JP2001008101A - アクティブピクセルセンサ - Google Patents
アクティブピクセルセンサInfo
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 低ノイズ、小型ピクセル、単純且つ低周波数
の読み出しを保ち続けながら、拡張された有効最大検出
可能信号レベル（Ｖsat）及びダイナミックレンジを有
するイメージセンサを提供する。 【解決手段】 少なくとも１つのピクセルが、リセット
ゲートＲＧに結合された光検出部ＰＤ５２と、光検出器
ＰＤに結合され、閾値を規定する比較器５４と、この比
較器により所定の閾値に達したときを決定し、これによ
り、蓄えられた電荷量を離散量として読み取り、これが
直接にデジタル表示に変換される。
の読み出しを保ち続けながら、拡張された有効最大検出
可能信号レベル（Ｖsat）及びダイナミックレンジを有
するイメージセンサを提供する。 【解決手段】 少なくとも１つのピクセルが、リセット
ゲートＲＧに結合された光検出部ＰＤ５２と、光検出器
ＰＤに結合され、閾値を規定する比較器５４と、この比
較器により所定の閾値に達したときを決定し、これによ
り、蓄えられた電荷量を離散量として読み取り、これが
直接にデジタル表示に変換される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体に基づくイ
メージセンサに関しており、より具体的には、ダイナミ
ックレンジが増したイメージセンサに関する。
メージセンサに関しており、より具体的には、ダイナミ
ックレンジが増したイメージセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】ＡＰＳ（アクティブピクセルセンサ）は
固体（ソリッドステート）イメージャであって、その各
ピクセルは光センシング手段と他の能動部品を含み、こ
れらが、電圧又は電流に変換される電荷を生成する。信
号は、ピクセルフォトサイトに入射する光量を示す。イ
メージングセンシング装置のダイナミックレンジ（Ｄ
Ｒ）は、典型的には飽和信号（Ｖsat）と呼ばれる有効
最大検出可能信号レベルの、センサの実効値ノイズレベ
ル（σnoise）に対する比として規定される。これは、
式１に示される。
固体（ソリッドステート）イメージャであって、その各
ピクセルは光センシング手段と他の能動部品を含み、こ
れらが、電圧又は電流に変換される電荷を生成する。信
号は、ピクセルフォトサイトに入射する光量を示す。イ
メージングセンシング装置のダイナミックレンジ（Ｄ
Ｒ）は、典型的には飽和信号（Ｖsat）と呼ばれる有効
最大検出可能信号レベルの、センサの実効値ノイズレベ
ル（σnoise）に対する比として規定される。これは、
式１に示される。
【０００３】 式１： ダイナミックレンジ＝Ｖsat／σnoise 電荷結合素子（ＣＣＤ）のような入射フォトンによって
生成された電荷を集積するイメージセンサ装置は、所与
のフォトサイト内に収集且つ保持されることができる電
荷量（Ｖsat）によって制限されるダイナミックレンジ
を有している。例えば、任意の所与のＣＣＤに対して、
あるピクセル内で収集且つ検出されることができる電荷
量は、ピクセル面積に比例する。これより、メガピクセ
ルデジタルスチルカメラ（ＤＳＣ）で使用される商用装
置に対して、Ｖｓａｔを示す電子数は１３，０００個か
ら２０，０００個のオーダである。入射光が非常に明る
く、ピクセル又は光検出器内に保持できる量より多くの
電子を生成すると、これらの過剰電子はピクセル内のブ
ルーミング防止手段によって引き出され、増加飽和信号
には寄与しない。これより、最大検出可能信号レベル
は、光検出器又はピクセル内に保持されることができる
電荷量に制限される。ＤＲは、センサノイズレベルσ
noiseによっても制限される。Ｖｓａｔにおける制約の
ために、ＣＣＤに関して多くの研究が行われてきて、σ
noiseを非常に低いレベルにまで減らしてきている。典
型的な商用メガピクセルＤＳＣ装置は、ＤＲが１００
０：１以下である。
生成された電荷を集積するイメージセンサ装置は、所与
のフォトサイト内に収集且つ保持されることができる電
荷量（Ｖsat）によって制限されるダイナミックレンジ
を有している。例えば、任意の所与のＣＣＤに対して、
あるピクセル内で収集且つ検出されることができる電荷
量は、ピクセル面積に比例する。これより、メガピクセ
ルデジタルスチルカメラ（ＤＳＣ）で使用される商用装
置に対して、Ｖｓａｔを示す電子数は１３，０００個か
ら２０，０００個のオーダである。入射光が非常に明る
く、ピクセル又は光検出器内に保持できる量より多くの
電子を生成すると、これらの過剰電子はピクセル内のブ
ルーミング防止手段によって引き出され、増加飽和信号
には寄与しない。これより、最大検出可能信号レベル
は、光検出器又はピクセル内に保持されることができる
電荷量に制限される。ＤＲは、センサノイズレベルσ
noiseによっても制限される。Ｖｓａｔにおける制約の
ために、ＣＣＤに関して多くの研究が行われてきて、σ
noiseを非常に低いレベルにまで減らしてきている。典
型的な商用メガピクセルＤＳＣ装置は、ＤＲが１００
０：１以下である。
【０００４】ＤＲについての同じ制約が、ＡＰＳ装置に
関しても存在する。Ｖsatは、光検出器内に保持され且
つ分離されることができる電荷量によって制限される。
過剰な電荷は失われる。この点は、ＡＰＳにおいてはＣ
ＣＤに比べて更に深刻な問題になる。これは、光検出器
のために利用可能な面積を制限するＡＰＳピクセル内の
能動部品のため、及びＡＰＳ装置で使用される低電圧サ
プライ及びクロックのためである。加えて、ＡＰＳ装置
はチップ上のイメージセンサシステムを提供するために
使用されてきたので、ＣＣＤには存在しないタイミング
回路、制御回路、アナログ・デジタル変換回路等が存在
し、これらＡＰＳ装置で使用されるデジタル及びアナロ
グ回路が、ＣＣＤに比べてはるかに高いノイズ発生源と
なる。これは、より大きな時間ノイズ、及びオンチップ
のアナログ・デジタル変換器から発生する可能性のある
量子化ノイズによる。
関しても存在する。Ｖsatは、光検出器内に保持され且
つ分離されることができる電荷量によって制限される。
過剰な電荷は失われる。この点は、ＡＰＳにおいてはＣ
ＣＤに比べて更に深刻な問題になる。これは、光検出器
のために利用可能な面積を制限するＡＰＳピクセル内の
能動部品のため、及びＡＰＳ装置で使用される低電圧サ
プライ及びクロックのためである。加えて、ＡＰＳ装置
はチップ上のイメージセンサシステムを提供するために
使用されてきたので、ＣＣＤには存在しないタイミング
回路、制御回路、アナログ・デジタル変換回路等が存在
し、これらＡＰＳ装置で使用されるデジタル及びアナロ
グ回路が、ＣＣＤに比べてはるかに高いノイズ発生源と
なる。これは、より大きな時間ノイズ、及びオンチップ
のアナログ・デジタル変換器から発生する可能性のある
量子化ノイズによる。
【０００５】コヌマに対して発行された米国特許第５，
６５０，６４３号（コヌマ）は、固体イメージセンシン
グ装置のダイナミックレンジを増すために使用できる装
置を教示している。コヌマは、光検出器に関連した比較
器とカウンタとを組み込んで集積信号閾値レベルに到達
するために必要とされる時間を計測し、これを唯一のセ
ンサ出力として提供することにより、有効Ｖsatレベル
を増加させる手段を示している。カウンタは比較器と共
に、比較器入力に供給された信号レベルに比較器が達す
るまでに要したカウンタクロック周期の数を決定するた
めに使用される。この装置はその後に、このカウンタク
