Устройство формирования изображений, система формирования изображений и подвижный объект
IMAGE FORMING APPARATUS, IMAGING SYSTEM AND MOVABLE OBJECT

Предпосылки создания
Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее раскрытие относится к устройству формирования изображений, системе формирования изображений и подвижному объекту.
Описание предшествующего уровня техники
[0002] В последние годы предложена работа в режиме глобального электронного затвора с помощью датчика изображений на основе комплементарной структуры "металл-оксид-полупроводник" (CMOS). В устройстве формирования изображений, которое выполняет работу в режиме глобального электронного затвора, операция накопления электрического заряда при фотоэлектрическом преобразовании для получения одного кадра начинается и заканчивается одновременно для пикселей (момент начала экспонирования является одним и тем же для пикселей, и момент окончания экспонирования также является одним и тем же для пикселей). Использование работы в режиме глобального электронного затвора является преимущественным в том, что изображение субъекта (предмета) не искажается даже при захвате быстро перемещающегося субъекта.
[0003] В выложенной японской заявке на патент № 2015-177349 обсуждается устройство формирования изображений, имеющее функцию глобального электронного затвора. В устройстве формирования изображений, обсужденном в японской выложенной заявке на патент № 2015-177349, в первый период, который начинается в момент начала экспонирования в период экспонирования для получения одного кадра, электрические заряды, создаваемые за счет фотоэлектрического преобразования в первый период, накапливаются на участке фотоэлектрического преобразования. В момент начала экспонирования участок хранения сохраняет электрические заряды, накопленные в период экспонирования, для получения предшествующего кадра. В первый период для каждого пикселя последовательно выполняется операция считывания электрических зарядов. В конце первого периода электрические заряды переносятся из участка фотоэлектрического преобразования на участок хранения в каждом пикселе. Во второй период, следующий за первым периодом, электрические заряды, создаваемые за счет фотоэлектрического преобразования во второй период, накапливаются участком фотоэлектрического преобразования или как участком фотоэлектрического преобразования, так и участком хранения.
[0004] В устройстве формирования изображений, обсужденном в японской выложенной заявке на патент № 2015-177349, электрические заряды переносятся таким способом из участка фотоэлектрического преобразования на участок хранения в течение периода экспонирования для получения одного кадра. Эта конфигурация реализует работу в режиме глобального электронного затвора для повышения величины заряда при насыщении пикселей, одновременно предотвращая ухудшение качества изображений.
Сущность изобретения
[0005] Согласно аспекту настоящего раскрытия, устройство формирования изображений содержит множество пикселей, каждый из которых включает в себя участок фотоэлектрического преобразования, выполненный с возможностью накапливать электрические заряды, создаваемые падающим светом, участок хранения, выполненный с возможностью сохранять электрические заряды, участок усиления, выполненный с возможностью выводить сигнал на основе упомянутых электрических зарядов, первый переключатель без обрыва тока, выполненный с возможностью переносить электрические заряды из участка фотоэлектрического преобразования на участок хранения, и второй переключатель без обрыва тока, выполненный с возможностью переносить электрические заряды из участка хранения на участок усиления. Устройство формирования изображений включает в себя выводные (электрические) линии, соединенные с множеством пикселей. В первый момент времени участки фотоэлектрического преобразования множества пикселей начинают накапливать электрические заряды. С первого момента времени до второго момента времени первый переключатель без обрыва тока по меньшей мере одного из множества пикселей поддерживается выключенным, и участок фотоэлектрического преобразования упомянутого по меньшей мере одного из множества пикселей накапливает электрические заряды, созданные в первый период, который начинается в первый момент времени и заканчивается во второй момент времени. Первые переключатели без обрыва тока множества пикселей управляются на включение из выключенного состояния самое позднее ко второму моменту времени. В третий момент времени, следующий за вторым моментом времени, участки хранения множества пикселей сохраняют как электрические заряды, созданные на участке фотоэлектрического преобразования в первый период, так и электрические заряды, созданные на участке фотоэлектрического преобразования во второй период, который начинается во второй период времени и заканчивается в третий момент времени. Множество пикселей включает в себя первый пиксель и второй пиксель. Величина заряда при насыщении участка фотоэлектрического преобразования первого пикселя отличается от величины заряда при насыщении участка фотоэлектрического преобразования второго пикселя.
[0006] Дополнительные признаки настоящего изобретения станут очевидными из нижеприведенного описания примерных вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
[0007] Фиг. 1 является блок-схемой, иллюстрирующей конфигурацию устройства формирования изображений.
[0008] Фиг. 2 является схемой, иллюстрирующей эквивалентную цепь устройства формирования изображений.
[0009] Фиг. 3 является принципиальной схемой, иллюстрирующей структуру поперечного сечения устройства формирования изображений.
[0010] Фиг. 4 является временной диаграммой, иллюстрирующей возбуждающие импульсы устройства формирования изображений в первом режиме возбуждения.
[0011] Фиг. 5A-5F являются схематичными графиками, иллюстрирующими состояния потенциала каждого участка пикселя устройства формирования изображений в первом режиме возбуждения.
[0012] Фиг. 6 является схемой, иллюстрирующей возбуждающие импульсы устройства формирования изображений в первом режиме возбуждения.
[0013] Фиг. 7 является схемой, иллюстрирующей возбуждающие импульсы устройства формирования изображений во втором режиме возбуждения.
[0014] Фиг. 8A-8E являются принципиальными схемами, иллюстрирующими возбуждающие импульсы устройства формирования изображений и примеры величин электрического заряда на пиксельных участках во втором режиме возбуждения.
[0015] Фиг. 9A-9E являются принципиальными схемами, иллюстрирующими возбуждающие импульсы устройства формирования изображений и примеры величин электрического заряда на пиксельных участках во втором режиме возбуждения.
[0016] Фиг. 10A-10E являются принципиальными схемами, иллюстрирующими возбуждающие импульсы устройства формирования изображений и примеры величин электрического заряда на пиксельных участках во втором режиме возбуждения.
[0017] Фиг. 11A-11E являются принципиальными схемами, иллюстрирующими возбуждающие импульсы устройства формирования изображений и примеры величин электрического заряда на пиксельных участках во втором режиме возбуждения.
[0018] Фиг. 12A-12E являются принципиальными схемами, иллюстрирующими возбуждающие импульсы устройства формирования изображений и примеры величин электрического заряда на пиксельных участках во втором режиме возбуждения.
[0019] Фиг. 13A-13E являются принципиальными схемами, иллюстрирующими возбуждающие импульсы устройства формирования изображений и примеры величин электрического заряда на пиксельных участках во втором режиме возбуждения.
[0020] Фиг. 14 является схемой, иллюстрирующей эквивалентную цепь устройства формирования изображений.
[0021] Фиг. 15 является схемой, иллюстрирующей эквивалентную цепь устройства формирования изображений.
[0022] Фиг. 16 является принципиальной схемой, иллюстрирующей структуру поперечного сечения устройства формирования изображений.
[0023] Фиг. 17 является схемой, иллюстрирующей эквивалентную цепь устройства формирования изображений.
[0024] Фиг. 18 является принципиальной схемой, иллюстрирующей структуру поперечного сечения устройства формирования изображений.
[0025] Фиг. 19A-19D являются принципиальными схемами, иллюстрирующими возбуждающие импульсы устройства формирования изображений и примеры величин электрического заряда на пиксельных участках во втором режиме возбуждения.
[0026] Фиг. 20A-20D являются принципиальными схемами, иллюстрирующими возбуждающие импульсы устройства формирования изображений и примеры величин электрического заряда на пиксельных участках во втором режиме возбуждения.
[0027] Фиг. 21A-21D являются принципиальными схемами, иллюстрирующими возбуждающие импульсы устройства формирования изображений и примеры величин электрического заряда на пиксельных участках во втором режиме возбуждения.
[0028] Фиг. 22 является блок-схемой, иллюстрирующей конфигурацию системы формирования изображений.
[0029] Фиг. 23A и 23B являются блок-схемами, иллюстрирующими конфигурации подвижного объекта.
Описание вариантов осуществления
[0030] В устройстве формирования изображений, обсужденном в японской выложенной заявке на патент № 2015-177349, в случае, если количество света существенно изменяется в течение периода экспонирования для получения одного кадра, например, когда захватывается изображение быстро перемещающегося субъекта, отношение выходных сигналов (коэффициент деления напряжения на выходе) для сигнала, выводимого из каждого пикселя, может отклоняться от соответствующего отношения выходных сигналов. Следовательно, имеется проблема ухудшения качества изображений. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления настоящего раскрытия, можно улучшать качество изображений.
[0031] Устройство формирования изображений согласно примерному варианту осуществления настоящего раскрытия снабжено множеством пикселей и выводных линий, соединенных с множеством пикселей. Сигналы от множества пикселей выводятся в выводные линии. Каждый из множества пикселей включает в себя участок фотоэлектрического преобразования, участок хранения для хранения электрических зарядов и участок усиления для вывода сигнала на основе упомянутых электрических зарядов. Каждый пиксель дополнительно включает в себя первый переключатель без обрыва тока для переноса электрических зарядов из участка фотоэлектрического преобразования на участок хранения и второй переключатель без обрыва тока для переноса электрических зарядов из участка хранения на участок усиления. Такая конфигурация обеспечивает операцию формирования изображения, при которой период фотоэлектрического преобразования идентичен между множеством пикселей, т.е. работу в режиме глобального электронного затвора. Работа в режиме электронного затвора относится к электрическому управлению накоплением электрических зарядов, созданных падающим светом.
[0032] Согласно некоторым примерным вариантам осуществления настоящего раскрытия, участки фотоэлектрического преобразования множества пикселей одновременно начинают накапливать электрические заряды в первый момент времени (начинают период экспонирования k-го кадра, где k является положительным целым числом, равным или большим 2). С первого до второго момента времени первый переключатель без обрыва тока остается выключенным в по меньшей мере одном пикселе. В упомянутом по меньшей мере одном пикселе электрические заряды, созданные в этот период, накапливаются на участке фотоэлектрического преобразования. Период с первого до второго момента времени представляет собой первый период.
[0033] В первый период участок усиления последовательно выводит сигналы на основе электрических зарядов, сохраненных на участках хранения множества пикселей, в выводную линию. Другими словами, каждый пиксель выводит сигнал по меньшей мере один раз в первый период. Более конкретно, в первый период последовательно включаются вторые переключатели без обрыва тока множества пикселей. Электрические заряды, созданные в первый период, накапливаются на участке фотоэлектрического преобразования. Следовательно, в первый период участок хранения может хранить электрические заряды, созданные до первого момента времени. Более конкретно, электрические заряды, сохраненные участком хранения в первый момент времени, представляют собой электрические заряды, создаваемые участком фотоэлектрического преобразования в период экспонирования предшествующего кадра, т.е. (k-1)-го кадра.
[0034] Число сигналов, выводимых в первый период, может изменяться в зависимости от формата выводимого изображения. Например, при захвате движущегося изображения сигналы должны выводиться для числа горизонтальных линий, используемых для одного кадра. Согласно такому примерному варианту осуществления, сигналы должны выводиться не из всех пикселей, включенных в устройство формирования изображений.
