CN101378461A - 摄像装置 - Google Patents

Abstract

摄像装置，包括多个像素以及增加所述像素中存储的电荷的增加部分，其中，响应于入射到所述像素上的光的亮度，对包括至少一个像素的每组，由所述增加部分控制增加电荷的次数。

Description

摄像装置

相关申请的交叉参考

在先申请号JP2007-221279，Iamge Pickup Apparetus，2007年8月28日，Tatsushi Ohyama，Toshikazu Ohno、JP2007-222555，IamgePickup Apparatus，2007年8月29日，Toshikazu Ohno，Tatsushi Ohyama是本专利申请的基础，结合在此作为参考。

技术领域

本发明涉及摄像装置，更具体地，本发明涉及增加像素中存储的电荷的摄像装置。

背景技术

一般而言，增加像素中存储的电荷的摄像装置是已知的。

一般而言，已知包括四个栅极电极的CCD(电荷耦合设备)摄像装置，其中，在各个栅极电极之下形成了像素分离屏障、电荷临时存储井、电荷转移屏障和电荷积蓄井。在这样的CCD摄像装置中，在电荷转移屏障和电荷积蓄井之间的界面上彼此相邻形成高电场区域。当临时存储井中存储的电荷穿过电荷转移屏障并移动至电荷积蓄井时，在该高电场区域中碰撞离子增加了电荷。在这样的CCD摄像装置中，将上一帧之后的一帧的高电场区域的电场强度控制为与该上一帧的亮度值成正比。因此，可以改进该CCD摄像装置的灵敏度。

发明内容

根据本发明的第一方面的摄像装置包括多个像素以及增加所述像素中存储的电荷的增加部分，其中，响应于入射到所述像素上的光的亮度，对每组至少一个像素，由所述增加部分控制增加电荷的次数。

根据本发明的第二方面的摄像装置包括多个像素、增加所述像素中存储的电荷的增加部分以及改变所述像素的曝光时间的曝光时间改变部分，其中，响应于入射到所述像素上的光的亮度，对包括至少一个像素的每组，切换对增加所述像素中存储的电荷的次数的控制以及对所述像素的曝光时间的控制。

结合附图，通过本发明的以下详细描述，本发明的上述和其他目的、特征、方面和优点将变得更加显而易见。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例的CMOS摄像装置的框图；

图2是示出了根据本发明第一实施例的摄像装置的包括多个像素的图像传感器的图；

图3是示出了根据本发明第一实施例的摄像装置像素的增加的控制的框图；

图4是示出了根据本发明第一实施例的摄像装置的像素结构的电路图；

图5是示出了根据本发明第一实施例的摄像装置的操作的控制流程的流程图；

图6是示出了根据本发明第一实施例的摄像装置的像素选择的控制流程的流程图；

图7是示出了在增加电荷之后的亮度值与入射到像素上的光的明亮度(亮度)之间的关系的图；

图8是示出了根据本发明第一实施例的摄像装置的增加的次数的控制流程的流程图；

图9是示出了根据本发明第二实施例的摄像装置的像素的增加部分的控制的框图；

图10是示出了根据本发明第二实施例的摄像装置的控制流程的流程图；

图11是根据本发明第三实施例的摄像装置的像素的增加部分的控制的框图；

图12是示出了根据本发明第四实施例的摄像装置的像素结构的电路图；

图13是示出了根据本发明第五实施例的摄像装置的像素结构的电路图；

图14是示出了根据本发明第六实施例的摄像装置的控制流程的流程图；

图15是示出了根据本发明第七实施例的摄像装置的图像传感器的列解码器的图；

图16是示出了根据本发明第八实施例的列解码器和图像传感器的图；

图17是示出了根据本发明第九实施例的摄像装置的像素结构的图；

图18是示出了根据本发明第十实施例的摄像装置的像素的增加控制的框图；

图19是示出了根据本发明第十实施例的摄像装置的像素结构的电路图；

图20是示出了根据本发明第十实施例的摄像装置的像素控制的流程图；

图21是示出了根据本发明第十一实施例的摄像装置的像素结构的电路图；

图22是示出了根据本发明第十二实施例的摄像装置的像素结构的框图；

图23是示出了根据本发明第十二实施例的摄像装置的操作的控制的流程图；

图24是示出了根据本发明第十二实施例的摄像装置的增加次数的控制流程的流程图；

图25是示出了根据本发明第十三实施例的摄像装置的操作的控制流程的流程图；

图26是示出了根据本发明第十三实施例的摄像装置的增加的次数的控制流程的流程图；

图27是示出了根据本发明第十四实施例的摄像装置的图像传感器的像素结构的图；

图28是根据本发明第十五实施例的CMOS摄像装置的框图；

图29是示出了根据本发明第十五实施例的摄像装置的包括多个像素的图像传感器的图；

图30是示出了根据本发明第十五实施例的摄像装置的像素的增加操作的控制的框图；

图31是示出了根据本发明第十五实施例的摄像装置的像素结构的电路图；

图32是示出了根据本发明第十五实施例的摄像装置的操作的控制流程的流程图；

图33是示出了根据本发明第十五实施例的摄像装置的像素的选择的控制流程的流程图；

图34是示出了在增加电荷之后的亮度值和在控制曝光时间之后的亮度值与入射到像素上的光的明亮度(亮度)之间的关系的图；

图35是示出了根据本发明第十五实施例的摄像装置的灵敏度的控制流程的流程图；

图36是示出了根据本发明第十六实施例的摄像装置的像素的增加部分的控制的框图；

图37是示出了根据本发明第十六实施例的摄像装置的控制流程的流程图；

图38是示出了根据本发明第十七实施例的摄像装置的像素的增加部分的控制的框图；

图39是示出了根据本发明第十八实施例的摄像装置的控制流程的流程图；

图40是示出了根据本发明第十九实施例的摄像装置的像素的控制的框图；

图41是示出了根据本发明第十九实施例的摄像装置的像素结构的电路图；

图42是示出了根据本发明第十九实施例的摄像装置的像素的控制流程的流程图；

图43是示出了根据本发明第十九实施例的摄像装置的曝光时间的控制流程的流程图；

图44是示出了根据本发明第十九实施例的摄像装置的的电荷增加装置的次数的控制流程的流程图；以及

图45是示出了根据本发明第二十实施例的摄像装置的像素结构的电路图。

具体实施方式

(第一实施例)

参照图1至4描述根据第一实施例的摄像装置的结构。

如图1所示，根据第一实施例的CMOS摄像装置由镜头1、包括以后描述的电荷增加部分9的图像传感器2、包括用于降噪的CDS(相关加倍采样)、用于自动控制增益的AGC(自动增益控制)之类的模拟处理部分3、A/D转换部分4和数字处理电路部分5以及增加次数(frequency)保存存储器6构成。

图像传感器2与模拟处理部分3连接，模拟处理部分3与A/D转换部分4连接。A/D转换部分4与数字处理电路部分5连接，数字处理电路部分5与增加次数保存存储器6连接。数字处理电路部分5被形成为基于增加次数保存存储器6中保存的增加次数，控制图像传感器2中的增加电荷的次数。

如图2所示，图像传感器2由以矩阵形式排列的多个像素7形成。在第一实施例中，描述对每个像素7控制增加次数的情况。可选地，可以对每组两个或更多像素(代替每个像素7)来控制该增加次数。

如图3所示，每个像素7包括具有光电转换功能的、用于存储由光电转换产生的电荷的光电二极管(PD)8，电荷增加部分9，以及浮动扩散(FD)放大器10。PD 8是本发明中的“存储部分”的一个示例。PD 8分别与增加部分9连接，增加部分9分别与FD放大器10连接。与FD放大器10连接的数字处理电路部分5包括信号处理电路5a和增加次数控制电路5b，每个像素7的增加部分9被形成为由信号处理电路5a和增加次数控制电路5b独立控制。图3仅示出了以矩阵形式排列的多个像素7中的两个像素7。

如图4所示，每个像素7包括PD 8、与PD 8相邻设置的转移栅极电极11至14、读取栅极电极15和16、具有与该读取栅极电极15连接的栅极的FD放大器10以及与FD放大器10的一个源极/漏极区域连接的选择晶体管17。转移栅极电极11至14是本发明中的“转移栅极电极”的示例。所述转移栅极电极可以是一个或至少两个。读取栅极电极15和16是本发明中的“读取栅极电极”的示例。所述读取栅极电极可以是一个或至少两个。根据第一实施例，增加电荷的操作是在转移栅极电极12至14下执行的。读取栅极电极15被形成为控制以矩阵形式排列的像素7的列方向的输出，而读取栅极电极16被形成为控制行方向的输出。读取栅极电极15可以被形成为控制像素7的行方向的输出，而读取栅极电极16可以被形成为控制列方向的输出。

