素单元读取的像素信号执行模数转换而获得的数字数据。因此，将在下面更详细地描述传感器15。

图2示出了根据第一实施例的传感器15的平面布局的一部分的示意图。在图2中，在传感器15的平面布局之中，仅示出了行控制器20、列控制器21以及像素阵列22的平面布局。

行控制器20对于每行控制按格栅图案布置的像素单元23的活动状态。列控制器21对于每列从按格栅图案布置的像素单元23读取像素信号。列控制器21包括用于读取像素信号的开关电路和输出缓冲器。此外，列控制器21中所包括的电路的操作时序是基于从行控制器20输出的控制信号来进行控制的。换句话说，在根据第一实施例的传感器15中，行控制器20用作列控制器21的时序控制电路。

在像素阵列22中，像素单元23按格栅图案布置。在图2所示的例子中，每个像素单元23包括在列方向上用一个或多个光电转换元件(例如，光电二极管PD)构造的光电二极管组。更具体地说，每个像素单元23用四个光电二极管(例如，光电二极管PD0至PD3)构造。此外，在每个光电二极管中提供滤色器。在图2所示的例子中，采用了Bayer布置的滤色器。在Bayer布置中，对照度信号做出很大贡献的绿色(G)滤色器顺着棋盘格布置，并且红色(R)和蓝色(B)滤色器在剩余部分中顺着棋盘格布置。从另一个角度来看，可以说，滤色器被布置为使得不同颜色可以在多个像素之中的分别在水平方向和垂直方向上的相邻像素中传送。于是，像素阵列22按照像素单元进行操作。因此，下面描述每个像素单元的构造和操作。

图3示出了示出根据第一实施例的传感器15的垂直读取线和转移开关的构造的框图。此外，为了更清楚地描述垂直读取线和转移开关两者的构造，图3示出了像素单元23以及列控制器21中所包括的模拟/数字转换电路24。此外，图3仅示出了两行和两列的像素单元以及列控制器21内的电路。此外，在图3和后面的图中，放置像素单元的行号用<>示出，并且列号用[]示出。

如图3所示，根据第一实施例的传感器15被构造为使得第一垂直读取线(例如，垂直读取线PIXOUT_L)和第二垂直读取线(例如，垂直读取线PIXOUT_R)设于布置在一列中的像素单元中。第一像素单元(例如，偶数行(第0行、第2行等)的像素单元)耦合到垂直读取线PIXOUT_L。第二像素单元(例如，奇数行(第1行、第3行等)的像素单元)耦合到垂直读取线PIXOUT_R。

对于每列，列控制器21包括第一像素电流源(例如，像素电流源Ipx_L)、第二像素电流源(像素电流源Ipx_R)、第一转移开关(例如，转移开关25)、第二转移开关(例如，转移开关26)以及模拟/数字转换电路24。

像素电流源Ipx_L是与垂直读取线PIXOUT_L相对应地提供的以从垂直读取线PIXOUT_L汲取电流。像素电流源Ipx_R是与垂直读取线PIXOUT_R相对应地提供的以从垂直读取线PIXOUT_R汲取电流。转移开关25设于垂直读取线PIXOUT_L的一端。转移开关25的断开/闭合状态基于从行控制器20输出的读取线选择信号LINE_SEL_R来进行控制。转移开关26设于垂直读取线PIXOUT_R的一端。转移开关26的断开/闭合状态基于读取线选择信号LINE_SEL_L来进行控制。

注意到，在图3中，像素电流源设于垂直读取线中、像素单元和像素开关之间。然而，还可以在从转移开关到模拟/数字转换电路的路径中提供像素电流源。然而，当像素电流源设于从转移开关到模拟/数字转换电路的路径中时，垂直读取线的电位在像素单元内的选择晶体管关断并且转移开关断开的时间段期间可能是不稳定的，导致将暗电平设置到垂直读取线的时间变长，下面将对这进行描述。因此，可取的是在垂直读取线中、像素单元和像素开关之间提供像素电流源。

模拟/数字转换电路24根据通过转移开关25和转移开关26输入的信号的信号电平来输出数字值。换句话说，提供一个模拟/数字转换电路24用于一对垂直读取线PIXOUT_L和PIXOUT_R。

此外，图3示出了与像素电流源并联耦合的负载电阻Ri(图3中的Ri_L、Ri_R)、垂直读取线的寄生电阻Rwire(图3中的Rwire_L、Rwire_R)以及垂直读取线的寄生电容Cline(图3中的Cline_L、Cline_R)。

接着，将给出根据第一实施例的传感器15的像素单元23的描述。图4示出了根据第一实施例的图像感测装置内的像素单元的电路图。置于像素阵列22内的像素单元23之间的差异仅在于它们的对应行，并且关于电路，像素单元23使用相同电路。因此，将以置于第0行中的像素单元为例来描述像素单元23的电路。

如图4所示，像素单元23包括光电转换元件(例如，光电二极管PD0至PD3)、转移晶体管310至313、重置晶体管32、放大器晶体管33以及选择晶体管34。注意到，转移晶体管310至313、重置晶体管32、放大器晶体管33以及选择晶体管34是NMOS晶体管。

转移晶体管310至313是与光电二极管PD0至PD3相对应地提供的晶体管。转移晶体管310至313用作其断开/闭合状态由转移控制信号TX0至TX3控制的开关。转移晶体管310至313进入导通状态(开关闭合状态)以转移在与浮置扩散部FD相对应的光电二极管中累积的电荷。尽管稍后将描述细节，但是根据第一实施例的传感器15通过针对每个光电二极管将电荷转移到浮置扩散部FD来控制像素信号的读取。

重置晶体管32设于电源线VDD_PX和浮置扩散部FD之间。重置晶体管32是其断开/闭合状态由重置控制信号RST控制的开关。在根据第一实施例的传感器15中，重置晶体管32进入导通状态以将浮置扩散部FD的电位设置为重置电平。

放大器晶体管33被构造为使得浮置扩散部FD耦合到栅极并且漏极耦合到电源线VDD_PX。放大器晶体管33的源极耦合到选择晶体管34的漏极。选择晶体管34被构造为使得选择信号输入到栅极并且源极耦合到垂直读取线PIXOUT_L。放大器晶体管33根据浮置扩散部FD的电压电平来产生像素信号。选择晶体管34是其断开/闭合状态由选择信号SEL控制的开关。在根据第一实施例的传感器15中，选择晶体管34进入导通状态以将放大器晶体管33产生的像素信号输出到垂直读取线PIXOUT_L。

接着，将给出根据第一实施例的传感器15的模拟/数字转换电路24的描述。根据第一实施例的模拟/数字转换电路24包括在转移开关25和26中公共地提供的输入端子。模拟/数字转换电路24交替地执行将通过转移开关25输入的暗电平信号转换为数字值的转换和将像素信号转换为数字值的转换，以及将通过转移开关26输入的暗电平信号转换为数字值的转换和将像素信号转换为数字值的转换。换句话说，模拟/数字转换电路24按输入次序一个接一个地将输入信号转换为数字值。

这里，图5示出了根据第一实施例的传感器15的模拟/数字转换电路24的电路图。在图5中，行控制器20被示出以例示说明模拟/数字转换电路24的组件。模拟/数字转换电路24是通过从包括在行控制器20中的参考电压产生电路41、控制信号产生电路42以及斜坡信号产生电路43接收各种控制信号和用于操作的电压而进行操作的。此外，模拟/数字转换电路24还包括用作可编程增益放大器(在下文中称为PGA)的放大器OP以及作为模拟/数字转换器操作的比较器CMP。

