图像感测设备和成像系统的制作方法

专利名称：图像感测设备和成像系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及图像感测设备和成像系统。
背景技术：
根据日本专利特开No. 2001-45378中所公开的技术，在包括行方向和列方向上布 置的多个像素的像素阵列中，经由在行方向上延伸的多个行控制线将驱动信号供给到像 素，并且经由在列方向上延伸的多个列信号线从像素读出信号。聚积单元连接到列信号线 的每一端。当正从两个聚积单元中的一个读出信号时，从像素输出的信号聚积在另一聚积 单元中。这缩短了空白时段(没有传感器输出的时段)和用于将信号从像素阵列读出到聚 积单元的整个读出时段。在日本专利特开No. 11-150255的技术中，两个聚积单元以及两个放大器交替连 接到多个列信号线中的每一个。在所述两个聚积单元中的一个中所聚积的信号被所述两个 放大器中的一个放大并输出，然后被聚积在另一聚积单元中。在另一聚积单元中聚积的信 号被另一放大器放大，然后被读出到后续级的输出线。在日本专利特开No. 2001-45378的技术中，来自像素阵列的第一行的像素的信号 被聚积在一个聚积单元中，而来自第二行的像素的信号被聚积在另一聚积单元中。从每一 聚积单元传输到后续级的输出线的信号乘以基于由每一聚积单元的电容值和输出线的电 容值所确定的电容分割比率的增益。例如，当聚积单元具有电容值Cl，并且输出线具有电容 值C2时，增益由C1/(C1+C2)给出。输出线的电容值包含其寄生电容以及由在输出线上所 提供的电容元件所生成的电容值。在使用这种电容分割的日本专利特开No. 2001-45378的 读出技术中，当一个聚积单元以及另一聚积单元中每一个的电容的绝对值小时，基于后续 级的输出线与每一聚积单元的电容之间的电容分割比率的增益变小，并且信噪比降低。反 过来，当一个聚积单元以及另一聚积单元中的每一个的电容的绝对值大时，基于后续级的 输出线与每一聚积单元的电容之间的电容分割比率的增益变大，并且信噪比升高。然而，这 增加了一个聚积单元和另一聚积单元中的每一个的电极面积，导致了芯片面积增加。根据日本专利特开No. 11-150255的技术，在另一聚积单元中所聚积的信号由另一 放大器来放大，并且被读出到后续级，如上所述。因此，有可能将该信号读出到后续级的输出 线，而不考虑基于电容分割比率的增益。然而，由于对于一个信号，两个放大器连接到多个列 信号线中的每一个，因此图像感测设备的芯片面积可能增加。此外，由于两个放大器为了读出 一个信号而操作，因此在图像感测设备中在整个读出时段中的整体功耗可能增加。

发明内容
本发明提供图像感测设备和成像系统，其甚至在以高速度读出像素信号时，也可以减小芯片面积，并且抑制功耗增加。根据本发明第一方面，提供一种图像感测设备，包括像素，其包括光电转换单元； 列信号线，其连接到所述像素；读出电路，其经由所述列信号线从所述像素读出信号；输出 线，其连接到所述读出电路，并且具有电容；以及输出单元，其经由所述输出线，根据来自所 述读出电路的信号而输出图像信号，其中，所述读出电路包括第一聚积单元，其保持读出 到所述列信号线的信号；第一断开/闭合单元，其断开/闭合所述列信号线与所述第一聚积 单元之间的连接；第二聚积单元；传送单元，其将由所述第一聚积单元所保持的信号传送 到所述第二聚积单元；以及第二断开/闭合单元，其断开/闭合所述传送单元与所述第二聚 积单元之间的连接，所述第一聚积单元的电容小于所述第二聚积单元的电容，由所述第二 聚积单元所保持的信号被基于所述第二聚积单元的电容以及所述输出线的电容而读出到 所述输出单元。根据本发明第二方面，提供一种图像感测设备，包括第一像素；第二像素；列信 号线，其连接到所述第一像素和所述第二像素；读出电路，其经由所述列信号线从所述第一 像素和所述第二像素读出信号；驱动单元，其驱动所述第一像素、所述第二像素以及所述读 出电路；输出线，其连接到所述读出电路，并且具有电容；以及输出单元，其经由所述输出 线，根据来自所述读出电路的信号而输出图像信号，其中，所述读出电路包括第一聚积单 元，其保持读出到所述列信号线的信号；第一断开/闭合单元，其断开/闭合所述列信号线 与所述第一聚积单元之间的连接；第二聚积单元；传送单元，其将由所述第一聚积单元所 保持的信号传送到所述第二聚积单元，并且其输入端子和输出端子连接到所述第一聚积单 元，其输出端子连接到所述第二聚积单元；以及第二断开/闭合单元，其断开/闭合所述第 一聚积单元以及所述传送单元与所述第二聚积单元之间的连接，所述第一聚积单元的电容 小于所述第二聚积单元的电容，由所述第二聚积单元所保持的信号被基于所述第二聚积单 元的电容以及所述输出线的电容而读出到所述输出单元，并且所述驱动单元驱动所述第一 像素、所述第二像素以及所述读出电路，以在第一时段期间，从所述第一聚积单元读出所述 第一像素的信号，并且经由所述传送单元将所述信号传送到所述第二聚积单元，而在所述 第一时段之后的第二时段期间，使所述第一聚积单元对输出到所述列信号线的所述第二像 素的信号进行聚积，并且从所述第二聚积单元读出所述第一像素的信号，并且将所述信号 传送到所述输出单元。根据本发明第三方面和第四方面，提供一种成像系统，其包括根据本发明的相应 第一方面和第二方面的图像感测设备；光学系统，其在所述图像感测设备的像面上形成图 像；信号处理单元，其处理从所述图像感测设备所输出的信号，以生成图像数据。根据本发明，甚至在以高速度读出像素信号中，也有可能减小芯片面积并且抑制 功耗增加。根据以下结合附图对示例性实施例的描述，本发明的进一步的特征将变得显而易 见。


图1是示出根据本发明第一实施例的图像感测设备的布置的视图；图2是示出读出电路中的一列的电路布置的电路6
图3是示出读出电路的操作的时序图；图4是示出传送单元的电路布置的电路图；图5是示出使用根据第一实施例的图像感测设备的成像系统的布置的框图；图6是示出根据本发明第二实施例的图像感测设备300的布置的视图；图7是示出读出电路中的一列的电路布置的电路图；图8是示出根据本发明第三实施例的图像感测设备600的布置的视图；图9是示出读出电路中的一列的电路布置的电路图；图10是示出读出电路的操作的时序图；图11是用于解释复位电位的视图；图12是示出读出电路中的一列的电路布置的电路图(变型例)；图13是示出根据本发明第四实施例的图像感测设备800的布置的视图；图14是示出读出电路中的一列的电路布置的电路图；图15是示出读出电路的操作的时序图；图16是示出输出单元的布置的电路图；图17是示出根据本发明第五实施例的图像感测设备900的布置的视图；图18是示出读出电路中的一列的电路布置的电路图；图19是示出读出电路的操作的时序图；图20是示出读出电路的操作的时序图；图21是示出根据本发明第六实施例的图像感测设备1000的布置的视图；图22是示出读出电路中的一列的电路布置的电路图；图23是示出读出电路的操作的时序图；图24是示出读出电路的操作的时序图。
