[发明专利]固态成像装置，固态成像装置的驱动方法和电子设备

说明书

技术领域

本发明涉及固态成像装置，固态成像装置的驱动方法和电子设备，具体地，涉及对应于全域快门(global shutter)的固态成像，固态成像装置的驱动方法和电子设备。

背景技术

在现有技术中，已经提出，通过对一个光电二极管提供两个势阱(potential well)可扩展固态成像装置的动态范围(例如，参照国际公开第WO2007-83704号)。具体地，在光电二极管的两侧均设置势阱，使得相对于同样强度的光在电荷的流入量上存在差异。因此，已经提出，将在流入量较大的势阱中累积的电荷作为高灵敏度信号读出，而将在流入量较小的势阱中累积的电荷作为低灵敏度信号读出，从而通过利用这两种信号来扩展固态成像装置的动态范围。

此外，在现有技术中，已经研发出用于CMOS高速图像传感器的全像素同步电子快门(all-pixel simultaneous electronic shutter)。该全像素同步电子快门同时开始对成像有效的所有像素的曝光并执行同时结束曝光的操作，其也被称为全域快门(全域曝光)。

此外，在现有技术中，已经提出，通过在像素中设置两个电荷保持单元，则可以使用全域快门对运动图像成像(例如，参照国际公开第WO2009-296574号)。具体地，第一电荷保持单元和第二电荷保持单元两个电荷保持单元设置在光电二极管和浮置扩散区(FD区)之间。然后，在先前帧中累积的电荷保持在第二电荷保持单元中，并转移到每一行的FD区域，基于先前帧的电荷来读取像素信号。同时，光电二极管被复位以同时用于所有像素并开始曝光，对于所有像素，光电二极管中累积的电荷同时被转移到第一电荷保持单元。据此，可以使用全域快门对运动图像成像。

发明内容

然而，根据由国际公开第WO2007-83704号所描述的发明，对一个像素设置两个浮置扩散区。因此，每个像素的光电二极管区域变得更小，灵敏度降低。相反，除非使得每个像素的光电二极管区域更小，否则每个像素的区域变得很大，从而固态成像装置的尺寸变得很大。

此外，根据由国际公开第WO2007-83704所描述的发明，电荷从一个光电二极管被转移到设置在不同方向上的两个势阱。然而，很难在光电二极管中形成杂质分布，以使得可以从一个光电二极管在不同的方向上完全转移电荷。结果，根据由国际公开第WO2007-83704所描述的发明，存在如下情况，累积在光电二极管中的电荷没有被完全转移而继续保留，或在对两个势阱的电荷转移量的特性上像素之间存在变化。结果，在像素特性上存在噪声、变化等，从而导致了图像质量的恶化。

此外，根据国际公开第WO2007-83704的发明，由于执行全域快门是不可能，而执行了所谓的滚动快门(rolling shutter)，所以各行的曝光时间有差异，特别地，快速移动的物体以失真的方式被成像。

而且，根据由国际公开第WO2009-296574号所描述的发明，除了电荷保持单元，还设置了将累积在光电二极管中的多余电荷放掉的电荷释放单元。然而，如上所述，在技术上，很难从一个光电二极管在不同方向上完全将电荷转移。结果，由于上述原因，在像素特性上存在噪声、变化等，从而导致了图像质量的劣化。

期望能够提高使用全域快门成像的图像的图像质量。更具体地，期望扩展动态范围而不会降低使用全域快门成像的图像的图像质量。更进一步，期望能够提高使用全域快门成像的运动图像的图像质量。

根据本发明第一个实施方式中的固态成像装置，二维排列多个单元像素，所述单元像素设置有光电转换元件、具有多级的电荷转移累积单元以及电荷检测单元，所述具有多级的电荷转移累积单元能够顺序转移在光电转换元件中产生的电荷并累积所述电荷，所述电荷检测单元保存从光电转换元件经由具有多级的电荷转移累积单元转移的电荷以将电荷作为信号读出；其中，在将光电转换元件复位之后，所有多个单元像素同时顺序将在均具有不同持续时间的多个连续曝光时间内光电转换元件中产生的多个信号电荷转移到电荷转移累积单元，并在不同的各电荷转移累积单元中累积多个信号电荷，并且以一个或多个像素为像素单位将多个信号电荷以转移至电荷转移累积单元的顺序转移至电荷检测单元，并读出分别对应于多个信号电荷的多个信号。

在多个连续曝光时间内，越后的曝光时间可以具有越短的持续时间。

在多个连续曝光时间开始之前当光电转换元件复位时，光电转换元件中累积的多余电荷能够被释放到电荷转移累积单元中。