ТВЕРДОТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЪЕМКИ ИЗОБРАЖЕНИЯ
SOLID-STATE DEVICE FOR CAPTURING IMAGES

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к твердотельному устройству для съемки изображения, а более конкретно - к способу расширения его динамического диапазона.
Уровень техники
Есть много известных способов управления началом и окончанием накопления зарядов для всех пикселей по всей плоскости без использования способа механической блокировки света в устройстве усилительного типа для съемки изображения, таком как известное под названием «датчик изображения с комплементарной структурой «металл - оксид - полупроводник» («КМОП-датчик изображения»), предусматривающих применение электронного затвора.
При реализации способа, связанного с электронным затвором и описанного в японской патентной публикации №2006-246450, заряд, генерируемый в компоненте фотоэлектрического преобразования в период генерирования сигнальных зарядов, переносится в компонент накопления зарядов, а по окончании экспонирования компонент фотоэлектрического преобразования сбрасывается, чтобы удалить заряд, остающийся в компоненте фотоэлектрического преобразования, вследствие чего достигается выполнение функции электронного затвора.
Этот способ отличается тем, что функции выполняются раздельно выделенными компонентами, так что компонент фотоэлектрического преобразования осуществляет главным образом только фотоэлектрическое преобразование, а накопление заряда в течение периода экспонирования осуществляется компонентом накопления зарядов, расположенным рядом с компонентом фотоэлектрического преобразования. Отметим, что компонент накопления зарядов расположен отдельно от области плавающей диффузии (области ПД). Поскольку количество заряда при насыщении в компоненте фотоэлектрического преобразования мало, перенос заряда из компонента фотоэлектрического преобразования в компонент накопления зарядов можно осуществить с использованием низкого напряжения. Этот прибор можно легко изготовить посредством простого процесса, основанного на обычном процессе производства КМОП-структур, т.е. его производство проще, чем производство приборов с зарядовой связью (ПЗС) или других аналогичных приборов. Отметим, что в этом месте и в других местах текста изобретения предполагается, что заряды обеспечиваются электронами. Поэтому в случае, когда используются электроны, выражение «количество зарядов» следует понимать как «количество электронов».
В способе, описанном в японской патентной публикации №2006-246450, наличие компонента накопления зарядов в каждом пикселе ведет к увеличению величины заряда при насыщении. Однако увеличение величины заряда при насыщении может вызвать ограничение сигнала по диапазону посредством динамического диапазона схемы считывания, находящейся в каскаде, следующем за компонентом фотоэлектрического преобразования. Эта ситуация возникает из-за вышеописанной конфигурации, в которой функция фотоэлектрического преобразования и функция накопления сигнальных зарядов выполняются отдельно, и каждая из этих функций оптимизируется индивидуально.
Ввиду вышеизложенного, в настоящем изобретении предложен способ получения сигнала изображения посредством полного использования сигнальных зарядов, величина которых увеличивается компонентом накопления зарядов, расположенным отдельно, без ограничения посредством динамического диапазона схемы считывания, находящейся в следующем каскаде.
Раскрытие изобретения
Устройство содержит множество пикселей, а каждый пиксель включает в себя компонент фотоэлектрического преобразования, компонент накопления зарядов, выполненный с возможностью накопления сигнального заряда, переносимого первым компонентом переноса из компонента фотоэлектрического преобразования, усилитель, выполненный с возможностью усиления сигнала на основании сигнального заряда, переносимого вторым компонентом переноса, и компонент сброса и блок управления, выполненный с возможностью подачи импульсов возбуждения, при этом, когда сигнальный заряд, генерируемый в течение одного периода, переносится в усилитель, блок управления подает импульсы таким образом, что импульс включения подается во второй компонент переноса при одновременной подаче импульса отключения в первый компонент переноса, вследствие чего происходит перенос накопленного сигнального заряда в усилитель, после чего импульс включения подается в компонент сброса, чтобы сбросить сигнальный заряд, перенесенный в усилитель, а затем импульс включения подается в первый компонент переноса и второй компонент переноса, чтобы перенести сигнальный заряд, накопленный в компоненте фотоэлектрического преобразования, в усилитель.
Дополнительные признаки данного изобретения станут очевидными из нижеследующего описания возможных вариантов осуществления со ссылками на сопровождающие чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена блок-схема, иллюстрирующая твердотельное устройство для съемки изображения в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.
На фиг.2 представлена эквивалентная схема пикселей, расположенных в области пикселей твердотельного устройства для съемки изображения в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.
На фиг.3 представлена диаграмма, иллюстрирующая импульсы возбуждения в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
На фиг.4А-4Н представлены диаграммы, иллюстрирующие профили потенциала в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.
На фиг.5 представлена диаграмма, иллюстрирующая импульсы возбуждения в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
На фиг.6 представлена диаграмма, иллюстрирующая импульсы возбуждения в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
На фиг.7А-7D представлены диаграммы, иллюстрирующие распределения сигналов пикселей в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.
На фиг.8А-8С представлены диаграммы, иллюстрирующие идею обработки сигналов в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.
На фиг.9 представлен график, иллюстрирующий отношение «сигнал - шум» в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.
На фиг.10 представлена диаграмма, иллюстрирующая импульсы возбуждения в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
На фиг.11А-11G представлены диаграммы, иллюстрирующие профили потенциала в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.
На фиг.12 представлена принципиальная схема твердотельного устройства для съемки изображения в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.
На фиг.13 представлена принципиальная схема устройства для съемки изображения в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.
На фиг.14А-14Н представлены графики, на каждом из которых показана зависимость между выходным сигналом и яркостью.
Осуществление изобретения
Ниже, со ссылками на сопровождающие чертежи, описаны варианты осуществления настоящего изобретения
Сначала, со ссылками на фиг.1 и 2, поясняется конфигурация твердотельного устройства для съемки изображения и эквивалентной схемы пикселя, которые являются общими для всех вариантов осуществления, описываемых ниже.
На фиг.1 позиция 101 обозначает область пикселей, в которой расположено множество пикселей в форме матрицы. Позиция 102 обозначает блок вертикальной развертки, выполненный с возможностью развертки пикселей в блоках одной или более строк пикселей. Блок 102 вертикальной развертки может быть скомпонован с использованием сдвигового регистра или дешифратора.
Позиция 103 обозначает схему столбцов, выполненную с возможностью обработки сигнала, развертываемого и считываемого из области 101 пикселей блоком вертикальной развертки. Схема столбцов может включать в себя, например, схему системы цветного отображения (СЦО), выполненную с возможностью снижения шума, усилитель, выполненный с возможностью усиления сигнала, выдаваемого из каждого пикселя, аналого-цифровой преобразователь, выполненный с возможностью преобразования аналогового сигнала, принимаемого из каждого пикселя, в цифровую форму, и т.д.
Позиция 104 обозначает блок горизонтальной развертки, выполненный с возможностью последовательной развертки пикселей в блоках одного или более столбцов пикселей для считывания сигнала, обработанного схемой столбцов. Как и блок вертикальной развертки, блок горизонтальной развертки может быть скомпонован с использованием сдвигового регистра или дешифратора.
Позиция 105 обозначает блок обработки сигнала, выполненный с возможностью осуществления конкретной обработки сигнала, выдаваемого из твердотельного устройства для съемки изображения.
Между составляющими компонентами, описанными выше, имеются взаимосвязи, посредством которых происходит передача оптического сигнала, сигнала возбуждения и других сигналов, хотя эти взаимосвязи и не показаны на фиг.1.
На фиг.2 изображена эквивалентная схема пикселей, расположенных в области пикселей. Хотя на фиг.2 показаны - для простоты - только 9 пикселей, расположенных в форме массива размером 3×3, заключенного в области 101 пикселей, количество пикселей не ограничивается этим примером. Позиция 2 обозначает фотодиод (ФД), функционирующий как компонент фотоэлектрического преобразования. Анод фотодиода подключен к фиксированному уровню напряжения (например, уровню «земли»). Катод фотодиода подключен к одному концу компонента 3 накопления зарядов через первый транзистор 8 переноса, функционирующий как первый компонент переноса. Другой конец компонента 3 накопления зарядов подключен к фиксированному уровню напряжения (например, уровню «земли»). Вышеупомянутый один конец компонента 3 накопления зарядов также подключен к обозначенной позицией 4 области плавающей диффузии (ПД) через второй транзистор 9 переноса, функционирующий как второй компонент переноса. Область 4 ПД подключена к электроду затвора усилительного транзистора 12, функционирующего как компонент усилителя. Затвор усилительного транзистора 12 функционирует как входной каскад усилителя. Затвор усилительного транзистора 12 также подключен к шине питания пикселей через транзистор 10 сброса, функционирующий как компонент сброса. В качестве каждого транзистора переноса можно использовать транзистор со структурой «металл - оксид - полупроводник» (МОП-транзистор).
