CN1330172C - 固态图像传感器件及使用该固态图像传感器件的照相机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种固态图像传感器件，它至少能减少水平方向排列的像素数量，并且能高速输出高质量图像信号而不产生波纹或混淆。该固态图像传感器件包括：垂直传输部件3，其中在垂直方向逐级传输从二维排列的光电转换部件2读出的信号电荷；水平传输部件4，在水平方向传输接收自垂直传输部件3的信号电荷；以及控制单元，控制垂直传输部件3和水平传输部件4的传输操作，其中垂直传输部件3的垂直末级具有传输电极，该传输电极形成为每2n+1(n表示1或更大的整数)列就重复相同的结构，并且2n+1列中除去一列之外的列的垂直末级或所有垂直级都设置有独立于其它垂直末级的传输电极的传输电极。

Description

固态图像传感器件及使用该固态图像传感器件的照相机

技术领域

本发明涉及把接收的光转换为电信号并接着把它们作为图像信号输出的固态图像传感器件。

背景技术

常规地，已知一种把接收的光转换为电信号并接着把它们作为图像信号输出的固态图像传感器件，以及例如静态数码相机的照相机，能够将从固态图像传感器件获得的图像信号显示成静止图像。最近，对于具有这种固态图像传感器件的照相机，需要改善图像质量和功能，并且像素的密度也增加得越来越大。

在这种固态图像传感器件中为了增加图像信号输出的速度，提出了一种驱动方法，在该方法中，减小了要从中读出信号电荷的像素的数量。由此减小了包括在输出图像信号中的像素数量。例如，JP11(1999)-234688A公开了一种驱动方法，例如其中在水平方向上排列的三个像素形成一个块，在固态图像传感器件中除了位于每个块中间的像素之外的两个像素(排列在右侧和左侧的两个像素)的信号电荷混合到一起，同时位于每个块中间的像素的信号电荷和与其邻近的块中间的像素的信号电荷混合到一起。由此减小了在将要从固态图像传感器件输出的图像信号中包括的在水平方向上排列的像素数量。

但是，在将水平方向排列的像素数量减少到1/3的过程中，在信号的DC分量中加入了作为混淆误差的分量，该分量与当所有的像素都输出信号电荷时使用的采样频率的1/3相对应。在采用上述传统驱动方法的固态图像传感器件中，对应于1/3采样频率的分量不为零(参见图27)。这导致产生波纹(moire)或混淆(alias)，并因此使由输出图像信号形成的图像质量恶化，这已经成为一个难题。

发明内容

为了解决这个难题，本发明将要提供一种固态图像传感器件，它至少能使水平方向排列的像素数量减少，并且能高速输出高质量图像信号而不产生波纹或混淆。

为了实现上述目的，根据本发明的固态图像传感器件包括：对应于二维排列的像素的各列提供的垂直传输部件，用于垂直传输从所述像素读出的信号电荷；和水平传输部件，用于水平传输接收自垂直传输部件的信号电荷。在垂直传输部件中离水平传输部件最近的传输级(transfer stage)是垂直末级。垂直末级具有传输电极，该传输电极形成为每m(m表示2或更大的整数)列就重复相同的结构。除m列中一列之外的列的垂直末级或m列的所有垂直末级都各设置一个传输电极，该传输电极独立于与m列中的其它垂直末级的传输电极，从而独立于所述其它垂直末来控制从相关垂直末级传输信号电荷到水平传输部件的操作。

这至少能使水平方向排列的像素数量减少，并由此可以提供一种能够高速输出高质量图像信号而不产生波纹或混淆的固态图像传感器件。

附图说明

图1是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件结构的平面图；

图2是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件中即将混合的像素的组合的说明图；

图3是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件执行的像素混合操作的一个步骤的说明图；

图4是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件执行的像素混合操作的一个步骤的说明图；

图5是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件执行的像素混合操作的一个步骤的说明图；

图6是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件执行的像素混合操作的一个步骤的说明图；

图7是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件执行的像素混合操作的一个步骤的说明图；

图8是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件执行的像素混合操作的一个步骤的说明图；

图9是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件执行的像素混合操作的一个步骤的说明图；

图10是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件执行的像素混合操作的一个步骤的说明图；

图11是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件执行的像素混合操作的一个步骤的说明图；

图12是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件执行的像素混合操作的一个步骤的说明图；

图13是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件执行的像素混合操作的一个步骤的说明图；

图14A至14C中的每一个示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件执行的像素混合操作的一个步骤的说明图；

图15是示出在根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件中即将混合在一起的像素的组合(像素混合组)的一个例子的说明图；

图16是示出在根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件中即将混合在一起的像素的组合(像素混合组)的一个例子的说明图；

图17是示出在根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件中即将混合在一起的像素的组合(像素混合组)的一个例子的说明图；

图18是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件中电极结构的一个例子的说明图；

图19是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件中电极结构的一个例子的说明图；

图20是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件中电极结构的一个例子的说明图；

图21是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件中电极结构的一个例子的说明图；

图22是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件中栅电极特定排列的一个例子的平面图；

图23是示出时序图的说明图，该时序图表示了根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件中控制信号的时序以及根据该时序图传输的电荷的状态；

图24是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件中信号电荷状态的说明图；

图25是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件中电极结构的一个例子的说明图；

图26是示出时序图的说明图，该时序图表示了根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件中控制信号的时序以及根据该时序图传输的电荷的状态；

图27是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件的空间频率响应的曲线图；

图28是示出根据本发明的一个实施例的照相机的示意性结构的框图；

图29是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件中栅电极特定排列的另一个例子的平面图；

图30是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件执行的像素混合操作的一个步骤的说明图；

图31是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件执行的所述像素混合操作的一个步骤的说明图；

图32是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件执行的所述像素混合操作的一个步骤的说明图；

图33是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件执行的所述像素混合操作的一个步骤的说明图；

图34是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件执行的所述像素混合操作的一个步骤的说明图；

图35是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件执行的所述像素混合操作的一个步骤的说明图；

图36是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件执行的所述像素混合操作的一个步骤的说明图；

图37是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件执行的所述像素混合操作的一个步骤的说明图；

图38是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件执行的所述像素混合操作的一个步骤的说明图；

图39是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件执行的所述像素混合操作的一个步骤的说明图；

图40是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件执行的所述像素混合操作的一个步骤的说明图；

图41是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件执行的所述像素混合操作的一个步骤的说明图；

图42是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件执行的所述像素混合操作的一个步骤的说明图；

图43是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件执行的所述像素混合操作的一个步骤的说明图；

图44是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件执行的所述像素混合操作的一个步骤的说明图；

图45是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件执行的所述像素混合操作的一个步骤的说明图；

图46是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件执行的所述像素混合操作的一个步骤的说明图；

图47是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件执行的所述像素混合操作的一个步骤的说明图；

图48是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件中使用的彩色滤光片的一个例子的说明图；

图49是示出根据本发明的一个实施例的固态图像传感器件执行的像素混合操作的一个步骤的说明图；

图50是示出根据本发明的一个实施例的所述固态图像传感器件执行的所述像素混合操作的一个步骤的说明图；

图51是示出根据本发明的一个实施例的所述固态图像传感器件执行的所述像素混合操作的一个步骤的说明图；

图52是示出根据本发明的一个实施例的所述固态图像传感器件执行的所述像素混合操作的一个步骤的说明图；

图53是示出根据本发明的一个实施例的所述固态图像传感器件执行的所述像素混合操作的一个步骤的说明图；

图54是示出根据本发明的一个实施例的所述固态图像传感器件执行的所述像素混合操作的一个步骤的说明图；

图55是示出根据本发明的一个实施例的所述固态图像传感器件执行的所述像素混合操作的一个步骤的说明图；

图56是示出根据本发明的一个实施例的所述固态图像传感器件执行的所述像素混合操作的一个步骤的说明图；

图57是示出根据本发明的一个实施例的所述固态图像传感器件执行的所述像素混合操作的一个步骤的说明图；

图58是示出通过重复图49至57所示步骤混合的像素的重心位置的说明图。

具体实施方式

本发明的固态图像传感器件的结构包括：对应于二维排列的像素的各列提供的垂直传输部件，用于垂直地传输从像素读出的信号电荷，和水平传输部件，用于水平地传输接收自垂直传输部件的信号电荷，其中垂直传输部件包括传输级，且位置最靠近水平传输部件的传输级是垂直末级，垂直末级具有传输电极，形成该传输电极为每m(m表示2或更大的整数)列就重复一次的相同的结构，以及除m列中一列之外的列的垂直末级或m列的所有垂直末级的每一个都设置有传输电极，所述传输电极与m列中的其它垂直末级的传输电极无关，从而与所述其它垂直末级无关地控制从相关垂直末级传输信号电荷到水平传输部件的操作(结构1)。

本发明的固态图像传感器件中提供的垂直传输部件可由包括光电转换部件的垂直CCD形成，该光电转换部件为，例如，对应于二维排列的像素提供的光电二极管，和多个垂直传输级；或由具有光接收功能并包括多个垂直传输级的垂直CCD形成。

