专利名称：固态图像感测设备和相机系统的制作方法
技术领域：
本公开涉及由CXD或CMOS表示的固态图像感测设备以及相机系统。
背景技术：
期望实现具有宽动态范围的固态图像感测设备，其使得使能够拍摄细节而即使在用汽车的前灯和球类运动场的照明光或者日光的逆光拍摄下也不丢失高亮度信息的细节或者使低亮度部分中的被摄体图像太暗。在这些情况下，在专利文献1 (日本专利No. 2125710)、专利文献 2QP-A-03-117281)、专利文献 3 (JP-A-09-205589)、专利文献 4 (JP-A-2004-320119)、专利文献5 (JP-A-2005-278135)、专利文献6 (JP-A-2010-284213)等中公开了关于诸如CCD的固态图像感测设备扩展动态范围的技术。专利文献1示出了通过在CCD等的一个像素内提供两个或多个具有不同灵敏度特性的区域(单元)以提供输入/输出特性按阶梯方式改变的拐点(knee)特性来扩展动态范围的例子。拐点特性指由输出电流与曝光量的关系示出的特性曲线在高输入区域中取比在低输入区域中更小的值，并且经常被称为高亮度信号压缩技术。作为改变感光区域(单元)的感光性的方法，例如描述了改变设备的孔径比，提供滤光器(ND滤光器)、改变杂质浓度等。根据专利文献1，该例子适用于除了 CXD以外的XY地址类型的图像感测设备，但是，没有详细描述。专利文献2公开了使用CCD的感光像素单元中的相邻像素或者具有不同感光特性的单元作为一对并在一个像素内添加各个单元的信号电荷将其用作该像素的信号电荷、以光阀等的加亮来实现较高动态范围而不丢失细节的例子。在此情况下，作为改变感光性的手段，例如，将具有不同像素面积的单元配对。专利文献3类似地将CXD的感光像素单元的一个像素划分成两个不同的区域，并在垂直寄存器中将同一像素的具有不同感光度的各区域的信号电荷相混合并垂直地传输它。此外，在该技术中，通过使用分类栅极(gate)将具有不同感光度的信号电荷分类至两个水平传输栅极，并使用外部信号处理电路来剪切高感光度侧的信号并将其添加到低感光度侧的信号，来形成视频信号。在此情况下，视频信号输出与入射光量的特性图是线图，并且倾斜度在高感光度侧(低亮度侧)陡峭，倾斜度在低感光度侧(高亮度侧)平缓。专利文献4公开了在包括高感光度成像单元和低感光度成像单元的图像感测设备中对于RAW图像数据量(原始数据)随两个单元的数据变得更大的问题的改进方法。具体地，通过分析拍摄的图像信息自动确定是否需要记录高亮度部分的图像信息。如果确定为“是”，则高亮度部分的RAW图像数据与低亮度部分的信息一起被记录。如果确定为“否”，则不记录高亮度部分的信息，而仅记录低亮度部分的RAW图像数据。
通过将主感光像素单元(具有较大面积和较高感光度主要使用微透镜的中心部分)和副感光像素单元(具有较小面积和较低感光度配备在微透镜的边缘侧)组合来形成一个像素。专利文献5公开了包括具有比较器和上/下计数器的列并列ADC的CMOS图像传感器。该CMOS图像传感器可以对多行执行像素数字值的加法运算而不需要诸如加法器和线存储器设备的另外的电路。但是，与划分像素相加的情况下具有作为目标像素的所有面积的总和的面积的像素相比，在划分的情况下，在信号处理中产生了不直接对感光性做出贡献的无效区域(死区)。从而，划分的各个单元的面积比简单划分成四个的情况下更小，与前一情况相比， 饱和电子的数量减少，并且拍摄噪声相对增加，划分的各个单元的S/N恶化。因为每次相加时也添加了拍摄噪声，所以划分相加的结果的S/N恶化。此外，像素信号的加法处理是模拟信号加法，并且感光度相对每个像素不同，因此存在饱和值变化以及转折点(break point)位置变化的问题。此外，在数字加法的情况下，需要在传感器之外提供存储器。也就是，在将一个像素单元划分成具有不同感光度或累积时间的两个或更多像素单元并测量感光度作为像素的饱和电荷量Qs的现有相加方法中，饱和电荷量Qs关于每个像素变化。从而，对于相同的光量，相加结果关于每个像素变化。换句话说，在以入射光量作为水平轴和饱和电荷量Qs作为垂直轴的感光度曲线 (线图)中，转折点位置(垂直轴)在划分的像素单元相加点(水平轴)处变化。从而，专利文献6提出通过应用将四个像素当作一个像素并变化四个像素的各自累积时间的技术来实现宽动态范围的方法。在此技术中，四个信号相加。图1是用于说明通过变化四个像素的各自累积时间来实现宽动态范围的方法的图。在该方法中，通过分别将单个颜色R、G、B划分为四个来形成像素。此外，如作为例子的图1的左上处的G(绿色)中的标记A到D所示，假设具有不同感光性或曝光量的四个像素的结构。在图1中，FD示出浮置扩散部分。此外，通过对四个像素的输出求和，实现宽动态范围。根据此技术，可以实现划分像素相加而在像素的输出电子的数量方面没有变化， 并且可以提供其中在较低入射光量时感光度较高、较高入射光时感光度较低并且输出不饱和的宽动态范围。
发明内容
但是，在专利文献6中公开的技术具有以下缺点。各个像素之间的重心不同，并且可能需要重心的偏移校正。如图2所示，取决于当输出信号被返回为如从线X到线Y那样的线性时的计算，S/ N可能未被最大化。将进一步详细说明重心的偏移的问题。当感光度/曝光在四个像素之间变化时，重心在四个像素之间变化，并且需要重心偏移的校正。当感光度/曝光简单地在两个像素之间变化时，重心在两个像素之间变化，并且也需要重心的偏移的校正。由于重心的差别，可能存在以下缺点。如果重心不同，则需要重心偏移的校正，另外，例如，当使用如图3所示的具有在垂直方向上划分的感光度/累积的像素拍摄类似电缆的横向方向上的被摄体时，由上部像素和下部像素获得的图像可能变化。这可能导致产生假色或噪声。接下来，将进一步详细描述S/N的问题。当由具有不同感光度/曝光量的四个像素形成信号时，需要最终输出值相对于光量是线性的，如图2中的Y所示。