固态摄像装置、固态摄像装置的驱动方法、以及电子设备制造方法及图纸

本发明专利技术提供可利用小像素尺寸，通过特定的读取模式来扩大动态范围的固态摄像装置、固态摄像装置的驱动方法、以及电子设备。像素200包含：光电转换元件PD0、PD1，在积累期间，积累通过光电转换产生的电荷；传输元件TG0‑Tr、TG1‑Tr，可传输所积累的电荷；输出节点FD，通过各传输元件传输由光电转换元件积累的电荷；输出缓冲部211，将输出节点的电荷转换为与电荷量对应的电压信号；以及比较器220，进行对输出缓冲部的电压信号与参考电压进行比较，并输出数字化后的比较结果信号的比较处理，比较器220可在读取部的控制下，进行对于至少两个体系的模式读取信号的比较处理，所述至少两个体系的模式读取信号是以不同的读取序列对不同的光电转换元件的积累电荷进行读取所得的信号。

【技术实现步骤摘要】
固态摄像装置、固态摄像装置的驱动方法、以及电子设备
本专利技术涉及一种固态摄像装置、固态摄像装置的驱动方法、以及电子设备。
技术介绍
互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetalOxideSemiconductor，CMOS)图像传感器已作为使用有光电转换元件的固态摄像装置(图像传感器)而被实际运用，该光电转换元件检测光并产生电荷。CMOS图像传感器已广泛用作数码相机、摄像机、监控相机、医疗用内窥镜、个人电脑(PersonalComputer，PC)、手机等便携终端装置(移动设备)等各种电子设备的一部分。CMOS图像传感器在每个像素中带有包括光电二极管(光电转换元件)及浮动扩散层(FD：FloatingDiffusion，浮置扩散层)的FD放大器，该CMOS图像传感器的主流读取类型为列并联输出型，即，选择像素阵列中的某一行，同时向列(column)输出方向对这些行进行读取。另外，实际上已提出了列并联输出型CMOS图像传感器的各种像素信号读取(输出)电路。其中，最先进的电路之一是每列(column)包括模拟-数字转换器(ADC(Analogdigitalconverter))，将像素信号作为数字信号取出的电路(例如参照专利文献1、2)。在搭载有该列并联ADC的CMOS图像传感器(列AD方式CMOS图像传感器)中，比较器(comparator)对所谓的RAMP波与像素信号进行比较，并利用后段的计数器进行数字相关双采样(CorrelatedDoubleSampling，CDS)，由此，进行模拟数字(AnalogDigital，AD)转换。但是，此种CMOS图像传感器虽可高速传输信号，但存在无法进行全局快门读取的缺点。相对于此，已提出了数字像素(pixel)传感器，其在各像素中配置包括比较器的ADC(还配置存储部)，可实现以同一时序对像素阵列部中的所有像素开始曝光与结束曝光的全局快门(例如参照专利文献3、4)。现有技术文献专利文献[专利文献1]日本专利特开2005-278135号公报[专利文献2]日本专利特开2005-295346号公报[专利文献3]US7164114B2FIG.4[专利文献4]US2010/0181464A1
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题所述现有的包括数字像素传感器的CMOS图像传感器可实现全局快门功能，另外，在各像素中配置包括比较器的ADC，可通过特定的读取模式来扩大动态范围。再者，作为扩大动态范围的方法，例如已知有从图像传感器的同一像素读取积累时间不同的两种信号，并将该两种信号组合而扩大动态范围的方法；或利用高灵敏度的像素，将动态范围小的信号与低灵敏度地扩大动态范围后的信号加以组合而扩大动态范围的方法等。但是，所述现有的包括数字像素传感器的CMOS图像传感器需要在像素内安装比较器(comparator)及数字存储器的大量的晶体管，因此，一般难以减小像素尺寸。这样，对于所述现有的包括数字像素传感器的CMOS图像传感器，难以缩小比较器(comparator)及数字存储器，像素尺寸受限，在大动态范围化方面存在极限。本专利技术提供可利用小像素尺寸，通过特定的读取模式来扩大动态范围的固态摄像装置、固态摄像装置的驱动方法及电子设备。