TWI430661B - 固態成像裝置及相機系統 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種固態成像裝置(例如，一互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器)及一種相機系統。
實踐中廣泛地使用如此之一固態成像裝置(影像感測器)，一電荷耦合裝置(CCD)、CMOS等。
一般而言，對於固態成像裝置(例如CCD及CMOS影像感測器)，一光電轉換元件所獲得之一類比信號係使用與該固態成像裝置分開之一類比至數位(AD)轉換器轉換成欲記錄之數位資料。
目前，為增加處理速度且為減小大小，將固態成像裝置及AD轉換器整合於一個晶片或一個封裝中。
已提出各種裝置(例如，參見第2006-340044、2006-80861及2003-234967號日本未經審查專利申請公開案)作為以高速運作之固態成像裝置。
第2006-340044號日本未經審查專利申請公開案中所揭示之固態成像裝置不僅整合了一個或多個AD轉換器且亦以一行平行方式整合了數千個AD轉換器，從而產生高速。
第2006-80861號日本未經審查專利申請公開案中所揭示之固態成像裝置包含一行平行取樣及保持電路，其中複數個行共用一管線式AD轉換器，從而產生高速。
第2003-234967號日本未經審查專利申請公開案中所揭示之固態成像裝置亦包含該行平行取樣及保持電路且使用該管線式AD轉換器，類似於上文所闡述之第2006-80861號日本未經審查專利申請公開案中所揭示之技術。
第2006-340044號日本未經審查專利申請公開案中所揭示之固態成像裝置以如第2006-340044號日本未經審查專利申請公開案之圖1中所顯示之行平行方式整合了數千個AD轉換器。
因此，在固態成像裝置中，AD轉換器之數目以及佔用面積及功率消耗隨解析度增加而增加。
此外，為減小固態成像裝置中之一單元AD轉換器之大小，難以使用具有一大佔用面積同時大體以高速運作之管線式AD轉換器，因而使用一相對低速連續近似型AD轉換器等。
因此，儘管已藉由平行化獲得固態成像裝置之高速，但仍存在佔用面積及功率消耗增加且處理速度之增加受限之問題。
藉由提供行平行取樣及保持電路，第2006-80861號日本未經審查專利申請公開案中所揭示之固態成像裝置使複數個行能夠共用AD轉換器且使自成像裝置讀取一信號之一時間週期與AD轉換之一時間週期重疊。
然而，當使用如第2006-340044號日本未經審查專利申請公開案中所使用之此一連續近似型AD轉換器時，每一行在由先前行執行之AD轉換完成之後開始一過程，且因此處理速度根據行之數目而降低。
此外，第2006-80861號日本未經審查專利申請公開案中所揭示之固態成像裝置使用管線式AD轉換器以一高輸出量執行AD轉換，藉此藉由在複數個行中共用該管線式AD轉換器來增加一面積效率及處理速度。
然而，由於用於類比信號之額外取樣及保持電路通常在每一行中使用一大電容元件，因此佔用面積之一增加不可忽略不計。
此外，由於取樣及保持電路產生一熱雜訊(kT/C雜訊)，從而添加樣本及保持裝置使一影像品質降級。
然而，並非所有管線級一直運作，且因此AD轉換器之一作業率降低，從而當讀取或取樣及保持之時間週期係長時幾乎不顯示高速效能。
第2003-234967號日本未經審查專利申請公開案中所揭示之固態成像裝置亦涉及與第2006-80861號日本未經審查專利申請公開案中所揭示之固態成像裝置相同之此一缺點。
亦即，其中複數個行共用AD轉換器之組態提供如AD轉換器之佔用面積及功率消耗之降低以及使用高速管線式AD轉換器之可能性等優點。
另一方面，用於上述組態之取樣及保持電路不僅(1)增加佔用面積，且亦(2)變為使影像品質降級之一雜訊源。此外，仍存在另一缺點，其在於AD轉換器之作業率降低且因此(3)難以自AD轉換器充分地獲得高速效能。
因此，期望提供消除任一取樣及保持電路且可防止由增加之雜訊所導致的影像品質之降級、佔用面積之增加及處理速度之降低的一固態成像裝置及一相機系統。
根據本發明之一實施例之一固態成像裝置包含：一像素陣列區段，其經組態以包含配置成一二維陣列之一形式之複數個像素，該複數個像素具有將一光學信號轉換成一電信號之一光電轉換功能；一像素驅動線，其經組態以控制驅動配置於對應於該等像素之一列配置之每一列中之該等像素；一信號線，其經組態以讀出配置於對應於該等像素之一行配置之每一行中之該等像素之一讀出信號；一像素驅動單元，其經組態以驅動該等像素以便經由該像素驅動線執行一讀出；及一讀出電路，其經組態以具有將自該信號線接收之一類比信號轉換成一數位信號之一功能。至少佈線於每一列中之像素驅動線之數目或佈線於每一行中之信號線之數目係多於一個。一像素群組係由該像素陣列區段中之複數個像素形成，像素之數目係由佈線於每一列中之像素驅動線之該數目及佈線於每一行中之信號線之該數目確定。該像素群組中之該等像素係連接至該等像素驅動線或該等信號線之不同線。該像素驅動單元以一經移位相位之若干時序依序驅動該像素群組中之該等像素以經由該等信號線中之一對應信號線讀出該類比信號。該讀出電路包含一類比至數位轉換器，該類比至數位轉換器經組態以藉由該複數個該等信號線依序接收自該像素群組讀出之類比信號且將該等類比信號依序轉換成數位信號。
