專利名稱：攝像裝置和固態圖像傳感器的驅動方法
技術領域：
本發明涉及用于驅動CMOS固態圖像傳感器的技術。
背景技術：
傳統上，在CMOS固態圖像傳感器中進行電子快門操作時，由于卷簾式掃描導致發生被攝體失真等。在每個畫面的掃描時間(例如，在掃描速率為10幀/秒時為1/10秒)與用于捕獲被攝體的移動速度的快門速度(例如，1/60秒)之間的關系如下時，可能會顯著地發生這種被攝體失真。
快門速度〈每個畫面的掃描時間由于該原因，已開發出用于減小每個畫面的掃描時間的技術，也就是說，提高掃描速率，從而即使以較高的快門速度也能防止被攝體失真的發生。此外，在允許提高成本的產品中，采用了機械快門與CMOS固態圖像傳感器一起使用的技術，通過在進行卷簾式掃描之前機械地遮斷光而與每個畫面的掃描時間無關地減少被攝體失真。另外，近年來隨著固態圖像傳感器在數字照相機、數字攝像機等中的使用，尺寸的減小和像素數的增加以及ISO感光度的提高已得到發展，因此可以說，正在使用來自圖像傳感器的已放大的小信號。由于在放大小信號時會發生噪聲，因此，關鍵是在提高固態圖像傳感器的感光度的同時減少噪聲的發生。例如，日本特開2006-246450公開了一種如下的固態攝像裝置及其驅動方法通過分離光電二極管單元和保持單元并使保持單元在表面積方面具有余量，使得能夠在維持飽和電荷量時附加全畫面同步保持和動態范圍的增大的功能。如圖5所示，光電二極管ro經由第一傳輸門TXl連接至保持單元Mem，并且從曝光期開始，將由光電二極管H)生成的信號電荷傳送至保持單元Mem。在曝光結束之后所進行的信號讀出中，將信號從保持單元Mem經由第二傳輸門TX2傳送至浮動擴散單元FD，之后進行卷簾式掃描，這是CMOS固態攝像裝置所特有的。另一方面，盡管光電二極管H)在卷簾式掃描期間也會曝光，但是第一傳輸門TXl已被關閉。此外，所生成的電荷不斷地被輸出至溢出漏極0FD，因此，不會影響在保持單元Mem中的原始信號電荷。也就是說，盡管信號讀出掃描是卷簾式掃描，但是畫面上的所有像素從信號電荷實際保持的開始到結束都由第一傳輸門TXl同時控制的，因而在原理上能進行全畫面同步保持。利用上述結構，即使光電二極管ro的表面積相對小，如果光會聚在光電二極管上的效率提高，則對光電轉換特性也不存在特別的影響。可替代地，可以增大保持單元Mem的表面積，并且在從曝光期開始起傳送信號電荷時維持飽和電荷量。另外，已知的固態圖像傳感器的配置為，通過控制傳送MOS晶體管的柵極下的電位來減少暗電流成分，從而達成空穴存儲狀態(例如，參見日本特開2002-247456)。然而，利用上述日本特開2006-246450中公開的技術，將光電二極管H)與保持單元Mem之間的傳送MOS晶體管的埋溝用作針對由于曝光期傳送MOS晶體管的溝道電位的持續上升而發生的暗電流增大的對策。因此，這需要先進的制造技術。
發明內容
鑒于上述問題而作出了本發明，并且根據本發明，在能夠例如在維持飽和電荷量時附加全畫面同步保持和動態范圍的增大的功能的固態圖像傳感器中，在無需先進的制造技術的情況下減少曝光期的暗電流增加。根據本發明第一方面的一種攝像裝置，包括固態圖像傳感器，包括多個單位像素；以及驅動單元，用于驅動所述固態圖像傳感器以將三個以上的互不相同的電位提供至第一傳輸門，其中，每個單位像素包括光電轉換器，用于將入射光轉換成信號電荷；保持單元，用于暫時保持所述光電轉換器所獲得的信號電荷；所述第一傳輸門，其配置在所述光電轉換器與所述保持單元之間，并且用于將所述信號電荷傳送至所述保持單元；電荷電壓轉換器，用于將所述信號電荷轉換成電壓信號；以及第二傳輸門，其配置在所述保持單元與所述電荷電壓轉換器之間，并且用于將所述信號電荷傳送至所述電荷電壓轉換器，并且在所述光電轉換器中進行攝像操作的情況下處于非導通狀態。