图像传感器和摄像设备的制作方法

本发明涉及一种图像传感器和摄像设备。

背景技术：

最近的数字单镜头反光照相机和摄像机经常使用cmos图像传感器。已经开发了cmos图像传感器并且cmos图像传感器需要许多像素、高速摄像和高iso感光度。大多数最近的cmos图像传感器具有超过一千万像素。

cmos图像传感器针对各个像素具有光电二极管(以下称为“pd”)，并且将存储在pd中的电荷传输到电荷保持器并且经由该电荷保持器的输出线顺次读取电荷。当从pd向电荷保持器传输电荷时，可能发生不能传输全部电荷的不完全传输。对于完全传输，需要诸如电荷传输路径的集中等的制造条件的优化。然而，由于像素间距因像素数量的增加而减小，因此优化控制变得非常困难，并且由于轻微的误差而可能发生一些电子的不完全传输。不完全传输使原本应当与入射光量成比例的输出值特性(线性)劣化。

日本专利4678824公开了如下的摄像设备，其中该摄像设备用于将用于校正由不完全传输引起的电荷损失的偏移校正量添加到从图像传感器生成的电信号。日本特开2002-27326公开了如下的数字照相机，其中该数字照相机通过重复从pd向电荷保持器的传输以及从电荷保持器的非破坏性读出而使得能够实时查看确认拍摄状态。

日本专利4678824公开的摄像设备考虑到不完全传输与摄像感光度不同的影响，根据摄像感光度来改变偏移校正值。由于不完全传输的影响根据传输时的电压值、传输脉冲斜率和摄像时的温度而不同，因此仅基于摄像感光度来改变偏移校正值是不充分的。

在日本特开2002-27326公开的数字照相机中，与单次电荷传输相比，从pd的多次电荷传输增加了不完全传输的影响。例如，与两次电荷传输相关联的电荷剩余量是单次电荷传输的两倍。结果，传输次数的增加使获得的图像质量劣化。

技术实现要素：

本发明提供可以抑制图像质量劣化的图像传感器和摄像设备。

根据本发明的方面的一种图像传感器，其包括单位像素，该单位像素包括光电转换器和电荷保持器，所述光电转换器被配置为累积基于入射光所产生的电荷，以及所述电荷保持器被配置为存储从所述光电转换器传输的电荷，其特征在于，所述图像传感器还包括校正器，所述校正器被配置为基于从所述光电转换器向所述电荷保持器传输电荷时的传输条件来校正与从所述电荷保持器输出的电荷相对应的信号。

根据本发明的方面的一种摄像设备，其包括图像传感器，所述图像传感器包括光电转换器和电荷保持器，所述光电转换器被配置为累积基于入射光所产生的电荷，以及所述电荷保持器被配置为存储从所述光电转换器传输的电荷，其特征在于，所述摄像设备还包括校正器，所述校正器被配置为基于从所述光电转换器向所述电荷保持器传输电荷时的传输条件来校正与从所述电荷保持器输出的电荷相对应的信号。

根据本发明的方面的一种摄像设备，其特征在于，包括：图像传感器，其包括多个像素和多个电容器，所述像素具有用于累积基于入射光所产生的电荷的光电转换器，以及所述电容器存储从所述光电转换器传输的电荷；以及至少一个处理器或至少一个电路，其用于基于从所述光电转换器向所述电容器传输电荷时的传输条件来校正与从所述电容器输出的电荷相对应的信号。

