專利名稱：Cmos固態(tài)圖像獲取設(shè)備的制作方法
CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè)備背景技術(shù)本發(fā)明涉及放大型CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè)備，其對(duì)通過在多個(gè)陣 列排布的像素中提供的光電轉(zhuǎn)換元件獲得的電荷進(jìn)行放大，并將放大 后的電荷輸出為電信號(hào)。近年來，圖像獲取設(shè)備得到廣泛應(yīng)用，例如數(shù)碼照相機(jī)和數(shù)碼攝 像機(jī)，其可以通過固態(tài)圖像傳感設(shè)備來獲取圖像，并將獲取的圖像存 儲(chǔ)為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。從前，CCD (電荷耦合器件)固態(tài)圖像獲取設(shè)備是最 常用類型的固態(tài)圖像獲取設(shè)備。然而，近年來，由于對(duì)增加像素?cái)?shù)量 的需求越來越大，CMOS (互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)固態(tài)圖像獲取設(shè)備 引起了大量關(guān)注(參見例如日本專利No.3，827，145)。許多CMOS固 態(tài)圖像獲取設(shè)備具有電子快門功能。與CCD固態(tài)圖像獲取設(shè)備的快門 功能不同，CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè)備的電子快門功能通過所謂的"滾 動(dòng)快門"或"焦平面快門"實(shí)現(xiàn)，其通過基于逐行順序地掃描二維陣 列排布的像素來輸出信號(hào)。因此，采用傳統(tǒng)已知的CMOS固態(tài)圖像獲 取設(shè)備，曝光期間(時(shí)間)逐行順序轉(zhuǎn)變(shift)，因此，在攝像移動(dòng) 物體時(shí)，移動(dòng)物體的圖像將會(huì)出現(xiàn)不合適的扭曲。為了避免這類問題， 提出了多種技術(shù)，其使得CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè)備能夠具有"全局快 門功能"，用于在共有或相同的曝光期間內(nèi)對(duì)所有的像素行曝光。例 如，在日本專利申請(qǐng)?zhí)亻_公布No.2006-191236中公開的CMOS固態(tài)圖 像獲取設(shè)備中，采用光電二極管形式的光電轉(zhuǎn)換元件的曝光在接通狀 態(tài)下始于布置的每個(gè)像素提供的轉(zhuǎn)移晶體管和復(fù)位晶體管，而在復(fù)位 狀態(tài)下則始于布置的每個(gè)光電二極管的浮動(dòng)擴(kuò)散層的存儲(chǔ)的(或累積) 的電荷和電位。經(jīng)過預(yù)定的曝光期間后，所公開的CMOS固態(tài)圖像獲 取設(shè)備關(guān)閉機(jī)械快門，以中止曝光期間，并基于逐行順序地從浮動(dòng)擴(kuò) 散層讀出與由光電二極管轉(zhuǎn)移的電荷對(duì)應(yīng)的電壓。然而，如果提供機(jī)械快門用作如在NO.2006-191236公布中公開的 全局快門功能，則CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè)備在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面會(huì)變得復(fù) 雜，因此較為昂貴。發(fā)明內(nèi)容考慮到上述問題，本發(fā)明的目標(biāo)在于提供一種改進(jìn)的CMOS固態(tài) 圖像獲取設(shè)備，其可以在同樣的曝光期間內(nèi)對(duì)所有像素行進(jìn)行曝光， 因此可以以大體與全局快門同樣的方式來無扭曲地正確拍攝移動(dòng)物 體，甚至不需要其中提供的特定的全局快門機(jī)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明提供一種改進(jìn)的CMOS固態(tài)圖像獲取 設(shè)備，包括像素矩陣部分，包括多個(gè)以行和列陣列布置的像素；像 素信號(hào)處理部分，處理從像素矩陣部分的每個(gè)像素讀出的像素信號(hào)； 和時(shí)間控制部分，周期性地重復(fù)用于從像素矩陣部分的各個(gè)像素讀取 一屏的像素信號(hào)的時(shí)間控制，并提供空白期，在該空白期期間，在從 一屏的像素信號(hào)讀出的結(jié)束到下一屏的像素信號(hào)讀出的開始之間不讀 出像素信號(hào)，該時(shí)間控制部分輸出控制信號(hào)以在空白期內(nèi)的指定部分 上照明光源。利用如此構(gòu)建的本發(fā)明，在同樣的光源照明期間內(nèi)，像素矩陣部 分的所有像素被曝光，并因此，甚至可以在設(shè)備中不提供特定的全局 快門機(jī)構(gòu)的條件下，無扭曲地正確對(duì)移動(dòng)物體攝像。下文描述本發(fā)明的實(shí)施例，但需要意識(shí)到的是，本發(fā)明不局限于 所述的實(shí)施例，且在不違背基本原理的條件下，本發(fā)明的多種變體是 可以的。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)單獨(dú)通過所附權(quán)利要求來確定。


為了更好地理解本發(fā)明的目標(biāo)和其他特征，下面將參考附圖更詳細(xì)說明其優(yōu)選的實(shí)施例，其中圖1是圖示依照本發(fā)明實(shí)施例的CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè)備的示例 結(jié)構(gòu)的電路圖；圖2是圖示一個(gè)像素和與該像素對(duì)應(yīng)的行選擇部分的一部分以及 在像素、恒流源、CDS電路和開關(guān)之間的連接的電路圖；圖3的(a)是示意性示出在半導(dǎo)體基板上制造的像素的多個(gè)元件 的截面圖，而圖3的(b)是圖示在像素的多個(gè)元件處的電位和像素內(nèi) 的電荷轉(zhuǎn)移的圖；圖4是說明CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè)備的實(shí)施例在正常模式下的行 為的時(shí)序圖；圖5是說明CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè)備的實(shí)施例在正常模式下讀出 第iy行中的像素信號(hào)期間的行為的時(shí)序圖；圖6是說明CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè)備的實(shí)施例在第一寬動(dòng)態(tài)范圍 模式下的行為的時(shí)序圖；圖7是圖示CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè)備在第一寬動(dòng)態(tài)范圍模式下的 行為細(xì)節(jié)的時(shí)序圖，尤其圖示了在LED的照明期間和在第iy行的像素 的讀出期間的行為；圖8是圖示在第一寬動(dòng)態(tài)范圍模式下電荷如何產(chǎn)生并在像素中轉(zhuǎn) 移的圖；圖9是說明CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè)備的實(shí)施例在第二寬動(dòng)態(tài)范圍 模式下的行為的時(shí)序圖；圖10是圖示CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè)備在第二寬動(dòng)態(tài)范圍模式下 的行為細(xì)節(jié)的時(shí)序圖，尤其圖示了在LED的照明期間和在第iy行的像 素的讀出期間的行為；圖11是圖示在第二寬動(dòng)態(tài)范圍模式下在LED的照明期間在像素 的PD和FD中累積的信號(hào)電荷量的圖；圖12是說明在第二寬動(dòng)態(tài)范圍模式下由CDS電路做出的像素-信 號(hào)相關(guān)的判定的圖；圖13是圖示可適用于第一和第二寬動(dòng)態(tài)范圍模式的每一種的 CDS電路的示例結(jié)構(gòu)的電路圖；和圖14A到圖14F是說明CDS電路的行為的圖。
具體實(shí)施方式
