JP2003506926A - Multi photo detector unit cell - Google Patents

Multi photo detector unit cell

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JP2003506926A
JP2003506926A JP2001513885A JP2001513885A JP2003506926A JP 2003506926 A JP2003506926 A JP 2003506926A JP 2001513885 A JP2001513885 A JP 2001513885A JP 2001513885 A JP2001513885 A JP 2001513885A JP 2003506926 A JP2003506926 A JP 2003506926A
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unit cells
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cell
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スターク、モッシュ
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    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/40Extracting pixel data from image sensors by controlling scanning circuits, e.g. by modifying the number of pixels sampled or to be sampled
    • H04N25/46Extracting pixel data from image sensors by controlling scanning circuits, e.g. by modifying the number of pixels sampled or to be sampled by combining or binning pixels
    • HELECTRICITY
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    • H04N25/77Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
    • H04N25/778Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components comprising amplifiers shared between a plurality of pixels, i.e. at least one part of the amplifier must be on the sensor array itself

Abstract

(57)【要約】 複数の光検出ユニットセル(14)と1つの電荷蓄積および読出し回路(27)を備えるマルチセルクラスター(12)。各セルは通常、検出した光に対応する電荷を生成する。この回路は、複数のユニットセルによって共有することが可能であり、リアルタイムで電荷の読出しをするために用いられる。このクラスター(12)は、各ユニットセルに対応するスイッチを備え、各スイッチによって対応するユニットセルが回路に接続されるようになっている。スイッチはまた、時分割多重化方式で制御されうる。各ユニットは、フォトディテクター(22)、フォトダイオード、またはフォトゲートを含みうる。回路は、共有の記憶装置、共有のリセット回路、または読出し回路(27)を含みうる。通常は、共有の記憶装置は、焦点面における電荷を蓄積するために用いられうる。上記した装置を用いることによって、静的な或いは動的な、または部分的な或いは全体的なイメージの解像度と感度とを容易にトレードオフすることができる。 (57) Abstract: A multi-cell cluster (12) including a plurality of photodetection unit cells (14) and one charge storage and readout circuit (27). Each cell typically produces a charge corresponding to the detected light. This circuit can be shared by a plurality of unit cells, and is used to read charges in real time. The cluster (12) includes switches corresponding to each unit cell, and each switch connects the corresponding unit cell to a circuit. The switches can also be controlled in a time division multiplexed manner. Each unit may include a photodetector (22), a photodiode, or a photogate. The circuit may include a shared storage device, a shared reset circuit, or a read circuit (27). Typically, a shared storage device can be used to store charge at the focal plane. By using the apparatus described above, it is possible to easily trade off the resolution and sensitivity of a static or dynamic or partial or total image.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】 発明の分野 本発明は、メージセンサのセルアレイ構造に関連し、特にマルチ・フォトディ
テクタ・ユニットセル及びその制御方法に関連する。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a cell array structure of an image sensor, and more particularly to a multi-photodetector unit cell and its control method.

【0002】 本発明の背景 従来イメージセンサは、フォトダイオード単独或いは能動素子トランジスタ要
素と組み合わせもの、或いは電荷結合素子(CCD)技術が用いられてきた。現
在までの30年間に渡って、CCDはメージセンサ技術において優勢であった。
BACKGROUND conventional image sensor of the present invention, a photodiode alone or active device transistor elements and combinations thereof, or a charge coupled device (CCD) technology have been used. Over the past three decades, CCD has been the dominant image sensor technology.

【0003】 CCDには、ピクセルのサイズが小さいこと、高感度、及び忠実度の高いイメ
ージを生成する能力など様々な利点がある。それと共に、特殊な製造プロセスが
必要であること、消費電力が高いこと、処理をさせるなどの別の機能を同一チッ
プ上に組み込むことができないこと、及び制御回路が複雑であることなどの不利
な点もある。更に、CCDはわずか2、3の製造業者によってのみ製造されてお
り、また、専用のハウジングになっているためアクセスが困難である。
CCDs have many advantages, including small pixel size, high sensitivity, and the ability to produce high-fidelity images. At the same time, it is disadvantageous in that a special manufacturing process is required, power consumption is high, another function such as processing cannot be incorporated on the same chip, and a control circuit is complicated. There are also points. Furthermore, CCDs are manufactured by only a few manufacturers and are difficult to access due to their dedicated housing.

【0004】 競合する技術の1つには、相補型金属酸化膜半導体(CMOS)製造技術をベ
ースにしたアクティブピクセルセンサ(APS)技術がある。このAPS技術は
、低出力であり、同一チップ上にセンサ及び制御回路を組み込むことができ、さ
らに大きなセンサーアレイを形成できるなどの利点がある。APS構造によって
達成された大きな利点は、ピクセルをCCDのピクセルに匹敵するサイズにでき
ること、さらにS/N比が大きいことである。APSユニットセルは、いくつか
の能動素子トランジスタを含んでいるため、このようにピクセルを小さくするこ
とは困難なことである。S/N比を上げるためには、蓄積コンデンサに可能な限
り多くの光子生成電子を集めることが必要である。このためには、弱い光電流に
対する長時間の蓄積、およびピクセルのスペースを占める大きな静電容量のコン
デンサが必要である。
One of the competing technologies is active pixel sensor (APS) technology based on complementary metal oxide semiconductor (CMOS) manufacturing technology. This APS technology has advantages such as low output, a sensor and a control circuit can be incorporated on the same chip, and a larger sensor array can be formed. The great advantage achieved by the APS structure is that the pixels can be sized comparable to the pixels of a CCD and the S / N ratio is large. APS unit cells contain several active device transistors, thus making the pixel small is difficult. In order to increase the S / N ratio, it is necessary to collect as many photon-generated electrons as possible in the storage capacitor. This requires long-term storage for weak photocurrents and large capacitance capacitors occupying pixel space.

