图像拾取设备的制作方法

专利名称：图像拾取设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及图像拾取(image pickup)设备，尤其涉及通过使用图像拾取设备中的 电子快门来控制曝光时间的技术。
背景技术：
在诸如公知为CMOS图像传感器之类的放大型(amplification-type)图像拾取设 备中，存在多种已知的电子快门技术来在不使用机械阻光(blocking light)方法的情况下 控制整个像平面上所有像素的电荷累积的开始和结束。 在与日本专利公开No. 2006-246450所披露的电子快门相关的技术中，在曝光时
段期间在光电转换部分中所产生的电荷被传送到存储部分，并且在曝光时段结束之后，光
电转换部分被复位以去除光电转换部分中剩余的电荷，从而实现电子快门的功能。 该技术的特征在于，由专用部分单独实现这些功能，使得光电转换部分基本上仅
执行光电转换，而曝光时段期间的电荷累积是通过与光电转换部分相邻布置的电荷存储部
分来执行的。注意，电荷存储部分与FD区域分离地布置。因为光电转换部分中电荷数量
的饱和值很小，所以可以使用低电压来执行电荷从光电转换部分到电荷存储部分的传送。
这种装置可以容易地通过基于普通CMOS制造工艺的简单工艺来制造，即，该装置的制造比
CCD或其他类似装置容易。 在日本专利公开No. 2006-246450中所公开的技术中，在曝光完成后执行光电转 换部分的复位。在该技术中，在复位时段期间所产生的电荷没有被有效地利用，因此探寻在 这方面的改进。而且，日本专利公开No. 2006-246450还披露了一种技术来通过使用掩埋型 沟道(buried channel)晶体管来抑制在光电转换部分与电荷存储部分之间所产生的暗电 子(dark electron)，从而实现在曝光操作期间的表面锁定(surface pinning)和电子传 输。然而，在掩埋型沟道结构中，势垒的高度相比表面沟道晶体管要低，并且因此探寻关于 电荷存储部分中饱和电荷的有效利用方面的进一步考虑。 不但对于掩埋型沟道结构是如此，而且对于以下结构也是如此，即在该结构中，中
间电平(intermediate-level)脉冲在一时段内的特定时间点被提供给光电转换部分，从
而将电荷传送到电荷存储部分，其中在该时段中，电荷在光电转换部分中被累积。在此情况
下，对于在光电转换部分中的饱和电荷的有效利用方面的进一步考虑是所希望的。 基于上述考虑，本发明提供了一种图像拾取设备，其具有与每个像素中的光电转
换部分和FD区域相分离而提供的电荷存储部分，并且其提供了高速快门操作和扩展的大
动态范围。

发明内容
本发明提供了一种设备，包括以矩阵形式排列的像素，其中每个像素包括光电转 换部分；电荷存储部分，配置成存储从光电转换部分接收的信号电荷；电荷放电部分，配置 成控制光电转换部分与溢出漏极(overflow drain)区域之间的导通；传送部分，配置成传送存储在电荷存储部分中的电荷；放大器部分，配置成放大基于由传送部分所传送的电荷 的信号；以及复位部分，配置成对光电转换部分和电荷存储部分进行复位；快门部分，配置 成控制入射在光电转换部分上的光量；扫描单元，配置成向传送部分、复位部分和电荷放电 部分提供驱动脉冲；以及控制单元，配置成向扫描单元提供控制信号以在第一模式和第二 模式之间切换驱动模式，并且向快门部分提供控制信号，其中第一模式被执行使得光电转 换部分和电荷存储部分对于包括在图像获取区域中的所有像素从复位状态被释放以开始 一时段，并且在经过了预定时间时，接通每个像素的光电转换部分和溢出漏极区域以结束 该时段，并且最后，所存储的电荷被传送到放大器部分，其中第二模式被执行从而打开快门 部分以开始一时段，并且在经过了预定时间时，关闭快门部分以结束该时段，并且最后，所 存储的电荷被传送到放大器部分。 根据以下参考附图对示例实施例的描述，本发明的其他特点将变得明显。


