TWI446789B

TWI446789B - 固態影像感測器件、固態影像感測器件之類比至數位轉換方法、及電子裝置

Info

Publication number: TWI446789B
Application number: TW099121586A
Authority: TW
Inventors: Hiroyasu Kondo
Original assignee: Sony Corp
Priority date: 2009-08-03
Filing date: 2010-06-30
Publication date: 2014-07-21
Also published as: JP5251778B2; US8355068B2; BRPI1002425A2; CN101990070A; RU2010131659A; US20110025900A1; KR20110014089A; TW201117612A; JP2011035689A; CN101990070B

Description

固態影像感測器件、固態影像感測器件之類比至數位轉換方法、及電子裝置

本發明係關於一種固態影像感測器件、一種用於固態影像感測器件之類比至數位轉換方法及一種電子裝置。特定言之，一種由一CMOS(包含MOS)影像感測器代表之X-Y位址類型固態影像感測器件、一種類比至數位轉換方法及一種電子裝置。

諸如將光轉換為電信號且輸出影像信號之一數位靜態相機之一成像裝置使用一固態影像感測器件作為該成像裝置之影像擷取單元(光電轉換單元)。在固態影像感測器件之領域中，近來隨著更大之像素數目及更高之圖框速率，實現更快讀出及更低電源消耗之技術已不可或缺。

作為一種類之固態影像感測器件，其有一種CMOS(包含MOS)類型影像感測器(下文中稱為「CMOS影像感測器」)，其特徵在於該感測器可以與一CMOS積體電路之程序相同之程序製造。該CMOS影像感測器具有一組態，該組態相對於各像素將電荷轉換為一電信號且相對於各像素行並行處理自像素讀出之電信號。相對於各像素行之並行處理可改良該等像素信號之讀出速度。

在相關技術中，作為相對於各像素行自以一矩陣配置之複數個像素並行讀出信號之一CMOS影像感測器，使用一行AD轉換系統之一CMOS影像感測器係眾所周知的(例如，參見JP-A-2005-278135)，該行AD轉換系統相對於各像素行對像素信號執行類比至數位轉換(下文中稱為「AD轉換」)。

該行AD轉換系統CMOS影像感測器具有一組態，該組態共用在以一矩陣二維配置之像素之垂直方向上之信號讀出線(下文中稱為「垂直信號線」)，且包含相對於各像素行之一AD轉換電路及一讀出電路。此外，該感測器藉由同時驅動該等AD轉換電路及該等讀出電路而對該等像素行之全部執行同時信號處理。

該AD轉換電路藉由以下系列電路操作而執行AD轉換。即，首先，該電路相對於各像素行使用一比較器比較透過垂直信號線自像素讀出之類比像素信號與具有一斜率波形之參考信號，該斜率波形具有某一梯度且線性改變，而且同時開始一計數器之一計數操作。在此方面，該計數器執行與具有一固定週期之時鐘同步之計數操作。

接著，當該類比像素信號及該參考信號相交時，該AD轉換電路利用該比較器之輸出之逆轉時序而停止該計數器之計數操作。該計數器之最後計數值係根據該類比像素信號之量值之一數位信號。如上所述，該行AD轉換系統為一讀出系統，該讀出系統之特徵在於一次AD轉換一列像素信號之高速成像。

近來，對於高速成像之要求已越來越高。在行AD轉換系統CMOS影像感測器中，圖框速率藉由減少垂直讀出數(列數/行數)而改良以實現高速成像。此處，作為一種減少垂直讀出數之方法，舉例而言，其有以一固定列週期略過像素列及隔行掃描之垂直稀化讀出(thinning readout)，諸如在垂直方向上之一特定區域中之像素之讀出信號之垂直削波。然而，當垂直讀出數經減少以改良圖框速率時，出現一個問題，其係縱向(垂直)方向上之視角減少且經成像之影像在橫向上變得更長。

因此，期望提供一種固態影像感測器件，該固態影像感測器件可改良圖框速率，同時維持經成像之影像之縱向及橫向平衡，且提供一種類比至數位轉換方法及一種具有該固態影像感測器件之電子裝置。

根據本發明之一實施例之一固態影像感測器件包含：一像素陣列單元，其中含有光電轉換器件之像素係以一矩陣配置且相對於各像素行而佈線一垂直信號線；一類比至數位轉換電路，其相對於該像素陣列單元之各像素行而提供，且該類比至數位轉換電路具有使用透過該垂直信號線自該像素供應之一類比信號作為一比較目標輸入的一比較器及量測自該比較器之比較開始至該比較器之比較完成之一時間的一計數器；及一參考信號產生單元，其產生具有斜坡波形之複數個參考信號，其中，在自該像素陣列單元之一特定像素行群組之像素讀出信號至該垂直信號線之一稀化讀出模式中，將屬於該特定像素行群組之一像素行之垂直信號線及屬於未自其等之像素讀出信號之除該特定像素行群組外之另一像素行群組之垂直信號線短路，及分別提供作為比較準則輸入(criterion input)之複數個參考信號至屬於該一像素行之比較器及屬於除該特定像素行群組外之該另一像素行群組之比較器。

