固体摄像元件和照相机系统

1.一种固体摄像元件，所述固体摄像元件包括：
像素部，在所述像素部中，呈矩阵状布置有多个像素电路，各个所述像素电路具有用于将光信号转换为电信号并根据曝光时间对所述电信号进行累积的机构；
像素驱动部，它能够被驱动，以便对所述像素部中的信号电荷进行累积、传输和输出；
以及
像素信号读取部，它用于从所述像素部中读取像素的信号，
所述像素部的所述像素电路包括：
输出节点；
光电转换元件，它用于将光信号转换为电信号并对信号电荷进行累积；和传输元件，它根据驱动信号被打开/关闭，并在打开状态下将所述光电转换元件中的电荷传输至所述输出节点，
所述像素驱动部能够进行如下的读取驱动：
第一读取驱动，通过所述第一读取驱动，根据所述驱动信号使所述传输元件关闭，以便输出所述输出节点处的由对应信号线上的电位降引起的第一信号；和
第二读取驱动，通过所述第二读取驱动，根据所述驱动信号使所述传输元件打开，以便将所述信号电荷传输至所述输出节点，输出所述输出节点处的由所述信号电荷和所述对应信号线上的电位降引起的第二信号，并且
所述像素信号读取部具有这样的功能：将与根据所述第二读取驱动读出的所述第二信号与根据所述第一读取驱动读出的所述第一信号之间的差对应的信号输出。
2.如权利要求1所述的固体摄像元件，其中，
在读出像素的一行的数据期间，所述像素驱动部和所述像素信号读取部进行所述第一读取驱动和所述第二读取驱动，并且进行与根据所述第二读取驱动读出的所述第二信号与根据所述第一读取驱动读出的所述第一信号之间的差对应的信号的输出。
3.如权利要求1或2所述的固体摄像元件，其中，
所述像素信号读取部包括：
多个比较器，它们被布置成与像素的列排列对应，并且各个所述比较器对读出的信号电位与参考电压进行比较判定，并输出判定结果；以及
多个增/减计数器，各个所述增/减计数器的操作根据来自所述比较器的输出被控制，并且各个所述增/减计数器对对应的所述比较器的比较时间进行计数。
4.如权利要求3所述的固体摄像元件，其中，
在所述第一读取驱动时，所述多个增/减计数器进行减计数或增计数，并且在所述第二读取驱动时，所述多个增/减计数器进行增计数或减计数。
5.如权利要求1所述的固体摄像元件，其中，
第一模式和第二模式能够根据模式切换信号相互切换，
在所述第一模式时，所述像素驱动部仅进行所述第二读取驱动，且所述像素信号读取部输出根据所述第二读取驱动读出的所述第二信号；并且
在所述第二模式时，所述像素驱动部进行所述第一读取驱动和所述第二读取驱动，且所述像素信号读取部输出与根据所述第二读取驱动读出的所述第二信号与根据所述第一读取驱动读出的所述第一信号之间的差对应的信号。
6.一种固体摄像元件，所述固体摄像元件包括：
像素部，在所述像素部中，呈矩阵状布置有多个像素电路，各个所述像素电路具有用于将光信号转换为电信号并根据曝光时间对所述电信号进行累积的机构；
像素驱动部，它能够被驱动，以便进行所述像素部的复位及信号电荷的累积和输出；以及
像素信号读取部，它用于从所述像素部中读取像素的信号，
所述像素部的所述像素电路包括：
输出节点；
光电转换元件，它用于将光信号转换为电信号并对信号电荷进行累积；
复位元件，它根据复位信号被打开/关闭，并在打开状态下将所述输出节点复位；和传输元件，它根据驱动信号被打开/关闭，并在打开状态下将所述光电转换元件中的电荷传输至所述输出节点，
所述像素驱动部能够进行如下的读取驱动：
第一读取驱动，通过所述第一读取驱动进行复位读取驱动和非传输读取驱动，在所述复位读取驱动中，根据所述复位信号使所述复位元件打开，输出所述输出节点的信号，在所述非传输读取驱动中，根据所述驱动信号使所述传输元件关闭，输出所述输出节点处的由对应信号线上的电位降引起的第一信号；和
第二读取驱动，通过所述第二读取驱动进行复位读取驱动和传输读取驱动，在所述复位读取驱动中，根据所述复位信号使所述复位元件打开，输出所述输出节点的信号，在所述传输读取驱动中，根据所述驱动信号使所述传输元件打开，以便将所述信号电荷传输至所述输出节点，输出所述输出节点处的由所述信号电荷和所述对应信号线上的电位降引起的第二信号，并且
所述像素信号读取部具有这样的功能：将与根据所述第二读取驱动读出的所述第二信号与根据所述第一读取驱动读出的所述第一信号之间的差对应的信号输出。
7.如权利要求6所述的固体摄像元件，其中，
在读出像素的一行的数据期间，所述像素驱动部和所述像素信号读取部进行所述第一读取驱动和所述第二读取驱动，并且进行与根据所述第二读取驱动读出的所述第二信号与根据所述第一读取驱动读出的所述第一信号之间的差对应的信号的输出。
8.如权利要求6或7所述的固体摄像元件，其中，
所述像素信号读取部包括：
多个比较器，它们被布置成与像素的列排列对应，并且各个所述比较器对读出的信号电位与参考电压进行比较判定，并输出判定结果；以及
多个增/减计数器，各个所述增/减计数器的操作根据来自所述比较器的输出被控制，并且各个所述增/减计数器对对应的所述比较器的比较时间进行计数。
9.如权利要求8所述的固体摄像元件，其中，
在所述第一读取驱动时，所述多个增/减计数器进行所述复位读取驱动中的增计数或减计数，并进行所述非传输读取驱动中的减计数或增计数，并且
在所述第二读取驱动时，所述多个增/减计数器进行所述复位读取驱动中的减计数或增计数，并进行所述传输读取驱动中的增计数或减计数。
10.如权利要求8所述的固体摄像元件，其中，
