CN103548335A - 固态成像元件、其驱动方法和成像装置 - Google Patents

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CN103548335A CN201280023450.1A CN201280023450A CN103548335A CN 103548335 A CN103548335 A CN 103548335A CN 201280023450 A CN201280023450 A CN 201280023450A CN 103548335 A CN103548335 A CN 103548335A
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河合智行
岩崎洋一
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Abstract

提供了一种包括相差AF功能和单眼3D成像功能的固态图像捕捉装置，其中能够适当地读出每一个像素的信号。像素对(25)设立有第一像素读出晶体管(40)、第二像素读出晶体管(41)、电荷积聚单元(42)、重置晶体管(43)、放大器晶体管(44)、和行选择晶体管(45)。第一像素读出晶体管(40)读出第一像素(21)的信号电荷。第二像素读出晶体管(41)读出第二像素(22)的信号电荷。电荷积聚单元(42)暂时地积聚从每一个像素读出的信号电荷。重置晶体管(43)重置电荷积聚单元(42)。放大器晶体管(44)将在电荷积聚单元(42)中积聚的信号电荷转换到信号电压，并且输出该信号电压。行选择晶体管(45)选择信号电压从其被转移到垂直信号线(50)的行。

Description

固态成像元件、其驱动方法和成像装置
技术领域
本发明涉及一种具有相差AF功能和单眼3D成像功能的固态成像元件、其一种驱动方法，和一种具有该固态成像元件的成像装置。
背景技术
已知使用用于对对象成像的固态成像元件执行相差类型自动聚焦(在下文中称为相差AF)的数字照相机等。相差AF是其中计算在由选择右方向的第一像素形成的图像和由选择左方向的第二像素形成的图像之间的移位数量，并且从这个移位数量获得成像光学***的散焦数量的方法。
作为具有相差AF功能的固态成像元件，已知一种在具有预定样式的成像表面中具有多个第一和第二像素(在下文中称为相差检测像素)的布置的固态成像元件(参考专利文献1到3)。通过从用于将光会聚到PD的微透镜的光轴偏转被配置在PD上方的光屏蔽膜的开口的中心，第一和第二像素关于在光电二极管(PD)的光接收表面上入射的光的角度在左和右之间具有选择性。
通常，获得视差图像要求相互平行地配置的两个成像部。与此对照，已经研究了通过在固态成像元件的全部成像表面中配置成对的第一和第二像素而使用一个成像部获得具有双眼视差的一对图像(所谓的单眼3D成像)。具有单眼3D成像功能的这个固态成像元件允许仅仅利用一个成像部获得视差图像，并且因此使得成像装置的成本显著降低。近年来，3D相关技术受到注目，并且尽可能最早地要求能够执行单眼3D成像的成像装置的实际使用。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开公报No.2007-158692
专利文献2：日本专利特开公报No.2010-093619
专利文献3：日本专利特开公报No.2010-252277
发明内容
本发明所要解决的问题
然而，在目前的状态下，关于具有单眼3D成像功能的固态成像元件，认为如何向外侧读出由相差检测像素获得的信号尚无任何具体的实施例。
本发明意在提供一种从其适当地读出由每一个相差检测像素获得的信号的、具有相差AF功能和单眼3D成像功能的固态成像元件、其一种驱动方法，和一种成像装置。
用于解决所述问题的手段
为了实现以上目的，根据本发明的一种固态成像元件包括：成像部；第一像素读出部、第二像素读出部、电子电荷积聚器、重置部、放大器，和被设立在每一个像素对中的行选择部；多个垂直信号线；水平信号线；列选择部；多个第一像素读出线信号供应线；多个第二像素读出线信号供应线；多个重置线；和多个行选择线。成像部包括多个像素对，每一个像素对具有在水平方向上相互邻接配置用于将入射光转换成用于信号积聚的电子电荷的第一和第二像素，和用于将光会聚到第一和第二像素的微透镜。在成像部中，每一个由在水平方向上布置的多个像素对构成的多个像素行被在垂直方向上布置使得第一像素和第二像素在垂直方向上相互邻接。第一像素读出部读出在第一像素中积聚的信号电荷。第二像素读出部读出在第二像素中积聚的信号电荷。电子电荷积聚器暂时地积聚从第一像素和第二像素读出的信号电荷。重置部将在电子电荷积聚器中积聚的信号电荷重置到预定电子电位。放大器放大在电子电荷积聚器中积聚的信号电荷并且作为信号电压输出信号电荷。行选择部选择将从其转移信号电压的一个或者多个像素行。在垂直方向上形成并且在垂直方向上每预定的列数提供该多个垂直信号线，以在垂直方向上从由行选择部选择的行转移信号电压。水平信号线在水平方向上从每一个垂直信号线转移信号电压。列选择部被设立成对应于每一个垂直信号线，以选择其中信号电压将被从每一个垂直信号线转移到水平信号线的一个或者多个列。该多个第一像素读出线信号供应线向每一个第一像素读出部供应用于从第一像素读出信号电荷的第一像素读出信号。该多个第二像素读出线信号供应线向每一个第二像素读出部供应用于从第二像素读出信号电荷的第二像素读出信号。该多个重置线向每一个重置部供应用于将电子电荷积聚器重置到预定电子电位的重置信号。该多个行选择线将行选择信号供应到每一个行选择部。
第一像素读出线信号供应线和第二像素读出线信号供应线在垂直方向上毗连的像素行之间在垂直方向上交替地配置，从而在垂直方向上毗连的两个像素行之间被共享。
像素对具有用于在被微透镜会聚的光中仅透射具有预定颜色的光的一个颜色滤光器。颜色滤光器是用于透射红色光的红色颜色滤光器、用于透射绿色光的绿色颜色滤光器，和用于透射蓝色光的蓝色颜色滤光器中的一个。滤光器集合由在垂直方向上相邻地配置的两个绿色颜色滤光器和与该两个绿色颜色滤光器毗连并且在水平方向上相邻地配置的一个红色颜色滤光器和一个蓝色颜色滤光器构成。在水平方向和垂直方向上彼此相邻地布置滤光器集合。
每一个垂直信号线被设立在布置在垂直方向上的每一个像素对的每一列处。
可替代地，第一滤光器集合由在45度斜向方向上相邻地配置的两个绿色颜色滤光器和与绿色颜色滤光器毗连并且在45度斜向方向上彼此相邻地配置的两个红色颜色滤光器构成。通过利用蓝色颜色滤光器替代第一滤光器集合的每一个红色颜色滤光器而构造第二滤光器集合。颜色滤光器可以由以交错样式布置的第一和第二滤光器集合制成。在此情形中，一个垂直信号线优选地被设立在每两列像素对处。在45度斜向方向上毗连并且具有相同颜色的颜色滤光器的一对像素对的输出优选地被连接到单一垂直信号线。
在光电转换器之上的光屏蔽膜的开口区域具有并不从微透镜的外廓延伸出去的这种形状。
微透镜可以具有半椭球形状，该半椭球形状的长轴具有与像素对在水平方向上的宽度基本相同的长度，并且微透镜的光轴可以基本与像素对的中心一致。在此情形中，像素对在被微透镜会聚的光中优选地仅仅透射具有预定颜色的光，并且优选地具有外接微透镜的底表面的基本六边形形状的颜色滤光器。
而且，根据本发明的一种固态成像元件的驱动方法是这样一种固态成像元件的驱动方法，该固态成像元件包括成像部；第一像素读出部、第二像素读出部、电子电荷积聚器、重置部、放大器，和被设立在每一个像素对中的行选择部；多个垂直信号线；水平信号线；列选择部；多个第一像素读出线信号供应线；多个第二像素读出线信号供应线；多个重置线；和多行选择线。这个驱动方法具有使得成像部曝光的A步骤、读出信号电压的B步骤，和通过从第一行到最后一行地重复A到B步骤而读出一个屏的信号电压的C步骤。在B步骤中，通过向成像部的第N行的行选择线输入行选择信号，向成像部的第N行的第一像素读出线信号供应线输入第一像素读出信号，向成像部的第N行的第二像素读出线信号供应线输入第二像素读出信号，并且将读出到每一个垂直信号线的、与第N行相对应的信号电压顺次地转移到水平信号线，第N行(N是任意整数)的一个行的第一和第二像素的信号电压得以读出。
优选的是，通过当进行曝光时将第一像素读出信号的输入定时移位到第一像素读出线信号供应线并且将第二像素读出信号的输入定时移位到第二像素读出线信号供应线，在第一像素和第二像素之间曝光时间不同。
通过当进行曝光时同时地向第一像素读出线信号供应线输入第一像素读出信号并且向第二像素读出线信号供应线输入第二像素读出信号，曝光时间可以在第一像素和第二像素之间基本相等。
当执行第N行的读出时，通过向第N行的第一像素读出线信号供应线输入第一像素读出信号而读出在第N行的每一个第一像素中积聚的、在曝光之后的信号电荷。在读出信号电荷之后，优选地通过向第N行的第二像素读出线信号供应线输入第二像素读出信号而读出在第N行的每一个第二像素中积聚的、在曝光之后的信号电荷。
当执行第N行的读出时，第一像素读出信号被输入到第一像素读出线信号供应线。与这一起地，第二像素读出信号被同时地输入到第二像素读出线信号供应线。通过同时地读出在第一像素中积聚的信号电荷和在第二像素中积聚的信号电荷，信号电荷可以在电子电荷积聚器中混合。
第一和第二滤光器集合可以以交错的样式被布置，并且长曝光时间和短曝光时间可以在垂直方向上被交替地分配到每隔一个的像素行。通过在读出该一行时在电子电荷积聚器中执行信号电荷的混合，在45度斜向方向上毗连的一对像素对中的一个旨在用于高敏感性，并且另一个旨在用于低敏感性。
当执行第N行的读出时，通过同时地向包括毗连行的多行的第一像素读出线信号供应线输入第一像素读出信号，在垂直方向上毗连的多个像素对的每一个第一像素中积聚的信号电荷可以在垂直信号线中混合。与这一起地，通过同时地向多行的第二像素读出线信号供应线输入第二像素读出信号，在垂直方向上毗连的多个像素对的每一个第二像素中积聚的信号电荷可以在垂直信号线中混合。
而且，根据本发明的一种成像装置包括固态成像元件和用于驱动固态成像元件的驱动控制部。驱动控制部具有第一驱动模式，在第一驱动模式中，通过当进行成像部的曝光时将第一像素读出信号的输入定时移位到第一像素读出线信号供应线并且将第二像素读出信号的输入定时移位到第二像素读出线信号供应线，曝光时间在第一像素和第二像素之间不同。
优选地提供第二驱动模式，在第二驱动模式中在第一像素和第二像素之间曝光时间基本相等。在此情形中，当进行成像部的曝光时，驱动控制部向第一像素读出线信号供应线输入第一像素读出信号。与这一起地，第二像素读出信号被同时地输入到第二像素读出线信号供应线。
当读出在第N行(N是任意整数)的第一和第二像素中积聚的信号电压时，通过向第N行的第一像素读出线信号供应线输入第一像素读出信号，驱动控制部读出在第N行的每一个第一像素中积聚的、在曝光之后的信号电荷。在这之后，优选地通过向第N行的第二像素读出线信号供应线输入第二像素读出信号而读出在第N行的每一个第二像素中积聚的、在曝光之后的信号电荷。
优选地提供第三驱动模式，在第三驱动模式中在电子电荷积聚器中信号电荷被混合。在此情形中，当读出在第一和第二像素中积聚的信号电荷时，第一像素读出信号被输入到第一像素读出线信号供应线。与这一起地，第二像素读出信号被同时地输入到第二像素读出线信号供应线，使得在第一像素中积聚的信号电荷和在第二像素中积聚的信号电荷被同时地读出到电子电荷积聚器。
第一和第二滤光器集合可以以交错样式被布置，并且驱动控制部可以在垂直方向上交替地向每隔一个的像素行分配长曝光时间和短曝光时间。通过采用在读出所述一行时在电子电荷积聚器中混合信号电荷的模式，在45度斜向方向上毗连的一对像素对中的一个旨在用于高敏感性并且另一个旨在用于低敏感性。
