CN102254922B - 固体摄像装置和电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了固体摄像装置和电子设备。固体摄像装置包括：半导体基板，其具有受光面，所述受光面被划分成使红色像素、绿色像素、蓝色像素和白色像素呈矩阵状布置，所述半导体基板上形成有多个光电二极管；滤色器，各滤色器分别形成在半导体基板上的红色像素、绿色像素和蓝色像素的对应形成区域中的光电二极管的光入射路径中，且分别使红色波长区域、绿色波长区域及蓝色波长区域的光透过；以及光致变色膜，其形成在半导体基板上的至少一些白色像素的形成区域中的光电二极管的光入射路径中，并且含有透光率根据预定波长区域内的入射光强度而变化的光致变色材料。光致变色膜的透光率的半衰期比从全部像素读出各像素中获得的像素信号的期间即一帧短。

Description

固体摄像装置和电子设备
相关申请的交叉参考
本发明包含与2010年5月20日向日本专利局提交的日本优先权专利申请JP 2010-115935的公开内容相关的主题，在此将该优先权专利申请的全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及固体摄像装置、固体摄像装置的制造方法和设计方法、以及电子设备，具体地，涉及具有R(红色光)滤色器、G(绿色光)滤色器和B(蓝色光)滤色器的固体摄像装置、该固体摄像装置的制造方法和设计方法、以及安装有该固体摄像装置的电子设备。
背景技术
诸如数码录像电子设备和数码照相电子设备等电子设备安装有固体摄像装置，该固体摄像装置例如包括电荷耦合器件(Charge CoupledDevice，CCD)图像传感器和互补型金属氧化物硅晶体管(ComplementaryMetal-Oxide-Silicon Transistor，CMOS)图像传感器。
在固体摄像装置中，多个像素呈矩阵状沿水平方向和垂直方向布置在半导体基板上，并形成受光面。在该受光面上，为各个像素都设有作为光电转换部(例如光电二极管)的传感器。
在该受光面上形成有聚光结构，该聚光结构用于将被拍摄物体的图像光聚焦到各像素的传感器上，通过接收被拍摄物体的图像光并把所接收到的光进行光电转换，由此生成信号电荷，并因此得到像素信号。
在相关技术的CCD图像传感器和CMOS图像传感器中，光电二极管对进入至传感器部中的光进行光电转换，因此入射光被转换成电荷，并得到了视频信号。这种装置具有这样的结构：该结构中，把在一定曝光时间内入射的光转换成电荷并累积这些电荷。
由于所累积的电荷的量是有限的，因此例如当强光入射时，电荷往往会饱和并且白色灰度和黑色灰度变得不足。也就是说，对于固体摄像装置获得适当的输出信号而言，有一个入射光量范围，并且该范围与被拍摄物体的范围相比是非常窄的。
于是，期望一种能够扩大固体摄像装置的动态范围的技术。
作为相关技术中的动态范围扩大用技术，非专利文献1[2005 IEEEWorkshop on Charge-Coupled Devices and Advanced Image Sensors，P.169，P.173]披露了一种根据入射光量来改变光电转换的间隔的技术。另外，专利文献1(JP-A-2008-167004)公开了一种根据入射光量来设定增益的方法。
此外，专利文献2(JP-A-2006-333439)公开了一种固体摄像装置，其具有为光电转换部遮光用的遮光部件和利用MEMS(微机电系统)对上述遮光部件进行驱动的致动器。
除了用装置结构来扩大动态范围的方法以外，还曾提出了用材料来实现使动态范围扩大的技术。
另外，专利文献3(JP-A-1-248542)和专利文献4(JP-A-10-65129)公开了如下的扩大动态范围的方法：该方法中，在固体摄像装置的壳体部的玻璃表面上涂敷用于进行光致变色控制的材料或者在该玻璃表面与固体摄像装置之间设有用于进行光致变色控制的材料。
此外，专利文献5(JP-A-1-236649)公开了一种扩大动态范围的方法：该方法中，在传感器部的上游处形成用于进行光致变色控制的材料膜。
另外，专利文献6(JP-A-4-65163)公开了一种向光电二极管的外侧涂敷光致变色反应材料的方法。
在相关技术中难以解决的问题有：在拍摄动态图片时或者在连续拍摄时存在时间延迟(time lag)。
