CN115136586A - 摄像元件以及摄像装置 - Google Patents

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CN115136586A CN202180015005.XA CN202180015005A CN115136586A CN 115136586 A CN115136586 A CN 115136586A CN 202180015005 A CN202180015005 A CN 202180015005A CN 115136586 A CN115136586 A CN 115136586A
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Abstract

提供一种摄像元件，该摄像元件具备：具有包括1个或者多个像素在内的多个像素块的第1基板；以及具有控制电路部以及周边电路部的第2基板，所述控制电路部具备包括用于对包含在多个像素块中的第1像素块内的像素的曝光时间进行控制的第1曝光控制部的第1控制块、和包括用于对包含在多个像素块中的第2像素块内的像素的曝光时间进行控制的第2曝光控制部的第2控制块，所述周边电路部配置在控制电路部的外侧，控制在多个像素块中的至少第1像素块以及第2像素块内分别包含的像素的信号读出。

Description

摄像元件以及摄像装置
技术领域
本发明涉及摄像元件以及摄像装置。
背景技术
已知在具有多个像素的摄像装置中使各个像素的曝光时间变化(例如，专利文献1)。
专利文献1：JP特表2015-532797号公报
在以往的摄像装置中期望实现电路的简化。
发明内容
在本发明的第一方面中提供一种摄像元件，摄像元件具备：具有包括1个或者多个像素在内的多个像素块第1基板；以及具有控制电路部以及周边电路部的第2基板，控制电路部具备包括用于对包含在多个像素块中的第1像素块内的像素的曝光时间进行控制的第1曝光控制部的第1控制块、和包括用于对包含在多个像素块中的第2像素块内的像素的曝光时间进行控制的第2曝光控制部的第2控制块，周边电路部配置在控制电路部的外侧，控制在多个像素块中的至少第1像素块以及第2像素块内分别包含的像素的信号读出。
在本发明的第二方面中提供一种具备第一方面的摄像元件的摄像装置。
此外，上述发明的概要并非列举了本发明的所有必要特征。另外，这些特征组的子组合也可构成发明。
附图说明
图1A是示出本发明的实施方式的摄像元件400的概要的图。
图1B示出像素部110的具体构成的一例。
图1C示出像素112的电路构成的一例。
图1D示出控制电路部210的更具体构成的一例。
图1E是用于说明摄像元件400的布线方法的一例的图。
图2A示出表示摄像元件400的摄像动作的时间图的一例。
图2B示出表示摄像元件400的摄像动作的时间图的一例。
图3示出表示比较例的摄像元件的摄像动作的时间图。
图4A示出摄像元件400摄像的被摄体的一例。
图4B示出表示摄像元件400的摄像动作的时间图。
图5是示出摄像元件400的概要的图。
图6示出像素部110的具体构成的一例。
图7示出控制电路部210的更具体构成的一例。
图8示出像素112的电路构成的一例。
图9是用于说明摄像元件400的布线方法的一例的图。
图10是用于说明摄像元件400的布线方法的一例的图。
图11是用于说明摄像元件400的布线方法的一例的图。
图12示出表示在摄像元件400的像素块120内的摄像动作的时间图的一例。
图13示出各个像素块120的曝光定时的一例。
图14是示出表示其他实施方式的摄像元件800的概要的图。
图15示出像素部610的具体构成的一例。
图16示出控制电路部710的更具体构成的一例。
图17示出各个像素块620的曝光定时的一例。
图18示出摄像元件400、800的像素114的另一例。
图19示出表示在使用了像素114的像素块120内的摄像动作的时间图的例子。
图20示出各个使用了像素114的像素块120的曝光定时的一例。
图21是示出实施例的摄像装置500的构成例的框图。
具体实施方式
以下，通过发明的实施方式说明本发明，但以下的实施方式并非限定权利要求记载的发明。另外，在实施方式中说明的特征的组合并非全都是发明的解决手段所必须的。
在本说明书中，X轴与Y轴彼此正交，Z轴与XY平面正交。XYZ轴构成右手系。有时将与Z轴平行的方向成为摄像元件400的层叠方向。在本说明书中，“上”以及“下”的用语不限于重力方向上的上下方向。这些用语仅是指Z轴方向上的相对的方向。此外，在本说明书中，将X轴方向的排列作为“行”且将Y轴方向的排列作为“列”进行说明，但行列方向不限于此。
图1A是示出本实施方式的摄像元件400的概要的图。摄像元件400拍摄被摄体。摄像元件400生成拍摄到的被摄体的图像数据。摄像元件400具备第1基板100以及第2基板200。如图1A所示，第1基板100层叠在第2基板200上。
第1基板100具有像素部110。像素部110输出基于入射来的光的像素信号。
第2基板200具备控制电路部210以及周边电路部230。
向控制电路部210输入从第1基板100输出的像素信号。控制电路部210对输入来的像素信号进行处理。本例的控制电路部210在第2基板200中配置在与像素部110相对置的位置。控制电路部210也可以将用于控制像素部110的驱动的控制信号输出至像素部110。
周边电路部230控制控制电路部210的驱动。在一例中，周边电路部230控制包含在像素部110内的像素的信号读出。周边电路部230在第2基板200中配置在控制电路部210的周边。另外，周边电路部230可以与第1基板100电连接，来控制像素部110的驱动。本例的周边电路部230沿着第2基板200的两条边配置，但周边电路部230的配置方法不限于本例。
此外，摄像元件400在第1基板100以及第2基板200之外还可以具有层叠于第2基板200的存储器芯片。例如，存储器芯片进行基于由第2基板200输出的信号的图像处理。另外，摄像元件400的构造可以为背面照射型，也可以为表面照射型。
图1B示出像素部110的具体构成的一例。在本例中，示出了像素部110和设于像素部110的像素块120的放大图。
像素部110具有沿着行方向以及列方向排列配置的多个像素组115。本例的像素部110具有M×N个(M、N为自然数)的像素组115。在本例中，图示了M与N相等的情况，但M和N也可以不同。
像素组115具有至少一个像素112。本例的像素组115具有m×n个(m、n为自然数)的像素112。例如，像素组115具有16×16个像素112。与像素组115对应的像素112的个数不限于此。在本例中，图示了m与n相等的情况，但m与n也可以不同。像素组115具有在行方向上与共用的控制线连接的多个像素112。例如，像素组115的各个像素112以被设定相同的曝光时间的方式连接于共用的控制线。在一例中，在行方向上排列的n个像素112通过共用的控制线来连接。
另一方面，像素组115也可以分别被设定不同的曝光时间。即，像素组115的各个像素112为相同的曝光时间，但在其他像素组115中也可以被设定不同的曝光时间。例如，在像素组115的像素112在行方向上用共用的控制线连接在一起的情况下，其他像素组115的像素112利用不同的控制线来共用连接。
像素块120具有1个或者多个像素组115。本例的像素块120具有沿着列方向并排配置的两个像素组115。像素块120与后述的控制块220对应地配置。即，相对于一个控制块220配置有两个像素组115。在像素块120具有多个像素组115的情况下，各个像素组115可以被设定不同的曝光时间。在像素块120具有一个像素组115的情况下，相对于控制块220配置有一个像素组115。像素块120具有2m×n个像素112。例如，像素块120具有32×16个像素112。与像素块120对应的像素112的个数不限于此。
像素112具有将光转换成电荷的光电转换功能。像素112蓄积进行了光电转换后的电荷。2m个像素112沿着列方向配置，与共用的信号线122连接。然后，2m个像素112在像素块120中沿着行方向并排排列n列。
图1C示出像素112的电路构成的一例。像素112具备光电转换部104、传输部123、释放部124、复位部126以及像素输出部127。像素输出部127具有增幅部128以及选择部129。在本例中，说明传输部123、释放部124、复位部126、增幅部128以及选择部129为N沟道型FET，但晶体管的种类不限于此。
光电转换部104具有将光转换成电荷的光电转换功能。光电转换部104蓄积光电转换后的电荷。光电转换部104例如为光电二极管。
传输部123将蓄积在光电转换部104的电荷传输至蓄积部125。传输部123为传输光电转换部104的电荷的传输栅极的一例。传输部123的栅极端子与用于输入第1传输控制信号
Figure BDA0003800947860000051
的局部控制线连接。在后面说明局部控制线。
释放部124将蓄积在光电转换部104的电荷释放至被供给电源电压VDD的电源布线。释放部124的栅极端子与用于输入第2传输控制信号
Figure BDA0003800947860000052
的局部控制线连接。此外，在本例中，说明了释放部124将光电转换部104的电荷释放至被供给电源电压VDD的电源布线，但也可以释放至被供给与电源电压VDD不同的电源电压的电源布线。
利用传输部123向蓄积部125传输来自光电转换部104的电荷。蓄积部125为浮动扩散部(FD)的一例。
复位部126将蓄积部125的电荷释放至被供给规定的电源电压VDD的电源布线。复位部126的栅极端子与用于输入复位控制信号
Figure BDA0003800947860000053
的全局控制线163连接。在后面说明全局控制线163。
像素输出部127将基于蓄积部125的电位的信号输出至信号线122。像素输出部127具有增幅部128以及选择部129。增幅部128的栅极端子与蓄积部125连接，漏极端子与被供给电源电压VDD的电源布线连接，源极端子与选择部129的漏极端子连接。
选择部129控制像素112与信号线122之间的电连接。当利用选择部129将像素112和信号线122电连接时，从像素112向信号线122输出像素信号。选择部129的栅极端子与用于输入选择控制信号
