专利名称：摄像装置和固态图像传感器的驱动方法
技术领域：
本发明涉及用于驱动CMOS固态图像传感器的技术。
背景技术：
传统上，在CMOS固态图像传感器中进行电子快门操作时，由于卷帘式扫描导致发生被摄体失真等。在每个画面的扫描时间(例如，在扫描速率为10帧/秒时为1/10秒)与用于捕获被摄体的移动速度的快门速度(例如，1/60秒)之间的关系如下时，可能会显著地发生这种被摄体失真。
快门速度〈每个画面的扫描时间由于该原因，已开发出用于减小每个画面的扫描时间的技术，也就是说，提高扫描速率，从而即使以较高的快门速度也能防止被摄体失真的发生。此外，在允许提高成本的产品中，采用了机械快门与CMOS固态图像传感器一起使用的技术，通过在进行卷帘式扫描之前机械地遮断光而与每个画面的扫描时间无关地减少被摄体失真。另外，近年来随着固态图像传感器在数字照相机、数字摄像机等中的使用，尺寸的减小和像素数的增加以及ISO感光度的提高已得到发展，因此可以说，正在使用来自图像传感器的已放大的小信号。由于在放大小信号时会发生噪声，因此，关键是在提高固态图像传感器的感光度的同时减少噪声的发生。例如，日本特开2006-246450公开了一种如下的固态摄像装置及其驱动方法通过分离光电二极管单元和保持单元并使保持单元在表面积方面具有余量，使得能够在维持饱和电荷量时附加全画面同步保持和动态范围的增大的功能。如图5所示，光电二极管ro经由第一传输门TXl连接至保持单元Mem，并且从曝光期开始，将由光电二极管H)生成的信号电荷传送至保持单元Mem。在曝光结束之后所进行的信号读出中，将信号从保持单元Mem经由第二传输门TX2传送至浮动扩散单元FD，之后进行卷帘式扫描，这是CMOS固态摄像装置所特有的。另一方面，尽管光电二极管H)在卷帘式扫描期间也会曝光，但是第一传输门TXl已被关闭。此外，所生成的电荷不断地被输出至溢出漏极0FD，因此，不会影响在保持单元Mem中的原始信号电荷。也就是说，尽管信号读出扫描是卷帘式扫描，但是画面上的所有像素从信号电荷实际保持的开始到结束都由第一传输门TXl同时控制的，因而在原理上能进行全画面同步保持。利用上述结构，即使光电二极管ro的表面积相对小，如果光会聚在光电二极管上的效率提高，则对光电转换特性也不存在特别的影响。可替代地，可以增大保持单元Mem的表面积，并且在从曝光期开始起传送信号电荷时维持饱和电荷量。另外，已知的固态图像传感器的配置为，通过控制传送MOS晶体管的栅极下的电位来减少暗电流成分，从而达成空穴存储状态(例如，参见日本特开2002-247456)。然而，利用上述日本特开2006-246450中公开的技术，将光电二极管H)与保持单元Mem之间的传送MOS晶体管的埋沟用作针对由于曝光期传送MOS晶体管的沟道电位的持续上升而发生的暗电流增大的对策。因此，这需要先进的制造技术。
发明内容
鉴于上述问题而作出了本发明，并且根据本发明，在能够例如在维持饱和电荷量时附加全画面同步保持和动态范围的增大的功能的固态图像传感器中，在无需先进的制造技术的情况下减少曝光期的暗电流增加。根据本发明第一方面的一种摄像装置，包括固态图像传感器，包括多个单位像素；以及驱动单元，用于驱动所述固态图像传感器以将三个以上的互不相同的电位提供至第一传输门，其中，每个单位像素包括光电转换器，用于将入射光转换成信号电荷；保持单元，用于暂时保持所述光电转换器所获得的信号电荷；所述第一传输门，其配置在所述光电转换器与所述保持单元之间，并且用于将所述信号电荷传送至所述保持单元；电荷电压转换器，用于将所述信号电荷转换成电压信号；以及第二传输门，其配置在所述保持单元与所述电荷电压转换器之间，并且用于将所述信号电荷传送至所述电荷电压转换器，并且在所述光电转换器中进行摄像操作的情况下处于非导通状态。