專利名稱：固體攝像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固體攝像裝置，可以適用于例如在附有圖像傳感器的便攜式電話、數(shù)碼相機、攝像機等中使用的放大型CMOS圖像傳感器。
背景技術(shù)：
以往，例如在日本專利公開2001-189893和日本專利公開2000-23044中提出了擴大CMOS圖像傳感器的動態(tài)范圍的方法。前者的方法適用于不完全傳送型的光電二極管，但是存在著發(fā)生余像和白斑等的可能性，要達到高圖像質(zhì)量是困難的。與此相對，后者的方法因為與完全傳送型對應而沒有產(chǎn)生前者那樣的余像和白斑等的擔心。但是，因為使用檢測單元擴大動態(tài)范圍，所以發(fā)生由檢測單元的遺漏引起的暗時斑點和KTC噪聲(KTC noise)，存在著由于與前者不同的主要原因引起圖像質(zhì)量劣化的可能性。而且，無論哪種方法都因為將曝光時間長的信號和短的信號加起來后進行輸出，所以要分離曝光時間長的信號和短的信號是困難的。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明的一個樣態(tài)的固體攝像裝置具備像素單元，在半導體基片上行和列二維地配置著單元，其中，上述單元包括光電變換部件，將光信號變換成電信號；讀出部件，將由上述光電變換部件對入射光進行光電變換后所得到的信號電荷讀出到檢測單元；放大部件，放大與積蓄在上述檢測單元中的信號電荷對應的電壓并將其輸出；以及復位部件，對上述檢測單元的信號電荷進行復位；AD變換電路，其構(gòu)成為將從上述像素單元輸出的模擬信號變換成數(shù)字信號并進行輸出；線存儲器，其構(gòu)成為存儲從上述AD變換電路輸出的數(shù)字信號；控制電路，其構(gòu)成為控制上述像素單元和上述AD變換電路，在1幀的電荷積蓄期間在上述AD變換電路對曝光時間不同的多個模擬信號進行AD變換并傳送到上述線存儲器；以及合成電路，其構(gòu)成為被供給來自上述線存儲器曝光時間不同的多個數(shù)字信號，比較第1信號和第2信號，選擇大的一個信號并將其輸出，所述第1信號為將曝光時間短的信號和曝光時間長的信號進行加法運算的結(jié)果，所述第2信號為利用曝光時間短的信號與長的信號之比對曝光時間短的信號進行放大的結(jié)果。
另外，按照本發(fā)明的另一個樣態(tài)的固體攝像裝置具備像素單元，在半導體基片上行和列二維地配置單元；AD變換電路，其構(gòu)成為將從上述像素單元輸出的模擬信號變換成數(shù)字信號并進行輸出；線存儲器，其構(gòu)成為存儲從上述AD變換電路輸出的數(shù)字信號；控制電路，其構(gòu)成為控制上述像素單元和上述AD變換電路，在1幀的電荷積蓄期間在上述AD變換電路對曝光時間不同的多個模擬信號進行AD變換并傳送到上述線存儲器；以及寬動態(tài)范圍混合電路(widedynamic rang mixture circuit)，其構(gòu)成為被供給來自上述線存儲器曝光時間不同的多個數(shù)字信號，比較第1信號和第2信號，選擇大的一個信號并將其輸出，所述第1信號為將曝光時間短的信號和曝光時間長的信號進行加法運算的結(jié)果，所述第2信號為利用曝光時間短的信號與長的信號之比對曝光時間短的信號進行放大的結(jié)果。


圖1是對于按照本發(fā)明的第1實施方式的固體攝像裝置進行說明的圖，表示放大型CMOS圖像傳感器的概略構(gòu)成的方框圖。
圖2是表示圖1所示的放大型CMOS圖像傳感器中的像素單元、CDS電路和ADC的具體構(gòu)成例的電路圖。
圖3是表示圖1和圖2所示的CMOS圖像傳感器的工作定時的波形圖。
圖4是表示圖1和圖2所示的CMOS圖像傳感器的光電變換特性的特性圖。
圖5是對于按照本發(fā)明的第2實施方式的固體攝像裝置進行說明的圖，表示放大型CMOS圖像傳感器的概略構(gòu)成的方框圖。
圖6是表示圖5所示的CMOS圖像傳感器的第1光電變換特性的特性圖。
圖7是表示圖5所示的CMOS圖像傳感器的第2光電變換特性的特性圖。
圖8是對于按照本發(fā)明的第3實施方式的固體攝像裝置進行說明的圖，表示放大型CMOS圖像傳感器的概略構(gòu)成的方框圖。
圖9是表示圖8所示的CMOS圖像傳感器的光電變換特性的特性圖。
圖10是對于按照本發(fā)明的第4實施方式的固體攝像裝置進行說明的圖，表示放大型CMOS圖像傳感器的概略構(gòu)成的方框圖。
圖11是表示圖10所示的CMOS圖像傳感器的工作定時的波形圖。
圖12是表示圖10所示的CMOS圖像傳感器的光電變換特性的特性圖。
圖13是用于說明按照本發(fā)明的第4實施方式的固體攝像裝置的效果的光電變換特性圖。
具體實施例方式
圖1是對于按照本發(fā)明的第1實施方式的固體攝像裝置進行說明的圖，表示放大型CMOS圖像傳感器的概略構(gòu)成的方框圖。在傳感器核心單元11中，配置著像素單元12、柱型噪聲消除(noisecancellation)電路(CDS)13、柱型模擬數(shù)字變換器(ADC)14、鎖存電路15、2個線存儲器(MSTS，MSTL)28-1，28-2和水平移位寄存器16等。
在上述像素單元12中經(jīng)過透鏡17將光入射，根據(jù)光電變換生成與入射光量相應的電荷。在該像素單元12中，在半導體基片上行和列二維地配置著單元(像素)。1個單元由4個晶體管(Ta、Tb、Tc、Td)和光電二極管(PD)構(gòu)成，分別將脈沖信號ADRESn、RESETn、READn供給各單元。在該像素單元12的下部沿水平方向配置著源極跟隨電路用的負載晶體管TLM，這些負載晶體管的電流通路的一端分別與垂直信號線VLIN連接，另一端與接地點連接。
