專利名稱：固體攝像器件及其驅(qū)動方法和電子裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固體攝像器件及其驅(qū)動方法和采用該固體攝像器件的電子裝置，特別地涉及能夠獲得具有不同靈敏度的多個信號以擴(kuò)展動態(tài)范圍的固體攝像器件及其驅(qū)動方 法和采用該固體攝像器件的電子裝置。
背景技術(shù)：
在相關(guān)技術(shù)中，存在有如下用于擴(kuò)展與固體攝像器件入射光量相對應(yīng)的信號量的輸出動態(tài)范圍的方法在多個不同的曝光時間內(nèi)多次讀出同一像素，并隨后在下一階段將具有彼此不同靈敏度的讀出信號合成(例如，參見日本專利文獻(xiàn)第3680366號公報以及 Orly Yadid-Pecht 和 Eric R. Fossum, " Wide Intrascene Dynamic Range CMOS APSUsing Dual Sampling "，IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL.44, NO. 10,pp. 1721-1723，1997 年 10 月)。在上述方法中，可以從長曝光時間的信號中獲得低亮度部分的信息，并可以從短曝光時間的信號中獲得高亮度部分的信息。然而，當(dāng)物體處于低亮度時，至少需要利用長曝光時間來延長信號的曝光時間，但是利用長曝光時間來延長信號的曝光時間存在限制。例如，在動態(tài)圖像中，最大曝光時間僅為1/30秒。此外，在靜止圖像中，為了抑制手或物體的偏移，期望避免延長曝光時間超過預(yù)定時間。在此情況下，即使在長曝光時間的信號中，由于信號量小，因此仍需要提高固體攝像器件的增益設(shè)定。為了提高增益設(shè)定，存在兩種方法，一種方法是在AD (模擬到數(shù)字)轉(zhuǎn)換前提高模擬增益，另一種方法是在AD轉(zhuǎn)換后提高數(shù)字增益。在提高數(shù)字增益的方法中，提高數(shù)字增益導(dǎo)致圖像灰度粗糙。此外，在提高模擬增益的方法中，在圖像表面的一部分明亮的情況下，明亮部分的信號超過了進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換的AD轉(zhuǎn)換電路的輸入范圍，因此不管最初是否存在信號，該信號都會丟失。當(dāng)然，能夠從短曝光時間的信號中獲得明亮部分的信號，但當(dāng)與長曝光時間的信號進(jìn)行對比時，S/N(信號/噪聲)低，因此存在所得圖像S/N降低的擔(dān)憂。

發(fā)明內(nèi)容
基于上述情況而提出本發(fā)明，因此即使當(dāng)提高模擬增益以獲得具有不同靈敏度的多個信號從而擴(kuò)展其動態(tài)范圍時，仍期望防止高靈敏度信號與低靈敏度信號的連接部分的信號的丟失，從而能夠獲得具有高S/N的信號。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供了一種固體攝像器件，所述固體攝像器件包括像素陣列部，在所述像素陣列部中，用于檢測物理量的像素布置成二維矩陣；AD轉(zhuǎn)換部，其對多個通道的模擬像素信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，所述模擬像素信號是從所述像素陣列部讀出的；及控制部，其根據(jù)所述模擬像素信號的增益設(shè)定來設(shè)定所述AD轉(zhuǎn)換部所進(jìn)行的AD轉(zhuǎn)換的量化單位，其中，所述控制部根據(jù)所述模擬像素信號的所述增益設(shè)定來確定對至少一個通道的所述模擬像素信號所進(jìn)行的AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸出的灰階數(shù)。當(dāng)提高所述模擬像素信號的增益時，所述控制部進(jìn)行控制，使得所述AD轉(zhuǎn)換部所進(jìn)行的AD轉(zhuǎn)換的量化單位變小，并使得對至少一個通道的所述像素信號所進(jìn)行的AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸出的灰階數(shù)變大。在本發(fā)明的一個實施例的所述固體攝像器件中，所述AD轉(zhuǎn)換部對所述多個通道的彼此具有不同靈敏度的所述模擬像素信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，且當(dāng)提高所述模擬像素信號的增益時，所述控制部進(jìn)行控制，使得所述AD轉(zhuǎn)換部所進(jìn)行的AD轉(zhuǎn)換的量化單位變小，并使得對至少一個通道的具有高靈敏度的所述模擬像素信號所進(jìn)行的AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸出的灰階數(shù)變大。、在本發(fā)明的一個實施例的所述固體攝像器件中，當(dāng)提高所述模擬像素信號的增益時，所述控制部進(jìn)行控制，使得對至少一個通道的具有低靈敏度的所述模擬像素信號所進(jìn)行的AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸出的灰階數(shù)保持不變。在本發(fā)明的一個實施例的所述固體攝像器件中，在提高所述模擬像素信號的增益之前，所述控制部進(jìn)行控制，使得對至少一個通道的具有高靈敏度的所述模擬像素信號所進(jìn)行的AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸出的灰階數(shù)大于對至少一個通道的具有低靈敏度的所述模擬像素信號所進(jìn)行的AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸出的灰階數(shù)。在本發(fā)明的一個實施例的所述固體攝像器件中，所述AD轉(zhuǎn)換部通過有差異地設(shè)定所述像素的用于檢測所述物理量的檢測時間，來對所述多個通道的彼此具有不同靈敏度的所述模擬像素信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，提供了一種固體攝像器件的驅(qū)動方法，所述固體攝像器件包括像素陣列部，在所述像素陣列部中，用于檢測物理量的像素布置成二維矩陣；及AD轉(zhuǎn)換部，其對多個通道的模擬像素信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，所述模擬像素信號是從所述像素陣列部讀出的。所述驅(qū)動方法包括步驟根據(jù)所述模擬像素信號的增益設(shè)定來設(shè)定所述AD轉(zhuǎn)換部所進(jìn)行的AD轉(zhuǎn)換的量化單位，且根據(jù)所述模擬像素信號的所述增益設(shè)定來確定對至少一個通道的所述模擬像素信號所進(jìn)行的AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸出的灰階數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的又一實施例，提供了一種電子裝置，所述電子裝置具有前述實施例的固體攝像器件。根據(jù)本發(fā)明的實施例，對讀出自像素陣列部的多個通道的模擬像素信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，根據(jù)像素信號的增益設(shè)定對AD轉(zhuǎn)換部所進(jìn)行的AD轉(zhuǎn)換的量化單位進(jìn)行設(shè)定，并根據(jù)像素信號的增益設(shè)定確定對至少一個通道的像素信號所進(jìn)行的AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸出的灰階數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的實施例，當(dāng)提高模擬增益時，在獲得多個具有不同靈敏度的信號并擴(kuò)展其動態(tài)范圍的情況下，能夠防止信息的丟失且能夠獲得具有高S/N的圖像。


