均值在960LSB土64LSB的范围内变化。因此，当切换选择器18的选择时，照度值从960LSB ± ILSB的范围变化至960LSB 土 64LSB的范围，从而使照度值的线性度劣化。
[0072]通过减小短期累积图像与长期累积图像之间的曝光比来改善线性度的这样的劣化，但是短期累积图像与长期累积图像之间的曝光比的减小导致照度值的动态范围变小。换言之，在多次曝光图像传感器中，在照度值的线性度的改善与照度值的动态范围的扩展之间存在着效益背反(trade-off)的关系。
[0073]〈第一实施例〉
[0074](CMOS图像传感器的第一实施例的第一构造例)
[0075]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。
[0076]CMOS图像传感器100被构造为包括数字模拟转换器(DAC) 110、像素阵列部111、垂直驱动器112 JUADC 113-1和113-2、水平驱动器114-1和114-2、系统控制器115、像素驱动线116、垂直信号线117-1和117-2、动态范围扩展器118和积分器119。
[0077]DAC 110、像素阵列部111、垂直驱动器112 JiJADC 113-1和113-2、水平驱动器114-1和114-2、系统控制器115、像素驱动线116、垂直信号线117-1和117-2、动态范围扩展器118和积分器119形成在半导体基板(未示出)上。
[0078]动态范围扩展器118和积分器119不被包含于CMOS图像传感器100中，且动态范围扩展器118和积分器119例如可以作为诸如数字信号处理器(DSP)等外部信号处理器而被设置在与CMOS图像传感器100不同的基板上。
[0079]CMOS图像传感器100拍摄被摄体的图像且输出拍摄图像的照度值。
[0080]具体地，DAC 110对预定数字值进行A/D转换，并且产生与通过列ADC 113-1和113-2进行A/D转换而获得的10位数字值相对应的基准电压。在这种情况下，从数字值I顺序地产生基准电压。DAC 110将产生的基准电压供给至列ADC 113-1和113-2。
[0081]像素阵列部111包括以矩阵形式二维地布置在内部的像素131。像素131均包括较短曝光时间的短期累积像素131A和较长曝光时间的长期累积像素131B。短期累积像素131A和长期累积像素131B均具有用作产生电荷且将电荷累积其中的光电转换器件的光电二极管，所述电荷的电荷量取决于曝光时间内入射的光量(照度)的电荷。长期累积像素131B的曝光时间是短期累积像素131A的曝光时间的64倍。
[0082]像素阵列部111的短期累积像素131A和长期累积像素131B以行为单位规则地布置。具体地，对于各行，短期累积像素131A和长期累积像素131B交替地、彼此等量地布置。在图7的示例中，短期累积像素131A和长期累积像素131B以四行九列的方式布置于像素阵列部111，但是短期累积像素131A和长期累积像素131B的数量不限于此。
[0083]在像素阵列部111中，相对于短期累积像素131A和长期累积像素131B，像素驱动线116针对各行形成在图的左右方向(行方向)且垂直信号线117针对各列形成在图的上下方向(列方向)。像素驱动线116的一端连接至垂直驱动器112的与各行短期累积像素131A或长期累积像素131B相对应的输出端(未示出)。
[0084]垂直驱动器112被构造为包括移位寄存器或地址解码器等。垂直驱动器112是以行为单位对像素阵列部111的短期累积像素131A和长期累积像素131B进行驱动的像素驱动单元。未图示垂直驱动器112的具体构造，但是垂直驱动器112被构造为包括读取扫描系统和扫除扫描系统这两个扫描系统。
[0085]在读取扫描系统中，从顶部分别顺序地选择各行短期累积像素131A和各行长期累积像素131B，从而以行为单位从顶部顺序地将分别累积在短期累积像素131A和长期累积像素131B中的电荷的模拟信号同时读取为成像信号。在读取扫描系统中，从与所选行中的像素驱动线116连接的输出端输出传输脉冲。
[0086]比读取系统进行的扫描提前了曝光时间，扫除扫描系统从与各行中的像素驱动线116连接的输出端输出控制脉冲以扫除(复位)来自短期累积像素131A和长期累积像素131B的光电二极管的不必要的电荷。扫除扫描系统进行的扫描可以对各行的短期累积像素131A和长期累积像素131B顺序地进行所谓的电子快门操作。在这里，所述电子快门操作指的是这样的操作:丢弃掉光电二极管的电荷且开始新的曝光处理(开始电荷的累积)。
