物理量分布检测器、物理信息获取装置及其方法

摘要

提供了一种基于变化信息获取用于预定目的的物理信息的物理信息获取方法，该变化信息是在对于物理量的预定检测条件下利用用于物理量分布检测的部分被获取到的。该用于物理量分布检测的部分包括用于检测相应于检测器上的入射产生的物理量的变化的变化信息的检测器、和用于基于以预定顺序布置的检测器检测到的变化信息输出单元信号的单元组件。在所述物理信息获取方法中，载波信号基于检测器检测到的变化信息被转换成与频率相关的信号。利用与频率相关的信号获取用于预定目的的物理信息。

说明书

技术领域

本发明涉及物理量分布检测器、物理信息获取方法和物理信息获取装置。更具体地，本发明涉及一种获取用于预定目的的信息的技术，其适合于采用用于物理量分布检测的部件(物理量分布检测器)，例如具有多个单元组件的固态成像装置，该装置对于外部输入的电磁波诸如光和辐射具有敏感度，通过进行排列能够以电信号读出由单元组件转换成电信号的物理量分布。具体地，本发明涉及一种在将由检测器检测到的模拟信号直接发送到输出侧作为模拟信号或者将模拟信号转换成数字数据之后时的噪声阻抗特性。

背景技术

物理量分布检测半导体装置在许多领域中得到应用，其拥有以矩形形状线形排列的多个单元组件(例如，像素)。这些单元组件对于从外部输入诸如辐射或压力(通过接触等)的光和电磁波的物理量变化具有灵敏度。

例如，在视频设备领域中采用了固态成像装置。固态成像装置利用电荷耦合器件(CCD)类型或者金属氧化物半导体(MOS)或者互补金属氧化物半导体(CMOS)类型的成像装置，其检测光(一种典型的电磁波)的变化，其中光是物理量的一个示例。

在计算机设备领域采用了指纹鉴别仪器等。指纹鉴别仪器以基于压力的电特性变化或者光学特性变化为基础检测指纹的图像。指纹鉴别仪器等以电信号读出由单元组件(固态成像装置中的像素)转换成电信号的物理量分布。

在这些固态成像装置中，存在放大型(amplification-type)固态成像装置。该放大型固态成像装置包括放大型固态成像装置(有效像素传感器(APS)；也被称为增益单元或者像素内放大器(intra-pixel amplifier))结构的像素，该结构在像素信号发生器中具有用于放大的驱动晶体管，该像素信号发生器产生与由电荷发生器产生的信号电荷相应的像素信号。例如，许多CMOS固态成像装置采用了这种结构(参考，例如Kazuya Yonemoto asics and Applicationof CCD/CMOS Image Sensor？CQ Publishing Co.，Ltd.，August 10，2003，Firstedition，Chapter 6 and 7(非专利文献1)。

在这种放大型固态成像装置中，为了向外部读出像素信号，对于成像区域采用了寻址控制，在所述成像区域中排列了多个单元像素，并且以预定顺序的寻址方式或者任意方式选择并读出来自各个单元像素的信号。换句话说，放大型固态成像装置是寻址控制型固态成像装置的一个示例。

在寻址控制型的固态成像装置中，MOS晶体管应用在例如选择像素的开关元件和读取信号电荷的开关元件中。MOS晶体管还应用在水平扫描电路和垂直扫描电路中。寻址控制类固态成像装置的优势在于能够连续地生产开关元件和成像区域。

例如，在MOS固态成像装置中，各个单元像素拥有MOS晶体管。MOS固态成像装置将通过光电转换累积在像素中的信号电荷读取到信号发生器，把信号电荷转换成电流信号或者电压信号，并输出电流信号或电压信号。

例如，在放大型固态成像装置中，利用MOS结构等有源装置(MOS晶体管)构成像素，用来为像素提供放大功能，该放大型固态成像装置是X-Y寻址类型(X-Y address-type)固态成像装置，其中单元像素以矩阵形状排列。换句话说，累计在充当光电转换元件的光电二极管中的信号电荷(光电子和空穴)由像素信号发生器的有源装置进行放大，并作为图像信息读取。

在X-Y寻址类型固态成像装置中，例如，成像区域包括排列成二维像素形状的大量像素晶体管。相应于入射光的信号电荷的累积开始于每行(排)或者每个像素。基于累积的信号电荷的电流信号或电压信号根据地址指定按照顺序从各个像素中读出。在MOS(包括CMOS)固态成像装置中，通常采用一种用于同时访问一行中的像素并以列为单位从成像区域中读取像素信号的系统(下文中还称为行读出系统或列读出系统)作为寻址控制的示例。

图14是列读出系统的固态成像装置1的示意图。该固态成像装置1包括驱动控制单元7，该驱动控制单元具有围绕像素阵列结构的成像区域10的水平扫描单元12和垂直扫描单元14，成像区域中多个单元像素3排列成行和列。驱动控制单元7除了包括水平扫描单元12和垂直扫描单元14外，还包括锁相环(PLL)结构的定时控制单元11，其从外部接收主时钟CLK0，产生各种内部时钟，并控制水平扫描单元12和垂直扫描单元14等。驱动控制单元7还包括：用作信号处理器的列处理器20，用于处理从成像区域10输出的信号；具有选择开关(SW)60a的水平选择开关元件60；水平信号线86；以及输出单元88。

例如，在成像区域10，1280个单元像素3以水平方向(H)排列，960个单元像素3以垂直方向(V)排列。各个单元像素3连接到由垂直扫描单元14控制的行控制线15以及将像素信号传送到列处理器20的垂直信号线18。

列处理器20包括列信号处理器22，列信号处理器22包括：噪声去除单元22a，其具有未示出的累积电容，并采用相关双采样(Correlated DoubleSampling)(CDS)处理；和单元(采样和保持(S/H)单元)22b，其对信号进行采样和保持(S/H)。

采用这种结构，在用来处理一行的一个H周期(例如，63.3μs)中，从成像区域10读取像素信号的周期是大约8.5μs，并且用于由水平选择开关单元60进行的水平传送的周期是大约54.8μs的剩余周期(remaing period)。

从成像区域读出的模拟像素信号在必要时由模拟数字转换器(AD转换器)转换成数字数据。例如在图14的结构中，AD转换器(ADC)被安装在输出单元88中。

通常，像素信号以信号分量被加到复位分量的形式输出，。因此，有必要通过计算相应于复位分量的信号电压与相应于信号分量的信号电压之间的差，提取出真实有效的信号分量。

这同样应用于当模拟像素信号被转换成数字数据时。最后，有必要将相应于复位分量的信号电压和相应于信号分量的信号电压的差信号分量转换成数字数据。因此，提出了各种用于AD转换的机制(参考，例如，非专利文献1；W.Yang等人，n Integrated 800×600CMOS Image System？ISSCC Digest ofTechinal Papers，pp.304-305，Feb.1999(非专利文献2)；Toshifumi Imamura，Yoshiko Yamamoto，？.Study of High-speed/function CMOS Image Sensor？[online]，[2004年3月15日检索]，Internet URL：http：//www.sankaken.gr.jp/project/iwataPJ/report/h12/h12index.html(非专利文献3)；ToshifumiImamura Yoshiko Yamamoto，Naoya Hasegawa，？.Study of High-speed/functionCMOS Image Sensor？[online]，[2004年3月15日检索]，URL：http：//www.sankaken.gr.jp/project/iwataPJ/report/h14/h14index.html(非专利文献4)；和Oh-Bong Kwon等人，Novel Double Slope Analog-to-DigitalConverter for a High-Quality 640×480CMOS Imaging System？VL3-03 1999IEEE p335 to 338)(非专利文献5))。

例如，非专利文献1到5公开了这样一种机制，即，用来对于每行顺序地将排列成矩阵形状的像素的信号输出读取到垂直数据线，然后利用为每条垂直数据线提供的AD转换器将信号输出转换成数字数据。这种AD系统在下文中也被称为列ADC系统。

在非专利文献1到5中公开的AD转换(列ADC系统)机制中，为了更详细的解释，比较来自于成像区域的像素信号和斜坡波形电压(参考信号RAMP)、以固定斜率变化的电压值，并且通过计数器时钟计数用于比较处理的时间。具体地，计数基本上与比较同时开始，并且输出表示当比较器输出反转时的斜波波形电压的计数器的值(数字数据)，其中各个垂直列的像素信号被转换成对于每个垂直列的数字像素数据。

图15是列ADC系统的固态成像装置1的示意图。固态成像装置1包括提供在成像区域10外的驱动控制单元7、具有计数处理器(CNT)23和为每个垂直列配置的列AD电路24的列处理器20、包括数字模拟转换器(DAC)的参考信号发生器26、以及输出单元88，该数字模拟转换器将用于AD转换的参考电压提供给列处理器20的列AD电路24，该输出单元具有采用数字信号处理的读出放大器的功能。

列AD电路24包括：电压比较器242，其比较由参考信号发生器26产生的参考电压RAMP和从单元像素3通过对于每个行控制线15(V1，V2，...)的垂直数据线18(H1，H2...)获得的模拟像素信号；和数据存储单元244，包括用作存储装置的两组n锁存器(触发器)，存储装置为每个位数据保存由计数时间获得的结果直到电压比较器242利用计数处理器23完成比较处理。列AD电路24具有n位AD转换功能。由于列AD电路24具有两组n锁存器，所以可能彼此分开保存相应于复位分量的数据和相应于信号分量的数据。

由参考信号发生器26产生的步进式参考电压RAMP通常被输入到一个电压比较器242的一个输入端和其他电压比较器242的一个输入端。分别相应于电压比较器242的垂直列的垂直数据线18连接到电压比较器242的其他输入端。来自成像区域10的像素信号电压分别输入到电压比较器242。电压比较器242的输出信号被提供给数据存储单元244。

计数处理器23以相应于主时钟CLK0的计数器时钟CK0为基础执行计数处理(例如两个时钟的时钟频率是相等的)，并且通常将计数输出CK1、CK2、...、CKn同用于同步的计数器时钟CK0一起提供给列处理器20的各个列AD电路24。

换句话说，对于来自计数处理器23的各个计数输出CK1、CK2、...、CKn的引线，被引入到为每个垂直列配置的数据存储单元244的各个锁存器中。因此，各个垂直列的列AD电路24通常采用一个计数处理器23。

各个列AD电路24的输出侧连接到水平数据线86。水平数据线86具有宽度为2n位的数据线。数据被提供给2n读出放大器，该放大器相应于未示出的在输出单元88中的各个输出线。输出单元88中提供了未示出的减法电路。输出单元88通过计算相应于复位分量的数据和相应于信号分量的数据之间的差来提取真实有效的信号数据。

根据这种列ADC系统，由于AD转换在各个列(垂直列)中执行，因此列ADC系统对读取和AD转换处理速度的增加是有利的。

发明内容

然而，如上所述，过去的物理量分布检测半导体系统通过光电转换将累积在像素中的信号电荷读取到像素信号发生器，并将信号电荷转换成电流信号或电压信号，并输出电流信号或电压信号。

这意味着电压幅值或电流幅值根据信号电荷的量被设定为高电平或低电平，并且单元信号的量根据电平的差被分配来传输信息。因此，输出信号容易受到基底偏置效应和引线长度的影响，并且在噪声阻抗特性上很差(第一个问题)。

在AD转换中，因为AD转换执行在信号电荷转换成电流信号或电压信号之后，因此基底偏置效应和引线长度的影响出现在AD转换结果中。因此，第一个问题也会出现。

此外，在列ADC系统中，当试图把列ADC系统应用到大规模(20百万像素)和高速(500fps)CMOS成像传感器中时，就会出现下述问题。

例如，当斜坡数据线的长度增加时，阻抗，引线电容，以及相连的门电路总的电容就会增加。阻抗，引线电容以及门电路总电容的值根据在CMOS成像传感器芯片中的位置而改变。这些值随着斜坡数据线的增长而更受影响。因此，斜坡数据线的电压(参考信号RAMP)根据在CMOS成像传感器芯片中的位置而改变。因此，很难准确地校正各个像素的感色敏感度，并且感色敏感度作为图像遮蔽(shading)出现(第二个问题)。

当试图启动具有大芯片尺寸和高转换速度的CMOS成像传感器时，这个问题更明显。换句话说，当传感器的芯片尺寸增加并且需要高的转换速度时，很难准确和快速地传输用于AD转换处理的参考信号到所有的比较器。这就使得很难执行正确的敏感度校正(在彩色图像的情况下，感色敏感度校正)。

