TW201415886A - 固態成像裝置，固態成像裝置之信號處理方法，及電子設備 - Google Patents

固態成像裝置，固態成像裝置之信號處理方法，及電子設備 Download PDF

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Abstract

一種固態成像裝置包括一像素陣列區段及一信號處理區段。該像素陣列區段經組態以包括複數個經配置矩形像素，該複數個經配置矩形像素中之每一者在垂直方向及水平方向上具有不同大小且該複數個經配置矩形像素中之複數個鄰近者經組合以形成在該垂直方向及該水平方向上具有相同大小之正方形像素。該信號處理區段經組態以執行一將自該組合的複數個矩形像素讀出之複數個信號輸出為單一信號之過程。

Description

固態成像裝置，固態成像裝置之信號處理方法，及電子設備
本發明係關於固態成像裝置，固態成像裝置之信號處理方法及電子設備。
在諸如CCD(電荷耦合裝置)影像感測器及CMOS(互補金氧半導體)影像感測器之固態成像裝置中，單元像素在許多狀況下在垂直及水平方向上以預定間距以柵格狀圖案配置(例如，見日本未審查專利申請公開案第2007-189085號)。
在垂直及水平方向上具有相同間距之像素陣列容易進行信號處理，且因此近來已成為主流。在垂直及水平方向上以相同間距配置之像素(亦即，各自在垂直及水平方向上具有相同大小之像素)被稱為正方形像素。同時，在垂直及水平方向上以不同間距配置之像素(亦即，各自在垂直及水平方向上具有不同大小之像素)被稱為矩形像素。
在用於舊式視訊相機等等中之固態成像裝置中，在許多狀況下使用垂直大小長於水平大小的矩形像素。此係由於在電視廣播標準中，規定了在垂直方向上運行(run)之掃描線之數目，但在水平方向上運行之掃描線之數目存在自由度，且因此若預期目的為在電視上顯示影像則使用正方形柵格像素之優勢較小。
同時，為了藉由使用個人電腦執行影像處理且藉由使用機器視覺執行對影像之特性之即時擷取及辨識起見，正方形像素優於矩形像素。鑒於此，此類型之固態成像裝置(亦即，使用正方形像素之固態成像裝置)已愈來愈多地用於視訊相機中。
此外，為了提供具有新功能或改良特性之固態成像裝置，在一些狀況下採用在垂直或水平方向上相互鄰近之像素(在下文描述為「鄰近像素」)之間執行計算的方法。舉例而言，已存在針對偶數列之像素及奇數列之像素使用不同累積時間之方法以作為增加動態範圍之方法(例如，見日本未審查專利申請公開案第11-150687號)。
然而，根據此種增加動態範圍之方法，若動態範圍在一個影像的基礎上增加，則垂直方向上之解析度減小一半。在日本未審查專利申請公開案第11-150687號中，使用兩個影像補償垂直方向上之解析度。然而，動態解析度反而歸因於時滯而惡化。若因此在垂直或水平方向上之鄰近像素之間執行計算，則該方向上之解析度改變。因此，合成輸出變得等於自矩形像素之輸出。
最近，在像素陣列中使用2μm或更小之小像素間距已變得常見。2μm或更小之像素間距小於相機之透鏡(光學系統)之解析度。根據一般思考之擴展，像素之小型化意圖減小像素敏感度及待處理之信號量，但增加解析度。然而，若像素間距變得小於透鏡之解析度，則解析度不增加。亦即，透鏡之解析度界定了固態成像裝置之解析度之限度。
圖27中說明透鏡之解析度之實例。亦即，若孔徑打開(F值減小)，則透鏡之像差增加，且因此解析度減小。此外，若孔徑關閉(F值增加)，則光之波性質引起繞射，且因此在此種狀況下解析度亦減小。歸因於波性質之限度被稱為瑞立限度(Rayleigh limit)。
圖27說明透鏡之實例，在該透鏡中解析度在大約F4(F值=4)時最高。即使在F4，仍難以解析2μm或更小之像素間距。在單透鏡反射相機透鏡中，解析度在大約F8時最高，且因此在許多狀況下將F值設定為大約F8。在單透鏡反射相機透鏡中，當F值為大約F8或更小時，歸因於透鏡之像差之限度超過歸因於波性質之限度。因此，難以解析5μm或更小之像素間距。此外，若透鏡系統包括光學低通濾波器，則光學系統之解析度對應於透鏡之解析度及光學低通濾波器之解析度中之較低者。
在本實例中，像素中之每一者之大小由光電轉換元件之大小界定。因此，像素間距指代光電轉換元件之間距。若在垂直及水平方向上以空間上相等的間隔取樣入射光，則像素為正方形。若在垂直及水平方向上以空間上不同的間隔取樣入射光，則像素為矩形。因此，像素之布局形狀可不必定為正方形或矩形形狀，而是例如可為諸如拼圖玩具片之形狀的複雜形狀。
在本發明中，需要提供固態成像裝置、固態成像裝置之信號處理方法及電子設備，其在鄰近像素之間執行計算以提供改良特性或新功能，藉此大體上達成正方形像素產品之可管理性且使影像處理及系統建構更容易。
在本發明中，亦需要提供固態成像裝置、固態成像裝置之信號處理方法及電子設備，其即使在使像素小型化超過解析度之限度時亦能夠改良成像特性。
鑒於上文，根據本發明之一實施例之固態成像裝置包括一像素陣列區段，其經組態以包括複數個經配置矩形像素，該等像素中之每一者在垂直及水平方向上具有不同大小，且該等像素中之複數個鄰近者經組合以形成在垂直及水平方向上具有相同大小之正方形像素。在固態成像裝置中，自組合的複數個矩形像素讀出信號，且自複數個矩 形像素讀出之複數個信號受到處理且被作為單一信號輸出。
組合複數個矩形像素以形成正方形像素，且將自複數個矩形像素讀出之複數個信號作為單一信號輸出。藉此，可將該單一信號作為來自正方形柵格(正方形像素)之信號加以處理。若在垂直及水平方向上以空間相等間隔取樣入射光，則有可能使複數個矩形像素看似正方形柵格。由於將單一信號作為來自正方形柵格之信號加以處理，不必要在隨後階段針對正方形柵格改變信號處理系統之組態。此外，若適當地自複數個矩形像素之各別信號選擇或合成單一信號，則有可能執行改良成像特性之過程，諸如藉由在隨後階段在信號處理系統中使用單一信號來增加動態範圍之過程。結果，即使使像素小型化超過解析度之限度，仍有可能改良成像特性同時實現像素之小型化。
根據本發明之實施例，在垂直或水平方向上之鄰近像素之間執行計算以提供改良特性或新功能。藉此，有可能大體上達成正方形像素產品之可管理性，且使影像處理及系統建構更容易。亦有可能即使在使像素小型化超過解析度之限度時及在像素間距變得小於接收入射光之光學系統之解析度時改良成像特性。
10‧‧‧CMOS影像感測器
11‧‧‧半導體基板/晶片
12‧‧‧像素陣列區段
13‧‧‧垂直驅動區段
14‧‧‧行處理區段
14A‧‧‧行電路
14A-1‧‧‧行電路
14A-2‧‧‧行電路
14A-3‧‧‧行電路
14A-4‧‧‧行電路
14B‧‧‧行電路
14br‧‧‧行電路
14C‧‧‧行電路
14g‧‧‧行電路
15‧‧‧水平驅動區段
16‧‧‧輸出電路區段
17‧‧‧系統控制區段
18‧‧‧水平匯流排
19A‧‧‧正常相位輸出端子
19B‧‧‧反相位輸出端子
20‧‧‧輸入及輸出端子群
21‧‧‧輸入及輸出端子群
30‧‧‧單元像素
30e‧‧‧偶數行像素
30L‧‧‧下部像素
30o‧‧‧奇數行像素
30U‧‧‧上部像素
31o、31e‧‧‧光電二極體(PD)
31U、31L‧‧‧光電二極體(PD)
32o、32e‧‧‧傳輸電晶體
32U、32L‧‧‧傳輸電晶體
33‧‧‧重設電晶體
34‧‧‧選擇電晶體
35‧‧‧放大器電晶體
36‧‧‧浮動擴散區
40‧‧‧晶片上彩色濾光片
41‧‧‧矽部分
42‧‧‧光電二極體
43‧‧‧像素電晶體
44‧‧‧層間薄膜
45‧‧‧彩色濾光片
46‧‧‧佈線部分
47‧‧‧黏合劑
48‧‧‧支撐基板
49‧‧‧晶片上透鏡
100‧‧‧成像設備
101‧‧‧透鏡群
102‧‧‧成像裝置
103‧‧‧DSP電路
104‧‧‧圖框記憶體
105‧‧‧顯示裝置
106‧‧‧記錄裝置
107‧‧‧操作系統
108‧‧‧電源系統
109‧‧‧匯流排線
121‧‧‧像素驅動線
122‧‧‧垂直信號線
122g、122br‧‧‧垂直信號線
122o、122e‧‧‧垂直信號線
141‧‧‧CDS電路
141'‧‧‧CDS．S/H電路
141o、141e‧‧‧CDS電路
142‧‧‧確定電路
143‧‧‧AD轉換電路
144‧‧‧鎖存器
144'‧‧‧鎖存器1及2
145‧‧‧多工器(MUX)
146‧‧‧取樣/保持(S/H)電路
146'‧‧‧S/H電路1及2
147‧‧‧計算電路
148‧‧‧選擇區段
1211U、1211L‧‧‧傳輸控制線
1211o、1211e‧‧‧傳輸線
1212‧‧‧重設控制線
1213‧‧‧選擇控制線
RST‧‧‧高態有效重設脈衝
SEL‧‧‧高態有效選擇脈衝
TRGe‧‧‧高態有效傳輸脈衝
TRGl‧‧‧高態有效傳輸脈衝
TRGo‧‧‧高態有效傳輸脈衝
TRGu‧‧‧高態有效傳輸脈衝
Vdd‧‧‧電源電壓
