CN103024304B - 固态摄像器和固态摄像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及固态摄像器和固态摄像系统。某些实施例提供了包括第一像素、第二像素和输出电路的固态摄像器。所述第一像素具有第一光电二极管以及在所述光电二极管之上形成的第一微透镜。所述第二像素具有第二光电二极管以及在所述第二光电二极管之上形成并小于所述第一微透镜的第二微透镜。进一步地，所述第二像素具有所述第一像素的1/n倍的敏感性和所述第一像素的n倍的光电转换周期。所述输出电路输出基于所述第一信号电荷的电荷量的第一检测信号和基于所述第二信号电荷的电荷量的第二检测信号之差的差分信号。

Description

固态摄像器和固态摄像系统
相关申请的交叉引用
本申请基于并主张2011年9月22日在日本提交的编号为2011-207448的先前日本专利申请中的优先利益；该申请的全部内容在此引入作为参考。
技术领域
在此描述的实施例一般地涉及固态摄像器和固态摄像系统。
背景技术
近几年，光学系统非触摸面板作为个人计算机和便携式终端的输入单元不断发展。通过使用非触摸面板，无需指尖触摸显示面板便可输入字符和绘制图画。对于光学系统非触摸面板，可以减少对显示面板表面的污染，因为指尖不与显示面板接触。进一步地，对于光学系统非触摸面板，无需使用检测指尖与显示面板的接触的透明电极，因为通过检测指尖的移动来输入字符和绘制图画。因此，可以减少因透明电极吸收光而导致的显示面板亮度降低。
进一步地，在游戏领域中，作为将个人意志传递给机器的单元，推出了一种系统，可以通过对玩家移动进行光学识别，更改屏幕上出现的玩家移动或将玩家移动更改为对球的反应。
应用于非触摸面板和所述系统的相机使用CMOS传感器或CCD传感器作为固态摄像器。例如，CMOS传感器具有多个以格栅形状排列的像素，所述像素的大小相同并且敏感性也相同。例如，当使用应用此类CMOS传感器的相机检测诸如指尖之类的物体的移动时，有必要使用移动检测信号处理电路来执行下面的信号处理。
也就是说，拍摄包括在每个预定时间间隔中移动的物体的预定区域的图像，然后使用所述移动检测信号处理电路比较所拍摄的图像。通过对这些图像进行相互比较，检测物体的移动方向和物体的移动距离。这样便可检测物体的移动。
但是，由于该信号处理是一个基于图像间比较的过程，因此存在所述过程很复杂并且处理时间也很长的问题。
发明内容
某些实施例提供了包括第一像素、第二像素和输出电路的固态摄像器。所述第一像素具有通过接收光并光电转换所述光以产生第一信号电荷的第一光电二极管，以及在所述第一光电二极管之上形成的第一微透镜。所述第二像素具有通过接收光并光电转换所述光以产生第二信号电荷的第二光电二极管，以及在所述第二光电二极管之上形成并小于所述第一微透镜的第二微透镜。进一步地，所述第二像素具有所述第一像素的1/n倍的敏感性和所述第一像素的n倍的光电转换周期。所述输出电路输出基于所述第一信号电荷的电荷量的第一检测信号和基于所述第二信号电荷的电荷量的第二检测信号之差的差分信号。
某些实施例提供了包括固态摄像器的固态摄像系统，所述固态摄像器包括第一像素、第二像素、输出电路和图像形成单元。所述第一像素具有通过接收光并光电转换所述光以产生第一信号电荷的第一光电二极管，以及在所述第一光电二极管之上形成的第一微透镜。所述第二像素具有通过接收光并光电转换所述光以产生第二信号电荷的第二光电二极管，以及在所述第二光电二极管之上形成并小于所述第一微透镜的第二微透镜。进一步地，所述第二像素具有所述第一像素的1/n倍的敏感性和所述第一像素的n倍的光电转换周期。所述输出电路输出基于所述第一信号电荷的电荷量的第一检测信号和基于所述第二信号电荷的电荷量的第二检测信号之差的差分信号。所述图像形成单元基于从所述输出电路输出的差分信号形成图像。如果所述光照为由静止物体反射的反射光，则所述固态摄像系统基于变为彼此相等的所述第一检测信号和所述第二检测信号而使所述输出电路输出零作为差分信号，如果所述光为由移动物体反射的反射光，则所述固态摄像系统基于变为彼此不同的所述第一检测信号和所述第二检测信号，通过使所述输出电路输出这两个检测信号之间的差值作为差分信号，并且通过使所述图像形成单元基于所述差值形成图像来检测物体的移动。
某些实施例提供了包括第一像素、第二像素、输出电路和控制单元的固态摄像器。所述第一像素具有通过接收光并光电转换所述光以产生第一信号电荷的第一光电二极管，以及在所述第一光电二极管之上形成的第一微透镜。所述第二像素具有通过接收光并光电转换所述光以产生第二信号电荷的第二光电二极管，以及在所述第二光电二极管之上形成并小于所述第一微透镜的第二微透镜。进一步地，所述第二像素具有所述第一像素的1/n倍的敏感性。所述输出电路输出基于所述第一信号电荷的电荷量和所述第二信号电荷的电荷量的信号。所述控制单元通过为所述输出电路提供模式切换信号来控制所述输出电路的操作。所述输出电路输出基于所述第一信号电荷的电荷量和所述第二信号电荷的电荷量之和或之差的信号。
某些实施例提供了包括固态摄像器的固态摄像系统，所述固态摄像器包括第一像素、第二像素、输出电路和图像形成单元。所述第一像素具有通过接收光并光电转换所述光以产生第一信号电荷的第一光电二极管，以及在所述第一光电二极管之上形成的第一微透镜。所述第二像素具有通过接收光并光电转换所述光以产生第二信号电荷的第二光电二极管，以及在所述第二光电二极管之上形成并小于所述第一微透镜的第二微透镜，其进一步具有所述第一像素的1/n倍的敏感性。所述输出电路输出基于所述第一信号电荷的电荷量和所述第二信号电荷的电荷量的信号。所述控制单元通过为所述输出电路提供模式切换信号来控制所述输出电路的操作。所述图像形成单元基于从所述输出电路输出的信号形成图像并且输出所述图像。如果所述输出电路从所述控制单元接收移动检测模式信号作为模式切换信号并且如果所述光为静止物体反射的反射光，则所述固态摄像系统根据变为彼此相等的基于所述第一信号电荷的电荷量的所述第一检测信号和基于所述第二信号电荷的电荷量的所述第二检测信号而使所述输出电路输出零作为信号。如果所述输出电路从所述控制单元接收移动检测模式信号作为模式切换信号并且如果所述光为由移动物体反射的反射光，则所述固态摄像系统基于变为相互不同的所述第一检测信号和所述第二检测信号，通过使所述输出电路输出所述两个检测信号之间的差值作为信号，并且通过使所述图像形成单元基于所述差值形成图像来检测物体的移动。如果所述输出电路从所述控制单元接收宽动态范围模式信号作为模式切换信号，则所述固态摄像系统使所述输出电路输出基于所述第一信号电荷的电荷量和所述第二信号电荷的电荷量之和的信号，并且使所述图像形成单元根据基于所述和的信号形成图像。
附图说明
图1是示出根据第一实施例的固态摄像器的相关部件的平面图；
图2是沿着图1中的虚线X-X′的固态摄像器的局部剖视图；
图3是固态摄像器的等效电路，其中包括第一实施例中的固态摄像器的单位基元，以及多个单位基元共同的排列的公共输出电路；
图4是示出第一像素13a和第二像素13b的光电转换周期和在像素13a中蓄积的第一信号电荷的电荷量和在像素13b中蓄积的第二信号电荷的电荷量之间的关系的说明图；
图5是示出移动检测模式中地址晶体管、重置晶体管、第一读取门及第二读取门的操作和垂直信号线中出现的检测信号之间的关系的时序图；
图6是示出移动检测模式中第一至第三开关的操作和输入差分放大器的检测信号及从差分放大器输出的差分信号之间的关系的时序图；
