攝像設備的制作方法

專利名稱：攝像設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有用于將被攝體圖像轉換成電信號由此拍攝圖像的像素的攝 像設備。
背景技術：
由于數字單鏡頭反光照相機、攝像機等所使用的攝像裝置在像素大小方面已被縮 小，因此從這些像素中的每一個像素輸出的光學信號已變小。因而，為了不使S/N比降低， 已不斷地要求噪聲降低。圖13以框圖示意性示出攝像裝置(CMOS)的結構。如圖13所示，該攝像裝置包括 由以二維矩陣配置的多個像素602所構成的像素區域601。在像素區域601中，將來自被攝 體的入射光學信號轉換成電信號(攝像信號)。圖14示出像素602中的每一個的電路結構。參考圖14，像素602的光電二極管 701接收由未示出的拍攝鏡頭在其上形成的光學圖像的一部分，并且生成并存儲電荷。像 素602包括各自均由MOS晶體管構成的傳送開關702、復位開關703、放大器704和選擇開 關 705。傳送開關702具有輸入有從攝像裝置的垂直掃描電路603輸出的驅動信號txl tx4中的相應一個驅動信號的柵極。將光電二極管701中所存儲的電荷經由傳送開關702 輸入至放大器704的柵極，放大器704用于將該電荷轉換成從源極跟隨器輸出的電壓。通 過接通(關閉)復位開關703來復位放大器704的柵極。選擇開關705在接通時，向圖13 中的垂直輸出線Hl H4中的相應一個垂直輸出線輸出像素信號。再次參考圖13，垂直掃描電路603向像素區域601輸出驅動信號resl res4、 txl tx4 禾口 sell sel4。根據來自垂直掃描電路603的驅動信號，將信號成分S和噪聲成分N從像素區域 601的像素602輸出至垂直輸出線Hl H4。垂直輸出線Hl H4連接至攝像裝置的像素信號讀出電路604。將從像素602讀 出的信號成分S和噪聲成分N臨時保持在像素信號讀出電路604中。噪聲成分是以下像素輸出在傳送開關702斷開的狀態下，緊挨在復位開關703根 據驅動信號而被接通之后生成該像素輸出，然后經由放大器704、選擇開關705和垂直輸出 線Hl H4中的相應一個垂直輸出線將該像素輸出保持在像素信號讀出電路604的N信號 保持部中。噪聲成分包括接通復位開關703時所生成的復位噪聲以及放大器704的柵源電 壓的像素之間的偏差等。信號成分是在傳送開關702根據驅動信號而被接通時從光電二極管701傳送來并 被保持在像素信號讀出電路604的S信號保持部中的電荷。接通傳送開關702時所生成的 噪聲成分被添加至信號成分。隨后，攝像裝置的水平掃描電路605進行操作，以將信號成分S和噪聲成分N經由 各個MOS晶體管606、607輸出至差動放大器608。
利用差動放大器608對添加有噪聲成分的信號成分S與噪聲成分N之間的差進行 放大，并從差動放大器608輸出該差，由此能夠獲得去除了噪聲成分的像素輸出。圖15示出攝像裝置的像素區域601的布局。如圖15所示，像素區域601包括由 用于將由未示出的拍攝鏡頭在其上形成的圖像轉換成電信號的像素構成的有效像素區域 801。VOB 802由遮光像素構成，并且被設置為在垂直方向上鄰接有效像素區域801。VOB 802用于檢測黑電平，并且校正由于暗電流成分變化或溫度變化所引起的攝像裝置的輸出 的偏移變化。HOB 803如VOB 802的情況那樣由遮光像素構成，被設置為在水平方向上鄰接有 效像素區域801，并且用于校正垂直暗陰影成分(例如，參見日本特開2000-152098號公 報)。
暗陰影成分可由于暗電流陰影而顯現，并且特別在CMOS攝像裝置中，暗陰影成分 由于因電源線的阻抗所產生的電壓陰影而顯現。為了根據HOB區域中的像素數據檢測各行的偏移值，需要使用足以消除隨機噪聲 和像素缺陷的影響的充足數量的像素數據。由于必須以行為單位檢測偏移值，因而不能夠 使用前一行和后一行中的像素數據，并因此必須確保每一行的足夠的HOB區域。因此，整體 需要極大數量的像素，這增大了攝像裝置的芯片面積并且導致攝像裝置的成本增加。