图1是示出了根据本发明一个实施例的图像拾取设备的框图。 图2是示出了在根据本发明一个实施例的图像拾取设备中快门阻挡光线的方式
的示图。 图3是示出了根据本发明一个实施例的图像传感器的框图。
图4是根据本发明一个实施例的图像传感器的等效电路。
图5是根据本发明一个实施例的第一模式中的驱动时序图。
图6是根据本发明一个实施例的第二模式中的驱动时序图。
图7A到图7H是示出了第一模式中的电势分布的示图。
图8A到图8G是示出了第二模式中的电势分布的示图。
图9是根据本发明一个实施例的第三模式中的驱动时序图。
图10是根据本发明一个实施例的第四模式中的驱动时序图。
具体实施例方式以下参考附图具体描述本发明的实施例。 首先，参考图1说明对所有实施例普遍适用的图像拾取设备90的结构。图1是示 出了图像拾取设备90的结构的框图。 图像拾取设备90的主要部分是光学系统、图像传感器100和信号处理单元。光学 系统主要包括成像透镜92和配置来控制入射到光电转换部分上的光量的机械快门93。信 号处理单元主要包括(第一)图像信号处理电路95、模数(A/D)转换器96、(第二)图像 信号处理单元97、存储器87、外部设备接口 (I/F)单元89、定时发生器98、总体控制/计算 单元99、存储介质88以及存储介质控制/接口 (I/F)单元94。信号处理单元可以不包括 存储介质88。 成像透镜92用于折射入射光，以在图像传感器100的像素阵列PA上形成对象的 图像。 机械快门93置于成像透镜92与图像传感器100之间的光学路径中来控制在通过 成像透镜92之后导向图像传感器100的光量。机械快门93具有第一快门帘幕和第二快门帘幕，它们每一个都包括多个快门叶片(shutter blade)。在机械快门93中，第一快门帘 幕和第二快门帘幕由总体控制/计算单元99分别以不同的定时驱动，从而在打开状态和关 闭状态之间切换。图像传感器100把形成在像素阵列PA上的对象的图像转换成图像信号。 像素阵列PA包括以矩阵形式排列的像素。图像传感器100从像素阵列PA读取图像信号， 并且输出所读取的图像信号。图像信号处理电路95连接到图像传感器IOO，并且被配置成 处理从图像传感器IOO输出的图像信号。 模数转换器96连接到图像信号处理电路95，并且被配置成把图像信号处理电路 95所处理并输出的图像信号(模拟形式)转换成数字信号。 图像信号处理单元97连接到模数转换器96，并且被配置成通过对从模数转换器 96输出的图像信号(数字形式)执行各种处理(如校正处理)来产生图像数据。所得到的 图像数据例如被提供到存储器87、外部设备接口单元89、总体控制/计算单元99、存储介质 控制/接口单元94等。 存储器87连接到图像信号处理单元97，并且被配置成存储从图像信号处理单元 97输出的图像数据。 外部设备接口单元89连接到图像信号处理单元97，使得从图像信号处理单元97 输出的图像数据可以经由外部设备接口单元89传送到外部设备(诸如个人计算机)。
定时发生器98连接到图像传感器100、图像信号处理电路95、模数转换器96和图 像信号处理单元97，并且被配置成向图像传感器100、图像信号处理电路95、模数转换器96 和图像信号处理单元97提供定时信号，使得图像传感器100、图像信号处理电路95、模数转 换器96和图像信号处理单元97与定时信号同步地工作。 总体控制/计算单元99连接到定时发生器98、图像信号处理单元97和存储介质 控制/接口单元94，并且被配置成总体地控制定时发生器98、图像信号处理单元97和存储 介质控制/接口单元94。 存储介质88可拆卸地连接到存储介质控制/接口单元94，使得从图像信号处理单 元97输出的图像数据可以经由存储介质控制/接口单元94存储在存储介质88中。