圖1為說明根據本發明之實施例之CMOS影像感測器之系統組態之概述的系統組態圖；圖2為說明根據第一實施例之像素陣列區段中之像素陣列之實例的組態圖；圖3為說明在根據第一實施例之像素陣列區段中之像素陣列上執行的掃描方法之程序的概念圖；圖4為說明根據第一實施例之行電路之組態之實例的方塊圖；圖5為說明像素陣列區段中之像素陣列之實例的組態圖，其中具有不同敏感度之三個像素形成一組； 圖6為說明根據第一實施例之第一修改實例之行電路之組態實例的方塊圖；圖7A及圖7B為各自說明根據第一實施例或第一修改實例之行電路之操作之時間次序的時序圖；圖8A及圖8B為各自說明根據第一實施例之第二修改實例之行電路之操作的時間次序的時序圖；圖9為說明根據第二修改實例之第一特定實例之行電路之組態實例的方塊圖；圖10為說明根據第二修改實例之第二特定實例之行電路之組態實例的方塊圖；圖11為說明根據第二修改實例之第三特定實例之行電路之組態實例的方塊圖；圖12為說明在用於根據第三特定實例之行電路之信號處理中之係數與來自第i列之像素之信號之間的關係之圖；圖13為說明在用於根據第三特定實例之行電路之信號處理中之係數與來自第i+1列之像素之信號之間的關係之圖；圖14A及圖14B為各自說明根據第二修改實例之第三特定實例之行電路之操作的時間次序的時序圖；圖15為說明根據第一實施例之像素電路之組態之實例的電路圖；圖16為說明背面入射型像素結構之實例之橫截面圖；圖17為說明第一實施例之修改實例之組態圖；圖18為說明根據第二實施例之像素陣列區段中之像素陣列之實例的組態圖；圖19為說明在根據第二實施例之像素陣列區段中之像素陣列上執行的掃描方法之程序的概念圖； 圖20為說明根據第二實施例之像素電路之組態之實例的電路圖；圖21為說明根據第二實施例之行電路之組態之實例的方塊圖；圖22為說明根據第三實施例之像素電路之組態之實例的電路圖；圖23為說明在根據第三實施例之像素陣列區段中之像素陣列上執行的掃描方法之程序的概念圖；圖24為說明根據第三實施例之行電路之組態之實例的方塊圖；圖25為說明信號讀出系統之修改實例之組態圖；圖26為說明根據本發明之實施例之作為電子設備之實例的成像設備之組態實例的方塊圖；及圖27為說明在透鏡之F值與解析度限度之間的關係之圖。
以下將參看圖式詳細描述用於實施本發明之實施例(在下文描述為「實施例」)。描述將以以下次序進行：1.根據本發明之實施例之固態成像裝置(CMOS影像感測器之實例)，2.本實施例之特性特徵，3.修改實例，及4.電子設備(成像設備之實例)。
<1. 根據本發明之實施例之固態成像裝置>
圖1為說明根據本發明之實施例之固態成像裝置(例如，作為一種X-Y位址型固態成像裝置之CMOS影像感測器)之系統組態的概述的系統組態圖。本文中，CMOS影像感測器指代藉由應用或部分使用CMOS過程所形成之影像感測器。
如圖1中所說明，根據本實施例之CMOS影像感測器10經組態以包括形成於半導體基板(在下文偶爾描述為「晶片」)11上之像素陣列區段12及整合於相同晶片11(其上形成有像素陣列區段12)上之周邊電路部分。在本實例中，周邊電路部分包括(例如)垂直驅動區段13、行 處理區段14、水平驅動區段15、輸出電路區段16及系統控制區段17。
在像素陣列區段12中，各自包括在其中產生且累積由光電轉換所產生之電荷(在下文簡單地描述為「電荷」)之光電轉換元件且具有根據入射光量之電荷量的單元像素(在下文偶爾簡單地描述為「像素」)按列及行二維配置。稍後將描述單元像素之特定組態。
此外，在像素陣列區段12中，將像素驅動線121提供用於具有列及行之像素陣列之各別列，以在水平方向，亦即，列方向(在像素列中像素排列之方向)上延伸。此外，將垂直信號線122提供用於各別行，以在垂直方向，亦即，行方向(在像素行中像素排列之方向)上延伸。圖1中像素驅動線121之數目為每列一，但不限於此數目。像素驅動線121中之每一者之一端連接至垂直驅動區段13之相應列之輸出端子。
垂直驅動區段13經組態以包括移位暫存器、位址解碼器等等，且用作(例如)同時或以列為單位驅動像素陣列區段12之各別像素之像素驅動區段。垂直驅動區段13(本文中未說明其特定組態)大體上經組態以包括兩個掃描系統，亦即，讀出(自光電轉換元件至輸出電路)掃描系統(在下文簡單地描述為「讀出掃描系統」)及重設掃描系統。
讀出掃描系統以列為單位依序選擇且掃描像素陣列區段12之單元像素以自單元像素讀出信號。自單元像素讀出之信號為類比信號。重設掃描系統對將經受讀出掃描系統之讀出掃描的讀出列執行重設掃描，以使得重設掃描以對應於快門速度之時間先於讀出掃描。
藉由重設掃描系統之重設掃描，自讀出列中之單元像素之光電轉換元件清除不必要的電荷。藉此，重設光電轉換元件。接著，藉由重設掃描系統對不必要電荷之重設，執行所謂的電子快門操作。本文中，電子快門操作指代移除光電轉換元件之電荷且新開始曝光過程(開始電荷之累積)之操作。
經由讀出掃描系統之讀出操作所讀出之信號對應於在緊接於前的讀出操作或電子快門操作之後入射的光量。自緊接於前的讀出操作之讀出時序或電子快門操作之重設時序至本讀出操作之讀出時序之時間週期對應於在單元像素中電荷之累積週期(曝光週期)。
將自由垂直驅動區段13選擇且掃描之像素列之各別單元像素輸出之信號經由各別垂直信號線122供應至行處理區段14。行處理區段14以像素陣列區段12之像素行為單位對經由垂直信號線122自選定列之各別單元像素輸出之信號執行預定信號處理，且暫時保持經信號處理之像素信號。
特定言之，在自各別單元像素接收到信號時，行處理區段14就對信號執行信號處理，諸如(例如)，基於CDS(相關雙取樣)之去雜訊(denoising)、信號放大，及AD(類比至數位)轉換。去雜訊過程移除對於像素而言具有唯一性之固定樣式雜訊，諸如，重設雜訊及放大器電晶體間之臨限值變化。本文中例示之信號處理僅為實例。因此，信號處理不限於此。
水平驅動區段15經組態以包括移位暫存器、位址解碼器等等，且自行處理區段14依序選擇對應於像素行之單元電路。歸因於水平驅動區段15之選擇及掃描，由行處理區段14予以信號處理之像素信號被依序輸出至水平匯流排18，且由水平匯流排18傳輸至輸出電路區段16。
輸出電路區段16處理且輸出由水平匯流排18傳輸之信號。輸出電路區段16進行之處理可僅為緩衝，或可為多種數位信號處理，諸如，黑色位準之緩衝前調整及行間之變化之校正。
輸出電路區段16具有(例如)差分輸出組態，其之輸出級輸出差分信號。亦即，輸出電路區段16之輸出級處理由水平匯流排18傳輸之信號中之每一者，且將合成信號作為正常相位信號輸出。此外，輸出電 路區段16之輸出級顛倒信號之極性，且將合成信號作為反相位信號輸出。
將正常相位信號經由正常相位輸出端子19A輸出至晶片11之外部，且將反相位信號經由反相位輸出端子19B輸出至晶片11之外部。當輸出電路區段16之輸出級具有差分輸出組態時，提供於晶片11外部之信號處理區段(例如，信號處理IC(積體電路))在其輸入級處接收正常相位信號及反相位信號，該輸入級經組態為差分電路。
透過如上所述之輸出電路區段16之輸出級之差分輸出組態及信號處理IC之輸入級之差分電路組態，可藉由在輸出電路區段16之輸出級與信號處理IC之輸入級之間的電流傳輸資訊。因此，即使在輸出電路區段16之輸出級與信號處理IC之輸入級之間的傳輸路徑之長度增加，也不會在傳輸路徑上發生充電及放電。因此，可提供高速系統。
系統控制區段17接收(例如)時脈及規定自晶片11外部供應之資料之操作模式，且輸出諸如CMOS影像感測器10之內部資訊之資料。此外，系統控制區段17包括用於產生多種時序信號之時序產生器。在由時序產生器產生之多種時序信號的基礎上，系統控制區段17執行對包括垂直驅動區段13、行處理區段14、水平驅動區段15等等之周邊電路部分之驅動控制。
晶片11之周邊部分具備輸入及輸出端子群20及21之各別端子，其包括電源端子。輸入及輸出端子群20及21在晶片11之內部與外部之間交換電源電壓及信號。考慮到(例如)信號相對於晶片11之傳入及傳出方向而將輸入及輸出端子群20及21之安裝位置確定在方便的位置。
<2. 本實施例之特性特徵>
在以上所述組態之CMOS影像感測器10中，本實施例之特性特徵在於：將單元像素中之每一者之縱橫比設定為不同於1：1(正方形像素)，亦即，將單元像素之形狀設定為在垂直方向及水平方向上具有 不同大小之矩形(矩形像素)；組合單元像素中之複數個鄰近者以形成在垂直方向及水平方向上具有相同大小之正方形像素；及組合的複數個單元像素輸出單一信號。
藉由此組態，可將自複數個像素之單元輸出之單一信號作為來自正方形柵格(正方形像素)之信號加以處理。若在垂直及水平方向上以空間相等間隔取樣入射光，則有可能使像素看似正方形柵格。藉由將單一信號作為來自正方形柵格之信號加以處理，不必要在隨後階段針對正方形柵格改變常用信號處理系統之組態。
此外，若適當地自複數個像素之各別信號選擇或合成單一信號，則有可能執行改良成像特性之過程，諸如藉由在隨後階段在信號處理系統中使用單一信號來增加動態範圍之過程。以下將描述特定實施例。
[第一實施例]
圖2為說明根據第一實施例之像素陣列區段12中之像素陣列之實例的組態圖。如圖2中所說明，像素陣列區段12包括各自包括光電轉換元件且以多個列及行二維配置之單元像素30。本文中，單元像素30中之每一者為所謂的水平方向上長的矩形像素，其在水平大小(列方向)上為垂直大小(行方向)上的兩倍，亦即，其具有1：2之垂直與水平間距比。
若根據本實施例之CMOS影像感測器10能夠拾取彩色影像，則將彩色濾光片(例如，晶片上彩色濾光片40)提供於單元像素30之各別光接收表面上。本文中，在垂直方向上鄰近之複數個(例如，兩個)單元像素30形成一組。上部及下部兩個像素之組具備相同色彩之晶片上彩色濾光片40。
晶片上彩色濾光片40經配置以使得(例如)R(紅色)、G(綠色)及B(藍色)之各別色彩具有預定關係。舉例而言，在本文中設計色彩編 碼以使得色彩陣列中之具有重複GB組合之兩列與色彩陣列中之具有重複RG組合之兩列交替。上部及下部兩個像素之色彩相同。因此，一個彩色濾光片可覆蓋上部及下部兩個像素。