Транзистор 11 выбора, функционирующий как компонент выбора, подключен таким образом, что электрод стока, функционирующий как один основной электрод, подключен к шине питания пикселей, а электрод истока, функционирующий как другой основной электрод, подключен к стоку, функционирующему как один основной электрод усилительного транзистора 12. Если вводится активный сигнал SEL, то транзистор выбора оказывается включенным, и поэтому оба основных электрода транзистора выбора электрически соединены друг с другом. В результате, усилительный транзистор 12 образует схему истокового повторителя совместно с источником постоянного тока (не показан), подключенным к шине OUT сигнала вертикальной развертки, а сигнал, соответствующий напряжению электрода затвора, служащего в качестве управляющего электрода усилительного транзистора 12, появляется на шине OUT сигнала вертикальной развертки. В соответствии с сигналом, появляющимся на шине OUT сигнала вертикальной развертки, из твердотельного устройства для съемки изображения выдается сигнал. Этот сигнал пропускается через схему обработки сигналов и другие схемные элементы, посредством чего формируется сигнал изображения.
В примере, показанном на фиг.2, каждый пиксель включает в себя компонент сброса, усилитель и компонент выбора. В альтернативном варианте множество пикселей могут совместно использовать компонент сброса, усилитель и компонент выбора. При отсутствии компонента выбора каждый пиксель можно выбирать, управляя напряжением входного каскада усилителя.
Выше описан пример конфигурации твердотельного устройства для съемки изображения, применимый в общем случае к вариантам осуществления изобретения, в котором компонент накопления зарядов расположен между компонентом фотоэлектрического преобразования и областью ПД.
В конкретном варианте осуществления твердотельному устройству для съемки изображения можно придать такую конфигурацию, что в тракте заряда, проходящем между компонентом фотоэлектрического преобразования и компонентом накопления зарядов, будет предусмотрен механизм, обеспечивающий перенос зарядов из компонента фотоэлектрического преобразования в компонент накопления зарядов в состоянии, в котором в первый компонент переноса поступает низкоуровневый шум для поддержания первого компонента переноса в отключенном состоянии.
Более конкретно, например, когда первый компонент переноса реализуется с использованием МОП-транзистора, вышеописанный механизм достигается путем выполнения МОП-транзистора в форме структуры со скрытым каналом, так что когда МОП-транзистор находится в отключенном состоянии, в потенциальном барьере, образованном на некоторой глубине под поверхностью, имеется конкретная пониженная часть. В этом случае в течение периода, когда происходит накопление сигнальных зарядов, компонент переноса зарядов может не выполнять целенаправленную операцию управления, и этот компонент переноса зарядов можно поддерживать при фиксированном напряжении. То есть вместо обеспечения функции компонента переноса можно формировать фиксированный потенциальный барьер. Непосредственно перед концом накопления высоту потенциального барьера можно понизить таким образом, что будет происходить перенос сигнальных зарядов, остающихся в компоненте фотоэлектрического преобразования, в компонент накопления зарядов.
При этой конфигурации, когда свет падает на компонент фотоэлектрического преобразования, сигнальные заряды, соответствующие падающему свету, генерируются посредством фотоэлектрического преобразования, и почти все генерируемые сигнальные заряды переносятся в компонент накопления зарядов, не накапливаясь в компоненте фотоэлектрического преобразования. Поэтому появляется возможность достичь одинакового периода накопления зарядов для всех компонентов фотоэлектрического преобразования. Когда МОП-транзистор находится в отключенном состоянии, в поверхности канала МОП-транзистора накапливаются дырки, за счет чего канал, по которому происходит перенос заряда, оказывается на некоторой конкретной глубине под поверхностью. Это обеспечивает излучение под влиянием темнового тока на поверхности раздела изолирующей пленки.
Иными словами, в течение периода, когда происходит накопление зарядов в компоненте фотоэлектрического преобразования и компоненте накопления зарядов, потенциальный барьер между компонентом фотоэлектрического преобразования и компонентом накопления зарядов в тракте заряда ниже, чем потенциальный барьер между компонентом фотоэлектрического преобразования и другими областями в тракте заряда. Отметим, что потенциал здесь определяется относительно сигнального заряда. Например, когда предусмотрена область стока при переполнении (СпП), потенциальный барьер между компонентом фотоэлектрического преобразования и компонентом накопления зарядов задают меньшим, чем потенциальный барьер между компонентом фотоэлектрического преобразования и областью СпП.
В конкретном варианте выполнения конфигурация компонента накопления зарядов может предусматривать использование прибора с зарядовой связью, так что в течение периода, когда происходит накопление сигнальных зарядов в компоненте накопления зарядов, к противоположному электроду, проходящему через изолирующую пленку, прикладывается напряжение для накопления зарядов с полярностью, противоположной полярности сигнальных зарядов на поверхности компонента накопления зарядов. Это может привести к уменьшению генерирования темнового заряда на поверхности полупроводника в области, где находится компонент накопления зарядов.
Таким образом, вышеописанная конфигурация обеспечивает дополнительное снижение темнового тока, связанного с компонентом накопления зарядов. Кроме того, в вышеописанной конфигурации для снижения темнового тока не обязательно имплантировать примесь с противоположным типом проводимости в поверхность компонента накопления зарядов, вследствие чего обеспечивается формирование компонента, ответственного за сохранение заряда на меньшей глубине под поверхностью по сравнению с конфигурацией, в которой используется фотодиод. Это позволяет увеличить емкость накопления зарядов на единицу площади. Например, эта емкость накопления зарядов может быть в несколько раз больше, чем емкость накопления зарядов согласно обычной конфигурации, в которой фотодиод также функционирует как компонент накопления зарядов.
Операция возбуждения осуществляется таким образом, что сигнальные заряды, переносимые из компонента фотоэлектрического преобразования в компонент накопления зарядов в течение одного периода генерирования сигнальных зарядов, накапливаются в компоненте накопления зарядов и используются в качестве сигнала изображения. Иными словами, после того, как в компоненте фотоэлектрического преобразования начинается один период генерирования сигнальных зарядов, сигнал считывается из пикселя вовне без сброса компонента накопления зарядов. Отметим, что один период генерирования сигнальных зарядов определяется в периоде при формировании одного кадра изображения, так что этот период является общим для всех компонентов фотоэлектрического преобразования пикселей.
Конкретные варианты осуществления описаны ниже в контексте конфигурации и способа возбуждения в соответствии с данным изобретением. В этих конкретных вариантах осуществления, описываемых ниже, предполагается, что каждый пиксель имеет такую конфигурацию, что первый компонент переноса выполнен с использованием МОП-транзистора со скрытым каналом, а компонент накопления зарядов реализован посредством прибора с зарядовой связью. Первый и второй модули переноса реализованы с использованием транзисторов.
На фиг.3 представлена диаграмма, иллюстрирующая импульсы возбуждения в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения, а фиг.4А-4Н иллюстрируют профили потенциала в различных состояниях. В данном варианте осуществления сигнальные заряды, генерируемые во время одного периода генерирования сигнальных зарядов, переносятся в усилитель следующим образом. Сначала импульс включения подается только во второй компонент переноса, чтобы осуществить перенос сигнальных зарядов, накопленных в компоненте накопления зарядов, в усилитель. После этого импульс отключения подается в компонент сброса, чтобы сбросить сигнальные заряды, перенесенные в усилитель. Затем импульс включения подается в первый и второй модули переноса, чтобы осуществить перенос сигнальных зарядов, накопленных в компоненте фотоэлектрического преобразования, в усилитель. Отметим, что импульсы возбуждения подаются в соответствующие элементы из блока 102 вертикальной развертки таким образом, что операция, описанная выше, осуществляется надлежащим образом. Так, блок 102 вертикальной развертки и синхрогенератор, который управляет блоком 102 вертикальной развертки, также можно назвать блоком управления, который подает импульсы синхронизации.
