專利名稱:固體攝像元件和照相機(jī)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及 一 種以互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary MetalOxide Semiconductor, CMOS)圖像傳感器為代表的固體攝像元件以及一種照相機(jī)系統(tǒng)。
背景技術(shù):
近幾年來(lái),作為替代電荷耦合器件(Charge Coupled Device, CCD)的固體攝像元 件(圖像傳感器),CMOS圖像傳感器備受關(guān)注。 這是因?yàn)?,CCD像素的制造需要專門的工藝,并且CCD的操作需要多個(gè)電源電壓, 此外,CCD還需要基于多個(gè)周邊IC的組合才能進(jìn)行操作。 此外,還因?yàn)?,CMOS圖像傳感器能夠克服在使用CCD時(shí)所出現(xiàn)的系統(tǒng)變得異常復(fù) 雜等各種問(wèn)題。 CMOS圖像傳感器的制造能夠使用與普通CMOS型集成電路相同的制造工藝。另外, CMOS圖像傳感器能通過(guò)單電源驅(qū)動(dòng)。此外,各自通過(guò)使用CMOS工藝制造的模擬電路和邏輯 電路能夠以混合的方式被設(shè)置在同一芯片上。 因此,CMOS圖像傳感器具有能夠減少周邊IC的數(shù)量等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。 在CCD輸出電路中,使用具有浮動(dòng)擴(kuò)散(Floating Diffusion,FD)層的FD放大器
的l信道(CH)輸出是主流。 另一方面,CMOS圖像傳感器在每個(gè)像素中具有FD放大器。在CMOS圖像傳感器的 輸出中,如下的列并行輸出型CMOS圖像傳感器是主流選擇像素陣列中的一行,并將由此 選擇的一行中的數(shù)據(jù)在列方向上同時(shí)讀出。 這是因?yàn)?,很難利用布置在像素內(nèi)的FD放大器獲得足夠的驅(qū)動(dòng)能力,因而需要降
低數(shù)據(jù)率,因此,并行處理是有利的。 下面對(duì)普通CMOS圖像傳感器進(jìn)行說(shuō)明。 在CMOS圖像傳感器中,首先,讀出復(fù)位電壓(預(yù)充電相位下文中稱作P相位), 然后,讀出通過(guò)將復(fù)位電壓與信號(hào)電壓相加得到的相加電壓(數(shù)據(jù)相位下文中稱作D相 位),從而輸出通過(guò)從相加電壓中減去復(fù)位電壓而得到的信號(hào)。 在CMOS圖像傳感器中,通常進(jìn)行相關(guān)雙采樣(Correlated DoubleSampling, CDS) 處理(例如,參考專利文獻(xiàn)1)。 圖1是示出了由四個(gè)晶體管構(gòu)成的CMOS圖像傳感器的像素示例的圖。
像素1具有例如由光電二極管構(gòu)成的光電轉(zhuǎn)換元件11。此外,像素1還具有作為 用于一個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件11的有源元件的四個(gè)晶體管傳輸晶體管12、復(fù)位晶體管13、放大 晶體管14和選擇晶體管15。 光電轉(zhuǎn)換元件11將入射光光電轉(zhuǎn)換為與入射光的光量對(duì)應(yīng)的量的電荷(這種情 況下指電子)。 傳輸晶體管12連接在光電轉(zhuǎn)換元件11與浮動(dòng)擴(kuò)散部FD(FloatingDifusion)之 間。驅(qū)動(dòng)信號(hào)TG通過(guò)傳輸控制線LTX被供給至傳輸晶體管12的柵極(傳輸柵極)。這樣,
6傳輸晶體管12將通過(guò)光電轉(zhuǎn)換元件11中的光電轉(zhuǎn)換得到的電子傳輸至浮動(dòng)擴(kuò)散部FD。
復(fù)位晶體管13連接在電源線LVDD與浮動(dòng)擴(kuò)散部FD之間。復(fù)位信號(hào)RST通過(guò)復(fù) 位控制線LRST被供給至復(fù)位晶體管13的柵極。這樣,復(fù)位晶體管13將浮動(dòng)擴(kuò)散部FD處 的電位復(fù)位為電源線LVDD的電位。 放大晶體管14的柵極連接至浮動(dòng)擴(kuò)散部FD。放大晶體管14通過(guò)選擇晶體管15 連接到信號(hào)線16,從而與設(shè)置在像素部外的恒定電流源一起構(gòu)成源極跟隨器。
此外,地址信號(hào)(選擇信號(hào))SEL通過(guò)選擇控制線LSEL被供給至選擇晶體管15的 柵極,從而使選擇晶體管15打開(kāi)(ON)。 當(dāng)選擇晶體管15打開(kāi)時(shí),放大晶體管14將浮動(dòng)擴(kuò)散部FD處的電位放大,從而將 與由此放大的電位對(duì)應(yīng)的電壓輸出至信號(hào)線16。從各個(gè)像素輸出的電壓通過(guò)各條信號(hào)線 16被輸出至列電路(列處理電路)。 像素的復(fù)位操作使得,對(duì)于在光電轉(zhuǎn)換元件11中累積的電荷,使傳輸晶體管12打 開(kāi),這樣,能夠?qū)⒃诠怆娹D(zhuǎn)換元件ll中累積的電荷傳輸?shù)礁?dòng)擴(kuò)散部FD并釋放。
這時(shí),浮動(dòng)擴(kuò)散部FD使復(fù)位晶體管13打開(kāi),將電荷釋放到電源側(cè),從而使得浮動(dòng) 擴(kuò)散部FD能夠預(yù)先接收在光電轉(zhuǎn)換元件ll中累積的電荷?;蛘?,在某些情況下,在傳輸晶 體管12保持打開(kāi)狀態(tài)期間,在使傳輸晶體管12打開(kāi)的同時(shí),浮動(dòng)擴(kuò)散部FD使復(fù)位晶體管 13打開(kāi),從而直接將電荷釋放至電源。 另一方面,在讀取操作中,首先,使復(fù)位晶體管13打開(kāi),從而對(duì)浮動(dòng)擴(kuò)散部FD進(jìn)行 復(fù)位。在該狀態(tài)下,通過(guò)打開(kāi)的選擇晶體管15可將輸出信號(hào)輸出至輸出信號(hào)線16。將該輸 出稱作P相位輸出。 接著,使傳輸晶體管12打開(kāi),從而將在光電轉(zhuǎn)換元件11中累積的電荷傳輸至浮動(dòng) 擴(kuò)散部FD。通過(guò)電荷的傳輸?shù)玫降妮敵鲂盘?hào)被輸出至輸出信號(hào)線16。將該輸出稱作D相 位輸出。 這樣,在像素電路外部得到D相位輸出與P相位輸出之間的差,并且浮動(dòng)擴(kuò)散部FD 的復(fù)位噪聲被消除,從而獲得圖像信號(hào)。 圖2是示出了圖1所示的各個(gè)像素被布置成二維陣列的CMOS圖像傳感器(固體 攝像元件)的普通結(jié)構(gòu)示例的圖。 圖2所示的CMOS圖像傳感器20由像素陣列部21、行選擇電路(像素驅(qū)動(dòng)電路或 垂直驅(qū)動(dòng)電路)22和列電路(列處理電路)23構(gòu)成,在像素陣列部21中,圖l所示的各個(gè) 像素電路以二維陣列布置。 像素驅(qū)動(dòng)電路22控制各個(gè)行中的各個(gè)像素的傳輸晶體管12、復(fù)位晶體管13和選 擇晶體管15的打開(kāi)/關(guān)閉(0N/0FF)。 列電路23是這樣的電路接收在通過(guò)像素驅(qū)動(dòng)電路22進(jìn)行讀取控制的像素行中 的數(shù)據(jù),并將該數(shù)據(jù)傳輸至后級(jí)的信號(hào)處理電路。 圖3示出了圖1和圖2所示的CMOS圖像傳感器中的像素?cái)?shù)據(jù)的讀取操作的時(shí)序 圖。 在圖1所示的各個(gè)像素被布置成m行n列的像素陣列部中,如圖3所示,用 VSLy(l《x《m, 1《y《n)表示在選擇第x行的像素期間(1H的期間)第y列的垂直信 號(hào)線16的電位VSL的變化。
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用于第x行的選擇信號(hào)SELX變?yōu)楦唠娖?,從而選擇第x行。此夕卜,當(dāng)復(fù)位信號(hào)RSTX 變?yōu)楦唠娖綍r(shí),第x行第y列的像素的浮動(dòng)擴(kuò)散部FD變?yōu)楦唠娖?,因此電位VSLy變成稱作 P相位的復(fù)位電平。 之后,當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)TGX變?yōu)楦唠娖綍r(shí),像素中的電荷運(yùn)動(dòng)至浮動(dòng)擴(kuò)散部FD,由此使 浮動(dòng)擴(kuò)散部FD的電位降低,從而使信號(hào)線16的電位VSLy也降低。
這時(shí)的信號(hào)線16的電位VSLy的電平成為D相位。 類似于前面所述的情況,D相位與P相位之間的差被輸出,從而獲得VSL的制造偏 差被消除的、具有較低噪聲的傳感器輸出。
現(xiàn),有技術(shù)文獻(xiàn)
專利文獻(xiàn) 專利文獻(xiàn)1 :日本專利特許公開(kāi)號(hào)2001-69404。
發(fā)明內(nèi)容
