TWI386045B - 固態成像器件及其信號處理方法，以及成像裝置 - Google Patents

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Description

固態成像器件及其信號處理方法，以及成像裝置
本發明係關於一種固態成像器件、一種用於該固態成像器件之信號處理方法以及一種成像裝置。
本發明包括在2007年4月23日向日本專利局申請的日本專利申請案JP 2007－112651的相關標的，該案之全文以引用的方式併入本文中。
圖31展示固態成像器件之單位像素100之組態的實例。就此實例而言，在具有用於轉移經由在光電轉換元件101中進行光電轉換而獲得之信號電荷的轉移電晶體的單位像素100中，使可被轉移至該單位像素之浮動擴散電容器(FD)106的所積聚之電荷之最大數量Qfd.max充分大於積聚於作為光接收單元之光電轉換元件101中的電荷之最大數量Qpd.max。結果，藉由移除光電轉換元件101中之殘餘電荷而實現該等信號電荷自光電轉換元件101至浮動擴散電容器106之完美轉移。
以如上文所描述之方式來實現針對經由在光電轉換元件101中進行光電轉換而獲得之信號電荷的完美轉移，此導致可防止在拍攝影像之階段中的殘餘影像且可實現入射光之亮度與感應器輸出信號之間的良好線性。就此而言，除轉移電晶體102之外，此實施例之單位像素100包括一重設電晶體103、一放大電晶體104及一像素選擇電晶體105。
然而，圖31中所示之單位像素100涉及以下問題。
(1)由於所積聚之電荷之最大數量Qfd.max必須大於積聚於光電轉換元件101中之電荷之最大數量Qpd.max，所以存在對減小浮動擴散電容器106之電容以用於增強電荷至電壓轉換效率的限制。
(2)因為與上文之原因相同的原因，被用作用於浮動擴散電容器106之重設電壓的電源電壓Vdd之降低導致積聚於浮動擴散電容器106中之電荷之最大數量Qfd.max的減少，所以存在對電源電壓Vdd之降低的限制。
接著，迄今為止，按以下方式解決上文所描述之問題(1)及(2)。亦即，當所積聚之電荷之最大數量Qfd.max歸因於減小浮動擴散電容器106之電容以用於增強電荷至電壓轉換效率而較小時，或當所積聚之電荷之最大數量Qfd.max由於重設電壓(電源電壓)Vdd的降低而較小時，在電荷轉移之後，執行信號讀取及浮動擴散電容器106之重設，光電轉換元件101中剩餘之電荷因為多於轉移電晶體102可轉移之電荷，所以其再次被轉移以讀出信號。結果，積聚於光電轉換元件101中之所有電荷以複數個批次被讀出。此技術(例如)描述於日本專利特許公開案第2001－177775號中。
然而，當就上文所描述之先前技術而言時，在積聚時段內經由光電轉換而積聚於光電轉換元件101中之電荷以分割轉移為基礎(分割轉移)而轉移，且接著對對應於因此轉移之電荷的類比信號執行類比至數位轉換，必須視以分割 為基礎之轉移中的分割數目而執行該類比至數位轉換處理複數次。結果，變得難以加速類比至數位轉換處理，且功率消耗亦增加。
鑒於以上內容，因此需要提供一種能夠藉由一組態來加速類比至數位轉換處理並降低功率消耗的固態成像器件、一種用於該固態成像器件之信號處理方法以及一種成像裝置，該組態用於在不可在一個讀出操作中輸出所有所積聚之電荷時以複數個批次來轉移該等所積聚之電荷並以分割轉移為基礎來輸出信號電荷。
為達成上文所描述之期望，根據本發明之一實施例，提供一種固態成像器件，其包括：一像素陣列單元，其藉由以矩陣配置單位像素而構成，該等單位像素中之每一者包括：一光電轉換單元，其經組態以將光信號轉換為信號電荷；一轉移元件，其經組態以轉移經由在光電轉換單元中進行光電轉換而獲得之信號電荷；及輸出構件，其經組態以輸出由轉移元件轉移之信號電荷；驅動構件，其經組態以經由輸出部分而讀出在一個單位之積聚時段中積聚於光電轉換單元中並由轉移元件至少以兩個批次轉移之信號電荷；及類比至數位轉換構件，其經組態以對以複數個批次自單位像素讀出之複數個輸出信號以不同轉換精確度執行類比至數位轉換。
根據本發明之另一實施例，提供一種用於固態成像器件 之信號處理方法，該固態成像器件包括：一像素陣列單元，其藉由以矩陣配置單位像素而構成，該等單位像素中之每一者包括：一光電轉換單元，其經組態以將光信號轉換為信號電荷；一轉移元件，其經組態以轉移經由在光電轉換單元中進行光電轉換而獲得之信號電荷；及一輸出部分，其經組態以輸出由轉移元件轉移之信號電荷；及 驅動構件，其經組態以經由該輸出部分而讀出在一個單位之積聚時段中積聚於光電轉換單元中並由轉移元件至少以兩個批次轉移之信號電荷；其中該固態成像器件對以複數個批次自單位像素讀出之複數個輸出信號以不同轉換精確度執行類比至數位轉換。
根據本發明之又一實施例，提供一種成像裝置，其包括：一固態成像器件，其藉由以矩陣配置單位像素而構成，該等單位像素中之每一者包括：一光電轉換單元，其經組態以將光信號轉換為信號電荷；一轉移元件，其經組態以轉移經由在光電轉換單元中進行光電轉換而獲得之信號電荷；及輸出構件，其經組態以輸出由轉移元件轉移之信號電荷；及一光學系統，其用於將入射光聚焦至該固態成像器件之成像區域上；其中該固態成像器件包括：驅動構件，其經組態以經由輸出構件而讀出在一個單位 之積聚時段中積聚於光電轉換單元中並由轉移元件至少以兩個批次轉移之信號電荷；及類比至數位轉換構件，其經組態以對以複數個批次自單位像素讀出之複數個輸出信號以不同轉換精確度執行類比至數位轉換。
根據本發明，當以分割轉移為基礎來轉移不可在一個讀出操作中讀出之所積聚之電荷時，對以分割轉移為基礎自單位像素讀出之複數個輸出信號以不同轉換精確度執行類比至數位轉換。結果，有可能實現類比至數位轉換處理之加速及功率消耗之減少。
下文將參看隨附圖式來詳細描述本發明之較佳實施例。
[第一實施例]
圖1係展示根據本發明之第一實施例之固態成像器件(例如，CMOS影像感應器)的組態的系統組態圖。
如圖1中所示，此實施例之CMOS影像感應器10A包括一像素陣列單元11及其周邊電路。在此狀況下，像素陣列單元11經組態以使得各自包括一光電轉換元件之單位像素(下文在一些狀況下被簡稱作"像素")20係以矩陣二維地配置。一垂直掃描電路12、一水平掃描電路13、一行信號選擇電路14、一信號處理電路15及其類似物(例如)係作為像素陣列單元11之周邊電路而提供。
對於像素陣列單元11中之像素20的矩陣配置而言，每一像素行地布置一垂直信號線111，且每一像素列地布置驅 動控制線(例如，一轉移控制線112、一重設控制線113及一選擇控制線114)。
恆定電流源16分別連接至該等垂直信號線111之一端。可使用用於偏流之電晶體(其閘極(例如)由偏壓Vbias偏壓)來代替使用恆定電流源16。在此狀況下，用於偏流之電晶體連同將在稍後加以描述之放大電晶體24而組態源極隨耦電路(參看圖2)。
垂直掃描電路12係由一移位暫存器、一位址解碼器或其類似物構成。另外，當相對於電子快門列及讀出列中之每一者而以列為單位垂直掃描像素陣列單元11之像素20時，垂直掃描電路12執行電子快門操作以用於自屬於該電子快門列之像素20中之對應像素掃清信號，並執行讀出操作以用於自屬於該讀出列之該等像素中之對應像素讀出信號。
儘管此處省略說明，但垂直掃描電路12包括一讀出掃描系統及一電子快門掃描系統。在此狀況下，讀出掃描系統在以列為單位來連續地選擇像素20的同時執行讀出操作以用於自屬於讀出列之像素20讀出信號。又，電子快門掃描系統在由讀出掃描系統進行讀出掃描之前的對應於快門速度之時段對同一列(電子快門列)執行電子快門操作。
又，在第一時序至第二時序之範圍內的時段變成用於像素20中之每一者之信號電荷的一個單位之積聚時段(曝光時段)。此處，在第一時序，由電子快門掃描系統經由快門掃描來重設光電轉換單元中之不必要之電荷。又，在第二時序，由讀出掃描系統經由讀出掃描而分別自像素讀出 信號。亦即，電子快門操作意謂用於重設(掃清)積聚於光電轉換單元中之信號電荷並在完成信號電荷之重設之後開始重新積聚信號電荷的操作。
