摄像设备的制作方法

文档序号:7941446
专利名称:摄像设备的制作方法
技术领域
本发明涉及一种具有用于将被摄体图像转换成电信号由此拍摄图像的像素的摄 像设备。
背景技术
由于数字单镜头反光照相机、摄像机等所使用的摄像装置在像素大小方面已被缩 小,因此从这些像素中的每一个像素输出的光学信号已变小。因而,为了不使S/N比降低, 已不断地要求噪声降低。图13以框图示意性示出摄像装置(CMOS)的结构。如图13所示,该摄像装置包括 由以二维矩阵配置的多个像素602所构成的像素区域601。在像素区域601中,将来自被摄 体的入射光学信号转换成电信号(摄像信号)。图14示出像素602中的每一个的电路结构。参考图14,像素602的光电二极管 701接收由未示出的拍摄镜头在其上形成的光学图像的一部分,并且生成并存储电荷。像 素602包括各自均由MOS晶体管构成的传送开关702、复位开关703、放大器704和选择开 关 705。传送开关702具有输入有从摄像装置的垂直扫描电路603输出的驱动信号txl tx4中的相应一个驱动信号的栅极。将光电二极管701中所存储的电荷经由传送开关702 输入至放大器704的栅极,放大器704用于将该电荷转换成从源极跟随器输出的电压。通 过接通(关闭)复位开关703来复位放大器704的栅极。选择开关705在接通时,向图13 中的垂直输出线Hl H4中的相应一个垂直输出线输出像素信号。再次参考图13,垂直扫描电路603向像素区域601输出驱动信号resl res4、 txl tx4 禾口 sell sel4。根据来自垂直扫描电路603的驱动信号,将信号成分S和噪声成分N从像素区域 601的像素602输出至垂直输出线Hl H4。垂直输出线Hl H4连接至摄像装置的像素信号读出电路604。将从像素602读 出的信号成分S和噪声成分N临时保持在像素信号读出电路604中。噪声成分是以下像素输出在传送开关702断开的状态下,紧挨在复位开关703根 据驱动信号而被接通之后生成该像素输出,然后经由放大器704、选择开关705和垂直输出 线Hl H4中的相应一个垂直输出线将该像素输出保持在像素信号读出电路604的N信号 保持部中。噪声成分包括接通复位开关703时所生成的复位噪声以及放大器704的栅源电 压的像素之间的偏差等。信号成分是在传送开关702根据驱动信号而被接通时从光电二极管701传送来并 被保持在像素信号读出电路604的S信号保持部中的电荷。接通传送开关702时所生成的 噪声成分被添加至信号成分。随后,摄像装置的水平扫描电路605进行操作,以将信号成分S和噪声成分N经由 各个MOS晶体管606、607输出至差动放大器608。
利用差动放大器608对添加有噪声成分的信号成分S与噪声成分N之间的差进行 放大,并从差动放大器608输出该差,由此能够获得去除了噪声成分的像素输出。图15示出摄像装置的像素区域601的布局。如图15所示,像素区域601包括由 用于将由未示出的拍摄镜头在其上形成的图像转换成电信号的像素构成的有效像素区域 801。VOB 802由遮光像素构成,并且被设置为在垂直方向上邻接有效像素区域801。VOB 802用于检测黑电平,并且校正由于暗电流成分变化或温度变化所引起的摄像装置的输出 的偏移变化。HOB 803如VOB 802的情况那样由遮光像素构成,被设置为在水平方向上邻接有 效像素区域801,并且用于校正垂直暗阴影成分(例如,参见日本特开2000-152098号公 报)。
暗阴影成分可由于暗电流阴影而显现,并且特别在CMOS摄像装置中,暗阴影成分 由于因电源线的阻抗所产生的电压阴影而显现。为了根据HOB区域中的像素数据检测各行的偏移值,需要使用足以消除随机噪声 和像素缺陷的影响的充足数量的像素数据。由于必须以行为单位检测偏移值,因而不能够 使用前一行和后一行中的像素数据,并因此必须确保每一行的足够的HOB区域。因此,整体 需要极大数量的像素,这增大了摄像装置的芯片面积并且导致摄像装置的成本增加。

