固態成像裝置及其驅動方法和電子設備的制作方法
【專利摘要】提供了固態成像裝置及其驅動方法和電子設備。該固態成像裝置包括：光電轉換部分，配置為對入射光進行光電轉換，并且存儲所獲得的光電電荷；電壓轉換部分，配置為將從光電轉換部分傳輸的光電電荷轉換為電壓信號；第一門部分，配置為將在光電轉換部分中存儲的光電電荷傳輸到電壓轉換部分；第二門部分，配置為復位電壓轉換部分的電勢；第三門部分，配置為直接復位在光電轉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動，其中，控制部分控制第三門部分的驅動以調節光電轉換部分的曝光時間。
【專利說明】固態成像裝置及其驅動方法和電子設備
【技術領域】
[0001]本公開涉及固態成像裝置、驅動固態成像裝置的方法和電子設備。具體地說，本公開涉及能夠自由調節最短曝光時間的固態成像裝置、驅動固態成像裝置的方法和電子設備。
【背景技術】
[0002]在作為用于數字靜態相機等的固態成像裝置的CMOS圖像傳感器(以下，簡稱為CIS)中，如果不恰當地調節曝光時間段，可能在要捕獲的圖像中出現惡化。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(用于存儲由光電轉換和FD (浮動擴散)電容產生的光電電荷的電容)的方法。
[0004]由于CIS的結構而難以用前述方法應對上述問題。具體地，難以進行像素復位，該像素復位在讀取像素復位電勢(FD復位電勢)的時段期間變為曝光時間段的開始定時，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圖示了現有技術CIS的配置的示例。CISlO包括AD轉換部分(以下，稱為ADC)，其進行用于消除可能隨著數字信號處理出現在像素信號上的噪聲的相關二重采樣(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和數據輸出部分17。
[0008]像素陣列部分11包括以矩陣狀態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生成內部時鐘。
[0009]每一 ADC15是包括比較器(CMP) 151、異步上/下計數器(CNT) 152和開關153的集成ADC。
[0010]比較器151將由DAC16產生的基準電壓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的模擬電壓信號VSL’進行比較，并且輸出其比較結果到異步上/下計數器(以下，簡稱為計數器)152
[0011]計數器152具有接收比較器151的比較結果和時鐘CK以進行上/下計數(或下計數)和保持計數值作為結果的功能。開關153連接計數器152和數據傳輸線18，并且由來自列掃描部分13的掃描控制打開或關斷。包括與數據傳輸線18對應的傳感電路和減法電路的數據輸出部分17布置在數據傳輸線18上。
[0012]具有作為保持電路的功能的計數器152在初始時刻處于上計數(下計數)狀態，并且進行復位計數。當反轉來自相應比較器151的比較結果時，停止上計數操作，并且保持計數值。在此時，計數器152的初始值設置為AD轉換亮度色標(grayscale)的任意值，例如，
O。在復位計數時段期間，讀取單元像素111的復位分量。之后，計數器152變為下計數(上計數)狀態，并且進行與入射光量對應的數據計數。當反轉相應比較器151的比較結果時，保持與比較時段對應的計數值。在計數器152中保持的計數器值通過響應于列掃描部分13的掃描而閉合的開關153和數據傳輸線18作為數字信號輸入到數據輸出部分17。
[0013]例如，通過定時控制部分14供應起始脈沖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與驅動時鐘CLK同步地驅動相應選擇線SEL，并且將計數器152的鎖存數據(所保持的計數值)讀取到數據傳輸線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傳輸的光電電荷進行電壓轉換。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到FD122。RST Trl24在定時控制部分14的控制下復位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的計數作為P階段(復位時段)進行。接著，第二讀取、比較器151的第二比較和計算器152的計數以及后續處理作為D階段(信號讀取時段)進行。并且當從該第二計數值減去第一計數值時產生的結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在相同時刻調到高來啟動單元像素111中的快門操作以復位roi21。之后，通過至少將TRG Trl23調到低來終止該快門操作。
