Cmos固态图像获取设备的制作方法

专利名称：Cmos固态图像获取设备的制作方法
CMOS固态图像获取设备背景技术本发明涉及放大型CMOS固态图像获取设备，其对通过在多个阵 列排布的像素中提供的光电转换元件获得的电荷进行放大，并将放大 后的电荷输出为电信号。近年来，图像获取设备得到广泛应用，例如数码照相机和数码摄 像机，其可以通过固态图像传感设备来获取图像，并将获取的图像存 储为数字数据。从前，CCD (电荷耦合器件)固态图像获取设备是最 常用类型的固态图像获取设备。然而，近年来，由于对增加像素数量 的需求越来越大，CMOS (互补金属氧化物半导体)固态图像获取设备 引起了大量关注(参见例如日本专利No.3，827，145)。许多CMOS固 态图像获取设备具有电子快门功能。与CCD固态图像获取设备的快门 功能不同，CMOS固态图像获取设备的电子快门功能通过所谓的"滚 动快门"或"焦平面快门"实现，其通过基于逐行顺序地扫描二维阵 列排布的像素来输出信号。因此，采用传统已知的CMOS固态图像获 取设备，曝光期间(时间)逐行顺序转变(shift)，因此，在摄像移动 物体时，移动物体的图像将会出现不合适的扭曲。为了避免这类问题， 提出了多种技术，其使得CMOS固态图像获取设备能够具有"全局快 门功能"，用于在共有或相同的曝光期间内对所有的像素行曝光。例 如，在日本专利申请特开公布No.2006-191236中公开的CMOS固态图 像获取设备中，采用光电二极管形式的光电转换元件的曝光在接通状 态下始于布置的每个像素提供的转移晶体管和复位晶体管，而在复位 状态下则始于布置的每个光电二极管的浮动扩散层的存储的(或累积) 的电荷和电位。经过预定的曝光期间后，所公开的CMOS固态图像获 取设备关闭机械快门，以中止曝光期间，并基于逐行顺序地从浮动扩 散层读出与由光电二极管转移的电荷对应的电压。然而，如果提供机械快门用作如在NO.2006-191236公布中公开的 全局快门功能，则CMOS固态图像获取设备在机械结构方面会变得复 杂，因此较为昂贵。发明内容考虑到上述问题，本发明的目标在于提供一种改进的CMOS固态 图像获取设备，其可以在同样的曝光期间内对所有像素行进行曝光， 因此可以以大体与全局快门同样的方式来无扭曲地正确拍摄移动物 体，甚至不需要其中提供的特定的全局快门机构。为了实现上述目标，本发明提供一种改进的CMOS固态图像获取 设备，包括像素矩阵部分，包括多个以行和列阵列布置的像素；像 素信号处理部分，处理从像素矩阵部分的每个像素读出的像素信号； 和时间控制部分，周期性地重复用于从像素矩阵部分的各个像素读取 一屏的像素信号的时间控制，并提供空白期，在该空白期期间，在从 一屏的像素信号读出的结束到下一屏的像素信号读出的开始之间不读 出像素信号，该时间控制部分输出控制信号以在空白期内的指定部分 上照明光源。利用如此构建的本发明，在同样的光源照明期间内，像素矩阵部 分的所有像素被曝光，并因此，甚至可以在设备中不提供特定的全局 快门机构的条件下，无扭曲地正确对移动物体摄像。下文描述本发明的实施例，但需要意识到的是，本发明不局限于 所述的实施例，且在不违背基本原理的条件下，本发明的多种变体是 可以的。因此，本发明的范围应单独通过所附权利要求来确定。


为了更好地理解本发明的目标和其他特征，下面将参考附图更详细说明其优选的实施例，其中图1是图示依照本发明实施例的CMOS固态图像获取设备的示例 结构的电路图；图2是图示一个像素和与该像素对应的行选择部分的一部分以及 在像素、恒流源、CDS电路和开关之间的连接的电路图；图3的(a)是示意性示出在半导体基板上制造的像素的多个元件 的截面图，而图3的(b)是图示在像素的多个元件处的电位和像素内 的电荷转移的图；图4是说明CMOS固态图像获取设备的实施例在正常模式下的行 为的时序图；图5是说明CMOS固态图像获取设备的实施例在正常模式下读出 第iy行中的像素信号期间的行为的时序图；图6是说明CMOS固态图像获取设备的实施例在第一宽动态范围 模式下的行为的时序图；图7是图示CMOS固态图像获取设备在第一宽动态范围模式下的 行为细节的时序图，尤其图示了在LED的照明期间和在第iy行的像素 的读出期间的行为；图8是图示在第一宽动态范围模式下电荷如何产生并在像素中转 移的图；图9是说明CMOS固态图像获取设备的实施例在第二宽动态范围 模式下的行为的时序图；图10是图示CMOS固态图像获取设备在第二宽动态范围模式下 的行为细节的时序图，尤其图示了在LED的照明期间和在第iy行的像 素的读出期间的行为；图11是图示在第二宽动态范围模式下在LED的照明期间在像素 的PD和FD中累积的信号电荷量的图；图12是说明在第二宽动态范围模式下由CDS电路做出的像素-信 号相关的判定的图；图13是图示可适用于第一和第二宽动态范围模式的每一种的 CDS电路的示例结构的电路图；和图14A到图14F是说明CDS电路的行为的图。
具体实施方式
<实施例的结构>图1是图示依照本发明实施例的CMOS固态图像 获取设备1的示例结构的电路图。该CMOS固态图像获取设备1包括 如图1中所示的通过CMOS制造工艺在半导体基板上制造的电路。尽 管没有特别示出，该CMOS固态图像获取装置1还包括对由如图1所 示的信号处理部分16获得的数字像素信号执行图像质量调整处理的电 路。图1中，像素矩阵部分10包括(mXn)像素矩阵P(ix，iy) (ix=l-m， iy=l-n)，每个像素输出与由其所接收的光量(即像素接收的光量)相 应的像素信号。像素矩阵部分10包括与像素列相应的m个列信号线 ll(ix) (ix=l-m)。属于第ix像素列的n个像素P (ix，iy) (iy-l-n) 每个都输出像素信号到同一列信号线11(ix)。恒流源12(ix) (ix=l-m)， 其是像素P (ix， iy) (ix-l-m， iy=l-n)内的各个晶体管(稍后将描 述)的负载，被插入到列信号线11 (ix) (ix=l-m)和地线之间。