CN101573960A - 固态成像设备、用于驱动固态成像设备的方法和成像设备 - Google Patents

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Abstract

提供了具有像素阵列部分的固态成像设备，在该像素阵列部分中，以矩阵形式二维地布置检测物理量的像素。在该固态成像设备中，通过模拟从像素阵列部分读取具有不同灵敏度的多个系统的像素信号。当模拟像素信号的增益设置低于规定增益时，通过每个基本放大因子来放大系统的像素信号，而当增益设置等于规定增益或更高时，以包括高于具有高灵敏度的系统的基本放大因子的放大因子在内的多个放大因子来放大系统中具有高灵敏度的至少一个系统的像素信号。为了获得具有不同灵敏度的系统的信号并实现宽的动态范围，当模拟增益增大时消除了由于脱离AD转换输入范围而引起的信息损失，并获得了具有很好的S/N的图像。

Description

固态成像设备、用于驱动固态成像设备的方法和成像设备
技术领域
本发明涉及固态图像拾取装置、用于固态图像拾取装置的驱动方法和图像拾取装置，更具体地，涉及使用用于更宽动态范围的技术的固态图像拾取装置、用于固态图像拾取装置的驱动方法和使用该固态图像拾取装置的图像拾取装置。
背景技术
在例如MOS(Metal Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体)型图像拾取装置之类的固态图像拾取装置中，公知关于在通过以行列方式二维地布置包括光电转换元件的像素而构造的像素阵列单元中的各个像素而改变曝光时间(积累时间)，取决于长和短的曝光时间来获得具有高灵敏度的信号和具有低灵敏度的信号，并合成(synthesize)具有高灵敏度的信号和具有低灵敏度的信号用于实现更宽的动态范围。
作为用于实现更宽动态范围的技术之一，公知如下的一技术：其用于通过对同一像素多次执行信号的读取同时改变曝光时间并将经由在后一级的信号处理系统中多次执行的读取操作而获得的各个信号进行合成来扩大动态范围(例如，见日本专利No.3680366)。
发明内容
在日本专利No.3680366中描述的上述传统技术的情况下，从具有长曝光时间的信号获得屏幕的低亮度部分的信息，且从具有短曝光时间的信号获得屏幕的高亮度部分的信息。然而，当景物具有低亮度时，至少需要延长更长的曝光时间，但存在对于延长更长的曝光时间的限制。例如，在运动图像中，通常，曝光时间可以最大仅占据到1/30秒。而且，同样在静止图像中，为了抑制手抖或景物模糊，在一些情况下不期望将曝光时间延长上至等于或大于特定时间。
在这些情况下，由于即使在更长的曝光时间中信号量也很小，因此增大了固态图像拾取装置的增益设置。为了增大增益设置，存在两种方式：在AD转换之前增大模拟增益的情况和在AD转换之后增大数字增益的情况。
当数字增益增大时，梯度(gradation)变得粗糙(coarse)。当模拟增益增大时，在部分屏幕明亮的情况下，明亮部分超过AD转换的输入范围。该信号实际上存在，但它被丢弃了，因此发生了信息损失。当然，可以从短曝光时间期间的信号获得明亮部分的信号，但如与长曝光时间期间的信号相比，由于差的S/N，降低了待获得的图像的S/N。
考虑到以上，根据本发明，目的在于提供如下的固态图像拾取装置、用于该固态图像拾取装置的驱动方法和图像拾取装置：其中，为了通过获得具有不同灵敏度的多个系统的信号来实现更宽的动态范围，当增大模拟增益时，消除由于来自AD转换的输入范围的偏差而导致的信息损失，且能够获得具有好的S/N的图像。
为了实现上述目的，根据本发明，在具有通过以行列方式二维地布置用于检测物理量的像素构成的像素阵列单元的固态图像拾取装置和使用该固态图像拾取装置的图像拾取装置中，以模拟方式从所述像素阵列单元读取具有不同灵敏度的多个系统的像素信号，当模拟像素信号的增益设置低于预定增益时以各个基本放大率来放大所述多个系统的像素信号，而当增益设置等于或高于预定增益时以包括高于具有高灵敏度的系统的基本放大率的放大率在内的多个放大率来放大在多个系统中具有高灵敏度的至少一个系统的像素信号。
在上述配置的该固态图像拾取装置和图像拾取装置中，当模拟增益的增益设置低于预定增益时，通过以各个基本放大率来放大多个系统的像素信号以被后一级的信号处理系统合成，可以根据多个系统的灵敏度比率来扩展动态范围。
另一方面，当模拟增益的增益设置等于或高于预定增益时，通过以包括高于具有高灵敏度的系统的基本放大率的放大率在内的多个放大率来放大具有高灵敏度的至少一个系统的像素信号，并在后一级的信号处理系统中合成以多个放大率放大的信号，可以根据多个放大率的比率获得增益提升信号(gain up signal)。
根据此，在景物具有低亮度或类似的情况下，即使增大模拟增益以便增加灵敏度(例如，在部分屏幕明亮的情况下)，由于明亮部分未超过AD转换的输入范围。因此，不会导致从长曝光时间的信号获得原始切除信号(originallyexcising signal)的失败，而且不会降低低亮度部分处的梯度。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施例的CMOS图像传感器的概要的系统配置图。
图2是示出单元像素的电路配置的示例的电路图。
图3是用于获得具有不同灵敏度的两个系统的信号的快门扫描和两个系统的读取扫描的说明图，其中分别地，(A)示出分配信号的方式的概念，而(B)分别示出快门扫描和两个系统的扫描的概念。