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。

附图说明

图1是示出根据本发明的实施例的摄像设备的框图。

图2是图像传感器的框图。

图3示出根据第一实施例的图像传感器中的单位像素的电路结构。

图4示出图像传感器中的列电路的结构。

图5是单次传输模式中的电荷读取操作的时序图。

图6是多次传输模式中的电荷读取操作的时序图。

图7示意性示出根据第一实施例的多次传输的驱动操作。

图8a和8b示出信号输出特性示例和校正后的输出示例。

图9示出根据第二实施例的图像传感器的单位像素的电路结构。

图10示意性示出根据第二实施例的多次传输的驱动操作。

图11示出根据第二实施例的变形例的图像传感器中的单位像素的电路结构。

图12是根据第二实施例的变形例的电荷累积操作的示意图。

具体实施方式

现在参考附图，将给出本发明的实施例的详细描述。相应的元件将由相同的附图标记指定，并且将省略其重复描述。

图1是根据本发明的实施例的摄像设备100的框图。摄像设备100在摄像光学系统中包括摄像透镜101和光圈(孔径光阑)102。已经通过摄像透镜101和光圈102的光在摄像透镜101的焦点位置附近形成图像。摄像透镜101被示出为单个透镜，但实际上可以包括多个透镜。摄像光学系统可以固定到摄像设备100上，但是可以相对于摄像光学系统拆卸和安装。

图像传感器103是用于根据光量将由摄像透镜101形成的被摄体图像转换为电信号和可处理的图像信号的cmos图像传感器。信号处理电路104对从图像传感器103输出的图像信号进行诸如信号放大和基准电平调整等的各种校正以及数据排序。定时生成电路105将驱动定时信号输出到图像传感器103和信号处理电路104。

整体控制/计算电路106一体地驱动并控制包括图像传感器103和信号处理电路104的摄像设备100整体。整体控制/计算电路106对从信号处理电路104输出的图像信号进行预定的图像处理和缺陷校正。存储器电路107和记录电路108包括用于存储从整体控制/计算电路106输出的图像信号等的非易失性存储器或诸如存储卡等的记录介质。操作电路109接受来自设置于摄像设备100的操作构件的信号，并反映用户对整体控制/计算电路106的命令。显示电路110显示拍摄图像、实时取景图像和各种设置画面等。

图2是图像传感器103的框图。图像传感器103具有被布置成矩阵形状的多个单位像素200。图2示出4×4或16个单位像素200，但实际上布置了数百万个单位像素200。单位像素200包括拜尔阵列中的r(红色)、g(绿色)和b(蓝色)的滤色器。单位像素200中的字母和数字表示像素的颜色和地址。例如，g01表示在第0行和第1列中的g(绿色)像素。单位像素200将图像信号输出到列输出线201。列输出线201连接到电流源202。

读取电路203具有多个列电路211。列电路211对从列输出线201输入的图像信号进行模数转换(ad转换)。斜坡电压生成电路204生成电位随着在列电路211中的ad转换所使用的时间的经过而以恒定变化率变化的斜坡电压。

当水平扫描电路205被驱动时，由列电路211进行ad转换后的信号经由水平输出线209和数字输出处理电路210被顺次输出到图像传感器103的外部。垂直扫描电路206选择行并经由针对单位像素200的各行连接的信号线207来驱动单位像素200。在图2中，信号线207仅连接到第0行的单位像素200，但是实际上连接到各行。定时发生器(tg)208向诸如读取电路203、斜坡电压生成电路204、水平扫描电路205、垂直扫描电路206和数字输出处理电路210等的各种电路发送信号，并控制这些电路的驱动。

第一实施例

图3示出图像传感器103中的单位像素200的说明性电路结构。光电二极管(以下称为光电转换器或“pd”)301基于入射光产生电荷，并且累积产生的电荷。根据本实施例，pd301响应于由摄像透镜101形成的被摄体图像而产生电荷并且累积所产生的电荷。由pd301累积的电荷经由传输mos晶体管(以下称为“传输开关”)302而传输到作为电荷保持器的浮动扩散部(以下称为“fd”)304。当选择开关306接通时，表示与传输到fd304的电荷相对应的电压的电压信号(像素信号)经由形成源极跟随器放大器的放大mos晶体管(以下称为“sf”)305而输出到列输出线201。针对单位像素200的每一行控制选择开关306，并且所选择的行的像素信号被总地输出到针对各列的列输出线201。复位mos晶体管(以下称为“复位开关”)303将fd304中的电位和pd301中的电位经由传输开关302复位到vdd。

传输到fd304的电荷由fd304存储，除非其被复位开关303复位。当由pd301累积的电荷被传输到已经存储了电荷的fd304时，传输到pd301的电荷被叠加或添加到已经由fd304存储的电荷上。