在自該像素陣列單元之該特定像素行群組之像素讀出信號至該垂直信號線之稀化讀出模式中，即在一水平稀化讀出模式中，自除該特定像素行群組外之另一像素行群組之像素沒有讀出信號至該垂直信號線。因此，藉由提供該水平稀化讀出模式且藉由該水平稀化讀出減少該水平方向上之像素資訊，可改良圖框速率。尤其，藉由組合該水平稀化讀出與已知垂直稀化讀出、垂直削波或其類似物且適當設定稀化速率，可維持該成像之影像之縱向及橫向平衡。

此外，因為可藉由提供複數個參考信號至屬於該特定像素行群組之一像素行之比較器及屬於除該特定像素行群組外之該另一像素行群組之比較器且使用該等比較器執行有關該等比較操作之並行處理而縮短AD轉換時間，所以可進一步改良圖框速率。尤其，在有關該等比較操作之並行處理中，使用屬於自其等沒有信號讀出之該像素行之比較器，且作為該等比較器，一像素行需要一比較器，且電路大小及電路面積不會變得較大。

根據本發明之該實施例，藉由提供該水平稀化讀出模式且組合該水平稀化讀出與已知垂直稀化讀出、垂直削波或其類似物，可改良圖框速率，同時可維持該成像之影像之縱向及橫向平衡。

下文中，將參考圖式詳細解釋用於實施本發明(下文中稱為「實施例」)之模式。將以以下次序作出解釋。

1. 發明適用之固態影像感測器件(CMOS影像感測器之實例)

1-1. 系統組態

1-2. 單元像素之電路組態

2. 實施例

2-1. 系統組態

2-2. 全部像素讀出模式

2-3. 水平稀化讀出模式

2-3-1. 工作實例1

2-3-2. 工作實例2

2-4. 實施例之優點

3. 參考實例(相對於各像素之具有兩個比較器之AD轉換電路之實例)

4. 經修改之實例

5. 電子裝置(成像裝置之實例)

<1. 本發明適用之固態影像感測器件> [1-1. 系統組態]

圖1為顯示本發明之一實施例適用之一固態影像感測器件之一示意性系統組態之一系統組態圖，舉例而言，作為一種類之X-Y位址類型固態影像感測器件之一CMOS影像感測器。此處，該CMOS影像感測器是指藉由應用或部分使用該CMOS程序製成之一影像感測器。

根據該應用實例之CMOS影像感測器10具有形成於一半導體基板(下文中可稱為「晶片」)11上之一像素陣列單元12及整合於形成該像素陣列單元12處之該晶片11上之一周邊電路單元。在此實例中，舉例而言，提供一列掃描部分13、一行處理部分14、一行掃描部分15及一系統控制部分16作為該周邊電路單元。

在該像素陣列單元12中，具有以回應於入射光量之一電荷量而產生且內部累積光電電荷之光電轉換器件之單元像素(下文中可簡稱為「像素」)係以一矩陣而二維配置。稍後將描述該單元像素之該特定組態實例。

在該像素陣列單元12中，進一步，像素驅動線17係相對於該矩陣中之該像素配置之各像素列而沿著水平方向/列方向(像素列中之像素之配置方向)佈線，且垂直信號線18係相對於各像素行而沿著垂直方向/行方向(像素行中之像素之配置方向)佈線。該等像素驅動線17傳輸執行自像素讀出信號之驅動的驅動信號。在圖1中，該等像素驅動線17顯示為一線，然而，不限於一個。該像素驅動線17之一端連接至對應於該列掃描部分13之各列之輸出終端。

該列掃描部分13為一像素驅動部分，該像素驅動部分包含一移位電阻器、位址解碼器等同時使所有像素或以列單元或其類似物來驅動該像素陣列單元12之各自像素。該等圖式中省略該列掃描部分13之該特定組態，然而，該部分一般而言包含一讀出掃描系統及一括去掃描系統之兩個掃描系統。

該讀出掃描系統順序地且選擇性地以列單元掃描該像素陣列單元12之單元像素以自該等單元像素讀出信號。自該單元像素讀出之信號為一類比信號。該括去掃描系統在先於一快門速度之時間之讀出掃描之前對待由該讀出掃描系統讀出掃描之讀出列執行括去掃描。

不需要之電荷藉由使用該括去掃描系統之括去掃描而自該等讀出列中之單元像素之光電轉換器件括去，且藉此重設該等光電轉換器件。接著，藉由該括去掃描系統藉由括去(重設)不需要之電荷而執行所謂電子快門操作。此處，該電子快門操作是指排出該等光電轉換器件之光電電荷之一操作，且新開始曝光(開始光電電荷之累積)。

藉由該讀出掃描系統藉由讀出操作讀出之信號對應於在該讀出操作或緊接於前之該電子快門操作之後進入之一光量。此外，自藉由該讀出操作之讀出時序或緊接於前藉由該電子快門操作之括去時序至藉由此讀出操作之讀出時序之週期係該單元像素中之光電電荷之一累積週期(曝光週期)。

自該列掃描部分13選擇且掃描之各自單元像素輸出之信號透過各自垂直信號線18供應至該行處理部分14。該行處理部分14對透過該等垂直信號線18自由該列掃描部分13相對於該像素陣列單元12之各像素行所選之列中之各自像素輸出之信號執行預定信號處理，且在信號處理之後暫時保持該等像素信號。

