TWI382756B - A solid-state imaging device, a driving method of a solid-state imaging device, and an imaging device - Google Patents

A solid-state imaging device, a driving method of a solid-state imaging device, and an imaging device Download PDF

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Description

固體攝像裝置，固體攝像裝置之驅動方法及攝像裝置
本發明係關於一種固體攝像裝置，固體攝像裝置之驅動方法及攝像裝置，尤有關於一種使用廣泛動態範圍(dynamic range)化之技術之固體攝像裝置、該固體攝像裝置之驅動方法及使用該固體攝像裝置之攝像裝置。
在固體攝像裝置，例如MOS(Metal Oxide Semiconductor，金屬氧化物半導體)型攝像裝置中，針對將包括光電轉換元件之像素以行列狀作二維配置而成之像素陣列部之各像素，使曝光時間(蓄積時間)不同，且以曝光時間之長短而獲得高靈敏度之信號與低靈敏度之信號，並將該高靈敏度之信號與低靈敏度之信號加以合成，藉此以謀求動態範圍之擴大之技術已廣為所知。
作為謀求廣泛動態範圍化之技術之一，已知有將相同像素之信號之讀取，藉由改變曝光時間而執行複數次，且將藉由複數次之讀取動作所獲得之各信號，以後段之信號處理系統加以合成，藉此以擴大動態範圍之技術(例如請參照日本專利第3680366號公報)。
上述日本專利第3680366號公報所記載之習知技術之情形，畫面之低亮度部分之資訊係從曝光時間較長之信號獲得，而高亮度部分之資訊則係從曝光時間較短之信號獲得。然而，被攝體為低亮度時，雖至少要加以延長較長一 方之曝光時間，惟在延長較長一方之曝光時間上有其極限。例如，在動態圖像中，通常只可取曝光時間到最大1/30秒為止。此外，即使是靜態圖像，為了抑制手振動或被攝體晃動，亦有不希望延長曝光時間超過一定時間之情形。
此等情形，由於即使是曝光時間較長之一方，信號量亦較小，因此要提高固體攝像裝置之增益(gain)設定。要提高增益設定，有將AD轉換前之類比增益加以提高之情形、及將AD轉換後之數位增益加以提高之情形等2種。
若提高數位增益則灰階變粗。若提高類比增益，則畫面之一部分明亮時，其明亮之部分會超過AD轉換之輸入範圍，而成為實際上明明有信號卻要將其捨棄，因而造成資訊之損失。當然，該明亮之部分之信號雖可從較短之曝光時間之信號獲得，惟與較長之曝光時間之信號相比，S/N不良為原因，而所獲得之圖像之S/N惡化。
因此，本發明之目的在提供一種固體攝像裝置、固體攝像裝置之驅動方法及攝像裝置，其在獲得靈敏度不同之複數個系統之信號以謀求廣泛動態範圍化之際，於提高類比增益時，可將因為脫離AD轉換之輸入範圍所導致之資訊之損失加以消除，獲得S/N良好之圖像。
為了達成上述目的，本發明係在具有將偵測物理量之像素以行列狀作二維配置而成之像素陣列部之固體攝像裝置及使用該固體攝像裝置之攝像裝置中，在從像素陣列部以類比讀取靈敏度不同之複數個系統之像素信號，而前述類 比之像素信號之增益設定較特定增益低時，係將前述複數個系統之像素信號以各個的基本放大率加以放大，而前述增益設定為前述特定增益以上時，係將前述複數個系統之中靈敏度較高之至少一個系統之像素信號以包括了較該靈敏度較高之系統之基本放大率高之放大率的複數個放大率，予以放大。
在上述構成之固體攝像裝置及攝像裝置中，類比增益之增益設定較特定增益更低時，係以各個的基本放大率將複數個系統之像素信號加以放大，且以後段之信號處理系統予以合成，藉此可依據複數個系統之靈敏度比而將動態範圍予以擴大。
另一方面，類比增益之增益設定為特定增益以上時，係將靈敏度較高之至少一系統之像素信號以包括了較該靈敏度較高之系統之基本放大率高之放大率的複數個放大率加以放大，且將以該複數個放大率放大之信號以後段之信號處理系統加以合成，藉此可獲得依據複數個放大率之比而經增益提高(gain up)之信號。
藉此，被攝體為低亮度等時，即使為了提高靈敏度而將類比增益提高，例如於畫面之一部分明亮時，該明亮之部分亦不會超過AD轉換之輸入範圍，因此不會從較長之曝光時間之信號漏取原本即有之信號，並且亦不會損害低亮度部之灰階。
以下參照圖式詳細說明本發明之實施形態。
圖1係為顯示本發明之一實施形態之固體攝像裝置之概略之系統構成圖。在本實施形態中，茲舉出用以將與可視光之光量對應之電荷量作為物理量而以像素單位加以偵測之例如CMOS影像感測器(image sensor)為例作為固體攝像裝置進行說明。
(CMOS影像感測器之構成)
如圖1所示，本實施形態之CMOS影像感測器10係具有將單位像素(單位感測器)11以行列狀(矩陣狀)作二維配置而成之像素陣列部12，該單位像素11係包括將入射之可視光予以光電轉換成與其光量對應之電荷量之光電轉換元件。
除該像素陣列部12之外，CMOS影像感測器10另具有：控制電路13，作為進行系統整體之控制之控制機構；垂直驅動電路14，作為將像素陣列部12之各像素11予以驅動之驅動機構；及n系統(n係2以上之整數，在本例中係n=2)之行信號處理電路15、16、水平驅動電路17、18、水平信號線19、20及輸出電路21、22，以作為將從各像素11輸出之信號進行處理之信號處理機構。
