CN114982224A - 固态成像装置、驱动固态成像装置的方法以及电子装置 - Google Patents

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Abstract

根据实施例的固态成像装置设置有：光电转换单元；电荷传输单元，用于传输在光电转换单元中存储的电荷；第一电荷调制单元，电荷通过电荷传输单元从光电转换单元传输到第一电荷调制单元；第二电荷调制单元；电荷存储单元，用于在存储周期期间存储从光电转换单元溢出的电荷；调制开关单元，用于将第一电荷调制单元和第二电荷调制单元耦接或分离；以及电容连接单元，用于耦接或分离第二电荷调制单元和电荷存储单元。在第一电荷调制单元独立以及在第一电荷调制单元与第二电荷调制单元通过调制开关单元耦接的状态下，将在光电转换单元中存储的电荷调制为电压信号，并且连续读取具有不同转换效率的电压信号。将在存储周期期间在光电转换单元中存储的电荷和从光电转换单元溢出的电荷调制为电压信号，并且在通过耦接第一电荷调制单元、第二电荷调制单元和电荷存储单元而获得的电容处读取电压信号。

Description

固态成像装置、驱动固态成像装置的方法以及电子装置
技术领域
本公开涉及固态成像装置、驱动固态成像装置的方法以及电子装置。
背景技术
在车载图像传感器中，已经突出了称为“LED闪烁”的问题，其中，不能根据闪烁时序对诸如LED光源的闪烁对象对象进行成像。因此该LED闪烁是由于传统的图像传感器具有低的动态范围并且需要调整每个对象的曝光时间而发生的缺陷。
顺便提及，为了应对具有各种照度的对象，针对低照度对象将曝光时间设置为长，并且针对高照度对象将曝光时间设置为短。以这种方式，图像传感器被设计为即使在低动态范围中也能够应对各种对象。
另一方面，与曝光时间无关，读取速度恒定。因此，在以短于读出时间的单位设定曝光时间的情况下，在除曝光时间之外的时序入射在光电二极管上的光被光电转换为电荷，但是在电荷-电压转换之后不被读出并被丢弃。因此，即使LED光源在除了曝光时间之外的无效时间段内闪烁，LED光源也不会被成像并且发生LED闪烁。
为了应对LED闪烁，需要扩大动态范围。已知各种动态范围扩展技术，并且其示例包括时分方法(例如，参见专利文献1)、空分方法(例如，参见专利文献2)以及在像素中设置存储器以直接增加处理的电荷量的方法(例如，参见专利文献3)。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本专利号4973115
专利文献2：日本专利号3071891
专利文献3：日本专利申请公开号2006-253876
专利文献4：日本专利号4317115
专利文献5：日本专利号5066704
发明内容
本发明要解决的问题
例如，图像合成对于确保例如120dB的动态范围是必要的，但是在时分方法中不能避免运动对象的伪影。在不使用时分法的情况下，使用灵敏度差和电容差，但是由于像素的小型化，仅通过灵敏度差和电容差难以获得足够的动态范围。
此外，即使在通过在像素中设置存储器以增加电荷处理量扩大在高照度侧的动态范围的情况下(例如，参见专利文献4和5)，也需要同时要求低照度特性，但是为了提高转换效率和确保低照度特性，需要尽可能地减小浮置扩散的容量。然而，如果浮置扩散的电容减小，则累积在光电二极管中的光电荷不能被完全接收。此时，不能完全接收的光电荷与累积在像素内电容中的光电荷结合并被读出。然而，由于通过增量数据采样执行从像素内电容的信号读取，所以信号容易受到kTC噪声和由界面状态引起的白电流和暗电流的影响，并且浪费了累积在光电二极管中并且通过相关双采样可以最初读出的光电荷。
本发明是鉴于上述情况而完成的，并且本发明的目的是在低照度特性方面提供优异并且能够扩展动态范围的固态成像装置、驱动固态成像装置的方法以及电子装置。
问题的解决方案
根据实施例的固态成像装置包括：光电转换单元；电荷传输单元，被配置为传输累积在光电转换单元中的电荷；第一电荷调制单元，电荷通过电荷传输单元从光电转换单元传输到第一电荷调制单元；第二电荷调制单元；调制开关单元，被配置为将第一电荷调制单元和第二电荷调制单元耦接或分离；电荷累积单元，被配置为在累积周期期间累积从光电转换单元溢出的电荷；以及电容连接单元，被配置为耦接或分离第二电荷调制单元和电荷累积单元，其中，在第一电荷调制单元独立的状态以及第一电荷调制单元和第二电荷调制单元通过调制开关单元耦接的状态下，将累积在光电转换单元中的电荷调制为电压信号，并连续读取具有不同转换效率的电压信号，此外，累积在光电转换单元中的电荷和在累积周期期间从光电转换单元溢出的电荷调制为电压信号，并在通过由调制开关单元和电容连接单元耦接第一电荷调制单元，第二电荷调制单元和电荷累积单元而获得的电容中读取电压信号。
附图说明
图1是示出根据第一实施例的构成固态成像装置的像素的示例的示意性配置图。
图2是第一实施例的处理时序图。
图3A是根据第一实施例的电位图。
图3B是根据第一实施例的电位图。
图4是示出构成根据第一实施例的第一变形例的固态成像装置的像素的示例的示意性配置图。
图5是第一实施例的第一变形例的处理时序图。
图6A是第一实施例的第一变形例的电位图。
图6B是第一实施例的第一变形例的电位图。
图7是示出构成根据第一实施例的第二变形例的固态成像装置的像素的示例的示意性配置图。
图8是第一实施例的第二变形例的处理时序图。
图9是第一实施例的第二变形例的电位图。
图10是示出构成根据第二实施例的固态成像装置的像素的示例的示意性配置图。
图11是第二实施例的处理时序图。
图12A是根据第二实施例的电位图。
图12B是根据第二实施例的电位图。