На фиг.3 символ PTX1 обозначает импульс возбуждения, подаваемый в первый компонент переноса, символ PTX2 обозначает импульс возбуждения, подаваемый во второй компонент переноса, символ PRES обозначает импульс возбуждения, подаваемый в транзистор сброса, а символ PSEL обозначает импульс возбуждения, подаваемый в транзистор выбора. Каждое число в скобках указывает номер строки пикселей. В данном варианте осуществления устройство для съемки изображения имеет механический затвор, который работает таким образом, что когда этот механический затвор находится в открытом состоянии, на компонент фотоэлектрического преобразования падает свет, а когда этот механический затвор находится в закрытом состоянии, на компонент фотоэлектрического преобразования не падает свет. То есть механический затвор управляет условием экспонирования компонента фотоэлектрического преобразования, тем самым определяя период генерирования сигнальных зарядов. Сплошные полосы на фиг.3 указывают периоды, когда механический затвор находится в закрытом состоянии, а открытая полоса указывает период, когда механический затвор находится в открытом состоянии.
Символ PTS обозначает стробирующий импульс для захвата сигнала в компонент накопления фотосигнала в схеме столбцов. Символ PTN обозначает стробирующий импульс для захвата сигнала в компонент накопления сигнала шума в схеме столбцов. Сигнал шума включает в себя случайный шум и смещение транзистора сброса пикселя и усилительного транзистора. В случае, когда схема столбцов включает в себя усилитель, сигнал шума включает в себя смещение усилителя столбцов.
Отметим, что импульс высокого уровня используется в качестве импульса включения, предназначенного для включения каждого транзистора, или в качестве стробирующего импульса.
В данном варианте осуществления после переноса сигнальных зарядов, накопленных в компоненте накопления зарядов, в усилитель сигнальные заряды, перенесенные в усилитель, сбрасываются. После этого заряды, накопленные в компоненте фотоэлектрического преобразования, переносятся в область ПД посредством компонента накопления зарядов.
Сначала, в момент Т1, импульс высокого уровня подается в транзистор сброса, а также первый и второй транзисторы переноса, что приводит к их включению, а значит - и к сбросу заряда в компоненте фотоэлектрического преобразования, компоненте накопления зарядов и области ПД. В ходе этого процесса механический затвор поддерживается в закрытом состоянии.
В момент Т2 механический затвор открывается, так что свет падает на компонент фотоэлектрического преобразования. В этом состоянии импульс низкого уровня подается в соответствующие транзисторы переноса, так что эти транзисторы переноса отключаются.
В момент Т3 механический затвор закрывается.
В момент Т4 импульс низкого уровня подается в качестве PRES в пиксели в первой строке, а импульс высокого уровня подается в качестве PSEL. Хотя в данном примере импульс PRES низкого уровня и импульс PSEL высокого уровня подаются одновременно, их можно подавать в разные моменты времени. Отметим, что для подавления kTC-шума в компоненте сброса необходимо подавать импульс низкого уровня в качестве PRES, по меньшей мере, на протяжении периода, в течение которого импульс высокого уровня подается в качестве PTN для стробирования сигнала шума.
В момент Т5 импульс высокого уровня подается в качестве PTN. По истечении заранее определенного периода времени импульс низкого уровня подается в качестве PTN, так что сигнал шума в пикселе в первой строке сохраняется в схеме столбцов.
В момент Т6а импульс высокого уровня подается во второй транзистор переноса в первой строке пикселей. В результате, только заряд в компоненте накопления зарядов и заряд, который может переходить через потенциальный барьер между компонентом фотоэлектрического преобразования и компонентом накопления зарядов, переносятся в усилитель (первый этап).
В момент T6b импульс низкого уровня подается во второй транзистор переноса в первой строке пикселей, чтобы отключить второй транзистор переноса.
В момент Т7 импульс высокого уровня подается в качестве PTS для сохранения сигнала в схеме столбцов на основании сигнальных зарядов, считываемых на первом этапе.
В момент Т8 импульс низкого уровня подается в качестве PSEL, а импульс высокого уровня подается в качестве PRES в первую строку пикселей. В результате, заряд, переносимый в усилитель на первом этапе, сбрасывается.
В момент Т9, чтобы снова провести считывание в той же строке, импульс низкого уровня подается в качестве PRES, а импульс высокого уровня подается в качестве PSEL в первую строку пикселей.
В момент Т10 импульс высокого уровня подается в качестве PTN. По истечении заранее определенного периода времени импульс низкого уровня подается в качестве PTN, так что сигнал шума в пикселе в первой строке сохраняется в схеме столбцов.
В момент Т11а импульс высокого уровня подается в первый транзистор переноса и второй транзистор переноса в первой строке пикселей, что приводит к включению этих транзисторов (второй этап). В результате, сигнальные заряды, накапливаемые в компоненте фотоэлектрического преобразования, переносятся в область ПД через посредство компонента накопления зарядов.
В момент T11b импульс высокого уровня подается во второй транзистор переноса в первой строке пикселей, что приводит к отключению второго транзистора переноса.
В момент Т12 импульс высокого уровня подается в качестве PTN. По истечении заранее определенного периода времени импульс низкого уровня подается в качестве PTS для сохранения сигнала в схеме столбцов на основании сигнальных зарядов, переносимых на втором этапе.
В момент Т13 импульс низкого уровня подается в качестве PSEL, а импульс высокого уровня подается в качестве PRES в первую строку пикселей.
После этого сигналы, полученные на первом и втором этапах, описанных выше, суммируются друг с другом посредством блока 105 обработки сигналов. Это дает возможность использовать почти все заряды, генерируемые посредством фотоэлектрического преобразования с помощью компонента фотоэлектрического преобразования для формирования сигнала изображения безотносительно динамического диапазона схемы считывания, находящейся в каскаде, следующем за компонентом фотоэлектрического преобразования и компонентом накопления зарядов.
Повторяя процесс с момента Т4 до момента Т13 для соответствующих строк пикселей, можно осуществить считывание одного кадра сигнала.
В данном варианте осуществления первый этап и второй этап проводятся для каждой строки. В альтернативном варианте можно сначала выполнить первый этап для всех строк, а после завершения первого этапа для всех строк можно провести второй этап. То есть после того, как перенос заряда из компонента накопления зарядов в область ПД завершен по всей области пикселей, процесс может возвратиться к первой строке, и можно осуществить считывание из компонента фотоэлектрического преобразования в области ПД, начиная с первой строки.
Фиг.4А-4Н иллюстрируют профили потенциала в разные моменты времени, описанные выше со ссылками на фиг.3. Сплошные полосы, показанные вверху этих чертежей, указывают, что компонент фотоэлектрического преобразования или другие модули защищены механическим затвором от экспонирования светом.
Фиг.4А иллюстрирует профиль потенциала в состоянии, в котором заряды в компоненте фотоэлектрического преобразования и компоненте накопления зарядов сброшены перед накоплением сигнальных зарядов в компоненте фотоэлектрического преобразования и компоненте накопления зарядов. Отметим, что заряд, перенесенный в область ПД, удаляется посредством транзистора сброса, хотя это и не показано на фиг.4А. В этом состоянии механический затвор находится в закрытом состоянии, и поэтому свет не падает на компонент фотоэлектрического состояния.
Фиг.4В-4D иллюстрируют профили потенциалов в период генерирования сигнальных зарядов, когда механический затвор открыт, так что свет падает на компонент фотоэлектрического преобразования, и за счет фотоэлектрического преобразования происходит генерирование сигнальных зарядов.
Более конкретно, фиг.4В иллюстрирует профиль потенциала в состоянии непосредственно после открывания механического затвора. В этом состоянии заряд в компоненте фотоэлектрического преобразования еще не генерируется.
