固态图像传感器、摄像设备和摄像方法与流程

本发明涉及一种固态图像传感器、摄像设备和摄像方法。

背景技术：

传统上，已经提出了通过使用雪崩光电二极管(apd)来检测单个光子的技术。当光子入射在施加大于击穿电压的反向偏压的雪崩光电二极管上时，产生载流子，发生雪崩倍增，并且大电流流过。可以基于该电流来检测光子。这种雪崩光电二极管(apd)被称为spad(单光子雪崩二极管)。日本特开2014-81253公开了光接收元件中的具有雪崩光电二极管的光电检测器。

如果雪崩光电二极管中存在晶体缺陷，则晶体缺陷产生暗电流，并且即使光子没有入射在雪崩光电二极管上，该雪崩光电二极管中也可能发生雪崩倍增现象。如果即使没有入射光子也发生雪崩倍增现象，则功耗增加。

技术实现要素：

本发明是在考虑到上述情形而作出的，并且提供可降低功耗的固态图像传感器、摄像设备和摄像方法。

根据本发明，提供一种固态图像传感器，包括：像素部，其中布置有多个像素，各个像素设置有包括雪崩光电二极管和淬灭电阻器的传感器部；以及控制器，用于进行设置，使得将小于所述雪崩光电二极管的击穿电压的偏压施加在所述多个像素中的异常像素中所设置的雪崩光电二极管两端。

此外，根据本发明，提供一种摄像设备，包括：根据上述的固态图像传感器；以及处理器，用于对所述固态图像传感器所输出的信号进行预定信号处理。

此外，根据本发明，提供一种摄像方法，包括：设置步骤，用于进行设置，使得在各自设置有包括雪崩光电二极管和淬灭电阻器的传感器部的多个像素中，将小于所述雪崩光电二极管的击穿电压的偏压施加在所述多个像素中的异常像素中所设置的雪崩光电二极管两端；以及拍摄步骤，用于使用包括设置有多个所述传感器部的像素阵列的固态图像传感器来拍摄图像。

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

包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出本发明的实施例，并且与说明书一起用于说明本发明的原理。

图1是示出根据第一实施例的摄像设备的框图。

图2示出根据第一实施例的固态图像传感器的典型布局。

图3是示出根据第一实施例的固态图像传感器中设置的单位像素的图。

图4是示出雪崩光电二极管的电压-电流特性的图。

图5示出示出根据第一实施例的固态图像传感器的工作的流程图。

图6是示出根据第二实施例的固态图像传感器中设置的单位像素的图。

图7是示出根据第三实施例的固态图像传感器中设置的单位像素的图。

图8是示出根据第四实施例的固态图像传感器中设置的单位像素的图。

具体实施方式

将根据附图来详细描述本发明的典型实施例。应当注意，本发明不限于下面描述的实施例，并且可以适当地修改。另外，下面描述的实施例可以适当地组合。

第一实施例

下面将参考图1至5来描述根据本发明的第一实施例的固态图像传感器、摄像设备和摄像方法。图1是示出根据本实施例的摄像设备的框图。

根据本实施例的摄像设备100包括透镜驱动单元102、快门103、快门驱动单元104、固态图像传感器105、信号处理单元106、定时生成单元107、存储器单元108、控制单元109、记录单元110和显示单元112。另外，摄像设备100还包括摄像透镜(摄像光学系统、透镜单元)101。摄像透镜101相对于摄像设备100的主体可以是可拆卸的，或者可以不是可拆卸的。

固态图像传感器105通过对由摄像透镜101形成的被摄体的光学图像进行光电转换来生成图像信号，并输出所生成的图像信号。设置在固态图像传感器105中的各单位像素306(参见图3)包括雪崩光电二极管302(参见图3和计数器305(参见图3)，并且可以对入射光子的数量进行计数并将其输出为信号值。

