CN1870729B - 固态成像装置、其驱动方法、和成像设备 - Google Patents

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Abstract

一种固态成像装置，包括：像素阵列部分，其中多个像素二维排列，每个像素输出图像信号；和列电路区，其包括多个列电路。在该固态成像装置中，通过其输出来自单个像素列的图像信号的垂直信号线选择性地连接到给定数量的列电路，所述给定数量大于1，并且来自所选像素行的信号被选择性地输出到所述给定数量的列电路之一，从而可以将从相同像素读出的信号发送到相同的列电路。

Description

固态成像装置、其驱动方法、和成像设备
技术领域
本发明涉及一种固态成像装置、其驱动方法、和成像设备，尤其涉及一种能够通过从一个像素获取不同灵敏度的信号并合成所获取的信号来建立宽动态范围的固态成像装置、其驱动方法、和成像设备。
背景技术
在诸如MOS(金属氧化物半导体)固态成像装置的固态成像装置领域中，实现宽动态范围的技术是公知的。更具体地，通过将不同的存储时间(曝光时间)、即长和短存储时间设置给像素，从每个像素获得高灵敏度和低灵敏度信号，并且随后对其进行合成，从而可以实现宽动态范围。每个像素包括光电转换元件，多个像素在像素阵列部分中以矩阵形式二维排列。另外，在像素阵列部分中，对于每列所排列的像素布置垂直信号线。
(第一相关技术)
作为上述技术的相关技术之一(下文称作“第一相关技术”)，已知一种具有下列配置的固态成像装置。对于多个像素列中的每列布置两个列电路(信号处理电路)，其中的每个列电路被配置成对通过对于在像素阵列部分中的像素列布置的信号线发送的像素信号执行预定信号处理，并且所述两个列电路并行地分别对通过一条信号线从一个像素发送的高灵敏度和低灵敏度信号执行信号处理(参考，例如，Orly Yadid-Pecht and Eric R.Fossum，“WideIntrascene Dynamic Range CMOS APS Using Dual Sampling”，IEEETRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES，VOL.44，NO.10，pp.1721-1723，OCTOBER 1997)。
将参考图1A和1B来描述第一相关技术的概念。像素阵列部分101与两个列电路组102和103的物理布局如图1A所示。对像素阵列部分101执行的扫描的概念如图1B所示。为了简化附图，像素阵列部分101具有18行×22列的像素。对于一列像素布置列电路组102和103中的每个列电路。
以像素行为单位执行对像素阵列部分101执行的扫描操作。扫描操作的处理包括两个步骤，即用于消除像素中包含的光电转换元件中存储的电荷的电子快门(shutter)扫描步骤和用于读出光电转换元件中存储的电荷的读出扫描步骤。在读出扫描步骤中，执行两个扫描操作。
将与扫描从快门的行(下文称作“快门行”)(对其执行电子快门扫描)到像素行(下文称作“读出行1”)(对其执行第一读出扫描)的区域所花的时间段对应的时间段定义为存储时间1。将与扫描从读出行1到像素行(下文称作“读出行2”)(对其执行第二读出扫描)的区域所花的时间段对应的时间段定义为存储时间2。通过使得存储时间1和2彼此不同，能够获得两个不同灵敏度的信号，即低灵敏度信号和高灵敏度信号。
参考图1A和1B，存储时间1和2分别是扫描四行像素和八行像素所花的时间段。因此，与从读出行1中每个像素获得的信号相比，从读出行2中每个像素可以获得具有两倍灵敏度的信号。通过在后续级处的信号处理电路(未示出)中合成从相同像素行中包含的每个像素获得的两个不同灵敏度的信号，可以获得具有宽动态范围的图像信号。
(第二相关技术)
作为实现宽动态范围的另一相关技术(下文称作“第二相关技术”)，已知一种具有下列配置的固态成像装置。执行两个电子快门扫描操作和两个读出扫描操作，并且通过使得第一电子快门扫描操作与第一读出扫描操作之间的时间间隔以及第二电子快门扫描操作与第二读出扫描操作之间的时间间隔彼此不同，得到两个不同灵敏度的信号。这里，对于一列像素布置一个列电路。在相同的列电路中处理从两个读出扫描操作获得的两个信号(参考，例如，M.Mase，S.Kawahito，M.Sasaki，和Yasuo Wakamori，“A 19.5b DynamicRange CMOS Image Sensor with 12b Column-Parallel Cyclic A/D Converters”，ISSCC Dig.Tech.Papers，pp.350-351，Feb.2005)。
将参考图2A和2B来描述第二相关技术的概念。像素阵列部分201与列电路组202的物理布局如图2A所示。对像素阵列部分201执行的扫描的概念如图2B所示。为了简化附图，像素阵列部分201具有18行×22列的像素。对于相应的像素列布置列电路组202中的每个列电路。
