專利名稱：固態(tài)成像裝置、驅(qū)動其的方法和攝像機系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及以CMOS圖像傳感器為代表的固態(tài)成像裝置、驅(qū)動固態(tài)成像裝置的方 法和攝像機系統(tǒng)。
背景技術：
近年來，CMOS圖像傳感器作為取代CXD的固態(tài)成像裝置(圖像傳感器)而引起注 意。CXD像素通常要求在制造中的專用工藝，且使用多個電源電壓，而且在工作時結合多個 外圍IC。通過使用CMOS圖像傳感器可以克服與CCD相關聯(lián)的諸如很復雜的系統(tǒng)等各種問題?？梢酝ㄟ^使用類似于用來制造典型CMOS集成電路的那些工藝來制造CMOS圖像傳 感器。此外，CMOS圖像傳感器可以由單個電源驅(qū)動，且與通過使用CMOS工藝制造的模擬和 邏輯電路混合到一個芯片上。因此CMOS圖像傳感器具有多個顯著的有益效果，比如外圍IC 數(shù)目的減少。主流與CXD —起使用的輸出電路是使用FD放大器的單通道(channel) (ch)輸出 電路，該FD放大器包括浮動擴散(floating diffusion) (FD)層。相反，CMOS圖像傳感器 固有地包括基于像素(on a pixel basis)的FD放大器。主流應用的FD放大器是縱行并 行輸出放大器，其中在像素陣列中的單一橫行(horizontal row)被選中，且全部橫行在縱 行方向上被一起讀取。像素內(nèi)(In-Pixel)FD放大器難以提供足夠的驅(qū)動能力，因此需要減 小數(shù)據(jù)速率。這就是為什么CMOS圖像傳感器有益地以并行處理機制工作的原因。不僅在CXD和CMOS圖像傳感器中，還在任何成像器(imager)中，不同的多個色 彩像素組成像素單元，其中不同的多個色彩像素是色彩布局中重復的最小單位，而像素單 元的色彩布局是通過在橫行-縱行矩陣(horizontalrow-vertical row matrix)或棋盤 (checkered)圖案中排列這組多個像素來決定的。在像素單元中分配了單色的最小單元稱 為子像素(sub-pixel)，某些情況下，一組不同顏色的子像素稱為像素。然而在下述描述中， 被分配了單色的最小單元稱為像素，而被重復用于組成色彩布局的一組不同顏色的像素稱 為像素單元。通常，在縱行并行輸出型CMOS圖像傳感器中，被稱為列的像素單元中的并行處理 單元是縱像素單元行，而且為像素的每一個縱行(vertical row)或列提供處理電路。像素 的每一個縱行或列的處理電路包括采用CDS或其他任何適合的方法的噪聲移除電路、或者 當采用所謂列-AD(C0Iumn-AD)機制時的單比特(single-bit)ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)。同在其他的輸出型圖像傳感器中一樣，在縱行并行輸出型CMOS圖像傳感器中，可 以讀取全部的像素信號。此外，可以執(zhí)行稀疏讀取，在稀疏讀取中，通過限制將要被讀取的 像素以減少從像素單元輸出的數(shù)據(jù)數(shù)(像素信號的數(shù)目)以提高幀速率。在稀疏讀取中，由于讀取n(至少為2)個像素信號中的一個，而放棄其他的像素信 號，因此信息量減少。因此慣例是在讀取前對多個像素信號求和。在下述描述中，用于僅挑 選和讀取η個像素信號中的一個的方法稱為稀疏讀取，與求和一起的稀疏方法稱為求和以及讀取。圖1是說明以所謂Bayer布局組成的像素單元以及基于列而設置的列處理電路的 圖。在Bayer布局中，紅色(R)和綠色(Gr)被交替排列在第一色彩像素橫行中，該行即所謂的R橫行；綠色(Gb)和藍色(B)被交替排列在第二色彩像素橫行中，該行即所謂的 B橫行。像素單元由兩橫行和兩縱行中的紅色(R)、綠色(Gr)、綠色(Gb)和藍色(B)四種像 素組成。圖1所示的三角塊的每一個是在對應的列處理電路中的第一階段處理單元，且例 如與以列-AD機制工作的ADC中的比較器相對應。在圖1中，在作為像素單元的每個縱行 的各個列中排列列處理電路。圖2A和圖2B說明了示例性操作，其中通過使用不同的列處理電路來處理第一色 彩像素橫行(R橫行)和第二色彩像素橫行(B橫行)。在圖2A和圖2B中，附圖標記“17R” 中的每一個表示用于R橫行的對應的列處理電路的第一階段(例如比較器)；且附圖標記 “17B”中的每一個表示用于B橫行的對應的列處理電路的第一階段(例如比較器)。在圖 2A和圖2B中，僅將要被求和的像素被標記了它們的顏色代碼(R、Gr、Gb和B)。在如圖2A所示的第一次求和以及讀取操作中，來自第一橫行Bl的三個綠色(Gb) 像素信號被求和且被讀取到相應的列處理器的第一階段17B。類似地，來自第一橫行Rl的 三個紅色(R)像素信號被求和并被讀取到相鄰的列處理器的第一階段17R。在圖2B所示的下列求和以及讀取操作中，來自第一橫行Bl的三個藍色(B)像素 信號被求和并被讀取到相應的第一階段17B，且來自第一橫行Rl的三個綠色(Gr)像素信號 被求和并被讀取到相應的第一階段17R。在此描述的驅(qū)動方法是公知的方法，其中當在水平求和(horizontalsumming)或 稀疏操作中讀取R橫行時，使用在R橫行中位于求和中心(summing center)的列；當讀取 B橫行時，使用在B橫行中位于求和中心的列。在這種情況下，用于R橫行的列不同于用于 B橫行的列。

發(fā)明內(nèi)容