也就是说，在采用读出系统的技术中，在多次读出时以及长短电荷累积时会发生时间延迟，并且在采用机械快门的技术中，取决于位置也会发生时间延迟。因此，不可能完全地消除图像的不自然状态。
另一方面，关于利用材料来扩大动态范围的技术，存在如下问题：透光率对波长具有依赖性，并且光致变色反应的反应速率不能满足现有固体摄像装置的信号处理速度所决定的规格。因此，难以将该技术用于固体摄像装置。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是期望能够扩大动态范围而不会生成不自然的图像，这在相关技术的固体摄像装置中是难以解决的。
本发明一个实施方案的固体摄像装置包括：半导体基板，所述半导体基板具有受光面，所述受光面被划分成使红色像素、绿色像素、蓝色像素和白色像素呈矩阵状布置，且所述半导体基板上形成有多个光电二极管；滤色器，各所述滤色器分别形成在所述半导体基板上的当光向所述红色像素的形成区域、所述绿色像素的形成区域和所述蓝色像素的形成区域中的所述光电二极管入射时的光入射路径中，并且各所述滤色器分别使红色波长的光、绿色波长的光及蓝色波长的光透过；以及光致变色膜，所述光致变色膜形成在所述半导体基板上的至少一些所述白色像素的形成区域中的所述光电二极管的光入射路径中，并且含有透光率根据预定波长区域内的入射光强度而变化的光致变色材料。这里，所述光致变色膜的透光率的半衰期比一帧短，所述一帧是指如下期间：在该期间内，从全部所述像素读出各所述像素中获得的像素信号。
在本发明上述实施方案的固体摄像装置中，在呈矩阵状布置于所述半导体基板上的所述红色像素、所述绿色像素、所述蓝色像素和所述白色像素这些部分中都形成有所述光电二极管。
在当光向所述红色像素、所述绿色像素和所述蓝色像素各自的形成区域中的所述光电二极管入射时的光入射路径中，在所述半导体基板上可形成有分别使红色波长区域的光、绿色波长区域的光及蓝色波长区域的光透过的所述滤色器。
在至少一些所述白色像素的形成区域中的所述光电二极管的光入射路径中，在所述半导体基板上可形成有所述光致变色膜，所述光致变色膜含有透光率根据预定波长区域内的入射光强度而变化的光致变色材料。
这里，所述光致变色膜的透光率的半衰期比从全部所述像素读出各所述像素中获得的像素信号的期间即一帧短。
本发明另一实施方案的电子设备包括：固体摄像装置；光学系统，所述光学系统将入射光引导至所述固体摄像装置的摄像单元；以及信号处理电路，所述信号处理电路对所述固体摄像装置的输出信号进行处理。所述固体摄像装置包括：半导体基板，所述半导体基板具有受光面，所述受光面被划分成使红色像素、绿色像素、蓝色像素和白色像素呈矩阵状布置，且所述半导体基板上形成有多个光电二极管；滤色器，各所述滤色器分别形成在所述半导体基板上的当光向所述红色像素、所述绿色像素和所述蓝色像素各自的形成区域中的所述光电二极管入射时的光入射路径中，并且各所述滤色器分别使红色波长的光、绿色波长的光及蓝色波长的光透过；以及光致变色膜，所述光致变色膜形成在所述半导体基板上的至少一些所述白色像素的形成区域中的所述光电二极管的光入射路径中，并且含有透光率根据预定波长区域内的入射光强度而变化的光致变色材料。这里，所述光致变色膜的透光率的半衰期比一帧短，所述一帧是指如下期间：在该期间内，从全部所述像素读出各所述像素中获得的像素信号。
本发明上述实施方案的电子设备具有固体摄像装置、将入射光引导至所述固体摄像装置的所述摄像单元的所述光学系统、以及对所述固体摄像装置的输出信号进行处理的所述信号处理电路。
这里，在所述固体摄像装置中，在呈矩阵状布置于所述半导体基板上的所述红色像素、所述绿色像素、所述蓝色像素和所述白色像素这些部分中都形成有所述光电二极管。
在当光向所述红色像素、所述绿色像素和所述蓝色像素各自的形成区域中的所述光电二极管入射时的光入射路径中，在所述半导体基板上可形成有分别使红色波长区域的光、绿色波长区域的光及蓝色波长区域的光透过的所述滤色器。
在至少一些所述白色像素的形成区域中的所述光电二极管的光入射路径中，在所述半导体基板上可形成有所述光致变色膜，所述光致变色膜含有透光率根据预定波长区域内的入射光强度而变化的光致变色材料。
这里，所述光致变色膜的透光率的半衰期比从全部所述像素读出各所述像素中获得的像素信号的期间即一帧短。
根据本发明实施方案的固体摄像装置，利用白色像素中半衰期比一帧短的光致变色材料，可扩大动态范围而不会生成不自然的图像。