发明内容
本发明提供一种能够获得对于水平噪声校正有效的校正值并同时抑制摄像装置 的芯片面积增大的摄像设备。根据本发明,提供一种摄像设备,包括用于将被摄体图像光电转换成像素信号的 多个像素,所述摄像设备包括像素信号读出电路,用于经由垂直信号线以行为单位从所述 多个像素读出所述像素信号;虚信号读出电路,用于读出虚信号,所述虚信号读出电路不与 所述多个像素和所述垂直信号线连接;水平扫描电路,用于传送所述像素信号读出电路和 所述虚信号读出电路的输出;以及校正部,用于通过使用所述虚信号读出电路的输出,以行 为单位对所述像素信号读出电路的输出进行校正。利用本发明,能够获得对于水平噪声校正有效的校正值,并同时抑制摄像装置的 芯片面积增大,由此可获得高质量图像。


图1是示意性示出根据本发明第一实施例的摄像设备的结构的框图;图2是示意性示出摄像装置的结构的框图;图3是详细示出摄像装置的像素信号读出电路的结构的电路图;图4是示出摄像装置的典型图像信号读出操作的时序图;图5是详细示出摄像装置的虚(dummy)信号读出电路的结构的电路图;图6是示出摄像装置的像素区域及其外围电路的布局的图;图7是示出DFE的内部结构的框图;图8是示意性示出根据本发明第二实施例的摄像设备的摄像装置的像素信号读 出电路和虚信号读出电路的结构的电路图9是用于说明摄像装置的典型图像信号读出操作的时序图;图10是示出DFE的内部结构的框图;图11是用于说明根据本发明第三实施例的摄像设备的示意结构的框图;
图12是示出摄像装置的像素区域及其外围电路的布局的图;图13是示意性示出传统摄像装置的结构的框图;图14是示出传统摄像装置的像素中的每一个像素的结构的电路图;以及图15是示意性示出传统摄像装置的布局的图。
具体实施例方式以下将参考附图来说明本发明的摄像设备的各实施例。第一实施例图1以框图示意性示出根据本发明第一实施例的摄像设备的结构。参考图1,本实施例的摄像设备100包括具有用于将被摄体图像转换成电信号(摄 像信号)的多个像素的摄像装置101。摄像装置101由CMOS传感器构成。模拟前端(analog front end, AFE) 102具有对从摄像装置101提供的摄像信号进行模拟_数字转换、OB钳位 和可变增益放大等的功能。OB钳位处理用于对摄像信号进行偏移调整,以获得来自摄像装 置101的遮光部(光学黑部)的输出的预定电平。数字前端(digital front end,DFE) 103接收从AFE 102提供的像素数字输出,并 对接收到的像素数字输出进行例如图像信号校正和像素排序等的数字处理。DSP (digital signal processor,数字信号处理器)104 对从 DFE103 提供的数据 (数字信号)进行各种校正处理和显影处理。DSP104还进行用以控制例如ROM 107和RAM 108等的存储器的处理、用以将图像数据写入记录介质109的处理以及其它处理。在CPU 106的控制下,驱动信号生成器105向摄像装置101、AFE 102, DFE 103和 DSP 104提供例如时钟信号和控制信号等的驱动信号。CPU 106控制DSP 104和驱动信号生成器105,并且控制由均未示出的光电控制器 和测距控制器所提供的照相机功能。CPU 106与开关110、111、112以及模式拨盘113相连 接,并且根据从这些开关和模式拨盘提供的操作信号进行处理。ROM 107存储由CPU 106执行的控制程序以及各种校正数据。RAM 108临时存储 要由DSP 104处理的图像数据和校正数据。与ROM 107相比,能够以较高的速度对RAM 108