Figure BDA0003800947860000061
的全局控制线163连接。选择部129的源极端子与负载电流源121连接。
负载电流源121向信号线122供给电流。负载电流源121可以设于第1基板100，也可以设于第2基板200。
图1D示出控制电路部210的更具体构成的一例。在本例中，示出了控制电路部210、以及设于控制电路部210的控制块220的放大图。
控制电路部210具有沿着行方向以及列方向配置的控制块220。本例的控制电路部210具有(M/2)×N个控制块220。在本例中，控制电路部210相对于沿着列方向并排配置的两个像素组115具有一个控制块220。
控制块220分别配置在与像素块120对应的位置。控制块220控制对应的像素块120的驱动。例如，控制块220控制像素块120的曝光时间。控制块220可以针对每个像素组115控制曝光时间。另外，控制块220具有AD转换器等的处理电路，对由像素块120输出的信号进行处理。在一例中，控制块220将从对应的像素块120输出的模拟的像素信号转换成数字信号。本例的控制块220具备曝光控制部10、像素驱动部20、接合部30、信号处理部40、信号输出部50。
曝光控制部10控制多个像素112的曝光。曝光控制部10生成用于控制像素112的曝光时间的信号。在一例中，曝光控制部10调整曝光的开始定时或者结束定时的至少一个，控制每个像素组115的曝光时间。本例的曝光控制部10在行方向上延伸设置。
像素驱动部20与第1基板100接合，使多个像素112驱动。像素驱动部20从多个像素112选择并驱动任意的像素112。本例的像素驱动部20在列方向上延伸设置。由此，像素驱动部20配置在与沿列方向配置的2m个像素112对应的位置。曝光控制部10以及像素驱动部20通过使像素驱动部20在列方向上延伸并且使曝光控制部10在行方向上延伸而配置成L字型。
接合部30将第1基板100和第2基板200接合。接合部30将从第1基板100输入的像素信号输入至信号处理部40。接合部30与在行方向上配置的n个像素112对应设置，按照每列向信号处理部40输入像素信号。
信号处理部40对由像素部110输出的模拟信号进行数字转换。本例的信号处理部40将模拟的像素信号转换成数字信号。信号处理部40对来自在列方向上排列的2m个像素112的模拟信号依次进行数字转换。信号处理部40对来自在行方向上排列n列的像素112的模拟信号并行进行数字转换。
信号输出部50从信号处理部40接收数字信号。在一例中，信号输出部50临时存储数字信号。信号输出部50只要具有用于存储数字信号的锁存电路即可。信号输出部50在列方向上设在信号处理部40与曝光控制部10之间，且输出数字信号。本例的信号输出部50向控制电路部210的外部输出数字信号。信号输出部50在行方向上延伸，与信号处理部40以及曝光控制部10相邻设置。
本例的摄像元件400具有通过针对每个像素块120设置的控制块220并行读出像素信号的功能。摄像元件400能够与入射光的强度对应地对每个像素组115设定曝光时间，因此，能够放大动态范围。
图1E是用于说明摄像元件400的布线方法的一例的图。本例的全局驱动部234设于夹着控制电路部210的两端而配置的周边电路部230。
局部控制线161与像素块120a连接。本例的局部控制线161与设于像素块120a的传输部123以及释放部124的栅极端子连接。局部控制线161将从控制块220a输出的第1传输控制信号
Figure BDA0003800947860000071
以及第2传输控制信号
Figure BDA0003800947860000072
供给至像素块120a。局部控制线161为与像素块120的第1像素连接的第1控制线的一例。此外，局部控制线161也可以与像素块120a的像素组115对应设置。例如，在像素组115中，相对于在行方向上排列的n个像素112连接有共用的局部控制线161。
局部控制线162与像素块120b连接。本例的局部控制线162与设于像素块120b的传输部123以及释放部124的栅极端子连接。局部控制线162将从控制块220b输出的第1传输控制信号
Figure BDA0003800947860000081
以及第2传输控制信号
Figure BDA0003800947860000082
供给至像素块120b。局部控制线162为与像素块120的第2像素连接的第2控制线的一例。此外，局部控制线162也可以与像素块120b的像素组115对应设置。例如，在像素组115中，相对于在行方向上排列的n个像素112连接有共用的局部控制线162。
全局驱动部234输出复位控制信号
Figure BDA0003800947860000083
选择控制信号
Figure BDA0003800947860000084
以及传输选择控制信号
Figure BDA0003800947860000085
全局驱动部234与向各个像素块120输出信号的全局控制线163连接。全局驱动部234经由全局控制线163向多个像素块120供给复位控制信号
Figure BDA0003800947860000086
以及选择控制信号
Figure BDA0003800947860000087
全局驱动部234经由全局控制线163向多个控制块220供给传输选择控制信号
Figure BDA0003800947860000088
为了控制各个像素组115的曝光时间，从全局驱动部234向控制块220供给传输选择控制信号
Figure BDA0003800947860000089
被供给了传输选择控制信号
Figure BDA00038009478600000810
的控制块220将传输选择控制信号
Figure BDA00038009478600000811
输出至对应的像素块120。像素块120决定是否将传输选择控制信号
Figure BDA00038009478600000812
作为第1传输控制信号
Figure BDA00038009478600000813
个或者第2传输控制信号
Figure BDA00038009478600000814
输入至像素112。由此，跳过向像素112输入第1传输控制信号
Figure BDA00038009478600000815
个或者第2传输控制信号
Figure BDA00038009478600000816
例如，控制块220在第1传输控制信号
Figure BDA00038009478600000817
决定曝光的结束时刻的情况下，通过使第1传输控制信号
Figure BDA00038009478600000818
跳过，来延长曝光时间。另外，控制块220在第1传输控制信号
Figure BDA00038009478600000819
决定曝光的开始时刻的情况下，通过使第1传输控制信号
Figure BDA00038009478600000820
跳过，能够缩短曝光时间。像这样，能够利用传输选择控制信号
Figure BDA00038009478600000821
调整像素组115的曝光时间。第2传输控制信号
Figure BDA00038009478600000822
决定曝光的开始时刻或者结束时刻的情况也相同。
全局控制线163共用地设于多个像素块120。本例的全局控制线163以在行方向上横穿第1基板100的方式布线。全局控制线163也可以以在列方向上横穿第1基板100的方式布线。全局控制线163为共用地设于与局部控制线161连接的像素和与局部控制线162连接的像素的第3控制线的一例。
例如，全局控制线163与像素块120的复位部126以及选择部129的栅极端子连接，供给复位控制信号
Figure BDA0003800947860000091
以及选择控制信号
Figure BDA0003800947860000092
另外，全局控制线163与多个控制块220的每一个连接，向曝光控制部10供给传输选择控制信号
Figure BDA0003800947860000093
此外，本例的全局驱动部234从第2基板200向第1基板100输出传输选择控制信号
Figure BDA0003800947860000094
但也可以不供给至第1基板100而向控制块220输出传输选择控制信号
Figure BDA0003800947860000095
在该情况下，全局控制线163设于第2基板200。
多个凸块152设于第1基板100以及第2基板200彼此接合的接合面。第1基板100的凸块152与第2基板200的凸块152对位。相对置的多个凸块152通过第1基板100以及第2基板200的加压处理等接合在一起而电连接。
本例的摄像元件400通过利用局部控制线使传输部123以及释放部124的至少一个定时变化，针对每个像素组115控制曝光时间。摄像元件400通过组合局部控制线和全局控制线，能够以更少的控制线实现曝光时间的控制。
图2A示出表示摄像元件400的摄像动作的时间图的一例。在本例中，利用第1传输控制信号
Figure BDA0003800947860000096
第2传输控制信号
Figure BDA0003800947860000097
复位控制信号
Figure BDA0003800947860000098
以及选择控制信号
Figure BDA0003800947860000099
控制摄像元件400的驱动。
第2传输控制信号
Figure BDA00038009478600000910
控制开始曝光的定时。曝光的开始定时与第2传输控制信号
Figure BDA00038009478600000911
的下降沿的定时(例如，时刻T1)对应。即，在曝光的开始时刻T1之前，第2传输控制信号
Figure BDA00038009478600000912
将释放部124导通，将蓄积在光电转换部104的电荷释放，因第2传输控制信号
Figure BDA0003800947860000101
的下降使曝光开始。本例的第2传输控制信号
Figure BDA0003800947860000102
被进行局部控制，因此，能够针对每个像素组115调整曝光时间。
第1传输控制信号