[0024]在這點上，將RST Trl24調到高從而FD122復位。之后，在RST Trl24為低的狀態下，讀取像素復位電平。之后，將TRG Trl23調到高從而將在TO121中存儲的光電電荷傳輸到FD122以讀取圖像信號電平。
【發明內容】
[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)復位PD121。為了這樣做，需要將TRG Trl23和RST Trl24在相同時刻調到高。同樣，在曝光時間段的結束時，需要至少將TRG Trl23調到低。在從當TRG Trl23曾經調到高并隨后再次調到高起的時段期間，讀取像素復位電平。[0026]換句話說，像素復位電平的讀取時段變為曝光時間段，并且因此在單元像素111中，難以設置比像素復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，難以合適地調節以縮短曝光時間段，并且因此圖像信號無法確保動態范圍(飽和的)。由此，有時在所拍攝的圖像的質量中出現惡化。
[0028]已經鑒于這些情形提出本公開。期望合適地調節單元像素的曝光時間段。
[0029]根據本公開的實施例，提供包括固態成像裝置，包括:光電轉換部分，配置為對入射光進行光電轉換，并且存儲所獲得的光電電荷；電壓轉換部分，配置為將從光電轉換部分傳輸的光電電荷轉換為電壓信號；第一門部分，配置為將在光電轉換部分中存儲的光電電荷傳輸到電壓轉換部分；第二門部分，配置為復位電壓轉換部分的電勢；第三門部分，配置為直接復位在光電轉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動，其中，控制部分控制第三門部分的驅動以調節光電轉換部分的曝光時間。
[0030]控制部分可以配置為設置第三門部分到低以便在像素復位電平讀取時段中開始光電轉換部分的曝光時間，在該像素復位電平讀取時段中，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被攝體的亮度而被驅動，從而調整光電轉換部分的曝光時間。
[0032]可以提供第一門部分和多個光電轉換部分，并且電壓轉換部分可以將從多個光電轉換部分傳輸的光電電荷相加以轉換光電電荷為電壓信號。
[0033]根據上述實施例的固態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]光電轉換部分可以布置在AF線傳感器上。
[0035]根據本公開的另一實施例，提供驅動包括固態成像裝置的方法，該固態成像裝置包括:光電轉換部分，配置為對入射光進行光電轉換，并且存儲所獲得的光電電荷；電壓轉換部分，配置為將從光電轉換部分傳輸的光電電荷轉換為電壓信號；第一門部分，配置為將在光電轉換部分中存儲的光電電荷傳輸到電壓轉換部分；第二門部分，配置為復位電壓轉換部分的電勢；第三門部分，配置為直接復位在光電轉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動，該方法包括:由控制部分設置第一門部分和第二門部分到低以布置像素復位電平的讀時段；和在像素復位電平的讀時段中設置第三門部分為低，以開始光電轉換部分的曝光時間。
[0036]根據本公開的另一實施例，提供包括使用固態成像裝置的成像部分的電子設備，所述固態成像裝置包括:光電轉換部分，配置為對入射光進行光電轉換，并且存儲所獲得的光電電荷；電壓轉換部分，配置為將從光電轉換部分傳輸的光電電荷轉換為電壓信號;第一門部分，配置為將在光電轉換部分中存儲的光電電荷傳輸到電壓轉換部分；第二門部分，配置為復位電壓轉換部分的電勢；第三門部分，配置為直接復位在光電轉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動，其中，控制部分控制第三門部分的驅動以調節光電轉換部分的曝光時間。
[0037]在根據本公開的實施例中，控制部分控制第三門部分以調節光電轉換部分的曝光時間。
[0038]通過本公開的實施例，可以實現能夠合適地調節曝光時間的電子設備[0039]通過本公開的另一實施例，可以實現包括能夠合適地調節曝光時間的成像部分的電子設備。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0040]圖1是圖示現有技術CIS的配置的示例的框圖；
[0041]圖2是圖示現有技術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節曝光時間段以變得比像素復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 復位晶體管(以下稱為 RSTP Tr) 301。
