CN110383823A - 固态摄像装置、固态摄像装置的驱动方法和电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是为了抑制在固态摄像装置中从线性读取到对数读取的切换时刻的变化，并执行高精度读取。第一光电转换单元在第一区域中将入射光光电转换为电荷并存储电荷。第二光电转换单元在第二区域中将入射光光电转换为电荷并存储电荷，第二区域的面积小于第一区域的面积。电荷‑电压转换单元存储通过第一光电转换单元和第二光电转换单元进行光电转换得到的电荷，以将电荷转换为电压。第一电荷传输单元和第二电荷传输单元分别将第一光电转换单元中累积的电荷和第二光电转换单元中累积的电荷传输到电荷‑电压转换单元。电荷复位单元复位存储在电荷‑电压转换单元中的电荷。第一放电单元释放存储在第一光电转换单元中的电荷。

Description

固态摄像装置、固态摄像装置的驱动方法和电子设备
技术领域
本技术涉及固态摄像装置。具体地，本技术涉及在超过饱和水平的高照度下减少信号变化的固态摄像装置、固态摄像装置的驱动方法和电子设备。
背景技术
在典型的金属氧化物半导体(MOS：metal oxide semiconductor)型图像传感器(其通过MOS晶体管读取根据入射光量在光电转换单元中累积的电荷)中，其饱和水平根据能够累积在光电转换单元中的电荷量受到限制。换句话说，在超过光电转换单元的饱和水平的范围内不能正确地检测光量。因此，传统上使用如下操作，其中，使累积在光电转换单元中的电荷从传输栅极溢出到电荷-电压转换单元、电荷复位单元和漏极电源，并且检测此时的电荷-电压转换单元的电压作为信号电压(以下称为对数读取)。此时检测到的电压是与入射光量的对数对应的信号。利用这种构造，也能够检测超过饱和水平的光量。
在与通过累积的普通读取(以下称为线性读取)一起执行这种对数读取的情况下，存在的问题是，从线性读取到对数读取的切换时刻的差异因像素而异。这是因为，光电转换单元的饱和水平以及用于确定开始溢出的水平的传输栅极和电荷复位单元的晶体管的阈值因像素而异。因此，在传统技术中，在获取对数读取的信号之前，从漏极电源向光电转换单元和电荷-电压转换单元注入电荷，直到饱和水平，然后将电荷复位单元复位在高电平与低电平之间的中间电平处。这减小了电荷复位单元的差异，并减小了像素间的电荷-电压转换单元的差异。此外，在这种情况下，传输栅极导通，从而将光电转换单元的信号(饱和电平)传输到电荷-电压转换单元，并且开始光接收，使得像素间的光电转换单元和传输栅极的差异减小。当读取噪声时，传输栅极导通，其中光电转换单元和电荷-电压转换单元充满电荷，并且使电荷复位单元再次处于中间电平，并且读出累积在电荷-电压转换单元中的电荷。这些操作减小了像素间的差异，并减少了从线性读取到对数读取的切换时刻的变化(例如，参见专利文献1)。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本专利申请公开No.2014-060658
发明内容
本发明要解决的问题
在上述传统技术中，当在一个像素中执行线性读取和对数读取时，减小了像素间的差异，并且减少了从线性读取到对数读取的切换时刻的差异。在这方面，在通过对数读取读取高照度的光量的情况下，需要使电荷从光电转换单元溢出直到漏极电源。因此，小的光电转换单元是有利的。另一方面，在光电转换单元的尺寸减小的情况下，灵敏度不足以通过线性读取读取低照度的光量。此外，在上述传统技术中，在用于减小差异的操作中，光电转换单元在读取噪声时也接收光。在照度高的情况下，存在以下可能：电荷从传输栅极溢出并且在以中间电平复位后立即混入电荷-电压转换单元中。
本技术是鉴于上述情况而产生的，并且本技术的目的是减少从线性读取到对数读取的切换时刻的变化，并在固态摄像装置中以高精度执行读取。
解决问题的方案
已经提出了本技术来解决上述问题，并且本技术的第一方面是固态摄像装置和所述固态摄像装置的驱动方法，所述固态摄像装置包括：第一光电转换单元，其被构造成将入射光光电转换为电荷，并在第一区域中累积所述电荷；第二光电转换单元，其被构造成将入射光光电转换为电荷，并在第二区域中累积所述电荷，所述第二区域的面积小于所述第一区域的面积；电荷-电压转换单元，其被构造成累积由所述第一光电转换单元和所述第二光电转换单元进行光电转换的电荷，以将所述电荷转换为电压；第一电荷传输单元，其被构造成将在所述第一光电转换单元中累积的电荷传输到所述电荷-电压转换单元；第二电荷传输单元，其被构造成将在所述第二光电转换单元中累积的电荷传输到所述电荷-电压转换单元；电荷复位单元，其被构造成复位所述电荷-电压转换单元中累积的电荷；以及第一放电单元，其被构造成释放所述第一光电转换单元中累积的电荷。该构造产生如下作用：防止不必要的电荷混入第一光电转换单元中。
此外，在第一方面中，所述固态摄像装置还可以包括驱动单元，所述驱动单元被构造成以这样的方式执行驱动：所述驱动单元使所述第一放电单元释放所述第一光电转换单元中累积的电荷，同时控制所述电荷复位单元的漏极的电位，以在所述第二光电转换单元和所述电荷-电压转换单元中累积所述电荷直至饱和水平，然后使所述第二光电转换单元曝光。该构造产生如下作用：在第二光电转换单元执行对数读取时，通过释放第一光电转换单元中累积的电荷，防止不必要的电荷混入第一光电转换单元中。
