專利名稱：固態(tài)成像裝置及照相機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于數(shù)碼相機(jī)、移動電話照相機(jī)、車載相機(jī)等的固態(tài)成像裝置，尤其涉及一種實現(xiàn)較寬動態(tài)范圍的技術(shù)。
背景技術(shù)：
固態(tài)成像裝置被認(rèn)為具有比銀鹽相機(jī)更窄的動態(tài)范圍。鑒于此，通常已經(jīng)研究了拓寬固態(tài)成像裝置的動態(tài)范圍的技術(shù)(例如公開號為2003-218343的日本專利申請)。
圖1A是根據(jù)常規(guī)技術(shù)的像素的頂視圖。
根據(jù)常規(guī)技術(shù)的像素分別由主感光單元301和子感光單元302組成。子感光單元302具有比主感光單元301更小的感光區(qū)域。每個感光單元獲得的電荷通過電荷傳輸通道303獨立地輸出。
圖1B示出根據(jù)常規(guī)技術(shù)的固態(tài)成像裝置的輸出特性。
曲線71和72分別表示主感光單元301和子感光單元302的輸出特性。在兩者的輸出特性中，輸出信號隨著光強(qiáng)度增加而增加，但是，一旦光強(qiáng)度超過了閾值，即使當(dāng)光強(qiáng)度繼續(xù)增加時輸出信號也停止改變。這是因為在每個感光單元中累積的電荷量變得飽和了。
由于主感光單元301具有比子感光單元302更大的感光區(qū)域，主感光單元301接收比子感光單元302更大的光量。因此，主感光單元301具有較高靈敏度(陡峭的曲線斜率)，但是具有較窄的動態(tài)范圍(更接近電荷飽和)。
另一方面，子感光單元302具有比主感光單元301更小的感光區(qū)域，因此接收比主感光單元301更少的光量。因此，子感光單元302具有較低的靈敏度，但是具有較寬的動態(tài)范圍。
曲線73表示當(dāng)主感光單元301的輸出信號以及子感光單元302的輸出信號通過信號處理而結(jié)合時的輸出特性。通過靈敏度不同的兩種感光單元的輸出信號的這種結(jié)合，大體上可能增加靈敏度并拓寬動態(tài)范圍。
隨著近幾年提高了用于固態(tài)成像裝置的范圍，根據(jù)用途的類型需要較寬的動態(tài)范圍。例如，如果是車載相機(jī)，需要極寬的動態(tài)范圍用于可靠地捕捉甚至是背光物體。
然而，盡管上述常規(guī)技術(shù)的確能拓寬動態(tài)范圍，但是動態(tài)范圍的拓寬率仍然不能滿足這些需要。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于此，本發(fā)明旨在解決上述問題并提供一種能實現(xiàn)相當(dāng)寬的動態(tài)范圍的動態(tài)成像裝置以及相機(jī)。
所述目的能通過下述固態(tài)成像得以實現(xiàn)，該固態(tài)成像裝置包括能分別操作以產(chǎn)生并累積對應(yīng)于所接收光量的電荷量的多個光電轉(zhuǎn)換器；可操作用于抑制多個光電轉(zhuǎn)換器中的每一個以光電轉(zhuǎn)換器確定的速率所接收的光量的抑制單元；以及對于每組預(yù)定數(shù)目的光電轉(zhuǎn)換器，可操作用于結(jié)合分別基于預(yù)定數(shù)目的光電轉(zhuǎn)換器中累積的電荷量的電信號，從而對于預(yù)定數(shù)目的光電轉(zhuǎn)換器獲得一個合成信號的獲取單元，其中能被累積的最大電荷量在各預(yù)定數(shù)目的光電轉(zhuǎn)換器中是基本上相同的，抑制單元的抑制率在各預(yù)定數(shù)目的光電轉(zhuǎn)換器中是不同的。
根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，即使當(dāng)接收的光量被抑制時，能累積的最大電荷量基本上是相同的。因此，與常規(guī)技術(shù)比較時能拓寬動態(tài)范圍，該常規(guī)技術(shù)由于抑制所接收的光量而導(dǎo)致最大電荷量減少。
此處，多個光電轉(zhuǎn)換器的每一個都被提供在基板上，其中抑制單元是覆蓋該基板并透過可見光的濾光膜，且由于在濾光膜對應(yīng)于預(yù)定數(shù)目的光電轉(zhuǎn)換器的每個區(qū)域中可見光的透射率各不相同，抑制單元的抑制率也各不相同。
