專利名稱：固體攝像器件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和電子裝置。
技術(shù)背景
在諸如電荷耦合器件(Charge Coupled DeviCe，CCD)圖像傳感器和互補金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS)圖像傳感器等固體攝像器件中，在很多情況下，單位像素在垂直和水平方向上按預(yù)定間距以格子狀圖形的形式排列著(例如參見日本專利申請公開公報No. 2007-189085)。
目前，由于在垂直和水平方向上具有相同間距的像素陣列易于進行信號處理，因而這種像素陣列近來已成為主流。在垂直和水平方向上以相同間距排列的像素，即各自在垂直和水平方向上具有相同尺寸的像素被稱作正方形像素。此外，在垂直和水平方向上以不同間距排列的像素，即各自在垂直和水平方向上具有不同尺寸的像素被稱作矩形像素。
在舊式攝像機等裝置內(nèi)所使用的固體攝像器件中，在很多情況下使用了垂直尺寸大于水平尺寸的矩形像素。這是因為在電視廣播標準中，規(guī)定了沿垂直方向布置的掃描線的數(shù)目，而沿水平方向布置的掃描線的數(shù)目存在著自由度，因此如果想要在電視機上顯示圖像，則使用正方形格子像素的優(yōu)點很少。
此外，為了通過使用個人電腦來進行圖像處理并通過使用機器視覺(machine vision)來進行圖像特性的實時提取和識別，正方形像素比矩形像素更優(yōu)選。因此，這種類型的固體攝像器件，即采用了正方形像素的固體攝像器件正越來越多地用于攝像機中。
另外，為了提供具有新功能或者更好特性的固體攝像器件，在一些情況下采用了在垂直或者水平方向上相鄰的像素之間進行計算的方法。例如，已經(jīng)提出了一種對于偶數(shù)行和奇數(shù)行使用不同的累積時間的方法作為用于擴大動態(tài)范圍的方法(例如參見日本專利申請公開公報No. 11-150687)。
然而，根據(jù)此方法，如果基于一個圖像來擴大動態(tài)范圍，則垂直方向上的分辨率會降低一半。在日本專利申請公開公報No. 11-150687中，使用了兩個圖像來補償垂直方向上的分辨率。然而，代替上述問題的是，由于時間遲延而使動態(tài)分辨率降低。如果就這樣在垂直或者水平方向上相鄰的像素之間進行計算，則該方向上的分辨率變得不同。因此，所得到的輸出變成與來自于矩形像素的輸出相同。
最近已經(jīng)普遍的是，在像素陣列中使用了小的2 μ m以下的像素間距。2 μ m以下的像素間距小于照相機的透鏡(光學(xué)系統(tǒng))的分辨率。根據(jù)一般觀點的擴展思維，認為像素的精細化會降低像素靈敏度和能夠處理的信號量，而會提高分辨率。然而，如果像素間距變得小于透鏡的分辨率，則分辨率不會被提高。也就是說，透鏡的分辨率限定了固體攝像器件的分辨率的極限。
圖17示出了透鏡的分辨率的示例。也就是說，如果把光圈調(diào)大(F值降低)，則透鏡的像差增大，因而分辨率降低。另外，如果把光圈調(diào)小(F值增加)，則由光的波動性引起衍射，因而在這種情況下分辨率也降低。由波動性所致的極限稱作瑞利極限(Rayleigh limit)ο
圖17示出了在大約F4(F值=4)處分辨率為最高的透鏡的示例。即使在F4處， 也難以分辨2μπι以下的像素間距。在單鏡頭反光式照相機透鏡中，在大約F8處分辨率最高，因而在很多情況下將F值設(shè)定為約為F8。在單鏡頭反光式照相機透鏡中，當F值大約為F8或者低于F8時，由透鏡的像差所致的極限超過了由波動性所致的極限。因此，難以分辨5μπι以下的像素間距。另外，如果透鏡系統(tǒng)包括光學(xué)低通濾波器，則該光學(xué)系統(tǒng)的分辨率與透鏡的分辨率和光學(xué)低通濾波器的分辨率二者之中較低的那個分辨率對應(yīng)。
在本示例中，各個像素是被光電轉(zhuǎn)換元件限定的。因此，像素間距是指光電轉(zhuǎn)換元件的間距。如果在垂直和水平方向上以空間上相等的間隔對入射光進行采樣，則該像素是正方形像素。如果在垂直和水平方向上以空間上不同的間隔對入射光進行采樣，則該像素是矩形像素。因此，像素的布局形狀不一定必然是正方形或矩形，而例如可以是諸如拼圖形狀等復(fù)雜形狀。發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述問題，提出了本發(fā)明。本發(fā)明的目的提供固體攝像器件、和電子裝置，它們能夠在垂直或水平方向上相鄰的像素之間進行計算以提供更好特性或者新功能，由此基本上獲得正方形像素產(chǎn)品的易處理性并且使圖像處理和系統(tǒng)構(gòu)造更容易。本發(fā)明的另一目的是提供固體攝像器件和電子裝置，它們即使在像素被精細化而超過了分辨率極限的情況下也能夠提高攝像特性。
本發(fā)明實施例提供了一種固體攝像器件，其包括像素陣列部，其包括排列起來的多個光電二極管，其中，相鄰的所述多個光電二極管具有不同的靈敏度。
上述固體攝像器件中，相鄰的所述多個光電二極管可具有相同的濾色器。
上述固體攝像器件中，當相鄰的所述多個光電二極管被限定為一個單位時，所述單位的布置為拜耳陣列。
上述固體攝像器件中，相鄰的所述多個光電二極管組合形成矩形像素。
上述固體攝像器件還可包括驅(qū)動部，所述驅(qū)動部被設(shè)置為從所述像素陣列部的多個單位像素中讀出具有不同靈敏度的信號。
上述固體攝像器件還可包括信號處理部，其被設(shè)置為對從所述像素陣列部的被組合起來的多個單位像素中讀出的多個信號進行處理并且將處理過的信號作為單個信號輸出ο
上述固體攝像器件中，所述像素陣列部的多個單位像素具有背面入射型像素結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明實施例還提供了一種電子裝置，其包括上述固體攝像器件。
根據(jù)以上說明，本發(fā)明實施例的固體攝像器件包括被設(shè)置為具有排列起來的多個單位像素的像素陣列部，所述多個單位像素中的各個單位像素是在垂直和水平方向上具有不同尺寸的矩形像素，并且所述多個單位像素中的多個相鄰單位像素被組合起來以形成在垂直和水平方向上具有相同尺寸的正方形像素。在所述固體攝像器件中，對從所述多個被組合起來的單位像素中讀出的多個信號進行處理并作為單個信號輸出。
多個矩形的單位像素被組合起來以形成正方形像素，并且從該多個單位像素中讀出的多個信號被輸出為單個信號。因而，所述單個信號可以如同來自于正方形格子(正方形像素)的信號而被處理。如果在垂直和水平方向上以空間上相等的間隔對入射光進行采樣，就可以使多個單位像素看起來像正方形格子。利用如同來自于正方形格子的信號而被處理的單個信號，不必改變后續(xù)級的信號處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。此外，如果該單個信號是按照需要從多個單位像素的各個信號中選擇或合成的，則可以進行提高攝像特性的處理，例如通過在后續(xù)級的信號處理系統(tǒng)中使用所述單個信號來擴大動態(tài)范圍的處理。因此，即使在像素被精細化而超過了分辨率極限的情況下，也能在實現(xiàn)像素精細化的同時提高攝像特性。