發明內容
本發明提供一種能夠獲得對于水平噪聲校正有效的校正值并同時抑制攝像裝置 的芯片面積增大的攝像設備。根據本發明，提供一種攝像設備，包括用于將被攝體圖像光電轉換成像素信號的 多個像素，所述攝像設備包括像素信號讀出電路，用于經由垂直信號線以行為單位從所述 多個像素讀出所述像素信號；虛信號讀出電路，用于讀出虛信號，所述虛信號讀出電路不與 所述多個像素和所述垂直信號線連接；水平掃描電路，用于傳送所述像素信號讀出電路和 所述虛信號讀出電路的輸出；以及校正部，用于通過使用所述虛信號讀出電路的輸出，以行 為單位對所述像素信號讀出電路的輸出進行校正。利用本發明，能夠獲得對于水平噪聲校正有效的校正值，并同時抑制攝像裝置的 芯片面積增大，由此可獲得高質量圖像。


圖1是示意性示出根據本發明第一實施例的攝像設備的結構的框圖；圖2是示意性示出攝像裝置的結構的框圖；圖3是詳細示出攝像裝置的像素信號讀出電路的結構的電路圖；圖4是示出攝像裝置的典型圖像信號讀出操作的時序圖；圖5是詳細示出攝像裝置的虛(dummy)信號讀出電路的結構的電路圖；圖6是示出攝像裝置的像素區域及其外圍電路的布局的圖；圖7是示出DFE的內部結構的框圖；圖8是示意性示出根據本發明第二實施例的攝像設備的攝像裝置的像素信號讀 出電路和虛信號讀出電路的結構的電路圖9是用于說明攝像裝置的典型圖像信號讀出操作的時序圖；圖10是示出DFE的內部結構的框圖；圖11是用于說明根據本發明第三實施例的攝像設備的示意結構的框圖；
圖12是示出攝像裝置的像素區域及其外圍電路的布局的圖；圖13是示意性示出傳統攝像裝置的結構的框圖；圖14是示出傳統攝像裝置的像素中的每一個像素的結構的電路圖；以及圖15是示意性示出傳統攝像裝置的布局的圖。
具體實施例方式以下將參考附圖來說明本發明的攝像設備的各實施例。第一實施例圖1以框圖示意性示出根據本發明第一實施例的攝像設備的結構。參考圖1，本實施例的攝像設備100包括具有用于將被攝體圖像轉換成電信號(攝 像信號)的多個像素的攝像裝置101。攝像裝置101由CMOS傳感器構成。模擬前端(analog front end, AFE) 102具有對從攝像裝置101提供的攝像信號進行模擬_數字轉換、OB鉗位 和可變增益放大等的功能。OB鉗位處理用于對攝像信號進行偏移調整，以獲得來自攝像裝 置101的遮光部(光學黑部)的輸出的預定電平。數字前端(digital front end，DFE) 103接收從AFE 102提供的像素數字輸出，并 對接收到的像素數字輸出進行例如圖像信號校正和像素排序等的數字處理。DSP (digital signal processor,數字信號處理器)104 對從 DFE103 提供的數據 (數字信號)進行各種校正處理和顯影處理。DSP104還進行用以控制例如ROM 107和RAM 108等的存儲器的處理、用以將圖像數據寫入記錄介質109的處理以及其它處理。在CPU 106的控制下，驅動信號生成器105向攝像裝置101、AFE 102, DFE 103和 DSP 104提供例如時鐘信號和控制信號等的驅動信號。CPU 106控制DSP 104和驅動信號生成器105，并且控制由均未示出的光電控制器 和測距控制器所提供的照相機功能。CPU 106與開關110、111、112以及模式撥盤113相連 接，并且根據從這些開關和模式撥盤提供的操作信號進行處理。ROM 107存儲由CPU 106執行的控制程序以及各種校正數據。RAM 108臨時存儲 要由DSP 104處理的圖像數據和校正數據。與ROM 107相比，能夠以較高的速度對RAM 108
