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      固態(tài)攝像元件和電子裝置的制造方法_2

      文檔序號(hào):9816703閱讀:來(lái)源:國(guó)知局
      均值在960LSB土64LSB的范圍內(nèi)變化。因此,當(dāng)切換選擇器18的選擇時(shí),照度值從960LSB ± ILSB的范圍變化至960LSB 土 64LSB的范圍,從而使照度值的線性度劣化。
      [0072]通過(guò)減小短期累積圖像與長(zhǎng)期累積圖像之間的曝光比來(lái)改善線性度的這樣的劣化,但是短期累積圖像與長(zhǎng)期累積圖像之間的曝光比的減小導(dǎo)致照度值的動(dòng)態(tài)范圍變小。換言之,在多次曝光圖像傳感器中,在照度值的線性度的改善與照度值的動(dòng)態(tài)范圍的擴(kuò)展之間存在著效益背反(trade-off)的關(guān)系。
      [0073]〈第一實(shí)施例〉
      [0074](CMOS圖像傳感器的第一實(shí)施例的第一構(gòu)造例)
      [0075]圖7圖示了作為應(yīng)用本發(fā)明的固態(tài)攝像元件的CMOS圖像傳感器的第一實(shí)施例的第一構(gòu)造例。
      [0076]CMOS圖像傳感器100被構(gòu)造為包括數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC) 110、像素陣列部111、垂直驅(qū)動(dòng)器112 JUADC 113-1和113-2、水平驅(qū)動(dòng)器114-1和114-2、系統(tǒng)控制器115、像素驅(qū)動(dòng)線116、垂直信號(hào)線117-1和117-2、動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展器118和積分器119。
      [0077]DAC 110、像素陣列部111、垂直驅(qū)動(dòng)器112 JiJADC 113-1和113-2、水平驅(qū)動(dòng)器114-1和114-2、系統(tǒng)控制器115、像素驅(qū)動(dòng)線116、垂直信號(hào)線117-1和117-2、動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展器118和積分器119形成在半導(dǎo)體基板(未示出)上。
      [0078]動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展器118和積分器119不被包含于CMOS圖像傳感器100中,且動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展器118和積分器119例如可以作為諸如數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)等外部信號(hào)處理器而被設(shè)置在與CMOS圖像傳感器100不同的基板上。
      [0079]CMOS圖像傳感器100拍攝被攝體的圖像且輸出拍攝圖像的照度值。
      [0080]具體地,DAC 110對(duì)預(yù)定數(shù)字值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,并且產(chǎn)生與通過(guò)列ADC 113-1和113-2進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換而獲得的10位數(shù)字值相對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)電壓。在這種情況下,從數(shù)字值I順序地產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓。DAC 110將產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓供給至列ADC 113-1和113-2。
      [0081]像素陣列部111包括以矩陣形式二維地布置在內(nèi)部的像素131。像素131均包括較短曝光時(shí)間的短期累積像素131A和較長(zhǎng)曝光時(shí)間的長(zhǎng)期累積像素131B。短期累積像素131A和長(zhǎng)期累積像素131B均具有用作產(chǎn)生電荷且將電荷累積其中的光電轉(zhuǎn)換器件的光電二極管,所述電荷的電荷量取決于曝光時(shí)間內(nèi)入射的光量(照度)的電荷。長(zhǎng)期累積像素131B的曝光時(shí)間是短期累積像素131A的曝光時(shí)間的64倍。
      [0082]像素陣列部111的短期累積像素131A和長(zhǎng)期累積像素131B以行為單位規(guī)則地布置。具體地,對(duì)于各行,短期累積像素131A和長(zhǎng)期累積像素131B交替地、彼此等量地布置。在圖7的示例中,短期累積像素131A和長(zhǎng)期累積像素131B以四行九列的方式布置于像素陣列部111,但是短期累積像素131A和長(zhǎng)期累積像素131B的數(shù)量不限于此。
