TW200841723A - Solid-state imaging device and image capture apparatus - Google Patents

Description

200841723 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於固態成像器件以及影像擷取裝置。本發明 尤其更關於固態成像器件以及影像擷取裝置，其係藉由設 定預定數目個（兩個或兩個以上）列或預定數目個（兩個或兩 個以上）行至一單一群組，順序地讀取用於各群組之信號 電荷。 【先前技術】 在典型由CMOS(互補式金氧半導體）影像感測器代表之 X-Y可定址固態成像器件中，像素可自一像素陣列區段以 列、行或像素之單位選擇，在該像素陣列區段中包括光電 轉換元件之像素係依矩陣形式二維地配置，以致藉由指定 該像素陣列區段中之一任意區域，可部分地切除且讀取該 任思區域中之像素資訊。例如，參考曰本專利申請案公告 第JP 200 1-45383號（專利文件1)。 圖5係用於解釋一先前技術(：]^〇8影像感測器之示意圖， 且圖6係一解釋用於其某一像素之像素電路組態的範例之 不意圖。在此顯示之CMOS影像感測器包括一具有像素1〇J 之像素陣列區段102，像素1〇1包括依矩陣形式二維地配置 之光電轉換元件，一垂直掃描電路1 03 ; 一行電路（信號處 理電路）104 ,· —水平掃描電路105 ; 一水平信號線1〇6 ; 一 輸出電路107 ; —時序產生器（TG) ι〇8及等等。該像素陣 歹J區段亦具有垂直“號線1 〇 9，其係針對各垂直像素行提 供一線。 126273.doc 200841723 各像素101形成一像素電路，其具有（除了光電轉換元件 以外）例如一光二極體11 〇，四個電晶體，例如一傳送電晶 體111、一重設電晶體112、一放大電晶體113及一選擇電 曰曰體114。至於此專電晶體，係使用（例如）n通道m〇s電晶 體0 當向其施加一閘極傳送脈衝TRG時，傳送電晶體111將 一藉由光二極體110光電轉換及儲存在傳送電晶體U1處之 k號電％ (在此係電子）傳送至一浮動擴散（fd)區段115。當 一重设脈衝RST係在自光二極體11 〇傳送信號電荷之前施加 至其閘極時，在FD區段115及一用於一電源供應電壓vdd 之電源供應線間連接的重設電晶體112，會重設FD區段ιΐ5 之一電位。 放大電晶體113在藉由重設電晶體112重設為一重設位準 之後輸出FD區段115之一電位，且另在藉由傳送電晶體⑴ 傳送為一信號位準後輸出FD區段115之一電位。當一選擇 脈衝SEL係施加於選擇電晶體114之閘極時，選^電晶體 114選擇像素1G1，及將順序自放大電晶體⑴供應之重設 位準及信號位準輸出至一對應垂直信號線1〇9。 在此’-在開始儲存信號電荷之前掃除儲存在像素的光 一極體中之不必要電荷的快門操作係藉由將-傳送脈衝 ⑽施加至傳送電晶體111之閘極，且同時-重設脈衝RST 施加至重設電晶體112的閘極來執行。 用於影像感測器之電子快門系統主要 統及一捲動快門（rolHn h 王五、糸 呂Uer)系統。全域快門（global 126273.doc 200841723 shutter)系統在所有像素上同時執行快門操作，而(如圖μ 及7B中顯示）捲動快門系統暫時偏移區域，用於執行從一 區域至另一區域之快門操作。應注意，圖7B顯示快門操作 時序，其水平軸指示時間[H](1H :一水平傳送週期）且垂 直軸指示-列位址，而圖7A代表一在時間n[H]處成為一實 ‘㈣像之狀m C刪類型影㈣測Μ要使用捲 動快門系統。 ,以上所述專利文件1之圖11顯示先前技術CMOS影像感測 H ’其能部分切除且讀取在像素陣列區段中之—任意區域 内的像素資訊。 【發明内容】 另外’ -般係已知當人射在影像感測器上的光極為密集 時，一稱為光暈（blooming)之現象係由於過量產生信號電 荷溢流及自像素茂漏至相鄰像素中而發生。在一同時讀u取 預定數目個（兩個或兩個以上）行或列的影像感測器中當 採用以上所述捲動快門系統時，一由光晕造成之偏移差^ 發生。應注意到在此使用之術語"同時•，並非意指字之嚴瑾 含意中的暫時性同時，而是意指相對於在相同水平傳送週 期内*1買取之列或行的同時性。 、° 將描述-藉由光暈造成發生偏移差之機制。在此提供之 範例為情況⑷，其中兩行係在一設定成一水平傳送週期 之信號電荷儲存週期内同時讀取；及情況(B)，其中兩列 係在-設定成兩水平傳送週期之信號電荷儲存週期内同時 讀取。 、 126273.doc 200841723 A:其中兩列係在-設定成-水平傳送週期之信號電荷 儲存週期内同時讀取的情況 圖8B顯示快門操作時序，其水平軸指示時間[h]且垂直 軸指示一列位址，而圖8A代表一在時間n[H]成為一實體影 像之狀態。在此，若首先關注在時間n[H]處的狀態，此 時，一列（m-2)及一列（m_1}被讀取，且一快門操作係在下 -欲讀取之-列m及-列（m+1)上執行。此時，信號電荷已 從列m以下之該等列讀取，因此在列（仏丨）中無電荷。另 外，快門操作已在列m及列（m+1)上執行，因此在列爪及列 (m+1)中無電荷。 同時，-快門操作尚未在一列（m+2)上執行，因此保持 儲存如（”一圖框”-”211”）一般多之電荷。因此，若有此一光 量以用如(”-圖框一般多之電荷造成光暈，則列㈤ 係無來自垂直相鄰列的光暈，但列（m+l)遭受一來自列 (m+2)的光軍’因此一與光暈之量成比例的偏移保持在列 (m+l)中直至列（m+1)在時間（n+1)[H]處讀取。此導致一在 列m及列(m+i)間之輸出差。應注意即使一光量係如此大以 用如在1[H]中所儲存_般多之電荷造成光暈，列爪具有一 等於如在1 [H]中所儲存_般多之電荷的光暈量，而列 (m+1)具有一如("一圖框，、，，吧一般多之電荷^光暈量， 因此·-偏移差亦發生，且因此出現為一輸出差。 /、中兩列係在一设定成兩水平傳送週期之信號電荷 儲存週期内同時讀取的情況。 圖9B顯不快門操作時序，其水平軸指示時間同及垂直 126273.doc 200841723 軸指示一列位址，而圖9A代表一在時間n[H]成為一實體影 像之狀態。在此，若關注一在時間（η-1)[H]處的狀態，快 門操作係在一於1 [H]前之時間處的列m以下於一列（m· 1)上 執行，因此僅儲存如在1 [H]中所儲存一般多之電荷。一快 門操作係已在列m以上之一列（m+i)上執行，因此在列 (m+1)中無電荷。同時，快門操作尚未在列（m+1)以上之一 列（m+2)上執行’因此在列（m+i)中儲存如（"一圖框"_”2h，，) 一般多之電荷’而一快門操作已在列（m+丨）以下之列m上執 行，因此在列m中無電荷。因此，列m及列（111+1)分别具有 來自其相鄰列之不同光暈量。因此，偏移差發生，其導致 輸出差。 曰本專利申凊案公告第jP 2006-3 10932號提出一種抗光 軍方法，其中一快門操作係在不欲讀取之列上執行，以避 免來自不欲讀取之列的光暈。然而，並未提供對於自一欲 讀取之，至另-欲讀取之列的光暈的考慮。另外，已有許 抗光暈技％其中一浮動擴散區段係持續重設至一電源 供應器或類似者，且p、、由、、s s /¾ /属至该净動擴散區段内之電荷被 放電至電源供應器或類似去 X蝴似#，以減少至相鄰像素之光暈。 然而，在此等技術中，^T· & 4 Λ λ