特定言之，該行處理部分14接收該等單元像素之信號且對該等信號執行例如藉由CDS(相關雙重取樣)之雜訊移除、信號放大、AD(類比至數位)轉換等之信號處理。

藉由CDS之雜訊移除處理藉由取得當讀出單元像素(實際上，浮動擴散部分，其將稍後描述)時讀出之重設位準與回應於由該等光電轉換器件光電轉換之信號電荷讀出之信號位準之間之一差而執行。藉由該雜訊移除處理，移除該等像素固有之重設雜訊及固定圖案雜訊，諸如放大電晶體之臨限值之變動。應指出，此處舉例之信號處理僅係一實例，且該信號處理不限於此。

該行掃描部分15包含一移位電阻器、位址解碼器等，且順序地選擇對應於該行處理部分14之像素行之單元電路。藉由使用該行掃描部分15之選擇性掃描，在該行處理部分14中信號處理之像素信號順序地輸出至一水平匯流排19且透過該水平匯流排19傳輸至該晶片11之外面。

該系統控制部分16接收自該晶片11之外面提供之時鐘及命令操作模式之資料，且輸出該CMOS影像感測器10之內部資訊之資料及其類似物。該系統控制部分16進一步具有產生各種時序信號之一時序產生器且基於該時序產生器產生之各種時序信號執行該列掃描部分13、該行處理部分14、該行掃描部分15等之周邊電路單元之驅動控制。

[1-2.　單元像素之電路組態]

圖2為顯示一單元像素20之一電路組態之一實例的一電路圖。如圖2中所示，除了例如作為一光電轉換部分之一光電二極體21以外，根據該電路實例之該單元像素20具有例如一轉移電晶體22、一重設電晶體23、一放大電晶體24及一選擇電晶體25之四個電晶體。

此處，作為該四個電晶體22至25，舉例而言，使用N通道MOS電晶體。應指出，此處舉例之該轉移電晶體22、該重設電晶體23、該放大電晶體24及該選擇電晶體25之導電性類型之組合僅係一實例，且不限於該組合。

對於該單元像素20而言，舉例而言，共同相對於相同像素列之各像素提供一轉移線171、一重設線172及一選擇線173之三個驅動導線作為像素驅動線17。此等轉移線171、重設線172及選擇線173之各自一端連接至對應於像素列單元中之該列掃描部分13之各像素列之輸出終端，且傳輸一轉移脈衝φTRF、一重設脈衝φRST及一選擇脈衝φSEL作為驅動信號以驅動該像素20。

該光電二極體21具有連接至負側電源供應器(例如，接地)之一陽極電極，且以回應於光量之電荷量將接收之光光電轉換為光電電荷(此處，光電子)及累積該光電電荷。該光電二極體21之陰極電極經由該轉移電晶體22電連接至該放大電晶體24之閘極電極。電連接至該放大電晶體24之閘極電極之一節點26被稱為一FD(浮動擴散)部分。

該轉移電晶體22連接於該光電二極體21之陰極電極與該FD部分26之間。高位準(例如，Vdd位準)作用(下文中稱為「高作用」)之該轉移脈衝φTRF經由該轉移線171而提供至該轉移電晶體22之閘極電極。藉此，該轉移電晶體22導通，且在該光電二極體21中光電轉換之光電電荷被轉移至該FD部分26。

該重設電晶體23具有分別連接至該像素電源供應器Vdd之一汲極電極及連接至該FD部分26之一源極電極。該高作用重設脈衝φRST經由該重設線172提供至該重設電晶體23之閘極電極。藉此，該重設電晶體23導通，且該FD部分26之電荷被排出至該像素電源供應器Vdd以重設該FD部分26。

該放大電晶體24具有分別連接至該FD部分26之一閘極電極及連接至該像素電源供應器Vdd之一汲極電極。此外，該放大電晶體24在藉由該重設電晶體23重設之後輸出該FD部分26之電位作為一重設信號(重設位準)。該放大電晶體24在藉由該轉移電晶體22轉移該信號電荷之後進一步輸出該FD部分26之電位作為一光累積信號(信號位準)。

該選擇電晶體25例如具有分別連接至該放大電晶體24之源極電極之一汲極電極及連接至該垂直信號線18之一源極電極。對該選擇電晶體25之閘極電極，該高作用選擇脈衝φSEL經由該選擇線173提供至該選擇電晶體25之閘極電極。藉此，該選擇電晶體25導通，且該單元像素20變成所選狀態且自該放大電晶體24輸出之信號被中繼至該垂直信號線18。

可利用該選擇電晶體25連接於該像素電源供應器Vdd與該放大電晶體24之間之一電路組態。

此外，該單元像素20不限於具有包含四個電晶體(其等具有上述組態)之像素組態的單元像素。舉例而言，可利用包含三個電晶體(其中一電晶體作為該放大電晶體24及該選擇電晶體25)之一像素組態或該像素電路之任何組態。

<2.實施例> [2-1.　系統組態]

圖3為顯示根據本發明之一實施例之一固態影像感測器件之一示意性系統組態的一系統組態圖，舉例而言，作為一種類之X-Y位址類型固態影像感測器件之一CMOS影像感測器。在圖3中，相同記號指派至與圖1中之部分同樣之部分(對應部分)，且將省略其等之重疊詳細解釋。