此 外，CDS (相关双采样)电路13 (ix) (ix-l-m)与对应条的列信号线 11 (ix) (ix=l-m)相连。CDS电路13 (ix) (ix=l-m)每个执行从信 号电平中去除在输出到对应一条列信号线11 (ix) (ix=l-m)的每个 像素信号中包括的参考电平的操作。由CDS电路13(ix) (ix=l-m) 输出的像素信号经由对应的每个采用MOS晶体管形式的开关14 (ix) (ix=l-m)提供给A/D转换器15，并由A/D转换器15转换成数字像 素信号。信号处理部分16与CDS电路13 (ix) (k=l-m)协作，以对 数字像素信号执行多种信号处理，例如与下文所述的第一或第二宽动 态范围模式对应的信号处理，且信号处理部分16将结果的处理后的信 号提供给后续电路。即，信号处理部分16和CDS电路13(ix) (ix=l-m) 一起组成像素信号处理单元，以对从像素P(ix， iy) (ix=l-m， iy=l-n) 读出的像素信号进行处理。CMOS固态图像获取设备1的本实施例具有包括正常模式和第一 以及第二宽动态范围模式的操作模式。第一和第二宽动态范围模式是 用于甚至在由像素P (ix， iy) (iy=l-n)接收的光强在像素P (ix， iy) 间明显不同或者接收强光的部分像素P (ix， iy)的FD或PD中(详见 下文)会发生溢出的情况下，获取其中准确反映像素P(ix，iy) (iy=l-n) 分别接收的光量的像素信号的操作模式，。当CMOS固态图像获取设 备1处于第一或第二宽动态范围模式时，CDS电路13 (ix) (ix=l-m) 执行适于像素信号的预定判定，并输出表示判定结果的判定结果信号。 通过参照判定结果信号，信号处理部分16第二宽动态范围模式在由 A/D转换器15输出的数字像素信号上执行与第一或第二宽动态范围模 式相应的信号处理。稍后将详细说明第一和第二宽动态范围模式的细 节。行选择部分20和列选择部分30是在时间控制部分40的控制下产 生多种控制信号以从像素矩阵部分IO读出一屏的像素信号的电路。更 具体地，每当时间控制部分40周期性地产生垂直同步信号VSNC的时 候，行选择部分20顺序地输出行选择信号SV (iy)，指示像素矩阵部 分10的各行(iy=iy-n)的选择。此外，当输出行选择信号SV (iy)时， 行选择单元20输出复位信号RES (iy)和转移指令信号TX(iy)，需要 这些信号来读出第iy行的m个像素P(ix， iy) (ix=l-m)的像素信号。 列选择部分30顺序地输出开关控制信号SH (ix) (ix=l-rn)，以每当 从像素P (ix， iy) (iy=l-n)输出一行的像素信号到列信号线11 (ix) (ix=l-m)且该一行的像素信号每个去除复位电压后从CDS电路13 (ix) (ix=l-m)输出时，接通开关14 (ix) (ix=l-m)。时间控制部分40重复地执行时间控制，以产生周期性的垂直同步 信号VSYNC，并使得行选择部分20和列选择部分30响应于垂直同步 信号VSYNC (或由此触发)如上解释生成读出一屏像素信号所需的控 制信号。此外，时间控制部分40设置或提供空白期，在该空白期间， 从一屏的像素信号读出的结束到下一屏的像素信号读出的开始之间不读出像素信号，并在空白期内的预定部分上输出控制信号以照明提供作为光源的LED50。在此期间，时间控制部分40输出控制信号，从而 响应于垂直同步信号VSYNC照明LED 50.此外，当CMOS固态图像获 取设备1处于第一和第二宽动态范围模式中的任意一种时，时间控制 部分40导致行选择部分20同时向所有的行输出转移指令信号TX(iy) (iy=l-n)或者同时向所有的行输出复位信号(iy) (iy=l-n)。图2是图示一个像素P (ix， iy)和对应于该像素P (ix， iy)的 行选择部分20的一部分的例示结构以及在该像素P (ix， iy)、恒流源 12 (ix) 、 CDS电路13 (ix)和开关14 (ix)之间的连接的电路图。如图2所示，行选择部分20包括包含n个双稳态多谐振荡器21 (iy) (iy=l-n)的垂直移位寄存器21。垂直移位寄存器21通过n个 双稳态多谐振荡器21 (iy) (iy=l-n)响应于预定频率的移位时钟顺序 地移位摄像指令脉冲，该摄像指令脉冲由时间控制部分40在产生垂直 同步信号VSYNC时生成。如图2所示，每个双稳态多谐振荡器21 (iy) (iy=l-n)具有其输 出端，该输出端连接到包括与门22 (iy)和23 (iy)、或门24 (iy) 和25 (iy)以及非反相缓冲器26 (iy)的电路。该电路被构造为根据 第iy个双稳态多谐振荡器21 (iy)的输出信号向第iy行(iy=l-n)的 m个像素P (ix， iy) (ix=l-m)产生行选择信号SV (iy)。更具体地，非反相缓冲器26 (iy)将双稳态多谐振荡器21 (iy) 的输出直接输出作为行选择信号SV(iy)。当双稳态多谐振荡器21 (iy) 的输出信号为H (高)电平时，与门22 (iy)允许复位脉冲RESC通 过。当双稳态多谐振荡器21 (iy)的输出信号为H (高)电平时，与 门23 (iy)允许转移指令脉冲TXC通过。这里，复位脉冲RESC和转 移指令脉冲TXC是由时间控制部分40输出的脉冲信号，且具有与给 予垂直移位寄存器21的移位时钟相同的频率。复位脉冲RESC在稍微迟于移位时钟的上升沿的时间产生，而转移指令脉冲TXC则在稍微迟 于复位脉冲RESC的时间产生。或门24(iy)输出已经通过与门22(iy) 通过的复位脉冲RESC，作为将要给予第iy行的像素P (ix， iy)的复 位信号RES (iy)。或门25 (iy)输出已经通过与门23 (iy)的转移指 令脉冲TXC，作为将要给予第iy行的像素P (ix， iy)的转移指令信号 TX (iy)。