然而，在上述驅(qū)動方法中，當執(zhí)行求和以及讀取時，需要總是驅(qū)動被提供給各列的 每三個列處理電路中的兩個，不利的是導致了增加的功耗。此外，將要在紅色(R)或藍色⑶求和以及讀取操作中被求和的三個像素和將要 在綠色(Gr)或綠色(Gb)求和以及讀取操作中被求和的三個像素相對于像素讀取所指向的 第一階段17R和17B而非對稱地布置。例如，由于布線延遲和其他因素，非對稱的布置不利 的是引起被輸入到第一階段17R和17B的像素信號的相位上的少許差異。如此，人們期望提供一種固態(tài)成像裝置，能夠減少工作的列處理單元的數(shù)目以減 少功耗并能夠保證相對于列處理單元、經(jīng)過1/n稀疏的這些像素的中心之間的對稱性，其 中稀疏的像素信號被輸出給該列處理單元。人們也期望提供一種方法，用于驅(qū)動能夠減少 功耗和保證對稱性的固態(tài)成像裝置。人們還期望提供包括固態(tài)成像裝置的攝像機系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的實施例的固態(tài)成像裝置包括像素單元、讀出單元和列處理單元。在像素單元中，以預定的色彩布局排列像素，所述像素的每一個將光轉(zhuǎn)變?yōu)橄袼匦盘柌⑶腋鶕?jù)曝光時段來累積像素信號，且在縱行方向上交替排列包含第一色彩像素的第 一色彩像素橫行和包含第二色彩像素的第二色彩像素橫行。讀出單元從所述第一色彩像素 橫行或第二色彩像素橫行中的第一色彩像素或第二色彩像素中選擇^ 2)個單一色彩 像素信號，對選擇的n個像素信號執(zhí)行1/n稀疏以將像素信號的數(shù)目減少為1/n，并讀取針 對每一個色彩的結果像素信號。列處理單元對已經(jīng)經(jīng)過1/n稀疏的所述像素信號執(zhí)行列處 理。所述列處理單元的每一個不僅作為用于對由所述讀出單元從n個第一色彩像素 信號讀取的一個第一色彩像素信號執(zhí)行列處理的處理單元，而且還作為用于對由所述讀出 單元從n個第二色彩像素信號讀取的一個第二色彩像素信號執(zhí)行列處理的處理單元。在本發(fā)明的實施例中，列處理單元的每一個優(yōu)選地設置在求和中心之間的縱像素 行的一端或兩端處。在此使用的求和中心之間的縱像素行是位于被輸出選擇來求和的n個 第一像素信號的n個排列的像素的中心和輸出n個第二像素信號的n個排列的像素的中心 之間的縱像素行?；蛘?，列處理單元的每一個優(yōu)選地設置在已經(jīng)經(jīng)過稀疏和讀取的像素之間的縱像 素行的一端或兩端處。在此使用的已經(jīng)經(jīng)過稀疏和讀取的像素之間的縱像素行是在包含輸 出在1/n稀疏操作中讀取的一個第一像素信號的像素在內(nèi)的縱像素行和包含輸出在1/n稀 疏操作中讀取的一個第二像素信號的像素的縱像素行之間的縱像素行。根據(jù)上述配置，對從任何第一色彩像素橫行讀取的一個第一像素信號執(zhí)行列處理 的處理單元中的每一個也作為對從任何第二色彩像素橫行讀取的一個第二像素信號執(zhí)行 列處理的處理單元。功耗相應地降低。此外，根據(jù)優(yōu)選配置，列處理單元的每個被布置在求和中心之間的縱像素行或者 已經(jīng)經(jīng)過稀疏和讀取的像素之間的縱像素行的一端或兩端處。結果，在第一色彩像素橫行 或第二色彩像素橫行中經(jīng)過1/n稀疏(包括求和)的n個像素相對于像素讀取所指向的列 處理單元而對稱地設置。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的用于驅(qū)動固態(tài)成像裝置的方法包括以下三個步 驟(1)選擇來自在具有上述配置的像素單元中的第一色彩像素橫行或第二色彩像素 橫行中的第一色彩像素或第二色彩像素的n個(n > 2)單一色彩像素信號；(2)對選擇的n個像素信號執(zhí)行1/n稀疏以將像素信號的數(shù)目減少為1/n而且讀 取用于每一個色彩的一個像素信號；和(3)對已經(jīng)讀取的像素信號執(zhí)行列處理。在該處理中，使用單一列處理單元對從第 一色彩像素橫行讀取的一個第一像素信號執(zhí)行列處理，而且對從第二色彩像素橫行讀取的 一個第二像素信號執(zhí)行列處理。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的攝像機系統(tǒng)包括固態(tài)成像裝置；在固態(tài)成像裝置 上形成主題圖像的光學系統(tǒng)；和處理從固態(tài)成像裝置輸出的圖像信號的信號處理電路。
固態(tài)成像裝置以根據(jù)上述本發(fā)明的實施例的固態(tài)成像裝置相同的方式配置。
上述本發(fā)明的實施例可以減少工作的列處理單元的數(shù)目以減少功耗而且保證經(jīng) 過1/n稀疏的像素的中心之間相對于稀疏像素信號所輸出到的列處理單元的對稱性。上述 本發(fā)明的實施例可以提供能夠減少功耗和保證對稱性的固態(tài)成像裝置、驅(qū)動固態(tài)成像裝置
6的方法和攝像機系統(tǒng)。


圖1是用于描述背景技術和示出以具有基于列而設置的列處理電路的Bayer布局 組成的像素單元的圖；圖2A和圖2B示出了背景技術中描述的示例性操作，其中通過使用不同的列處理 電路來處理第一色彩像素橫行(R橫行)和第二色彩像素橫行(B橫行)；圖3示出了根據(jù)一個實施例的CMOS圖像傳感器(固態(tài)成像裝置)的配置的例子；
