專利名稱：圖像拾取裝置、其控制方法和照相機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像拾取裝置、其控制方法和照相機(jī)。
背景技術(shù)：
美國專利No.6307195的說明書公開了在光載流子(photocarrier)被蓄積時(shí)從光電二極管的溢出的載流子通過傳輸門(transfergate)(TG)溢出到浮動(dòng)(floating)擴(kuò)散(FD)區(qū)中的圖像拾取裝置。在該圖像拾取裝置中，流入浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的載流子的一部分被舍棄(discard)用于擴(kuò)展裝置的動(dòng)態(tài)范圍。因此，浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的蓄積時(shí)間被設(shè)置為比光電二極管的蓄積時(shí)間短。在上述配置中，說明了可通過縮短浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的蓄積時(shí)間擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍。但是，在從光電二極管的蓄積時(shí)間的開始到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的蓄積時(shí)間的開始的期間從光電二極管流入浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的載流子的所有信息會(huì)被損失掉。結(jié)果，與用戶實(shí)際觀察的圖像不同的圖像被拾取。
并且，日本專利申請公開No.2004-335803公開了多個(gè)光接收單元以陣列的形狀被配置在半導(dǎo)體襯底的表面上并且各光接收單元的信號(hào)從各光接收單元被讀取的MOS型圖像拾取裝置。該圖像拾取裝置包括檢測入射光以根據(jù)檢測到的入射光的量輸出信號(hào)的第一信號(hào)載流子檢測單元。并且，該圖像拾取裝置包括當(dāng)?shù)谝恍盘?hào)載流子檢測單元的檢測信號(hào)飽和時(shí)捕獲第一信號(hào)載流子檢測單元的過剩載流子的一部分以根據(jù)捕獲的載流子的量輸出信號(hào)的第二信號(hào)載流子檢測單元。
如日本專利申請公開No.2004-335803所示，單獨(dú)地形成當(dāng)電子飽和時(shí)在第一信號(hào)載流子檢測單元(31)中產(chǎn)生的飽和電子的一部分的第二信號(hào)載流子檢測單元(38)。并且，圖像拾取裝置具有捕獲過剩載流子的一部分以將殘留的載流子排入垂直溢漏(overflow drain)中的結(jié)構(gòu)。
但是，為了將產(chǎn)生的載流子的一部分排放到垂直溢漏并將殘余部分收集到第二信號(hào)載流子檢測單元(38)，必需以具有非常高的精度的電勢(potential)的方式制造勢壘(barrier)單元(33)和垂直溢漏的技術(shù)。由于當(dāng)精度不夠時(shí)各樣品間存在分散且流入速度發(fā)生變化，因此該結(jié)構(gòu)明顯具有無法進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)的缺點(diǎn)。
并且，由于該結(jié)構(gòu)是載流子的排放側(cè)是垂直溢漏且載流子的捕獲側(cè)是水平溢漏的結(jié)構(gòu)，因此載流子需要越過不同結(jié)構(gòu)之間的勢壘。結(jié)果，該結(jié)構(gòu)具有使得流出到垂直溢漏和水平溢漏的載流子的比例隨溫度變化的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的圖像拾取裝置包括通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生載流子以蓄積載流子的光電轉(zhuǎn)換單元；用于傳輸光電轉(zhuǎn)換單元的載流子的傳輸晶體管(transfer transistor)；載流子被傳輸晶體管傳輸?shù)降母?dòng)擴(kuò)散區(qū)；控制傳輸晶體管的柵壓、使得在光電轉(zhuǎn)換單元產(chǎn)生和蓄積載流子的期間從光電轉(zhuǎn)換單元溢出的載流子的一部分可流入浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的傳輸門控制單元(transfer gate control unit)；和根據(jù)蓄積在光電轉(zhuǎn)換單元中的載流子和溢出到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中的那部分載流子產(chǎn)生像素信號(hào)的像素信號(hào)產(chǎn)生單元。
根據(jù)本發(fā)明的圖像拾取裝置包括通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生載流子以蓄積載流子的光電轉(zhuǎn)換單元；用于傳輸光電轉(zhuǎn)換單元的載流子的傳輸晶體管；載流子被傳輸晶體管傳輸?shù)降母?dòng)擴(kuò)散區(qū)；控制傳輸晶體管的柵壓、使其為傳輸晶體管導(dǎo)通時(shí)的第一柵壓、傳輸晶體管截止時(shí)的第二柵壓、和第一和第二柵壓之間的第三柵壓的任一個(gè)的傳輸門控制單元；和根據(jù)在柵壓被控制為第一柵壓和第三柵壓的期間內(nèi)被傳輸?shù)礁?dòng)擴(kuò)散區(qū)的那部分載流子產(chǎn)生像素信號(hào)的像素信號(hào)產(chǎn)生單元。