如图5所示，模拟/数字转换电路24包括放大器OP、比较器CMP、电容器C1至C4以及开关SW1和SW2。放大器OP被构造为使得像素信号通过电容器C1输入到反相输入端子。电容器C2设于放大器OP的输出端子和反相输入端子之间。然后，从参考电压产生电路41向放大器OP的非反相输入端子给予PGA参考电压。电容器C1是可变的，其电容由控制信号产生电路42输出的PGA增益设置信号确定。这里，放大器OP和电容器C1、C2用作可编程增益放大器。可编程增益放大器通过基于PGA增益设置信号改变电容器C1和C2的电容比来使像素信号的增益成为可变的。

比较器CMP被构造为使得电容器C4耦合在反相输入端子和地线之间并且非反相输入端子通过开关SW1耦合到放大器OP的输出端子。电容器C3的一端耦合到比较器CMP的非反相输入端子。斜坡信号从斜波信号产生电路43输入到电容器C3的另一个端子。此外，开关SW2耦合在比较器CMP的反相输入端子和输出端子之间。开关SW1的断开/闭合状态由控制信号产生电路42输出的ADC采样脉冲信号控制。开关SW2的断开/闭合状态由控制信号产生电路42输出的ADC自动归零脉冲信号控制。此外，模拟/数字转换电路24包括根据比较器CMP的输出值来对参考时钟的数量进行计数的计数器。参考时钟由振荡器电路(未示出)等输出。模拟/数字转换电路24响应于斜坡信号的信号电平和像素信号的信号电平之间的幅值关系的反转来停止计数器的计数操作。然后，模拟/数字转换电路24将当停止操作时计数器输出的计数值作为数字值输出。

这里，比较器CMP和电容器C3、C4用作单斜率积分AD转换电路。单斜率积分AD转换电路使用斜坡信号作为参考标准电压，该斜坡信号与用于对比较器CMP的输出值进行计数的计数器的计数值具有相关性。然后，单斜率积分AD转换电路将斜坡信号输入到比较器CMP，并且将待转换的模拟信号与斜坡信号进行比较。单斜率积分AD转换电路在这两个信号匹配时保持计数值，并且将计数值作为AD转换结果输出。注意到，在图5所示的例子中，从可编程增益放大器侧输入的像素信号的模拟电平被存储在电容器C3和C4中。然后，根据第一实施例的单斜率积分AD转换电路通过改变给予电容器C3的另一端的斜坡信号的电压电平，来比较在这两个电容器中累积的电荷所产生的电压。

接着，将给出根据第一实施例的传感器15的操作的描述。在根据第一实施例的传感器15中，奇数行像素单元23和偶数行像素单元23分别耦合到一对两个垂直读取线的不同的垂直读取线。然后，设于这两个垂直读取线的一端的转移开关导通(闭合状态)。这样，根据第一实施例的传感器15并行地执行从像素单元23读取的像素信号的转换处理以及垂直读取线重置为暗电平的重置处理。

因此，图6示出了例示说明根据第一实施例的传感器15的第一操作例子的时序图。注意到，假定图6所示的每个操作的切换时序和对于每个处理的电路状态是由用作时序控制电路的行控制器20控制的。

如图6所示，根据第一实施例的传感器15交替地执行从第0行像素单元23读取像素信号和从第一行像素单元23读取像素信号。

在图6所示的例子中，传感器15在时刻TB0和TB10之间的时间段内将读取线选择信号LINE_SEL_L、LINE_SEL_R设置为低电平。然后，传感器15在时刻TB0和TB1之间的时间段内提升重置控制信号RST<0>和选择信号SEL<0>。这样，传感器15将第0行像素单元23内的浮置扩散部FD重置为暗电平(在该图中为RST)。接着，在时刻TB1，传感器15将重置控制信号RST<0>从高电平变为低电平，并且结束浮置扩散部FD的重置。此后，在时刻TB1和TB10之间的时间段内，传感器15使选择信号SEL<0>维持高电平，并且基于浮置扩散部FD的暗电平来读取垂直读取线PIXOUT_L的暗电平(图6中的LINE DARK)。垂直读取线PIXOUT_L的重置处理从时刻TB0开始。这是因为，垂直读取线PIXOUT_L的电容大于浮置扩散部FD的电容，并且重置垂直读取线PIXOUT_L所花的时间多于重置浮置扩散部FD所花的时间。

接着，从时刻TB10到时刻TB11，传感器15将读取线选择信号LINE_SEL_L从低电平变为高电平。此时，读取线选择信号LINE_SEL_R保持低电平。这样，转移开关25切换到导通状态，而转移开关26保持断开状态。这里，构造转移开关25的晶体管的栅极的电压在转移开关25从断开状态切换到导通状态时改变。在该电压改变的情况下，注入发生，使得在读取线选择信号LINE_SEL_L以及耦合转移开关25和模拟/数字转换电路24的线中产生噪声。因此，在通过注入产生的噪声已经停止之后，传感器15开始模拟/数字转换处理。当转移开关25和26从导通状态切换为断开状态以及从断开状态切换为导通状态时，注入发生。由于这个原因，传感器15的操作时序被控制以免在还在时刻TB11之后的操作中的注入时间段期间执行模拟/数字转换处理。

然后，在从时刻TB11到时刻TB12的时间段内，传感器15使暗电平从垂直读取线PIXOUT_L转移到模拟/数字转换电路24(图6中的ADC DARK)。此后，在从时刻TB12到时刻TB13的时间段内，传感器15将转移控制信号TX0<0>设置为高电平，并且将在光电二极管PD0中产生的电荷转移到第0行像素单元23的浮置扩散部FD(图6中的TX)。接着，在从时刻TB13到时刻TB20的时间段内，传感器15将基于第0行像素单元23的浮置扩散部FD读取的电荷产生的像素信号转移到垂直读取线PIXOUT和模拟/数字转换电路24(图6中的SIG)。

在传感器15中，输出一个像素信号所需的时间被称为1H时间段。在图6所示的例子中，1H时间段是时刻TB10和时刻TB20之间的时间。此外，从时刻TB20到时刻TB30的时间、从时刻TB30到时刻TB40的时间以及从时刻TB40到时刻TB50的时间与从时刻TB10到时刻TB20的时间是相同的。

此外，根据第一实施例的传感器15产生具有暗电平和像素信号之间的差异的最终像素信息Do作为像素信号的值。这样，根据第一实施例的传感器15移除叠加在暗电平信号上的噪声，并且输出具有低噪声电平的像素信息Do。

此外，在从时刻TB10到时刻TB20的时间段内，根据第一实施例的传感器15执行与进入断开状态的转移开关26相对应的垂直读取线PIXOUT_R的重置操作。更具体地说，在时刻TB10和时刻TB11之间的注入时间段内，传感器15通过将重置控制信号RST<1>和选择信号SEL<1>从低电平切换到高电平，来将第一行像素单元23的浮置扩散部FD设置为暗电平。此外，在从时刻TB12到时刻TB20的时间段内，传感器15将第一行像素单元23内的暗电平读取到垂直读取线PIXOUT_R。

接着，在从时刻TB20到时刻TB30的时间段内，对其执行像素信号读取的垂直读取线和对其执行重置处理的垂直读取线与从时刻TB10到时刻TB20的时间段内的那些是相反的。在这种状态下，传感器15执行从时刻TB10到时刻TB20的时间段的处理。更具体地说，在转移开关25关断并且转移开关26导通的状态下，传感器15执行以下操作：将读取到垂直读取线PIXOUT_R的暗电平转移到模拟/数字转换电路24；将电荷从第一行像素单元23内的光电二极管PD0转移到浮置扩散部FD；以及将像素信号读取到垂直读取线PIXOUT_R和模拟/数字转换电路24。此外，在第0行像素单元23中，传感器15执行用于将第0行像素单元23内的浮置扩散部FD设置为暗电平的重置处理以及将暗电平读取到垂直读取线PIXOUT_L的读取。