ロック周期の数のみを、光検出器に関連した出力又は信
号値として提供する。
６５０，６４３号（コヌマ）は、固体イメージセンシン
グ装置のダイナミックレンジを増すために使用できる装
置を教示している。コヌマは、光検出器に関連した比較
器とカウンタとを組み込んで集積信号閾値レベルに到達
するために必要とされる時間を計測し、これを唯一のセ
ンサ出力として提供することにより、有効Ｖsatレベル
を増加させる手段を示している。カウンタは比較器と共
に、比較器入力に供給された信号レベルに比較器が達す
るまでに要したカウンタクロック周期の数を決定するた
めに使用される。この装置はその後に、このカウンタク
ロック周期の数のみを、光検出器に関連した出力又は信
号値として提供する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】コヌマの開示内容によ
れば、Ｖsatを効果的に増加することによってダイナミ
ックレンジが増加するが、このアプローチは幾つかの問
題点を有している。
れば、Ｖsatを効果的に増加することによってダイナミ
ックレンジが増加するが、このアプローチは幾つかの問
題点を有している。
【０００７】第１に、各ピクセルにカウンタ及び比較器
を設けるとすれば、各ピクセルにおける部品数が非常に
大きくなり、フィルファクタ（ｆｉｌｌ ｆａｃｔｏ
ｒ）が小さいピクセルになるか、非常に大きなサイズの
ピクセルになる。このアプローチは、半導体テクノロジ
ーの技術水準における現在の最小形状（ｆｅａｔｕｒ
ｅ）サイズ、及び小型ピクセルで低コストのイメージセ
ンサに対する必要性を考慮すれば、現実的ではない。
を設けるとすれば、各ピクセルにおける部品数が非常に
大きくなり、フィルファクタ（ｆｉｌｌ ｆａｃｔｏ
ｒ）が小さいピクセルになるか、非常に大きなサイズの
ピクセルになる。このアプローチは、半導体テクノロジ
ーの技術水準における現在の最小形状（ｆｅａｔｕｒ
ｅ）サイズ、及び小型ピクセルで低コストのイメージセ
ンサに対する必要性を考慮すれば、現実的ではない。
【０００８】第２に、各ピクセルの出力は、所与の閾値
に到達するために必要な時間に対するカウンタ値であ
り、光検出器にて集積された実際の電荷量に対するアナ
ログ出力値は含まない。このアプローチでは、有効Ｖ
satレベルは増加するが、有効ＤＲは、カウンタクロッ
クの時間周期又は精度、及びカウンタのサイズにより制
限されるであろう。例えば、カウンタが１０ビット又は
１０２４カウントを有していると、１０２４個のマスタ
クロック周期が所望の露出時間にあてはまるとして、ダ
イナミックレンジは１０ビットまで拡大される。所望の
露出時間が１００ｍｓｅｃであれば、そのときにはカウ
ンタクロック周期は９７．６μｓｅｃ以下（≦９７．６
μｓｅｃ）でなければならない。ＤＲを２０ビットまで
拡大しようとすれば、２０ビットのカウンタが必要にな
り、１００ｍｓｅｃの露出時間に対するカウンタクロッ
ク周波数を１０．５ＭＨｚより大きく（＞１０．５ＭＨ
ｚ）する必要があるであろう。露出時間が減少すると、
それに対応するように、より速いマスタクロックが必要
とされる。例えば、屋外にて明るい太陽光のもとでイメ
ージを獲得する場合に１／６０秒の露出時間が望まれる
又は必要とされるならば、２０ビットを量子化するため
に６３ＭＨｚのマスタクロックが必要とされるであろ
う。典型的な露出条件で高ダイナミックレンジを提供す
るためには、非常に速いカウンタクロックが必要とされ
ることは明らかである。また、カウンタ中のビット数が
大きくなるにつれて、これをピクセル内に集積化するた
めに、より大きな面積が必要になり、ますます大きなピ
クセルが生成されることになる。典型的なカウンタは、
ビット当たり４〜８個のトランジスタを必要とする。こ
れより、２０ビットのカウンタは８０〜１６０個のトラ
ンジスタを必要とし、０．３５μｍのＣＭＯＳプロセス
において４０μｍより大きい（＞４０μｍ）ピクセルサ
イズとなる。加えて、このアプローチでは、各ピクセル
に対する出力値を得るために、イメージセンサ内の全ピ
クセルがプログラムされた閾値レベルに達する必要があ
る。これによると、閾値レベルがＶsatに近ければ、シ
ーン中の暗い領域を閾値レベルに到達させるために、非
常に長い露出時間を必要とするであろう。露出時間は、
閾値レベルを非常に低い値にプログラミングすることに
よって低減させることができるが、これでは、シーン中
の非常に明るい領域の情報の精度が減少するであろう。
なぜなら、これらの領域は、非常に短い時間期間で閾値
に達するからである。
に到達するために必要な時間に対するカウンタ値であ
り、光検出器にて集積された実際の電荷量に対するアナ
ログ出力値は含まない。このアプローチでは、有効Ｖ
satレベルは増加するが、有効ＤＲは、カウンタクロッ
クの時間周期又は精度、及びカウンタのサイズにより制
限されるであろう。例えば、カウンタが１０ビット又は
１０２４カウントを有していると、１０２４個のマスタ
クロック周期が所望の露出時間にあてはまるとして、ダ
イナミックレンジは１０ビットまで拡大される。所望の
露出時間が１００ｍｓｅｃであれば、そのときにはカウ
ンタクロック周期は９７．６μｓｅｃ以下（≦９７．６
μｓｅｃ）でなければならない。ＤＲを２０ビットまで
拡大しようとすれば、２０ビットのカウンタが必要にな
り、１００ｍｓｅｃの露出時間に対するカウンタクロッ
ク周波数を１０．５ＭＨｚより大きく（＞１０．５ＭＨ
ｚ）する必要があるであろう。露出時間が減少すると、
それに対応するように、より速いマスタクロックが必要
とされる。例えば、屋外にて明るい太陽光のもとでイメ
ージを獲得する場合に１／６０秒の露出時間が望まれる
又は必要とされるならば、２０ビットを量子化するため
に６３ＭＨｚのマスタクロックが必要とされるであろ
う。典型的な露出条件で高ダイナミックレンジを提供す
るためには、非常に速いカウンタクロックが必要とされ
ることは明らかである。また、カウンタ中のビット数が
大きくなるにつれて、これをピクセル内に集積化するた
めに、より大きな面積が必要になり、ますます大きなピ
クセルが生成されることになる。典型的なカウンタは、
ビット当たり４〜８個のトランジスタを必要とする。こ
れより、２０ビットのカウンタは８０〜１６０個のトラ
ンジスタを必要とし、０．３５μｍのＣＭＯＳプロセス
において４０μｍより大きい（＞４０μｍ）ピクセルサ
イズとなる。加えて、このアプローチでは、各ピクセル
に対する出力値を得るために、イメージセンサ内の全ピ
クセルがプログラムされた閾値レベルに達する必要があ
る。これによると、閾値レベルがＶsatに近ければ、シ
ーン中の暗い領域を閾値レベルに到達させるために、非
常に長い露出時間を必要とするであろう。露出時間は、
閾値レベルを非常に低い値にプログラミングすることに
よって低減させることができるが、これでは、シーン中
の非常に明るい領域の情報の精度が減少するであろう。
なぜなら、これらの領域は、非常に短い時間期間で閾値
に達するからである。
【０００９】第３に、コヌマのアプローチによると、最
も明るい光レベルにおいて、データはより量子化され
る。これは図２に示されている。閾値までの時間から有
効光測定がどのように計算されるかを見ることによっ
て、これを理解することができる。
も明るい光レベルにおいて、データはより量子化され
る。これは図２に示されている。閾値までの時間から有
効光測定がどのように計算されるかを見ることによっ
て、これを理解することができる。
【００１０】閾値（ＶT）に達するまでに必要とされる
時間量（ｔT）が分かって且つソースが測定時間中に一
定であるとするならば、任意の時間（ｔM）での光量を
