CN119404515A 固态成像元件、成像装置和控制固态成像元件的方法 （索尼半导体解决方案公司）

2024.12.20PCT/JP2023/0172392023.05.08WO2024/004377JA2024.01.04使该对电容元件保持预定数量的像素信号中的该对电容元件保持预定数量的像素信号中的任差确定是否执行从感测模式到正常成像模式的2扫描电路，在设置了感测模式的情况下，使所述模式控制部基于所述差的绝对值与预定阈值之间的比较结果，确其中，所述差分计算电路计算所述透镜移动到所述对焦位在设置了所述感测模式的情况下，所述扫描电路使该对电容元件中奇数曝光结束时保持第一信号电平并且使该对电容元件中的另一个电容元件在偶数曝光在设置了所述感测模式的情况下，所述扫描电路使该对电容元件中奇数曝光结束时保持第一信号电平并且使该对电容元件中的另一个电容元件在偶数曝光第一转移晶体管，所述第一转移晶体管将电荷从所述第一光电第二转移晶体管，所述第二转移晶体管将电荷从所述第二3所述第一光电转换元件和所述第二光电转换元件具有彼此部分重叠的曝在设置了所述感测模式的情况下，所述扫描电路使该对电容元第一转移晶体管，所述第一转移晶体管将电荷从所述光电第二转移晶体管，将电荷从所述光电转换元件转移到该对选择电路，所述选择电路顺序地执行：控制以将该对电容元件中的一个后级电路，所述后级电路经由所述后级节点从该对电扫描电路，在设置了感测模式的情况下，使扫描步骤，在设置了感测模式的情况下，使456一个电容元件在奇数曝光结束时保持第一信号电平并且使该对电容元件中的另一个电容一个电容元件在奇数曝光结束时保持第一信号电平并且使该对电容元件中的另一个电容移晶体管将电荷从光电转换元件传输到该对电容元件中的一个电容元件；第二转移晶体7[0025]图5是示出根据本技术的第一实施方式的负载金属氧化物半导体(MOS)电路块和[0028]图8是示出根据本技术的第一实施方式的固态成像元件的状态转换图的示例的示[0029]图9是示出根据本技术的第一实施方式在设置感测模式时的第一全局快门操作的[0030]图10是示出根据本技术的第一实施方式的在设置感测模式时的第二全局快门操[0031]图11是示出根据本技术的第一实施方式的在设置感测模式时的读取操作的示例[0032]图12是示出根据本技术的第一实施方式在设置正常成像模式时的全局快门操作[0033]图13是示出根据本技术的第一实施方式在设置正常成像模式时的读取操作的示[0037]图17是本技术的第一实施方式的第一变形例中的固态成像元件的整体视图的示[0040]图20是示出根据本技术的第二实施方式的当模式切换至正常成像模式时的读取[0043]图23是示出根据本技术的第三实施方式的设置感测模式时的全局快门操作的示[0044]图24是示出根据本技术的第三实施方式当模式切换至正常成像模式时的全局快8[0049]图29是示出本技术的第四实施方式的第一变形例中的全局快门操作的示例的时[0051]图31是示出本技术的第四实施方式的第二变形例中的固态成像元件的堆叠结构[0053]图33是示出本技术的第四实施方式的第三变形例中的固态成像元件的堆叠结构[0058]图38是用于说明由于本技术的第六实施方式中的复位馈通而导致的电平变化的[0060]图40是示出根据本技术的第七实施方式的奇数帧的全局快门操作的示例的时序[0062]图42是示出根据本技术的第七实施方式的偶数帧的全局快门操作的示例的时序[0067]图47是示出根据本技术的第九实施方式的虚拟像素和调节器的操作的示例的时9[0077]3.第三实施方式(浮动扩散层由两个像素共享并且模式基于信号电平的差异切换[0079]5.第五实施方式(添加放电晶体管并且使第一电容元件和第二电容元件保持像素[0080]6.第六实施方式(使第一电容元件和第二电容元件保持像素信号并且控制复位电[0081]7.第七实施方式(促使第一电容元件和第[0082]8.第八实施方式(使第一电容元件和第二电容元件保持像素信号并且执行卷帘快[0083]9.第九实施方式(降低噪声并且使第一电容元件和第二电容元件保持像素信号的[0088]固态成像元件200在成像控制部130的控制下捕获图像数据。固态成像元件200经[0089]成像透镜110会聚光并且将光引导至固态成像元件200。