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CN101242477A - 固态成像设备和图像捕获装置 - Google Patents

固态成像设备和图像捕获装置 Download PDF

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CN101242477A
CN101242477A CNA2008100059090A CN200810005909A CN101242477A CN 101242477 A CN101242477 A CN 101242477A CN A2008100059090 A CNA2008100059090 A CN A2008100059090A CN 200810005909 A CN200810005909 A CN 200810005909A CN 101242477 A CN101242477 A CN 101242477A
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Abstract

本发明提供了一种具有像素阵列部的固态成像设备和图像捕获装置，在像素阵列部中，包括光电转换元件的像素以矩阵形式配置，并且通过将像素阵列部中预定数量(两个或更多)的相邻行或者预定数量(两个或更多)的相邻列设定成一组，并且通过在存储信号电荷之前以组为单位施加快门操作脉冲来去除不必要的电荷，然后以组为单位顺序读取信号电荷。在该固态成像设备中，在读取在前组的时间之前，对属于在后组中至少与在前组相邻的一行或一列的像素施加快门操作脉冲之前，先对其施加初步快门操作脉冲，以便去除在所述像素中存储的不必要的电荷。

Description

固态成像设备和图像捕获装置
技术领域
本发明涉及固态成像设备和图像捕获装置。更具体地说，本发明涉及通过将预定数量(两个或更多)的行或预定数量(两个或更多)的列设定成一个组，顺次读取每个组的信号电荷的固态成像设备和图像捕获装置。
背景技术
在通常以CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器为代表的X-Y可寻址型固态成像设备中，可以以行、列或像素为单位从像素阵列部中选择像素，从而通过指定像素阵列部中的任意区域来部分地切出(cut out)并读取该任意区域中的像素信息，其中，在像素阵列部中，包括光电转换元件的像素以矩阵形式二维配置。例如，参见日本专利申请公开No.JP2001-45383(专利文献1)。
图5是用于说明现有技术CMOS图像传感器的示意图，并且图6是用于说明所述CMOS图像传感器的某个像素的像素电路配置的示例的示意图。这里所示的CMOS图像传感器包括像素阵列部102、垂直扫描电路103、列电路(信号处理电路)104、水平扫描电路105、水平信号线106、输出电路107、定时生成器(TG)108等，其中，像素阵列部102具有包括以矩阵形式二维配置的光电转换元件的像素101。像素阵列部102还具有垂直信号线109，针对每个垂直像素列提供一条垂直信号线。
每个像素101形成一个像素电路，该像素电路除了光电转换元件之外，还具有例如一个光电二极管110、四个晶体管(例如，一个转移晶体管111、一个复位晶体管112、一个放大晶体管113以及一个选择晶体管114)。例如，使用n通道MOS晶体管作为这些晶体管。
当栅极转移脉冲TRG施加到转移晶体管111上时，该晶体管将经过光电二极管110光电转换并且存储在转移晶体管111中的信号电荷(这里为电子)转移到浮动扩散(FD)部115。当复位脉冲RST在信号电荷从光电二极管110转移之前施加到复位晶体管112(其连接在FD部115和用于提供电源电压VDD的电源线之间)的栅极上时，该晶体管复位FD部115的电势。
在复位晶体管112作出复位之后，放大晶体管113将FD部115的电势输出作为复位电平，并且还在转移晶体管111作出转移之后将FD部115的电势输出作为信号电平。当选择脉冲SEL施加到选择晶体管114的栅极上时，该晶体管选择像素101，并且将从放大晶体管113顺序提供的复位电平和信号电平输出到对应的垂直信号线109。