当像素的数量增加时，利用参考信号的AD转换可能需要一处理周期。图15中示出了过去的列ADC系统的构造，其很难进行高速AD转换。为了降低AD转换处理时间，可能想到增加计数器时钟CK0的频率。然而，必须将用于同步的计数器时钟CK0和来自于计数处理器23的各个计数输出CK1，CK2，...，CKn引入到为每个垂直列配置的数据存储单元244的各个锁存器中。噪声和能量损耗由于引线而增加(第三个问题)。

希望提供一种新的机构，其能够解决第一到第三个问题中的至少一个。

根据本发明实施例的物理量信息获取方法是一种基于变化信息获取用于预定目的的物理信息的物理信息获取方法，所述变化信息是在对于物理量的预定检测条件下利用用于物理量分布检测的部分而获取到的。所述用于物理量分布检测的部分包括用于检测与检测器上的入射产生的物理量的变化相应的变化信息的检测器、和用于基于以预定顺序布置的检测器检测到的变化信息输出单元信号的单元组件。在物理信息获取方法中，基于检测器检测到的变化信息将载波信号转换成与频率相关的信号。利用与频率相关的信号来获取用于预定目的的物理信息。

根据本发明实施例的物理量信息获取装置是一种适于执行物理信息获取方法的装置。该物理信息获取装置包括信号转换器，用于基于检测器检测到的变化信息将载波信号转换成与频率相关的信号。物理信息获取装置利用信号转换器产生的与频率相关的信号获取用于预定目的物理信息。

根据本发明另一个实施例的物理量分布检测器是一种装置，其用来实现物理信息获取方法和物理信息获取装置。该物理量分布检测器在单元组件以预定顺序配置的检测区域上包括信号转换器，其以检测器检测到的变化信息为基础将载波信号转换成与频率相关的信号，以及AD转换处理器，其用设置为处理对象信号(processing object signal)的检测器检测到的变化信息，利用信号转换器产生的与频率相关的信号将处理对象信号转换成数字信号。

在本发明的其他实施例中，提供了物理信息获取方法、物理信息获取装置以及物理量分布检测器的进一步有利的具体实例。

例如，也可能还包括AD转换处理器，其用设置为处理对象信号的检测器检测到的变化信息，利用信号转换器产生的与频率相关的信号将处理对象信号转换成数字信号。

信号转换器和AD转换处理器可能被提供在检测区域的外部，检测区域中单元组件以预定顺序布置。然而，还可能在检测区域提供信号转换器和AD转换处理器。在后一种情况中，所希望的是信号转换器和AD转换处理器占用的区域不会影响检测器中对于物理信息的检测处理。

在这种情况下，当在检测区域上仅提供了信号转换器时，作为减少信号转换器数量和AD转换处理器数量的方式，可取的是提供选择开关单元，其将一个信号转换器分配给多个单元组件或者将一个输出端分配给多个信号转换器。

当在检测区域上同时提供信号转换器和AD转换处理器时，可取的是提供选择开关单元，其将一个输出端子分配给多个信号转换器和/或AD转换处理器。在没有说明的情况下选择开关单元也提供在检测区域上。

当信号转换器，AD转换处理器和选择开关单元提供在检测区域上时，优选的是物理量分布检测器是背光(back-illuminated)型检测器。该背光型意味着检测器具有半导体元件层，其中信号转换器，AD转换处理器和选择开关单元形成在元件层的形成有检测器的一个表面侧，物理量从元件层的另一个表面侧被引入到检测器上。

所有的信号转换器，AD转换处理器，以及选择开关单元没有必要都提供在同一半导体元件层中。至少信号转换器，AD转换处理器，以及选择开关单元仅必须被形成在另一表面侧的相对侧上的任意数量的半导体元件层中。例如，信号转换器，AD转换处理器，以及选择开关单元可以分别提供在不同的半导体元件层中。

信号转换器仅必须具有一种功能，该功能以检测器检测的变化信息为基础将载波信号转换成与频率相关的调制信号。可以提供频率调制器，其根据充当调制信号的变化信息调制载波信号的频率分量本身，或者可以提供相位调制器，其根据充当调制信号的变化信息调制载波信号的相位分量。

可取的是AD转换处理器将处理对象信号，其是检测器检测到的变化信息，转换成数字数据，这是通过将预定计数对象脉冲的宽度根据从信号转换器输出的信号进行计数处理。在这种情况下，可取的是采纳用于降低频率的机构，从而减少由计数器时钟引线和待测量门信号引线引起的诸如噪声和功率损耗等问题。

例如，当频率调制器被提供作为信号转换器时，参考信号的脉冲宽度仅必须根据频率调制器的输出信号进行计数。降低用作门信号的参考信号的频率是有可能，其中门信号用于AD转换的计数处理，通过利用作计数器时钟的从信号转换器输出的信号对参考信号的脉冲宽度进行脉冲计数。可选择的，还有可能划分频率调制器的输出信号，以及利用作为门信号的输出信号来降低门信号的频率，并根据参考信号计数其脉冲宽度。

当相位转换器被用作信号转换器时，提供一鉴相器是足够的，其以预定频率的参考信号和从相位调制器输出的信号为基础提取相位信息，以及根据预定频率的参考信号或者从相位调制器输出的信号对表示从鉴相器输出的相位信息的数对象脉冲的宽度进行计数。

在这种情况下，可取的是采用一种机构来降低表示相位信息的计数对象脉冲的频率。这意味着降低了计数对象脉冲的频率，该计数对象脉冲用作在AD转换计数处理中使用的门信号。

当参考分量和包括参考分量和信号分量的模拟处理对象信号的差信号分量作为AD转换处理器的结构时，所希望的是包括一计数处理器，其以向下计数模式和向上计数模式之一执行计数处理，并且在处理完成时保持计数值。在这种情况下，根据处理是应用到参考分量还是信号分量来转换计数处理的模式是可取的。

当计数处理的模式转换处理时，首先，第一处理时，向下计数模式和向上计数模式中一种的计数处理被应用到一信号，该信号相应于参考分量和在从诸如像素的相同单元元件输出的一个处理对象信号中具有不同物理特性的信号分量中的一个。处理完成时的计数值得到保持。

第二处理时，向下计数模式和向上计数模式中另一种的计数处理被应用到参考分量和信号分量中的另一个。计数值在比较处理完成时得到保持。

因此，在第二处理后保持的计数值是第一处理中的计数值和第二处理中的计数值之间的差。换句话说，相应于参考分量和信号分量之间差的数字值通过转换计数模式执行两次计数处理而获得，并作为第二计数处理的计数值。

进行第二处理中的计数处理的信号分量仅必须表示处理对象信号中至少一个真实信号分量。该信号分量不是仅意味着真实信号分量，并且实际上可能包括噪声分量，复位分量以及包括在处理对象信号中的类似分量。

参考分量和信号分量是相关的分量。参考分量和信号分量的差别信号分量仅必须是在从诸如像素的相同单元元件输出的一个处理对象信号中具有不同物理特性的两个信号分量之间的差别分量。

在将计数处理应用到参考分量和信号分量中时，可取的是通过利用从作为计数器时钟的信号转换器中输出的信号对预定计数对象脉冲的宽度进行脉冲计数来获得相应于参考分量和信号分量的各个幅值的计数值。降低AD转换的计数处理中使用的门信号的频率是可能的。

在以向下计数模式和向上计数模式执行计数处理时，可取的是在利用通用上下计数器(up-down counter)时转换处理模式。这就会减小用作计数处理的计数器电路的大小。此外，在转换两个模式时通过执行计数处理直接执行对于参考分量和信号分量的减法处理。这就不再需要专用的减法器，来计算参考分量和信号分量之间的差。

可取的是在第二处理中从第一处理中保持的计数值开始计数处理。从而，在第二处理后保持的计数值是参考分量和数字分量之间差本身的数字值。

如果施加到参考分量的计数处理作为第一处理和施加到信号分量的计数处理被作为第二处理，第二处理后保持的计数值是通过从对于信号分量的计数值中减去对于参考分量的计数值来获得。

当诸如像素的单元组件的处理对象信号是其中信号分量按时间序列出现在参考分量之后的信号时，第二处理是对通过将信号分量加到参考分量上得到的信号的处理。第二处理后保持的计数值表示单元组件的信号分量。

如果对于参考分量的处理以向下计数模式执行并且对于信号分量的处理以向上计数模式执行，当获得执行两次处理后保持的计数值时，通过从对于信号分量的计数值中减去对于参考分量的计数值来获得的数字值是一正值。

当上述两种类型处理组合时，如果向下计数处理作为第一处理对参考分量执行并且向上计数处理作为第二处理对信号分量执行，作为第二处理后保持的计数值，通过从对于信号分量的计数值中减去对于参考分量的计数值来获得的数字值是一正值。当单元组件的处理对象信号是其中信号分量按时间序列出现在参考分量之后的信号时，表示单元组件有效信号分量的数字信号被方便地作为正值获得。

可取的是在另一个数据存储单元中保持在第二处理中保持的有关最后处理对象信号的计数值，并且，当第一处理和第二处理被应用到当前处理对象信号时，与第一处理和第二处理并行执行从数据存储单元读取计数值的处理。简而言之，通过流水线处理执行利用计数处理的AD转换处理和将AD转换结果读取到外部的读出处理，缩短了整体处理时间。当并行执行AD转换处理和读出处理的流水线操作被执行时，保持进行AD转换的数据的存储器装置仅必须提供给每个AD转换器的一个系统。尽可能的抑制电路面积的增加是可能的。

可能利用AD转换处理在一个用于物理量分布检测的半导体装置中，该装置在单元组件中包括电荷发生器，产生相应于入射到检测器上的电磁波的电荷，以及一单元信号发生器，产生相应于电荷发生器产生的电荷的单元信号，并且具有以矩阵形状排列的单元组件，用来执行将单元信号发生器产生并在列方向输出的模拟单元信号转换成数字信号作为处理对象信号。

当单元组件按这种方式以二维矩阵形状排列时，执行(垂直)以行为单位(与列平行)的扫描读取来访问和获取单元信号发生器产生并在列方向上输出的模拟信号，并以行为单位对各个单元组件执行第一处理和第二处理，从而能够增加单元信号读取和AD转换的速度。

当单元组件按照二维矩阵形状排列时，如果信号转换器和AD转换处理器在检测区域外部提供，在一行方向上提供多个信号转换器和多个AD转换处理器是可取的，该行方向是单元组件的列的排列方向。

可取的是信号转换器以行为单位获取由单元信号发生器产生并以列方向输出的模拟单元信号，并且AD转换处理器将由各个AD转换处理器实现的处理以行为单位应用到各个单元组件。单元信号发生器具有用于放大的半导体元件是可取的。

如果电荷发生器具有光电转换元件，其接收以电磁波辐射的光并产生相应于接收到的光的电荷，将半导体装置构造成固态成像装置是可能的。

附图说明

在下述附图中：

图1A和1B是CMOS固态成像装置的示意图，其是根据本发明第一实施例的物理信息获取装置的一种形式；

图2A到2C是对提供在列信号处理器22中的信号转换器100和AD转换器120进行解释的图；

图3是对图1A中示出的第一实施例的第一个实例中固态成像装置的列信号处理器(具体地，信号转换器和AD转换器)的操作进行解释的时序图；

图4是对图1A中示出的第一实施例的第二个实例中固态成像装置的列信号处理器(具体地，信号转换器和AD转换器)的操作进行解释的时序图；

图5是CMOS固态成像装置的图，其是根据本发明第二实施例的物理信息获取装置的一种形式；

图6是对图5中示出的第二实施例中固态成像装置的列信号处理器(具体地，信号转换器和AD转换器)的操作进行解释的时序图；

图7A和7B是解释CMOS固态成像装置的图，其是本发明的第三实施例的第一实例中物理信息获取装置的一种形式；

图8A和8B是解释CMOS固态成像装置的图，其是本发明的第三实施例的第一实例中物理信息获取装置的一种形式；

图9A和9B是解释CMOS固态成像装置的图，其是本发明的第三实施例的第二实例中物理信息获取装置的一种形式；

图10是解释CMOS固态成像装置的图，其是本发明的第四实施例的第一实例中物理信息获取装置的一种形式；

图11A和11B是解释CMOS固态成像装置的图，其是本发明的第四实施例的第二实例中物理信息获取装置的一种形式；

图12A和12B是解释CMOS固态成像装置的图，其是根据本发明的第五实施例的物理信息获取装置的一种形式；

图13A和13B是适用于实现第三到第五实施例的、背光(back-illuminated)类型结构的成像区域10的一个实例以及外围电路单元的截面图；

图14是列读出系统的固态成像装置的示意图；和

图15是列ADC系统的固态成像装置的示意图。

具体实施方式

以下将参考附图对发明实施例进行详细描述。在下面解释的实例中，采用了CMOS成像装置作为装置，该CMOS成像装置是X-Y寻址类型的固态成像装置的一个实例。

然而，这里仅是下述本发明实施例应用的实例和装置，其并不仅限于MOS成像装置。这些实施例可以施加到用于物理量分布检测的所有半导体装置，其具有多个单元组件，布置成线形或者矩阵形状，并对诸如辐射等从外部输入的光和电磁波具有敏感度。

