CN100438585C - 固体摄像器件 - Google Patents

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Abstract

本发明的固体摄像器件，具有：AD变换电路(13)，对从包括有效像素部40和光学黑体部的摄像区(11)读取到多条垂直信号线上的像素信号进行AD变换；以及信号处理电路(21)，依次输入由AD变换取得的像素信号，并进行运算处理。信号处理电路(21)具有：纵条校正电路(22)，对从摄像区(11)的垂直方向端部的OB部(41b)读取的多条线的输出信号进行加法运算平均化，对有效像素信号进行加减运算；以及横条校正电路(23)，对水平线的读取开始侧的OB部(41a)的输出信号按照信号电平的高低顺序重新排列，对有效像素信号加上或减去重新排列的中心附近的多个像素信号的平均值。

Description

固体摄像器件
本申请基于申请日是2004年11月26日、申请号是2004-342432的日本专利申请要求优先权，该日本申请的所有内容包含在本申请中。
技术领域
本发明涉及固体摄像器件，尤其涉及内置有降低噪声的信号处理电路的二维图像传感器，用于携带式电话机、数码摄像机、摄像机和车载摄像机等。
背景技术
作为二维图像传感器的一种的CMOS图像传感器，例如公开于特开2000-287137号报(Sugiki)、特开2004-15712号公报(Nakamura andKawahito)和特开2000-261730号公报(Nakamura and Sone)等中。CMOS图像传感器的一个例子是：对摄像区的多个垂直线分别设置模拟数字变换电路(AD变换电路)，依次选择这些多个AD变换电路的输出，取得数字图像输出。
在Sugiki中公开的CMOS图像传感器中，各AD变换电路分别具有电压比较部。各电压比较部由多级放大器构成。并且在各放大器中设置了嵌位电路。从摄像区内的多条水平线读取的多个像素信号在上述多个AD变换电路中进行AD变换。经AD变换后的数据由各闩锁电路保持，在下一水平有效期间内从各闩锁电路作为多位的数据而输出。
在CMOS图像传感器中，从摄像区到AD变换电路的信号路线途中有多个开关用晶体管。若这些晶体管的阈值电压产生误差，则在这些晶体管从导通向截止转移时，每条纵线上都有信号电平变动。并且，由于该信号电平变动的误差，而产生纵向条状的固定模式噪声(固定パタ一ンノイズ)，即纵向条状噪声(Vertical Strip enoise)。
并且，在摄像区的每条水平线的读取动作中，在上述开关用晶体管从导通向截止转移时，电源电压发生变动，AD变换用基准电压波形在每条水平线上发生变动，从而，每条水平线上的信号电平发生变动，产生横条噪声。该横条噪声是电源电压变动所引起的，所以，随机发生。这些纵条，横条噪声使图像质量下降。
而且，在特开2000-261730号公报(Nakamura and Sone)中公开了以下内容：在有效像素区的垂直方向的端部设置黑基准部，在垂直消隐期间内存储从黑基准部来的输出，并取加法运算平均值，这样取得基准信号，从有效像素区的各水平期间的信号中减去上述基准信号，取得不包括纵条噪声的图像信号。
发明内容
本发明是为了解决现有问题而提出的方案，其目的是提供一种在对列式(カラム型)AD变换电路进行混装的CMOS图像传感器中，使得造成图像质量下降的原因的纵条噪声和/或随机发生的横条噪声减少的固体摄像器件。
本发明提供一种固体摄像器件，具有：摄像区，包括有效像素部和被遮光的光学黑体部，上述光学黑体部包括配置在上述摄像区的垂直方向的一边的端部上的第1光学黑体部、以及配置在上述摄像区的水平线方向的读取开始侧的第2光学黑体部，上述有效像素部包括配置成二维状的多个光电变换元件、以及把由各光电变换元件进行光电变换的信号电荷变换成电压并生成像素信号的多个检测部，上述第1光学黑体部仅包括多个检测部，上述第2光学黑体部包括配置成二维状的多个光电变换元件以及把由这些光电变换元件进行光电变换的信号电荷变换成电压并生成像素信号的多个检测部；多个垂直信号线，供给在上述摄像区生成的上述图像信号；多个AD变换电路，与上述多个垂直信号线连接，把上述像素信号变换成数字信号；以及信号处理电路，接收由上述多个AD变换电路取得的数字信号，并输出数字图像信号，上述信号处理电路包括纵条校正电路(Vertical stripe noise suppression Circuit)，该纵条校正电路对在上述第1光学黑体部生成且在上述多个AD变换电路中变换后的多条线的数字信号，在垂直方向上进行加法运算并进行平均化，并对在上述有效像素部中生成且在上述多个AD变换电路中变换后的数字信号，加上或者减去所述平均化的数字信号。
附图说明
图1是表示本发明第1实施例的CMOS图像传感器的整体结构的框图。
图2A表示图1所示的CMOS图像传感器的传感器核心部的布局和信号处理电路的结构。
图2B是图2A所示的横条校正电路的主要部分的信号波形图。
图3是表示图2A中所示的传感器核心部、VREF发生电路和第1偏压发生电路的结构的电路图。
图4是图3所示的传感器核心部的主要部分的信号波形图。
图5是表示图2A中的信号处理电路的动作例的流程图。
图6是图5中所示的中间值(median)处理电路中的中间值平均化处理方法的一例的说明图。
图7A～图7D是将图2中的各种像素的断面结构和势电位一起表示的图。
图8A、图8B、图8C是图7B所示的图像模糊(blooming)对策用的光学黑体部的像素变形例的断面结构和势电位一起表示的图。
图9是表示本发明第2实施例的CMOS图像传感器整体结构的框图。
图10是表示图9中所示的传感器核心部、VREF发生电路、第1偏压发生电路和第2偏压发生电路的结构的图。
图11A表示本发明第3实施例的CMOS图像传感器中的传感器核心部的布局和信号处理电路的结构。
图11B是图11A所示的横条校正电路的主要部分的信号波形图。
图12A和图12B是表示采用了上述各实施例的CMOS图像传感器的CMOS图像传感器组件的外观形状的斜视图。
具体实施方式
