CN102569321A - 固体摄像器件和电子装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了固体摄像器件和电子装置,该固体摄像器件包括像素阵列部和信号处理部。所述像素阵列部被设置为包括排列起来的多个单位像素,所述多个单位像素中的各个单位像素是在垂直和水平方向上具有不同尺寸的矩形像素,并且所述多个单位像素中的多个相邻单位像素被组合起来以形成在垂直和水平方向上具有相同尺寸的正方形像素。所述信号处理部被设置为对从所述多个被组合起来的单位像素中读出的多个信号进行处理并且将处理过的信号作为单个信号输出。因而,所述单个信号可以作为来自于正方形格子(正方形像素)的信号而被处理。可以基本上获得正方形像素产品的易处理性并且使图像处理和系统构造更容易。

Description

固体摄像器件和电子装置
本申请是申请日为2009年4月3日、发明名称为“固体摄像器件、固体摄像器件的信号处理方法和电子装置”、申请号为200910130040.7的专利申请的分案申请。
相关申请的交叉参考
本申请包含与2008年4月7日向日本专利局提交的日本在先专利申请JP 2008-099111的公开内容相关的主题,在此将该在先专利申请的全部内容并入本文作为参考。
技术领域
本发明涉及固体摄像器件和电子装置。
背景技术
在诸如电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)图像传感器和互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,CMOS)图像传感器等固体摄像器件中,在很多情况下,单位像素在垂直和水平方向上按预定间距以格子状图形的形式排列着(例如参见日本专利申请公开公报No.2007-189085)。
目前,由于在垂直和水平方向上具有相同间距的像素阵列易于进行信号处理,因而这种像素阵列近来已成为主流。在垂直和水平方向上以相同间距排列的像素,即各自在垂直和水平方向上具有相同尺寸的像素被称作正方形像素。此外,在垂直和水平方向上以不同间距排列的像素,即各自在垂直和水平方向上具有不同尺寸的像素被称作矩形像素。
在旧式摄像机等装置内所使用的固体摄像器件中,在很多情况下使用了垂直尺寸大于水平尺寸的矩形像素。这是因为在电视广播标准中,规定了沿垂直方向布置的扫描线的数目,而沿水平方向布置的扫描线的数目存在着自由度,因此如果想要在电视机上显示图像,则使用正方形格子像素的优点很少。
此外,为了通过使用个人电脑来进行图像处理并通过使用机器视觉(machine vision)来进行图像特性的实时提取和识别,正方形像素比矩形像素更优选。因此,这种类型的固体摄像器件,即采用了正方形像素的固体摄像器件正越来越多地用于摄像机中。
另外,为了提供具有新功能或者更好特性的固体摄像器件,在一些情况下采用了在垂直或者水平方向上相邻的像素之间进行计算的方法。例如,已经提出了一种对于偶数行和奇数行使用不同的累积时间的方法作为用于扩大动态范围的方法(例如参见日本专利申请公开公报No.11-150687)。
然而,根据此方法,如果基于一个图像来扩大动态范围,则垂直方向上的分辨率会降低一半。在日本专利申请公开公报No.11-150687中,使用了两个图像来补偿垂直方向上的分辨率。然而,代替上述问题的是,由于时间迟延而使动态分辨率降低。如果就这样在垂直或者水平方向上相邻的像素之间进行计算,则该方向上的分辨率变得不同。因此,所得到的输出变成与来自于矩形像素的输出相同。
最近已经普遍的是,在像素阵列中使用了小的2μm以下的像素间距。2μm以下的像素间距小于照相机的透镜(光学系统)的分辨率。根据一般观点的扩展思维,认为像素的精细化会降低像素灵敏度和能够处理的信号量,而会提高分辨率。然而,如果像素间距变得小于透镜的分辨率,则分辨率不会被提高。也就是说,透镜的分辨率限定了固体摄像器件的分辨率的极限。
图17示出了透镜的分辨率的示例。也就是说,如果把光圈调大(F值降低),则透镜的像差增大,因而分辨率降低。另外,如果把光圈调小(F值增加),则由光的波动性引起衍射,因而在这种情况下分辨率也降低。由波动性所致的极限称作瑞利极限(Rayleigh limit)。
图17示出了在大约F4(F值=4)处分辨率为最高的透镜的示例。即使在F4处,也难以分辨2μm以下的像素间距。在单镜头反光式照相机透镜中,在大约F8处分辨率最高,因而在很多情况下将F值设定为约为F8。在单镜头反光式照相机透镜中,当F值大约为F8或者低于F8时,由透镜的像差所致的极限超过了由波动性所致的极限。因此,难以分辨5μm以下的像素间距。另外,如果透镜系统包括光学低通滤波器,则该光学系统的分辨率与透镜的分辨率和光学低通滤波器的分辨率二者之中较低的那个分辨率对应。
在本示例中,各个像素是被光电转换元件限定的。因此,像素间距是指光电转换元件的间距。如果在垂直和水平方向上以空间上相等的间隔对入射光进行采样,则该像素是正方形像素。如果在垂直和水平方向上以空间上不同的间隔对入射光进行采样,则该像素是矩形像素。因此,像素的布局形状不一定必然是正方形或矩形,而例如可以是诸如拼图形状等复杂形状。
发明内容
鉴于上述问题,提出了本发明。本发明的目的提供固体摄像器件、和电子装置,它们能够在垂直或水平方向上相邻的像素之间进行计算以提供更好特性或者新功能,由此基本上获得正方形像素产品的易处理性并且使图像处理和系统构造更容易。本发明的另一目的是提供固体摄像器件和电子装置,它们即使在像素被精细化而超过了分辨率极限的情况下也能够提高摄像特性。
本发明实施例提供了一种固体摄像器件,其包括:像素阵列部,其包括排列起来的多个光电二极管,其中,相邻的所述多个光电二极管具有不同的灵敏度。
上述固体摄像器件中,相邻的所述多个光电二极管可具有相同的滤色器。
上述固体摄像器件中,当相邻的所述多个光电二极管被限定为一个单位时,所述单位的布置为拜耳阵列。
