專利名稱：固態(tài)成像裝置和信號處理電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有簡單靈敏度校正的固態(tài)成像裝置以及信號處理電路。
背景技術(shù)：
在常用的CCD(電荷耦合器件)固態(tài)成像裝置中，從二維布置的光電轉(zhuǎn)換器輸出的存儲電荷以隔行(inter-line)傳輸方式或者逐行掃描(progressive scanning)方式順序輸出，從而輸出所捕獲的圖像。 圖4是一種常用CCD固態(tài)成像裝置101的平面圖。 如圖4所示，CCD固態(tài)成像裝置101包括光電轉(zhuǎn)換器102矩陣陣列、水平方向上光電轉(zhuǎn)換器102之間的垂直傳輸裝置103、及連接到垂直傳輸裝置103下端的水平傳輸裝置104。每個光電轉(zhuǎn)換器102對入射光進行光電轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生被存儲的電荷。
垂直傳輸裝置103由例如四相(four-phase)驅(qū)動脈沖所驅(qū)動從而以特定間隔讀出存儲在光電轉(zhuǎn)換器102中的電荷，并順序把讀出的電荷傳輸?shù)剿絺鬏斞b置104。水平傳輸裝置104由例如兩相驅(qū)動脈沖所驅(qū)動，把從垂直傳輸裝置103傳輸來的電荷通過最終水平傳輸電極LH傳輸?shù)诫姾蓹z測器105。電荷檢測器105通過輸出柵HOG把電荷存儲在浮動擴散單元(floating diffosion unit)FD中，并通過放大電路106輸出電信號。如果必要的話，電荷檢測器105還包括與浮動擴散單元FD相鄰的復(fù)位漏極RD和復(fù)位柵RG，用來釋放存儲在浮動擴散單元FD中的電荷。 這樣，CCD固態(tài)成像裝置101把光電轉(zhuǎn)換器102產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換為電信號，并輸出轉(zhuǎn)換后的電信號。 近來小芯片尺寸且多像素的CCD固態(tài)成像裝置具有小單元。然而，隨著單元尺寸的縮小，光電轉(zhuǎn)換器和垂直傳輸裝置的尺寸也必須縮小，導(dǎo)致動態(tài)范圍的減小。
為了提高動態(tài)范圍，CCD固態(tài)成像裝置包括彼此相鄰的高靈敏度光電轉(zhuǎn)換器和低靈敏度光電轉(zhuǎn)換器，并且從CCD固態(tài)成像裝置輸出的成像信號由外部電路來處理(參見，例如T.Komobuchi， T.Yamada， A.Fukumoto， Y.Matsuda， M.Masukawa，和S.Terakawa， "Kou Dynamic Range(Wide Dynamic Range) 'Hyper-D CCD' " ， the Journalof the Institute of Image Electronics Engineers of Japan, Vol.25， NO.4， 1996)。
在該方法中，通過使高靈敏度光電轉(zhuǎn)換器的電荷存儲時間不同于低靈敏度光電轉(zhuǎn)換器的電荷存儲時間，CCD固態(tài)成像裝置101的相鄰的光電轉(zhuǎn)換器102被分成高靈敏度光電轉(zhuǎn)換器和低靈敏度光電轉(zhuǎn)換器。為了形成具有相鄰高靈敏度光電轉(zhuǎn)換器和低靈敏度光電轉(zhuǎn)換器的像素對，外部電路將從高靈敏度光電轉(zhuǎn)換器和低靈敏度光電轉(zhuǎn)換器獲得的成像信號相加。從高靈敏度光電轉(zhuǎn)換器輸出的成像信號在其加入之前被限幅在特定電平。
