TWI469635B - 固態成像器件及電子裝置 - Google Patents

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Description

固態成像器件及電子裝置
本發明係關於一種採用一濾波器之固態成像器件且係關於一種諸如採用該固態成像器件之一數位相機及一攝像機之電子裝置。
近年來，一固態成像器件中所使用之一像素之大小之小型化已取得進展以允許增加該固態成像器件中所使用之像素之數目。伴隨像素之大小之小型化，像素所佔據之一面積亦減小以使得入射於該像素上之光量亦變得更小。另外，由於像素中所採用之一光電二極體所佔據之一面積亦變窄，因此累積於該光電二極體中之光子之數目亦變得更小且靈敏度劣化。因此，在像素之一飽和狀態中產生之一飽和信號之量值亦減小。如稍後將藉由參考圖4之一圖示解釋，將一固態影像拍攝器件中採用之一像素之靈敏度定義為像素因入射於該像素上之光而產生之一信號之量值對該入射光之量之比率。如稍後將藉由參考圖4及圖9之圖示闡述，一固態影像拍攝器件中採用一像素之一高靈敏度引起動態範圍之一減小。亦即，一像素因入射於該像素上之光而產生之一信號之量值對該入射光之量之一高比率導致動態範圍之一減小。
一般而言，與利用一銀鹽膠片之一照相機相比，採用一固態成像器件之一數位相機或攝像機具有一窄動態範圍。動態範圍係其中可在不導致黑色及白色故障之情形下拍攝一影像之一亮度範圍。然而，要求一監視照相機能夠在自一暗處至一亮處之一整個範圍內拍攝一影像。另外，甚至要求一監視照相機亦能夠在不導致一故障之情形下在一暗處拍攝一影像。
採用一固態成像器件之一照相機之動態範圍通常由具有最高靈敏度之一像素來確定。在採用具有基色(舉例而言，諸如G(綠色)、R(紅色)及B(藍色)色彩)之濾波器之一固態成像器件之一照相機中，具有最高靈敏度之G(綠色)像素之動態範圍D通常確定該照相機之動態範圍。在具有針對所有像素係均勻之一飽和信號量值之一固態成像器件之情形下，具有一最高靈敏度之一像素係第一像素，其中其輸出信號在一最早時間達到該飽和信號之量值。此乃因具有最高靈敏度之像素係帶有具有最高透射率之一濾波器(亦即，透射一最大光量之一濾波器)之一像素，以使得該像素中所包含之一光電二極體中累積最大數目個光子，從而致使該像素所輸出之一信號在一最早時間達到飽和信號之量值。
已提出用於改良固態成像器件之靈敏度之一現有技術。根據所提出之現有技術，藉由利用包含不吸收具有可見波長之光之一濾波器之一Y像素作為G像素之一替代，使用包含基色(亦即，GRB色彩)之濾波器之一佈局之一拜耳陣列之GRB(綠色、紅色及藍色)像素作為一YRB陣列之像素。另外，亦已提出用於改良固態成像器件之靈敏度之另一現有技術。根據另一所提出之現有技術，藉由上述Y像素來替換以一棋盤狀態置於拜耳陣列中之G像素中之一者。對於關於用於改良固態成像器件之靈敏度之現有技術之更多資訊，建議讀者參考諸如日本專利特許公開案第2008-205940號之文件。
同時，已提出用於擴寬動態範圍之一現有技術。根據此所提出之現有技術，合成兩個影像。該兩個影像係具有彼此不同之亮度級之一高靈敏度影像及一低靈敏度影像。對於關於用於擴寬動態範圍之現有技術之更多資訊，建議讀者參考諸如日本專利特許公開案第No. 2004-56568號之文件。
然而，針對相同輸出信號量值，入射於前述包含不吸收可見波長下之光之濾波器之一佈局之Y像素中之每一者中之一光電二極體上之光量小於入射於GRB像素中之每一者中之一光電二極體上之光量。
詳細而言，入射於一像素上之光量由水平軸表示而該像素所產生之一電信號之量值由垂直軸表示。如圖9之圖示中所示，Y像素在小於GRB像素之彼等入射光量之一入射光量處達到一飽和點。因此，採用Y像素之一固態成像器件之動態範圍D(Y)窄於採用普通GRB像素之一固態成像器件之動態範圍D。
採用Y像素之一固態成像器件之動態範圍D(Y)可藉由抑制入射於Y像素中之每一者上之光量而擴寬。然而，若抑制入射於Y像素中之每一者上之光量，則Y像素中之每一者所輸出之一信號之量值減小以使得採用Y像素之固態成像器件之靈敏度劣化。
另外，根據經提出作為用於擴寬之一技術之現有技術，合成兩個影像。該兩個影像係具有彼此不同之亮度級之一高靈敏度影像及一低靈敏度影像。因此有必要獲取該兩個影像作為具有彼此不同之亮度級之一高靈敏度影像及一低靈敏度影像。作為用於獲取兩個影像作為具有彼此不同之亮度級之一高靈敏度影像及一低靈敏度影像之一方法，可通常利用具有不同靈敏度之兩個照相機或在藉由改變曝光時間獲得之兩個不同曝光操作中利用一個照相機。
然而，若使用具有不同靈敏度之兩個照相機，則必須藉由對準該兩個照相機來拍攝影像。因此，欲拍攝之兩個影像之位置係彼此移位。另外，根據在藉由改變曝光時間獲得之兩個不同曝光操作中利用一個照相機之方法，執行該兩個不同曝光操作以使得在該兩個影像之間產生一時間差。
除此之外，亦已提出採用具有不同靈敏度之像素之一固態成像器件及使每一像素具有一嵌入式高靈敏度感測器以及一嵌入式低靈敏度感測器之一固態成像器件。然而，難以執行製造包含低靈敏度像素及高靈敏度像素之此等固態成像器件之一穩定製程。另外，因該等固態成像器件之複雜結構，難以跟上更小之像素大小。