圖I圖示了本發(fā)明固體攝像器件的實施例的結(jié)構(gòu)示例。圖2圖示了單位像素的電路結(jié)構(gòu)的示例。圖3圖示了用于獲得不同靈敏度的信號的兩個通道的快門掃描和讀出掃描。圖4是圖示了列信號處理電路的結(jié)構(gòu)示例的框圖。圖5圖示了相對于入射光量的低亮度信號和高亮度信號的動態(tài)范圍。圖6圖示了用于合成低亮度信號和高亮度信號的系數(shù)。圖7圖示了模擬增益與AD轉(zhuǎn)換電路的輸入增益之間的關(guān)系。圖8圖示了模擬增益與AD轉(zhuǎn)換電路的輸入增益之間的關(guān)系。 圖9圖示了模擬增益與AD轉(zhuǎn)換電路的灰階數(shù)(grayscale number)之間的關(guān)系。圖10圖示了模擬增益與AD轉(zhuǎn)換電路的灰階數(shù)之間的關(guān)系。圖11圖示了模擬增益與AD轉(zhuǎn)換電路的灰階數(shù)之間的關(guān)系。圖12是圖示了信號輸出過程的流程圖。圖13是圖示了信號輸出過程的流程圖。圖14圖示了本發(fā)明電子裝置的實施例的結(jié)構(gòu)示例。圖15是圖示了增益設(shè)定過程的流程圖。
具體實施例方式以下參照

本發(fā)明的實施例。固體攝像器件的結(jié)構(gòu)圖I圖示了本發(fā)明實施例的固體攝像器件的結(jié)構(gòu)。在本實施例中，固體攝像器件的不例是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)圖像傳感器，其以像素為單位檢測與可見光光量相對應(yīng)的電荷量的物理量。如圖I所示，CMOS圖像傳感器10具有像素陣列部12，在像素陣列部12中，單位像素11 (以下簡稱為像素11)在行和列上排列(矩陣形狀)，其包含將入射可見光的光量轉(zhuǎn)換為光電信號的光電轉(zhuǎn)換器件。除了像素陣列部12之外，CMOS圖像傳感器10還設(shè)置有用于整體地控制CMOS圖像傳感器10的控制電路13、用于驅(qū)動單位像素陣列部12中各像素11的垂直驅(qū)動電路14、用于對從各像素11輸出的信號進(jìn)行處理的n個通道的列信號處理電路15和16、水平驅(qū)動電路17和18、水平信號線19和20以及輸出電路21和22。具體地，CMOS圖像傳感器10是具有如下結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)兩個通道的信號處理機(jī)構(gòu)布置在單位像素陣列部12的上下兩側(cè)，在上述兩個通道的信號處理機(jī)構(gòu)中，一個通道的信號處理機(jī)構(gòu)包括列信號處理電路15、水平驅(qū)動電路17、水平信號線19和輸出電路21，而另一個通道的信號處理機(jī)構(gòu)包括列信號處理電路16、水平驅(qū)動電路18、水平信號線20和輸出電路22。在該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，控制電路13從外部接收用于操控CMOS圖像傳感器10的操作模式的數(shù)據(jù)等，并向外部輸出包括CMOS圖像傳感器10信息的數(shù)據(jù)。此外，基于垂直同步信號Vsync、水平同步信號Hsync和主時鐘MCK，控制電路13產(chǎn)生諸如時鐘信號或控制信號等，以作為驅(qū)動垂直驅(qū)動電路14、列信號處理電路15和16、水平驅(qū)動電路17和18等的基準(zhǔn)信號。由控制電路13產(chǎn)生的時鐘信號或控制信號等被提供至垂直驅(qū)動電路14、列信號處理電路15和16、水平驅(qū)動電路17和18等。在像素陣列部12中，單位像素11排列為二維矩陣形式。如圖I所示，單位像素11大體以方點陣(square lattice)的形式排列。這意味著由光電轉(zhuǎn)換器件或金屬布線等所界定的光學(xué)開口大體以方點陣的形式排列，而單位像素11的電路部不限于該結(jié)構(gòu)。即，在如下所述的單位像素11的電路部中，不期望必須大體以方點陣的形式排列。此外，在像素陣列部12中，對于單位像素11的行列布置，每個像素行的像素驅(qū)動布線23沿著該圖的左右方向(像素行中像素的陣列方向)形成，且每個像素列的垂直信號線24沿著該圖的上下方向(像素列中像素 的陣列方向)形成。該像素驅(qū)動布線23的一端與垂直驅(qū)動電路14對應(yīng)于各個像素行的輸出端相連接。垂直驅(qū)動電路14可以由移位寄存器或地址譯碼器構(gòu)成，并以行為單位依次選擇和掃描像素陣列部12的各像素，并然后通過單位像素驅(qū)動布線23向所選行的各像素提供所期望的驅(qū)動脈沖(控制脈沖)。盡管省略了垂直驅(qū)動電路14的具體構(gòu)成，但其可以設(shè)置有用于進(jìn)行讀出掃描以便以行為單位依次選擇性地掃描像素11的掃描通道，以及用于進(jìn)行清除掃描以便從光電轉(zhuǎn)換器件清除(復(fù)位)讀出自單元像素11的不期望電荷的掃描通道，其中清除掃描比讀取掃描提前的時間是快門速度時間。通過清除掃描通道清除(復(fù)位)不期望的電荷來進(jìn)行所謂的電子快門操作。以下，將清除掃描通道稱為電子快門掃描通道。此處，所謂的電子快門操作是指丟棄光電轉(zhuǎn)換器件的光電荷并然后開始新的曝光(開始光電荷存儲)的操作。通過讀出掃描通道的讀出操作獲得的讀出信號對應(yīng)于上一讀出操作之后或電子快門操作之后接收的光量。此外，從上一讀出操作的讀出時刻開始或從電子快門操作的清除時刻開始到當(dāng)前讀出操作的讀出時刻的時段是單位像素11中光電電荷的存儲時間(曝光時間)。來自所選行的各像素11的輸出信號分別通過垂直信號線24提供到列信號處理電路15或列信號處理電路16。例如，列信號處理電路15和16布置在單位像素陣列部12的上方和下方，且它們例如與像素陣列部12的每個像素列(即，單位像素列)具有I : I的對應(yīng)關(guān)系。列信號處理電路15和16接收像素陣列部12的各行像素11中所選行的輸出信號，并進(jìn)行去除信號中固有的固定模式噪聲的相關(guān)雙采樣(Correlated Double Sampling,⑶S)處理、信號放大處理或AD轉(zhuǎn)換處理等。此外，此處，盡管作為示例圖示了采用可以以I : I的對應(yīng)關(guān)系布置列信號處理電路15和16的結(jié)構(gòu)的情況，但不限于該結(jié)構(gòu)，還可以采用例如這樣的結(jié)構(gòu)為每多個像素列(垂直信號線24)逐個布置列信號處理電路15和16，以在多個像素列之間以時分(timedivision)的方式共用列信號處理電路15和16。水平驅(qū)動電路17可以由移位寄存器或地址譯碼器等構(gòu)成，以便通過依次輸出水平掃描脈沖來依次選擇列信號處理電路15。類似于水平驅(qū)動電路17，水平驅(qū)動電路18也可以由移位寄存器或地址譯碼器等構(gòu)成，以便通過依次輸出水平掃描脈沖來依次選擇列信號處理電路16。此外，盡管未圖示，列信號處理電路15和16的各輸出級均具有與各水平信號線19和20相連接的水平選擇開關(guān)。依次從水平驅(qū)動電路17和18輸出的水平掃描脈沖cpHl cpHx依次打開與列信號處理電路15和16的各輸出級相連接的水平選擇開關(guān)。這些水平選擇開關(guān)響應(yīng)于水平掃描脈沖依次打開，并且將每個像素列經(jīng)列信號處理電路15和16處理過的像素信號依次輸出至水平信號線19和20。輸出電路21和22對通過水平信號線19和20從各列信號處理電路15和16依次提供的單位像素信號進(jìn)行一些信號處理，并然后輸出處理后的信號。這些輸出電路21和22的具體信號處理的示例是緩沖處理、緩沖之前的黑電平調(diào)整處理、各列之間的差異校正處理、信號放大處理、顏色關(guān)系處理等。像素的電路結(jié)構(gòu)圖2表示單位像素11的電路結(jié)構(gòu)的示例。圖2所示的單位像素11具有傳輸晶 體管42、復(fù)位晶體管43、放大晶體管44、選擇晶體管45和作為光電轉(zhuǎn)換器件的光電二極管41。此處，可以采用n溝道型MOS晶體管作為傳輸晶體管42至選擇晶體管45這四個晶體管的示例。傳輸晶體管42、復(fù)位晶體管43、放大晶體管44和選擇晶體管45的導(dǎo)電類型的上述組合僅僅是示例，但不限于這樣的組合。