<實(shí)施例的結(jié)構(gòu)>圖1是圖示依照本發(fā)明實(shí)施例的CMOS固態(tài)圖像 獲取設(shè)備1的示例結(jié)構(gòu)的電路圖。該CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè)備1包括 如圖1中所示的通過CMOS制造工藝在半導(dǎo)體基板上制造的電路。盡 管沒有特別示出，該CMOS固態(tài)圖像獲取裝置1還包括對(duì)由如圖1所 示的信號(hào)處理部分16獲得的數(shù)字像素信號(hào)執(zhí)行圖像質(zhì)量調(diào)整處理的電 路。圖1中，像素矩陣部分10包括(mXn)像素矩陣P(ix，iy) (ix=l-m， iy=l-n)，每個(gè)像素輸出與由其所接收的光量(即像素接收的光量)相 應(yīng)的像素信號(hào)。像素矩陣部分10包括與像素列相應(yīng)的m個(gè)列信號(hào)線 ll(ix) (ix=l-m)。屬于第ix像素列的n個(gè)像素P (ix，iy) (iy-l-n) 每個(gè)都輸出像素信號(hào)到同一列信號(hào)線11(ix)。恒流源12(ix) (ix=l-m)， 其是像素P (ix， iy) (ix-l-m， iy=l-n)內(nèi)的各個(gè)晶體管(稍后將描 述)的負(fù)載，被插入到列信號(hào)線11 (ix) (ix=l-m)和地線之間。此 外，CDS (相關(guān)雙采樣)電路13 (ix) (ix-l-m)與對(duì)應(yīng)條的列信號(hào)線 11 (ix) (ix=l-m)相連。CDS電路13 (ix) (ix=l-m)每個(gè)執(zhí)行從信 號(hào)電平中去除在輸出到對(duì)應(yīng)一條列信號(hào)線11 (ix) (ix=l-m)的每個(gè) 像素信號(hào)中包括的參考電平的操作。由CDS電路13(ix) (ix=l-m) 輸出的像素信號(hào)經(jīng)由對(duì)應(yīng)的每個(gè)采用MOS晶體管形式的開關(guān)14 (ix) (ix=l-m)提供給A/D轉(zhuǎn)換器15，并由A/D轉(zhuǎn)換器15轉(zhuǎn)換成數(shù)字像 素信號(hào)。信號(hào)處理部分16與CDS電路13 (ix) (k=l-m)協(xié)作，以對(duì) 數(shù)字像素信號(hào)執(zhí)行多種信號(hào)處理，例如與下文所述的第一或第二寬動(dòng) 態(tài)范圍模式對(duì)應(yīng)的信號(hào)處理，且信號(hào)處理部分16將結(jié)果的處理后的信 號(hào)提供給后續(xù)電路。即，信號(hào)處理部分16和CDS電路13(ix) (ix=l-m) 一起組成像素信號(hào)處理單元，以對(duì)從像素P(ix， iy) (ix=l-m， iy=l-n) 讀出的像素信號(hào)進(jìn)行處理。CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè)備1的本實(shí)施例具有包括正常模式和第一 以及第二寬動(dòng)態(tài)范圍模式的操作模式。第一和第二寬動(dòng)態(tài)范圍模式是 用于甚至在由像素P (ix， iy) (iy=l-n)接收的光強(qiáng)在像素P (ix， iy) 間明顯不同或者接收強(qiáng)光的部分像素P (ix， iy)的FD或PD中(詳見 下文)會(huì)發(fā)生溢出的情況下，獲取其中準(zhǔn)確反映像素P(ix，iy) (iy=l-n) 分別接收的光量的像素信號(hào)的操作模式，。當(dāng)CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè) 備1處于第一或第二寬動(dòng)態(tài)范圍模式時(shí)，CDS電路13 (ix) (ix=l-m) 執(zhí)行適于像素信號(hào)的預(yù)定判定，并輸出表示判定結(jié)果的判定結(jié)果信號(hào)。 通過參照判定結(jié)果信號(hào)，信號(hào)處理部分16第二寬動(dòng)態(tài)范圍模式在由 A/D轉(zhuǎn)換器15輸出的數(shù)字像素信號(hào)上執(zhí)行與第一或第二寬動(dòng)態(tài)范圍模 式相應(yīng)的信號(hào)處理。稍后將詳細(xì)說明第一和第二寬動(dòng)態(tài)范圍模式的細(xì) 節(jié)。行選擇部分20和列選擇部分30是在時(shí)間控制部分40的控制下產(chǎn) 生多種控制信號(hào)以從像素矩陣部分IO讀出一屏的像素信號(hào)的電路。更 具體地，每當(dāng)時(shí)間控制部分40周期性地產(chǎn)生垂直同步信號(hào)VSNC的時(shí) 候，行選擇部分20順序地輸出行選擇信號(hào)SV (iy)，指示像素矩陣部 分10的各行(iy=iy-n)的選擇。此外，當(dāng)輸出行選擇信號(hào)SV (iy)時(shí)， 行選擇單元20輸出復(fù)位信號(hào)RES (iy)和轉(zhuǎn)移指令信號(hào)TX(iy)，需要 這些信號(hào)來讀出第iy行的m個(gè)像素P(ix， iy) (ix=l-m)的像素信號(hào)。 列選擇部分30順序地輸出開關(guān)控制信號(hào)SH (ix) (ix=l-rn)，以每當(dāng) 從像素P (ix， iy) (iy=l-n)輸出一行的像素信號(hào)到列信號(hào)線11 (ix) (ix=l-m)且該一行的像素信號(hào)每個(gè)去除復(fù)位電壓后從CDS電路13 (ix) (ix=l-m)輸出時(shí)，接通開關(guān)14 (ix) (ix=l-m)。時(shí)間控制部分40重復(fù)地執(zhí)行時(shí)間控制，以產(chǎn)生周期性的垂直同步 信號(hào)VSYNC，并使得行選擇部分20和列選擇部分30響應(yīng)于垂直同步 信號(hào)VSYNC (或由此觸發(fā))如上解釋生成讀出一屏像素信號(hào)所需的控 制信號(hào)。此外，時(shí)間控制部分40設(shè)置或提供空白期，在該空白期間， 從一屏的像素信號(hào)讀出的結(jié)束到下一屏的像素信號(hào)讀出的開始之間不讀出像素信號(hào)，并在空白期內(nèi)的預(yù)定部分上輸出控制信號(hào)以照明提供作為光源的LED50。在此期間，時(shí)間控制部分40輸出控制信號(hào)，從而 響應(yīng)于垂直同步信號(hào)VSYNC照明LED 50.此外，當(dāng)CMOS固態(tài)圖像獲 取設(shè)備1處于第一和第二寬動(dòng)態(tài)范圍模式中的任意一種時(shí)，時(shí)間控制 部分40導(dǎo)致行選擇部分20同時(shí)向所有的行輸出轉(zhuǎn)移指令信號(hào)TX(iy) (iy=l-n)或者同時(shí)向所有的行輸出復(fù)位信號(hào)(iy) (iy=l-n)。圖2是圖示一個(gè)像素P (ix， iy)和對(duì)應(yīng)于該像素P (ix， iy)的 行選擇部分20的一部分的例示結(jié)構(gòu)以及在該像素P (ix， iy)、恒流源 12 (ix) 、 CDS電路13 (ix)和開關(guān)14 (ix)之間的連接的電路圖。如圖2所示，行選擇部分20包括包含n個(gè)雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器21 (iy) (iy=l-n)的垂直移位寄存器21。垂直移位寄存器21通過n個(gè) 雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器21 (iy) (iy=l-n)響應(yīng)于預(yù)定頻率的移位時(shí)鐘順序 地移位攝像指令脈沖，該攝像指令脈沖由時(shí)間控制部分40在產(chǎn)生垂直 同步信號(hào)VSYNC時(shí)生成。如圖2所示，每個(gè)雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器21 (iy) (iy=l-n)具有其輸 出端，該輸出端連接到包括與門22 (iy)和23 (iy)、或門24 (iy) 和25 (iy)以及非反相緩沖器26 (iy)的電路。該電路被構(gòu)造為根據(jù) 第iy個(gè)雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器21 (iy)的輸出信號(hào)向第iy行(iy=l-n)的 m個(gè)像素P (ix， iy) (ix=l-m)產(chǎn)生行選擇信號(hào)SV (iy)。更具體地，非反相緩沖器26 (iy)將雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器21 (iy) 的輸出直接輸出作為行選擇信號(hào)SV(iy)。當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器21 (iy) 的輸出信號(hào)為H (高)電平時(shí)，與門22 (iy)允許復(fù)位脈沖RESC通 過。當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器21 (iy)的輸出信號(hào)為H (高)電平時(shí)，與 門23 (iy)允許轉(zhuǎn)移指令脈沖TXC通過。