CN116830595A - 成像元件和成像装置 - Google Patents

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Abstract

根据本公开的成像元件包括：像素(100b)，其包括分别根据接收到的光通过光电转换生成并累积光电荷的第一光接收元件(20L)和第二光接收元件(20S)；和像素内电容，其累积在曝光时段期间从第一光接收元件和第二光接收元件溢出的光电荷。第二光接收元件对光的灵敏度低于第一光接收元件对光的灵敏度。

Description

成像元件和成像装置
技术领域
本公开涉及一种成像元件和成像装置。
背景技术
已知使用诸如光电二极管等光接收元件的成像元件，该光接收元件通过光电转换将入射光转换成电压并输出该电压。已经提出了几种用于改善这种成像元件中的动态范围的方法。作为这种方法中的一种，存在当通过光接收元件中的光电转换累积的光电荷的电荷量超过光接收元件的电容时，在像素内电容中累积光电荷的方法，该像素内电容是形成在成像元件中的电容。
引文列表
专利文献
专利文献1：JP 2005-328493 A
发明内容
技术问题
上述使用像素内电容的方法可以扩大动态范围，但该方法存在光电荷从光接收元件溢出的问题，并且在光电荷累积不足的照度下，根据接收光读出光电荷时，由于光电荷的转换效率的降低，降低了像素内电容中的SN比。
也就是说，当光电荷累积的位置从光接收元件转移到像素内电容时，在相对于像素内电容没有用于产生足够的光电荷的接收光的足够照度的情况下，在像素内电容中累积的光电荷的电荷量较小的状态下，从像素内电容读出光电荷，并且执行读取的光电荷到电压的转换。因此，电荷到电压的转换很可能会受到噪声的影响，并且降低SN比。
本公开的目的是提供一种具有更大动态范围的成像元件和成像装置。
问题的解决方案
为了解决上述问题，提供了一种包括像素的成像元件，根据本公开的一个方面的像素具有：第一光接收元件和第二光接收元件，其根据接收到的光通过光电转换生成并累积光电荷；和像素内电容，其累积在曝光时段期间从所述第一光接收元件和所述第二光接收元件溢出的所述光电荷，其中，所述第二光接收元件对光的灵敏度低于所述第一光接收元件对光的灵敏度。
附图说明
图1是示出根据本公开各实施方案的技术可适用的电子设备的示例构成的框图。
图2是示出各实施方案适用的CMOS图像传感器的示意性构成例的框图。
图3A是示出根据现有技术的单位像素的电路构成示例的示意图。
图3B是示出包括在单位像素中的四个光接收元件的阵列的示例的图。
图4是示出根据现有技术的构成中SN比特性相对于照度的示例曲线图。
图5A是示出根据第一实施方案的单位像素的电路构成示例的示意图。
图5B是示出根据第一实施方案的单位像素中包括的光接收元件的阵列的示例的图。
图5C是示出根据第一实施方案的单位像素的电路构成的另一示例的示意图。
图6是示出根据第一实施方案的构成中SN比特性相对于照度的示例曲线图。
图7是示出根据第一实施方案的用于驱动单位像素的各驱动信号的时序图。
图8A是示出根据第一实施方案的与高灵敏度光接收元件的操作有关的各单元的电位转变(potential transition)的示例的示意图。
图8B是示出根据第一实施方案的与低灵敏度光接收元件的操作有关的各单元的电位转变的示例的示意图。
图8C是示出根据第一实施方案的与像素内电容的操作有关的各单元的电位转变的示例的示意图。
图9是用于说明第一实施方案的变形例可适用的操作的示意图。
图10是用于说明第一实施方案的变形例可适用的另一操作的示意图。
图11A是示出第一实施方案可适用的单位像素的平面布局的第一示例的示意图。
图11B是示出第一实施方案可适用的单位像素的截面的第一示例的示意图。
图12A是示出根据第一实施方案可适用的另一示例的单位像素的平面布局的第二示例的示意图。
图12B是示出根据第一实施方案可适用的另一示例的单位像素的平面布局的第三示例的示意图。
图12C是示出根据第一实施方案可适用的另一示例的单位像素的截面的第二示例的示意图。
图13是示出根据第二实施方案的单位像素的电路构成的示例的示意图。
图14是示出根据第二实施方案的用于驱动单位像素的各驱动信号的时序图。
图15A是示出根据第二实施方案的与高灵敏度光接收元件的操作有关的各单元的电位转变的示例的示意图。
图15B是示出根据第二实施方案的与低灵敏度光接收元件有关的各单元的电位转变的示例的示意图。
图15C是示出根据第二实施方案的与像素内电容的操作有关的各单元的电位转变的示例的示意图。
图16是示出本公开的技术适用的成像装置的使用例的图。
图17是示出车辆控制系统的示意性构成例的框图。
图18是用于辅助说明车外信息检测部和成像部的安装位置的示例的图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细说明本公开的实施方案。在以下实施方案中，由相同的附图标记表示相同的部分，并且省略重复的说明。
在下文中，将按以下顺序说明本公开的实施方案。
1.本公开的概要
2.本公开适用的技术
2-1.电子设备
2-2.CMOS图像传感器的示意性构成
3.现有技术
4.本公开的第一实施方案
4-1.根据第一实施方案的构成例
4-2.根据第一实施方案的单位像素的驱动方法
4-3.第一实施方案的变形例
4-4.第一实施方案可适用的单位像素的平面布局和堆叠结构的示例
5.本公开的第二实施方案
5-1.根据第二实施方案的构成例
5-2.根据第二实施方案的像素的驱动方法
6.效果
7.本公开的第三实施方案
7-1.本公开技术的应用例
7-2.移动体的应用例
[1.本公开的概要]
根据本公开的成像元件包括以矩阵阵列排列的多个像素。每个像素包括：第一光接收元件和第二光接收元件以及像素内电容，该第一光接收元件和第二光接收元件根据接收到的光通过光电转换生成并累积光电荷，第二光接收元件对光的灵敏度低于第一光接收元件对光的灵敏度，并且像素内电容累积在曝光时段期间从第一光接收元件和第二光接收元件溢出的光电荷。
通过这种构成，例如，当第一光接收元件接收到具有高照度的光并溢出光电荷时，溢出的光电荷累积在像素内电容中，并且第二光接收元件也通过接收光生成并累积光电荷。第二光接收元件对光的灵敏度低于第一光接收元件的灵敏度，与第一光接收元件相比，第二光接收元件可以累积与接收具有更高照度的光相对应的光电荷。
因此，例如，即使当根据接收光的照度生成的光电荷的电荷量超过第一光接收元件的电容并且对于像素内电容不足时，光电荷也被累积在第二光接收元件中，直到第二光接收元件的电容为止。这允许在光电荷被充分累积在像素内电容中的状态下从像素内电容读出光电荷，减轻光电荷被转换成电压时的噪声的影响，并且可以防止SN比下降。
[2.本公开适用的技术]
接下来，将简要说明本公开的各实施方案可适用的技术。
(2-1.电子设备)
首先，将说明根据本公开各实施方案的技术可适用的电子设备。图1是示出根据本公开各实施方案的技术可适用的电子设备的示例构成的框图。
在图1中，电子设备1000包括光学单元1010、成像装置1011、信号处理电路1012、显示装置1013和存储介质1014。在图1中，作为稍后详细说明的根据本公开的成像装置的成像元件被应用于成像装置1011。成像元件包括通过光电转换将入射光转换成电信号的多个像素和驱动多个像素的驱动电路。这里，作为电子设备1000，可以应用数码相机、数码摄像机、行车记录仪、具有成像功能的移动电话、智能手机等。
光学单元1010包括一个或多个透镜、光圈机构和聚焦机构，并且其在成像装置1011的成像面上形成来自被摄体的图像光(入射光)的图像。这导致在成像装置1011中累积一定时间段的信号电荷。信号处理电路1012对从成像装置1011输出的像素信号执行包括图像处理在内的各种类型的信号处理。经过信号处理的图像信号可以被存储在诸如闪存或硬盘驱动器等非易失性存储介质1014中。基于像素信号的图像可以被输出到显示装置1013。
(2-2.CMOS图像传感器的示意性构成)
接下来，将说明作为根据本公开的成像元件的互补金属氧化物半导体(CMOS：complementary metal-oxide-semiconductor)型固态成像元件的示意性构成。在下面的说明中，CMOS型固态成像元件将被简称为CMOS图像传感器。图2是示出各实施方案可适用的CMOS图像传感器的示意性构成例的框图。这里，CMOS图像传感器是通过应用或部分使用CMOS工艺所创建的图像传感器。例如，各实施方案可适用的CMOS图像传感器包括背面照射型CMOS图像传感器。
在图2中，例如，由各实施方案可适用的CMOS图像传感器形成的成像元件10具有其中上面形成有像素阵列单元11的半导体芯片和上面形成有外围电路的半导体芯片堆叠的堆叠结构。例如，外围电路可以包括垂直驱动电路12、列处理电路13、水平驱动电路14和系统控制单元15。
成像元件10还包括信号处理单元18和数据存储单元19。信号处理单元18和数据存储单元19可以被设置在与外围电路相同的半导体芯片上，或者它们可以被设置在另一半导体芯片上。
像素阵列单元11具有以下构成：其中单位像素100以矩阵(二维格子状)阵列布置，该单位像素包括根据接收到的光量生成并累积光电荷的作为光接收元件的光电转换元件的。这里，行方向是指像素行中像素的排列方向(即，水平方向)，并且列方向是指像素列中像素的排列方向(即，垂直方向)。各单位像素100包括多个光接收元件。稍后将详细说明单位像素100的具体电路构成和像素结构。
在像素阵列单元11中，相对于矩阵状的像素阵列，像素驱动线LD针对各像素行沿行方向布线，并且垂直信号线VSL针对各像素列沿列方向布线。当从像素读出信号时，像素驱动线LD传输用于驱动像素的驱动信号。在图1中，像素驱动线LD被示出为一条配线。然而，像素驱动线LD实际上包括多条信号线。像素驱动线LD的一端连接到对应于垂直驱动电路12的各行的输出端。
垂直驱动电路12包括移位寄存器和地址译码器，并且其同时或以行为单位驱动像素阵列单元11的所有像素。也就是说，垂直驱动电路12与控制垂直驱动电路12的系统控制单元15一起构成控制像素阵列单元11的各像素的操作的驱动单元。虽然没有说明垂直驱动电路12的具体构成，但是垂直驱动电路12通常包括读出扫描系统和扫出扫描系统的两个扫描系统。
读出扫描系统逐行依次选择和扫描像素阵列单元11的单位像素100，以从单位像素100读出信号。被选定为由读出扫描系统进行信号读出的行被称为RD行(读取行)。从单位像素100读出的信号是模拟信号。扫出扫描系统对由读出扫描系统执行读出扫描的读出行在比读出扫描提前曝光时间执行扫出扫描。