      [0083]在像素陣列部111中,相對(duì)于短期累積像素131A和長(zhǎng)期累積像素131B,像素驅(qū)動(dòng)線116針對(duì)各行形成在圖的左右方向(行方向)且垂直信號(hào)線117針對(duì)各列形成在圖的上下方向(列方向)。像素驅(qū)動(dòng)線116的一端連接至垂直驅(qū)動(dòng)器112的與各行短期累積像素131A或長(zhǎng)期累積像素131B相對(duì)應(yīng)的輸出端(未示出)。
      [0084]垂直驅(qū)動(dòng)器112被構(gòu)造為包括移位寄存器或地址解碼器等。垂直驅(qū)動(dòng)器112是以行為單位對(duì)像素陣列部111的短期累積像素131A和長(zhǎng)期累積像素131B進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的像素驅(qū)動(dòng)單元。未圖示垂直驅(qū)動(dòng)器112的具體構(gòu)造,但是垂直驅(qū)動(dòng)器112被構(gòu)造為包括讀取掃描系統(tǒng)和掃除掃描系統(tǒng)這兩個(gè)掃描系統(tǒng)。
      [0085]在讀取掃描系統(tǒng)中,從頂部分別順序地選擇各行短期累積像素131A和各行長(zhǎng)期累積像素131B,從而以行為單位從頂部順序地將分別累積在短期累積像素131A和長(zhǎng)期累積像素131B中的電荷的模擬信號(hào)同時(shí)讀取為成像信號(hào)。在讀取掃描系統(tǒng)中,從與所選行中的像素驅(qū)動(dòng)線116連接的輸出端輸出傳輸脈沖。
      [0086]比讀取系統(tǒng)進(jìn)行的掃描提前了曝光時(shí)間,掃除掃描系統(tǒng)從與各行中的像素驅(qū)動(dòng)線116連接的輸出端輸出控制脈沖以掃除(復(fù)位)來(lái)自短期累積像素131A和長(zhǎng)期累積像素131B的光電二極管的不必要的電荷。掃除掃描系統(tǒng)進(jìn)行的掃描可以對(duì)各行的短期累積像素131A和長(zhǎng)期累積像素131B順序地進(jìn)行所謂的電子快門(mén)操作。在這里,所述電子快門(mén)操作指的是這樣的操作:丟棄掉光電二極管的電荷且開(kāi)始新的曝光處理(開(kāi)始電荷的累積)。
      [0087]從垂直驅(qū)動(dòng)器112的讀取掃描系統(tǒng)選擇的行中的短期累積像素131A輸出的成像信號(hào)通過(guò)各個(gè)對(duì)應(yīng)的垂直信號(hào)線117-1供給至列ADC 113-1。此外,從垂直驅(qū)動(dòng)器112的讀取掃描系統(tǒng)選擇的行中的長(zhǎng)期累積像素131B輸出的成像信號(hào)通過(guò)各個(gè)對(duì)應(yīng)的垂直信號(hào)線117-2供給至列ADC 113-2。
      [0088]列ADC113-1包括針對(duì)像素陣列部111的每一列的比較器141和計(jì)數(shù)器142。列ADC
      113-1起到短期累積轉(zhuǎn)換器的作用,并且對(duì)通過(guò)垂直信號(hào)線117-1從選擇行中的短期累積像素131A輸出的成像信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理。
      [0089]具體地,作為比較器的輸入,比較器141通過(guò)垂直信號(hào)線117-1接收選擇行中的各像素的成像信號(hào)并且也接收來(lái)自DAC 110的基準(zhǔn)電壓。比較器141將成像信號(hào)與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。當(dāng)成像信號(hào)大于基準(zhǔn)電壓時(shí),比較器141將該信號(hào)輸入至計(jì)數(shù)器142。當(dāng)接收到來(lái)自比較器141的信號(hào)時(shí),計(jì)數(shù)器142遞增自身的計(jì)數(shù)值。計(jì)數(shù)器142的初始值設(shè)定為O。
      [0090]每當(dāng)基準(zhǔn)電壓被輸入時(shí),列ADC113-1就進(jìn)行如上所述的處理。因此,計(jì)數(shù)值變成與各像素的成像信號(hào)相對(duì)應(yīng)的10位數(shù)字值。計(jì)數(shù)器142將與所有的10位數(shù)字值相對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)電壓都被輸入之后被保持的10位計(jì)數(shù)值供給至水平驅(qū)動(dòng)器114-1作為像素值,并且使計(jì)數(shù)值復(fù)位至初始值。
      [0091]水平驅(qū)動(dòng)器114-1被構(gòu)造為包括移位寄存器或地址解碼器等,并且從左列起順序地選擇列ADC 113-1的計(jì)數(shù)器142。水平驅(qū)動(dòng)器114-1進(jìn)行的選擇性掃描使得列ADC 113-1的計(jì)數(shù)器142輸出的短期累積像素131A的像素值能夠從左列起被順序地輸出至動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展器 118。
      [0092]列ADC113-2具有針對(duì)像素陣列部111的每一列的比較器151和計(jì)數(shù)器152。列ADC
