固态摄像元件和电子装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及固态摄像元件和电子装置，特别地，涉及能够改善照度值的线性度的固态摄像元件和电子装置。
【背景技术】
[0002]一般而言，在图像传感器中，输出的数量和模拟数字转换器(ADC)分辨率分别是几兆(M)至几十兆(M)的输出以及1位。另一方面，在照度计中，输出的数量和ADC分辨率分别是I输出和16位。因此，当图像传感器用于照度计时，需要对输出值进行加运算并且需要对动态范围进行扩展(例如，参照专利文献I)。
[0003]因此，在用于照度计的图像传感器中(以下，被称为照度用图像传感器)，通常对各帧进彳丁多次曝光。
[0004]具体地，照度用图像传感器首先用较长的曝光时间进行成像且对获得的长期累积图像的各像素值进行积分来产生长期累积值。然后，照度用图像传感器用较短的曝光时间进行成像且对获得的短期累积图像的各像素值进行积分来产生短期累积值。照度用图像传感器将长期累积图像的曝光时间与短期累积图像的曝光时间的比设定为增益，并且将短期累积值乘以该增益。根据摄取长期累积图像时在所有像素中是否存在累积电荷的饱和，照度用图像传感器将通过乘以增益后获得的短期累积值或长期累积值选作照度值。这使得能够扩展照度值的动态范围。
[0005]然而，当摄取长期累积图像时仅仅一些像素中的累积电荷饱和时，因为将长期累积值选作照度值，所以照度值的线性度劣化。此外，短期累积值乘以增益，且因此当A/D转换等造成的噪声出现在像素值中时，通过乘以增益而获得的短期累积值的噪声大于长期累积值的噪声。因此，当长期累积值被替换为乘以增益后获得的短期累积值时，照度值的线性度劣化。
[0006]引用列表
[0007]专利文献
[0008]专利文献1:特开JP 2007-221624号公报
【发明内容】
[0009]技术问题
[0010]如上所述，在照度用图像传感器中，在一些情况下，照度值的线性度劣化。
[0011]鉴于这些情况做出了本发明，本发明的目的是改善照度值的线性度。
[0012]问题的解决方案
[0013]根据本发明的第一方面，提出一种固态摄像元件，其包括:动态范围扩展器，所述动态范围扩展器被构造为根据多个像素的具有不同曝光时间的像素值来扩展各像素的像素值的动态范围；和积分器，所述积分器被构造为对具有被所述动态范围扩展器扩展的动态范围的像素值进行积分且产生照度值。
[0014]根据本发明第一实施例的电子装置对应于根据本发明第一实施例的固态摄像元件。
[0015]在本发明的第一实施例中，根据多个像素的具有不同曝光时间的像素值来扩展各像素的像素值的动态范围，且对具有扩展的动态范围的像素值进行积分，从而产生照度值。
[0016]根据本发明的第二方面，提出一种固态摄像元件，其包括:动态范围扩展器，所述动态范围扩展器被构造为根据多个像素的第一曝光时间的像素值和第二曝光时间的像素值来扩展所述多个像素的像素值的积分值的动态范围；乘法器，所述乘法器被构造为生成如下的值作为照度值:所述值是通过将具有被所述动态范围扩展器扩展的动态范围的积分值乘以与一对所述第一曝光时间和所述第二曝光时间相对应的增益而获得的值;和选择器，所述选择器被构造为根据所述照度值从预定对的多个倍数中选择与所述乘法器产生的照度值相对应的帧的下一帧的所述一对所述第一曝光时间和所述第二曝光时间。
[0017]根据本发明第二实施例的电子装置对应于根据本发明第二实施例的固态摄像元件。
[0018]在本发明的第二实施例中，根据多个像素的第一曝光时间的像素值和第二曝光时间的像素值来扩展所述多个像素的像素值的积分值的动态范围，将通过将具有扩展的动态范围的积分值乘以与一对所述第一曝光时间和所述第二曝光时间相对应的增益而获得的值产生为照度值，且根据所述照度值从预定对的倍数中选择与所述乘法器产生的照度值相对应的帧的下一帧的所述一对所述第一曝光时间和所述第二曝光时间。
[0019]本发明的有益效果
[0020]根据本发明，能够产生照度值。此外，根据本发明，能够改善照度值的线性度。
[0021]注意，未必限于此处所述的效果，而是能够实现本文中所公开的任何效果。
【附图说明】
[0022]图1用来说明多次曝光图像传感器的长期累积图像和短期累积图像的曝光。
[0023]图2图示了多次曝光图像传感器中的照度值计算器的示例性构造。