这里，在开始存储信号电荷之前，通过将转移脉冲TRG施加到转移晶体管111的栅极并且同时将复位脉冲RST施加到复位晶体管112的栅极上来执行快门(shutter)操作，以去除存储在像素的光电二极管中的不必要的电荷。
图像传感器的电子快门系统主要包括全局快门系统和滚动快门系统。全局快门系统同时对所有像素执行快门操作，然而，如图7A和图7B所示，滚动快门系统按时间变换区域，以便逐个对区域执行快门操作。应当注意，图7B示出快门操作定时，其中，横轴表示时间[H](1H：一个水平转移周期)，纵轴表示行地址，并且图7A表示时刻n[H]处的状态的物理图像。另外，CMOS型图像传感器主要采用了滚动快门系统。
上述专利文献1的图11示出能够部分切出并读取像素阵列部的任意区域中的像素信息的现有技术CMOS图像传感器。
发明内容
顺便提及，公知的是，当入射到图像传感器上的光非常强时，由于过量产生的信号电荷从像素溢出并泄漏到相邻像素，因此出现称为溢出(blooming)的现象。在同时读取预定数量(两个或更多)行或列的图像传感器中，当采用上述滚动快门系统时，会出现因溢出导致的偏置差。应当注意，这里的术语“同时”并不意味着严格字面意义上的时间同时性，而是意味着就在同一水平转移周期内读取行或列而言的同时。
下面将描述由溢出导致偏置差出现的机制。这里给出了示例，情形(A)在被设定成一个水平转移周期的一个信号电荷存储周期内同时读取两行，以及情形(B)在被设定成两个水平转移周期的一个信号电荷存储周期内同时读取两行。
A：在被设定成一个水平转移周期的一个信号电荷存储周期内同时读取两行的情形
图8B示出快门操作定时，其中，横轴表示时间[H]，纵轴表示行地址，并且图8A表示时刻n[H]处的状态的物理图像。这里，如果注意时刻n[H]处的状态，则首先在该时刻读取行(m-2)和行(m-1)，并且针对接下来要被读取的行m和行(m+1)执行快门操作。此时，已经从行m以下的行中读取了信号电荷，因此在行(m-1)中没有电荷。此外，已经对行m和行(m+1)执行了快门操作，因此在行m和行(m+1)中也没有电荷。
此时，尚未对行(m+2)执行快门操作，从而仍存储着(“1帧”-“2H”)那么多的电荷。因此，如果存在一定光量，以致于以(“1帧”-“2H”)那么多的电荷导致溢出，则行m不会发生来自垂直相邻行的溢出，但是行(m+1)会遭受来自行(m+2)的溢出，从而与溢出量成正比的偏置会存在于行(m+1)上，直到在时刻(n+1)[H]处行(m+1)被读取为止。这会导致行m和行(m+1)之间的输出差异。应当注意，即使光量如此大，以致于以与1[H]内存储的电荷一样多的电荷导致溢出，行m具有与在1[H]内存储的电荷相等的溢出量，而行(m+1)具有与(“1帧”-“2H”)的电荷一样多的电荷相等的溢出量，从而也出现偏置差，并且因此以输出差异方式表现出来。
B：在被设定成两个水平转移周期的一个信号电荷存储周期内同时读取两行的情形
图9B示出快门操作定时，其中，横轴表示时间[H]，纵轴表示行地址，并且图9A表示处于时刻n[H]处的状态的物理图像。这里，如果注意时刻(n-1)[H]处的状态，则首先在比该时刻早1[H]的时刻对行m以下的行(m-1)执行快门操作，从而仅仅存储了与在1[H]内存储的电荷一样多的电荷。已经对行m之上的(m+1)执行了快门操作，从而在行(m+1)中没有电荷。此时，尚未对行(m+1)之上的行(m+2)执行快门操作，从而在行(m+1)中存储了(“1帧”-“2H”)那么多的电荷，然而，已经对行(m+1)以下的行m执行了快门操作，从而在行m中没有电荷。因此，行m和行(m+1)分别具有不同的来自它们相邻行的溢出量。因此，出现了偏置差，这会导致输出差异。
日本专利申请公开No.JP 2006-310932提出了一种抗溢出的方法，在该方法中，对不被读取的行执行快门操作，以便避免来自不被读取的行的溢出。然而，该方法没有考虑到将要被读取的行对另一将要被读取的行的溢出。另外，存在许多抗溢出的技术，在这些技术中，浮动扩散部被不断地复位到电源等，并且已经泄漏到浮动扩散部的电荷对电源等进行放电，从而减轻对相邻像素的溢出。然而，在这些技术中，溢出可能不会全部消除，从而余留有溢出。
另外，当溢出出现时，在滚动快门系统中会出现上述因溢出导致的偏置差。当信号电平低时(例如，在利用非常大的光量进行高速快门操作期间)，因溢出导致的偏置的影响是显而易见的，从而可能经历这样一种现象：行之间的传感器输出率大大不同于在进行低速快门操作期间的传感器输出率。在这样的情形下，当执行高速快门操作时，在实际图像中会出现因行之间的传感器输出率有很大不同而导致的闪光。