成像设备的原理结构；第一实施例

图1A和1B是CMOS固态成像装置的示意图，其是根据本发明第一实施例的物理信息获取装置的一种形式。该实施例中的固态成像装置1用在摄影设备中，例如，摄影部件产品、电子静止照相机或者能够获得彩色图像的工厂自动化(FA)照相机。固态成像装置1是物理量分布检测器的一个实例。

该固态成像装置1具有成像区域，其中单元像素配置成行和列的方形点阵形状(也就是，二维矩阵形状)，其包括用作未示出的检测器的光接收元件，输出相应于入射光量的信号。固态成像装置1是列类型固态成像装置，其中来自于各个单元像素的信号输出是电压信号，并且为每个垂直列提供了相关双采样(CDS)处理功能单元和其它功能单元。

第一实施例的构成具有的特征在于：在列处理器20中提供了功能单元，其以反应光量的信号电荷为基础将载波信号转换成与频率相关的信号，其是本发明实施例的一个特征部件。固态成像装置1将在下面详细解释。

如图1A所示，第一实施例中的固态成像装置1包括：成像区域(像素单元)10，也就是，区域传感器单元，其中大量的单元像素3(单元组件的一个实例)按行和列(以二维形状)配置；提供在成像区域10外侧的驱动控制单元7；包括列信号处理器(图中以各个垂直列配置的列电路22)的列处理器20；以及水平选择开关单元60。尽管未在图中示出，外部电路提供在电路板上，与具有成像区域10的半导体区分离。

读出电流源单元27提供在成像区域10和列处理器20之间的信号通道(垂直数据线18)上。在读出电流源单元27中，配置了未示出的负载晶体管单元，其包括负载MOS晶体管，其漏极端子连接到具有信号读出线和读出电流源线功能的各条垂直数据线18。提供了控制驱动各个负载MOS晶体管的负载控制单元(负载MOS控制器)。在这种情况下，每次为了例如降低电流的消耗量和消除寄生电容上累积的电荷的影响的目的转换到读出行时，控制垂直数据线18的电流源的开和关。

驱动控制单元7包括例如水平扫描单元12和垂直扫描单元14。作为驱动控制单元7的其它组件，提供了驱动信号操作单元(读出寻址控制装置的一个例子)16。驱动信号操作单元将预定定时的控制脉冲提供给固态成像装置1的各个功能单元，诸如水平扫描单元12、垂直扫描单元14、以及列处理器20。

利用与半导体集成电路制造技术相同的技术将驱动控制单元7的各个组件形成在诸如与成像区域10结合的单晶硅的半导体区上。这些组件构成固态成像装置，其是半导体系统的一个实例。

在图1A中，为了简化显示未示出部分行和列。然而，实际上，在成像区域10的各个行和各个列中配置了数十到数千个单元像素3。尽管未在图中示出，色分离过滤器和具有预定颜色编码的单片(on-chip)透镜形成在各个像素中。此外，尽管未在图中示出，成像区域10的各个单元像素3由诸如光电二极管或者光门(photogate)的光电转换元件和晶体管电路构成。

单元像素3分别通过用于垂直列选择的垂直控制线15和用作传输线的垂直数据线18与垂直扫描单元14和列处理器20相连。垂直数据线18传送像素信号S0(S0_1到S0_h；1到h是一行中像素的数量)，该像素信号是在由多个检测器检测到并由具有放大元件的单元信号发生器放大后从单元像素3中输出的。

水平扫描单元12和垂直扫描单元14响应于从驱动信号操作单元16给出的驱动脉冲开始移位操作(扫描)。用于驱动单元像素3的各种脉冲信号包括在垂直控制线15中。

水平扫描单元12包括：水平寻址设定单元12x，其在水平方向(水平方向上的地址)上定义了读出列(选择在列处理器20中的各个列信号处理器22)；以及水平驱动器12y，其根据由水平寻址设定单元12x定义的读出地址将列处理器20的各个信号通向水平数据线86。

尽管未在图中示出，水平寻址设定单元12x包括移位寄存器或者解码器。水平寻址设定单元12x具有作为选择装置的功能，其以预定顺序选择来自列信号处理器22的像素信息，并将选择的像素信息输出到水平数据线86。

垂直扫描单元14包括：垂直寻址设定单元14x，其在垂直方向上定义读出行(垂直方向上的地址)，并且在水平方向上定义读出列(水平方向上的地址)(选择成像区域10的行)；以及垂直驱动器14y，其在由垂直寻址设定单元14x定义的水平行方向上将脉冲提供给行控制线15用于读出地址上的单元像素3，并且驱动单元像素3。

尽管未在图中示出，垂直寻址设定单元14x还包括执行行电子快门(shutter)控制的快门移位寄存器，而非执行行读出信号基本控制的垂直移位寄存器或解码器。

垂直移位寄存器是一种用来以行为单元选择各个单元像素3来读出来自于成像区域10的像素信息的移位寄存器。垂直移位寄存器与各个行的垂直驱动器14y一同构成了信号输出行选择单元。快门移位寄存器是一种用来以行为单元选择各个像素来执行电子快门操作的寄存器。快门移位寄存器与各个行的垂直驱动器14y一起构成了电子快门行选择单元。

尽管未在图中示出，驱动信号操作单元16包括：定时脉冲信号发生器TG(读出寻址控制装置的一个实例)的功能块，其提供操作各个单元所必需的预定定时的时钟和脉冲信号；以及通讯接口的功能块，其经由端子1a接收输入时钟CLK0和指示操作模式等的数据，并经由端子1b输出包括固态成像装置1的信息的数据DATA。驱动信号操作单元16输出水平寻址信号到水平寻址设定单元12x，并输出垂直寻址信号到垂直寻址设定单元14x。寻址设定单元12x和14x接收地址信号，并选择相应于地址信号的行或列。

驱动信号操作单元16可能被提供为分离的半导体集成电路，独立于诸如成像区域10和水平扫描单元12的其它功能元件。在这种情况下，作为半导体系统的一个实例的成像装置由包括成像区域10、水平扫描单元12和驱动信号操作单元16的成像装置建立。该成像装置可以被提供为一种成像模块，其具有信号处理电路、电源电路、和类似的周边电路。

列处理器20包括各个垂直列的列信号处理器22。作为对一行中像素信号的响应，各个列信号处理器22处理相应列的图像信号S0(S0_1到S0_h；1到h是一行中的像素的数量)，并输出处理过的像素信号S1(S1_1到S1_h；1到h是一行中的像素的数量)

例如，尽管未在图中示出，列信号处理器22包括具有存储电容器的存储单元。列信号处理器22可能具有线存储结构的信号保持功能，用来基于经由垂直数据线18从单元像素3读取的像素信号(单元信号)S0为了预定目的存储表示物理信息的电位信号Vm。此外，列信号处理器22可能具有噪声去除单元的功能单元，其也具有存储电容器并利用相关双采样(CDS)处理。

在执行CDS处理中，列信号处理器22去除称作固定模式噪声(FPN)的噪声信号分量，并归因于各个像素的固定变化通过基于从驱动信号操作单元16给出的两个采样脉冲，即采样脉冲SHP和采样脉冲SHD，对经由垂直数据线18输入的电压模式的像素信息应用计算像素复位后瞬间的信号电平(噪声电平；0电平)和真实信号电平之间的差的处理，以便复位噪声。

在CDS处理功能单元等的后一阶段如果必要还可能提供具有信号放大功能、其他处理功能电路等的自动增益控制(AGC)电路。

如在后面更详细描述，作为如图1B所示对于本实施例特有的构成，列信号处理器22包括作为功能单元的信号转换器100，其基于反映光量的信号电荷将载波信号转换成与频率相关的信号。在信号转换器100的后一阶段(poststage)，还可能提供脉冲计数系统的AD转换器120，其通过基于调制的载波信号(调制信号)执行数字计数处理实现AD转换。

信号转换器100仅必须具有一种功能，其用来基于通过成像区域10获取的电压模式的像素信号将载波信号转换成与频率相关的信号。此外，信号转换器100仅必须包括根据用作调制信号的像素信号调制载波信号的频率f本身的用作频率调制器的电压/频率转换器(V/F)102，或者包括根据用作调制信号的像素信号调制相位的用作相位调制器的电压/相位转换器(V/P)106。

AD转换器120提供在信号转换器100的后一阶段，仅必须是基于由信号转换器100调制的载波信号(调制信号)执行数字计数操作的单元。可以采用两种结构，一种结构将调制信号的脉冲宽度或相位波动(phase fluctuation)宽度根据参考信号进行计数处理以及一种结构将参考信号的脉冲宽度或者参考信号的相位波动宽度根据调制信号进行计数处理，也就是，根据调制信号对每个设定时间内脉冲的数量进行计数。

从成像区域10输出的像素信号由诸如复位电平的参考电平和叠加在复位电平上的真实信号电平表示。因此，为了提取出真实的信号电平，像素信号进行复位电平和信号电平之间的差处理。在这种情况下，在信号转换器100和AD转换器120的关系中，可以通过计算复位电平和信号电平中各自脉冲数量的差来实现差处理。此外，诸如电压控制振荡器的频率偏移和相位偏移等的信号转换器100的个体差异也可以通过该差处理得到消除。

水平选择开关单元60包括未示出的用于水平读出的开关(选择开关)，提供在列处理器20的后一阶段。各个垂直列的列信号处理器22的输出端连接到相应于各个垂直列的水平选择开关单元60的选择开关的输入端子i，用来顺序地从列信号处理器22中读出像素信号S2。

水平选择开关单元60的各个垂直列的控制极端子c连接到水平扫描单元12的水平驱动器12y，其控制并驱动在水平方向上的读出地址。另一方面，水平选择开关单元60的各个垂直列的选择开关的输出端o通常连接到水平数据线86，其顺序地转换并输出在行方向上的像素信号。在水平数据线86的后端提供了输出单元88。

水平数据线86用作输出各个像素信号S0(准确地，基于像素信号S0的像素信号S2)的读出线，像素信号在水平方向，也就是垂直数据线18配置的方向，以预定顺序经由垂直数据线18从各个单元像素3传输。水平数据线86从列信号处理器22提取由为各个垂直列提供的未示出的选择开关选择的信号，并传送该信号到输出单元88。

各个垂直列的电压信号，相应于表示列信号处理器22处理的像素信息的信号电荷，被以预定定时选择，并通过为各个垂直列提供的选择开关读出到水平数据线86，该各个垂直列由相应于来自于水平扫描单元12的水平选择信号H1到Hh的水平读取脉冲g1到gh驱动。然后，电压信号输入到提供在水平数据线86后端的输出单元88。

输出单元88以合适的增益放大通过水平数据线86从成像区域10输出的各个单元像素3的像素信号S2_1到S2_h(h＝n)，并经由输出端子88a提供像素信号到外部电路作为成像信号S3。输出单元88在一些情况下例如仅执行缓冲，并且在其他情况下缓冲之前执行黑色电平调整(black level adjustment)、列波动校正(column fluctuation correction)、色彩关系处理(color relationprocessing)以及类似处理。当AD转换功能单元提供在列信号处理器22中时，输出单元88可能具有并行/串行转换功能，并且可能将由列信号处理器22获取的n位并行数字数据转换成串行数据，并输出串行数据。