参照图5和6，描述根据本发明的第一实施例的摄像装置的操作。在所述摄像装置的操作中，基于上一帧的图像信息和不同的每个像素7来控制增加电荷的次数。在本实施例中，基于上一帧的图像信息，对各个像素7，增加的次数被设置为0次、100次和200次。作为示例，帧中的像素数目是5×5的25个像素。

如图5所示，在步骤S1，在重新设置PD 8中要存储的电荷之后，曝光像素7。因此，电荷被存储在PD 8中。接着，在步骤S2，通过位于转移栅极电极11至13下的部分，将PD 8中存储的电荷存储在位于转移栅极电极14下的部分中。

在步骤S3，选择指定的像素7(具有高亮度)，将存储在位于转移栅极电极14下的部分中的电荷转移至FD放大器10。更具体地，如图6所示，在步骤S31，选择第0行中的像素7，并导通读取栅极电极16。接着，在步骤S33，连续选择第0列至第4列中的像素7。此时，当像素7的亮度较高时，导通读取栅极电极15，并将像素7中存储的电荷转移至FD放大器10。在步骤S35，读取栅极电极16截止。类似地，通过从第1行至第4行连续执行步骤S31的行选择操作，将具有高亮度的像素7中存储的电荷转移至FD放大器10。

如图5所示，在步骤S4，通过导通选择晶体管17(见图4)，从具有高亮度的像素7的FD放大器10输出信号。不增大在步骤S4输出的信号。

在步骤S5，在位于转移栅极电极12至14下的部分之间增加电荷。更具体地，当位于转移栅极电极14下的部分上形成的临时存储井中存储的电荷越过位于转移栅极电极13下的部分上形成的电荷转移屏障，并移动至位于转移栅极电极12下的部分上形成的电荷积蓄井时，通过碰撞离子来增加位于转移栅极电极12下的部分和位于转移栅极电极13下的部分之间的界面上形成的高电场区域中的电荷。位于转移栅极电极12下的部分和位于转移栅极电极13下的部分之间的界面上形成的高电场区域是本发明中的“增加部分”的示例。电荷在临时存储井与电荷积蓄井之间重复移动，使得电荷进一步增加。此时，电荷被增加100次。虽然这样的电荷增加是对图像传感器2中的所有电荷7(见图2)执行的，但是，由于已经在步骤S4输出了具有高亮度的像素7的信号，因此即使在执行具有高亮度的像素7中的增加电荷操作时，也不会对图像产生任何影响。

在步骤S6，与步骤S3类似，将图像传感器2的指定区域上的像素7(具有中等亮度)中的电荷转移至FD放大器10。此后，在步骤S7，输出具有中等亮度的像素7的信号。

在步骤S8，与步骤S5类似，在位于转移栅极电极12至14下的部分之间增加电荷。此时，电荷被增加100次。因此，加上在步骤S5中增加电荷的次数，电荷被总计增加200次。与步骤S5类似，对图像传感器2中的所有像素7执行电荷的增加。

在步骤S9，与步骤S3和S6类似，将图像传感器2的指定区域上的像素7(具有低亮度)中的电荷转移至FD放大器10。此后，在步骤S9，输出具有低亮度的像素7的信号。

现在参照图7描述图像的数字合成。

如图7所示，入射到像素7上的光较明亮(高亮度)，不增加电荷(0次)。在这种情况下，入射到像素7上的光的亮度是从像素7输出的亮度值。当入射到像素7上的光为中等(中等亮度)时，电荷增加100次，增加后的电荷的亮度是从像素7输出的亮度值。接着，入射到像素7上的光较暗(低亮度)，电荷增加200次，增加后的电荷的亮度是从像素7输出的亮度值。根据从所有像素7输出的亮度值和增加电荷的次数来执行图像的数字合成。

参照图8描述根据本发明的第一实施例的增加电荷的次数的操作。将描述对图像传感器2中包括的多个像素7中的每个像素独立地控制增加电荷的次数的情况。

如图8所示，在步骤S41，获得上一帧的指定像素7中的增加电荷的次数(N_i-1)以及上一帧的指定像素7的亮度(B_i-1)的信息。在步骤S42，确定上一帧的每个指定像素7的亮度(B_i-1)是高于还是低于每个像素7的饱和值水平。所述饱和值水平是指能够获得在每个入射到像素7上的光的明亮度与亮度值之间的关系的线性特性的最大水平。所述饱和值水平是本发明中的“第一亮度值水平”的示例。可以采用除了该饱和值水平之外的亮度值作为所述第一亮度值水平。当上一帧的每个指定像素7的亮度(B_i-1)高于像素7的饱和值水平时，该过程继续至步骤S43，通过从上一帧的指定像素7中的增加电荷的次数(N_i-1)中减去特定的次数(α)来计算当前帧的指定像素7中的增加电荷的次数(N_i)。根据第一实施例，该特定次数(α)被设置为100次(见图5)。该特定次数(α)可以是100次之外的次数，或者可以对数增大。

当在步骤S42中上一帧的每个指定像素7的指定亮度(B_i-1)低于每个像素7的饱和值水平时，该过程继续至步骤S44。此时，确定上一帧的指定像素7的亮度(B_i-1)是高于还是低于像素7的最小亮度值水平。所述最小亮度值水平是指能够在每个入射到像素7上的光的明亮度与亮度值之间的关系中获得所述摄像装置的指定精度的最小水平。所述最小亮度值水平是本发明中“第二亮度值水平”的示例。可以采用除了该最小亮度值水平之外的亮度值作为所述第二亮度值水平。当上一帧的指定像素7的亮度(B_i-1)低于像素7的最小亮度值水平时，该过程继续至步骤S45，通过在上一帧的指定像素7中的增加电荷的次数(N_i-1)中加上特定的次数(α)来计算当前帧的指定像素7中的增加电荷的次数(N_i)。当上一帧的指定像素7的亮度(B_i-1)高于像素7的最小亮度值水平时，该过程继续至步骤S46，将当前帧的指定像素7的增加电荷的次数(N_i)设置为与上一帧的指定像素7中的增加电荷的次数(N_i-1)相同。因此，由上一帧的指定像素7中的增加电荷的次数(N_i-1)和上一帧的指定像素7的亮度(B_i-1)来计算当前帧的指定像素7的增加电荷的次数(N_i)。根据第一实施例，当入射到像素7上的光的亮度高于饱和值水平时，减小增加电荷的次数，而当入射到像素7上的光的亮度低于最小亮度值水平时，执行增加电荷的次数的反馈控制。

可以对图像传感器2的每个区域或者对每一帧来执行增加电荷的次数的控制。可选地，可以对所有像素7并行地执行对增加电荷的次数的控制，或者可以对每个像素7串行地处理。

如上所述，根据第一实施例，这样形成增加部分9，使得对每个像素，响应于入射到像素7上的光的亮度来控制增加电荷的次数，从而即使在一帧的图像中较亮部分和较暗部分混合时，也会减小图像中的较亮部分上的增加电荷的次数，而增大图像中的较暗部分上的增加电荷的次数。因此，可以抑制所述摄像装置的动态范围的减小。与通过改变对增加部分9施加的电压来改变增加电荷量的情况不同，通过控制增加电荷的次数，可以容易地抑制增加电荷量的分散。当增加部分9被形成为使得对每组两个或更多像素来控制增加电荷的次数时，也可以获得类似的效果。

如上所述，根据第一实施例，这样控制增加电荷的次数，使得当从入射到像素7上的光的亮度获得的亮度值高于像素7的饱和值水平时，减小增加电荷的次数，而当从入射到像素7上的光的亮度获得的亮度值低于最小亮度值水平时，执行增大增加电荷的次数的反馈控制，其中，可以动态改变增加电荷的次数。因此，可以容易地获得正确的图像。

(第二实施例)

在第二实施例中，与上述第一实施例不同，参照图9描述对每帧控制增加电荷的次数的摄像装置的结构。

如图9所示，根据第二实施例的摄像装置的每个像素7a包括PD 8、电荷增加部分9和FD放大器10。数字处理电路部分5包括信号处理电路5a和增加次数控制电路5b，信号处理电路5a和增加次数控制电路5b对图像传感器2中包括的所有像素7a提供了相同的控制。图9仅示出了以矩阵形式排列的多个像素7a中的两个像素7a。

第二实施例的其余结构与上述第一实施例的结构类似。

参照图10描述根据本发明的第二实施例的摄像装置的操作。

如图10所示，在步骤S51，曝光PD 8(见图9)。在步骤S52，基于上一帧的图像信息来控制增加电荷的次数。步骤S52中的增加电荷的次数的控制与图8所示的控制类似。在步骤S53，基于步骤S52确定的次数来增加电荷。此后，在步骤S54，将电荷转移至FD放大器10(见图9)。

