CN110418080A - 成像设备、成像系统和移动体 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及成像设备、成像系统和移动体。成像设备执行全局电子快门操作。在用于获取一帧的曝光时段期间，成像设备将在第一时段中累积的电荷从光电转换部分转移到保持部分。当从第一时段的结束时刻起已经经过第二时段时，保持部分保持在第一时段中产生的电荷和在第二时段中产生的电荷两者。包括在成像设备中的多个像素包括第一像素和第二像素，它们各自具有包括在每个像素中的光电转换部分的不同饱和电荷量。

Description

成像设备、成像系统和移动体
技术领域
本公开涉及成像设备、成像系统和移动体。
背景技术
近年来，已经提出了通过互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器进行的全局电子快门操作。在执行全局电子快门操作的成像设备中，用于获取一帧的光电转换中的电荷累积操作在像素之间同时开始和结束(曝光开始时刻在像素之间是相同的并且曝光结束时刻在像素之间也是相同的)。使用全局电子快门操作是有利的，因为即使在拍摄快速移动的被摄体时被摄体图像也不会失真。
日本专利申请公开No.2015-177349讨论了具有全局电子快门功能的成像设备。在日本专利申请公开No.2015-177349中讨论的成像设备中，在用于获取一帧的曝光时段中的曝光开始时刻开始的第一时段中，在第一时段中通过光电转换产生的电荷累积在光电转换部分中。在曝光开始时刻，保持部分保持在用于获取前一帧的曝光时段中累积的电荷。在第一时段中，针对每个像素顺序地执行用于读取电荷的操作。在第一时段结束时，在每个像素中电荷从光电转换部分转移到保持部分。在第一时段之后的第二时段中，通过光电转换部分或者通过光电转换部分和保持部分两者累积在第二时段中通过光电转换产生的电荷。
在日本专利申请公开No.2015-177349中讨论的成像设备中，在用于获取一帧的曝光时段期间，电荷以这种方式从光电转换部分转移到保持部分。该配置实现了全局电子快门操作，用于在防止图像质量的劣化的同时改善像素的饱和电荷量。
发明内容
根据本公开的一方面，一种成像设备包括：多个像素，每个像素包括：光电转换部分，被配置为累积由入射光产生的电荷；保持部分，被配置为保持电荷；放大部分，被配置为输出基于电荷的信号；第一转移开关，被配置为将电荷从光电转换部分转移到保持部分；和第二转移开关，被配置为将电荷从保持部分转移到放大部分。成像设备包括连接到多个像素的输出线。在第一时刻，多个像素的光电转换部分开始累积电荷。从第一时刻到第二时刻，多个像素中的至少一个像素的第一转移开关保持断开，并且多个像素中的该至少一个像素的光电转换部分累积在第一时段中产生的电荷，所述第一时段开始于第一时刻且结束于第二时刻。多个像素的第一转移开关被控制为最迟在第二时刻从断开转变到导通。在第二时刻之后的第三时刻，多个像素的保持部分保持在第一时段中在光电转换部分中产生的电荷和在第二时段中在光电转换部分中产生的电荷，所述第二时段开始于第二时刻且结束于第三时刻。多个像素包括第一像素和第二像素。第一像素的光电转换部分的饱和电荷量不同于第二像素的光电转换部分的饱和电荷量。
参考附图，根据示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清楚。
附图说明
图1是示出成像设备的配置的框图。
图2是示出成像设备的等效电路的图。
图3是示出成像设备的截面结构的示意图。
图4是示出第一驱动模式下的成像设备的驱动脉冲的时序图。
图5A至图5F是示出第一驱动模式下的成像设备的像素的每个部分的电位状态的示意图。
图6是示出第一驱动模式下的成像设备的驱动脉冲的图。
图7是示出第二驱动模式下的成像设备的驱动脉冲的图。
图8A至图8E是示出第二驱动模式下的成像设备的驱动脉冲和像素部分中的电荷量的示例的示意图。
图9A至图9E是示出第二驱动模式下的成像设备的驱动脉冲和像素部分中的电荷量的示例的示意图。
图10A至图10E是示出第二驱动模式下的成像设备的驱动脉冲和像素部分中的电荷量的示例的示意图。
图11A至图11E是示出第二驱动模式下的成像设备的驱动脉冲和像素部分中的电荷量的示例的示意图。
图12A至图12E是示出第二驱动模式下的成像设备的驱动脉冲和像素部分中的电荷量的示例的示意图。
图13A至图13E是示出第二驱动模式下的成像设备的驱动脉冲和像素部分中的电荷量的示例的示意图。
图14是示出成像设备的等效电路的图。
图15是示出成像设备的等效电路的图。
图16是示出成像设备的截面结构的示意图。
图17是示出成像设备的等效电路的图。
图18是示出成像设备的截面结构的示意图。
图19A至图19D是示出第二驱动模式下的成像设备的驱动脉冲和像素部分中的电荷量的示例的示意图。
图20A至图20D是示出第二驱动模式下的成像设备的驱动脉冲和像素部分中的电荷量的示例的示意图。
图21A至图21D是示出第二驱动模式下的成像设备的驱动脉冲和像素部分中的电荷量的示例的示意图。
图22是示出成像系统的配置的框图。
图23A和图23B是示出移动体的配置的框图。
具体实施方式
在日本专利申请公开No.2015-177349中讨论的成像设备中，在用于获取一帧的曝光时段期间光量大幅改变的情况下，例如，当拍摄快速移动的被摄体的图像时，从每个像素输出的信号的输出比率可能偏离适当输出比率。因此，存在图像质量劣化的问题。根据本公开的一些示例性实施例，可以改善图像质量。
根据本公开的示例性实施例的成像设备设有多个像素和连接到多个像素的输出线。来自多个像素的信号被输出到输出线。多个像素中的每一个包括光电转换部分、用于存储电荷的保持部分以及用于输出基于电荷的信号的放大部分。每个像素还包括：第一转移开关，用于将电荷从光电转换部分转移到保持部分；以及第二转移开关，用于将电荷从保持部分转移到放大部分。这样的配置使得能够执行光电转换时段在多个像素之间相同的成像操作，即，全局电子快门操作。电子快门操作指的是电控制由入射光产生的电荷的累积。
根据本公开的一些示例性实施例，多个像素的光电转换部分在第一时刻同时地开始累积电荷(开始第k帧的曝光时段，其中k是等于或大于2的正整数)。从第一时刻到第二时刻，第一转移开关在至少一个像素中维持断开。在该至少一个像素中，在该时段中产生的电荷累积在光电转换部分中。从第一时刻到第二时刻的时段是第一时段。
在第一时段中，放大部分将基于保持在多个像素的保持部分中的电荷的信号顺序地输出到输出线。换句话说，每个像素在第一时段中至少输出一次信号。更具体地，在第一时段中，多个像素的第二转移开关顺序地转变为导通。在第一时段中产生的电荷累积在光电转换部分中。因此，在第一时段中，保持部分可以保持在第一时刻之前产生的电荷。更具体地，由保持部分在第一时刻保持的电荷是在前一帧(即，第(k-1)帧)的曝光时段中由光电转换部分产生的电荷。
可以取决于要输出的图像的格式来改变在第一时段中输出的信号的数量。例如，当拍摄移动图像时，需要输出用于一帧的水平线的数量的信号。根据这样的示例性实施例，不需要从包括在成像设备中的所有像素输出信号。
在输出来自多个像素的信号之后，多个像素的保持部分至少在从第二时刻到第三时刻的第二时段中保持电荷。此时，每个保持部分保持在第一时段中产生的电荷和在第二时段中产生的电荷。在第三时刻，控制单元3同时控制多个像素的第一转移开关从导通转变到断开。
光电转换部分需要累积在至少第一时段中产生的电荷，因此即使光电转换部分的饱和电荷量小，也能维持像素的饱和电荷量。该配置使得可以在维持饱和电荷量的同时执行全局电子快门操作。根据本公开的一些示例性实施例，多个像素的保持部分保持电荷的第二时段比第一时段长。这是因为，由于第二时段比第一时段长，所以可以减小光电转换部分的饱和电荷量。
根据本公开的一些示例性实施例，在用于获取一帧的曝光时段期间执行用于将电荷从光电转换部分传输到保持部分的全局电子快门操作的成像设备可以防止像素输出比率的偏离。
下面将参考附图来描述本公开的示例性实施例。根据本公开的示例性实施例不仅限于以下示例性实施例。例如，将以下示例性实施例中的任何一个的配置的一部分添加到其它示例性实施例的示例情况以及将其配置的一部分替换为其它示例性实施例的配置的一部分的示例情况也包括在本公开的示例性实施例中。根据以下示例性实施例，第一导电类型是N型，并且第二导电类型是P型。然而，第一导电类型可以是P型，并且第二导电类型可以是N型。
下面将描述第一示例性实施例。图1是示出成像设备的配置的框图。可以通过使用半导体衬底由一个芯片配置成像设备1。成像设备1包括其中布置有多个像素的成像区域2。成像设备1还包括用于将控制信号和电源电压供应给垂直扫描单元4、信号处理单元5和输出单元6的控制单元3。
