固态成像设备、用于驱动固态成像设备的方法和相机的制作方法

专利名称：固态成像设备、用于驱动固态成像设备的方法和相机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种固态成像设备、用于驱动固态成像设备的方法和相机。
背景技术：
在现有技术中的固态成像设备中，对成像平面上所有的像素都施加相同的曝光时间。即使在通过在多成像操作中应用多次曝光时间以及通过合并作为结果的图像而实现宽动态范围的技术中(例如参见JP-A-2004-363666)，也对所有的像素都施加相同的曝光时间。因此，在混合像素配置中，其中一些像素具有彼此不同的灵敏度，以如下方式作出选择，即设置短的曝光时间以阻止具有高灵敏度的像素的饱和，或者设置长的曝光时间以获得来自具有低灵敏度的像素的充分大的信号但是使高灵敏度像素饱和。本说明书中，具有高灵敏度(高灵敏度像素)的像素指的是具有比低灵敏度(低灵敏度像素)的像素更高的灵敏度的像素。
例如，当设置曝光时间以致于不使具有高灵敏度的像素饱和时，将不会从具有低灵敏度的像素中获得足够的信号电荷，导致了减少的S/N比。另一方面，当设置曝光时间以致于从具有低灵敏度的像素中获得足够的信号电荷时，将使具有高灵敏度的像素令人讨厌地饱和。

发明内容
有必要解决这样问题，即当使得具有高灵敏度的像素不被饱和的曝光时间被设置时，不会从具有低灵敏度的像素中获得足够的信号电荷，导致减少的S/N比，同时当使得从具有低灵敏度的像素中获得足够的信号电荷的曝光时间被设置时，具有高灵敏度的像素被饱和。
因此，有必要获得一种在没有减少具有低灵敏度的像素的S/N比和没有饱和具有高灵敏度的像素的情况下的宽动态范围。
根据本发明的实施例，提供了一种固态成像设备，其具有多个第一像素和多个比第一像素具有更高灵敏度的第二像素的阵列。固态成像设备包括控制第一像素的第一控制信号线和控制第二像素的第二控制信号线，第一控制信号线和第二控制信号线被相互独立的驱动。
根据上述实施例的固态成像设备，由于控制第一像素的第一控制信号线和控制第二像素的第二控制信号线被相互独立的驱动以便第一像素和比第一像素具有更高灵敏度的第二像素被相互独立的驱动，因此对第一像素和比第一像素具有更高灵敏度的第二像素同时应用不同类型的曝光时间和读出时间是有可能的。
根据本发明的上述实施例，由于不同类型的曝光时间和读出时间可以应用到第一像素和比第一像素具有更高灵敏度的第二像素上，因此为了获得足够大的信号可以对比第二像素具有更低灵敏度的第一像素设置长的曝光时间，因而阻止了S/N比的减少，同时为了阻止饱和而对具有比第一像素更高灵敏度的第二像素设置短的曝光时间。这样，可以获得宽动态范围。


图1是示出了本发明实施例(第一例子)的布局图；图2是示出了具有第一实施例的像素排列的MOS成像传感器的例子的系统配置图；图3是示出了本发明的另一实施例(第二例子)的系统配置图；图4A和4B是示出了本发明的另一实施例(第三例子)的布局图；图5是示出了具有第三实施例的像素排列的MOS成像传感器的例子的系统配置图；图6是示出了本发明的另一实施例(第四例子)的布局图；图7是示出了本发明的另一实施例(第五例子)的示意性配置截面图；图8是示出了本发明的另一实施例(第六例子)的示意性配置截面图；图9是示出了本发明的另一实施例(第七例子)的布局图；图10示出了本发明的另一实施例(第八例子)积聚电荷的数量(信号电平)和曝光时间的关系；图11是示出了本发明的另一实施例(第九例子)的时序图；图12A说明示出了本发明的另一实施例(第十例子)的像素电路的示范的配置；
图12B是示出了本发明的另一实施例(第十例子)的时序图；图13是示出了本发明的另一实施例(第十一例子)的时序图；图14是示出了本发明的另一实施例(第十三例子)的时序图；图15说明在本发明的另一实施例(第十三例子)中积聚电荷的数量(信号电平)和入射光强度之间的关系；图16是示出了本发明的另一实施例(第十四例子)的时序图；图17是示出了本发明的另一实施例(第十五例子)的时序图；图18说明在本发明的另一实施例(第十五例子)中积聚电荷的数量(信号电平)和入射光强度之间的关系；图19是示出了本发明的另一实施例(第十六例子)的时序图；图20说明在本发明的另一实施例(第十六例子)中积聚电荷的数量(信号电平)和入射光强度之间的关系以及在曝光期间合并图像的时序图；图21是示出了本发明的另一实施例(第十七例子)的时序图；图22是示出了本发明的另一实施例(第十七例子)的时序图；图23是示出了本发明的另一实施例(第十七例子)的时序图；图24是示出了本发明的另一实施例(第十七例子)的时序图；图25是示出了本发明的另一实施例(第十八例子)的时序图；和图26是示出了根据本发明的一个实施例的相机的截面图。
具体实施例方式
在下面的描述中，曝光时间中的“偏差”指任一行中低灵敏度像素和高灵敏度像素之间曝光时间的不一致，曝光时间“不重合(misalignment)”指依赖于读出行的“偏差”的变化。
首先，将参考图1示出的布局图描述本发明的一个实施例(第一例子)。
如图1所示，固态成像设备1具有在垂直方向(x方向)和水平方向(y方向)的二维矩阵排列的像素。具有在垂直方向交替排列的第一和第二水平像素行。第一像素行由在行方向排列的多个第一像素31形成，第二像素行由多个排列在行方向的第二像素41形成，每一个都具有比第一像素31更高的灵敏度。