成像控制部130控制固态态成像元件200包括垂直扫描电路211、像素阵列部220、定时控制电路212、数模转换器[0095]定时控制电路212与来自成像控制部130的垂直同步信号VSYNC同步地控制垂直扫入射光以产生模拟像素信号。该像素300经由负载MOS电路块250将像素信号供应至列信号[0099]列信号处理电路260对每列的像素信号执行信号处理，诸如模数(AD)转换处理和[0101]图3是示出根据本技术的第一实施方式的像素300的配置示例的电路图。像素300[0102]前级电路310包括光电转换元件311、转移晶体管312、浮动扩散(FD)复位晶体管211的传输信号trg将电荷从光电转换[0104]FD复位晶体管313根据来自垂直扫描电路211的FD复位信号rst从FD314提取电荷[0106]电容元件321和322使它们各自的一端共同连接至前级节点320并且使它们各自的管332根据来自垂直扫描电路211的选择信号Φ2断开和闭合电容元件322与后级节点340之[0108]级后复位晶体管341根据来自垂直扫描电路211的级后复位信号rstb将级后节点放大后级节点340的电平。后级选择晶体管352根据来自垂直扫描电路211的后级选择信号[0111]垂直扫描电路211将高电平FD复位信号rst和传输信号trg提供至所有像素，同时[0112]然后，垂直扫描电路211在紧接在曝光结束之前的所有像素的脉冲周期内提供高[0113]在FD重置时的FD314的电平和对应于FD314的电平(电容元件321中保持的电平[0114]在曝光结束时，垂直扫描电路211在脉冲周期内为所有像素提供高电平传输信号[0115]在信号电荷转移时FD314的电平和对应于FD314的电平(电容元件322中保持的[0118]转移晶体管312_1根据来自垂直扫描电路211的传输信号PDTG1将电荷从光电转换元件311传输至电容元件321。转移晶体管312_2根据来自垂直扫描电路211的转移信号描电路211的放电信号ofg从光电转换元件311释放电荷[0120]图5是示出根据本技术的第一实施方式的负载MOS电路块250和列信号处理电路[0123]ADC261使用来自DAC213的斜坡信号Rmp将来自对应列的模拟像素信号转换成数号处理部262将包括经处理的数字信号的图像数据式。手动成像模式是固态成像元件200根据用户的操作(诸如按下快门按钮)执行成像的模[0126]将指示手动摄像模式或自动摄像模式的标志F_auto输入到数字信号处理部262。扫描电路211顺次选择曝光之后的行，并且顺次输出该行中的每个像素的重置电平和信号[0129]在模式被切换至自动驱动模式并且设置感测模式的情况下，垂直扫描电路211执[0130]在奇数曝光结束时，垂直扫描电路211使像素中的每一个生成信号电平并且使电光阑值和国际标准化组织(ISO)灵敏度与每个曝光中的曝光时[0132]在感测模式中，数字信号处理部262基于一对信号电平之间的差的绝对值与预定[0133]在模式切换至正常成像模式的情况下，垂直扫描电路211通过与手动成像模式中[0135]图6是示出根据本技术的第一实施方式的数字信号处理部262的配置示例的框[0136]差分计算电路263计算保持在对应列中的电容元件321和322中的电平之间的差。在手动摄像模式下，差分计算电路263执行计算AD转换之后的信号电平和复位电平之间的[0137]在自动摄像模式中的感测模式中，差分计算电路263计算AD转换之后的一对信号[0138]模式控制部264基于感测模式的差异来确定是否从感测模式切换至正常成像模[0141]图像数据处理部265对其中布置了各个像素的CDS处理结果的图像数据执行各种[0142]注意，模式控制部264基于在所有像素中的一个或多个像素中差的绝对值是否已算电路263计算作为信号电平D1和D2之和与保持的信号电平D1之间的差的D2。