当选择第一宽动态范围模式时，时间控制部分40紧跟着开始照明 LED 50照明之后立刻产生所有行像素集体转移脉冲TXG。在这种情况 下，每行的或门25 (iy)输出所有行像素集体转移脉冲TXG，作为将 要给予第iy行的像素P(ix， iy) (ix=l-m)的转移指令信号TX (iy)。 此外，当选择第二宽动态范围模式时，时间控制部分40紧邻即将熄灭 LED 50照明之前产生所有行像素集体复位脉冲RESG。在这种情况下， 每行中的或门24 (iy)输出所有行像素集体复位脉冲RESG，作为将要 给予第iy行的像素P (ix， iy) (ix=l-m)的复位信号RES (iy)。如图所示，每个像素P (ix， iy)包括PD (光电二极管)101、采 用MOS晶体管形式的转移晶体管102、复位晶体管103、放大晶体管 104和行选择晶体管105。图3的(a)图示了如上所述的在半导体基板上制造的像素P (ix， iy)的不同元件，而图3的(b)图示了在像素P (ix， iy)的不同部分 处的电位，并图示了如何在像素P (ix, iy)内转移电荷。需要注意的 是，在图3的(a)中，放大晶体管104和行选择晶体管105被标识为 电路符号(没有显示它们的截面图)，以避免图示的复杂性。如图3的(a)所示，像素P (ix， iy)的每个元件都形成在N型 半导体基板内形成的P阱上(即里面掺杂了低浓度N型杂质的隔离区)。 PD 101是光电转换元件，包括通过在P阱中嵌入低浓度N型杂质形成 的层，其产生与接收光的量相应的信号电荷Q。转移晶体管102具有连接到PD 101的源极，以及采用FD (浮动扩散)层102d形式的漏极。 一旦将转移指令信号TX (iy)给予了转移晶体管102的栅极，就会形 成从PD 101延伸到FD 102d的沟道，且在PD 101中累积的信号电荷Q 就会通过该沟道转移给FD 102d。 一旦向晶体管102的栅极提供了复位 信号RES (iy)，就接通了复位晶体管103，从而通过连接到电源VDD 来复位FD 102d的电位。放大晶体管104具有连接到电源VDD的漏极、连接到FD 102d 的栅极和经由行选择晶体管105连接到对应列信号线11 (ix)的源极。 一旦给予行选择晶体管105的栅极的行选择信号SV (iy)变成H电平， 则行选择晶体管105接通，从而使得放大晶体管104的源极经由对应 的列信号线11 (ix)连接到恒流源12 (ix)。在这种状态下，放大晶 体管104与行选择晶体管105以及恒流源12 (ix) —起作为源极跟随 器放大电路作用，其向对应的列信号线11 (ix)输出表示FD 102d的 电位的像素信号。<实施例的行为> 下文描述上述实施例的行为。<正常模式下的行为>CMOS固态图像获取设备1的该实施例适用于在工厂生产线等中 拍摄移动物体。此时，在该CMOS固态图像获取设备1和移动物体周 围的区域保持黑暗的情况下执行摄像过程。图4是说明该CMOS固态图像获取设备1的行为的时序图。在产 生上述周期性垂直同步信号VSNYC时，时间控制部分40向行选择部 分20的垂直移位寄存器21给予摄像指令脉冲。行选择部分20响应于 移位时钟通过双稳态多谐振荡器顺序地移位该摄像指令脉冲。由此， 从像素矩阵部分10的第1行到第n行的每一行顺序地读出像素信号； 例如， 一旦来自第一极双稳态多谐振荡器21 (1)的输出信号变成H电平，则从像素矩阵部分10中的第一行的像素p (ix， 1) (ix=l-m) 读出像素信号，而一旦当来自第二极双稳态多谐振荡器21 (2)的输出 信号变成H电平时，则从像素矩阵部分10中的第二行的像素p(ix， 2) (ix=l-m)读出像素信号，等等。在本实施例中，设置了空白期，在该 空白期期间，从一屏的像素读取的结束到下一屏的像素读取的开始之 间不读出像素信号，且时间控制部分40输出控制信号以在该空白期内 的预定部分上照明LED50，如上所述。由于在CMOS固态图像获取设备1和移动物体周围的区域处于黑 暗时使用该CMOS固态图像获取设备l，仅仅在LED 50的照明期间(即 LED 50保持照明的期间，且该反射光被输入(照射)到每个像素P (ix， iy) (ix=l-m， iy=l-n)的PD101)，从LED 50输出的光线被将要摄 像的物体反射。LED50的照明期间与所有像素P (ix， iy) (ix=l-m， iy=l-n)的曝光期间相同。图5是说明CMOS固态图像获取设备1在读出第iy行的像素P(ix， iy) (ix-l-m)的像素信号期间的行为的时序图。 一旦行选择信号SV (iy)响应于由垂直移位寄存器21进行的摄像指令脉冲的移位变成H 电平，则按照下述方式读出第iy行的像素P (ix， iy) (ix=l-m)的像素信号。一旦行选择信号SV (iy)变成H电平，如图5所示，则时间控制 部分40顺序地产生复位脉冲RESC和转移指令脉冲TXC。首先，复位 脉冲RESC通过行选择部分20的与门22 (iy)和或门24 (iy)，并被 提供给每个像素P (ix， iy) (ix=l-m)的复位晶体管103。这样，每 个像素P(ix， iy) (ix=l-m)的FD 102d连接到电源VDD，并被恢复 到其中没有累积电荷的复位状态。(ix， iy) (ix=l-m)的转移晶体管102。这样，在PD 101中已经累积 的信号电荷被经由转移晶体管102转移给FD 102d。在从产生复位信号RES (iy)到产生转移指令信号TX (iy)之间 的时期期间，时间控制部分40向CDS电路13 (ix) (ix=l-m)发送釆 样和保持指令信号RES_S/H，从而每个CDS电路13 (ix) (ix=l-m) 从对应的列信号线11 (ix)接收与在复位状态下的像素P (ix， iy)(ix=l-m)的FD 102d的电压对应的复位电压N，以及采样并保持所接 收的复位电压N。在产生转移指令信号TX (iy)后，时间空间部分40向CDS电路 13 (ix) (ix=l-m)发送采样和保持指令信号SIG—S/H。