根据本发明实施方案的电子设备，利用要被安装进来的固体摄像装置的白色像素中半衰期比一帧短的光致变色材料，可扩大动态范围而不会生成不自然的图像。
附图说明
图1A是示出了本发明第一实施例固体摄像装置的布局的示意性平面图；图1B和图1C是局部放大图。
图2A和图2B是本发明第一实施例固体摄像装置的示意性截面图。
图3A和图3B示出了本发明第一实施例固体摄像装置的光致变色膜的光致变色材料的透光率特性。
图4A和图4B示出了本发明第一实施例固体摄像装置的光致变色膜的光致变色材料的透光率特性。
图5是用于说明本发明第一实施例固体摄像装置的动态范围扩大的原因的示意图。
图6是示出了本发明第二实施例固体摄像装置的布局的示意性平面图。
图7是示出了本发明第二实施例固体摄像装置的布局的示意性平面图。
图8是示出了本发明第二实施例固体摄像装置的布局的示意性平面图。
图9是示出了本发明第二实施例固体摄像装置的布局的示意性平面图。
图10是示出了本发明第三实施例固体摄像装置的布局的示意性平面图。
图11是示出了本发明第四实施例固体摄像装置的布局的示意性平面图。
图12是示出了本发明第五实施例固体摄像装置的示意性截面图。
图13是示出了本发明第六实施例的电子设备的示意性结构图。
具体实施方式
下面参照附图来详细说明本发明的固体摄像装置和电子设备的实施例。
将会按照下面的顺序来说明本发明的各实施例：
1.第一实施例(在白色像素上形成有光致变色膜的结构)
2.第二实施例(光致变色膜的相对于像素的布局)
3.第三实施例(当仅白色像素设置有光致变色膜时，光致变色膜的相对于像素的布局)
4.第四实施例(当仅白色像素设置有光致变色膜时，光致变色膜的相对于像素的布局)
5.第五实施例(具有光量测量部的结构)
6.第六实施例(应用于电子设备)
第一实施例
固体摄像装置的结构
图1A是示出了本发明第一实施例固体摄像装置的布局的示意性平面图，图1B和图1C是局部放大图。
在本实施例中，该装置具有像素组CS1和像素组CS2，每个像素组CS1包括红色像素R1、绿色像素G1、蓝色像素B1和白色像素W1且设置有光致变色膜，每个像素组CS2包括红色像素R2、绿色像素G2、蓝色像素B2和白色像素W2且未设有光致变色膜。
图1B是像素组CS1的放大图。该像素组CS1包括红色像素R1、绿色像素G1、蓝色像素B1和白色像素W1且设置有光致变色膜。
图1C是像素组CS2的放大图。该像素组CS2包括红色像素R2、绿色像素G2、蓝色像素B2和白色像素W2且未设有光致变色膜。
在本实施例中，像素组CS1和像素组CS2在水平方向及垂直方向上均交替地布置着。
也就是说，在这样的结构中，设置有光致变色膜的像素组CS1与未设有光致变色膜的像素组CS2是交替地布置着，且每一像素组都包括被称为拜耳排列(Bayer arrangement)(其由一个红色像素R、两个绿色像素G和一个蓝色像素B组成)的四个像素。
如上所述，在本结构中，各个像素组包括一个红色像素、一个绿色像素、一个蓝色像素和一个白色像素，并且对于每个像素组CS1而言都形成有共用的光致变色膜。
图2A和图2B是本发明第一实施例的固体摄像装置的示意性截面图。
图2A是像素组CS1(即红色像素R1、绿色像素G1、蓝色像素B1和白色像素W1)的截面图。
例如，在以矩阵状布置在半导体基板10上的红色像素R1、绿色像素G1、蓝色像素B1和白色像素W1这些像素的对应部分中，在红色像素、绿色像素、蓝色像素和白色像素中分别形成有光电二极管11R、11G、11B和11W。
例如，在半导体基板10的整个表面上形成有覆盖光电二极管11R、11G、11B和11W的第一绝缘膜12，该第一绝缘膜12含有氧化硅、氮化硅或树脂或者含有上述这些材料的层叠结构。
例如，在第一绝缘膜12上形成有含有氧氮化硅的第二绝缘膜13。
例如，在第二绝缘膜13上形成有含有氮化硅的第三绝缘膜14。
例如，在第三绝缘膜14上堆叠有光致变色膜23。
光致变色膜23设置在光向光电二极管11R、11G、11B和11W入射的路径中，并且含有这样的光致变色材料：该光致变色材料的透光率根据预定波长区域内的入射光强度而变化。
在红色像素中，在光致变色膜23上形成有红色光滤色器18R。
在绿色像素中，在光致变色膜23上形成有绿色光滤色器18G。
在蓝色像素中，在光致变色膜23上形成有蓝色光滤色器18B。
