CN100512393C - 固体摄像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种固体摄像装置，即使在进行像素混合的情况下，也能防止灵敏度的降低。固体摄像装置(1)包括含有光电转换元件的多个像素部(11a及11b)，对与每个光电转换元件的输出相应的信号进行像素相加，包括：多个电容器(C2a及C2b)，分别存储与从各光电转换元件所输出的信号相应的电荷；以及多个MOS晶体管(Qa及Qb)，该多个MOS晶体管与电容器(C2a及C2b)交错连接；当进行像素相加的情况下，在MOS晶体管(Qa及Qb)截止时，在将与从各光电转换元件所输出的信号相应的电荷分别存储到对应的电容器(C2a及C2b)的同时，使MOS晶体管(Qa及Qb)导通，并将电容器(C2a及C2b)串联连接。
Description
技术领域
本发明涉及用于数码相机等的MOS型固体摄像装置，尤其涉及对像素相加(画素加算)有效的技术。
背景技术
近年来，固体摄像装置的高像素化越来越明显，已经发展到500万像素等，甚至能够实现拍摄银盐相机水平的静止图像，也能实现拍摄动态图像。在这里，因为当拍摄动态图像时，以数十万像素来进行拍摄，因此，为了有效利用其余的光电转换元件，通常采用对每个光电转换元件的信号进行像素混合的方法(例如，专利文献1)。
图1是一种示意图，表示以往的固体摄像装置的信号读出电路结构。如图1所示，信号读出电路包括存储器(以下也称电容器)101、102、103、104和MOS晶体管105、106、107、108等，该存储器(电容器)保存来自固体摄像装置的各像素的信号。
MOS晶体管105、106、107、108通过在各自的栅极施加高电平信号，而导通，使存储器101、102、103、104成为并联连接状态，并且，来自存储在存储器101、102、103、104的像素的信号的平均值输出到信号输出线109。
专利文献1：特开2001-292453号公报(第1-11页、第4图)
然而，以往的固体摄像装置将用于存储像素信号的存储器并联连接，以平均化来进行像素混合工作，因此，不将像素信号加在一起，而输出像素信号的平均值。在这里，在静止图像模式的情况下，由于分别读取各个光电转换元件，因此存储时间要长、光量也要多，导致输出信号变高，但是，在动态图像模式的情况下，由于以帧为单位对光电转换元件的信号进行高速混合，因此，具有实际效果的光电转换元件的数量变少，而在实际上，存储时间变短。因此，对于以往的固体摄像装置，光量变少，而且输出信号值未被相加，因此，输出信号值与变短的存储时间成比例地变少，导致灵敏度的降低。
发明内容
于是，本发明的目的在于，提供一种固体摄像装置及相机，即使在进行像素混合的情况下，也能够防止灵敏度的降低。
为了达到上述目的，本发明涉及的固体摄像装置是一种固体摄像装置，包括多个像素部，该像素部含有光电转换元件，其特征在于，包括：多个存储电路，分别存储与从上述各个光电转换元件输出的信号相应的电荷；以及多个开关电路，该多个开关电路和上述各存储电路相间连接；通过断开上述各开关电路，与从上述各光电转换元件输出的信号相应的电荷分别存储到相应的上述各存储电路，并且，在进行像素相加的情况下，通过上述各开关电路的导通，上述各存储电路被串联连接；上述各存储电路包括(N+1)个电容器(N为正整数)，上述各开关电路包括(N+1)个MOS晶体管；第N个MOS晶体管的一个端子连接于第N个电容器的端子中离上述光电转换元件近的端子，并且，另外一个端子连接于第(N+1)个电容器的端子中离上述光电转换元件远的端子；第(N+1)个MOS晶体管的一个端子连接于第(N+1)个电容器的端子中离上述光电转换元件近的端子；从第(N+1)个MOS晶体管的另外一个端子输出存储在各电容器的电压的相加值。
由此，将与各存储电路的输出相应的电压相加，从而提高灵敏度。并且，能够简单地构成高输入阻抗电路。
并且，本发明涉及的固体摄像装置可以具有这样一个特征：上述固体摄像装置还包括：信号输出线，用于从串联连接的上述各存储电路中的后级存储电路取出被进行像素相加后的信号；以及高输入阻抗电路，该高输入阻抗电路设置在上述各存储电路中的后级存储电路，并将被进行像素相加后的信号输出到上述信号输出线。
由此，即使在信号数输出线形成了扩散电容的情况下，也能够控制因扩散电容而致的相加电压值的降低。
并且，本发明涉及的固体摄像装置可以具有这样一个特征：上述高输入阻抗电路包括跟随电路(fol lower circuit)及转换电路(inverter circuit)中的某一个。
由此，能够简单地构成高输入阻抗电路。
并且，本发明涉及的固体摄像装置可以具有这样一个特征：上述跟随电路及转换电路的结构为，将MOS晶体管的栅极及双极晶体管的基极中的某一个作为输入侧。
由此，能够简单地构成高输入阻抗电路。
