JP2001203940A - イメージセンサ - Google Patents
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Abstract
の感度及び大きなダイナミックレンジを向上する。 【解決手段】 X−Yアドレス可能なピクセルのアレイ
を有したイメージセンサであって、各ピクセルの中に
は、第1の光の帯域幅を感知するように構成された光検
出器22と、第2の光の帯域幅を感知するように構成さ
れた浮遊拡散部28と、光検出器22及び浮遊拡散部2
8をそれぞれ所定の電位にリセットできるリセットトラ
ンジスタと、電荷を光検出器22から浮遊拡散部28へ
転送する転送ゲート26とが含まれる。浮遊拡散部28
は遮光部を持たずに第2の光検出器として機能する。浮
遊拡散部28にて生成された光電子を電圧信号として読
み出した後、光検出器22にて生成された光電子を浮遊
拡散部28に転送して電圧信号として読み出し、それら
信号を合成する。
Description
メージセンサに関し、より詳しくは、高い感度及び大き
なダイナミックレンジを有するアクティブピクセルのイ
メージセンサに関する。
(Active Pixel image Sensor:APS)は、それぞれ
のピクセルが光感知手段及び少なくとも1つの他の能動
素子の両方を含む固体のイメージャであり、信号(電圧
信号又は電流信号のいずれか)に変換される電荷を生成
する。この信号は、ピクセルの受光面に入射する光の量
を表す。イメージング用感知デバイスのダイナミックレ
ンジ(DR)は、センサのノイズレベルの二乗平均平方
根値(σnoise)に対する、一般に飽和信号(Vsat)と
呼ばれる有効最大検出可能な信号レベルの比率として定
義される。これは式1に示されている。
分する電荷結合素子(CCD)などのイメージセンサ素
子は、ダイナミックレンジを有していて、このダイナミ
ックレンジは、所定の受光面内に集めて保持することが
できる電荷量(Vsat)によって制限される。例えば、
どのような所定のCCDでも、ピクセル内に集めて検出
することができる電荷量は、ピクセルの面積に比例す
る。このため、メガピクセルのディジタルスチルカメラ
(DSC)内で使用する市販の固体撮像素子について
は、Vsatを表す電子の数はおよそ13,000から20,000個
である。入射光が極めて明るくて、ピクセル又は光検出
器内で保持することができる電子よりも多くの電子が生
成される場合、これらの過剰の電子は、ピクセル内のブ
ルーミング防止手段によって取り除かれ、飽和信号を増
加させることには寄与しない。従って、最大検出可能な
信号レベルは、光検出器又はピクセル内に保持すること
ができる電荷量に制限される。DRは、センサのノイズ
レベルσnoiseによっても制限される。Vsatについての
制限のために、σnoiseを極めて低いレベルにまで減ら
すために、CCDの分野において多くの努力がなされて
きた。典型的には、市販のメガピクセルのDSC素子の
ダイナミックレンジは、1000 : 1 以下である。
が、APS素子についても存在する。Vsatは、光検出
器内に保持及び隔離す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。このことは、APS
に対してはCCDに比べてさらに問題となり得る。なぜ
ならば、APSにおいては、ピクセル内のアクティブ素
子により、光検出器にとって利用可能な領域が制限さ
れ、またAPS素子内で使用される電源及びクロックの
電圧が低いからである。さらに、APS素子は1チップ
に構成されたイメージセンサシステムを提供するように
使用されてきたので、CCDには存在しない、タイミン
グ、コントロール及びアナログ−デジタル変換などのA
PS素子上で使用されるデジタル及びアナログ回路は、
CCDと比べてAPS素子上で一層高いノイズフロア
(noise floor)を与える。これは、オンチップのアナ
ログ−デジタル変換器からの可能な量子化ノイズだけで
なく、より高い一時的なノイズが原因である。
に譲渡された米国特許出願第09/426,870号で
は、Guidashは、APS素子のダイナミックレンジを拡
