專利名稱：電荷耦合元件的電壓控制裝置及控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及控制施加于電荷耦合元件的傳送電極上的電壓的電壓控制裝置、特別是根據(jù)被攝物照度來控制電荷耦合元件特性的電壓控制裝置、具備該電壓控制裝置的攝像裝置及電壓控制方法。
背景技術：
由包含電荷耦合元件的半導體固體攝像元件拍攝的圖像品質，由光電變換的信息電荷量與隨機噪聲之比來決定。而且，可以用半導體固體攝像元件拍攝的被攝體的照度范圍主要由飽和信號量來決定。在室內或夜間等暗且照度低的被攝體的拍攝中，由于光電變換的信息電荷量少，故對應于信息電荷量的暗電流發(fā)射(shot)·噪聲的相對比例增加，圖像信號的SN比惡化。另一方面，在晴天的室外等明亮、照度高的被攝體的拍攝中，光電變換的信息電荷量多，信息電荷量超過存儲容量而引起飽和，容易產生“發(fā)白”。
在此，對暗電流產生·噪聲的產生進行說明。圖1是概念性表示電荷耦合元件攝像區(qū)域的剖面結構的圖。在n型Si基板200上形成p阱202，從p阱202的傳送電極φ1到φ4(對時鐘名和電極名使用同一稱呼)之下形成n層204，從而形成npn結構。在基板200表面和傳送電極之間插入用于絕緣的Si氧化膜。
在具有上述剖面結構的電荷耦合元件中，當拍攝時，一般對傳送電極φ1、φ3施加用于進行像素分離的正電壓，對傳送電極φ2、φ4施加被稱為柵極上(on gate)電壓的用于電荷存儲的電壓。圖2中示出了施加該柵極上電壓時圖1的A-A′、B-B′線的電勢曲線。在柵極φ2下的B-B′線的電勢阱(深度Don)存儲電荷，在x方向的任何點由比B-B′線電勢高的A-A′線的電勢、即由柵極φ1、φ3進行電荷分離。由于電勢阱在柵極下的SiO2-Si界面的耗盡層連續(xù)形成，故根據(jù)界面能級產生的電荷在電勢阱存儲。隨著與該信息電荷無關的電荷流入而產生暗電流發(fā)射·噪聲，形成白噪聲，使圖像信號的SN比惡化。
在此，作為抑制用于改善拍攝照度低的被攝物時的圖像信號SN比的暗電流產生的方法，常見將電荷耦合元件(Charge Coupled Device以下稱CCD)進行全柵極鎖定(All Gate Pinning以下稱AGP)驅動的方法(例如，參照專利文獻1)。
在此，對于AGP驅動及其作用進行說明。圖3是概念性表示電荷耦合元件攝像區(qū)域的剖面結構的圖。在n型Si基板300上形成p阱302，從p阱302的傳送電極φ1到φ4(對時鐘名和電極名使用同一稱呼)之下形成n層304，從而形成npn結構。在傳送電極φ2、φ4之下形成n+層306。n+層306的雜質濃度設定得比n層304的雜質濃度高。在基板300表面和傳送電極之間插入用于絕緣的Si氧化膜。與圖1所示結構的差異在于雜質分布及柵極電壓大小的不同。
在具備如上所述的剖面結構的CCD中，當施加于傳送電極的電壓(柵極電壓)為零時，由于作為金屬的傳送電極與半導體Si基板300之間的費米能級的電子能量差，使Si氧化膜界面的Si能量帶被扭曲從而形成耗盡層。該Si能帶的扭曲可隨施加到傳送電極的電壓而變化。將使Si氧化膜界面Si的能帶平直的傳送電極電壓稱為平帶電壓，將對傳送電極施加平帶電壓的驅動方法叫做AGP驅動。
將施加平帶電壓時的圖3A-A′、B-B′線的電勢曲線示于圖4。對傳送電極φ2、φ4施加用于存儲電荷的電壓，形成BBOB1所示的電勢阱(深度DAGP)能夠存儲電荷，對傳送電極φ1、φ3施加用于進行像素分離的電壓，如AA1A所示，設計雜質分布，以使從Si界面向Si內部電勢降低一樣。
通過進行將電荷存儲時的傳送電極電壓作為平帶電壓的AGP驅動，傳送電極下的Si氧化膜-Si界面非耗盡化、即界面成為鎖定狀態(tài)。因此，由界面產生的暗電流在形成于界面附近的空穴群中被中和，可避免來自界面能級的電荷流入形成于基板內部的電勢阱，可抑制白噪聲的產生。而且，通過進行AGP驅動，從而不僅可抑制各種像素的暗電流，而且還可降低具有CCD的多個像素間的暗電流不均。
