УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЪЕМКИ ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК G03B7/93 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству для съемки изображения, а более конкретно - к способу управления временем экспонирования путем применения электронного затвора в устройстве для съемки изображения.

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 ПД. Поскольку значение количества зарядов при насыщении в компоненте фотоэлектрического преобразования мало, перенос зарядов 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.

В способе, описанном в японской патентной публикации № 2006-246450, сброс компонента фотоэлектрического преобразования осуществляется после завершения экспонирования. При осуществлении этого способа заряды, генерируемые в период сброса, не используются эффективно, и, соответственно, в этой связи предпринимается попытка усовершенствования. Кроме того, в японской патентной публикации № 2006-246450 также описан способ подавления темновых электронов, генерируемых между компонентом фотоэлектрического преобразования и компонентом накопления зарядов, путем использования транзистора со скрытым каналом, вследствие чего во время операции экспонирования достигаются и захват поверхности, и транспортировка электронов. Однако в структуре со скрытым каналом высота потенциального барьера мала по сравнению с транзистором с поверхностным каналом, и поэтому приходится искать дополнительные соображения, касающиеся эффективного использования компонента накопления зарядов.

Это справедливо не только для структуры со скрытым каналом, но также и для структуры, в которой в конкретный момент времени в период, когда заряды накапливаются в компоненте фотоэлектрического преобразования, импульс промежуточного уровня подается в компонент фотоэлектрического преобразования, что приводит к переносу зарядов в компонент накопления зарядов. В этом случае также желательны дополнительные соображения по поводу эффективного использования компонента накопления зарядов.

Ввиду вышеизложенного в данном изобретении предложено устройство для съемки изображения, имеющее компонент накопления зарядов, предусмотренный отдельно от компонента фотоэлектрического преобразования и области ПД в каждом пикселе, и обеспечивающее как работу затвора с высокой скоростью, так и расширенный динамический диапазон.

Раскрытие изобретения

Согласно настоящему изобретению предложено устройство, содержащее пиксели, расположенные в форме матрицы, причем каждый пиксель включает в себя компонент фотоэлектрического преобразования, компонент накопления зарядов, выполненный с возможностью накопления сигнального заряда, принимаемого из компонента фотоэлектрического преобразования, компонент разряда зарядов, выполненный с возможностью управления проводимостью между компонентом фотоэлектрического преобразования и областью стока при переполнении, компонент переноса, выполненный с возможностью переноса заряда, накапливаемого в компоненте накопления зарядов, компонент усиления, выполненный с возможностью усиления сигнала на основании заряда, переносимого компонентом переноса, и компонент сброса, выполненный с возможностью сброса компонента фотоэлектрического преобразования, компонент затвора и компонент накопления зарядов, выполненный с возможностью управления количеством света, падающего на компонент фотоэлектрического преобразования, блок развертки, выполненный с возможностью подачи импульса возбуждения в компонент переноса, компонент сброса и компонент разряда зарядов, и блок управления, выполненный с возможностью подачи управляющего сигнала в блок развертки для переключения режима возбуждения между первым режимом и вторым режимом и подачи управляющего сигнала в компонент затвора, при этом первый режим осуществляется таким образом, что компонент фотоэлектрического преобразования и компонент накопления зарядов выходят из состояния сброса для всех пикселей, включенных в состав области получения изображения, начиная период, и по истечении заданного времени компонент фотоэлектрического преобразования и область стока при переполнении каждого пикселя включаются, заканчивая упомянутый период, а в заключение накапливаемый заряд переносится в компонент усиления, при этом второй режим осуществляется так, что компонент затвора открывается, начиная период, и по истечении заданного времени компонент затвора закрывается, заканчивая упомянутый период, а в заключение накапливаемый заряд переносится в компонент усиления.

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 устройство для съемки изображения в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.

На фиг.2 представлен чертеж, показывающий, как свет блокируется затвором в устройстве для съемки изображения в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.

На фиг.3 представлена блок-схема, иллюстрирующая датчик изображения в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.

На фиг.4 представлена эквивалентная схема датчика изображения в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.

На фиг.5 представлена временная диаграмма возбуждения в первом режиме в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.

На фиг.6 представлена временная диаграмма возбуждения во втором режиме в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.

На фиг.7А-7Н представлены диаграммы, иллюстрирующие профили потенциала в первом режиме.

На фиг.8А-8Н представлены диаграммы, иллюстрирующие профили потенциала во втором режиме.

На фиг.9 представлена временная диаграмма возбуждения в третьем режиме в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.

На фиг.10 представлена временная диаграмма возбуждения в четвертом режиме в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.

Осуществление изобретения

Ниже, со ссылками на сопровождающие чертежи, описаны варианты осуществления данного изобретения.

Сначала, со ссылками на фиг.1, поясняется конфигурация системы 90 для съемки изображения, которая является общей для всех вариантов осуществления, описываемых ниже. На фиг.1 представлена блок-схема, иллюстрирующая структуру устройства 90 для съемки изображения.