响应于采样和 保持指令信号SIG-S/H，每个CDS电路13 (ix) (ix=l-m)从对应的 列信号线11 (ix)接收与每个像素P (ix， iy) (ix=l-m)的FD 102d 的电压对应的信号电压S，其中信号电荷已经在复位后的PD 101转移， 以及采样并保持所接收的信号电压S。随后，每个CDS电路13 (ix) (ix=l-m)从信号电压S减去复位电压N，并输出减法的结果作为表 示在像素P的曝光期间内接收的光的量的像素信号。随后，时间控制部分40导致行选择部分30顺序地输出列选择信 号SH (ix) (ix=l-m)。由此，从各个CDS电路13 (ix) (ix=l-m) 输出的像素信号由开关14 (ix) (ix=l-m)顺序地选择，并被提供给 A/D转换器15以转换为数字像素信号。<第一宽动态范围模式下的行为>第一宽动态范围模式是用于甚至是在由像素P (ix， iy) (ix=l-m,iy=l-n)接收的光强在像素P (ix，iy)之间明显不同或者在接 收了强光的一些像素P (ix, iy)的FD 102d中会发生溢出的情况下， 获得其中准确反映像素P (ix， iy)的所接收光量的像素信号的操作模式。图6是说明当设置第一宽动态范围模式为工作模式时CMOS固态图像获取设备1的行为的时序图。图7是图示在如图6所示的行为中 的LED 50的照明期间以及第iy行的像素P (ix， iy) (ix=l-m)的读 出期间，该CMOS固态图像获取设备1的行为细节的时序图。此外， 图8是图示在第一宽动态范围模式下电荷如何产生以及如何在像素P (ix， iy)中转移的图。在第一宽动态范围模式下，时间控制部分40，在开始照明后紧跟 的LED50的照明期间内的时间点处，导致电荷在所有像素P (ix， iy) (ix=l-m，iy=l-n)中从PD 101转移到FD 102d。更具体地，在紧跟着 开始照明后的LED 50的照明期间内的时间点处，时间控制部分40产 生短脉冲宽度的所有行像素集体转移脉冲TXG，以导致行选择部分20 向所有行输出转移指令信号TX (iy) (iy=l-n)。这里，从LED50的照明开始到转移指令信号TX (iy) (iy=l-n) 出现的时期被标识为"Atl"。随后，在时间Atl内(参见图7和图8 (a)所示的"PD中短时累积")，产生对应于所接收光的量的信号 电荷Q (Atl)，并累积在每个像素P (ix， iy) (ix=l-m,iy=l-n)的 PD 101中。随后，在每个像素P (ix， iy) (ix=l-m,iy=l-n)中，PD 101 中的信号电荷Q (Atl)响应于转移指令信号TX (iy)的上升沿被转 移到FD 102d (参见图8 (b))。此外，从转移指令信号TX (iy) (iy=l-n)的下降沿到LED 50 熄灭的时期被标识为"At2"。随后，产生对应于所接收的光的量的信 号电荷Q (At2)，并在每个像素P (ix， iy) (ix=l-m， iy=l-n)的 PD 101中累积(参加图7和图8 (c)所示的"PD中长时累积")。 到此时，在"PD中短时累积"中产生并转移的PDIOI中的电荷Q(A tl)已经累积在每个像素P (ix， iy) (ix=l-m， iy=l-n)的FD 102d 中。在此之后，开始读出一屏的像素信号，然后， 一旦行选择信号SV(iy)变成H电平从而使得到达第iy行的像素(ix， iy) (ix=l-m)的 读出期间时，执行下述操作。首先，时间控制部分40向CDS电路(ix) (ix-l-m)发送采样和 保持指令信号SIG—S/H (1)。由此，每个CDS电路13 (ix) (ix=l-m) 采样并保持与当前输出到相应信号线11 (ix)的电压相对应的信号电 压S1，即由"PD中短时累积"产生并转移到像素P(ix， iy) (ix=l-m) 中的相应FD 102d的信号电荷Q (Atl)(参见图8 (c))。随后，时间控制部分40向行选择部分20发送复位脉冲RESC，以 导致行选择部分20向每个像素P (ix， iy) (ix=l-m)输出复位信号 RES (iy)。由此，每个像素P (ix， iy) (ix-l-m)中的FD 102d通 过经由复位晶体管103连接到电源VDD而被复位(参加图8 (d))。 接着，与每个像素(ix， iy) (ix=l-m)中的复位的FD 102d的电压对 应的电压N1被输出到对应的列信号线11 (ix)。到此时，由"PD中 长时累积"产生的电荷Q (At2)已经在每个像素(ix， iy) (ix=l-m) 的PD 101中累积(参加图8 (d))。随后，时间控制部分40向CDS电路13 (ix) (ix=l-m)发送采 样和保持指令信号RES_S/H，从而每个CDS电路13 (ix) (ix=l-m) 采样并保持当前输出到对应列信号线11 (ix)的电压，该复位电压Nl 对应于复位状态下的每个像素P(ix，iy) (ix-l-m)中的复位的FD 102d 的电压，且采样并保持所接收的复位电压N (参加图8 (d))。随后， 每个CDS电路13 (ix) (ix=l-m)从之前采样和保持的信号电压SI 减去当前采样和保持的复位电压N1，并输出表示减法S1-N1的结果的 像素信号。随后，在紧跟像素信号S1-N1的输出的时间点处，每个CDS电路 13 (ix) (ix=l-m)判断像素信号S1-N1是否大于预定的阈值。预定的 阈值基于FD 102d中可以累积的可允许电压值来确定，稍后将解释其细节。如果该像素信号大于预定的阈值，则CDS电路将该像素信号S1-N1设置作为最终的像素信号，并然后忽视给出的任何采样和保持信 号直到开始下一屏的像素的读出。此外，CDS电路(ix)输出判定结 果信号，其指示像素信号S1-N1已经被确定作为最终信号。