根據(jù)本發(fā)明實施例，在垂直或水平方向上相鄰的像素之間進行計算以提供更好特性或新功能。由此，可以基本上獲得正方形像素產(chǎn)品的易處理性并且使圖像處理和系統(tǒng)構(gòu)造更容易。即使在像素被精細化而超過了分辨率極限的情況下以及像素間距變?yōu)樾∮谟糜诮邮杖肷涔獾墓鈱W(xué)系統(tǒng)的分辨率的情況下，也能提高攝像特性。


圖1是示出了本發(fā)明實施例的CMOS圖像傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概況的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2是示出了第一實施例的像素陣列部中的像素陣列示例的結(jié)構(gòu)圖3是示出了對第一實施例的像素陣列部中的像素陣列實施的掃描方法的步驟的原理圖4是示出了第一實施例的列電路的結(jié)構(gòu)示例的框圖5是示出了第一實施例的像素電路的結(jié)構(gòu)示例的電路圖6是示出了背面入射型像素結(jié)構(gòu)的示例的剖面圖7是示出了第一實施例的變形例的結(jié)構(gòu)圖8是示出了第二實施例的像素陣列部中的像素陣列示例的結(jié)構(gòu)圖9是示出了對第二實施例的像素陣列部中的像素陣列實施的掃描方法的步驟的原理圖10是示出了第二實施例的像素電路的結(jié)構(gòu)示例的電路圖11是示出了第二實施例的列電路的結(jié)構(gòu)示例的框圖12是示出了第三實施例的像素電路的結(jié)構(gòu)示例的電路圖13是示出了對第三實施例的像素陣列部中的像素陣列實施的掃描方法的步驟的原理圖14是示出了第三實施例的列電路的結(jié)構(gòu)示例的框圖15是示出了信號讀出系統(tǒng)的變形例的結(jié)構(gòu)圖16是示出了本發(fā)明實施例的攝像裝置的結(jié)構(gòu)示例的框圖；以及
圖17是示出了透鏡的F值與分辨率極限之間的關(guān)系的圖。
具體實施方式
下面參照附圖詳細說明本發(fā)明的各實施例。
圖1是示出了本發(fā)明實施例的例如CMOS圖像傳感器等固體攝像器件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概況的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
如圖1所示，本實施例的CMOS圖像傳感器10被構(gòu)造為包括形成在半導(dǎo)體基板(芯片)11上的像素陣列部12和集成在形成有像素陣列部12的同一芯片11上的周邊電路部。 例如，該周邊電路部包括垂直驅(qū)動部13、列處理部14、水平驅(qū)動部15、輸出電路部16和系統(tǒng)控制部17。
在像素陣列部12中，各自包括光電轉(zhuǎn)換元件的單位像素(以下有時簡稱為“像素”)以行和列的形式呈二維排列，該光電轉(zhuǎn)換元件產(chǎn)生具有與入射光量對應(yīng)的電荷量的電荷并將這些電荷累積在光電轉(zhuǎn)換元件內(nèi)部。來自各個單位像素的信號是模擬信號。稍后將說明單位像素的具體結(jié)構(gòu)。
另外，在像素陣列部12中，各像素驅(qū)動線121被設(shè)置為用于具有各行和各列的像素陣列的各個行，從而在水平方向即行方向(像素在像素行中的排列方向)上延伸。另外， 垂直信號線122被設(shè)置為用于像素陣列的各個列，從而在垂直方向即列方向(像素在像素列中的排列方向)上延伸。在圖1中像素驅(qū)動線121的個數(shù)為每行一條，但不限于一條。各條像素驅(qū)動線121的一端連接至垂直驅(qū)動部13中的對應(yīng)行的輸出端子。
垂直驅(qū)動部13被構(gòu)造為包括移位寄存器和地址解碼器等，并且用作例如同時或者以行為單位驅(qū)動像素陣列部12的各個像素的像素驅(qū)動部。此處未示出具體結(jié)構(gòu)的垂直驅(qū)動部13通常被構(gòu)造為包括兩個掃描系統(tǒng)，即讀出掃描系統(tǒng)和清除掃描系統(tǒng)。
讀出掃描系統(tǒng)以行為單位依次選擇和掃描像素陣列部12的單位像素，以便從單位像素讀出信號。清除掃描系統(tǒng)對將要由讀出掃描系統(tǒng)進行讀出掃描的讀出行實施清除掃描，且該清除掃描比該讀出掃描提前與快門速度對應(yīng)的時間。
通過清除掃描系統(tǒng)的清除掃描，將不必要的電荷從讀出行的單位像素的光電轉(zhuǎn)換元件中清除(復(fù)位)。于是，通過用清除掃描系統(tǒng)將不必要電荷清除(復(fù)位)，來進行所謂的電子快門操作。這里，電子快門操作是指將光電轉(zhuǎn)換元件的電荷除去并重新開始曝光過程(開始電荷的累積)的操作。
由讀出掃描系統(tǒng)的讀出操作所讀出的信號對應(yīng)于在前一次讀出操作或者電子快門操作之后入射的光的量。從前一次讀出操作的讀出時刻或者電子快門操作的清除時刻到本次讀出操作的讀出時刻的時間段與單位像素中的電荷累積時間(曝光時間)對應(yīng)。
從被垂直驅(qū)動部13選擇和掃描的像素行的各個單位像素中輸出的信號通過各條垂直信號線122而被提供到列處理部14。列處理部14以像素陣列部12的像素列為單位對通過垂直信號線122從所選行的各個單位像素輸出的信號進行預(yù)定的信號處理，并暫時保持經(jīng)過信號處理的像素信號。
具體地說，列處理部14 一旦從各個單位像素接收到信號，就對該信號進行例如以下的信號處理基于相關(guān)雙采樣(Correlated Double Sampling，⑶S)的消除噪聲、信號放大和模擬數(shù)字(AD)轉(zhuǎn)換等。消除噪聲的過程除去了像素所特有的固定模式噪聲，例如復(fù)位噪聲和放大晶體管中的閾值變化等。此處所例舉的信號處理僅僅是示例。因此，信號處理不限于上述的情況。
水平驅(qū)動部15被構(gòu)造為包括移位寄存器和地址解碼器等，并且從列處理部14中依次選擇與像素列對應(yīng)的單位電路。通過水平驅(qū)動部15的選擇和掃描，由列處理部14進行了信號處理的像素信號被依次輸出到水平總線18并通過水平總線18傳輸?shù)捷敵鲭娐凡?16。
輸出電路部16處理并輸出由水平總線18傳輸?shù)男盘?。由輸出電路?6進行的處理可以僅僅是緩沖，或者可以是諸如在緩沖之前調(diào)整黑電平和校正各列的變化等各種數(shù)字信號處理。
輸出電路部16例如具有差分輸出結(jié)構(gòu)，該差分輸出結(jié)構(gòu)的輸出級輸出差分信號。 也就是說，輸出電路部16的輸出級對由水平總線18傳輸來的各個信號進行處理，并將所得到的信號作為正相信號而輸出。另外，輸出電路部16的輸出級使信號極性反轉(zhuǎn)，并將所得到的信號作為反相信號而輸出。