Фиг.4С иллюстрирует состояние, в котором падает малое количество света, а сигнальные заряды сохраняются в компоненте фотоэлектрического преобразования, не перетекая через потенциальный барьер, который образован между компонентом фотоэлектрического преобразования и компонентом накопления зарядов, при этом высота потенциального барьера определяется пиковым значением импульса, подаваемого в первый транзистор переноса. Отметим, что в этом состоянии импульс низкого уровня подается в первый транзистор переноса, так что потенциальный барьер имеет относительно малую высоту, что обеспечивает немедленное перемещение заряда, генерируемого в компоненте фотоэлектрического преобразования, в компонент накопления зарядов. Такого состояния можно достичь, воплощая первый транзистор переноса, например, посредством МОП-транзистора со скрытым каналом.
Фиг.4D иллюстрирует состояние, в котором сигнальные заряды, генерируемые в компоненте фотоэлектрического преобразования, текут в компонент накопления зарядов, переходя через потенциальный барьер, образованный первым транзистором переноса, и поэтому сигнальные заряды также накапливаются в компоненте накопления зарядов. Для простоты предположим здесь, что количество зарядов, существующих в компоненте фотоэлектрического преобразования в области ниже ломаной линии на фиг.4D, - это Q1=10000, количество зарядов, существующих в области ниже ломаной линии в компоненте накопления зарядов, - это Q2=60000, а количество зарядов, существующих выше ломаной линии, - это Q3=40000. Ломаная линия указывает высоту потенциального барьера в состоянии, в котором импульс низкого уровня подается в первый транзистор переноса.
Фиг.4Е иллюстрирует профиль потенциала в период от момента Т6а времени до момента T6b времени, показанных на фиг.3. В этом состоянии импульс низкого уровня подается в первый транзистор переноса, а импульс высокого уровня подается во второй транзистор переноса (первый этап). В ходе этого процесса на первом этапе происходит перенос зарядов Q3 и Q2.
Фиг.4F иллюстрирует профиль потенциала в период от момента Т11а времени до момента T11b времени, показанных на фиг.3. В этом состоянии импульс высокого уровня подается в первый транзистор переноса и во второй транзистор переноса (второй этап). В ходе этого процесса на втором этапе сигнальные заряды, сохраняющиеся в компоненте фотоэлектрического преобразования, переносятся в область ПД.
Если количество зарядов Q1 и Q2 становится больше, чем может сохранить область ПД, то возникает вероятность того, что все заряды не будут переноситься в область ПД в период от момента Т6а до момента T6b, как показано на фиг.4G. Как показывает штрихпунктирная линия на фиг.4G, когда все заряды не могут быть перенесены в область ПД, заряд частично остается в компоненте накопления зарядов. Даже в таком случае, как показано на фиг.4Н, возможен перенос всех остающихся зарядов вместе с зарядами в компоненте фотоэлектрического преобразования в область ПД на следующей операции переноса. Этого можно достичь, когда удовлетворяется следующее условие:
где символ QFDMAX обозначает максимальное количество зарядов, которые могут быть полностью переданы в область ПД за раз.
Если Q1 больше, чем QFDMAX, некоторые заряды остаются несчитанными, когда возбуждение пикселей заканчивается. Чтобы избежать этого, должно удовлетворяться следующее условие:
Существует вероятность, что когда заряд из количества QFDMAX считывается в области ПД, сигнал, основанный на этом заряде, не всегда правильно считывается истоковым повторителем или следящей схемой считывания. Это может произойти, если динамический диапазон схемы считывания меньше, чем динамический диапазон области ПД. В этом случае оптический сигнал частично утрачивается.
Примеры схем считывания, имеющих вышеописанное ограничение, включают в себя усилитель каждого пикселя, усилитель столбцов, находящийся в схеме столбцов, и заключительный аналоговый усилитель и аналого-цифровой преобразователь, находящиеся в каждом выходном канале.
В качестве примера приводится пояснение динамического диапазона усилителя пикселя. Здесь предполагается, что усилитель включает в себя усилительный транзистор и источник постоянного тока, имеющий конфигурацию в форме истокового повторителя.
Когда происходит перенос большого количества зарядов из компонента фотоэлектрического преобразования и компонента накопления зарядов в область ПД, в области ПД происходит снижение потенциала. В результате снижения потенциала в области ПД, если разность между напряжением области ПД, т.е. напряжением затвора усилительного транзистора и напряжением истока усилительного транзистора, становится меньше, чем пороговое напряжение (Vth) усилительного транзистора, усилитель не функционирует как истоковый повторитель, и поэтому считывание сигнала становится невозможным. Даже когда количество зарядов, считываемых усилителем, меньше, чем динамический диапазон схемы истокового повторителя, если усилитель столбцов имеет большой коэффициент усиления, то входной динамический диапазон усилителя столбцов ограничен, и это определяет насыщение схемы считывания.
Ввиду вышеизложенного, значение QFDMAX может быть задано равным значению, которое обеспечивает количество зарядов, не превышающее динамический диапазон схемы считывания, в которую происходит перенос.
В целях сравнения с данным вариантом осуществления рассмотрим, например, конфигурацию, в которой заряды переносятся одновременно из компонента фотоэлектрического преобразования и компонента накопления зарядов в область ПД, и конфигурацию, в которой заряды сначала переносятся из компонента фотоэлектрического преобразования в компонент накопления зарядов, а затем заряды, присутствующие в компоненте фотоэлектрического преобразования и компоненте накопления зарядов, переносятся в область ПД. В этих двух конфигурациях количество зарядов при насыщении увеличивается за счет наличия компонента накопления зарядов, что приводит к увеличению вероятности того, что количество зарядов превысит динамический диапазон области ПД или следящей схемы считывания. То есть, хотя количество зарядов при насыщении увеличивается за счет наличия компонента накопления зарядов, большее количество зарядов не обязательно используются эффективно. В отличие от этого, в данном варианте осуществления после переноса зарядов, находящихся в компоненте накопления зарядов, в область ПД, заряды, находящихся в компоненте фотоэлектрического преобразования, переносятся в область ПД через компонент накопления зарядов, и поэтому можно полностью использовать заряды, количество которых увеличилось посредством компонента накопления зарядов.
В данном варианте осуществления динамический диапазон расширяется за счет наличия компонента накопления зарядов, а считывание возможно без ограничения динамическим диапазоном схемы считывания, находящейся в каскаде, следующем за компонентом фотоэлектрического преобразования и компонентом накопления зарядов.
Данный вариант осуществления весьма полезен, в частности, когда весь динамический диапазон компонента фотоэлектрического преобразования и компонента накопления зарядов больше, чем динамический диапазон схемы считывания, находящейся в каскаде, следующем за компонентом фотоэлектрического преобразования.
Фиг.5 иллюстрирует импульсы возбуждения в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения. В этом втором варианте осуществления, как можно наблюдать с момента Т14 по момент Т18, перенос из компонента накопления зарядов в область ПД вторым транзистором осуществляется большее число раз, чем в предыдущем варианте осуществления. При дополнительном переносе импульс включения подается множество раз только во второй транзистор включения. В конкретном примере, показанном на фиг.5, дополнительный импульс включения подается с момента Т16а по момент 16b.
Когда условие (1), описанное в первом варианте осуществления, не удовлетворяется, некоторое количество зарядов остается в компоненте накопления зарядов по окончании процесса переноса зарядов из компонента фотоэлектрического преобразования в область ПД, и поэтому сигнальные заряды используются не полностью. Это может произойти, когда количество QFDMAX мало или когда сумма Q1, Q2 и Q3 больше, чем 2×QFDMAX.
В таком случае после переноса сигнальных зарядов, накопленных в компоненте накопления зарядов, считывание из компонента накопления зарядов также осуществляется перед переносом сигнальных зарядов, сохраняемых в компоненте фотоэлектрического преобразования. То есть второй вариант осуществления предусматривает дополнительный этап для осуществления повторного считывания с целью переноса только сигнальных зарядов, остающихся в компоненте накопления зарядов. Это снижает количество зарядов, остающееся в компоненте накопления зарядов в конце процесса переноса.
Данный вариант осуществления полезен, в частности, когда сумма Q1, Q2 и Q3 значительно больше, чем QFDMAX.
Дополнительные импульсы включения, предназначенные для включения второго транзистора переноса, можно подавать только один раз или множество раз в зависимости от значения Q2+Q3.