图13是实施例中的短期曝光时间累积和长期曝光时间累积的处理时序的说明图。
图14是实施例中的短期曝光时间累积和长期曝光时间累积的处理时间的变形例的说明图。
图15是用于描述作为电子装置的成像装置的配置示例的示图。
图16是用于描述作为另一电子装置的成像装置的配置示例的图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述实施例。
[1]第一实施例
图1是示出根据第一实施例的构成固态成像装置的像素的示例的示意性配置图。
多个(例如，N行×M列)。N和M是2或更大的整数)像素10被设置为构成固态成像装置中的像素阵列单元。然后，像素10对入射光进行光电转换并且生成对应于所接收的入射光的光量的像素信号。
例如，如图1所示，像素10包括作为光电转换单元的光电二极管21、作为第一电荷调制单元的浮置扩散(FD)区22-1、作为第二电荷调制单元的浮置扩散区22-2、作为电荷传输单元的传输晶体管23、作为电荷累积单元的像素内电容24、作为调制开关单元的转换效率开关晶体管25、作为电容连接单元的累积晶体管26、重置晶体管27、放大晶体管28以及选择晶体管29。
在上述配置中，光电二极管21根据所接收的入射光的光量生成电荷。
浮置扩散区22和像素内电容24在电荷累积期间累积从光电二极管21溢出的光电荷。
传输晶体管23将累积在光电二极管21中的光电荷传输到浮置扩散区22。
转换效率开关晶体管25在仅有浮置扩散区22-1的状态下以及在浮置扩散区22-1和浮置扩散区22-2电位耦接的状态下将累积在光电二极管21中的光电荷调制为电压信号，从而切换转换效率。
累积晶体管26用作电容连接单元，并且将浮置扩散区22与像素内电容24之间的电位耦接或分离。
复位晶体管27复位所累积的电荷并且偏移至初始状态。
放大晶体管28放大通过调制电荷获得的电压信号并且输出放大的电压信号作为像素信号。
选择晶体管29具有连接至恒流源30的低电位侧，并且在导通时将从放大晶体管28输出的像素信号输出至后续级。
图2是第一实施例的处理时序图。
在图2中，上级是对应于执行曝光开始操作的行(SH行)的像素的处理时序图，并且下级是对应于执行信号读取操作的行(RD行)的像素的处理时序图。
图3A和3B是根据第一实施例的电位图。
在曝光开始操作中，在由图2中的箭头(a)表示的时序处，累积晶体管26通过控制信号FCG被设置为开启状态(导通状态)，通过控制信号RST将复位晶体管27设置为开启状态(导通状态)，并且将累积在像素内电容24中的电荷设置为复位状态，如图3B(a)所示，并且传输晶体管23通过控制信号TRG被设置为开启状态(导通状态)，并且转换效率开关晶体管25通过控制信号FDG被设置为开启状态(导通状态)，因此，累积在光电二极管21中的电荷也被设置为重置状态，如图3A(a)中所示。
然后，如图2中的参考符号(b)所表示，在执行曝光开始操作的行(SH行)和执行信号读取操作的行(RD行)之间执行曝光，如图3A(b)和图3B(b)所示。
然后，在一定曝光时间之后，选择晶体管29通过控制信号SEL被设置为导通状态，以开始信号读取操作。然后，转换效率开关晶体管25通过控制信号FDG被设置为开启状态(导通状态)，并且在由图2中的箭头(c)表示的时序处，获取低转换效率的重置电平R2，如图3A(c)所示。
此时，在由图2中的箭头(c)表示的时序处，浮置扩散区22-1(由图3A中的参考符号FD1表示)和浮置扩散区22-2(由图3A和图3B中的参考符号FD2表示)的电位如图3A(c)中所示耦接。
在这种情况下，浮置扩散区22-1(由图3A中的参考符号FD1表示)和浮置扩散区22-2(由图3A和图3B中的参考符号FD2表示)的电位被提供作为放大晶体管28的栅极电压，并且栅极电压作为像素信号经由选择晶体管29和垂直信号线提供至后续级(例如，AD转换器)。
接下来，在由图2中的箭头(d)表示的时序处，通过控制信号FDG将转换效率开关晶体管25设置为断开状态(非导通状态)，并且获取高转换效率的重置电平R1，如图3A(d)所示。
接着，传输晶体管23通过控制信号TRG被设置为开启状态(导通状态)以将累积在光电二极管21中的电荷传输到浮置扩散区22-1，并且然后通过控制信号TRG被设置为断开状态(非导通状态)。
接下来，在由图2中的箭头(e)表示的时序处，获取如图3A(e)中所示的高转换效率的信号电平S1。
接下来，在由图2中的箭头(f)表示的时序处，通过控制信号FDG将转换效率开关晶体管25设置为开启状态(导通状态)，并且同时，再次通过控制信号TRG将传输晶体管23设置为开启状态(导通状态)，从而将累积在光电二极管21中的所有电荷传输到浮置扩散区22，然后，由控制信号TRG将传输晶体管23设置成断开状态(非导通状态)，并且然后读取具有低转换效率的信号电平S2，如图3A(f)所示。
在此，在高照度的情况下，从光电二极管21溢出的光电荷累积在像素内电容24中。因此，在由图2中的箭头(g)表示的时序处，像素内电容24、浮置扩散区22-1和浮置扩散区22-2通过控制信号FCG将累积晶体管设定为开启状态(导通状态)而电位耦接，并且读出信号电平S4，如图3B的(g)所示。
接下来，在选择晶体管29通过控制信号SEL被设置为断开状态的状态下，复位晶体管27通过控制信号RST被设置为开启状态(导通状态)，并且累积的电荷被设置为复位状态。
然后，通过控制信号RST将复位晶体管设为断开状态(非导通状态)，并且在由图2中的箭头(h)表示的时序处获取如图3B的(h)所示的复位电平R4。
对于高转换效率的信号电平S1和高转换效率的重置电平R1之间的差值，即，
对于S1-R1，
通过相关双采样(CDS)生成图像信号。