再者，本實施形態之CMOS影像感測器10係形成將2系統之信號處理機構，亦即行信號處理電路15、水平驅動電路17、水平信號線19及輸出電路21、行信號處理電路16、水平驅動電路18、水平信號線20及輸出電路27分別配置於像素陣列部12之上下兩側之系統構成。
在此系統構成中，控制電路13係從外部接收用以作出本 CMOS影像感測器10之動作模式(mode)等指令之資料，而且將包括CMOS影像感測器10之資訊之資料輸出至外部。
控制電路13進一步根據垂直同步信號Vsync、水平同步信號Hsync及主時脈(master clock)MCK而產生作為垂直驅動電路14、行信號處理電路15、16及水平驅動電路17、18等之電路動作之基準之時脈信號及控制信號等。在控制電路13所產生之時脈信號及控制信號等係供予至垂直驅動電路14、行信號處理電路15、16及水平驅動電路17、18等。
在像素陣列部12係以行列狀二維配置有單位像素11(以下亦有簡稱「像素」之情形)。如圖1所示，單位像素11係排列配置成大致正方格子。此係意味由光電轉換元件及金屬布線等所規定之光學性開口排列配置為大致正方格子，而單位像素11之電路部分並不以此為限。亦即，關於單位像素11之後述之電路部分未必需要排列配置為大致正方格子。
在像素陣列部12係進一步相對於單位像素11之行列狀排列依每一像素列沿著圖之左右方向(像素列之像素之排列方向)形成有像素驅動布線23，且依每一像素行沿著圖之上下方向(像素行之像素之排列方向)形成有垂直信號線24。此像素驅動布線23之一端係連接於與垂直驅動電路14之各像素列對應之輸出端。
垂直驅動電路14係由位移暫存器(shift register)及位址解碼器(address decoder)等所構成，且以列單位依序選擇掃描像素陣列部12之各像素11，並透過像素驅動布線23而將 所需之驅動脈衝(控制脈衝)供給至其選擇列之各像素。
關於垂直驅動電路14之具體之構成雖係省略圖示，惟其係形成為具有下列之構成；讀取掃描系統，其以列單位將用以讀取信號之像素11依序進行選擇掃描用；及掃出掃描系統，其用以相對於藉由該讀取掃描系統進行讀取掃描之讀取列，進行較該讀取掃描還領先快門速度之時間量而從該讀取列之像素11之光電轉換元件將無用之電荷予以掃出(重設)之掃出掃描。
藉由以此掃出掃描系統所進行之無用電荷之掃出(重設)，而進行所謂之電子快門動作。以下係將掃出掃描系統稱為電子快門掃描系統。在此，所謂電子快門動作係指將光電轉換元件之光電荷捨棄，而重新開始曝光(開始光電荷之蓄積)之動作。
藉由以讀取掃描系統所進行之讀取動作所讀取之信號，係與其之前瞬間之讀取動作或電子快門動作以後所入射之光量對應者。再者，從藉由之前瞬間之讀取動作所進行之讀取時序(timing)或藉由電子快門動作所進行之掃出時序，直到藉由此次讀取動作所進行之讀取時序為止之期間，係成為單位像素11中之光電荷之蓄積時間(曝光時間)。
從選擇列之各像素11所輸出之信號係透過垂直信號線24之各個而供給至行信號處理電路15或行信號處理電路16。行信號處理電路15、16係依像素陣列部12之例如每一像素行，亦即相對於像素行以1對1之對應關係分別配置於像素 陣列部12之上下。
此等行信號處理電路15、16係依像素陣列部12之每一像素列，依每一像素行接收從選擇列之各像素11輸出之信號，並對該信號進行用以將像素固有之固定圖案雜訊予以去除之CDS(Correlated Double Sampling：相關雙重取樣)、信號放大、及AD轉換等之信號處理。
另外，在此雖係舉採用相對於像素行以1對1之對應關係配置行信號處理電路15、16之構成之情形為例予以顯示，惟不限於此構成，例如，亦可採用依複數個每一像素行(垂直信號線24)1個個地配置行信號處理電路15、16，且於複數個像素行間按時間分隔來共用該行信號處理電路15、16之構成等。
水平驅動電路17係由位移暫存器及位址解碼器等所構成，其藉由將水平掃描脈衝依序輸出而將行信號處理電路15按照順序選擇。水平驅動電路18亦與水平驅動電路17同樣，係由位移暫存器及位址解碼器等所構成，其藉由將水平掃描脈衝依序輸出而將行信號處理電路16按照順序選擇。
另外，雖省略圖示，惟在行信號處理電路15、16之各輸出段係與水平信號線19、20之間連接而設有水平選擇開關。從水平驅動電路17、18依序輸出之水平掃描脈衝H1~Hx係按照順序使設於行信號處理電路15、16之各輸出段之水平選擇開關導通。此等水平選擇開關係藉由與水平掃描脈衝響應而依序導通，而將依每一像素行在行信號 處理電路17、18所處理之像素信號按照順序輸出至水平信號線19、20。
輸出電路21、22係對於從行信號處理電路15、16之各個透過水平信號線19、20而依序供給之像素信號而施以各種信號處理加以輸出。以在此等輸出電路21、22之具體之信號處理而言，係例如有僅作緩衝之情形，或亦有在緩衝之前進行黑位準調整、每一行之參差不齊之補正、信號放大、顏色關係處理等之情形。
(單位像素之電路構成)
圖2係為顯示單位像素11之電路構成之一例之電路圖。如圖2所示，本電路例之單位像素11係形成為除光電轉換元件、例如光二極體111之外，還具有例如傳送電晶體112、重設電晶體113、放大電晶體114及選擇電晶體115之4個電晶體之像素電路。
在此，作為此等電晶體112~115，係例如使用N通道之MOS電晶體。惟在此之傳送電晶體112、重設電晶體113、放大電晶體114及選擇電晶體115之導電型之組合僅係為一例，並不以此等組合為限。