這里，復(fù)位脈沖RESC和轉(zhuǎn) 移指令脈沖TXC是由時(shí)間控制部分40輸出的脈沖信號(hào)，且具有與給 予垂直移位寄存器21的移位時(shí)鐘相同的頻率。復(fù)位脈沖RESC在稍微遲于移位時(shí)鐘的上升沿的時(shí)間產(chǎn)生，而轉(zhuǎn)移指令脈沖TXC則在稍微遲 于復(fù)位脈沖RESC的時(shí)間產(chǎn)生。或門24(iy)輸出已經(jīng)通過與門22(iy) 通過的復(fù)位脈沖RESC，作為將要給予第iy行的像素P (ix， iy)的復(fù) 位信號(hào)RES (iy)?；蜷T25 (iy)輸出已經(jīng)通過與門23 (iy)的轉(zhuǎn)移指 令脈沖TXC，作為將要給予第iy行的像素P (ix， iy)的轉(zhuǎn)移指令信號(hào) TX (iy)。當(dāng)選擇第一寬動(dòng)態(tài)范圍模式時(shí)，時(shí)間控制部分40緊跟著開始照明 LED 50照明之后立刻產(chǎn)生所有行像素集體轉(zhuǎn)移脈沖TXG。在這種情況 下，每行的或門25 (iy)輸出所有行像素集體轉(zhuǎn)移脈沖TXG，作為將 要給予第iy行的像素P(ix， iy) (ix=l-m)的轉(zhuǎn)移指令信號(hào)TX (iy)。 此外，當(dāng)選擇第二寬動(dòng)態(tài)范圍模式時(shí)，時(shí)間控制部分40緊鄰即將熄滅 LED 50照明之前產(chǎn)生所有行像素集體復(fù)位脈沖RESG。在這種情況下， 每行中的或門24 (iy)輸出所有行像素集體復(fù)位脈沖RESG，作為將要 給予第iy行的像素P (ix， iy) (ix=l-m)的復(fù)位信號(hào)RES (iy)。如圖所示，每個(gè)像素P (ix， iy)包括PD (光電二極管)101、采 用MOS晶體管形式的轉(zhuǎn)移晶體管102、復(fù)位晶體管103、放大晶體管 104和行選擇晶體管105。圖3的(a)圖示了如上所述的在半導(dǎo)體基板上制造的像素P (ix， iy)的不同元件，而圖3的(b)圖示了在像素P (ix， iy)的不同部分 處的電位，并圖示了如何在像素P (ix, iy)內(nèi)轉(zhuǎn)移電荷。需要注意的 是，在圖3的(a)中，放大晶體管104和行選擇晶體管105被標(biāo)識(shí)為 電路符號(hào)(沒有顯示它們的截面圖)，以避免圖示的復(fù)雜性。如圖3的(a)所示，像素P (ix， iy)的每個(gè)元件都形成在N型 半導(dǎo)體基板內(nèi)形成的P阱上(即里面摻雜了低濃度N型雜質(zhì)的隔離區(qū))。 PD 101是光電轉(zhuǎn)換元件，包括通過在P阱中嵌入低濃度N型雜質(zhì)形成 的層，其產(chǎn)生與接收光的量相應(yīng)的信號(hào)電荷Q。轉(zhuǎn)移晶體管102具有連接到PD 101的源極，以及采用FD (浮動(dòng)擴(kuò)散)層102d形式的漏極。 一旦將轉(zhuǎn)移指令信號(hào)TX (iy)給予了轉(zhuǎn)移晶體管102的柵極，就會(huì)形 成從PD 101延伸到FD 102d的溝道，且在PD 101中累積的信號(hào)電荷Q 就會(huì)通過該溝道轉(zhuǎn)移給FD 102d。 一旦向晶體管102的柵極提供了復(fù)位 信號(hào)RES (iy)，就接通了復(fù)位晶體管103，從而通過連接到電源VDD 來復(fù)位FD 102d的電位。放大晶體管104具有連接到電源VDD的漏極、連接到FD 102d 的柵極和經(jīng)由行選擇晶體管105連接到對(duì)應(yīng)列信號(hào)線11 (ix)的源極。 一旦給予行選擇晶體管105的柵極的行選擇信號(hào)SV (iy)變成H電平， 則行選擇晶體管105接通，從而使得放大晶體管104的源極經(jīng)由對(duì)應(yīng) 的列信號(hào)線11 (ix)連接到恒流源12 (ix)。在這種狀態(tài)下，放大晶 體管104與行選擇晶體管105以及恒流源12 (ix) —起作為源極跟隨 器放大電路作用，其向?qū)?yīng)的列信號(hào)線11 (ix)輸出表示FD 102d的 電位的像素信號(hào)。<實(shí)施例的行為> 下文描述上述實(shí)施例的行為。<正常模式下的行為>CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè)備1的該實(shí)施例適用于在工廠生產(chǎn)線等中 拍攝移動(dòng)物體。此時(shí)，在該CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè)備1和移動(dòng)物體周 圍的區(qū)域保持黑暗的情況下執(zhí)行攝像過程。圖4是說明該CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè)備1的行為的時(shí)序圖。在產(chǎn) 生上述周期性垂直同步信號(hào)VSNYC時(shí)，時(shí)間控制部分40向行選擇部 分20的垂直移位寄存器21給予攝像指令脈沖。行選擇部分20響應(yīng)于 移位時(shí)鐘通過雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器順序地移位該攝像指令脈沖。由此， 從像素矩陣部分10的第1行到第n行的每一行順序地讀出像素信號(hào)； 例如， 一旦來自第一極雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器21 (1)的輸出信號(hào)變成H電平，則從像素矩陣部分10中的第一行的像素p (ix， 1) (ix=l-m) 讀出像素信號(hào)，而一旦當(dāng)來自第二極雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器21 (2)的輸出 信號(hào)變成H電平時(shí)，則從像素矩陣部分10中的第二行的像素p(ix， 2) (ix=l-m)讀出像素信號(hào)，等等。在本實(shí)施例中，設(shè)置了空白期，在該 空白期期間，從一屏的像素讀取的結(jié)束到下一屏的像素讀取的開始之 間不讀出像素信號(hào)，且時(shí)間控制部分40輸出控制信號(hào)以在該空白期內(nèi) 的預(yù)定部分上照明LED50，如上所述。由于在CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè)備1和移動(dòng)物體周圍的區(qū)域處于黑 暗時(shí)使用該CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè)備l，僅僅在LED 50的照明期間(即 LED 50保持照明的期間，且該反射光被輸入(照射)到每個(gè)像素P (ix， iy) (ix=l-m， iy=l-n)的PD101)，從LED 50輸出的光線被將要攝 像的物體反射。LED50的照明期間與所有像素P (ix， iy) (ix=l-m， iy=l-n)的曝光期間相同。圖5是說明CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè)備1在讀出第iy行的像素P(ix， iy) (ix-l-m)的像素信號(hào)期間的行為的時(shí)序圖。 一旦行選擇信號(hào)SV (iy)響應(yīng)于由垂直移位寄存器21進(jìn)行的攝像指令脈沖的移位變成H 電平，則按照下述方式讀出第iy行的像素P (ix， iy) (ix=l-m)的像素信號(hào)。一旦行選擇信號(hào)SV (iy)變成H電平，如圖5所示，則時(shí)間控制 部分40順序地產(chǎn)生復(fù)位脈沖RESC和轉(zhuǎn)移指令脈沖TXC。首先，復(fù)位 脈沖RESC通過行選擇部分20的與門22 (iy)和或門24 (iy)，并被 提供給每個(gè)像素P (ix， iy) (ix=l-m)的復(fù)位晶體管103。這樣，每 個(gè)像素P(ix， iy) (ix=l-m)的FD 102d連接到電源VDD，并被恢復(fù) 到其中沒有累積電荷的復(fù)位狀態(tài)。(ix， iy) (ix=l-m)的轉(zhuǎn)移晶體管102。這樣，在PD 101中已經(jīng)累積 的信號(hào)電荷被經(jīng)由轉(zhuǎn)移晶體管102轉(zhuǎn)移給FD 102d。