具体实施例方式本发明具体地针对在视频摄像机、数字静态摄像机、用于图像扫描仪的图像输入 设备等等中广泛使用的图像感测设备。将参照图1描述根据本发明第一实施例的图像感测设备100。图1是示出根据本 发明第一实施例的图像感测设备100的布置的视图。图像感测设备100包括像素阵列PA、垂直扫描电路(VSR，驱动单元)101、读出电 路110、水平扫描电路(HSR，驱动单元)102、行控制线CLl至CL4以及列信号线RLl至RL4。 图像感测设备100还具有第一水平输出线121、第二水平输出线122以及输出单元120。像素阵列PA包括多个像素All至B24，其按二维方式(以矩阵形式)排列。为了 方便描述，将在此以4 X 4像素的阵列为例。像素All至B24中的每一个包括光电转换单元PD。光电转换单元PD是例如光电
二极管。垂直扫描电路(VSR) 101经由行控制线CLl至CL4将驱动信号供给到像素All至 B24。例如，垂直扫描电路(VSR) 101使得像素阵列PA中的每一行的像素将信号输出到列信 号线RLl至RL4中的对应一个。读出电路110经由列信号线RLl至RL4从像素Al 1至B24读出信号。读出电路110包括第一断开/闭合单元组103、第一聚积单元组104、传送单元组105、第二断开/闭 合单元组106、第二聚积单元组107以及第三断开/闭合单元组108。第一断开/闭合单元组103包括为各个列提供的多个第一断开/闭合单元。第一聚积单元组104包括为各个列提供的多个第一聚积单元。第一聚积单元保持 输出到列信号线RLl至RL4的信号。传送单元组105包括为各个列提供的多个传送单元。传送单元将由第一聚积单元 所保持的信号传送到第二聚积单元。传送单元将与由第一聚积单元所保持的电荷对应的信 号供给到第二聚积单元。第二断开/闭合单元组106包括为各个列提供的多个第二断开/闭合单元。第二 聚积单元组107包括为各个列提供的多个第二聚积单元。第三断开/闭合单元组108包括为各个列提供的多个第三断开/闭合单元。第三 断开/闭合单元断开/闭合第二聚积单元与第一水平输出线121或第二水平输出线122之 间的连接。例如，第三断开/闭合单元将第二聚积单元和第一水平输出线121或第二水平 输出线122设置为闭合状态，由此将第二聚积单元电连接到第一水平输出线121或第二水 平输出线122。水平扫描电路(HSR) 102依次使得将要供给到读出电路中的每一列的布置的水平 扫描信号(HSR)有效，由此依次闭合每一列的第三断开/闭合单元。通过该操作，水平扫描 电路(HSR) 102使得第三断开/闭合单元组108从读出电路110的每一列(的第二聚积单 元)读出信号，并且经由第一水平输出线121和第二水平输出线122将所述信号输出到输 出单元120。第一水平输出线121和第二水平输出线122中的每一个将读出电路110 (的第二 聚积单元)连接到输出单元120。输出单元120根据从读出电路110经由第一水平输出线121和第二水平输出线 122所输出的信号，输出图像信号。也就是说，输出单元120基于由第二聚积单元所保持的 信号而输出图像信号。通过第二聚积单元的电容与第一水平输出线121或第二水平输出线 122的电容之间的电容分割，将由第二聚积单元所保持的信号读出到输出单元120。接下来将参照图2描述读出电路110的布置。图2是示出读出电路110中的一列 的电路布置的电路图。将主要描述连接到列信号线RLl的电路。该情况也应用于连接到其 余列信号线RL2至RL4的电路。例如，第一像素All和第二像素Bll (图1)连接到列信号线RLl的上游侧。第一 断开/闭合单元210、第一聚积单元203、传送单元204、第二断开/闭合单元205、第二聚积 单元206以及第三断开/闭合单元220依次连接到列信号线RLl的下游侧。第一水平输出 线121和第二水平输出线122 (图1)连接到第三断开/闭合单元220的后续级。第一断开/闭合单元210包括光学信号开关201和噪声信号开关202。第一聚积 单元203包括光学信号聚积单元(即，用于光学信号的第一聚积单元)Ctsl和噪声信号聚 积单元(即，用于噪声信号的第一聚积单元)Ctnl。传送单元204包括光学信号缓冲放大器 AMS和噪声信号缓冲放大器AMN，它们是阻抗变换器。第二断开/闭合单元205包括光学信 号开关231和噪声信号开关232。第二聚积单元206包括光学信号聚积单元(即，用于光 学信号的第二聚积单元)Cts2和噪声信号聚积单元(即，用于噪声信号的第二聚积单元)Ctn2。第三断开/闭合单元220包括光学信号开关207和噪声信号开关208。在图2所示的一列的电路布置中，每一开关201等等可以要么包括NMOS晶体管， 要么包括PMOS晶体管。接下来将描述读出电路110的操作。图3是示出读出电路110的操作的时序图。 图3中所描述的所有信号都是在高电平有效的。应注意，可以通过反转所有信号逻辑电平 来提供信号在低电平有效的情况。在图3中，将信号ΦΤ51、Φ ^1和c^TSN2从垂直扫描电 路(VSR) 101供给到读出电路110。将信号HSR从水平扫描电路(HSR) 102供给到读出电路 110。在BLKa时段(S卩，第二时段)期间，在使得Φ TW有效的同时，接通开关202，从 而噪声信号聚积单元Ctnl聚积从第一像素All输出到列信号线RLl的噪声信号。在使得 ΦΤΞΙ有效的同时，接通开关201，从而光学信号聚积单元Ctsl聚积从第一像素All输出到 列信号线RLl的光学信号。也就是说，第一聚积单元203聚积从第一像素All输出到列信 号线RLl的信号。在BLKc时段(S卩，第一时段)期间，在使得ΦΤ5Ν2有效的同时，接通开关231和 232。光学信号缓冲放大器AMS从光学信号聚积单元Ctsl读出第一像素All的光学信号，并 将其传送到光学信号聚积单元Cts2。噪声信号缓冲放大器AMN从噪声信号聚积单元Ctnl 读出第一像素All的噪声信号，并将其传送到噪声信号聚积单元Ctn2。也就是说，传送单元 204从第一聚积单元203读出第一像素All的信号，并将其传送到第二聚积单元206。在时段BLKc (即，第一时段)之后的BLKb时段(S卩，第二时段)期间，在使得ΦΤΝ1 有效的同时，接通开关202，从而噪声信号聚积单元Ctnl聚积从第二像素Bll输出到列信号 线RLl的噪声信号。在使得ΦΤΞ1有效的同时，接通开关201，从而光学信号聚积单元Ctsl 聚积从第二像素Bll输出到列信号线RLl的光学信号。也就是说，第一聚积单元203聚积 从第二像素Bll输出到列信号线RLl的信号。在时段BLKb (S卩，第二时段)期间，在使得用于水平扫描信号HSR中的列信号线 RLl的信号HSRl有效的同时，接通开关207和208，以从第二聚积单元206读出第一像素All 的信号。更具体地说，通过光学信号聚积单元Cts2的电容与第一水平输出线121的电容之 间的电容分割，将第一像素All的光学信号从光学信号聚积单元Cts2读出到第一水平输出 线121。因此，经由第一水平输出线121将第一像素All的光学信号传送到输出单元120。 通过噪声信号聚积单元Ctn2的电容与第二水平输出线122的电容之间的电容分割，将第一 像素All的噪声信号从噪声信号聚积单元Ctn2读出到第二水平输出线122。因此，经由第 二水平输出线122将第一像素All的噪声信号传送到输出单元120。输出单元120计算经 由第一水平输出线121所传送的光学信号与经由第二水平输出线122所传送的噪声信号之 间的差值，并且将它们之间的差动信号作为图像信号输出到后续级。重复以上所描述的操作。