图7A-7F是用于解释移动检测模式的说明图，并且图7A示出要拍摄图像的移动的指尖，图7B示出仅基于第一像素拍摄指尖图像时的输出图像，图7C示出图7B的倒置图像；图7D示出仅基于第二像素拍摄指尖图像时的输出图像，图7E示出从沿着图7A中的虚线A-A′的线上每个基元输出的检测信号的电势水平，以及图7F示出根据本实施例的固态摄像器的输出图像；
图8是示出根据第二实施例的固态摄像器的相关部件的平面图；
图9是示出根据第三实施例的固态摄像器的相关部件的平面图；
图10是示出根据第四实施例的固态摄像器的相关部件的平面图；
图11是示出根据第四实施例的固态摄像器的相关部件的侧视图；
图12是示出宽动态范围模式中地址晶体管、重置晶体管、第一读取门及第二读取门的操作和垂直信号线中出现的检测信号之间的关系的时序图；
图13是示出宽动态范围模式中第一至第三开关的操作和输入差分放大器的检测信号及从差分放大器输出的差分信号之间的关系的时序图；
图14是用于解释宽动态范围模式的图表，并且是示出根据第一实施例的固态摄像器的单位基元接收的光的量和从差分放大器输出的差分信号的电势的关系的图形；
图15是示出用于实现宽动态范围模式的固态摄像器的其他修改的平面图；以及
图16是通过图15中示出的固态摄像器解释宽动态范围模式的图表，并且是示出固态摄像器的单位基元接收的光的量和从差分放大器输出的差分信号的电势的关系的图形。
具体实施方式
下面将参考附图详细地介绍根据实施例的固态摄像器和固态摄像系统。
(第一实施例)
图1是示出根据第一实施例的固态摄像器10的相关部件的平面图。图1所示的固态摄像器10是具有多个以格栅形状(lattice shape)排列的像素13a、13b的CMOS类型的固态摄像器10。
在固态摄像器10中，像素13a、13b在纵向上相互邻近且具有相互不同的敏感性。根据本实施例的固态摄像器10是所谓的“两个像素一个基元类型”的固态摄像器，其具有两个不同敏感性的像素13a、13b作为单位基元14。
每个单位基元14都包括高敏感性的第一像素13a和低敏感性的第二像素13b。高敏感性的第一像素13a具有面积较大的四边形的第一光电二极管11a，同时还具有在第一光电二极管11a之上形成的尺寸较大(表面积或高度)的第一微透镜12a。低敏感性的第二像素13b具有面积小于第一光电二极管11a的四边形的第二光电二极管11b，同时还具有尺寸小于第一微透镜12a且在第二光电二极管11b之上形成的第二微透镜12b。像素13a、13b中每个像素的饱和电平(也就是说，光电二极管11a、11b中每个光电二极管执行的光电转换所蓄积的最大信号电荷量)通过光电二极管11a、11b中的每个光电二极管的面积来判定。由于第一光电二极管11a的面积大于第二光电二极管11b的面积，因此第一像素13a的饱和电平高于第二像素13b的饱和电平。
第一像素13a的敏感性高于第二像素13b的敏感性，并且第一光电二极管11a中每个单位时间蓄积的信号电荷量大于第二光电二极管11b。因此，第一光电二极管11a优选地大于第二光电二极管11b，这类似于根据本实施例的固态摄像器10中的关系。但是，当第一光电二极管11a和第二光电二极管11b都具有其中不产生饱和的特定大小时，这些光电二极管11a、11b的大小之间的关系不限于上述关系。因此，第一光电二极管11a可能小于第二光电二极管11b，这类似于例如将在后面描述的图15所示的固态摄像器60中的关系。
像素13a、13b的敏感性通过微透镜12a、12b的大小来判定。由于第一微透镜12a的大于第二微透镜12b，因此第一像素13a的敏感性高于第二像素13b的敏感性。
根据本实施例的固态摄像器10具有多个单位基元14，其中每个单位基元包括以格栅形状排列的第一像素13a和第二像素13b。也就是说，根据本实施例的固态摄像器10具有多个以格栅形状排列的单位基元14，以使得同一单位基元14中的第一微透镜12a和第二微透镜12b在图中的纵向(下文称为“垂直方向”)上相互邻近，并且不同单位基元14中的第一微透镜12a在图中的横向(下文称为“水平方向”)上相互邻近。在这种情况下，尽管不同单位基元14中的第二微透镜12b在水平方向上相互分隔，但是第二微透镜12b彼此相距很近。
在每个单位基元14中，提供读取在第一像素13a中蓄积的信号电荷(下文称为“第一信号电荷”)的第一读取门15a、读取在第二像素13b中蓄积的信号电荷(下文称为“第二信号电荷”)的第二读取门15b、检测第一和第二信号电荷的检测单元16、输出基于所检测到的第一和第二信号电荷的第一和第二检测信号的单位基元的输出电路17、重置检测单元16以使得检测单元16具有恒定电势并放电过剩电荷的重置晶体管18，以及作为过剩电荷的放电目的地的漏极19。
在第一像素13a的第一光电二极管11a一侧附近的位置上提供第一读取门15a。在第二像素13b的第二光电二极管11b一侧附近的位置上提供第二读取门15b。
在第一读取门15a和第二读取门15b之间提供检测单元16。检测单元16接收第一读取门15a从第一像素13a检测到的第一信号电荷以及第二读取门15b从第二像素13b检测到的第二信号电荷。
单位基元的输出电路17是在第二像素13b附近的位置上提供的电路，用于输出与第一和第二信号电荷的电荷量对应的第一和第二检测信号。
重置晶体管18在能够使得晶体管18和单位基元的输出电路17夹住检测单元16的位置上提供。重置晶体管18通过从检测单元16中放电检测单元16中蓄积的过剩电荷，以及将放电的过剩电荷转移到在重置晶体管18的附近提供的漏极19，来使检测单元16的电势保持在恒定水平。
图2是沿着图1中的虚线X-X′的固态摄像器10的局部剖视图。如图2所示，在固态摄像器10的单位基元14中，第一光电二极管11a和第二光电二极管11b作为N+型杂质层在例如由硅制成的P型半导体衬底20的表面上相互分隔的位置上形成。进一步地，在半导体衬底20的表面上，作为N+型杂质层的检测单元16在第一光电二极管11a和第二光电二极管11b之间夹住的位置上形成。
在半导体衬底20的表面上，作为第一读取门15a的第一栅电极15a通过氧化物膜21在第一光电二极管11a和检测单元16之间形成。类似地，作为第二读取门15b的第二栅电极15b通过氧化物膜21在第二光电二极管11b和检测单元16之间形成。
在半导体衬底20的表面上，布线层22通过氧化物膜21形成。布线层22包括第一栅电极15a、第二栅电极15b和布线23，这些元件通过绝缘体24相互绝缘。
在布线层22的表面上，形成第一微透镜12a和第二微透镜12b。第一微透镜12a在第一光电二极管11a上形成，第二微透镜12b在第二光电二极管11b上形成。
在固态摄像器10中，例如，当对第一栅电极15a施加所需电压时，由于在半导体衬底20的表面上紧挨着第一栅电极15a的下面形成沟道，因此，在第一光电二极管11a中蓄积的第一信号电荷可以通过该沟道转移到检测单元16。类似地，当对第二栅电极15b施加所需电压时，由于在半导体衬底20的表面上紧挨着第二栅电极15b的下面形成沟道，因此，在第二光电二极管11b中蓄积的第二信号电荷可以通过该沟道转移到检测单元16。
重置晶体管18中电荷的转移也以类似的方式执行。
图3是固态摄像器的等效电路图，其中包括根据本实施例的固态摄像器10的单位基元14，以及多个单位基元14共同的排列的公共输出电路17′。如图3所示，第一读取门15a与构成具有高敏感性的第一像素13a的第一光电二极管11a相连。类似地，第二读取门15b与构成具有低敏感性的第二像素13b的第二光电二极管11b相连。
第一读取门15a和第二读取门15b的输出共同与检测单元16相连。检测单元16在垂直方向上与重置晶体管18相连，在水平方向上与单位基元的输出电路17相连。