Figure BDA0003800947860000103
控制结束曝光的定时。在时刻T3，第1传输控制信号
Figure BDA0003800947860000104
将传输部123导通，由此将蓄积在光电转换部104的电荷传输至蓄积部125。曝光的结束定时与第1传输控制信号
Figure BDA0003800947860000105
的下降沿的定时(例如，时刻T4)对应。本例的第1传输控制信号
Figure BDA0003800947860000106
为被进行全局控制的信号，因此，在各像素组115结束曝光的定时相同。
复位控制信号
Figure BDA0003800947860000107
对蓄积在蓄积部125内的电荷的释放的定时进行控制。在时刻T2，复位控制信号
Figure BDA0003800947860000108
将复位部126导通，由此，将蓄积部125的电荷释放。在本例中，在曝光结束的定时之前事先将蓄积部125的电荷释放，由此，在传输来自光电转换部104的电荷时，能够抑制残留在蓄积部125内的电荷的影响。
选择控制信号
Figure BDA0003800947860000109
为用于选择任意的像素112的信号。选择控制信号
Figure BDA00038009478600001010
控制选择部129的通断。在时刻T2，选择控制信号
Figure BDA00038009478600001011
被设定为高电平。在时刻T3，选择控制信号
Figure BDA00038009478600001012
被设定为高电平的像素112根据第1传输控制信号
Figure BDA00038009478600001013
的导通而向信号线122输出像素信号。另一方面，选择控制信号
Figure BDA00038009478600001014
没有被设定为高电平的像素112没有输出像素信号。
本例的摄像元件400通过对第2传输控制信号
Figure BDA00038009478600001015
进行局部控制，能够针对每个像素组115变更曝光的开始定时，针对每个像素组115控制曝光时间。另外，摄像元件400也可以通过对第1传输控制信号
Figure BDA00038009478600001016
进行局部控制，针对每个像素组115控制曝光的结束定时。然后，摄像元件400也可以通过对第1传输控制信号
Figure BDA00038009478600001017
和第2传输控制信号
Figure BDA00038009478600001018
双方进行局部控制，来针对每个像素组115控制曝光的开始定时和结束定时双方。
图2B示出表示摄像元件400的摄像动作的时间图的一例。在本例中，通过第1传输控制信号
Figure BDA00038009478600001019
复位控制信号
Figure BDA00038009478600001020
以及选择控制信号
Figure BDA00038009478600001021
控制摄像元件400的驱动。本例的摄像元件400通过第1传输控制信号
Figure BDA0003800947860000111
控制曝光开始的定时这一点与图2A的情况不同。在本例中，特别说明与图2A不同这一点。
第1传输控制信号
Figure BDA0003800947860000112
控制曝光开始以及结束的定时。在帧(n)中，在时刻T5曝光开始，在时刻T7曝光结束。
在曝光的开始时刻T5，第1传输控制信号
Figure BDA0003800947860000113
下降，由此，曝光开始。即，在曝光的开始时刻T5之前，第1传输控制信号
Figure BDA0003800947860000114
通过在导通了复位控制信号
Figure BDA0003800947860000115
的状态下将传输部123导通，将蓄积在光电转换部104的电荷释放，在第1传输控制信号
Figure BDA0003800947860000116
的下降沿，曝光开始。本例的第1传输控制信号
Figure BDA0003800947860000117
为被进行了局部控制的信号，因此，能够在各像素组115使开始曝光的定时变化。但也可以使各像素组115统一开始曝光的定时。
另外，在曝光的结束时刻T7，通过使第1传输控制信号
Figure BDA0003800947860000118
下降，使曝光结束。即，在曝光的结束时刻T7之前，第1传输控制信号
Figure BDA0003800947860000119
通过在将复位控制信号
Figure BDA00038009478600001110
关断的状态下将传输部123导通，将蓄积在光电转换部104的电荷传输至蓄积部125，在第1传输控制信号
Figure BDA00038009478600001111
的下降沿，曝光结束。本例的第1传输控制信号
Figure BDA00038009478600001112
为被进行了局部控制的信号，因此，能够使各像素组115结束曝光的定时变化。但也可以使各像素组115统一结束曝光的定时。
选择控制信号
Figure BDA00038009478600001113
为用于选择任意的像素112的信号。在时刻T6，选择控制信号
Figure BDA00038009478600001114
被设定为高电平的像素112向信号线122输出像素信号。
复位控制信号
Figure BDA00038009478600001115
控制蓄积在蓄积部125内的电荷的释放定时。复位控制信号
Figure BDA00038009478600001116
只要为被进行了全局控制的信号即可。复位控制信号
Figure BDA00038009478600001117
在读出的定时以外始终导通，因此，没有在蓄积部125蓄积电荷。另一方面，在读出的定时关断复位控制信号
Figure BDA00038009478600001118
并导通第1传输控制信号
Figure BDA00038009478600001119
由此，从光电转换部104向蓄积部125传输电荷。就本例的复位控制信号
Figure BDA00038009478600001120
而言，由于读出时的切换的定时相同，所以能够与选择控制信号
Figure BDA00038009478600001121
的脉冲共用。
本例的摄像元件400通过对第1传输控制信号
Figure BDA00038009478600001122
进行局部控制，针对每个像素组115变更曝光开始或者结束的定时，能够针对每个像素组115控制曝光时间。另外，摄像元件400能够共用复位控制信号
Figure BDA0003800947860000121
和选择控制信号
Figure BDA0003800947860000122
的脉冲，因此，能够进一步简化控制电路。
图3示出表示比较例的摄像元件的摄像动作的时间图。在本例中，利用第1传输控制信号
Figure BDA0003800947860000123
复位控制信号
Figure BDA0003800947860000124
以及选择控制信号
Figure BDA0003800947860000125
控制摄像元件的驱动。
在比较例中，通过第1传输控制信号
Figure BDA0003800947860000126
以及复位控制信号
Figure BDA0003800947860000127
控制了曝光的开始。曝光的开始定时为第1传输控制信号
Figure BDA0003800947860000128
以及复位控制信号
Figure BDA0003800947860000129
的下降沿的定时(时刻t1)。曝光的结束定时为第1传输控制信号
Figure BDA00038009478600001210
的下降沿的定时(时刻t2)。在比较例中，曝光的开始定时以及结束定时被进行全局控制，不针对每个像素组115控制曝光时间。
图4A示出摄像元件400拍摄的被摄体的一例。本例的摄像元件400在隧道之外照射了夕阳的状况下，针对每个像素组115控制曝光时间。
区域1～区域5为根据亮度而分成的五个区域。区域1～区域5按照亮度的顺序标注编号。区域1为可直接看到夕阳的最亮的区域。区域2为与隧道的出口对应的区域，比区域1暗。区域3为在隧道内反射了夕阳的区域，比区域2暗。区域4为在隧道内从出***进来夕阳的区域，比区域3暗。区域5为在隧道内没有照射到来自出口的夕阳的最暗的区域。
摄像元件400与各区域的亮度对应地针对每个像素组115控制曝光时间。摄像元件400以越是亮区域的像素组115则曝光时间变得越短的方式来控制。将区域1的曝光时间设定为最短，将区域5的曝光时间设定为最长。例如，区域1～区域5的曝光时间为1/19200s、1/1920s、1/960s、1/240s以及1/120s。
图4B示出表示摄像元件400的摄像动作的时间图。本例的摄像元件400针对区域1～区域5的每个像素组115控制曝光时间。在本例中，从时刻T11到时刻T19为止的区间与动态图像帧频对应。
在区域1中，控制块220以使像素组115中的曝光时间成为事先规定的曝光时间ET1的方式控制驱动。本例的控制块220利用第2传输控制信号
Figure BDA0003800947860000131
控制曝光的开始，利用第1传输控制信号
Figure BDA0003800947860000132
控制曝光的结束。在区域1中，在时刻T12～时刻T19的每个时刻，使曝光结束。
在区域2中，控制块220以使像素组115中的曝光时间成为比ET1长的曝光时间ET2的方式控制驱动。控制块220将区域2的曝光开始时刻设为比区域1快，使曝光的结束时刻与区域1一致。因此，在区域2中，在时刻T12～时刻T19的每个时刻，使曝光结束。区域2的曝光时间ET2比传感器速率的周期短。
在区域3中，控制块220以使像素组115中的曝光时间成为比ET2长的曝光时间ET3的方式控制驱动。控制块220将区域3的曝光开始时刻设为比区域2快，使曝光的结束时刻与区域2一致。因此，在区域3中，在时刻T12～时刻T19的每个时刻，四曝光结束。区域3的曝光时间ET3被设定为与传感器速率的周期相同。