当读出在第一和第二像素中积聚的信号电荷时，驱动控制部同时地向多个第一像素读出线信号供应线输入第一像素读出信号。因此，在垂直方向上毗连的该多个像素对的每一个第一像素中积聚的信号电荷在垂直信号线中混合。而且，通过同时地向多个第二像素读出线信号供应线输入第二像素读出信号，在垂直方向上毗连的多个像素对的每一个第二像素中积聚的信号电荷优选地在垂直信号线中混合。
发明的效果
在本发明中，与执行向行选择线输入行选择信号、向第一像素读出线信号供应线输入第一像素读出信号和向第二像素读出线信号供应线输入第二像素读出信号一起地，与行相对应的每一个垂直信号线的每一个列选择部被致动以将读出到每一个垂直信号线的信号电压顺次地转移到水平信号线。这读出一个任意行的每一个像素的信号电压。通过从第一行到最后一行地重复行的读出，一个屏的信号电压得以读出。因此，根据本发明，在使用是相差检测像素的第一和第二像素的、具有相差AF功能和单眼3D成像功能的固态成像元件中，可以适当地读出由每一个像素获得的信号。
附图说明
图1是示出成像装置的结构的框图；
图2是示出成像表面的结构的解释性视图；
图3是示出颜色滤光器的布置的解释性视图；
图4是示出CMOS图像传感器的结构的示意电路图；
图5是示出在高动态范围静止图像模式中的操作程序的时序图；
图6是示出在垂直信号线中执行信号电荷的混合的情形中的操作程序的时序图；
图7是示出在左和右同时曝光静止图像模式中的操作程序的时序图；
图8是示出在左和右像素混合静止图像模式中的操作程序的时序图；
图9是示出在2D移动图像模式中的操作程序的时序图；
图10是示出在3D移动图像模式中的操作程序的时序图；
图11是示出EXR阵列颜色滤光器的解释性视图；
图12是示出具有EXR阵列颜色滤光器的CMOS图像传感器的结构的示意电路图；
图13是示出其中PD的光屏蔽膜的开口区域并不从微透镜的外廓延伸出去的结构的示例的解释性视图；
图14是示出其中使得PD的光屏蔽膜的开口区域的一个边缘靠近微透镜的中心的示例的解释性视图；
图15是示出正方形微透镜的示例的解释性视图；以及
图16是示出形式为半卵形球体的微透镜的示例的解释性视图。
具体实施方式
[第一实施例]
在图1中，成像装置10设立有拍摄透镜12、机械快门13、CMOS图像传感器(固态成像元件)14、图像传感器驱动部15、图像处理部16、控制部17，和操作部18。这个成像装置10例如是数字照相机、具有照相机功能的蜂窝式电话等。注意，图像传感器驱动部15、图像处理部16和CMOS图像传感器14可以在公共的单一半导体芯片中形成。
拍摄透镜12在CMOS图像传感器14的成像表面(成像部)14a中形成物象。拍摄透镜12包含聚焦透镜和像差校正透镜(两者均未示出)以执行焦距调节、图像失真校正，和颜色校正。
机械快门13具有在用于阻挡物象在成像表面14a上入射的关闭位置和用于允许物象在成像表面14a上入射的打开位置之间移位的可移动部(未示出)。可移动部到每一个位置的移位打开或者关闭从拍摄透镜12引向CMOS图像传感器14的光路。机械快门13的可移动部通常处于关闭位置中从而防止不必要的光进入CMOS图像传感器14中。机械快门13的可移动部响应于来自控制部17的命令从关闭位置移位到打开位置，使得CMOS图像传感器14能够捕捉物象。注意，成像装置10包括用于控制进入CMOS图像传感器14的光量的孔径光阑(未示出)。
CMOS图像传感器14捕捉由拍摄透镜12形成的物象，并且输出成像信号。图像传感器驱动部15向CMOS图像传感器14输入各种类型的信号以驱动CMOS图像传感器14。
图像处理部16通过将各种类型的图像处理应用于从CMOS图像传感器14输出的成像信号而产生具有预定格式的图像数据。这个图像数据被输出到诸如液晶显示器等的显示装置，或者通过诸如连接器、电缆等的接口输出到外部装置，或者存储到成像装置10的诸如闪存、硬盘等的内部存储器，或者存储到诸如装载到介质槽中的记忆卡等的外部记录介质。
控制部17被电连接到拍摄透镜12、机械快门13、图像传感器驱动部15、和图像处理部16的每一个部分，并且在这些部分之上具有集中的控制。拍摄透镜12的聚焦、机械快门13的打开和关闭、CMOS图像传感器14被图像传感器驱动部15的驱动，和图像处理部16的图像数据的产生是在控制部17的控制下执行的。
用户从其向成像装置10输入操作命令的操作部18被电连接到控制部17。操作部18设立有各种类型的输入部件，诸如用于命令图像捕捉的释放按钮、用于选择CMOS图像传感器14的操作模式的选择按钮等，以向成像装置10输入操作命令。操作部18向控制部17输入输入部件的操作的结果作为操作命令。控制部17响应于由用户从操作部18输入的操作命令而控制每一个部分。
在图2中，CMOS图像传感器14设立有每一个由第一和第二像素21和22构成的多个像素对25、微透镜23，和颜色滤光器24。第一和第二像素21和22被布置成在水平方向上相互邻接。第一和第二像素21和22中的每一个具有是将入射光转换成电子电荷并且积聚电子电荷的光电转换器的光电二极管(PD)20。PD20的表面通过在其上设立的光屏蔽膜的开口区域20a暴露。
为每一对第一和第二像素21和22提供一个微透镜23，并且该微透镜将光会聚到第一和第二像素21和22的中间。在由微透镜23会聚的光中，颜色滤光器24仅仅将具有预定颜色(波长)的光透射到第一和第二像素21和22中。
每一个具有正方形形式和大致相同的尺寸的第一和第二像素21和22被如此配置，使得通过在水平和垂直方向上以布置间距α的平移对称性操作，它们的侧面相互邻接。微透镜23大致以球体的形式被形成，并且被如此配置，使得它的光轴位于第一和第二像素21和22的中间，即，第一和第二像素21和22相互邻接的侧面的中点处。能够认为，这个微透镜23具有如此结构，即，使得传统微透镜(微透镜的光轴大致与PD20的光屏蔽膜的开口区域20a的中心一致，并且微透镜的直径并不超过对应的像素的区域)以α/2相互靠近，并且微透镜中的两个被组合并且按比例放大。
每一个形式为旋转大致45度的正方形的颜色滤光器24被如此配置，使得每一个颜色滤光器24的中心与微透镜23的光轴一致，并且通过关于在水平方向上右在大致45度和大致135度的方向上以布置间距21/2α的平移对称性操作。微透镜23被形成为颜色滤光器24的内切圆。微透镜23和颜色滤光器24是能够在像素对25上布置的最大可能尺寸。
颜色滤光器24的一侧的长度β是21/2α，并且颜色滤光器24的尺寸是2α2。换言之，颜色滤光器24是第一或者第二像素21、22的两倍之大。颜色滤光器24的一侧的长度β等于微透镜23的直径。相应地，微透镜23的外切圆(具有直径β的圆)的尺寸是πα2/2。因为具有直径α的传统微透镜的外切圆的尺寸是πα2/4，所以微透镜23的外切圆是传统微透镜的外切圆的两倍之大。
在CMOS图像传感器14中，在水平方向上布置多个像素对25构成了像素行26。多个像素行26被布置在大致与每一个像素对25的行方向正交的方向(垂直方向)上，并且毗连像素行26以一个像素在水平方向上相互异相使得第一像素21和第二像素22均不在毗连像素行26中相互邻接。图2简单地示出具有由十二个像素对25构成的四行和六列的成像表面14a，但是实际上，正方形成像表面14a由数目更多的像素对25构成。
通过类似这样地构成成像表面14a，正如在将像素布置成所谓的蜂窝结构的情形中那样，第一和第二像素21和22被布置成简单的四方晶格从而在水平方向和垂直方向上相互邻接，并且微透镜23和颜色滤光器24被布置成在45度斜向方向上毗连。这里，水平方向与被形成为正方形的成像表面14a的左右方向(宽度方向)同义，并且垂直方向与成像表面14a的上下方向(长度方向)同义。45度斜向方向是关于成像表面14a的左右方向和上下方向以45度倾斜的方向。
在成像表面14a的以上结构中，在垂直方向上毗连的像素行26以一个像素在水平方向上异相地布置，从而微透镜23的一部分从每一个像素对25延伸出去并且进入在毗连像素行26的两个微透镜23之间的中部。而且，颜色滤光器24的一部分从每一个像素对25延伸出去并且进入在毗连像素行26的两个颜色滤光器24之间的中部。相应地，第一和第二像素21和22被布置在水平方向和垂直方向上而没有留出空间，并且微透镜23和颜色滤光器24被布置在45度斜向方向上而没有留出空间。
第一和第二像素21和22是对于在其上入射的光的角度具有选择性的相差检测像素。例如，在PD20的光屏蔽膜的开口区域20a处于微透镜23的焦点附近的情形中，从左方向进入微透镜23的光几乎不在第一像素21上入射，从而第一像素21对于从右方向进入微透镜23的光具有选择性。另一方面，从右方向进入微透镜23的光几乎不在第二像素22上入射，从而第二像素22对于从左方向进入微透镜23的光具有选择性。注意，当微透镜23的焦距比在微透镜23和PD20之间的距离更长时，左右关系颠倒。
相应地，在成像装置10中，根据成像镜头12的聚焦状态，在由第一像素21的成像信号产生的图像和由第二像素22的成像信号产生的图像之间在沿着左右方向上发生移位。通过检测这个移位的数量和方向，能够获得拍摄透镜12的焦距调节数量。
如上所述，CMOS图像传感器14实现相差类型AF。而且，CMOS图像传感器14还使得能够获得具有双眼视差的视差图像，即，所谓的单眼3D成像。因为微透镜23的轮廓圆具有传统微透镜的轮廓圆的尺寸的两倍的区域，所以如与其中光屏蔽膜的开口偏心并且由于偏心等尺寸减小的传统的相差检测像素相比较，CMOS图像传感器14具有高敏感性。
在图3中，颜色滤光器24被分组成用于透射红色光的红色颜色滤光器24R、用于透射绿色光的绿色颜色滤光器24G，和用于透射蓝色光的蓝色颜色滤光器24B。该三个颜色滤光器24R、24G，和24B中的一个被设立在每一个像素对25中，并且该三个颜色滤光器24R、24G，和24B被以预定样式布置在成像表面14a中。注意，在图中，垂直阴影代表红色。斜向阴影代表绿色。水平阴影代表蓝色。
单一滤光器集合28由在沿着垂直方向上相邻地配置的两个绿色颜色滤光器24G、以右转45度紧接着绿色颜色滤光器24G配置的一个红色颜色滤光器24R、和以左转45度紧接着绿色颜色滤光器24G配置的一个蓝色颜色滤光器24B构成。滤光器集合28不留出空间地被布置。
根据颜色滤光器24R、24G，和24B的这种布置，每一个具有在沿着垂直方向上对准的绿色颜色滤光器24G的列和每一个具有在垂直方向上交替地对准的红色颜色滤光器24R和蓝色颜色滤光器24B的列被交替地配置在水平方向上。而且，每一个具有在沿着水平方向上对准的绿色颜色滤光器24G的行和每一个具有在沿着水平方向上交替地对准的红色颜色滤光器24R和蓝色颜色滤光器24B的行被交替地配置在沿着垂直方向上。此外，在具有交替地对准的红色颜色滤光器24R和蓝色颜色滤光器24B的相互邻接的列或者行之间，在红色颜色滤光器24R和蓝色颜色滤光器24B之间的位置关系是相反的。在具有蜂窝布置的像素阵列的情形中，颜色滤光器24的这个布置与传统的颜色滤光器布置相同。
在图4中，除了每一个被设立在第一和第二像素21和22中的PD20，像素对25由第一像素读出晶体管40、第二像素读出晶体管41、浮置扩散电容(FD)42、重置晶体管43、放大器晶体管44，和行选择晶体管45构成。
第一像素读出晶体管40读出在第一像素21的PD20中积聚的信号电荷。第二像素读出晶体管41读出在第二像素22的PD20中积聚的信号电荷。FD42暂时地积聚从第一像素21的PD20和第二像素22的PD20读出的信号电荷。重置晶体管43将积聚信号电荷的FD42重置到预定电子电位。放大器晶体管44放大并且作为信号电压输出在FD42中积聚的信号电荷。行选择晶体管45将信号电压转移到垂直信号线50。
CMOS图像传感器14由多个垂直信号线50、水平信号线51、负载晶体管52、相关双采样(CDS)电路53、列选择晶体管54、输出放大器55、电源线路56、第一像素读出线信号供应线57、第二像素读出线信号供应线58、重置线59，和行选择线60构成。