以下参照附图，说明本发明的实施例。在该说明时，对于全图中通用的部分标注通用的参考符号。
<第1实施例>
图1是表示本发明第1实施例的CMOS图像传感器的整体结构的框图。该CMOS图像传感器中，把各种电路集成在一个半导体芯片上。CMOS图像传感器具有传感器核心部10。传感器核心部10包括：像素部(摄像区)11、列式噪声消除电路(CDS)12、列式AD变换电路13(ADC)对由AD变换电路13进行数字变换后的信号进行闩锁的闩锁电路14、以及对由闩锁电路14进行闩锁的信号进行读取控制的移位寄存器(水平移位寄存器)15。
在摄像区11内把多个像素配置成二维状，各个像素如后所述，具有：光电变换元件、用于读取光电变换的信号的读取门、以及把输出的信号电荷变换成电压的检测部等。
在半导体芯片上设置了：定时信号发生电路(TG)16，生成用于控制来自摄像区11的信号的读取动作、以及噪声消除电路12的动作的各种控制脉冲信号；VREF发生电路17，用于发生在AD变换电路13中使用的比较用基准信号VREF；串行接口电路18，对为各种控制而从外部串行输入的数据DATA的进行接口(I/F)；以及指令控制电路19，对经过串行接口电路18输入的指令数据进行解码，并生成各种控制信号。
再者，在半导体芯片上设置了：第1偏压发生电路20，生成在摄像区11内需要的第1偏压VVL；以及信号处理电路21，对从闩锁电路14读取的信号进行纵条校正和横条校正，向外部输出数字图像信号。
VREF发生电路17具有对时钟信号进行计数的计数器。该计数器按预定的定时起动，产生电压电平随着计数器的计数值由低电平向高电平依次变化的例如三角波形基准信号VREF。
图2A表示图1所示的CMOS图像传感器的传感器核心部10的布局和信号处理电路21的结构。
摄像区11大致上划分为：光线射入光电变换元件51有效地进行光电变换的区即有效像素部40、以及被遮光的区光学黑体部(optical plack)(OB)。光学黑体部具有：光学黑体部41a，其配置在摄像区11的水平线方向的读取开始侧，具有和有效像素部40相同的像素结构；模拟用的光学黑体部41b，其配置在摄像区11的垂直方向的上部侧的端部上，像素上未设置光电变换元件，仅设置了检测部；图像模糊对策用的光学黑体部41c，其配置在与上述光学黑体部41a和41b相邻接的位置上；光学黑体部41d，其配置在摄像区11的垂直方向的下部侧的端部，具有和有效像素部40相同的结构；以及光学黑体部41e，其配置在摄像区11的水平线方向的读取终端侧。光学黑体部41a对每1条水平线，例如包含36个像素。
关于有效像素部40、光学黑体部41a，模拟用光学黑体部41b、图像模糊对策用的光学黑体部41c各自的像素结构，以后说明。
由AD变换电路13取得并从闩锁电路14中依次读取的数字图像信号输入到信号处理电路21内。信号处理电路21由纵条校正电路22和横条校正电路23构成。在信号处理电路21中，对数字图像信号进行预定的运算处理，进行纵条校正和横条校正，输出数字图像信号。
纵条校正电路22包括：电平限幅电路24、加法运算平均化处理电路25、减法运算电路26、和加减法运算电路27。在从摄像区11的垂直方向的端部上所配置的光学黑体部41b中读取的多条线的输出信号大于第1基准电平，或者小于第2基准电平的情况下，纵条校正电路22用各基准电平来对读取信号进行限幅，而且对多条线的信号在垂直方向上进行加法运算平均化，对有效像素部40的有效像素的输出信号进行加减法运算。
横条校正电路23包括：中间值处理电路28、减法运算电路29、和加法运算电路30。横条校正电路23将从配置在摄像区11的水平线方向读取开始侧的光学黑体部41a来的输出信号，按信号电平的大小顺序重新排列，并将重新排列的信号的大致中心级附近的像素信号、或者中心级附近的多个像素的信号的平均值加到有效像素部40的有效像素信号上。
图3表示图2A中所示的传感器核心部10、VREF发生电路17和第1偏压发生电路20的电路结构。
在摄像区11内设置了在水平方向和垂直方向上配置成二维状的多个像素50。有效像素部40内的各个像素50包括光电变换元件、例如光电二极管51、4个晶体管52～55。晶体管52是行选择用晶体管，晶体管53是放大用晶体管，晶体管54是复位用晶体管，晶体管55是信号读取用的晶体管。
在各个像素50中，光电二极管51的阳极连接在接地电压GND的供给节点上，阴极通过信号读取用晶体管55和复位用晶体管54而串联连接在直流电源电压VDD的供给节点上。放大用晶体管53的栅极连接在上述两个晶体管54和55的共用连接节点上，源、漏极的一端经行选择用晶体管52而连接在VDD的供给节点上，源、漏极的另一端连接在多个垂直信号线56中对应的线上。
多个源极输出器用负荷晶体管TL与摄像区11相邻接地配置在水平线方向上。该多个负荷晶体管TL连接在多个各垂直信号线56的一端侧和接地电压的供给节点之间，栅电极共同连接在第1栅控制线57上。第1偏压发生电路20产生第1偏压VVL，供给到上述栅控制线57上。
每条垂直信号线56上与上述多个负荷晶体管TL的形成区相邻接地配置了：用于向AD变换电路13传送多个垂直信号线56的信号VLIN的信号传送用晶体管TS 1、用于向AD变换电路13供给AD变换用基准信号VREF的VREF传送用晶体管TS2、以及噪声消除用电容器器C1、C2。并且，二级电压比较器COMP1、COMP2与晶体管TS1、TS2及电容器C1、C2的形成区相邻接地配置在每条垂直信号线56上。各二级电压比较器COMP1、COMP2将经晶体管TS1而传送的各条垂直信号线56的信号VLIN与基准电压VREF进行比较，电压一致的电压比较器COMP2的输出被活化。而且，在电压比较器COMP1的输出输入节点之间，插入了接地用晶体管TS3的源、漏之间。向该晶体管TS3的栅电极供给脉冲信号S3。在电压比较器COMP1的输出节点和电压比较器COMP2的输入节点之间连接了电容器器C3。在电压比较器COMP2的输入输出节点之间插入了嵌位用的晶体管TS4的源、漏之间。在该晶体管TS4的栅电极上供给脉冲信号S4。