对像素阵列部分201执行两个扫描操作。在第一扫描操作中，将与扫描从快门行到读出行的区域所花的时间段对应的时间段定义为存储时间1。在第二扫描操作中，将与扫描从快门行到读出行的区域所花的时间段对应的时间段定义为存储时间2。通过使得存储时间1和2彼此不同，可以获得两个不同灵敏度的信号，即低灵敏度信号和高灵敏度信号。参考图2A和2B，存储时间1和2分别是扫描四行像素和八行像素所花的时间段。
发明内容
在上述的第一相关技术中，从相同像素获取两个信号。在列电路组102中处理在读出行1中读出像素时获取的信号，而在列电路组103中处理在读出行2中读出像素时获取的信号。也就是，在不同的列电路中处理从相同像素获取的两个信号，从而由于列电路组102和102之间的不同特性，可能会不期望地出现两个信号电平之间的误差。该信号电平误差在执行随后的信号合成处理时引起问题。更具体地，由于信号电平误差，在具有通过合成图像信号而获得的宽动态范围的图像上的高灵敏度信号和低灵敏度信号的连接周围，亮度不会平滑地改变，颜色发生变化，出现噪声。
另一方面，在第二相关技术中，由于在相同的列电路中处理从相同像素输出的不同灵敏度的信号，因此第一相关技术中由于列电路之间的不同特征引起的问题不会发生。然而，由于执行两个扫描操作，因此会发生输出高灵敏度信号和低灵敏度信号之间的时移。时移对应于至少一个扫描时间，即读出行在像素阵列部分中移动穿过以进行扫描操作所花的时间段。该时移导致下列问题。
例如，当一个扫描时间花费1/60秒时，输出高灵敏度信号和低灵敏度信号之间的时移至少是1/60秒。这意味着：与例如1/4000或1/500秒的存储时间(曝光时间)相比，会发生1/60秒的相当长的时移。由于手移动和物体摆动，该时移不期望地使得图像模糊。
参考上述第二相关技术的非专利文献中的图19.3.4，在像素阵列部分的上侧和下侧都布置列电路(每个列电路包括噪声消除器和循环ADC)。然而，事实上，由于在上侧和下侧都布置的列电路被集成为一个列电路，因此对于每个像素列布置一个列电路。这种集成的列电路具有与像素排列平行的两个平行列电路，从而分别在上侧和下侧布置平行列电路。在该非专利文献中，将六个扫描周期设置为一个帧周期。
因此，期望提供一种固态成像装置、其驱动方法、和驱动设备，能够通过在相同的列电路中对从相同像素输出的多个不同灵敏度的信号执行信号处理并且精确合成所处理的不同灵敏度的信号以防止输出多个信号之间的一个扫描周期的时移，而获取高质量的图像信号。
根据本发明的实施例，提供了包括下列组件的固态成像装置：像素阵列部分，其中多个像素二维排列，每个像素输出图像信号；和列电路区域，包括多个列电路。在固态成像装置中，通过其从单个像素列输出图像信号的垂直信号线被选择性地连接到给定数量(大于1)的列电路，并且来自所选像素行的信号被选择性地输出到给定数量的列电路之一，从而可以将从相同像素读出的信号发送到相同的列电路。
根据本发明的实施例，提供了包括下列组件的成像设备：像素阵列部分，其中多个像素二维排列，每个像素输出图像信号；列电路区域，包括多个列电路；和信号处理部件，用于对从所述列电路区域输出的信号执行处理。在成像设备中，通过其从单个像素列输出图像信号的垂直信号线被选择性地连接到给定数量(大于1)的列电路，并且来自所选像素行的信号被选择性地输出到给定数量的列电路之一，从而可以将从相同像素读出的信号发送到相同的列电路。
附图说明
图1A是示出第一相关技术的概念图；
图1B是示出第一相关技术的概念图；
图2A是示出第二相关技术的概念图；
图2B是示出第二相关技术的概念图；
图3是示出根据本发明第一实施例的固态成像装置的配置的系统配置示意图；
图4是示出像素的示例性电路配置的电路图；
图5A是示出根据第一实施例提供信号的方法的概念图；
图5B是示出根据第一实施例提供信号的方法的概念图；
图6是根据第一实施例的扫描的概念图；
图7是示出与像素列对应的列电路中输入级的配置的电路图；
图8是示出1H周期中的操作的定时图；
图9是示出根据第一实施例的示例性修改的扫描的概念图；
图10是示出根据本发明第二实施例的固态成像装置的配置的系统配置示意图；
图11A是示出根据第二实施例的固态成像装置的操作的图；
图11B是示出根据第二实施例的固态成像装置的操作的图；和
图12是示出根据本发明实施例的固态成像装置的示例性配置的方框图。
具体实施方式
[第一实施例]
图3是示出根据本发明第一实施例的固态成像装置的配置的系统配置示意图。通过使用CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器作为固态成像装置的示例来描述该实施例。
参考图3，根据该实施例的固态成像装置10具有其中提供有下列组件的系统配置：像素20，其包括光电转换元件，用于将例如入射光光电转换为具有与入射光量对应的电荷量的电荷，并且输出表示外部物理量的信号；像素阵列部分11，其中多个像素20以矩阵形式二维排列；垂直驱动电路12；n(n是大于等于2的整数，在该实施例中n＝2)列电路(并行列信号处理电路)组13和14；水平驱动电路15和16；输出电路17和18；和控制电路19。