垂直扫描单元4将驱动脉冲供应给布置在成像区域2中的多个像素。通常，垂直扫描单元4为每个像素行或多个像素行中的每一个供应驱动脉冲。可以通过使用移位寄存器或地址解码器来配置垂直扫描单元4。
信号处理单元5包括列电路、水平扫描电路和水平输出线。列电路包括用于接收由垂直扫描单元4选择的像素行中包括的多个像素的信号的多个电路块。每个电路块可以包括信号保持部分、放大电路、噪声抑制电路和模数转换电路中的任何一个或其组合。可以通过使用移位寄存器或地址解码器来配置水平扫描电路。
输出单元6将经由水平输出线传输的信号输出到成像设备1的外部。输出单元6包括缓冲器或放大电路，并将来自每个像素的信号输出到信号处理单元7。信号处理单元7对来自每个像素的信号执行信号处理。通常，信号处理单元7通过将来自每个像素的信号乘以根据白平衡的增益来执行用于产生显影图像的处理。信号处理单元7可以包括在成像设备1中。
(像素结构)
图2是示出成像设备1的成像区域2中包括的像素的等效电路的图。为了简化描述，假设成像区域2包括以3×3矩阵形式布置的九个像素，包括第n行到第(n+2)行和第m列到第(m+2)列。一个像素用虚线包围，并且称为PIX。尽管在图2中示出了九个像素PIX，但是成像设备1包括更多数量的像素。
每个像素PIX包括光电转换部分PD、保持部分MEM、放大部分SF、第一转移开关TX1和第二转移开关TX2。每个像素PIX还包括复位晶体管RES和选择晶体管SEL。
光电转换部分PD累积由入射光产生的电荷。光电转换部分PD的阳极接地到固定电位，并且其阴极经由作为第一转移部分的第一转移开关TX1连接到保持部分MEM的一个端子。第一转移开关TX1将光电转换部分PD中的电荷转移到保持部分MEM。光电转换部分PD的阴极经由作为第三转移部分的第三转移开关TX3连接到作为第二电源的电源线，该电源线用作溢出漏极(下文中称为OFD)。第三转移开关TX3是用于使光电转换部分PD中的电荷放电的放电开关。
保持部分MEM的另一个端子接地到固定电位。保持部分MEM的一个端子还经由作为第二转移部分的第二转移开关TX2连接到作为放大部分SF的放大晶体管的栅极端子。第二转移开关TX2将保持部分MEM中的电荷转移到作为放大部分SF的输入节点的浮动扩散部分FD。放大部分SF的栅极端子经由作为复位部分的复位晶体管RES连接到作为第一电源的像素电源线。复位晶体管RES将作为放大部分SF的输入节点的浮动扩散部分FD的电压复位。选择晶体管SEL选择将信号输出到作为输出线的垂直信号线OUT的像素PIX。放大部分SF将基于由入射光产生的电荷的信号输出到垂直信号线OUT。放大部分SF例如是源极跟随器电路。第一转移开关TX1、第二转移开关TX2和放电开关TX3中的每一个是金属氧化物半导体(MOS)晶体管。参考图2，供应用于放大部分SF的电源电压的像素电源线和用作OFD的电源线是分开的。但是，可以用公共电源线共同地替换它们。
选择晶体管SEL的一个主电极连接到垂直信号线，并且其另一个主电极连接到放大部分SF(晶体管)的一个主电极。当有源信号PSEL输入到选择晶体管SEL的控制电极时，选择晶体管SEL的两个主电极进入导通状态。放大部分SF和设置在垂直信号线OUT上的恒流源(未示出)形成源极跟随器电路。根据放大部分SF的栅极端子(控制电极)的电位的信号出现在垂直信号线OUT上。从成像设备1输出基于出现在垂直信号线OUT上的信号、即从像素PIX输出的信号的信号。作为输入节点的浮动扩散部分FD公共地与放大部分SF的栅极端子以及复位晶体管RES和第二转移开关TX2的主电极连接。因此，浮动扩散部分FD具有电容值并且能够存储电荷。
根据本示例性实施例的成像设备1是颜色传感器，其中每个像素PIX设有滤色器。如图2中所示，其中包括红色(R)、绿色(Gr、Gb)和蓝色(B)滤色器的像素PIX以拜耳布置来布置，其中在每个像素的左上方表示滤色器的颜色。在根据本示例性实施例的成像设备1中，每行设有放电开关TX3的两条不同的栅极驱动线PTX3-1和PTX3-2。红色(R)、绿色(Gr、Gb)和蓝色(B)像素PIX根据滤色器的颜色连接到不同的驱动线。
根据本示例性实施例，在第n行中，栅极驱动线PTX3-1(n)连接到红色(R)像素PIX，并且栅极驱动线PTX3-2(n)连接到绿色(Gr)像素PIX。在第(n+1)行中，栅极驱动线PTX3-1(n+1)连接到绿色(Gb)像素PIX，并且栅极驱动线PTX3-2(n+1)连接到蓝色(B)像素PIX。用于驱动绿色(Gr)像素PIX的栅极驱动线PTX3-2(n)和用于驱动绿色(Gb)像素PIX的栅极驱动线PTX3-1(n+1)在区域(未示出)中是相同的。
图3是示出成像设备的截面结构的示意图。更具体地，图3示出了一个像素的截面。参考图3，具有与图2中所示的部分相同功能的部分被分配相同的附图标记。尽管图3示出了正面照射型成像设备，但是成像设备不限于此，并且可以是背面照射型成像设备。另外，下面将集中于电子用作信号电荷的示例情况来描述每个半导体区域的导电类型。当使用空穴作为信号电荷时，每个半导体区域的导电类型需要是相反的导电类型。
光电转换部分PD具有嵌入的光电二极管结构。光电转换部分PD包括N型半导体区域202和P型半导体区域203。N型半导体区域202和P型半导体区域203形成PN结。通过P型半导体区域203，可以防止界面噪声。
P型半导体区域201设置在N型半导体区域202的周围。P型半导体区域201可以通过将P型杂质离子注入到N型半导体衬底中或者通过使用P型半导体衬底来形成。
保持部分MEM包括N型半导体区域205。信号电荷保持在N型半导体区域205中。P型半导体区域可以设置在N型半导体区域205和半导体衬底的正面之间。利用这种布置，保持部分MEM具有嵌入结构。
栅极电极207配置第一转移开关TX1的栅极。N型半导体区域213隔着栅极绝缘膜设置在栅极电极207下方。N型半导体区域213的杂质浓度低于N型半导体区域202的杂质浓度。可以通过供应给栅极电极207的电压来控制光电转换部分PD和保持部分MEM之间的电位状态。
N型半导体区域208配置浮动扩散部分FD。N型半导体区域208经由插塞209与放大部分SF的栅极电连接。
栅极电极204配置第二转移开关TX2的栅极。可以通过供应给栅极电极204的电压来控制保持部分MEM和浮动扩散部分FD之间的电位状态。
保持部分MEM由遮光部分210遮挡。遮光部分210由诸如钨、铝的金属和在可见光区域中具有低透光率的其它材料制成。遮光部分210至少覆盖保持部分MEM。如图3中所示，遮光部分210可以覆盖第一转移开关TX1的整个栅极电极207，并且可以延伸到第二转移开关TX2的栅极电极204的上部的一部分。该配置使得可以进一步改善遮光部分210的遮蔽功能。滤色器CF和微透镜ML设置在遮光部分210的开口上方。更具体地，在每个像素PIX中，滤色器CF和微透镜ML在入射光的入射方向上设置在光电转换部分PD的上游侧。
N型半导体区域212配置OFD区域的一部分。插塞215将电源电压供应给N型半导体区域212，并且与用作OFD的第二电源连接。
栅极电极211配置放电开关TX3的栅极。可以通过供应给栅极电极211的电压来控制光电转换部分PD和OFD区域之间的电位状态。
(驱动方法)
下面将描述用于驱动成像设备的方法。将给出用于驱动成像设备的方法的第一驱动模式和第二驱动模式的描述。在第一和第二驱动模式中，执行全局电子快门操作，包括光电转换部分PD的电荷累积和从光电转换部分PD到保持部分MEM的电荷转移。第一和第二驱动模式之间的差异是电荷转移的时序。更具体地，在第一驱动模式中，控制单元3在曝光时段结束时执行从光电转换部分PD到保持部分MEM的电荷转移。在第二驱动模式中，控制单元3在曝光时段期间执行从光电转换部分PD到保持部分MEM的电荷转移。根据本示例性实施例的成像设备至少在第二驱动模式下操作。
根据本示例性实施例的成像设备可以具有用于执行卷帘快门操作的驱动模式。在用于卷帘快门操作的驱动模式中，多个像素中的每个像素的光电转换部分PD顺序地开始累积电荷。随后，控制单元3顺序地控制多个像素的第一转移开关TX1转变为导通。
(第一驱动模式)
下面将参考图4至图6描述用于执行全局电子快门操作的第一驱动模式。在第一驱动模式中，光电转换部分PD累积在曝光时段中产生的电荷，并且在曝光时段结束时，累积在光电转换部分PD中的电荷被转移到保持部分MEM。