并且，根據(jù)本發(fā)明的圖像拾取裝置的控制方法是具有通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生載流子以蓄積載流子的光電轉(zhuǎn)換單元、用于傳輸光電轉(zhuǎn)換單元的信號(hào)的傳輸晶體管、和載流子被傳輸晶體管傳輸?shù)降母?dòng)擴(kuò)散區(qū)的圖像拾取裝置的控制方法，該方法包括控制傳輸晶體管的柵壓、使得在光電轉(zhuǎn)換單元產(chǎn)生和蓄積載流子的期間從光電轉(zhuǎn)換單元溢出的載流子的一部分可流入浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的傳輸門控制步驟；和根據(jù)蓄積在光電轉(zhuǎn)換單元中的載流子和溢出到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中的那部分載流子產(chǎn)生像素信號(hào)的像素信號(hào)產(chǎn)生步驟。
并且，根據(jù)本發(fā)明的照相機(jī)包括上述圖像拾取裝置；用于將光學(xué)圖像聚焦到圖像拾取裝置上的鏡頭；和用于改變通過鏡頭的光量的光闌。
通過結(jié)合附圖閱讀以下說明書，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加明顯，其中，相同的附圖標(biāo)記在所有附圖中表示相同或相似的部分。


圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的圖像拾取裝置的像素單元的配置例子的布局圖；圖2是在載流子蓄積期間沿圖1中的O-A線、O-B線和O-C線取的斷面的電勢圖；圖3是根據(jù)本實(shí)施例的圖像拾取裝置的整體配置的例子的布局圖；圖4是圖3的圖像拾取裝置的等同電路圖；圖5是表示圖4的電路的操作例子的時(shí)序圖；圖6是表示根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的靜態(tài)攝像機(jī)(still videocamera)的配置例子的框圖；圖7是表示根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的攝像機(jī)的配置例子的框圖。
被加入說明書并構(gòu)成說明書的一部分的附圖解釋本發(fā)明的實(shí)施例，并與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。
具體實(shí)施例方式
(第一實(shí)施例)圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的圖像拾取裝置的像素單元的配置例子的布局圖，并且，圖2是在載流子蓄積期間沿圖1中的O-A線、O-B線和O-C線取的斷面的電勢圖。以下，n溝道MOS場效應(yīng)晶體管簡稱為MOS晶體管。在該圖像拾取裝置中，多個(gè)像素以二維的方式被配置。圖1是表示配置的四個(gè)像素作為例子的平面圖。一個(gè)像素包含傳輸MOS晶體管(transfer MOS transistor)Tx-MOS和復(fù)位MOS晶體管RES-MOS。并且，該像素包含源跟隨器(sourcefollower)MOS晶體管SF-MOS和選擇MOS晶體管SEL-MOS。光電二極管PD和浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD分別對應(yīng)于傳輸MOS晶體管Tx-MOS的源極和漏極。晶體管RES-MOS的漏極B與固定電源電壓VDD連接。
用作光電轉(zhuǎn)換單元的光電二極管PD通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生載流子，并蓄積產(chǎn)生的載流子。傳輸MOS晶體管Tx-MOS的柵極(gate)是用于將由光電二極管PD產(chǎn)生的載流子傳輸?shù)阶鳛閿U(kuò)散區(qū)的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD中的柵極。通過關(guān)閉傳輸門(transfer gate)(通過使晶體管Tx-MOS截止)，光電二極管PD可通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生和蓄積載流子。當(dāng)蓄積時(shí)間結(jié)束時(shí)，通過打開傳輸門(通過使晶體管Tx-MOS導(dǎo)通)，蓄積在光電二極管PD中的載流子可被傳輸(讀取)到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD中。
在圖2中，由O-A線表示的區(qū)域a表示光電二極管PD和浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD之間的電勢(即，晶體管Tx-MOS的柵極(gate)下的電勢)。點(diǎn)O表示光電二極管PD的電勢，點(diǎn)A表示與光電二極管PD相同的像素的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD的電勢。
類似地，在圖2中，由O-B線表示的區(qū)域b表示光電二極管PD和晶體管RES-MOS的漏極B之間的電勢。點(diǎn)B表示晶體管RES-MOS的漏極B。
由圖2的O-C線表示的區(qū)域c表示某一像素的光電二極管PD和鄰近光電二極管PD的另一像素之間的電勢。點(diǎn)C表示鄰近像素的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD的電勢。
這里，電勢是勢壘(barrier)之一?？刂苿輭镜姆椒ㄖ皇强刂齐妱??？赏ㄟ^雜質(zhì)濃度或柵壓(gate voltage)對電勢進(jìn)行控制。
