CN101647271A - 固态成像装置及其驱动方法、成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供固态成像装置和成像系统，即使在成像面中存在亮度互不相同的区域，它们也均能够在不执行复杂处理的情况下获得抑制其SN比的减小的良好图像，抑制成像装置的芯片尺寸的增大并且抑制传感器的功率消耗的增大。与像素的列对应设置的可变增益单元根据来自外部的信号对于各包含多个像素的每个像素组以不同的增益组放大来自像素的信号。
Description
技术领域
本发明涉及固态成像装置和使用固态成像装置的成像系统，更具体地，涉及控制成像面中的图像的明度(brightness)的固态成像装置。
背景技术
当对象被成像时，根据对对象的光源的条件，在成像面中会存在亮区域和暗区域。作为在这种成像条件下执行成像装置的曝光控制的技术，存在日本专利申请特开No.2004-15701和日本专利申请特开No.2001-145005中公开的技术。
日本专利申请特开No.2004-15701中公开的固态成像装置提供独立地检测各像素信号的大小以对于传感器的列区域部分独立地设定信号的大小的增益的功能。
此外，日本专利申请特开No.2001-145005公开了：在以预定的稀疏率(thinning out ratio)读取像素的跳过模式与在不使像素稀疏化的情况下读取某区域中的像素的块模式之间切换读取模式，以及在读取像素的数量在这两种模式之间相互不同时用传感器外部的处理单元调整增益。
此外，日本专利申请特开No.H09-214836公开了：对每个帧交替地输出在跳过模式中读取的图像和在块模式中读取的图像。
在使用成像装置进行成像的情况下，亮度(luminance)在成像面中一般是不均匀的，并且，存在高亮度区域和低亮度区域。但是，在各区域内，亮度常常是基本上相同的亮度。如果在这种情况下如同日本专利申请特开No.2004-015701中公开的技术那样各自调整各像素的增益，那么处理变得复杂，并且功率消耗也增大。因此，该技术不是优选的。此外，如果如同日本专利申请特开No.2004-015701中公开的技术那样在成像装置中设置执行信号处理的电路，那么导致芯片尺寸的增大，并且可以理解，小型化的要求得不到满足。
此外，如果如同日本专利申请特开No.H09-214836中公开的技术那样在传感器的外部执行增益调整，那么在通往增益调整部分的路径上叠加噪声的可能性增大，并且可以理解，信号的SN比减小。
日本专利申请特开No.2001-145005没有公开增益调整，并且可以设想，如果在成像面中存在亮度与其它区域中的亮度显著不同的区域，那么从该区域中的信号获得的图像饱和为白色或者显著变暗。因此，该技术不能获得良好的图像。
发明内容
本发明的一个目的是，提供固态成像装置、成像系统和固态成像装置的驱动方法，即使在成像面中存在亮度互不相同的区域，上述的固态成像装置、成像系统和固态成像装置的驱动方法也都能够在不执行复杂处理的情况下获得抑制其SN比劣化的良好图像，同时抑制成像装置的芯片尺寸的增大并且抑制传感器的功率消耗的增大。
根据本发明的一个方面，一种固态成像装置包含：像素部分，其包含沿行和列布置的像素；以及与所述像素部分的列对应的多个可变增益单元，其中，所述可变增益单元响应从外部输入的增益控制信号，对于来自像素部分的各包含多个像素的第一像素组和第二像素组的信号，按照对各像素组不同的增益来进行放大。
此外，根据本发明的另一方面，一种成像系统包括：所述固态成像装置，该固态成像装置还包含输出单元，所述输出单元用于将可变增益单元放大的信号向外部输出，第一像素组与像素部分的整体对应，并且包含在第一像素组中的像素中的信号输出像素以第一密度被布置；以及控制单元，其用于将增益控制信号供给到所述多个可变增益单元。
此外，根据本发明的另一方面，提供一种固态成像装置的驱动方法，该固态成像装置包含：像素部分，其包含沿行和列布置的像素；以及与所述像素部分的列对应的多个可变增益单元，其中，该方法包括以下步骤：控制可变增益单元，对于来自像素部分的各包含多个像素的第一像素组和第二像素组的信号，按照对各像素组不同的增益来进行放大。