根據本發明之另一實施例之一相機系統包含：一固態成像裝置；一光學系統，其經組態以在該固態成像裝置上形成一目標影像；及一信號處理電路，其經組態以處理自該固態成像裝置輸出之一影像信號。該固態成像裝置包含：一像素陣列區段，其經組態以包含配置成一二維陣列之一形式之複數個像素，該複數個像素具有將一光學信號轉換成一電信號之一光電轉換功能；一像素驅動線，其經組態以控制驅動配置於對應於該等像素之一列配置之每一列中之該等像素；一信號線，其經組態以讀出配置於對應於該等像素之一行配置之每一行中之該等像素之一讀出信號；一像素驅動單元，其經組態以驅動該等像素以便經由該像素驅動線執行一讀出；及一讀出電路，其經組態以具有將自該信號線接收之一類比信號轉換成一數位信號之一功能。至少佈線於每一列中之像素驅動線之數目或佈線於每一行中之信號線之數目係多於一個。一像素群組係由該像素陣列區段中之複數個像素形成，像素之數目係由佈線於每一列中之像素驅動線之該數目及佈線於每一行中之信號線之該數目確定。該像素群組中之該等像素係連接至該等像素驅動線或該等信號線之不同線。該像素驅動單元以一經移位相位之若干時序依序驅動該像素群組中之該等像素以經由該等信號線中之一對應信號線讀出該類比信號。該讀出電路包含一類比至數位轉換器，該類比至數位轉換器經組態以藉由該複數個該等信號線依序接收自該像素群組讀出之類比信號且將該等類比信號依序轉換成數位信號。
根據本發明之實施例，消除任何取樣及保持電路，且可防止由增加之雜訊所引起之影像品質之降級、佔用面積之增加及處理速度之降低。
下文將結合附圖以如下次序解釋本發明之實施例。
1. 實施例(固態成像裝置之第一實例性組態)
2. 另一實施例(固態成像裝置之第二實例性組態)
3. 又一實施例(固態成像裝置之第三實例性組態)
4. 再一實施例(固態成像裝置之第四實例性組態)
5. 再一實施例(相機系統之實例性組態)
<1. 實施例>
圖1圖解說明根據本發明之一實施例之一固態成像裝置之組態之一實例。
下文使用一互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器100作為一固態成像裝置來解釋此實施例。
CMOS影像感測器100包含一像素陣列區段110、用作一像素驅動單元之一列掃描電路120、一多工器群組130、一管線式AD轉換器群組140、一記憶體陣列群組150及一水平選擇電路160。
一讀出電路係由多工器群組130、管線式AD轉換器群組140、記憶體陣列群組150及水平選擇電路160形成。
像素陣列區段110包含經組態以執行一光電轉換之複數個像素電路110a，該複數個像素電路配置成M列×N行之一二維陣列(矩陣)之一形式。
作為一實例，圖1顯示其中像素電路110a係配置成一10×10矩陣之一形式之像素陣列區段110。
在該實施例中，每一列中配置經組態以驅動每一像素列之複數個水平像素驅動線k(k0至k3)，且水平像素驅動線k0至k3連接至該對應列中之像素中之一者。
與配置於每一列中之水平像素驅動線k0至k3之數目相同之數目個像素電路110a形成像素群組PG0、PG1、...。
像素群組PG0、PG1、...中之複數個像素電路110a連接至不同水平像素驅動線k0至k3。
經組態以自一像素讀出一輸出信號之一垂直信號輸出線vsl亦連接至每一行，且複數個行共用一單個AD轉換器。
圖2圖解說明根據實施例之包含四個電晶體之一CMOS影像感測器之一像素之一實例。
像素電路110a包含一光電轉換元件111，其包含(例如)一光電二極體(PD)。
像素電路110a進一步包含四個電晶體，包含作為一單個光電轉換元件111之主動元件之一傳送電晶體112、一重置電晶體113、一放大電晶體114及一選擇電晶體115。
光電轉換元件111將一入射光以光電方式轉換成對應於該光之量的量的電荷(在此情形下，為電子)。
傳送電晶體112連接於光電轉換元件111與一浮動擴散FD(其用作一輸出節點)之間，且其閘極(傳送閘極)經由一傳送控制線LTRG接收一傳送信號TRG(其用作一控制信號)。
此使傳送電晶體112能夠將由光電轉換元件111以光電方式轉換之電子傳送至浮動擴散FD。
重置電晶體113連接於一電力線LVREF與浮動擴散FD之間，且其閘極經由一重置控制線LRST接收一重置信號RST(其用作控制信號)。
此使重置電晶體113能夠將浮動擴散FD之一電位重置至電力線LVREF之電位。
放大電晶體114之一閘極連接至浮動擴散FD。放大電晶體114經由選擇電晶體115連接至垂直信號輸出線vsl以連同位於該像素區段外部之一恆定電流源一起形成一源極隨耦器。
對應於一位址信號之一選擇信號SEL(其用作控制信號)經由一選擇控制線LSEL被提供至選擇電晶體115之一閘極以接通選擇電晶體115。
當接通選擇電晶體115時，放大電晶體114放大浮動擴散FD之電位且將對應於該電位之電壓輸出至垂直信號輸出線vsl。
自每一像素輸出之一電壓經由垂直信號輸出線vsl輸入至行讀出電路之多工器群組130中之一對應多工器。