接着，在从时刻TB30到时刻TB40的时间段内，对其执行像素信号读取的垂直读取线和对其执行重置处理的垂直读取线与从时刻TB20到时刻TB30的时间段内的那些是相反的。在这种状态下，传感器15执行从时刻TB20到时刻TB30的时间段的处理。更具体地说，在转移开关25导通并且转移开关26关断的状态下，传感器15执行以下操作：将读取到垂直读取线PIXOUT_L的暗电平转移到模拟/数字转换电路24；将电荷从第0行像素单元23内的光电二极管PD1转移到浮置扩散部FD；以及将像素信号读取到垂直读取线PIXOUT_R和模拟/数字转换电路24。此外，在第一行像素单元23中，传感器15执行用于将第一行像素单元23内的浮置扩散部FD设置为暗电平的重置处理以及将暗电平读取到垂直读取线PIXOUT_R的读取。

接着，在从时刻TB20到时刻TB30的时间段内，对其执行像素信号读取的垂直读取线和对其执行重置处理的垂直读取线与从时刻TB10到时刻TB20的时间段内的那些是相反的。在这种状态下，传感器15执行从时刻TB10到时刻TB20的时间段的处理。更具体地说，在转移开关25关断并且转移开关26导通的状态下，传感器15执行以下操作：将读取到垂直读取线PIXOUT_R的暗电平转移到模拟/数字转换电路24；将电荷从第一行像素单元23内的光电二极管PD0转移到浮置扩散部FD；以及将像素信号读取到垂直读取线PIXOUT_R和模拟/数字转换电路24。此外，在第0行像素单元23中，传感器15执行用于将第0行像素单元23内的浮置扩散部FD设置为暗电平的重置处理以及将暗电平读取到垂直读取线PIXOUT_L的读取。

接着，在从时刻TB40到时刻TB50的时间段内，对其执行像素信号读取的垂直读取线和对其执行重置处理的垂直读取线与从时刻TB30到时刻TB40的时间段内的那些是相反的。在这种状态下，传感器15执行从时刻TB30到时刻TB40的时间段的处理。更具体地说，在转移开关25关断并且转移开关26导通的状态下，传感器15执行以下操作：将读取到垂直读取线PIXOUT_L的暗电平转移到模拟/数字转换电路24；将电荷从第一行像素单元23内的光电二极管PD1转移到浮置扩散部FD；以及将像素信号读取到垂直读取线PIXOUT_R和模拟/数字转换电路24。此外，在第一行像素单元23中，传感器15执行用于将第一行像素单元23内的浮置扩散部FD设置为暗电平的重置处理以及将暗电平读取到垂直读取线PIXOUT_R的读取。

注意到，在根据第一实施例的传感器15中，模拟/数字转换电路24在接收到暗电平和像素信号的转移时将转移的信号电平转换为数字值，并且输出像素输出值DOUT。换句话说，在根据第一实施例的传感器15中，时序控制电路(例如，行控制器20)以在一个时间段内并行执行重置处理和转换输出处理这样的方式控制像素单元、转移开关25和26以及模拟/数字电路24。这里，在重置处理中，模拟/数字转换电路24将耦合到被控制为关断的一个转移开关(转移开关25和转移开关26两者之一)的重置目标垂直读取线的信号电平以及耦合到重置目标垂直读取线的像素单元内的浮置扩散部的信号电平重置为暗电平。此外，在输出转换处理中，模拟/数字转换电路24执行以下操作：将从耦合到被控制为导通的一个转移开关(转移开关25和转移开关26两者之一)的读取目标垂直读取线输出的具有暗电平的暗电平信号转换为数字值；将像素信号从耦合到读取目标垂直读取线的像素单元输出到模拟/数字转换电路；以及将像素信号转换为数字值。

图6中所描述的时序图是一个例子，并且可以存在用于传感器15的操作的另一个操作时序。因此，图7示出了例示说明根据第一实施例的传感器15的第二操作例子的时序图。在图7所示的例子中，耦合到被控制处于断开状态的垂直读取线的像素单元23内的浮置扩散部FD的重置时序不同于图6所示的例子。更具体地说，图7所示的例子在将光电二极管的电荷转移到耦合到与被控制为导通的转移开关相对应的垂直读取线的像素单元23内的浮置扩散部FD的时序处，执行耦合到与被控制为关断的转移开关相对应的垂直读取线的像素单元内的浮置扩散部FD的重置处理。此外，图7所示的例子在将像素信号从耦合到与被控制为导通的转移开关相对应的垂直读取线的像素单元23内部转移到模拟/数字转换电路24的时序处，执行与被控制为关断的转移开关相对应的垂直读取线的重置处理。

如上所述，对垂直读取线的重置处理可以在各种时序执行。然而，也存在重置处理的不合需要的时序。因此，作为不合需要的操作时序，图8示出了例示说明根据第一实施例的图像感测装置的第三操作例子的时序图。在图8所示的例子中，在已经被读取到与被控制为导通的转移开关相对应的垂直读取线的暗电平被转移到模拟/数字转换电路24的时间段期间，存在重置控制信号的上升时序。此外，在图8所示的例子中，在像素信号从耦合到与被控制为导通的转移开关相对应的垂直读取线的像素单元23内部被转移到模拟/数字转换电路24的时间段期间，存在重置控制信号的下降时序。这样，当逻辑电平(比如重置控制信号RST)的切换在待转换的信号被转移到模拟/数字转换电路24的时间段期间发生时，在模拟/数字转换电路24的转换处理期间，电源噪声随着传感器15内的电流消耗量增大而增大。电源噪声的这样的增大可能在模拟/数字转换电路24的转换处理结果中引起误差。由于这个原因，在根据第一实施例的传感器15中，行控制器20切换重置控制信号的逻辑电平以用于指示像素单元在除了模拟/数字转换电路执行将具有模拟值的信号转换为数字值的模拟/数字转换处理的时间段之外的时间段内执行重置操作。

此外，在根据第一实施例的传感器15中，还可以顺序地执行针对每个像素单元的垂直读取线的重置处理和转移到模拟/数字转换电路24的信号转移处理，而不是并行地执行垂直读取线的重置处理和转移到模拟/数字转换电路24的信号转移处理。因此，图9示出了例示说明根据第一实施例的传感器15的第四操作例子的时序图。在图9所示的例子中，直到从其读取像素信号的像素上的垂直读取线的重置处理以及转移到模拟/数字转换电路24的信号转移处理完成，才对另一个像素单元执行操作。此外，在图9所示的例子中，将暗电平读取到垂直读取线以及将暗电平转移到模拟/数字转换电路24是作为单个处理执行的。因此，在图9中，模拟/数字转换电路24的暗电平读取被示为DARK。此外，在图9所示的例子中，按如下次序从光电二极管读取像素信号：第0行像素单元23的光电二极管PD0、第一行像素单元23的光电二极管PD0、第0行像素单元23的光电二极管PD1以及第一行像素单元23的光电二极管PD1。此时，耦合到不是读取信号的目标的像素单元23的垂直读取线是空白的。