Фиг.6 иллюстрирует в форме временной диаграммы импульсы возбуждения в соответствии с третьим вариантом осуществления. В этом третьем варианте осуществления схема считывания имеет усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, который обрабатывает сигнал, выдаваемый из пикселей. Как представлено позицией 601 на фиг.6, коэффициент усиления усилителя на втором этапе (на котором считываются заряды, находящиеся в компоненте фотоэлектрического преобразования и компоненте накопления зарядов) переключается, становясь в G (G>1) раз больше, чем коэффициент усиления усилителя на первом этапе. То есть коэффициент усиления сигнала на втором этапе задают превышающим коэффициент усиления сигнала на первом этапе.
Работа в соответствии с данным вариантом осуществления описана ниже со ссылками на фиг.7А-7D.
Фиг.7А иллюстрирует распределение зарядов, генерируемых падающим светом на пикселях в компоненте фотоэлектрического преобразования. Уровень насыщения в компоненте фотоэлектрического преобразования и граница сигнальных зарядов, накопленных в компоненте накопления зарядов, представлены пунктирными линиями.
RN1
Фиг.7В иллюстрирует сигнал, соответствующий составляющей А, показанной на фиг.7А, т.е. сигнал, основанный на сигнальных зарядах, переносимых на первом этапе из компонента накопления зарядов. Случайный шум на этом этапе может быть представлен в виде N1=V(среднеквадратическое значение в милливольтах (мВ)).
RN2
Фиг.7С иллюстрирует сигнал, соответствующий составляющей В, показанной на фиг.7А, т.е. составляющей сигнала, для которой на основании сигнальных зарядов, переносимых на втором этапе главным образом из компонента фотоэлектрического преобразования. Здесь предполагается, что схема считывания в следующем каскаде имеет коэффициент усиления G. В этом случае случайный шум можно задать в виде N2=V(среднеквадратическое значение в мВ).
После этого составляющие сигнала, показанные на фиг.7В и 7С, объединяются для получения одиночного изображения. В процессе этого объединения, чтобы достичь постоянного градиента в выходном сигнале по отношению к интенсивности света, т.е. достичь постоянной чувствительности сигнала, сигнал, показанный на фиг.7С и считываемый с коэффициентом усиления G, делят на коэффициент G.
Фиг.7D иллюстрирует сигнал, полученный в результате деления сигнала, показанного на фиг.7С, на коэффициент G. Поскольку уровень сигнала снижается, уровень шума тоже снижается пропорционально 1/G.
RN2
В этом случае случайный шум задается в виде N3=V/G (среднеквадратическое значение в мВ).
После объединения этих двух сигналов случайный шум задается в виде
RN1
RN2
2
2
0,5
((V)+(V/G)),
что меньше, чем шум, получаемый, когда переключение коэффициента усиления не проводится, т.е.
RN1
RN2
2
2
0,5
((V)+(V)).
Таким образом, увеличивая коэффициент усиления усилителя для сигнала, считываемого на втором этапе вышеописанным образом, можно увеличить отношение «сигнал - шум» (отношение СШ). В результате, появляется возможность снимать изображение с высокой чувствительностью для объекта с низкой яркостью. Что касается усилителя для вышеуказанной цели, то можно использовать, например, усилитель столбцов.
Ниже описаны эффекты, присущие данному варианту осуществления изобретения. В случае объекта с низкой яркостью, почти все сигнальные заряды, генерируемые в компоненте фотоэлектрического преобразования, сохраняются в компоненте фотоэлектрического преобразования, не перетекая через потенциальный барьер между компонентом фотоэлектрического преобразования и компонентом накопления зарядов. То есть для объекта с низкой яркостью отношение количества сигнальных зарядов, сохраняемых в компоненте фотоэлектрического преобразования, к количеству сигнальных зарядов, не сохраняемых в нем, является высоким, и поэтому отношение сигнала, считываемого на втором этапе, к суммарному сигналу, является высоким. Следовательно, увеличивая коэффициент усиления схемы считывания для сигнала на основании сигнальных зарядов, переносимых на втором этапе, можно увеличить отношение «сигнал - шум» (отношение СШ), а значит - возможна и съемка изображения с высокой чувствительностью для объекта с низкой яркостью.
Вместе с тем, увеличение коэффициента усиления схемы считывания приводит к снижению входного динамического диапазона. То есть увеличение коэффициента усиления схемы считывания приводит к снижению QFDMAX. Более конкретно, если коэффициент усиления увеличивается с коэффициентом G, входной динамический диапазон становится равным QFDMAX/G. Следовательно, когда коэффициент усиления схемы считывания увеличивается, важна возможность считывания малого количества зарядов с высокой точностью и с малой дисперсией. В отличие от этого, при считывании на втором этапе считывание осуществляется для сигнальных зарядов, накопленных в компоненте фотоэлектрического преобразования, без прохождения сигнальных зарядов через относительно низкий потенциальный барьер между компонентом фотоэлектрического преобразования и компонентом накопления зарядов, вследствие чего довольно просто достичь малой дисперсии при считывании.
В данном варианте осуществления, как описано выше, заряды переносятся часть за частью из компонента накопления зарядов и компонента фотоэлектрического преобразования посредством множества операций переноса. Это дает возможность достичь малой дисперсии в первом и втором выходных сигналах. Таким образом, появляется возможность увеличить суммарное количество зарядов, переносимых за раз, и возможность задать большой коэффициент усиления схемы считывания.
Чтобы достичь улучшенных рабочих характеристик, величину заряда при насыщении, Q1, в компоненте фотоэлектрического преобразования можно задать удовлетворяющей следующему условию:
Q1<QFDMAX/G.
Ниже описан четвертый вариант осуществления. В этом четвертом варианте осуществления происходит переключение работы между режимом, в котором при формировании изображения используется сигнал, получаемый, когда только сигнальные заряды, накопленные в компоненте накопления зарядов, переносятся в область ПД, и режимом, в котором упомянутый сигнал не используется. То есть когда выходной сигнал, основанный на сигнальных зарядах, накопленных в компоненте накопления зарядов, меньше, чем заранее определенное пороговое значение, этот сигнал не используется при формировании изображения. Это предотвращает увеличение случайного шума. Сигнал, подлежащий сравнению с пороговым значением, может быть либо сигналом, получаемым, когда только сигнальные заряды, накопленные в компоненте накопления зарядов, переносятся в область ПД, либо сигнал, получаемый, когда только сигнальные заряды главным образом сохраняются в компоненте фотоэлектрического преобразования, переносятся в область ПД. В альтернативном варианте информацию, связанную с количеством падающего света, можно получать из AF-датчика, расположенного надлежащим образом, а необходимость переключения с тем, чтобы добавить либо не добавлять сигнал, определяется на основании информации, связанной с количеством падающего света. В любом случае необходимость переключения с тем, чтобы добавить либо не добавлять сигнал, определяется на основании информации, связанной с количеством света, падающего на один пиксель из группы множества пикселей.
Дальнейшее подробное пояснение приводится ниже со ссылками на фиг.8А-8С. Фиг.8А иллюстрирует сигнал, получаемый, когда только сигнальные заряды, накопленные в компоненте накопления зарядов, переносятся в область ПД, а фиг.8В иллюстрирует сигнал, получаемый, когда сигнальные заряды, накопленные главным образом в компоненте накопления зарядов, переносятся в область ПД. Фиг.8С иллюстрирует комбинацию сигналов, показанных на фиг.8А и 8В. На фиг.8А, над сигналом в области, заключенной внутри квадратика, представленного белой линией, доминирует составляющая случайного шума. В отличие от этого, в случае сигнала в области, заключенной внутри квадратика, представленного белой линией на фиг.8В, этот сигнал имеет достаточно высокий уровень, который должен быть использован при формировании изображения, для объекта с низкой яркостью, как можно увидеть из области серого цвета на фиг.8В. Например, для объекта с низкой яркостью сигнальный заряд не перетекает через потенциальный барьер, образованный между компонентом фотоэлектрического преобразования и компонентом накопления зарядов. То есть в компоненте накопления зарядов, по существу, нет сигнального заряда. Следовательно, если перенос из компонента накопления зарядов осуществляется в этой ситуации, то результатом будет только увеличение шума.