計算することができる。拡張された有効電圧（Ｖext）
の表現は、以下の式２にて与えられる。
時間量（ｔT）が分かって且つソースが測定時間中に一
定であるとするならば、任意の時間（ｔM）での光量を
計算することができる。拡張された有効電圧（Ｖext）
の表現は、以下の式２にて与えられる。
【００１１】式２：Ｖext＝ＶT・ｔM／ｔT 離散システムにおいては、可変時間ｔTは、式３に示さ
れる量子化されたユニットによって測定されるであろ
う。
れる量子化されたユニットによって測定されるであろ
う。
【００１２】式３：ｔT＝ｔM・ｃｖ／ＭａｘＣｖ ここで、ｃｖは量子化された整数コード値であり、Ｍａ
ｘＣｖはｔMにおけるｃｖ値に対応するコード値であ
る。式２に式３をを代入すれば、式４が得られる。
ｘＣｖはｔMにおけるｃｖ値に対応するコード値であ
る。式２に式３をを代入すれば、式４が得られる。
【００１３】式４：Ｖext＝ＶT・ＭａｘＣｖ／ｃｖ 図２を参照すると、コード値（ｃｖ）が０とは、無限光
を意味する。最初の測定可能な量子化が最大であって、
ｃｖ＝１とｃｖ＝２との間にある。８ビットリニアシス
テムに対する量子化は０．００３９であり、これは、コ
ヌマに説明された閾値までの時間による方法における最
小量子化よりも少ない。
を意味する。最初の測定可能な量子化が最大であって、
ｃｖ＝１とｃｖ＝２との間にある。８ビットリニアシス
テムに対する量子化は０．００３９であり、これは、コ
ヌマに説明された閾値までの時間による方法における最
小量子化よりも少ない。
【００１４】第４に、ピクセルアレイの外で単一のカウ
ンタ及び比較器を使用して閾値までの時間を追跡すると
すれば、ピクセル毎に十分に小さなサンプリング周波数
としてダイナミックレンジの拡張部分に対して十分に微
細な量子化を行うために、各ピクセルは極端に高いレー
トで測定されなければならない。例えば、所望の露出時
間に亘って１０ビットの量子化が必要であり、且つイメ
ージセンサに１００万個のピクセルがあるとする。所望
の露出時間を１００ｍｓｅｃとすると、各ピクセルは、
プログラムされた閾値レベルに対して９７．６５μｓｅ
ｃ毎にアクセスされて測定されなければならない。これ
は、１００万個のピクセルを９７．６５μｓｅｃ毎にサ
ンプリングする必要があることを意味している。これ
は、９７．６５ピコ秒毎に１ピクセル、すなわち１０．
２４ＧＨｚのピクセルサンプリングレートを必要とす
る。これを実行する手段は、コヌマにも、ＡＰＳ又は他
のイメージセンサ装置の分野のどこにも、開示されてき
ていない。
ンタ及び比較器を使用して閾値までの時間を追跡すると
すれば、ピクセル毎に十分に小さなサンプリング周波数
としてダイナミックレンジの拡張部分に対して十分に微
細な量子化を行うために、各ピクセルは極端に高いレー
トで測定されなければならない。例えば、所望の露出時
間に亘って１０ビットの量子化が必要であり、且つイメ
ージセンサに１００万個のピクセルがあるとする。所望
の露出時間を１００ｍｓｅｃとすると、各ピクセルは、
プログラムされた閾値レベルに対して９７．６５μｓｅ
ｃ毎にアクセスされて測定されなければならない。これ
は、１００万個のピクセルを９７．６５μｓｅｃ毎にサ
ンプリングする必要があることを意味している。これ
は、９７．６５ピコ秒毎に１ピクセル、すなわち１０．
２４ＧＨｚのピクセルサンプリングレートを必要とす
る。これを実行する手段は、コヌマにも、ＡＰＳ又は他
のイメージセンサ装置の分野のどこにも、開示されてき
ていない。
【００１５】最後に、与えられた出力値は時間である。
この出力から入射イメージを再生する（すなわち、信号
レベルを決定する）ためには、時間値から乗算によって
外挿しなければならない。これは、センサの有効ノイズ
レベルを劣化させる。電圧ｖ（ｔ）が閾値に到達するま
での時間を測定するために、値ｔが使用される。信号Ｖ
ＰＤ（ｔ）は、標準偏差σＶのガウシアン付加ノイズが
幾らか加わった光子の時間的な蓄積を示す。当業者は、
拡張された電圧ドメイン（σExt）におけるノイズが、
式５によって示されるように付加ノイズに関連している
ことを示すことができる。
この出力から入射イメージを再生する（すなわち、信号
レベルを決定する）ためには、時間値から乗算によって
外挿しなければならない。これは、センサの有効ノイズ
レベルを劣化させる。電圧ｖ（ｔ）が閾値に到達するま
での時間を測定するために、値ｔが使用される。信号Ｖ
ＰＤ（ｔ）は、標準偏差σＶのガウシアン付加ノイズが
幾らか加わった光子の時間的な蓄積を示す。当業者は、
拡張された電圧ドメイン（σExt）におけるノイズが、
式５によって示されるように付加ノイズに関連している
ことを示すことができる。
【００１６】式５：σExt＝２・σv・ｔM・ＶT 2／ｔ
T（ＶT 2−σv 2） ｔMが常にｔTよりも大きいとすれば、σExtの値が常に
σvよりも大きいことが分かる。以上の議論より、従来
技術においては、低ノイズ、小型ピクセル、単純且つ低
周波数の読み出しを保ち続けながら拡張されたＶsat及
びダイナミックレンジを提供する装置、及び拡張された
電圧信号の量子化を行う手段に対する必要性が残ってい
ることが分かるであろう。
T（ＶT 2−σv 2） ｔMが常にｔTよりも大きいとすれば、σExtの値が常に
σvよりも大きいことが分かる。以上の議論より、従来
技術においては、低ノイズ、小型ピクセル、単純且つ低
周波数の読み出しを保ち続けながら拡張されたＶsat及
びダイナミックレンジを提供する装置、及び拡張された
電圧信号の量子化を行う手段に対する必要性が残ってい
ることが分かるであろう。
【００１７】
【課題を解決するための手段】本発明は、従来技術にお
ける上述の問題点を、（１）光検出器内に集積された電
荷と光検出器の内部のプログラムされた信号レベルに到
達するまでに必要とされる時間との両方を示すアナログ
信号レベルを、各ピクセル内にカウンタを設ける必要な
しに提供する小型ピクセルの拡張ダイナミックレンジＡ
ＰＳ、及び（２）光検出器内に集積された電荷を示すア
ナログ信号レベルと所与のピクセルが集積時間内にプロ
グラムされた閾値レベルに達した回数を示す信号との両
方を提供する拡張ダイナミックレンジＡＰＳ、を提供す
ることによって克服する。
ける上述の問題点を、（１）光検出器内に集積された電
荷と光検出器の内部のプログラムされた信号レベルに到
達するまでに必要とされる時間との両方を示すアナログ
信号レベルを、各ピクセル内にカウンタを設ける必要な
しに提供する小型ピクセルの拡張ダイナミックレンジＡ
ＰＳ、及び（２）光検出器内に集積された電荷を示すア
ナログ信号レベルと所与のピクセルが集積時間内にプロ
グラムされた閾値レベルに達した回数を示す信号との両
方を提供する拡張ダイナミックレンジＡＰＳ、を提供す
ることによって克服する。
【００１８】第１の実施形態では、ストレジキャパシタ
が各ピクセル内に含まれていて、これが、時間に依存す
る電圧をピクセルアレイに供給するグローバル電圧バス
に接続されている。任意の所与のピクセル内のストレジ
キャパシタは、光検出器内の信号レベルがプログラムさ
れた閾値レベルに達すると、時間依存電圧バスから切り
離される。キャパシタに蓄えられた電圧は、そのときに
は、そのピクセルがプログラムされた閾値レベルに達す
るまでに必要とされる時間を示す。ピクセルは光検出器
信号の読み出しパスも有しており、閾値までの時間を示
すアナログ信号と光検出器内に集積された電荷を示すア
ナログ信号との両方を、所望の露出時間の終了時に読み
出すことができる。これら２つのアナログ信号が共同し
て使用されて、拡張ダイナミックレンジを提供する。カ