Основными компонентами системы 90 для съемки изображения являются оптическая система, датчик 100 изображения и блок обработки сигнала. Оптическая система включает в себя главным образом формирующую изображение линзу 92 и механический затвор 93, выполненный с возможностью управления количеством света, падающего на компонент фотоэлектрического преобразования. Блок обработки сигнала включает в себя главным образом схему 95 обработки сигнала изображения (первый элемент), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 96, блок 97 обработки сигнала изображения (второй элемент), память 87, блок 89 интерфейса (ИФ) внешнего устройства, синхрогенератор 98, блок 99 общего управления и вычисления, носитель 88 информации и блок 94 управления и интерфейса (ИФ) носителя информации. Блок обработки сигнала может и не включать в себя носитель 88 информации.

Формирующая изображение линза 92 функционирует, преломляя падающий свет таким образом, что тот формирует изображение объекта на массиве пикселей, МП, датчика 100 изображения.

Механический затвор 93 расположен в оптическом тракте между формирующей изображение линзой 92 и датчиком 100 изображения для управления количеством света, который направляется в датчик 100 изображения, пройдя через формирующую изображение линзу 92. Механический затвор 93 имеет первую шторку затвора и вторую шторку затвора, каждая из которых включает в себя множество лепестков затвора. Первая шторка затвора и вторая шторка затвора в механическом затворе 93 приводятся в движение по отдельности в разные моменты времени посредством блока 99 общего управления и вычисления, вследствие чего происходит переключение между открытым состоянием и закрытым состоянием. Датчик 100 изображения преобразует изображение объекта, формируемое на массиве пикселей, МП, в сигнал изображения. Массив пикселей, МП, включает в себя пиксели, расположенные в форме матрицы. Датчик 100 изображения считывает сигнал изображения из массива пикселей, МП, и выдает считываемый сигнал изображения. Схема 95 обработки сигнала изображения подключена к датчику 100 изображения и имеет конфигурацию, обеспечивающую обработку сигнала изображения, выдаваемого из датчика 100 изображения.

Аналого-цифровой преобразователь 96 подключен к схеме 95 обработки сигнала изображения и имеет конфигурацию, обеспечивающую генерирование данных изображения путем осуществления обработки различных видов, такой как процесс коррекции, над сигналом изображения (в цифровой форме), выдаваемым из аналого-цифрового преобразователя 96. Результирующие данные подаются, например, в память 87, блок 89 интерфейса внешнего устройства, блок 99 общего управления и вычисления, носитель 88 информации и блок 94 управления и интерфейса носителя информации и т.д.

Память 87 подключена к блоку 97 обработки сигнала изображения и имеет конфигурацию, обеспечивающую хранение данных изображения, выдаваемую из блока 97 обработки сигнала изображения.

Блок 89 интерфейса внешнего устройства подключен к блоку 97 обработки сигнала изображения, так что данные изображения, выдаваемые из блока 97 обработки сигнала изображения, можно передавать во внешнее устройство (такое как персональный компьютер) через блок 89 интерфейса внешнего устройства.

Синхрогенератор 98 подключен к датчику 100 изображения, схеме 95 обработки сигнала изображения, аналого-цифровому преобразователю 96 и блоку 97 обработки сигнала изображения и имеет конфигурацию, обеспечивающую подачу сигнала синхронизации в датчик 100 изображения, схему 95 обработки сигнала изображения, аналого-цифровой преобразователь 96 и блок 97 обработки сигнала изображения, так что датчик 100 изображения, схема 95 обработки сигнала изображения, аналого-цифровой преобразователь 96 и блок 97 обработки сигнала изображения работают синхронно по сигналу синхронизации.

Блок 99 общего управления и вычисления подключен к блоку 97 обработки сигнала изображения и блоку 94 управления и интерфейса носителя информации и имеет конфигурацию, обеспечивающую общее управление синхрогенератором 98, блоком 97 обработки сигнала изображения и блоком 94 управления и интерфейса носителя информации.

Носитель 88 информации подключен с возможностью отключения к блоку 94 управления и интерфейса носителя информации, так что данные изображения, выдаваемые из блока 97 обработки сигнала изображения, можно сохранять в носителе 88 информации через посредство блока 94 управления и интерфейса носителя информации.

Вышеописанная конфигурация обеспечивает изображение (данные изображения) хорошего качества, если является хорошим качество сигнала изображения, выдаваемого из датчика 100 изображения.

Далее, со ссылками на фиг.2, ниже будут описаны операции датчика 100 изображения и механического затвора 93 в устройстве 90 для съемки изображения.

На фиг.2 показана поверхность датчика 100 изображения, которая обращена к формирующей изображение линзе 92, а также показана вторая шторка затвора, которая является частью механического затвора 94. Как можно заметить, массив пикселей, МП, расположен на поверхности датчика 100 изображения, обращенной к формирующей изображение линзе 92. Массив пикселей, МП, имеет проемы, выполненные как ячейки, соответствующие компонентам фотоэлектрического преобразования соответствующих пикселей, так что свет может достигать пикселей через эти проемы. В примере, показанном на фиг.2, механический затвор 93 находится в состоянии, в котором первая шторка затвора (не показана) полностью прошла весь путь сверху донизу, оставляя за собой проем, а вторая шторка 101 затвора находится в середине своего пути сверху донизу, а ее передний конец сейчас находится в положении, обозначенном позицией 108, вследствие чего массив пикселей, МП, частично накрыт. То есть механический затвор 93 работает так, что первая шторка затвора и вторая шторка 101 затвора перемещаются в направлении сверху вниз корпуса, как показано стрелкой 106 на фиг.2. Позиция 102 обозначает область экспонирования. Позиция 104 обозначает область, расположенную под областью 102. Область 104 - это область, где посредством электрического затвора осуществляется сток электрических зарядов. Позиция 105 обозначает направление, в котором осуществляется считывание сигнала, сканируемого схемой сканирования. Позиция 107 обозначает границу области 102 и области 104.