这里，将给出当在根据第一实施例的传感器15中并行执行垂直读取线的重置处理和转移到模拟/数字转换电路24的信号转移处理时缩短读取时间的效果的描述。

首先，在将暗电平读取到垂直读取线并且将暗电平转移到模拟/数字转换电路24如在图9所示的例子中那样被作为单个处理执行的情况下，当模拟/数字转换电路24的输入电容被设置为暗电平时，静态确定时间x(t)在等式(1)中被示出。这里，静态确定时间是当信号电平从最小电压电平(例如，地电压)达到假定为暗电平的信号电平的90％的电压时的时间。此外，在以下描述中假定，gm表示放大器晶体管33的跨导，Rwire表示垂直读取线的寄生电阻的电阻值，Cline表示垂直读取线的寄生电容的电容值，电阻Ri表示耦合到垂直读取线的负载电阻的电阻值，C_ADC表示模拟/数字转换电路24的输入电容的电容值，并且t表示时间。

[等式1]

另一方面，在将暗电平读取到垂直读取线并且将暗电平转移到模拟/数字转换电路24如在图6所示的例子中那样被作为单独的处理执行的情况下，当垂直读取线被设置为暗电平时，静态确定时间x_line(t)在等式(2)中被示出。

[等式2]

此外，在将暗电平读取到垂直读取线并且将暗电平转移到模拟/数字转换电路24如在图6所示的例子中那样被作为单独的处理执行的情况下，当模拟/数字转换电路24的输入电容被设置为暗电平时，静态确定时间x_ADC(t)在等式(3)中被示出。

[等式3]

当比较等式(1)和(3)时，等式(3)中的关于分子的电容值的项小于等式(1)中的关于分子的电容值的项。换句话说，当将暗电平读取到垂直读取线和将暗电平转移到模拟/数字转换电路24被作为单独的处理并行执行时，可以缩短1H时间段内读取暗电平所需的时间。此外，可以发现，当考虑到在给垂直读取线的寄生电容和模拟/数字转换电路24的输入电容充电的同时读取像素信号的事实时，等式(2)所示的静态确定时间x_line短于读取像素信号的时间。换句话说，在根据第一实施例的传感器15中，通过将将暗电平读取到垂直读取线和将暗电平转移到模拟/数字转换电路24作为单独的处理并行执行，与将暗电平读取到垂直读取线和将暗电平转移到模拟/数字转换电路24被作为单个处理执行的情况相比，可以使所需时间缩短1H时间段。

根据以上描述，在根据第一实施例的传感器15中，布置在同一列中的像素单元被划分为两组。于是，根据第一实施例的传感器15并行地执行用于读取从属于一个组的像素单元输出的暗电平和像素信号的模拟/数字转换处理和用于将对应的垂直读取线重置为从属于另一个组的像素单元输出的暗电平的重置处理。此外，在根据第一实施例的传感器15中，模拟/数字转换处理和重置处理是交替地执行的。通过该构造，在根据第一实施例的传感器15中，垂直读取线的电压在从属于一个组的像素单元输出的暗电平被转移到模拟/数字转换电路24之前被设置为暗电平。这样，可以缩短将暗电平转移到模拟/数字转换电路24的时间。另外，根据第一实施例的传感器15被设计为并行地执行模拟/数字转换处理和重置处理，以便使在读取一个像素的像素信号所需的1H时间段内待执行的处理尽可能地接近于模拟/数字处理所需的时间。这样，可以使处理时间缩短1H时间段。

换句话说，在根据第一实施例的传感器15中，可以缩短读取一个像素的像素信号所需的时间。此外，在根据第一实施例的传感器15中，可以使读取一个像素的像素信号所需的时间缩短，以使得可以增加在预定时间段内可以被读取的像素的数量。发明人进行的研究已经表明，当将暗电平读取到垂直读取线和将暗电平转移到模拟/数字转换电路24作为单独的处理并行执行时，与将暗电平读取到垂直读取线和将暗电平转移到模拟/数字转换电路24作为单个处理执行相比，所需时间缩短大约10％到20％。

此外，当考虑到读取像素信号的速度提高时，从不同像素单元读取的像素信号可以通过使用多个模拟/数字转换电路来并行地转换。然而，在这种情况下，存在每一列的模拟/数字转换电路的数量增加的问题。另一方面，在根据第一实施例的传感器15中，一个模拟/数字转换电路24是与一列像素单元相对应地提供的。因此，根据第一实施例的传感器15可以在不增大电路尺寸的情况下提高读取像素信号的速度。具体地说，传感器15的像素数量近年来一直在增加，并且存在对缩小电路尺寸的高需求。由于这个原因，能够在不增大电路尺寸的情况下提高读取速度的效果是应考虑的。

第二实施例

在第二实施例中，将描述像素单元23a，其是像素单元23的另一种形式。像素单元23a是包括两个光电二极管的像素单元。此外，在第二实施例中，包括像素单元23a的传感器15被称为传感器15a。因此，图10示出了根据第二实施例的传感器15a的框图。

如图10所示，根据第二实施例的传感器15a包括像素阵列22a，在像素阵列22a中，像素单元23a按格栅图案布置。在根据第二实施例的像素单元23a中，每一像素单元的光电二极管的数量为两个。因此，在根据第二实施例的像素阵列22a中，滤色器通过使用两列的相邻像素单元而成Bayer图案布置。另外，也是在根据第二实施例的传感器15a中，两个垂直读取线与一列像素单元相对应地提供。

接着，将给出根据第二实施例的像素单元23a的电路的描述。因此，图11示出了根据第二实施例的传感器15a内的像素单元23a的电路图。如图11所示，根据第二实施例的像素单元23a包括光电二极管PD0和PD1两个二极管。换句话说，像素单元23a被构造为使得光电二极管PD2、PD3和转移晶体管312、313从根据第一实施例的像素单元23移除。

使用根据第二实施例的像素单元23a时的操作与图6所示的时序图的操作基本上是相同的，使得在这里省略其描述。

根据以上描述，可以看出，即使根据第一实施例的像素单元23中所包括的光电二极管的数量减少，也可以如根据第一实施例的像素单元23的情况那样提高读取像素信号的速度。

第三实施例

在第三实施例中，将描述像素单元23b，其是像素单元23的另一种形式。像素单元23b是包括一个光电二极管的像素单元。此外，在第三实施例中，包括像素单元23b的传感器15被称为传感器15b。因此，图12示出了根据第三实施例的传感器15b的框图。

如图12所示，根据第三实施例的传感器15b包括像素阵列22b，在像素阵列22b中，像素单元23b按格栅图案布置。在根据第三实施例的像素单元23b中，每一像素单元的光电二极管的数量为一个。因此，在根据第三实施例的像素阵列22b中，滤色器通过使用两行和两列的相邻像素单元而成Bayer图案布置。另外，也是在根据第三实施例的传感器15b中，两个垂直读取线与一列像素单元相对应地提供。

接着，将给出根据第三实施例的像素单元23b的电路的描述。因此，图13示出了根据第三实施例的传感器15b内的像素单元23b的电路图。如图13所示，根据第三实施例的像素单元23b包括光电二极管PD这一个光电二极管。换句话说，像素单元23b被构造为使得光电二极管PD1、PD2、PD3和转移晶体管311、312、313从根据第一实施例的像素单元23移除。

接着，将给出根据第三实施例的像素单元23b的操作的描述。因此，图14示出了例示说明根据第三实施例的图像感测装置的操作的例子的时序图。如图14所示，根据第三实施例的传感器15b在从第0行像素单元23b输出的暗电平和像素信号被转移到模拟/数字转换电路24的时间段期间，将耦合到第一行像素单元23b的垂直读取线PIXOUT_L重置为暗电平。此外，根据第三实施例的传感器15b在从耦合到第一行像素单元23b的垂直读取线PIXOUT_L输出的暗电平和像素信号被转移到模拟/数字转换电路24的时间段期间，将耦合到第二行像素单元23b的垂直读取线PIXOUT_R重置为暗电平。这样，根据第三实施例的传感器15b对于垂直读取线PIXOUT_R和垂直读取线PIXOUT_L，通过在用于将暗电平和像素信号转移到模拟/数字转换电路24的垂直读取线和用于重置的垂直读取线之间切换，来执行像素信号读取处理。