一組重置控制線LRST、傳送控制線LTRG及選擇控制線LSEL(其每一者皆佈線至像素陣列區段110)形成水平像素驅動線k0至k3(其等係每一列中之複數個佈線)。
換言之，水平像素驅動線k0係由一重置控制線LRST0、一傳送控制線LTRG0及一選擇控制線LSEL0之三個控制線形成。
以相同方式，水平像素驅動線k1係由一重置控制線LRST1、一傳送控制線LTRG1及一選擇控制線LSEL1之三個控制線形成。
水平像素驅動線k2係由一重置控制線LRST2、一傳送控制線LTRG2及一選擇控制線LSEL2之三個控制線形成。
水平像素驅動線k3係由一重置控制線LRST3、一傳送控制線LTRG3及一選擇控制線LSEL3之三個控制線形成。
在根據實施例之像素陣列區段110中，在每一列中佈線四個水平像素驅動線k0至k3。
根據此，每一列中之像素電路110a之四個連續行分別連接至水平像素驅動線k0至k3。接著，像素電路之以下四個連續行分別連接至水平像素驅動線k0至k3。
以圖1中之第零列為例，第零行中之一像素電路110a-0連接至水平像素驅動線k0，且第一行中之一像素電路110a-1連接至水平像素驅動線k1。此外，第二行中之一像素電路110a-2連接至水平像素驅動線k2，第三行中之一像素電路110a-3連接至水平像素驅動線k3。
第四行中之一像素電路110a-4連接至水平像素驅動線k0，且第五行中之一像素電路110a-5連接至水平像素驅動線k1。此外，第六行中之一像素電路110a-6連接至水平像素驅動線k2，且第七行中之一像素電路110a-7連接至水平像素驅動線k3。
以下像素電路以相同方式連接。
簡言之，根據實施例，當x個水平像素驅動線連接至每一列時，像素電路之x個連續行被視為每一列中之一單個列像素群組PG0、PG1、...，且像素電路110a連接至每一列像素群組中之不同水平像素驅動線。
可能以重疊週期之不同時序讀出沿一行方向之複數個像素群組。
根據實施例，用於讀出之一水平同步信號之一相位在該複數個像素群組中因不同像素而不同，藉此可共用一單個AD轉換器來讀出複數個像素。
列掃描電路120驅動包含重置控制線LRST、傳送控制線LTRG及選擇控制線LSEL之水平像素驅動線k0至k3以在沿行方向之複數個像素群組中以重疊週期之不同時序讀出。
列掃描電路120控制配置於像素陣列區段110之一任意列處之像素電路110a之一作業。列掃描電路120經由控制線LSEL、LRST及LTRG控制每一像素電路110a。
多工器群組130包含對應於像素陣列區段110中之列像素群組PG0、PG1、...而安置之多工器130-0、130-1、...。
多工器130-0、130-1、...中之每一者與x個(在此實例中，為四個)垂直信號輸出線vsl連接以被連接至每一列像素群組PG0、PG1、...中之每一像素電路110a。
如上文所闡述，根據實施例，由於一起佈線於每一列中之水平像素驅動線k0至k3之讀出之時序係不同的，因此移位由x個垂直信號輸出線vsl讀取之類比信號之讀出時序。
多工器130-0、130-1、...依序選擇由x個所連接之垂直信號輸出線vsl讀取之一類比信號VSL，且將該類比信號VSL傳送至管線式AD轉換器群組140中之對應AD轉換器。
多工器130-0、130-1、...中之每一者包含連接至x個垂直信號輸出線vsl之開關SW0至SW3。
藉由對應於一起佈線於每一列中之水平像素驅動線k0至k3之讀出之時序之選擇信號m0至m3依序接通及關斷開關SW0至SW3。
在圖1中，多工器130-0之開關SW0連接至第零行中之一垂直信號輸出線vsl0，且開關SW1連接至第一行中之一垂直信號輸出線vsl1。此外，多工器130-0之開關SW2連接至第二行中之一垂直信號輸出線vsl2，且開關SW3連接至第三行中之一垂直信號輸出線vsl3。
多工器130-1之一開關SW0連接至第四行中之一垂直信號輸出線vsl4，且一開關SW1連接至第五行中之一垂直信號輸出線vsl5。此外，多工器130-1之一開關SW2連接至第六行中之一垂直信號輸出線vsl6，且一開關SW3連接至第七行中之一垂直信號輸出線vsl7。
管線式AD轉換器群組140包含對應於多工器群組130之多工器130-0、130-1、...(其等係對應於列像素群組PG0、PG1、...而安置)而安置之AD轉換器140-0、140-1、...。
AD轉換器140-0、140-1、...中之每一者能夠進行所謂的一管線式作業，其包含複數個級以便依序接收輸入。
圖3圖解說明一典型管線式AD轉換器之組態之一實例。
圖3中所顯示之管線式AD轉換器包含n個級141-0至141-(n-1)。
每一級141(-0至-(n-1))包含一取樣及保持電路(SHA)1411(其對來自先前級之一輸出進行取樣)、一k位元AD轉換器1412及一數位-類比轉換器(DAC)1413。
每一級141(-0至-(n-1))進一步包含一類比加法器及減法器1414以及一放大器1415。
每一級之一轉換位元率可係任一等級，例如1個位元、1.5個位元以設置兩個臨限值且輸出三個值及2個位元以設置三個臨限值，且該轉換位元率通常可相對於每一級而不同。