正相信號通過正相輸出端子19A而被輸出到芯片11的外部，反相信號通過反相輸出端子19B而被輸出到芯片11的外部。當輸出電路部16的輸出級具有差分輸出結(jié)構(gòu)時， 例如信號處理集成電路(IC)等設(shè)置在芯片11外部的信號處理部在其具有差分電路結(jié)構(gòu)的輸入級處接收正相信號和反相信號。
利用上述輸出電路部16的輸出級的差分輸出結(jié)構(gòu)和信號處理IC的輸入級的差分電路結(jié)構(gòu)，可以通過電流在輸出電路部16的輸出級和信號處理IC的輸入級之間傳輸信息。 因此，即使在輸出電路部16的輸出級和信號處理IC的輸入級之間的傳輸路徑的長度增大的情況下，也不會在傳輸路徑上發(fā)生充電和放電。因此，可以實現(xiàn)高速化的系統(tǒng)。
系統(tǒng)控制部17接收例如從芯片11外部提供的時鐘和指定工作模式的數(shù)據(jù)，并輸出諸如CMOS圖像傳感器10的內(nèi)部信息等數(shù)據(jù)。此外，系統(tǒng)控制部17包括用于生成各種時序信號的時序發(fā)生器。根據(jù)由時序發(fā)生器生成的各種時序信號，系統(tǒng)控制部17對包括垂直驅(qū)動部13、列處理部14、水平驅(qū)動部15等的周邊電路部進行驅(qū)動控制。
在芯片11的外圍部設(shè)有輸入輸出端子組20和21的各個端子，這些端子中包括電源端子。輸入輸出端子組20和21在芯片11的內(nèi)部和外部之間實現(xiàn)電源電壓和信號的交換。輸入輸出端子組20和21的安裝位置例如被確定為考慮了信號進入和流出方向的便利位置。
在上述結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器10中，本實施例的特征在于各個單位像素的縱橫比被設(shè)為不是等于1 1(正方形像素)，即單位像素的形狀被設(shè)為在垂直和水平方向上具有不同尺寸的矩形(矩形像素)；多個相鄰的單位像素被組合以形成在垂直和水平方向上具有相同尺寸的正方形像素；并且所述多個被組合起來的單位像素輸出單個信號。
對于這種結(jié)構(gòu)，從由多個像素構(gòu)成的單元輸出的單個信號可以作為來自于正方形格子(正方形像素)的信號而被處理。如果在垂直和水平方向上以空間上相等的間隔對入射光進行采樣，則可以使像素們看起來像正方形格子。由于單個信號作為來自正方形格子的信號而被處理，因此不必改變后續(xù)級的信號處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。此外，如果按照需要從多個像素的各個信號中選擇或合成該單個信號，則可以進行提高攝像特性的處理，例如在后續(xù)級的信號處理系統(tǒng)中利用單個信號來擴大動態(tài)范圍的處理。以下將說明具體的各實施例。
第一實施例
圖2是示出了第一實施例的像素陣列部12中的像素陣列示例的結(jié)構(gòu)圖。如圖2 所示，像素陣列部12包括各自具有光電轉(zhuǎn)換元件并且以多行和多列的形式呈二維排列的單位像素30。這里，各個單位像素30是所謂的水平尺寸較長的矩形像素，其水平尺寸(在行方向上)為垂直尺寸(在列方向上)的二倍，即具有1 2的垂直與水平間距比。
如果本實施例的CMOS圖像傳感器10能夠拍攝彩色圖像，則在單位像素30的各個光接收面上設(shè)置有濾色器，例如片上濾色器(on-chip color filter)40。這里，在垂直方向上相鄰的單位像素30之中的多個例如兩個單位像素構(gòu)成一組。該組中的上下兩個像素設(shè)有相同顏色的片上濾色器40。
片上濾色器40被這樣布置著，使得例如R(紅)、G(綠)和B(藍)各種顏色具有預(yù)定的關(guān)系。例如，這里將顏色編碼設(shè)計為，兩行重復(fù)的GB組合的顏色陣列和兩行重復(fù)的 RG組合的顏色陣列交替。上下兩個像素的顏色相同。因而，一個濾色器可以覆蓋該上下兩個像素。
在像素陣列部12的像素陣列中，各個單位像素30是垂直與水平尺寸比為1 2 的水平尺寸較長的矩形像素。因而，如圖2所示，用于一組上下兩個像素的個體片上濾色器 40的形狀是正方形。這種正方形的片上濾色器40被設(shè)置給按照兩行重復(fù)的GB組合的顏色陣列和兩行重復(fù)的RG組合的顏色陣列進行交替的像素陣列。因此，整體上的片上濾色器 40的顏色陣列是所謂的拜耳(Bayer)陣列。
利用被設(shè)置為具有基于兩個像素這種單元的顏色陣列的片上濾色器40，可以獲得以下優(yōu)點。也就是說，隨著CMOS工藝的精細化，像素已經(jīng)日益精細化。然而，使濾色器隨像素的精細化而精細化已變得越來越困難。這是因為，在防止濾色器的拐角變圓和脫落并同時保持其分光特性的情況下，使濾色器精細化是困難的。
然而，上述結(jié)構(gòu)示例的片上濾色器40可以被形成為兩個像素組合的尺寸，因此這對像素的精細化而言是有利的。即，如上所述，如果一個濾色器被設(shè)置給一個像素，則使濾色器隨像素的精細化而精細化是困難的。但是，本示例將一個濾色器設(shè)置給多個像素，因此可以應(yīng)對像素的精細化。
掃描方法
下面參照圖3，說明對第一實施例的像素陣列部12中的像素陣列，即兩行重復(fù)的 GB組合的顏色陣列和兩行重復(fù)的RG組合的顏色陣列進行交替的像素陣列實施的掃描方法。該掃描是在圖1的垂直驅(qū)動部13的驅(qū)動操作下進行的。參照圖3所述的掃描方法是通常所使用的掃描方法。
首先，對奇數(shù)行進行快門掃描，然后對偶數(shù)行進行快門掃描。再然后，對讀出行進行掃描。這里，快門掃描對應(yīng)于前文所述的被稱為電子快門操作的掃描，并規(guī)定了像素累積的開始。在快門掃描中，針對奇數(shù)行和偶數(shù)行設(shè)定了不同的快門時間。具體地，如圖3所示， 針對奇數(shù)行的快門時間被設(shè)定為較長累積時間，而針對偶數(shù)行的快門時間被設(shè)定為較短累積時間。
由于上述的快門掃描，所以長時間累積的來自于奇數(shù)行的各個像素的信號是對應(yīng)于長累積時間的高靈敏度信號。也就是說，光長時間地入射在奇數(shù)行的各個像素上。因此， 來自于奇數(shù)行的各個像素的信號能夠捕獲暗區(qū)的清晰圖像。但是，在奇數(shù)行的各像素中，即在高靈敏度的像素中，光電轉(zhuǎn)換元件會很快地飽和。另一方面，短時間累積的來自于偶數(shù)行的各個像素的信號是對應(yīng)于短累積時間的低靈敏度信號。也就是說，入射在偶數(shù)行的各個像素上的光的量少。因此，來自于偶數(shù)行的各個像素的信號能夠捕獲亮區(qū)的圖像而不會飽和。
列處理部
接下來，對列處理部14進行說明，該列處理部14用于處理根據(jù)由上述掃描方法進行的掃描從第一實施例的像素陣列部12的各個像素30輸出的信號。列處理部14是被設(shè)為與像素陣列部12的像素列對應(yīng)的單位電路的集合。以下，構(gòu)成列處理部14的各個單位電路將被稱為列電路。