传输开关302、复位开关303和选择开关306经由连接到垂直扫描电路206的信号线207而被控制信号ptx、pres和psel控制。

现在参考图4，将描述构成读取电路203的列电路211。图4示出列电路211的说明性结构。

放大器401放大从列输出线201输入的像素信号。电容器403用于存储信号电压。当控制信号psh接通和断开开关402时，控制电容器403中的写入。

作为从斜坡电压生成电路204提供的参考电压的斜坡电压(vslope)被输入到比较器404中的一个输入端子。写入电容器403中的放大器401的输出被输入到比较器404中的另一输入端子。比较器404将放大器401的输出与斜坡电压vslope相互比较，并根据比较结果输出两个值(二进制)、即低电平和高电平中的一个。更具体地，比较器404在斜坡电压vslope小于放大器401的输出的情况下输出低电平，以及在斜坡电压vslope大于放大器401的输出的情况下输出高电平。当斜坡电压vslope开始变化时，启动时钟(以下称为“clk”)。在比较器404的输出comp具有高电平的情况下，计数器405响应于clk对计数值进行递增计数，并且一旦比较器404的输出comp反转为低电平(一旦比较结果反转)，就停止操作。

n存储器406保持通过对fd304的复位电平信号(以下称为“n信号”)进行ad转换而产生的数字信号。s存储器407保持通过对pd301的信号叠加在fd304的n信号上的信号(以下称为“s信号”)进行ad转换而产生的数字信号。

n信号和s信号通过来自水平扫描电路205的控制信号、经由水平输出线408和409被输出到数字输出处理电路210。数字输出处理电路210输出从s信号中去除了引起噪声的n信号(在fd304中的复位噪声成分)的差分信号(光成分)。

现在将描述来自图像传感器103中的一行的单位像素200的电荷读取操作。根据本实施例的图像传感器103具有单次传输模式和多次传输模式，其中单次传输模式用于在从pd301向fd304传输电荷一次之后读取信号，以及多次传输模式用于在传输电荷多次之后读取信号。

图5是单次传输模式下的说明性的电荷读取操作的时序图。示意性地示出各个控制信号的时序、斜坡电压vslope、clk和水平扫描信号。在各个定时还示出从放大器401输出的垂直输出线中的电压v1和来自比较器404的输出comp。

在时刻t500，在读取来自pd301的信号之前，用于复位开关303的控制信号pres被设置为高电平。由此，sf305的栅极由复位电源电压复位。

在时刻t501，用于选择开关306的控制信号psel被设置为高电平，并且sf305启动。

在时刻t502，控制信号pres被设置为低电平，并且fd304被解除复位。将从fd304输出的电压信号作为n信号被读取到列输出线201并输入到列电路211。

在时刻t503和时刻t504，控制信号psh被顺次设置为高电平和低电平，以接通和断开开关402。由此，由放大器401进行了增益放大的n信号被电容器403存储。由电容器403存储的n信号的信号值被输入到比较器404的一个输入端子。

从时刻t505到时刻t507，斜坡电压生成电路204随着时间的经过而使斜坡电压vslope从初始值起减小。在时刻t505，当斜坡电压vslope开始变化时，clk被提供给计数器405。计数器405中的计数值根据clk的数量而增加。在时刻t506，在输入到比较器404的斜坡电压vslope具有与n信号的信号值相同的值时，比较器404的输出comp具有低电平，并且计数器405停止操作。当计数器405停止操作时的计数值是n信号的ad转换后的值并被存储在n存储器406中。

在时刻t507和时刻t508，控制信号ptx被顺次地设置为高电平和低电平，以将累积在pd301中的电荷传输到fd304。将从fd304输出的根据电荷量而变化的电压信号作为s信号读出到列输出线201并输入到列电路211。

在时刻t509和时刻t510，控制信号psh被顺次地设置为高电平和低电平，以接通和断开开关402。由此，电容器403存储由放大器401进行了增益放大的s信号。存储在电容器403中的s信号的信号值被输入到比较器404中的一个输入端子。

