專利名稱：成像設(shè)備和用于該成像設(shè)備的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能夠在抑制顏色混合發(fā)生的同時(shí)擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍的成像設(shè)備和相關(guān)的處理方法。
背景技術(shù)：
在數(shù)字照相機(jī)或其它成像設(shè)備中可以使用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal-oxide semiconductor，CMOS)等固態(tài)圖像傳感器。然而，與一般的鹵化銀攝影相比，固態(tài)圖像傳感器具有窄的動(dòng)態(tài)范圍。為了克服該缺點(diǎn)，存在各種動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大方法(參考日本特開2003-18471號(hào)公報(bào))。
例如，根據(jù)日本特開2003-18471號(hào)公報(bào)中所記載的圖像傳感器，如果入射光的光量超過光電轉(zhuǎn)換部分的飽和光量，則飽和電荷溢出該光電轉(zhuǎn)換部分并流入讀取部分。該讀取部分讀取電荷的溢出量。
然而，實(shí)際使用的圖像傳感器的讀取部分不配置成實(shí)現(xiàn)日本特開2003-18471號(hào)公報(bào)中所記載的讀取機(jī)構(gòu)。因此，當(dāng)將在日本特開2003-18471號(hào)公報(bào)中所記載的方法應(yīng)用于普通圖像傳感器時(shí)，與光電轉(zhuǎn)換部分中的顏色混合發(fā)生相比較，讀取部分中的顏色混合發(fā)生更嚴(yán)重。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的典型實(shí)施例涉及一種能夠在抑制顏色混合發(fā)生的同時(shí)實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)范圍的成像設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種成像設(shè)備，該成像設(shè)備包括多個(gè)像素部分，各自包括光電轉(zhuǎn)換部分和保持部分，其中該保持部分用來保持包含從相同像素部分的光電轉(zhuǎn)換部分溢出的飽和信號(hào)和用作顏色混合分量的從其它像素部分的光電轉(zhuǎn)換部分溢出的飽和信號(hào)的混合飽和信號(hào)；顏色混合校正部分，用于校正包含在從所述保持部分讀出的混合飽和信號(hào)中的顏色混合分量；合成部分，用于對(duì)從光電轉(zhuǎn)換部分讀出的光電轉(zhuǎn)換信號(hào)和通過顏色混合校正部分校正的校正后飽和信號(hào)進(jìn)行合成。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于成像設(shè)備的方法，該成像設(shè)備包括多個(gè)像素部分，所述多個(gè)像素部分各自包括光電轉(zhuǎn)換部分和保持部分，其中該保持部分用于保持包含從相同像素部分的光電轉(zhuǎn)換部分溢出的飽和信號(hào)和作為顏色混合分量的從其它像素部分的光電轉(zhuǎn)換部分溢出的飽和信號(hào)的混合飽和信號(hào)。該方法包括校正包含在從保持部分讀出的混合飽和信號(hào)中的顏色混合分量；對(duì)從光電轉(zhuǎn)換部分讀出的光電轉(zhuǎn)換信號(hào)和經(jīng)過顏色混合校正的校正后飽和信號(hào)進(jìn)行合成。
通過以下參考附圖對(duì)典型實(shí)施例的詳細(xì)說明，本發(fā)明的其它特征和方面將顯而易見。


包括在說明書中且構(gòu)成說明書一部分的附圖，示出了本發(fā)明的典型實(shí)施例、特征和方面，并且與說明書一起用來解釋本發(fā)明的原理。
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一典型實(shí)施例的成像設(shè)備的框圖。
圖2是示出CMOS固態(tài)圖像傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的電路圖。
圖3是示出根據(jù)典型實(shí)施例的像素結(jié)構(gòu)的斷面圖。
圖4是示出普通信號(hào)讀取操作的時(shí)序圖。
圖5是示出飽和光量信號(hào)讀取操作的時(shí)序圖。
圖6是示出圖像傳感器的像素部分的平面圖。
圖7示出典型顏色混合發(fā)生機(jī)構(gòu)。
圖8示出根據(jù)第一典型實(shí)施例流入浮動(dòng)擴(kuò)散層(floatingdiffusion layer)的電荷的溢出。
圖9示出圖像傳感器的整體結(jié)構(gòu)。
圖10是最右邊像素陣列(x＝X)的放大圖。
圖11是與x＝X和x＝X-1相對(duì)應(yīng)的像素陣列的放大圖。
圖12示出根據(jù)第二典型實(shí)施例流入浮動(dòng)擴(kuò)散層的電荷的溢出。
圖13示出根據(jù)第三典型實(shí)施例流入浮動(dòng)擴(kuò)散層的電荷的溢出。
圖14是示出在第三典型實(shí)施例中進(jìn)行的圖像處理算法的流程圖。
圖15示出根據(jù)第四典型實(shí)施例的固態(tài)圖像傳感器。
圖16是示出根據(jù)第四典型實(shí)施例的圖像傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的電路圖。
圖17是示出根據(jù)第四典型實(shí)施例的圖像傳感器的操作的時(shí)序圖。
具體實(shí)施例方式
以下對(duì)典型實(shí)施例的說明實(shí)際上僅用作說明，決不是要限制本發(fā)明、本發(fā)明的應(yīng)用或使用。
注意，在整個(gè)說明書中相同的附圖標(biāo)記表示附圖中的相同項(xiàng)，因此一旦在一幅圖中定義了某項(xiàng)，則對(duì)后面的圖不再討論該項(xiàng)。
以下將參照附圖詳細(xì)說明典型實(shí)施例。
第一典型實(shí)施例圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一典型實(shí)施例的成像設(shè)備的框圖。
圖1所示的成像設(shè)備包括光學(xué)系統(tǒng)101(例如包括鏡頭和光圈)、機(jī)械快門102、圖像傳感器103、進(jìn)行模擬信號(hào)處理的相關(guān)雙采樣(correlated double sampling，CDS)電路104、將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的模數(shù)(analog-digital，A/D)轉(zhuǎn)換器105。時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生電路106可以生成時(shí)序信號(hào)以使CDS電路104、A/D轉(zhuǎn)換器105和驅(qū)動(dòng)電路107動(dòng)作。驅(qū)動(dòng)電路107具有驅(qū)動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)101、機(jī)械快門102和圖像傳感器103中的每一個(gè)的功能。
而且，該成像設(shè)備包括將信號(hào)處理應(yīng)用于由圖像傳感器103捕獲的圖像數(shù)據(jù)的信號(hào)處理電路108和存儲(chǔ)由信號(hào)處理電路108處理過的圖像數(shù)據(jù)的圖像存儲(chǔ)器109。記錄電路111接收由信號(hào)處理電路108處理過的圖像數(shù)據(jù)，并且可將處理過的圖像數(shù)據(jù)記錄在圖像記錄介質(zhì)110上。圖像記錄介質(zhì)110可從該成像設(shè)備移除。