该多个垂直信号线50在垂直方向上转移第一和第二像素21和22的信号电压。水平信号线51在水平方向上转移通过垂直信号线50转移的信号电压。被连接到每一个垂直信号线50的负载晶体管52与放大器晶体管44一起地构成源极跟随器电路。CDS电路53减小在读出到垂直信号线50的信号电压中包括的每一个像素的固定样式噪声。列选择晶体管54被设立在每一个垂直信号线50中以选择信号电压将被从其转移到水平信号线51的列。输出放大器55执行通过水平信号线51顺次地供应的信号电压的阻抗转换，并且向外侧输出信号电压作为成像信号。电源线路56向第一和第二像素21和22供应电力电压VDD。第一像素读出线信号供应线57向第一像素读出晶体管40输入第一像素读出信号。第二像素读出线信号供应线58向第二像素读出晶体管41输入第二像素读出信号。重置线59向重置晶体管43输入重置信号。行选择线60向行选择晶体管45输入行选择信号。
沿着垂直方向形成的垂直信号线50被以如此方式被设立在每一列像素对25中，使得一个垂直信号线50被设立在具有在垂直方向上对准的绿色颜色滤光器24G的列中，并且另一个垂直信号线50被设立在具有在垂直方向上交替地对准的红色颜色滤光器24R和蓝色颜色滤光器24B的列中。如垂直信号线50那样，沿着垂直方向形成的电源线路56被设立在每一列像素对25中。
第一像素读出线信号供应线57、第二像素读出线信号供应线58、重置线59，和行选择线60沿着水平方向形成。线57到60中的每一个被配置在垂直方向上相互邻接的第一和第二像素21和22之间。单一重置线59和单一行选择线60被设立在第一和第二像素21和22的每一行中。重置线59位于第一和第二像素21和22的行上方，并且行选择线60位于第一和第二像素21和22的行下面。
另一方面，第一像素读出线信号供应线57和第二像素读出线信号供应线58在垂直方向上每隔一个行地交替地被设立在相互邻接的第一和第二像素21和22之间。在垂直方向上相互邻接的两行的第一和第二像素21和22共享相同的第一像素读出线信号供应线57和相同的第二像素读出线信号供应线58的使用。
具体地说，第二像素读出线信号供应线58被配置在行A和行B之间，并且被用于从行A和行B的第二像素22读出。以类似的方式，第一像素读出线信号供应线57被配置在行B和行C之间，并且被用于从行B和行C的第一像素21读出。因此，第一像素读出线信号供应线57专用于从第一像素21读出信号，并且第二像素读出线信号供应线58专用于从第二像素22读出信号。
如上所述，在具有绿色颜色滤光器24G的行A和行C中，第一像素读出线信号供应线57位于上方，并且第二像素读出线信号供应线58位于下面。另一方面，在具有交替地对准的红色颜色滤光器24R和蓝色颜色滤光器24B的行B和行D中，第一像素读出线信号供应线57位于下面，并且第二像素读出线信号供应线58位于上方。因此，在具有绿色颜色滤光器24G的像素对25和具有交替地对准的红色颜色滤光器24R和蓝色颜色滤光器24B的像素对25之间，布线的结构等是不同的。
线57到60中的每一个通过控制电路(未示出)等而被连接到图像传感器驱动部15。通过图像传感器驱动部15的操作，信号被输入到线57到60中的每一个。
CDS电路53由箝位电容器70、箝位晶体管71、样本保持晶体管72、和样本保持电容器73构成。箝位电容器70保持传输到垂直信号线50的信号电压。箝位晶体管71响应于箝位信号向它的栅电极的输入而输出电力电压VDD。样本保持晶体管72通过计算在由曝光获得的信号电压和在重置之后立即从放大器晶体管44输出的电压(在下文中称为重置水平电压)之间的差异而降低在信号电压中包括的噪声。样本保持电容器73保持在噪声降低之后的信号电压。
箝位晶体管71的栅电极和样本保持晶体管72的栅电极通过控制电路(未示出)等而被连接到图像传感器驱动部15。通过图像传感器驱动部15的操作，用于接通箝位晶体管71的箝位信号和用于接通样本保持晶体管72的样本保持信号得以输入。
列选择晶体管54的源电极被连接到样本保持电容器73，并且列选择晶体管54的漏电极被连接到水平信号线51。列选择晶体管54的栅电极通过控制电路(未示出)等而被连接到图像传感器驱动部15。列选择信号通过图像传感器驱动部15的操作而被输入到列选择晶体管54的栅电极，并且列选择晶体管54被接通。接通列选择晶体管54允许将由与列选择晶体管54相对应的垂直信号线50的样本保持电容器73保持的、在噪声降低之后的信号电压转移到水平信号线51。
输出放大器55的输入端子被连接到水平信号线51，并且输出放大器55的输出端子被连接到图像处理部16。输出放大器55根据从水平信号线51输出的信号电压产生成像信号，并且向图像处理部16输出成像信号。
在第一像素21中，PD20的阳极被接地，并且PD20的阴极被连接到第一像素读出晶体管40的源电极。PD20被反向偏压，并且在其中是载流子的电子(信号电荷)暂时地被第一像素读出晶体管40排放的瞬时状态下在耗尽状态中执行光的积聚。因此，PD20处于不同于使用普通光电二极管的静止状态的状态中。PD20的阴极和第一像素读出晶体管40的源极被耗尽，并且并不处于具有低电子电阻的、所谓的传导状态中。
第一像素读出晶体管40的源电极被连接到PD20的阴极，其漏电极被连接到FD42，并且其栅电极被连接到第一像素读出线信号供应线57。在通过第一像素读出信号供应线57向第一像素读出晶体管40的栅电极输入第一像素读出信号时，第一像素读出晶体管40被接通。因此，在第一像素21的PD20中积聚的信号电荷被转移到FD42并且在其中积聚。
除了第二像素读出晶体管41的栅电极被连接到第二像素读出线信号供应线58，第二像素22的PD20和第二像素读出晶体管41具有与第一像素21的PD20和第一像素读出晶体管40相同的结构。第二像素读出信号通过第二像素读出线信号供应线58而被输入到第二像素读出晶体管41的栅电极。结果，第二像素读出晶体管41被接通，并且在第二像素22的PD20中积聚的信号电荷被转移到FD42并且在其中积聚。
重置晶体管43的源电极被连接到FD42，其漏电极被连接到电源线路56，并且其栅电极被连接到重置线59。当重置信号被输入重置晶体管43的栅电极并且重置晶体管43接通时，FD42的电子电位被重置为电力电压VDD。
放大器晶体管44的漏电极被连接到电线路56。放大器晶体管44的源电极被连接到行选择晶体管45的漏电极，并且其栅电极被连接到FD42。行选择晶体管45的漏电极被连接到放大器晶体管44的源电极。行选择晶体管45的源电极被连接到垂直信号线50，并且其栅电极被连接到行选择线60。
当行选择信号被输入到行选择晶体管45的栅电极并且行选择晶体管45接通时，放大器晶体管44和负载晶体管52构成源极跟随器电路。根据被连接到放大器晶体管44的栅电极的FD42的信号电荷，在垂直信号线50中一种电压作为信号电压出现。
接着，将描述CMOS图像传感器14的驱动方法。能够通过五种驱动方法操作CMOS图像传感器14，即，高动态范围静止图像模式、左右同时曝光静止图像模式、左右像素混合静止图像模式、2D活动图像模式、和3D活动图像模式。通过在第一像素21和第二像素22之间改变曝光时间，高动态范围静止图像模式使得能够获得带有宽的动态范围的静止图像。通过在第一像素21和第二像素22之间均等曝光时间，左右同时曝光静止图像模式使得能够获得用于相差AF的静止图像或者单眼3D成像。通过在FD42中混合第一像素21的信号电荷和第二像素22的信号电荷，左右像素混合静止图像模式使得能够获得无任何相差信息的图像。2D活动图像模式使得能够获得2D活动图像。3D活动图像模式使得能够获得3D活动图像。
用户能够通过操作部18的操作而任意地选择驱动模式中的一个。控制部17根据由用户选择的驱动模式控制图像传感器驱动部15的操作。图像传感器驱动部15在图像传感器驱动部15的控制下向线57到60中的每一个、箝位晶体管71、和样本保持晶体管72输入各种类型的信号，以在选择的驱动模式中驱动CMOS图像传感器14。如上所述，在该实施例中，图像传感器驱动部15和控制部17构成在权利要求中记载的驱动控制部。控制部17还根据驱动模式控制机械快门13的操作，并且使得图像处理部16执行与该驱动模式相对应的过程，使得图像处理部16以与驱动模式相对应的格式产生图像数据。
当选择高动态范围静止图像模式时，图像传感器驱动部15和控制部17基于图5所示的时序图驱动CMOS图像传感器14。当在高动态范围静止图像模式中命令拍摄时，控制部17首先控制机械快门13从而将机械快门13的可移动部分从关闭位置移位到打开位置，以开始曝光CMOS图像传感器14的成像表面14a。在这之后，控制部17控制图像传感器驱动部15从而在高动态范围静止图像模式中驱动CMOS图像传感器14。
在高动态范围静止图像模式中，图像传感器驱动部15向CMOS图像传感器14的每一个第一像素读出线信号供应线57输入第一像素读出信号，并且接通每一个第一像素读出晶体管40，从而每一个第一像素21的PD20向FD42排放不必要的电子电荷并且被耗尽。如上所述，图像传感器驱动部15在每一个第一像素21的PD20被耗尽的这种状态中开始曝光每一个第一像素21。
在向每一个第一像素读出线信号供应线57输入第一像素读出信号之后，图像传感器驱动部15还向每一个重置线59输入重置信号并且接通每一个重置晶体管43，从而每一个FD42的电子电位被重置为电力电压VDD。
图像传感器驱动部15开始曝光每一个第一像素21，并且在保持机械快门13的可移动部分处于打开位置中时在预定的时间逝去之后向每一个第二像素读出线信号供应线58输入第二像素读出信号，从而如每一个第一像素21那样开始曝光每一个第二像素22。在向每一个第二像素读出线信号供应线58输入第二像素读出信号之后，图像传感器驱动部15再次向每一个重置线59输入重置信号从而将每一个FD42的电子电位重置到电力电压VDD。
当在图像传感器驱动部15开始曝光每一个第二像素22之后已经逝去预定的时间时，控制部17控制机械快门13。机械快门13的可移动部分从打开位置移位到关闭位置以结束CMOS图像传感器14的成像表面14a的曝光。因此，每一个第一像素21的曝光时间变得比每一个第二像素22的曝光时间更长，并且每一个第一像素21的曝光量大于每一个第二像素22的曝光量。如上所述，通过在不同的定时向第一像素读出线信号供应线57输入第一像素读出信号和向第二像素读出线信号供应线58输入第二像素读出信号，图像传感器驱动部15和控制部17在第一像素21和第二像素22之间改变曝光时间。
在曝光完成之后，图像传感器驱动部15开始从第一和第二像素21和22读出一屏的信号。首先，图像传感器驱动部15向第一行(图3中的行A)的行选择线60输入行选择信号以接通行A的行选择晶体管45。
在输入行选择信号之后，图像传感器驱动部15向行A的重置线59输入重置信号，从而从行A的每一个放大器晶体管44输出重置水平电压。重置水平电压通过行选择晶体管45而被转移到对应的垂直信号线50，并且被保持在连接到垂直信号线50的箝位电容器70中。
在输入重置信号之后，图像传感器驱动部15向每一个样本保持晶体管72输入样本保持信号以接通每一个样本保持晶体管72。样本保持晶体管72保持被接通，直至重置水平电压被保持于每一个对应的样本保持电容器73中。在这之后，图像传感器驱动部15向每一个箝位晶体管71输入箝位信号以接通每一个箝位晶体管71。因此，在箝位信号的下降沿SH1处，从每一个放大器晶体管44输出的重置水平电压被保持在对应的列的每一个样本保持电容器73中。
在重置水平电压得以保持之后，图像传感器驱动部15向行A的第一像素读出线信号供应线57输入第一像素读出信号以接通行A的每一个第一像素读出晶体管40。在行A的每一个第一像素21的PD20中积聚的信号电荷被读出到FD42。读出的信号电荷被放大器晶体管44和负载晶体管52放大，并且通过每一个行选择晶体管45作为信号电压转移到对应的垂直信号线50。因此，在箝位信号的下降沿SH2处，是从信号电压减去重置水平电压的、在噪声降低之后的信号电压，被保持在每一个样本保持电容器73中。