為解決上述問題，本發明之實施例之發明人已呈現一種能夠跟上更小之像素大小且增加靈敏度以及動態範圍之固態成像器件。
本發明之實施例所提供之一固態成像器件具有：一R像素，其具有用於透射紅色光之一R濾波器；及一B像素，其具有用於透射藍色光之一B濾波器。另外，該固態成像器件亦包含一S1像素，其具有一S1濾波器且具有高於該R像素之靈敏度之一靈敏度，該S1濾波器具有獨立於一可見光區域中之波長之一可見光透射率。除此之外，該固態成像器件亦包含具有一S2像素，其具有一S2濾波器且具有低於該S1像素之靈敏度之一靈敏度，該S2濾波器具有獨立於該可見光區域中之波長之一可見光透射率。
另外，本發明之實施例所提供之一電子裝置採用具有上述組態之固態成像器件、用於將入射光導引至該固態成像器件中所採用之一成像區段之一光學系統及用於處理該固態成像器件所輸出之一信號之一信號處理電路。
根據本發明之實施例，該固態成像器件包含一S1像素，其具有一S1濾波器且具有高於該R像素之靈敏度之一靈敏度，該S1濾波器具有獨立於一可見光區域中之波長之一透射率。除此之外，該固態成像器件亦包含一S2像素，其具有低於該S1像素之靈敏度之一靈敏度。因此，可實施具有一高靈敏度之一固態成像器件。另外，藉由提供如上述之RBS1及RBS2像素，可使用一個固態成像器件同時拍攝兩個影像，亦即，具有不同亮度級之一低靈敏度影像及一高靈敏度影像。然後，藉由合成該兩個影像(亦即，具有不同亮度級之一低靈敏度影像及一高靈敏度影像)，可以一寬動態範圍拍攝一影像。
除此之外，濾波器之佈局可自現有拜耳陣列而改變。因此可消除固態成像器件之小型化之障礙。
另外，根據本發明之電子裝置採用上述固態成像器件。因此可以一高靈敏度及一寬動態範圍拍攝一影像。
根據本發明之實施例，可提供能夠跟上小型化且以一高靈敏度及一寬動態範圍拍攝一影像之一固態成像器件及一電子裝置。
在按以下所示之一次序安排之章節中解釋本發明之較佳實施例。然而，應注意，本發明之實施方案決不限於該等實施例。
1：固態成像器件之實施例 2：固態成像器件中之一像素陣列及一濾波器陣列之實施例 3：固態成像器件所輸出之一信號之處理之實施例 4：半導體器件之其他實施例 1：固態成像器件之實施例
固態成像器件之典型粗略組態
解釋本發明所提供之固態成像器件之一具體實施例。
圖1係顯示實施本實施例所提供之一固態成像器件10之一實施例之一粗略組態之一方塊圖。本實施例所提供之固態成像器件10之一典型實例係MOS(金屬氧化物半導體)類型之一固態成像器件。在以下闡述中，MOS類型之固態成像器件亦稱作一MOS影像感測器。
圖1之方塊圖中所示之固態成像器件10具有一像素區段13及一周邊電路區段。像素區段13包含複數個像素12，其等經規則地佈局以在一基板(諸如一矽基板)上形成一二維矩陣。像素區段13係所謂的成像區。像素12中之每一者具有一光電二極體，其充當一光電轉換元件以用於將入射於像素12上之光轉換成一電信號。除光電二極體外，像素12中之每一者亦包含複數個像素電晶體，其等通常各自實施為所謂的MOS電晶體。
通常，像素12中之每一者可經組態以具有三個像素MOS電晶體，即，一輸送電晶體、一重設電晶體及一放大電晶體。作為一替代方案，像素12中之每一者可經組態以採用四個像素MOS像素電晶體，即，輸送電晶體、重設電晶體、放大電晶體及一選擇電晶體。
該周邊電路區段經組態以具有一垂直驅動電路14、行信號處理電路15、一水平驅動電路16、一輸出電路17及一控制電路18。
控制電路18係用於在一垂直同步時鐘信號、一水平同步時鐘信號及一主控時鐘信號之基礎上產生時鐘信號及控制信號之一電路。控制電路18將該等時鐘及控制信號供應至諸如垂直驅動電路14、行信號處理電路15及水平驅動電路16之其他電路。
垂直驅動電路14通常係一移位暫存器。垂直驅動電路14係用於在垂直方向上依序掃描像素區段13以選擇列單元中之像素12之一電路。垂直驅動電路14透過一垂直信號線19將一像素信號供應至行信號處理電路15。該像素信號係基於一選定像素12中所採用之光電轉換元件根據入射於該光電轉換元件上之光量而產生之信號電荷。
通常針對像素12矩陣之每一行提供行信號處理電路15。行信號處理電路15係用於根據每一矩陣行之一黑色參考像素所輸出之一信號執行信號處理(包含消除來自像素12所輸出之一信號之雜訊之一過程)之一電路。黑色參考像素係形成於環繞有效像素區之位置處之像素。亦即，行信號處理電路15執行包含一CDS(相關雙重取樣)過程及信號放大之信號處理。CDS過程係消除像素12特有之固定型樣雜訊之一過程。一水平選擇開關連接於行信號處理電路15之輸出級與一水平信號線11之間。應注意，水平選擇開關本身未顯示於圖1之方塊圖中。
水平驅動電路16通常亦係一移位暫存器。水平驅動電路16係用於依序輸出水平掃描脈衝以依序選擇行信號處理電路15中之一者之一電路。水平驅動電路16依序將各自由選定行信號處理電路15產生之像素信號輸出至水平信號線11。
輸出電路17係用於依序對各自由選定行信號處理電路15透過水平信號線11供應至輸出電路17之像素信號執行信號處理之一電路。