將與在上述像素單元12中發(fā)生的信號電荷對應的模擬信號，經(jīng)過CDS13供給ADC14，變換成數(shù)字信號，鎖存在鎖存電路15中。將鎖存在該鎖存電路15中的數(shù)字信號，經(jīng)過線存儲器(MSTS、MSTL)28-1、28-2供給并順次地傳送到水平移位寄存器16。將從上述線存儲器(MSTS、MSTL)28-1、28-2讀出的數(shù)字信號OUT0～OUT9供給寬動態(tài)范圍混合(WDM)電路18，在該WDM電路18中進行合成處理后，輸出到傳感器的外部。
另外，與上述像素單元12鄰接，分別配置著脈沖選擇器(pulseselector)電路(選擇器)22、信號讀出用的垂直寄存器(VR寄存器)20、積蓄時間控制用的垂直寄存器(ES寄存器、長積蓄時間控制用寄存器)21、和積蓄時間控制用的垂直寄存器(WD寄存器、短積蓄時間控制用寄存器)27。
從上述像素單元12的讀出和上述CDS電路13的控制是根據(jù)從定時發(fā)生器(TG)19輸出的脈沖信號S1～S4、READ、RESET/ADRES/READ、VRR、ESR、WDR所進行的。即，該定時發(fā)生器19作為控制電路而進行工作。
將脈沖信號S1～S4供給CDS電路13。將脈沖信號READ供給脈沖振幅控制電路29，將該脈沖振幅控制電路29的輸出信號VREAD供給脈沖選擇電路22。另外，也將脈沖信號RESET/ADRES/READ供給上述脈沖選擇電路22。分別將脈沖信號VRR供給VR寄存器20，將脈沖信號ESR供給ES寄存器21，將脈沖信號WDR供給WD寄存器27。由上述寄存器20、21、27選擇像素單元12的垂直線，經(jīng)過脈沖選擇電路22將脈沖信號RESET/ADRES/READ(在圖1中用RESETn、ADRESn、READn代表性地表示)供給像素單元12。分別將上述脈沖信號(地址脈沖)ADRESn供給上述單元中的行選擇晶體管Ta的柵極，將上述脈沖信號(復位脈沖)RESETn供給上述單元中的復位晶體管Tc的柵極，將上述脈沖信號(讀出脈沖)READn供給上述單元中的讀出晶體管Td的柵極。從偏壓發(fā)生電路(偏壓1)23將偏置電壓VVL加在該像素單元12上。將該偏置電壓VVL供給源極跟隨電路用的負載晶體管TLM的柵極。
VREF發(fā)生電路24是對主時鐘信號MCK作出應答地進行工作，生成AD變換(ADC)用的基準波形的電路。該基準波形的振幅由輸入到串行接口(串行I/F)25的數(shù)據(jù)DATA進行控制。將輸入到該串行接口(serial interface)25的指令供給指令解碼器26進行解碼，與上述主時鐘信號MCK一起供給定時發(fā)生器19。在上述VREF發(fā)生電路24中，為了在1個水平掃描期間實施2次AD變換，產(chǎn)生三角波VREFT和VREFTS，供給ADC14。將從上述定時發(fā)生器19輸出的脈沖信號READ供給脈沖振幅電路29，通過由該脈沖振幅電路29控制振幅，生成3個值的脈沖信號VREAD供給選擇器22。
上述WDM電路18是作為合成處理數(shù)字信號OUT0～OUT9的合成電路進行工作的電路。WDM電路18包括對黑電平的64LSB進行減法處理的減法電路(-64)32-1、32-2；放大上述減法電路32-1的輸出的增益電路(GAIN)33；判定電路34；開關(guān)35；加法電路36；白色平衡處理電路(WB)37和壓縮電路38。同時將存儲在上述線存儲器28-1中的曝光時間(電荷的積蓄時間)短的信號STS和存儲在上述線存儲器28-2中的曝光時間長的信號STL輸入到該WDM電路18中。
首先，在由ADC14進行的模擬/數(shù)字變換工作中，因為將黑電平設(shè)定在64LSB電平上，所以用減法電路32-1、32-2從各個線存儲器28-1、28-2的輸出信號減去黑電平64。其次，由增益電路33放大經(jīng)過減法處理的信號STS。當分別令信號STL和信號STS的曝光時間為TL和TS時，能夠從它們的比TL/TS算出該增益量。通過對信號STS進行增益加倍的處理，即便是斜率不同的光電變換特性曲線也能夠等價地使斜率相同。此外，當輸出信號STS時信號STL飽和。而且，由上述判定電路34接通開關(guān)35，用加法器36將信號STL和增益加倍了的信號STS加起來，能夠平滑地合成兩信號STS、STL。使該加法輸出信號增加位數(shù)以14位進行輸出。而且，用白色平衡(WB)處理電路37相同地對R、G、B信號的電平進行處理，用壓縮電路38將信號壓縮到10位并輸出。
圖2是表示上述圖1所示的放大型CMOS圖像傳感器中的像素單元12、CDS電路13和ADC14的具體構(gòu)成例的電路圖。像素單元12中的各個單元(像素)包括行選擇晶體管Ta、放大晶體管Tb、復位晶體管Tc、讀出晶體管Td和光電二極管PD。上述晶體管Ta、Tb的電流通路串聯(lián)連接在電源VDD和垂直信號線VLIN之間。將脈沖信號ADRESn供給上述晶體管Ta的柵極。上述晶體管Tc的電流通路連接在電源VDD和晶體管Tb的柵極(檢測單元FD)之間，將脈沖信號RESETn供給其柵極。另外，上述晶體管Td的電流通路的一端與上述檢測單元FD連接，將脈沖信號READn供給其柵極。而且，使上述光電二極管PD的陰極與上述晶體管Td的電流通路的另一端連接，該光電二極管PD的陽極接地。
