TWI401950B - Solid-state imaging elements and camera systems - Google Patents

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Description

固體攝像元件及相機系統
本發明係關於CMOS影像感測器所代表之固體攝像元件及相機系統。
近年來，作為取代CCD之固體攝像元件(影像感測器)，CMOS影像感測器係備受注目。
此係由於CCD畫素之製造需要專用製程，且其動作需要複數電源電壓，進而，需組合複數個週邊IC來使其執行動作。
而對於此種CCD之情形，CMOS影像感測器可克服系統極複雜化之種種問題之故。
CMOS影像感測器在其製造上，係可使用與一般的CMOS型積體電路相同之製程，且可利用單一電源驅動，再者，可使利用CMOS製程之類比電路及邏輯電路混合存在於同一晶片內。
因此，CMOS影像感測器具有可減少週邊IC數之多種傑出優點。
CCD之輸出電路係以使用具有浮動擴散層(FD：Floating Diffusion)之FD放大器的1頻道(ch)輸出為主流。
相對於此，CMOS影像感測器係在每一畫素持有FD放大器，且其輸出係以選擇畫素陣列中之某一列，並將其等同時向行方向讀出之行並列輸出型為主流。
此係由於配置於畫素內之FD放大器難以獲得充分之驅 動能力，因此需要降低資料率，而以並列處理較為有利之故。
以下，說明有關一般的CMOS影像感測器。
在CMOS影像感測器中，最初係讀出重置電壓(預先充電相：以下稱為P相)，其後，讀出重置電壓與信號電壓之相加電壓(資料相：以下稱為D相)，並輸出由相加電壓減去重置電壓之信號。
在CMOS影像感測器中，一般係施行此種相關雙重取樣處理(CDS：Correlated Double Sampling)(例如參照專利文獻1)。
圖1係表示4個電晶體所構成之CMOS影像感測器之畫素例之圖。
此畫素1例如係具有光電二極體所構成之光電變換元件11，對此1個光電變換元件11，具有轉送電晶體12、重置電晶體13、放大電晶體14、及選擇電晶體15之4個電晶體來作為主動元件。
光電變換元件11係將入射光光電變換成對應於其光量之量的電荷(在此為電子)。
轉送電晶體12係連接於光電變換元件11與浮動擴散層FD(Floating Diffusion)之間，驅動信號TG則經由轉送控制線LTx而供應至其閘極(轉送閘極)。藉此，轉送電晶體12係將藉由光電變換元件11而加以光電變換之電子轉送至浮動擴散層FD。
重置電晶體13係連接於電源線LVDD與浮動擴散層FD之 間，重置信號RST則通過重置控制線LRST而供應至其閘極。藉此，重置電晶體13將浮動擴散層FD之電位重置成電源線LVDD之電位。
在浮動擴散層FD係連接有放大電晶體14之閘極。放大電晶體14係經由選擇電晶體15而連接於信號線16，構成畫素部外之定電流源與源極輸出器。
並且，通過選擇控制線LSEL而將位址信號(選擇信號)SEL供應至選擇電晶體15之閘極，使選擇電晶體15導通。
選擇電晶體15導通時，放大電晶體14係將浮動擴散層FD之電位放大而將對應於其電位之電壓輸出至信號線16。通過信號線16而由各畫素輸出之電壓係輸出至行電路(行處理電路)。
此所謂畫素之重置動作，係指使轉送電晶體12導通而將儲存於光電變換元件11之電荷，轉送而排出至浮動擴散層FD。
此時，使重置電晶體13導通而將電荷摒排於電源側，以便使浮動擴散層FD能夠在事前接受光電變換元件11之電荷。或者，也有在使轉送電晶體12導通之期間，與此並行地使重置電晶體13導通而將電荷直接摒排於電源之情形。
另一方面，在讀出動作中，首先，使重置電晶體13導通而將浮動擴散層FD重置，並在該狀態下，經由導通之選擇電晶體15而將輸出送至輸出信號線16。此稱為P相輸出。
其次，使轉送電晶體12導通而將儲存於光電變換元件11 之電荷轉送至浮動擴散層FD，並將其輸出加以輸出至輸出信號線16。此稱為D相輸出。
在畫素電路外部取D相輸出與P相輸出之差分，以消除浮動擴散層FD之重置雜訊而成為圖像信號。
圖2係表示圖1之畫素配置成2維陣列狀之CMOS影像感測器(固體攝像元件)之一般的構成例之圖。
圖2之CMOS影像感測器20係由將圖1所示之畫素電路配置成2維陣列狀之畫素陣列部21、列選擇電路(畫素驅動電路或垂直驅動電路)22、及行電路(行處理電路)23所構成。
畫素驅動電路22係控制各列之畫素之轉送電晶體12、重置電晶體13及選擇電晶體15之導通、斷開。
行電路23係接受由畫素驅動電路22讀出並加以控制之畫素列之資料，並轉送至後段之信號處理電路的電路。
圖3係表示圖1及圖2所示之CMOS影像感測器之畫素資料讀出動作之時序圖。
在將如圖1所示之畫素排列成m列n行之畫素陣列部中，如圖3所示，假設在選擇第x列之畫素之期間(1H期間)中的y行之垂直信號線16之電位VSL的變化為VSLy(1≦x≦m,1≦y≦n)。