此外，日本专利申请公开No.JP 2004-111590提出了另一种抗溢出的技术，该技术在非存储周期中增加了一个用于对像素的光电二极管进行复位的开关。为了避免溢出而增加新的开关对于像素的微型化来说是不利的。
考虑到上述情况，期望提供一种能够避免因溢出导致的偏置并且无需更改像素电路结构的固态成像设备和图像捕获装置。
在一个实施例中，本发明提供了一种固态成像设备，该固态成像设备具有像素阵列部，在像素阵列部中，包括光电转换元件的像素以矩阵形式配置。该固态成像设备通过将像素阵列部中的预定数量(两个或更多)的相邻行或预定数量(两个或更多)的相邻列设定成一个组，并在存储信号电荷之前以组为单位施加快门脉冲来去除不必要的电荷，然后以组为单位顺次读取信号电荷。在读取在前组的时间之前，对属于在后组中至少与在前组相邻的一行或一列的像素施加快门操作脉冲之前，先对其施加初步快门操作(pre-shutter operation)脉冲，以便去除在所述像素中存储的不必要的电荷。
在另一实施例中，本发明提供了一种图像获取装置，该图像获取装置包括固态成像设备和光学系统。所述固态成像设备具有像素阵列部，在像素阵列部中，包括光电转换元件的像素以矩阵形式配置，该固态成像设备通过将像素阵列部中的预定数量(两个或更多)的相邻行或预定数量(两个或更多)的相邻列设定成一个组，并且在存储信号电荷之前以组为单位施加快门操作脉冲来去除不必要的电荷，然后以组为单位顺次读取信号电荷。所述光学系统在固态成像设备的图像捕获面上形成来自对象的像光的图像。在读取在前组的时间之前，对属于在后组中至少与在前组相邻的一行或一列的像素施加快门操作脉冲之前，先对其施加初步快门操作脉冲，以便去除在所述像素中存储的不必要的电荷。
这里，通过在读取在前组的时间之前，对属于在后组中至少与在前组相邻的一行或一列的像素施加快门操作脉冲之前，先对其施加初步快门操作脉冲来去除在所述像素中存储的不必要的电荷，可以对于属于存储信号电荷的一个组的像素消除溢出或者使来自上下或左右相邻像素的溢出量基本相等。
从下面参考附图对实施例的具体描述更详细地阐明了本发明的这些和其它特征以及各个方面。
附图说明
图1A和图1B是用于说明根据本发明的实施例的固态成像设备的示例的示图；
图2A和图2B是用于说明根据本发明的实施例的固态成像设备的另一示例的示图；
图3A和图3B是用于说明根据本发明的实施例的固态成像设备的另一示例的示图；
图4A和图4B是示出在1[H]内的实际存储期间因溢出引起偏置差的实验结果以及初步快门操作的效果的示图；
图5是用于说明现有技术CMOS图像传感器的示意图；
图6是用于说明某个像素的像素电路配置的示例的示意图；
图7A和图7B是用于说明滚动快门系统的示图；
图8A和图8B是用于说明因溢出引起偏置差出现的机制的第一示图；以及
图9A和图9B是用于说明因溢出引起偏置差出现的机制的第二示图。
具体实施方式
为了理解本发明，下面将参考附图来描述本发明的实施例。应当注意，根据本发明的实施例的固态成像设备的像素电路结构类似于现有技术的固态成像设备的像素电路配置。
图1A和图1B是用于说明根据本发明的实施例的固态成像设备的第一示例的示图，其中，图1B示出快门操作定时，其中，横轴表示时间[H]，纵轴表示行地址，图1A示出处于时刻n[H]处的状态的物理图像。在根据第一实施例的固态成像设备中，一个信号电荷存储周期被设定为一个水平转移周期，并且该固态成像设备是同时读取两行的类型(两相邻行被设定为一个组的类型)的固态成像设备。
这里，在该固态成像设备的第一示例中，除了在读取信号电荷前1[H]的时刻处执行快门操作之外，在该快门操作前1[H]的时刻处还执行初步快门操作。具体地，对于在时刻(n-1)[H]处从其读取信号电荷的行(m-3)和行(m-4)，在时刻(n-3)[H]处执行初步快门操作，并且在时刻(n-2)[H]处执行快门操作。另外，对于在时刻n[H]处从其读取信号电荷的行(m-1)和行(m-2)，在时刻(n-2)[H]处执行初步快门操作，并且在时刻(n-1)[H]处执行快门操作。此外，对于在时刻(n+1)[H]处从其读取信号电荷的行(m+1)和行m，在时刻(n-1)[H]处执行初步快门操作，并且在时刻n[H]处执行快门操作。此外，对于在时刻(n+2)[H]处从其读取信号电荷的行(m+3)和行(m+2)，在时刻n[H]处执行初步快门操作，并且在时刻(n+1)[H]处执行快门操作。
