CN102572324A - 图像拾取装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及图像拾取装置，包含：多个像素，每一个具有光电转换单元、电荷存储单元、将光电转换单元的电荷转移到电荷存储单元的第一转移晶体管、浮动扩散区域、将电荷存储单元的电荷转移到浮动扩散区域的第二转移晶体管、和与浮动扩散区域电连接的放大晶体管；扫描单元，将使第二转移晶体管导通的导通脉冲、使第二转移晶体管不导通的非导通脉冲、和具有导通脉冲和非导通脉冲之间的峰值的中间电平脉冲提供到第二转移晶体管的栅极；产生单元，使用基于响应于导通脉冲和中间电平脉冲而转移的电荷的信号来产生图像信号；检测单元，检测温度；和控制单元，根据来自检测单元的关于所检测的温度的信息来改变中间电平脉冲的峰值和脉冲宽度中的至少一个。

Description

图像拾取装置

本申请是申请日为2009年10月9日、申请号为200910179059.0、发明名称为“图像拾取装置”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及图像拾取装置，更具体地，本发明涉及扩展动态范围的技术。

背景技术

存在在图像拾取装置中扩展动态范围的多种技术。日本专利申请公开No.2006-197382(此后称为专利文档1)公开了一种目的在于扩展动态范围而不降低图像质量的图像拾取装置。具体来说，该图像拾取装置包括转移栅极控制部分和图像信号产生部分，转移栅极控制部分控制转移栅极的电位以便将从光电转换单元流出的一部分电荷引入浮动扩散部分，并且图像信号产生部分基于存储在光电转换部分中的电荷和流入浮动扩散部分中的电荷产生图像信号。

日本专利申请公开No.2008-099158(此后称为专利文档2)公开了一种结构，其中，具有相同电压值的中间电压被作为控制电压与列选择同步地从驱动电路多次提供给转移晶体管的栅电极，并且在那时候，由转移晶体管转移的信号电荷被至少读出两次。提供给转移晶体管的每一个中间电压均被转移到浮动扩散(FD)区域，并且在FD区域中的电位被作为信号电平读出。在不同的实施例中，公开了使用机械快门的结构。在该种结构中，在机械快门打开期间，执行伪转移(dummy transfer)，并且在机械快门关闭期间，中间电压被转移并读出。

一种用于在图像拾取装置中扩展动态范围的可能的方法是提高光电转换部分的饱和电荷量。但是，如果简单地增加光电转换部分的饱和电荷量，则并非所有电荷都在置于光电转换部分的下游的读出电路中读出，或者，基于读出的电荷的信号可能不能用于图像形成。

在专利文档1中，光入射在光电转换部分上，在光电转换部分中产生用于图像形成的信号电荷的时段(曝光时段)期间从光电转换部分流出的电荷被转移到FD区域。即，假设在曝光时段期间电荷的产生超过了光电转换部分的饱和电荷量，则在曝光时段期间电荷被转移。因此，如果在曝光时段期间最后一次读出操作之后给出强光，并且电荷被存储接近光电转换部分的饱和电荷量，则取决于下游读出电路的动态范围，并非所有电荷可在图像形成时使用。

在专利文档2中，如果输入强光，则执行伪转移，并且一部分产生的电荷通过复位开关被排出。因此，在信号连续性方面可能存在问题。此外，未对依赖于外部的温度条件和置于光电转换部分下游的读出电路的增益从光电转换部分的转移效率上的变化进行讨论。

发明内容

根据本发明的一个方面，一种装置包括：多个像素、放大单元、扫描单元、产生单元、检测单元和控制单元。所述多个像素中的每一个均具有光电转换单元和转移光电转换单元的电荷的转移晶体管。放大单元被配置成接收转移的电荷。扫描单元被配置成把导通脉冲、非导通脉冲和具有导通脉冲和非导通脉冲之间的峰值的中间电平脉冲提供到转移晶体管的栅极。产生单元被配置成使用基于响应于导通脉冲和中间电平脉冲转移的电荷的信号产生图像信号。检测单元被配置成检测温度。控制单元被配置成根据关于所检测的温度的信息改变中间电平脉冲的脉冲宽度和峰值其中至少一个。导通脉冲和中间电平脉冲在光电转换单元的光屏蔽时段期间被提供到转移晶体管。

从下面参考附图对示范性实施例的描述，本发明的进一步的特征将变得清楚，其中，贯穿这些附图，相似的附图标记指示相同或者类似的部件。

附图说明

图1是固态图像拾取装置的框图。

图2是固态图像拾取装置的像素的等效电路图。

图3是根据本发明的第一实施例的图像拾取装置的框图。

图4示出了根据第一实施例的驱动脉冲。

图5A到图5C示出了根据第一实施例的电位。

图6是根据本发明的第二实施例的图像拾取装置的框图。

图7A到图7H示出了根据第二实施例的表面照度和输出之间的关系。

图8A到图8E示出了根据本发明第三实施例的像素信号的分布。

图9示出了根据第三实施例的像素信号和噪声之间的关系。

图10A到图10D根据本发明的第四实施例示出了如何执行信号处理。

图11是根据本发明的第五实施例的固态图像拾取装置的等效电路图。

图12示出了根据第五实施例的驱动脉冲。

图13A到图13E示出了根据第五实施例的电位。

包含在说明书中并组成其一部分的附图示出了本发明的实施例，并且和描述一起用来说明本发明的原理。

具体实施方式

下面参考附图描述本发明的实施例。首先，参考图1和图2描述可被下面描述的实施例共享的固态图像拾取装置的框图以及像素的等效电路图。

参考图1，像素区域101具有以矩阵形式排列的多个像素。垂直扫描单元102是用于逐行地或几行几行地扫描像素区域中的像素的电路。可以使用移位寄存器或者解码器构建垂直扫描单元102。