Во избежание вышеописанной ситуации, когда сигнал из компонента накопления зарядов ниже, чем заранее определенное пороговое значение, сигнал, полученный в результате переноса только сигнальных зарядов, накопленных в компоненте накопления зарядов, в область ПД, не используется при формировании изображения. С другой стороны, когда сигнал из компонента фотоэлектрического преобразования выше, чем заранее определенное пороговое значение, определяют, что сигнальные заряды имеются также в компоненте накопления зарядов и поэтому сигнальные заряды в компоненте накопления зарядов используются при формировании изображения.
Данное изобретение можно применить к другим вариантам осуществления, чтобы достичь - в дополнение к выгодам, полученным в предшествующих вариантах осуществления, - выгоды (выгод) при формировании высококачественного изображения без снижения отношения «сигнал - шум» для относительно малого количества падающего света.
RN1
Более конкретно, как показано на фиг.9, отношение случайного шума к суммарному сигналу увеличивается с уменьшением яркости. Даже если диапазон, в котором отношение случайного шума к суммарному сигналу является относительно большим, данный вариант осуществления дает возможность достичь характеристики с низким уровнем шума, не испытывающей влияние случайного шума V.
Фиг.10 иллюстрирует импульсы возбуждения в соответствии с пятым вариантом осуществления изобретения. Этот пятый вариант осуществления отличается от предшествующих вариантов осуществления тем, что когда заряды переносятся из компонента накопления зарядов в область ПД, эти заряды переносятся часть за частью посредством множества операций переноса с использованием импульсов промежуточного уровня. Импульсом промежуточного уровня называется импульс, имеющий пиковое значение в диапазоне между пиковыми значениями импульса включения и импульса выключения. Импульс промежуточного уровня может быть получен путем модификации блока 102 управления таким образом, что он окажется способным генерировать импульс промежуточного уровня.
Сначала, в момент Т1, импульс высокого уровня подается в транзистор сброса, а также первый и второй транзисторы переноса, что приводит к их включению, а значит - и к сбросу заряда в компоненте фотоэлектрического преобразования, компоненте накопления зарядов и области ПД. В ходе этого процесса механический затвор поддерживается в закрытом состоянии.
В момент Т2 механический затвор открывается, так что свет падает на компонент фотоэлектрического преобразования. В этом состоянии импульс низкого уровня подается в соответствующие транзисторы переноса, так что эти транзисторы переноса отключаются.
В момент Т3 механический затвор закрывается.
В момент Т4 импульс низкого уровня подается в качестве PRES в пиксели в первой строке, а импульс высокого уровня подается в качестве PSEL. Хотя в данном примере импульс PRES низкого уровня и импульс PSEL высокого уровня подаются одновременно, их можно подавать в разные моменты времени. Вместе с тем, для подавления kTC-шума в компоненте сброса, необходимо подавать импульс низкого уровня в качестве PRES, по меньшей мере, на протяжении периода, в течение которого импульс высокого уровня подается в качестве PTN для стробирования сигнала шума.
В момент Т5 импульс высокого уровня подается в качестве PTN, так что сигнал шума в пикселе в первой строке сохраняется в схеме столбцов.
В момент Т6а импульс промежуточного уровня подается во второй транзистор переноса в первой строке пикселей. В результате, из сигнальных зарядов, сохраняемых в компоненте фотоэлектрического преобразования и компоненте накопления зарядов, только часть сигнальных зарядов, которые переходят через потенциальный барьер, образованный импульсом промежуточного уровня, переносятся в область ПД (первый этап).
В момент T6b, импульс низкого уровня подается во второй транзистор переноса в первой строке пикселей, чтобы отключить второй транзистор переноса.
В момент Т7 импульс высокого уровня подается в качестве PTS для сохранения сигнала в схеме столбцов на основании сигнальных зарядов, считываемых на первом этапе.
В момент Т8 импульс низкого уровня подается в качестве PSEL в пиксели в первой строке, а импульс высокого уровня подается в качестве PRES в первую строку пикселей. В результате, заряд, переносимый в область ПД на первом этапе, сбрасывается.
В момент Т9 импульс низкого уровня подается в качестве PRES, так что сигнал шума в пикселе в первой строке сохраняется в схеме столбцов.
В момент Т10а импульс высокого уровня подается во второй транзистор переноса в первой строке пикселей, тем самым включая второй транзистор переноса (второй этап). Пиковое значение этого импульса можно задать таким, что заряд, накопленный в компоненте накопления зарядов, полностью переносится в область ПД. Отметим, что в этом состоянии импульс, подаваемый в первый транзистор переноса в первой строке пикселей, поддерживается на низком уровне.
В момент T10b импульс низкого уровня подается во второй транзистор переноса в первой строке пикселей, чтобы отключить второй транзистор переноса.
В момент Т11 импульс высокого уровня подается в качестве PTS для сохранения сигнала в схеме считывания на основании сигнальных зарядов, переносимых на втором этапе.
В момент Т12 импульс низкого уровня подается в качестве PSEL, а импульс высокого уровня подается в качестве PRES в первую строку пикселей.
В момент Т13 импульс высокого уровня подается в качестве PTN, так что сигнал шума в пикселе в первой строке сохраняется в схеме столбцов.
В момент Т14а импульс высокого уровня подается в первый транзистор переноса и второй транзистор переноса в первой строке пикселей в первой строке, приводя к включению этих транзисторов (третий этап). В этом процессе на третьем этапе сигнальные заряды, сохраненные в компоненте фотоэлектрического преобразования, переносятся в область ПД.
В момент T14b импульс низкого уровня подается в первый транзистор переноса и второй транзистор переноса в первой строке пикселей в первой строке, приводя к отключению этих транзисторов.
В момент Т15 сигнал, основанный на сигнальных зарядах, переносимых на третьем этапе, сохраняется в схеме столбцов.
После этого сигналы, полученные на этапах с первого по третий, описанных выше, суммируются друг с другом посредством блока 105 обработки сигналов. Таким образом, достигается возможность обрабатывать в качестве заряда для формирования изображения почти все заряды, генерируемые посредством фотоэлектрического преобразования с помощью компонента фотоэлектрического преобразования безотносительно динамического диапазона схемы считывания, находящейся в каскаде, следующем за компонентом фотоэлектрического преобразования и компонентом накопления зарядов.
Повторяя процесс с момента Т4 до момента Т15 для соответствующих строк пикселей, можно осуществить считывание одного кадра сигнала.
Хотя операция переноса с использованием импульса промежуточного уровня в период с момента Т6а по момент T6b (второй этап) осуществляется лишь один раз в вышеописанном примере, операцию переноса можно повторять множество раз.
Фиг.11А-11G иллюстрируют профили потенциала в различные моменты времени, описанные выше в связи с фиг.10. Сплошные полосы вверху этих чертежей указывают, что компонент фотоэлектрического преобразования или другие модули защищены механическим затвором от экспозиции светом.
Фиг.11А иллюстрирует профиль потенциала в состоянии, в котором операция сброса зарядов в компоненте фотоэлектрического преобразования и компоненте накопления зарядов осуществляется перед периодом генерирования сигнальных зарядов. Эта операция осуществляется в период с момента Т1 по момент Т2, показанные на фиг.10. Отметим, что заряд, перенесенный в область ПД, удаляется посредством транзистора сброса, хотя это и не показано на фиг.11А. В этом состоянии механический затвор находится в закрытом состоянии, и поэтому свет не падает на компонент фотоэлектрического состояния.
Фиг.11В-11D иллюстрируют профили потенциалов в период генерирования сигнальных зарядов, когда механический затвор открыт, так что свет падает на компонент фотоэлектрического преобразования, и за счет фотоэлектрического преобразования происходит генерирование сигнальных зарядов.
Фиг.11В иллюстрирует профиль потенциала в состоянии непосредственно после открывания механического затвора. В этом состоянии заряд в компоненте фотоэлектрического преобразования еще не генерируется.