接下来，时间控制部分40向行选择部分20发送转移指令信号 TXC，从而使得行选择部分20向每个像素P (ix， iy) (ix=l-m)输出 转移指令信号TX (iy)。由此，由"PD中长时累积"在PD 101中累 积的电荷Q (At2)被转移到每个像素P (ix， iy) (ix-l-m)中的FD 102d (参见图8 (e))。接着，将指示通过长时累积已经累积了电荷 Q (At2)后在FD 102d中累积的电压的信号电压S2输出到对应的列 信号线11 (ix)。随后，时间控制部分40向每个CDS电路13 (ix) (ix=l-m)发 送采样和保持指令信号SIG_S/H (2)。已经将上述像素信号S1-N1设 置作为最终像素信号的每个CDS电路13 (ix)，则忽视该采样和保持 指令信号SIG一S/H (2)，而没有将上述像素信号S1-N1设置作为最终 像素信号的每个CDS电路13 (ix)，则采样并保持当前输出到列信号 线ll (ix)的信号电压S2，并从该信号电压S2减去较早采样并保持的 复位电压S2 (Nl)，从而将表示减法的结果的像素信号S1-N1设置作 为最终像素信号，以及随后输出指示该效果的判定结果信号。接下来，时间控制部分40向行选择部分20发送复位脉冲RESC， 以导致选择部分20向每个像素P (ix， iy) (ix=l-m)输出复位信号 RES (iy)，从而复位每个像素P (ix， iy) (ix=l-m)中的FD102d。 这是因为，如果没有复位FD 102d并由此在FD 102d中剩下电荷，则 当由"PD中短时累积"产生的电荷被从PD IOI转移到FD 102d时， 这些剩下的电荷将会增加到由"PD中短时累积"产生的电荷中。在本实施例中，对于所有像素P (ix， iy) (ix-l-m， iy=l-n)，曝光期间(即LED50的照明期间)相同，并因此，在像素P (ix， iy) (ix=l-m, iy=l-n)的PD 101上照射的光的强度在像素之间明显不同 的情况下，强光照射的每个PDIOI中累积了较多量的信号电荷，而在 弱光照射的每个PDIOI中累积了较少量的信号电荷。为了获得准确表 示弱光照射的每个PD 101上照射的光的量的像素信号，需要增加曝光 期间的长度。但是，如果这样增加曝光期间的长度，则强光照射的每 个PD101中会累积极大量的信号电荷，因此，当该信号电荷已经被转 移到FD 102d时，强光照射的PD 102d的电压可能超过可允许值。在 这种情况下，无法获得表示强光照射的每个PD 101的接收光量的像素 信号，也就是将产生其中暴露在强光照射中的像素区域是雪白的图像。在本实施例中采用的第一宽动态范围模式下，可以可靠地避免该 不便，且可以获得准确指示像素矩阵部分IO的其中像素暴露在强光中 的区域和像素矩阵部分10的其中像素暴露在弱光中的区域中所接收的 光量的像素信号，如下所述。首先，如果在LED 50的照明期间内由PD 101接收的光具有较大 光强，由"PD中短时累积"产生较大电荷Q (At2)，与其成比例地， 由"PD中长时累积"产生较大电荷Q (At2)。 一旦由"PD中短时累 积"产生的电荷(QAtl)超过给定的限值，那么当由"PD中长时累 积"产生的电荷Q (At2)被从PD IOI转移到FD 102d时，FD 102d 中会出现溢出。因此，在第一宽动态范围模式下，当每个CDS电路13 (ix) (ix=l-m)响应于上述采样和保持指令信号RES—S/H产生像素信号 S1-N1时，它判断该像素信号S1-N1是否大于阈值，从而判断当由"PD 中长时累积"产生的电荷Q (At2)被从PD 101转移到FD 102d时FD 102d是否会溢出。为了允许该判断，可以基于在可能溢出FD 102d的 电荷Q (At2)的强度以及在电荷Q (At2)和像素信号S1-N1之间的 关系适当确定阈值。如果CDS电路13 (ix)判定由于电荷Q (At2)的转移将导致FD 102溢出，那么将与由"PD中短时累积"产生的信 号电荷Q (Atl)对应的像素信号S1-N1设置作为最终像素信号。另一 方面，如果CDS电路13 (ix)判定由于电荷Q (At2)的转移将不会 导致FD 102溢出，那么将与由"PD中长时累积"产生的信号电荷Q (At2)对应的像素信号S2-N1设置作为最终像素信号。A/D转换器15经由开关14(ix)接收由CDS电路13(ix) (ix=l-m)判定作为最终的每个像素信号，将所接收的像素信号转换为数字像素 信号，并输出转换后的数字信号。提供在跟随A/D转换器15的级处设 置的信号处理部分16，被提供以与像素对应的每一个转换后的数字 像素信号，和指示该数字像素信号对应的是由"PD中短时累积"产生 的电荷Q (Atl)还是由"PD中长时累积"产生的电荷Q (At2)的 判定结果信号。在信号处理部分16中，对连续的数字像素信号的前一 个的所接收光量进行调整，使得其和随后一个像素信号具有一致的范 围，例如，通过将前一个数字像素信号乘以At2/厶tl，从而可以在一屏 内作为一个整体地获得具有宽动态范围的数字像素信号。<第二宽动态范围模式下的行为>第二宽动态范围模式是甚至在由像素P (ix， iy) (ix=l-m,iy=l-n) 接收的光强在像素P (ix， iy)之间明显不同并且接收强光的一些像素 P (ix， iy)的FD 102d中会发生溢出的情况下，获得准确反映像素P (ix， iy) (ix=l-m，iy=l-n)中接收的光量的像素信号的操作模式。图 9是说明了当将第二宽动态范围模式设置为操作模式时CMOS固态图 像获取设备1的行为的时序图。图IO是图示如图9所示的行为中的在 LED 50的照明期间和第iy行的像素P (ix， iy) (ix=l-m)的读出期 间该CMOS固态图像获取设备1的行为细节的时序图。在第二宽动态范围模式下，时间控制部分40与第一宽动态范围模 式不同，并不导致在LED 50的照明期间产生转移指令信号TX (iy) (iy-l-n)。