根据上述结构1，通过重复m次的传输操作，所有垂直末级的信号电荷被传送到水平传输部件。当从垂直末级到水平传输部件的传输与水平传输部件执行的水平方向的传输结合时，能够任意地重新定位或混合像素输出。通过施加预定的控制信号到分别为垂直传输部件和水平传输部件提供的传输电极，来控制垂直传输部件和水平传输部件的传输操作。用于发送控制信号的装置(控制单元)可以定位在固态图像传感器件之外，或与固态图像传感器件形成一体。

根据本发明的固态图像传感器件中，上述整数m可以是2n+1(n表示1或更大的整数)(结构2)。此外，在该固态图像传感器件中，优选，包括在第一和第二像素混合组的每一组中的像素的信号电荷在水平传输部件中叠加在一起，其中每个第一像素混合组由水平方向每隔一个像素排列的2n+1(n表示1或更大的整数)个像素构成，并且每个第二像素混合组由每隔一个像素排列而且是除第一像素混合组外的2n+1个像素构成，各第二像素混合组的像素的每一个的重心定位在离第一像素混合组的与其相邻的两个像素重心距离相等的位置(结构3)。

这种结构允许水平方向排列的像素数量减少到1/(2n+1)而不浪费像素的信号电荷。另外，由于在像素数量减少后混合像素以相同间隔隔开，因此能够获得具有高灵敏度、高分辨率和更少波纹的图像信号。

在该固态图像传感器件中，进一步优选，对于垂直末级中存在的第一和第二像素混合组的每一个，(a1)只有离各自像素混合组的水平传输部件输出端最远的像素的信号电荷从垂直末级传输到水平传输部件，所述每个像素混合组由2n+1个像素组成，(a2)水平传输部件中存在的信号电荷向前传输相应于两个像素的距离，(a3)只有在垂直末级中具有剩余信号电荷并且距离像素组的水平传输部件输出端最远的像素的信号电荷从垂直末级传输到水平传输部件，所述每个像素组由2n+1个像素组成，和(a4)重复传输操作(a2)和(a3)，直到所有由2n+1个像素组成的像素组的信号电荷从垂直末级传输到水平传输部件(结构4)。

通过上述操作，每隔一个像素排列的2n+1个像素可以被混合在一起，并且进一步在它们之间排列的2n+1个像素也可以被混合在一起。

在该固态图像传感器件中，进一步优选，(b1)作为传输操作a1至a4的最后操作，在每个像素组包含的最后像素的信号电荷从垂直末级传输到水平传输部件之后或同时，所有列的垂直传输部件中存在的信号电荷传输到各自的下一级，所述每个像素组由2n+1个像素组成，(b2)对于通过上述操作b1传输到垂直末级的信号电荷，执行传输操作a1至a4，以及(b3)重复传输操作b1和b2，直到2n+1个级中包括的信号电荷被传输到水平传输部件(结构5)。

通过上述操作，由于水平传输部件中不存在空白传输区，水平排列的像素数量能减少到1/(2n+1)而不增加水平传输速度。

在上述固态图像传感器件中，优选，位置离水平传输部件最近的垂直传输部件的垂直末级具有传输电极，该传输电极形成为具有每三列就重复的相同的结构，并且，从水平传输部件的输出端开始数起，所述三列中至少第二和第三列的垂直末级的每一个都设置有传输电极，该传输电极独立于其它垂直末级的传输电极，从而独立于其它垂直末级地控制从相关的各垂直末级传输信号电荷到水平传输部件的操作(结构6)。这使得在水平方向排列的三个像素能够混合在一起，由此能够将水平排列的像素数量减少到1/3。

在根据上述结构6的固态图像传感器件中，优选，从水平传输部件的输出端开始数起的第一列的垂直末级，具有与除第一列的垂直末级之外的级的电极结构相同的电极结构(结构7)。

在根据结构6的固态图像传感器件中，优选，每个第一像素混合组由水平方向每隔一个像素排列的三个像素组成，并且每个第二像素混合组由除第一像素混合组之外的每隔一个像素排列的三个像素组成，各第二像素混合组的像素重心定位在离两个第一像素混合组的与其相邻的像素重心距离相等的位置(结构8)。这种结构使得在水平方向排列的像素数量能够减少到1/3而不浪费像素的信号电荷，并且在像素数量减少后允许混合像素以相同间隔隔开。

在根据结构6的固态图像传感器件中，优选，(c1)只有上述三列中从水平传输部件的输出端开始数起的第二列的垂直末级的信号电荷被传输到水平传输部件，(c2)水平传输部件中存在的信号电荷向前传输相应于两个像素的距离，(c3)只有上述三列中从水平传输部件的输出端开始数起的第三列的垂直末级的信号电荷被传输到水平传输部件，(c4)水平传输部件中存在的信号电荷向前传输相应于两个像素的距离，和(c5)上述三列中从水平传输部件的输出端开始数起的第一列的垂直末级的信号电荷被传输到水平传输部件(结构9)。通过上述操作，每隔一个像素排列的三个像素能够混合在一起，并且在它们之间排列的三个像素也能混合在一起。此外，在像素数量减少后混合像素可以以相同间隔来隔开。

在根据结构9的固态图像传感器件中，优选，(d1)通过传输操作c5将第一列的垂直末级的信号电荷传输到水平传输部件之后或与其同时，所有列的垂直传输部件中存在的信号电荷传输到各自的下一级，(d2)对于在上述操作d1结束时传输到垂直末级的信号电荷，执行传输操作c1至c5，并且通过操作c5将第一列的垂直末级的信号电荷传输到水平传输部件之后或与其同时，所有列的垂直传输部件中存在的信号电荷传输到各自的下一级，和(d3)对于在操作d2结束时传输到垂直末级的信号电荷执行传输操作c1至c5(结构10)。由于即使在水平方向排列的三个像素混合在一起时水平传输部件中也不存在空白传输级，所以上述操作使得水平排列的像素数量能够减少到1/3而不增加水平传输速度。

在根据结构3的固态图像传感器件中，优选，一个像素混合组由第一或第二像素混合组中的(2n+1)×(2n+1)个像素组成，第一、第二像素混合组各自包括在垂直方向每隔一行排列的2n+1行中存在的2n+1个像素，并且每列的排列在2n+1行中的像素的信号电荷在各自的垂直传输部件中叠加在一起(结构11)。根据该结构，一幅画面的数据数量是1/((2n+1)×(2n+1))，因此可以增加每单位时间的帧数。此外，由于没有像素被浪费，因此提高了灵敏度。

在根据结构11的固态图像传感器件中，优选，一个像素混合组由垂直方向每隔一行排列的三行中的9个像素组成，在这三行中的每一行都包括在水平方向每隔一个像素排列的三个像素(结构12)。由于一幅画面的数据数量减少到1/9，使得能够增加每单位时间的帧数。此外，由于没有像素被浪费，因此提高了灵敏度。

在根据结构3的固态图像传感器件中，优选，一个像素混合组由排列在两行中的6个像素组成，在垂直方向上上述两行之间还存在三行，所述两行各自包括在水平方向每隔一个像素排列的三个像素(结构13)。这就提供了一个优点，即，与将混合像素定位在垂直方向排列的三行中的情形相比，线性信号范围扩宽了。

在根据结构3的固态图像传感器件中，优选，一个像素混合组由垂直方向上每隔两行的一个行中的水平方向上每隔一个像素排列的三个像素组成(结构14)。这就提供了一个优点，即，与将混合像素定位在垂直方向排列的三行中的情形相比，线性信号范围进一步扩宽了。

在根据结构2的固态图像传感器件中，优选，二维排列的像素具有经过排列的彩色滤光片，使得(水平方向排列的2个像素)×(垂直方向排列的2个像素)的4个像素形成一个单元(结构15)。通过这样的结构，即使在混合像素之后，也能够在排列好的彩色滤光片不改变排列的情况下获得图像，所以(水平排列的2个像素)×(垂直排列的2个像素)的4个像素形成一个单元。

在根据结构15的固态图像传感器件中，优选，排列彩色滤光片，使第一彩色滤光片提供给4个像素中位于一条对角线上的2个像素，第二和第三彩色滤光片分别提供给其它2个像素(结构16)。

在根据结构3的固态图像传感器件中，优选，二维排列的像素具有经过排列的彩色滤光片，使得(水平方向排列的2个像素)×(垂直方向排列的4个像素)的8个像素形成一个单元，并且在垂直方向彼此相邻的2个像素在垂直传输部件中混合在一起(结构17)。