水平掃描電路13係由一移位暫存器、一位址解碼器或其類似物構成。水平掃描電路13按次序水平掃描像素陣列單元11之像素行。行信號選擇電路14係由一水平選擇開關、一水平信號線及其類似物構成。與由水平掃描電路13進行之水平掃描操作同步，行信號選擇電路14連續地輸出各別像素20之信號，該等信號分別經由對應於像素列之垂直信號線111而自像素陣列單元11輸出。
信號處理電路15對以像素為單位而自行信號選擇電路14輸出之像素20之信號執行各種信號處理(諸如，雜訊移除處理、類比至數位(A/D)轉換處理及加法處理)。此實施例以信號處理電路15之組態及操作為特徵。將在稍後描述此實施例之特徵的細節。
應注意，時序信號及控制信號(其種之每一者變成用於垂直掃描電路12、水平掃描電路13、信號處理電路15及其類似物之操作的參考)係自時序控制電路(未圖示)產生。
(像素電路) 圖2係展示單位像素20之電路組態的一實例的電路圖。此實例之單位像素20被組態為像素電路，除光電轉換元件(光電轉換單元)21(諸如，內埋式光電二極體)之外，該像素電路包括四個電晶體(例如，一轉移電晶體(轉移元件)22、一重設電晶體23、一放大電晶體24及一選擇電晶 體25)。在此狀況下，雖然將N通道MOS電晶體(例如)用作四個電晶體22至25，但本發明決不限於此組態。
轉移電晶體22連接於光電轉換元件21之陰極與浮動擴散電容器(FD)26之間。轉移電晶體22藉由將轉移脈衝TRG供應至其閘電極(控制電極)而將已經由在光電轉換元件21中進行光電轉換而積聚之信號電荷(在此狀況下為電子)轉移至浮動擴散電容器26。因此，浮動擴散電容器26充當用於將信號電荷轉換為電壓信號之電荷至電壓轉換單元。
重設電晶體23之汲電極連接至用於供應電源電壓Vdd之像素電源，且其源電極連接至浮動擴散電容器26之與其接地端相對的一端。在將信號電荷自光電轉換元件21轉移至浮動擴散電容器26之前，重設電晶體23根據供應至其閘電極之重設脈衝RST而將浮動擴散電容器26之電位重設至重設電壓Vrst。
放大電晶體24之閘電極連接至浮動擴散電容器26之該一端，且其汲電極連接至用於供應電源電壓Vdd之像素電源。放大電晶體24以具有重設位準之信號的形式輸出在由重設電晶體23重設之後的浮動擴散電容器26之電位，且以具有信號位準之信號的形式輸出在由轉移電晶體22將信號電荷轉移至浮動擴散電容器26之後的浮動擴散電容器26之電位。
舉例而言，選擇電晶體25之汲電極連接至放大電晶體24之源電極，且其源電極連接至垂直信號線111。選擇電晶體25根據施加至其閘電極以將像素20設定於選擇狀態之選 擇脈衝SEL而接通，藉此將自放大電晶體24輸出之信號輸出至垂直信號線111。選擇電晶體25亦可採用連接於像素電源(Vdd)與放大電晶體24之汲電極之間的組態。
應注意，儘管此處已將本發明之實施例被應用於包括單位像素20(具有四電晶體組態，包括轉移電晶體22、重設電晶體23、放大電晶體24及選擇電晶體25)之CMOS影像感應器的狀況作為實例給出，但本發明決不限於此應用實例。
具體言之，亦可將本發明應用於：一CMOS影像感應器，其包括一單位像素20’，該單位像素20’具有三電晶體組態，其中如圖3中所示，圖2中所示之選擇電晶體25被省略，且使電源電壓SELVdd可變，藉此給予放大電晶體24選擇電晶體25之功能；一CMOS影像感應器，其具有一組態，其中如圖4中所示，一浮動擴散電容器FD及一讀出電路200係在複數個像素之間共用；或其類似物。
在具有上文所描述之組態的CMOS影像感應器10A中，用於驅動單位像素20之構成元件(轉移電晶體22、重設電晶體23及選擇電晶體25)的垂直掃描電路12構成一驅動部分。在此狀況下，由轉移電晶體22至少以兩個批次來分割在一個單位之積聚時段中積聚於光電轉換元件21中的信號電荷。因此，該驅動部分以分割轉移為基礎經由輸出部分(由重設電晶體23、浮動擴散電容器26、放大電晶體24及選擇電晶體25構成)而將信號電荷讀出至垂直信號線111。
(分割轉移) 具有上文所描述之組態的CMOS影像感應器10A執行操作以用於至少以兩個批次將在一個單位之積聚時段中積聚於光電轉換元件21中之信號電荷轉移至浮動擴散電容器26(以分割轉移為基礎)並在基於轉移脈衝TRG、重設脈衝RST及選擇脈衝SEL(該等脈衝係自垂直掃描電路12適當地輸出)之驅動下以像素列為單位經由放大電晶體24而將經由在光電轉換元件21中進行光電轉換而獲得之電壓信號讀出至垂直信號線111。又，在後續階段中，使以分割轉移為基礎而自單位像素20讀出之複數個電壓信號經受信號處理電路15中之加法處理。
此處，圖5將在以四分割轉移為基礎來執行分割轉移時重設脈衝RST與轉移脈衝TRG之間的時序關係作為實例來展示。另外，圖6展示解釋當入射光之亮度高時的操作的能量圖，且圖7展示解釋當入射光之亮度低時的操作的能量圖。在圖6及圖7中，操作(1)至(15)分別對應於圖5中所示之時段(1)至(15)。
當以四個批次轉移信號電荷時，將在各別電荷轉移操作中讀出之具有數量Qfd1、Qfd2、Qfd3及Qfd4的電荷彼此相加以獲得具有數量Qpd(＝Qfd1＋Qfd2＋Qfd3＋Qfd4)之所積聚之電荷。另外，在入射光之亮度高且光電轉換元件21在其中積聚大數量之電荷(如圖6中所示)的像素中，因為執行四分割及加法，所以可讀出具有數量Qpd之所有所積聚之電何。
(信號處理電路) 圖8係展示圖1中所示之信號處理電路15之組態的一實例的方塊圖。在此狀況下，將在以分割為基礎之轉移中的分割之數目n(例如)設定為3(n＝3)的狀況作為實例給出。
如圖8中所示，此實例之信號處理電路15包括一雜訊移除單元151、一A/D轉換單元152、一信號選擇單元153、一信號保持單元154及一加法單元155。
雜訊移除單元151(例如)包括一相關雙重取樣(CDS)電路。雜訊移除單元151連續地獲得重設位準與信號位準(具有該等位準之各別信號係連續地供應自單位像素20)之間的差異，藉此移除像素中之每一者中所固有之重設雜訊及固定型式雜訊(由於放大電晶體24之臨限值之分散或其類似物而產生)。A/D轉換單元152經由A/D轉換而將因此供應至其之類比輸出信號轉換為數位信號。
信號選擇單元153按次序連續地選擇對應於以第一次分割、第二次分割及第三次分割為基礎之轉移的自A/D轉換單元152輸出的數位信號中之一者，並指示信號保持單元154將因此選擇之數位信號按次序分別保持於其保持單元154－1、154－2及154－3中。加法單元155將分別保持於保持單元154－1、154－2及154－3中之第一次、第二次及第三次輸出信號彼此相加。
在具有上文所描述之組態的信號處理電路15中，雜訊移除單元151、A/D轉換單元152、信號選擇單元153、信號保持單元154及加法單元155(例如)彼此與像素陣列單元11整合於同一半導體基板上。
然而，不必將雜訊移除單元151、A/D轉換單元152、信號選擇單元153、信號保持單元154及加法單元155全部彼此與像素陣列單元11整合於同一半導體基板上·亦即，該等單元中之若干單元或全部單元可彼此整合於另一半導體基板上。
應注意，在以上狀況下，已展示雜訊移除單元151被安置於A/D轉換單元152之前級一側的實例。然而，可將雜訊移除單元151安置於A/D轉換單元152之後級一側，以使得在數位處理中執行A/D轉換。或，可給予A/D轉換單元152雜訊移除功能，以使得在執行A/D轉換的同時執行雜訊移除。
另外，如圖9中所示，具有雜訊移除功能及加法功能之A/D轉換單元152可構成信號處理電路15，以使得雜訊移除處理及加法處理可與A/D轉換處理並行地被執行。
圖10係展示具有雜訊移除功能及加法功能之A/D轉換單元156之具體組態的一實例的方塊圖。另外，此實例之A/D轉換單元156包括一電壓比較器1561及一計數器1562。