專利文獻1特許第2604250號如上所述，通過對CCD的傳送電極進行AGP驅動，從而可抑制白噪聲的發(fā)生，但存儲AGP驅動時信息電荷的電勢阱深度DAGP與柵極上驅動時的電勢阱深度Don相比要淺。因此，當太陽或亮度高的照明等強光入射像素時，產生的信息電荷量超過電勢阱中可存儲的飽和電平，得不到灰度信息，使圖像信號的動態(tài)范圍降低。其結果，產生所謂的發(fā)白等，出現(xiàn)圖像品質降低的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明鑒于上述現(xiàn)有技術的問題，其目的在于提供一種拍攝低照度的被攝物時抑制攝像時暗電流的產生、且拍攝高照度的被攝物時使飽和水平增大，可以以寬的照度范圍高品質拍攝的電荷耦合元件的傳送電極電壓控制裝置及電壓控制方法。
本發(fā)明的電壓控制裝置，其中包含設置有傳送電極的像素，在拍攝時產生并存儲對應于入射到上述像素的光強度的信息電荷，在傳輸時通過在上述傳送電極上施加電壓，從而傳輸上述信息電荷，并控制施加于輸出對應于該電荷量的圖像信號的電荷耦合元件的傳送電極上的電壓，根據(jù)入射到上述像素的光強度來控制上述電壓，使拍攝時上述傳送電極下方的上述信息電荷流通的傳輸溝道區(qū)域及半導體界面的電位變化。
另外，根據(jù)本發(fā)明的其他方式，當上述入射的光強度比規(guī)定的閾值光強度小時，進行可以對包含于上述像素的所有傳送電極施加平帶電壓的全柵極鎖定驅動，以抑制上述像素的攝像時的暗電流產生。
此外，根據(jù)本發(fā)明的其他方式，當上述入射的光強度比規(guī)定的閾值光強度大時，進行可以對包含于上述像素的至少1個傳送電極施加比上述平帶電壓大的電壓的柵極上驅動，使在上述傳送電極下方形成的電勢阱的信息電荷存儲容量比上述全柵極鎖定驅動時大。
再者，本發(fā)明的攝像裝置，其中具備由上述電壓控制裝置控制的電壓施加到傳送電極的電荷耦合元件；和具有將上述電荷耦合元件的輸出信號放大并輸出的增益可調放大機構；及取得上述放大機構的輸出信號，將用于將上述放大機構的輸出信號強度控制到規(guī)定大小的增益信號輸出到上述放大機構的積分器、的信號處理機構；上述電壓控制機構取得上述增益信號，根據(jù)作為反映入射到上述像素的光強度信號的上述增益信號的大小來控制上述電壓。
再者，根據(jù)本發(fā)明的其他方式，一種攝像裝置，其中具備將由上述電壓控制裝置控制的電壓施加到傳送電極的電荷耦合元件；和具有將上述電荷耦合元件的輸出信號放大并輸出的增益可調的放大機構；以及取得上述放大機構的輸出信號，將用于使上述放大機構的輸出信號強度控制到規(guī)定大小的增益信號輸出到上述放大機構的積分器的信號處理機構；上述電壓控制機構取得上述增益信號，根據(jù)作為反映入射上述像素光強度信號的上述增益信號的大小，進行切換上述全柵極鎖定驅動和柵極上驅動的電壓控制。
進而，根據(jù)本發(fā)明的其他方式，上述信號處理機構具備將上述取得的信號變換為數(shù)字信號的A-D變換機構，當將上述放大機構的增益與上述全柵極鎖定驅動時的上述電荷耦合元件輸出的飽和電壓相乘得到的信號強度比將規(guī)定的偏置量與上述A-D變換機構的最大輸入電平相加后的電平小時，上述電壓控制機構將上述柵極上驅動電壓施加于上述傳送電極；當將上述放大機構的增益與上述全柵極鎖定驅動時的上述電荷耦合元件輸出的飽和電壓相乘得到的信號強度比將規(guī)定的偏置量與上述A-D變換機構的最大輸入電平相加后的電平大時，上述電壓控制機構將上述全柵極鎖定驅動電壓施加于上述傳送電極。
再者，根據(jù)本發(fā)明的其他方式，上述信號處理機構在從上述柵極上驅動向全柵極鎖定驅動過渡時、和從上述全柵極鎖定驅動向柵極上驅動過渡時，將上述偏置量設定得不同，以防止該過渡的波動現(xiàn)象。