通過行和列二維地配置上述構(gòu)成的單元構(gòu)成像素單元12。在上述像素單元12的下部，沿水平方向配置著源極跟隨電路用的負載晶體管TLM。這些負載晶體管TLM的電流通路連接在垂直信號線VLIN和接地點之間，從偏壓發(fā)生電路23將偏置電壓WL加在其柵極上。在CDS電路13和ADC14中，配置著噪聲消除用的電容C1、C2，并且配置著用于傳達垂直信號線VLIN的信號的晶體管TS1、用于輸入AD變換用的基準波形的晶體管TS2和2段的比較電路COMP1、COMP2。在上述比較電路COMP1、COMP2之間連接著電容C3。上述比較電路COMP1包括變換器INV1和電流通路連接在該變換器INV1的輸入端與輸出端之間的晶體管TS3。上述比較電路COMP2包括變換器INV2和電流通路連接在該變換器INV2的輸入端與輸出端之間的晶體管TS4。分別將從定時發(fā)生器19輸出的脈沖信號S1供給上述晶體管TS1的柵極，將脈沖信號S2供給上述晶體管TS2的柵極，將脈沖信號S3供給上述晶體管TS3的柵極，和將脈沖信號S4供給上述晶體管TS4的柵極。將從上述比較電路COMP2輸出的數(shù)字信號鎖存在鎖存電路15中，輸入到線存儲器28-1、28-2。線存儲器信號使移位寄存器16工作，從上述線存儲器28-1、28-2順次地輸出10位的數(shù)字信號OUT0～OUT9。
在上述那樣的構(gòu)成中，例如為了讀出例如垂直信號線VLIN的n行的信號，令脈沖信號ADRESn為“H”電平，使由放大用晶體管Tb和負載用晶體管TLM構(gòu)成的源極跟隨電路工作。而且，在一定期間積蓄由光電二極管PD進行光電變換得到的信號電荷，為了在進行讀出前除去檢測單元FD中的暗電流等的噪聲信號，將脈沖信號RESETn設(shè)定在“H”電平，接通晶體管Tc將檢測單元FD設(shè)置在VDD電壓＝2.8V上。由此，將成為基準的在檢測單元FD上沒有信號的狀態(tài)的電壓(復位電平)輸出到垂直信號線VLIN。這時，通過分別令脈沖信號S1、S3、S4為“H”電平，接通晶體管TS1、TS3、TS4，設(shè)定ADC14的比較電路COMP1和COMP2的AD變換電平，并且將與垂直信號線VLIN的復位電平對應的電荷量積蓄在電容C1中。
接著，令脈沖信號(讀出脈沖)READn為“H”電平接通讀出晶體管Td，將由光電二極管PD生成且積蓄的信號電荷讀出到檢測單元FD。由此，在垂直信號線VLIN上，讀出檢測單元FD的電壓(信號+復位)電平。這時，通過使脈沖信號S1成為“H”電平、使脈沖信號S3成為“L”電平、使脈沖信號S4成為“L”電平、使脈沖信號S2成為“H”電平，則晶體管TS1接通，晶體管TS3斷開，晶體管TS4斷開，使晶體管TS2接通，將與“垂直信號線VLIN的信號+復位電平”對應的電荷積蓄在電容C2中。這時，電容C1，因為比較電路COMP1的輸入端成為高阻抗狀態(tài)，所以保持復位電平不變。
此后，通過增加從VRFF發(fā)生電路24輸出的基準波形的電平(使三角波VREF從低電平到高電平)，經(jīng)過電容C1和C2的合成電容，由比較電路COMP1、COMP2進行AD變換。用10位(0～1023電平)產(chǎn)生上述三角波，用10位的計數(shù)器判定AD變換電平將數(shù)據(jù)保存在鎖存電路15中。在1023電平的AD變換后，將鎖存電路15的數(shù)據(jù)傳送到線存儲器28-1、28-2中。因為積蓄在上述電容C1中的復位電平和積蓄在電容C2中的復位電平極性相反，所以消除復位電平，實質(zhì)上以電容C2的信號成分實施AD變換。將除去該復位電平的工作稱為低噪聲化處理工作(CDS工作Correlated Double Sampling(相關(guān)二重取樣))。為了在1個水平掃描期間2次實施該AD變換工作，用VREF發(fā)生電路24產(chǎn)生三角波VREFTL和VREFTS，供給晶體管TS2的電流通路的一端。
圖3是表示上述圖1和圖2所示的CMOS圖像傳感器的工作定時的波形圖。在VGA傳感器的情況下，用30Hz驅(qū)動1個幀，用525H驅(qū)動水平掃描數(shù)。令積蓄在垂直的n行中由光電二極管PD進行光電變換產(chǎn)生的電荷積蓄時間TL＝525H。與水平同步脈沖HP同步，將脈沖信號RESETn、READn、ADRESn供給像素單元12，由光電二極管PD進行光電變換，檢測并讀出積蓄在檢測單元FD中的信號電荷量。這時，將VREF的振幅設(shè)定在中間電平上并讀出。該中間電平在傳感器內(nèi)自動地調(diào)整以使像素單元12的遮光像素(OB)單元自動調(diào)整該中間電平成為64LSB。該讀出的信號在水平掃描期間的前半0.5H期間作為基準波形產(chǎn)生三角波實施10位的AD變換。經(jīng)過AD變換的信號(數(shù)字數(shù)據(jù))保持在鎖存電路15中，在下一個水平掃描期間由傳感器核心單元11作為STL信號進行輸出。
這里，令由垂直的n行的光電二極管PD進行光電變換所積蓄的曝光時間(積蓄時間)為TL＝525H。另外，令短的曝光時間為TS＝66H。曝光時間長的TL將讀出脈沖READ的振幅控制在高電平(Vp)＝2.8V。短的曝光時間TS將讀出脈沖READ的振幅控制在中電平(Vm)＝1.4V。為了產(chǎn)生這種振幅電平不同的脈沖信號READ，由上述脈沖振幅控制電路29控制脈沖信號READ的振幅。此外，能夠用ES寄存器21在每1H控制上述曝光時間TL。進一步，通過應用由本申請人提出的日本專利公開2001-111900中記載的技術(shù)，能夠在比1H還短的曝光時間中進行控制。即，因為圖3的時刻t2～t4成為1H的期間，所以可以在該1H的期間內(nèi)以H/2和H/4設(shè)置排出電荷的期間。另外，能夠用WD寄存器27在每1H控制曝光時間TS。