解决问题的方案本专利技术的第一观点的固态摄像装置包括：像素部，配置有进行光电转换的像素；以及读取部，从所述像素部的所述像素读取像素信号，所述像素包含光电转换读取部与比较器，所述光电转换读取部包含：至少一个光电转换元件，在积累期间，积累通过光电转换产生的电荷；至少一个传输元件，可在所述积累期间后的传输期间传输所述光电转换元件所积累的电荷；输出节点，通过所述传输元件而被传输由所述光电转换元件积累的电荷；复位元件，在复位期间，将所述输出节点复位为特定的电位；以及输出缓冲部，将所述输出节点的电荷转换为与电荷量对应的电压信号，并输出转换所得的电压信号，所述比较器进行对所述输出缓冲部的电压信号与参考电压进行比较，并输出数字化后的比较结果信号的比较处理，所述比较器可在所述读取部的控制下，进行对于至少两个体系的模式读取信号的比较处理，所述至少两个体系的模式读取信号是以不同的读取序列对不同的所述光电转换元件的积累电荷进行读取所得的信号。本专利技术的第二观点是固态摄像装置的驱动方法，所述固态摄像装置包括：像素部，配置有进行光电转换的像素；以及读取部，从所述像素部的所述像素读取像素信号，所述像素包含光电转换读取部与比较器，所述光电转换读取部包含：至少一个光电转换元件，在积累期间，积累通过光电转换产生的电荷；至少一个传输元件，可在所述积累期间后的传输期间传输所述光电转换元件所积累的电荷；输出节点，通过所述传输元件而被传输由所述光电转换元件积累的电荷；复位元件，在复位期间，将所述输出节点复位为特定的电位；以及输出缓冲部，将所述输出节点的电荷转换为与电荷量对应的电压信号，并输出转换所得的电压信号，所述比较器进行对所述输出缓冲部的电压信号与参考电压进行比较，并输出数字化后的比较结果信号的比较处理，在所述读取部的控制下，在所述比较器中进行对于至少两个体系的模式读取信号的比较处理，所述至少两个体系的模式读取信号是以不同的读取序列对不同的所述光电转换元件的积累电荷进行读取所得的信号。本专利技术的第三观点的电子设备包括：固态摄像装置；以及光学系统，使被拍摄体像在所述固态摄像装置中成像，所述固态摄像装置包括：像素部，配置有进行光电转换的像素；以及读取部，从所述像素部的所述像素读取像素信号，所述像素包含光电转换读取部与比较器，所述光电转换读取部包含：至少一个光电转换元件，在积累期间，积累通过光电转换产生的电荷；至少一个传输元件，可在所述积累期间后的传输期间而被传输所述光电转换元件所积累的电荷；输出节点，通过所述传输元件传输由所述光电转换元件积累的电荷；复位元件，在复位期间，将所述输出节点复位为特定的电位；以及输出缓冲部，将所述输出节点的电荷转换为与电荷量对应的电压信号，并输出转换所得的电压信号，所述比较器进行对所述输出缓冲部的电压信号与参考电压进行比较，并输出数字化后的比较结果信号的比较处理，所述比较器可在所述读取部的控制下，进行对于至少两个体系的模式读取信号的比较处理，所述至少两个体系的模式读取信号是以不同的读取序列对不同的所述光电转换元件的积累电荷进行读取所得的信号。专利技术效果根据本专利技术，可利用小像素尺寸，通过特定的读取模式来扩大动态范围。附图说明图1是表示本专利技术第一实施方式的固态摄像装置的结构例的方框图。图2是表示本专利技术第一实施方式的固态摄像装置的像素部的数字像素阵列的一例的图。图3是表示本专利技术第一实施方式的固态摄像装置的数字像素的一例的电路图。图4是表示本专利技术第一实施方式的数字像素的主要部分即包括快门栅极晶体管的电荷积累传输系统的结构例的简略剖视图。图5是表示在本第一实施方式的同一光电转本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固态摄像装置，其特征在于包括：/n像素部，配置有进行光电转换的像素；以及/n读取部，从所述像素部的所述像素读取像素信号，/n所述像素包含光电转换读取部与比较器，/n所述光电转换读取部包含：/n至少一个光电转换元件，在积累期间，积累通过光电转换产生的电荷；/n至少一个传输元件，可在所述积累期间后的传输期间传输所述光电转换元件所积累的电荷；/n输出节点，通过所述传输元件而被传输由所述光电转换元件积累的电荷；/n复位元件，在复位期间，将所述输出节点复位为特定的电位；以及/n输出缓冲部，将所述输出节点的电荷转换为与电荷量对应的电压信号，并输出转换所得的电压信号，/n所述比较器进行对所述输出缓冲部的电压信号与参考电压进行比较，并输出数字化后的比较结果信号的比较处理，/n所述比较器可在所述读取部的控制下，/n进行对于至少两个体系的模式读取信号的比较处理，所述至少两个体系的模式读取信号是以不同的读取序列对不同的所述光电转换元件的积累电荷进行读取所得的信号。/n