      113-2起到長(zhǎng)期累積轉(zhuǎn)換器的作用,并且以與列ADC113-1類(lèi)似的方式對(duì)通過(guò)垂直信號(hào)線117-2從選擇行的長(zhǎng)期累積像素131B輸出的成像信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理。列ADC 113-2的計(jì)數(shù)器152將通過(guò)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理而獲得的10位像素值供給至水平驅(qū)動(dòng)器114-2,并且使計(jì)數(shù)值復(fù)位至初始值。
      [0093]水平驅(qū)動(dòng)器114-2被構(gòu)造為包括移位寄存器或地址解碼器等,并且與水平驅(qū)動(dòng)器
      114-1同時(shí)地從左列起順序地選擇列ADC113-2的計(jì)數(shù)器152。水平驅(qū)動(dòng)器114-2進(jìn)行的選擇性掃描使列ADC 113-2的計(jì)數(shù)器152輸出的長(zhǎng)期累積像素131B的像素值能夠與短期累積像素131A的像素值同時(shí)地從左列起順序地被輸出至動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展器118。
      [0094]系統(tǒng)控制器115被構(gòu)造為包括產(chǎn)生各種時(shí)序信號(hào)的時(shí)序發(fā)生器等。系統(tǒng)控制器115基于時(shí)序發(fā)生器產(chǎn)生的各種時(shí)序信號(hào)來(lái)控制垂直驅(qū)動(dòng)器112、列ADC 113-1和113-2以及水平驅(qū)動(dòng)器114-1和114-2。
      [0095]動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展器118將水平驅(qū)動(dòng)器114-1供給來(lái)的短期累積像素131A的10位像素值乘以作為增益的64來(lái)獲得16位乘法值,作為增益的64是長(zhǎng)期累積像素131B的曝光時(shí)間與短期累積像素131A的曝光時(shí)間的比值。動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展器118根據(jù)從水平驅(qū)動(dòng)器114-2供給來(lái)的長(zhǎng)期累積像素131B的像素值來(lái)判定長(zhǎng)期累積像素131B的光電二極管的累積電荷是否飽和。
      [0096]動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展器118根據(jù)判定結(jié)果來(lái)選擇短期累積像素131A的16位乘法值或長(zhǎng)期累積像素131B的10位像素值。這樣,以像素為單位對(duì)像素值進(jìn)行了動(dòng)態(tài)范圍的擴(kuò)展。動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展器118將選擇的短期累積像素131A的16位乘法值或選擇的長(zhǎng)期累積像素131B的10位像素值供給至積分器119。
      [0097]積分器119根據(jù)短期累積像素131A(長(zhǎng)期累積像素131B)的數(shù)量對(duì)從動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展器118供給來(lái)的短期累積像素131A的16位乘法值或長(zhǎng)期累積像素131B的10位像素值進(jìn)行積分。積分器119將產(chǎn)生的積分值除以短期累積像素131A(長(zhǎng)期累積像素131B)的數(shù)量,并且輸出得到的16位平均值作為照度值。
      [0098](短期累積像素131A和長(zhǎng)期累積像素13IB的示例性構(gòu)造)
      [0099]圖8圖示了圖7的短期累積像素131A和長(zhǎng)期累積像素131B的示例性構(gòu)造。
      [0100]在圖8中,白色正方形表示長(zhǎng)期累積像素131B且灰色正方形表示短期累積像素131Ao
      [0101]如圖8所示,短期累積像素131A和長(zhǎng)期累積像素131B例如是以拜耳(Bayer)陣列的方式排列的像素。換言之,短期累積像素131A和長(zhǎng)期累積像素131B均由四個(gè)子像素161至164組成。在左上的子像素161中,它的表面形成有紅色(R)濾色器且子像素161的光電二極管累積入射光中的紅光。在右上的子像素162和左下的子像素163中,它們的表面形成有綠色(G)濾色器且子像素162和子像素163的光電二極管分別累積入射光中的綠光。在右下的子像素164中,它的表面形成有藍(lán)色(B)濾色器且子像素164的光電二極管累積入射光中的藍(lán)光。
      [0102]短期累積像素131A(長(zhǎng)期累積像素131B)的子像素161至164在這里統(tǒng)稱為短期累積像素131A(長(zhǎng)期累積像素131B)。此外,子像素161至164的像素值和成像信號(hào)被統(tǒng)稱為短期累積像素131A(長(zhǎng)期累積像素131B)的像素值和成像信號(hào)。
