专利名称：固态摄像装置及使用该固态摄像装置的照相机的利记博彩app
技术领域：
本发明是关于固态摄像装置及摄像系统，特别是涉及具有排列了多个至少设置了光电转换部和用于将上述光电转换部发出的信号放大输出的晶体管的像素而形成的光电转换像素部的放大型固态摄像装置及照相机。
背景技术：
以往，作为固态摄像装置，大量使用了SN比的优越的CCD。但是，另一方面，以使用简便和耗电少见长的放大型固态摄像装置的开发也在进行。放大型固态摄像装置就是将存储在受光像素里的信号电荷导向设置在像素部里的晶体管的控制电极，并将放大了的信号从主电极输出之类的装置。具体来说，作为放大用的晶体管，有使用SIT的SIT型图像传感器(A.Yusa、J.Nishizawa et al.，“SIT image sensorDesign consideration and characteristics”，IEEE trans.Vol.ED-33，p.735-742，June 1986)、使用双极型晶体管的BASIS(N.Tanaka et al.，“A 310K piexl bipolar imager(BASIS)，”IEEE Trans.ElectronDevices，vol.35，pp.646-652，may 1990)、使用控制电极耗尽的JFET的CMD(中村外“栅存储型MOS光电晶体管图像传感器”，电视学会志41，11，pp.1075-1082，Nov.，1987)、使用MOS晶体管的CMOS传感器(S.K.Mendis，S.E.Kemeny and E.R.Fossum，“A 128×128CMOS active image sensor for highly integrated imaging systems，”inIEDM Tech.Dig.，1993，pp.583-586)等。
特别是因为CMOS传感器与CMOS处理的匹配良好，能够使外围CMOS电路单片化，所以被大力开发。但是，作为与这些放大型固态摄像装置共同的问题，因为设置在各像素里的放大型晶体管的输出偏置随每个像素而不同，所以作为图像传感器的信号附有固定型谱噪声(FPN)。为了除去这个FPN，一直以来就在各种信号读出电路上下功夫。
放大型固态摄像装置的其他课题与动作时间有关。这种类型的图像传感器的像素信号读出是按每1行进行的，接着在这1行读出后继续水平传送动作。因此，像素的信号存储动作是按每1行移动的。因为一个场的像素的信号存储动作是由像素信号读出结束的。因此，第一行与最后一行的时间差几乎就是一个场时间。另一方面，CCD中所有的像素信号是同时向垂直CCD传送的，CCD像素的存储动作由这个同时传送结束并开始，所以CCD像素的动作是同时的。放大型图像传感器的这个动作时间差，在拍摄高速运动的被摄体时，会出现图像的失真。
为了改善此问题，日本专利特开昭58-125982号公报及日本专利特开平02-65380号公报中，提出了具有由MOS开关和电容形成的存储单元构成的模拟帧存储器的图像传感器。在这些提出的传感器中，像素信号不伴随水平传送动作，以短时间向对应的存储单元传送，然后，伴随水平传送的存储信号的读出使用大致一个场的时间进行。由此，明显缩短动作时间差。
另外，在日本专利特开2003-51989号公报中，公开了设置了各列中增益超过1倍的放大器的固态摄像装置。
图8是表示根据上述以往例的图像传感器的电路图。在该图中，1表示至少具有光电二极管和放大用晶体管的放大型像素。图9是作为图8中放大型像素例的典型的CMOS传感器像素电路图。利用图8及图9说明现有技术。
如图9所示。像素1由光电二极管18、由TX控制的传输晶体管20、传输光电二极管18发出的信号电荷的浮动扩散(FD)部19、栅极与FD部19连接的放大用晶体管21、由SEL控制的选择像素用的选择晶体管22、由RES控制的复位晶体管23构成。选择晶体管22与垂直像素输出线2连接，垂直像素输出线2与由G控制的电流馈电用晶体管7连接。
