[发明专利]有双重帧存储部分的CCD图像拾取装置和使用该装置的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种优选地用于空间信息检测设备的图像拾取装置。

背景技术

在用于取出与接收光量相对应的电荷以作为接收光输出的图像拾取装置中，随着曝光时间变长，接收光量增大。通常，根据电荷产生部分或者电荷转移部分的尺寸和杂质浓度来确定反映接收光量的接收光输出的上限。因此，即使曝光时间延长，当这些部分饱和时，也不能获得精确地反映接收光量的接收光输出。因此，曝光时间的延长不总是带来灵敏度的提高。

例如，日本专利早期公布第2006-84430号公开了一种距离图像传感器，其包括：发光源，用于将强度经调制的光发射到目标空间中；光检测元件，其具有多个光敏部分，用于接收来自目标空间的光并且产生对应于接收光量的电荷；控制电路，用于控制其中光敏部分接收来自目标空间的光的光接收周期；以及图像产生器，用于通过使用由光敏部分产生的电荷来确定到目标空间中的对象的距离，并且产生距离图像。在这种图像传感器中，所述控制电路控制转移电荷的时间，以使得光检测元件向图像产生器提供在具有不同长度的每个检测周期中收集的电荷。另外，所述图像产生器从具有不同长度的检测周期中选择适当的检测周期，以使得在所述适当的检测周期中收集的电荷在不超过光检测元件的容许电荷量的范围内为最大，并且通过使用在所述适当的检测周期中收集的电荷来确定距离。

因此，可以通过防止光敏部分饱和来精确地获得接收光输出。但是，由于通过改变曝光时间的长度来调整接收光量，因此，不可能获得大于光检测元件的容许电荷量的电荷量。换句话说，为了扩大接收光输出的动态范围，例如，需要提高光敏部分的面积。但是，这导致光检测元件的尺寸增大。

发明内容

因此，本发明的一个主要考虑方面是提供一种图像拾取装置，其能够通过防止饱和现象而不增大光电转换面积来扩大接收光输出的动态范围，即，实现灵敏度的提高。

更确切地说，本发明的图像拾取装置包括在半导体衬底上形成的多个图像拾取单元。每个图像拾取单元包括：

由光电转换元件组成的光接收阵列，其中每个光电转换元件被配置用于接收光，并且产生对应于接收光量的电荷；

由电荷转移元件组成的转移阵列；

由电荷积聚元件组成的积聚阵列，所述积聚阵列被配置用于积聚通过所述转移阵列从所述光接收阵列转移的电荷；以及

多个控制电极，所述控制电极通过绝缘层形成在所述半导体衬底上的对应于光电转换元件的区域，并且用于将来自所述光接收阵列的电荷转移到所述转移阵列；

其中，所述转移阵列和所述光接收阵列在第一方向上被布置在一行中，

所述积聚阵列被布置为在与所述第一方向基本上正交的第二方向上与所述转移阵列相邻，

所述转移阵列和所述积聚阵列被布置在光遮蔽区域中，并且

每个所述电荷积聚元件具有大于每个所述光电转换元件的饱和电荷量的电荷存储容量。

根据本发明，因为由每个光电转换元件产生的电荷在与所述光电转换元件分离地形成的对应电荷积聚元件中积聚，并且电荷积聚元件的电荷存储容量大于光电转换元件的饱和电荷量，所以可能获得图像拾取装置的相对于接收光输出的增大的动态范围。换句话说，可以实现灵敏度的提高。例如，每个电荷积聚元件优选地具有大的电荷存储容量，使得可以在电荷积聚元件中存储由光电转换元件在每个曝光操作中产生的电荷量的几倍，或者可以在电荷积聚元件中积聚通过重复多次将来自光电转换元件的电荷转移到转移阵列的操作而获得的电荷的总量。

另外，由于电荷通过转移阵列从所述光接收阵列转移到积聚阵列，因此光接收阵列可以高效地用于接收光，并且在从转移阵列向积聚阵列移动 电荷的操作期间产生对应于接收光量的电荷。结果，这带来了响应速度的提高。而且，可以通过在电荷积聚元件中累积地积聚电荷，而不在光电转换元件的每个电荷产生操作中将电荷取出到图像拾取装置的外部，来防止帧速率的降低。

在本发明中，当通过转移阵列从光接收阵列向积聚阵列转移电荷时，不总是意味着光电转换元件与电荷积聚元件一对一地对应。例如，每个光电转换元件可以与整数倍的电荷积聚元件(例如两个或者四个电荷积聚元件)相关联。