圖4是示出了第一實施例的列電路14A的結(jié)構(gòu)示例的框圖。如圖4所示，第一實施例的列電路14A被設(shè)置為包括⑶S電路141、判定電路142、AD轉(zhuǎn)換電路143和鎖存器144。
普遍已知的是，⑶S電路141用于計算像素信號的開(ON)電平(后文述及的信號電平)與關(guān)(OFF)電平(后文述及的復(fù)位電平)之間的差并計算除去了該偏離量的信號量。 判定電路142、AD轉(zhuǎn)換電路143和鎖存器144對來自于奇數(shù)行的各像素的信號和來自于偶數(shù)行的各像素的信號進行以下不同的處理操作。
對于奇數(shù)行
利用像素的飽和電平作為判定標準，判定電路142判斷從各個像素傳輸來的信號是否已經(jīng)飽和。若該信號未達到飽和電平，則判定電路142將邏輯“0”寫入到標記FL中。 若該信號達到飽和電平，則判定電路142將邏輯“1”寫入到標記FL中。然后，判定電路142 將標記FL連同從⑶S電路141接收的信號一起發(fā)送至AD轉(zhuǎn)換電路143。
若標記FL存儲有邏輯“0”，則AD轉(zhuǎn)換電路143工作，從而對來自于像素的信號(模擬信號)進行AD轉(zhuǎn)換并將轉(zhuǎn)換后的信號傳輸至鎖存器144。若標記FL存儲有邏輯“1”，則 AD轉(zhuǎn)換電路143處于待機狀態(tài)，因此不進行AD轉(zhuǎn)換處理。標記FL的值經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換電路 143而被寫入到鎖存器144的一部分中。
對于偶數(shù)行
判定電路142將從各個像素傳輸來的信號以及上述的標記FL的值發(fā)送至AD轉(zhuǎn)換電路143。若標記FL存儲有邏輯“1”，則AD轉(zhuǎn)換電路143工作，從而對來自于像素的信號進行AD轉(zhuǎn)換并將轉(zhuǎn)換后的信號傳輸至鎖存器144。
在上述方式中，以奇數(shù)行和偶數(shù)行的順序使來自于兩行中的像素(即上下兩個像素)的信號被列電路14A處理。此后，把所得到信號的值和標記FL的值從鎖存器144讀出至圖1所示的水平總線18。因此，來自于上下兩個像素之中的任一個像素的信號被AD轉(zhuǎn)換并輸出。該上下兩個像素共用先前所述的相同顏色的濾色器。
若長時間累積的來自于高靈敏度像素的信號已經(jīng)飽和，則使用短時間累積的來自于低靈敏度像素的信號。這里，飽和是指如下狀態(tài)信號大體上處于這樣一個電平，處于該電平的信號對入射光的量沒有大的線性響應(yīng)。在本示例中，若從奇數(shù)行的像素中讀出的高靈敏度信號未飽和，則把該高靈敏度信號的信號電平以及標記FL的值“0”從列電路14A輸出至水平總線18。若從奇數(shù)行的像素中讀出的信號已經(jīng)飽和，則把從偶數(shù)行的像素中讀出的低靈敏度信號的信號電平以及標記FL的值“1”從列電路14A輸出至水平總線18。
然后，根據(jù)信號電平和標記FL的值，后續(xù)級的信號處理部例如圖16的DSP (數(shù)字信號處理器)103進行信號處理。由此，能夠擴大動態(tài)范圍。具體地，若標記FL表明高靈敏度信號沒有飽和(FL = 0)，則后續(xù)級的信號處理部通過利用與標記FL—起作為一對而被提供的高靈敏度信號，來生成視頻信號。若標記FL表明高靈敏度信號已經(jīng)飽和(FL= 1)，則后續(xù)級的信號處理部通過利用與標記FL —起作為一對而被提供的低靈敏度信號的信號電平來合成飽和電平，由此生成視頻信號。通過上述的信號處理，能夠擴大對于光輸入的動態(tài)范圍。
如果上下兩個像素的間距實際上小于透鏡分辨率，則垂直分辨率不降低，并且來自于上下兩個像素的信號可以被視為仿佛是具有擴大了的動態(tài)范圍的信號從正方形像素中輸出。這里，透鏡分辨率是指通過用于接收入射光的光學(xué)系統(tǒng)的透鏡在CMOS圖像傳感器 10的攝像面上形成的圖像的分辨率。
嚴格來說，可能在一些情況下，分辨率由除了透鏡之外的構(gòu)成元件確定，例如由光學(xué)低通濾波器確定。此外，如果考慮到?jīng)]有使用所謂的“透鏡”而進行攝像，例如利用X射線或透射光直接進行攝像，則透鏡分辨率是指用于在CMOS圖像傳感器10的攝像面上形成圖像的光學(xué)系統(tǒng)的分辨率。
為了使來自于上下兩個像素的信號類似于從單個像素輸出的信號，期望該上下兩個像素在偏離量和靈敏度特性方面彼此盡可能地相似，并且期望該上下兩個像素之間的特性差異小于通常的像素變化。否則，在兩個像素的信號之間的過渡區(qū)域中可能產(chǎn)生空隙?？紤]到該原因，上下兩個像素共用一個像素電路。
像素電路
圖5示出了第一實施例的像素電路的結(jié)構(gòu)示例的電路圖。如圖5所示，上下兩個像素30U和30L各自包括作為光電轉(zhuǎn)換元件的光電二極管(PD) 31U和31L以及傳輸晶體管 32U和32L。此外，上下兩個像素30U和30L被設(shè)計為例如共用三個晶體管，即復(fù)位晶體管 33、選擇晶體管34和放大晶體管35。
在本示例中，各個像素晶體管32U、32L和33 35例如使用N溝道MOS晶體管，但并不限于此。此外，對于傳輸晶體管32U和32L、復(fù)位晶體管33以及選擇晶體管34的驅(qū)動控制，為各行設(shè)置有傳輸控制線1211U和1211L、復(fù)位控制線1212以及選擇控制線1213以作為先前所述的像素驅(qū)動線121。
傳輸晶體管32U連接在光電二極管3IU的陰極電極和浮動擴散部(FD) 36之間，傳輸晶體管32L連接在光電二極管31L的陰極電極和浮動擴散部36之間。通過傳輸控制線 1211U將高有效傳輸脈沖(high-active transmission pulse) TRGu提供給傳輸晶體管32U 的柵極電極，并通過傳輸控制線1211L將高有效傳輸脈沖TRGI提供給傳輸晶體管32L的柵極電極。由此，傳輸晶體管32U和32L分別向浮動擴散部36傳輸由光電二極管3IU和31L 進行光電轉(zhuǎn)換并累積在各光電二極管內(nèi)部的電荷(這里是電子)。浮動擴散部36起到將電荷轉(zhuǎn)換成電壓信號的電荷電壓轉(zhuǎn)換單元的作用。
復(fù)位晶體管33的漏極電極和源極電極分別連接至電源電壓Vdd的電源線和浮動擴散部36。在把來自于光電二極管3IU和3IL的電荷傳輸給浮動擴散部36之前，通過復(fù)位控制線1212將高有效復(fù)位脈沖(high-active reset pulse) RST提供給復(fù)位晶體管33的柵極電極。由此，復(fù)位晶體管33使浮動擴散部36的電位復(fù)位。
選擇晶體管34的漏極電極和柵極電極分別連接至電源電壓Vdd的電源線和選擇10控制線1213。通過選擇控制線1213將高有效選擇脈沖(high-active selection pulse) SEL提供給選擇晶體管34的柵極電極。由此，選擇晶體管34使上下兩個像素30U和30L進入選定狀態(tài)。