另外，本發(fā)明的電壓控制方法，其中包含設置有傳送電極的像素，在拍攝時產生對應于入射到上述像素光的強度信息電荷并存儲，在傳輸時通過在上述傳送電極上施加電壓，從而傳輸上述信息電荷，并控制施加于輸出對應于該電荷量的圖像信號的電荷耦合元件的傳送電極上的電壓其包括取得入射到上述像素的光強度信息的入射光強度取得步驟；和根據(jù)上述取得的入射光強度來控制上述電壓的電壓控制步驟；改變拍攝時上述傳送電極下方的上述信息電荷流通的傳輸溝道區(qū)域及半導體界面的電勢。
再者，根據(jù)本發(fā)明的其他方式，在上述電壓控制步驟中，當上述入射的光強度比規(guī)定的閾值光強度小時，進行對包含于上述像素的所有傳送電極施加平帶電壓的全柵極鎖定驅動。
此外，根據(jù)本發(fā)明的其他方式，在上述電壓控制步驟中，當上述入射的光強度比規(guī)定的閾值光強度大時，進行對包含于上述像素的至少1個傳送電極施加比上述平帶電壓大的電壓的柵極上驅動，以使上述傳送電極下方形成的電勢阱信息電荷存儲容量比上述全柵極鎖定驅動時大。
再者，根據(jù)本發(fā)明的其他方式，包括將上述電荷耦合元件的輸出信號放大，并輸出放大信號的信號放大步驟；和取得上述放大信號、將用來將上述放大步驟中的放大信號強度控制到規(guī)定大小的增益信號輸出到上述放大機構的增益信號生成步驟；上述電壓控制步驟是根據(jù)作為反映入射到上述像素的光強度信號的上述增益信號，切換上述全柵極鎖定驅動和柵極上驅動的步驟。
還有，根據(jù)本發(fā)明的其他方式，包括取得上述放大信息，變換為數(shù)字信號的A-D變換步驟；上述電壓控制步驟為當將上述放大機構的增益與上述全柵極鎖定驅動時的上述電荷耦合元件輸出的飽和電壓相乘得到的信號強度比將規(guī)定的偏置量與上述A-D變換機構的最大輸入電平相加后的電平小時，將上述柵極上驅動電壓施加于上述傳送電極；當將上述放大機構的增益與上述全柵極鎖定驅動時的上述電荷耦合元件輸出的飽和電壓相乘得到的信號強度比將規(guī)定的偏置量與上述A-D變換機構的最大輸入電平相加后的電平大時，將上述全柵極鎖定驅動電壓施加于上述傳送電極。
再者，根據(jù)本發(fā)明的其他方式，在上述電壓控制步驟中，在從上述柵極上驅動向全柵極鎖定驅動過渡時、和從上述全柵極鎖定驅動向柵極上驅動過渡時，上述偏置量不同，以防止該過渡的波動現(xiàn)象。
根據(jù)本發(fā)明，在包含電荷耦合元件的攝像裝置中，可以在寬的被攝物照度范圍內得到高品質的圖像信號。


圖1是概念性表示電荷耦合元件攝像區(qū)域的剖面結構的圖。
圖2是表示施加ON選通脈沖電壓時的圖1的A-A′、B-B′線的電勢曲線的圖。
圖3是概念性表示進行AGP驅動的電荷耦合元件攝像區(qū)域的剖面結構的圖。
圖4是表示施加平帶電壓時的圖3的A-A′、B-B′線的電勢曲線的圖。
圖5是表示連接于本發(fā)明的實施方式的攝像裝置100的CCD元件10裝置構成的框圖。
圖6是表示與被攝物的亮度隨時間變化情況下，AGP驅動和柵極上驅動之間切換的時間圖。
圖中10-CCD元件，12-攝像區(qū)域，14-存儲區(qū)域，16-水平寄存器，18-輸出部，20-電壓控制裝置，24-放大機構，26-積分器，28-A-D變換器，100-攝像裝置，200、300-基板，202、203-p阱，204、304-n層。
具體實施例方式
以下根據(jù)

實施本發(fā)明的最佳方式(以下叫做“實施方式”)。
圖5是表示連接于本發(fā)明實施方式涉及的攝像裝置100的CCD元件10的裝置構成的框圖。攝像裝置100包括進行通過透鏡等光學系統(tǒng)(未圖示)聚光的入射光的光電變換，生成圖像信號的CCD元件10；設置在用于進行來自CCD元件10的圖像信號的數(shù)字信號處理的前段，進行模擬信號處理的模擬前置終端電路(AE)22；和用于根據(jù)由AE22生成的信號來驅動CCD元件10的電壓控制裝置20。在CCD元件10中，具備用于限制光電變換期間的電子快門(未圖示)。