圖4示出了其中掃描以某種色彩布局(Bayer布局)組成的像素單元的方向；圖5示出了根據(jù)一個實施例的CMOS圖像傳感器中由四個晶體管組成每一個像素 的例子；圖6A和圖6B描述了根據(jù)第一實施例的通過求和R和B橫行上的三個像素來執(zhí)行 的1/3稀疏和讀取；圖7A和圖7B描述了 η = 3的啞列(dummy column)處理；圖8描述了 η = 5的有源比較器(active comparator)的布置；圖9描述了 η = 7的有源比較器的布置；圖10Α和圖10Β描述了根據(jù)第二實施例的通過在R和B橫行上求和三個像素而執(zhí) 行的1/3稀疏和讀?。粓D11說明了用于對在R橫行上的三個像素執(zhí)行1/3稀疏、求和以及讀取的示范性 具體的電路并且描述了該電路的操作；圖12示出了用于對在B橫行上的三個像素執(zhí)行1/3稀疏、求和以及讀取的示范性 具體的電路并且描述了該電路的操作；圖13是如圖11和12所示的選擇信號和控制是否執(zhí)行求和以及讀取的選擇信號 的邏輯(“H”或“L”)的列表；以及圖14是根據(jù)第三實施例的攝像機系統(tǒng)的示意性配置圖。
具體實施例方式下面將參照CMOS圖像傳感器的附圖以示例的方式描述本發(fā)明的實施例。本發(fā)明 也適用于CXD圖像傳感器。本說明書將以下列順序說明1.第一實施例，在第一實施例中本發(fā)明被應用于執(zhí)行稀疏、求和以及讀取的CMOS 圖像傳感器。2.第二實施例，在第二實施例中描述優(yōu)于第一實施例中的驅(qū)動方法的驅(qū)動方法。3.第三實施例，在第三實施例中本發(fā)明應用于攝像機系統(tǒng)。<1.第一實施例>[裝置配置]圖3說明了根據(jù)本發(fā)明的實施例的CMOS圖像傳感器(固態(tài)成像裝置)的配置的 例子。CMOS圖像傳感器20包括像素單元21、作為像素驅(qū)動器的像素驅(qū)動電路(縱驅(qū)動電路)22和列電路23。像素單 元21具有以二維陣列(矩陣)排列的多個像素。在像素單元21中，在如 圖4所示的布局、即Bayer布局中形成色彩像素，例如R、Gr、Gb和B。圖5示出了根據(jù)本實施例的CMOS圖像傳感器中由四個晶體管組成的每一個像素 的例子。圖5所示的像素1包括由例如光電二極管組成的光電轉(zhuǎn)換裝置11。像素1還包括 下列四個晶體管作為每個光電轉(zhuǎn)換裝置11的有源裝置轉(zhuǎn)移晶體管12、復位晶體管13、放 大晶體管14和選擇晶體管15。光電轉(zhuǎn)換裝置11將入射光光電轉(zhuǎn)換為電荷(在本實施例中為電子)，其電荷量由 光量決定。轉(zhuǎn)移晶體管12被連接在光電轉(zhuǎn)換裝置11和浮動擴散FD之間，驅(qū)動信號通過轉(zhuǎn) 移控制線LTx提供給轉(zhuǎn)移晶體管12的柵極(轉(zhuǎn)移柵極)。響應于驅(qū)動信號，轉(zhuǎn)移晶體管12 將通過光電轉(zhuǎn)換裝置11光電轉(zhuǎn)換的電子轉(zhuǎn)移給浮動擴散FD。復位晶體管13被連接到電源線LVDD和浮動擴散FD之間。當復位信號通過復位 控制線LRST被提供給復位晶體管13的柵極時，復位晶體管13將浮動擴散FD處的電勢復 位成電源線LVDD處的電勢。浮動擴散FD被連接到放大晶體管14的柵極。放大晶體管14通過選擇晶體管15 被連接到輸出信號線16。放大晶體管14和像素單元外的恒流源組成源極跟隨器(source follower)。當?shù)刂沸盘?選擇信號)通過選擇控制線LSEL被提供給選擇晶體管15的柵 極時，選擇晶體管15被導通。此時，放大晶體管14放大浮動擴散FD處的電勢而且根據(jù)該 電勢向輸出信號線16輸出電壓。通過輸出信號線16從每個像素輸出的電壓通過讀出單元 被輸出到列處理電路(縱行處理電路)。稍后詳細描述讀出電路和列處理電路的例子。通過導通轉(zhuǎn)移晶體管12，像素復位操作釋放(discard)累積在光電轉(zhuǎn)換裝置11中 的電荷，以將累積在光電轉(zhuǎn)換裝置11的電荷轉(zhuǎn)移到浮動擴散FD。在這一過程中，復位晶體 管13被提前導通以向電源釋放留在浮動擴散FD上的電荷，因此浮動擴散FD能夠接收來自 光電轉(zhuǎn)換裝置11的電荷?；蛘撸斵D(zhuǎn)移晶體管12保持導通的期間，復位晶體管13可以同 時導通以直接向電源釋放電荷。上述一系列操作即“像素復位操作”。另一方面，在讀取操作中，復位晶體管13首先被導通以復位浮動擴散FD，通過當 浮動擴散FD已復位時被導通的選擇晶體管15，輸出被發(fā)送到輸出信號線16。該輸出稱為P 階段輸出。此后，轉(zhuǎn)移晶體管12被導通以將累積在光電轉(zhuǎn)換裝置11的電荷轉(zhuǎn)移到浮動擴 散FD，于是輸出被發(fā)送到輸出信號線16。該輸出稱為D階段輸出。通過判斷在像素電路外 部的組件中的D階段輸出和P階段輸出的差異并取消與浮動擴散FD相關聯(lián)的復位噪聲從 而形成圖像信號。上述一系列操作即“像素讀出操作”。如圖3所示的像素驅(qū)動電路22控制著每個橫行中的每一個像素的轉(zhuǎn)移晶體管12、 復位晶體管13和選擇晶體管15的導通和截止。列電路23并行地接收來自橫像素行的已經(jīng)經(jīng)過由像素驅(qū)動電路22進行的讀取操 作的數(shù)據(jù)；與求和或其他任何合適的處理一起執(zhí)行l(wèi)/n(n ^ 2)稀疏；執(zhí)行列-AD處理；執(zhí) 行并串(parallel-serial)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換而且將得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到在后一階段中的信號處理 電路。列電路23包括讀出電路和列處理電路。在列電路中的列處理電路的每一個與本發(fā)明的實施例中的“列處理單元”相對應，且是基于列而提供的且執(zhí)行取消上述復位噪聲操 作、當采用列-AD機制時執(zhí)行AD(模數(shù))轉(zhuǎn)換和其他處理的電路。此處使用的術語“列”是 縱像素單元行，其每一個包括，例如，在Bayer布局(圖4)中的四個色彩像素R、Gr, Gb和 B0