需要使获得的原始(Raw)信号值是如线Y所示的线性，因为该线在图2中的区域 RGl到RG4中是折曲的(folded)。作为在这点上的计算方法，可想象以下例子。区域“RG1” 表达式y = ax区域“RG2” 表达式y，= cx+d(χ =获得的信号值，y =最终输出)在此情况下，为了将“ RGl ”表达式叠加在“ RG2，，表达式上，可以通过从“ RG2，，表达式中减去截距d来将该截距设置为0并乘以a/c使得“RG2”表达式关于“RG1”表达式是线性的。但是，在考虑S (信号)/N (噪声)时，关于在此情况下减去的截距d，仅减去了 S (信号)，并且对于乘法，信号和噪声两者都乘以了 a/c (因为减法对于噪声是不可能的)。从而，与之前的计算相比，S/N极大地恶化。因此，期望提供固态图像感测设备和相机系统，其可以防止重心的偏移、最大化S/ N、实现划分像素相加而像素的输出电子数量相对于入射光量没有变化，并具有其中在较低入射光量时感光度较高、在高入射光时感光度较低并且输出不饱和的宽动态范围。根据本公开的一个实施例的固态图像感测设备包括像素部分，其中以矩阵布置多个像素；以及像素信号读出部分，包括对从像素部分读出的像素信号进行模拟-数字 (AD)转换的AD转换部分，其中像素部分的多个相邻像素的每个或者像素之一被形成为划分成具有不同感光性或累积电荷量的多个划分像素，对于多个划分像素设置多个感光性或曝光时间条件，并且提供为在对角方向上相对的划分像素的感光性或曝光时间条件被设置为相同条件，像素信号读出部分读出像素的各个划分像素的划分像素信号，以及AD转换部分通过对各个读出的划分像素信号进行AD转换并对信号相加来获得一个像素的像素信号。根据本公开的另一实施例的固态图像感测设备包括像素部分，其中以矩阵布置多个像素；像素信号读出部分，包括对从像素部分读出的像素信号进行模拟-数字(AD)转换的AD转换部分；以及处理部分，通过从像素信号读出部分的输出值获得最佳乘法因子并将该输出值乘以获得的乘法因子来获得最终输出，其中像素部分的多个相邻像素的每个或者像素之一被形成为划分成具有不同感光性或累积电荷量的多个划分像素，像素信号读出部分读出像素的各个划分像素的划分像素信号，以及AD转换部分通过对各个读出的划分像素信号进行AD转换并对信号相加来获得一个像素的像素信号。根据本公开的另一实施例的相机系统包括固态图像感测设备；以及光学系统， 其在固态图像感测设备上形成被摄体图像，该固态图像感测设备包括像素部分，其中以矩阵布置多个像素；以及像素信号读出部分，包括对从像素部分读出的像素信号进行模拟-数字(AD)转换的AD转换部分，其中像素部分的多个相邻像素的每个或者像素之一被形成为划分成具有不同感光性或累积电荷量的多个划分像素，对于多个划分像素设置多个感光性或曝光时间条件，并且提供为在对角方向上相对的划分像素的感光性或曝光时间条件被设置为相同条件，像素信号读出部分读出像素的各个划分像素的划分像素信号，以及 AD转换部分通过对各个读出的划分像素信号进行AD转换并对信号相加来获得一个像素的像素信号。根据本公开的另一实施例的相机系统包括固态图像感测设备；以及光学系统， 其在固态图像感测设备上形成被摄体图像，该固态图像感测设备包括像素部分，其中以矩阵布置多个像素；像素信号读出部分，包括对从像素部分读出的像素信号进行模拟-数字 (AD)转换的AD转换部分；以及处理部分，通过从像素信号读出部分的输出值获得最佳乘法因子并将该输出值乘以获得的乘法因子来获得最终输出，其中像素部分的多个相邻像素的每个或者像素之一被形成为划分成具有不同感光性或累积电荷量的多个划分像素，像素信号读出部分读出像素的各个划分像素的划分像素信号，以及AD转换部分通过对各个读出的划分像素信号进行AD转换并对信号相加来获得一个像素的像素信号。根据本公开的实施例，可以防止重心的偏移，并且可以最大化S/N，并且可以实现划分像素相加而相对于入射光量没有像素的输出电子数量的变化。结果，可以提供其中在较低入射光量时感光性较高、在较高入射光时感光性较低并且输出不饱和的宽动态范围。
图1是用于说明通过变化四个像素的各自累积时间来实现宽动态范围的方法的图。图2是示出在通过变化四个像素的各自累积时间来实现宽动态范围的方法中原始(Raw)输出和考虑S/N问题的计算之后的最终输出之间的关系的图。图3是在通过变化四个像素的各自累积时间来实现宽动态范围的方法中考虑由于重心的变化弓丨起的问题的图。图4是示出根据本公开的实施例的CMOS图像传感器(固态图像感测设备)的配置例子的图。图5是示出作为像素布置例子的拜耳排列的图。图6是根据该实施例的像素划分的概念图。图7是示出图1中的在具有列并列ADC的固态图像感测设备(CMOS图像传感器) 中进行相加处理的位置的图。图8是用于说明根据实施例的作为对于重心偏移的第一对策的两像素对角方法的图。图9是用于说明根据实施例的作为对于重心偏移的第二对策的两像素对角GrAib
8反转方法的图。图10是用于说明根据实施例的作为对于重心偏移的第二对策的两像素对角Gr/ Gb反转方法的应用例子的图。图11是用于说明根据实施例的对于S/N的对策的图。图12是示出根据实施例的包括四个晶体管的CMOS图像传感器的划分像素的例子的图。图13是示出共享浮置扩散部分、放大晶体管、选择晶体管、复位晶体管的多个划分像素的例子的电路图。图14是示出各自具有浮置扩散部分并共享放大晶体管的多个划分像素的例子的电路图。图15是示出被分组并在各个组中共享浮置扩散部分并作为整体在像素中共享放大晶体管的多个划分像素的例子的电路图。图16A到16D是用于说明在一个像素的表面内划分成多个区域的方法的图。图17A和17B是示意性示出与划分像素相加有关的列AD转换型CMOS图像传感器电路的配置例子的图。图18是示出根据本公开的实施例的与CCD传感器对应的固态图像感测设备的配置例子的图。图19是示出应用根据本公开的实施例的固态图像感测设备的相机系统的配置例子的图。