在入射到CCD固態(tài)成像裝置上的光中，CCD固態(tài)成像裝置外圍部分中像素上的入射光中斜入射光分量的比例高于CCD固態(tài)成像裝置中心部分像素上的入射光中斜入射光分量的比例。 一般地，斜入射光分量更散而更少會聚。因此，如果CCD固態(tài)成像裝置中心部分中的光電轉(zhuǎn)換器以與外圍光電轉(zhuǎn)換區(qū)域按相同的方式形成，則光電轉(zhuǎn)換效率會降低，導(dǎo)致低靈敏度。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個方面，固態(tài)成像裝置包括具有主表面(principal surface)的半導(dǎo)體襯底，以及形成在沿半導(dǎo)體襯底主表面兩個不同方向中至少一個方向上的三個或更多的像素區(qū)域。該三個或更多的像素區(qū)域包括中心像素區(qū)域和圍繞該中心像素區(qū)域的外圍像素區(qū)域，且每個像素區(qū)域包括多個具有不同靈敏度的光電轉(zhuǎn)換區(qū)域。外圍像素區(qū)域中具有最高靈敏度的光電轉(zhuǎn)換區(qū)域比中心像素區(qū)域中具有最高靈敏度的光電轉(zhuǎn)換區(qū)域有著更高的靈敏度。 在本發(fā)明的另一方面，用來處理由固態(tài)成像裝置的多個像素區(qū)域光電轉(zhuǎn)換的信號的信號處理電路包括在固態(tài)成像裝置之中或在其之外。該多個像素區(qū)域包括中心像素區(qū)域和圍繞中心像素區(qū)域的外圍像素區(qū)域。該信號處理電路包括根據(jù)f值來校正中心像素區(qū)域和外圍像素區(qū)域的增益的電路。 在本發(fā)明的固態(tài)成像裝置中，外圍象素區(qū)域中具有最高靈敏度的光電轉(zhuǎn)換區(qū)域的靈敏度高于中心象素區(qū)域中具有最高靈敏度的光電轉(zhuǎn)換區(qū)域的靈敏度。這樣，由入射在外圍部分上的光中、比其中心部分更多的斜入射光分量所引起的所謂的暗斑(shading), S卩，由像素區(qū)域中具有最高靈敏度的光電轉(zhuǎn)換區(qū)域所引起的暗斑，可得到校正。因此，該固態(tài)成像裝置提供了高質(zhì)量的捕獲圖像。 本發(fā)明的信號處理電路5根據(jù)f值校正中心像素區(qū)域和外圍像素區(qū)域的增益。例如，如果抑制中心像素區(qū)域和外圍像素區(qū)域中具有最高靈敏度的光電轉(zhuǎn)換區(qū)域引起暗斑，則低靈敏度光電轉(zhuǎn)換區(qū)域可引起更嚴重的暗斑。然而，像素區(qū)域中具有最高靈敏度的光電轉(zhuǎn)換區(qū)域以外的區(qū)域中引起的暗斑可以被校正。因此，固態(tài)成像裝置提供了高質(zhì)量的捕獲圖像。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像裝置的示意性橫截面 圖2是根據(jù)本發(fā)明一實施例的固態(tài)成像裝置的平面 圖3是根據(jù)本發(fā)明一實施例的信號處理電路的方塊 圖4是示出相關(guān)技術(shù)的固態(tài)成像裝置的基本結(jié)構(gòu)的圖。
具體實施例方式