在该实施例中的列类型的固态成像装置1中，来自于单元像素3的输出信号(电压信号)按这个顺序传送到垂直数据线18，列处理器20(列信号处理器22)，水平数据线86，以及输出单元88。为了驱动固态成像装置1，一行的像素输出信号经由垂直数据线18并行地被传送到列处理器20，并且处理后的信号经由水平数据线86串行地输出。对于像素信号上传到列处理器20的转换操作对一行中的单元像素3同时执行。

只要驱动每个垂直列或者每个水平行是可能的，就可以任意地决定驱动单元像素的脉冲信号是从水平行方向提供到单元像素3还是从垂直列方向提供到单元像素3。换句话说，为提供脉冲信号的驱动时钟信号的物理引线方法是任意的。

在这种一种结构的固态成像装置1中，一种类型的CMOS图像传感器由水平扫描单元12，垂直扫描单元14，控制水平扫描单元12和垂直扫描单元14的驱动信号操作单元16构成，其中该类型的CMOS图像传感器以水平行为单元按照顺序选择成像区域10的各个像素，同时读出所选水平行的像素上的信息。

在输出单元88的后一阶段提供了一外部电路，其形成在一基底上(一印刷电路板或者一半导体基底)，该基底与固态成像装置的基底分离，其中成像区域10、驱动控制单元7等也一体形成在同一半导体区。相应于每个摄影模式的电路构成被采用。

固态成像装置1由包括成像区域10、驱动控制单元7和外部电路的固态成像装置(根据本发明实施例的半导体装置和物理信息获取装置的一个实例)构成。驱动控制单元7也可能与成像区域10和列处理器20分开提供，固态成像装置(半导体装置的一个实例)由成像区域10和列处理器20构成，成像设备(物理信息获取装置的一个实例)由这种固态成像装置和分开的驱动控制单元7构成。

尽管未在图中示出，外部电路包括，例如一模拟数字(A/D)转换器，其将从输出单元88输出的模拟成像信号S3转换成数字成像数据D3，以及数字信号处理器(DSP)，其基于A/D转换器数字化的成像数据执行数字信号处理。当列信号处理器22具有AD转换功能时，外部电路不需要具有A/D转换器。

数字信号处理器具有数字放大器单元的功能，其适当地放大从A/D转换器输出的数字信号，并输出数字信号。数字信号处理器将例如色分离处理应用到数字数据用来产生图像数据RGB，其表示红(R)，绿(G)和兰(B)的各个图像，并且将其它信号处理应用到图像数据RGB用来产生监视输出用的图像数据。数字信号处理器包括一功能单元，其执行信号压缩等处理，来将成像数据存储在存储介质上。

外部电路还包括数字模拟(D/A)转换器，其将由数字信号处理器进行数字处理的图像数据转换成模拟图像数据。从D/A转换器输出的图像数据传送到未示出的诸如液晶显示器的显示装置。操作员能够在查看显示装置上显示的菜单和图像时，执行各种操作诸如成像模式转换。

在该部分解释的一个实例中，在固态成像装置的后一阶段执行信号处理的外部电路提供在固态成像装置(成像芯片)的外部。然而，所有或部分的功能元件(例如，A/D转换器或者数字放大器单元)可能构建在固态成像装置的芯片中。换句话说，外部电路可能形成在与固态成像装置形成在其上的半导体基底相同的半导体基底上，其中成像区域10、驱动控制单元7等也一体形成在同一半导体区。固态成像装置1和物理信息获取装置可以构造成基本上相同的设备。

在图中，固态成像装置1包括与成像区域10一起的水平选择开关单元60和驱动控制单元7。固态成像装置1被构造来起到与物理信息获取装置相同的功能。但是，物理信息获取装置不一直限于这样一种结构。整个的水平选择开关单元60和整个的驱动控制单元7或者它们的部分功能单元不需要整体地形成在与成像区域10形成在其上的半导体区相同的半导体区上。水平选择开关单元60和驱动控制单元7可能形成在一电路板上(这意味着可以是另一个半导体基片，还可以是常用的电路板)，该电路板与成像区域10形成在其上的电路板不同。例如，水平选择开关单元60和驱动控制单元7可能形成在提供了外部电路的电路板上。

信号转换器和AD转换器的细节。

图2A到2C是对提供在列信号处理器22上的信号转换器100和AD转换器120进行解释的图。信号转换器100仅必须具有一功能，其基于像素信号将载波信号转换成与频率相关的调制信号。信号转换器100仅必须根据用作调制信号的像素信号调制频率f本身或者载波信号的相位。

例如，如图2A和2B所示，可能提供该信号转换器100作为采用频率调制(FM)系统的频率调制器，该频率调制系统也就是电压/频率转换(V/F转换)系统。该频率调制(FM)系统是这样一种系统，该系统根据像素信号调制载波信号参数中的频率f，也就是将像素信号的幅值与载波信号的频率相关联。并且根据用作调制信号的像素信号的幅值以固定的幅值改变频率。

例如，电压/频率转换器102偏移，例如一大信号电平到一高/低频率，并且偏移一小信号电平到一低/高频率，用来调制像素信号的信号幅值，从而使得信号幅值与载波信号的频率偏移相等。

原则上，FM调制信号(调制信号Fout1)用作调制信号，通过将用作调制信号的像素信号增加到振荡器上获得，该振荡器能够基于一电压，也就是，电压控制振荡器(VCO)的控制电压控制振荡频率。

人类将由眼睛获得的信息变换成脉冲，并将信息传送到大脑中。如果采用图2A和2B中示出的频率调制系统，就获得了传输相应于光量的频率的机构。这是一种接近于通过人眼进行信息传输的机构的形式。

可选择的，如图2C所示，可能提供信号转换器100作为频率调制器，该频率调制器利用相位调制(PM)系统，也就是电压/相位转换(V/P转换)系统。相位调制(PM)系统是这样一种系统，该系统根据像素信号调制载波信号参数中的相位，也就是将像素信号的幅值与载波信号的相位相关联。并且根据用作调制信号的像素信号的幅值以固定的幅值和频率改变相位。

例如，电压/相位转换器106获取一调制信号Fout2，偏移其，例如一大信号电平到一大/小相位波动，并且偏移一小信号电平到一小/大相位波动，用来调制像素信号的信号幅值，从而使得信号幅值与载波信号的相位偏移相等。

该相位调制系统是这样一种系统，该系统调制载波信号的相位，并且根据调制信号以固定幅值改变信号相位。应该可以说相位调制系统和频率调制系统之间的差别是将调制信号配置成频率本身还是相位。相位调制系统就波形和公式而言与频率调制系统相似。可以考虑相位调制系统具有与频率调制系统相同的特性。

当采用FM系统或者PM系统时，即使载波(调制信号)的幅值，频率或者相位在信号传输时波动，该波动较少影响到由调制信号载送的信号，当在接收侧的输入信号减弱时，SN比率(信号功率与噪声功率的比率)的损耗量较小，并且噪声阻抗特性是令人满意的。

信号转换器100后一阶段提供的AD转换器120基于信号转换器100调制的载波信号(调制信号)执行数字计数处理。

例如，当AD转换器120提供在电压/频率调制器102的后一阶段时，如图2A所示，可以提供一个脉冲计数处理器122，其根据电压/频率转换器102输出的调制信号Fout1将计数处理应用于相对较低频率的参考信号F1的脉冲宽度上。在图2A中所示的结构中，存在一个优点，能够使参考信号F1作为定时门信号，并且降低参考信号F1的频率。即使当参考信号F1接入为每个垂直列配置的AD转换处理器120时，通过降低参考信号F1的频率可能降低由引线引起的噪声以及能量消耗问题。

可选择的，如图2B所示，可以提供一脉冲计数处理器124，其根据从外部输入的相对较高频率的参考信号F1将计数处理应用于从电压/频率转换器102输出的调制信号Fout1的脉冲宽度上。在如图2B所示的结构中，调制信号Fout1用作定时门信号。因此，如果调制信号Fout1被划分，并且根据参考信号F1进行计数处理，那么存在一个优点，能够降低用作计数器时钟的参考信号F1的频率。即使当参考信号F1接入为每个垂直列配置的AD转换器120作为计数器时钟时，通过降低参考信号F1的频率可能降低由引线引起的噪声的问题以及能量消耗问题。

当AD转换器120提供在电压/相位转换器106的后一阶段时，如图2C所示，首先，提供一鉴相器126，其基于预定频率的参考信号F2和从用作相位调制器的电压/相位转换器106输出的调制信号Fout2提取数字处理中的相位信息(执行相位鉴别)。鉴相器126通过执行从外部输入的参考信号F2和从电压/相位转换器106输出的调制信号Fout2之间的鉴相处理，输出表示像素信号的相位波动宽度信号PWo。

此外，提供了一脉冲计数处理器128，其将相应于鉴相器126检测到的像素信号的相位波动宽度信号PWo根据从电压/相位转换器106输出的调制信号Fout2或参考信号F2进行计数处理。

由于相位波动宽度信号PWo用作定时门信号，如果相位波动(相位波动宽度PWo)不仅通过保持调制信号Fout2的频率表示，而且通过降低参考信号F2的频率表示，那么存在一个优点，能够降低作为计数器时钟的参考信号的频率。即使当参考信号F2接入为每个垂直列配置的AD转换器120作为计数器时钟时，通过降低参考信号F2的频率可能降低由引线引起的噪声的问题以及能量消耗问题。

固态成像装置的操作；第一实施例；第一实例

图3是对图1A和1B中示出的第一实施例的第一个实例中固态成像装置1的列信号处理器22(具体地，信号转换器100和AD转换器120)的操作进行解释的时序图。作为一个比较实例，通过比较斜坡类参考信号RAMP和像素信号电压执行AD转换以及根据计数器时钟CLK0对比较计数时间的在先系统的定时由点线示出。

在第一个例子中，如图2A所示，从外部输入的相对低频的参考信号F1的脉冲宽度根据从电压/频率转换器102输出的调制信号Fout1进行计数处理。可选择的，如图2C所示，相应于由鉴相器126检测到的像素信号的相位波动宽度信号PWo根据从外部输入的相对高频的参考信号F2或者调制信号Fout2进行计数处理。简而言之，根据调制信号Fout1或者调制信号Fout2(或者参考信号F1)每个预定时间或者每个相位波动宽度信号PWo的脉冲数得到统计。

作为将成像区域10的每个单元像素3检测到的模拟像素信号转换成数字信号的机构，如上所述，采用了一种方法，其根据参考信号F1，对相应于来自于单元像素3的像素信号中的参考分量或者信号分量的每个电压信号的调制信号Fout1进行脉冲计数。可选择的，可以采用一种脉冲计数脉冲波动宽度信号PWo的方法，其根据参考信号F1基于相应于来自于单元像素3的像素信号中的参考分量或者信号分量的每个信号电压的调制信号Fout2进行鉴相，用来获得相应于参考分量或者信号分量的每个幅值的计数值。

从垂直数据线18输出的像素信号是这样一种像素信号，其中，按时间序列，信号分量Vsig出现在用作参考分量的包括像素信号噪声的复位分量ΔV之后。当计数处理施加到参考分量(复位分量ΔV)作为第一处理时，第二计数处理是对通过将信号分量Vsig加到参考分量(复位分量ΔV)上而获得的信号的处理。该计数处理将在下面详细解释。

对于第一读出(也称为P相位检测)，首先，驱动信号操作单元16复位脉冲计数处理器122或者脉冲计数处理器128的计数值到一初始值，并设定脉冲计数处理器122或者脉冲计数处理器128为向下计数模式。当从任意行Hx中的单元像素3到垂直数据线18(H1，H2，...)的第一读出稳定后，驱动信号操作单元16指示电压/频率转换器102，电压/相位转换器106以及鉴相器126开始处理。这也是为了消除对周边部件的影响的目的，仅当需要启动的时候才启动这些单元。电压/频率转换器102，电压/相位转换器106，鉴相器126可以一直运转。

作为对于指令的响应，电压/频率转换器102输出相应于从成像区域10提供的任意垂直数据线18(Vx)的像素信号电压的频率作为调制信号Fout1(t32)。电压/相位转换器106输出预定频率的调制信号Fout2，其具有相应于从成像区域10(t32)提供的任意垂直数据线18(Vx)的像素信号电压的相位波动。鉴相器126基于调制信号Fout2执行相位鉴别，并且输出相位波动宽度信号PWo，其表示相应于垂直数据线18(Vx)(t32)的像素信号电压的相位波动。