在行A的每一个第一像素21的噪声降低的信号电压被保持在每一个样本保持电容器73中之后，图像传感器驱动部15停止向每一个样本保持晶体管72输入样本保持信号以使得每一个样本保持晶体管72恢复为断开状态。同时地，图像传感器驱动部15停止向行选择线60输入行选择信号以使得行A的每一个行选择晶体管45恢复为断开状态。
在停止样本保持信号和行选择信号之后，图像传感器驱动部15然后向每一个对应的垂直信号线50的列选择晶体管54在预定程序中输入列选择信号。因此，保持在每一个样本保持电容器73中的信号电压被顺次地转移到水平信号线51。
因为垂直信号线50被设立在像素对25的每一个列中，所以在转移一行的信号电压时每隔一个的列选择晶体管54接通。例如，在转移行A的第一像素21的信号电压的情形中，列选择信号被输入到与第一和第二列相对应的垂直信号线50的列选择晶体管54。与第二和第三列相对应的下一个垂直信号线50对应于行B、D，...并且因此被跳过，并且随后列选择信号被输入到与第三和第四列相对应的垂直信号线50的列选择晶体管54。以类似的方式，列选择信号被顺次地输入到每隔一个的列选择晶体管54，例如与第五和第六列相对应的列选择晶体管54、与第七和第八列相对应的列选择晶体管54，...，使得从行A的每一个第一像素21转移信号电压。
转移到水平信号线51的信号电压被输出放大器55放大，并且作为成像信号被输出到图像处理部16。如上所述地完成了从行A的第一像素21读出信号。
在完成从行A的第一像素21读出信号之后，图像传感器驱动部15随后开始从行A的每一个第二像素22读出信号。如在第一像素21的情形中，图像传感器驱动部15执行向行A的行选择线60输入行选择信号、向行A的重置线59输入重置信号、向每一个样本保持晶体管72输入样本保持信号，并且向每一个箝位晶体管71输入箝位信号，使得重置水平电压被保持在对应的行的每一个样本保持电容器73中。
在重置水平电压得以保持之后，图像传感器驱动部15向行A的第二像素读出线信号供应线58输入第二像素读出信号，使得从每一个第二像素22的信号电压减去重置水平电压的、在噪声降低之后的信号电压被保持在每一个样本保持电容器73中。
当行A的每一个第二像素22的噪声降低的信号电压被保持在每一个样本保持电容器73中时，如在第一像素21的情形中，图像传感器驱动部15停止向每一个样本保持晶体管72输入样本保持信号并且停止向行选择线60输入行选择信号。同时地，列选择信号被输入到每一个对应的列选择晶体管54，使得保持在样本保持电容器73中的信号电压被顺次地转移到水平信号线51。注意，类似于第一像素21的情形，在第二像素22的情形中交替地选择垂直信号线50。
如上所述，由输出放大器55放大的、每一个第二像素22的信号电压作为成像信号被输出到图像处理部16，并且完成了从第一行的第一像素21和第二像素22读出信号。在这之后，图像传感器驱动部15重复以上处理直至最后的行以读出一屏的信号。
在高动态范围静止图像模式中，行A的第一像素21的信号按照G1a，G3a，G5a，...的顺序输出并且行A的第二像素22的信号按照G2a，G4a，G6a，...的顺序输出。随后，行B的第一像素21的信号按照B0b，R2b，B4b，...的顺序输出，并且行B的第二像素22的信号按照B1b，R3b，B5b，...的顺序输出。类似地，信号顺次地按照行C，行D，...的顺序输出，以输出一屏的信号。这里，“G1a”或者“B0b”根据颜色滤光器24的颜色(R：红色、G：绿色、B：蓝色)的有序组合、列的编号和行的字母符号来标识像素。
当在高动态范围静止图像模式中执行拍摄并且从CMOS图像传感器14输出一屏的成像信号时，图像处理部16从具有长的曝光时间的第一像素21的成像信号产生高敏感性图像数据。同时，从具有短的曝光时间的第二像素22的成像信号产生低敏感性图像数据，并且组合和优化高敏感性和低敏感性图像数据产生具有宽的动态范围的静止图像数据。
而且，在CMOS图像传感器14中，如在图6的时序图中所示，当在PD20中积聚的、在曝光之后的信号电荷被读出到FD42时，第一像素读出信号被同时地输入到第N(N是从第一行到最后一行的任意行数)第一像素读出线信号供应线57和第(N+2)第一像素读出线信号供应线57，从而可以在垂直信号线50中混合在垂直方向上相互邻接的像素对25的第一像素21的信号电荷。以类似的方式，因为第二像素读出信号被同时地输入到第N第二像素读出线信号供应线58和第(N+2)第二像素读出线信号供应线58，所以能够在垂直信号线50中混合这垂直方向上相互邻接的像素对25的第二像素22的信号电荷。
在垂直方向上信号电荷的混合被应用于高动态范围静止图像模式，并且信号从第一和第二像素21和22的读出按照G1a+G1c、G3a+G3c，G5a+G5c，...，G2a+G2c，G4a+G4c，G6a+G6c，...，B0b，R2b，B4b，...，B1b，R3b，B5b，...，R0d，B2d，R4d，...，R1d，B3d，R5d，...的顺序执行，并且被顺次地重复。注意，“+”符号表示信号的混合。
如上所述，在具有在垂直方向上相互邻接的绿色颜色滤光器24G的像素对25中，第一像素21的信号被混合并且第二像素22的信号被混合，从而可以缩短信号读出时间。而且，第一和第二像素21和22的单一信号数量的敏感性被加倍。相应地，第一和第二像素21和22的信号的S/N比被放大21/2倍，并且在动态范围中噪声降低引起进一步的放大。注意，其信号在垂直信号线50中混合的像素的数目不限于两个，而是能够是可以任意地可设定的。
接着，当选择左右同时曝光静止图像模式时，图像传感器驱动部15和控制部17基于图7所示时序图来驱动CMOS图像传感器14。当在左右同时曝光静止图像模式中命令拍摄时，控制部17首先控制机械快门13从而将机械快门13的可移动部分从关闭位置移位到打开位置，以开始曝光CMOS图像传感器14的成像表面14a。在这之后，控制部17控制图像传感器驱动部15从而驱动CMOS图像传感器14。
图像传感器驱动部15向所有的第一像素读出线信号供应线57输入第一像素读出信号。与这一起地并且同时地，第二像素读出信号被输入到所有的第二像素读出线信号供应线58，使得FD42从第一和第二像素21和22的PD20排放不必要的电子电荷。如上所述，图像传感器驱动部15使得第一和第二像素21和22的PD20排放不必要的电子电荷，并且通过从每一个PD20消除信号电荷及其耗尽而使得第一和第二像素21和22开始被同时地曝光。
在第一和第二像素21和22开始曝光之后，图像传感器驱动部15向每一个重置线59输入重置信号，以将每一个FD42的电子电位重置到电力电压VDD。
响应于在图像传感器驱动部15开始曝光第一和第二像素21和22之后逝去预定的时间，控制部17控制机械快门13。机械快门13的可移动部分从打开位置移位到关闭位置，并且因此CMOS图像传感器14的成像表面14a的曝光完成。因此，第一像素21的曝光时间变得等于第二像素22的曝光时间。
在曝光完成之后，图像传感器驱动部15在与在高动态范围静止图像模式中相同的程序中从第一和第二像素21和22读出一屏的信号。在左右同时曝光静止图像模式中信号从第一和第二像素21和22的输出顺序与在高动态范围静止图像模式中的相同。
如上所述，利用相等的曝光时间获得的第一和第二像素21和22的成像信号被用于产生三维图像数据并且计算拍摄透镜12的焦距调节量。当从成像信号计算了焦距调节量时，控制部17基于焦距调节量来调节拍摄透镜12的焦距。
如上所述，驱动CMOS图像传感器14使得可以在读出单一行的第一和第二像素21和22的信号时交替地读出第一像素21的全部信号和第二像素22的全部信号。因此，在读出单一行的第一像素21的信号之后，计算例如平滑(移动平均)过程等被应用于单一行的第一像素21的读出信号。通过获得在第一像素21的经处理的信号和单一行的第二像素22的、随后读出的信号之间的差异，可以产生相差信息并且因此高效率地计算焦距调节量。
如在高动态范围静止图像模式的情形中，可以在具有在垂直方向上相互邻接的绿色颜色滤光器24G的像素对25中混合第一像素21的信号和混合第二像素22的信号。这将第一和第二像素21和22的信号的S/N比放大21/2倍。
接着，当选择左右像素混合静止图像模式时，图像传感器驱动部15和控制部17基于图8中所示的时序图驱动CMOS图像传感器14。当在左右像素混合静止图像模式中命令拍摄时，控制部17首先控制机械快门13从而将机械快门13的可移动部分从关闭位置移位到打开位置，以开始曝光CMOS图像传感器14的成像表面14a。在这之后，控制部17控制图像传感器驱动部15从而驱动CMOS图像传感器14。
图像传感器驱动部15分别地同时地向每一个第一像素读出线信号供应线57和每一个第二像素读出线信号供应线58输入第一像素读出信号和第二像素读出信号，以同时开始第一和第二像素21和22的曝光。在这之后，图像传感器驱动部15向每一个重置线59输入重置信号，以将每一个FD42的电子电位重置到电力电压VDD。
当自从第一和第二像素21和22的曝光开始已经逝去预定的时间时，控制部17关闭机械快门17以结束CMOS图像传感器14的成像表面14a的曝光。
在曝光完成之后，为了开始从第一和第二像素21和22读出一屏的信号，图像传感器驱动部15向行A的行选择线60输入行选择信号。在输入行选择信号之后，图像传感器驱动部15向行A的重置线59输入重置信号，并且向与行A相对应的列(交替列)的样本保持晶体管72输入样本保持信号，并且向与行A相对应的列的箝位晶体管71输入箝位信号，使得与行A相对应的列的每一个样本保持电容器73保持重置水平电压。
在重置水平电压得以保持之后，图像传感器驱动部15向行A的第一像素读出线信号供应线57输入第一像素读出信号，使得行A的每一个第一像素读出晶体管40接通。同时，第二像素读出信号被输入到行A的第二像素读出线信号供应线58，使得行A的每一个第二像素读出晶体管41接通。
因此，在每一个第一像素21的PD20中在曝光期间积聚的信号电荷被读出到FD42，并且在每一个第二像素22的PD20中在曝光期间积聚的信号电荷同时还被读出到FD42。并排地毗连的第一像素21和第二像素22的信号电荷在FD42中混合。
在FD42中混合的第一和第二像素21和22的信号电荷被放大器晶体管44和负载晶体管52放大，并且通过列选择晶体管45作为信号电压传输到对应的垂直信号线50。通过从信号电压减去重置水平电压获得的、在噪声降低之后的信号电压被保持在每一个样本保持电容器73中。在这之后，图像传感器驱动部15停止向每一个样本保持晶体管72输入样本保持信号，并且然后停止向行选择线60输入行选择信号。
然后，图像传感器驱动部15按照预定顺序向每一个对应的垂直信号线50的列选择晶体管54输入列选择信号，使得在每一个样本保持电容器73中保持的信号电压被顺次地传输到水平信号线51并且完成了从行A的第一和第二像素21和22读出信号。此时，如在高动态范围静止图像模式的情形中，垂直信号线50被交替地选择。
在从行A的第一和第二像素21和22读出信号之后，图像传感器驱动部15重复以上过程直至最后的行以读出一屏的信号。相应地，在左右像素混合静止图像模式中，行A的第一和第二像素21和22的混合信号按照G1a+G2a，G3a+G4a，G5a+G6a，...的顺序输出，并且然后行B的第一和第二像素21和22的混合信号按照B0b+B1b，R2b+R3b，B4b+B5b，...的顺序输出，并且然后行C的第一和第二像素21和22的混合信号按照G1c+G2c，G3c+G4c，G5c+G6c，...的顺序输出。类似地，从行D、行E、...反复地读出信号导致一屏的信号得以输出。注意，“+”符号表示信号的混合。
如上所述，在FD42中混合并排地毗连的第一像素21和第二像素22的信号电荷缩短了信号的读出时间并且增加了信号的S/N比。