类似地，对于信号电平S4和复位电平R4之间的差值，即，
对于S4-R4，
图像信号通过增量数据采样(DDS)产生。
相反，对于低转换效率下的信号电平S2和低转换效率下的重置电平R2之间的差值，即，
对于S2-R2，
通过相关双采样(CDS)生成图像信号，但是不连续读取低转换效率的信号电平S2和低转换效率的重置电平R2，因此，低转换效率的重置电平R2需要临时保持在行存储器等中。
因此，通过组合与对应于S1-R1、S2-R2和S4-R4的图像信号对应的三个图像，可以配置具有优异的低照度特性、高动态范围并且没有对象的伪影的图像。
如上所述，根据第一实施例，在浮置扩散区22-1仅用作第一电荷调制单元的状态下，以及在用作第一电荷调制单元的浮置扩散区22-1和用作第二电荷调制单元的浮置扩散区22-2通过用作调制开关单元的转换效率开关晶体管25耦接的状态下，将累积在用作光电转换单元的光电二极管21中的电荷调制为电压信号，并且连续读取具有不同转换效率的电压信号(高转换效率和低转换效率)。此外，累积在用作光电转换单元的光电二极管21中的电荷以及在累积周期期间从光电二极管21溢出并累积在像素内电容24中的电荷被调制为电压信号，并且电压信号在电容中被读取，在电容中，浮置扩散区22-1、浮置扩散区22-2和像素内电容24通过用作调制开关单元的转换效率开关晶体管25和用作电容连接单元的累积晶体管26耦接。因此，可以获得优异的低照度特性和扩展的高动态范围。
[1.1]第一实施例的第一变形例
图4是示出构成根据第一实施例的第一变形例的固态成像装置的像素的示例的示意性配置图。
图4的像素10A与图1的第一实施例的像素10的不同之处在于用作第三电荷转移单元的第二累积晶体管31设置在光电二极管21与像素内电容24之间。
如上所述，根据设置有第二累积晶体管31的配置，浮置扩散区22-1和浮置扩散区22-2可以在读取累积在光电二极管21中的电荷之前重置，这在从光电二极管21到浮置扩散区22-1和浮置扩散区22-2的电荷转移方面以及浮置扩散区22-1和浮置扩散区22-2的暗电流白点方面是有利的。
图5是第一实施例的第一变形例的处理时序图。
图6A和图6B是第一实施例的第一变形例的电位图。
在曝光开始操作中，在由图5中的箭头(a)表示的时序处，累积晶体管26通过控制信号FCG被设置为开启状态(导通状态)，此外，通过控制信号RST将复位晶体管27设置为开启状态(导通状态)，并且将累积在像素内电容24中的电荷设置为复位状态，如图6B的(a)所示，并且在通过控制信号FDG进行的转换效率开关晶体管25的开启状态(导通状态)下，由控制信号TRG将传输晶体管23设置为开启状态(导通状态)，因此，累积在光电二极管21中的电荷也被设定为复位状态，如图6A的(a)所示。
然后，如图5中的参考符号(b)所表示，如图6A(b)和图6B(b)所示，在执行曝光开始操作的行(SH行)与执行信号读取操作的行(RD行)之间执行曝光。
然后，在一定曝光时间之后，选择晶体管29通过控制信号SEL被设置为开启状态，以开始信号读取操作。转换效率开关晶体管25通过控制信号FDG被设置为开启状态(导通状态)，并且在由图5中的箭头(c)表示的时序处，获取低转换效率的重置电平R2，如图6A(c)所示。
此时，在由图5中的箭头(c)表示的时序处，浮置扩散区22-1(由图6A中的参考符号FD1表示)和浮置扩散区22-2(由图6A和图6B中的参考符号FD2表示)的电位耦接，如图6A的(c)所示。
接下来，通过控制信号FDG将转换效率开关晶体管25设置为断开状态，并且在由图5中的箭头(d)表示的时序处，获取高转换效率的重置电平R1，如图6A(d)所示。
此外，传输晶体管23通过控制信号TRG被设置为开启状态(导通状态)以将累积在光电二极管21中的电荷传输到浮置扩散区22-1。
接着，由控制信号TRG将传输晶体管23设置为断开状态(非导通状态)，并且在由图5中的箭头(e)表示的时序处获取如图6A(e)所示的具有高转换效率的信号电平S1。
接下来，在由图5中的箭头(f)表示的时序处，转换效率开关晶体管25由控制信号FDG设置为开启状态(导通状态)，并且同时，传输晶体管23再次由控制信号TRG设置为开启状态(导通状态)，使得累积在光电二极管21中的所有电荷被传输到浮置扩散区22，并且读取具有低转换效率的信号电平S2，如图6A(f)所示。
在此，在高照度的情况下，从光电二极管21溢出的光电荷累积在像素内电容24中。因此，在由图5中的箭头(g)表示的时序处，像素内电容24、浮置扩散区22-1和浮置扩散区22-2通过控制信号FCG将累积晶体管26设置为开启状态(导通状态)而电位耦接，并且读取信号电平S4，如图6B的(g)所示。
接下来，在选择晶体管29通过控制信号SEL被设置为断开状态的状态下，复位晶体管27通过控制信号RST被设置为开启状态(导通状态)，并且累积的电荷被设置为复位状态。
然后，复位晶体管27通过控制信号RST被设置为断开状态(非导通状态)，并且在由图5中的箭头(h)表示的时序处获取如图6B的(h)所示的复位电平R4。
此后，对于高转换效率的信号电平S1和高转换效率的重置电平R1之间的差值，即，
对于S1-R1，
通过相关双采样(CDS)生成图像信号。
类似地，对于信号电平S4和复位电平R4之间的差值，即，
对于S4-R4，
图像信号通过增量数据采样(DDS)产生。
相反，对于低转换效率下的信号电平S2和低转换效率下的重置电平R2之间的差值，即，
对于S2-R2，
通过相关双采样(CDS)生成图像信号，但是不连续读取低转换效率的信号电平S2和低转换效率的重置电平R2，因此，低转换效率的重置电平R2需要临时保持在行存储器等中。