[0024]图3用来说明图2的选择器输出的照度值。
[0025]图4用来说明照度值的线性度的劣化。
[0026]图5用来说明照度值的线性度的劣化。
[0027]图6用来说明照度值的线性度的劣化的另一个示例。
[0028]图7图示了作为应用本发明的固态摄像元件的CMOS图像传感器的第一实施例的第一构造例。
[0029]图8图示了图7的短期累积像素和长期累积像素的示例性构造。
[0030]图9图示了动态范围扩展器和积分器的示例性构造。
[0031]图1O用来说明图7的CMOS图像传感器输出的照度值。
[0032]图11是用来说明图7的CMOS图像传感器进行的照度值计算处理的流程图。
[0033]图12图示了作为应用本发明的固态摄像元件的CMOS图像传感器的第一实施例的第二构造例。
[0034]图13是用来说明图12的CMOS图像传感器进行的照度值计算处理的流程图。
[0035]图14是图示了作为应用本发明的固态摄像元件的CMOS图像传感器的第二实施例的示例性构造的框图。
[0036]图15用来说明图14的判定单元的阈值。
[0037]图16是用来说明由图14的CMOS图像传感器进行的照度值计算处理的流程图。
[0038]图17是图示了作为应用本发明的固态摄像元件的CMOS图像传感器的第三实施例的示例性构造的框图。
[0039]图18图示了像素阵列部的短期累积像素和长期累积像素的另一示例性构造。
[0040]图19是图示了用作应用本发明的电子装置的照度计的示例性构造的框图。
【具体实施方式】
[0041 ]〈本发明的前提〉
[0042](每帧进行多次曝光的照度用图像传感器的曝光的说明)
[0043]图1用来说明对每帧进行多次曝光的照度用图像传感器(以下，被称为多次曝光图像传感器)的长期累积图像和短期累积图像的曝光。
[0044]在图1所示的图形中，横轴表示时间，且纵轴表示从多次曝光图像传感器中的像素阵列部的各行的起始算起的行数。
[0045]如图1所示，多次曝光图像传感器以帧为单位顺序地摄取长期累积图像和短期累积图像。在图1的示例中，多次曝光图像传感器以长期累积图像和短期累积图像这样的顺序进行摄像。
[0046]此外，在图1的示例中，长期累积图像的曝光时间是短期累积图像的曝光时间的64倍。换言之，从以行为单位对长期累积图像的各像素的累积电荷进行复位(长期累积快门)至以行为单位进行读取(长期累积读取)的时间是从以行为单位对短期累积图像的各像素的累积电荷进行复位(短期累积快门)至以行为单位进行读取(短期累积读取)的时间的64倍。
[0047](多次曝光图像传感器中的照度值计算器的示例性构造)
[0048]图2图示了多次曝光图像传感器的从长期累积图像和短期累积图像中计算照度值的照度值计算器的示例性构造。
[0049]图2的照度值计算器10被构造为包括加法器11、寄存器12、乘法器13、饱和检测器
14、加法器15、寄存器16、乘法器17和选择器18。
[0050]加法器11顺序地接收在图1所示的曝光时间内摄取的长期累积图像的各像素值作为该加法器的输入。加法器11将输入的像素值与保持于寄存器12中的像素值相加。加法器11将相加而获得的值供给至寄存器12。寄存器12保持加法器11供给来的加法值。寄存器12将保持的加法值供给至加法器U。因此，输入至加法器11的长期累积图像像素值被顺序地积分。当所有的长期累积图像的像素值被积分时，保持于寄存器12的加法值被供给至乘法器13。
[0051]乘法器13将从寄存器12供给来的加法值乘以作为增益的I。乘法器13将通过乘法而获得的值供给至饱和检测器14和选择器18。
[0052]例如，饱和检测器14将下述值设定为阈值，所述值接近于通过针对所有像素值对长期累积图像的像素值的最大值进行积分而获得的值，并且饱和检测器14将所述阈值与从乘法器13供给的乘法值进行比较。当所述乘法值小于阈值时，饱和检测器14生成代表饱和不存在的O作为用于表示存在或不存在饱和的饱和信号。另一方面，当所述乘法值大于或等于阈值时，饱和检测器14生成代表饱和存在的I作为所述饱和信号。饱和检测器14将饱和信号供给至选择器18。
[0053]加法器15顺序地接收在图1所示的曝光时间内摄取的短期累积图像的各像素值作为该加法器的输入。加法器15将输入的像素值与保持于寄存器16的像素值相加。加法器15将通过加法而获得的值供给至寄存器16。寄存器16保持加法器15供给来的加法值。寄存器16将保持的加法值供给至加法器15。因此，输入至加法器15的短期累积图像像素值被顺序地积分。当所有的短期累积图像的像素值被积分时，保持于寄存器16的加法值被供给至乘法器17。