相對於該單位像素11，係例如針對同一像素列之各像素共通設有傳送布線231、重設布線232及選擇布線233之3條驅動布線作為像素驅動布線23。此等傳送布線231、重設布線232及選擇布線233之各一端係以像素列單位連接於與垂直驅動電路14之各像素列對應之輸出端。
光二極體111之陽極為負側電源，例如連接於接地，其 將所接收之光予以光電轉換為與該光量(物理量)對應之電荷量之光電荷(在此係光電子)。光二極體111之陰極係經由傳送電晶體112而與放大電晶體114之閘極電性連接。茲將與該放大電晶體114之閘極電性連結之節點116稱為FD(floating diffusion，浮動擴散)部。
傳送電晶體112係連接於光二極體111之陰極與FD部116之間，且藉由高位準(例如Vdd位準)動作(active)(以下記為「High動作」)之傳送脈衝TRF經由傳送布線231而供予閘極而成為導通狀態，而將在光二極體111經光電轉換之光電荷傳送至FD部116。
重設電晶體113係分別將汲極連接於像素電源Vdd，源極連接於FD部116，且藉由High動作之重設脈衝RST經由重設布線232而供予閘極而成為導通狀態，並在從光二極體111傳送信號電荷至FD部116之前，就先藉由將FD部116之電荷棄置於像素電源Vdd而將該FD部116重設。
放大電晶體114係分別將閘極連接於FD部116，汲極連接於像素電源Vdd，且將藉由重設電晶體113重設之後之FD部116之電位作為重設位準輸出，且進一步將藉由傳送電晶體112傳送信號電荷之後之FD部116之電位作為信號位準予以輸出。
選擇電晶體115係例如分別將汲極連接於放大電晶體114之源極、源極連接於垂直信號線24，且藉由High動作之選擇脈衝SEL經由選擇布線233而供予閘極而成為導通狀態，而以單位像素11為選擇狀態將從放大電晶體114輸出 之信號中繼至垂直信號線24。
另外，關於選擇電晶體115亦可採用連接於像素電源Vdd與放大電晶體114之汲極之間之電路構成。
此外，以單位像素11而言，並不以上述構成之4個電晶體構成者為限，亦可是兼用放大電晶體114與選擇電晶體115之3個電晶體構成者等，其電路構成不予限定。
(本實施形態之特徵)
在上述構成之本實施形態之CMOS影像感測器10中，為了謀求廣泛動態範圍化，係從像素陣列部12之各像素11獲得靈敏度不同之複數個系統，在本例中係獲得2系統之信號。
垂直驅動電路14係對於像素陣列部12之各像素11執行藉由電子快門掃描系統所進行之快門掃描、及藉由讀取掃描系統所進行之2系統之讀取掃描，使像素11作為物理量偵測光量之偵測時間、亦即曝光時間不同，藉此而獲得靈敏度不同之2系統之信號(使2系統之信號之靈敏度不同)。此曝光時間(偵測時間)之長度係以2系統之讀取掃描之間隔來調整。茲具體說明如下。
在讀取掃描中，如圖3(A)所示，係以2個像素列作為2系統之讀取列1、2分別進行掃描，且從此等2列之讀取列1、2將各像素之信號讀取至垂直信號線24之各個。另外，2系統之行信號處理電路15、16係與該2系統之讀取掃描對應而設置。
藉由該垂直掃描，如圖3(B)所示，從快門列直到進行第 1次讀取掃描之讀取列1為止所掃描之時間即成為曝光時間1，而從讀取列1直到進行第2次讀取掃描之讀取列2為止所掃描之時間即成為曝光時間2，因此藉由將此等連續之2個曝光時間(蓄積時間)1、2不同，即可從相同像素連續獲得靈敏度不同之2個信號，亦即根據較短一方之曝光時間1之低靈敏度之信號、及根據較長之一方之曝光時間2之高靈敏度之信號。曝光時間1、2之設定係藉由控制電路13來進行。
將該靈敏度不同之2個信號，亦即將低靈敏度之信號與高靈敏度之信號在後段之信號處理電路(未圖示)予以合成，即可獲得動態範圍廣泛之圖像信號。此外，關於此種快門掃描及讀取掃描，係可藉由以下之構成實現。
如前所述，在具有讀取掃描系統與電子快門掃描系統(掃出掃描系統)垂直驅動電路14中，關於電子快門掃描系統係例如由位移暫存器所構成，其藉由從該位移暫存器將電子快門脈衝以像素列單位從第1列按照順序輸出，即得以進行所謂從第1列依序進行快門掃描之滾動快門(rolling shutter)動作(或焦平面快門(Focal Plane Shutter)動作)。
另一方面，讀取掃描系統係由2條位移暫存器所構成，其依序將從該2條位移暫存器選擇讀取列1、2之掃描脈衝1、2予以輸出，藉此即可進行2系統之讀取掃描。此外，以位址解碼器構成讀取掃描系統，且以該位址解碼器進行讀取列1、2之各列位址之指定，藉此亦可進行2系統之讀取掃描。
如此一來，執行藉由電子快門掃描系統所進行之快門掃描、及藉由讀取掃描系統所進行之2系統之讀取掃描，即可獲得靈敏度不同之2系統之信號。
具體而言，如圖3(A)所示，首先將快門列進行掃描，並於其後進行2個讀取列1、2之掃描。例如，從讀取列1之各像素所輸出之信號可讀取至行信號處理電路15、而從讀取列2之各像素所輸出之信號則可讀取至行信號處理電路16。讀取列1、2與行信號處理電路15、16之組合亦可不同。
讀取列1、2中之任一者之列之信號要由行信號處理電路15、16之任一者之電路所讀取，均係由行信號處理電路15、16之各個動作時序所決定。亦即，只要行信號處理電路15(16)在讀取列1之掃描時序動作，則讀取列1之各像素之信號即由行信號處理電路15(16)所讀取，而只要行信號處理電路16(15)在讀取列2之掃描時序動作，則讀取列2之各像素之信號即由行信號處理電路16(15)所讀取。