此外，在第一方面中，固态摄像装置还可以包括第二放电单元，所述第二放电单元被构造成释放第二光电转换单元中累积的电荷，并且所述驱动单元可以以这样的方式执行驱动：所述驱动单元使所述第一放电单元释放所述第一光电转换单元中累积的电荷，同时控制所述电荷复位单元的漏极的电位，以在所述第二光电转换单元和所述电荷-电压转换单元中累积所述电荷直至饱和水平，然后，所述驱动单元使所述第二放电单元释放所述第二光电转换单元中累积的电荷，同时将中间电位施加到所述电荷复位单元，以在所述电荷-电压转换单元中累积电荷，所述驱动单元还使所述电荷复位单元变为非导通状态，然后使所述电荷-电压转换单元中累积的电荷传输到所述电荷-电压转换单元，然后使所述第二光电转换单元曝光。该构造产生如下作用：在第二光电转换单元中的对数读取时通过中间电位进行复位操作期间，通过释放第二光电转换单元中累积的电荷，防止不必要的电荷混入电荷-电压转换单元中。
此外，在第一方面中，固态摄像装置还可以包括信号放大单元，所述信号放大单元被构造成将所述电荷-电压转换单元中累积的电荷进行放大，并输出与所述电荷对应的电平的像素信号。此外，所述固态摄像装置还可以包括转换效率切换单元，所述转换效率切换单元被构造成切换所述电荷-电压转换单元的电容，从而切换所述信号放大单元中的放大程度。该构造产生如下作用：通过对于低照度信号切换电荷-电压转换单元的电容，获得了足够的分辨率。
此外，本技术的第二方面是电子设备，所述电子设备包括：第一光电转换单元，其被构造成将入射光光电转换为电荷，并在第一区域中累积所述电荷；第二光电转换单元，其被构造成将入射光光电转换为电荷，并在第二区域中累积所述电荷，所述第二区域的面积小于所述第一区域的面积；电荷-电压转换单元，其被构造成累积由所述第一光电转换单元和所述第二光电转换单元进行光电转换的电荷，以将所述电荷转换为电压；第一电荷传输单元，其被构造成将在所述第一光电转换单元中累积的电荷传输到所述电荷-电压转换单元；第二电荷传输单元，其被构造成将在所述第二光电转换单元中累积的电荷传输到所述电荷-电压转换单元；电荷复位单元，其被构造成复位所述电荷-电压转换单元中累积的电荷；第一放电单元，其被构造成释放所述第一光电转换单元中累积的电荷；以及驱动单元，其被构造成以这样的方式执行驱动：所述驱动单元使所述第一放电单元释放所述第一光电转换单元中累积的电荷，同时控制所述电荷复位单元的漏极的电位，以在所述第二光电转换单元和所述电荷-电压转换单元中累积所述电荷直至饱和水平，然后使所述第二光电转换单元曝光。该构造产生如下作用：在第二光电转换单元的对数读取时，通过释放第一光电转换单元中累积的电荷，防止不必要的电荷混入第一光电转换单元中。
本发明的效果
本技术能够实现如下优异的效果：能够减少从线性读取到对数读取的切换时刻的变化，并在固态摄像装置中以高精度执行读取。注意，本技术的效果并非局限于这里所述的效果，并且可以是本公开中说明的任何效果。
附图说明
图1是示出本技术的实施例中的固态摄像装置10的示例性构造的图。
图2是示出本技术的实施例中的用于说明像素阵列单元100的每个像素的操作的示例性电路构造的图。
图3是示出本技术的实施例中的像素阵列单元100的每个像素的光响应特性的示例的图。
图4是示出本技术的实施例中的像素阵列单元100的每个像素的读取时序的示例的图。
图5是示出对应于图4的高照度下的示例性电位的图。
图6是示出对应于图4的低照度下的示例性电位的图。
图7是示出本技术的实施例中的像素阵列单元100的每个像素中的放电单元180的示例性操作的图。
图8是示出本技术的第一实施例中的像素阵列单元100的每个像素的示例性构造的图。
图9是示出本技术的第一实施例的变形例中的像素阵列单元100的每个像素的示例性构造的图。
图10是示出本技术的第二实施例中的像素阵列单元100的每个像素的示例性构造的图。
图11是示出本技术的第二实施例的操作状态中的示例性电位的图。
图12是示出本技术的第二实施例中的像素阵列单元100的每个像素的光响应特性的示例的图。
图13是示出本技术的第二实施例中的像素阵列单元100的每个像素的读取时序的示例的图。
具体实施方式
在下文中，将说明用于实施本技术的方式(以下称为实施例)。将按以下顺序进行说明。
1.第一实施例(在光电转换单元中设置放电单元的示例)
2.第二实施例(在像素之间设置电荷-电压控制单元的示例)
<1.第一实施例>
[固态摄像装置的构造]
图1是示出本技术的实施例中的固态摄像装置10的示例性构造的图。例如，固态摄像装置10包括MOS型图像传感器，并且固态摄像装置10通过对入射光进行光电转换并产生图像信号来获取图像。固态摄像装置10包括像素阵列单元100、垂直驱动单元220、列处理单元230、水平驱动单元240、系统控制单元250、信号处理单元280和数据存储单元290。
像素阵列单元100包括像素，每个所述像素包括光电转换单元，所述光电转换单元根据从被摄体入射的光量产生电荷并累积该电荷，所述像素在横向(行方向)和纵向(列方向)上二维布置。在像素阵列单元100中，针对每个像素行(其包括沿行方向排列的像素)在行方向上布置像素驱动线229，并且针对每个像素列(其包括沿列方向排列的像素)在列方向上布置垂直信号线(VSL)239。
垂直驱动单元220包括移位寄存器和地址解码器等，并且垂直驱动单元220通过多个像素驱动线229向像素提供信号等，用于驱动像素阵列单元100的像素。垂直驱动单元220包括选择控制单元221、复位控制单元222、传输控制单元223、复位漏极控制单元224和放电控制单元225。选择控制单元221控制要施加到像素选择单元(稍后将说明)的选择信号SEL。复位控制单元222控制要施加到电荷复位单元(稍后将说明)的复位信号RST。传输控制单元223控制要施加到电荷传输单元(稍后将说明)的传输信号TRG。复位漏极控制单元224控制电荷复位单元(稍后将说明)的复位漏极的电位。放电控制单元225控制要施加到放电单元(稍后将说明)的放电信号OFG。注意，垂直驱动单元220是权利要求中说明的驱动单元的示例。