进行存取。记录介质109由例如致密闪(flash,注册商标)卡来实现,经由未示出的连接器可 拆卸地安装至摄像设备100,并且存储所拍摄的图像数据。电源开关110用于启动摄像设备100。第一快门开关(SWl) 111用于给出开始例如 测光处理和测距处理等的操作的指令。第二快门开关(SW2) 112用于给出开始以下一系列 拍摄操作的指令驱动均未示出的反射镜和快门,以及将从摄像装置101读取的信号经由 AFE 102、DFE 103 禾口 DSP 104 写入记录介质 109。图2以框图示意性示出摄像装置101的结构,其中摄像装置101的结构与参考图 13已经说明的摄像装置的结构相同。像素区域201包括以二维矩阵配置的多个像素202。 像素202的电路结构与参考图14所述的电路结构相同,因此在以下说明中,利用相同的附图标记来表示相同的部分。 垂直扫描电路(控制电路)203与像素区域201并列设置,并且向像素区域201输 出驱动信号resl res4、txl tx4和sell sel4。根据来自垂直扫描电路203的驱动 信号,从像素区域201的各像素202输出信号成分S和噪声成分N。将信号成分S和噪声成 分N经由垂直输出线(垂直信号线)H1 H4各自提供至像素信号读出电路204的S信号 保持部和N信号保持部,并将信号成分S和噪声成分N保持在S信号保持部和N信号保持 部中。图3示出像素信号读出电路204中与像素区域201的像素列的其中之一相对应的 部分的电路结构。如图3所示,像素信号读出电路204的输入侧连接至相应的垂直输出线, 其中将来自相应像素列的像素202的输出vout提供至该相应的垂直输出线。图4以时序图示出摄像装置101的操作的示例。在传送像素区域201的第一行中 的像素202的光电二极管701 (参见图14)中所存储的电荷之前,如图4所示,使驱动信号 resl为高电平,由此接通第一行的像素202的复位开关703以复位放大器704的栅极。接着,使驱动信号resl为低电平,同时根据驱动信号cOr接通像素信号读出电路 204的钳位开关306。随后,将驱动信号sell输入至像素202的选择开关705的栅极,以接 通选择开关705。结果,叠加有复位噪声的像素输出经由垂直输出线被提供至各列的钳位电 容303,并且由钳位电容303对这些像素输出进行钳位。电流源302连接至相应的垂直输出 线。接着,断开钳位开关306并且使驱动信号tn为高电平,由此接通N信号传送开关 307。因此,由各列的放大器304和反馈电容305放大后的N信号保持在N信号保持电容 309 中。在N信号传送开关307断开之后,使驱动信ts号为高以接通S信号传送开关308, 并且在该状态下使驱动信号txl为高。结果,通过传送开关702传送光电二极管701中所 存储的电荷,由此将光学信号读出至垂直输出线。在传送开关702断开之后,断开S信号传 送开关308,由此将S信号保持在S信号保持电容310中。利用上述操作,将从像素区域201的第一行的像素202提供的S信号和N信号分 别保持在各列的保持电容309、310中。如果在保持S信号的时刻和保持N信号的时刻之间 产生了电源噪声或者外部噪声被施加于信号线,则S信号和N信号上各自叠加有不同的噪 声成分。再次参考图2,设置有包括多个列的虚信号读出电路209。图5示出虚信号读出电 路209中与一列相对应的部分的电路结构。虚信号读出电路209包括足以进行以下所述的 水平噪声校正从而去除随机噪声影响的充足数量的列。图5所示虚信号读出电路209的大部分在结构上与图3中的像素信号读出电路 204相同,但存在如下区别,即,与像素信号读出电路204不同,虚信号读出电路209的输入 侧不是连接至垂直输出线和像素,而是连接至虚放大器501。虚放大器501是栅极固定为电压Vdmy且漏极施加有电源电压VDD的MOS晶体管。 具体地,被提供至虚信号读出电路209的输入信号处于固定电位。虚放大器501是像素202 的放大器704的替代。电压Vdmy与紧挨在像素202的放大器704的栅极被复位之后所出 现的电压相等。虚信号读出电路209的输入侧的结构不局限于上述结构,还可以是例如仅向钳位电容303输入恒定电压的结构。