放大晶體管35的柵極電極、漏極電極和源極電極分別連接至浮動擴散部36、選擇晶體管34的源極電極和垂直信號線122。由于上下兩個像素30U和30L利用選擇晶體管 34而進入選定狀態(tài)，所以放大晶體管35把來自于上下兩個像素30U和30L的信號輸出至垂直信號線122。
具體地，放大晶體管35將已被復(fù)位晶體管33復(fù)位的浮動擴散部36的電位作為復(fù)位電平輸出。此外，在把來自于光電二極管31U和31L的電荷分別通過傳輸晶體管32U和 32L傳輸至浮動擴散部36之后，放大晶體管35將浮動擴散部36的電位作為信號電平輸出。
在這里所述的示例中，各個單位像素30基于包括傳輸晶體管32U或32L、復(fù)位晶體管33、選擇晶體管34以及放大晶體管35的四晶體管結(jié)構(gòu)。然而，本示例只是一個例子。 也就是說，單位像素30的像素結(jié)構(gòu)并不限于基于四晶體管結(jié)構(gòu)的像素結(jié)構(gòu)，也可以是基于三晶體管結(jié)構(gòu)的像素結(jié)構(gòu)。
此外，在上述結(jié)構(gòu)的像素電路中，選擇晶體管34連接在電源電壓Vdd的電源線和放大晶體管35之間。然而，選擇晶體管34也可以被設(shè)置為連接在放大晶體管35和垂直信號線122之間。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)的像素電路，在電荷已從光電二極管31U和31L傳輸至浮動擴散部 36之后對電荷進行檢測。因此，兩個像素30U和30L共用作為電荷傳輸目的地的同一浮動擴散部36。由此，在兩個像素30U和30L之間靈敏度特性是均衡的。作為連接至放大晶體管35的柵極電極的節(jié)點，浮動擴散部36具有寄生電容。因此，無需特別準備電容元件。
如上所述，在包括各單位像素30的CMOS圖像傳感器10中，這些單位像素以行和列的形式排列為水平尺寸較長的矩形像素，利用構(gòu)成一組的上下兩個像素30U和30L的各個信號中的優(yōu)選信號，能獲得以下的工作效果。通常，如果根據(jù)從上下兩個像素30U和30L 的各個信號中所選擇的信號(或合成的信號)來生成視頻信號，則垂直方向(豎直方向) 上的分辨率降低。
然而，在上述結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器10中，垂直方向上的分辨率和水平方向上的分辨率相等，并且該上下兩個像素30U和30L能夠基本上與正方形像素相同地被處理。在圖像中，垂直方向上的采樣間距僅僅在信號量發(fā)生改變的上下兩個像素30U和30L之間的過渡區(qū)域中是不相等的。因此，為了完全的原因，可以對該區(qū)域附加地進行輕微處理。
同時，如果垂直方向上的像素間距隨像素的精細化而減小并且變?yōu)樾∮谟脕斫邮杖肷涔獾墓鈱W(xué)系統(tǒng)的分辨率，則CMOS圖像傳感器10的分辨率不由垂直方向上的像素間距來確定，而是由該光學(xué)系統(tǒng)的分辨率來確定。因此，如果垂直方向上的像素間距小于用來接收入射光的光學(xué)系統(tǒng)的分辨率，則基本上不需要對信號量發(fā)生改變的、上下兩個像素30U 和30L之間的過渡區(qū)域進行上述的輕微處理。
換言之，如果像素被精細化而超出了分辨率的極限并且垂直方向上的像素間距變?yōu)樾∮谟脕斫邮杖肷涔獾墓鈱W(xué)系統(tǒng)的分辨率，則使用來自于構(gòu)成一組的上下兩個像素30U 和30L的各個信號之中的更好一方。這樣，與如果保持分辨率則會使攝像特性劣化的現(xiàn)有技術(shù)相比，可以在保持分辨率的同時提高攝像特性。例如，如果來自于上下兩個像素30U和30L的各個信號中的一個信號是高靈敏度信號且另一個信號是低靈敏度信號，并且如果高靈敏度信號已經(jīng)飽和，則使用低靈敏度信號來生成視頻信號。由此，能夠擴大對于光輸入的動態(tài)范圍。
變形例
在許多CMOS圖像傳感器中，在個體的片上濾色器40上設(shè)有用于各個像素的片上透鏡以提高靈敏度。在第一實施例中，各個單位像素30呈水平尺寸較長的形狀。因此，難于利用片上透鏡來精確地收集光。這是因為，難于制造非圓形的片上透鏡，并且重要的是， 難于利用非圓形的透鏡來收集光。
第一變形例
為了解決利用片上透鏡來收集光的問題，優(yōu)選采用具有100%的開口率并且不使用片上透鏡的像素結(jié)構(gòu)，例如背面入射型像素結(jié)構(gòu)或光電轉(zhuǎn)換膜層疊型像素結(jié)構(gòu)。背面入射型像素結(jié)構(gòu)從布線層的相對側(cè)接收入射光。光電轉(zhuǎn)換膜層疊型像素結(jié)構(gòu)在層疊于布線層的入射光側(cè)上的光電轉(zhuǎn)換膜處進行光電轉(zhuǎn)換。以下說明背面入射型像素結(jié)構(gòu)的示例。
圖6是示出了背面入射型像素結(jié)構(gòu)的示例的剖面圖。這里，示出了兩個像素的剖面結(jié)構(gòu)。
在圖6中，光電二極管42和像素晶體管43形成于硅部41中。S卩，硅部41為元件形成部。這里，光電二極管42對應(yīng)于圖5的光電二極管31U和31L。此外，像素晶體管43 對應(yīng)于圖5的晶體管32U、32L和33 35。
在硅部41的一側(cè)，形成有濾色器45，并且層間膜44位于硅部41與濾色器45 二者之間。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，從硅部41的上述一側(cè)入射的光經(jīng)過濾色器45而被導(dǎo)向光電二極管 42的各個光接收面。在硅部41的另一側(cè)，形成有布線部46，該布線部46中設(shè)有像素晶體管43各自的柵極電極以及金屬布線。布線部46的背離于硅部41的面通過粘合劑47與支撐基板48粘接。
在上述的像素結(jié)構(gòu)中，形成有光電二極管42和像素晶體管43的硅部41具有面向布線部46的一側(cè)，該側(cè)稱為前面?zhèn)?，并且硅?1具有背離于布線部46的一側(cè)，該側(cè)稱為背面?zhèn)?。根?jù)上述定義，從硅部41的背面?zhèn)冉邮杖肷涔獾谋鞠袼亟Y(jié)構(gòu)是背面入射型像素結(jié)構(gòu)。
根據(jù)背面入射型像素結(jié)構(gòu)，從布線部46的相對側(cè)接收入射光，并因此可以使開口率提高至100%。此外，布線部46不位于入射光接收側(cè)。因此，不使用片上透鏡就可以將入射光收集至光電二極管42的各個光接收面上。因此，本示例可以解決需要利用片上透鏡來收集光的問題，當各個單位像素30為垂直和水平方向尺寸不同的矩形像素時會出現(xiàn)該問題。
第二變形例
在上述的第一實施例中，對奇數(shù)行和偶數(shù)行單獨進行快門掃描，使得累積時間不同并因此提供了具有不同靈敏度的上下兩個像素?？蛇x地，可以使用另一種提供不同靈敏度的方法。例如，可以只在偶數(shù)行上粘接ND(中性密度)濾光器，或者如圖7所示，可以只在奇數(shù)行的單位像素30上設(shè)置片上透鏡49。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，上下兩個像素可以具有不同的靈敏度。這里，ND濾光器是指基本上均勻地減少可見光范圍的光量而不影響顏色的光量調(diào)節(jié)濾光器ο