Фиг.11С иллюстрирует профиль потенциала в состоянии, в котором падает малое количество света, а сигнальные заряды сохраняются в компоненте фотоэлектрического преобразования, не перетекая через потенциальный барьер, который образован между компонентом фотоэлектрического преобразования и компонентом накопления зарядов, при этом высота потенциального барьера определяется пиковым значением импульса, подаваемого в первый транзистор переноса. Отметим, что в этом состоянии импульс низкого уровня подается в первый транзистор переноса, так что потенциальный барьер имеет относительно малую высоту, что обеспечивает немедленное перемещение заряда, генерируемого в компоненте фотоэлектрического преобразования, в компонент накопления зарядов. Такого состояния можно достичь, воплощая первый транзистор переноса, например, посредством МОП-транзистора со скрытым каналом.
Фиг.11D иллюстрирует профиль потенциала в состоянии, в котором сигнальные заряды, генерируемые в компоненте фотоэлектрического преобразования, текут в компонент накопления зарядов, переходя через потенциальный барьер, образованный первым транзистором переноса, и поэтому сигнальные заряды также накапливаются в компоненте накопления зарядов. Для простоты предположим здесь, что количество зарядов, существующих в компоненте фотоэлектрического преобразования в области ниже ломаной линии на фиг.11D, - это Q1=10000, количество зарядов, существующих в области ниже ломаной линии в компоненте накопления зарядов, - это Q2=60000, а количество зарядов, существующих выше ломаной линии, - это Q3=40000. Ломаная линия указывает высоту потенциального барьера в состоянии, в котором импульс низкого уровня подается в первый транзистор переноса.
Фиг.11Е иллюстрирует профиль потенциала в период от момента Т6а времени до момента T6b времени, показанных на фиг.10. В этом состоянии импульс низкого уровня подается в первый транзистор переноса, а импульс высокого уровня подается во второй транзистор переноса (второй этап). В ходе процесса на этом втором этапе все из зарядов Q3 и часть Q2, показанных на фиг.11D, переносятся в область ПД. Величиной заряда, переносимого в область ПД, можно управлять по собственному усмотрению путем регулирования пикового значения импульса промежуточного уровня, подаваемого во второй транзистор переноса. Фиг.11F иллюстрирует профиль потенциала в период от момента Т10а времени до момента T10b времени, показанных на фиг.10. В этом состоянии импульс низкого уровня подается в первый транзистор переноса, а импульс высокого уровня подается во второй транзистор переноса (третий этап). В ходе этого процесса на третьем этапе заряды, остающиеся в компоненте накопления зарядов без переноса на втором этапе, переносятся в область ПД. Например, переносятся 50000 зарядов.
Фиг.11G иллюстрирует профиль потенциала в период от момента Т14а времени до момента T14b времени, показанных на фиг.10. В этом состоянии импульс высокого уровня подается в первый транзистор переноса и во второй транзистор переноса (четвертый этап). В ходе процесса на этом четвертом этапе сигнальные заряды, сохранившиеся в компоненте фотоэлектрического преобразования, переносятся в область ПД. Например, на этом этапе переносятся 2000 зарядов.
Ниже описаны эффекты, присущие данному варианту осуществления изобретения. В первом варианте осуществления, описанном выше, предполагается, что все сигнальные заряды из количества QFDMAX можно правильно обработать посредством истокового повторителя и схемы считывания, находящихся в каскаде, следующем за областью ПД. То есть предполагается, что когда сигнальные заряды из количества QFDMAX переносятся в область ПД, значение, соответствующее сигналу, правильно выдается вовне без насыщения в схеме.
Вместе с тем, на практике существует вероятность, что величина заряда, который можно правильно обработать посредством этой схемы, оказывается меньше, чем QFDMAX (в нижеследующем тексте, максимальная величина заряда, которую можно правильно обработать посредством этой схемы, будет обозначена символом QFDMAX2), в зависимости от напряжения источника питания для усилителя или других факторов. В таком случае осуществляют ограничение величины заряда, переносимого в область ПД.
В этом случае величина зарядов, переносимых в область ПД, ограничивается значением QFDMAX2 или меньшим за счет управления переносом с помощью промежуточного импульса низкого уровня таким образом, что все заряды считываются правильно. Более конкретно, пиковое значение импульса промежуточного уровня регулируют таким образом, что количество сигнальных зарядов, переносимых в ответ на импульс промежуточного уровня, меньше, чем максимальное количество зарядов, которые может правильно считывать схема считывания.
Чтобы приспособиться к этой ситуации, величину заряда при насыщении, Q1, фотодиода можно задать удовлетворяющей следующему условию:
Q1<QFDMAX2.
Задавая Q1 достаточно меньшим, чем QFDMAX2, можно осуществлять усиление с высоким коэффициентом усиления только для сигнала из компонента фотоэлектрического преобразования, тем самым снижая шум в темной части изображения.
Данный вариант осуществления весьма полезен, в частности, когда динамический диапазон области ПД больше, чем динамический диапазон схемы считывания, находящейся в каскаде, следующем за компонентом фотоэлектрического преобразования и компонентом накопления зарядов.
В данном варианте осуществления, как описано выше, динамический диапазон расширяется за счет наличия компонента накопления зарядов, а считывание возможно без ограничения динамическим диапазоном схемы считывания, находящейся в каскаде, следующем за компонентом фотоэлектрического преобразования и компонентом накопления зарядов.
Ниже описан шестой вариант осуществления. Этот шестой вариант осуществления отличается тем, что импульс промежуточного уровня подается в каждую строку пикселей не единожды, а множество раз.
Импульсы возбуждения подаются аналогично тому, подаются импульсы возбуждения, показанные на фиг.10, за исключением того, что второй импульс промежуточного уровня дополнительно подается в качестве импульса включения между импульсом промежуточного уровня и импульсом высокого уровня. Соответственно, дополнительно подаются также импульс сброса области ПД и стробирующие импульсы для стробирования сигнала шума и оптического сигнала в схеме столбцов. Пиковое значение импульса промежуточного уровня можно задать равным произвольному значению в диапазоне между пиковым значением импульса высокого уровня для включения транзистора переноса и пиковым значением импульса низкого уровня для выключения транзистора переноса. Пиковое значение может быть одинаковым или разным для множества импульсов промежуточного уровня.
Данный вариант осуществления может быть применен к другим вариантам осуществления, чтобы получить возможность еще более точного задания условия, связанного с переносом зарядов из компонента фотоэлектрического преобразования в область ПД для адаптации к динамическому диапазону схемы считывания, находящейся в каскаде, следующем за компонентом фотоэлектрического преобразования.
В седьмом варианте осуществления импульс промежуточного уровня, использовавшийся в пятом или шестом варианте осуществления, изменяется в зависимости от температуры. На фиг.12 представлена блок-схема системы для съемки изображения, включающей в себя твердотельное устройство для съемки изображения в соответствии с данным вариантом осуществления.
Позиция 1201 обозначает твердотельное устройство для съемки изображения. Позиция 1202 обозначает датчик температуры. Хотя в этом примере датчик температуры находится внутри твердотельного устройства для съемки изображения, датчик температуры может быть расположен в некотором месте снаружи, близко к твердотельному устройству для съемки изображения. Позиция 1203 обозначает ЦП. Позиция 1204 обозначает блок управления, который управляет твердотельным устройством для съемки изображения в зависимости от информации о температуре, предоставляемой из датчика 1202 температуры, и в соответствии с управляющим сигналом, подаваемым из ЦП 1203. Позиция 1205 обозначает источник изменяемого напряжения, выполненный с возможностью подачи напряжения в зависимости от температуры в твердотельное устройство для съемки изображения в соответствии с управляющим сигналом, подаваемым из блока 1204 управления. Более конкретно, это напряжение подается в схему вертикальной развертки, показанную на фиг.1, чтобы изменить пиковое значение импульса промежуточного уровня или синхронизацию подачи импульса промежуточного уровня в зависимости от температуры.
Далее будет описана последовательность операций в соответствии с данным вариантом осуществления. Сначала, в период генерирования сигнальных зарядов, сигнальный заряд накапливается в компоненте фотоэлектрического преобразования. По истечении заранее определенного периода времени период генерирования сигнальных зарядов заканчивается. Если период генерирования сигнальных зарядов закончился, информация о температуре, связанная с твердотельным устройством для съемки изображения или соседним с ним устройством, принимается датчиком температуры. Затем осуществляется доступ в таблицу соответствия, чтобы извлечь из нее значение напряжения, соответствующее информации о температуре, а напряжение с извлеченным значением, соответствующим температуре, подается из источника изменяемого напряжения. Затем осуществляется вышеописанная операция считывания.