图4是示意性地示出第一驱动模式下的驱动脉冲的图。图4示出了供应给第n行至第(n+2)行的每个像素中的选择晶体管SEL、复位晶体管RES、第一转移开关TX1、第二转移开关TX2和放电开关TX3的驱动脉冲。当驱动脉冲处于高电平时，对应的晶体管或开关转变为导通。当驱动脉冲处于低电平时，对应的晶体管或开关转变为断开。这些驱动脉冲由包括在成像设备1中的控制单元3供应。
图5A至图5F是示出在每个定时的像素的每个部分的电位状态、即电子电位的示意图。在每个曲线图中，在曲线图的较高端处绘制了较高的电子电位，即较低的电位。图5A至图5F从左到右示出了OFD、放电开关TX3、光电转换部分PD、第一转移开关TX1、保持部分MEM、第二转移开关TX2和浮动扩散部分FD的电位(参见图2和图3)。
在时刻t2之前执行前一帧的曝光。曝光表示通过光电转换产生的电荷作为信号累积或保持。
在时刻t1之前，光电转换部分PD被光照射，并且对应于到光电转换部分PD的入射光的光量的电荷在直到时刻t1的时段中累积在光电转换部分PD中。该状态在图5A中示意性地示出。
在从时刻t1到时刻t2的时段中，第一转移开关控制信号PTX1(n)、PTX1(n+1)和PTX1(n+2)(下文统称为“PTX1”)变为高电平，并且第一转移开关TX1转变为导通。因此，累积在光电转换部分PD中的电荷被转移到保持部分MEM。该状态在图5B中示意性地示出。在时刻t2，PTX1再次变为低电平并且转移操作完成。此时的该状态在图5C中示意性地示出。对于所有像素同时执行从光电转换部分PD到保持部分MEM的电荷转移操作。为了在第一驱动模式下结束前一帧的曝光，控制单元3控制对于所有像素同时将第一转移开关TX1从导通转变为断开(在图4中所示的时刻t2)，该第一转移开关TX1将电荷从光电转换部分PD转移到保持部分MEM。
在从时刻t3到时刻t4的时段中，放电开关控制信号PTX3-1(n)、PTX3-1(n+1)、PTX3-1(n+2)以及PTX3-2(n)、PTX3-2(n+1)和PTX3-2(n+2)(下文统称为“PTX3”)变为高电平，并且电荷从光电转换部分PD放电到OFD。该状态在图5D中示意性地示出。同时对所有像素执行用于将电荷从光电转换部分PD放电到OFD的操作。为了在第一驱动模式下开始曝光，控制单元3控制对于所有像素同时将放电开关TX3从导通转变为断开(在图4中所示的时刻t4)，该放电开关TX3将电荷从光电转换部分PD转移到保持部分MEM。
在第一驱动模式下，控制单元3将电荷从光电转换部分PD放电到OFD，并且对于所有像素同时将电荷从光电转换部分PD转移到保持部分MEM。利用该配置，成像设备可以执行其中光电转换时段在多个像素之间相同的成像操作，即全局电子快门操作。
下面将描述用于读取从光电转换部分PD转移到保持部分MEM的电荷的操作。虽然将描述这样的情况，其中，在控制单元3控制放电开关TX3从导通转变为断开时开始的后续帧的曝光(光电转换部分PD中的电荷累积)之后开始用于读取前一帧的信号的操作，但是操作不限于此。
在时刻t5，控制单元3控制浮动扩散部分FD的复位晶体管RES(n)从导通转变为断开，以取消浮动扩散部分FD的复位状态。同时，当行选择控制信号PSEL(n)变为高电平时，选择晶体管SEL(n)转变为导通，并且选择第n行中的像素。因此，对应于第n行中的像素的浮动扩散部分FD的电位的电压被输出到垂直信号线OUT。
在从时刻t6到时刻t7的时段中，复位噪声选择信号PTN变为高电平。此时，包括在信号处理单元5中的列电路采样并保持第n行中的像素的浮动扩散部分FD的复位噪声电平。因此，执行噪声信号读取操作(N读取)。
在从时刻t8到时刻t9的时段中，第二转移开关控制信号PTX2(n)变为高电平，并且第n行中的像素的第二转移开关TX2转变为导通。因此，累积在保持部分MEM中的电荷被转移到浮动扩散部分FD。该状态在图5E中示出。在时刻t9，第二转移开关控制信号PTX2(n)变为低电平，并且第n行中的像素的第二转移开关TX2转变为断开。这完成了从保持部分MEM到浮动扩散部分FD的电荷转移的操作。该操作完成状态在图5F中示出。
在时刻t9，完成从保持部分MEM到浮动扩散部分FD的电荷转移操作。然后，具有通过将对应于浮动扩散部分FD中累积的电荷的电位加到复位电平而增加的电平(光学信号电平)的电位被输出到垂直信号线OUT。在从时刻t10到时刻t11的时段中，图像信号选择信号PTS变为高电平，并且列电路采样并保持该光学信号电平。因此，执行光学信号读取操作(S读取)。从光学信号电平中减去先前采样和保持的复位噪声电平，并将得到的电平作为无噪声的图像信号输出到后级。
在时刻t12，选择晶体管SEL(n)转变为断开，复位晶体管RES(n)转变为导通，并且第n行中的像素的浮动扩散部分FD的电位再次复位。
根据上述驱动脉冲，对每个像素行执行包括像素选择、复位、噪声信号读取(N读取)、向浮动扩散部分FD的电荷转移和光学信号读取(S读取)之类的一系列读取操作。输出信号可以在成像设备外部或在成像设备内部进行模数(A/D)转换。如图4中所示，在第n行之后，控制单元3还顺序地对第(n+1)行和第(n+2)行中的像素执行读取操作。
根据本说明书，在每个像素行中执行“噪声信号读取(N读取)、向浮动扩散部分FD转移电荷以及光学信号读取(S读取)”期间的时段被定义为“读取时段”。参考图4，时序图左侧的读取时段表示第k帧的读取时段，而时序图右侧的后续读取时段表示第k+1帧的读取时段。根据本说明书，每个像素的光电转换部分PD累积对应于一帧的电荷期间的时段被定义为“曝光时段”。根据本示例性实施例，从完成电荷放电到OFD的时刻t4到完成向保持部分MEM的电荷转移的时刻t13的时段是第(k+1)帧的曝光时段。如图4中所示的时序图的上侧和下侧中所示，根据本示例性实施例，第k帧的读取时段和第(k+1)帧的曝光时段至少部分地彼此重叠。
在随后的描述中，供应给像素中的每个部分以执行包括“噪声信号读取(N读取)、向浮动扩散部分FD的电荷转移和光学信号读取(S读取)”的一系列操作的驱动脉冲统称为“读取信号”。图6是示出第一驱动模式下的成像设备的驱动脉冲的图。斜线表示对每行顺序地执行读取操作。虽然为所有像素同时供应第一转移开关控制信号PTX1和放电开关控制信号PTX3，但是图6统一地示出了用于所有像素的一个第一转移开关控制信号PTX1和一个放电开关控制信号PTX3。尽管图6示出了与图4相同的时序，但是图6中所示的时序是用于在多像素布置的情况下使用的图4中所示的时序的简化表示。
如上所述，在第一驱动模式下，控制单元3在曝光时段结束时执行从光电转换部分PD到保持部分MEM的电荷转移。因此，在一帧的曝光时段期间，从光电转换部分PD到保持部分MEM的电荷转移仅执行一次。这种驱动也称为一次转移驱动。
(第二驱动模式)
下面将参考图7描述用于执行全局电子快门操作的第二驱动模式。在第二驱动模式中，在曝光时段中产生的电荷累积在光电转换部分PD中，并且在曝光时段期间，累积在光电转换部分PD中的电荷被转移到保持部分MEM。在到保持部分MEM的第一次电荷转移之后，光电转换部分PD或光电转换部分PD和保持部分MEM两者累积在随后的时段中通过光电转换产生的电荷。下面将集中于在一帧的曝光时段中执行两次从光电转换部分PD到保持部分MEM的电荷转移的示例情况来描述第二驱动模式的示例。对于与第一驱动模式中的操作等效的操作，将省略多余的描述。这种驱动也称为两次转移驱动。
图7示意性地示出了第二驱动模式下的驱动脉冲。与第一驱动模式类似，在时刻t2之前执行前一帧的曝光，并且在时刻t4，在前一帧的曝光时段中由光电转换部分PD产生的电荷累积在保持部分MEM中。当控制单元3在时刻t4控制放电开关TX3从导通转变为断开时，开始下一帧的曝光时段。时刻t4是曝光时段开始的时刻，并且被称为第一时刻。
第一转移开关TX1从第一时刻(时刻t4)起维持断开，直到第一时段过去的时刻、即第二时刻(时刻t14)为止。根据本示例性实施例，尽管所有像素的第一转移开关TX1维持断开，但是本示例性实施例不限于此。可替换地，在至少一个像素中，第一转移开关TX1从第一时刻到第二时刻维持断开。
从第一时刻(时刻t4)起经过第一时段的时刻是第二时刻(时刻t14)。更具体地，从第一时刻(时刻t4)到第二时刻(时刻t14)的时段是第一时段。在第一时段中，在第一时段中产生的电荷累积在光电转换部分PD中。
在第一时段中，顺序地执行用于读取对应于保持部分MEM中保持的前一帧的电荷的操作。顺序地执行读取操作，使得最迟在第二时刻完成(即在第二时刻之前完成，或者在第二时刻完成)对应于前一帧的信号输出。