ウンタはピクセル内に集積されておらず、ピクセルを実
用的に小さくすることができる。
が各ピクセル内に含まれていて、これが、時間に依存す
る電圧をピクセルアレイに供給するグローバル電圧バス
に接続されている。任意の所与のピクセル内のストレジ
キャパシタは、光検出器内の信号レベルがプログラムさ
れた閾値レベルに達すると、時間依存電圧バスから切り
離される。キャパシタに蓄えられた電圧は、そのときに
は、そのピクセルがプログラムされた閾値レベルに達す
るまでに必要とされる時間を示す。ピクセルは光検出器
信号の読み出しパスも有しており、閾値までの時間を示
すアナログ信号と光検出器内に集積された電荷を示すア
ナログ信号との両方を、所望の露出時間の終了時に読み
出すことができる。これら２つのアナログ信号が共同し
て使用されて、拡張ダイナミックレンジを提供する。カ
ウンタはピクセル内に集積されておらず、ピクセルを実
用的に小さくすることができる。
【００１９】第２の実施形態では、新しい概念が提供さ
れて、各ピクセル内の有効信号レベルを決定するために
時間値からの乗算外挿を行う必要がなくなる。この手法
は光検出器アナログ出力バスを備えているが、閾値に達
するまでに必要とされた時間ではなく、所与のピクセル
がプログラムされた閾値に達した回数を決定するとい
う、付加的な機能を有している。これは、光検出器がプ
ログラムされた閾値に達するたびに光検出器をリセット
し、光検出器が集積期間中にリセットされた回数を示す
信号をピクセル内に有することによって、実行される。
れて、各ピクセル内の有効信号レベルを決定するために
時間値からの乗算外挿を行う必要がなくなる。この手法
は光検出器アナログ出力バスを備えているが、閾値に達
するまでに必要とされた時間ではなく、所与のピクセル
がプログラムされた閾値に達した回数を決定するとい
う、付加的な機能を有している。これは、光検出器がプ
ログラムされた閾値に達するたびに光検出器をリセット
し、光検出器が集積期間中にリセットされた回数を示す
信号をピクセル内に有することによって、実行される。
【００２０】本発明は、小型ピクセルサイズ及び低ノイ
ズを保ちながら、ＡＰＳのダイナミックレンジを拡張す
るという効果を有する。これらの実施形態は、ピクセル
内に大きなカウンタを必要とせず、低ノイズのアナログ
光検出器信号の読み出しも提供する。これは、非常に単
純な自動露出信号を必要とするのみであるか又は自動露
出信号を必要としない、面積的に効率的な拡張ダイナミ
ックレンジセンサを提供する。
ズを保ちながら、ＡＰＳのダイナミックレンジを拡張す
るという効果を有する。これらの実施形態は、ピクセル
内に大きなカウンタを必要とせず、低ノイズのアナログ
光検出器信号の読み出しも提供する。これは、非常に単
純な自動露出信号を必要とするのみであるか又は自動露
出信号を必要としない、面積的に効率的な拡張ダイナミ
ックレンジセンサを提供する。
【００２１】
【発明の実施の形態】新しいセンサアーキテクチュア
は、好ましくはｙ行ｘ列を有するアレイに配置されたセ
ンサに対するものであるが、リニアセンサのような他の
配列も使用できることを、関連技術における当業者は理
解するであろう。
は、好ましくはｙ行ｘ列を有するアレイに配置されたセ
ンサに対するものであるが、リニアセンサのような他の
配列も使用できることを、関連技術における当業者は理
解するであろう。
【００２２】新しいＡＰＳピクセル及びセンサアーキテ
クチュアは、従来技術の制限を克服しながら、拡張され
たダイナミックレンジを提供する。図３を参照すると、
高ダイナミックレンジセンサを提供する新しいピクセル
アーキテクチュアが提供される。このアーキテクチュア
では、ピクセル５０は、光検出器ＰＤ（典型的にはフォ
トダイード）、リセットゲートＲＧを有するリセットト
ランジスタ、ソースフォロワ入力トランジスタＳＩＧ、
行選択ゲートＲＳＧを有する行選択トランジスタ、比較
器、電圧入力を比較器の一つの入力に提供するバスＶｐ
ｒ、第２のソースフォロワ入力トランジスタＭ１、スト
レジキャパシタＣｓ、時間依存電圧信号Ｖ（ｔ）をスト
レジキャパシタに提供するバスＶｔｉｍｅ、ストレジキ
ャパシタを時間依存電圧バスに接続するスイッチＭ３、
及び第２の行選択トランジスタＭ２を備えている。比較
器に対する第２の入力は、光検出器に接続されている。
このピクセルは、以下のように動作する。図８のタイミ
ングダイアグラム図を参照する。はじめに、ＰＤ、比較
器、及びＣｓが、必要な信号をＲＧ、Ｖｐｒ、及びＶｔ
ｉｍｅにそれぞれ印加することによって、所定のレベル
にリセットされる。このとき、ＰＤは機能的に空であ
り、比較器の出力は「０」論理であり、ＣｓはＶｔｉｍ
ｅに接続される。時間ｔ０で、イメージの獲得が開始さ
れる。入射光がピクセル内に光電子を生成し、これらが
ＰＤに集められる。ＰＤ５２に蓄積される電荷が増加す
るにつれて、比較器の正入力に印加される電圧がＶｐｒ
及び比較器のスイッチングレベルに近づく。また、時間
が経つにつれて、Ｖｔｉｍｅにおける電圧レベルＶ
（ｔ）が変化する。入力光が十分に明るくて、集積時間
Ｔｉｎｔ内に十分な電子が生成されてＶＰＤ（ｔ）信号
が比較器５４に印加された閾値を越すと、比較器５４の
状態が切り替わって、Ｖｔｉｍｅ５１を介して印加され
るＶ（ｔ）からストレジキャパシタＣｓが切り離され
る。これでピクセルストレジキャパシタＣｓはフローテ
ィング状態になり、最後にＶｔｉｍｅ５１に印加された
電圧レベル、すなわち光検出器５２に蓄積された電荷が
比較器５４に供給された閾値を越えたｔ＝Ｔｉｎｔにお
けるＶ（ｔ）のままである。図９を参照すると、３つの
明るいピクセルの場合が示されている。ピクセルａはピ
クセルｂより明るく、ピクセルｂはピクセルｃより明る
い。示されているように、ピクセルａ、ｂ及びｃに対す
る比較器は異なるタイミングでトリップして、各ストレ
ジキャパシタに蓄えられる異なる電圧ＶＣｓを生成す
る。
クチュアは、従来技術の制限を克服しながら、拡張され
たダイナミックレンジを提供する。図３を参照すると、
高ダイナミックレンジセンサを提供する新しいピクセル
アーキテクチュアが提供される。このアーキテクチュア
では、ピクセル５０は、光検出器ＰＤ（典型的にはフォ
トダイード）、リセットゲートＲＧを有するリセットト
ランジスタ、ソースフォロワ入力トランジスタＳＩＧ、
行選択ゲートＲＳＧを有する行選択トランジスタ、比較
器、電圧入力を比較器の一つの入力に提供するバスＶｐ
ｒ、第２のソースフォロワ入力トランジスタＭ１、スト
レジキャパシタＣｓ、時間依存電圧信号Ｖ（ｔ）をスト
レジキャパシタに提供するバスＶｔｉｍｅ、ストレジキ
ャパシタを時間依存電圧バスに接続するスイッチＭ３、
及び第２の行選択トランジスタＭ２を備えている。比較
器に対する第２の入力は、光検出器に接続されている。
このピクセルは、以下のように動作する。図８のタイミ
ングダイアグラム図を参照する。はじめに、ＰＤ、比較
器、及びＣｓが、必要な信号をＲＧ、Ｖｐｒ、及びＶｔ
ｉｍｅにそれぞれ印加することによって、所定のレベル
にリセットされる。このとき、ＰＤは機能的に空であ
り、比較器の出力は「０」論理であり、ＣｓはＶｔｉｍ
ｅに接続される。時間ｔ０で、イメージの獲得が開始さ
れる。入射光がピクセル内に光電子を生成し、これらが
ＰＤに集められる。ＰＤ５２に蓄積される電荷が増加す
るにつれて、比較器の正入力に印加される電圧がＶｐｒ
及び比較器のスイッチングレベルに近づく。また、時間
が経つにつれて、Ｖｔｉｍｅにおける電圧レベルＶ
（ｔ）が変化する。入力光が十分に明るくて、集積時間
Ｔｉｎｔ内に十分な電子が生成されてＶＰＤ（ｔ）信号