应注意，虽然除了水平扫描信号HSR之外关于列信号线RLl描述了读出电路110 的操作，但关于其余列信号线RL2至RL4的读出电路110的操作与图3相同。在水平扫描 信号HSR中，在用于列信号线RLl的信号HSRl的有效时段之后，依次使得用于其余列信号 线RL2至RL4 (图1)的信号HSR2至HSR4有效。将由第一聚积单元203所保持的信号传送到第二聚积单元206的时段BLKc短于将第一像素All的信号读出到第一聚积单元203的时段BLKa。将由第一聚积单元203所保 持的信号传送到第二聚积单元206的时段BLKc短于将第二像素Bll的信号读出到第一聚 积单元203的时段BLKb。这是因为读出电路110的面积小于像素阵列PA的面积(例如，具 有几毫米至几十毫米长的边的面积)。也就是说，将信号传送过读出电路110的面积所需的 时间短于将信号传送过像素阵列PA的面积所需的时间。第一聚积单元203的电容(电极面积)可以小于第二聚积单元206的电容。原因 如下。在日本专利特开No. 2001-45378中所公开的技术中，连接到多个列信号线中的每 一个的两个聚积单元中的一个必须具有与另一聚积单元相同的电容(电极面积)，从而使 得用于读出的增益均衡，如上所述。当将信号从所述两个聚积单元中的每一个读出到水 平输出线时，根据聚积单元的电容与水平输出线的电容之间的电容分割比率来确定读出增 益。为了防止读出增益太低，所述两个聚积单元两者都必须具有大电容(电极面积)。结 果，芯片面积增加，芯片生产率必然降低。然而，在该实施例中，在第一聚积单元203与第二聚积单元206之间提供传送单元 204，其包括光学信号缓冲放大器AMS和噪声信号缓冲放大器AMN。传送单元204将与由第 一聚积单元203所保持的电荷对应的信号供给到第二聚积单元206，而不是将由第一聚积 单元203所保持的电荷自身直接供给到第二聚积单元206。在通过电容分割将信号读出到 输出单元120中，这防止第一聚积单元203的电容影响第二聚积单元206的电容与第一水 平输出线121或第二水平输出线122的电容之间的电容分割。这是因为甚至当第一聚积 单元203具有比第二聚积单元206更小的电容时，将信号从第一聚积单元203读出到第二 聚积单元206的执行操作也不使用电容分割。因此，有可能在改进增益和信噪比的同时以 高速度读出高质量图像数据，而不增加芯片面积，并且不降低芯片生产率。也就是说，根据 该实施例，甚至在以高速度读出像素信号中，也有可能减少图像质量劣化，并且减小芯片面 积。在日本专利特开No. 11-150255的技术中，两个聚积单元以及两个放大器按照与 一个信号对应的方式交替连接到多个列信号线中的每一个。在所述两个聚积单元中的一个 中所聚积的信号由所述两个放大器中的一个放大，然后在另一聚积单元中被聚积。在另一 聚积单元中所聚积的信号由另一放大器来放大，并且被读出到后续级的输出线，如上所述。 在此情况下，从所述两个聚积单元读出信号的执行操作不使用电容分割。因此，有可能独立 于两个聚积单元的电容来读出信号，而不减少增益。然而，由于两个放大器连接到多个列信 号线中的每一个，因此图像感测设备的芯片面积可能增加。此外，由于两个放大器为读出一 个信号而操作，因此在图像感测设备中在整个读出时段中的整体功耗可能增加。然而，在该实施例中，对于一个信号，仅一个放大器连接到多个列信号线中的每一 个。因此，可以减少图像感测设备的芯片面积。此外，仅一个放大器为读出一个信号(即， 光学信号或噪声信号)而操作。因此，与日本专利特开No. 11-150255的技术相比，可以抑 制图像感测设备中的功耗。也就是说，有可能甚至在以高速度读出像素信号中也减小芯片 面积并且抑制功耗增加。传送单元204的缓冲放大器AMS和AMN可以被设计为施加增益。或者，可以将增 益为1的缓冲器简单地仅仅用于避免因第一聚积单元203与第二聚积单元206之间的电容
10分割比率而导致的增益的任何减少。图4示出充当增益为1的电压跟随器的缓冲放大器的 示例。图5示出使用本发明的图像感测设备100的成像系统的示例。成像系统90主要包括光学系统、图像感测设备100以及信号处理单元，如图5所 示。光学系统主要包括快门91、透镜92以及光阑93。信号处理单元主要包括感测信号处 理电路95、A/D转换器96、图像信号处理单元97、存储器单元87、外部I/F单元89、时序生 成单元98、全局控制/算术单元99、记录介质88以及记录介质控制I/F单元94。信号处理 单元无需总是包括记录介质88。快门91在光学路径上位于透镜92的前面，以控制曝光。透镜92对入射光进行折射，并且在图像感测设备100的像面(像素阵列PA)上形 成对象图像。光阑93被提供在透镜92与图像感测设备100之间的光学路径上，以调整穿过透 镜92并且被引导至图像感测设备100的光的量。图像感测设备100将形成在像面(像素阵列PA)上的对象图像转换为图像信号。 图像感测设备100从像素阵列PA读出图像信号，并且输出该图像信号。感测信号处理电路95连接到图像感测设备100，以处理从图像感测设备100所输 出的图像信号。A/D转换器96连接到感测信号处理电路95，以将从感测信号处理电路95所输出 的处理过的图像信号(模拟信号)转换为图像信号(数字信号)。图像信号处理单元97连接到A/D转换器96，以执行算术处理(例如，用于从A/D 转换器96所输出的图像信号(数字信号)的各种校正)，由此生成图像数据。图像数据被 供给到存储器单元87、外部I/F单元89、全局控制/算术单元99以及记录介质控制I/F单 元94。存储器单元87连接到图像信号处理单元97，以存储从图像信号处理单元97所输 出的图像数据。外部I/F单元89连接到图像信号处理单元97，从而从图像信号处理单元97所输 出的图像数据经由外部I/F单元89而被传输到外部设备(例如个人计算机)。时序生成单元98连接到图像感测设备100、感测信号处理电路95、A/D转换器96 以及图像信号处理单元97，以将时序信号供给到它们。图像感测设备100、感测信号处理电 路95、A/D转换器96以及图像信号处理单元97同步于所述时序信号而操作。全局控制/算术单元99连接到时序生成单元98、图像信号处理单元97以及记录 介质控制I/F单元94，以全面控制它们。记录介质88以可拆卸的方式连接到记录介质控制I/F单元94。从图像信号处理 单元97输出的图像数据经由记录介质控制I/F单元94而被记录在记录介质88上。通过上述布置，当图像感测设备100可以获得良好图像信号时，可以获得良好图 像(图像数据)。接下来将参照图6和图7描述根据本发明第二实施例的图像感测设备300。图6 是示出根据本发明第二实施例的图像感测设备300的布置的视图。图7是示出读出电路中 的一列的电路布置的电路图。以下将主要描述不同于第一实施例的部分，将省略对于相同部分的描述。除了读出电路310之外，图像感测设备300具有与第一实施例相同的基本布置。读 出电路310与第一实施例的不同之处在于，其包括传送单元组305。如图7所示，被包括在传送单元组305中的每一列的传送单元504包括光学信号 源极跟随器SFs以及噪声信号源极跟随器SFn。光学信号源极跟随器SFs包括NMOS晶体管 MS和恒定电流源Is。噪声信号源极跟随器SFn包括NMOS晶体管丽和恒定电流源In。