固体摄像装置、其驱动方法以及电子设备的制作方法

专利名称：固体摄像装置、其驱动方法以及电子设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及摄像装置、该固体摄像装置的驱动方法以及使用该固体摄像装置的电 子设备。
背景技术：
在固体摄像装置中，从单位像素获得了相对于通过光电转换累积的电荷量几乎呈 线性的输出信号。固体摄像装置的动态范围由噪声电平和累积在单位像素中的电荷量(饱 和电荷量)唯一地确定。即，固体摄像装置的输出电平的下限由噪声电平限定，而其上限由 饱和电平限定。因此，固体摄像装置的动态范围由饱和电荷量和噪声电平唯一地确定。为了扩展该动态范围，通常采用以下技术。即，通过将具有不同灵敏度的信号合 成，例如将具有通过长时间电荷累积获取的相对清楚的低亮度部分的图像和具有通过短时 间电荷累积获取的相对清楚的高亮度部分的图像合成，以使固体摄像装置获得较宽的动态 范围。作为获得具有不同灵敏度的信号的技术，将彼此邻近的两个以上单位像素组合成 一组，以便在该组中的单位像素具有不同灵敏度的同时，使该组像素对应于输出图像中的 一个像素(例如参见日本专利申请公开公报2005-065082号)。然而，在日本专利申请公开公报2005-065082号所公开的技术中，组合的多个单 位像素被设计成对应于一个像素，以获得具有不同灵敏度的信号。于是，与成像表面上的单 位像素一一对应于输出图像的像素的技术相比，该技术中输出图像的分辨率有所下降。此外，存在另一种技术，其中在行扫描的不同时刻从两个以上行读出具有不同灵 敏度的两个以上信号的同时，从同一像素(一个像素)获得所述具有不同灵敏度的两个以 上信号(例如参见日本专利申请公开公报2003-198948号)。然而，在日本未审查的专利申请公开公报2003-198948号的第一例子中，在行扫 描运动中的不同时间点从一个像素输出具有不同灵敏度的多个信号。因此，需要设有帧存 储器，以用于具有不同灵敏度的信号的同步，因而使该装置的尺寸和成本增加。此外，上述 专利文件的第二例子的缺点在于，因为在从一个像素输出在前的信号之后输出复位电平， 故在前的信号上叠加有复位噪声。

发明内容
这里公开了一个以上发明，其提供了一种固体摄像装置、这种固体摄像装置的驱 动方法以及使用这种固体摄像装置的电子设备，在所述固体摄像装置中，不需要使用任何 帧存储器，并且在前的输出信号上未重叠有复位信号，便可以从一个像素获得具有不同灵敏度的信号。根据本发明的一个实施方式，提供了一种固体摄像装置的控制方法。该方法包括 从电荷累积区读出第一信号。所述第一信号对应于在第一时段期间的信号电荷的累积。该 方法还包括从电荷累积区读出第二信号。第二信号对应于在第二时段期间的信号电荷的另 一累积。第一时段是从执行第一快门操作的时刻到执行第二快门操作的时刻。第二时段是 从执行第二快门操作的时刻到在扫描读出行的时段之前或期间出现的时刻。根据一个实施方式，固体摄像装置具有多个像素和一个扫描单元。每个像素包括 光电转换元件和电荷累积区。扫描单元配置为从电荷累积区读出第一信号。扫描单元还配 置为从电荷累积区读出第二信号。第一信号对应于在第一时段期间的信号电荷的累积，而 第二信号对应于在第二时段期间的信号电荷的另一累积。第一时段是从执行第一快门操作 的时刻到执行第二快门操作的时刻。第二时段是从执行第二快门操作的时刻到在扫描读出 行的时段之前或期间出现的时刻。根据一个实施方式，电子设备包括固体摄像装置。该固体摄像装置包括多个像素 和一个扫描单元。每个像素包括光电转换元件和电荷累积区。扫描单元配置为从电荷累积 区读出第一信号。扫描单元还配置为从电荷累积区读出第二信号。第一信号对应于在第一 时段期间的信号电荷的累积。第二信号对应于在第二时段期间的信号电荷的另一累积。第 一时段是从执行第一快门操作的时刻到执行第二快门操作的时刻。第二时段是从执行第二 快门操作的时刻到在扫描读出行的时段之前或期间出现的时刻。在使用机械快门的静止图像拍摄操作中，光通过机械快门入射到光电转换元件 上。在机械快门的开启状态中，所有单位像素的光电转换元件被同时复位。在所有单位像 素中的第一传输机构同时将光电转换元件的电荷传输到第一累积部。在机械快门的关闭状 态中，依次从每个行选择像素阵列单元中的单位像素。在扫描的同时，第一信号通过第二传 输机构和读出机构读出到信号线，第二信号通过第一传输机构、第二传输机构和读出机构 读出到信号线。这时，第一信号的曝光时段对应于从同时复位所有像素到在所有像素中同 时将电荷传输到第一累积部的时段。此外，第二信号的曝光时段对应于随后关闭机械快门 的时段。因此，可以从一个单位像素获得具有不同灵敏度和不同曝光时段的第一信号和第 二信号。因此，可以保证所有像素的曝光时段的同时性。根据本发明的实施方式，不需要使用任何帧存储器且不会在在前的输出信号上重 叠复位信号，便可以从一个像素获得具有不同灵敏度的多个信号。此外，在静止图像拍摄操 作中可以保证所有像素的曝光时段的同时性。


图1是本发明实施方式的CMOS图像传感器的系统配置的示意图。图2是表示单位像素的示例性配置的电路图。图3是示意性地表示具有电荷累积区的单位像素的配置的横截面图。图4是示意性地表示作为该实施方式的变化例的单位像素的配置的横截面图。图5是本发明实施方式的摄像装置的示例性配置的框图。图6是表示以卷帘式快门进行的行扫描的示意图。图7是表示在视频模式中在IH时段期间的驱动时序的时序图。
图8是表示用于执行合成处理以获得宽的动态范围的信号处理单元的示例性配 置的框图。图9是表示关于每个FD信号和PD信号的光强度和信号电平之间的关系的图。图10是表示用于执行合成处理以获得宽的动态范围的信号处理单元的配置的另 一个例子的框图。图11是表示FD信号和加权平均的系数β之间的示例性关系的图；以及图12是表示静止图像模式中的操作的图。
具体实施例方式下面参照

实施本发明的方式(以下也称为“实施方式”)。以下面的顺序 描述所述实施方式1.应用了本发明的实施方式的固体摄像装置(CMOS图像传感器的例子)1-1.系统配置1-2.像素配置2.本发明的实施方式的有利特征3.实施方式的电子设备(摄像装置的例子)3-1.系统配置3-2.视频模式3-3.静止图像模式3-4.本实施方式的操作和效果1-1.系统配置图1是示意性地表示作为本发明实施方式的固体摄像装置的一个例子的CMOS图 像传感器的系统配置的图，该CMOS图像传感器是一种X-Y寻址型固体摄像装置。在这里， 此处使用的术语“CMOS图像传感器”指通过应用或部分应用CMOS工艺而制造的图像传感