CCD元件10包含設有傳送電極的像素，在拍攝時產生對應于入射到上述像素光強度的信息電荷并存儲，在傳輸時通過在上述傳送電極上施加電壓，傳輸上述信息電荷并輸出對應于該電荷量的圖像信號。在本實施方式中，CCD元件10是幀傳送方式(Frame TransferFT)，具備進行光電變換及垂直傳輸?shù)臄z像區(qū)域12、將從攝像區(qū)域12垂直傳輸?shù)碾姾蛇M行存儲的存儲區(qū)域14、將存儲于存儲區(qū)域14的電荷依次進行水平傳輸?shù)乃郊拇嫫?6和將傳送的電荷變換成電壓信號的輸出部18。
攝像區(qū)域12及存儲區(qū)域14向垂直方向(圖1的縱方向)延伸，包括由電荷流通的溝道區(qū)域和與之交叉的傳送電極構成的垂直移位寄存器。攝像區(qū)域12的各垂直移位寄存器的各位分別作為受光像素發(fā)揮功能。存儲區(qū)域14的垂直移位寄存器的各垂直移動寄存器的各位分別作為存儲被遮光的信息電荷的存儲像素發(fā)揮功能。
再者，在包含于攝像區(qū)域12的1個像素中的至少1個傳送電極下方的溝道區(qū)域，摻雜P型或N型雜質，形成電勢勢壘。由該電勢勢壘形成的區(qū)域和沒有形成該電勢勢壘的區(qū)域形成淺電勢阱。如后所述，雜質濃度根據(jù)對傳送電極施加電壓(平帶電壓)而可決定界面的能帶平直。
從電源接受供電的電壓控制裝置20分別電連接于CCD元件10的傳送電極。電壓控制裝置20根據(jù)后述的規(guī)定控制信號，改變施加于CCD元件10的傳送電極上的電壓，驅動CCD元件10的攝像、垂直傳送及水平傳送動作。傳送電極通過柵極絕緣膜配置在半導體上。
CCD元件10的輸出部18電連接于AE22。AE22包括接受輸出部18的輸出信號，可以將輸入到后段的A-D變換器的圖像信號的輸入電平放大到規(guī)定電平的增益控制的增益機構—自動增益放大器(Auto GainControl AmplifierAGC)24；接收AGC24的輸出信號并對其積分，生成對應于AGC24的輸出信號強度的增益信號的積分器26；和作為接收AGC24的輸出信號并將該信號變換成數(shù)字信號的A-D變換機構的A-D變換器28。被變換為數(shù)字信號的信號從輸出部被送至進行后續(xù)圖像信號處理的數(shù)字信號處理器(DSP)。AE22最好還具備用于除去包含于AGC24的前段的輸入信號的噪聲并僅得到信號成分的CDS(相關二重采樣)電路等的采樣機構。
積分器26的輸出端子被電連接于AGC24的放大機構上。AGC24放大機構的增益，根據(jù)由積分器26輸出的增益信號而被控制為使AGC24的輸出信號強度為規(guī)定的強度。例如，在拍攝暗的被攝物時，由于在CCD元件10的拍攝區(qū)域12中光電變換的電荷量小，故從輸出部18輸出的輸出信號的強度小。這種情況下，為了在A-D變換器28中進行精確度高的模數(shù)變換，AGC24根據(jù)來自積分器26的增益將信號強度放大，以使輸入A-D變換器28的信號強度達到規(guī)定強度。
由于增益信號是控制用于使AGD24的輸出信號保持恒定的信號，故是對應于CCD元件10的輸出強度的信號。因此，增益信號是對應于入射CCD元件10的攝像區(qū)域12的像素的光強度的信號。
電壓控制裝置20電連接于積分器26的輸出端子，作為對應于入射到像素的光強度的信號取得增益信號。本發(fā)明的特征是電壓控制裝置20根據(jù)入射到像素的光強度，控制拍攝時施加于傳送電極的電壓。通過改變施加于傳送電極的電壓，從而可改變傳送電極下方的、信息電荷流通的傳送溝道區(qū)域及半導體與絕緣膜之間的界面電位。