对每条垂直信号线56设置了闩锁电路LAT。这些多个闩锁电路LAT构成图1中的闩锁电路14。向上述多个闩锁电路LAT并列地供给与基准信号VREF相对应的数字信号，例如10位数字信号。并且，在上述多个闩锁电路LAT中，电压比较器COMP2的输出被活化了的电路所对应的闩锁电路LAT对基准信号VREF所对应的数字信号进行闩锁。这样，读取到多条垂直信号线56上的信号VLIN被变换成数字信号。被多个闩锁电路LAT闩锁的数字信号，在图1中的移位寄存器15的控制下依次在多个闩锁电路LAT内传送，从位于最端部的闩锁电路中读取10位的AD变换输出，即图1中的DOUT0～DOUT9。
图4表示图3所示的传感器核心部10的动作定时波形。
为了读取摄像区11的n条垂直线的信号，在脉冲信号HBLK中所示的水平扫描期间(通常780个时钟信号期间)内的无效期间中，脉冲信号ADRESn被活化，像素50内的行选择用晶体管52变成导通状态，从而由放大用晶体管53和负荷用晶体管TL构成的源极输出电路进行动作，被光电二极管51光电变换的信号电荷在多个垂直信号线56上被读取一定期间。
在该信号电荷读取动作之前，为了消除图3中的各像素50内的检测部DN中的暗电流等所造成的无效信号，首先，在水平无效期间内脉冲信号RESEn被活化，晶体管54变成导通状态，检测部DN被复位到VDD电平上。这样，在各垂直信号线56上输出复位电平信号作为信号VLIN。并且，在水平无效期间，利用控制脉冲信号S1来使晶体管TS1变成导通状态，利用控制脉冲信号S3来使插入在比较器COMP1的输入输出之间的晶体管TS3变成导通状态，利用控制脉冲信号S4来使插入在比较器COMP2的输入输出节点之间的嵌位用晶体管Ts4变成导通状态，这样，在电压比较器COMP1和COMP2中设定AD变换时的基准电平。
然后，在晶体管TS3变成导通状态后，垂直信号线56的复位电平存储在电容器器C1内。然后，利用脉冲信号READn来使像素50内的读取用晶体管55变成导通状态，存储在光电二极管51内的信号电荷被读取到检测部DN内。这样，信号电平重叠到复位电平上的信号在垂直信号线56上被读取。这时，利用控制脉冲信号S1来使信号传送用晶体管TS1变成导通状态，利用控制脉冲信号S3来使晶体管TS3变成截止状态，利用控制脉冲信号S4来使晶体管TS4变成截止状态，利用控制脉冲信号S2来使晶体管TS2变成导通状态，这样，使先前在垂直信号线56上被读取的信号存储到电容器器C2内。
然后，信号传送用晶体管TS1变成截止状态，信号被保持在电容器器C2内。这时，比较器COMP1的输入节点变成高阻抗，所以，电容器器C1保持复位电平状态。
然后，在水平扫描期间内的有效期间内，基准信号VREF从低电平向高电平依次变化。通过电容器器C1、C2的合成容量，使基准信号VREF输入到比较器COMP1内，用比较器COMP1、COMP2来对来自像素的读取信号和基准信号VREF进行比较。在此情况下，电容器C1中存储的复位电平的极性与电容器C2中存储的复位电平相反，所以，复位电平被消掉，实质上通过电容器C2供给的基准信号VREF的信号成分与来自像素的读取信号进行比较。并且，在多个电压比较器COMP2中，被比较的两个信号的电压一致的比较器COMP2的输出被活化，利用输入了该活化的输出的闩锁电路LAT来对基准信号VREF所对应的数字信号进行闩锁。这样，读取到多个垂直信号线56上的各信号进行AD变换。对前面说明的复位电平进行清除的低噪声化处理动作，称为相关双重取样(Correlated Double Sampling；CDS)动作，AD变换后的数据由各闩锁电路LAT保持，在下一个水平有效期间从闩锁电路LAT作为10位的数据DOUT0～DOUT9而输出。在本例中，10位的0～1023电平的AD变换电平利用10位的计数器来生成。
而且，为了使AD变换电路13的动作准确，如上所述在进行AD变换动作之前进行以下处理：使比较器COMP1的输入输出节点的直流电平相同的处理，以及使比较器COMP2的输入输出节点的直流电平成为相同电平的处理。也就是说，插入到比较器COMP1的输入输出节点之间的晶体管TS3、以及插入到比较器COMP2的输入输出节点之间的晶体管TS4暂时变成导通状态，进行所谓嵌位处理，减小输入偏移的误差。在该嵌位处理时，由于晶体管TS3的栅电极和比较器COMP1的输入输出节点间存在的寄生电容，在电压比较器COMP1的阈值电压和嵌位电压之间产生差。该差受到晶体管TS3的制造误差的影响，结果，在多个比较器COMP1的输出信号的直流电平之间产生误差。结果该误差以数字输出值的通道间误差方式表现。
因此，和前面的Suquki中公开的固体摄像器件的情况一样，利用具有嵌位用晶体管的二级比较器COMP1、COMP2来进行电压比较。这样，能够使同一水平线方向的多个像素的各读取信号之间不产生直流电平误差，能够提高图像质量。在此情况下，最好将控制脉冲信号S3、S4的断开时间设定成，使得插入在后级的电压比较器COMP2的输入输出节点之间的晶体管TS4变成截止的时间晚于插入到前级比较器COMP1的输入输出节点之间的晶体管TS3变成截止的时间。在图4中，控制脉冲信号S3、S4变成高电平，晶体管TS3、TS4变成导通的时间是一致的。但是，总之，只要后级侧的晶体管TS4变成截止的时间晚于前级侧的晶体管TS3变成截止的时间即可。所以，后级侧的晶体管TS4变成导通的时间，也可以晚于前级侧的晶体管TS3变成截止的时间。而且，由于后级侧的晶体管TS4的特性误差的影响，AD变换特性产生通道间的误差。但是，前级的比较器COMP1使信号为A1倍(A1是比较器COMP1的放大倍数)，所以，从后级的比较器COMP2来看时，晶体管TS4的特性误差造成的影响为1/A1，与信号成分相比，该误差实质上没有。
但是，由于晶体管TS1和TS3的阈值电压等的误差，晶体管TS1变成截止时，每条纵线的信号电平发生变动。由于该变动的误差，有可能产生纵条噪声。并且，由于晶体管TS1或TS3变成截止时的电源电压变动，或AD变换用基准信号VREF的电平在每条水平线上发生变动，所以在每条水平线上信号电平发生变动。由于该变动的误差，有可能发生横条噪声。因为该横条噪声是电源电压变动引起的，所以，随机发生。这些纵条横条噪声是造成图像质量变坏的原因。在本发明实施例中，以下叙述对纵条、横条噪声的对策。