根据以上描述，可以看出，即使根据第一实施例的像素单元23中所包括的光电二极管的数量减少，也可以如根据第一实施例的像素单元23的情况那样提高读取像素信号的速度。

第四实施例

在第四实施例中，将描述像素单元23c，其是像素单元23的又一种形式。像素单元23c是用于一个像素的光接收元件通过使用两个光电二极管来构造的像素单元，该像素单元包括两个接收元件。此外，在第四实施例中，包括像素单元23c的传感器15被称为传感器15c。因此，图15示出了根据第四实施例的传感器15c的框图。

如图15所示，根据第四实施例的传感器15c包括像素阵列22c，在像素阵列22c中，像素单元23c按格栅图案布置。在根据第四实施例的像素单元23c中，每一像素单元的光电二极管的数量为两个。因此，在根据第四实施例的像素阵列22c中，滤色器通过使用两列的相邻像素单元而成Bayer图案布置。另外，也是在根据第四实施例的传感器15c中，两个垂直读取线与一列像素单元相对应地提供。注意到，像素单元23c中所包括的光电二极管包括两个光电二极管。

接着，将给出根据第四实施例的传感器15c的垂直读取线和转移开关的构造的描述。因此，图16示出了例示说明根据第四实施例的传感器15c的垂直读取线和转移开关的构造的框图。注意到，在图16至图18中，其中放置每个像素单元23的行号和列号用括号给出。

如图16所示，除了与其中放置像素单元23c的列相对应的垂直读取线PIXOUT_L或垂直读取线PIXOUT_R之外，根据第四实施例的像素单元23c还耦合到相邻列的垂直读取线PIXOUT_L或垂直读取线PIXOUT_R。换句话说，在根据第四实施例的传感器15c中，垂直读取线与相邻列是共享的。这是因为，像素单元23内的一个光接收元件由两个光电二极管来构造，并且在这两个光电二极管中产生的像素信号被分别读取。

接着，将给出根据第四实施例的像素单元23c的电路的描述。因此，图17示出了根据第四实施例的传感器15c内的像素单元23c的电路图。图17所示的例子示出了两行和两列的四个像素单元23c。此外，如图17所示，在根据第四实施例的传感器15c中，光电二极管PD0和PD1设于放置在偶数列中的像素单元23c中，并且光电二极管PD2和PD3设于放置在奇数列中的像素单元23c中。然后，每个光电二极管由左像素和右像素来构造，左像素构造左像素光电二极管PDx_L(x是指示光电二极管编号的值)，右像素构造右像素光电二极管PDx_R。

此外，在图17所示的例子中，来自像素单元23c的光电二极管的左像素的像素信号被与置于列号小1的列中的像素单元23c的右像素相对应地提供的放大器晶体管33读取。换句话说，在根据第四实施例的传感器15c中，一对垂直读取线是置于第n列中的像素单元的右像素光电二极管与置于第n+1列中的像素单元的左像素光电二极管共享的。注意到，对于置于第0列中的像素单元23c，不存在列号小1的列，使得放大器晶体管33被提供用于左像素。

此外，在图17所示的例子中，转移晶体管510是与光电二极管PD0_L相对应地提供的，转移晶体管511是与光电二极管PD0_R相对应地提供的，转移晶体管512是与光电二极管PD1_L相对应地提供的，转移晶体管513是与光电二极管PD1_R相对应地提供的，转移晶体管514是与光电二极管PD2_L相对应地提供的，转移晶体管515是与光电二极管PD2_R相对应地提供的，转移晶体管516是与光电二极管PD3_L相对应地提供的，以及转移晶体管517是与光电二极管PD3_R相对应地提供的。注意到，重置晶体管32、放大器晶体管33以及选择晶体管34的构造与参照图4和其它图描述的像素单元的构造基本上是相同的。

这里，将给出根据第四实施例的传感器15c的光电二极管的结构的描述。因此，图18示出了例示说明根据第四实施例的传感器15c的光电二极管的结构的截面图。如图18所示，在像素单元23c中，P阱层62形成于N子层61的上层中，其中，光电二极管PD0_L和PD0_R形成于P阱层62的表面上方。然后，在由N子层61和P阱层62形成的衬底层的上层中，形成布线层，在该布线层中，形成线63至65。像素单元23c中的微透镜形成于布线层的上层中。在其中形成微透镜的微透镜层中，微透镜67形成于滤色器66的上层中。然后，如图18所示，在像素单元23c中，形成微透镜67以覆盖一对光电二极管。

接着，将给出根据第四实施例的传感器15c的操作的描述。因此，图19示出了例示说明根据第四实施例的传感器15c的操作的例子的时序图。注意到，在图19中仅示出了在传感器15c的操作期间被读取到垂直读取线的信号，在图19中，省略了各种控制信号的逻辑电平的转变。假定各种控制信号的逻辑电平的转变符合第一实施例中所描述的转变。

如图19所示，在根据第四实施例的传感器15c中，当集中于一个垂直读取线时，重复地执行通过从耦合到每个垂直读取线的像素单元输出的暗电平进行的重置操作(在该图中为“读取准备”)以及从像素单元输出的暗电平和像素信号转移到模拟/数字转换电路24的转移操作(在该图中为“读取执行”)。另一方面，当集中于属于同一列的垂直读取线之间的操作时，并行地执行置于偶数行和奇数行两者之一中的像素单元23c的读取执行处理以及对于置于另一行(偶数行或奇数行)中的像素单元23c的读取准备。此外，当集中于与列号小1的列的像素单元23c共享的垂直读取线时，可以看出，列号小1的该列的像素单元23c的使用时间段以及属于自己的列的像素单元23c的使用时间段是连续的。

如上所述，垂直线在相邻列之间是共享的，使得当像素单元23c内的一个光电二极管由右像素和左像素构造时也可以避免增加模拟/数字转换电路24的数量。

此外，通过使用其中一个光电二极管PD由两个光电二极管构造的像素单元23c，可以产生用于自动聚焦处理的图像特征信息DCI。因此，以下描述一种用于产生像素信息Do的方法以及一种用于在根据第四实施例的传感器15c中产生图像特征信息DCI的方法。

图20示出了例示说明在根据第四实施例的传感器15c中输出图像信息的处理的流程图。如图20所示，根据第四实施例的传感器15c分别从像素阵列22c读取右像素和左像素的像素信息(步骤S1)。然后，根据第四实施例的传感器15c组合右像素的像素信息和左像素的像素信息以输出一个像素信息Do(步骤S2)。这样，传感器15c输出一个像素信息Do。

图21示出了例示说明在根据第四实施例的传感器15c中输出图像特征信息DCI的处理的流程图。如图21所示，根据第四实施例的传感器15c分别读取右像素和左像素的像素信息(步骤S11)。此后，根据第四实施例的传感器15c分别将从右像素的像素信息获得的图像的边缘信息以及从左像素的像素信息获得的图像的边缘信息作为图像特征信息DCI输出(步骤S12)。

这里，将进一步详细地描述图像特征信息DCI。首先，图22示出了例示说明根据第四实施例的传感器15c中的相差自动聚焦的原理的示图。图22示出了形成于传感器表面中的估计表面(例如，图像表面)和来自聚焦透镜的入射光的图像聚焦于其上的聚焦表面之间的位置关系。