在所述第一读取驱动时，所述多个增/减计数器进行所述非传输读取驱动中的减计数或增计数，并且
在所述第二读取驱动时，所述多个增/减计数器进行所述传输读取驱动中的增计数或减计数。
11.如权利要求6所述的固体摄像元件，其中，
第一模式和第二模式能够根据模式切换信号相互切换，
在所述第一模式时，所述像素驱动部仅进行所述第二读取驱动，且所述像素信号读取部输出根据所述第二读取驱动读出的所述第二信号，并且
在所述第二模式时，所述像素驱动部进行所述第一读取驱动和所述第二读取驱动，且所述像素信号读取部输出与根据所述第二读取驱动读出的所述第二信号与根据所述第一读取驱动读出的所述第一信号之间的差对应的信号。
12.一种照相机系统，所述照相机系统包括：
权利要求1-11中任一项所述的固体摄像元件；
光学系统，它用于将物体的图像成像在所述固体摄像元件上；以及
信号处理电路，它对来自所述固体摄像元件的输出图像信号进行处理。

固体摄像元件和照相机系统 \n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种以互补金属氧化物半导体(Complementary MetalOxide Semiconductor，CMOS)图像传感器为代表的固体摄像元件以及一种照相机系统。 背景技术\n[0002] 近几年来，作为替代电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)的固体摄像元件(图像传感器)，CMOS图像传感器备受关注。 \n[0003] 这是因为，CCD像素的制造需要专门的工艺，并且CCD的操作需要多个电源电压，此外，CCD还需要基于多个周边IC的组合才能进行操作。 \n[0004] 此外，还因为，CMOS图像传感器能够克服在使用CCD时所出现的系统变得异常复杂等各种问题。 \n[0005] CMOS图像传感器的制造能够使用与普通CMOS型集成电路相同的制造工艺。另外，CMOS图像传感器能通过单电源驱动。此外，各自通过使用CMOS工艺制造的模拟电路和逻辑电路能够以混合的方式被设置在同一芯片上。 \n[0006] 因此，CMOS图像传感器具有能够减少周边IC的数量等多个优点。 [0007] 在CCD输出电路中，使用具有浮动扩散(Floating Diffusion，FD)层的FD放大器的1信道(CH)输出是主流。 \n[0008] 另一方面，CMOS图像传感器在每个像素中具有FD放大器。在CMOS图像传感器的输出中，如下的列并行输出型CMOS图像传感器是主流：选择像素阵列中的一行，并将由此选择的一行中的数据在列方向上同时读出。 \n[0009] 这是因为，很难利用布置在像素内的FD放大器获得足够的驱动能力，因而需要降低数据率，因此，并行处理是有利的。 \n[0010] 下面对普通CMOS图像传感器进行说明。 \n[0011] 在CMOS图像传感器中，首先，读出复位电压(预充电相位：下文中称作P相位)，然后，读出通过将复位电压与信号电压相加得到的相加电压(数据相位：下文中称作D相位)，从而输出通过从相加电压中减去复位电压而得到的信号。 \n[0012] 在CMOS图像传感器中，通常进行相关双采样(Correlated DoubleSampling，CDS)处理(例如，参考专利文献1)。 \n[0013] 图1是示出了由四个晶体管构成的CMOS图像传感器的像素示例的图。 [0014] 像素1具有例如由光电二极管构成的光电转换元件11。此外，像素1还具有作为用于一个光电转换元件11的有源元件的四个晶体管：传输晶体管12、复位晶体管13、放大晶体管14和选择晶体管15。 \n[0015] 光电转换元件11将入射光光电转换为与入射光的光量对应的量的电荷(这种情况下指电子)。 \n[0016] 传输晶体管12连接在光电转换元件11与浮动扩散部FD(FloatingDiffusion)之间。驱动信号TG通过传输控制线LTX被供给至传输晶体管12的栅极(传输栅极)。这样，传输晶体管12将通过光电转换元件11中的光电转换得到的电子传输至浮动扩散部FD。 [0017] 复位晶体管13连接在电源线LVDD与浮动扩散部FD之间。复位信号RST通过复位控制线LRST被供给至复位晶体管13的栅极。这样，复位晶体管13将浮动扩散部FD处的电位复位为电源线LVDD的电位。 \n[0018] 放大晶体管14的栅极连接至浮动扩散部FD。放大晶体管14通过选择晶体管15连接到信号线16，从而与设置在像素部外的恒定电流源一起构成源极跟随器。 [0019] 此外，地址信号(选择信号)SEL通过选择控制线LSEL被供给至选择晶体管15的栅极，从而使选择晶体管15打开(ON)。 \n[0020] 当选择晶体管15打开时，放大晶体管14将浮动扩散部FD处的电位放大，从而将与由此放大的电位对应的电压输出至信号线16。从各个 像素输出的电压通过各条信号线\n16被输出至列电路(列处理电路)。 \n[0021] 像素的复位操作使得，对于在光电转换元件11中累积的电荷，使传输晶体管12打开，这样，能够将在光电转换元件11中累积的电荷传输到浮动扩散部FD并释放。 [0022] 这时，浮动扩散部FD使复位晶体管13打开，将电荷释放到电源侧，从而使得浮动扩散部FD能够预先接收在光电转换元件11中累积的电荷。