根据本发明，即使在成像面中存在亮度互不相同的区域，也能够在不执行复杂处理的情况下获得抑制其SN比的减小的良好图像，同时抑制成像装置的芯片尺寸的增大并且抑制传感器的功率消耗的增大。
通过参照附图阅读示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清晰。
附图说明
图1是示出根据本发明的第一示例性实施例和第二示例性实施例的固态成像装置的示意图。
图2是示出根据本发明的第一示例性实施例的成像面的示意图。
图3A、图3B和图3C是示出根据本发明的第一示例性实施例的驱动定时的图。
图4是示出根据本发明的示例性实施例的成像系统的示意图。
图5是示出根据本发明的第一示例性实施例的执行明度确定的电路的示意图。
图6是示出根据本发明的示例性实施例的放大器的示意图。
图7是示出根据本发明的第二和第三示例性实施例的成像面的示意图。
图8是示出根据本发明的第二示例性实施例的驱动定时的图。
图9是根据本发明的第三示例性实施例的固态成像装置的示意图。
图10是根据本发明的第三示例性实施例的像素的等效电路图。
图11是示出根据本发明的第三示例性实施例的驱动定时的图。
图12是示出根据本发明的第三示例性实施例的驱动定时的图。
图13是根据本发明的第三示例性实施例的像素的另一等效电路图。
具体实施方式
(第一示例性实施例)
参照图1～4描述根据本发明的第一示例性实施例。图1是示出根据本发明的第一示例性实施例的固态成像装置的例子的示意图。在同一块半导体基板上形成图中的各配置。
在固态成像装置100的像素部分10中以矩阵方式布置像素5。同一行中的像素5共同被控制线V1、V2、...、Vn中的每一个连接，并且，同一行中的像素5的信号在与像素5从垂直扫描电路60接收信号的同一定时被读取到垂直信号线VS1、VS2、...、VSn。在垂直信号线VS1、VS2、...、VSn上读取的信号被输入到增益电路20中，所述增益电路20是可变增益单元，其包含设置在垂直信号线VS1、VS2、...、VSn中的每一个上的可变增益放大器。放大器的增益由作为从外部输入的增益控制信号的信号φG设定。包含与增益电路20的各放大器相应地设置的存储器的存储电路30暂时保持被增益电路20中的放大器放大的信号。存储电路30中的存储器被水平扫描电路40顺序地扫描，并且，存储在存储器中的信号通过作为输出单元的输出放大器50从固态成像装置100被输出。图中的信号φV1、φG、φM和φH分别是用于控制相应的电路60、20、30和40的驱动的信号。虽然信号φV1、φG、φM和φH中的一些实际上包含多个信号，但是为了简洁，这些信号各自被表示为一个信号。
图2示出与图1中的固态成像装置100的像素部分10对应的成像面的示意图。图3是示出扫描图2所示的成像面时的定时和增益的变化的图。
在图2中，区域W表达将在后面描述的记录系统和通信系统中记录的成像面的整体。区域C是具有平均亮度作为区域C的整体的区域，并且，区域C中的像素在这里被表示为第一像素组。区域A是与区域C中的亮度相比在区域中具有较高的总体亮度的高亮度区域，区域B是与区域C中的亮度相比在区域中具有较低的总体亮度的低亮度区域。区域A和B中的像素在这里被表示为第二像素组的像素。图中的行Ha表示包含高亮度区域A的像素(像素行)的行，行Hb表示包含低亮度区域B的像素行。
图3A示出图1所示的图像画面的垂直扫描的情况。行Ha和Hb在一个帧时段1V中被扫描，在该帧时段1V期间，从最上面开始逐行地顺序地扫描图像画面中的像素行。图3A中的字母Ha和Hb表示相应的行的水平扫描时段。
图3B示出一个水平扫描时段(1H)期间的包含高亮度区域A的行Ha的增益的变化。作为平均亮度区域的区域C中的像素被扫描的时段中的、即与区域C中的像素所存在的列对应的相应放大器的增益被设为增益G1。另一方面，与作为高亮度区域的区域A中的像素被扫描的时段对应、即与区域A中的像素所存在的列对应的放大器的增益被设为比增益G1低的增益G2。通过以这种方式将与高亮度区域A对应的放大器的增益设为比与平均亮度区域C对应的放大器的增益低，可以减少由增益电路20导致的信号饱和。