為了校正在固態(tài)成像裝置中引起的暗斑從而提高捕獲圖像的質(zhì)量，根據(jù)本發(fā)明，固態(tài)成像裝置外圍像素區(qū)域中的高靈敏度光電轉(zhuǎn)換區(qū)域比固態(tài)成像裝置中心像素區(qū)域中的高靈敏度光電轉(zhuǎn)換區(qū)域有更高的靈敏度。這樣，由高靈敏度光電轉(zhuǎn)換區(qū)域引起的暗斑可得到校正。此外，由高靈敏度光電轉(zhuǎn)換區(qū)域以外的區(qū)域引起的暗斑可通過根據(jù)f值來校正中心像素區(qū)域和外圍像素區(qū)域的增益而得到校正。 本發(fā)明的固態(tài)成像裝置和信號處理電路適于應(yīng)用到各種CCD成像裝置。
第一實施例 根據(jù)本發(fā)明第一實施例的固態(tài)成像裝置將參考圖1和2進行描述。圖2是固態(tài) 成像裝置的平面圖，圖1是沿圖2的I-I線截取的固態(tài)成像裝置的示意性橫截面圖。
如圖1和2所示，三個或更多的像素區(qū)域21在沿半導(dǎo)體襯底11主表面兩個不同 方向中的至少一個方向上(在圖2中，兩個方向)形成在半導(dǎo)體襯底ll上。每個像素區(qū) 域21包括多個光電轉(zhuǎn)換區(qū)域31，如兩個光電轉(zhuǎn)換區(qū)域31(311和312)。光電轉(zhuǎn)換區(qū)域311 和312具有不同的靈敏度(光敏度)。光電轉(zhuǎn)換區(qū)域311具有比光電轉(zhuǎn)換區(qū)域312更高的 靈敏度。 在該固態(tài)成像裝置中，像素區(qū)域21中外圍像素區(qū)域21s中的高靈敏度光電轉(zhuǎn)換 區(qū)域311比像素區(qū)域21中中心像素區(qū)域21c中的高靈敏度光電轉(zhuǎn)換區(qū)域311具有更高的 靈敏度。 還是在圖2所示像素區(qū)域21中垂直或水平的方向上，外圍像素區(qū)域21s中的高 靈敏度光電轉(zhuǎn)換區(qū)域311比中心像素區(qū)域21c中的高靈敏度轉(zhuǎn)換區(qū)域311具有更高的靈敏 度。因此，圖2所示布置在垂直和水平方向上的像素區(qū)域21的垂直和水平的中心像素區(qū) 域21c中的高靈敏度光電轉(zhuǎn)換區(qū)域311具有比像素區(qū)域21的其它像素區(qū)域中的高靈敏度 光電轉(zhuǎn)換區(qū)域311低的靈敏度。 盡管未示出，電荷傳輸區(qū)域鄰近在每個光電轉(zhuǎn)換區(qū)域31的一側(cè)的讀出區(qū)域形 成，并且每個由光電轉(zhuǎn)換區(qū)域31、讀出區(qū)域和垂直電荷傳輸區(qū)域形成的像素由溝道截止 (channel-stop)區(qū)域所隔開。 半導(dǎo)體襯底11包括電極疊置在垂直電荷傳輸區(qū)域和讀出區(qū)域上的電極42，其間 有絕緣膜41，并且絕緣膜43疊置在電極42上。絕緣膜43還由遮光電極(light-shielding electrode)44所覆蓋，使得開口位于光電轉(zhuǎn)換區(qū)域31處。光電轉(zhuǎn)換區(qū)域31、遮光電極44 和其它層還由平面透明絕緣膜45所覆蓋。例如，絕緣膜45從底部起由覆蓋遮光電極44、 光電轉(zhuǎn)換區(qū)域31和其它層的鈍化膜、用于平坦化鈍化膜的凹凸的平坦化膜、疊置在平坦 化膜上的濾色器等構(gòu)成。 像素區(qū)域21還包括用于使入射光聚焦到光電轉(zhuǎn)換區(qū)域21上的聚光透鏡51， 一 般稱為微透鏡陣列。例如，每個聚光透鏡51形成為使得聚光透鏡51的中心位于像素區(qū) 域21中高靈敏度光電轉(zhuǎn)換區(qū)域311的中心的上方，從而被聚焦的光的中心對著光電轉(zhuǎn)換 區(qū)域311。 從圖2的一個方向來觀察，聚光透鏡51-B、 51-B'禾P 51-B"分別形成在光電轉(zhuǎn) 換區(qū)域311-B、 311-B'禾P311-B〃中心的上方。