在圖3(B)中，係取橫軸為時間，其顯示掃描之情形。在此，係將讀取列1設為較短之曝光時間1，且將讀取列2設為較長之曝光時間2，而為了容易理解，茲將曝光時間1設為2列量之時間2H(H係水平期間)，且將曝光時間2設為8列量之時間8H作為一例。因而，讀取列1之各像素之靈敏度較低，而讀取列2之各像素則較高為讀取列1之各像素之4倍靈敏度。
(行信號處理電路)
圖4係為顯示行信號處理電路15、16之構成之一例之區塊圖。在圖4中，(A)係顯示行信號處理電路15之構成，而(B)則係顯示行信號處理電路16之構成。在此係為了便於說明，行信號處理電路15、16均將信號寫成從上朝下流通之方向。
行信號處理電路15係由CDS電路151、放大電路152、AD轉換電路153及閂鎖(latch)電路154所構成。
在此行信號處理電路15中，CDS電路151係進行採取從像素11透過垂直信號線24所供給之前述之重設位準與信號位準之差分之CDS處理，藉此而從與入射光之光量對應之信號位準將像素固有之固定圖案雜訊予以去除。
放大電路152係具有基本放大率(將此設為1倍)以使垂直信號線24之最大信號振幅大致收斂於AD轉換電路153之輸入範圍，且以該基本放大率將CDS電路151之輸出信號予以放大。
AD轉換電路153係將在放大電路152放大後之類比信號轉換成數位信號。閂鎖電路154係用以儲存從AD轉換電路153經由AD轉換並輸出之數位資料。
行信號處理電路16基本上亦係形成與行信號處理電路15相同之構成。具體而言，行信號處理電路16係由CDS電路161、放大電路162、AD轉換電路163及閂鎖電路164所構成。至於各電路161~164之電路動作基本上亦與行信號處理電路15之各電路151~154之電路動作相同。
惟行信號處理電路16係在下列各點與行信號處理電路15 之構成有所不同。亦即，放大電路162係具有以第1放大率將信號放大之電路系統、及以第2放大率將信號放大之電路系統之2個電路系統，且藉由來自控制電路13(請參照圖1)之指令而使2個電路系統得以切換。
在此，以第1放大率而言，係設定與行信號處理電路15之放大電路152相同之基本放大率。以第2放大率而言，係設定基本放大率之特定倍，在本例中係設定與讀取列1、2之各像素之靈敏度比(4倍)對應之4倍之放大率。
另外，在此為了容易理解，針對放大電路163雖係設成由放大率不同之2系統之電路系統所組成，且使此等2系統之電路系統可切換之構成，惟只要是為可切換放大率之構成即可。有關可切換放大率之具體之電路例將於後陳述。
此外，閂鎖電路164係由2個閂鎖電路164A、164B所組成，而得以將在放大電路162以第1放大率放大信號時之AD轉換資料加以閂鎖(儲存)、及以第2放大率放大信號時之AD轉換資料分別由閂鎖電路164A及閂鎖電路164B加以閂鎖(儲存)。
在此，為了容易理解，針對閂鎖電路164，雖係舉出2個閂鎖電路164A、164B構成之例進行說明，惟例如亦可採用將1個閂鎖電路164之位元區分為上位側與下位側，再使上位側位元與下位側位元發揮作為2個閂鎖電路之功能之構成。
在以上所說明之行信號處理電路15、16中，雖係將各基本放大率設為相等，惟此並非絕對必要之條件，兩者亦可 不同。惟行信號處理電路15、16之各基本放大率係以相等在進行以後之信號處理方面較為有利。
此外，在行信號處理電路15、16中，通常AD轉換電路153、163大多是將閂鎖電路154、164包括在內，惟在此為了便於說明，茲將AD轉換電路153、163及閂鎖電路154、164加以區別。
(在行信號處理電路中之信號處理)
接下來，以實施例1、2來說明在行信號處理電路15、16中之各信號處理。
＜實施例1＞
讀取列1之各像素之信號係如圖5(A)所示進行處理。首先，從像素11讀取信號並且進行CDS處理。接著，將CDS處理後之信號以基本放大率(1倍)加以放大，且於AD轉換後儲存於閂鎖電路154。茲將以此基本放大率放大而儲存於閂鎖電路154之信號設為S1。
讀取列2之各像素之信號係如圖5(B)所示進行處理。首先，從像素11讀取信號並且進行CDS處理。接著，將CDS處理後之信號以基本放大率之4倍加以放大，且於AD轉換後儲存於閂鎖電路164A。茲將以此基本放大率之4倍放大而儲存於閂鎖電路164A之信號設為S2。接下來，將保持於CDS電路161之相同信號以基本放大率放大，且於AD轉換後儲存於閂鎖電路164B。茲將以此基本放大率放大而儲存於閂鎖電路164B之信號設為S3。
再者，藉由以水平驅動電路17之水平掃描將儲存於閂鎖 電路154之信號S1進行讀取，並且藉由以水平驅動電路18之水平掃描而將儲存於閂鎖電路164A、164B之信號S2、S3依序進行讀取，且在後段之數位信號處理電路(未圖示)中，藉由將信號S1、S2、S3予以合成處理，而謀求廣泛動態範圍化。
信號S1係為根據讀取列1之各像素之較短曝光時間1(2H)之信號，且其係為擔任高亮度部分之信號。
信號S2係為將根據讀取列2之各像素之較長曝光時間2(8H)予以放大4倍之信號，且其係為將低亮度部分放大之信號。
信號S3係為根據讀取列2之各像素之較長曝光時間2(8H)之信號，且其係為擔任低亮度部分之信號。
通常，本CMOS影像感測器10之增益設定較特定增益更低時，係依據來自控制電路13之指令使放大電路162切換成基本放大率(1倍)。藉此，讀取列1之各像素之信號與讀取列2之各像素之信號均以基本放大率放大之各信號S1、S3即儲存於閂鎖電路154、164B。