MOS晶体管MS经由栅极接收由第一聚积单元203的光学信号聚积单元Ctsl所保 持的信号，并且经由源极将与输入到栅极的信号对应的信号输出到第二聚积单元206的光 学信号聚积单元Cts2。MOS晶体管MN经由栅极接收由第一聚积单元203的噪声信号聚积单元Ctnl所保 持的信号，并且经由源极将与输入到栅极的信号对应的信号输出到第二聚积单元206的噪 声信号聚积单元Ctn2。包括光学信号源极跟随器SFs和噪声信号源极跟随器SFn的传送单元504可以通 过简单的布置来升高输入阻抗并且降低输出阻抗。传送单元504将与由第一聚积单元203 所保持的电荷对应的信号供给到第二聚积单元206，而不是将由第一聚积单元203所保持 的电荷自身直接供给到第二聚积单元206，如在第一实施例中那样。传送单元504的光学信号源极跟随器SFs和噪声信号源极跟随器SFn中的每一个 可以包括PMOS晶体管来替代NMOS晶体管(M0S晶体管MS或MN)。接下来将参照图8至图11描述根据本发明第三实施例的图像感测设备600。图8 是示出根据本发明第三实施例的图像感测设备600的布置的视图。图9是示出读出电路中 的一列的电路布置的电路图。图10是示出读出电路的操作的时序图。图11是用于解释复 位电位的视图。以下将主要描述不同于第一实施例和第二实施例的部分，将省略对于相同 部分的描述。除了读出电路610之外，图像感测设备600具有与第一实施例和第二实施例相同 的基本布置。读出电路610与第一实施例和第二实施例的不同之外在于，其在第二聚积单 元组107与第三断开/闭合单元组108之间包括第一复位单元组609。在第二聚积单元206与第三断开/闭合单元220之间提供被包括在第一复位单元 组609中的每一列的第一复位单元709，如图9所示。第一复位单元709包括光学信号复 位晶体管MRS和噪声信号复位晶体管MRN。光学信号复位晶体管MRS对光学信号聚积单元 Cts2的电位V2进行复位。噪声信号复位晶体管MRN对噪声信号聚积单元Ctn2的电位V2 进行复位。也就是说，第一复位单元709对第二聚积单元206的电位V2进行复位。如果第一复位单元709可以对第二聚积单元206的电位V2进行复位，则可以将它 提供在除了第二聚积单元206与第三断开/闭合单元220之间的位置之外的任何地方。读出电路的操作与第一实施例和第二实施例的不同之外在于以下几点，如图10 所示。在时段BLKc (即，第一时段)期间，在使得6CTR有效的同时，接通第一复位单元 709的光学信号复位晶体管MRS和噪声信号复位晶体管MRN。此时，第二断开/闭合单元 205处于“切断”。因此，第一复位单元709对从传送单元504断开电连接的第二聚积单元 206的电位V2进行复位。更具体地说，设Vl是第一聚积单元203的电位，Vthn是NMOS晶体管MS和丽的阈值电压，以及V2是第二聚积单元206的电位。此时，第一复位单元709 对第二聚积单元206的电位V2进行复位，以满足下式V2 ≤ Vl-Vthn... (1)在使得cjiTSN2有效的同时，接通开关231和232，以将光学信号源极跟随器SFs 的NMOS晶体管MS以及噪声信号源极跟随器SFn的NMOS晶体管MN电连接到第二聚积单元 206。此时，NMOS晶体管MS将光学信号聚积单元Cts2的电位V2从由第一复位单元709所 复位的电位(式(1))升高到与由光学信号聚积单元Ctsl所保持的信号对应的电位。NMOS 晶体管丽将噪声信号聚积单元Ctn2的电位V2从由第一复位单元709所复位的电位(式 (1))升高到与由噪声信号聚积单元Ctnl所保持的信号对应的电位。也就是说，当电连接到 第二聚积单元206时，NMOS晶体管MS和丽将第二聚积单元206的电位V2从由第一复位 单元709所复位的电位升高到与由第一聚积单元203所保持的信号对应的电位。将参照图11解释第一复位单元709应该将第二聚积单元206的电位V2复位到由 式(1)所表示的电位的原因。考虑通过经由开关SW将包括NMOS晶体管匪和恒定电流源 Ic的源极跟随器SF连接到电容负载CL所形成的电路。设Vg是栅极电位，Vd是漏极电位， Vs是源极电位，Vth是阈值电压，并且Id是NMOS晶体管NM的漏极电流。设Ib是从恒定电 流源Ic所供给的预定电流值Ib，VCL是电容负载CL的电位。在使得用于接通开关SW的信号C^TSN2有效的时序Ton之前，操作根据电容负载 CL的电位VCL的初始值而改变。电容负载CL的电位VCL与第二聚积单元206的电位V2对 应。电位Vg与第一聚积单元203的电位Vl对应。由恒定电流源Ic的电流值Ib与NMOS 晶体管NM的漏极电流Id之间的差值来确定电容负载CL的电位VCL。如果在用于接通开关 SW的时序Ton之前，VCL ≤ Vg-Vth. . . (2)则在时序Ton，接通源极跟随器SF的NMOS晶体管匪，从而漏极电流Id在NMOS晶 体管的漏极和源极之间流动。如果图11所示的电路操作在五极管(pentode)中，则Id (Vg-Vth)2. . . (3)因此，NMOS晶体管匪对电容负载CL瞬时充电，并且升高电位VCL。NMOS晶体管 匪将源极电位Vs ( = VCL)改变为几乎是(Vg-Vth)。在从时序Ton逝去时间Δ Tl之后，电 流Id = Ib流动，并且获得稳定状态。另一方面，如果在用于接通开关SW的时序Ton之前，VCL > Vg-Vth. . . (4)则开关SW在时序Ton处于“切断”。因此，漏极电流Id不在漏极与源极之间流动。 恒定电流源Ic根据电流值Ib从电容负载CL去除电荷，并且以每单位时间预定比率来降低 电容负载CL的电位VCL。恒定电流源Ic将NMOS晶体管匪的源极电位Vs ( = VCL)改变为 几乎是(Vg-Vth)。在从时序Ton逝去时间Δ T2之后，电流Id = Ib流动，并且获得稳定状 态。在此情况下，可以通过增加恒定电流源Ic的电流值Ib来缩短用于降低电容负载CL的 电位VCL的时间。然而，由于电流值Ib总是流动，并且电流消耗增加，因此图像感测设备的 质量是差的。为了抑制电流消耗，恒定电流源Ic的电流值Ib必须是小的。这产生了以下 趋势ΔΤ1 < ΔΤ2... (5)
如图11所示。因此，在该实施例中，在第二聚积单元206从传送单元504断开电连接的同时，第 一复位单元709将第二聚积单元206的电位V2复位为由式(1)所表示的电位。这缩短了 时段BLKc，并且减少了图像感测设备600的电流消耗。如图12所示，传送单元704a可以包括光学信号源极跟随器SFsa和噪声信号源极 跟随器SFna。光学信号源极跟随器SFsa包括PMOS晶体管MSa和恒定电流源Isa。噪声信 号源极跟随器SFna包括PMOS晶体管MNa和恒定电流源Ina。第一复位单元709a对从传送 单元704a断开电连接的第二聚积单元206的电位V2进行复位。更具体地说，设Vl是第一 聚积单元203的电位，Vthp是PMOS晶体管的阈值电压，并且V2是第二聚积单元206的电 位。此时，第一复位单元709a对第二聚积单元206的电位V2进行复位，以满足下式V2 ^ Vl+Vthp. . . (6)当电连接到第二聚积单元206时，PMOS晶体管MSa和MNa将第二聚积单元206的 电位V2从由第一复位单元709a所复位的电位降低到与由第一聚积单元203所保持的信号 对应的电位。