光電轉(zhuǎn)換區(qū)域312-B、 312-B'禾P31-B〃 分別由聚光透鏡51-B、 51-B'禾P51-B〃部分地覆蓋。光電轉(zhuǎn)換區(qū)域312-B'禾P31-B〃的 沒有被聚光透鏡51-B'和51-B〃覆蓋的部分小于光電轉(zhuǎn)換區(qū)域312-B的沒有被聚光透鏡 51-B覆蓋的部分。因此，光電轉(zhuǎn)換區(qū)域312-B'和31-B〃比光電轉(zhuǎn)換區(qū)域312-B具有更 低的靈敏度。 在圖2中，每個像素區(qū)域21包括具有不同靈敏度的兩個光電轉(zhuǎn)換區(qū)域311和 312;每個像素區(qū)域21可包括多于兩個的多個光電轉(zhuǎn)換區(qū)域31。
S卩，每個像素區(qū)域21可包括n個光電轉(zhuǎn)換區(qū)域31，其中n是大于l的整數(shù)。 像素區(qū)域21中具有最高靈敏度的光電轉(zhuǎn)換區(qū)域311到具有第n(在圖2中是第二) 高靈敏度的光電轉(zhuǎn)換區(qū)域312以類似的方式布置在像素區(qū)域21中，其中n是大于1的整 數(shù)。在圖2中，高靈敏度光電轉(zhuǎn)換區(qū)域311形成在像素區(qū)域21的下面部分中，低靈敏度 光電轉(zhuǎn)換區(qū)域312形成在像素區(qū)域21的上面部分中。 為了改善暗斑，例如，形成在外圍像素區(qū)域21s上方的聚光透鏡51大于形成在 中心像素區(qū)域21c上方的聚光透鏡51。聚光透鏡51的尺寸取決于暗斑程度。由于外圍 像素區(qū)域21s包括更多的斜入射光分量，理想地，更大的聚光透鏡51形成在外圍像素區(qū) 域21s上方。 在第一實施例中，為了改善暗斑，在像素區(qū)域21中形成在外圍像素區(qū)域21s上 方的聚光透鏡51大于形成在中心像素區(qū)域21c上方的聚光透鏡51?？蛇x擇地，為了改 善暗斑，形成在外圍像素區(qū)域21s上方的聚光透鏡51可以在像素區(qū)域21的列或行方向或 者行和列方向的組合方向上相對于在中心像素區(qū)域21c上方形成的聚光透鏡51傾斜地位 移。聚光透鏡51位移所在的方向取決于像素區(qū)域21中光電轉(zhuǎn)換區(qū)域31的布置。
在本發(fā)明的固態(tài)成像裝置中，像素區(qū)域21中在外圍像素區(qū)域21s中的高靈敏度 光電轉(zhuǎn)換區(qū)域311-B'和311-B〃的靈敏度實際上比中心像素區(qū)域21c中的高靈敏度光電 轉(zhuǎn)換區(qū)域311B的靈敏度要高。這樣，由入射在外圍部分上的光中、比固態(tài)成像裝置中 心部分更多的斜入射光分量所引起的所謂的暗斑，即，由像素區(qū)域21中高靈敏度光電轉(zhuǎn) 換區(qū)域311所引起的暗斑，可得到校正。因此，該固態(tài)成像裝置提供了高質(zhì)量的捕獲圖 像。 第二實施例 第一實施例由于高靈敏度像素中的暗斑校正可能在低靈敏度像素中引起更嚴重 的暗斑。根據(jù)本發(fā)明第二實施例的固態(tài)成像裝置校正在低靈敏度像素中引起的更嚴重的 暗斑。 在第二實施例中，處于第二實施例的固態(tài)成像裝置之外或與其在同一芯片上的 信號處理電路(未示出)根據(jù)聚光透鏡51的f值，校正圖1和圖2所示的中心像素區(qū)域 21c和外圍像素區(qū)域21s的增益。 在固態(tài)成像裝置中，例如，如果抑制圖1和2所示的像素區(qū)域21的中心和外圍 像素區(qū)域21c和21s中的高靈敏度光電轉(zhuǎn)換區(qū)域311引起暗斑，則低靈敏度光電轉(zhuǎn)換區(qū)域 312會引起更嚴重的暗斑。在這種情況下，信號處理電路根據(jù)f值對中心和外圍像素區(qū)域 21c和21s的增益進行校正，從而校正像素區(qū)域21中高靈敏度光電轉(zhuǎn)換區(qū)域311以外的區(qū)