通过扫出扫描系统的扫出扫描，不需要的光电荷被从读出行中的单位像素100的光接收元件扫出，由此光接收元件被复位。然后，通过在扫出扫描系统中扫出(复位)不需要的光电荷，执行所谓的电子快门操作。这里，电子快门操作是指丢弃光接收元件的光电荷并重新开始曝光(开始累积光电荷)的操作。被选定为由扫出扫描系统进行扫出扫描的行被称为SH行(快门行)。
通过读出扫描系统的读出操作读出的信号对应于紧接在前的读出操作或电子快门操作之后接收到的光量。然后，从紧接在前的读出操作的读出定时或电子快门操作的扫出定时到当前读出操作的读出定时的时段是单位像素100中的光电荷累积时段(也被称为曝光时段)。
从由垂直驱动电路12选择性地扫描的像素行的各单位像素100输出的信号经由针对各像素列的对应的垂直信号线VSL被输入到列处理电路13。列处理电路13对经由针对像素阵列单元11的各像素列的垂直信号线VSL从选择行的各单位像素100输出的信号执行预定的信号处理，并且其暂时保持信号处理后的像素信号。
具体地，列处理电路13执行作为信号处理的至少噪声去除处理，例如，相关双采样(CDS：correlated double sampling)处理或双数据采样(DDS：doubledata sampling)处理。例如，通过CDS处理，去除了诸如单位像素100中的放大晶体管的阈值变化等像素固有的复位噪声和固定模式噪声。例如，列处理电路13还具有模数(AD：analog-digital)转换功能，并且其将从光电转换元件读出的模拟像素信号转换为数字信号并输出该数字信号。
水平驱动电路14包括移位寄存器和地址译码器，并且其依次选择与列处理电路13的像素列相对应的单位像素100的读出电路(在下文中，被称为像素电路)。通过水平驱动电路14的选择性扫描，依次输出在列处理电路13中经过针对各像素电路的信号处理的像素信号。
系统控制单元15包括生成各种定时信号的定时发生器，并且其基于由定时发生器生成的各种定时来执行垂直驱动电路12、列处理电路13、水平驱动电路14等的驱动控制。
信号处理单元18具有至少算术处理功能，并对从列处理电路13输出的像素信号执行诸如算术处理等各种类型的信号处理。数据存储单元19暂时存储信号处理单元18中信号处理所需的数据。
例如，从信号处理单元18输出的图像数据可以在配备有成像元件10的电子设备中的应用处理器等中经受预定的处理，或者可以经由预定的网络传输到外部。
[3.现有技术]
接下来，在说明根据本公开的各实施方案之前，为了容易理解，将说明与本公开相关的现有技术。
图3A是示出根据现有技术的单位像素100的电路构成示例的示意图。在图3A中，单位像素100a包括四个光接收元件201、202、203和204，每个光接收元件都是光电二极管。
图3B是示出包括在单位像素100a中的四个光接收元件201至204的阵列的示例的图。在图3B的示例中，四个光接收元件201至204以2行×2列的阵列排列在单位像素100a中，并且针对各单位像素100a设置有滤色器。分别设置有红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)的滤色器的单位像素100a根据拜耳阵列排列。单位像素100a的阵列不限于拜耳阵列。
说明返回到图3A。单位像素100a还包括分别对应于光接收元件201、202、203和204的传输晶体管211、212、213和214、复位晶体管30、转换效率开关晶体管31、放大晶体管32、选择晶体管33和累积晶体管34。各晶体管由n型金属氧化物半导体(MOS：metal oxidesemiconductor)晶体管形成。在这些晶体管中，耗尽型MOS晶体管被应用于至少传输晶体管211至214、转换效率开关晶体管31和累积晶体管34。
光接收元件201至204中的每个都具有连接到接地电位的阳极。它们的阴极分别经由传输晶体管211至214连接到浮动扩散层FD1。驱动信号TG被共同输入到传输晶体管211至214的栅极。
也就是说，通过将驱动信号TG设定为高状态，传输晶体管211至214中的每个都进入导通状态，并且光接收元件201至204中累积的光电荷被合并并且传输到浮动扩散层FD1。与单独使用光接收元件的情况相比，这允许相对于低照度光的接收将更多光电荷传输到浮动扩散层FD1，这可以提高对接收光的灵敏度。
浮动扩散层FD1还连接到转换效率开关晶体管31的源极和放大晶体管32的栅极。在转换效率开关晶体管31中，漏极连接到浮动扩散层FD2，并且驱动信号FDG被输入到栅极。当转换效率开关晶体管31通过驱动信号FDG进入导通状态时，浮动扩散层FD1和浮动扩散层FD2被耦合，并且当转换效率开关晶体管31进入非导通状态时，浮动扩散层FD1和浮动扩散层FD2被分割开。
浮动扩散层FD2还连接到复位晶体管30的源极和累积晶体管34的源极。在复位晶体管30中，漏极连接到电压VDD，并且驱动信号RST被输入到栅极。在累积晶体管34中，漏极连接到浮动扩散层FD3，并且驱动信号ECG被输入到栅极。当累积晶体管34通过驱动信号ECG进入导通状态时，浮动扩散层FD3和浮动扩散层FD2被耦合，并且当累积晶体管34进入非导通状态时，浮动扩散层FD3和浮动扩散层FD2被分割开。浮动扩散层FD3还连接到像素内电容EC的一端。像素内电容EC的另一端连接到电压ECVDD。
如上所述，在放大晶体管32中，FDl连接到其栅极，电压VDD连接到其漏极，并且选择晶体管33的漏极连接到其源极。在选择晶体管33中，源极连接到垂直信号线VSL，并且驱动信号SEL被输入到栅极。累积在浮动扩散层FD1中的光电荷当从浮动扩散层FD1中读出时被转换成电压。通过将光电荷转换成电压而获得的像素信号被放大晶体管32放大，并在选择晶体管33通过驱动信号SEL进入导通状态的时段经由选择晶体管33输出到垂直信号线VSL。
这里，将简要说明图3A的构成中的操作。经过一定的曝光时间后，驱动信号FDG被设定为高状态，以使转换效率开关晶体管31进入导通状态并将浮动扩散层FD1和浮动扩散层FD2耦合，并且从耦合的浮动扩散层FD1和FD2中读出低转换效率区域中的噪声电平N2。接下来，驱动信号FDG被设定为低状态，以使转换效率开关晶体管31进入非导通状态并将耦合的浮动扩散层FD1和浮动扩散层FD2分割开，并且从浮动扩散层FD1中读出高转换效率区域中的噪声电平N1。
当累积在电容C中的电荷Q从电容中读出并转换成电压V时，根据由Q＝CV的关系推导出来的V＝Q/C，电荷Q越小，在电容C恒定时获得的电压V越小。电压V越小，越容易受到噪声的影响，并且电荷Q到电压V的转换效率也会降低。因此，累积在电容C中的电荷Q等于或小于预定值的区域，即，由光接收元件接收到的光的照度小于预定值的区域被判定为低转换效率区域，并且电荷Q等于或大于预定值的区域被判定为高转换区域，以分开处理。
接下来，驱动信号TG被设定为高状态，以使传输晶体管211至214进入导通状态，并且光接收元件201至204中累积的光电荷被合并并且传输到浮动扩散层FD1。然后，驱动信号TG被设定为低状态，以使传输晶体管211至214进入非导通状态，并且从FD1中读出高转换效率区域中的信号电平S1。
随后，驱动信号FDG被设定为高状态，以使转换效率开关晶体管31进入导通状态并将浮动扩散层FDl和浮动扩散层FD2耦合，驱动信号TG再次被设定为高电平，以使传输晶体管211至214进入导通状态，光接收元件201至204中累积的所有光电荷被传输到耦合的浮动扩散层FD1和FD2，并且从浮动扩散层FD1和FD2中读出低转换效率区域中的信号电平S2。
在高照度的情况下，从光接收元件201至204溢出的光电荷累积在像素内电容EC中。如上所述，耗尽型晶体管被应用于传输晶体管211至214、转换效率开关晶体管31和累积晶体管34。因此，随着接收高照度光而从光接收元件201至204溢出的光电荷经由传输晶体管211至214、转换效率开关晶体管31和累积晶体管34累积在像素内电容EC中。
这里，驱动信号FDG被设定为高状态，以使转换效率开关晶体管31进入导通状态并将浮动扩散层FD1和浮动扩散层FD2耦合。驱动信号ECG被设定为高状态，以使累积晶体管34进入导通状态并进一步将浮动扩散层FD3耦合到耦合的浮动扩散层FD1和FD2。累积在像素内电容EC中的光电荷被传输到耦合的浮动扩散层FD1、FD2和FD3。从耦合的浮动扩散层FD1、FD2和FD3中读出信号电平S4。
之后，驱动信号RST被设定为高状态，以使复位晶体管30进入导通状态，并且浮动扩散层FD1、FD2和FD3中累积的光电荷被复位。然后，驱动信号RST被设定为低状态，以使复位晶体管30进入非导通状态，然后，从耦合的浮动扩散层FD1、FD2和FD3中读出噪声电平N4。
通过CDS从信号电平S1中减去噪声电平N1，以产生来自高转换效率区域的像素信号。类似地，通过CDS从信号电平S2中减去噪声电平N2，以产生来自低转换效率区域的像素信号。对于信号电平S4和噪声电平N4，由于首先读取信号电平S4，因此通过DDS从信号电平S4中减去噪声电平N4，以产生像素信号。
由于在通过CDS从信号电平S2中减去噪声电平N2时不连续地读出噪声电平N2和信号电平S2，因此需要用于暂时保持噪声电平N2的行存储器。连接到像素内电容EC的另一端的电压ECVDD可以是电源电压或接地电压，并且可以具有任意的固定电位。
图4是示出根据现有技术的构成中信噪比(SNR：signal-noise ratio)特性相对于照度的示例曲线图。在图4中，横轴表示以对数表示的照度，并且纵轴表示SNR[dB]。
在图4中，从SNR曲线200的低照度侧到峰A的范围表示光接收元件201至204的SNR特性，并且从峰A到高照度侧的范围表示像素内电容EC的SNR特性。峰A和与峰A相对应的谷表示光接收元件201至204的SNR特性与像素内电容EC的SNR特性之间的会合点。
更具体地，峰A的照度对应于可以被累积在光接收元件201至204中的光电荷量的上限，并且当接收到超过峰A的照度的光时，光电荷从光接收元件201至204溢出。在比峰A更低的照度侧，基于光接收元件201至204中累积的光电荷来产生像素信号。在峰A起的高照度侧，从光接收元件201至204溢出的光电荷被合并并且累积在像素内电容EC中，并且基于像素内电容EC中累积的光电荷来产生像素信号。