在白色像素中，例如在光致变色膜23上形成有白色像素材料层24。该白色像素材料例如是聚苯乙烯树脂或丙烯酸树脂，并且能够让可见光区域内的光透过。
例如，在滤色器18R、18G和18B及白色像素材料层24上形成有片上透镜19。
图2B是像素组CS2(即，红色像素R2、绿色像素G2、蓝色像素B2和白色像素W2)的截面图。
该结构基本上与图2A中的结构相同，然而区别在于：没有形成光致变色膜23。
关于光致变色材料，如上所述，它的透光率根据预定波长区域内的入射光强度而变化。
例如，光致变色膜具有根据可见光区域内的入射光强度而变化的透光率，并且可见光区域内的透光率的特性在入射光量较小时比在入射光量较大时更高。此外，例如，光致变色膜在可见光区域内的透光率根据入射光量是连续变化的。
在上述光致变色膜中，当光入射至光致变色膜时，光致变色膜的透光率下降，而当光被遮住时，透光率的降低状况会恢复到原始透光率。从入射光被遮住时直至恢复到透光率波动范围的一半值时所需要的周期被称作“半衰期(half period)”。
在本实施例中，光致变色膜的透光率的半衰期比从全部像素中读出在各像素中生成的像素信号所用的周期(即，一帧)短。
例如，在固体摄像装置的帧频(frame rate)为60fps的情况下，一帧约为17ms，在此情况下，使用半衰期比17ms短的光致变色材料。
例如，可使用六芳基二咪唑衍生物作为形成光致变色膜23用的材料。
通过适当地改变取代基，可以调节出各种不同的吸收波长区域、响应速度等等。
例如，可优选使用下面的化合物。
图3A示出了当光照射到上述六芳基二咪唑衍生物时该六芳基二咪唑衍生物的ΔO.D.(光学密度变化)随着时间的变化以及当光被遮住时ΔO.D.(光学密度变化)随着时间的变化，这些ΔO.D.随着时间的变化相当于光吸收谱随着时间的变化。该光吸收谱的间隔为20ms。
此外，图3B示出了在25℃下且波长为400nm时，ΔO.D.随着时间的变化。半衰期约为33ms并且透光率响应于光的入射是快速变化的，因而能够扩大动态范围而不会使图像不自然。
另外，例如，可优选使用下面的化合物。
图4A示出了当光照射到上述六芳基二咪唑衍生物时该六芳基二咪唑衍生物的ΔO.D.(光学密度变化)随着时间的变化以及当光被遮住时ΔO.D.(光学密度变化)随着时间的变化，这些ΔO.D.随着时间的变化相当于光吸收谱随着时间的变化。该光吸收谱的间隔为20ms。
另外，图4B示出了在25℃下且波长为400nm时，ΔO.D.随着时间的变化。半衰期约为173ms并且透光率响应于光的入射是快速变化的，因而能够扩大动态范围而不会使图像不自然。
作为快速转换的光致变色染料，可从关东化学株式会社(KANTOCHEMICAL)购入对应的六芳基二咪唑衍生物。
另外，例如，对于红色像素的光致变色材料，可通过适当地改变六芳基二咪唑衍生物中的取代基，来调节出优选的吸收波长区域、响应速度等等。
图5是用于说明本实施例固体摄像装置的动态范围扩大的原因的示意图。
图5示出了像素的输出信号强度随着照射至该像素的光的光照度的变化。在该图中，示出了未形成有光致变色膜的像素的高灵敏度信号光照度曲线a，并且示出了形成有光致变色膜时的低灵敏度信号光照度曲线b。假设光致变色膜具有50％的透光率。
如图5中的曲线a所示，当没有形成光致变色膜时，信号强度达到100％(饱和信号SSAT)并且在光照度S1下达到饱和。曲线a情况下的动态范围如D1所示。
然而，在形成有光致变色膜时的曲线b中，透光率下降，并且例如即使在光照度S1下透光率最高也就是达到饱和信号强度的50％。在光照度S2下，信号强度达到100％(饱和信号SSAT)。然而，实际上存在噪声，并且较低光照度侧信号被埋置在噪声中。曲线b情况下的动态范围如D2所示。
接着，对高灵敏度像素的信号及低灵敏度像素的信号进行合成。也就是说，对于高灵敏度信号的曲线a(动态范围D1)使用较高光照度侧输出，而对于低灵敏度信号(动态范围D2)的曲线b使用较低光照度侧输出，以便互补。因此，形成了动态范围D3。
光致变色材料例如是六芳基二咪唑衍生物。
根据本实施例的固体摄像装置，光致变色膜的透光率根据入射光量而变化，在较高光照度下透光率变低并且在较低光照度下透光率变高。因此，光电二极管中使光信号饱和的光量变大，并且可以扩大较高光照度侧的动态范围。
图2A中所示的白色像素W1的光电二极管11W可具有包括对数变换型信号读出部的结构。