结果，通过组合与S1-R1、S2-R2和S4-R4的图像信号对应的三个图像，可以配置具有优异的低照度特性、高动态范围并且没有对象的伪影的图像。
如上所述，根据第一实施例的第一变形例，由于用作第三电荷传输单元的第二累积晶体管31被设置在用作第一光电转换单元的光电二极管21和用作电荷累积单元的像素内电容24之间，在读取在光电二极管21中累积的电荷之前，重置浮置扩散区22-1和浮置扩散区22-2变为可能，并且除了第一实施例的效果之外，这在从光电二极管21到浮置扩散区22-1和浮置扩散区22-2的电荷转移方面以及浮置扩散区22-1和浮置扩散区22-2的暗电流白点方面是有利的。
[1.2]第一实施例的第二变形例
图7是示出构成根据第一实施例的第二变形例的固态成像装置的像素的示例的示意性配置图。
图7的像素10B与图1的第一实施例的像素10的不同之处在于在不设置累积晶体管26的情况下，像素内电容24连接至转换效率开关晶体管25与重置晶体管27之间的连接点。
图8是第一实施例的第二变形例的处理时序图。
在图8中，上级是对应于执行曝光开始操作的行(SH行)的像素的处理时序图，并且下级是对应于执行读取操作的行(RD行)的像素的处理时序图。
图9是第一实施例的第二变形例的电位图。
在曝光开始操作中，在由图8中的箭头(a)表示的时序处，重置晶体管27通过控制信号RST被设置为开启状态(导通状态)，累积在像素内电容24中的电荷被设置为复位状态，转换效率开关晶体管25通过控制信号FDG被设置为开启状态(导通状态)，并且传输晶体管23通过控制信号TRG被设置为开启状态(导通状态)，使得累积在光电二极管21中的电荷也被设置为重置状态，如图9的(a)所示。
然后，如图8中的参考符号(b)所表示，如图9的(b)所示，在执行曝光开始操作的行(SH行)和执行信号读取操作的行(RD行)之间执行曝光。
然后，在一定曝光时间之后，选择晶体管29通过控制信号SEL被设置为开启状态，以开始信号读取操作。转换效率开关晶体管25通过控制信号FDG被设置为开启状态(导通状态)，并且在由图8中的箭头(c)表示的时序处，获取低转换效率的重置电平R2，如图9(c)所示。
此时，在由图8中的箭头(c)表示的时序处，浮置扩散区22-1(由图9中的参考标号FD1表示)和浮置扩散区22-2(由图9中的参考标号FD2表示)的电位耦接，如图9的(c)所示。
在这种情况下，浮置扩散区22-1(由图9中的参考标号FD1表示)和浮置扩散区22-2(由图9中的参考标号FD2表示)的电位被提供作为放大晶体管28的栅极电压，并且栅极电压经由选择晶体管29和垂直信号线作为像素信号提供至后续级(例如，AD转换器)。
接下来，在由图8中的箭头(d)表示的时序处，通过控制信号FDG将转换效率开关晶体管25设置为断开状态(非导通状态)，并且获取高转换效率的重置电平R1，如图9(d)所示。
接下来，在图8的箭头(e)表示的时序处，如图9(e)所示，获得高转换效率的信号电平S1。
接下来，在由图8中的箭头(f)表示的时序处，通过控制信号FDG将转换效率开关晶体管25设置为开启状态(导通状态)，并且同时，再次通过控制信号TRG将传输晶体管23设置为开启状态(导通状态)，从而将累积在光电二极管21中的所有电荷传输到浮置扩散区22，然后，由控制信号TRG将传输晶体管23设置成断开状态(非导通状态)，并且然后读取具有低转换效率的信号电平S2，如图9的(f)所示。
在此处，在高照度的情况下，由于从光电二极管21溢出的光电荷在像素内电容24中累积，所以在由图8中的箭头(g)表示的时序处，如图9(g)所示，读取信号电平S3。
接下来，在选择晶体管29通过控制信号SEL被设置为断开状态的状态下，复位晶体管27通过控制信号RST被设置为开启状态(导通状态)，并且累积的电荷被设置为复位状态。
然后，重置晶体管27通过控制信号RST被设置为断开状态(非导通状态)，并且在由图8中的箭头(h)表示的时序处获取重置电平R3，如图9(h)所示。
对于高转换效率的信号电平S1和高转换效率的重置电平R1之间的差值，即，
对于S1-R1，
通过相关双采样(CDS)生成图像信号。
类似地，对于信号电平S3和复位电平R3之间的差值，即，
对于S3-R3，
图像信号通过增量数据采样(DDS)产生。
相反，对于低转换效率下的信号电平S2和低转换效率下的重置电平R2之间的差值，即，
对于S2-R2，
通过相关双采样(CDS)生成图像信号，但是不连续读取低转换效率的信号电平S2和低转换效率的重置电平R2，因此，低转换效率的重置电平R2需要临时保持在行存储器等中。
结果，根据第一实施例的第二变形例，通过组合与S1-R1、S2-R2和S3-R3的图像信号对应的三个图像，可以配置具有优异的低照度特性、高动态范围并且没有对象的伪影的图像。
如上所述，根据第一实施例的第二变形例，由于像素内电容24连接至转换效率开关晶体管25与重置晶体管27之间的连接点而不设置累积晶体管26，因此除了第一实施例的效果之外，还可减小像素尺寸。
[2]第二实施例
图10是示出构成根据第二实施例的固态成像装置的像素的示例的示意性配置图。
多个(例如，N行×M列。N和M是2或更大的整数)根据第一实施例的像素40被设置为构成固态成像装置中的像素阵列单元，类似于第一实施例。然后，像素10对入射光进行光电转换并且生成对应于所接收的入射光的光量的像素信号。
例如，如图10所示，像素40包括作为第一光电转换单元的高灵敏度光电二极管41、作为第一电荷调制单元的第一浮置扩散区42，作为电荷转移单元的传输晶体管43、作为调制开关单元的转换效率开关晶体管44、作为第二电荷调制单元的第二浮置扩散区45，作为电容连接单元的累积晶体管46、复位晶体管47、作为电荷累积单元的像素内电容48、作为第二光电转换单元的低灵敏度光电二极管50，作为第三电荷调制单元的第三浮置扩散区51、放大晶体管52和选择晶体管53。