列电路103也可以用作读出电路。列电路103对通过由垂直扫描单元102执行的扫描从像素区域101读出的信号执行预定处理。列电路103可以包括例如抑制像素的噪声的CDS电路、放大来自像素的信号的放大单元，以及把来自像素的模拟信号转换为数字信号的模数(A/D)转换器。

水平扫描电路104逐列地或者几列几列地顺序扫描像素以读出经受过列电路103的预定处理的信号。和垂直扫描单元102类似，可以使用移位寄存器或者解码器构建水平扫描电路104。

信号处理单元105对从固态图像拾取装置输出的信号执行预定处理。

尽管在图1中省略了，但是在元件之间存在用于传送光信号或驱动信号的连线。

图2是排列在像素区域中的像素的等效电路图。为了清晰的目的，在像素区域101中包含的像素的数量是9个，由3行乘3列构成。但是，像素的数量不限于9，所以可以排列多于9个像素。

光电二极管201起到光电转换单元的作用，并对进入光进行光电转换以产生信号电荷。转移晶体管202起到转移单元的作用，并把光电转换单元产生的电荷转移到将在下面描述的放大单元。浮动扩散(FD)区域203起到放大单元的输入部分的一部分的作用，并且光电转换单元所产生的电荷被转移到FD区域203。构成放大单元的输入部分的其他元件可以是将在下面被描述的放大晶体管的栅极，以及电气连接FD区域和放大晶体管的栅极的导体。

放大晶体管204起到放大单元的作用。放大晶体管204和恒流电源(未示出)构成源极跟随器电路。放大晶体管的栅极在电气上连接到FD区域。复位晶体管205起到复位单元的作用。复位晶体管包括连接到FD区域和放大晶体管的栅极的源极，以及被供以复位电压的漏极。选择晶体管206起到选择单元的作用。选择晶体管控制放大单元的操作以选择像素。选择单元也可以被用作复位单元，并且能够使用提供到放大晶体管的栅极的电压来控制选择和不选择像素。

在提供用于控制转移晶体管的导通或者不导通的脉冲时，使用转移驱动线PTX。在提供用于控制复位晶体管的导通或者不导通的脉冲时，使用复位驱动线PRES。在提供用于控制选择晶体管的导通或者不导通的脉冲时，使用选择驱动线PSEL。驱动脉冲被从垂直扫描单元提供到这些驱动线。即，垂直扫描单元能够起到转移晶体管的扫描单元的作用，并且能够向转移晶体管的栅极提供脉冲。

在图2中，复位单元、放大单元和选择单元被置于每一个像素中。但是，它们可以被多个光电转换单元共享。电荷存储单元可以被置于每一个光电转换单元和FD区域之间。在这种情况下，该结构包括：把电荷从光电转换单元转移到电荷存储单元的第一转移单元，和把电荷从电荷存储单元转移到FD区域的第二转移单元。在这种情况下，可以把下面将描述的中间电平脉冲提供到第一转移单元或者第二转移单元。

下面描述具体结构和驱动方法。

图3是根据本发明的第一实施例的图像拾取装置的框图。

温度检测单元302测量固态图像拾取装置301中或附近的温度。例如，二极管可被用在温度检测单元302中。置于固态图像拾取装置内的温度检测单元302也可以被安排在能够测量靠近固态图像拾取装置的温度的外部位置。控制单元304响应于来自温度检测单元302的关于温度的信息和来自中央处理单元(CPU)303的控制信号控制固态图像拾取装置。可变电压电源305响应于来自控制单元304的控制信号把对应于所述温度的电压提供到固态图像拾取装置。把这个电压提供给如图1中所示的垂直扫描单元能够根据温度改变中间电平脉冲的峰值。或者，中间电平脉冲的脉冲宽度可以被改变。

下面描述根据本实施例的操作流程。首先，在光电转换单元中累积信号电荷。在完成预定的曝光时段后，累积完成。此后，由温度检测单元获取固态图像拾取装置自身或固态图像拾取装置附近的温度。访问记录对应于所获取的温度信息的电压信息的查找表，并执行控制以便从可变电压电源提供对应于所述温度的电压。此后，如下面所描述的那样，执行读出操作。

信号电荷具有的能量取决于温度而变化。如果在光电转换单元和FD区域之间的电荷路径中的势垒即使在温度变化时也不变化，则转移到FD区域的电荷的数量是不同的。相反，在本实施例中，提供了温度检测单元，并且响应于来自温度检测单元的信号，提供给转移晶体管的脉冲的峰值和其脉冲宽度中的至少一个被改变或者切换。具体来说，如果温度上升，则即使以相同的脉冲峰值，电荷的数量也增加。因此，为了无论温度是多少都获得恒定的转移电荷量，对于高温，使脉冲峰值较小或者脉冲宽带较窄，而对于低温，使脉冲峰值较大或者脉冲宽带较宽是有用的。