由于材料、組成比(composition ratio)、薄膜厚度以及濾光膜等的不同能容易地使得濾光膜的透射率各不相同。
此處，多個光電轉(zhuǎn)換器的每一個都被提供在基板上，其中抑制單元是光屏蔽膜，其覆蓋該基板且在對應(yīng)于多個光電轉(zhuǎn)換器的位置處具有孔，且由于對應(yīng)于各個預(yù)定數(shù)目的光電轉(zhuǎn)換器的孔的尺寸不同，所以抑制單元的抑制率也各不相同。
在設(shè)計蝕刻掩膜的步驟中能容易地使得孔的尺寸各不相同。
此處，該抑制單元可包括可操作用于放電所累積在多個光電轉(zhuǎn)換單元的每一個中的電荷的放電單元；可操作用于在多個光電轉(zhuǎn)換器中的每一個中累積電荷直到自放電單元放電開始的預(yù)定時間周期結(jié)束的累積單元，其中由于對于預(yù)定數(shù)目的光電轉(zhuǎn)換器的每一個的預(yù)定時間周期的長度不同，因此抑制單元的抑制率也各不相同。
在設(shè)計累積單元的步驟中能容易地使得預(yù)定時間周期的長度各不相同。
此處，固態(tài)成像裝置還可包括當(dāng)基于在預(yù)定數(shù)目的光電轉(zhuǎn)換器的任一個中累積的電荷量的電信號表示最大的電荷量時可操作用于禁止獲取單元組合電信號的禁止單元。
通過防止飽和的電信號以這種方式結(jié)合，從而防止了分辨率的下降。
此處，多個光電轉(zhuǎn)換器可通過引入摻雜劑到半導(dǎo)體基板中形成，其中由于預(yù)定數(shù)目的光電轉(zhuǎn)換器中的每一個具有基本上相同的容量以及基本上相同的摻雜劑濃度，因此最大的電荷量也基本上相同。
確定能累積的最大電荷量的參數(shù)是光電轉(zhuǎn)換器的容量以及摻雜劑濃度。通過利用基本上相同的容量以及基本上相同的摻雜劑濃度，能最容易地設(shè)計并制造固態(tài)成像裝置。
此處，該預(yù)定的數(shù)目可以至少是三個。
通過結(jié)合三個或更多的電信號，作為該結(jié)合的結(jié)果能獲得平滑的輸出特性，從而能極大地拓寬動態(tài)范圍。


結(jié)合說明本發(fā)明的特定實施例的附圖，根據(jù)其下面的說明本發(fā)明的這些和其它的目的、優(yōu)點和特征變得更加明顯。
在附圖中圖1示出根據(jù)常規(guī)的技術(shù)固態(tài)成像裝置的像素和輸出特性的頂視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例圖像傳感器的截面圖；圖3是根據(jù)第一實施例的灰度濾波器的頂視圖；圖4示出根據(jù)第一實施例的各個光電轉(zhuǎn)換器的信號量；圖5示出根據(jù)第一實施例的固態(tài)成像裝置的結(jié)構(gòu)；圖6示出根據(jù)第一實施例的固態(tài)成像裝置的輸出特性；圖7是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的圖像傳感器的截面圖；圖8是根據(jù)第二實施例的光屏蔽膜的頂視圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的圖像傳感器的截面圖；圖10是根據(jù)第三實施例的灰度濾波器的頂視圖；圖11示出根據(jù)第三實施例的各個光電轉(zhuǎn)換器的信號量；
圖12是根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的圖像傳感器的截面圖；圖13是根據(jù)第四實施例的光屏蔽膜的頂視圖；圖14示出根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的固態(tài)成像裝置的結(jié)構(gòu)；圖15示出根據(jù)第五實施例的各個光電轉(zhuǎn)換器的信號量；圖16示出根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的固態(tài)成像裝置的結(jié)構(gòu)；圖17是示出根據(jù)第七實施例的垂直掃描電路的輸出脈沖的時序圖；圖18示出根據(jù)第七實施例的各個光電轉(zhuǎn)換器的信號量；圖19示出根據(jù)本發(fā)明的第八實施例的各個光電轉(zhuǎn)換器的信號量；圖20示出根據(jù)本發(fā)明的第十實施例的各個光電轉(zhuǎn)換器的信號量；圖21是根據(jù)本發(fā)明的第十二實施例的圖像傳感器的截面圖；圖22示出根據(jù)本實施例的修改方式的固態(tài)成像裝置的結(jié)構(gòu)；圖23示出具有七個不同的靈敏度的固態(tài)成像裝置的輸出特性。