圖像顯示單元112通過顯示電路113從信號(hào)處理電路108接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)。顯示電路113可以控制圖像顯示單元112基于所接收的圖像數(shù)據(jù)顯示圖像。系統(tǒng)控制部分114可基于存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器(例如只讀存儲(chǔ)器(ROM))115中的程序控制成像設(shè)備的全部操作。非易失性存儲(chǔ)器115還可存儲(chǔ)控制數(shù)據(jù)(例如當(dāng)執(zhí)行程序時(shí)使用的參數(shù)和表)以及校正數(shù)據(jù)(例如像素缺陷的地址)。而且，可以將程序、控制數(shù)據(jù)和校正數(shù)據(jù)從非易失性存儲(chǔ)器115傳輸?shù)揭资源鎯?chǔ)器(例如隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM))116。易失性存儲(chǔ)器116可以用作當(dāng)系統(tǒng)控制部分114控制成像設(shè)備時(shí)的工作區(qū)域。
具有上述結(jié)構(gòu)的成像設(shè)備可以利用機(jī)械快門102進(jìn)行拍攝動(dòng)作。在拍攝動(dòng)作前，系統(tǒng)控制部分114開始包括打開成像設(shè)備的電源的準(zhǔn)備工作。系統(tǒng)控制部分114的準(zhǔn)備工作包括從非易失性存儲(chǔ)器115中讀取所需的程序和相關(guān)的控制數(shù)據(jù)以及校正數(shù)據(jù)并將所讀取的程序和數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭资源鎯?chǔ)器116。
當(dāng)系統(tǒng)控制部分114控制成像設(shè)備時(shí)，可以使用軟件程序和數(shù)據(jù)。如果需要，可以將附加程序和數(shù)據(jù)從非易失性存儲(chǔ)器115傳輸?shù)揭资源鎯?chǔ)器116。系統(tǒng)控制部分114可以從非易失性存儲(chǔ)器115直接讀取數(shù)據(jù)。
首先，驅(qū)動(dòng)電路107響應(yīng)于從系統(tǒng)控制部分114提供的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)101的光圈和鏡頭，以在圖像傳感器103上形成具有適當(dāng)明亮度(lightness)的被攝體圖像。接著，驅(qū)動(dòng)電路107響應(yīng)于從系統(tǒng)控制部分114提供的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)機(jī)械快門102。機(jī)械快門102根據(jù)圖像傳感器103的動(dòng)作為圖像傳感器103遮光以獲得所需的曝光時(shí)間。在這種情況下，如果圖像傳感器103具有電子快門功能，則機(jī)械快門102和圖像傳感器103可以協(xié)作確定所需的曝光時(shí)間。
驅(qū)動(dòng)電路107響應(yīng)于基于由系統(tǒng)控制部分114控制的時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生電路106生成的操作脈沖而產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)脈沖，驅(qū)動(dòng)圖像傳感器103。圖像傳感器103具有用于將被攝體圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換功能并輸出模擬圖像信號(hào)。
CDS電路104從圖像傳感器103接收模擬圖像信號(hào)，并響應(yīng)于由系統(tǒng)控制部分114控制的時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生電路106所生成的操作脈沖，從圖像信號(hào)中去除時(shí)鐘同步噪聲。A/D轉(zhuǎn)換器105將模擬圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)。
接著，在系統(tǒng)控制部分114的控制下，信號(hào)處理電路108將各種處理應(yīng)用于數(shù)字圖像信號(hào)。該處理包括顏色轉(zhuǎn)換、白平衡、伽馬校正等圖像處理以及分辨率轉(zhuǎn)換處理和圖像壓縮處理。
圖像存儲(chǔ)器109可暫時(shí)存儲(chǔ)由信號(hào)處理電路108處理過的數(shù)字圖像信號(hào)，還存儲(chǔ)通過信號(hào)處理電路108進(jìn)行的信號(hào)處理得到的圖像數(shù)據(jù)(即數(shù)字圖像信號(hào))。
可以將由信號(hào)處理電路108產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)或存儲(chǔ)在圖像存儲(chǔ)器109中的圖像數(shù)據(jù)提供給記錄電路111。記錄電路111可將輸入的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適于圖像記錄介質(zhì)110的數(shù)據(jù)格式(例如具有分層結(jié)構(gòu)的文件系統(tǒng)數(shù)據(jù))，并可將轉(zhuǎn)換后的圖像數(shù)據(jù)記錄在圖像記錄介質(zhì)110上。
而且，由信號(hào)處理電路108產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)或者存儲(chǔ)在圖像存儲(chǔ)器109中的圖像數(shù)據(jù)可經(jīng)過信號(hào)處理電路108的分辨率轉(zhuǎn)換處理并被提供給顯示電路113。顯示電路113可將輸入的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適于圖像顯示單元112的顯示信號(hào)(例如模擬NTSC信號(hào))，并且可以將與該顯示信號(hào)相對(duì)應(yīng)的圖像顯示在圖像顯示單元112上。
當(dāng)從系統(tǒng)控制部分114提供控制信號(hào)時(shí)，信號(hào)處理電路108可以不進(jìn)行上述信號(hào)處理而將數(shù)字圖像信號(hào)作為圖像數(shù)據(jù)直接輸出到圖像存儲(chǔ)器109或者記錄電路111。
而且，系統(tǒng)控制部分114可以請(qǐng)求信號(hào)處理電路108向系統(tǒng)控制部分114發(fā)送關(guān)于通過信號(hào)處理得到的數(shù)字圖像信號(hào)或圖像數(shù)據(jù)的信息，例如與圖像的空間頻率、指定區(qū)域的平均值、壓縮圖像的數(shù)據(jù)量有關(guān)的信息或者從該信息提取的派生信息等。而且，系統(tǒng)控制部分114可以請(qǐng)求記錄電路111向系統(tǒng)控制部分114發(fā)送關(guān)于圖像記錄介質(zhì)110的類型和可用容量的信息。
圖2示出作為圖1所示的圖像傳感器103的實(shí)際例子的CMOS固態(tài)圖像傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。例如，該固態(tài)圖像傳感器根據(jù)半導(dǎo)體集成電路的制造技術(shù)包括在單晶硅等單個(gè)半導(dǎo)體襯底1上形成的大量電路元件。