在根据本发明的固态图像传感器件中，优选，为每个垂直末级提供至少两个独立的电极。

例如，当每一列的垂直末级形成有6个传输电极时，优选，采用下述的任何一种结构：(1)在彼此相邻的三列的所有垂直传输部件中，在6个传输电极中，从水平传输部件的一端开始数起的位于第二和第四的传输电极是独立电极，它们独立于其它列的垂直末级的传输电极，位于第一、第三、第五和第六的传输电极是与各自垂直传输部件的其它级共用的电极(结构18)；(2)在彼此相邻的三列中的两列的垂直传输部件中，在6个传输电极中，从水平传输部件端开始数起的位于第二和第四的传输电极是独立电极，它们独立于其它列的垂直末级的传输电极，位于第一、第三、第五和第六的传输电极是与各自垂直传输部件的其它级共用的电极，并且在所述彼此相邻的三列的剩余一列的垂直传输部件中，位于第一至第六的所有6个传输电极都是与所述相关垂直传输部件的其它级共用的电极(结构19)；(3)在彼此相邻的三列的所有垂直传输部件中，在6个传输电极中，从水平传输部件端开始数起的位于第二、第四和第六的传输电极是独立电极，它们独立于其它列的垂直末级的传输电极，位于第一、第三和第五的传输电极是与各自垂直传输部件的其它级共用的电极(结构20)；(4)在彼此相邻的三列中的两列的垂直传输部件中，在6个传输电极中，从水平传输部件端开始数起的位于第二、第四和第六的传输电极是独立电极，它们独立于其它列的垂直末级的传输电极，位于第一、第三和第五的传输电极是与各自垂直传输部件的其它级共用的电极，并且在彼此相邻的三列的剩余一列的垂直传输部件中，位于第一至第六的所有6个传输电极都是与相关垂直传输部件的其它级共用的电极(结构21)；(5)在三个相邻列中至少两列的垂直传输部件中，在6个传输电极中，从水平传输部件端开始数起的位于第二和第四的传输电极是独立电极，它们独立于其它列的垂直末级的传输电极，并且在所有彼此相邻的三列的垂直传输部件中，从水平传输部件端开始数起的位于第一和第三的传输电极不同于在各自垂直传输部件的其它级中提供的电极(结构22)；和(6)在彼此相邻的三列中至少两列的垂直传输部件中，在6个传输电极中，从水平传输部件端开始数起的位于第二、第四和第六的传输电极是独立电极，它们独立于其它列的垂直末级的传输电极，并且在所有彼此相邻的三列的垂直传输部件中，从水平传输部件端开始数起的位于第一、第三和第五的传输电极不同于在各自垂直传输部件的其它级中提供的电极(结构23)。

此外，在根据本发明结构1的固态图像传感器件中，也可优选为，垂直传输部件的每一级形成有6个传输电极；在除了每个垂直传输部件的垂直末级之外的传输级中，从水平传输部件端开始数起的位于第二、第四和第六的传输电极各由第一层的电极膜形成，作为所有列共用的电极，并且从水平传输部件端开始数起位于第一、第三和第五的传输电极各由第二层的电极膜形成，作为所有列共用的电极，所述第二层是形成在第一层上面的更上一层；以及在各自的垂直末级中，作为独立电极的、从水平传输部件端开始数起的位于第二和第四的电极各由与第二层的电极膜相同的电极膜形成，该膜划分成相应于各自列分布的独立部件(结构24)。这种结构提供的优点是，上层的电极膜形成岛状形式有助于布线。

或者，在根据本发明结构1的固态图像传感器件中，也可优选为，垂直传输部件具有至少三层电极膜，独立于其它列的垂直末级的传输电极提供的传输电极由包括顶层的至少一层电极膜形成(结构25)。这提供的优点是，这种使用顶层形成该独立传输电极使得以后不必再布线。

也可优选为，根据本发明结构1的固态图像传感器件具有这样的结构，其中(e1)从水平方向排列的m个像素中选取的数量在1到(m-1)之间的像素的信号电荷被传输到水平传输部件，(e2)水平传输部件中存在的信号电荷向前或向后传输至少相应于一个像素的距离，和(e3)重复传输操作e1和e2，从而将m个像素的所有信号电荷传输到水平传输部件(结构26)。

此外，进一步优选，根据上述结构26的固态图像传感器件具有这样的结构，其中(e4)在操作e3之后，所有列的信号电荷向水平传输部件传输一级，和(e5)对通过上述传输操作e4传输到垂直末级的信号电荷进行上述传输操作e1至e3，然后重复传输操作e4和e5，由此将m级中包含的所有信号电荷传输到水平传输部件(结构27)。

在根据结构1的固态图像传感器件中，优选，能在至少两种模式间选择性地切换操作模式，包括，一种通过驱动传输电极将水平方向排列的m个像素进行混合的模式，以独立于m列或所有列中除一列外的列的垂直末级中的其它列的方式来提供该传输电极，以及一种通过与其它列相同的方式驱动传输电极而不执行像素混合的模式(结构28)。优选这种结构是因为，它允许在输出具有高分辨率的图像映像而不混合像素的模式和通过混合像素输出具有高灵敏度和高帧率的图像映像的模式之间切换。

也可优选为，根据本发明的固态图像传感器件具有这样的结构，其中，整数m表示m1(m1表示2或更大的整数)和m2(m2表示2或更大的整数)的公倍数，并且它的操作模式能在至少两种模式间选择性地切换，这两种模式包括混合水平排列的m1个像素的模式和混合水平排列的m2个像素的模式(结构29)。

此外，在上述结构29中，所述固态图像传感器件进一步可以设置有以重复样式排列的三种颜色的彩色滤光片，其中在彩色滤光片中，三种颜色中的两种颜色的彩色滤光片排列在垂直方向并且三种颜色中的两种颜色的彩色滤光片排列在水平方向，其中可以在至少两种模式间选择性地切换，这两种模式包括混合水平排列的m1个像素的模式和混合水平排列的m2个像素的模式，其中m1像素和m2像素分别设置有具有彩色滤光片的三种颜色中的一种的滤光片(结构30)。

或者，在上述结构29中，固态图像传感器件进一步可以设置有以重复样式排列的三种颜色的彩色滤光片，其中在彩色滤光片中，三种颜色中的两种颜色的彩色滤光片排列在垂直方向，并且三种颜色中的两种颜色的彩色滤光片排列在水平方向，其中可以在至少两种模式间选择性地切换，该两种模式选自：混合水平排列的2个像素的模式、混合水平排列的3个像素的模式和混合水平排列的4个像素的模式，同时该2、3和4个像素分别设置有具有彩色滤光片的三种颜色中的一种的滤光片(结构31)。

或者，在任何一种上述结构29至31中，也可以包括不混合像素的模式作为操作模式(结构32)。这种结构允许在输出具有高分辨率的图像映像而不混合像素的模式和通过混合像素未输出具有高灵敏度和高帧率的图像映像的模式之间切换。

在上述结构26中，m个像素可以连续地排列在水平方向(结构33)。或者，排列在水平方向的上述m个像素的组合可以逐级改变(结构34)。当逐级改变像素的组合时，优选，在彼此相邻的至少两级中，上述m个像素的组合的重心在水平方向等间隔地隔开(结构35)。

此外，本发明的照相机包括上述固态图像传感器件中的任何一种，优选，是一种三板型(three-plate type)彩色照相机，尤其是在使用水平方向连续排列的像素混合在一起的固态图像传感器件的情况下。此外，在三板型彩色照相机的情况中，优选，当m＝2时，能够在至少两种模式间选择性地切换，这两种模式包括不混合像素的第一模式和混合垂直方向彼此相邻的两个像素和水平方向彼此相邻的两个像素的第二模式。

下文中，参照附图描述本发明的具体实施例。

第一实施例

图1示出根据本实施方式的固态图像传感器件的示意性结构。本实施方式的固态图像传感器件1采用了一个能够同时并且独立地读出所有像素的系统。固态图像传感器件1包括二维布置的对应于像素的光电转换部件2，垂直传输部件3，和水平传输部件4。该垂直传输部件3和水平传输部件4各由CCD形成。使用光电二极管来作为光电转换部件2。各个光电转换部件2设置有三种颜色的彩色滤光片，即红(R)，绿(G)和蓝(B)。在本实施例中，R、G和B滤光片各自在垂直和水平方向周期性地每隔一个像素来布置。例如，如图1所示，当(垂直排列的2个像素)×(水平排列的2个像素)的4个像素形成一个单元时，布置彩色滤光片使得左下方的像素被设为R，右下方和左上方的像素为G，以及右上方像素为B。控制信号从附图中未示出的控制单元传输到垂直传输部件3和水平传输部件4的传输电极，从而控制固态图像传感器件1的操作。上述控制单元设置在固态图像传感器件1的外部，并通过信号线连接到该固态图像传感器件1。或者，控制单元可以和固态图像传感器件1相结合而与之形成一个单元。

在本实施例中，垂直传输部件3的一个传输级包括在垂直方向排列的三行光电转换部件2。通过这样的结构，在三行中每隔一个像素排列的像素在各自的垂直传输部件3中叠加在一起。此外，也提供了传输级具有增加的容量的优点。