并且，本发明涉及的固体摄像装置可以具有这样一个特征：在上述各MOS晶体管截止的每个帧的期间内，上述各电容器的两个端子被设定为同一电位后，上述各电容器被钳位。
由此，因不需要补偿电压，而能扩大动态范围，进行相加，直到获得高输出电压。
并且，本发明涉及的固体摄像装置可以具有这样一个特征：上述各开关电路将分别对应于设置在行方向上的多个光电转换元件的多个存储电路串联连接。
由此，能容易实现行方向上的像素相加，也能适应行方向上的图像压缩。
并且，本发明涉及的固体摄像装置可以具有这样一个特征：上述各开关电路将分别对应于设置在列方向上的多个光电转换元件的多个存储电路串联连接。
由此，能容易实现列方向上的像素相加，也能适应列方向上的图像压缩。
并且，本发明涉及的固体摄像装置可以具有这样一个特征：上述各开关电路将分别对应于设置在行方向和列方向上的多个光电转换元件的多个存储电路同时串联连接。
由此，能对行方向上和列方向上同时进行像素相加，也能适应动态图像等。
并且，本发明涉及的固体摄像装置可以具有这样一个特征：上述各开关电路将分别与设置有相同颜色的滤色器的多个光电转换元件对应的上述多个存储电路串联连接。
并且，本发明涉及的固体摄像装置可以具有这样一个特征：滤色器具有拜尔(bayer)排列形式。
由此，能够再现完美的颜色。
再者，本发明在能够作为这种固体摄像装置来实现的同时，也能作为包括这种固体摄像装置的相机来实现。
由此，能够适应通过在行方向上或列方向上的像素合成的图像压缩或动态图像，实现具有出色的颜色再现能力的相机。
发明效果
如上所述，根据本发明的固体摄像装置，能够将像素信号相加并输出，因此，即使与静止图像模式相比，存储时间变短、光量变少，也能与以往相比增加输出信号值。因此，即使在动态图像模式的情况下，也能防止灵敏度的降低。并且，也可以将相同颜色的像素信号相加并输出。
由此，根据本发明，能够实现拍摄图像的高画质化，因此，在已经普及了装载了固体摄像装置的数码相机、移动电话等的今天，本发明的实用价值极为高。
附图说明
图1是一种结构图，表示以往的固体摄像装置的信号读出电路结构。
图2是一种示意图，表示本实施方式1涉及的固体摄像装置的电路结构。
图3是一种示意图，表示当图2所示的固体摄像装置1进行通常工作时的时序。
图4是一种示意图，表示当图2所示的固体摄像装置1进行像素相加工作时的时序。
图5是一种示意图，表示当图2所示的固体摄像装置1进行像素相加工作时的等效电路。
图6是一种示意图，表示像素相加工作。
图7是一种电路图，表示本实施方式2所示的固体摄像装置的结构。
图8(A)至(D)是一种示意图，表示图7所示的高输入阻抗电路13的具体电路结构的一个例子。
图9是一种电路图，表示本实施方式3涉及的固体摄像装置的结构。
图10是一种示意图，表示当固体摄像装置3将像素相加时的工作时序。
图11是一种示意图，表示当图9所示的固体摄像装置3进行像素相加工作时的等效电路。
图12是一种电路图，表示本实施方式4涉及的固体摄像装置。
图13是一种示意图，表示本发明实施方式5的固体摄像装置，该固定摄像装置的光电转换元件上设置有滤色器，该光电转换元件以行列方式排列。
图14是一种示意图，表示采用上述实施方式1至5的固体摄像装置的相机结构。
符号说明
1、2、3、4龙点睛 固体摄像装置
11a、11b、30a、30b、50a、50b、50c、50d 像素部
13 高输入阻抗电路
31 缓冲器
81 像素相加单元
89、92 双极晶体管
90、91 电阻
C2a、C2b、C3a、C3b、C3c、C3d 电容器
Q4a、Q4b、Q12a、Q12b、Q12c、Q12d MOS晶体管
85、86、87、88 MOS晶体管
L1、L2、L3 信号输出线
具体实施方式
以下，根据附图说明本发明的实施方式。
实施方式1
图2是一种示意图，表示本实施方式1涉及的固体摄像装置的电路结构。再者，该图所示的例子表示，在行方向所排列的像素部(光电转换元件)为两个的情况。
如图2所示，固体摄像装置1包括：像素部11a和11b；多个MOS晶体管Q1a、Q1b、Q2a、Q2b、Q3a、Q3b、Q4a、Q4b、Q5a、Q5b、Q6a、Q6b、Q7、Q8a、Q8b、Q9a、Q9b；多个电容器C1a、C1b、C2a、C2b；行扫描电路部12；驱动脉冲施加端子P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8，该驱动脉冲施加端子被施加来自图中不显示的列扫描电路部或信号读出电路部的驱动脉冲；偏压施加端子P11和P12，该偏压施加端子被施加来自上述列扫描电路部或信号读出电路部的偏压；以及信号输出线L1等。在这里，信号输出线L1和GND之间被形成扩散电容C9。
各像素部11和11b包括光电转换元件、电荷转送部、电荷电压转换部以及电压放大部等。在这里，图2中省略了像素部11a和11b的详细电路结构。
