固態(tài)成像裝置及其驅(qū)動方法和電子設(shè)備的制作方法
【專利摘要】提供了固態(tài)成像裝置及其驅(qū)動方法和電子設(shè)備。該固態(tài)成像裝置包括：光電轉(zhuǎn)換部分，配置為對入射光進行光電轉(zhuǎn)換，并且存儲所獲得的光電電荷；電壓轉(zhuǎn)換部分，配置為將從光電轉(zhuǎn)換部分傳輸?shù)墓怆婋姾赊D(zhuǎn)換為電壓信號；第一門部分，配置為將在光電轉(zhuǎn)換部分中存儲的光電電荷傳輸?shù)诫妷恨D(zhuǎn)換部分；第二門部分，配置為復(fù)位電壓轉(zhuǎn)換部分的電勢；第三門部分，配置為直接復(fù)位在光電轉(zhuǎn)換部分中存儲的光電電荷；以及控制部分，配置為控制第一到第三門部分的驅(qū)動，其中，控制部分控制第三門部分的驅(qū)動以調(diào)節(jié)光電轉(zhuǎn)換部分的曝光時間。
【專利說明】固態(tài)成像裝置及其驅(qū)動方法和電子設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及固態(tài)成像裝置、驅(qū)動固態(tài)成像裝置的方法和電子設(shè)備。具體地說，本公開涉及能夠自由調(diào)節(jié)最短曝光時間的固態(tài)成像裝置、驅(qū)動固態(tài)成像裝置的方法和電子設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]在作為用于數(shù)字靜態(tài)相機等的固態(tài)成像裝置的CMOS圖像傳感器(以下，簡稱為CIS)中，如果不恰當?shù)卣{(diào)節(jié)曝光時間段，可能在要捕獲的圖像中出現(xiàn)惡化。例如，在拍攝高亮被攝體的時候，如果難以縮短曝光時間段，則像素信號電平達到信號的動態(tài)范圍的上限，并且圖像整體上變得泛白。
[0003]在這點上，為了適應(yīng)高亮被攝體，除了縮短曝光時間段的方法之外，還存在物理地增加單元像素電容(用于存儲由光電轉(zhuǎn)換和FD (浮動擴散)電容產(chǎn)生的光電電荷的電容)的方法。
[0004]由于CIS的結(jié)構(gòu)而難以用前述方法應(yīng)對上述問題。具體地，難以進行像素復(fù)位，該像素復(fù)位在讀取像素復(fù)位電勢(FD復(fù)位電勢)的時段期間變?yōu)槠毓鈺r間段的開始定時，并且因此難以自由縮短曝光時間段。
[0005]這里，將對于難以自由縮短曝光時間段的原因給出更詳細的描述。
[0006]圖1圖示了現(xiàn)有技術(shù)CIS的配置的示例。CISlO包括AD轉(zhuǎn)換部分(以下，稱為ADC)，其進行用于消除可能隨著數(shù)字信號處理出現(xiàn)在像素信號上的噪聲的相關(guān)二重采樣(以下稱為CDS)方法。
[0007]CISlO包括像素陣列部分11、行掃描部分12、列掃描部分13、定時控制部分14、對于每一列布置的ADC15、DAC16和數(shù)據(jù)輸出部分17。
[0008]像素陣列部分11包括以矩陣狀態(tài)布置的大量單元像素111。行掃描部分12順序讀取像素陣列部分11的信號到定時控制部分14。行掃描部分12控制行地址和行掃描。列掃描部分13控制列地址和列掃描。定時控制部分14生成內(nèi)部時鐘。
[0009]每一 ADC15是包括比較器(CMP) 151、異步上/下計數(shù)器(CNT) 152和開關(guān)153的集成ADC。
[0010]比較器151將由DAC16產(chǎn)生的基準電壓Vref ’和與通過垂直信號線Vn(n=0, 1...，n+l)從單元像素111讀取的光電電荷對應(yīng)的模擬電壓信號VSL’進行比較，并且輸出其比較結(jié)果到異步上/下計數(shù)器(以下，簡稱為計數(shù)器)152