此外，如圖2所示，例如，對于單位像素11，為相同像素行的各個像素公共布置傳輸布線23a、復(fù)位布線23b和選擇布線23c這三條驅(qū)動布線，以作為像素驅(qū)動布線23。傳輸布線23a、復(fù)位布線23b和選擇布線23c中各者的一端分別以像素行為單位連接到垂直驅(qū)動電路14的與各個像素行相對應(yīng)的輸出端。例如，光電二極管41具有與負(fù)側(cè)(如接地)相連接的陽極，并將所感測的光轉(zhuǎn)換為具有與光量(物理量)相對應(yīng)的電荷量的光電荷(此處為光電子)。光電二極管41的陰極經(jīng)過傳輸晶體管42與放大晶體管44的柵極電連接。與該放大晶體管44的柵極電連接的節(jié)點46稱為FD (浮動擴(kuò)散)部。傳輸晶體管42連接在光電二極管41的陰極與FD部46之間，通過傳輸布線23a向傳輸晶體管42的柵極施加傳輸脈沖(pTRF以使傳輸晶體管42導(dǎo)通,從而將光電二極管41中轉(zhuǎn)換的光電荷傳輸至FD部46，傳輸脈沖cpTRF的高電平(如Vdd電平)呈現(xiàn)為有效電平(以下稱為“高有效”)。復(fù)位晶體管43具有與像素電源Vdd相連接的漏極和與FD部46相連接的源極，利用復(fù)位布線23b向復(fù)位晶體管43的柵極施加高有效的復(fù)位脈沖cpRST以導(dǎo)通復(fù)位晶體管43，從而在從光電二極管41向部46傳輸信號之前通過將FD部46的電荷丟棄到單位像素的像素電源Vdd來復(fù)位FD部46。放大晶體管44具有與FD部46相連接的柵極和與像素電源Vdd相連接的漏極，放大晶體管44在通過復(fù)位晶體管43進(jìn)行復(fù)位之后輸出FD部46的電平以作為復(fù)位電平，并且還在通過傳輸晶體管42完成信號電荷傳輸之后輸出FD部46的電平以作為信號電平。選擇晶體管45具有與放大晶體管44的源極相連接的漏極和與垂直信號線24相連接的源極，通過選擇布線23c向選擇晶體管45的柵極施加高有效的選擇脈沖cpSEL以使選擇晶體管45導(dǎo)通，以作為單位像素11的被選狀態(tài)，從而將來自放大晶體管44的輸出信號傳輸?shù)酱怪毙盘柧€24。此外，選擇晶體管45可以采用連接在單位像素電源Vdd與放大晶體管44之間的電路結(jié)構(gòu)。此外，單位像素11不限于四晶體管的結(jié)構(gòu)，也可以是將放大晶體管44兼用作選擇晶體管45的三個晶體管所構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)，或其他電路結(jié)構(gòu)。從多個通道獲得具有不同靈敏度的信號的示例有關(guān)上述結(jié)構(gòu)的實施例的CMOS圖像傳感器10可以通過多個通道(例如，本實施例中是兩個通道)從單位像素陣列部 12的各個像素11中獲得具有不同靈敏度的信號，從而獲得寬的動態(tài)范圍。針對單位像素陣列部12的各個像素11，垂直驅(qū)動電路14在電子快門掃描通道中進(jìn)行快門掃描，并通過兩個通道進(jìn)行讀出掃描，從而能夠通過改變檢測時間(即像素11的用于檢測作為物理量的光量的曝光時間)來獲得具有不同靈敏度的信號(使兩個通道中的信號靈敏度不同)。通過兩個通道的讀出掃描的間隔來調(diào)整曝光時間(檢測時間)的長度。其具體說明如下。在讀出掃描中，如圖3的左側(cè)所示，分別掃描兩個通道的兩個像素行(讀出行I和2)，且將來自這兩個讀出行I和2的各個像素信號讀出至垂直信號線24。此外，與兩個通道的讀出掃描相對應(yīng)地安裝兩個通道的列信號處理電路15和16。通過垂直掃描，如圖3右側(cè)所示，由于從快門行到進(jìn)行第一輪讀出掃描的讀出行I的時間是曝光時間1，且從讀出行I到進(jìn)行第二輪讀出掃描的讀出行2的時間是曝光時間2，因此通過有差異地設(shè)定這兩個連續(xù)曝光時間(存儲時間)I和2，能夠相繼獲得來自同一像素的具有不同靈敏度的兩個信號，即基于短曝光時間I的低靈敏度信號和基于長曝光時間2的聞靈敏度"[目號。由控制電路13進(jìn)行曝光時間I和2的設(shè)定。通過在下一階段中在合成電路(未圖示)中將具有不同靈敏度的兩個信號(即，低靈敏度信號和高靈敏度信號)合成，能夠獲得具有寬動態(tài)范圍的圖像信號。以這樣的方式獲得的圖像信號的高亮度部分的信息可以從基于短曝光時間I的低靈敏度信號中獲得，而所得圖像信號的低亮度部分的信息可以從基于長曝光時間2的高靈敏度信號中獲得。據(jù)此，將低靈敏度信號稱為高亮度信號，并將高靈敏度信號稱為低亮度信號。此外，上述快門掃描和讀出掃描可以由以下結(jié)構(gòu)實施。換言之，如上所述，例如，在具有讀出掃描通道和電子快門掃描通道(清除掃描通道)的垂直驅(qū)動電路14中，電子快門掃描通道可以由移位寄存器構(gòu)成，并從第一行起以像素行為單位依次從移位寄存器中輸出電子快門脈沖，從而能夠進(jìn)行卷簾快門(rollingshutter)操作(或焦平面快門操作)，該操作從第一行起依次進(jìn)行快門掃描。同時，讀出掃描通道可以由兩個移位寄存器構(gòu)成，通過依次從兩個移位寄存器中輸出選擇讀出行I和2的掃描脈沖I和2，能夠進(jìn)行兩個通道的讀出掃描。此外，讀出掃描通道還可以設(shè)置有地址譯碼器，通過相應(yīng)的地址譯碼器為各個行I和2指派地址，能夠進(jìn)行兩個通道的讀出掃描。以這樣的方式，通過電子快門掃描通道進(jìn)行快門掃描并通過讀出掃描通道進(jìn)行兩個通道的讀出掃描，獲得了具有不同靈敏度的兩個通道的信號。具體地，如圖3左側(cè)所示，首先掃描快門行，隨后掃描兩個讀出行I和2。例如，在列信號處理電路15中能夠讀出從讀出行I的各個像素輸出的信號，并且在列信號處理電路16中能夠讀出從讀出行2的各個像素輸出的信號?？梢愿淖冏x出行I和2與列信號處理電路15和16的組合。由列信號處理電路15和16的操作時序決定由列信號處理電路15和16中的哪一個對讀出行I和2中的哪一行進(jìn)行讀出。即，如果基于讀出行I的掃描時序來操作列信號處理電路15(16)，則由列信號處理電路15(16)對讀出行I的各像素信號進(jìn)行讀出，而如果基于讀出行2的掃描時間來操作列信號處理電路16 (15),則由列信號處理電路16 (15)對讀出行2的各像素信號進(jìn)行讀出。在圖3右側(cè)中，橫軸表示時間，并示出了掃描行為。此處，將讀出行I定義為短曝光時間1，并將讀出行2定義為長曝光時間2。為了便于理解 ，作為示例，將曝光時間I定義為2行部分的時間2H(H是水平時段)，而將曝光時間2定義為8行部分的時間8H。因此，讀出行I的單位像素靈敏度低，而讀出行2的單位像素靈敏度是讀出行I的單位像素靈敏度的4倍。列信號處理電路的結(jié)構(gòu)圖4是圖示了列信號處理電路15和16的示例的框圖。此處，為了便于說明，列信號處理電路15和16中的所有信號在從左到右的方向上表不。列信號處理電路15可以由⑶S處理電路51、AD轉(zhuǎn)換電路52和鎖存電路53構(gòu)成。⑶S處理電路51通過對上述復(fù)位電平與信號電平進(jìn)行差分，從與入射光的光量相對應(yīng)的信號電平(高亮度部分)中去除單位像素所固有的固定模式噪聲，并然后進(jìn)行CDS處理，其中上述復(fù)位電平和信號電平是通過垂直信號線24從構(gòu)成單位像素陣列部12的單位像素11提供的。AD轉(zhuǎn)換電路52基于控制電路13對由CDS處理電路51去除了噪聲的模擬信號(高亮度部分)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。鎖存電路53存儲由AD轉(zhuǎn)換電路52輸出的AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號。列信號處理電路16具有與列信號處理電路15基本相同的結(jié)構(gòu)。具體地，列信號處理電路16由⑶S處理電路61、AD轉(zhuǎn)換電路62和鎖存電路63構(gòu)成。S卩，⑶S處理電路61通過進(jìn)行⑶S處理以對上述復(fù)位電平與信號電平進(jìn)行差分，從與入射光的光量相對應(yīng)的信號電平(低亮度部分)中去除單位像素所固有的固定模式噪聲，其中上述復(fù)位電平和信號電平是通過垂直信號線24從構(gòu)成單位像素陣列部12的單位像素11提供的。