图4中示出了本实施例中的驱动脉冲。图5中示出了元件中的电位状态。在图4中，PTX指示提供到转移晶体管栅极的脉冲；PRES指示提供到复位晶体管的栅极的脉冲；PSEL指示提供到选择晶体管的栅极的脉冲。在括号中的数字指示像素行号。根据本实施例的固态图像拾取装置具有机械快门。当机械快门处于打开状态中时，光进入光电转换单元；当机械快门处于关闭状态中时，没有光进入光电转换单元。机械快门可以规定曝光时段。在图4中，对于机械快门，阴影线部分指示关闭状态，空白部分指示打开状态。

PTS指示在把信号捕获到列电路中所包含的光学信号存储单元中时使用的采样脉冲；PTN指示在把信号捕获到列电路中所包含的噪声信号存储单元中时使用的采样脉冲。噪声信号可以是复位晶体管和放大晶体管的像素偏移、随机噪声，或者，如果列电路包括放大单元，可以是这个列放大单元的偏移。

响应于高电平脉冲，晶体管变成导通或者执行采样。因此，高电平脉冲也可以被称作导通脉冲。相反，低电平脉冲也可以被称作非导通脉冲。

首先，在T1，处于导通状态的复位晶体管把高电平脉冲提供给PTX，并且光电转换单元中的电荷被复位。此时，机械快门处于关闭状态。

在T2，机械快门被带入打开状态，因此导致光进入光电转换单元。此时，提供给每一个转移晶体管的脉冲是使转移晶体管非导通的低电平脉冲。

在T3，机械快门被带入关闭状态。这结束了光电转换单元产生信号电荷的时段。

在T4，在第一像素行中低电平脉冲被提供到PRES，并且高电平脉冲被提供到PSEL。这里，脉冲被同时提供。但是，它们可以在不同的时间被提供。为了抑制复位单元中的KTC噪声，至少在高电平脉冲被提供到采样噪声信号的PTN的时段中，低电平脉冲被提供到PRES。

在T5，高电平脉冲被提供到PTN，并且第一像素行中的噪声信号被存储在列电路中。

在T6a，在第一像素行中，高电平脉冲和低电平脉冲之间的中间电平脉冲被提供到PTX。在光电转换单元中只有超过由提供中间电平脉冲所产生的势垒的电荷被转移到FD区域(第一步骤)。从图中很清楚，第一步骤在光屏蔽时段期间执行，其中，机械快门屏蔽光电转换单元不见光。

在T6b，在第一像素行中低电平脉冲被提供到PTX。

在T7，高电平脉冲被提供到PTS，并且基于响应于把中间电平脉冲提供给第一像素行中的转移晶体管而转移的电荷的信号被存储在列电路中。

在T8，在第一像素行中低电平脉冲被提供到PSEL，并且在第一像素行中高电平脉冲被提供给PRES。这个操作复位了在第一步骤中转移到FD区域的电荷。

在T9，高电平脉冲被提供到PTN，并且第一像素行中的噪声信号被存储在列电路中。

在T10a，在第一像素行中高电平脉冲被提供给PTX(第二步骤)。提供具有足以把光电转换单元中的电荷完全地转移到FD区域的峰值的脉冲是有用的。从图中很清楚，第二步骤在光屏蔽时段期间被执行，其中，机械快门屏蔽光电转换单元不见光。

在T10b，在第一像素行中低电平脉冲被提供到PTX。

在T11，高电平脉冲被提供到PTS，并且基于在第二步骤中在第一像素行中转移的电荷的信号被存储在列电路中。

在T12，在第一像素行中低电平脉冲被提供到PSEL，并且高电平脉冲被提供到PRES。

通过把高电平脉冲提供到转移晶体管(第二步骤)获得的信号和通过把中间电平脉冲提供到转移晶体管(第一步骤)获得的信号被在信号处理单元105中相加，信号处理单元105起到图像信号产生单元的作用。这使得由光电转换单元导致的大多数电荷能够被处理为用于图像形成的信号，而与置于光电转换单元下游的读出电路的动态范围无关。

从T4到T12的操作被针对每个像素行重复，因此读出一帧的信号。

在本实施例中，在T6a和T6b(第一步骤)使用中间电平脉冲的转移只被执行一次。但是，其可以被执行多次。

接着，参考图5A到图5C描述在图4中所示时间的电位状态。在所示的电位状态中，阴影线部分指示其中机械快门屏蔽光电转换单元不见光的状态。

图5A示出了当导致非导通状态的低电平脉冲被提供到转移晶体管时的电位状态。在这个状态中，机械快门处于打开状态，曝光时段已经完成，并且信号电荷被存储在光电转换单元中。在图4中的第一像素行中，该电位状态存在于时段T3到T6a、T6b到T10a，以及T10b到T12中。在其他的像素行中，图5A中所示的电位状态存在于时段T3到T12中。在该状态中，足以阻挡存储在光电转换单元中的信号电荷流动到FD区域中的势垒存在于光电转换单元和FD区域之间的电荷路径中。