具體實施例方式
下面參考附圖描述本發(fā)明的實施例。
(第一實施例)圖2是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的圖像傳感器的截面圖。
圖2A是行L1的截面圖，而圖2B是行L2的截面圖。行L1和L2相互鄰近。
圖像傳感器包括半導(dǎo)體基板1、光屏蔽膜4、層間絕緣膜5、灰度濾波器6a，6b和6c、整平膜(flattening film)7、微透鏡8以及濾色器9a、9b和9c。
光電轉(zhuǎn)換器2和晶體管3被提供在半導(dǎo)體基板1上。通過在半導(dǎo)體基板1上覆蓋具有相同尺寸的孔的掩膜并通過離子注入將摻雜劑引入到半導(dǎo)體基板1中而形成光電轉(zhuǎn)換器2。
光屏蔽膜4覆蓋半導(dǎo)體基板1并在對應(yīng)于光電轉(zhuǎn)換器2的位置處具有孔4a。在第一實施例中，所有的孔4a具有基本相同的尺寸。
灰度濾波器6a、6b和6c分別透過具有預(yù)定透射率的所有可見光波長范圍的光。對于每個灰度濾波器6a、6b和6c的透射率各不相同。詳細(xì)地，灰度濾波器6a、6b和6c的透射率依次減小。通過對于灰度濾波器利用不同的材料、組成比、薄膜厚度等可以容易地實現(xiàn)可見光不同的透射率。在該實施例中，灰度濾波器6a、6b和6c具有不同的薄膜厚度，由此獲得了不同的可見光透射率。構(gòu)成灰度濾波器6a、6b和6c的材料作為一個示例可以是氮化硅。
濾色器9a、9b和9c分別透過紅、綠和藍(lán)色的波長范圍的光。這里假定濾色器9a、9b和9c被布置為Bayer陣列。
層間絕緣膜5、整平膜7和微透鏡8是圖像傳感器的普通的結(jié)構(gòu)元件，因此這里省略對它們的解釋。
圖3是根據(jù)第一實施例的灰度濾波器的頂視圖。
通過灰度濾波器6a的光進(jìn)入屬于列C1和C2的光電轉(zhuǎn)換器2。通過灰度濾波器6b的光進(jìn)入屬于列C3和C4的光電轉(zhuǎn)換器2。通過濾波器6c的光進(jìn)入屬于列C5和C6的光電轉(zhuǎn)換器2。
圖4示出根據(jù)第一實施例的各個光電轉(zhuǎn)換器的信號量。
只有行L1和L2示出在圖4中。在第一實施例中，灰度濾波器6a、6b和6c分別具有不同的透射率。因此，即使當(dāng)光強(qiáng)度相等時，通過各個灰度濾波器6a、6b和6 c的光量各不相同。這導(dǎo)致了根據(jù)光電轉(zhuǎn)換器2所屬于的列不同使得光電轉(zhuǎn)換器2中產(chǎn)生的信號量不同。由于可見光透射率以灰度濾波器6a、6b和6c的順序減小，因此信號量也以這個順序減小。例如，灰度濾波器6a、6b和6c分別被提供在行L1的列C1、C3和C5上，使得信號量以列C1、C3和C5的順序減小。
圖5示出根據(jù)第一實施例的固態(tài)成像裝置的結(jié)構(gòu)。
固態(tài)成像裝置包括圖像傳感器100、信號處理單元110、存儲設(shè)備120、定時發(fā)生器130和系統(tǒng)控制單元140。
圖像傳感器100包括成像單元101、垂直掃描電路102、水平掃描電路103和放大器104。成像單元101具有二維布置的光電轉(zhuǎn)換器2等等。垂直掃描電路102和水平掃描電路103每一個都順序地輸出基于累積在各個光電轉(zhuǎn)換器2中的電荷量的電信號。該電信號由放大器104放大。
信號處理單元110包括幀存儲器111、信號合成電路112和壓縮電路113。
幀存儲器111逐幀存儲從圖像傳感器100輸出的每個電信號。
信號合成電路112包括通過組合預(yù)定數(shù)目的光電轉(zhuǎn)換器的電信號來獲得一個合成信號。此處，預(yù)定數(shù)目的光電轉(zhuǎn)換器是在同一行上相鄰的相同顏色的三個光電轉(zhuǎn)換器。
壓縮電路113將諸如JPEG(聯(lián)合圖象專家組)或MPEG(運動圖象專家組)的圖像壓縮技術(shù)應(yīng)用于該合成信號。