が比較器５４に印加された閾値を越すと、比較器５４の
状態が切り替わって、Ｖｔｉｍｅ５１を介して印加され
るＶ（ｔ）からストレジキャパシタＣｓが切り離され
る。これでピクセルストレジキャパシタＣｓはフローテ
ィング状態になり、最後にＶｔｉｍｅ５１に印加された
電圧レベル、すなわち光検出器５２に蓄積された電荷が
比較器５４に供給された閾値を越えたｔ＝Ｔｉｎｔにお
けるＶ（ｔ）のままである。図９を参照すると、３つの
明るいピクセルの場合が示されている。ピクセルａはピ
クセルｂより明るく、ピクセルｂはピクセルｃより明る
い。示されているように、ピクセルａ、ｂ及びｃに対す
る比較器は異なるタイミングでトリップして、各ストレ
ジキャパシタに蓄えられる異なる電圧ＶＣｓを生成す
る。
【００２３】入射光の明るさが十分ではなくＰＤ電圧レ
ベルが閾値レベルを越えないときには、比較器の状態は
切り替わらず、ＣｓはＶｔｉｍｅに接続されたままであ
る。これは図１０に示されている。所望の集積時間の終
了時には、センサの各ピクセルは、適当な行への所定の
ＲＳＧ信号の印加によって、一度に一行が読み出され
る。比較器が「トリップ」していなければ、トランジス
タＭ２がターンオフし、時間出力列バスに接続されてピ
クセルアレイの底部に位置する列毎ソースフォロワ負荷
トランジスタによって、時間出力列バスが低電圧に引か
れる。比較器がトリップしていると、トランジスタＭ２
がターンオンし、時間出力列バスはストレジキャパシタ
Ｃｓの電圧に比例した電圧になる。これは、論理「１」
とも解釈される。ピクセル５０に対する比較器５４がト
リップすると、ストレジキャパシタＣｓの値が時間出力
列バスを通して読み出されて記録される。そのピクセル
に対する比較器５４が「トリップ」しなければ、光検出
器５２に対する信号レベルの値が信号出力列バスを通し
て読み出されて記録される。閾値までの時間又は光検出
器内の信号レベルを示すこれらのアナログ信号の読み出
しは、従来技術のＡＰＳに対するものと同様の方法で行
われることができる。
ベルが閾値レベルを越えないときには、比較器の状態は
切り替わらず、ＣｓはＶｔｉｍｅに接続されたままであ
る。これは図１０に示されている。所望の集積時間の終
了時には、センサの各ピクセルは、適当な行への所定の
ＲＳＧ信号の印加によって、一度に一行が読み出され
る。比較器が「トリップ」していなければ、トランジス
タＭ２がターンオフし、時間出力列バスに接続されてピ
クセルアレイの底部に位置する列毎ソースフォロワ負荷
トランジスタによって、時間出力列バスが低電圧に引か
れる。比較器がトリップしていると、トランジスタＭ２
がターンオンし、時間出力列バスはストレジキャパシタ
Ｃｓの電圧に比例した電圧になる。これは、論理「１」
とも解釈される。ピクセル５０に対する比較器５４がト
リップすると、ストレジキャパシタＣｓの値が時間出力
列バスを通して読み出されて記録される。そのピクセル
に対する比較器５４が「トリップ」しなければ、光検出
器５２に対する信号レベルの値が信号出力列バスを通し
て読み出されて記録される。閾値までの時間又は光検出
器内の信号レベルを示すこれらのアナログ信号の読み出
しは、従来技術のＡＰＳに対するものと同様の方法で行
われることができる。
【００２４】イメージの明るい領域におけるピクセル
は、そのピクセルがある信号レベルに達した時点を示す
アナログ信号を有しているので、イメージ内の明るい領
域の有効ＰＤ信号レベルが確認されて、これらの明るい
領域に関連する詳細が維持される。このピクセルにおけ
る有効ＰＤ信号値Ｖextは、図１のチャートに示される
ように計算されることができて、式２に示される関係に
よって決定される。このとき、ＶTはＣｓがＶｔｉｍｅ
及びＶ（ｔ）から切り離されるときのＰＤ信号値であ
り、ｔMは集積時間又は露出時間であり、ｔTはそのピク
セルがＶTに達するために必要とされる時間である。ｔT
は、以下の式６に示されるように、Ｖｔｉｍｅに印加さ
れるＶ（ｔ）関数の逆数をとることによって計算するこ
とができる。
は、そのピクセルがある信号レベルに達した時点を示す
アナログ信号を有しているので、イメージ内の明るい領
域の有効ＰＤ信号レベルが確認されて、これらの明るい
領域に関連する詳細が維持される。このピクセルにおけ
る有効ＰＤ信号値Ｖextは、図１のチャートに示される
ように計算されることができて、式２に示される関係に
よって決定される。このとき、ＶTはＣｓがＶｔｉｍｅ
及びＶ（ｔ）から切り離されるときのＰＤ信号値であ
り、ｔMは集積時間又は露出時間であり、ｔTはそのピク
セルがＶTに達するために必要とされる時間である。ｔT
は、以下の式６に示されるように、Ｖｔｉｍｅに印加さ
れるＶ（ｔ）関数の逆数をとることによって計算するこ
とができる。
【００２５】式６：ｔT＝Ｖ-1（ｔ） 加えて、そのシーンの低光量領域内のピクセルについて
の光検出器のアナログ信号値の読み出しがあるので、暗
い領域の詳細も分かって獲得される。イメージの明るい
領域に関連した８〜１０ビットのイメージデータが存在
し、且つイメージの暗い領域に関連した８〜１０ビット
のイメージデータが存在すると仮定すると、これらの２
セットのイメージデータを連結して、計１６〜２０ビッ
トのシーン詳細情報を提供することができる。これによ
り、極端に高いダイナミックレンジを有するセンサが得
られる。
の光検出器のアナログ信号値の読み出しがあるので、暗
い領域の詳細も分かって獲得される。イメージの明るい
領域に関連した８〜１０ビットのイメージデータが存在
し、且つイメージの暗い領域に関連した８〜１０ビット
のイメージデータが存在すると仮定すると、これらの２
セットのイメージデータを連結して、計１６〜２０ビッ
トのシーン詳細情報を提供することができる。これによ
り、極端に高いダイナミックレンジを有するセンサが得
られる。
【００２６】比較器５４をトリップさせたピクセルに対
するストレジキャパシタＣｓのレベルの読み出しに加え
て、又はその読み出しに平行して、光検出器５２のレベ
ルの読み出しを行うこともできることに留意されたい。
これにより、同じピクセルから利用可能な２つのデータ
値が提供される。一方のデータ値は、比較器５４に印加
された閾値に達するまでの時間を示し、他方のデータ値
は、光検出器５２内で集積された信号を示す。これらの
値を協調して使用して、キャリブレーションのような機
能を実行することができる。例えば、閾値レベルが光検
出器のＶｓａｔの５０％に設定されるならば、Ｖｓａｔ
の７５％に達したピクセルに対するＣｓ及びＰＤからの
信号を比較且つ使用して、閾値までの時間及びＰＤ内の
電荷量を示す信号の正確なキャリブレーションを行うこ
とができる。
するストレジキャパシタＣｓのレベルの読み出しに加え
て、又はその読み出しに平行して、光検出器５２のレベ
ルの読み出しを行うこともできることに留意されたい。
これにより、同じピクセルから利用可能な２つのデータ
値が提供される。一方のデータ値は、比較器５４に印加
された閾値に達するまでの時間を示し、他方のデータ値
は、光検出器５２内で集積された信号を示す。これらの
値を協調して使用して、キャリブレーションのような機
能を実行することができる。例えば、閾値レベルが光検
出器のＶｓａｔの５０％に設定されるならば、Ｖｓａｔ
の７５％に達したピクセルに対するＣｓ及びＰＤからの
信号を比較且つ使用して、閾値までの時間及びＰＤ内の
電荷量を示す信号の正確なキャリブレーションを行うこ
とができる。
【００２７】このピクセルアーキテクチュアの他の実施
形態が、図４に示されている。この場合には、ピクセル
内の比較器が取り除かれて、ＰＤに隣接するオーバーフ
ローゲートＯＧとフローティング拡散領域とに置き換え