以下说明主要介绍在固态图像传感器件1中水平方向排列的像素的混合操作。

通过由控制单元(图中未示出)控制的垂直传输部件3和水平传输部件4的传输操作，固态图像传感器件1混合在水平方向每隔一个像素排列的三个像素中每一个的信号电荷，从而将水平方向排列的像素数量减少到1/3。图2示出了其信号电荷将要混合在一起的像素的组合。在下文中，即将混合在一起的像素的组合被称为“像素混合组”。在图2中示出的符号，例如Rxy，R、G或B表示为相关像素提供的滤光片颜色，x表示相关像素的垂直位置(称为第一级，第二级，…，顺序地从水平传输部件4的一端开始数起)，并且y表示在像素混合组中相关像素的位置(称为第一，第二，…，顺序地从水平传输部件4的输出端开始数起)。

如图2所示，在固态图像传感器件1中，例如，每隔一个像素排列的三个绿色像素例如G11，G12和G13形成第一像素混合组。此外，确定由蓝色像素组成的像素混合组，使得它们的重心相对于每个由第一像素混合组生成的混合像素的重心等间隔地隔开。就是说，第二像素混合组各由三个像素构成，它们是位于第一像素混合组的G12和G13之间的B11，位于与上述第一像素混合组相邻的第二像素混合组的上述G13和G11之间的像素B12，和位于邻近第二像素混合组的像素混合组的G11和G12之间的像素B13。如上所述，在水平方向交替排列的两种不同颜色的像素中，每隔一个像素排列的三个像素中的每一个被组合来混合在一起，从而，由此混合的每种颜色像素的重心等间隔隔开。因此，不会产生波纹或混淆。

接下来，参照图3至13所示的状态转移图，描述一种驱动固态图像传感器件1的步骤，该步骤用于混合如图2所示的组合像素。

固态图像传感器件1的垂直传输部件3配置有形成一个单元的三列。在图3至13中，水平传输部件4的信号电荷输出到对应我们左侧的一端，垂直传输部件3的形成一个单元的三列中的每一列，从顺次被称为从水平传输部件4的输出端数起的第一列、第二列和第三列(在图中，表示为列1、列2和列3)。此外，在下文中离水平传输部件4最近的每个垂直传输部件3的传输级被称为“垂直末级”。

在配置有形成一个单元的三列的垂直传输部件3的垂直末级中，第二和第三列的垂直末级各自配置为使得其单独执行传输操作，并与相关列的其它传输级和其它列的垂直末级无关。换句话说，当第一和第三列的垂直末级中保持有信号电荷时，只有第二列的垂直末级的信号电荷能被传输到水平传输部件4。此外，当第一和第二列的垂直末级中保持有信号电荷时，只有第三列的垂直末级的信号电荷能被传输到水平传输部件4。下面将描述为实现这种传输操作所采用的垂直传输部件3的电极结构的具体例子。

首先，如图3所示，在配置有形成一个单元的三列的垂直末级中，只驱动第二列的垂直末级，由此如图3中箭头所示，仅把第二列的垂直末级的信号电荷传输到水平传输部件4，。

接下来，如图4所示，水平传输部件4中存在的信号电荷向前传输相应于两个像素的距离。

接着，如图5所示，在配置有形成一个单元的三列的垂直末级中，只驱动第三列的垂直末级，由此仅把第三列的垂直末级的信号电荷传输到水平传输部件4，如图5中箭头所示。

通过这样的传输操作，如图6所示，两个像素G12和G13以及B12和B13的信号电荷，在水平传输部件4中混合在一起。此后，如图6所示，水平传输部件4中存在的信号电荷向前传输相应于两个像素的距离。

如图7所示，使所有的垂直传输部件垂直传输一级信号电荷，并因此如图8所示，三个像素G11、G12和G13的信号电荷，以及B11、B12和B13的信号电荷，在水平传输部件4中分别混合在一起。用这种方式，包含在相同级中两种不同颜色中每一种的、每隔一个像素排列的三个像素中被组合，从而混合在一起。因此，水平方向排列的像素数量减少到1/3。此外，如同从图8能够理解的，由于绿色混合像素和蓝色混合像素等间隔隔开，因此不会产生波纹或混淆。

从图8所示的状态开始，重复图3至7所示的相同的传输操作，并因此，如图9所示，图8状态所示的垂直末级中存在的，每隔一个像素排列的三个像素中的每一个的信号电荷被组合，从而在水平传输部件4中混合在一起。

此外，从图9所示的状态开始，重复图3至7所示的相同的传输操作，并因此，如图10所示，图9状态所示的垂直末级中存在的每隔一个像素排列的三个像素中的每一个的信号电荷被组合，从而在水平传输部件4中混合在一起。这就完成了图2中字符“a”表示的三个级中包含的所有像素的信号电荷到水平传输部件4的传输。

接下来，如图11所示，顺次输出水平传输部件4中存在的信号电荷。因此，三行的信号电荷从固态图像传感器件1输出，同时水平方向排列的像素数量减少到1/3。

其后，通过重复与上文描述的相同的传输操作，图2中字符“b”表示的三个级中排列的所有像素的信号电荷被传输到图12所示状态中的水平传输部件4，然后从水平传输部件4顺次输出，如图13所示。

如上所述，采用一维排列的像素生成从固态图像传感器件1的水平传输部件4输出的图像信号。因此，为将信号恢复到它们原始的二维排列，位于固态图像传感器件1外部的图像处理器对从水平传输部件4输出的信号执行二维地重新定位的处理。

例如，图2中字符“a”和“b”表示的每个三级中包括的像素以图14A所示的顺序从水平传输部件4输出。在图14A中，用“空(Dummy)”标记的区间表示位于垂直CCD部件3的外围部件中的像素，并表示那些其中三个像素的信号电荷未混合在一起的区间。此外，图14A和14B中示出的a7至a12，a13至a18，b7至b12，和b13至b18分别是图11和图13中示出的a1至a6和b1至b6的重复。然而，改变它们的下标以清楚地示出在它们二维排列之后其占据的位置。另外，如图14B所示排列的混合像素的颜色在图14C中用字符“R”、“G”和“B”表示。

如同从图14C中能够理解的，即使水平方向排列的像素数量减少到1/3，固态图像传感器件1也使得像素的排列能够保持在初始状态。因此，可以增加图像信号从固态图像传感器件1输出的速度，而不使图像质量变坏。

优选，如图15所示，一个像素混合组由9个像素组成，包括在垂直方向每隔一行排列的三行中在水平方向每隔一个像素排列的三个像素中的每一个，因为在这种情况下，所有光电二极管的信号像素能够无浪费地混合，因此能够提高灵敏度。这种情况下，如图15所示，各个颜色R、G和B的像素混合组的重心等间隔隔开。因此，能够获得具有高分辨率和较少波纹的图像。

这种情况下，例如，采用下面的方法作为混合垂直方向每隔一行排列的三行的信号电荷的方法。

(1)首先，将每隔两行排列并且对应于所有像素的1/3的像素的信号电荷读出到垂直传输部件3，然后垂直地传输对应于两个像素的距离。

(2)接着，从上次读出信号电荷的像素开始数起，在向前方向上位于第二的像素的信号电荷，被读出到垂直传输部件3。它们与上次读出的信号电荷混合，然后垂直地传输对应于两个像素的距离。

(3)此外，将其余像素的信号电荷读出到垂直传输部件3，由此将每隔一个像素排列的三个像素的信号电荷混合在一起。

在一个垂直传输级对应三个像素的电极结构(六个相位)的情况中，能够执行上述操作。另一方面，在一个垂直传输级对应两个像素的电极结构(四个相位)的情况中，由于要求与形成一个单元的三级中包括的六个像素对应的所有读出电极是独立的，所以总共需要八个相位的电极。

例如，如图16所示，一个像素混合组可以由六个像素组成，其中图15所示的九个像素中位于垂直方向上中间行的像素被去掉。同样，在这种情况下，对于颜色R、G和B中的每一个，像素混合组的重心等间隔隔开。因此，能够获得具有高分辨率和更少波纹的图像。

此外，如图17所示，一个像素混合组可以仅由水平方向排列的三个像素组成，而将水平方向排列的三行中的两行排除。

如上所述，也可以通过排除一些行来减少垂直方向排列的像素数量从而进一步增加信号输出速度。减少垂直方向排列的像素数量的方法的例子包括一种方法，其中，当从形成像素的光电二极管读出信号电荷到垂直传输部件3时，非必要行中存在的信号电荷被继续储存在该光电二极管中而不被读出，由此排除位于不被读出的行中的像素。在此情况下，不被读出的信号电荷可以从光电二极管释放到衬底或类似物。

图18示出一种为实现上述驱动所采用的电极结构的例子。在图18示出的电极结构中，垂直传输部件3的垂直传输级各由六个相位V1至V6的传输电极(共用电极)形成。然而，所述垂直末级在电极结构上不同于其它垂直传输级。就是说，为了使第二列的垂直末级能够独立于其它垂直传输级和其它列(即第一列和第三列)的垂直末级而执行传输操作，第三相位和第五相位由不同于上述共用电极的独立电极(VC1和VC2)形成。此外，为了使第三列的垂直末级能够独立于其它垂直传输级和其它列(即第一列和第二列)的垂直末级来执行传输操作，第三相位和第五相位由不同于上述共用电极和第二列独立电极的独立电极(VC3和VC4)形成。第一列的垂直末级与其它垂直传输级一样，由V1至V6的共用电极形成。