此外，根據本發明第二方面的一種用于固態圖像傳感器的驅動方法，所述固態圖 像傳感器包括多個單位像素，每個單位像素包括光電轉換器，用于將入射光轉換成信號電荷；保持單元，用于暫時保持所述光電轉換器所獲得的所述信號電荷；第一傳輸門，其配置在所述光電轉換器與所述保持單元之間，并且用于將所述信號電荷傳送至所述保持單元；電荷電壓轉換器，用于將所述信號電荷轉換成電壓信號；以及第二傳輸門，其配置在所述保持單元與所述電荷電壓轉換器之間，并且用于將所述信號電荷傳送至所述電荷電壓轉換器，并且在所述光電轉換器中進行攝像操作的情況下處于非導通狀態，其中，所述驅動方法包括在三個以上的互不相同的電位之間改變所述第一傳輸門的電位的步驟。通過以下參考附圖對典型實施例的說明，本發明的其它特征將變得明顯。
圖I是示出本發明實施例I和2共用的攝像裝置的配置的圖。圖2是示出固態圖像傳感器的單位像素的等效電路圖。圖3A和3B是示出分別根據實施例I和2的固態圖像傳感器的驅動方法的時序圖。圖4是示出根據實施例2的攝像裝置的操作的流程圖。圖5是示出傳統的固態圖像傳感器的驅動方法中的電位的圖。
具體實施例方式圖I是示出本發明的實施例I和2共用的攝像裝置的配置的圖。在圖I中，附圖標記I表示包括具有光圈的鏡頭等的光學系統，附圖標記2表示對由光學系統I形成的被攝體圖像進行光電轉換以生成電信號的固態圖像傳感器。在固態圖像傳感器2是進行卷簾式掃描的CMOS固態圖像傳感器的情況下，存在如下技術如之前所提到地，在光學系統I和固態圖像傳感器2之間布置機械快門，并通過與曝光結束相對應地遮斷光來減少被攝體失真。然而，在本發明實施例中，這種機械快門不是必要的。這是因為，如后面將要描述的，固態圖像傳感器2被構成為包括保持單元Mem，因此，即使沒有機械快門，原理上也不會發生被攝體失真。附圖標記3表示用于對來自固態圖像傳感器2的模擬電信號進行采樣的相關雙采樣(CDS)電路，附圖標記4表示用于將采樣出的模擬信號轉換成數字信號的A/D轉換器。將數字圖像信號保持在圖像存儲器8中，然后由信號處理電路7對其進行白平衡校正和伽馬校正等各種信號處理，并將由此產生的圖像信號記錄在記錄介質10上。記錄電路9是與記錄介質10連接的接口電路。經過信號處理的圖像信號也可以經由作為接口電路的顯示電路11被液晶顯示器等顯示裝置12直接顯示。時序生成電路5經由驅動電路6驅動光學系統I的光圈、固態圖像傳感器2等攝像系統。時序生成電路5還與攝像系統的驅動、即固態圖像傳感器2的輸出信號同步地驅動和控制相關雙采樣電路3和A/D轉換器4。本發明實施例的攝像裝置的驅動方法對于由時序生成電路5經由驅動電路6來執行的攝像系統的驅動具有特征。系統控制單元13根據暫時存儲在非易失性存儲器14中的程序來進行攝像裝置的整體控制。后面將描述的根據實施例2的驅動方法所使用的切換信號由系統控制單元13生成并且被傳送至時序生成電路5。附圖標記15表示用于存儲在執行控制時要傳送的程序 和各種數據的非易失性存儲器。圖2是示出本發明實施例的攝像裝置中所使用的固態圖像傳感器2的單位像素的等效電路圖。盡管圖中未示出，但固態圖像傳感器2包括水平和垂直布置的多個單位像素結構20、垂直掃描電路以及水平掃描電路，并且通過這些來實現后面描述的驅動方法。