TWI497996B - Solid-state imaging device - Google Patents
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Description
本發明係關於可提高圖像品質之固體攝像裝置者。
專利文獻1~3中，揭示有具備含2維排列之複數個像素部之攝像區域之固體攝像裝置。
專利文獻1所記載之固體攝像裝置係具備與每個攝像區域之行對應之複數個端口(輸出用放大部)之多端口讀出型固體攝像裝置，其目的係補償在各端口讀出之攝像區域之交界的行間之輸出的偏差。該固體攝像裝置中，對與各端口對應之攝像區域之交界的1行輸入基準信號，基於該基準信號而補償各端口間之輸出信號之偏移偏差及增益偏差。
專利文獻2所記載之固體攝像裝置，於同一基板上具備光學黑色單元及成飽和位準之基準之光白單元。該固體攝像裝置使用來自光白單元之輸出信號而判斷有效像素是否為飽和位準。
專利文獻3所記載之固體攝像裝置基於實質暗狀態下固體攝像元件(像素部)之輸出之重置信號而改變輸出放大部之益處。該固體攝像裝置基於重置信號位準越高之固體攝像元件感度越低之傾向，補償由於固體攝像元件之特性偏差所導致之輸出信號之偏移偏差及增益偏差。
專利文獻1：日本特開2003-009005號廣報
專利文獻2：日本特開平10-12857號廣報
專利文獻3：日本特開2002-044370號廣報
但，對攝像區域逐行進行圖像讀出處理之情形會有直紋產生。此認為係輸出信號之偏移偏差及增益偏差之故，如專利文獻1所記載之固體攝像裝置，補償攝像區域之交界的行間之輸出信號之偏移偏差及增益偏差實為重要。
但，根據專利文獻1所記載之固體攝像裝置，由於對攝像區域之交界之1行供給基準電壓，因此可知其為於攝像動作前預先取得修正資料，而於該攝像動作全程中使用該修正資料者。但，攝像動作開始後溫度有變動，以預先取得之修正資料無法完全修正。
另，專利文獻3所記載之固體攝像裝置中，重置時亦設定有輸出用放大部之偏移及增益，因此攝像動作開始後一旦溫度改變則修正將難以充分進行。另，由於從重置位準間接地設定輸出用放大部之增益，因此修正對重置位準與增益無關之部份無效。
另一方面，根據專利文獻2所記載之固體攝像裝置，可於攝像動作中獲得規定來自光學黑色單元之暗位準之信號，及規定來自光白單元之飽和位準之信號，但規定暗位準之信號與規定飽和位準之信號中，充分修正增益偏差較困難。
因此，本發明之目的係提供一種可即時修正對攝像區域之輸出信號之偏移偏差及增益偏差之固體攝像裝置。
本發明之固體攝像裝置，其係2維排列有包含光電轉換元件及放大該光電轉換元件之輸出信號之像素部用放大部之像素部者，且具備：至少1列光學黑色部，其具有與像素部相同之光電轉換元件及像素部用放大部，且具有被覆該光電轉換元件之遮光膜；及至少1列光學灰色部，其具有輸入基準電壓之與像素部相同之像素部用放大部；基準電壓之值小於飽和狀態下之光電轉換元件之輸出信號之值。
根據該固體攝像裝置，光學黑色部產生暗狀態時之像素部之輸出信號，光學灰色部產生暗狀態與飽和狀態下之中間狀態時之像素部之輸出信號。即，利用光學灰色部產生像素部之動態範圍內之輸出信號。由於該等光學黑色部及光學灰色部位於各行至少各一個，因此例如逐行依序讀出之情形，於每次讀出可連同像素部之輸出信號一起獲得暗狀態下之輸出信號與動態範圍內之輸出信號。因此可即時修正對複數個像素部之輸出信號之偏移偏差及增益偏差。
上述固體攝像裝置較佳進而具備修正電路，其使用光學黑色部之輸出信號與光學灰色部之輸出信號，修正來自像素部之輸出信號。
根據該構成，修正電路基於光學黑色部之輸出信號，可固定地修正依序輸入之來自像素部之輸出信號之偏移值，
且基於光學黑色部之輸出信號與光學灰色部之輸出信號2個值，可固定地修正依序輸入之對來自像素部之輸出信號之增益。其結果，可獲得修正有偏移偏差及增益偏差之輸出信號。
本發明之另一固體攝像裝置係2維排列有包含光電轉換元件及放大該光電轉換元件之輸出信號之像素部用放大部之像素部者，且具備複數個光學灰色部，其具有輸入基準電壓之與像素部相同之像素部用放大部，前述基準電壓之值小於飽和狀態下之光電轉換元件之輸出信號之值，且每列各不相同。
根據該另一固體攝像裝置，光學灰色部在暗狀態與飽和狀態之中間狀態下，產生複數個不同中間狀態時之像素部之輸出信號。即，利用光學灰色部而產生像素部之動態範圍內之複數個輸出信號。由於該等光學灰色部在各行位有複數個，因此例如逐行依序讀出之情形，於每次讀出可連同像素部之輸出信號一起獲得動態範圍內之複數個輸出信號。因此可即時修正對複數個像素部之輸出信號之偏移偏差及增益偏差。