在像素陣列區段12之像素陣列中，單元像素30中之每一者為具有1：2之垂直與水平大小比之水平方向上長的矩形像素。因此，如圖2中所說明，用於上部及下部兩個像素的組之個別晶片上彩色濾光片40之形狀為正方形。將正方形晶片上彩色濾光片40提供至像素陣列，其中色彩陣列中之具有重複GB組合之兩列與色彩陣列中之具有重複RG組合之兩列交替。因此，晶片上彩色濾光片40之總色彩陣列為所謂的拜耳陣列。
藉由組態晶片上彩色濾光片40以具有基於兩個像素之單元之色彩陣列，獲得以下優點。亦即，隨著CMOS過程之小型化，已日益使像素小型化。然而，已變得日益難以與像素之小型化一致地使彩色濾光片小型化。此係由於難以使彩色濾光片小型化同時防止其角之磨圓及剝落且同時維持其光譜特性。
然而，以上所述組態實例之晶片上彩色濾光片40可形成為經組合的兩個像素之大小，且因此在像素之小型化方面為有利的。亦即，如上所述，若將彩色濾光片提供至每一像素，則難以與像素之小型化一致地使彩色濾光片小型化。然而，本實例將一彩色濾光片提供至複數個像素，且因此可應對(cope with)像素之小型化。
(掃描方法)
參看圖3，現將描述對根據第一實施例之像素陣列區段12之像素陣列(亦即，色彩陣列中之具有重複GB組合之兩列與色彩陣列中之具有重複RG組合之兩列交替之像素陣列)執行的掃描方法。根據圖1之垂直驅動區段13之驅動操作執行掃描。參看圖3所描述之掃描方法為常用掃描方法。
首先，對奇數列且接著對偶數列執行快門掃描。接著，對讀出列執行掃描。本文中，快門掃描對應於被稱為早先描述之電子快門操作之掃描，且界定像素累積之開始。在快門掃描中，針對奇數列之各別像素及偶數列之各別像素設定不同快門時序。
特定言之，如圖3中所說明，設定奇數列之各別像素之快門時序以增加累積時間，而設定偶數列之各別像素之快門時序以減少累積時間。亦即，當兩個鄰近列形成一單元(一組)時，針對該等列中之一者(在本實例中之奇數列)之各別像素將累積時間設定得相對長且針對另一列(在本實例中之偶數列)之各別像素將累積時間設定得相對短。
歸因於以上所述之快門掃描，來自長時間累積之奇數列中之像素中之每一者的信號為對應於長累積時間之高敏感度信號。亦即，光長時間地入射至奇數列中之像素中之每一者。因此，來自奇數列中之像素中之每一者之信號能夠捕獲暗區之清晰影像。然而，在奇數列中之像素(亦即，高敏感度像素)中之每一者中，光電轉換元件很快飽和。同時，來自短時間累積之偶數列中之像素中之每一者的信號為對應於短累積時間之低敏感度信號。亦即，入射至偶數列中之像素中之每一者的光量較小。因此，來自偶數列中之像素中之每一者之信號能夠捕獲亮區之影像而不飽和。
(行處理區段)
隨後，將描述行處理區段14，該行處理區段14在由以上所述掃描方法執行的掃描之基礎上處理自根據第一實施例之像素陣列區段12之各別像素30輸出的信號。行處理區段14為經提供以對應於像素陣列區段12之像素行的單元電路之集合。在下文，構成行處理區段14之單元電路中之每一者將被稱為行電路。
圖4為說明根據第一實施例之行電路14A之組態之實例的方塊圖。如圖4中所說明，根據第一實施例之行電路14A經組態以包括CDS 電路141、確定電路142、用於執行諸如AD轉換過程之預定信號處理之AD轉換電路143，及鎖存器144。
根據垂直驅動區段13之驅動操作，像素之信號被以像素之敏感度之遞降次序自像素陣列區段12依序供應至行電路14A。在本實例中，奇數列之像素之敏感度高於偶數列之像素之敏感度。因此，首先將來自奇數列之像素之信號輸入至行電路14A，且接著將來自偶數列之像素之信號輸入至行電路14A。
如廣泛已知，行電路14A之CDS電路141執行信號處理以用於計算在像素信號之開啟位準(稍後描述的信號位準)與關閉位準(稍後描述的重設位準)之間的差且計算排除偏移之信號量。
根據系統控制區段17之控制，確定電路142在自像素陣列區段12依序讀出之來自高敏感度像素之信號及來自低敏感度像素之信號中之每一者的讀出中執行確定信號是否等於或大於預定值之過程。例如，將像素之飽和位準用作表示確定電路142之確定標準之預定值。
確定電路142、AD轉換電路143及鎖存器144對來自奇數列之像素之信號及來自偶數列之像素之信號執行以下不同的處理操作。
[奇數列]
透過使用像素之飽和位準作為確定標準，確定電路142確定自奇數列之像素傳輸之信號是否已飽和。若信號不在飽和位準，則確定電路142將邏輯「0」寫入至旗標FL。若信號在飽和位準，則確定電路142將邏輯「1」寫入至旗標FL。接著，確定電路142將旗標FL連同自CDS電路141所接收之信號一起發送至AD轉換電路143。
若旗標FL儲存邏輯「0」(亦即，信號不在飽和位準)，則AD轉換電路143操作以對來自像素之信號(類比信號)執行AD轉換且將經AD轉換之信號傳遞至鎖存器144。若旗標FL儲存邏輯「1」(亦即，信號在飽和位準)，則AD轉換電路143被置於待用狀態，且因此不執行AD轉 換過程。經由AD轉換電路143將旗標FL之值寫入至鎖存器144之一部分中。
[偶數列]
確定電路142不對自偶數列之像素傳輸之信號執行確定過程，且將信號連同來自奇數列之像素的信號之確定結果(亦即，旗標FL之值)一起發送至AD轉換電路143。在自確定電路142接收到連同旗標FL之值一起的來自偶數列之像素之信號時，AD轉換電路143僅在旗標FL儲存邏輯「1」時操作以對來自偶數列之像素之信號執行AD轉換且將經AD轉換之信號傳遞至鎖存器144。
特定言之，若自確定電路142接收之旗標FL儲存邏輯「0」，亦即，若來自奇數列之像素之信號不在飽和位準，則AD轉換電路143被置於待用狀態中且不對來自偶數列之像素之信號執行AD轉換過程。此外，若旗標FL儲存邏輯「1」，亦即，若來自奇數列之像素之信號在飽和位準，則AD轉換電路143對來自偶數列之像素之信號執行AD轉換過程。
按照以上所述之方式，來自兩列之像素(亦即，上部及下部兩個像素)之信號由行電路14A以奇數列及偶數列之次序處理。此後，合成像素信號之值及旗標FL之值被從鎖存器144讀出至圖1中所說明之水平匯流排18。結果，上部及下部兩個像素中之任一者之信號被AD轉換且輸出。在此過程中，另一像素之信號不經受AD轉換過程，同時AD轉換電路143被置於待用狀態中。上部及下部兩個像素共用先前描述的相同色彩之濾光片。
若來自長時間累積之高敏感度像素之信號已飽和，則使用來自短時間累積之低敏感度像素之信號。本文中，飽和指代信號主要處在其不實質上線性地回應於入射光之量的位準之狀態。在本實例中，若自奇數列之像素讀出之高敏感度信號未飽和，則高敏感度信號之信號 位準及旗標FL之值「0」被從行電路14A輸出至水平匯流排18。若自奇數列之像素讀出之信號已飽和，則自偶數列之像素讀出之低敏感度信號之信號位準及旗標FL之值「1」被從行電路14A輸出至水平匯流排18。
接著，在信號位準及旗標FL之值的基礎上，在隨後階段中信號處理區段(例如，圖26中之DSP(數位信號處理器)103)執行信號處理。藉此，可增加動態範圍。特定言之，若旗標FL指示來自高敏感度像素之信號未飽和(FL=0)，則在隨後階段中信號處理區段藉由使用連同旗標FL作為一對提供之來自高敏感度像素之信號產生視訊信號。
若旗標FL指示來自高敏感度像素之信號已飽和(FL=1)，則在隨後階段中信號處理區段藉由使用連同旗標FL作為一對提供之來自低敏感度像素之信號之信號位準產生視訊信號。藉由以上所述之信號處理，可增加關於光輸入之動態範圍。
若上部及下部兩個像素之間距實際上等於或小於透鏡解析度，則不減小垂直解析度，且可將來自上部及下部兩個像素之信號視作猶如自正方形像素輸出具有增加的動態範圍之信號。本文中，透鏡解析度指代經由接收入射光之光學系統之透鏡形成於CMOS影像感測器10之成像表面上之影像的解析度。
嚴格地說，可存在解析度由除透鏡以外的組件(諸如光學低通濾波器)確定之狀況。此外，若考慮在不使用所謂的「透鏡」之情況下執行之成像(諸如使用X射線或透射光之直接成像)，則透鏡解析度指代用於在CMOS影像感測器10之成像表面上形成影像之光學系統之解析度。
為了使來自上部及下部兩個像素之信號看似自單一像素輸出之信號，需要上部及下部兩個像素之偏移及敏感度特性儘可能地相互類似，且在上部及下部兩個像素之間的特性差異小於正常像素變化。否 則，可能在兩個像素之信號之間的過渡區域中引起間隙。鑒於此，上部及下部兩個像素共用構成像素電路之電路元件中的一些。稍後將描述像素對電路元件中之一些電路元件之共用。
同時，如先前所描述，行電路14A經組態以使得形成一組(在本實例中為高敏感度像素及低敏感度信號)之兩個像素中之任一者之信號經受AD轉換，且另一像素之信號不經受AD轉換，同時AD轉換電路143被置於待用狀態中。此組態之優點在於：與對兩個像素之各別信號兩者執行AD轉換過程的狀況相比，歸因於AD轉換電路143之待用狀態，可減小電力消耗。
以上所述之信號處理技術之應用不限於CMOS影像感測器10，該CMOS影像感測器10經組態以藉由組合複數個矩形像素而形成正方形像素，且將自複數個矩形像素讀出之複數個信號輸出為待作為正方形像素之信號加以處理之單一信號。亦即，不管單元像素30之形狀如何，該信號處理技術通常適用於CMOS影像感測器(其中單元像素30以列及行二維配置)。
此外，在本實例中，已將包括高敏感度像素及低敏感度像素之兩個像素形成一組之狀況作為實例描述。然而，形成一組之像素之數目不限於二。此外，對像素之信號所執行之信號處理不限於AD轉換過程。