然而,在上述CMOS圖像傳感器中,傳感器的輸出還包含除了必須要輸出的像素信 號(hào)之外的分量。 如圖3所示,在理想狀態(tài)下,在復(fù)位信號(hào)RSTX變?yōu)楦唠娖街蠡蛘唑?qū)動(dòng)信號(hào)TGX變 為高電平之后,可以保持固定的電位。 然而,實(shí)際上,如圖4所示,由于由漏電流導(dǎo)致的浮動(dòng)擴(kuò)散部FD的電位下降等原因 使得輸出信號(hào)線16的電位VSL降低。 這時(shí)的傳感器的輸出包括必須要輸出的像素信號(hào)加上VSL的電位降。 當(dāng)電位降很大時(shí),在來(lái)自傳感器的輸出圖像中就會(huì)出現(xiàn)稱作FD白點(diǎn)(TG OFF白
點(diǎn))的白點(diǎn)、垂直條紋或陰影等。特別地,會(huì)造成低亮度下的圖像質(zhì)量的劣化。 此外,最近幾年里,為了尋求像素的小型化,已經(jīng)開(kāi)始使用在幾個(gè)像素中共用FD
部的共用像素。特別地,在共用像素的情況下,由于FD白點(diǎn)會(huì)變成跨越共用的像素?cái)?shù)的缺
陷,因而圖像質(zhì)量的劣化變得尤為突出。 本發(fā)明旨在提供一種固體攝像元件和照相機(jī)系統(tǒng),所述固體攝像元件能夠使讀取 期間的信號(hào)線的電位降消除,并且能夠降低噪聲,從而獲得高質(zhì)量的圖像。
本發(fā)明第一方面的固體攝像元件包括像素部,在所述像素部中,呈矩陣狀布置有 多個(gè)像素電路,各個(gè)所述像素電路具有用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并根據(jù)曝光時(shí)間對(duì)所述 電信號(hào)進(jìn)行累積的機(jī)構(gòu);像素驅(qū)動(dòng)部,它能夠被驅(qū)動(dòng),以便對(duì)所述像素部中的信號(hào)電荷進(jìn)行 累積、傳輸和輸出;以及像素信號(hào)讀取部,它用于從所述像素部中讀取像素的信號(hào)。所述像 素部的所述像素電路包括輸出節(jié)點(diǎn);光電轉(zhuǎn)換元件,它用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并對(duì) 信號(hào)電荷進(jìn)行累積;和傳輸元件,它根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)被打開(kāi)/關(guān)閉,并在打開(kāi)狀態(tài)下將所述光 電轉(zhuǎn)換元件中的電荷傳輸至所述輸出節(jié)點(diǎn)。所述像素驅(qū)動(dòng)部能夠進(jìn)行如下的讀取驅(qū)動(dòng)第 一讀取驅(qū)動(dòng),通過(guò)所述第一讀取驅(qū)動(dòng),根據(jù)所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)使所述傳輸元件關(guān)閉,以便輸出所 述輸出節(jié)點(diǎn)的信號(hào);和第二讀取驅(qū)動(dòng),通過(guò)所述第二讀取驅(qū)動(dòng),根據(jù)所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)使所述傳 輸元件打開(kāi),以便將所述信號(hào)電荷傳輸至所述輸出節(jié)點(diǎn),輸出所述輸出節(jié)點(diǎn)的信號(hào)。所述像 素信號(hào)讀取部具有這樣的功能將與根據(jù)所述第二讀取驅(qū)動(dòng)讀出的信號(hào)與根據(jù)所述第一讀 取驅(qū)動(dòng)讀出的信號(hào)之間的差對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出。
本發(fā)明第二方面的固體攝像元件包括像素部,在所述像素部中,呈矩陣狀布置有 多個(gè)像素電路,各個(gè)所述像素電路具有用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并根據(jù)曝光時(shí)間對(duì)所述 電信號(hào)進(jìn)行累積的機(jī)構(gòu);像素驅(qū)動(dòng)部,它能夠被驅(qū)動(dòng),以便進(jìn)行所述像素部的復(fù)位及信號(hào)電 荷的累積和輸出;以及像素信號(hào)讀取部,它用于從所述像素部中讀取像素的信號(hào)。所述像素 部的所述像素電路包括輸出節(jié)點(diǎn);光電轉(zhuǎn)換元件,它用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并對(duì)信 號(hào)電荷進(jìn)行累積;復(fù)位元件,根據(jù)復(fù)位信號(hào)被打開(kāi)/關(guān)閉,并在打開(kāi)狀態(tài)下將所述輸出節(jié)點(diǎn) 復(fù)位;和傳輸元件,它根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)被打開(kāi)/關(guān)閉,并在打開(kāi)狀態(tài)下將所述光電轉(zhuǎn)換元件中 的電荷傳輸至所述輸出節(jié)點(diǎn)。所述像素驅(qū)動(dòng)部能夠進(jìn)行如下的讀取驅(qū)動(dòng)第一讀取驅(qū)動(dòng),通 過(guò)所述第一讀取驅(qū)動(dòng)進(jìn)行復(fù)位讀取驅(qū)動(dòng)和非傳輸讀取驅(qū)動(dòng),在所述復(fù)位讀取驅(qū)動(dòng)中,根據(jù) 所述復(fù)位信號(hào)使所述復(fù)位元件打開(kāi),輸出所述輸出節(jié)點(diǎn)的信號(hào),在所述非傳輸讀取驅(qū)動(dòng)中, 根據(jù)所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)使所述傳輸元件關(guān)閉,輸出所述輸出節(jié)點(diǎn)的信號(hào);和第二讀取驅(qū)動(dòng),通過(guò) 所述第二讀取驅(qū)動(dòng)進(jìn)行復(fù)位讀取驅(qū)動(dòng)和傳輸讀取驅(qū)動(dòng),在所述復(fù)位讀取驅(qū)動(dòng)中,根據(jù)所述 復(fù)位信號(hào)使所述復(fù)位元件打開(kāi),輸出所述輸出節(jié)點(diǎn)的信號(hào),在所述傳輸讀取驅(qū)動(dòng)中,根據(jù)所 述驅(qū)動(dòng)信號(hào)使所述傳輸元件打開(kāi),以便將所述信號(hào)電荷傳輸至所述輸出節(jié)點(diǎn),輸出所述輸 出節(jié)點(diǎn)的信號(hào)。所述像素信號(hào)讀取部具有這樣的功能將與根據(jù)所述第二讀取驅(qū)動(dòng)讀出的 信號(hào)與根據(jù)所述第一讀取驅(qū)動(dòng)讀出的信號(hào)之間的差對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出。 更為適合的,在讀出像素的一行的數(shù)據(jù)期間,所述像素驅(qū)動(dòng)部和所述像素信號(hào)讀
取部進(jìn)行所述第一讀取驅(qū)動(dòng)和所述第二讀取驅(qū)動(dòng),并且進(jìn)行與根據(jù)所述第二讀取驅(qū)動(dòng)讀出
的信號(hào)與根據(jù)所述第一讀取驅(qū)動(dòng)讀出的信號(hào)之間的差對(duì)應(yīng)的信號(hào)的輸出。 更為適合的,所述像素信號(hào)讀取部包括多個(gè)比較器,它們被布置成與像素的列排
列對(duì)應(yīng),并且各個(gè)所述比較器對(duì)讀出的信號(hào)電位與參考電壓進(jìn)行比較判定,并輸出判定結(jié)
果;以及多個(gè)增/減計(jì)數(shù)器,各個(gè)所述增/減計(jì)數(shù)器的操作根據(jù)來(lái)自所述比較器的輸出被控
制,并且各個(gè)所述增/減計(jì)數(shù)器對(duì)對(duì)應(yīng)的所述比較器的比較時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)。 更為適合的,在所述第一讀取驅(qū)動(dòng)時(shí),所述多個(gè)增/減計(jì)數(shù)器進(jìn)行減計(jì)數(shù)或增計(jì)
數(shù),并且在所述第二讀取驅(qū)動(dòng)時(shí),所述多個(gè)增/減計(jì)數(shù)器進(jìn)行增計(jì)數(shù)或減計(jì)數(shù)。 更為適合的,在所述第一讀取驅(qū)動(dòng)時(shí),所述多個(gè)增/減計(jì)數(shù)器進(jìn)行所述復(fù)位讀取
驅(qū)動(dòng)中的增計(jì)數(shù)或減計(jì)數(shù),并進(jìn)行所述非傳輸讀取驅(qū)動(dòng)中的減計(jì)數(shù)或增計(jì)數(shù),并且在所述
第二讀取驅(qū)動(dòng)時(shí),所述多個(gè)增/減計(jì)數(shù)器進(jìn)行所述復(fù)位讀取驅(qū)動(dòng)中的減計(jì)數(shù)或增計(jì)數(shù),并