这里，在光接收元件201至204的SNR特性与像素内电容EC的SNR特性的会合点，SNR大大降低。由于像素内电容EC相对于通过将光接收元件201至204合并获得的电容非常大(在该示例中，EC＝约150[fF])，因此无法以会合点的照度获得作为像素内电容EC的足够的累积量，并且累积的光电荷到电压的转换效率较低。因此，由上述V＝Q/C的关系可知，由像素内电容EC中累积的光电荷转换的像素信号的电平较低，像素信号容易受到噪声的影响，并且SNR降低。在这种情况下，例如，图像的中照度区域(中间灰度区域)包括很多噪声。
在图4中，峰/谷C表示光接收元件201至204中的每个中的低转换效率区域和高转换效率区域之间的连接部分。
[4.本公开的第一实施方案]
接下来，将说明本公开的第一实施方案。
(4-1.根据第一实施方案的构成例)
图5A是示出根据第一实施方案的单位像素的电路构成的示例的示意图。在图5A中，驱动信号TGL、TGS、FDG、ECG、RST和SEL在系统控制单元15的控制下由垂直驱动电路12产生，并且它们针对各行被提供给像素阵列单元11。
在图5A的单位像素100b中，相对于参照图3A所述的根据现有技术的单位像素100a，在多个光接收元件20S、20L1、20L2和20L3中的光接收元件20L1至20L3(第一光接收元件)中累积的光电荷经由传输晶体管21L1、21L2和21L3(第一晶体管)被合并并且传输到浮动扩散层FD1，该传输晶体管21L1、21L2和21L3的导通/非导通状态由共用的驱动信号TGL来控制。另一方面，在光接收元件20S(第二光接收元件)中累积的光电荷经由传输晶体管21S(第二晶体管)传输到浮动扩散层FD1，该传输晶体管21S的导通/非导通状态由与驱动信号TGL不同的驱动信号TGS来控制。也就是说，光接收元件20L1至20L3和光接收元件20S被独立地控制。
光接收元件20L1、20L2和20L3中的每个对应于第三光接收元件。光接收元件20L1、20L2和20L3中的每个具有与光接收元件20S的光接收表面大致相等大小的光接收表面。在图5A的示例中，针对三个光接收元件20L1、20L2和20L3设置一个光接收元件20S，但光接收元件20S的数量不限于该示例。光接收元件20S的数量可以是任何数量，只要该数量小于光接收元件20L1、20L2和20L3的数量即可。
图5B是示出根据第一实施方案的单位像素100b中包括的光接收元件20S和光接收元件20L1至20L3的阵列的示例的图。在图5B的示例中的单位像素100b中，光接收元件20S和光接收元件20L1至20L3以2行×2列的阵列布置，并且根据拜耳阵列针对单位像素100b设置R色、G色和B色的滤色器。
这里，除了R色、G色和B色的滤色器之外，具有低灵敏度的光接收元件20S还可以设置有中性灰度滤波器(ND滤波器)。ND滤波器是一种消色差(没有颜色信息)的光学滤波器，并具有大于0％小于100％的透射率。作为示例，可以想到应用具有约10％至数个10％的透射率的ND滤波器。在图5B的示例中，滤波器Ggy表示其中针对G色的滤色器设置ND滤波器的状态。类似地，滤波器Rgy和Bgy分别表示其中针对R色和B色的滤色器设置ND滤波器的状态。
说明返回到图5A。根据该构成，根据其中传输的光电荷被合并的三个光接收元件20L1至20L3的光接收表面和一个光接收元件20S的光接收表面之间的面积比，光接收元件20S与其中光电荷被合并的光接收元件20L1至20L3相比对光具有较低的灵敏度。也就是说，光接收元件20S可以相对于一组光接收元件20L1至20L3应对具有更高照度的光的接收。
因此，在图4的曲线图中由附图标记“A”表示的在光电荷的读出源从光接收元件201至204切换到像素内电容EC的照度下SNR的降低可以被与从光接收元件20S读出的光电荷相对应的像素信号覆盖。
(根据第一实施方案的构成的另一示例)
图5C是示出根据第一实施方案的单位像素的电路构成的另一示例的示意图。图5C的示例是其中连接光接收元件20L1与传输晶体管21L1的连接点、连接光接收元件20L2与传输晶体管21L2的连接点以及连接光接收元件20L3与传输晶体管21L3的连接点彼此连接的示例。
根据该构成，光接收元件20L1至20L3中累积的光电荷被合并，并且合并的光电荷被分配到传输晶体管21L1至21L3并被传输到浮动扩散层FD1。
同样对于这种构成，以与上述图5A的构成中相同的方式，在图4的曲线图中由附图标记“A”表示的在光电荷的读出源从光接收元件201至204切换到像素内电容EC的照度下SNR的降低可以被与从光接收元件20S读出的光电荷相对应的像素信号覆盖。
(4-2.根据第一实施方案的单位像素的驱动方法)
接下来，将说明根据第一实施方案的单位像素100b的驱动方法。首先，将简要说明图5A的构成中的操作。在一定的曝光时间后，驱动信号FDG被设定为高状态，以使转换效率开关晶体管31(第四晶体管)进入导通状态并将浮动扩散层FD1和浮动扩散层FD2耦合，并且从耦合的浮动扩散层FD1和FD2中读出低转换效率区域中的噪声电平N2。接下来，驱动信号FDG被设定为低状态，以使转换效率开关晶体管31进入非导通状态并将耦合的浮动扩散层FD1和浮动扩散层FD2分割开，并且从浮动扩散层FD1中读出高转换效率区域中的噪声电平N1。
接下来，驱动信号TGL被设定为高状态，以使传输晶体管21L1至21L3进入导通状态，并且光接收元件20L1至20L3中累积的光电荷被合并并且传输到浮动扩散层FD1。然后，驱动信号TGL被设定为低状态，以使传输晶体管21L1至21L3进入非导通状态，并且从FD1中读出高转换效率区域中的信号电平S1。
随后，驱动信号FDG被设定为高状态，以使转换效率开关晶体管31进入导通状态并将浮动扩散层FDl和浮动扩散层FD2耦合，驱动信号TG再次被设定为高状态，以使传输晶体管211至214进入导通状态，光接收元件201至204中累积的所有光电荷被传输到耦合的浮动扩散层FD1和FD2，并且从浮动扩散层FD1和FD2中读出低转换效率区域中的信号电平S2。
接下来，在读出光接收元件20S中的噪声电平N3之后，驱动信号TGS被设定为高状态，以使传输晶体管21S进入导通状态，光接收元件20S中累积的光电荷被传输到浮动扩散层FD1，并且从浮动扩散层FD1中读出信号电平S3。
在高照度的情况下，从光接收元件201至204溢出的光电荷累积在像素内电容EC中。如上所述，耗尽型晶体管被应用于传输晶体管211至214、转换效率开关晶体管31和累积晶体管34。因此，随着高照度光的接收从光接收元件201至204溢出的光电荷经由传输晶体管211至214、转换效率开关晶体管31和累积晶体管34累积在像素内电容EC中。
这里，驱动信号FDG被设定为高状态，以使转换效率开关晶体管31进入导通状态并且将浮动扩散层FD1和浮动扩散层FD2耦合。驱动信号ECG被设定为高状态，以使累积晶体管34(第三晶体管)进入导通状态并进一步将浮动扩散层FD3耦合到耦合的浮动扩散层FD1和FD2。累积在像素内电容EC中的光电荷被传输到耦合的浮动扩散层FD1、FD2和FD3。从耦合的浮动扩散层FD1、FD2和FD3中读出信号电平S4。
之后，驱动信号RST被设定为高状态，以使复位晶体管30进入导通状态，并且浮动扩散层FD1、FD2和FD3中累积的光电荷被复位。然后，驱动信号RST被设定为低状态，以使复位晶体管30进入非导通状态，然后，从耦合的浮动扩散层FD1、FD2和FD3中读出噪声电平N4。
通过CDS从信号电平S1中减去噪声电平N1，以生成来自光接收元件20L1至20L3中的每个中的高转换效率区域的像素信号。类似地，通过CDS从信号电平S2中减去噪声电平N2，以生成来自光接收元件20L1至20L3中的每个中的低转换效率区域中的像素信号。此外，通过CDS从信号电平S3减去噪声电平N3，以生成来自光接收元件20S的像素信号。对于信号电平S4和噪声电平N4，由于首先读取信号电平S4，因此通过DDS从信号电平S4中减去噪声电平N4，以生成像素信号。
由于在通过CDS从信号电平S2中减去噪声电平N2时不连续地读出噪声电平N2和信号电平S2，因此需要用于暂时保持噪声电平N2的行存储器。连接到像素内电容EC的另一端的电压ECVDD可以是电源电压或接地电压，并且可以具有任意的固定电位。
图6是示出根据第一实施方案的构成中SN比特性相对于照度的示例曲线图。在图6中，与上述图4相对应的部分由相同的附图标记表示，并省略其详细说明。
在图6中，从SNR曲线210的低照度侧到峰A’的范围表示光接收元件20L1到20L3的SNR特性，从峰A’到峰D的范围表示光接收元件20S的SNR特性的部分(高转换效率区域)，并且比峰D更高的照度侧表示像素内电容EC的SNR特性。
更具体地，峰A’处的照度对应于可以累积在光接收元件20L1至20L3中的光电荷量的上限，并且当接收到超过峰A’处的照度的光时，光电荷从光接收元件20L1至20L3溢出。在比峰A’更低的照度侧，基于光接收元件20L1至20L3中累积的光电荷产生像素信号。在比峰A’更高的照度侧，从光接收元件20L1至20L3溢出的光电荷被合并并且累积在像素内电容EC中。
另一方面，由于光接收元件20S对光的灵敏度低于光接收元件20L1至20L3对光的的灵敏度，因此具有比峰A’的照度更高的照度的峰D对应于可以累积的光电荷量的上限。基于在由图6中的范围gy表示的峰A’和峰D之间的照度下累积在光接收元件20S中的光电荷产生像素信号。在比峰D更高的照度侧，从光接收元件20S溢出的光电荷进一步累积在像素内电容EC中。在图6中比峰D更高的照度侧，产生基于像素内电容EC中累积的光电荷的像素信号。
以这种方式，在第一实施方案中，像素内电容EC被设置在单位像素100b中，并且设置有对光具有高灵敏度的光接收元件20L1至20L3和对光具有低灵敏度的光接收元件20S。这防止了如图6中的谷E所示的在光接收元件20L1至20L3的SNR特性与光接收元件20S的SNR特性之间的会合点SNR的降低。此外，如图6中的谷F所示，也防止了在光接收元件20S的SNR特性与像素内电容EC的SNR特性之间的会合点SNR的降低。因此，能够防止图像的中间灰度中的图像质量劣化。
接下来，将更详细地说明根据第一实施方案的单位像素100b的驱动方法。
图7是示出用于驱动根据第一实施方案的单位像素100b的各驱动信号的时序图。在图7中，最上行示出了水平同步信号XHS，下一行示出了快门行(SH行)中的驱动信号，并且再下一行示出了读取行(RD行)中的驱动信号。从时间点t0到时间点t8的时段是一个水平时段。在图7中，驱动信号在SH行和RD行中从上开始是驱动信号SEL、FDG、RST、ECG、TGL和TGS。这些驱动信号在系统控制单元15的控制下由垂直驱动电路12来生成，并提供给单位像素100b的各单元。
