[发明专利]光学传感器和固体成像器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学传感器和估计成像器件，具体地，涉及一种CMOS或CCD传感器的一维或二维固体成像器件，以及一种上述固体成像器件的操作方法。

背景技术

例如CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器和CCD(电荷耦合器件)图像传感器的图像传感器在性能上有所改进，并且广泛应用于数码相机、具有摄像机的蜂窝电话、扫描仪等中。

然而，还要求图像传感器的其它性能的改进。其中之一是扩展动态范围。传统使用的图像传感器的动态范围保持在例如3至4位(60至80dB)的量级上，因此期望实现具有至少5至6位(100至120dB)动态范围的高质量图像传感器，可以与裸眼或卤化银薄膜相比。

作为一种提高上述图像传感器的图像质量的技术，例如，为了实现高灵敏度和高S/N比，S.Inoue et al.，″IEEE Workshop on CCDsand Advanced Image Sensor 2001，pp.16-19″(下面称为″非专利文献1″)提出了一种技术，用于通过读取在与每个像素的光电二极管相邻的浮置区中产生的噪声信号以及与光信号相加的噪声信号，并且获取两者之间的差值，来减少噪声。然而，即使通过这种方法，可实现的动态范围最高在80dB的量级上。要求实现更宽的动态范围。

此外，例如如图1所示，日本未审专利申请公开(JP-A)No.2003-134396(下面称为“专利文献1”)公开了一种技术，用于通过使位于高灵敏度且低照度一侧的具有小电容器C1的浮置区以及位于低灵敏度且高照度一侧的具有大电容器C2的浮置区与光电二极管PD相连，并且分别输出低照度一侧输出OUT1和高照度一侧输出OUT2，来扩展动态范围。

此外，如图2所示，日本未审专利申请公开(JP-A)No.2000-165754(下面称为“专利文献2”)公开了一种通过使浮置扩散(FD)区内的电容器CS可变来扩展动态范围的技术。此外，存在另一种公开技术，用于通过将成像划分为具有至少两个不同曝光时间段的成像，其中包括具有与高照度一侧相对应的短曝光时间段的成像以及具有与低照度一侧相对应的长曝光时间段的成像，来扩展动态范围。

此外，如图3所示，日本未审专利申请(JP-A)No.2002-77737(下面称为“专利文献3”)和Y.Muramatsu et al.，IEEE Journalof Solid-State Circuits，Vol.38，No.1，pp.16-19(下面称为“非专利文献2”)公开了一种技术，用于通过在光电二极管PD和电容器C之间设置晶体管开关T，在第一曝光时间段内导通开关T以便将光信号电荷存储在光电二极管PD和电容器C中，并且在第二曝光时间段内截止开关T以便将光电荷存储在光电二极管PD中在第一曝光时间段中存储的电荷之上，来扩展动态范围。此处，这些文献在其中公开了：当提供超出其饱和值的光照射时，通过复位晶体管R来释放过量的电荷。

此外，如图4所示，日本未审专利申请公开(JP-A)No.5-90556(下面称为“专利文献4”)公开了一种技术，用于通过使用大于传统电容器的电容器，作为光电二极管PD，来允许解决高照度成像问题。

此外，如图5所示，The Journal of the Institute of ImageInformation and Television Engineers，Vol.57，2003(下面称为“非专利文献3”)公开了一种技术，用于通过在通过组合MOS晶体管而组成的对数转换电路对数地转换信号的同时，存储和输出来自光电二极管PD的光电流信号，来扩展动态范围。

在上述专利文献1、2和3和非专利文献2中提出的方法中，或者在用于利用两个或多个不同曝光时间段来成像的方法中，在彼此不同的时间执行低照度一侧的成像和高照度一侧的成像。这引起的问题在于在所述至少两个成像的成像时间之间出现时间间隔，从而损害了运动图像的质量。

此外，在上述专利文献4和3中提出的方法中，可以由例如与高照度一侧相对应的成像来实现较宽的动态范围，但是只要关注低照度一侧的成像，则不希望地会导致低灵敏度和低S/N比，从而损害图像质量。

如上所述，在例如CMOS图像传感器的图像传感器中，难以在保持高灵敏度和高S/N比的同时实现较宽的动态范围。上述内容不仅适用于像素按照二维矩阵列排列的图像传感器，而且适用于像素按照一维阵列排列的线性传感器以及没有多个像素的光学传感器。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种固体成像器件，能够在保持高灵敏度和高S/N比的同时扩展动态范围。