舉例而言，當每一級之轉換位元率係1個位元時，四個或十六個級之一管線式組態形成一16位元AD轉換器。在此情形下，在完成第一級處之1位元AD轉換之後，將信號傳輸至下一級，且因此第一級可接收下一輸入信號。
期望將水平像素驅動線k0至k3之讀出之時序依序移位對應於管線式AD轉換器之輸出量之一時間。
記憶體陣列群組150被劃分為記憶體150-0、150-1、...，其等包含對應於管線式AD轉換器群組140中之AD轉換器140-0、140-1、...之m個(在此實例中，為四個)記憶體M0至M3。
記憶體群組150-0、150-1、...中之每一者中之四個記憶體M0至M3將自AD轉換器140-0、140-1、...中之對應AD轉換器接收之數位資料儲存(鎖存)於其中。
水平選擇電路160包含一水平掃描電路161、一水平傳送線162及安置於記憶體群組150-0、150-1、...之記憶體M0至M3之讀出埠與水平傳送線162之間的選擇線LS10至LS17。
水平選擇電路160包含用以選擇性地驅動開關SW10至SW17、...之選擇線LS10至LS17、...。
水平掃描電路161依序驅動選擇線LS10至LS17、...以控制開關SW10至SW17、...接通及關斷且使水平傳送線162自記憶體群組150-0、150-1、...中之記憶體M0至M3讀出資料。
由水平傳送線162傳送之資料係經由一放大器(未顯示)輸入至一信號處理器以形成一二維影像。
圖4係由根據實施例之CMOS影像感測器執行之一像素讀出及一AD轉換作業之一時序圖。
圖5係由根據實施例之CMOS影像感測器執行之像素讀出及AD轉換作業之另一時序圖。
圖6圖解說明驅動根據實施例之整個CMOS影像感測器之一實例。圖6顯示像素讀出、多工器之一選擇作業及AD轉換作業之時序。
如上文所闡述，根據實施例，每一列中佈線有四個水平像素驅動線k0至k3。用於多工器130(其切換用於共用AD轉換器之輸出信號)之選擇信號(脈衝信號)表示為m0至m3。
在根據實施例之CMOS影像感測器100中，每一列中佈線有複數個水平像素驅動線，且每一行中佈線有一單個垂直信號輸出線。
一起佈線於每一列中之該複數個(在此實例中，為四個)水平像素驅動線k0、k1、k2及k3連接至不同行中之像素，且能夠藉由列掃描電路120以不同時序驅動該等像素。
由列掃描電路120驅動，如圖4至6中所顯示，水平像素驅動線k0、k1、k2及k3相對於每一行在不同相位處開始第i像素列之讀出。換言之，列掃描電路120以移位一相位ph之時序驅動並讀出像素群組PG之四個像素。
在完成該讀出之後，將由經組態以選擇一行來輸出一像素且自該像素讀取之多工器130-0、130-1、...選擇之類比信號輸入至管線式AD轉換器140-0、140-1、...。
根據實施例，像素陣列區段110中之複數個(在此實例中，為四個)行共用一單個AD轉換器，且由列掃描電路120等移位用以讀出該等共用像素之時序之相位。
此允許根據實施例之CMOS影像感測器100消除取樣及保持電路，藉此減少用於取樣及保持電路之電路佔用面積且防止因由取樣及保持電路產生之一熱雜訊(kT/C雜訊)所致的影像品質之降級。
此外，由於不花費時間來取樣及保持，因此可藉由增加AD轉換器之一作業率(藉由使讀出時間與共用AD轉換器之像素驅動線之數目相匹配)達成一高訊框率。
<2. 另一實施例>
圖7圖解說明根據本發明之另一實施例之一固態成像裝置(CMOS影像感測器)之組態之一實例。
根據該另一實施例之一CMOS影像感測器100A與根據較早所闡述之實施例之CMOS影像感測器100之不同在於每一列中佈線有一單個水平像素驅動線k且每一行中佈線有複數個(在此實例中，為四個)垂直信號輸出線vsl。
CMOS影像感測器100A包含佈線於每一行中之四個垂直信號輸出線，且垂直信號輸出線vsl0至vsl3之每四個列連接至像素電路110a中之每一者。
每一行中佈線有垂直信號輸出線vsl0至vsl3，且垂直信號輸出線vsl0至vsl3共用一單個AD轉換器。
在此情形下，沿行方向之四個連續像素形成一像素群組PGA，且一列掃描電路120A在經移位相位處驅動及讀取像素群組PGA中之每一像素。
圖8係由根據實施例之CMOS影像感測器執行之一像素讀出及一AD轉換作業之一時序圖。
圖9圖解說明驅動根據實施例之整個CMOS影像感測器之一實例。圖9顯示像素讀出、多工器之一選擇作業及AD轉換作業之時序。
如上文所闡述，根據實施例，每一行中佈線有四個垂直信號輸出線vsl0至vsl3(作為一實例)。此外，用於多工器130A-0至130A-10(N)(其切換用於共用AD轉換器之輸出信號)之選擇信號(脈衝信號)表示為m0至m3。
藉由選擇信號m0至m3依序接通及關斷多工器130A-0至130A-N以選擇由垂直信號輸出線vsl0至vsl3讀取之類比信號且將該等類比信號等輸出至對應AD轉換器140A-0至140A-10(N)。
根據實施例，佈線於每一行中之該複數個垂直信號輸出線vsl共用一單個AD轉換器。
舉例而言，第i列、第(i+1)列、第(i+2)列及第(i+3)列係以重疊週期之不同時序讀出，且係分別輸出至相同像素行中之垂直信號輸出線vsl0至vsl3。