【技术特征摘要】
20190930 JP 2019-1799181.一种固态摄像装置，其特征在于包括：
像素部，配置有进行光电转换的像素；以及
读取部，从所述像素部的所述像素读取像素信号，
所述像素包含光电转换读取部与比较器，
所述光电转换读取部包含：
至少一个光电转换元件，在积累期间，积累通过光电转换产生的电荷；
至少一个传输元件，可在所述积累期间后的传输期间传输所述光电转换元件所积累的电荷；
输出节点，通过所述传输元件而被传输由所述光电转换元件积累的电荷；
复位元件，在复位期间，将所述输出节点复位为特定的电位；以及
输出缓冲部，将所述输出节点的电荷转换为与电荷量对应的电压信号，并输出转换所得的电压信号，
所述比较器进行对所述输出缓冲部的电压信号与参考电压进行比较，并输出数字化后的比较结果信号的比较处理，
所述比较器可在所述读取部的控制下，
进行对于至少两个体系的模式读取信号的比较处理，所述至少两个体系的模式读取信号是以不同的读取序列对不同的所述光电转换元件的积累电荷进行读取所得的信号。


2.根据权利要求1所述的固态摄像装置，其特征在于：
所述比较器可在所述读取部的控制下，
进行对于至少两个体系的模式读取信号的比较处理，所述至少两个体系的模式读取信号是以不同的读取序列对相同的所述光电转换读取部内的不同的所述光电转换元件或不同的所述光电转换读取部的所述光电转换元件的积累电荷进行读取所得的信号。