為了簡(jiǎn)化，圖2示出布置在由3行和3列組成的矩陣圖案中的像素陣列。然而，像素陣列不限于圖2所示的結(jié)構(gòu)和大小。將參照?qǐng)D2說明根據(jù)本實(shí)施例的圖像傳感器的典型結(jié)構(gòu)。
光電轉(zhuǎn)換部分D11～D33用來生成光電信號(hào)電荷。光電轉(zhuǎn)換部分D11～D33均以其正極接地。光電轉(zhuǎn)換部分D11～D33的負(fù)極分別連接到相對(duì)應(yīng)的傳輸金屬氧化物半導(dǎo)體(transfer MOS)晶體管M111～M133的源極。各傳輸MOS晶體管可以傳輸存儲(chǔ)在相關(guān)聯(lián)的光電轉(zhuǎn)換部分中的光電信號(hào)電荷。
傳輸MOS晶體管M111的柵極連接到沿水平方向延伸的第一行選擇線(垂直掃描線)PTX1。與傳輸MOS晶體管M111位于同一像素行的其它像素單元的傳輸MOS晶體管M121和M131的柵極也共同連接到該第一行選擇線PTX1。
而且，傳輸MOS晶體管M111～M133的漏極分別連接到相對(duì)應(yīng)的放大MOS晶體管M311～M333的柵極。放大MOS晶體管M311～M333的柵極分別連接到復(fù)位MOS晶體管M211～M233的源極。復(fù)位MOS晶體管M211～M233均具有復(fù)位功能。復(fù)位MOS晶體管M211～M233的漏極連接到復(fù)位電源。
而且，放大MOS晶體管M311～M333的漏極分別連接到相對(duì)應(yīng)的選擇MOS晶體管M411～M433。選擇MOS晶體管M411～M433均可以提供電源電壓。
復(fù)位MOS晶體管M211的柵極連接到沿水平方向延伸的第二行選擇線(垂直掃描線)PRES1。與復(fù)位MOS晶體管M211位于同一像素行的其它像素單元的復(fù)位MOS晶體管M221和M231的柵極也共同連接到該第二行選擇線PRES1。
選擇MOS晶體管M411的柵極連接到沿水平方向延伸的第三行選擇線(垂直掃描線)PSEL1。與選擇MOS晶體管M411位于同一像素行的其它像素單元的選擇MOS晶體管M421和M431的柵極也共同連接到該第三行選擇線PSEL1。
第一行選擇線PTX1、第二行選擇線PRES1和第三行選擇線PSEL1連接到垂直掃描電路塊2，該電路塊在如稍后所述的預(yù)定操作定時(shí)向各選擇線提供信號(hào)電壓。
位于圖2所示的其它像素行的像素單元具有類似的結(jié)構(gòu)，且對(duì)該像素單元提供類似的行選擇線。例如，對(duì)第二行上的像素單元提供行選擇線PTX2、PRES2和PSEL2，對(duì)第三行上的像素單元提供行選擇線PTX3、PRES3和PSEL3。垂直掃描電路塊2可以向各行選擇線提供信號(hào)電壓。
放大MOS晶體管M311的源極連接到沿垂直方向延伸的垂直信號(hào)線V1。與放大MOS晶體管M311位于同一像素列的其它像素單元的放大MOS晶體管M312和M313的源極也共同連接到該垂直信號(hào)線V1。垂直信號(hào)線V1通過柵極接地的MOS晶體管M71連接到負(fù)載MOS晶體管M51(即負(fù)載元件)。MOS晶體管M71構(gòu)成恒定電壓?jiǎn)卧?的一部分。
柵極接地的MOS晶體管M71的柵極連接到可提供柵極電壓的電壓輸入端子6。如圖2所示，放大MOS晶體管、柵極接地的MOS晶體管和負(fù)載MOS晶體管連接到其余各垂直信號(hào)線V2和V3。
例如，放大MOS晶體管M321～M323的源極、柵極接地的MOS晶體管M72以及負(fù)載MOS晶體管M52連接到第二列的像素單元。類似地，放大MOS晶體管M331～M333的源極、柵極接地的MOS晶體管M73和負(fù)載MOS晶體管M3連接到第三列的像素單元。
而且，負(fù)載MOS晶體管M51～M53的源極連接到公共地(GND)線4，且其柵極連接到輸入MOS晶體管M50的柵極和電壓輸入端子5。
垂直信號(hào)線V1通過噪聲信號(hào)傳輸開關(guān)M11連接到可以暫時(shí)存儲(chǔ)噪聲信號(hào)的電容器CTN1，并且還通過光電信號(hào)傳輸開關(guān)M21連接到可以暫時(shí)存儲(chǔ)光電信號(hào)的電容器CTS1。噪聲信號(hào)保持電容器CTN1和光電信號(hào)保持電容器CTS1以其相反端接地。
噪聲信號(hào)傳輸開關(guān)M11和噪聲信號(hào)保持電容器CTN1的連接點(diǎn)通過保持電容復(fù)位開關(guān)M31接地，并且還通過水平傳輸開關(guān)M41連接到差動(dòng)電路塊8的一個(gè)輸入端。
類似地，光電信號(hào)傳輸開關(guān)M21和光電信號(hào)保持電容器CTS1的連接點(diǎn)通過保持電容復(fù)位開關(guān)M32接地，并且還通過水平傳輸開關(guān)M42連接到差動(dòng)電路塊8的另一輸入端。差動(dòng)電路塊8可以輸出表示輸入光電信號(hào)和輸入噪聲信號(hào)之差的差動(dòng)信號(hào)。
水平傳輸開關(guān)M41和M42的柵極共同連接到水平掃描電路塊7的列選擇行H1。如圖2所示，對(duì)其余垂直信號(hào)線V2和V3設(shè)置類似的讀取電路。
而且，各像素列的噪聲信號(hào)傳輸開關(guān)M11～M13的柵極共同連接到端子PTN。各列的光電信號(hào)傳輸開關(guān)M21～M23的柵極共同連接到端子PTS。如稍后所述，以預(yù)定操作定時(shí)將信號(hào)電壓提供給端子PTN和PTS。
圖3示出根據(jù)典型實(shí)施例的一個(gè)像素的斷面結(jié)構(gòu)。在圖3中，光電轉(zhuǎn)換元件包括在n型襯底301上形成的p型阱(well)302、在p型阱302上形成的光電轉(zhuǎn)換元件的n層304和在n層304上形成的光電轉(zhuǎn)換元件的p層305。p層305在其表面區(qū)域具有較高濃度。
在光電轉(zhuǎn)換部分的側(cè)面通過絕緣層形成傳輸MOS晶體管303的柵極區(qū)域。在傳輸MOS晶體管303的柵極區(qū)域和光電轉(zhuǎn)換部分的側(cè)面之間形成從光電轉(zhuǎn)換部分的n層304起連續(xù)延伸的旁路(bypass)區(qū)域306。而且，在傳輸MOS晶體管303的柵極區(qū)域的側(cè)面之下形成浮動(dòng)擴(kuò)散(floating diffusion，F(xiàn)D)層307。浮動(dòng)擴(kuò)散層307是電荷保持區(qū)域。
浮動(dòng)擴(kuò)散層307連接到輸出電路的放大MOS晶體管310的柵極。用來復(fù)位浮動(dòng)擴(kuò)散層307的復(fù)位MOS晶體管308的源極連接到浮動(dòng)擴(kuò)散層307，其漏極連接到復(fù)位電源309。
放大MOS晶體管310產(chǎn)生通過像素選擇MOS晶體管311取出的放大的輸出信號(hào)。在該元件之上設(shè)置鋁遮光板313，使得光不能到達(dá)各光電轉(zhuǎn)換部分的區(qū)域之外的區(qū)域。
浮動(dòng)擴(kuò)散層307接收從同一像素的光電轉(zhuǎn)換部分溢出的飽和光量信號(hào)和從相鄰像素的光電轉(zhuǎn)換部分溢出的飽和光量信號(hào)。
接著參照?qǐng)D2和圖4說明普通信號(hào)讀取操作。在從各光電轉(zhuǎn)換部分D11～D33讀取光電信號(hào)電荷之前，垂直掃描電路塊2通過第二行選擇線PRES1將高電平柵極電位提供給復(fù)位MOS晶體管M211～M231。因此，將各放大MOS晶體管M311～M331的柵極電位復(fù)位到復(fù)位電源的電位。然后，垂直掃描電路塊2通過第二行選擇線PRES1將低電平柵極電位提供給復(fù)位MOS晶體管M211～M231。