第x列之選擇信號SELx成為高位準時，x列被選擇，而重置信號RSTx信號成為高位準時，x列y行之畫素之浮動擴散層FD成為高位準，VSLy成為所謂P相之重置位準。
其後，驅動信號TGx成為高位準時，畫素內之電荷移動至浮動擴散層FD，浮動擴散層FD之電位降低而使信號線 16之電位VSLy下降。
此時之信號線16之電位VSLy的位準為D相。
與前述同樣地，藉由輸出此D相與P相之差分，可獲得消除畫素、VSL之製造誤差之雜訊少的感測器輸出。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2001-69404號公報
但，在上述之CMOS影像感測器中，感測器之輸出係含有本來應輸出之畫素信號以外之成分。
如圖3所示，重置信號RSTx成為高位準後，或驅動信號TGx成為高位準後，保持一定電位係較為理想。
然而實際上，如圖4所示，由於FD之電位因漏電流而下降等原因，使得輸出信號線16之電位VSL下降。
此時之感測器之輸出會變成在本來應輸出之畫素信號中並含有VSL之電位下降份。
此電位下降較大時，感測器之輸出圖像會產生所謂FD白點(TG‧OFF白點)之白點及縱條紋、色差等，尤其會引起低照度之畫質之劣化。
又，近年來，因追求畫素之微細化而使用以數畫素共有FD部分之共有畫素，尤其在共有畫素之情形，會呈現FD白點跨過共有之畫素數之缺陷，故畫質之劣化相當顯著。
本發明係提供可消除讀出期間之信號線之電位下降份，並可削減雜訊，進而可謀求高畫質化之固體攝像元件及相 機系統。
本發明之第1觀點之固體攝像元件係具有：畫素部，其係將複數畫素電路排列成行列狀，前述複數畫素電路具有將光信號變換成電性信號，且對應於曝光時間而儲存該電性信號之機構；畫素驅動部，其係可驅動而施行上述畫素部之信號電荷之儲存、轉送及輸出；及畫素信號讀出部，其係由上述畫素部施行畫素之信號讀出；上述畫素部之畫素電路係包含：輸出節點；光電變換元件，其係將光信號變換成電性信號，並儲存信號電荷；及轉送元件，其係藉由驅動信號而加以導通、斷開，在導通狀態下，將上述光電變換元件之電荷轉送至上述輸出節點；上述畫素驅動部係可施行：第1讀出驅動，其係藉由上述驅動信號使上述轉送元件斷開而將輸出節點之信號加以輸出；及第2讀出驅動，其係藉由上述驅動信號使上述轉送元件導通，而讓信號電荷轉送至上述輸出節點並將輸出節點之信號加以輸出；上述畫素信號讀出部係具有輸出信號之功能，而該信號係對應於上述第2讀出驅動所讀出之信號，與上述第1讀出驅動所讀出之信號之差分者。
本發明之第2觀點之固體攝像元件係具有：畫素部，其係將複數畫素電路排列成行列狀，前述複數畫素電路具有將光信號變換成電性信號，且對應於曝光時間而儲存該電性信號之機構；畫素驅動部，其係可驅動而施行上述畫素部之重置、信號電荷之儲存及輸出；及畫素信號讀出部，其係由上述畫素部施行畫素之信號之讀出；上述畫素部之 畫素電路係包含：輸出節點；光電變換元件，其係將光信號變換成電性信號，並儲存信號電荷；重置元件，其係藉由重置信號而加以導通、斷開，在導通狀態下，將上述輸出節點重置；及轉送元件，其係藉由驅動信號而加以導通、斷開，在導通狀態下，將上述光電變換元件之電荷轉送至上述輸出節點；上述畫素驅動部係可施行：第1讀出驅動，其係施行藉由上述重置信號使上述重置元件導通，而將輸出節點之信號加以輸出之重置讀出驅動，以及藉由上述驅動信號使上述轉送元件斷開，而將輸出節點之信號加以輸出之非轉送讀出驅動；及第2讀出驅動，其係施行藉由上述重置信號使上述重置元件導通，而將輸出節點之信號加以輸出之重置讀出驅動，以及藉由上述驅動信號使上述轉送元件導通，而讓信號電荷轉送至上述輸出節點並將輸出節點之信號加以輸出之轉送讀出驅動；上述畫素信號讀出部係具有輸出信號之功能，而該信號係對應於上述第2讀出驅動所讀出之信號，與上述第1讀出驅動所讀出之信號之差分者。
較合適者為上述畫素驅動部及上述畫素信號讀出部，係在讀出畫素之1列份之期間，施行上述第1讀出驅動及第2讀出驅動並進行信號之輸出，而該信號係對應於上述第2讀出驅動所讀出之信號，與上述第1讀出驅動所讀出之信號之差分者。
較合適者為上述畫素信號讀出部係包含：複數比較器，其等係對應於畫素之行排列而加以配置，用以比較判定讀 出信號電位與參考電壓，並輸出其判定信號；及複數向上向下計數器，其等係藉由上述比較器之輸出而控制動作，用以計數對應之上述比較器之比較時間。
較合適者為上述複數向上向下計數器係在上述第1讀出驅動時，施行向下計數或向上計數；在上述第2讀出驅動時，施行向上計數或向下計數。
較合適者為上述複數向上向下計數器係在上述第1讀出驅動時，在上述重置讀出驅動中施行向上計數或向下計數；在上述非轉送讀出驅動中施行向下計數或向上計數；在上述第2讀出驅動時，在上述重置讀出驅動中施行向下計數或向上計數；在上述轉送讀出驅動中施行向上計數或向下計數。