當來自光電二極管PD的第1次讀出工作時(t4)，與水平同步脈沖HP同步地將脈沖信號RESETn、READn、ADRESn供給像素單元12，由光電二極管PD進行光電變換，讀出積蓄的信號電荷。將這時的脈沖信號READ的振幅設(shè)定在中電平Vm上。第1次讀出的信號電荷在積蓄時間525H的途中(t2)供給中電平Vm的脈沖信號READ，讀出并排出光電二極管PD的一部分信號電荷。而且，從光電二極管PD讀出在時刻t2～t4的期間再積蓄的信號(t4)。
該讀出的信號在水平掃描期間的前半0.5H期間產(chǎn)生三角波作為基準波形進行10位的AD變換。將經(jīng)過AD變換的信號供給并保持在鎖存電路15中，存儲在線存儲器(MSTS)28-1中。當來自光電二極管PD的第2次讀出工作時(t5)，在第1次的0.5H后將脈沖信號RESETn、READn、ADRESn供給像素單元12，由光電二極管PD進行光電變換，讀出積蓄的信號電荷。將這時的脈沖信號READ的振幅設(shè)定在高電平Vp上。
接著，與第1次同樣將脈沖信號RESETn、READn、ADRESn供給像素單元12讀出由光電二極管PD單元進行光電變換積蓄的TL＝525H的信號電荷。該讀出的信號在水平掃描期間的后半0.5H期間產(chǎn)生三角波作為基準波形實施10位的AD變換。將經(jīng)過AD變換的信號保持在鎖存電路15中，輸入到線存儲器(MSTL)28-2并存儲起來。在下一個水平掃描期間從線存儲器28-1、28-2讀出這樣存儲的線存儲器28-1、28-2的數(shù)據(jù)(數(shù)字信號)STS和STL，供給寬動態(tài)范圍混合(WDM)電路18，進行信號處理。
下面，對光電二極管(PD)單元的信號電荷的積蓄進行說明。通過在時刻t0作為脈沖信號READ加上2.8V，全部排出光電二極管PD單元的信號電荷。在時刻t1積蓄由光電二極管PD進行了光電變換的信號。在時刻t2脈沖信號READ的電壓＝1.4V將飽和信號量ΦVp的約1/2的信號由光電二極管PD單元讀出并排出。將信號STS2的過大信號限幅到ΦVm。信號STL因為信號量少所以不排出。在時刻t3由光電二極管PD單元實施再積蓄。在時刻t4脈沖信號READ的電壓＝1.4V將比ΦVm大的信號電荷作為信號STS讀出。由此，輸出比SVm大的信號STS1和STS2等。這時，信號STL因為電平十分小所以不能夠讀出。在下一個時刻t5，讀出光電二極管PD單元的ΦVm以下的信號電荷作為信號STL。在時刻t4，拐點(Knee)以下的信號STS1或STL，因為在時刻t2不從光電二極管PD單元排出，所以成為連續(xù)積蓄的信號電荷。另一方面，在時刻t2因為在ΦVm電平對從光電二極管PD單元排出的信號STS2進行限幅，所以成為看起來積蓄時間停止了的狀態(tài)。光電變換特性的斜率以拐點為界進行變化。即，在時刻t4輸出在讀出信號STS中持有拐點的信號。
如果根據(jù)上述那樣的構(gòu)成，則因為分別對1個水平掃描期間中曝光時間長的信號和短的信號進行AD變換并輸出，將讀出的2個數(shù)字信號加起來，所以不會導致圖像質(zhì)量降低能夠擴大動態(tài)范圍。
圖4表示上述圖1和圖2所示的CMOS圖像傳感器的光電變換特性。信號STL在SVm電平飽和。當信號STL飽和后，輸出信號STS。當增大上述信號STS的電平后，形成拐點只將斜率抑制積蓄時間比TS/TL部分。因此，當在上述圖1所示的那種構(gòu)成的WDM電路18中進行信號處理后，因為很大地放大了信號STS的小信號側(cè)并進行加法運算，所以相加的輸出信號SF的電平上升到SVm以上。拐點以后的斜率與信號STL相同，但是只上升偏離的部分。但是，當積蓄時間比TS/TL十分小時，因為拐點成為與ΦVm大致相同的電平，所以可以實用。
此外，在圖3所示的波形圖中，通過使時刻t4的READ電壓比1.4V小進行調(diào)整以便只讀出拐點以上，能夠?qū)嵱没?。但是，為了與電源電壓的變動和取樣間的零散對應而使系統(tǒng)和調(diào)整變得復雜。
圖5是對于按照本發(fā)明的第2實施方式的固體攝像裝置進行說明的圖，表示放大型CMOS圖像傳感器的概略構(gòu)成的方框圖。本第2實施方式，通過變更上述寬動態(tài)范圍混合(WDM)電路18的電路構(gòu)成改良上述第1實施方式，抑制由偏離引起的影響。
在圖5中，在與上述圖1相同的構(gòu)成單元上附加相同的標號并省略對它們的詳細說明。另外，像素單元12、CDS電路13和ADC14的具體構(gòu)成為與圖2同樣的構(gòu)成。
該放大型CMOS圖像傳感器中的WDM電路18包括對黑電平的64LSB進行減法處理的減法電路32-1、32-2；判定電路(比較電路A、比較電路B)34-1、34-2；開關(guān)35-1、35-2；加法電路36；白色平衡處理電路(WB)37；壓縮電路38和放大電路39。與圖1所示的電路同樣，將存儲在上述線存儲器28-1中的曝光時間短的信號STS和存儲在上述線存儲器28-2中的曝光時間長的信號STL同時輸入到該WDM電路18。