大するための従来技術の方式を説明し、光検出器からブ
ルームする電荷を収集することによって、ダイナミック
レンジを拡大するための新規な発明を開示している。そ
の方式は、小さいピクセルでダイナミックレンジを拡大
するが、センサ内の固定パターンノイズの原因になる光
検出器の飽和レベルの空間的変動についての潜在的な不
都合があり、センサの感度を向上させない。
クティブ素子の集積によって、またピクセルの上に配置
されたカラーのフィルタ層を通る入射光の透過損失によ
って、フィルファクタが制限されることにより、光に対
する感度が低い。
ズが低いこと、ピクセルが小さいこと及び感度が高いこ
とを維持しながら、ダイナミックレンジを拡大させる要
望が、素子についての従来技術の中に存在することは明
白である。
術の問題に対する解決策が提供される。本発明において
は、各ピクセル内の浮遊拡散領域が、個別の光検出器の
領域として使用され、拡大されたダイナミックレンジ及
び高い感度を提供する。
内に設けられた浮遊拡散領域を、遮光せずに個別の光検
出器領域として使用することによって、拡大されたダイ
ナミックレンジ及びより高い感度が提供される。光検出
器上に信号の電荷が集積されている間に、浮遊拡散領域
上に入射する光に比例して、電荷が浮遊拡散領域上にも
集められる。従来技術の素子では、浮遊拡散領域は電荷
の電圧への変換ノードとして、積分の間の光検出器用の
オーバーフローのドレインとして、又は全体的なフレー
ム捕獲のための電荷記憶領域として利用される。その結
果、光が浮遊拡散領域に又はその近くに入射する結果と
して生ずる光の蓄積を防ぐために、及び光検出器の領域
からブルーミング電荷を排出させるために、浮遊拡散領
域は入射光から遮光されるか、又はリセットモードに維
持される。本発明では、浮遊拡散領域に入射する光の量
に比例して、光検出器の積分時間とは別個にコントロー
ルされた時間だけ、電荷が浮遊拡散領域に積分される。
浮遊拡散領域上に積分された電荷は、次に、光検出器上
に積分された電荷とは別個に読み出される。この第1の
実施形態では、所定のピクセル内の光検出器及び浮遊拡
散領域は、同じカラーフィルタによってカバーされる
か、又は両方ともどのようなカラーフィルタにもカバー
されない。
のピクセル内の光検出器及び浮遊拡散領域に対して異な
る又は別個のカラーフィルタを備えた第1の実施形態を
利用することによって、入射光に対する拡大されたダイ
ナミックレンジ及び高い感度が提供される。これによ
り、ピクセル当たり2つのカラーに関連した信号の電荷
が提供される。
ジ及び感度を著しく増加させ、現在のシステム設計にお
いて使用することができる、アクティブピクセルのセン
サ素子が、内部に複数のピクセルを有するX−Yアドレ
ス可能なイメージャによって提供される。それぞれの複
数のピクセル内には第1の光の帯域幅を感知するように
構成された光検出器と、第2の光の帯域幅を感知するよ
うに構成された感知ノードと、光検出器及び感知ノード
に対して動作するように構成されて、それぞれの光検出
器及び感知ノードを所定の電位にリセットできるリセッ
ト機構と、電荷を光検出器から感知ノードへ転送するよ
うに構成された転送機構と、が含まれ、感知ノードは遮
光部を持たずに第2の光検出器として動作できるように
形成される。第1及び第2の帯域幅は、設計上の選択に
より、異なっていても同一でもよい。X−Yアドレス可
能なイメージャは、感知ノード上に蓄積された電荷に関
連した信号を記憶するための第1の記憶機構、光検出器
上に蓄積された電荷に関連した信号を記憶するための第
2の記憶機構、及びそれぞれの複数のピクセルについて
感知ノード及び光検出器の積分と転送とをコントロール
するタイミング回路を有するシステムから成るように構
成される。
ピクセル内に設けられた浮遊拡散領域を、遮光せずに個
別の光検出器領域として使用することによって、拡大さ
れたダイナミックレンジ及びより高い感度が提供され
る。光検出器上に信号の電荷が集積されている間に、浮
遊拡散領域上に入射する光に比例して、電荷が浮遊拡散
領域上にも集められる。浮遊拡散領域の積分時間は、光
検出器の積分時間とは別にコントロールされる。このこ