如圖3中所示，除了該像素陣列單元12、該列掃描部分13、該行處理部分14、該行掃描部分15及該系統控制部分16以外，根據該實施例之該CMOS影像感測器10A包含一參考信號產生部分31及一開關部分32。此外，舉例而言，RGB拜耳(Bayer)配置之彩色濾光器提供於該像素陣列單元12之各自像素20中。此處，在該RGB拜耳配置中，綠色(G)以一棋盤式圖案配置，且紅色(R)及藍色(B)於剩餘部分中以棋盤式圖案配置。

根據該實施例之該CMOS影像感測器10A採用一行AD轉換系統，該行AD轉換系統相對於該像素陣列單元12之各像素行將類比像素信號AD轉換為數位信號。即，該行處理部分14包含一AD轉換電路140，該AD轉換電路具有一電路組態，其具有至少一比較器141及一計數器142作為一單元電路，且該AD轉換電路140以一對一關係提供至該像素陣列單元12之像素行。有可能的是，該AD轉換電路140利用在該計數器142之下游處具有一記憶體以保持該計數器142之計數值的一組態。

該參考信號產生部分31包含例如一DA(數位至類比)轉換電路及具有一斜坡波形之複數個參考信號，該斜坡波形具有某一梯度及線性改變，即用於將電壓之改變轉換為時間之改變的參考信號。在該實例的情形下，該參考信號產生部分31包含例如一參考信號1產生電路311及一參考信號2產生電路312之兩個產生電路，且產生兩個不同參考信號1、2。稍後將描述該兩個不同參考信號1、2之細節。

在開關部分32中，提供開關321、322之兩個通道。該開關321回應於該兩個不同參考信號1、2而連接於屬於呈相同顏色之像素20之像素行之兩個垂直信號線18之間，且適當短路該兩個垂直信號線18。在根據該實施例之該CMOS影像感測器10A的情形下，在該像素陣列單元12中，交替地配置將R像素及G(Gb)像素交替配置於行方向上之RG像素行V0、V2、...、Vn-1以及將G(Gr)像素及B像素交替配置於行方向上之GB像素行V1、V3、...、Vn。

對於RG像素行及GB像素行之該配置而言，在屬於RG像素行V0、V2、...、Vn-1之鄰近兩個垂直信號線18、18之單元中，該等開關321連接於該兩個垂直信號線18之間。類似地，在屬於BG像素行V1、V3、...、Vn之鄰近兩個垂直信號線18、18之單元中，該等開關321連接於該兩個垂直信號線18之間。

該開關322相對於該像素陣列單元12之各行而提供，且具有在該參考信號產生部分31中產生之兩個參考信號1、2作為兩個輸入，選擇該等參考信號之一者且將它作為一比較準則輸入供應至該比較器141之一輸入終端(例如，非反相輸入終端)。在該系統控制部分16之控制下執行該開關部分32之該等開關311、312之切換控制。

在該AD轉換電路140中，該比較器141使用透過該開關322替代地提供作為一比較準則輸入之該參考信號1或該參考信號2作為一輸入(例如，非反相輸入)，及使用透過該垂直信號線18提供作為一比較目標輸入之類比像素信號作為另一輸入(例如，反相輸入)。此外，該比較器141相對於各像素行比較作為該比較目標輸入之該類比像素信號與作為該比較準則輸入之該參考信號1或該參考信號2。在比較開始的同時，該計數器142開始一計數操作。該計數器142包含例如一向上(U)/向下(D)計數器，且執行與具有一固定週期之時鐘同步之計數操作。

當該類比像素信號與該參考信號1或該參考信號2相交(變得相等)時，該比較器141之輸出之極性被反向。該計數器142利用該比較器141之輸出之極性反向時序停止該計數操作。即，該計數器142量測自該比較器141之該比較開始至該比較器141之該比較完成之一時間。此外，該計數器142之最後計數值為數位資料(像素資料)，該數位資料藉由時間資訊代表該類比像素信號之量值。該數位資料順序地透過水平掃描開關(未顯示)藉由該行掃描部分15藉由行掃描而讀出至水平匯流排19，該等水平掃描開關順序地與該行掃描同步而導通。

根據上述實施例之該CMOS影像感測器10A之特徵在於以下三點。第一點為該感測器具有短路屬於呈相同顏色之像素20之像素行之兩個垂直信號線18之開關321。第二點為該感測器使用複數個不同參考信號(例如，兩個不同參考信號1、2)作為該比較器141之參考信號。第三點為該感測器具有選擇及提供該兩個不同參考信號1、2之一者至該比較器141之該等開關322。

在自該像素陣列單元12中之各像素20之全部讀出信號之一全部像素讀出模式中，該等開關321為斷開(開路)。另一方面，在執行僅從一預定像素行之像素讀出信號而沒有從剩餘像素行之像素讀出信號之水平讀出處理之一水平稀化讀出模式中，該等開關321在藉由該系統控制部分16之控制下為導通(閉合)。

[2-2.　全部像素讀出模式]

在全部像素讀出模式中，該等開關321為斷開，且屬於全部像素行之該等開關322選擇參考信號1。在該全部像素讀出模式中用於AD轉換之該參考信號1為具有一斜坡波形之一信號，該斜坡波形以一固定角自最大值下降至最小值。最大值與最小值之間之寬度係該參考信號1之一動態範圍，且該動態範圍回應於該最小值(黑色位準)及該最大值(白色位準/飽和位準)而判定。