具体实施例方式如以下，将参考
本公开的实施例。将按以下顺序进行说明。1.固态图像感测设备的整体示意配置2.对于重心偏移的对策3.对于S/N的对策4.划分像素的配置例子5.相机系统的配置例子<1.固态图像感测设备的整体示意配置〉图4是示出根据本公开的实施例的具有列并列ADC的固态图像感测设备(CMOS图像传感器)的配置例子的框图。本公开不仅可应用于CMOS图像传感器，而且可应用于(XD。在此，将以CMOS图像传感器作为例子说明。固态图像感测设备100具有像素部分110、垂直扫描电路120、水平传输扫描电路 130、定时控制电路140和模拟数字转换器(ADC)组150，如图4所示。固态图像感测设备100还具有数字-模拟转换器(DAC) 160、放大器电路(S/ A) 170、信号处理电路180和水平传输线190。垂直扫描电路120、水平传输扫描电路130、定时控制电路140、ADC组150和 DAC160形成像素信号读出部分。
像素部分110包括以矩阵布置的多个像素。例如，像素部分110采用如图2所示的拜耳布置作为其像素布置。在该实施例的像素部分110中，一个像素被划分成包含由光电二极管形成的光电转换元件的划分的像素单元DPC。具体地，在具有列并列ADC的固态图像感测设备(CMOS图像传感器)100中，在拜耳布置中的相同颜色的滤色器下的一个像素被划分成两个或多个具有不同感光度或累积时间的划分的像素单元DPC。此外，在该实施例中，如稍后将描述的，为了防止重心的偏移，采用在曝光时间条件(或感光性)的两种条件下在对角方向上彼此相对的像素具有相同曝光时间(或感光性)的结构。此外，在该实施例中，为了最大化S/N，采用如下配置在该配置中，当信号被返回为线性时，该信号不直接通过计算获得，而是通过暂且(once)从原始(Raw)输出值计算最佳乘法因子并将该原始(Raw)输出值乘以该乘法因子来获得最终输出。此外，当像素信号被AD转换并从列方向输出时，在将划分像素的输出的划分像素信号相加后进行AD转换。在这点上，AD转换部分的输入范围被剪切以恒等于或小于每个像素的饱和输出电压，使得每个像素的输出值可以一定是具体数字值。在以下说明中，将说明其中一个像素被划分成四个划分像素单元DPC-A到DPC-D 的例子。图6是根据本公开的实施例的像素划分的概念图。图6示出其中G(绿色)像素PCG被划分成四个像素DPC-A，DPC-B, DPC-C, DPC-D 的情况。在图6中，示出了在拜耳布置的情况下的划分方法，并且在其中在相同颜色的滤色器下的一个像素被划分成四个的例子中，在划分像素中感光度和累积时间不同，如以下。S卩，为了防止重心的偏移，存在曝光时间条件(或感光性)的两个条件，并且在对象方向上彼此相对的像素具有相同的曝光时间(或感光性)。例如，在图6的G像素的例子中，在对角方向上彼此相对的像素DPC-A和DPC-C、 DPC-B和DPC-具有相同的曝光时间。稍后将详细描述在像素部分110中的像素和划分像素的配置、划分形式等。此外，例如，本实施例的固态图像感测设备100在时间上依次向垂直信号线发送出在像素内放大的划分像素信号，并在列像素信号读出部分中提供的ADC组150的AD转换器(AD转换部分)中执行AD转换。然后，当进行第二划分像素信号的AD转换操作时，固态图像感测设备100添加第
一AD转换的值并执行第二划分像素信号的AD转换操作。然后，当进行第三划分像素信号的AD转换操作时，固态图像感测设备100添加第
二AD转换的值并执行第三划分像素信号的AD转换操作。然后，当进行第四划分像素信号的AD转换操作时，固态图像感测设备100添加第三AD转换的值，并执行第四划分像素信号的AD转换操作。本实施例的固态图像感测设备采用由在列部分中提供的AD转换器按此方式依次添加被划分成多个部分的像素的像素信号的划分像素信号相加方法。
在固态图像感测设备100中，作为用于依次读出像素部分110的信号的控制电路， 提供了产生内部时钟的定时控制电路140、控制行地址和行扫描的垂直扫描电路120以及控制列地址和列扫描的水平传输扫描电路130。ADC组150具有比较器151，其将作为其中由DAC160产生的基准电压以阶梯方式改变的斜坡波形的基准电压Vslop与经由垂直信号线LVS关于每行从像素获得的模拟信号 (电势Vsl)相比较。在ADC组150中，每个具有对比较时间计数的上下计数器(下文中简称为“计数器”)152和保持计数结果的锁存器153的ADC被布置在多个列中。ADC组150具有η位数字信号转换功能，并且关于每个垂直信号线(列线)而提供，由此，形成列并列AD块。各个锁存器153的输出连接到例如具有2η位宽度的水平传输线190。此外，提供了对应于水平传输线190的2η放大器电路170以及信号处理电路180。在ADC组150中，在关于每列提供的比较器(比较器)151中将读出到垂直信号线 LVS的模拟信号(电势Vsl)与基准电压Vslop (以某一倾斜度改变为线性形状的斜波形) 相比较。在这点上，类似于比较器151关于每列提供的计数器152工作，并且具有斜坡波形的电势Vslop以及计数器值一一对应地改变，由此，垂直信号线LVS的电势(模拟信号)Vsl 被转换成数字信号。基准电势Vslop的改变是电压改变到时间改变的转换，并且ADC通过对某一时段中的时间(时钟)计数来进行到数字值的转换。此外，当模拟电子信号Vsl和基准电压Vslop交叉时，比较器151的输出反转，计数器152的输入时钟停止，或者其输入已经被停止的时钟被输入到计数器152，由此，完成一个AD转换。例如，通过在多个划分像素信号中持续进行计数器的上下计数处理而不复位计数器，实现作为由上述AD转换器进行的加法的划分像素相加。图7是示出在图4中的具有列并列ADC的固态图像感测设备(CMOS图像传感器) 中进行相加处理的位置的图。在图7中，由虚线围绕的位置是实际进行相加处理的位置。