如图22所示，在聚焦匹配的情况下，来自聚焦透镜的入射光的图像聚焦于其上的聚焦表面与图像表面匹配(图22的上部部分)。另一方面，在聚焦偏离的情况下，来自聚焦透镜的入射光的图像聚焦于其上的聚焦表面形成在不同于图像表面的位置处(图22的下部部分)。聚焦表面和图像表面之间的这个偏离表示散焦量。

这里，将给出当聚焦偏离发生时形成于图像表面中的图像的描述。因此，图23示出了例示说明当聚焦偏离发生时光电二极管的输出的曲线图。在图23中，水平轴表示图像高度，其指示离像素单元23c的透镜中心轴线的距离，垂直轴表示像素单元23c的输出的幅值。

如图23所示，当图像不聚焦时，从左像素输出的信号和从右像素输出的信号在图像高度方向上偏离。图像偏离量与散焦量成比例。因此，在使用根据第四实施例的传感器15c的相机系统中，通过基于图像偏离量计算散焦量来确定聚焦透镜14的位置。

在使用根据第四实施例的传感器15c的相机系统1的自动聚焦处理中，聚焦透镜14的位置被控制以使得布置在传感器15c的像素阵列22c中的所有像素单元的输出信号在左像素和右像素之间匹配。此外，在使用根据第四实施例的传感器15c的相机系统1中，系统控制MCU19基于从传感器15c输出的图像特征信息DCI来控制聚焦透镜14的位置。

如上所述，通过使用根据第四实施例的传感器15c，可以产生用于自动聚焦处理中的图像特征信息DCI。然后，使用根据第四实施例的传感器15c的相机系统1可以基于图像特征信息DCI来执行自动聚焦处理。此外，在根据第四实施例的传感器15c中，可以类似于第一实施例那样避免增大电路尺寸并且实现像素信号的高速读取，同时增添用于产生图像特征信息DCI的功能。

第五实施例

在第五实施例中，将给出像素单元23d以及包括像素单元23d的像素阵列22d的描述，像素单元23d是像素单元23的又一种形式。像素阵列22d具有用于切换置于同一列中的另一个像素单元23d的浮置扩散部是用作公共的浮置扩散部还是用作每个像素单元的独立的浮置扩散部的功能。此外，在第五实施例中，包括像素单元23d的传感器15被称为传感器15d。因此，图24示出了根据第五实施例的传感器15d的框图。

如图24所示，根据第五实施例的传感器15d包括像素阵列22d，在像素阵列22d中，像素单元23d按格栅图案布置。在根据第五实施例的像素单元23d中，每一像素单元的光电二极管的数量为两个。因此，在根据第五实施例的像素阵列22d中，滤色器通过使用两列的相邻像素单元而成Bayer图案布置。另外，也是在根据第五实施例的传感器15d中，两个垂直读取线与一列像素单元相对应地提供。

此外，如图24所示，除了两个转移控制信号TX(图24中的TX0、TX1)、重置控制信号RST、两个选择信号SEL(图24中的SEL_L、SEL_R)以及电源线VDD_PX之外，局部FD控制信号FDSWL和全局FD控制信号FDSWG也被给予每个像素单元23d。

接着，将给出根据第五实施例的像素阵列22d的详细电路构造的描述。因此，图25示出了例示说明根据第五实施例的像素阵列22d的电路构造的框图。如图25所示，在根据第五实施例的传感器15d中，列控制器21的构造例如与第一实施例的构造是相同的。另一方面，像素阵列22d与其它实施例的不同之处在于，将被提供的像素单元内的构造、以及添加了浮置扩散部公共开关电路232来切换像素单元内的浮置扩散部是被共享还是被切换。

每个像素单元23d包括输出线切换电路231。输出线切换电路231是代替选择晶体管34而提供的。输出线切换电路231切换第一放大器晶体管(例如，自己的像素单元内的放大器晶体管33)的输出信号是输出到第一垂直读取线(例如，垂直读取线PIXOUT_L)还是输出到第二垂直读取线(例如，垂直读取线PIXOUT_R)。

浮置扩散部公共开关电路232切换待共享的像素单元内的浮置扩散部在待共享的像素单元之间是被共享还是被用作单独的浮置扩散部。更具体地说，当假定在待共享的像素单元之中一个像素单元中所包括的浮置扩散部是第一浮置扩散部并且另一个像素中所包括的浮置扩散部是第二浮置扩散部时，切换操作可以如下进行。浮置扩散部公共开关电路232切换使得第一浮置扩散部和第二浮置扩散部被共享还是使得第一浮置扩散部和第二浮置扩散部是独立的。

接着，将给出根据第五实施例的像素单元23d和浮置扩散部公共开关电路232的特定电路的描述。因此，图26示出了根据第五实施例的图像感测装置内的像素单元23d和浮置扩散部公共开关电路232的电路图。

如图26所示，像素单元23d被构造为使得第二实施例中所描述的像素单元23a的选择晶体管34被输出线切换电路231取代。此外，输出线切换电路231包括选择晶体管34和选择晶体管35。模拟/数字转换电路24设于放大器晶体管33的源极和垂直读取线PIXOUT_L之间。选择晶体管34的导通状态由选择信号SEL_L控制。选择晶体管35设于放大器晶体管33的源极和垂直读取线PIXOUT_R之间。选择晶体管35的导通状态由选择信号SEL_R控制。

浮置扩散部公共开关电路232包括局部开关晶体管36和全局开关晶体管37。局部开关晶体管36耦合对应的像素单元23d的浮置扩散部和全局开关晶体管37的源极。在全局开关晶体管37中，漏极耦合到与上一行像素单元23d相对应地提供的浮置扩散部公共开关电路232的全局开关晶体管37的源极。注意到，在浮置扩散部公共开关电路232之中，与第0行像素单元23d相对应地提供的浮置扩散部公共开关电路232的全局开关晶体管37的源极耦合到全局线重置晶体管的漏极。该全局线重置晶体管设于电源线VDD_PX和与第0行像素单元相对应地提供的浮置扩散部公共开关电路232的全局开关晶体管37的源极之间。此外，全局线重置晶体管的导通状态由全局FD重置控制信号FDGRST控制。

根据第五实施例的图像感测装置15d具有第一操作模式和第二操作模式，第一操作模式用于执行正常的像素读取处理，第二操作模式用于在像素内的组合处理之后执行像素读取处理。因此，将给出每种操作模式的待读取像素单元的单元的描述。

首先，图27示出了例示说明根据第五实施例的图像感测装置中的第一操作模式下的像素单元的构造的框图。如图27所示，在一个像素单元用作一个读取单元的第一操作模式下，使浮置扩散部公共开关电路232无效，以使得每个像素单元的浮置扩散部被独立地使用。此外，置于偶数行中的像素单元23d内的输出线切换电路231将从像素单元输出的信号输出到垂直读取线PIXOUT_L。置于奇数行中的像素单元23d内的输出线切换电路231将从像素单元输出的信号输出到垂直读取线PIXOUT_R。