再者，此等各信號S1、S3係由供後段之廣泛動態範圍化之信號處理所合成，亦即藉由將擔任高亮度部分之信號S1、擔任低亮度部分之信號S3予以合成，而使信號S1與信號S3之曝光時間之比，亦即靈敏度比為4倍，因此即產生動態範圍經放大4倍之圖像。
另一方面，在被攝體較暗，卻不希望將快門速度降低時，係將增益設定為高到特定增益以上。在此增益設定 中，如前所述，具有將AD轉換前之類比增益提高之情形、及將AD轉換後之數位增益提高之情形等2種，惟若將數位增益提高，則灰階會變粗，因此在本例中，係採用將類比增益提高之方法。
在增益設定之際，作為一例，係藉由從控制電路13延伸之控制線而使放大電路162內部之可變電容之電容值變化，藉以提高類比增益。
在提高增益設定時，係依據來自控制電路13之指令，將放大電路162之放大率相對於來自讀取列2之各像素之相同信號，切換成基本放大率(1倍)之4倍放大率與基本放大率。
藉此，以基本放大率將讀取列1之各像素之信號放大之信號S1、以基本放大率之4倍將讀取列2之各像素之信號放大之信號S2、以基本放大率將讀取列2之各像素之信號放大之信號S3即儲存於閂鎖電路154、164A、164B。
再者，此等各信號S1、S2、S3係藉由後段之用以廣泛動態範圍化之信號處理加以合成，亦即藉由將擔任高亮度部分之信號S1、將低亮度部分放大之信號S2、及擔任低亮度部分之信號S3加以合成，而使動態範圍對應於信號S1與信號S3之靈敏度之比而擴大，並且可獲得對應於信號S2與信號S3之放大率之比而經增益提高為4倍之信號。
換言之，茲將以讀取列1之基本放大率之信號S1藉由數位運算成4倍之信號、以讀取列2之基本放大率之4倍增益之信號S2藉由數位運算成1倍之信號、以讀取列2之基本放 大率之信號S3藉由數位運算成4倍之信號，分別設為高亮度部(16倍)、低亮度部(1倍)、中亮度部(4倍)之信號。
藉此，在被攝體為低亮度等時，即使為了提高靈敏度將AD轉換前之類比增益提高，於例如畫面之一部分明亮時，該明亮之部分亦不會有超過AD轉換之輸入範圍之情形，因此從較長曝光時間之信號不會取超過原本即有之信號，而且不會損害低亮度部之灰階。其結果，即可將超出AD轉換之輸入範圍所導致之資訊之損失加以消除，而獲得S/N良好之圖像。
在此，設定較高增益為特定增益以上時，低亮度部之信號S2所施加的量，乍見之下動態範圍有如更進一步擴展到4倍，惟由於僅係改變信號S3之增益而附加者，因此在本質上並未改變。AD轉換之灰階較放大率1時之AD轉換前之雜訊更大時，該量會增大。
＜實施例1之變形例＞
圖6係為顯示放大電路之放大率為可變之行信號處理電路16A之變形例之區塊圖。
本變形例之行信號處理電路16A係作成下列構成：將讀取列2之各像素之信號位準，例如經由CDS電路161之信號位準之大小進行判斷，若該信號位準較特定之位準更小時，係將放大電路162之放大率設為基本放大率之4倍，若為特定位準以上時，則將放大電路162之放大率設為基本放大率(1倍)。
如此，藉由採用依據讀取列2之各像素之信號位準將放 大電路162之放大率切換為基本放大率之4倍與1倍之構成，就不再需要如實施例1之情形要區分為以基本放大率之4倍將讀取列2之各像素之信號放大之信號S2、及以基本放大率將讀取列2之各像素之信號放大之信號S3而予以閂鎖，因此可以1個閂鎖電路來構成閂鎖電路164，換言之，可將閂鎖電路削減1個。
＜實施例2＞
在實施例2之行信號處理中，係採用將電路或處理簡化之方法，而非盡量將動態範圍擴大。依據製品不同，亦有以此等之方法為較佳者。
茲將該處理序列之一例顯示於圖7。在此係由於設定高增益時之情況，將讀取列1、2與行信號處理電路15、16之組合設成與實施例1相反。如前所述，讀取列1、2與行信號處理電路15、16之組合係為任意。
在設定較特定增益更低之增益時，係將讀取列1之各像素之信號讀取至行信號處理電路16，且將讀取列2之各像素之信號讀取至行信號處理電路15。再者，在行信號處理電路15、16之任一者中，均係以基本放大率放大且進行AD轉換。
在設定較高之增益為特定增益以上時，係在藉由控制電路13之控制下，一面進行藉由讀取列1側之讀取掃描系統之掃描，一面不將讀取列1之各像素之信號讀取至垂直信號線24。讀取列2之曝光時間係維持為8H。至於讀取列2之各像素之信號，則係讀取至行信號處理電路15、16之兩 方。再者，在行信號處理電路15中係以基本放大率放大且進行AD轉換而儲存於閂鎖電路154，而在行信號處理電路16中則係以基本放大率之4倍放大且進行AD轉換而儲存於例如閂鎖電路164A。
在此實施例2之行信號處理中，於設定較高增益時，並不使用讀取列1之較短曝光時間1之信號，因此動態範圍之擴大雖只有AD轉換之灰階所產生效果，惟具有可將行信號處理電路16側之一方之閂鎖電路(在本例中係為閂鎖電路164B)加以削減，並且使行信號處理電路15、16之AD轉換次數均一，且可使信號之位元數為一定之優點。
由以上所述可明瞭，實施例1、2均為在增益設定為特定增益以上時，將較長曝光時間2之各像素之信號，亦即將靈敏度較高之信號，以基本放大率(在本例中係為1倍)與較其高之放大率(在本例中係為基本放大率之4倍)之複數個放大率放大且進行AD轉換，藉此即使提高類比增益，亦未捨棄較長曝光時間之資訊，而可獲得S/N良好之圖像。