在上述配置中，高灵敏度光电二极管41生成与所接收的具有高灵敏度的入射光的光量相对应的电荷。
第一浮置扩散区42用作第一电荷调制单元并且同时存储从高灵敏度光电二极管41溢出的电荷。
传输晶体管43用作电荷传输单元，并且将高灵敏度光电二极管41中累积的光电荷传输到第一浮置扩散区42。
转换效率开关晶体管44用作调制开关单元，并且通过在仅有第一浮置扩散区42的状态、第一浮置扩散区42和第二浮置扩散区45的电位耦接的状态或第一浮置扩散区42、第二浮置扩散区45和第三浮置扩散区51的电位耦接的状态下将高灵敏度光电二极管41中累积的光电荷调制为电压信号来切换转换效率。
第一浮置扩散区42和第二浮置扩散区45用作第一电荷调制单元和第二电荷调制单元，并且同时存储从高灵敏度光电二极管41溢出的电荷。
累积晶体管46用作电容连接单元，并且耦接或分离第二浮置扩散区45和第三浮置扩散区51的电位。
复位晶体管47复位所累积的电荷并且偏移至初始状态。
低灵敏度光电二极管50用作第二光电转换单元并且根据所接收的入射光的光量产生电荷。
第三浮置扩散区51用作第三电荷调制单元，并且同时用作电荷累积单元，其中像素内电容48连接至该电荷积累单元并且将通过光电转换生成的电荷存储在低灵敏度光电二极管50中。
放大晶体管52放大通过调制电荷获得的电压信号并且输出放大的电压信号作为像素信号。
选择晶体管53具有连接至恒流源54的低电位侧，并且在导通时将从放大晶体管52输出的像素信号输出至后续级。
图11是第二实施例的处理时序图。
图12A和图12B是根据第二实施例的电位图。
在曝光开始操作中，在由图11中的箭头(a)表示的时序处，复位晶体管47通过控制信号RST被设置为开启状态(导通状态)，并且第三浮置扩散区51通过控制信号FCG被设置为复位状态，同时累积晶体管46处于开启状态(导通状态)，如图12B(a)所示，转换效率开关晶体管44通过控制信号FDG被设置为开启状态(导通状态)，并且传输晶体管43通过控制信号TGL被设置为开启状态(导通状态)，如图12A的(a)所示，使得高灵敏度光电二极管41被设置为重置状态。
然后，如图11中的参考符号(b)所示，如图12A的(b)和图12B的(b)所示，在执行曝光开始操作的行(SH行)和执行信号读取操作的行(RD行)之间执行曝光。
然后，在一定曝光时间之后，选择晶体管53通过控制信号SEL被设置为导通状态，以开始信号读取操作。转换效率开关晶体管44通过控制信号FDG被设置为开启状态(导通状态)，并且在由图11中的箭头(c)表示的时序处，获得低转换效率的重置电平R2，如图12A的(c)所示。
此时，在由图11中的箭头(c)表示的时序处，第一浮置扩散区42(由图12A中的参考符号FD1表示)和第二浮置扩散区45(由图12A和图12B中的参考符号FD2表示)的电位如图12A(c)中所示耦接。
接下来，在图11的箭头(d)表示的时序处，转换效率开关晶体管44通过控制信号FDG被设置为断开状态(非导通状态)，并且获取高转换效率的重置电平R1，如图12A的(d)所示。
接下来，传输晶体管43通过控制信号TGL被设置为开启状态(导通状态)以将高灵敏度光电二极管41中累积的电荷转移到第一浮置扩散区42，然后通过控制信号TGL被设置为断开状态(非导通状态)。
接下来，在由图11中的箭头(e)表示的时序处，如图12A(e)所示，获得高转换效率的信号电平S1。
接下来，在由图11中的箭头(f)表示的时序处，转换效率开关晶体管44通过控制信号FDG被设置为开启状态(导通状态)，同时，传输晶体管43通过控制信号TGL再次被设置为开启状态(导通状态)，使得累积在高灵敏度光电二极管41中的所有电荷被转移到第一浮置扩散区42和第二浮置扩散区45，然后，传输晶体管43通过控制信号TGL被设置为断开状态(非导通状态)，然后，读取低转换效率的信号电平S2，如图12A(f)所示。
接着，在保持第一浮置扩散区42和第二浮置扩散区45的电位耦接的同时读取信号电平S3。
接下来，选择晶体管53通过控制信号SEL被设置为断开状态，重置晶体管47通过控制信号RST被设置为开启状态(导通状态)，并且在第一浮置扩散区42和第二浮置扩散区45中累积的电荷被设置为重置状态。
然后，复位晶体管47通过控制信号RST被设置为断开状态(非导电状态)，并且在由图11中的箭头(h)表示的时序处读取如图12A(h)所示的复位电平R3。
然后，在由图11中的箭头(i)表示的时序处，累积晶体管46通过控制信号FCG被设置为开启状态(导通状态)，第二浮置扩散区45和第三浮置扩散区51的电位结合，并且读取信号电平S4，如图12B的(i)所示。
接下来，在选择晶体管53通过控制信号SEL被设置为断开状态的状态下，复位晶体管47通过控制信号RST被设置为开启状态(导通状态)，并且累积的电荷被设置为复位状态。
接下来，在由图11中的箭头(j)表示的时序处，选择晶体管53再次通过控制信号SEL被设置为开启状态(导通状态)，并且获取重置电平R4，如图12B(j)所示。
此后，对于高转换效率下的信号电平S1和对应于高灵敏度光电二极管41的高转换效率下的重置电平R1之间的差值，即，
对于S1-R1，
通过相关双采样(CDS)生成图像信号。
相反，对于与高灵敏度光电二极管41对应的低转换效率下的信号电平S2和低转换效率下的重置电平R2之间的差值，即，
对于S2-R2，
通过相关双采样(CDS)生成图像信号，但是不连续读取低转换效率的信号电平S2和低转换效率的重置电平R2，因此，低转换效率的重置电平R2需要临时保持在行存储器等中。