根据与像素信号读出电路204中所使用的驱动信号相同的驱动信号,分别控制钳位开关306、N信号传送开关307以及S信号传送开关308。因此,N信号是在与在像素信号读出电路204中读出N信号的时刻相同的时刻被 读出的,并然后被保持在N信号保持电容309中。S信号是在与在像素信号读出电路204中 读出S信号的时刻相同的时刻被读出的,并然后被保持在S信号保持电容310中。因此,如 像素信号读出电路204的情况那样,S信号和N信号上各自叠加有在保持时刻所生成的电 源噪声或其它噪声。随后,使从水平扫描电路205提供的信号ph为高,由此顺次接通图3中的像素信 号读出电路204各列的水平传送开关311、312,并且顺次接通图5中的虚信号读出电路209 各列的水平传送开关311、312。结果,将保持在读出电路204、209各列的N信号保持电容 309和S信号保持电容310中的电压顺次读出至水平输出线,由差动放大器208顺次对这些 电压进行差分处理,并将它们顺次输出至输出端子。水平传送开关311、312分别与图2中 的开关206、207相对应。如前所述,利用差分处理,消除了接通复位开关703时所生成的复位噪声、由于放 大器704的栅源电压的像素之间的变化所产生的噪声以及其它噪声。然而,由于保持S信 号时刻和保持N信号时刻之间的差所产生的噪声未被消除,因此该噪声混入从输出端子输 出的信号中。对于由水平扫描电路205读出各列的信号的顺序,从图2中虚信号读出电路209 的最末列开始执行读出。在完成了针对虚信号读出电路209的所有列的信号的读出操作之 后,以从像素信号读出电路204的最末列开始的顺序,从像素信号读出电路204的所有列读 出信号。在从各列读出信号之间,通过水平输出线复位开关313、314将水平输出线电压复 位为复位电压Vchres。以上,完成了用于读出第一行的信号的操作。在完成了读出第一行的信号时,根据 来自垂直扫描电路203的驱动信号开始用于读出第二行的信号的操作。在这种情况下,经 由像素信号读出电路204输出来自像素区域201的第二行中各列的像素202的像素信号。 虚信号读出电路209重复与针对第一行的操作相同的操作。之后,顺次执行用于从第三行以及后续行读出信号的操作。当从像素区域201的 所有像素读出了像素信号时,摄像装置101的读出操作完成。图6示出摄像装置101的像素区域201及其外围电路的布局。图6中的有效像素 区域901、V0B 902和HOB 903与已参考图15说明的有效像素区域801、V0B 802和HOB 803 相同,因此将省略对它们的说明。垂直扫描电路203被设置为在水平方向上邻接像素区域201,而像素信号读出电 路204被设置为在垂直方向上邻接像素区域201并位于像素区域201下方。虚信号读出电 路209被设置为在水平方向上邻接像素信号读出电路204,并且在垂直方向上位于垂直扫 描电路203下方。因此,虚信号读出电路209被设置在相对于像素信号读出电路204的与差动放大 器208相反的一侧上。水平扫描电路205被设置为在垂直方向上位于虚信号读出电路209 和像素信号读出电路204的下方。
再次参考图1,在AFE 102中对从摄像装置101输出的信号进行模拟-数字转换和其它处理,并然后将这些信号输入至对其进行水平噪声校正的DFE (校正部)103。图7以框图示出DFE 103的内部结构中与水平噪声校正有关的部分。参考图7,虚信号线平均电路1001用于以行为单位对虚信号进行平均。电路1001 根据未示出的寄存器中所设置的虚信号的开始位置和结束位置,执行数字加法/平均处 理。减法器1002基于来自平均电路1001的输出和基准黑电平执行差分处理,由此计算出 虚信号线平均值和基准黑电平之间的误差量。乘法器1003将从减法器1002输出的误差量乘以预定系数Y (0 < γ < 1),由此 计算出偏移校正量(校正值)。