較合適者為上述複數向上向下計數器係在上述第1讀出驅動時，在上述非轉送讀出驅動中施行向下計數或向上計數；在上述第2讀出驅動時，在上述轉送讀出驅動中施行向上計數或向下計數。
較合適者為固體攝像元件係可藉由模式切換信號而施行第1模式與第2模式之切換；在上述第1模式時，上述畫素驅動部係僅施行上述第2讀出驅動；上述畫素信號讀出部係輸出上述第2讀出驅動所讀出之信號；在上述第2模式時，上述畫素驅動部係施行上述第1讀出驅動及第2讀出驅動；上述畫素信號讀出部係輸出信號，而該信號係對應於上述第2讀出驅動所讀出之信號，與上述第1讀出驅動所讀出之信號之差分者。
本發明之第3觀點之相機系統係具有：固體攝像元件；光學系統，其係使被照體像成像於上述攝像元件；及信號處理電路，其係處理上述攝像元件之輸出圖像信號；上述固體攝像元件係具有：畫素部，其係將複數畫素電路排列成行列狀，前述複數畫素電路具有將光信號變換成電性信號，且對應於曝光時間而儲存該電性信號之機構；畫素驅動部，其係可驅動而施行上述畫素部之信號電荷之儲存、轉送及輸出；及畫素信號讀出部，其係由上述畫素部施行畫素之信號之讀出；上述畫素部之畫素電路係包含：輸出節點；光電變換元件，其係將光信號變換成電性信號，並儲存信號電荷；及轉送元件，其係藉由驅動信號而加以導通、斷開，在導通狀態下，將上述光電變換元件之電荷轉送至上述輸出節點；上述畫素驅動部係可施行：第1讀出驅動，其係藉由上述驅動信號使上述轉送元件斷開而將輸出節點之信號加以輸出；及第2讀出驅動，其係藉由上述驅動信號使上述轉送元件導通，而讓信號電荷轉送至上述輸出節點並將輸出節點之信號加以輸出；上述畫素信號讀出部係具有輸出信號之功能，而該信號係對應於上述第2讀出驅動所讀出之信號，與上述第1讀出驅動所讀出之信號之差分者。
本發明之第4觀點之相機系統係具有：固體攝像元件；光學系統，其係使被照體像成像於上述攝像元件；及信號處理電路，其係處理上述攝像元件之輸出圖像信號；上述固體攝像元件係具有：畫素部，其係將複數畫素電路排列 成行列狀，前述複數畫素電路具有將光信號變換成電性信號，且對應於曝光時間而儲存該電性信號之機構；畫素驅動部，其係可驅動而施行上述畫素部之重置、信號電荷之儲存及輸出；及畫素信號讀出部，其係由上述畫素部施行畫素之信號之讀出；上述畫素部之畫素電路係包含：輸出節點；光電變換元件，其係將光信號變換成電性信號，並儲存信號電荷；重置元件，其係藉由重置信號而加以導通、斷開，在導通狀態下，將上述輸出節點重置；及轉送元件，其係藉由驅動信號而加以導通、斷開，在導通狀態下，將上述光電變換元件之電荷轉送至上述輸出節點；上述畫素驅動部係可施行：第1讀出驅動，其係施行藉由上述重置信號使上述重置元件導通，而將輸出節點之信號加以輸出之重置讀出驅動，以及藉由上述驅動信號使上述轉送元件斷開，而將輸出節點之信號加以輸出之非轉送讀出驅動；及第2讀出驅動，其係施行藉由上述重置信號使上述重置元件導通，而將輸出節點之信號加以輸出之重置讀出驅動，以及藉由上述驅動信號使上述轉送元件導通，而讓信號電荷轉送至上述輸出節點並將輸出節點之信號加以輸出之轉送讀出驅動；上述畫素信號讀出部係具有輸出信號之功能，而該信號係對應於上述第2讀出驅動所讀出之信號，與上述第1讀出驅動所讀出之信號之差分者。
依據本發明，在畫素驅動部中係施行第1讀出驅動及第2讀出驅動，前述第1讀出驅動係藉由驅動信號使轉送元件斷開，而輸出節點之信號加以輸出，而前述第2讀出驅動 係藉由驅動信號使轉送元件導通，而讓信號電荷轉送至輸出節點並將輸出節點之信號加以輸出者。
第1讀出驅動之讀出信號與第2讀出驅動之讀出信號係供應至畫素信號讀出部。
且在畫素信號讀出部中，取得第2讀出驅動所讀出之信號與第1讀出驅動所讀出之信號之差分，並輸出對應於此差分之信號。
依據本發明，係可消除讀出期間之信號線之電位下降份，並可削減雜訊，進而可謀求高畫質化。
以下，與圖式相關聯地說明本發明之實施型態。
<第1實施型態>
圖5係表示有關本發明之實施型態之CMOS影像感測器(固體攝像元件)之構成例之圖。
本CMOS影像感測器100具有畫素陣列部101、作為畫素驅動部之列選擇電路(垂直驅動電路)102、行讀出電路(行處理電路)103、k列份之線路記憶體104、放大器電路105、及轉送線106。
此等構成要素中，藉由行讀出電路103、線路記憶體104、放大器電路105、及轉送線106形成畫素信號讀出部。
畫素陣列部101係將複數畫素電路排列成m列n行之2維狀(矩陣狀)。
圖6係表示有關本實施型態之4個電晶體所構成之CMOS 影像感測器之畫素之一例之圖。
此畫素電路101A例如具有光電二極體所構成之光電變換元件111。
畫素電路101A係對此1個光電變換元件111，具有作為轉送元件之轉送電晶體112、作為重置元件之重置電晶體113、放大電晶體114、及選擇電晶體115之4個電晶體作為主動元件。