進(jìn)行所述傳輸讀取驅(qū)動(dòng)中的增計(jì)數(shù)或減計(jì)數(shù)。 更為適合的,在所述第一讀取驅(qū)動(dòng)時(shí),所述多個(gè)增/減計(jì)數(shù)器進(jìn)行所述非傳輸讀 取驅(qū)動(dòng)中的減計(jì)數(shù)或增計(jì)數(shù),并且在所述第二讀取驅(qū)動(dòng)時(shí),所述多個(gè)增/減計(jì)數(shù)器進(jìn)行所 述傳輸讀取驅(qū)動(dòng)中的增計(jì)數(shù)或減計(jì)數(shù)。 更為適合的,第一模式和第二模式能夠根據(jù)模式切換信號(hào)相互切換,在所述第一 模式時(shí),所述像素驅(qū)動(dòng)部?jī)H進(jìn)行所述第二讀取驅(qū)動(dòng),且所述像素信號(hào)讀取部輸出根據(jù)所述 第二讀取驅(qū)動(dòng)讀出的信號(hào),并且在所述第二模式時(shí),所述像素驅(qū)動(dòng)部進(jìn)行所述第一讀取驅(qū) 動(dòng)和所述第二讀取驅(qū)動(dòng),且所述像素信號(hào)讀取部輸出與根據(jù)所述第二讀取驅(qū)動(dòng)讀出的信號(hào) 與根據(jù)所述第一讀取驅(qū)動(dòng)讀出的信號(hào)之間的差對(duì)應(yīng)的信號(hào)。 本發(fā)明第三方面的照相機(jī)系統(tǒng)包括固體攝像元件;光學(xué)系統(tǒng),它用于將物體的 圖像成像在所述攝像元件上;以及信號(hào)處理電路,它對(duì)來(lái)自所述攝像元件的輸出圖像信號(hào)
9進(jìn)行處理。所述固體攝像元件包括像素部,在所述像素部中,呈矩陣狀布置有多個(gè)像素電 路,各個(gè)所述像素電路具有用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并根據(jù)曝光時(shí)間對(duì)所述電信號(hào)進(jìn)行 累積的機(jī)構(gòu);像素驅(qū)動(dòng)部,它能夠被驅(qū)動(dòng),以便對(duì)所述像素部中的信號(hào)電荷進(jìn)行累積、傳輸 和輸出;以及像素信號(hào)讀取部,它用于從所述像素部中讀取像素的信號(hào)。所述像素部的所 述像素電路包括輸出節(jié)點(diǎn);光電轉(zhuǎn)換元件,它用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并對(duì)信號(hào)電荷 進(jìn)行累積;和傳輸元件,它根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)被打開(kāi)/關(guān)閉,并在打開(kāi)狀態(tài)下將所述光電轉(zhuǎn)換元 件中的電荷傳輸至所述輸出節(jié)點(diǎn)。所述像素驅(qū)動(dòng)部能夠進(jìn)行如下的讀取驅(qū)動(dòng)第一讀取驅(qū) 動(dòng),通過(guò)所述第一讀取驅(qū)動(dòng),根據(jù)所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)使所述傳輸元件關(guān)閉,以便輸出所述輸出節(jié) 點(diǎn)的信號(hào);和第二讀取驅(qū)動(dòng),通過(guò)所述第二讀取驅(qū)動(dòng),根據(jù)所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)使所述傳輸元件打 開(kāi),以便將所述信號(hào)電荷傳輸至所述輸出節(jié)點(diǎn),輸出所述輸出節(jié)點(diǎn)的信號(hào)。所述像素信號(hào)讀 取部具有這樣的功能將與根據(jù)所述第二讀取驅(qū)動(dòng)讀出的信號(hào)與根據(jù)所述第一讀取驅(qū)動(dòng)讀 出的信號(hào)之間的差對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出。 本發(fā)明第四方面的照相機(jī)系統(tǒng)包括固體攝像元件;光學(xué)系統(tǒng),它用于將物體的 圖像成像在所述攝像元件上;以及信號(hào)處理電路,它用于對(duì)來(lái)自所述攝像元件的輸出圖像 信號(hào)進(jìn)行處理。所述固體攝像元件包括像素部,在所述像素部中,呈矩陣狀布置有多個(gè)像 素電路,各個(gè)所述像素電路具有用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并根據(jù)曝光時(shí)間對(duì)所述電信號(hào) 進(jìn)行累積的機(jī)構(gòu);像素驅(qū)動(dòng)部,它能夠被驅(qū)動(dòng),以便進(jìn)行所述像素部的復(fù)位及信號(hào)電荷的累 積和輸出;以及像素信號(hào)讀取部,它用于從所述像素部中讀取像素的信號(hào)。所述像素部的 所述像素電路包括輸出節(jié)點(diǎn);光電轉(zhuǎn)換元件,它用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并對(duì)信號(hào)電 荷進(jìn)行累積;復(fù)位元件,它根據(jù)復(fù)位信號(hào)被打開(kāi)/關(guān)閉,并在打開(kāi)狀態(tài)下將所述輸出節(jié)點(diǎn)復(fù) 位;和傳輸元件,它根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)被打開(kāi)/關(guān)閉,并在打開(kāi)狀態(tài)下將所述光電轉(zhuǎn)換元件中的 電荷傳輸至所述輸出節(jié)點(diǎn)。所述像素驅(qū)動(dòng)部能夠進(jìn)行如下的讀取驅(qū)動(dòng)第一讀取驅(qū)動(dòng),通過(guò) 所述第一讀取驅(qū)動(dòng)進(jìn)行復(fù)位讀取驅(qū)動(dòng)和非傳輸讀取驅(qū)動(dòng),在所述復(fù)位讀取驅(qū)動(dòng)中,根據(jù)所 述復(fù)位信號(hào)使所述復(fù)位元件打開(kāi),輸出所述輸出節(jié)點(diǎn)的信號(hào),在所述非傳輸讀取驅(qū)動(dòng)中,根 據(jù)所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)使所述傳輸元件關(guān)閉,輸出所述輸出節(jié)點(diǎn)的信號(hào);和第二讀取驅(qū)動(dòng),通過(guò)所 述第二讀取驅(qū)動(dòng)進(jìn)行復(fù)位讀取驅(qū)動(dòng)和傳輸讀取驅(qū)動(dòng),在所述復(fù)位讀取驅(qū)動(dòng)中,根據(jù)所述復(fù) 位信號(hào)使所述復(fù)位元件打開(kāi),輸出所述輸出節(jié)點(diǎn)的信號(hào),在所述傳輸讀取驅(qū)動(dòng)中,根據(jù)所述 驅(qū)動(dòng)信號(hào)使所述傳輸元件打開(kāi),以便將所述信號(hào)電荷傳輸至所述輸出節(jié)點(diǎn),輸出所述輸出 節(jié)點(diǎn)的信號(hào)。所述像素信號(hào)讀取部具有這樣的功能將與根據(jù)所述第二讀取驅(qū)動(dòng)讀出的信 號(hào)與根據(jù)所述第一讀取驅(qū)動(dòng)讀出的信號(hào)之間的差對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出。 根據(jù)本發(fā)明,在所述像素驅(qū)動(dòng)部中進(jìn)行所述第一讀取驅(qū)動(dòng)和所述第二讀取驅(qū)動(dòng), 在所述第一讀取驅(qū)動(dòng)中,根據(jù)所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)使所述復(fù)位元件關(guān)閉,以輸出所述輸出節(jié)點(diǎn)的 信號(hào),在所述第二讀取驅(qū)動(dòng)中,根據(jù)所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)使所述傳輸元件打開(kāi),以將信號(hào)電荷傳輸 至輸出節(jié)點(diǎn),從而使輸出所述輸出節(jié)點(diǎn)的信號(hào)。 基于所述第一讀取驅(qū)動(dòng)的讀取信號(hào)和基于第二讀取驅(qū)動(dòng)的讀取信號(hào)被提供給所 述像素信號(hào)讀取部。 此外,在所述像素信號(hào)讀取部中,可以得到根據(jù)第二讀取驅(qū)動(dòng)讀出的信號(hào)與根據(jù) 第一讀取驅(qū)動(dòng)讀出的信號(hào)之間的差,并輸出與所述差對(duì)應(yīng)的信號(hào)。 根據(jù)本發(fā)明,能夠消除在讀取期間內(nèi)的信號(hào)線的電位的下降,降低噪聲,從而獲得高質(zhì)量的圖像。
圖1是示出了由四個(gè)晶體管構(gòu)成的CMOS圖像傳感器中的像素示例的圖。 圖2是示出了圖1所示的各個(gè)像素被布置成二維陣列的CMOS圖像傳感器(固體
攝像元件)的普通結(jié)構(gòu)示例的圖。 圖3是用于說(shuō)明普通CMOS圖像傳感器中的P相位讀取和D相位讀取的時(shí)序圖。
圖4是用于說(shuō)明普通CMOS圖像傳感器中的P相位讀取和D相位讀取的問(wèn)題的圖。