在第二时刻(时刻t14)，控制单元3将第一转移开关TX1转变为导通。因此，光电转换部分PD中的电荷被转移到保持部分MEM。更具体地，在第二时刻之后，在第一时段中产生的电荷由保持部分MEM保持。根据本示例性实施例，所有像素的第一转移开关TX1同时从断开转变为导通。然而，多个像素的第一转移开关TX1需要在到第二时刻之前转变为导通，并且转变定时可以在第一转移开关TX之间不同。例如，控制单元3可以按照完成上述读取操作的像素的顺序将第一转移开关TX1转变为导通。
从第二时刻(时刻t14)起经过第二时段的时刻是第三时刻(时刻t13)。更具体地，从第二时刻(时刻t14)到第三时刻(时刻t13)的时段是第二时段。根据本示例性实施例，在时刻t14之后的时刻t15，控制单元3再次控制第一转移开关TX1从导通转变为断开。在从时刻t15到时刻t13的第二曝光中产生的电荷累积在光电转换部分PD中。在第二曝光时段中，在从时刻t4到时刻t15的第一曝光时段中产生的电荷由保持部分MEM保持。当控制单元3在时刻t15和时刻t13之间的时间再次控制第一转移开关TX1从断开转变为导通时，光电转换部分PD中的电荷被转移到保持部分MEM。因此，在第三时刻(时刻t13)，保持部分MEM保持在第一时段中产生的电荷和在第二时段中产生的电荷。
如上所述，在第二驱动模式中，可以在完成一帧曝光之后立即开始下一次曝光。因此，可以消除信息丢失的时段，并且因此可以改善图像质量。
在第二驱动模式中，在完成用于读取对应于保持部分MEM中保持的前一帧的电荷的操作之后，控制单元3在曝光时段期间执行从光电转换部分PD到保持部分MEM的电荷转移。因此，即使光电转换部分PD的饱和电荷量小，也可以增加像素的饱和电荷量。像素的饱和电荷量是指单个曝光操作中产生的电荷中的可以作为信号处理的电荷量的最大值。光电转换部分PD的饱和电荷量是指可以由光电转换部分PD累积的电荷量的最大值。保持部分MEM的饱和电荷量是指可以由保持部分MEM保持的电荷量的最大值。
单个曝光时段是第一时段和第二时段的总和。由于在第一时段中读取由保持部分MEM保持的前一帧的电荷，所以当第一时段结束时，电荷可以由保持部分MEM保持。因此，光电转换部分PD需要累积至少在第一时段中产生的电荷。通常，由于在第一时段中产生的电荷量小于在单个曝光时间中产生的电荷量，因此可以减小光电转换部分PD的饱和电荷量。
根据本示例性实施例，在第二时段中，控制单元3控制第一转移开关TX1仅从导通转变为断开一次(时刻t15)。然而，控制不限于此。在第二时段中，控制单元3可以控制第一转移开关TX1从导通转变为断开零次或多次。当第一转移开关TX1转变为断开被执行零次时，在第二曝光中在光电转换部分PD中产生的电荷立即被转移到保持部分MEM并由保持部分MEM保持。当多次执行将第一转移开关TX1转变为断开时，在一帧的曝光时段中，从光电转换部分PD到保持部分MEM的电荷转移至少被执行三次。如果控制单元3在第二时段中控制第一转移开关TX1从导通转变为断开多次，则可以进一步减小光电转换部分PD的饱和电荷量。
期望在对应于一帧的曝光时段中将第一转移开关TX1从断开转变为导通的次数几乎等于或大于保持部分MEM的饱和电荷量与光电转换部分PD的饱和电荷量的比率。更期望将第一转移开关TX1转变为导通的次数几乎等于该比率。利用这种配置，可以优化光电转换部分PD和保持部分MEM的尺寸。
(本示例性实施例的效果)
下面将参考图8A至图13E来描述本示例性实施例的配置和效果。将描述成像设备1在第二驱动模式下操作的情况。
当使用相机拍摄图像时，通过特定光源照射被摄体，并且光源的光由被摄体反射并通过透镜入射到成像设备1。图8A至图13E示出了在光源下拍摄被人眼感知为白色的被摄体的示例情况。
(第一比较例)
在描述本示例性实施例的配置和效果之前，下面将描述比较例。在根据第一比较例的成像设备中，光电转换部分PD的饱和电荷量对于红色(R)、绿色(Gr、Gb)和蓝色(B)像素(下文中分别称为“R像素”、“G像素”和“B像素”)中的每一个是相同的。图8A至图10E示出了根据第一比较例的成像设备在不同入射光条件下的操作。
图8A是示出与图7中所示的类似的两次转移操作中的驱动脉冲的时序图。图8B示出了入射到成像设备的特定区域的光的光量。参考图8B，下虚线表示光量0(无入射光)，并且上虚线表示G像素的光电转换部分PD在第一和第二曝光时段中的每一个中刚刚达到饱和时的光量。参考图8A至图8E中所示的示例，图8B中所示的两条虚线之间的中间量的光入射到成像平面中的区域。在图8A至图8E中所示的第一和第二曝光时段中，光量是恒定的。
图8C、图8D和图8E分别示出了G、R和B像素的光电转换部分PD中的电荷量随时间的改变。例如，下面将描述G像素的操作。
在时刻t4，当放电开关TX3从导通转变为断开时，开始光电转换部分PD中的电荷累积。在图8A至图8E中所示的示例中，由于入射光量恒定，所以光电转换部分PD的电荷量与时间成比例地增加。在时刻t15，完成从光电转换部分PD到保持部分MEM的第一次电荷转移，并且光电转换部分PD的电荷量变为零。
在从时刻t15起的第二曝光时段中，光电转换部分PD的电荷量与时间成比例地类似地增加。在时刻t13，电荷再次被转移到保持部分MEM，并且光电转换部分PD的电荷量再次变为零。
如果光电转换部分PD的饱和水平是1，则在图8A至图8E中所示的示例中，在第一和第二曝光时段的每一个中，在G像素中累积0.7的电荷量。这些电荷量被添加到保持部分MEM中，并且G像素针对该帧输出0.7+0.7＝1.4的电荷量。
在这种情况下，R和B像素也执行类似的操作。在图8A至图8E中所示的示例中，在R像素中累积0.6+0.6＝1.2的电荷量，并且在B像素中累积0.35+0.35＝0.7的电荷量。
在图8A至图8E中所示的示例中，当在光源下拍摄被人眼感知为白色的被摄体时，光量(G：R：B)的比率是1.4：1.2：0.7。该比率取决于照射被摄体的光源，并且被称为白平衡。
下面将提供白平衡的补充信息。在任何光源下，人眼都会将白色物体视为白色。为了满足人眼的这种条件，相机将来自G、R和B像素的每个信号乘以根据白平衡的增益，以产生最终显影图像。该增益称为白平衡增益。白平衡增益通常由成像设备的后级中的引擎(信号处理单元)进行相乘。在该示例中，对于在该光源下被人眼感知为白色的被摄体，引擎将来自R像素的信号乘以1.4/1.2＝1.17并将来自B像素的信号乘以1.4/0.7＝2，以均衡最终显影图像中的G、R和B像素的亮度值。如果白平衡不合适，则会出现在最终显影图像中白色物体不被感知为白色的现象。在该示例中，该现象被称为着色问题。
根据第一比较例，如上所述，G、R和B像素的光电转换部分PD提供相同的饱和电荷量。根据第一比较例，放电开关TX3的栅极驱动线PTX3的断开电平对于所有像素是共同的。更具体地，所有像素提供断开状态下的放电开关TX3的势垒的相同高度。即使所有像素提供与第一比较例中相同的饱和电荷量，如果像素的光电转换部分PD中没有一个在曝光时段中达到饱和，则不会出现着色问题，如图8A至图8E中所示。
图9A至图9E示出了在根据第一比较例的成像设备中，在入射光量大于图8A至图8E中所示的情况中的入射光量的情况下的每个像素的电荷量。图9A至图9E示出了到该区域的入射光量高于G像素的饱和水平并且光量在一帧时段中恒定的情况。
此时，G像素的光电转换部分PD的电荷量在第一和第二曝光时段中都达到饱和水平1。由于等于或大于饱和电荷量的电荷量不能累积在光电转换部分PD中，因此G像素针对该帧输出1+1＝2的电荷量。
如图9D和图9E中所示，当G像素达到饱和水平“2”时，尽管该区域的R和B像素都没有达到饱和，但后级中的引擎确定该区域的输出饱和。在这样的区域中，例如，所有G、R和B像素被确定为具有最大灰度。因此，该区域被处理为在最终显影图像中具有最大亮度的白色区域。
因此，如图9A至图9E中所示，在第一和第二曝光时段两者中G像素的光电转换部分PD达到饱和的情况下，即使所有像素都提供与第一比较例中相同的饱和电荷量，也不会出现着色问题。
图10A至图10E示出了在根据第一比较例的成像设备中出现着色问题的情况。图10A至图10E表示例如人眼感知为白色的被摄体正在移动的情况。在这种情况下，在第一曝光时段中到该区域的入射光量超过G饱和水平，并且入射光在第二曝光时段中变得更暗以提供中间光量。
G像素的光电转换部分PD的电荷量在第一曝光时段中达到饱和水平1，并且在第二曝光时段中变为0.7，由此最终输出为1+0.7＝1.7。另一方面，在第一和第二曝光时段两者中，R和B像素的光电转换部分PD都没有达到饱和。
在这种情况下，由于G像素的最终输出未达到“2”，因此后级中的引擎不确定其饱和。然而，由于在第一曝光时段中仅G像素的光电转换部分PD达到饱和，因此G像素的电荷量变得小于固有值。因此，G、R和B像素的电荷量的比率偏离。结果，帧的G、R和B像素之间的输出比率将偏离。