针对像素阵列单元100的每个像素列，列处理单元230通过垂直信号线239读取来自各个像素信号，并执行降噪处理、相关双采样处理、和模数(AD)转换处理等，从而产生像素信号。
水平驱动单元240包括移位寄存器和地址解码器等，并且水平驱动单元240顺序选择与列处理单元230的像素列对应的单元电路。通过由水平驱动单元240执行选择性扫描，已经在列处理单元230的每个单元电路中进行了信号处理的像素信号被顺序输出到信号处理单元280。
系统控制单元250包括时序生成器，所述时序生成器产生各种驱动信号等，并且系统控制单元250基于由时序生成器产生的驱动信号控制垂直驱动单元220、列处理单元230和水平驱动单元240的驱动。
信号处理单元280对从列处理单元230提供的每个像素信号进行信号处理(例如，运算处理等)，并且基于该像素信号输出图像信号。
数据存储单元290在其中存储由信号处理单元280处理的图像信号。
[电路构造]
图2是示出本技术的实施例中的用于说明像素阵列单元100的每个像素的操作的示例性电路构造的图。在下文中，在说明像素阵列单元100的每个像素的构造之前，将说明作为前提的基本构造。首先，假设像素阵列单元100的每个像素包括光电转换单元110、电荷传输单元120、电荷-电压转换单元130、电荷复位单元140、信号放大单元150、像素选择单元160、恒流源170和放电单元180。
光电转换单元110包括PN结光电二极管(PD：photodiode)，并且光电转换单元110根据入射光量产生电荷并累积电荷。
电荷传输单元120根据传输信号TRG将累积在光电转换单元110中的电荷传输到电荷-电压转换单元130。当施加到电荷传输单元120的传输信号TRG转变为H电平时，电荷传输单元120进入导通状态，并且累积在光电转换单元110中的电荷被传输到电荷-电压转换单元130。注意，电荷传输单元120例如包括耗尽型晶体管(depression transistor)等，并且构成溢出路径，即使在电荷传输单元120处于非导通状态时该溢出路径也传输一些电荷。因此，当光电转换单元110变得饱和时，从光电转换单元110溢出的电荷通过溢出路径传输到电荷-电压转换单元130。
电荷-电压转换单元130是浮动扩散(FD)电容器，所述浮动扩散(FD)电容器形成在电荷传输单元120的漏极和电荷复位单元140的源极之间。电荷-电压转换单元130累积从电荷传输单元120传输的电荷。
电荷复位单元140根据复位信号RST复位在电荷-电压转换单元130中累积的电荷。当施加到电荷复位单元140的复位信号RST转变为H电平时，电荷复位单元140进入导通状态，并且电荷复位单元140复位在电荷-电压转换单元130中累积的电荷。此外，电荷复位单元140包括耗尽型晶体管等，并且构成溢出路径，即使在电荷复位单元140处于非导通状态时该溢出路径也传输一些电荷。因此，当电荷-电压转换单元130变得饱和时，溢出路径使从电荷-电压转换单元130溢出的电荷能够传输到电荷复位单元140的漏极(复位漏极)。
信号放大单元150对在电荷-电压转换单元130中累积的电荷进行放大，并输出与电荷对应的电平的像素信号。信号放大单元150包括连接到电荷-电压转换单元130的栅极和连接到电源电压Vdd的漏极，并且信号放大单元150用作读取电路的输入单元，所述读取电路读取通过光电转换单元110中的光电转换而获得的电荷，即，所谓的源极跟随器电路。换句话说，信号放大单元150包括通过像素选择单元160连接到垂直信号线239的源极，因此信号放大单元150与恒流源170一起构成了源极跟随器电路，所述恒流源170连接到垂直信号线239的一端。
像素选择单元160选择像素阵列单元100中的任一像素。像素选择单元160连接在信号放大单元150的源极与垂直信号线239之间，并且向像素选择单元160的栅极提供选择信号SEL。当选择信号SEL转变为H电平时，像素选择单元160进入导通状态，即，像素变成选定状态。当像素变成选定状态时，从信号放大单元150输出的信号通过垂直信号线239被读出到列处理单元230。
放电单元180根据溢出栅极信号OFG释放累积在光电转换单元110中的电荷。如上所述，在传统技术中，光电转换单元在用于减少变化的操作中读取噪声时也接收光。在照度高的情况下，电荷可能从传输栅极溢出，并在以中间电平复位后立即混入电荷-电压转换单元。因此，在本实施例中，布置有放电单元180，并且在对数读取的复位操作期间保持导通以选择性排出在光电转换单元110中通过光接收累积的电荷。
[光响应特性]
图3是示出本技术的实施例中的像素阵列单元100的每个像素的光响应特性的示例的图。在入射光量对应于相对低的照度的情况下，输出信号是相对于入射光量呈线性的线性信号。如上所述，在低照度下的这种读取被称为线性读取。
另一方面，在入射光量对应于相对高的照度的情况下，在光电转换单元110中累积的电荷从电荷传输单元120溢出到电荷-电压转换单元130、电荷复位单元140和复位漏极。因此，此时检测到的电压是对应于入射光量的对数的对数信号。如上所述，在高照度下的这种读取被称为对数读取。
为了减少从线性读取到对数读取的切换时刻的差异的变化，当读出噪声时，使电荷复位单元140变到中间电平，其中光电转换单元110和电荷-电压转换单元130充满电荷，然后电荷传输单元120导通。尽管以这种方式读取累积在电荷-电压转换单元130中的电荷作为噪声，但是由于光电转换单元110在此期间也接收光，因此，在照度高的情况下，电荷可能从电荷传输单元120溢出，并在以中间电平复位之后立即混入电荷-电压转换单元130。因此，在本实施例中，布置有放电单元180，并且放电单元180在对数读取的复位操作期间保持导通，以选择性排出在光电转换单元110中通过光接收累积的电荷。