上述固体摄像器件中,相邻的所述多个光电二极管组合形成矩形像素。
上述固体摄像器件还可包括驱动部,所述驱动部被设置为从所述像素阵列部的多个单位像素中读出具有不同灵敏度的信号。
上述固体摄像器件还可包括信号处理部,其被设置为对从所述像素阵列部的被组合起来的多个单位像素中读出的多个信号进行处理并且将处理过的信号作为单个信号输出。
上述固体摄像器件中,所述像素阵列部的多个单位像素具有背面入射型像素结构。
本发明实施例还提供了一种电子装置,其包括上述固体摄像器件。
根据以上说明,本发明实施例的固体摄像器件包括被设置为具有排列起来的多个单位像素的像素阵列部,所述多个单位像素中的各个单位像素是在垂直和水平方向上具有不同尺寸的矩形像素,并且所述多个单位像素中的多个相邻单位像素被组合起来以形成在垂直和水平方向上具有相同尺寸的正方形像素。在所述固体摄像器件中,对从所述多个被组合起来的单位像素中读出的多个信号进行处理并作为单个信号输出。
多个矩形的单位像素被组合起来以形成正方形像素,并且从该多个单位像素中读出的多个信号被输出为单个信号。因而,所述单个信号可以如同来自于正方形格子(正方形像素)的信号而被处理。如果在垂直和水平方向上以空间上相等的间隔对入射光进行采样,就可以使多个单位像素看起来像正方形格子。利用如同来自于正方形格子的信号而被处理的单个信号,不必改变后续级的信号处理系统的结构。此外,如果该单个信号是按照需要从多个单位像素的各个信号中选择或合成的,则可以进行提高摄像特性的处理,例如通过在后续级的信号处理系统中使用所述单个信号来扩大动态范围的处理。因此,即使在像素被精细化而超过了分辨率极限的情况下,也能在实现像素精细化的同时提高摄像特性。
根据本发明实施例,在垂直或水平方向上相邻的像素之间进行计算以提供更好特性或新功能。由此,可以基本上获得正方形像素产品的易处理性并且使图像处理和系统构造更容易。即使在像素被精细化而超过了分辨率极限的情况下以及像素间距变为小于用于接收入射光的光学系统的分辨率的情况下,也能提高摄像特性。
附图说明
图1是示出了本发明实施例的CMOS图像传感器的系统结构概况的系统结构图;
图2是示出了第一实施例的像素阵列部中的像素阵列示例的结构图;
图3是示出了对第一实施例的像素阵列部中的像素阵列实施的扫描方法的步骤的原理图;
图4是示出了第一实施例的列电路的结构示例的框图;
图5是示出了第一实施例的像素电路的结构示例的电路图;
图6是示出了背面入射型像素结构的示例的剖面图;
图7是示出了第一实施例的变形例的结构图;
图8是示出了第二实施例的像素阵列部中的像素阵列示例的结构图;
图9是示出了对第二实施例的像素阵列部中的像素阵列实施的扫描方法的步骤的原理图;
图10是示出了第二实施例的像素电路的结构示例的电路图;
图11是示出了第二实施例的列电路的结构示例的框图;
图12是示出了第三实施例的像素电路的结构示例的电路图;
图13是示出了对第三实施例的像素阵列部中的像素阵列实施的扫描方法的步骤的原理图;
图14是示出了第三实施例的列电路的结构示例的框图;
图15是示出了信号读出系统的变形例的结构图;
图16是示出了本发明实施例的摄像装置的结构示例的框图;以及
图17是示出了透镜的F值与分辨率极限之间的关系的图。
具体实施方式
下面参照附图详细说明本发明的各实施例。
图1是示出了本发明实施例的例如CMOS图像传感器等固体摄像器件的系统结构概况的系统结构图。
如图1所示,本实施例的CMOS图像传感器10被构造为包括形成在半导体基板(芯片)11上的像素阵列部12和集成在形成有像素阵列部12的同一芯片11上的周边电路部。例如,该周边电路部包括垂直驱动部13、列处理部14、水平驱动部15、输出电路部16和系统控制部17。
在像素阵列部12中,各自包括光电转换元件的单位像素(以下有时简称为“像素”)以行和列的形式呈二维排列,该光电转换元件产生具有与入射光量对应的电荷量的电荷并将这些电荷累积在光电转换元件内部。来自各个单位像素的信号是模拟信号。稍后将说明单位像素的具体结构。
另外,在像素阵列部12中,各像素驱动线121被设置为用于具有各行和各列的像素阵列的各个行,从而在水平方向即行方向(像素在像素行中的排列方向)上延伸。另外,垂直信号线122被设置为用于像素阵列的各个列,从而在垂直方向即列方向(像素在像素列中的排列方向)上延伸。在图1中像素驱动线121的个数为每行一条,但不限于一条。各条像素驱动线121的一端连接至垂直驱动部13中的对应行的输出端子。
垂直驱动部13被构造为包括移位寄存器和地址解码器等,并且用作例如同时或者以行为单位驱动像素阵列部12的各个像素的像素驱动部。此处未示出具体结构的垂直驱动部13通常被构造为包括两个扫描系统,即读出扫描系统和清除扫描系统。
读出扫描系统以行为单位依次选择和扫描像素阵列部12的单位像素,以便从单位像素读出信号。清除扫描系统对将要由读出扫描系统进行读出扫描的读出行实施清除扫描,且该清除扫描比该读出扫描提前与快门速度对应的时间。
通过清除扫描系统的清除扫描,将不必要的电荷从读出行的单位像素的光电转换元件中清除(复位)。于是,通过用清除扫描系统将不必要电荷清除(复位),来进行所谓的电子快门操作。这里,电子快门操作是指将光电转换元件的电荷除去并重新开始曝光过程(开始电荷的累积)的操作。
由读出扫描系统的读出操作所读出的信号对应于在前一次读出操作或者电子快门操作之后入射的光的量。从前一次读出操作的读出时刻或者电子快门操作的清除时刻到本次读出操作的读出时刻的时间段与单位像素中的电荷累积时间(曝光时间)对应。
从被垂直驱动部13选择和扫描的像素行的各个单位像素中输出的信号通过各条垂直信号线122而被提供到列处理部14。列处理部14以像素阵列部12的像素列为单位对通过垂直信号线122从所选行的各个单位像素输出的信号进行预定的信号处理,并暂时保持经过信号处理的像素信号。