とは、図1及び図2に示したピクセルを用いて行われ
る。これは、本出願と共通の譲受人に譲渡された米国特
許出願第09/426,870号及び09/130,6
65号においてGuidashによって開示されたものと同様
のピクセル設計である。このピクセル10は、光検出器
12(ピンド・フォトダイオードPが好ましい)、転送
ゲート16、浮遊拡散部18、行選択トランジスタ7、
浮遊拡散部18であるソースとリセットゲート17とリ
セットドレイン19とから成るリセットトランジスタ、
及び水平オーバーフロー領域6から構成される。
に示す、図1に示した本発明の第1の実施形態のピクセ
ルの図である。図2に示したピクセル10は、行および
列に配置された、X−Yアドレス可能ピクセルのアレイ
の一部であることが好ましい。一般に、ピクセル内に蓄
積された電荷の呼出しは、一度に1つの行を選択し、そ
の行内の複数の列を読み出すことによって行われる。そ
れぞれの列は、個々のピクセルの出力を処理するための
回路を有している。本発明によって構成される列回路
は、信号をそれぞれコンデンサC4,C5及びC6に蓄積
するために、ゲート信号SHSpd,SHR及びSHSfdによって
コントロールされるスイッチとして動作するトランジス
タ1,2及び3である。コンデンサC4,C5及びC6内
にゲート信号SHSpd,SHR及びSHSfdのもとで蓄積される
ピクセル10からの信号は、差動増幅器31,32への
入力として使用される。これらの差動増幅器は、浮遊拡
散部18に対するリセット値をそれぞれの浮遊拡散部1
8及び光検出器12からの蓄積された信号値と比較す
る。
ピクセル10について、図3のタイミング図に示されて
おり、図4及び図5に示した出力信号転送関数が結果と
して生ずる。図3を参照すると、転送ゲート16(信号
TGとして示されている)にオン及びオフのパルスを加
えて、電荷を光検出器12から浮遊拡散部18に転送
し、次に、リセットゲート17を動作させて、浮遊拡散
部18をリセットすることによって、ピクセル10をリ
セットすなわち初期化する。リセットゲート17は浮遊
拡散部18を、リセットゲートのパルス幅、リセットト
ランジスタのスレショルド電圧及びリセットドレイン1
9の電位によって決定される電位にリセットする。初期
化すなわちリセットシーケンスの後で、転送ゲート16
がオフに切り換えられると、光検出器の積分時間(t
intpd)が開始する。リセットゲートはオンのままであ
る。水平オーバーフロー領域の静電ポテンシャルは、転
送ゲートのオフ電位よりも低いレベルに設定されて、光
検出器内の過剰な電荷が、水平オーバーフロー領域を通
って隣のピクセルのリセットドレイン内にブルームす
る。このオーバーフローのメカニズムは、電荷が浮遊拡
散部内にブルーミングすること、及び浮遊拡散部上に蓄
積された電荷が劣化することを防止する。このオーバー
フローのメカニズムは、この技術において周知のどのよ
うな手段でもよい。光検出器の積分時間(tintpd)が
進行すると、浮遊拡散部も積分を開始することができ
る。浮遊拡散部の積分時間は、リセットゲートがオフに
切り替わると開始する。リセットゲートがオフに切り替
わる時間と浮遊拡散部をリセットする時間との間の経過
時間は、浮遊拡散部の積分時間tintfdと呼ばれる。所
望の浮遊拡散部の積分時間tintfdが終わると、浮遊拡
散部18上に積分された電荷のレベルは、浮遊拡散部1
8の信号をコンデンサC6上に移すSHSfdのパルスによっ
てサンプル及び保持される。続いて、RGによって浮遊
拡散部18がリセットされ、浮遊拡散部のリセットレベ
ルをコンデンサC5上に移すSHRによって、リセットレベ
ルがサンプル及び保持される。次に、TG16をオン及
びオフするパルスによって、電荷が光検出器12から浮
遊拡散部18に移動され、その信号レベルは、次に、SH
Spdによってサンプル及び保持されて、コンデンサC4上
に移される。光検出器及び浮遊拡散部からのサンプル及
び保持された信号レベルを、次に、電圧ドメイン内で加
算して、合計信号を作ることができる。この1つの実施
例を図2で示す。本発明は、コンデンサC6上の浮遊拡