除了區(qū)域a和b外，圍繞(enclosing)光電二極管PD的電勢的高度(height)與區(qū)域c的電勢的高度相同。使區(qū)域b的電勢低于區(qū)域c的電勢。二極管PD包含n型區(qū)域蓄積電子作為載流子。區(qū)域b和c是p+型區(qū)域。如上所述，可以通過調(diào)整雜質(zhì)濃度控制這些區(qū)域的電勢。另一方面，可以通過控制晶體管Tx-MOS傳輸門的電勢，改變區(qū)域a的電勢。在光電二極管PD產(chǎn)生和蓄積載流子期間，使區(qū)域a的電勢高度與區(qū)域b的電勢高度相同。區(qū)域a和b的電勢被控制為，在圍繞光電二極管PD的勢壘中最低。并且，可以獨(dú)立地控制區(qū)域a和b的電勢。
光電二極管PD可蓄積的載流子的量被確定。結(jié)果，當(dāng)強(qiáng)光照射光電二極管PD時(shí)，載流子從光電二極管PD溢出(overflow)。從光電二極管PD溢出的載流子分流進(jìn)入浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD和晶體管RES-MOS的漏極B。即，載流子的一部分流入浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD，載流子的另一部分被注入晶體管RES-MOS的漏極B。
在本實(shí)施例中，溢出的載流子的一部分可以以一定的固定比率聚集到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD中。從光電二極管PD溢出的載流子通過具有最低電勢的區(qū)域在點(diǎn)A流入浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD中。通過將區(qū)域a的電勢控制為與區(qū)域b的電勢相同，從光電二極管D溢出的載流子可以以相同的比例分布到區(qū)域a和b中。并且，區(qū)域b優(yōu)選是固定電源電壓VDD。原因是，流入漏極B中的載流子可被迅速處理。
區(qū)域c是鄰近像素的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD。與區(qū)域b的電勢相比，形成該部分的勢壘的區(qū)域c需要更高的電勢。原因是，可以通過這種措施抑制載流子泄漏到鄰近像素區(qū)域中。
流入?yún)^(qū)域a和b中的載流子的分布比可由傳輸MOS晶體管Tx-MOS的柵極(gate)寬度W和區(qū)域b的寬度Wb控制。并且，通過控制傳輸MOS晶體管Tx-MOS的柵壓，以實(shí)現(xiàn)希望的載流子分布比，載流子的分布可以以穩(wěn)定的比值被執(zhí)行。并且，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)范圍的擴(kuò)展。例如，也可以使從光電二極管PD溢出的載流子的10％流入漏極B中。
即，與日本專利申請公開No.2004-335803中公開的相關(guān)技術(shù)相比，可以以更高的精度控制被舍棄的載流子和信號(hào)載流子的比值。并且，在本實(shí)施例中，由于區(qū)域a和b的共有結(jié)構(gòu)(mutual structure)是相同的水平方向溢漏，因此溫度的相關(guān)性很小，并且，即使出現(xiàn)比值的變化，也可通過控制電勢將該比值保持為固定值。
圖3是表示根據(jù)本實(shí)施例的圖像拾取裝置的整體配置的例子的布局圖，并且，圖4是表示圖3的圖像拾取裝置的某一像素的等同電路圖。在圖4中，浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD與傳輸MOS晶體管Tx-MOS的漏極、復(fù)位MOS晶體管RES-MOS的源極和源跟隨器MOS晶體管的柵極連接。
圖5是表示圖4的電路的操作例子的時(shí)序圖。電勢res表示復(fù)位MOS晶體管RES-MOS的柵壓；電勢tx表示傳輸MOS晶體管Tx-MOS的柵壓；電勢sel表示選擇MOS晶體管SEL-MOS的柵壓；電勢CtsFD表示MOS晶體管411的柵壓；電勢Ctn表示MOS晶體管413的柵壓；電勢CtsPD表示MOS晶體管412的柵壓；在定時(shí)(timing)T1之前，電勢res是正電勢，電勢tx、電勢sel、CtsFD、Ctn和CtsPD是0V。復(fù)位MOS晶體管RES-MOS被導(dǎo)通，并且電源電壓VDD被提供到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD。
然后，施加正脈沖作為電勢tx。晶體管Tx-MOS導(dǎo)通，并將電源電壓VDD施加到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD和光電二極管PD。然后，浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD和光電二極管PD被復(fù)位。在復(fù)位后，電勢tx被降低到0V，并且復(fù)位MOS晶體管RES-MOS被截止。然后，電勢tx被設(shè)置為例如-1.3V，并且，使區(qū)域a的電勢高于區(qū)域b的電勢。由此，使光電二極管PD和浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD處于浮動(dòng)狀態(tài)。但是，此時(shí)外部機(jī)械快門(shutter)還沒被打開，并且在光電二極管PD中光載流子的蓄積還沒被啟動(dòng)。
然后，在定時(shí)T2，機(jī)械快門(圖6)打開，并且光被照射到光電二極管PD。然后，光電二極管PD開始產(chǎn)生和蓄積光載流。此時(shí)，電勢tx升高到例如-0.7V，其是在時(shí)間T1施加的正脈沖和此后施加的電壓-1.3V之間的值。并且，使區(qū)域a的電勢的高度與區(qū)域b相同。并且，在溢出到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD中的載流子的某些比值的情況下，電勢tx可被控制以與區(qū)域b的電勢無關(guān)地設(shè)置區(qū)域a的電勢。