此時，關於較短曝光時間1之各像素之信號，亦即靈敏度較低之信號，係比相對於靈敏度較高之信號之放大率之最大(在本例中為4倍)更低之1個放大率，在本例中係僅以基本放大率放大，因此不需要額外之電路或消耗電力，動作速度不須減慢即可獲得所需之信號。
在上述實施例1、2中，雖係將2個放大率之比設為4倍，且將靈敏度之比之曝光時間1、2之比亦設為4倍，而放大率之比與靈敏度之比設定為相等，然而此等未必設為相等 亦可。
惟將放大率之比與靈敏度之比設定為相等，在處理信號上較為合適。例如，在實施例2中，由於放大率之比與靈敏度之比相等，因此在較低增益設定時與較高增益設定時，可使信號之位元數均一。
在此，放大率之比與靈敏度之比相等並非僅指完全一致之情形，只要誤差在5%以下則可視為大致相等。亦即，在適用本發明之際，一般而言，放大率之比與靈敏度之比未必須要完全一致。即使有5%左右之些許誤差，在之後合成信號時亦可調整其誤差量。
另外，在上述實施形態中，作為靈敏度不同之複數個系統之信號，雖舉出讀取2個系統之信號之情形為例進行說明，惟本發明並不以2個系統之信號為限，在讀取3個以上系統之信號時亦同樣適用。
具體而言，只要從像素陣列部12將靈敏度不同之複數個系統之像素信號以類比進行讀取，且於增益設定較特定增益更低時，以各個基本放大率將複數個系統之像素信號予以放大，而於增益設定為特定增益以上時，則將複數個系統之中靈敏度較高之至少1個系統之像素信號，以包括較該靈敏度較高之系統之基本放大率更高之放大率之複數個放大率予以放大即可(包括實施例1、2)。
在此，於以複數個放大率之放大中，係設為亦包括有在每一像素僅以1個放大率放大之情形，如同在靈敏度較高之至少1個系統之中，某像素以基本放大率放大，而某像 素以較基本放大率更高之放大率放大之情形(相當於實施例1之變形例)。
再者，增益設定為前述特定增益以上時，係設成將複數個系統之中，靈敏度較低之至少1個系統之像素信號，以較靈敏度較高之系統之複數個放大率之最大更低之1個放大率放大(相當於實施例1)。
或者，在增益設定為特定增益以上時，並不使用複數個系統之中，靈敏度較低之至少1個系統之像素信號，而是以靈敏度較高之至少1個系統之像素信號藉由複數個放大率之任一者加以放大(相當於實施例2)。
(行信號處理電路之電路例)
無論實施例1、2之行信號處理電路15、16(16A)，其4個構成要素，亦即CDS電路151、161、放大電路152、162、AD轉換電路153、163及閂鎖電路154、164不須獨立。
以下說明在放大電路之放大率為可變之行信號處理電路16中兼用構成要素時之具體之電路例1、2。
＜電路例1＞
圖8係為顯示以一般電荷電壓轉換放大器(amplifier)構成CDS電路與放大電路之電路例1之行信號處理電路之電路圖。
構成電路例1之行信號處理電路之一部分之電荷電壓轉換放大器30係形成為公知之電路構成，具有：一端連接於垂直信號線24之第1開關31；第1開關31之另一端與任意之固定電位V0之間所連接之第2開關32；輸入端連接於第1開 關31之另一端之輸入電容33；反轉(-)輸入端子連接於輸入電容33之輸出端，且箝制(clamp)電壓Vclp供予至非反轉(+)輸入端子之差動放大器34；差動放大器34之反轉輸入端子與輸出端子之間所連接之第3開關35；及於差動放大器34之反轉輸入端子與輸出端子之間串聯連接之反饋電容36及第4開關37(請參照例如日本特開2005-269471號公報)。
在上述構成之電荷電壓轉換放大器30中，係藉由輸入電容33與反饋電容36之電容比來決定放大率。因此，藉由將反饋電容36設為可變電容，且將該電容值進行切換，即可將電荷電壓轉換放大器30之放大率從例如基本放大率(1倍)轉換成其4倍之放大率。
此外，作為反饋電容36，例如，將具有與基本放大率對應之電容值之反饋電容36A、及具有與基本放大率之4倍對應之電容值之反饋電容36B加以並聯設置，且選擇其中任一者，藉此將電荷電壓轉換放大器30之放大率以基本放大率與其4倍之放大率來切換亦可。
＜電路例2＞
圖9係為顯示從CDS電路到AD轉換電路為止為不可分之電路例2之行信號處理電路之電路圖。
電路例2之行信號處理電路40係形成為公知之電路構成，具有：一端連接於垂直信號線24之第1開關41；在位於行信號處理電路40之外部之DA轉換電路42之輸出端與第1開關41之另一端之間串聯連接之第2開關43及第1電容 器44；一端連接於第1開關41之另一端之第2電容器45；輸入端連接於第2電容器45之另一端之變頻器(inverter)46；在變頻器46之輸入端與輸出端之間所連接之第3開關47；及輸入端連接於第3開關47之另一端之計數器48(請參照例如專利第3361005號公報)。
在上述構成之行信號處理電路40中，係將從DA轉換電路42輸出之基準電壓Vref之波形設為斜坡(ramp)波形，並以計數器48將變頻器46之輸出較高位準之期間之時間進行計數，即可獲得與輸入信號電壓對應之數位輸出值。亦即可進行AD轉換。AD轉換之灰階係由基準電壓Vref之斜坡波之斜度決定。
在該行信號處理電路40中，並非直接將來自像素之信號放大，而是以決定AD轉換之灰階之基準電壓Vref之斜坡波之斜度來決定對於來自像素之信號之放大率。再者，藉由將基準電壓Vref之斜坡波之斜度緩和至決定基本放大率之斜度之1/4，實際上即可使對於來自像素之信號之放大率為基本放大率之4倍之放大率。
藉由使用上述電路例1之電荷電壓轉換放大器30或電路例2之行信號處理電路40而構成行信號處理電路16(16A)，即可將該行信號處理電路16(16A)之電路構成加以簡化，並且可簡單實現在該行信號處理電路16(16A)之放大率之基本放大率與較其高之放大率之間之切換。