當開始從上述減法電路32-2輸出信號STS時，由上述判定電路34-2接通開關(guān)35-1，使加法電路36工作將信號STS和信號STL進行加法運算。將該加法信號表示為“STS+STL”。當不輸出信號STS時，STS+STL＝STL。另一方面，由放大電路(GA)39將信號STS放大積蓄時間比TL/TS倍(GA＝TL/TS)。
而且，在判定電路34-1中判定“STS+STL＞GA*STS”，控制開關(guān)35-2。然后，比較信號“STS+STL”和信號“GA*STS”，所述信號“STS+STL”為曝光時間短的信號和曝光時間長的信號進行加法運算得到的結(jié)果，所述信號“GA*STS”為用曝光時間短的信號和長的信號之比TL/TS放大曝光時間短的信號STS得到的結(jié)果，進行切換以便選擇與電壓對應的數(shù)字值大的一方的信號。此后，進行白色平衡(WB)處理，使R、G、B信號的電平相同，用壓縮電路38將信號壓縮到10位(DOUT0～DOUT9)并輸出。
圖6是表示上述圖5所示的CMOS圖像傳感器的光電變換特性的特性圖。與圖1所示的電路同樣，信號STL在SVm電平飽和。當信號STL飽和時，輸出信號STS。當增加信號STS到某個電平時，形成拐點(Knee)只將斜率抑制積蓄時間比TS/TL部分。
但是，當用如圖5所示的WDM電路18進行處理時，直到拐點，換句話說直到“STL+STS＝GA*STS”為止輸出在直線上將STL和信號STS加起來得到的信號。而且，在拐點以上將信號STS切換到放大了GA倍的信號作為信號FS輸出。這樣，通過在拐點以上切換到放大了GA倍的信號，能夠抑制由偏離引起的影響。
如上所述，如果根據(jù)本第2實施方式，則能夠?qū)嵤╇y以受到電源電壓和傳感器工作溫度的影響的穩(wěn)定的動態(tài)范圍的擴大工作。另外，在通過將曝光時間不同的信號電荷不限定于同一光電二極管中，積蓄在檢測單元或積蓄單元(具有積蓄單元的傳感器的情況)中，進行分別讀出積蓄的信號電荷的工作，用曝光時間(積蓄時間)之比放大曝光時間短的信號，與曝光時間長的信號合成來擴大動態(tài)范圍的工作中，能夠通過改善光電變換特性的直線性，改善高亮度部分的色再現(xiàn)性。
可是，在上述第2實施方式中，更正確地如圖7所示，在信號STS的拐點附近光電二極管PD單元進行不完全傳送工作。因此，發(fā)生余像成分成為難以讀出信號的狀態(tài)形成平緩的曲線。另一方面，當在光電二極管PD單元中存在比拐點充分大的信號電荷時，信號電荷自身成為偏壓電荷，為了抑制余像不發(fā)生余像地以直線變化。當對持有該平緩的曲線的拐點進行WDM處理時，合成信號SF在拐點附近損傷直線性。實驗上對于理想的特性發(fā)生最大5％的下降。
圖8是對于按照本發(fā)明的第3實施方式的固體攝像裝置進行說明的圖，表示放大型CMOS圖像傳感器的概略構(gòu)成的方框圖。本第3實施方式，進一步改良上述第2實施方式，抑制由余像成分在拐點附近損傷合成信號SF的直線性。
即，圖8所示的電路是在圖5所示的放大型CMOS圖像傳感器中的WDM電路18中，設(shè)置了放大信號STS的增益電路(GB)40的電路。根據(jù)GB參數(shù)41設(shè)定該增益電路40的放大率。另外，伴隨上述變更判定電路34-1、34-2的內(nèi)部構(gòu)成也變更了。當判定電路34-2開始輸出信號GB*STS后使加法電路36工作，輸出信號“GB*STS+STL”。當不輸出信號GB*STS時，成為“GB*STS+STL＝STL”。另一方面，信號GB*STS在放大電路(GA)中放大積蓄時間比TL/TS倍。而且，在判定電路34-1中判定“GB*STS+STL＞GB*(GA*STS)”，切換信號。
因為其它基本構(gòu)成與圖5同樣，所以在相同的構(gòu)成單元上附加相同的標號并省略對它們的詳細說明。另外，像素單元12、CDS電路13和ADC14的具體構(gòu)成為與圖2同樣的構(gòu)成。
圖9是表示上述圖8所示的CMOS圖像傳感器的光電變換特性的特性圖。增益電路(GB)40的放大率為了在拐點附近的放大率成為最大的1.05倍，設(shè)定GB參數(shù)41為接近電阻電容的時間常數(shù)的放大模式。該GB參數(shù)41能夠與積蓄時間比TL/TS相應地變更。
圖10是對于按照本發(fā)明的第4實施方式的固體攝像裝置進行說明的圖，表示放大型CMOS圖像傳感器的概略構(gòu)成的方框圖。在本第4實施方式中，對于圖8所示的CMOS圖像傳感器，由VREAD控制電路42將脈沖信號READ的LO電平設(shè)定在VRDL電壓上。HI電平可以在VRDp和VRDm電壓之間切換。對應該工作，在WDM電路18中設(shè)置放大電路(GC)43，根據(jù)GC參數(shù)44設(shè)定該放大電路43的放大率。
在圖10中，在與上述圖8相同的構(gòu)成單元上附加相同的標號并省略對它們的詳細說明。另外，像素單元12、CDS電路13和ADC14的具體構(gòu)成為與圖2同樣的構(gòu)成。