图5B示出了中间电平脉冲被提供给转移晶体管的状态。该状态对应于图4中的时段T6a到T6b。在这个时段中，光电转换单元和FD区域之间的电荷路径中的势垒也处于导通状态和非导通状态之间的中间电位状态。在该电位状态中，只有超过存储在光电转换单元中的信号电荷的中间势垒的信号电荷被转移到FD区域。放大单元的饱和电平指示了当下游读出电路或者像素的源极跟随器不饱和时的最大电荷数量。

图5C示出了高电平脉冲被提供到转移晶体管的状态。在这个状态中，在光电转换单元和FD区域之间的势垒足够低，以允许光电转换单元中的信号电荷被转移到FD区域。提供具有允许把光电转换单元中的信号电荷完全地转移到FD区域的峰值的脉冲是有用的。这可以从转移期间光电转换单元中的电位和FD区域中的电位之间的关系很容易地确定。

这里，描述中间电平脉冲的峰值。一般来说，在图像形成时使用光电转换单元中产生的所有信号电荷是有用的。但是，如果光电转换单元的容量较大，并且饱和电荷量也较大，即使当光电转换单元中产生了很多信号电荷时，动态范围可能也受下游读出电路的饱和限制。具有这种限制的读出电路的例子包括：像素的源极跟随器电路、置于列电路中的列放大单元，以及A/D转换单元。这里，作为像素放大单元的源极跟随器电路的动态范围被作为一个例子描述。当放大单元使用放大晶体管和恒流电源形成源极跟随器电路时，如果很多信号电荷从光电转换单元被转移到FD区域，则FD区域中电位的下降也较大。因为FD区域在电气上连接到放大晶体管的栅极，如果FD区域中电位的下降使得放大晶体管的栅极电位和源极电位之间的差低于阈值电压(Vth)，则源极跟随器工作停止。如果这样，则不能读出信号。即使少于源极跟随器的动态范围的电荷被读出，如果在列放大单元中提供了高增益，则读出电路的饱和由列放大单元的输入动态范围上的限制确定。

因此，中间电平脉冲的峰值可以被设置在不超过读出电路的动态范围的电荷能够被转移的值。每次执行读出，当在每一个读出电路中执行预定的处理时，即使光电转换单元的饱和电荷量如此之大以至于其超过了读出电路的动态范围，也能够读出光电转换单元中产生的所有信号电荷。因为这样的操作在光电转换单元中完成了曝光时段之后执行，即，在光电转换单元的光屏蔽时段期间执行，在光电转换单元中累积的电荷不增加，所以在光电转换单元中累积的所有电荷都可以被转移。此外，因为中间电平脉冲的峰值随着温度变化，所以能够在抑制温度变化的不利影响的同时读出光电转换单元中的信号电荷。

当光电转换单元的动态范围和电荷存储单元的动态范围的组合大于置于光电转换单元下游的读出电路的动态范围时，本实施例特别有效。

利用本实施例，即使当固态图像拾取装置中或其附近的温度变化时，也可执行读出而没有对被置于光电转换单元下游的读出电路的动态范围施加限制。

第二实施例是其中在第一实施例中描述的中间电平脉冲根据置于光电转换单元下游的读出电路的增益而被改变的例子。这里，置于光电转换单元下游的读出电路的例子包括置于像素中的放大单元、置于列电路中的列放大电路，以及用来把串行信号输出到外部的输出放大单元，来自列电路的并行信号被转换为所述串行信号。

图6是包括根据本实施例的固态图像拾取装置的图像拾取装置的框图。

附图标记601代表固态图像拾取装置。附图标记602代表控制单元。附图标记603代表CPU。附图标记604代表可变电压电源。置于光电转换单元下游的读出电路中包含的放大电路的增益被控制电路602和CPU 603设置。可以响应于例如灵敏度切换或者读出速度变化来控制该增益。

下面描述根据本实施例的操作流程。首先，在光电转换单元中累积信号电荷。在完成预定的曝光时段后，累积完成。此后，访问记录对应于置于光电转换单元下游的读出电路中包含的放大电路的增益的电压信息的查找表，并执行控制以便从可变电压电源提供对应于所述增益的电压。此后，执行上述读出操作。此外，可以提供温度检测电路，用于随着温度进行校正，如第一实施例中所描述的那样。即，可以从放大电路的增益和环境温度两者来确定中间电平脉冲的脉冲宽度或者峰值。

下面参考图7A到图7H描述当读出电路的增益可变时中间电平脉冲的提供时间或峰值的变化。

图7A示出了当提供第一中间电平脉冲时输出电压与入射光量的相关性(光电转换特性)。图7B示出了当第二中间电平脉冲被提供时的光电转换特性。图7C示出了当高电平脉冲被提供时的光电转换特性。图7D示出了响应于每一个读出脉冲将电荷转移到FD区域后的相加后的输出信号特性。图7E到图7G示出了光电转换特性，并且图7H示出了当脉冲的峰值根据读出电路的增益变化时的输出信号特性。具体来说，图7E到图7H示出了当读出电路的增益从第一增益改变到高于第一增益的第二增益时，脉冲的峰值从图7A到图7C中所示的峰值被减小的例子。