られている。閾値バスＶｐｒはＯＧに接続され、フロー
ティング拡散領域はＶ（ｔ）とＣｓとの間のスイッチＭ
３の入力に接続されている。図４では、Ｃｓは、単純に
トランジスタＭ１の入力キャパシタンスである。動作
は、図３のピクセルに対して説明したものと同様に行わ
れる。はじめに、ＰＤとＦＤとがリセットされる。これ
でＦＤはＶＤＤに近くなり、スイッチトランジスタＭ３
はターンオンしてＣｓをＶ（ｔ）に接続する。ＯＧの下
方の領域の電位は、Ｖｐｒによって制御される。集積が
進むと、ＰＤは光電子を集め始める。ＰＤ内の電子数に
よってＰＤの電位がＯＧの下方の領域の電位を越える
と、余分に生成された光電子はＰＤからＯＧの下方の領
域を通ってＦＤへ流れる。ＦＤ内の電子数によってＦＤ
の電位がＭ３の閾値電圧より低くなると、Ｍ３はターン
オフし、これによりＣｓをＶ（ｔ）から切り離す。ここ
で、Ｃｓに蓄えられた電圧は、所定の信号レベルに達す
るまでの経過時間を示す。この実施形態では、カウンタ
も比較器も使用されずに６トランジスタのピクセルが提
供される。これにより、消費者用デジタルスチルカメラ
のアプリケーションに適した高フィルファクタで小ピッ
チのピクセルが可能になる。
形態が、図４に示されている。この場合には、ピクセル
内の比較器が取り除かれて、ＰＤに隣接するオーバーフ
ローゲートＯＧとフローティング拡散領域とに置き換え
られている。閾値バスＶｐｒはＯＧに接続され、フロー
ティング拡散領域はＶ（ｔ）とＣｓとの間のスイッチＭ
３の入力に接続されている。図４では、Ｃｓは、単純に
トランジスタＭ１の入力キャパシタンスである。動作
は、図３のピクセルに対して説明したものと同様に行わ
れる。はじめに、ＰＤとＦＤとがリセットされる。これ
でＦＤはＶＤＤに近くなり、スイッチトランジスタＭ３
はターンオンしてＣｓをＶ（ｔ）に接続する。ＯＧの下
方の領域の電位は、Ｖｐｒによって制御される。集積が
進むと、ＰＤは光電子を集め始める。ＰＤ内の電子数に
よってＰＤの電位がＯＧの下方の領域の電位を越える
と、余分に生成された光電子はＰＤからＯＧの下方の領
域を通ってＦＤへ流れる。ＦＤ内の電子数によってＦＤ
の電位がＭ３の閾値電圧より低くなると、Ｍ３はターン
オフし、これによりＣｓをＶ（ｔ）から切り離す。ここ
で、Ｃｓに蓄えられた電圧は、所定の信号レベルに達す
るまでの経過時間を示す。この実施形態では、カウンタ
も比較器も使用されずに６トランジスタのピクセルが提
供される。これにより、消費者用デジタルスチルカメラ
のアプリケーションに適した高フィルファクタで小ピッ
チのピクセルが可能になる。
【００２８】同じ概念の第３の実施形態が図５及び図６
に示されている。この場合、別個のＰＤが形成されて、
閾値までの時間を決定するためのＰＤが作られる。これ
は、ＰＤｔと呼ばれる。動作の開始時には、ＰＤ及びＰ
Ｄｔの両方が、それぞれ所定のレベルにリセットされ
る。プログラム可能な閾値バスＶｐｒは第２のリセット
トランジスタＭ４のゲートに接続され、ＰＤｔがリセッ
トされるレベルを制御する。集積が進むと、ＰＤ及びＰ
Ｄｔは両方とも光電子を集める。ＰＤｔ内の電子数によ
ってＰＤｔの電位がＭ３の閾値電圧よりも低くなると、
Ｍ３はターンオフして、これによりＣｓをＶ（ｔ）から
切り離す。ここで、Ｃｓに蓄えられた電圧は、所定の信
号レベルに到達するまでの経過時間を示す。ＰＤｔの電
位をＭ４の閾値電圧よりも低くするために必要とされる
電荷量は、ＰＤｔがリセットされるレベルによって制御
される。ＰＤ内の光電子量が先に説明した方法で読み出
されて、ＰＤ内に蓄えられた電子数を示す信号レベルを
与える。ＰＤｔのサイズ及び容量を適切に設計すること
によって、閾値ｔTに達するまでの時間を、所望の集積
時間ｔMよりも確実に短くすることができる。図６に示
されるピクセルは、ＶｐｒがリセットトランジスタＭ４
のゲートではなくドレインに接続されている点を除い
て、図５に示されたピクセルと同じである。Ｍ４のＲＧ
は、リセットトランジスタ＃に対するＲＧと同じ信号に
接続されている。ＰＤｔのリセットレベルは、やはりＶ
ｐｒに印加される電圧によって制御される。
に示されている。この場合、別個のＰＤが形成されて、
閾値までの時間を決定するためのＰＤが作られる。これ
は、ＰＤｔと呼ばれる。動作の開始時には、ＰＤ及びＰ
Ｄｔの両方が、それぞれ所定のレベルにリセットされ
る。プログラム可能な閾値バスＶｐｒは第２のリセット
トランジスタＭ４のゲートに接続され、ＰＤｔがリセッ
トされるレベルを制御する。集積が進むと、ＰＤ及びＰ
Ｄｔは両方とも光電子を集める。ＰＤｔ内の電子数によ
ってＰＤｔの電位がＭ３の閾値電圧よりも低くなると、
Ｍ３はターンオフして、これによりＣｓをＶ（ｔ）から
切り離す。ここで、Ｃｓに蓄えられた電圧は、所定の信
号レベルに到達するまでの経過時間を示す。ＰＤｔの電
位をＭ４の閾値電圧よりも低くするために必要とされる
電荷量は、ＰＤｔがリセットされるレベルによって制御
される。ＰＤ内の光電子量が先に説明した方法で読み出
されて、ＰＤ内に蓄えられた電子数を示す信号レベルを
与える。ＰＤｔのサイズ及び容量を適切に設計すること
によって、閾値ｔTに達するまでの時間を、所望の集積
時間ｔMよりも確実に短くすることができる。図６に示
されるピクセルは、ＶｐｒがリセットトランジスタＭ４
のゲートではなくドレインに接続されている点を除い
て、図５に示されたピクセルと同じである。Ｍ４のＲＧ
は、リセットトランジスタ＃に対するＲＧと同じ信号に
接続されている。ＰＤｔのリセットレベルは、やはりＶ
ｐｒに印加される電圧によって制御される。
【００２９】この同じ概念の他の実施形態が図７に示さ
れている。この実施形態では、信号列出力バスを使用し
て、閾値までの時間を示す信号と光検出器に蓄えられた
電子数を示す信号とを順に読み出す。ピクセルは、光検
出器ＰＤ、トランスファーゲートＴＧ、フローティング
拡散領域ＦＤ、リセットゲートＲＧを有するリセットト
ランジスタ、閾値までの時間を示す信号を読み出す行選
択トランジスタＲＳＧｔ、光検出器ＰＤ内のアナログ電
荷を示す信号を読み出す行選択トランジスタＲＳＧａを
備える。ＦＤは、光検出器として動作するように設計さ
れている。このピクセルの動作は、以下のように生じ
る。はじめに、ＰＤ及びＦＤの両方が、ＲＧ及びＴＧを
ターンオンし且つＶＤＤをＶｔｉｍｅに印加することに
よってリセットされる。このとき、ＴＧをターンオフし
且つＶｔｉｍｅがＶＤＤの状態で第２の所定の信号レベ
ルをＶｐｒに印加することによって、ＦＤのレベルを別
個にリセットすることができる。その後に、ＲＧをター
ンオフし且つＶ（ｔ）をＶｔｉｍｅに印加することによ
って、集積が開始される。ＰＤ及びＦＤの両方が光電子
を集め始める。ＦＤのレベルはＳＩＧａの閾値を越えて
いるので、ＳＩＧａは、Ｖｔｉｍｅに印加されたＶ
（ｔ）をＳＩＧｔの入力キャパシタンスであるＣｓに接
続するスイッチとして機能する。ＦＤ内に集められた光
電子数によってＦＤの電位が閾値電圧ＳＩＧａより低く
なると、ＳＩＧａはターンオフして、Ｃｓに蓄えられた
電圧レベルが閾値までの時間を示すようになる。集積期
間の終了時に、ＲＳＧｔをｈｉｇｈに設定してＣｓに蓄
えられた信号レベルを読み出すことによって、このセン
サが読み出される。その後に、ＲＧをターンオンしてＶ
ｔｉｍｅをＶＤＤに設定することによって、ＦＤがリセ
ットされる。これにより、ＳＩＧｔを通じた読み出しの
ためのリセットレベルが提供され、ピクセルのソースフ
ォロワオフセットをキャンセルするために、閾値までの
時間を示す信号の差分読み出しが提供される。ＦＤがリ
セットされるので、リセットレベルは、ＲＧＳｔをター