在该光源下，当拍摄白色被摄体时，适当比率G：R：B是1.4：1.2：0.7＝1：0.86：0.5，如图8A至图8E中所示。但是，在图10A至图10E中所示的情况下，输出比率G：R：B是1.7：1.55：0.9＝1：0.91：0.53，这偏离适当比率G：R：B。在这种情况下，由于R：B输出比率相对增加，最终显影图像将以品红色着色。更具体地，在根据第一比较例的成像设备中，如果明亮被摄体移动，则被摄体的周边可能被着色。
下面将集中于第一示例性实施例作为示例来描述本示例性实施例的配置和效果。在根据第一示例性实施例的成像设备中，光电转换部分PD的饱和电荷量在G、R和B像素之间不同。更具体地，成像设备包括第一像素、第二像素和第三像素，它们各自具有光电转换部分PD不同的饱和电荷量。更具体地，当G像素的光电转换部分PD的饱和电荷量被设定为1时，R像素的光电转换部分PD的饱和电荷量被设定为0.86，并且B像素的光电转换部分PD的饱和电荷量被设定为0.5。如图2中所示，通过按颜色分开地为G、R和B像素中的每一个提供栅极驱动线PTX3并且区分G、R和B像素之间的栅极驱动线PTX3的断开电平电位来实现该配置。
当在该光源下拍摄被人眼感知为白色的被摄体时，该饱和度比率与G、R和B像素的灵敏度比率相等。换句话说，饱和度比率与该光源下的白平衡比率相等。
类似于图10A至图10E中所示的情况，图11A至图11E示出了在第一曝光时段中光量超过G饱和水平并且在第二曝光时段中光量成为中间光量的情况下，根据第一示例性实施例的成像设备中的每个像素的电荷量。如上所述，根据白平衡，在G、R和B像素之间区分饱和电荷量。因此，当G像素在第一曝光时段中饱和时，R和B像素也达到各自的饱和量设定。在第二曝光时段中，R和B像素都不饱和。因此，最终输出比率G：R：B变为1.7：1.46：0.85＝1：0.86：0.5，其不偏离图8A至图8E中所示的情况下的适当输出比率。更具体地，根据本第一示例性实施例的成像设备可以防止移动的明亮被摄体的周边的着色。
与图11A至图11E中所示的情况相反，图12A至图12E示出了在光量在第一曝光时段中是中间光量并且在第二曝光时段中超过G饱和水平的情况下，根据第一示例性实施例的成像设备中的每个像素的电荷量。更具体地说，图12A至图12E示出了成像平面中的区域从暗状态变改变为亮状态的示例情况。而且，在这种情况下，与第一示例性实施例中一样，通过适当地区分G、R和B像素之间的光电转换部分PD的饱和电荷量，可以防止着色。
图13A至图13E示出了由根据第一示例性实施例的成像设备在与图8A至图12E中所示的情况下的光源不同的光源下拍摄被人眼感知为白色的被摄体的情况。而且，在这种情况下，与图11A至图12E中所示的情况类似，在成像环境的该光源下，每个像素的光电转换部分PD的饱和电荷量的比率等于白平衡比率。在图13A至图13E中所示的情况下，在该光源下，当拍摄被人眼感知为白色的被摄体时，光量比率G：R：B、即白平衡比率为1：0.5：0.5。因此，在图13A至图13E中所示的示例中，当G像素的光电转换部分PD的饱和电荷量被设定为1时，R像素的光电转换部分PD的饱和电荷量被设定为0.5，并且B像素的光电转换部分PD的饱和电荷量被设定为0.5。此外，在这种情况下，通过针对G、R和B像素中的每一个适当地调整栅极驱动线PTX3的断开电平电位来实现该配置。
图13A至图13E示出了在光量在第一曝光时段中超过G饱和水平并且在第二曝光时段中变为中间光量的情况下，根据第一示例性实施例的成像设备中的每个像素的电荷量。而且，在这种情况下，与图11A至图11E中所示的情况类似，当G像素在第一曝光时段中饱和时，R和B像素也达到各自的饱和量设定。在第二曝光时段中，R和B像素都不饱和。因此，最终输出比率G：R：B变为1.6：0.8：0.8＝1：0.5：0.5，其不偏离适当输出比率。更具体地，本第一示例性实施例的成像设备可以防止移动的明亮被摄体的周边着色。
由于以这种方式区分像素之间的光电转换部分PD的饱和电荷量，所以可以防止在用于获取一帧的曝光时段期间执行将电荷从光电转换部分PD转移到保持部分MEM的全局电子快门操作的情况下的像素输出比率的偏离。更具体地，可以通过根据每个像素的滤色器的颜色信息(或类型信息)和在成像期间的光源下的白平衡来区分像素之间的光电转换部分PD的饱和电荷量，以防止像素输出比率的偏离。
根据本示例性实施例的成像设备包括多个像素PIX。多个像素PIX包括第一像素和第二像素，它们各自具有光电转换部分PD的不同饱和电荷量。在这种情况下，期望第一和第二像素通过后级中的信号处理单元具有不同的处理条件。还期望信号处理包括用于将从每个像素PIX输出的信号乘以增益的处理并且为第一和第二像素分配不同增益。增益通常是白平衡增益。该配置使得能够防止像素输出比率的偏离。还可以说第一和第二像素的灵敏度不同。
如上所述，每个像素的光电转换部分PD的饱和电荷量可以通过每个像素的断开状态的放电开关TX3的势垒的高度来控制。在每个像素的放电开关TX3是晶体管的情况下，处于断开状态的放电开关TX3的势垒的高度可以通过要施加到放电开关TX3的栅极的断开电压、即栅极驱动线PTX3的断开电平电位来控制。可替换地，在每个像素的放电开关TX3是晶体管的情况下，处于断开状态的放电开关TX3的势垒的高度可以通过设置在放电开关TX3的栅极电极下方的半导体区域中的杂质浓度来控制。
期望可以改变每个像素的光电转换部分PD的饱和电荷量。更具体地，期望可以改变第一像素的光电转换部分PD的饱和电荷量和第二像素的光电转换部分PD的饱和电荷量中的至少任一个。这使得可以根据成像条件和信号处理单元中的处理条件来改变每个像素的光电转换部分PD的饱和电荷量，从而可以在各种条件下防止像素输出比率的偏离。在成像设备包括用于设定信号处理单元中的处理条件的条件设定单元的情况下，期望根据条件设定单元的设定来改变每个像素的光电转换部PD的饱和电荷量。通常，期望根据条件设定单元的白平衡设定来改变每个像素的光电转换部分PD的饱和电荷量。以这种方式，可以在不同光源下防止着色。
尽管在图11A至图13E中所示的示例中，白平衡比率等于G、R和B像素的光电转换部分PD的饱和电荷量的比率，但是即使没有完全匹配，该配置也是有效的。当拍摄白色被摄体时，如果将具有高灵敏度的像素的光电转换部分PD的饱和电荷量设定为大于具有低灵敏度的像素的光电转换部分PD的饱和电荷量，则提供减少着色的效果。更具体地，如果第一像素在后级的信号处理中具有比第二像素大的白平衡增益，则需要将第一像素的光电转换部分PD的饱和电荷量设定为小于第二像素的光电转换部分PD的饱和电荷量。然后，如果使像素灵敏度比率(白平衡比率)接近每个像素的光电转换部分PD的饱和电荷量的比率，则减少着色的效果增加。为了避免非常不自然的着色，期望将像素灵敏度比率与每个像素的光电转换部分的饱和电荷量的比率之间的偏离限制为±30％或更小。更具体地，期望满足下面的公式(1)。
0.7R≤r≤1.3R (1)
参考公式(1)，R是在信号处理单元的信号处理中，用于与第二像素的信号相乘的增益和用于与第一像素的信号相乘的增益的比率。参考公式(1)，r是第二像素的光电转换部分PD的饱和电荷量与第一像素的光电转换部分PD的饱和电荷量的比率。
尽管图10A至图13E示出了到区域的入射光量在第一和第二曝光时段之间的边界附近改变的情况，但是本示例性实施例的效果不限于这些情况。即使在入射光量在第一或第二曝光时段期间改变的情况和光量不以阶梯形式而是以斜坡形式改变的情况下，也提供类似的效果。
尽管本示例性实施例的成像设备至少在第二驱动模式下操作，但是驱动模式可以是可切换的，并且成像设备也可以在第一驱动模式下操作。在第一驱动模式(一次转移操作)下，当G像素的光电转换部分PD饱和时，后级中的引擎可以确定饱和，因此不会出现着色问题。因此，在第一驱动模式下，光电转换部分PD的饱和电荷量对于每个像素可以是相同的。由于根据第一示例性实施例的成像设备被配置为分开设定每个像素的栅极驱动线PTX3的断开电平电位，因此成像设备可以分开设定每个像素的光电转换部分PD的饱和电荷量。因此，响应于驱动模式切换，控制单元3可以改变每个像素的光电转换部分PD的饱和电荷量。更具体地，当选择第一驱动模式时，控制单元3可以将每个像素的栅极驱动线PTX3的断开电平电位改变为对于每个像素是相同的。如果使每个像素的第一转移开关TX1的控制信号的时序可变并且基于转移次数或转移时序改变栅极驱动线PTX3的断开电平电位，则在成像设备内支持这些改变。
下面将描述第二示例性实施例。下面将仅详细描述与第一示例性实施例的不同之处。与第一示例性实施例类似，在图1中示出了根据第二示例性实施例的成像设备的整体框图。