图3C示出水平扫描时间期间的包含低亮度区域B的行Hb中的增益的变化。与行Ha类似，作为平均亮度区域的区域C中的像素被扫描的时段期间的、即与区域C中的像素所存在的列对应的相应放大器的增益被设为增益G1。另一方面，与作为低亮度区域的区域B中的像素被扫描的时段对应、即与区域B中的像素所存在的列对应的放大器的增益被设为比增益G1高的增益G3。通过以这种方式将与低亮度区域B对应的放大器的增益设为比与平均亮度区域C对应的放大器的增益高，可以减少由于系统噪声导致的SN比的劣化。
与在日本专利申请特开No.2004-15701中公开的技术不同，不是对每个像素执行区域A、B和C中的每一个的亮度的确定，而是基于区域A、B和C中的每一个的总体亮度执行该确定。例如，在高亮度区域A中一般包含具有特别高的亮度的像素α和具有不那么高的亮度的像素β，并且在日本专利申请特开No.2004-15701中公开的技术会将放大器对于来自像素α的信号的增益设为低并将放大器对于来自像素β的信号的增益设为高。另一方面，本发明对于来自具有高平均亮度的区域A中的像素的信号均匀地设定增益，因此不需要用于执行复杂处理的电路。
下面，描述获得区域A、B和C中的每一个的平均亮度的方法的例子。图4是成像系统的示意图。在图4中，诸如透镜之类的光学系统71在固态成像装置100的像素部分10上形成对象的图像。像素部分10中的各像素5根据入射光执行光电转换，并且被垂直和水平扫描。然后，信号从固态成像装置100被输出以被输入到信号处理电路72中。
信号处理电路72对来自固态成像装置100的信号执行模数(AD)转换，并对由AD转换获得的数字信号执行压缩。在这里，信号处理电路72还包含用于对成像面中的任意区域的平均亮度进行运算的处理系统。从信号处理电路72输出的数字信号通过记录系统和通信系统73被记录在内部存储器或可移除介质中，该记录系统和通信系统73将数字信号输出到再现系统和显示系统76。可直接将数字信号从信号处理电路72输出到再现系统和显示系统76，所述再现系统和显示系统76根据接收的信号显示图像。
作为控制单元的定时控制电路74例如根据指示区域A、B和C的平均亮度的信息来控制固态成像装置100的驱动定时，所述平均亮度由信号处理电路72运算，并且，定时控制电路74将增益控制信号输入到固态成像装置100中，以控制放大器的增益。系统控制电路75例如根据事先存储的程序执行对构成系统的电路的控制。
图5示出用于获得成像面中的区域A、B和C的总体亮度的配置。该配置被包含在信号处理电路72中。从固态成像装置100输出的信号被输入到信号处理电路72，并且通过AD转换器72-2被转换成数字信号。转换得到的数字信号通过与各区域(在此为观看部分区域1和2以及除部分区域1和2以外的区域C)对应的积分器72-4、72-5和72-6而被积分。通过比较器72-7将积分器72-4～72-6中的每一个获得的积分值相互比较，并且从比较器72-7输出比较的结果。当比较结果的亮度信号被输入到定时控制电路74中时，定时控制电路74输出未示出的增益控制信号，所述增益控制信号用于设定放大器的增益，使得从观看部分区域1和2获得的图像可具有除部分区域1和2以外的区域C中的图像的平均明度(brightness)，或者使得包含部分区域1和2的整个图像面可具有目标明度。对于与区域A、B和C中的每一个对应的放大器均匀地设定增益控制信号。因此，成像装置变得不必执行复杂的处理以对每个像素设定增益，并且，可通过简单的配置实现成像装置。因此，对于抑制功率消耗的增大，本配置是有效的。顺便说一句，这里以配备有三个积分器72-4、72-5和72-6的配置为例进行了描述，但积分器72-4、72-5和72-6的数量可根据情况需要而增加或减少。
如上所述，根据本示例性实施例，即使在成像面中存在亮度比区域C的平均亮度高或低的区域A或B，也可分别通过降低或提高高亮度区域A或低亮度区域B中的放大器的增益来加宽对象图像的识别范围。此外，根据本示例性实施例，不对于每个像素确定亮度，而是基于区域A、B和C的总体亮度在每个区域A、B和C中设定放大器的增益。因此，不需要复杂的电路。因此，可以抑制功率消耗和芯片面积的增大。