如上所述，根据第二实施例，与通过改变对增加部分9施加的电压来改变增加电荷量的情况不同，控制增加电荷的次数，使得可以容易地抑制增加电荷量的分散。

如上所述，根据第二实施例，响应于入射到像素7上的光的亮度，对每一帧控制增加电荷的次数，从而与对每个像素7控制增加电荷的次数的情况相比，简化了控制。

(第三实施例)

与上述第二实施例不同，参照图11描述根据第三实施例的CCD摄像装置的结构。

在根据第三实施例的CCD摄像装置中，如图11所示，像素7b分别包括PD 8a，多个PD 8a与在像素7b之外设置的增加部分9a连接。增加部分9a与放大器18连接，放大器18与信号处理电路5a连接。信号处理电路5a以及增加部分9a与增加次数控制电路5b连接。图11仅示出了以矩阵形式排列的多个像素7b中的两个像素7b。与上述第二实施例类似，该CCD摄像装置被形成为基于上一帧的信息对每一帧来控制增加电荷的次数。

第三实施例的其余效果与上述第二实施例的效果类似。

(第四实施例)

在第四实施例中，参照图12描述包括读取栅极电极15a的摄像装置的结构，在增加电荷的过程中，每个读取栅极电极15a也用作转移栅极电极。

根据第四实施例的摄像装置的每个像素7c包括PD 8、与PD 8相邻设置的转移栅极电极11-13、在增加电荷过程中也用作转移栅极电极的读取栅极电极15a、读取栅极电极16、FD放大器10和选择晶体管17。在增加电荷的操作中，在转移栅极电极12和13下以及在读取栅极电极15a下增加电荷。在读取电荷的操作中，读取栅极电极15a被形成为控制以矩阵形式设置的像素7c的列方向的输出，而读取栅极电极16被形成为控制行方向的输出。

第四实施例的其余结构与上述第一实施例的结构类似。

进一步，第四实施例的其余操作与上述第一实施例的操作类似。

如上所述，根据第四实施例，在增加电荷的过程中，读取栅极电极15a也用作转移栅极电极，从而可以共享读取栅极电极和转移栅极电极，因此，与分离地提供读取栅极电极和转移栅极电极的情况不同，可以简化像素7c的结构。

第四实施例的其余效果与上述第一实施例的效果类似。

(第五实施例)

与上述第一实施例不同，在第五实施例中，参照图13描述摄像装置的结构，该摄像装置中，在PD 8与位于转移栅极电极13a和14a下的部分之间增加电荷。

如图13所示，根据第五实施例的摄像装置的每个像素7d包括PD8、与PD 8相邻设置的转移栅极电极13a和14a、读取栅极电极15和16、FD放大器10和选择晶体管17。根据第五实施例，在PD 8以及位于转移栅极电极13a和14a下的部分增加电荷。读取栅极电极15被形成为控制以矩阵形式设置的像素7d的列方向的输出，而读取栅极电极16被形成为控制行方向的输出。

第五实施例的其余结构与上述第一实施例的结构类似。

现在参照图13描述根据本发明的第五实施例的增加电荷的操作。

首先，PD 8中存储的电荷越过位于转移栅极电极13a下的部分上形成的电荷转移屏障，并移动至位于转移栅极电极14a下的部分上形成的电荷积蓄井。此时，通过碰撞离子来增加位于转移栅极电极13a下的部分和位于转移栅极电极14a下的部分之间的界面上形成的高电场区域中的电荷。位于转移栅极电极13a下的部分和位于转移栅极电极14a下的部分之间的界面上形成的高电场区域是本发明中的“增加部分”的示例。电荷在PD 8与电荷积蓄井之间重复移动，使得电荷进一步增加。

第五实施例的其余操作与上述第一实施例的操作类似。

如上所述，根据第五实施例，在PD 8与位于转移栅极电极13a和14a下的部分之间增加电荷，从而，与在三个转移栅极电极之下增加电荷的情况相比，减少了转移栅极电极的数目，因此简化了所述摄像装置的结构。

(第六实施例)

与上述第一实施例不同，在第六实施例中，参照图4、6和14描述摄像装置，在该摄像装置中，在将所有像素7中存储的电荷转移至FD放大器10之后，同时读取所有像素7中的电荷。

根据第六实施例的摄像装置的像素7的结构与图4所示的上述第一实施例的像素7的结构类似。

现在参照图6和14，描述根据本发明的第六实施例的摄像装置的操作。

如图14所示，在步骤S61，在重新设置PD 8中要存储的电荷之后，曝光像素7。因此，像素被存储在PD 8中。接着，在步骤S62，通过位于转移栅极电极11至13下的部分，将PD 8中存储的电荷存储在位于转移栅极电极14下的部分中。

在步骤S63，选择指定的像素7(具有高亮度)，将在位于转移栅极电极14下的部分中存储的电荷转移至FD放大器10。具体操作与图6中的第一实施例的操作类似。

在步骤S64，在转移栅极电极12至14下增加电荷。具体操作与上述第一实施例的操作类似。此时，电荷被增加100次。虽然这样的电荷增加是对图像传感器2中的所有电荷7执行的，但是，由于已经在步骤S63将具有高亮度的像素7的信号转移至FD放大器10，因此即使在执行具有高亮度的像素7中的增加电荷操作时，也不会对图像产生任何影响。

在步骤S65，与步骤S63类似，将图像传感器2的指定区域上的像素7(具有中等亮度)中的电荷转移至FD放大器10。

在步骤S66，与步骤S64类似，在位于转移栅极电极12至14下的部分之间增加电荷。此时，电荷被增加100次。因此，加上在步骤S64中增加电荷的次数，电荷被总计增加200次。与步骤S64类似，对图像传感器2中的所有像素7执行电荷的增加。

在步骤S67，与步骤S63和S67类似，将图像传感器2的指定区域上的像素7(具有低亮度)中的电荷转移至FD放大器10。

在步骤S68，同时输出所有像素7中的FD放大器10中存储的电荷的信号。因此，与分离地分别输出具有高亮度、中等亮度和低亮度的像素信号的情况不同，可以执行输出信号的单个操作，因此，可以以高速度来执行图像传感器2的输出操作。

第六实施例的其余效果与上述第一实施例的效果类似。

(第七实施例)

与上述第一实施例不同，在第七实施例中，参照图15，描述具有多个列解码器19a和19b的摄像装置的结构。

在根据第七实施例的摄像装置中，如图15所示，在奇数列的像素7和在偶数列的像素7分别与列解码器19a和19b连接。因此，与提供了一个列解码器的情况不同，可以并行读取在奇数列的像素7的信号和在偶数列的像素7的信号，因此，可以以高速度来读取像素7的信号。

第七实施例的其余结构与上述第一实施例的结构类似。

第七实施例的其余效果与上述第一实施例的效果类似。

(第八实施例)

与上述第一实施例不同，在第八实施例中，参照图16，描述同时选择4列像素7的摄像装置的结构。

如图16所示，根据第八实施例的摄像装置被形成为，对于列解码器19c的一个地址来读取4列像素7的信号。因此，与对于列解码器19c的一个地址来读取一列像素7的信号的情况不同，同时读取4列像素7的信号，因此可以以高速度来读取像素7的信号。

第八实施例的其余结构与上述第一实施例的结构类似。

第八实施例的其余效果与上述第一实施例的效果类似。

(第九实施例)

与上述第四实施例不同，在第九实施例中，参照图17，描述两个像素7e共享FD放大器10a的摄像装置。

在根据第九实施例的摄像装置中，如图17所示，两个像素7e的读取栅极电极16与一个FD放大器10a连接，两个像素7e共享该FD放大器10a。该FD放大器10a是本发明中的“电压转换部分”的示例。因此，由于共享FD放大器10a，可以减小像素7e的大小。

第九实施例的其余结构与上述第四实施例的结构类似。

第九实施例的其余效果与上述第四实施例的效果类似。

(第十实施例)

与上述第四实施例不同，在第十实施例中，参照图18和19，描述摄像装置的结构，在该摄像装置中，在像素7f中执行对增加的次数的控制。

如图18所示，根据第十实施例的每个像素7f包括PD 8、电荷增加部分9、FD放大器10、非破坏性放大器(浮动栅极放大器：FG放大器)20以及像素控制电路21。PD 8与增加部分9连接，增加部分9与FD放大器10连接。非破坏性放大器20与增加部分9和FD放大器10连接。在FD放大器10中，在检测信号之后重新设置信号电荷，因此，不能重新使用信号电荷。另一方面，在非破坏性放大器20中，在保存信号电荷的同时可以检测信号。像素控制电路21与增加部分9以及非破坏性放大器20连接。在像素7f之外设置信号处理电路5a，信号处理电路5a与每个像素7f的像素控制电路21连接。信号处理电路5a可以反馈控制增加每个像素7f中的电荷的次数。