然后，在定時(shí)T3的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD的電勢的虛線表示當(dāng)強(qiáng)光被照射時(shí)的電勢。在定時(shí)T3，光電二極管PD飽和，并且光電二極管PD的負(fù)載流子的一部分從光電二極管PD流入浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD。由此，浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD的電勢降低。從光電二極管PD溢出的載流子的一部分以一定的比例流入浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD、并且剩余部分被漏極B的電源電壓VDD排出(eject)。順便提一句，浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD的電勢的實(shí)線表示弱光被照射并且載流子沒有從光電二極管PD流入浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD的情況。
然后，在定時(shí)T4，快門53關(guān)閉，并且光電二極管PD被遮蓋以不受光的照射。那么光電二極管PD的光載流子的產(chǎn)生結(jié)束。并且，電勢tx被降低到例如-1.3V，并且，使區(qū)域a的電勢比區(qū)域b的電勢高。由此，使光電二極管PD和浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD處于浮動(dòng)狀態(tài)。由于光電二極管PD的光載流子在此時(shí)間點(diǎn)停止流入浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD，因此，浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD的電勢被保持在此狀態(tài)。
然后，在定時(shí)T5，使電勢sel為從0V到正電勢。選擇MOS晶體管SEL-MOS被導(dǎo)通，并使信號(hào)輸出線401處于活動(dòng)狀態(tài)。源跟隨器MOS晶體管SF-MOS構(gòu)成源跟隨器放大器(source followeramplifier)，并根據(jù)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD的電勢向信號(hào)輸出線401輸出電壓。
然后，在定時(shí)T6，正脈沖被施加作為電勢CtsFD。晶體管411被導(dǎo)通，并且根據(jù)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD的電勢的輸出被蓄積到電容CtsFD中。由于在光電二極管PD沒有飽和的像素中載流子沒有溢出到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD中，因此將浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD復(fù)位的根據(jù)電源電壓VDD的輸出被蓄積到電容CtsFD中。并且，當(dāng)強(qiáng)光照射光電二極管PD且光電二極管PD飽和時(shí)，將浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD復(fù)位的比電源電壓VDD低的輸出電壓被蓄積在電容CtsFD中。
然后，在定時(shí)T7，正脈沖被施加作為電勢res。復(fù)位MOS晶體管RES-MOS被導(dǎo)通，并且浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD被電源電壓VDD再次復(fù)位。
然后，在定時(shí)T8，正脈沖被施加作為電勢Ctn。MOS晶體管413被導(dǎo)通，并且，處于浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD被復(fù)位的狀態(tài)的偏移噪聲電壓(offset noise voltage)被蓄積在電容Ctn中。
然后，在定時(shí)T9，正脈沖被施加作為tx。傳輸MOS晶體管Tx-MOS被導(dǎo)通，并且蓄積在光電二極管PD中的載流子被讀入浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD中。
然后，在定時(shí)T10，正脈沖被施加作為電勢CtsPD。MOS晶體管412被導(dǎo)通，并且，根據(jù)被從光電二極管PD讀入浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD中的載流子的信號(hào)輸出線401的電壓被蓄積在電容CtsPD中。
然后，在定時(shí)T11，使電勢sel為0V。選擇MOS晶體管被截止，并且選擇MOS晶體管SEL-MOS被截止，并且信號(hào)輸出線401變?yōu)椴换顒?dòng)狀態(tài)。
然后，在定時(shí)T12，電勢res變?yōu)檎妱?。?fù)位MOS晶體管RES-MOS被導(dǎo)通，并且浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD的電勢被固定為電源電壓VDD。