单位基元的输出电路17包括用于将检测单元16接收的第一和第二信号电荷转换为电压信号的放大器晶体管AMPTr，以及用于选择单位基元14的地址晶体管ADDRESSTr。检测单元16在水平方向上与单位基元的输出电路17的放大器晶体管AMPTr的控制栅相连。
该放大器晶体管AMPTr的漏极与地址晶体管ADDRESSTr相连，所述放大器晶体管AMPTr的源极通过垂直信号线LS与负载晶体管LOADTr相连。
包括第一至第三开关SW1、SW2、SW3、差分放大器Diff-AMP以及负载晶体管LOADTr的公共输出电路17′由在垂直方向上排列的多个单位基元14共同使用。
第一读取门15a的控制栅通过第一引线LR1与作为外围电路的垂直寄存器25相连，第二读取门15b的控制栅通过第二引线LR2与垂直寄存器25相连。重置晶体管18的栅电极通过重置线LRS与垂直寄存器25相连，以及地址晶体管ADDRESSTr的栅电极通过地址线LA与垂直寄存器25相连。
放大器晶体管AMPTr通过负载晶体管LOADTr和第一开关SW1与差分放大器Diff-AMP的反相输入端(下文称为“负端”)相连，与此同时，通过负载晶体管LOADTr和第二开关SW2与差分放大器Diff-AMP的同相输入端(下文称为“正端”)相连。第一开关SW1的输出与差分放大器Diff-AMP的负端相连，与此同时，与电容器C的一端相连，该电容器C的另一端接地。
第三开关SW3与差分放大器Diff-AMP的输出相连。根据从第三开关SW3输出的信号形成图像的图像形成单元26与第三开关SW3相连。
公共输出电路17′在每条垂直信号线LS的下部上设置。第三开关SW3与水平寄存器(未示出)相连，通过按次序打开SW3，将通过水平输出线(未示出)将水平扫描线的差分输出按次序输出到外部。图像形成单元26包括水平寄存器和水平输出线。
控制垂直寄存器25和公共输出电路17′的控制单元27与垂直寄存器25和公共输出电路17′相连。控制单元27通过将控制信号输出到垂直寄存器25和公共输出电路17′来控制垂直寄存器25和公共输出电路17′的操作。
也就是说，根据控制单元27输出到垂直寄存器25的控制信号，垂直寄存器25将信号输出到第一读取门15a、第二读取门15b、重置晶体管18和地址晶体管ADDRESSTr，以便在所需的定时上操作第一读取门15a、第二读取门15b、重置晶体管18和地址晶体管ADDRESSTr。
根据控制单元27在所需的定时上输出到公共输出电路17′中包括的第一至第三开关SW1、SW2、SW3和负载晶体管LOADTr中的每一项的控制信号，第一至第三开关SW1、SW2、SW3和负载晶体管LOADTr在所需的定时上操作。
当包括在每个单元基元14中提供的单元基元14的第一读取门15a、第二读取门15b、重置晶体管18和输出电路17、垂直寄存器25和公共输出电路17′的电路被称为输出电路时，所述输出电路基于控制单元27输出到所述输出电路的控制信号，在所需的定时上执行所需的操作。
接下来介绍根据本实施例的固态摄像器10所使用的摄像方法。此摄像方法是实现移动检测模式的方法。所述移动检测模式是将移动物体的轮廓输出为图像的模式，不会输出处于静止状态的物体作为图像。将参考图4介绍实现移动检测模式的方法。图4是示出第一像素13a和第二像素13b的光电转换周期和在像素13a中蓄积的第一信号电荷的电荷量和在像素13b中蓄积的第二信号电荷的电荷量之间的关系的说明图。图中实线的箭头指示在第一像素13a中蓄积的第一信号电荷的电荷量，图中虚线的箭头指示在第二像素13b中蓄积的第二信号电荷的电荷量。在下面的说明中，第一像素13a的敏感性和第二像素13b的敏感性的敏感性比率假设为2∶1。
如图4所示，首先，第一像素13a的光电转换和第二像素13b的光电转换同时开始，第一像素13a和第二像素13b的敏感性相互不同。由于第一像素13a的敏感性是第二像素13b的敏感性的两倍，因此通过光电转换在第一像素13中蓄积的第一信号电荷的电荷量以在第二像素13b中蓄积的第二信号电荷的电荷量两倍的速率增加。
经过预定时间t1之后，仅放电在第一像素13a中蓄积的第一信号电荷。该放电操作被称为电子快门，并且通过重置晶体管18将第一像素13a中蓄积的第一信号电荷放电到漏极19。连续地执行第二像素13b的光电转换。
在第一像素13a的电子快门结束之后，再次开始第一像素13a的光电转换。
自所述电子快门结束过去预定时间t1之后(也就是说，经过第一像素13a的光电转换周期t1之后)，读出在第一像素13中蓄积的第一信号电荷。
进一步地，在与读取第一像素13a中蓄积的第一信号电荷的定时相差不久的定时上(也就是说，在基本经过第二像素13b的光电转换周期t2(＝2×t1)之后)，读出在第二像素13b中蓄积的第二信号电荷。
在每秒拍摄30个图像，并且每个图像在垂直方向具有500个像素的情况下，读取第一像素13a中的第一信号电荷的定时和读取第二像素13b中的第二信号电荷的定时之间的轻微差别例如大约为64μs。
在本实施例中，尽管第二像素13b的光电转换周期被设为第一像素13a的光电转换周期的两倍，但一般而言，当第一像素13a的敏感性为第二像素13b的敏感性的n倍时，可通过令这两个像素的电子快门操作为使得第二像素13b的光电转换周期变为第一像素13a的光电转换周期的n倍，来任意设置这两个光电转换周期。
当根据本实施例的固态摄像器拍摄处于静止状态的物体的图像时，从第一像素13a读取的第一信号电荷的电荷量Q和从第二像素13b读取的第二信号电荷的电荷量Q变得基本相同，如图4所示。但是，当所述固态摄像器拍摄移动物体的图像时，从第一像素13a读取的第一信号电荷的电荷量和从第二像素13b读取的第二信号电荷的电荷量变得不相等，并且这两个电荷量之间出现差别。
接下来，使用差分放大器Diff-AMP对基于从第一像素13a读取的第一信号电荷的电荷量的第一检测信号和基于从第二像素13b读取的第二信号电荷的电荷量的第二检测信号执行减法过程。
如上所述，当拍摄处于静止状态的物体的图像时，第一信号电荷的电荷量和第二信号电荷的电荷量相等。因此，第一检测信号的电压和第二检测信号的电压变得相同。因此，当对第一检测信号和第二检测信号执行减法过程时，差分放大器Diff-AMP输出零作为差分信号。
然而，当拍摄移动物体的图像时，根据所述移动物体的第一信号电荷的电荷量和第二信号电荷的电荷量之间出现差别。因此，第一检测信号的电压和第二检测信号的电压之间也出现差别。因此，当对第一检测信号和第二检测信号执行减法过程时，差分放大器Diff-AMP输出作为第一检测信号的电压和第二检测信号的电压差的差分信号。通过成像该差分信号，所述固态摄像器输出与物体的移动对应的图像。
如上所述，通过在将第一像素13a对第二像素13b的敏感性比率设为2∶1以及将第一像素13a对第二像素13b的光电转换周期比率设为1∶2之后，对使用第一和第二像素13a、13b拍摄物体图像而获取的第一和第二检测信号执行减法过程来实现移动检测模式。
一般而言，通过在将第一像素13a对第二像素13b的敏感性比率设为n∶1以及将第一像素13a对第二像素13b的光电转换周期比率设为1∶n之后，对使用第一和第二像素13a、13b拍摄物体图像而获取的第一和第二检测信号执行减法过程来实现移动检测模式。
将参考图3中的等效电路图结合图5和图6进一步详细地说明实现所述移动检测模式的方法。图5是示出移动检测模式中地址晶体管ADDRESSTr、重置晶体管18、第一读取门15a及第二读取门15b的操作和垂直信号线LS中出现的第一和第二检测信号之间的关系的时序图。图6是示出移动检测模式中第一至第三开关SW1、SW2、SW3的操作和输入差分放大器Diff-AMP的第一和第二检测信号及从差分放大器Diff-AMP输出的差分信号之间的关系的时序。