ンオフし且つＲＳＧａをターンオンすることによって、
ソースフォロワＳＩＧａによって読み出される。その後
に、Ｔｇをオン及びオフにストローブすることによっ
て、ＰＤ内の電荷がＦＤに転送される。それから、ＦＤ
の信号レベルがソースフォロワＳＩＧａを介して読み出
される。これにより、光検出器のアナログ信号レベルの
相関二重サンプリング読み出しが提供される。
れている。この実施形態では、信号列出力バスを使用し
て、閾値までの時間を示す信号と光検出器に蓄えられた
電子数を示す信号とを順に読み出す。ピクセルは、光検
出器ＰＤ、トランスファーゲートＴＧ、フローティング
拡散領域ＦＤ、リセットゲートＲＧを有するリセットト
ランジスタ、閾値までの時間を示す信号を読み出す行選
択トランジスタＲＳＧｔ、光検出器ＰＤ内のアナログ電
荷を示す信号を読み出す行選択トランジスタＲＳＧａを
備える。ＦＤは、光検出器として動作するように設計さ
れている。このピクセルの動作は、以下のように生じ
る。はじめに、ＰＤ及びＦＤの両方が、ＲＧ及びＴＧを
ターンオンし且つＶＤＤをＶｔｉｍｅに印加することに
よってリセットされる。このとき、ＴＧをターンオフし
且つＶｔｉｍｅがＶＤＤの状態で第２の所定の信号レベ
ルをＶｐｒに印加することによって、ＦＤのレベルを別
個にリセットすることができる。その後に、ＲＧをター
ンオフし且つＶ（ｔ）をＶｔｉｍｅに印加することによ
って、集積が開始される。ＰＤ及びＦＤの両方が光電子
を集め始める。ＦＤのレベルはＳＩＧａの閾値を越えて
いるので、ＳＩＧａは、Ｖｔｉｍｅに印加されたＶ
（ｔ）をＳＩＧｔの入力キャパシタンスであるＣｓに接
続するスイッチとして機能する。ＦＤ内に集められた光
電子数によってＦＤの電位が閾値電圧ＳＩＧａより低く
なると、ＳＩＧａはターンオフして、Ｃｓに蓄えられた
電圧レベルが閾値までの時間を示すようになる。集積期
間の終了時に、ＲＳＧｔをｈｉｇｈに設定してＣｓに蓄
えられた信号レベルを読み出すことによって、このセン
サが読み出される。その後に、ＲＧをターンオンしてＶ
ｔｉｍｅをＶＤＤに設定することによって、ＦＤがリセ
ットされる。これにより、ＳＩＧｔを通じた読み出しの
ためのリセットレベルが提供され、ピクセルのソースフ
ォロワオフセットをキャンセルするために、閾値までの
時間を示す信号の差分読み出しが提供される。ＦＤがリ
セットされるので、リセットレベルは、ＲＧＳｔをター
ンオフし且つＲＳＧａをターンオンすることによって、
ソースフォロワＳＩＧａによって読み出される。その後
に、Ｔｇをオン及びオフにストローブすることによっ
て、ＰＤ内の電荷がＦＤに転送される。それから、ＦＤ
の信号レベルがソースフォロワＳＩＧａを介して読み出
される。これにより、光検出器のアナログ信号レベルの
相関二重サンプリング読み出しが提供される。
【００３０】ＣｓがＶ（ｔ）から切り離される閾値がプ
ログラム可能であり、最適性能を提供するようにシステ
ムによって設定されることができることに、留意された
い。加えて、印加される時間依存電圧信号Ｖ（ｔ）を、
ダイナミックレンジを更に拡張するような任意のユーザ
規定の転送（トランスファー）関数に設定して、時間信
号の量子化を管理することができる。例えば、Ｖ（ｔ）
を対数関数にして、シーンの明るい領域で認識されるイ
ルミナンス範囲の拡大を提供することができる。加え
て、複数のＶｐｒ信号又は信号線を設けて、イメージセ
ンサアレイ内の各カラーピクセルに対して別個のプログ
ラム可能な閾値を設けることもできる。
ログラム可能であり、最適性能を提供するようにシステ
ムによって設定されることができることに、留意された
い。加えて、印加される時間依存電圧信号Ｖ（ｔ）を、
ダイナミックレンジを更に拡張するような任意のユーザ
規定の転送（トランスファー）関数に設定して、時間信
号の量子化を管理することができる。例えば、Ｖ（ｔ）
を対数関数にして、シーンの明るい領域で認識されるイ
ルミナンス範囲の拡大を提供することができる。加え
て、複数のＶｐｒ信号又は信号線を設けて、イメージセ
ンサアレイ内の各カラーピクセルに対して別個のプログ
ラム可能な閾値を設けることもできる。
【００３１】閾値レベルに達するまでに必要とされる時
間値がシーンの明るい領域に対して記憶されるので、こ
れらの明るい領域に関連する詳細は全て維持される。シ
ーンの低光量領域に対するアナログ信号値は既知である
ので、暗い領域の詳細が分かって獲得される。これによ
り、極めて高いダイナミックレンジを有するセンサが得
られる。１０ビットの時間データがあり且つ残りのアナ
ログ信号（すなわち、比較器の閾値レベルを越えなかっ
た値）が８〜１０ビットに量子化されるとすると、測定
された信号は８〜１０ビットだけＶTを越えて拡張され
る。比較器の閾値はプログラム可能であり、最適性能が
得られるようにシステムによって設定されることができ
ることに、再び留意すべきである。
間値がシーンの明るい領域に対して記憶されるので、こ
れらの明るい領域に関連する詳細は全て維持される。シ
ーンの低光量領域に対するアナログ信号値は既知である
ので、暗い領域の詳細が分かって獲得される。これによ
り、極めて高いダイナミックレンジを有するセンサが得
られる。１０ビットの時間データがあり且つ残りのアナ
ログ信号（すなわち、比較器の閾値レベルを越えなかっ
た値）が８〜１０ビットに量子化されるとすると、測定
された信号は８〜１０ビットだけＶTを越えて拡張され
る。比較器の閾値はプログラム可能であり、最適性能が
得られるようにシステムによって設定されることができ
ることに、再び留意すべきである。
【００３２】ＡＰＳピクセルの高ダイナミックレンジを
達成する他の手段は、上記で説明したものと同様である
が、図１１に示されるように、比較器５４の出力を使用
して（１）カウンタをインクリメントし、且つ（２）光
検出器をリセットするという点が異なっている。このタ
イプの実施形態では、カウンタ値は各ピクセルに関連し
ている。フレーム獲得のための集積時間の終了時に、カ
ウンタ値はデジタル出力バスを介して読み出される。そ
の値は、光検出器が閾値レベルを満たしてリセットされ
た回数を示す。光検出器の出力電圧はアナログ出力バス
を介して読み出されるが、その値は、光検出器が最後に
リセットされてから集められた電荷量を示す。そのと
き、ピクセルの全出力値は、そのピクセルがプログラム
された閾値に達した回数にアナログ出力バスからの光検
出器内の電圧を加えたものである。例えば、プログラム
された閾値レベルが５００ｍＶであるとする。非常に明
るい領域はカウンタ値１２４５及びアナログ出力３００
ｍＶを有することがあり、それほど明るくない領域はカ
ウンタ値１００及びアナログ出力１００ｍＶを有するこ
とがあり、薄暗い領域はカウンタ値０及びアナログ出力
２００ｍＶを有することがある。その場合、出力電圧
は、Ｖｏｕｔ＝（カウンタ値）（５００）＋アナログ出
力値）という公式を使用して計算することができる。
達成する他の手段は、上記で説明したものと同様である
が、図１１に示されるように、比較器５４の出力を使用
して（１）カウンタをインクリメントし、且つ（２）光
検出器をリセットするという点が異なっている。このタ
イプの実施形態では、カウンタ値は各ピクセルに関連し
ている。フレーム獲得のための集積時間の終了時に、カ
ウンタ値はデジタル出力バスを介して読み出される。そ
の値は、光検出器が閾値レベルを満たしてリセットされ
た回数を示す。光検出器の出力電圧はアナログ出力バス
を介して読み出されるが、その値は、光検出器が最後に
リセットされてから集められた電荷量を示す。そのと
き、ピクセルの全出力値は、そのピクセルがプログラム