如图8所示，由扫描电路4选择的行的像素1的放大用晶体管21在SEL变成高电平、选择晶体管22成为导通状态时，由电流馈电用晶体管7提供电流，作为源输出器而动作，向垂直像素输出线2输出其输出电压。最初通过将复位脉冲RES施加在复位晶体管23上使浮动扩散(FD)部19复位，与此FD电位相当的输出出现在垂直像素输出线2上。垂直像素输出线2侧的此基准电压因为源输出器的阈值电压的像素间偏差而不一致，但垂直存储输出线11侧，因为由C和SH的脉冲使钳位晶体管6与开关晶体管8导通，所有的钳位电位VR变成基准电压。接着，使钳位晶体管6成为截止状态、耦合电容体5的垂直存储输出线11侧成为浮置状态，并将脉冲TX施加在传输晶体管20上，从而将光电二极管18里的信号电荷传送到FD部19。与此信号成比例的FD电压的压降部分由垂直像素输出线2读出，接着通过耦合电容体5传送到垂直存储输出线11。通过存储选择线12将脉冲施加在写入晶体管10上，将此信号电压写入到存储单元电容9。存储选择线12随存储扫描电路13被依次选择。写入到存储单元电容9的信号电压，通过上述钳位动作，不含像素的固定型谱噪声(F.P.N.)。即，与光电二极管18中的信号电荷对应的信号由垂直像素输出线2读出(读出的信号包含噪声成分)，但事先由垂直像素输出线2读出噪声成分。因此，垂直像素输出线2的电位变化量只与信号成分有关，通过耦合电容体5传送到垂直存储输出线11的信号除去了噪声成分。在这每行的由像素发向存储器的信号传送结束后，进行下面的存储器的信号读出。
最初通过将脉冲C和SH施加在钳位晶体管6和开关晶体管8上，将垂直存储输出线11复位为电位VR。在开关晶体管8为截止状态后，存储在由存储扫描电路13选择的行的存储单元的电容9中的信号电压传送到垂直存储输出线11。此垂直存储输出线11上的信号电压通过由水平扫描电路16接受扫描的开关晶体管15依次传送到水平输出线14。水平输出线上的信号电压由放大电路17放大，作为传感器输出被读出。存储信号就这样通过存储扫描电路13和水平扫描电路16读出。像素信号向存储器传送的时间与没有存储器的一般CMOS传感器的读出时间相比，大幅度缩短。因此，与像素的存储动作时间的时间差相关的缺点得到充分改善。
但是，根据此现有技术的带帧存储器的放大型图像传感器具有与SN比有关的问题。即，从像素读出的信号电压在传送路径中受到信号分割而大量减少，并且还受到传送路径上的热噪声的影响。信号的分割在信号传送时由于受到电容分割而引起，首先是从垂直像素输出线2向存储电容9传送时，其次是从存储电容9向水平输出线14传送时产生。热噪声在信号路径，即耦合电容体5、垂直存储输出线11、存储电容9、水平输出线14复位时产生。此噪声电荷用(kTC)1/2表示。在此，k为波耳兹曼常数，T为绝对温度，C为复位部分的电容。
发明内容
本发明的目的在于，提供像素的动作时间差小，且高SN比的传感器输出的固态摄像装置。
本发明的固态摄像装置具有排列了多个至少设置了光电转换部和用于将上述光电转换部发出的信号放大输出的晶体管的像素而形成的光电转换像素部、将与上述光电转换像素部的至少一部分像素对应的模拟存储单元排列为二维状而形成的存储部，其特征在于具有与将各自排成一列的上述像素共同连接的多个输出线分别连接，通过将来自上述像素的信号钳位，除去上述像素的噪声的多个耦合电容体；与上述多个耦合电容体分别连接，用于将上述耦合电容体发出的信号电压放大，写入上述模拟存储单元的多个放大器；以及，用于除去上述放大器和上述模拟存储单元的至少一方的输出偏置的电路装置。
在本发明中，对于由按列设置的放大器产生的FPN或者/及由存储单元内放大产生的FPN，通过输出FPN输出和信号，使二者相减，除去FPN，能够实现高SN比。由信号分割引起的信号减少和与之相伴的噪声的影响的问题，通过由列放大器将像素信号放大(进而由模拟存储单元内设置的放大用晶体管使信号放大)而抑制。