在区域4中，控制块220以使像素组115中的曝光时间成为比ET3长的曝光时间ET4的方式控制驱动。控制块220将区域4设为与区域3相同的曝光开始时刻，另一方面，利用传输选择控制信号
Figure BDA0003800947860000133
跳过曝光的结束时刻。本例的控制块220利用传输选择控制信号
Figure BDA0003800947860000134
跳过三次，由此，实现了区域3的4倍的曝光时间。在区域4中，在时刻T12～时刻T14的各个时刻供给了传输选择控制信号
Figure BDA0003800947860000135
在区域5中，控制块220以使像素组115中的曝光时间成为比ET4长的曝光时间ET5的方式控制驱动。控制块220将区域5设为与区域4相同的曝光开始时刻，另一方面，增加了利用传输选择控制信号
Figure BDA0003800947860000136
跳过曝光的结束时刻的次数。本例的控制块220利用传输选择控制信号
Figure BDA0003800947860000137
跳过七次，由此，实现了区域4的2倍的曝光时间。区域5的曝光时间ET5被设定为与动态图像帧频的周期相同。在区域5中，在时刻T12～时刻T18的各个时刻供给了传输选择控制信号
Figure BDA0003800947860000141
本例的摄像元件400通过使第1传输控制信号
Figure BDA0003800947860000142
与第2传输控制信号
Figure BDA0003800947860000143
的间隔靠近，来实现短时间曝光。另外，摄像元件400利用传输选择控制信号
Figure BDA0003800947860000144
跳过第1传输控制信号
Figure BDA0003800947860000145
的控制，由此，实现了长时间曝光。由此，能够放大动态范围。
图5是示出摄像元件400的概要的图。摄像元件400拍摄被摄体。摄像元件400生成拍摄到的被摄体的图像数据。摄像元件400具备第1基板100以及第2基板200。如图5所示，第1基板100层叠在第2基板200上。
第1基板100具备像素部110以及连接区域150。像素部110入射有光。像素部110输出基于入射来的光的像素信号。有时将第1基板100称为像素芯片。连接区域150配置在像素部110的周边。在图5的例子中，在像素部110的近前和远处，沿着第1基板100相对的两条边配置有一对连接区域150。
第2基板200具备控制电路部210、周边电路部230以及信号处理部250。有时将第2基板200称为处理电路芯片。
控制电路部210将用于控制像素部110的驱动的控制信号输出至像素部110。本例的控制电路部210在第2基板200中配置在与像素部110相对置的位置。
周边电路部230对控制电路部210的驱动进行控制。周边电路部230在第2基板200中配置在控制电路部210的周边。另外，周边电路部230也可以与第1基板100电连接，来控制像素部110的驱动。本例的周边电路部230沿着第2基板200的相对的两条边配置，但周边电路部230的配置方法不限于本例。
向信号处理部250输入从第1基板100输出的像素信号。信号处理部250进行相对于像素信号的信号处理。例如，信号处理部250进行将模拟信号转换成数字信号的处理。具体来说，信号处理部250进行将输入来的像素信号转换成数字信号的处理。信号处理部250也可以进行其他信号处理。作为其他信号处理的例子，举出模拟或者数字的CDS(相关双采样)等的噪声除去处理。信号处理部250配置在控制电路部210的周边，即，配置在外侧。在图5的例子中，在控制电路部210的的近前和远处，沿着第2基板200相对的两条边配置有一对信号处理部250。
此外，摄像元件400也可以在第1基板100以及第2基板200之外还具有层叠于第2基板200的第3基板。也可以在第3基板配置有存储图像数据的存储器。而且，第3基板也可以进行与从第2基板200输出的信号对应的图像处理。另外，摄像元件400的构造可以为背面照射型，也可以为表面照射型。
图6示出像素部110的具体构成的一例。在本例中，示出了像素部110、以及与设于像素部110的像素块120的放大图。
像素部110具有沿着行方向以及列方向并排配置的多个像素块120。本例的像素部110具有M×N个(M、N为自然数)的像素块120。在本例中，图示了M与N相等的情况，但M和N也可以不同。
像素块120具有至少一个像素112。本例的像素块120具有m×n个(m，n为自然数)的像素112。例如，像素块120具有16×16个像素112。与像素块120对应的像素112的个数不限于此。在本例中，图示了m与n相等的情况，但m也可以与n不同。像素块120具有在行方向上连接于共用的控制线的多个像素112。例如，像素块120的各个像素112以被设定相同的曝光时间的方式与共用的控制线连接。在一例中，在行方向上排列的n个像素112通过共用的控制线而连接在一起。
另一方面，多个像素块120彼此只要分别被设定不同的曝光时间即可。即，像素块120的各个像素112为相同的曝光时间，但在其他像素块120只要被设定不同的曝光时间即可。例如，在像素块120的像素112在行方向上用共用的控制线连接在一起的情况下，其他像素块120的像素112利用不同的控制线而共用连接。
像素块120与后述的控制块220对应地配置。在本实施方式中，相对于一个控制块220配置有一个像素块120。
像素112具有将光转换成电荷的光电转换功能。像素112将光电转换后的电荷蓄积。m个像素112沿着列方向排列配置，与共用的信号线122连接。然后，m个像素112在像素块120中，在行方向并排排列n列。
换言之，像素块120为用共用的控制线连接的多个像素112的集合。另外，像素块120也可以说是被设定相同的曝光时间的多个像素112的电路的最小单位。
图7示出控制电路部210的更具体构成的一例。在本例中，示出了控制电路部210、以及设于控制电路部210的控制块220的放大图。
控制电路部210具有沿着行方向以及列方向并排配置的控制块220。本例的控制电路部210具有M×N个控制块220。
控制块220分别配置在与像素块120对应的位置。例如，控制块220和像素块120配置在从第1基板100与第2基板200的层叠方向来看重叠的位置。在该情况下，控制块220与像素块120的面积只要为包括相邻的块之间的边距在内大致相同即可。
控制块220控制对应的像素块120的驱动。例如，控制块220控制对应的像素块120的曝光时间。本例的控制块220具备曝光控制部10以及像素驱动部20。
曝光控制部10控制多个像素112的曝光。曝光控制部10生成用于控制像素112的曝光时间的信号。在一例中，曝光控制部10调整曝光的开始定时或者结束定时的至少一个，控制每个像素块120的曝光时间。
像素驱动部20与多个像素112电连接，使该多个像素112驱动。像素驱动部20从多个像素112选择并驱动任意的像素112。像素驱动部20配置在与在列方向上配置的m个像素112对应的位置。摄像元件400能够与入射光的强度对应地针对每个像素块120设定曝光时间，因此，能够放大动态范围。
也可以取代相对于一个像素块120设置一个控制块220，而是相对于N个(N为2以上的自然数)的像素块120设置一个控制块。有时将与一个像素块对应的N个像素块120称为像素块组。例如，也可以将沿着列方向并排配置的两个像素块120作为一个像素块组，设置一个控制块220。在该情况下，控制块220也可以针对每个像素块120控制曝光时间。
此外，控制块220与至少一个像素块120电连接，也可以说为控制该至少一个像素块120的像素112的曝光的电路的最小单位。
图8示出像素112的电路构成的一例。像素112具备光电转换部104、传输部123、释放部124、复位部126、像素输出部127。像素输出部127具有增幅部128以及选择部129。在本例中，说明了传输部123、释放部124、复位部126、增幅部128以及选择部129为N沟道型FET，但晶体管的种类不限于此。
光电转换部104具有将光转换成电荷的光电转换功能。光电转换部104将光电转换后的电荷蓄积。光电转换部104例如为光电二极管。
传输部123将蓄积在光电转换部104的电荷传输至蓄积部125。传输部123为传输光电转换部104的电荷的传输栅极的一例。换言之，将传输部123作为栅极，将光电转换部104作为源极，将蓄积部125作为漏极，由这些构成了所谓的传输晶体管。传输部123的栅极端子与用于输入控制信号
Figure BDA0003800947860000171
的各个像素块120的局部的传输控制线连接。
释放部124将蓄积在光电转换部104的电荷释放至被供给电源电压VDD的电源布线。释放部124的栅极端子与用于输入释放控制信号
Figure BDA0003800947860000172
的各个像素块120的局部的释放控制线连接。此外，在本例中，说明了释放部124将光电转换部104的电荷释放至被供给至电源电压VDD的电源布线，但也可以释放至被供给与电源电压VDD不同的电源电压的电源布线。
利用传输部123向蓄积部125传输来自光电转换部104的电荷。蓄积部125为浮动扩散部(FD)的一例。
复位部126将蓄积部125的电荷释放至被供给规定的电源电压VDD的电源布线。复位部126的栅极端子与遍及用于输入复位控制信号
Figure BDA0003800947860000181
的多个像素块120的全局的复位控制线连接。
像素输出部127将基于蓄积部125的电位的信号输出至信号线122。像素输出部127具备增幅部128以及选择部129。增幅部128的栅极端子与蓄积部125连接，漏极端子与被供给电源电压VDD的电源布线连接，源极端子与选择部129的漏极端子连接。
选择部129控制像素112与信号线122之间的电连接。当利用选择部129将像素112和信号线122电连接时，从像素112向信号线122输出像素信号。选择部129的栅极端子与遍及用于输入选择控制信号
Figure BDA0003800947860000182
的多个像素块120的全局的选择控制线连接。选择部129的源极端子与负载电流源121连接。