此處，將使用圖4之一時序波形圖來解釋該全部像素讀出模式中之一AD轉換操作。

在某一選定列中，在自該單元像素20至該垂直信號線18之第一讀出操作變得穩定之後，該參考信號1經由該開關322而自該參考信號1產生電路311提供至該比較器141。接著，在該比較器141中，開始透過該垂直信號線18提供之該信號與該參考信號1之間之比較操作。在該比較操作開始的同時，該計數器142開始例如向下計數。

在該第一讀出操作中，讀出該單元像素20之重設位準(P相位準)。該重設位準包含取決於該單元像素20而變化之固定圖案雜訊作為一偏移。此外，在該第一比較操作中，當透過該垂直信號線18提供之該重設位準與該參考信號1相等(相交)時，該比較器141之輸出之極性被反向。回應於該比較器141之該反向輸出，該計數器142停止該向下計數。在此方面，該計數器142之計數值為代表該重設位準之量值的一值。

在第二讀出操作中，除了該重設位準以外，藉由與該第一讀出之操作類似的操作讀出相對於各單元像素20之回應於入射光量之信號位準(所謂D相位準)。即，在某一選定列中，在自該單元像素20至該垂直信號線18之該第二讀出操作變得穩定之後，該參考信號1經由該開關322而自該參考信號1產生電路311提供至該比較器141。接著，在該比較器141中，開始透過該垂直信號線18提供之該信號與該參考信號1之間之該比較操作。

在該第二比較操作開始的同時，該計數器142開始該第二計數操作。在該第二計數操作中，該計數器142執行自第一計數值(即，代表該重設位準之量值之計數值)之向上計數。此外，在該第二比較操作中，當透過該垂直信號線18提供之該重設位準與該參考信號1相等時，該比較器141之輸出之極性被反向。回應於該比較器141之該反向輸出，該計數器142停止該向上計數。在此方面，該計數器142之計數值為代表該重設位準之量值之一值。

藉由上述兩個讀出操作、比較操作及計數操作，已移除雜訊位準之純信號位準被轉換(AD轉換)為一數位值。特定言之，在該計數器142中，在該第一計數操作中對該雜訊位準執行向下計數，且在該第二計數操作中對該信號位準自向下計數之最後計數值執行向上計數。

即，執行藉由該計數器142之向下/向上計數、(包含雜訊位準之信號位準)-(雜訊位準)之一計算操作，且藉此，對已移除雜訊位準之純信號位準執行AD轉換。此外，藉由相對於各像素列順序地重複上述系列操作，自該像素陣列單元12之各自像素20之全部讀出信號，且因此產生一高解析度二維影像。

[2-3.　水平稀化讀出模式]

接著，將解釋執行僅從一預定像素行之像素讀出信號之水平稀化讀出模式中一AD轉換操作。在根據該實施例之該CMOS影像感測器10A中之該水平稀化讀出模式中，稀化兩個像素且在水平四個像素之間讀出兩個像素之信號。藉此，在該水平方向上之像素之資訊量變為1/2。

在根據該實施例之該CMOS影像感測器10A中，為了在水平四個像素之間僅讀出兩個像素(其關於由圖5中之陰影區域所示之兩個像素行之像素)之信號，圖2中之該選擇電晶體25斷開且與該等垂直信號線18電氣隔離。此處，舉例而言，在四個像素行V0至V3之間，像素行V2、V3之各自像素之選擇電晶體25斷開且與該等垂直信號線18電氣隔離。此外，關於剩餘兩個像素行V0、V1之各自像素，該等選擇電晶體25導通且電氣連接至該等垂直信號線18。

此處，如關於圖1中所示之CMOS影像感測器10已解釋，透過圖2中所示之選擇線173而在列之單元中執行藉由列掃描部分13之掃描。即，藉由相對於各像素列透過一選擇線173而執行該等選擇電晶體25之導通/斷開控制。另一方面，在根據該實施例之該CMOS影像感測器10A的情形下，即使在相同像素列中，存在具有斷開狀態選擇電晶體25之像素及具有導通狀態選擇電晶體25之像素兩者係必須的。為了實現此，該選擇線173相對於各像素列而提供於兩個通道中。

利用四個像素列作為一單元，當兩個像素行之各自像素與該等垂直信號線18電氣隔離時，該開關部分32中之開關321全部導通。舉例而言，在四個像素行V0至V3之單元中，當該等開關321導通時，屬於相同顏色之像素行(此實例中之RG像素行V0、V2)之該等垂直信號線18、18藉由該等開關321而短路。

在該水平稀化讀出模式中，作為待提供至該等比較器141之參考信號，除了參考信號1以外，使用參考信號2。對應於像素行V0、V1之開關322選擇在該參考信號1產生電路311中產生之參考信號1且將該信號供應至該等比較器141。此外，對應於具有與垂直信號線18電氣隔離之像素之像素行V2、V3之開關322選擇在該參考信號2產生電路312中產生之參考信號2且將該信號供應至該等比較器141。