當入射到被攝物暗的CCD元件10的像素光強度比預定的規(guī)定閾值光強度小時，電壓控制裝置20在包含于CCD元件10中的攝像區(qū)域12的像素所包含的所有傳送電極上施加平帶電壓。通過將平帶電壓施加于所有傳送電極的AGP驅動，傳送電極下的Si氧化膜-Si界面非耗盡化，即界面呈狀態(tài)。因此，由界面產生的暗電流在界面附近形成的空穴群被中和，可避免來自界面能級的電荷流入到基板內部形成的電勢阱，從而可控制白噪聲的產生。進而，通過進行AGP驅動，從而不僅可抑制各個像素的暗電流，還可以降低CCD具有的多個像素間的暗電流不均。
在攝像期間存儲于電勢阱的信息電荷，在傳送期間被從攝像區(qū)域12傳送到存儲區(qū)域14。傳送期間中，電壓控制裝置20向傳送電極施加使電勢阱深度依次變換的規(guī)定的傳送電壓。
另一方面，當被攝物亮、入射到CCD元件10的像素的光強度大時，在攝像時，通過光電變換在傳送溝道區(qū)域產生多的電荷。如果產生的信息電荷量超過能在電勢阱中存儲的飽和電平，則得不到灰度信息，圖像信號動態(tài)范圍減小。其結果，產生所謂的發(fā)白，圖像品質降低。
在此，當入射到CCD元件10的像素的光強度超過預定的規(guī)定閾值光強度時，電壓控制裝置20對包含于像素的至少1個傳送電極施加比平帶電壓大的電壓，進行在像素溝道區(qū)域形成電勢阱的柵極上驅動。通過柵極上驅動，使在上述傳送電極的下方形成的電勢阱信息電荷存儲容量比上述全柵極鎖定驅動時大。因此，在柵極上驅動時，由于與AGP驅動時相比可存儲更多的信息電荷，故可提高信息電荷存儲的飽和電平。因此，如果通過柵極上驅動，則即使對于在AGP驅動時產生信息電荷飽和而不能得到灰度信息的亮被攝物，也可得到灰度等級信息，提高圖像信號的動態(tài)范圍。其結果，可抑制所謂的發(fā)白等產生，從而可提高圖像的品質。
在柵極上驅動時，由于半導體界面不在鎖定狀態(tài)，故暗電流發(fā)生量比AGD驅動時多。但是，因被攝物亮，故信息電荷的產生量比暗電流的產生量多，另外，因AGC24的增益也小，故暗電流成分在圖像信息中不明顯。
根據(jù)本實施方式涉及的攝像裝置100，電壓控制裝置20在被攝物暗、入射到像素的光強度比規(guī)定的閾值光強度小時，對CCD元件10進行AGP驅動，當被攝物亮、入射到像素的光強度比規(guī)定的閾值大時，進行柵極上驅動。因此，可在被攝物暗、AGC增益大、暗電流成分明顯的情況下抑制暗電流的產生，在被攝物亮、容易引起信息電荷飽和的情況下可以加大信息電荷的存儲容量，可在寬的照度范圍內進行高品質攝像。
在此，說明CCD元件10的攝像區(qū)域12中的傳送電極下方的溝道區(qū)域的雜質濃度分布。雜質濃度分布確定如下在平帶電壓施加于傳送電極的AGP驅動時，剛有少量從包含于像素的至少1個傳送電極下方的Si基板表面進入基板時就形成電勢阱，同時，通過向進行像素分離的上述1個以外的傳送電極施加電壓，如圖4 AA1A′線中所示，從Si基板表面向內部以相同的電勢降低。本領域的技術人員清楚滿足該條件的雜質濃度分布與平帶電壓之間有多種組合。再者，正如我們所了解的，雜質分布是相對的，如果得到圖2及圖4所示的電勢曲線的雜質濃度分布，則可以與雜質的導電型無關地進行實施。
再者，在本實施方式涉及的攝像裝置100中，當比規(guī)定的閾值光強度小時，雖然將平帶電壓施加于所有的傳送電極，但施加電壓不能使Si氧化膜界面的Si能帶達到完全平直，也可以設為比零電壓時的Si氧化膜界面的Si能帶小的電壓。即使在這種情況下，與設施加電壓為零時相比可進一步抑制暗電流。
施加電壓由CCD元件10要求的電勢阱深度、即信息電荷的存儲容量和可允許的暗電流量決定。同樣施加于柵極上驅動像素的各傳送電極的電壓也分別對應于CCD元件10要求的飽和電荷量而適當確定。
電壓控制裝置20構成位作為對應于入射到像素的光強度的信號，取得用于控制AGC24的增益的增益信號，但電壓控制裝置20的控制信號只要是對應于入射到像素的光強度的信號，就不限于增益信號。攝像裝置100獨立于攝像元件之外而具備生成對應于入射到像素的光強度的信號的光強度檢測器，電壓控制裝置20也可以根據(jù)該信號來控制施加于傳送電極的電壓。