(變形例)
在此為了容易理解，雖係以簡單之例陳述，惟實際上可 適用各種。例如，將行信號處理電路設為1行1個，而非將行信號處理電路設為1行2個(在本例中係在像素陣列部12之上下為2個)，而為以該1個行信號處理電路依序處理複數列之各像素之信號之形態亦可。
此外，僅對於用以擴大動態範圍之讀取列為3列以上，曝光時間最長之列適用放大率之切換亦可。再者，關於放大率即使不是1倍與4倍亦無妨。例如，設為在1倍與另一方為2、4、8、16倍之4個位準來切換，或者總是作成1倍與4倍與16倍之3個信號等，可進行各種擴張。
另外，在上述實施形態中，雖係舉出與可視光之光量對應之信號電荷為物理量進行偵測之單位像素11配置成行列狀而成之CMOS影像感測器之情形為例進行說明，惟本發明並非以適用於CMOS影像感測器為限，亦可適用於針對像素陣列部之各像素，使曝光時間不同而獲得靈敏度不同之複數個系統之信號，並藉由將此等複數個系統之信號加以合成以謀求動態範圍之擴大之影像感測器全面。
此外，本發明並不以適用於偵測可視光之入射光量之分布而作為圖像進行攝像之影像感測器為限，亦可適用於以紅外線或X線、或粒子等之入射量之分布作為圖像進行攝像之影像感測器、或以廣義之意義而言偵測壓力及靜電電容等、其他物理量之分布而作為圖像進行攝像之指紋檢測感測器等之固體攝像裝置(物理量分布偵測裝置)全面。
再者，本發明並不限於以列單位依序將像素陣列部之各像素進行掃描並讀取各像素之信號之固體攝像裝置，對於 以像素單位選擇任意之像素，而以像素單位從該選擇像素將信號進行讀取之X-Y位址型固體攝像裝置亦可適用。
另外，固體攝像裝置亦可為形成為單晶片之形態，或亦可為具有將攝像部、信號處理部或光學系統加以整合而予以封裝之攝像功能之模組狀之形態。
此外，本發明並不以適用於固體攝像裝置為限，亦可適用於攝像裝置。在此，所謂攝像裝置係指數位靜態相機或攝錄影機等之照相系統、或攜帶電話機等之具有攝像功能之電子機器。另外，亦有搭載於電子機器之上述模組狀之形態，亦即以照相模組為攝像裝置之情形。
[攝像裝置]
圖10係為顯示本發明之攝像裝置之構成之一例之區塊圖。如圖10所示，本發明之攝像裝置係具有包含透鏡(lens)群51之光學系統、固體攝像裝置52、作為相機信號處理電路之DSP(Digital Signal Processor，數位信號處理器)電路53、訊框(frame)記憶體54、顯示裝置55、記錄裝置56、操作系統57及電源系統58等，而DSP電路53、訊框記憶體54、顯示裝置55、記錄裝置56、操作系統57及電源系統58為形成經由匯流排線59而相互連接之構成。
透鏡群51係將來自被攝體之入射光(像光)加以取入而結像於固體攝像裝置52之攝像面上。固體攝像裝置52係將藉由透鏡群51而結像於攝像面上之入射光之光量，以像素單位予以轉換為電信號再作為像素信號予以輸出。作為此固體攝像裝置52，係使用前述之實施形態之CMOS影像感測 器10。
DSP電路53係對於從固體攝像裝置52所輸出之像素信號進行各種信號處理。作為該處理之一，DSP電路53係進行用以廣泛動態範圍化之信號處理。除此信號處理以外，DSP電路53係進行公知之各種相機信號處理。
在用以廣泛動態範圍化之信號處理中，DSP電路53係在CMOS影像感測器10之增益設定較特定增益更低時，藉由將從該CMOS影像感測器10輸出之讀取列1之各像素之信號與讀取列2之各像素之信號均以放大率1倍放大之各信號S1、S3予以合成，而於之前之實施例之情形係獲得動態範圍經擴大為4倍之信號。
此外，DSP電路53係在CMOS影像感測器10之增益設定較高時，係藉由將從該CMOS影像感測器10輸出之讀取列1之各像素之信號以放大率1倍放大之信號S1、讀取列2之各像素之信號以放大率4倍放大之信號S2、讀取列2之各像素之信號以放大率1倍放大之信號S3加以合成，而獲得經增益提高為4倍之信號。
顯示裝置55係由液晶顯示裝置或有機EL (electro luminescence)顯示裝置等之面板型顯示裝置所組成，用以顯示由固體攝像裝置52所攝像之動態圖像或靜態圖像。記錄裝置56係用以將由固體攝像裝置52所攝像之動態圖像或靜態圖像予以記錄於錄影帶或DVD(Digital Versatile Disk，數位多功能光碟)等之記錄媒體。
操作系統57係在使用者進行之操作下，就本攝像裝置所 具有之各種功能發出操作指令。電源系統58係將構成DSP電路53、記框記憶體54、顯示裝置55、記錄裝置56及操作系統57之動作電源之各種電源，予以適當地供給至該等供給對象。
如上所述，在攝錄影機或數位靜態相機、甚至是攜帶電話等之行動機器用照相模組等之攝像裝置中，藉由使用前述之實施形態之CMOS影像感測器10作為該固體攝像裝置52，在該CMOS影像感測器10中，於獲得靈敏度不同之複數個系統之信號而謀求廣泛動態範圍化之際而提高類比增益時，可將因為超出AD轉換之輸入範圍所導致之資訊之損失消除，而可獲得S/N良好之圖像，因此可獲得將攝像圖像之畫質更為提昇之優點。
依據本發明，於提高類比增益時，不會從較長曝光時間之信號取過多原本即有之信號，並且亦不會損害低亮度部之灰階，因此可將因為超出AD轉換之輸入範圍所導致之資訊之損失，而獲得S/N良好之圖像。
10‧‧‧CMOS影像感測器
11‧‧‧單位像素
12‧‧‧像素陣列部
13‧‧‧控制電路
14‧‧‧垂直驅動電路
15、16、40‧‧‧行信號處理電路