[读取时序]
图4是示出本技术的实施例中的像素阵列单元100的每个像素的读取时序的示例的图。图5是示出对应于图4的高照度下的示例性电位的图。图6是示出对应于图4的低照度下的示例性电位的图。注意，这里，示出了未设有放电单元180的情况下的示例性操作。
在时间ta，复位漏极控制单元224将复位漏极(其作为电荷复位单元140的漏极)的电压VRD从复位电位Vrst改变为电压Vmid，光电转换单元110中的电荷在电压Vmid下是饱和的。因此，如状态Sa所示，光电转换单元110、电荷传输单元120、电荷-电压转换单元130、电荷复位单元140和复位漏极都充满电荷。
在时间tb，复位漏极控制单元224使复位漏极电压VRD返回到复位电压Vrst。此时，电荷传输单元120和电荷复位单元140保持在非导通状态。因此，如状态Sb所示，光电转换单元110和电荷-电压转换单元130达到各自的饱和水平。
在时间tc，复位控制单元222将中间电位施加到复位信号RST。响应于此，电荷复位单元140在中间电位的状态下导通。因此，如在状态Sc中所示，通过中间电位在电荷复位单元140中累积的电荷留在电荷-电压转换单元130中。
在时间td，复位控制单元222将复位信号RST置于L电平。响应于此，电荷复位单元140进入非导通状态。因此，如在状态Sd中所示，通过中间电位在电荷复位单元140中累积的电荷被累积在电荷-电压转换单元130中。
在时间te，传输控制单元223将传输信号TRG置于H电平。响应于此，电荷传输单元120进入导通状态。
在时间tf，传输控制单元223将传输信号TRG置于L电平。因此，如在状态Sf中所示，在电荷-电压转换单元130中累积如下电荷：其中，光电转换单元110的饱和水平的电荷被添加到通过中间电位在电荷复位单元140中累积的电荷。换句话说，与光电转换单元110的饱和电荷量对应的电荷被累积在电荷-电压转换单元130中。
然后，从时间tf至时间tg，像素处于曝光状态，并且根据曝光时间的电荷累积在光电转换单元110中。注意，作为曝光时间，能够将时间tf与时间tg之间的长度灵活地设置。
当经过了曝光时间时，如图5的状态Sg所示，光电转换单元110和电荷-电压转换单元130在高照度下达到各自的饱和水平。电荷传输单元120和电荷复位单元140具有即使在非导通状态下也通过其传输电荷的溢出路径，因此，与入射光量成比例的电流流向电荷-电压转换单元130。已知这样的电荷-电压转换单元130的电压具有根据入射光量的对数的值。在时间tg，选择控制单元221将选择信号SEL置于H电平。因此，像素选择单元160进入导通状态，即，像素变成选定状态。在时间t(S2)，列处理单元230读取此时的电荷-电压转换单元130的电位作为高照度下的信号S2。
另一方面，如图6的状态Sg所示，尽管根据曝光时间的电荷在低照度下的时间tg时累积在光电转换单元110中，但是在低照度下累积在光电转换单元110中的电荷不是饱和的。因此，在时间t(S2)，列处理单元230读取此时的电荷-电压转换单元130的电位作为高照度下的信号S2。换句话说，在照度高的情况下，读取累积在电荷-电压转换单元130中的电荷作为信号S2，而状态Sf不改变。
在时间th，当复位控制单元222将复位信号RST置于H电平时，电荷复位单元140进入导通状态。因此，如状态Sh所示，在电荷-电压转换单元130中累积的电荷通过电荷复位单元140被释放到复位漏极。
在时间ti，当复位控制单元222将复位信号RST置于L电平时，电荷复位单元140进入非导通状态。
在时间t(N1)，列处理单元230读取电荷-电压转换单元130的电位作为低照度下的噪声信号N1。
在时间tj，当传输控制单元223将传输信号TRG置于H电平时，电荷传输单元120进入导通状态。因此，如状态Sj所示，在光电转换单元110中累积的电荷被传输到电荷-电压转换单元130。
在时间tk，传输控制单元223停止产生传输信号TRG。因此，电荷传输单元120进入关断状态，因此，不传输在光电转换单元110中累积的电荷。因此，如状态Sk所示，从光电转换单元110读取的电荷累积在电荷-电压转换单元130中。
因此，在时间t(S1)，列处理单元230读取电荷-电压转换单元130此时的电位作为低照度下的信号S1。
在时间tl，复位漏极控制单元224将复位漏极电压VRD从复位电位Vrst改变为电压Vmid，光电转换单元110中的电荷在电压Vmid下再次饱和。因此，如状态Sl所示，光电转换单元110、电荷-电压转换单元130和复位漏极都具有电压Vmid，并且以类似于状态Sa的方式进入充满电荷的状态。
此外，在时间tm，复位漏极控制单元224使复位漏极电压VRD返回到复位电压Vrst。此时，电荷传输单元120和电荷复位单元140保持在非导通状态。因此，如状态Sm所示，光电转换单元110和电荷-电压转换单元130达到各自的饱和水平。
在时间tn，复位控制单元222将中间电位施加到复位信号RST。此外，传输控制单元223将传输信号TRG置于H电平。因此，如状态Sn所示，通过中间电位在电荷复位单元140中累积的电荷留在电荷-电压转换单元130中。
在时间to，传输控制单元223将传输信号TRG置于L电平。响应于此，电荷传输单元120进入非导通状态。
在时间tp，复位控制单元222将复位信号RST置于L电平。响应于此，电荷复位单元140进入非导通状态。