如图19所示，每个像素7f包括栅极部分22、放大器部分23、比较部分24以及增加驱动控制部分25。栅极部分22由PD 8、与PD 8相邻设置的转移栅极电极11至13和14b以及读取栅极电极16构成。在增加电荷的操作中，在转移栅极电极12、13和14b下增加电荷。

放大器部分23由FD放大器10和选择晶体管17构成。FD放大器10与栅极部分22的读取栅极电极16以及选择晶体管17连接。通过选择晶体管17来输出信号。

比较部分24由非破坏性放大器20构成，非破坏性放大器20与转移栅极电极14b与读取栅极电极16之间的部分连接。非破坏性放大器20被形成为通过将像素7f中存储的电荷与指定电压的阈值(V_th)进行比较来控制电荷的增加。

增加驱动控制部分25包括两个逻辑电路，每个逻辑电路基于比较部分24的输出，选择是否施加转移栅极电极驱动信号。例如，增加驱动控制部分25由图19所示的两个与电路26a和26b构成。与电路26a和26b被形成为接收通过将每个像素7f中存储的电荷分别与阈值(V_th)进行比较而获得的信号。

在像素7f之外设置存储器27，存储器27存储通过将像素7f中存储的电荷增加至阈值(V_th)的操作所增加的次数。

第十实施例的其余结构与上述第四实施例的结构类似。

参照图19和20，描述根据本发明的第十实施例的像素7f的操作。

如图20所示，在步骤S71，在重新设置PD 8中要存储的电荷之后，曝光像素7f。因此，像素被存储在PD 8中。接着，在步骤S72，通过位于转移栅极电极11至13下的部分，将PD 8中存储的电荷存储在位于转移栅极电极14b下的部分中。

在步骤S73，比较部分24(见图19)将位于转移栅极电极14b下的部分中存储的电荷与阈值(V_th)进行比较。在步骤S74，当确定位于转移栅极电极14b下的部分中存储的电荷小于阈值(V_th)时，在步骤S75，在位于转移栅极电极12、13和14b下的部分增加电荷。重复该操作直到位于转移栅极电极14b下的部分中的电荷大于阈值(V_th)。在步骤S74，当确定位于转移栅极电极14b下的部分中存储的电荷大于阈值(V_th)时，在步骤S76，停止增加操作。此后，在步骤S77，通过读取栅极电极16、FD放大器10和选择晶体管17来输出信号。

图20所示的像素7f的操作对多个像素7f并行进行。因此，对多个像素7f分别控制增加的次数。

第十实施例的效果与上述第四实施例的效果类似。

(第十一实施例)

与上述第十实施例不同，在第十一实施例中，参照图21，描述在PD 8与位于转移栅极电极14a下的部分之间增加电荷的摄像装置的结构。

如图21所示，根据第十一实施例的每个像素7g包括栅极部分22a、放大器部分23、比较部分24以及增加驱动控制部分25。栅极部分22由PD 8、与PD 8相邻设置的转移栅极电极13a和14a以及读取栅极电极15构成。根据第十一实施例，在增加电荷的操作中，与上述第五实施例类似，在PD 8与位于转移栅极电极13a和14a下的部分增加电荷。

第十一实施例的其余结构与上述第十实施例的结构类似。

第十一实施例的操作与上述第十实施例类似，除了在PD 8与位于转移栅极电极13a和14a下的部分之间增加电荷。

如上所述，根据第十一实施例，在PD 8与位于转移栅极电极13a和14a下的部分之间增加电荷，从而，与在位于三个转移栅极电极之下的部分增加电荷的情况相比，减少了转移栅极电极的数目，因此简化了所述摄像装置的结构。

(第十二实施例)

与上述第一实施例不同，在第十二实施例中，参照图22，描述摄像装置的结构，该摄像装置根据增加电荷的次数为0次的像素7g中存储的电荷来估计增加电荷的次数。

如图22所示，根据第十二实施例的摄像装置包括具有红(R)、绿(G1、G2)和蓝(B)颜色灵敏度特性的像素7g和7h。一个像素组由具有一个红(R)颜色灵敏度特性的像素7h、具有一个蓝(B)颜色灵敏度特性的像素7h以及具有两个绿(G1、G2)颜色灵敏度特性的像素7g和7h组成。像素7g和7h分别包括PD 8、增加部分9和FD放大器10。每个FD放大器10与接收阈值(V_th)的比较部分24a连接，增加部分9与增加驱动控制部分25a连接。根据第十二实施例，在具有绿(G1、G2)颜色灵敏度特性的像素7g和7h中，像素7g的增加电荷的次数固定为0次，通过将执行增加操作的像素7h的输出与不执行增加操作的像素7g的输出进行比较，来计算增加电荷的次数。

参照图23和24，描述根据本发明的第十二实施例的摄像装置的操作。

如图23所示，在步骤S81，在重新设置PD 8中要存储的电荷之后，曝光像素7g和7h。因此，像素被存储在PD 8中。接着，在步骤S82，增加驱动控制部分25a(见图22)增加每个像素7h中的电荷。更具体地，如图24所示，在步骤S91，开始增加电荷。在步骤S92，当具有红(R)、绿(G2)和蓝(B)颜色灵敏度特性的像素7h中存储的电荷中的最大电荷(亮度)小于阈值(V_th)时，重复增加电荷的操作。重复增加电荷的操作直到在步骤S92中具有红(R)、绿(G2)和蓝(B)颜色灵敏度特性的像素7h中存储的电荷中的最大电荷大于阈值(V_th)。

在步骤S83，将电荷转移至FD放大器10。在步骤S84，通过将不执行增加操作的、具有绿(G1)颜色灵敏度特性的像素7g中的电荷G1与执行增加操作的、具有绿(G2)颜色灵敏度特性的像素7h中的电荷G2进行比较，来计算增加率A。更具体地，根据以下方程(1)来计算增加率：

A＝G2/G1...(1)

在步骤S85，根据以下方程(2)至(5)，通过使用在步骤S84计算出的增加率A，计算具有红(R)、绿(G2)和蓝(B)颜色灵敏度特性的像素7h中增加电荷之前的电荷量(亮度)：

R₀＝R/A...(2)

G1＝G1...(3)

G2₀＝G2/A...(4)

B₀＝B/A...(5)

R、G2和B分别表示具有红(R)、绿(G2)和蓝(B)颜色灵敏度特性的像素7h中增加电荷之后的电荷量。R₀、G2₀和B₀分别表示具有红(R)、绿(G2)和蓝(B)颜色灵敏度特性的像素7h中增加电荷之前的电荷量。基于根据方程(2)至(5)计算的电荷量来执行图像合成。不执行增加操作的、具有绿(G1)颜色灵敏度特性的像素7g与执行增加操作的、具有绿(G2)颜色灵敏度特性的像素7h彼此相邻，因此，假定如果两者中都不增加电荷，则像素7g和像素7h中的电荷量彼此相等。因此，可以由增加率A来计算R₀、G2₀和B₀。

如上所述，根据第十二实施例，在具有绿(G1、G2)颜色灵敏度特性的像素7g和7h中，像素7g的增加电荷的次数固定为0次，通过将执行增加操作的像素7h的输出与不执行增加操作的像素7g的输出进行比较，来计算增加电荷的次数，而不需要提供用于保存每个像素7h中的增加电荷的次数的存储器，因此简化了所述摄像装置的结构。

(第十三实施例)

与上述第十二实施例不同，在第十三实施例中，参照图25和15，描述预先离散设置了增加电荷的次数的摄像装置的操作。根据第十二实施例的摄像装置的结构与图22所示的上述第十三实施例的结构类似。

如图25所示，在步骤S81，在重新设置PD 8中要存储的电荷之后，曝光像素7g和7h。因此，像素被存储在PD 8中。接着，在步骤S82，增加驱动控制部分25a(见图22)增加每个像素7h中的电荷。更具体地，如图26所示，在步骤S91b，开始增加电荷。例如，增加电荷的次数预先被设置为0次、100次、200次...和1000次。在步骤S92，当具有红(R)、绿(G2)和蓝(B)颜色灵敏度特性的像素7h中存储的电荷中的最大电荷小于最大阈值(V_th)时，重复增加电荷的操作。重复增加电荷的操作直到在步骤S92中具有红(R)、绿(G2)和蓝(B)颜色灵敏度特性的像素7h中存储的电荷中的最大电荷大于阈值(V_th)。

在步骤S83，将电荷转移至FD放大器10。在步骤S84，通过将不执行增加操作的、具有绿(G1)颜色灵敏度特性的像素7g中的电荷G1与执行增加操作的、具有绿(G2)颜色灵敏度特性的像素7h中的电荷G2进行比较，来计算增加率A。更具体地，根据上述方程(1)来计算增加率。此时，从预先设置为增加率A的0次、100次、200次...和1000次中采用与最接近的次数相对应的增加率A2。