在该系统配置中，控制电路19经由接口(未示出)外部接收用于固态成像装置10的操作模式的指示数据等，并且外部输出包括关于固态成像装置10的信息的数据。另外，控制电路19基于垂直同步信号Vsync、水平同步信号Hsync、和主时钟MCK，产生时钟信号、控制信号等，以用作垂直驱动电路12、列电路组13和14、和水平驱动电路15和16的操作的参考，并且随后将所产生的信号提供给每个电路。
在像素阵列部分11中，多个像素20以矩阵形式排列，并且对于该图的水平方向上的每行像素提供像素驱动线21，对于该图的垂直方向上的每列像素提供垂直信号线22。
(像素电路)
图4是示出像素20的示例性电路配置的电路图。
如图4中所示，具有示例性电路配置的像素20被配置为以下像素电路，即其中不仅提供有诸如光电二极管23的光电转换元件，还提供有四个晶体管，例如转移晶体管24、复位晶体管25、放大晶体管26、和选择晶体管27。这里，N沟道MOS晶体管被用作这些晶体管24至27。提供转移线211、复位线212、和选择线213经过相同像素行中的像素20，作为像素驱动线21。
光电二极管23将接收到的光光电转换为光电荷(这里是电子)，其具有与接收到的光量对应的电荷量。光电二极管23的阴极经由转移晶体管24电连接到放大晶体管26的栅极。与放大晶体管26的栅极电连接的节点称作FD(浮动扩散)部件28。FD部件28将电荷转换为电压。
转移晶体管24连接在光电二极管23的阴极与FD部件28之间。转移晶体管24在其栅极经由转移线211接收转移脉冲ΦTRF时被激活，并且随后将已被光电转换并且存储在光电二极管23中的光电荷转移到FD部件28。
复位晶体管25的漏极和源极分别连接到电源线路Vdd和FD部件28。复位晶体管25在其栅极经由复位线212接收复位脉冲ΦRST时被激活，并且随后在信号电荷从光电二极管23转移到FD部件28之前，通过允许FD部件28中存储的电荷流入电源线路Vdd来复位FD部件28。
放大晶体管26的栅极和漏极分别连接到FD部件28和电源线路Vdd。放大晶体管26在复位晶体管25执行复位操作之后，输出FD部件28的电势作为复位电平，并且在信号电荷被转移晶体管24从光电二极管23转移到FD部件28之后，输出FD部件28的电势作为信号电平。
选择晶体管27的漏极和源极分别连接到例如放大晶体管26的源极和垂直信号线22。选择晶体管27在其栅极经由选择线213接收选择脉冲ΦSEL时被激活，并且设置像素20为选择状态，随后将从放大晶体管26输出的信号传递到垂直信号线22。
选择晶体管27可以连接在电源线路Vdd与放大晶体管26的漏极之间。
每个像素20可以配置有三个晶体管，例如转移晶体管24、复位晶体管25、以及合并放大晶体管26和选择晶体管27的功能的晶体管，而不是四个晶体管。
返回参考图3，配置有移位寄存器或译码器的垂直驱动电路12以行为单位对像素阵列部分11中的像素20依次执行选择扫描操作，并且随后经由像素驱动线21将所需的驱动脉冲(控制脉冲)提供给所选行中的每个像素20。
尽管该图中未示出，但是垂直驱动电路12具有提供了如下系统的配置：读出扫描系统，用于通过以行为单位依次选择像素20并且读出所选行中每个像素20的信号来执行读出操作，；和电子快门扫描系统，用于在通过读出扫描系统执行读出扫描操作之前的预定时间，通过消除(复位)在读出扫描系统选择的相同行的每个像素20中包含的光电二极管23中存储的电荷来执行电子快门操作，所述预定时间对应于快门速度。
从根据电子快门扫描系统执行的快门扫描操作复位光电二极管23中存储的不必要电荷的时刻到根据读出扫描系统执行的读出扫描操作读出像素20的信号的时刻的时间段，对应于像素20中信号电荷的存储时间(曝光时间)。也就是，电子快门操作是用于复位光电二极管23中存储的信号电荷并且使光电二极管23开始再次存储信号电荷的操作。
经由相应的垂直信号线22将从所选行中每个像素20输出的信号提供给列电路组13或14。列电路组13和14分别布置在像素阵列部分11的上侧和下侧，从而对于单个像素列可以布置列电路组13和14中的每个列电路，即，可以实现列电路与像素列之间的一一对应关系。列电路组13和14逐列接收从一行中每个像素20输出的信号，并且对接收到的信号执行信号处理，所述信号处理例如是信号放大和用于消除像素特有的固定图形噪声的CDS(相关双取样)。列电路组13和14的每个列电路可以具有A/D(模拟/数字)转换功能。
提供水平驱动电路15和16以分别对应列电路组13和14。水平驱动电路15配置有水平扫描电路151、水平选择开关组152、和水平信号线153。水平扫描电路151配置有移位寄存器等，并且通过依次选择水平选择开关组152的开关使得行信号被依次输出到水平信号线153，其中已在列电路组13的单独列电路中对所述行信号执行了信号处理。
类似于水平驱动电路15，水平驱动电路16配置有水平扫描电路161、水平选择开关组162、和水平信号线163。水平扫描电路161也执行水平扫描操作，从而通过依次选择水平选择开关组162的开关使得行信号被依次输出到水平信号线163，其中已在列电路组14的单独列电路中对所述行信号执行了信号处理。