各MOS晶体管Q1a、Q1b、Q2a、Q2b、Q3a、Q3b、Q4a、Q4b、Q5a、Q5b、Q6a、Q6b、Q7、Q8a、Q8b、Q9a、Q9b均具有开关电路功能。总之，对于各MOS晶体管Q1a、Q1b、Q2a、Q2b、Q3a、Q3b、Q4a、Q4b、Q5a、Q5b、Q6a、Q6b、Q7、Q8a、Q8b、Q9a、Q9b，当在其栅极上施加了高电平信号时，则成为导通状态，而当施加了低电平信号时，则成为非导通(以下也称“截止”)状态。
电容器C1a和C1b传输像素部11a和11b的输出电压。电容器C2a和C2b存储与像素部11a和11b的输出相应的电压。
行扫描电路部12包括信号输出线m1、m2、……，并在读出存储在电容器C2a、C2b的电荷时，从信号输出线m1、m2、……，向行方向(水平方向)输出扫描信号。
在这里，符号中的“a”对应于像素部11a，“b”对应于像素部11b，因此，以下主要说明“a”系列。
MOS晶体管Q1a的漏极连接于像素部11a，其源极连接于电容器C1a，其栅极连接于驱动脉冲施加端子P1。MOS晶体管Q1b也与MOS晶体管Q1a同样连接。
MOS晶体管Q2a的漏极连接于电容器C1a，其源极连接于偏压施加端子P11，其栅极连接于驱动脉冲施加端子P2。MOS晶体管Q2b也与MOS晶体管Q2a同样连接。
MOS晶体管Q3a的漏极连接于电容器C1a，其源极连接于电容器C2a，其栅极连接于驱动脉冲施加端子P3。MOS晶体管Q3b也与MOS晶体管Q3a同样连接。
MOS晶体管Q5a的漏极连接于电容器C2a，其源极连接于偏压施加端子P12，其栅极连接于驱动脉冲施加端子P6。与此相反，MOS晶体管Q5b的漏极连接于电容器C2b，源极连接于偏压施加端子P12，并栅极连接于驱动脉冲施加端子P5。
MOS晶体管Q6a的漏极连接于电容器C1a，其源极连接于信号输出线L1，其栅极连接于MOS晶体管Q8a的漏极。MOS晶体管Q6b与MOS晶体管Q6a同样连接。
MOS晶体管Q4a的漏极连接于电容器C2a的、离光电转换元件近的端子，其源极连接于电容器C2b的、离光电转换元件远的端子，其栅极连接于驱动脉冲施加端子P4。不过，MOS晶体管Q4b的漏极连接于电容器C2b的、离光电转换元件近的端子，其源极连接于MOS晶体管Q7的漏极，其栅极连接于驱动脉冲施加端子P4。
MOS晶体管Q7的源极连接于信号输出线L1，其栅极连接于MOS晶体管Q9a的漏极。
MOS晶体管Q8a的漏极连接于MOS晶体管Q6a的栅极，其栅极连接于驱动脉冲施加端子P7。MOS晶体管Q8b也与MOS晶体管Q8a同样连接。
MOS晶体管Q9a的栅极连接于驱动脉冲施加端子P8，并且，如上所述，其漏极连接于MOS晶体管Q7的栅极。
MOS晶体管Q9b的栅极连接于驱动脉冲施加端子P8，其漏极连接于MOS晶体管(图2中省略)的栅极，该MOS晶体管相当于水平方向下一列的MOS晶体管Q7。
行扫描电路部12的信号输出线m1分别连接于MOS晶体管Q8a和Q9a的各源极，信号输出线m2分别连接于MOS晶体管Q8b、Q9b的各源极。
接着，依次说明当不由固体摄像装置1进行像素相加时的通常工作、以及当进行像素相加时的工作。
首先，说明不进行像素相加时的通常工作。图3是一种示意图，表示当图2所示的固体摄像装置1进行通常工作时的时序。
首先，作为预处理，对于每个帧，在时刻t1之前，在驱动脉冲施加端子P2、P3、P5、P6施加高电平信号，使MOS晶体管Q2a、Q2b、Q3a、Q3b、Q5a、Q5b导通，同时，在驱动脉冲施加端子P4施加低电平信号，使MOS晶体管Q4a和Q4b截止，并在驱动脉冲施加端子P2、P8施加低电平信号，使得MOS晶体管Q2a、Q2b、Q9a、Q9b截止。然后，在偏压施加端子P11施加所需电压(V16)，并在偏压施加端子P12施加GND电压。
如图3(b)所示，在时刻t1至时刻t4之间，在驱动脉冲施加端子P1施加高电平信号，使得MOS晶体管Q1导通。
并且，如图3(c)所示，在时刻t2起的规定时间内，在驱动脉冲施加端子P2施加高电平信号，使得MOS晶体管Q2a和Q2b导通。由此，如图3(d)所示，在从时刻t2起至时刻t3之前，在电容器C2a(C2b)存储与偏压值V16相应的电荷。即，被钳位。
另一方面，关于像素部11a(11b)的输出，如图3(a)所示，在时刻t1至时刻t3之间输出输出电压值(VO)，并在时刻t3至时刻t4之间输出输出电压值(V1)，上述输出电压值(V0)是电荷电压转换部的初始状态，上述输出电压值(V1)是对在光电转换元件所发生的信号电荷进行了电荷电压转换后的值。此时，以箭形符号所示的部分是信号输出(V0-V1)。
并且，在时刻t3，像素部11a和11b的输出成为V1时(参照图3(a))，按照电容器C1a(C1b)的容量与电容器C2a(C2b)的容量之比，电容器C2a(C2b)的端子间电压在达到时刻t4之前变为V16’。该电压V16与V16’之差(V16-V16’)就是与来自光电转换元件的输出相应的信号成分。