如果从图像传感器100输出的图像信号很好，则上述结构使得能够得到很好的图 像(图像数据)。 接下来，下面参考图2描述图像拾取设备90中的图像传感器100和机械快门93 的操作。图2示出了布置图像传感器100和机械快门93的方式。 在图2中，示出了面对成像透镜92的图像传感器100的表面，还示出了作为机械 快门93 —部分的第二快门帘幕。如图所示，像素阵列PA置于面对成像透镜92的图像传感 器100的表面上。像素阵列PA具有形成在与各个像素的光电转换部分相对应的位置处的 开口 ，使得光线能够通过这些开口到达像素。在图2所示的示例中，机械快门93处于以下 状态中第一快门帘幕(未示出)已经完全经历了从上到下的全路径，从而留下开口在后 面，而第二快门帘幕101位于其从上到下的行程的中间，并且其前端当前位于标号108所指 示的位置处，从而部分覆盖像素阵列PA。 S卩，机械快门93工作为使得第一快门帘幕和第二 快门帘幕101沿如图2中箭头106所示的情况从上到下的方向行进。102为曝光区域。104 为位于区域102下面的区域。区域104是这样一个区域，即在该区域中，电荷被电子快门排 疏(drain)。 105是执行对由扫描电路所扫描的信号的读取的方向。107是区域102和区域104的边界。 机械快门93根据从作为控制单元的总体控制/计算单元99提供的控制信号来控 制入射到光电转换部分上的光量。 接下来，以下参考图3和图4描述根据本发明的图像拾取设备的图像传感器的结 构和等效电路。类似于图1和图2中的那些部分由相似的标号指代并且略去对其的进一步 具体描述。 在图3中，像素阵列PA包括以矩阵形式排列的像素。标号301表示配置成以一个 或多个像素行为单位扫描像素阵列中的像素的垂直扫描单元。垂直扫描单元301可以使用 移位寄存器或解码器来实现。 标号302表示配置成对经由垂直扫描单元301所执行的扫描从像素区域PA读取 的信号执行特定处理的列电路。列电路302例如可以包括配置成减小像素噪声的CDS电路、 配置成对从每个像素输出的信号进行放大的放大器、配置成把从每个像素接收的模拟信号 转换成数字形式的模数转换器等等。当列电路302包括模数转换器时，不使用图1中所示 的模数转换器96。 标号303表示配置成以一个或多个像素列为单位顺次扫描像素从而读取列电路 所处理的信号的水平扫描单元。水平扫描单元303可以使用移位寄存器或解码器来构成。
标号304和305分别表示垂直扫描单元301和水平扫描单元303的控制端。尽管 在该示例中，每个扫描单元仅有一个控制端，但是每个扫描单元根据功能可以具有多个控 制端。 垂直扫描单元301和水平扫描单元303能够根据在控制端304或305处经由定时 发生器98从控制单元99接收的控制信号来切换图像传感器100的驱动模式。尽管在该示 例中，控制单元99与图像传感器100分离地布置，但是控制单元99可以设置在图像传感器 100的内部。 尽管图3未示出互连，但是存在多个互连，其中借助于这些互连在上述组成部分 之间传送光学信号、驱动信号以及其他信号。 图4示出了置于像素阵列PA中的像素的等效电路21。尽管在图4所示的示例中， 为了简洁，像素阵列PA仅包括以3 X 3阵列形式排列的9个像素，但是像素数量并不限于该 示例。 标号i表示用作光电转换部分的光电二极管(PD)。光电二极管的阳极连接到固 定电压电平(例如，地电平)。光电二极管的阴极经由用作第一传送部分的第一传送开关8 连接到电荷存储部分2的一端。阴极还经由用作第三传送部分的第三传送开关13连接到 电源线，该电源线是用作溢出漏极(OFD)的第二电源。第三传送开关用作电荷放电部分，其 控制光电转换部分与OFD之间的导通。 电荷存储部分2的另一端连接到固定电压电平(例如，地电平)。电荷存储部分 2的上述一端还经由作为第二传送部分的第二传送开关9连接到浮动扩散(FD :floating diffusion)区域4。 FD区域连接到作为放大器部分一部分的放大晶体管12的栅电极。放 大晶体管12的栅极起到放大器部分的输入部分的作用。放大晶体管12的栅极端还经由作 为复位部分的复位晶体管IO连接到像素电源线。