在步骤S85a，根据以下方程(6)至(9)，通过使用在步骤S84a计算出的增加率A2，计算具有红(R)、绿(G2)和蓝(B)颜色灵敏度特性的像素7h中增加电荷之前的电荷量(亮度)：

R₀₂＝R/A2...(6)

G1＝G1...(7)

G2₀₂＝G2/A2...(8)

B₀₂＝B/A2...(9)

R、G2和B分别表示具有红(R)、绿(G2)和蓝(B)颜色灵敏度特性的像素7h中增加电荷之后的电荷量。R₀₂、G2₀₂和B₀₂分别表示具有红(R)、绿(G2)和蓝(B)颜色灵敏度特性的像素7h中增加电荷之前的电荷量。基于根据方程(6)至(9)计算的电荷量来执行图像合成。当不执行增加操作的、具有绿(G1)颜色灵敏度特性的像素7g中存储的电荷与执行增加操作的、与像素7h相邻的具有绿(G2)颜色灵敏度特性的像素7h中存储的电荷彼此不同时，根据上述第十二实施例的方程(1)不能获得正确的增加电荷的次数。另一方面，即使在观察到像素7g和7h中存储的电荷量存在误差时，也可以通过预先设置增加电荷的次数并从设置的增加电荷的次数中采用最接近的值来获得正确的增加电荷的次数。

(第十四实施例)

在第十四实施例中，参照图27，描述摄像装置的结构，为该摄像装置提供了用于设置每个像素组中的电路的区域。

如图27所示，在根据第十四实施例的摄像装置中，每个像素组由在3行×3列区域上的像素7i组成。在每个3行×3列区域的中心区域上不提供像素7i，在每个中心区域上设置如信号处理电路5a(见图3)之类的电路。因此，容易设置该电路。

(第十五实施例)

参照图28至31，描述根据第十五实施例的摄像装置的结构。

如图28所示，根据第十五实施例的CMOS摄像装置由镜头101、包括以后描述的电荷增加部分110的图像传感器102、包括用于降噪的CDS、用于自动控制增益的AGC之类的模拟处理部分103、A/D转换部分104和数字处理电路部分105以及增加次数保存存储器106构成。

图像传感器102与模拟处理部分103连接，模拟处理部分103与A/D转换部分104连接。A/D转换部分104与数字处理电路部分105连接，数字处理电路部分105与增加次数保存存储器106连接。数字处理电路部分105被形成为基于增加次数保存存储器106中保存的增加次数和以后描述的像素107的曝光时间，控制图像传感器102中的增加电荷的次数。

如图29所示，图像传感器102由以矩阵形式排列的多个像素107形成。在第十五实施例中，描述对每个像素7控制增加次数的情况。可选地，可以对每组两个或更多像素(代替每个像素7)来控制该增加次数。

如图30所示，每个像素107包括具有光电转换功能的用于存储由光电转换产生的电荷的光电二极管(PD)108、用于控制像素107的曝光时间的曝光时间改变部分109、电荷增加部分110以及浮动扩散(FD)放大器111。PD 108是本发明中的“存储部分”的一个示例。PD 108分别与曝光时间改变部分109连接，曝光时间改变部分109分别与增加部分110连接。与FD放大器111连接的数字处理电路部分105包括信号处理电路105a和曝光时间/增加次数切换控制电路105b，每个像素107的曝光时间改变部分109和增加部分110被形成为由信号处理电路105a和曝光时间/增加次数切换控制电路105b独立控制。图30仅示出了以矩阵形式排列的多个像素107中的两个像素107。

如图31所示，每个像素107包括PD 108、与PD 108相邻设置的转移栅极电极112至115、读取栅极电极116和117、具有与该读取栅极电极117连接的栅极的FD放大器111以及与FD放大器111的一个源极/漏极区域连接的选择晶体管118。根据第十五实施例，曝光时间改变部分109中包括转移栅极电极112，转移栅极电极112被形成为具有控制像素的曝光时间的功能。转移栅极电极112是本发明中的“第二转移栅极电极”的示例。增加电荷的操作在转移栅极电极113至115下执行。根据第十五实施例，读取栅极电极116被形成为控制以矩阵形式排列的像素107的列方向的输出，而读取栅极电极117被形成为控制行方向的输出。读取栅极电极116和117分别是本发明中的“第二读取栅极电极”和“第一读取栅极电极”的示例。读取栅极电极116可以被形成为控制像素7的行方向的输出，而读取栅极电极117可以被形成为控制列方向的输出。

参照图32至34，描述根据本发明的第十五实施例的摄像装置的操作。在所述摄像装置的操作中，基于上一帧的图像信息和不同的每个像素107来控制增加电荷的次数。在本实施例中，基于上一帧的图像信息，对各个像素7，增加操作的次数被设置为0次、100次和10000次。作为示例，帧中的像素数目是5×5的25个像素。

如图32所示，在步骤S101，短时间曝光像素107。这个短曝光时间是本发明中的“第一曝光时间”的示例。如图34所示，当入射到像素107上的光的亮度是高亮度，使得通常的曝光时间造成像素107的饱和时，为了抑制像素107的饱和，执行该短曝光时间。在步骤S102，短时间曝光结束。因此，电荷被存储在PD 108中。接着，在步骤S103，通过位于转移栅极电极112至114下的部分，将PD 108中存储的电荷存储在位于转移栅极电极115下的部分中。

在步骤S104，选择指定的像素107(具有足以饱和的高亮度)，将存储在位于转移栅极电极115下的部分中的电荷转移至FD放大器111。更具体地，如图33所示，在步骤S141，选择第0行中的像素107，并在步骤S142导通读取栅极电极117。接着，在步骤S143，连续选择第0列至第4列中的像素107。在步骤S144，在具有足以饱和的高亮度的像素107中，导通读取栅极电极116，并将像素107中存储的电荷转移至FD放大器111。在步骤S145，读取栅极电极117截止。类似地，通过从第1行至第4行连续执行步骤S141的行选择操作，将具有足以饱和的高亮度的像素107中存储的电荷转移至FD放大器111。

如图32所示，在步骤S105，通过导通选择晶体管118(见图31)，从具有足以饱和的高亮度的像素107的FD放大器111输出信号。

在步骤S106，附加地曝光像素107。这个附加曝光时间是本发明中的“第二曝光时间”的示例。因此，在通常的曝光时间内曝光像素107。在步骤S107，通过转移栅极电极112至114，将PD 108中的存储的电荷存储在位于转移栅极电极115下的部分中。此时，加入了在步骤S103和107中转移的电荷。

在步骤S108，与步骤S104类似，选择指定的像素107(具有高亮度)，将存储在位于转移栅极电极115下的部分中的电荷转移至FD放大器111。在步骤S109，导通选择晶体管118(见图31)，从而从具有高亮度的像素107的FD放大器111输出信号。

在步骤S110，在位于转移栅极电极113至115下的部分之间增加电荷。更具体地，当位于转移栅极电极115下的部分上形成的临时存储井中存储的电荷越过位于转移栅极电极114下的部分上形成的电荷转移屏障，并移动至位于转移栅极电极113下的部分上形成的电荷积蓄井时，通过碰撞离子来增加位于转移栅极电极113下的部分和位于转移栅极电极114下的部分之间的界面上形成的高电场区域中的电荷。根据第十五实施例，通过对转移栅极电极113施加高电压来形成每个高电场区域。位于转移栅极电极113和114下的部分之间的界面上形成的高电场区域是本发明中的“增加部分”的示例。转移栅极电极113是本发明中的“第一转移栅极电极”的示例。电荷在临时存储井与电荷积蓄井之间重复移动，使得电荷进一步增加。此时，电荷被增加100次。虽然这样的电荷增加是对图像传感器102中的所有电荷107(见图29)执行的，但是，由于已经在步骤S105和109输出了具有足以饱和的高亮度的像素107、或具有不足以饱和的亮度但是高亮度的像素的信号，因此即使在执行具有高亮度的像素107中的增加电荷操作时，也不会对图像产生任何影响。

在步骤S111，与步骤S108类似，将图像传感器102的指定区域上的像素107(具有中等亮度)中的电荷转移至FD放大器111。此后，在步骤S112，输出具有中等亮度的像素107的信号。

在步骤S113，与步骤S110类似，在位于转移栅极电极113至115下的部分之间增加电荷。此时，电荷被增加900次。因此，加上在步骤S110中增加电荷的次数，电荷被总计增加1000次。与步骤S110类似，对图像传感器102中的所有像素107执行电荷的增加操作。

在步骤S114，与步骤S104、108和S111类似，将图像传感器102的指定区域上的像素107(具有低亮度)中的电荷转移至FD放大器111。此后，在步骤S115，输出具有低亮度的像素107的信号。