Механический затвор 93 управляет количеством света, падающего на компонент фотоэлектрического преобразования, в соответствии с управляющим сигналом, подаваемым из блока 99 общего управления и вычисления, который служит в качестве блока управления.

Далее, со ссылками на фиг.3 и 4, ниже будут описаны конфигурация и эквивалентная схема датчика изображения устройства для съемки изображения в соответствии с данным изобретением. Компоненты, аналогичные тем, которые показаны на фиг.1 и 2, обозначены аналогичными позициями, а их дальнейшее описание опущено.

На фиг.3 массив пикселей, МП, включает в себя пиксели, расположенные в форме матрицы. Позиция 301 обозначает блок вертикальной развертки, выполненный с возможностью развертки пикселей в массиве пикселей в блоках одной или более строк пикселей. Блок 301 вертикальной развертки может быть воплощен с использованием сдвигового регистра или дешифратора.

Позиция 302 обозначает схему столбцов, выполненную с возможностью конкретной обработки сигнала, которая считывается из массива пикселей, МП, посредством развертки, осуществляемой схемой 301 вертикальной развертки. Схема 302 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. Если схема 302 столбцов включает в себя аналого-цифровой преобразователь, то аналого-цифровой преобразователь 96, показанный на фиг.1, не используется.

Позиция 303 обозначает блок горизонтальной развертки, выполненный с возможностью последовательной развертки пикселей в блоках одного или более столбцов пикселей для считывания сигнала, обработанного схемой столбцов. Блок 303 горизонтальной развертки может быть скомпонован с использованием сдвигового регистра или дешифратора.

Позиции 304 и 305 соответственно обозначают управляющие выводы блока 301 вертикальной развертки и блока 303 горизонтальной развертки. Хотя каждый блок развертки в этом примере имеет лишь одну управляющую клемму, каждый блок развертки может иметь множество управляющих клемм в зависимости от его функции.

Блок 301 вертикальной развертки и блок 303 горизонтальной развертки выполнены с возможностью переключения режима возбуждения датчика 100 изображения в соответствии с управляющим сигналом, принимаемым на управляющей клемме 304 или 305 из блока 99 управления через синхрогенератор 98. Хотя блок 99 управления в этом примере расположен отдельно от датчика 100 изображения, блок 99 управления может быть расположен внутри датчика 100 изображения.

Имеются межкомпонентные соединения, посредством которых осуществляется передача оптического сигнала, сигнала возбуждения и других сигналов между составляющими компонентами, описанными выше, хотя эти межкомпонентные соединения и не показаны на фиг.3.

На фиг.4 изображена эквивалентная схема 21 пикселей, расположенных в массиве пикселей, МП. Хотя на фиг.4 показаны - для простоты - только 9 пикселей, расположенных в форме массива размером 3×3, количество пикселей не ограничивается этим примером.

Позиция 1 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 2 накопления зарядов через первый переключатель 8 переноса, функционирующий как первый компонент переноса. Катод также подключен к шине источника питания, которая является вторым источником питания, служащим в качестве стока при переполнении (СпП), через третий переключатель 13 переполнения, служащий в качестве третьего компонента переноса. Третий переключатель переноса функционирует как компонент разряда зарядов, который управляет проводимостью между компонентом фотоэлектрического преобразования и СпП.

Другой конец компонента 2 накопления зарядов подключен к фиксированному уровню напряжения (например, уровню «земли»). Вышеупомянутый один конец компонента 2 накопления зарядов также подключен к обозначенной позицией 4 области плавающей диффузии (ПД) через второй переключатель 9 переноса, функционирующий как второй компонент переноса. Область 4 ПД также подключена к электроду затвора усилительного транзистора 12, функционирующего как часть компонента усилителя. Затвор усилительного транзистора 12 функционирует как входной каскад компонента усилителя. Клемма затвора усилительного транзистора 12 также подключена к шине питания пикселей через транзистор 10 сброса, функционирующий как компонент сброса. Хотя это и не показано на фиг.4, шина источника питания, служащая в качестве СпП, и шина питания пикселей выполнены раздельно, причем эти шины питания могут быть подключены к общему источнику питания или могут быть подключены к разным источникам питания. Область СпП может быть расположена в некотором месте внутри рядом с компонентом фотоэлектрического преобразования (боковой сток при переполнении (БСпП)) или в некотором месте по вертикали рядом с компонентом фотоэлектрического преобразования (вертикальный сток при переполнении (ВСпП)).

Каждый переключатель переноса может быть воплощен с использованием транзистора со структурой «металл - оксид - полупроводник» (МОП-транзистора).