若上述固態成像器件10用作後表面輻射類型之一固態成像器件，則未在光入射表面側(亦即，所謂的光接收表面側)上之後表面上提供複數個佈線層。而是，佈線層係形成於與光接收表面側相對之前表面側上。
一濾波器陣列及一像素陣列之典型組態
接下來，以下闡述解釋各自針對在本實施例所提供之固態成像器件中採用之一像素區段中之像素中之一者而提供之濾波器之一佈局20。
圖2係顯示實施各自針對在本實施例所提供之固態成像器件中採用之一像素區段中之像素中之一者而提供之濾波器之一佈局20之一實施例之一圖示。
如圖2之圖示中所示，各自針對在本實施例所提供之固態成像器件中採用之一像素區段中之像素中之一者而提供之濾波器之一陣列20具有佈局在兩個列及兩個行上之四個像素。各自針對像素中之一者提供之濾波器之此陣列在整個像素區段13中重複。該四個像素係一S1像素21、一S2像素22、一R像素23及一B像素24。
R像素23具有用於透射紅色光之一R濾波器而B像素24具有用於透射藍色光之一B濾波器。
S1像素21具有一S1濾波器，該S1濾波器具有獨立於入射於該S1濾波器上之光之波長之一恆定透射率。另一方面，S2像素22具有一S2濾波器，該S2濾波器具有獨立於入射於該S2濾波器上之光之波長且低於該S1濾波器之透射率之一恆定透射率。
圖2之圖示中所示之陣列20係藉由用S1像素21及S2像素22來替換拜耳陣列中之GRB(綠色、紅色及藍色)像素中之G(綠色)像素而獲得。
以下闡述解釋充當針對S1像素21提供之一濾波器之一S1濾波器之特性及充當針對S2像素22提供之一濾波器之S2濾波器之特性。圖3之圖示之水平軸表示入射於像素上之光之波長。入射於像素上之光之波長係依據奈米來表達。另一方面，圖3之圖示之垂直軸表示分別針對S1像素21及S2像素22提供之S1及S2濾波器之透射率。另外，圖3之圖示亦係顯示入射於分別針對S1像素21及S2像素22提供之S1及S2濾波器上之光之波長與針對該等濾波器之不同透射率之像素靈敏度之間的關係之一圖示。亦即，針對每一像素靈敏度提供S1及S2濾波器之透射率與入射波長之波長之間的關係，該像素靈敏度係定義為一像素因入射於該像素上之一光量而產生之一信號之量值對該光量之比率。
為使以下解釋簡單，未考量固態成像器件本身之光譜靈敏度特性。由於S1濾波器及S2濾波器中之每一者透射所有波長之入射光，因此S1像素21及S2像素22之靈敏度分別與S1濾波器及S2濾波器之透射率相同。因此，若S1濾波器及S2濾波器之透射率係100%，則分別具有100%之S1濾波器及S2濾波器之S1像素21及S2像素22之靈敏度亦係100%。另外，S1像素21及S2像素22之靈敏度係分別藉由S1濾波器及S2濾波器對分別入射於S1像素21及S2像素22上之光之所有波長之透射率確定之一固定值。
同樣，若S1濾波器及S2濾波器之透射率係75%，則分別具有75%之S1濾波器及S2濾波器之S1像素21及S2像素22之靈敏度亦係75%。以相同方式，若S1濾波器及S2濾波器之透射率係50%，則分別具有50%之S1濾波器及S2濾波器之S1像素21及S2像素22之靈敏度亦係50%。同樣地，若S1濾波器及S2濾波器之透射率係25%，則分別具有25%之S1濾波器及S2濾波器之S1像素21及S2像素22之靈敏度亦係25%。
如自以上闡述顯而易見，藉由調整S1濾波器及S2濾波器之透射率，可將分別具有S1濾波器及S2濾波器之S1像素21及S2像素22之靈敏度中之每一者設定為一期望值。另外，即使考量固態成像器件本身之光譜靈敏度特性，S1像素21及S2像素22之靈敏度以及S1濾波器及S2濾波器之透射率可以與如上所述相同之方式來處理，其中唯一例外係S1像素21及S2像素22之靈敏度以及S1濾波器及S2濾波器之透射率分別取決於入射於S1像素21及S2像素22上之光之波長。
S1濾波器及S2濾波器中之每一者透射可見光區域中之所有波長之光。S1濾波器及S2濾波器係通常藉由選用應用於具有產生一期望光譜之一金屬膜厚度之一金屬之一蒸發技術而分別形成於S1像素21及S2像素22上。金屬之典型實例係鋁、貢及銠。作為一替代方案，藉由以產生一期望光譜之一濃度在樹脂中散佈碳黑而製成一材料，且然後，將該材料施加至S1像素21及S2像素22。R及B濾波器係藉由選用一通常已知的技術而形成。更具體而言，R及B濾波器中之每一者係藉由將一材料施加至與該濾波器相關聯之像素而形成。
若使用含有碳黑之樹脂來形成一濾波器，則該樹脂具有一光學靈敏度特性。以此方式，S1濾波器及S2濾波器中之每一者可藉由選用微影技術而形成。因此，可藉由選用一現有技術輕來容易地組態具有上述組態之一像素區段。
入射於一像素上之光量與該像素之輸出信號之間的關係
圖4係顯示入射於R、B、S1及S2像素上之光量與該等像素中之每一者所輸出之一信號之量值之間的關係之一圖示。在圖4之圖示中，垂直軸表示R、B、S1及S2像素中之每一者所輸出之一信號之量值而水平軸表示入射於該等像素中之每一者上之光量。因此，圖4之圖示中所示之每一線表示入射於R、B、S1及S2像素中之一特定像素上之光量與該特定像素所輸出之一信號之量值之間的關係。
如之前所述，該固態成像器件採用四個不同濾波器，即，用於R像素之R濾波器、用於B像素之B濾波器、用於S1像素之S1濾波器及用於S2像素之S2濾波器。