ο本实施方式的CMOS图像传感器10包括形成于半导体基板11上的像素阵列单元 12和集成于同一半导体基板11上的周边电路部。周边电路部例如可包括行扫描单元13、 列处理单元14、列扫描单元15和系统控制单元16。像素阵列单元12包括以二维矩阵形式布置的多个单位像素(以下每个单位像素 也简称为“像素”)。在这里，单位像素包括光电转换元件，该元件对入射的可见光实施光电 转换，以产生电荷量对应于所接收的光强度的信号电荷(光电荷)，然后在光电转换元件中 累积电荷。后面详细说明单位像素。在像素阵列单元12中，对于以矩阵形式布置的像素，用于各像素行的像素驱动线 17沿行方向(沿像素行上的像素布置的方向)布置，且用于各像素列的垂直信号线18沿列 方向(沿像素列上的像素布置的方向)布置。像素驱动线17传输用于从像素读出信号的 驱动信号。在图1中，每条像素驱动线17表示为单条布线。作为替代，其可以是两条以上 布线的组合。像素驱动线17的末端连接到行扫描单元13的每行的输出端。行扫描单元13包括移位寄存器、地址解码器等，并用作同时驱动像素阵列单元12中的所有像素、一次驱动每一行的像素或以其它方式驱动像素的像素驱动单元。通常，行扫 描单元13可包括两个扫描系统，即读出扫描系统和清除扫描系统，但是在下面的说明中省 略其细节。读出扫描系统依次按每一行选择性地扫描像素阵列单元12的单位像素，以从各 单位像素读出信号。从单位像素读出的信号是模拟信号。清除扫描系统对读出行执行读出 扫描运动，清除扫描运动比该读出扫描运动提前对应于快门速度的时刻。由清除扫描系统执行的清除扫描运动可以在读出行上从单位像素的光电转换元 件清除非期望的电荷，以复位光电转换元件。清除扫描系统对非期望的电荷的清除(即复 位)引起所谓的电子快门。这里，在这里使用的术语“电子快门”是指光电转换元件的操作， 在该操作中，丢弃光电荷并且随后重新进行曝光(光电荷的累积)。由读出扫描系统的读取操作而读出的信号对应于读取操作之后或电子快门后的 入射光的量，所述电子快门在紧邻读出扫描系统的读取操作之前执行。然后，从最后读取的 读取时刻或电子快门的清除时刻到此时读取的读取时刻的时段定义为单位像素中的光电 荷的累积时段(曝光时段)。从单位像素输出的信号分别经由垂直信号线18供给到列处理单元14，所述单位 像素处于通过行扫描单元13选择性地扫描的像素行上。对于像素阵列单元12的每一个像 素列，列处理单元14对经由垂直信号线18从选中的行上的每个像素输出的信号执行预定 的信号处理。具体地，列处理单元14接收像素信号，并随后对这样的信号进行诸如具有相关双 采样(correlated double sampling,⑶S)的噪声去除、信号放大以及模数(AD)转换等信 号处理。噪声去除处理除去像素中固有的诸如复位噪声和放大晶体管的阈值变化等固定模 式噪声。这里举例的信号处理仅用于说明性的目的。因此，信号处理不限于该例子。列扫描单元15包括移位寄存器、地址解码器等，并且依次选中对应于列处理单元 14的像素行的单元电路。由列处理单元14进行信号处理的像素信号通过列扫描单元15的 选择扫描而依次输出到电平总线19，并且通过所关联的电平总线19传输到半导体基板11 的外部。系统控制单元16接收来自半导体基板11的外部的时钟信号、指令操作模式的数 据等。此外，输出诸如本CMOS图像传感器10的内部信息。此外，系统控制单元16包括产 生各种时序信号的时序发生器。基于从时序发生器产生的各种时序信号，系统控制单元16 控制包括行扫描单元13、列处理单元14、列扫描单元15等在内的周边电路部的驱动。1-2.像素配置(电路)图2是表示单位像素的示例性配置的电路图。如图2所示，作为单位像素的配置 例子的单位像素20例如包括电荷累积区22、传输晶体管23、复位晶体管24、选择晶体管25 和放大晶体管26以及诸如光电二极管21的光电转换元件。这里，例如以N沟道MOS晶体管用作各传输晶体管23、复位晶体管24选择晶体管 25和放大晶体管26。然而，在这里举例的传输晶体管23、复位晶体管24、选择晶体管25和 放大晶体管26的导电类型的组合仅用于说明性目的，并且导电类型的组合于是不限于这 种组合。
对于单位像素20，将读取线171、传输线172、复位线173和选择线174这四条驱 动布线设置为像素驱动线17，并且共同连接于在同一像素列上的每一个像素。读取线171、 传输线172、复位线173和选择线174连接于对应于列扫描单元15的每一个像素列的输出 端。行扫描单元13分别将用作驱动像素20的驱动信号的读出脉冲R0G、传输脉冲TRG、复 位脉冲RST和选择脉冲SEL输出到读取线171、传输线172、复位线173和选择线174。光电二极管21的阳极连接到负侧电源(例如接地)，并对所接收的光进行光电转 换以转换成电荷量取决于所接收的光量的光电荷(这里为光电子)，然后累积光电荷。在光 电二极管21的阴极的一侧上形成电荷累积区22。电荷累积区22包括读出栅极部221和累积部222。读出栅极部221包括读出沟道 223和安装于读出沟道223上的栅极224。处于高电平(例如Vdd电平)并变激活(以下 称为“高激活”)的读出脉冲ROG从行扫描单元13经由读取线171施加到栅极224。由于 对栅极224施加了读出脉冲R0G，故读出栅极部221读出累积于光电二极管21中的信号电荷。累积部222用作浮动扩散区，然后累积(保持)通过读出栅极部221从光电二极管 21读出的信号电荷。这里，读出栅极部221的栅极224不仅形成于读出沟道223上而且在累 积部222上延伸。换言之，电荷累积区22采用了电荷耦合器件(charge coupled device, (XD)的配置。即，当对栅极224施加读出脉冲ROG时，可通过改变累积部222的电位和/或 改变读出沟道223的电位而传输电荷。传输晶体管23连接到电荷累积区22以及放大晶体管26的栅极。此外，传输晶体 管23的栅极连接于传输线172。电连接于电荷累积区22和放大晶体管26的栅极的节点 27称为浮动扩散(FD)部。从行扫描单元13经由传输线172对传输晶体管23的栅极提供 高激活的传输脉冲TRG。传输晶体管23响应于传输脉冲TRG而进入导通状态，并随后将暂 时累积于累积部222中的信号电荷传输到FD部27。复位晶体管24的栅极连接于复位线173，复位晶体管24的漏极连接于像素电源 Vdd,且复位晶体管24的源极连接于FD部27。复位晶体管24的栅极从行扫描单元13接收 高激活的复位脉冲RST。复位晶体管24响应于复位脉冲RST而进入导通状态，并且将电荷 从FD部27移动到像素电源Vdd，从而使FD部27复位。选择晶体管25的栅极连接于选择线174，且选择晶体管25的漏极连接于像素电源 Vdd0高激活的选择脉冲SEL从行扫描单元13经由选择线174施加到选择晶体管25的栅 极。选择晶体管25响应于选择脉冲SEL而进入导通状态，并随后将来自像素电源Vdd的电 压施加于放大晶体管26的漏极，从而使放大晶体管26进入激活状态(单位像素20正被选 中的状态)。