接下来将参照图13至图16描述根据本发明第四实施例的图像感测设备800。图 13是示出根据本发明第四实施例的图像感测设备800的布置的视图。图14是示出读出电 路中的一列的电路布置的电路图。图15是示出读出电路的操作的时序图。以下将主要描 述不同于第一实施例至第三实施例的部分，并且将省略对于相同部分的描述。除了读出电路810之外，图像感测设备800具有与第一实施例至第三实施例相同 的基本布置。读出电路810与第一实施例至第三实施例的不同之处在于，其包括“第一断开 /闭合单元组、第一聚积单元组以及传送单元组” 803以及第二断开/闭合单元组806。被包括在“第一断开/闭合单元组、第一聚积单元组以及传送单元组” 803中的每 一列的第一断开/闭合单元1110、第一聚积单元1103以及传送单元1104具有图14所示的 电路布置。更具体地说，第一聚积单元1103连接到传送单元1104的反转输入端子和输出端 子。第二断开/闭合单元1105也连接到传送单元1104的输出端子。用于供给基准电位 Vref的端子连接到传送单元1104的反转输入端子。通过该布置，传送单元1104计算基准 信号Vref与基于从输出端子经由第一聚积单元1103所反馈的信号以及输出到列信号线 RLl的信号的信号之间的差值，并且输出这个差动信号。传送单元1104因此经由第二断开 /闭合单元1105将由第一聚积单元1103所保持的信号传送到第二聚积单元206。传送单 元1104将与由第一聚积单元1103所保持的电荷对应的信号供给到第二聚积单元206。第 二断开/闭合单元1105断开/闭合传送单元1104的输出端子与第二聚积单元206 (Cts2、 Ctn2)之间的连接。参照图14，断开/闭合单元1101对列信号线RLl与电容CO之间的路径进行短路 或者开路。断开/闭合单元1102对传送单元1104的反馈路径进行短路或开路。读出电路810的布置通常被称为列放大器系统，其可以乘以与比率C0/Cf对应的 增益。第一聚积单元1103的电容Cf(Cfl、Cf2、Cf3)可以根据第一断开/闭合单元1110的 断开/闭合状态(处于“接通”状态的开关的数量)而改变。因此，有可能根据应用目的来 设置增益。图14示出选择了 Cfl的示例。
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读出电路810的操作与第一实施例至第三实施例的不同之外在于以下几点，如图 15所示。在时段BLKa(即，第二时段)期间，使得信号Φ VL有效，以经由列信号线RLl和 断开/闭合单元1101将从第一像素All所输出的噪声信号(VN)输入到CO。在使得信号 (^PCOR有效的同时，将断开/闭合单元1102接通。将第一聚积单元1103的电容Cf(Cfl、 Cf2, Cf3)的两个端子复位为Vref，从而将所保持的电荷放电到电源或GND，并且获得复位 状态。当使得信号ΦΡΟ)! 无效时，对断开/闭合单元1102进行切断，以经由列信号线RLl 和断开/闭合单元1101将从第一像素All所输出的光学信号(VS+VN)输入到CO。此时，由 下式Voutl = (VS+VN-VN) * Co/Cf+Vref+Voffset…(7)所表示的信号出现在传送单元1104的输出端子处。也就是说，基于Vref的输出 出现为Voutl，其是通过从第一像素All的光学信号消除噪声分量并且将所得到的信号乘 以增益C0/Cf而获得的。Voffset是传送单元1104的偏移噪声。因此，第一聚积单元1103 聚积第一像素All的信号，该信号由下式给出Vcf = Voutl-Vref= (VS+VN-VN) * Co/Cf+Voffset. . . (8)在时段BLKc (即，第一时段)期间，在使得信号ΦΤΞ有效的同时，经由开关1231 将由式(7)所表示的信号Voutl从第一聚积单元1103传送到第二聚积单元206的光学信 号聚积单元Cts2。第二聚积单元206的光学信号聚积单元Cts2保持信号Voutl。在使得 信号6TS无效，并且使得信号ctPCOR有效的同时，对第一聚积单元1103进行复位。由下 式Vout2 = Voffset... (9)所表示的信号出现在传送单元1104的输出端子处。在此之后，在使得信号ΦΡΟ)! 无效，并且使得信号ΦΤΝ有效的同时，经由开关1232将由式(9)所表示的信号Vout2从第 一聚积单元1103传送到第二聚积单元206的噪声信号聚积单元Ctn2。第二聚积单元206 的噪声信号聚积单元Ctn2保持信号Vout2。在将信号写入第二聚积单元206之前，第一复位单元709可以临时对第二聚积单 元206的电位进行复位。在BLKc时段(即，第一时段)的之后时段BLKb(S卩，第二时段)期间，使得信号 Φ VL有效，以经由列信号线RLl和断开/闭合单元1101将从第二像素Bll所输出的噪声信 号(VN)输入到C0。在使得信号CtPCOR有效的同时，将断开/闭合单元1102接通。将第一 聚积单元1103的电容Cf (Cfl、Cf2, Cf3)的两个端子复位为Vref，从而将所保持的电荷放 电到电源或GND，并且获得复位状态。当使得信号CtPCOR无效时，将断开/闭合单元1102 切断，以经由列信号线RLl和断开/闭合单元1101将从第二像素Bll所输出的光学信号 (VS+VN)输入到C0。此时，与式(7)相同的信号出现在传送单元1104的输出端子处。也就 是说，基于Vref的输出出现为Voutl，其是通过从第二像素Bll的光学信号消除噪声分量并 且将所得到的信号乘以增益C0/Cf而获得的。Voffset是传送单元1104的偏移。因此，第 一聚积单元1103聚积与式(8)相同的信号作为第二像素Bll的信号。
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在时段BLKb (即，第二时段)期间，在使得用于水平扫描信号HSR中的列信号线 RLl的信号HSRl有效的同时，开关207和208处于“接通”，以从第二聚积单元206读出第一 像素All的信号。更具体地说，通过光学信号聚积单元Cts2的电容与第一水平输出线121 的电容之间的电容分割，将第一像素All的信号Voutl从光学信号聚积单元Cts2读出到第 一水平输出线121。因此，经由第一水平输出线121将第一像素All的信号Voutl传送到输 出单元120。通过噪声信号聚积单元Ctn2的电容与第二水平输出线122的电容之间的电容 分割，将第一像素All的信号Vout2从噪声信号聚积单元Ctn2读出到第二水平输出线122。 因此，经由第二水平输出线122将第一像素All的信号Vout2传送到输出单元120。输出单 元120计算AV = Voutl-Vout2= (VS+VN-VN) * Co/Cf+Vref... (10)作为经由第一水平输出线121所传送的信号Voutl (式(7))与经由第二水平输出 线122所传送的信号Vout2(式(9))之间的差值，并且将该差动信号ΔΥ作为图像信号输 出到后续级。该差动信号Δ V是通过消除传送单元1104的偏移噪声而获得的信号。更具体地说，读出电路810中的传送单元1104在相同的列放大器中执行传送噪声 信号的操作以及传送光学信号的操作。