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 в транзистор 11 выбора вводится активный импульс, тем самым включая транзистор выбора 11, то 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 устройства для съемки изображения выдается сигнал. Этот сигнал пропускается через схему обработки сигналов и другие схемные элементы, посредством чего получается сигнал изображения.

В примере, показанном на фиг.4, 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 компонента усилителя.

Как описано выше, данное изобретение применимо к конфигурации, в которой компонент накопления зарядов находится между компонентом фотоэлектрического преобразования областью ПД.

В конкретном варианте осуществления данное изобретение может быть применено к конфигурации, при наличии которой в тракте заряда, проходящем между компонентом фотоэлектрического преобразования и компонентом накопления зарядов, предусмотрен механизм, обеспечивающий перенос зарядов из компонента фотоэлектрического преобразования в компонент накопления зарядов в состоянии, в котором импульс низкого уровня подается в первый компонент переноса, вследствие чего первый компонент переноса поддерживается в отключенном состоянии.

Более конкретно, например, когда первый компонент переноса реализуется с использованием МОП-транзистора, вышеописанный механизм достигается путем воплощения 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. Вследствие этого потенциальный барьер быстро возвращается к высоте, которая не позволяет электронам проходить.

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 областью СпП в тракте заряда. Отметим, что потенциал здесь определяется относительно сигнального заряда. В конкретном воплощении компонент накопления зарядов может быть воплощен с использованием 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 темновых электронов на поверхности полупроводника в области, где находится компонент накопления зарядов.

Таким образом, вышеописанная конфигурация обеспечивает дополнительное снижение темнового тока, связанного с компонентом накопления зарядов.

Операция возбуждения осуществляется таким образом, что сигнальные заряды, переносимые из компонента фотоэлектрического преобразования в компонент накопления зарядов в течение одного периода экспонирования, накапливаются в компоненте накопления зарядов и используются в качестве сигнала изображения. Иными словами, после того, как в компоненте фотоэлектрического преобразования начинается один период экспонирования, сигнал считывается из пикселя вовне без сброса компонента накопления зарядов. Отметим, что один период экспонирования определяется в периоде при формировании одного кадра изображения, так что этот период является общим для всех компонентов фотоэлектрического преобразования пикселей.

Конкретные варианты осуществления описываются 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.

В первом варианте осуществления устройство для съемки изображения имеет два режима, управление которыми осуществляется посредством управляющего сигнала, который подается из блока 99 управления, показанного на фиг.1, по меньшей мере, в блок 301 вертикальной развертки, показанный на фиг.3, и посредством управляющего сигнала, подаваемого в блок 303 горизонтальной развертки.

Первый вариант осуществления подробно описан ниже со ссылками на фиг.5 и 6. На фиг.5 изображена временная диаграмма в первом режиме, в котором управление временем экспонирования осуществляется посредством электрического управления возбуждением датчика изображения без использования механического затвора 93. В нижеследующем тексте этот электронный механизм будет именоваться электронным затвором. На фиг.6 изображена временная диаграмма во втором режиме, в котором управление временем экспонирования осуществляется посредством электрического управления возбуждением датчика изображения с использованием механического затвора 93.

Для начала, со ссылками на фиг.5, ниже приводится описание управления экспонированием с использованием электронного затвора. Поскольку в этом режиме механический затвор не используется при управлении временем экспозиции, на работу механического затвора конкретных ограничений нет. Следовательно, как показано на фиг.5, механический затвор можно поддерживать в открытом состоянии в течение периода, включающего в себя период экспонирования. В альтернативном варианте осуществления в режиме работы с использованием электронного затвора, чтобы исключить влияния утечек падающего света после завершения экспозиции, получая тем самым высококачественное изображение, механический затвор может быть закрыт, чтобы перекрыть свет как можно скорее после завершения экспонирования. Чтобы увеличить скорость съемки изображений в последовательности, механический затвор можно поддерживать в открытом состоянии, вследствие чего состояние механического затвора не будет влиять на экспонирование, а захват следующего изображения можно будет начинать как можно быстрее после завершения захвата предыдущего изображения.

Для простоты, первый, второй и третий переключатели переноса в нижеследующем тексте будут обозначены символами ТХ1, ТХ2 и ТХ3, соответственно, а импульсы возбуждения будут обозначены символами РТХ1, РТХ2 и РТХ3, соответственно. Импульсы РТХ1, РТХ2 и РТХ3 включаются для конкретной строки в конкретный момент времени, а затем одновременно отключаются в момент Т1 времени для пикселей, включенных в состав области получения изображения. В этот момент времени компонент фотоэлектрического преобразования и компонент накопления зарядов каждого из пикселей, включенных в состав зоны получения изображения, выходят из состояния сброса, и начинается период генерирования сигнальных зарядов.

По истечении заданного времени после этого импульс РТХ1 включается в момент Т2 времени, что приводит к переносу зарядов, остающихся в компоненте фотоэлектронного преобразования, в компонент накопления зарядов. В момент Т3 времени импульс РТХ3 включается одновременно для всех интересующих пикселей, так что заряды, генерируемые после этого посредством фотоэлектрического преобразования, выталкиваются в область стока при переполнении. Этой операцией период генерирования сигнальных зарядов заканчивается. В этом состоянии, хотя заряды и генерируются в ответ на свет, падающий на компонент фотоэлектрического преобразования, генерируемые заряды выталкиваются в область СпП без использования при формировании изображения. Следовательно, в этот момент времени генерирование сигнальных зарядов заканчивается.