17、18‧‧‧水平驅動電路
19、20‧‧‧水平信號線
21、22‧‧‧輸出電路
23‧‧‧像素驅動布線
24‧‧‧垂直信號線
30‧‧‧電荷電壓轉換放大器
31、41‧‧‧第1開關
32、43‧‧‧第2開關
33‧‧‧輸入電容
34‧‧‧差動放大器
35、47‧‧‧第3開關
36‧‧‧反饋電容
37‧‧‧第4開關
42‧‧‧DA轉換電路
44‧‧‧第1電容器
45‧‧‧第2電容器
46‧‧‧變頻器
48‧‧‧計數器
51‧‧‧透鏡群
52‧‧‧固體攝像裝置
53‧‧‧DSP電路
54‧‧‧訊框記憶體
55‧‧‧顯示裝置
56‧‧‧記錄裝置
57‧‧‧操作系統
58‧‧‧電源系統
59‧‧‧匯流排線
111‧‧‧光二極體
112‧‧‧傳送電晶體
113‧‧‧重設電晶體
114‧‧‧放大電晶體
115‧‧‧選擇電晶體
116‧‧‧節點(FD部)
151、161‧‧‧CDS電路
152、162‧‧‧放大電路
153、163‧‧‧AD轉換電路
154、164、164A、164B‧‧‧閂鎖電路
165‧‧‧位準判斷電路
231‧‧‧傳送布線
232‧‧‧重設布線
233‧‧‧選擇布線
RST‧‧‧重設脈衝
SEL‧‧‧選擇脈衝
TRF‧‧‧傳送脈衝
V0‧‧‧固定電位
Vdd‧‧‧像素電源
Vref‧‧‧基準電壓
圖1係為顯示本發明之一實施形態之CMOS影像感測器之概略之系統構成圖。
圖2係為顯示單位像素之電路構成之一例之電路圖。
圖3係為用以獲得靈敏度不同之2系統之信號之快門掃描及2系統之讀取掃描之說明圖，而(A)係顯示信號之分配方式之概念，而(B)係顯示快門掃描及2系統之讀取掃描之概念。
圖4(A)、(B)係為顯示行信號處理電路之構成之一例之區塊圖。
圖5(A)、(B)係為顯示實施例1之行信號處理之處理序列(sequence)之圖。
圖6係為顯示放大電路之放大率為可變之行信號處理電路之變形例之區塊圖。
圖7係為顯示實施例2之行信號處理之處理序列之圖。
圖8係為顯示電路例1之行信號處理電路之電路圖。
圖9係為顯示電路例2之行信號處理電路之電路圖。
圖10係為顯示本發明之攝像裝置之構成之一例之區塊圖。
(無元件符號說明)

Claims (10)

  1. 一種固體攝像裝置，其特徵為包括：像素陣列部，其將偵測物理量之像素以行列狀作二維配置而成；驅動機構，其進行從前述像素陣列部將靈敏度不同之複數個系統之像素信號以類比讀取之驅動；及信號處理機構，其當前述類比之像素信號之增益設定較特定增益低時，係將前述複數個系統之像素信號以各個的基本放大率放大，且於前述增益設定為前述特定增益以上時，係將前述複數個系統之中靈敏度較高之至少1個系統之像素信號，以複數個放大率放大，前述複數個放大率包含較該靈敏度較高之系統之基本放大率高之放大率。
  2. 如請求項1之固體攝像裝置，其中前述信號處理機構係於前述增益設定為前述特定增益以上時，將前述複數個系統之中靈敏度較低之至少1個系統之像素信號，以較前述靈敏度較高之系統之前述複數個放大率之最大為低之1個放大率放大。
  3. 如請求項2之固體攝像裝置，其中前述信號處理機構係於前述增益設定較前述特定增益低時，將前述靈敏度較高之像素信號，亦以較基本放大率高之放大率放大。
  4. 如請求項1之固體攝像裝置，其中前述信號處理機構係於前述增益設定為前述特定增益 以上時，不使用前述複數個系統之中靈敏度較低之至少1個系統之像素信號，而是將前述靈敏度較高之至少1個系統之像素信號，以前述複數個放大率之任一者加以放大。
  5. 如請求項1之固體攝像裝置，其中前述驅動機構係藉由使前述像素偵測物理量之偵測時間不同而使前述複數個系統之靈敏度不同。
  6. 如請求項5之固體攝像裝置，其中前述驅動機構係在掃描前述像素陣列部之複數個讀取列，並從該複數個讀取列之各像素讀取前述複數個系統之像素信號之際，以掃描前述複數個讀取列之間隔調整前述偵測時間之長度。
  7. 如請求項1之固體攝像裝置，其中前述信號處理機構係依據AD轉換前之信號位準之大小而進行放大率之調整。
  8. 如請求項1之固體攝像裝置，其中前述複數個放大率之比係與前述複數個系統之靈敏度之比相等。
  9. 一種固體攝像裝置之驅動方法，其特徵為：從將偵測物理量之像素以行列狀作二維配置而成之像素陣列部，將靈敏度不同之複數個系統之像素信號以類比讀取；在前述類比之像素信號之增益設定較特定增益低時，將前述複數個系統之像素信號以各個的基本放大率放 大；在前述增益設定為前述特定增益以上時，將前述複數個系統之中靈敏度較高之至少1個系統之像素信號，以複數個放大率放大，前述複數個放大率包含較該靈敏度較高之系統之基本放大率高之放大率。
  10. 一種攝像裝置，其特徵為包括：像素陣列部，其將偵測物理量之像素以行列狀作二維配置而成；驅動機構，其進行從前述像素陣列部將靈敏度不同之複數個系統之像素信號以類比讀取之驅動；第1信號處理機構，其當前述類比之像素信號之增益設定較特定增益低時，係將前述複數個系統之像素信號以各個的基本放大率放大，且於前述增益設定為前述特定增益以上時，係將前述複數個系統之中靈敏度較高之至少1個系統之像素信號，以複數個放大率放大，前述複數個放大率包含較該靈敏度較高之系統之基本放大率高之放大率；及第2信號處理機構，其將經歷過前述第1信號處理機構之前述複數個系統之信號加以合成，以謀求動態範圍之擴大。
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