因此，传送单元1104可以将包含相同偏移噪声的 噪声信号和光学信号传送到第二聚积单元206。后续级的输出单元120计算噪声信号与光 学信号之间的差值，由此获得已经消除了列放大器的偏移噪声的图像信号。传送单元1104 将与由第一聚积单元1103所保持的电荷对应的信号供给到第二聚积单元206，而不是将由 第一聚积单元1103所保持的电荷自身直接供给到第二聚积单元206，如在第一实施例中那 样。可以使用双端类型的输出单元1220，如图16所示。图像感测设备800可以仅将信号Voutl输出到后续级，而不提供在图14所示的读 出电路810中的开关1232、噪声信号聚积单元Ctn2、复位晶体管MRN以及开关208。后续级 的信号处理单元(图5)可以消除传送单元1104的每一列的偏移分量的信号Vout2。例如，对于每一列，获得被称为OB像素的像素的输出，其在图像感测设备800中没 有受到光照射。OB像素可以使其光电二极管被屏蔽。或者，对于每一列，获得暗信号。从像 素所输出的信号作为信号Vout2被保存在存储器单元87等等中作为校正数据。在每次拍 摄中，图像信号处理单元97等等从信号Voutl减去信号Vout2，由此容易地消除偏移分量。 在装配摄像机或视频摄像机期间，在每次拍摄中，在对摄像机或视频摄像机供电时，或者根 据摄像机或视频摄像机的使用状况的改变，可以保存校正数据。当传送单元1104在时段BLKa或BLKb期间传送像素信号时，也就是说，当在Cf中 保持像素信号的同时等待时段BLKc时，某种噪声可能进入列信号线RL1。可以通过以下操 作来有效地避免这种情况设置由实线所指示的图15中的c^VL，从而断开/闭合单元1101 在时段BLKa或BLKb的结束临时地断开，以对像素信号进行采样并且将其保持在Cf中。接下来将参照图17至图19描述根据本发明第五实施例的图像感测设备900。图 17是示出根据本发明第五实施例的图像感测设备900的布置的视图。图18是示出读出电 路中的一列的电路布置的电路图。图19是示出读出电路的操作的时序图。以下将主要描 述不同于第三实施例的部分，将省略对于相同部分的描述。
除了读出电路910之外，图像感测设备900具有与第三实施例相同的基本布置。读 出电路610与第三实施例的不同之外在于，其包括传送单元组905、第二复位单元组915以 及第四断开/闭合单元组911。传送单元组905包括为像素阵列PA的各个列所提供的多个 传送单元1304。第二复位单元组915包括为像素阵列PA的各个列所提供的多个第二复位 单元1315。第四断开/闭合单元组911包括为像素阵列PA的各个列所提供的多个第四断 开/闭合单元1310。在第三实施例中，传送单元504经由分离的源极跟随器SFs和SFn将噪声信号和 光学信号传送到第二聚积单元206。因此，源极跟随器SFs和SFn之间的变化产生固定模式 噪声，其使得图像质量劣化。也就是说，由第二聚积单元206所保持的噪声信号和光学信号 包含不同的源极跟随器偏移。更具体地说，由于源极跟随器SFs的NMOS晶体管MS的阈值 电压不同于源极跟随器SFn的NMOS晶体管MN的阈值电压，因此不能通过计算噪声信号与 光学信号之间的差值来消除偏移噪声，并且仍有固定模式噪声。固定模式噪声在各个列之 间变化，并且因此基于所获得的图像信号而在图像中生成垂直带状噪声。然而，在第五实施例中，第一噪声信号聚积单元Ctnl或第一光学信号聚积单元 Ctsl有选择地连接到传送单元1304的输入端子。第二噪声信号聚积单元Ctn2或第二光学 信号聚积单元Cts2有选择地连接到输出端子。更具体地说，第一噪声信号聚积单元Ctnl 经由噪声信号开关1312连接到传送单元1304，而第一光学信号聚积单元Ctsl经由光学信 号开关1311而连接。第二噪声信号聚积单元Ctn2经由噪声信号开关232连接到传送单元 1304，而第二光学信号聚积单元Cts2经由光学信号开关231而连接。这允许传送单元1304 经由公共源极跟随器SFsn而将噪声信号或光学信号有选择地传送到第二聚积单元206。因 此，由第二聚积单元206所保持的噪声信号和光学信号可以包含相同的固定模式噪声。也 就是说，可以通过计算噪声信号与光学信号之间的差值来消除由源极跟随器SFsn的NMOS 晶体管MSN的阈值电压的变化而生成的固定模式噪声。第二复位单元1315包括复位晶体管MRA。复位晶体管MRA也连接到传送单元1304 的输入端子。复位晶体管MRA对源极跟随器SFsn的NMOS晶体管MSN的栅极的电位进行复 位。更具体地说，对读出电路910进行驱动，如图19所示。注意，(jiCRT与图10所示 的相同。在时段BLKc(即，第一时段，见图10)期间，在ΦΟ 有效的同时，ΦΙ 也有效。复 位晶体管MRA对源极跟随器SFsn的NMOS晶体管MSN的栅极的电位进行复位(例如，复位 为接地电平)。在(tTS2有效的同时，(tTS3也有效。经由光学信号开关1311、传送单元1304和 光学信号开关231将由第一光学信号聚积单元Ctsl所保持的光学信号传送到第二光学信 号聚积单元Cts2。然后，再次使得Φ R有效。复位晶体管MRA再次对源极跟随器SFsn的NMOS晶体 管MSN的栅极的电位进行复位(例如，复位为接地电平)。在ΦΤΝ2有效的同时，ΦΤΝ3也有效。经由噪声信号开关1312、传送单元1304和 噪声信号开关232将由第一噪声信号聚积单元Ctnl所保持的噪声信号传送到第二噪声信 号聚积单元Ctn2。
将描述在使得ΦΤΝ2有效之前再次使得ΦR有效从而使复位晶体管MRA再次执行 复位的原因。由第一光学信号聚积单元Ctsl所保持的光学信号根据入射光的量而改变。因 此，剩余在传送单元1304的输入端子(输入节点NXl)的寄生电容Cpl中的信号(残余信 号)也根据光而极大地变化。在ΦΤΝ2的有效时段期间，传送单元1304从输出端子输出与 由第一噪声信号聚积单元Ctnl所保持的信号以及具有变化的残余信号对应的信号。如果 不再次使得ΦΙ 有效，则由入射光的量所给出的线性劣化。这可能妨碍获得满意的信号。如果将ΦΤΝ2和ΦΤΝ3的有效时段放置在ΦΤ52和Φ TS3的有效时段之前，如图 20所示，则无需使得Φ R再次有效。原因如下。由第一噪声信号聚积单元Ctnl所保持的噪声信号几乎是独立于入射光的量而恒 定的。因此，剩余在传送单元1304的输入端子的寄生电容中的信号(即，残余信号)也几 乎是独立于光而恒定的。在6TS2的有效时段期间，传送单元1304从输出端子输出与由第 一噪声信号聚积单元Ctnl所保持的信号以及几乎是恒定的残余信号对应的信号。即使没 有使得ΦΙ 再次有效，由入射光的量所给出的线性也不劣化，并且增益仅轻微减少。增益减 少的量与传送单元1304的输入端子的寄生电容对第一光学信号聚积单元Ctsl的电容值的 比率对应。传送单元1304的寄生电容是例如几十fF。第一光学信号聚积单元Ctsl的电容一 般被设计为几个PF。在此情况下，关于在图19所示的驱动方法中的增益减少的量是几个 百分点，这样不会带来问题。与图19的驱动方法相比，因为没有再次使得ΦΙ 有效，所以图 20的驱动方法可以缩短读出时间。接下来将参照图21至图23描述根据本发明第六实施例的图像感测设备1000。图 21是示出根据本发明第六实施例的图像感测设备1000的布置的视图。