在该固态成像设备的第一示例中，如果注意时刻n[H]，则在行m之下的行(m-1)已经被读取，从而该行没有电荷。已经对行m之上的行(m+1)执行了快门操作，从而行m没有电荷。此外，已经对行(m+1)之上的行(m+2)以及行(m+1)之下的行m执行了快门操作，从而这两行没有电荷。结果，可以避免溢出，并且不会出现偏置，从而将不会存在因由溢出引起的偏置差而导致的输出差异。
注意，在电荷在1[H]内已饱和，从而产生大到导致溢出的光量的情形中，在行m中会出现来自行(m-1)的等于与在1[H]内存储的电荷一样多的电荷的溢出引起的偏置，并且在行(m+1)中会出现来自行(m+2)的等于与在1[H]内存储的电荷一样多的电荷的溢出引起的偏置。然而，在此情形中，这些偏置在量上是相等的，因此不会产生偏置差，从而不会产生输出差异。
尽管在本实施例中对所有行执行初步快门操作，但只要是注意时刻n[H]，则仅仅对行(m+2)执行初步快门操作就足以避免导致偏置差的溢出，没有必要对行(m+3)执行初步快门操作。然而，如果对各行之间的快门操作次数不同，则光电二极管中行之间的复位能力差异以及行之间所施加的负荷差异通常会导致每行的偏置，从而对每行执行相同次数的快门操作是优选的。另外，虽然在本实施例中在快门操作之前仅仅执行了一次初步快门操作，但是只要不会出现特性上的问题，就可以执行多次初步快门操作。
图2A和图2B是用于说明根据本发明的实施例的固态成像设备的第二示例的示图，其中，图2B示出快门操作定时，其中，横轴表示时间[H]，纵轴表示行地址，并且图2A表示处于时刻n[H]处的状态的物理图像。该固态成像设备的第二示例包括一个信号电荷存储周期被设定成两个水平转移周期，同时读取两行的类型(两个相邻行被设定成一个组的类型)的固态成像设备。
在该固态成像设备的第二示例中，除了在读取信号电荷前2[H]的时刻执行快门操作之外，还在该快门操作前2[H]的时刻执行初步快门操作。具体地，对于在时刻(n-1)[H]处从其读取信号电荷的行(m-3)和行(m-4)，在时刻(n-5)[H](未示出)处执行初步快门操作，并且在时刻(n-3)[H]处执行快门操作。此外，对于在时刻n[H]处从其读取信号电荷的行(m-1)和行(m-2)，在时刻(n-4)[H](未示出)处执行初步快门操作，并且在时刻(n-2)[H]处执行快门操作。此外，对于在时刻(n+1)[H]处从其读取信号电荷的行(m+1)和行m，在时刻(n-3)[H]处执行初步快门操作，并且在时刻(n-1)[H]处执行快门操作。此外，对于在时刻(n+2)[H]处从其读取信号电荷的行(m+3)和行(m+2)，在时刻(n-2)[H]处执行初步快门操作，并且在时刻n[H]处执行快门操作。
在该固态成像设备的第二示例中，类似于该固态成像设备的上述第一示例，消除了来自所注意的行的上下行的溢出，或者即使出现了溢出，由于偏置量基本相等，因此也不会产生偏置差，并且不会引入输出差异。
图3A和图3B是用于说明根据本发明的实施例的固态成像设备的第三示例的示图，其中，图3B示出快门操作定时，其中，横轴表示时间[H]，纵轴表示行地址，并且图3A表示处于时刻n[H]处的状态的物理图像。该固态成像设备的第三示例包括一个信号电荷存储周期被设定成一个水平转移周期，同时读取三行的类型(三个相邻行被设定成一个组的类型)的固态成像设备。
这里，在该固态成像设备的第三示例中，除了在读取信号电荷前1[H]的时刻执行快门操作之外，还在该快门操作前1[H]执行初步快门操作。具体地，对于在时刻(n-1)[H]处从其读取信号电荷的行(m-2)、行(m-3)以及行(m-4)，在时刻(n-3)[H]处执行初步快门操作，并且在时刻(n-2)[H]处执行快门操作。此外，对于在时刻n[H]处从其读取信号电荷的行(m+1)、行m以及行(m-1)，在时刻(n-2)[H]处执行初步快门操作，并且在时刻(n-1)[H]处执行快门操作。此外，对于在时刻(n+1)[H]处从其读取信号电荷的行(m+4)(未示出)、行(m+3)以及行(m+2)，在时刻(n-1)[H]处执行初步快门操作，并且在时刻n[H]处执行快门操作。