类似地，对于与高灵敏度光电二极管41对应的信号电平S3和复位电平R3之间的差值，即，
对于S3-R3，
图像信号通过增量数据采样(DDS)产生。
此后，对于低灵敏度光电二极管50的信号电平S4和复位电平R4之间的差值，即，
对于S4-R4，
图像信号通过增量数据采样(DDS)产生。
结果，通过组合与对应于S1-R1、S2-R2、S3-R3和S4-R4的像素信号相对应的四个图像，可以配置具有优异的低照度特性、高动态范围并且没有对象的伪影的图像。
如上所述，根据第二实施例，在用作第一电荷调制单元的第一浮置扩散区42独立的状态下，以及在用作第一电荷调制单元的第一浮置扩散区42和用作第二电荷调制单元的第二浮置扩散区45通过用作调制开关单元的转换效率开关晶体管44耦接的状态下，将累积在用作第一光电转换单元的高灵敏度光电二极管41中的电荷调制为电压信号，并且连续读取具有不同转换效率的电压信号。此外，将累积在用作第一光电转换单元的高灵敏度光电二极管41中的电荷以及从用作第一光电转换单元的高灵敏度光电二极管41溢出的电荷调制为电压信号，并且在用作第一电荷调制单元的第一浮置扩散区42和用作第二电荷调制单元的第二浮置扩散区45耦接的电容中读取电压信号。此外，将用作第二光电转换单元的低灵敏度光电二极管50中生成并且累积在用作电荷累积单元的像素内电容48中的电荷调制为电压信号，并且在用作第一电荷调制单元的第一浮置扩散区42、用作第二电荷调制单元的第二浮置扩散区45和用作电荷累积单元的像素内电容48耦接的电容中读取电压信号。因此，可以获得优异的低照度特性和扩展的高动态范围。
[3]实施例的变形例
图13是可应用于上述实施例和变形例中的每一个的短期曝光操作和长期曝光操作的处理时序的说明图。
本处理时序可以应用于上述实施例和变形例中的每一个。
在图13中，交替地执行短期曝光操作SEI和长期曝光操作LEI。
然后，在短期曝光操作SEI之前立即设置用于短期曝光时间的快门时序SHS，并且在短期曝光操作SEI之后立即设置用于短期曝光时间的信号读取时序RDS。
通过提供如上所述的短期曝光操作SEI，可进一步扩展动态范围。
类似地，在长期曝光操作LEI之前立即设置用于长期曝光时间的快门时序SHL，并且在长期曝光操作LEI之后立即设置用于长期曝光时间的信号读取时序RDL。
图14是短期曝光操作和长期曝光操作的处理时序的变形例的说明图。
本处理时序还可以应用于上述实施例和变形例中的每一个。
如图4所示，通过设置用于短期曝光操作的线存储器，在不在短期曝光操作SEI和长期曝光操作LEI之间提供间隔的情况下可以减少移动的对象的伪影。
图15是用于描述作为电子装置的成像装置的配置示例的示图。
成像装置60包括：固态成像装置61，其包括每个上述实施例的像素10、10A、10B或40；光学***62，其包括透镜组等；数字信号处理器(DSP)63，作为处理成像数据的信号处理电路；显示单元64，包括液晶显示器、有机EL显示器等，并且显示捕获的图像和各种类型的信息；操作单元65，用户执行各种操作，例如，成像指令和数据设置；控制器66，控制整个成像装置60；帧存储器67，存储图像数据；记录单元68，将成像数据记录在诸如硬盘或存储卡(未示出)的记录介质上；以及电源单元69，向整个成像装置60供电。
在上述配置中，DSP63、显示单元64、操作单元65、控制器66、帧存储器67、记录单元68和电源单元69经由总线彼此连接。
根据上述配置，由于使用包括像素10、10A、10B或40的上述固态成像装置61作为成像元件，因此可以捕获具有优异的低照度特性、高动态范围和很少的对象伪影的图像。
成像装置60的实际模式的示例包括用于移动终端装置的相机模块，诸如，摄像机、数字静态相机以及智能电话。
图16是用于描述作为另一电子装置的成像装置的配置的示例的图。
成像装置70包括：固态成像装置71，包括每个上述实施例的像素10、10A、10B或40；光学***72，包括透镜组等；DSP 73，作为处理成像数据的信号处理电路；接口单元74，与外部装置80执行接口操作；以及帧存储器75，存储图像数据。
本模式的成像装置70在外部装置80的控制下通过从外部装置80供应的电力执行成像，并且可以被应用为例如相机模块等，相机模块通过在作为外部装置80的车载ECU等的控制下从车辆侧接收电力供应来捕获车辆周围的监控图像。
在这种情况下，外部装置80包括：接口单元81，与成像装置70进行相互连接操作；图像处理单元82，其对经由接口单元81获取的成像数据实施用于获得期望的图像数据(例如周边障碍物图像、体征识别图像等)的图像处理；电源单元83，将操作电力供应至成像装置70和外部装置80；外部控制器84，经由接口单元81控制成像装置70；以及记录单元85，将成像数据记录在诸如硬盘和存储卡(未示出)的记录介质上。
这种成像装置70的应用的示例包括：车载传感器，设置在汽车的***表面(前表面、侧表面或后表面)上、车辆内部等中，以确保安全驾驶(例如，自动停止、识别驾驶员的状态等)，并且捕获车辆的***或车辆的内部；监控相机，用于远程监控行驶车辆和道路；以及距离测量装置。
此外，成像装置可以用作用于检测和控制用户的位置、动作(手势)等的成像装置，用于具有作为外部装置80的家用电器(空调、冰箱、微波炉等)的主体的成像装置。
此外，成像装置还可用于人员认证、皮肤捕获等。
要注意的是，本技术的实施方式不限于上述实施例，并且在不背离本技术的主旨的情况下，可进行各种修改。
此外，本技术可以配置如下。
(1)
一种固态成像装置，包括：
光电转换单元；
电荷传输单元，被配置为传输累积在光电转换单元中的电荷；