从时刻t511到时刻t513，斜坡电压生成电路204随着时间的经过而使斜坡电压vslope从初始值起减小。在时刻t511，当斜坡电压vslope开始变化时，将clk提供给计数器405。计数器405的计数器值根据clk的数量而增加。在时刻t512，当输入到比较器404的斜坡电压vslope具有与s信号的信号值相同的值时，比较器404的输出comp具有低电平，并且计数器405停止操作。当计数器405停止操作时的计数值是s信号的ad转换后的值并被存储在s存储器407中。

在时刻t513之后，水平扫描电路205顺次地操作列电路211，并且将存储在n存储器406和s存储器407中的信号经由水平输出线408和409输出到数字输出处理电路210。在通过从s信号中减去n信号来计算差分信号之后，数字输出处理电路210将计算出的差分信号输出到图像传感器103的外部。

图6是多次传输模式下的说明性的电荷读取操作的时序图。从时刻t600到时刻t608的操作与图5中从时刻t500到t508的操作相同，并且将省略其描述。

在时刻t609和时刻t610，控制信号ptx再次被顺次地设置为高电平和低电平，以从时刻t608到时刻t610将累积在pd301中的电荷传输到fd304。在从时刻t607到时刻t608的第一次电荷传输以及从时刻t609到时刻t610的第二次电荷传输中，控制信号pres被维持为低电平，并且不进行复位。因此，第二次传输的电荷叠加在第一次传输的并存储在fd304中的电荷上。将从fd304输出的随着电荷量而改变的电压信号作为s信号而被读出到列输出线201并输入到列电路211。

在时刻t611和时刻t612，控制信号psh被顺次地设置为高电平和低电平，以接通和断开开关402。由此，由放大器401进行了增益放大的s信号被存储在电容器403中。存储在电容器403中的s信号的信号值被输入到比较器404中的一个输入端子。

从时刻t613到时刻t615的操作与图5中从时刻t511到时刻t513的操作相同，并且将s信号的ad转换值存储在s存储器407中。

根据本实施例的多次传输模式下的电荷读取操作仅在第二次电荷传输之后读取s信号，但是可以在第一次电荷传输之后读取s信号。由于针对各行重复进行多次传输和读取操作，因此一帧读取时间变长。第一次传输和第二次传输之间的pd301的电荷累积时间不能更长。因此，图像传感器103可以包括针对各个像素的读取电路，而不是图2中描述的针对各列的读取电路。在电荷传输之后，可以在读取时执行下一次电荷传输。

图7示意性地示出多次传输中的驱动操作示例。横坐标轴表示时间，以及纵坐标轴表示图像传感器103中的行位置。

随着摄像开始，垂直扫描电路206顺次将控制信号pres和ptx发送到所有行并进行像素复位操作。在复位操作后，累积操作开始。在第一次累积操作之后(在累积时刻t1过去之后)，控制信号ptx的控制提供从pd301向fd304的第一次电荷传输。此外，在第二次累积操作之后(在累积时刻t2过去之后)进行第二次电荷传输和s信号读取操作。

然而，该驱动操作不能在读取s信号之前读取n信号。因此，预先存储n信号数据以去除噪声，并且可以计算所获得的s信号和所存储的n信号之间的差。在该驱动操作中，fd304存储电荷的时间较长，因此可以对fd304进行遮光。

如图7所示，预先执行第一次电荷传输，并且执行第二次电荷传输和s信号读取操作。由此，可以在不影响一帧读取时间的情况下执行多次传输。本实施例描述了两次传输，但是可以通过重复同样的操作来增加传输的次数。

在pd301具有小面积并且fd304具有大容量的像素结构中，多次传输对于大曝光量是非常有效的。即使当产生的电荷量达到pd301中的可存储电荷量时，pd301也可以将累积的电荷传输到fd304并再次累积电荷，以扩大可检测的曝光量(动态范围)。