负载电流源121向信号线122供给电流。负载电流源121可以设在第1基板100，也可以设在第2基板200。
此后，有时将基于蓄积在光电转换部104的电荷、传输至蓄积部125的电荷以及蓄积部125的电位的信号的某一个或者这些统称为像素信号。
此外，像素112具备至少一个光电转换部104、以及作为将来自该至少一个光电转换部104的图像信号向信号线122读出的读出部的像素输出部127等。像素112可以说是将构成图像的像素信号输出至信号线122的电路的最小单位。
图9、图10以及图11是用于说明摄像元件400的布线方法的一例的图。此外，在图10以及图11中，为了简化附图，省略了连接区域。
如图9所示，第1基板100设于像素部610的周边，具备与像素部610电连接的连接区域132、150。第2基板200设于控制电路部210的周边，具备与控制电路部210电连接的连接区域232、255。
一对连接区域132和位于与各自相对置的位置的一对连接区域232连接在一起。彼此连接的连接区域132、232使用全局的控制线将来自全局驱动部234的控制信号输入至像素部610。
一对连接区域150和位于与各自相对置的位置的一对连接区域254、255连接在一起。彼此连接的连接区域150、254、255使用共用的信号线将来自像素部110的像素信号输入至对应的ADC部252、253。
如图10所示，全局驱动部234输出复位控制信号
Figure BDA0003800947860000191
选择控制信号
Figure BDA0003800947860000192
以及传输选择控制信号
Figure BDA0003800947860000193
全局驱动部234与向各个像素块120输出信号的复位控制线143、选择控制线145连接。全局驱动部234经由复位控制线143向多个像素块120供给复位控制信号
Figure BDA0003800947860000194
经由选择控制线145供给选择控制信号
Figure BDA0003800947860000195
全局驱动部234经由传输选择控制线147向多个控制块220供给传输选择控制信号
Figure BDA0003800947860000196
为了控制每个像素块120的曝光时间，从全局驱动部234向控制块220供给传输选择控制信号
Figure BDA0003800947860000197
被供给了传输选择控制信号
Figure BDA0003800947860000198
的控制块220将传输选择控制信号
Figure BDA0003800947860000199
输出至对应的像素块120。像素块120决定是否将传输选择控制信号
Figure BDA00038009478600001910
作为传输控制信号
Figure BDA00038009478600001911
个或者释放控制信号
Figure BDA00038009478600001912
输入至像素112。由此，跳过向像素112输入传输控制信号
Figure BDA00038009478600001913
个或者释放控制信号
Figure BDA00038009478600001914
例如，控制块220在传输控制信号
Figure BDA00038009478600001915
决定曝光的结束时刻的情况下，使传输控制信号
Figure BDA00038009478600001916
跳过，由此来延长曝光时间。另外，控制块220在传输控制信号
Figure BDA00038009478600001917
决定曝光的开始时刻的情况下，使传输控制信号
Figure BDA00038009478600001918
跳过，由此，能够缩短曝光时间。像这样，能够利用传输选择控制信号
Figure BDA00038009478600001919
调整像素块120的曝光时间。释放控制信号
Figure BDA00038009478600001920
决定曝光的开始时刻或者结束时刻的情况也相同。
复位控制线143、选择控制线145以及传输选择控制线147全局地布线，即，共用地设在多个像素块120。本例的复位控制线143、选择控制线145以及传输选择控制线147以在行方向上横穿像素部110的方式布线。复位控制线143、选择控制线145以及传输选择控制线147也可以以在列方向上横穿像素部110的方式布线。
例如，复位控制线143与像素块120的复位部126的栅极端子连接，供给复位控制信号
Figure BDA0003800947860000201
选择控制线145与像素块120的选择部129的栅极端子连接，供给选择控制信号
Figure BDA0003800947860000202
另外，传输选择控制线147与多个控制块220的每一个连接，向曝光控制部10供给传输选择控制信号
Figure BDA0003800947860000203
此外，本例的全局驱动部234从第2基板200向第1基板100输出传输选择控制信号
Figure BDA0003800947860000204
但也可以不供给至第1基板100，而是向控制块220输出传输选择控制信号
Figure BDA0003800947860000205
在该情况下，传输选择控制线147设在第2基板200。
另一方面，传输控制线141a以及释放控制线142a与像素块120a连接。本例的传输控制线141a与设于像素块120a的传输部123释放的栅极端子连接。传输控制线141a将从控制块220a输出的传输控制信号
Figure BDA0003800947860000206
供给至像素块120a。本例的释放控制线142a与设于像素块120a的释放部124的栅极端子连接。释放控制线142a将从控制块220a输出的释放控制信号
Figure BDA0003800947860000207
供给至像素块120a。
传输控制线141b以及释放控制线142b与像素块120b连接。本例的传输控制线141b与设于像素块120b的传输部123的栅极端子连接。传输控制线141b将从控制块220b输出的传输控制信号
Figure BDA0003800947860000208
供给至像素块120b。本例的释放控制线142b与设于像素块120b的释放部124的栅极端子连接。释放控制线142b将从控制块220b输出的释放控制信号
Figure BDA0003800947860000209
供给至像素块120b。
多个凸块152设于第1基板100以及第2基板200彼此接合的接合面。第1基板100的凸块152与第2基板200的凸块152对位。相对置的多个凸块152利用第1基板100以及第2基板200的加压处理等来接合而电连接。在该情况下全局的控制线的凸块152可以位于对应的像素块120之下，也可以位于连接区域132、232。另一方面，局部的控制线的凸块152设于对应的像素块120之下(也为控制块220上)。
本例的摄像元件400通过局部的控制线使传输部123以及释放部124的至少一个定时变化，针对每个像素块120控制曝光时间。摄像元件400通过将局部的控制线和全局的控制线组合，能够利用更少的控制线实现曝光时间的控制。
如图11所示，在像素块120c的内部针对每列配置在该列方向上延伸的共用的信号线122。而且，该信号线122也相对于在列方向上排列的多个像素块120c、120d共用。因此，在本例中，在一个信号线122连接有排成1列的m×M个像素112，输出来自这些像素112的像素信号。
在信号线122的每一个经由凸块152在第2基板200侧连接有ADC(模拟数字转换器)256。与多个信号线122对应的多个ADC256构成ADC部252。
在图11的例子中，与奇数列的像素块120c、120d对应的ADC256设于ADC部252，与偶数列的像素块120e、120f对应的ADC256设于ADC部253。然而，像素块120c等和与该对应的ADC部252等的配置关系不限于此。
根据上述构成，各个ADC256将从连接的1列的m×M个像素112依次输出的像素信号转换成数字信号并输出。在该情况下，ADC部252、253的整体将来自在行方向上排列成n×N列的像素112的像素信号并行转换成数字信号。从该观点来看，该数字转换也能够称为所谓的列ADC的一种。此外，作为ADC的一例，举出单斜ADC，也可以使用其他数字转换的方式。另外，各像素112与信号线122的连接位置不限于图11示出的形态，作为其他例子，也可以位于各像素块120c等内。
图12示出表示在摄像元件400的像素块120内的摄像动作的时间图的一例。在本例中，利用传输控制信号
Figure BDA0003800947860000211
释放控制信号
Figure BDA0003800947860000212
复位控制信号
Figure BDA0003800947860000213
以及选择控制信号
Figure BDA0003800947860000214
控制像素块120的驱动。
释放控制信号
Figure BDA0003800947860000215
控制开始曝光的定时。曝光的开始定时与释放控制信号
Figure BDA0003800947860000216
的下降沿的定时(例如，时刻T1)对应。即，在曝光的开始时刻T1之前，释放控制信号
Figure BDA0003800947860000221
将释放部124导通且将蓄积在光电转换部104的电荷释放，在释放控制信号
Figure BDA0003800947860000222
的下降沿，曝光开始。本例的释放控制信号
Figure BDA0003800947860000223
被进行局部控制，因此，能够针对每个像素块120调整曝光时间。
传输控制信号
Figure BDA0003800947860000224
控制结束曝光的定时。在时刻T3，传输控制信号
Figure BDA0003800947860000225
通过将传输部123导通，将蓄积在光电转换部104的电荷传输至蓄积部125。曝光的结束定时与传输控制信号
Figure BDA0003800947860000226
的下降沿的定时(例如，时刻T4)对应。
复位控制信号
Figure BDA0003800947860000227
控制蓄积在蓄积部125内的电荷的释放的定时。在时刻T2，复位控制信号