隨后，垂直掃描電路塊2通過第三行選擇線PSEL1將高電平柵極電位提供給選擇MOS晶體管M411～M431。然后，端子PTN向噪聲信號(hào)傳輸開關(guān)M11～M13提供高電平柵極電位。通過上述操作，噪聲信號(hào)保持電容器CTN1～CTN3可以存儲(chǔ)包括復(fù)位噪聲(即噪聲信號(hào))的復(fù)位信號(hào)。
接著，端子PTN向噪聲信號(hào)傳輸開關(guān)M11～M13提供低電平柵極電位。接著，垂直掃描電路塊2通過第一行選擇線PTX1向傳輸MOS晶體管M111～M131提供高電平柵極電位。因此，光電轉(zhuǎn)換部分D11～D33的光電信號(hào)電荷被傳輸?shù)椒糯驧OS晶體管M311～M331的柵極。
然后，垂直掃描電路塊2通過第一行選擇線PTX1向傳輸MOS晶體管M111～M131提供低電平柵極電位。隨后，端子PTS向光電信號(hào)傳輸開關(guān)M21～M23提供高電平柵極電位。通過以上操作，光電信號(hào)保持電容器CTS1～CTS3可以存儲(chǔ)光電信號(hào)。
接著，端子PTS向光電信號(hào)傳輸開關(guān)M21～M23提供低電平柵極電位。通過以上操作，可以將排列在第一行中的像素單元的噪聲信號(hào)和光電信號(hào)分別保持在噪聲信號(hào)保持電容器CTN1～CTN3和光電信號(hào)保持電容器CTS1～CTS3中。
接著，垂直掃描電路塊2通過第二行選擇線PRES1向復(fù)位MOS晶體管M211～M231提供高電平柵極電位，并且通過第一行選擇線PTX1向傳輸MOS晶體管M111～M131提供高電平柵極電位。因此，存儲(chǔ)在光電轉(zhuǎn)換部分D11～D33中的光電信號(hào)電荷被復(fù)位。
隨后，水平掃描電路塊7通過列選擇線H1～H3向各列的水平傳輸開關(guān)M41～M46順次提供高電平柵極電位。保持在噪聲信號(hào)保持電容器CTN1～CTN3和光電信號(hào)保持電容器CTS1～CTS3中的電壓被順次提供給差動(dòng)電路塊8。
差動(dòng)電路塊8從其輸出端OUT順次輸出表示光電信號(hào)和噪聲信號(hào)之差的輸出信號(hào)。通過以上處理，可以完成排列在第一行中的像素單元的讀取操作。
隨后，在讀取第二行的光電信號(hào)電荷之前，端子PCTR向噪聲信號(hào)保持電容器CTN1～CTN3和光電信號(hào)保持電容器CTS1～CTS3的復(fù)位開關(guān)M31～M36提供高電平柵極電位。因此，噪聲信號(hào)保持電容器CTN1～CTN3和光電信號(hào)保持電容器CTS1～CTS3被復(fù)位成GND電位。通過相同的方式，可以響應(yīng)于從垂直掃描電路塊2提供的控制信號(hào)，順次讀出排列在第二行和第三行中的像素單元的信號(hào)。從而可完成所有像素單元的讀取操作。
接著，參照?qǐng)D5所示的時(shí)序圖說明飽和光量信號(hào)讀取操作。首先，在開始讀取操作前進(jìn)行光電電荷的存儲(chǔ)。在普通的讀取操作中，光電轉(zhuǎn)換部分接收用于存儲(chǔ)光電電荷的光。浮動(dòng)擴(kuò)散層307在光接收期間被不斷復(fù)位。
然而，可以不復(fù)位浮動(dòng)擴(kuò)散層307而進(jìn)行溢出浮動(dòng)擴(kuò)散層307的電荷的讀取操作。當(dāng)存儲(chǔ)階段結(jié)束時(shí)，光電轉(zhuǎn)換部分被遮光，讀取操作開始。
首先，端子PTS向光電信號(hào)傳輸開關(guān)M21～M23提供高電平柵極電位。響應(yīng)于該高電平柵極電位，存儲(chǔ)在浮動(dòng)擴(kuò)散層307中的飽和光量信號(hào)被讀出到光電信號(hào)保持電容器CTS1～CTS3。
接著，端子PTS向光電信號(hào)傳輸開關(guān)M21～M23提供低電平柵極電位。隨后，第二行選擇線PRES1向復(fù)位MOS晶體管M211～M231提供高電平柵極電位。從而將浮動(dòng)擴(kuò)散層307復(fù)位到復(fù)位電源。然后，第二行選擇線PRES1向復(fù)位MOS晶體管M211～M231提供低電平柵極電位。接著，端子PTN向噪聲信號(hào)傳輸開關(guān)M11～M13提供高電平柵極電位。響應(yīng)于該高電平柵極電位，將噪聲信號(hào)讀出到噪聲信號(hào)保持電容器CTN1～CTN3。
通過上述操作，可將來自排列在第一行中的像素單元的噪聲信號(hào)和飽和光量信號(hào)保持在連接到各像素列的噪聲信號(hào)保持電容器CTN1～CTN3以及光電信號(hào)保持電容器CTS1～CTS3中。
然后，端子PTN向噪聲信號(hào)傳輸開關(guān)M11～M13提供低電平柵極電位。接著，第二行選擇線PRES1向復(fù)位MOS晶體管M211～M231提供高電平柵極電位。由此復(fù)位MOS晶體管M211～M231被復(fù)位。
隨后，水平掃描電路塊7通過列選擇線H1～H3向各列的水平傳輸開關(guān)M41～M46順次提供高電平柵極電位。結(jié)果，保持在噪聲信號(hào)保持電容器CTN1～CTN3和光電信號(hào)保持電容器CTS1～CTS3中的電壓被順次讀出到差動(dòng)電路塊8。
差動(dòng)電路塊8從輸出端OUT順次輸出表示輸入的飽和光量信號(hào)和輸入的噪聲信號(hào)之差的信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換器105從差動(dòng)電路塊8接收輸出信號(hào)(即模擬信號(hào))，并將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。圖像存儲(chǔ)器109存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)。
隨后，端子PCTR向噪聲信號(hào)保持電容器CTN1～CTN3和光電信號(hào)保持電容器CTS1～CTS3的復(fù)位開關(guān)M31～M36提供高電平柵極電位以將其復(fù)位到GND電位。然后，以與上述普通讀取操作相同的方式讀取各光電轉(zhuǎn)換部分中剩余的光電轉(zhuǎn)換部分信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最后將其存儲(chǔ)在圖像存儲(chǔ)器109中。
通過這種方式，進(jìn)行飽和光量信號(hào)和光電轉(zhuǎn)換部分信號(hào)的讀取操作。然而，普通圖像傳感器不用來讀取飽和光量信號(hào)。
在普通信號(hào)讀取操作中，如圖4所示，在開始讀取操作之前立即復(fù)位一次浮動(dòng)擴(kuò)散層307(即電荷保持區(qū)域)。隨后，第一行選擇線PTX1提供高電平電位以傳輸光電轉(zhuǎn)換部分信號(hào)。也就是說，即使在浮動(dòng)擴(kuò)散層307中發(fā)生顏色混合，在普通讀取操作中也不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重問題。
然而，在通過使用溢出到浮動(dòng)擴(kuò)散層307的飽和光量信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大的情況下，根據(jù)圖5所示的上述序列進(jìn)行讀取操作。在這種情況下，不能在開始讀取操作之前立即復(fù)位浮動(dòng)擴(kuò)散層307。因此，當(dāng)在浮動(dòng)擴(kuò)散層307中發(fā)生顏色混合時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重問題。
盡管改變圖像傳感器結(jié)構(gòu)可用來抑制在浮動(dòng)擴(kuò)散層307中出現(xiàn)的顏色混合，但是需要較長(zhǎng)的時(shí)間和較高的成本。而且，如果改變圖像傳感器結(jié)構(gòu)來消除顏色混合，則不能確保充足的用于光接收部分的面積。