下面将集中于第二示例性实施例作为示例来描述根据第二示例性实施例的成像设备。图14示出了根据第二示例性实施例的成像设备中的成像区域2中包括的像素的等效电路。如图14中所示的粗线所绘出的，在根据第二示例性实施例的成像设备中，R和B像素的放电开关TX3由相同的线驱动，并且G像素(Gr、Gb)的放电开关TX3由相同的线驱动。在根据第二示例性实施例的成像设备中，如图14中所示，每个像素PIX的放电开关TX3的驱动线根据滤色器CF的类型而弯曲(meander)。栅极驱动线PTX(n)和栅极驱动线PTX(n+2)在区域(未示出)中是相同的。
例如，在图13A至图13E中所示的根据第一示例性实施例的光源下的示例情况中，当拍摄被人眼感知为白色的被摄体时的灵敏度(或白平衡增益)对于R和B像素中的每一个是相同的。因此，如果可以分开调整G像素的光电转换部分PD的饱和电荷量与R和B像素的光电转换部分PD的饱和电荷量，则可以防止着色。换句话说，在这种情况下，即使不能分开调整R像素的光电转换部分PD的饱和电荷量和B像素的光电转换部分PD的饱和电荷量，也可以防止着色。
与图14中所示的电路类似，根据第二示例性实施例的成像设备将用于驱动G像素的放电开关TX3的线和用于驱动R和B像素的放电开关TX3的线分开。该配置使得能够分开调整G、R和B像素之间的放电开关TX3的断开电平电位。根据第二示例性实施例，由于R像素的放电开关TX3和B像素的放电开关TX3由相同的线驱动，因此不能分开调整R和B像素的饱和电荷量。然而，取决于光源，例如，在图13A至图13E中所示的光源下，可以防止着色。
下面将描述第三示例性实施例，作为根据第二示例性实施例的成像设备的另一个示例。图15示出了根据第三示例性实施例的成像设备中的成像区域2中包括的像素的等效电路。如图15中所示，在根据第三示例性实施例的成像设备中，所有G、R和B像素的放电开关TX3由相同的线驱动。栅极驱动线PTX(n)、PTX(n+1)和PTX(n+2)在区域(未示出)中是相同的。
根据第三示例性实施例，通过在像素之间区分设置在放电开关TX3的栅极电极下方的半导体区域的杂质浓度，来在像素之间区分光电转换部分PD的饱和电荷量。
图16是示出根据第三示例性实施例的成像设备的截面结构的示意图。更具体地，图16示出了一个像素的截面。根据本示例性实施例的成像设备的截面结构与图3中所示的根据第一示例性实施例的成像设备的截面结构的不同之处在于，隔着绝缘层(未示出)在放电开关TX3的栅极电极211下方，针对每个像素提供作为单独半导体区域的p型区域214。在根据第三示例性实施例的成像设备中，通过在G、R和B像素之间区分p型区域214的杂质浓度来区分处于断开状态的放电开关TX3的势垒的高度。该配置区分G、R和B像素之间的光电转换部分PD的饱和电荷量，以使每个像素的饱和电荷量的比率与白平衡比率相等。通过这种布置，防止了着色。
下面将描述第三示例性实施例。下面将仅详细描述与第一示例性实施例的不同之处。与第一示例性实施例类似，在图1中示出了根据第三示例性实施例的成像设备的整体框图。
图17示出了根据第三示例性实施例的成像设备中的成像区域2中包括的像素的等效电路。根据第三示例性实施例的成像设备包括正常像素和红外(IR)像素。IR像素是指半导体衬底中的光电转换部分PD的深度大于正常像素的像素，以提供对红外光的高灵敏度。根据第三示例性实施例的成像设备不具有滤色器。除了没有设有滤色器之外，根据第三示例性实施例的成像设备的每个正常像素具有与根据第一和第二示例性实施例的每个像素类似的结构。
如图17中所示，在根据第三示例性实施例的成像设备中，IR像素布置在第n行中，正常像素布置在第(n+1)行中，并且IR像素布置在第(n+2)行中。可以通过从来自相邻行中的IR像素的输出中减去来自正常像素的输出(例如，第n行和第(n+1)行)，来从根据第三示例性实施例的成像设备获得仅包含红外光分量的输出。
图18是示出根据第三示例性实施例的成像设备的截面结构的示意图。更具体地，图18示出了一个IR像素的截面。在正常像素的截面结构中，从图3中所示的结构中去除滤色器CF。代替包括在正常像素中的N型半导体区域202，IR像素包括在半导体衬底中具有大的深度的N型半导体区域216。
(第二比较例)
在描述本示例性实施例的配置和效果之前，下面将描述另一个比较例。在根据第二比较例的成像设备中，正常像素和IR像素具有光电转换部分PD的相同饱和电荷量。图19A至图20D示出了根据第二比较例的成像设备在不同入射光条件下的操作。图19A至图21D类似于图8A至图13E。图19A、图20A和图21A是示出驱动脉冲的时序图。图19B、图20B和图21B示出了入射到成像设备的特定区域的光的光量。图19C、图20C和图21C示出了IR像素的光电转换部分PD的电荷量随时间的改变。图19D、图20D和图21D示出了正常像素的光电转换部分PD的电荷量随时间的改变。
在图19A至图19D中所示的情况下，在第一和第二曝光时段两者中，正常像素和IR像素两者的光电转换部分PD都没有饱和。因此，该帧的来自IR和正常像素的输出的比率与两个像素的灵敏度比率相同。来自IR像素的输出为0.8+0.8＝1.6，来自正常像素的输出为0.5+0.5＝1，并且输出比率(IR像素与正常像素)为1.6：1。
图20A至图20D是示出根据第二比较例的入射光量在第一和第二曝光时段中改变的示例情况的图。在图20A至图20D中所示的情况下，IR像素在第一曝光时段中饱和并且在第二曝光时段中不饱和。另一方面，正常像素在第一和第二曝光时段中不饱和。因此，最终像素输出比率将偏离像素灵敏度比率。由于IR像素的输出为1+0.8＝1.8，并且正常像素的输出为0.875+0.5＝1.375，因此最终像素输出比率(IR像素与正常像素)变为1.8：1.375＝1.309：1，这偏离灵敏度比率1.6：1。如果计算IR像素输出减去正常像素输出，则获得不准确的图像，其包含比在如图19A至图19D中所示的每个曝光时段中IR像素未饱和的情况下的红外光分量更少的红外光分量。更具体地，即使在这种情况下也出现像素输出比率的偏离。
在根据作为第三示例性实施例的示例的第四示例性实施例的成像设备中，光电转换部分PD的饱和电荷量在IR和正常像素之间进行区分。更具体地，成像设备包括第一像素和第二像素，它们各自具有光电转换部分PD的不同饱和电荷量。更具体地，当IR像素的光电转换部分PD的饱和电荷量被设定为1时，正常像素的光电转换部分PD的饱和电荷量被设定为0.625。如图17中所示，通过分别为IR和正常像素提供栅极驱动线PTX3的线并且在IR和正常像素之间区分栅极驱动线PTX3的断开电平电位来实现该配置。
类似于图20A至图20D中所示的情况，图21A至图21D示出了在光量在第一曝光时段中超过IR饱和水平并且在第二曝光时段中变为中间光量的情况下，根据第四示例性实施例的成像设备中的每个像素的电荷量。如上所述，基于灵敏度比率，在IR和正常像素之间区分饱和电荷量。因此，当IR像素在第一曝光时段中饱和时，正常像素也达到设定的饱和量。在第二曝光时段中，IR和正常像素都不饱和。结果，最终输出比率(IR像素与正常像素)变为1.8：1.125＝1.6：1，其不偏离在图19A至图19D中所示的情况下的适当输出比率。
如上所述，在根据第三示例性实施例的成像设备中，在像素之间区分光电转换部分PD的饱和电荷量。该配置使得能够防止在用于获取一帧的曝光时段期间执行从光电转换部分PD到保持部分MEM的电荷转移的全局电子快门操作的情况下的像素输出比率的偏离。
下面将参考图22来描述根据第四示例性实施例的成像系统。图22是示出根据本示例性实施例的成像系统的整体配置的框图。
根据第一至第三示例性实施例的成像设备适用于各种成像系统。这种成像系统的示例不受特别限制，并且包括数字静态相机、数字便携式相机、监视相机、复印机、传真机、移动电话、车载相机和观察卫星。包括光学系统(诸如，透镜)和成像设备的相机模块也包括在成像系统中。图22是作为成像系统的示例的数字静态相机的框图。
如图22中所示，成像系统300包括成像设备100、成像光学系统302、中央处理单元(CPU)310、透镜控制单元312、成像设备控制单元314、图像处理单元316、光圈快门控制单元318、显示单元320、操作开关322和记录介质324。
成像光学系统302形成被摄体的光学图像并且包括透镜组和光圈304。光圈304具有通过调整孔径直径来调整图像拍摄时的光量的功能，以及在静止图像拍摄时使用的曝光时间调整快门的功能。透镜组和光圈304以这样的方式被保持：透镜组和光圈304可以沿光轴方向缩回，从而可以通过透镜组和光圈304的协同操作来实现变焦功能和焦点调整功能。成像光学系统302可以与成像系统300集成，并且可以是可附接到成像系统300的成像透镜。