3.根据权利要求2所述的固态摄像装置，其特征在于：
所述读取部可通过多个读取模式中的至少两个体系的读取模式来进行所述像素信号的读取。


4.根据权利要求3所述的固态摄像装置，其特征在于：
所述像素包含增益切换部，其可将所述输出节点的电荷量变更为第一电荷量或第二电荷量，将所述输出缓冲部的转换增益切换为与所述第一电荷量对应的第一转换增益或与所述第二电荷量对应的第二转换增益，
所述读取部至少可通过第一读取模式、第二读取模式、第三读取模式及第四读取模式这四个体系的读取模式中的至少两个体系的读取模式来进行所述像素信号的读取，
可在所述第一读取模式时，
在所述复位期间后的复位读取期间进行第一转换增益复位读取处理或第二转换增益复位读取处理，即，从所述输出缓冲部读取以与所述输出节点的第一电荷量或第二电荷量对应的第一转换增益或第二转换增益转换后的读取复位信号，并利用所述比较器进行对于所述读取复位信号的所述比较处理，
在接续所述复位读取期间后的所述传输期间的读取期间进行第一转换增益读取处理或第二转换增益读取处理，即，从所述输出缓冲部读取以与所述输出节点的第一电荷量或第二电荷量对应的第一转换增益或第二转换增益转换后的读取信号，并利用所述比较器进行对于所述读取信号的所述比较处理；
可在所述第二读取模式时，
在所述复位期间后的复位读取期间进行第二转换增益复位读取处理，即，从所述输出缓冲部读取以与所述输出节点的第二电荷量对应的第二转换增益转换后的第二读取复位信号，并利用所述比较器进行对于所述第二读取复位信号的所述比较处理，
通过所述增益切换部来切换增益，进行第一转换增益复位读取处理，即，从所述输出缓冲部读取以与所述输出节点的第一电荷量对应的第一转换增益转换后的第一读取复位信号，并利用所述比较器进行对于所述第一读取复位信号的所述比较处理，
在接续所述复位读取期间后的第一所述传输期间的第一读取期间进行第一转换增益读取处理，即，从所述输出缓冲部读取以与所述输出节点的第一电荷量对应的第一转换增益转换后的第一读取信号，并利用所述比较器进行对于所述第一读取信号的所述比较处理，
在所述第一读取期间后，通过所述增益切换部来切换增益，在接续所述第一读取期间后的第二所述传输期间的第二读取期间进行第二转换增益读取处理，即，从所述输出缓冲部读取以与所述输出节点的第二电荷量对应的第二转换增益转换后的第二读取信号，并利用所述比较器进行对于所述第二读取信号的所述比较处理；
可在所述第三读取模式时，
在第一复位读取期间进行第一转换增益复位读取处理，即，从所述输出缓冲部读取以与所述输出节点的第一电荷量对应的第一转换增益转换后的第一读取复位信号，并利用所述比较器进行对于所述第一读取复位信号的所述比较处理，
在接续所述第一复位读取期间后的第一所述传输期间的第一读取期间进行第一转换增益读取处理，即，从所述输出缓冲部读取以与所述输出节点的第一电荷量对应的第一转换增益转换后的第一读取信号，并利用所述比较器进行对于所述第一读取信号的所述比较处理，
在所述第一读取期间后，通过所述增益切换部来切换增益，在接续所述第一读取期间后的第二所述传输期间的第二读取期间进行第二转换增益读取处理，即，从所述输出缓冲部读取以与所述输出节点的第二电荷量对应的第二转换增益转换后的第二读取信号，并利用所述比较器进行对于所述第二读取信号的所述比较处理，
在接续所述第二读取期间后的第二复位期间的第二复位信号读取期间进行第二转换增益复位读取处理，即，从所述输出缓冲部读取以与所述输出节点的第二电荷量对应的第二转换增益转换后的第二读取复位信号，并利用所述比较器进行对于所述第二读取复位信号的所述比较处理；
可在所述第四读取模式时，
在不规则的强光射入至光电转换元件的情况下，
所述输出节点的电位因溢流电荷而变动，将直到所述比较器的输出反转为止的时间利用时钟来计数，并预测信号量，在第一所述复位期间后的第一复位读取期间进行第一转换增益复位读取处理，即，从所述输出缓冲部读取以与所述输出节点的第一电荷量对应的第一转换增益转换后的第一读取复位信号，并利用所述比较器进行对于所述第一读取复位信号的所述比较处理，
在接续所述第一复位读取期间后的第一所述传输期间的第一读取期间进行第一转换增益读取处理，即，从所述输出缓冲部读取以与所述输出节点的第一电荷量对应的第一转换增益转换后的第一读取信号，并利用所述比较器进行对于所述第一读取信号的所述比较处理，
在所述第一读取期间后，通过所述增益切换部来切换增益，在接续所述第一读取期间后的第二所述传输期间的第二读取期间进行第二转换增益读取处理，即，从所述输出缓冲部读取以与所述输出节点的第二电荷量对应的第二转换增益转换后的第二读取信号，并利用所述比较器进行对于所述第二读取信号的所述比较处理，
在接续所述第二读取期间后的第二复位期间的第二复位信号读取期间进行第二转换增益复位读取处理，即，从所述输出缓冲部读取以与所述输出节点的第二电荷量对应的第二转换增益转换后的第二读取复位信号，并利用所述比较器进行对于所述第二读取复位信号的所述比较处理。


5.根据权利要求3或4所述的固态摄像装置，其特征在于：
所述读取部：
通过所述第四读取模式或所述第三读取模式，对所述不同的光电转换元件中的一个所述光电转换元件的积累电荷，进行作为所述像素信号的读取，
并通过除了所述第四读取模式或所述第三读取模式以外的至少所述第一读取模式及所述第二读取模式中的任一个读取模式，对剩余的所述光电转换元件的积累电荷，进行作为所述像素信号的读取。


6.根据权利要求3或4所述的固态摄像装置，其特征在于：
于一个所述比较器选择性地连接有多个所述光电转换读取部，一个所述比较器由多个所述光电转换读取部共享，
所述读取部对于所述一个比较器，通过所述第四读取模式，仅对所述多个共享光电转换读取部中的一个光电转换元件的积累电荷，进行作为所述像素信号的读取。


7.根据权利要求6所述的固态摄像装置，其特征在于：
所述读取部通过除了所述第四读取模式或所述第三读取模式以外的至少所述第一读取模式及所述第二读取模式中的任一个读取模式，对剩余的所述光电转换元件的积累电荷，进行作为所述像素信号的读取。


8.根据权利要求1至7中任一项所述的固态摄像装置，其特征在于：
所述像素的所述光电转换读取部包含电荷溢流栅极元件，其连接于所述光电转换元件，可使电荷从所述光电转换元件向所述输出节点区域方向或所述输出节点区域外方向溢流。