图4是列信号处理电路的配置示例的框图。
图5示出了根据实施例1的列信号处理的处理序列。
图6是示出放大电路增益可变的列信号处理电路的修改示例的框图。
图7示出根据实施例2的列信号处理的处理序列。
图8是示出根据电路示例1的列信号处理电路的电路图。
图9是示出根据电路示例2的列信号处理电路的电路图。
图10是示出根据本发明的图像拾取装置的配置示例的框图。
具体实施方式
在下文中，参考附图详细描述本发明的实施例。
图1是示出根据本发明的实施例的固态图像拾取装置的概要的系统配置图。例如，根据本实施例，在采用CMOS图像传感器作为示例、作为用于根据作为以像素为单位的物理量的可见光的光量来检测电荷量的固态图像拾取装置的同时给出描述。
(CMOS图像传感器的配置)
如图1所示，根据本实施例的CMOS图像传感器10具有通过以行列方式(矩阵方式)二维地布置单元像素11(单元传感器)(其包括用于根据光量来执行入射可见光到电荷量的光电转换的光电转换元件)而构成的像素阵列单元12。
除了该像素阵列单元12以外，CMOS图像传感器10还具有：作为控制部件的控制电路13，其用于控制整个系统；作为驱动部件的垂直驱动电路14，其用于驱动像素阵列单元12的各个像素11；以及作为信号处理部件的n个系统(n是等于或大于2的整数，在本示例中，n＝2)的列信号处理电路15和16、水平驱动电路17和18、水平信号线19和20以及输出电路21和22，其用于处理从各个像素11输出的信号。
然后，根据本实施例的CMOS图像传感器10具有如下的系统配置：在像素阵列单元12的上下侧分别布置两个系统信号处理部件，即，列信号处理电路15、水平驱动电路17、水平信号线19和和输出电路21，以及列信号处理电路16、水平驱动电路18、水平信号线20和输出电路22。
在该系统配置中，控制电路13从外部接收用于指令本CMOS图像传感器10的工作模式等的数据，并还向外部输出包括本CMOS图像传感器10的信息的数据。
控制电路13基于垂直同步信号Vsync、水平同步信号Hsync和主时钟MCK，进一步生成作为垂直驱动电路14、列信号处理电路15和16、水平驱动电路17和18等的电路工作基准的时钟信号、控制信号等。控制电路13生成的该时钟信号、控制信号等提供至垂直驱动电路14、列信号处理电路15和16、水平驱动电路17和18等。
在像素阵列单元12中，以行列方式二维地布置单元像素(在下文中，某些情况下也可简述为“像素”)11。如图1中所示，基本上以方形栅格形式排列(line)和布置单元像素11。这意味着基本上以方形栅格形式排列和布置由光电转换元件所限定的光学开口、金属布线等，并且单元像素11的电路部分不局限于此。即，以下所述的单元像素11的电路部分并不必然需要基本上以方形栅格形式来排列和布置。
另外，在像素阵列单元12中，关于单元像素11的列行布置，对于每个像素行，像素驱动布线23沿着附图的左右方向(像素行上的像素的布置方向)形成，对于每个像素列，垂直信号线24沿着附图的上下方向(像素列上的像素的布置方向)形成。各像素驱动布线23的一端连接至与垂直驱动电路14的各个像素行相对应的输出端。
垂直驱动电路14由移位寄存器、地址解码器等构成，以行为单位顺序地选择并扫描像素阵列单元12的各个像素11，并经由像素驱动布线23向所选行上的各个像素提供必要的驱动脉冲(控制脉冲)。
尽管省略了关于具体配置的图形表示，然而垂直驱动电路14配置为具有：读取扫描系统，其用于对像素11顺序地执行选择扫描，以便于以行为单位读取信号；以及冲洗扫描系统(flush scan system)，其用于对读取扫描系统执行的读取扫描的读取行执行冲洗扫描，以便于在快门速度期间、在读取扫描之前从读取行上的像素11的光电转换元件扫除(复位)不必要的电荷。
通过由该冲洗扫描系统进行的不必要电荷的扫除(复位)，执行了所谓的电子快门操作。在下文中，冲洗扫描系统称为电子快门扫描系统。此时，电子快门操作涉及丢弃光电转换元件的光电生成电荷与重新开始曝光(开始光电生成电荷的积累)的操作。
通过读取扫描系统的读取操作所读取的信号对应于前一读取操作、或电子快门操作或此后入射的光量。然后，从前一读取操作的读取时序或电子快门操作的扫除时序直到此时读取操作的读取时序的时间段变为单元像素11中的光电生成电荷的积累时间(曝光时间)。
从所选行上的各个像素11输出的信号经由每个垂直信号线24而提供至列信号处理电路15或列信号处理电路16。例如对于像素阵列单元12的每个像素列，在像素阵列单元12的上部和下部(即，以关于像素列的一对一对应关系)分别布置列信号处理电路15和16。
对于像素阵列单元12的每个像素行，这些列信号处理电路15和16接收从每个像素列的所选行上的各个像素11输出的信号，并对信号执行信号处理，诸如用于移除像素固有的固定图样噪声的CDS(Correlated DoubleSampling；相关双采样)、信号放大或AD转换。
应该注意，这里，作为示例的同时描述了采用如下配置的情况，所述配置为：以关于像素列的一对一对应关系布置列信号处理电路15和16，但其不局限于该配置。例如，可以采用如下的配置等：其使得为多个像素列(垂直信号线24)中的每个布置列信号处理电路15和16，且在多个像素列之间以时分方式共同使用这些列信号处理电路15和16。