該參考信號1基本上與全部像素讀出模式中所使用之該參考信號1相同。然而，動態範圍(最大值與最小值之間之寬度)為1/2。該參考信號2為不同於該參考信號1之一參考信號。由於該參考信號2之波形差異，該AD轉換操作變得不同。如下文，將解釋根據歸因於該參考信號2之波形差異之兩個工作實例之AD轉換操作。

在水平稀化讀出模式中，與在全部像素讀出模式中一樣，首先，讀出雜訊位準(P相位準)且執行AD轉換，而且接著移除雜訊，同時讀出信號位準(D相位準)且執行AD轉換。應指出，在如下文解釋之水平稀化讀出模式中，將集中於解釋在讀出該信號位準(D相位準)且執行AD轉換的情形下之操作。

[2-3-1.　工作實例1]

將使用圖6之一時序波形圖來解釋根據工作實例1之一AD轉換操作。如圖6中所示，該工作實例1中所使用之參考信號1為具有一斜坡波形之一信號，該斜坡波形具有與全部像素讀出模式中所使用之參考信號1之梯度相同之梯度，且該參考信號1之動態範圍為該全部像素讀出模式中所使用之該參考信號1之動態範圍之1/2。藉此，該工作實例1中所使用之該參考信號1用於相對於等於或小於該像素信號之最大振幅之1/2之位準之AD轉換。

另一方面，該工作實例1中所使用之參考信號2係藉由從該工作實例1中所使用之該參考信號1減去該全部像素讀出模式中所使用之該參考信號1之動態範圍之1/2之偏移而獲得之一信號(即，具有與該參考信號1之梯度相同之梯度的一信號)。藉此，該工作實例1中所使用之該參考信號2用於相對於等於或大於該像素信號之最大振幅之1/2之位準之AD轉換。

在圖5中，若注意力集中於RG像素行V0，舉例而言，在水平稀化讀出模式中，該RG像素行V0之像素之信號輸入至該RG像素行V0之比較器141且經由開關321輸入至RG像素行V2之比較器141。在此方面，該RG像素行V0之開關322選擇參考信號1且將它供應至該RG像素行V0之比較器141，且該RG像素行V2之開關322選擇參考信號2且將它供應至該RG像素行V2之比較器141。

藉此，該RG像素行V0之比較器141開始該RG像素行V0之像素之信號與該參考信號1之間之比較，且作為回應，該RG像素行V0之計數器142開始計數操作。此處，若該RG像素行V0之像素之信號位準係在該參考信號1之動態範圍內，則當該等像素之信號位準與該參考信號1相等時，該RG像素行V0之計數器142停止該計數操作。接著，該計數器142之計數值係該RG像素行V0之像素之信號之一數位值。若該RG像素行V0之像素之信號位準係在該參考信號1之動態範圍外面，則該RG像素行V0之計數器142執行計數操作至最大計數值。

另一方面，該RG像素行V2之比較器141開始該RG像素行V0之像素之信號與該參考信號2之間之比較，且作為回應，該RG像素行V2之計數器142開始計數操作。接著，當該等像素之信號位準與該參考信號2相等時，該RG像素行V2之比較器141之輸出之極性被反向，且作為回應，該RG像素行V2之計數器142停止計數操作。

接著，藉由將該RG像素行V2之計數器142之計數值簡單加至該RG像素行V0之計數器142之最大計數值而獲得之值係該RG像素行V0之像素之信號之一數位值。舉例而言，在一外部信號處理電路(例如，一DSP電路)中執行相加計數值之計算。

[2-3-2.　工作實例2]

將使用圖7之一時序波形圖來解釋根據工作實例2之一AD轉換操作。如圖7中所示，該工作實例2中所使用之參考信號1為具有一斜坡波形之一信號，與在工作實例1的情形下一樣，該斜坡波形具有與全部像素讀出模式中所使用之參考信號1之梯度相同之梯度，且動態範圍為該全部像素讀出模式中所使用之該參考信號1之動態範圍之1/2。藉此，該工作實例2中所使用之該參考信號1用於相對於等於或小於該像素信號之最大振幅之1/2之位準之AD轉換。

另一方面，該工作實例2中所使用之參考信號2係具有與工作實例1中所使用之參考信號2之梯度完全相反之一梯度之一信號。即，該參考信號2係藉由從該工作實例2中所使用之該參考信號1減去該全部像素讀出模式中所使用之該參考信號1之動態範圍之1/2之偏移而獲得之一信號，且具有與該參考信號1之梯度完全相反之梯度。藉此，該工作實例2中所使用之該參考信號2用於相對於等於或大於該像素信號之最大振幅之1/2之位準之AD轉換。

基本上以與工作實例1相同之方式執行水平稀化讀出模式中之AD轉換操作。應指出，考量到該RG像素行V2之計數器142之最大計數值為CNTmax且實際計數值為CNT0，(CNTmax-CNT0)對應於工作實例1中之該RG像素行V2之計數器142之計數值。此係因為該參考信號2具有與工作實例1中所使用之參考信號2之梯度完全相反之梯度。因此，在外部信號處理電路中之計算處理中，執行該計算(CNTmax-CNT0)，且執行將計算結果加至該RG像素行V0之計數器142之最大計數值之處理。