图5和图6所示的移动检测模式操作由将移动检测模式信号(作为充当控制信号的模式切换信号)输出到上述输出电路的至少一部分(垂直寄存器25和公共输出电路17′)的控制单元27(图3)执行。
当地址晶体管ADDRESSTr(图3)关闭时，第一读取门15a和第二读取门15b同时在定时T7上的恒定周期α内处于打开状态，如图5所示。通过打开门15a、15b，在第一像素13a和第二像素13b中蓄积的第一和第二信号电荷被放电到检测单元16。由于稍后在定时T9上对第一像素13a执行电子快门，因此不必在定时T7上打开第一读取门15a。
接下来，重置晶体管18仅在定时T8的恒定周期β内处于打开状态。通过使晶体管18保持打开状态，在检测单元16中蓄积的第一和第二信号电荷作为过剩电荷转移到漏极19，并且检测单元16的电势保持在恒定水平。由于重置晶体管18稍后在定时T1上打开，因此，不必在此定时上打开重置晶体管18。
接下来，自第一读取门15a关闭过去时间t1-α之后，第一读取门15a在定时T9上再次打开并且在恒定周期α内保持打开状态。也就是说，在第一像素13中执行所谓的电子快门。通过打开第一读取门15a，在第一像素13a中蓄积的第一信号电荷再次被放电到检测单元16。此时，第二读取门15b不打开，第二像素13b继续光电转换。
接下来，重置晶体管18在定时T10上再次打开并且在恒定周期β内处于打开状态。通过使晶体管18保持打开状态，在检测单元16中蓄积的第一信号电荷作为过剩电荷转移到漏极19，并且检测单元16的电势保持在恒定水平。由于重置晶体管18稍后在定时T1上打开，因此，不必在此定时上打开重置晶体管18。
接下来，打开地址晶体管ADDRESSTr，重置晶体管18在定时T1上打开并且在恒定周期β内保持打开状态。当重置晶体管18打开时，到此为止在检测单元16中蓄积的第一信号电荷或第二信号电荷被放电到漏极19，并且检测单元16的电势保持在恒定水平。之后，当重置晶体管18关闭时，检测单元16通过感应检测噪声，并且该噪声被添加到放大器晶体管AMPTr的控制栅。因此，在垂直信号线LS中产生噪声分量。
接下来，自第一像素13a的电子快门结束过去时间t1-α之后，第一读取门15a在定时T3上再次打开并且在恒定周期α内保持打开状态。通过打开栅15a，读出在第一像素13a中蓄积的第一信号电荷。所述第一信号电荷由检测单元16进行检测，并被施加到放大器晶体管AMPTr的控制栅。因此，在垂直信号线LS中产生基于第一信号电荷的电荷量的第一检测信号。所述第一检测信号上叠加有噪声分量。
从在定时T9上关闭第一读取门15a到在定时T3上关闭第一读取门15a之间的周期便是第一像素13a的光电转换周期t1。
接下来，重置晶体管18在定时T4上打开并且在恒定周期β内保持打开状态。当重置晶体管18打开时，检测单元16的电势保持在恒定水平。之后，当重置晶体管18关闭时，在重置晶体管18中产生噪声，该噪声与在定时T1上关闭重置晶体管18时产生的噪声属于同一级别，并且再次在垂直信号线LS中产生噪声分量。
之后，自第二读取门15b在定时T7上关闭过去时间t2-α之后，第二读取门15b在定时T6上打开并且在恒定周期α内保持打开状态。通过打开栅15b，读出在第二像素13b中蓄积的第二信号电荷。所述第二信号电荷由检测单元16进行检测，并被施加到放大器晶体管AMPTr的控制栅。因此，在垂直信号线LS中产生基于第二信号电荷的电荷量的第二检测信号。所述第二检测信号上叠加有噪声分量。
从在定时T7上关闭第二读取门15b到在定时T6上关闭第二读取门15b之间的周期便是第二像素13b的光电转换周期t2。所述光电转换周期t2实际上比第一像素13a的光电转换周期t1的两倍稍长。但是，通过将T3和T6这两个定时之间的偏差设置得小，从而使t2变得基本等于2×t1，可以将第二像素13b的光电转换周期t2视为第一像素13a的光电转换周期t1的两倍。
尽管第二像素13b的光电转换周期t2被视为第一像素13a的光电转换周期t1的两倍，但是第二像素13b的敏感性为第一像素13a的敏感性的1/2倍。因此，当拍摄处于静止状态的物体的图像时，从第一像素13a读取的第一信号电荷的电荷量和从第二像素13b读取的第二信号电荷的电荷量变得基本相同。然而，当拍摄移动物体的图像时，所述第一信号电荷的电荷量和所述第二信号电荷的电荷量之间出现差别。
如图5所示，当在定时T3上读取第一信号电荷时，之后如图6所示，第一开关SW1在定时T31上打开并且在恒定时间内保持打开状态。然后，基于第一信号电荷的电荷量的第一检测信号与噪声分量一同被输入到差分放大器Diff-AMP反相输入端(下文称为“负端”)。与此同时，所述第一检测信号和噪声分量被输入到电容C。因此，所述第一检测信号和噪声分量所保持的电势被充入电容C。因此，在恒定周期内，所述电容保留所述第一检测信号和噪声分量所带有的电势。所以，即使第一开关SW1关闭，充到电容C的电势也会在恒定周期内被持续施加到差分放大器Diff-AMP的负端。
进一步，如图5所示，当在定时T6上从第二像素13b读取第二信号电荷时，之后如图6所示，第二和第三开关SW2、SW3在定时T62上打开并且在恒定周期内保持打开状态。然后，基于第二信号电荷的电荷量的第二检测信号与噪声分量一同被输入到差分放大器Diff-AMP的同相输入端(下文称为“正端”)。
在第二检测信号和噪声分量所保持的电势被施加到差分放大器Diff-AMP的正端期间，所述第一检测信号和噪声分量所保持的电势被施加到负端。
当从第一像素13a读取的第一信号电荷的电荷量和从第二像素13b读取的第二信号电荷的电荷量相同时，所述第一检测信号的电势和所述第二检测信号的电势也相等。进一步地，叠加在各个检测信号上的噪声分量的电势也相同。因此，当第三开关SW3在定时T62上打开并且在恒定时间内保持打开状态时，差分放大器Diff-AMP输出零作为差分信号。由于噪声分量也已消除，因此，差分放大器Diff-AMP也不会输出噪声分量。
如上所述，当拍摄处于静止状态的物体的图像时，也就是说，当从第一像素13a读取的第一信号电荷的电荷量和从第二像素13b读取的第二信号电荷的电荷量相同时，差分放大器Diff-AMP输出零作为差分信号。因此，即使在拍摄处于静止状态的物体的图像时，所述固态摄像器也不会输出任何输出图像。
但是，当物体移动时，对应于所述移动，所述第一信号电荷的电荷量和所述第二信号电荷的电荷量之间出现差别，并且差分放大器Diff-AMP输出基于所述第一检测信号和所述第二检测信号之差的差分信号。因此，当物体移动时，所述固态摄像器根据差分信号输出图像。根据上面的描述实现移动检测模式。即使物体移动，由于叠加在所述第一检测信号上的噪声分量和叠加在所述第二检测信号上的噪声分量相等，因此，差分放大器Diff-AMP也会抵消这两个噪声分量，这样，所述噪声分量便不会叠加在从差分放大器Diff-AMP输出的差分信号上。
将参考图7A-7F进一步介绍根据本实施例的固态摄像器的移动检测模式。图7A-7F是用于进一步详细地解释移动检测模式的说明图，并且图7A示出作为物体实例的移动的指尖，图7B示出仅根据第一像素拍摄指尖图像时的输出图像，图7C示出图7B的倒置图像；图7D示出仅根据第二像素拍摄指尖图像时的输出图像，图7E示出从沿着图7A中的虚线A-A′的线上每个基元输出的输出信号的电势水平，以及图7F示出根据本实施例的固态摄像器的输出图像。在下面的说明中，第一像素和第二像素的敏感性比率也假设为2∶1.