根据本发明，在保持传感器输出的高SN比的同时，能够实现像素的动作时间的时间差小的放大型图像传感器。另外根据本发明，在保持传感器输出的高SN比的同时，能够通过比较容易的设计实现像素的动作时间的时间差小的放大型图像传感器。
而且根据本发明，在保持传感器输出的更高的高SN比的同时，能够实现像素的动作时间的时间差小的放大型图像传感器。
图1为表示根据本发明第一实施方式的传感器结构的电路图。
图2为说明图1所示传感器的动作的脉冲时间图。
图3为表示根据本发明第二实施方式的传感器结构的电路图。
图4为表示根据本发明第三实施方式的传感器结构的电路图。
图5为说明图4所示传感器的动作的脉冲时间图。
图6为表示涉及本发明的固态摄像装置适用于动画对应的“静像摄像机”时的框图。
图7为表示涉及本发明的固态摄像装置适用于摄像机时的框图。
图8为表示根据现有技术的带有帧存储器的放大型图像传感器的电路图。
图9为表示以往的典型CMOS传感器像素的电路图。
具体实施例方式
在以下本发明的实施方式的说明图中，与图8及图9所示的部件为相同部件的用相同符号表示。
(第一实施方式)图1表示在本发明的第一实施方式中，沿从像素到传感器输出的信号路径的传感器电路图。在此为了简单化，是以一个像素、一个存储单元、一列的读出装置来表示的，实际上是如图8所示，像素及存储单元排列成2维状，读出装置是按列设置的。并且在图8中为了简单化，像素和存储单元分别是由3×3的像素和存储单元来表示的，但也可以根据需要设定像素数量和存储单元数量，存储单元数量可以比像素数量少。例如将来自多个像素的信号相加或拉长间隔存储在存储单元里时，存储单元数量可以比像素数量少，但为了形成图像，需要与必要的画素数对应数量的存储单元数量。例如为了形成VGA的图像，需要具有640×480个存储单元的存储部。像这样，需要与形成图像的规格相对应的数量的存储单元。因此，存储单元的排列，大多数场合行、列都在数百以上。像素1的结构与图9所示的结构相同。并且像素只要是放大型像素就行，并不特定为CMOS传感器像素，可以使用上述CMD等放大型固态摄像装置。另外，当然能够适用VMIS(阈值电压调制图像传感器)、BCAST(埋置充电电池和传感晶体管阵列)、LBCAST(横向埋置充电电池和传感晶体管阵列)等。尤其是对于BCAST和LBCAST，通过将放大用MOS晶体管换成JFET晶体管，能够不伴随本质变化而实现。
图2是用于说明图1中传感器动作的脉冲时间图。图1的结构与图8的结构相比，不同点在于设置了列放大器24，存储电容25、27，开关晶体管26、28、30，且放大电路17换成了差动放大器33。这些部件以外的各部件的功能动作与图8的各部件相同，所以省略说明。另外图8所示的扫描电路4、13在图1中为了简单化而省略。
在图1中，列放大器24，其输入端子与耦合电容体5连接，为了补偿在帧存储器以后的信号路径中由信号分割及热噪声引起的SN比的降低，用高增益放大像素的钳位信号。存储电容25通过开关晶体管26接受来自存储单元电容9和写入晶体管10构成的存储单元的信号，存储电容27通过开关晶体管28，接受列放大器24的偏置输出。存储电容25和存储电容27接受的电压，分别通过开关晶体管29和开关晶体管30传送到水平输出线31、32。差动放大器33，其输入端子与水平输出线31、32连接，放大输出这2个输入部的电压差。来自差动放大器33的最终的传感器输出，热噪声的影响少且具有没有列放大器偏置的高SN比。
按图2说明，最初像素输出向存储单元传送。用于此动作的脉冲定时与图8图9说明的现有技术中的相同。但是，不同点是写入到存储单元的信号电压是由列放大器24放大的像素信号电压，不接受图8所示的现有技术那样的耦合电容体5和存储单元电容9间的电容分割，且不含有列放大器24的偏置。