考慮到上述問題，第一典型實(shí)施例可以在進(jìn)行上述飽和光量信號(hào)和光電轉(zhuǎn)換部分信號(hào)的讀取操作的同時(shí)，使信號(hào)處理電路108進(jìn)行校正顏色混合的圖像處理。因此，第一典型實(shí)施例可以校正顏色混合而不需要長(zhǎng)時(shí)間和高成本，并且可以獲得具有無顏色混合的寬動(dòng)態(tài)范圍的圖像。
接著，以下詳細(xì)說明根據(jù)本典型實(shí)施例防止任何顏色混合的典型算法。
圖6是示出圖像傳感器的像素的平面圖。光電轉(zhuǎn)換部分601的一個(gè)側(cè)面通過傳輸柵極602連接到浮動(dòng)擴(kuò)散層部分603。光電轉(zhuǎn)換部分601和浮動(dòng)擴(kuò)散層部分603之間的位置關(guān)系不限于圖6所示的例子。例如，浮動(dòng)擴(kuò)散層部分603可以位于光電轉(zhuǎn)換部分601的另一側(cè)。
圖7示出典型的顏色混合發(fā)生機(jī)構(gòu)。在圖7中，(x，y)表示中心像素的坐標(biāo)，PD(x，y)表示中心光電轉(zhuǎn)換部分的像素，F(xiàn)D(x，y)表示浮動(dòng)擴(kuò)散層的像素。當(dāng)中心光電轉(zhuǎn)換部分飽和時(shí)，沿圖7所示的方向發(fā)生電荷的溢出。
在圖7中，a(x，y)表示到像素FD(x，y)的溢出量，αa(x，y)表示到像素FD(x-1，y)的溢出量，βa(x，y)表示到像素FD(x-1，y-1)和像素FD(x-1，y+1)的溢出量，γa(x，y)表示到像素FD(x，y-1)和像素FD(x，y+1)的溢出量。
可以預(yù)先測(cè)量系數(shù)α、β和γ。本典型實(shí)施例考慮對(duì)稱性來簡(jiǎn)化說明。因此，到像素FD(x-1，y-1)的溢出量等于到像素FD(x-1，y+1)的溢出量。到像素FD(x，y-1)的溢出量等于到像素FD(x，y+1)的溢出量。然而，如果圖像傳感器結(jié)構(gòu)不具有對(duì)稱性，則可以不同地確定這些系數(shù)。
當(dāng)像素PD(x，y)周圍的光電轉(zhuǎn)換部分飽和時(shí)，沿圖8所示的方向發(fā)生到像素FD(x，y)的電荷溢出。如圖8所示，像素FD(x，y)接收從相關(guān)聯(lián)像素PD(x，y)溢出的信號(hào)和從相鄰像素PD溢出的信號(hào)。從相鄰像素PD流到像素FD(x，y)的溢出信號(hào)造成了顏色混合。也就是說，可以通過以下公式(1)表示獲得的信號(hào)FD(x，y)。
FD(x，y)＝a(x，y)+αa(x+1，y)+β{α(x+1，y+1)+a(x+1，y-1)}+γ{a(x，y+1)+a(x，y-1)} (1)在公式(1)中，僅右邊第一項(xiàng)a(x，y)是將要獲得的信號(hào)。所有其它分量是顏色混合分量。換句話說，可以通過去除顏色混合分量來獲得a(x，y)。
圖9示出圖像傳感器的整體結(jié)構(gòu)。如圖9所示，水平方向上的像素坐標(biāo)從0改變到X，垂直方向上的像素坐標(biāo)從0改變到Y(jié)。由x＜0、x＞X、y＜0以及y＞Y定義的區(qū)域是不包括像素的區(qū)域或光學(xué)黑體(optical black，OB)區(qū)域。也就是說，最右邊陣列(x＝X)中的像素的浮動(dòng)擴(kuò)散層不從下一陣列(x＝X+1)接收顏色混合信號(hào)。圖10是最右邊像素陣列(x＝X)的放大圖。
為了建立圖10所示的關(guān)系，在x＝X(y＝0～Y)處的FD信號(hào)滿足以下公式(2)～(7)。
FD(X，0)＝a(X，0)+γa(X，1)(2)FD(X，1)＝a(X，1)+γ{a(X，0)+a(X，2)}(3)FD(X，2)＝a(X，1)+γ{a(X，1)+a(X，3)}(4)……FD(X，Y-2)＝a(X，Y-2)+γ{a(X，Y-3)+a(X，Y-1)} (5)FD(X，Y-1)＝a(X，Y-1)+γ{a(X，Y-2)+a(X，Y)} (6)FD(X，Y)＝a(X，Y)+γa(X，Y-1)(7)公式(7)是包括未知分量a(X，Y)和a(X，Y-1)的函數(shù)。可以將公式(7)改寫成以下公式(8)。
a(X，Y)＝FD(X，Y)-γa(X，Y-1)(8)當(dāng)將公式(8)代入到公式(6)中時(shí)，可以消去分量a(X，Y)?？梢詫⒐?6)表示為包括分量a(X，Y-1)和a(X，Y-2)的函數(shù)。然后，通過使公式變形可以獲得分量a(X，Y-1)，并且可將其代入到公式(5)。通過重復(fù)上述改寫和代入，可以將公式(3)表示為包括分量a(X，0)和a(X，1)的函數(shù)。然后，可以基于聯(lián)立線性方程(2)和(3)獲得分量a(X，0)和a(X，1)。
相反，當(dāng)獲得分量a(X，0)和a(X，1)時(shí)，可以從公式(3)求得分量a(X，2)。當(dāng)獲得分量a(X，2)時(shí)，可以從公式(4)求得分量a(X，3)。然后，最終可以獲得分量a(X，Y)。因此，可以獲得最右列的像素陣列的所有分量a(X，0)～a(X，Y)。
接著，說明右邊第二列，即與x＝X-1相對(duì)應(yīng)的像素列中的顏色混合。圖11是與x＝X和x＝X-1相對(duì)應(yīng)的像素陣列的放大圖。“x＝X-1”列的FD信號(hào)與“x＝X”列的FD信號(hào)的不同之處在于考慮了來自最右列PD的顏色混合。例如，通過以下公式(9)來表示像素FD(X-1，0)的信號(hào)。
FD(X-1，0)＝a(X-1，0)+αa(X，0)+βa(X，1)+γa(X-1，1)(9)右邊第一項(xiàng)a(X-1，0)表示將要獲得的從像素PD到像素FD的溢出量。而且，第二項(xiàng)αa(X，0)表示從像素PD(X，0)的溢出量。第三項(xiàng)βa(X，1)表示從像素PD(X，1)的溢出量。第四項(xiàng)γa(X-1，1)表示從像素PD(X-1，1)的溢出量。
在公式(9)中，作為最右列的溢出量已經(jīng)獲得了分量a(X，0)和a(X，1)，僅分量a(X-1，0)和a(X-1，1)是未知的。因此，與列x＝X類似地，可以通過重復(fù)改寫和代入公式來獲得“x＝X-1”列的像素陣列的所有分量a(X-1，0)～a(X-1，Y)。
類似地，通過順序執(zhí)行上述計(jì)算直到x變成0(x＝0)為止，可以獲得每個(gè)像素中從像素PD到像素FD的溢出量。然后，可以使用該溢出量來校正在光電轉(zhuǎn)換部分和浮動(dòng)擴(kuò)散層之間發(fā)生的顏色混合。
簡(jiǎn)而言之，通過使所獲得的校正后的飽和光量信號(hào)和光電轉(zhuǎn)換部分信號(hào)相加，可以獲得包括較少顏色混合的圖像。如果需要，可以在相加之前用適當(dāng)?shù)脑鲆娉艘孕Ｕ箫柡凸饬啃盘?hào)。
圖1所示的成像設(shè)備中的信號(hào)處理電路108執(zhí)行上述圖像處理。非易失性存儲(chǔ)器115預(yù)先存儲(chǔ)校正系數(shù)α、β和γ。當(dāng)打開成像設(shè)備的電源時(shí)，將校正系數(shù)α、β和γ裝載到易失性存儲(chǔ)器116中。
當(dāng)進(jìn)行拍攝操作時(shí)，根據(jù)上述讀取方法讀取FD信號(hào)并將其存儲(chǔ)到圖像存儲(chǔ)器109中。從圖像存儲(chǔ)器109中讀取應(yīng)用了校正處理的像素。系統(tǒng)控制部分114從易失性存儲(chǔ)器116讀取適當(dāng)?shù)男Ｕ禂?shù)。然后，信號(hào)處理電路108執(zhí)行上述計(jì)算。
在第一典型實(shí)施例中，如圖6所示，浮動(dòng)擴(kuò)散層603位于光電轉(zhuǎn)換部分601的右側(cè)?？蛇x地，浮動(dòng)擴(kuò)散層603可以位于光電轉(zhuǎn)換部分601的左側(cè)。在這種情況下，可以從左邊(x＝0)開始執(zhí)行上述計(jì)算。