将由乘法器1003计算出的校正值输入至减法器1004中,在 减法器1004中,从各个像素输出中减去该校正值。利用以上结构,可以实现水平噪声校正。利用本实施例的水平噪声校正,使得虚信号电平与基准黑电平相等。根据这些情 况,虚信号电平不同于OB(光学黑)部中的信号电平。在这种情况下,可以通过DFE 103或 DSP 104来检测VOB中的信号电平与虚信号电平之间的差,并且可以对所有的像素输出均 勻地进行偏移校正,从而使OB部中的信号电平与基准黑电平相等。如上所述,在本实施例中,能够对从摄像装置101输出的信号执行水平噪声校正, 而不增加HOB 903的像素数量的情况下。结果,能够在抑制摄像装置101的芯片面积增大 的同时,获得有效的校正值,从而实现高质量图像。第二实施例接着,将参考图8 10来说明根据本发明第二实施例的摄像设备。以下,利用相 同的附图标记来表示与第一实施例的部分相对应的相同部分。在本实施例中,由摄像装置101以模拟方式执行虚信号线平均处理(line averaging processing)0图8示出本实施例的摄像装置101的一部分(像素信号读出电路204的一部分、 虚信号读出电路209的一部分、水平扫描电路205和差动放大器208)。对于虚信号读出电 路209和像素信号读出电路204,在图8中示出与放大器304及其后级相对应的那些部分, 并省略了对其它部分的例示。N信号短路开关1101用于使虚信号读出电路209中的各列的N信号保持电容309 短路。S信号短路开关1102用于使虚信号读出电路209中的各列的S信号保持电容310短 路。根据驱动信号ds来接通和断开N信号短路开关1101和S信号短路开关1102这两者。水平传送开关1103、1104连接至虚信号读出电路209中被配置为最靠近像素信号 读出电路204的列,并且具有与图5中水平传送开关311、312的功能相同的功能。图9以时序图示出摄像装置101的操作的示例。如图9所示,进行与第一实施例 的操作相同的操作,直到到了根据驱动信号ts进行S信号保持的时刻为止。在该时间点, S信号和N信号分别保持在S信号保持电容309和N信号保持电容310中。接着,使驱动信号ds为高电平,以接通虚信号读出电路209的N信号短路开关 1101和S信号短路开关1102。随后,使驱动信号ds再次为低电平,由此断开N信号短路开 关1101和S信号短路开关1102。利用该操作,虚信号读出电路209的各列的N信号和S信 号分别被平均。接着,操作水平扫描电路205,以顺次读出S信号和N信号。首先,接通水平传送开关1103、1104,由此从虚信号读出电路209中最靠近像素信号读出电路204的列读出S信号 和N信号。随后,顺次从像素信号读出电路204的其它列读出S信号和N信号。如第一实施例的情况那样,由AFE 102对从摄像装置101输出的像素信号进行模 拟_数字转换和其它处理,然后由DFE 103对这些像素信号进行水平噪声校正。图10示出水平噪声校正部的结构。如图10所示,该水平噪声校正部与第一实施 例的水平噪声校正部(图7)的不同之处仅在于,该水平噪声校正部包括虚信号保持电路 1301。由于以行为单位从摄像装置101输出单个像素的虚信号,因此无需图7中的虚信号 线平均电路1001,而仅需能够保持单个像素的虚信号的存储器表。根据未示出的寄存器中 所设置的值来指示保持虚信号的时刻。如上所述,由摄像装置101以模拟方式执行本实施例中的虚信号平均处理。因此, 从摄像装置101输出的虚信号每行包括一个像素,这可以减少输出数据的数量。因此,水平扫描电路205的电路规模能够按输出数据的数量的减少程度被缩减, 并且能够缓和摄像装置101、AFE 102、DFE103和DSP 104的工作速度。另外,可利用诸如单 个像素的存储器等的简化结构来实现DFE 103的水平噪声校正部,而不使用线平均电路。 其它结构、功能和优点与第一实施例的相同。