[发明专利]固态成像器件、驱动固态成像器件的方法和成像设备

说明书

本申请是基于申请日为2006年10月30日、申请号为200610150385.5、发明名称为“固态成像器件、驱动固态成像器件的方法和成像设备”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及固态成像器件、驱动固态成像器件的方法和成像设备。

背景技术

近些年来，在适用于视频摄像机、数字静态摄像机等的被称为固态成像器件的CCD(电荷耦合器件)图像传感器和放大型图像传感器中，通过在高灵敏度或者减小图像尺寸的情况下增加像素的数量，进行了像素尺寸的小型化。另一方面，一般来说，诸如CCD图像传感器或者CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器之类的固态成像器件往往被用于各种环境，诸如室内和室外，白天和夜晚，因此，电子快门操作等常常是必要的，其中，根据外部光线的变化等控制光电转换元件中的电荷存储时间，来调节曝光时间，使得灵敏度为最佳值。

作为扩展CMOS图像传感器的动态范围的方法，已知如下几种方法：通过高速打开电子快门调节曝光时间的方法；以高速获取多个帧并且将其叠加的方法；允许光接收区的光电转换特性为对数响应的方法等。

但是，当在具有其中明区和暗区相混合的高对比度的图像摄取景象中使用高速打开电子快门的方法时，难以保证足够的曝光时间，尤其是在暗区中，即在低亮度景象中，因此S/N劣化并且图像质量下降。在高速获取多个帧并且将其叠加的方法中，与简单地打开电子快门的方法相比，通过叠加图像可以改善S/N，但是，由于对应于多帧的多次读出而累积读出导致的噪音，因此，在低亮度景象中S/N也发生劣化。通过对数响应特性扩散动态范围是有效的，但是，由在亚阈值区工作的晶体管的阈值变化导致的固定模式噪音变得明显，尤其在低亮度区域。例如，当从房间对窗户旁边的人进行摄影时，如果针对人调节灵敏度，这窗户的景象是饱和白色的并且难以被复制。如果针对窗户的景象调节灵敏度，则摄取的人较黑暗，因为即使通过摄影之后的放大也难以充分保证信号电平并且难以获得高质量的图像，所以S/N降低。

在摄影场景中，必要的是，在传感器上用少量的入射光在像素中通过长时间曝光来实现的高S/N，以及通过避免大量入射光造成的像素中的饱和而扩展动态范围。

在相关技术中，作为实现高S/N的方法(其几乎等价于在低亮度下的像素中的常规操作和在高亮度下在像素中扩展动态范围)，已知一种记载于IEEE International Solid-State Circuits Conference(IS SCC)2005，pp.354，2005年2月(非专利文件1)中的技术。具体地，如图40所示，在放大型图像传感器(其中像素100被布置成矩阵形式，其包括光电二极管101、转移晶体管102、复位晶体管103、放大晶体管1104和选自晶体管105)中，当转移晶体管102被关断时，如果存储的电子超过某一电平，则被施加到控制电极的电压被设置到电平Vtrg，而不是通常使得晶体管完全关断的电平，其中多余的电子被允许溢流到FD区106。

当电子被存储在光电二极管101中并且超过电平Vtrg，则在亚阈值区域启动到FD区106的漏流。因为漏流在亚阈值区域运行，所以保留在光电二极管101中的电子的数量是对数响应。

如图41所示，在时段t0处的复位操作之后，执行存储，同时电压Vtrg被施加到转移晶体管102的控制电极。在其中被存储的电子的数量较少的时段t1的状态中，所有电子都被存储在光电二极管101中，但是，当被存储的电子的数量超过电平Vtrg时，电子开始泄漏到FD区106，如时段t2处所示的。

因为亚阈值区域中的电子漏流，即使当存储继续进行时(t3)，电子也以相对于入射光强度的对数特性被存储。在时段t4，FD区中溢流的电子被复位，并且存储在光电二极管101中的所有电子通过完全转移被读出。入射光强度和输出电子的数量之间的关系被示于图42中。在入射光明显超过由电压Vtrg设定的线性区域的上限Qlinear的情况下，输出电子的数量由对数响应确定。

然而，虽然据报道在非专利文件1中所记载的相关技术中实现了124dB的动态范围，但是其中实现高S/N的线性区域的饱和水平小于常规饱和水平Qs的一半。此外，虽然利用对数响应实现了极宽的动态范围，但是对数响应电路往往受到阈值变化等的影响，因此，在宽的动态范围区中仍存在大的固定模式噪音，其中，即使在执行了对于阈值变化的消除操作之后，当线性区域中的固定模式噪音为0.8mV时，在对数区域中所述固定模式噪音为5mV。