从像素到存储器的一系列的信号传送结束后，向存储信号的存储电容25、27进行读出。在这个动作中，列放大器24的输入部通过因C为高电平而成为导通状态的钳位晶体管6，被钳位为电位VR。垂直存储输出线11与存储电容25，最初通过因SH、TS为高电位而分别成为导通状态的开关晶体管8和开关晶体管26，被复位为列放大器24的偏置输出。当SH为低电位开关晶体管8截止后，通过使存储选择线12为高电平、写入晶体管10为导通状态，存储电容9上的信号放到垂直存储输出线11和存储电容25。通过将脉冲TS施加在开关晶体管26，将此信号抽取到存储电容25上。
接着，通过因SH、TN为高电位而分别成为导通状态的开关晶体管8和开关晶体管28，将垂直存储输出线11和存储电容27复位为列放大器24的偏置输出。通过将脉冲TN施加在开关晶体管28上，将此偏置抽取到存储电容27上。
紧接上述动作进行的水平扫描在图2中省略，水平扫描是由水平扫描电路16进行的。水平扫描电路16扫描作为开关对的晶体管29和晶体管30，将存储电容25和27上的电压分别传送到水平输出线31及32。差动放大器33除去列放大器24的偏置，输出具有高SN比的传感信号。
(第二实施方式)图3表示本发明第二实施方式中，沿从像素到传感器输出的信号路径的传感器电路图。在图3中，列放大器24是反馈型放大器，其输出通过耦合电容体34传达到负输入端子。因此，列放大器24的增益由耦合电容体5和耦合电容体34的比决定。正输入端子(+)固定为钳位电位VR。负输入端子(-)通过将脉冲C施加在钳位晶体管6上，被钳位为钳位电位VR。这是因为上述2个输入端子成为虚短路状态。结果，用于此传感器结构的动作的脉冲时间与图2所示的第一实施方式的脉冲时间相同。但是，图3中的电路有用于钳位的耦合电容体5兼备决定列放大器24的增益的作用和容易设计高增益的列放大器的特征。像素的信号输出电压由列放大器24以高增益放大后，信号电压的降低更加得到抑制，因此能够保持更高的高SN比。作为反馈型放大器最好为使用电容的反馈型放大器。例如使用电阻的反馈型放大器，当电阻值小时，电流值变大，耗电变大；电阻值大时，噪声变大的同时应答性变差，全面考虑最好是使用电容的反馈型放大器。
(第三实施方式)图4表示本发明的第三实施方式中，沿从像素到传感器输出的信号路径的传感器电路图。在该图中，使用了单元中具有放大功能的存储器。例如美国专利第5,805,492号中公开的一个结构，放大型模拟存储单元是既有的。在图4中，存储单元35由放大用晶体管36、存储选择晶体管37、写入晶体管10和存储单元电容9构成。
电流馈电用晶体管38提供电流，使放大用晶体管36作为源输出器动作。在本发明的第三实施方式中，使用了此放大型帧存储器代替第一及第二实施方式中使用的DRAM型存储器。
图5是表示本发明的第三实施方式的传感器动作的脉冲时间图。按照图4、图5进行动作的说明。关于从像素到存储器的信号传送，与图2说明的第一实施方式相同地进行。但是图2中由12表示的存储器写入脉冲在图5中由MWR表示。
存储单元发出的信号读出通过将脉冲MG和MSEL分别施加在电流馈电用晶体管38和存储选择晶体管37进行。选择的存储单元的输出由垂直存储输出线11读出，通过开关晶体管26抽取到存储电容25。接着，使钳位晶体管6为导通状态，通过将脉冲SH和MWR分别施加在开关晶体管8和写入晶体管10上，将列放大器24的偏置写入存储单元。
写入到存储单元的偏置的读出和抽取与写入到存储单元的信号的读出、抽取相同。从存储单元向偏置输出的存储电容27的抽取通过将脉冲TN施加在开关晶体管28进行。存储电容25上的电压包含放大了的像素信号、列放大器24的偏置和放大晶体管36的偏置。另一方面，存储电容27上的电压包含列放大器24的偏置和放大晶体管36的偏置。因此，来自差动放大器33的最终传感器输出中，不含由这些偏置引起的固定图象噪声。在此第三实施方式中的从存储器向存储电容的读出中，由于存储单元35具有的放大作用，没有遭受信号电压的降低。因此，第三实施方式与第一、第二实施方式相比，能够输出更高SN比的信号。
在上述各实施方式中，只要至少与一部分的像素对应地安装与形成图像所必要的画素数对应数量的存储单元就行。另外，关于列放大器，如果为了补偿信号的分割，只要用超过1的增益放大信号电压，与现有例相比，防止信号电压降低的效果就更显著。