月b ,、、、法元王消除光暈，且因此將 繼續存在。 W 此外，當光暈發生時，以上 ^ ^ ^ 上所述由於光暈造成之偏移差 卷生在捲動快門系統中。當一 右胜如I止旦^ 1口琥位準係低時（例如在具 有特別大光置之局速快門叙 疋既π動作期間），由光暈 的影響可由視瞢辦、Ψ m 軍座生之偏移 見出’因此可能細 月b、、、工歷一其中列間之感測器 126273.doc 200841723 輸出比與在低速快門動作期間大幅不同的現象。在此一情 況下，由於列間之感測器輸出比係與當執行高速快門動作 時大幅不同，會在實際影像中發生閃爍。 此外，曰本專利申請案公告第JP 2004-111 590號提出又 另一種抗光暈技術，其增加一開關用於在非儲存週期期間 重設一像素的光二極體。為了避免光暈增加新開關對於— 像素之微型化係不利地。

鑑於以上所述情況，需要提供一種固態成像器件以及影 像擷取裝置，其能避免由於光暈造成之偏移，而無須修改 像素電路結構。 在-具體實施例中，本發明提供—種具有_像素陣列區 段之固態成像器件，其中包括光電轉換元件之像素係依一 ㈣=式配置。㈣態影像H件藉由在像素陣列區段中設 定預定數目個（兩個或兩個以上）相鄰列或預定數目個（兩個 或兩個以上）相鄰行成一單一群組，且藉由在儲存信號電 荷前按群組單位施加一快門脈衝中，並按該等群組單位\丨貝 序地讀取信號電荷，來掃除不必要電荷。、 、、且之讀取時序前，—預先快門脈衝係於該快門脈衝前施加 至屬於一後繼群組内且與該先前群組相鄰之至少: =-單—行的像素，以掃除儲存在該等像素中之不^要^ 荷。 在另-具體實施例中，本發明提供_種包括一固態成像 裔件以及-光學系統的影像擷取裝置。該固態成像器件具 有一像素陣列區段，其中包括光電轉換元件之像素係佑1 126273.doc 200841723 矩陣形式配置，藉由在該像素陣列區段中設定預定數目個 (兩個或兩個以上）相鄰列或預定數目個（兩個或兩個以上） 相鄰行成一單一群組，且藉由在儲存信號電荷前按群組單 位施加一快門脈衝中，並按該等群組單位順序地讀取該等 信號電荷，來掃除不必要電荷。該光學系統從一在該固態 成像器件之影像擷取平面上的物件，形成一影像光之今 像。在一用於先前群組之讀取時序前，一預先快門脈衡^ 於該快門脈衝前施加至屬於一後繼群組内且與該先前群組 相鄰之至少一單一列或一單一行的像素，以掃除儲存在該 等像素中之不必要電荷。 在此，藉由在一用於先前群組之讀取時序前，於一快門 脈衝前施加一預先快門脈衝至屬於一後繼群組内且與該先 别群組相鄰之至少一單一列或一單一行的像素，以掃除儲 存在該等像素中之不必要電荷，此可消除光暈或對於屬於 一儲存信號電荷之群組的像素而言，使來自垂直或水平相 鄰像素之光暈量實質上相等。 本發明之此等及其他特徵及態樣係在以下具體實施例詳 述中參考附圖詳盡提出。 【實施方式】 本發明之一具體實施例將參考圖式描述於下，用於理解 本發明。應注意到一根據本發明之具體實施例的固態成像 為件之像素電路結構係類似於先前技術固態成像器件之結 構。 圖1A及1B係用於解釋一根據本發明之具體實施例的固 126273.doc -12- 200841723 恶成像器件之第一範例的圖式，其中圖丨B顯示快門操作時 序，其水平轴指示時間[H]且垂直軸指示一列位址，而圖 1A代表一在時間n[H]處成為一實體影像之狀態。在根據該 第一具體實施例之固態成像器件中，一信號電荷儲存週期 被設定成一水平週期，且該固態成像器件係一同時讀取兩 列的類型（其中將兩相鄰列設定成一單一群組的類型）。 