[0035] После того, как сигналы из множества пикселей выведены, участки хранения множества пикселей сохраняют электрические заряды в по меньшей мере второй период от второго до третьего момента времени. В это время каждый участок хранения сохраняет электрические заряды, созданные в первый период, и электрические заряды, созданные во второй период. В третий момент времени блок 3 управления управляет выключением первых переключателей без обрыва тока множества пикселей из включенного состояния одновременно.
[0036] Участок фотоэлектрического преобразования должен накапливать электрические заряды, созданные в по меньшей мере первый период, и в силу этого имеет возможность поддерживать величину заряда при насыщении для пикселя, даже если величина заряда при насыщении участка фотоэлектрического преобразования является небольшой. Эта конфигурация позволяет выполнять работу в режиме глобального электронного затвора при поддержании величины заряда при насыщении. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления настоящего раскрытия, второй период, в течение которого участки хранения множества пикселей сохраняют электрические заряды, превышает первый период. Это обусловлено тем, что поскольку второй период превышает первый период, величина заряда при насыщении участка фотоэлектрического преобразования может уменьшаться.
[0037] Согласно некоторым примерным вариантам осуществления настоящего раскрытия, устройство формирования изображений, которое выполняет работу в режиме глобального электронного затвора для переноса электрических зарядов из участка фотоэлектрического преобразования на участок хранения в течение периода экспонирования для получения одного кадра, может предотвращать отклонение отношения выходных сигналов пикселей.
[0038] Ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи описываются примерные варианты осуществления настоящего раскрытия. Примерные варианты осуществления согласно настоящему раскрытию не ограничены только нижеприведенными примерными вариантами осуществления. Например, примерный случай, в котором часть конфигурации любого из нижеприведенных примерных вариантов осуществления добавляется в другие примерные варианты осуществления, и примерный случай, в котором часть конфигурации этого примера заменяется частью конфигурации других примерных вариантов осуществления, также включаются в примерные варианты осуществления настоящего раскрытия. Согласно нижеприведенным примерным вариантам осуществления, первый тип проводимости представляет собой n-тип, и второй тип проводимости представляет собой p-тип. Тем не менее, первый тип проводимости может представлять собой p-тип, а второй тип проводимости может представлять собой n-тип.
[0039] Ниже описывается первый примерный вариант осуществления. Фиг. 1 является блок-схемой, иллюстрирующей конфигурацию устройства формирования изображений. Устройство 1 формирования изображений может быть сконфигурировано одной микросхемой путем использования полупроводниковой подложки. Устройство 1 формирования изображений включает в себя область 2 формирования изображений, в которой размещено множество пикселей. Устройство 1 формирования изображений дополнительно включает в себя блок 3 управления для подачи управляющих сигналов и напряжений питания блоку 4 вертикального сканирования, блоку 5 обработки сигналов и блоку 6 вывода.
[0040] Блок 4 вертикального сканирования подает возбуждающие импульсы во множество пикселей, размещенных в области 2 формирования изображений. Обычно блок 4 вертикального сканирования подает возбуждающие импульсы для каждой строки пикселей или для каждой из множества строк пикселей. Блок 4 вертикального сканирования может быть сконфигурирован путем использования сдвиговых регистров или декодеров адресов.
[0041] Блок 5 обработки сигналов включает в себя цепь столбцов, цепь горизонтального сканирования и горизонтальную выводную линию. Цепь столбцов включает в себя множество блоков цепей для приема сигналов множества пикселей, включенных в строку пикселей, выбранную блоком 4 вертикального сканирования. Каждый блок цепи может включать в себя любое из участка удержания сигналов, цепи усиления, цепи подавления шума и цепи аналого-цифрового преобразования или их комбинации. Цепь горизонтального сканирования может быть сконфигурирована путем использования сдвиговых регистров или декодеров адресов.
[0042] Блок 6 вывода выводит сигнал, передаваемый через горизонтальную выводную линию, за пределы устройства 1 формирования изображений. Блок 6 вывода включает в себя буфер или цепь усиления и выводит сигнал из каждого пикселя в блок 7 обработки сигналов. Блок 7 обработки сигналов выполняет обработку сигналов для сигнала из каждого пикселя. Типично блок 7 обработки сигналов выполняет обработку для формирования проявленного изображения путем умножения сигнала из каждого пикселя на коэффициент усиления согласно балансу белого. Блок 7 обработки сигналов может быть включен в устройство 1 формирования изображений.
Пиксельная структура
[0043] Фиг. 2 является схемой, иллюстрирующей эквивалентную цепь пикселя, включенного в область 2 формирования изображений устройства 1 формирования изображений. Для упрощения описания предполагается, что область 2 формирования изображений включает в себя девять пикселей, размещенных в матричной форме 3×3, включающей в себя n-ую - (n+2)-ую строки и m-ый - (m+2)-й столбцы. Один пиксель заключен в пунктирную линию и называется PIX. Хотя на фиг. 2 проиллюстрированы девять пикселей PIX, устройство 1 формирования изображений включает в себя большее число пикселей.
[0044] Каждый пиксель PIX включает в себя участок PD фотоэлектрического преобразования, участок MEM хранения, участок SF усиления, первый переключатель TX1 без обрыва тока и второй переключатель TX2 без обрыва тока. Каждый пиксель PIX дополнительно включает в себя транзистор RES сброса и транзистор SEL выбора.
[0045] Участок PD фотоэлектрического преобразования накапливает электрические заряды, создаваемые падающим светом. Анод участка PD фотоэлектрического преобразования заземляется на фиксированный потенциал, и его катод соединяется с одним выводом участка MEM хранения через первый переключатель TX1 без обрыва тока в качестве первого участка без обрыва тока. Первый переключатель TX1 без обрыва тока переносит электрические заряды из участка PD фотоэлектрического преобразования на участок MEM хранения. Катод участка PD фотоэлектрического преобразования соединяется с линией электропитания в качестве второго источника питания, который функционирует в качестве стока защиты от переполнения (в дальнейшем называемого "OFD") через третий переключатель TX3 без обрыва тока в качестве третьего участка без обрыва тока. Третий переключатель TX3 без обрыва тока представляет собой разрядник для разряда электрических зарядов на участке PD фотоэлектрического преобразования.
[0046] Другой вывод участка MEM хранения заземляется на фиксированный потенциал. Один вывод участка MEM хранения также соединяется с выводом затвора усиливающего транзистора в качестве участка SF усиления через второй переключатель TX2 без обрыва тока в качестве второго участка переноса. Второй переключатель TX2 без обрыва тока переносит электрические заряды в участке MEM хранения в плавающую диффузионную область FD в качестве входного блока участка SF усиления. Вывод затвора участка SF усиления соединяется с линией электропитания пикселя в качестве первого источника питания через транзистор RES сброса в качестве участка сброса. Транзистор RES сброса сбрасывает напряжение плавающей диффузионной области FD в качестве входного блока участка SF усиления. Транзистор SEL выбора выбирает пиксель PIX, который выводит сигнал в вертикальную сигнальную линию OUT в качестве выводной линии. Участок SF усиления выводит сигнал на основе электрических зарядов, создаваемых падающим светом, в вертикальную сигнальную линию OUT. Участок SF усиления, например, представляет собой цепь истокового повторителя. Каждый из первого переключателя TX1 без обрыва тока, второго переключателя TX2 без обрыва тока и разрядника TX3 представляет собой транзистор со структурой "металл-оксид-полупроводник" (MOS). Ссылаясь на фиг. 2, линия электропитания пикселя, подающая напряжение питания для участка SF усиления, и линия электропитания, которая функционирует в качестве OFD, разделяются. Тем не менее, они могут совместно заменяться общей линией электропитания.
[0047] Один главный электрод транзистора SEL выбора соединен с вертикальной сигнальной линией, и другой его главный электрод соединен с одним главным электродом участка SF усиления (транзистора). Когда активный сигнал PSEL вводится в управляющий электрод транзистора SEL выбора, оба главных электрода транзистора SEL выбора переходят в проводящее состояние. Участок SF усиления и источник неизменяющегося тока (не проиллюстрированы), расположенные на вертикальной сигнальной линии OUT, формируют цепь истокового повторителя. Сигнал согласно потенциалу вывода затвора (управляющего электрода) участка SF усиления появляется на вертикальной сигнальной линии OUT. Сигнал выводится из устройства 1 формирования изображений на основе сигнала, появляющегося на вертикальной сигнальной линии OUT, т.е. сигнала, выводимого из пикселя PIX. Плавающая диффузионная область FD в качестве входного блока обычно соединяется с выводом затвора участка SF усиления и главными электродами транзистора RES сброса и второго переключателя TX2 без обрыва тока. Следовательно, плавающая диффузионная область FD имеет значение емкости и допускает сохранение электрических зарядов.
[0048] Устройство 1 формирования изображений согласно настоящему примерному варианту осуществления представляет собой датчик цвета, в котором каждый пиксель PIX снабжен цветным светофильтром. Как проиллюстрировано на фиг. 2, пиксели PIX с красными (R), зелеными (Gr, Gb) и синими (B) цветными светофильтрами, включенными в них, размещены в байеровской компоновке, при этом цвет цветного светофильтра указывается в верхнем левом углу для каждого пикселя. В устройстве 1 формирования изображений согласно настоящему примерному варианту осуществления каждая строка снабжена двумя различными линиями PTX3-1 и PTX3-2 возбуждения затвора разрядника TX3. Красные (R), зеленые (Gr, Gb) и синие (B) пиксели PIX соединяются с различными линиями возбуждения за счет цвета цветных светофильтров.
[0049] Согласно настоящему примерному варианту осуществления, в n-й строке линия PTX3-1(n) возбуждения затвора соединяется с красными (R) пикселями PIX, и линия PTX3-2(n) возбуждения затвора соединяется с зеленым (Gr) пикселем PIX. В (n+1)-й строке линия PTX3-1(n+1) возбуждения затвора соединяется с зелеными (Gb) пикселями PIX, и линия PTX3-2(n+1) возбуждения затвора соединяется с синим (B) пикселем PIX. Линия PTX3-2(n) возбуждения затвора для возбуждения зеленых (Gr) пикселей PIX и линия PTX3-1(n+1) возбуждения затвора для возбуждения зеленых (Gb) пикселей PIX идентичны в некоторой области (не проиллюстрирована).
[0050] Фиг. 3 является принципиальной схемой, иллюстрирующей структуру поперечного сечения устройства формирования изображений. Более конкретно, фиг. 3 иллюстрирует поперечное сечение одного пикселя. Ссылаясь на фиг. 3, участкам, имеющим одну и ту же функцию, как участки, проиллюстрированные на фиг. 2, назначаются одни и те же ссылочные номера. Хотя фиг. 3 иллюстрирует устройство формирования изображений с передним освещением, устройство формирования изображений не ограничено этим и может представлять собой устройство формирования изображений с задним освещением. Помимо этого, ниже описывается проводящий тип каждой полупроводниковой области, основанный на примерном случае, в котором в качестве сигнальных электрических зарядов используются электроны. При использовании в качестве сигнальных электрических зарядов дырок, проводящий тип каждой полупроводниковой области должен иметь противоположный тип проводимости.
[0051] Участок PD фотоэлектрического преобразования имеет структуру со встроенным фотодиодом. Участок PD фотоэлектрического преобразования включает в себя полупроводниковую область 202 n-типа и полупроводниковую область 203 p-типа. Полупроводниковая область 202 n-типа и полупроводниковая область 203 p-типа формируют p-n-переход. За счет полупроводниковой области 203 p-типа может предотвращаться интерфейсный шум.