域中所引起的暗斑。因此，固態(tài)成像裝置捕獲了高質(zhì)量圖像。
第三實施例 圖3是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的信號處理電路5的方塊圖。 如圖3所示，信號處理電路5包括模擬-數(shù)字(AD)轉(zhuǎn)換電路51H，用于對高靈 敏度光電轉(zhuǎn)換區(qū)域輸出的信號SH進行AD轉(zhuǎn)換，以及AD轉(zhuǎn)換電路51L，用來對低靈敏 度光電轉(zhuǎn)換區(qū)域輸出的信號SL進行AD轉(zhuǎn)換。 AD轉(zhuǎn)換電路51H連接到存儲器52H，該存儲器用來暫存AD轉(zhuǎn)換電路51H轉(zhuǎn)換 的數(shù)字信號，AD轉(zhuǎn)換電路51L連接到存儲器52L，該存儲器用來暫存AD轉(zhuǎn)換電路51L轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號。存儲器52L連接到放大電路53，該放大電路用來使讀入存儲器52L的 信號乘以為每個像素區(qū)域所確定的系數(shù)。放大電路53連接到暫存放大信號的存儲器54。 存儲器52H和存儲器54連接到加法電路55，該加法電路把存儲在存儲器52H和存儲器 54中的信號相加，從而產(chǎn)生像素信號S。存儲器54不是必需的，加法電路55可把放大 電路53輸出的信號與存儲器52H輸出的信號相加，從而產(chǎn)生像素信號。
本發(fā)明的信號處理電路5根據(jù)聚光透鏡51的f值，對如圖1和2所示像素區(qū)域 21的中心像素區(qū)域21c和外圍像素區(qū)域21s的增益進行校正。例如，如果抑制像素區(qū)域 21的中心和外圍像素區(qū)域21c和21s中的高靈敏度光電轉(zhuǎn)換區(qū)域311引起暗斑，則低靈敏 度光電轉(zhuǎn)換區(qū)域312可引起更嚴重的暗斑。 信號處理電路5的增益校正使得像素區(qū)域21中高靈敏度光電轉(zhuǎn)換區(qū)域311以外 區(qū)域中引起的暗斑，即在光電轉(zhuǎn)換區(qū)域312中引起的暗斑，得到校正。因此，固態(tài)成像 裝置提供了高質(zhì)量的捕獲圖像。 由于其高靈敏度，人眼對低靈敏度光電區(qū)域中捕獲圖像的噪聲分量敏感。因 此，高靈敏度光電轉(zhuǎn)換區(qū)域中的暗斑校正通過根據(jù)中心部分的光電轉(zhuǎn)換區(qū)域或外圍部分 的光電轉(zhuǎn)換區(qū)域而改變?nèi)肷涔獾牧縼磉M行。在這種情況下，低靈敏度光電轉(zhuǎn)換區(qū)域中的 入射光可遭受更多的暗斑；該暗斑通過信號處理電路5執(zhí)行增益校正而得到校正。
該校正方法易受信號處理電路5中干擾的影響。然而，由于其對高亮度信號的 低靈敏度，人眼不會察覺該干擾。
權(quán)利要求