此外，根据本发明第二方面的一种用于固态图像传感器的驱动方法，所述固态图 像传感器包括多个单位像素，每个单位像素包括光电转换器，用于将入射光转换成信号电荷；保持单元，用于暂时保持所述光电转换器所获得的所述信号电荷；第一传输门，其配置在所述光电转换器与所述保持单元之间，并且用于将所述信号电荷传送至所述保持单元；电荷电压转换器，用于将所述信号电荷转换成电压信号；以及第二传输门，其配置在所述保持单元与所述电荷电压转换器之间，并且用于将所述信号电荷传送至所述电荷电压转换器，并且在所述光电转换器中进行摄像操作的情况下处于非导通状态，其中，所述驱动方法包括在三个以上的互不相同的电位之间改变所述第一传输门的电位的步骤。通过以下参考附图对典型实施例的说明，本发明的其它特征将变得明显。
图I是示出本发明实施例I和2共用的摄像装置的配置的图。图2是示出固态图像传感器的单位像素的等效电路图。图3A和3B是示出分别根据实施例I和2的固态图像传感器的驱动方法的时序图。图4是示出根据实施例2的摄像装置的操作的流程图。图5是示出传统的固态图像传感器的驱动方法中的电位的图。
具体实施例方式图I是示出本发明的实施例I和2共用的摄像装置的配置的图。在图I中，附图标记I表示包括具有光圈的镜头等的光学系统，附图标记2表示对由光学系统I形成的被摄体图像进行光电转换以生成电信号的固态图像传感器。在固态图像传感器2是进行卷帘式扫描的CMOS固态图像传感器的情况下，存在如下技术如之前所提到地，在光学系统I和固态图像传感器2之间布置机械快门，并通过与曝光结束相对应地遮断光来减少被摄体失真。然而，在本发明实施例中，这种机械快门不是必要的。这是因为，如后面将要描述的，固态图像传感器2被构成为包括保持单元Mem，因此，即使没有机械快门，原理上也不会发生被摄体失真。附图标记3表示用于对来自固态图像传感器2的模拟电信号进行采样的相关双采样(CDS)电路，附图标记4表示用于将采样出的模拟信号转换成数字信号的A/D转换器。将数字图像信号保持在图像存储器8中，然后由信号处理电路7对其进行白平衡校正和伽马校正等各种信号处理，并将由此产生的图像信号记录在记录介质10上。记录电路9是与记录介质10连接的接口电路。经过信号处理的图像信号也可以经由作为接口电路的显示电路11被液晶显示器等显示装置12直接显示。时序生成电路5经由驱动电路6驱动光学系统I的光圈、固态图像传感器2等摄像系统。时序生成电路5还与摄像系统的驱动、即固态图像传感器2的输出信号同步地驱动和控制相关双采样电路3和A/D转换器4。本发明实施例的摄像装置的驱动方法对于由时序生成电路5经由驱动电路6来执行的摄像系统的驱动具有特征。系统控制单元13根据暂时存储在非易失性存储器14中的程序来进行摄像装置的整体控制。后面将描述的根据实施例2的驱动方法所使用的切换信号由系统控制单元13生成并且被传送至时序生成电路5。附图标记15表示用于存储在执行控制时要传送的程序 和各种数据的非易失性存储器。图2是示出本发明实施例的摄像装置中所使用的固态图像传感器2的单位像素的等效电路图。尽管图中未示出，但固态图像传感器2包括水平和垂直布置的多个单位像素结构20、垂直扫描电路以及水平扫描电路，并且通过这些来实现后面描述的驱动方法。