尽管在图4所示的示例中，分别提供了作 为0FD的电源线和像素电源线，但是这些电源线可以连接到公共电源或者可以连接到不同的电源。OFD区域可以置于与光电转换部分横向相邻的位置(LOFD(横向溢出漏极Lateral OverFlow Drain))或者与光电转换部分垂直相邻的位置(VOFD(垂直溢出漏极Vertical Over Flow Drain))。 每个传送开关都可以使用MOS晶体管来实现。每个传送开关都由从垂直扫描单元 301提供的驱动脉冲来控制。 作为选择部分的选择晶体管11被连接成使得作为一个主电极的漏电极连接到像 素电源线，作为另一主电极的源电极连接到放大晶体管12的作为一个主电极的漏极。如果 驱动脉冲被输入到选择晶体管11从而接通选择晶体管ll，则放大晶体管12与连接到垂直 信号线OUT的恒流源(未示出) 一起形成源极跟随电路，并且与作为放大晶体管12控制电 极的栅电极的电压对应的信号出现在垂直信号线OUT上。根据出现在垂直信号线OUT上的 信号，从固态图像拾取设备输出信号。该信号被传递通过信号处理电路和其他电路组件，从 而获得图像信号。 在图4所示的示例中，每个像素包括复位部分、放大器部分和选择部分。可替代 地，多个光电转换部分可以共用复位部分、放大器部分和选择部分。在不提供选择部分的情 况下，可以通过控制放大器部分的输入部分的电压来选择每个像素。 如上所述，本发明适用于在光电转换部分与FD区域之间布置电荷存储部分的结 构。 在一特定实施例中，本发明可以适于以下结构，即其中在光电转换部分与电荷存 储部分之间的电荷路径中提供一个机制，以允许在低电平脉冲被提供到第一传送部分，从 而第一传送部分保持在截止(off)状态的状态下电荷被从光电转换部分传送到电荷存储 部分。 更具体地说，例如，在使用MOS晶体管实现第一传送部分时，可以通过构造掩埋型 沟道结构形式的MOS晶体管，使得在MOS晶体管处于截止状态时，在形成在表面以下一深度 处的势垒中存在部分降低的部分，来实现上述机制。在此情况下，在累积信号电荷的时段期 间，电荷传送部分可以不执行有意的控制操作，而是可以使电荷传送部分保持在固定电压。 即，不提供传送部分的功能，而是可以形成固定的势垒。就在累积结束之前，势垒的高度可 以被降低，使得光电转换部分中剩余的电子被传送到电荷存储部分。其后，势垒快速返回到 不允许电子通过的高度。 在该结构中，当光线入射到光电转换部分上时，经由光电转换产生信号电荷，并且 几乎所有所产生的信号电荷都被传送到电荷存储部分而不累积在光电转换部分。因此，有 可能针对各个像素的全部光电转换部分实现相同的电荷累积时段。在MOS晶体管处于截止 状态时，在MOS晶体管的沟道表面中累积空穴，其中传送电荷的沟道处于表面底下一特定 深度处。这使得能够减小绝缘膜界面处暗电流的影响。 换言之，在光电转换部分和电荷存储部分中累积信号电荷的时段期间，电荷路径 中光电转换部分与电荷存储部分之间的势垒低于电荷路径中光电转换部分与OFD区域之 间的势垒。注意，电势在此是相对于信号电荷来定义的。在一特定实现方式中，可以使用电 荷耦合器件来实现电荷存储部分，使得在电荷存储部分中累积信号电荷的时段期间，电压 被施加到经由绝缘膜布置的相对电极，以累积极性与电荷存储部分的表面处的信号电荷的 极性相反的电荷。这可以使得减小在布置电荷存储部分的区域中半导体表面处暗电子的产生。 因此，上述结构使得能够进一步减小与电荷存储部分相关联的暗电流。 执行驱动操作使得在一个曝光时段期间从光电转换部分传送到电荷存储部分的
信号电荷保持在电荷存储部分中并且被用作图像信号。换言之，在光电转换部分中开始一
个曝光时段之后，在不对电荷存储部分复位的情况下信号被读取到像素之外。注意，一个曝
光时段在形成一帧图像中被确定，使得该时段对于全部光电转换部分是公共的。 下面描述有关根据本发明的结构和驱动方法的特定实施例。在下述这些特定实施
例中，假定配置每个像素使得使用掩埋型沟道M0S晶体管构成第一传送部分，并且通过电