亦即，當數目n(2n)個像素(在本實例中n=2)形成一組且自像素陣列區段12中之數目n個像素依序讀出數目n個信號時，確定電路142在信號中之每一者之讀出中確定信號是否等於或大於預定值。接著，在確定之結果的基礎上，對數目m個信號執行預定信號處理，其中m小於n(1m<n)。因此，歸因於沒有對數目(n-m)個信號之預定信號處理，可減小電力消耗。
<<當n=3時所執行的行處理>>
以下將參考實例描述根據第一修改實例之行處理(藉由行電路14A-1之信號處理)，在該實例中數目n不為二(諸如三)，亦即，具有相互不同敏感度之三個像素形成一組。
圖5說明像素陣列區段12之像素陣列之實例，其中具有不同敏感度之三個像素形成一組。如圖5中所說明，在本實例中，色彩編碼經設計以使得色彩陣列中之具有重複GR組合之三個列與色彩陣列中之具有重複BG組合之三個列交替。此外，在垂直方向上鄰近之具有相同色彩之三個像素形成一組，且具有例如三個像素中之最上部像素具有最高敏感度且三個像素中之最下部像素具有最低敏感度之敏感度位準關係。
然而，敏感度位準關係不限於此次序。在任何敏感度位準關係中，較佳根據垂直驅動區段13之驅動操作首先讀出來自高敏感度像素之信號且將其輸入至根據第一實施例之第一修改實例之行電路14A-1。
圖6說明根據第一實施例之第一修改實例之行電路14A-1之組態實例。根據本修改實例之行電路14A-1之組態基本上類似於圖4中所說明之根據第一實施例之行電路14A之組態。行電路14A-1與行電路14A之不同之處在於鎖存器144'由兩個鎖存器1及2形成。
確定電路142、AD轉換電路143及鎖存器144'對來自第一列、第二列及第三列之各別像素之信號執行以下不同處理操作。
[第一列]
透過使用像素之飽和位準作為確定標準，確定電路142確定自第一列之像素傳輸之信號是否未飽和。若信號不在飽和位準，則確定電路142將邏輯「0」寫入至旗標FL。若信號在飽和位準，則確定電路142將邏輯「1」寫入至旗標FL。接著，確定電路142將旗標FL連同自CDS電路141接收之信號一起發送至AD轉換電路143。
若旗標FL儲存邏輯「0」(亦即，信號不在飽和位準)，則AD轉換電路143操作以對像素之類比信號執行AD轉換且將經AD轉換之信號寫入至鎖存器144'之鎖存器1。若旗標FL儲存邏輯「1」(亦即，信號在飽和位準)，則AD轉換電路143被置於待用狀態，且因此不執行AD轉換過程。將旗標FL之值經由AD轉換電路143寫入至鎖存器144'之一部分中。
[第二列]
確定電路142不對自第二列之像素傳輸之信號執行確定過程，且將信號連同來自第一列之像素之信號之確定結果(亦即，旗標FL之值)一起發送至AD轉換電路143。在自確定電路142接收到來自第二列之像素之信號連同旗標FL之值時，AD轉換電路143操作以對來自第二列之像素之信號執行AD轉換而不管旗標FL之值。在此過程中，若旗標FL儲存邏輯「0」，則AD轉換電路143將AD轉換結果寫入至鎖存器144'之鎖存器2中。若旗標FL儲存邏輯「1」，則鎖存器144'之鎖存器1為空，且因此AD轉換電路143將AD轉換結果寫入至鎖存器1中。
[第三列]
確定電路142不對自第三列之像素傳輸之信號執行確定過程，且將信號連同來自第一列之像素之信號之確定結果(亦即，旗標FL之值)一起發送至AD轉換電路143。在自確定電路142接收到來自第三列之像素之信號連同旗標FL之值時，AD轉換電路143僅在旗標FL儲存邏輯「1」時操作以對來自第三列之像素之信號執行AD轉換。
特定言之，若自確定電路142接收之旗標FL儲存邏輯「0」，亦即，若來自第一列之像素之信號不在飽和位準，則AD轉換電路143被置於待用狀態中且不對來自第三列之像素之信號執行AD轉換過程。此外，若旗標FL儲存邏輯「1」，亦即，若來自第一列之像素之信號在飽和位準，則AD轉換電路143對來自第三列之像素之信號執行AD 轉換過程，且將AD轉換結果寫入至鎖存器144'之鎖存器2中。
由行電路14A-1按以上所述之方式處理來自三個像素之信號。此後，將鎖存器144'之兩個鎖存器1及2中的旗標FL之值及信號之值讀出至圖1中所說明之水平匯流排18。歸因於由行電路14A-1進行之信號處理，三個像素中之兩個像素之信號經AD轉換且輸出。
更特定言之，若高敏感度像素之最初讀出信號已飽和，則高敏感度像素之信號不經受AD轉換過程，且將中間敏感度像素之信號及低敏感度像素之信號之AD轉換結果寫入至鎖存器144'之兩個鎖存器1及2中。同時，若高敏感度像素之最初讀出信號未飽和，則高敏感度像素之信號及中間敏感度像素之信號經受AD轉換，且將該等信號之AD轉換結果寫入至鎖存器144'之兩個鎖存器1及2中。低敏感度像素之信號不經受AD轉換過程。
將寫入於鎖存器144'之兩個鎖存器1及2中之旗標FL及數位信號之值輸出至水平匯流排18。接著，在隨後階段信號處理區段(例如，圖26中之DSP 103)在此等信號及旗標FL之值的基礎上執行信號處理。藉此，可增加動態範圍。
在依序讀出形成一組之三個像素之信號的以上所述處理實例中，AD轉換電路143根據由確定電路142所進行之信號位準之確定僅操作兩次且待用一次。因此，與AD轉換電路143針對三個像素之各別信號操作三次的狀況相比，本實例可減小電力消耗。
在上文中，已描述通常對三個像素中之兩個像素執行AD轉換之實例。然而，若來自第二列之像素之信號之信號位準亦由確定電路142確定，且若來自第二列之像素之信號以及來自第一列之像素之信號亦已飽和，則AD轉換電路143亦可針對來自第二列之像素之信號而被置於待用狀態中。在此種狀況下，出現輕微改變，諸如，旗標FL變為兩個位元。然而，此改變可由設計者充分預測。
如上所述，視設計者之理念而定，多種應用為可能的。亦即，本發明之技術範疇不限於以上所述實施例中描述之範疇。因此，可在不脫離本發明之要旨的情況下在範疇內以各種方式修改或改良以上所述之實施例，且本發明之技術範疇亦包括此等經修改或改良之實施例。熟習此項技術者應顯而易見本發明亦適用於處理來自具有不同敏感度之四個或四個以上像素之信號。
現將參看各自說明操作之時間次序之圖7A及圖7B總結數目n為二或三時所執行之行處理之上述概述。圖7A及圖7B說明兩個處理實例。
如圖7A中所說明，首先自具有最高敏感度之第i列之像素讀出信號。回應於此，確定電路142確定自第i列之像素讀出之信號是否已飽和。在此過程中，若確定信號未飽和，則在第i列之AD轉換週期期間對來自第i列之像素之信號執行AD轉換過程。
同時，若確定信號飽和，則在第i列之AD轉換週期期間不對信號執行AD轉換過程，同時AD轉換電路143被置於待用狀態中。在此過程中，對像素行中之每一者進行像素之信號是否已飽和之確定。因此，來自第i列之像素之信號可來自經受AD轉換過程之像素行或來自未經受AD轉換過程之像素行。
接著，自比第i列之像素敏感度較低的第i+1列之像素讀出信號。在第i+1列之AD轉換週期中，來自在第i列中經受AD轉換過程之像素行之信號不經受AD轉換過程，同時AD轉換電路143被置於待用狀態中。同時，來自在第i列中未經受AD轉換過程之像素行之信號經受AD轉換過程。
如上所述，例如，在根據第一實施例之行處理中，將兩AD轉換週期提供用於自兩列之像素讀出信號。此外，AD轉換電路143在兩個AD轉換週期中之一者中操作。如圖7B中所說明，亦在來自給定列之 像素之信號之AD轉換週期期間並行執行來自下一列之像素之信號之讀出的處理實例中，AD轉換電路143在兩個AD轉換週期中之一者中操作。
AD轉換電路143在兩個AD轉換週期中之一者中執行AD轉換過程之操作指示AD轉換電路143在另一AD轉換週期中被置於待用狀態。因此，歸因於AD轉換電路143之待用狀態，可減小電力消耗。
在根據以上所述第一實施例或第一修改實例之行處理(藉由行電路14A或14A-1之信號處理)中，AD轉換電路143不恆定保持在操作狀態中，而是適當時被置於待用狀態以減小電力消耗。以下將描述作為根據第二修改實例之行處理的除電力消耗之減小以外亦達成信號處理時間之減少的行處理。
圖8A及圖8B為各自說明根據第二修改實例之行電路之操作之時間次序的時序圖。圖8A及圖8B說明兩個處理實例。假定根據第二修改實例之行電路包括取樣/保持(S/H)電路。
如圖8A中所說明，例如，首先自為奇數列之第i列之像素讀出信號。回應於此，確定電路142確定自第i列之像素讀出之信號是否已飽和。若確定來自第i列之像素之信號未飽和，則信號由取樣/保持電路保持。在此過程中，未飽和信號不必定必須由取樣/保持電路保持。
接著，自為偶數列之第i+1列之像素讀出信號。在此過程中，若來自第i列之像素之以上信號未飽和，則阻止來自第i+1列之像素之信號進入取樣/保持電路。相反，若來自第i列之像素之信號已飽和，則由取樣/保持電路保持來自第i+1列之像素之信號。接著，處理進行至AD轉換週期，且AD轉換電路143對由取樣/保持電路保持之信號執行AD轉換過程。
如上所述，例如，當數目n為二時，在根據第二修改實例之行處理中，針對自兩列之像素讀出信號設定一個AD轉換週期。亦即，歸 因於沒有針對自兩列讀出信號之待用週期，可減小AD轉換週期。因此，與第一實施例或第一修改實例之行處理(其中針對自兩列讀出信號設定兩個AD轉換週期)相比，本實例之行處理可增加信號處理速度。
此外，若允許本實例之信號處理速度低至第一實施例或第一修改實例之行處理之信號處理速度，則可改良低速信號處理之準確度(例如，AD轉換過程之轉換準確度)。此外，透過針對自兩列讀出信號設定一個AD轉換週期，本實例與設定兩個AD轉換週期之狀況相比較可達成較低電力消耗。