AD轉(zhuǎn)換電路62基于控制電路13對由⑶S處理電路61去除了噪聲的模擬信號(低亮度部分)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。鎖存電路63存儲由AD轉(zhuǎn)換電路62輸出的AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號。類似地，通過水平驅(qū)動電路17的水平掃描，使與存儲在鎖存電路53中的高亮度信號相對應(yīng)的數(shù)字信號DH經(jīng)由水平掃描線19讀出，而通過水平驅(qū)動電路18的水平掃描，使與存儲在鎖存電路63中的低亮度信號相對應(yīng)的數(shù)字信號DL經(jīng)由水平掃描線20讀出。此外，合成電路71將從鎖存電路53讀出的與高亮度信號相對應(yīng)的數(shù)字信號DH和從鎖存電路63讀出的與低亮度信號相對應(yīng)的數(shù)字信號DL進(jìn)行合成，以輸出合成信號D。此夕卜，設(shè)置有存儲器，該存儲器存儲并保持對應(yīng)于多行的信號，從而合成電路71能夠臨時存儲并保持來自讀出行I的信號，并因此能夠在從讀出行2中輸出相同的像素信號時將各信號合成。此外，在圖4中，盡管沒有圖示輸出電路21和22，但實際上，參照圖1，來自列信號處理電路15的單位像素信號提供到輸出電路21，而來自列信號處理電路16的單位像素信號提供到輸出電路22。即，合成電路71將輸出電路21輸出的數(shù)字信號DH與輸出電路22輸出的數(shù)字信號DL合成。低亮度信號和高亮度信號的合成以下參照圖5和圖6說明由合成電路71進(jìn)行的數(shù)字信號DH(對應(yīng)于高亮度部分)與數(shù)字信號DL(對應(yīng)于低亮度部分)的合成處理。此外，以下，對應(yīng)于高亮度信號的數(shù)字信號DH和對應(yīng)于低亮度信號的數(shù)字信號DL分別稱為高亮度信號DH和低亮度信號DL。圖5圖示了與CMOS圖像傳感器10的入射光光量相對應(yīng)的低亮度信號DL和高亮度信號DH的動態(tài)范圍。此處，如果模擬的低亮度信號與高亮度信號的靈敏度的比值(靈敏度比)為 4 1，即單位像素11的每單位光量的模擬輸出比為4 1，則低亮度信號與高亮度信號的每ImV的光量比為I : 4，且AD轉(zhuǎn)換的每量化單位(ILSB)的低亮度信號DL和高亮度信號DH滿足下列公式⑴低亮度信號DL =高亮度信號DHX4…(I)此時，合成電路71將低亮度部分的低亮度信號DL作為合成信號D原樣地輸出在屏幕上，并將圖像表面上的高亮度部分的高亮度信號DH放大4倍并將其作為合成信號D輸出。即，合成電路71將低亮度部分DL或高亮度部分DH作為合成信號D選擇性地輸出。由此，能夠擴(kuò)展動態(tài)范圍。然而，實際上，由于公式(I)表示的關(guān)系存在誤差，因此當(dāng)選擇低亮度信號DL或高亮度信號DH時不能輸出邊界附近的光量的準(zhǔn)確數(shù)字信號。此處，合成電路71輸出由下面的公式(2)表示的組合信號D，使得在光量處于圖5所示的La至Lb的范圍的低亮度一側(cè)的情況下，增加低亮度信號DL的權(quán)重，而在光量處于La至Lb的范圍的高亮度一側(cè)的情況下，增加高亮度信號DH的權(quán)重(加權(quán)平均)。組合信號D =低亮度信號DLX a +高亮度信號DHX4X (l_a)…⑵此外，在公式(2)中，系數(shù)a由圖6所示的值替代。S卩，系數(shù)a在低亮度信號DL小于對應(yīng)于光量La的值a的情況下取1，而在低亮度信號DL大于對應(yīng)于光量Lb的值b的情況下取O。此外,在低亮度信號DL大于對應(yīng)于光量La的值a且小于對應(yīng)于光量Lb的值b的情況下，系數(shù)a隨著低亮度信號DL的增加從I變?yōu)镺。此外，公式(2)中的數(shù)值4是每量化單位的低亮度信號與高亮度信號之間的光量比。由此，合成電路71在光量小于La的情況下輸出低亮度信號DL(圖5中低亮度信號的實線部分)以作為合成信號D，并在光量大于Lb的情況下輸出高亮度信號DH (圖5中高亮度信號的實線部分)乘以4之后的值，此外，在光量大于La且小于Lb的情況下輸出上述公式(2)所示的加權(quán)平均值作為合成信號D。由此，合成電路71能夠在擴(kuò)展動態(tài)范圍的同時輸出準(zhǔn)確的數(shù)字信號。順便提及，在提高本實施例CMOS圖像傳感器10的增益設(shè)定的情況下，進(jìn)行提高模擬增益的處理。具體地，控制電路13根據(jù)模擬增益的設(shè)定對AD轉(zhuǎn)換電路52和62的AD轉(zhuǎn)換的量化單位(ILSB)進(jìn)行設(shè)定。具體地，例如，為了獲得從合成電路71輸出的數(shù)字信號(即輸出自列信號處理電路15和16的低亮度信號DL和高亮度信號DH)的兩倍增益，AD轉(zhuǎn)換電路52和62的AD轉(zhuǎn)換的量化單位應(yīng)該變?yōu)?/2倍。此處，在圖4中，來自單位像素陣列12的單位像素11的信號(模擬信號)的輸出最大值為400mV，而AD轉(zhuǎn)換電路52和62各自的輸入范圍為0到500mV。在模擬增益的增益設(shè)定為I倍的情況下，如圖7所示，將低亮度信號和高亮度信號共同以單元像素11的最大輸出(400mV)被AD轉(zhuǎn)換。然而，在模擬增益的增益設(shè)定為2倍的情況下，為了使AD轉(zhuǎn)換量化單位為1/2倍，AD轉(zhuǎn)換電路52和62各自的輸入范圍分別相對地變?yōu)?到250mV。因此，如圖7所示，低亮度信號和高亮度信號中僅有250mV的信號部分被AD轉(zhuǎn)換，因此與250到400mV的信號部分相對應(yīng)的信息丟失。在此情況下，例如，對于圖5的低亮度信號，在由實線部分表示的被作為合成信號D原樣輸出的信號中，丟失了與光量La附近獲得的信號相對應(yīng)的信息。盡管該丟失信息可以從高亮度部分中獲得，然而由于高亮度部分的S/N低于低亮度部分，因此存在圖像的S/N變低的擔(dān)憂。
此處，控制電路13根據(jù)模擬增益的增益設(shè)定來確定低亮度部分的AD轉(zhuǎn)換(由AD轉(zhuǎn)換電路62進(jìn)行)的數(shù)字輸出的灰階數(shù)。具體地，控制電路13能夠進(jìn)行控制，使得在提高模擬增益時得到更大的灰階數(shù)，即低亮度部分的AD轉(zhuǎn)換(由AD轉(zhuǎn)換電路62進(jìn)行)的數(shù)字輸出的灰階數(shù)。此處，所謂的灰階數(shù)是2以AD轉(zhuǎn)換的灰階進(jìn)行自乘所得到的數(shù)，例如，10比特對應(yīng)于1024，12比特對應(yīng)于4096等。此外，根據(jù)AD轉(zhuǎn)換電路的類型，也可以進(jìn)行具有不是2的自乘的灰階數(shù)(例如，3000等)的AD轉(zhuǎn)換。模擬增益與低亮度信號的AD轉(zhuǎn)換的灰階數(shù)之間的關(guān)系此處參照圖8和圖9說明增益設(shè)定與AD轉(zhuǎn)換的灰階數(shù)之間的關(guān)系。圖8圖示了模擬增益與低亮度信號和高亮度信號的AD轉(zhuǎn)換的灰階數(shù)之間的關(guān)系，圖9圖示了相對于模擬增益的低亮度信號和高亮度信號的AD轉(zhuǎn)換的灰階數(shù)、輸入范圍、量化單位(ILSB)以及接近ILSB的光量比。此外，AD轉(zhuǎn)換電路52和62最大能夠轉(zhuǎn)換12比特的數(shù)字輸出，因此能夠改變輸出比特數(shù)(灰階數(shù))。具體地，例如，在AD轉(zhuǎn)換電路52和62具有能夠?qū)鶞?zhǔn)電壓和輸入電壓進(jìn)行比較的結(jié)構(gòu)或為A- E型AD轉(zhuǎn)換電路的情況下，可以通過改變計數(shù)器的工作頻率或改變AD轉(zhuǎn)換時間來改變灰階數(shù)。此外，在AD轉(zhuǎn)換電路52和62是逐次比較型AD轉(zhuǎn)換電路的情況下，可以通過比較的次數(shù)改變灰階數(shù)。此外，在AD轉(zhuǎn)換電路52和62是閃速型(flash type) AD轉(zhuǎn)換電路的情況下，可以通過使不需要的比較器處于待命狀態(tài)來改變灰階數(shù)，在AD轉(zhuǎn)換電路52和62是管線型(pipeline type)AD轉(zhuǎn)換電路的情況下，可以通過改變所使用的級數(shù)來改變灰階數(shù)。此外，AD轉(zhuǎn)換電路52和62不限于上述結(jié)構(gòu)，且優(yōu)選地采用具有可變灰階數(shù)的結(jié)構(gòu)。(I)不進(jìn)行任何增益設(shè)定的常規(guī)增益的情況(增益設(shè)定為I倍)首先，如圖8上部所示，低亮度信號和高亮度信號共同以單位像素陣列部12的單位像素11的最大輸出(例如，400mV)被AD轉(zhuǎn)換。此時，控制電路13將低亮度部分的由AD轉(zhuǎn)換電路62所AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸出最大設(shè)定成10比特，而控制電路13將高亮度部分的由AD轉(zhuǎn)換電路52所AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸出最大設(shè)定成12比特。