或者，在某些情况下，在传输晶体管12保持打开状态期间，在使传输晶体管12打开的同时，浮动扩散部FD使复位晶体管\n13打开，从而直接将电荷释放至电源。 \n[0023] 另一方面，在读取操作中，首先，使复位晶体管13打开，从而对浮动扩散部FD进行复位。在该状态下，通过打开的选择晶体管15可将输出信号输出至输出信号线16。将该输出称作P相位输出。 \n[0024] 接着，使传输晶体管12打开，从而将在光电转换元件11中累积的电荷传输至浮动扩散部FD。通过电荷的传输得到的输出信号被输出至输出信号线16。将该输出称作D相位输出。 \n[0025] 这样，在像素电路外部得到D相位输出与P相位输出之间的差，并且浮动扩散部FD的复位噪声被消除，从而获得图像信号。 \n[0026] 图2是示出了图1所示的各个像素被布置成二维阵列的CMOS图像传感器(固体摄像元件)的普通结构示例的图。 \n[0027] 图2所示的CMOS图像传感器20由像素阵列部21、行选择电路(像素驱动电路或垂直驱动电路)22和列电路(列处理电路)23构成，在像素阵列部21中，图1所示的各个像素电路以二维阵列布置。 \n[0028] 像素驱动电路22控制各个行中的各个像素的传输晶体管12、复位晶体管13和选择晶体管15的打开/关闭(ON/OFF)。 \n[0029] 列电路23是这样的电路：接收在通过像素驱动电路22进行读取控制的像素行中的数据，并将该数据传输至后级的信号处理电路。 \n[0030] 图3示出了图1和图2所示的CMOS图像传感器中的像素数据的读取操作的时序图。 \n[0031] 在图1所示的各个像素被布置成m行n列的像素阵列部中，如图3所示，用VSLy(1≤x≤m，1≤y≤n)表示在选择第x行的像素期间(1H的期间)第y列的垂直信号线16的电位VSL的变化。 \n[0032] 用于第x行的选择信号SELx变为高电平，从而选择第x行。此外，当复位信号RSTx变为高电平时，第x行第y列的像素的浮动扩散部FD变为高电平，因此电位VSLy变成称作P相位的复位电平。 \n[0033] 之后，当驱动信号TGx变为高电平时，像素中的电荷运动至浮动扩散部FD，由此使浮动扩散部FD的电位降低，从而使信号线16的电位VSLy也降低。 \n[0034] 这时的信号线16的电位VSLy的电平成为D相位。 \n[0035] 类似于前面所述的情况，D相位与P相位之间的差被输出，从而获得VSL的制造偏差被消除的、具有较低噪声的传感器输出。 \n[0036] 现有技术文献\n[0037] 专利文献 \n[0038] 专利文献1：日本专利特许公开号2001-69404。 \n发明内容\n[0039] 然而，在上述CMOS图像传感器中，传感器的输出还包含除了必须要输出的像素信号之外的分量。 \n[0040] 如图3所示，在理想状态下，在复位信号RSTx变为高电平之后或者驱动信号TGx变为高电平之后，可以保持固定的电位。 \n[0041] 然而，实际上，如图4所示，由于由漏电流导致的浮动扩散部FD的电位下降等原因使得输出信号线16的电位VSL降低。 \n[0042] 这时的传感器的输出包括必须要输出的像素信号加上VSL的电位降。 [0043] 当电位降很大时，在来自传感器的输出图像中就会出现称作FD白点(TG·OFF白点)的白点、垂直条纹或阴影等。特别地，会造成低亮度下的图像质量的劣化。 [0044] 此外，最近几年里，为了寻求像素的小型化，已经开始使用在几个像素中共用FD部的共用像素。特别地，在共用像素的情况下，由于FD白点会变成跨越共用的像素数的缺陷，因而图像质量的劣化变得尤为突出。 \n[0045] 本发明旨在提供一种固体摄像元件和照相机系统，所述固体摄像元件能够使读取期间的信号线的电位降消除，并且能够降低噪声，从而获得高质量的图像。 [0046] 本发明第一方面的固体摄像元件包括：像素部，在所述像素部中，呈矩阵状布置有多个像素电路，各个所述像素电路具有用于将光信号转换为电信号并根据曝光时间对所述电信号进行累积的机构；像素驱动部，它能够被驱动，以便对所述像素部中的信号电荷进行累积、传输和输出；以及像素信号读取部，它用于从所述像素部中读取像素的信号。所述像素部的所述像素电路包括：输出节点；光电转换元件，它用于将光信号转换为电信号并对信号电荷进行累积；和传输元件，它根据驱动信号被打开/关闭，并在打开状态下将所述光电转换元件中的电荷传输至所述输出节点。所述像素驱动部能够进行如下的读取驱动：第一读取驱动，通过所述第一读取驱动，根据所述驱动信号使所述传输元件关闭，以便输出所述输出节点处的由对应信号线上的电位降引起的第一信号；和第二读取驱动，通过所述第二读取驱动，根据所述驱动信号使所述传输元件打开，以便将所述信号电荷传输至所述输出节点，输出所述输出节点处的由所述信号电荷和所述对应信号线上的电位降引起的第二信号。所述像素信号读取部具有这样的功能：将与根据所述第二读取驱动读出的所述第二信号与根据所述第一读取驱动读出的所述第一信号之间的差对应的信号输出。 [0047] 本发明第二方面的固体摄像元件包括：像素部，在所述像素部中，呈矩阵状布置有多个像素电路，各个所述像素电路具有用于将光信号转换为电信号并根据曝光时间对所述电信号进行累积的机构；像素驱动部，它能够被驱动，以便进行所述像素部的复位及信号电荷的累积和输出；以及像素信号读取部，它用于从所述像素部中读取像素的信号。