存儲器120將獲得的數(shù)據(jù)存儲為圖像壓縮的結(jié)果。
定時發(fā)生器130產(chǎn)生垂直同步信號、水平同步信號等。垂直同步信號是驅(qū)動垂直掃描電路102的信號，而水平同步信號是驅(qū)動水平掃描電路103的信號。
系統(tǒng)控制單元140產(chǎn)生諸如初始化照相的觸發(fā)信號的信號。該觸發(fā)信號是驅(qū)動定時發(fā)生器130的信號。
圖6示出根據(jù)第一實施例的固態(tài)成像裝置的輸出特性。
曲線51、52和53表示屬于列C1、C3和C5的光電轉(zhuǎn)換器的輸出特性。曲線54表示當(dāng)這些光電轉(zhuǎn)換器的輸出信號通過信號處理被組合時的輸出特性。
灰度濾波器6a、6b和6c分別位于列C1、C3和C5上。這使得屬于列C1、C3和C5的每個光電轉(zhuǎn)換器的靈敏度各不相同。結(jié)果，在電信號變得飽和處的光強(qiáng)度對于屬于列C1、C3和C5的每個光電轉(zhuǎn)換器是不相同的。通過組合從具有不同的靈敏度的這三個光電轉(zhuǎn)換器獲得的電信號能極大地拓寬動態(tài)范圍。此外，由于光電轉(zhuǎn)換器的靈敏度的不同分為三級，因此能獲得比常規(guī)技術(shù)更平滑的合成信號的輸出特性。
(第二實施例)本發(fā)明的第二實施例與第一實施例的不同之處在于使靈敏度不相同的結(jié)構(gòu)。第二實施例的其它結(jié)構(gòu)與第一實施例中的相同，從而此處省略對其的解釋。
圖7是根據(jù)第二實施例的圖像傳感器的截面圖。
圖7A是行L1的截面圖，而圖7B是行L2的截面圖。
圖像傳感器包括半導(dǎo)體基板1、光屏蔽膜4、層間絕緣膜5、微透鏡8和濾色器9a、9b和9c。
光電轉(zhuǎn)換器2和晶體管3被提供在半導(dǎo)體基板1上。通過在半導(dǎo)體基板1上覆蓋具有相同尺寸的孔的掩膜，并且通過離子注入將摻雜劑引入到半導(dǎo)體基板1中而形成光電轉(zhuǎn)換器2。
光屏蔽膜4覆蓋半導(dǎo)體基板1并且在對應(yīng)于光電轉(zhuǎn)換器2的位置處具有孔4a、4b和4c。在第二實施例中，孔4a、4b和4c具有不同的尺寸。詳細(xì)地，孔4a、4b和4c的尺寸按該順序依次減小。
濾色器9a、9b和9c分別透過紅、綠和藍(lán)波長范圍的光。此處假定濾色器9a、9b和9c被布置為Bayer陣列。
圖8是根據(jù)第二實施例的光屏蔽膜的頂視圖。
通過孔4a的光進(jìn)入屬于列C1和C2的光電轉(zhuǎn)換器2。通過孔4b的光進(jìn)入屬于列C3和C4的光電轉(zhuǎn)換器2。通過孔4c的光進(jìn)入屬于列C5和C6的光電轉(zhuǎn)換器2。
通過以這種方式使孔的尺寸各不相同，可以實現(xiàn)具有不同的靈敏度的光電轉(zhuǎn)換器。
(第三實施例)本發(fā)明的第三實施例與第一實施例的不同之處在于使用單色圖像傳感器。
圖9是根據(jù)第三實施例的圖像傳感器的截面圖。
圖像傳感器包括半導(dǎo)體基板1、光屏蔽膜4、層間絕緣膜5、灰度濾波器6a、6b和6c、整平膜7和微透鏡8。由于根據(jù)第三實施例的圖像傳感器用于單色照相，因此不提供濾色器。
灰度濾波器6a、6b和6c分別透過具有預(yù)定透射率的所有波長范圍的光。每個灰度濾波器6a、6b和6c的透射率各不相同。詳細(xì)地，灰度濾波器6a、6b和6c的透射率以該順序減小。通過對于灰度濾波器使用不同的材料、組成比、膜厚度等能夠容易地實現(xiàn)可見光的不同透射率。在該實施例中，灰度濾波器6a、6b和6c具有不同的膜厚度，從而獲得不同的可見光透射率。例如構(gòu)成灰度濾波器6a、6b和6c的材料是氮化硅。
圖10是根據(jù)第三實施例的灰度濾波器的頂視圖。
通過灰度濾波器6a的光進(jìn)入屬于列C1和C4的光電轉(zhuǎn)換器2。通過灰度濾波器6b的光進(jìn)入屬于列C2和C5的光電轉(zhuǎn)換器2。通過灰度濾波器6c的光進(jìn)入屬于列C3和C6的光電轉(zhuǎn)換器2。
圖11示出根據(jù)第三實施例的各個光電轉(zhuǎn)換器的信號量。