在此情況下，如圖9所示，AD轉(zhuǎn)換電路52和62各自的輸入范圍為0到500mV，而AD轉(zhuǎn)換電路52和62的量化單位分別約為0. 13mV和0. 5mV。此外，如果低亮度信號和高亮度信號的靈敏度比，即單位像素11的每單位光量的模擬輸出比為16 1，則低亮度信號與高亮度信號的每ImV的光量比變?yōu)镮 : 16，并因此低亮度信號與高亮度信號的每量化單位(ILSB)的光量比變?yōu)镮 : 4(在圖9中，當(dāng)?shù)土炼炔糠值拿苛炕瘑挝坏墓饬康拇笮镮時，代表高亮度部分的光量的大小的值為4)。此外，如果將低亮度部分的量化單位(ILSB)作為基準(zhǔn)，則高亮度部分有關(guān)的AD轉(zhuǎn)換電路52的輸入范圍設(shè)定成14比特。因此合成信號D設(shè)定成14比特。(2)增益設(shè)定為2倍的情況在此情況下，根據(jù)控制電路13，AD轉(zhuǎn)換電路52和62的AD轉(zhuǎn)換的量化單位是常規(guī)增益值時的量化單位的1/2倍。此時，根據(jù)控制電路13，如圖8中部所示，低亮度部分有關(guān)的AD轉(zhuǎn)換電路62的AD轉(zhuǎn)換數(shù)字輸出最大設(shè)定成11比特，而高亮度部分有關(guān)的AD轉(zhuǎn)換電 路52的AD轉(zhuǎn)換數(shù)字輸出最大設(shè)定成12比特。由此，高亮度部分的僅250mV的信號部分被AD轉(zhuǎn)換，因此與250到400mV的信號部分相對應(yīng)的信息丟失，而低亮度部分以單位像素11的最大輸出被AD轉(zhuǎn)換。S卩，如圖9所示，如果AD轉(zhuǎn)換電路52和62各自的輸入范圍分別是250mV和500mV，則AD轉(zhuǎn)換電路52和62的AD轉(zhuǎn)換的量化單位分別為0. 063mV和0. 25mV。此外，如果低亮度信號與高亮度信號的靈敏度比是16 1，則低亮度信號與高亮度信號的每ImV的光量比變?yōu)镮 : 16，因此與常規(guī)增益的情況下相同，低亮度信號與高亮度信號的每量化單位(ILSB)的光量比為I : 4。此外，如果將低亮度部分的量化單位(ILSB)作為基準(zhǔn)，則高亮度部分有關(guān)的AD轉(zhuǎn)換電路52的輸入范圍設(shè)定成14比特。因此，合成信號D設(shè)定成14比特。(3)增益設(shè)定為4倍的情況在此情況下，根據(jù)控制電路13，AD轉(zhuǎn)換電路52和62的AD轉(zhuǎn)換的量化單位是增益值為2倍時的量化單位的1/2倍。此時，根據(jù)控制電路13，如圖8下部所示，低亮度部分有關(guān)的AD轉(zhuǎn)換電路62的AD轉(zhuǎn)換數(shù)字輸出最大設(shè)定成12比特，而高亮度部分有關(guān)的AD轉(zhuǎn)換電路52的AD轉(zhuǎn)換數(shù)字輸出最大設(shè)定成12比特。由此，高亮度部分的僅125mV的信號部分被AD轉(zhuǎn)換，因此與125到400mV的信號部分相對應(yīng)的信息丟失，而低亮度部分以單位像素11的最大輸出被AD轉(zhuǎn)換。S卩，如圖9所示，如果AD轉(zhuǎn)換電路52和62各自的輸入范圍分別是125mV和500mV，則AD轉(zhuǎn)換電路52和62的AD轉(zhuǎn)換的量化單位分別為0. 03ImV和0. 13mV。此外，如果低亮度信號與高亮度信號的靈敏度比是16 1，則低亮度信號與高亮度信號的每ImV的光量比為I : 16，因此與常規(guī)增益的情況下相同，低亮度信號與高亮度信號的每量化單位(ILSB)的光量比為I : 4。此外，如果將低亮度部分的量化單位(ILSB)作為基準(zhǔn)，則高亮度部分有關(guān)的AD轉(zhuǎn)換電路52的輸入范圍設(shè)定成14比特。因此，合成信號D設(shè)定成14比特。(4)增益設(shè)定為8倍的情況在此情況下，根據(jù)控制電路13，AD轉(zhuǎn)換電路52和62的AD轉(zhuǎn)換的量化單位是增益值為4倍時的量化單位的1/2倍。此時，AD轉(zhuǎn)換電路52和62以最大值12比特對數(shù)字輸出進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，因此根據(jù)控制電路13，AD轉(zhuǎn)換電路62輸出的低亮度部分的AD轉(zhuǎn)換數(shù)字輸出和AD轉(zhuǎn)換電路52輸出的高亮度部分的AD轉(zhuǎn)換數(shù)字輸出最大設(shè)定成12比特。由此，高亮度部分僅63mV的信號部分被AD轉(zhuǎn)換，因此與63到400mV的信號部分相對應(yīng)的信息丟失，此外，低亮度部分僅250mV的信號部分被AD轉(zhuǎn)換，因此與250到400mV的信號部分相對應(yīng)的息丟失。S卩，如圖9所示，如果AD轉(zhuǎn)換電路52和62各自的輸入范圍分別是63mV和250mV，則AD轉(zhuǎn)換電路52和62的AD轉(zhuǎn)換的量化單位分別為0. 016mV和0. 063mV。此外，如果低亮度信號與高亮度信號的靈敏度比是16 1，則低亮度信號與高亮度信號的每ImV的光量比為I : 16，因此與常規(guī)增益的情況下相同，低亮度信號與高亮度信號的每量化單位(ILSB)的光量比為I : 4。此外，如果將低亮度部分的量化單位(ILSB)作為基準(zhǔn)，則高亮度部分有關(guān)的AD轉(zhuǎn)換電路52的輸入范圍設(shè)定成14比特。因此，合成信號D設(shè)定成14比特。(5)增益設(shè)定為16倍的情況在此情況下，根據(jù)控制電路13，AD轉(zhuǎn)換電路52和62的AD轉(zhuǎn)換的量化單位是增益值為8倍時的量化單位的1/2倍。此時，由于AD轉(zhuǎn)換電路52和62以最大值12比特對數(shù) 字輸出進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，因此與增益設(shè)定為8倍的情況類似，根據(jù)控制電路13，AD轉(zhuǎn)換電路62輸出的低亮度部分的AD轉(zhuǎn)換數(shù)字輸出和AD轉(zhuǎn)換電路52輸出的高亮度部分的AD轉(zhuǎn)換數(shù)字輸出均最大設(shè)定成12比特。由此，高亮度部分僅31mV的信號部分被AD轉(zhuǎn)換，因此與31到400mV的信號部分相對應(yīng)的信息丟失，此外，低亮度部分僅125mV的信號部分被AD轉(zhuǎn)換，因此與125到400mV的信號部分相對應(yīng)的信息丟失。S卩，如圖9所示，如果AD轉(zhuǎn)換電路52和62各自的輸入范圍分別是3ImV和125mV，則AD轉(zhuǎn)換電路52和62的AD轉(zhuǎn)換的量化單位分別為0. 008mV和0. 031mV。此外，如果低亮度信號與高亮度信號的靈敏度比是16 I，則低亮度信號與高亮度信號的每ImV的光量比為I : 16，因此與常規(guī)增益的情況下相同，低亮度信號與高亮度信號的每量化單位(ILSB)的光量比為I : 4。