该对数变换型信号读出部具有由结合的MOS晶体管组成的结构，并且当MOS晶体管的栅极电压等于或小于阈值电压时，该对数变换型信号读出部可利用亚阈值电流(subthreshold current)的特性读出经过对数变换后的值。
白色像素W1的结构由于没有滤色器而易于饱和，并且可将该白色像素W1与对数变换型信号读出部结合从而进一步扩大动态范围。
第二实施例
固体摄像装置的结构
本实施例是设置有光致变色膜的像素组CS1和未设有光致变色膜的像素组CS2的图形的变形例。
图6是示出了本实施例固体摄像装置的布局的示意性平面图。
在本实施例中，设置有光致变色膜的像素组CS1和未设有光致变色膜的像素组CS2是交替地布置着，且每一像素组都是按照两列像素配置而成。
如上所述，各像素组包括按照多列的方式并排布置的像素，并且每个像素组CS1都形成有共用的光致变色膜。
图7是示出了本实施例固体摄像装置的布局和结构的示意性平面图。
在本实施例中，设置有光致变色膜的像素组CS1和未设有光致变色膜的像素组CS2是交替地布置着，且每一像素组都是按照四列像素配置而成。
如上所述，各像素组包括按照多列的方式并排布置的像素，并且每个像素组CS1都形成有共用的光致变色膜。
图8是示出了本实施例固体摄像装置的布局和结构的示意性平面图。
在本实施例中，设置有光致变色膜的像素组CS1布置在整个区域中。
如上所述，在受光面中的全部像素上都形成有共用的光致变色膜。
图9是示出了本实施例固体摄像装置的布局和结构的示意性平面图。
在本实施例中，设置有光致变色膜的像素组CS1布置在从全部像素组中适当地选择的像素组处，而未设有光致变色膜的像素组CS2布置在剩下的区域中。
可以适当地设定像素组CS1的选择位置，并且可根据固体摄像装置的应用来选择这些位置。
根据本实施例的固体摄像装置，光致变色膜的透光率根据入射光量而变化，并且得到了高灵敏度输出和低灵敏度输出这两种类型的输出。在较高光照度下透光率变低而在较低光照度下透光率变高。可以获得低灵敏度信号和高灵敏度信号这两种类型的信号。因此，由于第一实施例中所说明的原因，可以使动态范围扩大。
第三实施例
固体摄像装置的结构
本实施例是设置有光致变色膜的像素组CS1的变形例。在本实施例中，仅白色像素设置有光致变色膜。
图10是示出了本实施例固体摄像装置的像素组CS1的布局的示意性平面图。
像素组CS1包括设置有光致变色膜的白色像素W1，还包括未设有光致变色膜的红色像素R2、绿色像素G2及蓝色像素B2。
像素组CS2未设有光致变色膜，且包括红色像素R2、绿色像素G2、蓝色像素B2和白色像素W2。
该结构除了上述构造之外与第一实施例的结构相同。
在本实施例中，像素组CS1和像素组CS2沿水平方向及垂直方向都交替地布置着。
也就是说，在这样的结构中，设置有光致变色膜的像素组CS1和未设有光致变色膜的像素组CS2是交替地布置着，且每一像素组都包括被称为拜耳排列(其由一个红色像素R、两个绿色像素G和一个蓝色像素B组成)的四个像素。
根据本实施例的固体摄像装置，光致变色膜的透光率根据入射光量而变化，并且得到了高灵敏度输出和低灵敏度输出这两种类型的输出。在较高光照度下透光率变低而在较低光照度下透光率变高。可以获得低灵敏度信号和高灵敏度信号这两种类型的信号。因此，由于第一实施例中所说明的原因，可以使动态范围扩大。
由于光致变色膜是用于扩大动态范围的膜，因此比在白色像素中更难出现信号饱和的红色像素、绿色像素和蓝色像素可以仅包括未设有光致变色膜的像素。
第四实施例
固体摄像装置的结构
本实施例是设置有光致变色膜的像素组CS1的变形例。在本实施例中，仅白色像素设置有光致变色膜。
图11是示出了本实施例固体摄像装置的布局和结构的示意性平面图。
在本实施例中，仅在如下这样的白色像素上形成有光致变色膜：这些白色像素用于形成从全部像素组中适当选择的像素组。在剩下的区域中的白色像素上都未形成有光致变色膜。
可以适当地设定像素组CS1的选择位置，并且可根据固体摄像装置的应用来选择这些位置。
根据本实施例的固体摄像装置，光致变色膜的透光率根据入射光量而变化，并且得到了高灵敏度输出和低灵敏度输出这两种类型的输出。在较高光照度下透光率变低而在较低光照度下透光率变高。可以获得低灵敏度信号和高灵敏度信号这两种类型的信号。因此，由于第一实施例中所说明的原因，可以使动态范围扩大。
作为信号处理部中的信号处理，例如进行了伽马修正处理和自动增益控制处理。