水平驱动电路17由移位寄存器、地址解码器等构成，并通过顺序地输出水平扫描脉冲来依次选择列信号处理电路15。与水平驱动电路17类似，水平驱动电路18也由移位寄存器、地址解码器等构成，并通过顺序地输出水平扫描脉冲来依次选择列信号处理电路16。
应当注意，虽然省略了图形表示，但是在列信号处理电路15和16的各个输出级中提供了水平选择开关同时将其连接在水平信号线19和20之间。从水平驱动电路17和18顺序地输出的水平扫描脉冲φH1和φHx依次导通被提供给列信号处理电路15和16的各个输出级的水平选择开关。这些水平选择开关响应于水平扫描脉冲而依次被导通，为每个像素列在列信号处理电路17和18中处理的像素信号依次输出到水平信号线19和20。
输出电路21和22对从列信号处理电路15和16的每个经由用于输出的水平信号线19和20顺序提供的像素信号应用各种信号处理。作为在这些输出电路21和22中的具体信号处理，例如，存在如下情况：仅执行缓冲，或在缓冲之前，还可执行块电平调整、每列的波动校正、信号放大、色彩相关处理等。
(单元像素的电路配置)
图2是示出单元像素11的电路配置的示例的电路图。如图2所示，除了光电转换元件(例如，光电二极管111)之外，根据本电路示例的单元像素11还具有含四个晶体管(例如，传输晶体管112、复位晶体管113、放大晶体管114和选择晶体管115)的像素电路。
对于这些晶体管112～115，此处例如使用了N沟道MOS晶体管。在这点上，此处的传输晶体管112、复位晶体管113、放大晶体管114和选择晶体管115的导电类型的组合仅是示例，而不局限于这些组合。
关于该单元像素11，例如，向在同一像素行上的各个像素共同提供了作为像素驱动布线23的三根驱动布线：传输布线231、复位布线232和选择布线233。这些传输布线231、复位布线232和选择布线233的各自一端连接到与像素行的各单元中的垂直驱动电路14的各自像素行相对应的输出端。
在光电二极管111中，阳极连接至负侧电源(例如，参考地)，并根据光量(物理量)来对接收到的光执行到电荷量的光电生成电荷(这里，光电子)的光电转换。光电二极管111的阴极经由传输晶体管112而电连接至放大晶体管114的栅极。电连接至放大晶体管114的该栅极的节点116被称为FD(浮空扩散)单元。
传输晶体管112连接在光电二极管111的阴极和FD单元116之间，其在经由传输布线231向其栅极提供高电平(例如，Vdd电平)有效(在下文中，描述为“高有效”)的传输脉冲φTRF时进入导通状态，并将光电二极管111中经过光电转换的光电生成电荷传输至FD单元116。
在分别将漏极连接到像素电源Vdd且将源极连接到FD单元116时，当经由复位布线232将高有效复位脉冲φRST提供至其栅极时，复位晶体管113进入导通状态，并且在信号电荷从光电二极管111传输至FD单元116之前而将FD单元116的电荷丢弃(discard)至像素电源Vdd以复位FD单元116。
在分别将栅极连接到FD单元116且将漏极连接到像素电源Vdd时，放大晶体管114输出在被复位晶体管113复位为复位电平之后的FD单元116处的电势，且进一步输出在传输晶体管112传输信号电荷之后的FD单元116处的电势。
例如，在分别将漏极连接到放大晶体管114的源极且将源极连接到垂直信号线24时，当经由选择布线233将高有效选择脉冲φSEL提供至其栅极时，选择晶体管115进入导通状态，且在单元像素11处于选择状态时将从放大晶体管114输出的信号传播至垂直信号线24。
应该注意，还可以采用将选择晶体管115连接在像素电源Vdd和放大晶体管114的漏极之间的电路配置。
此外，单元像素11不局限于四个晶体管配置的上述配置，而可以是重叠(doubling)为放大晶体管114和选择晶体管115等的三个晶体管配置，其电路配置变得不相关(irrelevant)。
(本实施例的特点)
在根据上述配置的本实施例的CMOS图像传感器10中，为了实现更宽的动态范围、具有不同灵敏度的多个系统，在本示例中，从像素阵列单元12的各个像素11获得两个系统的信号。
垂直驱动电路14通过电子快门扫描系统来对像素阵列单元12的各个像素11执行快门扫描，通过读取扫描系统来对像素阵列单元12的各个像素11执行两个系统的读取扫描，并改变像素11检测作为物理量的光量期间的检测时间(即，曝光时间)，从而获得了具有不同灵敏度的两个系统的信号(改变了两个系统的信号的灵敏度)。以两个读取扫描的间隔来该曝光时间(检测时间)的长度。在下文中提供具体描述。
如图3(A)所示，在读取扫描中，分别对两个系统的两个像素行(如读取行1和2)执行扫描，并且将来自这两个读取行1和2的各个像素的信号读取到每个垂直信号线24。应该注意，在对应于两个系统的读取扫描的同时提供了两个系统的列信号处理电路15和16。
如图3(B)所示，通过该垂直扫描，在执行第一次读取扫描情况下从快门行扫描到读取行1的时间变成曝光时间1，在执行第二次读取扫描情况下从读取行1扫描到读取行2的时间变成曝光时间2。因此，通过改变这些连续曝光时间(积累时间)1和2，可以从同一像素连续获得具有不同灵敏度的信号(即，具有基于更短曝光时间1的低灵敏度的信号和具有基于更长曝光时间2的高灵敏度的信号)。由控制电路13执行曝光时间1和2的设置。
由附图中后级的信号处理电路(未示出)合成该具有不同灵敏度的信号(即具有低灵敏度的信号和具有高灵敏度的信号)，从而可以获得具有较宽动态范围的图像信号。实际上，可以通过以下配置来实现这种快门扫描和读取扫描。