当读出电路的增益可变时，最高达电路饱和的入射光量(饱和光量)随着读出电路的增益而不同。光量904a、904b和904c代表当读出电路的增益较低时出现的光量。光量906a、906b和906c代表当读出电路的增益较高时出现的光量。当读出电路的增益较低时，饱和光量较高，如在905a、905b和905c所示。因此，被转移到FD区域的所有信号电荷可以被用作用于图像形成的信号。但是，当读出电路的增益较高时，饱和光量较低，如在907a、907b和907c所示。因此，一部分转移到FD区域的信号电荷超过了读出电路的输入动态范围，并且这意味着一部分信息缺失。结果，如图7D中所示，在图7A到图7C中示出的区域A、B和C中的信号被组合后获得的光电转换特性有台阶，如在909所示。即，所获得的光电转换特性不期望地具有死区。作为参考，当没有缺失时，可获得线性的特性，如在908所示。

在这种情况下，如图7E到图7G中所示，中间电平脉冲的峰值可以被限于低于图7A到图7C中所示的电平。或者，可以缩短脉冲提供时间以限制电荷的瞬态运动，并减小使用中间电平脉冲时被转移的电荷数量。因此，即使当脉冲被提供并读出三次时，类似于图7A到图7C中示出的情况，可获得图7E到图7G中示出的光电转换特性。图7H中示出了把这些信号组合后获得的光电转换特性。在图7H中，不存在信息缺失，和图7D不同，所以在区域A、B和C中的信号被组合后不存在不期望的死区。

因为可以一次读出的电荷的数量受到限制，所以组合后的饱和光量被减少。在需要时，可以通过响应于中间电平脉冲和所提供的中间电平脉冲的峰值增加次数来抑制饱和光量的减少。

利用本实施例，即使置于光电转换单元下游的读出电路的增益变化了，也可获得具有即使在组合之后也连续的光电转换特性的信号而不出现死区。

第三实施例的特征是，读出电路中包含的放大电路的增益针对响应于导致转移晶体管导通的高电平脉冲和中间电平脉冲(可以是多个脉冲)中的每一个读出的每一个信号而被切换。读出电路的增益的增加升高了信噪比(S/N)，结果，实现了在低光状况下对对象的高灵敏度图像捕获。如果当响应于中间电平脉冲读出信号时放大电路的增益被设置得高，则一次可读出的信号电荷的数量被减少。为了尽可能多地读出光电转换单元中的电荷，中间电平脉冲被提供更多次。此外，当放大电路具有高增益时，读出速度经常被减小。

为了解决这个问题，针对响应于提供导致转移晶体管导通的高电平脉冲而读出的信号的增益被设置得高于针对响应于提供中间电平脉冲而读出的信号的增益。

图8A到图8E示出了根据本实施例的像素的像素信号和噪声之间的关系。图8A示出了响应于入射光在每一个像素的光电转换单元中出现的电荷的分布。在图8A中，光电转换单元中的饱和和响应于中间电平脉冲而转移的电荷与响应于高电平脉冲而转移的电荷之间的边界由虚线指示。光电转换单元中的饱和电荷数量可以是例如100,000e^-。响应于中间电平脉冲而转移的电荷量可以是例如90,000e^-。响应于高电平脉冲而转移的电荷量可以是例如10,000e^-。

图8B示出了从图8A提取的部分A。提取的部分涉及响应于中间电平脉冲而转移的信号电荷。在响应于中间电平脉冲而转移电荷的步骤中的随机噪声可以被表示为V_RN1(mVrms)。

图8C示出了从图8A提取的部分B。提取的部分涉及响应于高电平脉冲而转移的信号电荷。这里，在下游部分的增益是G。在这种情况下，随机噪声可以被表示为V_RN2(mVrms)。

图8D示出了从图8A提取的部分B。提取的部分涉及响应于高电平脉冲而转移的信号电荷。这里，在下游读出电路的增益是1/G。即，该增益低于图8C中的增益。在这种情况下，随机噪声被表示为V_RN2/G(mVrms)。

图8E示出了组合的状况。随机噪声可以是((V_RN1)²+(V_RN2/G)²)^0.5，并且可以以低噪声读出。

图9示出了入射光量和来自固态图像拾取装置的输出(即传感器输出)之间的关系。

如上所述，除了在其他实施例中获得的特征以外，可获得传感器的改善的S/N而不牺牲读出速度。

第四实施例和其他实施例的差别在于，可以在把在提供导致转移晶体管导通的高电平脉的状态下获得的信号添加或不添加到响应于中间电平脉冲而获得的信号之间切换。

在未超过阈值的情况下不执行添加上述响应于提供高电平脉冲而获得的信号能够防止添加随机噪声。下面参考图10A到图10D描述细节。图10A示出了当信号电荷响应于第一中间电平脉冲而被转移到FD区域时获得的信号。图10B示出了当信号电荷响应于第二中间电平脉冲而被转移到FD区域时获得的信号。图10C示出了当信号电荷响应于导通脉冲而被转移到FD区域时获得的信号。图10D示出了在信号被组合后获得的图像。