第一电荷调制单元，电荷通过电荷传输单元从光电转换单元传输到第一电荷调制单元；
第二电荷调制单元；
调制开关单元，被配置为将第一电荷调制单元和第二电荷调制单元耦接或分离；
电荷累积单元，被配置为在累积周期期间累积从光电转换单元溢出的电荷；以及
电容连接单元，被配置为耦接或分离第二电荷调制单元和电荷累积单元；
其中，
在第一电荷调制单元独立的状态以及第一电荷调制单元和第二电荷调制单元通过调制开关单元耦接的状态下，累积在光电转换单元中的电荷被调制为电压信号，并且连续读取具有不同转换效率的电压信号；并且
此外，累积在光电转换单元中的电荷和在累积周期期间从光电转换单元溢出的电荷被调制为电压信号，并且在通过调制开关单元和电容连接单元耦接第一电荷调制单元、第二电荷调制单元和电荷累积单元而获得的电容中读取电压信号。
(2)
一种固态成像装置，包括：
第一光电转换单元；
电荷传输单元，被配置为传输累积在第一光电转换单元中的电荷；
第一电荷调制单元，电荷通过电荷传输单元从第一光电转换单元传输到第一电荷调制单元；
第二电荷调制单元；
调制开关单元，被配置为将第一电荷调制单元和第二电荷调制单元耦接或分离；
第二光电转换单元；
电荷累积单元，直接连接至第二光电转换单元并且被配置为在累积周期期间累积在第二光电转换单元中生成的电荷；以及
电容连接单元，被配置为耦接或分离第二电荷调制单元和电荷累积单元；
其中，
在第一电荷调制单元独立的状态以及第一电荷调制单元和第二电荷调制单元通过调制开关单元耦接的状态下，累积在第一光电转换单元中的电荷被调制为电压信号，并且连续读取具有不同转换效率的电压信号；
累积在第一光电转换单元中的电荷和在累积周期期间从第一光电转换单元溢出的电荷被调制为电压信号，并且在通过将第一电荷调制单元和第二电荷调制单元耦接而获得的电容中读取电压信号；并且
此外，在第二光电转换单元中生成并且累积在电荷累积单元中的电荷被调制为电压信号，并且在通过将第一电荷调制单元、第二电荷调制单元和电荷累积单元耦接而获得的电容中读取电压信号。
(3)
根据(2)所述的固态成像装置，进一步包括：
第二电荷传输单元，设置在第二光电转换单元与电荷累积单元之间并且被配置为将累积在第二光电转换单元中的电荷传输到电荷累积单元。
(4)
根据(1)至(3)中任一项所述的固态成像装置，进一步包括：
电荷重置单元，设置在第二电荷调制单元与电源之间，并且被配置为在读取在累积周期期间累积在光电转换单元中的电荷和从光电转换单元溢出的电荷之后，重置第一电荷调制单元、第二电荷调制单元和电荷累积单元中的电荷。
(5)
根据(1)所述的固态成像装置，进一步包括：
第三电荷传输单元，设置在光电转换单元与电荷累积单元之间并且被配置为将在累积周期期间从光电转换单元溢出的电荷传输到电荷累积单元。
(6)
根据(5)所述的固态成像装置，进一步包括：
电荷重置单元，设置在第二电荷调制单元与电源之间并且被配置为在读取光电转换单元中累积的电荷之前重置第一电荷调制单元和第二电荷调制单元的电荷。
(7)
一种驱动固态成像装置的方法，固态成像装置包括：
光电转换单元；
电荷传输单元，被配置为传输累积在光电转换单元中的电荷；
第一电荷调制单元，电荷通过电荷传输单元从光电转换单元传输到第一电荷调制单元；
第二电荷调制单元；
电荷累积单元，被配置为在累积周期期间累积从光电转换单元溢出的电荷；
调制开关单元，被配置为将第一电荷调制单元和第二电荷调制单元耦接或分离；以及
电容连接单元，被配置为耦接或分离第二电荷调制单元和电荷累积单元；
该方法包括：
调制累积在光电转换单元中的电荷，并在第一电荷调制单元独立的状态以及第一电荷调制单元和第二电荷调制单元通过调制开关单元耦接的状态下连续地读取具有不同转换效率的电压信号；以及
通过调制开关单元和电容连接单元将累积在光电转换单元中的电荷和在累积周期期间从光电转换单元溢出的电荷进一步调制为电压信号并且通过将第一电荷调制单元、第二电荷调制单元和电荷累积单元耦接而获得的电容中读取电压信号。
(8)
一种设置有固态成像装置的电子装置，包括：
光电转换单元；
电荷传输单元，被配置为传输累积在光电转换单元中的电荷；
第一电荷调制单元，电荷通过电荷传输单元从光电转换单元传输到第一电荷调制单元；
第二电荷调制单元；
电荷累积单元，被配置为在累积周期期间累积从光电转换单元溢出的电荷；
调制开关单元，被配置为将第一电荷调制单元和第二电荷调制单元耦接或分离；以及
电容连接单元，被配置为耦接或分离第二电荷调制单元和电荷累积单元；其中，
在第一电荷调制单元独立的状态以及第一电荷调制单元和第二电荷调制单元通过调制开关单元耦接的状态下，累积在光电转换单元中的电荷被调制为电压信号，并且连续读取具有不同转换效率的电压信号；以及
此外，累积在光电转换单元中的电荷和在累积周期期间从光电转换单元溢出的电荷被调制为电压信号，并且在通过调制开关单元和电容连接单元耦接第一电荷调制单元、第二电荷调制单元和电荷累积单元而获得的电容中读取电压信号。
附图标号列表
10,10A,10B,40像素
21光电二极管(光电转换单元)
22浮置扩散区(电荷累积单元)
23,43传输晶体管(转移单元)
24,48像素内电容
25,44转换效率开关晶体管(转换效率开关单元)
26,46累积晶体管
27,47复位晶体管(复位单元)
28,52放大晶体管
29,53选择晶体管
30,54恒流源
41高灵敏度光电二极管(第一光电转换单元)
42第一浮置扩散区(电荷累积单元)
45第二浮置扩散区(电荷累积单元)
50低灵敏度光电二极管(第二光电转换单元)
51第三浮置扩散区(电荷累积单元)

Claims (8)

1.一种固态成像装置，包括：
光电转换单元；