如此，在电容器C2a(C2b)中存储了与光电转换元件的输出相应的电荷后，如图3(b)所示，在时刻t4或时刻t4以后，在驱动脉冲施加端子P1施加低电平信号，使得MOS晶体管Q1截止，然后在驱动脉冲施加端子P7施加高电平信号，使得MOS晶体管Q8导通，同时，行扫描电路部12开始扫描。由此，如图3(e)所示，在时刻t5，将高电平信号施加到MOS晶体管Q6a的栅极。由此，在MOS晶体管Q6a导通时，电容器C2a的电压被输出到信号输出线L1。接着，如图3(f)所示，在时刻t6，将高电平信号施加到MOS晶体管Q6b的栅极。由此，在MOS晶体管Q6b导通时，电容器C2b的电压被输出到信号输出线L1。
如此，与存储在电容器C2a和C2b的电荷相应的电压通过信号输出线L1依次被取出。此时，被输出到信号输出线L1的电压值为与电容器C2a(C2b)的容量和扩散电容C9的容量之比相应的电压。
接着，说明当进行像素相加时的工作。图4是一种示意图，表示当图2所示的固体摄像装置1进行像素相加工作时的时序。
在进行该像素相加的情况下，与通常情况不同，首先，作为预处理，对于每个帧，在时刻t1之前，在驱动脉冲施加端子P2、P3、P5、P6施加高电平信号，使MOS晶体管Q2a、Q2b、Q3a、Q3b、Q5a、Q5b导通，同时，在驱动脉冲施加端予P4施加低电平信号，使MOS晶体管Q4a和Q4b截止，并且在偏压施加端子P11和P12施加相同电压，从而设定在电容器C2a和C2b中没有电荷的状态。由此，可以消除偏置电压。对于在清除电荷结束后的时刻t1至时刻t4之间的工作，与上述说明相同，因此省略说明，并说明时刻t4或时刻t4以后的工作。
如图4(e)所示，在时刻t5或时刻t5以后，在驱动脉冲施加端子P3和P5施加低电平信号，使得MOS晶体管Q3a、Q3b、Q5b截止。接着，如图4(f)所示，在时刻t6或时刻t6以后，在驱动脉冲施加端子P4施加高电平信号，使得MOS晶体管Q4a和Q4b导通。由此，在此状态下，电容器C2a和C2b被串联连接。即，如图5所示，偏压施加端子P12、MOS晶体管Q5a、电容器C2a、MOS晶体管Q4a、电容器C2b以及MOS晶体管Q4b。由此，在MOS晶体管Q7的漏极施加电压值，该电压值是将电容器C2a和电容器C2b的各自端子电压加在一起后的电压。
在驱动脉冲施加端子P7施加低电平信号，使得MOS晶体管Q8a和Q8b截止，并在驱动脉冲施加端子P8施加高电平信号，使得MOS晶体管Q9a和Q9b导通，并且，在此状态下，行扫描电路部12开始扫描，从而如图4(g)所示，在时刻t7时，通过MOS晶体管Q9a，在MOS晶体管Q7的栅极施加位于行扫描电路部第1列m1的高电平信号，并使MOS晶体管Q7导通。
由此，如图6所示，将电容器C2a的电压与电容器C2b的端子电压加在一起后的电压值被输出到信号输出线L1。
在这里，由于在信号输出线L1存在扩散电容C9，因此，在实际上输出的是，将电容器C2a与电容器C2b的端子电压加在一起后的电压值、以及与扩散电容C9的容量之比相应的电压。
现在，将电容器C2a和C2b的容量值设为Ct，将电容器C2a和C2b的电压设为Vt，将扩散电容C9的容量值设为Co，并将信号输出线L1的电压设为V0。如果假定信号输出线L1的电压为k×Vt(k倍的Vt)、Ct＝CO，在以往的不进行相加运算时，输出到信号输出线L1的信号值为((2+k)/(1+2))×Vt，而当进行本发明的相加运算时，则输出到信号输出线L1的信号值为(2×(1+k)/(1+2))×Vt。如果假定k＝1，就能获得4/3倍的相加运算效果。
再者，在上述实施方式1中说明的是，在行方向对两个光电转换元件进行相加运算的例子，不过，也可以将上述技术进一步发展，在行方向对三个以上的光电转换元件进行相加运算。并且，在存储电路的电容为N个的情况下，当以往的不进行相加运算时，输出到信号输出线L1的信号值为((N+k)/(1+N))×Vt，而当进行本发明的相加运算时，则输出到信号输出线L1的信号值为(N×(1+k)/(1+N))×Vt。如果假定k＝1，就能获得2×N/(1+N)倍的相加运算效果。
并且，由于MOS晶体管Q5a一直处于导通状态，因此可以省略MOS晶体管Q5a和驱动脉冲施加端子P6，并在电容器C2a的、离光电转换元件远的端子，直接连接偏压施加端子P12。
实施方式2
接着，对本发明涉及的其他固体摄像装置进行说明。
图7是一种电路图，表示本实施方式2所示的固体摄像装置的结构。在这里，如上述所述，在固体摄像装置1中，输出到信号输出线L1的信号值被电容C9分压，因此存在损耗。
于是，在该实施方式2涉及的固体摄像装置2中，如图7所示，除了固体摄像装置1的结构之外，还包括高输入阻抗电路13，该高输入阻抗电路13连接于MOS晶体管Q4b的源极和MOS晶体管Q7的漏极之间。
结果，输出到信号输出线L1的信号值不被电容C9分压，而在具有两个图7的结构的存储电路的情况下，该信号值为2×Vt，在具有N个存储电路的情况下，该信号值为N×Vt，从而向信号输出线L1输出与存储电路的数量成比例的信号电压。