光電變換元件111係將入射光光電變換成對應於其光量之量之電荷(在此為電子)。
轉送電晶體112係連接於光電變換元件111與作為輸出節點之浮動擴散層FD之間。
轉送電晶體112係在驅動信號TG通過轉送控制線LTx被供應至其閘極(轉送閘極)時，將被光電變換元件111光電變換之電子轉送至浮動擴散層FD。
重置電晶體113係連接於電源線LVDD與浮動擴散層FD之間。
重置電晶體113係在重置RST通過重置控制線LRST被供應至其閘極時，將浮動擴散層FD之電位重置成電源線LVDD之電位。
在浮動擴散層FD，連接放大電晶體114之閘極。放大電晶體114係經由選擇電晶體115連接於信號線LSGN，構成畫素部外之定電流源與源極輸出器。
且，通過選擇控制線LSEL將控制信號(位址信號或選擇信號)SEL係供應至選擇電晶體115之閘極，而使選擇電晶 體115導通。
選擇電晶體115導通時，放大電晶體114將浮動擴散層FD之電位放大而將對應於其電位之電壓輸出至信號線116。通過信號線116而由各畫素輸出之電壓係輸出至行電路103。
此等之動作例如係以列單位連接轉送電晶體112、重置電晶體113、及選擇電晶體115之各閘極，故可對1列份之各畫素同時施行。
佈線於畫素陣列部101之重置控制線LRST、轉送控制線LTx、及選擇控制線LSEL係成一組地以畫素排列之各列單位被佈線。
此等重置控制線LRST、轉送控制線LTx、及選擇控制線LSEL係被作為畫素驅動部之列選擇電路102所驅動。
列選擇電路102係具有將重置信號RST及驅動信號TG輸出至連接各重置控制線LRST、轉送控制線LTx、及選擇控制線LSEL之控制線之例如複數之移位暫存器。
列選擇電路102係在對應於未圖示之控制系之控制信號CTL之控制下，在施行所謂P相讀出及D相讀出之際，被控制成施行此P相及D相讀出複數次(本實施型態中為2次)。
列選擇電路102係在第1P相及D相讀出驅動時，以在使轉送電晶體112之驅動信號TG一直保持低位準而施行D相之取樣之方式，施行驅動信號TG之輸出控制。第1P相讀出相當於重置讀出動作，第1D相讀出相當於非轉送讀出動作。
列選擇電路102係在第2P相及D相讀出驅動時，以在使轉送電晶體112之驅動信號TG一直保持高位準而施行D相之取樣之方式，施行驅動信號TG之輸出控制。第2P相讀出相當於重置讀出動作，第2D相讀出相當於轉送讀出動作。
使此驅動信號TG成為低位準而讓轉送電晶體112一直保持斷開俾施行D相之取樣之處理，係稱為TG‧OFF信號處理。
使此驅動信號TG成為高位準而讓轉送電晶體112一直保持導通俾施行D相之取樣之處理，係稱為TG‧ON信號處理。
行讀出電路103係接受畫素驅動電路102所讀出控制之畫素列之資料，並通過轉送線106、放大器電路105而轉送至後段之信號處理電路。
線路記憶體104係保存TG‧OFF信號處理之TG‧OFF信號。
由於本實施型態之CMOS影像感測器100係以「TG‧ON信號-TG‧OFF信號」之資料作為感測器輸出，故具有消除P相~D相期間之信號線116之電位VSL之下降之功能。
本實施型態之CMOS影像感測器100係在讀出畫素之1列份之期間，施行第1讀出驅動及第2讀出驅動並且輸出信號，該信號係對應於第2讀出驅動所讀出之信號，與第1讀出驅動所讀出之信號之差分者。
以下，與圖7(A)、(B)相關聯地說明有關本實施型態之 CMOS影像感測器100以「TG‧ON信號-TG‧OFF信號」之資料作為感測器輸出之處理。
圖7(A)、(B)係用以說明有關本實施型態之P相及D相讀出之時序圖。
圖7(A)係表示TG‧OFF信號處理之時序圖，圖7(B)係表示TG‧ON信號處理之時序圖。
在將如圖5所示之畫素排列成m列n行之畫素陣列部101中，如圖7(A)、(B)所示，假設在選擇第x列之畫素之期間(1H期間)之y行之垂直信號線116之電位VSL之變化為VSLy(1≦x≦m,1≦y≦n)。
在TG‧OFF信號處理中，第x列之選擇信號SELx成為高位準時，x列被選擇，重置信號RSTx信號成為高位準時，x列y行之畫素之浮動擴散層FD成為高位準，VSLy成為所謂P相之重置位準。
在TG‧OFF信號處理中，其後，驅動信號TGx保持於低位準而轉送電晶體112一直保持斷開。
此時之感測器之輸出為TG‧OFF信號，可輸出P相~D相期間之信號線116之電位VSL之下降份。
此TG‧OFF信號係經由行讀出電路103被保存於線路記憶體104。
在TG‧ON信號處理中，第x列之選擇信號SELx成為高位準時，x列被選擇，重置信號RSTx信號成為高位準時，x列y行之畫素之浮動擴散層FD成為高位準，VSLy成為所謂P相之重置位準。
在TG‧ON信號處理中，其後，驅動信號TGx保持於高位準而使轉送電晶體112導通，於是，畫素內之電荷向浮動擴散層FD移動。而，浮動擴散層FD之電位降低時，信號線116之電位VSLy下降。