透镜驱动单元102驱动摄像透镜101并进行诸如变焦控制、调焦控制和光圈控制等的各种控制。摄像透镜101生成被摄体的光学图像，并在固态图像传感器105的摄像面上形成所生成的光学图像。

快门103介于摄像透镜101和固态图像传感器105之间。快门103是由快门驱动单元104驱动的机械快门。

信号处理单元106对由固态图像传感器105输出的图像信号(图像数据)进行诸如校正等的预定信号处理(图像处理)。信号处理单元106还可以进行诸如展开和压缩等的信号处理。信号处理单元106可以与控制单元109协作以用作用于对从固态图像传感器105输出的信号进行预定处理的处理单元。

定时生成单元(定时发生器)107向固态图像传感器105和信号处理单元106等提供各种定时信号。

控制单元(整体控制/运算单元、控制部件)109进行摄像设备100的整体控制并且还进行预定计算等。控制单元109输出控制信号以驱动摄像设备100的各块，并且还输出控制数据等以控制固态图像传感器105。

存储器单元108临时存储图像数据等。

显示单元112显示在控制单元109的控制下经过了预定处理等的图像信号以及摄像设备100的各种设置信息等。

记录单元110在记录介质111中记录由信号处理单元106等处理的图像信号等。此外，记录单元110读出记录在记录介质111中的图像信号等。记录介质111相对于记录单元110可以是可拆卸的或可以不是可拆卸的。记录介质111可以是例如诸如闪速存储器等的半导体存储器。

下面描述在拍摄期间的摄像设备100的操作。

当通过对电源开关所进行的用户操作接通主电源时，接通向控制单元109等的电源，并且还接通向信号处理单元106等的电源。

随后，当用户按下释放按钮(未示出)时，开始摄像设备100的拍摄操作。在摄像设备100完成拍摄操作时，信号处理单元106对从固态图像传感器105输出的图像信号进行预定信号处理。已经由信号处理单元106进行了预定信号处理的图像数据(数据)根据控制单元109的各指令而存储在存储器单元108中。保持在存储器单元108中的数据根据控制单元109的控制经由记录单元110而记录在记录介质111中。

注意，图像数据等也可以经由外部i/f单元(未示出)而被输出到个人计算机等。然后，个人计算机等可以对图像数据进行预定信号处理。

以下参考图2来描述根据本实施例的固态图像传感器105。图2示出根据本实施例的固态图像传感器105的典型布局。

固态图像传感器105通过堆叠传感器单元基板201和计数单元基板202构成，其中传感器单元基板201包括多个传感器单元203以矩阵形式布置的像素阵列(像素部)207，以及计数单元基板202包括多个计数器305以矩阵形式布置的像素控制单元205(参见图3)。设置在传感器单元基板201上的电极(未示出)和设置在计数单元基板202上的电极(未示出)彼此电连接。因此，从设置在传感器单元基板201上的传感器单元203输出的脉冲信号pls被输入到设置在计数单元基板202上的计数器305。此外，从设置在计数单元基板202上的像素控制单元205输出的控制信号pdef被提供给设置在传感器单元基板201上的开关303(参见图3)。

计数单元基板202包括异常像素存储单元204、像素控制单元205和信号处理电路206。异常像素存储单元204是用于存储多个单位像素306中具有缺陷的像素(即，异常像素)的地址的存储器。像素控制单元205包括分别与多个传感器单元203相对应的多个计数器305。计数器305响应于光子入射在传感器单元上而对从各个传感器单元203输出的信号脉冲的数量进行计数。在像素控制单元205处计数的计数值经由信号处理电路206输出到外部。像素控制单元205基于存储在异常像素存储单元204中的异常像素信息来适当地控制各像素。像素控制单元205用作如下所述的设置单元。设置单元进行设置，使得在各异常像素中所设置的雪崩光电二极管302两端施加大于或等于击穿电压的电压，并且在非异常的各像素中所设置的雪崩光电二极管302两端施加低于击穿电压的电压。