放大晶体管26的栅极连接于FD部27，放大晶体管26的漏极连接于选择晶体管 25的源极。放大晶体管26的源极连接于垂直信号线18。放大晶体管26用作源极跟随电路的输入部和用于读取在光电二极管21中通过光 电转换获得的信号的读取电路。换言之，放大晶体管26的源极连接于垂直信号线18，以形 成电源(未图示)连接于垂直信号线18的末端的源极跟随电路。在本实施方式的电路例子中，选择晶体管25设计为连接于像素电源Vdd与放大晶 体管26的漏极之间。或者，选择晶体管25可以设计为连接于放大晶体管26的源极与垂直信号线18之间。此外，单位像素20的配置不限于具有如下四个晶体管传输晶体管23、复位晶体 管24、选择晶体管25和放大晶体管26。或者，单位像素20例如可以构造为具有三个晶体 管而没有选择晶体管25，其中像素的选择可以通过转换像素电源Vdd的电压而进行。像素 电路的配置不限于任何具体的配置。(横截面结构)图3是部分固体摄像装置的示意性横截面图，表示了固体摄像装置的从光电二极 管21到FD部27的横截面结构。在图3中，以图2中相同的附图标记表示相似的或对应的 部分。光电二极管21包括形成于第二导电类型(例如ρ型)阱28上的第一导电类型 (例如η型)区域211，且在η型区域211之上形成有相反导电(第二导电)类型(例如ρ+ 型)的区域212。光电二极管21用作存储光电子的埋入型光电二极管。电荷累积区22包括光电二极管21的近侧上的读出沟道223和光电二极管21的 远侧上的η型浮动扩散区。栅极224形成于读出沟道223和累积部222上。累积部222累 积(保持)由读出栅极部221从光电二极管21读取(传输)的信号电荷。作为累积部222 的浮动扩散区中的杂质浓度与光电二极管21的η型区域211相当，并且足以完全地耗尽。传输晶体管23的栅极231邻近电荷累积区22的累积部(浮动扩散区)222。传 输脉冲TRG施加到栅极231，并且电荷随后从累积部222传输到FD部27。FD部27由(η+) 区域形成，该区域具有比累积部222更高的电子密度。除了光电二极管21以外的所有区域 被诸如由钨制成的遮光膜29遮蔽。这里，电荷累积区22由CXD形成，并且从光电二极管21经由浮动扩散区222到FD 部27的传输路径上没有接触部。因此，由于光电二极管21是埋入型光电二极管，并且电荷 累积部由CCD形成，故可以实现电荷的完全的传输，同时在从光电二极管经由浮动扩散区 222到FD部27的传输路径中可以几乎不产生传输剩余。在本像素结构中，栅极224还在电荷累积区22上的浮动扩散区222上方延伸。或 者，如图4所示，可以形成单位像素20A，使得栅极224A仅形成于读出沟道223上。以此方 式，即使采用具有这种结构的单位像素20A，当对栅极224A施加传输脉冲TRG时，仍可通过 增加读出沟道223的电位而将电荷从光电二极管传输到累积部222。在如上所述的单位像素20的配置(结构)中，将电荷累积区22的累积部222定 义为第一累积部，且将FD部27定义为第二累积部。此外，电荷累积区22包括将电荷从光 电二极管21传输到累积部222 (第一累积部)的第一传输机构。传输晶体管23包括将电荷从累积部222传输到FD部27 (第二累积部)的第二传 输机构。复位晶体管24包括使FD部27复位的复位机构。放大晶体管26包括根据FD部 27中的电荷将信号读取到垂直信号线18的读取机构。(全局快门(Global shutter))如上所述，单位像素20包括在光电二极管21和FD部27之间用于暂时地累积(保 持)信号电荷的电荷累积区22。可使用任何已知技术在单位像素20上形成所述电荷累积 区22 (例如参见日本未审查专利申请公报11-177076号)。在单位像素20包括电荷累积区22的CMOS图像传感器10中，通过同时读取所有像素上光电转换的信号电荷并随后在电荷累积区22中累积电荷，可实现用于所有单位像 素(全局快门)的电子快门，而不需使用任何机械快门。此外，在电荷累积区22中暂时地 累积的信号电荷可通过行扫描单元13的扫描运动依次从每个像素行读取。(具有电荷累积区的单位像素的不足之处)具有电荷累积区22的单位像素20可能具有不足之处。即，将信号电荷从光电二 极管21读取到电荷累积区22之后，电荷累积区22由来自光电二极管21的电荷填充，且先 前保持于电荷累积区22中的电荷量会变化。例如，在稍微长于1/1000秒的曝光时段(累积时间)时，如果光量几乎等于填充 光电二极管21的量，则曝光时段可设置于1/1000秒。随后，每次对所有像素，将在光电二 极管21中已经过光电转换的信号电荷读取并累积于电荷累积区22中。之后，例如如果通 过行扫描花费了大约1/15秒的更长时间以依次读取电荷累积区22中的信号电荷，则来自 光电二极管21的电荷可不断地溢出到电荷累积区22。此外，在单位像素20中形成电荷累积区22会导致像素尺寸增加与电荷累积区22 的尺寸一样多的尺寸。若使该像素的尺寸几乎等于未设有电荷累积区22的像素的尺寸，则 光电二极管21可减少与电荷累积区22的尺寸一样多的尺寸。这种情况下，动态范围的减 少可能不令人满意。2.本发明的实施方式的有利特征在根据本发明的实施方式的诸如CMOS图像传感器的固体摄像装置中，单位像素 20包括电荷累积区22，并设计为使CMOS图像传感器的摄像表面可以通过机械快门接收入 射光。于是，通过机械快门实现了全局快门，同时使用电荷累积区22可增加动态范围。即，本实施方式克服了遮光的问题，该问题即，当不采用机械快门时，应当对除了 单位像素20中的光电二极管21之外的所有区域进行完全地遮光；本实施方式还实现了动 态范围的增加，同时实现了全局快门。这里，作为本实施方式的例子，描述了这样的CMOS图像传感器，其中单位像素以 矩阵形式二维布置，以检测作为响应于可见光的量的物理量的电荷。然而，本实施方式不限 于所述CMOS图像传感器。可替代地，本实施方式可应用于其中单位像素20包括电荷累积 区22的所有X-Y寻址型固体摄像装置的任何一种。此外，固体摄像装置可形成于片上结构 中或可形成于具有摄像功能的模块结构中，其中摄像单元与信号处理单元或光学系统组合 在封装中。此外，本实施方式的固体摄像装置可用作数字静物相机、摄像机等中的摄像装置 或电子设备中的图像拍摄单元(光电转换单元)，所述电子设备例如是诸如手机等具有摄 像功能的移动终端装置。3.根据本发明的实施方式的电子设备3-1.系统配置接下来，描述根据本发明的实施方式的电子设备，其中上述实施方式的固体摄像 装置与机械快门结合使用。这里，将诸如数字静物相机的摄像装置作为电子设备的例子加 以描述。图5是表示根据本发明的实施方式的摄像装置的示例性配置的框图。如图5所示， 本实施方式的摄像装置不仅包括前述CMOS图像传感器10，还包括光学模块51、相机信号处 理单元52、编码/解码器53、控制单元54、输入单元55、显示单元56以及记录介质57。