電壓比較器1561在其反相(－)輸入端子處接收具有斜坡波形之參考信號Vref，且在其非反相(＋)端子處接收經由垂直信號線111而供應自單位像素20的輸出信號Vout。當輸出信號Vout之位準高於參考信號Vref時，電壓比較器1561輸出比較結果Vco。
計數器1562係由遞增/遞減計數器構成。計數器1562在使電壓比較器1561中之比較結果Vco改變所需之時段中在 基於遞增/遞減控制信號之控制下與時脈CK同步地執行用於遞增/遞減計數的計數操作，藉此使計數值遞增或遞減。
圖11展示具有斜坡波形之參考信號Vref、獲自電壓比較器1561之比較結果Vco及計數器1562中之計數值的波形。
在此實例中，對於基於三分割轉移而獲得之輸出信號而言，在用於讀出具有重設位準之信號的第一次讀出操作中使計數器1562中之計數值遞減，且接著在用於讀出具有信號位準之信號的第一次讀出操作中使計數器1562中之計數值遞減。結果，獲得對應於重設位準與信號位準之間的差異的計數值(雜訊移除處理)。
以此方式，與A/D轉換處理同時執行雜訊移除處理。另外，在用於讀出具有重設位準之信號的第二次讀出操作中使計數器1562中之計數值遞減，且在用於讀出具有信號位準之信號的第二次讀出操作中使計數器1562中之計數值遞減，以便遵循第一次A/D轉換處理。結果，可將在完成第二次移除處理後的結果加至在完成第一次移除處理後的結果(加法處理)。
亦即，對於基於三分割轉移而獲得之輸出信號而言，重複執行用於獲得對應於重設位準與信號位準之間的差異的計數值的操作，以使得計數器1562中之計數值被重複遞增或遞減。結果，有可能獲得數位輸出信號，該數位輸出信號係藉由將基於各別分割轉移之讀出操作中的重設位準與信號位準之間的差異相加而獲得。
如自上文顯而易見，可給予A/D轉換單元156信號保持單元153及加法單元155之功能。
信號處理電路15包括以如上文所描述之方式而具有雜訊移除功能及加法功能的A/D轉換單元156，此導致雜訊移除單元151及信號保持單元153之保持單元153－1、153－2及153－3變得不必要，且亦不必增加保持單元153－1、153－2及153－3之數目(對應於用於以分割為基礎之轉移的分割之數目n)。結果，有可能簡化信號處理電路15之電路組態。
<A/D轉換中之問題> 此處，當在基於n分割轉移之所有讀出操作中對自單位像素20讀出之輸出信號以相同轉換精確度執行A/D轉換(如圖11中所示)時，用於A/D轉換之執行時間及功率消耗中之每一者與分割數目n成比例地增加。
<以不同轉換精確度進行之A/D轉換> 為克服此情形，在此實施例之CMOS影像感應器中，如圖12中所示，對第一次讀出操作及第二次讀出操作以不同轉換精確度執行A/D轉換。具體言之，使第二次讀出操作中之參考信號Vref的斜坡大於第一次讀出操作中之參考信號Vref的斜坡以增加A/D轉換中之偵測之最小數量(亦即，每一個計數之信號之數量)，藉此降低第二次A/D轉換中之轉換精確度。
此實例之A/D轉換單元156採用用於亦與A/D轉換同時執行加法處理的組態。為此，對於以相同加權因數執行之加法處理而言，當第二次讀出操作中之參考信號Vref的斜坡 係第一次讀出操作中之參考信號Vref之斜坡的N倍大時，執行第二次計數操作，其中第二次計數操作之每一個時脈之計數數目係第一次計數操作中之計數數目的N倍，藉此使第二次計數操作中之轉換精確度係第一次計數操作中之轉換精確度的1/N倍。
圖13係展示在將積聚於光電轉換元件21中的電荷之最大數量設定為10,000個電子時入射光之強度(所積聚之電荷)與所讀出之信號之雜訊位準之間的關係的特徵圖。在此狀況下，讀出操作中之固定型式雜訊對應於2 e－ ，讀出操作中之隨機雜訊對應於7 e－ ，且對應於所積聚之電荷之光學散粒雜訊作為雜訊分量被包含。
如圖13中所示，黑暗期雜訊位準在具有較少所積聚之電荷之低亮度區域中佔優勢。然而，當入射光之強度增加且所積聚之電荷之數量相應地增加時，光學散粒雜訊變得佔優勢。為此，將具有設定於其中之高轉換精確度的A/D轉換應用於低亮度導致即使在將具有設定於其中之低轉換精確度的A/D轉換應用於高亮度(例如，如圖13中所示)的狀況下，影像品質仍幾乎未退化，因為在A/D轉換中無量化誤差變得佔優勢。
在此實例中，在針對12個位元、10個位元及8個位元之A/D轉換中每1LSB之轉換精確度分別變為2.4 e－ 、9.8 e－ 及39.1 e－ 。因此，當以四分割為基礎來轉移所積聚之電荷時，將如圖13中所示之轉換精確度應用於基於四分割之各別四分割轉移操作導致視對應於1LSB之電子之數目而定 的量化誤差基本上小於雜訊分量(諸如，光學散粒雜訊)。結果，此情形對影像品質幾乎不產生不良影響。
在圖10中所例示之A/D轉換單元156的狀況下，因為視轉換精確度而定之分級數目及執行次數彼此成比例，所以將圖13中所示之轉換精確度應用於A/D轉換導致12位元A/D轉換被執行4次(4,096個分級×4)。另一方面，當以12個位元(4,096個分級)、10個位元(1,024個分級)及8個位元(256個分級)來執行A/D轉換時，以較高速度來執行A/D轉換，該速度為以上A/D轉換中之速度的2.6倍高。除此之外，計數器1562中所消耗之功率亦可被減少至上文之狀況下之功率的約1/2.6，因為計數器1562中之改變之數目與分級之數目成比例。
(此實施例之效應) 如迄今為止已描述，在當不可在一個讀出操作中讀出光電轉換元件21中之所有所積聚之電荷時以分割為基礎來執行電荷轉移及信號輸出的CMOS影像感應器10A中，使根據以n分割為基礎之轉移而自單位像素20輸出之輸出信號經受以不同轉換精確度進行之A/D轉換以彼此相加。結果，可縮短用於A/D轉換之執行時間(轉換速度)而不損害影像品質，且可降低A/D轉換單元152及156中之每一者中所消耗的功率。
更具體言之，將參看圖5至圖7而描述之基於分割轉移的驅動方法用於此實施例之CMOS影像感應器中導致當積聚於光電轉換元件21中之電荷之數量較小時，可在第一以分 割為基礎之轉移操作中讀出所有所積聚之電荷。因此，如圖13中所述，A/D轉換之轉換精確度對應於讀出次序而逐漸降低，藉此實現A/D轉換之加速及功率消耗之降低。
[第二實施例]
圖14係展示根據本發明之第二實施例之固態成像器件(例如，CMOS影像感應器)的組態的系統組態圖。在該圖中，與先前參看圖1而描述之單元相同的單元分別由相同參考數字來表示。
如圖14中所示，除包括像素陣列單元11、垂直掃描電路12、水平掃描電路13及行信號選擇電路14之外，此實施例之CMOS影像感應器10B包括複數個行電路17，該等行電路17經配置以便分別對應於像素陣列單元11之像素行。除以上組態之外的任一其他合適之組態皆基本上與第一實施例之CMOS影像感應器10A之組態相同。
複數個行電路17對像素20之信號執行各種信號處理(諸如，雜訊移除處理、A/D轉換處理及加法處理)，該等信號以像素為單位經由垂直信號線111而分別自像素陣列單元11輸出。此實施例以該等行電路17中之每一者的組態及操作為特徵。
此實施例之CMOS影像感應器10B亦使用參看圖5至圖7而描述之基於分割轉移的驅動方法。在使用此驅動方法之狀況下，在第一以一分割為基礎之轉移操作或以若干分割為基礎之轉移操作中讀出所有所積聚之電荷。結果，當所積聚之電荷之數量較小時，在第一以分割為基礎之轉移操 作中讀出所有所積聚之電荷。
(行電路) 圖15係展示行電路17之組態的一實例的方塊圖。在此狀況下，將用於以分割為基礎之轉移的分割之數目n(例如)設定為3(n＝3)的狀況作為實例給出。
如圖15中所示，此實例之行電路17包括一雜訊移除單元171、一A/D轉換單元172、一信號選擇單元173、一信號保持單元174及一加法單元175。因此，行電路17具有基本上與圖8中所示之信號處理電路之組態相同的組態。