在此一固態成像器件中，S1濾波器之透射率、R濾波器之透射率及B濾波器之透射率經調整以使得S1像素之靈敏度高於R像素之靈敏度。另外，S2濾波器之透射率經調整以使得S2濾波器之靈敏度低於S1像素之靈敏度。
圖4之圖示中所示之一虛線G表示入射於一普通拜耳陣列中之一G(綠色)像素上之光量與G像素因入射於該G像素上之光而輸出之一信號之量值之間的關係。
如圖4之圖示中所示，可期望將S1像素之靈敏度設定為高於G像素之靈敏度之一值而將S2像素之靈敏度設定為低於G像素之靈敏度之一值。
更具體而言，若假設具有不吸收可見光區域中之光之一濾波器之一像素或不具有濾波器之一像素之靈敏度具有100之一值，則具有綠色濾波器之一濾波器之靈敏度通常具有介於40至60之範圍中之一值。
亦即，若假設具有不吸收可見光區域中之光之一濾波器之一像素或不具有濾波器之一像素之靈敏度具有100之一值，則將S1濾波器之透射率設定為使得S1像素之靈敏度通常具有介於40至100之範圍中之一值的此一值。
同樣地，若假設具有不吸收可見光區域中之光之一濾波器之一像素或不具有濾波器之一像素之靈敏度具有100之一值，則將S2濾波器之透射率設定為使得S2像素之靈敏度通常具有等於或低於60之一值的此一值。
如圖4之圖示中所示，藉由將S1濾波器之透射率調整至使得S1像素之靈敏度高於G像素之靈敏度之此一值，可實施具有高於採用G像素之一固態成像器件之靈敏度之一靈敏度之一固態成像器件。因此，在小於使S1像素處於一飽和點之一入射光量L1之入射光量之一範圍中，S1像素在一特定入射光量處所輸出之一信號之量值大於普通G像素在該特定入射光量處所輸出之一信號之量值。然而，如圖4之圖示中所示，S1像素之動態範圍D1窄於普通G像素之動態範圍D。然而，藉由利用具有一光譜且不吸收如圖3之圖示中所示之入射光之波長之一濾波器作為S1濾波器，可完全利用固態成像器件之靈敏度以使得可改良固態成像器件之靈敏度。
另一方面，針對S2像素，S2像素係在一入射光量L2處處於飽和點，該入射光量L2係不致使S2像素進入一飽和狀態之入射光量之一範圍之上限。然而，S2像素之靈敏度低於G像素之靈敏度，對應於飽和點之入射光量L2大於使普通G像素處於飽和點之入射光量L。亦即，可將S2像素之動態範圍D2增加至大於普通G像素之動態範圍D之一值。
若將S2像素之靈敏度設定為低於R及B像素之靈敏度中之較高靈敏度之一值，則可將S2像素之動態範圍D2增加至一甚至更大之值。然而，不同於圖4之圖示，圖5顯示針對將S2像素之靈敏度設定為低於R像素之靈敏度但高於B像素之靈敏度之一值之一情形之關係。在此情形下，可使用對應於R像素中之飽和點之一入射光量L2作為R、B及S2像素之動態範圍D2。因此，圖5之圖示中所示之組態之動態範圍D2寬於圖4之圖示中所示之組態之動態範圍D2。
若如上所述將S2像素之靈敏度設定為低於R及B像素之靈敏度中之較高靈敏度之一值，則對應於飽和點之入射光量L2及使用入射光量L2作為其上限之動態範圍D2由R及B像素之較高靈敏度來確定。
應注意，R與B像素之靈敏度之間的量值關係由安裝於影像感測器上之濾波器之光譜靈敏度特性及除安裝於影像感測器上之濾波器之外的濾波器之光譜靈敏度特性來任意地確定。亦即，R與B像素之靈敏度之間的量值關係絕不限於圖4及圖5之圖示中顯示為R與B像素之靈敏度之間的關係之關係。
另外，可將S2像素本身之靈敏度設定為任一值，只要該值低於S1像素之靈敏度即可。若如具有圖4之圖示中所示之組態之情形一樣將S2像素之靈敏度設定為高於R及B像素之靈敏度之一值，則對應於飽和點之入射光量L2及使用入射光量L2作為其上限之動態範圍D2由S2像素之靈敏度來確定。另一方面，若將S2像素之靈敏度設定為低於R及B像素之靈敏度中之較高靈敏度之一值，則應於飽和點之入射光量L2及使用入射光量L2作為其上限之動態範圍D2由R及B像素之較高靈敏度來確定。亦即，不存在強加於S2像素之靈敏度與R及B像素之靈敏度中之較低靈敏度之間的關係上之限制。
因此，在採用具有一像素陣列(包含各自如上所述組態之R、B、S1及S2像素)之一像素區段之一固態成像器件中，針對小於對應於S1像素中之飽和點之入射光量L1之入射光量，可藉由合成S1、R及B像素所產生之信號而獲得具有一高靈敏度之一影像。針對大於入射光量L1之入射光量，可藉由合成S2、R及B像素所產生之信號獲得具有一寬動態範圍之一影像。
用於實施信號處理以自像素輸出信號產生一影像之第一典型組態
接下來，以下闡述解釋實施用於執行之前所提及之信號處理以自像素所輸出之R、B、S1及S2信號產生影像照度信號Y1及Y2以及影像色差信號C1及C2之一信號處理電路30之一第一實施例。圖6係顯示實施本發明所提供之固態成像器件中所採用之信號處理電路30之第一實施例之一方塊圖。如圖中所示，信號處理電路30採用一像素內插處理區段31、一G處理區段32、一第一MTX處理區段33、一第二MTX處理區段34、一S1像素飽和確定區段35及一像素合成區段36。
首先，像素內插處理區段31接收分別由R、B、S1及S2像素產生之R、B、S1及S2信號。然後，像素內插處理區段31對分別由R、B、S1及S2像素產生之R、B、S1及S2信號執行一通常已知的內插過程以產生分別與R、B、S1及S2像素相關聯之一高靈敏度中性信號S1、一低靈敏度中性信號S2、一紅色信號R及一藍色信號B。