光学模块51包括用于将来自拍摄主体的光聚焦到CMOS图像传感器10的镜头 511、用于调节光量的光圈512、用于有选择地吸收光的机械快门513。此外，在静止图片摄 像模式时，以机械快门513进行快门操作可实现全局快门。此外，光学模块51拥有用于移动镜头511以进行调焦和缩放的镜头驱动机构、用 于控制光圈12的虹膜机构、用于驱动机械快门513的机械快门机构等。这些机构部件响应 于来自控制单元54的控制信号而受到驱动。CMOS图像传感器10为X-Y寻址型固体摄像装置，并响应于来自控制单元54的控 制信号进行前述单位像素20的曝光、信号读取、复位等的时序控制。在控制单元54的控制下，相机信号处理单元52对从CMOS图像传感器10输出的 图像信号进行诸如白平衡调节和色彩校正的相机信号处理。编码/解码器53在控制单元54的控制下运行，并以预定的诸如JPEG(联合图像 编码专家组，Joint Photographic Coding Experts Group)格式的静止图像数据格式进行 压缩编码处理。此外，编码/解码器53对从控制单元54提供的静止图像的编码数据进行扩展解 码处理。在编码/解码器53中，允许以MPEG (移动图片专家组，Moving Picture Experts Group)格式等进行压缩编码/扩展解码处理。控制单元54例如可以是具有中央处理单元(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存储器 (RAM)等的微控制器。此外，控制单元54通过执行存储于ROM等中的程序对摄像装置的每 个部件进行整体控制。输入单元55可包括诸如快门释放按钮的各种操作键、操作杆以及拨号盘，并响应 于诸如与用户的操作相关联而接收的输入，将各种控制信号输出到控制单元54。显示单元56可包括诸如液晶显示(IXD)的显示装置以及IXD的接口电路。在从 控制单元54提供的图像信号中，显示单元56产生在显示装置上显示的图像信号。随后，显 示单元56将产生的图像信号提供给显示装置并使显示装置显示图像。记录介质57可以是 便携半导体存储器、光盘、硬盘驱动器(HDD)、磁带等。记录介质57从控制单元54接收由编 码/解码器53编码的图像数据文件并随后存储该图像数据文件。此外，基于来自控制单元 54的控制信号，记录介质57读取指定的数据并随后输出该数据到控制单元54。在上面描述中，摄像装置以数字静物相机为例，但不限于数字静物相机。可替代 地，本实施方式适用于每个具有机械快门的所有摄像装置，所述机械快门用于有选择地吸 收从拍摄主体入射的光。此外，摄像装置可以是安装于具有摄像功能的电子设备上的模块 形式(即，相机模块)的摄像装置。3-2.视频模式参照图2所示的像素电路，描述作为具有以上配置的摄像装置的数字静物相机在 诸如监测模式的视频模式中的操作。在诸如监测模式的视频模式中，通过在像素行之间以使每行的累积时间有所不同 的异步关系进行快门操作，或通过决定每个像素行的曝光的开始和结束的卷帘式快门操 作，从光电二极管21读取信号电荷。图6是表示此时的行扫描的示意图。行扫描单元13进 行行扫描运动，使得可以以图6所示的关系依次扫描第一快门行、第二快门行以及读出行。 这里，第一快门行与第二快门行之间的间隔(扫描的时间点之间的间隔)长，而第二快门行与读出行之间的间隔短。图7是表示IH时段(扫描运动保持于一行中的时段)期间的驱动时序的图。第 一快门行使读取脉冲R0G、传输脉冲TRG以及复位脉冲RST进入激活状态(高电平)，并随 后使这些脉冲ROG、TRG以及RST依次进入非激活状态(低电平)。因此，使第一快门行上 的每个像素的光电二极管21与电荷累积区22复位。复位操作之后，在光电二极管21中重 新开始光电子的累积。第二快门行使传输脉冲TRG与复位脉冲RST进入激活状态(高电平)并随后使这 些脉冲TRG和RST依次进入非激活状态(低电平)，以首先使电荷累积区22的累积部222 复位。接下来，读取脉冲ROG进入激活状态，以将电荷从光电二极管21传输到电荷累积区 22的累积部222。此时传输的电荷是在从扫描第一快门行的时刻到扫描第二快门行的时刻 的时段期间进行光电转换的电荷。在读出行上，选择脉冲SEL进入激活状态以选择像素。在保持选择脉冲SEL处于 激活状态的时段期间，首先，通过使复位脉冲RST进入激活状态以使FD部27复位。对应于 复位时的FD部27的电压的信号进入第一复位电平(以下，称为“Rstl电平”)，随后该信号 被从放大晶体管26经由垂直信号线18提供到列处理单元14。接下来，传输脉冲TRG进入激活状态，以将光电子从电荷累积区22的累积部222 传输到FD部27。此时的光电子为在从扫描第一快门行的时刻到扫描第二快门行的时刻的 时段期间内的信号。对应于在传输光电子时的FD部27的电压的信号定义为处于第一信号 电平(以下，也称为“FD电平”)的信号，并随后该信号被从放大晶体管26经由垂直信号线 18提供到列处理单元14。随后，复位脉冲RST再次进入激活状态以再次使FD部27复位。对应于在第二次 复位时的FD部27的电压的信号定义为处于第二复位电平(以下，也称为“Rst2电平”)的 信号，并随后该信号被从放大晶体管26经由垂直信号线18提供到列处理单元14。随后，读 取脉冲ROG和传输脉冲TRG都进入激活状态且读取脉冲ROG随后进入非激活状态，以将光 电子从光电二极管21通过电荷累积区22传输到FD部27。此时要传输的光电子是在从扫 描第二快门行的时刻到扫描读出行的时刻的时段期间内的信号。例如，信号可在进行第二 快门操作的时刻到扫描读出行的时段之前或期间出现的时刻的期间中累积。随后，对应于 此时FD部27的电压的信号定义为处于第二信号电平(以下，也称为“PD电平”)的信号， 该信号随后从放大晶体管26经由垂直信号线18被提供到列处理单元14。列处理单元14进行算术处理，以计算经由垂直信号线18提供的FD电平与Rstl 电平之间的差异以及PD电平与Rst2电平之间的差异。通过前一算术处理获得的信号定义 为FD信号，且通过后一算术处理获得的信号定义为PD信号。这种情况下，FD信号是从扫 描第一快门行的时刻到扫描第二快门行的时刻的长累积时间的信号。因此，该FD信号是高 灵敏度的信号。另一方面，PD信号是诸如从扫描第二快门行的时刻到扫描读出行的时刻的 短累积时间的信号。短累积时间可以是从进行第二快门操作的时刻到扫描读出行时段之前 或期间出现的时刻。因此，该PD信号是低灵敏度的信号。随后，对高灵敏度信号和低灵敏度信号进行合成处理，以获得动态范围宽的信号。 该合成处理可在列处理单元14中进行。可替代地，合成处理可在形成于芯片(图1的半导 体基板11)的输出级中的输出电路部件或芯片的外部的信号处理单元(图5的相机信号处理单元52)中进行。