图22是示出读出电 路中的一列的电路布置的电路图。图23是示出读出电路的操作的时序图。以下将主要描 述不同于第五实施例的部分，将省略对于相同部分的描述。除了读出电路1010之外，图像感测设备1000具有与第五实施例相同的基本布置。 读出电路1010与第五实施例的不同之处在于，其既没有第一复位单元组609，也没有第二 复位单元组915，而是包括传送单元组1005。传送单元组1005包括为像素阵列PA的各个 列提供的多个传送单元1404。传送单元1404包括对于噪声信号和光学信号公共的缓冲放大器AMSN。由于公共 缓冲放大器AMSN可以将由第一聚积单元203所保持的噪声信号或光学信号有选择地传送 到第二聚积单元206，因此由第二聚积单元206所保持的噪声信号和光学信号可以包含相 同的固定模式噪声，如第五实施例那样。缓冲放大器AMSN对输入信号进行放大并且输出，类似于第五实施例的源极跟随 器 SFsn。在第五实施例中，复位晶体管MRA(见图18)对源极跟随器SFsn的输入节点NXl 的寄生电容Cpl进行复位(初始化)。这消除了来自寄生电容Cpl的残余电荷，并且防止由 入射光的量所给出的线性劣化。在第六实施例中，在不提供用于对缓冲放大器AMSN的输入节点NX2的寄生电容 Cp2进行复位的晶体管的情况下，通过以下操作，防止由入射光的量所给出的线性的降级。读出电路1010的操作与第五实施例的不同之外在于以下几点，如图23所示。
在时序tl，使得Φ 有效，以将噪声信号从列信号线RLl传输到噪声信号聚积单 元Ctnl。同时，使得ΦTN2有效，以将噪声信号传输到缓冲放大器AMSN的输入节点NX2，并 且将输入节点ΝΧ2的电位设置为复位电平Vn。也就是说，输入节点NX2的初始电位Vn等于 噪声信号聚积单元Ctnl的电位。由于使用从像素输出的噪声信号来对输入节点NX2进行 复位，因此有可能在没有用于对寄生电容Cp2进行复位的晶体管的情况下对其进行复位。在时序t2，使得ΦΤΝ2无效，以断开从列信号线RLl到节点NX2的路径的连接。由 此完成寄生电容Cp2的复位。在时序t3，使得φπα无效。由于切断了噪声信号开关202，因此噪声信号聚积单 元Ctnl保持噪声信号。在时序t4，使得CtTSl有效。接通开关201，以将经由列信号线RLl所传送的光学 信号传输到光学信号聚积单元Ctsl。在时序t5，使得CtTSl无效。切断开关201，并且光学信号聚积单元Ctsl保持所 传输的光学信号。设Vs是此时的信号电压。光学信号聚积单元Ctsl保存电压(Vn+Vs)。在时序t6，使得ΦΤΝ2有效，以通过噪声信号聚积单元Ctnl的电容值与寄生电容 Cp2的电容值之间的电容分割，将由噪声信号聚积单元Ctnl所保持的噪声信号读出到节点 NX2。此时，由于由噪声信号聚积单元Ctnl所保持的电压以及由寄生电容Cp2所保持的电 压两者都是Vn，因此节点NX2的电压不改变。也就是说，读出到节点NX2的噪声信号是Vxn = Vn…(11)此外，使得Φ ΤΝ3有效，以将读出到节点ΝΧ2的噪声信号经由缓冲放大器AMSN传 送到噪声信号聚积单元Ctn2。在时序t7，使得ΦΤΝ3无效。由于切断了开关232，因此噪声信号聚积单元Ctn2 保持所传输的噪声信号。在时序t8，使得Φ TN2无效，以切断开关1312。在时序t9，使得ΦTS2有效，以通过光学信号聚积单元Ctsl的电容值与寄生电容 Cp2的电容值之间的电容分割而将由光学信号聚积单元Ctsl所保持的光学信号读出到节 点 NX2。设Cl是光学信号聚积单元Ctsl的电容值。面对光学信号聚积单元Ctsl的基准 侧(接地侧)电极的电极对由下式所表示的电荷进行聚积Ql = Cl * (Vs+Vn). . . (12)设Cp是寄生电容Cp2的电容值。节点NX2对由下式所表示的电荷进行聚积Qp = Cp * Vn... (13)读出到节点NX2的光学信号由下式给出Vxs = (Ql+Qp)/(C1+Cp)= {Cl/(Cl+Cp)} * Vs+Vn. . . (14)此外，使得c^TS3有效，以将读出到节点NX2的光学信号经由缓冲放大器AMSN传 送到光学信号聚积单元Cts2。在时序tlO，使得c^TS3无效。由于切断了开关231，因此光 学信号聚积单元Cts2保持所传输的光学信号。在时序til，使得Φ TS2无效，以切断开关1311。然后，输出单元120(见图21)计算由式(11)所表示的Vxn与由式(14)所表示的Vxs之间的差值，以生成由下式所给出的图像信号AV = Vxn-Vxs= {Cl/(C1+Cp)} * Vs. · · (15)获得已经从其中消除了噪声信号Vn的图像信号Δν，如由式(15)所指示的那样。如上所述，根据该实施例，有可能在不提供第二复位单元(复位晶体管MRA)的情 况下对传送单元的输入节点的寄生电容进行复位。这防止了由入射光的量所给出的线性的 劣化。在第六实施例中，对节点ΝΧ2进行复位，从而噪声信号聚积单元Ctnl与节点ΝΧ2 是等电位的。在此之后，通过噪声信号聚积单元Ctnl的电容值与节点ΝΧ2的寄生电容Cp2 的电容值之间的电容分割而将由聚积单元Ctnl所保持的噪声信号读出到节点NX2。取而代之，可以对节点NX2进行复位，从而光学信号聚积单元Ctsl与节点NX2是 等电位的。在此之后，可通过光学信号聚积单元Ctsl的电容值与节点NX2的寄生电容Cp2 的电容值之间的电容分割而将由聚积单元Ctsl所保持的光学信号读出到节点NX2。在此情况下，在从时间t4i到tl2i的时段期间使得c^TS2有效，而不是在从时间 tl到t2的时段期间使得ΦΤΝ2有效(见图23)，如图24所示。在时序tl2i，使得ΦΤΞ2无效。光学信号聚积单元Ctsl和节点NX2中的每一个保 存电压(Vn+Vs)。由于使用从像素输出的光学信号来对输入节点NX2进行复位，因此有可能 在没有用于对寄生电容Cp2进行复位的晶体管的情况下对寄生电容Cp2进行复位。在时序t6，使得ΦΤΝ2有效，以通过噪声信号聚积单元Ctnl的电容值与寄生电容 Cp2的电容值之间的电容分割而将由噪声信号聚积单元Ctnl所保持的噪声信号读出到节 点 NX2。设C2是噪声信号聚积单元Ctnl的电容值。面对噪声信号聚积单元Ctnl的基准 侧(接地侧)电极的电极对由下式所表示的电荷进行聚积Q2 = C2 * Vn...(16)设Cp是寄生电容Cp2的电容值。节点NX2对由下式所表示的电荷进行聚积Qp = Cp * (Vs+Vn)... (17)读出到节点NX2的噪声信号由下式给出Vxn = (Q2+Qp) / (C2+Cp)= {Cp/(C2+Cp) }* Vs+Vn. · · (18)在时序t9，使得(tTS2有效，以通过光学信号聚积单元Ctsl的电容值与寄生电容 Cp2的电容值之间的电容分割而将由光学信号聚积单元Ctsl所保持的光学信号读出到节 点NX2。此时，读出到节点NX2的光学信号由下式给出Vxs = Vs+Vn...(19)然后，输出单元120(见图21)计算由式(18)所表示的Vxn与由式(19)所表示的 Vxs之间的差值，以生成由下式所给出的图像信号AV = Vxn-Vxs= {C2/ (C2+Cp)} * Vs... (20)获得已经从其中消除了噪声信号Vn的图像信号Δν，如由式(20)所指示的那样。如上所述，根据该变型例，有可能在不提供第二复位单元(图18所描述的对晶体管MRA进行复位)的情况下对传送单元的输入节点的寄生电容进行复位。这防止了由入射 光量所给出的线性的劣化。 虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于所公幵的示 例性实施例。所附权利要求的范围与最宽泛的解释一致，从而包括所有这样的修改以及等 同的结构和功能。