После этого управление импульсами PRES, PSEL и РТХ2 в моменты Т4, Т5 и Т6 осуществляется на построчной основе для пикселей в области получения изображения, что приводит к линейно-последовательному переносу зарядов, находящихся в компоненте накопления зарядов, в компонент усилителя.

Поскольку осуществляется электрическое управление работой с этапа выхода из состояния сброса до этапа включения импульса PTX1, появляется возможность управлять работой с очень высокой скоростью порядка миллисекунд.

Когда считывается каждый пиксель, считывание можно осуществлять при суммировании значений пикселей или цветовых значений пикселей в соседних ячейках.

Далее приводится пояснение управления экспонированием в режиме работы с использованием механического затвора, т.е. во втором режиме работы.

Сначала импульсы РТХ1 и РТХ2 отключаются в момент Т1 времени, чтобы пиксели вышли из состояния сброса, вследствие чего пиксели входят в состояние, в котором сигнальные заряды, генерируемые посредством фотоэлектрического преобразования, могут накапливаться в компоненте фотоэлектрического преобразования и компоненте накопления зарядов. Поскольку в этом процессе период генерирования сигнальных зарядов определяется механическим затвором, моменты отключения импульсов РТХ1 и РТХ2 можно определять произвольно. В данном варианте осуществления импульсы РТХ1 и РТХ2 отключаются в один и тот же момент времени, хотя можно осуществлять отключение импульсов РТХ1 и РТХ2 и на построчной основе. Непосредственно после этого механический затвор открывается в момент Т2, начиная период генерирования сигнальных зарядов. Если истек заданный период, то механический затвор закрывается в момент Т3 времени, заканчивая период генерирования сигнальных зарядов. Чтобы использовать компонент фотоэлектрического преобразования и компонент накопления зарядов для сохранения сигнальных зарядов, импульс РТХ3 поддерживают в отключенном состоянии по всем строкам.

После этого, по отдельности для каждой строки, осуществляют надлежащее управление импульсами PSEL, PRES, PTX1 и PTX2 в моменты Т4, Т5 и Т6 времени для осуществления последовательного переноса зарядов, находящихся в компоненте фотоэлектрического преобразования и компоненте накопления зарядов, в компонент усилителя.

Ниже описан механизм увеличения значения количества зарядов при насыщении в режиме работы с использованием механического затвора со ссылками на чертежи, демонстрирующие профили потенциала в пикселе для режима работы с использованием электронного затвора (первый режим работы) и режима работы с использованием механического затвора (второй режим работы).

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.

Фиг.7А-7Н иллюстрируют профили потенциала в режиме, в котором управление экспонированием осуществляет электронный затвор. В момент Т1 времени, показанный на фиг.5, происходит изменение профиля потенциала от того, который показан на фиг.7А, к тому, который показан на фиг.7В, и вследствие этого происходит выход из состояния сброса.

Если период генерирования начинается в момент Т2 времени, то, как показано на фиг.7С, начинается накопление сигнальных зарядов в компоненте фотоэлектронного преобразования. Компонент накопления зарядов каждого пикселя защищен непрозрачной пленкой или аналогичным средством от экспонирования светом, и поэтому сигнальный заряд в компоненте накопления зарядов не генерируется, за исключением зарядов, возникающих из-за утечки света. Если в компоненте фотоэлектрического преобразования накопилось некоторое конкретное количество сигнальных зарядов, то, как показано на фиг.7D, начинается перенос зарядов, накопившихся в компоненте фотоэлектрического преобразования, по направлению к компоненту накопления зарядов, потому что потенциальный барьер у компонента накопления зарядов, препятствующий переносу сигнальных зарядов, накопившихся в компоненте фотоэлектрического преобразования, является наименьшим среди всех компонентов. Таким образом, в компоненте накопления зарядов начинается накопление сигнальных зарядов.

В момент Т2 времени потенциальный барьер, созданный переключателем ТХ1, временно понижается, так что сигнальные заряды, остающиеся в компоненте фотоэлектрического преобразования, полностью переносятся в компонент накопления зарядов, как показано на фиг.7Е.

После этого включается переключатель ТХ3 для получения профиля потенциала, показанного на фиг.7F. Все заряды, генерируемые светом, который достигает компонента фотоэлектрического преобразования, выталкиваются в область СпП без переноса в компонент накопления зарядов. Затем, в считываемой строке переключатель ТХ2 включается, как показано на фиг.7G, а потом отключается, как показано на фиг.7Н, вследствие чего происходит перенос зарядов, накопленных в компоненте накопления зарядов, в компонент усилителя.

В случае, когда потенциальный барьер переключателя ТХ1, аналогичный потенциальному барьеру в тракте заряда, созданном другими МОП-транзисторами с поверхностным каналом, как показано на фиг.7F, компонент накопления зарядов получает возможность сохранять заряд вплоть до высоты (потенциального барьера), представленной пунктирной линией 501. Однако на практике, поскольку переключатель ТХ1 представляет собой транзистор со скрытым каналом, сигнальные заряды, поддерживаемые за пределами высоты потенциального барьера переключателя ТХ1, выталкиваются в область СпП через компонент фотоэлектрического преобразования, и поэтому пунктирная линия 502 представляет собой верхний предел количества зарядов, которые может сохранить компонент накопления зарядов.