在R、B、S1及S2像素之陣列中，S1及S2像素之濾波器中之每一者具有藉由在可見光區域中無偏差之一透射率產生之一中性光譜。因此，藉由係數倍增，等效於相同光譜之像素所輸出之信號之處置的處置係可能的。
亦即，如圖3之圖示中所示之圖表所指示，S1及S2濾波器中之每一者之透射率具有表示獨立於光之波長之可見光吸收之一固定值。設符號a1表示S1像素之靈敏度對具有根本不吸收可見光之一濾波器之一像素之靈敏度之比率而符號a2表示S2像素之靈敏度與具有根本不吸收可見光之一濾波器之像素之靈敏度之比率。在此情形下，根據以下給出之方程式(1)，可自高靈敏度中性信號S1產生可以與低靈敏度中性信號S2相同之方式處理之一信號。同樣，根據以下給出之方程式(2)，可自低靈敏度中性信號S2產生可以與高靈敏度中性信號S1相同之方式處理之一信號。
S1=(S2/a2)×a1　…(1)
S2=(S1/a1)×a2　…(2)
因此，如圖2之圖示中所示，提供其中S1及S2像素交替地置於拜耳陣列中之G像素之位置處之一組態。藉助於此組態，可獲得等效於其中使用基於拜耳陣列之一固態成像器件以達成不大於入射光量L1之入射光量之一範圍同時具有彼此不同之光譜特性之四種類型之像素之一情形之解析度之一解析度。
另外，擊中S1像素之光(如具有大於入射光量L1之一入射光量之光)使S1像素處於一飽和狀態中。因此，有必要在S1像素之位置處產生低靈敏度中性信號S2。S1像素之位置處之低靈敏度中性信號S2係根據以上所給出之方程式(2)藉由執行利用S1像素所產生之一信號之一內插過程而產生。
S1像素飽和確定區段35產生關於入射於S1像素上之光量是否大於入射光量L1之確定之一結果。
詳細而言，將S1像素所輸出之一信號供應至像素內插處理區段31以及S1像素飽和確定區段35。然後，S1像素飽和確定區段35檢驗S1像素所輸出之信號以產生關於入射於S1像素上之光量是否大於對應於飽和點之入射光量L1之確定之一結果，亦即，以產生關於入射於S1像素上之光是否已使S1像素處於飽和點之確定之一結果。
若S1像素飽和確定區段35所產生之確定結果指示入射於S1像素上之光量不大於對應於飽和點之入射光量L1，則S1像素飽和確定區段35請求像素內插處理區段31藉由利用S1像素所產生之一信號在S2之位置處產生高靈敏度中性信號S1。另一方面，若S1像素飽和確定區段35所產生之確定結果指示入射於S1像素上之光量大於對應於飽和點之入射光量L1，則S1像素飽和確定區段35請求像素內插處理區段31藉由利用S2像素所產生之一信號在S1像素之位置處產生低靈敏度中性信號S2。
然後，G處理區段32依據自像素內插處理區段31接收之高靈敏度中性信號S1、紅色信號R及藍色信號B產生一綠色信號G1、一紅色信號R1及一藍色信號B1。另外，G處理區段32亦依據亦自像素內插處理區段31接收之低靈敏度中性信號S2、紅色信號R及藍色信號B產生一綠色信號G2、一紅色信號R2及一藍色信號B2。
如較早所述，S1像素之靈敏度對具有根本不吸收可見光之一濾波器之一像素之靈敏度之比率係a1，而S2像素之靈敏度對具有根本不吸收可見光之一濾波器之像素之靈敏度之比率係a2。
在此情形下，G處理區段32根據以下所給出之方程式(3)藉由利用比率a1自高靈敏度中性信號S1、紅色信號R及藍色信號B產生係用於產生一高靈敏度影像之信號之綠色信號G1、紅色信號R1及藍色信號B1。以相同方式，G處理區段32根據以下所給出之方程式(4)藉由利用比率a2自低靈敏度中性信號S2、紅色信號R及藍色信號B產生係用於產生一低靈敏度影像之信號之綠色信號G2、紅色信號R2及藍色信號B2。
G1=S1-a1(R+B)、R1=R、B1=B　…(3)
G2=S2-a2(R+B)、R2=R、B2=B　…(4)
另外，G處理區段32亦能夠根據以下所給出之方程式(5)藉由利用比率a1自高靈敏度中性信號S1、紅色信號R及藍色信號B產生係用於產生一高靈敏度影像之信號之綠色信號G1、紅色信號R1及藍色信號B1。以相同方式，G處理區段32亦能夠根據以下所給出之方程式(6)藉由利用比率a2自低靈敏度中性信號S2、紅色信號R及藍色信號B產生係用於產生一低靈敏度影像之信號之綠色信號G2、紅色信號R2及藍色信號B2。
G1=(S1/a1)-(R+B)、R1=R、B1=B　…(5)
G2=(S2/a2)-(R+B)、R2=R、B2=B　…(6)
亦即，G處理區段32根據方程式(3)或方程式(5)產生係用於產生一高靈敏度影像之信號之綠色信號G1、紅色信號R1及藍色信號B1。以相同方式，G處理區段32根據方程式(4)或方程式(6)產生係用來產生一低靈敏度影像之信號之綠色信號G2、紅色信號R2及藍色信號B2。
然後，第一MTX處理區段33對自G處理區段32接收之綠色信號G1、紅色信號R1及藍色信號B1執行諸如一白色平衡過程、一線性矩陣過程及一色差矩陣過程之矩陣過程以產生一高靈敏度影像照度信號Y1及一高靈敏度影像色差信號C1。高靈敏度影像照度信號Y1及高靈敏度影像色差信號C1係表示對應於小於致使S1像素進入如圖4之圖示中所示之飽和狀態之光之入射光量L1之入射光量之一範圍之一高照明側之一高靈敏度影像之信號。