第二實施例
圖8是示出了第二實施例的像素陣列部12中的像素陣列示例的結(jié)構(gòu)圖。如圖8 所示，像素陣列部12包括各自具有光電轉(zhuǎn)換元件并且以多行和多列的形式呈二維排列的單位像素30。這里，各個單位像素30是所謂的垂直尺寸較長的矩形像素，其垂直尺寸(在列方向上)為水平尺寸(在行方向上)的二倍，即具有2 1的垂直與水平間距比。
如果CMOS圖像傳感器10能夠拍攝彩色圖像，則在水平方向上相鄰的單位像素30 之中的多個例如兩個單位像素30構(gòu)成一組。該組中的左右兩個像素設(shè)有相同顏色的片上濾色器40。具體地，各個奇數(shù)行包括重復(fù)的GGBB組合的顏色陣列，各個偶數(shù)行包括重復(fù)的 RRGG組合的顏色陣列。左右兩個像素的顏色相同。因而，一個濾色器可以覆蓋該左右兩個像素。
在像素陣列部12的像素陣列中，各個單位像素30是垂直與水平尺寸比為2 1 的垂直尺寸較長的矩形像素。因而，如圖8所示，用于一組左右兩個像素的個體片上濾色器 40的形狀是正方形。這種正方形的片上濾色器40被設(shè)置給兩列重復(fù)的GR組合的顏色陣列和兩列重復(fù)的BG組合的顏色陣列進行交替的像素陣列。因此，整體上的片上濾色器40的顏色陣列是拜耳(Bayer)陣列。
利用被設(shè)置為具有基于兩個像素這種單元的顏色陣列的片上濾色器40，可以獲得與第一實施例相同的優(yōu)點。即，隨著CMOS工藝的精細化，像素已日益精細化。然而，使濾色器隨像素的精細化而精細化已變得越來越困難。這是因為，在防止濾色器的拐角變圓和脫落并同時保持其分光特性的情況下，使濾色器精細化是困難的。然而，上述結(jié)構(gòu)示例的片上濾色器40可以被形成為兩個像素組合的尺寸，因此這對像素的精細化而言是有利的。
掃描方法
下面參照圖9，說明對第二實施例的像素陣列部12的像素陣列、即兩列重復(fù)的GR 組合的顏色陣列和兩列重復(fù)的BG組合的顏色陣列進行交替的像素陣列實施的掃描方法。 該掃描是在圖1的垂直驅(qū)動部13的驅(qū)動操作下進行的。
對偶數(shù)列和奇數(shù)列之間的不同電子快門行實施第二實施例的掃描。由此，偶數(shù)列和奇數(shù)列具有不同的累積時間和不同的靈敏度。在各行上進行兩次讀出操作，即先在奇數(shù)列上進行然后在偶數(shù)列上進行。在本示例中，來自于奇數(shù)列的各個像素的信號是對應(yīng)于長時間累積的高靈敏度信號，來自于偶數(shù)列的各個像素的信號是對應(yīng)于短時間累積的低靈敏度信號。
像素電路
圖10是示出了第二實施例的像素電路的結(jié)構(gòu)示例的電路圖。在該圖中，與圖5中的元件相同的元件以相同的附圖標記表示。
如圖10所示，第二實施例的像素電路被這樣設(shè)置相同顏色的左右兩個相鄰的像素共用電路的一部分，從而均衡左右兩個像素的偏離量和靈敏度特性，并單獨對奇數(shù)列和偶數(shù)列進行快門操作和讀出操作。下文中，左邊的像素30和右邊的像素30分別稱為奇數(shù)列像素30ο和偶數(shù)列像素30e。
具體地，左右兩個像素30ο和30e分別包括光電二極管(PD) 31ο和31e以及傳輸晶體管32ο和32e。此外，兩個像素30ο和30e共用例如三個晶體管，即復(fù)位晶體管33、選擇晶體管34和放大晶體管35。通常，如第一實施例那樣，同一行中的像素由同一線驅(qū)動。然而，在第二實施例中， 奇數(shù)列和偶數(shù)列被分別配備有用于驅(qū)動傳輸晶體管32(320和32e)各自的柵極電極的線。 具體地，奇數(shù)列像素30ο的柵極電極由用于奇數(shù)列的傳輸線1211ο驅(qū)動，偶數(shù)列像素30e的柵極電極由用于偶數(shù)列的傳輸線1211e驅(qū)動。
復(fù)位晶體管33、選擇晶體管34和放大晶體管35之間的連接關(guān)系基本上與第一實施例的像素電路中的連接關(guān)系相同。但是，在第二實施例的像素電路中，選擇晶體管34連接在放大晶體管35和垂直信號線122之間。反之，在第一實施例的像素電路中，選擇晶體管34連接在電源電壓Vdd的電源線和放大晶體管35之間?？蛇x地，第二實施例的像素電路可以這樣設(shè)置，即類似于第一實施例的像素電路，選擇晶體管34連接在電源電壓Vdd的電源線和放大晶體管35之間。
在上述結(jié)構(gòu)的像素電路中，在對奇數(shù)列實施快門操作時，將高有效復(fù)位脈沖RST 提供給復(fù)位晶體管33的柵極電極，并且將高有效傳輸脈沖TRGo提供給用于奇數(shù)列的傳輸晶體管32ο的柵極電極。由此，浮動擴散部36的電荷被除去，并在此后開始奇數(shù)列的累積。 此外，在對偶數(shù)列實施快門操作時，將高有效復(fù)位脈沖RST提供給復(fù)位晶體管33的柵極電極，并且將高有效傳輸脈沖TRGe提供給用于偶數(shù)列的傳輸晶體管32e的柵極電極。由此， 浮動擴散部36的電荷被除去，并在此后開始偶數(shù)列的累積。
列處理部
圖11是示出了第二實施例的列電路14B的結(jié)構(gòu)示例的框圖。在該圖中，與圖4中的元件相同的元件以相同的附圖標記表示。
在第二實施例中，左右兩個相鄰的像素30ο和30e構(gòu)成一組。因而，第二實施例的列電路14B被設(shè)置給每兩個相鄰的列。此外，列電路14B被設(shè)置為包括⑶S電路141、判定電路142、AD轉(zhuǎn)換電路143和鎖存器144，還包括選擇部145，該選擇部145被設(shè)置用于列電路14B的輸入部并且例如由在奇數(shù)列和偶數(shù)列之間進行選擇的開關(guān)構(gòu)成。
選擇部145首先選擇來自于奇數(shù)列的信號，然后選擇來自于偶數(shù)列的信號。由于選擇部145的選擇，來自于奇數(shù)列的信號和來自于偶數(shù)列的信號依次由CDS電路141、判定電路142、AD轉(zhuǎn)換電路143和鎖存器144進行處理。CDS電路141、判定電路142、AD轉(zhuǎn)換電路143和鎖存器144進行類似于第一實施例的處理操作。
如上所述，根據(jù)包括各單位像素30的CMOS圖像傳感器10，這些單位像素30是垂直與水平尺寸比為2 1且以行和列的形式排列的、垂直尺寸較長的矩形像素，即使在像素被精細化為超出了分辨率的極限并且在水平方向上的像素間距變?yōu)樾∮谟脕斫邮杖肷涔獾墓鈱W(xué)系統(tǒng)的分辨率時，也能提高攝像特性。例如，如果來自于左右兩個像素30ο和30e的各個信號中的一個信號是高靈敏度信號并且另一個信號是低靈敏度信號，并且如果高靈敏度信號已經(jīng)飽和，則使用低靈敏度信號來生成視頻信號。由此，能夠擴大對于光輸入的動態(tài)范圍。
第三實施例