Далее будет описан режим, в котором экспонированием управляет механический затвор. Фиг.8А-8Н иллюстрируют профили потенциала в режиме, в котором управление экспонированием осуществляет механический затвор. Горизонтальная сплошная полоса вверху каждого из чертежей обозначает состояние механического затвора. Когда часть этой полосы непосредственно после компонента фотоэлектрического преобразования открыта, механический затвор находится в открытом состоянии, в котором свет может достигать компонента фотоэлектрического преобразования, а когда эта полоса полностью закрыта, механический затвор находится в закрытом состоянии, в котором свет блокируется.

Когда компонент фотоэлектрического преобразования находится в состоянии, в котором свет блокируется механическим затвором, переключатели ТХ1, ТХ2 и ТХ3 включены, поддерживая импульс PRES в состоянии, показанном на фиг.8А, вследствие чего происходит сброс компонента фотоэлектрического преобразования и компонента накопления зарядов. В момент Т1 времени, наступающий после этого, операция сброса заканчивается. В результате получается потенциальный барьер, такой как показанный на фиг.8В. В момент Т2 времени механический затвор открывается, начиная период генерирования сигнальных зарядов, в течение которого сигнальные заряды генерируются компонентом фотоэлектрического преобразования. В состоянии, в котором свет с высокой интенсивностью падает на компонент фотоэлектрического преобразования, максимальное количество зарядов, которые можно сохранить, определяется высотами потенциальных барьеров переключателей ТХ2 и ТХ3 независимо от высоты потенциального барьера переключателя ТХ1, как видно из фиг.8D.

В момент Т3 времени, как показано на фиг.8Е, механический затвор закрывается, не давая свету достичь компонента фотоэлектрического преобразования. После этого переключатели ТХ1 и ТХ2 включаются, а переключатель ТХ1 при этом поддерживается в отключенном состоянии, что вызывает перенос зарядов в компонент усилителя, как показано на фиг.8F и 8G.

В ходе вышеописанного процесса, как можно заметить из фиг.8Е, максимальное количество накопленных сигнальных зарядов определяется высотой потенциального барьера переключателя ТХ3 (или ТХ1), а также глубиной, соответствующей потенциальному барьеру, компонента накопления зарядов и компонента фотоэлектрического преобразования. Ввиду большего потенциального барьера по сравнению с потенциальным барьером в режиме работы с использованием электронного затвора, показанном на фиг.7А-7Н, каждый компонент имеет повышенную емкость накопления зарядов. Помимо этого не только компонент накопления зарядов, но и компонент фотоэлектрического преобразования становится способным накапливать сигнальные заряды, и поэтому оказывается в принципе возможным получение емкости накопления, соответствующей затененной области 601 на фиг.8Е. С эмпирической точки зрения емкость накопления зарядов можно увеличить в 1,3-1,5 раза. Это означает, что можно осуществить съемку изображения без насыщения для объекта с более высокой - до 1,5 раз - яркостью.

Данный вариант осуществления имеет следующие признаки. В режиме работы с электронным затвором все управления осуществляются электрически, и поэтому становится возможным управление экспонированием с очень высокой скоростью. Кроме того, подготовка к следующей операции съемки изображения также осуществляется электрически, и поэтому появляется возможность воплотить высокоскоростную работу затвора и достичь выполнения функции последовательной съемки множества изображений с высокой скоростью. Это очень полезно, в частности, для съемки изображений движущегося объекта. С другой стороны, в режиме работы с использованием механического затвора заряды можно накапливать с использованием и компонента накопления зарядов, и компонента фотоэлектрического преобразования, и поэтому становится возможным достижение очень высокого значения количества зарядов при насыщении. Отметим, что одно устройство для съемки изображения имеет два режима работы, т.е. первый и второй режимы работы, между которыми возможно переключение, и поэтому одно устройство для съемки изображения способно снимать изображение при работе затвора с очень высокой скоростью, а также осуществлять последовательную съемку множества изображений с высокой скоростью в первом режиме работы и снимать изображение с высоким значением количества зарядов при насыщении во втором режиме работы. Например, первый режим работы можно использовать для киносъемки, а второй режим работы можно использовать для фотосъемки. Второй режим работы также можно использовать при съемке изображения с расширенным динамическим диапазоном.

В данном варианте осуществления предполагается, что переключатель ТХ1 воплощен с использованием МОП-транзистора со скрытым каналом. В альтернативном варианте переключатель ТХ1 может быть воплощен с использованием МОП-транзистора с поверхностным каналом, как и переключатели ТХ2 и ТХ3, и поэтому высота потенциального барьера может быть такой же, как высоты потенциальных барьеров переключателей ТХ2 и ТХ3, поскольку оказывается возможным эффективное использование емкости накопления зарядов компонента фотоэлектрического преобразования в режиме работы с использованием механического затвора, хотя емкость накопления зарядов компонента фотоэлектрического преобразования не используется в режиме работы с использованием электронного затвора.