采用这种电极结构使位于每三列中的第二和第三列的垂直末级各自能够独立地执行传输操作。因此，能够执行图3至13所示的传输操作。

或者，如图19所示，第一列的垂直末级也可由用于第三和第五相位的独立电极(VC5和VC6)构成。当采用这种结构时，首先仅使第一列进行传输操作，然后可使所有垂直传输级进行一级的传输，而不是由图7所示的状态中所有垂直传输部件3同时执行传输操作。

在为垂直传输部件3采用六相驱动的情况中，优选，在第二和第三列(或第一至第三列全部)的每个垂直末级提供的六个电极中，其中的两个或三个是独立电极。图20和21示出当垂直末级中提供的三个传输电极是独立电极时采用的结构的例子。这些两个或三个独立电极是否彼此邻接是无关紧要的。然而当考虑生产过程时，优选，在两个独立电极间至少存在一个共用电极。

因此，在六相驱动的情况中，例如，优选，如图18和19的每一幅所示，从水平传输部件4一侧开始数起，布置在第二和第四的电极是独立电极，或如图20和21的每一幅所示，从水平传输部件4一侧开始数起，排列在第二、第四和第六的电极是独立电极。然而，垂直末级的电极结构并不限于这些具体的例子。

在本实施例中，作为例子描述了用于六相驱动的电极结构，但是也可以采用三相或四相驱动。然而在三相或四相驱动的情况下，要使用两个独立电极。

图22示出如图18和19所示电极结构中采用的栅电极的具体排列例子。图22中，传输沟道52的每一个形成在两个沟道截断51之间，用作垂直传输部件3。在图22所示例子中，在除垂直传输部件3的垂直末级之外的传输级中，三个传输电极V2、V4和V6由布置在一层(第一层电极)中的电极膜形成，作为所有列的共用电极。以相同的方式，三个传输电极V1、V3和V5也由布置在位于第一层电极上的一层(第二层电极)中的电极膜形成，作为所有列的共用电极。另一方面，在所述垂直末级中，与用于第二层电极的电极膜相同的电极膜形成这样的样式，其中孤立的部分彼此分离，并对应各自的列排列，由此第三和第五相位的传输电极(当从水平传输部件4一侧开始数起，排在第二和第四的电极)分别形成独立电极φV3A至φV3C和φV5A至φV5C。如图18所示，当第一列的垂直末级没有被独立地驱动时，图22中所示的电极φV3A和φV5A可以分别连接到与电极φV3和φV5连接的端子。

图22所示的栅电极结构作为一个例子来进行说明，其中所述栅电极由第一层或第二层传输电极形成。然而如图29所示，传输电极可以由第一至第三层电极膜中的任何一个形成。在图29所示的例子中，在除垂直传输部件3的垂直末级之外的传输级中，三个传输电极V2、V4和V6由布置在一层(第一层电极)中的电极膜形成，分别作为所有列的共用电极。相似地，三个传输电极V1、V3和V5也由布置在位于所述第一层电极上的一层(第二层电极)中的电极膜形成，分别作为所有列的共用电极。另一方面，在垂直末级中，传输电极V1、V3C、V5A和V5B由第三层传输电极形成，传输电极V3A、V3B和V5C由布置在第二层中的传输电极形成，并且传输电极V2、V4和V6由布置在第一层中的传输电极形成。

通过这样的结构，形成第三和第五相位的传输电极(即，从水平传送部件4一侧开始数起排在第二和第四的电极)形成为独立电极φV3A至φV3C和φV5A至φV5C。如图18所示，当第一列的垂直末级没有被独立地驱动时，图29中所示的电极φV3A和φV5A可以分别连接到与电极φV3和φV5连接的端子。

在图29所示的例子中，电极V1、V3C、V5A和V5B由布置在第三层中的电极膜形成，但各个传输电极的电极膜并不仅限于此。在图29所示的栅电极结构中，栅电极可以由布置在第一至第三层中的电极膜的任何一个形成，但不能用第四层或任何位于其上的层中布置的电极膜来形成。在图22所示的栅电极结构中，由于传输电极能在两层中形成，该电极膜的形成相对简单，但由于独立电极彼此分离为孤立部分的样式，所以需要单独的布线将一个栅的独立电极彼此连接。相反，当传输电极由布置在第三层或位于其上的任何层中的电极膜形成时，由于一个栅的独立电极通过一个电极膜彼此连接，所以不需要单独的布线，这是一个优点。

用图18所示的电极结构作为一个例子，图23示出的时序图表示来自控制单元(未示出)的将要应用于垂直传输部件3和水平传输部件4的各个传输电极的控制信号的时序，以及对应于该时序图的传输电荷的状态。在这种电极结构的情况下，如图24所示，从光电转换部件2读出的信号电荷存储在传输电极V3和V4中。

在图23中，当驱动脉冲的高电平施加到各自的电极V1至V6和VC1至VC4时，这些电极用作存储部件，同时当驱动脉冲的低电平施加到其上时，它们用作阻挡部件。

根据图23所示的时序图，通过驱动垂直传输部件3和水平传输部件4，能够实现本实施例描述的像素混合。如图23所示，优选，在电极φV4设为低电平的时刻(t2)之前，将电极φV2设为高电平(在t1时)。

当电极φV2在t1时刻设为高电平时，在t1时刻之前存储信号电荷的电极是φV3和φV4，在t1和t2时刻之间是φV2、φV3(φVC3)和φV4，在t2和t3时刻之间是φV2和φV3(φVC3)。这提供了一个优点，即在信号电荷传输到水平传输部件4的期间，避免了不被传输的垂直传输级信号电荷的丢失。

图25示出一个例子，其中彼此邻接的三列中的两列的垂直末级中，从水平传输部件端开始数起，位于第二和第四的传输电极是独立电极，它们独立于其它列的垂直末级，并且在彼此邻接的三列的所有垂直末级中，从水平传输部件端开始数起的位于第一、第三和第五的传输电极不同于在各自垂直传输部件的其它级中的传输电极。图26示出的时序图表示将要施加到各传输电极的控制信号的时序，以及对应于该时序图的传输电荷的状态。图26所示的操作与图23所示的操作的不同之处在于，当第一和第二列的垂直末级的电荷选择性地传输到水平CCD时，仅驱动提供于所述垂直末级的电极中的电极VC1至VC4、V2’、V4’和V6’，并且仅当第三列的电荷选择性地传输到水平CCD时，将脉冲施加到包括整个屏幕共用的V1至V6的电极，并由此传输电荷。因此，与图23所示结构的例子相比，能减少功耗。在该连接中，图25所示的垂直末级中提供的电极V2’可以和所述垂直传输部件的其它级的电极V2相同。

图27是示出水平空间频率响应的曲线图。图27中，g1表示在使用所有像素而不混合像素的情况下的频率响应。全像素的奈奎斯特频率F与全像素的采样频率f有关，其关系由公式F＝1/2×f来表达。当通过排除像素等方法以常用频率的1/3进行采样时，由于频率高于奈奎斯特频率1/3F的分量产生混淆误差，在2/3F处的分量叠加到DC分量。在图27中，g2表示当水平排列的三个像素中位于右和左的两个像素如上述专利文件1那样混合在一起时获得的频率响应。在此情况下，由于奈奎斯特频率是1/3F，在2/3F处的分量大约是0.25，混淆误差叠加到DC而产生混淆。在图27中，g3表示根据本发明当每隔一个像素排列的三个像素混合在一起时获得的频率响应。奈奎斯特频率是1/3F，而在2/3F处的分量是0。因此，几乎没有混淆误差叠加到DC。如图27所示，所述固态图像传感器件1可以获得具有较少波纹和混淆的高质量图像信号。

在上述实施例中，描述了将水平方向排列的三个像素混合在一起的结构和驱动方法。然而本发明能被用于混合三个像素或其数量为奇数并且大于3的像素。根据本实施例的描述，本领域的技术人员将会理解用于混合五个或更多像素的结构和驱动方法。

此外，本发明不限于具有如图1所示排列滤光片的固态图像传感器件，它还能用于具有不同形式形成的滤光片的固态图像传感器件。此外，本发明还能用于不使用彩色滤光片的单色图像的固态图像传感器件中。

当本实施例中描述的固态图像传感器件用于数码相机时，由于数据从固态图像传感器件高速输出，因此能够获得可以高速操作并且图像质量优良的数码相机。由于能在本发明的高速操作和读出所有像素的常规操作之间切换，能够获得具有运动图像(高速操作)模式和静态图像(读出所有像素的操作)模式的数码相机。图28示出根据本发明的数码相机结构的例子。该数码相机具有：光学系统31，包括用于将来自一个物体的入射光线聚焦在固态图像传感器件1的成像平面上的透镜；控制单元32，控制固态图像传感器件1的驱动；和图像处理器33，对于固态图像传感器件1输出的信号执行各种信号处理。