图6示出在增益电路20的各列中设置的放大器的配置例子。开关SWt用于切换垂直信号线VSn和放大器21之间的导通状态，并且与垂直信号线VSn和放大器21的箝位电容器C0的一个端子连接。箝位电容器C0的另一端子与运算放大器25的反相输入端子连接。反馈电容器C1、C2、C3和C4分别通过开关SW1、SW2、SW3和SW4连接运算放大器25的反相输入端子及其输出端子。开关SW1、SW2、SW3和SW4的导通状态分别由从定时控制电路74输入的信号φSW1、φSW2、φSW3和φSW4切换。在运算放大器25的反相输入端子及其输出端子之间设置复位开关SWr，该复位开关SWr的导通状态由从定时控制电路74输入的信号φSWr切换。此外，对于运算放大器25的非反相输入端子施加基准电压Vref。
以这种方式配置的放大器21的增益变为由连接的反馈电容器(电容器C1～C4中的一个)的电容与箝位电容器C0的电容的比率所确定的值。为了根据区域A、B和C中的一个的平均亮度设定增益，定时控制电路74通过选择性地输入信号φSW1、φSW2、φSW3和φSW4来设定放大器21的增益。与反馈路径连接的反馈电容器不限于一次一个，而是可同时连接多个反馈电容器。反馈电容器C1～C4的电容值可以相同或者互不相同。此外，虽然这里示出设置一个箝位电容器C0和四个反馈电容器C1～C4的例子，但是电容器的数量不限于以上的这些。
根据本示例性实施例，增益电路20按照每组像素增益不同的方式根据从外部输入的增益控制信号φG分别放大来自区域C中和区域A和B中的像素、即来自第一像素组和第二像素组中的像素的信号。由此，即使在成像面中存在亮度互不相同的区域A、B和C，也可以获得抑制其SN比的劣化的良好图像，同时在不执行复杂处理的情况下抑制成像装置的芯片尺寸的增大并抑制传感器的功率消耗的增大。
(第二示例性实施例)
参照图7和图8描述根据本发明的第二示例性实施例。在第一示例性实施例中，描述了在一个帧时段期间读取成像面中的所有区域A、B和C的例子。另一方面，在本示例性实施例中，描述通过对整个区域W进行稀疏读取而在与读取整个区域W的帧不同的帧中读取部分区域A和B的示例性实施例。
图7是示出成像面的情况和扫描成像面中的各行的定时的图。在图7中，在帧F1中读取以加网状阴影的方式示出的像素行Va1、Va2、...、Va6。在帧F2中读取包含于部分区域A中并且不是像素行Van(n：自然数)的像素行Vb1、...、Vb5。在帧F3中读取包含于部分区域B中并且不是像素行Van的像素行Vb6、...、Vb10。像素行Va1、...、Va6中的像素被表示为第一像素组中的像素，并且，像素行Vb1、...、Vb5和像素行Vb6、...、Vb7中的像素被表示为第二像素组中的像素。像素行Vop中的像素不输出信号。
通过以这种方式对整个区域W中的图像进行稀疏读取，与读取整个区域W中的所有像素的信号的情况相比，可以更高速地获得图像。关于部分区域A和B，通过限制从中读取信号的像素区域A和B，也可以更高速地获得部分区域A和B中的图像。
此外，在本示例性实施例中，从在帧F1中读取的像素行Va1、...、Va6中的像素读取的信号中的、从在帧F1中读取并且包含部分区域A和B中的任一个的像素行中的像素读取的信号仅用于形成整个区域W的图像，不被用于形成部分区域A和B中的任何一个的图像。即，从行Va2中的像素，像素中的信号仅在帧F1中被读取，而不在帧F2中被读取。关于行Va5中的像素，情况相同。此外，来自以加网状阴影的方式示出的像素行Va1、Va2、...、Va6以外的行中的像素的信号不用于形成整个区域W的图像。通过在执行这种读取的情况下对每个帧改变放大器的增益，可以通过更加简单的控制从各区域A、B和C获得良好的图像。
图8示出执行上述控制时的水平扫描的示意性定时。在帧F1中，整个区域W的像素行被稀疏读取，并且，像素行Va1～Va6被顺序地扫描。在随后的帧F2中，包含部分区域A的像素行Vb1～Vb5被顺序地扫描。在帧F3中，包含部分区域B的像素行Vb6～Vb10被顺序地扫描。帧F1′、F2′、F3′...跟随帧F3。以这种方式获得的帧A、B和C的图像可以被分别显示于仅显示整个区域W的图像的显示装置和仅显示部分区域A和B的显示装置上，或者，可以显示于同一显示装置上的不同区域中。