而且，在左右像素混合静止图像模式中，第一像素读出信号被同时地输入到行N(N代表从第一到最后一行的任意行数)和行N+2的第一像素读出线信号供应线57，并且第二像素读出信号被同时地输入到行N和N+2的第二像素读出线信号供应线58。这允许混合具有在垂直方向上相互邻接的绿色颜色滤光器24G的像素对25的第一和第二像素21和22的信号。这便于加速读出时间并且增强S/N比增加的效果。
注意，在执行并排地毗连的第一和第二像素21和22的信号混合和在垂直方向上相互邻接的第一和第二像素21和22的信号混合这两者的情形中，行A和C的第一和第二像素21和22的混合信号按照(G1a+G2a)+(G1c+G2c)，(G3a+G4a)+(G3c+G4c)，(G5a+G6a)+(G5c+G6c)，...的顺序输出。随后，行B的第一和第二像素21和22的混合信号按照B0b+B1b，R2b+R3b，B4b+B5b，...的顺序输出。此外，行D的第一和第二像素21和22的混合信号按照R0d+R1d，B2d+B3d，R4d+R5d，...的顺序输出。类似地重复导致一屏的信号得以输出。
接着，当选择2D活动图像模式时，图像传感器驱动部15和控制部17基于图9中所示的时序图控制CMOS图像传感器14。当选择2D活动图像模式时，控制部17控制图像传感器驱动部15以驱动CMOS图像传感器14。
在开始时，图像传感器驱动部15同时地向行A的第一像素读出线信号供应线57输入第一像素读出信号和向行A的第二像素读出线信号供应线58输入第二像素读出信号，以开始曝光行A的第一和第二像素21和22。在这之后，图像传感器驱动部15向行A的重置线59输入重置信号，从而行A的每一个FD42的电子电位被重置为电力电压VDD。
图像传感器驱动部15开始行A的第一和第二像素21和22的曝光。当已经逝去预定的时间时，第一像素读出信号和第二像素读出信号分别地被同时地输入到第二行B的第一像素读出线信号供应线57和第二像素读出线信号供应线58，以开始曝光行B的第一和第二像素21和22。而且，如以上那样，重置信号被输入到行B的重置线59，从而行B的每一个FD42的电子电位被重置为电力电压VDD。
在开始曝光行B的第一和第二像素21和22之后，图像传感器驱动部15向行A的行选择线60输入行选择信号，以开始从行A的第一和第二像素21和22读出信号。在输入行选择信号之后，图像传感器驱动部15执行向行A的重置线59输入重置信号、向与行A相对应的列的样本保持晶体管72输入样本保持信号，和向与行A相对应的列的箝位晶体管71输入箝位信号。因此，行A的重置水平电压被保持在对应的列的样本保持电容器73中。
在这之后，图像传感器驱动部15向行A的第一像素读出线信号供应线57输入第一像素读出信号，并且接通行A的每一个第一像素读出晶体管40。与此同时地，第二像素读出信号被输入到行A的第二像素读出线信号供应线58，从而行A的每一个第二像素读出晶体管41同时地接通。相应地，行A的第一和第二像素21和22的曝光时间被定义为从读出信号的第一输入到读出信号的第二输入的时间。
如在左右像素混合静止图像模式的情形中，通过同时地向第一像素读出线信号供应线57输入第一像素读出信号和向第二像素读出线信号供应线58输入第二像素读出信号，第一和第二像素21和22的信号电荷被同时地读出到FD42并且在FD42中混合。在FD42中混合的第一和第二像素21和22的信号电荷被放大器晶体管44和负载晶体管52放大。在这之后，信号电荷通过行选择晶体管45作为信号电压传输到对应的垂直信号线50，并且是从信号电压减去重置水平电压的、在噪声降低之后的信号电压被保持在每一个样本保持电容器73中。
在行A的第一和第二像素21和22的噪声降低信号电压被保持在每一个样本保持电容器73中之后，图像传感器驱动部15停止向每一个样本保持晶体管72输入样本保持信号，并且随后停止向行选择线60输入行选择信号。
在这之后，图像传感器驱动部15按照预定顺序向对应的垂直信号线50的列选择晶体管54输入列选择信号，并且在样本保持电容器73中保持的信号电压被顺次地传输到水平信号线51，从而完成从行A的第一和第二像素21和22读出信号。此时，如在高动态范围静止图像模式的情形中，垂直信号线50被交替地选择。
在这之后，图像传感器驱动部15在类似的程序中执行从行B的第一和第二像素21和22读出信号。重复这个过程直至最后一行允许获得一屏的信号，并且重复获得一屏的信号允许二维活动图像数据。
如上所述，当选择2D活动图像模式时，通过从行到行地移位第一和第二像素21和22的曝光定时(读出信号的输入定时)，图像传感器驱动部15调节第一和第二像素21和22的曝光时间而不使用机械快门13并且有效率地从每一行的第一和第二像素21和22读出信号。注意，当然，在每一行处在读出信号之间的输入间隔，换言之，第一和第二像素21和22的曝光时间，是恒定的。
而且，在2D活动图像模式中，同时地向第N和第(N+2)第一像素读出线信号供应线57输入第一像素读出信号和向第N和第(N+2)第二像素读出线信号供应线58输入第二像素读出信号使得可以混合具有在垂直方向上毗连的绿色颜色滤光器24G的像素对25的第一和第二像素21和22的信号。
接着，当选择3D活动图像模式时，图像传感器驱动部15和控制部17基于图10所示时序图驱动CMOS图像传感器14。当选择3D活动图像模式时，控制部17控制图像传感器驱动部15驱动CMOS图像传感器14。
首先，图像传感器驱动部15向行A的第一像素读出线信号供应线57输入第一像素读出信号以开始曝光行A的第一像素21。在这之后，图像传感器驱动部15向行A的重置线59输入重置信号，从而行A的每一个FD42的电子电位被重置为电力电压VDD。
响应于在开始曝光行A的第一像素21之后预定的时间逝去，图像传感器驱动部15向行A的第二像素读出线信号供应线58输入第二像素读出信号以开始曝光行A的第二像素22。而且，如以上那样，图像传感器驱动部15向行A的重置线59输入重置信号，从而行A的每一个FD42的电子电位被重置为电力电压VDD。
在这之后，图像传感器驱动部15向行A的行选择线60输入行选择信号，并且执行向行A的重置线59输入重置信号、向与行A相对应的列的样本保持晶体管72输入样本保持信号，和向与行A相对应的列的箝位晶体管71输入箝位信号，从而行A的重置水平电压被保持在对应的列的样本保持电容器73中。
在这之后，图像传感器驱动部15向行A的第一像素读出线信号供应线57输入第一像素读出信号，以接通行A的每一个第一像素读出晶体管40。因此，行A的每一个第一像素21的曝光时间被定义为从第一像素读出信号的第一输入到第一像素读出信号的第二输入的时间。
通过向第一像素读出线信号供应线57输入第一像素读出信号，每一个第一像素21的信号电荷被读出到FD42。每一个第一像素21的读出信号电荷被放大器晶体管44和负载晶体管52放大并且通过行选择晶体管45作为信号电压传输到对应的垂直信号线50，从而是从信号电压减去重置水平电压的、在噪声降低之后的信号电压被保持在每一个样本保持电容器73中。
在这之后，图像传感器驱动部15停止向每一个样本保持晶体管72输入样本保持信号，并且随后停止向行选择线60输入行选择信号。然后，图像传感器驱动部15以预定顺序向对应的垂直信号线50的列选择晶体管54输入列选择信号，并且在样本保持电容器73中保持的信号电压被顺次地传输到水平信号线51，从而完成从行A的每一个第一像素21读出信号。此时，如在高动态范围静止图像模式的情形中，垂直信号线50被交替地选择。
在这之后，图像传感器驱动部15在类似的程序中执行从行A的每一个第二像素22读出信号。重复这个过程直至最后一行允许获得一屏的信号，并且获得一屏的信号被进一步重复。因此，获得了由第一像素21获得的用于活动图像的成像信号和由第二像素22获得的用于活动图像的成像信号，并且从这些成像信号产生了三维活动图像数据。
如上所述，当选择3D活动图像模式时，图像传感器驱动部15在第一像素21和第二像素22之间移位第一和第二像素21和22的曝光定时(读出信号的输入定时)。因此，第一和第二像素21和22的曝光时间得以调节而不使用机械快门13并且信号被有效率地并且交替地从第一和第二像素21和22读出。注意，当然，在每一行处，在读出信号之间的输入间隔，换言之，第一和第二像素21和22的曝光时间，是恒定的。
虽然在图10中省略，但是实际上在从行A的第一像素21读出(绘图的水平成像时段)信号期间，行B的每一个第一像素21的曝光开始，并且在完成从行A的第二像素22读出信号之后立即开始从行B的每一个第一像素21将信号转移(绘图的水平消隐时段)到垂直信号线50。
而且，在3D活动图像模式中，第一像素读出信号被同时地输入到第N和(N+2)第一像素读出线信号供应线57。与这一起地，第二像素读出信号被同时地输入到第N和(N+2)第二像素读出线信号供应线58。因此，可以混合具有在垂直方向上毗连的绿色颜色滤光器24G的像素对25的第一像素21的信号，并且混合具有在垂直方向上毗连的绿色颜色滤光器24G的像素对25的第二像素22的信号。
如上所述，CMOS图像传感器14能够适当地向外侧读出由是相差检测像素的第一和第二像素21和22获得的信号。而且，在CMOS图像传感器14中，因为第一和第二像素21和22共享FD42、重置晶体管43、放大器晶体管44、行选择晶体管45等，所以可以混合并排地配置的第一和第二像素21的信号和混合在上方和下面毗连的第一和第二像素21和22的信号，并且因此在各种模式中执行成像。
[第二实施例]
接着，将描述本发明的第二实施例。注意，相同的数字引用与第一实施例的那些相同的功能和结构，并且将省略其详细说明。在图11中，CMOS图像传感器100的颜色滤光器24构成第一滤光器集合102和第二滤光器集合104。
第一滤光器集合102具有在45度斜向方向上相邻地布置的两个绿色颜色滤光器24G和与绿色颜色滤光器24G毗连并且在45度斜向方向上彼此相邻地布置的两个红色颜色滤光器24R。在第二滤光器集合104中，蓝色颜色滤光器24B替代第一滤光器集合102的每一个红色颜色滤光器24R。第一和第二滤光器集合102和104在成像表面100a中被以交错的样式布置。
颜色滤光器24的这个布置与其中像素被以蜂窝样式布置的、用于在所谓的EXR中使用的布置相同，并且在45度斜向方向上毗连的一对像素中的一个旨在用于高敏感性并且另一个旨在用于低敏感性，并且这些像素中的每一个的像素值被混合以获得具有宽的动态范围的图像。
在图12中，如第一实施例的像素对25那样，CMOS图像传感器100的像素对106包括第一和第二像素21和22的PD20、第一像素读出晶体管40、第二像素读出晶体管41、FD42、重置晶体管43、放大器晶体管44，和行选择晶体管45。
在CMOS图像传感器100中，为在水平方向上相互邻接的每两列像素对106提供单一垂直信号线108，但是在第一实施例的CMOS图像传感器14中为在垂直方向上对准的每一列像素对25提供单一垂直信号线50。
如上所述，在CMOS图像传感器100中，相同颜色的颜色滤光器24被相邻地布置在45度斜向方向上。因此，在CMOS图像传感器100中，具有相同颜色的颜色滤光器24的一对像素对106的输出端子(即，一对像素对106中的每一个的行选择晶体管45的源电极)被连接到公共的垂直信号线108。因此，例如可以混合来自45度毗连的、具有相同颜色的颜色滤光器24的一对像素对106的信号。
接着，将描述CMOS图像传感器100的操作方法。正如第一实施例的CMOS图像传感器14那样，CMOS图像传感器100具有五种驱动模式，即，高动态范围静止图像模式、左右同时曝光静止图像模式、左右像素混合静止图像模式、2D活动图像模式、和3D活动图像模式。
当选择高动态范围静止图像模式时，在与第一实施例类似的程序中(参考图5的流程图)，图像传感器驱动部15和控制部17使得每一个样本保持电容器73保持在噪声降低之后行A的每一个第一像素21的信号电压。在这之后，图像传感器驱动部15按照预定的顺序向对应的垂直信号线108的列选择晶体管54输入列选择信号，使得在样本保持电容器73中保持的信号电压被转移到水平信号线51。