只有行L1、L2和L3示出在圖11中。在第三實施例中，灰度濾波器6a、6b和6c分別具有不同的透射率。因此，即使當(dāng)光強(qiáng)度是相等的，但是通過每個灰度濾波器6a、6b和6c的光量是不同的。這導(dǎo)致根據(jù)光電轉(zhuǎn)換器2所屬的列使光電轉(zhuǎn)換器2中產(chǎn)生的信號量各不相同。由于可見光透射率按照灰度濾波器6a、6b和6c的順序減小，因此信號量也按照這個順序減小。例如，在行L1的列C1、C2和C3上分別提供灰度濾波器6a、6b和6c，信號量在列C1、C2和C3的順序中減小。
(第四實施例)本發(fā)明的第四實施例與第二實施例的不同之處在于使用單色圖像傳感器。
圖12是根據(jù)第四實施例的圖像傳感器的截面圖。
圖像傳感器包括半導(dǎo)體基板1、光屏蔽膜4、層間絕緣膜5以及微透鏡8。由于根據(jù)第四實施例的圖像傳感器用于單色照相，因此不提供濾色器。
光屏蔽膜4覆蓋半導(dǎo)體基板1并且在對應(yīng)于光電轉(zhuǎn)換器2的位置處具有孔4a、4b和4c。在第四實施例中，孔4a、4b和4c具有不同的尺寸。詳細(xì)地，孔4a、4b和4c的尺寸按著該順序依次減小。
圖13是根據(jù)第四實施例的光屏蔽膜的頂視圖。
通過孔4a的光進(jìn)入屬于列C1和C4的光電轉(zhuǎn)換器2。通過孔4b的光進(jìn)入屬于列C2和C5的光電轉(zhuǎn)換器2。通過孔4c的光進(jìn)入屬于列C3和C6的光電轉(zhuǎn)換器2。通過以這種方式使孔的尺寸各不相同，可以實現(xiàn)具有不同的靈敏度的光電轉(zhuǎn)換器。
(第五實施例)本發(fā)明的第五實施例與第一實施例的不同之處在于處理已經(jīng)達(dá)到了飽和電平的電信號。作為使靈敏度不同的結(jié)構(gòu)，灰度濾波器如在第一實施例中那樣地使用。
圖14示出根據(jù)第五實施例的固態(tài)成像裝置的結(jié)構(gòu)。
固態(tài)成像裝置包括圖像傳感器100、信號處理單元150、存儲設(shè)備120、定時發(fā)生器130以及系統(tǒng)控制單元140。
該信號處理單元150包括幀存儲器151、信號合成電路152、壓縮電路153和信號電平判斷電路154。
如果從圖像傳感器100輸出的電信號處于飽和電平，信號電平判斷電路154阻止電信號在信號合成電路152中組合。
圖15示出根據(jù)第五實施例的各個光電轉(zhuǎn)換器的信號量。
只有行L1、L2和L3示出在圖15中。Qsat表示飽和電平。在圖15A中，從各光電轉(zhuǎn)換器獲得的電信號在飽和電平之下(低亮度照相模式)。在這種情況下，從在同一行上相鄰的三個光電轉(zhuǎn)換器中獲得的電信號都在信號合成電路152中組合。另一方面，在圖15B中，由于高光強(qiáng)度，從列C1和C4上的光電轉(zhuǎn)換器中獲得的電信號已經(jīng)達(dá)到了飽和電平(高亮度照相模式)。在這種情況下，從列C1和C4上的光電轉(zhuǎn)換器中獲得的電信號在信號合成電路152中不組合。也就是說，從同一行上相鄰的三個光電轉(zhuǎn)換器中獲得的電信號中只有不飽和電信號才在信號合成電路152中組合。
因此，在低亮度照相模式中，三種像素信號被組合在一起，且可以極大地拓寬動態(tài)范圍。然而，在高亮度照相模式中，三個像素信號中只有不飽和像素信號組合在一起，這可以抑制分別率的下降。
(第六實施例)本發(fā)明的第六實施例將第五實施例的電信號處理應(yīng)用于第二實施例中。作為使靈敏度不同的結(jié)構(gòu)，光屏蔽膜的孔與第二實施例中的相同。詳細(xì)地，當(dāng)從同一行上相鄰的三個光電轉(zhuǎn)換器中獲得的電信號在飽和電平之下時，電信號都組合在信號合成電路152中。另一方面，當(dāng)從同一行上相鄰的三個光電轉(zhuǎn)換器中獲得的電信號中的任一個已經(jīng)達(dá)到飽和電平時，只有不飽和的電信號在信號合成電路152中被組合。
因此，在低亮度照相模式中，三種像素信號組合在一起，這可以極大地拓寬動態(tài)范圍。然而，在高亮度照相模式中，三個像素信號中只有不飽和像素信號組合在一起，這可以抑制分別率的下降。
(第七實施例)本發(fā)明的第七實施例與第一實施例的不同之處在于使靈敏度不同的結(jié)構(gòu)。第七實施例的其余結(jié)構(gòu)與第一實施例中的相同，因此這里省略對其的解釋。