而且，浮動(dòng)擴(kuò)散層603可以位于上側(cè)或下側(cè)。在這種情況下，可以從上邊(y＝0)或下邊(y＝Y(jié))開始執(zhí)行上述計(jì)算。
而且，可以由成像設(shè)備(例如照相機(jī))或者具有專用應(yīng)用程序的個(gè)人計(jì)算機(jī)來執(zhí)行第一典型實(shí)施例的處理。
第二典型實(shí)施例接著，說明本發(fā)明的第二典型實(shí)施例。第二典型實(shí)施例與第一典型實(shí)施例的不同之處在于，根據(jù)流動(dòng)方向忽略沿六個(gè)方向溢出的一些飽和信號(hào)。在許多情況下，僅使用目標(biāo)像素的FD和相鄰像素(例如第一典型實(shí)施例中的左相鄰像素)的FD中的溢出量，可以獲得滿意的處理結(jié)果。
因此，第二典型實(shí)施例僅考慮位于飽和光電轉(zhuǎn)換部分兩側(cè)的兩個(gè)浮動(dòng)擴(kuò)散層來執(zhí)行圖像處理。第二典型實(shí)施例可以快速地完成校正處理。
第二典型實(shí)施例以與第一典型實(shí)施例類似的方式讀取飽和光量信號(hào)和光電轉(zhuǎn)換部分信號(hào)。圖12示出第二典型實(shí)施例執(zhí)行計(jì)算所基于的顏色混合模型。
如圖12所示，由于第二典型實(shí)施例僅考慮位于飽和光電轉(zhuǎn)換部分兩側(cè)的兩個(gè)浮動(dòng)擴(kuò)散層，因此可以通過以下公式(10)來表示像素FD(x，y)。
FD(x，y)＝a(x，y)+αa(x+1，y)(10)
然后，因?yàn)樵谂cx＝X相對(duì)應(yīng)的像素列中不考慮來自相鄰PD的溢出，所以可將公式(10)改寫為以下公式(11)。
FD(X，y)＝a(X，y)(11)簡(jiǎn)而言之，可以直接獲得要獲得的值。因此，可以基于分量a(X，y)獲得分量a(X-1，y)。類似地，可以基于分量a(X-1，y)獲得分量a(X-2，y)。最終，可以獲得分量a(0，y)。通過對(duì)所有像素行(y＝0～Y)執(zhí)行上述計(jì)算，所有像素可以獲得已經(jīng)過顏色混合校正的FD值。
如上所述，第二典型實(shí)施例不需要二維計(jì)算，可以相應(yīng)地完成校正處理。因?yàn)榭梢源蟠鬁p輕信號(hào)處理電路108的處理負(fù)擔(dān)，所以第二典型實(shí)施例在應(yīng)用于成像設(shè)備(例如照相機(jī))時(shí)有用。
第三典型實(shí)施例接著，說明本發(fā)明的第三典型實(shí)施例。第三典型實(shí)施例與第二典型實(shí)施例的不同之處在于更加近似(approximation)。
第三典型實(shí)施例中使用的近似基于相鄰的相同顏色的像素具有相同值的信號(hào)這一假定。在這種情況下，可以更簡(jiǎn)化計(jì)算?；谑褂冒?×2的單位矩陣的拜耳陣列(Bayer array)的圖像傳感器來說明第三典型實(shí)施例。圖13示出可以通過以下公式(12)來表示的典型拜耳陣列。
a(x-1，y)＝a(a+1，y)(12)更具體地，兩個(gè)像素FD(x-1，y)和FD(x，y)滿足以下聯(lián)立線性方程(13)。可以獲得各分量a(x，y)和a(x-1，y)。
FD(x-1，y)＝a(x-1，y)+αa(x，y)(13)FD(x，y)＝a(x，y)+αa(x-1，y)第三典型實(shí)施例中所使用的近似僅需要目標(biāo)像素和相鄰像素。換句話說，根據(jù)第三典型實(shí)施例的近似不需要同一列中的所有像素。因此，該典型實(shí)施例可以例如通過忽略全部非飽和光電轉(zhuǎn)換部分或其它不需要校正的部分來有效地提高處理速度。
該典型實(shí)施例當(dāng)識(shí)別到光電轉(zhuǎn)換部分不飽和的部分時(shí)使用以下算法執(zhí)行上述近似。圖14是示出第三典型實(shí)施例中所進(jìn)行的圖像處理的算法的流程圖，其中PDn表示第n個(gè)PD像素，F(xiàn)Dn表示第n個(gè)FD像素。此外，F(xiàn)D’n表示校正后的FDn信號(hào)。而且，PDsat表示當(dāng)PD飽和時(shí)所產(chǎn)生的輸出值。
首先，使用上述讀取方法獲得PD圖像和FD圖像，并將其存儲(chǔ)在圖像存儲(chǔ)器109中(參照步驟S1和S2)。接著，從PD圖像的前端(n＝0)開始順序掃描PD圖像。將所讀取的PDn信號(hào)與PDsat值進(jìn)行比較(參照步驟S3)。然后，如果所讀取的PDn信號(hào)等于或小于PDsat值(即步驟S3為“否”)，則判斷出PDn信號(hào)不飽和，且FD’n的值等于0(參照步驟S4)。另一方面，如果所讀取的PDn信號(hào)大于PDsat值(即步驟S3為“是”)，則處理流程進(jìn)入步驟S5。
在步驟S5，將相鄰PD像素的PDn+1信號(hào)與PDsat值進(jìn)行比較。然后，如果PDn+1信號(hào)等于或小于PDsat值(即步驟S5為“否”)，則判斷出PDn+1像素不飽和且沒有發(fā)生顏色混合。因此，F(xiàn)D’n的值等于FDn值(參照步驟S6)。另一方面，如果PDn+1信號(hào)大于PDsat值(步驟S5為“是”)，則求解公式(13)中定義的聯(lián)立線性方程(參照步驟S7)。然后，判斷出FD’n的值等于計(jì)算結(jié)果(參照步驟S8)。
對(duì)所有像素重復(fù)執(zhí)行上述處理，直到“n”達(dá)到總像素?cái)?shù)為止(參照步驟S9和S10)。當(dāng)完成了所有像素的校正處理時(shí)(即步驟S9為“是”)，可以獲得由已經(jīng)過校正的FD信號(hào)得到的FD’圖像(參照步驟S11)。然后使FD’圖像與PD圖像相加以獲得具有寬動(dòng)態(tài)范圍且在較高亮度部分具有較少顏色混合的圖像。
使用上述算法可以有效地減少對(duì)所有像素所需的計(jì)算時(shí)間。而且，強(qiáng)制切掉各非飽和像素PD的FD信號(hào)(即FD＝0)可以完全去除由雜散光(stray light)或暗電流(dark current)造成的包含在各FD信號(hào)中的暗部分噪聲。如果需要去除暗部分噪聲，則上述算法也可以用在第一和第二典型實(shí)施例中。
第四典型實(shí)施例接著，說明本發(fā)明的第四典型實(shí)施例。第四典型實(shí)施例使用電荷保持區(qū)域，而不是第一到第三典型實(shí)施例中所述的浮動(dòng)擴(kuò)散(FD)層。根據(jù)第四典型實(shí)施例的成像設(shè)備在結(jié)構(gòu)上與第一到第三典型實(shí)施例(參照?qǐng)D1)所述的類似。
圖15示出根據(jù)第四典型實(shí)施例的圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)。圖15所示的圖像傳感器包括以二維圖案排列的多個(gè)像素。
各像素包括傳輸MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)1502、傳輸MOSFET 1503、復(fù)位MOSFET 1506、放大MOSFET 1507以及像素選擇MOSFET 1508。傳輸MOSFET 1502具有與光電轉(zhuǎn)換部分1501和浮動(dòng)擴(kuò)散層部分1505相對(duì)應(yīng)的源極和漏極。傳輸MOSFET 1503具有與電荷保持區(qū)域1504和浮動(dòng)擴(kuò)散層部分1505相對(duì)應(yīng)的源極和漏極。
根據(jù)圖15所示的例子，電荷保持區(qū)域1504布置于光電轉(zhuǎn)換部分1501的下側(cè)，然而可將電荷保持區(qū)域1504的位置改變到其它位置。第四典型實(shí)施例的圖像傳感器與第一典型實(shí)施例的圖像傳感器的不同之處在于，在同一像素中獨(dú)立地設(shè)置電荷保持區(qū)域1504和浮動(dòng)擴(kuò)散層部分1505。