也就是说，在图3所示的传感器核心部10中，由光电二极管51变换后的模拟信号在列式AD变换电路13中变换成10位的数字信号。这时，对基准信号VREF的发生进行控制，以使从在摄像区11的水平线方向的读取开始侧配置的光学黑体部41a读取的信号，在AD变换后变成32LSB，也就是说，变成以由10位表现的0～1023LSB构成的数字信号中的最低位LSB为起点的第32级(OB电平＝32LSB)。AD变换后的10位的数字输出信号被输入到图2A中所示的信号处理电路21中。
输入到信号处理电路21中的信号，经过纵条校正用电平限幅电路24而输入到加法运算平均化处理电路25。在此，对多条线例如64条线的信号进行加法运算，并进行平均化处理。在实验中，利用64条线以上的加法运算平均化而取得随机噪声无增加的实用电平。这是通过电平限幅电路24来除去白伤和大的随机噪声，不会产生误校正，能够实现64条线这样少的线数。尤其在传感器温度高时，或者传感器GAIN高时(VREF振幅小时)尤其有效。加法运算平均化的信号被输入到减法运算电路26，从OB电平中减去32LSB，即可提取白纵条、黑纵条校正电平。
被提取的白纵条、黑纵条校正电平输入到加减法运算电路27内。在信号处理电路21的输入信号是从有效像素部40读取的有效像素信号的情况下，白纵条电平从有效像素信号中减去，黑纵条电平加到有效像素信号上。通过该加减法运算处理而进行纵条校正，也还能够改善水平黑斑(shading)。
横条校正中的信号波形的一例在图2B中用A、B、C表示。图2B中的信号A在垂直方向上对每条线表示纵条校正的信号。在该信号A中，相对32LSB产生变动的部分作为横条噪声而发生。该信号在同一水平线上存在的光学黑体部41a和有效像素部40均呈现出相同电平的变动。因此，把光学黑体部41a的电平变动检测出来，从64LSB中减去，即可获得图2B中的信号B所示的差分信号(实线)。把该差分信号加到有效像素的信号上，即可如图2B中的信号C所示，使电平变动得到改善，能够把OB电平设定为64LSB。通过该加法运算处理能够使1023LSB的饱和电平不减少。而且，在本实施例中，作为传感器输出，把光学黑体部41a的OB电平从32LSB更改为64LSB加以输出。但是也可以自由地更改OB电平的设定。
在图2A中的信号处理电路21中，进行了纵条校正的加减法运算电路27的输出信号A为了横条校正而被输入到中间值处理电路28内。也就是说，从配置在水平线的开始侧的光学黑体部41a中读取36像素量的信号，通过中间值处理来减少或除去白伤和随机噪声，仅检测出光学黑体部41a中的电平变动。通过该中间值处理而提取的平均信号SigOB输入到运算处理29内，从64LSB中减去SigOB。该减法运算电路29的输出信号被输入到加法运算电路30内。利用加法运算电路30将其加到与进行了中间值处理的水平线相同的水平线的有效像素上。通过该动作也能够改善纵向的垂直黑斑。
图5是表示图2A中的信号处理电路21的动作例的流程图。为了进行纵条校正，利用电平限幅电路24从AD变换输出信号中除去白伤和大的随机噪声。这时，预先设定由电平限幅电路24进行限幅的大电平(第1基准电平)和小电平(第2基准电平)。首先，AD变换输出信号与大电平进行比较。在AD变换输出信号大于大电平的情况下，用大电平来对信号限幅，信号被置换成大电平信号。在AD变换输出信号不大于大电平的情况下，AD变换输出信号与小电平进行比较。在AD变换输出信号小于小电平的情况下，用小电平来对信号限幅，把信号置换成小电平信号。通过这样的处理，能够提取稳定的纵条信号电平。
其次，前面被置换成大电平信号或者小电平信号的信号，输入到加法运算平均化处理电路25内，加到以前输入的信号上，进行平均化处理。并且，若判断为64线量的加法运算和平均化处理结束，则然后由减法运算电路26从平均化处理结果中减去32LSB。这样，获得带符号的纵条校正数据。
接着，该纵条校正数据和垂直方向的有效像素信号在加减法运算电路27中进行加减法运算处理。该处理时，在白纵条的情况下，从有效像素信号中减去纵条数据，在黑纵条的情况下，在有效像素信号上加上纵条数据。
在加法运算平均化处理电路25中进行加法运算平均化的信号是以下两种信号中的某一个，所述两种信号是从在摄像区11的垂直方向上部侧端部配置的模拟用光学黑体部41b中读取的信号，或者在不能够供给从摄像区11来的读取信号时的AD变换电路13的信号。通过控制，使图3中的晶体管TS1变成截止状态，使晶体管TS2变成导通状态，这样能够取得仅AD变换电路13的信号。实验结果证明，纵条几乎都是在AD变换电路13中发生的。再者，若采用有效像素部40的信号，则在有效像素部40中发生的随机噪声混入，加法运算平均化信号的噪声增加。实验证明，不使用从摄像区11来的读取信号，而仅使用AD变换电路13的信号是最有效的方法。在实验中通过进行64线量的加法运算平均，能够实现无噪声恶化的实用性纵条校正。
以下，为了进行横条校正，在摄像区11的水平线方向的读取开始侧配置的光学黑体部41a的36像素量的信号，按照信号电平从大到小的顺序重新排列，而且进行提取中心值的中间值处理。为了改善S/N比，在提取中心值时，可以选择电平中等的2～32像素，取其平均值。通过该中间值平均化处理，除去在光学黑体部41a中发生的白伤和大的随机噪声，取得噪声少的横条校正数据。然后，从64LSB中减去横条校正数据，接着，通过该运算而求得的信号再加到同一水平线的有效像素信号上，以此对横条进行校正。在此情况下，若不预先除去白伤，则发生白伤的线被反向校正，产生黑的横条。在实验中通过32像素以上的中间值平均化
Figure C20051012853900201
取得了实用水平的横条校正结果。并且，也可以不使用中间值平均化处理数据，而是为了除去白伤，提取除去大信号的4个像素，使用对其余的32像素信号进行了平均化的数据。