输出电路17和18对经由水平选择开关组152和162以及水平信号线153和163从列电路组13和14中的每个列电路依次发送的信号，执行各种信号处理操作，并且随后输出处理过的信号分别作为输出信号OUT1和OUT2。输出电路17和18中执行的特定信号处理可以是例如仅缓冲操作，或者可以不仅是缓冲操作还可以是在缓冲操作之前执行的黑电平控制操作、从单独列输出的信号变化的校正操作、信号放大操作、有关颜色的处理操作等。
在根据该实施例的具有上述配置的固态成像装置10中，垂直驱动电路12对像素阵列部分11中的每个像素执行上述的快门扫描操作和两个读出扫描操作。在读出扫描操作中，垂直驱动电路12选择两个读出行1和2，它们彼此分隔m(m是大于等于1的整数)乘以(2p+1)行(p＝0，1，2...)的行数，也就是，m乘以奇数行的行数，并且在所选择的读出行1和2中的每一行上执行扫描操作，并且随后将信号从读出行1和2中的每个像素20读出到垂直信号线22。分别提供两个列电路组13和14以对应两个读出行1和2。
基于这些垂直扫描操作，将与扫描从快门行到读出行1的区域(对其执行第一扫描操作)所花的时间段对应的时间段定义为存储时间1，将与扫描从读出行1到读出行2的区域(对其执行第二扫描操作)所花的时间段对应的时间段定义为存储时间2。通过使得存储时间1和2彼此不同，能够依次获得两个不同灵敏度的信号，即低灵敏度信号和高灵敏度信号。存储时间1和2的设定由控制电路19来执行。通过在后续级处的信号处理电路(未示出)中合成两个不同灵敏度的信号，可以获得具有宽动态范围的图像信号。
根据该实施例的固态成像装置10的特征在于这样一种方法，即当在控制电路19的控制下，由垂直驱动电路12执行的扫描前进m行时，改变两个读出行1和2以及两个列电路组13和14的组合。也就是，根据该实施例的固态成像装置10的特征在于这样一种方法，即将从读出行1中像素20的每个像素输出的信号以及从读出行2中像素20的每个像素输出的信号(即两个不同灵敏度的信号)提供给两个列电路组13和14。然而，在读出行1和2之间的行数被设定为m×(2p+1)行，即m×奇数行的条件下执行所述方法。将在后面描述在这种条件下执行所述方法的原因。
这里，将参考图5A和5B来描述一种当m＝1时，也就是当读出行1和2以及两个列电路组13和14的组合在逐行继续扫描时变化时，提供信号的方法的理念。为了简化附图，像素阵列部分11包括18行×22列的像素。当单元扫描周期被定义为H时，存储时间1是4H，存储时间2是9H(p＝1)。
图5A和5B示出了快门行以及读出行1和2在某一点的相对位置。然而，事实上，同一行在扫描快门行的4H之后变成读出行1，在扫描读出行1的9H之后变成读出行2。因此，从每个像素20(相同像素)可以依次获得两个不同灵敏度的信号，即低灵敏度和高灵敏度信号。
在某一点处，如图5A所示，从读出行1和2输出的信号被分别提供给列电路组13和14。也就是，从读出行1中的每个像素20读出的信号经由相应的垂直信号线22输入到列电路组13的相应列电路。类似的，从读出行2中的每个像素20读出的信号经由相应的垂直信号线22输入到列电路组14的相应列电路。
当扫描前进一行时，对其执行了电子快门扫描的快门行以及两个读出行1和2类似地前进一行。如图5B所示，从读出行1和2输出的信号被分别提供给列电路组14和13。也就是，从读出行1中的每个像素20输出的信号经由相应的垂直信号线22输入到列电路组14的相应列电路。类似地，从读出行2中的每个像素20输出的信号经由相应的垂直信号线22输入到列电路组13的相应列电路。
当扫描进一步前进一行时，如图5A所示，从读出行1中的每个像素20读出的信号经由相应的垂直信号线22输入到列电路组13的相应列电路。类似地，从读出行2中的每个像素20读出的信号经由相应的垂直信号线22输入到列电路组14的相应列电路。由此，每次扫描前进一行时，从读出行1和2输出的信号交替地分别提供给列电路组13和14。图6中示出了这种情况下扫描的概念。
如先前所述，使用如下设置：将读出行1和2之间的行数设置为奇数；将存储时间2设置为扫描的单元周期H乘以奇数而获得的时间段(在该示例中是9H)；将读出行1和2与列电路组13和14的组合设置为每次扫描前进一行时变化。因此，从图6中明显看出，具有不同存储时间并且从奇数行中相同像素依次输出的两个信号一起被提供给列电路组13。相反，具有不同存储时间并且从偶数行中相同像素依次输出的两个信号一起被提供给列电路组14。
也就是，在相同的列电路组13或14中处理具有存储时间1和2并且从相同像素依次输出的两个连续信号。因此，由于具有不同存储时间的两个信号不受列电路组13和14之间的特性差的影响，因此可以在后续级的信号处理电路(未示出)中精确地合成两个不同灵敏度的信号，所述信号处理电路执行合成处理，从而实现宽动态范围。
由于两个存储时间1和2是连续的，因此不必等待一个扫描周期来获取两个不同灵敏度的信号。另外，不会发生两个不同灵敏度的信号的输出之间的一个扫描周期的时移。因此，可以支持其中快门时间较短(快门速度较低)的情况。例如，当存储时间1和2分别是1/4000和1/500秒时，即使一个扫描周期是1/60秒，也能够以1/500秒的速度触发快门。