圖16是示出根據(jù)第四典型實(shí)施例的圖像傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的電路圖。圖16是與圖15所示的像素結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的等效電路。圖17是示出根據(jù)第四典型實(shí)施例的圖像傳感器的操作的時(shí)序圖。
光電轉(zhuǎn)換部分1603可以將入射光轉(zhuǎn)換成電荷。電荷保持區(qū)域1602存儲(chǔ)由光電轉(zhuǎn)換部分1603生成的電荷。電荷保持區(qū)域1602是獨(dú)立于光電轉(zhuǎn)換部分1603的遮光區(qū)域。當(dāng)電荷量超過光電轉(zhuǎn)換部分1603的飽和電荷量時(shí)，將部分過多電荷(即超過飽和電荷量的電荷量)放電到電荷保持區(qū)域1602。
光電轉(zhuǎn)換部分1603通過第一傳輸部分(即傳輸MOSFET1604)連接到放大MOSFET 1607的柵極。放大MOSFET 1607用作源極跟隨器放大器(source follower amplifier)。電荷保持區(qū)域1602通過第二傳輸部分(即傳輸MOSFET 1605)連接到放大MOSFET 1607的柵極。而且，放大MOSFET 1607的柵極連接到浮動(dòng)擴(kuò)散層1601。
放大MOSFET 1607可以放大光電轉(zhuǎn)換部分1603和電荷保持區(qū)域1602的信號(hào)電荷。而且，放大MOSFET 1607的柵極連接到復(fù)位MOSFET 1606。當(dāng)復(fù)位MOSFET 1606導(dǎo)通時(shí)，將浮動(dòng)擴(kuò)散層1601復(fù)位到電源電壓VDD的電位。
當(dāng)像素選擇MOSFET 1608導(dǎo)通時(shí)，放大MOSFET 1607激活且可以放大各信號(hào)。根據(jù)各信號(hào)的類型通過傳輸MOSFET 1609～1611將放大后的信號(hào)分別傳輸?shù)酱鎯?chǔ)飽和光量信號(hào)的電容器1612、存儲(chǔ)光電轉(zhuǎn)換部分信號(hào)的電容器1613以及存儲(chǔ)偏置噪聲的電容器1614。
參照?qǐng)D17所示的時(shí)序圖說明讀取處理的例子。在T1之前的定時(shí)，電位φres為正電位且電位φtx、φty、φsel、φCtsFD、φCtsPD以及φCtn為0V。因此，復(fù)位MOSFET 1606處于ON狀態(tài)。電源電位VDD被提供給浮動(dòng)擴(kuò)散層1601。
接著，在定時(shí)T1施加作為正脈沖的電位φtx和φty。結(jié)果，傳輸MOSFET 1604和傳輸MOSFET 1605均導(dǎo)通。將電源電位VDD施加到浮動(dòng)擴(kuò)散層1601、電荷保持區(qū)域1602以及光電轉(zhuǎn)換部分1603中的每一個(gè)以進(jìn)行復(fù)位。
在完成復(fù)位之后，電位φres降低到0V以關(guān)斷復(fù)位MOSFET1606。然后，電位φtx和φty均變?yōu)?.3V以使光電轉(zhuǎn)換部分1603、電荷保持區(qū)域1602和浮動(dòng)擴(kuò)散層1601均進(jìn)入浮動(dòng)狀態(tài)。此時(shí)，還沒有打開機(jī)械快門102。因此，還沒有開始在光電轉(zhuǎn)換部分1603存儲(chǔ)光電電荷。
接著，在定時(shí)T2打開機(jī)械快門102以開始在光電轉(zhuǎn)換部分1603接收光。因此，光電轉(zhuǎn)換部分1603開始生成并存儲(chǔ)光電電荷。如果光電轉(zhuǎn)換部分1603接收弱光，則光電轉(zhuǎn)換部分1603不可能飽和。沒有電荷從光電轉(zhuǎn)換部分1603流入電荷保持區(qū)域1602。
另一方面，如果光電轉(zhuǎn)換部分1603接收強(qiáng)光，則光電轉(zhuǎn)換部分1603可能飽和，且部分電荷溢出光電轉(zhuǎn)換部分1603且流入電荷保持區(qū)域1602。
接著，在定時(shí)T3關(guān)閉機(jī)械快門102以終止在光電轉(zhuǎn)換部分1603進(jìn)行接收。因此，光電轉(zhuǎn)換部分1603停止光電電荷的生成和存儲(chǔ)。
接著，在定時(shí)T4施加作為正脈沖的電位φty。結(jié)果，傳輸MOSFET 1605導(dǎo)通。將存儲(chǔ)在電荷保持區(qū)域1602中的電荷讀出到浮動(dòng)擴(kuò)散層1601。
在圖17中，浮動(dòng)擴(kuò)散層1601的電位FD用實(shí)線和虛線來表示。實(shí)線表示在光電轉(zhuǎn)換部分1603接收弱光且沒有電荷溢出光電轉(zhuǎn)換部分1603并流入電荷保持區(qū)域1602的情況下的電位FD的變化。另一方面，虛線表示在光電轉(zhuǎn)換部分1603接收強(qiáng)光且電荷從光電轉(zhuǎn)換部分1603流到電荷保持區(qū)域1602的情況下的電位FD的變化。當(dāng)從電荷保持區(qū)域1602將電荷讀出到浮動(dòng)擴(kuò)散層1601時(shí)，浮動(dòng)擴(kuò)散層1601具有降低的電位。
接著，在定時(shí)T5，電位φsel從0V跳到正電位。結(jié)果，選擇MOSFET 1608導(dǎo)通，且信號(hào)輸出線1617激活。用作源極跟隨器放大器的放大MOSFET 1607根據(jù)浮動(dòng)擴(kuò)散層1601的電位生成到信號(hào)輸出線1617的輸出電壓。
接著，在定時(shí)T6施加作為正脈沖的電位φCts FD。結(jié)果，傳輸MOSFET 1609導(dǎo)通且電容器1612存儲(chǔ)與浮動(dòng)擴(kuò)散層1601的電位相對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出線1617的電位。如果像素的光電轉(zhuǎn)換部分1603不飽和，則沒有電荷流入電荷保持區(qū)域1602。電容器1612存儲(chǔ)與浮動(dòng)擴(kuò)散層1601的復(fù)位電壓VDD相對(duì)應(yīng)的輸出。另一方面，如果光電轉(zhuǎn)換部分1603接收強(qiáng)光，則光電轉(zhuǎn)換部分1603可能飽和。在這種情況下，電容器1612存儲(chǔ)比浮動(dòng)擴(kuò)散層1601的復(fù)位電壓VDD低的輸出。
接著，在定時(shí)T7施加作為正脈沖的電位φres。結(jié)果，復(fù)位MOSFET 1606導(dǎo)通。浮動(dòng)擴(kuò)散層1601被再次復(fù)位到電源電位VDD。
接著，在定時(shí)T8施加作為正脈沖的電位φCtn。結(jié)果，傳輸MOSFET 1611導(dǎo)通，且電容器1614在浮動(dòng)擴(kuò)散層1601被復(fù)位的條件下存儲(chǔ)信號(hào)輸出線1617的偏置噪聲電壓。
接著，在定時(shí)T9施加作為正脈沖的電位φtx。結(jié)果，傳輸MOSFET 1604導(dǎo)通。存儲(chǔ)在光電轉(zhuǎn)換部分1603中的電荷被讀出到浮動(dòng)擴(kuò)散層1601。
接著，在定時(shí)T10施加作為正脈沖的電位φCtsPD。結(jié)果，傳輸MOSFET 1610導(dǎo)通。電容器1613存儲(chǔ)與從光電轉(zhuǎn)換部分1603讀出到浮動(dòng)擴(kuò)散層1601中的電荷相對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出線1617的電壓。