此夕卜，如本領域技術人員所公知的，例如，將各單位像素結構20與在垂直方向上針對各水平行設置的其它單位像素共同連接至在水平方向排列并且針對各垂直列設置一個的垂直輸出線Vn (下文中，η表示垂直輸出線的列編號)之一，并且每次對一個水平行進行掃描(即，卷簾式掃描)。注意，這里每個單位像素結構20包括浮動擴散單元FD、放大MOS晶體管SF、復位MOS晶體管RS以及選擇MOS晶體管SEL。然而，也可采用由鄰接或鄰近的像素共享這些單元的結構。接著，對單位像素結構20的單元的功能和細節進行描述。光電二極管ro是將入射光轉換成信號電荷的光電轉換器。如果有必要，溢出漏極OFD具有輸出由光電二極管F1D生成的全部或部分電荷的功能。將與后面將描述的根據實施例I和2的驅動方法一起詳細說明實際控制方法。注意，溢出漏極OFD可以是縱向溢出漏極或橫向溢出漏極，且其控制端可以連接至漏電源，或者如圖2所示溢出漏極OFD可以被配置為接收相對于光電二極管H)的柵極的電位的施加。保持單元Mem經由第一傳輸門TXl連接至光電二極管H)，且浮動擴散單元FD經由第二傳輸門TX2連接至保持單元Mem。具體地，當讀出由光電二極管H)生成的信號電荷以作為正規信號時，所述信號電荷被暫時保持在保持單元Mem中，且之后被傳送至浮動擴散單元FD。注意，浮動擴散單元FD是用于將信號電荷轉換成電壓信號的電荷電壓轉換器。將與后面將描述的根據實施例I和2的驅動方法一起詳細說明實際控制方法。注意，保持單元Mem被遮擋光，從而使得即使機械快門沒有遮斷光也不會感應到光。這里，第一傳輸門TX I或第二傳輸門TX2可以具有還用作為用于對保持單元Mem遮擋光的結構的電極配置。為了讀出浮動擴散單元FD的電位變化作為正規信號，通常在這種讀出之前讀出浮動擴散單元FD的復位電位。復位MOS晶體管RS用來將復位電位SVDD寫入浮動擴散單元FD。當讀出信號電位和復位電位時，由于選擇MOS晶體管SEL和垂直輸出線Vn的恒定電流源開始工作，因此放大MOS晶體管SF構成源極跟隨器電路，從而使得能夠傳送電位變化。上述用于讀出電位變化的方法 對本發明來說不是唯一的，由于已根據垂直輸出線Vn的下游結構提出了各種方法，因此，下面描述的實施例I和2將省略用于讀出電位變化的方法的詳細描述。實施例I下面參考圖3A中的時序圖對本發明的實施例I的固態圖像傳感器的驅動方法進行描述。在圖3A中，根據垂直同步信號來進行被稱為“曝光”(用A表示)、“批傳送”(用B表示)、“讀出”(用C表示)的三種狀態間的轉換。被稱為“曝光”的狀態是圖中所示的OFD控制端子的第一次極性變化(下降沿)導致的實際曝光期的開始。被稱為“批傳送”的狀態是圖中所示的第一傳輸門TXl的第一次極性變化(上升沿)導致的實際曝光期的結束。對攝像區域中的所有像素一起改變OFD控制端子的極性和第一傳輸門TXl的極性，這使得能夠進行全畫面同步保持，并且原理上不會發生被攝體失真。被稱為“讀出”的狀態是通過所謂的卷簾式掃描來讀出單位像素的被遮光的保持單元Mem中保持的電荷的狀態。通過例如逐行順次地打開第二傳輸門TX2(例如，圖中以實線示出的極性變化表示對第一行中的單位像素的第二傳輸門ΤΧ2進行的控制，以虛線示出的極性變化表示對后續行中的單位像素的第二傳輸門ΤΧ2進行的控制)來進行卷簾式掃描，但是由于實際曝光期在批傳送狀態下結束，因此不會發生被攝體失真等。注意，在至少該讀出狀態下，OFD控制端子在圖中的第二次極性變化之后處于與實際曝光期之前的狀態相同的非必要電荷輸出狀態，因而能夠減少例如由光電二極管H)生成的電荷泄漏至保持單元的現象。接著，對第一傳輸門TXl的控制進行詳細描述。