在时间t(N2)，列处理单元230读取电荷-电压转换单元130的电位作为高照度下的噪声信号N2。因此，通过从像素信号S2中减去噪声信号N2，可以减小电荷复位单元140的阈值Vth的变化对每个像素造成的影响。
换句话说，列处理单元230将(S1-N1)作为低照度下的图像信号输出，并且将(S2-N2)作为高照度下的图像信号输出。
图7是示出本技术的实施例的像素阵列单元100的每个像素中的放电单元180的示例性操作的图。尽管上面已经说明了在没有设置放电单元180的情况下的示例性操作，但是下面将说明在设置有放电单元180的情况下的示例性操作。在该示例中，放电单元180在对数读取的复位操作期间保持导通，以选择性地释放在光电转换单元110中通过光接收累积的电荷。
状态Sq是与上述状态Sl对应的状态，其中光电转换单元110、电荷-电压转换单元130和复位漏极都具有Vmid并且都充满电荷。
然后，复位漏极控制单元224使复位漏极电压VRD返回到复位电压Vrst。此时，电荷传输单元120和电荷复位单元140保持在非导通状态。因此，光电转换单元110和电荷-电压转换单元130达到各自的饱和水平。然后，放电控制单元225将溢出栅极信号OFG置于H电平。响应于此，放电单元180进入导通状态。因此，如状态Sr所示，通过放电单元180释放在光电转换单元110中累积的电荷。
然后，复位控制单元222将中间电位施加到复位信号RST。此外，传输控制单元223暂时将传输信号TRG置于H电平，然后将传输信号TRG置于L电平。因此，如状态Ss所示，通过中间电位在电荷复位单元140中累积的电荷留在电荷-电压转换单元130中。
然后，复位控制单元222将复位信号RST置于L电平。响应于此，电荷复位单元140进入非导通状态。在这种情况下，列处理单元230通过对数读取读取高照度下的噪声信号N2。
以这种方式，通过在对数读取的复位操作期间保持放电单元180导通以释放在光电转换单元110中通过光接收累积的电荷，可以防止电荷从电荷传输单元120溢出并混入电荷-电压转换单元130中。
[像素的构造]
图8是示出本技术的第一实施例中的像素阵列单元100的每个像素的示例性构造的图。如上所述，在通过对数读取读取高照度的光量的情况下，需要使电荷从光电转换单元溢出直到漏极电源。因此，小的光电转换单元是有利的。另一方面，在光电转换单元的尺寸减小的情况下，对于通过线性读取读取低照度的光量，灵敏度足够。因此，在本实施例中，每个像素在其内部包括：第一光电转换单元111，其将入射光光电转换为电荷，并在第一区域中累积该电荷；以及第二光电转换单元112，其将入射光光电转换为电荷，并在第二区域中累积该电荷，所述第二区域的面积小于所述第一区域的面积。换句话说，在一个像素区域中，设置有尺寸不同的大的光电转换单元111和小的光电转换单元112。注意，光电转换单元111和光电转换单元112是权利要求中所述的第一光电转换单元和第二光电转换单元的示例。
电荷传输单元121和122分别对应于光电转换单元111和112设置。传输信号TGL和传输信号TGS通过传输控制单元223分别提供给电荷传输单元121和电荷传输单元122。另一方面，电荷-电压转换单元130、电荷复位单元140、信号放大单元150和像素选择单元160类似于上述电路构造中的那些相应单元，并且在一个像素中被共用。注意，电荷传输单元121和电荷传输单元122是权利要求中所述的第一电荷传输单元和第二电荷传输单元的示例。
此外，在该示例中，放电单元181仅连接到光电转换单元111，而不连接到光电转换单元112。放电单元181根据从放电控制单元225提供的溢出栅极信号OFGL释放在光电转换单元111中累积的电荷。注意，放电单元181是权利要求中所述的第一放电单元的示例。
在第一实施例的示例性构造中，具有大面积的光电转换单元111通过执行普通线性读取来获取相对低照度的信号。另一方面，具有小面积的光电转换单元112通过使用对数读取的对数来获取相对高照度的信号。然后，信号处理单元280将通过适合于每个像素区域中的各个照度的读取而获得的信号进行组合，能够获得高动态范围的图像。
在以这种方式设置尺寸不同的大的光电转换单元111和小的光电转换单元112的情况下，如果光电转换单元112(其具有小面积并执行对数读取)的信号混入具有大面积的光电转换单元111中，则电荷可能从光电转换单元111溢出到非预期的位置。在这一点上，在本实施例中，由于放电单元181连接到具有大面积的光电转换单元111，因此，当在光电转换单元112中执行对数读取时，放电单元181保持导通以从光电转换单元111释放电荷。因此，可防止在对数读取时电荷混入光电转换单元111中。
以这种方式，在本技术的第一实施例中，在每个像素内设置尺寸不同的光电转换单元111和112，并且放电单元181仅连接到具有大面积的光电转换单元111。此外，当在光电转换单元112中执行对数读取时，放电单元181保持导通以从光电转换单元111释放电荷。因此，可以防止在对数读取时电荷混入光电转换单元111中，从而防止故障。
[变形例]
图9是示出本技术的第一实施例的变形例中的像素阵列单元100的每个像素的示例性构造的图。在该变形例中，放电单元181连接到具有大面积的光电转换单元111，此外，放电单元182连接到具有小面积的光电转换单元112，光电转换单元112设置在像素内。注意，放电单元182是权利要求中所述的第二放电单元的示例。
如上所述，由于在用于减少变化的操作中读取噪声时也接收光，并且当具有小面积的光电转换单元112执行对数读取时照度高，因此，在中间复位之后，溢出的电荷可能混入电荷-电压转换单元130中。因此，连接到具有小面积的光电转换单元112的放电单元182在对数读取的复位操作期间保持导通，以选择性地释放在光电转换单元112中通过光接收累积的电荷。该构造可防止在通过电荷复位单元140的中间电位进行复位期间混入信号。