此時之信號線116之電位VSLy之位準為D相。
而，由此TG‧ON信號減去保存於線路記憶體104之TG‧OFF信號(TG‧ON信號-TG‧OFF信號)，可由放大器電路105輸出消除P相~D相期間之信號線116之電位VSL之下降份之信號。
如以上所述，在一般之CMOS影像感測器中，通常，在D相讀出時，使驅動信號TG成為高位準而讀出畫素資料。
對此，在本實施型態中，在第1P相及D相讀出中，使驅動信號TG一直保持低位準而施行D相之取樣。
在本實施型態中，將此時之感測器之輸出稱為TG‧OFF信號，可輸出P相~D相期間之信號線116之電位VSL之下降份。
接著，在第2P相及D相讀出中，使驅動信號TG成為高位準而施行D相之取樣。
而，在本實施型態中，例如在各k列(1≦k≦m)讀出如圖7(A)所示之TG‧OFF信號，保存於k列之線路記憶體104。
其後，讀出如圖7(B)所示之TG‧ON信號，輸出同列之TG‧ON信號與TG‧OFF信號之差分。
一般，k之值多半為1列或m列。
k=1時，重複x列TG‧OFF信號→x列TG‧ON信號→x+1 列TG‧OFF信號→x+1列TG‧ON信號→...。
k=m時，1幀讀出TG‧OFF信號，保管於幀記憶體後，讀出TG‧ON信號。
又，一般認為只要無溫度變化，TG‧OFF信號之變動較少，故將1幀之TG‧OFF信號保管於幀記憶體後，其後，對數幀之TG‧ON信號，以同幀之TG‧OFF信號取得差分時，也可提高幀率。
如以上所說明，依據本實施型態，可獲得以下之效果。
在一般的CMOS影像感測器中，呈現[感測器輸出(TG‧ON信號)=畫素信號+VSL電位下降]。
對此，在本實施型態之CMOS影像感測器100中，呈現[感測器輸出=TG‧ON信號-TG‧OFF信號=畫素信號+VSL電位下降-VSL電位下降=畫素信號]，故可獲得可消除既存之CMOS影像感測器無法消除之信號線VSL之電位下降之雜訊少之感測器輸出。
又，在本實施型態中，TG‧ON信號、TG‧OFF信號之任一方對各列而言，均屬需要，故與僅施行TG‧ON輸出之一般的CMOS影像感測器相比，有難以提高幀率之虞。
但，P相~D相間之VSL之電位下降(FD白點等)之所以會對畫面上造成大的影響係在畫素資料之輸出小之低照度時。
一般，低照度時，多半藉由降低幀率之長時間曝光，以確保信號量。
因此，如圖8所示，作為感測器，可具有作為輸出 TG‧ON信號之通常模式之第1模式MODE1、及主要在低照度攝影時輸出上述之實施型態之「TG‧ON信號-TG‧OFF信號」之第2模式MODE2。
而，只要藉由模式切換信號MSW切換成對應於被照體之模式，即可對各被照體施行最適之驅動。
又，有關各實施型態之CMOS影像感測器雖無特別限定，但也可構成作為例如裝載行並列型之類比/數位變換裝置(以下簡稱為ADC(Analog digital converter))之CMOS影像感測器。
圖9係表示有關本發明之實施型態之裝載有行並列ADC之固體攝像元件(CMOS影像感測器)之構成例之區塊圖。
此固體攝像元件200如圖9所示，具有作為攝像部之畫素部210、作為畫素驅動部之列選擇電路220、內部時鐘(CLK)產生電路230、瞬變(RAMP)波形產生電路240、作為畫素信號讀出部之並列配置有複數之ADC(類比-數位(AD)變換裝置)之ADC群250、放大器電路(S/A)260、及轉送線270。
畫素部210係將含有光電二極體與畫素內放大器之例如具有如圖6所示之構成之畫素211配置成m列n行之矩陣狀(行列狀)所構成。
ADC群250基本上係排列有複數行之ADC，而該ADC係包含有：比較器251，其係比較使瞬變波形產生電路240所產生之參考電壓階段狀變化之瞬變波形(RAMP)、與在各列線由畫素經由垂直信號線所得之類比信號電位VSL；及 向上向下計數器252，其係具有含計數比較時間之計數器、與保持計數結果之例如N位元之記憶體之閂鎖。
ADC群250具有n位元數位信號變換功能，配置於各垂直信號線(行線)，構成行並列ADC區塊。
各閂鎖之輸出例如係連接於2n位元寬之轉送線270。
而，配置有對應於轉送線270之放大器電路260。
基本上，在ADC群250中，垂直信號線所讀出之類比畫素信號Vsig(電位VSL)係利用配置於各行之比較器(comparator)251，與作為參考電壓之斜波形之瞬變波形RAMP作比較。
此時，與比較器251同樣配置於各行之向上向下計數器252處在動作中，一面取得一對一對應，一面使有瞬變波形RAMP之電位Vslop與計數值發生變化，而將垂直信號線之電位(類比信號)VSL變換成數位信號。
參考電壓Vslop之變化係將電壓之變化變換成時間之變化，以某週期(時鐘)計數其時間，而變換成數位值。
而，在類比電性信號VSL與參考電壓Vslop相交時，比較器251之輸出反轉，停止向上向下計數器252之輸入時鐘，或將停止輸入之時鐘輸入至向上向下計數器252，以完成AD變換。