圖11是表示上述圖10所示的CMOS圖像傳感器的工作定時的波形圖。與圖3比較，脈沖信號RESET和脈沖信號READ不同。脈沖信號RESET使大部分期間處于2.8V的接通狀態(tài)，對從光電二極管溢出的信號電荷進行復位。而且，只當從像素讀出復位電平和信號電平時設(shè)定在0V上。另一方面，脈沖信號READ將LO電平設(shè)定在VRDL＝1V上。將中間電平設(shè)定在VRDm＝1.4V，將HI電平設(shè)定在VRDp＝2.8V。通過該工作，對積蓄在光電二極管PD單元中的信號電荷對比ΦVRDL大的信號進行限幅，但在強的輸入光量下光電二極管PD單元的信號電荷增加。令該變化點為拐點(Knee)2。該增加對輸入光量呈對數(shù)地增加。當輸入光量少時，從光電二極管PD單元讀出經(jīng)過晶體管Td流入到FD的信號量較小。但是，當輸入光量多時，從光電二極管PD單元讀出經(jīng)過晶體管Td流入到FD的信號量增大。即，信號越大越難以殘留在光電二極管PD中。光電二極管PD單元的信號成為與輸入光量成比例，呈對數(shù)地增加信號電荷的信號STSlog。
此外，雖然VRDL＝1V，但通過使VRDL＝0V，讀出晶體管Td為耗盡型，也可以在0V成為接通狀態(tài)。
圖12表示上述圖10所示的CMOS圖像傳感器的光電變換特性。當信號STS的光量比拐點2(Knee2)大時，信號STSlog對數(shù)地壓縮HI電平。通過將WDM電路18的拐點2以上的GC參數(shù)作為log特性的反對數(shù)的增益設(shè)定，GC*STS將STSlog信號區(qū)域變換成直線。結(jié)果，將信號SF也變換成直線。通過該直線化工作，提高了信號電平不同的彩色攝像的R、G、B信號的白色平衡(WB)的精度。在該log區(qū)域中因為是高亮度信號所以大部分容易成為白色信號。因此，通過將R、B信號置換成G信號，也可以置換成沒有附有顏色的白信號。這樣，在R、G、B信號的log曲線特性的線性變換處理中即便信號電平發(fā)生偏離也不會成為問題。
另外，令從拐點1到拐點2的積蓄時間比為從1/8到1/16，中亮度的光輸入信號的分辨率(數(shù)字信號的位數(shù))并沒有下降多少，能夠確保色再現(xiàn)性。進一步，也能夠得到高亮度的信號(在第2實施方式中，當要得到高亮度的信號時，因為令積蓄時間比為1/128所以不能夠提高中亮度的分辨率)。
如圖13所示，通過光電二極管PD單元的2分割讀出，信號STS能夠進行穩(wěn)定的拐點1和拐點2的曲線校正。在光電二極管PD單元中積蓄著的信號電荷，由于各像素的讀出晶體管Td的閾值電壓Vth的零散，拐點1和拐點2這2個拐點在光量和發(fā)生電平中產(chǎn)生大的零散(PD1、PD2、PD3)。另一方面，在本發(fā)明的實施方式中，讀出信號STS的拐點1和拐點2對光量的發(fā)生電平針對每個像素都是不同的，但是發(fā)生拐點1或拐點2的輸出電平大致一致。因此，能夠精度良好地校正用于校正拐點電平的增益電路(GB)或放大電路(GC)。該拐點的發(fā)生電平幾乎與電源電壓和傳感器的工作溫度無關(guān)，而拐點1對積蓄時間比TL/TS依存性很大。該積蓄時間比越大，發(fā)生電平越小曲線也變得越陡急。
另一方面，拐點1和拐點2之差依賴于讀出電壓VDRm和VRDL之差，而LOG特性的曲線依賴于光電二極管PD和讀出柵極構(gòu)造。因此，可以將這些信息保存在GB參數(shù)41或GC參數(shù)44中以便對應。
如上所述，在本發(fā)明的第1到第4實施方式中，通過在柱ADC型CMOS傳感器中，分別對1個水平掃描期間中曝光時間長的信號和短的信號進行AD變換并輸出，用曝光時間之比TL/TS放大讀出的2個信號并進行切換實施線性變換，能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)范圍寬的CMOS傳感器。
在第2到第4實施方式中，進而曝光時間短的信號持有包含偏離的光電變換的斜率，因為在切換時不能夠進行線性變換所以解決了由偏離引起的問題。
這樣，如果根據(jù)本發(fā)明的各實施方式，則能夠?qū)嵤╇y以受到電源電壓和傳感器工作溫度的影響的穩(wěn)定的寬動態(tài)范圍工作。另外，在通過將曝光時間不同的信號電荷不限定于同一光電二極管積蓄在檢測單元或積蓄單元(具有積蓄單元的傳感器的情況)中，實施分別讀出積蓄的信號電荷的工作，用曝光時間(積蓄時間)之比放大曝光時間短的信號，與曝光時間長的信號合成起來擴大動態(tài)范圍的工作中，能夠通過改善光電變換特性的直線性，改善高亮度部分的色再現(xiàn)性。進而，能夠改善因拐點附近的成為曲線的特性所引起的色再現(xiàn)性惡化。
如上所述，按照本發(fā)明的一個方面，能夠得到不導致圖像質(zhì)量降低而使動態(tài)范圍擴大的固體攝像裝置。
此外，在上述第1到第4實施方式中，作為固體攝像裝置將放大型CMOS圖像傳感器作為例子進行了說明，但是當然也能夠適用于其它的固體攝像裝置。
又，將1個單元(像素)包括4個晶體管(Ta、Tb、Tc、Td)和光電二極管(PD)的構(gòu)成作為例子，但是也可以適用于其它種種構(gòu)成。例如，也能夠適用于單元包括3個晶體管(Tb、Tc、Td)和光電二極管(PD)的構(gòu)成。在該單元構(gòu)造的情形中，除去圖1和圖2中的行選擇晶體管Ta，將放大晶體管Tb的電流通路連接在電源VDD和垂直信號線VLIN之間。其它構(gòu)成與圖1和圖2相同。而且，分別將脈沖信號RESETn、READn供給各單元。
對于那些熟練的技術(shù)人員來說很容易知道附加的優(yōu)點和修改。所以，本發(fā)明在更廣大的方面不限于這里指出和描述了的具體的詳細情形和代表性的實施方式。因此，在沒有偏離如由所附的權(quán)利要求書和它們的等效物定義了的一般的發(fā)明概念的精神或范圍的條件下可以進行各種不同的修改。
權(quán)利要求