电荷传输单元，被配置为传输累积在所述光电转换单元中的电荷；
第一电荷调制单元，所述电荷通过所述电荷传输单元从所述光电转换单元传输到所述第一电荷调制单元；
第二电荷调制单元；
调制开关单元，被配置为将所述第一电荷调制单元和所述第二电荷调制单元耦接或分离；
电荷累积单元，被配置为在累积周期期间累积从所述光电转换单元溢出的电荷；以及
电容连接单元，被配置为耦接或分离所述第二电荷调制单元和所述电荷累积单元；
其中，
在所述第一电荷调制单元独立的状态以及所述第一电荷调制单元和所述第二电荷调制单元通过所述调制开关单元耦接的状态下，将累积在所述光电转换单元中的电荷调制为电压信号，并且连续读取具有不同转换效率的电压信号；并且
进一步，累积在所述光电转换单元中的电荷和在所述累积周期期间从所述光电转换单元溢出的电荷被调制为电压信号，并且在通过所述调制开关单元和所述电容连接单元耦接所述第一电荷调制单元、所述第二电荷调制单元和所述电荷累积单元而获得的电容中读取所述电压信号。
2.一种固态成像装置，包括：
第一光电转换单元；
电荷传输单元，被配置为传输累积在所述第一光电转换单元中的电荷；
第一电荷调制单元，所述电荷通过所述电荷传输单元从所述第一光电转换单元传输到所述第一电荷调制单元；
第二电荷调制单元；
调制开关单元，被配置为将所述第一电荷调制单元和所述第二电荷调制单元耦接或分离；
第二光电转换单元；
电荷累积单元，直接连接至所述第二光电转换单元并且被配置为在累积周期期间累积在所述第二光电转换单元中生成的电荷；以及
电容连接单元，被配置为耦接或分离所述第二电荷调制单元和所述电荷累积单元；
其中，
在所述第一电荷调制单元独立的状态以及所述第一电荷调制单元和所述第二电荷调制单元通过所述调制开关单元耦接的状态下，累积在所述第一光电转换单元中的所述电荷被调制为电压信号，并且连续读取具有不同转换效率的电压信号；
累积在所述第一光电转换单元中的所述电荷和在所述累积周期期间从所述第一光电转换单元溢出的所述电荷被调制为电压信号，并且在通过将所述第一电荷调制单元和所述第二电荷调制单元耦接而获得的电容中读取所述电压信号；并且
进一步，在所述第二光电转换单元中生成并且累积在所述电荷累积单元中的电荷被调制为电压信号，并且在通过将所述第一电荷调制单元、所述第二电荷调制单元和所述电荷累积单元耦接而获得的电容中读取所述电压信号。
3.根据权利要求2所述的固态成像装置，还包括：
第二电荷传输单元，设置在所述第二光电转换单元与所述电荷累积单元之间并且被配置为将在所述第二光电转换单元中累积的电荷传输到所述电荷累积单元。
4.根据权利要求1所述的固态成像装置，还包括：
电荷重置单元，设置在所述第二电荷调制单元与电源之间，并且被配置为在所述光电转换单元中累积的电荷和在所述累积周期期间从所述光电转换单元溢出的电荷被读取之后，重置所述第一电荷调制单元、所述第二电荷调制单元和所述电荷累积单元中的电荷。
5.根据权利要求1所述的固态成像装置，还包括：
第三电荷传输单元，设置在所述光电转换单元与所述电荷累积单元之间并且被配置为将在所述累积周期期间从所述光电转换单元溢出的电荷传输到所述电荷累积单元。
6.根据权利要求5所述的固态成像装置，还包括：
电荷重置单元，设置在所述第二电荷调制单元与电源之间并且被配置为在所述光电转换单元中累积的电荷被读取之前重置所述第一电荷调制单元和所述第二电荷调制单元中的电荷。
7.一种驱动固态成像装置的方法，所述固态成像装置包括：
光电转换单元；
电荷传输单元，被配置为传输累积在所述光电转换单元中的电荷；
第一电荷调制单元，所述电荷通过所述电荷传输单元从所述光电转换单元传输到所述第一电荷调制单元；
第二电荷调制单元；
电荷累积单元，被配置为在累积周期期间累积从所述光电转换单元溢出的电荷；
调制开关单元，被配置为将所述第一电荷调制单元和所述第二电荷调制单元耦接或分离；以及
电容连接单元，被配置为耦接或分离所述第二电荷调制单元和所述电荷累积单元；
所述方法包括：
在所述第一电荷调制单元独立的状态以及所述第一电荷调制单元和所述第二电荷调制单元通过所述调制开关单元耦接的状态下，累积在所述光电转换单元中的电荷被调制为电压信号，并连续地读取具有不同转换效率的电压信号；并且
进一步，累积在所述光电转换单元中的电荷和在累积周期期间从光电转换单元溢出的电荷被调制为电压信号并且在通过所述调制开关单元和所述电容连接单元耦接所述第一电荷调制单元、所述第二电荷调制单元和所述电荷累积单元而获得的电容中读取所述电压信号。
8.一种设置有固态成像装置的电子装置，包括：
光电转换单元；
电荷传输单元，被配置为传输累积在所述光电转换单元中的电荷；
第一电荷调制单元，所述电荷通过所述电荷传输单元从所述光电转换单元传输到所述第一电荷调制单元；
第二电荷调制单元；
电荷累积单元，被配置为在累积周期期间累积从所述光电转换单元溢出的电荷；
调制开关单元，被配置为将所述第一电荷调制单元和所述第二电荷调制单元耦接或分离；以及
电容连接单元，被配置为耦接或分离所述第二电荷调制单元和所述电荷累积单元；
其中，
在所述第一电荷调制单元独立的状态以及所述第一电荷调制单元和所述第二电荷调制单元通过所述调制开关单元耦接的状态下，将在所述光电转换单元中累积的所述电荷调制为电压信号，并且连续读取具有不同转换效率的电压信号；并且
进一步，累积在所述光电转换单元中的电荷和在累积周期期间从所述光电转换单元溢出的电荷被调制为电压信号，并且在通过所述调制开关单元和所述电容连接单元，耦接所述第一电荷调制单元、所述第二电荷调制单元和所述电荷累积单元而获得的电容中读取所述电压信号。
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