同樣，第二MTX處理區段34對自G處理區段32接收之綠色信號G2、紅色信號R2及藍色信號B2執行諸如白色平衡過程、線性矩陣過程及色差矩陣過程之矩陣過程以產生一低靈敏度影像照度信號Y2及一低靈敏度影像色差信號C2。低靈敏度影像照度信號Y2及低靈敏度影像色差信號C2係表示對應於大於致使S1像素進入如圖4之圖示中所示之飽和狀態之入射光之入射光量L1之入射光量之一範圍之一低靈敏度影像之信號。
隨後，像素合成區段36合成已由第一MTX處理區段33產生以充當表示高靈敏度影像之信號之高靈敏度影像照度信號Y1與高靈敏度影像色差信號C1以及已由第二MTX處理區段34產生以充當表示低靈敏度影像之信號之低靈敏度影像照度信號Y2與低靈敏度影像色差信號C2，以產生一最終影像。彼時，若S1像素飽和確定區段35尚未偵測到S1像素之飽和狀態，則像素合成區段36產生僅由高靈敏度影像構成之最終影像。
另一方面，若S1像素飽和確定區段35已偵測到S1像素之飽和狀態，則針對其入射光量不大於入射光量L1之一像素，像素合成區段36利用表示兩個影像(亦即，低靈敏度影像及高靈敏度影像)中之高靈敏度影像之高靈敏度影像照度信號Y1及高靈敏度影像色差信號C1。然而，針對其入射光量大於入射光量L1之一像素，像素合成區段36利用表示低靈敏度影像之低靈敏度影像照度信號Y2及低靈敏度影像色差信號C2。如以上所述，藉由針對其入射光量不大於入射光量L1之一像素利用高靈敏度影像照度信號Y1及高靈敏度影像色差信號C1，像素合成區段36產生僅作為高靈敏度影像之一經合成影像之最終影像。同樣，藉由針對其入射光量大於入射光量L1之一像素利用低靈敏度影像照度信號Y2及低靈敏度影像色差信號C2，像素合成區段36產生僅作為低靈敏度影像之一經合成影像之最終影像。
若像素合成區段36將高靈敏度影像照度信號及高靈敏度影像色差信號自針對其入射光量不大於入射光量L1之一像素之高靈敏度影像照度信號Y1及高靈敏度影像色差信號C1轉換至針對其入射光量大於入射光量L1之一像素之低靈敏度影像照度信號Y2及低靈敏度影像色差信號C2，或反之亦然，則不期望地經合成影像變得不自然。為解決此問題，選擇多種通常已知的方法中之一者來充當用於產生一自然影像之一方法。舉例而言，將表示正合成之影像之信號之合成比率改變為根據入射光量之一值。
用於實施信號處理以自像素輸出信號產生一影像之第二典型組態
接下來，以下闡述解釋實施用於執行之前所提及之信號處理之以自像素所輸出之信號產生一影像照度信號Y及一影像色差信號C之一信號處理電路40之一第二實施例。圖7係顯示實施本實施例所提供之固態成像器件中所採用之信號處理電路40之第二實施例之一方塊圖。如圖中所示，信號處理電路40採用一像素內插處理區段41、一S1像素飽和確定區段42、一S處理區段43、一G處理區段44及一MTX處理區段45。
首先，以與如上所述之實施信號處理電路30之第一實施例相同之方式，像素內插處理區段41接收分別由R、B、S1及S2像素產生之R、B、S1及S2信號。然後，像素內插處理區段41對分別由R、B、S1及S2像素產生之R、B、S1及S2信號執行一通常已知的內插過程以產生分別與R、B、S1及S2像素相關聯之一高靈敏度中性信號S1、一低靈敏度中性信號S2、一紅色信號R及一藍色信號B。在根據第二實施例之信號處理裝置中採用之像素內插處理區段41可以與根據第一實施例之信號處理裝置30相同之方式對分別由R、B、S1及S2像素產生之R、B、S1及S2信號執行通常已知的內插過程以產生分別與R、B、S1及S2像素相關聯之一高靈敏度中性信號S1、一低靈敏度中性信號S2、一紅色信號R及一藍色信號B。
此外，以與根據第一實施例之信號處理裝置30相同之方式，S1像素飽和確定區段42產生關於入射光量是否大於入射光量L1之確定之一結果。若S1像素飽和確定區段42所產生之確定結果指示入射於S1像素上之光量大於對應於飽和點之入射光量L1，則S1像素飽和確定區段42請求像素內插處理區段41藉由利用S2像素所產生之一信號執行在S1像素之位置處產生低靈敏度中性信號S2之一內插過程。
然後，S處理區段43合成像素內插處理區段41所產生之高靈敏度中性信號S1與亦由像素內插處理區段41供應之低靈敏度中性信號S2以產生一經合成中性信號S。
彼時，針對每一像素，S1像素飽和確定區段42產生關於在合成過程中是使用高靈敏度中性信號S1還是低靈敏度中性信號S2之確定之一結果。
詳細而言，針對其入射光量小於入射光量L1之一S1像素，亦即，針對處於飽和狀態中之一S1像素，在合成過程中使用高靈敏度中性信號S1。另一方面，針對其入射光量大於入射光量L1之一S1像素，亦即，針對處於飽和狀態中之一S1像素，在合成過程中使用低靈敏度中性信號S2。針對其入射光量介於非常接近於入射光量L1之一範圍中之一S1像素，適當地確定針對入射光量提供以充當高靈敏度中性信號S1對低靈敏度中性信號S2之合成比率之一比率以產生一較自然之經合成影像。
然後，G處理區段44自S處理區段43所產生之中性信號S以及像素內插處理區段41所產生之紅色信號R及藍色信號B產生一綠色信號G3、一紅色信號R3及一藍色信號B3。