为了测量相应于配置在每行的脉冲计数处理器122或者脉冲计数处理器128中的第一处理中从成像区域10读出的像素信号的脉冲数，在调制信号Fout1或者相位波动宽度信号Pwo的输出稳定的点上，驱动信号操作单元16将参考信号F1或者参考信号F2提供给脉冲计数处理器122或者脉冲计数处理器128。驱动信号操作单元16引起脉冲计数处理器122或者脉冲计数处理器128从初始值开始向下计数作为第一计数处理(t34)

在这种情况下，脉冲计数处理器122或者脉冲计数处理器128根据调制信号Fout1或者参考信号F2(或者调制信号Fout2)将参考信号F1或者相位波动宽度信号PWo的一个时钟宽度(一个有效周期；在该例子中，仅一个H电平是足够的)在反方向进行计数处理。

当脉冲计数处理器122或者脉冲计数处理器128结束一个时钟宽度的计数时，脉冲计数处理器122或者脉冲计数处理器128停止计数操作，并且在那一点锁存(保持并存储)计数值作为像素数据，用来完成AD转换(t36)。换句话说，在第一读出的时间上，脉冲计数处理器122或者脉冲计数处理器128根据参考信号F 1或者参考信号F2计数调制信号Fout1或者相位调制宽度信号PWo的一个时钟，用来获得相应于复位分量Vrst幅值的计数值。

在这个第一读出的时间上，计数处理被施加到像素信号电压Vx的复位电平Vrst上。因此，单元像素3的复位分量ΔV被读出。

随每个单元像素3的变化的噪声被包括在复位分量ΔV中作为偏移量。然而，通常复位分量ΔV的变化很小，并且复位电平Vrst通常对于所有像素是普遍的。因此，任意垂直数据线18的像素信号电压Vx上的复位分量ΔV的输出值总的来说是已知的。因此，有可能抑制复位分量ΔV的位分辨率(bitresolution)低于信号分量Vsig的位分辨率。例如，相比较11位(直到+1023)的信号分量的位分辨率可能将复位分量ΔV的位分辨率设定为大约7位(直到-127)。

为了这个目的，在图中示出的信号形式的情况下，由于复位分量ΔV大于信号分量Vsig，可取的是电压/频率转换器102通过将大的信号电平(复位分量ΔV)转换成低频并将小的信号电平(信号分量Vsig)转换成高频来调制像素信号的信号幅值。为了通过降低参考信号F1的测量宽度(计数周期)来缩短AD转换周期，可取的是将调制信号Fout1的频率设定成相对高于在第二实例中的频率。

在该实施例中，直接将像素信号电压Vx转换成调制信号Fout1或者相位波动宽度信号PWo之后，对像素信号电压Vx进行计数处理。因此，不像非专利文献1中利用参考电压产生相应于像素信号电压的脉冲宽度信号并利用预定计数器时钟计数脉冲宽度一样，有可能在与调制信号Fout1或者相位波动宽度信号PWo稳定的点基本相同的时间时立即开始计数处理，也就是，从任意行Hx中的单元像素3到垂直数据线18(H1，H2，...)的第一次读出稳定的点。

例如，如果调制信号Fout1或者与调制信号Fout2频率相同的相位波动宽度信号PWo根据参考信号F1或高频的调制信号Fout2被计数，计数结果在与垂直数据线18(H1，H2，...)的第一次读出被稳定的点基本相同的时间上被获得。

即使当调制信号Fout1被划分，然后根据参考信号F1进行计数处理或者调制信号Fout2的频率被降低来产生相位波动宽度信号PWo，并且相位波动宽度信号PWo根据参考信号F1或者调制信号Fout2进行计数处理时，在非专利文献1等中预被计数的脉冲宽度被设定窄于从任意行Vx中的单元像素3到垂直数据线18(H1，H2，...)的第一次读出被稳定的点开始直到复位分量ΔV和参考电压彼此一致的时间宽度。这就使得缩短从第一次读出被稳定的点开始直到计数结束的周期(t32到t36)成为可能。

然而，参考信号F1或者调制信号Fout2(或者参考信号F1)的频率，也就是计数处理的时钟频率，依赖于这样一频率，其使得用一预定位宽度计数调制信号Fout1或者调制信号Fout2(或者调制信号Fout1或者调制信号Fout2的有效周期；在该例子中，H电平周期)的一个时钟成为可能。因此，当调制信号Fout1或者调制信号Fout2的频率设定得更高时，可能需要锁定更高的速度。然而，也可能通过划分调制信号Fout1，然后对调制信号Fout1进行计数处理来抑制该频率。

在任何情况下，有可能保证位分辨率与过去的相等。例如，在复位分量ΔV的第一次读出时，通过将对复位分量ΔV的计数处理的最长周期设定为7位计数周期(128个时钟)可能比较复位分量ΔV。即使以这种方式保证位分辨率，可能缩短从第一次读出被稳定的点开始直到计数结束的周期(t32到t36)。

在随后的第二次读出(也称为D相位检测)时，除了复位分量ΔV，相应于对于每个单元像素3的入射光量的信号分量Vsig被读出，并且执行与第一次读出相同的操作。换句话说，首先，驱动信号操作单元16设定脉冲计数处理器122或者脉冲计数处理器128为向上计数模式。在从任意行Hx中的单元像素3到垂直数据线18(H1，H2，...)的第二次读出被稳定后，驱动信号操作单元16指示电压/频率转换器102，电压/相位转换器106以及鉴相器126开始处理。这是为了消除在周边部分的影响的目的，仅当需要启动时启动这些单元。电压/频率转换器102，电压/相位转换器106，鉴相器126可以一直是启动的。

响应于指令，电压/频率转换器102输出相应于成像区域10提供的任意垂直数据线18(Vx)的像素信号电压的频率作为调制信号Fout1(t42)。电压/相位转换器106输出预定频率的调制信号Fout2，其具有相应于成像区域10提供的任意垂直数据线18(Vx)的像素信号电压的相位波动(t42)。鉴相器126基于调制信号Fout2执行相位鉴别，并输出相位波动宽度信号PWo，指示相应于垂直数据线18(Vx)的像素信号电压的相位波动(t42)。在该图中，t42被设定在基本与相关技术中的t20相同的点上。然而，实际上，由于执行第一处理可能早于相关技术中的处理，因此可以将从第一处理t36结束到第二处理t42开始的时间间隔设定成短于相关技术中从第一处理t12结束到第二处理t20开始的时间间隔。

为了测量相应于在配置在每行的脉冲计数处理器122或者脉冲计数处理器128中的第二处理中从成像区域10中读出的像素信号的脉冲数量，在调制信号Fout1或者相位波动宽度信号PWo的输出被稳定的点，驱动信号操作单元16将参考信号F1或者参考信号F2提供给脉冲计数处理器122或者脉冲计数处理器128。反之，驱动信号操作单元16引起脉冲计数处理器122或者脉冲计数处理器128从第一次读出获得的相应于单元像素3的复位分量ΔV的计数值开始向上计数作为第二计数操作。换句话说，驱动信号操作单元16引起脉冲计数处理器122或者脉冲计数处理器128开始以正方向计数(t44)。

在该情况下，脉冲计数处理器122或者脉冲计数处理器128根据调制信号Fout1或者参考信号F2(或者调制信号Fout2)在正方向上进行计数处理参考信号F1或者相位波动宽度信号PWo的一个时钟宽度(一个有效周期；在该例子中，仅一个H电平是足够的)。

当脉冲计数处理器122或者脉冲计数处理器128结束一个时钟宽度的计数时，脉冲计数处理器122或者脉冲计数处理器128结束计数操作，并在那一点锁存(保持或存储)作为像素数据的计数值来完成AD转换(t46)。换句话说，在第二次读出时，脉冲计数处理器122或者脉冲计数处理器128根据参考信号F1或者参考信号F2对调制信号Fout1或者相位调制宽度信号PWo的一个时钟进行计数，来获得相应于信号分量Vsig幅值的计数值。

在这个第二次读出时，计数处理应用到像素信号电压Vx中的信号分量Vsig。因此，单元像素3的信号分量Vsig被读出。

在该实施例中，脉冲计数处理器122或者脉冲计数处理器128中的计数操作在第一次读出时是向下计数，在第二次读出时是向上计数。因此，由表达式1表示的减法自动地在脉冲计数处理器122或者脉冲计数处理器128中执行。相应于该减法结果的计数值保持在脉冲计数处理器122或者脉冲计数处理器128中。

(在第二比较周期中的计数值)？(在第一比较周期中的计数值)1

可以将表达式1变形为表达式2。从而，在脉冲计数处理器122或者脉冲计数处理器128中保持的计数值是相应于真实信号分量Vsig的计数值。

(第二比较周期)？(第一比较周期)＝(信号分量Vsig+复位分量ΔV+列信号处理器2的偏移分量)-(复位分量ΔV+列信号处理器22的偏移分量)＝(信号分量Vsig)2

如上所述，根据脉冲计数处理器122或者脉冲计数处理器128中的减法处理，根据执行两次的读出和计数处理，也就是，第一次读出的向下计数和第二次读出的向上计数，有可能去除包括对于每个单元像素3的波动的复位分量ΔV和对于每个列信号处理器22的偏移分量。这使得利用一简单的结构可以仅提取出相应于对于每个单元像素3的入射光量的信号分量Vsig。

即使存在列信号处理器22中分量上的个别变化，也就是，在信号转换器100的电压/频率转换器102，电压/相位转换器106，或者鉴相器126中的个别变化(频率偏移或相位偏移)，还是可能去除该个别变化。在这种情况下，存在一个优势，即可能去除像素信号中的复位噪声。

因此，在该实施例中的列信号处理器22(信号转换器100和AD转换器120)不仅作为数字转换器工作，将模拟像素信号转换成数字像素数据，而且还作为相关双采样(CDS)处理功能单元工作。

由于通过表达式2获得的计数值显示的像素数据表示一正信号电压，补充的操作等是不必要的。因此，与现存系统的相似度较高。

在第二次读出时，像素信号电压Vx直接转换成调制信号Fout1或者相位波动宽度信号PWo，然后进行计数处理。因此，类似对于复位电平Vrst的计数处理，在与调制信号Fout1或者相位波动宽度信号PWo被稳定的点，也就是，从任意行Hx中的单元像素3到垂直数据线18(H1，H2，...)的第二次读出被稳定的点基本相同的时间，可以立即开始计数处理。

如果根据高频的参考信号F1或者调制信号Fout2对调制信号Fout1本身或者与调制信号Fout2相同频率的相位波动宽度信号Pwo进行计数，计数的结果在与到垂直数据线18(H1，H2，...)的第二次读出被稳定的点基本相同的时间获得。

即使当调制信号Fout1被划分，然后根据参考信号F1进行计数处理或者调制信号Fout2的频率被降低来产生相位波动宽度信号PWo，并且相位波动宽度信号PWo根据参考信号F1或者调制信号Fout2进行计数处理时，在非专利文献1等中预被计数的脉冲宽度被设定窄于从任意行Hx中的单元像素3到垂直数据线18(H1，H2，...)的第二次读出被稳定的点开始直到复位分量ΔV和参考电压彼此一致的时间宽度。这就使得缩短从第二次读出被稳定的点到计数结束的周期(t42到t46)成为可能。

如在非专利文献1中在这样一种机构中，该机构利用参考电压产生相应于像素信号电压的脉冲宽度信号并且利用预定计数器时钟计数脉冲宽度，相应于入射光量的信号分量Vsig在第二次读出时被读出。因此，为了在宽范围内判断光量的幅值，有必要设定向上计数周期(t20到t24；一比较周期)长并较大程度改变参考电压。这与为了计数处理需要长时间的处理有很大的不同。

根据在本实施例中的机构，在从成像区域10读出的像素信号电压被稳定的时间点可以基本同时完成对于复位分量ΔV(参考分量)的计数处理以及对于信号分量Vsig的计数处理。这使得较大地缩短执行两次处理的整体AD转换周期成为可能。

由于很容易将在第一处理中的采用的参考信号F1和参考信号F2设定成与在第二处理中采用的相同，所以可能容易地使在第一处理中AD转换的准确性与在第二处理中AD转换的准确性相等。因此，通过上下计数器由表达式1表示的减法的结果可以准确地获得。为了容易地在非专利文献1中描述的机构中使第一处理中的AD转换的准确性与第二处理中的AD转换的准确性相等，必须保持参考信号常量的倾斜角。这与必须考虑不稳定因素的处理存在很大的不同。