雜訊移除單元171(例如)係由(CDS)電路構成。雜訊移除單元171連續地獲得重設位準與信號位準之間的差異(具有該等位準之各別信號係連續地供應自單位像素20)，藉此移除像素中之每一者中所固有之重設雜訊及固定型式雜訊(由於放大電晶體24之臨限值之分散或其類似物而產生)。A/D轉換單元172經由A/D轉換而將因此供應至其之類比輸出信號轉換為數位信號。
信號選擇單元173按次序連續地選擇對應於第一次、第二次及第三次分割轉移操作的自A/D轉換單元172輸出的數位信號中之若干者，並指示信號保持單元174將因此選擇之數位信號按次序分別保持於其保持單元174－1、174－2及174－3中。加法單元155將分別保持於保持單元174－1、174－2及174－3中之第一次、第二次及第三次輸出信號彼此相加。
應注意，在以上之狀況下，已展示雜訊移除單元171被 安置於A/D轉換單元172之前級一側的實例。然而，可將雜訊移除單元171安置於A/D轉換單元172之後級一側，以使得在數位處理中執行A/D轉換。或，可給予A/D轉換單元172雜訊移除功能，以使得在執行A/D轉換的同時執行雜訊移除。
另外，如圖16中所示，具有雜訊移除功能及加法功能之A/D轉換單元176可構成信號處理電路15，以使得雜訊移除處理及加法處理可與A/D轉換處理並行地被執行。具有雜訊移除功能及加法功能之A/D轉換單元176可採用圖10中所示之電路組態。
為解決上文在以相同轉換精確度執行A/D轉換之狀況下描述的問題，具有以上組態之行電路17的特徵係對第一次讀出操作及第二次讀出操作以不同轉換精確度執行A/D轉換，此類似於第一實施例之狀況(參看圖12)。具體言之，使第二次讀出操作中之參考信號Vref的斜坡大於第一次讀出操作中之參考信號Vref的斜坡以增加A/D轉換中之偵測之最小數量(亦即，每一個計數之信號之數量)，藉此降低第二次A/D轉換中之轉換精確度。
(此實施例之效應) 如迄今為止已描述，在當不可在一個讀出操作中讀出光電轉換元件21中之所有所積聚之電荷時以分割為基礎來執行電荷轉移及信號輸出的CMOS影像感應器10B中，使根據n分割轉移而自單位像素20輸出之輸出信號經受以不同轉換精確度進行之A/D轉換以彼此相加。結果，類似於第 一實施例之狀況，可實現A/D轉換之加速及功率消耗之降低而不損害影像品質。
[第三實施例]
圖17係展示根據本發明之第三實施例之固態成像器件(例如，CMOS影像感應器)的組態的系統組態圖。在該圖中，與先前參看圖1而描述之單元相同的單元分別由相同參考數字來表示。
如圖17中所示，除像素陣列單元11、垂直掃描電路12、水平掃描電路13及行信號選擇電路14之外，此實施例之CMOS影像感應器10C包括一供應電壓控制電路31、一電壓供應電路32及一時序產生電路(TG)33。又，CMOS影像感應器10C包括複數個行電路34，該等行電路34經配置以便分別對應於像素陣列單元11之像素行。除以上組態之外的任一其他合適之組態皆基本上與第二實施例之CMOS影像感應器10B之組態相同。
複數個行電路17對像素20之信號執行各種信號處理(諸如，雜訊移除處理、A/D轉換處理及加法處理)，該等信號以像素為單位經由垂直信號線111而分別自像素陣列單元11輸出。此實施例以該等行電路17中之每一者的組態及操作為特徵。將在稍後描述此實施例之特徵的細節。
供應電壓控制電路31控制施加至單位像素20內之轉移電晶體(轉移元件)22之閘電極(控制電極)的轉移脈衝TRG的電壓值(峰值)。將在稍後描述此供應電壓控制電路31之具體組態。
電壓供應電路32將具有不同電壓值之複數個控制電壓供應至供應電壓控制電路31。該複數個控制電壓作為具有不同電壓值之轉移脈衝TRG被供應至轉移電晶體22之閘電極。將在稍後描述具有不同電壓值之轉移脈衝TRG的細即。
時序產生電路(TG)33產生時序信號PTRG，根據該時序信號PTRG，判定在電壓供應電路32將具有不同電壓值之複數個轉移脈衝TRG供應至轉移電晶體22之閘電極時的時序。
行電路34對像素20之信號執行各種信號處理(諸如，雜訊移除處理、A/D轉換處理及加法處理)，該等信號以像素為單位經由垂直信號線111而自像素陣列單元11輸出。將在稍後描述行電路34之具體組態及操作。
(供應電壓控制電路) 供應電壓控制電路31接收作為其輸入之位址信號ADR，根據該位址信號ADR，驅動屬於由垂直掃描電路12經由垂直掃描操作而選擇之列的單位像素20以選擇供應自電壓供應電路32之複數個電壓中之一者，藉此將因此被選擇作為轉移脈衝TRG之電壓供應至單位像素20內之轉移電晶體22的閘電極。
自電壓供應電路32供應作為複數個電壓之接通電壓Von(轉移電晶體22由該接通電壓Von接通)、切斷電壓Voff(轉移電晶體22由該切斷電壓Voff切斷)及在該接通電壓與該切斷電壓之間的中間電壓Vmid。此處，中間電壓 Vmid意謂儘管光電轉換元件21中之所積聚之電荷的部分被保持但剩餘之所積聚之電荷可部分地轉移至浮動擴散電容器26的電壓。
在上文所描述之像素電路中，因為轉移電晶體22係N通道轉移電晶體，所以將接通電壓設定為電源電壓Vdd，且將切斷電壓Voff設定為接地電壓(較佳地，設定為低於接地電壓之電壓)。另外，在此實施例中，將具有不同電壓值之兩個中間電壓Vmid0及Vmid1用作中間電壓Vmid。
結果，該四個電壓(亦即，接通電壓Von、中間電壓Vmid0及Vmid1以及切斷電壓Voff)自電壓供應電路32供應至供應電壓控制電路31。該四個電壓展示Voff<Vmid0<Vmid1<Von關係。又，將該四個電壓中之中間電壓Vmid0及Vmid1以及接通電壓Von中之每一者用作轉移脈衝TRG。
為分別控制中間電壓Vmid0及Vmid1以及接通電壓Von自電壓供應電路32供應的時序，將三個時序信號PTRG1、PTRG2及PTRG3自時序產生電路33供應至供應電壓控制電路31。供應電壓控制電路31基於該等時序信號PTRG1、PTRG2及PTRG3來選擇中間電壓Vmid0及Vmid1以及接通電壓Von中之一者，並將選定之電壓作為中間電壓Vmid而供應至轉移電晶體22之閘電極。
圖18係展示供應電壓控制電路31之電路組態的一實例的電路圖。如圖18中所示，供應電壓控制電路31包括分別對應於四個電壓(亦即，中間電壓Vmid0及Vmid1、接通電壓Von及切斷電壓Voff)之四個電路區塊311至314以及3輸入 NOR電路315。
通常將位址信號ADR自垂直掃描電路12供應至電路區塊311至314中之每一者。將時序信號PTRG1、PTRG2及PTRG3作為三個輸入而自時序產生電路33供應至NOR電路315。
電路區塊311包括一用於接收其兩個輸入(位址信號ADR及時序信號PTRG1)之NAND電路3111、一位準偏移器3112及一P通道驅動電晶體3113。電路區塊311選擇中間電壓Vmid0並將因此選擇之中間電壓Vmid0供應至轉移電晶體22之閘電極。
電路區塊312包括一用於接收作為其兩個輸入之位址信號ADR及時序信號PTRG2的NAND電路3121及一P通道驅動電晶體3122。電路區塊312選擇中間電壓Vmid1並將因此選擇之中間電壓Vmid1供應至轉移電晶體22之閘電極。
電路區塊313包括一用於接收其兩個輸入(位址信號ADR及時序信號PTRG3)的NAND電路3131及一N通道驅動電晶體3132。電路區塊313選擇接通電壓Von並將因此選擇之接通電壓Von供應至轉移電晶體22之閘電極。
電路區塊314包括一用於接收作為其兩個輸入之位址信號ADR及來自NOR電路315之輸出信號的AND電路3141、一用於在具有設定於其處之負邏輯的一輸入端子處接收位址信號ADR且在另一輸入端子處接收來自AND電路3141之輸出信號的OR電路3142、一位準偏移器3143及一N通道驅動電晶體3144。電路區塊314選擇切斷電壓Voff並將因此 選擇之切斷電壓Voff供應至轉移電晶體22之閘電極。