Значение количества зарядов при насыщении изменяется в зависимости от режима работы, а изменение количества зарядов при насыщении может вызывать наступление насыщения. Этой ситуации можно достичь, предусматривая компонент усилителя с регулируемым коэффициентом усиления в схеме считывания и переключая коэффициент усиления в зависимости от режима работы. В случае, когда входной динамический диапазон истокового повторителя недостаточно велик, емкость плавающей диффузии пикселя может быть динамически изменена.

Во втором варианте осуществления устройство для съемки изображения имеет третий режим работы (режим линейного экспонирования), показанный на фиг.9, в дополнение к двум режимам работы согласно вышеописанному первому варианту осуществления. Третий режим работы поясняется ниже со ссылками на фиг.9. Третий режим работы можно установить посредством управляющего сигнала, выдаваемого блоком 99 управления, показанным на фиг.1.

Работа в режиме линейного экспонирования (третьем режиме работы) осуществляется следующим образом. Для пикселей в области получения изображения компонент фотоэлектрического преобразования и компонент накопления зарядов сбрасываются, а затем выводятся из состояния сброса в блоках в строках пикселей. По истечении заданного периода времени сигнальные заряды, находящиеся в компоненте накопления зарядов и компоненте фотоэлектрического преобразования, последовательно переносятся в компонент усилителя в блоках строк пикселей.

В режиме линейного экспонирования период генерирования сигнальных зарядов задается временем от начала считывания для каждой строки до начала считывания для следующей строки. Например, период генерирования сигнальных зарядов для первой строки задается периодом 701 от момента Т1 времени до момента Т2 времени. Время считывания для следующей строки регулируется в соответствии с межстрочной разностью времен при считывании предыдущего кадра таким образом, что период генерирования сигнальных зарядов оказывается равным периоду 701 для каждой строки, и поэтому период генерирования сигнальных зарядов оказывается одинаковым по всему кадру.

Когда период накапливания задан равным значению меньшему, чем период с начала считывания кадра до начала считывания следующего кадра, оказывается возможным осуществление сброса компонента фотоэлектрического преобразования и компонента накопления зарядов для каждой строки на операции считывания. В этом случае разность во времени сброса между строками может быть отрегулирована так, что окажется равной разности во времени считывания между строками.

Ниже описываются признаки, присущие этому варианту осуществления. После того как в режиме работы с использованием электронного затвора завершается экспонирование, компонент фотоэлектрического преобразования должен быть сброшен прежде, чем будут считываться заряды, и поэтому при киносъемке существует период, в течение которого экспонирование не разрешается. Наличие такого периода при киносъемке обуславливает прерывистость в движении изображения движущегося объекта. В режиме работы с использованием механического затвора киносъемка затруднена.

С другой стороны, в режиме линейного экспонирования (третьем режиме работы), соответствующем данному варианту осуществления, выход из состояния сброса для каждой строки задается осуществляемым в момент времени считывания изображения предыдущего кадра или в момент времени, близкий к этому, вследствие чего можно, по существу, исключать период, в течение которого экспонирование не проводится.

То есть помимо работы затвора с высокой скоростью и высокоскоростного последовательного захвата изображений в первом режиме работы, а также большого значения количества зарядов при насыщении во втором режиме работы, в третьем режиме работы становится возможной высококачественная киносъемка и реализуется электронный видоискатель.

В третьем варианте осуществления устройство для съемки изображения имеет четвертый режим работы, в котором осуществляется электрическое управление моментом начала периода генерирования сигнальных зарядов и при этом достигается большое значение количества зарядов при насыщении с использованием механического затвора. Это дает возможность быстро переключаться с операции захвата изображения при киносъемке на операцию захвата изображения при фотосъемке. Четвертый режим работы может быть задан посредством управляющего сигнала, выдаваемого блоком 99 управления, показанным на фиг.1.

Работа в соответствии с третьим вариантом осуществления будет описана ниже со ссылками на временную диаграмму, показанную на фиг.10. Работа в соответствии с третьим вариантом осуществления отличается от предыдущих вариантов осуществления тем, что выход из состояния сброса осуществляется в момент Т1 времени для всех пикселей, включенных в состав области получения изображения, что приводит к началу периода генерирования сигнальных зарядов, а заканчивается период генерирования сигнальных зарядов в момент Т2 времени в ответ на срабатывание механического затвора. Более конкретно, в состоянии, когда свет падает на компонент фотоэлектрического преобразования, осуществляется сброс компонента фотоэлектрического преобразования и компонента накопления зарядов с последующим выходом этих компонентов из состояния сброса. Затем тракт света, идущий к компоненту фотоэлектрического преобразования, закрывается, а сигнальные заряды, находящиеся в компоненте накопления зарядов и компоненте фотоэлектрического преобразования, последовательно переносятся в компонент усилителя в блоках строк.

В случае механического затвора можно использовать, например, межлинзовый затвор, который способен блокировать свет одновременно для всех пикселей. В случае если используется механический затвор того типа, при котором компонент фотоэлектрического преобразования для периода, изменяющегося от одной строки к другой, как в случае шторно-щелевого затвора, данные, указывающие скорость перемещения шторки затвора, можно запоминать заранее, а момент выхода из состояния сброса можно регулировать в соответствии со скоростью перемещения шторки затвора таким образом, что время экспонирования становится одинаковым для всей строки.