圖16示出根據(jù)第七實施例的固態(tài)成像裝置的結(jié)構(gòu)。
只有成像單元101、垂直掃描電路102a、102b和102c、水平掃描電路103和定時發(fā)生器130示出在圖16中。其它結(jié)構(gòu)元件與圖5中示出的相同。
光電轉(zhuǎn)換器2以二維結(jié)構(gòu)布置在成像單元101中。通過在半導(dǎo)體1基板上覆蓋具有相同尺寸的孔的掩膜，并且通過離子注入將摻雜劑引入到半導(dǎo)體基板1中而形成光電轉(zhuǎn)換器2。
垂直掃描電路102a驅(qū)動屬于行L1和L4的光電轉(zhuǎn)換器2。垂直掃描電路102b驅(qū)動屬于行L2和L5的光電轉(zhuǎn)換器2。垂直掃描電路102c驅(qū)動屬于行L3和L6的光電轉(zhuǎn)換器2。各光電轉(zhuǎn)換器2根據(jù)對應(yīng)垂直掃描電路的驅(qū)動脈沖累積電荷，并基于所累積的電荷量輸出電信號。
水平掃描電路103順序地輸出從各列中的光電轉(zhuǎn)換器2輸出的電信號。
圖17是示出根據(jù)第七實施例的垂直掃描電路的驅(qū)動脈沖的時序圖。
電子快門脈沖(electronic shutter pulse)是用于放電累積在光電轉(zhuǎn)換器2中的所有電荷的脈沖。讀脈沖是用于將光電轉(zhuǎn)換器2中累積的電荷作為電信號輸出的脈沖。
各個垂直掃描電路102a、102b和102c在輸出電子快門脈沖之后輸出讀脈沖。從電子快門脈沖的輸出到讀脈沖的輸出的周期是曝光時間。由垂直掃描電路102a、102b和102c確定的曝光時間分別為33ms、16.5ms以及8.25ms。
圖18示出根據(jù)第七實施例的各個光電轉(zhuǎn)換器的信號量。
只有行L1、L2和L3示出在圖18中。在第七實施例中，垂直掃描電路102a、102b和102c分別具有不同的曝光時間。這導(dǎo)致根據(jù)光電轉(zhuǎn)換器2所屬的行使光電轉(zhuǎn)換器2中產(chǎn)生的信號量不同。由于曝光時間按照垂直掃描電路102a、102b和102c的順序減小，因此信號量也按照該順序減小。通過以這種方式使曝光時間各不相同，可以實現(xiàn)具有不同的靈敏度的光電轉(zhuǎn)換器。
(第八實施例)本發(fā)明第八實施例是第一和第七實施例的組合。
灰度濾波器6a、6b和6c對于可見光的透射率各不相同。詳細(xì)地，灰度濾波器6a、6b和6c的透射率按照此順序減小。垂直掃描電路102a、102b和102c的曝光時間各不相同。詳細(xì)地，垂直掃描電路102a、102b和102c的曝光時間以此順序減小。光屏蔽膜4的孔具有基本上相同的尺寸。
信號合成電路112將從屬于三條相鄰行和三條相鄰列的九個光電轉(zhuǎn)換器中獲得的電信號組合在一起。
圖19示出根據(jù)第八實施例的各個光電轉(zhuǎn)換器的信號量。
只有行L1、L2和L3示出在圖19中。通過以這種方式組合第一實施例(利用灰度濾波器調(diào)整三個靈敏度)和第七實施例(利用曝光時間調(diào)整三個靈敏度)，可以提供九個不同的靈敏度。
(第九實施例)本發(fā)明的第九實施例是第二和第七實施例的組合。
光屏蔽膜4的孔4a、4b和4 c的尺寸各不相同。詳細(xì)地，孔4a、4b和4c的尺寸依次減小。垂直掃描電路102a、102b和102的曝光時間各不相同。詳細(xì)地，垂直掃描電路102a、102b和102c的曝光時間依次減小。
信號合成電路112將從屬于三條相鄰行和三條相鄰列的九個光電轉(zhuǎn)換器中獲得的電信號組合在一起。
通過以這種方式將第二實施例(利用孔的尺寸調(diào)整三個靈敏度)和第七實施例(利用曝光時間調(diào)整三個靈敏度)，可以提供九個不同的靈敏度。
(第十實施例)本發(fā)明的第十實施例是第五和第七實施例的組合。
灰度濾波器6a、6b和6c對于可見光的透射率各不相同。詳細(xì)地，灰度濾波器6a、6b和6c的透射率依次減小。垂直掃描電路102a、102b和102c的曝光時間各不相同。詳細(xì)地，垂直掃描電路102a、102b和102c的曝光時間依次減小。光屏蔽膜4的孔具有基本上相同的尺寸。
信號合成電路112將從屬于三個相鄰行和三個相鄰列的九個光電轉(zhuǎn)換器中獲得的電信號組合在一起。