以上之AD變換期間結束後，保持於閂鎖之資料被轉送至轉送線270，經放大器電路260被輸入至未圖示之信號處理電路，藉由特定之信號處理而產生2維圖像。
如此，作為實現[TG‧ON信號-TG‧OFF信號]輸出之電 路構成，藉由適用於在各行使用向上向下計數器之行ADC電路，可實現不需要線路記憶體之[TG‧ON信號-TG‧OFF信號]輸出。
此構成係對[TG‧ON信號-TG‧OFF信號]輸出最有效之電路之一。
如上所述，各行之信號電位VSL係與瞬變波形RAMP作比較，藉由計數至比較器251之輸出反轉為止之時鐘CLK之數，在各行可獲得由類比變換成數位之感測器輸出。
又，藉由在P相時向下計數，在D相時向上計數，可在各行施行D相-P相之CDS。
圖10係表示實現圖9之CMOS影像感測器之[TG‧ON信號-TG‧OFF信號]輸出之1H期間之讀出方法之時序圖。
此情形，在1H期間含有TG‧ON讀出期間與TG‧OFF讀出期間2個期間。此順序雖任何一方皆可，但在圖10中，係表示先施行TG‧OFF讀出期間之例。
在TG‧OFF讀出期間中，使重置信號RSTx成為高位準後，以向上向下計數器252向上計數P相1之值。
其後，使驅動信號TG一直維持低位準，以向上向下計數器252向下計數D相1。
在TG‧ON讀出期間中，使重置信號RSTx成為高位準後，以向上向下計數器252向下計數P相2之值。
其後，使驅動信號TG一直維持高位準，以向上向下計數器252向上計數D相2。
TG‧OFF讀出期間與TG‧ON讀出期間之VSL之動作之 差異係在於D相時之驅動信號TG在TG‧OFF讀出期間呈現低位準(TG=Low)，在TG‧ON讀出期間呈現高位準(TG=High)。
結果，依據圖10所示之讀出方法，感測器輸出成為[感測器輸出=TG‧ON信號-TG‧OFF信號=D相2-P相2-(D相1-P相1)=D相1-P相1-P相2+D相2]。
如此，藉由使用向上向下計數器之行ADC，不需要特別之線路記憶體，即可實現[TG‧ON信號-TG‧OFF信號]輸出。
又，P相1與P相2基本上應呈現相同電位，故如圖11所示，向下計數TG‧OFF輸出(P相)，向上計數TG‧ON輸出(D相)時，可簡化瞬變波形RAMP與計數器之動作。
藉此，可進一步達成低耗電力化、高速化。
如以上所說明，依據本實施型態，可獲得以下之效果。
可獲得消除起因於P相~D相間之信號電位VSL之電位下降之TG‧OFF白點、縱條紋、色度等之雜訊少(TG‧OFF消除輸出)之圖像。
適用於使用向上向下計數器之行ADC電路時，無需線路記憶體而可獲得雜訊少之TG‧OFF消除輸出之圖像。
通常，以高幀率施行攝像，在TG‧OFF白點等顯著之低照度之時，切換至TG‧OFF消除輸出模式時可獲得最適於各被照體之圖像。
具有此種效果之固體攝像元件可適用作為數位相機及視頻相機之攝像元件。
圖12係表示適用有關本發明之實施型態之固體攝像元件之相機系統之構成之一例之圖。
本相機系統300如圖12所示，係具有可適用本實施型態之CMOS影像感測器(固體攝像元件)100、200之攝像元件310；將入射光導入(使被照體像成像於)此攝像元件310之畫素區域之光學系統，例如使入射光(像光)成像於攝像面上之透鏡320；驅動攝像元件310之驅動電路(DRV)330；及處理攝像元件310之輸出信號之信號處理電路(PRC)340。
驅動電路330具有產生含驅動攝像元件310內之電路之起動脈衝及時鐘脈衝之各種時序信號之時序產生器(未圖示)，以特定之時序信號驅動攝像元件310。
又，信號處理電路340係對攝像元件310之輸出信號施行特定之信號處理。
信號處理電路340所處理之圖像信號例如係被記錄於記憶體等之記錄媒體。被記錄於記錄媒體之圖像資訊可被印表機等硬拷貝。又，信號處理電路340所處理之圖像信號可作為動畫被映出於液晶顯示器等所構成之監視器。
如上所述，在數位靜物相機等攝像裝置中，裝載前述之攝像元件100、200作為攝像元件310時，可實現低耗電力而高精度之相機。
1、211‧‧‧畫素
11、111‧‧‧光電變換元件
12、112‧‧‧轉送電晶體
13、113‧‧‧重置電晶體
14、114‧‧‧放大電晶體
15、115‧‧‧選擇電晶體
16、116‧‧‧信號線
20、100、200‧‧‧CMOS影像感測器
21、101‧‧‧畫素陣列部
22‧‧‧列選擇電路(畫素驅動電路或垂直驅動電路)
23‧‧‧行電路(行處理電路)
101A‧‧‧畫素電路
102‧‧‧列選擇電路(垂直驅動電路)
103‧‧‧行讀出電路(行處理電路)
104‧‧‧線路記憶體
105、260‧‧‧放大器電路
106、270‧‧‧轉送線
210‧‧‧畫素部
220‧‧‧列選擇電路
230‧‧‧內部時鐘(CLK)產生電路
240‧‧‧瞬變(RAMP)波形產生電路
250‧‧‧ADC群
251‧‧‧比較器