在從產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)RES (iy)到產(chǎn)生轉(zhuǎn)移指令信號(hào)TX (iy)之間 的時(shí)期期間，時(shí)間控制部分40向CDS電路13 (ix) (ix=l-m)發(fā)送釆 樣和保持指令信號(hào)RES_S/H，從而每個(gè)CDS電路13 (ix) (ix=l-m) 從對(duì)應(yīng)的列信號(hào)線11 (ix)接收與在復(fù)位狀態(tài)下的像素P (ix， iy)(ix=l-m)的FD 102d的電壓對(duì)應(yīng)的復(fù)位電壓N，以及采樣并保持所接 收的復(fù)位電壓N。在產(chǎn)生轉(zhuǎn)移指令信號(hào)TX (iy)后，時(shí)間空間部分40向CDS電路 13 (ix) (ix=l-m)發(fā)送采樣和保持指令信號(hào)SIG—S/H。響應(yīng)于采樣和 保持指令信號(hào)SIG-S/H，每個(gè)CDS電路13 (ix) (ix=l-m)從對(duì)應(yīng)的 列信號(hào)線11 (ix)接收與每個(gè)像素P (ix， iy) (ix=l-m)的FD 102d 的電壓對(duì)應(yīng)的信號(hào)電壓S，其中信號(hào)電荷已經(jīng)在復(fù)位后的PD 101轉(zhuǎn)移， 以及采樣并保持所接收的信號(hào)電壓S。隨后，每個(gè)CDS電路13 (ix) (ix=l-m)從信號(hào)電壓S減去復(fù)位電壓N，并輸出減法的結(jié)果作為表 示在像素P的曝光期間內(nèi)接收的光的量的像素信號(hào)。隨后，時(shí)間控制部分40導(dǎo)致行選擇部分30順序地輸出列選擇信 號(hào)SH (ix) (ix=l-m)。由此，從各個(gè)CDS電路13 (ix) (ix=l-m) 輸出的像素信號(hào)由開關(guān)14 (ix) (ix=l-m)順序地選擇，并被提供給 A/D轉(zhuǎn)換器15以轉(zhuǎn)換為數(shù)字像素信號(hào)。<第一寬動(dòng)態(tài)范圍模式下的行為>第一寬動(dòng)態(tài)范圍模式是用于甚至是在由像素P (ix， iy) (ix=l-m,iy=l-n)接收的光強(qiáng)在像素P (ix，iy)之間明顯不同或者在接 收了強(qiáng)光的一些像素P (ix, iy)的FD 102d中會(huì)發(fā)生溢出的情況下， 獲得其中準(zhǔn)確反映像素P (ix， iy)的所接收光量的像素信號(hào)的操作模式。圖6是說明當(dāng)設(shè)置第一寬動(dòng)態(tài)范圍模式為工作模式時(shí)CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè)備1的行為的時(shí)序圖。圖7是圖示在如圖6所示的行為中 的LED 50的照明期間以及第iy行的像素P (ix， iy) (ix=l-m)的讀 出期間，該CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè)備1的行為細(xì)節(jié)的時(shí)序圖。此外， 圖8是圖示在第一寬動(dòng)態(tài)范圍模式下電荷如何產(chǎn)生以及如何在像素P (ix， iy)中轉(zhuǎn)移的圖。在第一寬動(dòng)態(tài)范圍模式下，時(shí)間控制部分40，在開始照明后緊跟 的LED50的照明期間內(nèi)的時(shí)間點(diǎn)處，導(dǎo)致電荷在所有像素P (ix， iy) (ix=l-m，iy=l-n)中從PD 101轉(zhuǎn)移到FD 102d。更具體地，在緊跟著 開始照明后的LED 50的照明期間內(nèi)的時(shí)間點(diǎn)處，時(shí)間控制部分40產(chǎn) 生短脈沖寬度的所有行像素集體轉(zhuǎn)移脈沖TXG，以導(dǎo)致行選擇部分20 向所有行輸出轉(zhuǎn)移指令信號(hào)TX (iy) (iy=l-n)。這里，從LED50的照明開始到轉(zhuǎn)移指令信號(hào)TX (iy) (iy=l-n) 出現(xiàn)的時(shí)期被標(biāo)識(shí)為"Atl"。隨后，在時(shí)間Atl內(nèi)(參見圖7和圖8 (a)所示的"PD中短時(shí)累積")，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于所接收光的量的信號(hào) 電荷Q (Atl)，并累積在每個(gè)像素P (ix， iy) (ix=l-m,iy=l-n)的 PD 101中。隨后，在每個(gè)像素P (ix， iy) (ix=l-m,iy=l-n)中，PD 101 中的信號(hào)電荷Q (Atl)響應(yīng)于轉(zhuǎn)移指令信號(hào)TX (iy)的上升沿被轉(zhuǎn) 移到FD 102d (參見圖8 (b))。此外，從轉(zhuǎn)移指令信號(hào)TX (iy) (iy=l-n)的下降沿到LED 50 熄滅的時(shí)期被標(biāo)識(shí)為"At2"。隨后，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于所接收的光的量的信 號(hào)電荷Q (At2)，并在每個(gè)像素P (ix， iy) (ix=l-m， iy=l-n)的 PD 101中累積(參加圖7和圖8 (c)所示的"PD中長(zhǎng)時(shí)累積")。 到此時(shí)，在"PD中短時(shí)累積"中產(chǎn)生并轉(zhuǎn)移的PDIOI中的電荷Q(A tl)已經(jīng)累積在每個(gè)像素P (ix， iy) (ix=l-m， iy=l-n)的FD 102d 中。在此之后，開始讀出一屏的像素信號(hào)，然后， 一旦行選擇信號(hào)SV(iy)變成H電平從而使得到達(dá)第iy行的像素(ix， iy) (ix=l-m)的 讀出期間時(shí)，執(zhí)行下述操作。首先，時(shí)間控制部分40向CDS電路(ix) (ix-l-m)發(fā)送采樣和 保持指令信號(hào)SIG—S/H (1)。由此，每個(gè)CDS電路13 (ix) (ix=l-m) 采樣并保持與當(dāng)前輸出到相應(yīng)信號(hào)線11 (ix)的電壓相對(duì)應(yīng)的信號(hào)電 壓S1，即由"PD中短時(shí)累積"產(chǎn)生并轉(zhuǎn)移到像素P(ix， iy) (ix=l-m) 中的相應(yīng)FD 102d的信號(hào)電荷Q (Atl)(參見圖8 (c))。隨后，時(shí)間控制部分40向行選擇部分20發(fā)送復(fù)位脈沖RESC，以 導(dǎo)致行選擇部分20向每個(gè)像素P (ix， iy) (ix=l-m)輸出復(fù)位信號(hào) RES (iy)。由此，每個(gè)像素P (ix， iy) (ix-l-m)中的FD 102d通 過經(jīng)由復(fù)位晶體管103連接到電源VDD而被復(fù)位(參加圖8 (d))。 接著，與每個(gè)像素(ix， iy) (ix=l-m)中的復(fù)位的FD 102d的電壓對(duì) 應(yīng)的電壓N1被輸出到對(duì)應(yīng)的列信號(hào)線11 (ix)。到此時(shí)，由"PD中 長(zhǎng)時(shí)累積"產(chǎn)生的電荷Q (At2)已經(jīng)在每個(gè)像素(ix， iy) (ix=l-m) 的PD 101中累積(參加圖8 (d))。隨后，時(shí)間控制部分40向CDS電路13 (ix) (ix=l-m)發(fā)送采 樣和保持指令信號(hào)RES_S/H，從而每個(gè)CDS電路13 (ix) (ix=l-m) 采樣并保持當(dāng)前輸出到對(duì)應(yīng)列信號(hào)線11 (ix)的電壓，該復(fù)位電壓Nl 對(duì)應(yīng)于復(fù)位狀態(tài)下的每個(gè)像素P(ix，iy) (ix-l-m)中的復(fù)位的FD 102d 的電壓，且采樣并保持所接收的復(fù)位電壓N (參加圖8 (d))。隨后， 每個(gè)CDS電路13 (ix) (ix=l-m)從之前采樣和保持的信號(hào)電壓SI 減去當(dāng)前采樣和保持的復(fù)位電壓N1，并輸出表示減法S1-N1的結(jié)果的 像素信號(hào)。隨后，在緊跟像素信號(hào)S1-N1的輸出的時(shí)間點(diǎn)處，每個(gè)CDS電路 13 (ix) (ix=l-m)判斷像素信號(hào)S1-N1是否大于預(yù)定的閾值。預(yù)定的 閾值基于FD 102d中可以累積的可允許電壓值來確定，稍后將解釋其細(xì)節(jié)。如果該像素信號(hào)大于預(yù)定的閾值，則CDS電路將該像素信號(hào)S1-N1設(shè)置作為最終的像素信號(hào)，并然后忽視給出的任何采樣和保持信 號(hào)直到開始下一屏的像素的讀出。此外，CDS電路(ix)輸出判定結(jié) 果信號(hào)，其指示像素信號(hào)S1-N1已經(jīng)被確定作為最終信號(hào)。