如上所述，在具有读取扫描系统和电子快门扫描系统(冲洗扫描系统)的垂直驱动电路14中，例如由移位寄存器来配置电子快门扫描系统。通过以像素行为单位从第一行依次输出来自移位寄存器的电子快门脉冲，可以执行从第一行顺序地执行快门扫描的所谓滚动(rolling)快门操作(或焦平面快门操作)。
另一方面，由两排移位寄存器配置读取扫描系统。通过从两排移位寄存器顺序地输出用于选择读取行1和2的扫描脉冲1和2，可以执行两个系统的读取扫描。此外，同样通过地址解码器来配置读取扫描系统，并且经利用地址解码器对读取行1和2的各个地址的详细说明(specification)，可以执行两个系统的读取扫描。
这样，通过由电子快门扫描系统执行快门扫描以及由读取扫描系统执行两个系统的读取扫描，可以获得具有不同灵敏度的两个系统的信号。
具体地，如图3(A)所示，首先扫描快门行，然后扫描两个读取行1和2。例如，可以分别将读取行1上的各个像素输出的信号读取至列信号处理电路15，将读取行2上的各个像素输出的信号读取至列信号处理电路16。可以改变读取行1和2与列信号处理电路15和16的组合。
在列信号处理电路15和16的每个的操作时序处决定将读取行1和2之间哪行的信号读取到列信号处理电路15和16之间的哪个电路。即，如果在读取行1的扫描时序处操作列信号处理电路15(16)，那么将读取行1上的各个像素的信号读取到列信号处理电路15(16)，而如果在读取行2的扫描时序处操作列信号处理电路16(15)，那么将读取行2上的各个像素的信号读取到列信号处理电路16(15)。
在图3(B)中，示出扫描的状态，同时水平轴表示时间。这里，读取行1用于短曝光时间1，而读取行2用于长曝光时间2。为了便于理解，作为示例，将对于两行的曝光时间1设置为时间2H(h是水平时间段)，而将对于八行的曝光时间2设置为时间8H。因此，读取行1上的各个像素的灵敏度较低，而读取行2上的各个像素的灵敏度以4倍高于读取行1上的各个像素的灵敏度。
(列信号处理电路)
图4是列信号处理电路15和16的配置示例的框图。在图4中，(A)示出列信号处理电路15的配置，而(B)示出列信号处理电路16的配置。在此，为了便于描述，以信号从顶部流向底部的方向来描写列信号处理电路15和16。
列信号处理电路15由CDS电路151、放大电路152、AD转换电路153和锁存器电路154构成。
在该列信号处理电路15中，CDS电路151执行CDS处理(其用于得到经由垂直信号线24而从像素11提供的上述复位电平和信号电平之间的差异)，以便根据入射光的光量来从信号电平中消除像素固有的固定噪声图样。
放大电路152具有以其使得垂直信号线24的最大信号放大基本上落入AD转换电路153的输入范围内的基本放大率(其被设置为×1)，并且以基本放大率来放大CDS电路151的输出信号。
AD转换电路153将在放大电路152中放大之后的模拟信号转换为数字信号。锁存器电路154存储经过AD转换并从AD转换电路153输出的数字数据。
列信号处理电路16基本上也具有与列信号处理电路15相同的配置。具体地，列信号处理电路16由CDS电路161、放大电路162、AD转换电路163和锁存器电路164构成，且各电路161～164的电路工作与列信号处理电路15的各电路151～154的电路工作基本上也相同。
在这点上，列信号处理电路16就下面这点方面具有与列信号处理电路15不同的配置。即，放大电路162如下两个电路系统：一个电路系统用于以第一放大率放大信号，一个电路系统用于以第二放大率放大信号，并且可以通过来自控制电路13的指令来切换这两个电路系统(见图1)。
此时，作为第一放大率，设置与列信号处理电路15的放大电路152相同的基本放大率。作为第二放大率，通过基本放大率的预定倍数，在本示例中，设置与读取行1和2上的各个像素的灵敏度比率相对应的的四倍放大率(×4)。
应该注意，在此，为了便于理解，在该配置中，放大电路163由其放大率彼此不同的两个系统来配置，且切换这两个系统的电路系统，但为了详细描述，可以切换放大率的配置可能足够了。以下将描述可以切换放大率的具体电路示例。
此外，锁存器电路164由两个锁存器电路164A和164B构成。分别由锁存器电路164A锁存(存储)当在放大电路162中以第一放大率放大信号时的AD转换数据，由锁存器电路164B锁存当以第二放大率放大信号时的AD转换数据。
在此，为了便于理解，已经描述了由两个锁存器电路164A和164B配置锁存器电路164的示例。然而，例如还可以采用如下的配置：将一个锁存器电路164的位划分为高阶侧(upper-order side)和低阶侧(lower-order side)，并将高阶侧的位和低阶侧的位用作两个锁存器电路。
在上述列信号处理电路15和16中，各个基本放大率被设置为彼此相等，但这不是绝对必要的条件，其也可以彼此不同。在这点上，如果列信号处理电路15和16的各个基本放大率彼此相等，那么其在随后信号处理的性能中是有利的。
此外，在列信号处理电路15和16中，通常，通过在许多情况下包括直到锁存器电路154和164来建立AD转换电路153和163，但为了在此描述，有意将AD转换电路153和163与锁存器电路154和164区分。
(列信号处理电路中的信号处理)
随后，将把列信号处理电路15和16中的各个信号处理描述为实施例1和2。