具体地说,列处理部14一旦从各个单位像素接收到信号,就对该信号进行例如以下的信号处理:基于相关双采样(Correlated DoubleSampling,CDS)的消除噪声、信号放大和模拟数字(AD)转换等。消除噪声的过程除去了像素所特有的固定模式噪声,例如复位噪声和放大晶体管中的阈值变化等。此处所例举的信号处理仅仅是示例。因此,信号处理不限于上述的情况。
水平驱动部15被构造为包括移位寄存器和地址解码器等,并且从列处理部14中依次选择与像素列对应的单位电路。通过水平驱动部15的选择和扫描,由列处理部14进行了信号处理的像素信号被依次输出到水平总线18并通过水平总线18传输到输出电路部16。
输出电路部16处理并输出由水平总线18传输的信号。由输出电路部16进行的处理可以仅仅是缓冲,或者可以是诸如在缓冲之前调整黑电平和校正各列的变化等各种数字信号处理。
输出电路部16例如具有差分输出结构,该差分输出结构的输出级输出差分信号。也就是说,输出电路部16的输出级对由水平总线18传输来的各个信号进行处理,并将所得到的信号作为正相信号而输出。另外,输出电路部16的输出级使信号极性反转,并将所得到的信号作为反相信号而输出。
正相信号通过正相输出端子19A而被输出到芯片11的外部,反相信号通过反相输出端子19B而被输出到芯片11的外部。当输出电路部16的输出级具有差分输出结构时,例如信号处理集成电路(IC)等设置在芯片11外部的信号处理部在其具有差分电路结构的输入级处接收正相信号和反相信号。
利用上述输出电路部16的输出级的差分输出结构和信号处理IC的输入级的差分电路结构,可以通过电流在输出电路部16的输出级和信号处理IC的输入级之间传输信息。因此,即使在输出电路部16的输出级和信号处理IC的输入级之间的传输路径的长度增大的情况下,也不会在传输路径上发生充电和放电。因此,可以实现高速化的系统。
系统控制部17接收例如从芯片11外部提供的时钟和指定工作模式的数据,并输出诸如CMOS图像传感器10的内部信息等数据。此外,系统控制部17包括用于生成各种时序信号的时序发生器。根据由时序发生器生成的各种时序信号,系统控制部17对包括垂直驱动部13、列处理部14、水平驱动部15等的周边电路部进行驱动控制。
在芯片11的外围部设有输入输出端子组20和21的各个端子,这些端子中包括电源端子。输入输出端子组20和21在芯片11的内部和外部之间实现电源电压和信号的交换。输入输出端子组20和21的安装位置例如被确定为考虑了信号进入和流出方向的便利位置。
在上述结构的CMOS图像传感器10中,本实施例的特征在于:各个单位像素的纵横比被设为不是等于1∶1(正方形像素),即单位像素的形状被设为在垂直和水平方向上具有不同尺寸的矩形(矩形像素);多个相邻的单位像素被组合以形成在垂直和水平方向上具有相同尺寸的正方形像素;并且所述多个被组合起来的单位像素输出单个信号。
对于这种结构,从由多个像素构成的单元输出的单个信号可以作为来自于正方形格子(正方形像素)的信号而被处理。如果在垂直和水平方向上以空间上相等的间隔对入射光进行采样,则可以使像素们看起来像正方形格子。由于单个信号作为来自正方形格子的信号而被处理,因此不必改变后续级的信号处理系统的结构。此外,如果按照需要从多个像素的各个信号中选择或合成该单个信号,则可以进行提高摄像特性的处理,例如在后续级的信号处理系统中利用单个信号来扩大动态范围的处理。以下将说明具体的各实施例。
第一实施例
图2是示出了第一实施例的像素阵列部12中的像素阵列示例的结构图。如图2所示,像素阵列部12包括各自具有光电转换元件并且以多行和多列的形式呈二维排列的单位像素30。这里,各个单位像素30是所谓的水平尺寸较长的矩形像素,其水平尺寸(在行方向上)为垂直尺寸(在列方向上)的二倍,即具有1∶2的垂直与水平间距比。
如果本实施例的CMOS图像传感器10能够拍摄彩色图像,则在单位像素30的各个光接收面上设置有滤色器,例如片上滤色器(on-chipcolor filter)40。这里,在垂直方向上相邻的单位像素30之中的多个例如两个单位像素构成一组。该组中的上下两个像素设有相同颜色的片上滤色器40。
片上滤色器40被这样布置着,使得例如R(红)、G(绿)和B(蓝)各种颜色具有预定的关系。例如,这里将颜色编码设计为,两行重复的GB组合的颜色阵列和两行重复的RG组合的颜色阵列交替。上下两个像素的颜色相同。因而,一个滤色器可以覆盖该上下两个像素。
在像素阵列部12的像素阵列中,各个单位像素30是垂直与水平尺寸比为1∶2的水平尺寸较长的矩形像素。因而,如图2所示,用于一组上下两个像素的个体片上滤色器40的形状是正方形。这种正方形的片上滤色器40被设置给按照两行重复的GB组合的颜色阵列和两行重复的RG组合的颜色阵列进行交替的像素阵列。因此,整体上的片上滤色器40的颜色阵列是所谓的拜耳(Bayer)阵列。
利用被设置为具有基于两个像素这种单元的颜色阵列的片上滤色器40,可以获得以下优点。也就是说,随着CMOS工艺的精细化,像素已经日益精细化。然而,使滤色器随像素的精细化而精细化已变得越来越困难。这是因为,在防止滤色器的拐角变圆和脱落并同时保持其分光特性的情况下,使滤色器精细化是困难的。
然而,上述结构示例的片上滤色器40可以被形成为两个像素组合的尺寸,因此这对像素的精细化而言是有利的。即,如上所述,如果一个滤色器被设置给一个像素,则使滤色器随像素的精细化而精细化是困难的。但是,本示例将一个滤色器设置给多个像素,因此可以应对像素的精细化。
扫描方法
下面参照图3,说明对第一实施例的像素阵列部12中的像素阵列,即两行重复的GB组合的颜色阵列和两行重复的RG组合的颜色阵列进行交替的像素阵列实施的扫描方法。该扫描是在图1的垂直驱动部13的驱动操作下进行的。参照图3所述的扫描方法是通常所使用的扫描方法。
首先,对奇数行进行快门扫描,然后对偶数行进行快门扫描。再然后,对读出行进行扫描。这里,快门扫描对应于前文所述的被称为电子快门操作的扫描,并规定了像素累积的开始。在快门扫描中,针对奇数行和偶数行设定了不同的快门时间。具体地,如图3所示,针对奇数行的快门时间被设定为较长累积时间,而针对偶数行的快门时间被设定为较短累积时间。