在该固态成像设备的第三示例中，类似于该固态成像设备的上述第一和第二示例，消除了来自所注意的行的上下行的溢出，或者即使出现了溢出，由于偏置量基本相等，因此也不会产生偏置差，并且不会引入输出差异。
图4A和图4B是示出在1[H]内的存储期间因溢出引起偏置差的实验结果以及初步快门操作的效果的示图。图4A示出了不执行初步快门操作的情况，图4B示出了执行初步快门操作的情况。在图4A和图4B中示出的这些实验结果是从在一个信号电荷存储周期内同时读取两行的类型的固态成像设备得出的，其中，一个信号电荷存储周期被设定成一个水平转移周期，并且这些实验结果表明在1[H]内的存储期间来自行m和行(m+1)的传感器输出是如何依赖于光量的。
从图4A和图4B可明显看出，如果不执行初步快门操作，溢出的影响则随着光量的增加而增加。因此，应当理解，行m和行(m+1)之间的偏置差增加。此时，如果执行了初步快门操作，则即使光量增加，也可通过初步快门操作避免溢出的影响，从而不会出现偏置差。
在根据本发明的实施例的上述固态成像设备中，可以在无需更改它们的像素电路配置的情况下避免因溢出导致的行之间的偏置差。
另外，执行初步快门操作相当于执行两次或多次快门操作(传统的快门操作加上初步快门操作)，从而还期望减少因有缺陷的复位操作导致的对像素的光电二极管的不适当的复位。
注意，术语“对光电二极管的不适当的复位”意味着在快门操作期间没有对光电二极管进行完全复位，从而在其中留有电荷，并且该电荷在下一步的读取操作期间作为偏置量出现，从而产生不适当的像素信号。如果执行了初步快门操作，则即使像素的光电二极管因其晶体管由于制造中的变化具有低驱动能力而没有被适当地复位，该像素也可以维持不会导致特性问题的复位电平，从而预期可以提高产量。
在根据本发明的实施例的上述固态成像设备中，已经描述了多行被设定成一个组的示例。然而，替代地，多列也可被设定成一个组。
在根据本发明的实施例的固态成像设备中，可以对于属于一个存储信号电荷的组的像素消除溢出，或者使来自上下或左右相邻像素的溢出量基本相等。因此，可以避免因溢出导致的偏置。
本领域的技术人员应当理解，根据设计需求和其它因素可以出现各种修改、组合、次组合和替换，它们均落在所附权利要求及其等同物的范围之内。
本申请包含与2007年2月8日向日本专利局提交的日本专利申请No.JP 2007-028633相关的主题，其全部内容通过参考被结合于此。

Claims (3)

1.一种固态成像设备：
具有像素阵列部，在该像素阵列部中，包括光电转换元件的像素以矩阵形式配置，并且
通过将所述像素阵列部中预定数量的相邻行或者预定数量的相邻列设定成一组，并且通过在存储信号电荷之前以组为单位施加快门操作脉冲来去除不必要的电荷，然后以所述组为单位顺序读取所述信号电荷，所述预定数量是两个或更多个，其中：
在读取在前组的时间之前，对属于在后组中至少与所述在前组相邻的一行或一列的像素，在所述快门操作脉冲之前先施加初步快门操作脉冲，以去除在所述像素中存储的不必要的电荷。
2.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中，在读取所述在前组的时间之前，对所述在后组中的所有像素施加所述初步快门操作脉冲。
3.一种图像捕获装置，包括：
固态成像设备，该固态成像设备具有像素阵列部，在所述像素阵列部中，像素以矩阵形式排列，所述像素包括光电转换元件，所述固态成像设备通过将所述像素阵列部中预定数量的相邻行或者预定数量的相邻列设定成一组，并且通过在存储信号电荷之前以组为单位施加快门操作脉冲来去除不必要的电荷，然后以所述组为单位顺序读取所述信号电荷，所述预定数量是两个或更多个；以及
光学系统，用于在所述固态成像设备的图像捕获面上形成来自对象的像光的图像，其中：
在读取在前组的时间之前，对属于在后组中至少与所述在前组相邻的一行或一列的像素，在所述快门操作脉冲之前先施加初步快门操作脉冲，以去除在所述像素中存储的不必要的电荷。
CN2008100059090A 2007-02-08 2008-02-13 固态成像设备和图像捕获装置 Expired - Fee Related CN101242477B (zh)

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