(用于获得宽的动态范围的合成处理)这里，描述用于获得宽的动态范围的合成处理的例子。图8是表示用于获得宽的 动态范围的合成处理部60的配置的图。合成处理部60包括电平判断单元61、乘法单元62以及信号选择单元63。电平判 断单元61负责电平判断，以在FD信号(第一信号)与基准电平之间进行比较，以判断FD 信号是否处于可观察到差的信号线性度的饱和电平或处于饱和电平附近的电平。乘法单元 62将PD信号(第二信号)乘以PD信号与FD信号之间的灵敏度比α。灵敏度比α可从确定PD信号的曝光时段的第二快门行到读出行的间隔与确定FD 信号的曝光时段的第一快门行到第二快门行的间隔之间的比例获得。信号选择单元63采用两个输入，即FD信号和从乘法单元62输出的信号。基于电 平判断单元61的判断结果，信号选择单元63选择这两个输入之一并随后产生动态范围宽 的信号。具体地，在FD信号处于观察到差的信号线性度的饱和电平或处于饱和电平附近的 电平的情况下，信号选择单元63选择从乘法单元62输出的信号(即，PD信号X灵敏度比 α )，或在其它情况下选择FD信号。于是，当FD信号处于观察到差的信号线性度的饱和电平或处于饱和电平附近的 电平时，选择“PD信号X灵敏度比α ”。如果FD信号小于基准电平，则使用没有变化的FD 信号进行用于获得动态范围宽的信号的合成处理。合成处理部60可通过如上所述的简单 的信号处理实现该合成处理。于是，电路结构可最小化。因此，合成处理部60可容易地安 装于具有有限空间的列处理单元14上。这里，如果信号选择单元63简单地选择“PD信号X灵敏度比α ”与FD信号之一， 则在“PD信号X灵敏度比α ”和FD信号之间的边界附近可能出现不希望的信号中的电平 差异，即所谓的曝光过度(solarization)。为避免信号之间的所述电平差异，进行加权平均 的处理，从而可在接近边界的较小信号的一侧对FD信号加权并可在接近边界的较大信号 的一侧对“PD信号X灵敏度比α ”加权。例如，如果灵敏度比α等于4(α = 4)，则因为PD信号的电平是FD信号的电平的 四分之一，故可将PD信号的电平放大四倍。通过加权平均的处理获得的合成信号可由下面
等式表不合成信号=FD信号X β+PD信号Χα Χ(1-β)，其中β为系数。图9是表示关于FD信号和PD信号的每一个的光强度与信号电平之间的关系的 图。在图9中，电平“a”为用于判断FD信号是否小的基准电平(第二基准电平)，并且例如 设置为饱和电平的将近一半。此外，电平“b”为用于判断FD信号是否处于观察到差的信号 线性度的饱和电平或处于饱和电平附近的电平的基准电平(第一基准电平)。如图10所示，如上所述的加权平均处理可通过在信号选择单元63的后面的部件 中形成加权平均单元64而实现。具体地，例如，所述加权平均单元64包括于合成处理部 60A中，并基于FD信号的电平确定系数β的值，以执行以上算术处理。图11是图示了 FD信号和系数β的值之间的关系的例子的图。如果FD信号不 高于基准电平“a”，则将系数β的值设为1(壹)。如果FD信号不低于基准电平“b”，或处 于观察到差的信号线性度的饱和电平或处于饱和电平附近的电平，则将系数β的值设为0(零)。如果FD信号的电平可信号<b表示，则基于FD信号的电平，系数β的 值从1到0线性地变化。根据如上所述的系数β的设定值，加权平均处理可表示如下(1)如果FD信号彡a，则合成信号=FD信号；(2)如果b彡FD信号，则合成信号=PD信号X灵敏度比α ；以及(3)如果a < FD信号< b，则合成信号=FD信号X β +PD信号X α X (1-β )。通过进行如上所述的加权平均处理，可使“PD信号X灵敏度比α ”和FD信号平 滑地连接。于是，可基本上避免处于“PD信号X灵敏度比α ”和FD信号之间的边界的信 号之间的任何电平差异。如后所述，通过合成处理部60或60Α进行的合成处理不仅适用于 视频，而且适用于静止图像。通过行扫描单元13依次选择进行以上操作的像素行，并随后进行卷帘式快门操 作。于是，可从一个图像获得具有不同灵敏度的信号，而无需使用任何帧存储器，且没有复 位信号重叠于先前输出的信号上。此外，可对具有不同灵敏度的信号或对高灵敏度信号与 低灵敏度信号进行合成处理，以扩展CMOS图像传感器10的动态范围。具体地，通过从一个像素获得具有不同灵敏度的信号，可避免输出图像的分辨率 的降低。换言之，摄像表面上的每个单位像素与输出图像的每个像素具有一一对应关系。也 可使彼此邻近的两个以上单位像素的组合对应于输出图像的一个像素。因此，与从两个以 上单位像素的组合获得具有不同灵敏度的信号的任何技术相比，该技术不存在输出图像的 分辨率的降低。这里，更优选地是，与继FD信号之后读取的PD信号相比，被首先读取的FD信号可 具有更长时间的曝光。这是因为，如果继FD信号之后读取的PD信号具有长时间的曝光，则 当在长时间的曝光的时段内将大量的光引入光电二极管21时，由于电荷从光电二极管21 溢出到电荷累积区22，故累积部222中电荷量出现变化。因此，要延长第一快门行与第二快门行之间的间隔，同时缩短第二快门行与读出 行之间的间隔。因此，在电荷保持于累积部222中的后一间隔期间，可以避免电荷从光电二 极管21溢出到累积部222。此外，如果在FD信号之后读取的PD信号具有短时间的曝光，则 因为传输的电荷量较小，可容易地使电荷从光电二极管21经由电荷累积区22传输到FD部 27。因为甚至可以使PD信号被检测为处于饱和，故足以引起光电二极管21在扫描第 二快门的时刻与扫描读出行的时刻之间的短间隔内出现溢出的强光也是令人满意的。因 此，较长和较短的曝光时段以该顺序设置。即，由于要在PD信号之前读取的FD信号设置成 曝光时间比在FD信号之后读取的PD信号更长的信号，故通常不需要为像素设置额外的总 线用于使从光电二极管溢出的电荷移动到另一处。此外，在电荷累积区22中，优选地，施加于栅极224的读取脉冲ROG在其低电平侧 可以是-IV等负电压。通过将读取脉冲ROG的低电平侧设置为负电压，可在界面中产生电 子空穴，且于是可避免从界面产生暗电流。3-3.静止图像模式接下来，参照图2所示的像素电路描述根据本实施方式的摄像装置在静止图像模 式时的操作。可能不希望存在这样的情况，即移动物体在静止图像中出现失真(distort)。于是，需要确保各像素的同时曝光。在该实施方式中，使用机械快门的快门操作来确保同时 曝光。此外，需要注意，不是为了实现全局快门操作，而是为了扩展动态范围而设有电荷累 积区22。图12是表示在静止图像模式时的操作的实例的操作图。首先，在布置于入射到 CMOS图像传感器10的光路中的机械快门513(见图5)正被打开(“开”)的曝光时段中， 进行第一组合快门操作。在该第一组合快门操作中，对于所有像素行，读取脉冲R0G、传输脉 冲TRG以及复位脉冲RST进入激活状态。