其等係由一多工器130A-i以讀出時序選擇且係輸入至一AD轉換器140A-i，藉此可實現如圖8中所顯示之驅動作業。
在一水平選擇電路160A中，開關SW10A至SW17A中之每一者包含四個開關。
根據此實施例，可獲得類似於較早所闡述之實施例之效應的一效應。
<3. 又一實施例>
圖10圖解說明根據本發明之又一實施例之一固態成像裝置(CMOS影像感測器)之組態之一實例。
根據該又一實施例之一CMOS影像感測器100B包含與根據較早所闡述之實施例之CMOS影像感測器100及CMOS影像感測器100A之彼等組態組合的一像素讀出組態。
根據該又一實施例，在相同時間週期內共用一單個管線式AD轉換器之像素可係配置成一二維矩陣之任意n×m個像素。
在根據實施例之CMOS影像感測器100B中，每一列中佈線有複數個(在此實例中，為四個)水平像素驅動線k，且每一行中佈線有複數個(在此實例中，為四個)垂直信號輸出線vsl。
在CMOS影像感測器100B中，舉例而言，在一4×4像素群組PGB0之情形下，在移位ph量之相位處自指派給圖10中所顯示之像素電路110a之參考編號1至3讀出像素。
回應於經移位相位處之讀出之完成，一多工器130B-0選擇一AD轉換器140B-0之一輸入。
將由AD轉換器轉換之數位信號儲存於記憶體150B-0及150B-1中，且接著由一水平選擇電路160B依序選擇及輸出該等數位信號。
根據實施例，複數個行中之複數個垂直信號輸出線共用一單個類比至數位轉換器。
圖11圖解說明驅動根據實施例之整個CMOS影像感測器之一實例。圖11顯示像素讀出、多工器之一選擇作業及AD轉換作業之時序。
如上文所闡述，本文中假定AD轉換器140B-0及140B-1中之每一者包含16個級，且4×4個像素形成像素群組PGB0及PGB1中之每一者。
如圖10中所顯示，每一列中佈線有四個水平像素驅動線k0、k1、k2及k3，且每一行中佈線有四個垂直信號輸出線vsl0至vsl3。
每一組4×4或十六個垂直信號輸出線係由多工器130B-0及130B-1選擇且係輸入至AD轉換器140B-0及140B-1。多工器130B-0及130B-1基於選擇信號(脈衝信號)m0、m1、m2、...及m15選擇垂直信號輸出線vsl。
一列掃描電路120B在經移位相位處依序開始對每一列中之水平像素驅動線k0至k3之讀出作業，且在完成基於選擇信號m0至m15之讀出之後將信號依序輸入至AD轉換器140B-0及140B-1。
在第一級AD STAGE #1處處理輸入至AD轉換器140B-0及140B-1之信號，且接著將其傳送至後一級AD STAGE(#2、#3、...)。
由於一旦將先前信號傳送至下一級即可接收後面的輸入信號，因此藉由使讀出之相位移位與級AD STAGE之循環相匹配，可在不使用一取樣及保持電路之情形下實現複數個列對AD轉換器之共用及高速處理。
<4. 再一實施例>
圖12圖解說明根據本發明之再一實施例之一固態成像裝置(CMOS影像感測器)之組態之一實例。
根據該實施例之一CMOS影像感測器100C採用一讀出電路之另一配置，該讀出電路包含一多工器群組130C、一AD轉換器群組140C、一記憶體群組150C及一水平選擇電路160C。
可將AD轉換器等安置於像素陣列區段上面及下面，且可藉由貫通通孔及凸塊連接使用電路之一層壓結構(三維結構)而在以二維方式排列之像素之單元中共用AD轉換器。
使用該三維結構在以二維方式排列之像素之單元中共用AD轉換器使得能針對有限數目個經佈線之線達成一高度平行AD轉換，藉此實現一較快成像。
在兩個或更多個層之層壓結構中，可藉由任一邊界將像素陣列區段110C(光偵測器部分)之後的級中的多工器群組130C、AD轉換器群組140C、記憶體群組150C及包含水平選擇電路160C之讀出電路分成該等層。
圖12圖解說明分成兩個層之CMOS影像感測器100C之組態之一實例。
上文已給出對根據本發明之四個實施例之固態成像裝置(CMOS影像感測器)之解釋。
對於一典型影像感測器，由於光係自一佈線層之一側發射至一光接收單元(光電二極體)，因此隨著佈線之數目在每一列及每一行中增加，一孔徑比可降低或該光可被該佈線層散射，藉此不利地降低敏感度。
可藉由採用其中光係在與該佈線層相對之一表面(下文稱為一背表面)上輻照至該光接收單元之一結構來避免因佈線之增加所致的孔徑比之降低及佔用面積之增加。
圖13係一典型背照型CMOS影像感測器之一簡化橫截面圖。
一CMOS影像感測器200包含一背照型結構，其中一佈線層220形成於形成有一光電二極體211之一矽層210之一表面上且一可見光進入矽層210之另一側，亦即，與佈線層220相對之一表面(背表面)。
此結構消除由於佈線而對光接收表面之一考量，從而允許佈線之較靈活性。
在圖13中，一參考編號230表示一基板支撐材料，一參考編號241表示由SiO2
形成之一絕緣膜，一參考編號242表示一光遮蔽膜，一參考字元242a表示一孔口，一參考編號243表示一絕緣膜，一參考編號244表示一濾色器，且一參考編號245表示一微透鏡。
如上文所闡述，該等實施例提供以下效應。