在图10A和图10B中，阴影线区域中大多数由正方形指示的信号具有随机噪声。如果执行添加，则S/N降低。相反，在图10C中，如阴影区域中所指示的那样，信号处于其要被用作用于图像形成的信号的电平。例如，对于低光状况中的对象，信号电荷仅在光电转换单元中被累积(例如在累积单元中)而不超过中间电平脉冲所产生的势垒。因此，如果在这种状态下执行使用中间电平脉冲的转移操作，则噪声被简单地增加。

为了解决这个问题，如果基于响应于中间电平脉冲而转移的电荷的信号不超过预定的阈值，则当使用中间电平脉冲执行转移时获得的信号可以不被用作用于图像形成的信号。或者，如果当使用导通脉冲执行转移时获得的信号不小于预定的阈值，则可以确定有来自电荷存储单元的信号，并且该信号可以被用作用于图像形成的信号。此外，可以提供被配置成监视每一个像素的入射光量的单元，并且取决于像素的入射光量，可以在信号被用于图像形成的情况和信号不被用于图像形成的情况之间切换。

图11是根据第五实施例的在像素区域中排列的像素的等效电路图。为了清晰的目的，在像素区域101中包含的像素数量是9个，由3行乘3列构成。但是，像素的数量不限于9。在像素21中，光电二极管(PD)2用作光电转换单元。PD 2具有连接到固定电位(例如地)的阳极和通过用作第一转移单元的第一转移晶体管8连接到电荷存储单元3的第一端子的阴极。电荷存储单元3具有连接到固定电位(例如地)的第二端子。电荷存储单元3的第一端子通过用作第二转移单元的第二转移晶体管9连接到FD区域4。FD区域4连接到用作放大单元的一部分的放大晶体管12的栅极端子。放大晶体管12的栅极用作放大单元的输入部分。放大晶体管12的栅极通过用作复位单元的复位晶体管10连接到像素电源线。每一个转移晶体管均可以是金属氧化物半导体(MOS)晶体管。

用作选择单元的选择晶体管11具有漏极端子和源极端子，漏极端子是第一主电极，连接到像素电源线，源极端子是第二主电极，连接到放大晶体管12的漏极，漏极是放大晶体管12的第一电极。当输入激活信号SEL时，选择晶体管的主电极变为导通。这导致放大晶体管12和置于垂直信号线OUT中的恒流电源(未示出)一起形成源极跟随器电路，并导致对应于作为放大晶体管12的控制电极的栅极端子的电位的信号出现在垂直信号线OUT中。基于出现在垂直信号线OUT中的信号的信号被从固态图像拾取装置输出，并且其通过图像处理电路形成了图像信号。

在图11中，复位单元、放大单元和选择单元被在每一个像素中提供。但是，它们也可以被多个像素共享。或者，可以使用不具有选择单元并且能够使用放大单元的输入部分的电位选择像素的结构。

本发明可应用于在光电转换单元和FD区域之间包括电荷存储单元的结构，上面描述了这种结构的一个例子。

光电转换单元和电荷存储单元之间的电荷路径的结构使用具有下列特征的结构，即其中电荷在导致第一转移单元不导通的低电平脉冲的状态下被从光电转换单元转移到电荷存储单元的结构特别有用。

具体的示范性结构是其中第一转移单元是MOS晶体管，所述MOS晶体管具有掩埋沟道结构的构造。在该构造中，即使在非导通状态下，势垒在低于表面的位置中具有较低部分，所述较低部分仅存在于该位置中。在这种情况下，电荷转移单元也可以处于在信号电荷的累积期间提供恒定电压而不执行激活控制的状态。即，也可以提供固定势垒而不起到转移单元的作用。在完成累积之前，执行控制以使势垒的高度减小，剩余在光电转换单元中的信号电荷被转移到电荷存储单元。

利用这种结构，可以把当光入射在光电转换单元上时由光电转换单元产生的基本上所有信号电荷转移到电荷存储单元而不在光电转换单元中累积。因此，在所有像素中包含的光电转换单元可以基本上具有相同的电荷累积时间。当MOS晶体管不导通时，空穴在沟道表面中累积，并且电荷被转移到的沟道存在于比表面低预定深度的部分中。因此，可以减少绝缘薄膜界面上暗电流的不利影响。

从另一个观点，在信号电荷在光电转换单元和电荷存储单元中被累积的时段中，可以说在光电转换单元和电荷存储单元之间的电荷路径中的势垒低于在光电转换单元和另一个区域之间的电荷路径中的势垒。这里使用的电位指示针对信号电荷的电位。例如，当OFD区域被提供时，该势垒可以具有比光电转换单元和OFD区域之间的电位低的电位。

特别有用的是，在信号电荷被累积在由电荷耦合器件制成的电荷存储单元中的时段中，通过把电位通过绝缘薄膜施加于相反电极，具有与信号电荷相反极性的电荷被累积在电荷存储单元的表面，以抑制电荷存储单元位于其上的半导体表面上的暗电流的产生。

利用这种结构，由电荷存储单元导致的暗电流可以被进一步减少。同时，因为无需把用于解决暗电流的相反导电类型的杂质注入到电荷存储单元的表面中，处理电荷存储的部分可以被形成在邻近表面的比光电转换单元(例如光电二极管)更浅的区域中。因此，可以提高每单位体积存储电荷的能力，所以存储电荷的能力可以比其中光电二极管起存储电荷作用的传统结构的能力高几倍。