為供應低於接地電壓之電壓(例如，－1.0 V)作為切斷電壓Voff(轉移電晶體22根據該切斷電壓Voff而切斷)，電路區塊314採用用於基於NOR電路315之操作而排斥其他電路區塊311、312及313來操作的電路組態。
圖19展示對供應電壓控制電路31之輸入與自供應電壓控制電路31之輸出之間的時序關係。在假定待供應至轉移電晶體22之閘電極的電壓係中間電壓Vmid0及Vmid1、接通電壓Von及切斷電壓Voff的狀況下，當由位址信號ADR選擇像素列時，根據時序信號PTRG1、PTRG2及PTRG3，分別對應於該等時序信號之中間電壓Vmid0及Vmid1以及接通電壓Von被連續地供應至轉移電晶體22之閘電極，且在除以上之狀況之外的狀況下供應切斷電壓Voff。
以如上文所描述之方式，在由供應電壓控制電路31進行之控制下，與由垂直掃描電路12進行之垂直掃描操作同步而每一像素列地將中間電壓Vmid0及Vmid1以及接通電壓Von按此次序自供應電壓控制電路31連續地供應至轉移電晶體22之閘電極。結果，有可能實現三分割轉移，其中積聚於光電轉換元件21中之信號電荷(例如)以三個批次被轉移至浮動擴散電容器26。
<三分割轉移> 下文中，將參看圖20之時序圖及圖21之操作說明圖來描述在特定像素列中進行三分割轉移之狀況下的具體操作。在圖21中，操作(1)至(11)分別對應於圖20中所示之時段(1) 至(11)。
當在特定像素列中在一個單位之積聚時段中以三分割轉移為基礎來轉移信號電荷時，以給定時間間隔而將重設脈衝PTS自垂直掃描電路12施加至重設電晶體23之閘電極三次，藉此執行用於浮動擴散電容器26之重設操作三次。當與此等重設操作同步而每一重設操作地逝去特定時段時，將中間電壓Vmid0及Vmid1以及接通電壓Von以此次序自供應電壓控制電路31連續地供應至轉移電晶體22之閘電極。
在時段(1)中，電荷Qpd被積聚於光電轉換元件21中。此時，將切斷電壓Voff施加至轉移電晶體22之閘電極。另外，已由第一次重設脈衝RST重設浮動擴散電容器26。經由放大電晶體24及選擇電晶體25而將浮動擴散電容器26之重設位準以第一次重設位準之形式讀出至垂直信號線111。
在完成重設位準之第一次讀出之後，在時段(2)中，將中間電壓Vmin0施加至轉移電晶體22之閘電極。中間電壓Vmin0之施加導致電荷(Qpd－Qmid0)被轉移至浮動擴散電容器26，其中光電轉換元件21中之所積聚之電荷Qpd的部分電荷Qmid0保持不變。
接著，在時段(3)中，將切斷電壓施加至轉移電晶體22之閘電極。結果，對應於被轉移至浮動擴散電容器26之電荷(Qpd－Qmid0)的信號以具有第一信號位準之信號的形式被讀出至垂直信號線111。
接著，在時段(4)中，將第二次重設脈衝RST施加至重設 電晶體23之閘電極，藉此重設浮動擴散電容器26。接著，在時段(5)中，具有所得重設位準的信號以具有第二次重設位準之信號的形式被讀出至垂直信號線111。
接著，在時段(6)中，將中間電壓Vmid1施加至轉移電晶體22之閘電極。中間電壓Vmid1之施加導致電荷(Qpd－Qmid1)被轉移至浮動擴散電容器26，其中光電轉換元件21中剩餘之電荷Qmid0的部分電荷Qmid1保持不變。
接著，在時段(7)中，將切斷電壓Voff施加至轉移電晶體22之閘電極。結果，對應於被轉移至浮動擴散電容器26之電荷(Qpdo－Qmid1)的信號以具有第二次信號位準之信號的形式被讀出至垂直信號線111。
接著，在時段(8)中，將第三次重設脈衝RST施加至重設電晶體23之閘電極，藉此重設浮動擴散電容器26。接著，在時段(9)中，具有所得重設位準的信號以具有第三次重設位準之信號的形式被讀出至垂直信號線111。
接著，在時段(10)中，將接通電壓Von施加至轉移電晶體22之閘電極。接通電壓Von之施加導致光電轉換元件21中之剩餘電荷Qmid1被轉移至浮動擴散電容器26。
接著，在時段(11)中，將切斷電壓Voff施加至轉移電晶體22之閘電極。結果，對應於被轉移至浮動擴散電容器26之電荷Qmid1的信號以具有第三次信號位準之信號的形式被讀出至垂直信號線111。
圖22將實驗結果作為TRG驅動電壓(施加至轉移電晶體22之閘電極的轉移脈衝TRG)與保持於光電轉換元件21中 之電荷之數目之間的關係的實例來展示。
在此狀況下，展示當將在接通電壓Von與切斷電壓Voff(轉移電晶體22根據該接通電壓Von及該切斷電壓Voff而被接通及切斷)之間的中間電壓Vmid施加至具有充滿有約5,500 e－ 之電子之數目的光電轉換元件21時保持於光電轉換元件21中的電荷之數目。
圖22亦展示當在中間電壓Vmid被設定為Vmid0及Vminl(作為一實例)之情況下執行用於三分割轉移之驅動時保持之電荷的數目Qmid0及保持之電荷的數目。以此方式設定中間電壓Vmid之電壓值及中間電壓Vmid之數目導致積聚於光電轉換元件21中之電荷可以所轉移之電荷之任意單位及任意數目之分割來轉移，且可輸出對應於因此以分割為基礎轉移之電荷的信號。
在三分割轉移之狀況下，中間電壓Vmid0及Vmid1中之每一者變成第一控制信號，且接通電壓Von變成第二控制信號。
<n分割轉移> 儘管在此狀況下，迄今為止已藉由將三分割轉移之狀況作為一實例來給出而給出描述，但可任意設定用於轉移操作之分割之數目。又，當執行n分割轉移(n：2或更大之整數)時，如圖23中所示，必須將(n－1)個中間電壓Vmid0、Vmid1、…、Vmid(n－2)及接通電壓Von按次序自供應電壓控制電路13施加至轉移電晶體22之閘電極，藉此驅動有關轉移電晶體22。
在n分割轉移之狀況下，(n－1)個中間電壓Vmid0至Vmid(n－2)中的每一者變成第一控制電壓，且接通電壓Von變成第二電壓。
在基於上文所描述之n分割轉移的驅動下，每一像素列地執行電荷之轉移、重設及像素選擇。結果，具有重設位準之信號及具有信號位準之信號(亦即，來自單位像素20之輸出信號)以行並行之方式被讀出，亦即，以像素行為單位而自單位像素20並行地讀出至垂直信號線111以經由有關垂直信號線111而供應至行電路34。
當基於以分割為基礎之轉移的驅動方法對應於用於將中間電壓Vmid0及Vmid1按次序施加至轉移電晶體22之閘電極以便以分割轉移為基礎以任意數量之電荷為單位來轉移電荷的系統時，與第一實施例及第二實施例之基於以分割為基礎之轉移的驅動方法的狀況相反，首先在具有高亮度之像素中進行電荷轉移及輸出，而並非首先在具有低亮度之像素中進行電荷轉移及輸出。
舉例而言，如圖24A中所示來判定能夠被轉移之電荷的最大數量。又，如圖24B中所示，例如，當所積聚之電荷之數量滿足Qpd>Qfd4.max及Qpd<Qfd4.max＋Qfd3s.max的關係時，具有數量Qpd之所積聚之電荷被轉移以在非第一次讀出操作及第二次讀出操作中之任一者中被輸出。又，具有數量Qfd3(＝Qpd－Qfd4.max)之電荷被轉移以在第三次讀出操作中被讀出，且具有數量Qfd4.max之電荷被轉移以在第四次讀出操作中被讀出。又，分別在第三次讀出操作 中及第四次讀出操作中輸出之輸出信號的相加導致獲得具有數量Qpd之所有所積聚之電荷。
如上文所描述，在圖21中所示之基於以分割為基礎之轉移的驅動方法的狀況下，藉由利用以下事實來執行以分割為基礎之轉移：能夠保持於光電轉換單元(光接收單元)中之電荷的數量視用於轉移電晶體22之驅動電壓而不同。舉例而言，在圖20中所示之實例中，藉由將中間電壓Vmid0及Vmid1中之每一者用作用於轉移電晶體22之驅動電壓，可將具有數量Qmid0之電荷及具有數量Qmid1之電荷按次序保持於光電轉換單元中，且超過電荷Qmid0之數量Qmid0及電荷之數量Qmid1中的每一者的電荷之數量可按次序連續轉移以被讀出。