進行存取。記錄介質109由例如致密閃(flash，注冊商標)卡來實現，經由未示出的連接器可 拆卸地安裝至攝像設備100，并且存儲所拍攝的圖像數據。電源開關110用于啟動攝像設備100。第一快門開關(SWl) 111用于給出開始例如 測光處理和測距處理等的操作的指令。第二快門開關(SW2) 112用于給出開始以下一系列 拍攝操作的指令驅動均未示出的反射鏡和快門，以及將從攝像裝置101讀取的信號經由 AFE 102、DFE 103 禾口 DSP 104 寫入記錄介質 109。圖2以框圖示意性示出攝像裝置101的結構，其中攝像裝置101的結構與參考圖 13已經說明的攝像裝置的結構相同。像素區域201包括以二維矩陣配置的多個像素202。 像素202的電路結構與參考圖14所述的電路結構相同，因此在以下說明中，利用相同的附圖標記來表示相同的部分。 垂直掃描電路(控制電路)203與像素區域201并列設置，并且向像素區域201輸 出驅動信號resl res4、txl tx4和sell sel4。根據來自垂直掃描電路203的驅動 信號，從像素區域201的各像素202輸出信號成分S和噪聲成分N。將信號成分S和噪聲成 分N經由垂直輸出線(垂直信號線)H1 H4各自提供至像素信號讀出電路204的S信號 保持部和N信號保持部，并將信號成分S和噪聲成分N保持在S信號保持部和N信號保持 部中。圖3示出像素信號讀出電路204中與像素區域201的像素列的其中之一相對應的 部分的電路結構。如圖3所示，像素信號讀出電路204的輸入側連接至相應的垂直輸出線， 其中將來自相應像素列的像素202的輸出vout提供至該相應的垂直輸出線。圖4以時序圖示出攝像裝置101的操作的示例。在傳送像素區域201的第一行中 的像素202的光電二極管701 (參見圖14)中所存儲的電荷之前，如圖4所示，使驅動信號 resl為高電平，由此接通第一行的像素202的復位開關703以復位放大器704的柵極。接著，使驅動信號resl為低電平，同時根據驅動信號cOr接通像素信號讀出電路 204的鉗位開關306。隨后，將驅動信號sell輸入至像素202的選擇開關705的柵極，以接 通選擇開關705。結果，疊加有復位噪聲的像素輸出經由垂直輸出線被提供至各列的鉗位電 容303，并且由鉗位電容303對這些像素輸出進行鉗位。電流源302連接至相應的垂直輸出 線。接著，斷開鉗位開關306并且使驅動信號tn為高電平，由此接通N信號傳送開關 307。因此，由各列的放大器304和反饋電容305放大后的N信號保持在N信號保持電容 309 中。在N信號傳送開關307斷開之后，使驅動信ts號為高以接通S信號傳送開關308， 并且在該狀態下使驅動信號txl為高。結果，通過傳送開關702傳送光電二極管701中所 存儲的電荷，由此將光學信號讀出至垂直輸出線。在傳送開關702斷開之后，斷開S信號傳 送開關308，由此將S信號保持在S信號保持電容310中。利用上述操作，將從像素區域201的第一行的像素202提供的S信號和N信號分 別保持在各列的保持電容309、310中。如果在保持S信號的時刻和保持N信號的時刻之間 產生了電源噪聲或者外部噪聲被施加于信號線，則S信號和N信號上各自疊加有不同的噪 聲成分。再次參考圖2，設置有包括多個列的虛信號讀出電路209。圖5示出虛信號讀出電 路209中與一列相對應的部分的電路結構。虛信號讀出電路209包括足以進行以下所述的 水平噪聲校正從而去除隨機噪聲影響的充足數量的列。圖5所示虛信號讀出電路209的大部分在結構上與圖3中的像素信號讀出電路 204相同，但存在如下區別，即，與像素信號讀出電路204不同，虛信號讀出電路209的輸入 側不是連接至垂直輸出線和像素，而是連接至虛放大器501。虛放大器501是柵極固定為電壓Vdmy且漏極施加有電源電壓VDD的MOS晶體管。 具體地，被提供至虛信號讀出電路209的輸入信號處于固定電位。虛放大器501是像素202 的放大器704的替代。電壓Vdmy與緊挨在像素202的放大器704的柵極被復位之后所出 現的電壓相等。