而是，时间控iy=l-n)的PD101响应于由其接收的光量产生并累积信号电荷("PD 中长时累积")。如图9所示，时间控制部分40导致紧邻LED 50的 熄灭之前的LED50的照明期间内的时间点处复位每个像素P (ix， iy) (ix=l-m， iy=l-n)的FD102 d。更具体地，如图9所示，时间控制部 分40在紧邻LED 50的熄灭前的时间点处产生短脉冲长度的所有行像 素集体复位脉冲RESEG，从而导致行选择部分20向所有行输出复位信 号RES (iy) (iy=l-n)(参见图10)。在第二宽动态范围模式下，在 用于从每行像素P (ix， iy) (ix=l-m)读出像素信号的时期内的用于 产生复位信号RES (iy)、转移指令信号TX (iy)和采样和保持指令 信号SIG—S/H (1) 、 SIG—S/H和SIG—S/H (2)的时间与前文所述的第 一宽动态范围模式类似(参见图10和图7)。此外，在第二宽动态范 围模式下，响应于采样和保持指令信号SIG—S/H (1) 、 SIG_S/H和 SIG—S/H (2)的CDS电路13 (ix) (ix=l-m)的行为与第一宽动态范 围模式类似。在LED 50的照明期间内，像素状态转移在接收强光的像素和接收 弱光的像素之间不同。在图11中，由参考数字201标识的线表示的是 在LED50的照明期间内接收强光的给定像素P (ix， iy)的PD 101内 累积的信号电荷的量，而由202标识的线表示的是在LED 50的照明期 间内接收弱光的给定像素P(ix， iy)的PD 101内累积的信号电荷的量。 此外，由203标识的线表示的是在LED 50的照明期间内接收强光的给 定像素P (ix， iy)的FD102d中累积的信号电荷的量。每个像素P (ix) (ix=l-m， iy=l-y)的PD 101中只可以累积有 限量的信号电荷，而不能累积超过给定可允许值Qfull的信号电荷。然 而，如由线201所示，在LED 50的照明期间内像素P (ix， iy)接收 强光，由PD 101产生的信号电荷的时间梯度如此大以致在LED 50的 照明期间内产生的信号电荷的量大于(即超过)可允许值Qfull。在这 种情况下，像素P (ix， iy)的PD 101中累积的电荷量在可允许值QfuII 处饱和，而饱和后新产生的信号电荷从PD 101溢出到FD 102d，如由线201所示，且溢出的信号电荷在FD 102d中累积，如线203所示。
在第二宽动态范围模式下，在紧邻LED 50的熄灭之前的LED 50 的照明期间内的时间点处，向所有像素P(ix， iy) (ix=l-m， iy-l-n) 发送复位信号RES (iy) (iy=l-n)。
通过复位信号RES (iy) (iy=l-n)，从接收强光的像素P (ix， iy)中的PD IOI溢出并在FD 102d中累积的的电荷被暂时放电，如线 203所示。随后， 一旦复位信号RES (iy) (iy=l-n)下降，则在下降 后从PDlOl溢出的电荷被累积在接收了强光的每个像素P(ix， iy)中 的FD102d中(如图IO所示的"FD中短时累积")。此时，从PDIOI 溢出到FD 102d的电荷量的时间梯度与PD 101所接收的光量成比例。 如果将从复位信号RES (iy) (iy=l-n)的下降到LED 50的熄灭的时 期标识为"Atl"，则在时期AU期间从PD101溢出的电荷Q (Atl) 在LED 50的熄灭期间内被累积在FD 102d中。在LED 50的熄灭期间 内累积在FD 102d中的电荷Q (Atl)反映像素P (ix， iy)所接收的
另一方面，在由线202所示的示例中，由于在LED50的照明期间 内像素P (ix， iy)接收弱光，所以由PD 101产生的信号电荷的量具有 较小的时间梯度。因此，在LED50的照明期间内产生的信号电荷的量 下降为等于或低于可允许值Qfull，从而没有电荷从PD 101溢出到FD 102d。如果将LED50的照明期间标识为"At2",那么对应于在时期 △t2期间由像素P (ix， iy)所累积接收的光量的电荷Q (At2)被累 积在PD101中(如图IO所示的"PD中长时累积")。
在LED 50的熄灭期间，如上所述，由"PD中短时累积"产生的 及其中反映所接收的光量的电荷Q (Atl)被累积在接收了强光且发生 了从PD 101到FD 102d的电荷溢出的每个像素P (ix， iy)的FD 102d 中，而由"PD中长时累积"产生及其中反映所接收的光量的电荷被累积在接收了弱光且未发生从PD 101到FD 102d的电荷溢出的每个像素 P (ix, iy)的PDIOI中。因此，在第二宽动态范围模式下，对于接收 强光的每个像素P (ix， iy)获得表示由"PD中短时累积"产生的电荷 Q (Atl)的像素信号，而对于接收弱光的每个像素P (ix， iy)获得表 示由"PD中长时累积"产生的电荷Q (At2)的像素信号。这样，依 照下文将描述的示例操作顺序，可以在第二宽动态范围模式下作为整 体地获得一屏中的具有宽动态范围的像素信号。
一旦在如图10所示的第iy行的像素信号读出期间产生了采样和 保持指令信号SIG—S/H (1)，则每个CDS电路13 (ix) (ix-l-m)釆 样并保持当前输出到对应列信号线11 (ix)的信号电压S1。随后，一 旦在复位信号RES(iy)产生之后产生了采样和保持指令信号RES_S/H， 则每个CDS电路13 (ix) (ix=l-m)采样并保持当前输出到对应列信 号线11 (ix)的复位电压Nl,从之前采样并保持的信号电压SI减去 复位电压N1，并产生表示减法的结果的像素信号Sl-Nl.此时，CDS电 路13 (ix)判断像素信号Sl-Nl是否大于(即超过)给定的阈值。
如果像素信号Sl-Nl大于给定的阈值，则认为像素信号Sl-Nl表 示在从PD 101溢出后由"FD中短时累积"在FD 102d中累积的电荷Q