(行電路) 此實施例之CMOS影像感應器10C之行電路17可採用與第二實施例之CMOS影像感應器10B之行電路17的組態相同的組態。亦即，有可能採用如圖15中所示之由雜訊移除單元171、A/D轉換單元172、信號選擇單元173、信號保持單元174及加法單元175構成的電路組態。或，有可能採用如圖16中所示之由具有雜訊移除功能及加法功能的A/D轉換單元156構成之電路組態。
為解決上文在以相同轉換精確度執行A/D轉換之狀況下描述的問題，具有以上組態之行電路17的特徵係在A/D轉換單元172及176中之每一者中對以分割轉移為基礎而讀出之輸出信號以不同轉換精確度執行A/D轉換，此類似於第 一實施例及第二實施例中之每一者的狀況。
圖25係解釋當在三分割轉移期間以不同轉換精確度執行A/D轉換時的處理的圖式。此處理係一實例，其中在第一次讀出操作中以相對低之轉換精確度執行A/D轉換，且亦針對第二次讀出操作及第三次讀出操作而連續地增加轉換精確度。以此方式，使用於基於分割轉移基礎之n次讀出操作的輸出信號經受以不同轉換精確度進行之A/D轉換以彼此相加，藉此使得有可能獲得A/D轉換特徵，轉換精確度藉由該等A/D轉換特徵而被改變至對應於入射光之亮度的另一轉換精確度。
此情形之此原因係因為在入射光之亮度低時積聚於光電轉換元件21中之電荷的數目較小，所以僅在此亮度之狀況下轉移電荷以便產生具有超過視中間電壓Vmid0及Vmid1而定之臨限值的數量的電荷。
在以三分割為基礎來轉移電荷(如就圖22中所示之實例而言)的狀況下，當產生數目小於所保持之電荷之數目Qmid1的所積聚之電荷時(亦即，當入射光之亮度低時)，僅在第三次轉移操作中獲得輸出信號。另一方面，當存在數目超過所保持之電荷之數目Qmid0的所積聚之電荷時(亦即，當入射光之亮度高時)，獲得輸出信號，因為電荷自第一次轉移操作開始便被轉移。
結果，如圖25中所示，有可能獲得特徵，藉由該等特徵，當亮度低時，應用高A/D轉換精確度，而當亮度高時，應用與低A/D轉換精確度連續地混合之A/D轉換精確 度。
此處，將輸出信號之雜訊位準粗略地分類為黑暗期雜訊(當不存在入射光之亮度時，其產生於電路或其類似物中)及光學散粒雜訊(其由以視入射光亮度而定之入射光之亮度的平方根的形式而獲得的能量產生)。為此，如圖26中所示，雜訊位準具有特徵，其中具有信號位準之平方根之特徵的光學散粒雜訊加至與入射光之亮度成比例之信號位準之黑暗期雜訊。
因為A/D轉換精確度(亦即，A/D轉換中之最小偵測單位)較佳低於雜訊位準，所以在低亮度之狀況下需要以高精確度執行A/D轉換。然而，在高亮度之狀況下，光學散粒雜訊佔優勢。因此，即使當對輸出信號以低精確度執行A/D轉換以增加A/D轉換中之量化誤差時，影像品質仍幾乎未被損害。
<用於設定不同A/D轉換精確度之具體實例> 隨後，現將參看圖27來給出關於用於藉由圖10中所示之A/D轉換單元156之組態來設定不同A/D轉換精確度的具體實例的描述。
參考信號Vref之斜坡被導致為N倍，藉此使得有可能每一個計數地使電壓值(亦即，A/D轉換中之最小偵測數量)變粗糙。舉例而言，如圖27中所示，在第一次讀出操作中，使參考信號Vref之斜坡為第二次讀出操作中之參考信號Vref之斜坡的二倍，藉此將具有設定於其中之低轉換精確度的A/D轉換應用至第一次讀出操作。
另一方面，當將根據三分割轉移而轉移之輸出信號彼此相加時，計數值在時脈CK(計數器1562與之同步操作)之一個時脈中被遞增N，此導致可以相同加權因素而將以分割轉移為基礎而轉移之輸出信號彼此相加。
舉例而言，當參考信號Vref之斜坡被加倍(如圖27中所示)時，計數值每一個時脈地遞增或遞減2，此導致可在降低轉換精確度的同時執行以相同加權因素進行之加法。
另外，可改變參考信號Vref之斜坡而不敢導致計數值為N倍，或導致計數值為N倍而不改變參考信號Vref之斜坡，此導致亦可將以分割轉移為基礎而轉移之輸出信號在分別用任意加權因素相乘的同時彼此相加。
(此實施例之效應) 如迄今為止所描述，在當不可在一個讀出操作中讀出光電轉換元件21中之所有所積聚之電荷時以分割為基礎來執行電荷轉移及信號輸出的CMOS影像感應器10C中，使根據n分割轉移而自單位像素20輸出之輸出信號經受以不同轉換精確度進行之A/D轉換以彼此相加。結果，可縮短用於A/D轉換之執行時間(轉換速度)且可降低A/D轉換單元152及156中之每一者中所消耗的功率而不損害影像品質。
更具體言之，在此實施例之CMOS影像感應器10C中，如先前參看圖20至圖22所描述，基於使用中間電壓Vmid0及Vmid1之分割轉移之驅動方法導致在高亮度之狀況下產生之所積聚之電荷在先前讀出操作中被轉移並輸出，且在低亮度之狀況下產生之所積聚之電荷僅在後續讀出操作中 被轉移並輸出。為此，如圖27中所例示，將具有設定於其中之較低轉換精確度的A/D轉換應用於在先前讀出操作中輸出的信號實現A/D轉換之加速及功率消耗之降低。
[高轉換效率]
在上文所描述之第一實施例至第三實施例之CMOS影像感應器10A至10C中的每一者中，為增強浮動擴散電容器26中之電荷至電壓轉換效率，使寄生於信號電荷自光電轉換元件21轉移至之浮動擴散電容器(電荷至電壓轉換單元)26上之寄生電容(FD電容)微小，具體言之，減少寄生電容使得由浮動擴散電容器26處理之電荷的最大數量變得小於能夠積聚於光電轉換元件21中之電荷的最大數量，藉此使得有可能獲得較高之電荷至電壓轉換效率。
亦即，在CMOS影像感應器10A至10C中(在該等CMOS影像感應器10A至10C中之每一者中，電荷至電壓轉換效率藉由(例如)減少寄生於浮動擴散電容器26上之寄生電容來增強以針對輸出信號之信號位準來相對減少隨機雜訊及固定型式雜訊並改良電荷至電壓轉換效率，藉此以分割轉移為基礎來轉移不能夠在一個讀出操作中被讀出之所積聚之電荷)，將具有設定於其中之高轉換精確度的A/D轉換應用於低亮度區域，而將具有設定於其中之低轉換精確度的A/D轉換(但該A/D轉換在其處理中具有高速度)應用於光學散粒雜訊係佔優勢之雜訊分量的高亮度區域。結果，可實現A/D轉換之加速及功率消耗之降低而不損害影像品質。
[修改]
另外，儘管在第一實施例至第三實施例中之每一者中，迄今為止已藉由將本發明被應用於包括單位像素20(具有以下組態：光電轉換元件21中之電荷以分割轉移為基礎由一個轉移電晶體22轉移至共同浮動擴散電容器26且被連續地讀出至共同垂直信號線111)之CMOS影像感應器的狀況作為實例給出而給出描述，但本發明決不限於此，且可作出各種改變。
(修改1) 圖28係展示修改1之單位像素20A的像素電路的電路圖。在該圖中，與先前參看圖2而描述之單元相同的單元分別由相同參考數字來表示。
如圖28中所示，修改1之單位像素20A經組態以使得電流源31連接於與放大電晶體24串聯連接之選擇電晶體25的汲電極與電源之間，且輸出信號Vout獲自選擇電晶體25之汲極節點。
在單位像素20A中，浮動擴散電容器26中之電荷至電壓轉換效率視浮動擴散電容器26與垂直信號線111之間的寄生電容之電容值Ci而定。因此，使寄生電容之電容值Ci小於浮動擴散電容器26之電容值Cfd，藉此使得有可能增強電荷至電壓轉換效率。
此處，獲得高電荷至電壓轉換效率之效應取決於Qi.max<Qfd.max之關係，其中Qfd.max係積聚於浮動擴散電容器26中之電荷的最大數量，且Qi.max係積聚於寄生電容Ci中之電荷的最大數量。為此，必須以分割轉移為基礎 來轉移積聚於光電轉換元件21中之具有數量Qpd的電荷，其中所積聚之電荷之最大數量Qi.max小於作為一個單位的所積聚之電荷之最大數量Qfd.max。
如迄今為止所描述，包括具有高電荷至電壓轉換效率或高電壓放大因素之單位像素20A的CMOS影像感應器在S/N比方面係有利的，但可存在對能夠在一個讀出操作中被讀出之電荷之數量的限制。
將先前所描述之分割轉移應用於包括單位像素20A之CMOS影像感應器，以使得光電轉換元件21中之電荷以分割轉移為基礎被轉移，此導致產生於光電轉換元件21中之所有電荷皆可視讀出電路之輸出範圍而被有效地輸出。