进一步补充，基于本发明的宗旨还能够构成几个实施方式。例如为了防止从存储器向存储电容的信号传送中的信号的分割，还可以考虑将其他的列放大器与垂直存储输出线连接的结构。另外，作为偏置除去电路，除了实施方式列举的电路，还有使用钳位电路等多个众所周知的技术，也可以适用这些。
另外，在上述各实施方式中，可以将固态摄像装置设置在同一半导体基板上，也可以为了不使由差动放大器33产生的噪声影响其他电路部件，将差动放大器33设置在基板外。
根据图6，详细说明涉及本发明的固态摄像装置适用于动画对应的静像照相机时的一个实施方式。
图6是表示涉及本发明的固态摄像装置适用于动画对应的“静像照相机”时的框图。
在图6中，101是兼作透镜防护装置和总开关的挡板，102是将被摄体的光学像成像在摄像元件(固态摄像装置)104上的透镜，103是用于改变通过透镜102光量的光圈，104是用于将由透镜102成像的被摄体作为图像信号取入的摄像元件，106是进行由摄像元件104输出的图像信号的模拟/数字转换的A/D转换器，107是对A/D转换器106输出的图像数据进行各种校正、压缩数据的信号处理部，108是向摄像元件104、摄像信号处理电路105、A/D转换器106、信号处理部107输出各种定时信号的定时发生部，109是控制各种运算和静像摄像机整体的整体控制·运算部，110是用于临时存储图像数据的存储部，111是用于向记录媒体进行记录或读出的接口部，112是用于进行图像数据的记录或读出的半导体存储器等的可装卸的记录媒体，113是用于与外部计算机等通信的接口部。
接着说明上述结构中摄影时静像摄像机的动作。挡板101打开后主电源接通，接着控制系统的电源接通，然后A/D转换器106等摄像系统电路的电源接通。接着，为了控制曝光量，整体控制·运算部109打开光圈103，摄像元件104输出的信号在A/D转换器106转换后，输入到信号处理部107。根据这个数据在整体控制·运算部109进行曝光的运算。根据进行的这个光度测量的结果判断亮度，根据这个结果，整体控制·运算部109控制光圈。
接着，根据摄像元件104输出的信号，在整体控制·运算部109取出高频成分，进行到被摄体的距离的运算。接着驱动透镜，判断是否合焦，在判断不合焦时，再次驱动透镜进行测距。然后，在确认合焦后开始曝光。
曝光结束后，从摄像元件104输出的图像信号在A/D转换器106转换，通过信号处理部107，由整体控制·运算部109向存储部110写入。
然后，存储在存储部110的数据，由整体控制·运算部109的控制，通过记录媒体控制I/F部111，记录到半导体存储器等可装卸的记录媒体112。
另外，也可以通过外部I/F部113直接输入到电脑等，再进行图像的加工。
另外，根据图7，详细说明本发明的固态摄像装置适用于摄像机时(摄像系统)的例子。
图7是表示本发明的固态摄像装置适用于摄像机时的框图。201是摄像透镜，具有用于进行聚焦调节的聚焦透镜201A、进行变焦动作的变焦透镜201B、成像用的透镜201C。
202是光圈，203是将成像在摄像面的被摄体的像光电转换后转换成电摄像信号的固态摄像元件(固态摄像装置)，204是将由固态摄像元件203输出的摄像信号取样保持，再放大电平的取样保持电路(S/H电路)、输出影像信号。
205是对由取样保持电路204输出的影像信号实施伽玛校正、色分离、消隐处理等规定处理的程序电路，输出亮度信号Y及色度信号C。由程序电路205输出的色度信号C，在色信号校正电路221中，进行白色平衡及色平衡的校正，作为色差信号R-Y、B-Y输出。
另外，由程序电路205输出的亮度信号Y和由色信号校正电路221输出的色差信号R-Y、B-Y在编码器电路(ENC电路)224被调制，作为标准电视信号输出。然后提供给未图示的录像机或电子观察器等的监视EVF。