如图7A所示，考虑其中根据本实施例的固态摄像器在移动检测模式下拍摄在时间Δ1期间按照L1、L2、L3次序连续移动的指尖的图像的情况。
假设光电转换周期为t1的第一像素13a的图像拍摄从指尖位于位置L2上时开始，在指尖位于位置L3上时结束第一像素13a的图像拍摄。进一步地，假设光电转换周期为t2的第二像素13b的图像拍摄从指尖位于位置L1上时开始，在指尖位于位置L3上时结束第二像素13b的图像拍摄。
在这种情况下，如图7B所示，当仅基于第一像素13a拍摄移动指尖的图像时，具有与光电转换周期t1对应的厚度的指尖的图像被输出为输出图像。图7C示出图7B的倒置输出图像。
如图7D所示，当仅基于第二像素13b拍摄移动指尖的图像时，具有与光电转换周期t2对应的厚度的指尖的图像被输出为输出图像。
通过基于第一像素13a拍摄图像获取的第一检测信号被输入到差分放大器Diff-AMP的负端，通过根据第二像素13b拍摄图像获取的第二检测信号被输入到差分放大器Diff-AMP的正端。因此，差分放大器Diff-AMP输出这两个检测信号之差的差分信号作为输出信号。也就是说，差分放大器Diff-AMP输出与图7C所示的作为图7B的倒置图像的图像和图7D所示的图像之和对应的图像。
也就是说，当拍摄根据图7A所示移动指尖的图像时，从位置L1上每个基元输出的差分信号的电势水平沿着指尖移动的方向降为负值，如图7E所示。从位置L2上的每个基元输出的差分信号的电势水平沿着指尖移动的方向增加，在点P(位置L1和L3之间的中点)处变为0，然后沿着指尖移动的方向进一步增加。从位置L3的每个基元输出的输出信号的电势水平沿着指尖移动的方向降低。
将这些示出为图像时，如图7F所示，所述图像不是从显示不存在移动的位置L2附近的每个基元输出，而是从显示存在移动的位置L1、L3附近的每个基元输出，并且仅输出移动的指尖的轮廓。通过这种方式来实现移动检测模式。
上面介绍的根据本实施例的固态摄像器可以检测物体的移动，其方式是通过在将第一像素13a和第二像素13b的敏感性比率设为n∶1以及将第一像素13a和第二像素13b的光电转换周期比率设为1∶n之后，对使用第一和第二像素13a、13b拍摄物体图像而获取的第一和第二检测信号执行减法过程。因此，可以轻松地检测物体的移动，无需执行图像间比较的复杂信号处理。
(移动检测模式的修改)
在移动检测模式中，可以通过设置以使得在定时T3、T5上仅检测噪声分量，如图5所示。也就是说，首先，在上述定时上检测噪声，差分放大器Diff-AMP消除叠加在第一和第二检测信号上的噪声。接下来，计算从中消除噪声的第一检测信号和第二检测信号之差。通过这种设置便可实现移动检测模式。
当单独取出从中消除噪声的第一检测信号和第二检测信号时，将拍摄独立于第一像素13a和第二像素13b的物体图像。在这种情况下，可以实现高分辨率模式。
(第二实施例)
图8是示出根据第二实施例的固态摄像器30的相关部件的平面图。第二固态摄像器30与第一固态摄像器10不同在于单位基元14的阵列不同。
如图8所示，根据第二实施例的固态摄像器30具有多个通过设置为使多个第一微透镜12a和多个第二微透镜12b以格子形状(check shape)排列的单位基元14。
也就是说，根据本实施例的固态摄像器30具有多个单位基元14，所述单位基元的排列方式通过在第一微透镜12a之间的间隙中放置各个第二微透镜12b，使得多个第一微透镜12a以格子形状排列，多个第二微透镜12b以格子形状排列。
固态摄像器30还可以通过以类似于根据第一实施例的固态摄像器10的摄像方法的方式执行操作来实现移动检测模式。
上述根据第二实施例的固态摄像器30也在将第一像素13a对第二像素13b的敏感性比率设为n∶1以及将第一像素13a对第二像素13b的光电转换周期比率设为1∶n之后，对使用第一和第二像素13a、13b拍摄物体图像而获取的第一和第二检测信号执行减法过程。因此，固态摄像器30也可以基于类似于根据第一实施例的固态摄像器10的原因轻松地检测物体的移动。
进一步地，对于根据第二实施例的固态摄像器30，固态摄像器30接收的光多于根据第一实施例的固态摄像器10所接收的光，因为在固态摄像器30中，第一和第二微透镜12a、12b之间的间隙缩小。因此，可提供敏感性提高的固态摄像器30。
(第三实施例)
图9是示出根据第三实施例的固态摄像器40的相关部件的平面图。在第三固态摄像器40中，在斜方向上彼此相邻的像素41a、41b的敏感性相互不同。根据本实施例的固态摄像器40是所谓的“两个像素一个基元”类型的固态摄像器，其中单位基元42中包括两个具有不同敏感性的像素41a、41b。
进一步地，固态摄像器40具有颜色滤光器R1、R2、Gr1、Gr2、Gb1、Gb2、B1、B2，所述颜色滤光器可使具有红、绿、蓝中任意一颜色的光在布线层22(图2)和第一和第二微透镜43a、43b之间，传输到每个单位基元。传输红色光的红色滤光器R1、R2、传输绿色光的绿色滤光器Gr1、Gr2、Gb1、Gb2以及传输蓝色光的蓝色滤光器B1、B2以对应于单位基元42的阵列的拜耳(Bayer)阵列排列。
每个单位基元42都包括高敏感性的第一像素41a和低敏感性的第二像素41b。高敏感性的第一像素41a具有大面积的六边形第一光电二极管44a，同时还具有在第一光电二极管44a之上形成的大尺寸的第一微透镜43a。低敏感性的第二像素41b具有面积小于第一光电二极管44a的六边形第二光电二极管44b，同时还具有尺寸小于第一微透镜43a且在第二光电二极管44b之上形成的第二微透镜43b。
根据本实施例的固态摄像器40具有多个单位基元42，在图中，所述单位基元被排列为分别面向一个斜方向。多个单位基元42被排列为使得多个第一微透镜43a和多个第二微透镜43b以格子形状排列。
也就是说，根据本实施例的固态摄像器40具有多个单位基元42，所述单位基元被排列为通过在第一微透镜43a之间的间隙中放置各个第二微透镜43b，使得多个第一微透镜43a以格子形状排列，多个第二微透镜43b以格子形状排列。
在每个单位基元42中，提供第一和第二读取门45a、45b、检测单元46、单位基元的输出电路47、重置晶体管48和漏极49。
在第一像素41a的第一光电二极管44a一侧附近的位置上提供第一读取门45a。在第二像素41b的第二光电二极管44b一侧附近的位置上提供第二读取门45b，其垂直于第一读取门45a。
检测单元46和单位基元的输出电路47在单位基元42内的第一像素41a和第二像素41b之间提供。检测单元46在第一读取门45a和第二读取门45b之间提供，单位基元的输出电路47在与检测单元46相对的位置上提供
重置晶体管48在检测单元46附近的位置上提供，漏极49在使得该区域49和检测单元46夹住重置晶体管48的位置上提供。