如果從圖像傳感器100輸出的電信號處于飽和電平，則信號電平調(diào)整電路154阻止電信號在信號合成電路152中組合。
圖20示出根據(jù)第十實施例的各個光電轉(zhuǎn)換器的信號量。
只有行L1、L2和L3示出在圖20中。Qsat表示飽和電平。在圖20A中，從各個光電轉(zhuǎn)換器中獲得的電信號在飽和電平之下(低亮度照相模式)。在這種情況下，從屬于三個相鄰行和三個相鄰列的光電轉(zhuǎn)換器中獲得的九個電信號都在信號合成電路152中組合。另一方面，在圖20B中，由于高光強(qiáng)度，從屬于行L1的光電轉(zhuǎn)換器中獲得的電信號已經(jīng)達(dá)到飽和電平(高亮度照相模式)。在這種情況下，從行L1的光電轉(zhuǎn)換器中獲得的電信號在信號合成電路152中不組合。也就是說，從屬于三個相鄰行和三個相鄰列的光電轉(zhuǎn)換器中獲得的九個電信號中只有不飽和電信號在信號合成電路152中組合。
因此，在低亮度照相模式中，九個像素信號組合在一起，這可以極大地拓寬動態(tài)范圍。然而，在高亮度照相模式中，九個像素信號中只有不飽和像素信號組合在一起，這可以抑制分別率的下降。
(第十一實施例)本發(fā)明的第十一實施例是第六和第七實施例的組合。
光屏蔽膜4的孔4a、4b和4c的尺寸各不相同。詳細(xì)地，孔4a、4b和4c的尺寸依次減小。垂直掃描電路102a、102b和102的曝光時間各不相同。詳細(xì)地，垂直掃描電路102a、102b和102c的曝光時間依次減小。
如果從圖像傳感器100輸出的電信號處于飽和電平，則信號電平調(diào)整電路154阻止電信號在信號合成電路152中組合。
通過如此執(zhí)行能獲得與第十實施例中相同的效果。
(第十二實施例)本發(fā)明的第十二實施例與第一實施例的不同之處在于灰度濾波器的結(jié)構(gòu)。第十二實施例的其余結(jié)構(gòu)與第一實施例中的相同，因此這里省略對其的解釋。
圖21是根據(jù)第十二實施例的圖像傳感器的截面圖。
在該實施例中，液晶濾波器用作灰度濾波器6a、6b和6c。液晶濾波器根據(jù)所施加的電壓不同對于可見光的透射率也不同。因此，通過改變所施加的電壓能改變光電轉(zhuǎn)換器的靈敏度。
盡管已經(jīng)通過實施例描述了根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像裝置，但是本發(fā)明不應(yīng)受限制于上述實施例。例如，下述修改是可行的。
(1)上述實施例描述了信號電平調(diào)整電路和信號合成電路包括在信號處理單元中的情形，但是本發(fā)明不限于此。
圖22示出了作為本實施例的一種修改的固態(tài)成像裝置的結(jié)構(gòu)。
該固態(tài)成像裝置包括圖像傳感器200、信號處理單元210、存儲設(shè)備220、定時發(fā)生器230以及系統(tǒng)控制單元240。
該圖像傳感器200包括成像單元201、垂直掃描電路202、水平掃描電路203、放大器204、信號電平調(diào)整電路205以及信號合成電路206。
信號處理單元210包括幀存儲器211和壓縮電路213。
因此，信號電平調(diào)整電路和信號合成電路可以包括在圖像傳感器200中。
(2)上述實施例描述了靈敏度的三個級別或九個級別的應(yīng)用，但是本發(fā)明不限于此。
圖23示出具有七種不同的靈敏度的固態(tài)成像裝置的輸出特性。
曲線61至67分別表示具有不同的抑制所接收的光量的比例的光電轉(zhuǎn)換器2的輸出特性。曲線68表示當(dāng)這些光電轉(zhuǎn)換器2的輸出信號通過信號處理被組合時的輸出特性。通過組合三個或更多的電信號，可獲得合成信號的平滑的輸出特性并大大地拓寬了動態(tài)范圍。
(3)上述實施例描述了各個光電轉(zhuǎn)換器2具有基本相同的容量以及基本上相同的摻雜劑濃度的情形。然而，這不是對本發(fā)明的限制，即使當(dāng)光電轉(zhuǎn)換器的容量和摻雜劑濃度不同時這也能同樣地實現(xiàn)。
盡管已經(jīng)參考附圖通過示例完整地描述了本發(fā)明，注意到不同的改變和修改對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是明顯的。