圖5是示出了本發(fā)明實(shí)施例的CMOS圖像傳感器(固體攝像元件)的結(jié)構(gòu)示例的 圖。 圖6是示出了本發(fā)明實(shí)施例的由四個(gè)晶體管構(gòu)成的CMOS圖像傳感器的像素示例 的圖。 圖7是用于根據(jù)實(shí)施例說(shuō)明P相位讀取和D相位讀取的時(shí)序圖。 圖8是用于說(shuō)明多個(gè)模式能夠相互切換的固體攝像元件(CMOS圖像傳感器)的圖。 圖9是示出了本發(fā)明實(shí)施例的裝配有列并行ADC的固體攝像元件(CMOS圖像傳感 器)的結(jié)構(gòu)示例的框圖。 圖10是示出了在1H的期間內(nèi),在圖9所示的CMOS圖像傳感器中實(shí)現(xiàn)[TG 'ON信 號(hào)-TG,OFF信號(hào)]的輸出的讀取方法的時(shí)序圖。 圖11是示出了在1H的期間內(nèi),在圖9所示的CMOS圖像傳感器中實(shí)現(xiàn)[TG 'ON信 號(hào)-TG,OFF信號(hào)]的輸出的另一種讀取方法的時(shí)序圖。 圖12是示出了使用本發(fā)明實(shí)施例的固體攝像元件的照相機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示例的 圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例。
第一實(shí)施例 圖5是示出了本發(fā)明實(shí)施例的CMOS圖像傳感器(固體攝像元件)的結(jié)構(gòu)示例的 圖。 該CMOS圖像傳感器100具有像素陣列部101、作為像素驅(qū)動(dòng)部的行選擇電路(垂 直驅(qū)動(dòng)電路)102、列讀取電路(列處理電路)103、用于k行的線存儲(chǔ)器104、放大器電路105 和傳輸線106。 像素信號(hào)讀取部由列讀取電路103、線存儲(chǔ)器104、放大器電路105和傳輸線106 這些構(gòu)成元件構(gòu)成。 在像素陣列部101中,多個(gè)像素電路被布置為呈m行n列的二維形狀(矩陣狀)。
圖6是示出了本發(fā)明實(shí)施例的由四個(gè)晶體管構(gòu)成的CMOS圖像傳感器的像素示例 的圖。 像素電路IOIA具有例如由光電二極管構(gòu)成的光電轉(zhuǎn)換元件111。 對(duì)于一個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件lll,像素電路IOIA具有作為有源元件的四個(gè)晶體管作為傳輸元件的傳輸晶體管112、作為復(fù)位元件的復(fù)位晶體管113、放大晶體管114和選擇晶 體管115。 光電轉(zhuǎn)換元件lll將入射光轉(zhuǎn)換為與入射光的光量對(duì)應(yīng)的量的電荷(在本實(shí)施例 中指的是電子)。 傳輸晶體管112連接在光電轉(zhuǎn)換元件111與作為輸出節(jié)點(diǎn)的浮動(dòng)擴(kuò)散部FD之間。
驅(qū)動(dòng)信號(hào)TG通過(guò)傳輸控制線LTX被供給至傳輸晶體管112的柵極(傳輸柵極), 從而將通過(guò)在光電轉(zhuǎn)換元件111中進(jìn)行的光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電子傳輸至浮動(dòng)擴(kuò)散部FD。
復(fù)位晶體管113連接在電源線LVDD與浮動(dòng)擴(kuò)散部FD之間。 復(fù)位信號(hào)RST通過(guò)復(fù)位控制線LRST被供給至復(fù)位晶體管113的柵極,從而使得復(fù) 位晶體管113將浮動(dòng)擴(kuò)散部FD的電位復(fù)位為電源線LVDD的電位。 放大晶體管114的柵極連接到浮動(dòng)擴(kuò)散部FD。放大晶體管114通過(guò)選擇晶體管 115連接到信號(hào)線LSGN,從而與設(shè)置在像素部外的恒定電流源一起構(gòu)成源極跟隨器。
此外,控制信號(hào)(地址信號(hào)或選擇信號(hào))SEL通過(guò)選擇控制線LSEL被供給至選擇 晶體管115的柵極,從而使選擇晶體管115打開(kāi)。 當(dāng)選擇晶體管115打開(kāi)時(shí),放大晶體管114將浮動(dòng)擴(kuò)散部FD處的電位放大,從而 將與所述電位對(duì)應(yīng)的電壓輸出至信號(hào)線116。從各個(gè)像素輸出的電壓通過(guò)各條信號(hào)線116 被輸出至列電路103。 例如,由于傳輸晶體管112的柵極、復(fù)位晶體管113的柵極和選擇晶體管115的柵 極被以行為單位連接,因而對(duì)于一行的像素,可以同時(shí)進(jìn)行這些操作。 被布線于像素陣列部101中的復(fù)位控制線LRST、傳輸控制線LL和選擇控制線 LSEL以像素排列的各行為單位被作為一組進(jìn)行布線。 復(fù)位控制線LRST、傳輸控制線LL和選擇控制線LSEL通過(guò)作為像素驅(qū)動(dòng)部的行選 擇電路102驅(qū)動(dòng)。 例如,行選擇電路102具有多個(gè)移位寄存器,所述移位寄存器用于將復(fù)位信號(hào)RST 和驅(qū)動(dòng)信號(hào)TG輸出至控制線,所述控制線與各條復(fù)位控制線LRST、傳輸控制線LTX和選擇 控制線LSEL連接。 在與通過(guò)控制系統(tǒng)(未圖示)產(chǎn)生的控制信號(hào)CTL對(duì)應(yīng)的控制下,當(dāng)進(jìn)行所謂的 P相位讀取和D相位讀取時(shí),行選擇電路102被控制為進(jìn)行多次(在本實(shí)施例中為兩次)P 相位讀取和D相位讀取。 行選擇電路102對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)TG進(jìn)行輸出控制,從而在對(duì)第一 P相位讀取和第一 D 相位讀取進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí),在將用于傳輸晶體管112的驅(qū)動(dòng)信號(hào)TG保持在低電平的同時(shí)進(jìn)行D 相位采樣。所述第一 P相位讀取對(duì)應(yīng)于復(fù)位讀取操作,并且第一 D相位讀取對(duì)應(yīng)于非傳輸 讀取操作。 行選擇電路102對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)TG進(jìn)行輸出控制,從而在對(duì)第二 P相位讀取和第二 D 相位讀取進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí),在將用于傳輸晶體管112的驅(qū)動(dòng)信號(hào)TG保持在高電平的同時(shí)進(jìn)行D 相位采樣。所述第二 P相位讀取對(duì)應(yīng)于復(fù)位讀取操作,并且第二 D相位讀取對(duì)應(yīng)于傳輸讀 取操作。 將如下的處理稱作TG OFF信號(hào)處理通過(guò)將驅(qū)動(dòng)信號(hào)TG設(shè)定為低電平,在使傳 輸晶體管112保持關(guān)閉的同時(shí)進(jìn)行D相位采樣。
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將如下的處理稱作TG '0N信號(hào)處理通過(guò)將驅(qū)動(dòng)信號(hào)TG設(shè)定為高電平,在使傳輸 晶體管112保持打開(kāi)的同時(shí)進(jìn)行D相位采樣。 列讀取電路103接收通過(guò)像素驅(qū)動(dòng)電路102讀取和控制的像素行中的數(shù)據(jù),并且 通過(guò)傳輸線106和放大器電路105將所述像素行中的數(shù)據(jù)傳輸至后級(jí)的信號(hào)處理電路。
線存儲(chǔ)器104存儲(chǔ)TG OFF信號(hào)處理中的TG OFF信號(hào)。本實(shí)施例的CMOS圖像傳感器100具有這樣的功能把[TG ON信號(hào)_TG OFF信
號(hào)]的數(shù)據(jù)作為傳感器的輸出,從而消除從P相位到D相位期間內(nèi)的信號(hào)線116的電位VSL 的下降。 在讀取像素的一行的數(shù)據(jù)期間,本實(shí)施例的CMOS圖像傳感器IOO進(jìn)行第一讀取驅(qū) 動(dòng)和第二讀取驅(qū)動(dòng),并輸出與根據(jù)第二讀取驅(qū)動(dòng)讀出的信號(hào)與根據(jù)第一讀取驅(qū)動(dòng)讀出的信 號(hào)之間的差對(duì)應(yīng)的信號(hào)。 下面結(jié)合圖7的(A)和(B)對(duì)利用本實(shí)施例的CMOS圖像傳感器100把[TG ON 信號(hào)-TG OFF信號(hào)]的數(shù)據(jù)作為傳感器的輸出的處理進(jìn)行說(shuō)明。 圖7的(A)和(B)是用于根據(jù)本實(shí)施例說(shuō)明P相位讀取和D相位讀取的時(shí)序圖。
圖7的(A)示出了 TG OFF信號(hào)處理的時(shí)序圖,圖7的(B)示出了 TG ON信號(hào)處