第一像素行中的第一像素31连接到第一控制信号线32并且被控制。第二像素行中的第二像素41连接到第二控制信号线42并且独立于第一控制信号线32被控制。因此，通过使用第一控制信号线32和第二控制信号线42被相互独立控制的水平扫描电路，可以独立于由行方向的第二像素41所形成的第二像素行控制行方向的第一像素31，第二像素的每一个都具有比第一像素31的每一个更高的灵敏度。
由于作为低灵敏度像素的第一像素31和作为高灵敏度像素的第二像素41被相互独立地驱动，电子快门(shuttering)的时序可以被独立设置以调整曝光时间。这样，正确的曝光可以应用到第一像素31和第二像素41上，也就是，驱动低灵敏度第一像素31获得足够的信号电荷，同时阻止高灵敏度第二像素41饱和是有可能的。
一种具有像素排列的MOS成像传感器的例子将参考图2中所示的系统配置图在下面进行描述，在这种像素排列中第一控制信号线32和第二控制信号线42可以被独立的控制。
如图2所示，一种MOS成像传感器51包括具有单元像素(第一像素31和具有比第一像素31更高灵敏度的第二像素41)的像素阵列10，每一个都包括光电转换元件，且在矩阵中二维排列。MOS成像传感器51还包括，作为像素阵列10的外围电路的独立控制第一控制信号线的第一驱动电路11、独立控制第二控制信号线的第二驱动电路12、第一像素垂直扫描电路13、第二像素垂直扫描电路14、时序生成电路15和水平扫描电路16。
在像素阵列10中的第一像素31和第二像素41的矩阵排列具有连接到每一列的输出信号线111和分别连接到第一像素31和第二像素41的每一行的第一控制信号线和第二控制信号线。每一控制信号线包括传输控制线112，重置控制线113和选择控制线114。另外，提供重置电压的重置线115连接到每一个单元像素20(第一像素31和第二像素41)。
图2也示出了第一像素31和第二像素41的示范的电路配置。根据该示范的电路的单元像素的像素电路包括光电转换元件，例如光电二极管21，以及四个晶体管，例如，传输晶体管22，重置晶体管23，放大晶体管24和选择晶体管25。本说明书中，使用N通道MOS晶体管作为如传输晶体管22，重置晶体管23，放大晶体管24和选择晶体管25的例子。
传输晶体管22连接在光电二极管21的阴极和作为电荷-电压转换器的浮置扩散部分26之间，响应于提供给栅极(控制极)的传输脉冲TRG，将经过光电转换并积聚在光电二极管21中的信号电荷(该例中为电子)传输到浮置扩散部分26。
重置晶体管23的漏极和源极分别连接到重置线115和浮置扩散部分26。在信号电荷从光电二极管21传输到浮置扩散部分26之前，为了响应提供给栅极的重置脉冲RST，重置晶体管23将浮置扩散部分26的电势重置到重置电压Vrst。
放大晶体管24的栅极和漏极分别连接到浮置扩散部分26和像素电源Vdd上。当电势被重置晶体管23重置之后，放大晶体管24在浮置扩散部分26处输出的电势作为重置电平，当信号电荷被传输晶体管22传输之后，该放大晶体管在浮置扩散部分26处输出的电势作为信号电平。
选择晶体管25的漏极和源极分别连接到放大晶体管24的源极和输出信号线111。选择晶体管25，例如，为了响应提供给栅极的选择脉冲SEL被开启从而将像素(第一像素31或第二像素41)变为选择状态，以便输出从放大晶体管24输出的信号到输出信号线111。在像素电源Vdd和放大晶体管24的漏极之间连接选择晶体管25也是可能的。因此，第一像素31的电路配置与第二像素41的相同。
驱动电路(第一驱动电路11和第二驱动电路12)读出像素阵列11中的读出行中的第一像素31和第二像素41的信号。
第一像素垂直扫描电路13和第二像素垂直扫描电路14中的每一个由移位寄存器、地址译码器等构成。第一和第二像素垂直扫描电路13和14生成重置脉冲RST，传输脉冲TRG，选择脉冲SEL等，以适于在垂直方向(上/下方向)扫描像素阵列11中以行为基准的电子快门行和读出行中的第一像素31和第二像素41，同时为了释放该行中的第一像素31或者第二像素41的信号而在电子快门行中执行电子快门操作。在第一驱动电路11和第二驱动电路12执行以相应于快门速度的时间读出扫描之前，电子快门操作在同一行上被执行(电子快门行)。
水平扫描电路16由移位寄存器，地址译码器等构成，并且在像素阵列10中为每一像素行执行水平扫描。时序产生电路15产生用作第一驱动电路11、第二驱动电路12、第一像素垂直扫描电路13、第二像素垂直扫描电路14等操作参考信号的时序信号和控制信号。
本发明的另一实施例(第二例子)将参照图3中示出的系统配置图而描述。
如图3所示，MOS成像传感器52包括具有单元像素20(第一像素31和第二像素41)的像素阵列10，每一个都包括光电转换元件，且在矩阵中二维排列。MOS成像传感器52还包括，作为像素阵列10外围电路的独立控制第一控制信号线的第一驱动电路11、独立控制第二控制信号线的第二驱动电路12、第一像素垂直扫描电路13、第二像素垂直扫描电路14、时序生成电路15和第一水平扫描电路17和第二水平扫描电路18。