所述像素部的所述像素电路包括：输出节点；光电转换元件，它用于将光信号转换为电信号并对信号电荷进行累积；复位元件，根据复位信号被打开/关闭，并在打开状态下将所述输出节点复位；和传输元件，它根据驱动 信号被打开/关闭，并在打开状态下将所述光电转换元件中的电荷传输至所述输出节点。所述像素驱动部能够进行如下的读取驱动：第一读取驱动，通过所述第一读取驱动进行复位读取驱动和非传输读取驱动，在所述复位读取驱动中，根据所述复位信号使所述复位元件打开，输出所述输出节点的信号，在所述非传输读取驱动中，根据所述驱动信号使所述传输元件关闭，输出所述输出节点处的由对应信号线上的电位降引起的第一信号；和第二读取驱动，通过所述第二读取驱动进行复位读取驱动和传输读取驱动，在所述复位读取驱动中，根据所述复位信号使所述复位元件打开，输出所述输出节点的信号，在所述传输读取驱动中，根据所述驱动信号使所述传输元件打开，以便将所述信号电荷传输至所述输出节点，输出所述输出节点处的由所述信号电荷和所述对应信号线上的电位降引起的第二信号。所述像素信号读取部具有这样的功能：将与根据所述第二读取驱动读出的所述第二信号与根据所述第一读取驱动读出的所述第一信号之间的差对应的信号输出。 \n[0048] 更为适合的，在读出像素的一行的数据期间，所述像素驱动部和所述像素信号读取部进行所述第一读取驱动和所述第二读取驱动，并且进行与根据所述第二读取驱动读出的所述第二信号与根据所述第一读取驱动读出的所述第一信号之间的差对应的信号的输出。 \n[0049] 更为适合的，所述像素信号读取部包括：多个比较器，它们被布置成与像素的列排列对应，并且各个所述比较器对读出的信号电位与参考电压进行比较判定，并输出判定结果；以及多个增/减计数器，各个所述增/减计数器的操作根据来自所述比较器的输出被控制，并且各个所述增/减计数器对对应的所述比较器的比较时间进行计数。 [0050] 更为适合的，在所述第一读取驱动时，所述多个增/减计数器进行减计数或增计数，并且在所述第二读取驱动时，所述多个增/减计数器进行增计数或减计数。 [0051] 更为适合的，在所述第一读取驱动时，所述多个增/减计数器进行所述复位读取驱动中的增计数或减计数，并进行所述非传输读取驱动中的减计数或增计数，并且在所述第二读取驱动时，所述多个增/减计数器进行所述复位读取驱动中的减计数或增计数，并进行所述传输读取驱动中的增计数或减计数。 \n[0052] 更为适合的，在所述第一读取驱动时，所述多个增/减计数器进行所述非传输读取驱动中的减计数或增计数，并且在所述第二读取驱动时，所述多个增/减计数器进行所述传输读取驱动中的增计数或减计数。 \n[0053] 更为适合的，第一模式和第二模式能够根据模式切换信号相互切换，在所述第一模式时，所述像素驱动部仅进行所述第二读取驱动，且所述像素信号读取部输出根据所述第二读取驱动读出的所述第二信号，并且在所述第二模式时，所述像素驱动部进行所述第一读取驱动和所述第二读取驱动，且所述像素信号读取部输出与根据所述第二读取驱动读出的所述第二信号与根据所述第一读取驱动读出的所述第一信号之间的差对应的信号。 [0054] 本发明第三方面的照相机系统包括：固体摄像元件；光学系统，它用于将物体的图像成像在所述固体摄像元件上；以及信号处理电路，它对来自所述固体摄像元件的输出图像信号进行处理。所述固体摄像元件包括：像素部，在所述像素部中，呈矩阵状布置有多个像素电路，各个所述像素电路具有用于将光信号转换为电信号并根据曝光时间对所述电信号进行累积的机构；像素驱动部，它能够被驱动，以便对所述像素部中的信号电荷进行累积、传输和输出；以及像素信号读取部，它用于从所述像素部中读取像素的信号。所述像素部的所述像素电路包括：输出节点；光电转换元件，它用于将光信号转换为电信号并对信号电荷进行累积；和传输元件，它根据驱动信号被打开/关闭，并在打开状态下将所述光电转换元件中的电荷传输至所述输出节点。所述像素驱动部能够进行如下的读取驱动：第一读取驱动，通过所述第一读取驱动，根据所述驱动信号使所述传输元件关闭，以便输出所述输出节点处的由对应信号线上的电位降引起的第一信号；和第二读取驱动，通过所述第二读取驱动，根据所述驱动信号使所述传输元件打开，以便将所述信号电荷传输至所述输出节点，输出所述输出节点处的由所述信号电荷和所述对应信号线上的电位降引起的第二信号。所述像素信号读取部具有这样的功能：将与根据所述第二读取驱动读出的所述第二信号与根据所述第一读取驱动读出的所述第一信号之间的差对应的信号输出。 [0055] 本发明第四方面的照相机系统包括：固体摄像元件；光学系统，它用于将物体的图像成像在所述固体摄像元件上；以及信号处理电路，它用于对来自所述固体摄像元件的输出图像信号进行处理。所述固体摄像 元件包括：像素部，在所述像素部中，呈矩阵状布置有多个像素电路，各个所述像素电路具有用于将光信号转换为电信号并根据曝光时间对所述电信号进行累积的机构；像素驱动部，它能够被驱动，以便进行所述像素部的复位及信号电荷的累积和输出；以及像素信号读取部，它用于从所述像素部中读取像素的信号。所述像素部的所述像素电路包括：输出节点；光电转换元件，它用于将光信号转换为电信号并对信号电荷进行累积；复位元件，它根据复位信号被打开/关闭，并在打开状态下将所述输出节点复位；和传输元件，它根据驱动信号被打开/关闭，并在打开状态下将所述光电转换元件中的电荷传输至所述输出节点。