<实施例1>
如图5(A)所示那样处理读取行1上的各个像素的信号。首先，从像素11读取信号，且还执行CDS处理。接下来，CDS处理之后的信号以基本放大率(×1)来放大，且在AD转换之后存储在锁存器电路154中。以基本放大率放大且在锁存器电路154中存储的该信号被设置为S1。
如图5(B)所示那样处理读取行2上的各个像素的信号。首先，从像素11读取信号，且还执行CDS处理。接下来，以基本放大率放大的4倍来放大CDS处理之后的信号，且在AD转换之后将其存储在锁存器电路164A中。以基本放大率的4倍来放大且存储在锁存器电路164A中的该信号被设置为S2。随后，以基本放大率来放大存储在CDS电路161中的同一信号，且在AD转换之后将其存储在锁存器电路164B中。以基本放大率来放大且存储锁存器电路164B中的该信号被设置为S3。
然后，读取通过水平驱动电路17的水平扫描而存储在锁存器电路154中的信号S1，同样顺序地读取通过水平驱动电路18的水平扫描而存储在锁存器电路164A和164B中的信号S2和S3。在后一级中的数字信号处理电路(在图中未示出)中，信号S1、S2和S3经过合成处理来实现更宽的动态范围。
信号S1是基于读取行1中的各个像素的短曝光时间1(2H)的信号，并且其为处理高亮度部分的信号。
信号S2是基于在读取行2中的各个像素的长曝光时间2(8H)的信号被4倍放大的信号，并且其为放大低亮度部分的信号。
信号S3是基于读取行2中的各个像素的长曝光时间2(8H)的信号，并且其为处理低亮度部分的信号。
通常，当本CMOS图像传感器10的增益设置低于预定增益时，基于来自控制电路13的指令，放大电路162被切换到基本放大率(×1)。据此，在锁存器电路154和164B中存储以基本放大率放大读取行1上的各个像素的信号以及读取行2上的各个像素的信号的各个信号S1和S3。
然后，当在用于后一级中实现更宽动态范围的信号处理中合成这些各个信号S1和S3(即，合成处理高亮度部分的信号S1和处理低亮度部分的信号S3)时，由于信号S1和信号S3的曝光时间的比率(即灵敏度比率)是4倍，因此生成动态范围被扩大了4倍的图像。
另一方面，当景物较暗但不期望减小快门速度时，将增益设置设置为等于或高于预定增益。在该增益设置中，如上所述，存在两种方式：增大AD转换之前的模拟增益的情况和增大AD转换之后的数字增益的情况。然而，如果增大数字增益，那么梯度变得粗糙，因此在本示例中采用增大模拟增益的方法。
在增益设置时，作为示例，利用从控制电路13延伸的控制线，通过改变放大电路162内的可变电容的电容值，模拟增益被增大。
当增大增益设置时，基于来自控制电路13的指令，关于来自读取行2上的各个像素的同一信号，放大电路162的放大率被切换到基本放大率(×1)的4倍放大率和该基本放大率。
根据此，在锁存器电路154、164A和164B中存储以基本放大率放大读取行1上的各个像素的信号的信号S1、以基本放大率的4倍来放大读取行2上的各个像素的信号的信号S2、以及以基本放大率来放大读取行2上的各个像素的信号的信号S3。
然后，在信号处理中合成这些各个信号S1、S2和S3以便于更宽的动态范围，即，合成处理高亮度部分的信号S1、放大低亮度部分的信号S2和处理低亮度部分的信号S3。因此，根据信号S1和信号S3的灵敏度的比率，扩展了动态范围，同样根据信号S2和信号S3的放大率的比率，可以获得4倍的增益提升信号。
为了详细描述，分别将通过以读取行1的基本放大率的数字计算的信号S1的4倍信号、通过以读取行2的基本放大率的4倍增益的数字计算的信号S2的1倍信号和通过以读取行2的基本放大率的数字计算的信号S3的4倍信号设置为高亮度部分的信号(×16)、低亮度部分的信号(×1)和中间亮度部分的信号(×4)。
根据此，在景物具有低亮度等的情况下，即使增大AD转换之前的模拟增益以增加灵敏度(例如，在部分屏幕明亮的情况下)，明亮部分也不超过AD转换的输入范围。因此，不会导致无法从长曝光时间的信号获得原始切除信号(excising signal)，而且不会降低低亮度部分处的梯度。结果，消除了由于脱离AD转换的输入范围而导致的信息损失，且可以获得具有良好S/N的图像。
此时，当增益设置等于或高于预定增益时，随着添加低亮度部分的信号S2，看上去显然以4倍进一步扩大了动态范围，但其不随着信号S3的增益被改变且仅被添加而根本地改变。在大于当AD转换的梯度处于放大率为1时的AD转换之前的噪声的情况下，该量被扩大。
<实施例1的修改示例>
图6是示出放大电路的放大率可变的列信号处理电路16A的修改示例的框图。
根据本修改示例的列信号处理电路16A被配置以确定读取行2上的各个像素的信号的电平(例如，已经经过CDS电路161的信号电平的量值)，在信号电平小于预定电平的情况下将放大电路162的放大率设置为基本放大率的4倍，而在等于或大于预定电平的情况下将放大电路162的放大率设置为基本放大率(×1)。
这样，如在实施例1的情况下那样，通过采用根据读取行2上的各个像素的信号电平将放大电路162的放大率切换为基本放大率的4倍和1倍的配置，不一定划分并锁存以基本放大率的4倍来放大读取行2上的各个像素的信号的信号S2以及以基本放大率来放大读取行2上的各个像素的信号的信号S3，因此可以通过一个锁存器电路来配置锁存器电路164，换言之，可以减少一个锁存器电路。
<实施例2>