荷耦合器件实现电荷存储部分。 在第一实施例中，图像拾取设备具有至少两个操作模式，其中这些操作模式由从 图1中所示的控制单元99至少提供到图3中所示的垂直扫描单元301的控制信号以及被 提供到水平扫描单元303的控制信号来控制。 参考图5和图6具体描述第一实施例。图5示出了在不使用机械快门93的情况 下通过电子控制图像传感器的驱动来控制曝光时间的第一模式下的时序图。在下文中，该 电子机构将被称作电子快门。图6示出了使用机械快门93控制曝光时间的第二模式下的 时序图。 首先，以下参考图5描述使用电子快门的曝光控制。在这种模式下，因为在对曝光 时间的控制中没有使用机械快门，所以不存在对机械快门操作的特定限制。因此，如图5所 示，机械快门可以在包括曝光时段的时段上保持为打开状态。在替代实施例中，在电子快门 操作模式中，为了消除在曝光完成之后入射光泄露的影响从而获得高质量图像，可以关闭 机械快门以在曝光完成之后尽可能快地阻挡光线。为了提高连续拍摄图像的速度，可以将 机械快门保持在打开状态，使得曝光不受机械快门状态的影响，并且可以在拍摄前一图像 完成之后尽可能快地开始对下一图像的拍摄。 在下文中，为了简洁，第一、第二和第三传送开关将分别被称为TX1、TX2和TX3，而 施加到其上的驱动脉冲分别称为PTX1、 PTX2和PTX3。 PTX1、 PTX2和PTX3在特定时间对于 特定行被接通，并且然后对于包括在图像获取区域中的像素在时间T1被同时断开。在该时 间点，包括在图像获取区域中的每个像素的光电转换部分和电荷存储部分从复位状态释放 出来，并且开始信号电荷产生时段。 当自此已经经过一预定时间时，PTX1在时间T2被接通，从而将光电转换部分中剩 余的电荷传送到电荷存储部分。在时间T3， PTX3对于感兴趣的所有像素被同时接通，使得 其后由光电转换所产生的电荷被排出(eject)到溢出漏极区域中。通过此操作，结束信号 电荷产生时段。在此状态下，尽管响应于入射在光电转换部分上的光产生电荷，但是所产生 的电荷被排出到OFD区域中，而不被用于形成图像。因此，在该时间点，结束信号电荷产生 时段。 其后，对于图像获取区域中的像素以行为基础，在T4、 T5和T6控制PRES、PSEL和
PTX2，从而将电荷存储部分中的电荷以行顺次的方式传送到放大器部分。 因为从复位状态释放步骤到接通PTX3的步骤的操作被电控制，所以有可能以微
秒量级的非常高的速度控制该操作。 当读取每个像素行时，可以执行读取，同时在相邻位置处添加像素值或像素颜色值。 接下来，对于机械快门操作模式(即，第二操作模式)中的曝光控制进行说明。
首先，在时间Tl断开PTX1和PTX2，以将像素从复位状态释放出来，从而将像素带 入可以在光电转换部分和电荷存储部分中累积由光电转换部分产生的信号电荷的状态。在 该处理中，因为由机械快门确定信号电荷产生时段，所以可以任意确定断开PTX1和PTX2的 定时。在本实施例中，PTX1和PTX2同时断开，尽管PTX1和PTX2可以以行为基础地断开。 紧接着其后，在T2打开机械快门，以开始信号电荷产生时段。如果已经经过一预定时段，则 在时间T3关闭机械快门，以结束信号电荷产生时段。为了使用光电转换部分和电荷存储部 分来保持信号电荷，PTX3在所有行上都被保持在断开状态。其后，分别对于每一行，PSEL、 PRES、 PTX1和PTX2在时间T4、 T5和T6处被恰当地
控制，从而把光电转换部分和电荷充电部分中的电荷顺次转换到放大器部分。 接下来，参考表示用于电子快门操作模式(第一操作模式)和机械快门操作模式
(第二操作模式)的像素中的电势分布的附图来描述在机械快门操作模式中电荷数量饱和
值的增加机制。 PTS表示将信号捕获到列电路中的光(photo)信号存储部分中的采样脉冲。PTN 表示将信号捕获到列电路中的噪声信号存储部分中的采样脉冲。噪声信号包括随机噪声、 像素的复位晶体管和放大晶体管的偏移。在列电路包括放大器的情况下，噪声信号包括列 放大器的偏移。 图7A到图7H示出了电子快门控制曝光的模式下的电势分布。在图5中的时间 Tl，电势分布从图7A所示的分布改变为图7B所示的分布，并且因此释放复位状态。