通過以上處理，與偏移噪聲對應(yīng)的電壓被蓄積在電容Ctn中；與從光電二極管PD溢出到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD中的載流子對應(yīng)的電壓被蓄積在電容CtsFD中；與光電二極管PD的蓄積載流子對應(yīng)的電壓被蓄積在電容CtsPD中。
差動(dòng)放大器(differential amplifier)421輸出通過從電容CtsFD的信號(hào)電壓減去電容Ctn的噪聲電壓產(chǎn)生的電壓。差動(dòng)放大器422輸出通過從電容CtsPD的信號(hào)電壓減去電容Ctn的噪聲電壓產(chǎn)生的電壓。放大器423放大差動(dòng)放大器421的輸出信號(hào)。放大器424放大差動(dòng)放大器422的輸出信號(hào)。
放大器423和424的放大程度(增益)由從光電二極管PD溢出的載流子中的流入浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD的載流子的數(shù)量和流入漏極B的載流子的數(shù)量的比值確定。例如，說明了從光電二極管PD溢出的載流子的10％流入浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD中、載流子的90％流入漏極B中的情況。在這種情況下，放大器423將輸入信號(hào)放大十倍，以輸出放大的輸入信號(hào)，并且放大器424將輸入信號(hào)放大一倍，以輸出放大的輸入信號(hào)。即，這種情況意味著，溢出到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD中的載流子的數(shù)量的10倍等于從光電二極管PD溢出的載流子的數(shù)量。
加法器425將放大器423和424的輸出信號(hào)相加，以輸出相加的信號(hào)作為像素信號(hào)。因此，加法器425作為像素信號(hào)產(chǎn)生單元工作。由于該像素信號(hào)是基于蓄積在光電二極管PD中的載流子和溢出到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD中的載流子產(chǎn)生的，因此，與僅使用蓄積在光電二極管PD中的載流子的情況相比，像素信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍可被進(jìn)一步擴(kuò)展。并且像素信號(hào)或圖像信號(hào)可僅根據(jù)溢出到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD的載流子產(chǎn)生。
放大器426根據(jù)ISO感光度(speed)放大并輸出加法器425的輸出信號(hào)。當(dāng)ISO感光度被固定在較小數(shù)值時(shí)，放大程度較小，當(dāng)ISO感光度被固定在較大數(shù)值時(shí)，放大程度較大。
并且，在圖2中，當(dāng)ISO感光度被固定在100時(shí)，區(qū)域a的電勢的高度可被控制為與區(qū)域b的電勢相同，當(dāng)ISO感光度被固定在200或更大時(shí)，區(qū)域a的電勢的高度可被控制為高于區(qū)域b的電勢。并且，在圖5中，當(dāng)ISO感光度被固定在100時(shí)，電勢x被控制，使得從定時(shí)T2到T4的期間內(nèi)的高度可變得比定時(shí)T2前和定時(shí)T4后的高度高。另一方面，當(dāng)ISO感光度被固定在200或更大時(shí)，電勢tx被控制，使得從定時(shí)T2到T4的期間內(nèi)的高度與定時(shí)T2前和定時(shí)T4后的高度相同。
換句話說，當(dāng)ISO感光度被固定在100時(shí)，區(qū)域a的電勢被控制，使得從定時(shí)T2到T4的期間內(nèi)的高度可變得比定時(shí)T2前和定時(shí)T4后的高度低。換句話說，當(dāng)ISO感光度被固定在200或更大時(shí)，區(qū)域a的電勢被控制，使得從定時(shí)T2到T4的期間內(nèi)的高度與定時(shí)T2前和定時(shí)T4后的高度相同。
如上所述，在光電二極管PD產(chǎn)生和蓄積載流子的從定時(shí)T2到T4的期間內(nèi)的傳輸門的電勢tx根據(jù)與ISO感光度對應(yīng)的像素信號(hào)的放大程度被控制。
(第二實(shí)施例)圖6是表示根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的靜態(tài)攝像機(jī)的配置例子的框圖?；趫D6，詳細(xì)說明了在向靜態(tài)攝像機(jī)施加第一實(shí)施例的圖像拾取裝置的時(shí)間的例子。圖像拾取裝置54和處理圖像拾取信號(hào)的電路55對應(yīng)于以上圖像拾取裝置。
在圖6中，附圖標(biāo)記51表示一般用于鏡頭的保護(hù)器和主開關(guān)的擋板。附圖標(biāo)記52表示將物體的光學(xué)圖像聚焦到圖像拾取裝置54上的鏡頭。附圖標(biāo)記53表示用于改變通過鏡頭52的光的量的光闌(diaphragm)和快門。并且，附圖標(biāo)記54表示用于捕獲由鏡頭52聚焦的物體作為圖像信號(hào)的圖像拾取裝置。附圖標(biāo)記55表示用于處理執(zhí)行從圖像拾取裝置54輸出的圖像拾取信號(hào)(圖像信號(hào))的模擬信號(hào)處理的圖像拾取信號(hào)的電路。并且，附圖標(biāo)記56表示執(zhí)行從處理圖像拾取信號(hào)的電路55輸出的圖像信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換的A/D轉(zhuǎn)換器。并且，附圖標(biāo)記57表示執(zhí)行從A/D轉(zhuǎn)換器56輸出的圖像數(shù)據(jù)的各種校正和數(shù)據(jù)壓縮的信號(hào)處理單元。