9.根据权利要求4至7中任一项所述的固态摄像装置，其特征在于：
所述像素的所述光电转换读取部包含电荷溢流栅极元件，其连接于所述光电转换元件，可使电荷从所述光电转换元件向所述输出节点区域方向或所述输出节点区域外方向溢流，
在所述第四读取模式时，使读取对象的所述光电转换元件的溢流电荷向所述输出节点侧溢流。


10.根据权利要求9所述的固态摄像装置，其特征在于：
在所述传输元件的至少比通道形成区域更深的层形成有溢流路径。


11.根据权利要求10所述的固态摄像装置，其特征在于：
所述溢流路径的电位可通过所述传输元件的栅极电位控制。


12.根据权利要求4、5、6、7、9、10或11所述的固态摄像装置，其特征在于：
所述像素的所述光电转换读取部包含电荷溢流栅极元件，其连接于所述光电转换元件，可使电荷从所述光电转换元件向所述输出节点区域方向或所述输出节点区域外方向溢流，
在除了所述第四读取模式或所述第三读取模式以外的至少所述第一读取模式及所述第二读取模式中的任一个读取模式时，使读取对象的所述光电转换元件的溢流电荷溢流至所述电荷溢流栅极元件。


13.根据权利要求12所述的固态摄像装置，其特征在于：
在所述电荷溢流栅极元件的至少通道形成区域下形成溢流路径。


14.根据权利要求8至13中任一项所述的固态摄像装置，其特征在于：
所述电荷溢流栅极元件作为将所述光电转换元件的积累电荷传输至所述输出节点区域外的快门栅极而发挥功能。


15.根据权利要求14所述的固态摄像装置，其特征在于：
所述传输元件与所述电荷溢流栅极元件分别以个别的时序而受到驱动控制。


16.根据权利要求15所述的固态摄像装置，其特征在于：
所述像素的所述光电转换读取部在所述传输元件为非导通状态下，以所述电荷溢流栅极元件从导通状态切换为非导通状态的时序，开始曝光期间。


17.根据权利要求16所述的固态摄像装置，其特征在于：
所述曝光期间：
在所述第一读取模式的情况下，
是从所述电荷溢流栅极元件从导通状态切换为非导通状态的时序，到所述传输期间中所述传输元件从导通状态切换为非导通状态的时序为止，
在所述第二读取模式及所述第三读取模式的情况下，
是从所述电荷溢流栅极元件从导通状态切换为非导通状态的时序，到所述所述第二传输期间中所述传输元件从导通状态切换为非导通状态的时序为止，
在所述第四读取模式的情况下，
是从所述电荷溢流栅极元件从导通状态切换为非导通状态的时序，到所述比较器侧进行自动归零动作的时序为止。


18.根据权利要求12至17中任一项所述的固态摄像装置，其特征在于：
所述增益切换部包含：
积累元件，连接于所述输出节点；以及
积累电容元件，经由所述积累元件积累所述输出节点的电荷，
所述读取部将所述传输元件、所述电荷溢流栅极元件及所述复位元件保持为非导通状态，且将所述积累元件保持为非导通状态，使所述输出节点的电荷与所述积累电容元件的电荷分离而执行所述第一转换增益复位读取处理及所述第一转换增益信号读取处理，
在所述第一读取模式及所述第二读取模式的情况下，
将所述传输元件、所述电荷溢流栅极元件及所述复位元件保持为非导通状态，且将所述积累元件保持为导通状态，使所述输出节点的电荷与所述积累电容元件的电荷被共享而执行所述第二转换增益复位读取处理，
将所述传输元件及所述复位元件保持为非导通状态，将所述电荷溢流栅极元件保持为导通状态，且将所述积累元件保持为导通状态，使所述输出节点的电荷与所述积累电容元件的电荷被共享而执行所述第二转换增益信号读取处理，
在所述第三读取模式及所述第四读取模式的情况下，
将所述传输元件及所述复位元件保持为非导通状态，将所述电荷溢流栅极元件保持为导通状态，且将所述积累元件保持为导通状态，使所述输出节点的电荷与所述积累电容元件的电荷被共享而执行所述第二转换增益复位读取处理及所述第二转换增益信号读取处理。


19.根据权利要求18所述的固态摄像装置，其特征在于：
所述像素的所述光电转换读取部包含：
第一光电转换元件，在积累期间，积累通过光电转换产生的电荷；

【专利技术属性】
技术研发人员：宫内健，盛一也，
申请(专利权)人：普里露尼库斯股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71