此外，如果低亮度部分的量化單位(ILSB)的作為基準(zhǔn)，則高亮度部分有關(guān)的AD轉(zhuǎn)換電路52的輸入范圍設(shè)定成14比特。因此，合成信號D設(shè)定成14比特。如上所述，在常規(guī)增益的情況下，如果控制電路13能夠進(jìn)行控制以確定低亮度部分的AD轉(zhuǎn)換的灰階數(shù)比高亮度部分的AD轉(zhuǎn)換(其由AD轉(zhuǎn)換電路52進(jìn)行)的灰階數(shù)小的比特數(shù)，且能夠進(jìn)行控制以每當(dāng)增加增益設(shè)定時使低亮度部分的AD轉(zhuǎn)換(其由AD轉(zhuǎn)換電路62進(jìn)行)的灰階數(shù)變大(增加比特數(shù))，則即使量化單位很小也沒有問題，并因此能夠使AD轉(zhuǎn)換電路62的輸入范圍保持為與常規(guī)增益的情況下相同的輸入范圍。此外，由于AD轉(zhuǎn)換電路以最大值12比特對數(shù)字輸出進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，在增益設(shè)定為8倍的情況下，上述實施例不能增加AD轉(zhuǎn)換電路62對低亮度部分的AD轉(zhuǎn)換的灰階數(shù)(增加比特數(shù))。在此情況下，與未被AD轉(zhuǎn)換的低亮度部分的相對應(yīng)信息丟失。類似地，在圖9的實施例中，能夠在4倍的增益設(shè)定的情況下使AD轉(zhuǎn)換電路62的輸入范圍保持為如同常規(guī)增益的情況下的輸入范圍。此處，如果AD轉(zhuǎn)換電路62能夠以最大值14比特對數(shù)字輸出進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，則能夠在更高的增益設(shè)定的情況下使AD轉(zhuǎn)換電路62的輸入范圍保持為與常規(guī)增益的情況下相同的輸入范圍。S卩，如圖10所示，在增益設(shè)定為8倍的情況下，根據(jù)控制電路13，AD轉(zhuǎn)換電路52和62的AD轉(zhuǎn)換的量化單位是增益值為4倍時的量化單位的1/2倍。此時，根據(jù)控制電路13，AD轉(zhuǎn)換電路62對低亮度部分的AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸出的最大值為13比特，而AD轉(zhuǎn)換電路52對高亮度部分的AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸出的最大值為12比特。由此，高亮度部分的僅63mV的信號部分被AD轉(zhuǎn)換，因此與63到400mV的信號部分相對應(yīng)的信息丟失，而低亮度部分以單位像素11的最大輸出被AD轉(zhuǎn)換。此外，在增益設(shè)定為16倍的情況下，根據(jù)控制電路13，AD轉(zhuǎn)換電路52和62的AD轉(zhuǎn)換的量化單位是增益值為8倍時的量化單位的1/2倍。此時，根據(jù)控制電路13，AD轉(zhuǎn)換電路62對低亮度部分的AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸出的最大值為14比特，而AD轉(zhuǎn)換電路52對高亮度部分的AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸出的最大值是12比特。由此，高亮度部分的僅31mV的信號部分被AD轉(zhuǎn)換，因此與31到400mV的信號部分相對應(yīng)的信息丟失，而低亮度部分以單位像素11的最大輸出被AD轉(zhuǎn)換。類似地，在圖10的實施例中，能夠在16倍增益設(shè)定的情況下使AD轉(zhuǎn)換電路62的輸入范圍保持為與常規(guī)增益的情況下相同的輸入范圍。此外，在圖10的實施例中，如果靈敏度比值為16倍并且增益設(shè)定為16倍，則 500mV的低亮度部分和31mV的高亮度部分對應(yīng)于實質(zhì)上相同的光量，因此不需要高亮度部分。在如圖11中的條件下，優(yōu)選地“不使用”高亮度部分。此外，在上述說明中，盡管假定AD轉(zhuǎn)換電路52和62均改變AD轉(zhuǎn)換的輸出比特數(shù)(灰階數(shù))，然而可以將AD轉(zhuǎn)換電路52的輸出比特數(shù)固定為12比特，而只改變AD轉(zhuǎn)換電路62的輸出比特數(shù)是優(yōu)選的。此外，在上述說明中，不通過可變的增益將高亮度部分的灰階數(shù)固定為某個值的原因在于將合成信號D的比特數(shù)固定為例如14等預(yù)定值。由此，在下一級系統(tǒng)中，能夠在不采用本發(fā)明相應(yīng)結(jié)構(gòu)的條件下處理常規(guī)的14比特的信號。即使在優(yōu)選不固定合成信號D的比特數(shù)的系統(tǒng)中，雖然通過提高增益并同時增加高亮度部分的灰階數(shù)而改變合成信號D，但也能夠根據(jù)具體機(jī)構(gòu)的信息來處理信號以獲得盡可能最多的信息。信號輸出過程接著，參照圖12說明CMOS圖像傳感器10中的信號輸出過程，該輸出過程將來自像素陣列部12的低亮度信號和高亮度信號進(jìn)行合成以輸出作為數(shù)字信號的合成信號。在步驟Sll中，列信號處理電路15對來自單位像素陣列部12的高亮度信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。具體地，在列信號處理電路15中，⑶S處理電路51對單位像素陣列部12的像素11的信號(高亮度部分)進(jìn)行CDS處理，并向AD轉(zhuǎn)換電路52提供處理后的信號。AD轉(zhuǎn)換電路52基于控制電路13的控制對來自CDS處理電路51的高亮度信號的模擬信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。此處，在指示了模擬增益的增益設(shè)定的情況下，控制電路13根據(jù)所指示的模擬增益的增益設(shè)定來設(shè)定AD轉(zhuǎn)換電路52的AD轉(zhuǎn)換的量化單位。由AD轉(zhuǎn)換電路52AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字高亮度信號DH存儲在鎖存電路53中。在步驟S12中，列信號處理電路16對來自單位像素陣列部12的低亮度部分進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換處理。將參照圖13說明低亮度部分的AD轉(zhuǎn)換處理的細(xì)節(jié)，而由低亮度部分的AD轉(zhuǎn)換處理的結(jié)果所獲得的數(shù)字低亮度信號DL存儲在鎖存電路63中。在步驟S13中，合成電路71基于上述公式(2)將存儲在鎖存電路53中的高亮度信號DH與存儲在鎖存電路63中的低亮度信號DL合成以輸出合成信號D。 低亮度信號的AD轉(zhuǎn)換過程
接著參照圖13說明圖12流程圖的步驟S12中所進(jìn)行的低亮度部分的AD轉(zhuǎn)換過程的細(xì)節(jié)。在步驟S31中，控制電路13確定是否指示提高增益，即是否存在提高模擬增益的增益設(shè)定的指示。在步驟S31中，如果確定出指示了提高增益，則處理前進(jìn)至步驟S32，控制電路13能夠根據(jù)所指示的增益設(shè)定來確定AD轉(zhuǎn)換電路62的AD轉(zhuǎn)換的灰階數(shù)。例如，當(dāng)存在將增益設(shè)定提高為2倍的指示時，在圖9的實施例中，AD轉(zhuǎn)換電路62的AD轉(zhuǎn)換的灰階數(shù)被確定為11比特。在步驟S33中，AD轉(zhuǎn)換電路62以控制電路13所確定的灰階數(shù)對低亮度部分進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。具體地，⑶S處理電路61對來自單位像素陣列部12的單位像素11的信號(低亮度部分)進(jìn)行⑶S處理，以向AD轉(zhuǎn)換電路62提供信號。響應(yīng)于模擬增益的增益設(shè)定，AD轉(zhuǎn) 換電路62基于由控制電路13所設(shè)定的AD轉(zhuǎn)換的量化單位和由控制電路13所確定的AD轉(zhuǎn)換的灰階數(shù)對來自CDS處理電路61的模擬低亮度部分進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。