由于上述的快门扫描,所以长时间累积的来自于奇数行的各个像素的信号是对应于长累积时间的高灵敏度信号。也就是说,光长时间地入射在奇数行的各个像素上。因此,来自于奇数行的各个像素的信号能够捕获暗区的清晰图像。但是,在奇数行的各像素中,即在高灵敏度的像素中,光电转换元件会很快地饱和。另一方面,短时间累积的来自于偶数行的各个像素的信号是对应于短累积时间的低灵敏度信号。也就是说,入射在偶数行的各个像素上的光的量少。因此,来自于偶数行的各个像素的信号能够捕获亮区的图像而不会饱和。
列处理部
接下来,对列处理部14进行说明,该列处理部14用于处理根据由上述扫描方法进行的扫描从第一实施例的像素阵列部12的各个像素30输出的信号。列处理部14是被设为与像素阵列部12的像素列对应的单位电路的集合。以下,构成列处理部14的各个单位电路将被称为列电路。
图4是示出了第一实施例的列电路14A的结构示例的框图。如图4所示,第一实施例的列电路14A被设置为包括CDS电路141、判定电路142、AD转换电路143和锁存器144。
普遍已知的是,CDS电路141用于计算像素信号的开(ON)电平(后文述及的信号电平)与关(OFF)电平(后文述及的复位电平)之间的差并计算除去了该偏离量的信号量。判定电路142、AD转换电路143和锁存器144对来自于奇数行的各像素的信号和来自于偶数行的各像素的信号进行以下不同的处理操作。
对于奇数行
利用像素的饱和电平作为判定标准,判定电路142判断从各个像素传输来的信号是否已经饱和。若该信号未达到饱和电平,则判定电路142将逻辑“0”写入到标记FL中。若该信号达到饱和电平,则判定电路142将逻辑“1”写入到标记FL中。然后,判定电路142将标记FL连同从CDS电路141接收的信号一起发送至AD转换电路143。
若标记FL存储有逻辑“0”,则AD转换电路143工作,从而对来自于像素的信号(模拟信号)进行AD转换并将转换后的信号传输至锁存器144。若标记FL存储有逻辑“1”,则AD转换电路143处于待机状态,因此不进行AD转换处理。标记FL的值经过AD转换电路143而被写入到锁存器144的一部分中。
对于偶数行
判定电路142将从各个像素传输来的信号以及上述的标记FL的值发送至AD转换电路143。若标记FL存储有逻辑“1”,则AD转换电路143工作,从而对来自于像素的信号进行AD转换并将转换后的信号传输至锁存器144。
在上述方式中,以奇数行和偶数行的顺序使来自于两行中的像素(即上下两个像素)的信号被列电路14A处理。此后,把所得到信号的值和标记FL的值从锁存器144读出至图1所示的水平总线18。因此,来自于上下两个像素之中的任一个像素的信号被AD转换并输出。该上下两个像素共用先前所述的相同颜色的滤色器。
若长时间累积的来自于高灵敏度像素的信号已经饱和,则使用短时间累积的来自于低灵敏度像素的信号。这里,饱和是指如下状态:信号大体上处于这样一个电平,处于该电平的信号对入射光的量没有大的线性响应。在本示例中,若从奇数行的像素中读出的高灵敏度信号未饱和,则把该高灵敏度信号的信号电平以及标记FL的值“0”从列电路14A输出至水平总线18。若从奇数行的像素中读出的信号已经饱和,则把从偶数行的像素中读出的低灵敏度信号的信号电平以及标记FL的值“1”从列电路14A输出至水平总线18。
然后,根据信号电平和标记FL的值,后续级的信号处理部例如图16的DSP(数字信号处理器)103进行信号处理。由此,能够扩大动态范围。具体地,若标记FL表明高灵敏度信号没有饱和(FL=0),则后续级的信号处理部通过利用与标记FL一起作为一对而被提供的高灵敏度信号,来生成视频信号。若标记FL表明高灵敏度信号已经饱和(FL=1),则后续级的信号处理部通过利用与标记FL一起作为一对而被提供的低灵敏度信号的信号电平来合成饱和电平,由此生成视频信号。通过上述的信号处理,能够扩大对于光输入的动态范围。
如果上下两个像素的间距实际上小于透镜分辨率,则垂直分辨率不降低,并且来自于上下两个像素的信号可以被视为仿佛是具有扩大了的动态范围的信号从正方形像素中输出。这里,透镜分辨率是指通过用于接收入射光的光学系统的透镜在CMOS图像传感器10的摄像面上形成的图像的分辨率。
严格来说,可能在一些情况下,分辨率由除了透镜之外的构成元件确定,例如由光学低通滤波器确定。此外,如果考虑到没有使用所谓的“透镜”而进行摄像,例如利用X射线或透射光直接进行摄像,则透镜分辨率是指用于在CMOS图像传感器10的摄像面上形成图像的光学系统的分辨率。
为了使来自于上下两个像素的信号类似于从单个像素输出的信号,期望该上下两个像素在偏离量和灵敏度特性方面彼此尽可能地相似,并且期望该上下两个像素之间的特性差异小于通常的像素变化。否则,在两个像素的信号之间的过渡区域中可能产生空隙。考虑到该原因,上下两个像素共用一个像素电路。
像素电路
图5示出了第一实施例的像素电路的结构示例的电路图。如图5所示,上下两个像素30U和30L各自包括作为光电转换元件的光电二极管(PD)31U和31L以及传输晶体管32U和32L。此外,上下两个像素30U和30L被设计为例如共用三个晶体管,即复位晶体管33、选择晶体管34和放大晶体管35。
在本示例中,各个像素晶体管32U、32L和33~35例如使用N沟道MOS晶体管,但并不限于此。此外,对于传输晶体管32U和32L、复位晶体管33以及选择晶体管34的驱动控制,为各行设置有传输控制线1211U和1211L、复位控制线1212以及选择控制线1213以作为先前所述的像素驱动线121。