一種固態(tài)成像裝置，包括具有主表面的半導(dǎo)體襯底；以及形成在沿所述半導(dǎo)體襯底的所述主表面的兩個不同方向中的至少一個方向上的三個或更多的像素區(qū)域，該三個或更多的像素區(qū)域包括中心像素區(qū)域和圍繞該中心像素區(qū)域的外圍像素區(qū)域，每個像素區(qū)域包括多個具有不同靈敏度的光電轉(zhuǎn)換區(qū)域，其中，所述外圍像素區(qū)域中具有最高靈敏度的光電轉(zhuǎn)換區(qū)域比所述中心像素區(qū)域中具有最高靈敏度的光電轉(zhuǎn)換區(qū)域有著更高的靈敏度，還包括用于處理通過所述像素區(qū)域光電轉(zhuǎn)換的信號的信號處理電路，該信號處理電路包含在所述固態(tài)成像裝置之中或在其之外，其中該信號處理電路根據(jù)f值校正所述中心像素區(qū)域和所述外圍像素區(qū)域的增益。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像裝置，其中所述信號處理電路校正所述像素區(qū)域中具有最高靈敏度的所述光電轉(zhuǎn)換區(qū)域以外的區(qū)域中引起的暗斑，并且該信號處理電路包括乘法電路，將所述像素區(qū)域中具有最高靈敏度的所述光電轉(zhuǎn)換區(qū)域以外的區(qū)域輸出的信號或者將通過對該輸出信號進行信號處理所獲得的信號乘以為每個所述像素區(qū)域確定的系數(shù)；以及加法電路，將所述像素區(qū)域中具有最高靈敏度的所述光電轉(zhuǎn)換區(qū)域以外的區(qū)域輸出的信號或者將通過對該輸出信號進行信號處理所獲得的信號加上在乘法電路的乘以了所述系數(shù)的信號。
3. —種信號處理電路，用于處理通過固態(tài)成像裝置的多個像素區(qū)域被光電轉(zhuǎn)換的信號，該多個像素區(qū)域包括中心像素區(qū)域和圍繞該中心像素區(qū)域的外圍像素區(qū)域，該信號處理電路包括在所述固態(tài)成像裝置之中或在其之外，所述信號處理電路包括根據(jù)f值校正所述中心像素區(qū)域和所述外圍像素區(qū)域的增益的電路。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的信號處理電路，還包括放大電路，將所述像素區(qū)域中具有最高靈敏度的所述光電轉(zhuǎn)換區(qū)域以外的區(qū)域輸出的信號或者將通過對該輸出信號進行信號處理所獲得的信號乘以為每個所述像素區(qū)域確定的系數(shù)；以及加法電路，將所述像素區(qū)域中具有最高靈敏度的所述光電轉(zhuǎn)換區(qū)域以外的區(qū)域輸出的信號或者將通過對該輸出信號進行信號處理所獲得的信號加上在乘法電路中乘以了所述系數(shù)的所述信號，所述乘法電路，將所述像素區(qū)域中具有最高靈敏度的所述光電轉(zhuǎn)換區(qū)域以外的區(qū)域輸出的信號或者將通過對該輸出信號進行信號處理所獲得的信號乘以為每個所述像素區(qū)域確定的系數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及固態(tài)成像裝置。該裝置包括具有主表面的半導(dǎo)體襯底以及形成在沿半導(dǎo)體襯底主表面兩個不同方向中至少一個方向上的三個或更多的像素區(qū)域。每個像素區(qū)域包括多個具有不同靈敏度的光電轉(zhuǎn)換區(qū)域。在像素區(qū)域的外圍像素區(qū)域中具有最高靈敏度的光電轉(zhuǎn)換區(qū)域比在像素區(qū)域的中心像素區(qū)域中具有最高靈敏度的光電轉(zhuǎn)換區(qū)域有著更高的靈敏度。
文檔編號H04N5/335GK101692457SQ20091020819
公開日2010年4月7日 申請日期2005年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月6日
發(fā)明者村上一朗 申請人:索尼株式會社