由于传感器单元203和计数器305设置在分开的基板中，针对像素阵列207可以确保较大的面积。注意，固态图像传感器105的配置不限于上述配置。例如，同一基板可以设置有传感器单元203和计数器305。

以下参考图3来描述在固态图像传感器105中设置的单位像素306。图3是示出固态图像传感器105中设置的单位像素306的图。

如图3所示，单位像素306包括传感器单元(感光器单元)203和计数器305。传感器单元203设置有雪崩光电二极管302、淬灭电阻器(quenchingresistor)301、开关303和反相缓冲器304。雪崩光电二极管302的阳极经由开关303连接到第一电位lvdd或第二电位mvdd，而雪崩光电二极管302的阴极连接到淬灭电阻器301的一端。淬灭电阻器301的另一端连接到第三电位hvdd。

当雪崩光电二极管302的阳极经由开关303连接到第一电位lvdd时，大于或等于击穿电压的反向偏压经由淬灭电阻器301而施加在雪崩光电二极管302两端。在这种情况下，雪崩光电二极管302以geiger模式工作。也就是说，入射在雪崩光电二极管302上的光子触发雪崩倍增现象。因此，产生雪崩电流并且在淬灭电阻器301两端发生电压降。淬灭电阻器301是用于使雪崩光电二极管302的雪崩倍增现象停止的电阻元件。可以使用晶体管的电阻成分来配置淬灭电阻器301。当由于雪崩光电二极管302中发生的雪崩倍增现象而产生雪崩电流时，在淬灭电阻器301两端发生电压降，并且发生施加在雪崩光电二极管302两端的反向偏压的下降。当反向偏压下降到击穿电压时，雪崩倍增现象停止。结果，雪崩电流停止流动，并且在雪崩光电二极管302两端再次施加大于或等于雪崩光电二极管302的击穿电压的反向偏压。

设置反相缓冲器304，以提取在淬灭电阻器301中发生的电压变化作为脉冲信号pls。当光子入射在雪崩光电二极管302上时，反相缓冲器304输出脉冲信号pls。以这种方式，传感器单元203以与接收光子的频率相对应的频率来产生脉冲。

当雪崩光电二极管302的阳极经由开关303连接到第二电位mvdd时，小于击穿电压的反向偏压经由淬灭电阻器301而施加至雪崩光电二极管302两端。在这种情况下，雪崩光电二极管302不在geiger模式下工作。

当从像素控制单元205提供给开关303的控制信号pdef处于l电平时，雪崩光电二极管302的阳极连接到地电位ldvv。另一方面，当从像素控制单元205提供给开关303的控制信号pdef处于h电平时，雪崩光电二极管302的阳极连接到第二电位mdvv。

接着，将参考图4来描述当提供l电平的控制信号pdef时传感器单元203的工作。图4是示出雪崩光电二极管的电压-电流特性的图。

从像素控制单元205向没有任何缺陷的单位像素306或正常像素的传感器单元203提供l电平的控制信号pdef。当控制信号pdef处于l电平时，雪崩光电二极管302的阳极经由开关303连接到第一电位lvdd。结果，雪崩光电二极管302在geiger模式下工作。当光子入射在雪崩光电二极管302上时，在雪崩光电二极管302中发生雪崩倍增现象，并且大电流流过雪崩光电二极管302(动作a)。当大电流流过雪崩光电二极管302时，在淬灭电阻器301两端产生电压降，施加在雪崩光电二极管302两端的反向偏压下降到击穿电压以下，并且雪崩倍增现象停止(动作b)。当雪崩倍增现象停止时，再次在雪崩光电二极管302两端施加大于或等于雪崩光电二极管302的击穿电压的反向偏压，使雪崩光电二极管302的工作模式恢复成geiger模式(动作c)。