传输晶体管32U连接在光电二极管31U的阴极电极和浮动扩散部(FD)36之间,传输晶体管32L连接在光电二极管31L的阴极电极和浮动扩散部36之间。通过传输控制线1211U将高有效传输脉冲(high-activetransmission pulse)TRGu提供给传输晶体管32U的栅极电极,并通过传输控制线1211L将高有效传输脉冲TRGI提供给传输晶体管32L的栅极电极。由此,传输晶体管32U和32L分别向浮动扩散部36传输由光电二极管31U和31L进行光电转换并累积在各光电二极管内部的电荷(这里是电子)。浮动扩散部36起到将电荷转换成电压信号的电荷电压转换单元的作用。
复位晶体管33的漏极电极和源极电极分别连接至电源电压Vdd的电源线和浮动扩散部36。在把来自于光电二极管31U和31L的电荷传输给浮动扩散部36之前,通过复位控制线1212将高有效复位脉冲(high-active reset pulse)RST提供给复位晶体管33的栅极电极。由此,复位晶体管33使浮动扩散部36的电位复位。
选择晶体管34的漏极电极和栅极电极分别连接至电源电压Vdd的电源线和选择控制线1213。通过选择控制线1213将高有效选择脉冲(high-active selection pulse)SEL提供给选择晶体管34的栅极电极。由此,选择晶体管34使上下两个像素30U和30L进入选定状态。
放大晶体管35的栅极电极、漏极电极和源极电极分别连接至浮动扩散部36、选择晶体管34的源极电极和垂直信号线122。由于上下两个像素30U和30L利用选择晶体管34而进入选定状态,所以放大晶体管35把来自于上下两个像素30U和30L的信号输出至垂直信号线122。
具体地,放大晶体管35将已被复位晶体管33复位的浮动扩散部36的电位作为复位电平输出。此外,在把来自于光电二极管31U和31L的电荷分别通过传输晶体管32U和32L传输至浮动扩散部36之后,放大晶体管35将浮动扩散部36的电位作为信号电平输出。
在这里所述的示例中,各个单位像素30基于包括传输晶体管32U或32L、复位晶体管33、选择晶体管34以及放大晶体管35的四晶体管结构。然而,本示例只是一个例子。也就是说,单位像素30的像素结构并不限于基于四晶体管结构的像素结构,也可以是基于三晶体管结构的像素结构。
此外,在上述结构的像素电路中,选择晶体管34连接在电源电压Vdd的电源线和放大晶体管35之间。然而,选择晶体管34也可以被设置为连接在放大晶体管35和垂直信号线122之间。
根据上述结构的像素电路,在电荷已从光电二极管31U和31L传输至浮动扩散部36之后对电荷进行检测。因此,两个像素30U和30L共用作为电荷传输目的地的同一浮动扩散部36。由此,在两个像素30U和30L之间灵敏度特性是均衡的。作为连接至放大晶体管35的栅极电极的节点,浮动扩散部36具有寄生电容。因此,无需特别准备电容元件。
如上所述,在包括各单位像素30的CMOS图像传感器10中,这些单位像素以行和列的形式排列为水平尺寸较长的矩形像素,利用构成一组的上下两个像素30U和30L的各个信号中的优选信号,能获得以下的工作效果。通常,如果根据从上下两个像素30U和30L的各个信号中所选择的信号(或合成的信号)来生成视频信号,则垂直方向(竖直方向)上的分辨率降低。
然而,在上述结构的CMOS图像传感器10中,垂直方向上的分辨率和水平方向上的分辨率相等,并且该上下两个像素30U和30L能够基本上与正方形像素相同地被处理。在图像中,垂直方向上的采样间距仅仅在信号量发生改变的上下两个像素30U和30L之间的过渡区域中是不相等的。因此,为了完全的原因,可以对该区域附加地进行轻微处理。
同时,如果垂直方向上的像素间距随像素的精细化而减小并且变为小于用来接收入射光的光学系统的分辨率,则CMOS图像传感器10的分辨率不由垂直方向上的像素间距来确定,而是由该光学系统的分辨率来确定。因此,如果垂直方向上的像素间距小于用来接收入射光的光学系统的分辨率,则基本上不需要对信号量发生改变的、上下两个像素30U和30L之间的过渡区域进行上述的轻微处理。
换言之,如果像素被精细化而超出了分辨率的极限并且垂直方向上的像素间距变为小于用来接收入射光的光学系统的分辨率,则使用来自于构成一组的上下两个像素30U和30L的各个信号之中的更好一方。这样,与如果保持分辨率则会使摄像特性劣化的现有技术相比,可以在保持分辨率的同时提高摄像特性。例如,如果来自于上下两个像素30U和30L的各个信号中的一个信号是高灵敏度信号且另一个信号是低灵敏度信号,并且如果高灵敏度信号已经饱和,则使用低灵敏度信号来生成视频信号。由此,能够扩大对于光输入的动态范围。
变形例
在许多CMOS图像传感器中,在个体的片上滤色器40上设有用于各个像素的片上透镜以提高灵敏度。在第一实施例中,各个单位像素30呈水平尺寸较长的形状。因此,难于利用片上透镜来精确地收集光。这是因为,难于制造非圆形的片上透镜,并且重要的是,难于利用非圆形的透镜来收集光。
第一变形例
为了解决利用片上透镜来收集光的问题,优选采用具有100%的开口率并且不使用片上透镜的像素结构,例如背面入射型像素结构或光电转换膜层叠型像素结构。背面入射型像素结构从布线层的相对侧接收入射光。光电转换膜层叠型像素结构在层叠于布线层的入射光侧上的光电转换膜处进行光电转换。以下说明背面入射型像素结构的示例。
图6是示出了背面入射型像素结构的示例的剖面图。这里,示出了两个像素的剖面结构。
在图6中,光电二极管42和像素晶体管43形成于硅部41中。即,硅部41为元件形成部。这里,光电二极管42对应于图5的光电二极管31U和31L。此外,像素晶体管43对应于图5的晶体管32U、32L和33~35。
在硅部41的一侧,形成有滤色器45,并且层间膜44位于硅部41与滤色器45二者之间。根据该结构,从硅部41的上述一侧入射的光经过滤色器45而被导向光电二极管42的各个光接收面。在硅部41的另一侧,形成有布线部46,该布线部46中设有像素晶体管43各自的栅极电极以及金属布线。布线部46的背离于硅部41的面通过粘合剂47与支撑基板48粘接。
在上述的像素结构中,形成有光电二极管42和像素晶体管43的硅部41具有面向布线部46的一侧,该侧称为前面侧,并且硅部41具有背离于布线部46的一侧,该侧称为背面侧。根据上述定义,从硅部41的背面侧接收入射光的本像素结构是背面入射型像素结构。