就驱动而言，在一个信号电荷产生时段中，从光电转换单元转移到电荷存储单元的信号电荷被存储在电荷存储单元中，并被用作图像信号。即，在开始一个信号电荷产生时段以后，信号被读出到像素的外部而在电荷存储单元中无复位操作。一个信号电荷产生时段，被确定以便当捕获一帧图像时对于光电转换单元是公用的。

下面描述根据本发明的本实施例的具体结构和驱动方法。在这种情况下像素结构基于其中像素具有第一转移单元是掩模沟道MOS晶体管并且电荷存储单元由电荷耦合器件制成的结构的构造。使用其中晶体管被用作第一和第二转移单元中的每一个的结构作为例子提供描述。

图12示出了根据本实施例的驱动脉冲。图13示出了电位。本实施例不同之处在于如何确定一帧的信号电荷产生时段。和其中使用机械快门的第一实施例相反，在本实施例中，通过使用电子快门规定信号电荷产生时段。

描述了图12中所示的驱动脉冲。主要是着眼于和第一实施例不同之处提供描述。

首先，在T1，高电平脉冲被提供到复位晶体管和第一到第三晶体管中的每一个，因而导致晶体管导通。光电转换单元、电荷存储单元和FD区域中的电荷被复位。

在T2，低电平脉冲被提供到第三转移晶体管，并开始信号电荷产生时段。当不使用机械快门时，尽管光入射在光电转换单元上，但是第三转移晶体管使OFD区域和光电转换单元不导通，并且其中光电转换单元和电荷存储单元存储电荷的状态被确定为信号电荷产生时段。此时，提供到第一和第二转移晶体管中的每一个的脉冲是导致每一个所述晶体管不导通的低电平脉冲。

在T3a，高电平脉冲被提供到第三转移晶体管，并且信号电荷产生时段完成。即，该状态是在光电转换单元中产生的信号电荷被排出到OFD区域的状态。同时，高电平脉冲和低电平脉冲之间的中间电平脉冲被提供到第二转移晶体管(第一步骤)。光电转换单元和电荷存储单元中只有超过响应于提供中间电平脉冲的势垒的一部分电荷被提供到FD区域。

在T3b，导致非导通状态的低电平脉冲被提供到第二转移晶体管。

在T4a，导致导通状态的高电平脉冲被提供到第二转移晶体管(第二步骤)。提供具有能够把电荷存储单元中的信号电荷完全地转移到FD区域的峰值的脉冲是有用的。此时，第一转移晶体管处于被供以低电平脉冲的状态。

在T4b，导致非导通状态的低电平脉冲被提供到第二转移晶体管。

在T5a，导致导通状态的高电平脉冲被提供到第一和第二转移晶体管中的每一个(第三步骤)。

在T5b，导致非导通状态的低电平脉冲被提供到第一和第二转移晶体管中的每一个。

第三转移晶体管处于导通状态，并且光电转换单元中的所有信号电荷已经被排出到OFD区域。因此，可以不执行在T5a和T5b的驱动。

此后，在第一到第三步骤中获得的信号被在信号处理单元105中相加。在光电转换单元中由光电转换产生的大多数信号电荷可以被处理为用于图像形成的信号，而与置于光电转换单元和电荷存储单元下游的读出电路的动态范围无关。

针对每一个像素行重复从T3a到T5b的操作使得一帧的信号被读出。

在T3a到T3b响应于中间电平脉冲(第一步骤)的转移只被执行一次。但是，所述转移可以被执行多次。

在本实施例中，第三转移晶体管处于导通状态的时段，即光电转换单元的电荷被排出到OFD区域的时段可以被看作光屏蔽时段。在这个时段期间，高电平脉冲和中间电平脉冲被提供到转移晶体管。

接着，参考图13A到图13E描述在图12中示出的每一个时间的电位状态。

图13A到图13B示出了在图12中示出的T2到T3a的电位状态。

图13A示出了少量光入射的状态。在这种状态中，电荷被存储在光电转换单元中而不超过光电转换单元和电荷存储单元之间的由提供到第一转移晶体管的脉冲的峰值所确定的势垒。这里，低电平脉冲被提供到第一转移晶体管。势垒受到控制以便具有相对低的电平，以使在光电转换单元中产生的信号电荷被立刻移动到电荷存储单元。如上所述，通过使用掩埋沟道MOS晶体管作为第一转移晶体管可以实现这样的状态。

图13B示出了光电转换单元中产生的一部分信号电荷超过了由第一转移晶体管确定的势垒的状态，信号电荷的超过部分被移动到电荷存储单元，并且被移动的信号电荷也被存储在电荷存储单元中。虚线指示了在低电平脉冲被提供到第一转移晶体管的状态下的势垒高度。

图13C示出了在图12中示出的T3a到T3b的电位状态。在这个电位状态中，低电平脉冲被提供到第一转移晶体管，并且中间电平脉冲被提供到第二转移晶体管(第一步骤)。由于这个操作，在图13B中所示的虚线以上的信号电荷以及电荷存储单元中累积的一部分信号电荷被转移到FD区域。因为第三转移晶体管处于导通状态，所以光电转换单元和OFD区域之间的势垒较低，并且在转移之后在光电转换单元中产生的信号电荷被转移到OFD区域。即，尽管电荷在光电转换中产生，其被排出到OFD区域，所以该时段可以被看作不产生信号电荷的时段。