[0011]計數(shù)器152具有接收比較器151的比較結(jié)果和時鐘CK以進行上/下計數(shù)(或下計數(shù))和保持計數(shù)值作為結(jié)果的功能。開關(guān)153連接計數(shù)器152和數(shù)據(jù)傳輸線18，并且由來自列掃描部分13的掃描控制打開或關(guān)斷。包括與數(shù)據(jù)傳輸線18對應(yīng)的傳感電路和減法電路的數(shù)據(jù)輸出部分17布置在數(shù)據(jù)傳輸線18上。
[0012]具有作為保持電路的功能的計數(shù)器152在初始時刻處于上計數(shù)(下計數(shù))狀態(tài)，并且進行復(fù)位計數(shù)。當反轉(zhuǎn)來自相應(yīng)比較器151的比較結(jié)果時，停止上計數(shù)操作，并且保持計數(shù)值。在此時，計數(shù)器152的初始值設(shè)置為AD轉(zhuǎn)換亮度色標(grayscale)的任意值，例如，
O。在復(fù)位計數(shù)時段期間，讀取單元像素111的復(fù)位分量。之后，計數(shù)器152變?yōu)橄掠嫈?shù)(上計數(shù))狀態(tài)，并且進行與入射光量對應(yīng)的數(shù)據(jù)計數(shù)。當反轉(zhuǎn)相應(yīng)比較器151的比較結(jié)果時，保持與比較時段對應(yīng)的計數(shù)值。在計數(shù)器152中保持的計數(shù)器值通過響應(yīng)于列掃描部分13的掃描而閉合的開關(guān)153和數(shù)據(jù)傳輸線18作為數(shù)字信號輸入到數(shù)據(jù)輸出部分17。
[0013]例如，通過定時控制部分14供應(yīng)起始脈沖STR和主時鐘MCK來激活列掃描部分
13。列掃描部分13基于主時鐘MCK與驅(qū)動時鐘CLK同步地驅(qū)動相應(yīng)選擇線SEL，并且將計數(shù)器152的鎖存數(shù)據(jù)(所保持的計數(shù)值)讀取到數(shù)據(jù)傳輸線18上。
[0014]接著，圖2圖示了單元像素111的配置的示例。
[0015]單元像素111包括光電檢測器(以下稱為ro) 121、擴散層(以下稱為FD) 122、傳輸門晶體管(以下稱為TRG Tr) 123、復(fù)位晶體管(以下稱為RST Tr) 124、放大晶體管(以下稱為Amp Tr) 125和選擇晶體管(以下稱為SEL Tr) 126。
[0016]PD121對入射光進行光電轉(zhuǎn)換以生成光電電荷，并且存儲光電電荷。FD122對通過TRG Trl23從TO121傳輸?shù)墓怆婋姾蛇M行電壓轉(zhuǎn)換。TRG Trl23在定時控制部分14的控制下將在TO121中存儲的光電電荷傳輸?shù)紽D122。RST Trl24在定時控制部分14的控制下復(fù)位FD122的電勢。
[0017]Amp Trl25在定時控制部分14的控制下放大FD122的電勢。SEL Trl26在定時控制部分14的控制下向垂直信號線Vn輸出指示所放大的FD122的電勢的電壓信號。
[0018]圖3圖示單元像素111的操作波形的示例。
[0019]在CISlO中，在一個水平單元時間段(IH)中進行以下處理。同樣，為了防止隨機化，在無誤地讀取像素復(fù)位電平之后讀取像素信號電平。
[0020]也就是說，在IH中，到垂直信號線Vn (n=0, 1..., n+1)上任意行Hx中的單元像素111的第一讀取、比較器151的第一比較和計算器152的計數(shù)作為P階段(復(fù)位時段)進行。接著，第二讀取、比較器151的第二比較和計算器152的計數(shù)以及后續(xù)處理作為D階段(信號讀取時段)進行。并且當從該第二計數(shù)值減去第一計數(shù)值時產(chǎn)生的結(jié)果作為像素信號輸出。
[0021]在這點上，由定時控制部分14控制P階段和D階段的定時。
[0022]圖4圖示在拍攝高亮被攝體的情況下單元像素111的操作波形的示例。