配置MOS成像传感器52以便在参考图2描述的MOS成像传感器51中，第一输出信号线117连接到每一列中的第一像素31上，第二输出信号线118连接到每一列中的第二像素41上。第一输出信号线117连接到水平扫描第一像素31的输出信号的第一水平扫描电路17，同时第二输出信号线118连接到水平扫描第二像素41的输出信号的第二水平扫描电路18上。因此，用于低灵敏度的第一像素31的第一输出信号线117和用于高灵敏度的第二像素41的第二输出信号线118都被独立地控制。
第一像素31和第二像素41被相互独立地驱动，第一输出信号117和第二输出信号118分别通过第一水平扫描电路17和第二水平扫描电路18被输出。当第一像素31的读出时间与第二像素41的相同时，第一和第二像素可以共用一个共同的水平扫描电路。当第一像素31的读出时间不同于第二像素41的读出时间时，用于第一像素的第一水平扫描电路17和用于第二像素的第二水平扫描电路18如上所述被独立的提供，以便第一像素31和第二像素41可以互相在不同的时间被读出。
在第二例子中，配置像素排列以便低灵敏度的第一像素31的输出和高灵敏度第二像素41的输出可以互相独立的获得，以便第一像素31的值和第二像素41的值可以互相独立的被读出。这样，只有高灵敏度像素的第二像素可以很容易地以高帧频读取，提供防止第二像素41饱和的优点。通过获得多帧来获得更高的S/N比是有可能的。
下面本发明的另一实施例(第三例子)也将参考图4A和图4B示出的布局图进行描述。
如图4A所示，低灵敏度的第一像素31的二维正方形阵列和高灵敏度第二像素41的二维正方形阵列都被覆盖以便它们可以在水平和垂直方向移位半个像素的节距。
如图4B所示，低灵敏度的第一像素31的二维正方形阵列和高灵敏度第二像素41的二维正方形阵列都被覆盖以便它们可以在水平和垂直方向移位半个像素的节距，并且第一像素31和第二像素41被均匀地间隔开。特别地，使用通过倾斜正方形像素获得菱形像素，第二像素置于第一像素在水平和垂直方向移位半个像素节距的位置。因此，第一像素31和第二像素41被排列以便它们的对角方向与行方向和列方向一致。虽然该实例中为了简化像素形状使用了等边菱形，但是像素形状可以是多边形的，例如六边形和八边形。另外，控制第一像素31的第一控制信号线32和控制第二像素41的第二控制信号线42被互相独立的连接。而且，用于第一像素31的输出信号线33和用于第二像素41的输出信号线43互相独立的连接。
在第三例子中的固态成像设备2的配置中，作为高灵敏度像素的第二像素41，在排列中在水平和垂直方向被均匀地隔开，以便具有很好的S/N比和高灵敏度的第二像素41增加亮度分辨率，提供改进的图像分辨率的优势。
具有参考图4B描述的像素排列的MOS成像传感器的例子将参考图5示出的系统配置图在下面进行描述。
如图5所示，MOS成像传感器53包括具有像素(第一像素31和第二像素41)的像素阵列10，每一个都包括光电转换元件，且在矩阵中二维排列。MOS成像传感器53也还包括作为像素阵列10的外围电路的独立控制第一控制信号线的第一驱动电路11、独立控制第二控制信号线的第二驱动电路12、第一像素垂直扫描电路13、第二像素垂直扫描电路14、时序生成电路15，第一像素水平扫描电路17和第二像素水平扫描电路18。
每一个第一像素31和第二像素41形成多边形形状(例如，图中的八边形)，像素阵列10中的像素的矩阵排列具有交替地连接到列的输出信号线33和43以及分别连接到第一像素31的行和第二像素41的行的第一控制信号线和第二控制信号线。这些控制信号线包括传输控制线112，重置控制线113和选择控制线114。另外，提供重置电压的重置线115连接到每一像素(第一像素31和第二像素41)。虽然第一像素31和第二像素41的形状作为例子是八边形，但是这些像素也可以是六边形或者其它多边形形状。
MOS成像传感器53具有类似于图3中描述的MOS成像传感器52的配置，除了例如像素的形状从正方形变成了八边形；第一控制信号线和第二控制信号线如此布置以便它们可以绕行第一像素31和第二像素41；第一输出信号线33和第二输出言号线43被布置。
本发明的另一实施例(第四例子)将在下面参考图6的布局图进行描述。
如图6所示，第四例子的固态成像设备3具有以测试板(checker board)模式排列的第一像素31(低灵敏度像素)和具有比第一像素31更高灵敏度的第二像素41(高灵敏度像素)，第一像素31和第二像素41被均匀地隔开。控制第一像素31的第一控制信号线32和控制第二像素41的第二控制信号线42被相互独立地连接。虽然第一和第二控制信号线32和42由于在图中被概略的绘出而以之字形线绘出，但实际上控制信号线被连接以便它们可以绕行像素的光敏元件，例如，利用像素的周围区域。而且，虽然没有在图中示出，用于第一像素31的输出信号线和用于第二像素41的输出信号线都相互独立的连接。
在具有上述配置的固态成像设备3中，与第一例子中的固态成像设备1相比，以测试板模式排列的低灵敏度的第一像素31和高灵敏度的第二像素41进一步改进了图像质量。