Figure BDA0003800947860000228
通过将复位部126导通，将蓄积部125的电荷释放。在本例中，通过在曝光的结束的定时之前事先将蓄积部125的电荷释放，在传输来自光电转换部104的电荷时，能够抑制残留在蓄积部125内的电荷的影响。
选择控制信号
Figure BDA0003800947860000229
为用于选择任意的像素112的信号。选择控制信号
Figure BDA00038009478600002210
控制选择部129的通断。在时刻T2，选择控制信号
Figure BDA00038009478600002211
被设定为高电平。在时刻T3，选择控制信号
Figure BDA00038009478600002212
被设定为高电平的像素112根据传输控制信号
Figure BDA00038009478600002213
的导通而向信号线122输出像素信号。另一方面，选择控制信号
Figure BDA00038009478600002214
被设定为高电平的像素112没有输出像素信号。
本例的摄像元件400通过局部控制释放控制信号
Figure BDA00038009478600002215
能够针对每个像素块120变更曝光的开始定时，针对每个像素块120控制曝光时间。另外，摄像元件400也可以通过局部控制传输控制信号
Figure BDA00038009478600002216
针对每个像素块120控制曝光的结束定时。然后，摄像元件400也可以通过局部控制传输控制信号
Figure BDA00038009478600002217
和释放控制信号
Figure BDA00038009478600002218
双方，来针对每个像素块120控制曝光的开始定时与结束定时双方。
各像素112的像素信号与蓄积在光电转换部104的电荷量对应。因此，控制像素112的曝光的定时也可以说是控制光电转换部104的电荷蓄积的定时。更具体来说，控制像素112的曝光的定时也可以说是控制从电荷的释放到传输为止的电荷蓄积时间的定时和长度。
图13示出每个像素块120的曝光定时的一例。在本例中，相对于排列成1列的三个像素块120，针对每个像素块120控制曝光时间。在此，摄像元件400通过针对每个像素块120错开像素复位的时刻，来变更曝光量。
另一方面，从上方的像素块120起依次设置像素信号的读出的定时。即，从“像素块1”的像素112读出像素信号，此后从“像素块2”的像素112读出像素信号，此后从“像素块3”的像素112读出像素信号。
而且，在像素块120内，也如在图12中说明的那样，从上方的行的像素112依次读出像素信号。因此，在以像素部110整体观察的情况下，从与共用的信号线122连接的同列的m×M个像素112的上方的行起依次读出像素信号。换言之，全局驱动部234从第1行到第m×M行为止，跨过排列成1列的多个像素块120而1行1行地将选择控制信号
Figure BDA0003800947860000231
设定为高电平。
在该情况下，如在图11中说明的那样，针对排列成1行的多个像素块120，相对于排列成同一行的n×N个而连接有共用的选择控制线145。因此，从与选择控制信号
Figure BDA0003800947860000232
被设定为高电平的行连接的n×N个像素112并行读取像素信号。由此，能够输出1帧分的像素信号。
如在图11中说明的那样，利用ADC部252、252对这些像素信号进行数字转换。数字转换后的像素信号被输出至后级的图像处理，形成与1帧对应的图像。
如上所述，从在多个像素块120之间从同一列中上方的行依次进行像素信号的读出这一观点来看，在本实施方式的读出方法中，像素部110整体也可以说为所谓的卷帘式快门方式。此外，在该情况下，也能够针对每个像素块120设定不同的曝光时间。
以上，根据本实施方式，在从排列成1列的多个像素块120中的、上方的像素块120的像素112读出像素信号之后，从其下方的像素块120的像素112读出像素信号。因此，基于在拍摄到移动的被摄体的情况下的读出顺序的图像的失真变平滑，能够降低观察者对图像具有的违和感。更详细来说，在从排列成1列的多个像素块120并行读出移动的被摄体的情况下，在图像的纵向(即，与像素的列方向对应)上表现出与像素块120间对应的锯条状的多个层差而对观察者产生违和感。与之相对地，根据本实施方式，在图像内不会体现出这种多个层差。
另外，在本实施方式中，在控制块220内没有设置ADC部，在控制电路部210的外侧配置了信号处理部250。因此，能够减少控制块220的面积，能够减小配置在与控制块220对应的位置的像素块120的尺寸，即，能够以少像素数的单位控制基于控制块220的曝光控制。由此，能够高精度地对图像内进行曝光时间控制，能够在图像上使像素块120的边界变得不明显。而且，由于不在像素112的正下方进行数字转换，所以能够抑制因发热引起的对像素112造成的噪声的影响。
此外，信号处理部250也可以不设于多个分离的区域，也可以相对于像素部110的整体设于一个区域。
图14是示出其他实施方式的摄像元件800的概要的图。在摄像元件800中，针对与摄像元件400相同的构成标注相同的附图标记，并省略说明。
摄像元件800具有第1基板600以及第2基板700。如图14所示，第1基板600层叠于第2基板700。
第1基板600具有像素部610且第2基板700具有控制电路部210以及周边电路部230是与摄像元件400相同的。另一方面，在第1基板600的像素部610的周边没有设置第1基板100的连接区域150。另外，在第2基板700的控制电路部710的周边没有设置第2基板200的信号处理部250。
向控制电路部710输入从第1基板100输出的像素信号。控制电路部710对输入来的像素信号进行处理。本例的控制电路部710在第2基板200中配置在与像素部610相对置的位置。控制电路部710还将用于控制像素部610的驱动的控制信号输出至像素部610。
图15示出像素部610的具体构成的一例。像素部610具有M×N个像素块620、且像素块620具有m×n个像素112这一点、以及像素112的构成与像素部110相同。
在像素块620内排列成1列的像素112与共用的信号线122连接这一点与像素块120相同。另一方面，在多个像素块620间信号线122并非共用，而是彼此独立。
图16示出控制电路部710的更具体构成的一例。控制电路部710具有M×N个控制块720、分别配置在与像素块620对应的位置这一点，与控制电路部210相同。
控制块720具有与控制块220同样的曝光控制部10以及像素驱动部20。控制块720还具备接合部730、信号处理部740、信号输出部750。
接合部730将第1基板600和第2基板700接合。接合部730将从第1基板600输入的像素信号输入至信号处理部740。接合部730与在行方向上配置的n个像素112对应设置，按照每列向信号处理部740输入像素信号。
信号处理部740对由像素部610输出的模拟信号进行数字转换。本例的信号处理部740将模拟的像素信号转换成数字信号。信号处理部740对来自在列方向上排列的m个像素112的模拟信号依次进行数字转换。信号处理部740具有与对应的像素块120的列数对应的数量的ADC，使用这些ADC对来自在行方向上排成n列的像素112的模拟信号并行进行数字转换。
信号输出部750从信号处理部740接收数字信号。在一例中，信号输出部750临时存储数字信号。信号输出部750只要具有用于存储数字信号的锁存电路即可。信号输出部750在列方向上设于信号处理部740与曝光控制部10之间，输出数字信号。本例的信号输出部750向控制电路部710的外部输出数字信号。
本例的控制块720在内部具备信号处理部740以及信号输出部750。即，对像素信号进行数字转换的电路配置在控制电路部710内，没有配置在外侧。
本例的摄像元件800能够与入射光的强度对应地针对每个像素块620设定曝光时间从而能够放大动态范围这一点，与摄像元件400相同。摄像元件800还能够通过针对每个像素块620设置的控制块720，针对每个像素块620并列地读出像素信号。然而，在本实施方式中，以后述那样控制读出定时。
图17示出每个像素块620的曝光定时的一例。在本例中，针对排成1列的三个像素块620，针对每个像素块620控制曝光时间。在此，摄像元件800与摄像元件400同样地，使每个像素块620错开像素复位的时刻，由此来改变曝光量。
另一方面，从上方的像素块620依次设置像素信号的读出的定时。即，从“像素块1”的像素112读出像素信号，此后从“像素块2”的像素112读出像素信号，此后从“像素块3”的像素112读出像素信号。
而且，在像素块620内，也与摄像元件400同样地，从上方的行的像素112依次读出像素信号。因此，在以像素部110整体观察的情况下，从与共用的信号线122连接的同列的m×M个像素112的上方的行按顺序读出像素信号。
在摄像元件800中，设有与多个像素块620的每一个对应的信号线122以及信号处理部740。更详细来说，设有与多个像素块620的各列对应的信号线122以及信号处理部740的ADC。因此，也能够在沿列方向排列的多个像素块620之间同时读出像素信号。然而，在本实施方式中，全局驱动部234从第1行到第m×M行为止遍及排成1列的多个像素块120，1行1行地将选择控制信号
Figure BDA0003800947860000261
设定为高电平。
由此，如图17所示，在从与图13同样地排成1列的多个像素块120中的、上方的像素块120的像素112读出像素信号之后，从其下方的像素块120的像素112读出像素信号。
如上所述，其结果为与摄像元件400同样地，从多个像素块620中的同一列的上方的行依次进行像素信号的读出这一观点来看，本实施方式的读出方法也作为像素部610整体，也可以说为所谓的卷帘式快门方式。但在该情况下，能够针对每个像素块620设定不同的曝光时间也与摄像元件400相同。由此，在摄像元件800中也与摄像元件400同样地，在拍摄了移动的被摄体的情况下的基于读出顺序的图像的失真变平滑，能够降低观察者感觉到的图像的违和感。