接下來說明電壓控制裝置20切換AGP驅動和柵極上驅動、作為閾值的閾值光強度。閾值光強度根據(jù)攝像裝置100所要求的標準等，由CCD元件10及AE22的A-D變換器28的特性、在攝像信號中允許的暗電流噪聲比例、飽和界限照度等決定。
在此，在AE22的A-D變換器28中，為了進行圖像信號的精度高的模數(shù)變換，A-D變換器28的輸入電平信號比作為對應于最大輸出電平的輸入電平信號的最大輸入電平信號大，最好將A-D變換器28的動態(tài)范圍有效利用。此外，通過將A-D變換器28的輸入電平信號電平作為在最大輸入電平上進一步增加余量的電平從，可消除每個像素的飽和電平不均勻。
在A-D變換器28中，輸入由AGC24對CCD元件10的輸出信號進行放大后的放大信號。另一方面，CCD元件10的最大輸出電平由攝像區(qū)域12的飽和電平?jīng)Q定。因此，如果將CCD元件10的AGP驅動時的最大輸出電平設為B、將AGC24的放大增益設為G、將A-D變換器28的最大輸入電平設為C，則如以滿足下式的條件進行AGP驅動，B×G＞C+a(1)則可有效利用A-D變換器28的動態(tài)范圍。在此，a是偏置余量。另一方面，在被攝物亮、G小時，不滿足式(1)。該情況下，可以切換到柵極上驅動。
因此，最好將式(1)設為切換AGP驅動和柵極上驅動的閾值光強度。
再者，為了抑制AGP驅動和柵極上驅動之間的過渡波動現(xiàn)象，最好設定為從AGP驅動過渡到柵極上驅動的電平與從柵極上驅動過渡到AGP驅動的電平不同。該設定將式(1)的偏置余量設為a及b(a＞b)，將從柵極上驅動過渡到AGP驅動設為B×G＞C+a (1)將從AGP驅動過渡到柵極上驅動設為B×G＜C+b (2)圖6是表示被攝物的亮度隨時間變化情況下，AGP驅動和柵極上驅動之間切換的時間圖。圖6(a)是橫軸為時間、縱軸為亮度，將被攝物的亮度曲線化的圖。圖6(b)是橫軸為時間，將AGP24的振幅增益G曲線化的圖。圖6(c)是橫軸為時間，將A-D變換器28的最大輸入電平曲線化的圖。圖6(a)、(b)、(c)的時間軸分別一致。分別用A表示柵極上驅動時的最大輸出電平、用B表示AGP驅動時的最大輸出電平、用C表示A-D變換器28的最大輸入電平。由于柵極上驅動和AGP驅動的存儲容量的大小不同而A＞B。A及B的電平根據(jù)CCD裝置10的標準為已知。
如圖6(a)所示，被攝物的亮度在初始狀態(tài)(時間0)最亮，隨著時間變暗后，再次變亮。
在初始狀態(tài)下，因為滿足式(2)的條件，故電壓控制裝置20對CCD元件10的傳送電極進行柵極上驅動。而且，G是最小增益。如圖6(c)所示，A-D變換器28的最大輸入電平是柵極上驅動的飽和電平A。此時，由于在CCD裝置100的像素中每單位時間入射的光量減少，故攝像裝置100的電子快門縮短曝光時間。電子快門的曝光時間例如由G和A-D變換器28的輸入電平?jīng)Q定。
如果被攝物隨著時間變暗，則電子快門為了增加入射像素的光量而要延長曝光時間。在被攝物變?yōu)橐?guī)定亮度的時間t1內電子快門全開。
再者，如果被攝物變暗，則AGC24開始動作，圖6(b)所示的增益G從最小增益逐漸增大。將增益G與AGP驅動的最大輸出電平相乘的電平B×G是，將a作為第1偏置余量，在比C+a大的時間t2內，電壓控制裝置20從柵極上驅動切換到AGP驅動。
如果被攝物進一步變暗，則AGC24的增益成為最大增益。當變暗超過一定值時，B×G如圖6(c)所示與光亮度無關，呈一定。
其次，如果被攝物的亮度繼續(xù)變亮，則AGC24的增益如圖6(b)所示從最大增益減小，將增益G與AGP驅動的最大輸出電平B相乘后的電平B×G如圖6(c)所示，將b作為第2偏置余量，在比C+b小的時間t3內，電壓控制裝置20從AGP驅動切換到柵極上驅動。
AGP驅動與柵極上驅動之間的切換最好在圖像信號的幀切換時進行。通過在幀切換時進行切換，以便在1幀內沒有信號強度變化，可以根據(jù)被攝物的亮度進行準確切換動作。