這樣配置的固態(tài)成像裝置被用作在各種各樣的便攜終端、數(shù)字靜態(tài)照相機、數(shù)字 單反鏡頭照相機、數(shù)字可攜式攝像機和其他類似設備中的圖像輸入裝置。根據(jù)固態(tài)成像裝 置同樣用作順序讀取全部像素的應用，固態(tài)成像裝置執(zhí)行各種各樣的讀出操作。例如，當期 望以高于順序讀取全部像素的幀速率執(zhí)行讀取的時候，執(zhí)行求和以及讀取?？梢园磧煞N方 法執(zhí)行求和以及讀取執(zhí)行在多個橫行執(zhí)行稀疏、求和以及讀取(垂直求和以及讀取)或在 單個橫行中的1/n稀疏、求和以及讀取(水平求和以及讀取)，以及執(zhí)行垂直求和以及讀取 和水平求和以及讀取。在本實施例中，任意執(zhí)行(可以或不可以執(zhí)行)垂直求和以及讀取。另一方面，根 據(jù)本發(fā)明的CMOS傳感器其特征在于橫稀疏和讀取，例如，水平求和以及讀取。在如圖4所示的像素單元21的色彩布局(Bayer布局)中，第一色彩像素(R像 素)被布置于奇數(shù)橫行L1、L3、L5等，而第二色彩像素(B像素)被布置于偶數(shù)橫行L2、L4、 L6等。在某些情況下，第一色彩像素(R像素)被布置在偶數(shù)橫行，第二色彩像素被布置在 奇數(shù)橫行，稍后將做出描述。當執(zhí)行垂直求和以及讀取時，像素驅(qū)動電路22處理由交替設置在第一色彩像素 (R像素)橫行和第二色彩像素(B像素)橫行(例如三個橫行、四個橫行和五個橫行)組成 的多個橫行，作為用于單一多個橫行稀疏操作的讀出單元。像素驅(qū)動電路22使用讀出單元 以稀疏、求和以及讀取多個橫行中的像素。由于垂直求和以及讀取不是基本的，在此對其不 做出詳細描述。[水平求和以及讀取]在此描述水平求和以及讀取及其列電路的配置的概要。本實施例的1/n稀疏不僅 包括稀疏和水平求和，還包括將要讀取的像素的數(shù)目的僅減少到1/n，而不求和(僅稀疏)。 因為帶有求和的稀疏和僅稀疏之間的差異僅僅是執(zhí)行或不執(zhí)行求和，且兩個操作從概念上 講都是1/n稀疏，在此描述帶有求和的稀疏，作為1/n稀疏的例子。圖6A描述了通過求和R橫行上的三個像素來執(zhí)行1/3稀疏和讀取。圖6B描述了 通過求和B橫行上的三個像素來執(zhí)行1/3稀疏和讀取。圖6A和6B示出了其中在Bayer布 局中基于列來布置比較器的情況，其中比較器是列處理電路中的每一個的第一階段。因為 在Bayer布局中的色彩排列與圖1相同，僅將要求和的像素被標記了它們色彩編碼。例如，在本實施例中，列處理電路如下地定期上電(energized)，于是被激活 (activated):一個列處理電路被上電，于是被激活，但余下的(n_l)列處理電路沒有被上 電或激活，換句話說，每三個列處理電路中的一個被上電且于是被激活，如圖6A和6B所示。 在圖6A和6B中，激活的比較器CMA被畫上斜線(hatch)。在本實施例的驅(qū)動方法中，紅色(R)三像素信號和綠色(Gr)三像素信號以以下方 式被提供給激活的比較器CMA，該方式為提供的像素信號在橫行方向上是對稱的。雖然保證 像素信號的對稱性不是必須的，即使當來自提供的三個像素的像素信號所沿著的路徑相互 不同時，但是保證對稱性消除了求和的信號的差異。保證對稱性是有益的，因為求和后的信號的幅度具有預期的值，而且求和后的信號的相位是相同的。在本實施例中基于列來提供比較器(像素單元的列)?；蛘?，列處理電路自己可以 從第一列中被稀疏，即，只要η被固定，僅η列中的一個具有列處理電路。另一方面，在如下配置中，像素信號提供路徑從一個切換到另一個，η被改變，基于 列來布置比較器，如圖6Α和6Β所示，通過讀出電路(未示出)，路徑的一部分被連接或斷 開。根據(jù)R橫行或B橫行是否被讀取，路徑被連接或斷開，因此從預期位置處提供的像素供 應的信號被傳遞到激活的比較器CMA，如圖6Α和6Β所示。因為在接下來的第二實施例中會 有詳細描述，此處沒有給出本實施例的讀出電路所執(zhí)行的路徑控制的描述。在1/η稀疏中的η值期望地是奇數(shù)，這允許求和中心成為將要求和的像素的位置， 從而輕易保證對稱性，但是作為選擇，可以是偶數(shù)。在后面的情況中，優(yōu)選地，像素信號提供 路徑相對于與求和中心接近的像素而對稱。圖8和9分別說明了其中η = 5和η = 7的情況。 另一方面，對于η= (4Xm+3) (m是大于或等于0的整數(shù))，即η = 3、7、11等，位于 掃描原點端但未在求和中使用的像素的數(shù)目在某些情況下不是可忽略地小。為了說明這個 問題，可以執(zhí)行所謂虛擬(dummy)列處理的不規(guī)則求和以提高要用的信息量。圖7A和7B描述了 η = 3的啞列處理。