在图7中，为了便于说明，上行的SH行的操作和下行的RD行的操作被示出为同步并行地执行，但实际上，SH行的操作和RD行的操作不一定是同步并行的。
图8A、图8B和图8C是分别示出根据第一实施方案的关于高灵敏度的光接收元件20L1至20L3、低灵敏度的光接收元件20S和像素内电容EC的操作的各单元的电位转变示例的示意图。
在图8A、图8B和图8C中，浮动扩散层FD1和FD2的黑色填充部分表示初始状态下存在的电荷。在图8A中，其中光接收元件20L1至20L3耦合的电位被示出为SP1。在图8B中，光接收元件20S的电位被表示为SP2。图8A、图8B和图8C中的SP1和SP2中的阴影部分、浮动扩散层FD1和FD2以及图8C中的像素内电容EC表示由光接收元件20S和光接收元件20L1至20L3生成的光电荷。
(SH行中的操作)
首先，将说明SH行中的操作。在SH行中，驱动信号SEL始终处于低状态，并且选择晶体管33进入非导通状态。驱动信号FDG在时间点t3被设定为高状态，并且转换效率开关晶体管31进入导通状态。驱动信号RST在时间点t6被设定为高状态，并且复位晶体管30进入导通状态。也就是说，在时间点t6，浮动扩散层FD1和FD2被耦合、连接到电源电压VDD并被复位。
在SH行中，在紧接时间点t6之后的时间点tsh，驱动信号TGL和TGS被设定为高状态。这导致传输晶体管21S和21L1至21L3被导通，并使光接收元件20S和20L1至20L3被复位。
在时间点tsh处的各单元的电位的示例在图8A的部分(a)、图8B的部分(a)以及图8C的部分(a)中示出。如图8A的部分(a)所示，传输晶体管21L1至21L3、转换效率开关晶体管31和复位晶体管30进入导通状态，并且SP1的电荷被电源电压VDD提取。
驱动信号TGS和TGL在短时间内被设定为低状态，并且传输晶体管21S和21L1至21L3进入非导通状态。驱动信号TGS和TGL的高/低状态转变是快门操作，并且在光接收元件20S和光接收元件20L1至20L3中开始曝光。
在时间点tsh，驱动信号ECG被设定为高状态，累积晶体管34进入导通状态，并且像素内电容EC被复位。
驱动信号RST在时间点t7被设定为低状态，并且复位晶体管30进入非导通状态。在紧接时间点t8之前的时刻，驱动信号FDG和ECG被设定为低状态，并且转换效率开关晶体管31和累积晶体管34进入非导通状态。
在从SH行中的时间点t8起预定时间之后，操作转移到RD行的操作。从SH行中的时间点t8到操作转移到RD行的时段为曝光时段。
曝光时段中的各单元的电位的示例在图8A、图8B和图87C中的每个的部分(b)中示出。这里，示出了从紧接图7的SH行中的时间点t8之前到RD行中的时间点t0的时段。
如图8A和图8B的部分(b)所示，随着接收光通过曝光而在光接收元件20L1至20L3和20S中生成的光电荷分别累积在SP1和SP2中。由于曝光的影响，在浮动扩散层FD1和FD2中生成并累积电荷。浮动扩散层FD1和FD2中累积的电荷成为相对于像素信号的噪声。此外，如图8C的部分(b)所示，例如，从光接收元件20L1至20L3溢出的光电荷累积在像素内电容EC中。
(RD行中的操作)
接下来，将说明RD行中的操作。如上所述，RD行中的时间点t0至t8不一定与SH行中的时间点t0至t8匹配。
在RD行中，紧接在时间点t0之后，驱动信号SEL和FDG被设定为高状态，并且选择晶体管33和转换效率开关晶体管31进入导通状态。驱动信号SEL的高状态被维持到紧接在时间点t7之前。驱动信号RST、ECG、TGL、TGS在时间点t0到时间点t1的时段处于低状态，并且复位晶体管30、累积晶体管34和传输晶体管21L1到21L3和21S处于非导通状态。
在从驱动信号SEL和FDG在紧接时间点t0之后被设定为高状态时到时间点t1的时段中，各单元的电位的示例在图8A的部分(c)中示出。SP1的状态没有变化，并且维持光电荷的累积。转换效率开关晶体管31通过驱动信号FDG进入导通状态，并且浮动扩散层FD1和FD2被耦合。由于驱动信号SEL处于高状态，因此耦合的浮动扩散层FD1和FD2中累积的电荷被转换成电压，并作为低转换效率区域中的噪声电平N2经由选择晶体管33提供给垂直信号线VSL。
在时间点t1，驱动信号FDG被设定为低状态，转换效率开关晶体管31进入非导通状态，并且浮动扩散层FDl和FD2被分割开。
在从时间点t1到紧接在驱动信号TGL被设定为高状态之前的时段中，各单元的电位的示例在图8A的部分(d)中示出。SP1的状态没有变化，并且维持光电荷的累积。由于驱动信号FDG处于低状态且驱动信号SEL处于高状态，因此浮动扩散层FD1中累积的电荷被转换成电压，并作为噪声电平N1经由选择晶体管33提供给垂直信号线VSL。
在从紧接时间点t2之前到时间点t2的时段中，驱动信号TGL被设定为高状态，传输晶体管21L1至21L3进入导通状态，并且随着曝光累积在传输晶体管21L1至21L3中的光电荷被传输到浮动扩散层FD1。由于驱动信号SEL处于高状态，因此浮动扩散层FD1中累积的光电荷被转换成电压，并作为高转换效率区域中的信号电平S1经由选择晶体管33提供给垂直信号线VSL。
从时间点t2到时间点t3的时段中的各单元的电位的示例在图8A的部分(e)中示出。从光接收元件20L1至20L3传输的光电荷在传输晶体管21L1至21L3处于导通状态的情况下累积在浮动扩散层FD1中。
在时间点t3，驱动信号FDG被设定为高状态，以使转换效率开关晶体管31进入导通状态，并且浮动扩散层FD1和FD2被耦合。对于从时间点t3起的短时段内，驱动信号TGL被设定为高状态，并且传输晶体管21L1至21L3进入导通状态。结果，光接收元件20L1至20L3中累积的所有光电荷被传输到耦合的浮动扩散层FD1和FD2。由于驱动信号SEL处于高状态，因此在耦合的浮动扩散层FD1和FD2中累积的光电荷被转换成电压，并作为低转换效率区域中的信号电平S2经由选择晶体管33提供给垂直信号线VSL。
此时，假设在预定时间之后，例如，在时间点t4之前，在耦合的浮动扩散层FD1和FD2中累积的所有光电荷都被从浮动扩散层FD1和FD2中扫出。
从驱动信号TGL在时间点t3被设定为低状态时到时间点t4各单元的电位的示例在图8A的部分(f)中示出。在部分(e)中，示出了其中累积在SP1中的光电荷被传输到耦合的浮动扩散层FD1和FD2的状态。
从时间点t4到驱动信号TGS处于高状态时的紧接在时间点t5之前各单元的电位的示例在图8B的部分(c)中示出。维持累积在SP2中的光电荷，并且耦合的浮动扩散层FD1和FD2中累积的电荷被转换成电压，并作为噪声电平N3经由选择晶体管33提供给垂直信号线VSL。
驱动信号TGS紧接在时间点t5之前被设定为高状态，并在时间点t5被设定为低状态。从时间点t5到时间点t6各单元的电位的示例在图8B的部分(d)中示出。光接收元件20S中累积的光电荷被传输到并累积在耦合的浮动扩散层FD1和FD2中。由于驱动信号SEL处于高状态，因此耦合的浮动扩散层FD1和FD2中累积的光电荷被转换成电压，并作为来自低灵敏度光接收元件20S的信号电平S3经由选择晶体管33提供给垂直信号线VSL。
在紧接时间点t6之后，驱动信号ECG被设定为高状态，并且累积晶体管34进入导通状态。驱动信号SEL在时间点t7之前的预定时间被设定为低状态，并且选择晶体管33被设定为非导通状态。此外，在紧接时间点t7之前(驱动信号SEL被设定为低状态之后)，驱动信号RST被设定为高状态，并且复位晶体管30进入导通状态。
从时间点t6至时间点t7，在从驱动信号ECG被设定为高状态到驱动信号SEL被设定为低状态的时段中，各单元的电位的示例在图8C的部分(c)中示出。像素内电容EC中累积的光电荷经由累积晶体管34被传送到耦合的浮动扩散层FD1和FD2。浮动扩散层FD1在图8C的部分(c)和稍后说明的部分(d)中被省略。由于驱动信号SEL处于高状态，因此耦合的浮动扩散层FD1和FD2中累积的光电荷被转换成电压，并经由选择晶体管33作为像素内电容EC的信号电平S4提供给垂直信号线VSL。
驱动信号RST在紧接时间点t7之前进入高状态，并且在时间点t7进入低状态。结果，复位晶体管30在紧接时间点t7之前进入导通状态，并且耦合的浮动扩散层FD1和FD2中累积的电荷被电源电压VDD提取。在从时间点t7到时间点t8的时段中，当驱动信号SEL处于高状态时的时段各单元的电位的示例在图8C的部分(d)中示出。由于驱动信号SEL处于高状态，因此像素内电容EC和耦合的浮动扩散层FD1和FD2中累积的电荷被转换成电压，并作为来自像素内电容EC的噪声电平N4经由选择晶体管33提供给垂直信号线VSL。
在RD行的上述操作之后，操作再次转移到SH行的操作。
(4-3.第一实施方案的变形例)
接下来，将说明第一实施方案的变形例。第一实施方案的变形例是以下示例：其中以参照图7和图8A至8C说明的顺序执行曝光(被称为长时间曝光)和读出，然后以比长时间曝光更短的曝光时间(被称为短时间曝光)执行曝光。
更具体地，在执行长时间曝光之后，根据上述顺序执行短时间曝光。在RD行中，驱动信号RST、ECG、TGL和TGS分别被设定为低状态，并且复位晶体管30、累积晶体管34以及传输晶体管21S和21L1至21L3分别被设定为非导通状态。驱动信号SEL被设定为高状态，同时FDG被设定为高状态，以将浮动扩散层FD1和FD2耦合，并且从耦合的浮动扩散层FD1和FD2中读出噪声电平N5。
接下来，驱动信号TGL被设定为高状态，以使传输晶体管21L1至21L3进入导通状态，并且高灵敏度光接收元件20L1至20L3中累积的光电荷被传输到耦合的浮动扩散层FD1和FD2。然后，驱动信号TGL被设定为低状态，以使传输晶体管21L1至21L3进入非导通状态，并且从耦合的浮动扩散层FD1和FD2读出信号电平S5。
在这种情况下，在信号电平S5之前获取噪声电平N5。因此，可以通过使用CDS来执行从信号电平S5中减去噪声电平N5的处理。利用CDS从信号电平S5中减去噪声电平N5，以从高灵敏度光接收元件20L1至20L3产生像素信号。
通过从信号电平S1中减去噪声电平N1而得到的像素信号、通过从信号电平S2中减去噪声电平N2而得到的像素信号、通过从信号电平S3中减去噪声电平N3而得到的像素信号和通过从信号电平S5中减去噪声电平N5而获得的像素信号被组合，以生成最终的像素信号。结果，可以构造具有优异的低照度特性、宽动态范围和移动被摄体的少量伪影的图像。