上述另一固體攝像裝置較佳進而具備修正電路，其使用複數列光學灰色部之輸出信號，修正來自像素部之輸出信號。
根據該構成，修正電路基於複數個光學灰色部之輸出信號，可固定修正依序輸入之來自像素部之輸出信號之偏移值，且基於複數個光學灰色部之輸出信號，可固定修正依
序輸入之對來自像素部之輸出信號之增益。其結果，可獲得修正有偏移偏差及增益偏差之輸出信號。
另，上述固體攝像裝置及另一固體攝像裝置較佳進而具備可變電壓產生部，其產生基準電壓且改變該基準電壓。
根據該構成，不同值之複數個基準電壓輸入於光學灰色部之像素部用放大部，因此利用光學灰色部可產生像素部中動態範圍內之複數個輸出信號。其結果，可使用複數個修正值修正增益偏差，可更高精度地修正增益偏差。尤其增益特性為非線形之特性時亦可使用多點之修正值而修正增益偏差。
上述光學灰色部進而較佳具備與像素部用放大部之輸入側串聯連接之電容元件，且基準電壓較佳為脈衝電壓。
例如，固體攝像裝置中，具備CDS(Correlated Double Sampling：相關雙採樣)電路，基於相關雙採樣法而除去雜音。但，若對光學灰色部供給直流基準電壓，則CDS電路中除去重置時之雜音較困難。
但，根據該構成，由於供給於光學灰色部之電壓為脈衝電壓，因此利用CDS電路可除去重置時之雜音。
上述固體攝像裝置中，較佳將由像素部、光學黑色部及光學灰色部2維排列而成之攝像區域於列方向分成m個塊(m為2以上之整數)，且進而具備m個修正電路，其分別接收來自攝像區域中m個塊之輸出信號，使用光學黑色部之輸出信號與光學灰色部之輸出信號，修正來自像素部之輸出信號。
另，上述另一固體攝像裝置中，較佳將由像素部及複數列光學灰色部2維排列而成之攝像區域於列方向分成m個塊(m為2以上之整數)，且進而具備m個修正電路，其分別接收來自攝像區域中m個塊之輸出信號，使用複數列光學灰色部之輸出信號，修正來自像素部之輸出信號。
根據該等構成，m個修正部以使各輸出信號之偏移及增益固定之方式，逐塊地進行相同之修正處理，因此可即時修正可能在塊間產生之輸出信號之偏移偏差及增益偏差。
根據本發明，可即時修正對固體攝像裝置之攝像區域之輸出信號的偏移偏差及增益偏差。
以下，參照附圖詳細說明本發明之較佳實施形態。再者，各附圖中對同一或相當之部份附加同一符號。
圖1係本發明之第1實施形態之固體攝像裝置之電路圖。圖1所示之固體攝像裝置1具備受光部10、行並列輸出部20、放大部30、修正部40、列選擇部50、及行選擇部60。
受光部10係用以攝像入射之光之像者，複數個像素部P(x、y)具有複數個光學黑色部(以下稱OB部)Pob(x、y)、及複數個光學灰色部(以下稱OG部)Pog(x、y)。
複數個像素部P(x、y)於列方向及行方向2維排列。各像素部P(x、y)具有共同之構成，具有產生對應於入射光量之量的電荷之光電二極體、及放大對應於該電荷之電壓之像素內放大部。
複數個OB部Pob(x、y)以包圍2維排列之像素部P(x、y)之方式而排列。各OB部Pob(x、y)具有共同之構成，具有與像素部P(x、y)相同之構成。另，各OB部Pob(x、y)具有被覆光電二極體之遮光膜。
複數個OG部Pog(x、y)以於行方向夾持2維排列之像素部P(x、y)及OB部Pob(x、y)之方式排列於列方向。各OG部Pog(x、y)具有共同之構成，具有與像素部P(x、y)相同之像素內放大部。於該像素內放大部之輸入端子輸入有基準電壓。
如此構成之受光部10根據從列選擇部50輸出之控制信號(後述之Vreset(y)信號、Vtrans(y)信號、及Vshift(y)信號)，進行從光電二極體向像素內放大部之電荷之像素內傳送，或從像素內放大部向行並列輸出部20之電荷之傳送。
行並列輸出部20具備具有共同的構成之複數個保持部H(x)。複數個保持部H(x)中之第x個保持部與像素部P(x、y)中之第x之1行之像素部連接。保持部H(x)依序接收從所連接之1行之像素部P(x、y)傳送之電壓，並保持該電壓值。另，保持部H(x)可保持表示重疊有雜音成分之信號成分之電壓值，且亦可保持表示雜音成分之電壓值。保持部H(x)根據來自行選擇部60之控制信號(後述之set_s(x)信號、set_n(x)信號、及Hshift(x)信號)，控制保持時序及讀出時序。
放大部30依序接收從行並列輸出部20、即從複數個保持部H(x)讀出之電壓，並放大該等電壓值。此時，放大部30將從信號成分除去雜音成分之輸出信號向修正部40輸出。
修正部40使用來自OB部Pob(x、y)之輸出信號與來自OG部Pog(x、y)之輸出信號，修正來自像素部P(x、y)之輸出信號之電壓值。