如固态成像设备1，2和3中所示，通过使用允许第一像素31和比第一像素31具有更高灵敏度的第二像素41独立驱动的像素安排(参见图1，4和6)，控制第一像素31的第一控制信号线32和控制第二像素41的第二控制信号线42容易地在像素排列中互相独立的连接到相关的行，允许对第一像素31和第二像素41同时应用不同类型的曝光时间和读出时间。应用不同类型的曝光时间和读出时间能够对第一像素31提供更长的曝光时间从而获得更充足的信号，还可以提供更短的曝光时间给第二像素41从而防止饱和。
虽然第一像素31和第二像素41在上述的固态成像设备中是二维排列，本发明还可以应用到第一像素31的光电二极管通过一个分离区域排列在第二像素41的光电二极管之下层的结构上。在这种配置中，每一第一像素31的光电二极管的一部分可以延伸到半导体基底上，并且该延伸部分连接到第一控制信号线32。
本发明的另一实施例(第五例子)将参考图7所示的示意性配置截面图在下面进行描述。
如图7所示，在任意的像素安排中(例如，参考图1，4和6描述的)多个第一像素31的光接收器211和多个第二像素41的光接收器212都形成在一基底(例如，半导体基底或者形成半导体层的基底)201上。接线213形成在与像素区域不一致的基底201的区域内。第一光过滤器215通过形成接线213的接线层214形成在第一像素31的上面。第二光过滤器216，每一个都具有与第一光过滤器215不同的光谱特性，通过接线层214形成在第二像素41的上面。保护层217被形成用来保护第一光过滤器215和第二光过滤器216，单片透镜218形成在保护层217上。
例如，阻止具有700nm或者更高波长的红外光的光过滤器合并在作为低灵敏度像素的第一像素31上，同时传递具有波长700nm到1000nm的光的光过滤器合并在作为高灵敏度像素的第二像素41上，从而到高灵敏度像素的入射光的数量增加，允许了更高的灵敏度。
如在第五例子中所示，通过使用第一光过滤器215和与第一光过滤器具有不同光谱特性的第二光过滤器216，能够混合高灵敏度第二像素41以获得更高S/N比信号。
本发明的另一实施例(第六例子)将参考图8所示的示意性配置截面图进行描述。
如图8所示，在任意的像素安排中(例如，参考图1，4描述的)多个第一像素的光接收器(未示出)和多个第二像素41的光接收器222都形成在一基底(例如，半导体基底或者形成半导体层的基底)201上。接线213形成在与像素区域不一致的基底201的区域内。光过滤器225通过形成接线213的接线层214形成在第一像素31的上面。另一方面，没有光过滤器形成在某些第二像素41的上面。保护层217被形成用来保护第一光过滤器225，单片透镜218形成在与像素对应的保护层218上。因此，在一些高灵敏度的第二像素41上没有形成光过滤器225，这增加了到光接收器222的入射光的数量，允许相应的像素具有更高的灵敏度。
本发明的另一实施例(第七例子)将参考图9示出的布局图进行描述。
如图9所示，多个第一像素31和多个具有比第一像素31更高灵敏度的第二像素41形成在例如在图4A或4B中所述的像素阵列上。光过滤器(未示出)形成在第一像素31的上面。每一光过滤器都是具有光的三原色其中之一和其互补色的滤色镜。另一方面，没有滤色镜形成在第二像素41的上面。每一光过滤器都是例如传递光的三原色RGB之一和其互补色的滤色镜。例如，滤色镜在列方向都是以GBGB和RGRG的顺序排列的，这些排列在行方向交替地布置。
光过滤器(滤色镜)，每一个都传递三原色RGB之一，因此都任意地布置在作为低灵敏度像素的第一像素31的上面，以便第一像素可以用于获得彩色图像。
图9中示出的固态成像设备4的示范的像素布局是三原色RGB布置在低灵敏度的第一像素31的上面的例子。在该配置中，在颜色透射过滤器中眼睛敏感的绿色(G)的数量，大于其它颜色的数量。在该例子中，具有高灵敏度像素且没有颜色透射过滤器的第二像素41具有最高的分辨率和很好的S/N比，所以它们可以用于信号处理，例如图像中边缘的改进。
在该例子中，虽然描述了通常在数码相机中使用的三原色RGB光过滤器，但是例如具有三原色的互补色的过滤器的任何其它过滤器也可以使用，它们也具有能用于产生彩色图像的光谱特性。
通过在低灵敏度第一像素31的上面布置具有三原色RGB或其互补色的过滤器，彩色图像可以独立于高灵敏度像素而获得。高灵敏度像素可以用于由低灵敏度像素获得的彩色图像的信号处理(例如图像边缘改进)。
下面将参考图10描述本发明的另一实施例(第八例子)。在下面的描述中，类似于在前面的描述中使用的部件都具有相同的参考符号。在图10中，垂直轴代表积聚电荷(信号电平)的数量，水平轴代表曝光时间。
配置第八例子的固态成像设备以便在上述的例如第一至第七例子中描述的固态成像设备中，用于高灵敏度第二像素41和低灵敏度第一像素31的曝光时间可以相互独立的控制。
例如，如图10所示，由于高灵敏度第二像素41的光接收器接收更多的入射光，或者具有更大的光电转换效率，因此积聚的电荷(输出信号电平)数量的改变率大于低灵敏度第一像素31的数量改变率。当第二像素41达到饱和电平，积聚电荷(输出信号电平)的数量为饱和，这阻止进一步信号获取。在Thsat时第二像素41饱和，设置比Thsat更短的曝光时间可以防止第二像素41的饱和。
另一方面，由于第一像素31具有更小的改变率，在第二像素41中设置比Thsat更短的曝光时间，将减少输出信号电平并因此降低S/N比。因此，为第一像素31设置的曝光时间优选比Tlsat更短或相等但是长于用于高灵敏度像素的曝光时间。