图8是一种示意图，表示如图7所示的高输入阻抗电路13的具体电路结构的一个例子。再者，图8(A)是采用MOS晶体管的跟随电路(follower circuit)，图8(B)是采用MOS晶体管的转换电路(invertercircuit)，图8(C)是采用双极晶体管的跟随电路，图8(D)是采用双极晶体管的转换电路。
图8(A)所示的高输入阻抗电路13包括设置在电源93和地线之间的MOS晶体管85及86、输入端子94、偏压端子95、以及输出端子96，是在MOS晶体管85的栅极接收高输入阻抗的跟随电路。
图8(B)所示的高输入阻抗电路13是转换电路，该高输入阻抗电路13包括设置在电源93和地线之间的MOS晶体管87及88、输入端子94以及输出端子96。在这里，将MOS晶体管87的栅极与漏极连接，作为负荷。构成在MOS晶体管88的栅极接收输入的高输入阻抗的转换电路。
如图8(C)所示的高输入阻抗电路13包括设置在电源93和地线之间的双极晶体管89、电阻90、输入端子94以及输出端子96。构成在双极晶体管89的基极接收输入的高输入阻抗的跟随电路。
如图8(D)所示的高输入阻抗电路13包括设置在电源93和地线之间的成为负载的电阻91、双极晶体管92、输入端子94以及输出端子96。构成在双极晶体管92的基极接收输入的高输入阻抗的转换电路。利用这些，能够简单地构成高输入阻抗电路13。
实施方式3
接着，对本发明的其它固体摄像装置进行说明。
图9是一种电路图，表示本实施方式3涉及的固体摄像装置的结构。如图9所示，固体摄像装置3是在列方向排列两个像素部(光电转换元件)的情况下适用的，该固体摄像装置3包括：像素部30a及30b；MOS晶体管Q1、Q2、Q6、Q11a、Q11b、Q12a、Q12b、Q13a、和Q13b；电容器C1、C3a、C3b；缓冲器31；行扫描电路部32；驱动脉冲施加端子P21、P22、P23a、P23b、P24a、P24b和P25；偏压施加端子P31及P32；以及信号输出线L2及L3等。
像素部30a及30b包括光电转换元件、电荷转送部、电荷电压转换部以及电压放大部等。图9中，省略了像素部30a和30b的详细电路结构。
MOS晶体管Q1、Q2、Q11a、Q11b、Q12a、Q12b、Q13a、Q13b、Q6是作为开关电路工作的。MOS晶体管Q1、Q2、Q11a、Q11b、Q12a、Q12b、Q13a、Q13b、Q6分别进行开关工作，在导通时将状态成为导通，在不导通时将状态成为截止。
电容器C1传输电压。电容器C3a、C3b作为存储电路工作。
图9中的a及b对应于像素部30a及30b，因此，以下主要说明系列a。
MOS晶体管Q1的漏极连接于像素部30a及30b的输出，其源极连接于电容器C1，其栅极连接于驱动脉冲施加端子P21。
MOS晶体管Q2的漏极连接于电容器C1，其源极连接于偏压施加端子P31，其栅极连接于驱动脉冲施加端子P25。
MOS晶体管Q11a的漏极连接于电容器C1，其源极连接于电容器C3a，其栅极连接于驱动脉冲施加端子P23a。另一方面，MOS晶体管Q11b的漏极连接于电容器C1，其源极连接于电容器C3b，其栅极连接于驱动脉冲施加端子P23b。
MOS晶体管Q13a的漏极连接于电容器C3a的、离光电转换元件远的端子，其源极连接于偏压施加端子P32，其栅极连接于驱动脉冲施加端子P24a。另一方面，MOS晶体管Q13b的漏极连接于电容器C3b的、离光电转换元件远的端子，其源极连接于偏压施加端子P32，其栅极连接于驱动脉冲施加端子P24b。
MOS晶体管Q6的漏极连接于电容器C1，其源极连接于信号输出线L2，其栅极连接于行扫描电路部32的信号输出线m1。
MOS晶体管Q12a的漏极连接于电容器C3a的、离光电转换元件远的端子，其源极连接于电容器C3b的、离光电转换元件近的端子，其栅极连接于驱动脉冲施加端子P22。另一方面，MOS晶体管Q12b的漏极连接于电容器C3a的、离光电转换元件近的端子，其源极连接于缓冲器31的输入，其栅极连接于驱动脉冲施加端子P22。
图10是一种示意图，表示当固体摄像装置3将像素相加时的工作时序。在时刻t1之前，作为预处理进行以下处理：首先在驱动脉冲施加端子P23a、P23b、P24a、P24b、P25施加高电平的信号，从而使MOS晶体管Q11a、Q11b、Q13a、Q13b、Q2导通，然后在驱动脉冲施加端子P22施加低电平的信号，从而使MOS晶体管Q12a及Q12b截止。由此，在偏压施加端子P32和P31之间连接电容器C3a及C3b。并且，在偏压施加端子P32和P31施加相同电压，从而设定在电容器C3a和C3b中没有电荷的状态。接着，在驱动脉冲施加端子P25施加低电平的信号，从而使MOS晶体管Q2截止，然后对偏压施加端子P31施加所需电压(V61)，并对偏压施加端子P32施加6ND电压。由此完成用于对电容器C3a及C3b进行充电的准备工作。