接著，針對受光部10中之像素部P(x、y)、OB部Pob(x、y)及OG部Pog(x、y)、行並列輸出部20中之保持部H(x)、放大部30、修正部40進行詳細說明。
圖2係像素部P(x、y)之電路圖。圖2中以複數個像素部P(x、y)為代表而顯示第x行y列之像素部P(x、y)。像素部P(x、y)係採用APS(Active Pixel Sensor：主動像素感測器)方式，且具有光電二極體PD(x、y)、MOS電晶體(x、y)、Tr(x、y)、Ta(x、y)、Tamp(x、y)。此處，電晶體Tamp(x、y)係上述像素內放大部。
於光電二極體PD(x、y)之陰極，經由像素內傳送用電晶體Tt(x、y)及電晶體Tr(x、y)輸入有基準電壓Vr1，陽極接地。像素內傳送用電晶體Tt(x、y)與電晶體Tr(x、y)間之節點與放大用電晶體Tamp(x、y)之閘極連接。對放大用電晶體Tamp(x、y)之漏極輸入基準電壓Vr2，源極經由傳送用電晶體Ta(x、y)與配線Hline(x)連接。
於電晶體Tt(x、y)之閘極輸入Vtrans(y)信號，於電晶體Tr(x、y)之閘極輸入Vreset(y)信號。另，於電晶體Ta(x、y)之閘極輸入Vshift(y)信號。該等Vtrans(y)信號、Vreset(y)信號及Vshift(y)信號係從列選擇部50供給。
Vtrans(y)信號成高位準時，進行對應外部光亮產生於光電二極體PD(x、y)之電荷向放大用電晶體Tamp(x、y)之閘極電容(電荷蓄積部)傳送之電荷之像素內傳送。並且，Vshift(y)信號成高位準時，對應蓄積於放大用電晶體Tamp(x、y)之閘極電容之電荷量之電壓值作為信號成分向配線Hline(x)輸出。再者，為從像素部P(x、y)向配線Hline(x)輸出噪音成分，而使Vtrans(y)信號為低位準，使Vreset(y)暫時為高位準，重置放大用電晶體Tamp(x、y)之閘極電容之電壓後，使Vshift(y)信號為高位準即可。
此處，電晶體Ta(x、y)打開之狀態下，藉由像素內傳送用電晶體Tt(x、y)關閉/打開，蓄積於光電二極體PD(x、y)之電荷傳送/保持於放大用電晶體Tamp(x、y)之閘極電容。此時，光電二極體PD(x、y)中開始下一個蓄積。藉此，可實現大致同時進行在所有像素部之蓄積之開始、結束之全局快門模式之動作。
接著，針對OB部Pob(x、y)進行說明。OB部(x、y)於圖2所示之像素部P(x、y)中進而具有遮光膜。例如該遮光膜於OB部Pob(x、y)中被覆有光電二極體PD(x、y)。藉此，OB部Pob(x、y)將輸出相當於像素部P(x、y)之暗狀態之暗信號。
此處，一般受光區域之像素中在相當於光電二極體PD之區域產生之電荷向周圍擴散，對鄰接像素之正確信號帶來影響。為防止此，OB部Pob(x、y)配置於像素部P(x、y)之周邊部。
圖3係OG部Pog(x、y)之電路圖。圖3係以複數個OG部Pog(x、y)為代表顯示第x行y列之OG部。
OG部Pog(x、y)於像素部P(x、y)中不具備光電二極體PD(x、y)，輸入有作為基準電壓Vdc之定電壓。基準電壓Vdc經由電晶體Tt(x、y)而輸入於放大用電晶體Tamp(x、y)之閘極。該基準電壓Vdc之值設定成像素部P(x、y)中光電二極體PD(x、y)為暗狀態時之輸出值與飽和時之輸出值之中間位準。即，基準電壓Vdc之值設定成像素部P(x、y)中光電二極體PD(x、y)之動態範圍內之輸出值。藉此，OG部Pog(x、y)將輸出相當於像素部P(x、y)之動態範圍內之狀態之中間信號。
圖4係保持部H(x)之電路圖。圖4係以複數個保持部H(x)為代表顯示第x個保持部。
保持部H(x)具有用以保持從像素部P(x、y)、OB部Pob(x、y)及OG部Pog(x、y)輸出之信號成分之電容元件Cs(x)，及開關SWs1(x)、SWs2(x)。另，保持部H(x)具有用以保持從像素部P(x、y)、OB部Pob(x、y)及OG部Pog(x、y)輸出之噪音成分之電容元件Cn(x)，及開關SWn1(x)、SWn2(x)。另，保持部H(x)具有定電流源I(x)。
開關SWs1(x)與SWs2(x)串聯連接於配線Hline(x)與配線out_s之間。在開關SWs1(x)與SWs2(x)間之節點，連接有電容元件Cs(x)之一端，電容元件Cs(x)之另一端接地。同樣，開關SWn1(x)與SWsn2(x)連接於配線Hline(x)與配線out_n之間。在開關SWn1(x)與SWn2(x)間之節點，連接有電容元件Cn(x)之一端，電容元件Cn(x)之另一端接地。