散信号とコンデンサC5上のリセットレベルとの差動増
幅器32を経由した差分呼出し、及びコンデンサC4上
の光検出器の信号レベルとコンデンサC5上のリセット
レベルとの差動増幅器31を経由した第2の差分呼出し
を構成して、これにより、光検出器の信号レベルに対し
て正しい補正された二重サンプリングを提供する。次
に、いくつかの手段によって、最終出力信号を決定する
ことができる。1つの例は、2つの差動増幅器31及び
32からの信号を別個に読み出して、外部のチップにて
加えることができる、ピクセル当たり2つの信号値を提
供することである。第2の実施形態は、ピクセル当たり
の単一の信号レベルとして信号を読み出すために、これ
らの信号を第3の増幅器及び後続の信号処理チェーンへ
の入力として提供することによって達成される。電圧ド
メイン内で信号を結合するこの呼出し方法は、電荷ドメ
イン内で信号を結合することよりも、より大きな最大ピ
クセル信号レベルVmaxをも提供する。これは、浮遊拡
散部が、積分された光検出器の信号及び積分された浮遊
拡散部の信号を同時に保持する必要がないからである。
このため、Vmaxは、浮遊拡散部の容量に光検出器の容
量を加えた全容量まで拡大される。
ピクセルの差分呼出しを使用しているので、ピクセルの
オフセットノイズは相殺される。さらに、ピクセル内に
どのような素子も追加することなく、ダイナミックレン
ジを拡大するので、この方法は、低コストの民生用のデ
ジタル画像形成用途に実用的な小さなピクセルで実行す
ることができる。浮遊拡散部及び光検出器の両方が積分
のために使用されるので、ピクセルの感度が増大され
て、このためピクセル内により大きな光能動的な領域が
提供される。浮遊拡散部が、光検出器からブルームする
電荷を集めるのではなく、浮遊拡散部に入射する光から
作られる電荷を積分するので、電荷が光検出器からブル
ームするポイントの変動による固定パターンノイズが取
り除かれる。この方法では、リセットレベルが浮遊拡散
部の信号レベルに対して補正されないため、浮遊拡散部
上に積分された電荷のピクセル読取りノイズは増加され
る。これは、一般に、30個の電子以下であり、有効信
号レベルにおけるゲインと比較すると小さい。
センサの出力応答は、図4及び図5に示すようになる。
この出力応答は2つの領域から成る。光のレベルが低い
場合は、出力応答は線形領域Aによる。線形領域Aの傾
斜は、光検出器と浮遊拡散部とによって与えられた応答
の重ね合わせであり、光検出器及び浮遊拡散部の両方の
積分時間に比例している。光電子の数が光検出器の容量
を超えると、この電荷は水平オーバーフロー領域を通っ
て流れて、リセットドレインすなわち隣接するピクセル
のVDDを経由して取り除かれる。光検出器の信号電荷
は、Vpdsatと呼ばれるこのポイントで飽和する。この
ポイントで、ピクセルの出力応答は、線形領域Bに従
う。好ましい実施形態では、図3に示したタイミングに
よって、線形領域Bにおいて線形の応答が提供される。
この線形領域Bの傾斜は、浮遊拡散部の積分時間t
intfdに依存すると共に正比例する。2つの図面(図4
及び図5)は、線形領域A及び線形領域Bに対して2つ
の異なる傾斜を示している。図4の浮遊拡散部の積分時
間は、図5のそれよりも短い。その結果、図5の線形領
域A及び線形領域Bの傾斜は、図4のものより大きい。
れる。第1は、浮遊拡散領域を使用して光電子を積分及
び記憶するので、最大電子容量は、光検出器を用するだ
けよりは大きくなる。第2は、光検出器及び浮遊拡散領
域に対して異なる積分時間を使用することによって、有
効な又は推定された信号レベルVeffは、光検出器及び
浮遊拡散領域の積分時間の比率、光検出器及び浮遊拡散
領域の応答度の比率、及びそれぞれからの測定された信
号レベルから決定することができる。光検出器の積分時
間tintpdの浮遊拡散部の積分時間tintfdに対する比率
を大きくすることができるので、光検出器及び浮遊拡散
部の容量によって限定される信号を大きく超えて、Vef
fを増大させることができる。
効信号レベルを決めずに、直接表示することも可能であ
る。このことは、より大きな入射光源の範囲を直接検出