细虚线是现有位置，粗虚线是根据本公开的实施例的区域。在DSP等的信号处理部分中进行已经已知的划分像素的相加信号处理的方法。另一方面，在该实施例中，如上所述，在AD转换时在计数器152中的四个划分像素信号的AD转换时，依次进行相加处理。S卩，在像素内放大的划分像素信号在时间上依次被发送到垂直信号线VSL，并且由在像素信号读出部分中提供的ADC组150的AD转换器(AD转换部分)执行AD转换。然后，在ADC组150的每个ADC中，当进行第二划分像素信号的AD转换操作时，添加第一 AD转换值，并且执行第二划分像素信号的AD转换操作。然后，在ADC组150的每个ADC中，当进行第三划分像素信号的AD转换操作时，添加第二 AD转换值，并执行第三划分像素信号的AD转换操作。然后，在ADC组150的每个ADC中，当进行第四划分像素信号的AD转换操作时，添加第三AD转换值，并且执行第四划分像素信号的AD转换操作。在上述AD转换时段结束后，由水平传输扫描电路130将保持在锁存器153中的数据传输到水平传输线190，经由放大器电路170输入到信号处理电路180，由此，通过预定信
号处理产生二维图像。如以上，已经说明了本公开的实施例中的基本配置和功能。如以下，将进一步详细说明作为本实施例的特征配置的像素和划分像素的配置和划分形式、对于重心偏移的对策、对于S/N的对策、划分像素相加处理等。首先，将描述作为本实施例的特征配置的对于重心偏移的对策和对于S/N的对策。在RGB的各个像素的四个像素DPC-A到DPC-D之间感光性和曝光量不同的情况下，在各个像素之间重心不同，并且可能需要重心偏移的校正。如图2所示，取决于当输出信号被返回为如从线X到线Y那样的线性时的计算，S/ N可能未被最大化。从而，在此实施例中，采取如下所述的对于重心偏移的对策和对于S/N的对策。<2.对于重心偏移的对策〉图8是用于说明根据此实施例的作为对于重心偏移的第一对策的两像素对角方法的图。在图8的两像素对角方法中，设置感光性/曝光量的两种条件，以便各个对角像素可以具有相同的条件。在图8的例子中，在Gr像素中，第一条件是在对角方向上彼此相对的左上像素 DPC-A和右下像素DPC-C的感光性/曝光量相同。类似地，第二条件是在对角方向上彼此相对的右上像素DPC-B和左下像素DPC-D的感光性/曝光量相同。关于其他的( 像素、R像素和B像素，条件相同。关于这些Gr像素、Gb像素、R像素和B像素，最终要添加在FD中的所有信号的重心集合到四个像素的中心，并且重心偏移的校正是不需要的并且对于横向方向和纵向方向上的线性被摄体是强壮(strong)的。图9是用于说明根据此实施例的作为对于重心偏移的第二对策的两像素对角Gr/ Gb反转方法的图。在图9的两像素对角GrAib反转方法中，B列和R列中的G像素的感光性/曝光量的条件变化的方向改变。在图9的例子中，在Gr像素中，第一条件是在对角方向上彼此相对的左上像素 DPC-A和右下像素DPC-C的感光性/曝光量相同。在Gr像素中，第二条件是在对角方向上彼此相对的右上像素DPC-B和左下像素DPC-D的感光性/曝光量相同。在这点上，在R像素中，第二条件是在对角方向上彼此相对的左上像素DPC-A和右下像素DPC-C的感光性/曝光量相同。在R像素中，第一条件是在对角方向上彼此相对的右上像素DPC-B和左下像素DPC-D的感光性/曝光量相同。此外，在( 像素中，第二条件是在对角方向上彼此相对的左上像素DPC-A和右下像素DPC-C的感光性/曝光量相同。在( 像素中，第一条件是在对角方向上彼此相对的右上像素DPC-B和左下像素DPC-D的感光性/曝光量相同。
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在这点上，在B像素中，第一条件是在对角方向上彼此相对的左上像素DPC-A和右下像素DPC-C的感光性/曝光量相同。在B像素中，第二条件是在对角方向上彼此相对的右上像素DPC-B和左下像素DPC-D的感光性/曝光量相同。在两像素对角方法中，认为重心偏移的可能性在对角方向上的线性被摄体中可能稍微残留，但是，通过改变B列和R列中的G像素的感光性/曝光量变化的方向，可以实现在对角方向上具有抵抗性的布局。注意，通过进一步在具有如图10所示的8X8的像素单元中应用具有稍微巧妙的布置的两像素对角GrAib反转方法，可以对于B信号和R信号做出对于假色和噪声强壮的布置。<3.对于S/N的对策〉图11是用于说明根据此实施例的对于S/N的对策的图。在图11中，为了帮助理解，标记与图2中的那些相同，并且可以在说明中引用图2。如参考图2所说明的，减去表达式的截距是减去信号，并且可能导致S/N的恶化。S卩，在现有方法中，为了从Raw传感器输出获得目标输出，直接从等式进行计算。 从而，由于减法分量(仅对信号)和乘法分量(还对噪声)的影响，S/N可能恶化。另一方面，在本实施例中，为了防止S/N恶化，暂且从获得的信号值获得“用于获得目标值的乘法因子”，并通过“获得的信号值X乘法因子”来进行计算，由此，可以留下截距(信号)。S卩，从Raw传感器输出计算乘法因子。通过将Raw传感器输出直接乘以乘法因子(而不进行减法)，可以维持S/N。如上所述，此实施例中的“对于S/N的对策”是在读出像素信号后计算信号值的方法，并且乘法因子取决于获得的信号值和输出而改变。作为一种计算方法，例如，存在具有关于每个输出值的乘法因子表的方法或者数学计算的方法。在读出像素信号后在一个系统中进行这些计算。例如，可以在信号处理电路180 中进行处理。<4.划分像素的配置例子〉首先，为了帮助理解，将说明CMOS图像传感器的基本划分像素的配置的例子。图12是示出根据本实施例的包括四个晶体管的CMOS图像传感器的划分像素的例子的图。划分像素DPCl具有例如由光电二极管形成的光电转换元件111。