開關Sws1(x)根據Set_s(x)信號而開閉，開關Swn1(x)根據Set_n(x)信號而開閉。另，開關Sws2(x)、Swn2(x)根據Hshift(x)信號而開閉。Set_s(x)信號、set_n(x)信號、Hshift(x)信號係從行選擇部60供給。
定電流源I(x)與配線Hline(x)連接。如此，定電流源I(x)不僅設於像素部P(x、y)、OB部Pob(x、y)及OG部Pog(x、y)之輸出段，還設於保持部H(x)之輸入段，藉此，於像素部P(x、y)、OB部Pob(x、y)及OG部Pog(x、y)與保持部H(x)間授受電流信號。電流信號與電壓信號相比，由於配線等之電容之信號劣化較少，因此根據該構成，可降低因配線Hline(x)等之電容之信號劣化。
該保持部H(x)中，藉由開關SWs1(x)根據set_s(x)信號而關閉/打開，從像素部P(x、y)、OB部Pob(x、y)及OG部Pog(x、y)輸出之信號成分蓄積/保持於電容元件Cs(x)。並且，開關SWs2(x)根據Hshift(x)信號而關閉時，利用電容元件Cs(x)保持之電壓值向配線out_s輸出。另一方面，藉由開關SWn1(x)根據set_n(x)信號而關閉/打開，從像素部P(x、y)、OB部Pob(x、y)及OG部Pog(x、y)輸出之噪音成分蓄積/保持於電容元件Cn(x)。並且，開關SWn2(x)根據Hshift(x)信號而關閉時，利用電容元件Cn(x)保持之電壓值向配線out_n輸出。
圖5係放大部30之電路圖。放大部30具有放大器As、An、差動放大器Asn、開關SWs、SWn、及電阻元件R1~R4。
放大器As之輸入端子與配線out_s連接，輸出端子介以電阻元件R1而與差動放大器Asn之反轉輸入端子連接。同樣，放大器An之輸入端子與配線out_n連接，輸出端子介以電阻元件R2而與差動放大器Asn之非反轉輸入端子連接。差動放大器Asn之非反轉輸入端子介以端子元件R3而接地，於差動放大器Asn之非反轉輸入端子，輸入將放大器An之輸出信號以電阻元件R2、R3之串聯電路分壓之電壓。另，於差動放大器Asn之輸出端子與反轉輸入端子間連接有返還用電阻元件R4，差動放大器Asn之輸出端子與影像輸出配線Videol連接。
另，於放大器As、An之輸入端子與接地電位間分別連接有開關SWs、SWn。開關SWs、SWn根據Hreset信號而開閉。開關SWs、SWn關閉時，各放大器As、An之輸入端子被重置。
開關SWs、SWn正打開時，接收從保持部H(x)輸出之信號成分及噪音成分，輸出利用差動放大器Asn除去噪音成分之信號成分。
圖6係修正部40之電路圖。修正部40具有記錄部41與運算部42。記錄部41記錄來自OB部Pob(x、y)之暗信號之值、及來自OG部Pog(x、y)之中間信號之值，且將該值向運算部42輸出。運算部42使用來自OB部Pob(x、y)之暗信號之值、及來自OG部Pog(x、y)之中間信號之值，修正像素部P(x、y)之輸出值。
圖7係顯示利用修正部40之修正處理之概念圖。圖7(a)係不同之行，顯示例如像素部P(3、3)與像素部P(4、3)2個修正前之輸出輸入特性，圖7(b)係顯示該等像素部P(3、3)及像素部P(4、3)修正後之輸出輸入特性。例如運算部42基於來自記錄於記錄部41之OB部Pob(3、2)之暗信號之值，以偏移值成固定之方式，即以輸出輸入特性之偏移值A成固定之方式，修正像素部P(3、3)之輸出值。另，運算部42基於記錄於記錄部41之來自OB部Pob(3、2)之暗信號之值與來自OG部Pog(3、1)之中間信號之值之該2個值，以增益成固定之方式，即以輸出輸入特性之傾向B成固定之方式，修正像素部P(3、3)之輸出值。另，運算部42基於記錄於記錄部41之來自OB部Pob(4、2)之暗信號之值，以偏移值成固定之方式，即以輸出輸入特性之偏移值A成固定之方式，修正像素部P(4、3)之輸出值。另，運算部42基於記錄於記錄部41之來自OB部Pob(4、2)之暗信號之值，與來自OG部Pog(4、1)之中間信號之值之此2個值，以增益成固定之方式，即以輸出輸入特性之傾向B成固定之方式，修正像素部P(4、3)之輸出值。
接著，說明本實施形態之固體攝像裝置1之動作。圖8係顯示固體攝像裝置1之各信號波形之時序圖。圖8係顯示例如讀出第y列時之各信號波形，該動作對各列依序重複。
如圖8所示，Vshift(y)信號成高位準後，若Vshift(y)信號、Vreset(y)信號、set_n(x)信號依序成高位準，則第y列
之像素部P(x、y)、來自OB部Pob(x、y)及OG部Pog(x、y)之噪音成分蓄積於保持部H(x)之電容元件Cn(x)中。