图9是用于说明第一实施方案的变形例可适用的操作的示意图。在图9中，横轴表示时间，并且纵轴表示成像元件10的像素阵列单元11中的各行。各行的读出是如垂直读出方向所示的从上端行朝向下端行依次执行的。
在图9的示例中，根据以1/60秒的间隔提供的垂直同步信号，执行长时间曝光(在图中被描述为长曝光)和短时间曝光(在图中被描述为短曝光)。例如，在长时间曝光中，根据垂直同步信号对各行执行SH行的快门操作，并且根据下一个垂直同步信号对各行执行RD行的读出操作。在短时间曝光中，在从垂直同步信号起针对各行经过预定长度的时段E之后执行快门操作，并且根据当前垂直同步信号的下一个垂直同步信号执行读出操作。以这种方式，针对各垂直同步信号交替重复执行长时间曝光和短时间曝光。每(1/60)×2＝1/30秒生成一帧图像。
作为第一实施方案的变形例可适用的另一操作，例如，可以通过在成像元件10中设置用于短时间曝光的行存储器来省略长时间曝光和短时间曝光之间的时段E。图10是用于说明第一实施方案的变形例可适用的另一操作的示意图。执行足够长时间的长时间曝光，并且像这样在长时间曝光之后立即执行短时间曝光。在该示例中，以两个垂直同步信号为单位重复执行长时间曝光和短时间曝光。类似于图9的示例，每1/30秒生成一帧图像。
来自通过长时间曝光获取的像素信号的图像和来自通过紧接在长时间曝光之后立即执行的短时间曝光获取的像素信号的图像被组合，以形成一帧图像，由此与图9的示例相比，可以进一步减少移动被摄体的伪影。
(4-4.第一实施方案可适用的单位像素的平面布局和堆叠结构的示例)
接下来，将说明第一实施方案可适用的单位像素100b的平面布局和堆叠结构的示例。图11A是示出第一实施方案可适用的单位像素100b的平面布局的第一示例的示意图。图11A示出了对应于上述图5A的电路的平面布局的示例。
例如，如图11A所示，光接收元件20S、光接收元件20L1、光接收元件20L2和光接收元件20L3以右下、左下、左上和右上的顺序配置。对于光接收元件20S、20L1、20L2和20L3、传输晶体管21S、21L1、21L2和21L3分别被布置在光接收元件的顶点聚集的位置处。浮动扩散层FD1被布置成与传输晶体管21S、21L1、21L2和21L3中的每个接触。
在图11A中，复位晶体管30和转换效率开关晶体管31被布置在单位像素100b的右侧，并且放大晶体管32和选择晶体管33被布置在下侧。累积晶体管34被布置在单位像素100b的右侧和下侧彼此接触的位置处。
图11B是示出第一实施方案可适用的单位像素100b的截面的第一示例的示意图。图11B示出了图11A中的A-A’截面的示例。
图11B示出了背面照射型像素结构，图的下部为光入射面。半导体层50的上表面设置有配线层51。例如，半导体层50是p型硅基板，并且光接收元件20L1和20L3由n型半导体制成，该n型半导体通过高浓度杂质的离子注入来形成。p型半导体区域用作将相邻的光接收元件20L1和20L3彼此分离的器件分离部。器件分离部也由从光入射面侧形成并填充有氧化膜或金属材料的沟槽54构成。
在半导体层50的光入射面侧的表面上，设置在相邻的光接收元件之间的氧化物膜或金属膜构成像素间分离部52。在光入射面侧针对各光接收元件还设置有滤色器CF，并且微透镜ML隔着平滑膜53针对各光接收元件设置。
半导体层50在与配线层51接触的表面上设置有浮动扩散层FD1。在配线层51中，设置有分别与光接收元件20L1和20L3相对应的传输晶体管21L1和21L3。像素内电容EC的下部电极56被设置在其中设置有传输晶体管21L1和21L3的层的上表面上。
相对于像素内电容EC的下部电极56，隔着绝缘膜57设置有像素内电容EC的上部电极58。这里，通过在下部电极56上设置突起以形成凹凸结构，使像素内电容EC具有更大的电容。像素内电容EC的上部电极58连接到电压ECVDD。
图12A是示出根据第一实施方案可适用的另一示例的单位像素100b’的平面布局的第二示例的示意图。图12A示出了对应于上述图5C的电路的平面布局的示例。在图12A的示例中，单位像素100b’包括接合在一起的光接收元件20L1、光接收元件20L2和光接收元件20L3以及同样接合在一起的传输晶体管21L1、21L2和21L3。在图12A中，由于复位晶体管30、转换效率开关晶体管31、放大晶体管32、选择晶体管33和累积晶体管34的布置与上述图11A中的布置相同，因此这里省略其说明。
图12B是示出根据第一实施方案可适用的另一示例的单位像素100b’的平面布局的第三示例的示意图。图12B示出了对应于上述图5C的电路的平面布局的示例。在图12B的示例的单位像素100b’中，光接收元件20L1、光接收元件20L2和光接收元件20L3被接合。另一方面，传输晶体管21L1、21L2、21L3彼此独立地构造。
图12C是示出根据第一实施方案可适用的另一示例的单位像素100b’的截面的第二示例的示意图。图12C所示的截面图为图12A和图12B的平面布局共用的，并且图12C示出了图12A和图12B中的A-A’截面的示例。如图12C所示，单位像素100b’通过在沟槽54的底部和配线层51之间将光接收元件20L1和光接收元件20L3接合来构造。其他部分与上述图11B中的相同，因此这里省略其说明。
[5.本公开的第二实施方案]
接下来，将说明本公开的第二实施方案。第二实施方案是以下示例：其中能够将在低灵敏度光接收元件20S中生成的光电荷无需与在高灵敏度光接收元件20L1至21L3中生成的光电荷合并而直接传输到像素内电容EC的路径被设置于参照图5A所述的构成。
(5-1.根据第二实施方案的构成例)
图13是示出根据第二实施方案的单位像素的电路构成的示例的示意图。在下文中，聚焦于与图5A的构成不同的部分进行说明。在图13的单位像素100c中，OFG晶体管35(第五晶体管)被额外地设置于图5A中的单位像素100b上。OFG晶体管35是n型耗尽型MOS晶体管。在OFG晶体管35中，漏极连接到浮动扩散层FD3，并且源极连接到连接低灵敏度光接收元件20S的阴极和传输晶体管21S的源极的连接点。驱动信号OFG在SH行和RD行的操作中始终处于低状态。
根据图13所示的构成，在单位像素100c中，从光接收元件20S溢出的光电荷经由OFG晶体管35和浮动扩散层FD3传输到像素内电容EC。由于OFG晶体管35是耗尽型MOS晶体管，因此即使当驱动信号OFG处于低状态时，从光接收元件20S溢出的光电荷也被传输到像素内电容EC。该构成相对于图5A的构成是复杂的，但利用该构成，驱动控制变得容易。
在图13中，光接收元件20L1至20L3的阴极相互连接，并且光接收元件20L1至20L3的光电荷被合并并且传输。可以省略光接收元件20L1至20L3的阴极之间的连接。
(5-2.根据第二实施方案的像素的方法)
图14是示出用于驱动根据第二实施方案的单位像素100c的各驱动信号的时序图。由于图14中各单元的含义与上述图7的各单元相同，这里将省略其说明。
图14所示的顺序与上述图7的顺序的不同之处在于，在RD行的操作中，在紧接时间点t0之后的时间点t10，驱动信号RST短时间进入高状态。另外，由于OFG晶体管35为耗尽型，因此即使输入到栅极的驱动信号OFG处于低状态且晶体管处于非导通状态，电荷也可以在漏极和源极之间通过。
图15A、图15B、图15C是分别示出与根据第二实施方案的高灵敏度光接收元件20L1至20L3、低灵敏度光接收元件20S和像素内电容EC的操作有关的各单元的电位转变的示例的示意图。图15A至图15C中的各单元的含义与上述图15A至图15C中的各单元相同，因此这里省略其说明。
(SH行中的操作)
首先，将说明SH行中的操作。在SH行中，在紧接时间点t6之后的时间点tsh，驱动信号TGL、TGS被设定为高状态。这使得传输晶体管21S和21L1至21L3被导通，并且使光接收元件20S和20L1至20L3被复位。
在时间点tsh，驱动信号ECG被设定为高状态，累积晶体管34进入导通状态，并且像素内电容EC被复位。
在时间点tsh各单元的电位的示例在图15A的部分(a)、图15B的部分(a)和图15C的部分(a)中示出。如图15A的部分(a)所示，传输晶体管21L1至21L3、转换效率开关晶体管31和复位晶体管30进入导通状态，并且SP1的电荷被电源电压VDD提取。
驱动信号TGS和TGL在短时间内被设定为低状态，并且传输晶体管21S和21L1至21L3进入非导通状态。驱动信号TGS和TGL的高/低状态转变是快门操作，并且在光接收元件20S和光接收元件20L1至20L3中开始曝光。从开始曝光时到操作转移到RD行的时段被设定为曝光时段。
驱动信号RST在时间点t7被设定为低状态，并且复位晶体管30进入非导通状态。在紧接时间点t8之前的时刻，驱动信号FDG和ECG被设定为低状态，并且转换效率开关晶体管31和累积晶体管34进入非导通状态。
曝光时段中各单元的电位的示例在图15A、图15B和图15C中的各个的部分(b)中示出。这里，示出了从在图14的时间点tsh处处于高状态的驱动信号TGL和TGS处于低状态时到驱动信号RST进入低状态的时间点t7的时段。
如图15A和图15B的部分(b)所示，随着接收光通过曝光而在光接收元件20L1至20L3和20S中生成的光电荷累积在SP1和SP2中。如图15C的部分(b)所示，从光接收元件20L1至20L3溢出的光电荷也经由OFG晶体管35传输到浮动扩散层FD3和像素内电容EC。如图15A的部分(b)所示，从光接收元件20L1至20L3溢出的光电荷也经由传输晶体管21L1至21L3传输到浮动扩散层FD1。此外，由于驱动信号RST处于高状态且复位晶体管30处于导通状态，因此浮动扩散层FD1和FD2中因曝光的影响而产生的电荷经由复位晶体管30被电源电压VDD提取。
(RD行中的操作)
接下来，将说明RD行中的操作。在RD行中，在紧接时间点t0之后的时间点t10，驱动信号SEL、FDG、RST被设定为高状态，并且选择晶体管33、转换效率开关晶体管31和复位晶体管30进入导通状态。驱动信号RST在短时间内进入低状态，并且复位晶体管30进入非导通状态。
维持驱动信号SEL的高状态直到紧接时间点t7之前。在从时间点t0至t1的时段，驱动信号ECG、TGL和TGS处于低状态，并且累积晶体管34和传输晶体管21L1至21L3和21S处于非导通状态。.