图12中的划分像素DPC具有用于一个光电转换元件111的四个晶体管传输晶体管112、复位晶体管113、作为放大部分的放大晶体管114以及作为有源元件的选择晶体管 115。光电转换元件111将入射光光电转换为响应于光量的量的电荷(在此是电子)。传输晶体管112连接在光电转换元件111和浮置扩散部分FD之间，并且通过传输控制线LTx向其栅极(传输栅极)提供控制信号Tx。由此，由光电转换元件111光电转换的电子被传输到浮置扩散部分FD。复位晶体管113连接在电源线LVDD和浮置扩散部分FD之间，并且通过复位控制线LRST向其栅极提供控制信号RST。由此，浮置扩散部分FD的电势被复位到电源线LVDD的电势。放大晶体管114的栅极连接到浮置扩散部分FD。放大晶体管114经由选择晶体管 115连接到垂直信号线116，并且与在像素部分以外的恒流源形成源极跟随器。此外，控制信号(地址信号或选择信号)SEL经过选择控制线LSEL提供给选择晶体管115的栅极，并且选择晶体管115导通。当选择晶体管115导通时，放大晶体管114放大浮置扩散部分FD的电势，并且向垂直信号线116输出响应于电势的电压。通过垂直信号线116从各个像素输出的电压被输出到作为像素信号读出电路的ADC组150。关于一行的各个划分像素DPC同时进行这些操作，因为例如传输晶体管112、复位晶体管113和选择晶体管115的各个栅极以行为单位连接。在像素部分110中连线的复位控制线LRST、传输控制线LTx和选择控制线LSEL被连线为像素布置的各个行的一个集合。这些复位控制线LRST、传输控制线LTx和选择控制线LSEL由像素驱动电路102驱动。上述配置可以不改变地应用于根据此实施例的划分像素单元。此外，作为其中每个划分像素单元包含光电转换元件和传输晶体管的配置，可以采用其中划分像素单元共享浮置扩散部分FD的配置。在此情况下，多个单元可以形成为共享作为放大部分的放大晶体管、选择晶体管以及复位晶体管。图13是示出共享浮置扩散部分、放大晶体管、选择晶体管和复位晶体管的多个划分像素的例子的电路图。对于图13中的包含多个划分像素DPC-A到DPC-D的像素PC，关于划分像素DPC-A 到DPC-D提供光电转换元件Ill-A到Ill-D和传输晶体管112-A到112-D。此外，传输晶体管112-A到112-D的一端(例如漏极)连接到共享的浮置扩散部分 SFD。传输晶体管112-A的栅极连接到传输控制线LTxA，并且传输晶体管112-B的栅极连接到传输控制线LTxB。类似地，传输晶体管112-C的栅极连接到传输控制线LTxC，并且传输晶体管112-D的栅极连接到传输控制线LTxD。复位晶体管113连接在电源电势VDD和共享的浮置扩散部分SFD之间。复位晶体管113的栅极连接到复位控制线LRST。放大晶体管114和选择晶体管115串联连接在电源电势VDD和垂直信号线116之间。此外，放大晶体管114的栅极连接到共享的浮置扩散部分SFD，并且选择晶体管115的栅极连接到选择控制线LSEL。在该配置中，由各个划分像素DPC-A到DPC-D的光电转换元件111-A到111-D光电转换的划分像素信号通过共享的浮置扩散部分SFD传输到作为放大部分的放大晶体管 114。然后，划分像素信号被放大并且放大的划分像素信号在时间上依次被发送到垂直信号线 116。此外，可以采用其中每个划分像素单元包含光电转换元件、传输晶体管和复位晶体管并且划分的像素单元各自包含浮置扩散部分FD的配置。在此情况下，多个单元可以被形成为共享作为放大部分的放大晶体管。图14是示出各自具有浮置扩散部分并共享放大晶体管的多个划分像素的例子的电路图。在图14的包含多个划分像素DPC-A到DPC-D的像素PC中，关于划分像素DPC-A 到DPC-D提供光电转换元件Ill-A到Ill-D和传输晶体管112-A到112-D。此外，在划分像素DPC-A到DPC-D中，提供浮置扩散部分FD-A到FD-D以及复位晶体管113-A到113-D。选择晶体管115-A连接在浮置扩散部分FD-A和节点NDl之间，并且选择晶体管 115-B连接在浮置扩散部分FD-B和节点NDl之间。类似地，选择晶体管115-C连接在浮置扩散部分FD-C和节点NDl之间，并且选择晶体管115-D连接在浮置扩散部分FD-D和节点NDl之间。传输晶体管112-A的栅极连接到传输控制线LTxA，并且传输晶体管112-B的栅极连接到传输控制线LTxB。类似地，传输晶体管112-C的栅极连接到传输控制线LTxC，并且传输晶体管112-D的栅极连接到传输控制线LTxD。复位晶体管113-A的栅极连接到复位控制线LRSTA，并且复位晶体管113-B的栅极连接到复位控制线LRSTB。类似地，复位晶体管113-C的栅极连接到复位控制线LRSTC，并且复位晶体管113-D的栅极连接到复位控制线LRSTD。选择晶体管115-A的栅极连接到选择控制线LSELA，并且选择晶体管115-B的栅极连接到选择控制线LSELB。类似地，选择晶体管115-C的栅极连接到选择控制线LSELC，并且选择晶体管115-D的栅极连接到选择控制线LSELD。放大晶体管114连接在电源电势VDD和垂直信号线116之间。此外，放大晶体管 114的栅极连接到节点NDl。在该配置中，由各个划分像素DPC-A到DPC-D的光电转换元件111-A到111-D光电转换的划分像素信号传输到浮置扩散部分FD-A到FD-D。划分像素信号通过浮置扩散部分FD-A到FD-D并进一步经由选择晶体管115-A到115-D传输到作为放大部分的放大晶体管114。然后，划分像素信号被放大，并且放大的划分像素信号在时间上依次被发送到垂直信号线116。此外，可以采用其中形成一个像素的多个划分像素被划分成多个组并且每个划分的组共享浮置扩散部分FD的配置。在此情况下，每个划分的组可以被形成为共享复位晶体管和选择晶体管，并且各组可以被形成为整体共享放大晶体管。