如上述那样，在图2A的信号处理电路21中，使用从在摄像区11的垂直方向上部侧端部配置的模拟用光学黑体部41b来的读取信号，或者仅使AD变换电路13动作，这样，能够从包含纵条噪声和水平黑斑的信号中除去纵条噪声，而且校正水平黑斑。
并且，从在摄像区11的水平线方向的读取开始侧配置的光学黑体部41a来的读取信号电平被进行平均化，生成平均值，从64LSB中减去平均值，将其结果加到有效像素信号上，这样能够减小横条噪声。取得OB电平被设定为64LSB的全位的AD变换信号。而且，若单纯把平均值加到有效像素信号上或者减去，则在运算时不能够输出全位的AD变换信号，饱和信号按被减的量相应地降低电平，在饱和电平区内发生横条。
图6表示图5中所示的中间值处理电路中的中间值平均化处理方法的一例。从AD变换电路13中按照从光学黑体部41a中读取的像素的顺序来输出AD变换信号。该信号由于随机噪声或白伤等而其电平变动，对这些信号按照从大到小或者从小到大的顺序重新排列，把具有大致中心电平的像素的信号电平提取出来，即进行中间值处理。这时，为了减少光学黑体部41a的像素数，并取得S/N比良好的信号，如前而说明的那样，选择出电平中等的2～32像素，取其平均值。关于取该平均值的像素数和提取的位置，可以考虑白伤的发生频度或信号的漏入等而自由选择。
如上所述，根据第1实施例的CMOS图像传感器，能够减少纵条状固定模式噪声(纵条噪声)或随机发生的横条状模式噪声(横条噪声)。并且，也能够改善水平黑斑、垂直黑斑。再者，由于能够把黑电平(OB电平)设定为预定电平，所以改善色再现性。
并且，关于纵条校正，利用电平限幅电路24能够除去大的随机噪声，并且，仅对AD变换电路13的信号进行加法运算平均化，即可获得S/N比良好的纵条校正数据。并且，关于横条校正，通过水平OB像素的中间值平均化而能够防止白伤造成的误校正，能够除去大的随机噪声，削减OB像素数，获得SN比良好的横条校正数据。并且，通过设置图像模糊对策用的光学黑体部41c，能够准确地进行纵条校正和横条校正，对强光也不会产生误动作。
所以，对数字输出型CMOS图像传感器设置小规模信号处理电路21，能够输出高质量的图像信号。
图7A～图7D同时示出对图2中的光学黑体部41a、图像模糊对策用光学黑体部41c、有效像素部40和模拟用光学黑体部41b分别设置的像素断面结构和势电位。在此，为了简化说明，对于复位用的晶体管即相当于图3中的晶体管54的部分省略图示。
在图7C的有效像素部40的像素中，在P型半导体衬底61上形成了光电二极管51的N+层62。为了减小表面漏电流，在N+层62的表面区内形成了P+层63。在半导体衬底61上离开上述N+层62，形成了N+层64。该N+层64相当于图3中的检测部DN。并且，在上述N+层62、64互相之间的衬底上，形成了相当于图3中的晶体管55的读取栅65。像素间用像素分离区66来进行分离，光电二极管51的形成区以外的上部利用铝等遮光膜67来覆盖，防止光射入。
图7A的光学黑体部41a的像素具有大致上和有效像素部40的像素相同的结构。唯一不同的地方是，光电二极管51的形成区上部也被遮光膜67覆盖，使光电二极管51的形成区内也不射入光线。在光学黑体部41a的光电二极管51中发生暗时电压，该暗时电压与有效像素部40的光电二极管51中发生的暗时电压相同。因此，通过进行横条校正，能够校正有效像素部40的暗时电压的上升。
图7B的图像模糊对策用光学黑体部41c，其设置的目的是：在如对高亮度被摄体进行摄像时那样，在强光射入到有效像素内的情况下，从光电二极管51中溢出信号电荷，减少向光学黑体部内扩散的量。该光学黑体部41c的像素具有大致上与有效像素部40的像素相同的结构。唯一的不同点是：作为像素检测部DN的N+层64接触到例如供给2.8V电源电压VDD的遮光膜67。通过实施沟道注入等，使光电二极管51的读取栅65下部衬底中的势电位加深。这样，流入到光电二极管51内的信号电荷能够排出到检测部DN内。图像模糊对策用光学黑体部41c的像素具有这样的结构，所以，能够减少流出到光学黑体部内的信号电荷量。其结果，即使对20像素以上以透镜光圈F2.8直射太阳光，也几乎不会有信号电荷流入到光学黑体部内。并且与通常的光学黑体部结构相比，能够使像素数减少到约1/2。
如上所述，在进行纵条校正时，因为不需要从光电二极管51来的读取信号，所以在图7D的模拟用光学黑体部41b的像素上不形成光电二极管51。只有作为检测部DN的N+层64形成在衬底61上。所以，既不发生信号，也不发生暗时电压。
图8A、图8B、图8C分别表示图7B所示的图像模糊(blooming)对策用光学黑体部41c的像素变形例的断面结构和势电位。在图8A的像素中也示出了相当于图3中的复位用晶体管54的复位栅68、以及作为晶体管54的漏极的N+层69。并且，读取栅65、复位栅68和N+层69均接触遮光膜67，供给2.8V的电源电压VDD。这样，读取栅65和复位栅68下部衬底的势电位变得更深，形成栅打开的状态，所以，从有效像素部40溢出的信号电荷经过光电二极管51和检测部DN(N+导64)，流入到N+层69内，被吸收。
图8B的像素不同于图8A的像素，读取栅65和复位栅68不接触遮光膜67。代之以，读取栅65和复位栅68下部沟道区形成耗尽型。各下部衬底的势电位更深。也就是说，在此情况下，仍然是读取栅65和复位栅68均为打开状态，所以，从有效像素部40溢出的信号电荷和图8A的情况一样，被N+层69吸收。
图8C的像素不同于图8B的像素，在光电二极管51的N+层62的表面区内不形成P+层63，N+层62接触遮光膜67，而且检测部DN的N+层64也接触遮光膜67。在本例中，因为光电二极管51、检测部DN和复位用晶体管的漏极接触到遮光膜67，所以，从有效像素部40溢出的信号电荷，分别流入到光电二极管51、检测部DN和复位用晶体管漏极而被吸收。
<第2实施例>
图9表示涉及本发明第2实施例的CMOS图像传感器整体结构的框图。该CMOS图像传感器与图1所示的第1实施例的CMOS图像传感器相比，不同点是：增加了第2偏压发生电路90，而且，第1偏压发生电路20和传感器核心部10的连接关系被更改，其他构成相同。