图18示出摄像元件400、800的像素114的另一例。在像素114中，对与像素112相同的构成标注相同的附图标记并省略说明。在像素114中，没有设置设于像素112的释放部124。像素114有时被称为4晶体管型。
图19示出表示在利用了像素114的像素块120内的摄像动作的时间图的例子。在本例中，利用传输控制信号
Figure BDA0003800947860000271
复位控制信号
Figure BDA0003800947860000272
以及选择控制信号
Figure BDA0003800947860000273
控制摄像元件400的驱动。本例的摄像元件400利用传输控制信号
Figure BDA0003800947860000274
控制曝光的开始的定时这一点，与图12的情况不同。在本例中，特别说明与图12的不同点。
传输控制信号
Figure BDA0003800947860000275
控制曝光的开始以及结束的定时。在帧(n)中，在时刻T5曝光开始，在时刻T7曝光结束。
在曝光的开始时刻T5，传输控制信号
Figure BDA0003800947860000276
下降，由此，曝光开始。即，在曝光的开始时刻T5之前，传输控制信号
Figure BDA0003800947860000277
在将复位控制信号
Figure BDA0003800947860000278
导通的状态下将传输部123导通，由此，将蓄积在光电转换部104的电荷释放，在传输控制信号
Figure BDA0003800947860000279
的下降沿，曝光开始。本例的传输控制信号
Figure BDA00038009478600002710
为进行了局部控制的信号，因此，也能够实现在各像素块120使开始曝光的定时变化。
另外，在曝光的结束时刻T7，传输控制信号
Figure BDA00038009478600002711
下降，由此，曝光结束。即，在曝光的结束时刻T7之前，传输控制信号
Figure BDA00038009478600002712
在关断了复位控制信号
Figure BDA00038009478600002716
的状态下将传输部123导通，由此，将蓄积在光电转换部104的电荷传输至蓄积部125，在传输控制信号
Figure BDA00038009478600002713
的下降沿，曝光结束。本例的传输控制信号
Figure BDA00038009478600002714
为被进行了局部控制的信号，因此，也能够实现在各像素块120使结束曝光的定时变化。
选择控制信号
Figure BDA00038009478600002715
为用于选择任意的像素114的信号。在时刻T6，选择控制信号
Figure BDA0003800947860000281
被设定为高电平的像素114向信号线122输出像素信号。
复位控制信号
Figure BDA0003800947860000282
控制蓄积在蓄积部125内的电荷的释放的定时。复位控制信号
Figure BDA0003800947860000283
只要为被进行了全局控制的信号即可。由于复位控制信号
Figure BDA0003800947860000284
在读出的定时以外始终导通，所以不在蓄积部125蓄积电荷。另一方面，在读出的定时将复位控制信号
Figure BDA0003800947860000285
关断且将传输控制信号
Figure BDA0003800947860000286
导通，由此，从光电转换部104向蓄积部125传输电荷。在本例的复位控制信号
Figure BDA0003800947860000287
中，读出时的切换的定时相同，因此，能够与选择控制信号
Figure BDA0003800947860000288
的脉冲共用。
图20示出每个使用了像素114的像素块120的曝光定时的一例。在像素114中，如在图19中说明的那样，在像素信号的读出的动作期间中进行复位的动作。因此，在图20以及其说明中说明读出的定时，省略复位的定时的说明。
在图20中，与图13同样地从上方的像素块120依次设置像素信号的读出的定时。即，从“像素块1”的像素114读出像素信号，此后从“像素块2”的像素114读出像素信号，此后从“像素块3”的像素114读出像素信号。
而且，在像素块120内，也从上方的行的像素114依次读出像素信号。因此，在以像素部110整体观察的情况下，从与共用的信号线122连接的同列的m×M个像素114的上方的行依次读出像素信号。
如上所述，其结果为，与使用了像素112的情况同样地，从多个像素块120中的同一列的上方的行起依次进行从像素信号的读出这一观点来看，可以说在本实施方式的读出方法中，像素部110整体也为所谓的卷帘式快门方式。
而且，在图20中，在特定的帧中不进行特定的像素块120的读出(也称为跳过、略过、间除等)。由此，能够针对每个像素块120改变曝光时间。
例如在图20的例子中，在“帧k”中读出“像素块1”以及“像素块3”，不读出“像素块2”。在下一个“帧k+1”中，“像素块1”、“像素块2”以及“像素块3”均被读出。因此，在“帧k+1”中，“像素块2”的曝光时间变得比“像素块1”以及“像素块3”的曝光时间长。在此，若读出的时间的帧频为一定的，则能够针对特定的像素块120，略过n次读出，从而设为(n+1)倍的曝光时间。
此外，在特定的帧中不读出特定的像素块120这样的形态还能够应用于使用了像素112的摄像元件400、800。在该情况下，在刚读出的定时之后马上设为基于释放控制信号
Figure BDA0003800947860000291
的曝光的开始定时，能够进行与图20相同的动作。另一方面，通过与读出的定时独立控制基于释放控制信号
Figure BDA0003800947860000292
的曝光的开始定时，能够进行将图13的读出和图20的读出组合的读出动作。即，如图13所示针对每个像素块120控制曝光开始的定时，并且如图20所示针对每个像素块120选择是否针对特定的帧进行读出。由此，针对每个像素块120能够将曝光时间设定为更动态化更精细化，并且在拍摄了移动的被摄体的情况下能够降低观察者感觉到的图像的违和感。
在上述任一个实施方式中，可以与其他像素共用蓄积部125、像素输出部127。另外，像素112可以由多个光电转换部104、传输部123构成。
图21是示出实施例的摄像装置500的构成例的框图。摄像装置500具备摄像元件400、***控制部501、驱动部502、测光部503、工作存储器504、记录部505、显示部506、驱动部514、摄影镜头520。说明具有摄像元件400的例子，但也可以取而代之地具备摄像元件800。
摄影镜头520将沿光轴OA入射的被摄体光束向摄像元件400导入。摄影镜头520由多个光学透镜组构成，使来自场景的被摄体光束成像于其焦点面附近。摄影镜头520也可以为相对于摄像装置500能够装拆的更换式镜头。此外，在图21中，也可以利用配置在光瞳附近的虚拟的一个透镜代表性地表示该摄影镜头520。
驱动部514驱动摄影镜头520。在一例中，驱动部514使摄影镜头520的光学透镜组移动来改变对焦位置。另外，驱动部514只要驱动摄影镜头520内的虹膜光圈来控制入射至摄像元件400的被摄体光束的光量即可。
驱动部502具备根据来自***控制部501的指示执行摄像元件400的定时控制、区域控制等的电荷蓄积控制的控制电路。另外，操作部508利用释放按钮等受理来自摄像者的指示。
摄像元件400将像素信号向***控制部501的图像处理部511交接。图像处理部511将工作存储器504作为工作区生成实施了各种各样的图像处理的图像数据。例如，在生成JPEG文件形式的图像数据的情况下，在从以拜耳排列得到的信号生成彩色影像信号之后执行压缩处理。生成的图像数据记录在记录部505内，并且转换成显示信号并在事先设定的时间的期间内显示于显示部506。
测光部503在生成图像数据的一连串的摄影时间序列之前，检测场景的亮度分布。测光部503例如包括100万像素左右的AE传感器。***控制部501的运算部512接受测光部503的输出，并算出场景的每个区域的亮度。
运算部512按照算出的亮度分布，决定快门速度、光圈值、ISO感光度。测光部503可以兼用摄像元件400。此外，运算部512也执行用于使摄像装置500动作的各种运算。驱动部502的一部分或者全部搭载于摄像元件400即可。也可以是***控制部501的一部分搭载于摄像元件400。
以上，使用实施方式说明了本发明，但本发明的技术范围不限于上述实施方式所述的范围。本领域技术人员可明确得知能够对上述实施方式施加各种各样的变更或者改良。施加了这种变更或者改良的形态也包含在本发明的技术范围内，从权利保护的范围的记载变明朗。
要注意的是，在权利保护的范围、说明书、以及附图中示出的装置、***、程序、以及方法中的动作、顺序、步骤、以及阶段等的各处理的执行顺序只要没有特别明示“在……以前”、“在……之前”等，另外，只要没将前处理的输出用于后处理，就可以任意顺序来实现。关于权利保护的范围、说明书、以及附图中的动作流程，即使为了便于说明而使用“首先”、“接下来”等进行说明，也不意味着必须按照该顺序进行实施。本说明书所述的发明也可以利用以下的项目所述的形态来实施得到。
[项目1]
一种摄像元件，其具备：
多个像素；
与所述多个像素中的第1像素连接、且被输出用于控制所述第1像素的控制信号的第1控制线；
与所述多个像素中的第2像素连接、且被输出用于控制所述第2像素的控制信号的第2控制线；以及
与所述第1像素和所述第2像素连接、且被输出用于控制所述第1像素和所述第2像素的控制信号的第3控制线。
[项目2]
根据项目1所述的摄像元件，其中，
所述多个像素的每个像素具备：
对光进行光电转换而生成电荷的光电转换部；
传输所述光电转换部的电荷的传输部；
蓄积由所述传输部传输的电荷的蓄积部；
将所述蓄积部的电荷释放的复位部；以及
将所述蓄积部的电荷转换成像素信号并输出的像素输出部。
[项目3]
根据项目2所述的摄像元件，其中，
所述第1控制线与所述第1像素的所述传输部连接，
所述第2控制线与所述第2像素的所述传输部连接，
所述第3控制线与所述第1像素以及所述第2像素的所述复位部连接。
[项目4]