由AD轉(zhuǎn)換電路62所AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字低亮度信號DL存儲在鎖存電路63中。而在步驟S31中，當(dāng)確定不存在提高增益的指示時，處理前進(jìn)至步驟S34。在步驟S34中，AD轉(zhuǎn)換電路62以控制電路13所確定的預(yù)定灰階數(shù)對來自⑶S處理電路61的模擬信號的低亮度部分進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。由AD轉(zhuǎn)換電路62所AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字低亮度信號DL存儲在鎖存電路63中。通過上述處理，當(dāng)提高增益設(shè)定時，通過提高AD轉(zhuǎn)換電路62對低亮度部分的AD轉(zhuǎn)換的灰階數(shù)(增加比特數(shù))，即使量化單位變小，也能夠使AD轉(zhuǎn)換電路62的輸入范圍保持為與提高增益設(shè)定前相同的輸入范圍。因此，在獲得具有不同靈敏度的多個信號并擴(kuò)展動態(tài)范圍的情況下，例如在圖5的低亮度部分中，能夠防止丟失原樣輸出為合成信號D的信號(由實線部分表示)中與光量La附近的信號相對應(yīng)的信息，因此能夠獲得高S/N的圖像。此外，AD轉(zhuǎn)換電路62能夠以高的輸出比特數(shù)(灰階數(shù))進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。然而，如果增益設(shè)定低，由于能夠降低輸出比特數(shù)并進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，因此即使當(dāng)設(shè)定為低增益時，也能夠減小AD轉(zhuǎn)換電路62所消耗的電力。此外，如圖9所示，即使改變增益設(shè)定，低亮度信號和高亮度信號的每量化單位的光量比仍保持I : 4不變。因此，由于不需要改變由公式(2)所表示的合成信號D的公式，因此能夠避免合成電路71中工作負(fù)載的增加。此外，在以上說明中，說明了應(yīng)用如下結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的實施例，在該結(jié)構(gòu)中改變曝光時間以獲得具有不同靈敏度的多個信號并由此擴(kuò)展了動態(tài)范圍。然而，期望的是將本發(fā)明應(yīng)用于能夠獲得不同靈敏度的多個信號的其他結(jié)構(gòu)中。即，例如，還期望使本發(fā)明適合于如下結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，通過像素中讀出部分的電容差獲得具有不同靈敏度的多個信號，從而擴(kuò)展動態(tài)范圍。此外，在上述說明中，盡管列信號處理電路在一列中設(shè)置有2個部分(在像素陣列部12的上部和下部)，然而還期望在一列中僅設(shè)置有一個列信號處理電路,并利用一個列信號處理電路處理多個行的各像素信號。此外，本發(fā)明不限于應(yīng)用于固體攝像器件。即，本發(fā)明能夠適用于諸如數(shù)碼相機(jī)或攝像機(jī)等、具有圖像傳感功能的便攜式終端設(shè)備、或在圖像讀出部中采用固體攝像器件的復(fù)印機(jī)等在圖像讀入部(光電轉(zhuǎn)換部)中使用固體攝像器件的全部電子裝置。固體攝像器件可以集成在單個芯片中，或形成為具有圖像傳感功能的模塊型，在模塊型中圖像傳感部和信號處理部或光學(xué)系統(tǒng)布置并封裝為一體。本發(fā)明的電子裝置的結(jié)構(gòu)示例圖14是圖示了本發(fā)明的電子裝置中圖像傳感器件的示例的框圖。圖14的攝像器件300可以具有由透鏡組等構(gòu)成的光學(xué)部301、采用上述單位像素11的各結(jié)構(gòu)的固體攝像器件(圖像傳感器件)302和作為相機(jī)信號處理電路的數(shù)字信號處理器(DSP)電路303。此外，攝像器件300還可以設(shè)置有幀存儲器304、顯示部305、記錄部306、控制部307、電源部308和CPU 309。DSP電路303、幀存儲器304、顯示部305、記錄部 306、控制部307、電源部308和CPU 309彼此通過總線310相連接。光學(xué)部301接收來自物體的入射光(圖像光)并在固體攝像器件302的圖像傳感面上形成圖像。固體攝像器件302通過光學(xué)部301將形成在傳感面上的入射光量轉(zhuǎn)換為單位像素的電信號并將該信號輸出為像素信號。能夠使用與上述實施例的形式相關(guān)的實現(xiàn)固體攝像器件的擴(kuò)展，即CMOS圖像傳感器10的動態(tài)范圍的擴(kuò)展的固體攝像器件作為固體攝像器件302。例如，顯示部305可以由液晶面板或有機(jī)電致發(fā)光(EL)面板的面板型顯示單元形成，以顯示由固體攝像器件302感測的動態(tài)圖像或靜止圖像。記錄部306將固體攝像器件302所感測的動態(tài)圖像或靜止圖像記錄在諸如錄像帶、數(shù)字多功能光盤(DVD)等記錄媒體上的?？刂撇?07在使用者的控制下發(fā)出用于進(jìn)行攝像器件300的各種功能的操作指令。電源部308適當(dāng)?shù)貙⒂糜隍?qū)動DSP電路303、幀存儲器304、顯示器305、記錄部306和控制部307的電源提供到期望提供電源的部分。CPU 309控制攝像器件300的整體操作。此外，在攝像器件300中，圖4所示的合成電路71可以優(yōu)選地被包含于固體攝像器件302的輸出側(cè)，DSP電路303可以優(yōu)選地進(jìn)行合成電路71中的操作。優(yōu)選地是固體攝像器件302和DSP電路303可以集成在一個固體攝像器件中，且DSP電路303對低亮度信號和高亮度信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換以進(jìn)行合成信號的操作。此處，參照圖15的流程圖說明了攝像器件300中的增益設(shè)定過程。例如，圖15的增益設(shè)定過程對攝像器件300中圖像傳感模式設(shè)定為自動圖像傳感模式的情況等進(jìn)行處理。在步驟S51中，DSP電路303確定固體攝像器件302所感測的圖像的亮度是否足夠。具體地，DSP電路303確定來自固體攝像器件302的單位像素信號的亮度值是否大于預(yù)定值。在步驟S51中，如果判定亮度值不足，則在步驟S52中，DSP電路303向固體攝像器件302發(fā)出提高增益的指示。具體地，DSP電路303向固體攝像器件302的控制電路(例如，對應(yīng)于CMOS圖像傳感器10的控制電路13)發(fā)出提高模擬增益的增益設(shè)定的指示。由此，固體攝像器件302能夠輸出提高了增益的數(shù)字信號(像素信號)。另一方面，在步驟S51中，如果判定亮度足夠，則處理結(jié)束。通過以預(yù)定的間隔進(jìn)行上述處理，即使在黑暗處，也能夠明亮地顯示或記錄圖像。
此外，如上所述，通過采用上述實施例的CMOS圖像傳感器10作為固體攝像器件302，能夠擴(kuò)展動態(tài)范圍并確保高S/N。因此，即使對于攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和用于諸如手機(jī)等移動裝置的相機(jī)模塊等的攝像器件300也能夠生成高質(zhì)量的拍攝圖像。此外，在上述實施例中，說明了適用于以行列的形狀排列用于檢測與作為物理量的可見光的光量相應(yīng)的信號電荷的單位像素的CMOS圖像傳感器的實施例。然而，本發(fā)明不限于應(yīng)用于CMOS圖像傳感器，還可以應(yīng)用于對于單位像素陣列的各像素行布置列處理部的全部列式固體攝像器件中。