在啞列處理中，由最遠(掃描原點端)激活的比較器CMAd讀取R橫行。然而，當 讀取B橫行時，實際上僅讀取鄰近激活的比較器CMAd的一個像素，但不執(zhí)行求和。其原因 在于在該像素的左邊不出現(xiàn)像素，而在圖6Α和6Β所示的處理中使用該一個像素的右邊的 像素，因此不能使用，因為禁止在兩個處理中使用單一的像素。在啞列處理中，另一個比較器CMD是必需的，因為R橫行讀取和B橫行讀取是不同 的處理。此外，由于僅在R橫行讀取中使用比較器CMAd，因此包含比較器CMAd的列處理電 路的配置與包含比較器CMA的列處理電路的配置不同。如上所述， 列處理一方面不利的是從電路的角度增加了負擔，但另一方面有利 的是使能了像素信息的有效使用。優(yōu)選的是以可理解的方法考慮不利效果和有益效果來決 定是否執(zhí)行啞列處理。針對如圖8所示n = 5，由于大量的比較器CMx存在于從掃描原點到第一個激活的 比較器CMA的區(qū)域中，有效地使用關于鄰近掃描原點的像素的信息。在上述的第一個實施例中，當采用水平求和(或僅稀疏)時，求和中心之間的公共 單一列被用于讀取R橫行和B橫行。結果，從求和中心到其中執(zhí)行讀取的點的距離是相同 的，從而更精確地執(zhí)行讀取。此外，僅針對η列中的一個使用列處理電路可以減少功耗。然而，當執(zhí)行(4Xm+3)求和(η = 3、7、11等)時，需要對每個橫行的第一列執(zhí)行 啞列處理，或者使用從B像素而不是R像素開始的像素布置。S卩，在圖1和圖6Α和6Β中， 具有左上原點的像素布置從R橫行開始，接下來設置在縱行方向的B橫行、R橫行等，但優(yōu) 選地，像素布置是從B橫行開始，接下來R橫行、B橫行等如圖4所示。當如圖4所示定義 掃描方向和掃描順序(讀取順序)時，讀取從圖4中的R橫行開始，而讀取從圖1和圖6Α 和6Β中的B橫行開始。當掃描方向與圖4所示的相反時，讀取從圖4中的B橫行開始，而 讀取從圖1和圖6Α和6Β中的R橫行開始。
<2.第二實施例>在如圖6A和6B所示的讀取方法中，未使用的像素(將不被讀取的像素)的數(shù)目 是每一橫像素單元行是八，或與兩個像素單元相對應。通過執(zhí)行如圖7A和7B的啞列處理， 應該沒有未使用的像素。第二實施例提出了能夠減少未使用的像素的數(shù)目的驅(qū)動方法，例如減半數(shù)量而不 執(zhí)行任何啞列處理。圖10A和圖10B描述了在第二實施例中通過求和三個像素而執(zhí)行的讀取。圖6A和6B與圖10A和圖10B的不同在于兩個無源比較器CMx被布置于像素陣列 中最左邊列旁邊的兩列中，接下來是激活的比較器CMA。這種情況下，當執(zhí)行啞列處理時，布 置在最左邊列的比較器CMB作為有源比較器，而當沒有執(zhí)行啞列處理時，作為中間比較器， 即無源比較器。相反，在圖10A和圖10B中，兩個無源比較器CMx被布置于頭兩列，接下來是有源 比較器CMA。結果，未使用的像素的數(shù)目是四或與一個像素單元相對應，如圖10B所示，S卩，數(shù) 目是圖6B所示的數(shù)目的一半。在第二實施例中，有源比較器CMA同第一實施例一樣，被布置于求和中心之間。 即，滿足本發(fā)明實施例中的下列要求“列處理單元(列處理電路)(將要被激活的)被布置 于包含n個布置的R像素的中心在內(nèi)的縱像素行和包含n個布置的B像素的中心在內(nèi)的另 一個縱像素行之間的縱像素行的一端(或兩端)”。在第一實施例中，同樣滿足該要求。在 上述的要求中，“另一個縱像素行”與第一實施例和第二實施例中的另一個縱像素單元行相對應。在這種情況下，當在圖10A中讀取B橫行時，實際的求和中心與如10A和10B所示 的定義的求和中心相符。然而，當在圖10B中讀取R橫行時，實際的求和中心不是定義的求 和中心，而是從定義的求和中心更接近比較器CMA —個縱行的縱行。當讀取R橫行時，既不 能定義求和中心，上述要求也不滿足。在圖10A和圖10B中，因此有必要在B橫行的讀取處 理中定義求和中心。根據(jù)上述的讀取方法，不需要改變像素布置或?qū)Φ谝涣袌?zhí)行任何特殊處理(例如 啞列處理)。[求和以及讀取的示范性電路]圖11和12示出了用于執(zhí)行1/3稀疏、求和以及讀取的示范性具體的電路。圖11 示出了當讀取R橫行時的連接的路徑，圖12示出了當讀取B橫行時的連接的路徑。圖13 示出了當執(zhí)行水平求和時以及當不執(zhí)行水平求和時的選擇信號的邏輯(“H”或“L”)的列表。在圖11和12中，用于求和以及讀取的讀出電路具有相同的配置。例如，在圖11中，像素單元的一個橫行如像素單元21所示。在本說明書中，像素 單元的數(shù)目是六。此外，兩個輸出信號線16沿縱行方向上的像素單元的每一個而延伸。執(zhí) 行求和以及讀取的讀出電路31被連接到用于像素單元的每一個的一對輸出信號線16。在圖11中，為方便圖釋，成對的讀出電路31被布置在圖11的上面部分和下面部 分。讀出電路31的每一個包括基于列的讀出單元31A。圖11的上面部分中的讀出電路31包括用于讀取紅色(R)像素(R像素)的讀出單元31A;圖11的下面部分中的讀出電路31 包括用于讀取綠色(Gr)像素(Gr像素)的讀出單元31A。當使用單一列電路23來從如圖3所示的像素單元21的縱行方向的一側(cè)執(zhí)行讀取 時，在圖11中用于讀取R像素的讀出單元31A和用于讀取Gr像素的讀出單元31A被交替 布置在列電路23的橫行方向上?；蛘?