虛信號讀出電路209的輸入側的結構不局限于上述結構，還可以是例如僅向鉗位電容303輸入恒定電壓的結構。根據與像素信號讀出電路204中所使用的驅動信號相同的驅動信號，分別控制鉗位開關306、N信號傳送開關307以及S信號傳送開關308。因此，N信號是在與在像素信號讀出電路204中讀出N信號的時刻相同的時刻被 讀出的，并然后被保持在N信號保持電容309中。S信號是在與在像素信號讀出電路204中 讀出S信號的時刻相同的時刻被讀出的，并然后被保持在S信號保持電容310中。因此，如 像素信號讀出電路204的情況那樣，S信號和N信號上各自疊加有在保持時刻所生成的電 源噪聲或其它噪聲。隨后，使從水平掃描電路205提供的信號ph為高，由此順次接通圖3中的像素信 號讀出電路204各列的水平傳送開關311、312，并且順次接通圖5中的虛信號讀出電路209 各列的水平傳送開關311、312。結果，將保持在讀出電路204、209各列的N信號保持電容 309和S信號保持電容310中的電壓順次讀出至水平輸出線，由差動放大器208順次對這些 電壓進行差分處理，并將它們順次輸出至輸出端子。水平傳送開關311、312分別與圖2中 的開關206、207相對應。如前所述，利用差分處理，消除了接通復位開關703時所生成的復位噪聲、由于放 大器704的柵源電壓的像素之間的變化所產生的噪聲以及其它噪聲。然而，由于保持S信 號時刻和保持N信號時刻之間的差所產生的噪聲未被消除，因此該噪聲混入從輸出端子輸 出的信號中。對于由水平掃描電路205讀出各列的信號的順序，從圖2中虛信號讀出電路209 的最末列開始執行讀出。在完成了針對虛信號讀出電路209的所有列的信號的讀出操作之 后，以從像素信號讀出電路204的最末列開始的順序，從像素信號讀出電路204的所有列讀 出信號。在從各列讀出信號之間，通過水平輸出線復位開關313、314將水平輸出線電壓復 位為復位電壓Vchres。以上，完成了用于讀出第一行的信號的操作。在完成了讀出第一行的信號時，根據 來自垂直掃描電路203的驅動信號開始用于讀出第二行的信號的操作。在這種情況下，經 由像素信號讀出電路204輸出來自像素區域201的第二行中各列的像素202的像素信號。 虛信號讀出電路209重復與針對第一行的操作相同的操作。之后，順次執行用于從第三行以及后續行讀出信號的操作。當從像素區域201的 所有像素讀出了像素信號時，攝像裝置101的讀出操作完成。圖6示出攝像裝置101的像素區域201及其外圍電路的布局。圖6中的有效像素 區域901、V0B 902和HOB 903與已參考圖15說明的有效像素區域801、V0B 802和HOB 803 相同，因此將省略對它們的說明。垂直掃描電路203被設置為在水平方向上鄰接像素區域201，而像素信號讀出電 路204被設置為在垂直方向上鄰接像素區域201并位于像素區域201下方。虛信號讀出電 路209被設置為在水平方向上鄰接像素信號讀出電路204，并且在垂直方向上位于垂直掃 描電路203下方。因此，虛信號讀出電路209被設置在相對于像素信號讀出電路204的與差動放大 器208相反的一側上。水平掃描電路205被設置為在垂直方向上位于虛信號讀出電路209 和像素信號讀出電路204的下方。
再次參考圖1，在AFE 102中對從攝像裝置101輸出的信號進行模擬-數字轉換和其它處理，并然后將這些信號輸入至對其進行水平噪聲校正的DFE (校正部)103。圖7以框圖示出DFE 103的內部結構中與水平噪聲校正有關的部分。參考圖7，虛信號線平均電路1001用于以行為單位對虛信號進行平均。電路1001 根據未示出的寄存器中所設置的虛信號的開始位置和結束位置，執行數字加法/平均處 理。減法器1002基于來自平均電路1001的輸出和基準黑電平執行差分處理，由此計算出 虛信號線平均值和基準黑電平之間的誤差量。