接著，Vtrans(y)信號成高位準時，從像素部P(x、y)及OB部Pob(x、y)中之光電二極體PD(x、y)向放大用電晶體Tamp(x、y)之閘極電容進行電荷之像素內傳送。另，OG部Pog(x、y)中，向放大用電晶體Tamp(x、y)之閘極電容供給基準電壓Vdc。其後，set_s(x)信號成高位準時，從像素部P(x、y)、OB部Pob(x、y)及OG部Pog(x、y)中之放大用電晶體Tamp(x、y)向保持部H(x)之電容元件Cs(x)進行電荷之傳送。該等動作從第1行至第x行同時進行。
接著，Hshift(1)~Hshift(x)依序成高位準時，保持部H(1)~H(x)中來自電容元件Cs(1)~Cs(x)之信號成分於放大部30依序讀出，且來自電容元件Cn(1)~Cn(x)之噪音成分於放大部30依序讀出。於是藉由放大部30可除去來自信號成分之噪音成分並依序輸出。
其後，修正部40中，來自OB部Pob(x、y)之暗信號及來自OG部Pog(x、y)之中間信號記錄於記錄部41。並且，運算部42中，基於記錄於記錄部41之來自該等OB部Pob(x、y)之暗信號及來自OG部Pog(x、y)之中間信號，以輸出信號之偏移及增益成固定之方式，修正依序輸入之像素部P(x、y)之輸出值。
如此，根據第1實施形態之固體攝像裝置1，OB部Pob(x、y)產生暗狀態時之像素部P(x、y)之輸出信號，OG部Pog(x、y)產生暗狀態與飽和狀態之中間狀態時之像素
部P(x、y)之輸出信號。即，利用OG部Pog(x、y)，產生像素部P(x、y)中動態範圍內之輸出信號。該等OB部Pob(x、y)及OG部Pog(x、y)位於各行至少各一個，因此例如逐行依序讀出之情形，於每次讀出可連同像素部P(x、y)之輸出信號一起獲得暗狀態下之輸出信號與動態範圍內之輸出信號。因此，可即時修正對複數個像素部P(x、y)之輸出信號之偏移偏差及增益偏差。其結果，可對可能在行間產生之攝像區域修正該等偏差，而可降低可能在影像之行的交界產生之直紋。即，可提高圖像之畫質。
另，根據第1實施形態之固體攝像裝置1，由於利用OG部Pog(x、y)而產生像素部P(x、y)中動態範圍內之輸出信號，因此可高精度地修正增益偏差。
如上述，根據第1實施形態之固體攝像裝置1，從配置於像素部P(x、y)周圍之OB部Pob(x、y)及OG部Pog(x、y)獲得修正資料，因此可與攝影同時獲得修正資料，可即時修正。其結果，攝影前無需要攝影完全暗之圖像，無需進入均一光攝影圖像，可簡單地進行初期修正。
圖9係本發明之第2實施形態之固體攝像裝置之電路圖。圖9所示之固體攝像裝置1A於固體攝像裝置1中進而具備可變電壓產生部70之構成而與第1實施形態不同。固體攝像裝置1A之其他構成與固體攝像裝置1相同。
圖10係可變電壓產生部70之電路圖。該可變電壓產生部70例如具有產生各自不同之基準電壓之3個基準電壓產生
器71~73，及將該等基準電壓產生器71~73之輸出電壓依序作為基準電壓Vdc輸出之選擇器74。選擇器74具有與各基準電壓產生器71~73串聯連接之3個開關74a~74c，藉由依序關閉該等開關74a~74c，而對OG部Pog(x、y)供給3個基準電壓Vdc。
圖11係顯示使用可變電壓產生部70之修正處理之概念圖。如圖11所示，OG部Pog(x、y)中，基於依序供給之3個基準電壓Vdc，輸出像素部P(x、y)之動態範圍內之不同的3個中間信號。修正部40中，基於該等動態範圍內之3個修正資料，及來自OB部Pob(x、y)之暗狀態之修正資料，以增益成固定之方式修正像素部P(x、y)之輸出值。
如此，根據第2實施形態之固體攝像裝置1A，可使用多點修正進行增益偏差之修正，因此可更高精度地修正增益偏差。尤其增益特性為非線形特性時亦可使用多點修正值而修正增益偏差。
圖12係本發明之第3實施形態之固體攝像裝置之電路圖。圖12所示之固體攝像裝置1B具備取代固體攝像裝置1中之受光部10之受光部10B。固體攝像裝置1B之其他構成與固體攝像裝置1相同。受光部10B具有取代複數個OG部Pog(x、y)之複數個OG部Pogb(x、y)。受光部10B之其他構成與受光部10相同。
圖13係OG部Pogb(x、y)之電路圖。圖13係以複數個OG部Pogb(x、y)為代表顯示第x行y列之OG部Pogb(x、y)。OG部Pogb(x、y)具有介以電晶體Tt(x、y)與放大用電晶體Tamp(x、y)之閘極串聯連接之用以AC結合之電容元件Cac(x、y)。並且，於放大用電晶體Tamp(x、y)之閘極，經由該電容元件Cac(x、y)與電晶體Tt(x、y)而輸入脈衝狀基準電壓Vp。OG部Pogb(x、y)之其他構成與OG部pog(x、y)相同。