所述像素驱动部能够进行如下的读取驱动：第一读取驱动，通过所述第一读取驱动进行复位读取驱动和非传输读取驱动，在所述复位读取驱动中，根据所述复位信号使所述复位元件打开，输出所述输出节点的信号，在所述非传输读取驱动中，根据所述驱动信号使所述传输元件关闭，输出所述输出节点处的由对应信号线上的电位降引起的第一信号；和第二读取驱动，通过所述第二读取驱动进行复位读取驱动和传输读取驱动，在所述复位读取驱动中，根据所述复位信号使所述复位元件打开，输出所述输出节点的信号，在所述传输读取驱动中，根据所述驱动信号使所述传输元件打开，以便将所述信号电荷传输至所述输出节点，输出所述输出节点处的由所述信号电荷和所述对应信号线上的电位降引起的第二信号。所述像素信号读取部具有这样的功能：将与根据所述第二读取驱动读出的所述第二信号与根据所述第一读取驱动读出的所述第一信号之间的差对应的信号输出。 \n[0056] 根据本发明，在所述像素驱动部中进行所述第一读取驱动和所述第二读取驱动，在所述第一读取驱动中，根据所述驱动信号使所述复位元件关闭，以输出所述输出节点处的由对应信号线上的电位降引起的第一信号，在所述第二读取驱动中，根据所述驱动信号使所述传输元件打开，以将信号电荷传输至输出节点，从而使输出所述输出节点处的由所述信号电荷和所述对应信号线上的电位降引起的第二信号。 \n[0057] 基于所述第一读取驱动的读取信号和基于第二读取驱动的读取信号被提供给所述像素信号读取部。 \n[0058] 此外，在所述像素信号读取部中，可以得到根据第二读取驱动读出的所述第二信号与根据第一读取驱动读出的所述第一信号之间的差，并 输出与所述差对应的信号。 [0059] 根据本发明，能够消除在读取期间内的信号线的电位的下降，降低噪声，从而获得高质量的图像。 \n[0060] 附图说明\n[0061] 图1是示出了由四个晶体管构成的CMOS图像传感器中的像素示例的图。 [0062] 图2是示出了图1所示的各个像素被布置成二维阵列的CMOS图像传感器(固体摄像元件)的普通结构示例的图。 \n[0063] 图3是用于说明普通CMOS图像传感器中的P相位读取和D相位读取的时序图。 [0064] 图4是用于说明普通CMOS图像传感器中的P相位读取和D相位读取的问题的图。 [0065] 图5是示出了本发明实施例的CMOS图像传感器(固体摄像元件)的结构示例的图。 \n[0066] 图6是示出了本发明实施例的由四个晶体管构成的CMOS图像传感器的像素示例的图。 \n[0067] 图7是用于根据实施例说明P相位读取和D相位读取的时序图。 \n[0068] 图8是用于说明多个模式能够相互切换的固体摄像元件(CMOS图像传感器)的图。 \n[0069] 图9是示出了本发明实施例的装配有列并行ADC的固体摄像元件(CMOS图像传感器)的结构示例的框图。 \n[0070] 图10是示出了在1H的期间内，在图9所示的CMOS图像传感器中实现[TG·ON信号-TG·OFF信号]的输出的读取方法的时序图。 \n[0071] 图11是示出了在1H的期间内，在图9所示的CMOS图像传感器中实现[TG·ON信号-TG·OFF信号]的输出的另一种读取方法的时序图。 \n[0072] 图12是示出了使用本发明实施例的固体摄像元件的照相机系统的结构示例的图。 \n[0073] 具体实施方式\n[0074] 下面结合附图来说明本发明的实施例。 \n[0075] 第一实施例\n[0076] 图5是示出了本发明实施例的CMOS图像传感器(固体摄像元件)的结构示例的图。 \n[0077] 该CMOS图像传感器100具有像素阵列部101、作为像素驱动部的行选择电路(垂直驱动电路)102、列读取电路(列处理电路)103、用于k行的线存储器104、放大器电路105和传输线106。 \n[0078] 像素信号读取部由列读取电路103、线存储器104、放大器电路105和传输线106这些构成元件构成。 \n[0079] 在像素阵列部101中，多个像素电路被布置为呈m行n列的二维形状(矩阵状)。 [0080] 图6是示出了本发明实施例的由四个晶体管构成的CMOS图像传感器的像素示例的图。 \n[0081] 像素电路101A具有例如由光电二极管构成的光电转换元件111。 [0082] 对于一个光电转换元件111，像素电路101A具有作为有源元件的四个晶体管：作为传输元件的传输晶体管112、作为复位元件的复位晶体管113、放大晶体管114和选择晶体管115。 \n[0083] 光电转换元件111将入射光转换为与入射光的光量对应的量的电荷(在本实施例中指的是电子)。 \n[0084] 传输晶体管112连接在光电转换元件111与作为输出节点的浮动扩散部FD之间。 [0085] 驱动信号TG通过传输控制线LTX被供给至传输晶体管112的栅极(传输栅极)，从而将通过在光电转换元件111中进行的光电转换产生的电子传输至浮动扩散部FD。 [0086] 复位晶体管113连接在电源线LVDD与浮动扩散部FD之间。 \n[0087] 复位信号RST通过复位控制线LRST被供给至复位晶体管113的栅 极，从而使得复位晶体管113将浮动扩散部FD的电位复位为电源线LVDD的电位。 \n[0088] 放大晶体管114的栅极连接到浮动扩散部FD。放大晶体管114通过选择晶体管\n115连接到信号线LSGN，从而与设置在像素部外的恒定电流源一起构成源极跟随器。 [0089] 此外，控制信号(地址信号或选择信号)SEL通过选择控制线LSEL被供给至选择晶体管115的栅极，从而使选择晶体管115打开。 \n[0090] 当选择晶体管115打开时，放大晶体管114将浮动扩散部FD处的电位放大，从而将与所述电位对应的电压输出至信号线116。从各个像素输出的电压通过各条信号线116被输出至列电路103。 \n[0091] 例如，由于传输晶体管112的栅极、复位晶体管113的栅极和选择晶体管115的栅极被以行为单位连接，因而对于一行的像素，可以同时进行这些操作。 [0092] 被布线于像素阵列部101中的复位控制线LRST、传输控制线LTx和选择控制线LSEL以像素排列的各行为单位被作为一组进行布线。 \n[0093] 复位控制线LRST、传输控制线LTx和选择控制线LSEL通过作为像素驱动部的行选择电路102驱动。 \n[0094] 例如，行选择电路102具有多个移位寄存器，所述移位寄存器用于将复位信号RST和驱动信号TG输出至控制线，所述控制线与各条复位控制线LRST、传输控制线LTx和选择控制线LSEL连接。 \n[0095] 在与通过控制系统(未图示)产生的控制信号CTL对应的控制下，当进行所谓的P相位读取和D相位读取时，行选择电路102被控制为进行多次(在本实施例中为两次)P相位读取和D相位读取。 \n[0096] 行选择电路102对驱动信号TG进行输出控制，从而在对第一P相位读取和第一D相位读取进行驱动时，在将用于传输晶体管112的驱动信号TG保持在低电平的同时进行D相位采样。所述第一P相位读取对应于复位读取操作，并且第一D相位读取对应于非传输读取操作。 \n[0097] 行选择电路102对驱动信号TG进行输出控制，从而在对第二P相 位读取和第二D相位读取进行驱动时，在将用于传输晶体管112的驱动信号TG保持在高电平的同时进行D相位采样。所述第二P相位读取对应于复位读取操作，并且第二D相位读取对应于传输读取操作。 \n[0098] 将如下的处理称作TG·OFF信号处理：通过将驱动信号TG设定为低电平，在使传输晶体管112保持关闭的同时进行D相位采样。 \n[0099] 将如下的处理称作TG·ON信号处理：通过将驱动信号TG设定为高电平，在使传输晶体管112保持打开的同时进行D相位采样。 \n[0100] 列读取电路103接收通过像素驱动电路102读取和控制的像素行中的数据，并且通过传输线106和放大器电路105将所述像素行中的数据传输至后级的信号处理电路。 [0101] 线存储器104存储TG·OFF信号处理中的TG·OFF信号。 \n[0102] 本实施例的CMOS图像传感器100具有这样的功能：把[TG·ON信号-TG·OFF信号]的数据作为传感器的输出，从而消除从P相位到D相位期间内的信号线116的电位VSL的下降。 \n[0103] 在读取像素的一行的数据期间，本实施例的CMOS图像传感器100进行第一读取驱动和第二读取驱动，并输出与根据第二读取驱动读出的信号与根据第一读取驱动读出的信号之间的差对应的信号。 \n[0104] 下面结合图7的(A)和(B)对利用本实施例的CMOS图像传感器100把[TG·ON信号-TG·OFF信号]的数据作为传感器的输出的处理进行说明。 \n[0105] 图7的(A)和(B)是用于根据本实施例说明P相位读取和D相位读取的时序图。 [0106] 图7的(A)示出了TG·OFF信号处理的时序图，图7的(B)示出了TG·ON信号处理的时序图。 \n[0107] 在图6所示的各个像素被布置成m行n列的矩阵的像素阵列部101中，如图7的(A)和(B)所示，用VSLy(1≤x≤m，1≤y≤n)表示在选择第x行的像素期间(1H的期间)第y列的垂直信号线116的电位VSL的变化。 \n[0108] 在TG·OFF信号处理中，用于第x行的选择信号SELx变为高电平，从而选择第x行。当复位信号RSTx变为高电平时，第x行第y列的像素 的浮动扩散部FD变为高电平，因此VSLy变成称作P相位的复位电平。 \n[0109] 然后，在TG·OFF信号处理中，驱动信号TGx被保持在低电平上，并且传输晶体管\n112保持关闭。 \n[0110] 此时的传感器的输出是TG·OFF信号，这意味着，在从P相位到D相位的期间内的信号线116的电位VSL的下降被输出。 \n[0111] TG·OFF信号通过列读取电路103被存储在线存储器104中。 \n[0112] 在TG·OFF信号处理中，用于第x行的选择信号SELx变为高电平，从而选择第x行。当复位信号RSTx变为高电平时，第x行第y列的像素的浮动扩散部FD变为高电平，因此VSLy变成称作P相位的复位电平。 \n[0113] 然后，在TG·ON信号处理中，当驱动信号TGx被保持为高电平，并且传输晶体管112保持打开时，像素中的电荷移动到浮动扩散部FD。此外，浮动扩散部FD处的电位下降，从而使信号线16的电位VSLy也下降。 \n[0114] 这时，信号线116的电位VSLy的电平被作为D相位。 \n[0115] 然后，从TG·ON信号中减去存储于线存储器104中的TG·OFF信号(TG·ON信号-TG·OFF信号)，从而从放大器电路105中输出在从P相位到D相位期间内的信号线116的电位VSL的下降被消除了的信号。 \n[0116] 正如到目前为止所说明的，通常来说，在普通CMOS图像传感器中，在D相位读取中，驱动信号TG被设定为高电平，从而读出像素数据。 \n[0117] 另一方面，在本实施例中，在第一P相位读取和第一D相位读取中，在将驱动信号TG保持在低电平的同时进行D相位采样。 \n[0118] 在本实施例中，此时的传感器的输出称作TG·OFF信号，这意味着，在从P相位到D相位期间内的信号线116的电位VSL的下降被输出。 \n[0119] 接下来，在第二P相位读取和第二D相位读取中，驱动信号TG被设定为高电平，并且进行D相位采样。 \n[0120] 此外，在本实施例中，如图7的(A)所示，例如在每k行(1≤k≤m)上，TG·OFF信号被读出，并被存储在用于k行的线存储器104中。 \n[0121] 此后，图7的(B)中所示的TG·ON信号被读出，并且属于同一行的TG·ON信号与TG·OFF信号之间的差被输出。 \n[0122] 通常，在许多情况下k的值为1行或m行。 \n[0123] 当k＝1时，重复以下流程：第x行的TG·OFF信号→第x行的TG·ON信号→第(x+1)行的TG·OFF信号→第(x+1)行的TG·ON信号→...。 \n[0124] 当k＝m时，在用于一帧的TG·OFF信号被读出，然后被存储在帧存储器中之后，读出TG·ON信号。 \n[0125] 要注意的是，由于只要温度不变TG·OFF信号就具有比较小的电气变化，因而在用于一帧的TG·OFF信号被存储在帧存储器中之后，也能够获得用于几帧的TG·ON信号与用于与TG·ON信号的帧相同的帧的TG·OFF信号之间的差，这样就提高了帧率。 [0126] 正如到目前为止所说明的，根据本实施例，能够获得如下效果。 [0127] 在普通CMOS图像传感器中，可以得到[传感器输出(TG·ON信号)＝像素信号+VSL电位降]。 \n[0128] 另一方面，在本实施例的CMOS图像传感器100中，可以得到[传感器输出＝TG·ON信号-TG·OFF信号＝像素信号+VSL电位降-VSL电位降＝像素信号]。因此，能够获得信号线VSL的电位降被消除了的、具有较低噪声的传感器输出，所述电位降在现有CMOS图像传感器中是无法消除的。 \n[0129] 值得注意的是，因为在本实施例中，TG·ON信号和TG·OFF信号对各个行是必要的，所以与仅输出TG·ON普通CMOS图像传感器相比，恐怕很难提高帧率。 [0130] 然而，在从P相位到D相位期间内的VSL的电位降(FD白点等)在像素数据输出很小的低亮度情况下对图片有很大的影响。 \n[0131] 一般地，在低亮度时，在很多情况下，通过帧率降低的较长时间的曝光来确保信号量。 \n[0132] 为此，如图8所示，传感器被设计为具有作为通常模式的第一模式MODE1和第二模式MODE2，在第一模式MODE1中，输出TG·ON信号， 在第二模式MODE2中，主要在以低亮度摄像时输出上述实施例中的[TG·ON信号-TG·OFF信号]。 \n[0133] 此外，如果根据模式切换信号MSW，将一种模式切换到与物体对应的另一种模式，则对于每个物体，都能够进行最适合的驱动。 \n[0134] 应该注意的是，尽管未对上述实施例中的CMOS图像传感器进行特别的限定，但例如，相关的CMOS图像传感器也可以被配置为配备有列并行型模拟数字转换器(在下文中简写为ADC(Analog digital converter))的CMOS图像传感器的形式。 \n[0135] 图9是本发明实施例的配备有列并行ADC的固体摄像元件(CMOS图像传感器)的结构示例的框图。 \n[0136] 如图9所示，该固体摄像元件200具有作为摄像部的像素部210、作为像素驱动部的行选择电路220、内部时钟(CLK)发生电路230、斜波(RAMP)波形发生电路240、并行布置有作为像素信号读取部的多个ADC(模拟数字转换器)的ADC组250、放大器电路(S/A)260以及传输线270。 \n[0137] 像素部210是按照如下方式进行配置的：像素211被布置成m行n列的矩阵(行列状)，各个像素211包括光电二极管和像素内放大器并且具有例如图6所示的结构。 [0138] 基本上，在各个ADC组250中，多个ADC被布置成多列，各个ADC包括比较器251和增/减计数器252，该比较器251使斜波波形(RAMP)与模拟信号电位VSL相比，在所述斜波波形(RAMP)中，通过斜波波形发生电路240产生的参考电压呈阶梯状变化，模拟信号电位VSL是通过对应的垂直信号线从每条行线上的像素获得的，增/减计数器252包括对比较时间进行计数的计数器和例如具有用于保持计数结果的N位存储器的锁存器。 [0139] ADC组250具有进行n位数字信号转换的功能，并且ADC组250中的各个ADC被布置在每条垂直信号线(列线)上，从而构成列并行的ADC块。 \n[0140] 锁存器的输出与例如具有2n位宽度的传输线270相连。 \n[0141] 另外，放大器电路260被布置成与传输线270对应。 \n[0142] 基本上，在ADC组250中，被读出到对应的垂直信号线的模拟像素信号Vsig(电位VSL)在被布置在每列上的比较器251中与作为参考电压的倾斜波形的斜波波形RAMP相比。 [0143] 这时，与比较器251的情况类似地被布置在每列上的增/减计数器252工作。因此，斜波波形RAMP的某一电位Vslope与计数器值一一对应地变化，从而可以将对应的垂直信号线的电位(模拟信号)VSL转换为数字信号。 \n[0144] 通过将电压的变化转换为时间的变化获得参考电压Vslope的变化。