在第二實施例中，像素電路的一部分被左右兩個像素30ο和30e所共用。反之，第三實施例采用了大尺寸CMOS圖像傳感器，并且被設(shè)置為使得左右兩個像素30ο和30e不共用像素電路的一部分。在諸如大尺寸CMOS圖像傳感器等提供了額外工藝的結(jié)構(gòu)中，即使在左和右兩個相鄰的像素30ο和30e不共用像素電路的一部分時，也可以在像素30ο和30e之間使偏離量和靈敏度特性均衡。本實施例在像素陣列和顏色編碼方面與第二實施例相同。
像素電路
圖12是示出了第三實施例的像素電路的結(jié)構(gòu)示例的電路圖。在該圖中，與圖10 中的元件相同的元件由相同的附圖標記表示。
如圖12所示，在第三實施例的像素電路中，盡管左右兩個像素30ο和30e不共用像素電路的一部分，但同一行的奇數(shù)列和偶數(shù)列被分別配備有用于驅(qū)動傳輸晶體管32ο 和3 各自的柵極電極的線。具體地，奇數(shù)列像素30ο的柵極電極由用于奇數(shù)列的傳輸線 1211ο驅(qū)動，偶數(shù)列像素30e的柵極電極由用于偶數(shù)列的傳輸線1211e驅(qū)動。來自于左右兩個像素30ο和30e的各個信號(信號電平和復(fù)位電平的信號)被分別讀出至各自用于奇數(shù)列和偶數(shù)列的垂直信號線122ο和12加。
掃描方法
利用通過各自用于同一行中奇數(shù)列和偶數(shù)列的傳輸線1211ο和1211e所進行的傳輸和驅(qū)動操作，就可以在快門操作時單獨掃描奇數(shù)列和偶數(shù)列，并且可以在讀出操作時同時掃描奇數(shù)列和偶數(shù)列。圖13示出了掃描步驟。如圖13所示，對奇數(shù)列和偶數(shù)列單獨進行快門操作，而對各行同時進行讀出操作。
列處理部
圖14是示出了第三實施例的列電路14C的結(jié)構(gòu)示例的框圖。在該圖中，與圖4中的元件相同的元件由相同的附圖標記表示。
在第三實施例中，在左右兩個像素30ο和30e中分別通過各自的垂直信號線122ο 和12 來提供信號電平和復(fù)位電平。因而，第三實施例的列電路14C被設(shè)置為包括分別用于奇數(shù)列和偶數(shù)列的各⑶S電路141ο和141e。
在列電路14C中，⑶S電路141ο和141e分別對奇數(shù)列和偶數(shù)列進行噪聲消除處理，并且將奇數(shù)列的噪聲消除后的信號和偶數(shù)列的噪聲消除后的信號分別提供給判定電路 142。判定電路142判斷要采用該奇數(shù)列的信號和該偶數(shù)列的信號之中的哪一個。例如，若對應(yīng)于長時間累積的奇數(shù)列的信號沒有達到飽和電平，則要采用奇數(shù)列的信號。若奇數(shù)列的信號已達到飽和電平，則要采用偶數(shù)列的信號。然后，判定電路142選擇該要被采用的信號，并輸出該信號和判定結(jié)果。
AD轉(zhuǎn)換電路143對由判定電路142提供的信號進行AD轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的信號寫入鎖存器144中。上述判定結(jié)果經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換電路143而被寫入鎖存器144中作為標記 FL。然后，在后續(xù)級中處理該判定結(jié)果和信號以獲得擴大了動態(tài)范圍的圖像。與第二實施例相比，本實施例對各行只進行一次讀出操作，因此就高速處理而言是有利的。
在第三實施例中，同樣也可以實現(xiàn)與第二實施例相同的工作效果。例如，如果來自于左右兩個像素30ο和30e的各個信號中的一個信號是高靈敏度信號并且另一個信號是低靈敏度信號，并且如果高靈敏度信號已經(jīng)飽和，則使用低靈敏度信號來生成視頻信號。由此，能夠擴大對于光輸入的動態(tài)范圍。
變形例
上述的第一至第三實施例是這樣設(shè)置的，S卩垂直與水平尺寸比為1 2以1) 的矩形像素用作單位像素30，并且單位像素30中每兩個呈上下或左右關(guān)系的像素構(gòu)成一組。然而，結(jié)構(gòu)并不限于此。例如，可以這樣來修改結(jié)構(gòu)，即將像素的垂直與水平尺寸比設(shè)定為1 3或1 4，并且像素中每三個或四個呈垂直或水平相鄰關(guān)系的像素構(gòu)成一組。利用這種結(jié)構(gòu)，可以處理來自于三個或四個像素的信號。
此外，第一至第三實施例被設(shè)置為能夠輸出來自于構(gòu)成一組的兩個像素的各個信號之中的任一個信號。該結(jié)構(gòu)可以被修改為根據(jù)兩個信號來合成單個信號。如果從構(gòu)成一組的多個像素中選擇或合成單個信號，則可以得到與來自于正方形像素的信號類似的信號。
此外，在第一至第三實施例中，例如已經(jīng)說明了為了擴大動態(tài)范圍所進行的信號處理。然而，信號處理并不限于該示例。例如，在兩個像素構(gòu)成一組的情況下，當光從諸如發(fā)光二極管等光源發(fā)出并照射到目標上以檢測物體時，來自于其中一個像素的信號可以用作基于由目標反射的光的目標信號。此外，來自于另一個像素的信號可以用作基于目標的背景光的背景信號。然后，如果對來自于兩個像素的各個信號進行減法處理，并且如果根據(jù)減法結(jié)果而除掉了背景光，則可以得到與來自于正方形像素(正方形格子)的信號類似的信號。
如上所述，除了用于擴大動態(tài)范圍的應(yīng)用例之外，各種其它的應(yīng)用也是可以的。無論怎樣，當來自于兩個像素的信號被作為來自于正方形像素的信號而處理時，優(yōu)選的是，像素陣列的沿垂直方向的像素間距和沿水平方向的像素間距之中較短的那個像素間距等于或小于接收入射光的光學(xué)系統(tǒng)的分辨率。
此外，第一至第三實施例被設(shè)置為將信號從R、G和B像素中讀出給共用的垂直信號線122。該結(jié)構(gòu)可以被修改為將信號從R、G和B像素中讀出給不同的垂直信號線。例如， 如圖15所示，來自于G像素的信號以及來自于B和R像素的信號可以被分別讀出給不同的垂直信號線122g和122br。
在此情況下，例如，用于G像素的列電路14g設(shè)在像素陣列部12的下側(cè)，用于B和 R像素的列電路14br設(shè)在像素陣列部12的上側(cè)。此外，來自于G像素的信號通過垂直信號線122g被讀出給該圖的下側(cè)，而來自于B和R像素的信號通過垂直信號線122br被讀出給該圖的上側(cè)。然后，分別對列電路14g和14br進行諸如噪聲消除等信號處理。
此外，在第一至第三實施例中，已經(jīng)說明了將本發(fā)明應(yīng)用于能夠拾取彩色圖像的 CMOS圖像傳感器的示例。然而，本發(fā)明同樣也可以應(yīng)用于能夠拾取黑白圖像的CMOS圖像傳感器。
以上說明了將本發(fā)明應(yīng)用于如下CMOS圖像傳感器的示例，該CMOS圖像傳感器包括以行和列的形式排列的并且把與可見光的光量對應(yīng)的信號電荷作為物理量進行檢測的單位像素。然而，本發(fā)明的應(yīng)用并不限于CMOS圖像傳感器。因此，本發(fā)明可以應(yīng)用于諸如 CCD圖像傳感器等一般的固體攝像器件。