圖14係顯示固體攝像裝置1B之各信號波形之時序圖。圖14例如係顯示讀出第y列時之各信號波形，該動作對各列依序重複。
如圖14所示，基準電壓Vp係Vtrans(y)信號為高位準時位準改變之脈衝電壓。該基準電壓Vp之位準在Vshift(y)信號回覆至低位準後返回。
此處，本實施形態之固體攝像裝置1B中，保持部與放大部構成CDS(Correlated Double Sampling：相關雙採樣)電路，基於相關雙採樣法而除去雜音。但，第1及第2實施形態之固體攝像裝置1、1B中，由於對OG部Pog(x、y)供給直流基準電壓Vdc，因此CDS電路中除去重置時之雜音較困難。
因此，根據第3實施形態之固體攝像裝置，將供給於OG部Pogb(x、y)之基準電壓Vp作為脈衝電壓。例如Vtrans(y)信號為高位準時基準電壓Vp之位準改變，從而供給脈衝電壓且之後供給固定之電壓。藉此，利用CDS電路可除去重置時之雜音，且可抽出像素部P(x、y)之動態範圍內之中間信號。
圖15係本發明之第4實施形態之固體攝像裝置之電路圖。圖15所示之固體攝像裝置1C係多端口讀出型固體攝像裝置。該固體攝像裝置1C中，x行y列之受光區域於行方向分割成m個塊。圖15係顯示例如1塊以3行構成之固體攝像裝置。並且具備與該m個塊分別對應之m個放大部30與m個修正部40。固體攝像裝置1C之其他構成與固體攝像裝置1相同。
該固體攝像裝置1C中，m個放大部30及m個修正部40於各塊大致同時進行與上述相同之讀出處理及修正處理。藉此可進行高速讀出。
如此之多端口讀出型固體攝像裝置中，於影像之各塊之交界會產生直紋。但根據該第4實施形態之固體攝像裝置1C，m個放大部30及m個修正部40以使各輸出信號之偏移即增益成固定之方式，逐塊地進行相同之修正處理，因此可即時修正可能在塊間產生之輸出信號之偏移偏差及增益偏差，可降低可能在影像之塊的交界產生之直紋，即，可提高圖像之畫質。
圖16係本發明之第5實施形態之固體攝像裝置之電路圖，圖16所示之固體攝像裝置1D具備取代固體攝像裝置1中之受光部10及修正部40之受光部10D、修正部40D。固體攝像裝置1D之其他構成與固體攝像裝置1相同。
受光部10D具有取代OB部Pob(x、y)與OG部Pog(x、y)之2列OG部Pog1(x、y)與OG部Pog2(x、y)。受光部10D之其他構成與受光部10相同。於OG部Pog1(x、y)及OG部Pog2(x、y)，分別可應用第1實施形態之OG部Pog(x、y)。對該等OG部Pog1(x、y)及OG部Pog2(x、y)供給值各不相同之基準電壓Vdc。該等基準電壓Vdc之值設定成各像素部P(x、y)中光電二極體PD(x、y)為暗狀態時之輸出值與飽和時之輸出值之中間位準。即，基準電壓Vdc之值設定各成像素部P(x、y)中光電二極體PD(x、y)之動態範圍內之輸出值。藉此，OG部Pog1(x、y)及OG部Pog2(x、y)係相當於像素部P(x、y)之動態範圍內之狀態之中間信號，輸出各個不同之中間信號。
圖17係修正部40D之電路圖。修正部40D具有記錄部41與運算部42D。記錄部41記錄來自OG部Pog1(x、y)之中間信號之值、及來自OG部Pog2(x、y)之中間信號之值，且將該值向運算部42D輸出。運算部42D使用來自OG部Pog1(x、y)之中間信號之值、及來自OG部Pog2(x、y)之中間信號之值，修正像素部P(x、y)之輸出值。
圖18係顯示利用修正部40D之修正處理之概念圖。圖18(a)係不同之行，顯示例如像素部P(3、3)與像素部P(4、3)此2個修正前之輸入輸出特性，圖18(b)顯示該等像素部P(3、3)及像素部P(4、3)修正後之輸入輸出特性。例如運算部42D基於記錄於記錄部41之來自OG部Pog1(3、2)之中間信號之值，及來自OG部Pog2(3、1)之中間信號之值之此2個值，以偏移值成固定之方式，即以輸入輸出特性之偏
移值A成固定之方式，且同時以增益值成固定之方式，即以輸入輸出特性之傾向B成固定之方式，修正像素部P(3、3)之輸出值。另，運算部42D基於記錄於記錄部41之來自OG部Pog1(4、2)之中間信號之值，及來自OG部Pog2(4、1)之中間信號之值之此2個值，以偏移值成固定之方式，即以輸入輸出特性之偏移值A成固定之方式，且同時以增益值成固定之方式，即輸入輸出特性之傾向B成固定之方式，修正像素部P(4、3)之輸出值。