如果在时间T2开始信号电荷产生时段，则如图7C所示，开始光电转换部分中信号 电荷的累积。每个像素的电荷存储部分由不透明膜等保护而不被暴露给光，并且因此除了 由于露光引起的电荷之外，在电荷存储部分中不产生信号电荷。如果在光电转换部分中已 经累积了特定数量的信号电荷，则如图7D所示，开始在光电转换部分中累积的电荷向电荷 存储部分的传输，因为在所有部分中，光电转换部分中累积的信号电荷相对于电荷存储部 分的势垒最小。因而，开始电荷存储部分中信号电荷的累积。 在时间T2，由TX1创建的势垒被临时降低，使得在光电转换部分中剩余的信号电 荷被完全传送到电荷存储部分，如图7E所示。 其后，接通TX3以获得图7F所示的电势分布。光所产生的到达光电转换部分的电 荷随后全部被排出到0FD区域中，而不被传送到电荷存储部分。接下来，在读取行时，TX2被 接通，如图7G所示，随后被断开，如图7H所示，从而把电荷存储部分中累积的电荷传送到放 大器部分。 在TX1的势垒类似于图7F所示的其他表面沟道M0S晶体管所创建的电荷路径的 势垒的情况下，电荷存储部分有可能保持电荷直到虚线501所表示的高度。然而，实际上， 因为TX1为掩埋型沟道晶体管，所以超过TX1的势垒的高度所保持的信号电荷经由光电转 换部分被排出到0FD区域中，并且因此虚线502是电荷存储部分能保持的电荷数量的上限。
接下来描述由机械快门控制曝光的模式。图8A到图8G示出了由机械快门控制曝 光的模式下的电势分布。每个图顶部的水平实心条带表示机械快门的状态。在紧挨地位于 光电转换部分之上的条带的一部分打开时，机械快门处于光能到达光电转换部分的打开状态中，而在条带完全关闭时，机械快门处于阻挡光线的关闭状态。 在光电转换部分处于机械快门阻挡光线的状态时，TX1、TX2和TX3被接通，同时保 持PRES处于接通状态，如图8A所示，从而对光电转换部分和电荷存储部分进行复位。在随 后的时间T1，结束复位操作。结果，获得诸如图8B中所示的电势分布。在时间T2，打开机
械快门以开始信号电荷产生时段，其中在该时段期间，光电转换部分产生信号电荷。在高强 度(intensity)光入射到光电转换部分上的状态下，不管TX1的势垒的高度如何，由TX2和 TX3的势垒的高度确定能够保持的最大电荷数量，如图8D所示。 在时间T3，如图8E所示，关闭机械快门以防止光到达光电转换部分。其后，接通 TX1和TX2，同时保持TX3处于断开状态，从而把电荷传送到放大器部分，如图8F和图8G所示。 在上述处理中，如图8E所示，由TX3(或TX1)的势垒的高度以及电荷存储部分和 光电转换部分的电势深度(potential d印th)确定累积的信号电荷的最大数量。由于与图 7A到图7H所示的电子快门操作模式的势垒相比更大的势垒，所以每个部分都具有更大的 存储电荷容量。而且，除了电荷存储部分之外，光电转换部分变得能够存储信号电荷，并且 因此在原理上获得了对应于图8E中阴影区域601的电荷存储容量的增加。根据经验，电荷 存储容量增加1. 3到1. 5倍。这意味着能够在无需具有高达1. 5倍的更高亮度的对象的饱 和度的情况下来拍摄图像。 本发明的实施例具有以下特征。在电子快门操作模式下，所有的控制都以电方式 执行，并且因此极高速的曝光控制是可能的。而且，同样以电方式进行对于拍摄图像的下一 操作的准备，并且因此有可能实现高速快门操作并且实现高速连续拍摄多个图像的功能。 这是非常有用的，尤其是对于拍摄运动对象的图像来说。另一方面，在机械快门操作模式 下，可以使用电荷存储部分和光电转换部分这两者来存储电荷，并且因此有可能实现电荷 数量的极高的饱和值。注意，单个图像拾取设备具有两个操作模式，即，可以是可切换的第 一操作模式和第二操作模式，并且因此单个图像拾取设备能以极高速快门操作拍摄图像， 在第一操作模式下高速连续拍摄多个图像，以及在第二操作模式下以电荷数量的高饱和值 拍摄图像。例如，第一操作模式可以用来拍摄运动画面，第二操作模式可以用来拍摄静止画 面。第二操作模式还可以用于拍摄具有扩展动态范围的图像。 在本实施例中，假定使用掩埋型沟道MOS晶体管实现TX1 。可替代地，可以如TX2和 TX3那样使用表面沟道MOS晶体管来实现TX1，并且因此势垒的高度可以类似于TX2和TX3 的高度，这是因为，尽管在电子快门操作模式中没有使用光电转换部分的电荷存储容量，但 是有可能在机械快门操作模式中有效地利用光电转换部分的电荷存储容量。