在第二计数处理结束后的预定定时时，驱动信号操作单元16指示水平扫描单元12读出像素数据。响应于该指令，水平扫描单元12顺序地将提供给水平选择开关单元60的水平选择信号CH(i)，也就是水平读出脉冲g1到gh转换。在图中，读出在基本上与在相关技术中的t28相同的点开始。然而，实际上，由于可能相比较相关技术更早的执行第二处理。因此，可能设定从完成第二处理t46到开始读出的间隔短于在相关技术中从完成第二处理t22到开始读出t28的间隔。

因此，存储并保持在脉冲计数处理器122或者脉冲计数处理器128中由表达式2表示的计数值，也就是，由n位数字数据表示的像素数据，被顺序地经由n水平数据线86从输出端子88a输出到列信号处理器22或者包括成像区域10的芯片的外部。此后，相同的操作对每一行被顺序地重复。因此，获得表示二维图像的视频数据。

如上解释，根据第一实施例的固态成像装置，在利用上下计数器时，通过转换固态成像装置的处理模式，计数处理被执行两次。在单元像素3配置成矩阵形状的结构中，列信号处理器22由为每个垂直列提供的平行列AD电路构成。

因此，可以直接地获得对于每个垂直列的参考分量(复位分量)和信号分量的减法处理结果作为第二计数处理的结果。实现一存储装置是可能的，其根据在计数处理器中提供的锁存功能保持参考分量和信号分量的各个计数结果。没有必要准备与计数器分离的特殊目的的存储装置，用来保持进行AD转换的数据。

此外，用于计算参考分量和信号分量之间差的特别的减法器变得不必要。因此，相比较过去的结构可以减小电路的尺寸和电路面积。还可能解决噪声上的增加或者在电流或功率消耗上的增加。

列AD电路(AD转换器)适用于执行AD转换，通过在信号转换器100中将电压模式的像素信号转换成与频率或PM调制信号(调制信号Fout2)相关的FM调制信号(调制信号Fout1)，然后执行计数处理。因此，线阻抗，引线的电容，连接的门电路的整体电容，基底偏置效应，以及类似的由斜坡数据线的扩展引起的问题变得与FM调制信号(调制信号Fout1)和PM调制信号(调制信号Fout2)不相关。因此，基底偏置效应，引线长度等的影响不会出现在AD转换的结果中。

利用一个计数器时钟和一控制线控制计数处理是有可能的，其中不管位数计数器时钟启动计数处理，控制线转换计数模式。在过去结构中需要的将计数处理器的计数值引入到存储器装置中的数据线变得不必要。有可能解决噪声上的增加以及能量消耗上的增加。此外，有可能在与从成像区域10读出的像素信号电压Vx被稳定的时间点基本同时获得计数结果并完成AD转换处理。

在固态成像装置1中，其中AD转换器设置在同一芯片上，用作AD转换器的列AD电路通过将电压比较器252以及脉冲计数处理器122或者脉冲计数处理器128作为一对形成而构成。作为脉冲计数处理器122或者脉冲计数处理器128的一个操作，脉冲计数处理器122或者脉冲计数处理器128结合运用向下和向上计数，将处理对象信号的基本分量(在该实施例中的复位分量)和信号分量之间的差变成数字数据。这可以解决电路尺寸，电路面积，功率消耗，固态成像装置1和其它功能单元之间接口的引线数量，由引线引起的噪声以及消耗电流等问题。此外，可能显著地降低AD转换处理的时间。

固态成像装置的操作；第一实施例；第二实例

图4是对图1A和1B中示出的第一实施例的第二个实例中固态成像装置1的列信号处理器22(具体地，信号转换器100和AD转换器120)的操作进行解释的时序图。在该第二实例中，如图2B所示，用作从外部提供的高频的计数器时钟的参考信号F1与调制信号Fout1被计数作为时间门信号。

为了测量相应于在配置在每行的脉冲计数处理器122或者脉冲计数处理器128中的第一处理中从成像区域10中读出的像素信号的脉冲数量，在调制信号Fout1或者相位波动宽度信号PWo的输出被稳定的时刻，驱动信号操作单元16将参考信号F1提供给脉冲计数处理器122，并引起脉冲计数处理器122开始计数处理。

在这种情况下，在对复位分量ΔV的第一次计数操作的时候(t34)，驱动信号操作单元16引起脉冲计数处理器122开始从初始值向下计数。相反地，在对信号分量Vsig的第二次计数操作的时候，驱动信号处理单元16引起脉冲计数处理器122开始从第一次计数操作结束后保持的相应于单元像素3的复位分量ΔV的计数值向上计数。换句话说，驱动信号操作单元16引起脉冲计数处理器122在正方向上开始计数处理。

在该情况下，脉冲计数处理器122利用从电压/频率转换器102中输出的作为定时门信号的调制信号Fout1，用从外部提供的作为计数器时钟的参考信号F1对定时门信号的脉冲宽度进行计数处理。为了抑制参考信号F1的频率，可取的是抑制调制信号Fout1的频率相对低于第一实例中的情况。当调制信号Fout1的频率与在第一实例中的一样高时，参考信号F1的频率可以通过将与多个调制信号Fout1相等的周期进行计数处理例如分隔调制信号Fout1并计数分隔的脉冲的一个脉冲宽度来得到抑制。

在后续处理中，如第一实例中，当脉冲计数处理器122或者脉冲计数处理器128结束一个时钟宽度的计数时，脉冲计数处理器122或者脉冲计数处理器128停止计数操作，并在那一点锁存(保持或存储)计数值作为像素数据来完成AD转换(t36/t46)。

如上解释，计数处理的形式在第一实例和第二实例中是不同的。在第一实例中，相位波动宽度信号PWo相应于从外部提供的参考信号F1或者参考信号F2，被设定作为计数对象，并根据信号转换器100的输出信号(调制信号Fout1或者Fout2本身，或者相应于调制信号Fout2的参考信号F2)计数。另一方面，在第二实例中，信号转换器100的输出信号(调制信号Fout1本身)被设定作为计数对象并根据从外部提供的参考信号F1计数。此外，第二实例并不与第一实例不同。

因此，在第二个实例中，如第一个实例中，可能在与从成像区域10读出的像素信号电压Vx被稳定基本相同的时间点同时获得计数结果并完成AD转换处理。这可能显著地降低AD转换处理的时间。

即使当调制信号Fout1被分隔成时间门信号，然后根据参考信号F1进行计数处理时，通过设定定时门信号的脉冲宽度被有限的计数，有可能缩短从像素信号的读出被稳定的点开始直到计数结束的周期(t32到t36或者t42到t46)。这使得可能缩短执行两次处理的全部AD转换周期。

成像设备的原理构成；第二实施例

图5是CMOS固态成像装置的框图，其是根据本发明第二实施例的物理信息获取装置的一种形式。具体地，集中在列处理器20，列处理器20与其中的主要的外围单元一同显示。在第二实施例的固态成像装置1中，相比较第一实施例中的固态成像装置1，列信号处理器22(具体地，AD转换器120的后一阶段的电路)的构成得到变换。

第二实施例中的列信号处理器22包括，在其后一阶段(详细地，图2中脉冲计数处理器122或者脉冲计数处理器128的后一阶段；总的来说称为计数处理器121)，用作n位存储装置的数据存储单元130，其保持AD转换器120保持的计数结果，以及在计数处理器121和数据存储单元130之间配置的开关单元132。水平选择开关单元60配置在数据存储单元130和水平数据线86之间。

存储转移指令脉冲CN8被提供给开关单元132中的各个开关，与以预定定时来自于驱动信号操作单元16的在其它垂直列中的转换相同。当存储转换指令脉冲CN8被提供给开关单元132时，开关单元132将计数处理器121的计数值相应地转移到数据存储单元130中。数据存储单元130保持并存储转移的计数值。

以预定定时引起数据存储单元130保持计数处理器121的计数值的机构并不限于在单元之间配置开关单元132。例如，可能实现这样一种机构，当直接将计数处理器121和数据存储单元130连接时，根据存储转移指令脉冲CN8控制计数处理器121的输出启动。还可能实现该机构，通过利用存储转移指令脉冲CN8作为锁存时钟来确定数据存储单元130的数据获取定时。

水平选择信号CH(i)，也就是，水平读出脉冲g1到gh经由控制线12c从水平扫描单元12(水平驱动器12y)被输入到在数据存储单元130的后一阶段的水平选择开关单元60。水平选择开关单元60引起数据存储单元130保持从计数处理器121获取的计数值，直到经由控制线12c接收到控制脉冲指令。

水平扫描单元12和水平选择开关单元60具有读出扫描单元的功能，在与由列信号处理器22的各个信号转换器100和各个计数处理器121执行的处理的同时，读出由各个数据存储单元130保持的计数值。

根据第二实施例中的这样一种结构，可能将由计数处理器121保持的计数结果转移到数据存储单元130。因此，有可能控制计数操作，也就是，计数处理器121的AD转换处理与用来读出计数结果到水平数据线86的读出操作彼此相互独立。这使得可能实现流水线的操作，用来并行执行AD转换处理和将信号读出到外部的读出操作。

固态成像装置的操作；第二实施例

图6是对图5中示出的第二实施例中固态成像装置1的列信号处理器22(具体地，信号转换器100和AD转换器120)的操作进行解释的时序图。第二实施例被描述成对第一实施例的第一实例的变型。还可能修改并应用第二实施例到第二实例。在列信号处理器22中的AD转换处理与第一实施例中的相同。省略了AD转换处理的详细解释。

在第二实施例中，数据存储单元130被增加到第一实施例的结构中。诸如AD转换处理的基本操作与第一实施例中的操作是相同的。然而，在脉冲计数处理器122或者脉冲计数处理器128的操作(t32)之前，前一行Hx-1的计数结果基于来自于驱动信号操作单元16的存储转换指令脉冲CN8被转移到数据存储单元130。

在第一实施例中，像素数据仅在第二读出处理之后也就是AD转换处理完成之后，能够被输出到列信号处理器22的外部。因此，存在读出处理上的限制。换句话说，在第二实施例的结构中，指示最后减法处理结果的计数值先于第一读出处理(AD转换处理)被转移到数据存储单元130。因此，在读出处理上不存在限制。

因此，有可能并行执行信号输出操作，其通过水平数据线86和输出单元88从数据存储单元130将信号输出到外部，当前行Hx的读出，由信号转换器100进行的调制处理，以及脉冲计数处理器122或者脉冲计数处理器128的计数操作。有可能设定列读出和AD周期本身在1H周期。这使得可以执行更有效的执行信号输出。

第二实施例与第一实施例的不同在于数据存储单元130和开关单元132被提供在AD转换器120的后一阶段作为流水线操作的组件。其它方面，第二实施例是与第一实施例相同的。因此，在第二实施例中，如第一实施例中，可能在与从成像区域10读出的像素信号电压Vx被稳定的点基本同时获取计数结果，并完成AD转换处理。这使得可能明显地降低AD转换处理的时间。

例如，在第一实施例的结构中，在1H周期(例如，63.3μs)中，对于从成像区域10读出像素信号和AD转换处理的列读出和AD周期大约为8.5μs，水平转移周期是54.8μs。另一方面，可能将8.5μs的列读出和AD周期本身设定作为1H周期(8.5μs)。

成像设备的原理结构；第三实施例；第一实例

图7A和7B以及图8A和8B是解释CMOS固态成像装置的图，其是本发明第三实施例的第一实例中的物理信息获取装置的一种形式。第三实施例被描绘成对第一实施例的变型。也可能修改并应用第三实施例到第二实施例。

在第三实施例中的固态成像装置1具有这样一种特性，其中信号转换器100构成在成像区域10中。具体地，在第一实例中，固态成像装置1具有这样一种特性，其中信号转换器100被提供给每个单元像素3，并且信号转换器100的输出被传到每个垂直列的列信号处理器22的AD转换器120中。换句话说，固态成像装置1具有这样一种特性，其中一个AD转换器120被分配给一电荷发生器32，一像素信号发生器33以及一信号转换器100。