此后，在驱动脉冲施加端子P23a、P23b、P24a施加高电平的信号，从而使MOS晶体管Q11a、Q11b、Q13a导通，并在驱动脉冲施加端子P22及P23b施加低电平的信号，从而使MOS晶体管Q12a及Q11b截止。
当结束预处理后，如图10(c)所示，首先在时刻t1至时刻t4之间，在驱动脉冲施加端予P21施加高电平信号，从而使MOS晶体管Q1导通。
接着，如图10(d)所示，在时刻t2起的规定时间内，在驱动脉冲施加端子P25施加高电平信号，使得MOS晶体管Q2导通。在时刻t2至时刻t3之间，电容器C3a中存储与电压值V61相应的电荷。
如图10(a)所示，像素部30a在时刻t1至时刻t3之间输出输出电压值(V0)，并在时刻t3至时刻t4之间输出输出电压值(V1)，上述输出电压值(V0)是在电荷电压转换部的初始状态下的值，上述输出电压值(V1)是对在电压光电转换元件中所发生的信号电荷进行电荷电压转换而获得的值。在这里，以箭形符号所示的部分是信号输出(V0-V1)。此动作与实施方式1相同。
如此，在像素部30a输出V1时，如图10(e)所示，在从时刻t3起至时刻t4之前，按照电容器C1和电容器C3a的容量之比，电容器C3a的端子间电压变化为V61’。该电压V61与V61’之差(V61-V61’)就是与来自光电转换元件的输出相应的信号成分。
结束在电容器C3a中存储与来自光电转换元件的输出相应的电压后，如图10(c)所示，在时刻t4至时刻t5之间，在驱动脉冲施加端子P21施加低电平的信号，从而使MOS晶体管Q1截止。
接着，如图10(d)所示，在时刻t5至时刻t8之间，在驱动脉冲施加端子P21施加高电平信号，从而重新使MOS晶体管Q1导通。
然后，如图10(d)所示，在时刻t6起的规定时间内，在驱动脉冲施加端子P25施加高电平信号，使得MOS晶体管Q2再次导通。在从时刻t6起至时刻t7之前，电容器C3b中存储与电压值V61相应的电荷。
如图10(b)所示，像素部30b在时刻t6至时刻t7之间输出输出电压值(V2)，并在时刻t7至时刻t8之间输出输出电压值(V3)，上述输出电压值(V2)是在电荷电压转换部的初始状态下的值，上述输出电压值(V3)是对在光电转换元件中所发生的信号电荷进行电荷电压转换而获得的值。在这里，以箭形符号所示的部分是信号输出(V2-V3)。此动作与实施方式1相同。
如此，在像素部30b输出成为V2时，如图10(f)所示，在从时刻t7起至时刻t8之前，电容器C3b的端子间电压变化为V61”。在这里，V61和V61”之差(V61-V61”)是与来自光电转换元件的输出相应的信号成分。
结束在电容器C3a中存储与来自光电转换元件的输出相应的电压后，如图10(c)所示，在时刻t8至时刻t9之间，在驱动脉冲施加端子P21施加低电平的信号，从而使MOS晶体管Q1截止。由此，在时刻t1至时刻t9之间，在列方向排列的像素部30a及30b的输出信号存储在电容器C3a及C3b。
结束在电容器C3a及C3b中存储与像素部30a及30b的输出相应的信号后，如图10(g)所示，在时刻t9时，在驱动脉冲施加端子P23a、P23b、P24a施加低电平的信号，从而使MOS晶体管Q11a、Q11b、Q13a截止。接着，如图10(h)所示，在时刻t10时，在驱动脉冲施加端子P22施加高电平的信号，从而使MOS晶体管Q12a、Q12b、Q13b导通。在此状态下，电容器C3a和C3b被串联连接。
即，如图11所示，以下部分互相串联连接：偏压施加端子P32、MOS晶体管Q13b、电容器C3b、MOS晶体管Q12a、电容器C3a、MOS晶体管Q12b、以及缓冲器31。由此，将电容器C3a及电容器C3b的各自端子电压加在一起后的电压值施加到缓冲器31，并将电容器C3a及电容器C3b的端子电压加在一起后的电压值从连接于缓冲器31的信号输出线L3输出。
然后，虽然在这里省略了图9中的电路及图10中的时序，不过，信号输出线L3的输出与实施方式1相同，进行向信号输出线L2的输出，并进行行方向的相加运算工作。
再者，在上述实施方式3中说明的是，在列方向对两个光电转换元件进行相加运算的例子，不过，也可以将上述技术进一步发展，在列方向对三个以上的光电转换元件进行相加运算。
实施方式4
接着，对本发明涉及的其他固体摄像装置进行说明。
图12是一种电路图，表示本实施方式4涉及的固体摄像装置。再者，图12显示的是，在行、列方向排列四个光电转换元件(在行方向上排列两个，在列方向上排列两个)的情况。