在其中排列单位基元42的固态摄像器40中，多个垂直信号线LSGr、LSB、LSGb、LSR共同与多个在垂直方向上具有相同颜色的颜色滤光器的单位基元42中的各个单位基元的输出电路47相连。与所述垂直信号线LSGr、LSB、LSGb、LSR正交的多个水平信号线LH1共同与多个在水平方向上邻近的单位基元42中的各个第一读取门45a相连。在所述多个水平信号线LH1之间，与所述多个水平信号线LH1平行排列的多个水平信号线LH2共同与多个在水平方向上邻近的单位基元42中的各个第二读取门45b相连。
固态摄像器40还可以通过以类似于根据第一实施例的固态摄像器10的摄像方法的方式执行操作来实现移动检测模式。
上述根据第三实施例的固态摄像器40也在将第一像素41a对第二像素41b的敏感性比率设为n∶1以及将第一像素41a对第二像素41b的光电转换周期比率设为1∶n之后，对使用第一和第二像素41a、41b拍摄物体图像而获取的第一和第二检测信号执行减法过程。因此，固态摄像器40也可以基于类似于根据第一实施例的固态摄像器10的原因轻松地检测物体的移动。
进一步地，对于根据第三实施例的固态摄像器40，每个单位基元42内的第一像素41a和第二像素41b分别包括相同颜色的颜色滤光器。进一步地，当每个单位基元42内相同颜色的两个滤光器被视为一个颜色滤光器时，分别被视为一个颜色滤光器的红色滤光器R、绿色滤光器Gr、Gb和蓝色滤光器B以拜耳阵列排列。因此，通常使用的图像处理电路可以作为形成具有来自从差分放大器Diff-AMP输出的差分信号的颜色的图像的图像处理电路(未示出)直接应用。
(第四实施例)
图10是示意性地示出作为使用第一至第三固态摄像器10、30、40中任一摄像器的固态摄像系统50的非触摸面板50的平面图。图11是示出非触摸面板50的示意性侧视图。
如图10和图11所示，在例如作为显示单元的显示器51的周边部分上提供框架单元52。框架单元52带有多个例如应用根据第一实施例的固态摄像器10的相机53。相机53在例如框架单元52的右上角和左上角上提供。
相机53可以是应用根据第二或第三实施例的固态摄像器30、40的相机。
在类似的非触摸面板50中，每个相机53在移动检测模式下执行操作，并且拍摄例如图10中所示的作为物体的指尖的图像。在这种情况下，当拍摄静止的指尖的图像时，每个相机53上拥有的每个固态摄像器10从输出电路输出零作为差分信号，当拍摄移动的指尖的图像时，输出零以外的差分信号。进一步地，当输出除零以外的差分信号时，图像形成单元26(图3)基于此差分信号形成图像，并且输出所形成的图像。也就是说，非触摸面板50根据从每个相机53上安装的每个固态摄像器10输出的图像检测作为物体的指尖的移动。
更具体地说，位于右上角位置上的相机53拍摄指尖的图像，并使得能够检测到图10中沿着x方向和z方向的指尖移动，以及位于左上角位置上的相机53拍摄指尖的图像，并使得能够检测到图10中沿着y方向和z方向的指尖移动。通过上述设置，非触摸面板50可以检测指尖的三维移动。因此，非触摸面板50可以在不直接用指尖触摸显示器51的情况下操作。当例如在非触摸面板50上根据指尖移动绘制图画时，可以通过安排使得基于指尖移动形成的图像在显示器51上显示。进一步地，当例如对应于非触摸面板50上的指尖移动而移动显示器51上显示的游戏中的人物时，所形成的图像不需要在显示器51上显示。
根据固态摄像系统50，由于物体的移动通过使用能够轻松地检测物体移动的固态摄像器10、30、40的相机53进行检测，因此，可提供能够轻松地检测物体移动的固态摄像系统50。
进一步地，对于根据本实施例的固态摄像系统50，由于非触摸面板50可以在不直接用指尖触摸显示器51的情况下执行操作，因此可以减少对显示器51的表面的污染。
进一步地，对于根据本实施例的固态摄像系统50，由于通过多个相机53检测指尖的三维移动，因此，无需在显示器51中提供检测显示器51与指尖的接触的透明电极。因此，与传统触摸面板相比，固态摄像系统50增加了显示器的亮度。
(修改)
根据所述实施例的固态摄像器10、30、40可以轻松地实现移动检测模式。但是，宽动态范围模式可以直接基于例如根据第一实施例的固态摄像系统10的基本配置实现。接下来介绍实现宽动态范围模式的方法。在下面的方法说明中，只介绍与实现移动检测模式的方法不同的部分。
图12是示出宽动态范围模式中地址晶体管ADDRESSTr、重置晶体管18、第一读取门15a及第二读取门15b的操作和垂直信号线LS中出现的第一和第二检测信号之间的关系的时序图。图13是示出宽动态范围模式中第一至第三开关SW1、SW2、SW3的操作和输入差分放大器Diff-AMP的第一和第二检测信号及从差分放大器Diff-AMP输出的差分信号之间的关系的时序图。
图12所示的宽动态范围模式中的操作由将宽动态范围模式信号(作为充当控制信号的模式切换信号)输出到在第一实施例中介绍的输出电路的至少一部分(垂直寄存器25和公共输出电路17′)的控制单元27(图3)执行。
如图12和图13所示，在宽动态范围模式的情况下，首先，重置晶体管18在定时T1上打开，并且检测单元16被保持在恒定电平。之后，重置晶体管18关闭。检测单元16通过感应检测噪声，并且噪声分量在垂直信号线LS中产生。接下来，在定时T2上仅对噪声分量进行采样。也就是说，第一开关SW1在定时T2上打开并且在恒定时间内保持打开状态。然后，垂直信号线LS中出现的噪声分量被输入到差分放大器Diff-AMP的负端，同时被输入到电容C。因此，基于所述噪声分量的电势被充入电容C。因此，在恒定周期内，电容C保留基于所述噪声分量的电势。所以，即使第一开关SW1关闭，充到电容C的电势也会在恒定时间内被持续施加到差分放大器Diff-AMP的负端。
接下来，在定时T3上同时执行读取在第一像素13a中蓄积的第一信号电荷和在第二像素13b中蓄积的第二信号电荷。然后，垂直信号线LS中出现具有基于与第一信号电荷的电荷量和第二信号电荷的电荷量之和对应的电荷量的电势的检测信号。该检测信号上叠加有噪声分量。
之后，第二和第三开关SW2、SW3在定时T31上打开并且在恒定时间内保持打开状态，如图13所示。然后，检测信号和噪声分量一同被输入到差分放大器Diff-AMP的正端。
如上所述，当基于检测信号和噪声分量的电势被施加到差分放大器Diff-AMP的正端时，基于噪声分量的电势被施加到负端。
分别被施加到差分放大器Diff-AMP的正端的噪声分量的电势和被施加到负端的噪声分量的电势相等。因此，当第三开关SW3在定时T31上打开并且在恒定时间内保持打开状态时，差分放大器Diff-AMP仅输出通过消除噪声分量获取的检测信号作为差分信号。
接下来，通过同时执行第一信号电荷读取和第二信号电荷读取以及通过添加这两个信号电荷实现宽动态范围模式的原因参考图14进行说明。