图15是示出被分组并且在各个组中共享浮置扩散部分并且作为整体在像素中共享放大晶体管的多个划分像素的例子的电路图。在此例子中，四个划分像素DPC-A，DPC-B, DPC-C, DPC-D被分割到两组。具体地，划分像素DPC-A和划分像素DPC-B被分割到第一组GRP1，并且划分像素 DPC-C和划分像素DPC-D被分割到第二组GRP2。对于图15中的第一组GRPl的划分像素DPC-A和DPC-B，分别提供光电转换元件 Ill-A和Ill-B以及传输晶体管112-A和112-B。此外，传输晶体管112-A和112-B的一端(例如漏极)连接到共享的浮置扩散部分 SFD1。传输晶体管112-A的栅极连接到传输控制线LTxA，并且传输晶体管112-B的栅极连接到传输控制线LTxB。对于图15中的第二组GRP2的划分像素DPC-C和DPC-D，分别提供光电转换元件 Ill-C和Ill-D以及传输晶体管112-C和112-D。此外，传输晶体管112-C和112-D的一端(例如漏极)连接到共享的浮置扩散部分 SFD2。传输晶体管112-C的栅极连接到传输控制线LTxC，并且传输晶体管112-D的栅极连接到传输控制线LTxD。复位晶体管113-1连接在电源电势VDD和共享的浮置扩散部分SFDl之间。复位晶体管113-1的栅极连接到复位控制线LRSTl。复位晶体管113-2连接在电源电势VDD和共享的浮置扩散部分SFD2之间。复位晶体管113-2的栅极连接到复位控制线LRST2。选择晶体管115-1连接在共享的浮置扩散部分SFDl和节点ND2之间，并且选择晶体管115-2连接在共享的浮置扩散部分SFD2和节点ND2之间。选择晶体管115-1的栅极连接到选择控制线LSEL1，并且选择晶体管115_2的栅极连接到选择控制线LSEL2。放大晶体管114连接在电源电势VDD和垂直信号线116之间。此外，放大晶体管 114的栅极连接到节点ND2。在该配置中，由各个划分像素DPC-A到DPC-D的光电转换元件111-A到111-D光电转换的划分像素信号传输到共享的浮置扩散部分SFDl和SFD2。划分像素信号通过共享的浮置扩散部分SFDl和SFD2-A并进一步经由选择晶体管115-1和115-2传输到作为放大部分的放大晶体管114。然后，划分像素信号被放大，并且放大的划分像素信号在时间上依次被发送到垂直信号线116。如上所述，存在在一个像素的表面内划分成多个区域的各种方法，并且这些方法被粗略地分类为共享的浮置扩散(四个像素共享的)方法(下文中称为“共享FD方法”) 以及单独的浮置扩散方法(下文中称为“单独FD方法”)。图16A到16D是用于说明在一个像素的表面内划分成多个区域的方法的图。图16A示出通过共享FD方法划分成四个方形的例子，图16B示出通过单独FD方法划分成四个方形的例子，图16C示出通过共享FD方法划分成四个条形(reed shape)的例子，图16D示出通过单独FD方法划分成四个条形的例子。尽管省略了详细说明，但是在与表面垂直的方向上堆叠具有不同感光度的感光层和半导体层(P-N结)可以被称为广义上的像素划分。可以通过改变设备的孔径比、向感光区上的绝缘膜提供光滤波器特性、改变衬底的杂质浓度等方法来实现改变划分像素的感光度。图16A到16D示出其中一个像素被划分成四个、并且除了划分的感光区PA、PB、PC、 PD之外存在不直接对感光性做贡献的无效区(死区)IVL的具体例子。区域IVL是用于电隔离的空间(沟道停止)，使得在划分的单元中累积的像素电荷可以不泄露或者彼此干扰，并且根据需要在其中提供用于信号处理的配线。
在以上说明中，已经通过将具有列并列ADC的固态图像感测设备(CMOS图像传感器)作为例子说明了划分像素相加信号处理。对于列AD转换型CMOS图像传感器的划分像素相加信号处理，例如，可以采用以下两个方法。图17A是示意性地示出与划分像素相加有关的列AD转换型CMOS图像传感器的配置例子的图。在图17A中，在相同颜色的滤色器下的一个像素被划分成四个，并且感光性和累积时间相对于在各个划分像素的对角方向上相对的多个像素的每个而变化，并且像素信号通过共享的浮置扩散部分FD依次被读出到相同的信号线。然后，由关于每列提供的CDS电路200进行噪声处理，并且在该列之外一次对一行进行A/D转换。图17B是示意性地示出与划分像素相加有关的列AD转换型CMOS图像传感器的另一配置例子的图。在图17B中，在相同颜色的滤色器下的一个像素被划分成四个，并且感光性和累积时间相对于在各个划分像素的对角方向上相对的多个像素的每个而变化。然后，像素信号通过共享FD依次被读出到相同的信号线，并且由关于每列提供的CDS电路200进行第一
噪声处理。然后，通过类似地关于每列提供的A/D转换器220将模拟信号转换成数字信号，并且由类似地关于每列提供的⑶S电路230进行第二噪声处理，由此，移除在A/D转换处产生的数字噪声。此外，在以上说明中，已经说明了其中本公开的实施例应用于CMOS图像传感器的例子，但是，本公开的实施例可以应用于CCD传感器。图18是示出根据本公开的实施例的与CCD传感器对应的固态图像感测设备的配置例子的图。图18中的固态图像感测设备300具有在行(垂直)方向上和列(水平)方向上以矩阵布置的多个传感器部分(光电转换元件)311，且将入射光转换为响应于其光量的电荷量的信号电荷，并累积该电荷。固态图像感测设备300具有关于传感器部分311的每个垂直列布置的多个垂直传输寄存器312，其垂直传输经由读出栅极部分(未示出)从各个传感器部分311读出的信号电荷。传感器部分和垂直传输寄存器312形成成像区313。传感器部分311采用拜耳布置，并且各个像素被划分成划分像素DPC，作为具有不同感光度的多个区域(例如对于每个像素两个的四个)。