如果存储时间2被设置为扫描的单元周期H乘以偶数而获得的时间段，则即使读出行1和2以及两个列电路组13和14的组合在每次扫描前进一行时改变时，也在列电路组13和14中分别处理具有不同存储时间并且从相同像素依次输出的两个信号。因此，将存储时间2设置为通过扫描的单元周期H乘以奇数而获得的时间段是重要的。通过使存储时间2比其他存储时间长，这种限制实际上无关紧要。
在控制电路19的控制下执行读出行1和2以及列电路组13和14的组合的上述切换。将描述所述控制的特定示例。
图7是示出分别包含在列电路组13和14中且对应于某一列像素i的列电路13i和14i的输入级的配置的电路图。如图7所示，列电路13i和14i中的输入级分别被提供有在列电路13i和14i以及垂直信号线22的相应端之间的开关SW1和SW2。根据从控制电路19输出的控制信号1和2分别控制开关SW1和SW2接通(闭合)/断开(打开)。
图8是示出1H周期中的操作的定时图。当将来自读出行1和2的信号分别提供给列电路13i和14i时，执行基于图8的A所示的时间关系的操作。
也就是，当对读出行1执行读出操作时，从控制电路19输出的控制信号1处于有效状态(高电平)。响应该控制信号1，开关SW1激活，从而经由开关SW1将从读出行1中每个像素20依次读出到垂直信号线22的两个信号输入到列电路13i。当对读出行2执行读出操作时，从控制电路19输出的控制信号2处于有效状态。响应该控制信号2，开关SW2激活，从而经由开关SW2将从读出行2中每个像素20依次读出到垂直信号线22的两个信号输入到列电路14i。
相反，当将来自读出行1和2的信号分别提供给列电路14i和13i时，执行基于图8的B所示的时间关系的操作。
因此，1H周期中的操作如下完成：将两个信号提供给列电路13i或14i；对列电路13i或14i中的两个信号执行预定的信号处理；并且在水平驱动电路15或16的控制下水平转移(水平输出)处理过的两个信号。此后，在垂直驱动电路12的控制下，扫描操作前进一行，并且从电子快门操作的开始来启动上述操作序列。
在其中列电路组13和14中的每个列电路配置为管道(pipeline)电路用以经由垂直信号线22接收信号并且将接收到的信号依次输出到水平驱动电路15或16的情况中，与电子快门操作和读出操作并行地执行水平转移操作。参考图8中的C，在对读出行2执行读出操作之后，扫描操作立即前进一行，并且随后启动电子快门操作。
(示例性修改)
已经使用其中m＝1，即当扫描前进一行时读出行1和2以及两个列电路组13和14的组合变化的情况作为示例描述了该实施例。然而，如图9所示，可以当扫描前进两行(m＝2)时进行切换。在这种情况下，读出行1和2之间的行数限制为(2p+1)行×2，即两倍于当m＝1时的行数。也就是，存储时间2被限制为4H步长，例如2、6和10。通过使存储时间2比其他存储时间长，这种限制也无关紧要。
类似地，可以采用其他方法。例如，通过将读出行1和2之间的行数设置为(2p+1)行×3，即三倍于m＝1时的行数，将存储时间2设置为诸如3、9和15的6H步长，从而当扫描前进三行(m＝3)时，可以改变读出行1和2以及两个列电路组13和14的组合。
在该实施例中，两个列电路组13和14分别被布置在像素阵列部分11的上侧和下侧。然而，两个列电路组13和14可以一起被布置在像素阵列部分11的上侧或下侧。
而且，在该实施例中，对于像素阵列部分11中一列像素布置列电路组13和14中的每个列电路，从而可以实现列电路与像素列之间的一一对应关系。然而，一个列电路可以由多个列共享。在这种情况下，列电路是时间共享的。通过利用这种配置，构成列电路组13和14的每个电路的水平长度可能增加，从而可以支持其中固态成像装置10的像素间距较小的情况。
而且，在该实施例中，为了实现宽动态范围，在两个读出行1和2中设置像素阵列部分11中的每个像素，从而在两个级中可以改变存储时间，即每个像素20的灵敏度。另外，提供了两个列电路组13和14。然而，可以利用其他配置。
例如，当期望在n级改变灵敏度时，通常可以采用下列配置：对于一列像素布置数量为n的列电路组，即数量为n的列电路；和当对于数量为n的读出行执行扫描操作时，改变n个读出行和n个列电路之间的关系，而且控制n个读出行之间的行数n，从而可以将来自相同行的输出输入到相同的列电路。
例如，当期望通过在扫描前进一行时循环改变读出行和列电路的组合，而在n×H周期中循环改变读出行和列电路的组合时，可以控制前导读出行与n-1个后续读出行之间延迟行的各个数目，以使得所述各个数目不能被n除，而且被n除的余数值可以彼此不同。例如，当n＝4时，通过将后续读出行分别设置为从紧接在前导读出行之后的行开始的第9行、第34行、和第131行，可以满足上述条件。也就是，当数目9、34和131被4除时，余数分别是1、2和3。n＝2的情况的示例对应于图6中的示例。
或者，当期望通过扫描前进m行时循环改变读出行和列电路的组合，而在n×m×H周期中循环改变读出行和列电路的组合时，前导读出行与n-1个后续读出行之间延迟行的各个数目可以被设置为通过将m乘以m＝1的情况下的值而获得的值。图9中的示例示出了n＝2和m＝2的情况。
循环改变是指，例如，当n＝3时，使首先对应于(A、B、C)的(1、2、3)依次并重复对应于(B、C、A)、(C、A、B)、(A、B、C)等。当n＝2时，在两个对象之间执行相应的变化操作。