理的時(shí)序圖。 在圖5所示的各個(gè)像素被布置成m行n列的矩陣的像素陣列部101中,如圖7的 (A)和(B)所示,用VSLy(l《x《m,l《y《n)表示在選擇第x行的像素期間(1H的期 間)第y列的垂直信號(hào)線116的電位VSL的變化。 在TG OFF信號(hào)處理中,用于第x行的選擇信號(hào)SELx變?yōu)楦唠娖?,從而選擇第x 行。當(dāng)復(fù)位信號(hào)RSTX信號(hào)變?yōu)楦唠娖綍r(shí),第x行第y列的像素的浮動(dòng)擴(kuò)散部FD變?yōu)楦唠?平,因此VSLy變成稱作P相位的復(fù)位電平。 然后,在TG OFF信號(hào)處理中,驅(qū)動(dòng)信號(hào)TGX被保持在低電平上,并且傳輸晶體管 112保持關(guān)閉。 此時(shí)的傳感器的輸出是TG *OFF信號(hào),這意味著,在從P相位到D相位的期間內(nèi)的 信號(hào)線116的電位VSL的下降被輸出。 TG OFF信號(hào)通過(guò)列讀取電路103被存儲(chǔ)在線存儲(chǔ)器104中。
在TG OFF信號(hào)處理中,用于第x行的選擇信號(hào)SEL,變?yōu)楦唠娖?,從而選擇第x 行。當(dāng)復(fù)位信號(hào)RSTX信號(hào)變?yōu)楦唠娖綍r(shí),第x行第y列的像素的浮動(dòng)擴(kuò)散部FD變?yōu)楦唠?平,因此VSLy變成稱作P相位的復(fù)位電平。 然后,在TG'0N信號(hào)處理中,當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)TG,被保持為高電平,并且傳輸晶體管112 保持打開(kāi)時(shí),像素中的電荷移動(dòng)到浮動(dòng)擴(kuò)散部FD。此外,浮動(dòng)擴(kuò)散部FD處的電位下降,從而 使信號(hào)線16的電位VSLy也下降。這時(shí),信號(hào)線116的電位VSLy的電平被作為D相位。 然后,從TG.0N信號(hào)中減去存儲(chǔ)于線存儲(chǔ)器104中的TG'0FF信號(hào)(TG ON信 號(hào)-TG *OFF信號(hào)),從而從放大器電路105中輸出在從P相位到D相位期間內(nèi)的信號(hào)線116 的電位VSL的下降被消除了的信號(hào)。 正如到目前為止所說(shuō)明的,通常來(lái)說(shuō),在普通CMOS圖像傳感器中,在D相位讀取 中,驅(qū)動(dòng)信號(hào)TG被設(shè)定為高電平,從而讀出像素?cái)?shù)據(jù)。
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另一方面,在本實(shí)施例中,在第一 P相位讀取和第一 D相位讀取中,在將驅(qū)動(dòng)信號(hào) TG保持在低電平的同時(shí)進(jìn)行D相位采樣。 在本實(shí)施例中,此時(shí)的傳感器的輸出稱作TG OFF信號(hào),這意味著,在從P相位到 D相位期間內(nèi)的信號(hào)線116的電位VSL的下降被輸出。 接下來(lái),在第二 P相位讀取和第二 D相位讀取中,驅(qū)動(dòng)信號(hào)TG被設(shè)定為高電平,并 且進(jìn)行D相位采樣。 此外,在本實(shí)施例中,如圖7的(A)所示,例如在每k行(1《k《m)上,TG*0FF 信號(hào)被讀出,并被存儲(chǔ)在用于k行的線存儲(chǔ)器104中。此后,圖7的(B)中所示的TG'ON信號(hào)被讀出,并且屬于同一行的TG'ON信號(hào)與
TG OFF信號(hào)之間的差被輸出。 通常,在許多情況下k的值為1行或m行。 當(dāng)k = 1時(shí),重復(fù)以下流程第x行的TG OFF信號(hào)一第x行的TG ON信號(hào)一第 (x+1)行的TG OFF信號(hào)一第(x+1)行的TG ON信號(hào)一 。 當(dāng)k = m時(shí),在用于一幀的TG OFF信號(hào)被讀出,然后被存儲(chǔ)在幀存儲(chǔ)器中之后, 讀出TG ON信號(hào)。 要注意的是,由于只要溫度不變TG *OFF信號(hào)就具有比較小的電氣變化,因而在用
于一幀的TG OFF信號(hào)被存儲(chǔ)在幀存儲(chǔ)器中之后,也能夠獲得用于幾幀的TG ON信號(hào)與用
于與TG ON信號(hào)的幀相同的幀的TG OFF信號(hào)之間的差,這樣就提高了幀率。 正如到目前為止所說(shuō)明的,根據(jù)本實(shí)施例,能夠獲得如下效果。 在普通CMOS圖像傳感器中,可以得到[傳感器輸出(TG'ON信號(hào))=像素信號(hào)
+VSL電位降]。 另一方面,在本實(shí)施例的CM0S圖像傳感器100中,可以得到[傳感器輸出二TG'ON 信號(hào)-TG OFF信號(hào)=像素信號(hào)+VSL電位降-VSL電位降=像素信號(hào)]。因此,能夠獲得信 號(hào)線VSL的電位降被消除了的、具有較低噪聲的傳感器輸出,所述電位降在現(xiàn)有CMOS圖像 傳感器中是無(wú)法消除的。 值得注意的是,因?yàn)樵诒緦?shí)施例中,TG ON信號(hào)和TG OFF信號(hào)對(duì)各個(gè)行是必要
的,所以與僅輸出TG ON普通CMOS圖像傳感器相比,恐怕很難提高幀率。 然而,在從P相位到D相位期間內(nèi)的VSL的電位降(FD白點(diǎn)等)在像素?cái)?shù)據(jù)輸出
很小的低亮度情況下對(duì)圖片有很大的影響。 —般地,在低亮度時(shí),在很多情況下,通過(guò)幀率降低的較長(zhǎng)時(shí)間的曝光來(lái)確保信號(hào) 為此,如圖8所示,傳感器被設(shè)計(jì)為具有作為通常模式的第一模式M0DE1和第二模 式M0DE2,在第一模式M0DE1中,輸出TG *0N信號(hào),在第二模式M0DE2中,主要在以低亮度攝 像時(shí)輸出上述實(shí)施例中的[TG ON信號(hào)-TG OFF信號(hào)]。 此外,如果根據(jù)模式切換信號(hào)MSW,將一種模式切換到與物體對(duì)應(yīng)的另一種模式, 則對(duì)于每個(gè)物體,都能夠進(jìn)行最適合的驅(qū)動(dòng)。 應(yīng)該注意的是,盡管未對(duì)上述各實(shí)施例中的CMOS圖像傳感器進(jìn)行特別的限定,但 例如,相關(guān)的CMOS圖像傳感器也可以被配置為配備有列并行型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(在下文中 簡(jiǎn)寫為ADC(Analog digitalconverter))的CMOS圖像傳感器的形式。
圖9是本發(fā)明實(shí)施例的配備有列并行ADC的固體攝像元件(CMOS圖像傳感器)的 結(jié)構(gòu)示例的框圖。 如圖9所示,該固體攝像元件200具有作為攝像部的像素部210、作為像素驅(qū)動(dòng)部 的行選擇電路220、內(nèi)部時(shí)鐘(CLK)發(fā)生電路230、斜波(RAMP)波形發(fā)生電路240、并行布置 有作為像素信號(hào)讀取部的多個(gè)ADC(模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器)的ADC組250、放大器電路(S/A) 260 以及傳輸線270。 像素部210是按照如下方式進(jìn)行配置的像素211被布置成m行n列的矩陣(行 列狀),各個(gè)像素211包括光電二極管和像素內(nèi)放大器并且具有例如圖6所示的結(jié)構(gòu)。
基本上,在各個(gè)ADC組250中,多個(gè)ADC被布置成多列,各個(gè)ADC包括比較器251 和增/減計(jì)數(shù)器252,該比較器251使斜波波形(RAMP)與模擬信號(hào)電位VSL相比,在所述斜 波波形(RAMP)中,通過(guò)斜波波形發(fā)生電路240產(chǎn)生的參考電壓呈階梯狀變化,模擬信號(hào)電 位VSL是通過(guò)對(duì)應(yīng)的垂直信號(hào)線從每條行線上的像素獲得的,增/減計(jì)數(shù)器252包括對(duì)比 較時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器和例如具有用于保持計(jì)數(shù)結(jié)果的N位存儲(chǔ)器的鎖存器。
ADC組250具有進(jìn)行n位數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換的功能,并且ADC組250中的各個(gè)ADC被布 置在每條垂直信號(hào)線(列線)上,從而構(gòu)成列并行的ADC塊。
鎖存器的輸出與例如具有2n位寬度的傳輸線270相連。