      [0103](動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展器118和積分器119的示例性構(gòu)造)
      [0104]圖9圖示了動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展器118和積分器119的示例性構(gòu)造。
      [0105]圖9的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展器118被構(gòu)造為包括乘法器171、飽和檢測(cè)器172和選擇器173。
      [0106]動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展器118的乘法器171將從水平驅(qū)動(dòng)器114-1供給來(lái)的短期累積像素131A的像素值乘以作為增益的64,并且將得到的乘法值供給至選擇器173。
      [0107]飽和檢測(cè)器172將從水平驅(qū)動(dòng)器114-2供給來(lái)的長(zhǎng)期累積像素131B的像素值與長(zhǎng)期累積像素131B的像素值的最大值進(jìn)行比較,并且判定長(zhǎng)期累積像素131B的光電二極管中的累積電荷是否飽和。飽和檢測(cè)器172將表示判定結(jié)果的飽和信號(hào)供給至選擇器173。
      [0108]選擇器173根據(jù)從飽和檢測(cè)器172供給來(lái)的飽和信號(hào)來(lái)選擇從乘法器171供給來(lái)的乘法值和從水平驅(qū)動(dòng)器114-2供給來(lái)的長(zhǎng)期累積像素131B的像素值中的一者。關(guān)于此,像素陣列部111的排列如圖8所示,且從頂行中的左列起順序地分別讀取短期累積像素131A和長(zhǎng)期累積像素131B。因此,與輸入至選擇器173的短期累積像素131A的乘法值相對(duì)應(yīng)的顏色和與輸入至選擇器173的長(zhǎng)期累積像素131B的像素值相對(duì)應(yīng)的顏色是相同的。選擇器173將選擇的短期累積像素131A的乘法值或選擇的長(zhǎng)期累積像素131B的像素值供給至積分器119。
      [0109]積分器119被構(gòu)造為包括加法器181和寄存器182。積分器119的加法器181將從選擇器173供給來(lái)的短期累積像素131A的乘法值或從選擇器173供給來(lái)的長(zhǎng)期累積像素131B的像素值與從寄存器182供給來(lái)的加法值相加。加法器181將獲得的加法值供給至寄存器182。
      [0110]寄存器182保持從加法器181供給來(lái)的加法值。當(dāng)加法器181進(jìn)行加法時(shí),寄存器182將保持的加法值供給至加法器181。當(dāng)短期累積像素131A的乘法值或長(zhǎng)期累積像素131B的像素值依據(jù)布置在像素陣列部111中的短期累積像素131A(長(zhǎng)期累積像素131B)的數(shù)量而被相加后,寄存器182將保持的加法值除以短期累積像素131A(長(zhǎng)期累積像素131B)的數(shù)量,并且輸出被除值的平均值作為照度值。
      [0111](照度值的說(shuō)明)
      [0112]圖1O用來(lái)說(shuō)明CMOS圖像傳感器100輸出的照度值。
      [0113]在圖10的示例中,像素陣列部111中的長(zhǎng)期累積像素131B拍攝的長(zhǎng)期累積圖像是如圖4中所示的長(zhǎng)期累積圖像30,其中,僅一些長(zhǎng)期累積像素131B中的累積電荷飽和。
      [0114]在這種情況下,如參照?qǐng)D5所述,與理想照度值52的線性度相比,設(shè)置有圖2的照度值計(jì)算器10的多次曝光圖像傳感器輸出的照度值51的線性度劣化。
      [0115]與此相比,在CMOS圖像傳感器100中,針對(duì)各個(gè)長(zhǎng)期累積像素131B判斷累積電荷是否飽和。因此,累積電荷不飽和的短期累積像素131A的積分值被選作通過(guò)對(duì)與累積電荷飽和的長(zhǎng)期累積像素131B相對(duì)應(yīng)的區(qū)域31進(jìn)行動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展而獲得的像素值。這使得對(duì)用來(lái)計(jì)算照度值的區(qū)域31進(jìn)行動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展而獲得的像素值與入射光的照度成比例。
      [0116]因此,從CMOS圖像傳感器100輸出的照度值191的線性度與照度值51的線性度相比得到改善,并且接近于理想照度值52的線性度。
      [0117]此外,在多次曝光圖像傳感器中,當(dāng)對(duì)各像素進(jìn)行累積電荷是否飽和的判斷時(shí),需要設(shè)置對(duì)第一曝光期間的圖像進(jìn)行保持的幀存儲(chǔ)器。然而,CMOS圖像傳感器100同時(shí)地獲得短期累積像素131A和長(zhǎng)期累積像素131B的像素值,因此不必設(shè)置幀存儲(chǔ)器。因此,CMOS圖像傳感器100能
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