如上所述，多次传输对于扩大动态范围是有效的。另一方面，从pd301向fd304的电荷传输具有不完全传输，并且影响随着传输次数增加而增加。

图8a是针对各传输次数的曝光量的说明性输出特性的图。横轴表示曝光量，以及纵轴表示输出值。如直线所示，输出线与曝光量成比例是理想的。然而，实际上，由于不完全传输引起的电荷返回的影响，导致在曝光量小的条件下，输出值小于理想值。该影响随着传输次数的增加而增加。通过校正处理可以将针对曝光量的输出特性劣化校正为理想线。例如，通过使用校正系数(用于增益校正的增益值α和用于偏移校正的偏移值β)，可以针对获取的输出值x来计算校正后的输出值y(＝αx+β)。增益值α和偏移值β是根据图像传感器的特性而任意设置的系数。

根据本发明的数字输出处理电路210通过考虑到根据传输次数而改变的输出特性，根据传输次数来将校正量改变为所获取的输出值。在本实施例中，数字输出处理电路210根据传输次数来改变校正系数。更具体地说，数字输出处理电路210校正偏移β，使得针对两次传输的偏移β大于针对单次传输的偏移β。图8b是针对所获取的输出值的校正后的输出值的图。为了根据传输次数来改变校正系数，即使在输出值相同时，校正后的输出值也根据传输次数而不同。该校正可以获取到与图8a所示的理想值接近的针对曝光量的输出值。

本实施例指示数字输出处理电路210提供该校正，但是可以将摄像设备100中的信号处理电路104用于校正器。

不完全传输特性还取决于图像传感器103中的布局，并且根据图像传感器103的相同摄像面上的区域而不同。因此，校正系数可以根据摄像面上的区域而变化。例如，预先针对传输次数和区域各自存储校正系数，并且可以根据读取信号的驱动条件和像素地址而改变校正系数。

由于传输特性根据摄像时的温度、传输时电压、传输时间和传输脉冲斜率而变化，因此可以根据上述条件来改变校正系数。换句话说，即使在单次传输模式下，校正系数也可以根据摄像时的温度、传输时的电压和传输脉冲斜率而改变。由于不完全传输的影响取决于如图8a和8b所示的曝光量，因此可以针对具有高iso感光度和小曝光量的场景中的摄像条件主动执行操作。

如上所述，通过根据诸如从pd301向作为电荷保持器的fd304的诸如电荷传输次数等的传输条件来改变所获得的信号的校正系数，可以获得高质量图像。

第二实施例

根据本实施例的摄像设备具有与根据第一实施例的摄像设备100相同的结构。本实施例在像素结构方面与第一实施例不同。根据本实施例的单位像素900包括光电二极管和浮动扩散部之间的作为电荷保持器的像素存储器(存储部)。像素存储器使得能够进行全局快门驱动和平滑的多次传输。

图9示出单位像素900的一个说明性电路结构。光电二极管(以下称为光电转换器、“pd”)901接收由摄像透镜101形成的被摄体图像，产生电荷并累积产生的电荷。复位开关902复位pd901。由pd901累积的电荷经由传输开关903传输到作为电荷保持器的像素存储器904。存储在像素存储器904中的电荷经由传输开关905传输到浮动扩散部(以下称为“fd”)906。当选择开关909接通时，表示与向fd906传输的电荷相对应的电压的电压信号(像素信号)经由sf908被输出到列输出线201。以单位像素900的行为单位控制选择开关909，并且所选择的行处的像素信号被同时输出到各列的列输出线201。复位mos晶体管(以下称为“复位开关”)908将fd906的电位和像素存储器904的电位经由传输开关905复位为vdd。当传输开关903同时接通时，可以复位pd901的电荷，而当复位开关902接通时，可以在像素存储器904存储电荷的同时复位pd901的电荷。

传输开关905、复位开关907和选择开关909经由连接到垂直扫描电路206的信号线207而被控制信号ptx、pres和psel控制。复位开关902和传输开关903分别由控制信号pres1和ptx1控制。

图10示意性示出根据本实施例的图像传感器103中的多次传输的一个说明性驱动操作。横坐标轴表示时间，以及纵坐标轴表示图像传感器103中的行位置。

在时刻t1000，垂直扫描电路206在摄像开始时将控制信号pres1和ptx1发送到所有行，并且像素被复位。垂直扫描电路206同时将控制信号pres和ptx发送到所有行以复位图像存储器904和fd906。