此夕卜，如本领域技术人员所公知的，例如，将各单位像素结构20与在垂直方向上针对各水平行设置的其它单位像素共同连接至在水平方向排列并且针对各垂直列设置一个的垂直输出线Vn (下文中，η表示垂直输出线的列编号)之一，并且每次对一个水平行进行扫描(即，卷帘式扫描)。注意，这里每个单位像素结构20包括浮动扩散单元FD、放大MOS晶体管SF、复位MOS晶体管RS以及选择MOS晶体管SEL。然而，也可采用由邻接或邻近的像素共享这些单元的结构。接着，对单位像素结构20的单元的功能和细节进行描述。光电二极管ro是将入射光转换成信号电荷的光电转换器。如果有必要，溢出漏极OFD具有输出由光电二极管F1D生成的全部或部分电荷的功能。将与后面将描述的根据实施例I和2的驱动方法一起详细说明实际控制方法。注意，溢出漏极OFD可以是纵向溢出漏极或横向溢出漏极，且其控制端可以连接至漏电源，或者如图2所示溢出漏极OFD可以被配置为接收相对于光电二极管H)的栅极的电位的施加。保持单元Mem经由第一传输门TXl连接至光电二极管H)，且浮动扩散单元FD经由第二传输门TX2连接至保持单元Mem。具体地，当读出由光电二极管H)生成的信号电荷以作为正规信号时，所述信号电荷被暂时保持在保持单元Mem中，且之后被传送至浮动扩散单元FD。注意，浮动扩散单元FD是用于将信号电荷转换成电压信号的电荷电压转换器。将与后面将描述的根据实施例I和2的驱动方法一起详细说明实际控制方法。注意，保持单元Mem被遮挡光，从而使得即使机械快门没有遮断光也不会感应到光。这里，第一传输门TX I或第二传输门TX2可以具有还用作为用于对保持单元Mem遮挡光的结构的电极配置。为了读出浮动扩散单元FD的电位变化作为正规信号，通常在这种读出之前读出浮动扩散单元FD的复位电位。复位MOS晶体管RS用来将复位电位SVDD写入浮动扩散单元FD。当读出信号电位和复位电位时，由于选择MOS晶体管SEL和垂直输出线Vn的恒定电流源开始工作，因此放大MOS晶体管SF构成源极跟随器电路，从而使得能够传送电位变化。上述用于读出电位变化的方法 对本发明来说不是唯一的，由于已根据垂直输出线Vn的下游结构提出了各种方法，因此，下面描述的实施例I和2将省略用于读出电位变化的方法的详细描述。实施例I下面参考图3A中的时序图对本发明的实施例I的固态图像传感器的驱动方法进行描述。在图3A中，根据垂直同步信号来进行被称为“曝光”(用A表示)、“批传送”(用B表示)、“读出”(用C表示)的三种状态间的转换。被称为“曝光”的状态是图中所示的OFD控制端子的第一次极性变化(下降沿)导致的实际曝光期的开始。被称为“批传送”的状态是图中所示的第一传输门TXl的第一次极性变化(上升沿)导致的实际曝光期的结束。对摄像区域中的所有像素一起改变OFD控制端子的极性和第一传输门TXl的极性，这使得能够进行全画面同步保持，并且原理上不会发生被摄体失真。被称为“读出”的状态是通过所谓的卷帘式扫描来读出单位像素的被遮光的保持单元Mem中保持的电荷的状态。通过例如逐行顺次地打开第二传输门TX2(例如，图中以实线示出的极性变化表示对第一行中的单位像素的第二传输门ΤΧ2进行的控制，以虚线示出的极性变化表示对后续行中的单位像素的第二传输门ΤΧ2进行的控制)来进行卷帘式扫描，但是由于实际曝光期在批传送状态下结束，因此不会发生被摄体失真等。注意，在至少该读出状态下，OFD控制端子在图中的第二次极性变化之后处于与实际曝光期之前的状态相同的非必要电荷输出状态，因而能够减少例如由光电二极管H)生成的电荷泄漏至保持单元的现象。接着，对第一传输门TXl的控制进行详细描述。