在此’在固態成像器件的第一範例中，除了一在讀取信 號電荷前欲於一係1 [H]之時間處執行的快門操作以外，一 預先快門操作係在快門操作前於一係丨之時間處執行。 明確言之’對於在一時間（n_1)[H]處自其讀取信號電荷之 一列（m-3)及一列（m_4)，一預先快門操作係在一時間（n_ 3)[11]處執行且一快門操作係在一時間（11_2)[11]處執行。同 樣地，對於在時間n[H]處自其讀取信號電荷之一列（m_1}及 一列（m-2)，一預先快門操作係在一時間（n-2)[H]處執行且 一快門操作係在時間（n-l)[H]處執行。此外，對於在一時 間（n+l)[H]處自其讀取信號電荷之一列（m+1)及一列m，一 預先快門操作係在時間（n-l)[H]處執行且一快門操作係在 時間n[H]處執行。此外，對於在一時間（n+2)[H]處自其讀 取信號電荷之一列（m+3)及一列（m+2)，一預先快門操作係 在時間n[H]處執行且一快門操作係在時間（n+1)[H]處執 行。 在固態成像器件之第一範例中，若關注該時間n[H]，則 列m以下之列（m-1)已被讀取，因此無電荷。快門操作已在 列m以上之列（m+i)上執行，因此列m無電荷。另外，快門 126273.doc -13- 200841723 操作已在列（m+1)以上之列（m+2)及列（m+l)以下之列m兩者 上執行，因此此等列無電荷。結果，能夠避免光暈且因此 無偏移發生，故不會有歸因於由於光暈之偏移差的輸出 差。 應注意在一其中電荷在丨[H]内飽和以產生一如此大光量 而造成光暈之情況中，一偏移由於一光暈等於自列（m_ i) 在1 [Η]内所儲存一般多之電荷而在列m中發生，且一偏移 由於一光暈等於自列（111+2)在丨[H]内所儲存一般多之電荷 而在列（m+1)中發生。然而，在此情況下，此等偏移之量 係相等，因而不產生偏移差，故不引入輸出差。 儘管在目前具體實施例中該預先快門操作係於所有列上 執打’僅在列（m+2)上執行一預先快門操作係足以避免光 軍造成偏移差，且只要係關注時間n[H]，預先快門操作無 須用於一列（m+3)。然而，若列彼此之快門操作數目不 同，則光二極體中之列間的重設容量差及列間之經施加負 載差通常可能導致針對各列的偏移，因此較佳係在各列上 執行相同數目之快門操作。此外，儘管於目前具體實施例 中僅在-快門操作之前執行_次預錄門操作，但只要就 特而5不會產生問題’則可執行複數次預先快門操作。 圖2A及2B#用於解釋根據本發明之具體實施例的固態 成像為件之第—範例的圖式，其中圖2_示快門操作時 序，、其水平軸指示時間[H]且垂直軸指示一列位址，而圖 抑代表树間n[H]處成為一實體影像之狀態。固態成像 器件之第二範例包括其中一信號電荷館存週期被設定成兩 126273.doc -14- 200841723 (其中將兩相鄰列 水平週期’且係一同時讀取兩列的類型 設定成一單一群組的類型）。 固態成像器件之第二範例中，除 、 现w τ除了 一在讀取信號電荷前 欲於2 [H]之時間處執行的快門择作 少 T岡厌門栎作以外，一預先快門操作 係在快Η操作前於—係2[η]之時間處執行。明確言之，對 於在一時間(η])[Η]處自其讀取信號電荷之一列(m_3)及一 列(:4)，一預先快門操作係在一時間卜5_(未顯示）處 執订’且一快門操作係在一時間㈤）[H]處執行。另外， 對於在時間n[H]處自其讀取信號電荷之一列（m-1)及一列 (m-2) ’ 一預先快門操作係在一時間（η_4)[Ήκ未顯示）處執 灯，且一快門操作係在一時間（n-2)[H]處執行。再者，對 於在一時間（n+l)[H]處自其讀取信號電荷之一列（m+1)及一 列πι，一預先快門操作係在時間（η·3)[Η]處執行且一快門操 作係在一時間（η_1)[Η]處執行。