[0052] Полупроводниковая область 201 p-типа расположена вокруг полупроводниковой области 202 n-типа. Полупроводниковая область 201 p-типа может формироваться путем имплантации ионов примеси p-типа в полупроводниковую подложку n-типа или путем использования полупроводниковой подложки p-типа.
[0053] Участок MEM хранения включает в себя полупроводниковую область 205 n-типа. Сигнальные электрические заряды сохраняются в полупроводниковой области 205 n-типа. Полупроводниковая область p-типа может быть расположена между полупроводниковой областью 205 n-типа и передней поверхностью полупроводниковой подложки. При такой компоновке участок MEM хранения имеет встроенную структуру.
[0054] Электрод 207 затвора конфигурирует затвор первого переключателя TX1 без обрыва тока. Полупроводниковая область 213 n-типа расположена под электродом 207 затвора через изолирующую пленку затвора. Концентрация примесей полупроводниковой области 213 n-типа ниже концентрации примесей полупроводниковой области 202 n-типа. Состояние потенциала между участком PD фотоэлектрического преобразования и участком MEM хранения может управляться напряжением, подаваемым на электрод 207 затвора.
[0055] Полупроводниковая область 208 n-типа конфигурирует плавающую диффузионную область FD. Полупроводниковая область 208 n-типа электрически соединена с затвором участка SF усиления через контактный столбик 209.
[0056] Электрод 204 затвора конфигурирует затвор второго переключателя TX2 без обрыва тока. Состояние потенциала между участком MEM хранения и плавающей диффузионной областью FD может управляться напряжением, подаваемым на электрод 204 затвора.
[0057] Участок MEM хранения затеняется светоэкранирующим участком 210. Светоэкранирующий участок 210 выполнен из металла, такого как вольфрам, алюминий и других материалов, имеющих низкий коэффициент пропускания света в области видимого света. Светоэкранирующий участок 210 покрывает по меньшей мере участок MEM хранения. Как проиллюстрировано на фиг. 3, светоэкранирующий участок 210 может покрывать весь электрод 207 затвора первого переключателя TX1 без обрыва тока и может простираться на часть верхнего участка электрода 204 затвора второго переключателя TX2 без обрыва тока. Эта конфигурация позволяет дополнительно улучшать функцию экранирования светоэкранирующего участка 210. Цветной светофильтр CF и микролинза ML расположены над отверстием светоэкранирующего участка 210. Более конкретно, в каждом пикселе PIX цветной светофильтр CF и микролинза ML расположены на стороне вверх по ходу от участка PD фотоэлектрического преобразования в направлении падения падающего света.
[0058] Полупроводниковая область 212 n-типа конфигурирует часть OFD-области. Контактный столбик 215 подает напряжение питания на полупроводниковую область 212 n-типа и соединен со вторым источником питания, который функционирует в качестве OFD.
[0059] Электрод 211 затвора конфигурирует затвор разрядника TX3. Состояние потенциала между участком PD фотоэлектрического преобразования и OFD-областью может управляться напряжением, подаваемым на электрод 211 затвора.
Способ возбуждения
[0060] Ниже описывается способ возбуждения устройства формирования изображений. Приводится описание первого режима возбуждения и второго режима возбуждения для способа возбуждения устройства формирования изображений. И в первом, и во втором режимах возбуждения выполняется работа в режиме глобального электронного затвора, включающая накопление электрических зарядов участком PD фотоэлектрического преобразования и перенос электрических зарядов из участка PD фотоэлектрического преобразования на участок MEM хранения. Разница между первым и вторым режимами возбуждения заключается во временной привязке переноса электрических зарядов. Более конкретно, в первом режиме возбуждения блок 3 управления выполняет перенос электрических зарядов из участка PD фотоэлектрического преобразования на участок MEM хранения в конце периода экспонирования. Во втором режиме возбуждения блок 3 управления выполняет перенос электрических зарядов из участка PD фотоэлектрического преобразования на участок MEM хранения в течение периода экспонирования. Устройство формирования изображений согласно настоящему примерному варианту осуществления работает по меньшей мере во втором режиме возбуждения.
[0061] Устройство формирования изображений согласно настоящему примерному варианту осуществления может иметь режим возбуждения для выполнения работы в режиме свертываемого затвора. В режиме возбуждения для работы в режиме свертываемого затвора участок PD фотоэлектрического преобразования каждого из множества пикселей последовательно начинает накопление электрических зарядов. Затем блок 3 управления последовательно управляет включением первых переключателей TX1 без обрыва тока множества пикселей.
Первый режим возбуждения
[0062] Ниже описывается первый режим возбуждения для выполнения работы в режиме глобального электронного затвора со ссылкой на фиг. 4-6. В первом режиме возбуждения участок PD фотоэлектрического преобразования накапливает электрические заряды, созданные в период экспонирования, и в конце периода экспонирования электрические заряды, накопленные на участке PD фотоэлектрического преобразования, переносятся на участок MEM хранения.
[0063] Фиг. 4 является схемой, принципиально иллюстрирующей возбуждающие импульсы в первом режиме возбуждения. Фиг. 4 иллюстрирует возбуждающие импульсы, подаваемые на транзистор SEL выбора, транзистор RES сброса, первый переключатель TX1 без обрыва тока, второй переключатель TX2 без обрыва тока и разрядник TX3 в каждом пикселе в n-й - (n+2)-й строках. Когда возбуждающий импульс имеет высокий уровень, соответствующий транзистор или переключатель включается. Когда возбуждающий импульс имеет низкий уровень, соответствующий транзистор или переключатель выключается. Эти возбуждающие импульсы подаются блоком 3 управления, включенным в устройство 1 формирования изображений.
[0064] Фиг. 5A-5F являются схематичными графиками, иллюстрирующими состояния потенциалов, т.е. потенциалов электронов каждого участка пикселя в каждый момент времени. На каждом из графиков более высокий потенциал электронов, т.е. более низкий электрический потенциал, проиллюстрирован в верхнем конце графика. Фиг. 5A-5F иллюстрируют потенциалы OFD, разрядника TX3, участка PD фотоэлектрического преобразования, первого переключателя TX1 без обрыва тока, участка MEM хранения, второго переключателя TX2 без обрыва тока и плавающей диффузионной области FD (см. фиг. 2 и 3), слева направо.
[0065] Экспонирование для предшествующего кадра выполняется до момента t2. Экспонирование указывает на то, что электрические заряды, создаваемые за счет фотоэлектрического преобразования, накапливаются или сохраняются в качестве сигнала.
[0066] До момента t1 участок PD фотоэлектрического преобразования облучается светом, и электрические заряды, соответствующие количеству света для падающего света на участок PD фотоэлектрического преобразования, накапливаются на участке PD фотоэлектрического преобразования в период до момента t1. Состояние схематично иллюстрируется на фиг. 5A.
[0067] В период от момента t1 до момента t2 управляющие сигналы PTX1(n), PTX1(n+1) и PTX1(n+2) первого переключателя без обрыва тока (в дальнейшем совместно называемые "PTX1") переходят к высокому уровню, и первый переключатель TX1 без обрыва тока включается. Следовательно, электрические заряды, накопленные на участке PD фотоэлектрического преобразования, переносятся на участок MEM хранения. Это состояние схематично иллюстрируется на фиг. 5B. В момент t2 PTX1 снова переходит к низкому уровню, и операция переноса заканчивается. Это состояние в этот момент времени схематично иллюстрируется на фиг. 5C. Операция по переносу электрических зарядов из участка PD фотоэлектрического преобразования на участок MEM хранения выполняется для всех пикселей одновременно. Для завершения экспонирования для предшествующего кадра в первом режиме возбуждения, блок 3 управления управляет выключением первого переключателя TX1 без обрыва тока, который переносит электрические заряды из участка PD фотоэлектрического преобразования на участок MEM хранения, из включенного состояния для всех пикселей одновременно (в момент t2, проиллюстрированный на фиг. 4).
[0068] В период от момента t3 до момента t4 управляющие сигналы PTX3-1(n), PTX3-1(n+1), PTX3-1(n+2) и PTX3-2(n), PTX3-2(n+1) и PTX3-2(n+2) разрядника (в дальнейшем совместно называемые "PTX3") переходят к высокому уровню, и электрические заряды разряжаются из участка PD фотоэлектрического преобразования в OFD. Состояние схематично иллюстрируется на фиг. 5D. Эта операция для разряда электрических зарядов из участка PD фотоэлектрического преобразования в OFD выполняется для всех пикселей одновременно. Для начала экспонирования в первом режиме возбуждения блок 3 управления управляет выключением разрядника TX3, который переносит электрические заряды из участка PD фотоэлектрического преобразования на участок MEM хранения, из включенного состояния для всех пикселей одновременно (в момент t4, проиллюстрированный на фиг. 4).
[0069] В первом режиме возбуждения блок 3 управления разряжает электрические заряды из участка PD фотоэлектрического преобразования в OFD и переносит электрические заряды из участка PD фотоэлектрического преобразования на участок MEM хранения для всех пикселей одновременно. При этой конфигурации устройство формирования изображений может выполнять операцию формирования изображения, при которой период фотоэлектрического преобразования идентичен между множеством пикселей, т.е. работу в режиме глобального электронного затвора.
[0070] Ниже описывается операция по считыванию электрических зарядов, переносимых из участка PD фотоэлектрического преобразования на участок MEM хранения. Хотя приводится описание случая, когда операция по считыванию сигнала предшествующего кадра начинается после того, как начинается экспонирование (накопление электрических зарядов на участке PD фотоэлектрического преобразования) для следующего кадра в момент времени, когда блок 3 управления управляет выключением разрядника TX3 из включенного состояния, операция не ограничена этим.
[0071] В момент t5 блок 3 управления управляет выключением транзистора RES(n) сброса плавающей диффузионной области FD из включенного состояния, отменяя состояние сброса плавающей диффузионной области FD. Одновременно, когда управляющий сигнал PSEL(n) выбора строки переходит к высокому уровню, транзистор SEL(n) выбора включается, и выбираются пиксели в n-й строке. Следовательно, напряжение, соответствующее потенциалам плавающих диффузионных областей FD пикселей в n-й строке, выводится в вертикальную сигнальную линию OUT.
[0072] В период от момента t6 до момента t7 сигнал PTN выбора шума при сбросе переходит к высокому уровню. В этот момент времени цепь столбцов, включенная в блок 5 обработки сигналов, дискретизирует и сохраняет уровни шума при сбросе плавающих диффузионных областей FD пикселей в n-й строке. Следовательно, выполняется операция считывания шумового сигнала (N-считывание).
[0073] В период от момента t8 до момента t9 управляющий сигнал PTX2(n) второго переключателя без обрыва тока переходит к высокому уровню, и вторые переключатели TX2 без обрыва тока пикселей в n-й строке включаются. Следовательно, электрические заряды, накопленные на участке MEM хранения, переносятся в плавающую диффузионную область FD. Состояние иллюстрируется на фиг. 5E. В момент t9 управляющий сигнал PTX2(n) второго переключателя без обрыва тока переходит к низкому уровню, и вторые переключатели TX2 без обрыва тока пикселей в n-й строке выключаются. На этом заканчивается операция переноса электрических зарядов из участка MEM хранения в плавающую диффузионную область FD. Это состояние завершения операции иллюстрируется на фиг. 5F.