接下來，時(shí)間控制部分40向行選擇部分20發(fā)送轉(zhuǎn)移指令信號(hào) TXC，從而使得行選擇部分20向每個(gè)像素P (ix， iy) (ix=l-m)輸出 轉(zhuǎn)移指令信號(hào)TX (iy)。由此，由"PD中長(zhǎng)時(shí)累積"在PD 101中累 積的電荷Q (At2)被轉(zhuǎn)移到每個(gè)像素P (ix， iy) (ix-l-m)中的FD 102d (參見圖8 (e))。接著，將指示通過長(zhǎng)時(shí)累積已經(jīng)累積了電荷 Q (At2)后在FD 102d中累積的電壓的信號(hào)電壓S2輸出到對(duì)應(yīng)的列 信號(hào)線11 (ix)。隨后，時(shí)間控制部分40向每個(gè)CDS電路13 (ix) (ix=l-m)發(fā) 送采樣和保持指令信號(hào)SIG_S/H (2)。已經(jīng)將上述像素信號(hào)S1-N1設(shè) 置作為最終像素信號(hào)的每個(gè)CDS電路13 (ix)，則忽視該采樣和保持 指令信號(hào)SIG一S/H (2)，而沒有將上述像素信號(hào)S1-N1設(shè)置作為最終 像素信號(hào)的每個(gè)CDS電路13 (ix)，則采樣并保持當(dāng)前輸出到列信號(hào) 線ll (ix)的信號(hào)電壓S2，并從該信號(hào)電壓S2減去較早采樣并保持的 復(fù)位電壓S2 (Nl)，從而將表示減法的結(jié)果的像素信號(hào)S1-N1設(shè)置作 為最終像素信號(hào)，以及隨后輸出指示該效果的判定結(jié)果信號(hào)。接下來，時(shí)間控制部分40向行選擇部分20發(fā)送復(fù)位脈沖RESC， 以導(dǎo)致選擇部分20向每個(gè)像素P (ix， iy) (ix=l-m)輸出復(fù)位信號(hào) RES (iy)，從而復(fù)位每個(gè)像素P (ix， iy) (ix=l-m)中的FD102d。 這是因?yàn)?，如果沒有復(fù)位FD 102d并由此在FD 102d中剩下電荷，則 當(dāng)由"PD中短時(shí)累積"產(chǎn)生的電荷被從PD IOI轉(zhuǎn)移到FD 102d時(shí)， 這些剩下的電荷將會(huì)增加到由"PD中短時(shí)累積"產(chǎn)生的電荷中。在本實(shí)施例中，對(duì)于所有像素P (ix， iy) (ix-l-m， iy=l-n)，曝光期間(即LED50的照明期間)相同，并因此，在像素P (ix， iy) (ix=l-m, iy=l-n)的PD 101上照射的光的強(qiáng)度在像素之間明顯不同 的情況下，強(qiáng)光照射的每個(gè)PDIOI中累積了較多量的信號(hào)電荷，而在 弱光照射的每個(gè)PDIOI中累積了較少量的信號(hào)電荷。為了獲得準(zhǔn)確表 示弱光照射的每個(gè)PD 101上照射的光的量的像素信號(hào)，需要增加曝光 期間的長(zhǎng)度。但是，如果這樣增加曝光期間的長(zhǎng)度，則強(qiáng)光照射的每 個(gè)PD101中會(huì)累積極大量的信號(hào)電荷，因此，當(dāng)該信號(hào)電荷已經(jīng)被轉(zhuǎn) 移到FD 102d時(shí)，強(qiáng)光照射的PD 102d的電壓可能超過可允許值。在 這種情況下，無法獲得表示強(qiáng)光照射的每個(gè)PD 101的接收光量的像素 信號(hào)，也就是將產(chǎn)生其中暴露在強(qiáng)光照射中的像素區(qū)域是雪白的圖像。在本實(shí)施例中采用的第一寬動(dòng)態(tài)范圍模式下，可以可靠地避免該 不便，且可以獲得準(zhǔn)確指示像素矩陣部分IO的其中像素暴露在強(qiáng)光中 的區(qū)域和像素矩陣部分10的其中像素暴露在弱光中的區(qū)域中所接收的 光量的像素信號(hào)，如下所述。首先，如果在LED 50的照明期間內(nèi)由PD 101接收的光具有較大 光強(qiáng)，由"PD中短時(shí)累積"產(chǎn)生較大電荷Q (At2)，與其成比例地， 由"PD中長(zhǎng)時(shí)累積"產(chǎn)生較大電荷Q (At2)。 一旦由"PD中短時(shí)累 積"產(chǎn)生的電荷(QAtl)超過給定的限值，那么當(dāng)由"PD中長(zhǎng)時(shí)累 積"產(chǎn)生的電荷Q (At2)被從PD IOI轉(zhuǎn)移到FD 102d時(shí)，F(xiàn)D 102d 中會(huì)出現(xiàn)溢出。因此，在第一寬動(dòng)態(tài)范圍模式下，當(dāng)每個(gè)CDS電路13 (ix) (ix=l-m)響應(yīng)于上述采樣和保持指令信號(hào)RES—S/H產(chǎn)生像素信號(hào) S1-N1時(shí)，它判斷該像素信號(hào)S1-N1是否大于閾值，從而判斷當(dāng)由"PD 中長(zhǎng)時(shí)累積"產(chǎn)生的電荷Q (At2)被從PD 101轉(zhuǎn)移到FD 102d時(shí)FD 102d是否會(huì)溢出。為了允許該判斷，可以基于在可能溢出FD 102d的 電荷Q (At2)的強(qiáng)度以及在電荷Q (At2)和像素信號(hào)S1-N1之間的 關(guān)系適當(dāng)確定閾值。如果CDS電路13 (ix)判定由于電荷Q (At2)的轉(zhuǎn)移將導(dǎo)致FD 102溢出，那么將與由"PD中短時(shí)累積"產(chǎn)生的信 號(hào)電荷Q (Atl)對(duì)應(yīng)的像素信號(hào)S1-N1設(shè)置作為最終像素信號(hào)。另一 方面，如果CDS電路13 (ix)判定由于電荷Q (At2)的轉(zhuǎn)移將不會(huì) 導(dǎo)致FD 102溢出，那么將與由"PD中長(zhǎng)時(shí)累積"產(chǎn)生的信號(hào)電荷Q (At2)對(duì)應(yīng)的像素信號(hào)S2-N1設(shè)置作為最終像素信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換器15經(jīng)由開關(guān)14(ix)接收由CDS電路13(ix) (ix=l-m)判定作為最終的每個(gè)像素信號(hào)，將所接收的像素信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字像素 信號(hào)，并輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)。提供在跟隨A/D轉(zhuǎn)換器15的級(jí)處設(shè) 置的信號(hào)處理部分16，被提供以與像素對(duì)應(yīng)的每一個(gè)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字 像素信號(hào)，和指示該數(shù)字像素信號(hào)對(duì)應(yīng)的是由"PD中短時(shí)累積"產(chǎn)生 的電荷Q (Atl)還是由"PD中長(zhǎng)時(shí)累積"產(chǎn)生的電荷Q (At2)的 判定結(jié)果信號(hào)。在信號(hào)處理部分16中，對(duì)連續(xù)的數(shù)字像素信號(hào)的前一 個(gè)的所接收光量進(jìn)行調(diào)整，使得其和隨后一個(gè)像素信號(hào)具有一致的范 圍，例如，通過將前一個(gè)數(shù)字像素信號(hào)乘以At2/厶tl，從而可以在一屏 內(nèi)作為一個(gè)整體地獲得具有寬動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)字像素信號(hào)。<第二寬動(dòng)態(tài)范圍模式下的行為>第二寬動(dòng)態(tài)范圍模式是甚至在由像素P (ix， iy) (ix=l-m,iy=l-n) 接收的光強(qiáng)在像素P (ix， iy)之間明顯不同并且接收強(qiáng)光的一些像素 P (ix， iy)的FD 102d中會(huì)發(fā)生溢出的情況下，獲得準(zhǔn)確反映像素P (ix， iy) (ix=l-m，iy=l-n)中接收的光量的像素信號(hào)的操作模式。圖 9是說明了當(dāng)將第二寬動(dòng)態(tài)范圍模式設(shè)置為操作模式時(shí)CMOS固態(tài)圖 像獲取設(shè)備1的行為的時(shí)序圖。圖IO是圖示如圖9所示的行為中的在 LED 50的照明期間和第iy行的像素P (ix， iy) (ix=l-m)的讀出期 間該CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè)備1的行為細(xì)節(jié)的時(shí)序圖。在第二寬動(dòng)態(tài)范圍模式下，時(shí)間控制部分40與第一寬動(dòng)態(tài)范圍模 式不同，并不導(dǎo)致在LED 50的照明期間產(chǎn)生轉(zhuǎn)移指令信號(hào)TX (iy) (iy-l-n)。