接著，在定時(shí)T11將電位φsel降低到0V。結(jié)果，選擇MOSFET1608關(guān)斷且信號(hào)輸出線1617變?yōu)椴患せ?。接著，在定時(shí)T12提供作為正電位的電位φres。結(jié)果，復(fù)位MOSFET 1606導(dǎo)通，且浮動(dòng)擴(kuò)散層1601的電位固定到電源電位VDD。
通過上述處理，電容器1614可以存儲(chǔ)與偏置噪聲相對(duì)應(yīng)的電荷。電容器1612可以存儲(chǔ)與從光電轉(zhuǎn)換部分1603到電荷保持區(qū)域1602的溢出量相對(duì)應(yīng)的電荷。電容器1613可以存儲(chǔ)與存儲(chǔ)在光電轉(zhuǎn)換部分1603中的電荷相對(duì)應(yīng)的電荷。
例如，差動(dòng)放大器1615產(chǎn)生表示電容器1612的信號(hào)電壓和電容器1614的噪聲電壓之差的輸出電壓。差動(dòng)放大器1616產(chǎn)生表示電容器1613的信號(hào)電壓和電容器1614的噪聲電壓之差的輸出電壓。然后，可以將從差動(dòng)放大器1615產(chǎn)生的輸出信號(hào)作為飽和光量信號(hào)取出。將從差動(dòng)放大器1616產(chǎn)生的輸出信號(hào)作為光電轉(zhuǎn)換部分信號(hào)取出?？梢詫柡凸饬啃盘?hào)和光電轉(zhuǎn)換部分信號(hào)都存儲(chǔ)在圖像存儲(chǔ)器109中(參照?qǐng)D1)。
可以以與第一到第三典型實(shí)施例類似的方式進(jìn)行應(yīng)用于從電荷保持區(qū)域讀出的飽和光量信號(hào)的顏色混合校正處理。然而，如果以與第一或第二典型實(shí)施例類似的方式進(jìn)行該處理，則考慮到電荷保持區(qū)域和光電轉(zhuǎn)換部分之間的位置關(guān)系，可以恰當(dāng)?shù)剡x擇待校正的第一部分(像素行，像素列)。
例如，當(dāng)如圖15所示電荷保持區(qū)域1504位于光電轉(zhuǎn)換部分1501的下側(cè)時(shí)，可以從像素陣列的下端(即圖9中的y＝Y(jié))開始計(jì)算。而且，可以以與第二或第三典型實(shí)施例類似的方式進(jìn)行校正處理中使用的近似。在這種情況下，當(dāng)如圖15所示電荷保持區(qū)域1504位于光電轉(zhuǎn)換部分1501的下側(cè)時(shí)，僅將近似應(yīng)用于垂直方向(y方向)。
可以通過執(zhí)行各種基于處理的程序的計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述典型實(shí)施例。而且，為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的典型實(shí)施例，可以使用任何計(jì)算機(jī)可讀的記錄介質(zhì)(例如光盤-ROM(CD-ROM))向計(jì)算機(jī)提供程序。可以使用因特網(wǎng)等任何傳送介質(zhì)來傳送程序。
而且，本發(fā)明包括可用來實(shí)現(xiàn)上述典型實(shí)施例的任何程序、任何記錄介質(zhì)、任何傳送介質(zhì)以及任何程序產(chǎn)品。
盡管參照典型實(shí)施例說明了本發(fā)明，但應(yīng)該理解，本發(fā)明不限于所公開的典型實(shí)施例。所附權(quán)利要求書的范圍符合最寬的解釋以包括所有修改、等同結(jié)構(gòu)和功能。
權(quán)利要求
1.一種成像設(shè)備，其包括多個(gè)像素部分，各自包括光電轉(zhuǎn)換部分和保持部分，其中所述保持部分用來保持包含從相同像素部分的光電轉(zhuǎn)換部分溢出的飽和信號(hào)和用作顏色混合分量的從其它像素部分的光電轉(zhuǎn)換部分溢出的飽和信號(hào)的混合飽和信號(hào)；顏色混合校正部分，用于校正包含在從所述保持部分讀出的所述混合飽和信號(hào)中的顏色混合分量；以及合成部分，用于對(duì)從所述光電轉(zhuǎn)換部分讀出的光電轉(zhuǎn)換信號(hào)和通過所述顏色混合校正部分校正的校正后飽和信號(hào)進(jìn)行合成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像設(shè)備，其特征在于，還包括存儲(chǔ)部分，該存儲(chǔ)部分用于存儲(chǔ)表示流入其它像素部分的保持部分的飽和信號(hào)與流入相同像素部分的保持部分的飽和信號(hào)之比的比值數(shù)據(jù)，其中，所述顏色混合校正部分基于所述混合飽和信號(hào)的水平和所述比值數(shù)據(jù)，計(jì)算所述校正后飽和信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的成像設(shè)備，其特征在于，以沿水平方向和垂直方向延伸的二維圖案排列所述多個(gè)像素部分，以及其中，所述比值數(shù)據(jù)包括第一比值數(shù)據(jù)、第二比值數(shù)據(jù)和第三比值數(shù)據(jù)，其中所述第一比值數(shù)據(jù)表示流入在水平方向上相鄰的像素部分的保持部分的飽和信號(hào)與流入相同像素部分的保持部分的飽和信號(hào)之比，所述第二比值數(shù)據(jù)表示流入在垂直方向上相鄰的像素部分的保持部分的飽和信號(hào)與流入相同像素部分的保持部分的飽和信號(hào)之比，以及所述第三比值數(shù)據(jù)表示流入在對(duì)角方向上相鄰的像素部分的保持部分的飽和信號(hào)與流入相同像素部分的保持部分的飽和信號(hào)之比。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像設(shè)備，其特征在于，當(dāng)來自在布置所述保持部分的方向上相鄰的像素部分的光電轉(zhuǎn)換部分的光電轉(zhuǎn)換信號(hào)具有大于預(yù)定水平的信號(hào)水平時(shí)，所述顏色混合校正部分用來校正包含在所述混合飽和信號(hào)中的所述顏色混合分量。
5.一種用于成像設(shè)備的方法，該成像設(shè)備包括多個(gè)像素部分，所述多個(gè)像素部分各自包括光電轉(zhuǎn)換部分和保持部分，其中所述保持部分用來保持包含從相同像素部分的光電轉(zhuǎn)換部分溢出的飽和信號(hào)和用作顏色混合分量的從其它像素部分的光電轉(zhuǎn)換部分溢出的飽和信號(hào)的混合飽和信號(hào)，所述方法包括校正包含在從所述保持部分讀出的所述混合飽和信號(hào)中的顏色混合分量；以及對(duì)從所述光電轉(zhuǎn)換部分讀出的光電轉(zhuǎn)換信號(hào)和經(jīng)過顏色混合校正的校正后飽和信號(hào)進(jìn)行合成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種成像設(shè)備和用于該成像設(shè)備的方法。該成像設(shè)備包括多個(gè)像素部分，所述多個(gè)像素部分各自包括光電轉(zhuǎn)換部分和保持部分。保持部分用來保持包含從相同像素部分的光電轉(zhuǎn)換部分溢出的飽和信號(hào)和用作顏色混合分量的從其它像素部分的光電轉(zhuǎn)換部分溢出的飽和信號(hào)的混合飽和信號(hào)。顏色混合校正部分用來校正包含在從保持部分讀出的混合飽和信號(hào)中的顏色混合分量。合成部分用來對(duì)從光電轉(zhuǎn)換部分讀出的光電轉(zhuǎn)換信號(hào)和通過顏色混合校正部分校正的校正后飽和信號(hào)進(jìn)行合成。
文檔編號(hào)H04N5/374GK101047796SQ20071008698
公開日2007年10月3日 申請(qǐng)日期2007年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月29日
發(fā)明者白井邦宏 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社