另外，在圖28中所示之修改1之單位像素20A中，在重設階段中，電荷至電壓轉換單元(浮動擴散電容器26)之電壓必須設定於讀出電路之一操作點處。然而，應用先前所陳述之以分割為基礎之轉移使得有可能控制以分割轉移為基礎被轉移之電荷的數量而非視電荷至電壓轉換單元之電位而定。
(修改2) 圖29係展示修改2之單位像素20B的像素電路的電路圖。在該圖中，與先前參看圖2而描述之單元相同的單元分別由相同參考數字來表示。
如圖29中所示，修改2之單位像素20B經組態以使得反相放大電路27連接於浮動擴散電容器26與選擇電晶體25之間來代替使用放大電晶體24，且重設電晶體23與反相放大電 路27並聯連接。以此方式將反相放大電路27提供於像素內部導致可放大信號位準以改良S/N比。
在包括單位像素20C(具有以此方式而提供於像素內部之反相放大電路27)之CMOS影像感應器中，當將反相放大電路27之放大因素設定為－A時，在具有最大數量Qfd.max之所積聚之電荷被轉移至浮動擴散電容器26時輸出電壓Vout之振幅－A·Qfd.max/Cfd在一些狀況下超過輸出Vout之可輸出範圍△Vout.pp。
在此狀況下，為以輸出信號之形式輸出所有電荷，必須以一定數量之電荷為單位來執行以分割為基礎之轉移，其中小於積聚於浮動擴散電容器26中之電荷的最大數量Qfd.max的電荷之數量Qmid(<Qfd.max)被設定為最大值。
將先前所陳述之以分割為基礎之轉移應用於包括單位像素20B之CMOS影像感應器，且以任意分割轉移為基礎來轉移光電轉換元件21中之電荷，此導致產生於光電轉換元件21中之所有電荷可對應於輸出電壓Vout之可輸出範圍△Vout.pp被有效地輸出。
應注意，在上文所描述之第一實施例至第三實施例中之每一者中，迄今為止已藉由將將本發明應用於CMOS影像感應器(其中，單位像素係以矩陣配置，該等單位像素各自用於以物理量之形式來偵測對應於可見光之量的信號電荷)之狀況作為實例來給出而給出描述。然而，本發明決不限於應用於CMOS影像感應器。亦即，亦可將本發明應用於一般固態成像器件，該等固態成像器件各自使用像素 陣列單元之每一像素行地配置行電路的行系統。
另外，本發明決不限於應用於用於偵測入射可見光之量之分布以便以影像之形式來捕獲其分布的成像器件。亦即，亦可將本發明應用於用於偵測入射紅外線、X射線、粒子或其類似物之量之分布以便以影像之形式來捕獲其分布的所有固態成像器件及用於偵測其他物理量(諸如，廣泛意義上之壓力或靜電電容)之分布以便以影像之形式來捕獲其分布的固態成像器件(物理量分布偵測器件)，諸如，指紋偵測感應器。
此外，本發明決不限於用於藉由以列為單位連續地掃描像素陣列單元之單位像素而自各別單位像素讀出像素信號的固態成像器件。亦即，亦可將本發明應用於一用於以像素為單位來選擇任意像素及以像素為單位而自因此選擇之各別像素讀出信號的X－Y位址型固態成像器件。
應注意，固態成像器件可具有被形成為一晶片之形式，或可具有模組形式(具有成像功能)，其中成像單元及信號處理單元或光學系統被共同包裝。
另外，不僅可將本發明應用於固態成像器件，而且可將本發明應用於成像裝置。此處，成像裝置意謂相機系統(諸如，數位靜態相機或視訊相機)或具有成像功能之電子裝置(諸如，行動電話)。應注意，成像裝置亦意謂安裝至電子裝置的上文之模組形式(亦即，在一些狀況下為相機模組)。
[成像裝置]
圖30係展示根據本發明之實施例之成像裝置的組態的方塊圖。如圖30中所示，根據本發明之實施例的成像裝置50包括一具有一透鏡群組51之光學系統、一固態成像器件52、一作為相機信號處理電路之DSP電路53、一圖框記憶體54、一顯示器件55、一記錄器件56、一操縱系統57·一電源系統58及其類似物。又，DSP電路53、圖框記憶體54、顯示器件55、記錄器件56、操縱系統57及電源系統58經由匯流排線59而彼此連接。
透鏡群組51捕獲來自物體之入射光(影像光)以將該入射光聚焦至固態成像器件52之成像區域上。固態成像器件52以像素為單位將由透鏡群組51聚焦至成像區域上的某一量之入射光轉換為電信號並以像素信號之形式而輸出該等電信號。將上文所描述之第一實施例至第三實施例中之每一者的CMOS影像感應器10用作固態成像器件52。
顯示器件55由面板型顯示器件(諸如，液晶顯示器件或有機電致發光(EL)顯示器件)構成。顯示器件55將由固態成像器件52捕獲之移動影像或靜態影像顯示在上面。記錄器件56將關於由固態成像器件52捕獲之移動影像或靜態影像的影像資料記錄於記錄媒體(諸如，錄影帶或數位化通用光碟(DVD))中。
操縱系統57在由使用者進行之操縱下發出關於此實施例之成像裝置所具有之各種功能的操縱命令。電源系統58將變成用於DSP電路53、圖框記憶體54、顯示器件55、記錄器件56及操縱系統57之操作電源的各種電源分別適當地供 應至電力供應之彼等目標。
如迄今為止所描述，在用於視訊相機或數位靜態相機之成像裝置(諸如，相機模組)或行動裝置(諸如，行動電話)中，可將上文所描述之第一實施例至第三實施例之CMOS影像感應器10A至10C中之任一者用作其固態成像器件52，此導致A/D轉換可被加速且A/D轉換單元中之功率消耗可被降低而不損害影像品質。因此，可針對成像裝置而實現處理速度之增加及功率消耗之降低。
熟習此項技術者應理解，可視設計要求及其他因素而發生各種修改、組合、子組合及變更，其限制條件為：該等修改、組合、子組合及變更在附加之申請專利範圍或其等效物之範疇內。
10A‧‧‧CMOS影像感應器
10B‧‧‧CMOS影像感應器
10C‧‧‧CMOS影像感應器
11‧‧‧像素陣列單元
12‧‧‧垂直掃描電路
13‧‧‧水平掃描電路
14‧‧‧行信號選擇電路
15‧‧‧信號處理電路
16‧‧‧恆定電流源
17‧‧‧行電路
20‧‧‧單位像素
20’‧‧‧單位像素
20A‧‧‧單位像素
20B‧‧‧單位像素
21‧‧‧光電轉換元件
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‧‧‧浮動擴散電容器
27‧‧‧反相放大電路
31‧‧‧供應電壓控制電路
32‧‧‧電壓供應電路
33‧‧‧時序產生電路
34‧‧‧行電路
50‧‧‧成像裝置
51‧‧‧透鏡群組
52‧‧‧固態成像器件
53‧‧‧DSP電路
54‧‧‧圖框記憶體
55‧‧‧顯示器件
56‧‧‧記錄器件
57‧‧‧操縱系統
58‧‧‧電源系統
59‧‧‧匯流排線
100‧‧‧單位像素
101‧‧‧光電轉換元件
102‧‧‧轉移電晶體
103‧‧‧重設電晶體
104‧‧‧放大電晶體
105‧‧‧像素選擇電晶體
106‧‧‧浮動擴散電容器
111‧‧‧垂直信號線
112‧‧‧轉移控制線
113‧‧‧重設控制線
114‧‧‧選擇控制線
151‧‧‧雜訊移除單元
152‧‧‧A/D轉換單元
153‧‧‧信號選擇單元
154‧‧‧信號保持單元
154－1‧‧‧保持單元
154－2‧‧‧保持單元
154－3‧‧‧保持單元
155‧‧‧加法單元
156‧‧‧A/D轉換單元
171‧‧‧雜訊移除單元
172‧‧‧A/D轉換單元
173‧‧‧信號選擇單元
174‧‧‧信號保持單元
174－1‧‧‧保持單元
174－2‧‧‧保持單元
174－3‧‧‧保持單元
175‧‧‧加法單元
176‧‧‧A/D轉換單元
200‧‧‧讀出電路
311‧‧‧電路區塊
312‧‧‧電路區塊
313‧‧‧電路區塊
314‧‧‧電路區塊
315‧‧‧3輸入NOR電路
1561‧‧‧電壓比較器
1562‧‧‧計數器
3111‧‧‧NAND電路
3112‧‧‧位準偏移器
3113‧‧‧P通道驅動電晶體
3121‧‧‧NAND電路
3122‧‧‧P通道驅動電晶體
3131‧‧‧AND電路
3132‧‧‧N通道驅動電晶體
3141‧‧‧AND電路
3142‧‧‧OR電路