[0023]通過將TRG Trl23和RST Trl24在相同時刻調(diào)到高來啟動單元像素111中的快門操作以復(fù)位roi21。之后，通過至少將TRG Trl23調(diào)到低來終止該快門操作。
[0024]在這點上，將RST Trl24調(diào)到高從而FD122復(fù)位。之后，在RST Trl24為低的狀態(tài)下，讀取像素復(fù)位電平。之后，將TRG Trl23調(diào)到高從而將在TO121中存儲的光電電荷傳輸?shù)紽D122以讀取圖像信號電平。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0025]如上所述，需要在單元像素111的快門時刻的開始(也就是說，曝光時間段)復(fù)位PD121。為了這樣做，需要將TRG Trl23和RST Trl24在相同時刻調(diào)到高。同樣，在曝光時間段的結(jié)束時，需要至少將TRG Trl23調(diào)到低。在從當TRG Trl23曾經(jīng)調(diào)到高并隨后再次調(diào)到高起的時段期間，讀取像素復(fù)位電平。[0026]換句話說，像素復(fù)位電平的讀取時段變?yōu)槠毓鈺r間段，并且因此在單元像素111中，難以設(shè)置比像素復(fù)位電平的讀取時段更短的曝光時間段。
[0027]因此，在高亮被攝體的情況下，難以合適地調(diào)節(jié)以縮短曝光時間段，并且因此圖像信號無法確保動態(tài)范圍(飽和的)。由此，有時在所拍攝的圖像的質(zhì)量中出現(xiàn)惡化。
[0028]已經(jīng)鑒于這些情形提出本公開。期望合適地調(diào)節(jié)單元像素的曝光時間段。
[0029]根據(jù)本公開的實施例，提供包括固態(tài)成像裝置，包括:光電轉(zhuǎn)換部分，配置為對入射光進行光電轉(zhuǎn)換，并且存儲所獲得的光電電荷；電壓轉(zhuǎn)換部分，配置為將從光電轉(zhuǎn)換部分傳輸?shù)墓怆婋姾赊D(zhuǎn)換為電壓信號；第一門部分，配置為將在光電轉(zhuǎn)換部分中存儲的光電電荷傳輸?shù)诫妷恨D(zhuǎn)換部分；第二門部分，配置為復(fù)位電壓轉(zhuǎn)換部分的電勢；第三門部分，配置為直接復(fù)位在光電轉(zhuǎn)換部分中存儲的光電電荷；以及控制部分，配置為控制第一到第三門部分的驅(qū)動，其中，控制部分控制第三門部分的驅(qū)動以調(diào)節(jié)光電轉(zhuǎn)換部分的曝光時間。
[0030]控制部分可以配置為設(shè)置第三門部分到低以便在像素復(fù)位電平讀取時段中開始光電轉(zhuǎn)換部分的曝光時間，在該像素復(fù)位電平讀取時段中，第一門部分和第二門部分處于低。
[0031]可以控制第三門部分以依據(jù)被攝體的亮度而被驅(qū)動，從而調(diào)整光電轉(zhuǎn)換部分的曝光時間。
[0032]可以提供第一門部分和多個光電轉(zhuǎn)換部分，并且電壓轉(zhuǎn)換部分可以將從多個光電轉(zhuǎn)換部分傳輸?shù)墓怆婋姾上嗉右赞D(zhuǎn)換光電電荷為電壓信號。
[0033]根據(jù)上述實施例的固態(tài)成像裝置可以進一步包括色彩濾光器，配置為覆蓋包括以矩陣布置的大量光電轉(zhuǎn)換部分的像素陣列部分，其中，色彩濾光器可以包括白色。
[0034]光電轉(zhuǎn)換部分可以布置在AF線傳感器上。