图13D示出了在图12中示出的T4a到T4b的电位状态。在这个状态中，低电平脉冲被提供到第一转移晶体管，并且高电平脉冲被提供到第二转移晶体管(第二步骤)。由于这个操作，在存储在电荷存储单元中的信号电荷在第二步骤中被转移之后剩余的信号电荷被转移到FD区域。

图13D示出了在图12中示出的T5a到T5b的电位状态。在这个状态中，高电平脉冲被提供到第一到第三晶体管的每一个中(第三步骤)。如上所述，第三步骤可以被提供，但它不是必需的。

利用本实施例，尽管转移到FD区域的电荷略有减少，但是，动态范围被扩展，并且该结构可以很简单而不用提供机械快门。这对于高速操作也是有用的。

虽然已参考示范性实施例描述了本发明，但是要理解，本发明不限于所公开的示范性实施例。下面的权利要求的范围要和最宽泛的解释相符，以便包含所有修改和等同结构和功能。

Claims (14)

1.一种图像拾取装置，包含：

多个像素，每一个均具有光电转换单元、电荷存储单元、将光电转换单元的电荷转移到电荷存储单元的第一转移晶体管、浮动扩散区域、将电荷存储单元的电荷转移到浮动扩散区域的第二转移晶体管、以及与浮动扩散区域电连接的放大晶体管；

扫描单元，被配置成将使得第二转移晶体管导通的导通脉冲、使得第二转移晶体管不导通的非导通脉冲、以及具有导通脉冲和非导通脉冲之间的峰值的中间电平脉冲提供到第二转移晶体管的栅极；

产生单元，被配置成使用基于响应于导通脉冲和中间电平脉冲而转移的电荷的信号来产生图像信号；

检测单元，被配置成检测温度；以及

控制单元，被配置成根据来自检测单元的关于所检测的温度的信息来改变中间电平脉冲的峰值和脉冲宽度中的至少一个。

2.如权利要求1所述的图像拾取装置，其中，使用基于响应于提供到第二转移晶体管多次的中间电平脉冲而转移的电荷的信号来产生一帧的图像信号。

3.如权利要求1所述的图像拾取装置，其中，入射在光电转换单元上的光量受机械快门控制。

4.如权利要求1所述的图像拾取装置，还包含置于放大晶体管下游的读出电路，所述读出电路包括具有可变增益的放大器电路，

其中，基于来自检测单元的关于所检测的温度的信息和放大器电路的增益两者来确定中间电平脉冲的峰值和脉冲宽度中的至少一个。

5.如权利要求1所述的图像拾取装置，还包含置于放大晶体管下游的读出电路，所述读出电路包括具有可变增益的放大器电路，

其中，放大器电路的针对响应于导通脉冲而读出的信号的增益高于放大器电路的针对响应于中间电平脉冲而读出的信号的增益。

6.如权利要求1所述的图像拾取装置，其中，在图像形成中使用和不使用响应于中间电平脉冲而读出的信号能根据入射在像素上的光量而切换。

7.一种图像拾取装置，包含：

多个像素，每一个均具有光电转换单元、电荷存储单元、将光电转换单元的电荷转移到电荷存储单元的第一转移晶体管、浮动扩散区域、将电荷存储单元的电荷转移到浮动扩散区域的第二转移晶体管、以及与浮动扩散区域电连接的放大晶体管；

扫描单元，被配置成将使得第二转移晶体管导通的导通脉冲、使得第二转移晶体管不导通的非导通脉冲、以及具有导通脉冲和非导通脉冲之间的峰值的中间电平脉冲提供到第二转移晶体管的栅极；

读出电路，被置于放大晶体管下游，所述读出电路包括具有可变增益的放大器电路；

产生单元，被配置成使用基于响应于导通脉冲和中间电平脉冲而转移的电荷的信号来产生图像信号；以及

控制单元，被配置成根据放大器电路的增益来改变中间电平脉冲的峰值和脉冲宽度中的至少一个。

8.如权利要求7所述的图像拾取装置，其中，使用基于响应于提供到第二转移晶体管多次的中间电平脉冲而转移的电荷的信号来产生一帧的图像信号。

9.如权利要求7所述的图像拾取装置，其中，入射在光电转换单元上的光量受机械快门控制。

10.如权利要求7所述的图像拾取装置，其中，放大器电路的针对响应于导通脉冲而读出的信号的增益高于放大器电路的针对响应于中间电平脉冲而读出的信号的增益。

11.如权利要求7所述的图像拾取装置，其中，在图像形成中使用和不使用响应于中间电平脉冲而读出的信号能根据入射在像素上的光量而切换。

12.如权利要求1至11中任一项所述的图像拾取装置，其中，在提供使得第一转移晶体管不导通的非导通脉冲的状态中，电荷能从光电转换单元转移到电荷存储单元。

13.如权利要求1至11中任一项所述的图像拾取装置，其中，第一转移晶体管具有掩埋沟道结构。

14.如权利要求1至11中任一项所述的图像拾取装置，其中，光电转换单元和电荷存储单元之间的电荷路径中的势垒低于光电转换单元和另一区域之间的电荷路径中的势垒。

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