，用于讀取R像素的讀出單元31A和用于讀取Gr像素的讀出單元31A可以被 布置在像素單元21的縱行方向的兩側(cè)，而如圖11所示的配置保持不變。在這種情況下，在 像素單元21的縱行方向的兩側(cè)上需要如圖3所示的列電路23。讀出單元3IA的每一個包括五個轉(zhuǎn)移柵極電路TGl到TG3、TGR和TGL以及組 成求 和部分的三個電容器Cl到C3。從組成求和部分的三個電容器Cl到C3的輸出被連接到對應的列處理電路32的 第一階段的輸入(例如，在列-AD處理單元中的比較器CMA或CMx)。在求和單元(電容器Cl到C3)附近提供轉(zhuǎn)移柵極電路TGl到TG3，僅當在列處理 電路中的比較器CMA(如圖11中畫斜線的三角形)被供應了電源電壓因此被激活時，所有 的轉(zhuǎn)移柵極電路TGl到TG3才被導通。另一方面，當在列處理電路中的比較器CMx (如圖11 中的空的三角形)沒有被供應電源電壓因此沒被激活時，轉(zhuǎn)移柵極電路TGl到TG3被截止。轉(zhuǎn)移柵極電路TG2的像素信號輸入直接連接到相對應的輸出信號線16。另一方 面，轉(zhuǎn)移柵極電路TGl的像素信號輸入通過轉(zhuǎn)移柵極電路TGL可被連接到輸出信號線16。 類似地，轉(zhuǎn)移柵極電路TG3的像素信號輸入通過轉(zhuǎn)移柵極電路TGR可被連接到輸出信號線 16。轉(zhuǎn)移柵極電路TGR和TGL中的每一個是這樣的電路，該電路根據(jù)提供的選擇信號將來 自輸出信號線16的像素信號(色彩信號)引導到右邊或左邊。這樣配置的讀出單元31A被重復布置給輸出信號線16的每一個。在兩個相鄰讀出單元31A中，通過用于橫向轉(zhuǎn)移(horizontal transfer)的轉(zhuǎn)移 柵極電路TGHL，位于在讀出單元31A之一中相互連接的轉(zhuǎn)移柵極電路TGL和TGl之間的中 間點處的節(jié)點可電連接到其他讀出單元31A中的(節(jié)點)。此外，在兩個相鄰讀出單元31A 中，通過用于橫向轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)移柵極電路TGHR，位于在讀出單元31A之一中相互連接的轉(zhuǎn)移 柵極電路TGR和TG3之間的中間點處的節(jié)點可電連接到其他讀出單元31A的(節(jié)點)。上述配置允許來自讀出單元中之一的輸出信號線16的像素信號在橫向(橫行方 向)上被轉(zhuǎn)移，并且被發(fā)送給其他讀出單元中的激活的比較器CMA。在上述配置中，較高的讀出電路31的每個基本上與圖11中對應的較低的讀出電 路31相同(相對于圖11中對應的較低的讀出電路31旋轉(zhuǎn)180度對稱)。但是，提供不同 的選擇信號以分離地控制R像素和Gr像素讀取操作。由于配置是180度旋轉(zhuǎn)對稱的，例如，根據(jù)轉(zhuǎn)移柵極電路之間的連接關系，圍繞中 心像素單元橫向旋轉(zhuǎn)180度的較高讀出電路3被疊加在較低讀出電路31上。除了信號名 稱以外，轉(zhuǎn)移柵極電路的ON和OFF工作狀態(tài)也相互疊加(相符)。更具體地，在用于讀取R像素的較高讀出電路31中，與激活的比較器CMA相對應 的讀出單元31A中的轉(zhuǎn)移柵極電路TGR和TGL需要截止。與激活的比較器CMA相對應的讀 出電路31A此后稱為有源列單元。選擇信號SW3和(例如由如上的反相器或類似物反轉(zhuǎn)的)其反向信號控制有源列單元中的轉(zhuǎn)移柵極電路TGR和TGL中的PMOS和NMOS晶體管。相反，針對在兩個激活的比較器CMA之間的兩個無源比較器CMx，在對應的兩個讀 出單元31A中的轉(zhuǎn)移柵極電路TGR和TGL以差分的方式工作。與無源比較器CMx相對應的 讀出單元31A此后稱為無源列單元。
更具體地，轉(zhuǎn)移柵極電路TGR在右邊無源列單元中導通，而轉(zhuǎn)移柵極電路TGR在左 邊無源列單元中截止。另一方面，轉(zhuǎn)移柵極電路TGL在左邊無源列單元中導通，而且轉(zhuǎn)移柵 極電路TGL在右邊無源列單元中截止。選擇信號SWlN和其反向信號以及選擇信號SW2N和其反向信號控制無源列單元中 的轉(zhuǎn)移柵極電路TGR和TGL中的PMOS和NMOS晶體管。在單一讀出單元31A(列單元)中，轉(zhuǎn)移柵極電路TGHL和TGHR以相同的相位驅(qū)動。 在有源列單元和被連接到有源單元的一側(cè)并且向其提供像素信號的兩個無源列單元中，供 應像素信號所沿著的路徑(橫向轉(zhuǎn)移路徑)中反轉(zhuǎn)的兩對轉(zhuǎn)移柵極電路TGHL和TGHR都被 導通。另一方面，控制無源列單元在沒有向有源列單元提供像素信號的另一側(cè)上的連接的 轉(zhuǎn)移柵極電路TGHL和TGHR被截止。通過選擇信號SffffN、SffEN和SW4來控制上述轉(zhuǎn)移柵極電路TGHL和TGHR。電容器Cl至C3通常被設定為具有相同的電容，而且以如下的方式對三個像素信 號(R信號或B信號)求和其被以基本上相同的速率結合以產(chǎn)生結合的(求和的)像素信 號從而輸入給比較器。當由于像素信號從像素單元21發(fā)出所經(jīng)過的路徑的長度的差異，因此很難達到 相同的結合速率時，電容器Cl至C3可以具有略不同的電容值，以便獲得相同的結合速率。控制給電容器Cl至C3的輸入的轉(zhuǎn)移柵極電路TGl至TG3受選擇信號SWlC至SW3C 控制，如圖11在較低讀出電路31中所圖釋。