在本实施例中，不必监测光致变色膜的电位，可通过用于将光致变色膜所吸收的电荷的信号与像素传感器的输出信号进行合成的信号处理，来扩大动态范围。
本实施例中的信号处理方式是这样的技术：提前得到进入至光致变色材料中的光量，并且将相对于入射光量由上述材料所吸收的光量与来自传感器的输出信号进行合成。
本实施例中所使用的光致变色膜的材料的光学特性在暗状态下在可见光区域内具有几个百分比的吸收率。优选的是几乎能让光透过，并且当吸收率为零时，材料被着色。
另一方面，在明亮状态下，该特性呈现出吸收系数的突然升高。如果光电二极管的光学特性和入射光量是已知的，那么就可得到光致变色材料所吸收的光量。
通过用没有滤色器的对数传感器代替形成在基板上的至少一个光电二极管，来设置对进入至光致变色膜中的光量进行监测的传感器。
如果材料所吸收的光量为I，则I＝I0×t。这里，I0是入射光量，t是材料的透光率。
如上所述，通过进行如下这样的信号处理来合成输出信号：将材料所吸收的光量加入到传感器的光强度中。对于上述信号处理，例如可使用伽马修正处理和自动增益控制处理。
当材料所吸收的光量与材料的透光率之间的关系为非线性时，伽马修正处理进行线性关系修正。
另外，自动增益控制处理通过以查找表格(lookup table)形式保持着材料所吸收的光量与材料的透光率之间的关系，来对传感器进行增益调整。
此外，可通过信号处理将白色像素信号作为高灵敏度信号进行合成，来扩大动态范围。
在视角内存在着多个白色像素，并且存在有两种结构：一种结构是通过从其他像素部中除去滤色器而形成的，另一种结构是通过从其他像素中除去滤色器并代替地安装了ND滤光片而形成的。
将ND滤光片的透光率设定成是需要被扩大的动态范围的倒数。然后，利用未被遮挡也未饱和的白色像素对两个像素的进入至光致变色膜中的光量进行监测。
如上所述，白色像素可用作在明亮状态下给予饱和警报的像素。
上方未设有ND滤光片的白色像素的光电二极管可以是典型的光电二极管或者是包括对数变换型读出部的光电二极管。
在入射光量不超过传感器的典型饱和光量的情况下，不一定需要对数变换型传感器。
相关技术中固体摄像装置的动态范围覆盖从白光灯到太阳光的60dB的范围。
白色像素精确地输出上述范围内的从白光灯到烛光的微弱光的信号。
另一方面，具有ND滤光片的像素精确地输出具有比太阳光亮度更高的亮度的光的信号。
以此方式，例如，可将动态范围扩大至20dB。
在本实施例中，要被扩大的动态范围是20dB，ND滤光片的透光率为1/20。
图5用于示意性地说明具有ND滤光片的情况下和没有ND滤光片的情况下的动态范围，例如，没有ND滤光片的情况下的动态范围是D1(D2)，而有ND滤光片的情况下的动态范围是D3。此外，需要被扩大的动态范围是D3-D1(D2)。
第五实施例
固体摄像装置的结构
图12是本实施例固体摄像装置的示意性截面图。
本实施例与第一实施例的区别在于：设置有对由光致变色膜吸收的光量进行测量的光量测量部。
除了这一区别之外，该结构与第一实施例的结构实质上相同。
例如，在第三绝缘膜14上堆叠有下部电极15、光致变色膜16和上部电极17。
光致变色膜16设置在光向光电二极管11入射的路径中，并且含有如下的光致变色材料：该光致变色材料的透光率在预定波长区域内根据入射光强度而变化。
下部电极15和上部电极17例如是由铟锡氧化物(indium tin oxide，ITO)制成的透明电极。
例如，在上部电极17上形成有各种颜色的滤色器18R、18G、18B以及白色像素材料层24，并且在滤色器18R、18G、18B以及白色像素材料层24上形成有片上透镜19。
在本实施例中，作为光致变色膜16，使用了吸收光并利用光电效应产生光电子的光致变色膜。通过测量由光电子形成的电流或者由此产生的电压，可测量出光量。
例如，在半导体基板10上的与像素区域不同的区域中形成有由诸如氧化硅等制成的栅极绝缘膜30、由诸如多晶硅等制成的栅极电极31，并且在栅极电极31两侧的半导体基板10上形成有源漏极32、33。
另外，例如，类似地，在半导体基板10上形成有由诸如氧化硅等制成的栅极绝缘膜34和由诸如多晶硅等制成的栅极电极35，并且在栅极电极35两侧的半导体基板10上形成有源漏极36、37。
如上所述，在半导体基板10上形成了MOS晶体管。
下部电极15与源漏极32及栅极电极35连接，上部电极17接地。