可能な信号の電圧範囲内にマッピング及び直接表示する
ことによって、さらにダイナミックレンジを拡大する。
この直接出力応答は、図4及び図5内で示されているも
のである。
び光検出器上の電荷を別個に読み出す好ましい実施形態
を示している。この場合、信号は電圧ドメイン内で結合
される。呼出しは、単一呼出しによって行うこともでき
る。この単一呼出しでは、光検出器内の信号の電荷は浮
遊拡散部に転送され、結合された電荷は図6に示すよう
に読み出される。この方法は、単一呼出しの利点を有す
るため、呼出し時間が早いが、有効電荷容量が小さく、
差分呼出しが補正されない不都合がある。
カラーフィルタα及びβと結合された浮遊拡散部28及
び光検出器22からの電荷を、別個に読み出す方法を利
用している。これらのカラーフィルタα及びβは、所定
のピクセル20内の光検出器22及び浮遊拡散部28の
上に設けられている。このことは、図7に示されてい
る。この発明では、2つの異なるカラーに関連した信号
レベルを得ることができ、それぞれのピクセルの場所か
ら別々に測定される。図7を参照すると、浮遊拡散部2
8上に蓄積された電荷はタイミング信号SHSfdによって
コンデンサC6上に記憶される、本発明の第2の実施形
態が示されている。図3に示したタイミング図に呼応し
た方法では、SHSfd信号の後に、リセット信号がリセッ
トゲート(RG)27に印加されて、その結果、浮遊拡
散部28がリセットされ、次に、その浮遊拡散部28の
電位レベルが、タイミング信号SHRが加えられることに
よってコンデンサC5上に記憶される。次に、光検出器
22内に蓄積された電荷は、タイミング信号TGによっ
て浮遊拡散部28に転送される。浮遊拡散部28上の光
検出器22の電荷は、次に、タイミング信号SHSpdを動
作させることによって、コンデンサC4上に記憶され
る。本発明の好ましい実施形態においては、差動増幅器
31への基準入力としてコンデンサC5上のリセットレ
ベルを使用して、コンデンサC4上のカラーフィルタα
の浮遊拡散部28の信号レベルを読み取る、差分呼出し
を採用するように構成されている。コンデンサC6上の
カラーフィルタβの光検出器22の信号レベルについて
の第2の差分呼出しが、コンデンサC 5上のリセットレ
ベルを再度基準入力として差動増幅器32を経由して行
われ、これにより、光検出器22の信号レベルについて
の真の補正された二重サンプリングが提供される。次
に、最終的な出力信号がいくつかの手段によって決定さ
れる。1つの例は、2つの差動増幅器31及び32から
の信号を別個に読み出して、外部のチップにて加えるこ
とができるピクセル当たり2つの信号値を提供すること
である。ピクセル当たりの単一のカラー差のレベルとし
て信号を読み出すために、カラーフィルタα及びカラー
フィルタβの信号を第3の増幅器及び信号処理チェーン
への入力として提供することによって、第2の実施形態
の呼出しが得られるように構成される。このことは、ピ
クセルごとにアナログ電圧ドメイン内にカラーの減算又
はカラーの加算のいずれかを設けた任意の方法で、又は
単一のピクセル若しくは隣接するピクセルからの2つの
カラー信号を使用して、これらの信号の所望の組合わせ
を得るような何らかの方法で行うこともできる。
るための別の方法は、カラーの1つに白色光を表示させ
ることである。この第2の実施形態のバージョンでは、
カラーフィルタは、浮遊拡散部28又は光検出器22の
いずれかに対しては、事実上、空のスペースとする。カ
ラーなしのフィルタを用いて、浮遊拡散部28又は光検
出器22の上にこの空のスペースを作ることにより、白
色フィルタを作成することが好ましい。白色フィルタ
は、光検出器22又は浮遊拡散部28上のカラーフィル
タよりも早く光電子を蓄積するので、それぞれのピクセ
ル20に関連するカラー信号を維持しながら、ピクセル
20の感度を増加させることができる。この方法を用い
て、イメージセンサをカラー又は単色のセンサとして使
用することができる。
出器又は浮遊拡散領域に対して緑のカラーフィルタを設
けることである。この実施形態においては、ピクセル当
たりのより正確な輝度のサンプルを作ることができる。