同樣的適用于圖11中的較高讀出電路31。作為控制圖11中的較低讀出電路31的選擇信號，選擇信號SWlS用來取代選擇信 號SW1N，而選擇信號SW2S用來取代選擇信號SW2N。類似地，選擇信號SffffS用來取代選擇 信號SWWN，而選擇信號SWES用來取代選擇信號SWEN。選擇信號SW3、SW4和SWlC至SW3C 由較高和較低讀出電路31共享。在如圖12所示的示范性控制中，一對控制信號SWlN和SW2S、一對控制信號SWlS 禾口 SW2N、一對控制信號STON和SffffS和一對選擇信號SffffN和STOS具有相同的邏輯值。然 而，當在R橫行和B橫行上執(zhí)行求和以及讀取時，該對控制信號SWlN和SW2S和該對控制信 號SWlS和SW2N在邏輯上相反。該對控制信號STON和SffffS和該對選擇信號SffffN和STOS 在邏輯上也相反。在這個配置中，如圖11所示，在其中在R橫行上執(zhí)行求和以及讀取的較高讀出電 路31中，向有源單元提供來自該有源單元的右邊的兩個無源單元的像素信號，而在其中在 B橫行上執(zhí)行求和以及讀取的較低讀出電路31中，向有源單元提供來自該有源單元的左邊 的兩個無源單元的像素信號。在這一處理中，在R橫行上執(zhí)行的求和以及讀取中提供像素 所沿著的路徑和在B橫行上執(zhí)行的求和以及讀取中提供像素所沿著的路徑相對于該有源 單元而水平對稱。在對稱的像素信號提供結構中，以相同的比例結合來自電容器Cl至C3 的輸出允許結合的(求和的)信號免受由于路徑長度的差異所導致的影響。此外，如圖11和12中所看到的，未使用的像素的數(shù)目減少為四。
[3.第三實施例]根據(jù)具有上述有益效果的第一實施例和第二實施例的固態(tài)成像裝置可應用于在 數(shù)字照相機和視頻可攜式攝像機中使用的成像裝置。圖14示出了使用了根據(jù)本發(fā)明的任何一個實施例的固態(tài)成像裝置的攝像機系統(tǒng)的配置的例子。如圖14所示，攝像機系統(tǒng)200包括成像裝置210，其可以是根據(jù)上述任何一個 實施例的CMOS圖像傳感器(固態(tài)成像裝置)20。攝像機系統(tǒng)200還包括例如將入射光引 向(聚焦入射光到在成像裝置210的像素區(qū)域上的主題圖像中)成像裝置210的像素區(qū)域 的光學系統(tǒng)、聚焦入射光(圖像光)到成像表面上的透鏡220。攝像機系統(tǒng)200還包括驅(qū) 動成像裝置210的驅(qū)動電路(DRV) 230、和處理從成像裝置210輸出的信號的信號處理電路 (I3RC) 240。驅(qū)動電路230包括定時脈沖發(fā)生器(timing generator)(未示出)，其產(chǎn)生包括用 于驅(qū)動在成像裝置210中的電路的起始脈沖和時鐘脈沖的各種定時信號。驅(qū)動電路230通 過使用預定的定時信號來驅(qū)動成像裝置210。信號處理電路240對從成像裝置210輸出的信號執(zhí)行⑶S(相關雙取樣， Correlated Double Sampling)和其他信號處理。在信號處理電路240中處理的圖像信號 被記錄在存儲器或其他適合的記錄介質(zhì)中。通過使用打印機或其他任何類似設備打印記錄 在記錄介質(zhì)上的圖像信息。在信號處理電路240中處理的圖像信號也可以作為視頻圖像被 顯示在例如由液晶顯示器組成的監(jiān)視器上。如上所述，通過并入上述成像裝置(CMOS圖像傳感器)20作為數(shù)字靜態(tài)照相機或 任何其他類似的成像設備中的成像裝置210，可以獲得高精度的攝像機系統(tǒng)。本發(fā)明包含了與于2009年4月24日在日本專利局提交的有關日本優(yōu)先專利申請 JP2009-107141有關的主題，其全部內(nèi)容通過引用結合到本說明書中。本領域的技術人士應該理解，取決于設計要求和其他因素，本發(fā)明可以有各種的 修改、組合、部分組合和替代方式，只要其在所附的權利要求書或其等效方式的范圍內(nèi)。
權利要求
一種固態(tài)成像裝置，包括像素單元，其中以預定的色彩布局排列像素，所述像素的每一個將光轉(zhuǎn)變?yōu)橄袼匦盘柌⑶腋鶕?jù)曝光時段來累積像素信號，且在縱行方向上交替排列包含第一色彩像素的第一色彩像素橫行和包含第二色彩像素的第二色彩像素橫行；讀出單元，從所述第一色彩像素橫行或第二色彩像素橫行中的第一色彩像素或第二色彩像素中選擇n(n≥2)個單一色彩像素信號，對選擇的n個像素信號執(zhí)行1/n稀疏以將像素信號的數(shù)目減少為1/n，并讀取針對每一個色彩的結果像素信號；和列處理單元，對已經(jīng)經(jīng)過1/n稀疏的所述像素信號執(zhí)行列處理，其中所述列處理單元的每一個不僅作為用于對由所述讀出單元從n個第一色彩像素信號讀取的一個第一色彩像素信號執(zhí)行列處理的處理單元，而且還作為用于對由所述讀出單元從n個第二色彩像素信號讀取的一個第二色彩像素信號執(zhí)行列處理的處理單元。
2.如權利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中所述列處理單元的每一個被布置在縱像素行的一端或兩端處，所述縱像素行(在 求和中心之間的縱像素行)位于包含輸出由所述讀出單元選擇來求和的η個第一像素信號 的η個排列的像素的中心在內(nèi)的縱像素行和包含在另一個橫像素行中由所述讀出單元選 擇來求和的η個第二像素信號的η個排列的像素的中心在內(nèi)的縱像素行之間。