替代地，因為該計數器142為向上/向下計數器，所以可在該RG像素行Y2之計數器142中設定最大計數值且可自該最大計數值執行向下計數。在此情形下之該RG像素行V2之計數器142之最後計數值為(CNTmax-CNT0)。因此，在該外部信號處理電路中之計算處理中，可以與工作實例1相同之方式執行將該RG像素行V2之計數器142之最後計數值簡單加至該RG像素行V0之計數器142之最大計數值之處理。

[2-4.　實施例之優點]

根據該CMOS影像感測器10(其根據該實施例)，藉由提供水平稀化讀出模式且藉由水平稀化讀出而減少水平方向上之像素資訊(在此實例中減少至1/2)，可改良圖框速率。尤其，藉由將水平稀化讀出與已知垂直稀化讀出、垂直削波或其類似物組合且適當設定稀化速率，可維持該經成像之影像之縱向及橫向平衡。

此外，藉由使用兩個參考信號1、2執行有關兩個比較器141、141中之比較操作之並行處理，可縮短AD轉換時間。尤其，使用全部像素讀出模式中所使用之參考信號1之動態範圍之1/2之信號作為參考信號1且補償該動態範圍之缺失，可縮短AD轉換時間，特定言之，相對於信號位準之AD轉換之D相位週期。即，藉由使該參考信號1之動態範圍為全部像素讀出模式中之動態範圍之1/2，當該全部像素讀出模式中之D相位週期為T(參見圖4)時，該D相位週期在水平稀化讀出模式中可減少至T/2。藉此，可進一步改良在水平稀化讀出模式中之圖框速率。

<3.　參考實例>

作為一種改良圖框速率之方法，可想像一種藉由將兩個比較器連接至一垂直信號線18、將兩種類之參考信號1、2分別輸入至此等比較器且使用該兩個比較器執行並行處理而縮短AD轉換時間的方法。以下將解釋利用該方法之一CMOS影像感測器10B作為一參考實例。

圖8為顯示根據該參考實例之該CMOS影像感測器10B之一示意性系統組態的一系統組態圖。在圖8中，相同記號指派至與圖3中同樣之部分(對應部分)，且將省略其等之重疊詳細解釋。

如圖8中所示，在根據該參考實例之該CMOS影像感測器10B中，AD電路140具有用於一像素行之兩個比較器141-1、141-2。該兩個比較器141-1、141-2使用透過垂直信號線18而自單元像素20供應之類比像素信號作為反相(-)輸入。該比較器141-1使用該參考信號1產生電路311中產生之參考信號1作為一非反相(+)輸入。該141-2使用該參考信號2產生電路312中產生之參考信號2作為一非反相(+)輸入。

該兩個比較器141-1、141-2之比較結果提供至該計數器142。該計數器142計數該兩個比較器141-1、141-2之比較時間，且若該等比較器141-1、141-2之一者之輸出之極性係首次反向，則停止計數操作以作為回應。

在具有該組態之該CMOS影像感測器10B中，可藉由使用該兩個比較器141-1、141-2執行並行處理而縮短AD轉換時間，且可改良圖框速率。然而，增加電路大小及電路面積，因為一像素行必需至少兩個比較器141-1、141-2。

另一方面，根據該CMOS影像感測器10A(其根據上述實施例)，可藉由對於一像素行提供一比較器141而縮短AD轉換時間，且可改良圖框速率。因此，相較於對於一像素行使用至少兩個比較器141-1、141-2的情形，可減少電路大小及電路面積。

<4.　經修改之實例>

在上述實施例中，在AD轉換電路140中，向上/向下計數器用作計數器142且藉由該計數器142之向上計數/向下計數之控制而移除雜訊，然而不限於此。即，可使用一單向計數器作為該計數器142且使用一外部信號處理電路(例如，一DSP電路)計算相對於雜訊位準之計數值及相對於信號位準之計數值而移除雜訊。

此外，在上述實施例中，兩個不同參考信號1、2用作比較器中所使用之參考信號，然而，此僅係一實例且可使用三個或更多個不同參考信號。舉例而言，在使用三個不同參考信號1、2、3的情形下，該參考信號1之動態範圍設定為全部像素讀出模式中所使用之參考信號1之動態範圍之1/3。

接著，可藉由從該參考信號1減去該動態範圍之1/3之偏移而獲得參考信號2，及可藉由自其進一步減去1/3之偏移而獲得參考信號3。在此方面，回應於該三個不同參考信號1、2、3而使用屬於三個像素行之比較器141並行執行比較操作。

此外，在上述實施例中，本發明適用於回應於可見光量依照一量化量而感測信號電荷之單元像素係以一矩陣二維配置的CMOS影像感測器的情形已解釋為一實例，然而，不限於此。即，本發明可適用於利用該行AD轉換系統之所有固態影像感測器件。

此外，不限於適用於感測入射可見光量之分佈且將它成像為一影像的固態影像感測器件，本發明可適用於將入射紅外射線、X射線、粒子或其類似物之量之分佈成像為一影像的固態影像感測器件。此外，在一廣泛意義下，用於感測諸如壓力及靜電電容之其他量化量之分佈且將它成像為一影像之量化量分佈感測器件(諸如指紋偵測感測器)可為固態影像感測器件。