根据背面入射型像素结构,从布线部46的相对侧接收入射光,并因此可以使开口率提高至100%。此外,布线部46不位于入射光接收侧。因此,不使用片上透镜就可以将入射光收集至光电二极管42的各个光接收面上。因此,本示例可以解决需要利用片上透镜来收集光的问题,当各个单位像素30为垂直和水平方向尺寸不同的矩形像素时会出现该问题。
第二变形例
在上述的第一实施例中,对奇数行和偶数行单独进行快门扫描,使得累积时间不同并因此提供了具有不同灵敏度的上下两个像素。可选地,可以使用另一种提供不同灵敏度的方法。例如,可以只在偶数行上粘接ND(中性密度)滤光器,或者如图7所示,可以只在奇数行的单位像素30上设置片上透镜49。根据该结构,上下两个像素可以具有不同的灵敏度。这里,ND滤光器是指基本上均匀地减少可见光范围的光量而不影响颜色的光量调节滤光器。
第二实施例
图8是示出了第二实施例的像素阵列部12中的像素阵列示例的结构图。如图8所示,像素阵列部12包括各自具有光电转换元件并且以多行和多列的形式呈二维排列的单位像素30。这里,各个单位像素30是所谓的垂直尺寸较长的矩形像素,其垂直尺寸(在列方向上)为水平尺寸(在行方向上)的二倍,即具有2∶1的垂直与水平间距比。
如果CMOS图像传感器10能够拍摄彩色图像,则在水平方向上相邻的单位像素30之中的多个例如两个单位像素30构成一组。该组中的左右两个像素设有相同颜色的片上滤色器40。具体地,各个奇数行包括重复的GGBB组合的颜色阵列,各个偶数行包括重复的RRGG组合的颜色阵列。左右两个像素的颜色相同。因而,一个滤色器可以覆盖该左右两个像素。
在像素阵列部12的像素阵列中,各个单位像素30是垂直与水平尺寸比为2∶1的垂直尺寸较长的矩形像素。因而,如图8所示,用于一组左右两个像素的个体片上滤色器40的形状是正方形。这种正方形的片上滤色器40被设置给两列重复的GR组合的颜色阵列和两列重复的BG组合的颜色阵列进行交替的像素阵列。因此,整体上的片上滤色器40的颜色阵列是拜耳(Bayer)阵列。
利用被设置为具有基于两个像素这种单元的颜色阵列的片上滤色器40,可以获得与第一实施例相同的优点。即,随着CMOS工艺的精细化,像素已日益精细化。然而,使滤色器随像素的精细化而精细化已变得越来越困难。这是因为,在防止滤色器的拐角变圆和脱落并同时保持其分光特性的情况下,使滤色器精细化是困难的。然而,上述结构示例的片上滤色器40可以被形成为两个像素组合的尺寸,因此这对像素的精细化而言是有利的。
扫描方法
下面参照图9,说明对第二实施例的像素阵列部12的像素阵列、即两列重复的GR组合的颜色阵列和两列重复的BG组合的颜色阵列进行交替的像素阵列实施的扫描方法。该扫描是在图1的垂直驱动部13的驱动操作下进行的。
对偶数列和奇数列之间的不同电子快门行实施第二实施例的扫描。由此,偶数列和奇数列具有不同的累积时间和不同的灵敏度。在各行上进行两次读出操作,即先在奇数列上进行然后在偶数列上进行。在本示例中,来自于奇数列的各个像素的信号是对应于长时间累积的高灵敏度信号,来自于偶数列的各个像素的信号是对应于短时间累积的低灵敏度信号。
像素电路
图10是示出了第二实施例的像素电路的结构示例的电路图。在该图中,与图5中的元件相同的元件以相同的附图标记表示。
如图10所示,第二实施例的像素电路被这样设置:相同颜色的左右两个相邻的像素共用电路的一部分,从而均衡左右两个像素的偏离量和灵敏度特性,并单独对奇数列和偶数列进行快门操作和读出操作。下文中,左边的像素30和右边的像素30分别称为奇数列像素30o和偶数列像素30e。
具体地,左右两个像素30o和30e分别包括光电二极管(PD)31o和31e以及传输晶体管32o和32e。此外,两个像素30o和30e共用例如三个晶体管,即复位晶体管33、选择晶体管34和放大晶体管35。
通常,如第一实施例那样,同一行中的像素由同一线驱动。然而,在第二实施例中,奇数列和偶数列被分别配备有用于驱动传输晶体管32(32o和32e)各自的栅极电极的线。具体地,奇数列像素30o的栅极电极由用于奇数列的传输线1211o驱动,偶数列像素30e的栅极电极由用于偶数列的传输线1211e驱动。
复位晶体管33、选择晶体管34和放大晶体管35之间的连接关系基本上与第一实施例的像素电路中的连接关系相同。但是,在第二实施例的像素电路中,选择晶体管34连接在放大晶体管35和垂直信号线122之间。反之,在第一实施例的像素电路中,选择晶体管34连接在电源电压Vdd的电源线和放大晶体管35之间。可选地,第二实施例的像素电路可以这样设置,即:类似于第一实施例的像素电路,选择晶体管34连接在电源电压Vdd的电源线和放大晶体管35之间。
在上述结构的像素电路中,在对奇数列实施快门操作时,将高有效复位脉冲RST提供给复位晶体管33的栅极电极,并且将高有效传输脉冲TRGo提供给用于奇数列的传输晶体管32o的栅极电极。由此,浮动扩散部36的电荷被除去,并在此后开始奇数列的累积。此外,在对偶数列实施快门操作时,将高有效复位脉冲RST提供给复位晶体管33的栅极电极,并且将高有效传输脉冲TRGe提供给用于偶数列的传输晶体管32e的栅极电极。由此,浮动扩散部36的电荷被除去,并在此后开始偶数列的累积。
列处理部
图11是示出了第二实施例的列电路14B的结构示例的框图。在该图中,与图4中的元件相同的元件以相同的附图标记表示。
在第二实施例中,左右两个相邻的像素30o和30e构成一组。因而,第二实施例的列电路14B被设置给每两个相邻的列。此外,列电路14B被设置为包括CDS电路141、判定电路142、AD转换电路143和锁存器144,还包括选择部145,该选择部145被设置用于列电路14B的输入部并且例如由在奇数列和偶数列之间进行选择的开关构成。