电荷数量的饱和值根据操作模式而变化，饱和值的变化会导致在读取电路中发生 饱和。可以通过在读取电路中提供可变增益放大器部分并且根据操作模式切换增益来避免 这种饱和。在每个像素中所提供的源极跟随器的输入动态范围不足够大的情况下，可以动 态地改变像素的浮动扩散的电容(capacitance)。 在第二实施例中，除了上述第一实施例的两种操作模式之外，图像拾取设备还具 有图9所示的第三操作模式(行曝光模式linee邓osure mode)。以下参考图9来说明第 三操作模式。第三操作模式可以通过图l所示的控制单元99所发出的控制信号来指定。
在行曝光模式(第三操作模式)中，执行如下操作。对于图像获取区域中的像素，光电转换部分和电荷存储部分被复位，并且随后以像素行为单位从复位状态释放出来。如 果已经经过了预定时段，则电荷存储部分和光电转换部分中的信号电荷以像素行为单位被 顺次传送到放大器部分。 在行曝光模式中，信号电荷产生时段由从开始读取每行到开始读取下一行的时间 给出。例如，第一行的信号电荷产生时段由从时间T1到时间T2的时段701给出。根据前
一帧读取中的行到行的时间差来调节下一行的读取时间，使得对于每行，信号电荷产生时 段等于时段701，并且因此信号电荷产生时段在整个帧上都相等。 在累积时段被设置为小于从开始读取一帧到开始读取下一帧的时段的值时，在读 取操作中可以对于每一行将光电转换部分和电荷存储部分复位。在此情况下，行与行之间 的复位时间差可以被调节为等于行与行之间的读取时间差。 下面描述本发明实施例固定的特征。在电子快门操作模式中，在完成曝光之后，在 读取电荷之前要将光电转换部分复位，并且因此，在拍摄运动图像时，存在不允许曝光的时 段。在运动图像中这个时段的存在使得运动对象的图像运动不连续。在机械快门操作模式 中，很难拍摄运动图像。 另一方面，在根据本实施例的行曝光模式(第三操作模式)中，每行从复位状态的 释放被设置为等于或接近等于前一帧图像的读取时间，并且因此可以基本上消除未曝光时 段。 S卩，除了在第一操作模式中的高速快门操作和图像高速连续拍摄以及在第二操作 模式中的电荷数量高饱和值之外，在第三操作模式中，拍摄高质量运动图像是可能的，并且 实现了电子取景器。 在第三实施例中，图像拾取设备具有第四操作模式，其中在使用机械快门实现电 荷数量的高饱和值的同时，以电方式控制信号电荷产生时段的开始时间。这使得从运动图 像拍摄操作快速切换到静止图像拍摄操作成为可能。第四操作模式可以由图1中所示的控 制单元99所发出的控制信号指定。 下面参考图IO所示的时序图来描述根据第三实施例的操作。根据第三实施例的
操作与先前实施例的不同之处在于，对于包括在图像获取区域中的所有像素，在时间Tl执 行从复位状态的释放，从而开始信号电荷产生时段，并且响应于机械快门的操作在时间T2