如果这里基于整个区域W的平均亮度假定部分区域A是高亮度区域并且部分区域B是低亮度区域，那么放大器的增益如图8中的最下面的线所示的那样变化。如果帧F1的区域中的放大器的增益被设为增益G1，那么，在包含平均亮度较高的部分区域A的像素行被扫描的过程中，帧F2的区域中的放大器的增益被设为比增益G1低的增益G2，并且，在包含平均亮度较低的部分区域B的像素行被扫描的过程中，帧F3的区域中的放大器的增益被设为比增益G1高的增益G3。
放大器的增益可在所有的行中被设为相同的增益，或者，例如只有部分区域A中的放大器的增益可在帧F2中被均匀设定，并且，部分区域A以外的区域中的放大器的增益可被设为与部分区域A中的放大器的增益不同。如上所述，该设定基于这样的事实：来自以加网状阴影的方式示出的像素行Va1～Va6中的像素以外的像素的信号不被用于形成整个区域W中的图像。
此外，作为用于读取部分区域A和B的信号的扫描，可以一次扫描像素行Vb1～Vb10，或者，可以通过不同的扫描来扫描像素行Vb1～Vb5和Vb6～Vb10。这里，通过在再现系统和显示系统76中显示的图像来考虑术语帧。因此，不管是一次还是在不同次执行扫描，部分区域A和B都被视为在不同的帧中扫描的区域。
此外，与第一示例性实施例类似，关于帧F1中的像素行Va2和Va6，例如，放大器的增益可在整个区域W的列和高亮度区域A的列中互不相同。
根据本示例性实施例，即使在成像面中存在亮度互不相同的区域，也能够在不执行复杂处理的情况下获得抑制其SN比的劣化的良好图像，抑制成像装置的芯片尺寸的增大并且抑制传感器的功率消耗的增大。此外，由于可通过本示例性实施例对每帧均匀地设定放大器的增益，因此可通过简单的控制获得良好的图像。
(第三示例性实施例)
参照图7和图9～13描述根据本发明的第三示例性实施例。在本示例性实施例中，讨论不仅执行图7所示的成像面中的放大器的增益的控制而且执行电荷蓄积时间的控制的情况。与第二示例性实施例类似，还在本示例性实施例中重复帧F1、F2和F3。
图9是示出根据本示例性实施例的固态成像装置的例子的示意图，并且，与图1所示的部件相同的部件由与图1中的附图标记相同的附图标记表示。本示例性实施例的固态成像装置与图1所示的固态成像装置的不同之处在于，除了由信号φV1控制的垂直扫描电路60(VSR-A)以外，还配备有作为由信号φV2控制的电荷蓄积控制单元的垂直扫描电路61(VSR-B)。与图1类似，在相同的半导体基板上形成图9所示的配置。
垂直扫描电路VSR-A根据控制信号φV1在内部产生扫描信号φVSR-A(见图11和图12)。然后，垂直扫描电路VSR-A根据扫描信号φVSR-A产生复位信号φRES-A、传送信号φTX-A和选择信号φSEL-A(见图12)，并且经由控制线V1、V2、V3、...、Vn将产生的复位信号φRES-A、传送信号φTX-A和选择信号φSEL-A顺序地提供给像素部分10中的各行中的像素。例如，垂直扫描电路VSR-A将选择信号φSEL-A提供给像素部分10的一个行，以通过像素部分10中的该行选择像素。然后，垂直扫描电路VSR-A将传送信号φTX-A提供给该行中的像素以从这些像素读取信号。此外，垂直扫描电路VSR-A通过设定来自这些像素的信号的读取而将这些像素复位。即，垂直扫描电路VSR-A通过执行像素部分10中的各像素的信号的读取，执行这些像素的复位，并由此完成它们的电荷蓄积操作。垂直扫描电路VSR-A例如是垂直扫描电路。
例如，如图7所示，垂直扫描电路VSR-A在帧F1中顺序地扫描像素部分10的整个区域W中的像素行Va1、Va2、...、Va6。这里，垂直扫描电路VSR-A从整个区域W跳过除像素行Va1、Va2、...、Va6以外的行。
此外，垂直扫描电路VSR-A在帧F2中从部分区域A选择像素行Vb1～Vb5，并在帧F3中从部分区域B选择像素行Vb6～Vb10。