此外，對於在一時間 (η+2)[Η]處自其讀取信號電荷之一列（m+3)及一列（m+2)， 一預先快門操作係在時間（n_2)[H]處執行且一快門操作係 在時間n[H]處執行。 在固態成像器件之第二範例中，類似以上所述固態成像 器件之第一範例，來自在受關注之一列以上及以下之列的 光暈被消除，或即使確實發生光暈，偏移量係實質上相 等’因而不產生偏移差，且不引入一輸出差。 圖3 A及3B係用於解釋根據本發明之具體實施例的固態 成像器件的第三範例之圖式，其中圖3B顯示快門操作時 序，其水平軸指示時間[H]且垂直軸指示一列位址，而圖 126273.doc -15- 200841723 3A代表一在時間n[H]處成為一實體影像之狀態。固態成像 器件之第三範例包括其中一信號電荷儲存週期被設定成一 水平週期，其係一同時讀取三列的類型（其中將三相鄰列 設定成一單一群組的類型）。 在此，固態成像器件之第三範例中，除了 一在讀取信號 電荷前欲於1[H]之時間處執行的快門操作以外，一預先快 門操作係在快門操作前於一係1[H]之時間處執行。明確言 之，對於在一時間（n-l)[H]處自其讀取信號電荷之一列（m_ 2)、一列（m-3)及一列（m-4)，一預先快門操作係在一時間 (n-3)[H]處執行且一快門操作係在時間一（n_2)[H]處執行。 另外’對於在時間n[H]處自其讀取信號電荷之一列 (m+1)、一列m及一列（m_1}，一預先快門操作係在時間（心 2)[H]處執行且一快門操作係在時間（n-1)[H]處執行。再 者，對於信號電荷在一時間（n+l)[H]處自其讀取之一列 (m+4)(未顯示）、一列（m+3)及一列（m+2)，一預先快門操 作係在時間（n-l)[H]處執行且一快門操作係在時間“印處 執行。 在固態成像器件之第三範例中，類似以上所述固態成像 器件之第一及第二範例，來自在受關注之一列以上及以下 之列的光暈被消除，或即使確實發生光暈，偏移量係實質 上相等，因而不產生偏移差，且不引入一輸出差。 圖4A及4B係顯示有關一由於在1 [η]内儲存期間之光暈 產生之偏移差及預先快門操作之效應的實驗結果。圖4八及 4 B中所示之此荨實驗結果係從在一設定成一水平週期之作 126273.doc -16- 200841723 號電荷儲存週期内同時讀取兩列的固態成像器件類型獲 付，且指不在1[H]内儲存期間來自列m及（m+l)之感測器輸 出如何取決於光量。 如圖4A及4B中亦顯示，若不執行預先快門操作，光暈 之影響隨著光量增加而增加。因此，應理解一在列⑺及列 (m+1)間之偏移差會增加。同時，若執行一預先快門操 作，即使當光量增加時，光暈之影響能藉由預先快門操作 避免，因此無偏移差發生。 在以上所述減本發明具时施狀_成像器件中， 可避免由於列間之光暈造成的偏移差而無須修改其像素電 路組態。 此外，執行-預先快門操作量來執行兩個或兩個以上之 快門操作Η專統快門操作加上一預先快門操作），因此其 亦可預期減少由具有缺點的重設操作造成之像素的光二極 體之不適當重設。 應注意術語” 一光二極》夕尤、ώ Α丄 桂體之不適當重設"指其中該光二極 體在一快門操作期間未完全重 °又之現象，因此一電荷被留 在八内’且在下一讀取操作期 呆卞^間該電荷出現成為一偏移， 因=生不適當像素信號。若執行一預先快門操作，即使 體不適當重設(因為其電晶體由於其製造中之 尤…… 里)之像素亦可維持此-重設位準而 不在其特性中造成問題，因 U此此預期改進良率。 在以上所述根據本發明具 P y、+、* I 、 體實^例之固態成像器件中， 已描述其中將複數個列設定 w 為早一群組的範例。