差分计算电路263计算并输出信号电平D2与保持的信号电平D[0147]图8是示出根据本技术的第一实施方式的固态成像元件200的状态转换图的示例[0149]在感测模式521中，当标记F_auto被设置为低电平时，模式切换至手动成像模式[0153]图9是示出根据本技术的第一实施方式在设置感测模式时的奇数全局快门操作的[0154]在设置了感测模式的情况下，固态成像元件200执行控制以同时曝光所有像素多[0160]图10是示出根据本技术的第一实施方式的在设置感测模式时的偶数编号的全局[0161]垂直扫描电路211在从时刻T5至时刻T6的时间段将高电平FD复位信号rst和传输[0165]图11是示出根据本技术的第一实施方式的在设置感测模式时的读取操作的示例[0166]在从定时T10至定时T14的第n行的读取周期中，垂直扫描电路211将第n行的FD复[0167]从时序T10到脉冲周期，垂直扫描电路211将高电平后级复位信号rstb提供至第n[0168]垂直扫描电路211在紧接定时T10之后的定时T11至定时T12的时间段内将高电平[0169]DAC213在从紧接在定时T11之后至定时T12的时间段内逐渐减小斜坡信号Rmp。[0171]DAC213在从紧接定时T13之后至定时T14的时间段内逐渐减小斜坡信号Rmp。ADC[0172]模式控制部264基于每个像素的信号电平D1和D2之间的差确定对象的移动的存在[0173]图12是示出根据本技术的第一实施方式在设置正常成像模式时的全局快门操作[0177]图13是示出根据本技术的第一实施方式在设置正常成像模式时的读取操作的示[0178]在从定时T30到定时T34的第n行的读取周期中，垂直扫描电路211将第n行的FD复[0179]从时刻T30到脉冲周期，垂直扫描电路211将高电平后级复位信号rstb提供至第n[0180]垂直扫描电路211在紧接在时刻T30之后的时刻T31至时刻T32的时间段内将高电[0181]DAC213将斜坡信号Rmp从紧接定时T31之后逐渐减小至定时T32的周期。ADC261[0182]垂直扫描电路211在从时刻T32之后的时刻T33到时刻T34的时间段内将高电平选[0183]DAC213将斜坡信号Rmp从紧接定时T33之后逐渐减小至定时T34的周期。ADC261[0184]P相电平(复位电平)的读取周期内的斜坡信号Rmp的波形与D相电平(信号电平)的[0188]图15是示出根据本技术的第一实施方式的固态成像元件200的操作的示例的示偶数编号的D相电平的D2与D1的和(D1+D2)执行AD转换(步骤S903)，并且差分计算电路263[0190]模式控制部264基于差的绝对值是否超过一个或多个像素中的阈值，确定对象中路211曝光所有像素(步骤S906)。然后，ADC261对P相电平和D相电平执行AD转换(步骤[0193]图16是根据本技术的第一实施方式的固态成像元件200的整体视图的示例。每个[0194]在设置了感测模式的情况下，垂直扫描电路211使电容元件321和322保持奇数和描电路211使电容元件321和322保持像素信号的重置电平和信[0195]在设置了感测模式的情况下，差分计算电路263计算奇数和偶数像素信号的信号电平之间的差。模式控制部264基于该差异确定是否从感测模式切换至正常成像模式。例如，模式控制部264基于差的绝对值与预定阈值之间的比较结果确定是否将感测模式切换[0196]如在专利文献1中，还可以通过识别语音命令并且根据命令执行成像的控制来实时不实现聚焦的情况。根据第一实施方式的第一变形例的固态成像元件200与第一实施方式的固态成像元件200的不同之处在于基于透镜移动到对焦位置时的差异来确定是否切换[0202]图17是本技术的第一实施方式的第一变形例中的固态成像元件200的整体视图的示例。根据第一实施方式的第一变形例的固态成像元件200与第一实施方式的固态成像元件的不同之处在于相位差像素305设置在像素阵列部220中，并且焦点控制部266进一步设过为每个像素设置一对光电二极管和一个片上透镜(OCL)，可以实现在所有像素中的相位[0204]焦点控制部266检测多个相位差像素对305中的每的像素信号并检测光学部110中[0205]差分计算电路263获得透镜在感测模式下移动到对焦位置之前的信号电平D1和透[0208]在从检测至透镜移动至对焦位置的时间段期间，被聚焦成像元件200与第一实施方式的固态成像元件200的不同之处在于选择晶体管331和332串[0212]图18是示出本技术的第一实施方式的第二变形例中的像素300的配置示例的电路容元件322中的情况下，垂直扫描电路211通过选择信号S1和S2打开选择晶体管331并关闭[0214]在感测模式中，垂直扫描电路211通过选择信号S1和S2闭合选择晶体管331和332Hybrid_GSPixelandSelf_KneePointCalibrationSingle_FrameHDRandOn_ChipBinarizationAlgorithmforSmartVisionApplicationsISSCC2019.”