首先，在整个实际曝光期(也可以说在该期间之前)，第一传输门TXl接收第一电位的供应，其中该第一电位低于图中伴随前述批传送的最高电位并且高于图中在批传送结束之后(下降沿之后)的最低电位。优选地，将第一电位设置得尽可能低，同时还使由第一电位形成的第一传输门的势垒低于溢出漏极侧(0FD侧)的势垒。这样的结果是，在第一传输门TXl的栅极下，维持比批传送期间的耗尽层状态相对更接近于后述空穴存储状态的状态，从而使得能够减小暗电流和缺陷的发生的可能性。另外，还可以减少由在实际曝光期通过由光电二极管ro进行光电转换而获得的正规信号电荷泄漏至溢出漏极OFD侧而导致的电荷丢失现象(也可以说是饱和电荷量的减少)。接着，为了进行从光电二极管ro到保持单元Mem的信号电荷的批传送，将图中最高的第二电位提供至第一传输门TXi。该电位用于使来自光电二极管ro的信号电荷全部被传送并且确定实际曝光期的结束。通常，提供具有周期比实际曝光期和卷帘式扫描时间短的脉冲形状的第二电位。在批传送结束之后，提供用于在第一传输门TXl的栅极下实现空穴存储状态的第三电位。在实际曝光期结束之后，将由光电二极管ro生成的电荷输出至溢出漏极OFD侧，因此，作为低于第一电位的电位的第三电位能在传输栅极下实现空穴存储状态。实施例2以下参考图3B中的时序图和图4中的流程图，对本发明实施例2的驱动方法进行描述。在实施例I中，通过在三个电位之间改变第一传输门TXl的电位，实现了饱和电荷量的维持和实际曝光期暗电流和缺陷发生的可能性的减少这两者，同时保持了两者间的平衡。顺便提及，在饱和电荷量不是很高的高ISO感光度情形或低亮度情形等情形下，即使设置电位以使得在实际曝光期在第一传输门TXl的栅极下实现空穴存储状态，也不容易发生高光溢出(饱和不足)等问题。实施例2关注该性质。
首先按照步骤顺序对图4中所示的控制方法进行说明。首先通过图I中未示出的开关接通主电源，然后接通控制系统的电源，之后接通摄像系统的电源(步骤S501)。接着，将驱动设置信号施加至固态图像传感器2 (步骤S502)，从而使得能进行实时取景显示(步骤 S503)。为了在摄像前控制曝光量，系统控制单元13使数字图像信号从摄像系统传送至图像存储器8，并使信号处理电路7执行曝光计算。通过针对从图像信号中提取的亮度信息Y、对画面上的每个区域进行下面的加权计算来计算与目前的情形相比需要增加(或减少) 多少级亮度。Y=a X R+b X G+c X B (a+b+c=I)系统控制单元13接收该计算结果，并通过驱动光学系统I的光圈从下一帧开始获取具有合适亮度的图像。如果固态图像传感器具有电子快门功能，则可以同时改变快门速度。可使用如上所述的反馈方法进行曝光计算，并且可以使用基于从与摄像系统分开设置的曝光测量传感器(图I未示出)的信号直接获得的合适的光圈值和快门速度来进行控制的前馈方法。在图4的流程图中，将从曝光量计算到曝光确定的处理称为AE(自动曝光)，并在步骤S504中示出该处理。接着，进行自动焦点检测。摄像装置包括具有两段行程的快门释放按钮(图I未示出)，使用第一段行程作为触发(步骤S505)，将光学系统I的调焦透镜驱动多步，并获得多个图像的图像信号。对每个图像信号进行计算处理，并确定具有最佳焦距的调焦透镜的位置。系统控制单元13接收该检测结果，并通过驱动光学系统I的调焦透镜从下一帧开始获取具有最佳焦距的图像。在自动焦点检测中也可以采用如下方法根据来自与摄像系统分开设置的测距传感器(图I未示出)的信号直接测量被摄体距离，且基于被摄体距离驱动调焦透镜。在图4的流程图中，将从焦距检测开始到镜头驱动的处理称为“自动焦点检测”，该处理在步骤S506中示出。