252‧‧‧向上向下計數器
300‧‧‧相機系統
310‧‧‧攝像元件
320‧‧‧透鏡
330‧‧‧驅動電路(DRV)
340‧‧‧信號處理電路(PRC)
CTL‧‧‧控制信號
FD‧‧‧浮動擴散層
LRST‧‧‧重置控制線
LSEL‧‧‧選擇控制線
LTx‧‧‧轉送控制線
LVDD‧‧‧電源線
RAMP‧‧‧瞬變波形
RST、RSTx‧‧‧重置信號
SEL‧‧‧位址信號(選擇信號)
SELx‧‧‧選擇信號
TG、TGx‧‧‧驅動信號
Vsig‧‧‧類比畫素信號
Vslop‧‧‧參考電壓
VSL‧‧‧類比信號電位
VSLy‧‧‧電位
圖1係表示4個電晶體所構成之CMOS影像感測器之畫素例之圖；圖2係表示圖1之畫素配置成2維陣列狀之CMOS影像感測 器(固體攝像元件)之一般的構成例之圖；圖3係用以說明一般的CMOS影像感測器之P相及D相讀出之時序圖；圖4係用以說明一般的CMOS影像感測器之P相及D相讀出之課題之圖；圖5係表示有關本發明之實施型態之CMOS影像感測器(固體攝像元件)之構成例之圖；圖6係表示有關本實施型態之4個電晶體所構成之CMOS影像感測器之畫素之一例之圖；圖7(A)、(B)係用以說明有關本實施型態之P相及D相讀出之時序圖；圖8係用以說明可切換複數之模式之固體攝像元件(CMOS影像感測器)之圖；圖9係表示有關本發明之實施型態之裝載有行並列ADC之固體攝像元件(CMOS影像感測器)之構成例之區塊圖；圖10係表示實現圖9之CMOS影像感測器之[TG‧ON信號-TG‧OFF信號]輸出之1H期間之讀出方法之時序圖；圖11係表示實現圖9之CMOS影像感測器之[TG‧ON信號-TG‧OFF信號]輸出之1H期間之另一讀出方法之時序圖；及圖12係表示適用有關本發明之實施型態之固體攝像元件之相機系統之構成之一例之圖。
RSTx‧‧‧重置信號
SELx‧‧‧選擇信號
TGx‧‧‧驅動信號
VSLy‧‧‧電位

Claims (13)

  1. 一種固體攝像元件，其係包括：畫素部，其具有複數畫素電路，每個畫素電路包含(a)輸出節點，(b)光電變換元件，其構成為將光信號變換成電性信號，並累積上述電性信號，及(c)轉送元件，其構成為藉由驅動信號而加以導通(on)、斷開(off)，在導通狀態下，將上述光電變換元件之上述電性信號轉送至上述輸出節點；畫素驅動部，其構成為執行(d)第1讀出驅動，其係藉由上述驅動信號使上述轉送元件斷開而將對應之信號線之電位下降所導致之上述輸出節點之第1信號加以輸出；及(e)第2讀出驅動，其係藉由上述驅動信號使上述轉送元件導通，而將累積之上述電性信號轉送至上述輸出節點，藉此將上述輸出節點之第2信號加以輸出；及畫素信號讀出部，其構成為輸出信號，該信號係對應於由上述第2讀出驅動所讀出之上述第2信號與由上述第1讀出驅動所讀出之上述第1信號間之差分者。
  2. 如請求項1之固體攝像元件，其中上述畫素驅動部及上述畫素信號讀出部係在讀出上述畫素之1列份之資料之期間，施行上述第1讀出驅動及上述第2讀出驅動並進行上述信號之上述輸出，該信號係對應於由上述第2讀出驅動所讀出之上述第2信號與由上述第1讀出驅動所讀出之上述第1信號間之差分者。
  3. 如請求項1之固體攝像元件，其中上述畫素信號讀出部 係包含：複數比較器，其係對應於上述畫素之行排列而加以配置，並分別比較判定讀出信號電位與參考電壓，並輸出判定結果；及複數向上向下計數器，其等係分別藉由上述比較器之輸出而控制動作，且每一個係計數對應之上述比較器之一的比較時間。
  4. 如請求項3之固體攝像元件，其中上述複數向上向下計數器係在上述第1讀出驅動時，施行向下計數或向上計數；且在上述第2讀出驅動時，施行向上計數或向下計數。
  5. 如請求項1之固體攝像元件，其係可藉由模式切換信號而施行第1模式與第2模式之相互切換；在上述第1模式時，上述畫素驅動部係僅施行上述第2讀出驅動；且上述畫素信號讀出部係輸出由上述第2讀出驅動所讀出之信號；在上述第2模式時，上述畫素驅動部係施行上述第1讀出驅動及上述第2讀出驅動；且上述畫素信號讀出部係輸出信號，該信號係對應於由上述第2讀出驅動所讀出之上述信號與上述第1讀出驅動所讀出之信號間之差分者。
  6. 一種固體攝像元件，其係包括：畫素部，其具有複數畫素電路，每個畫素電路包含(a) 輸出節點，(b)光電變換元件，其構成為將光信號變換成電性信號，並累積上述電性信號，(c)重置元件，其構成為藉由重置信號而加以導通、斷開，在導通狀態下，將上述輸出節點重置，及(d)轉送元件，其構成為藉由驅動信號而加以導通、斷開，在導通狀態下，將上述光電變換元件之上述電性信號轉送至上述輸出節點；畫素驅動部，其構成為執行：(e)第1讀出驅動，其包括(i)藉由上述重置信號使上述重置元件導通，而將上述輸出節點之信號加以輸出之重置讀出驅動，以及(ii)藉由上述驅動信號使上述轉送元件斷開，而將上述輸出節點之第1信號加以輸出之非轉送讀出驅動，該第1信號起因於對應之信號線之電位下降；及(f)第2讀出驅動，其包括(i)藉由上述重置信號使上述重置元件導通，而將上述輸出節點之上述信號加以輸出之重置讀出驅動，以及(ii)藉由上述驅動信號使上述轉送元件導通，而將上述電性信號轉送至上述輸出節點，藉此將上述輸出節點之第2信號加以輸出之轉送讀出驅動；及畫素信號讀出部，其構成為輸出信號，該信號係對應於由上述第2讀出驅動所讀出之上述第2信號與由上述第1讀出驅動所讀出之上述第1信號間之差分者。