成像设备100以其成像平面位于成像光学系统302的图像空间中的方式设置。成像设备100是根据第一至第三示例性实施例的成像设备中的任何一个并且包括CMOS传感器(像素区域10)和外围电路(外围电路区域)。在成像设备100中，二维地布置各自具有光电转换部分的多个像素，并且在这些像素中的每一个中设置滤色器以配置二维单板颜色传感器。成像设备100对由成像光学系统302形成的被摄体图像执行光电转换，并输出图像信号和焦点检测信号。
透镜控制单元312控制成像光学系统302的透镜组的向前/向后驱动，以执行变焦操作和焦点调整。透镜控制单元312包括用于实现这些功能的电路和处理单元。光圈快门控制单元318通过改变光圈304的孔径直径(具有可变光圈值)来调整成像光量。光圈快门控制单元318包括用于实现这些功能的电路和处理单元。
CPU 310是用于管理相机主体的各种控制的控制单元，包括计算单元、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、模数(A/D)转换器、数模(D/A)转换器和通信接口电路。CPU310根据保持在ROM中的计算机程序控制相机中的每个部分的操作，以执行一系列成像操作，该一系列成像操作包括包含检测成像光学系统302的聚焦状态(焦点检测)的自动聚焦(AF)、图像拍摄、图像处理和记录。CPU 310还用作信号处理单元。
成像设备控制单元314控制成像设备100的操作，对从成像设备100输出的信号执行A/D转换，并将得到的信号传输到CPU 310。成像设备控制单元314包括被配置为实现这些功能的电路和控制单元。成像设备100可以具有A/D转换功能。图像处理单元316对经历了A/D转换的信号执行诸如伽马转换和颜色插值的图像处理，以产生图像信号。图像处理单元316包括被配置为实现这些功能的电路和控制单元。如上所述，成像系统300包括处理设备，该处理设备包括CPU 310和图像处理单元316。处理设备对从成像设备100输出的成像数据执行各种校正和数据压缩处理。
显示单元320是诸如液晶显示器(LCD)的显示设备，用于显示关于相机的成像模式的信息、图像拍摄之前的预览图像、图像拍摄之后用于检查的图像以及焦点检测时的聚焦状态。操作开关322包括电源开关、释放(成像触发)开关、变焦操作开关和成像模式选择开关。记录介质324记录拍摄的图像，并且可以是内置在成像系统300中的介质或者可以附接到成像系统300和从成像系统300拆卸的诸如存储器卡之类的介质。
利用上述配置，应用了根据第一至第三示例性实施例的成像设备100中的任何一个的成像系统300变得可以实现能够执行高精度焦点调整并获取具有大景深的图像的高性能成像系统。
下面将参考图23A和图23B描述根据第五示例性实施例的成像系统和移动体。图23A和图23B是示出根据本示例性实施例的成像系统和移动体的配置的图。
图23A示出了与车载相机相关的成像系统400的示例。成像系统400包括成像设备410，成像设备410是根据第一至第三示例性实施例的上述成像设备中的任何一个。成像系统400包括：图像处理单元412，用于对由成像设备410获取的多条图像数据执行图像处理；以及视差获取单元414，用于基于由成像设备410获取的多条图像数据来计算视差(视差图像相位差)。成像系统400还包括：距离获取单元416，用于基于计算的视差计算到被摄体的距离；以及碰撞确定单元418，用于基于计算的距离确定碰撞的可能性。视差获取单元414和距离获取单元416是用于获取关于到被摄体的距离的信息的距离信息获取单元的示例。更具体地，关于距离的信息是关于视差、散焦量和到被摄体的距离的信息。碰撞确定单元418可以通过使用这些距离信息来确定碰撞的可能性。距离信息获取单元还可以由专门设计的硬件组件或软件模块来实现。距离信息获取单元还可以由现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)或两者的组合来实现。
与车辆信息获取设备420连接的成像系统400获取包括车辆速度、横摆率和转向角的车辆信息。成像系统400还与控制ECU 430连接，控制ECU 430作为用于基于碰撞确定单元418的确定结果输出用于产生到车辆的制动力的控制信号的控制设备。更具体地，控制ECU430是用于基于距离信息控制移动体的移动体控制单元的示例。成像系统400还与警报设备440连接，警报设备440用于基于碰撞确定单元418的确定结果向驾驶员产生警报。例如，当碰撞确定单元418确定碰撞的可能性高时，控制ECU 430通过施加制动、返回加速器和限制引擎功率来执行用于避免碰撞并减少损坏的车辆控制。警报设备440通过产生诸如声音之类的警报、在汽车导航系统的屏幕上显示警报信息或者振动安全带和转向来警告用户。
根据本示例性实施例，成像系统400拍摄车辆周边的图像，例如车辆前部或后部。图23B示出了用于拍摄车辆前方(成像范围450)的图像的成像系统400。车辆信息获取设备420激活成像系统400并向其传输指令以执行图像拍摄。通过使用根据第一至第三示例性实施例的上述成像设备中的任何一个作为成像设备410，根据本示例性实施例的成像系统400可以进一步改善距离测量的准确性。
尽管上面已经集中于用于避免与其它车辆碰撞的控制的示例描述了本示例性实施例，但是本示例性实施例还适用于跟随另一车辆的自动驾驶控制和用于将车辆保持在车道内的自动驾驶控制。成像系统400不仅适用于诸如汽车的车辆，而且适用于诸如船舶、飞机和工业机器人的其它移动体(移动设备)。另外，成像系统400不仅适用于移动体，而且还适用于智能运输系统(ITS)和利用物体识别的各种设备。
虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最广泛的解释，以包含所有这些修改和等同的结构和功能。

Claims (26)

1.一种成像设备，其特征在于，所述成像设备包括：
多个像素，每个像素包括：光电转换部分，被配置为累积由入射光产生的电荷；保持部分，被配置为保持电荷；放大部分，被配置为输出基于电荷的信号；第一转移开关，被配置为将电荷从光电转换部分转移到保持部分；和第二转移开关，被配置为将电荷从保持部分转移到放大部分；和
输出线，连接到所述多个像素，
其中，
在第一时刻，所述多个像素的光电转换部分开始累积电荷，
从所述第一时刻到第二时刻，所述多个像素中的至少一个像素的第一转移开关保持断开，并且所述多个像素中的所述至少一个像素的光电转换部分累积在第一时段中产生的电荷，所述第一时段开始于所述第一时刻且结束于所述第二时刻，
所述多个像素的第一转移开关被控制为最迟在所述第二时刻从断开转变为导通，
在所述第二时刻之后的第三时刻，所述多个像素的保持部分保持在所述第一时段中在光电转换部分中产生的电荷和在第二时段中在光电转换部分中产生的电荷，所述第二时段开始于所述第二时刻且结束于所述第三时刻，以及
所述多个像素包括第一像素和第二像素，和
所述第一像素的光电转换部分的饱和电荷量不同于所述第二像素的光电转换部分的饱和电荷量。
2.根据权利要求1所述的成像设备，
其中，
所述成像设备拍摄第一帧和所述第一帧之后的第二帧的图像，
对应于所述第二帧的曝光时段包括所述第一时段和所述第二时段，
在所述第一时刻，保持部分保持对应于所述第一帧的电荷，以及
在所述第一时段中，所述多个像素的第二转移开关依次转变为导通，并且所述多个像素的放大部分依次输出信号，使得最迟在所述第二时刻完成要在所述第一帧的图像中使用的信号的输出。
3.根据权利要求1所述的成像设备，还包括：
信号处理单元，被配置为基于多个处理条件中的任何一个对从所述多个像素输出的信号执行信号处理，
其中，在所述信号处理中，应用于从所述第一像素输出的信号的处理条件和应用于从所述第二像素输出的信号的处理条件彼此不同。
4.根据权利要求3所述的成像设备，
其中，
所述信号处理包括用于将信号乘以增益的处理，以及
在所述信号处理中，要与从所述第一像素输出的信号相乘的第一增益和要与从所述第二像素输出的信号相乘的第二增益彼此不同。
5.根据权利要求4所述的成像设备，其中，根据白平衡设定所述第一增益和所述第二增益。
6.根据权利要求4所述的成像设备，
其中，
在所述信号处理中，所述第一增益小于所述第二增益，并且
所述第一像素的光电转换部分的饱和电荷量大于所述第二像素的光电转换部分的饱和电荷量。
7.根据权利要求4所述的成像设备，其中，在所述信号处理中，满足以下公式：
0.7R≤r≤1.3R，
其中r是所述第二增益与所述第一增益的比率，并且R是所述第二像素的光电转换部分的饱和电荷量与所述第一像素的光电转换部分的饱和电荷量的比率。