如圖8B中所說明，亦(例如)在來自兩列之像素之信號的AD轉換週期期間並行執行來自下兩列之像素之信號的讀出的處理實例中，針對自兩列之像素讀出信號可設定僅一個AD轉換週期。
以下將描述用於實施根據以上所述第二修改實例之行處理之行電路14A之特定實例。
圖9為說明根據第二修改實例之第一特定實例之行電路14A-2之組態實例的方塊圖。在圖式中，等效於圖4之組件的組件由相同參考數字指定。
如圖9中所說明，根據第一特定實例之行電路14A-2經組態以除了包括取樣/保持電路之CDS電路141'、確定電路142、AD轉換電路143及鎖存器144以外亦包括多工器(MUX)145。在下文，將CDS電路141'描述為CDS．S/H電路141'。
多工器145適當地在將輸入至其之像素之信號經由相應垂直信號線122供應至CDS．S/H電路141'與將信號經由電容元件C放電至接地之間進行選擇。CDS．S/H電路141'基本上與第一實施例之CDS電路141相同，不同在於CDS．S/H電路141'包括取樣/保持電路。此外，確定電路142、AD轉換電路143及鎖存器144亦基本上與第一實施例之彼等組件 相同。
隨後，將描述由根據第一特定實例之以上組態之行電路14A-2進行的信號處理。例如，在來自為奇數列之第i列之像素之信號的到達時序，確定電路142控制多工器145以向CDS．S/H電路141'供應來自第i列之像素之信號。藉此，來自第i列之像素之信號經受由CDS．S/H電路141'進行之CDS處理且由取樣/保持電路保持。
確定電路142確定由CDS．S/H電路141'保持之來自第i列之像素之信號是否已飽和。確定電路142接著將確定結果寫入至旗標FL，且保持識別來自第i列之像素之信號的識別資訊。在此過程中，若確定信號未飽和，則確定電路142將多工器145切換至電容元件C。同時，若確定信號飽和，則確定電路142維持多工器145之當前狀態(連接至CDS．S/H電路141')。
接著，自為偶數列之第i+1列之像素讀出信號。若來自第i列之像素之以上信號未飽和，則多工器145已切換至電容元件C。因此，來自第i+1列之像素之信號不輸入至CDS．S/H電路141'，且經由電容元件C放電至接地。此外，CDS．S/H電路141'繼續保持來自第i列之像素之以上信號。若來自第i列之像素之信號已飽和，則將來自第i+1列之像素之信號輸入至CDS．S/H電路141'以經受由CDS．S/H電路141'進行之CDS處理、取樣且保持。
接著，處理進行至AD轉換週期。AD轉換電路143對由CDS．S/H電路141'供應之信號執行AD轉換，且將經AD轉換之信號傳遞至鎖存器144。在此過程中，AD轉換電路143自確定電路142接收指示經AD轉換之信號是來自奇數列抑或偶數列之識別資訊，且將識別資訊傳遞至鎖存器144。此外，確定電路142將多工器145切換至CDS．S/H電路141'。接著，以類似方式對來自第i+2列之像素之信號及來自隨後列之像素之信號重複執行信號處理。
藉由以上所述之信號處理之序列，有可能獲得信號，可藉此執行先前描述的增加動態範圍之過程。在以上所述之信號處理中，當來自第i+1列之像素之信號不必要時，執行多工器145至電容元件C之切換，而非簡單斷開在垂直信號線122與CDS．S/H電路141'之間的連接，以防止垂直信號線122之電容之實質改變。
圖10為說明根據第二修改實例之第二特定實例之行電路14A-3之組態實例的方塊圖。在圖式中，等效於圖4之組件的組件由相同參考數字指定。
如圖10中所說明，根據第二特定實例之行電路14A-3經組態以使得：在CDS電路141與AD轉換電路143之間提供S/H電路146，與S/H電路146並聯提供確定電路142，且代替鎖存器144提供計算電路147。CDS電路141、確定電路142及AD轉換電路143基本上與第一實施例之彼等組件相同。稍後將描述計算電路147之功能之細節。
隨後，將描述由根據第二特定實例之以上組態之行電路14A-3進行的信號處理。例如，將來自為奇數列之第i列之像素的信號輸入至CDS電路141以經受由CDS電路141進行之CDS處理。確定電路142確定來自第i列之像素之經CDS處理之信號是否已飽和，且將確定結果寫入至旗標FL中。
在此過程中，確定電路142亦控制S/H電路146。特定言之，若來自第i列之像素之信號未飽和，則確定電路142操作S/H電路146以在S/H電路146中保持信號。若來自第i列之像素之信號已飽和，則確定電路142可或可不操作S/H電路146。
此後，自為偶數列之第i+1列之像素讀出信號，且使其經受由CDS電路141進行之CDS處理。在此過程中，確定電路142參考旗標FL。若來自第i列之像素之以上信號已飽和，則確定電路142操作S/H電路146以在其中保持來自第i+1列之像素之信號。若來自第i列之像 素之信號未飽和，則確定電路142不操作S/H電路146，且使S/H電路146繼續保持來自第i列之像素之信號。
接著，處理進行至AD轉換週期。AD轉換電路143對自S/H電路146接收之信號執行AD轉換，且將經AD轉換之信號傳遞至計算電路147。計算電路147參考由AD轉換電路143進行之AD轉換之結果及自確定電路142接收之旗標FL之值，且執行增加動態範圍之過程。已向計算電路147輸入第i列及第i+1列之各別累積時間之資訊(其為所有像素行共有的)。此外，計算電路147直接保持來自奇數列之信號，且保持乘以累積時間比的來自偶數列之信號。
因此，可獲得作為計算電路147之計算結果的經受動態範圍增加過程之信號。亦即，根據第二特定實例之行電路14A-3亦可執行以上關於行電路14A-3所述之動態範圍增加過程。
圖11為說明根據第二修改實例之第三特定實例之行電路14A-4之組態實例的方塊圖。在圖式中，等效於圖10之組件的組件由相同參考數字指定。在根據第一特定實例之行電路14A-2及根據第二特定實例之行電路14A-3的實例中，處理來自兩列(n=2)中具有不同敏感度之像素的信號。同時，根據第三特定實例之行電路14A-4之實例處理來自三列(n=3)中具有不同敏感度之像素的信號。
如圖11中所說明，根據第三特定實例之行電路14A-4經組態以包括用於每一像素行之兩個取樣/保持(S/H)電路146(S/H電路1及2)。在其他組件方面，行電路14A-4基本上與第二特定實例之行電路14A-3相同。在下文，將兩個S/H電路1及2共同描述為S/H電路146'。
自像素陣列區段12讀出像素之信號，以使得按第i列、第i+1列及第i+2列(i表示三之倍數)之次序連續讀出具有相同色彩之三個像素之信號。此外，第i列之像素具有最高敏感度，在三個像素之信號中最初讀出第i列之像素的信號，且第i+2列之像素具有最低敏感度，在三 個像素之信號中最後讀出第i+2列之像素的信號。
CDS電路141之操作與第一實施例之操作相同。確定電路142、AD轉換電路143及計算電路147對來自第i列、第i+1列及第i+2列之像素之信號執行以下不同操作。
[第i列]
確定電路142首先確定經受由CDS電路141進行之CDS處理的來自第i列之像素之信號是否已飽和，且將確定結果寫入至旗標FL中。與在第二特定實例中類似地，確定電路142亦控制S/H電路146'(S/H電路1及2)。特定言之，若來自第i列之像素之信號未飽和，則確定電路142操作S/H電路1以在其中保持來自第i列之像素之信號。若來自第i列之像素之信號已飽和，則確定電路142不操作S/H電路1及2兩者。
[第i+1列]
確定電路142參考旗標FL之值。若來自第i列之像素之信號已飽和，則確定電路142引起S/H電路1接收經受由CDS電路141進行之CDS處理的來自第i+1列之像素之信號。若來自第i列之像素之信號未飽和，則確定電路142引起S/H電路2接收經受由CDS電路141進行之CDS處理的來自第i+1列之像素之信號。
[第i+2列]
確定電路142參考旗標FL之值。若來自第i列之像素之信號已飽和，則確定電路142引起S/H電路2接收經受由CDS電路141進行之CDS處理的來自第i+2列之像素之信號。若來自第i列之像素之信號未飽和，則確定電路142不操作S/H電路1及2兩者。
[AD轉換及此後]
接著，AD轉換電路143對由S/H電路1保持之信號執行AD轉換過程，且將經AD轉換之信號傳遞至計算電路147。接著，AD轉換電路143對由S/H電路2保持之信號執行AD轉換過程，且將經AD轉換之信 號傳遞至計算電路147。
在由確定電路142所傳遞之旗標FL之值及由AD轉換電路143進行之兩個AD轉換之結果的基礎上，計算電路147執行動態範圍增加過程。已向計算電路147輸入第i列、第i+1列及第i+2列之各別累積時間之資訊(其為所有行共有的)。
此外，若待計算之信號為來自第i列之像素之信號及來自第i+1列之像素之信號，則計算電路147執行Si×(1-α1)+Si+1×r1×α1之計算過程且保持計算結果。
本文中，Si表示第i列之信號，Si+1表示第i+1列之信號，r1表示在第i列之像素與第i+1列之像素之間的敏感度比，且α1表示係數。如圖12中所說明，係數α1採用自零至一之範圍中之值，其由第i列之信號Si確定。在接近於飽和位準之區域中，將係數α1設定至一值，分攤比(contribution ratio)隨其增加(接近於一之值)。特定言之，在高達大約一半飽和位準之區域中係數α1為零，且在高於大約一半飽和位準之區域中根據第i列之信號Si線性地自零改變至一。