以这种方式，在本技术的第一实施例的变形例中，放电单元182连接到具有小面积的光电转换单元112，并在对数读取的复位操作期间保持导通以选择性地释放在光电转换单元112中通过光接收累积的电荷。利用该构造，可以防止在通过电荷复位单元140的中间电位进行复位期间混入信号。
<2.第二实施例>
在上述第一实施例中，在低照度下由具有大面积的光电转换单元111执行普通读取，并且在高照度下由具有小面积的光电转换单元112执行对数读取。此时，在照度太低的情况下，即使通过具有大面积的光电转换单元111也不能获得足够的分辨率，并且可能难以执行精确读取。因此，在第二实施例中，在光电转换单元111与光电转换单元112之间设置转换效率切换单元，以在照度太低而不能以高精度执行读取的情况下提高转换效率。
[像素的构造]
图10是示出本技术的第二实施例中的像素阵列单元100的每个像素的示例性构造的图。注意，由于固态摄像装置10的整个构造与上述第一实施例中相似，因此将省略其详细说明。
在第二实施例中，放电单元181和放电单元182以与上述第一实施例的变形例类似的方式分别连接到尺寸不同的大的光电转换单元111和小的光电转换单元112。此外，在电荷传输单元121和电荷传输单元122之间设置转换效率切换单元190，所述电荷传输单元121和电荷传输单元122分别连接到光电转换单元111和光电转换单元112。转换效率切换单元190将转换效率从电荷-电压转换单元130中累积的电荷切换为电压。通过从垂直驱动单元220提供的转换效率切换信号FDG来控制转换效率切换单元190，并且转换效率切换单元190像晶体管一样执行接通-关断操作。利用该构造，可以切换电荷-电压转换单元130的电容，从而切换信号放大单元150的增益(放大程度)。
图11是示出本技术的第二实施例的操作状态中的示例性电位的图。
在图11中，a示出了具有小面积的光电转换单元112执行对数读取时的状态。如上所述，具有小面积的光电转换单元112对高照度信号执行对数读取。此时，需要保持转换效率切换单元190导通。换句话说，转换效率切换信号FDG变为H电平，并且电荷-电压转换单元130的电容变为与上述第一实施例类似的状态。
在图11中，b示出了具有大面积的光电转换单元111执行高灵敏度读取时的状态。为了获得具有更高灵敏度的低照度信号，转换效率切换单元190保持断开，以减小电荷-电压转换单元130的电容。换句话说，转换效率切换信号FDG变为L电平以保持转换效率切换单元190断开。利用该构造，对于低照度信号可以获得足够的分辨率。
在图11中，c示出了具有大面积的光电转换单元111执行正常灵敏度读取时的状态。对具有一定照度的信号执行由具有大面积的光电转换单元111执行的正常灵敏度读取，对于所述一定照度，不需要通过保持转换效率切换单元190导通来获得高分辨率。换句话说，转换效率切换信号FDG变为H电平，从而将电荷-电压转换单元130的电容变为与上述第一实施例类似的状态。
图12是示出本技术的第二实施例中的像素阵列单元100的每个像素的光响应特性的示例的图。这里，将作为高灵敏度读取的目标的光量定义为低照度，将作为对数读取的目标的光量定义为高照度，将低照度和高照度之间的连接范围定义为中照度。
在图12中，a示出了具有小面积的光电转换单元112执行对数读取的光响应特性。此时，转换效率切换单元190处于导通状态，并且通过对数获取高照度信号。尽管通过具有大面积的光电转换单元111执行读取使高照度信号饱和，并且无论光量如何值都是恒定的，但是能够通过对数读取获取根据光量的信号量。
在图12中，b示出了具有大面积的光电转换单元111执行高灵敏度读取的光响应特性。此时，转换效率切换单元190处于断开状态，并且对于低照度信号能够获取足够的分辨率。
在图12中，c示出了具有大面积的光电转换单元111执行正常灵敏度读取的光响应特性。此时，转换效率切换单元190处于导通状态，并且与低照度的情况相比，通过在降低分辨率的同时扩大可接收光量范围来获取处于高照度与低照度之间的连接范围内的中照度信号。中照度区域的响应根据驱动而变化。
信号处理单元280将光电转换单元112执行对数读取获得的信号和光电转换单元111执行正常灵敏度读取获得的信号乘以转换效率比，以在高灵敏度读取中生成符合信号电平的图像。
[读取时序]
图13是示出本技术的第二实施例中的像素阵列单元100的每个像素的读取时序的示例的图。
首先，在对具有大面积的光电转换单元111进行复位之后，执行曝光(801)。通过曝光执行低照度和中照度下的信号读取和噪声读取(802～805)。更具体地，在转换效率切换单元190导通的情况下，以正常灵敏度读取中照度噪声(802)。然后，在转换效率切换单元190断开的情况下，以高灵敏度读取低照度噪声和信号(803,804)。然后，在转换效率切换单元190再次导通的情况下，以正常灵敏度读取中照度信号(805)。
在此期间，连接到光电转换单元111的放电单元181处于关断状态，并且连接到光电转换单元112的放电单元182处于导通状态。换句话说，尽管在具有大面积的光电转换单元111中执行曝光和读取，但另一方面，由于释放电荷，因此在具有小面积的光电转换单元112中不执行读取。
然后，连接到光电转换单元111的放电单元181进入导通状态，并且连接到光电转换单元112的放电单元182进入关断状态。因此，由于释放电荷，所以在具有大面积的光电转换单元111中不执行读取。然后，在通过电荷复位单元140的中间电位进行复位之后，在具有小面积的光电转换单元112中执行曝光(806)。通过曝光执行高照度下信号和噪声的对数读取(807,808)。注意，为了在电荷复位单元140的中间电位进行复位期间减少信号的混合，连接到光电转换单元112的放电单元182在噪声的对数读取期间处于导通状态(808)，此外，在对数读取中，转换效率切换单元190处于打开状态(导通状态)。