作为电荷蓄积控制单元的垂直扫描电路VSR-B根据控制信号φV2在内部产生扫描信号φVSR-B(见图11和图12)。然后，垂直扫描电路VSR-B根据扫描信号φVSR-B，经由控制线V1、V2、V3、...、Vn将复位信号φRES-B、传送信号φTX-B和选择信号φSEL-B(见图12)顺序地提供给像素部分10中的各行中的像素。例如，垂直扫描电路VSR-B将复位信号φRES-B和传送信号φTX-B提供给这些像素以执行这些像素的复位。然后，垂直扫描电路VSR-B解除像素部分10中的这些像素中的每一个的复位，由此开始它们的电荷蓄积操作。
垂直扫描电路VSR-B使得像素开始电荷蓄积操作的定时和垂直扫描电路VSR-A使得像素终止电荷蓄积操作的定时相互不同。垂直扫描电路VSR-B在通过垂直扫描电路VSR-A完成电荷蓄积操作之前执行预定行中的像素的复位，并且，通过解除该复位开始电荷蓄积操作。此后，垂直扫描电路VSR-A读取这些行中的信号以完成电荷蓄积操作。即，通过调整垂直扫描电路VSR-B解除像素的复位的定时和垂直扫描电路VSR-A从这些像素读取信号的定时，可以改变像素行中的像素的电荷蓄积时间。
在第一示例性实施例和第二示例性实施例中，各行中的像素的电荷蓄积时间是从在某帧中被垂直扫描电路VSR-A读取到在要接着读取的帧中被读取的时间。另一方面，本示例性实施例使得能够通过进一步设置垂直扫描电路VSR-B来调整电荷蓄积时间。
图10示出能够实现上述操作的像素1的配置例子。在图10中例示的单位像素包含光电二极管PD、传送开关MTX、像素放大器MSF、复位开关MRES和选择开关MSEL。在选择开关MSEL导通的时段中，通过使用由像素放大器MSF和恒流源MRV形成的源跟随器执行从单位像素读取信号。传送开关MTX、像素放大器MSF、复位开关MRES、选择开关MSEL和恒流源MRV各自由例如金属氧化物半导体(MOS)晶体管制成。光电二极管PD根据入射光执行光电转换，并且蓄积所产生的电荷。光电二极管PD的阴极通过传送开关MTX与像素放大器MSF的控制电极连接。像素放大器MSF的控制电极通过复位开关MRES与电源和像素放大器MSF自身的漏极连接。像素放大器MSF的源电极通过选择开关MSEL与垂直信号线VSn连接，并且可以与在垂直信号线VSn上设置的恒流源MRV一起形成源跟随器。传送开关MTX、复位开关MRES和选择开关MSEL分别由通过控制线Vn从垂直扫描电路VSR-A和VSR-B发送的信号φTX(包含信号φTX-A和φTX-B)、φRES(包含信号φRES-A和φRES-B)和φSEL(包含信号φSEL-A和φSEL-B)控制。如上所述，控制线Vn在图9中为了简洁而被图示为一根导线，并且控制线Vn在图10中包含用于传送信号φTX、φRES和φSEL的导线。
更详细地描述本示例性实施例的操作的定时。图11根据在图11的最下段绘于横轴上的时间示出帧F1～F3以及存在于帧F1～F3之前和之后的各帧。
首先，如果观看帧F1，那么，由于在帧F1中读取的像素行中的像素为其中的像素各自具有平均亮度的区域中的像素，因此，放大器的增益被设为增益G1。此外，由于在帧F1中在通过产生信号φVSR-A读取像素之前通过产生信号φVSR-B将相应的行中的像素复位，因此电荷蓄积时间缩短。
此外，由于在帧F2中读取的像素与高亮度部分区域A对应，因此，将放大器的增益设为低于增益G1的增益G2，并且执行通过信号φVSR-B执行的像素的复位。通过信号φVSR-B执行的高亮度部分区域A中的像素的复位和通过信号φVSR-A执行的像素的读取的时段被设为比整个区域W的该时段短。
此外，由于在帧F3中读取的像素与低亮度部分区域B对应，因此，将放大器的增益设为高于增益G1的增益G3。由于不执行通过信号φVSR-B对于在帧F3中读取的像素的复位，因此从在帧F3′中读取到在帧F3中读取的时段T3是电荷蓄积时间。
例如，由于可以任意改变产生信号φVSR-B的定时，因此可以根据存储在系统控制电路75中的程序的设置而将根据从中读取信号的区域的亮度的电荷蓄积时间设为在帧F1～F3中从中读取信号的像素的电荷蓄积时间段T1～T3。