因此，在某一周期(时钟)内对该时间进行计数，从而将模拟信号转换为数字值。 \n[0145] 另外，当模拟电信号VSL的电平和参考电压Vslope的电平相交时，来自比较器251的输出被反转，使对增/减计数器252的输入时钟停止，或者将输入被停止的时钟输入到增/减计数器252中，从而完成AD转换。 \n[0146] 在上述AD转换期间结束之后，在锁存器中保持的数据被传输至传输线270，通过放大器电路260被输入到信号处理电路(未示出)中，从而通过预定信号处理生成二维图像。 \n[0147] 在上述方式中，实现[TG·ON信号-TG·OFF信号]的输出的电路结构被应用于在各个列中的使用增/减计数器的列ADC电路，因而能够实现不需要线存储器的[TG·ON信号-TG·OFF信号]的输出。 \n[0148] 上述结构是对[TG·ON信号-TG·OFF信号]的输出最有效的电路中的一种电路。 [0149] 如前所述，各列的信号电位VSL与斜坡波形RAMP相比，并且对直到来自对应的比较器251的输出反转时的时钟CLK的数进行计数，因而在各列中能够通过AD转换得到传感器的输出。 \n[0150] 另外，在P相位时进行减计数，并且在D相位时进行增计数，因而能够在各列中进行用于D相位-P相位的CDS。 \n[0151] 图10是示出了在1H的期间内，在图9所示的CMOS图像传感器中 实现[TG·ON信号-TG·OFF信号]的输出的读取方法的时序图。 \n[0152] 在这种情况下，在1H的期间内包含TG·ON读取期间和TG·OFF读取期间这两个期间。尽管这两个期间的先后顺序没有差别，但图10示出了TG·OFF读取期间在先的示例。 [0153] 对于TG·OFF读取期间，在复位信号RSTx被设定为高电平之后，通过增/减计数器252对P相位1的值进行增计数。 \n[0154] 之后，在使驱动信号TG保持在低电平的同时，通过增/减计数器252对D相位1的值进行减计数。 \n[0155] 对于TG·ON读取期间，在复位信号RSTx被设定为高电平之后，通过增/减计数器\n252对P相位2的值进行减计数。 \n[0156] 之后，将驱动信号TG设定为高电平，并且通过增/减计数器252对D相位2的值进行增计数。 \n[0157] TG·OFF读取期间与TG·ON读取期间之间的VSL的行为的区别在于，D相位时的驱动信号TG在TG·OFF读取期间内被保持在低电平(TG＝Low)上，而在TG·ON读取期间内被保持在高电平(TG＝High)上。 \n[0158] 最后，根据图10所示的读取方法，传感器输出变为：[传感器输出＝TG·ON信号-TG·OFF信号＝D相位2-P相位2-(D相位1-P相1位)＝D相位1-P相位1-P相位\n2+D相位2]。 \n[0159] 以此方式，通过使用增/减计数器的列ADC，能够实现[TG·ON信号-TG·OFF信号]的输出而不需要专门的线存储器。 \n[0160] 需要指出的是，因为P相位1和P相位2基本上应该具有相同的电位，因此如图11所示，TG·OFF输出被减计数(P相位)，而TG·ON输出被增计数(D相位)，因而能够简化斜坡波形RAMP和计数器的操作。 \n[0161] 这样，就有可能进一步降低能耗并提高速度。 \n[0162] 正如到目前为止所描述的，根据本实施例能够获得以下效果。 [0163] 能够获得具有较低噪声的图像，在该具有较低噪声的图像中，由在从P相位到D相位期间内的信号电位VSL的电位降所导致的TG·OFF白点、垂直条纹和阴影等噪声被消除了(TG·OFF被消除的输出，TG·OFF canceled output)。 \n[0164] 通过应用使用增/减计数器的列ADC电路，无需线存储器就可以获得具有较低噪声的TG·OFF被消除的输出的图像。 \n[0165] 通常，以高的帧率进行摄像，并且在TG·OFF白点等非常清晰可见的低亮度时，当前模式就会被切换到TG·OFF被消除的输出的模式，因而对于每个物体都能够获得最适合的图像。 \n[0166] 具有上述效果的固体摄像元件可被用作数码相机或摄像机的摄像装置。 [0167] 图12是示出了使用本发明实施例的固体摄像元件的照相机系统的结构示例的图。 \n[0168] 如图12所示，照相机系统300包括：能够使用实施例的CMOS图像传感器(固体摄像元件)100、200的摄像装置310；用于将入射光引导至摄像装置310的像素区域(用于使物体的图像成像)的光学系统，例如，用于使入射光(图像光)在摄像区域上成像的透镜\n320；用于驱动摄像装置310的驱动电路(DRV)330；以及用于对来自摄像装置310的输出信号进行处理的信号处理电路(PRC)340。 \n[0169] 驱动电路330具有用于生成包含驱动摄像装置310中的电路的起始脉冲和时钟脉冲的各种时序信号的时序发生器(未示出)，并且根据预定时序信号驱动摄像装置310。 [0170] 另外，信号处理电路340对来自摄像装置310的输出信号进行预定信号处理。 [0171] 通过信号处理电路340中的处理得到的图像信号被记录在诸如存储器等记录介质中。可通过打印机等对记录在记录介质上的图像信息进行硬拷贝。另外，通过信号处理电路340中的处理得到的图像信号被作为动态图像显示在由液晶显示器等构成的监视器上。 [0172] 如前所述，前面提到的摄像元件100、200作为摄像装置310被安装在诸如数码相机等摄像设备中，因而能够实现低能耗的高精度照相机。