[0074] В момент t9 операция переноса электрических зарядов из участка MEM хранения в плавающую диффузионную область FD заканчивается. Затем потенциал, имеющий уровень (уровень оптического сигнала), увеличенный путем суммирования потенциала, соответствующего электрическим зарядам, накопленным в плавающей диффузионной области FD, с уровнем сброса, выводится в вертикальную сигнальную линию OUT. В период от момента t10 до момента t11 сигнал PTS выбора сигнала изображения переходит к высокому уровню, и цепь столбцов дискретизирует и сохраняет этот уровень оптического сигнала. Соответственно, выполняется операция считывания оптического сигнала (S-считывание). Уровень шума при сбросе, ранее дискретизированный и сохраненный, вычитается из уровня оптического сигнала, и результирующий уровень выводится в последующую стадию в качестве сигнала изображения без шума.
[0075] В момент t12 транзистор SEL(n) выбора выключается, транзистор RES(n) сброса включается, и потенциалы плавающих диффузионных областей FD пикселей в n-й строке снова сбрасываются.
[0076] Согласно вышеописанным возбуждающим импульсам, последовательность операций считывания, включающих в себя выбор пикселей, сброс, считывание шумового сигнала (N-считывание), перенос электрических зарядов в плавающую диффузионную область FD и считывание оптического сигнала (S-считывание), выполняется для каждой строки пикселей. Выводной сигнал может подвергаться аналого-цифровому (A/D) преобразованию за пределами устройства формирования изображений или внутри устройства формирования изображений. Как проиллюстрировано на фиг. 4, после n-й строки, блок 3 управления также последовательно выполняет операцию считывания для пикселей в (n+1)-й и (n+2)-й строках.
[0077] Согласно настоящему описанию изобретения, период, в течение которого "считывание шумового сигнала (N-считывание), перенос электрических зарядов в плавающую диффузионную область FD и считывание оптического сигнала (S-считывание)" выполняются в каждой строке пикселей, характеризуется как "период считывания". Ссылаясь на фиг. 4, период считывания в левой части временной диаграммы указывает период считывания для k-го кадра, и последующий период считывания в правой части временной диаграммы указывает период считывания для (k+1)-го кадра. Согласно настоящему описанию изобретения, период, в течение которого участок PD фотоэлектрического преобразования каждого пикселя накапливает электрические заряды, соответствующие одному кадру, характеризуется как "период экспонирования". Согласно настоящему примерному варианту осуществления, период от момента t4, когда заканчивается разряд электрических зарядов в OFD, до момента t13, когда заканчивается перенос электрических зарядов на участок MEM хранения, представляет собой период экспонирования для (k+1)-го кадра. Как проиллюстрировано на верхней и нижней сторонах временной диаграммы, проиллюстрированной на фиг. 4, согласно настоящему примерному варианту осуществления, период считывания для k-го кадра и период экспонирования для (k+1)-го кадра по меньшей мере частично перекрываются друг с другом.
[0078] В последующих описаниях возбуждающие импульсы, подаваемые на каждый участок в пикселе, для выполнения последовательности операций, включающих в себя "считывание шумового сигнала (N-считывание), перенос электрических зарядов в плавающую диффузионную область FD и считывание оптического сигнала (S-считывание)", совместно называются "сигналом считывания". Фиг. 6 является схемой, иллюстрирующей возбуждающие импульсы устройства формирования изображений в первом режиме возбуждения. Наклонные линии указывают то, что операции считывания последовательно выполняются для каждой строки. Хотя управляющий сигнал первого переключателя без обрыва тока PTX1 и управляющий сигнал PTX3 разрядника подаются для всех пикселей одновременно, фиг. 6 иллюстрирует один управляющий сигнал первого переключателя без обрыва тока PTX1 и один управляющий сигнал разрядника PTX3 для всех пикселей совместным способом. Хотя фиг. 6 иллюстрирует ту же самую временную привязку, как фиг. 4, временная привязка, проиллюстрированная на фиг. 6, представляет собой упрощенное представление временной привязки, проиллюстрированной на фиг. 4, для использования в случае мультипиксельной компоновки.
[0079] Как описано выше, в первом режиме возбуждения блок 3 управления выполняет перенос электрических зарядов из участка PD фотоэлектрического преобразования на участок MEM хранения в конце периода экспонирования. Следовательно, перенос электрических зарядов из участка PD фотоэлектрического преобразования на участок MEM хранения выполняется только один раз в течение периода экспонирования для одного кадра. Такое возбуждение также называется возбуждением с однократным переносом.
Второй режим возбуждения
[0080] Ниже описывается второй режим возбуждения для выполнения работы в режиме глобального электронного затвора со ссылкой на фиг. 7. Во втором режиме возбуждения электрические заряды, созданные в период экспонирования, накапливаются на участке PD фотоэлектрического преобразования, и электрические заряды, накопленные на участке PD фотоэлектрического преобразования, переносятся на участок MEM хранения в течение периода экспонирования. После первого переноса заряда на участок MEM хранения участок PD фотоэлектрического преобразования или как участок PD фотоэлектрического преобразования, так и участок MEM хранения накапливают электрические заряды, создаваемые за счет фотоэлектрического преобразования в последующие периоды. Ниже описывается пример второго режима возбуждения, основанного на примерном случае, в котором перенос электрических зарядов из участка PD фотоэлектрического преобразования на участок MEM хранения выполняется два раза в период экспонирования для одного кадра. Для операций, эквивалентных операциям в первом режиме возбуждения, избыточные описания опускаются. Такое возбуждение также называется возбуждением с двукратным переносом.
[0081] Фиг. 7 схематично иллюстрирует возбуждающие импульсы во втором режиме возбуждения. Аналогично первому режиму возбуждения, экспонирование для предшествующего кадра выполняется до момента t2, и в момент t4 электрические заряды, создаваемые участком PD фотоэлектрического преобразования в период экспонирования предшествующего кадра, накапливаются на участке MEM хранения. Когда блок 3 управления управляет выключением разрядником TX3 из включенного состояния в момент t4, начинается период экспонирования для следующего кадра. Момент t4 представляет собой момент, когда начинается период экспонирования, и называется первым моментом времени.
[0082] Первый переключатель TX1 без обрыва тока остается выключенным от первого момента времени (момента t4) до момента, когда истекает первый период, т.е. во второй момент времени (момент t14). Согласно настоящему примерному варианту осуществления, хотя первые переключатели TX1 без обрыва тока всех пикселей остаются выключенными, настоящий примерный вариант осуществления не ограничен этим. Альтернативно, в по меньшей мере одном пикселе первый переключатель TX1 без обрыва тока остается выключенным от первого до второго момента времени.
[0083] Момент, когда первый период истек, начиная с первого момента времени (момента t4), представляет собой второй момент времени (момент t14). Более конкретно, период от первого момента времени (момента t4) до второго момента времени (момента t14) представляет собой первый период. В первый период электрические заряды, созданные в первый период, накапливаются на участке PD фотоэлектрического преобразования.
[0084] В первый период последовательно выполняются операции по считыванию электрических зарядов, соответствующих предшествующему кадру, сохраненному на участке MEM хранения. Операции считывания последовательно выполняются таким образом, что сигнал, выводимый согласно предшествующему кадру, завершается самое позднее ко второму моменту времени (т.е. завершается до или ко второму моменту времени).
[0085] Во второй момент времени (момент t14) блок 3 управления включает первый переключатель TX1 без обрыва тока. Соответственно, электрические заряды на участке PD фотоэлектрического преобразования переносятся на участок MEM хранения. Более конкретно, после второго момента времени электрические заряды, созданные в первый период, сохраняются участком MEM хранения. Согласно настоящему примерному варианту осуществления, первые переключатели TX1 без обрыва тока всех пикселей включаются из выключенного состояния одновременно. Тем не менее, первые переключатели TX1 без обрыва тока множества пикселей должны включаться ко второму моменту времени, и временная привязка перехода может отличаться между первыми переключателями TX без обрыва тока. Например, блок 3 управления может включать первый переключатель TX1 без обрыва тока в порядке пикселей, в которых завершается вышеописанная операция считывания.
[0086] Момент, когда истек второй период, начиная со второго момента времени (момента t14), представляет собой третий момент времени (момент t13). Более конкретно, период от второго момента времени (момента t14) до третьего момента времени (момента t13) представляет собой второй период. Согласно настоящему примерному варианту осуществления, в момент t15 после момента t14 блок 3 управления снова управляет выключением первого переключателя TX1 без обрыва тока из включенного состояния. Электрические заряды, созданные при втором экспонировании от момента t15 до момента t13, накапливаются на участке PD фотоэлектрического преобразования. Во второй период экспонирования электрические заряды, созданные в первый период экспонирования от момента t4 до момента t15, сохраняются участком MEM хранения. Когда блок 3 управления снова управляет включением первого переключателя TX1 без обрыва тока из выключенного состояния в момент между моментом t15 и моментом t13, электрические заряды из участка PD фотоэлектрического преобразования переносятся на участок MEM хранения. Следовательно, в третий момент времени (момент t13) участок MEM хранения сохраняет как электрические заряды, созданные в первый период, так и электрические заряды, созданные во второй период.
[0087] Как описано выше, во втором режиме возбуждения следующее экспонирование может начинаться сразу после завершения экспонирования для одного кадра. Таким образом, периоды, в течение которых отсутствует информация, могут исключаться, и в силу этого может улучшаться качество изображений.
[0088] Во втором режиме возбуждения, после завершения операций по считыванию электрических зарядов, соответствующих предшествующему кадру, сохраненному на участке MEM хранения, блок 3 управления выполняет перенос электрических зарядов из участка PD фотоэлектрического преобразования на участок MEM хранения в течение периода экспонирования. Следовательно, величина заряда при насыщении пикселей может увеличиваться даже с небольшой величиной заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования. Величина заряда при насыщении пикселей означает максимальное значение величины электрического заряда, которое может обрабатываться в качестве сигнала, из числа электрических зарядов, созданных при операции однократного экспонирования. Величина заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования означает максимальное значение величины электрического заряда, которое может накапливаться участком PD фотоэлектрического преобразования. Величина заряда при насыщении участка MEM хранения означает максимальное значение величины электрического заряда, которое может сохраняться участком MEM хранения.
[0089] Период однократного экспонирования представляет собой общую сумму первого и второго периодов. Поскольку электрические заряды предшествующего кадра, хранимые участком MEM хранения, считываются в первый период, электрические заряды могут сохраняться участком MEM хранения, когда первый период заканчивается. Таким образом, участок PD фотоэлектрического преобразования должен накапливать электрические заряды, созданные по меньшей мере в первый период. Обычно, поскольку величина электрических зарядов, созданных в первый период, меньше величины электрических зарядов, созданных при однократном экспонировании, величина заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования может уменьшаться.