如图7B所示，列处理器20中的列信号处理器22包括AD转换器120，其基于从信号转换器100输出的频率信息(调制信号Fout1)或者相位信息(调制信号Fout2)(总的来说也称为调制信号F0)执行脉冲计数处理。因此，在图7A中概括的显示了固态成像装置1的整体结构，列信号处理器22被表示成列AD。

如图8A所示，成像区域10中的每个单元像素3包括检测信号电荷的电荷发生器32以及用作像素内放大器的像素信号发生器33，其基于电荷发生器32产生的信号电荷产生电压模式的像素信号。

电荷发生器32和像素信号发生器33的结构与通常的CMOS图像传感器的结构相同。在该实施例中，可能利用具有4TR结构的通用CMOS传感器作为CMOS传感器。还可能利用如日本专利第2708455号中描述的具有包括3个晶体管的3TR结构的CMOS传感器。在没有说明的情况下，这些像素结构仅是例子。可能利用任何CMOS传感器，只要该CMOS传感器具有通常的CMOS图像传感器的阵列结构。

该像素内放大器(像素信号发生器33)仅必须是电荷/电压转换(Q/V)系统的像素内放大器，其能够将电荷发生器32产生的信号电荷转换成电压模式的像素信号。例如，浮点传播区(floating diffusion)放大器结构的像素内放大器被采用。作为一个例子，如图8B所示，可能使用像素信号发生器33，其与电荷发生器32一同包括读出选择晶体管34，其是电荷读出单元(转移门单元/读出门单元)的一个例子，复位晶体管36，其是复位门单元的一个例子，垂直选择晶体管40以及源跟随器(source follower)结构的放大晶体管42，其是用于检测在浮点传播区38中电势变化的检测元件的一个例子。

横向引线对于同一行中的像素是共用的。在同一行中的所有单元像素3同时被垂直扫描单元14的垂直驱动器14y控制驱动。例如，转移驱动缓存器252，复位驱动缓存器254，以及选择驱动缓存器256封装在垂直驱动器14y中。

作为对于单元像素3的引线，三条线，也就是，转移门引线(读出选择线TRG)55，复位引线(RST)56，以及用于行地址选择的垂直选择线(SEL)57敷设在横向。垂直数据线18和漏极线(Vdd电源线)敷设在纵向。敷设内部引线(像素内的引线)，用来例如连接浮点传播区38和放大器晶体管42的门。此外，尽管未在图中示出，存在用于对像素边缘部分和黑电平检测(black leveldetection)像素的光屏蔽薄膜的辅助引线。

放大晶体管42的输出侧经由读出电流源线19连接到读出电流源单元27。因此，当信号被读出时，一源跟随器形成在读出电流源单元27中的负载MOS晶体管和选定行中的放大晶体管42之间，利用连接到各个放大晶体管42(见图7A)的负载MOS晶体管继续向前为放大晶体管提供预先确定的恒电流。存在这样一个问题，即电流消耗量增加。然而，读出电流源线19可能被移去来一直为相源跟随器输出的放大晶体管42提供电流。

作为第三实施例的一个特性部分，固态成像装置1包括信号转换器100，其在像素信号发生器33的后一阶段基于电压模式的像素信号执行FM调制和PM调制。由电荷发生器32产生的信号电荷由像素信号发生器33转换成电压模式的像素信号，然后载波信号由信号转换器100转换成与频率相关的信号。因此，存在这样一个优势，在于有可能利用通用VCO采用FM调制电路和PM调制电路。

信号转换器100的输出连接到垂直数据线18，其具有用于与在同一垂直列中的像素转换器100相同的像素信号的信号读出线功能。该调制信号F0(Fout1或者Fout2)相应于单元像素3所获取的信号电荷，被提供给列信号处理器22(见图7A)中的AD转换器120。

通过在连接到读出电流源单元27的源跟随器结构中形成信号转换器100的晶体管输出，还可能在信号被读出时在读出电流源27中的负载MOS晶体管和选定行中的晶体管之间形成源跟随器，并利用连接到各个晶体管的负载MOS晶体管继续为晶体管提供恒电流。

成像设备的原理结构；第三实施例；第二实例

图9A和9B是解释CMOS固态成像装置的图，其是本发明的第三实施例的第二实例中的物理信息获取装置的一种形式。第二实例被描述作为对于第三实施例的第一实例的变型。

在第三实施例的第二实例中的固态成像装置1具有一个特性，在于信号转换器100构造在成像区域10中并且一AD转换器120被分配给多个垂直列中的电荷发生器32和像素信号发生器33，能够降低用于信号调制的整体电路尺寸。

在这种情况下，为了将一个AD转换器120分配给多个电荷发生器32和多个像素信号发生器33，一选择器开关58提供在单元像素3的输出侧和垂直数据线18之间。选择器开关58选定的调制信号F0(Fout1或Fout2)经由垂直数据线18从选择器开关58的单个输出端59提供给AD转换器120。选择器开关58用作选择开关单元，来将一个信号转换器100分配给多个单元像素3。指定读出行的控制信号输入到选择器开关58中作为转换控制信号。

因此，尽管未在图中示出，AD转换器，其数量是考虑需要分配的AD转换器120而确定的，被提供在列处理器20中。作为一结构，其中AD转换器120的数量被最大化，有可能将一个AD转换器120分配给两个电荷发生器32和两个像素信号发生器33。作为一个结构，其中AD转换器120的数量被最小化，有可能将一个AD转换器120分配给在所有垂直列中的电荷发生器32和像素信号发生器33。

一个AD转换器120仅必须分配给多个电荷发生器32和多个像素信号发生器33。例如，如图9A显示，还可能在各个像素中提供信号转换器100，并且将选择器开关58配置在各个信号转换器100的后一阶段。在这种情况下，选择器开关58具有选择开关单元的功能，其将一个输出端子59或者一个AD转换器120分配给多个信号转换器100。可选择地，如图9B所示，还可能通过在信号转换器100的前一阶段配置选择器开关58减少信号转换器100的数量，来明显地降低用于信号调制的整体电路尺寸。在这种情况下，选择器开关58具有选择开关单元的功能，其将单个输出端59或者一个信号转换器100分配给多个单元像素3。

如果采纳了第三实施例中的结构，不管是第一个例子还是第二个例子，相应于每个单元像素3获取的信号电荷的调制信号F0(Fout1或Fout2)被传送给提供在成像区域10外侧的列处理器20。这是与通过人眼进行信息传输的机构相同的机构。

信号转换器100和AD转换器120的操作与第一实施例中的相同。在这个第三实施例中，如第一实施例，可能与从成像区域10读出的像素信号电压Vx被稳定的点基本同时获得计数结果并且完成AD转换处理。这使得可能显著地降低AD转换处理的时间。

由于包括信号转换器100的单元配置在成像区域10中，并且AD转换器120留在列处理器20中，可能实现在过去采纳的结构中不能获得的效果。

如从图8和9可以看出，单元像素3的尺寸由于信号转换器100的增多而增加。在第二例子中，由于有必要在成像区域10中配置选择器，因此整个成像区域10的面积也增加。这使得很难实现高密度。

有必要为了信号读出配置除了垂直数据线18之外的读出电流源线19。因此，在形成引线层方面，该引线层形成成像区域10的有效元件的引线，读出电流源线19可能是表面传感器中阻挡光的因素，表面传感器具有表面光接收类型的普通像素结构，其从与引线层相同的表面侧将光线引入光电转换元件。

为了解决这些问题，如后面所述，仅必须采用背光(back-illuminated)类型的传感器结构。在背光类型中，背光接收类型的像素结构被采用。在背光接收类型的像素结构中，形成连接有效元件和其它电路部件配置其中的一层的引线的引线层形成在一元件层的表面侧，其中形成光电转换元件，并且入射光从元件层的另一表面侧也就是与引线层和其它部件配置其中的层相对的表面侧引入到光电转换元件。通过采用这种背光接收类型的像素结构就使得考虑光接收表面的引线和电路部件配置变得不必要。换句话说，可能在光电转换元件区域敷设引线，而不必考虑有引线和电路部件阻挡光的问题。因此，提高了引线和电路部件配置的自由度。

然而，即使采用了背光类型，为了在降低光入射面相反侧上的引线和电路部件的层数时防止作为整个成像区域10的尺寸的增加，优选的是降低信号转换器100和选择器开关58的电路尺寸。可以适当的考虑采用图9B中所示的结构，其能够减少信号转换器100的数量。

成像设备的原理结构；第四实施例；第一实例

图10是解释CMOS固态成像装置的图，其是本发明的第四实施例的第一实例中的物理信息获取装置的一种形式。第一例子被描述作为对于第三实施例第一实例的变型。在第四实施例中的固态成像装置1具有一种特性，在于不仅信号转换器100而且AD转换器120都构造在成像区域10中。

具体地，在第一例子中，固态成像装置1具有一种特性，在于信号转换器100和AD转换器120为每个单元像素3提供，并且对于每个垂直列，信号转换器100和AD转换器120的输出被取出到成像区域10的外侧。尽管未在图中示出，AD转换器120被提供在成像区域10。可能立刻经由水平选择开关单元60和水平数据线86将AD转换器120的输出传到输出单元88。

如图10所示，在成像区域10中的每个单元像素3包括检测信号电荷的电荷发生器32和用作像素内放大器的像素信号发生器33，其基于电荷发生器32产生的信号电荷产生电压模式的像素信号。

作为第三实施例的特性部件，信号转换器100和AD转换器120按这个顺序提供在像素信号发生器33的后一阶段。AD转换器120的输出连接到用作像素信号输出线的垂直数据线18，与在同一垂直列中的AD转换器120相同。AD转换器120获取的计数器值，基于相应于单元像素3获取的信号电荷的调制信号F0(Fout1或Fout2)，经由水平选择开关单元60和水平数据线86被提供给输出单元88。

成像设备的原理结构；第四实施例，第二实例

图11A和11B是解释CMOS固态成像装置的图，其是本发明的第四实施例的第二实例中的物理信息获取装置的一种形式。第二例子被描述作为对于第三实施例第二例子的变型。

在第四实施例第二例子中的固态成像装置1具有一特性，在于信号转换器100和AD转换器120构造在成像区域10中，并且水平选择开关单元60中的一选择开关分配给多个垂直列中的电荷发生器32和像素信号发生器33。

在这种情况下，为了将一个选择开关分配给多个电荷发生器32和多个像素信号发生器33，选择器开关58提供在单元像素3的输出侧和垂直数据线18之间。选择器开关58选择的计数值(通过AD转换器120)经由垂直数据线18被提供给选择开关。指定一读出行的控制信号被输入到选择器开关58作为转换控制信号。

因此，尽管未在图中示出，选择开关，其数量经过考虑需分配的选择开关而确定，被提供在水平选择开关单元60中。作为一种结构，其中选择开关的数量被最大化，有可能将一个信号转换器100和一个AD转换器120分配给两个电荷发生器32和两个像素信号发生器33。作为一种结构，其中选择开关数量被最小化，有可能将一个选择开关分配给所有垂直列中的电荷发生器32和像素信号发生器33。

一个选择开关仅必须被分配给多个电荷发生器32和多个像素信号发生器33。如图11A所示，也可能在各个像素中提供信号转换器100和AD转换器120，并且在各个AD转换器120的后一阶段配置选择器开关58。在这种情况下，选择器开关58具有选择开关单元的功能，其将水平选择开关单元60中的一个输出端59或者一个选择开关分配给多个AD转换器120。

可选择地，如图11B所示，还可能通过在信号转换器100的前一阶段配置选择器开关58减少信号转换器100和AD转换器120的数量。在这种情况下，选择器开关58具有选择开关单元的功能，其将单个的输出端59或一个信号转换器100和一个AD转换器120，也就是，水平选择开关单元60中的一个选择开关，分配给多个单元像素3。

尽管未在图中示出，中间产品形成在如图11A和11B所示的那些之间，还可能通过在各个单元像素3中提供信号转换器100并且在多个信号转换器100和一个AD转换器120之间配置选择器开关58来减少AD转换器120的数量。在这种情况下，选择器开关58具有选择开关单元的功能，其将单个的输出端59或者一个AD转换器120，也就是，水平选择开关单元60中的一个选择开关，分配给多个信号转换器100。

如果采用了第四实施例中的结构，不管是第一例子还是第二例子，一计数器值，也就是，相应于每个单元像素3获取的信号电荷的AD转换结果，被传送到提供在成像区域10外侧的水平选择开关单元60中，并且立即被传递到输出单元88。这是与由人眼进行信息传送的机构相同的机构。