在根据本发明的数码相机中，当所述固态图像传感器件没有设置彩色滤光片并对水平方向上连续排列的像素进行混合时，通过使用一个分色镜或其它类似物(所谓的三板型彩色照相机)能够给将要获得的图像增加颜色。进而，在三板型彩色照相机的情况下，优选，将m设置为2(m＝2)，其操作模式可在至少两种模式之间选择性地切换，这两种模式包括不执行混合像素的第一模式和混合垂直方向彼此相邻的两个像素以及水平方向彼此相邻的两个像素的第二模式。

第二实施例

下面的描述是针对根据本发明第二实施例的固态图像传感器件。

根据本实施例的固态图像传感器件的基本结构与根据第一实施例的固态图像传感器件(见图22)的结构基本相同。然而，本实施例的固态图像传感器件与第一实施例的固态图象传感器件的不同之处在于驱动垂直传输部件3和水平传输部件4的方法。

本实施例的固态图像传感器件具有这样的结构：其中垂直末级具有形成为每m(m表示整数2或更大的整数)列就重复相同结构的传输电极，为了独立于其它列来控制将信号电荷传输到所述水平传输部件4的操作，在m列的所有垂直末级中提供独立于其它列垂直末级的传输电极的传输电极。下面采用一个m＝3的具体例子描述根据本实施例的固态图像传感器件的结构和操作。当m＝3时，该固态图像传感器件的结构与第一实施例的图22中示出的固态图像传感器件的结构相同。

下面参照图30至47描述根据本实施例的固态图像传感器件的操作。在图30至47中，为读出至垂直传输部件3的各个信号电荷编号，并用该编号表示所述信号电荷的移动。在图30等图中，仅示出了8×8个像素。然而，应理解为，在含有编号18、28、…和88的列的右侧提供含有编号19、29、…和89的列，并且进一步在其右侧提供含有编号110、210、…和810的列，然后跟随该列进一步在其右侧提供含有编号111、211、…和811的列。

图30示出了从光电转换部件2的各个像素读出的信号电荷传输至垂直传输部件3的状态。从这个状态，首先，只允许位于每隔两列分布的列的垂直传输部件3的垂直末级中提供的传输电极执行传输操作。因此，如图31所示，在垂直传输部件3的垂直末级的信号电荷中，每隔两列排列的上述列中的信号电荷被传输至水平传输部件4。接下来，如图32所示，在水平传输部件4中存在的信号电荷向前方水平传输相应于一个像素的距离。

进而，如图33所示，只允许位于每隔两列处的列(不同于执行图31所示传输的列)的垂直传输部件3的垂直末级中提供的传输电极执行传输操作。因此，在垂直传输部件3的垂直末级的信号电荷中，上述每隔两列排列的列中的信号电荷被传输至水平传输部件4。通过这样的传输，每三列中的两列的信号电荷在水平传输部件4中混合在一起。接下来，如图34所示，在水平传输部件4中存在的信号电荷向前方水平传输相应于一个像素的距离。

接下来，如图35所示，只允许位于每隔两列处的列(不同于执行图31、33所示传输的列)的垂直传输部件3的垂直末级中提供的传输电极执行传输操作。因此，在垂直传输部件3的垂直末级的信号电荷中，上述每隔两列排列的列中的信号电荷被传输至水平传输部件4。通过上述传输操作，如图35所示，三列中每一列的垂直传输部件3的垂直末级的信号电荷在水平传输部件4中混合在一起。

然后，如图36所示，对垂直传输部件3的所有传输级执行将信号电荷向垂直末级垂直传输一级(one stage)的操作。

此后，对位于图36所示的垂直末级中的信号电荷(21至28)，以与上面描述的相同的步骤重复垂直传输和水平传输(图37至41)。因此，在水平传输部件4中，三列中的每一列的信号电荷被混合在一起。

另外，如图42所示，对垂直传输部件3的所有传输级执行将信号电荷向垂直末级垂直传输一级的操作。对位于垂直末级的信号电荷(31至38)，以与上面描述的相同的步骤重复垂直传输和水平传输(图42至47)。因此，在水平传输部件4中，三列中的每一列的信号电荷被混合在一起。

此后，如图47所示的在水平传输部件4中已经混合的三级的信号电荷被顺序地从水平传输部件4输出。

如上所述，本实施例的固态图像传感器件可实现三像素混合。

在本实施例中，描述了这样的一个例子，其中水平方向上彼此相邻的三个像素中的每一个在水平传输部件4中被混合在一起。然而，将被混合在一起的像素并不是必须彼此相邻。例如，当提供彩色滤光片时，优选，提供了具有相同颜色滤光片的像素被混合在一起。另一方面，在固态图像传感器件不具有彩色滤光片的情况下，优选，彼此相邻的像素混合在一起，因为在这种情况下不会引起空间频率特性的恶化。

在本实施例中描述m＝3的例子。然而，本领域的技术人员容易理解，即使在m＝2或m＝4或更大数的情况下，通过重复每m列中排列一列的该列的信号电荷的垂直传输和水平传输，可以实现m个像素的混合。

此外，例如，在m＝6的情况下，即垂直末级具有形成为每6列重复相同结构的传输电极，且6个电极的5个或全部形成为独立于其它列，从而独立于其它列来执行将信号电荷传输至水平传输部件的操作。通过改变送至垂直传输部件3和水平传输部件4的控制信号的样式，可用四类模式执行此操作，即，六像素混合模式、三像素混合模式、两像素混合模式和零像素混合模式。也就是，理论上，可以随意实现像素的数量对应于能整除一个传输电极的单元(数量)的任意数的混合像素的模式，该传输电极具有布置在垂直末级的传输电极的一种重复相同结构。

例如，用一个例子描述了上述混合多个像素的模式，在该例中，在如图48所示以所谓Bayer阵列的形式设置彩色滤光片。在图48中，字符R、G和B表示对应于各个像素设置的滤光片的颜色。在此情况下，使用其中m＝12固态图像传感器件能够实现九像素混合模式和四像素混合模式，即垂直末级具有形成为每隔12列重复相同结构的传输电极，且十二列中的十一列或其所有列的传输电极可被构造为独立于其它列，从而可独立于其它列来执行将信号电荷传输至水平传输部件的操作。在九像素混合模式下，通过混合垂直方向每隔一级排列的三个级中的九个像素，将色彩R、G和B中的每一个的九个像素混合在一起，其中三个级的每一级在水平方向上具有每隔一个像素排列三个像素。另一方面，在四像素混合模式下，通过混合垂直方向每隔一级排列的两个级中的四个像素，将色彩R、G和B中的每一种色彩的四个像素混合在一起，其中在两个级的每一级中在水平方向上具有每隔一个像素排列两个像素。

在上面描述的情况下，可在垂直传输级或在水平传输部件中执行垂直方向上的像素混合。

第三实施方式

下面的描述主要关于根据本发明的又一个实施例的固态图像传感器件。

本实施例的固态图像传感器件具有与第二实施例的固态图像传感器件相同的结构，但是，与其不同之处在于将要混合在一起的像素的组合逐级变化。

对于m＝2的情况，参照图49至57描述其具体操作。在图49至57中，对读出至垂直传输部件3的各个信号电荷编号，且信号电荷的移动用该编号来表示。在图49和其它图中，仅示出了8×8个像素。然而，应理解为，在含有编号18、28、…和88的列的右侧提供含有编号19、29、…和89的列，并且进一步在其右侧提供含有编号110、210、…，810的列。

图49示出了从光电转换部件2的各个像素读出的信号电荷传输至垂直传送部件3的状态。从这个状态，首先，在垂直传输部件3的垂直末级中的传输电极中，仅允许偶数列中提供的传输电极执行传输操作，如图50所示。因此，在垂直传输部件3的垂直末级的信号电荷中，每隔一列排列的列中的那些信号电荷被传输至水平传输部件4。接下来，如图51所示，在水平传输部件4中存在的信号电荷向前方水平传输相应于一个像素的距离。

如图52所示，在垂直传输部件3的垂直末级中的传输电极中，仅允许设置于奇数列的传输电极执行传输操作。因此，垂直传输部件3的垂直末级的信号电荷中，每隔一列排列的列中的那些信号电荷被传输至水平传输部件4。通过该传输操作，在水平传输部件4中，每两列的垂直末级中的信号电荷被混合在一起。

下面，如图53所示，对垂直传输部件3的所有传输级执行将信号电荷向垂直末级垂直传输一级的操作。随后，如图54所示，在水平传输部件4中存在的信号电荷向前方水平传输相应于一个像素的距离。此后，如图55所示，在垂直传输部件3的垂直末级的传输电极中，只允许奇数列中提供的传输电极执行传输操作。因此，在垂直传输部件3的垂直末级的信号电荷中，每隔一列排列的列的信号电荷被传输至水平传输部件4。接下来，如图56所示，在水平传输部件4中存在的信号电荷向前方水平传输相应于一个像素的距离。随后，如图57所示，在垂直传输部件3的垂直末级的传输电极中，只允许偶数列中提供的传输电极执行传输操作。因此，在垂直传输部件3的垂直末级的信号电荷中，每隔一列排列的列的信号电荷被传输至水平传输部件4。通过该传输操作，，每两列的垂直末级中的信号电荷在水平传输部件4中被混合在一起。