[0090] Согласно настоящему примерному варианту осуществления, во второй период блок 3 управления управляет выключением первого переключателя TX1 без обрыва тока из включенного состояния только один раз (момент t15). Тем не менее, управление не ограничено этим. Во второй период блок 3 управления может управлять выключением первого переключателя TX1 без обрыва тока из включенного состояния ноль раз или множество раз. Когда выключение первого переключателя TX1 без обрыва тока выполняется ноль раз, электрические заряды, созданные на участке PD фотоэлектрического преобразования при втором экспонировании, сразу переносятся на участок MEM хранения и сохраняются участком MEM хранения. Когда выключение первого переключателя TX1 без обрыва тока выполняется множество раз, перенос электрических зарядов из участка PD фотоэлектрического преобразования на участок MEM хранения выполняется по меньшей мере три раза в период экспонирования для одного кадра. Если блок 3 управления управляет выключением первого переключателя TX1 без обрыва тока из включенного состояния множество раз во второй период, величина заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования может дополнительно уменьшаться.
[0091] Желательно, чтобы число включений первого переключателя TX1 без обрыва тока из выключенного состояния в период экспонирования, соответствующий одному кадру, было почти равно или выше отношения величины заряда при насыщении участка MEM хранения к величине заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования. Более желательно, чтобы число включений первого переключателя TX1 без обрыва тока было почти равно упомянутому отношению. При этой конфигурации размеры участка PD фотоэлектрического преобразования и участка MEM хранения могут быть оптимизированы.
Преимущества настоящего примерного варианта осуществления
[0092] Ниже описываются конфигурация и преимущества настоящего примерного варианта осуществления со ссылкой на фиг. 8A-13E. Приводится описание случая, когда устройство 1 формирования изображений работает во втором режиме возбуждения.
[0093] Когда изображение захватывается с использованием камеры, субъект освещается определенным источником света, и свет источника света отражается субъектом и падает на устройство 1 формирования изображений через объектив. Фиг. 8A-13E иллюстрируют примерный случай, в котором субъект, воспринимаемый как белый человеческими глазами, захватывается при источнике света.
Первый сравнительный пример
[0094] Перед описанием конфигурации и преимуществ настоящего примерного варианта осуществления ниже будет описан сравнительный пример. В устройстве формирования изображений согласно первому сравнительному примеру величина заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования является идентичной для каждого из красных (R), зеленых (Gr, Gb) и синих (B) пикселей (в дальнейшем называемых "R-пикселем", "G-пикселем" и "B-пикселем" соответственно). Фиг. 8A-10E иллюстрируют операции устройства формирования изображений согласно первому сравнительному примеру при различных условиях падающего света.
[0095] Фиг. 8A является временной диаграммой, иллюстрирующей возбуждающий импульс при операции двукратного переноса, аналогичной операции двукратного переноса, проиллюстрированной на фиг. 7. Фиг. 8B иллюстрирует количество света для света, падающего на определенную область устройства формирования изображений. Ссылаясь на фиг. 8B, нижняя пунктирная линия указывает количество света 0 (нет падающего света), а верхняя пунктирная линия указывает количество света, при котором участок PD фотоэлектрического преобразования G-пикселя просто достигает насыщения в каждый из первого и второго периодов экспонирования. Ссылаясь на пример, проиллюстрированный на фиг. 8A-8E, свет в промежуточном количестве между двумя пунктирными линиями, проиллюстрированными на фиг. 8B, падает на область в плоскости формирования изображений. Количество света является постоянным для первого и второго периодов экспонирования, проиллюстрированных на фиг. 8A-8E.
[0096] Фиг. 8C, 8D и 8E иллюстрируют изменения во времени величин электрического заряда на участках PD фотоэлектрического преобразования G-, R- и B-пикселей соответственно. Например, ниже описывается операция G-пикселя.
[0097] В момент t4, когда разрядник TX3 выключается из включенного состояния, начинается накопление электрических зарядов на участке PD фотоэлектрического преобразования. В примере, проиллюстрированном на фиг. 8A-8E, поскольку количество падающего света является постоянным, величина электрического заряда участка PD фотоэлектрического преобразования увеличивается пропорционально времени. В момент t15 заканчивается первый по времени перенос заряда из участка PD фотоэлектрического преобразования на участок MEM хранения, и величина электрического заряда участка PD фотоэлектрического преобразования становится нулевой.
[0098] Во второй период экспонирования, начинающийся с момента t15, величина электрического заряда участка PD фотоэлектрического преобразования аналогично увеличивается пропорционально времени. В момент t13 электрические заряды снова переносятся на участок MEM хранения, и величина электрического заряда участка PD фотоэлектрического преобразования снова становится нулевой.
[0099] Если уровень насыщения участка PD фотоэлектрического преобразования составляет 1, в примере, проиллюстрированном на фиг. 8A-8E, величина электрического заряда в 0,7 накапливается в G-пикселе в каждый из первого и второго периодов экспонирования. Эти величины электрического заряда суммируются на участке MEM хранения, и G-пиксель выводит величину электрического заряда в 0,7+0,7=1,4 для кадра.
[0100] В этом случае R- и B-пиксели также выполняют аналогичную операцию. В примерах, проиллюстрированных фиг. 8A-8E, в R-пикселе накапливается величина электрического заряда в 0,6+0,6=1,2, и в B-пикселе накапливается величина электрического заряда в 0,35+0,35=0,7.
[0101] В примере, проиллюстрированном на фиг. 8A-8E, отношение количеств света (G:R:B), когда объект, воспринимаемый как белый человеческими глазами, захватывается при источнике света, составляет 1,4:1,2:0,7. Это отношение зависит от источника света, с помощью которого облучается субъект, и называется балансом белого.
[0102] Ниже предоставлена дополнительная информация относительно баланса белого. Человеческие глаза воспринимают белый объект в качестве белого при любом источнике света. Чтобы удовлетворять этому условию человеческих глаз, камера умножает каждый из сигналов от G-, R- и B-пикселей на коэффициент усиления согласно балансу белого, формируя конечное проявленное изображение. Этот коэффициент усиления называется коэффициентом усиления баланса белого. Коэффициент усиления баланса белого обычно умножается процессором (блоком обработки сигналов) на последующей ступени устройства формирования изображений. В этом примере для субъекта, воспринимаемого как белый человеческими глазами при этом источнике света, процессор умножает сигнал от R-пикселя на 1,4/1,2=1,17 и умножает сигнал от B-пикселя на 1,4/0,7=2, выравнивая значения яркости G-, R- и B-пикселей в конечном проявленном изображении. Если баланс белого является неподходящим, возникает явление, в котором белый объект не воспринимается в качестве белого в конечном проявленном изображении. В этом примере это явление называется проблемой окрашивания.
[0103] Согласно первому сравнительному примеру, который описан выше, участки PD фотоэлектрического преобразования G-, R- и B-пикселей обеспечивают одну и ту же величину заряда при насыщении. Согласно первому сравнительному примеру, выключенный уровень линии PTX3 возбуждения затвора разрядника TX3 является общим для всех пикселей. Более конкретно, все пиксели обеспечивают одну и ту же высоту потенциального барьера разрядника TX3 в выключенном состоянии. Даже если все пиксели обеспечивают одну и ту же величину заряда при насыщении, как в первом сравнительном примере, проблема окрашивания не возникает, если ни один из участков PD фотоэлектрического преобразования пикселей не достигает насыщения в период экспонирования, как проиллюстрировано на фиг. 8A-8E.
[0104] Фиг. 9A-9E иллюстрируют величину электрического заряда каждого пикселя в случае, если количество падающего света превышает количество падающего света в случае, проиллюстрированном на фиг. 8A-8E, в устройстве формирования изображений согласно первому сравнительному примеру. Фиг. 9A-9E иллюстрируют случай, в котором количество падающего света для области выше уровня насыщения G-пикселя, и количество света является постоянным в период одного кадра.
[0105] В этот период времени величина электрического заряда участка PD фотоэлектрического преобразования G-пикселя достигает уровня насыщения 1 как в первый, так и во второй периоды экспонирования. Поскольку величина электрического заряда, равная или большая величины заряда при насыщении, не может накапливаться на участке PD фотоэлектрического преобразования, G-пиксель выводит величину электрического заряда в 1+1=2 для кадра.
[0106] Как проиллюстрировано на фиг. 9D и 9E, когда G-пиксель достигает уровня насыщения "1", хотя ни один из R- и B-пикселей области не достигает насыщения, процессор на последующей стадии определяет, что вывод области насыщается. В такой области, например, все G-, R- и B-пиксели определяются имеющими максимальную градацию. Следовательно, область обрабатывается в качестве белой области с максимальной яркостью в конечном проявленном изображении.
[0107] Следовательно, проблема окрашивания не возникает, даже если все пиксели обеспечивают одну и ту же величину заряда при насыщении, как в первом сравнительном примере также в случае, если участок PD фотоэлектрического преобразования G-пикселя достигает насыщения как в первый, так и во второй периоды экспонирования, как проиллюстрировано на фиг. 9A-9E.
[0108] Фиг. 10A-10E иллюстрируют ситуацию, когда в устройстве формирования изображений согласно первому сравнительному примеру возникает проблема окрашивания. Фиг. 10A-10E указывают случай, в котором, например, субъект, воспринимаемый как белый человеческими глазами, перемещается. В этом случае количество падающего света на область превышает уровень G-насыщения в первый период экспонирования, и падающий свет становится темнее, обеспечивая промежуточное количество света во второй период экспонирования.
[0109] Величина электрического заряда участка PD фотоэлектрического преобразования G-пикселя достигает уровня насыщения 1 в первый период экспонирования и становится 0,7 во второй период экспонирования, за счет чего конечный выходной сигнал составляет 1+0,7=1,7. С другой стороны, участки PD фотоэлектрического преобразования ни одного из R- и B-пикселей не достигают насыщения в первый и второй периоды экспонирования.
[0110] В этом случае, поскольку конечный выходной сигнал G-пикселя не достигает "1", процессор на последующей стадии не определяет насыщение. Тем не менее, поскольку только участок PD фотоэлектрического преобразования G-пикселя достигает насыщения в первый период экспонирования, величина электрического заряда G-пикселя становится меньше внутренне присущего значения. Таким образом, отношение величин электрического заряда G-, R- и B-пикселей отклоняется. Как результат, будет отклоняться отношение выходного сигнала между G-, R- и B-пикселями для кадра.
[0111] При этом источнике света соответствующее отношение G:R:B, когда захватывается белый субъект, составляет 1,4:1,2:0,7=1:0,86:0,5, как проиллюстрировано на фиг. 8A-8E. Тем не менее, в ситуации, проиллюстрированной на фиг. 10A-10E, отношение G:R:B выходных сигналов составляет 1,7:1,55:0,9=1:0,91:0,53, что отклоняется от соответствующего отношения G:R:B. В этом случае, поскольку отношение R:B выходных сигналов относительно увеличено, конечное проявленное изображение будет окрашено в пурпурный цвет. Более конкретно, в устройстве формирования изображений согласно первому сравнительному примеру, если яркий субъект перемещается, периферия этого субъекта может окрашиваться.
[0112] Ниже описываются конфигурация и преимущества настоящего примерного варианта осуществления на основе первого примерного варианта осуществления в качестве примера. В устройстве формирования изображений согласно первому примерному варианту осуществления величина заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования различается между G-, R- и B-пикселями. Более конкретно, устройство формирования изображений включает в себя первый пиксель, второй пиксель и третий пиксель, имеющие различную величину заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования. Более конкретно, когда величина заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования G-пикселя устанавливается на 1, величина заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования R-пикселя устанавливается на 0,86, и величина заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования B-пикселя устанавливается на 0,5. Как проиллюстрировано на фиг. 2, эта конфигурация реализуется путем отдельного предоставления линии PTX3 возбуждения затвора для каждого из G-, R- и B-пикселей посредством цвета и различения потенциала выключенного уровня линии PTX3 возбуждения затвора между G-, R- и B-пикселями.