选择部145首先选择来自于奇数列的信号,然后选择来自于偶数列的信号。由于选择部145的选择,来自于奇数列的信号和来自于偶数列的信号依次由CDS电路141、判定电路142、AD转换电路143和锁存器144进行处理。CDS电路141、判定电路142、AD转换电路143和锁存器144进行类似于第一实施例的处理操作。
如上所述,根据包括各单位像素30的CMOS图像传感器10,这些单位像素30是垂直与水平尺寸比为2∶1且以行和列的形式排列的、垂直尺寸较长的矩形像素,即使在像素被精细化为超出了分辨率的极限并且在水平方向上的像素间距变为小于用来接收入射光的光学系统的分辨率时,也能提高摄像特性。例如,如果来自于左右两个像素30o和30e的各个信号中的一个信号是高灵敏度信号并且另一个信号是低灵敏度信号,并且如果高灵敏度信号已经饱和,则使用低灵敏度信号来生成视频信号。由此,能够扩大对于光输入的动态范围。
第三实施例
在第二实施例中,像素电路的一部分被左右两个像素30o和30e所共用。反之,第三实施例采用了大尺寸CMOS图像传感器,并且被设置为使得左右两个像素30o和30e不共用像素电路的一部分。在诸如大尺寸CMOS图像传感器等提供了额外工艺的结构中,即使在左和右两个相邻的像素30o和30e不共用像素电路的一部分时,也可以在像素30o和30e之间使偏离量和灵敏度特性均衡。本实施例在像素阵列和颜色编码方面与第二实施例相同。
像素电路
图12是示出了第三实施例的像素电路的结构示例的电路图。在该图中,与图10中的元件相同的元件由相同的附图标记表示。
如图12所示,在第三实施例的像素电路中,尽管左右两个像素30o和30e不共用像素电路的一部分,但同一行的奇数列和偶数列被分别配备有用于驱动传输晶体管32o和32e各自的栅极电极的线。具体地,奇数列像素30o的栅极电极由用于奇数列的传输线1211o驱动,偶数列像素30e的栅极电极由用于偶数列的传输线1211e驱动。来自于左右两个像素30o和30e的各个信号(信号电平和复位电平的信号)被分别读出至各自用于奇数列和偶数列的垂直信号线122o和122e。
扫描方法
利用通过各自用于同一行中奇数列和偶数列的传输线1211o和1211e所进行的传输和驱动操作,就可以在快门操作时单独扫描奇数列和偶数列,并且可以在读出操作时同时扫描奇数列和偶数列。图13示出了扫描步骤。如图13所示,对奇数列和偶数列单独进行快门操作,而对各行同时进行读出操作。
列处理部
图14是示出了第三实施例的列电路14C的结构示例的框图。在该图中,与图4中的元件相同的元件由相同的附图标记表示。
在第三实施例中,在左右两个像素30o和30e中分别通过各自的垂直信号线122o和122e来提供信号电平和复位电平。因而,第三实施例的列电路14C被设置为包括分别用于奇数列和偶数列的各CDS电路141o和141e。
在列电路14C中,CDS电路141o和141e分别对奇数列和偶数列进行噪声消除处理,并且将奇数列的噪声消除后的信号和偶数列的噪声消除后的信号分别提供给判定电路142。判定电路142判断要采用该奇数列的信号和该偶数列的信号之中的哪一个。例如,若对应于长时间累积的奇数列的信号没有达到饱和电平,则要采用奇数列的信号。若奇数列的信号已达到饱和电平,则要采用偶数列的信号。然后,判定电路142选择该要被采用的信号,并输出该信号和判定结果。
AD转换电路143对由判定电路142提供的信号进行AD转换,并将转换后的信号写入锁存器144中。上述判定结果经过AD转换电路143而被写入锁存器144中作为标记FL。然后,在后续级中处理该判定结果和信号以获得扩大了动态范围的图像。与第二实施例相比,本实施例对各行只进行一次读出操作,因此就高速处理而言是有利的。
在第三实施例中,同样也可以实现与第二实施例相同的工作效果。例如,如果来自于左右两个像素30o和30e的各个信号中的一个信号是高灵敏度信号并且另一个信号是低灵敏度信号,并且如果高灵敏度信号已经饱和,则使用低灵敏度信号来生成视频信号。由此,能够扩大对于光输入的动态范围。
变形例
上述的第一至第三实施例是这样设置的,即:垂直与水平尺寸比为1∶2(2∶1)的矩形像素用作单位像素30,并且单位像素30中每两个呈上下或左右关系的像素构成一组。然而,结构并不限于此。例如,可以这样来修改结构,即将像素的垂直与水平尺寸比设定为1∶3或1∶4,并且像素中每三个或四个呈垂直或水平相邻关系的像素构成一组。利用这种结构,可以处理来自于三个或四个像素的信号。
此外,第一至第三实施例被设置为能够输出来自于构成一组的两个像素的各个信号之中的任一个信号。该结构可以被修改为根据两个信号来合成单个信号。如果从构成一组的多个像素中选择或合成单个信号,则可以得到与来自于正方形像素的信号类似的信号。
此外,在第一至第三实施例中,例如已经说明了为了扩大动态范围所进行的信号处理。然而,信号处理并不限于该示例。例如,在两个像素构成一组的情况下,当光从诸如发光二极管等光源发出并照射到目标上以检测物体时,来自于其中一个像素的信号可以用作基于由目标反射的光的目标信号。此外,来自于另一个像素的信号可以用作基于目标的背景光的背景信号。然后,如果对来自于两个像素的各个信号进行减法处理,并且如果根据减法结果而除掉了背景光,则可以得到与来自于正方形像素(正方形格子)的信号类似的信号。
如上所述,除了用于扩大动态范围的应用例之外,各种其它的应用也是可以的。无论怎样,当来自于两个像素的信号被作为来自于正方形像素的信号而处理时,优选的是,像素阵列的沿垂直方向的像素间距和沿水平方向的像素间距之中较短的那个像素间距等于或小于接收入射光的光学系统的分辨率。
此外,第一至第三实施例被设置为将信号从R、G和B像素中读出给共用的垂直信号线122。该结构可以被修改为将信号从R、G和B像素中读出给不同的垂直信号线。例如,如图15所示,来自于G像素的信号以及来自于B和R像素的信号可以被分别读出给不同的垂直信号线122g和122br。