在该实施例中，读出扫描行的数目和列电路的数目相等。然而，其中所述数目不相等的情况也可应用于本发明的概念。
[第二实施例]
图10是示出根据本发明第二实施例的固态成像装置的配置的系统配置示意图。通过将CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器用作固态成像装置的示例来描述该实施例。
参考图10，根据该实施例的固态成像装置30具有其中提供有下列组件的系统配置：像素40，其包括光电转换元件，用于将例如入射光光电转换为具有与入射光量对应的电荷量的电荷，并且输出表示外部物理量的信号；像素阵列部分31，其中多个像素40以矩阵形式二维排列；垂直驱动电路32；列电路组33；水平驱动电路34；输出电路35；和控制电路36。
在该系统配置中，控制电路36经由接口(未示出)外部接收用于固态成像装置30的操作模式的指示数据等，并且外部输出包括关于固态成像装置30的信息的数据。另外，控制电路36基于垂直同步信号Vsync、水平同步信号Hsync、和主时钟MCK，产生时钟信号、控制信号等，以用作垂直驱动电路32、列电路组33和水平驱动电路34的操作的参考，并且随后将所产生的信号提供给每个电路。
在像素阵列部分31中，多个像素40以矩阵形式排列，并且对于该图的行方向上的每行像素提供像素驱动线41，对于该图的垂直方向上的每列像素提供垂直信号线42。具有如图4中所示的四个晶体管的像素或者具有其他配置的像素可被用作像素40。
配置有移位寄存器或解码器的垂直驱动电路32以行为单位对像素阵列部分31中的像素40执行选择扫描操作，并且随后经由像素驱动线41将必需的驱动脉冲(控制脉冲)提供给所选行中的每个像素40。类似于根据第一实施例的垂直驱动电路12，垂直驱动电路32包括读出扫描系统和电子快门扫描系统。然而，该实施例的特征在于一种利用垂直驱动电路32扫描的方法。后面将给出扫描方法的描述。
经由相应的垂直信号线42将从所选行中每个像素40输出的信号提供给列电路组33。列电路组33例如布置在像素阵列部分31的下侧，以使得对于单个像素列可以布置列电路组33中的每个列电路，即可以实现列电路与像素列之间的一一对应关系。列电路组33逐列接收从一行中每个像素40输出的信号，并且对接收到的信号执行诸如CDS和信号放大的信号处理。列电路组33中的每个列电路可以具有A/D转换功能。
水平驱动电路34配置有水平扫描电路341、水平选择开关组342、和水平信号线343。配置有移位寄存器等的水平扫描电路341通过依次选择水平选择开关组342的开关，使得像素信号从列电路组33中的每个列电路被依次输出到水平信号线343。
输出电路35对经由水平信号线343从列电路组33中的每个列电路依次发送的信号执行各种信号处理操作，并且随后输出处理过的信号。输出电路35执行的特定信号处理例如可以仅是缓冲操作，或者可以不仅是缓冲操作而且还可以是在缓冲操作之前执行的黑电平控制操作、从单独像素列输出的信号变化的校正操作、信号放大操作、有关颜色的处理操作等。
在根据该实施例的具有上述配置的固态成像装置30中，当扫描的单元周期被定义为H时，在s×H(s是大于等于2的整数)周期中，垂直驱动电路32使得快门行向前移动一行。而且，垂直驱动电路32使得读出行每1H周期向前或向后移动，以及在s×H周期中，使得读出行既向前也向后移动，从而在s×H周期中，读出行总计可以向前移动一行。
这里，将参考图11A和11B来描述其中s＝2的情况。图11A示出了像素阵列部分31和列电路组33的物理布局。图11B示出了由垂直驱动电路32执行的扫描的概念。
为了简化附图，像素阵列部分31包括18行×22列的像素。为了使得附图易于理解，与图11A所示的像素排列相比，图11B中的水平轴的长度减小一半。
当s＝2时，在垂直驱动电路32的控制下，快门扫描每2H周期前进一行。相反，例如，如图11B所示，读出扫描向后移动三行随后前进四行，从而读出扫描每2H周期前进一行。
基于该垂直扫描，将从快门扫描操作到第一读出扫描操作的时间段定义为存储时间1。将从第一读出扫描操作到第二读出扫描操作的时间段定义为存储时间2。通过使得这两个存储时间(曝光时间)1和2彼此不同，从相同像素可以依次获得两个不同灵敏度的信号，即低灵敏度信号和高灵敏度信号。
通过控制电路19来执行存储时间1和2的设置。通过在后续级的信号处理电路(未示出)中合成两个不同灵敏度的信号，能够得到具有宽动态范围的图像信号。
利用垂直驱动电路32的如下配置可以容易地执行上述特性的垂直扫描。
在垂直驱动电路32的电子快门扫描系统中，使用译码器或移位寄存器将扫描间隔设定为sH(在该实施例中是2H)，从而可以容易地执行上述特性的垂直扫描。在垂直驱动电路32的读出扫描系统中，在控制电路36的控制下使用译码器，或者例如使用S(在该实施例中是2)个移位寄存器，执行地址设置，两个移位寄存器的扫描间隔被单独设置为2H，而且，两个移位寄存器的扫描起始时间之间的时移被设定为存储时间2，从而可以容易地执行上述特性的垂直扫描。