图10表示图9中所示的传感器核心部10、VREF发生电路17、第1偏压发生电路20和第2偏压发生电路90的电路结构。
第2偏压发生电路90发生第2偏压(例如1V)，该第2偏压用于校正在晶体管TS1中发生的纵条噪声。用一对电阻来对2.8V的电源电压VDD进行分压，生成电平大致上与从像素来的通常读取电压相同的1V的偏压。
若从有效像素部40输出图像信号，则像素50内的放大用晶体管53的1/f噪声造成的随机噪声增大，得不到充分的纵条校正效果。因此，在垂直信号线56的一个端部，即夹持摄像区11并与负荷晶体管TL相反的一侧，连接开关用晶体管TIN，利用控制脉冲信号DC ON来使晶体管TIN变成导通状态，这样，把第2偏压供给到垂直信号线56上。也就是说，不使用有效像素部40的信号，把偏压加到垂直信号线56上，即可校正纵条噪声。
多个开关用晶体管TIN插入到第2偏压发生电路90的输出节点和多个各垂直信号线56之间。并且，晶体管TIN的各栅电极共同连接在第2栅控制线58上。在第2栅控制线58上供给控制脉冲信号DC ON，该信号在图9中的定时信号发生电路16中生成，用于对晶体管TIN进行导通/截止控制。
在此情况下，也可以把第2偏压发生电路90内的一对电阻生成的偏压通过运算放大器供给到各开关用晶体管TIN上。使用运算放大器，能够减少电源噪声，而且能够用低阻抗来驱动垂直信号线56。若能用低阻抗来驱动垂直信号线56，则不受像素部50的随机噪声的影响，能够获得更稳定的纵条校正效果。
在由第2偏压发生电路90生成的偏压供给到各垂直信号线56内时，从第1偏压发生电路20所发生的第1偏压VVL不加到第1栅控制线57上，必须切断各负荷晶体管TL。因此，在图10的电路中，设置了开关元件TL SW。该开关元件TL SW对第1偏压发生电路20的输出和接地电压进行切换，输出到第1栅控制线57上。由第2偏压发生电路90生成的偏压供给到各垂直信号线56上时，开关元件TL SW把接地电压输出到第1栅控制线57上。这时的多个负荷晶体管TL变成截止状态。
<第3实施例>
图11A示出本发明第3实施例的CMOS图像传感器内的传感器核心部10的布局和信号处理电路21的结构。
该CMOS图像传感器与图2A所示的第1实施例的CMOS图像传感器相比，传感器核心部10的结构相同，信号处理电路21由纵条校正电路22和横条校正电路23构成的这一点也相同。但是与图2A的相比，横条校正电路23的结构不同。横条校正电路23由以下部分构成：中间值处理电路28、减法运算电路31、加减法运算电路32和白色电平限制器(white clipper)33。减法运算电路31从64LSB中减去由中间值处理电路28提取的平均信号Sig OB。加减法运算电路32对减法运算电路31的输出数据和与进行了中间值处理的水平线是同一水平线的有效像素数据之间进行加减运算。
图11A的信号处理电路21中的纵条校正动作与图2A所示的信号处理电路21的纵条校正动作相同。
横条校正动作如下。也就是说，对水平线开始侧的光学黑体部41a的像素信号进行读取，进行36个像素量的中间值处理，这样来减少或除去白伤或随机噪声，仅检测出光学黑体部41a的像素信号的电平变动。并且，从32LSB中减去由该中间值处理而提取的平均信号Sig OB(32LSB-Sig OB)，由加减法运算电路32对和同一水平线的有效像素信号进行加减法运算，进行横条校正。在此情况下，由于加减法运算电路32的输出信号(全10位的1023LSB)的信号电平降低，所以利用白色电平限制器33进行处理。当把白色电平限制器33的特性设为从全10位的1023LSB中减去64LSB后的959LSB时，由后级的电路按1023/959倍调整，使OB电平成为
Figure C20051012853900261
比AD变换输出的32LSB增加。
横条校正中的信号波形的一例在图11B中由A、B、C来表示。图11B中的信号A表示在垂直方向上对每条线进行纵条校正的信号。在信号A中，对32LSB变动的部分作为横条发生。该信号与同一水平线的光学黑体部41a和有效像素部40进行相同电平的变动。因此，通过检测出光学黑体部41a的电平变动，计算出32LSB，即可获得图11B中所示的信号B(实线)。把该信号B加到有效像素信号上，即可像图11B中的信号C所示的那样，改善电平变动，把OB电平设定在32LSB上。
而且，在上述各实施例中，实质上进行了处理是AD变换电路13的输出信号的OB电平在传感器输出时增加的处理，所以，能够避免由于纵条、横条校正动作而发生的饱和区内的纵条、横条噪声。
图12A和图12B是表示采用了上述各实施例的CMOS图像传感器的CMOS图像传感器组件的外观形状的斜视图。在图12A中，例如，在由塑料构成的外壳100内，安装了半导体芯片110，其中集成了：CMOS图像传感器，用于输出在上述第1～第3实施例中说明的数字图像信号；以及图像信号处理器，用于从上述CMOS图像传感器中接收信号，并输出数字亮度信号和数字颜色信号。图像信号处理器，除了具有输出数字亮度信号和数字颜色信号的功能外，也可以具有例如白色平衡(whitebalance)调整、色调整、数据压缩、并行/串行变换等功能。并且，在外壳100的正面上，设置了例如由1个或多个透镜构成光学系统120，它用于把光引入到CMOS图像传感器内。图12A所示的CMOS图像传感器组件是利用连接器130安装的形式，外壳100的例如背面上形成的多个端子和连接器130由挠性电缆140电连接。
图12B所示的CMOS图像传感器组件是不用连接器，而外壳100本身安装在电路板上的插座(receptacle)内的形式。
技术熟练人员很容易实现另外的优点和改进。因为本发明适用的范围很广，并不仅限于这里的详细说明和代表性实施例。因此，在不脱离附件权利要求书及其等效文件预定的一般发明概念的精神或范围的情况下，本发明能够有各种变型。例如，虽然在各实施例中说明了进行纵条校正和横条校正这两种情况，但是可以变形成只进行某一种校正。