在图15A的部分(c)中示出了从驱动信号SEL、FDG和RST在时间点t10进入高状态并且之后紧接着驱动信号RST进入低状态直到时间点t1的时段内各单元的电位的示例。SP1的状态没有变化，并且维持光电荷的累积。转换效率开关晶体管31通过驱动信号FDG进入导通状态，并且浮动扩散层FD1和FD2被耦合。由于驱动信号RST在时间点t10被设定为高状态且复位晶体管30暂时处于导通状态，因此通过泄漏产生并累积在耦合的浮动扩散层FD1和FD2中的电荷被电源电压VDD提取。结果，耦合的浮动扩散层FD1和FD2中仅存在初始状态下的电荷。由于驱动信号SEL处于高状态，所以耦合的浮动扩散层FD1和FD2中存在的电荷被转换成电压并作为低转换效率区域中的噪声电平N2经由选择晶体管33提供给垂直信号线VSL。
在时间点t1，驱动信号FDG被设定为低状态，转换效率开关晶体管31进入非导通状态，并且浮动扩散层FDl和FD2被分割开。
在图15A的部分(d)中示出了在从时间点t1到紧接在驱动信号TGL进入高状态之前的时段中的各单元的电位的示例。SP1的状态没有变化，并且维持光电荷的累积。由于驱动信号FDG处于低状态且驱动信号SEL处于高状态，因此存在于浮动扩散层FD1中的电荷被转换成电压并作为噪声电平N1经由选择晶体管33提供给垂直信号线VSL。这里，在时间点t10，驱动信号RST被设定为高状态，复位晶体管30进入导通状态，并且电荷被从浮动扩散层FD1和FD2提取。因此，噪声电平N1低于第一实施方案中的噪声电平N1。
在从紧接时间点t2之前到时间点t2的时段，驱动信号TGL被设定为高状态，传输晶体管21L1至21L3进入导通状态，并且通过曝光累积在光接收元件20L1至20L3中的光电荷被传输到浮动扩散层FD1。由于驱动信号SEL处于高状态，因此浮动扩散层FD1中累积的光电荷被转换成电压，并且作为高转换效率区域中的信号电平S1经由选择晶体管33提供给垂直信号线VSL。
在图15A的部分(e)中示出了在从时间点t2到时间点t3的时段中各单元的电位的示例。在传输晶体管21L1至21L3处于导通状态的情况下，从光接收元件20L1至20L3传输的光电荷累积浮动扩散层FD1中。
在时间点t3，驱动信号FDG被设定为高状态，以使转换效率开关晶体管31进入导通状态，并且浮动扩散层FD1和FD2被耦合。对于从时间点t3起的短时段，驱动信号TGL被设定为高状态，并且传输晶体管21L1至21L3进入导通状态。结果，光接收元件20L1至20L3中累积的所有光电荷被传输到耦合的浮动扩散层FD1和FD2。由于驱动信号SEL处于高状态，因此耦合的浮动扩散层FD1和FD2中累积的光电荷被转换成电压，并且作为低转换效率区域中的信号电平S2经由选择晶体管33提供给垂直信号线VSL。
此时，假设在预定时间之后，例如，在时间点t4之前，从浮动扩散层FD1和FD2中扫出累积在耦合的浮动扩散层FD1和FD2中的所有光电荷。
在图15A的部分(f)中示出了从时间点t3的驱动信号TGL被设定为低状态到时间点t4的各单元的电位的示例。在部分(e)中，示出了其中SP1中累积的光电荷被传输到耦合的浮动扩散层FD1和FD2的状态。
在图15B的部分(c)中示出了从时间点t4到紧接在驱动信号TGS进入高状态的时间点t5之前的各单元的电位的示例。维持SP2中累积的光电荷，并且耦合的浮动扩散层FD1和FD2中累积的电荷被转换成电压，并且作为噪声电平N3经由选择晶体管33提供给垂直信号线VSL。这里，在时间点t10，驱动信号RST被设定为高状态，复位晶体管30进入导通状态，并且从浮动扩散层FD1和FD2提取电荷。因此，噪声电平N3是低于第一实施方案中的噪声电平N3的电平。
驱动信号TGS紧接在时间点t5之前被设定为高状态并在时间点t5被设定为低状态。在图15B的部分(d)中示出了从时间点t5到时间点t6的各单元的电位的示例。光接收元件20S中累积的光电荷被传输到并累积在耦合的浮动扩散层FD1和FD2中。由于驱动信号SEL处于高状态，因此耦合的浮动扩散层FD1和FD2中累积的光电荷被转换成电压，并作为来自低灵敏度光接收元件20S的信号电平S3经由选择晶体管33提供给垂直信号线VSL。
紧接在时间点t6之后，驱动信号ECG被设定为高状态，并且累积晶体管34进入导通状态。驱动信号SEL在时间点t7之前的预定时间被设定为低状态，并且选择晶体管33被设定为非导通状态。此外，紧接在时间点t7之前(驱动信号SEL被设定为低状态之后)，驱动信号RST被设定为高状态，并且复位晶体管30进入导通状态。
在图15C的部分(c)中示出了在从时间点t6到时间点t7的时段中从驱动信号ECG被设定为高状态到驱动信号SEL被设定为低状态的时段中的各单元的电位的示例。浮动扩散层FD3和像素内电容EC中累积的光电荷经由累积晶体管34被传输到耦合的浮动扩散层FD1和FD2。在图15C的部分(c)和稍后说明的部分(d)中省略了浮动扩散层FD1。由于驱动信号SEL处于高状态，因此耦合的浮动扩散层FD1和FD2中累积的光电荷被转换成电压，并作为来自浮动扩散层FD3和像素内电容EC的信号电平S4经由选择晶体管33提供给垂直信号线VSL。
这里，如图15A的部分(b)和图15C的部分(b)所述，在曝光时从光接收元件20L1至20L3溢出的光电荷已经被累积在像素内电容EC中。因此，这里的信号电平S4是比第一实施方案中的信号电平S4更高的电平。
驱动信号RST紧接在时间点t7之前进入高状态且在时间点t7进入低状态。结果，紧接在时间点t7之前，复位晶体管30进入导通状态，并且累积在耦合的浮动扩散层FD1和FD2中的电荷被电源电压VDD提取。图15C的部分(d)中示出了在从时间点t7到时间点t8的时段中当驱动信号SEL处于高状态时的时段各单元的电位的示例。由于驱动信号SEL处于高状态，因此在浮动扩散层FD3、像素内电容EC以及耦合的浮动扩散层FD1和FD2中累积的电荷被转换成电压并作为来自像素内电容EC的噪声电平N4经由选择晶体管33提供给垂直信号线VSL。
在上述RD行的操作之后，操作再次转移到SH行的操作。
[6.效果]
接下来，将说明根据本公开的各实施方案的效果。在上述第一实施方案及其变形例和第二实施方案中，像素内电容EC被设置在单位像素100b或单位像素100c中，并且设置有对光具有高灵敏度的光接收元件20L1至20L3和对光具有低灵敏度的光接收元件20S。这防止了如图6中的谷E所示的在光接收元件20L1至20L3的SNR特性与光接收元件20S的SNR特性之间的会合点SNR的降低。此外，如图6中的谷F所示，也防止了在光接收元件20S的SNR特性与像素内电容EC的SNR特性之间的会合点SNR的降低。因此，可以防止图像的中间灰度中的图像质量劣化，并且可以实现更大的动态范围。
与第一实施方案相比，可以更容易地控制第二实施方案，在第二实施方案中设置有用于将从低灵敏度光接收元件20S溢出的光电荷直接传输到像素内电容EC的路径。
本公开的各实施方案适用于车载图像传感器。近年来，在车载图像传感器中，出现被称为“LED闪烁”现象的事实受到关注，该“LED闪烁”现象是指诸如发光二极管(LED：lightemitting diode)光源等闪烁的被摄体无法根据闪烁定时被成像。
这种LED闪烁是现有的图像传感器造成的问题，因为动态范围很窄并且需要针对各被摄体调整曝光时间。在现有的图像传感器中，为了应对不同照度水平的被摄体，曝光时间针对低照度被摄体被设定为较长，且针对高照度被摄体被设定为较短。这能够应对具有窄动态范围的各种被摄体。
另一方面，由于无论曝光时间如何，读出速度都是恒定的，因此当以比读出时间更短的单位设定曝光时间时，在曝光时间以外的时间入射到诸如光电二极管等光接收元件上的光通过光电转换被转换为电荷，但该光并没有经过电荷-电压转换而是被丢弃。因此，无效时段(曝光时间以外的时间)的LED光源的闪烁无法被成像。这是被称为LED闪烁的现象。近年来，交通信号灯、车辆前照灯等正在向LED光源化转变，并且如果这些灯由于LED闪烁而无法被行车记录仪等成像，则很有可能会产生问题。
为了应对LED闪烁，需要扩大成像的动态范围。也就是说，例如，通过将曝光时间设定为比LED光源的闪烁时段长的时间，可以对闪烁的LED光源进行成像。另一方面，当延长曝光时间时，在对高照度被摄体成像时光接收元件会饱和，并且会发生所谓的“高光溢出(blown-out highlights)”等。通过降低光接收元件的光接收灵敏度，可以避免高照度被摄体的高光溢出，但对低照度被摄体，即，暗场景的成像变得困难。
通常已知各种动态范围扩大技术。例如，已知JP 4973115 B等公开的使用具有时间分割的灵敏度比的方法、JP 3071891 B等公开的使用具有空间分割的灵敏度比的方法。在这些使用时间分割和空间分割的方法中，通过增加分割数，可以将动态范围扩大到据说与人眼相同的120[dB]以上。另一方面，无法避免移动被摄体的伪影和分辨率下降。另外，简单的时间划分并不总能应对LED闪烁。
另一方面，如JP 4317115 B中所公开的，存在一种在像素中设置电容以直接增加要处理的电荷量的方法。如US2018/0241955 A所公开的，还提出了一种将在像素中设置电容的方法和使用具有空间分割的灵敏度比的方法相结合的方法。