如此，根據第5實施形態之固體攝像裝置1D，OG部Pog1(x、y)及OG部Pog2(x、y)在暗狀態與飽和狀態之中間狀態下，產生2個不同中間狀態時之像素部P(x、y)之輸出信號。即，藉由OG部Pog1(x、y)及OG部Pog2(x、y)，可產生像素部P(x、y)之動態範圍內之2個輸出信號。該等OG部Pog1(x、y)及OG部Pog2(x、y)於各行設有2個，因此在例如逐行依序讀出之情形中，每次讀出可連同像素部P(x、y)之輸出信號一起獲得動態範圍內之2個輸出信號，因此可即時修正對複數個像素部P(x、y)之輸出信號之偏移偏差及增益偏差。其結果，第5實施形態之固體攝像裝置1D亦與第1實施形態之固體攝像裝置1相同，可對可能在行間產生之攝像區域修正該等偏差，而可降低可能在影像之行的交界產生之直紋。即，可提高圖像之畫質。
另，第5實施形態之固體攝像裝置1D亦利用OG部Pog1(x、y)及OG部Pog2(x、y)，產生像素部P(x、y)之動態範圍內之輸出信號，因此可高精度地修正增益偏差。
再者，第5實施形態中，具備供給各個不同的基準電壓之2列OG部，但亦可具備供給各個不同的基準電壓之3列以上之OG部。此情形時，修正部40D使用來自該等3個以上OG部之中間信號之值，修正像素部P(x、y)之輸出值。
另，第5實施形態中，與第2實施形態所示之可變電壓產生部70相同，亦可進而具備可變電壓產生部，其產生各個不同之基準電壓，並選擇性輸出該等基準電壓中之2個基準電壓，而分別供給於OG部Pog1(x、y)及OG部Pog2(x、y)。
另，第5實施形態中，作為OG部Pog1(x、y)及OG部Pog2(x、y)，亦可分別使用第3實施形態中之Pogb(x、y)。此時，對OG部Pog1(x、y)及OG部Pog2(x、y)，供給值各不相同之脈衝狀基準電壓Vp。
另，第5實施形態與第4實施形態相同，亦可為多端口讀出型固體攝像裝置，x行y列之受光區域於行方向分割成m個塊，具備分別與該等m個塊對應之m個放大部30與m個修正部40D。
再者，本發明不限於上述之本實施形態，可進行各種變形。例如攝像區域中之OG部Pog(x、y)、Pogb(x、y)、Pog1(x、y)、Pog2(x、y)及OB部Pob(x、y)之配置位置不限於本實施形態。例如第1實施形態中具體例示為，OG部Pog(x、y)、Pogb(x、y)配置於比OB部Pob(x、y)更外側，但OB部Pob(x、y)亦可配置於比OG部Pog(x、y)、Pogb(x、y)更外側。另，本實施形態中，OB部Pob(x、y)以包圍像素部P(x、y)之方式配置，但亦可於攝像區域中至少配置1行。另，本實施形態中，OG部Pog(x、y)、Pogb(x、y)以夾持像素部P(x、y)及OB部Pob(x、y)之方式配置，但亦可於攝像區域中至少配置1行。
另，根據本實施形態，修正部40、40D中之記錄部41，於每次輸入來自OB部Pob(x、y)之暗信號、來自OG部Pog(x、y)、Pogb(x、y)、Pog1(x、y)、Pog2(x、y)之中間信號時都重新記錄，將最新之修正資料輸入於運算部42、42D，記錄部41亦可不每次重新記錄該等暗信號、中間信號。由於輸出信號之偏移偏差及增益偏差不是經常產生者，因此例如記錄部41可以某時間間隔每次重新記錄該等暗信號、中間信號。另，記錄部41亦可累積記錄該等暗信號、中間信號，以某時間間隔切換輸出至最新之修正資料。如此，若將OB部資料、OG部資料及圖像資料全部保存，則可在之後返回修正。
另，根據第2實施形態，利用可變電壓產生部70而改變輸入於OG部Pog(x、y)之基準電壓Vdc，但改變輸入於OG部Pog(x、y)之基準電壓Vdc之方法不限於此形態。例如亦可具備外部連接用端子，使用該外部連接用端子，從外部向OG部Pog(x、y)供給基準電壓Vdc，且改變從外部供給之基準電壓Vdc。
另，根據第4實施形態，攝像區域每m個塊具備m個放大部30及修正部40(多端口讀出型)，但亦可每x行具備x個放大部30及修正部40(完全行並列讀出型)。另，第5實施形態亦可為每x行具備x個放大部30及修正部40D之完全行並列讀出型。
另，根據本實施形態，以類比型保持部H(x)構成行並列輸出部20，但行並列輸出部20亦可由數據型柱ADC構成。藉此，亦可修正無法忽視之柱ADC之行間偏差。
本發明可應用於將固體攝像裝置中對攝像區域之輸出信號之偏移偏差及增益偏差即時修正之用途。
1、1A、1B、1C．．．固體攝像裝置
10、10B．．．受光部
20．．．行並列輸出部
30．．．放大部
40．．．修正部
41．．．記錄部
42．．．運算部
50．．．列選擇部
60．．．行選擇部
70．．．可變電壓產生部
71~73．．．基準電壓產生器
74．．．選擇器