[0087]从垂直驱动器112的读取扫描系统选择的行中的短期累积像素131A输出的成像信号通过各个对应的垂直信号线117-1供给至列ADC 113-1。此外，从垂直驱动器112的读取扫描系统选择的行中的长期累积像素131B输出的成像信号通过各个对应的垂直信号线117-2供给至列ADC 113-2。
[0088]列ADC113-1包括针对像素阵列部111的每一列的比较器141和计数器142。列ADC
113-1起到短期累积转换器的作用，并且对通过垂直信号线117-1从选择行中的短期累积像素131A输出的成像信号进行A/D转换处理。
[0089]具体地，作为比较器的输入，比较器141通过垂直信号线117-1接收选择行中的各像素的成像信号并且也接收来自DAC 110的基准电压。比较器141将成像信号与基准电压进行比较。当成像信号大于基准电压时，比较器141将该信号输入至计数器142。当接收到来自比较器141的信号时，计数器142递增自身的计数值。计数器142的初始值设定为O。
[0090]每当基准电压被输入时，列ADC113-1就进行如上所述的处理。因此，计数值变成与各像素的成像信号相对应的10位数字值。计数器142将与所有的10位数字值相对应的基准电压都被输入之后被保持的10位计数值供给至水平驱动器114-1作为像素值，并且使计数值复位至初始值。
[0091]水平驱动器114-1被构造为包括移位寄存器或地址解码器等，并且从左列起顺序地选择列ADC 113-1的计数器142。水平驱动器114-1进行的选择性扫描使得列ADC 113-1的计数器142输出的短期累积像素131A的像素值能够从左列起被顺序地输出至动态范围扩展器 118。
[0092]列ADC113-2具有针对像素阵列部111的每一列的比较器151和计数器152。列ADC
113-2起到长期累积转换器的作用，并且以与列ADC113-1类似的方式对通过垂直信号线117-2从选择行的长期累积像素131B输出的成像信号进行A/D转换处理。列ADC 113-2的计数器152将通过进行A/D转换处理而获得的10位像素值供给至水平驱动器114-2，并且使计数值复位至初始值。
[0093]水平驱动器114-2被构造为包括移位寄存器或地址解码器等，并且与水平驱动器
114-1同时地从左列起顺序地选择列ADC113-2的计数器152。水平驱动器114-2进行的选择性扫描使列ADC 113-2的计数器152输出的长期累积像素131B的像素值能够与短期累积像素131A的像素值同时地从左列起顺序地被输出至动态范围扩展器118。
[0094]系统控制器115被构造为包括产生各种时序信号的时序发生器等。系统控制器115基于时序发生器产生的各种时序信号来控制垂直驱动器112、列ADC 113-1和113-2以及水平驱动器114-1和114-2。
[0095]动态范围扩展器118将水平驱动器114-1供给来的短期累积像素131A的10位像素值乘以作为增益的64来获得16位乘法值，作为增益的64是长期累积像素131B的曝光时间与短期累积像素131A的曝光时间的比值。动态范围扩展器118根据从水平驱动器114-2供给来的长期累积像素131B的像素值来判定长期累积像素131B的光电二极管的累积电荷是否饱和。
[0096]动态范围扩展器118根据判定结果来选择短期累积像素131A的16位乘法值或长期累积像素131B的10位像素值。这样，以像素为单位对像素值进行了动态范围的扩展。动态范围扩展器118将选择的短期累积像素131A的16位乘法值或选择的长期累积像素131B的10位像素值供给至积分器119。
[0097]积分器119根据短期累积像素131A(长期累积像素131B)的数量对从动态范围扩展器118供给来的短期累积像素131A的16位乘法值或长期累积像素131B的10位像素值进行积分。积分器119将产生的积分值除以短期累积像素131A(长期累积像素131B)的数量，并且输出得到的16位平均值作为照度值。
[0098](短期累积像素131A和长期累积像素13IB的示例性构造)
[0099]图8图示了图7的短期累积像素131A和长期累积像素131B的示例性构造。
[0100]在图8中，白色正方形表示长期累积像素131B且灰色正方形表示短期累积像素131Ao