附圖標(biāo)記58表示向圖像拾取裝置54、處理圖像拾取信號(hào)的電路55、A/D轉(zhuǎn)換器56和信號(hào)處理單元57輸出各種定時(shí)信號(hào)的定時(shí)產(chǎn)生器。附圖標(biāo)記59表示控制整體和算術(shù)運(yùn)算的單元，該單元控制各種算術(shù)運(yùn)算和整個(gè)靜態(tài)攝像機(jī)。附圖標(biāo)記60表示用于暫時(shí)存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器單元。附圖標(biāo)記61表示用于執(zhí)行記錄介質(zhì)62的記錄或讀取的接口單元。附圖標(biāo)記62表示可固定或拆卸用于執(zhí)行圖像數(shù)據(jù)的記錄或讀取的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器等的記錄介質(zhì)。附圖標(biāo)記63表示用于與外部計(jì)算機(jī)等通信的接口單元。
這里，圖像拾取裝置和定時(shí)產(chǎn)生器58等可在相同的芯片中形成。
下面，說明上述配置的拍攝時(shí)的靜態(tài)攝像機(jī)的操作。當(dāng)擋板51打開時(shí)，主電源被打開，然后控制系統(tǒng)的電源被打開。并且，諸如A/D轉(zhuǎn)換器56的圖像拾取系統(tǒng)電路的電源被打開。并且，為了控制曝光量，控制整體和算術(shù)運(yùn)算的單元59釋放光闌(快門)53。然后，在從圖像拾取裝置54輸出的信號(hào)通過處理圖像拾取信號(hào)的電路55被A/D轉(zhuǎn)換器56轉(zhuǎn)換后，該信號(hào)被輸入信號(hào)處理單元57?；跀?shù)據(jù)在控制整體和算術(shù)運(yùn)算的單元59中執(zhí)行曝光的算術(shù)運(yùn)算?；跍y光的結(jié)果對亮度進(jìn)行判斷，并且控制整體和算術(shù)運(yùn)算的單元59根據(jù)判斷的結(jié)果控制光闌53。
然后，基于從圖像拾取裝置54輸出的信號(hào)取出高頻分量，并在控制整體和算術(shù)運(yùn)算的單元59中執(zhí)行到物體的距離的算術(shù)運(yùn)算。此后，鏡頭被驅(qū)動(dòng)，以判斷鏡頭是否焦點(diǎn)對準(zhǔn)(in-focus)。當(dāng)判定鏡頭沒有焦點(diǎn)對準(zhǔn)時(shí)，鏡頭被重新驅(qū)動(dòng)以執(zhí)行該判斷。并且，在確定焦點(diǎn)對準(zhǔn)的狀態(tài)后，主曝光被啟動(dòng)。當(dāng)曝光結(jié)束時(shí)，從固態(tài)圖像拾取裝置54輸出的圖像信號(hào)通過處理圖像拾取信號(hào)的電路55，并經(jīng)受A/D轉(zhuǎn)換器56的A/D轉(zhuǎn)換。然后，被轉(zhuǎn)換的信號(hào)通過信號(hào)處理單元57，并且通過控制整體和算術(shù)運(yùn)算的單元59被寫入存儲(chǔ)器單元60中。此后，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)部分60中的數(shù)據(jù)通過控制記錄介質(zhì)的I/F單元61，以通過控制整體和算術(shù)運(yùn)算的單元59的控制被記錄在諸如半導(dǎo)體存儲(chǔ)器等的以可拆卸的方式固定的記錄介質(zhì)62上。并且，數(shù)據(jù)可通過外部I/F單元63被直接輸入計(jì)算機(jī)等，且圖像可被處理。
定時(shí)產(chǎn)生器58控制諸如電勢res、tx、sel、CtsFd、Ctn和CtsPd等的圖5的信號(hào)。溫度計(jì)64檢測溫度，并向控制整體和算術(shù)運(yùn)算的單元59輸出根據(jù)檢測到的溫度的電壓。在光電二極管PD產(chǎn)生和蓄積載流子的從定時(shí)T2到T4的期間，控制整體和算術(shù)運(yùn)算的單元59和定時(shí)產(chǎn)生器58根據(jù)溫度控制傳輸門的電勢tx。即，在從定時(shí)T2到T4的期間，控制整體和算術(shù)運(yùn)算的單元59和定時(shí)產(chǎn)生器58進(jìn)行控制，使得區(qū)域a的電勢可具有與區(qū)域b的電勢的高度相同的高度。但是，由于電勢的高度隨溫度改變，因此，通過根據(jù)溫度控制傳輸門的電勢tx，控制整體和算術(shù)運(yùn)算的單元59和定時(shí)產(chǎn)生器58可控制區(qū)域a的電勢的高度，使其等于區(qū)域b的電勢的高度。
(第三實(shí)施例)圖7是表示根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的攝像機(jī)的配置例子的框圖?；趫D7，詳細(xì)說明第一實(shí)施例的圖像拾取裝置被應(yīng)用于攝像機(jī)的情況的實(shí)施例。
附圖標(biāo)記1表示配有用于執(zhí)行調(diào)焦的調(diào)焦鏡頭1A、執(zhí)行變焦操作的變焦鏡頭1B和用于圖像形成的鏡頭1C的拍攝鏡頭。附圖標(biāo)記2表示光闌和快門。附圖標(biāo)記3表示執(zhí)行形成為圖像拾取表面上的圖像的物體圖像的光電轉(zhuǎn)換、以將物體圖像轉(zhuǎn)換為電圖像拾取信號(hào)的圖像拾取裝置。附圖標(biāo)記4表示執(zhí)行從圖像拾取裝置3輸出的圖像拾取信號(hào)的取樣保持并進(jìn)一步放大電平(level)的取樣保持電路(S/H電路)。S/H電路4輸出圖像信號(hào)。