[0113] Это отношение насыщения выравнивается до отношения чувствительностей G-, R- и B-пикселей, когда субъект, воспринимаемый как белый человеческими глазами, захватывается при этом источнике света. Другими словами, отношение насыщения выравнивается до отношения баланса белого при источнике света.
[0114] Аналогично случаю, проиллюстрированному на фиг. 10A-10E, фиг. 11A-11E иллюстрируют величину электрического заряда каждого пикселя в устройстве формирования изображений согласно первому примерному варианту осуществления в случае, если количество света превышает уровень G-насыщения в первый период экспонирования и становится промежуточным количеством света во второй период экспонирования. Как описано выше, величина заряда при насыщении различается между G-, R- и B-пикселями согласно балансу белого. Следовательно, когда G-пиксель насыщается в первый период экспонирования, R- и B-пиксели также достигают соответствующих настроек величины насыщения. Во второй период экспонирования ни один из R- и B-пикселей не насыщается. Таким образом, отношение G:R:B конечных выходных сигналов становится 1,7:1,46:0,85=1:0,86:0,5, что не отклоняется от соответствующего отношения выходных сигналов в случае, проиллюстрированном на фиг. 8A-8E. Более конкретно, устройство формирования изображений согласно настоящему первому примерному варианту осуществления может предотвращать окрашивание периферии яркого субъекта, который перемещается.
[0115] В отличие от случая, проиллюстрированного на фиг. 11A-11E, фиг. 12A-12E иллюстрируют величину электрического заряда каждого пикселя в устройстве формирования изображений согласно первому примерному варианту осуществления в случае, если количество света представляет собой промежуточное количество света в первый период экспонирования и превышает уровень G-насыщения во второй период экспонирования. Более конкретно, фиг. 12A-12E иллюстрируют примерный случай, в котором область в плоскости формирования изображений изменяется с темноватого состояния на яркое состояние. Кроме того, в этом случае окрашивание может предотвращаться путем подходящего различения величины заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования между G-, R- и B-пикселями, аналогично первому примерному варианту осуществления.
[0116] Фиг. 13A-13E иллюстрируют случай, в котором субъект, воспринимаемый как белый человеческими глазами, захватывается устройством формирования изображений согласно первому примерному варианту осуществления при источнике света, отличном от источника света в случаях, проиллюстрированных на фиг. 8A-12E. Кроме того, в этом случае, аналогично случаям, проиллюстрированным на фиг. 11A-12E, отношение величины заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования каждого пикселя выравнивается до отношения баланса белого при источнике света окружения формирования изображений. В случае, проиллюстрированном на фиг. 13A-13E, при этом источнике света отношение G:R:B количества света, когда захватывается субъект, воспринимаемый как белый человеческими глазами, т.е. отношение баланса белого, составляет 1:0,5:0,5. Следовательно, в примере, проиллюстрированном на фиг. 13A-13E, когда величина заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования G-пикселя устанавливается на 1, величина заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования R-пикселя устанавливается на 0,5, и величина заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования B-пикселя устанавливается на 0,5. Кроме того, в этом случае эта конфигурация реализуется путем подходящего регулирования потенциала выключенного уровня линии PTX3 возбуждения затвора для каждого из G-, R- и B-пикселей.
[0117] Фиг. 13A-13E иллюстрируют величину электрического заряда каждого пикселя в устройстве формирования изображений согласно первому примерному варианту осуществления в случае, если количество света превышает уровень G-насыщения в первый период экспонирования и становится промежуточным количеством света во второй период экспонирования. Кроме того, в этом случае, аналогично случаю, проиллюстрированному на фиг. 11A-11E, когда G-пиксель насыщается в первый период экспонирования, R- и B-пиксели также достигают соответствующих настроек величины насыщения. Во второй период экспонирования ни один из R- и B-пикселей не насыщается. Таким образом, отношение G:R:B конечных выходных сигналов становится 1,6:0,8:0,8=1:0,5:0,5, что не отклоняется от соответствующего отношения выходных сигналов. Более конкретно, устройство формирования изображений по настоящему первому примерному варианту осуществления может предотвращать окрашивание периферии яркого субъекта, который перемещается.
[0118] Поскольку величина заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования между пикселями таким образом различается, отклонение отношения выходных сигналов пикселей может предотвращаться в случае, если работа в режиме глобального электронного затвора для переноса электрических зарядов из участка PD фотоэлектрического преобразования на участок MEM хранения выполняется в течение периода экспонирования для получения одного кадра. Более конкретно, отклонение отношения выходных сигналов пикселей может предотвращаться путем различения величины заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования между пикселями согласно цветовой информации (или информации типа) цветного светофильтра каждого пикселя и баланса белого при источнике света во время формирования изображений.
[0119] Устройство формирования изображений согласно настоящему примерному варианту осуществления включает в себя множество пикселей PIX. Множество пикселей PIX включает в себя первый пиксель и второй пиксель, имеющие различную величину заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования. В этом случае желательно, чтобы первый и второй пиксели имели различные условия обработки блоком обработки сигналов на последующей стадии. Также желательно, чтобы обработка сигналов включала в себя обработку умножения сигнала, выводимого от каждого пикселя PIX, на коэффициент усиления, и чтобы первому и второму пикселям назначались различные коэффициенты усиления. Коэффициент усиления обычно представляет собой коэффициент усиления баланса белого. Эта конфигурация обеспечивает предотвращение отклонения отношения выходных сигналов пикселей. Можно также сказать, что первый и второй пиксели отличаются по чувствительности.
[0120] Как описано выше, величина заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования каждого пикселя может управляться высотой потенциального барьера разрядника TX3 каждого пикселя в выключенном состоянии. В случае, когда разрядник TX3 каждого пикселя представляет собой транзистор, высота потенциального барьера разрядника TX3 в выключенном состоянии может управляться напряжением выключения, подаваемым на электрод затвора разрядника TX3, т.е. потенциалом выключенного уровня линии PTX3 возбуждения затвора. Альтернативно, в случае, когда разрядник TX3 каждого пикселя представляет собой транзистор, высота потенциального барьера разрядника TX3 в выключенном состоянии может управляться концентрацией примесей в полупроводниковой области, расположенной под электродом затвора разрядника TX3.
[0121] Желательно, чтобы могла изменяться величина заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования каждого пикселя. Более конкретно, желательно, чтобы могла изменяться по меньшей мере любая из величины заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования первого пикселя и величины заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования второго пикселя. Это позволяет изменять величину заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования каждого пикселя согласно условиям формирования изображений и условиям обработки в блоке обработки сигналов, за счет чего отклонение отношения выходных сигналов пикселей может предотвращаться при различных условиях. В случае, когда устройство формирования изображений включает в себя блок установки условий для установки условий обработки в блоке обработки сигналов, желательно изменять величину заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования каждого пикселя согласно установке (настройке) блоком установки условий. Обычно желательно изменять величину заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования каждого пикселя согласно установке блоком установки условий баланса белого. Таким образом, при различных источниках света может предотвращаться окрашивание.
[0122] Хотя в примерах, проиллюстрированных на фиг. 11A-13E, отношение баланса белого выравнивается до отношения величины заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования G-, R- и B-пикселей, конфигурация является эффективной, даже если не выполняется полное согласование. Когда захватывается белый субъект, если величина заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования пикселя с высокой чувствительностью устанавливается выше величины заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования пикселя с низкой чувствительностью, обеспечивается эффект уменьшения окрашивания. Более конкретно, если первый пиксель имеет больший коэффициент усиления баланса белого при обработке сигналов на последующей стадии, чем второй пиксель, величина заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования первого пикселя должна устанавливаться меньше величины заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования второго пикселя. Затем, если отношение чувствительностей пикселей (отношение баланса белого) приближается к отношению величин заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования каждого пикселя, увеличивается эффект уменьшения окрашивания. Чтобы избежать чрезвычайно неестественного окрашивания, желательно ограничивать отклонение между отношением чувствительностей пикселей и отношением величин заряда при насыщении участка фотоэлектрического преобразования каждого пикселя до ±30% или меньше. Более конкретно, желательно удовлетворять следующей формуле (1).
0,7R≤r≤1,3R (1)
[0123] Что касается формулы (1), R является отношением коэффициента усиления, применяемого для умножения на сигнал второго пикселя, к коэффициенту усиления, применяемому для умножения на сигнал первого пикселя при обработке сигналов блоком обработки сигналов. Что касается формулы (1), r является отношением величины заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования второго пикселя к величине заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования первого пикселя.
[0124] Хотя фиг. 10A-13E иллюстрируют случаи, в которых количество падающего света на область изменяется около границы между первым и вторым периодами экспонирования, преимущества настоящего примерного варианта осуществления не ограничены этими случаями. Даже в случае, когда количество падающего света изменяется в течение первого или второго периода экспонирования, и в случае, когда количество света изменяется не в ступенчатой форме, а в наклонной форме, обеспечиваются аналогичные преимущества.
[0125] Хотя устройство формирования изображений по настоящему примерному варианту осуществления работает по меньшей мере во втором режиме возбуждения, режим возбуждения может быть переключаемым, и устройство формирования изображений может работать также в первом режиме возбуждения. В первом режиме возбуждения (при работе в режиме однократного переноса), когда участок PD фотоэлектрического преобразования G-пикселя насыщается, процессор на последующей стадии может определять насыщение, и в силу этого проблема окрашивания не возникает. Следовательно, в первом режиме возбуждения величина заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования может быть идентичной для каждого пикселя. Поскольку устройство формирования изображений согласно первому примерному варианту осуществления выполнено с возможностью отдельно устанавливать потенциал выключенного уровня линии PTX3 возбуждения затвора каждого пикселя, устройство формирования изображений может отдельно устанавливать величину заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования каждого пикселя. Таким образом, в ответ на переключение режима возбуждения, блок 3 управления может изменять величину заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования каждого пикселя. Более конкретно, когда выбирается первый режим возбуждения, блок 3 управления может изменять потенциал выключенного уровня линии PTX3 возбуждения затвора каждого пикселя таким образом, чтобы он был идентичным для каждого пикселя. Если привязка по времени управляющего сигнала первого переключателя TX1 без обрыва тока каждого пикселя выполнена изменяемой, и потенциал выключенного уровня линии PTX3 возбуждения затвора изменяется на основе числа переносов или момента времени переноса, эти изменения поддерживаются в устройстве формирования изображений.
[0126] Ниже описывается второй примерный вариант осуществления. Ниже подробно описываются только отличия от первого примерного варианта осуществления. Аналогично первому примерному варианту осуществления, общая блок-схема устройства формирования изображений согласно второму примерному варианту осуществления проиллюстрирована на фиг. 1.