詳細而言，G處理區段44根據以下所給出之方程式(7)或方程式(8)產生綠色信號G3、紅色信號R3及藍色信號B3。在此等方程式中，符號a1表示S1像素之靈敏度對具有根本不吸收可見光之一濾波器之一像素之靈敏度之比率。
G3=S-a1(R+B)、R3=R、B3=B　…(7)
G3=S3/a1-(R+B)、R3=R、B3=B　…(8)
然後，MTX處理區段45對自G處理區段44接收之綠色信號G3、紅色信號R3及藍色信號B3執行諸如一白色平衡過程、一線性矩陣過程及一色差矩陣過程之矩陣過程以產生一影像照度信號Y及一影像色差信號C。
若入射光量係小，則處理S1像素所輸出之一信號以產生一高靈敏度影像。另外，藉由利用具有一低靈敏度之S2像素，可將動態範圍擴寬至使S2像素處於飽和點之入射光量L2。以此方式，即使入射光量使S1像素處於飽和點，具有S2濾波器之S2像素亦不進入飽和點。藉由透過選用較早所述之方法合成S1及S2像素所輸出之信號，可得出表示一個經合成影像之一影像照度信號Y及一影像色差信號C。
由於分別提供於S1及S2像素上之S1及S2濾波器兩者透射所有波長之光，因此藉由係數a1及a2之倍增，等效於來自相同光譜之一像素之一信號之處置的處置係可能的。
出於上述原因，藉由如圖2之圖示中所示通常將S1及S2像素交替地置於拜耳陣列中之G像素之位置處，可獲得等效於其中使用基於拜耳陣列之一固態成像器件同時具有彼此不同之光譜特性之四種類型之像素之一情形之解析度之一解析度。
另外，藉由提供S1及S2像素，可在不將解析度減小至低於採用現有拜耳陣列之一固態成像器件之解析度之一位準之情形下獲得一高靈敏度影像及一低靈敏度影像。除此之外，可實施能夠提供一高靈敏度及一寬動態範圍兩者之一固態成像器件且實施採用此一固態成像器件之一照相機系統。
3：電子裝置之典型組態
可在諸如一照相機及具有一嵌入式照相機之一可攜式裝置之電子裝置中採用根據本發明之固態成像器件。亦即，可實施諸如採用該固態成像器件之一照相機、具有採用該固態成像器件之一嵌入式照相機之一可攜式裝置及採用該固態成像器件之其他電子裝置之電子裝置。
圖8係顯示本發明所提供之一電子裝置之一組略組態之一方塊圖。更具體而言，圖8係顯示一數位相機50之一粗略組態之一方塊圖，該數位相機能夠藉助於該數位相機中採用之一固態成像器件52拍攝一靜止影像。
如該方塊圖中所示，數位相機50採用一光學透鏡51、固態成像器件52、一信號處理電路53及一驅動電路54。光學透鏡51充當照相機50中之一光學系統。
固態成像器件52係如迄今為止所述之本發明所提供之固態成像器件。光學透鏡51係用於在來自一攝影物件以充當入射光之影像光之基礎上在固態成像器件52中之一影像形成表面上形成一影像之一光學系統。因此，在某一週期期間，信號電荷累積於固態成像器件52中所採用之一光電轉換元件中。驅動電路54係用於將亦稱為一驅動信號或一定時信號之一轉移操作信號供應至固態成像器件52之一區段。驅動電路54所產生之驅動信號將固態成像器件52中所採用之光電轉換元件所輸出之一信號轉移至信號處理電路53。信號處理電路53係用於對固態成像器件52中所採用之光電轉換元件所輸出之信號執行各種各樣之信號處理之一區段。信號處理電路53通常係圖6之方塊圖中所示之信號處理電路30或圖7之方塊圖中所示之信號處理電路40。由於信號處理而由信號處理電路53產生之一信號儲存於一儲存媒體(諸如一記憶體)中且通常輸出至一監視器。實施數位相機50之實施例包含其中光學透鏡51、固態成像器件52、信號處理電路53及驅動電路54中之每一者係模組化之一照相機模組。
本發明可應用於具有一嵌入式照相機(諸如圖8之方塊圖中所示之數位相機50)或上述照相機模組之一可攜式裝置。該可攜式裝置之一代表實例係一可攜式電話。
另外，圖8之方塊圖中所示之組態可實施為所謂的成像功能模組。在圖8之方塊圖中所示之數位相機50之情形中，所謂的成像功能模組係其中光學透鏡51、固態成像器件52、信號處理電路53及驅動電路54中之每一者經模組化以實施成像功能之一模組。亦即，本實施例可應用於採用此一成像功能模組之一電子裝置。
在迄今為止所述之實施例中，一CMOS影像感測器經實施以充當一典型固態成像器件。然而，應注意，本實施例亦可應用於除CMOS影像感測器之外的一固態成像器件。舉例而言，本實施例亦可應用於藉由修改一通用固態成像器件中所採用之一濾色器陣列而實施之一固態成像器件。在此情形下，該通用固態成像器件可係諸如一CCD(電荷耦合器件)影像感測器或一CMD(電荷調變器件)影像感測器之任一其他影像感測器。亦即，未考量成像方法。
另外，本實施例所應用至的系統之範圍絕不限於諸如一靜畫照相機或一動畫照相機之照相機系統。
亦值得注意的是，本發明之範圍絕不限於迄今為止所述之實施例之組態。亦即，可將該等實施例之組態改變為不背離本發明之本質之一範圍內之多種經修改版本。
本申請案含有與全部內容以引用方式併入本文中之於2009年9月16日在日本專利局提出申請之日本優先權專利申請案JP 2009-214819中所揭示之標的物相關之標的物。
10．．．固態成像器件
11．．．水平信號線