另外,放大器電路260被布置成與傳輸線270對(duì)應(yīng)。 基本上,在ADC組250中,被讀出到對(duì)應(yīng)的垂直信號(hào)線的模擬像素信號(hào)Vsig(電位 VSL)在被布置在每列上的比較器(比較器)251中與作為參考電壓的傾斜波形的斜波波形 RAMP相比。 這時(shí),與比較器251的情況類似地被布置在每列上的增/減計(jì)數(shù)器252工作。因 此,斜波波形RAMP的某一電位Vsl,與計(jì)數(shù)器值一一對(duì)應(yīng)地變化,從而可以將對(duì)應(yīng)的垂直信 號(hào)線的電位(模擬信號(hào))VSL轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。 通過(guò)將電壓的變化轉(zhuǎn)換為時(shí)間的變化獲得參考電壓Vsl,的變化。因此,在某一周 期(時(shí)鐘)內(nèi)對(duì)該時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù),從而將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。 另外,當(dāng)模擬電信號(hào)VSL的電平和參考電壓Vsl。pe的電平相交時(shí),來(lái)自比較器251 的輸出被反轉(zhuǎn),使對(duì)增/減計(jì)數(shù)器252的輸入時(shí)鐘停止,或者將輸入被停止的時(shí)鐘輸入到增 /減計(jì)數(shù)器252中,從而完成AD轉(zhuǎn)換。 在上述AD轉(zhuǎn)換期間結(jié)束之后,在鎖存器中保持的數(shù)據(jù)被傳輸至傳輸線270,通過(guò) 放大器電路260被輸入到信號(hào)處理電路(未示出)中,從而通過(guò)預(yù)定信號(hào)處理生成二維圖 像。 在上述方式中,實(shí)現(xiàn)[TG 'ON信號(hào)-TG 'OFF信號(hào)]的輸出的電路結(jié)構(gòu)被應(yīng)用于在 各個(gè)列中的使用增/減計(jì)數(shù)器的列ADC電路,因而能夠?qū)崿F(xiàn)不需要線存儲(chǔ)器的[TG ON信 號(hào)-TG'OFF信號(hào)]的輸出。 上述結(jié)構(gòu)是對(duì)[TG "ON信號(hào)-TG WFF信號(hào)]的輸出最有效的電路中的一種電路。
如前所述,各列的信號(hào)電位VSL與斜坡波形RAMP相比,并且對(duì)直到來(lái)自對(duì)應(yīng)的比 較器251的輸出反轉(zhuǎn)時(shí)的時(shí)鐘CLK的數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù),因而在各列中能夠通過(guò)AD轉(zhuǎn)換得到傳感 器的輸出。 另外,在P相位時(shí)進(jìn)行減計(jì)數(shù),并且在D相位時(shí)進(jìn)行增計(jì)數(shù),因而能夠在各列中進(jìn)
15行用于D相位-P相位的CDS。 圖10是示出了在1H的期間內(nèi),在圖9所示的CMOS圖像傳感器中實(shí)現(xiàn)[TG 'ON信 號(hào)-TG,OFF信號(hào)]的輸出的讀取方法的時(shí)序圖。在這種情況下,在1H的期間內(nèi)包含TG *0N讀取期間和TG "FF讀取區(qū)間這兩個(gè)期 間。盡管這兩個(gè)期間的先后順序沒(méi)有差別,但圖10示出了 TG OFF讀取期間在先的示例。
對(duì)于TG OFF讀取期間,在復(fù)位信號(hào)RSTJ皮設(shè)定為高電平之后,通過(guò)增/減計(jì)數(shù) 器252對(duì)P相位1的值進(jìn)行增計(jì)數(shù)。 之后,在使驅(qū)動(dòng)信號(hào)TG保持在低電平的同時(shí),通過(guò)增/減計(jì)數(shù)器252對(duì)D相位1 的值進(jìn)行減計(jì)數(shù)。 對(duì)于TG *0N讀取期間,在復(fù)位信號(hào)RSTx被設(shè)定為高電平之后,通過(guò)增/減計(jì)數(shù)器 252對(duì)P相位2的值進(jìn)行減計(jì)數(shù)。 之后,將驅(qū)動(dòng)信號(hào)TG設(shè)定為高電平,并且通過(guò)增/減計(jì)數(shù)器252對(duì)D相位2的值 進(jìn)行增計(jì)數(shù)。 TG OFF讀取期間與TG ON讀取期間之間的VSL的行為的區(qū)別在于,D相位時(shí)的 驅(qū)動(dòng)信號(hào)TG在TG OFF讀取期間內(nèi)被保持在低電平(TG = Low)上,而在TG ON讀取期間 內(nèi)被保持在高電平(TG = High)上。 最后,根據(jù)圖10所示的讀取方法,傳感器輸出變?yōu)閇傳感器輸出=TG ON信 號(hào)-TG *OFF信號(hào)=D相位2P相位2- (D相位1_P相1位)=D相位1_P相位1_P相位2+D
相位2]。 以此方式,通過(guò)使用增/減計(jì)數(shù)器的列ADC,能夠?qū)崿F(xiàn)[TG ON信號(hào)_TG OFF信
號(hào)]的輸出而不需要專門的線存儲(chǔ)器。 需要指出的是,因?yàn)镻相位1和P相位2基本上應(yīng)該具有相同的電位,因此如圖11 所示,TG OFF輸出被減計(jì)數(shù)(P相位),而TG ON輸出被增計(jì)數(shù)(D相位),因而能夠簡(jiǎn)化 斜坡波形RAMP和計(jì)數(shù)器的操作。 這樣,就有可能進(jìn)一步降低能耗并提高速度。 正如到目前為止所描述的,根據(jù)本實(shí)施例能夠獲得以下效果。 能夠獲得具有較低噪聲的圖像,在該具有較低噪聲的圖像中,由在從P相位到D相
位期間內(nèi)的信號(hào)電位VSL的電位降所導(dǎo)致的TG OFF白點(diǎn)、垂直條紋和陰影等噪聲被消除
了 (TG OFF被消除的輸出,TG OFFcanceled output)。 通過(guò)應(yīng)用使用增/減計(jì)數(shù)器的列ADC電路,無(wú)需線存儲(chǔ)器就可以獲得具有較低噪 聲的TG OFF被消除的輸出的圖像。 通常,以高的幀率進(jìn)行攝像,并且在TG OFF白點(diǎn)等非常清晰可見(jiàn)的低亮度時(shí),當(dāng) 前模式就會(huì)被切換到TG OFF被消除的輸出的模式,因而對(duì)于每個(gè)物體都能夠獲得最適合 的圖像。 具有上述效果的固體攝像元件可被用作數(shù)碼相機(jī)或攝像機(jī)的攝像裝置。 圖12是示出了使用本發(fā)明實(shí)施例的固體攝像元件的照相機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示例的圖。 如圖12所示,照相機(jī)系統(tǒng)300包括能夠使用實(shí)施例的CMOS圖像傳感器(固體 攝像元件)100、200的攝像裝置310 ;用于將入射光引導(dǎo)至攝像裝置310的像素區(qū)域(用于使物體的圖像成像)的光學(xué)系統(tǒng),例如,用于使入射光(圖像光)在攝像區(qū)域上成像的透鏡 320 ;用于驅(qū)動(dòng)攝像裝置310的驅(qū)動(dòng)電路(DRV) 330 ;以及用于對(duì)來(lái)自攝像裝置310的輸出信 號(hào)進(jìn)行處理的信號(hào)處理電路(PRC) 340。 驅(qū)動(dòng)電路330具有用于生成包含驅(qū)動(dòng)攝像裝置310中的電路的起始脈沖和時(shí)鐘脈 沖的各種時(shí)序信號(hào)的時(shí)序發(fā)生器(未示出),并且根據(jù)預(yù)定時(shí)序信號(hào)驅(qū)動(dòng)攝像裝置310。
另外,信號(hào)處理電路340對(duì)來(lái)自攝像裝置310的輸出信號(hào)進(jìn)行預(yù)定信號(hào)處理。
通過(guò)信號(hào)處理電路340中的處理得到的圖像信號(hào)被記錄在諸如存儲(chǔ)器等記錄介 質(zhì)中。可通過(guò)打印機(jī)等對(duì)記錄在記錄介質(zhì)上的圖像信息進(jìn)行硬拷貝。另外,通過(guò)信號(hào)處理電 路340中的處理得到的圖像信號(hào)被作為動(dòng)態(tài)圖像顯示在由液晶顯示器等構(gòu)成的監(jiān)視器上。
如前所述,前面提到的攝像元件100、200作為攝像裝置310被安裝在諸如數(shù)碼相 機(jī)等攝像設(shè)備中,因而能夠?qū)崿F(xiàn)低能耗的高精度照相機(jī)。
權(quán)利要求
一種固體攝像元件,所述固體攝像元件包括像素部,在所述像素部中,呈矩陣狀布置有多個(gè)像素電路,各個(gè)所述像素電路具有用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并根據(jù)曝光時(shí)間對(duì)所述電信號(hào)進(jìn)行累積的機(jī)構(gòu);像素驅(qū)動(dòng)部,它能夠被驅(qū)動(dòng),以便對(duì)所述像素部中的信號(hào)電荷進(jìn)行累積、傳輸和輸出;以及像素信號(hào)讀取部,它用于從所述像素部中讀取像素的信號(hào),所述像素部的所述像素電路包括輸出節(jié)點(diǎn);光電轉(zhuǎn)換元件,它用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并對(duì)信號(hào)電荷進(jìn)行累積;和傳輸元件,它根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)被打開(kāi)/關(guān)閉,并在打開(kāi)狀態(tài)下將所述光電轉(zhuǎn)換元件中的電荷傳輸至所述輸出節(jié)點(diǎn),所述像素驅(qū)動(dòng)部能夠進(jìn)行如下的讀取驅(qū)動(dòng)第一讀取驅(qū)動(dòng),通過(guò)所述第一讀取驅(qū)動(dòng),根據(jù)所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)使所述傳輸元件關(guān)閉,以便輸出所述輸出節(jié)點(diǎn)的信號(hào);和第二讀取驅(qū)動(dòng),通過(guò)所述第二讀取驅(qū)動(dòng),根據(jù)所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)使所述傳輸元件打開(kāi),以便將所述信號(hào)電荷傳輸至所述輸出節(jié)點(diǎn),輸出所述輸出節(jié)點(diǎn)的信號(hào),并且所述像素信號(hào)讀取部具有這樣的功能將與根據(jù)所述第二讀取驅(qū)動(dòng)讀出的信號(hào)與根據(jù)所述第一讀取驅(qū)動(dòng)讀出的信號(hào)之間的差對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出。