然而，另 126273.doc 200841723 可將複數個行設定為一單一群組。 在根據本發明具體實施例之固態成像器件以及影像擷取 裝置中，可消除光暈，或對於屬於一儲存信號電荷之群組 的像素而言，使來自垂直或水平相鄰像素之光暈量實質上 相等。因此，能避免由於光暈造成之偏移。 鉻知此項技術者應明白可根據設計要求及其他因素進行 各種修改、組合、子組合及變更，只要其係在所附申請專 利範圍或其等效内容的範疇内即可。 【圖式簡單說明】 圖1A及1B係用於解釋根據本發明之一具體實施例的固 悲成像器件之範例的圖式； 圖2A及2B係用於解釋根據本發明之一具體實施例的固 態成像器件之另一範例的圖式； 圖3A及3B係用於解釋根據本發明之一具體實施例的固 態成像器件之又另一範例的圖式； 、圖4A及4B係顯示有關一由於在1[H]内實際儲存期間之 光暈產纟之偏移差及一預先快門操作的效應之實驗結果圖 形； 圖5係一用於解釋先前技術CM〇s影像感測器之示意圖； 圖6係一用於解釋對於某一像素之像素電路組態的範例 之不意圖， 圖7A及7B係用於解釋一捲動快門系統之圖式； 圖8A及8B係用於解釋一藉由其發生由於光暈之偏移差 的機制之第一圖式；及 126273.doc -18· 200841723 圖9A及9B係用於解釋一藉由其發生由於光暈之偏移差 的機制之第二圖式。 【主要元件符號說明】 101 像素 102 像素陣列區段 103 垂直掃描電路 104 行電路/信號處理電路 105 水平掃描電路

106 水平信號線 107 輸出電路 108 時序產生器（TG) 109 垂直信號線 110 光二極體 111 傳送電晶體 112 重設電晶體 113 放大電晶體 114 選擇電晶體 115 浮動擴散（FD)區段 126273.doc •19-

Claims (1)

1. 200841723 十、申請專利範圍·· I · 一種固態成像器件，其： ^具有一像素陣列區段，其中包括光電轉換元件之像素 係依一矩陣形式配置；及 、 、藉由在該像料列區段巾設^預定數目個㈤個或兩個 ^上）相鄰列或預定數目個（兩個或兩個以上）相鄰行成— 早一群組，且藉由在错存信號電荷前按群組單位施加一 =門脈衝’並按該等群組單位順序地讀取該等信號電 何’來掃除不必要電荷，其中·· 用於-先前群組之讀取時序前，一預先快門脈衝 係於該快Η脈衝前施加至屬於—後料組内且與該先前 群組相鄰之至少一單一列或一 ^早仃的像素，以掃除儲 存在該等像素中之不必要電荷。 2. 3. 中該預先快門脈衝係在 施加至該後繼群組内的 如請求項1之固態成像器件，其 用於該先前群組之該讀取時序前 所有像素。 一種影像擷取裝置，其包括： 、，一固態成像器件，其具有—像素陣列區段，其中包括 光電轉換70件之像素係依_矩陣形式配置，且藉由在該 像素陣列區段中設定 浪疋歎目個（兩個或兩個以上）相鄰 列或預定數目個（兩個或兩侗 、 4 ^個以上）相鄰行成一單一群 組’並精由在儲存信赛义 就電何則按群組單位施加一快門脈 衝，且按該等群組單位庠 員序地碩取該等信號電荷，來掃 除不必要電荷；及 126273.doc 200841723 一光學系統，其係用於從一在該固態成像器件之一影 像操取平面上的物件形成影像光之一影像，其中： ^在一用於一先前群組之讀取時序前，一預先快門脈衝 係於該快門脈衝前施加至屬於一後繼群組内且 群組相鄰之至少一單一列或_ , 先則 平 ν 4 早一仃的像素，以德 存在該等像素中之不必要電荷。 示儲

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