1.一種固體攝像裝置，其特征在于包括像素單元，在半導體基片上行和列二維地配置著單元，其中，上述單元包括光電變換部件，將光信號變換成電信號；讀出部件，將由上述光電變換部件對入射光進行光電變換后所得到的信號電荷讀出到檢測單元；放大部件，放大與積蓄在上述檢測單元中的信號電荷對應的電壓并將其輸出；以及復位部件，對上述檢測單元的信號電荷進行復位；AD變換電路，其構(gòu)成為將從上述像素單元輸出的模擬信號變換成數(shù)字信號并進行輸出；線存儲器，其構(gòu)成為存儲從上述AD變換電路輸出的數(shù)字信號；控制電路，其構(gòu)成為控制上述像素單元和上述AD變換電路，在1幀的電荷積蓄期間在上述AD變換電路中對曝光時間不同的多個模擬信號進行AD變換并傳送到上述線存儲器；以及合成電路，其構(gòu)成為被供給來自上述線存儲器的曝光時間不同的多個數(shù)字信號，比較第1信號和第2信號，選擇大的一個信號并將其輸出，所述第1信號為將曝光時間短的信號和曝光時間長的信號進行加法運算的結(jié)果，所述第2信號為利用曝光時間短的信號與長的信號之比對曝光時間短的信號進行放大的結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體攝像裝置，其特征在于上述合成電路包括放大電路，其構(gòu)成為在將曝光時間短的信號和曝光時間長的信號進行加法運算之前，為了強調(diào)曝光時間短的信號的一部分而將其放大。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體攝像裝置，其特征在于上述合成電路還包括反對數(shù)放大電路，其構(gòu)成為用曝光時間的反對數(shù)對讀出的曝光時間短的信號和曝光時間長的信號進行放大并對其進行加法運算。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體攝像裝置，其特征在于還包括脈沖振幅控制電路，其構(gòu)成為輸出將上述讀出電路設(shè)定在開放狀態(tài)中的中電平的電壓，將信號電荷排出到上述像素中的檢測單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體攝像裝置，其特征在于上述光電變換部件是陽極接地的光電二極管。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體攝像裝置，其特征在于上述讀出部件是使電流通路的一端與上述光電二極管的陰極連接，使電流通路的另一端與上述檢測單元連接，將讀出脈沖供給柵極的讀出晶體管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體攝像裝置，其特征在于上述放大部件是柵極與上述檢測單元連接，電流通路的一端與垂直信號線連接的放大晶體管。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體攝像裝置，其特征在于上述復位部件是電流通路的一端與電源連接，電流通路的另一端與上述檢測單元連接，將復位脈沖供給柵極的復位晶體管。
9.一種固體攝像裝置，其特征在于包括像素單元，在半導體基片上行和列二維地配置單元；AD變換電路，其構(gòu)成為將從上述像素單元輸出的模擬信號變換成數(shù)字信號并進行輸出；線存儲器，其構(gòu)成為存儲從上述AD變換電路輸出的數(shù)字信號；控制電路，其構(gòu)成為控制上述像素單元和上述AD變換電路，在1幀的電荷積蓄期間在上述AD變換電路中對曝光時間不同的多個模擬信號進行AD變換并傳送到上述線存儲器；以及寬動態(tài)范圍混合電路，其構(gòu)成為被供給來自上述線存儲器的曝光時間不同的多個數(shù)字信號，比較第1信號和第2信號，選擇大的一個信號并將其輸出，所述第1信號為將曝光時間短的信號和曝光時間長的信號進行加法運算的結(jié)果，所述第2信號為利用曝光時間短的信號與長的信號之比對曝光時間短的信號進行放大的結(jié)果。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的固體攝像裝置，其特征在于上述寬動態(tài)范圍混合電路包括放大電路，其構(gòu)成為在將曝光時間短的信號和曝光時間長的信號進行加法運算之前，為了強調(diào)曝光時間短的信號的一部分而將其放大。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的固體攝像裝置，其特征在于上述寬動態(tài)范圍混合電路還包括反對數(shù)放大電路，其構(gòu)成為用曝光時間的反對數(shù)對讀出的曝光時間短的信號和曝光時間長的信號進行放大并對其進行加法運算。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的固體攝像裝置，其特征在于上述寬動態(tài)范圍混合電路包括第1減法電路，其構(gòu)成為從存儲在上述線存儲器中的曝光時間短的信號減去黑電平的預定的下位位；第2減法電路，其構(gòu)成為從存儲在上述線存儲器中的曝光時間長的信號減去黑電平的預定的下位位；增益電路，其構(gòu)成為用與上述曝光時間長的信號和上述曝光時間短長的信號之比對應的增益放大上述第1減法電路的輸出；加法電路，其構(gòu)成為將上述增益電路的輸出信號和上述第2減法電路的輸出信號進行加法運算；開關(guān)，設(shè)置在上述增益電路和上述加法電路之間；判定電路，其構(gòu)成為當從上述第1減法電路開始輸出信號時，使上述開關(guān)接通；白色平衡處理電路，其構(gòu)成為對從上述加法電路輸出的信號進行白色平衡處理，使R、G、B的電平相同；以及壓縮電路，其構(gòu)成為壓縮上述白色平衡處理電路的輸出信號并將其輸出。