图14是用于解释宽动态范围模式的图表，并且是示出根据第一实施例的固态摄像器10的单位基元14接收的光的量和从差分放大器Diff-AMP输出的差分信号的电势的关系的图形。
如图14所示，当例如仅基于第一像素13a拍摄物体的图像时，由于第一像素13a具有高敏感性，所以即使从物体接收的光具有低的光量，第一光电二极管11a内第一信号电荷的电荷量也会迅速增加。因此，当仅基于第一像素13a拍摄物体的图像时，将实现高敏感性模式。
但是，由于第一像素13a的第一光电二极管11a内的第一信号电荷的电荷量迅速增加，所以当从物体接收的光具有高的光量时，第一光电二极管11a会达到饱和。因此，当仅基于第一像素13a拍摄物体的图像时，动态范围是窄的。
另一方面，当仅基于第二像素13b拍摄物体的图像时，由于第二像素13b具有低敏感性，所以第二像素13b的第二光电二极管11b内第二信号电荷的电荷量也会缓慢增加。因此，即使从物体接收到光具有高的光量，第二光电二极管116b也不会轻易达到饱和，也就是说，当仅基于第二像素13b拍摄物体的图像时，动态范围是宽的。
但是，在第二像素13b的第二光电二极管116内，由于第二信号电荷的电荷量缓慢增加，所以当从物体接收的光具有低光量时，第二光电二极管内的第二信号电荷的电荷量仅增加很少。因此，当仅基于第二像素13b拍摄物体的图像时，敏感性降低。
另一方面，当将第一信号电荷和第二信号电荷加在一起时，即使从物体接收的光具有低的光量，由于第一光电二极管11a内第一信号电荷的电荷量迅速增加，所以可以高敏感性地拍摄物体的图像。
进一步地，即使从物体的接收的光具有高的光量，由于第二光电二极管11b内第二信号电荷的电荷量增加，所以可以实现与仅基于第二像素13b拍摄物体的图像时的范围相同的动态范围。
因此，可以通过同时执行第一信号电荷读取和第二信号电荷读取以及通过添加这两个信号电荷来实现宽动态范围模式。
通过这种方式，可以选择性地实现移动检测模式或宽动态范围模式的固态摄像器10、30、40中的任一摄像器可以被安排为如第四实施例中那样应用于作为固态摄像系统50的非触摸面板50。例如将可以选择性地实现移动检测模式或宽动态范围模式的固态摄像器10、30、40中的任一摄像器应用于具有拍摄静止物体图像的相机功能的非触摸面板50会很有效。
(宽动态范围模式的修改)
图15是示出用于实现宽动态范围模式的固态摄像器的其他修改的平面图。根据图15所示的修改的固态摄像器60与根据第一实施例的固态摄像器10相同，因为固态摄像器60具有通过包括大的第一微透镜64a的高敏感性第一像素61a和包括小于第一微透镜64a的第二微透镜64b的低敏感性第二像素61b配置的单位基元62。但是，固态摄像器60与固态摄像器10也有区别，因为第一像素61a的第一光电二极管63a小于第二像素61b的第二光电二极管63b。
单位基元62中包括的第一读取门和第二读取门15a、15b、检测单元16、单位基元的输出电路17、重置晶体管18和漏极19以类似于根据第一实施例的固态摄像器10的配置方式进行配置。
固态摄像器60还可以通过以类似于根据第一实施例的固态摄像器10的摄像方法的方式执行操作来实现移动检测模式。
固态摄像器60还可以通过以类似于根据第一实施例的固态摄像器10的宽动态范围模式摄像方法的方式执行操作来实现宽动态范围模式。但是，在根据修改的固态摄像器60的情况下，可以实现的宽动态范围大于根据第一实施例的固态摄像器10(图1)的宽动态范围模式。下面将解释其中的原因。
图16是示出固态摄像器60的单位基元62接收的光的量和从差分放大器Diff-AMP输出的差分信号的电势的关系的图表。
当第一像素61a的第一光电二极管63a如图15所示被形成为是小的时，第一像素61a的饱和电平就会如图16所示降低，因此，第一像素61a的动态范围就变小。但是，当第二像素61b的第二光电二极管63b被形成为是大的时，第二像素61b的饱和电平就会如图16所示增加，因此，第二像素61b的动态范围就变大。
由于宽动态范围模式中的动态范围与第二像素61b的动态范围相同，所以对于根据修改的固态摄像器60，可以实现比根据第一实施例的固态摄像器10的宽动态范围模式大得多的动态范围。
尽管描述了特定实施例，但是这些实施例仅出于举例的目的给出，并非旨在限制本发明的范围。实际上，在此描述的新颖实施例可以体现在各种其他形式中；此外，可以在不偏离本发明的精神的情况下，对在此描述的实施例的形式做出各种省略、替换和更改。所附的权利要求及其等同物旨在涵盖将处于本发明的范围和精神内的此类形式或修改。

Claims (18)

1.一种固态摄像器，包括：
第一像素，其具有通过接收光并光电转换所述光以产生第一信号电荷的第一光电二极管，以及在所述第一光电二极管之上形成的第一微透镜；
第二像素，其具有通过接收光并光电转换所述光以产生第二信号电荷的第二光电二极管，以及在所述第二光电二极管之上形成并小于所述第一微透镜的第二微透镜，其进一步具有所述第一像素的1/n倍的敏感性和所述第一像素的n倍的光电转换周期；以及
输出电路，用于输出基于所述第一信号电荷的电荷量的第一检测信号和基于所述第二信号电荷的电荷量的第二检测信号之差的差分信号，
其中
所述输出电路包括
检测单元，用于蓄积所述第一信号电荷和所述第二信号电荷，
放大器晶体管，用于基于所述检测单元中蓄积的所述第一信号电荷的电荷量将所述第一信号电荷转换为所述第一检测信号，以及基于所述检测单元中蓄积的所述第二信号电荷的电荷量将所述第二信号电荷转换为所述第二检测信号，以及
差分放大器，其具有与所述放大器晶体管相连并且用于输入所述第一检测信号的反相输入端、与所述放大器晶体管相连并且用于输入所述第二检测信号的同相输入端以及输出作为所述第一检测信号和所述第二检测信号之差的所述差分信号的输出端。
2.如权利要求1中所述的固态摄像器，包括多个单位基元，其中每个单位基元包括所述第一像素和所述第二像素，其中
所述单位基元以格栅形状排列。
3.如权利要求1中所述的固态摄像器，包括多个单位基元，其中每个单位基元包括所述第一像素和所述第二像素，其中
所述单位基元被排列为使得多个第一微透镜和多个第二微透镜分别以格子形状排列。
4.如权利要求3中所述的固态摄像器，包括多个单位基元，其中每个单位基元包括
所述第一像素，其具有导致在所述第一光电二极管和所述第一微透镜之间传输红、蓝和绿中任一颜色的颜色滤光器，以及
所述第二像素，其具有导致在所述第二光电二极管和所述第二微透镜之间传输与所述第一像素所具有的颜色滤光器的颜色相同的颜色的颜色滤光器，其中
所述单位基元被排列为使得所述颜色滤光器成拜耳阵列。
5.一种具有固态摄像器的固态摄像系统，包括：
第一像素，其具有通过接收光并光电转换所述光以产生第一信号电荷的第一光电二极管，以及在所述第一光电二极管之上形成的第一微透镜；