固体摄像装置4是将上述固体摄像装置1和固体摄像装置3相组合来构成的，并如图12所示，该固体摄像装置4包括：像素部30a、30b、30c、30d；作为开关电路工作的MOS晶体管Q1a、Q1b、Q2a、Q2b、Q11a、Q11b、Q11c、Q11d、Q12a、Q12b、Q12c、Q12d、Q13a、Q13b、Q13c、Q13d、Q6a、Q6b；电容器C1a及C1b，该电容器用于传递像素部30a、30b、30c、30d的输出；电容器C3a、C3b、C3c、C3d，该电容器用于存储与像素部30a、30b、30c、30d的输出相应的电荷；缓冲器31；行扫描电路部32；驱动脉冲施加端子P21、P22、P23a、P23b、P24a、P24b、P25；偏压施加端子P31和P32；以及信号输出线L2和L3等。
接着说明固体摄像装置4的工作。在这里，说明进行与实施方式1至3相同的动作，将电容器C3a、C3b、C3c、C3d的各自的两个端子设定为相同电位，然后像素部30a、像素部30b、像素部30c、和像素部30d的信号分别在电容器C3a、C3b、C3c、C3d中存储了的状态。
在驱动脉冲施加端子P23a、P23b、和P24a施加低电平的信号，从而使MOS晶体管Q11a、Q11b、Q11c、Q11d、Q13a、Q13c、Q13d截止。接着，在驱动脉冲施加端子P22及P24b施加高电平的信号，从而使MOS晶体管Q12及Q13b导通。在此状态下，电容器C3a、C3b、C3c、C3d被串联连接。即，以下部分互相串联连接：偏压施加端子P32、MOS晶体管Q13b、电容器C3b、MOS晶体管Q12a、电容器C3a、MOS晶体管Q12b、电容器C3d、MOS晶体管Q12c、电容器C3c、MOS晶体管Q12d、直到缓冲器31的输入侧。
将电容器C3a、C3b、C3c、C3d各自的端子间电压加在一起后的电压值施加到缓冲器31的输入，并将电容器C3a、C3b、C3c、C3d的端子间电压加在一起后的电压值从信号输出线L3输出。
然后，虽然在这里省略了图12中的电路，不过，信号输出线L3的输出与实施方式1相同，进行向信号输出线L2的输出，并同时进行行方向及列方向的相加运算工作。
以上说明的是，对行方向的两个光电转换元件和列方向的两个光电转换元件分别进行相加运算的例子，即对共四个光电转换元件进行相加运算的例子，不过，也可以将上述技术进一步发展，对行方向的三个以上的光电转换元件和对列方向的三个以上的光电转换元件分别进行相加运算。
实施方式5
接着，对本发明的另外固体摄像装置进行说明。
图13是一种示意图，表示本发明实施方式5的固体摄像装置，该固定摄像装置在以行列方式排列的不同的光电转换元件上设置有滤色器。再者，在这里显示的是，在8行8列的区域中所含的64个像素排列。滤色器是具有R、B、Gr、Gb的拜尔(bayer)排列。该拜尔(bayer)排列包括这样一个结构：在对应于蓝色(B)、绿色(G)、红色(R)的光的三原色的滤色器中，以G与其它颜色相间的方格方式排列G，以隔行方式排列R、B。由此，颜色区分明显，而且不需要用于转换成RGB信号的转换处理，所以能够获得颜色再现性高的图像。
在这里，作为像素相加的一个例子，说明滤色器B的情况。像素相加单元81包括9个具备滤色器B的像素，该像素的结构为3行3列，这些像素以81-11、81-12、81-13、81-21、81-22、81-23、81-31、81-32、81-33显示。
将这些9个像素的信号电压存储到对应于这些9个像素的存储电路电容中后，将各自的电容串联连接，从而可以将9个像素的信号电压加在一起。
在实施方式1及2的固体摄像装置1及2中，可以采用的方法是：首先对各行方向上的3个像素分别进行相加运算，然后对列方向进行相加运算，上述各行方向上的3个像素分别为，81-11、81-12和81-13，81-21、81-22和81-23，以及81-31、81-32、和81-33。
同时，如实施方式3的固体摄像装置3那样，对列方向进行相加运算的固体摄像装置中，可以采用的方法是：首先对各列方向上的3个像素分别进行相加运算，然后对行方向进行相加运算，上述各列方向上的3个像素分别为，81-11、81-21和81-31，81-12、81-22和81-32，以及81-13、81-23和81-33。
同时，在实施方式4中，可以采用的方法是：对所有9个像素同时进行相加运算，该9个像素为，81-11、81-12、81-13、81-21、81-22、81-23、81-31、81-32及81-33。
采用本发明的实施方式1至5的固体摄像装置来制作相机，从而能够进行灵敏度降低程度低的像素相加。
再者，在上述实施方式1至4中，作为存储电路采用了电容器，不过，也可以采用模拟存储器或信号延迟线等。
同时，在上述实施方式1至4中，作为开关电路采用了MOS晶体管，不过，也可以采用模拟开关等其它开关。
并且，也可以使用所述的固体摄像装置来构成相机。
实施方式6
图14是一种示意图，表示采用上述实施方式1至5的固体摄像装置的相机结构。