结束信号电荷产生时段。更具体地说，在光入射到光电转换部分上的状态下，光电转换部分 和电荷存储部分被复位，并且随后从复位状态被释放出来。此后，关闭到光电转换部分的 光路，并且电荷存储部分和光电转换部分中的信号电荷以行为单位被顺次传送到放大器部 分。 例如对于机械快门来说，可以使用能够同时为所有像素阻光的透镜快门。在如焦 平面快门那样在对于每行不同的一时段内阻挡光到达光电转换部分的类型的机械快门的 情况下，可以事先存储表示快门帘幕行进速度的数据，并且可以根据快门帘幕的行进速度 来调节释放复位状态的时间，使得曝光时间对于每一行变得相等。 除了在第一实施例和第二实施例中得到的特征之外，根据本实施例的第四操作模 式还提供以下特征可以从电子取景器操作或拍摄运动图像中使用的行曝光模式快速地切 换到使用机械快门的静止图像模式。还可以在使用电子快门拍摄图像的高速操作之后，快 速切换到使用机械快门拍摄图像的操作。可以在极短时间内执行使用高速快门操作拍摄对象图像以及以高饱和模式拍摄相同对象的图像的两个操作。这允许用户选择两个图像中的 一个。 尽管参考示例实施例描述了本发明，但是应当理解本发明并非限于所公开的示例 实施例。所附权利要求的范围与最宽的解释一致，从而包含所有变型和等效结构以及功能。
权利要求
一种设备，包括以矩阵形式排列的多个像素，其中每个像素包括光电转换部分、被配置成存储从所述光电转换部分接收的信号电荷的电荷存储部分、被配置成控制所述光电转换部分与溢出漏极区域之间的导通的电荷放电部分、被配置成传送存储在所述电荷存储部分中的电荷的传送部分、被配置成放大基于由所述传送部分所传送的电荷的信号的放大器部分、以及被配置成对所述光电转换部分和所述电荷存储部分进行复位的复位部分；快门部分，配置成控制入射在所述光电转换部分上的光量；扫描单元，配置成向所述传送部分、所述复位部分和所述电荷放电部分提供驱动脉冲；以及控制单元，配置成向所述扫描单元提供控制信号以在第一模式和第二模式之间切换驱动模式，并且向所述快门部分提供控制信号，其中所述第一模式被执行为使得对于包括在图像获取区域中的所有像素，所述光电转换部分和所述电荷存储部分被从复位状态释放出来以开始一时段，并且在已经经过了一预定时间时，每个像素的光电转换部分和溢出漏极区域被接通以结束这一时段，并且最后，所存储的电荷被传送到所述放大器部分，所述第二模式被执行为使得所述快门部分被打开以开始一时段，并且在已经经过一预定时间时，所述快门部分被关闭以结束这一时段，并且最后，所存储的电荷被传送到所述放大器部分。
2. 根据权利要求1所述的设备，其中所述控制单元被配置成把所述驱动模式切换到第 三模式，其中在所述第三模式中，对于包括在图像获取区域中的像素，所述光电转换部分和 所述电荷存储部分被复位并且随后以像素行为单位从复位状态释放出来，并且在已经经过 一预定时间时，所述电荷存储部分和所述光电转换部分中的信号电荷以像素行为单位被顺 次传送到所述放大器部分。
3. 根据权利要求1或2所述的设备，其中所述控制单元被配置成把所述驱动模式切换 到第四模式，其中在所述第四模式中，在光入射到所述光电转换部分上的状态下，所述光电 转换部分和所述电荷存储部分被复位并且随后从复位状态释放出来，并且此后，到所述光 电转换部分的光路被关闭，并且所述电荷存储部分和所述光电转换部分中的信号电荷以像 素行为单位被顺次传送到所述放大器部分。
4. 根据权利要求1所述的设备，其中所述光电转换部分与所述电荷存储部分之间的电 荷传送路径由掩埋型沟道MOS晶体管提供。
5. 根据权利要求1所述的设备，其中在所述光电转换部分和所述电荷存储部分中产生 信号电荷的时段期间，所述光电转换部分与所述溢出漏极区域之间的电荷路径中对于信号 电荷的势垒高于所述光电转换部分与所述电荷存储部分之间的电荷路径中对于信号电荷 的势垒。
全文摘要
本发明公开了图像拾取设备。在设备中，可在第一模式与第二模式之间切换操作。在第一模式中，对于包括在图像获取区域中的全部像素，光电转换部分和电荷存储部分从复位状态释放出来以开始一时段，并且在经过预定时间时，接通每个像素的光电转换部分和溢出漏极区域以结束该时段，并且最后所存储的电荷被传送到放大器部分。在第二模式中，在打开机械快门以开始一时段之后，关闭机械快门以结束该时段，并且所存储的电荷被传送到放大器部分。
文档编号H04N5/341GK101719992SQ20091017905
公开日2010年6月2日 申请日期2009年10月9日 优先权日2008年10月9日
发明者山下雄一郎 申请人:佳能株式会社