在根据实施例2的列信号处理中，采用了一种方法来简化电路且尽可能地管理(而不是扩大)动态范围。取决于产品，该方法可能更有利。
图7中示出了处理的示例。在此，由于在高增益设置时的环境，读取行1和2与列信号处理电路15和16的组合被设置为与实施例1相反。如上所述，读取行1和2与列信号处理电路15和16的组合是任意的。
当增益设置低于预定增益时，将读取行1上的各个像素的信号读取到列信号处理电路16，且将读取行2上的各个像素的信号读取到列信号处理电路15。然后，以基本放大率放大列信号处理电路15和16中的一个，此外使其经过AD转换。
当增益设置等于或高于预定增益时，在控制电路13的控制下，执行读取行1侧的读取扫描系统的扫描，但不把读取行1上的各个像素的信号读取到垂直信号线24。读取行2的曝光时间保持为8H。读取行2上的各个像素的信号被读取到列信号处理电路15和16两者。然后，在列信号处理电路15中，执行基本放大率的放大以及AD转换以将其存储在锁存器电路154中，并且在列信号处理电路16中，执行基本放大率的4倍的放大和AD转换，并在例如锁存器电路164A中锁存。
在根据实施例2的该列信号处理，在高增益设置时，不使用读取行1上的短曝光时间1的信号。动态范围的扩展仅是AD的梯度的效果，但存在如下优点：可以消除列信号处理电路16侧的一个锁存器电路(在本示例中，锁存器电路164B)，而且将列信号处理电路15和16的AD转换倍数设置为一致，而且可以将信号的位数设置为常数。
如从以上描述中显而易见的那样，根据实施例1和2，当增益设置等于或大于预定增益时，以如下多个放大率来放大长曝光时间2的各个像素的信号(即具有高灵敏度的信号)：基本放大率(在本示例中，×1)以及高于基本放大率的放大率(在本示例中，基本放大率的4倍)，而且将其经过AD转换。因此，即使当模拟增益增大时，也不会丢弃长曝光时间的信息，并且可以获得具有好的S/N的图像。
此时，以低于关于具有高灵敏度的信号的的放大率的最大值(在本示例中，×4)的一个放大率(在本示例中，基本放大率)来放大短曝光时间1的各个像素的信号(即，具有低灵敏度的信号)。因此，可以在不使用不必要的电路或功耗的情况下获得需要的信号，同时也不会减降低工作速度。
根据上述实施例1和2，两个放大率的比率是4倍，且曝光时间1和2的比率(其为灵敏度的比率)也是4倍。放大率的比率与灵敏度的比率设置为彼此相等，但其不一定必然彼此相等。
在这点上，如果将放大率的比率和灵敏度的比率设置为彼此相等，则在处理信号时更方便。例如，根据实施例2，由于放大率的比率和灵敏度的比率彼此相等，因此低增益设置时和高增益设置时的信号位数可以一致。
此时，放大率的比率和灵敏度的比率彼此相等不仅意味着完美匹配的情况，还可以将其看作为基本上彼此相等(如果误差为5％或更低)。即，当应用本发明时，通常，放大率的比率和灵敏度的比率不一定需要具有完美的匹配。即使存在大约5％的某种误差，也可以在稍后合成信号时来调整该误差量。
应该注意，根据上述实施例，作为示例已经描述了将两个系统的信号读取为具有不同灵敏度的多个系统的信号的情况，但本发明不局限于两个信号，而可以类似地应用于读取三个或更多个系统的信号的情况。
具体地，以模拟方式从像素阵列单元12读取具有不同灵敏度的多个系统的像素信号。当增益设置低于预定增益时，可以以各个基本放大率来放大多个系统的像素信号，而当增益设置等于或大于预定增益时，可以以包括比具有高灵敏度的系统的基本放大率高的放大率(包括实施例1和2)在内的多个放大率来放大多个系统中具有高灵敏度的至少一个系统的像素信号。
此时，以多个放大率的放大还包括如下的情况：在具有高灵敏度的至少一个系统中以基本放大率放大特定像素且以高于基本放大率的放大率来放大特定像素。这样，对于每个像素仅以一种放大率执行放大(等同于实施例1的修改示例)。
然后，当增益设置等于或高于预定增益时，以比具有高灵敏度的系统的多个放大率的最大值更低的一个放大率来放大多个系统中具有低灵敏度的至少一个系统的像素信号(等同于实施例1)。
可替代地，当增益设置等于或高于预定增益时，不使用多个系统中具有低灵敏度的至少一个系统的像素信号，而是以多个放大率中的一个来放大具有高灵敏度的至少一个系统的像素信号(等同于实施例2)。
(列信号处理电路的电路示例)
根据实施例1和2，在列信号处理电路15和16(16A)中，四个组件(即，CDS电路151和161、放大电路152和162、AD转换电路153和163以及锁存器电路154和164)不需要独立。
此后，将描述在当放大电路的放大率可变时在列信号处理电路16中共同地使用这些组件的情况下的具体电路示例1和2。
<电路示例1>
图8是示出通过根据电路示例1的普通电荷电压转换放大器来配置CDS电路和放大电路的列信号处理电路的电路图。
构成根据电路示例1的部分列信号处理电路的电荷电压转换放大器30具有如下的公知电路配置，该配置具有：第一开关31，其一端连接到垂直信号线24；第二开关32，其连接在第一开关31的另一端和任意固定电势V0之间；输入电容33，其输入端连接到第一开关31的另一端；差分放大器34，其反相(-)输入端连接到输入电容33的输出端，并且在其之中向同相(+)输入端提供钳位电压Vclp；第三开关35，其连接在差分放大器34的反相输入端和输出端之间；反馈电容36，其串联连接在差分放大器34的反相输入端和输出端之间；以及第四开关37(例如，见日本未审查专利申请公开No.2005-269471)。