如先前所述，在其中对于像素阵列部分31中的一列像素布置的一个列电路对从所选行中的像素输出的信号执行处理的一个列电路组的固态成像装置30中，即使对于一列像素仅布置一个列电路，s个不同存储时间的信号也可以通过下列操作来获得，而不用等待一个扫描周期。所述操作是：在s×H周期中，使快门行向前移动一行，另外，每1H周期使读出行向前或向后移动，以及在s×H周期中使读出行既向前也向后移动，从而使得在s×H周期中读出行总计可以向前移动一行。
因此，类似于第一实施例，可以支持其中快门时间较短(快门速度低)的情况。而且，由于对于一列像素布置一个列电路，以及由于在相同的列电路中处理来自相同像素的信号，因此在后续级处的信号处理电路(未示出)中可以精确地合成不同灵敏度的s个信号，所述信号处理电路执行合成操作，从而实现宽动态范围。
在根据该实施例的固态成像装置30中，期望将存储时间2设置得比存储时间1要短。在扫描操作的早期阶段，存在每2H读出仅一行的信号的周期。通过将存储时间2设置得比存储时间1要短，可以缩短所述周期。
已经使用其中s＝2，即一个像素20的存储时间在两个级中变化的情况作为示例描述了该实施例。然而，该实施例并不限于这种情况。因此，也可以应用其中存储时间在三个或多个级中变化的情况。本发明的实施例可以通过组合第一和第二实施例的技术来变化。例如，可以考虑其中处理许多信号的情况。
在上述实施例中，对于像素阵列部分11或13中一列像素布置列电路组13、14和33中的每个列电路，从而可以实现列电路与像素列之间的一一对应关系。然而，一个列电路可以由多个列共享。
而且，已经使用其中像素阵列部分11和13中的每一个是四方点阵的情况作为示例描述了上述实施例。然而，第一和第二实施例的技术理念可应用于其中像素在像素阵列部分中不是以四方点阵模式排列的情况。在这种情况下，系统配置将变得更加复杂。
而且，已经使用其中读出所有像素的情况作为示例描述了上述实施例，但是本发明的实施例例如可以通过组合所有像素读出操作和诸如稀疏读出操作之类的其他操作来进行变化。电子快门不是必需的。根据本发明实施例的操作可以不必一直执行，而是可以仅在维持操作可执行之后需要时执行。
而且，已经使用其中像素将光信号转换为电信号的固态成像装置的情况作为示例描述了上述实施例。然而，如果除固态成像装置以外的装置能够通过控制像素的存储时间来控制灵敏度，则可以采用该装置。
[示例性应用]
根据本发明第一和第二实施例的上述固态成像装置10和30中的每一个可被优选地用作诸如摄像机、数码相机、或者诸如移动电话之类的移动装置的照相模块的成像装置之类的成像设备。
图12是示出根据本发明实施例的成像设备的示例性配置的方框图。如图12所示，成像装置配置有包括镜头5 1的光学系统、成像装置52、照相机信号处理电路53等。
镜头51将来自物体的图像光聚焦在成像装置52的成像表面上。成像装置52以像素为单位、将由镜头51在成像表面上聚焦的图像光转换为电信号，并且输出转换后的电信号。具体地，为了实现宽动态范围，成像装置52输出特定于各个像素的、不同存储时间的多个信号作为像素信号。上述固态成像装置10或30被用作该成像装置52。
照相机信号处理电路53对从成像装置52输出的图像信号执行各种信号处理操作。作为各种处理操作之一，照相机信号处理电路53以像素为单位合成从成像装置52依次发送的不同存储时间的多个信号，从而实现宽动态范围。
如先前所述，通过使用根据本发明第一或第二实施例的上述固态成像装置10或30作为诸如摄像机、数码相机、或者诸如移动电话之类的移动装置的照相模块之类的成像设备的成像装置52，可以提高图像的成像质量。更具体地，由于固态成像装置10和30中的每一个可以处理从相同列电路中相同像素输出的不同灵敏度的多个信号，以防止多个不同灵敏度的信号的输出之间的一个扫描周期的时移，因此照相机信号处理电路53可以通过精确地合成多个不同灵敏度的信号来获取高质量图像信号，从而可以提高图像的成像质量。
所有功能可以不在固态成像装置中实现，而是可以由整个成像设备来实现。例如，照相机信号处理电路53通过包括控制电路19或36可以实现控制成像装置52的功能。
作为成像设备，例如，可以使用不需要包括镜头51的光学系统的接触型传感器或辐射探测仪器。
本领域的普通技术人员应当理解，根据在所附权利要求及其等效物的范围之内的设计需求和其他因素，可以产生各种修改、组合、子组合和替换。

Claims (15)

1.一种固态成像装置，包括：
像素阵列部分，其中多个像素二维排列；
垂直驱动部件，用于执行像素阵列部分中读出行的选择操作和所选读出行的扫描操作的多组操作，并且从所选和扫描的读出行中的每个像素读出信号；
多个列电路组，其包括为像素阵列部分中的单个像素列布置的多个列电路，该多个列电路对从读出行中的每个像素读出的信号单独地执行处理操作；和
控制部件，用于在垂直驱动部件执行的扫描操作继续时改变读出行和列电路组的组合，从而能够将从相同像素读出的信号发送到相同的列电路。
2.如权利要求1所述的固态成像装置，其中垂直驱动部件以使读出行能够连接到相应列组的间隔，执行读出行的选择操作和所选读出行的扫描操作的多组操作。
3.如权利要求2所述的固态成像装置，
其中，读出行和列电路组中每一组的列电路的数量是n，n是大于或等于2的整数，