现在参照图34描述图像的数字合成。

如图34所示，当入射到像素107上的光明亮得足以饱和时，控制像素107的曝光时间使其比通常曝光时间短。当入射到像素107上的光不足以饱和但明亮(高亮度)时，不增加电荷(0次)。在这种情况下，入射到像素107上的光的亮度是从像素107输出的亮度值。当入射到像素107上的光为中等(中等亮度)时，增加电荷100次，增加后的电荷的亮度是从像素107输出的亮度值。接着，如果入射到像素107上的光较暗(低亮度)，则增加电荷1000次，增加后的电荷的亮度是从像素107输出的亮度值。根据从所有像素107输出的亮度值和增加电荷的次数来执行图像的数字合成。因此，根据第十五实施例，切换对曝光时间的控制和对增加电荷的次数的控制，当入射到像素107上的光为高亮度或更高时，通过控制像素107的曝光时间来调节灵敏度，而当入射到像素107上的光为中等亮度或更低时，通过控制增加电荷的次数来调节灵敏度。

参照图35描述根据本发明的第十五实施例的灵敏度控制的操作。在本实施例中，对图像传感器102中包括的多个像素107中的每个像素107独立地控制灵敏度。

如图35所示，在步骤S151，获得上一帧的指定像素107的灵敏度是由曝光时间控制来调节还是由增加电荷的次数的控制来调节的信息。此外，获得曝光时间(T_i-1)、增加电荷的次数(N_i-1)以及亮度(B_i-1)的信息。在步骤S152，当上一帧的每个指定像素107的灵敏度是由上一帧的增加电荷的次数的控制来调节时，该过程继续至步骤S153。此时，确定上一帧的指定像素107的亮度值(B_i-1)是高于还是低于像素107的饱和值水平。所述饱和值水平是指能够获得在每个入射到像素107上的光的明亮度与亮度值之间的关系的线性特性的最大水平。可以采用除了该饱和值水平之外的亮度值作为用于确定的水平。当上一帧的指定像素107的亮度(B_i-1)高于像素107的饱和值水平时，确定上一帧的指定像素107中的增加电荷的次数(N_i-1)是否为0次。当增加电荷的次数(N_i-1)为0次时，该过程继续至步骤S155，将控制从增加电荷的次数的控制切换到曝光时间的控制。当增加电荷的次数(N_i-1)不为0次时，该过程继续至步骤S156，将当前帧的指定像素107中的增加电荷的次数(N_i)设置为通过从上一帧的指定像素107中的增加电荷的次数(N_i-1)中减去特定的次数(β)所获得的值。

在步骤S153中，当上一帧的每个指定像素107的亮度值(B_i-1)低于每个像素107的饱和值水平时，该过程继续至步骤S157。此时，确定上一帧的指定像素107的亮度(B_i-1)是高于还是低于像素107的最小亮度值水平。所述最小亮度值水平是指能够在每个入射到像素107上的光的明亮度与亮度值之间的关系中获得所述摄像装置的指定精度的最小水平。可以采用除了该最小亮度值水平之外的亮度值作为用于确定的水平。当上一帧的每个指定像素107的亮度(B_i-1)低于像素107的最小亮度值水平时，该过程继续至步骤S158，将当前帧的每个指定像素107中的增加电荷的次数(N_i)设置为通过在上一帧的指定像素107中的增加电荷的次数(N_i-1)中加上特定的次数(β)所获得的值。当上一帧的指定像素107的亮度(B_i-1)高于像素107的最小亮度值水平时，该过程继续至步骤S159，将当前帧的指定像素107的增加电荷的次数(N_i)设置为与上一帧的指定像素107中相同的增加电荷的次数(N_i-1)相同。

在步骤S152，当上一帧的每个指定像素107的灵敏度是由曝光时间的控制来调节时，该过程继续至步骤S160。此时，确定上一帧的每个指定像素107的亮度值(B_i-1)是高于还是低于像素107的饱和值水平。当上一帧的指定像素107的亮度值(B_i-1)高于像素107的饱和值水平时，该过程继续至步骤S161，将当前帧的每个指定像素107的曝光时间(T_i)设置为通过从上一帧的指定像素107的曝光时间(T_i-1)中减去特定的次数(α)所获得的值。当上一帧的指定像素107的亮度值(B_i-1)低于像素107的饱和值水平时，该过程继续至步骤S162。此时，确定上一帧的指定像素107的亮度值(B_i-1)是高于还是低于像素107的最小亮度值水平。当上一帧的指定像素107的亮度(B_i-1)低于像素107的最小亮度值水平时，该过程继续至步骤S163，确定上一帧的指定像素107的曝光时间(T_i-1)是否等于预先设置的最大曝光时间。此时，当该曝光时间(T_i-1)等于所述最大曝光时间时，该过程继续至步骤S164，控制从曝光时间控制切换到对增加电荷的次数的控制。当该曝光时间(T_i-1)不等于所述最大曝光时间时，该过程继续至步骤S165，将当前帧的每个指定像素107的曝光时间(T_i)设置为通过在上一帧的指定像素107的曝光时间(T_i-1)中加上特定的次数(α)所获得的值。

当上一帧的指定像素107的亮度(B_i-1)高于每个像素107的最小亮度值水平时，该过程继续至步骤S166，将当前帧的指定像素107的曝光时间(T_i)设置为与上一帧的指定像素107相同的曝光时间(T_i-1)。

可以对图像传感器102逐区域或者逐帧地执行对增加电荷的次数的控制。可选地，可以对所有像素107并行地执行增加电荷次数的控制，或者可以对每个像素107进行串行地处理。

如上所述，根据第十五实施例，对每个像素，响应于入射到像素107上的光的亮度，来切换对增加像素107中存储电荷的次数的控制以及对像素107的曝光时间的控制，以改变所述摄像装置的灵敏度，从而可以通过当亮度足以使像素107饱和时减小曝光时间，以及当亮度较低时增加部分110执行增加电荷的操作，来抑制像素107的饱和。因此，可以抑制所述摄像装置的动态范围的减小。

如上所述，根据第十五实施例，当入射到像素107上的光的亮度低于指定的值时，通过使用增加部分110控制增加电荷的次数来调节灵敏度，当入射到像素107上的光的亮度高于指定的值时，通过使用曝光时间改变部分109控制像素107的曝光时间来调节灵敏度，从而，当亮度较低时，通过控制增加电荷的次数，可以容易地获得最佳图像，当亮度高得足以使像素107饱和时，通过控制曝光时间，可以容易地获得最佳图像。

如上所述，根据第十五实施例，每个像素107包括转移栅极电极133，转移栅极电极133转移电荷并施加用于增加电荷的电压，从而在增加电荷时可以容易地转移电荷。

如上所述，根据第十五实施例，每个像素107被形成为与PD 108相邻，并包括转移栅极电极112，转移栅极电极112具有转移电荷的功能并被包括在曝光时间改变部分109中，由转移栅极电极112来控制像素107的曝光时间，从而，可以通过控制对转移栅极电极的导通/截止定时，容易地控制像素107的曝光时间。

如上所述，根据第十五实施例，响应于入射到像素107上的光的亮度来控制增加电荷的次数和曝光时间，从而通过减小像素饱和部分的曝光时间、减小明亮部分的增加电荷的次数以及增大较暗部分的增加电荷的次数，即使在一帧的图像中明亮部分和较暗部分混合时，也可以抑制所述摄像装置的动态范围的减小。

(第十六实施例)

与上述第十五实施例不同，在第十六实施例中，参照图36，描述对每一帧控制增加电荷的次数的摄像装置的结构。

如图36所示，根据第十六实施例的每个像素107a包括光电二极管(PD)108、用于控制像素107a的曝光时间的曝光时间改变部分109、电荷增加部分110以及FD放大器111。数字处理电路部分105包括信号处理电路105a和曝光时间/增加次数切换控制电路105b，信号处理电路105a和曝光时间/增加次数切换控制电路105b为图像传感器102中包括的所有像素107的曝光时间改变部分109和增加部分110提供相同的控制。图36仅示出了以矩阵形式排列的多个像素107a中的两个像素107a。

第十六实施例的其余结构与上述第十五实施例的结构类似。

参照图37，描述根据本发明的第十六实施例的摄像装置的操作。

如图37所示，在步骤S171，执行切换控制算法(见图35)。基于上一帧的图像信息，对每一帧执行该切换控制算法。在步骤S172，基于步骤S171所确定的曝光时间来曝光PD 108(见图36)。在步骤S173，基于步骤S171所确定的增加次数来增加电荷。此后，在步骤S174，将电荷转移至FD放大器111(见图36)。