随后，对于所有像素而言同时地，这些脉冲R0G、 TRG以及RST依次进入非激活状态，以使电荷累积区22的累积部222复位。这里，以完全同 时的方式驱动所有像素可能引起电源下降等。于是，例如，可在短时间内对多个像素行(例 如，每十行)进行所述操作，以便以大致同时的方式对各像素进行操作。以下，“所有像素同 时”(或类似表述)也指这样的情况。接下来，进行第二快门操作。在该第二组合快门操作中，传输脉冲TRG与复位脉冲 RST进入激活状态，并随后这些脉冲TRG与RST依次进入非激活状态，以使所有像素的FD部 27同时地复位。随后，在复位脉冲RST进入非激活状态之后，读取脉冲ROG进入激活状态以 使电荷同时地从所有像素的光电二极管21传输到电荷累积区22的累积部222。这里，电荷 是在预定的时段(图12中的“I”)内在光电二极管21中累积的电荷。接下来，机械快门513进入关闭状态(“关”)以结束曝光时段。此时，光电子在光 电二极管21中累积预定的时段(图12中的“II”)。这里，时段“II”短于时段“I”。随后， 行扫描单元13对像素阵列单元的读出行进行扫描运动。对读出行进行与视频模式中的操作相同的操作。具体地，在选择脉冲SEL处于激 活状态的时段期间，复位脉冲RST进入激活状态以使FD部27复位，并随后读取Rstl电平。 接下来，传输脉冲TRG进入激活状态。随后，传输晶体管23将光电子从电荷累积区22的累 积部222传输到FD部27，以读取FD电平。接下来，复位RST进入激活状态，以再次复位FD部27，随后读取Rst2电平。随后， 读取脉冲ROG与传输脉冲TRG都进入激活状态，且读取脉冲ROG与传输脉冲TRG随后进入 非激活状态，以将光电子从光电二极管21传输到FD部27，以读取PD电平。因此，可分别对 列处理单元14提供一组FD电平与Rstl电平以及一组PD电平与Rst2电平。以类似于视频模式的方式，在列处理单元14中进行信号处理，以判断FD电平与 Rstl电平之间的差异以及PD电平与Rst2电平之间的差异。如果将前者定义为FD信号并 将后者定义为PD信号，则FD信号是具有长时段(I)的高敏感信号，所述长时段(I)从第一 组合快门操作的时刻到第二组合快门操作的时刻。另一方面，PD信号是具有短时段(II) 的低敏感信号，所述短时段(II)例如是从扫描第二快门行的时刻到扫描读出行的时刻。所 述短时段可以是从进行第二快门操作时刻到扫描读出行的时段之前或期间出现的时刻。随 后，进行合成处理，以将高敏感FD信号与低敏感PD信号加以合成，从而获得动态范围宽的 信号。这里，更优选地，与继FD信号之后读取的PD信号相比，被首先读取的FD信号可具 有长时间的曝光。这是因为，如果继FD信号之后读取的PD信号具有长时间的曝光，则当在 长时间的曝光的时段内将大量的光引入光电二极管21时，由于电荷从光电二极管21溢出 到电荷累积区22，故累积部222中的电荷量出现变化。于是，可延长从第一组合快门操作的时刻到第二组合快门操作的时刻的时段(I)，同时可缩短从第二组合快门操作的时刻到机 械快门513的“关闭”的时段(II)。因此，在电荷保持于电荷累积区22的累积部222中的时段(II)期间，可避免电荷 从光电二极管21溢出到电荷累积区22的累积部222。此外，如果在FD信号之后读取的PD 信号是具有较短的曝光时段的信号，则会有较小的电荷量从光电二极管21经由电荷累积 区22传输到FD部27。因此，可更容易地从光电二极管21传输电荷。尽管在从第二组合快门操作的时刻到机械快门513的“关”的时段(II)期间，电 荷会从光电二极管21溢出，然而因为光强度可检测为不低于饱和电平，故不必考虑这种情 况。因此，由于以此顺序布置较长和较短的曝光时段，或将PD信号之前读取的FD信号设计 为比在FD信号之后读取的PD信号具有更长的曝光时段的信号，故在像素中不必包括额外 的总线以使得从光电二极管21溢出的电荷逃逸到另一处。根据本实施方式，可在机械快门513关闭的同时扫描读出行。于是，可克服在诸如 日本未审查专利申请公报11-177076号公开的技术中出现的任何缺点，该公报公开的技术 中单位像素20具有电荷累积区22并使用所述电荷累积区22实现全局快门。换言之，可以 避免电荷累积区22的累积部222中的电荷量出现变化，所述电荷量出现变化是由于读取扫 描需要长时段地引入光而造成电荷从光电二极管21溢出的结果。3-4.本实施方式的操作和效果如上所述，在CMOS图像传感器10中，单位像素20包括光电二极管21与FD部27 之间的电荷累积区22，电荷累积区22的使用可扩展动态范围。具体地，使用电荷累积区22 获得具有不同灵敏度的多个信号，并随后对所述多个信号进行合成处理，以获得宽的动态 范围。在拍摄静止图像时，通过机械快门513的快门操作，可确保屏幕中曝光时刻的同时性。此外，在本实施方式中，可从一个单位像素20获得具有不同灵敏度的两个以上信 号，从而避免在使用两个以上像素以获得具有不同灵敏度的信号的情况下可出现的分辨率 的降低。在从一个像素以不同的行扫描时刻输出具有不同灵敏度的两个以上信号的情况 下，不需要帧存储器便可同时地产生具有不同灵敏度的两个以上信号。此外，由于从相同像素产生具有不同灵敏度的信号，故可对信号进行用于实现宽 的动态范围的合成处理，而不会受到由于空间移位造成的伪色彩的影响或当使用来自不同 像素的信号时像素之间的特性差异的影响。此外，由于用于暂时地累积电荷的电荷累积区22布置于光电二极管21与FD部27 之间，故可获得下面的有利效果。即，将施加于电荷累积区22的栅极224的读取脉冲ROG 的低电平侧设为负电压。于是，可在电荷累积区22的表面上产生电子空穴，以减少从界面 产生的暗电流。此外，在使FD部27复位之后进行电荷的传输。于是，关于每个高敏感信号和低敏 感信号，进行读取处理，从而可在输出FD电平和PD电平之前输出复位电平Rstl和Rst2。 因此，与在后输出复位电平的任何现有技术相比，提前从一个像素输出的信号上不会叠加 有任何复位噪声。尽管有以上描述，然而电荷累积区22不限于还在浮动扩散区222上布置有栅极 224的CCD结构。可替代地，其可以是可暂时地存储从光电二极管21读出的电荷并随后传输该电荷的任何配置(机构)。此外，可替代地，可形成额外的传输栅极单元和额外的电荷 累积区。在电荷累积区22中，在累积部222中累积的饱和电荷量可稍微大于光电二极管21 中的，以从光电二极管21接收电荷。即使以该方式设置累积部222中累积的饱和电荷量， 当累积时间的比增加“η”倍时，仍可扩展动态范围。例如，当累积时间的比为八倍时，动态 范围可扩展八倍。换言之，累积部222不必设有八倍容量便可使动态范围扩展八倍。尽管使用具有不同灵敏度的两个信号的例子描述了上述实施方式，其中，从一个 单位像素20获得高灵敏度信号和低灵敏度信号。可替代地，本实施方式还适用于其中可形 成有多个电荷累积区22以从一个单位像素20获得三个以上不同信号的其它例子。本领域的技术人员应当明白，在不脱离所附权利要求及其等同物的范围内，取决 于设计需要和其它因素可出现各种变化、组合、子组合和替代。