[0035]根據(jù)本公開的另一實施例，提供驅(qū)動包括固態(tài)成像裝置的方法，該固態(tài)成像裝置包括:光電轉(zhuǎn)換部分，配置為對入射光進行光電轉(zhuǎn)換，并且存儲所獲得的光電電荷；電壓轉(zhuǎn)換部分，配置為將從光電轉(zhuǎn)換部分傳輸?shù)墓怆婋姾赊D(zhuǎn)換為電壓信號；第一門部分，配置為將在光電轉(zhuǎn)換部分中存儲的光電電荷傳輸?shù)诫妷恨D(zhuǎn)換部分；第二門部分，配置為復(fù)位電壓轉(zhuǎn)換部分的電勢；第三門部分，配置為直接復(fù)位在光電轉(zhuǎn)換部分中存儲的光電電荷；以及控制部分，配置為控制第一到第三門部分的驅(qū)動，該方法包括:由控制部分設(shè)置第一門部分和第二門部分到低以布置像素復(fù)位電平的讀時段；和在像素復(fù)位電平的讀時段中設(shè)置第三門部分為低，以開始光電轉(zhuǎn)換部分的曝光時間。
[0036]根據(jù)本公開的另一實施例，提供包括使用固態(tài)成像裝置的成像部分的電子設(shè)備，所述固態(tài)成像裝置包括:光電轉(zhuǎn)換部分，配置為對入射光進行光電轉(zhuǎn)換，并且存儲所獲得的光電電荷；電壓轉(zhuǎn)換部分，配置為將從光電轉(zhuǎn)換部分傳輸?shù)墓怆婋姾赊D(zhuǎn)換為電壓信號;第一門部分，配置為將在光電轉(zhuǎn)換部分中存儲的光電電荷傳輸?shù)诫妷恨D(zhuǎn)換部分；第二門部分，配置為復(fù)位電壓轉(zhuǎn)換部分的電勢；第三門部分，配置為直接復(fù)位在光電轉(zhuǎn)換部分中存儲的光電電荷；以及控制部分，配置為控制第一到第三門部分的驅(qū)動，其中，控制部分控制第三門部分的驅(qū)動以調(diào)節(jié)光電轉(zhuǎn)換部分的曝光時間。
[0037]在根據(jù)本公開的實施例中，控制部分控制第三門部分以調(diào)節(jié)光電轉(zhuǎn)換部分的曝光時間。
[0038]通過本公開的實施例，可以實現(xiàn)能夠合適地調(diào)節(jié)曝光時間的電子設(shè)備[0039]通過本公開的另一實施例，可以實現(xiàn)包括能夠合適地調(diào)節(jié)曝光時間的成像部分的電子設(shè)備。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0040]圖1是圖示現(xiàn)有技術(shù)CIS的配置的示例的框圖；
[0041]圖2是圖示現(xiàn)有技術(shù)的單元像素的配置的示例的電路圖；
[0042]圖3是當從圖2中的單元像素讀取像素信號時的操作波形。
[0043]圖4是在拍攝具有高亮度的被攝體的情況下的操作波形圖；
[0044]圖5是圖示向其應(yīng)用本公開的單元像素的配置的示例的電路圖；
[0045]圖6是當從圖5中的單元像素中讀取像素信號時的操作波形圖。
[0046]圖7是圖示向其應(yīng)用本公開的單元像素的變形的電路圖；
[0047]圖8是圖示包括可以向其應(yīng)用圖7中的單元像素的W像素的像素布置的示例的示圖；
[0048]圖9是用于說明圖7中的單元像素的應(yīng)用的示圖。
【具體實施方式】
[0049]以下，將參考附圖給出用于實施本公開的最佳模式(以下稱為實施例)的詳細說明。
[0050]單元像素的配置的示例
[0051]圖5圖示根據(jù)本實施例的單元像素300的配置的示例，該單元像素300可以取代在圖1所示的CISlO中的單元像素111 (圖2)。
[0052]單元像素300例如能夠在拍攝高亮被攝體的情況下合適地調(diào)節(jié)曝光時間段以變得比像素復(fù)位電平的讀取時間段更短。
[0053]從圖5的單元像素300和圖2的單元像素111之間的比較很明顯，通過向圖2的單元像素111的配置增加RSTP Tr301來產(chǎn)生單元像素300。在這點上，對圖2中的那些相同的、除了 RSTP Tr301之外的組件添加相同的附圖標記。
[0054]也就是說，單元像素300包括單元像素111的PD121、FD122、TRG Tr123、RSTTr124, Amp Trl25、SEL Trl26 和 PD 復(fù)位晶體管(以下稱為 RSTP Tr) 301。