3.如權利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中所述列處理單元的每一個被布置在縱像素行的一端或兩端處，所述縱像素行(在 已經(jīng)經(jīng)過稀疏和讀取的像素之間的縱像素行)在包含輸出在1/η稀疏操作中由所述讀出單 元從η個第一像素信號中讀取的一個第一像素信號的像素在內(nèi)的縱像素行和包含輸出在 1/η稀疏操作中由所述讀出單元從η個第二像素信號中讀取的一個第二像素信號的像素在 內(nèi)的縱像素行之間。
4.如權利要求2所述的固態(tài)成像裝置， 其中所述列處理單元的每一個包括求和部分，求和由所述讀出單元選擇的η個第一像素信號或η個第二像素信號；和 比較器，比較求和的模擬第一或第二像素信號與閾值，并且將所述模擬像素信號轉(zhuǎn)變 為數(shù)字像素信號，以及所述比較器被布置在求和中心之間的縱像素行的一端或兩端處。
5.如權利要求3所述的固態(tài)成像裝置， 其中所述列處理單元的每個包括比較器，比較已經(jīng)經(jīng)過1/η稀疏的模擬第一或第二像素信號與閾值，而且將所述模擬 像素信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字像素信號，以及所述比較器被布置在已經(jīng)經(jīng)過稀疏和讀取的像素之間的縱像素行的一端或兩端。
6.如權利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中當η為(4Xm+3) (m為大于或等于零的整數(shù))時，所述讀出單元讀取第二色彩像素 橫行，然后讀取第一色彩像素橫行；而當η不是(4Xm+3)時，讀取第一色彩像素橫行，然后 讀取第二色彩像素橫行。
7.如權利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中像素單元的色彩布局為Bayer布局，在Bayer布局中，重復地布置由兩個橫行和兩個縱行組成的色彩布局單元，兩個橫行之一是包括第一色彩紅色像素的第一色彩像素橫 行，而另一個橫行是包括第二色彩藍色像素的第二色彩像素橫行。
8.一種用于驅(qū)動固態(tài)成像裝置的方法，所述方法包括以下步驟使用像素單元，其中以預定的色彩布局排列像素，所述像素的每一個將光轉(zhuǎn)變?yōu)橄袼?信號并且根據(jù)曝光時段來累積像素信號，且在縱行方向上交替排列包含第一色彩像素的第 一色彩像素橫行和包含第二色彩像素的第二色彩像素橫行，以從像素單元中的第一色彩或 第二色彩像素橫行中的第一色彩或第二色彩像素中選擇^ 2)個單一色彩像素信號；對選擇的n個像素信號執(zhí)行1/n稀疏以針對每個色彩將像素信號的數(shù)目減少為1/n而 且讀取結果像素信號；以及使用單一列處理單元對由所述讀出單元從自第一色彩像素橫行輸出的第一色彩的n 個第一像素信號中讀取的一個第一像素信號執(zhí)行列處理，而且對由所述讀出單元從自第二 色彩像素橫行輸出的第二色彩的n個第二像素信號讀取的一個第二像素信號執(zhí)行列處理。
9.一種攝像機系統(tǒng)，包括 固態(tài)成像裝置；光學系統(tǒng)，在所述固態(tài)成像裝置上形成主題圖像；和 信號處理電路，處理從所述固態(tài)成像裝置輸出的圖像信號， 所述固態(tài)成像裝置包括像素單元，其中以預定的色彩布局排列像素，所述像素的每一個將光轉(zhuǎn)變?yōu)橄袼匦盘?并且根據(jù)曝光時段來累積像素信號，且在縱行方向上交替排列包含第一色彩像素的第一色 彩像素橫行和包含第二色彩像素的第二色彩像素橫行；讀出單元，從所述第一色彩像素橫行或第二色彩像素橫行中的第一色彩像素或第二色 彩像素中選擇n(n ^ 2)個單一色彩像素信號，對選擇的n個像素信號執(zhí)行1/n稀疏以將像 素信號的數(shù)目減少為1/n，并讀取針對每一個色彩的結果像素信號；和 列處理單元，對已經(jīng)經(jīng)過1/n稀疏的所述像素信號執(zhí)行列處理， 其中所述列處理單元的每一個不僅作為用于對由所述讀出單元從n個第一色彩像素 信號讀取的一個第一色彩像素信號執(zhí)行列處理的處理單元，而且還作為用于對由所述讀出 單元從n個第二色彩像素信號讀取的一個第二色彩像素信號執(zhí)行列處理的處理單元。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種固態(tài)成像裝置，包括像素單元，其中以預定的色彩布局排列像素，所述像素的每一個將光轉(zhuǎn)變?yōu)橄袼匦盘柌⑶腋鶕?jù)曝光時段來累積像素信號，且在縱行方向上交替排列包含第一色彩像素的第一色彩像素橫行和包含第二色彩像素的第二色彩像素橫行；讀出單元，從所述第一色彩像素橫行或第二色彩像素橫行中的第一色彩像素或第二色彩像素中選擇n(n≥2)個單一色彩像素信號，對選擇的n個像素信號執(zhí)行1/n稀疏以將像素信號的數(shù)目減少為1/n，并讀取針對每一個色彩的結果像素信號；和列處理單元，對已經(jīng)經(jīng)過1/n稀疏的所述像素信號執(zhí)行列處理。
文檔編號H04N5/347GK101873443SQ20101016344
公開日2010年10月27日 申請日期2010年4月16日 優(yōu)先權日2009年4月24日
發(fā)明者奧崎陽子, 角本兼一 申請人:索尼公司