在时刻t1001，针对所有行，同时开始第一次累积操作。

在第一次累积操作之后(在累积时刻t1过去之后)，从时刻t1002到时刻t1003，通过控制信号ptx1的控制同时对所有行进行从pd901向像素存储器904的第一次电荷传输。

在时刻t1003，针对所有行，同时开始第二次累积操作。

在第二次累积操作之后(在累积时刻t2过去之后)，从时刻t1004到时刻t1005，通过控制信号ptx1的控制来进行第二次电荷传输。

在时刻t1005之后，顺次进行读取操作。存储在像素存储器904中的电荷可以根据图5中的时序图来读取。本实施例将电荷从像素存储器904传输到fd906，而不是将电荷从pd301传输到fd304。

本实施例描述了两次传输，但是可以在单次传输模式下的第一次电荷传输之后进行读取，或者可以增加传输次数。

根据本实施例的单位像素900包括像素存储器904，并且进行用于针对所有行同时提供累积并顺次读取的全局快门驱动。本实施例将电荷存储在像素存储器904中，然后从fd906读取电荷。由此，在读取s信号之前，可以读出fd906的n信号。可以精确地去除噪声，并且可以获得高质量图像。

本实施例的结构遭受从pd901向像素存储器904的电荷传输中的不完全传输，并且影响随着传输次数增加而增加。因此，本实施例执行参考图8a至8b描述的校正处理。通过根据从pd901向像素存储器904的传输次数来改变校正系数，可以校正输出值以适合于各次传输特性，并且可以获取到高质量图像。

由于在本实施例中传输特性根据传输时的电压和传输脉冲斜率而改变，因此可以根据上述条件来改变校正系数。

如上所述，通过根据传输条件(诸如从pd901向作为电荷保持器的像素存储器904的电荷传输次数等)改变所获得的信号的校正系数，可以获得高质量图像。

(变形例)

图11示出根据第二实施例的变形例的图像传感器103中的单位像素1100的说明性电路结构。单位像素1100针对一个pd包括两个像素存储器。

光电二极管(以下称为光电转换器、“pd”)1101接收由摄像透镜101形成的被摄体图像，产生电荷并累积产生的电荷。复位开关1102复位pd1101。累积在pd1101中的电荷经由传输开关1103a和1103b传输到作为电荷保持器的像素存储器1104a和1104b。单位像素1100包括与像素存储器1104a相对应的传输开关1105a、fd1106a、复位开关1107a、sf1108a和选择开关1109a。表示与向fd1106a传输的电荷相对应的电压的电压信号被输出到列输出线201a。单位像素1100包括与像素存储器1104b相对应的传输开关1105b、fd1106b、复位开关1107b、sf1108b和选择开关1109b。表示与向fd1106b传输的电荷相对应的电压的电压信号输出到列输出线201b。

用于控制传输开关1105a和1105b的控制信号ptx1可以确定电荷传输到像素存储器1104-1和1104-2中的哪个。控制信号pres、psel和ptx也控制电荷的读取。

针对一个pd包括两个像素存储器的单位像素1100向图像传感器103提供各种全局快门驱动。

图12是pd1101的说明性电荷累积操作的示意图。在电荷累积操作开始之后，pd1101重复短累积和长累积。以短累积而累积的电荷被传输到诸如像素存储器1104a等的一个像素存储器，并被顺次地读出。以长累积而累积的电荷被传输到诸如像素存储器1104b等的另一像素存储器。在这种情况下，传输的电荷可以在单次传输或多次传输之后被读出。图12中的示例通过读取两次传输后的电荷来提供与累积时刻t1+t2相对应的图像。上述操作使得能够获取到短累积和长累积这两者的图像。

根据本实施例的结构通过参考第一实施例中的图8a和8b描述的校正处理，根据传输条件提供高质量图像。除了传输次数之外，还可以针对各个传输开关改变校正系数。

如上所述，通过改变针对根据从pd901向作为电荷保持器的像素存储器1104a和1104b的电荷传输的传输条件所获得的信号的校正系数，可以获得高质量图像。

尽管已经参考典型实施例说明了本发明，但是应该理解，本发明不局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、等同结构和功能。