3143‧‧‧位準偏移器
3144‧‧‧N通道驅動電晶體
ADR‧‧‧位址信號
CK‧‧‧時脈
PTRG1‧‧‧時序信號
PTRG2‧‧‧時序信號
PTRG3‧‧‧時序信號
RST‧‧‧重設脈衝
SEL‧‧‧選擇脈衝
SELVdd‧‧‧電源電壓
TRG‧‧‧轉移脈衝
Vbias‧‧‧偏壓
Vco‧‧‧比較結果
Vdd‧‧‧電源電壓
Vmid0‧‧‧中間電壓
Vmid1‧‧‧中間電壓
Voff‧‧‧切斷電壓
Von‧‧‧接通電壓
Vout‧‧‧輸出信號
Vref‧‧‧參考信號
圖l係展示根據本發明之第一實施例的CMOS影像感應器之系統組態圖；圖2係展示圖1中所示之單位像素之電路組態的一實例的電路圖；圖3係展示圖1中所示之單位像素之電路組態的另一實例的電路圖；圖4係展示圖1中所示之單位像素之電路組態的又一實例的電路圖；圖5係展示當以四分割為基礎來執行分割轉移時重設脈衝RST與轉移脈衝TRG之間的時序關係的時序圖；圖6係解釋當入射光之亮度在四分割轉移中高時的操作 的能量圖；圖7係解釋當入射光之亮度在四分割轉移中低時的操作的能量圖；圖8係展示圖1中所示之信號處理電路之組態的一實例的方塊圖；圖9係展示圖1中所示之信號處理電路之組態的另一實例的方塊圖；圖10係展示圖9中所示之A/D轉換單元之具體組態的實例的方塊圖，該A/D轉換單元具有雜訊移除功能及加法功能；圖11係展示以相同轉換精確度執行之A/D轉換處理的操作時序的時序圖；圖12係展示以不同轉換精確度執行之A/D轉換處理的操作時序的時序圖；圖13係展示在將所積聚之電荷之最大數量設定為10,000個電子時入射光之強度與所讀出之信號之雜訊位準之間的關係的特徵圖；圖14係展示根據本發明之第二實施例的CMOS影像感應器的系統組態圖；圖15係展示圖14中所示之行電路之組態的一實例的方塊圖；圖16係展示圖14中所示之行電路之組態的另一實例的方塊圖；圖17係展示根據本發明之第三實施例的CMOS影像感應 器的系統組態圖；圖18係展示圖17中所示之供應電壓控制電路之電路組態的實例的電路圖；圖19係展示供應電壓控制電路中之輸入操作與輸出操作之間的時序關係的時序圖；圖20係展示在三分割轉移之狀況下的驅動時序實例的時序圖；圖21係解釋在三分割轉移之狀況下的操作的能量圖；圖22係將實驗結果作為TRG驅動電壓與保持於光電轉換元件中之電荷之數目之間的關係的實例來展示的圖表；圖23係展示在n分割轉移之狀況下的驅動時序實例的時序圖；圖24A及圖24B分別係各自展示光電轉換單元可處理的所積聚之電荷之最大數量Qpd.max與各別分割轉移操作中之最大值Qfd.max之間的關係的圖；圖25係解釋當在三分割轉移期間以不同轉換精確度執行A/D轉換時的處理的圖表；圖26係展示信號位準與雜訊位準之間的關係的特徵圖，該信號位準及該雜訊位準中之每一者與入射光之亮度成比例；圖27係展示設定不同A/D轉換精確度的具體實例的說明圖；圖28係展示修改1之單位像素的像素電路的電路圖；圖29係展示修改2之單位像素的像素電路的電路圖； 圖30係展示根據本發明之實施例之成像裝置的組態的方塊圖；及圖31係展示先前技術中之單位像素之組態的實例的電路圖。
(無元件符號說明)

Claims (13)

  1. 一種固態成像器件，其包含：一像素陣列單元，其藉由以矩陣配置單位像素而構成，該等單位像素中之每一者包括：一光電轉換單元，其經組態以將一光信號轉換為信號電荷；一轉移元件，其經組態以轉移經由在該光電轉換單元中進行光電轉換而獲得之該等信號電荷；及輸出部份，其經組態以輸出由該轉移元件轉移之該等信號電荷；驅動單元，其經組態以經由該輸出部分而讀出在一積聚時段中積聚於該光電轉換單元中並由該轉移元件至少以兩個批次轉移之該等全部信號電荷；及類比至數位轉換構件，其經組態以對以複數個批次自該單位像素讀出之複數個輸出信號以不同轉換精確度執行類比至數位轉換。
  2. 如請求項1之固態成像器件，其進一步包含：加法構件，其經組態以對以複數個批次自該單位像素讀出之該複數個輸出信號執行加法處理。
  3. 如請求項1之固態成像器件，其中該輸出構件包括一電荷至電壓轉換單元，該電荷至電壓轉換單元經組態以將由該轉移元件轉移之該等信號電荷轉換為一電壓，且一寄生電容被設定為小，以使得由該電荷至電壓轉換單元處理之電荷的一最大數量小於可積聚於該光電轉換單元中之電荷的一最大數量。
  4. 如請求項1之固態成像器件，其中當積聚於該光電轉換 單元中之該等信號電荷的一部分被保持於該光電轉換單元時，該驅動構件給出一控制電壓，根據該控制電壓，具有一超過所保持之電荷之一數量之數量的該等所積聚之電荷由該轉移元件轉移至該轉移元件至少一次。
  5. 如請求項1之固態成像器件，其中在一入射光之一強度相對低的一狀況下，該類比至數位轉換構件對在引起由該轉移元件進行之該電荷轉移時自該單位像素輸出之該等輸出信號以一轉換精確度執行該類比至數位轉換，該轉換精確度高於在不引起由該轉移元件進行之電荷轉移時自該單位像素輸出之該等輸出信號之轉換精確度。
  6. 如請求項1之固態成像器件，其中該類比至數位轉換構件包括：比較構件，其經組態以將該複數個信號中之每一者與一參考信號相比較；及計數構件，其經組態以執行一用於藉由一對應於一獲自該比較構件之比較結果的計數值來執行計數的操作。
  7. 如請求項6之固態成像器件，其中該類比至數位轉換構件導致該參考信號之一斜坡為N倍，且導致該計數構件之一計數值為N倍，藉此導致該轉換精確度為1/N倍。
  8. 如請求項6之固態成像器件，其中該計數構件藉由對應於獲自該比較構件之該比較結果的該計數值來執行遞增計數或遞減計數。
  9. 如請求項8之固態成像器件，其中該類比至數位轉換構件根據由該計數構件進行之該遞增計數或該遞減計數而 獲得一重設位準與獲自該單位像素之信號位準之間的一差異。
  10. 如請求項6之固態成像器件，其中該類比至數位轉換構件與該類比至數位轉換處理同時而根據由該計數構件執行之一計數操作對以複數個批次自該單位像素讀出之該複數個輸出信號執行加法處理。
  11. 一種用於一固態成像器件之信號處理方法，該固態成像器件包含：一像素陣列單元，其藉由以矩陣配置單位像素而構成，該等單位像素中之每一者包括：一光電轉換單元，其經組態以將一光信號轉換為信號電荷；一轉移元件，其經組態以轉移經由在該光電轉換單元中進行光電轉換而獲得之該等信號電荷；及一輸出部分，其經組態以輸出由該轉移元件轉移之該等信號電荷；及驅動單元，其經組態以經由該輸出部分而讀出在一積聚時段中積聚於該光電轉換單元中且由該轉移元件至少以兩個批次轉移之該等全部信號電荷；其中該固態成像器件對以複數個批次自該單位像素讀出的複數個輸出信號以不同轉換精確度執行類比至數位轉換。
  12. 如請求項11之信號處理方法，其中在一入射光之一強度相對低的一狀況下，對在引起由該轉移元件進行之該電荷轉移時自該單位像素輸出之該等輸出信號以一轉換精確度執行該類比至數位轉換，該轉換精確度高於在不引 起由該轉移元件進行之電荷轉移時自該單位像素輸出之該等輸出信號之轉換精確度。
  13. 一種成像裝置，其包含：一固態成像器件，其藉由以矩陣配置單位像素而構成，該等單位像素中之每一者包括：一光電轉換單元，其經組態以將一光信號轉換為信號電荷；一轉移元件，其經組態以轉移經由在該光電轉換單元中進行光電轉換而獲得之該等信號電荷；及輸出構件，其經組態以輸出由該轉移元件轉移之該等信號電荷；及一光學系統，其用於將一入射光聚焦至該固態成像器件之一成像區域上；其中該固態成像器件包含：驅動構件，其經組態以經由該輸出構件而讀出在一積聚時段中積聚於該光電轉換單元中且由該轉移元件至少以兩個批次轉移之該等全部信號電荷；及類比至數位轉換構件，其經組態以對以複數個批次自該單位像素讀出之複數個輸出信號以不同轉換精確度執行類比至數位轉換。
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