接着，图28示出了例示说明根据第五实施例的图像感测装置中的第二模式下的像素单元的构造的框图。如图28所示，在第二操作模式下，在第一操作模式下分别置于奇数行和偶数行中的像素单元用作一个像素单元。此外，在两个像素单元组合为一个像素单元的第二操作模式下，使设于这两个像素单元之间的浮置扩散部公共开关电路232有效。这样，组合为一个像素单元的像素单元内的浮置扩散部在像素单元之间被共享。然后，在第二操作模式下，例如，物理地置于第0行和第一行中的像素单元被组合以形成第0行的组合像素单元，并且物理地置于第二行和第三行中的像素单元被组合以形成第一行的组合像素单元。此外，置于其在组合之后的行号是偶数的行中的组合像素单元的输出线切换电路231将放大器晶体管33的输出输出到垂直读取线PIXOUT_L。置于其在组合之后的行号是奇数的行中的组合像素单元的输出线切换电路231将放大器晶体管33的输出输出到垂直读取线PIXOUT_R。

换句话说，在根据第五实施例的图像感测装置15d中，在第二操作模式下，第一组合像素单元和第二组合像素单元均包括待组合的至少两个像素单元(例如，图23中的属于每行的像素单元中所包括的两个像素单元23d)以及浮置扩散部公共开关电路232，浮置扩散部公共开关电路232用于切换使待组合像素单元相对于待组合像素单元内的浮置扩散部来说是公共的还是独立的。另一方面，在第一操作模式下，根据第五实施例的图像感测装置15d将待组合像素单元作为独立的像素单元进行控制。

此外，在根据第五实施例的图像感测装置15d中，待组合像素单元每个均包括光接收元件(例如，光电二极管PD0、PD1)、与每个光接收元件相对应地提供的转移晶体管(例如，转移晶体管310、311)以及输出线切换电路231，输出线切换电路231用于切换放大器晶体管33的输出信号是输出到第一垂直读取线(例如，垂直读取线PIXOUT_L)还是输出到第二垂直读取线(例如，垂直读取线PIXOUT_R)。

然后，在根据第五实施例的图像感测装置15d中，在指示浮置扩散部公共开关电路232使浮置扩散部在待组合像素单元内独立的第一操作模式下，时序控制电路(例如，行控制器20)指示偶数行中的待组合像素单元内的输出线切换电路231允许垂直读取线PIXOUT_L充当输出放大器晶体管的输出信号的线，并且还指示奇数行中的待组合像素单元内的输出线切换电路231允许垂直读取线PIXOUT_R充当输出放大器晶体管的输出信号的线。此外，在指示浮置扩散部公共开关电路232使浮置扩散在待组合像素单元内公用的第二操作模式下，时序控制电路(例如，行控制器20)指示属于在组合之后置于偶数行中的第一组合像素单元的待组合像素单元的输出线切换电路231允许垂直读取线PIXOUT_L充当输出放大器晶体管的输出信号的线，并且还指示属于在组合之后置于奇数行中的第二组合像素单元的待组合像素单元的输出线切换电路231允许垂直读取线PIXOUT_R充当输出放大器晶体管的输出信号的线。

接着，将参照时序图给出根据第五实施例的图像感测装置15d的操作的描述。注意到，当局部FD控制信号FDSWL和全局FD控制信号FDSWG两者都被设置为低电平时，根据第五实施例的传感器15d在第一操作模式下的操作与根据第二实施例的图像感测装置15a的操作是相同的。因此，这里省略第一操作模式的描述。图29示出了例示说明根据第五实施例的图像感测装置在第二操作模式下的操作的例子的时序图。

如图29所示，在第二操作模式下，根据第五实施例的图像感测装置15d与组合像素单元的输出时序相结合地在高电平和低电平之间切换局部FD控制信号FDSWL<0>和FDSWL<1>、全局FD控制信号FDSWG<0>以及选择信号SEL_L<0>和SEL_L<1>。同时，图像感测装置15d使全局FD控制信号FDSWG<1>以及选择信号SEL_R<0>和SEL_R<1>保持低电平。此外，图像感测装置15d与组合像素单元的输出时序相结合地在高电平和低电平之间切换局部FD控制信号FDSWL<2>和FDSWL<3>、全局FD控制信号FDSWG<2>以及选择信号SEL_R<2>和SEL_R<3>。同时，图像感测装置15d使全局FD控制信号FDSWG<3>以及选择信号SEL_L<2>和SEL_L<3>保持低电平。该控制使得根据第五实施例的图像感测装置15d可以具有图28所示的电路构造并且可以执行与根据第二实施例的图像感测装置15a相同的读取操作。此外，在根据第五实施例的图像感测装置中，输出到垂直读取线PIXOUT_L和PIXOUT_R的信号是通过组合由待组合的两个像素单元内的两个光电二极管产生的信号而获得的信号。

如上所述，根据第五实施例的图像感测装置15d用待组合的两个像素单元构造一个组合像素单元，并且使浮置扩散部在待组合像素单元内是公用的。然后，根据第五实施例的图像感测装置15d将由待组合的两个像素单元内的两个光电二极管产生的信号组合为组合像素单元内的一个信号，并且将该信号输出到垂直读取线。这样，根据第五实施例的图像感测装置15d可以使在像素阵列22d内产生的信号的S/N比增大。

此外，根据第五实施例的图像感测装置15d在像素单元内具有输出线切换电路231，并且可以修复与对于每个垂直读取线传送的信号相对应的滤色器的颜色。因此，将给出滤色器的颜色和传送信号的垂直读取线之间的对应的描述。图30示出了例示说明根据第五实施例的图像感测装置在第一操作模式下的读取操作的变型的示图。在图30所示的例子中，描述了第一操作模式下的操作。然而，相同的操作在第二操作中也是可能的。

如图30所示，即使当信号从同一个像素单元输出时，根据第五实施例的图像感测装置15d在第一读取时刻和第二读取时刻之间也切换用于输出信号的选择晶体管。这样，可以构造通过垂直读取线PIXOUT_R输出与例如红色滤色器相对应的输出信号的图像感测装置。

虽然本发明人所做的发明已经基于其在上文中的实施例被具体描述，但是将明显的是，本发明不限于所描述的实施例，并且在不脱离本发明的范围的情况下，可以做出各种修改。

Claims (11)

1.一种图像感测装置，包括：

像素阵列，所述像素阵列包括按阵列形式布置的多个像素单元；

第一像素单元和置于所述第一像素单元的列中的第二像素单元，所述第一像素单元和第二像素单元两者都包括在所述像素阵列中；

第一浮置扩散部，所述第一浮置扩散部设于所述第一像素单元中；

第二浮置扩散部，所述第二浮置扩散部设于所述第二像素单元中；

第一垂直读取线，所述第一垂直读取线耦合到所述第一像素单元；

第二垂直读取线，所述第二垂直读取线耦合到所述第二像素单元；

第一转移开关，所述第一转移开关设于所述第一垂直读取线的一端；

第二转移开关，所述第二转移开关设于所述第二垂直读取线的一端；

模拟/数字转换电路，所述模拟/数字转换电路输出与通过所述第一转移开关输入的信号的信号电平相对应的数字值或与通过所述第二转移开关输入的信号的信号电平相对应的数字值；以及

时序控制电路，所述时序控制电路控制所述第一像素单元和所述第二像素单元、所述第一转移开关和所述第二转移开关以及所述模拟/数字转换电路的操作时序，

其中，所述时序控制电路在与一个像素对应的转换处理期间内，在所述第一转移开关进入断开状态时将所述第一浮置扩散部的信号电平和所述第一垂直读取线的信号电平重置为暗电平，将在所述转换处理期间对所述第二垂直读取线设置的暗电平信号以及在所述第二转移开关进入导通状态时通过所述第二浮置扩散部和所述第二垂直读取线传送的所述第二像素单元的像素信号依次提供给所述模拟/数字转换电路。

2.根据权利要求1所述的图像感测装置，

其中，当所述第二转移开关进入导通状态时，所述时序控制电路在将所述第二像素单元的像素信号转移到所述模拟/数字转换电路之前，将所述第二浮置扩散部的暗电平以及所述第二垂直读取线的暗电平转移到所述模拟/数字转换电路。