而是，時(shí)間控iy=l-n)的PD101響應(yīng)于由其接收的光量產(chǎn)生并累積信號(hào)電荷("PD 中長(zhǎng)時(shí)累積")。如圖9所示，時(shí)間控制部分40導(dǎo)致緊鄰LED 50的 熄滅之前的LED50的照明期間內(nèi)的時(shí)間點(diǎn)處復(fù)位每個(gè)像素P (ix， iy) (ix=l-m， iy=l-n)的FD102 d。更具體地，如圖9所示，時(shí)間控制部 分40在緊鄰LED 50的熄滅前的時(shí)間點(diǎn)處產(chǎn)生短脈沖長(zhǎng)度的所有行像 素集體復(fù)位脈沖RESEG，從而導(dǎo)致行選擇部分20向所有行輸出復(fù)位信 號(hào)RES (iy) (iy=l-n)(參見圖10)。在第二寬動(dòng)態(tài)范圍模式下，在 用于從每行像素P (ix， iy) (ix=l-m)讀出像素信號(hào)的時(shí)期內(nèi)的用于 產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)RES (iy)、轉(zhuǎn)移指令信號(hào)TX (iy)和采樣和保持指令 信號(hào)SIG—S/H (1) 、 SIG—S/H和SIG—S/H (2)的時(shí)間與前文所述的第 一寬動(dòng)態(tài)范圍模式類似(參見圖10和圖7)。此外，在第二寬動(dòng)態(tài)范 圍模式下，響應(yīng)于采樣和保持指令信號(hào)SIG—S/H (1) 、 SIG_S/H和 SIG—S/H (2)的CDS電路13 (ix) (ix=l-m)的行為與第一寬動(dòng)態(tài)范 圍模式類似。在LED 50的照明期間內(nèi)，像素狀態(tài)轉(zhuǎn)移在接收強(qiáng)光的像素和接收 弱光的像素之間不同。在圖11中，由參考數(shù)字201標(biāo)識(shí)的線表示的是 在LED50的照明期間內(nèi)接收強(qiáng)光的給定像素P (ix， iy)的PD 101內(nèi) 累積的信號(hào)電荷的量，而由202標(biāo)識(shí)的線表示的是在LED 50的照明期 間內(nèi)接收弱光的給定像素P(ix， iy)的PD 101內(nèi)累積的信號(hào)電荷的量。 此外，由203標(biāo)識(shí)的線表示的是在LED 50的照明期間內(nèi)接收強(qiáng)光的給 定像素P (ix， iy)的FD102d中累積的信號(hào)電荷的量。每個(gè)像素P (ix) (ix=l-m， iy=l-y)的PD 101中只可以累積有 限量的信號(hào)電荷，而不能累積超過給定可允許值Qfull的信號(hào)電荷。然 而，如由線201所示，在LED 50的照明期間內(nèi)像素P (ix， iy)接收 強(qiáng)光，由PD 101產(chǎn)生的信號(hào)電荷的時(shí)間梯度如此大以致在LED 50的 照明期間內(nèi)產(chǎn)生的信號(hào)電荷的量大于(即超過)可允許值Qfull。在這 種情況下，像素P (ix， iy)的PD 101中累積的電荷量在可允許值QfuII 處飽和，而飽和后新產(chǎn)生的信號(hào)電荷從PD 101溢出到FD 102d，如由線201所示，且溢出的信號(hào)電荷在FD 102d中累積，如線203所示。
在第二寬動(dòng)態(tài)范圍模式下，在緊鄰LED 50的熄滅之前的LED 50 的照明期間內(nèi)的時(shí)間點(diǎn)處，向所有像素P(ix， iy) (ix=l-m， iy-l-n) 發(fā)送復(fù)位信號(hào)RES (iy) (iy=l-n)。
通過復(fù)位信號(hào)RES (iy) (iy=l-n)，從接收強(qiáng)光的像素P (ix， iy)中的PD IOI溢出并在FD 102d中累積的的電荷被暫時(shí)放電，如線 203所示。隨后， 一旦復(fù)位信號(hào)RES (iy) (iy=l-n)下降，則在下降 后從PDlOl溢出的電荷被累積在接收了強(qiáng)光的每個(gè)像素P(ix， iy)中 的FD102d中(如圖IO所示的"FD中短時(shí)累積")。此時(shí)，從PDIOI 溢出到FD 102d的電荷量的時(shí)間梯度與PD 101所接收的光量成比例。 如果將從復(fù)位信號(hào)RES (iy) (iy=l-n)的下降到LED 50的熄滅的時(shí) 期標(biāo)識(shí)為"Atl"，則在時(shí)期AU期間從PD101溢出的電荷Q (Atl) 在LED 50的熄滅期間內(nèi)被累積在FD 102d中。在LED 50的熄滅期間 內(nèi)累積在FD 102d中的電荷Q (Atl)反映像素P (ix， iy)所接收的
另一方面，在由線202所示的示例中，由于在LED50的照明期間 內(nèi)像素P (ix， iy)接收弱光，所以由PD 101產(chǎn)生的信號(hào)電荷的量具有 較小的時(shí)間梯度。因此，在LED50的照明期間內(nèi)產(chǎn)生的信號(hào)電荷的量 下降為等于或低于可允許值Qfull，從而沒有電荷從PD 101溢出到FD 102d。如果將LED50的照明期間標(biāo)識(shí)為"At2",那么對(duì)應(yīng)于在時(shí)期 △t2期間由像素P (ix， iy)所累積接收的光量的電荷Q (At2)被累 積在PD101中(如圖IO所示的"PD中長(zhǎng)時(shí)累積")。
在LED 50的熄滅期間，如上所述，由"PD中短時(shí)累積"產(chǎn)生的 及其中反映所接收的光量的電荷Q (Atl)被累積在接收了強(qiáng)光且發(fā)生 了從PD 101到FD 102d的電荷溢出的每個(gè)像素P (ix， iy)的FD 102d 中，而由"PD中長(zhǎng)時(shí)累積"產(chǎn)生及其中反映所接收的光量的電荷被累積在接收了弱光且未發(fā)生從PD 101到FD 102d的電荷溢出的每個(gè)像素 P (ix, iy)的PDIOI中。因此，在第二寬動(dòng)態(tài)范圍模式下，對(duì)于接收 強(qiáng)光的每個(gè)像素P (ix， iy)獲得表示由"PD中短時(shí)累積"產(chǎn)生的電荷 Q (Atl)的像素信號(hào)，而對(duì)于接收弱光的每個(gè)像素P (ix， iy)獲得表 示由"PD中長(zhǎng)時(shí)累積"產(chǎn)生的電荷Q (At2)的像素信號(hào)。這樣，依 照下文將描述的示例操作順序，可以在第二寬動(dòng)態(tài)范圍模式下作為整 體地獲得一屏中的具有寬動(dòng)態(tài)范圍的像素信號(hào)。
一旦在如圖10所示的第iy行的像素信號(hào)讀出期間產(chǎn)生了采樣和 保持指令信號(hào)SIG—S/H (1)，則每個(gè)CDS電路13 (ix) (ix-l-m)釆 樣并保持當(dāng)前輸出到對(duì)應(yīng)列信號(hào)線11 (ix)的信號(hào)電壓S1。隨后，一 旦在復(fù)位信號(hào)RES(iy)產(chǎn)生之后產(chǎn)生了采樣和保持指令信號(hào)RES_S/H， 則每個(gè)CDS電路13 (ix) (ix=l-m)采樣并保持當(dāng)前輸出到對(duì)應(yīng)列信 號(hào)線11 (ix)的復(fù)位電壓Nl,從之前采樣并保持的信號(hào)電壓SI減去 復(fù)位電壓N1，并產(chǎn)生表示減法的結(jié)果的像素信號(hào)Sl-Nl.此時(shí)，CDS電 路13 (ix)判斷像素信號(hào)Sl-Nl是否大于(即超過)給定的閾值。
如果像素信號(hào)Sl-Nl大于給定的閾值，則認(rèn)為像素信號(hào)Sl-Nl表 示在從PD 101溢出后由"FD中短時(shí)累積"在FD 102d中累積的電荷Q
(△tl)。因此，產(chǎn)生該像素信號(hào)Sl-Nl的CDS電路13 (ix)將像素 信號(hào)Sl-Nl設(shè)置作為最終像素信號(hào)，并輸出判定結(jié)果信號(hào)到信號(hào)處理 部分16，該判定結(jié)果信號(hào)指示已經(jīng)將像素信號(hào)Sl-Nl設(shè)置作為最終像 素信號(hào)。另一方面，如果像素信號(hào)Sl-Nl不大于給定的閾值，則認(rèn)為 FD102d是空的，且當(dāng)前由"PD中長(zhǎng)時(shí)累積"在PDIOI中累積電荷Q