首先，在整個實際曝光期(也可以說在該期間之前)，第一傳輸門TXl接收第一電位的供應，其中該第一電位低于圖中伴隨前述批傳送的最高電位并且高于圖中在批傳送結束之后(下降沿之后)的最低電位。優選地，將第一電位設置得盡可能低，同時還使由第一電位形成的第一傳輸門的勢壘低于溢出漏極側(0FD側)的勢壘。這樣的結果是，在第一傳輸門TXl的柵極下，維持比批傳送期間的耗盡層狀態相對更接近于后述空穴存儲狀態的狀態，從而使得能夠減小暗電流和缺陷的發生的可能性。另外，還可以減少由在實際曝光期通過由光電二極管ro進行光電轉換而獲得的正規信號電荷泄漏至溢出漏極OFD側而導致的電荷丟失現象(也可以說是飽和電荷量的減少)。接著，為了進行從光電二極管ro到保持單元Mem的信號電荷的批傳送，將圖中最高的第二電位提供至第一傳輸門TXi。該電位用于使來自光電二極管ro的信號電荷全部被傳送并且確定實際曝光期的結束。通常，提供具有周期比實際曝光期和卷簾式掃描時間短的脈沖形狀的第二電位。在批傳送結束之后，提供用于在第一傳輸門TXl的柵極下實現空穴存儲狀態的第三電位。在實際曝光期結束之后，將由光電二極管ro生成的電荷輸出至溢出漏極OFD側，因此，作為低于第一電位的電位的第三電位能在傳輸柵極下實現空穴存儲狀態。實施例2以下參考圖3B中的時序圖和圖4中的流程圖，對本發明實施例2的驅動方法進行描述。在實施例I中，通過在三個電位之間改變第一傳輸門TXl的電位，實現了飽和電荷量的維持和實際曝光期暗電流和缺陷發生的可能性的減少這兩者，同時保持了兩者間的平衡。順便提及，在飽和電荷量不是很高的高ISO感光度情形或低亮度情形等情形下，即使設置電位以使得在實際曝光期在第一傳輸門TXl的柵極下實現空穴存儲狀態，也不容易發生高光溢出(飽和不足)等問題。實施例2關注該性質。
首先按照步驟順序對圖4中所示的控制方法進行說明。首先通過圖I中未示出的開關接通主電源，然后接通控制系統的電源，之后接通攝像系統的電源(步驟S501)。接著，將驅動設置信號施加至固態圖像傳感器2 (步驟S502)，從而使得能進行實時取景顯示(步驟 S503)。為了在攝像前控制曝光量，系統控制單元13使數字圖像信號從攝像系統傳送至圖像存儲器8，并使信號處理電路7執行曝光計算。通過針對從圖像信號中提取的亮度信息Y、對畫面上的每個區域進行下面的加權計算來計算與目前的情形相比需要增加(或減少) 多少級亮度。Y=a X R+b X G+c X B (a+b+c=I)系統控制單元13接收該計算結果，并通過驅動光學系統I的光圈從下一幀開始獲取具有合適亮度的圖像。如果固態圖像傳感器具有電子快門功能，則可以同時改變快門速度。可使用如上所述的反饋方法進行曝光計算，并且可以使用基于從與攝像系統分開設置的曝光測量傳感器(圖I未示出)的信號直接獲得的合適的光圈值和快門速度來進行控制的前饋方法。在圖4的流程圖中，將從曝光量計算到曝光確定的處理稱為AE(自動曝光)，并在步驟S504中示出該處理。接著，進行自動焦點檢測。攝像裝置包括具有兩段行程的快門釋放按鈕(圖I未示出)，使用第一段行程作為觸發(步驟S505)，將光學系統I的調焦透鏡驅動多步，并獲得多個圖像的圖像信號。對每個圖像信號進行計算處理，并確定具有最佳焦距的調焦透鏡的位置。系統控制單元13接收該檢測結果，并通過驅動光學系統I的調焦透鏡從下一幀開始獲取具有最佳焦距的圖像。在自動焦點檢測中也可以采用如下方法根據來自與攝像系統分開設置的測距傳感器(圖I未示出)的信號直接測量被攝體距離，且基于被攝體距離驅動調焦透鏡。