在上述配置的电荷电压转换放大器30中，基于输入电容33和反馈电容36的电容比率来决定放大率。因此，由于将反馈电容设置为可变电容，且电容值被切换，因此例如可以将电荷电压转换放大器30的放大率从基本放大率(×1)转换为其4倍的放大率。
而且，作为反馈电容36，例如以并行方式提供具有与基本放大率相对应的电容值的反馈电容36A和具有与基本放大的4倍相对应的电容值的反馈电容36B，并选择它们中的一个，从而也可以在基本放大率和其4倍放大率之间切换电荷电压转换放大器30的放大率。
<电路示例2>
图9是示出从CDS电路直到AD转换电路都不可分割的、根据电路示例2的列信号处理电路的电路图。
根据电路示例2的列信号处理电路40具有如下公知的电路配置，该配置具有：第一开关41，其一端连接到垂直信号线24；第二开关43和第一电容器44，其串联连接在列信号处理电路40外部存在的DA转换电路42的输出端与第一开关41的另一端之间；第二电容器45，其一端连接到第一开关41的另一端；反相器46，其输入端连接到第二电容器45的另一端；第三开关47，其连接在反相器46的输入端和输出端之间；以及计数器48，其输入端连接到第三开关47的另一端(例如，见日本专利No.3361005)。
在上述配置的列信号处理电路40中，将DA转换电路42输出的基准电压Vref的波形设置为斜坡(ramp)波形，且由计数器48来对反相器46的输出处于高电平的持续时间进行计数，从而可以获得对应于输入信号电压的数字输出值，即，可以执行AD转换。AD转换的梯度由基准电压Vref的斜坡波形的倾角来决定。
在该列信号处理电路40中，不直接放大来自像素的信号，而基于用于决定AD转换的梯度的基准电压Vref的斜坡波形的倾角来决定关于来自像素的信号的放大率。然后，由于将基准电压Vref的斜坡波形的倾角调节为用于决定基本放大率的倾角的1/4，因此，实际上，可以将关于来自该像素的信号的放大率设置为基本放大率的4倍放大率。
通过使用根据上述电路示例1的电荷电压转换放大器30或根据电路示例2的列信号处理电路40来配置列信号处理电路16(16A)，可以简化列信号处理电路16(16A)的电路配置，而且可以容易地实现列信号处理电路16(16A)的放大率在基本放大率和高于该基本放大率的放大率之间的切换。
(修改示例)
至今，为了便于理解，已经描述了简单的示例，但实际上可以进行各种应用。例如，代替一个列上的两个列信号处理电路(在本示例中，像素阵列单元12的上侧和下侧的两个)，这种类型还可以在一列上提供一个列信号处理电路就足够了，且在一个列信号处理电路中顺序地处理多行上的各个像素的信号。
此外，动态范围扩展的读取行为三行或更多，且还可以仅对于具有最长曝光时间的行来应用放大率的切换。另外，放大率也可以不是1倍或4倍。例如，可以以诸如1倍的不同方式进行扩展，且总是创建对于另一个的2、4、8和16倍之间的切换或1倍、4倍和16倍处的三个信号。
应该注意，根据上述实施例，已经在作为示例的同时描述了通过以行列方式布置单元像素11来配置的、用于根据作为物理量的可见光的光量来检测信号电荷的CMOS图像传感器的情况，但本发明不局限于CMOS图像的应用，而可以应用于如下普通图像传感器：其用于通过获得具有不同灵敏度的多个系统的信号同时改变曝光时间并合成该多个系统的这些信号来实现对像素阵列单元的各个像素的动态范围的扩展。
此外，本发明不局限于用于检测用以图像拾取为图像的可见光的入射量的分布的图像传感器的应用，而可以应用于普通固态图像拾取装置(物理量分布检测装置)，诸如用于将关于红外线、X射线、粒子等的入射量的分布图像拾取为图像的图像传感器，以及广泛意义上的用于检测用以图像拾取为图像的诸如按压或静电电容之类的的另一物理量的分布的指纹检测传感器。
另外，本发明不局限于用于以行为单位顺序地扫描像素阵列单元的各个像素并读取各个像素的信号的固态图像拾取装置，而是也可以应用于用于以像素为单位选择任意像素并以像素为单位从所选像素读取信号的X-Y寻址型固态图像拾取装置。
应该注意，固态图像拾取装置还可以具有构成为一片芯片的形式，且还可以具有拥有图像拾取功能(其中，共同封装了图像拾取单元和信号处理单元或光学系统)的模块状态的形式。
此外，本发明不局限于固态图像拾取装置的应用，而是也可以应用于图像拾取装置。此时，图像拾取装置是指诸如数码摄像机或摄像机之类的相机系统，或诸如移动电话设备之类的具有图像拾取功能的电子设备。应该注意，在某些情况下将安装到电子设备(即，相机模块)的模块状态的上述形式设置为图像拾取装置。
[图像拾取装置]
图10是示出根据本发明的图像拾取装置的配置示例的框图。如图10所示，根据本发明的图像拾取装置具有光学系统，其包括镜头组51、固态图像拾取装置52、作为相机信号处理电路的DSP(数字信号处理器)电路53、帧存储器54、显示装置55、记录装置56、操作系统57、电源系统58等，且具有DSP电路53、帧存储器54、显示装置55、记录装置56、操作系统57和电源系统58经由总线59而相互连接的配置。
镜头组51从要在固态图像拾取装置52的成像表面上成像的景物接收入射光(图像光)。固态图像拾取装置52以像素为单位将由镜头组51在成像表面上成像的入射光的光量转换为电信号，且输出为像素信号。作为该固态图像拾取装置52，使用根据上述实施例的CMOS图像传感器10。