[0055]PD121對入射光進行光電轉(zhuǎn)換以生成光電電荷，并且存儲光電電荷。FD122對通過TRG Trl23從TO121傳輸?shù)墓怆婋姾蛇M行電壓轉(zhuǎn)換。TRG Trl23在定時控制部分14的控制下將在TO121中存儲的光電電荷傳輸?shù)紽D122。RST Trl24在定時控制部分14的控制下復(fù)位FD122的電勢。
[0056]Amp Trl25在定時控制部分14的控制下放大FD122的電勢。SEL Trl26在定時控制部分14的控制下向垂直信號線Vn輸出指示所放大的FD122的電勢的電壓信號。
[0057]RSTP Tr301在定時控制部分14的控制下直接復(fù)位在TO311中存儲的電荷。
[0058]單元像素300的操作
[0059]圖6圖示在圖5中圖示的單元像素300的操作波形的示例。
[0060]在單元像素300中，將TRG Tr123和RST Trl24調(diào)到低從而讀取像素復(fù)位電平。并且當(在TRG Trl23和RST Trl24為低的期間)正在讀取像素復(fù)位電平的同時，將RSTPTr301從高調(diào)到低，由此開始曝光時間段(快門操作)。
[0061]以此方式，通過開關(guān)RSTP Tr301，可以調(diào)節(jié)曝光時間段以變得比像素復(fù)位電平的讀取時段更短。因此，通過依據(jù)被攝體的亮度控制RSTP Tr301，可以合適地設(shè)置曝光時間段，并且確保圖像信號的動態(tài)范圍。
[0062]變型
[0063]接著，將給出單元像素300的變型的描述。
[0064]圖7圖示單元像素400的配置的示例，其中，在多個Η)121中存儲的光電電荷傳輸?shù)焦睩D122。
[0065]在這點上，圖7圖示在兩個TO121-1和121-2中存儲的光電電荷傳輸?shù)焦睩D122的情況。然而，共享FD122的TO121的數(shù)量可以為兩個或多個。同樣，在圖7中，向圖5中公共的組件給出相同的附圖標記，并且將省略其描述。
[0066]如圖7所述，通過在多個TO121中共享FD122，可以減少單元像素的面積。同樣，由FD122將多個TO121的光電電荷相加，從而在相同時刻讀取多個行的像素信號，因此變得可以縮短讀取時間，并且確保在低亮度被攝體的情況下的信號電平。同樣，即使在高亮度被攝體的情況下縮短了曝光時間段，也可以用電荷填充FD122。
[0067]在圖7中圖示的單元像素的配置適用于包括色彩濾光器的CIS，其中，如圖8所示例如向三原色(R、G和B)添加W (白色)以確保要捕獲的整體圖像的亮度。
[0068]同樣，在圖7中圖示的單元像素的配置適用于在以監(jiān)控模式操作時的像素陣列400，其中AF (自動對焦)線傳感器410分布式地布置在整個屏幕上，如圖9所示。
[0069]在這點上，可以向具有成像功能的電子設(shè)備應(yīng)用包括作為本公開實施例的單元像素300和作為本公開實施例的變型的單元像素400的CIS。
[0070]本公開的實施例不限于上述實施例，并且各種改變是可能的而不背離本公開的精神和范圍。
[0071]本公開包含涉及公開與于2012年6月26日向日本專利局提交的日本優(yōu)先專利申請JP2012-142959的主題有關(guān)的主題，其整體內(nèi)容通過引用并入于此。
【權(quán)利要求】
1.一種固態(tài)成像裝置，包括:光電轉(zhuǎn)換部分，配置為對入射光進行光電轉(zhuǎn)換，并且存儲所獲得的光電電荷；電壓轉(zhuǎn)換部分，配置為將從所述光電轉(zhuǎn)換部分傳輸?shù)墓怆婋姾赊D(zhuǎn)換為電壓信號；第一門部分，配置為將在所述光電轉(zhuǎn)換部分中存儲的光電電荷傳輸?shù)剿鲭妷恨D(zhuǎn)換部分；第二門部分，配置為復(fù)位所述電壓轉(zhuǎn)換部分的電勢；第三門部分，配置為直接復(fù)位在所述光電轉(zhuǎn)換部分中存儲的光電電荷；以及控制部分，配置為控制所述第一到第三門部分的驅(qū)動，其中，所述控制部分控制所述第三門部分的驅(qū)動以調(diào)節(jié)所述光電轉(zhuǎn)換部分的曝光時間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中，所述控制部分配置為設(shè)置所述第三門部分到低以在像素復(fù)位電平讀取時段中開始所述光電轉(zhuǎn)換部分的曝光時間，在所述像素復(fù)位電平讀取時段中，所述第一門部分和所述第二門部分處于低。