在圖4的流程圖中，將從焦距檢測開始到鏡頭驅動的處理稱為“自動焦點檢測”，該處理在步驟S506中示出。在如上所述確認出合適的曝光和焦距后，使用快門釋放按鈕的第二段行程作為觸發來啟動實際攝像(步驟S508)。在這種情況下，檢查實際攝像中必要的增益(ISO感光度設置)(步驟S507)，并且如果已判斷為飽和電荷量相對高，則進行控制以使得第一傳輸門TXl的直到實際曝光期結束為止的電位是第一電位(步驟S513)，這與實施例I類似。注意，盡管在圖4中飽和電荷量相對高的情況下確定了 ISO 400(預定增益)或更低的ISO感光度設置，但是考慮到例如固態圖像傳感器2的單位像素結構20中的光電二極管和保持單元之間的表面積比，基于具體情況設計最佳值就可以了。如果判斷為飽和電荷量相對低(在圖4中的“高于IS0400”的情況下)，進行控制以使得第一傳輸門TXl的直到實際曝光期結束為止的電位是等于批傳送結束后的電位的第三電位(步驟S509)。在后者的曝光方法中，存在由第一傳輸門TXl形成的勢壘變得高于溢出漏極OFD側的勢壘的情況，因此，飽和電荷量僅基本上等于光電二極管ro的電容。然而，由于在第一傳輸門TXI的柵極下實現空穴存儲狀態，因此，存在減小曝光期暗電流和缺陷發生的可能性的重要效果。接著，通過向第一傳輸門TXl的柵極提供第二電位來接通第一傳輸門TXl的柵極、將光電二極管H)的信號電荷傳送至保持單元Mem，并且實際曝光期結束(步驟S510)。在該步驟中提供至第一傳輸門TXl的電位不依賴于所需的飽和電荷量(ISO感光度設置等)。
盡管圖4的流程圖中采用了監視ISO感光度設置撥盤的狀態的方法，但是即使在設置了用于根據場景來設置ISO感光度的自動ISO感光度設置模式的情況下，也可以根據所確定的ISO感光度來選擇和設置驅動方法。A/D轉換器4對從固態圖像傳感器2輸出的圖像信號進行A/D轉換，并將由此產生的圖像信號暫時儲存在圖像存儲器8中(步驟S511)。在信號處理電路7進行了前述各種信號處理之后，經由記錄電路9將由此產生的圖像信號記錄在記錄介質10上，從而完成了一系列攝像操作(步驟S512)。根據本實施例，可以進行如下配置當ISO感光度高時，提供在第一傳輸門TXl的柵極下實現空穴存儲狀態的電位，從而改善了在圖像中的暗電流和缺陷特別顯著的場景中減小暗電流和缺陷產生的可能性的效果。順便提及，當在實際曝光期在第一傳輸門TXl的柵極下實現空穴存儲狀態時所發生的飽和電荷量減少的原因，不僅在于光電二極管ro的表面積，還在于溢出漏極側(0FD 偵D的勢壘的高度。下面在進一步關注該性質的情況下對圖3B中的驅動方法進行說明。第一傳輸門TXl的直到實際曝光期結束為止的電位是在柵極下實現空穴存儲狀態的電位。另外，首先，將低電位提供至OFD控制端子直到實際曝光期結束。該低電位設置得盡可能低，同時還使由該低電位形成的溢出漏極OFD側的勢壘低于第一傳輸門的勢壘。這樣使得能夠相對減少如下的現象由于在實際曝光期由光電二極管H)進行光電轉換所獲得的正規信號電荷泄漏至溢出漏極OFD側而導致電荷丟失(也可以說是飽和電荷量的減少)。接著，使用用于確定實際曝光期的結束的第一傳輸門TX I來進行批傳送。在實際曝光期結束之后，將圖中的最高電位提供至OFD控制端子，從而實現非必要電荷輸出狀態，這與實施例I類似。根據本實施例，由于飽和電荷量相對提高，因此，能夠例如在低ISO感光度時使用直到實際曝光期結束為止在第一傳輸門TXl的柵極下實現空穴存儲狀態的電位。盡管以上描述了本發明的優選實施例，但本發明不限于這些實施例，可以在不偏離本發明精神的前提下做各種修改。盡管已經參考典型實施例說明了本發明，但是應該理解，本發明不限于所公開的典型實施例。所附權利要求書的范圍符合最寬的解釋，以包含所有這類修改、等同結構和功倉泛。本申請要求于2010年I月19日提交的日本專利申請2010-009528的優先權，其全部內容通過引用包含于此。