权利要求
一种图像感测设备，包括像素，其包括光电转换单元；列信号线，其连接到所述像素；读出电路，其经由所述列信号线从所述像素读出信号；输出线，其连接到所述读出电路，并且具有电容；以及输出单元，其根据来自所述读出电路的信号，经由所述输出线输出图像信号，其中，所述读出电路包括第一聚积单元，其保持读出到所述列信号线的信号，第一断开/闭合单元，其断开/闭合所述列信号线与所述第一聚积单元之间的连接，第二聚积单元，传送单元，其将由所述第一聚积单元所保持的信号传送到所述第二聚积单元，以及第二断开/闭合单元，其断开/闭合所述传送单元与所述第二聚积单元之间的连接，所述第一聚积单元的电容小于所述第二聚积单元的电容，并且由所述第二聚积单元所保持的信号被基于所述第二聚积单元的电容以及所述输出线的电容而读出到所述输出单元。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述读出电路进一步包括第三断开/闭合单元，其断开/闭合所述第二聚积单元与所 述输出线之间的连接，所述第三断开/闭合单元将所述第二聚积单元与所述输出线之间的连接设置在闭合 状态，以将所述第二聚积单元连接到所述输出线，并且读出由所述第二聚积单元所保持的信号。
3.如权利要求1所述的设备，其中，所述传送单元将与由所述第一聚积单元所保持的电荷对应的信号供给到所述第二聚 积单元。
4.如权利要求3所述的设备，其中， 所述传送单元包括MOS晶体管，并且所述MOS晶体管经由栅极接收由所述第一聚积单元所保持的信号，并且经由源极将与 输入到所述栅极的信号对应的信号输出到所述第二聚积单元。
5.如权利要求1所述的设备，其中，所述读出电路进一步包括复位单元，其对所述第二聚积单元的电位进行复位。
6.如权利要求5所述的设备，其中， 所述传送单元包括NMOS晶体管，设Vl是所述第一聚积单元的电位，Vthn是所述NMOS晶体管的阈值电压，并且V2是所 述第二聚积单元的电位，所述复位单元对从所述传送单元断开电连接的所述第二聚积单元 的电位V2进行复位，以满足 V2 彡 Vl-Vthn，并且当电连接到所述第二聚积单元时，所述NMOS晶体管将所述第二聚积单元的电位从由 所述复位单元所复位的电位升高到与由所述第一聚积单元所保持的信号对应的电位。
7.如权利要求5所述的设备，其中，所述传送单元包括PMOS晶体管，设Vl是所述第一聚积单元的电位，Vthp是所述PMOS晶体管的阈值电压，并且V2是所 述第二聚积单元的电位，所述复位单元对从所述传送单元断开电连接的所述第二聚积单元 的电位V2进行复位，以满足 V2 ≥ Vl-Vthp，并且当电连接到所述第二聚积单元时，所述PMOS晶体管将所述第二聚积单元的电位从由 所述复位单元所复位的电位降低到与由所述第一聚积单元所保持的信号对应的电位。
8.如权利要求1所述的设备，其中， 所述第一聚积单元包括第一噪声信号聚积单元，其保持输出到所述列信号线的噪声信号，以及 第一光学信号聚积单元，其保持输出到所述列信号线的光学信号， 所述第二聚积单元包括第二噪声信号聚积单元，由所述第一噪声信号聚积单元所保持的信号被传送至其，以及第二光学信号聚积单元，由所述第一光学信号聚积单元所保持的信号被传送至其， 所述传送单元具有输入端子，其连接到所述第一噪声信号聚积单元和所述第一光学 信号聚积单元；以及输出端子，其连接到所述第二噪声信号聚积单元和所述第二光学信号 聚积单元，并且所述输出单元通过计算由所述第二噪声信号聚积单元所保持的信号与由所述第二光 学信号聚积单元所保持的信号之间的差值而输出所述图像信号。
9.如权利要求1所述的设备，其中，第一像素和第二像素连接到所述列信号线，在第一时段期间，所述传送单元将所述第一像素的信号从所述第一聚积单元传送到所 述第二聚积单元，而在所述第一时段之后的第二时段期间，所述第一聚积单元对连接到所 述列信号线的所述第二像素的信号进行聚积，并且在所述第二时段期间，所述第一像素的信号被从所述第二聚积单元传送到所述输出单元。
10.如权利要求9所述的设备，其中， 所述第一时段比所述第二时段短。
11.一种图像感测设备，包括第一像素； 第二像素；列信号线，其连接到所述第一像素和所述第二像素；读出电路，其经由所述列信号线从所述第一像素和所述第二像素读出信号；驱动单元，其驱动所述第一像素、所述第二像素以及所述读出电路；输出线，其连接到所述读出电路，并且具有电容；以及输出单元，其根据来自所述读出电路的信号，经由所述输出线输出图像信号，其中，所述读出电路包括第一聚积单元，其保持读出到所述列信号线的信号，第一断开/闭合单元，其断开/闭合所述列信号线与所述第一聚积单元之间的连接， 第二聚积单元，传送单元，其将由所述第一聚积单元所保持的信号传送到所述第二聚积单元，并且其 输入端子和输出端子连接到所述第一聚积单元，其输出端子连接到所述第二聚积单元，以 及第二断开/闭合单元，其断开/闭合所述第一聚积单元以及所述传送单元与所述第二 聚积单元之间的连接，所述第一聚积单元的电容小于所述第二聚积单元的电容，由所述第二聚积单元所保持的信号被基于所述第二聚积单元的电容以及所述输出线 的电容而读出到所述输出单元，并且所述驱动单元驱动所述第一像素、所述第二像素以及所述读出电路，在第一时段期间， 从所述第一聚积单元读出所述第一像素的信号，并且经由所述传送单元将所述信号传送到 所述第二聚积单元，而在所述第一时段之后的第二时段期间，使所述第一聚积单元对输出 到所述列信号线的所述第二像素的信号进行聚积，并且从所述第二聚积单元读出所述第一 像素的信号，并且将所述信号传送到所述输出单元。
12.如权利要求11所述的设备，其中，所述传送单元计算经由所述第一聚积单元从所述输出端子反馈的信号与基于输出到 所述列信号线的信号的信号之间的差值，并且输出差动信号。
13.一种成像系统，包括权利要求1所述的图像感测设备；光学系统，其在所述图像感测设备的像面上形成图像；以及信号处理单元，其处理从所述图像感测设备输出的信号，以生成图像数据。
14.一种成像系统，包括权利要求11所述的图像感测设备；光学系统，其在所述图像感测设备的像面上形成图像；以及信号处理单元，其处理从所述图像感测设备输出的信号，以生成图像数据。
全文摘要
本发明提供图像感测设备和成像系统。所述图像感测设备包括包含列信号线的像素、读出电路、输出线和输出单元。所述读出电路包括第一聚积单元、第一断开/闭合单元、第二聚积单元、传送单元以及第二断开/闭合单元。所述第一聚积单元的电容小于所述第二聚积单元的电容，由所述第二聚积单元所保持的信号被基于所述第二聚积单元的电容以及所述输出线的电容而读出到所述输出单元。
文档编号H04N5/369GK101945204SQ201010291848
公开日2011年1月12日 申请日期2008年9月12日 优先权日2007年9月14日
发明者小仓正德, 小泉彻, 菊地伸, 领木达也 申请人:佳能株式会社