例如，垂直传输寄存器312由垂直传输脉冲驱动用于传输三个或四个阶段，并且在水平消隐时段的一部分中关于与一个扫描线(一行)对应的每个部分依次传输作为从各个传感器部分311读出的划分像素信号的信号电荷。水平传输寄存器314在图中被提供在成像区313的下侧。作为与一行对应的划分像素信号的信号电荷依次从多个垂直传输寄存器312的每一个传输到水平传输寄存器 314。例如，水平传输寄存器314由垂直传输脉冲驱动用于传输三个或四个阶段，并在水平消隐时段之后的水平扫描时段中在水平方向上依次传输从多个垂直传输寄存器312传输的用于一行的信号电荷。在水平传输寄存器314的传输目的地侧的端部，例如，提供具有浮置扩散放大器配置的电荷检测部分315。电荷检测部分315具有累积经由水平输出栅极部分从水平传输寄存器314提供的信号电荷的浮置扩散部分FD。尽管未示出，但是电荷检测部分315包括排出(drain)信号电荷的复位漏极(RD)和提供在浮置扩散部分FD和复位漏极之间的复位栅极(RG)。在电荷检测部分315中，预定复位漏极电压被施加到复位漏极，并且在信号电荷的检测时段复位脉冲被提供给复位栅极。此外，在浮置扩散部分FD中累积的信号电荷被转换成信号电压并且经由输出电路316被引出到CSD电路320作为C⑶输出信号(XDout。然后，在ADC330中，进行各个划分像素信号的AD转换和相加处理。如上所述，根据此实施例，为了防止重心偏移，采用了在对角方向上彼此相对的像素具有相同曝光时间(或感光性)的在曝光时间条件(或感光性)的两个条件下的结构。此外，这些像素信号被发送到垂直信号线并在列部分中提供的AD转换部分中相加。此外，在此实施例中，为了最大化S/N，采用如下配置其中，当信号被返回为线性时不直接通过计算获得该信号，而是通过暂且从原始(Raw)输出值计算出最佳乘法因子并将该原始(Raw)输出值乘以该乘法因子来获得最终输出。因此，根据此实施例，可以获得以下优点。可以防止重心的偏移并可以最大化S/N。 可以实现具有宽动态范围、在低光量时具有较高感光度并具有高亮度信息压缩特性的固态图像感测设备的像素。此外，与现有数字加法相比，不需要外部存储器。不再像在模拟相加中那样有在其处作为相加目标的像素之一饱和的转折点的变化。在转折点处(在该处作为相加目标的像素之一饱和)改善了 S/N，并且在中等或更高亮度范围中可以实现S/N几乎等于或大于未划分像素的S/N。此外，可以实现划分像素结构而不用太多地增加处理数量。另外，可以采用以下配置其中，根据规范各个划分像素独立地被读出并且读取可以被切换到用于获得高分辨率图像的读出。具有上述优点的固态图像感测设备可以应用为数字相机或摄像机的成像设备。<5.相机系统的示例配置>图19是示出应用根据本公开的实施例的固态图像感测设备的相机系统的配置的例子的图。相机系统400具有成像设备410，根据实施例的CMOS图像传感器(固态图像感测设备)100、300可以应用于该成像设备410，如图19所示。例如，相机系统400具有将入射光引导到成像设备410的像素区域(形成被摄体图像)的光学系统以及在成像表面上对入射光成像的镜头420。相机系统400具有驱动成像设备410的驱动电路(DRV) 430和处理成像设备410的输出信号的信号处理电路(PRC)440。驱动电路430具有定时发生器(未示出)，其产生驱动成像设备410内的电路的包括开始脉冲和时钟脉冲的各种定时信号，并以预定定时信号驱动成像设备410。此外，信号处理电路440对成像设备410的输出信号进行诸如⑶S的信号处理。在信号处理电路440中处理的图像信号被记录在诸如存储器的记录介质中。使用打印机等硬拷贝记录在记录介质中的图像信息。或者，在信号处理电路440中处理的图像信号在液晶显示器等的监视器上显示为运动图像。如上所述，在诸如数字相机的成像装置中，通过安装上述图像感测设备100作为成像设备410，可以实现具有低功耗和高清晰度的相机。本公开包含与2010年11月8日在日本专利局提交的日本优先权专利申请JP 2010-250328中的公开的主题有关的主题，通过引用将其全部内容合并于此。本领域技术人员应当理解，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种修改、组合、子组合和变更，只要它们在所附权利要求或其等效物的范围内即可。
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权利要求
1.一种固态图像感测设备，包括像素部分，其中以矩阵布置多个像素；以及像素信号读出部分，包括对从像素部分读出的像素信号进行模拟-数字(AD)转换的AD 转换部分，其中像素部分的多个相邻像素的每个或者像素之一被形成为划分成具有不同感光性或累积电荷量的多个划分像素，对于多个划分像素设置多个感光性或曝光时间条件，并且提供为在对角方向上相对的划分像素的感光性或曝光时间条件被设置为相同条件，像素信号读出部分读出像素的各个划分像素的划分像素信号，以及 AD转换部分通过对各个读出的划分像素信号进行AD转换并对信号相加来获得一个像素的像素信号。
2.根据权利要求1的固态图像感测设备，还包括处理部分，其通过从像素信号读出部分的输出值获得最佳乘法因子并将该输出值乘以获得的乘法因子来获得最终输出。
3.一种固态图像感测设备，包括像素部分，其中以矩阵布置多个像素；像素信号读出部分，包括对从像素部分读出的像素信号进行模拟-数字(AD)转换的AD 转换部分；以及处理部分，通过从像素信号读出部分的输出值获得最佳乘法因子并将该输出值乘以获得的乘法因子来获得最终输出，其中像素部分的多个相邻像素的每个或者像素之一被形成为划分成具有不同感光性或累积电荷量的多个划分像素，像素信号读出部分读出像素的各个划分像素的划分像素信号，以及 AD转换部分通过对各个读出的划分像素信号进行AD转换并对信号相加来获得一个像素的像素信号。