以这种方式，根据本技术的第二实施例，通过在光电转换单元111和光电转换单元112之间设置转换效率切换单元190，可以提高对于低照度信号的转换效率，从而以高精度进行读取。
注意，将上述实施例作为用于实施本技术的示例进行说明，并且实施例中的内容与权利要求中指定本发明的内容之间存在对应关系。类似地，在权利要求中指定本发明的内容和以与本技术的实施例中指定本发明的内容相同的名称标识的内容之间存在对应关系。然而，本技术不限于这些实施例，并且能够在本技术的范围内通过对这些实施例进行各种修改来实现本技术。
此外，在上述实施例中说明的一系列程序步骤可以被视为包括一系列程序步骤的方法，或者可以被视为用于使计算机执行一系列程序步骤的程序或在其中存储该程序的记录介质。例如，能够使用光盘(CD)、迷你盘(MD)、数字通用盘(DVD)、存储卡、蓝光(注册商标)盘等作为记录介质。
注意，本说明书中描述的效果仅仅是示例。本技术的效果不限于所描述的效果，并且本技术可以具有其他效果。
此外，本技术也可以按如下所述进行构造。
(1)一种固态摄像装置，包括：
第一光电转换单元，其被构造成将入射光光电转换为电荷，并在第一区域中累积所述电荷；
第二光电转换单元，其被构造成将入射光光电转换为电荷，并在第二区域中累积所述电荷，所述第二区域的面积小于所述第一区域的面积；
电荷-电压转换单元，其被构造成累积由所述第一光电转换单元和所述第二光电转换单元进行光电转换的电荷，以将所述电荷转换为电压；
第一电荷传输单元，其被构造成将在所述第一光电转换单元中累积的电荷传输到所述电荷-电压转换单元；
第二电荷传输单元，其被构造成将在所述第二光电转换单元中累积的电荷传输到所述电荷-电压转换单元；
电荷复位单元，其被构造成复位所述电荷-电压转换单元中累积的电荷；以及
第一放电单元，其被构造成释放所述第一光电转换单元中累积的电荷。
(2)根据(1)所述的固态摄像装置，还包括驱动单元，所述驱动单元被构造成以这样的方式执行驱动：所述驱动单元使所述第一放电单元释放所述第一光电转换单元中累积的电荷，同时控制所述电荷复位单元的漏极的电位，以在所述第二光电转换单元和所述电荷-电压转换单元中累积所述电荷直至饱和水平，然后使所述第二光电转换单元曝光。
(3)根据(2)所述的固态摄像装置，还包括第二放电单元，所述第二放电单元被构造成释放所述第二光电转换单元中累积的电荷，其中，
所述驱动单元以这样的方式执行驱动：所述驱动单元使所述第一放电单元释放所述第一光电转换单元中累积的电荷，同时控制所述电荷复位单元的漏极的电位，以在所述第二光电转换单元和所述电荷-电压转换单元中累积所述电荷直至饱和水平，然后，所述驱动单元使所述第二放电单元释放所述第二光电转换单元中累积的电荷，同时将中间电位施加到所述电荷复位单元，以在所述电荷-电压转换单元中累积电荷，所述驱动单元还使所述电荷复位单元变为非导通状态，然后使所述电荷-电压转换单元中累积的电荷传输到所述电荷-电压转换单元，然后使所述第二光电转换单元曝光。
(4)根据(3)所述的固态摄像装置，还包括信号放大单元，所述信号放大单元被构造成将所述电荷-电压转换单元中累积的电荷进行放大，并输出与所述电荷对应的电平的像素信号。
(5)根据(4)所述的固态摄像装置，还包括转换效率切换单元，所述转换效率切换单元被构造成切换所述电荷-电压转换单元的电容，从而切换所述信号放大单元中的放大程度。
(6)一种固态摄像装置的驱动方法，所述固态摄像装置包括：
第一光电转换单元，其被构造成将入射光光电转换为电荷，并在第一区域中累积所述电荷，
第二光电转换单元，其被构造成将入射光光电转换为电荷，并在第二区域中累积所述电荷，所述第二区域的面积小于所述第一区域的面积，
电荷-电压转换单元，其被构造成累积由所述第一光电转换单元和所述第二光电转换单元进行光电转换的电荷，以将所述电荷转换为电压，
第一电荷传输单元，其被构造成将在所述第一光电转换单元中累积的电荷传输到所述电荷-电压转换单元，
第二电荷传输单元，其被构造成将在所述第二光电转换单元中累积的电荷传输到所述电荷-电压转换单元，
电荷复位单元，其被构造成复位所述电荷-电压转换单元中累积的电荷，以及
第一放电单元，其被构造成释放所述第一光电转换单元中累积的电荷，所述驱动方法包括：
以这样的方式执行驱动：使所述第一放电单元释放所述第一光电转换单元中累积的电荷，同时控制所述电荷复位单元的漏极的电位，以在所述第二光电转换单元和所述电荷-电压转换单元中累积所述电荷直至饱和水平，然后使所述第二光电转换单元曝光。
(7)一种电子设备，包括：
第一光电转换单元，其被构造成将入射光光电转换为电荷，并在第一区域中累积所述电荷；
第二光电转换单元，其被构造成将入射光光电转换为电荷，并在第二区域中累积所述电荷，所述第二区域的面积小于所述第一区域的面积；
电荷-电压转换单元，其被构造成累积由所述第一光电转换单元和所述第二光电转换单元进行光电转换的电荷，以将所述电荷转换为电压；
第一电荷传输单元，其被构造成将在所述第一光电转换单元中累积的电荷传输到所述电荷-电压转换单元；
第二电荷传输单元，其被构造成将在所述第二光电转换单元中累积的电荷传输到所述电荷-电压转换单元；
电荷复位单元，其被构造成复位所述电荷-电压转换单元中累积的电荷；
第一放电单元，其被构造成释放所述第一光电转换单元中累积的电荷；以及