2. 如權(quán)利要求l所述的固體攝像元件,其中,在讀出像素的一行的數(shù)據(jù)期間,所述像素驅(qū)動(dòng)部和所述像素信號(hào)讀取部進(jìn)行所述第一讀取驅(qū)動(dòng)和所述第二讀取驅(qū)動(dòng),并且進(jìn)行與根據(jù)所述第二讀取驅(qū)動(dòng)讀出的信號(hào)與根據(jù)所述第一讀取驅(qū)動(dòng)讀出的信號(hào)之間的差對(duì)應(yīng)的信號(hào)的輸出。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的固體攝像元件,其中,所述像素信號(hào)讀取部包括多個(gè)比較器,它們被布置成與像素的列排列對(duì)應(yīng),并且各個(gè)所述比較器對(duì)讀出的信號(hào)電位與參考電壓進(jìn)行比較判定,并輸出判定結(jié)果;以及多個(gè)增/減計(jì)數(shù)器,各個(gè)所述增/減計(jì)數(shù)器的操作根據(jù)來(lái)自所述比較器的輸出被控制,并且各個(gè)所述增/減計(jì)數(shù)器對(duì)對(duì)應(yīng)的所述比較器的比較時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)。
4. 如權(quán)利要求3所述的固體攝像元件,其中,在所述第一讀取驅(qū)動(dòng)時(shí),所述多個(gè)增/減計(jì)數(shù)器進(jìn)行減計(jì)數(shù)或增計(jì)數(shù),并且在所述第二讀取驅(qū)動(dòng)時(shí),所述多個(gè)增/減計(jì)數(shù)器進(jìn)行增計(jì)數(shù)或減計(jì)數(shù)。
5. 如權(quán)利要求1 4中任一項(xiàng)所述的固體攝像元件,其中,第一模式和第二模式能夠根據(jù)模式切換信號(hào)相互切換,在所述第一模式時(shí),所述像素驅(qū)動(dòng)部?jī)H進(jìn)行所述第二讀取驅(qū)動(dòng),且所述像素信號(hào)讀取部輸出根據(jù)所述第二讀取驅(qū)動(dòng)讀出的信號(hào);并且在所述第二模式時(shí),所述像素驅(qū)動(dòng)部進(jìn)行所述第一讀取驅(qū)動(dòng)和所述第二讀取驅(qū)動(dòng),且所述像素信號(hào)讀取部輸出與根據(jù)所述第二讀取驅(qū)動(dòng)讀出的信號(hào)與根據(jù)所述第一讀取驅(qū)動(dòng)讀出的信號(hào)之間的差對(duì)應(yīng)的信號(hào)。
6. —種固體攝像元件,所述固體攝像元件包括像素部,在所述像素部中,呈矩陣狀布置有多個(gè)像素電路,各個(gè)所述像素電路具有用于 將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并根據(jù)曝光時(shí)間對(duì)所述電信號(hào)進(jìn)行累積的機(jī)構(gòu);像素驅(qū)動(dòng)部,它能夠被驅(qū)動(dòng),以便進(jìn)行所述像素部的復(fù)位及信號(hào)電荷的累積和輸出;以及像素信號(hào)讀取部,它用于從所述像素部中讀取像素的信號(hào), 所述像素部的所述像素電路包括 輸出節(jié)點(diǎn);光電轉(zhuǎn)換元件,它用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并對(duì)信號(hào)電荷進(jìn)行累積; 復(fù)位元件,它根據(jù)復(fù)位信號(hào)被打開(kāi)/關(guān)閉,并在打開(kāi)狀態(tài)下將所述輸出節(jié)點(diǎn)復(fù)位;禾口 傳輸元件,它根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)被打開(kāi)/關(guān)閉,并在打開(kāi)狀態(tài)下將所述光電轉(zhuǎn)換元件中的 電荷傳輸至所述輸出節(jié)點(diǎn),所述像素驅(qū)動(dòng)部能夠進(jìn)行如下的讀取驅(qū)動(dòng)第一讀取驅(qū)動(dòng),通過(guò)所述第一讀取驅(qū)動(dòng)進(jìn)行復(fù)位讀取驅(qū)動(dòng)和非傳輸讀取驅(qū)動(dòng),在所述 復(fù)位讀取驅(qū)動(dòng)中,根據(jù)所述復(fù)位信號(hào)使所述復(fù)位元件打開(kāi),輸出所述輸出節(jié)點(diǎn)的信號(hào),在所 述非傳輸讀取驅(qū)動(dòng)中,根據(jù)所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)使所述傳輸元件關(guān)閉,輸出所述輸出節(jié)點(diǎn)的信號(hào); 和第二讀取驅(qū)動(dòng),通過(guò)所述第二讀取驅(qū)動(dòng)進(jìn)行復(fù)位讀取驅(qū)動(dòng)和傳輸讀取驅(qū)動(dòng),在所述復(fù) 位讀取驅(qū)動(dòng)中,根據(jù)所述復(fù)位信號(hào)使所述復(fù)位元件打開(kāi),輸出所述輸出節(jié)點(diǎn)的信號(hào),在所述 傳輸讀取驅(qū)動(dòng)中,根據(jù)所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)使所述傳輸元件打開(kāi),以便將所述信號(hào)電荷傳輸至所 述輸出節(jié)點(diǎn),輸出所述輸出節(jié)點(diǎn)的信號(hào),并且所述像素信號(hào)讀取部具有這樣的功能將與根據(jù)所述第二讀取驅(qū)動(dòng)讀出的信號(hào)與根據(jù) 所述第一讀取驅(qū)動(dòng)讀出的信號(hào)之間的差對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出。
7. 如權(quán)利要求6所述的固體攝像元件,其中,在讀出像素的一行的數(shù)據(jù)期間,所述像素驅(qū)動(dòng)部和所述像素信號(hào)讀取部進(jìn)行所述第一 讀取驅(qū)動(dòng)和所述第二讀取驅(qū)動(dòng),并且進(jìn)行與根據(jù)所述第二讀取驅(qū)動(dòng)讀出的信號(hào)與根據(jù)所述 第一讀取驅(qū)動(dòng)讀出的信號(hào)之間的差對(duì)應(yīng)的信號(hào)的輸出。
8. 如權(quán)利要求6或7所述的固體攝像元件,其中,所述像素信號(hào)讀取部包括多個(gè)比較器,它們被布置成與像素的列排列對(duì)應(yīng),并且各個(gè)所述比較器對(duì)讀出的信號(hào)電位與參考電壓進(jìn)行比較判定,并輸出判定結(jié)果;以及多個(gè)增/減計(jì)數(shù)器,各個(gè)所述增/減計(jì)數(shù)器的操作根據(jù)來(lái)自所述比較器的輸出被控制, 并且各個(gè)所述增/減計(jì)數(shù)器對(duì)對(duì)應(yīng)的所述比較器的比較時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)。
9. 如權(quán)利要求8所述的固體攝像元件,其中,在所述第一讀取驅(qū)動(dòng)時(shí),所述多個(gè)增/減計(jì)數(shù)器進(jìn)行所述復(fù)位讀取驅(qū)動(dòng)中的增計(jì)數(shù)或 減計(jì)數(shù),并進(jìn)行所述非傳輸讀取驅(qū)動(dòng)中的減計(jì)數(shù)或增計(jì)數(shù),并且在所述第二讀取驅(qū)動(dòng)時(shí),所述多個(gè)增/減計(jì)數(shù)器進(jìn)行所述復(fù)位讀取驅(qū)動(dòng)中的減計(jì)數(shù)或 增計(jì)數(shù),并進(jìn)行所述傳輸讀取驅(qū)動(dòng)中的增計(jì)數(shù)或減計(jì)數(shù)。