在如上所述确认出合适的曝光和焦距后，使用快门释放按钮的第二段行程作为触发来启动实际摄像(步骤S508)。在这种情况下，检查实际摄像中必要的增益(ISO感光度设置)(步骤S507)，并且如果已判断为饱和电荷量相对高，则进行控制以使得第一传输门TXl的直到实际曝光期结束为止的电位是第一电位(步骤S513)，这与实施例I类似。注意，尽管在图4中饱和电荷量相对高的情况下确定了 ISO 400(预定增益)或更低的ISO感光度设置，但是考虑到例如固态图像传感器2的单位像素结构20中的光电二极管和保持单元之间的表面积比，基于具体情况设计最佳值就可以了。如果判断为饱和电荷量相对低(在图4中的“高于IS0400”的情况下)，进行控制以使得第一传输门TXl的直到实际曝光期结束为止的电位是等于批传送结束后的电位的第三电位(步骤S509)。在后者的曝光方法中，存在由第一传输门TXl形成的势垒变得高于溢出漏极OFD侧的势垒的情况，因此，饱和电荷量仅基本上等于光电二极管ro的电容。然而，由于在第一传输门TXI的栅极下实现空穴存储状态，因此，存在减小曝光期暗电流和缺陷发生的可能性的重要效果。接着，通过向第一传输门TXl的栅极提供第二电位来接通第一传输门TXl的栅极、将光电二极管H)的信号电荷传送至保持单元Mem，并且实际曝光期结束(步骤S510)。在该步骤中提供至第一传输门TXl的电位不依赖于所需的饱和电荷量(ISO感光度设置等)。
尽管图4的流程图中采用了监视ISO感光度设置拨盘的状态的方法，但是即使在设置了用于根据场景来设置ISO感光度的自动ISO感光度设置模式的情况下，也可以根据所确定的ISO感光度来选择和设置驱动方法。A/D转换器4对从固态图像传感器2输出的图像信号进行A/D转换，并将由此产生的图像信号暂时储存在图像存储器8中(步骤S511)。在信号处理电路7进行了前述各种信号处理之后，经由记录电路9将由此产生的图像信号记录在记录介质10上，从而完成了一系列摄像操作(步骤S512)。根据本实施例，可以进行如下配置当ISO感光度高时，提供在第一传输门TXl的栅极下实现空穴存储状态的电位，从而改善了在图像中的暗电流和缺陷特别显著的场景中减小暗电流和缺陷产生的可能性的效果。顺便提及，当在实际曝光期在第一传输门TXl的栅极下实现空穴存储状态时所发生的饱和电荷量减少的原因，不仅在于光电二极管ro的表面积，还在于溢出漏极侧(0FD 侦D的势垒的高度。下面在进一步关注该性质的情况下对图3B中的驱动方法进行说明。第一传输门TXl的直到实际曝光期结束为止的电位是在栅极下实现空穴存储状态的电位。另外，首先，将低电位提供至OFD控制端子直到实际曝光期结束。该低电位设置得尽可能低，同时还使由该低电位形成的溢出漏极OFD侧的势垒低于第一传输门的势垒。这样使得能够相对减少如下的现象由于在实际曝光期由光电二极管H)进行光电转换所获得的正规信号电荷泄漏至溢出漏极OFD侧而导致电荷丢失(也可以说是饱和电荷量的减少)。接着，使用用于确定实际曝光期的结束的第一传输门TX I来进行批传送。在实际曝光期结束之后，将图中的最高电位提供至OFD控制端子，从而实现非必要电荷输出状态，这与实施例I类似。根据本实施例，由于饱和电荷量相对提高，因此，能够例如在低ISO感光度时使用直到实际曝光期结束为止在第一传输门TXl的栅极下实现空穴存储状态的电位。尽管以上描述了本发明的优选实施例，但本发明不限于这些实施例，可以在不偏离本发明精神的前提下做各种修改。尽管已经参考典型实施例说明了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的典型实施例。所附权利要求书的范围符合最宽的解释，以包含所有这类修改、等同结构和功倉泛。本申请要求于2010年I月19日提交的日本专利申请2010-009528的优先权，其全部内容通过引用包含于此。