参照图12描述在通过产生信号φVSR-B执行读取之前执行的复位的更加具体的操作的定时例子。通过在帧F2的水平扫描时段Hb1中由垂直扫描电路VSR-B产生信号φVSR-B，执行在帧F2中读取的像素行Vb2中的像素的复位。垂直扫描电路VSR-A首先在水平扫描时段Hb1中产生与行Vb1对应的信号φVSR-A，并且，这里，垂直扫描电路VSR-B同时产生与行Vb2对应的信号φVSR-B。响应信号φVSR-B的产生，垂直扫描电路VSR-A将信号φSEL-A和φRES-A输入到行Vb1，并且，垂直扫描电路VSR-B将信号φSEL-B和φTX-B输入到行Vb2。结果，在行Vb1中的像素中的每一个中，选择开关MSEL导通；像素放大器MSF和恒流源MRV形成源跟随器；像素放大器MSF的控制电极被复位。例如，如果固态成像装置包含诸如相关双采样(CDS)电路之类的噪声去除单元，那么在信号φRES-A变为低电平之后执行噪声去除单元的采样。另一方面，由于垂直扫描电路VSR-B将信号φRES-A和φTX-B输入到行Vb2中，因此，在行Vb2中的像素中的每一个中，复位开关MRES和传送开关MTX导通；在光电二极管PD中蓄积的电荷和在像素放大器MSF的控制电极中保持的电荷被排出到电源端子；然后，像素被复位。
然后，将信号φTX-A从垂直扫描电路VSR-A输入到行Vb1中的像素使得在光电二极管PD中的每一个中蓄积的电荷被传送到像素放大器MSF的控制电极中的每一个。此时，由于选择开关MSEL导通，因此形成源跟随器，并且，垂直信号线VSn上的电势变为与像素放大器MSF的控制电极的电势对应的电势。改变电势之后的垂直信号线VSn的电势被存储在存储电路30中。
在信号φTX-A转变成低电平的同一时间，信号φSEL-A也转变成低电平，并且，各由行Vb1中的像素中的每一个的像素放大器MSF和恒流源MRV形成的源跟随器被释放。
然后，水平扫描电路40扫描存储电路30以在时段SOUT期间将保持的信号从输出放大器50输出到固态成像装置200的外部。
在水平扫描时段Hb1之后，在水平扫描时段Hb2、Hb3、...中执行类似的操作，并且，顺序地输出行Vb2、Vb3、...中的信号。
通过如本示例性实施例那样除了放大器的增益以外还控制图像区域A、B和C中的每一个中的电荷蓄积时间，与仅控制放大器的增益的情况相比，可以执行更精细的控制，并且，可以执行它以加宽可识别图像的亮度的范围。顺便说一句，虽然信号φVSR-A和φVSR-B在图12中同时改变，但是驱动模式不限于这一种。
此外，在图13中示出可应用本示例性实施例的操作的像素的另一配置例子。该配置例子是两个光电二极管PD1和PD2和两个传送开关MTX1和MTX2共享复位开关MRES、像素放大器MSF和选择开关MSEL的配置例子，并且，该配置例子对于像素部分的空间节省是有效的。例如，如果光电二极管PD1和PD2越过两行布置，那么可以构想分别将光电二极管PD1和PD2视为第一行和第二行中的像素。
此外，作为读取部分区域A和B中的信号的扫描，可通过单次扫描选择行Vb1～Vb10，或者，可通过不同的扫描选择行Vb1～Vb5和行Vb6～Vb10。这里，通过由再现系统和显示系统76显示的图像考虑术语帧。因此，部分区域A和B在单次扫描和不同扫描的情况下均被视为不同的帧。
根据上述的本示例性实施例，即使在成像面中存在亮度互不相同的区域，也能够在不执行复杂的处理的情况下获得抑制其SN比的降低的良好图像，抑制成像装置的芯片尺寸的增大并且抑制传感器的功率消耗的增大。此外，通过控制电荷蓄积时间，可以加宽可识别图像的亮度的范围。
上述的示例性实施例仅意图作为示例，并且，本发明的范围不被示例性实施例限制。例如，虽然高亮度区域A和低亮度区域B的位置在成像面中是固定的，但是，即使这些区域A和B在帧之间移动也可应用本发明。此外，在第一示例性实施例和第二示例性实施例中均各自存在两个部分区域A和B，但是部分区域A和B的数量可以为一个。作为替代方案，即使存在两个或更多个部分区域，也可应用本发明。