對於該固態成像裝置，可在一小佔用面積及一低雜訊之情形下執行一高速類比至數位轉換。
此外，藉由使用其中光進入與佈線層相對之背表面之一背照型成像設備，可將水平像素驅動線或垂直信號輸出線佈線於一像素域上，藉此避免因佈線之增加所致的孔徑比之降低及佔用面積之增加。
圖14A及14B圖解說明可藉由本發明之實施例減少之一雜訊及一佔用面積。
以具有八百萬個像素(4,000行×2,000列)(其中每一像素之一面積為2 μm×2 μm)之一影像感測器作為一實例。
出於簡化目的，假定取樣及保持電路之一容量係每1 μm2
1 fF且元件之間不存在分離或佈線區域。
圖14A顯示取樣及保持電路所使用之容量對取樣及保持電路所產生之雜訊量以及取樣及保持電路所佔據之面積。
圖14B顯示取樣及保持電路與像素域之面積比對取樣及保持電路之雜訊比(假定讀出雜訊之一典型值為150 μVrms)。
雖然可藉由增加容量來減少雜訊，但取樣及保持電路所產生之雜訊佔總雜訊之10%至30%，其使影像品質顯著降級。
此外，為將雜訊減少至總雜訊之約10%，應佔據成像面積之數倍，此係不現實的。
允許用於取樣及保持電路之一面積實際上可為成像面積之約20%，此意指雜訊之約30%係由取樣及保持電路產生。
由於本發明之實施例消除任一取樣及保持電路，因此取樣及保持電路不增加面積及雜訊，藉此達成具有一小佔用面積及一低雜訊之一高速成像。
可將展示出此等效應之一固態成像裝置作為一成像裝置應用至一數位相機及一視訊相機。
<5. 再一實施例>
圖15圖解說明根據本發明之再一實施例之固態成像裝置所應用至的一相機系統之組態之一實例。
如圖15中所顯示，一相機系統300包含一成像裝置310，如可使用CMOS影像感測器(固態成像裝置)100、100A、100B或100C之成像裝置。
相機系統300進一步包含將一入射光引入至成像裝置310之像素域(在成像裝置310之像素域上形成一目標影像)之一光學系統，例如將入射光(影像光)聚焦於一成像表面上之一透鏡320。
相機系統300包含驅動成像裝置310之一驅動電路(DRV)330及處理來自成像裝置310之一輸出信號之一信號處理電路(PRC)340。
驅動電路330包含產生各種時序信號之一時序產生器(未顯示)並基於一預定時序信號驅動成像裝置310，該等時序信號包含用於驅動成像裝置310中之電路之一開始脈衝及一時脈脈衝。
信號處理電路340對來自成像裝置310之輸出信號執行一預定信號處理。
將由信號處理電路340處理之一影像信號記錄於一記錄媒體(例如，一記憶體)上。記錄於該記錄媒體上之影像資訊由一列印機等以硬複本形式輸出。由信號處理電路340處理之影像信號可作為一移動影像以其他方式顯示於包含一液晶顯示器等之一監視器上。
如上文所闡述，藉由使用較早所闡述之成像裝置100、100A、100B或100C作為一成像設備(例如，一數位靜物相機)中之成像裝置310，可獲得具有一低功率消耗之一高精度相機。
本申請案含有與揭示於2009年4月8日在日本專利局提出申請之日本優先權專利申請案JP 2009-094110中之標的物相關之標的物，該申請案之全部內容特此以引用方式併入本文中。
熟習此項技術者應理解，可視設計要求及其他因素而作出各種修改、組合、子組合及變更，只要其在隨附申請專利範圍及其等效內容之範疇內即可。
100．．．互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器
100A．．．CMOS影像感測器
100B．．．CMOS影像感測器
100C．．．CMOS影像感測器
110．．．像素陣列區段
110a．．．像素電路
110C．．．像素陣列區段
110a-0．．．像素電路
110a-1．．．像素電路
110a-2．．．像素電路
110a-3．．．像素電路
110a-4．．．像素電路
110a-5．．．像素電路
110a-6．．．像素電路
110a-7．．．像素電路
111．．．光電轉換元件
112．．．傳送電晶體
113．．．重置電晶體
114．．．放大電晶體
115．．．選擇電晶體
120．．．列掃描電路
120A．．．列掃描電路
120B．．．列掃描電路
130．．．多工器群組
130A．．．多工器
130-0．．．多工器
130-1．．．多工器
130A-0．．．多工器
130B-0．．．多工器
130A-10(N)．．．多工器
140．．．管線式AD轉換器群組
140-0．．．管線式AD轉換器
140A-0．．．AD轉換器
140B-0．．．AD轉換器
140B-1．．．AD轉換器
140A-10(N)．．．AD轉換器
140-1．．．管線式AD轉換器
141-0．．．級
141-1．．．級
141-j．．．級
141-(n-1)．．．級
150．．．記憶體陣列群組
150-0．．．記憶體
150-1．．．記憶體
150B-0．．．記憶體
150B-1．．．記憶體
160．．．水平選擇電路
160A．．．水平選擇電路
160B．．．水平選擇電路
161．．．水平掃描電路
162．．．水平傳送線
200．．．CMOS影像感測器
210．．．矽層
211．．．光電二極體