如上所述，根据第十六实施例，对每一帧，响应于像素107a上的入射光的亮度，来切换对增加像素107a中存储电荷的次数的控制以及对像素107a的曝光时间的控制，以改变所述摄像装置的灵敏度，其中，通过当亮度足以使像素107a饱和时减小曝光时间，当亮度较低时增加部分110可以执行增加电荷的操作，来抑制像素107a的饱和。因此，可以抑制所述摄像装置的动态范围的减小。

如上所述，根据第十六实施例，对每一帧，响应于像素107a上的入射光的亮度，来切换对增加像素107a中存储电荷的次数的控制以及对像素107a的曝光时间的控制，其中，与对每个像素107，响应于像素107a上的入射光的亮度来切换对增加像素107a中存储电荷的次数的控制以及对像素107a的曝光时间的控制的情况相比，可以简化控制。

(第十七实施例)

与上述第十六实施例不同，参照图38，描述根据第十七实施例的CCD摄像装置的结构。

在根据第十六实施例的CCD摄像装置中，每个像素107b分别包括PD 108a、以及曝光时间改变部分109a，多个PD 108a与在像素107b之外设置的增加部分110a连接。PD 108a是本发明中的“存储部分”的示例。增加部分110a与放大器119连接，放大器119与信号处理电路105a连接。信号处理电路105a、曝光时间改变部分109a以及增加部分110a与曝光时间/增加次数切换控制电路105b连接。图38仅示出了以矩阵形式排列的多个像素107中的两个像素107。与上述第十六实施例类似，在该CCD摄像装置中，基于上一帧的信息，对每一帧来控制像素107b的曝光时间和增加电荷的次数。

第十七实施例的其余结构和操作与上述第十六实施例的结构和操作类似。

第十七实施例的其余效果与上述第十六实施例的效果类似。

(第十八实施例)

与上述第十五实施例不同，在第十八实施例中，参照图39描述摄像装置，在该摄像装置中，在将所有像素107中存储的电荷转移至FD放大器111之后，同时读取所有像素107中的电荷。

根据第十八实施例的摄像装置的像素107的结构与图31所示的上述第十五实施例的像素107的结构类似。

现在参照图39，描述根据本发明的第十八实施例的摄像装置的操作。

如图39所示，在步骤S181，短时间曝光像素107。与上述第十五实施例类似，当入射到像素107上的光的亮度是高亮度，使得通常的曝光时间造成像素107的饱和时，为了抑制像素107的饱和，执行该短曝光时间。在步骤S182，短时间曝光结束。因此，电荷被存储在PD 108中。接着，在步骤S183，通过位于转移栅极电极112至114下的部分，将PD 108中存储的电荷存储在位于转移栅极电极115下的部分中。

在步骤S184，选择指定的像素107(具有足以饱和的高亮度)，将存储在位于转移栅极电极115下的部分中的电荷转移至FD放大器111。更具体地，该操作与图33所示的上述第十五实施例的操作类似。

在步骤S185，附加地曝光像素107。因此，在通常的曝光时间内曝光像素107。在步骤S186，通过转移栅极电极112至114，将PD 108中的存储的电荷存储在位于转移栅极电极115下的部分中。此时，加入了在步骤S183和186中转移的电荷。

在步骤S187，与步骤S184类似，选择指定的像素107(具有高亮度)，将存储在位于转移栅极电极115下的部分中的电荷转移至FD放大器111。

在步骤S188，在位于转移栅极电极113至115下的部分之间增加电荷。该具体操作与上述第十五实施例的操作类似。电荷被增加100次。虽然这样的电荷增加是对图像传感器102中的所有电荷107执行的，但是，由于已经在步骤S184和187将具有高亮度的像素107的信号转移至FD放大器111，因此即使在执行具有高亮度的像素107中的增加电荷操作时，也不会对图像施加任何影响。

在步骤S189，与步骤S187类似，将图像传感器102的指定区域上的像素7(具有中等亮度)中的电荷转移至FD放大器111。

在步骤S190，与步骤S188类似，在位于转移栅极电极113至115下的部分之间增加电荷。此时，电荷被增加900次。因此，加上在步骤S188中增加电荷的次数，电荷被总计增加1000次。与步骤S188类似，对图像传感器102中的所有像素107执行电荷的增加操作。在步骤S191，与步骤S184、187和S189类似，将电荷转移至FD放大器111。

在步骤S192，同时输出所有像素107中的FD放大器111中存储的电荷的信号。因此，与分离地分别输出具有高亮度、中等亮度和低亮度的像素信号107的情况不同，可以执行输出信号的单个操作，因此，可以以高速度来执行图像传感器102的输出操作。

第十八实施例的其余效果与上述第十五实施例的效果类似。

(第十九实施例)

与上述第十五实施例不同，在第十九实施例中，参照图40和41，描述摄像装置的结构，在该摄像装置中，在像素107c中执行增加操作和曝光时间的控制。

如图40所示，根据第十九实施例的每个像素107c包括PD 108、曝光时间改变部分109、电荷增加部分110、FD放大器111、非破坏性放大器(浮动栅极放大器：FG放大器)120以及像素控制电路121。PD 108与曝光时间改变部分109连接，曝光时间改变部分109与增加部分110连接。增加部分110与FD放大器111连接。非破坏性放大器120与增加部分110和FD放大器111连接。在FD放大器111中，在检测信号之后重新设置信号电荷，因此，不能重新使用信号电荷。另一方面，在非破坏性放大器120中，在保存信号电荷时可以检测信号。像素控制电路121与增加部分110以及非破坏性放大器120连接。在像素107c之外设置了信号处理电路105a，信号处理电路105a与每个像素107c的FD放大器111和像素控制电路121连接。根据第十九实施例，像素控制电路121可以控制每个像素107c的增加电荷次数和曝光时间。

如图41所示，每个像素107c包括栅极部分122、放大器部分123、比较部分124以及增加驱动控制部分125。栅极部分122由PD 108、与PD 108相邻设置的转移栅极电极112至115以及读取栅极电极117构成。在增加电荷的操作中，在转移栅极电极113至115下增加电荷。

放大器部分123由FD放大器111和选择晶体管118构成。FD放大器111与栅极部分122的读取栅极电极117以及选择晶体管118连接。通过选择晶体管118来输出信号。

比较部分124由非破坏性放大器120构成，非破坏性放大器120与转移栅极电极115与读取栅极电极117之间的部分连接。非破坏性放大器120被形成为通过将像素107c中存储的电荷与指定电压的阈值(V_th)进行比较来控制电荷的增加。

增加驱动控制部分125包括逻辑电路，该逻辑电路基于比较部分124的输出，选择是否施加增加电阻器驱动信号。例如，增加驱动控制部分125由图41所示的两个与电路126a和126b构成。与电路126a和126b被形成为接收通过将每个像素107c中存储的电荷分别与阈值(V_th)进行比较而获得的信号。

转移栅极电极112的栅极与逻辑电路的输出连接，该逻辑电路基于比较部分124的输出，选择是否施加曝光电阻器驱动信号。例如，转移栅极电极112的栅极由图41所示的与电路127构成。与电路127被形成为接收曝光电阻器驱动信号和通过将每个像素107c中存储的电荷与阈值(V_th)进行比较而获得的信号，通过导通/截止转移栅极电极112的栅极来控制PD 108的曝光时间。

在像素107c之外设置存储器128，存储器128存储对增加次数和曝光时间的控制的次数，直到像素107c中存储的电荷超过阈值(V_th)。

第十九实施例的其余结构与上述第十五实施例的结构类似。

参照图42和44，描述根据本发明的第十九实施例的像素107c的操作。

如图42所示，在步骤S201，在重新设置PD 108中要存储的电荷之后，曝光像素107c。因此，像素被存储在PD 108中。在步骤S202，开启控制曝光时间和增加次数的控制信号。接着，在步骤S203，转移栅极电极112(见图41)开始接收用于控制曝光的曝光电阻器驱动信号。

在步骤S204，控制曝光时间。更具体地，如图43所示，在步骤S221，向曝光时间加上t秒。在步骤S222，如果将PD 108中存储的电荷以及被转移至非破坏性放大器120的电荷的信号与阈值(V_th)进行比较，而非破坏性放大器120的信号大于阈值(V_th)，则关闭控制曝光时间的控制信号。步骤S221中的向曝光时间加上t秒的操作被重复指定的次数。

如图42所示，在步骤S205，终止用于曝光的寄存器驱动信号的输入。在步骤S206，转移栅极电极114和115(见图41)开始接收用于控制增加操作的次数的增加电阻器驱动信号。

在步骤S207，控制增加次数。更具体地，如图44所示，在步骤S231，向增加次数加上n次。在步骤S232，如果将在位于转移栅极电极113下的部分增加的电荷以及被转移至非破坏性放大器120的电荷的信号与阈值(V_th)进行比较，而非破坏性放大器120的信号大于阈值(V_th)，则关闭控制增加次数的控制信号。步骤S231中的向增加次数加上n次的操作被重复指定的次数。