Claims (20)

1、一种固体摄像器件，其特征在于，具有：
摄像区(11)，包括有效像素部(40)和被遮光的光学黑体部，上述光学黑体部包括配置在上述摄像区的垂直方向的一边的端部上的第1光学黑体部(41b)、以及配置在上述摄像区的水平线方向的读取开始侧的第2光学黑体部(41a)，上述有效像素部(40)包括配置成二维状的多个光电变换元件(51)、以及把由各光电变换元件(51)进行光电变换的信号电荷变换成电压并生成像素信号的多个检测部(DN)，上述第1光学黑体部(41b)仅包括多个检测部(DN)，上述第2光学黑体部(41a)包括配置成二维状的多个光电变换元件(51)以及把由这些光电变换元件(51)进行光电变换的信号电荷变换成电压并生成像素信号的多个检测部(DN)；
多个垂直信号线(56)，供给在上述摄像区(11)生成的上述图像信号；
多个AD变换电路(13)，与上述多个垂直信号线(56)连接，把上述像素信号变换成数字信号；以及
信号处理电路(21)，接收由上述多个AD变换电路(13)取得的数字信号，并输出数字图像信号，上述信号处理电路(21)包括纵条校正电路(22)，该纵条校正电路(22)对在上述第1光学黑体部(41b)生成且在上述多个AD变换电路(13)中变换后的多条线的数字信号，在垂直方向上进行加法运算并进行平均化，并对在上述有效像素部(11)中生成且在上述多个AD变换电路(13)中变换后的数字信号，加上或者减去所述平均化的数字信号。
2、如权利要求1所述的固体摄像器件，其特征在于：上述信号处理电路(21)还包括横条校正电路(23)，横条校正电路(23)接收在上述第2光学黑体部(41a)生成且在上述多个AD变换电路(13)中变换后的数字信号，对上述摄像区(11)的每一条水平线分别除去与信号电平高的上述光电变换元件(51)对应的数字信号，并将与其余的多个上述光电变换元件(51)对应的数字信号的平均值，加到与上述有效像素部(40)的同一水平线的多个上述光电变换元件对应的数字信号上，或者从与上述有效像素部(40)的同一水平线的多个上述光电变换元件(51)对应的数字信号中减去所述的平均值。
3、如权利要求1所述的固体摄像器件，其特征在于：
上述纵条校正电路(22)包括：
加法运算和平均化电路(25)，对在上述第1光学黑体部(41b)中生成且在上述多个AD变换电路(13)中变换后的多条线的数字信号在垂直方向上进行加法运算并且进行平均化；以及
第1加减法运算电路(27)，对在上述有效像素部(40)中生成且在上述多个AD变换电路(13)中变换后的数字信号加上或减去上述加法运算和平均化电路的输出。
4、如权利要求3所述的固体摄像器件，其特征在于：
上述纵条校正电路(22)还具有电平限幅电路(24)，该电平限幅电路(24)在上述多个AD变换电路(13)中变换后的多个线的数字信号值大于第1基准值，或者比上述第1基准值小的第2基准值还小的情况下，利用上述第1基准值或者第2基准值来对上述多条线的数字信号值进行限幅，输出到上述加法运算和平均化电路(25)。
5、如权利要求3所述的固体摄像器件，其特征在于：
上述纵条校正电路(22)还具有第1减法运算电路(26)，该第1减法运算电路(26)从上述加法运算和平均化电路(25)的输出中减去一定值，供给到上述第1加减法运算电路(27)中。
6、如权利要求2所述的固体摄像器件，其特征在于：
上述横条校正电路(23)具有：
中间值处理电路(28)，接收在上述第2光学黑体部(41a)中生成且在上述多个AD变换电路(13)中变换后的数字信号，对上述摄像区(11)的每条水平线分别除去与信号电平高的上述光电变换元件(51)对应的数字信号，取得与其余多个上述光电变换元件对应的数字信号的平均值；以及
加法运算电路(30)，对与上述有效像素部(40)的同一水平线的多个光电变换元件(51)对应的数字信号，加上上述中间值处理电路(28)的输出。
7、如权利要求6所述的固体摄像器件，其特征在于：
上述横条校正电路(23)包括第2减法运算电路(29)，该第2减法运算电路(29)从一定值中减去上述中间值处理电路(28)的输出，并供给到上述加法运算电路(30)。
8、如权利要求1所述的固体摄像器件，其特征在于还具有：
多个第1晶体管(TL)，分别具有一端、另一端和栅电极，各个一端分别连接在上述多个垂直信号线(56)上，另一端分别连接在接地电压节点上，各栅电极共同连接在第1栅控制线(57)上；以及
第1偏压发生电路(20)，发生第1直流偏压(VVL)，供给到上述第1栅控制线(57)上。
9、如权利要求1所述的固体摄像器件，其特征在于还包括：
多个第1晶体管(TL)，分别具有一端、另一端和栅电极，各个一端分别连接在上述多个垂直信号线(56)上，另一端分别连接在接地电压节点上，各栅电极共同连接在第1栅控制线(57)上；以及
第1偏压发生电路(20)，产生第1偏压(VVL)，
开关电路(20)，用于接收上述第1偏压和接地电压，选择两个电压中的某一个，输出到上述第1栅控制线(57)上；
第2偏压发生电路(90)，产生第2偏压；
多个第2晶体管(TIN)，分别具有一端、另一端和栅电极，在各一端上分别供给上述第2偏压，各另一端分别连接在上述多个垂直信号线(56)上，各栅电极共同连接在第2栅控制线(58)上；以及
定时信号发生电路(16)，向上述第2栅控制线(58)上供给对多个第2晶体管(TIN)进行导通/截止控制的控制信号(DC ON)。
10、如权利要求1所述的固体摄像器件，其特征在于：
上述纵条校正电路(22)在不被供给在上述摄像区(11)生成的上述像素信号的状态下，对在上述多个AD变换电路(13)中变换后的多条线的数字信号在垂直方向上进行加法运算并且进行平均化，并对上述有效像素部(40)中生成且在上述多个AD变换电路(13)中变换后的数字信号，加上或者减去所述平均化的数字信号。
11、一种固体摄像器件组件，具有：
半导体芯片(110)，集成了固体摄像器件和图像信号处理器，前者输出数字图像信号，后者从该固体摄像器件接收数字图像信号并输出数字亮度信号和数字颜色信号；