220．．．佈線層
230．．．基板支撐材料
241．．．絕緣膜
242．．．光遮蔽膜
242a．．．孔口
243．．．絕緣膜
244．．．濾色器
245．．．微透鏡
300．．．相機系統
310．．．成像裝置
320．．．透鏡
330．．．驅動電路(DRV)
340．．．信號處理電路(PRC)
1411．．．取樣及保持電路(SHA)
1412．．．k位元AD轉換器
1413．．．數位-類比轉換器(DAC)
1414．．．類比加法器及減法器
1415．．．放大器
k0．．．水平像素驅動線
k1．．．水平像素驅動線
k2．．．水平像素驅動線
k3．．．水平像素驅動線
LS10．．．選擇線
LS11．．．選擇線
LS12．．．選擇線
LS13．．．選擇線
LS14．．．選擇線
LS15．．．選擇線
LS16．．．選擇線
LS17．．．選擇線
M0．．．記憶體
M1．．．記憶體
M2．．．記憶體
M3．．．記憶體
PG0．．．像素群組
PGB0．．．像素群組
PGB1．．．像素群組
PG1．．．像素群組
SW0．．．開關
SW1．．．開關
SW2．．．開關
SW3．．．開關
SW10．．．開關
SW10A．．．開關
SW11．．．開關
SW12．．．開關
SW13．．．開關
SW14．．．開關
SW15．．．開關
SW16．．．開關
SW17．．．開關
vsl0．．．垂直信號輸出線
vsl1．．．垂直信號輸出線
vsl2．．．垂直信號輸出線
vsl3．．．垂直信號輸出線
vsl4．．．垂直信號輸出線
vsl5．．．垂直信號輸出線
vsl6．．．垂直信號輸出線
vsl7．．．垂直信號輸出線
圖1圖解說明根據本發明之一實施例之一固態成像裝置之組態之一實例；
圖2圖解說明根據實施例之包含四個電晶體之一CMOS影像感測器之一像素之一實例；
圖3圖解說明一典型管線式AD轉換器之組態之一實例；
圖4係由根據實施例之CMOS影像感測器執行之一像素讀出及一AD轉換作業之一時序圖；
圖5係由根據實施例之CMOS影像感測器執行之像素讀出及AD轉換作業之另一時序圖；
圖6係像素讀出、一多工器之一選擇作業及AD轉換作業之一時序圖，其圖解說明驅動根據實施例之整個CMOS影像感測器之一實例；
圖7圖解說明根據本發明之另一實施例之一固態成像裝置(CMOS影像感測器)之組態之一實例；
圖8係由根據該另一實施例之CMOS影像感測器執行之一像素讀出及一AD轉換作業之一時序圖；
圖9圖解說明驅動根據該另一實施例之整個CMOS影像感測器之一實例；
圖10圖解說明根據本發明之又一實施例之一固態成像裝置(CMOS影像感測器)之組態之一實例；
圖11圖解說明驅動根據該又一實施例之整個CMOS影像感測器之一實例；
圖12圖解說明根據本發明之再一實施例之一固態成像裝置(CMOS影像感測器)之組態之一實例；
圖13係一典型背照型CMOS影像感測器之一簡化橫截面圖；
圖14A及14B圖解說明可藉由本發明之實施例減少之一雜訊及一佔用面積；且
圖15圖解說明根據本發明之一實施例之固態成像裝置所應用至的一相機系統之組態之一實例。
100．．．互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器
110．．．像素陣列區段
110a．．．像素電路
110a-0．．．像素電路
110a-1．．．像素電路
110a-2．．．像素電路
110a-3．．．像素電路
110a-4．．．像素電路
110a-5．．．像素電路
110a-6．．．像素電路
110a-7．．．像素電路
120．．．列掃描電路
130．．．多工器群組
130-0．．．多工器
130-1．．．多工器
140．．．管線式AD轉換器群組
140-0．．．管線式AD轉換器
140-1．．．管線式AD轉換器
150．．．記憶體陣列群組
150-0．．．記憶體
150-1．．．記憶體
160．．．水平選擇電路
161．．．水平掃描電路
162．．．水平傳送線
k0．．．水平像素驅動線
k1．．．水平像素驅動線
k2．．．水平像素驅動線
k3．．．水平像素驅動線
LS10．．．選擇線
LS11．．．選擇線
LS12．．．選擇線
LS13．．．選擇線
LS14．．．選擇線
LS15．．．選擇線
LS16．．．選擇線
LS17．．．選擇線
M0．．．記憶體
M1．．．記憶體
M2．．．記憶體
M3．．．記憶體
PG0．．．像素群組
PG1．．．像素群組
SW0．．．開關
SW1．．．開關
SW2．．．開關
SW3．．．開關
SW10．．．開關
SW11．．．開關
SW12．．．開關
SW13．．．開關
SW14．．．開關
SW15．．．開關
SW16．．．開關
SW17．．．開關
vs10．．．垂直信號輸出線
vs11．．．垂直信號輸出線
vs12．．．垂直信號輸出線
vs13．．．垂直信號輸出線
vs14．．．垂直信號輸出線
vs15．．．垂直信號輸出線
vs16．．．垂直信號輸出線
vs17．．．垂直信號輸出線
Claims (6)