为具有相同颜色的颜色滤光器24的、每一个45度斜向毗连的一对像素对106提供单一垂直信号线108。相应地，为在水平方向上对准的每一个单一像素对106，即在每一行中的每一个像素对106，提供单一垂直信号线108。而且，颜色滤光器24被如此布置，使得相同颜色的颜色滤光器24在45度斜向方向上相互邻接。因此，在水平方向上观察，不同颜色的颜色滤光器24被交替地布置，并且因此存在具有交替地布置的绿色颜色滤光器24G和红色颜色滤光器24R的行、和具有交替地布置的绿色颜色滤光器24G和蓝色颜色滤光器24B的行。
因此，在将单一行的第一像素21的信号电压转移到水平信号线51时，图像传感器驱动部15选择每隔一个的垂直信号线108，使得信号电压从在该行中包括的一种颜色的像素对106的第一像素21被顺次地转移到水平信号线51。在这之后，跳过的每隔一个的垂直信号线108被选择以将在该行中包括的另一种颜色的像素对106的第一像素21的信号电压顺次地转移到水平信号线51。通过如上所述以交替的方式选择垂直信号线108，图像传感器驱动部15相继地输出与在该行中包括的两种颜色中的每一种相对应的信号电压。
例如，在从行A的每一个第一像素21转移信号电压的情形中，首先，列选择信号被输入到与越过第一列和第二列地定位的像素对106相对应的垂直信号线108的列选择晶体管54。因为这个像素对106设立有绿色颜色滤光器24G，所以与绿色相对应的信号电压被转移到水平信号线51。
越过第三列和第四列地定位的下一个像素对106被跳过，因为这个像素对106具有蓝色颜色滤光器24B，并且然后列选择信号被输入到与越过第五列和第六列地定位的像素对106相对应的垂直信号线108的列选择晶体管54。通过按照这个顺序选择垂直信号线108，在行A中包括的绿色信号电压被顺次地转移到水平信号线51。
在转移绿色信号电压之后，列选择信号被输入到与越过第三列和第四列地定位的像素对106相对应的垂直信号线108的、跳过的列选择晶体管54，并且以交替的方式重复输入允许顺次地转移在行A中包括的蓝色颜色的信号电压。相应地，在行A中包括的两种颜色即绿色和蓝色的信号电压以逐个颜色为基础被相继地转移到水平信号线51。
被转移到水平信号线51的信号电压被输出放大器55放大，并且作为成像信号被输出到图像处理部16。因此，信号被完全地从行A的第一像素21读出。
在完成从行A的第一像素21读出信号之后，图像传感器驱动部15开始从行A的第二像素22读出信号。通过重复读出直至最后一行，一屏的信号得以读出。
相应地，在CMOS图像传感器100的高动态范围静止图像模式中，信号首先按照G1a，G5a，...的顺序从行A的绿色第一像素21，并且然后按照B3a，B7a，...的顺序从行A的蓝色第一像素21，并且然后按照G2a，G6a，...的顺序从行A的绿色第二像素22，并且然后按照B4a，B8a，...的顺序从行A的蓝色第二像素22输出。
随后，信号按照G2b，G6b，...的顺序从行B的绿色第一像素21，并且然后按照B0b，B4b，...的顺序从行B的蓝色第一像素21，并且然后按照G3b，G7b，...的顺序从行B的绿色第二像素22，并且然后按照B1b，B5b，...的顺序从行B的蓝色第二像素22输出。
然后，信号按照G3c，G7c，...的顺序从行C的绿色第一像素21，并且然后按照R1c，R5c，...的顺序从行C的红色第一像素21，并且然后按照G4c，G8c，...的顺序从行C的绿色第二像素22，并且然后按照R2c，R6c，...的顺序从行C的红色第二像素22输出。重复相同的程序直至最后一行允许输出一屏的信号。
而且，在CMOS图像传感器100中，当在曝光之后将在PD20中积聚的信号电荷读出到FD42时，如果第一像素读出信号被同时地输入到第N第一像素读出线信号供应线57和第(N+2)第一像素读出线信号供应线57，则在垂直信号线108中混合在45度斜向方向上毗连的像素对106的每一个第一像素21中积聚的信号电荷。以类似的方式，如果第二像素读出信号被同时地输入到第N第二像素读出线信号供应线58和第(N+2)第二像素读出线信号供应线58，则在垂直信号线108中混合在45度斜向方向上毗连的像素对106的每一个第二像素22中积聚的信号电荷。
当信号电荷的混合被应用于高动态范围静止图像模式时，信号按照G1a+G2b，G5a+G6b，...的顺序从行A和B的绿色第一像素21，并且然后按照B3a+B4b，B7a+B8b，...的顺序从行A和B的蓝色第一像素21，并且然后按照G2a+G3b，G6a+G7b，...的顺序从行A和B的绿色第二像素22，并且然后按照B4a+B5b，B8a+B9b，...的顺序从行A和B的蓝色第二像素22输出。
随后，信号按照G3c+G4d，G7c+G8d，...的顺序从行C和D的绿色第一像素21，并且然后按照R1c+R2d，R5c+R6d，...的顺序从行C和D的红色第一像素21，并且然后按照G4c+G5d，G8c+G9d，...的顺序从行C和D的绿色第二像素22，并且然后按照R2c+R3d，R6c+R7d，...的顺序从行C和D的红色第二像素22输出。重复相同程序直至最后一行允许输出一屏的信号，从而可以如第一实施例那样缩短信号读出时间并且进一步扩大动态范围。
接着，当选择左右同时曝光静止图像模式时，图像传感器驱动部15和控制部17在与第一实施例(见图7的时序图)相同的程序中实现第一和第二像素21和22的曝光。在这之后，图像传感器驱动部15在与在上述高动态范围静止图像模式中相同的程序中从第一和第二像素21和22读出一屏的信号。因此，如在第一实施例的情形中，CMOS图像传感器100能够获得用于产生三维图像数据并且计算焦距调节量的成像信号。
而且，在左右同时曝光静止图像模式中，当在曝光之后将在PD20中积聚的信号电荷读出到FD42时，如果第一像素读出信号被同时地输入到第N第一像素读出线信号供应线57和第(N+2)第一像素读出线信号供应线57，则在垂直信号线108中混合在45度斜向方向上毗连的像素对106的每一个第一像素21中积聚的信号电荷。以类似的方式，如果第二像素读出信号被同时地输入到第N第二像素读出线信号供应线58和第(N+2)第二像素读出线信号供应线58，则在垂直信号线108中混合在45度斜向方向上毗连的像素对106的每一个第二像素22中积聚的信号电荷。
接着，当选择左右像素混合静止图像模式时，图像传感器驱动部15和控制部17在与在第一实施例中相同的程序(见图8的时序图)中使得每一个样本保持电容器73保持行A的第一和第二像素21和22的噪声降低信号电压(在FD42中混合的信号电压)。在这之后，图像传感器驱动部15在与在上述高动态范围静止图像模式中相同的程序中读出行A的第一和第二像素21和22的信号电压，并且重复这个程序直至最后一行允许读出一屏的信号。
相应地，在CMOS图像传感器100的左右像素混合静止图像模式中，行A的绿色的第一和第二像素21和22的混合信号按照G1a+G2a，G5a+G6a，...的顺序输出，并且然后行A的蓝色的第一和第二像素21和22的混合信号按照B3a+B4a，B7a+B8a，...的顺序输出。随后，行B的绿色的第一和第二像素21和22的混合信号按照G2b+G3b，G6b+G7b，...的顺序输出，并且然后行B的蓝色的第一和第二像素21和22的混合信号按照B0b+B1b，B4b+B5b，B8b+B9b，...的顺序输出。随后，行C的绿色的第一和第二像素21和22的混合信号按照G3c+G4c，G7c+G8c，...的顺序输出，并且然后行C的红色的第一和第二像素21和22的混合信号按照R1c+R2c，R5c+R6c，...的顺序输出。通过对于行D、行E、...重复相同的程序，一屏的信号得以输出。
而且，在这个左右像素混合静止图像模式中，第一和第二像素读出信号分别地被同时地输入到第N第一像素读出线信号供应线57和第二像素读出线信号供应线58，以及第(N+2)第一像素读出线信号供应线57和第二像素读出线信号供应线58。因此，在垂直信号线108中混合在45度斜向方向上毗连的像素对106的第一和第二像素21和22的信号。以类似的方式，如果第二像素读出信号被同时地输入到第N第二像素读出线信号供应线58和第(N+2)第二像素读出线信号供应线58，则在垂直信号线108中混合在45度斜向方向上毗连的像素对106的每一个第二像素22中积聚的信号电荷。这缩短了读出时间并且进一步增强了S/N比增加的效果。
在此情形中，行A和B的绿色的第一和第二像素21和22的混合信号按照(G1a+G2a)+(G2b+G3b)，(G5a+G6a)+(G6b+G7b)，...的顺序输出，并且然后行A和B的蓝色的第一和第二像素21和22的混合信号按照(B3a+B4a)+(B4b+B5b)，(B7a+B8a)+(B8b+B9b)，...的顺序输出。随后，行C和D的绿色的第一和第二像素21和22的混合信号按照(G3c+G4c)+(G4d+G5d)，(G7c+G8c)+(G8d+G9d)，...的顺序输出，并且然后行C和D的红色的第一和第二像素21和22的混合信号按照(R1c+R2c)+(R2d+R3d)，(R5c+R6c)+(R6d+R7d)，...的顺序输出。通过重复相同的程序，一屏的信号得以输出。
注意，左右像素混合静止图像模式和高动态范围静止图像模式的组合允许实行传统EXR的动态范围模式。具有长曝光时间的行和具有短曝光时间的行被交替地设定，使得例如行A的像素对106具有长曝光时间并且行B的像素对106具有短曝光时间。然后，通过采用上述左右像素混合静止图像模式的读出程序，例如从(G1a+G2a)的像素对106获得高敏感性信号，并且从在45度斜向方向上毗连(G1a+G2a)的像素对106的(G2b+G3b)的像素对106获得低敏感性信号。因此，因为在45度斜向方向上毗连的一对像素对106中的一个旨在用于高敏感性并且另一个旨在用于低敏感性，所以传统EXR的动态范围模式得以实行。
接着，当选择2D活动图像模式时，图像传感器驱动部15和控制部17在与在第一实施例中相同的程序中(见图9的时序图)使得每一个样本保持电容器73保持行A的第一和第二像素21和22的噪声降低的信号电压(在FD42中混合的信号电压)。在这之后，图像传感器驱动部15在与在上述高动态范围静止图像模式中相同的程序中读出行A的第一和第二像素21和22的信号电压，并且重复这个程序直至最后一行允许读出一屏的信号。通过顺次地重复获得一屏的信号，获得了二维活动图像数据。
而且，在2D活动图像模式中，第一像素读出信号和第二像素读出信号分别被同时地输入到第N和第(N+1)第一像素读出线信号供应线57以及第N和第(N+1)第二像素读出线信号供应线58。因此，可以在垂直信号线108中混合在45度斜向方向上毗连的每一个像素对106的第一和第二像素21和22的信号。
接着，当选择3D活动图像模式时，图像传感器驱动部15和控制部17在与在第一实施例相同的程序中(见图10的时序图)使得每一个样本保持电容器73保持第一行的每一个第一像素21的噪声降低的信号电压。在这之后，图像传感器驱动部15在与在上述高动态范围静止图像模式中相同的程序中读出第一行的每一个第一像素21的信号电压。
在完成从第一行的每一个第一像素21读出信号之后，图像传感器驱动部15在相同的程序中从第一行的每一个第二像素22读出信号。重复这个程序直至最后一行以获得一屏的信号，并且获得一屏的信号被进一步重复。因此，获得了由每一个第一像素21获得的用于活动图像的成像信号和由每一个第二像素22获得的用于活动图像的成像信号，并且产生了三维活动图像数据。
而且，在3D活动图像模式中，当在PD20中积聚的信号电荷被读出到FD42时，第一像素读出信号被同时地输入到第N第一像素读出线信号供应线57和第(N+1)第一像素读出线信号供应线57。因此，可以在垂直信号线108中混合在45度斜向方向上毗连的像素对106的每一个第一像素21的信号电荷。以类似的方式，因为第二像素读出信号被同时地输入到第N第二像素读出线信号供应线58和第(N+1)第二像素读出线信号供应线58，所以在垂直信号线108中混合在45度斜向方向上毗连的像素对106的每一个第二像素22的信号电荷。