8.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述第一像素的光电转换部分的饱和电荷量和所述第二像素的光电转换部分的饱和电荷量中的至少任一个被配置为可变的。
9.根据权利要求3所述的成像设备，还包括：
条件设定单元，被配置为设定所述信号处理单元中的所述处理条件，
其中，根据所述条件设定单元对所述处理条件的设定，所述成像设备变化所述第一像素的光电转换部分的饱和电荷量和所述第二像素的光电转换部分的饱和电荷量中的至少任一个。
10.根据权利要求1所述的成像设备，
其中，
所述多个像素中的每一个还包括放电开关，所述放电开关被配置为对在光电转换部分中累积的电荷放电，以及
由所述第一像素的处于断开状态的放电开关提供的势垒的高度不同于由所述第二像素的处于断开状态的放电开关提供的势垒的高度。
11.根据权利要求10所述的成像设备，其中，由所述第一像素的处于断开状态的放电开关提供的势垒的高度和由所述第二像素的处于断开状态的放电开关提供的势垒的高度中的至少任一个被配置为可变的。
12.根据权利要求10所述的成像设备，
其中，
所述放电开关是晶体管，和
由处于断开状态的放电开关提供的势垒的高度根据用于将所述放电开关设定为断开状态的要施加到所述放电开关的栅极的电压而变化。
13.根据权利要求10所述的成像设备，
其中，
所述放电开关是晶体管，和
要施加到所述第一像素的放电开关的栅极的断开电压不同于要施加到所述第二像素的放电开关的栅极的断开电压。
14.根据权利要求10所述的成像设备，
其中，
所述放电开关是晶体管，和
设置在所述第一像素的放电开关的栅极电极下方的半导体区域的杂质浓度不同于设置在所述第二像素的放电开关的栅极电极下方的半导体区域的杂质浓度。
15.根据权利要求1所述的成像设备，
其中，
所述第一像素和所述第二像素中的每一个包括设置在光电转换部分上的滤色器，和
所述第一像素的滤色器的颜色不同于所述第二像素的滤色器的颜色。
16.根据权利要求15所述的成像设备，
其中，
包括在所述第一像素中的滤色器是绿色滤色器，
包括在所述第二像素中的滤色器是红色滤色器或蓝色滤色器，以及
所述第一像素的光电转换部分的饱和电荷量大于所述第二像素的光电转换部分的饱和电荷量。
17.根据权利要求1所述的成像设备，
其中，
所述多个像素中的每一个包括设置在光电转换部分上的滤色器和用于对累积在光电转换部分中的电荷放电的放电开关，
所述多个像素以矩阵形式布置，使得所述第一像素和所述第二像素布置在同一行/列中，
所述第一像素的滤色器的颜色不同于所述第二像素的滤色器的颜色，以及
在所述同一行/列中提供至少两条线，一条线连接到所述第一像素的放电开关，而另一条线连接到所述第二像素的放电开关。
18.根据权利要求1所述的成像设备，
其中，
所述多个像素中的每一个包括在入射光的入射方向上设置在光电转换部分的上游侧的滤色器以及用于对累积在光电转换部分中的电荷放电的放电开关，
具有不同类型的滤色器的像素以矩阵形式布置，并且
基于滤色器的类型，用于所述多个像素中的每一个像素的放电开关的栅极的布线以弯曲方式布置。
19.根据权利要求1所述的成像设备，还包括：
设定单元，被配置为设定白平衡，以及
其中，根据所述白平衡的设定，所述成像设备变化包括在所述第一像素中的光电转换部分的饱和电荷量和包括在所述第二像素中的光电转换部分的饱和电荷量中的至少任一个。
20.一种成像设备，其特征在于，所述成像设备包括：
多个像素，每个像素包括：光电转换部分，被配置为累积由入射光产生的电荷；保持部分，被配置为保持电荷；放大部分，被配置为输出基于电荷的信号；第一转移开关，被配置为将电荷从光电转换部分转移到保持部分；第二转移开关，被配置为将电荷从保持部分转移到放大部分；以及放电开关，被配置为对累积在光电转换部分中的电荷放电；和
输出线，连接到所述多个像素，
在第一时刻，所述多个像素的光电转换部分开始累积电荷，
从所述第一时刻到第二时刻，所述多个像素中的至少一个像素的第一转移开关保持断开，并且所述多个像素中的所述至少一个像素的光电转换部分累积在所述第一时段中产生的电荷，所述第一时段开始于所述第一时刻且结束于所述第二时刻，
所述多个像素的第一转移开关被控制为最迟在所述第二时刻从断开转变为导通，
在所述第二时刻之后的第三时刻，所述多个像素的保持部分保持在所述第一时段中在光电转换部分中产生的电荷和在第二时段中在光电转换部分中产生的电荷，所述第二时段开始于所述第二时刻且结束于所述第三时刻，
所述放电开关是晶体管，以及
用于将第一像素的放电开关设定为断开状态的要施加到所述第一像素的放电开关的栅极的断开电压不同于用于将第二像素的放电开关设定为断开状态的要施加到所述第二像素的放电开关的栅极的电压。
21.根据权利要求20所述的成像设备，
其中，
所述第一像素和所述第二像素中的每一个包括设置在光电转换部分上的滤色器，和
所述第一像素的滤色器的颜色不同于所述第二像素的滤色器的颜色。
22.一种成像设备，其特征在于，所述成像设备包括：
多个像素，每个像素包括：光电转换部分，被配置为累积由入射光产生的电荷；保持部分，被配置为保持电荷；放大部分，被配置为输出基于电荷的信号；第一转移开关，被配置为将电荷从光电转换部分转移到保持部分；第二转移开关，被配置为将电荷从保持部分转移到放大部分；以及放电开关，被配置为对累积在光电转换部分中的电荷放电；和
输出线，连接到所述多个像素，
其中，
在第一时刻，所述多个像素的光电转换部分开始累积电荷，
从所述第一时刻到第二时刻，所述多个像素中的至少一个像素的第一转移开关保持断开，并且所述多个像素中的所述至少一个像素的光电转换部分累积在第一时段中产生的电荷，所述第一时段开始于所述第一时刻且结束于所述第二时刻，
所述多个像素的第一转移开关被控制为最迟在所述第二时刻从断开转变为导通，
在所述第二时刻之后的第三时刻，所述多个像素的保持部分保持在所述第一时段中在光电转换部分中产生的电荷和在第二时段中在光电转换部分中产生的电荷，所述第二时段开始于所述第二时刻且结束于所述第三时刻，
所述放电开关是晶体管，和
设置在第一像素的放电开关的栅极电极下方的半导体区域的杂质浓度不同于设置在第二像素的放电开关的栅极电极下方的半导体区域的杂质浓度。
23.根据权利要求22所述的成像设备，
其中，
所述第一像素和所述第二像素中的每一个包括设置在光电转换部分上的滤色器，和
所述第一像素的滤色器的颜色不同于所述第二像素的滤色器的颜色。
24.一种成像设备，其特征在于，所述成像设备包括：
多个像素，每个像素包括：光电转换部分，被配置为累积由入射光产生的电荷；保持部分，被配置为保持电荷；放大部分，被配置为输出基于电荷的信号；第一转移开关，被配置为将电荷从光电转换部分转移到保持部分；和第二转移开关，被配置为将电荷从保持部分转移到放大部分；和
输出线，连接到所述多个像素，
其中，所述成像设备具有第一驱动模式和第二驱动模式，所述第一驱动模式和所述第二驱动模式能够被切换，
其中，在所述第一驱动模式下，
在第一时刻，所述多个像素的光电转换部分开始累积电荷，
从所述第一时刻到第二时刻，所述多个像素中的至少一个像素的第一转移开关保持断开，并且所述多个像素中的所述至少一个像素的光电转换部分累积在第一时段中产生的电荷，所述第一时段开始于所述第一时刻且结束于所述第二时刻，
在所述第二时刻，所述多个像素的第一转移开关被控制为从断开转变为导通，和
在所述第二时刻之后的第三时刻，所述多个像素的保持部分保持在所述第一时段中在光电转换部分中产生的电荷和在第二时段中在光电转换部分中产生的电荷，所述第二时段开始于所述第二时刻且结束于所述第三时刻，以及
其中，在所述第二驱动模式下，
当用于获取一帧的曝光时段开始时，所述多个像素的光电转换部分开始累积电荷，
从所述曝光时段开始的时刻直到所述曝光时段结束为止，所述多个像素中的所述至少一个像素的第一转移开关保持断开，
当所述曝光时段结束时，所述多个像素的第一转移开关被控制为从断开转变为导通，以及
其中，响应于所述第一驱动模式和所述第二驱动模式之间的切换，改变所述多个像素中的所述至少一个像素的光电转换部分的饱和电荷量。
25.一种成像系统，其特征在于，所述成像系统包括：
根据权利要求1所述的成像设备；和
处理设备，被配置为处理从所述成像设备输出的信号。
26.一种移动体，其特征在于，所述移动体包括：
根据权利要求1所述的成像设备；
距离信息获取单元，被配置为基于从所述成像设备的多个像素输出的信号来获取关于到被摄体的距离的信息；和
控制单元，被配置为基于距离信息来控制所述移动体。
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