- 一種固態成像裝置，其包括：一像素陣列區段，其具有配置成一具有列與行之二維陣列之複數個像素，每一像素具有將一光學信號轉換成一電信號之一光電轉換功能，該像素陣列經子劃分為複數個像素群組；一像素驅動單元，其經組態以控制於每一經選定群組中該等像素之驅動，該像素驅動單元具有與在一列基礎上之該等像素相關聯之個別像素驅動線；信號線，其與在一行基礎上之該等像素相關聯且經組態以傳送自經選定像素讀出之電信號；一多工器電路，其經組態以選擇自該等像素用於電信號之讀出之信號線；及一讀出電路，其包括該多工器電路、一水平掃描電路，其可操作以驅動該多工器電路、及每一像素群組之一個別類比至數位轉換器，其經組態以將自該等信號線接收之一類比信號轉換成一數位信號；其中至少佈線於每一列中之像素驅動線之數目或佈線於每一行中之信號線之數目係多於一個，該等像素群組係由該像素陣列區段中之複數個像素形成，該複數個像素之數目係由佈線於每一列中之像素驅動線之數目及佈線於每一行中之信號線之數目而確定，且在每一像素群組中之該等像素係連接至該等像素驅動線或該等信號線之不同線， 對於每一經選定像素群組，該像素驅動單元以一經移位相位之重疊時序依序驅動該像素群組中之該等像素以經由該等信號線中之一對應信號線讀出該類比信號，對於每一經選定群組，以具有該經移位相位之時序之該多工器電路而類似地選擇與其相關聯之該等信號線，對於每一經選定像素群組，該類比至數位轉換器經組態以藉由該複數個該等信號線依序接收自該像素群組讀出之該等電信號且將該等類比信號依序轉換成數位信號，該類比至數位轉換器係一管線式類比至數位轉換器，其包括複數個級、能夠依序接收輸入、且能夠進行一管線式作業，使得當該類比至數位轉換器繼續處理一給定之電信號時，該類比至數位轉換器接收一隨後之電信號，該像素驅動單元使該等像素驅動線所執行之該讀出之驅動作業依序移位對應於該管線式類比至數位轉換器之一輸出量之一時間，及在該像素陣列與該類比至數位轉換器之間沒有取樣與保持電路。
- 如請求項1之固態成像裝置，其中每一行中佈線該等信號線且一像素群組係由複數個列中之該複數個該等像素形成，其中每一列中佈線該等像素驅動線中之一者，且其中佈線於每一行中之該等信號線共用該讀出電路中之一單個類比至數位轉換器。
- 如請求項2之固態成像裝置， 其中每一列中佈線該等像素驅動線，其中每一行中佈線該等信號線，其中該像素群組係由複數個行中之該複數個像素及複數個列中之該複數個像素形成，且其中佈線於該複數個該等行中之該等信號線共用該讀出電路中之一單個類比至數位轉換器。
- 如請求項1至3中之任一項之固態成像裝置，其中具有一光電轉換功能之一光偵測器及一周邊電路係形成於一層壓結構中，且其中在每一二維陣列中之光偵測器共用該類比至數位轉換器。
- 如請求項1至3中之任一項之固態成像裝置，其中該固態成像裝置採用其中一光自與一佈線層相對之一表面進入具有該光電轉換功能之該光偵測器之一背照型結構，且其中在該光偵測器之一區上佈線該像素驅動線及該信號線中之至少一者。
- 一種相機系統，其包括：一固態成像裝置；一光學系統，其經組態以在該固態成像裝置上形成一目標影像；及一信號處理電路，其經組態以處理自該固態成像裝置輸出之一影像信號；其中該固態成像裝置包含 一像素陣列區段，其具有配置成一具有列與行之二維陣列之複數個像素，每一像素具有將一光學信號轉換成一電信號之一光電轉換功能，該像素陣列經子劃分為複數個像素群組，一像素驅動單元，其經組態以控制於每一經選定群組中該等像素之驅動，該像素驅動單元具有與在一列基礎上之該等像素相關聯之個別像素驅動線，信號線，其與在一行基礎上之該等像素相關聯且經組態以傳送自經選定像素讀出之電信號，一多工器電路，其經組態以選擇自該等像素用於電信號之讀出之信號線，及一讀出電路，其包括該多工器電路、一水平掃描電路，其可操作以驅動該多工器電路、及每一像素群組之一個別類比至數位轉換器，其經組態以將自該信號線接收之一類比信號轉換成一數位信號，及其中至少佈線於每一列中之像素驅動線之數目或佈線於每一行中之信號線之數目係多於一個，該等像素群組係由該像素陣列區段中之複數個像素形成，像素之數目係由佈線於每一列中之像素驅動線之該數目及佈線於每一行中之信號線之該數目確定，且在每一像素群組中之該等像素係連接至該等像素驅動線或該等信號線之不同線，對於每一經選定像素群組，該像素驅動單元以一經移位相位之重疊時序依序驅動該像素群組中之該等像 素以經由該等信號線中之一對應信號線讀出該類比信號，對於每一經選定群組，以具有該經移位相位之時序之該多工器電路而類似地選擇與其相關聯之該等信號線，對於每一經選定像素群組，該類比至數位轉換器經組態以藉由該複數個該等信號線依序接收自該像素群組讀出之類比信號且將該等類比信號依序轉換成數位信號，該類比至數位轉換器係一管線式類比至數位轉換器，其包括複數個級、能夠依序接收輸入、且能夠進行一管線式作業，使得當該類比至數位轉換器繼續處理一給定之電信號時，該類比至數位轉換器接收一隨後之電信號，該像素驅動單元使該等像素驅動線所執行之該讀出之驅動作業依序移位對應於該管線式類比至數位轉換器之一輸出量之一時間，及在該像素陣列與該類比至數位轉換器之間沒有取樣與保持電路。
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