従来技術の装置は、一般に、隣接したピクセルのカラー
フィルタで処理した光のサンプルの補間から、各ピクセ
ルにおいて輝度チャネルを作る。これにより、カラーフ
ィルタの補間に関連するノイズは存在しないので、より
少ないノイズのイメージを提供することができる。ま
た、本発明が提供する特徴を用いて、デジタルイメージ
ング技術を拡大し変更させることができる。
者に明白な多くの変形例を用いて実施することができ
る。例えば、光検出器はフォトゲートとすることがで
き、リセット用トランジスタは任意のリセット手段に置
き換えることができ、水平オーバーフロー領域は水平オ
ーバーフローゲート又は他のオーバーフロー手段であっ
てもよく、行選択トランジスタはどのような行選択手段
によって置き換えることもできる。それぞれのピクセル
は、異なるカラーの対を持つことができる。
発明は、センサのダイナミックレンジ及び感度の拡大を
提供するものであり、これはほとんど又はまったく変更
なしに現在のセンサ及びピクセルの設計の中で容易に採
用することができる。高い充填比を有する小さいピクセ
ルによって、ピクセル当たり2つのカラーからの別個の
信号が提供される。
ォトンから作られる光電子の積分によってダイナミック
レンジを拡大する、本発明の第1の実施形態のピクセル
の模式的な構成図である。
1に示した本発明の第1の実施形態のピクセルの模式的
な構成図である。
するタイミング図である。
に示される動作による一対の伝達関数を示すグラフであ
って、線形領域Bに対して小さい傾斜をもたらす短い浮
遊拡散積分時間に対応したグラフである。
に示される動作による一対の伝達関数を示すグラフであ
って、線形領域Bに対して大きい傾斜をもたらす長い浮
遊拡散積分時間に対応したグラフである。
説明するタイミング図である。
ォトンから作られる光電子の積分によってダイナミック
レンジを拡大する、本発明の第2の実施形態のピクセル
の図である。
域、7 行選択トランジスタ、10,20 ピクセル、
12,22 光検出器、16,26 転送ゲート、1
7,27 リセットゲート、18,28 浮遊拡散部、
19,29 リセットドレイン、31,32 差動増幅
器。
Claims (3)
- 【請求項1】 複数のピクセルから成るイメージングア
レイを有する半導体ベースのX−Yアドレス可能なイメ
ージセンサであって、 少なくとも1つの前記ピクセルは、 第1の光の帯域幅を感知するように構成された光検出器
と、 第2の光の帯域幅を感知するように構成された感知ノー
ドと、 前記光検出器及び前記感知ノードに対して動作するよう
に構成されて、前記光検出器と前記感知ノードとを所定
の電位にリセットできるリセット機構と、 前記光検出器にて生成された電荷を前記感知ノードへ転
送するように構成された転送機構と、 を備え、 前記感知ノードは、遮光部を持たずに第2の光検出器と
して動作できるように形成されること、 を特徴とするイメージセンサ。 - 【請求項2】 複数のピクセルから成る半導体ベースの
X−Yアドレス可能なMOSイメージセンサであって、 少なくとも1つの前記ピクセルは、 光検出器と、 前記光検出器に結合された感知ノードと、 前記光検出器及び前記感知ノードに対して動作するよう
に構成されて、前記光検出器と前記感知ノードとを所定
の電位にリセットできるリセット機構と、 前記光検出器にて生成された電荷を前記感知ノードへ転
送するように構成された転送機構と、 を備え、 前記感知ノードは、遮光部を持たずに第2の光検出器と
して動作できるように形成されること、 を特徴とするイメージセンサ。 - 【請求項3】 請求項2に記載のX−Yアドレス可能な
MOSイメージセンサであって、 前記光検出器に蓄積された信号電荷に応じた信号レベル
を記憶するために使用される第1の記憶機構と、 前記感知ノードに蓄積された信号電荷に応じた信号レベ
ルを記憶するために使用される第2の記憶機構と、 前記ピクセルにおける信号電荷の蓄積及び転送のタイミ
ングをコントロールするためのタイミング回路と、 をさらに備えることを特徴とするイメージセンサ。
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