(△tl)。因此，产生该像素信号Sl-Nl的CDS电路13 (ix)将像素 信号Sl-Nl设置作为最终像素信号，并输出判定结果信号到信号处理 部分16，该判定结果信号指示已经将像素信号Sl-Nl设置作为最终像 素信号。另一方面，如果像素信号Sl-Nl不大于给定的阈值，则认为 FD102d是空的，且当前由"PD中长时累积"在PDIOI中累积电荷Q
(At2)。因此，产生了该像素信号S1-N1的CDS电路13 (ix)响应 于采样和保持指令信号SIG_S/H (2)采样并保持当前输出到列信号线 11 (ix)的信号电压S2，从信号电压S2减去之前采样并保持的复位电 压N，并输出指示由"PD中长时累积"产生的电荷Q (At2)的像素 信号S2-N1。此外，CDS电路13 (ix)向信号处理部分16输出判定信 号，该判定信号指示已经将表示由"PD中长时累积"产生的电荷Q(At2)的像素信号S2-N1输出作为最终像素信号。
如前述第一宽动态范围模式，在跟随A/D转换器15的级处设置的 信号处理部分16，被提供以对应于像素的转换后的数字像素信号的 每一个，连同指示该数字像素信号对应的是由"FD中短时累积"产生 的电荷Q (Atl)还是由"PD中长时累积"产生的电荷Q (At2)的 判定结果信号。在信号处理部分16中，对连续的数字像素信号中的前 一个的接收光量进行调整，使其与后续一个像素信号的范围相符，例 如，通过将前一个像素信号乘以At2/厶tl，从而可以在一屏内作为整体 地获得具有宽动态范围的数字像素信号。
<实施例可实现的有利结果〉
根据优选的实施例，如上所述，设置了空白期，其中，从一屏的 像素信号读出的结束到下一屏的像素信号读出的开始之间没有读出像 素信号，且在此空白期内照明LED50。因此，即使没有特定的全局快 门机构，上述实施例可以在相同的曝光期间内曝光所有像素，并没有 扭曲地拍摄移动物体。此外，通过提供第一和第二宽动态范围模式， 上述实施例可以允许每个像素根据由该像素所接收的光的强度，选择 性地获得表示响应于短时光接收由PD101产生的电荷的电信号，或 表示响应于长时光接收由PD101产生的电荷的电信号。作为结果，上 述实施例可以在其中接收的光强在像素之间明显不同的情况下，获得 准确反映对应像素的所接收光强的像素信号。
<其他实施例>
尽管上面描述了一种优选的实施例，其他实施例或变体也是可以 的，如下所述。
(1)尽管CMOS固态图像获取设备1的优选实施例已经被描述 为具有正常工作模式以及第一和第二种宽动态范围模式，该CMOS固
态图像获取设备1也可以只具备上述操作模式的一种或两种。(2) 可以进行布置，从而允许在不改变其中不读出像素信号的空
白期长度的情况下，可以经由在CMOS固态图像获取设备1之外执行 的设置操作，来改变操作模式以及第一和第二宽动态范围模式中的任 何一种中的LED 50的照明期间的长度。
(3) 可以进行布置，从而允许经由从CMOS固态图像获取设备1 外部执行的设置操作来在第一宽动态范围模式下改变"PD中短时累积" 的持续时间。
(4) 可以进行布置，从而允许经由从该CMOS固态图像获取设 备1外部执行的设置操作来在第二宽动态范围模式下改变"FD中短时 累积"的持续时间。
(5) 当该CMOS固态图像获取设备1要在第一或第二宽动态范 围模式下操作时，可以以图13所示的方式来构建每个CDS电路13(ix)
(ix=l-m)。在图13中，开关SW1和电容C串联连接在对应的列信 号线11 (ix)和微分放大器131的反相输入端("-"端)之间。微分 放大器131具有接地的非反相输入端("+ "端)，且开关SW2连接 在微分放大器131的输出端和反相输入端之间。开关SW1、电容C、 微分放大器131和开关SW2 —起构成了采样和保持电路。开关控制部 分132根据由时间控制部分40给出的指令信号和来自微分放大器131 的输出信号执行开关SW1和SW2的开/关控制，并然后输出判定结果 信号。
图14A到14F图示了如图13所示的CDS电路13 (ix)的行为。 在第一和第二宽动态范围模式的每个中， 一旦产生采样和保持指令信 号SIG—S/H (1)，则开关控制部分132就接通开关SW1和SW2，如 图14A所示。在这种情况下，由于微分放大器131的反相输入端然后 处于虚接地状态，所以当前输出到列信号线11 (ix)的信号电压S1被施加到电容C1。此后，开关控制部分132断开开关SW2，从而使得电 容C中充电的电荷失去放电通路，并因此信号电荷Sl被保持在电容C 中。
此后，复位电压Nl被输出到列信号线11 (ix)，且由于该复位 电压Nl与电容C中充电的信号电压Sl极性相反，微分放大器131输 出电压"S1-N1"。 一旦产生采样和保持指令信号RES—S/H，开关控制 部分132判断输出电压S1-N1是否大于(即超过)预定的阈值。如果 大于，则开关控制部分断开开关SW1，如虚线所示。因此，在开关SW1 和电容C之间存在的浮动电容中保持复位电压N1，之后，放大器131 保持输出电压S1-N1。在这种情况下，开关控制部分132向信号处理部 分16 (参见图1)输出判定结果信号，该判定结果信号指示微分放大 器131已经输出电压S1-N1作为最终像素信号。
另一方面，如果输出电压S1-N1不大于(即不超过)预定的阈值， 则开关控制部分132接通开关SW1和SW2，如图14D所示。并且，在 在电容C中充电复位电压NI后，开关控制部分132断开开关SW2， 以导致电容C保持复位电压Nl,如图14E所示。
随后， 一旦信号电压S2被输出到列信号线11 (ix)，由于信号电 压S2与电容C中充电的复位电压Nl极性相反，所以微分放大器131 输出电压"-(S2-Nl)"。 一旦产生采样和保持指令信号RES—S/H(2)， 则开关控制部分132断开开关SW1，如虚线所示。由此，信号电压S2 被保持在开关SW1和电容C之间存在的浮动电容中，此后，放大器131 保持输出电压-(S2-N1)。在这种情况下，开关控制部分132向信号处 理部分16输出判定结果信号，该判定结果信号指示微分放大器131已 经输出电压-(S2-N1)作为最终像素信号。如果判定结果信号指示数字 像素信号对应于像素信号-(S2-N1)，则信号处理部分16可以在反相 信号的极性后使用数字像素信号。(6)在上述第一和第二宽动态范围模式的每一个中，如上所述，