Энергия сигнальных зарядов изменяется в зависимости от температуры. Следовательно, когда температура изменяется, если потенциальный барьер, образованный импульсом промежуточного уровня, поддерживается неизменным, происходит изменение в количестве зарядов, переносимых в область ПД. Ввиду вышеизложенного, в данном варианте осуществления предусмотрен датчик температуры, вследствие чего пиковое значение импульса промежуточного уровня или синхронизацию подачи импульса промежуточного уровня в зависимости от сигнала, подаваемого из датчика температуры.
Применяя данный вариант осуществления к пятому или шестому вариантам осуществления, описанным выше, можно достичь - в дополнение к выгодам, полученным в пятом или шестом варианте осуществления, - дополнительной выгоды, заключающейся в том, что когда происходит изменение температуры твердотельного устройства для съемки изображения или температуры окружающей среды, заряд изменения количества перенесенных зарядов можно минимизировать путем регулирования импульса промежуточного уровня.
Далее, описание восьмого варианта осуществления приводится ниже. В этом восьмом варианте осуществления импульс промежуточного уровня, использовавшийся в предшествующих вариантах осуществления, изменяется в зависимости от коэффициента усиления схемы считывания, находящейся в каскаде, следующем за компонентом фотоэлектрического преобразования. Схема считывания, находящаяся в каскаде, следующем за компонентом фотоэлектрического преобразования, может включать в себя усилитель, находящийся в каждом пикселе, усилитель столбцов, находящийся в схеме столбцов, и выходной усилитель, выполненный с возможностью преобразования параллельного сигнала, принимаемого из схемы столбцов, в последовательный сигнал и выдачу результирующего сигнала.
На фиг.13 представлена блок-схема системы для съемки изображения, включающей в себя твердотельное устройство для съемки изображения в соответствии с данным вариантом осуществления.
Позиция 1301 обозначает твердотельное устройство для съемки изображения. Позиция 1302 обозначает блок управления. Позиция 1303 обозначает ЦП. Позиция 1304 обозначает источник изменяемого напряжения. Переключение коэффициента усиления схемы считывания, находящейся в каскаде, следующем за компонентом фотоэлектрического преобразования, осуществляется блоком 1302 управления и ЦП 1303 таким образом, что коэффициент усиления управляется главным образом на основании изменения чувствительности, скорости считывания и/или других факторов.
Далее будет описана последовательность операций в соответствии с данным вариантом осуществления. Сначала, в период генерирования сигнальных зарядов, сигнальные заряды накапливаются в компоненте фотоэлектрического преобразования. Если период генерирования сигнальных зарядов закончился, то заканчивается и накапливание. Осуществляется доступ в таблицу соответствия, отображающую соответствие между коэффициентом усиления и напряжением, чтобы извлечь из нее напряжение, соответствующее коэффициенту усиления схемы считывания, находящейся в каскаде, следующем за компонентом фотоэлектрического преобразования. В соответствии с результатом извлечения, напряжение, соответствующее коэффициенту усиления схемы считывания, подается из источника изменяемого напряжения. Затем осуществляется вышеописанная операция считывания. Кроме того, можно предусмотреть датчик температуры, посредством которого также можно проводить температурную компенсацию подобно тому, как это делается в четвертом варианте осуществления.
Далее, со ссылками на фиг.14А-14Н, ниже приводится пояснение эффектов, получаемых путем изменения пикового значения импульса промежуточного уровня или путем изменения синхронизации импульса промежуточного уровня, когда изменяется коэффициент усиления схемы считывания.
Фиг.14А иллюстрирует зависимость выходного напряжения от количества падающего света (характеристика фотоэлектрического преобразования), когда подается первый импульс промежуточного уровня. Фиг.14В иллюстрирует характеристику фотоэлектрического преобразования, получаемую, когда подается второй импульс промежуточного уровня. Фиг.14С иллюстрирует характеристику фотоэлектрического преобразования, получаемую, когда подается импульс высокого уровня. Фиг.14D иллюстрирует характеристику фотоэлектрического преобразования, получаемую после переноса заряда в область ПД по импульсу считывания, и осуществление сложения. Фиг.14Е-14Н иллюстрируют характеристики фотоэлектрического преобразования и характеристики выходных сигналов, получаемые, когда пиковое значение импульса изменяется в зависимости от коэффициента усиления схемы считывания. Более конкретно, характеристики фотоэлектрического преобразования и характеристики выходных сигналов проиллюстрированы для случаев, в которых пиковые значения импульсов, превышающие те, которые используются на фиг.14А-14С, подаются, когда коэффициент усиления схемы считывания изменяется от первого коэффициента усиления до второго коэффициента усиления, большего, чем первый коэффициент усиления.
Когда коэффициент усиления схемы считывания изменяется, количество падающего света (количество света при насыщении), которое приводит к насыщению схемы считывания, изменяется в зависимости от коэффициента усиления схемы считывания. Линии 904а, 904b и 904с на фиг.14А-14С отображают характеристики для низкого коэффициента усиления схемы считывания, а линии 906а, 906b и 906с отображают характеристики для высокого коэффициента усиления схемы считывания. Когда коэффициент усиления схемы считывания является низким, насыщение наступает при больших количествах 905а, 905b и 905с падающего света (количествах падающего света при насыщении), и поэтому все заряды, переносимые в область ПД, можно использовать в качестве сигнала изображения. Вместе с тем, когда коэффициент усиления схемы считывания является высоким, насыщение наступает при меньших количествах 907а, 907b и 907с падающего света (количествах падающего света при насыщении). В этом случае часть зарядов, переносимых в область ПД, превышают входной динамический диапазон схемы считывания, а информация об изображении частично утрачивается. В результате, полная характеристика фотоэлектрического преобразования, получаемая путем объединения сигналов в областях А, В и С на фиг.14А-14С, имеет ступеньки, обозначенные позицией 909 на фиг.14D. То есть результирующая полная характеристика фотоэлектрического преобразования имеет мертвые зоны, в которых датчик не обладает чувствительностью. Для сравнения, на фиг.14D также показана линия 908, которая получена в идеальном состоянии в котором информация не утрачивается.
Во избежание вышеописанной ситуации, как показано на фиг.14Е-14G, пиковое значение импульсов промежуточного уровня ограничиваются более низкими уровнями, чем те, которые показаны на фиг.14А-14С. В альтернативном варианте импульсы можно подавать в течение сокращенных периодов, вследствие чего ограничивается переходное движение зарядов, т.е. количество зарядов, переносимых в ответ на приложение импульсов промежуточного уровня, снижается. Это дает возможность получить характеристики фотоэлектрического преобразования, показанные на фиг.14Е-14G, когда импульс для считывания зарядов подается три раза, как и в случае фиг.14А-14С. Если эти сигналы объединить, то получается полная характеристика фотоэлектрического преобразования, показанная на фиг.14Н. В отличие от случая, показанного на фиг.14D, информация не утрачивается, а нежелательные мертвые зоны после объединения зон А, В и С не появляются.
Отметим, что поскольку количество электронов, которые можно считывать за раз, ограничено, происходит снижение количества света при насыщении согласно полной характеристике. Это снижение количества света при насыщении можно подавить, увеличивая количество раз подачи импульса промежуточного уровня и увеличивая напряжение промежуточного уровня.
Данный вариант осуществления можно применить к другим вариантам осуществления, чтобы достичь - в дополнение к выгодам, полученным в других вариантах осуществления, - дополнительной выгоды, заключающейся в том, что появляется возможность получить непрерывную характеристику фотоэлектрического преобразования, не имеющую мертвой зоны после объединения сигналов даже в случае, если происходит изменение коэффициента усиления схемы считывания, находящейся в каскаде, следующем за компонентом фотоэлектрического преобразования.
Хотя данное изобретение описано со ссылками на возможные варианты осуществления, должно быть ясно, что изобретение не ограничивается описанными возможными вариантами осуществления. Объем притязаний нижеследующей формулы изобретения следует считать соответствующим интерпретации в самом широком смысле и охватывающим все модификации, эквивалентные конструкции и функции.