[0054]乘法器17将从寄存器16供给来的加法值乘以作为增益的64。乘法器17将通过乘法而获得的值供给至选择器18。
[0055]当从饱和检测器14供给来的饱和信号设定为O时，选择器18选择从乘法器13供给来的乘法值且将选择的该乘法值除以多次曝光图像传感器的像素数。选择器18输出由此产生的像素值的平均值作为照度值。另一方面，当饱和信号设定为I时，选择器18选择从乘法器17供给来的乘法值且将选择的该乘法值除以多次曝光图像传感器的像素数。选择器18输出由此产生的像素值的平均值作为照度值。这样，以图像为单位进行了照度值的动态范围扩展。
[0056]如图2所示，照度值计算器10不必设置用于存储第一曝光时的图像(图1示例中的长期累积图像)的帧存储器以对像素值进行积分。
[0057](照度值的说明)
[0058]图3用来说明图2的选择器18输出的照度值。
[0059]在图3中，横轴表示入射至多次曝光图像传感器的各像素的光(以下，被称为入射光)的照度，且纵轴表示各像素的像素值或选择器18输出的照度值。在图3的示例中，假设:各像素的入射光的照度是相同的且各像素的像素值也是相同的。
[0060]如图3所示，当摄取长期累积图像时所有像素的累积电荷未饱和时，选择器18输出具有高信噪比(SNR)的长期累积图像的像素值的平均值作为照度值。此外，当摄取长期累积图像时的所有像素的累积电荷饱和时，选择器18输出短期累积图像的像素值的平均值作为照度值以扩展动态范围。因此，照度值的动态范围变成64倍。因此，例如，当像素值的位数是10位时，照度值的位数变成16位。
[0061](照度值的线性度的劣化的说明)
[0062]然后，参照图4和图5说明从图2的选择器18输出的照度值的线性度的劣化。
[0063]图4图示了这样的长期累积图像的示例，其中，在摄像期间仅一些像素组中的累积电荷饱和。
[0064]图4图示出:浓度越高，像素值越小。在图4的示例中，仅与长期累积图像30的左下区域31相对应的像素组中的累积电荷饱和，且不管入射光的照度如何，区域31的像素值都变成最大值。
[0065]在这种情况下，摄取长期累积图像30时不是所有像素的累积电荷都饱和，且因此，选择器18选择长期累积图像的乘法值。然而，累积电荷的饱和使区域31的像素值无法与入射光的照度成比例。因此，如图5所示，相比于与入射光的照度成比例的理想的照度值52的线性度相比，照度值51的线性度劣化。在图5中，横轴表示照度且纵轴表示照度值。
[0066](照度值的线性度的另一劣化的说明)
[0067]然后，参照图6说明照度值的线性度的另一劣化。
[0068]在图6中，横轴表示各像素的入射光的照度且纵轴表示照度值或各像素的像素值。在图6的示例中，假设:各像素的入射光的照度是相同的且各像素的像素值也是相同的。此夕卜，当长期累积图像的乘法值大于或等于960LSB时，饱和信号被设定为I，而当长期累积图像的乘法值小于960LSB时，饱和信号被设定为O。
[0069]线性度劣化因素(诸如对摄像信号(S卩，各像素的累积电荷的模拟信号)进行A/D转换的列ADC内的噪声等)被包含在作为与各像素的累积电荷相对应的数字值的像素值内。在多次曝光图像传感器中，对所有像素的像素值进行积分，从而消除了除了列ADC内的噪声以外的各像素的不同噪声，因此，由除了列ADC内的噪声以外的上述不同噪声造成的误差小。然而，对于各像素而言一致地出现的噪声(例如列ADC内的噪声等)随着像素值的积分而增大，因此，由这样的噪声造成的误差大。
[0070]例如，当由于列ADC内的噪声等造成的像素值误差是土ILSB时，如图6所示，增益为I的长期累积图像的乘法值的平均值的误差是±1LSB。然而，增益为64的短期累积图像的乘法值的平均值的误差是±64LSB。因此，当切换选择器18的选择时(S卩，当切换饱和信号时)，照度值的误差变化显著，因此，线性度劣化。
[0071]换言之，当切换选择器18的选择时，长期累积图像的乘法值的平均值的误差在960LSB ± ILSB的范围内变化。另一方面，短期累积图像的像素值在15LSB ± ILSB的范围内变化，但是该范围被乘以作为增益的64且因此短期累积图像的乘法值的平