權利要求
1.一種攝像裝置，包括 固態圖像傳感器，包括多個單位像素；以及 驅動單元，用于驅動所述固態圖像傳感器以將三個以上的互不相同的電位提供至第一傳輸門， 其中，每個單位像素包括 光電轉換器，用于將入射光轉換成信號電荷； 保持単元，用于暫時保持所述光電轉換器所獲得的信號電荷； 所述第一傳輸門，其配置在所述光電轉換器與所述保持単元之間，并且用于將所述信號電荷傳送至所述保持単元； 電荷電壓轉換器，用于將所述信號電荷轉換成電壓信號；以及第二傳輸門，其配置在所述保持単元與所述電荷電壓轉換器之間，并且用于將所述信號電荷傳送至所述電荷電壓轉換器，并且在所述光電轉換器中進行攝像操作的情況下處于非導通狀態。
2.根據權利要求I所述的攝像裝置，其特征在于，所述驅動單元將第一電位提供至所述第一傳輸門直到所述光電轉換器的曝光期結束，在所述曝光期結束之后進行批傳送的情況下將第二電位提供至所述第一傳輸門，并且在所述批傳送結束之后將第三電位提供至所述第一傳輸門。
3.根據權利要求2所述的攝像裝置，其特征在于，所述第一電位高于所述第三電位且低于所述第二電位。
4.根據權利要求3所述的攝像裝置，其特征在于，所述第三電位是在所述第一傳輸門的電極下實現空穴存儲狀態的電位。
5.根據權利要求2至4中任一項所述的攝像裝置，其特征在干， 所述固態圖像傳感器還包括溢出漏扱，以及 所述第一電位是實現比所述溢出漏極側的勢壘低的勢壘的電位。
6.根據權利要求I所述的攝像裝置，其特征在于，在放大所述固態圖像傳感器的輸出信號時的增益高于預定増益的情況下，所述驅動單元將等于所述第三電位的電位作為所述第一電位提供至所述第一傳輸門。
7.一種用于固態圖像傳感器的驅動方法，所述固態圖像傳感器包括多個單位像素，每個單位像素包括 光電轉換器，用于將入射光轉換成信號電荷； 保持単元，用于暫時保持所述光電轉換器所獲得的所述信號電荷； 第一傳輸門，其配置在所述光電轉換器與所述保持単元之間，并且用于將所述信號電荷傳送至所述保持單元； 電荷電壓轉換器，用于將所述信號電荷轉換成電壓信號；以及第二傳輸門，其配置在所述保持単元與所述電荷電壓轉換器之間，并且用于將所述信號電荷傳送至所述電荷電壓轉換器，并且在所述光電轉換器中進行攝像操作的情況下處于非導通狀態， 其中，所述驅動方法包括在三個以上的互不相同的電位之間改變所述第一傳輸門的電位的步驟。
全文摘要
一種攝像裝置，包括固態圖像傳感器和驅動單元，固態圖像傳感器包括多個單位像素。每個單位像素包括光電轉換器，用于將入射光轉換成信號電荷；保持單元，用于暫時保持光電轉換器所獲得的信號電荷；第一傳輸門，其配置在光電轉換器與保持單元之間，并且用于將信號電荷傳送至保持單元；電荷電壓轉換器，用于將信號電荷轉換成電壓信號；以及第二傳輸門，其配置在保持單元與電荷電壓轉換器之間，并且用于將信號電荷傳送至電荷電壓轉換器，并且在光電轉換器中進行攝像操作的情況下處于非導通狀態。驅動單元驅動固態圖像傳感器以將三個以上的互不相同的電位提供至第一傳輸門。
文檔編號H04N5/374GK102714702SQ201080061908
公開日2012年10月3日 申請日期2010年12月1日 優先權日2010年1月19日
發明者小林寬和 申請人:佳能株式會社