作为上述动作a至c的结果，反相缓冲器304的输入端子处的电位改变。反相缓冲器304进行波形整形并输出脉冲信号pls。通过计数器305对从反相缓冲器304输出的脉冲信号pls进行计数。通过重复这种动作，对入射在雪崩光电二极管302上的光子的数量进行计数。

注意，如果使异常像素以上述方式工作，不仅由于入射光子，而且还由于因缺陷产生的暗电子而产生雪崩倍增现象。在具有严重缺陷的像素中，不断地产生暗电子，因此以高频率发生雪崩倍增现象，从而导致消耗大量电力。

接着，将描述当提供h电平的控制信号pdef时传感器单元203的工作。在本实施例中，从像素控制单元205向具有缺陷的单位像素306(即，异常像素)的传感器单元203提供h电平的控制信号pdef。当控制信号pdef处于h电平时，雪崩光电二极管302的阳极经由开关303连接到第二电位mvdd。因此，施加在雪崩光电二极管302两端的反向偏压小于雪崩光电二极管302的击穿电压，并且雪崩光电二极管302在线性模式下工作。在这种情况下，即使光子入射在特定单位像素306上并且在单位像素306中产生暗电子，也不会发生雪崩倍增现象，从而抑制了功耗。此外，在反相缓冲器304的输入端子中没有发生电位变化，因此计数器305不进行计数操作，并且计数器305的计数值保持为“0”。

以下参考图5描述来根据本实施例的固态图像传感器105的工作。图5示出阐述根据本实施例的固态图像传感器105的工作的流程图。图5示出缺陷检测模式和拍摄模式下的工作。缺陷检测模式是指用于检测异常像素并将检测到的异常像素的地址存储在异常像素存储单元204中的模式。拍摄模式是指实际拍摄被摄体的图像的模式。

首先，在步骤s501中，当按下释放按钮(未示出)时，检测用于进行用户所进行的拍摄操作的指令，并且开始流程图的处理。随后，处理进入步骤s502。

在步骤s502中，接通固态图像传感器105的电源。此时，对于所有地址，将由像素控制单元205输出的控制信号pdef的逻辑初始值设置为“h”。利用这种配置，当接通电源时，异常像素没有消耗电力。然后，处理进入步骤s503。注意，尽管根据本实施例当用户发出拍摄图像的指令时接通电源，但是本发明不限于此。例如，可以以预定的时间间隔接通电源。可选地，当接通电源时，在发出拍摄图像的指令之前，所有像素可以在线性模式下工作，并且响应于拍摄图像的指令，可以将正常像素的工作模式改变为geiger模式。

在步骤s503中，判断固态图像传感器105是在缺陷检测模式还是在拍摄模式下工作。例如，在固态图像传感器105或摄像设备100出厂之前，如果固态图像传感器105在缺陷检测模式下工作，则将异常像素的地址存储在异常像素存储单元204中。另外，即使用户经由操作单元(未示出)进行操作以使固态图像传感器105在缺陷检测模式下工作，固态图像传感器105也可以在缺陷检测模式下工作。另外，紧挨在对拍摄开始前的真实图像进行获取之前，可以使固态图像传感器105在缺陷检测模式下工作以获取光学黑图像。如果固态图像传感器105在缺陷检测模式下工作(步骤s503中为“是”)，则处理进入步骤s504。另一方面，如果固态图像传感器105没有在缺陷检测模式下工作(步骤s503中为“否”)，即，如果固态图像传感器105在拍摄模式下工作，则处理进入步骤s507。

在步骤s504中，像素控制单元205将提供给所有单位像素306的控制信号pedf设置为l电平。以这种方式，所有单位像素306的雪崩光电二极管302将在geiger模式下工作。然后，处理进入步骤s505。

在步骤s505中，在快门103关闭的情况下进行拍摄操作以获取光学黑图像。在正常单位像素306中，几乎没有任何光子入射在单位像素306上，因此单位像素306中的计数值接近于零。另一方面，在异常像素中出现暗电子，因此单位像素306中的计数值较大。像素控制单元205将计数值大于或等于预定阈值的单位像素306判断为异常像素。然后，处理进入步骤s506。