(At2)。因此，產(chǎn)生了該像素信號(hào)S1-N1的CDS電路13 (ix)響應(yīng) 于采樣和保持指令信號(hào)SIG_S/H (2)采樣并保持當(dāng)前輸出到列信號(hào)線 11 (ix)的信號(hào)電壓S2，從信號(hào)電壓S2減去之前采樣并保持的復(fù)位電 壓N，并輸出指示由"PD中長(zhǎng)時(shí)累積"產(chǎn)生的電荷Q (At2)的像素 信號(hào)S2-N1。此外，CDS電路13 (ix)向信號(hào)處理部分16輸出判定信 號(hào)，該判定信號(hào)指示已經(jīng)將表示由"PD中長(zhǎng)時(shí)累積"產(chǎn)生的電荷Q(At2)的像素信號(hào)S2-N1輸出作為最終像素信號(hào)。
如前述第一寬動(dòng)態(tài)范圍模式，在跟隨A/D轉(zhuǎn)換器15的級(jí)處設(shè)置的 信號(hào)處理部分16，被提供以對(duì)應(yīng)于像素的轉(zhuǎn)換后的數(shù)字像素信號(hào)的 每一個(gè)，連同指示該數(shù)字像素信號(hào)對(duì)應(yīng)的是由"FD中短時(shí)累積"產(chǎn)生 的電荷Q (Atl)還是由"PD中長(zhǎng)時(shí)累積"產(chǎn)生的電荷Q (At2)的 判定結(jié)果信號(hào)。在信號(hào)處理部分16中，對(duì)連續(xù)的數(shù)字像素信號(hào)中的前 一個(gè)的接收光量進(jìn)行調(diào)整，使其與后續(xù)一個(gè)像素信號(hào)的范圍相符，例 如，通過將前一個(gè)像素信號(hào)乘以At2/厶tl，從而可以在一屏內(nèi)作為整體 地獲得具有寬動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)字像素信號(hào)。
<實(shí)施例可實(shí)現(xiàn)的有利結(jié)果〉
根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施例，如上所述，設(shè)置了空白期，其中，從一屏的 像素信號(hào)讀出的結(jié)束到下一屏的像素信號(hào)讀出的開始之間沒有讀出像 素信號(hào)，且在此空白期內(nèi)照明LED50。因此，即使沒有特定的全局快 門機(jī)構(gòu)，上述實(shí)施例可以在相同的曝光期間內(nèi)曝光所有像素，并沒有 扭曲地拍攝移動(dòng)物體。此外，通過提供第一和第二寬動(dòng)態(tài)范圍模式， 上述實(shí)施例可以允許每個(gè)像素根據(jù)由該像素所接收的光的強(qiáng)度，選擇 性地獲得表示響應(yīng)于短時(shí)光接收由PD101產(chǎn)生的電荷的電信號(hào)，或 表示響應(yīng)于長(zhǎng)時(shí)光接收由PD101產(chǎn)生的電荷的電信號(hào)。作為結(jié)果，上 述實(shí)施例可以在其中接收的光強(qiáng)在像素之間明顯不同的情況下，獲得 準(zhǔn)確反映對(duì)應(yīng)像素的所接收光強(qiáng)的像素信號(hào)。
<其他實(shí)施例>
盡管上面描述了一種優(yōu)選的實(shí)施例，其他實(shí)施例或變體也是可以 的，如下所述。
(1)盡管CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè)備1的優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)被描述 為具有正常工作模式以及第一和第二種寬動(dòng)態(tài)范圍模式，該CMOS固
態(tài)圖像獲取設(shè)備1也可以只具備上述操作模式的一種或兩種。(2) 可以進(jìn)行布置，從而允許在不改變其中不讀出像素信號(hào)的空
白期長(zhǎng)度的情況下，可以經(jīng)由在CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè)備1之外執(zhí)行 的設(shè)置操作，來改變操作模式以及第一和第二寬動(dòng)態(tài)范圍模式中的任 何一種中的LED 50的照明期間的長(zhǎng)度。
(3) 可以進(jìn)行布置，從而允許經(jīng)由從CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè)備1 外部執(zhí)行的設(shè)置操作來在第一寬動(dòng)態(tài)范圍模式下改變"PD中短時(shí)累積" 的持續(xù)時(shí)間。
(4) 可以進(jìn)行布置，從而允許經(jīng)由從該CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè) 備1外部執(zhí)行的設(shè)置操作來在第二寬動(dòng)態(tài)范圍模式下改變"FD中短時(shí) 累積"的持續(xù)時(shí)間。
(5) 當(dāng)該CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè)備1要在第一或第二寬動(dòng)態(tài)范 圍模式下操作時(shí)，可以以圖13所示的方式來構(gòu)建每個(gè)CDS電路13(ix)
(ix=l-m)。在圖13中，開關(guān)SW1和電容C串聯(lián)連接在對(duì)應(yīng)的列信 號(hào)線11 (ix)和微分放大器131的反相輸入端("-"端)之間。微分 放大器131具有接地的非反相輸入端("+ "端)，且開關(guān)SW2連接 在微分放大器131的輸出端和反相輸入端之間。開關(guān)SW1、電容C、 微分放大器131和開關(guān)SW2 —起構(gòu)成了采樣和保持電路。開關(guān)控制部 分132根據(jù)由時(shí)間控制部分40給出的指令信號(hào)和來自微分放大器131 的輸出信號(hào)執(zhí)行開關(guān)SW1和SW2的開/關(guān)控制，并然后輸出判定結(jié)果 信號(hào)。
圖14A到14F圖示了如圖13所示的CDS電路13 (ix)的行為。 在第一和第二寬動(dòng)態(tài)范圍模式的每個(gè)中， 一旦產(chǎn)生采樣和保持指令信 號(hào)SIG—S/H (1)，則開關(guān)控制部分132就接通開關(guān)SW1和SW2，如 圖14A所示。在這種情況下，由于微分放大器131的反相輸入端然后 處于虛接地狀態(tài)，所以當(dāng)前輸出到列信號(hào)線11 (ix)的信號(hào)電壓S1被施加到電容C1。此后，開關(guān)控制部分132斷開開關(guān)SW2，從而使得電 容C中充電的電荷失去放電通路，并因此信號(hào)電荷Sl被保持在電容C 中。
此后，復(fù)位電壓Nl被輸出到列信號(hào)線11 (ix)，且由于該復(fù)位 電壓Nl與電容C中充電的信號(hào)電壓Sl極性相反，微分放大器131輸 出電壓"S1-N1"。 一旦產(chǎn)生采樣和保持指令信號(hào)RES—S/H，開關(guān)控制 部分132判斷輸出電壓S1-N1是否大于(即超過)預(yù)定的閾值。如果 大于，則開關(guān)控制部分?jǐn)嚅_開關(guān)SW1，如虛線所示。因此，在開關(guān)SW1 和電容C之間存在的浮動(dòng)電容中保持復(fù)位電壓N1，之后，放大器131 保持輸出電壓S1-N1。在這種情況下，開關(guān)控制部分132向信號(hào)處理部 分16 (參見圖1)輸出判定結(jié)果信號(hào)，該判定結(jié)果信號(hào)指示微分放大 器131已經(jīng)輸出電壓S1-N1作為最終像素信號(hào)。
另一方面，如果輸出電壓S1-N1不大于(即不超過)預(yù)定的閾值， 則開關(guān)控制部分132接通開關(guān)SW1和SW2，如圖14D所示。并且，在 在電容C中充電復(fù)位電壓NI后，開關(guān)控制部分132斷開開關(guān)SW2， 以導(dǎo)致電容C保持復(fù)位電壓Nl,如圖14E所示。
隨后， 一旦信號(hào)電壓S2被輸出到列信號(hào)線11 (ix)，由于信號(hào)電 壓S2與電容C中充電的復(fù)位電壓Nl極性相反，所以微分放大器131 輸出電壓"-(S2-Nl)"。 一旦產(chǎn)生采樣和保持指令信號(hào)RES—S/H(2)， 則開關(guān)控制部分132斷開開關(guān)SW1，如虛線所示。由此，信號(hào)電壓S2 被保持在開關(guān)SW1和電容C之間存在的浮動(dòng)電容中，此后，放大器131 保持輸出電壓-(S2-N1)。在這種情況下，開關(guān)控制部分132向信號(hào)處 理部分16輸出判定結(jié)果信號(hào)，該判定結(jié)果信號(hào)指示微分放大器131已 經(jīng)輸出電壓-(S2-N1)作為最終像素信號(hào)。如果判定結(jié)果信號(hào)指示數(shù)字 像素信號(hào)對(duì)應(yīng)于像素信號(hào)-(S2-N1)，則信號(hào)處理部分16可以在反相 信號(hào)的極性后使用數(shù)字像素信號(hào)。(6)在上述第一和第二寬動(dòng)態(tài)范圍模式的每一個(gè)中，如上所述，