如US2018/0241955 A所公开的，将使用具有空间分割的灵敏度比的方法与在像素中设置电容以直接增加要处理的电荷量的方法相结合的方法适用于扩大动态范围，同时应对LED闪烁。然而，由于需要制作大尺寸的光电二极管和小尺寸的光电二极管，因此增加了制造步骤。此外，在使像素小型化的情况下，首先在技术上和成本效益上难以制造大型和小型的光电二极管。
因此，在像素的小型化中，已经研究出一种通过使用基于JP 4317115B中公开的技术的动态随机存取存储器(DRAM：dynamic random access memory)的生产工艺来极大地增加像素内电容中要处理的电荷量的方法。另一方面，当电容过度增加时，转换效率降低，因此，如参照图4所述的，在SNR特性的会合点SNR大幅降低，并且中间灰度的图像质量劣化。
在本公开的各实施方案中，如上所述，像素内电容EC被设置在单位像素100b或单位像素100c中，并且设置有对光具有高灵敏度的光接收元件20L1至20L3和对光具有低灵敏度的光接收元件20S。如图6中的谷E和F所示，该构成防止了在光接收元件20L1至20L3的SNR特性与光接收元件20S的SNR特性之间的会合点以及光接收元件20S的SNR特性与像素内电容EC的SNR特性之间的会合点中的每个中SNR的降低。因此，能够防止图像中间灰度的图像质量劣化、实现更宽的动态范围，并应对LED闪烁。
在以上说明中，针对单位像素设置有四个光接收元件，四个光接收元件中的一个光接收元件具有低灵敏度，并且另外三个光接收元件具有高灵敏度，但本公开不限于该示例。例如，设置在单位像素中的光接收元件的数量不限于四个，并且该数量可以是三个或五个以上。设置在单位像素中的多个光接收元件中的低灵敏度光接收元件的数量不限于一个，并且可以是两个以上。也就是说，可以在单位像素中设置分别包括多个光接收元件的两个光接收单元，并且两个光接收单元中的一个可以具有低灵敏度，而另一个光接收单元可以具有高灵敏度。
此外，在上述说明中，包括在单位像素中的多个光接收元件的尺寸基本相同，但本公开不限于该示例。也就是说，包括在单位像素中的多个光接收元件的尺寸可以彼此不同。
[7.本公开的第三实施方案]
(7-1.本公开技术的应用例)
接下来，作为第三实施方案，将说明根据本公开的第一实施方案及其变形例和第二实施方案的成像元件的应用例。图16是示出根据上述第一实施方案及其变形例和第二实施方案的成像元件的使用例的图。
例如，上述成像元件10可以被用于如下所述用于感测诸如可见光、红外光、紫外光和X射线等光的各种情况。
拍摄观赏用图像的设备，例如数码相机或具有相机功能的便携式设备。
用于交通的设备，例如拍摄汽车的前侧、后侧、周围、内部等以实现诸如自动停车、驾驶员状态识别等安全驾驶的车载传感器、监控行驶车辆、道路等的监控相机；以及对车辆间距离进行测距的测距传感器等。
用于家用电器的设备，例如拍摄用户手势的图像并根据该手势进行设备操作的电视、冰箱或空调等。
用于医疗保健的设备，例如内窥镜和通过接收红外光进行血管造影的设备。
用于安保的设备，例如用于预防犯罪的监控相机或用于个人身份认证的相机。
用于美容的设备，例如用于拍摄皮肤的皮肤测量设备或拍摄头皮的显微镜。
用于运动的设备，例如用于运动的动作相机和可穿戴式相机等。
用于农业的设备，例如监测田地和农作物状态的相机。
(7-2.移动体的应用例)
接下来，将说明根据本公开的技术的另一应用例。根据本公开的技术还可以应用于安装在诸如汽车、电动汽车、混合动力汽车、摩托车、自行车、个人机动设备、飞机、无人机、船舶和机器人等任何类型的移动体上的装置。
图17是示出了作为可以应用根据本公开的实施方案的技术的移动体控制系统的示例的车辆控制系统的示意性构成的示例的框图。
车辆控制系统12000包括经由通信网络12001彼此连接的多个电子控制单元。在图17所示的示例中，车辆控制系统12000包括驱动系统控制单元12010、车身系统控制单元12020、车外信息检测单元12030、车内信息检测单元12040和综合控制单元12050。此外，微型计算机12051、声音图像输出部12052和车载网络接口(I/F)12053被示出为综合控制单元12050的功能构成。
驱动系统控制单元12010根据各种程序控制与车辆的驱动系统相关的装置的操作。例如，驱动系统控制单元12010用作以下装置的控制装置：诸如内燃机或驱动电机等用于产生车辆的驱动力的驱动力产生装置；用于将驱动力传递至车轮的驱动力传递机构；用于调整车辆的转向角的转向机构；以及用于产生车辆的制动力的制动装置等。
车身系统控制单元12020根据各种程序控制设置到车身上的各种装置的操作。例如，车身系统控制单元12020用作无钥匙进入系统、智能钥匙系统、电动窗装置或诸如车头灯、车尾灯、刹车灯、转向信号灯或雾灯等各种灯的控制装置。在这种情况下，从作为钥匙的替代的便携式装置传输过来的无线电波或各种开关的信号能够输入至车身系统控制单元12020。车身系统控制单元12020接收这些输入的无线电波或信号，并且控制车辆的门锁装置、电动窗装置和灯等。
车外信息检测单元12030检测关于具有车辆控制系统12000的车辆的外部的信息。例如，车外信息检测单元12030与成像部12031连接。车外信息检测单元12030使成像部12031对车辆外部的图像进行成像，并且接收所拍摄的图像。在接收的图像的基础上，车外信息检测单元12030可以对诸如人、车辆、障碍物、标记或路面上的符号等物体执行检测处理或距这些物体的距离的检测处理。例如，车外信息检测单元12030对接收到的图像执行图像处理，并基于图像处理的结果执行物体检测处理和距离检测处理。
成像部12031是光学传感器，其用于接收光并且输出与接收的光的光量对应的电信号。成像部12031可以输出电信号作为图像，或可以输出电信号作为关于测量距离的信息。此外，成像部12031接收的光可以是可见光，或可以是诸如红外线等不可见光。
车内信息检测单元12040检测关于车辆内部的信息。例如，车内信息检测单元12040与检测驾驶员状态的驾驶员状态检测部12041连接。驾驶员状态检测部12041例如包括对驾驶员进行成像的相机。在从驾驶员状态检测部12041输入的检测信息的基础上，车内信息检测单元12040可以计算驾驶员的疲劳程度或驾驶员的集中程度，或可以判断驾驶员是否正在打瞌睡。
微型计算机12051可以在关于车辆内部或外部的信息(该信息是由车外信息检测单元12030或车内信息检测单元12040获得的)的基础上计算驱动力产生装置、转向机构或制动装置的控制目标值，并向驱动系统控制单元12010输出控制命令。例如，微型计算机12051可以执行旨在实现先进驾驶员辅助系统(ADAS：advanced driver assistancesystem)的功能的协同控制，该功能包括：车辆的碰撞避免或撞击减轻、基于车间距离的跟车行驶、车辆速度维持行驶、车辆碰撞警告或车辆偏离车道警告等。
此外，微型计算机12051可以执行旨在用于自动驾驶的协同控制，其在关于车辆内部或外部的信息(该信息是由车外信息检测单元12030或车内信息检测单元12040获得的)的基础上通过控制驱动力产生装置、转向机构或制动装置等使车辆自主行驶，而不依赖于驾驶员的操作等。
此外，微型计算机12051可以在关于车辆外部的信息(该信息是由车外信息检测单元12030获得的)的基础上向车身系统控制单元12020输出控制命令。例如，微型计算机12051可以根据车外信息检测单元12030检测到的前方车辆或对向车辆的位置通过控制车头灯以从远光灯变为近光灯来执行旨在防止眩光的协同控制。
声音图像输出部12052将声音和图像中的至少一种的输出信号传输到输出装置，该输出装置能够在视觉上或听觉上将信息通知车辆的乘客或车辆的外部。在图17的示例中，音频扬声器12061、显示部12062和仪表面板12063被示出为输出装置。例如，显示部12062可以包括车载显示器和平视显示器中的至少一者。
图18是示出了成像部12031的安装位置的示例的图。在图18中，车辆12100包括成像部12101、12102、12103、12104和12105作为成像部12031。
成像部12101、12102、12103、12104和12105例如设置在车辆12100的前鼻、侧视镜、后保险杠和后门上的位置以及车辆内部挡风玻璃的上部上的位置。设置到前鼻上的成像部12101和设置到车辆内部挡风玻璃的上部上的成像部12105主要获得车辆12100的前方的图像。设置到侧视镜上的成像部12102和12103主要获得车辆12100的侧面的图像。设置到后保险杠或后门上的成像部12104主要获得车辆12100的后方的图像。成像部12101和12105获得的前方图像主要用于检测前方车辆、行人、障碍物、交通信号灯、交通标志或车道等。
顺便提及，图18示出了成像部12101至12104的拍摄范围的示例。成像范围12111表示设置到前鼻上的成像部12101的成像范围。成像范围12112和12113分别表示设置到侧视镜上的成像部12102和12103的成像范围。成像范围12114表示设置到后保险杠或后门上的成像部12104的成像范围。例如，通过叠加由成像部12101至12104拍摄的图像数据，获得从上方观看到的车辆12100的俯瞰图像。