通过控制低灵敏度第一像素31和高灵敏度第二像素相互独立的的曝光时间，可以对第一像素31和第二像素41二者应用恰当的曝光，从而允许第一像素31获得充分的信号电荷，同时阻止第二像素41饱和。
本发明的另一实施例(第九例子)将参考图11在下面进行描述。在接下来的描述中，与那些在前面的描述中使用的类似的组件都具有相同的参考符号。在图11中，垂直轴代表像素行数，水平轴代表时间。
配置第九例子的固态成像设备以便在例如第一到第八例子中描述的固态成像设备中，使行单元作为排列在水平方向的像素，在单元行中像素积聚的电子都被释放，然后启动曝光。
例如，图11示出了为每一行控制电荷释放时序的操作的例子，以及控制高灵敏度第二像素41的曝光时间在时序中独立于低灵敏度第一像素31曝光时间的例子。当低灵敏度像素和高灵敏度像素对于每一行被存取和读出时，电荷释放时间和读出时间对于每一行都是不同的。通过对每一行释放积聚的电荷和启动曝光，用于低灵敏度像素的曝光时间可以独立于高灵敏度像素的曝光时间被设置，曝光时间对于相同灵敏度的每一行都是相同的。
在第九例子的固态成像设备中，即使当读出时间对于每一行都是不同的，可以通过在行的基础上释放积聚的电荷和启动曝光而任意地设置曝光时间。
本发明的另一实施例(第十例子)将参考图12A和图12B在下面进行描述。在下面的描述中，与那些在前面的描述中使用的类似的组件都具有相同的参考符号。图12A示出了像素电路的示范的配置，图12B示出了读出时间和电荷释放时间中的选择脉冲SEL、重置脉冲RST和传输脉冲TRG的控制信号。
第十例子的固态成像设备适用于例如第一到第九例子中描述的固态成像设备。在第十实施例的固态成像设备中，积聚电子被释放然后启动曝光的操作对于第一像素31和第二像素41的安排将控制在独立的时间。
例如，图12A示出了像素电路的示范的配置，图12B示出了读出时间和电荷释放时间中的选择脉冲SEL、重置脉冲RST和传输脉冲TRG的控制信号。图12A中示出的像素电路具有实质上类似于第一例子中描述的像素电路配置，且包括光电转换元件，例如光电二极管21，以及四个晶体管，例如，传输晶体管22，重置晶体管23，放大晶体管24和选择晶体管25。在固态成像设备中的电路配置中，在选择晶体管25被省略或者放大晶体管24被多个像素共用的配置的三晶体管配置可以在任意时间释放电荷。
在第十例子的固态成像设备中，即使当读出时间对于每一行都不同，曝光时间也可以对于低灵敏度第一像素31和高灵敏度第二像素41相互独立的任意设置。
下面将参考图13描述本发明的另一实施例(第十一例子)。在下面的描述中，类似于那些使用在前面的描述中的组件具有相同的参考符号。图13示出了电荷从多个行被同时释放的操作。图13中，垂直轴代表像素行数且水平轴代表时间。
配置第十一例子的固态成像设备以便在例如第九到第十例子中描述的固态成像设备中，积聚的电子被释放且然后启动曝光的操作对于多个行被同时控制。
如图13所示，在所有的低灵敏度像素行和高灵敏度像素行中同时地释放积聚的电荷和启动曝光。这样，启动曝光周期的时间对于多个行可以是相同的。图13示出了机械快门用于获得相同的曝光周期终止时间的例子。也可以通过电子转移和积聚电荷的保留来完成曝光周期的终止。
如第十一例子的固态成像设备中所示，即使当多个行都具有相同的曝光终止时间或者读出时间，可以通过对多个行同时地释放积聚的电子和启动曝光来设置任意的曝光时间。因此，即使在全局的(global)快门操作中，可以设置用于低灵敏度第一像素31的曝光时间独立于高灵敏度第二像素41的曝光时间。
下面将参考图11和图13描述本发明的另一实施例(第十二例子)。在下面的描述中，类似于那些在前面的描述中使用的组件都具有相同的参考符号。
配置第十二例子的固态成像设备以便在例如第八到第十一例子中描述的固态成像设备中，在迟于第一像素31的时间释放在第二像素41中积聚的电子，然后启动曝光。
如图11和13所示，通过在迟于对低灵敏度像素的电荷释放操作的时间执行对于高灵敏度像素的电荷释放操作(曝光周期终止时间对于高灵敏度和低灵敏度像素是相同的)，可以缩减对于高灵敏度像素的曝光时间。
根据第十二例子的固态成像设备，对于第二像素41设置比第一像素31更短的曝光时间可以提供允许低灵敏度第一像素31获得充分的信号电荷的优点，同时阻止高灵敏度第二像素41的饱和。
下面将参考图14和15描述本发明的另一实施例(第十三例子)。在下面的描述中，类似于那些使用在前面的描述中的组件具有相同的参考符号。图14示出了高灵敏度第二像素41工作在高于低灵敏度第一像素31的帧率的时序例子。图15示出了合并多个高速帧以提高动态范围的例子。在图15中，垂直轴代表积聚电荷(信号电平)的数量，水平轴代表入射光的强度。
配置第十三例子的固态成像设备以便在例如第一到第十二例子中描述的固态成像设备中，高灵敏度第二像素41的读出率高于低灵敏度第一像素31的读出率。换句话说，第一像素31的值读出一次，同时多次高速读出第二像素41的信号值并且相加。
如在图14中所示，在该例子中，以高出第一像素31四倍的帧率驱动第二像素41。通过相加在第一像素31的一个帧周期从第二像素41读出的帧，也就是，相加图14中示出的来自第二像素41的四个帧FH1到FH4，获得如图15所示的信号电平与入射光强度之间的关系。