中描述了在附[0218]在上述第一实施方式中，后级电路350具有一个系统，但该电路可以包括两个系统。第一实施方式的第三变形例中的固态成像元件200与第一实施方式的不同之处在于提[0219]图19是示出本技术的第一实施方式的第三变形例中的像素300的配置示例的电路图。根据第一实施方式的第三变形例的像素300与第一实施方式的像素的不同之处在于未[0220]选择晶体管331打开和关闭电容元件321与后级电路350_1之间的路径，并且选择[0221]后级电路350_1包括后级放大晶体管351_1和后级选择晶体管352_1，并且后级电[0222]如图所示，通过提供两个后级电路，为每个列设置两个ADC261，并且两件200与第一实施方式的固态成像元件的不同之处在于当模式切换至正常成像模式时仅读[0226]图20是示出在本技术的第二实施方式中切换至正常成像模式时的读取操作的示例的时序图。根据第二实施方式的在感测模式下控制像素300的方法与根据第一示例的方在从定时T30到定时T36的第n行的读取周期中，垂直扫描电路211将第n行的后级选择信号[0228]从时刻T30到脉冲周期，垂直扫描电路211将高电平FD复位信号rst提供至第n[0230]DAC213在从紧接在定时T35之后至定时T36的时间段内逐渐减小斜坡信号Rmp。差分计算电路263计算并输出信号电平与保持的复以进一步提高帧速率。第三实施方式中的固态成像元件200与第一实施方式中的固态成像[0242]转移晶体管312_1根据来自垂直扫描电路211的传送信号trg1将电荷从光电转换元件311_1传送到FD314。转移晶体管312_2根据来自垂直扫描电路211的传送信号trg2将求中记载的第一光电转换元件和第二光电转换[0246]图23是示出根据本技术的第三实施方式的设置感测模式时的全局快门操作的示[0247]在紧挨在所有像素的曝光时段之前的定时T0，垂直扫描电路211将所有行(换言[0248]共享FD314的两个像素中的一个的曝光周期与另一个像素的曝光周期部分重[0249]在紧挨在曝光时段之前的定时T0，垂直扫描电路211将所有像素的后级复位信号[0251]在较短曝光时段中的曝光结束时间T3，垂直扫描电路211在脉冲时段提供高电平[0253]在较长曝光时段中的曝光结束定时T6，垂直扫描电路211在脉冲时段提供高电平[0254]第三实施方式中的感测模式下的读取周期的控制类似于第一实施方式中的读取号电平Vsig2。数字信号处理部262基于信号电平之间的差来确定是否切换至正常摄像模[0255]这里，由于共享FD的两个像素中的一个的曝光时间与另一个像素的曝光时间不[0256]应注意，数字信号处理部262也可根据两个像素的曝光量之间的差来校正两个像[0258]图24是示出根据本技术的第三实施方式当模式切换至正常成像模式时的全局快[0261]在曝光结束时刻T24，垂直扫描电路211在脉冲期间提供高电平转移信号trg1和[0263]第三实施方式中的通常摄像模式下的读取期间的控制与第一实施方式中的读取[0267]在上述第一实施方式中，固态成像元件200通过图9至13所示的驱动方法驱动像[0269]在第四实施方式中，在FD复位信号rst被控制为高电平的定时T2，后级复位信号例的像素300与第四实施方式的像素300的不同之处在于晶体管插入在前级电路310与前级[0277]图28是示出本技术的第四实施方式的第一变形例中的像素300的配置示例的电路[0281]通过将值设置为满足公式1的值，可以减小在黑暗中前级节点320和后级节点340[0282]前级选择晶体管324根据来自垂直扫描电路211的前级选择信号sel断开和闭合前[0283]图29是示出本技术的第四实施方式的第一变形例中的全局快门操作的示例的时实施方式的时序图的不同之处在于垂直扫描电路211还提供前级复位信号rsta和前级选择[0284]垂直扫描电路211在从紧接在曝光结束之前的定时T2到时间T5的时间段内将高电[0285]图30是示出本技术的第四实施方式的第一变形例中的读取操作的示例的时序平。