一旦获得像素信号S1-N1，就做出像素信号S1-N1是否超过预定的阈 值的判断，以及，如果超过，则设置像素信号S1-N1作为最终像素信 号。但是，如果像素信号S1-N1没有超过预定的阈值，则获得进一步 的像素信号S2-N1，并将其设置作为最终像素信号。然而，可选地，可 以在数字像素信号处理阶段而不是模拟像素信号处理阶段选择最终像 素信号。g卩， 一旦为每个像素P (be) (ix=l-m， iy=l-n)获得像素信 号Sl-Nl，就将像素信号S1-N1转换为数字信号，以及例如存储在第 一存储器中，以及然后，获得像素信号S2-N1，将其转换为数字像素信 号，例如存储在第二存储器中。随后，根据对每个像素P (ix,iy)做出 的存储在第一存储器中的数字像素信号的信号值是否大于阈值的判 断，来判定将要使用存储在第一存储器中的数字像素信号还是存储在 第二存储器中的数字像素信号。在这种情况下，将要执行的A/D转换
的次数变成两倍；然而，当在两种曝光条件下获得了数字像素信号(即， 对应于像素信号S1-N1和S2-N1的像素信号)时，可以通过数字信号 处理来选择最优的数字像素信号，从而有利地获得更多的处理灵活性。
权利要求
1.一种CMOS固态图像获取设备，包括像素矩阵部分，其包括多个以行和列的阵列布置的像素；像素信号处理部分，其处理从所述像素矩阵部分的每个所述像素读出的像素信号；和时间控制部分，其周期性地重复时间控制以从所述像素矩阵部分的各个所述像素读出一屏的像素信号，并提供空白期，其中在从一屏的像素信号读出的结束到下一屏的像素信号读出的开始之间不读出像素信号，所述时间控制部分输出控制信号用于在所述空白期内的指定部分期间点亮光源。
2. 根据权利要求1所述的CMOS固态图像获取设备，其中所述时 间控制部分执行所述时间控制以从所述像素矩阵部分读出像素信号， 并输出所述控制信号以通过被同步信号触发而点亮所述光源。
3. 根据权利要求1所述的CMOS固态图像获取设备，其中所述像 素矩阵部分的每个所述像素至少包括光电转换元件，其内产生并累 积与所接收的光量相对应的电荷；电荷累积部分；转移晶体管，其将 在所述光电转换元件中累积的电荷转移到所述电荷累积部分以在其中 累积；和复位晶体管，其将在所述电荷累积部分中累积的所述电荷复 位，以及其中，紧接所述光源的照明时期的开始之后，所述时间控制部分 立刻使得所述像素矩阵部分的每个所述像素的所述转移晶体管将与其 对应的所述光电转换元件中累积的所述电荷转移到所述电荷累积部 分，从而所述像素的所述电荷累积部分在其中累积所述电荷，以作为 短时曝光的结果。
4. 根据权利要求1所述的CMOS固态图像获取设备，其中所述像 素矩阵部分的每个所述像素至少包括光电转换元件，其内产生并累积与所接收的光量相对应的电荷；电荷累积部分；转移晶体管，其将 在所述光电转换元件中累积的电荷转移到所述电荷累积部分以在其中 累积；和复位晶体管，其将在所述电荷累积部分中累积的所述电荷复 位，以及其中，紧邻所述光源的照明时期的结束之前，所述时间控制部分 使得所述像素矩阵部分的每个所述像素的所述复位晶体管将在所述电 荷累积部分中累积的所述电荷复位，以及然后，如果所述光源的照明 时期的结束前有任何从所述光电转换元件到所述电荷累积部分的电荷 溢出，所述时间控制部分就使得所述电荷累积部分在其内累积溢出的 电荷，以作为短时曝光的结果。
5. 根据权利要求3或4所述的CMOS固态图像获取设备，其中， 在像素信号读出期间，所述时间控制部分不仅使得作为像素信号读出 目标的所述像素的所述复位晶体管将在所述电荷累积部分中累积的电 荷复位，而且使得所述像素输出与在电荷复位之前的第一时间点和在 电荷复位之后的第二时间点在所述电荷累积部分中累积的电荷对应的 像素信号，以及所述像素信号处理部分将复位前的像素信号减去复位后的像素信 号的结果设置作为最终像素信号。
6. 根据权利要求3或4所述的CMOS固态图像获取设备，其中， 在像素信号读出期间，所述时间控制部分不仅使得作为像素信号读出 目标的所述像素的所述复位晶体管将在所述电荷累积部分中累积的电 荷复位，并且使得所述像素的所述转移晶体管将电荷从所述光电转换 元件转移到所述电荷累积部分，而且还使得所述像素输出与在电荷复 位之前的第一时间点、在电荷复位之后和电荷转移之前的第二时间点、 以及在电荷转移之后的第三时间点在电荷累积部分中累积的电荷对应 的像素信号，以及其中，如果复位前的像素信号减去复位后转移前的像素信号的结 果在数值上大于预定的阈值，则所述像素信号处理部分将该减法的结果设置作为最终像素信号，但是，如果复位前的像素信号减去复位后 转移前的像素信号的结果在数值上不大于所述预定的阈值，则所述像 素信号处理部分将转移后的像素信号减去复位后转移前的像素信号的 结果作为所述最终像素信号。
全文摘要
基本上，通过曝光时间在像素行之间顺序变换的滚动快门实现CMOS固态图像获取设备的电子快门功能。一个像素行的曝光期间是从该像素行的读出开始时的时间点到下一个像素行的读出开始时的时间点。因此，为了通过对所有像素行施加同样的曝光期间来获得与全局快门类似的曝光效果，设置了空白期，在此期间不从任何像素行读出像素信号，且在空白期内的预定部分上照明LED。通过这种方式，具有滚动快门功能的CMOS固态图像获取设备可以实现与全局快门类似的曝光。
文档编号H04N5/374GK101277375SQ20081009075
公开日2008年10月1日 申请日期2008年3月31日 优先权日2007年3月29日
发明者若森康男 申请人:雅马哈株式会社