驱动单元，其被构造成以这样的方式执行驱动：所述驱动单元使所述第一放电单元释放所述第一光电转换单元中累积的电荷，同时控制所述电荷复位单元的漏极的电位，以在所述第二光电转换单元和所述电荷-电压转换单元中累积所述电荷直至饱和水平，然后使所述第二光电转换单元曝光。
附图标记列表
10 固态摄像装置
100 像素阵列单元
110至112 光电转换单元
120至122 电荷传输单元
130 电荷-电压转换单元
140 电荷复位单元
150 信号放大单元
160 像素选择单元
170 恒流源
180至182 放电单元
190 转换效率切换单元
220 垂直驱动单元
221 选择控制单元
222 复位控制单元
223 传输控制单元
224 复位漏极控制单元
225 放电控制单元
229 像素驱动线
230 列处理单元
239 垂直信号线
240 水平驱动单元
250 系统控制单元
280 信号处理单元
290 数据存储单元

Claims (7)

1.一种固态摄像装置，其包括：
第一光电转换单元，其被构造成将入射光光电转换为电荷，并在第一区域中累积所述电荷；
第二光电转换单元，其被构造成将入射光光电转换为电荷，并在第二区域中累积所述电荷，所述第二区域的面积小于所述第一区域的面积；
电荷-电压转换单元，其被构造成累积通过所述第一光电转换单元和所述第二光电转换单元进行光电转换的电荷，以将所述电荷转换为电压；
第一电荷传输单元，其被构造成将累积在所述第一光电转换单元中的电荷传输到所述电荷-电压转换单元；
第二电荷传输单元，其被构造成将累积在所述第二光电转换单元中的电荷传输到所述电荷-电压转换单元；
电荷复位单元，其被构造成复位所述电荷-电压转换单元中累积的电荷；以及
第一放电单元，其被构造成释放累积在所述第一光电转换单元中的电荷。
2.根据权利要求1所述的固态摄像装置，还包括驱动单元，所述驱动单元被构造成以这样的方式执行驱动：所述驱动单元使所述第一放电单元释放累积在所述第一光电转换单元中的电荷，同时控制所述电荷复位单元的漏极的电位，以在所述第二光电转换单元和所述电荷-电压转换单元中累积所述电荷直至饱和水平，然后使所述第二光电转换单元曝光。
3.根据权利要求2所述的固态摄像装置，还包括第二放电单元，所述第二放电单元被构造成释放累积在所述第二光电转换单元中的电荷，其中，
所述驱动单元以这样的方式执行驱动：所述驱动单元使所述第一放电单元释放累积在所述第一光电转换单元中的电荷，同时控制所述电荷复位单元的漏极的电位，以在所述第二光电转换单元和所述电荷-电压转换单元中累积电荷直至饱和水平，然后，所述驱动单元使所述第二放电单元释放累积在所述第二光电转换单元中的电荷，同时将中间电位施加到所述电荷复位单元，以在所述电荷-电压转换单元中累积电荷，所述驱动单元还使所述电荷复位单元变为非导通状态，然后使累积在所述电荷-电压转换单元中的电荷传输到所述电荷-电压转换单元，然后使所述第二光电转换单元曝光。
4.根据权利要求3所述的固态摄像装置，还包括信号放大单元，所述信号放大单元被构造成将累积在所述电荷-电压转换单元中的电荷进行放大，并输出与所述电荷对应的电平的像素信号。
5.根据权利要求4所述的固态摄像装置，还包括转换效率切换单元，所述转换效率切换单元被构造成切换所述电荷-电压转换单元的电容，从而切换所述信号放大单元中的放大程度。
6.一种固态摄像装置的驱动方法，所述固态摄像装置包括：
第一光电转换单元，其被构造成将入射光光电转换为电荷，并在第一区域中累积所述电荷；
第二光电转换单元，其被构造成将入射光光电转换为电荷，并在第二区域中累积所述电荷，所述第二区域的面积小于所述第一区域的面积；
电荷-电压转换单元，其被构造成累积通过所述第一光电转换单元和所述第二光电转换单元进行光电转换的电荷，以将所述电荷转换为电压；
第一电荷传输单元，其被构造成将累积在所述第一光电转换单元中的电荷传输到所述电荷-电压转换单元；
第二电荷传输单元，其被构造成将累积在所述第二光电转换单元中的电荷传输到所述电荷-电压转换单元；
电荷复位单元，其被构造成复位所述电荷-电压转换单元中累积的电荷；以及
第一放电单元，其被构造成释放累积在所述第一光电转换单元中的电荷，所述驱动方法包括：
以这样的方式执行驱动：使所述第一放电单元释放累积在所述第一光电转换单元中的电荷，同时控制所述电荷复位单元的漏极的电位，以在所述第二光电转换单元和所述电荷-电压转换单元中累积所述电荷直至饱和水平，然后使所述第二光电转换单元曝光。
7.一种电子设备，其包括：
第一光电转换单元，其被构造成将入射光光电转换为电荷，并在第一区域中累积所述电荷；
第二光电转换单元，其被构造成将入射光光电转换为电荷，并在第二区域中累积所述电荷，所述第二区域的面积小于所述第一区域的面积；
电荷-电压转换单元，其被构造成累积通过所述第一光电转换单元和所述第二光电转换单元进行光电转换的电荷，以将所述电荷转换为电压；
第一电荷传输单元，其被构造成将累积在所述第一光电转换单元中的电荷传输到所述电荷-电压转换单元；
第二电荷传输单元，其被构造成将累积在所述第二光电转换单元中的电荷传输到所述电荷-电压转换单元；
电荷复位单元，其被构造成复位所述电荷-电压转换单元中累积的电荷；
第一放电单元，其被构造成释放累积在所述第一光电转换单元中的电荷；以及
驱动单元，其被构造成以这样的方式执行驱动：所述驱动单元使所述第一放电单元释放累积在所述第一光电转换单元中的电荷，同时控制所述电荷复位单元的漏极的电位，以在所述第二光电转换单元和所述电荷-电压转换单元中累积所述电荷直至饱和水平，然后使所述第二光电转换单元曝光。
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