4.根据权利要求3的固态图像感测设备，其中对于多个划分像素设置多个感光性或曝光时间条件，并且提供为在对角方向上相对的划分像素的感光性或曝光时间条件被设置为相同条件。
5.根据权利要求1的固态图像感测设备，其中像素信号读出部分在时间上依次将各个划分像素的划分像素信号读出到信号线，以及AD转换部分依次进行以下处理对通过信号线输入的划分像素信号进行AD转换，在下一划分像素信号的AD转换时，相加先前AD转换后的值，并对该下一划分像素信号进行AD 转换。
6.根据权利要求5的固态图像感测设备，其中包含多个划分像素的像素包括 关于每个划分像素提供的多个光电转换元件；在各个划分像素之间公共地形成的共享浮置扩散部分；以及在各个划分像素之间公共地形成的放大部分，并且像素信号读出部分将由各个划分像素的光电转换元件光电转换的划分像素信号通过共享浮置扩散部分传输到放大部分，并放大该信号，并在时间上依次将放大的划分像素信号发送到信号线。
7.根据权利要求5的固态图像感测设备，其中包含多个划分像素的像素包括 关于每个划分像素提供的多个光电转换元件；关于每个划分像素提供的多个浮置扩散部分；以及在各个划分像素之间公共地形成的放大部分，并且像素信号读出部分将由各个划分像素的光电转换元件光电转换的划分像素信号通过浮置扩散部分传输到放大部分，并放大该信号，并在时间上依次将放大的划分像素信号发送到信号线。
8.根据权利要求5的固态图像感测设备，其中包含多个划分像素的像素被分割为多个组，并且包括关于每个划分像素提供的多个光电转换元件； 在各组划分像素之间公共地形成的多个共享浮置扩散部分；以及在各组之间公共地形成的放大部分，并且像素信号读出部分将由各个划分像素的光电转换元件光电转换的划分像素信号通过与各组对应的共享浮置扩散部分传输到放大部分，并放大该信号，并在时间上依次将放大的划分像素信号发送到信号线。
9.根据权利要求5的固态图像感测设备，其中包含多个划分像素的像素包括 关于每个划分像素提供的多个光电转换元件；关于每个划分像素提供的多个浮置扩散部分；以及关于每个划分像素提供的放大部分，并且像素信号读出部分将由各个划分像素的光电转换元件光电转换的划分像素信号通过浮置扩散部分传输到放大部分，并放大该信号，并在时间上依次将放大的划分像素信号发送到信号线。
10.根据权利要求5的固态图像感测设备，其中包含多个划分像素的像素包括 关于每个划分像素提供的多个光电转换元件；以及关于每个划分像素提供的多个浮置扩散部分，像素信号读出部分包括放大部分，并分别将由各个划分像素的光电转换元件光电转换的划分像素信号通过浮置扩散部分并行发送到不同的信号线，并且AD转换部分通过并行地对放大部分中放大的多个划分像素信号进行AD转换，并多次将AD转换的值依次相加来获得作为整体的像素信号。
11.根据权利要求10的固态图像感测设备，其中AD转换部分通过在多个放大的划分像素信号分别饱和时停止AD转换处理并多次将AD转换的值依次相加来获得作为整体的像素信号。
12.根据权利要求5的固态图像感测设备，其中包含多个划分像素的像素包括关于每个划分像素提供的多个光电转换元件，像素信号读出部分包括第一传输寄存器，其在列方向上传输划分像素信号；第二传输寄存器，其在与第一传输寄存器的传输方向正交的方向上传输划分像素信号；以及浮置扩散部分，通过第二传输寄存器传输的划分像素信号被提供给该浮置扩散部分，并且像素信号读出部分将由各个划分像素的光电转换元件光电转换的划分像素信号在时间上依次发送到第一传输寄存器和第二传输寄存器，通过浮置扩散部分放大该信号，对其进行相关双采样处理，并在AD转换部分中对其进行AD转换。
13.一种相机系统，包括 固态图像感测设备；以及光学系统，其在固态图像感测设备上形成被摄体图像， 该固态图像感测设备包括像素部分，其中以矩阵布置多个像素；以及像素信号读出部分，包括对从像素部分读出的像素信号进行模拟-数字(AD)转换的AD 转换部分，其中像素部分的多个相邻像素的每个或者像素之一被形成为划分成具有不同感光性或累积电荷量的多个划分像素，对于多个划分像素设置多个感光性或曝光时间条件，并且提供为在对角方向上相对的划分像素的感光性或曝光时间条件被设置为相同条件，像素信号读出部分读出像素的各个划分像素的划分像素信号，并且 AD转换部分通过对各个读出的划分像素信号进行AD转换并对信号相加来获得一个像素的像素信号。
14.一种相机系统，包括 固态图像感测设备；以及光学系统，其在固态图像感测设备上形成被摄体图像， 该固态图像感测设备包括像素部分，其中以矩阵布置多个像素；像素信号读出部分，包括对从像素部分读出的像素信号进行模拟-数字(AD)转换的AD 转换部分；以及处理部分，通过从像素信号读出部分的输出值获得最佳乘法因子并将该输出值乘以获得的乘法因子来获得最终输出，其中像素部分的多个相邻像素的每个或者像素之一被形成为划分成具有不同感光性或累积电荷量的多个划分像素，像素信号读出部分读出像素的各个划分像素的划分像素信号，并且 AD转换部分通过对各个读出的划分像素信号进行AD转换并对信号相加来获得一个像素的像素信号。
全文摘要
一种固态图像感测设备，包括像素部分，其中以矩阵布置多个像素；以及像素信号读出部分，包括对从像素部分读出的像素信号进行模拟-数字(AD)转换的AD转换部分。像素部分的多个相邻像素的每个或者像素之一被形成为划分成具有不同感光性或累积电荷量的区域的划分像素，对于划分像素设置感光性或曝光时间条件，并且提供为在对角方向上相对的划分像素的感光性或曝光时间条件被设置为相同条件，像素信号读出部分读出像素的各个划分像素的划分像素信号，以及AD转换部分通过对各个读出的划分像素信号进行AD转换并对信号相加来获得一个像素的像素信号。
文档编号H04N5/3745GK102469271SQ20111033935
公开日2012年5月23日 申请日期2011年11月1日 优先权日2010年11月8日
发明者中田征志, 船津英一 申请人:索尼公司