因此，除非這些改變和修改脫離了本發(fā)明的范圍，它們也應(yīng)該被認(rèn)為被包括在本發(fā)明中。
權(quán)利要求
1.一種固態(tài)成像裝置，其包括用于產(chǎn)生和累積對應(yīng)于所接收的光量的電荷量的多個光電轉(zhuǎn)換器；用于抑制多個光電轉(zhuǎn)換器中的每一個以該光電轉(zhuǎn)換器確定的速率所接收的光量的抑制單元；和獲取單元，其對于每組預(yù)定數(shù)目的光電轉(zhuǎn)換器，結(jié)合分別基于預(yù)定數(shù)目的光電轉(zhuǎn)換器中累積的電荷量的電信號，從而對于預(yù)定數(shù)目的光電轉(zhuǎn)換器獲得一個合成信號；以及其中能夠被累積的最大電荷量在預(yù)定數(shù)目的光電轉(zhuǎn)換器的每一個中都是基本上相同的，抑制單元的抑制率在預(yù)定數(shù)目的光電轉(zhuǎn)換器的每一個中都是不同的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像裝置，其中多個光電轉(zhuǎn)換器都被提供在基板上，抑制單元是覆蓋基板并且透過可見光的濾光膜，以及由于在對應(yīng)于預(yù)定數(shù)目的光電轉(zhuǎn)換器的濾光膜的每個區(qū)域中可見光的透射率各不相同，所以抑制單元的抑制率也各不相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像裝置，其中多個光電轉(zhuǎn)換器都被提供在基板上，抑制單元是覆蓋基板并且在對應(yīng)于多個光電轉(zhuǎn)換器的位置處具有孔的光屏蔽膜，以及由于對應(yīng)于預(yù)定數(shù)目的光電轉(zhuǎn)換器的每一個的孔的尺寸各不相同，所以抑制單元的抑制率也各不相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像裝置，其中抑制單元包括用于放電累積在多個光電轉(zhuǎn)換單元的每一個中的電荷的放電單元；用于在多個光電轉(zhuǎn)換器中的每一個中累積電荷直到自放電單元放電開始的預(yù)定時間周期結(jié)束的累積單元，以及由于對于預(yù)定數(shù)目的光電轉(zhuǎn)換器的每一個的預(yù)定時間周期的長度不同，所以抑制單元的抑制率也各不相同。。
5.根據(jù)權(quán)利要求1固態(tài)成像裝置，還包括禁止單元，當(dāng)基于在預(yù)定數(shù)目的光電轉(zhuǎn)換器中的任一個中累積的電荷量的電信號表示最大的電荷量時，其禁止獲取單元組合電信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像裝置，其中通過引入摻雜劑到半導(dǎo)體基板中形成多個光電轉(zhuǎn)換器，以及由于預(yù)定數(shù)目的光電轉(zhuǎn)換器中的每一個具有基本上相同的容量和基本上相同的摻雜劑濃度，所以最大的電荷量也基本上相同。。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像裝置，其中預(yù)定的數(shù)目是至少三個。
全文摘要
一種固態(tài)成像裝置包括多個二維布置的像素。各個像素包括用于將可見光轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾傻墓怆娹D(zhuǎn)換器(2)，以及根據(jù)該光電轉(zhuǎn)換器(2)具有不同的可見光透射率的灰度濾波器(6a、6b、6c)。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，多個像素對于入射光具有不同的靈敏度。通過將具有不同靈敏度的三個像素獲得的像素信號組合在一起能獲得較寬的動態(tài)范圍。
文檔編號H04N5/355GK101087360SQ20071011027
公開日2007年12月12日 申請日期2007年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月8日
發(fā)明者春日繁孝, 武田勝見, 山口琢己, 松長誠之, 村田隆彥, 山田隆善 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社