在步骤s506中，像素控制单元205在异常像素存储单元204中存储表示被判断为异常像素的单位像素306的地址的信息，即异常像素信息。随后，终止缺陷检测模式下的工作。

在步骤s507中，像素控制单元205将h电平的控制信号pdef提供给与存储在异常像素存储单元204中的地址相对应的单位像素306的开关303，并且将l电平的控制信号pdef提供给与其它地址相对应的单位像素306的开关303。因此，异常像素在线性模式下工作，不发生雪崩倍增现象，并且可以抑制功耗。然后，处理进入步骤s508。

在步骤s508中，进行正常拍摄。这终止了拍摄模式下的工作。

注意，在本发明中，作为示例说明了仅将异常像素的地址存储在异常像素存储单元204中的情况。然而，本发明不限于此。还可以将表示这些异常像素的缺陷程度的信息与异常像素的地址一起存储在异常像素存储单元204中。另外，可以根据固态图像传感器105的环境温度、存储时间和灵敏度等来切换控制信号pdef。

这样，根据本实施例，如果单位像素306是异常像素，则将施加在单位像素306的雪崩光电二极管302两端的反向偏压设置为小于雪崩光电二极管302的击穿电压。这样，根据本实施例，可以防止由缺陷产生的暗电子引起的雪崩倍增现象，并且可以实现功耗的降低。

第二实施例

下面将参考图6来描述根据本发明的第二实施例的固态图像传感器、摄像设备和拍摄图像的方法。图6是示出根据本实施例的固态图像传感器中设置的单位像素的图。在根据本实施例的固态图像传感器中，通过激光照射等来切断(熔断)异常像素的配线602。

如图6所示，在根据本实施例的固态图像传感器中，雪崩光电二极管302的阳极经由配线602连接到第一电位lvdd。电阻器601的一端连接到配线602中的点603。电阻器601的另一端连接到配线602中的另一点604。

当配线602没有被切断时，电阻器601的两端被配线602短路。雪崩光电二极管302的阳极处于第一电位lvdd，因此雪崩光电二极管302在geiger模式下工作。

通过激光照射等切断由点划线椭圆圈出的部分605中的配线602，雪崩光电二极管302的阳极经由电阻器601连接到第一电位lvdd。设置电阻器601的电阻值以使得反向偏压小于雪崩光电二极管302的击穿电压，以施加在雪崩光电二极管302的阳极和阴极之间。以这种方式，如果切断配线602，则雪崩光电二极管302中不太可能发生雪崩倍增现象，并且雪崩光电二极管302在线性模式下工作。

在制造固态图像传感器的工厂中，对制造的固态图像传感器进行测试。在该测试中，获取光学黑色图像，以基于所获取到的光学黑色图像来判断哪个传感器像素是异常的。例如，通过激光切断那些异常像素的配线602。

电阻器601和配线602用作如下所述的设置单元。设置单元进行设置，使得在各异常像素中设置的雪崩光电二极管302两端施加小于击穿电压的反向电压，并且在非异常的各像素中设置的雪崩光电二极管302两端施加大于或等于击穿电压的反向电压。

如上所述，根据本实施例，对异常像素进行处理以防止异常像素在geiger模式下工作。根据本实施例，不需要第一实施例中设置的开关303。此外，不需要配线来提供控制信号pdef。此外，不需要配线来提供第二电位mdvv。此外，不需要异常像素存储单元204。由于不需要这些组件，因此本实施例可以有助于雪崩光电二极管302的面积扩大和成本降低。

第三实施例

在第一实施例中，描述了包括在雪崩光电二极管302的阳极与电压lvdd的连接和该阳极与电压mvdd的连接之间切换的开关的结构。在本实施例中，示出设置在雪崩光电二极管302的阴极侧的淬灭电阻器301被mos晶体管代替的替代结构。