权利要求
1.一种摄像装置，包括 固态图像传感器，包括多个单位像素；以及 驱动单元，用于驱动所述固态图像传感器以将三个以上的互不相同的电位提供至第一传输门， 其中，每个单位像素包括 光电转换器，用于将入射光转换成信号电荷； 保持単元，用于暂时保持所述光电转换器所获得的信号电荷； 所述第一传输门，其配置在所述光电转换器与所述保持単元之间，并且用于将所述信号电荷传送至所述保持単元； 电荷电压转换器，用于将所述信号电荷转换成电压信号；以及第二传输门，其配置在所述保持単元与所述电荷电压转换器之间，并且用于将所述信号电荷传送至所述电荷电压转换器，并且在所述光电转换器中进行摄像操作的情况下处于非导通状态。
2.根据权利要求I所述的摄像装置，其特征在于，所述驱动单元将第一电位提供至所述第一传输门直到所述光电转换器的曝光期结束，在所述曝光期结束之后进行批传送的情况下将第二电位提供至所述第一传输门，并且在所述批传送结束之后将第三电位提供至所述第一传输门。
3.根据权利要求2所述的摄像装置，其特征在于，所述第一电位高于所述第三电位且低于所述第二电位。
4.根据权利要求3所述的摄像装置，其特征在于，所述第三电位是在所述第一传输门的电极下实现空穴存储状态的电位。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的摄像装置，其特征在干， 所述固态图像传感器还包括溢出漏扱，以及 所述第一电位是实现比所述溢出漏极侧的势垒低的势垒的电位。
6.根据权利要求I所述的摄像装置，其特征在于，在放大所述固态图像传感器的输出信号时的增益高于预定増益的情况下，所述驱动单元将等于所述第三电位的电位作为所述第一电位提供至所述第一传输门。
7.一种用于固态图像传感器的驱动方法，所述固态图像传感器包括多个单位像素，每个单位像素包括 光电转换器，用于将入射光转换成信号电荷； 保持単元，用于暂时保持所述光电转换器所获得的所述信号电荷； 第一传输门，其配置在所述光电转换器与所述保持単元之间，并且用于将所述信号电荷传送至所述保持单元； 电荷电压转换器，用于将所述信号电荷转换成电压信号；以及第二传输门，其配置在所述保持単元与所述电荷电压转换器之间，并且用于将所述信号电荷传送至所述电荷电压转换器，并且在所述光电转换器中进行摄像操作的情况下处于非导通状态， 其中，所述驱动方法包括在三个以上的互不相同的电位之间改变所述第一传输门的电位的步骤。
全文摘要
一种摄像装置，包括固态图像传感器和驱动单元，固态图像传感器包括多个单位像素。每个单位像素包括光电转换器，用于将入射光转换成信号电荷；保持单元，用于暂时保持光电转换器所获得的信号电荷；第一传输门，其配置在光电转换器与保持单元之间，并且用于将信号电荷传送至保持单元；电荷电压转换器，用于将信号电荷转换成电压信号；以及第二传输门，其配置在保持单元与电荷电压转换器之间，并且用于将信号电荷传送至电荷电压转换器，并且在光电转换器中进行摄像操作的情况下处于非导通状态。驱动单元驱动固态图像传感器以将三个以上的互不相同的电位提供至第一传输门。
文档编号H04N5/374GK102714702SQ201080061908
公开日2012年10月3日 申请日期2010年12月1日 优先权日2010年1月19日
发明者小林宽和 申请人:佳能株式会社