权利要求
1.一种固体摄像装置，其包括像素阵列单元和行扫描单元，在所述像素阵列单元中，以矩阵形式二维布置有多个单位像素，其中每个所述单位像 素包括光电转换部，其用于累积通过光电转换产生的电荷；第一传输结构，其用于将所述电荷从所述光电转换部传输到第一电荷累积部； 第二传输结构，其用于将所述电荷从所述第一电荷累积部传输到第二电荷累积部； 读出结构，其用于将响应于所述电荷的信号读出到信号线；和 复位结构，其用于使所述第二电荷累积部复位，其中， 所述行扫描单元通过驱动所述单位像素，使得 所述光电转换部复位，所述第一传输结构将所述电荷从所述光电转换部传输到所述第一电荷累积部， 所述第二传输结构和所述读出结构将响应于所述第一电荷累积部的电荷的第一信号 读出到所述信号线，并随后所述第一传输结构、所述第二传输结构以及所述读出结构将响应于所述光电转换部的 电荷的第二信号读出到所述信号线。
2.如权利要求1所述的固体摄像装置，其中，所述行扫描单元扫描第一快门行、第二快 门行和读出行，所述第一快门行用于复位所述光电转换部，所述第二快门行用于通过所述第一传输结构将所述光电转换部的所述电荷传输到所 述第一电荷累积部，并且所述读出行通过所述第二传输结构和所述读出结构将所述第一信号读取到所述信号 线，并通过所述第一传输结构、所述第二传输结构以及所述读出结构将所述第二信号读取 到所述信号线，其中，所述第一快门行、所述第二快门行以及所述读出行被依次扫描，同时从扫描所述第一 快门行的时刻到扫描所述第二快门行的时刻的时段不同于从扫描所述第二快门行的时刻 到扫描所述读出行的时刻的时段。
3.如权利要求2所述的固体摄像装置，其中，从扫描所述第一快门行的时刻到扫描所述第二快门行的时刻的时段长于从扫描所述 第二快门行的时刻到扫描所述读出行的时刻的时段。
4.如权利要求1所述的固体摄像装置，其中，所述第一传输结构包括形成于所述光电转换部与所述第一电荷累积部之间的沟道，以 及形成于所述沟道与所述第一电荷累积部上的栅极。
5.如权利要求4所述的固体摄像装置，其中，在所述第一电荷累积部中保持电荷的时段期间施加于所述栅极的电压是产生与所述 栅极下方的所述第一电荷累积部的电荷极性相反的电荷的电压。
6.如权利要求1所述的固体摄像装置，其中， 光通过机械快门入射到所述光电转换部上，所述行扫描单元用于在所述机械快门的开状态中同时地使所有所述单位像素的所述 光电转换部复位，所述第一传输结构用于同时地将所述光学转换部的电荷传输到所有所述单位像素中 的所述第一电荷累积部，所述像素阵列单元中的所述单位像素在所述机械快门的关状态中以行为单位被依次 选中，所述第一信号被所述第二传输结构和所述读出结构读取到所述信号线，并且在扫描的同时，所述第二信号被所述第一传输结构、所述第二传输结构以及所述读出 结构读取到所述信号线。
7.如权利要求6所述的固体摄像装置，其中，从同时地复位所有所述像素到同时地传输至所有所述像素中的所述第一电荷累积部 的时段长于随后的关闭所述机械快门的时段。
8.如权利要求2或6所述的固体摄像装置，其中，还具有合成处理部，其用于对通过所述信号线输出的所述第一信号和所述第二信号进 行合成处理。
9.如权利要求8所述的固体摄像装置，其中，当所述第一信号处于饱和电平或不低于所述饱和电平附近的基准电平时，所述合成处 理部采用所述第二信号X α，且当所述第一信号不高于所述基准电平时，所述合成处理部 采用所述第一信号，其中，所述α是所述第一信号与所述第二信号之间的灵敏度比。
10.如权利要求8所述的固体摄像装置，其中，当所述第一信号不高于饱和电平或所述饱和电平附近的第一基准电平或者不低于小 于所述第一基准电平的第二基准电平时，所述合成处理部用于对所述第一信号和通过所述 第二信号X α获得的信号进行加权平均处理。
11.如权利要求10所述的固体摄像装置，其中，所述合成处理部通过所述第一信号X β +所述第二信号X α X (l-β)的算术计算进 行加权平均处理，其中β为系数。
12.—种固体摄像装置的驱动方法，其中，所述固体摄像装置包括以矩阵形式二维布置 的多个单位像素，且每个所述单位像素包括光电转换部，其用于累积通过光电转换产生的电荷，第一传输结构，其用于将所述电荷从所述光电转换部传输到第一电荷累积部，第二传输结构，其用于将所述电荷从所述第一电荷累积部传输到第二电荷累积部，读出结构，其用于将响应于所述电荷的信号读出到信号线，和复位结构，其用于使所述第二电荷累积部复位，其中，通过驱动所述固体摄像装置，从而依次扫描第一快门行、第二快门行以及读出行，所述 第一快门行使所述光电转换部复位，所述第二快门行通过所述第一传输结构将所述光电转 换部的电荷传输到所述第一电荷累积部，在所述读出行处，所述第二传输结构与所述读出 结构将响应于所述第一电荷累积部的电荷的第一信号读出到所述信号线，且随后所述第一 传输结构、所述第二传输结构以及所述读出结构将响应于所述光电转换部的电荷的第二信 号读出到所述信号线，同时从扫描所述第一快门行的时刻到扫描所述第二快门行的时刻的 时段不同于从扫描所述第二快门行的时刻到扫描所述读出行的时刻的时段。
13.一种固体摄像装置的驱动方法，其中，所述固体摄像装置包括以矩阵形式二维布置 的多个单位像素，且每个所述单位像素包括光电转换部，其用于累积通过光电转换产生的电荷；第一传输结构，其用于将所述电荷从所述光电转换部传输到第一电荷累积部； 第二传输结构，其用于将所述电荷从所述第一电荷累积部传输到第二电荷累积部； 读出结构，其用于将响应于所述电荷的信号读出到信号线；以及 复位结构，其用于使所述第二电荷累积部复位，其中， 通过驱动所述固体摄像装置，从而 光通过机械快门入射到所述光电转换部上，在所述机械快门的开状态中，使所有所述单位像素的所述光电转换部同时地复位， 所述第一传输结构同时地将所述光学转换部的电荷传输到所有所述单位像素中的所 述第一电荷累积部，在所述机械快门的关状态中，像素阵列单元中的所述单位像素以行为单位被依次扫描，所述第二传输结构和所述读出结构将响应于所述第一电荷累积部的电荷的第一信号 读出到所述信号线，且随后所述第一传输结构、所述第二传输结构以及所述读出结构将响应于所述光电转换部的 电荷的第二信号读出到所述信号线。