根據(jù)本實施方式涉及的攝像裝置100，由于AGP驅動與柵極上驅動之間的切換電平，在從柵極上驅動過渡到AGP驅動時和從AGP驅動過渡到柵極上驅動時不同，故可以抑制切換的波動現(xiàn)象。
在本實施方式中，設a＞b，但即使a＜b也同樣可抑制切換的波動現(xiàn)象。而且，a及b的值根據(jù)攝像裝置的標準、電壓控制裝置的電壓控制響應時間等適當確定。而在本實施方式中，設A＞C＞B，但C的電平不是該關系，無論是A＜C、還是B＞C，如果滿足式(1)、式(2)的關系，則在AGP驅動與柵極上驅動之間的切換中，可有效利用A-D變換器的動態(tài)范圍。
再者，在本實施方式涉及的攝像裝置100中，將CCD元件設為FT方式，但不限于FT方式，如果是CCD可適用于任何方式。例如，可適用于具備和垂直傳送寄存器獨立的光電變換部的IT(行間傳送)方式、FIT(幀行間傳送)方式的傳送時的傳送電壓的振幅控制。
另外，在本實施方式涉及的攝像裝置100中，根據(jù)入射到像素的光強度，來切換AGP驅動和柵極上驅動，但通過同樣的切換基準，代替AGP驅動，在柵極上驅動中，也可以延長攝像的幀速率。雖然可以通過延長攝像幀速率而使暗電流增加，但可提高靈敏度，可以對應于暗的被攝物。
權利要求
1.一種電壓控制裝置，其中包含設置有傳送電極的像素，在拍攝時產生并存儲對應于入射到所述像素的光強度的信息電荷，在傳輸時通過在所述傳送電極上施加電壓，從而傳輸所述信息電荷，并控制施加于輸出對應于該電荷量的圖像信號的電荷耦合元件的傳送電極上的電壓，其特征在于，根據(jù)入射到所述像素的光強度來控制所述電壓，使拍攝時所述傳送電極下方的所述信息電荷流通的傳輸溝道區(qū)域及半導體界面的電位變化。
2.根據(jù)權利要求1所述的電壓控制裝置，其特征在于，當所述入射的光強度比規(guī)定的閾值光強度小時，進行可以對包含于所述像素的所有傳送電極施加平帶電壓的全柵極鎖定驅動，以抑制所述像素的攝像時的暗電流產生。
3.根據(jù)權利要求2所述的電壓控制裝置，其特征在于，當所述入射的光強度比規(guī)定的閾值光強度大時，進行可以對包含于所述像素的至少1個傳送電極施加比所述平帶電壓大的電壓的柵極上驅動，使在所述傳送電極下方形成的電勢阱的信息電荷存儲容量比所述全柵極鎖定驅動時大。
4.一種攝像裝置，其中具備權利要求1或2所述的電壓控制裝置；將由所述電壓控制裝置控制的電壓施加到傳送電極的電荷耦合元件；和信號處理機構，其具有將所述電荷耦合元件的輸出信號放大并輸出的增益可調的放大機構；以及取得所述放大機構的輸出信號、將用于使所述放大機構的輸出信號強度控制到規(guī)定大小的增益信號輸出到所述放大機構的積分器；其特征在于，所述電壓控制機構取得所述增益信號，根據(jù)作為反映入射到所述像素的光強度信號的所述增益信號來控制所述電壓。
5.一種攝像裝置，其中具備權利要求3所述的電壓控制裝置；將由所述電壓控制裝置控制的電壓施加到傳送電極的電荷耦合元件；和具有將所述電荷耦合元件的輸出信號放大并輸出的增益可調的放大機構；以及取得所述放大機構的輸出信號，將用于使所述放大機構的輸出信號強度控制到規(guī)定大小的增益信號輸出到所述放大機構的積分器的信號處理機構；其特征在于，所述電壓控制機構取得所述增益信號，根據(jù)作為反映入射所述像素光強度信號的所述增益信號的大小，進行切換所述全柵極鎖定驅動和柵極上驅動的電壓控制。
6.根據(jù)權利要求5所述的攝像裝置，其特征在于，所述信號處理機構具備將所述取得的信號變換為數(shù)字信號的A-D變換機構，當將所述放大機構的增益與所述全柵極鎖定驅動時的所述電荷耦合元件輸出的飽和電壓相乘得到的信號強度比將規(guī)定的偏置量與所述A-D變換機構的最大輸入電平相加后的電平小時，所述電壓控制機構將所述柵極上驅動電壓施加于所述傳送電極；當將所述放大機構的增益與所述全柵極鎖定驅動時的所述電荷耦合元件輸出的飽和電壓相乘得到的信號強度比將規(guī)定的偏置量與所述A-D變換機構的最大輸入電平相加后的電平大時，所述電壓控制機構將所述全柵極鎖定驅動電壓施加于所述傳送電極。