附圖標(biāo)記5表示對從取樣保持電路4輸出的圖像信號(hào)執(zhí)行諸如伽馬校正、色分離、消隱(blanking)處理等的預(yù)定處理的處理電路。處理電路5輸出亮度信號(hào)Y和色度(色品)信號(hào)C。從處理電路5輸出的色度信號(hào)C接收由色彩(color)信號(hào)校正電路21進(jìn)行的白平衡和色平衡的校正，并且，被校正的信號(hào)作為色差信號(hào)R-Y和B-Y被輸出。
并且，從處理電路5輸出的亮度信號(hào)Y和從色彩信號(hào)校正電路21輸出的色差信號(hào)R-Y和B-Y被編碼器電路(ENC電路)24調(diào)制，并作為標(biāo)準(zhǔn)電視信號(hào)被輸出。并且，標(biāo)準(zhǔn)電視信號(hào)被輸出到未示出的視頻記錄器或諸如監(jiān)視器電子取景器(EVF)的電子取景器。
接下來，附圖標(biāo)記6表示光圈控制電路，該光圈控制電路為了控制光闌2的打開量使得圖像信號(hào)的級(jí)別(level)可取預(yù)定級(jí)別(level)的固定值，基于從取樣保持電路4提供的圖像信號(hào)控制光圈驅(qū)動(dòng)電路7，以自動(dòng)控制ig測量計(jì)8。
附圖標(biāo)記13和14表示具有從從取樣保持電路4輸出的圖像信號(hào)提取焦點(diǎn)對準(zhǔn)檢測需要的高頻分量的不同頻帶限制的帶通濾波器(band path filter)(BPF)。從第一帶通濾波器13(BPF1)和第二帶通濾波器14(BPF2)輸出的信號(hào)被門電路15和聚焦門楨信號(hào)(focusgate frame signal)的每一個(gè)選通(gate)，并且被選通的(gated)信號(hào)的峰值被峰值檢測電路16檢測和保持，以被輸入邏輯控制電路17。每個(gè)峰值被稱為焦點(diǎn)電壓，并且焦點(diǎn)通過焦點(diǎn)電壓被調(diào)整。
并且，附圖標(biāo)記18表示檢測聚焦鏡頭1A的移動(dòng)位置的聚焦編碼器(focus encoder)。附圖標(biāo)記19表示檢測變焦鏡頭1B的焦點(diǎn)距離的變焦編碼器(zoom encoder)。附圖標(biāo)記20表示檢測光闌2的打開量的光圈編碼器。這些編碼器的檢測值被提供到執(zhí)行系統(tǒng)控制的邏輯控制電路17。
邏輯控制電路17基于與設(shè)置的焦點(diǎn)對準(zhǔn)檢測區(qū)對應(yīng)的圖像信號(hào)執(zhí)行對于物體的焦點(diǎn)對準(zhǔn)，以執(zhí)行調(diào)焦。特別地，邏輯控制電路17首先捕獲從帶通濾波器13和14的每一個(gè)提供的高頻分量的峰值信息。并且，為了將聚焦鏡頭1A驅(qū)動(dòng)到高頻分量的峰值變?yōu)樽畲蟮奈恢?，邏輯控制電?7向焦點(diǎn)驅(qū)動(dòng)電路9提供諸如旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)/停止的聚焦馬達(dá)10的控制信號(hào)，以控制焦點(diǎn)驅(qū)動(dòng)電路9。
當(dāng)變焦被指示時(shí)，變焦驅(qū)動(dòng)電路11旋轉(zhuǎn)變焦馬達(dá)12。當(dāng)變焦馬達(dá)12旋轉(zhuǎn)時(shí)，變焦鏡頭1B移動(dòng)，并且變焦被執(zhí)行。
如上所述，根據(jù)第一至第三實(shí)施例，傳輸門控制單元(例如，圖6中的定時(shí)產(chǎn)生器58)控制傳輸門的電勢tx，使得從光電二極管PD溢出的載流子的一部分在光電二極管PD產(chǎn)生和蓄積載流子的從定時(shí)T2到T4的期間流入浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD。此時(shí)，傳輸門控制單元可在與固態(tài)圖像拾取裝置的芯片相同的芯片上形成。
并且，在圖4中，圖4的像素信號(hào)產(chǎn)生單元根據(jù)蓄積在光電二極管PD中的載流子和從光電二極管PD溢出到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD中的載流子產(chǎn)生像素信號(hào)。
由此，從光電二極管PD溢出的載流子中的流入浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD的載流子的比可得到高精度控制，動(dòng)態(tài)范圍可被擴(kuò)展，以及圖像質(zhì)量可得到改善。并且，從光電二極管PD溢出到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD中的結(jié)構(gòu)和從光電二極管PD溢出到漏極B的結(jié)構(gòu)均是水平溢漏結(jié)構(gòu)。結(jié)果，它們的溫度相關(guān)性的差異可被減小，并且，通過控制傳輸門的電勢，溢出到它們中的載流子的量的比可容易地保持為固定值。
順便提一句，所述的實(shí)施例的任何一個(gè)僅是實(shí)施本發(fā)明時(shí)的具體化的例子，并且本發(fā)明的技術(shù)范圍不應(yīng)被解釋為由實(shí)施例限定。即，在不背離其技術(shù)精神或主要特征的情況下，可以以各種方式實(shí)施本發(fā)明。
本申請要求在2005年1月14日提交的日本專利申請No.2005-008123的優(yōu)先權(quán)，在此引用其內(nèi)容作為參考。
權(quán)利要求