一旦獲得像素信號(hào)S1-N1，就做出像素信號(hào)S1-N1是否超過預(yù)定的閾 值的判斷，以及，如果超過，則設(shè)置像素信號(hào)S1-N1作為最終像素信 號(hào)。但是，如果像素信號(hào)S1-N1沒有超過預(yù)定的閾值，則獲得進(jìn)一步 的像素信號(hào)S2-N1，并將其設(shè)置作為最終像素信號(hào)。然而，可選地，可 以在數(shù)字像素信號(hào)處理階段而不是模擬像素信號(hào)處理階段選擇最終像 素信號(hào)。g卩， 一旦為每個(gè)像素P (be) (ix=l-m， iy=l-n)獲得像素信 號(hào)Sl-Nl，就將像素信號(hào)S1-N1轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以及例如存儲(chǔ)在第 一存儲(chǔ)器中，以及然后，獲得像素信號(hào)S2-N1，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字像素信 號(hào)，例如存儲(chǔ)在第二存儲(chǔ)器中。隨后，根據(jù)對(duì)每個(gè)像素P (ix,iy)做出 的存儲(chǔ)在第一存儲(chǔ)器中的數(shù)字像素信號(hào)的信號(hào)值是否大于閾值的判 斷，來判定將要使用存儲(chǔ)在第一存儲(chǔ)器中的數(shù)字像素信號(hào)還是存儲(chǔ)在 第二存儲(chǔ)器中的數(shù)字像素信號(hào)。在這種情況下，將要執(zhí)行的A/D轉(zhuǎn)換
的次數(shù)變成兩倍；然而，當(dāng)在兩種曝光條件下獲得了數(shù)字像素信號(hào)(即， 對(duì)應(yīng)于像素信號(hào)S1-N1和S2-N1的像素信號(hào))時(shí)，可以通過數(shù)字信號(hào) 處理來選擇最優(yōu)的數(shù)字像素信號(hào)，從而有利地獲得更多的處理靈活性。
權(quán)利要求
1.一種CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè)備，包括像素矩陣部分，其包括多個(gè)以行和列的陣列布置的像素；像素信號(hào)處理部分，其處理從所述像素矩陣部分的每個(gè)所述像素讀出的像素信號(hào)；和時(shí)間控制部分，其周期性地重復(fù)時(shí)間控制以從所述像素矩陣部分的各個(gè)所述像素讀出一屏的像素信號(hào)，并提供空白期，其中在從一屏的像素信號(hào)讀出的結(jié)束到下一屏的像素信號(hào)讀出的開始之間不讀出像素信號(hào)，所述時(shí)間控制部分輸出控制信號(hào)用于在所述空白期內(nèi)的指定部分期間點(diǎn)亮光源。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè)備，其中所述時(shí) 間控制部分執(zhí)行所述時(shí)間控制以從所述像素矩陣部分讀出像素信號(hào)， 并輸出所述控制信號(hào)以通過被同步信號(hào)觸發(fā)而點(diǎn)亮所述光源。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè)備，其中所述像 素矩陣部分的每個(gè)所述像素至少包括光電轉(zhuǎn)換元件，其內(nèi)產(chǎn)生并累 積與所接收的光量相對(duì)應(yīng)的電荷；電荷累積部分；轉(zhuǎn)移晶體管，其將 在所述光電轉(zhuǎn)換元件中累積的電荷轉(zhuǎn)移到所述電荷累積部分以在其中 累積；和復(fù)位晶體管，其將在所述電荷累積部分中累積的所述電荷復(fù) 位，以及其中，緊接所述光源的照明時(shí)期的開始之后，所述時(shí)間控制部分 立刻使得所述像素矩陣部分的每個(gè)所述像素的所述轉(zhuǎn)移晶體管將與其 對(duì)應(yīng)的所述光電轉(zhuǎn)換元件中累積的所述電荷轉(zhuǎn)移到所述電荷累積部 分，從而所述像素的所述電荷累積部分在其中累積所述電荷，以作為 短時(shí)曝光的結(jié)果。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè)備，其中所述像 素矩陣部分的每個(gè)所述像素至少包括光電轉(zhuǎn)換元件，其內(nèi)產(chǎn)生并累積與所接收的光量相對(duì)應(yīng)的電荷；電荷累積部分；轉(zhuǎn)移晶體管，其將 在所述光電轉(zhuǎn)換元件中累積的電荷轉(zhuǎn)移到所述電荷累積部分以在其中 累積；和復(fù)位晶體管，其將在所述電荷累積部分中累積的所述電荷復(fù) 位，以及其中，緊鄰所述光源的照明時(shí)期的結(jié)束之前，所述時(shí)間控制部分 使得所述像素矩陣部分的每個(gè)所述像素的所述復(fù)位晶體管將在所述電 荷累積部分中累積的所述電荷復(fù)位，以及然后，如果所述光源的照明 時(shí)期的結(jié)束前有任何從所述光電轉(zhuǎn)換元件到所述電荷累積部分的電荷 溢出，所述時(shí)間控制部分就使得所述電荷累積部分在其內(nèi)累積溢出的 電荷，以作為短時(shí)曝光的結(jié)果。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè)備，其中， 在像素信號(hào)讀出期間，所述時(shí)間控制部分不僅使得作為像素信號(hào)讀出 目標(biāo)的所述像素的所述復(fù)位晶體管將在所述電荷累積部分中累積的電 荷復(fù)位，而且使得所述像素輸出與在電荷復(fù)位之前的第一時(shí)間點(diǎn)和在 電荷復(fù)位之后的第二時(shí)間點(diǎn)在所述電荷累積部分中累積的電荷對(duì)應(yīng)的 像素信號(hào)，以及所述像素信號(hào)處理部分將復(fù)位前的像素信號(hào)減去復(fù)位后的像素信 號(hào)的結(jié)果設(shè)置作為最終像素信號(hào)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè)備，其中， 在像素信號(hào)讀出期間，所述時(shí)間控制部分不僅使得作為像素信號(hào)讀出 目標(biāo)的所述像素的所述復(fù)位晶體管將在所述電荷累積部分中累積的電 荷復(fù)位，并且使得所述像素的所述轉(zhuǎn)移晶體管將電荷從所述光電轉(zhuǎn)換 元件轉(zhuǎn)移到所述電荷累積部分，而且還使得所述像素輸出與在電荷復(fù) 位之前的第一時(shí)間點(diǎn)、在電荷復(fù)位之后和電荷轉(zhuǎn)移之前的第二時(shí)間點(diǎn)、 以及在電荷轉(zhuǎn)移之后的第三時(shí)間點(diǎn)在電荷累積部分中累積的電荷對(duì)應(yīng) 的像素信號(hào)，以及其中，如果復(fù)位前的像素信號(hào)減去復(fù)位后轉(zhuǎn)移前的像素信號(hào)的結(jié) 果在數(shù)值上大于預(yù)定的閾值，則所述像素信號(hào)處理部分將該減法的結(jié)果設(shè)置作為最終像素信號(hào)，但是，如果復(fù)位前的像素信號(hào)減去復(fù)位后 轉(zhuǎn)移前的像素信號(hào)的結(jié)果在數(shù)值上不大于所述預(yù)定的閾值，則所述像 素信號(hào)處理部分將轉(zhuǎn)移后的像素信號(hào)減去復(fù)位后轉(zhuǎn)移前的像素信號(hào)的 結(jié)果作為所述最終像素信號(hào)。
全文摘要
基本上，通過曝光時(shí)間在像素行之間順序變換的滾動(dòng)快門實(shí)現(xiàn)CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè)備的電子快門功能。一個(gè)像素行的曝光期間是從該像素行的讀出開始時(shí)的時(shí)間點(diǎn)到下一個(gè)像素行的讀出開始時(shí)的時(shí)間點(diǎn)。因此，為了通過對(duì)所有像素行施加同樣的曝光期間來獲得與全局快門類似的曝光效果，設(shè)置了空白期，在此期間不從任何像素行讀出像素信號(hào)，且在空白期內(nèi)的預(yù)定部分上照明LED。通過這種方式，具有滾動(dòng)快門功能的CMOS固態(tài)圖像獲取設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)與全局快門類似的曝光。
文檔編號(hào)H04N5/374GK101277375SQ20081009075
公開日2008年10月1日 申請(qǐng)日期2008年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月29日
發(fā)明者若森康男 申請(qǐng)人:雅馬哈株式會(huì)社