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固態(tài)成像裝置，其中，控制所述第三門部分以依據(jù)被攝體的亮度而被驅(qū)動，從而調(diào)整所述光電轉(zhuǎn)換部分的曝光時間。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固態(tài)成像裝置，其中，提供多個光電轉(zhuǎn)換部分和所述第一門部分，并且所述電壓轉(zhuǎn)換部分將從所述多個光電轉(zhuǎn)換部分傳輸?shù)墓怆婋姾上嗉右赞D(zhuǎn)換所述光電電荷為電壓信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的固態(tài)成像裝置，進一步包括色彩濾光器，配置為覆蓋包括以矩陣布置的大量光電轉(zhuǎn)換部分的像素陣列部分，其中，所述色彩濾光器包括白色。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的固態(tài)成像裝置，其中，所述光電轉(zhuǎn)換部分布置在AF線傳感器上。
7.—種驅(qū)動固態(tài)成像裝置的方法，所述固態(tài)成像裝置包括:光電轉(zhuǎn)換部分，配置為對入射光進行光電轉(zhuǎn)換，并且存儲所獲得的光電電荷；電壓轉(zhuǎn)換部分，配置為將從所述光電轉(zhuǎn)換部分傳輸?shù)墓怆婋姾赊D(zhuǎn)換為電壓信號；第一門部分，配置為將在所述光電轉(zhuǎn)換部分中存儲的光電電荷傳輸?shù)剿鲭妷恨D(zhuǎn)換部分；第二門部分，配置為復(fù)位所述電壓轉(zhuǎn)換部分的電勢；第三門部分，配置為直接復(fù)位在所述光電轉(zhuǎn)換部分中存儲的光電電荷；以及控制部分，配置為控制所述第一到第三門部分的驅(qū)動，所述方法包括:通過所述控制部分，設(shè)置所述第一門部分和所述第二門部分為低以布置像素復(fù)位電平的讀取時段；并且在所述像素復(fù)位電平的讀取時段中設(shè)置所述第三門部分為低以開始所述光電轉(zhuǎn)換部分的曝光時間。
8.一種包括使用固態(tài)成像裝置的成像部分的電子設(shè)備，所述固態(tài)成像裝置包括:光電轉(zhuǎn)換部分，配置為對入射光進行光電轉(zhuǎn)換，并且存儲所獲得的光電電荷；電壓轉(zhuǎn)換部分，配置為將從所述光電轉(zhuǎn)換部分傳輸?shù)墓怆婋姾赊D(zhuǎn)換為電壓信號； 第一門部分，配置為將在所述光電轉(zhuǎn)換部分中存儲的光電電荷傳輸?shù)剿鲭妷恨D(zhuǎn)換部分； 第二門部分，配置為復(fù)位所述電壓轉(zhuǎn)換部分的電勢； 第三門部分，配置為直接復(fù)位在所述光電轉(zhuǎn)換部分中存儲的光電電荷；以及 控制部分，配置為控制所述第一到第三門部分的驅(qū)動， 其中，所述控制部分控制所述第三門部分的驅(qū)動以調(diào)節(jié)所述光電轉(zhuǎn)換部分的曝光時間。
【文檔編號】H04N5/374GK103517003SQ201310243176
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月26日
【發(fā)明者】永野川晴久, 近藤絢哉, 福山寬大 申請人:索尼公司