[0055]PD121對入射光進行光電轉換以生成光電電荷，并且存儲光電電荷。FD122對通過TRG Trl23從TO121傳輸的光電電荷進行電壓轉換。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到FD122。RST Trl24在定時控制部分14的控制下復位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調到低從而讀取像素復位電平。并且當(在TRG Trl23和RST Trl24為低的期間)正在讀取像素復位電平的同時，將RSTPTr301從高調到低，由此開始曝光時間段(快門操作)。
[0061]以此方式，通過開關RSTP Tr301，可以調節曝光時間段以變得比像素復位電平的讀取時段更短。因此，通過依據被攝體的亮度控制RSTP Tr301，可以合適地設置曝光時間段，并且確保圖像信號的動態范圍。
[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到公共FD122。
[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到公共FD122的情況。然而，共享FD122的TO121的數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備應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先專利申請JP2012-142959的主題有關的主題，其整體內容通過引用并入于此。
【權利要求】
1.一種固態成像裝置，包括:光電轉換部分，配置為對入射光進行光電轉換，并且存儲所獲得的光電電荷；電壓轉換部分，配置為將從所述光電轉換部分傳輸的光電電荷轉換為電壓信號；第一門部分，配置為將在所述光電轉換部分中存儲的光電電荷傳輸到所述電壓轉換部分；第二門部分，配置為復位所述電壓轉換部分的電勢；第三門部分，配置為直接復位在所述光電轉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動，其中，所述控制部分控制所述第三門部分的驅動以調節所述光電轉換部分的曝光時間。
2.根據權利要求1所述的固態成像裝置，其中，所述控制部分配置為設置所述第三門部分到低以在像素復位電平讀取時段中開始所述光電轉換部分的曝光時間，在所述像素復位電平讀取時段中，所述第一門部分和所述第二門部分處于低。
3.根據權利要求2所述的固態成像裝置，其中，控制所述第三門部分以依據被攝體的亮度而被驅動，從而調整所述光電轉換部分的曝光時間。
4.根據權利要求2所述的固態成像裝置，其中，提供多個光電轉換部分和所述第一門部分，并且所述電壓轉換部分將從所述多個光電轉換部分傳輸的光電電荷相加以轉換所述光電電荷為電壓信號。
5.根據權利要求4所述的固態成像裝置，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.根據權利要求4所述的固態成像裝置，其中，所述光電轉換部分布置在AF線傳感器上。
7.—種驅動固態成像裝置的方法，所述固態成像裝置包括:光電轉換部分，配置為對入射光進行光電轉換，并且存儲所獲得的光電電荷；電壓轉換部分，配置為將從所述光電轉換部分傳輸的光電電荷轉換為電壓信號；第一門部分，配置為將在所述光電轉換部分中存儲的光電電荷傳輸到所述電壓轉換部分；第二門部分，配置為復位所述電壓轉換部分的電勢；第三門部分，配置為直接復位在所述光電轉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動，所述方法包括:通過所述控制部分，設置所述第一門部分和所述第二門部分為低以布置像素復位電平的讀取時段；并且在所述像素復位電平的讀取時段中設置所述第三門部分為低以開始所述光電轉換部分的曝光時間。
8.一種包括使用固態成像裝置的成像部分的電子設備，所述固態成像裝置包括:光電轉換部分，配置為對入射光進行光電轉換，并且存儲所獲得的光電電荷；電壓轉換部分，配置為將從所述光電轉換部分傳輸的光電電荷轉換為電壓信號； 第一門部分，配置為將在所述光電轉換部分中存儲的光電電荷傳輸到所述電壓轉換部分； 第二門部分，配置為復位所述電壓轉換部分的電勢； 第三門部分，配置為直接復位在所述光電轉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動， 其中，所述控制部分控制所述第三門部分的驅動以調節所述光電轉換部分的曝光時間。
【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 優先權日:2012年6月26日
【發明者】永野川晴久, 近藤絢哉, 福山寬大 申請人:索尼公司