在每一个以上实施例中，第一和第二像素21和22的PD20的光屏蔽膜的开口区域20a大致以矩形的形状形成。因此，当从正交于成像表面14a的方向观察时，开口区域20a在与微透镜23的中心相对的一侧上的端部从微透镜23的外廓延伸出去，并且端部的两个角部处于毗连的像素对25的颜色滤光器24的一个部分中。在毗连的像素对25的颜色滤光器24具有不同的颜色的情形中，这个结构可以引起颜色混合。因此，优选的是PD的光屏蔽膜的开口区域并不从微透镜23的外廓延伸出去。例如，如在图13中所示，其中矩形的两个角部被切除的大致六边形形状的开口区域121a被设立在像素对120中的PD121的光屏蔽膜中。
而且，根据开口区域121a的结构，曝光区域小于PD20的开口区域20a的结构的曝光区域，从而第一和第二像素21和22的敏感性可能劣化。因此，如在像素对122的PD123的屏蔽膜中具有开口区域123a的图14中所示，进一步优选的是使得开口区域123a的端部尽可能靠近微透镜23的中心。由微透镜23会聚的光的数量(照度)在中央部分中更大。因此，正如开口区域123a那样，使得屏蔽膜的开口区域靠近中心能够防止第一和第二像素21和22的敏感性劣化。
PD的光屏蔽膜的开口区域的形状不限于如上所述的六边形，并且可以是任意的，只要该形状并不从微透镜23的外廓延伸出去。注意，正确地说，促进光的入射的PD的形状不是在半导体基板中形成的p-n结的光电转换器的形状，而是在覆盖半导体基板的表面的光屏蔽膜中形成的开口的形状。
在每一个以上实施例中设立了大致半球形形状的微透镜23，但是不限于此，如在图15中所示，具有大致正方形外廓的凸形弯曲形状的微透镜125可以被设立在像素对124中。半球形透镜被以使得能够布置像素对124，换言之，使得微透镜125的底表面几乎是具有长度为2α的对角线的正方形的形状的这种尺寸在微透镜125中呈方形。因此，微透镜125具有大于半球形透镜的区域，并且因此第一和第二像素21和22的敏感性增加。相应地，当PD123的光屏蔽膜的开口区域123a被形成为并不从微透镜125的外廓延伸出去时，微透镜125是特别地有效的。
而且，如在图16中所示，半椭球微透镜131可以被设立在像素对130中。微透镜131的底表面被形成为具有2α的长轴和稍大于α的短轴的椭圆的形状。微透镜131被如此配置，使得它的光轴大致与像素对130的中心一致。因此，微透镜131在短轴一侧上的顶点部分突出到在微透镜131之上或者下面在微透镜131自身和在垂直方向上毗连的一对微透镜131之间留出的空间中。
像素对130的颜色滤光器132被大致形成为外接如上所述被以椭圆形形状形成的微透镜131的底表面的六边形的形状。类似这样地形成颜色滤光器132使得可以不留出任何空间地在成像表面中整齐地布置颜色滤光器132。
这里，当α代表像素的一侧的长度并且像素对130的中心P0被设定为原点时，最靠近在垂直方向上相互邻接的每一个微透镜131的部分P1、P2、P3和P4的坐标是P1=(α/2，α/2)、P2=(α/2，-α/2)、P3=(-α/2，α/2)，和P4=(-α/2，-α/2)。这四个点P1到P4中的每一个还是在微透镜131和颜色滤光器132之间的接触点。注意，每一个微透镜131具有在图16中具有锐利顶点的六边形形状，但是在实际制造中顶点(角部)是被圆化的。
根据半球形微透镜23和大致矩形的颜色滤光器24，从微透镜23的外廓延伸出去的，相对大的边际区域在颜色滤光器24的四个角部中形成，并且忧虑在这些边际区域上倾斜地入射的光引起颜色混合。相反，根据上述微透镜131和颜色滤光器132，因为颜色滤光器132被形成为更加接近圆状的六边形的形状，所以与微透镜23和颜色滤光器24的结构相比较，边际的尺寸变小，并且因此防止了颜色混合的发生。
此外，与以半球形形状形成的微透镜23的区域所具有的相比，以半椭球形状形成的微透镜131具有与第一和第二像素21和22交迭的更大的区域。相应地，如在图16中所示，即便PD133的光屏蔽膜的开口区域133a以传统方式被形成为矩形形状，开口区域133a也不从微透镜131延伸出去，从而防止了第一和第二像素21和22的敏感性的劣化。
而且，水平地长的微透镜131和颜色滤光器132适合于获得3D和相差信号。因为像素对130具有1：2的纵横比，所以以大致1：2设定在微透镜131的短轴和长轴之间的比率缩短了从开口区域133a的端部到微透镜131的端部的最大长度。因此，由微透镜131折射的光在开口区域133a上入射的折射角度是小的并且促使敏感性增加。
在每一个以上实施例中，仅仅描述了在成像元件光接收区域中的光学中心附近的像素的结构。随着距光学中心的距离增加，主射线的入射角关于垂直方向在更大程度上倾斜，从而优选的是进一步使用所谓的缩放方法，这是用于校正在微透镜、颜色滤光器，和PD的光屏蔽膜的开口区域之间的位置关系的方案。更加具体地，缩放方向和尺寸明显地对于上述微透镜的偏心数量和方向具有影响，并且可以基于缩放方向和尺寸来校正微透镜和颜色滤光器这两者或者中的一个的偏心数量和方向。
在每一个以上实施例中，CDS电路53降低每一个像素的固定样式噪声，但是不限于此，固定样式噪声的降低可以由列ADC(模拟数字转换器)等执行。
每一个以上实施例示出本发明应用于一般的CMOS图像传感器的一个示例，但是不限于此，本发明可以被应用于另一种类型的固态成像元件。特别地，后表面曝光型CMOS图像传感器能够具有大的开口区域，并且能够通过在防止敏感性劣化的情况下增加从微透镜23和颜色滤光器24到第一和第二像素21和22的PD20的距离而关于焦点增加图像的移位数量或者窄化视差角度。因此，将本发明应用于后表面曝光型CMOS图像传感器适合于相差性质的优化。
在每一个以上实施例中，信号被顺次地从第一行(行A)到最后一行读出。然而，在读出成像屏幕的一个部分的情形中，在将成像屏幕的中间行视为第一行时读出信号。在这个意义上，第一行和最后一行并不具有物理位置关系而是具有相对位置关系。
附图标记的说明
10  成像装置
14  CMOS图像传感器
14a  成像表面
15  图像传感器驱动部
17  控制部
20  PD
21  第一像素
22  第二像素
23  微透镜
24  颜色滤光器
25  像素对
26  像素行
40  第一像素读出晶体管
41  第二像素读出晶体管
42  FD
43  重置晶体管
44  放大器晶体管
45  行选择晶体管
50  垂直信号线
51  水平信号线
54  列选择晶体管
57  第一像素读出线信号供应线
58  第二像素读出线信号供应线
59  重置线
60  行选择线

Claims (23)

1.一种固态成像元件，其特征在于包括：
成像部，所述成像部包括多个像素对，每一个像素对具有第一像素和第二像素、以及微透镜，所述第一像素和第二像素被配置成在水平方向上相互邻接，用于将入射光转换成用于信号积聚的电子电荷，所述微透镜用于将光会聚到所述第一像素和第二像素，所述成像部具有多个像素行的布置，每一个像素行由在所述水平方向上布置的多个所述像素对构成，所述像素行被布置在垂直方向上，使得所述第一像素和所述第二像素在所述垂直方向上相互邻接；
第一像素读出部，所述第一像素读出部被设立在每一个所述像素对中，用于读出在所述第一像素中积聚的信号电荷；
第二像素读出部，所述第二像素读出部被设立在每一个所述像素对中，用于读出在所述第二像素中积聚的信号电荷；
多个第一像素读出线信号供应线，用于向每一个所述第一像素读出部供应第一像素读出信号，所述第一像素读出信号用于从所述第一像素读出所述信号电荷；
多个第二像素读出线信号供应线，用于向每一个所述第二像素读出部供应第二像素读出信号，所述第二像素读出信号用于从所述第二像素读出所述信号电荷；
电子电荷积聚器，所述电子电荷积聚器被设立在每一个所述像素对中，用于暂时地积聚从所述第一像素和所述第二像素读出的所述信号电荷；
重置部，所述重置部被设立在每一个所述像素对中，用于将在所述电子电荷积聚器中积聚的所述信号电荷重置到预定电子电位；
多个重置线，用于向每一个所述重置部供应重置信号，所述重置信号用于将所述电子电荷积聚器重置到所述预定电子电位；
放大器，所述放大器被设立在每一个所述像素对中，用于放大在所述电子电荷积聚器中积聚的所述信号电荷并且将所述信号电荷输出为信号电压；
行选择部，所述行选择部被设立在每一个所述像素对中，用于选择要被转移的所述信号电压所来自的一个或者多个所述像素行；
多个行选择线，用于向每一个所述行选择部供应行选择信号；
多个垂直信号线，所述多个垂直信号线沿着所述垂直方向形成，并且被设立在所述垂直方向上每预定数目的列，用于在所述垂直方向上从由所述行选择部选择的所述行转移所述信号电压；
水平信号线，用于在所述水平方向上从每一个所述垂直信号线转移所述信号电压；和
列选择部，所述列选择部被设立成对应于每一个所述垂直信号线，用于选择一个或者多个列，在所述一个或者多个列中所述信号电压将被从每一个所述垂直信号线转移到所述水平信号线。
2.根据权利要求1所述的固态成像元件，其特征在于，所述第一像素读出线信号供应线和所述第二像素读出线信号供应线在位于所述垂直方向上毗连的所述像素行之间、在所述垂直方向上被交替地配置，从而在所述垂直方向上毗连的两个所述像素行之间被共享。
3.根据权利要求1所述的固态成像元件，其特征在于，所述像素对具有一个颜色滤光器，所述一个颜色滤光器用于仅透射由所述微透镜会聚的所述光之中的预定颜色的光；
所述颜色滤光器是下述中的一个：用于透射红色光的红色颜色滤光器、用于透射绿色光的绿色颜色滤光器、和用于透射蓝色光的蓝色颜色滤光器；
滤光器集合由在所述垂直方向上相邻地配置的两个所述绿色颜色滤光器、和与所述两个绿色颜色滤光器毗连并且在所述水平方向上相邻地配置的一个所述红色颜色滤光器和一个所述蓝色颜色滤光器构成；以及
所述滤光器集合彼此相邻地布置在所述水平方向和所述垂直方向上。
4.根据权利要求3所述的固态成像元件，其特征在于，每一个所述垂直信号线被设立在所述垂直方向上布置的每一个所述像素对的每列处。
5.根据权利要求1所述的固态成像元件，其特征在于，所述像素对具有一个颜色滤光器，所述一个颜色滤光器用于仅透射由所述微透镜会聚的所述光之中的预定颜色的光；
所述颜色滤光器是下述中的一个：用于透射红色光的红色颜色滤光器、用于透射绿色光的绿色颜色滤光器、和用于透射蓝色光的蓝色颜色滤光器；
第一滤光器集合由在45度斜向方向上相邻地配置的两个所述绿色颜色滤光器和与每一个所述绿色颜色滤光器毗连并且在所述45度斜向方向上彼此相邻地配置的两个所述红色颜色滤光器构成；
通过用所述蓝色颜色滤光器替代所述第一滤光器集合的每一个所述红色颜色滤光器，来构造第二滤光器集合；以及
所述第一滤光器集合和第二滤光器集合被布置成交错样式。
6.根据权利要求5所述的固态成像元件，其特征在于，所述垂直信号线中的每一个被设立在所述像素对的每两列处，并且在所述45度斜向方向上毗连并且具有相同颜色的所述颜色滤光器的所述像素对中的一对的输出被连接到每一个所述垂直信号线。
7.根据权利要求1所述的固态成像元件，其特征在于，在光电转换器之上的光屏蔽膜的开口区域具有的形状没有从所述微透镜的外廓延伸出去。
8.根据权利要求1所述的固态成像元件，其特征在于，所述微透镜具有半椭球形状，所述半椭球形状具有长轴，所述长轴具有与所述像素对在所述水平方向上的宽度基本相同的长度，并且所述微透镜的光轴基本与所述像素对的中心一致。
9.根据权利要求8所述的固态成像元件，其特征在于，所述像素对仅透射由所述微透镜会聚的所述光之中的预定颜色的光，并且具有外接所述微透镜的底表面的基本六边形形状的颜色滤光器。
10.一种固态成像元件的驱动方法，所述固态成像元件包括：