此外，作为本发明的应用例子，可构思出监视照相机。监视照相机一般有时在成像面中包含宽的亮度范围，并且，通过将本发明应用于监视照相机，即使在成像面中的亮度显著高或低的区域中，也可获得良好图像。此时，如果使得第一像素组的像素的数量与整个成像面的像素的数量的比、即第一像素组的密度(第一密度)比第二像素组的像素的数量与相应的部分区域的像素的数量的比即第二像素组的密度(第二密度)低，那么，在监视整个成像面时，可以在高分辨率下获得仅仅用户希望观看的第二像素组中的特定区域。从而，通过在第一像素组和第二像素组的区域中的增益之间区分增益，即使第二像素组中的观看区域的亮度与其它区域中的亮度显著不同，也可获得良好图像。
虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有这些变更方式以及等同的结构和功能。
本申请要求在2007年11月8日提交的日本专利申请No.2007-290733的权益，在此以引用方式包含其全部内容。
Claims (12)
1.一种固态成像装置，包括：
像素部分，其包含沿行和列布置的像素；以及
与所述像素部分的列对应的多个可变增益单元，其中，
所述可变增益单元响应从外部输入的增益控制信号，对于来自像素部分的各包含多个像素的第一像素组和第二像素组的信号，按照对各像素组不同的增益来进行放大。
2.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，
所述像素部分和所述可变增益单元是在同一半导体基板上形成的。
3.根据权利要求1或2所述的固态成像装置，还包括：
电荷蓄积控制单元，用于基于从外部输入的信号将像素复位，以控制像素的电荷蓄积的开始。
4.根据权利要求3所述的固态成像装置，其中，
所述电荷蓄积控制单元是在上面设置像素部分和可变增益单元的同一半导体基板上形成的。
5.一种成像系统，包括：
根据权利要求1～4中的任一项所述的固态成像装置，该固态成像装置还包含输出单元，所述输出单元用于将由可变增益单元放大的信号向外部输出；以及
控制单元，用于将增益控制信号提供给所述多个可变增益单元。
6.一种成像系统，包括：
根据权利要求3或4所述的固态成像装置，该固态成像装置还包含输出单元，所述输出单元用于将由可变增益单元放大的信号向外部输出；以及
控制单元，用于将增益控制信号提供给所述多个可变增益单元，其中，
所述控制单元将信号输入到电荷蓄积控制单元中，并且，所述成像系统基于输入的信号开始像素的电荷蓄积。
7.根据权利要求5或6所述的成像系统，其中，
所述控制单元在不同的帧中从输出单元输出第一像素组的像素的信号和第二像素组的像素的信号。
8.根据权利要求5～7中的任一项所述的成像系统，其中，
当像素被逐行扫描并且被扫描的行包含第一组和第二组的像素时，
在从输出单元输出第一组和第二组中的一组的像素的信号之后并在从输出单元输出第一组和第二组中的另一组的像素的信号之前的时段期间，所述控制单元将增益控制信号提供给可变增益单元以改变增益。
9.根据权利要求5～8中的任一项所述的成像系统，还包括：
处理单元，用于根据第一像素组和第二像素组的像素中的每一个的平均亮度输出亮度信号，其中，
处理单元根据亮度信号向可变增益单元提供增益控制信号。
10.根据权利要求6～9中的任一项所述的成像系统，其中，
在从输出单元输出像素的信号之后并在从输出单元输出同一像素的信号之前的时段期间，控制单元向电荷蓄积控制单元供给信号以将该像素复位。
11.根据权利要求5～10中的任一项所述的成像系统，其中，
第一像素组与像素部分的整体对应，并且，包含于第一像素组中的像素中的信号输出像素以第一密度被布置，并且，
第二像素组与像素部分的一部分对应，并且，包含于第二像素组中的像素中的信号输出像素以第二密度被布置。
12.一种固态成像装置的驱动方法，该固态成像装置包含：
像素部分，其包含沿行和列布置的像素；以及
与所述像素部分的列对应的多个可变增益单元，其中，该方法包括以下步骤：
控制可变增益单元，对于来自像素部分的各包含多个像素的第一像素组和第二像素组的信号，按照对各像素组不同的增益来进行放大。
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