该控制使前级选择晶体管324进入断开状态以将前级节点320与前级电路310断开。因据第四实施方式的第二变形例的固态成像元件200与第四实施方式的固态成像元件200的不同之处在于固态成像元件200中的电路分散地布置在两[0291]图31是示出本技术的第四实施方式的第二变形例中的固态成像元件200的堆叠结[0295]图32是示出本技术的第四实施方式的第二变形例中的像素300的配置示例的电路200与第四实施方式的第二变形例的不同之处在于固态成像元件200中的电路被分散地布[0299]图33是示出本技术的第四实施方式的第三变形例中的固态成像元件200的堆叠结构的示例的示图。根据第四实施方式的第三变形例的固态成像元件200包括上部像素芯片[0300]上部像素阵列部221被设置在上部像素芯片203中。下部像素阵列部222被设置在件200与第一实施方式的固态成像元件的不同之处在于添加从光电转换元件释放电荷的晶[0306]图34是示出根据本技术的第五实施方式的像素300的配置示例的电路图。第五实施方式的像素300与第四实施方式的像素300的不同之处在于：放电晶体管317进一步设置[0307]放电晶体管317用作根据来自垂直扫描电路211的放电信号ofg从光电转换元件曝光之前的定时T0，垂直扫描电路211在脉冲期间向所有像素提供高电平FD复位信号rst，的定时T3的时间段内将高电平传输信号trg供应至所有像素。结果，信号电平被采样和保施方式的固态成像元件200与第四示例的固态成像元件200在通过在读取时降低FD复位晶[0319]图36是示出根据本技术的第六实施方式的像素300的配置示例的电路图。第六实施方式的像素300与第四实施方式的像素的不同之处在于FD复位晶体管313的电源与像素[0320]第六实施方式的FD复位晶体管313的漏极连接到复位电源电压VRST。复位电源电[0332]具体地，为了减少采样和保持输入转换电容时的kTC噪声，需要增加FD314的电[0334]定时控制电路212执行控制以使定时T9之后的逐行读取期间的重置电源电压VRST[0335]例如，对于曝光周期，定时控制电路212将复位电源电压VRST设置为与电源电压低由读取时的复位馈通引起的变化量Vft，使得曝光时的复位电平和读取时的复位电平可的变化或寄生电容而劣化的可能性。第七实施方式的固态成像元件200与第四实施方式的固态成像元件200的不同之处在于通过对每个帧切换电容元件321中保持的水平和电容元[0341]根据第七实施方式的固态成像元件200在除了感测模式以外的模式(诸如正常成元件200中的前级电路310在偶数帧的曝光周期内将接着选择信号Φ2的选择信号Φ1设置数帧的读取周期内读取紧挨复位电平的信号[0346]如图40和42所示，保持在电容元件321和322中的电平在偶数帧和奇数帧之间反固态成像元件200的不同之处在于在测试等时执[0354]注意，第八实施方式的固态成像元件200与第四实施方式类似地执行全局快门操[0358]在上述第四实施方式中，前级源极跟随器(前级放大晶体管315和电流源晶体管像元件的不同之处在于通过在读取时断开前级源极跟随器[0359]图45是示出根据本技术的第九实施方式的固态成像元件200的配置示例的框图。第九实施方式的固态成像元件200与第四实施方式的固态成像元件的不同之处在于还包括至每个有效像素301。在图中没有示出用于向有效像素301提供电源电压VDD的信号线。此gen[0361]调节器420基于来自虚拟像素430的输入电压Vi生成恒定的生成电压Vgen，并且将生成电压V提供到切换部440。切换部440选择来自焊盘410的电源电压VDD或者来自调节gen器420的生成电压Vgen，并且将所选择的电压作为源极电压Vs提供至有效像素301的列中的输入电压Vi的信号中的预定频率以下的低频带中的成分作为输出电[0366]输出电压Vj被输入到缓冲放大器422的非反相输入端(+)。缓冲放大器422的反相[0368]反相器441将从定时控制电路212发送的切换信号SW反相。