此外，固態影像感測器件可係以如一晶片之形式，及以具有成像功能之模組之形式，其中一成像單元及一信號處理單元或光學系統係集體封裝。

<5.　電子裝置>

根據本發明之實施例之固態影像感測器件可藉由安裝於對於一影像擷取單元(光電轉換單元)使用該固態影像感測器件之所有電子裝置上而使用。作為一電子裝置，可引用諸如一數位靜態相機及一攝影機之一成像裝置(相機系統)、諸如一行動電話之具有一成像功能之一可攜式終端器件、對於一影像擷取單元使用該固態影像感測器件之一複製機器。此外，安裝於一電子裝置上之一相機模組可為成像裝置。

(成像裝置)

圖9為顯示一成像裝置之一組態之一實例作為根據本發明之一實施例之一電子裝置之一者的一方塊圖。如圖9中所示，根據本發明之該實施例之一成像裝置100包含一光學系統，該光學系統含有一群組透鏡101、一影像感測器件102、作為一相機信號處理單元之一DSP電路103、一圖框記憶體104、一顯示器件105、一記錄器件106、一操作系統107、一電源供應器系統108等。此外，該DSP電路103、該圖框記憶體104、該顯示器件105、該記錄器件106、該操作系統107及該電源供應器系統108經由一匯流排線109而相互連接。

該群組透鏡101從一物件擷取入射光(影像光)且將它聚焦於該影像感測器件102之一成像表面上。該影像感測器件102將藉由該群組透鏡101聚焦於該成像表面上之入射光量轉換為像素單元中之電信號且將它們輸出作為像素信號。可使用諸如根據上述實施例之該CMOS影像感測器之一固態影像感測器件作為該影像成像器件102。該DSP電路103執行已知相機信號處理且執行在上述AD轉換處之計數器142之計數值之計算處理。

該顯示器件105包含諸如一液晶顯示器件或一有機EL(電致發光)顯示器件之一面板類型顯示器件，且顯示由該影像感測器件102成像之移動影像或靜態影像。該記錄器件106將由該影像感測器件102成像之移動影像或靜態影像記錄於諸如錄影帶及DVD(數位多功能光碟)之記錄媒體中。

該操作系統107在使用者之操作下發出相對於該成像裝置所具有之各種功能之操作命令。該電源供應器系統108將作為該DSP電路103、該圖框記憶體104、該顯示器件105、該記錄器件106及該操作系統107之操作供應器之各種電源供應器適當供應至供應目標。

該成像裝置100適用於一攝影機、一靜態相機，且進一步適用於諸如一行動電話之一行動器件之一相機模組。在該成像裝置100中，使用根據上述實施例之該CMOS影像感測器作為該影像感測器件102，該CMOS影像感測器可藉由水平稀化讀出而改良圖框速率。因此，可實現高速成像，且可與垂直稀化讀出、垂直削波或其類似物組合而維持該經成像之影像之縱向及橫向平衡。

本申請案有含與2009年8月3日在日本專利局申請之日本優先權專利申請案JP2009-180374中所揭示者有關之標的物，該案之全部內容以引用方式併入本文中。

熟習此項技術者應瞭解，取決於設計要求及其他因素可作出各種修改、組合、次組合及變更，只要其等係於所附申請專利範圍之範圍內或其均等物。

10．．．CMOS影像感測器

10A．．．CMOS影像感測器

10B．．．CMOS影像感測器

11．．．半導體基板

12．．．像素陣列單元

13．．．列掃描部分

14．．．行處理部分

15．．．行掃描部分

16．．．系統控制部分

17．．．像素驅動線

18．．．垂直信號線

19．．．水平匯流排

20．．．單元像素

21．．．光電二極體

22．．．轉移電晶體

23．．．重設電晶體

24．．．放大電晶體

25．．．選擇電晶體

26．．．浮動擴散部分

31．．．參考信號產生部分

32．．．開關部分

100．．．成像裝置

101．．．透鏡

102．．．影像感測器件

103．．．DSP電路

104．．．圖框記憶體

105．．．顯示器件

106．．．記錄器件

107．．．操作系統

108．．．電源供應器系統

109．．．匯流排

140．．．AD轉換電路

141．．．比較器

141-1．．．較器

141-2．．．較器

142．．．計數器

171．．．轉移線

172．．．重設線

173．．．選擇線

311．．．參考信號1產生電路

312．．．參考信號2產生電路

321．．．開關

322．．．開關

圖1為一系統組態圖，其顯示本發明之一實施例適用之一CMOS影像感測器之一示意性系統組態；

圖2為顯示一單元像素之一電路組態之一實例的一電路圖；

圖3為一系統組態圖，其顯示根據本發明之一實施例之一CMOS影像感測器之一示意性系統組態；

圖4為用於解釋在一全部像素讀出模式中之一AD轉換操作的一時序波形圖；

圖5顯示在一水平稀化讀出模式中之一開關單元之各自開關之連接關係；

圖6為用於解釋根據工作實例1之一AD轉換操作的一時序波形圖；

圖7為用於解釋根據工作實例2之一AD轉換操作的一時序波形圖；

圖8為一系統組態圖，其顯示根據一參考實例之一CMOS影像感測器之一示意性系統組態；及

圖9為顯示一成像裝置之一組態之一實例的一方塊圖，其作為根據本發明之一實施例之一電子裝置之一者。