乘法器1003將從減法器1002輸出的誤差量乘以預定系數Y (0 < γ < 1)，由此 計算出偏移校正量(校正值)。將由乘法器1003計算出的校正值輸入至減法器1004中，在 減法器1004中，從各個像素輸出中減去該校正值。利用以上結構，可以實現水平噪聲校正。利用本實施例的水平噪聲校正，使得虛信號電平與基準黑電平相等。根據這些情 況，虛信號電平不同于OB(光學黑)部中的信號電平。在這種情況下，可以通過DFE 103或 DSP 104來檢測VOB中的信號電平與虛信號電平之間的差，并且可以對所有的像素輸出均 勻地進行偏移校正，從而使OB部中的信號電平與基準黑電平相等。如上所述，在本實施例中，能夠對從攝像裝置101輸出的信號執行水平噪聲校正， 而不增加HOB 903的像素數量的情況下。結果，能夠在抑制攝像裝置101的芯片面積增大 的同時，獲得有效的校正值，從而實現高質量圖像。第二實施例接著，將參考圖8 10來說明根據本發明第二實施例的攝像設備。以下，利用相 同的附圖標記來表示與第一實施例的部分相對應的相同部分。在本實施例中，由攝像裝置101以模擬方式執行虛信號線平均處理(line averaging processing)0圖8示出本實施例的攝像裝置101的一部分(像素信號讀出電路204的一部分、 虛信號讀出電路209的一部分、水平掃描電路205和差動放大器208)。對于虛信號讀出電 路209和像素信號讀出電路204，在圖8中示出與放大器304及其后級相對應的那些部分， 并省略了對其它部分的例示。N信號短路開關1101用于使虛信號讀出電路209中的各列的N信號保持電容309 短路。S信號短路開關1102用于使虛信號讀出電路209中的各列的S信號保持電容310短 路。根據驅動信號ds來接通和斷開N信號短路開關1101和S信號短路開關1102這兩者。水平傳送開關1103、1104連接至虛信號讀出電路209中被配置為最靠近像素信號 讀出電路204的列，并且具有與圖5中水平傳送開關311、312的功能相同的功能。圖9以時序圖示出攝像裝置101的操作的示例。如圖9所示，進行與第一實施例 的操作相同的操作，直到到了根據驅動信號ts進行S信號保持的時刻為止。在該時間點， S信號和N信號分別保持在S信號保持電容309和N信號保持電容310中。接著，使驅動信號ds為高電平，以接通虛信號讀出電路209的N信號短路開關 1101和S信號短路開關1102。隨后，使驅動信號ds再次為低電平，由此斷開N信號短路開 關1101和S信號短路開關1102。利用該操作，虛信號讀出電路209的各列的N信號和S信 號分別被平均。接著，操作水平掃描電路205，以順次讀出S信號和N信號。首先，接通水平傳送開關1103、1104，由此從虛信號讀出電路209中最靠近像素信號讀出電路204的列讀出S信號 和N信號。隨后，順次從像素信號讀出電路204的其它列讀出S信號和N信號。如第一實施例的情況那樣，由AFE 102對從攝像裝置101輸出的像素信號進行模 擬_數字轉換和其它處理，然后由DFE 103對這些像素信號進行水平噪聲校正。圖10示出水平噪聲校正部的結構。如圖10所示，該水平噪聲校正部與第一實施 例的水平噪聲校正部(圖7)的不同之處僅在于，該水平噪聲校正部包括虛信號保持電路 1301。由于以行為單位從攝像裝置101輸出單個像素的虛信號，因此無需圖7中的虛信號 線平均電路1001，而僅需能夠保持單個像素的虛信號的存儲器表。根據未示出的寄存器中 所設置的值來指示保持虛信號的時刻。如上所述，由攝像裝置101以模擬方式執行本實施例中的虛信號平均處理。因此， 從攝像裝置101輸出的虛信號每行包括一個像素，這可以減少輸出數據的數量。因此，水平掃描電路205的電路規模能夠按輸出數據的數量的減少程度被縮減， 并且能夠緩和攝像裝置101、AFE 102、DFE103和DSP 104的工作速度。另外，可利用諸如單 個像素的存儲器等的簡化結構來實現DFE 103的水平噪聲校正部，而不使用線平均電路。 