在图15中，指示低灵敏度像素的第一像素的线L1，说明第一像素31的信号电平与入射光强度之间的关系，并表示信号电平依照入射光强度按比例增加。当其达到饱和电平QS时信号电平饱和，并且不再处理大于饱和电平的入射光强度。
另一方面，在图15中，指示高灵敏度像素的第二像素41的线L2-a，说明第二像素41信号电平与入射光强度之间的关系，可以看出求和N帧以允许信号达到将要处理的NQS，因为每帧的饱和度是QS。此外，通过延迟电荷释放时间来减少每一帧的曝光时间，如图15中指示高灵敏度第二像素41的线L2-b所示，灵敏度可以被等效的减少(曝光周期中入射光的数量被减少)来增加将要处理的入射光强度。使Ta为曝光时间，Tb为曝光时间，则改变率为Tb/Ta。
根据第十三例子的固态成像设备，减少高灵敏度第二像素41的曝光时间提供了允许低灵敏度第一像素31获得足够的信号电荷同时防止第二像素41饱和的优点。另外，相加第二像素41高速获得的多个帧提供了平均和减少的随机噪声、导致更高的S/N比的优点。而且，由于第一像素的曝光周期与第二像素41的多个帧的曝光周期一致(第一像素31和第二像素41的曝光周期之间没有偏差)，当为移动的对象成像时，提供了减少第一像素31和第二像素41的曝光时间的偏差和不重合的优点。
本发明的另一实施例(第十四例子)将参考图16在下面进行描述。在下面的描述中，与前面使用的组件类似的组件都具有相同的参考符号。图16示出了低灵敏度第一像素31的读出扫描与高灵敏度第二像素41的多个帧交叠的操作例子。在图16中，垂直轴代表像素行数，水平轴代表时间。
配置第十四例子的固态成像设备以便在第十三例子中描述的固态成像设备中，低灵敏度第一像素31的垂直扫描周期与高灵敏度第二像素41的多个垂直扫描周期交叠。
图16示出了低灵敏度第一像素31的垂直扫描周期与高灵敏度第二像素41的多个垂直扫描周期交叠的操作。在该示范的操作中，如图14中所示，以高于第一像素31四倍的帧率驱动第二像素41。通过使用图16中所示的操作，虽然帧率与在图14中驱动操作的帧率相同，但是用于第一像素31的读出周期Tread增加，允许更长的Tread/m，其为用于读出一行的时间。
Tread为用于读出一帧的时间。当m行在一帧期间被访问时，有必要在Tread/m中读出一行。通过相加N帧，信号电平Qsig变成N×Qsig，同时随机噪音Qnoise的平方根变为√N×Qnoise2。因此，提供了将S/N比增加了N/√(N)倍和减少随机噪音的优势。
根据第十四例子的固态成像设备，由于低灵敏度第一像素31的每一行的读出周期比高灵敏度第二像素41的长，提供了确保A-D转换和信号处理更长时间的优点。因此，更精确的A-D转换和复杂的信号处理可以应用到具有更差的S/N比(与第二像素41相比)的低灵敏度像素上，这促成了较高的图像质量。
本发明的另一实施例(第十五例子)将参考图17和18在下面进行描述。在下面的描述中，与前面使用的组件类似的组件都具有相同的参考符号。图17示出了应用多种类型曝光时间的例子。在图17中，垂直轴代表像素行数，水平轴代表时间。图18示出了使用多种类型曝光时间的合并的图像的特性。在图18中，垂直轴代表积聚电荷(信号电平)的数量，水平轴代表了入射光的强度。
配置第十五例子的固态成像设备以便在第十四例子中描述的固态成像设备中，为高灵敏度的第二像素41的多个垂直扫描周期设置两个或更多类型的曝光时间。
如图17中所示，为高灵敏度第二像素41的多个帧设置了不同类型的曝光时间。使TH1到TH4为帧FH1到FH4的曝光时间，减少曝光时间可以减少在曝光周期的入射光的数量，因此增加了将要处理的入射光的强度。也就是，与入射光强度相比，积聚电荷数量的改变率会减少。
图18示出了当满足曝光时间，例如下面的公式TH1＞TH2＞TH3＞TH4时，入射光强度与帧FH1到FH4的积聚电荷数量之间的关系。将要处理的入射光的强度在帧FH4中最大，同时帧FH1中的灵敏度最大。图18中的虚线示出了FH1到FH4的合并信号。因此，通过在入射光强度小的区域中使用更高的灵敏度执行操作，同时减少在入射光强度大的区域中入射光的数量以致阻止饱和。
根据第十五例子的固态成像设备，通过将两种或更多类型的曝光时间应用到为高灵敏度像素的第二像素41的多个帧，能够获得每一个都具有在灵敏度和饱和数量之间的不同关系的多个图像。由于在灵敏度和依赖于曝光时间的长度的饱和数量之间存在折衷关系，在灵敏度优先模式和饱和数量优先模式中合并两个或更多的图像可以获得高灵敏度和宽动态范围两着。
本发明的另一实施例(第十六例子)将参考图19和20在下面进行描述。在下面的描述中，与前面使用的组件类似的组件都具有相同的参考符号。图19示出了多种类型曝光时间交替应用的例子。在图19中，垂直轴代表像素行数，水平轴代表时间。图20示出了使用多种类型曝光时间的合并的图像的特性。在图20中，垂直轴代表积聚电荷(信号电平)的数量，水平轴代表入射光的强度。图20还示出了伴随着曝光周期的合并的图像的时序图。
配置十六例子的固态成像设备以便在第十五例子描述的固态成像设备中，两个或更多类型的曝光时间可以交替设置用于高灵敏度像素的第二像素41的多个垂直扫描周期。