另外，向源漏极36、33上施加有预定电压。
MOS晶体管形成了光量测量部。
源漏极32例如对应于用于形成CMOS图像传感器中的像素的浮动扩散部。
包括栅极电极35的那个MOS晶体管例如对应于用于形成CMOS图像传感器中的像素的放大晶体管。
也就是说，光致变色膜16中所生成的光电子被累积在作为源漏极32的浮动扩散部处。根据所累积的光电荷，从源漏极37将输出信号S输出。
所得到的信号S是对由光致变色膜16中所生成的光电子产生的电压进行测量而得到的信号，并且可以测量光致变色膜16所吸收的光量。
另外，包括栅极电极31的那个MOS晶体管例如对应于用于形成CMOS图像传感器中的像素的复位晶体管。
例如，还可通过接通栅极电极31，对源漏极32(即浮动扩散部)中的光电荷进行复位。
另外，可将基于光量测量部中所测量到的光量的光信号与各像素的光电二极管中所得到的光信号结合起来然后用作该像素中的像素信号。在此情况下，假设进一步设有信号处理部(未图示)，该信号处理部用于对基于光量测量部中所测量到的光量的光信号以及各像素的光电二极管中所得到的光信号进行必要的处理。在该信号处理部中，对各个信号进行必要的算术处理。例如，将对应的信号乘以预定的常数然后算出它们的总和。
虽然已经将本实施例作为第一实施例的变形例进行了说明，然而，本实施例也可应用于任一其它实施例。
根据本实施例的固体摄像装置，光致变色膜的透光率根据入射光量而变化，并且在较高光照度下透光率变低而在较低光照度下透光率变高。因此，在光电二极管中让光信号饱和的光量变大了，并且可扩大较高光照度侧的动态范围。
第六实施例
应用于电子设备
图13是作为本实施例电子设备示例的电子设备的示意性结构图。本实施例的电子设备是能够拍摄静态图像或动态图像的录像电子设备的示例。
本实施例的电子设备具有图像传感器(固体摄像装置)50、光学系统51、信号处理电路53等等。
在本实施例中，安装有上述第一实施例的固体摄像装置作为图像传感器50。
光学系统51将被拍摄物体的图像光(入射光)聚集到图像传感器50的摄像面上。因而，在一定周期内将信号电荷累积到图像传感器50中。所累积的信号电荷作为输出信号Vout而被取出。
快门单元控制着图像传感器50的光照期间以及遮光期间。
图像处理单元提供对图像传感器50的传输操作进行控制的驱动信号以及对快门单元的快门操作进行控制的驱动信号。利用从图像处理单元供给的驱动信号(时序信号)，进行图像传感器50的信号传输。信号处理电路53对图像传感器50的输出信号Vout进行各种信号处理，并将处理过的信号作为视频信号输出。经信号处理后的视频信号被存储在诸如存储器等存储媒介中或被输出至监视器。
根据本实施例的电子设备，例如，特别是在具有3μm以下的单元间距的这一代具有拍摄彩色图像的固体摄像装置的电子设备中，可以减小入射至受光面的光的光干涉强度的变化，并且可以抑制颜色不规则性。
在上述实施例中，作为示例已经说明了应用于包括呈矩阵状布置的单位像素(这些单位像素对基于可见光量的信号电荷进行感测)的图像传感器50的情况，然而，本发明不限于应用至图像传感器50。本发明可适用于一般的具有与像素阵列部的各个像素列对应设置的列电路的列型固体摄像装置。
另外，本发明不限于应用至对可见光入射量的分布进行感测并将该分布拍摄成图像的固体摄像装置。本发明还可适用于将红外光、X射线或粒子等的分布拍摄成图像的一般固体摄像装置，以及广义上将压力或电容等其他物理量的分布拍摄成图像的一般固体摄像装置(物理量分布感测装置)，例如指纹检测传感器。
此外，本发明不限于应用至固体摄像装置，也可适用于具有摄像功能的电子设备，例如数码照相电子设备、录像电子设备或手机等。值得注意的是，可以使用安装于电子设备中的模块形态(即电子设备模块)作为摄像设备。
在诸如录像电子设备、数码照相电子设备以及用于例如手机等移动设备的电子设备模块等摄像设备中，可以使用上述实施例中已经作为固体摄像装置而说明过的图像传感器50。
本发明不限于前述说明。
例如，这些实施例能够应用于CMOS传感器或CCD器件。
另外，在不背离本发明的范围的情况下可以进行各种改变。
本领域技术人员应当理解，依据设计要求和其他因素，可以在本发明随附的权利要求或其等同物的范围内进行各种修改、组合、次组合以及改变。

Claims (20)

1.一种固体摄像装置，所述固体摄像装置包括：