此后，重复与图49至57所示的那些操作相同的操作。

在本实施例中，用此过程，通过组合编号x1与x2、编号x3与x4、编号x5与x6和编号x7与x8将排列在奇数级中的每两个像素的信号电荷(在图49中信号电荷的编号为x1至x8，其中x是奇数)混合在一起。另一方面，通过组合编号x2与x3、编号x4与x5、编号x6与x7和编号x8与x9将排列在偶数级中的每两个像素的信号电荷(在图49中编号为x1至x8的信号电荷，其中x是偶数)混合在一起。

因此，如图58中的圆圈所示，奇数级中将要被混合在一起的每两个像素的重心和偶数级中将要被混合在一起的每两个像素的重心按比例交替排列。以此方式，将要混合在一起的像素组的重心在水平方向上等间隔隔开。这就提供了这样的优点：提高了可视分辨率并因此可以获得了更清晰的图像。

如在根据第一实施例的固态图像传感器件中那样，当在数码相机中分别采用根据第二和第三实施例的固态图像传感器件(见图28)时，可从在其中采用的固态图像传感器件中高速输出数据。因此，可获得能高速操作和图像质量优良的数码相机。此外，当采用所述固态图像传感器件时，可在根据本发明的高速操作和读出所有像素的正常操作之间切换。因此，可获得既具有移动图像(高速操作)模式又具有静止图像(读出所有像素的操作)模式的数码相机。

也可优选为，采用根据第一到第三实施例的固态图像传感器件的任意一个来制造数码相机，该固态图像传感器件允许其在输出所有像素信号电荷而不执行像素混合的模式和执行四像素混合的模式之间切换。例如，这样的数码相机能以HDTV运动图像模式(垂直排列的1000像素×水平排列的2000像素)和以SDTV运动图像模式(垂直排列的500像素×水平排列的1000像素)输出图像，HDTV运动图像模式是作为不涉及像素混合的模式，而SDTV运动图像模式是执行四像素混合的模式。在HDTV运动图像模式下能输出高分辨率的图像，而在SDTV运动图像模式下能输出高灵敏度和高帧率的图像。

此外，制造具有至少大约800万像素的固态图像传感器件，更具体地，具有垂直排列的至少2160像素和水平排列的至少3840像素的固态图象传感器件，以使它们的模式能可选择地在至少两种模式之间切换，这两种模式包括：具有通过混合(垂直排列的三个像素)×(水平排列的三个像素)的9个像素提供的720扫描线的用于TV格式的成像模式，和具有通过混合(垂直排列的2个像素)×(水平排列的2个像素)的4个像素提供的1080扫描线的用于TV格式的成像模式。这样使得它能在一个输出具有高分辨率图像的模式和一个输出具有高灵敏度和高帧率图像的模式之间切换。

另外，当采用将(垂直排列的4个像素)×(水平排列的4个像素)的16个像素混合在一起的成像模式时，可以实现扫描线数为480的NTSC系统或扫描线数为575的PAL系统的成像模式。

这样的数码相机可具有包括设置了彩色滤光片的固态图像传感器件的结构，或可是一个所谓的三板型照相机，在三板型照相机包括的固态图象传感器件中不具有彩色滤光片，彩色图像是通过使用一个分色镜将光分离成不同颜色的光束来得到的。如前所述，当固态图像传感器件设置有彩色滤光片时，优选，提供了颜色相同的滤光片的像素混合在一起。另一方面，在三板型照相机的情况下，优选，彼此相邻的多个像素混合在一起。

工业应用性

本发明可用于固态图像传感器件，通过至少减少在水平方向上排列的像素的数量，该固态图像传感器件能高速输出高质量的图像信号而不会产生波纹或混淆。

Claims (38)

1、一种固态图像传感器件，包括：

对应于二维排列的像素的各列设置的垂直传输部件，以垂直传输从所述像素读出的信号电荷；以及

水平传输部件，用于水平传输接收自所述垂直传输部件的信号电荷，

其中所述垂直传输部件包括多个传输级，位置离所述水平传输部件最近的传输级是垂直末级，所述垂直末级具有每m列就重复相同结构的传输电极，其中m是2或更大的整数，以及

所述m列中的除任一列之外的列的垂直末级或m列的所有垂直末级各设置有传输电极，该传输电极独立于该m列中的其它垂直末级的传输电极，从而独立于所述其它垂直末级来控制从相关垂直末级传输信号电荷到水平传输部件的操作。

2、根据权利要求1所述的固态图像传感器件，其中所述整数m是2n+1，n是1或更大的整数。

3、根据权利要求2所述的固态图像传感器件，其中包括在第一和第二像素混合组的每一个组中的像素的信号电荷在所述水平传输部件中叠加在一起，

其中每个第一像素混合组由水平方向每隔一个像素排列的2n+1个像素组成，其中n是1或更大的整数，以及

每个第二像素混合组由每隔一个像素排列并且是除第一像素混合组外的像素组成，各个第二像素混合组的像素重心位于离相邻的两个第一像素混合组的像素重心距离相等处。

4、根据权利要求3所述的固态图像传感器件，其中对于所述垂直末级中存在的第一和第二像素混合组的每一个，

(a1)在各个像素混合组中只有离所述水平传输部件输出端最远的像素的信号电荷从垂直末级传输到水平传输部件，每个像素混合组由2n+1个像素组成，

(a2)所述水平传输部件中存在的信号电荷向前传输相应于两个像素的距离，

(a3)在各个像素混合组中只有在垂直末级中具有剩余信号电荷并且位置离水平传输部件输出端最远的像素的信号电荷从垂直末级传输到水平传输部件，每个像素混合组由2n+1个像素组成，以及

(a4)重复传输操作a2和a3，直到所有各由2n+1个像素组成的像素混合组的信号电荷从垂直末级传输到水平传输部件。

5、根据权利要求4所述的固态图像传感器件，其中进一步地

(b1)作为传输操作a1至a4的最后操作，在每个像素混合组包含的最后像素的信号电荷从所述垂直末级传输到所述水平传输部件之后或与其同时，所有列的垂直传输部件中存在的信号电荷传输到各自的下一级，所述每个像素混合组由2n+1个像素组成，

(b2)对于由传输操作b1传输到垂直末级的信号电荷，执行所述传输操作a1至a4，以及

(b3)重复传输操作b1和b2，直到2n+1级中包括的信号电荷被传输到所述水平传输部件。

6、根据权利要求2所述的固态图像传感器件，其中位置离所述所述水平传输部件最近的垂直传输部件的垂直末级具有每三列就重复相同的结构的传输电极，并且

从所述水平传输部件的输出端开始数起，所述三列中至少第二和第三列的垂直末级的每一个设置有一个传输电极，该传输电极独立于其它垂直末级的传输电极，从而与所述其它垂直末级无关地控制从各自的相关垂直末级传输信号电荷到所述水平传输部件的操作。

7、根据权利要求6所述的固态图像传感器件，其中从所述水平传输部件的输出端开始数起的第一列的垂直末级具有与除所述第一列的垂直末级之外的级相同的电极结构。

8、根据权利要求6所述的固态图像传感器件，其中每个第一像素混合组由水平方向每隔一个像素排列的三个像素组成，以及

各个第二像素混合组由每隔一个像素排列的并且是除第一像素混合组之外的三个像素组成，各个第二像素混合组的像素重心分别位于离相邻的两个第一像素混合组的像素重心距离相等处。

9、根据权利要求6所述的固态图像传感器件，其中

(c1)从所述水平传输部件的输出端开始数起，所述三列中只有第二列的垂直末级的信号电荷被传输到所述水平传输部件，

(c2)所述水平传输部件中存在的信号电荷向前传输相应于两个像素的距离，

(c3)从所述水平传输部件的输出端开始数起，所述三列中只有第三列的垂直末级的信号电荷被传输到所述水平传输部件，

(c4)所述水平传输部件中存在的信号电荷向前传输相应于两个像素的距离，以及

(c5)从所述水平传输部件的输出端开始数起，所述三列中第一列的垂直末级的信号电荷被传输到所述水平传输部件。

10、根据权利要求9所述的固态图像传感器件，其中

(d1)在通过传输操作c5将第一列的垂直末级的信号电荷传输到所述水平传输部件之后或与其同时，所有列的垂直传输部件中存在的信号电荷传输到各自的下一级，

(d2)对于在传输操作d1结束时传输到垂直末级的信号电荷，执行传输操作c1至c5，并且在通过传输操作c5将第一列的垂直末级的信号电荷传输到所述水平传输部件之后或与其同时，所有列的垂直传输部件中存在的信号电荷传输到各自的下一级，以及

(d3)对在传输操作d2结束时传输到垂直末级的信号电荷执行传输操作c1至c5。

11、根据权利要求3所述的固态图像传感器件，其中

一个像素混合组由第一或第二像素混合组中的(2n+1)×(2n+1)个像素组成，第一、第二像素混合组的每一个包括垂直方向每隔一行排列的2n+1行中存在的2n+1个像素，并且每列的所述2n+1行中排列的像素的信号电荷在各自的垂直传输部件中叠加在一起。