Помимо признаков, полученных в первом и втором вариантах осуществления, четвертый режим работы, соответствующий данному варианту осуществления, обеспечивает признак, заключающийся в том, что оказывается возможным быстрое переключение из режима линейного экспонирования, который используется в работе электронного видоискателя или при видеосъемке, в режим фотосъемки с использованием механического затвора. Возможно также быстрое переключение на операцию съемки изображения с использованием механического затвора после высокоскоростной операции съемки изображения с использованием электронного затвора. Возможно осуществление двух операций за исключительно короткое время для захвата изображения объекта с использованием работы затвора с высокой скоростью и для захвата изображения того же объекта в режиме сильного насыщения. Это позволяет пользователю выбирать одно из двух изображений.

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.

Изобретение относится к устройству для получения изображений с помощью управления временем экспонирования путем применения электронного затвора. Работа устройства переключается между двумя режимами. В первом режиме компонент фотоэлектрического преобразования и компонент накопления зарядов выходят из состояния сброса для всех пикселей в области получения изображения. По истечении заданного времени компонент фотоэлектрического преобразования и область стока при переполнении каждого пикселя включаются. Заряд, накапливаемый в компоненте накопления зарядов, переносится в компонент усиления. Во втором режиме период начинается после открытия механического затвора и заканчивается после закрытия затвора. Накапливаемый заряд переносится в компонент усиления. Технический результат - работа затвора с высокой скоростью и расширенный динамический диапазон. 4 з.п. ф-лы, 23 ил.

1. Устройство для съемки изображения, содержащее
пиксели, расположенные в форме матрицы, причем каждый пиксель включает в себя компонент фотоэлектрического преобразования, компонент накопления зарядов, выполненный с возможностью накопления сигнального заряда, принимаемого из компонента фотоэлектрического преобразования, компонент разряда зарядов, выполненный с возможностью управления проводимостью между компонентом фотоэлектрического преобразования и областью стока при переполнении, компонент переноса, выполненный с возможностью переноса заряда, накапливаемого в компоненте накопления зарядов, компонент усиления, выполненный с возможностью усиления сигнала на основании заряда, переносимого компонентом переноса, и компонент сброса, выполненный с возможностью сброса компонента фотоэлектрического преобразования и компонента накопления зарядов,
компонент затвора, выполненный с возможностью управления количеством света, падающего на компонент фотоэлектрического преобразования,
блок развертки, выполненный с возможностью подачи импульса возбуждения в компонент переноса, компонент сброса и компонент разряда зарядов, и
блок управления, выполненный с возможностью подачи управляющего сигнала в блок развертки для переключения режима возбуждения между первым режимом и вторым режимом и подачу управляющего сигнала в компонент затвора,
при этом первый режим осуществляется так, что компонент фотоэлектрического преобразования и компонент накопления зарядов выходят из состояния сброса для всех пикселей, включенных в состав области получения изображения, начиная период, и по истечении заданного времени компонент фотоэлектрического преобразования и область стока при переполнении каждого пикселя включаются, заканчивая упомянутый период, а в заключение, накапливаемый заряд переносится в компонент усиления,
при этом второй режим осуществляется так, что компонент затвора открывается, начиная период, и по истечении заданного времени компонент затвора закрывается, заканчивая упомянутый период, а в заключение, накапливаемый заряд переносится в компонент усиления.

2. Устройство по п.1, в котором блок управления выполнен с возможностью переключения режима возбуждения в третий режим, в котором для пикселей, включенных в состав области получения изображения, компонент фотоэлектрического преобразования и компонент накопления зарядов сбрасываются, а затем выходят из состояния сброса в блоках строк пикселей, и по истечении заданного времени сигнальные заряды, находящиеся в компоненте накопления зарядов и компоненте фотоэлектрического преобразования, последовательно переносятся в компонент усиления в блоках строк пикселей.

3. Устройство по п.1 или 2, в котором блок управления выполнен с возможностью переключения режима возбуждения в четвертый режим, в котором в состоянии, когда свет падает на компонент фотоэлектрического преобразования, осуществляется сброс компонента фотоэлектрического преобразования и компонента накопления зарядов с последующим выходом этих компонентов из состояния сброса, и затем тракт света, идущий к компоненту фотоэлектрического преобразования, закрывается, а сигнальные заряды, находящиеся в компоненте накопления зарядов и компоненте фотоэлектрического преобразования, последовательно переносятся в компонент усилителя в блоках строк пикселей.

4. Устройство по п.1, в котором тракт переноса зарядов между компонентом фотоэлектрического преобразования и компонентом накопления зарядов обеспечивается МОП-транзистором со скрытым каналом.

5. Устройство по п.1, в котором в течение периода, когда сигнальные заряды генерируются в компоненте фотоэлектрического преобразования и компоненте накопления зарядов, потенциальный барьер для сигнальных зарядов в тракте зарядов между компонентом фотоэлектрического преобразования и областью стока при переполнении выше, чем потенциальный барьер для сигнальных зарядов в тракте зарядов между компонентом фотоэлектрического преобразования и компонентом накопления зарядов.