成像部12101至12104中的至少一者可以具有获得距离信息的功能。例如，成像部12101至12104中的至少一者可以是由多个成像元件构成的立体相机，或者可以是具有用于相位差检测的像素的成像元件。
例如，微型计算机12051可以在从成像部12101至12104获得的距离信息的基础上确定到成像范围12111到12114内的每个三维物体的距离和距离的时间变化(相对于车辆12100的相对速度)，从而提取最近的三维物体作为前方车辆，特别地，该三维物体存在于车辆12100的行驶路径上并且以预定速度(例如，等于或大于0千米/小时)在与车辆12100基本相同的方向上行驶。此外，微型计算机12051可以设定在前方车辆的跟前预先要保持的车间距离，并且执行自动制动控制(包括跟车停止控制)或自动加速控制(包括跟车启动控制)等。因此，可以执行旨在用于自动驾驶的协同控制，其使得车辆自主行驶而不依赖于驾驶员的操作等。
例如，微型计算机12051可以在从成像部12101至12104获得的距离信息的基础上将关于三维物体的三维物体数据分类为两轮车辆、标准尺寸车辆、大型车辆、行人、电线杆和其他三维物体的三维物体数据，提取分类后的三维物体数据，并使用所提取的三维物体数据来自动避开障碍物。例如，微型计算机12051将车辆12100周围的障碍物识别为车辆12100的驾驶员可以在视觉上识别的障碍物以及车辆12100的驾驶员难以在视觉上识别的障碍物。然后，微型计算机12051确定表示与每个障碍物碰撞的风险的碰撞风险。在碰撞风险等于或高于设定值并且因此存在碰撞可能性的情况下，微型计算机12051经由音频扬声器12061或显示部12062向驾驶员输出警告，并通过驱动系统控制单元12010执行强制减速或者避让转向。微型计算机12051由此可以辅助驱动以避免碰撞。
成像部12101至12104中的至少一者可以是检测红外线的红外摄像机。例如，微型计算机12051可以通过确定成像部12101至12104的拍摄图像中是否存在行人来识别行人。例如，通过在作为红外摄像机的成像部12101至12104的拍摄图像中提取特征点的程序以及通过对表示物体轮廓的一系列特征点执行图案匹配处理来确定是否是行人的程序来执行对行人的这种识别。当微型计算机12051确定成像部12101至12104的拍摄图像中存在行人并且因此识别出行人时，声音图像输出部12052控制显示部12062，使得用于强调的方形轮廓线以叠加在识别出的行人上的方式显示。声音图像输出部12052还可以控制显示部12062，使得表示行人的图标等显示在期望的位置处。
上面已经说明了根据本公开的技术可适用的车辆控制系统的示例。例如，根据本公开的技术可以适用于上述构成之中的成像部12031。具体地，使用上述第一实施方案及其变形例和第二实施方案可以适用的成像元件10的成像装置1可以应用于成像部12031。通过将根据本公开的技术应用于成像部12031，能够增加成像元件10的曝光时间，以应对LED闪烁，降低图像中间灰度的噪声，并获得具有更高图像质量的拍摄图像。这能够使驾驶员更安全的驾驶。
本说明书中所述的效果仅是示例而非对本文公开内容的限制，并且可以实现其他效果。
本技术还可以采用以下构成。
(1)一种成像元件，包括像素，
所述像素包括：
第一光接收元件和第二光接收元件，其根据接收到的光通过光电转换生成并累积光电荷；和
像素内电容，其累积在曝光时段期间从所述第一光接收元件和所述第二光接收元件溢出的所述光电荷，其中，
所述第二光接收元件对所述光的灵敏度低于所述第一光接收元件对所述光的灵敏度。
(2)根据上述(1)所述的成像元件，其中，
在所述像素中，所述第一光接收元件包括一个或多个尺寸与所述第二光接收元件基本相同的第三光接收元件。
(3)根据上述(2)所述的成像元件，其中，
在所述像素中，所述第一光接收元件中累积的光电荷的读出和所述第二光接收元件中累积的光电子的读出被独立地控制。
(4)根据上述(3)所述的成像元件，其中，
所述像素包括：
包括两个或更多个所述第三光接收元件的所述第一光接收元件；和
数量少于所述第三光接收元件的所述第二光接收元件。
(5)根据上述(2)至(4)中任一项所述的成像元件，其中，
所述第二光接收元件在光接收表面上设置有中性灰度滤波器。
(6)根据上述(2)至(5)中任一项所述的成像元件，其中，
所述像素还包括：
浮动扩散层，其将光电荷转换成电压；
第一晶体管，其将所述第一光接收元件中累积的所述光电荷传输到所述浮动扩散层；
第二晶体管，其将所述第二光接收元件中累积的所述光电荷传输到所述浮动扩散层；
第三晶体管，其将所述浮动扩散层的电位和所述像素内电容的电位耦合和分割；和
第四晶体管，其分割和耦合所述浮动扩散层。
(7)根据上述(6)所述的成像元件，其中，
所述像素还包括第五晶体管，其将所述第二光接收元件中累积的所述光电荷传输到所述像素内电容。
(8)根据上述(6)或(7)所述的成像元件，其中，
所述第三晶体管和所述第四晶体管为耗尽型晶体管。
(9)根据上述(6)至(8)中任一项所述的成像元件，其中，
所述像素针对所述第一光接收元件设置有一个所述第一晶体管。
(10)根据上述(6)至(9)中任一项所述的成像元件，其中，
所述像素相对于所述第三光接收元件一对一地设置有所述第一晶体管。
(11)一种成像装置，包括：
像素，所述像素包括：
第一光接收元件和第二光接收元件，其根据接收到的光通过光电转换生成并累积光电荷，和
像素内电容，其累积在曝光时段期间从所述第一光接收元件和所述第二光接收元件溢出的所述光电荷；
驱动单元，其驱动所述像素；和
记录单元，其基于所述第一光接收元件和所述第二光接收元件中累积的所述光电荷记录从所述像素输出的像素信号，其中，
所述第二光接收元件对所述光的灵敏度低于所述第一光接收元件对所述光的灵敏度。
附图标记列表
10 成像元件
11 像素阵列单元
12 垂直驱动电路
201、202、203、204、20S、20L1、20L2、20L3光接收元件
211、212、213、214、21S、21L1、21L2、21L3传输晶体管
30 复位晶体管
31 转换效率开关晶体管
32 放大晶体管
33 选择晶体管
34 累积晶体管
35 OFG晶体管
100、100a、100b、100c单位像素
200、210SNR曲线

Claims (11)

1.一种成像元件，包括像素，
所述像素包括：
第一光接收元件和第二光接收元件，其根据接收到的光通过光电转换生成并累积光电荷；和
像素内电容，其累积在曝光时段期间从所述第一光接收元件和所述第二光接收元件溢出的所述光电荷，其中，
所述第二光接收元件对所述光的灵敏度低于所述第一光接收元件对所述光的灵敏度。
2.根据权利要求1所述的成像元件，其中，
在所述像素中，所述第一光接收元件包括一个或多个尺寸与所述第二光接收元件基本相同的第三光接收元件。
3.根据权利要求2所述的成像元件，其中，
在所述像素中，所述第一光接收元件中累积的光电荷的读出和所述第二光接收元件中累积的光电子的读出被独立地控制。
4.根据权利要求3所述的成像元件，其中，
所述像素包括：
包括两个或更多个所述第三光接收元件的所述第一光接收元件；和
数量少于所述第三光接收元件的所述第二光接收元件。
5.根据权利要求1所述的成像元件，其中，
所述第二光接收元件在光接收表面上设置有中性灰度滤波器。
6.根据权利要求2所述的成像元件，其中，
所述像素还包括：
浮动扩散层，其将光电荷转换成电压；
第一晶体管，其将所述第一光接收元件中累积的所述光电荷传输到所述浮动扩散层；
第二晶体管，其将所述第二光接收元件中累积的所述光电荷传输到所述浮动扩散层；
第三晶体管，其将所述浮动扩散层的电位和所述像素内电容的电位耦合和分割；和
第四晶体管，其分割和耦合所述浮动扩散层。
7.根据权利要求6所述的成像元件，其中，
所述像素还包括第五晶体管，其将所述第二光接收元件中累积的所述光电荷传输到所述像素内电容。
8.根据权利要求6所述的成像元件，其中，
所述第三晶体管和所述第四晶体管为耗尽型晶体管。
9.根据权利要求6所述的成像元件，其中，
所述像素针对所述第一光接收元件设置有一个所述第一晶体管。
10.根据权利要求6所述的成像元件，其中，
所述像素相对于所述第三光接收元件一对一地设置有所述第一晶体管。
11.一种成像装置，包括：
像素，所述像素包括：
第一光接收元件和第二光接收元件，其根据接收到的光通过光电转换生成并累积光电荷，和
像素内电容，其累积在曝光时段期间从所述第一光接收元件和所述第二光接收元件溢出的所述光电荷；
驱动单元，其驱动所述像素；和
记录单元，其基于所述第一光接收元件和所述第二光接收元件中累积的所述光电荷记录从所述像素输出的像素信号，其中，
所述第二光接收元件对所述光的灵敏度低于所述第一光接收元件对所述光的灵敏度。
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