された閾値に達した回数にアナログ出力バスからの光検
出器内の電圧を加えたものである。例えば、プログラム
された閾値レベルが５００ｍＶであるとする。非常に明
るい領域はカウンタ値１２４５及びアナログ出力３００
ｍＶを有することがあり、それほど明るくない領域はカ
ウンタ値１００及びアナログ出力１００ｍＶを有するこ
とがあり、薄暗い領域はカウンタ値０及びアナログ出力
２００ｍＶを有することがある。その場合、出力電圧
は、Ｖｏｕｔ＝（カウンタ値）（５００）＋アナログ出
力値）という公式を使用して計算することができる。
【図１】 本発明にて使用される変数を規定して、従来
技術及び本発明での拡張ダイナミックレンジを提供する
グラフである。
技術及び本発明での拡張ダイナミックレンジを提供する
グラフである。
【図２】 従来技術の量子化欠陥を例示するダイアグラ
ム図である。
ム図である。
【図３】 本発明の好適な実施形態のピクセルアーキテ
クチュアのダイアグラム図である。
クチュアのダイアグラム図である。
【図４】 本発明の好適な実施形態のピクセルアーキテ
クチュアのダイアグラム図である。
クチュアのダイアグラム図である。
【図５】 本発明の好適な実施形態のピクセルアーキテ
クチュアのダイアグラム図である。
クチュアのダイアグラム図である。
【図６】 本発明の好適な実施形態のピクセルアーキテ
クチュアのダイアグラム図である。
クチュアのダイアグラム図である。
【図７】 本発明の好適な実施形態のピクセルアーキテ
クチュアのダイアグラム図である。
クチュアのダイアグラム図である。
【図８】 図３に示すピクセルの動作のタイミングダイ
アグラム図である。
アグラム図である。
【図９】 図３に示すピクセルの動作のタイミングダイ
アグラム図である。
アグラム図である。
【図１０】 図３に示すピクセルの動作のタイミングダ
イアグラム図である。
イアグラム図である。
【図１１】 本発明によって具現化される他のピクセル
アーキテクチュアのダイアグラム図である。
アーキテクチュアのダイアグラム図である。
５０ ピクセル、５２ 光検出器、５４ 比較器、ＰＤ
光検出器、ＲＧ リセットゲート、ＲＳＧ 行選択ゲ
ート、ＳＩＧ ソースフォロワ入力トランジスタ、Ｖｐ
ｒ バス、Ｖｔｉｍｅ バス、Ｃｓ ストレジキャパシ
タ、Ｍ１ 第２のソースフォロワ入力トランジスタ、Ｍ
２ 第２の行選択トランジスタ、Ｍ３スイッチ。
光検出器、ＲＧ リセットゲート、ＲＳＧ 行選択ゲ
ート、ＳＩＧ ソースフォロワ入力トランジスタ、Ｖｐ
ｒ バス、Ｖｔｉｍｅ バス、Ｃｓ ストレジキャパシ
タ、Ｍ１ 第２のソースフォロワ入力トランジスタ、Ｍ
２ 第２の行選択トランジスタ、Ｍ３スイッチ。
Claims (3)
- 【請求項１】 複数のピクセルを有するアクティブピク
セルセンサであって、少なくとも一つのピクセルが、 リセット装置に機能的に結合された光検出器と、 前記光検出器に結合された閾値レベルと、 前記光検出器が前記閾値レベルに達したときを示す装置
と、 前記光検出器の信号を信号バスにインターフェースする
アナログ検出器と、を備えている、アクティブピクセル
センサ。 - 【請求項２】 前記装置が前記閾値レベルに接続された
比較器を更に備えている、請求項１に記載のアクティブ
ピクセルセンサ。 - 【請求項３】 複数のピクセルを有するアクティブピク
セルセンサであって、少なくとも一つのピクセルが、 リセット装置に機能的に結合された光検出器と、 前記光検出器に結合された閾値レベルと、 前記光検出器が前記閾値レベルに達したときを示す装置
と、 前記光検出器の信号を信号バスにインターフェースする
アナログ検出器と、 前記光検出器が前記閾値レベルに達した回数を決定する
手段と、を備えていて、前記光検出器が前記閾値レベル
に達したことを前記装置が示す毎に前記光検出器がリセ
ットされる、アクティブピクセルセンサ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/311529 | 1999-05-13 | ||
| US09/311,529 US6069377A (en) | 1999-05-13 | 1999-05-13 | Image sensor incorporating saturation time measurement to increase dynamic range |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001008101A true JP2001008101A (ja) | 2001-01-12 |
| JP4374115B2 JP4374115B2 (ja) | 2009-12-02 |
Family
ID=23207321
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000137372A Expired - Lifetime JP4374115B2 (ja) | 1999-05-13 | 2000-05-10 | アクティブピクセルセンサ |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6069377A (ja) |
| EP (1) | EP1052846B1 (ja) |
| JP (1) | JP4374115B2 (ja) |
| KR (1) | KR100718404B1 (ja) |
| DE (1) | DE60030802T2 (ja) |
| TW (1) | TW448339B (ja) |
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| US11910119B2 (en) | 2017-06-26 | 2024-02-20 | Meta Platforms Technologies, Llc | Digital pixel with extended dynamic range |
| US11927475B2 (en) | 2017-08-17 | 2024-03-12 | Meta Platforms Technologies, Llc | Detecting high intensity light in photo sensor |
| US11936998B1 (en) | 2019-10-17 | 2024-03-19 | Meta Platforms Technologies, Llc | Digital pixel sensor having extended dynamic range |
| US11943561B2 (en) | 2019-06-13 | 2024-03-26 | Meta Platforms Technologies, Llc | Non-linear quantization at pixel sensor |
| US11956560B2 (en) | 2020-10-09 | 2024-04-09 | Meta Platforms Technologies, Llc | Digital pixel sensor having reduced quantization operation |
| US12022218B2 (en) | 2020-12-29 | 2024-06-25 | Meta Platforms Technologies, Llc | Digital image sensor using a single-input comparator based quantizer |
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