1.一種圖像拾取裝置，包括通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生載流子并蓄積所述載流子的一部分的光電轉(zhuǎn)換單元；用于傳輸所述光電轉(zhuǎn)換單元的載流子的傳輸晶體管；所述光電轉(zhuǎn)換單元的載流子被所述傳輸晶體管傳輸?shù)降母?dòng)擴(kuò)散區(qū)；將所述傳輸晶體管的柵壓控制為所述傳輸晶體管導(dǎo)通時(shí)的第一柵壓、所述傳輸晶體管截止時(shí)的第二柵壓、和第一和第二柵壓之間的第三柵壓的任一個(gè)的傳輸門控制單元；和基于在所述柵壓被控制為第三柵壓的期間內(nèi)傳輸?shù)剿龈?dòng)擴(kuò)散區(qū)中的載流子產(chǎn)生像素信號(hào)的像素信號(hào)產(chǎn)生單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的圖像拾取裝置，其中，所述傳輸門控制單元根據(jù)與ISO感光度對應(yīng)的像素信號(hào)的放大程度控制所述傳輸門的所述第三柵壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的圖像拾取裝置，其中，所述傳輸門控制單元控制所述傳輸門的所述第三柵壓，使得在所述光電轉(zhuǎn)換單元和所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)之間的所述傳輸門下的勢壘高度在圍繞所述光電轉(zhuǎn)換單元的勢壘的高度中為最低。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的圖像拾取裝置，其中，所述裝置還包括鄰近所述光電轉(zhuǎn)換單元的水平溢漏。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的圖像拾取裝置，其中，所述光電轉(zhuǎn)換單元控制所述傳輸門的所述第三柵壓，使得所述傳輸門下的勢壘可以具有與所述光電轉(zhuǎn)換單元和所述水平溢漏之間的元件隔離勢壘的高度相同的高度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的圖像拾取裝置，其中，所述傳輸門下的所述勢壘的所述高度以及所述光電轉(zhuǎn)換單元和所述水平溢漏結(jié)構(gòu)之間的所述元件隔離勢壘比圍繞所述光電轉(zhuǎn)換單元的勢壘的高度低。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的圖像拾取裝置，其中，所述傳輸門控制單元根據(jù)溫度控制所述傳輸門的所述第三柵壓。
8.一種圖像拾取裝置，包括通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生載流子并蓄積所述載流子的一部分的光電轉(zhuǎn)換單元；用于傳輸所述光電轉(zhuǎn)換單元的載流子的傳輸晶體管；所述光電轉(zhuǎn)換單元的載流子被所述傳輸晶體管傳輸?shù)降母?dòng)擴(kuò)散區(qū)；控制所述傳輸晶體管的柵壓，使得在所述光電轉(zhuǎn)換單元產(chǎn)生和蓄積載流子的期間從所述光電轉(zhuǎn)換單元溢出的載流子可流入所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的傳輸門控制單元；和基于在所述光電轉(zhuǎn)換單元被蓄積和已經(jīng)溢出到所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的載流子產(chǎn)生像素信號(hào)的像素信號(hào)產(chǎn)生單元。
9.一種圖像拾取裝置的控制方法，該圖像拾取裝置具有通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生載流子并蓄積所述載流子的一部分的光電轉(zhuǎn)換單元、用于傳輸所述光電轉(zhuǎn)換單元的載流子的傳輸晶體管、和所述光電轉(zhuǎn)換單元的載流子被所述傳輸晶體管傳輸?shù)降母?dòng)擴(kuò)散區(qū)，所述方法包括控制所述傳輸晶體管的柵壓，使得在所述光電轉(zhuǎn)換單元產(chǎn)生和蓄積載流子的期間內(nèi)從所述光電轉(zhuǎn)換單元溢出的載流子可流入所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的傳輸門控制步驟；和基于在所述光電轉(zhuǎn)換單元中蓄積和已經(jīng)溢出到所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中的載流子產(chǎn)生像素信號(hào)的像素信號(hào)產(chǎn)生步驟。
10.一種照相機(jī)，包括根據(jù)權(quán)利要求1的圖像拾取裝置；用于將光學(xué)圖像聚焦到所述圖像拾取裝置上的鏡頭；和用于改變通過所述鏡頭的光量的光闌。
全文摘要
提供一種圖像拾取裝置，其中提供了在光電產(chǎn)生和蓄積載流子的期間從光電轉(zhuǎn)換單元溢出的載流子的一部分可流入浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)，和根據(jù)蓄積在光電轉(zhuǎn)換單元中的載流子和溢出到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中的載流子產(chǎn)生像素信號(hào)的像素信號(hào)產(chǎn)生單元。通過高精度地控制流入浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的載流子與從這種光電轉(zhuǎn)換單元溢出的載流子的比，可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍并提高圖像質(zhì)量。
文檔編號(hào)H04N5/355GK1812506SQ20061000512
公開日2006年8月2日 申請日期2006年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月14日
發(fā)明者沖田彰, 小泉徹, 上野勇武, 櫻井克仁 申請人:佳能株式會(huì)社