第二像素，其具有通过接收光并光电转换所述光以产生第二信号电荷的第二光电二极管，以及在所述第二光电二极管之上形成并小于所述第一微透镜的第二微透镜，其进一步具有所述第一像素的1/n倍的敏感性和所述第一像素的n倍的光电转换周期；
输出电路，用于输出基于所述第一信号电荷的电荷量的第一检测信号和基于所述第二信号电荷的电荷量的第二检测信号之差的差分信号；以及
图像形成单元，用于根据从所述输出电路输出的差分信号形成图像，其中
如果所述光为由静止物体反射的反射光，则所述固态摄像系统基于变为彼此相等的所述第一检测信号和所述第二检测信号而使所述输出电路输出零作为所述差分信号，以及
如果所述光为由移动物体反射的反射光，则基于变为彼此不同的所述第一检测信号和所述第二检测信号，通过使所述输出电路输出这两个检测信号之间的差值作为所述差分信号，并且通过使所述图像形成单元基于所述差值形成图像来检测物体的移动。
6.如权利要求5中所述的固态摄像系统，其具有多个所述固态摄像器。
7.如权利要求5中所述的固态摄像系统，进一步包括显示所述图像形成单元形成的图像的显示单元。
8.一种固态摄像器，包括：
第一像素，其具有通过接收光并光电转换所述光以产生第一信号电荷的第一光电二极管，以及在所述第一光电二极管之上形成的第一微透镜；
第二像素，其具有通过接收光并光电转换所述光以产生第二信号电荷的第二光电二极管，以及在所述第二光电二极管之上形成并小于所述第一微透镜的第二微透镜，其进一步具有所述第一像素的1/n倍的敏感性；
输出电路，用于输出基于所述第一信号电荷的电荷量和所述第二信号电荷的电荷量的信号；以及
控制单元，用于通过为所述输出电路提供模式切换信号来控制所述输出电路的操作，其中
所述输出电路基于所述模式切换信号，输出基于所述第一信号电荷的电荷量和所述第二信号电荷的电荷量之和或之差的信号，
其中
所述输出电路包括
第一读取门，用于读取在所述第一光电二极管中产生的所述第一信号电荷，
第二读取门，用于读取在所述第二光电二极管中产生的所述第二信号电荷，
检测单元，用于蓄积所述第一读取门所读取的所述第一信号电荷和所述第二读取门所读取的所述第二信号电荷，
放大器晶体管，用于基于所述检测单元中蓄积的所述第一信号电荷的电荷量将所述第一信号电荷转换为第一检测信号，以及基于所述检测单元中蓄积的所述第二信号电荷的电荷量将所述第二信号电荷转换为第二检测信号，以及
差分放大器，其具有通过第一开关与所述放大器晶体管相连的反相输入端、通过第二开关与所述放大器晶体管相连的同相输入端以及输出端，其中
使用所述模式切换信号控制所述第一读取门、所述第二读取门、所述第一开关和所述第二开关的操作。
9.如权利要求8中所述的固态摄像器，其中
所述模式切换信号为移动检测模式信号或宽动态范围模式信号，以及
如果所述模式切换信号为移动检测模式信号，则
所述模式切换信号用于控制所述第一读取门和所述第二读取门，以便所述第二像素的光电转换周期变为所述第一像素的光电转换周期的n倍，以及
还用于控制所述第一开关和所述第二开关，以便将所述第一检测信号输入到所述差分放大器的反相输入端，以及将所述第二检测信号输入到所述差分放大器的同相输入端，且
所述差分放大器的输出端输出与所述第一检测信号和所述第二检测信号之差对应的信号。
10.如权利要求8中所述的固态摄像器，其中
所述模式切换信号为移动检测模式信号或宽动态范围模式信号，以及
如果所述模式切换信号为宽动态范围模式信号，则
所述模式切换信号用于控制所述第一读取门和所述第二读取门，以便所述第二像素的光电转换周期变得长于所述第一像素的光电转换周期，以及
还用于控制所述第一开关和所述第二开关，以便将所述第一检测信号和所述第二检测信号之和输入到所述差分放大器的同相输入端，其中
所述差分放大器的输出端输出与所述第一检测信号和所述第二检测信号之和对应的信号。
11.如权利要求8中所述的固态摄像器，其中
所述第一光电二极管大于所述第二光电二极管。
12.如权利要求8中所述的固态摄像器，其中
所述第一光电二极管小于所述第二光电二极管。
13.如权利要求8中所述的固态摄像器，其具有
多个单位基元，其中每个单位基元包括所述第一像素和所述第二像素，其中
所述单位基元以格栅形状排列。
14.如权利要求8中所述的固态摄像器，其具有
多个单位基元，其中每个单位基元包括所述第一像素和所述第二像素，其中
所述单位基元被排列为使得多个第一微透镜和多个第二微透镜分别以格子形状排列。
15.如权利要求8中所述的固态摄像器，包括多个单位基元，其中每个单位基元包括
所述第一像素，其具有导致在所述第一光电二极管和所述第一微透镜之间传输红、蓝和绿中任一颜色的颜色滤光器，以及
所述第二像素，其具有导致在所述第二光电二极管和所述第二微透镜之间传输与所述第一像素所具有的颜色滤光器的颜色相同的颜色的颜色滤光器，其中
所述单位基元被排列为使得所述颜色滤光器成拜耳阵列。
16.一种具有固态摄像器的固态摄像系统，包括：
第一像素，其具有通过接收光并光电转换所述光以产生第一信号电荷的第一光电二极管，以及在所述第一光电二极管之上形成的第一微透镜；
第二像素，其具有通过接收光并光电转换所述光以产生第二信号电荷的第二光电二极管，以及在所述第二光电二极管之上形成并小于所述第一微透镜的第二微透镜，其进一步具有所述第一像素的1/n倍的敏感性；
输出电路，用于输出基于所述第一信号电荷的电荷量和所述第二信号电荷的电荷量的信号；
控制单元，用于通过为所述输出电路提供模式切换信号来控制所述输出电路的操作；以及
图像形成单元，用于基于从所述输出电路输出的信号形成图像，其中
如果所述输出电路从所述控制单元接收移动检测模式信号作为模式切换信号并且如果所述光为静止物体反射的反射光，则所述固态摄像系统根据变为彼此相等的基于所述第一信号电荷的电荷量的第一检测信号和基于所述第二信号电荷的电荷量的第二检测信号而使所述输出电路输出零作为信号，
如果所述输出电路从所述控制单元接收移动检测模式信号作为模式切换信号并且如果所述光为由移动物体反射的反射光，则所述固态摄像系统基于变为彼此不同的所述第一检测信号和所述第二检测信号，使所述输出电路输出所述第一检测信号和所述第二检测信号之间的差值作为信号，并且通过使所述图像形成单元基于所述差值形成图像来检测物体的移动，
如果所述输出电路从所述控制单元接收宽动态范围模式信号作为模式切换信号，则所述固态摄像系统使所述输出电路输出基于所述第一信号电荷的电荷量和所述第二信号电荷的电荷量之和的信号，并且使所述图像形成单元根据基于所述和的所述信号形成并输出图像。
17.如权利要求16中所述的固态摄像系统，其具有多个所述固态摄像器。
18.如权利要求16中所述的固态摄像系统，进一步包括显示所述图像形成单元形成的图像的显示单元。
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