74a~74c．．．開關
As、An．．．放大器
Asn．．．差動放大器
Cac(x、y)．．．電容元件
Cn(x)、Cs(x)．．．電容元件
H(x)．．．保持部
I(x)．．．定電流源
P(x、y)．．．像素部
Pob(x、y)．．．光學黑色部(OB部)
Pog(x、y)、Pogb(x、y)、Pog1(x、y)、Pog2(x、y)．．．光學灰色部(OG部)
PD(x、y)．．．光電二極體(光電轉換元件)
R1~R4．．．電阻元件
SWs、SWn．．．開關
SWs1(x)、SWs2(x)．．．開關
SWn1(x)、SWn2(x)．．．開關
Ta(x、y)．．．傳送用電晶體
Tamp(x、y)．．．放大用電晶體(像素部用放大部、像素內放大部)
Tr(x、y)．．．電晶體
Tt(x、y)．．．像素內傳送用電晶體
圖1係本發明之第1實施形態之固體攝像裝置之電路圖；
圖2係圖1所示之像素部及光學黑色部之主要部之電路圖；
圖3係圖1所示之光學灰色部之電路圖；
圖4係圖1所示之保持部之電路圖；
圖5係圖1所示之輸出用放大部之電路圖；
圖6係圖1所示之修正部之電路圖；
圖7(a)、(b)係利用圖6所示之修正部之修正處理之概念圖；
圖8係顯示圖1所示之固體攝像裝置之各信號波形之時序圖；
圖9係本發明之第2實施形態之固體攝像裝置之電路圖；
圖10係圖9所示之可變電壓產生部之電路圖；
圖11係利用圖10所示之可變電壓產生部之修正處理之概念圖；
圖12係本發明之第3實施形態之固體攝像裝置之電路圖；
圖13係圖12所示之光學灰色部之電路圖；
圖14係顯示圖12所示之固體攝像裝置之各信號波形之時序圖；
圖15係本發明之第4實施形態之固體攝像裝置之電路圖；
圖16係本發明之第5實施形態之固體攝像裝置之電路圖；
圖17係圖16所示之修正部之電路圖；及
圖18(a)、(b)係利用圖16所示之修正部之修正處理之概念圖。
1．．．固體攝像裝置
10．．．受光部
20．．．行並列輸出部
30．．．放大部
40．．．修正部
50．．．列選擇部
60．．．行選擇部
Claims (8)
- 一種固體攝像裝置，其係2維排列有包含光電轉換元件及放大該光電轉換元件之輸出信號之像素部用放大部之像素部者，且具備：至少1列光學黑色部，該光學黑色部係具有與前述像素部相同之光電轉換元件及像素部用放大部，且具有被覆該光電轉換元件之遮光膜；及至少1列光學灰色部，該光學灰色部係具有輸入基準電壓之與前述像素部相同之像素部用放大部；前述基準電壓之值小於飽和狀態下之前述光電轉換元件之輸出信號之值；前述光學灰色部進一步包含電容元件，其串聯連接於前述像素部用放大部之輸入側；前述基準電壓係脈衝電壓。
- 如請求項1之固體攝像裝置，其中進而具備修正電路，其使用前述光學黑色部之輸出信號與前述光學灰色部之輸出信號，修正來自前述像素部之輸出信號。
- 一種固體攝像裝置，其係2維排列有包含光電轉換元件及放大該光電轉換元件之輸出信號之像素部用放大部之像素部者，且具備複數列光學灰色部，該光學灰色部具有輸入基準電壓之與前述像素部相同之像素部用放大部，前述基準電壓之值小於飽和狀態下之前述光電轉換元件之輸出信號之值，且每列各不相同； 前述光學灰色部進一步包含電容元件，其串聯連接於前述像素部用放大部之輸入側；前述基準電壓係脈衝電壓。
- 如請求項3之固體攝像裝置，其中進而具備修正電路，其使用複數列前述光學灰色部之輸出信號，修正來自前述像素部之輸出信號。
- 如請求項1或3之固體攝像裝置，其中進而具備產生前述基準電壓且改變該基準電壓之可變電壓產生部。
- 如請求項1或3之固體攝像裝置，其進一步包含：保持部，其保持自前述像素部傳送之電壓；及放大部，其放大自前述保持部讀出之電壓；上述保持部及上述放大部係構成相關雙採樣電路，基於相關雙採樣法而除去雜訊(noise)。
- 如請求項1之固體攝像裝置，其中將由前述像素部、前述光學黑色部及前述光學灰色部2維排列而成之攝像區域於列方向分成m個塊(m為2以上之整數)，且進而具備m個修正電路，其分別接收來自前述攝像區域中之m個塊之輸出信號，使用前述光學黑色部之輸出信號與前述光學灰色部之輸出信號，修正來自前述像素部之輸出信號。
- 如請求項3之固體攝像裝置，其中將由前述像素部及複數列前述光學灰色部2維排列而 成之攝像區域於列方向分成m個塊(m為2以上之整數)，且進而具備m個修正電路，其分別接收來自前述攝像區域中m個塊之輸出信號，使用複數列前述光學灰色部之輸出信號，修正來自前述像素部之輸出信號。
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