  7. 如請求項6之固體攝像元件，其中上述畫素驅動部及上述畫素信號讀出部係在讀出上述畫素之1列份之資料之期間，施行上述第1讀出驅動及上述第2讀出驅動並進行上述信號之上述輸出，該信號係對應於由上述第2讀出 驅動所讀出之上述第2信號與由上述第1讀出驅動所讀出之上述第1信號間之差分者。
  8. 如請求項6之固體攝像元件，其中上述畫素信號讀出部係包含：複數比較器，其等係對應於上述畫素之行排列而加以配置，分別比較判定讀出信號電位與參考電壓，並輸出判定結果；及複數向上向下計數器，其等係分別藉由上述比較器之輸出而控制動作，且每一個係計數對應之上述比較器之一的比較時間。
  9. 如請求項8之固體攝像元件，其中上述複數向上向下計數器係在上述第1讀出驅動時，在上述重置讀出驅動中施行向上計數或向下計數；且在上述非轉送讀出驅動中施行向下計數或向上計數；在上述第2讀出驅動時，在上述重置讀出驅動中施行向下計數或向上計數；且在上述轉送讀出驅動中施行向上計數或向下計數。
  10. 如請求項8之固體攝像元件，其中上述複數向上向下計數器係在上述第1讀出驅動時，在上述非轉送讀出驅動中施行向下計數或向上計數；在上述第2讀出驅動時，在上述轉送讀出驅動中施行向上計數或向下計數。
  11. 如請求項6之固體攝像元件，其係可藉由模式切換信號而施行第1模式與第2模式之相互切換； 在上述第1模式時，上述畫素驅動部係僅施行上述第2讀出驅動；且上述畫素信號讀出部係輸出由上述第2讀出驅動所讀出之信號；在上述第2模式時，上述畫素驅動部係施行上述第1讀出驅動及上述第2讀出驅動；且上述畫素信號讀出部係輸出信號，該信號係對應於由上述第2讀出驅動所讀出之上述信號與由上述第1讀出驅動所讀出之信號間之差分者。
  12. 一種相機系統，其係包括：固體攝像元件；光學系統，其係使被照體像成像於上述固體攝像元件；及信號處理電路，其係處理來自上述固體攝像元件之輸出圖像信號；上述固體攝像元件係包含：畫素部，其具有複數畫素電路，每個畫素電路包含(a)輸出節點，(b)光電變換元件，其構成為將光信號變換成電性信號，並累積上述電性信號，及(c)轉送元件，其構成為藉由驅動信號而加以導通、斷開，在導通狀態下，將上述光電變換元件之上述電性信號轉送至上述輸出節點；畫素驅動部，其構成為執行(d)第1讀出驅動，其係藉由上述驅動信號使上述轉送元件斷開而將對應之信 號線之電位下降所導致之上述輸出節點之第1信號加以輸出；及(e)第2讀出驅動，其係藉由上述驅動信號使上述轉送元件導通，而將累積之上述電性信號轉送至上述輸出節點，藉此將上述輸出節點之第2信號加以輸出；及畫素信號讀出部，其構成為輸出信號，該信號係對應於由上述第2讀出驅動所讀出之上述第2信號與由上述第1讀出驅動所讀出之上述第1信號間之差分者。
  13. 一種相機系統，其係包括：固體攝像元件；光學系統，其係使被照體像成像於上述固體攝像元件；及信號處理電路，其係處理來自上述固體攝像元件之輸出圖像信號；上述固體攝像元件係包含：畫素部，其具有複數畫素電路，每個畫素電路包含(a)輸出節點，(b)光電變換元件，其構成為將光信號變換成電性信號，並累積上述電性信號，(c)重置元件，其構成為藉由重置信號而加以導通、斷開，在導通狀態下，將上述輸出節點重置，及(d)轉送元件，其構成為藉由驅動信號而加以導通、斷開，在導通狀態下，將上述光電變換元件之上述電性信號轉送至上述輸出節點；畫素驅動部，其構成為執行：(e)第1讀出驅動，其 包括(i)藉由上述重置信號使上述重置元件導通，而將上述輸出節點之信號加以輸出之重置讀出驅動，以及(ii)藉由上述驅動信號使上述轉送元件斷開，而將上述輸出節點之第1信號加以輸出之非轉送讀出驅動，該第1信號起因於對應之信號線之電位下降；及(f)第2讀出驅動，其包括(i)藉由上述重置信號使上述重置元件導通，而將上述輸出節點之上述信號加以輸出之重置讀出驅動，以及(ii)藉由上述驅動信號使上述轉送元件導通，而將上述電性信號轉送至上述輸出節點，藉此將上述輸出節點之第2信號加以輸出之轉送讀出驅動；及畫素信號讀出部，其構成為輸出信號，該信號係對應於由上述第2讀出驅動所讀出之上述第2信號與由上述第1讀出驅動所讀出之上述第1信號間之差分者。
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