在此情况下,例如,用于G像素的列电路14g设在像素阵列部12的下侧,用于B和R像素的列电路14br设在像素阵列部12的上侧。此外,来自于G像素的信号通过垂直信号线122g被读出给该图的下侧,而来自于B和R像素的信号通过垂直信号线122br被读出给该图的上侧。然后,分别对列电路14g和14br进行诸如噪声消除等信号处理。
此外,在第一至第三实施例中,已经说明了将本发明应用于能够拾取彩色图像的CMOS图像传感器的示例。然而,本发明同样也可以应用于能够拾取黑白图像的CMOS图像传感器。
以上说明了将本发明应用于如下CMOS图像传感器的示例,该CMOS图像传感器包括以行和列的形式排列的并且把与可见光的光量对应的信号电荷作为物理量进行检测的单位像素。然而,本发明的应用并不限于CMOS图像传感器。因此,本发明可以应用于诸如CCD图像传感器等一般的固体摄像器件。
固体摄像器件可以作为一个芯片或者作为如下模块而实施,该模块具有摄像功能并且包括一体封装的摄像部以及信号处理部或光学系统。
应用例
根据本发明实施例的固体摄像器件可以被安装和使用在如下电子装置中,该电子装置通常在其图像捕获单元(光电转换单元)里使用了固体摄像器件。所述电子装置包括:诸如数码相机和摄像机等摄像装置,诸如移动电话等具有摄像功能的移动终端装置,在其图像读取单元中使用了固体摄像器件的复印机,等等。在一些情况下,上述被安装在电子装置中的类似于模块的实施例即相机模块构成了摄像装置。
摄像装置
图16是示出了根据本发明实施例的例如摄像装置等电子装置的结构示例的框图。如图16所示,本发明实施例的摄像装置100包括具有透镜组101等的光学系统、摄像器件102、作为相机信号处理电路的DSP电路103、帧存储器104、显示装置105、记录装置106、操作系统107和电源系统108等。摄像装置100被设置为使得DSP电路103、帧存储器104、显示装置105、记录装置106、操作系统107和电源系统108利用总线109彼此相连。
透镜组101从目标接收入射光(图像光),并在摄像器件102的摄像面上形成图像。摄像器件102以多个像素为单位将通过透镜组101在摄像面上形成图像的入射光的光量转换成电信号,并输出转换后的电信号作为像素信号。作为摄像器件102,可以使用诸如前述实施例的CMOS图像传感器10等固体摄像器件。
这里,在摄像器件102中,像素阵列的沿垂直方向的像素间距和沿水平方向的像素间距之中较短的那个像素间距等于或小于具有透镜组101的光学系统的分辨率。DSP电路103从摄像器件102接收像素信号以及表明该像素信号是对应于长时间累积的高灵敏度信号还是对应于短时间累积的低灵敏度信号的信号(图4、图11和图14中的标记FL),并进行信号处理以扩大动态范围。
具体地,如果由摄像器件102提供的标记FL表明高灵敏度信号没有饱和(FL=0),则DSP电路103利用与标记FL一起作为一对而被提供的高灵敏度信号,来生成视频信号。如果标记FL表明高灵敏度信号已经饱和(FL=1),则DSP电路103利用与标记FL一起作为一对而被提供的低灵敏度信号的信号电平来合成饱和电平,由此生成视频信号。通过上述的信号处理,可以扩大对于光输入的动态范围。
由DSP电路103进行的处理与用于处理来自于正方形像素的信号所进行的信号处理相同。不必说,可以考虑像素的实际排列来设计该处理。但是,如果该处理与对来自于正方形像素的信号所进行的信号处理相同,则不需要考虑像素的实际排列而改变所设计的信号处理。因而,可以比要考虑像素的实际排列而设计的信号处理以更低的成本生成基本上相同的图像。此外,可以使多个像素看起来像正方形像素,同时减少多个像素的信号量。因此,可以以较低的功耗进行与对来自于正方形像素的信号的信号处理相同的处理,并且该处理是非常通用的。
显示装置105包括平板显示装置,例如液晶显示装置和有机EL(电致发光)显示装置,并且显示装置105显示由摄像器件102拾取的动态或静态图像。记录装置106将由摄像器件102拾取的动态或静态图像记录在诸如录像带或DVD(数字式通用盘)等记录介质上。
操作系统107发出关于摄像装置100的各种功能的操作指令。电源系统108按照需要向DSP电路103、帧存储器104、显示装置105、记录装置106和操作系统107提供各种电源作为它们的工作电源。
如上所述,如果诸如摄像机、数码相机以及用于例如移动电话等移动装置的相机模块等摄像装置100使用了前述实施例的CMOS图像传感器10作为其摄像器件102,则可以获得以下的工作效果。也就是说,即使在摄像器件102中当像素阵列的沿垂直方向的像素间距和沿水平方向的像素间距之中较短的那个像素间距等于或小于具有透镜组101的光学系统的分辨率时,也能提高摄像特性。
本领域技术人员应当理解,在所附权利要求或其等同物的范围内,可根据设计需要和其它因素进行各种修改、组合、次组合和改变。

Claims (8)

1.一种固体摄像器件,其包括:
像素阵列部,其包括排列起来的多个光电二极管,其中,相邻的所述多个光电二极管具有不同的灵敏度。
2.如权利要求1所述的固体摄像器件,其中,相邻的所述多个光电二极管具有相同的滤色器。
3.如权利要求2所述的固体摄像器件,当相邻的所述多个光电二极管被限定为一个单位时,所述单位的布置为拜耳阵列。
4.如权利要求1所述的固体摄像器件,相邻的所述多个光电二极管组合形成矩形像素。
5.如权利要求1所述的固体摄像器件,还包括驱动部,所述驱动部被设置为从所述像素阵列部的多个单位像素中读出具有不同灵敏度的信号。
6.如权利要求1所述的固体摄像器件,还包括信号处理部,其被设置为对从所述像素阵列部的被组合起来的多个单位像素中读出的多个信号进行处理并且将处理过的信号作为单个信号输出。
7.如权利要求1所述的固体摄像器件,其中,所述像素阵列部的多个单位像素具有背面入射型像素结构。
8.一种电子装置,其包括:
固体摄像器件,所述固体摄像器件如权利要求1-7之一所述。
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