外壳(100)，收容上述半导体芯片(110)；以及
光学系统(120)，把光引入上述固体摄像器件，
上述固体摄像器件具有：
摄像区(11)，包括有效像素部(40)和被遮光的光学黑体部，上述光学黑体部包括配置在上述摄像区的垂直方向的一边的端部上的第1光学黑体部(41b)、以及配置在上述摄像区的水平线方向的读取开始侧的第2光学黑体部(41a)，上述有效像素部(40)包括配置成二维状的多个光电变换元件(51)、以及把由各光电变换元件(51)进行光电变换的信号电荷变换成电压并生成像素信号的多个检测部(DN)，上述第1光学黑体部(41b)仅包括多个检测部(DN)，上述第2光学黑体部(41a)包括配置成二维状的多个光电变换元件(51)以及把由这些光电变换元件(51)进行光电变换的信号电荷变换成电压并生成像素信号的多个检测部(DN)；
多个垂直信号线(56)，供给在上述摄像区(11)生成的上述图像信号；
多个AD变换电路(13)，与上述多个垂直信号线(56)连接，把上述像素信号变换成数字信号；以及
信号处理电路(21)，接收由上述多个AD变换电路(13)取得的数字信号，并输出数字图像信号，上述信号处理电路(21)包括纵条校正电路(22)，该纵条校正电路(22)对在上述第1光学黑体部(41b)生成且在上述多个AD变换电路(13)中变换后的多条线的数字信号，在垂直方向上进行加法运算并进行平均化，并对在上述有效像素部(40)中生成且在上述多个AD变换电路(13)中变换后的数字信号，加上或者减去所述平均化的数字信号。
12、如权利要求11所述的固体摄像器件组件，其特征在于：上述信号处理电路(21)还包括横条校正电路(23)，横条校正电路(23)接收在上述第2光学黑体部(41a)生成且在上述多个AD变换电路(13)中变换后的数字信号，对上述摄像区(11)的每一条水平线分别除去与信号电平高的上述光电变换元件(51)对应的数字信号，并将与其余的多个上述光电变换元件(51)对应的数字信号的平均值，加到与上述有效像素部(40)的同一水平线的多个上述光电变换元件对应的数字信号上，或者从与上述有效像素部(40)的同一水平线的多个上述光电变换元件(51)对应的数字信号中减去所述的平均值。
13、如权利要求11所述的固体摄像器件组件，其特征在于：
上述纵条校正电路(22)包括：
加法运算和平均化电路(25)，对在上述第1光学黑体部(41b)中生成且在上述多个AD变换电路(13)中变换后的多条线的数字信号在垂直方向上进行加法运算并且进行平均化；以及
第1加减法运算电路(27)，对在上述有效像素部(40)中生成且在上述多个AD变换电路(13)中变换后的数字信号加上或减去上述加法运算和平均化电路的输出。
14、如权利要求13所述的固体摄像器件组件，其特征在于：
上述纵条校正电路(22)还具有电平限幅电路(24)，该电平限幅电路(24)在上述多个AD变换电路(13)中变换后的多个线的数字信号值大于第1基准值，或者比上述第1基准值小的第2基准值还小的情况下，利用上述第1基准值或者第2基准值来对上述多条线的数字信号值进行限幅，输出到上述加法运算和平均化电路(25)。
15、如权利要求13所述的固体摄像器件组件，其特征在于：
上述纵条校正电路(22)还具有第1减法运算电路(26)，该第1减法运算电路(26)从上述加法运算和平均化电路(25)的输出中减去一定值，供给到上述第1加减法运算电路(27)中。
16、如权利要求12所述的固体摄像器件组件，其特征在于：
上述横条校正电路(23)具有：
中间值处理电路(28)，接收在上述第2光学黑体部(41a)中生成且在上述多个AD变换电路(13)中变换后的数字信号，对上述摄像区(11)的每条水平线分别除去与信号电平高的上述光电变换元件(51)对应的数字信号，取得与其余多个上述光电变换元件对应的数字信号的平均值；以及
加法运算电路(30)，对与上述有效像素部(40)的同一水平线的多个光电变换元件(51)对应的数字信号，加上上述中间值处理电路(28)的输出。
17、如权利要求16所述的固体摄像器件组件，其特征在于：
上述横条校正电路(23)包括第2减法运算电路(29)，该第2减法运算电路(29)从一定值中减去上述中间值处理电路(28)的输出，并供给到上述加法运算电路(30)。
18、如权利要求11所述的固体摄像器件组件，其特征在于还具有：
多个第1晶体管(TL)，分别具有一端、另一端和栅电极，各个一端分别连接在上述多个垂直信号线(56)上，另一端分别连接在接地电压节点上，各栅电极共同连接在第1栅控制线(57)上；以及
第1偏压发生电路(20)，发生第1直流偏压(VVL)，供给到上述第1栅控制线(57)上。
19、如权利要求11所述的固体摄像器件组件，其特征在于还包括：
多个第1晶体管(TL)，分别具有一端、另一端和栅电极，各个一端分别连接在上述多个垂直信号线(56)上，另一端分别连接在接地电压节点上，各栅电极共同连接在第1栅控制线(57)上；以及
第1偏压发生电路(20)，产生第1偏压，
开关电路(TLSW)，用于接收上述第1偏压和接地电压，选择两个电压中的某一个，输出到上述第1栅控制线上；
第2偏压发生电路(90)，产生第2偏压；
多个第2晶体管(TIN)，分别具有一端、另一端和栅电极，在各一端上分别供给上述第2偏压，各另一端分别连接在上述多个垂直信号线(56)上，各栅电极共同连接在第2栅控制线(58)上；以及
定时信号发生电路(16)，向上述第2栅控制线(58)上供给对多个第2晶体管(TIN)进行导通/截止控制的控制信号(DC ON)。
20、如权利要求11所述的固体摄像器件组件，其特征在于：
上述纵条校正电路(22)在不被供给在上述摄像区(11)生成的上述像素信号的状态下，对在上述多个AD变换电路(13)中变换后的多条线的数字信号在垂直方向上进行加法运算并且进行平均化，并对上述有效像素部中生成且在上述多个AD变换电路(13)中变换后的数字信号，加上或者减去所述平均化的数字信号。
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