在上述的帧中设置不同类型的曝光时间的操作中，成像时间的显著地变化取决于入射光强度，所以合并的图像在取决于运动物体的亮度的曝光时间内遭受偏差。为了解决该问题，如图19中所示，两个或更多类型的曝光时间可以交替用于高灵敏度第二像素41的多个帧。在该例子中，分别为帧FH3和FH4设置用于帧FH1的曝光时间TH1和用于帧FH2的曝光时间TH2。
如图20中所示，每一个都具有相同的入射光强度的FH1和FH3，以及FH2和FH4可以处理相应的对象。由于可以交替应用相应的曝光时间类型，在FH1和FH3的合并1的图像和在FH2和FH4的合并2的图像可以及时互相交叠，可以减少了合并图像中曝光时间的不重合。
在第十六例子的固态成像设备中，由于每一个都具有不同灵敏度的多个帧可以在不同时间获得，图像捕获时间取决于物体的亮度而相互不同。因此，对于运动物体，通过交替捕获具有不同曝光周期(由此在相应的曝光时间类型中获得的图像中产生了曝光时间的偏差)的帧，提供了对于运动物体减少曝光时间的偏差的优势。这解决了第十四例子中固态成像设备的问题，即，与FH1图像相比，相加帧FH1到FH4显著地改变了一些行的成像时间并且产生在运动物体的图像中第一像素31和第二像素41之间的偏差。
本发明的另一实施例(第十七例子)将参考图21和22至24在下面进行描述。在下面的描述中，与前面使用的组件类似的组件都具有相同的参考符号。图21和22至24示出了用于合并的选择帧的方法的例子。在图21和22至24中，垂直轴代表高灵敏度第二像素和低灵敏度第一像素的行数，且水平轴代表时间。
配置第十七例子的固态成像设备以便在第十四到十六例子中描述的固态成像设备中，合并第二像素41的多个帧的输出，从至少与第一像素31的曝光周期交叠的帧中为每一行选择为了合并而组合的多个帧。
图21示出了当合并高灵敏度第二像素41的多个帧的输出和为每一行选择组合的多个帧时如何选择帧。在第二像素41的每一行中，选择和合并包括在第一像素31(图21中阴影线部分)曝光周期中的帧。行AH1到AH4的范围在用于指示第一像素31的读出时间的线和用于指示第二像素41的读出时间的线交叉的行上被分开。例如，对于范围AH1的行，帧FH1到FH4用于合并，同时对于范围AH2的行，帧FH2到FH5用于合并。这样，可以减少曝光时间的不重合。
如图22所示，通过使用每一范围AH1到AH4(阴影部分)的中心行作为用于转换选择的帧的行，用于高灵敏度第二像素41的合并图像的曝光周期接近用于低灵敏度第一像素31的曝光周期，使得曝光时间的不重合减少。
另外，如图23所示，执行选择以便用于合并高灵敏度第二像素41的帧完全地覆盖低灵敏度第一像素31的曝光周期，使得曝光时间的不重合减少。应当注意使用在低灵敏度像素的曝光周期的边缘的第二像素41的帧也可以使用在合并图像的前面或者后面。
被选择的帧的数量由低灵敏度曝光周期的长度确定。当用于第一像素31的曝光时间在图22所示的示范的操作中被减少时，使用的帧的数量根据图24中所示的第一像素31的曝光周期改变，以致减少了曝光时间的不重合。
根据第十七例子的固态成像设备，当低灵敏度第一像素31的垂直扫描周期与高灵敏度第二像素41的多个垂直周期交叠时，产生了曝光时间的不重合。从第二像素41的多个帧为每一行选择将用于合并的帧提供了减少曝光时间的不重合的优势。
本发明的另一实施例(第十八例子)将参考图21和25在下面进行描述。在下面的描述中，与前面使用的组件类似的组件都具有相同的参考符号。图25示出了如何选择和权衡用于合并的帧的例子。在图25中，垂直轴代表高灵敏度第二像素和低灵敏度第一像素的行数，水平轴代表时间。
配置第十八例子的固态成像设备以便在第十七例子中描述的固态成像设备中，将第二像素41的多个帧的输出乘以每一行的不同的权重系数，接着通过相加加权输出。
也就是，如图21所示，通过将第二像素41的多个帧的输出乘以每一行的不同的权重系数，接着相加加权输出，可以减少曝光时间的不重合的不连续。例如，如在第十七例子中所述，在选择帧转换的方法中，在帧选择转换所在的行中存在曝光时间不重合的量的不连续，例如，图21中AH1和AH2的边界。根据本例，将减少这种不连续。
如图25所示，为每一行选择覆盖了低灵敏度第一像素(阴影部分)的曝光周期的前面和后面部分的高灵敏度第二像素41的多个帧。现在集中在行i上，第一像素31的曝光周期T1被包括在第二像素41的多个帧FH1到FH5的曝光周期中。只有第二像素41的帧FH1和FH5的曝光周期的Ta和Tb(作为第一像素31的曝光周期的边界)与第一像素31的曝光周期交叠。现在使W2到W4作为被完全包括在第一像素31的曝光周期中的帧FH2到FH4的权重，从帧FH1到FH5获得的信号电平被乘以作为帧FH1到FH5的权重的W1:W2:W3:W4:W5＝Ta:Th:Th:Th:Tb并且被加到合并图像。由于边界帧相乘的权重对于每一行连续的改变，从而减少了曝光时间的不重合及其不连续。
根据第十八例子的固态成像设备，当合并图像时，对每一行的帧乘以不同的权重系数，接着相加加权的帧，提供消除在转换用于合并的帧的选择的行中的曝光时间不重合(不连续)的优势，所述曝光时间不重合是第十七例子固态成像设备中的问题。