第三实施例接着,将参考图11和12来说明根据本发明第三实施例的摄像设备。图11以框图 示意性示出第三实施例的摄像设备的结构。以下,利用相同的附图标记来表示与第一实施 例中相对应的相同部分。在本实施例中,摄像装置101包括A/D转换电路(模拟_数字转换电路)和水平 噪声校正部。因此,将来自摄像装置101的输出直接提供至DFE 103,而无需AFE 102的参与。图12示出本实施例的摄像装置101的像素区域201及其外围电路的布局。如图12所示,在本实施例的结构中,将用于对差动放大器208的输出进行模 拟-数字转换的A/D转换器1501以及用于对A/D转换器1501的输出进行校正的水平噪声 校正部1502添加至第一实施例的摄像装置。水平噪声校正部1502仅包括逻辑电路,并且照原样包含图7中的电路结构。在水 平噪声校正部1502中对像素输出进行水平噪声校正之后,将这些像素输出从摄像装置101 输出至DFE103。如上所述,在本实施例中,像素输出在由摄像装置101完成对其的水平噪声校正 之后被输出,因此无需在DFE 103或DSP104中进行水平噪声校正。作为本实施例的替代例,如果在摄像装置101内部具有A/D转换功能,则可使用各 列具有A/D转换器电路的列AD系统式摄像装置。在这种情况下,虚信号读出电路209和像 素信号读出电路204的输出可被输入至各列的A/D转换器电路,并且可在位于A/D转换器 电路的后级的水平噪声校正部中被校正。其它结构、功能和优点与第一实施例的相同。在上述实施例中,将虚信号读出电路209配置在垂直扫描电路203的下方,但也可 将虚信号读出电路209配置在垂直扫描电路203的上方。
产业上的可利用性根据本发明的摄像设备,能够获得对于水平噪声校正有效的校正值,同时抑制摄像装置的芯片面积增大,并由此 能够获得高质量图像。
权利要求
一种摄像设备,其具有用于将被摄体图像光电转换成像素信号的多个像素,所述摄像设备包括像素信号读出电路,用于经由垂直信号线以行为单位从所述多个像素读出所述像素信号;虚信号读出电路,用于读出虚信号,其中所述虚信号读出电路不与所述多个像素和所述垂直信号线连接;水平扫描电路,用于传送所述像素信号读出电路和所述虚信号读出电路的输出;以及校正部,用于通过使用所述虚信号读出电路的输出,以行为单位对所述像素信号读出电路的输出进行校正。
2.根据权利要求1所述的摄像设备,其特征在于,还包括 附设于所述多个像素的控制电路,其中,所述虚信号读出电路被配置在所述控制电路的上方或下方。
3.根据权利要求2所述的摄像设备,其特征在于,所述虚信号读出电路被配置在所述 水平扫描电路和所述控制电路之间。
4.根据权利要求2所述的摄像设备,其特征在于,所述控制电路是垂直扫描电路。
5.根据权利要求1所述的摄像设备,其特征在于,所述虚信号读出电路被配置为邻接 所述像素信号读出电路。
6.根据权利要求1所述的摄像设备,其特征在于,所述虚信号读出电路的输入信号处 于固定电位。
全文摘要
提供了一种能够获得对于水平噪声校正有效的校正值并同时抑制摄像装置的芯片面积增大的摄像设备。该摄像设备包括摄像装置(101),用于将被摄体图像转换成电信号;以及校正部,用于对所拍摄到的图像进行校正。该摄像装置包括像素信号读出电路(204),用于经由垂直信号线,以行为单位从像素区域读出像素信号;虚信号读出电路(209),用于读出虚信号;以及水平传送电路(205),用于传送该像素信号读出电路和该虚信号读出电路的输出。该校正部使用该虚信号读出电路的输出,以行为单位对该像素信号读出电路的输出进行校正。
文档编号H04N5/335GK101868969SQ20088011669
公开日2010年10月20日 申请日期2008年11月17日 优先权日2007年11月19日
发明者内田峰雄, 高田英明 申请人:佳能株式会社
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