14.一种具有固体摄像装置的电子设备，该固体摄像装置包括像素阵列单元和行扫描 单元，在所述像素阵列单元中，以矩阵形式二维布置有多个单位像素，且每个所述单位像素 包括光电转换部，其用于累积通过光电转换产生的电荷；第一传输结构，其用于将所述电荷从所述光电转换部传输到第一电荷累积部； 第二传输结构，其用于将所述电荷从所述第一电荷累积部传输到第二电荷累积部； 读出结构，其用于将响应于所述电荷的信号读出到信号线；以及 复位结构，其用于使所述第二电荷累积部复位，所述行扫描单元用于依次扫描第一快门行、第二快门行以及读出行，其中， 所述第一快门行用于复位所述光电转换部，所述第二快门行通过所述第一传输结构将所述光电转换部的电荷传输到所述第一电 荷累积部，以及所述读出行使所述第二传输结构与所述读出结构能够将响应于所述第一电荷累积部 的电荷的第一信号读取到所述信号线，并随后使所述第一传输结构、所述第二传输结构以 及所述读出结构能够将响应于所述光电转换部的电荷的第二信号读取到所述信号线，并且 所述行扫描单元进行所述扫描时，从扫描所述第一快门行的时刻到扫描所述第二快门 行的时刻的时段不同于从扫描所述第二快门行的时刻到扫描所述读出行的时刻的时段。
15.一种电子设备，其包括固体摄像装置，该固体摄像装置具有像素阵列单元和机械快门， 在所述像素阵列单元中，以矩阵形式二维布置有多个单位像素，且每个所述单位像素包括光电转换部，其用于累积通过光电转换产生的电荷；第一传输结构，其用于将所述电荷从所述光电转换部传输到第一电荷累积部； 第二传输结构，其用于将所述电荷从所述第一电荷累积部传输到第二电荷累积部； 读出结构，其用于将响应于所述电荷的信号读出到信号线；和 复位结构，其用于使所述第二电荷累积部复位，所述机械快门用于有选择地吸收入射到所述固体摄像装置的摄像表面的光，其中， 所述固体摄像装置的行扫描单元在所述机械快门的开状态中同时地使所有所述单位 像素的所述光电转换部复位，所述第一传输结构同时地将所述光电转换部的电荷传输到所有所述单位像素中的所 述第一电荷累积部，所述像素阵列单元中的所述单位像素在所述机械快门的关状态中从每个行被依次扫描，所述第二传输结构与所述读出结构将响应于所述第一电荷累积部的电荷的第一信号 读出到所述信号线，且随后所述第一传输结构、所述第二传输结构以及所述读出结构将响应于所述光电转换部的 电荷的第二信号读出到所述信号线。
16.一种控制固体摄像装置的方法，所述方法包括从电荷累积区读取第一信号，所述第一信号对应于在第一时段期间的信号电荷的累 积；以及从所述电荷累积区读取第二信号，所述第二信号对应于在第二时段期间的信号电荷的 另一累积；其中，所述第一时段是从进行第一快门操作的时刻到进行第二快门操作的时刻，且 所述第二时段是从进行所述第二快门操作的时刻到扫描读出行的时段之前或期间出 现的时刻。
17.如权利要求16所述的方法，其中，对应于所述另一累积的所述信号电荷在光电转 换元件中累积。
18.如权利要求16所述的方法，其中，在曝光时段的第一间隔期间，对多个像素行进行所述第一快门操作；以及 在所述曝光时段的第二间隔期间，对所述多个像素行进行所述第二快门操作。
19.如权利要求16所述的方法，其中，逐行进行所述第一快门操作与第二快门操作。
20.如权利要求18所述的方法，其中，对所述多个像素行同时进行所述第一快门操作；且随后 对所述多个像素行同时进行所述第二快门操作。
21.如权利要求16所述的方法，其中， 在所述第二快门操作之后关闭机械快门。
22.如权利要求21所述的方法，其中， 在扫描所述读出行的时段期间关闭机械快门。
23.如权利要求22所述的方法，其中， 关闭所述机械快门以结束所述第二时段。
24.如权利要求16所述的方法，其中，所述第二时段短于所述第一时段，所述第二时段出现在所述第一时段之后。
25.如权利要求16所述的方法，还包括进行第一复位操作以使所述电荷累积区复位，所述第一复位操作发生于所述第一信号 的所述读取之前；以及进行第一传输操作以从电荷累积部传输信号电荷，其中，所述第一传输操作发生于所述第一复位操作与所述第一信号的所述读取之间。
26.如权利要求16所述的方法，还包括进行第二复位操作以使所述电荷累积区复位，所述第二复位操作发生于所述第二信号 的所述读取之前；以及进行第二传输操作以从所述电荷累积部传输信号电荷， 其中，所述第二传输操作发生于所述第二复位操作之后。
27.如权利要求16所述的方法，还包括进行合成处理以将所述第一信号添加到所述第二信号。
28.如权利要求27所述的方法，其中，所述合成处理包括比较所述第一信号与第一基准电平，以判断所述第一信号的饱和电平； 基于所述第一信号与所述第二信号之间的灵敏度比修改所述第二信号，从而获得经修 改的第二信号；基于所述比较选择所述第一信号与所述经修改的第二信号之一，以产生输出信号。
29.如权利要求28所述的方法，其中，所述灵敏度比是确定所述第一信号的曝光时段 的所述第二快门行和所述读出行的间隔与确定所述第二信号的曝光时段的所述第一快门 行和所述第二快门行的间隔之间的比。
30.如权利要求28所述的方法，其中，所述合成处理还包括如果所述第一基准信号处于所述第一基准电平与第二基准电平之间，则基于系数β 对所述输出信号进行加权平均处理，其中，所述系数β是0与1之间的值。
31.一种固体摄像装置，其包括多个像素和扫描单元，其中，所述多个像素中的每个像素包括光电转换元件和电荷累积区，并且 所述扫描单元配置为从所述电荷累积区读取第一信号，所述第一信号对应于在第一时段期间的信号电荷的 累积，以及从所述电荷累积区读取第二信号，所述第二信号对应于在第二时段期间的信号电荷的 另一累积，其中，所述第一时段是从进行第一快门操作的时刻到进行第二快门操作的时刻；以及 所述第二时段是从进行所述第二快门操作的时刻到扫描读出行的时段之前或期间出 现的时刻。
32.—种包括固体摄像装置的电子设备，所述固体摄像装置包括多个像素和扫描单元，所述多个像素中的每个像素包括光电转换元件与电荷累积区，并且 所述扫描单元配置为从所述电荷累积区读取第一信号，所述第一信号对应于在第一时段期间的信号电荷的 累积，以及从所述电荷累积区读取第二信号，所述第二信号对应于在第二时段期间的信号电荷的 另一累积；其中，所述第一时段是从进行第一快门操作的时刻到进行第二快门操作的时刻；以及 所述第二时段是从进行所述第二快门操作的时刻到扫描读出行的时段之前或期间出 现的时刻。
全文摘要
本发明提供了一种固体摄像装置、其驱动方法以及电子设备，其中所述固体摄像装置包括多个像素和扫描单元。每个像素包括光电转换元件和电荷累积区。扫描单元配置为从电荷累积区读取第一信号。扫描单元配置为从电荷累积区读取第二信号。第一信号对应于在第一时段期间的信号电荷的累积，同时第二信号对应于在第二时段期间的信号电荷的另一累积。本发明不需要使用任何帧存储器且不会在在前的输出信号上重叠复位信号，便可以从一个像素获得具有不同灵敏度的多个信号。此外，在静止图像拍摄操作中可以保证所有像素的曝光时段的同时性。
文档编号H04N5/374GK101998066SQ201010248428
公开日2011年3月30日 申请日期2010年8月9日 优先权日2009年8月10日
发明者马渕圭司 申请人:索尼公司