12．．．像素
13．．．像素區段
14．．．垂直驅動電路
15．．．行信號處理電路
16．．．水平驅動電路
17．．．輸出電路
18．．．控制電路
19．．．垂直信號線
20．．．濾波器佈局
21．．．S1像素
22．．．S2像素
23．．．R像素
24．．．B像素
30．．．信號處理電路
31．．．像素內插處理區段
32．．．G處理區段
33．．．第一MTX處理區段
34．．．第二MTX處理區段
35．．．S1像素飽和確定區段
36．．．像素合成區段
40．．．信號處理電路
41．．．像素內插處理區段
42．．．S1像素飽和確定區段
43．．．S處理區段
44．．．G處理區段
45．．．MTX處理區段
50．．．數位相機
51．．．光學透鏡
52．．．固態成像器件
53．．．信號處理電路
54．．．驅動電路
圖1係顯示實施本發明之實施例所提供之一固態成像器件之一實施例之一粗略組態之一方塊圖；
圖2係顯示實施各自提供於本發明之實施例所提供之固態成像器件中所採用之一像素區段中之像素中之一者上之濾波器之一佈局之一實施例之一圖示；
圖3係顯示入射於本發明之實施例所提供之固態成像器件之S1及S2濾波器上之光之波長與該等濾波器之透射率之間的關係及光之波長與像素靈敏度之間的關係之一圖示；
圖4係顯示入射於本發明之實施例所提供之固態成像器件之每一像素上之光量與該像素所輸出之一信號之量值之間的關係以及飽和點與動態範圍之間的關係之一圖示；
圖5係顯示入射於本發明之實施例所提供之固態成像器件之每一像素上之光量與該像素所輸出之一信號之量值之間的關係以及飽和點與動態範圍之間的關係之一圖示；
圖6係顯示實施本發明之實施例所提供之固態成像器件中所採用之一信號處理電路之一第一實施例之一方塊圖；
圖7係顯示實施本發明之實施例所提供之固態成像器件中所採用之一信號處理電路之一第二實施例之一方塊圖；
圖8係顯示本發明之實施例所提供之一電子裝置之一粗略組態之一方塊圖；且
圖9係顯示入射於現有固態成像器件之每一像素上之光量與該像素所輸出之一信號之量值之間的關係以及飽和點與動態範圍之間的關係之一圖示。
20．．．濾波器佈局
21．．．S1像素
22．．．S2像素
23．．．R像素
24．．．B像素

Claims (11)

  1. 一種固態成像器件，其包括：一R像素，其具有用於透射紅色光之一R濾波器；一B像素，其具有用於透射藍色光之一B濾波器；一S1像素，其具有一S1濾波器且具有高於該R像素之一靈敏度，該S1濾波器具有獨立於一橫跨紅色、綠色及藍色波長之可見光區域中之波長之一可見光透射率；及一S2像素，其具有一S2濾波器且具有低於該S1像素之一靈敏度，該S2濾波器具有獨立於該橫跨紅色、綠色及藍色波長之可見光區域中之波長的可見光透射率，且具有低於該S1濾波器之該可見光透射率之一透射率。
  2. 如請求項1之固態成像器件，其中假設不具有濾波器之一像素之靈敏度係100，則該S1像素之該靈敏度具有介於40至100之範圍中之一值。
  3. 如請求項1之固態成像器件，其中假設不具有濾波器之一像素之該靈敏度係100，則該S2像素之該靈敏度不大於60。
  4. 如請求項1之固態成像器件，其中該S2像素之該靈敏度係設定為低於該R及B像素之該等靈敏度中之較高靈敏度之一值。
  5. 如請求項1之固態成像器件，其中：一影像照度信號係藉由利用自該S1及S2像素輸出之信號而產生；且一個影像係藉由將自該S1像素產生之該影像照度信號 與自該S2像素產生之該影像照度信號合成而產生。
  6. 如請求項1之固態成像器件，其中：一影像照度信號係藉由利用該R、B、S1及S2像素所輸出之信號而產生；且一綠色信號係藉由利用該S1像素所輸出之該信號對具有不吸收一可見光區域中之光之一濾波器之一像素所輸出之一信號之間的一比率而產生。
  7. 如請求項1之固態成像器件，其中該S1像素之一像素信號飽和確定係確定何等像素被使用於產生影像資料。
  8. 如請求項1之固態成像器件，其中一綠色像素信號係基於對應之S1或S2像素及R及B像素資料之數個位準而產生。
  9. 一種電子裝置，其採用：一固態成像器件，其包括：一R像素，其具有用於透射紅色光之一R濾波器，一B像素，其具有用於透射藍色光之一B濾波器，一S1像素，其具有一S1濾波器且具有高於該R像素之靈敏度之一靈敏度，該S1濾波器具有獨立於一橫跨紅色、綠色及藍色波長之可見光區域中之波長之一可見光透射率，及一S2像素，其具有一S2濾波器且具有低於該S1像素之該靈敏度之一靈敏度，該S2濾波器具有獨立於該橫跨紅色、綠色及藍色波長之可見光區域中之波長的可見光透射率，且具有低於該S1濾波器之該可見光透射率之一 透射率；一光學系統，其用於將入射光導引至該固態成像器件之一成像區段；及一信號處理電路，其用於處理該固態成像器件所輸出之一信號。
  10. 如請求項9之電子裝置，其中該S1像素之一像素信號飽和確定係確定何等像素被使用於產生影像資料。
  11. 如請求項9之電子裝置，其中一綠色像素信號係基於對應之S1或S2像素及R及B像素資料之數個位準而產生。
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