以下将参考图7来描述根据第三实施例的单位像素306的结构。与图3所示的结构相比，不需要电压mvdd和电压转换开关303，并且用pmos晶体管701代替淬灭电阻器301，使得控制信号pdef输入到pmos晶体管701的栅极。

在正常像素的情况下，通过将控制信号pdef设置为“l”来控制雪崩倍增现象，使pmos晶体管进入导通状态，并使pmos晶体管的导通电阻用作淬灭电阻。另一方面，在异常像素的情况下，进行控制，通过将控制信号pdef设置为“h”并且关断pmos晶体管以使雪崩光电二极管302的阴极浮动来防止雪崩倍增现象的发生。

如第一实施例中那样，该结构还可以降低由异常像素所消耗的电力量。

注意，虽然在前面的描述中代替淬灭电阻器301而使用pmos晶体管701，但是可以替代地通过针对正常像素将控制信号pdef设置为“h”为并且针对异常像素将控制信号pdef设置为“l”来使用nmos晶体管。

第四实施例

鉴于由于异常像素引起的功耗增加的问题，第一实施例至第三实施例描述了如下典型情况：通过进行控制以将施加在异常像素的雪崩光电二极管两端的反向偏压保持为小于击穿电压，来防止由于暗电子引起的雪崩倍增现象。上述技术防止了在异常像素中发生雪崩倍增现象，因此计数器始终为“0”。由于这将在视觉上被识别为黑色瑕疵，因此需要进行校正。注意，信号处理单元106无法基于计数器值来判断是由于这是异常像素因而计数器值为“0”、还是由于这是输出值为“0”的正常像素因而计数器值为“0”。此外，一种可能的方法是通过在图像传感器工厂的检查期间创建与异常像素的地址有关的数据并且在后续阶段将这些地址存储在存储器单元108中来判断像素是否异常。然而，由于这占据了存储器单元108的大部分容量，因此这不是期望的。

以下描述使得以使得不会减小存储器单元108的容量的方式能够正确判断给定像素是否异常的结构。

以下将参考图8来描述根据第四实施例的单位像素306的结构。与图3所示的结构相比，还将像素控制单元205输出的控制信号pdef输入到如点划线801所示的计数器305。

以下描述根据第四实施例的计数器305的操作。

计数器305在紧挨在曝光开始之前被复位。此时，如果输入到计数器305的控制信号pdef处于h电平，即如果像素异常，则计数器305的复位值被设置为“0”。如果控制信号pdef处于l电平，即如果像素正常，则计数器305的复位值被设置为“1”。

利用该结构，由于正常像素的计数值无一例外至少为1，因此如果计数值为“0”，则可以判断为像素异常，以及如果计数器值为“1”以上，则可以判断为像素正常。后级中的信号处理单元106判断为计数值为“0”的像素是异常像素，并对异常像素进行各种校正。注意，可以在由信号处理单元106进行的后续缺陷校正中减去作为正常像素的复位值的值“1”，以消除其影响。

因此，可以在无需占用存储器单元108的大部分容量的情况下，在后级的处理电路中将异常像素与正常像素正确地区分开。

注意，以上描述了针对正常像素的计数器复位值是“1”以及针对异常像素的计数器复位值是“0”的示例，本发明并不限于此。如果针对异常像素的计数器复位值是“0”，则针对正常像素的计数器复位值可以是除“0”之外的任何预定值。

其它实施例

如上已经描述了本发明的优选实施例，本发明不限于这些实施例，而可以在不脱离本发明的精神的情况下以各种方式进行修改和改变。

本发明的实施例还可以通过如下的方法来实现，即，通过网络或者各种存储介质将进行上述实施例的功能的软件(程序)提供给系统或装置，该系统或装置的计算机或是中央处理单元(cpu)、微处理单元(mpu)读出并进行程序的方法。

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。