[0127] Ниже описывается устройство формирования изображений согласно второму примерному варианту осуществления на основе второго примерного варианта осуществления в качестве примера. Фиг. 14 иллюстрирует эквивалентную цепь пикселей, включенных в область 2 формирования изображений в устройстве формирования изображений согласно второму примерному варианту осуществления. Как начерчено жирными линиями, проиллюстрированными на фиг. 14, в устройстве формирования изображений согласно второму примерному варианту осуществления разрядники TX3 R- и B-пикселей возбуждаются одной и той же линией, и разрядник TX3 G-пикселя (Gr, Gb) возбуждается упомянутой одной и той же линией. В устройстве формирования изображений согласно второму примерному варианту осуществления, как проиллюстрировано на фиг. 14, линия возбуждения разрядника TX3 каждого пикселя PIX изгибается в виде меандра согласно типу цветного светофильтра CF. Линия PTX(n) возбуждения затвора и линия PTX(n+2) возбуждения затвора являются идентичными в области (не проиллюстрирована).
[0128] Например, в примерном случае при источнике света согласно первому примерному варианту осуществления, проиллюстрированному на фиг. 13A-13E, чувствительность (или коэффициент усиления баланса белого), когда захватывается субъект, воспринимаемый как белый человеческими глазами, является идентичной для каждого из R- и B-пикселей. Таким образом, окрашивание может предотвращаться, если могут отдельно регулироваться величина заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования G-пикселя и величина заряда при насыщении участков PD фотоэлектрического преобразования R- и B-пикселей. Другими словами, в этом случае, окрашивание может предотвращаться, даже если величина заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования R-пикселя и величина заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования B-пикселя не могут регулироваться отдельно.
[0129] Аналогично цепи, проиллюстрированной на фиг. 14, устройство формирования изображений согласно второму примерному варианту осуществления разделяет линию для возбуждения разрядника TX3 G-пикселя и линию для возбуждения разрядников TX3 R- и B-пикселей. Эта конфигурация обеспечивает отдельное регулирование потенциала выключенного уровня разрядника TX3 между G-, R- и B-пикселями. Согласно второму примерному варианту осуществления, поскольку разрядник TX3 R-пикселя и разрядник TX3 B-пикселя возбуждаются одной и той же линией, величины заряда при насыщении R- и B-пикселей не могут регулироваться отдельно. Тем не менее, окрашивание может предотвращаться в зависимости от источника света, например, при источнике света, проиллюстрированном на фиг. 13A-13E.
[0130] Ниже описывается третий примерный вариант осуществления в качестве другого примера устройства формирования изображений согласно второму примерному варианту осуществления. Фиг. 15 иллюстрирует эквивалентную цепь пикселей, включенных в область 2 формирования изображений в устройстве формирования изображений согласно третьему примерному варианту осуществления. Как проиллюстрировано на фиг. 15, в устройстве формирования изображений согласно третьему примерному варианту осуществления разрядники TX3 всех G-, R- и B-пикселей возбуждаются одной и той же линией. Линии PTX(n), PTX(n+1) и PTX(n+2) возбуждения затвора являются идентичными в области (не проиллюстрирована).
[0131] Согласно третьему примерному варианту осуществления, величина заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования различается между пикселями путем различения между пикселями концентрации примесей полупроводниковой области, расположенной под электродом затвора разрядника TX3.
[0132] Фиг. 16 является принципиальной схемой, иллюстрирующей структуру поперечного сечения устройства формирования изображений согласно третьему примерному варианту осуществления. Более конкретно, фиг. 16 иллюстрирует поперечное сечение одного пикселя. Структура поперечного сечения устройства формирования изображений согласно настоящему примерному варианту осуществления отличается от структуры поперечного сечения устройства формирования изображений согласно первому примерному варианту осуществления, проиллюстрированному на фиг. 3, тем, что область 214 p-типа в качестве отдельной полупроводниковой области для каждого пикселя предусматривается под электродом 211 затвора разрядника TX3 через изолирующий слой (не проиллюстрирован). В устройстве формирования изображений согласно третьему примерному варианту осуществления высота потенциального барьера разрядника TX3 в выключенном состоянии различается путем различения концентрации примесей области 214 p-типа между G-, R- и B-пикселями. Эта конфигурация различает величину заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования между G-, R- и B-пикселями, выравнивая отношение величины заряда при насыщении каждого пикселя относительно отношения баланса белого. С помощью этой компоновки предотвращается окрашивание.
[0133] Ниже описывается третий примерный вариант осуществления. Ниже подробно описываются только отличия от первого примерного варианта осуществления. Аналогично первому примерному варианту осуществления, общая блок-схема устройства формирования изображений согласно третьему примерному варианту осуществления проиллюстрирована на фиг. 1.
[0134] Фиг. 17 иллюстрирует эквивалентную цепь пикселей, включенных в область 2 формирования изображений в устройстве формирования изображений согласно третьему примерному варианту осуществления. Устройство формирования изображений согласно третьему примерному варианту осуществления включает в себя нормальные пиксели и инфракрасные (IR-) пиксели. IR-пиксель означает пиксель, имеющий большую глубину участка PD фотоэлектрического преобразования в полупроводниковой подложке, чем нормальный пиксель, обеспечивая высокую чувствительность к инфракрасному свету. Устройство формирования изображений согласно третьему примерному варианту осуществления не имеет цветных светофильтров. Каждый нормальный пиксель устройства формирования изображений согласно третьему примерному варианту осуществления имеет аналогичную структуру для каждого пикселя согласно первому и второму примерным вариантам осуществления за исключением того, что не предусматривается цветной светофильтр.
[0135] Как проиллюстрировано на фиг. 17, в устройстве формирования изображений согласно третьему примерному варианту осуществления IR-пиксели размещены в n-й строке, нормальные пиксели размещены в (n+1)-й строке, и IR-пиксели размещены в (n+2)-й строке. Выходной сигнал, содержащий только составляющую инфракрасного света, может получаться из устройства формирования изображений согласно третьему примерному варианту осуществления при вычитании выходного сигнала от нормального пикселя из выходного сигнала от IR-пикселя в соседних строках (например, в n-й и (n+1)-й строках).
[0136] Фиг. 18 является принципиальной схемой, иллюстрирующей структуру поперечного сечения устройства формирования изображений согласно третьему примерному варианту осуществления. Более конкретно, фиг. 18 иллюстрирует поперечное сечение одного IR-пикселя. В структуре поперечного сечения нормального пикселя цветной светофильтр CF удален из структуры, проиллюстрированной на фиг. 3. Вместо полупроводниковой области 202 n-типа, включенной в нормальный пиксель, IR-пиксель включает в себя полупроводниковую область 216 n-типа, имеющую большую глубину в полупроводниковой подложке.
Второй сравнительный пример
[0137] До описания конфигурации и преимуществ настоящего примерного варианта осуществления, ниже будет описан другой сравнительный пример. В устройстве формирования изображений согласно второму сравнительному примеру нормальный пиксель и IR-пиксель имеют одну и ту же величину заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования. Фиг. 19A-20D иллюстрируют операции устройства формирования изображений согласно второму сравнительному примеру при различных условиях падающего света. Фиг. 19A-21D являются аналогичными фиг. 8A-13E. Фиг. 19A, 20A и 21A являются временными диаграммами, иллюстрирующими возбуждающие импульсы. Фиг. 19B, 20B и 21B иллюстрируют количество света для света, падающего на определенную область устройства формирования изображений. Фиг. 19C, 2°C и 21C иллюстрируют изменения во времени величины электрического заряда участка PD фотоэлектрического преобразования IR-пикселя. Фиг. 19D, 20D и 21D иллюстрируют изменения во времени величины электрического заряда участка PD фотоэлектрического преобразования нормального пикселя.
[0138] В ситуации, проиллюстрированной на фиг. 19A-19D, участок PD фотоэлектрического преобразования ни нормального, ни IR-пикселя не насыщается в первый и второй периоды экспонирования. Следовательно, отношение выходных сигналов от IR- и нормального пикселей для кадра является тем же самым как отношение чувствительностей обоих пикселей. Выходной сигнал от IR-пикселя составляет 0,8+0,8=1,6, выходной сигнал от нормального пикселя составляет 0,5+0,5=1, и отношение выходных сигналов (IR-пикселя к нормальному пикселю) составляет 1,6:1.
[0139] Фиг. 20A-20D являются схемами, иллюстрирующими примерный случай, в котором количество падающего света изменяется в первом и втором периодах экспонирования согласно второму сравнительному примеру. В ситуации, проиллюстрированной на фиг. 20A-20D, IR-пиксель насыщается в первый период экспонирования и не насыщается во второй период экспонирования. С другой стороны, нормальный пиксель не насыщается в первый и второй периоды экспонирования. Следовательно, отношение конечных выходных сигналов пикселей будет отклоняться от отношения чувствительностей пикселей. Поскольку выходной сигнал IR-пикселя составляет 1+0,8=1,8, и выходной сигнал нормального пикселя составляет 0,875+0,5=1,375, отношение конечных выходных сигналов пикселей (IR-пикселя к нормальному пикселю) становится 1,8:1,375=1,309:1, что отклоняется от отношения чувствительностей 1,6:1. Если вычисляется выходной сигнал IR-пикселя минус выходной сигнал нормального пикселя, получается неточное изображение, которое содержит меньшую составляющую инфракрасного света, чем составляющая в случае, если IR-пиксель не насыщается в каждый период экспонирования, как проиллюстрировано на фиг. 19A-19D. Более конкретно, отклонение отношения выходных сигналов пикселей возникает даже в этом случае.
[0140] В устройстве формирования изображений согласно четвертому примерному варианту осуществления в качестве примера третьего примерного варианта осуществления величина заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования различается между IR- и нормальным пикселями. Более конкретно, устройство формирования изображений включает в себя первый пиксель и второй пиксель, каждый из которых имеет различную величину заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования. Более конкретно, когда величина заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования IR-пикселя устанавливается на 1, величина заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования нормального пикселя устанавливается на 0,625. Как проиллюстрировано на фиг. 17, эта конфигурация реализуется путем отдельного обеспечения линии для линии PTX3 возбуждения затвора для IR- и нормального пикселей и различения потенциала выключенного уровня линии PTX3 возбуждения затвора между IR- и нормальным пикселями.
[0141] Аналогично случаю, проиллюстрированному на фиг. 20A-20D, фиг. 21A-21D иллюстрируют величину электрического заряда каждого пикселя в устройстве формирования изображений согласно четвертому примерному варианту осуществления в случае, когда количество света превышает уровень насыщения IR в первый период экспонирования и становится промежуточным количеством света во второй период экспонирования. Как описано выше, величина заряда при насыщении различается между IR- и нормальным пикселями на основе отношения чувствительностей. Следовательно, когда IR-пиксель насыщается в первый период экспонирования, нормальный пиксель также достигает установленной величины насыщения. Во второй период экспонирования ни IR-, ни нормальный пиксели не насыщаются. Как результат, конечное отношение выходных сигналов (IR-пикселя к нормальному пикселю) становится 1,8:1,125=1,6:1, что не отклоняется от соответствующего отношения выходных сигналов в случае, проиллюстрированном на фиг. 19A-19D.
[0142] Как описано выше, в устройстве формирования изображений согласно третьему примерному варианту осуществления величина заряда при насыщении участка PD фотоэлектрического преобразования различается между пикселями. Эта конфигурация обеспечивает предотвращение отклонения отношения выходных сигналов пикселей в случае, когда работа в режиме глобального электронного затвора для переноса электрических зарядов из участка PD фотоэлектрического преобразования на участок MEM хранения выполняется в течение периода экспонирования для получения одного кадра.