反相器441向每个开关[0369]开关电路442选择电源电压VDD或生成电压Vgen，并将所选择的电压作为源极电压[0370]图47是示出根据本技术的第九实施方式的虚拟像素430和调节器420的操作的示[0373]图48是示出根据本技术的第九实施方式的有效像素301的配置示例的电路图。有压VDD作为源极电压Vs。此外，前级节点的电压在定时T4从VDD_Vgs_Vth降低至VDD_Vgs_方式中，垂直扫描电路211控制所有行(所有像素)的电流源晶体管316以停止电流id1的供逐行读取期间，待读取的像素300的源极跟随器(前级放大晶体管315和电流源晶体管316)晶体管316)中产生的噪声是380(μVrms)。在后续级中的源极跟随器之后产生的噪声为16052所示的示例中，车辆控制系统12000包括驱动系统控制单元12010、车身系统控制单元[0385]驱动系统控制单元12010根据各种程序控制与车辆的驱动系统相关的装置的操[0386]车身系统控制单元12020根据各种程序来控制设置在车身上的各种装置的操作。为按键的替代物的移动装置发送的无线电波或各种开关的信号可以被输入到车身系统控[0388]成像部12031是接收光并且输出对应于接收到的光的光量的电信号的光学传感器。成像部12031可以输出电信号作为图像，或者可以输出电信号作为关于测量距离的信摄驾驶员的照相机。基于从驾驶员状态检测部12041输入的检测信息，车内信息检测单元[0390]微型计算机12051可以基于由车外信息检测单元12030或车内信息检测单元12040实现高级驾驶员辅助系统(ADAS)的功能的协作控制，该功能包括用于车辆的防碰撞或减外信息检测单元12030检测的前方车辆或对面车辆的位置，控制前照灯以从远光改变到近[0393]声音/图像输出部12052将声音和图像中的至少一个的输该输出装置能够视觉地或听觉地将信息通知给车辆的乘员或车辆外部。在图52的示例中，部的成像部12101和设置在挡风玻璃的上部的成像部12105主要获得车辆12100的前方的图示设置到前鼻部的成像部12101的成像范围。成像范围12112和12113分别表示设置到侧视镜的成像部12102和12103的成像范围。成像范围12114表示设置到后保险杠或后门的成像[0398]成像部12101至12104中的至少一个可具有获得距离信息的功能。例如，成像部[0399]例如，微型计算机12051可以基于从成像部12101至12104获得的距离信息确定在成像范围12111至12114内到每个三维物体的距离以及该距离的时间变化(相对于车辆的操作等而使车辆自动行驶的自动驾驶用的协[0400]例如，微型计算机12051可以基于从成像部12101至12104获得的距离信息将与三可以视觉识别的障碍物和车辆12100的驾驶员难以视觉识别的障碍物。然后，微型计算机12051确定指示与每个障碍物碰撞的风险的碰撞风险。在碰撞风险等于或高于设置值并且因此存在碰撞可能性的情况下，微型计算机12051经由音频扬声器12061或显示部12062向[0401]成像部12101至12104中的至少一个可以是检测红外线的红外相机。微型计算机12051例如可以通过确定在成像部12101至12104的拍摄图像中是否存在行人来识别行人。行人的这种识别例如通过提取作为红外照相机的成像部12101至12104的成像图像中的特征点的步骤以及通过对表示对象的轮廓的一系列特征点执行图案匹配处理来确定是否是行人的步骤来执行。当微型计算机12051确定在成像部12101到12104的成像图像中存在行号中的一对像素信号中各自的信号电平，并且在从感测模式切换至正常成像模式的情况曝光结束时保持第一信号电平并且使该对电容元件中的另一个电容元件在偶数曝光结束曝光结束时保持第一信号电平并且使该对电容元件中的另一个电容元件在偶数曝光结束[0429]第一转移晶体管，第一转移晶体管将电荷从第一光电转换元件转移到浮动扩散[0430]第二转移晶体管，第二转移晶体管将电荷从第二光电转换元件转移到浮动扩散据第二光电转换元件的曝光量保持第二信号电平，并且在切换至正常成像模式的情况下，使该对电容元件在曝光结束时保持重置电平号中的一对像素信号中各自的信号电平，并且在从感测模式切换至正常成像模式的情况