若待計算之信號為來自第i+1列之像素之信號及來自第i+2列之像素之信號，則計算電路147執行Si+1×r1×(1-α2)+Si+2×r2×α2之計算過程且保持計算結果。
本文中，Si+2表示第i+2列之信號，r2表示在第i列之像素與第i+2列之像素之間的敏感度比，且α2表示係數。如圖13中所說明，係數α2採用自零至一之範圍中之值，其由第i+1列之信號Si+1確定。在接近於飽和位準之區域中，將係數α2設定至一值，分攤比隨其增加(接近於一之值)。特定言之，係數α2在高達大約一半飽和位準之區域中為零，且在高於大約一半飽和位準之區域中根據第i+1列之信號Si+1線性地自零改變至一。
來自三個像素之信號因此由行電路14A-4處理，且將表示處理結 果之來自計算電路147之輸出讀出至圖1中所說明之水平匯流排18。藉此，合成且讀出來自三個像素中之兩個像素之信號。
若高敏感度像素之最初讀出信號已飽和，則高敏感度像素之信號不經受AD轉換過程。因此，合成且輸出中間敏感度像素之信號及低敏感度像素之信號。此外，若高敏感度像素之最初讀出信號未飽和，則高敏感度像素之信號及中間敏感度像素之信號經受AD轉換且經合成。低敏感度像素之信號不經受AD轉換過程。因此，將用於三個信號之AD轉換電路143之操作減少至兩個AD轉換過程。
圖14A及圖14B為各自說明根據第三特定實例之行電路14A-4之操作之時間次序的時序圖。圖14A及圖14B說明兩個處理實例。
在圖14A之第一處理實例中，自第i列之像素至第i+2列之像素讀出信號，且此後執行兩個AD轉換。圖14B之第二處理實例基本上與圖14A之第一處理實例相同。然而，在圖14B之第二處理實例中，緊接在自第i+2列之像素讀出信號之後，執行自第i+3列之像素讀出信號，以使得與來自第i+3列之像素的信號之讀出過程並行地執行AD轉換過程。
本文中，如先前所描述，飽和指代信號主要在信號不實質上線性地回應於入射光之量的位準之狀態。在根據第三特定實例之行處理中，以敏感度之遞降次序自像素讀出信號。然而，在以敏感度之遞升次序自像素讀出信號的狀況下亦可達成行處理。
如上所述，藉由將用於三個信號之AD轉換電路143的操作減少至兩個AD轉換過程，可減少AD轉換過程之數目。因此，與對三個信號執行三個AD轉換過程之狀況相比，本實例可增加信號處理速度。此外，若允許本實例之處理速度為與對三個信號執行之三個AD轉換過程之處理速度相同的處理速度(低速)，則可改良低速信號處理之準確度(例如，AD轉換過程之轉換準確度)。藉由減少AD轉換過程之數 目，亦可達成較低電力消耗。
(像素電路)
圖15為說明根據第一實施例之像素電路之組態之實例的電路圖。如圖15中所說明，上部及下部兩個像素30U及30L分別包括：為光電轉換元件之光電二極體(PD)31U及31L，及傳輸電晶體32U及32L。此外，上部及下部兩個像素30U及30L經組態以共用電路元件中的一些，(例如)包括重設電晶體33、選擇電晶體34及放大器電晶體35的三個電晶體。
在本實例中，像素電晶體32U、32L及33至35中之每一者(例如)使用N通道MOS電晶體，但不限於此。此外，對於傳輸電晶體32U及32L、重設電晶體33及選擇電晶體34之驅動控制，為該等列中之每一者提供傳輸控制線1211U及1211L、重設控制線1212及選擇控制線1213作為先前描述之像素驅動線121。
傳輸電晶體32U連接於光電二極體31U之陰極電極與浮動擴散區(FD：浮動擴散電容)36之間，且傳輸電晶體32L連接於光電二極體31L之陰極電極與浮動擴散區36之間。經由傳輸控制線1211U向傳輸電晶體32U之閘電極供應高態有效傳輸脈衝TRGu，且經由傳輸控制線1211L向傳輸電晶體32L之閘電極供應高態有效傳輸脈衝TRGl。藉此，傳輸電晶體32U及32L分別將由光電二極體31U及31L光電轉換且累積於光電二極體31U及31L中之電荷(本文中為電子)傳輸至浮動擴散區36。浮動擴散區36充當電荷-電壓轉換單元，其將電荷轉換為電壓信號。
重設電晶體33之汲電極及源電極分別連接至電源電壓Vdd之電源線及浮動擴散區36。在將電荷自光電二極體31U及31L傳輸至浮動擴散區36之前，經由重設控制線1212向重設電晶體33之閘電極供應高態有效重設脈衝RST。藉此，重設電晶體33重設浮動擴散區36之電位。
選擇電晶體34之汲電極及閘電極分別連接至電源電壓Vdd之電源線及選擇控制線1213。經由選擇控制線1213向選擇電晶體34之閘電極供應高態有效選擇脈衝SEL。藉此，選擇電晶體34使單元像素(30U或30L)進入選定狀態。
放大器電晶體35之閘電極、汲電極及源電極分別連接至浮動擴散區36、選擇電晶體34之源電極及垂直信號線122。隨著選擇電晶體34使單元像素(30U或30L)進入選定狀態，放大器電晶體35將來自單元像素(30U或30L)之信號輸出至垂直信號線122。
特定言之，放大器電晶體35輸出由重設電晶體33重設之浮動擴散區36之電位作為重設位準。此外，放大器電晶體35在傳輸電晶體32U或32L將電荷自光電二極體31U或31L傳輸至其之後輸出浮動擴散區36之電位作為信號位準。
在本文中所描述之實例中，單元像素30中之每一者基於包括傳輸電晶體32U或32L、重設電晶體33、選擇電晶體34及放大器電晶體35之四電晶體組態。然而，本實例僅為一實例。亦即，單元像素30之像素組態不限於基於四電晶體組態之像素組態，且因此可為(例如)基於三電晶體組態之像素組態。
此外，在以上所述組態之像素電路中，選擇電晶體34連接於電源電壓Vdd之電源線與放大器電晶體35之間。然而，選擇電晶體34亦可經組態以連接於放大器電晶體35與垂直信號線122之間。
根據以上所述組態之像素電路，電荷在已自光電二極體31U或31L傳輸至浮動擴散區36之後經偵測。因此，兩個像素30U及30L共用相同的浮動擴散區36以作為電荷之傳輸目的地。藉此，兩個像素30U與30L之敏感度特性被均等化。作為連接至放大器電晶體35之閘電極之節點的浮動擴散區36具有寄生電容。因此，不特別有必要準備電容元件。
如上所述，在包括單元像素30(其為以列及行配置之水平方向上長的矩形像素)的CMOS影像感測器10中，有可能藉由使用來自形成一組之上部及下部兩個像素30U及30L之各別信號中之較佳者而獲得以下操作效應。通常，若在選自上部及下部兩個像素30U及30L之各別信號的信號(或自其合成的信號)基礎上產生視訊信號，則會減小垂直方向(正交方向)上之解析度。
然而，在以上所述組態之CMOS影像感測器10中，垂直方向上之解析度及水平方向上之解析度相等，且可大體上類似於正方形像素地處理上部及下部兩個像素30U及30L。在影像中，垂直方向上之取樣間距僅在上部及下部兩個像素30U及30L之間的過渡區域中不相等，在該過渡區域中信號量改變。因此，為了完整性起見，可另外對該區域執行一個小過程。
同時，若垂直方向上之像素間距隨同像素之小型化一起減小且變得小於接收入射光之光學系統之解析度，則CMOS影像感測器10之解析度不由垂直方向上之像素間距而由光學系統之解析度確定。因此，若垂直方向上之像素間距小於接收入射光之光學系統之解析度，則大體上不必要對在上部及下部兩個像素30U及30L之間的過渡區域執行以上所述之小過程(在該過渡區域中信號量改變)。
亦即，若使像素小型化超過解析度之限度，且垂直方向上之像素間距變得小於接收入射光之光學系統之解析度，則使用來自上部及下部兩個像素30U及30L之各別信號中之較佳者。藉由如此做，有可能改良在現有技術中在相同解析度下惡化之成像特性。舉例而言，若上部及下部兩個像素30U及30L中之任一者之信號為高敏感度信號且另一像素之信號為低敏感度信號，且若高敏感度信號已飽和，則將低敏感度信號用於產生視訊信號。藉此，可增加關於光輸入之動態範圍。
(修改實例)
在許多CMOS影像感測器中，個別晶片上彩色濾光片40具備置放於其上之晶片上透鏡以供各別像素改良敏感度。在第一實施例中，單元像素30中之每一者具有水平方向上長的形狀。因此，難以藉由使用晶片上透鏡精密地收集光。此係由於難以產生非圓形的晶片上透鏡，且首先難以藉由使用非圓形透鏡收集光。
[第一修改實例]
為了解決藉由使用晶片上透鏡收集光的問題，較佳採用具有100%之孔徑比且不使用晶片上透鏡之像素結構，如背面入射型像素結構或光電轉換薄膜層壓型像素結構。背面入射型像素結構自佈線層之相反側接收入射光。光電轉換薄膜層壓型像素結構在層壓於佈線層之入射光側上之光電轉換薄膜處執行光電轉換。以下將描述背面入射型像素結構之實例。
圖16為說明背面入射型像素結構之實例之橫截面圖。本文中，說明兩個像素之橫截面結構。
在圖16中，光電二極體42及像素電晶體43形成於矽部分41中。亦即，矽部分41為裝置形成部分。本文中，光電二極體42對應於圖15之光電二極體31U及31L。此外，像素電晶體43對應於圖15之電晶體32U、32L及33至35。
在矽部分41之一側上，形成彩色濾光片45，同時插入層間薄膜44。藉由此結構，自矽部分41之一側入射之光經由彩色濾光片45被導引至光電二極體42之各別光接收表面上。在矽部分41之另一側上，形成佈線部分46，其中提供像素電晶體43之各別閘電極及金屬佈線。藉由黏合劑47將背向矽部分41的佈線部分46之表面與支撐基板48黏貼。