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的固體攝像裝置，其特征在于上述寬動態(tài)范圍混合電路包括第1減法電路，其構(gòu)成為從存儲在上述線存儲器中的曝光時間短的信號減去黑電平的預定的下位位；第2減法電路，其構(gòu)成為從存儲在上述線存儲器中的曝光時間長的信號減去黑電平的預定的下位位；加法電路，其構(gòu)成為將上述第1減法電路的輸出信號和上述第2減法電路的輸出信號進行加法運算；第1開關(guān)，設(shè)置在上述第2減法電路和上述加法電路之間；第1判定電路，其構(gòu)成為當從上述第2減法電路開始輸出信號時，使上述第1開關(guān)接通；增益電路，其構(gòu)成為用與上述曝光時間長的信號和上述曝光時間短的信號之比對應的增益放大上述第2減法電路的輸出；白色平衡處理電路，其構(gòu)成為進行白色平衡處理，使R、G、B的電平相同；第2開關(guān)，選擇地連接上述放大電路和上述白色平衡處理電路及上述加法電路和上述白色平衡處理電路中的一個；第2判定電路，其構(gòu)成為判定將上述曝光時間長的信號和上述曝光時間短的信號進行加法運算的時間超過積蓄時間比的增益倍，對上述第2開關(guān)進行控制；和壓縮電路，其構(gòu)成為壓縮上述白色平衡處理電路的輸出信號并將其輸出。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的固體攝像裝置，其特征在于上述單元包括光電變換器，將光信號變換成電信號；讀出電路，其構(gòu)成為將由上述光電變換器對入射光進行光電變換后所得到的信號電荷讀出到檢測單元；放大器，其構(gòu)成為放大與積蓄在上述檢測單元中的信號電荷對應的電壓并將其輸出；以及復位電路，其構(gòu)成為對上述檢測單元的信號電荷進行復位。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的固體攝像裝置，其特征在于還包括脈沖振幅控制電路，其構(gòu)成為輸出將上述讀出電路設(shè)定在開放狀態(tài)中的中電平的電壓，將信號電荷排出到上述像素中的檢測單元。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的固體攝像裝置，其特征在于上述光電變換器是陽極接地的光電二極管，上述讀出電路是使電流通路的一端與上述光電二極管的陰極連接，使電流通路的另一端與上述檢測單元連接，將讀出脈沖供給柵極的讀出晶體管，上述放大器是柵極與上述檢測單元連接，電流通路的一端與垂直信號線連接的放大晶體管，上述復位電路是電流通路的一端與電源連接，電流通路的另一端與上述檢測單元連接，將復位脈沖供給柵極的復位晶體管。
17.根據(jù)權(quán)利要求9所述的固體攝像裝置，其特征在于上述單元包括光電變換部件，將光信號變換成電信號；讀出電路，其構(gòu)成為將由上述光電變換器對入射光進行光電變換后所得到的信號電荷讀出到檢測單元；放大器，其構(gòu)成為放大與積蓄在上述檢測單元中的信號電荷對應的電壓并將其輸出；以及行選擇電路，其構(gòu)成為對行進行選擇；復位電路，其構(gòu)成為對上述檢測單元的信號電荷進行復位。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的固體攝像裝置，其特征在于還包括脈沖振幅控制電路，其構(gòu)成為輸出將上述讀出電路設(shè)定在開放狀態(tài)中的中電平的電壓，將信號電荷排出到上述像素中的檢測單元。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的固體攝像裝置，其特征在于上述光電變換器是陽極接地的光電二極管；上述讀出電路是使電流通路的一端與上述光電二極管的陰極連接，使電流通路的另一端與上述檢測單元連接，將讀出脈沖供給柵極的讀出晶體管；上述放大器是柵極與上述檢測單元連接，電流通路的一端與垂直信號線連接的放大晶體管；上述行選擇電路是電流通路的一端與電源連接，另一端與上述放大晶體管的電流通路的另一端連接，將地址脈沖供給柵極的行選擇晶體管；上述復位電路是電流通路的一端與電源連接，電流通路的另一端與上述檢測單元連接，將復位脈沖供給柵極的復位晶體管。
全文摘要
本發(fā)明公開了備有像素單元、AD變換電路、線存儲器、控制電路和合成電路的固體攝像裝置。線存儲器存儲從AD變換電路輸出的數(shù)字信號?？刂齐娐房刂葡袼貑卧虯D變換電路，在1幀的電荷的積蓄期間用AD變換電路對曝光時間不同的多個模擬信號進行AD變換并傳送到線存儲器。將來自線存儲器曝光時間不同的多個數(shù)字信號供給合成電路，合成電路的構(gòu)成為比較第1信號和第2信號，選擇大的一個信號并將其輸出，第1信號為對曝光時間短的信號和曝光時間長的信號進行加法運算的結(jié)果，第2信號為用曝光時間短的信號與長的信號之比放大曝光時間短的信號的結(jié)果。
文檔編號H04N5/374GK1956506SQ200610142839
公開日2007年5月2日 申請日期2006年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月28日
發(fā)明者江川佳孝, 岡元立太, 大澤慎治, 后藤浩成 申請人:株式會社東芝