信号转换器100和AD转换器120的操作与第一实施例中的相同。在该第四实施例中，如第一实施例中，可能与从成像区域10读出的像素信号电压Vx被稳定的点基本同时的时刻获取计数结果并完成AD转换处理。这使得可能显著地降低AD转换处理的时间。

由于不仅信号转换器100，而且AD转换器120配置在成像区域10中，有可能实现在过去采用的结构中不能获得的效果。

然而，如从图10和图11A和11B中所见，由于基于第三实施例的结构，AD转换器120也构造在成像区域10中，实现高密度变得更困难。单元像素3的尺寸由于信号转换器100和AD转换器120的增多而增加。在第二例子中，由于有必要在成像区域10中配置选择器，整个成像区域10的面积也增加。这使得实现高密度变得困难。

如在第三实施例中，有必要为信号读出配置除了垂直数据线18之外的读出电流源线19。因此，在形成引线层中，该引线层形成成像区域10的有效元件的引线，读出电流源线19可能是在表面传感器中阻挡光的因素，表面传感器具有表面光接收类型的普通像素结构，其从与引线层相同的表面侧将光线引入光电转换元件。

为了解决这些问题，如在第三实施例中所述，仅必须采用背光(back-illuminated)类型的传感器结构。然而，即使采用背光接收类型的传感器结构，为了在减少光入射面相反侧上的引线数量和用于电路部件的层数时，防止作为成像区域10的整体尺寸的增加，优选的是降低信号转换器100，AD转换器120和选择器开关58的电路尺寸。可以适当的考虑采用图11B中所示的结构，其能够减少信号转换器100的数量和AD转换器120的数量。

成像设备的原理结构；第五实施例

图12A和12B是解释CMOS固态成像装置的图，其是根据本发明第五实施例的物理信息获取装置的一种形式。第五实施例被描述成对于第三实施例第一例子的变型。然而，还可能将下面解释的变型形式以相同的方式应用到第三实施例的第二例子以及第四实施例的第一例子和第二例子。

第五实施例具有一个特性，在于提供一信号转换器101，其基于电荷发生器32产生的信号电荷通过FM调制或PM调制直接地执行信号转换。为了直接地执行FM调制或PM调制，如图10A所示，信号转换器100仅必须被形成为电荷注入类型的调制电路。换句话说，信号转换器100仅必须具有基于信号电荷将载波信号转换成与频率相关的调制信号的功能，并且仅必须包括用作频率调制器的一电荷/频率转换器(Q/F)，其根据用作调制信号的信号电荷调制载波信号频率f本身，或者一用作相位调制器的电荷/相位转换器(Q/P)，其根据用作调制信号的信号电荷调制相位。

如图10B所示，如果必要，可取的是提供用作开关的读出选择晶体管34，用来将电荷发生器32产生的信号电荷转移到电荷发生器32和信号转换器100之间的信号转换器100。用作释放电荷的复位门单元的复位晶体管36可能被提供。

在第三和第四实施例中，电荷发生器32产生的信号电荷由像素信号发生器33转换成电压模式的像素信号，然后载波信号被转换成与频率相关的信号。因此，尽管可能采用利用通用VCO的FM调制电路或者PM调制电路，一个电路配置是多余的。

另一方面，在第五实施例中，基于电荷发生器32产生的信号电荷直接地执行FM调制或者PM调制。因此，有可能形成紧凑的电路配置。

背光类型的传感器结构；截面图

图13A和13B是背光(back-illuminated)类型结构的成像区域10的一个实例以及适用于实现第三至第五实施例的外围电路的截面图。在图13A中，由大约10μm至20μm厚度的硅(Si)制成的半导体元件层631通过利用化学机械抛光(CMP)抛光一晶片，为电荷发生器32或像素信号发生器33形成半导体元件层。所希望的厚度范围对于可见光是5μm至15μm，对于红外光是15μm至50μm，以及对于紫外线是3μm至7μm。在半导体元件层631的一个表面侧上，形成光屏蔽薄膜633和保持在半导体元件层631和光屏蔽薄膜633之间的SiO₂薄膜632。

不像引线一样，光屏蔽薄膜633仅考虑光学元件来敷设。一开口633A形成在光屏蔽薄膜633中。氮化硅(SiN)薄膜634形成在光屏蔽薄膜633上作为钝化薄膜。滤色器635和微透镜636形成在开口633A的上方。作为一像素结构，入射到半导体元件层631的一个表面侧的光通过微透镜636和滤色器635被导入到形成在半导体元件层631中的光电二极管433的光接收表面。引线层638，其中形成了晶体管和金属引线，被提供在半导体元件层631的另一个表面侧。基底支撑材料639具有大约100μm的厚度，其进一步粘附在引线层638的下方。

引线层638的第一层用作像素中的引线。第二层用作对于垂直数据线18和漏极线在纵向上的引线。第三层被用作对于传输门引线(读出选择线TRG)55，复位引线(RST)56，用于行地址设定的垂直选择线(VSEL)57等在横向上的引线。

在实现第三和第四实施例方面，纵向上的引线不限于垂直数据线18。还配置了读出电流源线19。读出电流源线19是在信号读出时，用于形成读出电流源单元27中的负载MOS晶体管和选择行中的放大晶体管42之间的源跟随器，用来继续将预先确定的恒电流利用连接到各个放大晶体管42的负载MOS晶体管提供给放大晶体管42。

第四层提供在引线层638中作为用于读出电流源线19的一层。即使层数在引线层638中增加，但是在光接收表面侧上的光学设计完全不受影响。在这点上，当层数增加时，背光类型的传感器结构较大地不同于表面光接收类型的传感器结构，后者影响光接收表面侧的光学设计。在没有说明的情况下垂直数据线18可能配置在第四和随后层中。在这种情况下，可能减少在第二层中的引线数，并实现像素的细化。

半导体元件层640由大约10μm至20μm厚的硅(Si)等构成，形成在引线层638和基底支撑材料639之间作为对于信号转换器100，AD转换器120和选择器开关58的半导体元件层。没有必要将所有的信号转换器100，AD转换器120和选择器开关58提供在同一半导体元件层。至少信号转换器100，AD转换器120和选择器开关58仅必须被形成在光接收表面侧的相反侧上的任意数量的半导体元件层中。例如，半导体元件层640还可能以三层结构形成，包括层640a，640b和640c，并且信号转换器100，AD转换器120和选择器开关58提供在各个半导体元件层640a，640b和640c。即使半导体元件层640以这种方式提供，光接收表面侧的光学设计是完全不受影响的。在这一点上，背光类型的传感器结构较大地不同于表面光接收类型的传感器结构，后者在电路部件配置在光接收表面侧时，影响光接收表面侧的光学设计。

过去的CMOS图像传感器采用表面光接收类型的像素结构，其中引线层侧被设定为表面侧，并且入射光从该引线层侧引入。在上述背光类型的元件结构中，入射光从引线层638和半导体元件层640的相反侧的表面(背面)侧引入。

如在该背光接收类型的像素结构所见，光屏蔽薄膜633仅作为微透镜636和光电二极管433之间的金属层存在，并且从光电二极管433的光屏蔽薄膜633的高度与SiO₂薄膜632的厚度一样低(也就是，大约0.5μm)。因此，可能消除由金属层中的掩蔽引起的压缩限制。

如从图13A中可以看出，采用了用于从引线层相反侧(背侧)的表面引入光的背光接收类型的像素结构。因此，可能敷设引线并在诸如光电二极管等的光电转换元件区域配置电路部件，而不必考虑由半导体元件层640中的引线和电路部件引起的光阻挡问题。

如在图13A中所见，由于在光接收表面侧不存在引线层638，因此可能相对于光接收表面在低位置形成光屏蔽薄膜633，滤色器635和微透镜636。因此，背光接收类型的像素结构考虑到灵敏度，混色，临边昏暗等方面也是有优势的。

在该例子中描述的背光类型传感器结构中，不仅读出电流源线19，而且其它引线(像素中的引线，除读出电流源线19之外的在纵向上的引线，以及在横向上的引线)配置在入射光被引入光电转换元件的一侧的相反侧的表面。然而，这也是不必要的。换句话说，在实现第三或第四实施例方面，背光类型的传感器结构仅必须应用到读出电流源线19，其可能需要与垂直数据线18分开单独提供。在这种情况下，当背光类型的传感器结构基于表面光类型的传感器结构改变时，获得图13B中所示的层结构。

例如，当已经光学设计为表面类型传感器的传感器被转换用作一状态的球形快门(高速)(global shutter)，在该状态中传感器具有特性兼容性，可能利用该传感器结构，例如，来隔离表面和背面上的用作数字系统的控制线以及用作模拟系统的垂直数据线。

不是不可能对于信号转换器100，AD转换器120，以及选择器开关58配置半导体元件层640，为光接收表面相反侧上的读出电流源线19配置引线层642，并且为其它引线(像素中的引线，纵向上的引线，以及横向上的引线)配置引线层638，与半导体元件层631一起被配置在光接收表面侧，其中光电二极管433等形成并保持在引线层642和引线层638之间。然而，作为一个实际问题，步骤数增加了。

利用实施例解释了本发明。然而，本发明的技术范围不限于在实施例中描述的范围。在不背离本发明要旨的情况下可能将各种变型和改变施加到实施例中。这些变型和改变之后的形式也包括在本发明的技术范围内。

该实施例不根据权利要求限制本发明。实施例中解释的所有特性组合对于解决问题的方式并不总是必须的。上述实施例包括在各个阶段的发明。根据该说明书中公开的多个元件的合适组合可能提取出各种发明。即使几个元件从实施例中描述的所有元件中删除，具有删除了的几个元件的结构能够提取出来作为一个发明。

例如，在实施例中解释的例子中，本发明应用到行单元读出系统(列读出系统)的设备，其执行曝光时间的电子控制，其中相应于入射光的信号电荷的累积从每个线(行)开始，并且基于累积的信号电荷的电流或电压信号根据地址指定按顺序从成像区域读出作为各个像素的像素信号。然而，在一个系统中，其中相应于入射光的信号电荷累积从每个像素开始，如在实施例中，可能基于累积的信号电荷将载波信号转换成与频率相关的信号，并且利用与频率相关的信号为预定目的获取物理信息。

在实施例中，CMOS固态成像具有对于光和诸如辐射等从外侧输入的电磁波的灵敏度，被作为例子描述。然而，有可能将实施例中解释的机构应用到一类型的所有检测物理量变化的物理量分布检测器中，用来根据地址设定确定累积时间和在像素中的读出点。还可能将该机构应用到具有在如电荷耦合器件(CCD)的单元部件中不包括单元信号发生器的结构的半导体装置。

不仅在用光抓住物理量变化的机构中，而且在诸如指纹识别设备的检测物理量变化的其它机构中，指纹识别设备以基于压力的电特性变化和光特性变化为基础检测指纹图像(见JP-A-2002-7984，JP-A-2001-125734等)，可能基于检测器检测到的物理量变化的信息将载波信号转换成与频率相关的信号，并且利用与频率相关的信号为预定目的获取物理信息。

根据本发明的实施例，基于检测器检测到的变化信息将载波信号转换成与频率相关的信号(调制信号)，来利用调制信号为预定目的获取物理信息。

检测器检测到的变化信息不是以电压模式或电流模式的信号传送到输出端的，而是在转换成与频率相关的调制信号后传送的。因此，即使在信号传送时载波信号(调制信号)的幅值、频率或相位波动，该波动较小地影响通过调制信号传送的信号，该信号更容易受到基底偏置效应、引线长度、引线电容、门电路整体电容等的影响，并且当在接收侧的输入信号减弱时SN比率(信号功率与噪声功率的比率)的损耗量较小，并且噪声阻抗特性是令人满意的。

由于AD转换处理是在脉冲计数处理中利用信号转换器产生的调制波在AD转换处理器中执行的，因此可能有效地执行AD转换处理。此外，即使当在用于AD转换的计数处理中采用的计数器时钟或者门信号被连接到AD转换处理器时，很容易采用降低计数器时钟或者门信号频率的机构。有可能容易地减少由引线引起的噪声和功率消耗的问题。

对于本领域技术人员可以理解的是，依据设计需要和其它因素，在不超出附加的权利要求或者其等效物的范围内，可能出现各种变型、组合、再组合以及改变。