在以上所述之像素結構中，形成有光電二極體42及像素電晶體43之矽部分41具有將被稱為正面側之面向佈線部分46之側面，及將被 稱為背面側之背向佈線部分46之側面。在以上所述之定義的基礎上，自矽部分41之背面側接收入射光的本像素結構為背面入射型像素結構。
根據背面入射型像素結構，自佈線部分46之相反側接收入射光，且因此孔徑比可增加至100%。此外，佈線部分46不位於入射光接收側上。因此，可在不使用晶片上透鏡的情況下在光電二極體42之各別光接收表面上收集入射光。結果，本實例可解決藉由使用晶片上透鏡收集光之問題，該問題在單元像素30中之每一者為在垂直方向及水平方向上具有不同大小之矩形像素時出現。
[第二修改實例]
在以上所述之第一實施例中，分別對奇數列及偶數列執行快門掃描而引起累積時間之差異且因此給上部及下部兩個像素提供不同敏感度。或者，可採用提供不同敏感度之另一方法。舉例而言，可將ND(中性密度)濾光片僅黏貼於偶數列上，或可將晶片上透鏡49僅提供至奇數列中之單元像素30，如圖17中所說明，藉此給上部及下部兩個像素提供不同敏感度。本文中，ND濾光片指代一種光量調整濾光片，其在不影響色彩的情況下實質上均一地減少可見範圍光的量。
[第二實施例]
圖18為說明根據第二實施例之像素陣列區段12中之像素陣列之實例的組態圖。如圖18中所說明，像素陣列區段12包括各自包括光電轉換元件且以多個列及行二維配置之單元像素30。此處，單元像素30中之每一者為所謂的垂直方向上長的矩形像素，其垂直大小(行方向)為水平大小(列方向)的兩倍，亦即，其具有2：1之垂直與水平間距比。
若CMOS影像感測器10能夠拾取彩色影像，則在水平方向上鄰近之複數個(例如，兩個)單元像素30形成一組。左右兩個像素之該組具備具有相同色彩之晶片上彩色濾光片40。特定言之，奇數列中之每一 者包括具有重複GGBB組合之色彩陣列，且偶數列中之每一者包括具有重複RRGG組合之色彩陣列。左右兩個像素之色彩相同。因此，一彩色濾光片可覆蓋左右兩個像素。
在像素陣列區段12之像素陣列中，單元像素30中之每一者為具有2：1之垂直與水平大小比之垂直方向上長的矩形像素。因此，如圖18中所說明，左右兩個像素之組的個別晶片上彩色濾光片40之形狀為正方形。將正方形晶片上彩色濾光片40提供至像素陣列，在該像素陣列中，色彩陣列中之具有重複GR組合之兩行與色彩陣列中之具有重複BG組合之兩行交替。因此，晶片上彩色濾光片40之總色彩陣列為拜耳陣列。
藉由經組態以具有基於兩個像素之單元之色彩陣列的晶片上彩色濾光片40，獲得類似於第一實施例之優點的優點。亦即，隨同CMOS過程之小型化一起，已日益使像素小型化。然而，已變得日益難以與像素之小型化一致地使彩色濾光片小型化。此係由於難以使彩色濾光片小型化同時防止其角之磨圓及剝落且同時維持其光譜特性。然而，以上所述組態實例之晶片上彩色濾光片40可形成為經組合的兩個像素之大小，且因此在像素之小型化方面為有利的。
(掃描方法)
參看圖19，現將描述對根據第二實施例之像素陣列區段12之像素陣列(亦即，色彩陣列中之具有重複GR組合之兩行與色彩陣列中之具有重複BG組合之兩行交替之像素陣列)執行的掃描方法。根據由圖1之垂直驅動區段13進行之驅動操作執行該掃描。
在偶數行與奇數行之間對不同電子快門列執行根據第二實施例之掃描。藉此，偶數行及奇數行具有不同累積時間及因此不同敏感度。對列中之每一者執行讀出操作兩次，亦即，首先對奇數行且接著對偶數行。在本實例中，來自奇數行中之像素中之每一者之信號為對 應於長時間累積之高敏感度信號，且來自偶數行中之像素中之每一者之信號為對應於短時間累積之低敏感度信號。
(像素電路)
圖20為說明根據第二實施例之像素電路之組態之實例的電路圖。在圖式中，等效於圖15之組件的組件由相同參考數字指定。
如圖20中所說明，根據第二實施例之像素電路經組態以使得具有相同色彩之鄰近的左右兩個像素共用電路之一部分以使左右兩個像素之間的偏移及敏感度特性均等，且分別對奇數行及偶數行執行快門操作及讀出操作。在下文，將左側上之像素30及右側上之像素30分別稱為奇數行像素30o及偶數行像素30e。
特定言之，左右兩個像素30o及30e分別包括光電二極體(PD)31o及31e及傳輸電晶體32o及32e。此外，兩個像素30o及30e共用電路元件中的一些，(例如)包括重設電晶體33、選擇電晶體34及放大器電晶體35之三個電晶體。
通常，相同列中之像素由相同線驅動，如在第一實施例中。然而，在第二實施例中，給奇數行及偶數行指派不同線以用於驅動傳輸電晶體32(32o及32e)之各別閘電極。特定言之，奇數行像素30o之傳輸電晶體32o之閘電極由用於奇數行之傳輸線1211o驅動，且偶數行像素30e之傳輸電晶體32e之閘電極由用於偶數行之傳輸線1211e驅動。
在重設電晶體33、選擇電晶體34與放大器電晶體35之間的連接關係基本上與在根據第一實施例之像素電路中之連接關係相同。然而，在根據第二實施例之像素電路中，選擇電晶體34連接於放大器電晶體35與垂直信號線122之間。同時，在根據第一實施例之像素電路中，選擇電晶體34連接於電源電壓Vdd之電源線與放大器電晶體35之間。根據第二實施例之像素電路可被替代性地組態以使得選擇電晶體34連接於電源電壓Vdd之電源線與放大器電晶體35之間，與根據第一 實施例之像素電路中類似。
在以上所述組態之像素電路中，在對奇數行之快門操作中，向重設電晶體33之閘電極供應高態有效重設脈衝RST，且向奇數行之傳輸電晶體32o之閘電極供應高態有效傳輸脈衝TRGo。藉此，移除浮動擴散區36之電荷，且此後開始奇數行之累積。同時，在對偶數行之快門操作中，向重設電晶體33之閘電極供應高態有效重設脈衝RST，且向偶數行之傳輸電晶體32e之閘電極供應高態有效傳輸脈衝TRGe。藉此，移除浮動擴散區36之電荷，且此後開始偶數列之累積。
(行處理區段)
圖21為說明根據第二實施例之行電路14B之組態之實例的方塊圖。在圖式中，等效於圖4之組件的組件由相同參考數字指定。
在第二實施例中，鄰近的左右兩個像素30o及30e形成一組。因此，將根據第二實施例之行電路14B提供用於每兩個鄰近的行。此外，行電路14B經組態以包括CDS電路141、確定電路142、AD轉換電路143及鎖存器144，且亦包括提供至行電路14B之輸入區段且由(例如)用於在奇數行與偶數行之間進行選擇的開關形成之選擇區段148。
選擇區段148首先選擇來自奇數行之信號且接著選擇來自偶數行之信號。歸因於選擇區段148之選擇，來自奇數行之信號及來自偶數行之信號由CDS電路141、確定電路142、AD轉換電路143及鎖存器144依序處理。CDS電路141、確定電路142、AD轉換電路143及鎖存器144執行類似於第一實施例之處理操作之處理操作。
如上所述，根據包括單元像素30(其為具有2：1之垂直與水平大小比且以列及行配置之垂直方向上長的矩形像素)的CMOS影像感測器10，即使使像素小型化超過解析度之限度且水平方向上之像素間距變得小於接收入射光之光學系統之解析度，仍可改良成像特性。舉例而言，若左右兩個像素30o及30e中之任一者之信號為高敏感度信號且另 一像素之信號為低敏感度信號，且若高敏感度信號已飽和，則將低敏感度信號用於產生視訊信號。藉此，可增加關於光輸入之動態範圍。
[第三實施例]
在第二實施例中，像素電路之一部分由左右兩個像素30o及30e共用。同時，第三實施例採用大型CMOS影像感測器，且經組態以使得像素電路之一部分不由左右兩個像素30o及30e共用。在提供額外過程之組態中，如在大型CMOS影像感測器中，即使像素30o及30e不共用像素電路之一部分，仍可在鄰近的左右兩個像素30o及30e之間使偏移及敏感度特性均等。本實施例之像素陣列及色彩編碼與第二實施例之像素陣列及色彩編碼相同。
(像素電路)
圖22為說明根據第三實施例之像素電路之組態之實例的電路圖。在圖式中，等效於圖20之組件的組件由相同參考數字指定。
如圖22中所說明，在根據第三實施例之像素電路中，左右兩個像素30o及30e不共用像素電路之一部分，但給相同列之奇數行及偶數行指派不同線以用於驅動傳輸電晶體32o及32e之各別閘電極。特定言之，奇數行像素30o之閘電極由用於奇數行之傳輸線1211o驅動，且偶數行像素30e之閘電極由用於偶數行之傳輸線1211e驅動。將來自左右兩個像素30o及30e之(具有信號位準及重設位準的)各別信號分別讀出至用於奇數行及偶數行之不同垂直信號線122o及122e。
(掃描方法)
藉由分別經由用於相同列中之奇數行及偶數行之不同傳輸線1211o及1211e執行的傳輸及驅動操作，有可能在快門操作中分別掃描奇數行及偶數行，且在讀出操作中同時掃描奇數行及偶數行。圖23說明掃描之程序。如圖23中所說明，分別對奇數行及偶數行執行快門操作，但同時對列中之每一者執行讀出操作。
(行處理區段)
圖24為說明根據第三實施例之行電路14C之組態之實例的方塊圖。在圖式中，等效於圖4之組件的組件由相同參考數字指定。
在第三實施例中，在左右兩個像素30o及30e中分別經由不同垂直信號線122o及122e供應信號位準及重設位準。因此，根據第三實施例之行電路14C經組態以包括分別用於奇數行及偶數行之不同CDS電路141o及141e。
在行電路14C中，CDS電路141o及141e分別對奇數行及偶數行執行去雜訊處理，且向確定電路142分別供應奇數行之去雜訊信號及偶數行之去雜訊信號。確定電路142確定要使用奇數行之信號及偶數行之信號中之哪一者。舉例而言，若對應於長時間累積之奇數行之信號未達到飽和位準，則要使用奇數行之信號。若奇數行之信號已達到飽和位準，則要使用偶數行之信號。接著，確定電路142選擇待使用之信號，且輸出信號及確定結果。