10. 如權(quán)利要求8所述的固體攝像元件,其中,在所述第一讀取驅(qū)動(dòng)時(shí),所述多個(gè)增/減計(jì)數(shù)器進(jìn)行所述非傳輸讀取驅(qū)動(dòng)中的減計(jì)數(shù)或增計(jì)數(shù),并且在所述第二讀取驅(qū)動(dòng)時(shí),所述多個(gè)增/減計(jì)數(shù)器進(jìn)行所述傳輸讀取驅(qū)動(dòng)中的增計(jì)數(shù)或 減計(jì)數(shù)。
11. 如權(quán)利要求6 10中任一項(xiàng)所述的固體攝像元件,其中, 第一模式和第二模式能夠根據(jù)模式切換信號(hào)相互切換,在所述第一模式時(shí),所述像素驅(qū)動(dòng)部?jī)H進(jìn)行所述第二讀取驅(qū)動(dòng),且所述像素信號(hào)讀取 部輸出根據(jù)所述第二讀取驅(qū)動(dòng)讀出的信號(hào),并且在所述第二模式時(shí),所述像素驅(qū)動(dòng)部進(jìn)行所述第一讀取驅(qū)動(dòng)和所述第二讀取驅(qū)動(dòng),且 所述像素信號(hào)讀取部輸出與根據(jù)所述第二讀取驅(qū)動(dòng)讀出的信號(hào)與根據(jù)所述第一讀取驅(qū)動(dòng) 讀出的信號(hào)之間的差對(duì)應(yīng)的信號(hào)。
12. —種照相機(jī)系統(tǒng),所述照相機(jī)系統(tǒng)包括 固體攝像元件;光學(xué)系統(tǒng),它用于將物體的圖像成像在所述固體攝像元件上;以及 信號(hào)處理電路,它對(duì)來(lái)自所述固體攝像元件的輸出圖像信號(hào)進(jìn)行處理, 所述固體攝像元件包括像素部,在所述像素部中,呈矩陣狀布置有多個(gè)像素電路,各個(gè)所述像素電路具有用于 將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并根據(jù)曝光時(shí)間對(duì)所述電信號(hào)進(jìn)行累積的機(jī)構(gòu);像素驅(qū)動(dòng)部,它能夠被驅(qū)動(dòng),以便對(duì)所述像素部中的信號(hào)電荷進(jìn)行累積、傳輸和輸出;以及像素信號(hào)讀取部,它用于從所述像素部中讀取像素的信號(hào), 所述像素部的所述像素電路包括 輸出節(jié)點(diǎn);光電轉(zhuǎn)換元件,它用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并對(duì)信號(hào)電荷進(jìn)行累積;禾口 傳輸元件,它根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)被打開(kāi)/關(guān)閉,并在打開(kāi)狀態(tài)下將所述光電轉(zhuǎn)換元件中的 電荷傳輸至所述輸出節(jié)點(diǎn),所述像素驅(qū)動(dòng)部能夠進(jìn)行如下的讀取驅(qū)動(dòng)第一讀取驅(qū)動(dòng),通過(guò)所述第一讀取驅(qū)動(dòng),根據(jù)所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)使所述傳輸元件關(guān)閉,以便 輸出所述輸出節(jié)點(diǎn)的信號(hào);禾口第二讀取驅(qū)動(dòng),通過(guò)所述第二讀取驅(qū)動(dòng),根據(jù)所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)使所述傳輸元件打開(kāi),以便 將所述信號(hào)電荷傳輸至所述輸出節(jié)點(diǎn),輸出所述輸出節(jié)點(diǎn)的信號(hào),并且所述像素信號(hào)讀取部具有這樣的功能將與根據(jù)所述第二讀取驅(qū)動(dòng)讀出的信號(hào)與根據(jù) 所述第一讀取驅(qū)動(dòng)讀出的信號(hào)之間的差對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出。
13. —種照相機(jī)系統(tǒng),所述照相機(jī)系統(tǒng)包括 固體攝像元件;光學(xué)系統(tǒng),它用于將物體的圖像成像在所述固體攝像元件上;以及 信號(hào)處理電路,它用于對(duì)來(lái)自所述固體攝像元件的輸出圖像信號(hào)進(jìn)行處理, 所述固體攝像元件包括像素部,在所述像素部中,呈矩陣狀布置有多個(gè)像素電路,各個(gè)所述像素電路具有用于 將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并根據(jù)曝光時(shí)間對(duì)所述電信號(hào)進(jìn)行累積的機(jī)構(gòu);像素驅(qū)動(dòng)部,它能夠被驅(qū)動(dòng),以便進(jìn)行所述像素部的復(fù)位及信號(hào)電荷的累積和輸出;以及像素信號(hào)讀取部,它用于從所述像素部中讀取像素的信號(hào), 所述像素部的所述像素電路包括 輸出節(jié)點(diǎn);光電轉(zhuǎn)換元件,它用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并對(duì)信號(hào)電荷進(jìn)行累積; 復(fù)位元件,它根據(jù)復(fù)位信號(hào)被打開(kāi)/關(guān)閉,并在打開(kāi)狀態(tài)下將所述輸出節(jié)點(diǎn)復(fù)位;禾口 傳輸元件,它根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)被打開(kāi)/關(guān)閉,并在打開(kāi)狀態(tài)下將所述光電轉(zhuǎn)換元件中的 電荷傳輸至所述輸出節(jié)點(diǎn),所述像素驅(qū)動(dòng)部能夠進(jìn)行如下的讀取驅(qū)動(dòng)第一讀取驅(qū)動(dòng),通過(guò)所述第一讀取驅(qū)動(dòng)進(jìn)行復(fù)位讀取驅(qū)動(dòng)和非傳輸讀取驅(qū)動(dòng),在所述 復(fù)位讀取驅(qū)動(dòng)中,根據(jù)所述復(fù)位信號(hào)使所述復(fù)位元件打開(kāi),輸出所述輸出節(jié)點(diǎn)的信號(hào),在所 述非傳輸讀取驅(qū)動(dòng)中,根據(jù)所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)使所述傳輸元件關(guān)閉,輸出所述輸出節(jié)點(diǎn)的信號(hào); 禾口第二讀取驅(qū)動(dòng),通過(guò)所述第二讀取驅(qū)動(dòng)進(jìn)行復(fù)位讀取驅(qū)動(dòng)和傳輸讀取驅(qū)動(dòng),在所述復(fù) 位讀取驅(qū)動(dòng)中,根據(jù)所述復(fù)位信號(hào)使所述復(fù)位元件打開(kāi),輸出所述輸出節(jié)點(diǎn)的信號(hào),在所述 傳輸讀取驅(qū)動(dòng)中,根據(jù)所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)使所述傳輸元件打開(kāi),以便將所述信號(hào)電荷傳輸至所 述輸出節(jié)點(diǎn),輸出所述輸出節(jié)點(diǎn)的信號(hào),并且所述像素信號(hào)讀取部具有這樣的功能將與根據(jù)所述第二讀取驅(qū)動(dòng)讀出的信號(hào)與根據(jù) 所述第一讀取驅(qū)動(dòng)讀出的信號(hào)之間的差對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出。
全文摘要
像素驅(qū)動(dòng)部(102)能夠進(jìn)行第一讀取驅(qū)動(dòng)和第二讀取驅(qū)動(dòng),通過(guò)所述第一讀取驅(qū)動(dòng),根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)(TG)使傳輸元件關(guān)閉,以便輸出輸出節(jié)點(diǎn)的信號(hào),通過(guò)所述第二讀取驅(qū)動(dòng),根據(jù)所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)(TG)使傳輸元件打開(kāi),以便將信號(hào)電荷傳輸至所述輸出節(jié)點(diǎn),從而輸出所述輸出節(jié)點(diǎn)的信號(hào)。像素信號(hào)讀取部(103、104)將與根據(jù)第二讀取驅(qū)動(dòng)讀出的信號(hào)與根據(jù)第一讀取驅(qū)動(dòng)讀出的信號(hào)之間的差對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出。
文檔編號(hào)H04N5/335GK101755450SQ20098000058
公開(kāi)日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2009年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月29日
發(fā)明者笠井弦 申請(qǐng)人:索尼公司