12、根据权利要求11所述的固态图像传感器件，其中所述一个像素混合组由垂直方向每隔一行排列的三行中的9个像素组成，所述三行中的每一行包括水平方向每隔一个像素排列的三个像素。

13、根据权利要求3所述的固态图像传感器件，其中一个像素混合组由排列在两行中的6个像素组成，在垂直方向上所述两行间存在三行，所述两行中的每一行包括水平方向上每隔一个像素排列的三个像素。

14、根据权利要求3所述的固态图像传感器件，其中一个像素混合组由垂直方向上每三行分布的一行的水平方向上每隔一个像素排列的三个像素组成。

15、根据权利要求2所述的固态图像传感器件，其中二维排列的像素设置有经过排列的彩色滤光片，使得(水平排列的2个像素)×(垂直排列的2个像素)的4个像素形成一个单元。

16、根据权利要求15所述的固态图像传感器件，其中排列彩色滤光片，以使第一彩色滤光片提供给所述4个像素中位于一条对角线上的2个像素，并且第二和第三彩色滤光片分别提供给其它2个像素。

17、根据权利要求3所述的固态图像传感器件，其中二维排列的像素设置有经过排列的彩色滤光片，使得(水平排列的2个像素)×(垂直排列的4个像素)的8个像素形成一个单元，并且在垂直方向彼此邻接的2个像素在所述垂直传输部件中混合在一起。

18、根据权利要求6所述的固态图像传感器件，其中每列的一个垂直末级由6个传输电极形成，以及

在彼此邻接的三列的所有垂直传输部件中，在所述6个传输电极中，从所述水平传输部件的一端开始数起，位于第二和第四的传输电极是独立电极，它们独立于其它列的垂直末级的传输电极，并且位于第一、第三、第五和第六的传输电极是各自垂直传输部件的其它级共用的电极。

19、根据权利要求6所述的固态图像传感器件，其中每列的一个垂直末级由6个传输电极形成，以及

在彼此相邻的三列中的两列的垂直传输部件中，在所述6个传输电极中，从所述水平传输部件的一端开始数起，位于第二和第四的传输电极是独立电极，它们独立于其它列的垂直末级的传输电极，并且位于第一、第三、第五和第六的传输电极是与各自垂直传输部件的其它级共用的电极，并且

在彼此相邻的三列的剩余一列的垂直传输部件中，位于第一至第六的所有6个传输电极都是与相关垂直传输部件的其它级共用的电极。

20、根据权利要求6所述的固态图像传感器件，其中每列的一个垂直末级由6个传输电极形成，以及

在彼此相邻的三列的所有垂直传输部件中，在所述6个传输电极中，从所述水平传输部件的一端开始数起，位于第二、第四和第六的传输电极是独立电极，它们独立于其它列的垂直末级的传输电极，并且位于第一、第三和第五的传输电极是与各自垂直传输部件的其它级共用的电极。

21、根据权利要求6所述的固态图像传感器件，其中每列的一个垂直末级由6个传输电极形成，

在彼此相邻的三列中的两列的垂直传输部件中，在所述6个传输电极中，从所述水平传输部件的一端开始数起，位于第二、第四和第六的传输电极是独立电极，它们独立于其它列的垂直末级的传输电极，并且位于第一、第三和第五的传输电极是与各自垂直传输部件的其它级共用的电极，以及

在彼此相邻的三列的剩余一列的垂直传输部件中，位于第一至第六的所有6个传输电极都是与相关垂直传输部件的其它级共用的电极。

22、根据权利要求6所述的固态图像传感器件，其中每列的垂直末级由6个传输电极形成，以及

在三个相邻列中至少两列的垂直传输部件中，在所述6个传输电极中，从所述水平传输部件的一端开始数起，位于第二和第四的传输电极是独立电极，它们独立于其它列的垂直末级的传输电极，并且在所有彼此相邻的三列的垂直传输部件中，从所述水平传输部件的所述端开始数起，位于第一和第三的传输电极不同于在各自垂直传输部件的其它级中提供的电极。

23、根据权利要求6所述的固态图像传感器件，其中每列的一个垂直末级由6个传输电极形成，以及

在彼此相邻的三列中至少两列的垂直传输部件中，在所述6个传输电极中，从所述水平传输部件的一端开始数起，位于第二、第四和第六的传输电极是独立电极，它们独立于其它列的垂直末级的传输电极，并且在所有彼此相邻的全部三列的垂直传输部件中，从所述水平传输部件的所述端开始数起，位于第一、第三和第五的传输电极不同于在各自垂直传输部件的其它级中提供的电极。

24、根据权利要求1所述的固态图像传感器件，其中所述垂直传输部件的每一级由6个传输电极形成，并且在除每个垂直传输部件的垂直末级之外的传输级中，从所述水平传输部件的一端开始数起，位于第二、第四和第六的传输电极各由第一层的电极膜形成来作为所有列共用的电极，并且从所述水平传输部件的所述端开始数起，位于第一、第三和第五的传输电极各由第二层的电极膜形成来作为所有列共用的电极，所述第二层是形成在第一层上方的上部层，以及

在各自的垂直末级中，作为独立电极的、从所述水平传输部件的所述端开始数起位于第二和第四的电极各由与第二层的电极膜相同的电极膜形成，并划分成对应各自列分布的孤立部分。

25、根据权利要求1所述的固态图像传感器件，其中

所述垂直传输部件具有至少三层电极膜，以及

独立于其它列的垂直末级的传输电极来提供的传输电极由包括顶层的多个电极膜层中的至少一层形成。

26、根据权利要求1所述的固态图像传感器件，其中

(e1)从水平排列的m个像素中选取的数量在1到(m-1)之间的像素的信号电荷被传输到所述水平传输部件，

(e2)所述水平传输部件中存的信号电荷向前或向后传输至少相应于一个像素的距离，以及

(e3)重复传输操作e1和e2，从而将m个像素的所有信号电荷传输到所述水平传输部件。

27、根据权利要求26所述的固态图像传感器件，其中

(e4)在传输操作e3之后，所有列的信号电荷向所述水平传输部件传输一级，

(e5)对通过传输操作e4传输到所述垂直末级的信号电荷进行传输操作e1至e3，以及

重复传输操作e4和e5，由此将m级中包含的所有信号电荷传输到所述水平传输部件。

28、根据权利要求1所述的固态图像传感器件，其中至少能在两种模式间选择性地切换其操作模式，该两种模式包括：通过独立于其它列而驱动传输电极将水平排列的m个像素进行混合的模式，在除m列中一列之外的列或所有列的垂直末级中，提供独立于其它列的传输电极的所述传输电极；以及通过与其它列相同的方式驱动传输电极而不执行像素混合的模式。

29、根据权利要求1所述的固态图像传感器件，其中整数m表示m1和m2的公倍数，并且它的操作模式能在至少两种模式间选择性地切换，这两种模式包括混合水平排列的m1个像素的模式和混合水平排列的m2个像素的模式，m1是2或更大的整数，m2是2或更大的整数。

30、根据权利要求29所述的固态图像传感器件，进一步包括以重复样式排列的三种颜色的彩色滤光片，其中在所述彩色滤光片中，三种颜色中的两种颜色的彩色滤光片垂直排列，并且三种颜色中的两种颜色的彩色滤光片水平排列，

其中可以在至少两种模式间选择性地切换操作模式，这两种模式包括混合水平排列的m1个像素的模式和混合水平排列的m2个像素的模式，同时m1像素和m2像素分别设置有具有彩色滤光片的三种颜色中的一种的滤光片。

31、根据权利要求29所述的固态图像传感器件，进一步包括以重复样式排列的三种颜色的彩色滤光片，其中在所述彩色滤光片中，三种颜色中两种颜色的彩色滤光片垂直排列，并且三种颜色中两种颜色的彩色滤光片水平排列，

其中可以在至少两种模式间选择性地切换操作模式，该两种模式选自：混合水平排列的2个像素的模式、混合水平排列的3个像素的模式，和混合水平排列的4个像素的模式，其中所述2、3和4个 像素分别设置有具有彩色滤光片的三种颜色中的一种的滤光片。

32、根据权利要求29所述的固态图像传感器件，其中进一步包括不混合像素的模式来作为操作模式。

33、根据权利要求26所述的固态图像传感器件，其中m个像素在水平方向上连续排列。

34、根据权利要求26所述的固态图像传感器件，其中排列在水平方向的m个像素的组合逐级改变。

35、根据权利要求34所述的固态图像传感器件，其中在彼此相邻的至少两级中，组合的m个像素的重心在水平方向等间隔地隔开。

36、一种照相机，包括根据权利要求1所述的固态图像传感器件。

37、一种三板型照相机，包括根据权利要求33所述的固态图像传感器件。

38、根据权利要求37所述的三板型照相机，其中将m设为2，至少能够在两种模式间选择性地切换操作模式，这两种模式包括不混合像素的第一模式和混合垂直方向彼此相邻的两个像素和水平方向彼此相邻的两个像素的第二模式。

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