其中在扫描m×n行的周期中扫描操作前进m行时，控制部件通过循环改变读出行和列电路组的组合来控制所述组合，其中m是大于或等于1的整数，和
其中，前导读出行与n-1个后续读出行之间延迟行的各个数量是能够由n除且余数值彼此不同的数，以及能够通过将n-1个整数中的各个值乘以m而获得的数。
4.一种固态成像装置的驱动方法，所述固态成像装置被提供有像素阵列部分，其中多个像素二维排列，所述固态成像装置的驱动方法包括步骤：
执行像素阵列部分中读出行的选择操作和所选的读出行的扫描操作的多组操作，并且从所选和扫描的读出行中的每个像素读出信号；
使多个列电路组中的每个列电路处理从读出行中的每个像素读出的信号，其中在列电路组中为像素阵列部分中的单个像素列布置多个列电路；和
在扫描操作期间改变读出行和列电路组的组合，从而能够将从像素阵列部分中相同像素读出的信号发送到相同的列电路。
5.如权利要求4所述的固态成像装置的驱动方法，
其中，读出行和列电路组中每一组的列电路的数量是n，n是大于或等于2的整数，
其中，在扫描m×n行所花的周期中扫描操作前进m行时，通过循环改变读出行和列电路组的组合来控制所述组合，其中m是大于或等于1的整数，和
其中，前导读出行与n-1个后续读出行之间延迟行的各个数量是能够由n除且余数值彼此不同的数，以及能够通过将n-1个整数中的各个值乘以m而获得的数。
6.一种固态成像装置，包括：
像素阵列部分，其中多个像素二维排列；
垂直扫描部件，用于使得从像素阵列部分中每个像素读出信号的读出行每1H向后或向前移动，其中H被定义为像素阵列部分的扫描的单元周期，并且使得该读出行在s×H周期中既向后也向前移动，使得所述读出行在s×H周期中总计能够向前移动一行，其中s是大于或等于2的整数；和
列电路组，其中对于像素阵列部分中的单个像素列布置单个列电路。
7.如权利要求6所述的固态成像装置，其中垂直扫描部件在读出扫描操作之前，执行快门扫描操作以消除在像素阵列部分中的每个像素中存储的电荷，并且使得快门扫描操作在s×H周期中前进一行。
8.一种固态成像装置的驱动方法，该固态成像装置被提供有像素阵列部分，其中多个像素二维排列，所述固态成像装置的驱动方法包括步骤：
使得用于从像素阵列部分中每个像素读出信号的读出行每1H向后或向前移动，其中H被定义为像素阵列部分的扫描的单元周期，并且使得该读出行在s×H周期中既向后也向前移动，使得所述读出行在s×H周期中总计能够向前移动一行，其中s是大于或等于2的整数；和
使得列电路组中的每个列电路处理从读出行中每个像素读出的信号，其中在所述列电路组中对于像素阵列部分中的单个像素列布置单个列电路。
9.一种成像设备，包括：
像素阵列部分，其中多个像素二维排列，每个像素包括光电转换元件；
垂直扫描部件，用于使得从像素阵列部分中每个像素读出信号的读出行每1H向后或向前移动，其中H被定义为像素阵列部分的扫描的单元周期，并且使得该读出行在s×H周期中既向后也向前移动，使得所述读出行在s×H周期中总计能够向前移动一行，其中s是大于或等于2的整数；和
列电路组，其中对于像素阵列部分中的单个像素列布置单个列电路。
10.如权利要求9所述的成像设备，其中垂直扫描部件在读出扫描操作之前，执行快门扫描操作以消除在像素阵列部分中的每个像素中存储的电荷，并且使得快门扫描操作在s×H周期中前进一行。
11.一种成像设备，包括：
像素阵列部分，其中多个像素二维排列；
垂直驱动部件，用于执行像素阵列部分中读出行的选择操作和所选读出行的扫描操作的多组操作，并且用于从所选和扫描的读出行中的每个像素读出信号；
多个列电路组，其包括为像素阵列部分中的单个像素列布置的多个列电路，该多个列电路对从读出行中的每个像素读出的信号单独地执行处理操作；
控制部件，用于在垂直驱动部件执行的扫描操作继续时改变读出行和列电路组的组合，从而能够将从相同像素读出的信号发送到相同的列电路；和
信号处理电路，用于对从列电路组输出的信号执行处理。
12.一种固态成像装置，包括：
像素阵列部分，其中多个像素二维排列，每个像素输出图像信号；和
列电路区，其包括多个列电路，
其中，垂直信号线被选择性地连接到给定数量的列电路，所述给定数量大于1并且来自单个像素列的图像信号通过垂直信号线输出，以及来自所选像素行的信号被选择性地输出到给定数量的列电路之一，从而能够将从相同像素读出的信号发送到相同的列电路。
13.如权利要求12所述的固态成像装置，其中所述列电路区被布置在所述像素阵列部分的两侧。
14.如权利要求12所述的固态成像装置，其中所述列电路区被布置在所述像素阵列部分的一侧。
15.一种成像设备，包括：
像素阵列部分，其中多个像素二维排列，每个像素输出图像信号；
列电路区，其包括多个列电路；和
信号处理部件，用于对从所述列电路区输出的信号执行处理，
其中，垂直信号线被选择性地连接到给定数量的列电路，所述给定数量大于1并且来自单个像素列图像信号通过垂直信号线输出，以及来自所选像素行的信号被选择性地输出到给定数量的列电路之一，从而能够将从相同像素读出的信号发送到相同的列电路。
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