此外，本發(fā)明不限于應(yīng)用于檢測可見光的入射光量分布并將其成像的固體攝像器件，還可以應(yīng)用于諸如感測紅外線、X射線或粒子等入射量的分布作為圖像的固體攝像器件、或者將壓力或靜電容量等廣義上的其它物理量的分布轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⑦M(jìn)行時間積分從而感測圖像的指紋檢測傳感器等全部固體攝像器件(物理量分布感測裝置)。此外，在本發(fā)明中，盡管流程圖中所示的步驟是根據(jù)說明的順序按時序進(jìn)行處理的，但也可以不按時序進(jìn)行，而是可以并行地或以調(diào)用時所需要的時序進(jìn)行。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，依據(jù)設(shè)計要求和其它因素，可以在本發(fā)明所附的權(quán)利要求或其等同物的范圍內(nèi)進(jìn)行各種修改、組合、次組合及改變。
權(quán)利要求
1.一種固體攝像器件，其包括 像素陣列部，在所述像素陣列部中，用于檢測物理量的像素布置成二維矩陣； AD轉(zhuǎn)換部，其對多個通道的模擬像素信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，所述模擬像素信號是從所述像素陣列部讀出的；及 控制部，其根據(jù)所述模擬像素信號的增益設(shè)定來設(shè)定所述AD轉(zhuǎn)換部所進(jìn)行的AD轉(zhuǎn)換的量化單位， 其中，所述控制部根據(jù)所述模擬像素信號的所述增益設(shè)定來確定對至少一個通道的所述模擬像素信號所進(jìn)行的AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸出的灰階數(shù)。
2.如權(quán)利要求I所述的固體攝像器件，其中，當(dāng)提高所述模擬像素信號的增益時，所述控制部進(jìn)行控制，使得所述AD轉(zhuǎn)換部所進(jìn)行的AD轉(zhuǎn)換的量化單位變小，并使得對至少一個通道的所述像素信號所進(jìn)行的AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸出的灰階數(shù)變大。
3.如權(quán)利要求2所述的固體攝像器件，其中， 所述AD轉(zhuǎn)換部對所述多個通道的彼此具有不同靈敏度的所述模擬像素信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，且 當(dāng)提高所述模擬像素信號的增益時，所述控制部進(jìn)行控制，使得所述AD轉(zhuǎn)換部所進(jìn)行的AD轉(zhuǎn)換的量化單位變小，并使得對至少一個通道的具有高靈敏度的所述模擬像素信號所進(jìn)行的AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸出的灰階數(shù)變大。
4.如權(quán)利要求3所述的固體攝像器件，其中，當(dāng)提高所述模擬像素信號的增益時，所述控制部進(jìn)行控制，使得對至少一個通道的具有低靈敏度的所述模擬像素信號所進(jìn)行的AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸出的灰階數(shù)保持不變。
5.如權(quán)利要求3所述的固體攝像器件，其中，在提高所述模擬像素信號的增益之前，所述控制部進(jìn)行控制，使得對至少一個通道的具有高靈敏度的所述模擬像素信號所進(jìn)行的AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸出的灰階數(shù)大于對至少一個通道的具有低靈敏度的所述模擬像素信號所進(jìn)行的AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸出的灰階數(shù)。
6.如權(quán)利要求3所述的固體攝像器件，其中，所述AD轉(zhuǎn)換部通過有差異地設(shè)定所述像素的用于檢測所述物理量的檢測時間，來對所述多個通道的彼此具有不同靈敏度的所述模擬像素信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。
7.一種用于驅(qū)動固體攝像器件的方法，所述固體攝像器件包括 像素陣列部，在所述像素陣列部中，用于檢測物理量的像素布置成二維矩陣；及 AD轉(zhuǎn)換部，其對多個通道的模擬像素信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，所述模擬像素信號是從所述像素陣列部讀出的， 其中，所述方法包括以下步驟 根據(jù)所述模擬像素信號的增益設(shè)定來設(shè)定所述AD轉(zhuǎn)換部所進(jìn)行的AD轉(zhuǎn)換的量化單位，且 根據(jù)所述模擬像素信號的所述增益設(shè)定來確定對至少一個通道的所述模擬像素信號所進(jìn)行的AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸出的灰階數(shù)。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中， 所述AD轉(zhuǎn)換部對所述多個通道的彼此具有不同靈敏度的所述模擬像素信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，在所述設(shè)定步驟中，在提高所述模擬像素信號的增益的情況下，使所述AD轉(zhuǎn)換部所進(jìn)行的AD轉(zhuǎn)換的量化單位變小，并且 在所述確定步驟中，在提高所述模擬像素信號的增益的情況下，使對至少一個通道的具有高靈敏度的所述模擬像素信號所進(jìn)行的AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸出的灰階數(shù)變大。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，在所述確定步驟中，在提高所述模擬像素信號的增益的情況下，使對至少一個通道的具有低靈敏度的所述模擬像素信號所進(jìn)行的AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸出的灰階數(shù)保持不變。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，在所述設(shè)定步驟之前，對至少一個通道的具有高靈敏度的所述模擬像素信號所進(jìn)行的AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸出的灰階數(shù)被預(yù)先設(shè)定成小于對至少一個通道的具有低靈敏度的所述模擬像素信號所進(jìn)行的AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸出的灰階數(shù)。
11.一種電子裝置，其設(shè)置有權(quán)利要求1-6中任一項所述的固體攝像器件。
全文摘要
本發(fā)明涉及固體攝像器件及其驅(qū)動方法和包含該固體攝像器件的電子裝置。所述固體攝像器件包括像素陣列部，在所述像素陣列部中，用于檢測物理量的像素布置成二維矩陣；AD轉(zhuǎn)換部，其對多個通道的模擬像素信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，所述模擬像素信號是從所述像素陣列部讀出的；及控制部，其根據(jù)所述模擬像素信號的增益設(shè)定來設(shè)定所述AD轉(zhuǎn)換部所進(jìn)行的AD轉(zhuǎn)換的量化單位，并確定對至少一個通道的所述模擬像素信號所進(jìn)行的AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸出的灰階數(shù)。根據(jù)本發(fā)明，在提高模擬增益時，在獲得多個具有不同靈敏度的信號并擴(kuò)展其動態(tài)范圍的情況下，能夠防止信息的丟失且能夠獲得具有高S/N的圖像。
文檔編號H04N5/374GK102740005SQ20121009100
公開日2012年10月17日 申請日期2012年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月6日
發(fā)明者馬渕圭司 申請人:索尼公司