AD轉換電路143對由確定電路142供應之信號執行AD轉換，且將經AD轉換之信號寫入至鎖存器144中。將確定結果經由AD轉換電路143寫入至鎖存器144中以作為旗標FL。接著，在隨後階段處理確定結果及信號以獲得具有增加的動態範圍之影像。與第二實施例相比，本實施例對列中之每一者僅執行一個讀出操作，且因此在高速處理方面為有利的。
亦在第三實施例中，可獲得類似於第二實施例之操作效應之操作效應。舉例而言，若左右兩個像素30o及30e中之任一者之信號為高敏感度信號且另一像素之信號為低敏感度信號，且若高敏感度信號已飽和，則將低敏感度信號用於產生視訊信號。藉此，可增加關於光輸入之動態範圍。
<3. 修改實例>
以上所述之第一實施例至第三實施例經組態以使得將各自具有1：2(2：1)之垂直與水平大小比之矩形像素用作單元像素30，且單元像素30中之每上部及下部兩個像素或每左右兩個像素形成一組。然而，組態不限於此。舉例而言，可修改組態以使得將像素之垂直與水平大小比設定為1：3或1：4，且像素中之每三個或四個垂直或水平鄰近的像素形成一組。藉由此組態，可處理來自三個或四個像素之信號。
此外，第一實施例至第三實施例經組態以輸出形成一組之兩個像素中之任一者之信號。可修改該組態以自兩個像素之各別信號合成單一信號。若因此自形成一組之複數個像素之信號選擇或合成單一信號，則可獲得類似來自正方形像素之信號的信號。
此外，在第一實施例至第三實施例中，例如，已描述經執行以增加動態範圍之信號處理。然而，信號處理不限於此實例。舉例而言，當兩個像素形成一組時，當光自諸如發光二極體之光源發射且施加至物體以偵測物件時，來自像素中之一者之信號可用作基於由物體反射之光的物體信號。此外，來自另一像素之信號可用作基於物體之背景光之背景信號。接著，若對來自兩個像素之各別信號執行減法處理以自減法結果移除背景光，則可獲得看似來自正方形像素(正方形柵格)之信號的信號。
如上所述，除了用於增加動態範圍之應用實例以外，可想像多種其他應用。在任何狀況下，當將來自兩個像素之信號作為來自正方形像素之信號加以處理時，較佳情況為像素陣列之垂直方向上之像素間距及水平方向上之像素間距中之較短者等於或小於接收入射光之光學系統之解析度。
此外，第一實施例至第三實施例經組態以將來自R、G及B像素之信號讀出至共同垂直信號線122。可修改該組態以將來自R、G及B像素之信號讀出至不同垂直信號線。舉例而言，如圖25中所說明，可將 來自G像素之信號及來自B及R像素之信號分別讀出至不同垂直信號線122g及122br。
在此種狀況下，例如，將用於G像素之行電路14g提供於像素陣列區段12之下部側上，且將用於B及R像素之行電路14br提供於像素陣列區段12之上部側上。此外，將來自G像素之信號經由垂直信號線122g讀出至圖式之下部側，而將來自B及R像素之信號經由垂直信號線122br讀出至圖式之上部側。接著，分別在行電路14g及14br處執行諸如去雜訊之信號處理。
此外，在第一實施例至第三實施例中，已描述將本發明應用於能夠拾取彩色影像之CMOS影像感測器之實例。然而，本發明同樣適用於能夠拾取單色影像之CMOS影像感測器。
上文已描述將本發明應用於CMOS影像感測器之實例，該CMOS影像感測器包括以列及行配置且偵測作為實體量的根據可見光之光量的信號電荷之單元像素。然而，本發明之應用不限於CMOS影像感測器。因此，本發明大體上可應用於固態成像裝置，諸如，CCD影像感測器。
固態成像裝置可具體化為一個晶片，或為具有成像功能且包括作為一封裝之成像區段及信號處理區段或光學系統之模組。
<4. 電子設備>
根據本發明之實施例之固態成像裝置大體上可安裝且用於電子設備中，該等電子設備在其影像捕獲單元(光電轉換單元)中使用固態成像裝置。電子設備包括諸如數位靜態相機及視訊相機之成像設備(相機系統)、諸如行動電話之具有成像功能之行動終端機設備、在其影像讀取單元中使用固態成像裝置之影印機等等。在一些狀況下，安裝於電子設備中之以上所述模組狀實施例(亦即，相機模組)形成成像設備。
(成像設備)
圖26為說明根據本發明之實施例之電子設備中之一者(例如，成像設備)的組態之實例之方塊圖。如圖26中所說明，根據本發明之實施例之成像設備100包括一包括透鏡群101等等之光學系統、一成像裝置102、一用作相機信號處理單元之DSP電路103、一圖框記憶體104、一顯示裝置105、一記錄裝置106、一操作系統107、一電源系統108等等。成像設備100經組態以使得DSP電路103、圖框記憶體104、顯示裝置105、記錄裝置106、操作系統107及電源系統108經由匯流排線109相互連接。
透鏡群101自物體接收入射光(影像光)，且在成像裝置102之成像表面上形成影像。成像裝置102以像素為單位將由透鏡群101形成為成像表面上之影像之入射光之光量轉換為電信號，且輸出經轉換之電信號以作為像素信號。作為成像裝置102，可使用根據以上實施例之諸如CMOS影像感測器10之固態成像裝置。
此處，成像裝置102中的像素陣列之垂直方向上之像素間距及水平方向上之像素間距中之較短者等於或小於包括透鏡群101之光學系統之解析度。DSP電路103自成像裝置102接收像素信號及指示像素信號為對應於長時間累積之高敏感度信號抑或對應於短時間累積之低敏感度信號之信號(圖4、圖21及圖24中之旗標FL)，且執行信號處理以用於增加動態範圍。
特定言之，若由成像裝置102所供應之旗標FL指示高敏感度信號未飽和(FL=0)，則DSP電路103藉由使用連同旗標FL作為一對提供之高敏感度信號而產生視訊信號。若旗標FL指示高敏感度信號已飽和(FL=1)，則DSP電路103藉由使用連同旗標FL作為一對提供之低敏感度信號之信號位準合成飽和位準而產生視訊信號。藉由以上所述之信號處理，可增加關於光輸入之動態範圍。
由DSP電路103執行之處理與經執行以處理來自正方形像素之信號之信號處理相同。不言而喻，可考慮到像素之實際配置來設計處理。然而，若處理與對來自正方形像素之信號執行之信號處理相同，則無必要考慮到像素之實際配置改變所設計之信號處理。因此，可以比考慮到像素之實際配置所設計之信號處理更低的成本產生大體上相同的影像。此外，有可能使複數個像素看似正方形像素同時減少複數個像素之信號量。因此，本信號處理可以較低電力消耗達成，且為極其多用途的。
顯示裝置105包括面板型顯示裝置，諸如，液晶顯示裝置及有機EL(電致發光)顯示裝置，且顯示由成像裝置102拾取之移動或靜態影像。記錄裝置106在諸如錄影帶及DVD(數位影音光碟)之記錄媒體上記錄由成像裝置102拾取之移動或靜態影像。
操作系統107發出關於成像設備100之多種功能之操作命令。電源系統108適當地向DSP電路103、圖框記憶體104、顯示裝置105、記錄裝置106及操作系統107供應用作其操作電源之多種電源。
如上所述，若諸如相機系統及用於行動設備(諸如行動電話)之相機模組之成像設備100使用根據以上實施例之CMOS影像感測器10作為其成像裝置102，則可獲得以下操作效應。亦即，即使成像裝置102中的像素陣列之垂直方向上之像素間距及水平方向上之像素間距中之較短者等於或小於包括透鏡群101之光學系統之解析度，仍可改良成像特性。
本申請案含有與2008年4月7日在日本專利局申請之日本優先權專利申請案第JP 2008-099111號及2009年4月7日在日本專利局申請之日本優先權專利申請案第JP 2009-092854號中揭示之內容有關的標的物，該兩案之全部內容以引用的方式併入本文中。
熟習此項技術者應理解各種修改、組合、子組合及更改可視設 計要求及其他因素而發生，只要其在附加之申請專利範圍或其均等物之範疇內便可。
30‧‧‧單元像素
40‧‧‧晶片上彩色濾光片

Claims (7)

  1. 一種固態成像裝置，其包含：一光學透鏡區段；一像素陣列區段，其具有複數個像素或複數個像素群，該複數個像素或該複數個像素群中之每一者產生一信號；一成像處理區段，其處理來自該像素陣列區段之該信號；及其中，該等像素或該等像素群中之每一者之一像素間距由該光學透鏡區段之一解析度所決定；
  2. 如請求項1之固態成像裝置，其中該等像素係一矩形形狀。
  3. 如請求項1之固態成像裝置，其中形成該正方形像素之該等矩形像素共用一彩色濾光片。
  4. 如請求項1之固態成像裝置，其中形成該正方形像素之該等矩形像素具有不同的敏感度。
  5. 如請求項4之固態成像裝置，其進一步包含：一信號處理區段，其經組態以執行將自矩形像素之該集合讀出之複數個信號作為一單一信號輸出之一過程，其中，該複數個信號係為兩個信號，其包括來自一高敏感度像素之一信號及來自一低敏感度像素之一信號，及該信號處理區段在來自該高敏感度像素之該信號不在飽和位準時，輸出來自該高敏感度像素之該信號，且在來自該高敏感度像素之該信號在該飽和位準時，輸出來自該低敏感度像素之該信號。
  6. 如請求項1之固態成像裝置，其中形成該正方形像素之該等矩形 像素共用像素電路元件。
  7. 如請求項1之固態成像裝置，其中形成該正方形像素之該等矩形像素具有自一佈線形成層之一相反側接收入射光之一背面入射型像素結構，或在層壓於一佈線形成層之一入射光側上之一光電轉換薄膜處執行光電轉換之一光電轉換薄膜層壓型像素結構。
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