7.根據(jù)權利要求6所述的攝像裝置，其特征在于，所述信號處理機構在從所述柵極上驅動向全柵極鎖定驅動過渡時、和從所述全柵極鎖定驅動向柵極上驅動過渡時，所述偏置量設定的不同，以防止該過渡的波動現(xiàn)象。
8.一種電壓控制方法，其中包含設置有傳送電極的像素，在拍攝時產生對應于入射到所述像素光的強度信息電荷并存儲，在傳輸時通過在所述傳送電極上施加電壓，從而傳輸所述信息電荷，并控制施加于輸出對應于該電荷量的圖像信號的電荷耦合元件的傳送電極上的電壓，其特征在于，包括取得入射到所述像素的光強度信息的入射光強度取得步驟；和根據(jù)所述取得的入射光強度來控制所述電壓的電壓控制步驟；改變拍攝時所述傳送電極下方的所述信息電荷流通的傳輸溝道區(qū)域及半導體界面的電勢。
9.根據(jù)權利要求8所述的電壓控制方法，其特征在于，在所述電壓控制步驟中，當所述入射的光強度比規(guī)定的閾值光強度小時，進行對包含于所述像素的所有傳送電極施加平帶電壓的全柵極鎖定驅動。
10.根據(jù)權利要求9所述的電壓控制方法，其特征在于，在所述電壓控制步驟中，當所述入射的光強度比規(guī)定的閾值光強度大時，進行在包含于所述像素的至少1個傳送電極施加比所述平帶電壓大的電壓的柵極上驅動，以使在所述傳送電極下方形成的電勢阱的信息電荷存儲容量比所述全柵極鎖定驅動時大。
11.根據(jù)權利要求8所述的電壓控制方法，其特征在于，包含將所述電荷耦合元件的輸出信號放大，并輸出放大信號的信號放大步驟；和取得所述放大信號，將用來使所述放大步驟中的放大信號強度控制到規(guī)定大小的增益信號輸出到所述放大機構的增益信號生成步驟。所述電壓控制步驟為根據(jù)作為反映入射到所述像素的光強度信號的所述增益信號，切換所述全柵極鎖定驅動和柵極上驅動的步驟。
12.根據(jù)權利要求11所述的電壓控制方法，其特征在于，包括取得所述放大信息，并變換為數(shù)字信號的A-D變換步驟，所述電壓控制步驟，當將所述放大機構的增益與所述全柵極鎖定驅動時的所述電荷耦合元件輸出的飽和電壓相乘得到的信號強度比將規(guī)定的偏置量與所述A-D變換機構的最大輸入電平相加后的電平小時，將所述柵極上驅動電壓施加于所述傳送電極；當將所述放大機構的增益與所述全柵極鎖定驅動時的所述電荷耦合元件輸出的飽和電壓相乘得到的信號強度比將規(guī)定的偏置量與所述A-D變換機構的最大輸入電平相加后的電平大時，將所述全柵極鎖定驅動電壓施加于所述傳送電極。
13.根據(jù)權利要求12所述的電壓控制方法，其特征在于，在所述電壓控制步驟中，在從所述柵極上驅動向全柵極鎖定驅動過渡時、和從所述全柵極鎖定驅動向柵極上驅動過渡時，所述偏置量不同，以防止該過渡的波動現(xiàn)象。
全文摘要
本發(fā)明提供一種電壓控制裝置，其在攝像低照度被攝物時，抑制攝像時的暗電流發(fā)生；而且在攝像高照度被攝物時，增大飽和電平，在寬照度范圍內進行高品質攝像?？刂剖┘佑贑CD元件(10)的傳送電極上的電壓的電壓控制裝置(20)，為了控制放大CCD元件(10)的輸出信號的增益可變的放大機構(24)的增益，根據(jù)積分器(26)輸出的增益信號來控制電壓。電壓控制裝置(20)在增益信號比規(guī)定的電平小時，對包含于像素的所有傳送電極施加平帶電壓，進行抑制上述像素的暗電流產生的全柵極鎖定驅動；當增益信號比規(guī)定的電平大時，對包含于上述像素的至少1個傳送電極施加比上述平帶電壓大的電壓，使之進行柵極上驅動。
文檔編號H04N5/243GK1670962SQ200510055019
公開日2005年9月21日 申請日期2005年3月14日 優(yōu)先權日2004年3月17日
發(fā)明者東堤良仁 申請人:三洋電機株式會社