如图14所示，相机400包括：镜头401，使拍摄对象的光学图像在摄像元件上成像；光学系统402，该光学系统402是镜子或快栅极等，该镜子或快栅极等对通过镜头401的光学图像进行光学处理；MOS型摄像元件403，由上述固体摄像装置实现；信号处理部410；以及时序控制部411等。时序控制部411包括CDS电路404、OB钳位电路405、GCA406以及ADC407等，该CDS电路404获得从MOS型摄像元件403输出的校正信号(field through)和输出信号的差分；该OB钳位电路405检测从CDS电路404输出的OB(Optical Black)电平信号；该GCA406获得OB电平与有效像素的信号电平的差分，并调整该差分的增益；该ADC407将从GCA406所输出的模拟信号转换为数字信号。时序控制部411包括DSP408、TG409等，该DSP408对从ADC407所输出的数字信号进行信号处理，并控制驱动定时；该TG409按照DSP408的指示，在各种定时对MOS型摄像元件403产生各种驱动脉冲。
根据这样构成的相机400，能够通过由上述固体摄像装置实现的MOS型摄像元件403避免灵敏度的下降，而且，能将采用能将相同颜色的像素信号加在一起并输出的固体摄像装置能够获得高画质图像。
再者，本发明涉及的相机包括上述实施方式所示的固体摄像装置、透镜等，并包括与上述相同的结构，也具有与上述相同的作用及效果。
产业上的可利用性
本发明涉及的固体摄像装置对于在数码相机等中使用的动画功能所用到的像素相加有用，并适于采用了该固体摄像装置的相机。例如，在适于图像传感器、数字静像照相机的同时，还适于带相机的移动电话、设置在笔记本电脑的相机、以及连接于信息处理机器的相机单元等。
Claims (11)
1、一种固体摄像装置，包括多个像素部，该像素部含有光电转换元件，其特征在于，包括：
多个存储电路，分别存储与从上述各个光电转换元件输出的信号相应的电荷；以及
多个开关电路，该多个开关电路和上述各存储电路相间连接；
通过断开上述各开关电路，与从上述各光电转换元件输出的信号相应的电荷分别存储到相应的上述各存储电路，并且，在进行像素相加的情况下，通过上述各开关电路的导通，上述各存储电路被串联连接；
上述各存储电路包括N+1个电容器，上述各开关电路包括N+1个MOS晶体管，其中N为正整数；
第N个MOS晶体管的一个端子连接于第N个电容器的端子中离上述光电转换元件近的端子，并且，另外一个端子连接于第N+1个电容器的端子中离上述光电转换元件远的端子；
第N+1个MOS晶体管的一个端子连接于第N+1个电容器的端子中离上述光电转换元件近的端子；
从第N+1个MOS晶体管的另外一个端子输出存储在各电容器的电压的相加值。
2、如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述固体摄像装置还包括：
信号输出线，用于从串联连接的上述各存储电路中的后级存储电路取出被进行像素相加后的信号；以及
高输入阻抗电路，该高输入阻抗电路设置在上述各存储电路中的后级存储电路，并将被进行像素相加后的信号输出到上述信号输出线。
3、如权利要求2所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述高输入阻抗电路包括跟随电路及转换电路中的某一个。
4、如权利要求3所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述跟随电路及转换电路的结构为，将MOS晶体管的栅极及双极晶体管的基极中的某一个作为输入侧。
5、如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，
在上述各MOS晶体管截止的每个帧的期间内，上述各电容器的两个端子被设定为同一电位后，上述各电容器被钳位。
6、如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述各开关电路将分别对应于设置在行方向上的多个光电转换元件的多个存储电路串联连接。
7、如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述各开关电路将分别对应于设置在列方向上的多个光电转换元件的多个存储电路串联连接。
8、如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述各开关电路将分别对应于设置在行方向和列方向上的多个光电转换元件的上述多个存储电路同时串联连接。
9、如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述各像素部包括滤色器；
上述各开关电路将分别与设置有相同颜色的滤色器的多个光电转换元件对应的上述多个存储电路串联连接。
10、如权利要求9所述的固体摄像装置，其特征在于，
滤色器具有拜尔排列方式。
11、一种相机，其特征在于，
包括：权利要求1至10的任一项所述的固体摄像装置。
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