根据项目2或者3所述的摄像元件，其中，
所述像素输出部包括选择是否输出所述像素信号的选择部，
所述第3控制线与所述第1像素以及所述第2像素的所述选择部连接。
[项目5]
根据项目2～4中任一项所述的摄像元件，其中，
具备包括所述多个像素中的1个或者多个像素在内的多个像素块，
所述第1控制线与所述多个像素块中的第1像素块连接，
所述第2控制线与所述多个像素块中的第2像素块连接。
[项目6]
根据项目5所述的摄像元件，其具备：
具有所述多个像素的像素芯片；以及
信号处理芯片，其与所述像素芯片层叠，对来自所述多个像素的像素信号进行处理，
所述信号处理芯片具备与所述多个像素块分别对应地设置且针对所述1个或者多个像素的每一个控制曝光的多个控制块。
[项目7]
根据项目6所述的摄像元件，其中，
所述信号处理芯片具备：
具有所述多个控制块的主电路部；以及
在所述信号处理芯片中设于所述主电路部的周边的周边电路部，
所述周边电路部具有与所述第3控制线连接的全局驱动部。
[项目8]
根据项目7所述的摄像元件，其中，
所述全局驱动部经由所述第3控制线向所述多个控制块供给用于选择所述传输部的选择控制信号。
[项目9]
根据项目6～8中任一项所述的摄像元件，其中，
所述传输部包括：
将所述光电转换部的电荷向所述蓄积部传输的第1传输部；以及
将所述光电转换部的电荷传输并释放的第2传输部，
所述多个控制块通过使所述第1传输部以及所述第2传输部的至少一个定时变化，针对所述1个或者多个像素的每一个控制曝光时间。
[项目10]
一种摄像装置，其具备项目1～9中任一项所述的摄像元件。
[项目11]
一种摄像元件，其具备：
控制包含在第1像素块内的第1像素的曝光的第1控制块；
控制包含在第2像素块内的第2像素的曝光的第2控制块；以及
转换部，其将从所述第1像素输出的第1信号和从所述第2像素输出的第2信号转换成数字信号，
所述第1像素块与所述第2像素块在列方向上排列，
所述转换部在读出了所述第1信号之后读出所述第2信号。
[项目12]
根据项目11所述的摄像元件，其中，
所述第1像素块具有在行方向以及列方向上排列的多个所述第1像素，
多个所述转换部分别与在所述第1像素块中的列方向上排列的所述第1像素连接。
[项目13]
根据项目12所述的摄像元件，其中，
所述第2像素块具有在行方向以及列方向上排列的多个所述第2像素，
其他多个所述转换部分别与在所述第2像素块中的列方向上排列的所述第2像素连接。
[项目14]
根据项目12所述的摄像元件，其中，
所述第2像素块具有在行方向以及列方向上排列的多个所述第2像素，
所述多个转换部分别与在所述第1像素块中的列方向上排列的所述第1像素以及在所述第2像素块中的列方向上排列的所述第2像素连接。
[项目15]
根据项目11～14中任一项所述的摄像元件，其中，
第1基板与第2基板层叠，
在所述第1基板设有所述第1像素块以及所述第2像素块，
在所述第2基板设有所述第1控制块、所述第2控制块以及所述转换部，
所述第1控制块配置在与所述第1像素块对应的区域，所述第2控制块配置在与所述第2像素块对应的区域，
所述转换部配置在外侧区域，所述外侧区域为对应于与所述第1像素块以及所述第2像素块对应的区域外侧的区域。
[项目16]
一种摄像装置，其具有项目11～15中任一项所述的摄像元件。
附图标记说明
10曝光控制部、20像素驱动部、30接合部、40信号处理部、50信号输出部、100、600第1基板、104光电转换部、110、610像素部、112、114像素、115像素组、120、620像素块、121负载电流源、122信号线、123传输部、124释放部、125蓄积部、126复位部、127像素输出部、128增幅部、129选择部、132连接区域、141传输控制线、142释放控制线、143复位控制线、145选择控制线、147传输选择控制线、150连接区域、152凸块、161局部控制线、162局部控制线、163全局控制线、200、700第2基板、210、710控制电路部、220、720控制块、230周边电路部、232连接区域、234全局驱动部、250、740信号处理部、252、253ADC部、254、255连接区域、256ADC、400、800摄像元件、500摄像装置、501***控制部、502驱动部、503测光部、504工作存储器、505记录部、506显示部、508操作部、511图像处理部、512运算部、514驱动部、520摄影镜头、730接合部、750信号输出部。

Claims (15)

1.一种摄像元件，其具备：
具有包括1个或者多个像素在内的多个像素块的第1基板；以及
具有控制电路部以及周边电路部的第2基板，所述控制电路部具备包括用于对包含在多个所述像素块中的第1像素块内的像素的曝光时间进行控制的第1曝光控制部的第1控制块、和包括用于对包含在多个所述像素块中的第2像素块内的像素的曝光时间进行控制的第2曝光控制部的第2控制块，所述周边电路部配置在所述控制电路部的外侧，控制在多个所述像素块中的至少所述第1像素块以及所述第2像素块内分别包含的像素的信号读出。
2.一种摄像元件，其具备：
与包含在所述第1像素块内的像素连接、且被输入来自所述第1控制块的控制信号的第1控制线；
与包含在所述第2像素块内的像素连接、且被输入来自所述第2控制块的控制信号的第2控制线；以及
与包含在所述第1像素块内的像素和包含在所述第2像素块内的像素连接、且被输入来自所述周边电路部的控制信号的第3控制线。
3.根据权利要求1或者2所述的摄像元件，其中，
所述像素具备：
将光转换成电荷的光电转换部；
传输所述光电转换部的电荷的传输部；
蓄积由所述传输部传输的电荷的蓄积部；以及
将所述蓄积部的电荷释放的复位部，
所述第1控制线与包含在所述第1像素块内的像素的所述传输部连接，
所述第2控制线与包含在所述第2像素块内的像素的所述传输部连接，
所述第3控制线与包含在所述第1像素块内的像素的所述复位部、以及包含在所述第2像素块内的像素的所述复位部连接。
4.根据权利要求1或者2所述的摄像元件，其中，
所述像素具备：
将光转换成电荷的光电转换部；
将所述光电转换部的电荷释放的释放部；
传输由所述光电转换部转换的电荷的传输部；
蓄积由所述传输部传输的电荷的蓄积部；以及
将所述蓄积部的电荷释放的复位部，
所述第1控制线与包含在所述第1像素块内的像素的所述释放部连接，
所述第2控制线与包含在所述第2像素块内的像素的所述释放部连接，
所述第3控制线与包含在所述第1像素块内的像素的所述复位部、以及包含在所述第2像素块内的像素的所述复位部连接。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的摄像元件，其中，
所述第1控制块具有将从包含在所述第1像素块内的像素读出的信号转换成数字信号的第1转换部，
所述第2控制块具有将从包含在所述第1像素块内的像素读出的信号转换成数字信号的第2转换部。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的摄像元件，其具备：
将从包含在所述第1像素块内的像素读出的信号转换成数字信号的第1转换部；以及
将从包含在所述第2像素块内的像素读出的信号转换成数字信号的第2转换部，
所述第1转换部以及所述第2转换部在所述第2基板上配置在所述控制电路部的外侧。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的摄像元件，其中，
所述周边电路部控制多个所述控制块中的至少所述第1控制块和所述第2控制块。
8.根据权利要求7所述的摄像元件，其中，
所述周边电路部对从所述第1曝光控制部向包含在第1像素块内的像素输出控制信号的定时和从所述第2曝光控制部向包含在第2像素块内的像素输出控制信号的定时进行控制。
9.一种摄像元件，其具备：
具有多个像素的第1基板，所述多个像素包括将光转换成电荷的光电转换部、传输所述光电转换部的电荷的传输部、蓄积由所述传输部传输的电荷的蓄积部、和将所述蓄积部的电荷释放的复位部；以及
具有控制电路部和周边电路部的第2基板，所述控制电路部包括输出用于对多个所述像素中的至少第1像素的所述传输部进行控制的控制信号的第1曝光控制部、和输出用于对多个所述像素中的至少第2像素的所述传输部进行控制的控制信号的第2曝光控制部，所述周边电路部配置在所述控制电路部的外侧，输出用于对在多个所述像素中的、至少所述第1像素以及所述第2像素内分别包含的所述复位部进行控制的控制信号。
10.根据权利要求9所述的摄像元件，其中，
所述像素包括将所述光电转换部的电荷释放的释放部，
所述第1曝光控制部输出用于对多个所述像素中的至少所述第1像素的所述释放部进行控制的控制信号，
所述第2曝光控制部输出用于对多个所述像素中的至少所述第2像素的所述释放部进行控制的控制信号。
11.根据权利要求9或者10所述的摄像元件，其中，
所述像素包括：
输出基于所述蓄积部的电位的信号的增幅部；以及
将所述增幅部与信号线之间连接的选择部，
所述周边电路部输出用于对在多个所述像素中的、至少所述第1像素以及所述第2像素内分别包含的所述选择部进行控制的控制信号。
12.根据权利要求9～11中任一项所述的摄像元件，其中，
所述控制电路部具备：
将从多个所述像素中的至少所述第1像素读出的信号转换成数字信号的第1转换部；以及
将从多个所述像素中的至少所述第2像素读出的信号转换成数字信号的第2转换部。
13.根据权利要求9～11中任一项所述的摄像元件，其具备：
将从多个所述像素中的至少所述第1像素读出的信号转换成数字信号的第1转换部；以及
将从多个所述像素中的至少所述第2像素读出的信号转换成数字信号的第2转换部，
所述第1转换部以及所述第2转换部在所述第2基板上配置在所述控制电路部的外侧。
14.根据权利要求9～13中任一项所述的摄像元件，其中，
所述周边电路部对从所述第1曝光控制部向所述第1像素的所述传输部输出控制信号的定时和从所述第2曝光控制部向所述第2像素的所述传输部输出控制信号的定时进行控制。
15.一种摄像装置，其具备权利要求1～14中任一项所述的摄像元件。
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