DSP电路53对从固态图像拾取装置52输出的像素信号执行各种信号处理。作为处理之一，DSP电路52执行用于更宽动态范围的信号处理。除了该信号处理以外，DSP电路53还执行公知的各种相机信号处理。
在用于更宽动态范围的信号处理中，当CMOS图像传感器10的增益设置低于预定增益时，DSP电路53通过合成各个信号S1和S3(其中，以1倍的放大率放大从CMOS图像传感器10输出的、读取行1上的各个像素的信号和读取行2上的各个像素的信号)来获得在之前实施例情况下将其动态范围扩展4倍的信号。
此外，当CMOS图像传感器10的增益设置较高时，DSP电路52通过合成信号S1(其中，以1倍放大率放大从CMOS图像传感器10输出的、读取行1上的各个像素的信号)、信号S2(其中，以4倍放大率放大读取行2上的各个像素的信号)和信号S3(其中，以1倍放大率放大读取行2上的各个像素的信号)来获得4倍增益提升信号。
显示装置55由诸如液晶显示装置或有机EL(电致发光)显示装置之类的平板型显示装置构成，且显示由固态图像拾取装置52拾取的运动图像或静态图像。记录装置56在诸如视频带(tape)或DVD(数字多功能盘)之类的记录介质上记录由固态图像拾取装置52拾取的运动图像或静态图像。
操作系统57在用户的操作之下发出关于本图像拾取装置的各种功能的操作指令。电源系统58适当地向供应目标供应用作DSP电路53、帧存储器54、显示装置55、记录装置56和操作系统57的工作电源的各种电源。
如上所述，在诸如摄像机、数码相机以及进一步用于移动设备(诸如移动电话设备)的相机模块之类的图像拾取装置中，通过使用根据上述实施例的CMOS图像传感器10作为固态图像拾取装置52，在CMOS图像传感器10中，为了通过获得具有不同灵敏度的多个系统的信号来实现更宽的动态范围，当模拟增益增大时，获得如下优点：因为消除了由于脱离AD转换的输入范围而引起的信息丢失，因此可以进一步改善所拾取的图像的图像质量，且该图像具有良好的S/N。
根据本发明，当模拟增益增大时，不会导致无法从长曝光时间的信号获得原始切除信号，而且不会降低低亮度部分处的梯度。结果，消除了由于脱离AD转换的输入范围而引起的信息丢失，且可以获得具有良好S/N的图像。

Claims (10)

1.一种固态图像拾取装置，其特征在于包括：
像素阵列单元，通过以行列方式二维布置用于检测物理量的像素构成；
驱动部件，用于以模拟方式执行用于从所述像素阵列单元读取具有不同灵敏度的多个系统的像素信号的驱动；以及
信号处理部件，用于当模拟像素信号的增益设置低于预定增益时以各个基本放大率来放大所述多个系统的像素信号，且当增益设置等于或高于预定增益时以包括高于具有高灵敏度的系统的基本放大率的放大率在内的多个放大率来放大在多个系统中具有高灵敏度的至少一个系统的像素信号。
2.根据权利要求1所述的固态图像拾取装置，其特征在于，当增益设置等于或高于所述预定增益时，在多个系统中，信号处理部件以低于具有高灵敏度的系统的多个放大率的最大值的一个放大率来放大具有低灵敏度的至少一个系统的像素信号。
3.根据权利要求2所述的固态图像拾取装置，其特征在于，当增益设置低于所述预定增益时，信号处理部件以高于基本放大率的放大率来放大具有高灵敏度的像素信号。
4.根据权利要求1所述的固态图像拾取装置，其特征在于，当增益设置等于或高于所述预定增益时，在多个系统中，信号处理装置不使用具有低灵敏度的至少一个系统的像素信号，而是以多个放大率中的一个来放大具有高灵敏度的至少一个系统的像素信号。
5.根据权利要求1所述的固态图像拾取装置，其特征在于，所述驱动部件通过改变像素检测物理量的检测时间来改变所述多个系统的灵敏度。
6.根据权利要求5所述的固态图像拾取装置，其特征在于，当扫描像素阵列单元的多个读取行且从多个读取行的各个像素读取所述多个系统的像素信号时，所述驱动部件以用于扫描多个读取行的间隔来调整检测时间的长度。
7.根据权利要求1所述的固态图像拾取装置，其特征在于，所述信号处理部件根据AD转换之前的信号电平的量值来调整放大率。
8.根据权利要求1所述的固态图像拾取装置，其特征在于，所述多个放大率的比率等于所述多个系统的灵敏度的比率。
9.一种用于固态图像拾取装置的驱动方法，其特征在于包括：
以模拟方式从通过以行列方式二维地布置用于检测物理量的像素构成的像素阵列单元读取具有不同灵敏度的多个系统的像素信号；
当模拟像素信号的增益设置低于预定增益时，以各个基本放大率来放大所述多个系统的像素信号；以及
当增益设置等于或高于所述预定增益时，以包括高于具有高灵敏度的系统的基本放大率的放大率在内的多个放大率来放大在多个系统中具有高灵敏度的至少一个系统的像素信号。
10.一种图像拾取装置，其特征在于包括：
像素阵列单元，通过以行列方式二维地布置用于检测物理量的像素构成；
驱动部件，用于以模拟方式执行用于从所述像素阵列单元读取具有不同灵敏度的多个系统的像素信号的驱动；
第一信号处理部件，用于当模拟像素信号的增益设置低于预定增益时以各个基本放大率来放大所述多个系统的像素信号，且当增益设置等于或高于所述预定增益时以包括高于具有高灵敏度的系统的基本放大率的放大率在内的多个放大率来放大在多个系统中具有高灵敏度的至少一个系统的像素信号；以及
第二信号处理部件，用于通过合成已经经过所述第一信号处理部件的多个系统的信号来实现动态范围的扩展。
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