半导体基板，所述半导体基板具有受光面，所述受光面被划分成使红色像素、绿色像素、蓝色像素和白色像素呈矩阵状布置，且所述半导体基板上形成有多个光电二极管；
滤色器，各所述滤色器分别形成在所述半导体基板上的当光向所述红色像素的形成区域、所述绿色像素的形成区域和所述蓝色像素的形成区域中的所述光电二极管入射时的光入射路径中，并且各所述滤色器分别使红色波长区域的光、绿色波长区域的光及蓝色波长区域的光透过；以及
光致变色膜，所述光致变色膜形成在所述半导体基板上的至少一些所述白色像素的形成区域中的所述光电二极管的光入射路径中，并且含有透光率根据预定波长区域内的入射光强度而变化的光致变色材料，
其中，所述光致变色膜的透光率的半衰期比一帧短，所述一帧是指如下期间：在该期间内，从全部所述像素读出各所述像素中获得的像素信号，
其中，在所述受光面上交替地布置有如下两种像素组：形成有所述光致变色膜的一种像素组，未形成有所述光致变色膜的另一种像素组。
2.如权利要求1所述的固体摄像装置，其中，所述光致变色膜也形成在所述半导体基板上的至少一些所述红色像素、至少一些所述绿色像素和至少一些所述蓝色像素的对应形成区域中的所述光电二极管的光入射路径中。
3.如权利要求1所述的固体摄像装置，其中，形成有所述光致变色膜的所述一种像素组包含形成有所述光致变色膜的所述白色像素，未形成有所述光致变色膜的所述另一种像素组包含未形成有所述光致变色膜的所述白色像素。
4.如权利要求3所述的固体摄像装置，其中，各种所述像素组都包括一个红色像素、一个绿色像素、一个蓝色像素和一个白色像素，并且所述一种像素组中的各个所述像素组形成有共用的所述光致变色膜。
5.如权利要求3所述的固体摄像装置，其中，各种所述像素组都包括按照一列并排布置的像素，并且所述一种像素组中的各个所述像素组形成有共用的所述光致变色膜。
6.如权利要求3所述的固体摄像装置，其中，各种所述像素组都包括按照多列并排布置的像素，并且所述一种像素组中的各个所述像素组形成有共用的所述光致变色膜。
7.如权利要求1所述的固体摄像装置，其中，在所述受光面上全部所述像素都形成有共用的所述光致变色膜。
8.如权利要求1所述的固体摄像装置，其中，在形成有所述光致变色膜的所述白色像素中的所述光电二极管具有输出部，所述输出部对与所述光电二极管中生成的光电荷相对应的光信号的值进行对数变换并且将经过该对数变换后的值输出。
9.如权利要求1所述的固体摄像装置，还包括光量测量部，所述光量测量部对由所述光致变色膜吸收的光量进行测量。
10.如权利要求9所述的固体摄像装置，还包括信号处理部，所述信号处理部将与所述光量测量部中测量到的光量对应的光信号跟各个所述像素的所述光电二极管中得到的光信号结合起来，作为各个所述像素中的所述像素信号。
11.如权利要求9所述的固体摄像装置，还包括复位部，所述复位部对当所述光致变色膜吸收光时所生成的光信号进行复位。
12.如权利要求2所述的固体摄像装置，其中，所述光致变色膜由不同的与透过所述滤色器的波长区域相对应的材料形成。
13.如权利要求2所述的固体摄像装置，其中，所述光致变色膜由同一种材料形成，而不考虑透过所述滤色器的波长区域。
14.如权利要求2所述的固体摄像装置，其中，所述光致变色膜和所述滤色器被形成为同一膜。
15.如权利要求10所述的固体摄像装置，其中，作为所述信号处理部中的信号处理，进行伽马修正处理和自动增益控制处理。
16.如权利要求1～15任一项所述的固体摄像装置，其中，所述光致变色膜的透光率根据可见光区域内的入射光强度而变化。
17.如权利要求1～15任一项所述的固体摄像装置，其中，当入射光量较小时所述光致变色膜在可见光区域内的透光率比当入射光量较大时所述光致变色膜在可见光区域内的透光率高。
18.如权利要求1～15任一项所述的固体摄像装置，其中，所述光致变色膜在可见光区域内的透光率根据入射光量而连续变化。
19.如权利要求1～15任一项所述的固体摄像装置，其中，所述光致变色材料是六芳基二咪唑衍生物。
20.一种电子设备，其包括：
固体摄像装置；
光学系统，所述光学系统将入射光引导至所述固体摄像装置的摄像单元；以及
信号处理电路，所述信号处理电路对所述固体摄像装置的输出信号进行处理，
其中，所述固体摄像装置是如权利要求1～19任一项所述的固体摄像装置。
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