固體攝像器件可以作為一個芯片或者作為如下模塊而實施，該模塊具有攝像功能并且包括一體封裝的攝像部以及信號處理部或光學(xué)系統(tǒng)。
應(yīng)用例
根據(jù)本發(fā)明實施例的固體攝像器件可以被安裝和使用在如下電子裝置中，該電子裝置通常在其圖像捕獲單元(光電轉(zhuǎn)換單元)里使用了固體攝像器件。所述電子裝置包括諸如數(shù)碼相機和攝像機等攝像裝置，諸如移動電話等具有攝像功能的移動終端裝置，在其圖像讀取單元中使用了固體攝像器件的復(fù)印機，等等。在一些情況下，上述被安裝在電子16裝置中的類似于模塊的實施例即相機模塊構(gòu)成了攝像裝置。
攝像裝置
圖16是示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的例如攝像裝置等電子裝置的結(jié)構(gòu)示例的框圖。如圖16所示，本發(fā)明實施例的攝像裝置100包括具有透鏡組101等的光學(xué)系統(tǒng)、攝像器件102、作為相機信號處理電路的DSP電路103、幀存儲器104、顯示裝置105、記錄裝置 106、操作系統(tǒng)107和電源系統(tǒng)108等。攝像裝置100被設(shè)置為使得DSP電路103、幀存儲器 104、顯示裝置105、記錄裝置106、操作系統(tǒng)107和電源系統(tǒng)108利用總線109彼此相連。
透鏡組101從目標接收入射光(圖像光)，并在攝像器件102的攝像面上形成圖像。攝像器件102以多個像素為單位將通過透鏡組101在攝像面上形成圖像的入射光的光量轉(zhuǎn)換成電信號，并輸出轉(zhuǎn)換后的電信號作為像素信號。作為攝像器件102，可以使用諸如前述實施例的CMOS圖像傳感器10等固體攝像器件。
這里，在攝像器件102中，像素陣列的沿垂直方向的像素間距和沿水平方向的像素間距之中較短的那個像素間距等于或小于具有透鏡組101的光學(xué)系統(tǒng)的分辨率。DSP電路103從攝像器件102接收像素信號以及表明該像素信號是對應(yīng)于長時間累積的高靈敏度信號還是對應(yīng)于短時間累積的低靈敏度信號的信號(圖4、圖11和圖14中的標記FL)，并進行信號處理以擴大動態(tài)范圍。
具體地，如果由攝像器件102提供的標記FL表明高靈敏度信號沒有飽和(FL = 0)，則DSP電路103利用與標記FL —起作為一對而被提供的高靈敏度信號，來生成視頻信號。如果標記FL表明高靈敏度信號已經(jīng)飽和(FL = 1)，則DSP電路103利用與標記FL — 起作為一對而被提供的低靈敏度信號的信號電平來合成飽和電平，由此生成視頻信號。通過上述的信號處理，可以擴大對于光輸入的動態(tài)范圍。
由DSP電路103進行的處理與用于處理來自于正方形像素的信號所進行的信號處理相同。不必說，可以考慮像素的實際排列來設(shè)計該處理。但是，如果該處理與對來自于正方形像素的信號所進行的信號處理相同，則不需要考慮像素的實際排列而改變所設(shè)計的信號處理。因而，可以比要考慮像素的實際排列而設(shè)計的信號處理以更低的成本生成基本上相同的圖像。此外，可以使多個像素看起來像正方形像素，同時減少多個像素的信號量。因此，可以以較低的功耗進行與對來自于正方形像素的信號的信號處理相同的處理，并且該處理是非常通用的。
顯示裝置105包括平板顯示裝置，例如液晶顯示裝置和有機EL (電致發(fā)光)顯示裝置，并且顯示裝置105顯示由攝像器件102拾取的動態(tài)或靜態(tài)圖像。記錄裝置106將由攝像器件102拾取的動態(tài)或靜態(tài)圖像記錄在諸如錄像帶或DVD (數(shù)字式通用盤)等記錄介質(zhì)上。
操作系統(tǒng)107發(fā)出關(guān)于攝像裝置100的各種功能的操作指令。電源系統(tǒng)108按照需要向DSP電路103、幀存儲器104、顯示裝置105、記錄裝置106和操作系統(tǒng)107提供各種電源作為它們的工作電源。
如上所述，如果諸如攝像機、數(shù)碼相機以及用于例如移動電話等移動裝置的相機模塊等攝像裝置100使用了前述實施例的CMOS圖像傳感器10作為其攝像器件102，則可以獲得以下的工作效果。也就是說，即使在攝像器件102中當像素陣列的沿垂直方向的像素間距和沿水平方向的像素間距之中較短的那個像素間距等于或小于具有透鏡組101的光學(xué)系統(tǒng)的分辨率時，也能提高攝像特性。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解，在所附權(quán)利要求或其等同物的范圍內(nèi)，可根據(jù)設(shè)計需要和其它因素進行各種修改、組合、次組合和改變。
權(quán)利要求
1.一種固體攝像器件，其包括像素陣列部，其包括排列起來的多個光電二極管，其中，相鄰的所述多個光電二極管具有不同的靈敏度。
2.如權(quán)利要求1所述的固體攝像器件，其中，相鄰的所述多個光電二極管具有相同的濾色器ο
3.如權(quán)利要求2所述的固體攝像器件，當相鄰的所述多個光電二極管被限定為一個單位時，所述單位的布置為拜耳陣列。
4.如權(quán)利要求1所述的固體攝像器件，相鄰的所述多個光電二極管組合形成矩形像素。
5.如權(quán)利要求1所述的固體攝像器件，還包括驅(qū)動部，所述驅(qū)動部被設(shè)置為從所述像素陣列部的多個單位像素中讀出具有不同靈敏度的信號。
6.如權(quán)利要求1所述的固體攝像器件，還包括信號處理部，其被設(shè)置為對從所述像素陣列部的被組合起來的多個單位像素中讀出的多個信號進行處理并且將處理過的信號作為單個信號輸出。
7.如權(quán)利要求1所述的固體攝像器件，其中，所述像素陣列部的多個單位像素具有背面入射型像素結(jié)構(gòu)。
8.一種電子裝置，其包括固體攝像器件，所述固體攝像器件如權(quán)利要求1-7之一所述。
全文摘要
本發(fā)明公開了固體攝像器件和電子裝置，該固體攝像器件包括像素陣列部和信號處理部。所述像素陣列部被設(shè)置為包括排列起來的多個單位像素，所述多個單位像素中的各個單位像素是在垂直和水平方向上具有不同尺寸的矩形像素，并且所述多個單位像素中的多個相鄰單位像素被組合起來以形成在垂直和水平方向上具有相同尺寸的正方形像素。所述信號處理部被設(shè)置為對從所述多個被組合起來的單位像素中讀出的多個信號進行處理并且將處理過的信號作為單個信號輸出。因而，所述單個信號可以作為來自于正方形格子(正方形像素)的信號而被處理?？梢曰旧汐@得正方形像素產(chǎn)品的易處理性并且使圖像處理和系統(tǒng)構(gòu)造更容易。
文檔編號H04N5/355GK102569321SQ20121002310
公開日2012年7月11日 申請日期2009年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月7日
發(fā)明者馬渕圭司 申請人:索尼株式會社