其它結構、功能和優點與第一實施例的相同。第三實施例接著，將參考圖11和12來說明根據本發明第三實施例的攝像設備。圖11以框圖 示意性示出第三實施例的攝像設備的結構。以下，利用相同的附圖標記來表示與第一實施 例中相對應的相同部分。在本實施例中，攝像裝置101包括A/D轉換電路(模擬_數字轉換電路)和水平 噪聲校正部。因此，將來自攝像裝置101的輸出直接提供至DFE 103，而無需AFE 102的參與。圖12示出本實施例的攝像裝置101的像素區域201及其外圍電路的布局。如圖12所示，在本實施例的結構中，將用于對差動放大器208的輸出進行模 擬-數字轉換的A/D轉換器1501以及用于對A/D轉換器1501的輸出進行校正的水平噪聲 校正部1502添加至第一實施例的攝像裝置。水平噪聲校正部1502僅包括邏輯電路，并且照原樣包含圖7中的電路結構。在水 平噪聲校正部1502中對像素輸出進行水平噪聲校正之后，將這些像素輸出從攝像裝置101 輸出至DFE103。如上所述，在本實施例中，像素輸出在由攝像裝置101完成對其的水平噪聲校正 之后被輸出，因此無需在DFE 103或DSP104中進行水平噪聲校正。作為本實施例的替代例，如果在攝像裝置101內部具有A/D轉換功能，則可使用各 列具有A/D轉換器電路的列AD系統式攝像裝置。在這種情況下，虛信號讀出電路209和像 素信號讀出電路204的輸出可被輸入至各列的A/D轉換器電路，并且可在位于A/D轉換器 電路的后級的水平噪聲校正部中被校正。其它結構、功能和優點與第一實施例的相同。在上述實施例中，將虛信號讀出電路209配置在垂直掃描電路203的下方，但也可 將虛信號讀出電路209配置在垂直掃描電路203的上方。
產業上的可利用性根據本發明的攝像設備，能夠獲得對于水平噪聲校正有效的校正值，同時抑制攝像裝置的芯片面積增大，并由此 能夠獲得高質量圖像。
權利要求
一種攝像設備，其具有用于將被攝體圖像光電轉換成像素信號的多個像素，所述攝像設備包括像素信號讀出電路，用于經由垂直信號線以行為單位從所述多個像素讀出所述像素信號；虛信號讀出電路，用于讀出虛信號，其中所述虛信號讀出電路不與所述多個像素和所述垂直信號線連接；水平掃描電路，用于傳送所述像素信號讀出電路和所述虛信號讀出電路的輸出；以及校正部，用于通過使用所述虛信號讀出電路的輸出，以行為單位對所述像素信號讀出電路的輸出進行校正。
2.根據權利要求1所述的攝像設備，其特征在于，還包括 附設于所述多個像素的控制電路，其中，所述虛信號讀出電路被配置在所述控制電路的上方或下方。
3.根據權利要求2所述的攝像設備，其特征在于，所述虛信號讀出電路被配置在所述 水平掃描電路和所述控制電路之間。
4.根據權利要求2所述的攝像設備，其特征在于，所述控制電路是垂直掃描電路。
5.根據權利要求1所述的攝像設備，其特征在于，所述虛信號讀出電路被配置為鄰接 所述像素信號讀出電路。
6.根據權利要求1所述的攝像設備，其特征在于，所述虛信號讀出電路的輸入信號處 于固定電位。
全文摘要
提供了一種能夠獲得對于水平噪聲校正有效的校正值并同時抑制攝像裝置的芯片面積增大的攝像設備。該攝像設備包括攝像裝置(101)，用于將被攝體圖像轉換成電信號；以及校正部，用于對所拍攝到的圖像進行校正。該攝像裝置包括像素信號讀出電路(204)，用于經由垂直信號線，以行為單位從像素區域讀出像素信號；虛信號讀出電路(209)，用于讀出虛信號；以及水平傳送電路(205)，用于傳送該像素信號讀出電路和該虛信號讀出電路的輸出。該校正部使用該虛信號讀出電路的輸出，以行為單位對該像素信號讀出電路的輸出進行校正。
文檔編號H04N5/335GK101868969SQ20088011669
公開日2010年10月20日 申請日期2008年11月17日 優先權日2007年11月19日
發明者內田峰雄, 高田英明 申請人:佳能株式會社