3.根据权利要求1所述的图像感测装置，包括代替所述第一像素单元和所述第二像素单元的第一组合像素单元和第二组合像素单元，

其中，所述第一组合像素单元和所述第二组合像素单元均包括：

待组合的至少两个像素单元；以及

浮置扩散部公共开关电路，所述浮置扩散部公共开关电路用于切换使浮置扩散部在待组合的多个像素单元内公用还是独立，

其中，待组合的像素单元每个均包括：

光接收元件；

转移晶体管，所述转移晶体管与所述光接收元件相对应地提供；

浮置扩散部和放大器晶体管，所述浮置扩散部和放大器晶体管与所述转移晶体管相对应地提供；以及

输出线切换电路，所述输出线切换电路用于切换所述放大器晶体管的输出信号输出到所述第一垂直读取线还是输出到所述第二垂直读取线，

其中，在指示所述浮置扩散部公共开关电路使浮置扩散部在待组合的像素单元内独立的第一操作模式下，所述时序控制电路指示偶数行中的待组合的像素单元内的输出线切换电路允许所述第一垂直读取线充当输出所述放大器晶体管的输出信号的线，

其中，在所述第一操作模式下，所述时序控制电路指示奇数行中的待组合的像素单元内的输出线切换电路允许所述第二垂直读取线充当输出所述放大器晶体管的输出信号的线，

其中，在指示所述浮置扩散部公共开关电路使浮置扩散部在待组合的像素单元内公用的第二操作模式下，所述时序控制电路指示属于所述第一组合像素单元的待组合的像素单元的输出线切换电路允许所述第一垂直读取线充当输出所述放大器晶体管的输出信号的线，以及

其中，在所述第二操作模式下，所述时序控制电路指示属于所述第二组合像素单元的待组合的像素单元的输出线切换电路允许所述第二垂直读取线充当输出所述放大器晶体管的输出信号的线。

4.一种图像感测装置，包括：

第一像素单元，所述第一像素单元耦合到第一垂直读取线；

第二像素单元，所述第二像素单元耦合到第二垂直读取线，并且被置于所述第一像素单元的列中；

第一转移开关，所述第一转移开关设于所述第一垂直读取线的一端；

第二转移开关，所述第二转移开关设于所述第二垂直读取线的一端；

模拟/数字转换电路，所述模拟/数字转换电路根据通过所述第一转移开关和所述第二转移开关输入的信号的信号电平来输出数字值；以及

时序控制电路，所述时序控制电路控制所述第一像素单元和所述第二像素单元、所述第一转移开关和所述第二转移开关以及所述模拟/数字转换电路的操作时序，

其中，所述时序控制电路控制所述第一像素单元和所述第二像素单元、所述第一转移开关和所述第二转移开关以及所述模拟/数字转换电路以使得重置处理和转换输出处理在一个时间段内被并行地执行，

其中，所述重置处理能够将耦合到被控制为断开的一个转移开关的待重置垂直读取线的信号电平以及耦合到所述待重置垂直读取线的像素单元内的浮置扩散部的信号电平重置为暗电平，所述被控制为断开的一个转移开关是所述第一转移开关和所述第二转移开关两者之一，以及

其中，所述转换输出处理进行将具有从耦合到被控制为导通的另一个转移开关的待读取垂直读取线输出的暗电平的暗电平信号转换为数字值的第一转换处理、以及将像素信号从耦合到所述待读取垂直读取线的像素单元输出到所述模拟/数字转换电路并且将所述像素信号转换为数字值的第二转换处理，所述被控制为导通的另一个转移开关是所述第一转移开关和所述第二转移开关两者之一。

5.根据权利要求4所述的图像感测装置，

其中，在除了所述模拟/数字转换电路执行用于将具有模拟值的信号转换为数字值的模拟/数字转换处理的时间段之外的时间段内，所述时序控制电路切换用于指示所述像素单元执行所述重置处理的重置控制信号的逻辑电平。

6.根据权利要求4所述的图像感测装置，

其中，所述第一像素单元和第二像素单元均包括：

多个光接收元件；

多个转移晶体管，所述多个转移晶体管与所述光接收元件中的每个相对应地提供；以及

浮置扩散部和放大器晶体管，所述浮置扩散部和放大器晶体管对于所述转移晶体管是公共提供的，

其中，所述时序控制电路控制所述第一像素单元和所述第二像素单元内的所述转移晶体管以便交替地输出来自所述第一像素单元和所述第二像素单元的像素信号。

7.根据权利要求4所述的图像感测装置，

其中，所述第一像素单元和所述第二像素单元每个均包括作为一个光接收元件的右光电转换元件和左光电转换元件，所述右光电转换元件和左光电转换元件在一个微透镜的下部部分中相互靠近地放置，

其中，所述第一垂直读取线和第二垂直读取线中的每一个由置于第n列中的像素单元的右光电转换元件和置于第n+1列中的像素单元的左光电转换元件共享。

8.根据权利要求4所述的图像感测装置，

其中，所述第一垂直读取线和第二垂直读取线均设有从对应的读取线汲取电流的像素电流源。

9.根据权利要求4所述的图像感测装置，

其中，所述模拟/数字转换电路包括对于所述第一转移开关和所述第二转移开关共同提供的输入端子，

其中，所述模拟/数字转换电路交替地执行通过所述第一转移开关输入的暗电平信号转换为数字值的转换和像素信号转换为数字值的转换以及通过所述第二转移开关输入的暗电平信号转换为数字信号的转换和像素信号转换为数字值的转换。

10.根据权利要求4所述的图像感测装置，包括代替所述第一像素单元和所述第二像素单元的第一组合像素单元和第二组合像素单元，

其中，所述第一组合像素单元和所述第二组合像素单元均包括：

待组合的至少两个像素单元；

浮置扩散部公共开关电路，所述浮置扩散部公共开关电路用于切换使浮置扩散部在待组合的多个像素单元内是公用的还是独立的，

其中，待组合的像素单元每个均包括：

光接收元件；

转移晶体管，所述转移晶体管与所述光接收元件相对应地提供；

浮置扩散部和放大器晶体管，所述浮置扩散部和放大器晶体管与所述转移晶体管相对应地提供；以及

输出线切换电路，所述输出线切换电路用于切换所述放大器晶体管的输出信号是输出到所述第一垂直读取线还是输出到所述第二垂直读取线，

其中，在指示所述浮置扩散部公共开关电路使浮置扩散部在待组合的像素单元内独立的第一操作模式下，所述时序控制电路指示偶数行中的待组合的像素单元内的输出线切换电路允许所述第一垂直读取线充当输出所述放大器晶体管的输出信号的线，

其中，在所述第一操作模式下，所述时序控制电路指示奇数行中的待组合的像素单元内的输出线切换电路允许所述第二垂直读取线充当输出所述放大器晶体管的输出信号的线，

其中，在指示所述浮置扩散部公共开关电路使浮置扩散部在待组合的像素单元内公用的第二操作模式下，所述时序控制电路指示属于所述第一组合像素单元的待组合的像素单元的输出线切换电路允许所述第一垂直读取线充当输出所述放大器晶体管的输出信号的线，以及

其中，在所述第二操作模式下，所述时序控制电路指示属于所述第二组合像素单元的待组合的像素单元的输出线切换电路允许所述第二垂直读取线充当输出所述放大器晶体管的输出信号的线。

11.根据权利要求10所述的图像感测装置，

其中，所述光接收元件包括多个光接收元件。

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