成像部，所述成像部包括多个像素对，每一个像素对具有第一像素和第二像素、以及微透镜，所述第一像素和第二像素被配置成在水平方向上相互邻接，用于将入射光转换成用于信号积聚的电子电荷，所述微透镜用于将光会聚到所述第一像素和第二像素，所述成像部具有多个像素行的布置，每一个像素行由在所述水平方向上布置的多个所述像素对构成，所述像素行被布置在垂直方向上，使得所述第一像素和所述第二像素在所述垂直方向上相互邻接；
第一像素读出部，所述第一像素读出部被设立在每一个所述像素对中，用于读出在所述第一像素中积聚的信号电荷；
第二像素读出部，所述第二像素读出部被设立在每一个所述像素对中，用于读出在所述第二像素中积聚的信号电荷；
多个第一像素读出线信号供应线，用于向每一个所述第一像素读出部供应第一像素读出信号，所述第一像素读出信号用于从所述第一像素读出所述信号电荷；
多个第二像素读出线信号供应线，用于向每一个所述第二像素读出部供应第二像素读出信号，所述第二像素读出信号用于从所述第二像素读出所述信号电荷；
电子电荷积聚器，所述电子电荷积聚器被设立在每一个所述像素对中，用于暂时地积聚从所述第一像素和所述第二像素读出的所述信号电荷；
重置部，所述重置部被设立在每一个所述像素对中，用于将在所述电子电荷积聚器中积聚的所述信号电荷重置到预定电子电位；
多个重置线，用于向每一个所述重置部供应重置信号，所述重置信号用于将所述电子电荷积聚器重置到所述预定电子电位；
放大器，所述放大器被设立在每一个所述像素对中，用于放大在所述电子电荷积聚器中积聚的所述信号电荷并且将所述信号电荷输出为信号电压；
行选择部，所述行选择部被设立在每一个所述像素对中，用于选择要被转移的所述信号电压所来自的一个或者多个所述像素行；
多个行选择线，用于向每一个所述行选择部供应行选择信号；
多个垂直信号线，所述多个垂直信号线沿着所述垂直方向形成，并且被设立在所述垂直方向上每预定数目的列，用于在所述垂直方向上从由所述行选择部选择的所述行转移所述信号电压；
水平信号线，用于在所述水平方向上从每一个所述垂直信号线转移所述信号电压；和
列选择部，所述列选择部被设立成对应于每一个所述垂直信号线，用于选择一个或者多个列，在所述一个或者多个列中所述信号电压将被从每一个所述垂直信号线转移到所述水平信号线，
所述驱动方法的特征在于包括：
(A)使得所述成像部曝光的步骤；
(B)通过以下操作来读出第N行(N是任意整数)的所述第一像素和第二像素的所述信号电压的步骤：向所述成像部的所述第N行的所述行选择线输入所述行选择信号；向所述成像部的所述第N行的所述第一像素读出线信号供应线输入所述第一像素读出信号；向所述成像部的所述第N行的所述第二像素读出线信号供应线输入所述第二像素读出信号；以及，将被读出到每一个所述垂直信号线的与所述第N行相对应的所述信号电压顺次地转移到所述水平信号线；一级建造师
(C)通过从第一行到最后一行地重复所述(A)步骤和所述(B)步骤，来读出一屏的所述信号电压的步骤。
11.根据权利要求10所述的所述固态成像元件的驱动方法，其特征在于，当进行所述曝光时，通过将所述第一像素读出信号的输入定时移位到所述第一像素读出线信号供应线并且将所述第二像素读出信号的输入定时移位到所述第二像素读出线信号供应线，在所述第一像素和所述第二像素之间曝光时间不同。
12.根据权利要求10所述的所述固态成像元件的驱动方法，其特征在于，当进行所述曝光时，通过同时地向所述第一像素读出线信号供应线输入所述第一像素读出信号和向所述第二像素读出线信号供应线输入所述第二像素读出信号，在所述第一像素和所述第二像素之间曝光时间基本相等。
13.根据权利要求10所述的所述固态成像元件的驱动方法，其特征在于，当执行所述第N行的读出时，通过向所述第N行的所述第一像素读出线信号供应线输入所述第一像素读出信号，来读出在所述第N行的每一个所述第一像素中积聚的、在所述曝光之后的所述信号电荷，以及然后通过向所述第N行的所述第二像素读出线信号供应线输入所述第二像素读出信号，来读出在所述第N行的每一个所述第二像素中积聚的、在所述曝光之后的所述信号电荷。
14.根据权利要求10所述的所述固态成像元件的驱动方法，其特征在于，当执行所述第N行的读出时，通过同时地向所述第一像素读出线信号供应线输入所述第一像素读出信号和向所述第二像素读出线信号供应线输入所述第二像素读出信号，来将在所述第一像素中积聚的所述信号电荷和在所述第二像素中积聚的所述信号电荷同时地读出到所述电子电荷积聚器，以在所述电子电荷积聚器中混合所述信号电荷。
15.根据权利要求14所述的所述固态成像元件的驱动方法，其特征在于，所述像素对具有一个颜色滤光器，所述一个颜色滤光器用于仅透射由所述微透镜会聚的所述光之中的预定颜色的光；
所述颜色滤光器是下述中的一个：用于透射红色光的红色颜色滤光器、用于透射绿色光的绿色颜色滤光器、和用于透射蓝色光的蓝色颜色滤光器；
第一滤光器集合由在45度斜向方向上相邻地配置的两个所述绿色颜色滤光器和与每一个所述绿色颜色滤光器毗连并且在所述45度斜向方向上彼此相邻地配置的两个所述红色颜色滤光器构成；
通过用所述蓝色颜色滤光器替代所述第一滤光器集合的每一个所述红色颜色滤光器，来构造第二滤光器集合；
所述第一滤光器集合和第二滤光器集合被布置成交错样式；以及
在所述垂直方向上，将长曝光时间和短曝光时间交替地分配到每隔一个像素行，并且通过在读出所述一行时在所述电子电荷积聚器中执行所述信号电荷的所述混合，在所述45度斜向方向上毗连的所述像素对的一对中一个旨在用于高敏感性，并且另一个旨在用于低敏感性。
16.根据权利要求10所述的所述固态成像元件的驱动方法，其特征在于，当执行所述第N行的读出时，通过同时地向包括毗连行的多行的所述第一像素读出线信号供应线输入所述第一像素读出信号，来在所述垂直信号线中混合在所述垂直方向上毗连的多个所述像素对的每一个所述第一像素中积聚的所述信号电荷，以及通过同时地向多行的所述第二像素读出线信号供应线输入所述第二像素读出信号，来在所述垂直信号线中混合在所述垂直方向上毗连的多个所述像素对的每一个所述第二像素中积聚的所述信号电荷。
17.一种成像装置，其特征在于包括：
固态成像元件，所述固态成像元件包括：
成像部，所述成像部包括多个像素对，每一个像素对具有第一像素和第二像素、以及微透镜，所述第一像素和第二像素被配置成在水平方向上相互邻接，用于将入射光转换成用于信号积聚的电子电荷，所述微透镜用于将光会聚到所述第一像素和第二像素，所述成像部具有多个像素行的布置，每一个像素行由在所述水平方向上布置的多个所述像素对构成，所述像素行被布置在垂直方向上，使得所述第一像素和所述第二像素在所述垂直方向上相互邻接；
第一像素读出部，所述第一像素读出部被设立在每一个所述像素对中，用于读出在所述第一像素中积聚的信号电荷；
第二像素读出部，所述第二像素读出部被设立在每一个所述像素对中，用于读出在所述第二像素中积聚的信号电荷；
多个第一像素读出线信号供应线，用于向每一个所述第一像素读出部供应第一像素读出信号，所述第一像素读出信号用于从所述第一像素读出所述信号电荷；
多个第二像素读出线信号供应线，用于向每一个所述第二像素读出部供应第二像素读出信号，所述第二像素读出信号用于从所述第二像素读出所述信号电荷；
电子电荷积聚器，所述电子电荷积聚器被设立在每一个所述像素对中，用于暂时地积聚从所述第一像素和所述第二像素读出的所述信号电荷；
重置部，所述重置部被设立在每一个所述像素对中，用于将在所述电子电荷积聚器中积聚的所述信号电荷重置到预定电子电位；
多个重置线，用于向每一个所述重置部供应重置信号，所述重置信号用于将所述电子电荷积聚器重置到所述预定电子电位；
放大器，所述放大器被设立在每一个所述像素对中，用于放大在所述电子电荷积聚器中积聚的所述信号电荷并且将所述信号电荷输出为信号电压；
行选择部，所述行选择部被设立在每一个所述像素对中，用于选择要被转移的所述信号电压所来自的一个或者多个所述像素行；
多个行选择线，用于向每一个所述行选择部供应行选择信号；
多个垂直信号线，所述多个垂直信号线沿着所述垂直方向形成，并且被设立在所述垂直方向上每预定数目的列，用于在所述垂直方向上从由所述行选择部选择的所述行转移所述信号电压；
水平信号线，用于在所述水平方向上从每一个所述垂直信号线转移所述信号电压；和
列选择部，所述列选择部被设立成对应于每一个所述垂直信号线，用于选择一个或者多个列，在所述一个或者多个列中所述信号电压将被从每一个所述垂直信号线转移到所述水平信号线；以及
驱动控制部，用于驱动所述固态成像元件。
18.根据权利要求17所述的成像装置，其特征在于，所述驱动控制部具有第一驱动模式，在所述第一驱动模式中，当进行所述成像部的曝光时，通过将所述第一像素读出信号的输入定时移位到所述第一像素读出线信号供应线并且将所述第二像素读出信号的输入定时移位到所述第二像素读出线信号供应线，在所述第一像素和所述第二像素之间曝光时间不同。
19.根据权利要求17所述的成像装置，其特征在于，所述驱动控制部具有第二驱动模式，在所述第二驱动模式中，当进行所述成像部的曝光时，通过同时地向所述第一像素读出线信号供应线输入所述第一像素读出信号和向所述第二像素读出线信号供应线输入所述第二像素读出信号，在所述第一像素和所述第二像素之间曝光时间是基本相等的。
20.根据权利要求17所述的成像装置，其特征在于，当读出在第N行(N是任意整数)的所述第一像素和第二像素中积聚的所述信号电压时，
通过向所述第N行的所述第一像素读出线信号供应线输入所述第一像素读出信号，来读出在所述第N行的每一个所述第一像素中积聚的、在曝光之后的所述信号电荷，以及然后通过向所述第N行的所述第二像素读出线信号供应线输入所述第二像素读出信号，来读出在所述第N行的每一个所述第二像素中积聚的、在所述曝光之后的所述信号电荷。
21.根据权利要求19所述的成像装置，其特征在于，所述驱动控制部具有第三驱动模式，在所述第三驱动模式中，当读出在所述第一和第二像素中积聚的所述信号电荷时，通过同时地向所述第一像素读出线信号供应线输入所述第一像素读出信号和向所述第二像素读出线信号供应线输入所述第二像素读出信号，来将在所述第一像素中积聚的所述信号电荷和在所述第二像素中积聚的所述信号电荷同时地读出到所述电子电荷积聚器，从而在所述电子电荷积聚器中混合所述信号电荷。
22.根据权利要求21所述的成像装置，其特征在于，所述像素对具有一个颜色滤光器，所述一个颜色滤光器用于仅透射由所述微透镜会聚的所述光之中的预定颜色的光；
所述颜色滤光器是下述中的一个：用于透射红色光的红色颜色滤光器、用于透射绿色光的绿色颜色滤光器、和用于透射蓝色光的蓝色颜色滤光器；
第一滤光器集合由在45度斜向方向上相邻地配置的两个所述绿色颜色滤光器和与每一个所述绿色颜色滤光器毗连并且在所述45度斜向方向上彼此相邻地配置的两个所述红色颜色滤光器构成；
通过用所述蓝色颜色滤光器替代所述第一滤光器集合的每一个所述红色颜色滤光器，来构造第二滤光器集合；
所述第一滤光器集合和第二滤光器集合被布置成交错样式；以及
所述驱动控制部在所述垂直方向上将长曝光时间和短曝光时间交替地分配到每隔一个像素行，并且通过采用在读出所述一行时在所述电子电荷积聚器中混合所述信号电荷的所述模式，在所述45度斜向方向上毗连的所述像素对的一对中的一个旨在用于高敏感性，并且另一个旨在用于低敏感性。
23.根据权利要求17所述的成像装置，其特征在于，当读出在所述第一像素和第二像素中积聚的所述信号电荷时，所述驱动控制部通过同时地向多行的所述第一像素读出线信号供应线输入所述第一像素读出信号，来在所述垂直信号线中混合在所述垂直方向上毗连的多个所述像素对的每一个所述第一像素中积聚的所述信号电荷，并且通过同时地向多行的所述第二像素读出线信号供应线输入所述第二像素读出信号，来在所述垂直信号线中混合在所述垂直方向上毗连的多个所述像素对的每一个所述第二像素中积聚的所述信号电荷。
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