[0101]如图8所示，短期累积像素131A和长期累积像素131B例如是以拜耳(Bayer)阵列的方式排列的像素。换言之，短期累积像素131A和长期累积像素131B均由四个子像素161至164组成。在左上的子像素161中，它的表面形成有红色(R)滤色器且子像素161的光电二极管累积入射光中的红光。在右上的子像素162和左下的子像素163中，它们的表面形成有绿色(G)滤色器且子像素162和子像素163的光电二极管分别累积入射光中的绿光。在右下的子像素164中，它的表面形成有蓝色(B)滤色器且子像素164的光电二极管累积入射光中的蓝光。
[0102]短期累积像素131A(长期累积像素131B)的子像素161至164在这里统称为短期累积像素131A(长期累积像素131B)。此外，子像素161至164的像素值和成像信号被统称为短期累积像素131A(长期累积像素131B)的像素值和成像信号。
[0103](动态范围扩展器118和积分器119的示例性构造)
[0104]图9图示了动态范围扩展器118和积分器119的示例性构造。
[0105]图9的动态范围扩展器118被构造为包括乘法器171、饱和检测器172和选择器173。
[0106]动态范围扩展器118的乘法器171将从水平驱动器114-1供给来的短期累积像素131A的像素值乘以作为增益的64，并且将得到的乘法值供给至选择器173。
[0107]饱和检测器172将从水平驱动器114-2供给来的长期累积像素131B的像素值与长期累积像素131B的像素值的最大值进行比较，并且判定长期累积像素131B的光电二极管中的累积电荷是否饱和。饱和检测器172将表示判定结果的饱和信号供给至选择器173。
[0108]选择器173根据从饱和检测器172供给来的饱和信号来选择从乘法器171供给来的乘法值和从水平驱动器114-2供给来的长期累积像素131B的像素值中的一者。关于此，像素阵列部111的排列如图8所示，且从顶行中的左列起顺序地分别读取短期累积像素131A和长期累积像素131B。因此，与输入至选择器173的短期累积像素131A的乘法值相对应的颜色和与输入至选择器173的长期累积像素131B的像素值相对应的颜色是相同的。选择器173将选择的短期累积像素131A的乘法值或选择的长期累积像素131B的像素值供给至积分器119。
[0109]积分器119被构造为包括加法器181和寄存器182。积分器119的加法器181将从选择器173供给来的短期累积像素131A的乘法值或从选择器173供给来的长期累积像素131B的像素值与从寄存器182供给来的加法值相加。加法器181将获得的加法值供给至寄存器182。
[0110]寄存器182保持从加法器181供给来的加法值。当加法器181进行加法时，寄存器182将保持的加法值供给至加法器181。当短期累积像素131A的乘法值或长期累积像素131B的像素值依据布置在像素阵列部111中的短期累积像素131A(长期累积像素131B)的数量而被相加后，寄存器182将保持的加法值除以短期累积像素131A(长期累积像素131B)的数量，并且输出被除值的平均值作为照度值。
[0111](照度值的说明)
[0112]图1O用来说明CMOS图像传感器100输出的照度值。
[0113]在图10的示例中，像素阵列部111中的长期累积像素131B拍摄的长期累积图像是如图4中所示的长期累积图像30，其中，仅一些长期累积像素131B中的累积电荷饱和。
[0114]在这种情况下，如参照图5所述，与理想照度值52的线性度相比，设置有图2的照度值计算器10的多次曝光图像传感器输出的照度值51的线性度劣化。
[0115]与此相比，在CMOS图像传感器100中，针对各个长期累积像素131B判断累积电荷是否饱和。因此，累积电荷不饱和的短期累积像素131A的积分值被选作通过对与累积电荷饱和的长期累积像素131B相对应的区域31进行动态范围扩展而获得的像素值。这使得对用来计算照度值的区域31进行动态范围扩展而获得的像素值与入射光的照度成比例。
[0116]因此，从CMOS图像传感器100输出的照度值191的线性度与照度值51的线性度相比得到改善，并且接近于理想照度值52的线性度。
[0117]此外，在多次曝光图像传感器中，当对各像素进行累积电荷是否饱和的判断时，需要设置对第一曝光期间的图像进行保持的帧存储器。然而，CMOS图像传感器100同时地获得短期累积像素131A和长期累积像素131B的像素值，因此不必设置帧存储器。因此，CMOS图像传感器100能