图26示出了根据第一到第十八例子的的实施例的相机的截面图。根据该实施例的相机是能够对运动图片进行成像的视频可携式摄像机的例子。
根据该实施例的相机包括固态成像设备1，光学系统510，快门511，驱动电路512和信号处理电路513。
光学系统510聚焦了从物体到固态成像设备1的成像平面上的图像光(入射光)，以便在固定的时间周期在固态成像设备1中积聚信号电荷。
快门511控制了对于固态成像设备1的光曝光周期和光隔断周期。
驱动电路512提供了驱动信号，其控制固态成像设备1的传输操作和快门511的快门操作。由驱动电路512提供的驱动信号(时间信号)从固态成像设备1传输电荷。信号处理电路513执行不同的信号处理。经过信号处理的视频信号储存在存储介质中，诸如存储器，或者输出到监视器。
对于本领域技术人员来说应当理解，取决于设计需要和其它因素，在附属权利要求和其等效替代的范围内，各种改变，组合和子组合以及替代都可以产生。
权利要求
1.一种固态成像设备包括多个第一像素和多个比第一像素具有更高灵敏度的第二像素的阵列；控制第一像素的第一控制信号线；和控制第二像素的第二控制信号线，其中可以相互独立地驱动第一控制信号线和第二控制信号线。
2.根据权利要求1的固态成像设备，其中第一像素的输出信号线布线独立于第二像素的输出信号线。
3.根据权利要求1的固态成像设备，其中将所述多个第一像素二维排列并且将所述多个第二像素二维排列，和布置第一像素的二维排列和第二像素的二维排列以便它们在二维排列的xy坐标平面的x和y方向上相互移位半个像素节距。
4.根据权利要求1的固态成像设备，其中第一像素和第二像素以测试板模式排列。
5.根据权利要求1的固态成像设备，进一步包括第一光过滤器，其形成在第一像素的上面；和第二光过滤器，其形成在第二像素的上面，所述第二光过滤器具有不同于第一光过滤器的光谱特性。
6.根据权利要求1的固态成像设备，其中所述多个第二像素包括其上面具有光过滤器的像素和其上面不具有光过滤器的像素。
7.根据权利要求5的固态成像设备，所述第一光过滤器是具有光的三原色的其中一个颜色和其互补色的滤色镜。
8.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中独立于第二像素的曝光周期控制用于第一像素的曝光周期。
9.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中使行单元成为排列在水平方向的第一和第二像素，积聚在单元行的像素中的电子被释放且然后启动曝光。
10.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中以独立于第一像素和第二像素的安排的时间控制积聚电子被释放然后启动曝光的操作。
11.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中使行单元成为排列在水平方向的第一和第二像素，该单元行中的像素中积聚的电子被释放且然后启动曝光的操作对于多个行同时被控制。
12.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中第二像素中的积聚的电子在迟于第一像素的时间被释放且然后启动曝光。
13.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中第二像素的读出率高于第一像素的读出率。
14.根据权利要求13的固态成像设备，其中第一像素的垂直扫描周期与第二像素的多个垂直扫描周期交叠。
15.根据权利要求13的固态成像设备，其中对于第二像素的多个垂直扫描周期设置两个或更多类型的曝光时间。
16.根据权利要求15的固态成像设备，其中对于第二像素的多个垂直扫描周期交替设置两个或更多类型的曝光时间。
17.根据权利要求14所述的固态成像设备，其中第二像素的多个帧的输出被合并，对于每一行从至少与第一像素的曝光周期交叠的帧中选择用于合并而被组合的多个帧。
18.根据权利要求17所述的固态成像设备，其中将第二像素的多个帧的输出乘以每一行的不同权重系数，其后相加经过加权的输出。
19.一种用于驱动固态成像设备的方法，所述固态成像设备包括，多个第一像素和多个比第一像素具有更高灵敏度的第二像素的阵列，控制第一像素的第一控制信号线，和控制第二像素的第二控制信号线，该方法包括彼此独立地驱动第一控制信号线和第二控制信号线的步骤。
20.一种相机，包括多个第一像素和多个比第一像素具有更高灵敏度的第二像素的阵列；控制第一像素的第一控制信号线；和控制第二像素的第二控制信号线，其中可以相互独立地驱动第一控制信号线和第二控制信号线。
全文摘要
一种固态成像设备包括，多个第一像素和多个比第一像素具有更高灵敏度的第二像素的阵列，控制第一像素的第一控制信号线，控制第二像素的第二控制信号线，其中可以相互独立地驱动第一控制信号线和第二控制信号线。
文档编号H04N9/07GK101079966SQ20071012660
公开日2007年11月28日 申请日期2007年2月9日 优先权日2006年2月9日
发明者大池佑辅, 笠井政范, 吉村真一, 户田淳, 田浦忠行, 佐藤弘树 申请人:索尼株式会社