接着，206是光圈控制电路，根据由取样保持电路204提供的影像信号控制光圈驱动电路207，为了将影像信号的电平变成规定电平的一定值，自动控制ig测量器以控制光圈202的开口量。213、214是为了在取样保持电路204输出的影像信号中抽出用于进行合焦检测所需的高频成分的、不同的频带限制的带通滤波器(BPF)。由第一带通滤波器213(BPF1)及第二带通滤波器214(BPF2)输出的信号，在门电路215及聚焦栅框信号分别被选通。然后在峰值检测电路216检测出峰值后保持的同时，输入到逻辑控制电路217。
此信号称为聚焦电压，由此聚焦电压调节焦点。另外，218是检测聚焦透镜201A的移动位置的聚焦编码器，219是检测变焦透镜201B的焦距的变焦编码器，220是检测光圈202开口量的光圈编码器。这些编码器的检测值，提供给进行系统控制的逻辑控制电路217。逻辑控制电路217根据与规定的合焦检测领域内相当的影像信号，进行对被摄体的合焦检测和调焦。即，取入由各带通滤波器213、214提供的高频成分的峰值信息。然后，为了驱动聚焦透镜201A使高频率成分的峰值变到最大，向聚焦驱动电路209提供聚焦电动机210的旋转方向、转速、旋转/停止等的控制信号，并控制。
本发明能够应用于数码照相机(静像照相机)、数码摄像机等固态摄像装置，尤其适用于能够拍摄高速运动的被摄体的固态摄像装置。
权利要求
1.一种固态摄像装置，具有排列了多个至少设置了光电转换部和用于将上述光电转换部发出的信号放大输出的晶体管的像素而形成的光电转换像素部、和将与上述光电转换像素部的至少一部分像素对应的模拟存储单元排列为二维状而形成的存储部，其特征在于具有与将各自排成一列的上述像素共同连接的多个输出线分别连接，通过将上述像素发出的信号钳位，除去上述像素的噪声的多个耦合电容；与上述多个耦合电容分别连接，用于将上述耦合电容发出的信号电压放大，写入上述模拟存储单元的多个放大器；以及，用于除去上述放大器和上述模拟存储单元的至少一方的输出偏置的电路装置。
2.根据权利要求1所述的固态摄像装置，其特征在于上述耦合电容为第1耦合电容时，上述放大器是反馈型的结构，具有用于将上述放大器的输出端子和输入端子电容耦合的第2耦合电容，通过上述第1耦合电容和上述第2耦合电容的比，决定上述放大器的增益。
3.根据权利要求1所述的固态摄像装置，其特征在于上述模拟存储单元是至少具有信号存储电容、用于写入信号的晶体管及用于将该信号放大的晶体管的放大型存储单元。
4.根据权利要求1所述的固态摄像装置，其中，上述电路装置具有存储上述输出偏置的第1存储电容，将上述输出偏置传送到上述第1存储电容的第1传输晶体管，存储上述模拟存储单元发出的信号的第2存储电容，将上述模拟存储单元发出的信号传送到上述第2存储电容的第2传输晶体管。
5.根据权利要求4所述的固态摄像装置，具有将来自上述电路装置的上述输出偏置和上述信号进行减法运算的装置。
6.一种照相机，其特征在于，具有权利要求1所述的固态摄像装置、使光在该固态摄像装置成像的光学系统和处理来自该固态摄像装置的输出信号的信号处理电路。
全文摘要
本发明，提供能够得到像素的动作时间差小，且高SN比的传感器输出的固态摄像装置。在具有排列了多个至少设置了光电转换部和用于将上述光电转换部发出的信号放大输出的晶体管的像素而形成的光电转换像素部1，将与上述光电转换像素部1的至少一部分像素对应的模拟存储单元排列形成的存储部9、10的固态摄像装置中，具有分别与将像素的一列共同连接的多个输出线连接，通过将像素发出的信号钳位，除去像素的噪声的多个耦合电容体5；与多个耦合电容体5分别连接，用于将耦合电容体发出的信号电压放大的多个放大器24；分别与多个放大器24连接，用于输出各放大器的输出偏置和放大了的信号的电路装置25、26、27、28。
文档编号H04N5/341GK1697493SQ20051007026
公开日2005年11月16日 申请日期2005年5月13日 优先权日2004年5月13日
发明者筱原真人 申请人:佳能株式会社