如图42所示，在步骤S208，终止用于增加操作的寄存器驱动信号的输入。在步骤S209，将电荷转移至FD放大器111。

如上所述，根据第十九实施例，与在每个像素107c之外提供像素控制电路121的情况不同，每个像素107c包括像素控制电路121，像素控制电路121切换对曝光时间改变部分109和增加部分110的控制，从而通过采用相同帧中的信号来控制所述摄像装置的灵敏度。

(第二十实施例)

与上述第十五实施例不同，在第二十实施例中，参照图45，描述摄像装置的结构，该摄像装置在PD 108与位于转移栅极电极113a和114a下的部分之间增加电荷。

如图45所示，根据第二十实施例的摄像装置的每个像素107d包括PD 108、与PD 108相邻设置的转移栅极电极113a和114a、读取栅极电极115和116、FD放大器111和选择晶体管118。在PD 108以及位于转移栅极电极113a和114a下的部分增加电荷。读取栅极电极115被形成为控制以矩阵形式设置的像素107d的列方向的输出，而读取栅极电极16被形成为控制行方向的输出。

第二十实施例的其余结构与上述第十五实施例的结构类似。

现在参照图45描述根据本发明的第二十实施例的增加电荷的操作。

首先，PD 108中存储的电荷越过位于转移栅极电极113a下的部分上形成的电荷转移屏障，并移动至位于转移栅极电极114a下的部分上形成的电荷积蓄井。此时，通过碰撞离子来增加位于转移栅极电极113a下的部分和位于转移栅极电极114a下的部分之间的界面上形成的高电场区域中的电荷。位于转移栅极电极113a下的部分和位于转移栅极电极114a下的部分之间的界面上形成的高电场区域是本发明中的“增加部分”的示例。电荷在PD 108与电荷积蓄井之间重复移动，使得电荷进一步增加。

第二十实施例的其余操作与上述第十五实施例的操作类似。

虽然对本发明进行了详细的描述和说明，但是，应当清楚地理解，这些描述和说明仅作为示意和示例的方式，而不应作为限制的方式，本发明的精神和范围仅由所附权利要求的方式来限定。

例如，虽然像素被分别分为具有高、中和低亮度的三个像素组，以便在上述第一、第六、第十五和第十九每个实施例中输出电荷，但是，本发明不限于此，像素可以被分为两组或四组以便输出电荷。

虽然在上述第一和第四每个实施例中，在位于转移栅极电极12下的部分增加电荷，但是，本发明不限于此，可以在位于除了转移栅极电极12之外的任何转移栅极电极之下的部分增加电荷。

虽然在上述第十三实施例中，在具有RGB颜色灵敏度特性的像素中，像素组包括具有绿(G)颜色灵敏度特性的多个像素，但是，本发明不限于此，像素组可以包括具有红(R)或蓝(B)颜色灵敏度特性的多个像素。所述颜色不限于RGB，所述颜色可以由互补颜色(青(C)、品红(M)、黄(Y))组成。可选地，可以不安装滤色器，即所述颜色可以由白色(W)组成。像素组可以包括具有相同颜色灵敏度特性和不同的像素输出绝对量(例如具有相同颜色灵敏度特性和不同大小)的像素，这些像素输出可以被归一化。

虽然在上述第十三实施例中，像素组中分别具有两个绿(G)颜色灵敏度特性的两个像素之一的增加电荷的次数被固定为0次，但是，本发明不限于此，该增加电荷的次数可以被固定为除0次之外的任何值。

虽然在上述第十三实施例中，像素组中分别具有绿(G)颜色灵敏度特性的两个像素之一的增加电荷的次数被固定为0次，但是，本发明不限于此，可以不向所述像素之一提供增加部分。

虽然在上述第十五和第十九每个实施例中，在位于转移栅极电极113下的部分增加电荷，但是，本发明不限于此，可以在位于除了转移栅极电极113之外的任何转移栅极电极之下的部分增加电荷。

Claims (20)

1.一种摄像装置，包括：

多个像素；以及

用于增加所述像素中存储的电荷的增加部分，其中

响应于入射到所述像素上的光的亮度，对包括至少一个像素的每组，由所述增加部分控制增加电荷的次数。

2.如权利要求1所述的摄像装置，其中

所述控制增加电荷的次数被执行为，当根据入射到所述像素上的光的亮度所获得的亮度值大于第一亮度值水平时，减小所述增加电荷的次数，而当根据入射到所述像素上的光的亮度所获得的亮度值小于第二亮度值水平时，增大所述增加电荷的次数。

3.如权利要求1所述的摄像装置，其中

每个所述像素包括：具有光电转换功能的存储部分，用于存储由光电转换产生的电荷；用于从所述像素中读取电荷的读取栅极电极；以及在所述存储部分和所述读取栅极电极之间设置的转移栅极电极，用于转移所述存储部分中存储的电荷，其中

在所述转移栅极电极之下执行所述电荷的增加。

4.如权利要求3所述的摄像装置，其中

在所述电荷的增加中，所述读取栅极电极也用作所述转移栅极电极。

5.如权利要求1所述的摄像装置，其中

每个所述像素包括：具有光电转换功能的存储部分，用于存储由光电转换产生的电荷；以及与所述存储部分相邻设置的转移栅极电极，用于转移所述存储部分中存储的电荷，其中

在所述存储部分与所述转移栅极电极之间执行所述电荷的增加。

6.如权利要求1所述的摄像装置，其中

所述多个像素由具有颜色灵敏度特性的多个像素组成，所述多个像素被分为包括具有相同颜色灵敏度特性的两个或更多像素的组，以及

将所述具有相同颜色灵敏度特性的两个或更多像素中的至少一个的增加电荷的次数固定为0或指定值，以及通过比较从增加电荷的次数被控制的所述像素的输出与从增加电荷的次数被固定的所述像素的输出，来计算增加电荷的次数。

7.如权利要求1所述的摄像装置，其中

逐像素地执行对增加电荷的次数的所述控制。

8.如权利要求1所述的摄像装置，其中

逐帧地执行对增加电荷的次数的所述控制。

9.如权利要求1所述的摄像装置，还包括多个列解码器，所述多个列解码器与所述像素连接，用于读取所述像素中存储的电荷。

10.如权利要求1所述的摄像装置，其中

所述像素还包括电压转换部分，每个所述电压转换部分将电荷转换为电压，以及

所述电压转换部分中每一个是针对多个所述像素设置的。

11.如权利要求1所述的摄像装置，还包括用于改变所述像素的曝光时间的曝光时间改变部分，其中

响应于入射到所述像素上的光的亮度，对包括至少一个像素的每组，切换对增加所述像素中存储的电荷的次数的控制以及对所述像素的曝光时间的控制。

12.如权利要求11所述的摄像装置，其中

当入射到所述像素上的光的亮度低于指定值时，通过使用所述增加部分控制增加电荷的次数来调节灵敏度，当入射到所述像素上的光的亮度高于所述指定值时，通过使用所述曝光时间改变部分控制所述像素的曝光时间来调节灵敏度。

13.如权利要求11所述的摄像装置，其中

每个所述像素包括第一转移栅极电极，所述第一转移栅极电极具有转移电荷以及施加电压用于增加电荷的功能。

14.如权利要求11所述的摄像装置，其中

每个所述像素包括：具有光电转换功能的存储部分，用于存储由光电转换产生的电荷；以及与所述存储部分相邻形成的第二转移栅极电极，所述第二转移栅极电极被包括在所述曝光时间改变部分中，并用于转移电荷，以及

所述第二转移栅极电极控制所述像素的曝光时间。

15.如权利要求14所述的摄像装置，其中

每个所述像素包括：第一读取栅极电极，用于从所述多个像素中逐行地通过所述存储部分中存储的电荷来读取信号；以及第二读取栅极电极，用于逐列地通过所述存储部分中存储的电荷来读取信号。

16.如权利要求11所述的摄像装置，其中

每个所述像素包括像素控制电路，用于切换对所述增加部分的控制和对所述曝光时间改变部分的控制。

17.如权利要求11所述的摄像装置，其中

逐像素地执行对增加电荷的次数的所述控制以及对所述像素的曝光时间的所述控制。

18.如权利要求11所述的摄像装置，其中

逐帧地执行对增加电荷的次数的所述控制以及对所述像素的曝光时间的所述控制。

19.如权利要求11所述的摄像装置，其中

所述曝光时间包括比通常曝光时间短的第一曝光时间、以及另外的第二曝光时间。

20.一种摄像装置，包括：

多个像素；

用于增加所述像素中存储的电荷的增加部分；以及

用于改变所述像素的曝光时间的曝光时间改变部分，其中

响应于入射到所述像素上的光的亮度，对包括至少一个像素的每组，切换对增加所述像素中存储的电荷的次数的控制以及对所述像素的曝光时间的控制。

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