[0143] Ниже со ссылкой на фиг. 22 описывается система формирования изображений согласно четвертому примерному варианту осуществления. Фиг. 22 является блок-схемой, иллюстрирующей общую конфигурацию системы формирования изображений согласно настоящему примерному варианту осуществления.
[0144] Устройства формирования изображений согласно первому-третьему примерным вариантам осуществления применимы ко множеству различных систем формирования изображений. Примеры таких систем формирования изображений не ограничены конкретным образом и включают в себя цифровые фотокамеры, цифровые записывающие видеокамеры, камеры для мониторинга, копировальные аппараты, факсы, мобильные телефоны, камеры транспортных средств (фоторегистраторы) и спутники наблюдения. Модуль камеры, включающий в себя оптическую систему (такую как объектив) и устройство формирования изображений, также включается в систему формирования изображений. Фиг. 22 является блок-схемой цифровой фотокамеры в качестве примера системы формирования изображений.
[0145] Как проиллюстрировано на фиг. 22, система 300 формирования изображений включает в себя устройство 100 формирования изображений, оптическую систему 302 формирования изображений, центральный процессор (ЦП) 310 (CPU), блок 312 управления объективом, блок 314 управления устройства формирования изображений, блок 316 обработки изображений, блок 318 управления затвором-диафрагмой, блок 320 отображения, функциональный переключатель 322 и носитель 324 записи.
[0146] Оптическая система 302 формирования изображений формирует оптическое изображение субъекта и включает в себя группу линз (объектив) и диафрагму 304. Диафрагма 304 снабжена функцией регулирования количества света во время захвата изображений путем регулирования диаметра апертуры и функцией затвора для регулирования времени экспонирования, используемого во время захвата неподвижных изображений. Группа линз и диафрагма 304 удерживаются таким образом, что группа линз и диафрагма 304 могут втягиваться вдоль направления оптической оси, так что с помощью совместной работы группы линз и диафрагмы 304 могут реализовываться функция изменения масштаба (зуммирования) и функция регулирования фокуса. Оптическая система 302 формирования изображений может интегрироваться с системой 300 формирования изображений и может представлять собой объектив для формирования изображений, прикрепляемый к системе 300 формирования изображений.
[0147] Устройство 100 формирования изображений располагается таким образом, что его плоскость формирования изображений расположена в пространстве изображений оптической системы 302 формирования изображений. Устройство 100 формирования изображений представляет собой любое из устройств формирования изображений согласно первому-третьему примерным вариантам осуществления и включает в себя CMOS-датчик (пиксельную область 10) и периферийную цепь (область периферийной цепи). В устройстве 100 формирования изображений двумерно размещено множество пикселей, каждый из которых имеет участок фотоэлектрического преобразования, и в каждом из этих пикселей расположен цветной светофильтр, конфигурируя двумерный датчик цвета с одной формной пластиной. Устройство 100 формирования изображений выполняет фотоэлектрическое преобразование для изображения субъекта, сформированного оптической системой 302 формирования изображений, и выводит сигнал изображения и сигнал обнаружения фокуса.
[0148] Блок 312 управления объективом управляет прямым/обратным приведением в действие группы линз оптической системы 302 формирования изображений, выполняя операцию изменения масштаба и регулирование фокуса. Блок 312 управления объективом включает в себя цепи и блоки обработки для реализации этих функций. Блок 318 управления затвором-диафрагмой регулирует количество света для формирования изображений путем изменения диаметра апертуры диафрагмы 304 (с помощью значения изменяемой диафрагмы). Блок 318 управления затвором-диафрагмой включает в себя цепи и блоки обработки для реализации этих функций.
[0149] CPU (ЦП) 310, блок управления для осуществления различного управления основным корпусом камеры, включает в себя блок вычисления, постоянное запоминающее устройство (ROM), оперативное запоминающее устройство (RAM), аналого-цифровой (A/D) преобразователь, цифро-аналоговый (D/A) преобразователь и цепь интерфейса связи. CPU 310 управляет операциями каждой секции в камере согласно компьютерной программе, хранимой в ROM, для выполнения последовательности операций формирования изображений, включающих в себя автофокусировку (AF), в том числе обнаружение состояния фокусировки оптической системы 302 формирования изображений (обнаружение фокуса), захват изображений, обработку изображений и запись. CPU 310 также служит в качестве блока обработки сигналов.
[0150] Блок 314 управления устройства формирования изображений управляет операциями устройства 100 формирования изображений, выполняет аналогово-цифровое преобразование для сигнала, выводимого из устройства 100 формирования изображений, и передает результирующий сигнал в CPU 310. Блок 314 управления устройства формирования изображений включает в себя цепи и блоки управления, выполненные с возможностью реализовывать эти функции. Устройство 100 формирования изображений может содержать функцию аналогово-цифрового преобразования. Блок 316 обработки изображений выполняет обработку изображений, такую как гамма-преобразование и интерполяция цветов, для сигнала, подвергнутого аналогово-цифровому преобразованию, формируя сигнал изображения. Блок 316 обработки изображений включает в себя цепи и блоки управления, выполненные с возможностью реализовывать эти функции. Как описано выше, система 300 формирования изображений включает в себя устройство обработки, содержащее CPU 310 и блок 316 обработки изображений. Устройство обработки выполняет различную обработку коррекции и сжатия данных для данных формирования изображений, выводимых из устройства 100 формирования изображений.
[0151] Блок 320 отображения представляет собой устройство отображения, такое как жидкокристаллический дисплей (ЖК-дисплей) для отображения информации о режиме формирования изображений камеры, изображения для предварительного просмотра перед захватом изображений, изображения для проверки после захвата изображений и сфокусированного состояния во время обнаружения фокуса. Функциональный переключатель 322 включает в себя переключатель питания, спусковой переключатель (триггера формирования изображений), функциональный переключатель изменения масштаба и избирательный переключатель режима формирования изображений. Носитель 324 записи записывает захваченное изображение и может представлять собой носитель, встроенный в систему 300 формирования изображений, либо носитель, такой как карта памяти, который может присоединяться и отсоединяться к/от системы 300 формирования изображений.
[0152] С помощью вышеописанной конфигурации система 300 формирования изображений, к которой применяется любое из устройств 100 формирования изображений согласно первому-третьему примерным вариантам осуществления, становится способной реализовывать высокопроизводительную систему формирования изображений, допускающую выполнение высокоточного регулирования фокуса и получение изображения с большой глубиной резкости.
[0153] Ниже со ссылкой на фиг. 23A и 23B описываются система формирования изображений и подвижный объект согласно пятому примерному варианту осуществления. Фиг. 23A и 23B являются схемами, иллюстрирующими конфигурации системы формирования изображений и подвижного объекта согласно настоящему примерному варианту осуществления.
[0154] Фиг. 23A иллюстрирует пример системы 400 формирования изображений, связанной с камерой транспортного средства. Система 400 формирования изображений включает в себя устройство 410 формирования изображений, которое представляет собой любое из вышеописанных устройств формирования изображений согласно первому-третьему примерным вариантам осуществления. Система 400 формирования изображений включает в себя блок 412 обработки изображений для выполнения обработки изображений для множества участков данных изображений, полученных устройством 410 формирования изображений, и блок 414 получения параллакса для вычисления параллакса (разности фаз параллактических изображений) на основе множества участков данных изображений, полученных устройством 410 формирования изображений. Система 400 формирования изображений также включает в себя блок 416 получения расстояния для вычисления расстояния до субъекта на основе вычисленного параллакса и блок 418 определения столкновений для определения вероятности столкновения на основе вычисленного расстояния. Блок 414 получения параллакса и блок 416 получения расстояния представляют собой примеры блока получения информации о расстоянии для получения информации о расстоянии до субъекта. Более конкретно, информация о расстоянии представляет собой информацию о параллаксе, степени расфокусировки и расстоянии до субъекта. Блок 418 определения столкновений может определять вероятность столкновения путем использования этих частей информации о расстоянии. Блок получения информации о расстоянии также может быть реализован компонентом специализированного аппаратного обеспечения или программным модулем. Блок получения информации о расстоянии также может быть реализован программируемой пользователем вентильной матрицей (FPGA), специализированной интегральной схемой (ASIC) либо комбинацией обеих.
[0155] Система 400 формирования изображений, соединенная с устройством 420 получения информации о транспортном средстве, получает информацию о транспортном средстве, в том числе скорость транспортного средства, скорость относительно вертикальной оси и угол поворота рулевого колеса. Система 400 формирования изображений также соединяется с ЭБУ 430 управления (электронный блок управления) в качестве устройства управления для вывода управляющих сигналов для формирования тормозной силы в транспортное средство на основе результата определения блоком 418 определения столкновений. Более конкретно, ЭБУ 430 управления представляет собой пример блока управления подвижным объектом для управления подвижным объектом на основе информации о расстоянии. Система 400 формирования изображений также соединяется с устройством 440 предупреждения для формирования сигнала предупреждения для водителя на основе результата определения блоком 418 определения столкновений. Например, когда вероятность столкновения определяется блоком 418 определения столкновений как высокая, ЭБУ 430 управления выполняет управление транспортным средством для предотвращения столкновения и уменьшения повреждений за счет применения тормозов, отпускания педали акселератора и ограничения мощности двигателя. Устройство 440 предупреждения извещает пользователя путем формирования сигнала предупреждения, такого как звук, отображения информации предупреждения на экране навигационной системы автомобиля или вызывания вибрации в ремне безопасности и системе рулевого управления.
[0156] Согласно настоящему примерному варианту осуществления, система 400 формирования изображений захватывает изображение периферии транспортного средства, такой как передняя или задняя части транспортного средства. Фиг. 23B иллюстрирует систему 400 формирования изображений для захвата изображения передней части транспортного средства (диапазон 450 формирования изображений). Устройство 420 получения информации о транспортном средстве активирует систему 400 формирования изображений и передает ей инструкцию для выполнения захвата изображений. Путем использования любого из вышеописанных устройств формирования изображений согласно первому-третьему примерным вариантам осуществления в качестве устройства 410 формирования изображений, система 400 формирования изображений согласно настоящему примерному варианту осуществления дополнительно может повышать точность измерения расстояния.
[0157] Хотя настоящий примерный вариант осуществления описывается выше на основе примера управления для предотвращения столкновения с другими транспортными средствами, настоящий примерный вариант осуществления также применим к автоматическому управлению транспортным средством для следования за другим транспортным средством и автоматическому управлению транспортным средством для удержания транспортного средства в пределах полосы движения. Система 400 формирования изображений применима не только к транспортным средствам, таким как автомобили, но также и к другим подвижным объектам (перемещаемым устройствам), таким как водные суда, самолеты и промышленные роботы. Помимо этого, система 400 формирования изображений применима не только к подвижным объектам, но также и к интеллектуальным транспортным системам (ITS) и широкому диапазону устройств, использующих распознавание объектов.
[0158] Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на примерные варианты осуществления, следует понимать, что изобретение не ограничено раскрытыми примерными вариантами осуществления. Объем прилагаемой формулы изобретения должен соответствовать самой широкой интерпретации для охвата всех таких модификаций и эквивалентных структур и функций.