【0005】 APSピクセルの大きさを小さくするため及びフィルファクターと量子効率を
改善するために様々な研究がなされた。このような例がD. Scheffer他, "Random
addressable 2048 X 2048 active pixel image sensor," IEEE Trans. Elec. D
ev. Vol. 44, no. 10, October 1997, pp. 1716-1720, and in Y. Iida他, "A 1
/4-inch 330k square pixel progressive scan CMOS active pixel image senso
r," IEEE JSSC, Vol. 32, no. 11, November 1997, pp. 2042-2047.に記載され
ている。
Various studies have been conducted to reduce the size of APS pixels and to improve the fill factor and quantum efficiency. An example of this is D. Scheffer et al., "Random
addressable 2048 X 2048 active pixel image sensor, "IEEE Trans. Elec. D
ev. Vol. 44, no. 10, October 1997, pp. 1716-1720, and in Y. Iida et al., "A 1
/ 4-inch 330k square pixel progressive scan CMOS active pixel image senso
r, "IEEE JSSC, Vol. 32, no. 11, November 1997, pp. 2042-2047.

【0006】 上記した改善を達成するために代替の非標準技術及び代替の標準技術のリスト
を後述する。
A list of alternative non-standard techniques and alternative standard techniques to achieve the above improvements is provided below.

【0007】 非標準技術 標準技術では特殊な新しい適用例に対応することができなかったため、非標準
技術の開発に傾注した。アモルファスシリコン光伝導体、フォトダイオード、ま
たはフォトトランジスタの研究によって、アクティブ読み出し回路頂部のフォト
ディテクタの垂直方向の寸法を小さくすることで、ユニットセルのサイズが小さ
くなり、フィルファクターが改善された。量子効率も100%に近づき、暗電流
も単結晶材料と比べ、低くすることができる。しかしながら、材料の電荷トラッ
プ及び特殊な構造から、アモルファスシリコン系のフォトディテクタは固定パタ
ーンノイズ(FPN)が高いという欠点がある。背面照明フォトディテクタの技
術では、CCD及びAPS系のいずれの場合も、サンプリング部及び読み出し部
が前面に位置し、フォトディテクタがイメージセンサの背面を占有する。イメー
ジセンサはその背面から照明される。従って、フィルファクター及び量子効率を
100%に近づけることが可能である。
Non-standard technology Since the standard technology could not cope with a special new application, the non-standard technology was devoted to the development of the non-standard technology. Studies of amorphous silicon photoconductors, photodiodes, or phototransistors have improved the fill factor by reducing the unit cell size by reducing the vertical dimension of the photodetector on top of the active read circuit. The quantum efficiency approaches 100%, and the dark current can be made lower than that of the single crystal material. However, amorphous silicon photodetectors have a drawback of high fixed pattern noise (FPN) due to charge trapping and special structure of the material. In the case of the backlight illumination photodetector technology, in both CCD and APS systems, the sampling unit and the reading unit are located on the front surface, and the photodetector occupies the back surface of the image sensor. The image sensor is illuminated from the back. Therefore, it is possible to bring the fill factor and the quantum efficiency close to 100%.

【0008】 しかしながら、背面照明フォトディテクタを製造するためには、ウエハシンニ
ングと呼ばれる行程が必要であるが、この行程は複雑かつ費用のかかるものであ
る。従って、背面照明イメージセンサは特殊な科学分野または航空宇宙分野など
のコストを考慮しなくても済む分野に限られる。更に、ウエハシンニング行程に
よってウエハの表面近くに重大な結晶欠陥が起こり、また表面が再結合するため
相当なノイズが発生する。MOS型フォトトランジスタ(Charge modulation de
vices (CMD))の技術では、その構造が極めて単純である。構造が単純(唯1個
のトランジスタ)であるため、ピクセルを極めて小さくすることが可能である。
これによって、巨大なフォーマット配列を具現することが可能である。ところが
、CMDイメージセンサは光の短い波長に対して感度が低いため、特殊な製造工
程が必要である。
However, in order to manufacture a backside illuminated photodetector, a process called wafer thinning is required, which process is complicated and expensive. Therefore, the back-illuminated image sensor is limited to a special scientific field, an aerospace field, or the like without consideration of cost. In addition, the wafer thinning process causes significant crystal defects near the surface of the wafer, and recombination of the surfaces causes considerable noise. MOS type phototransistor (Charge modulation de
The structure of the vices (CMD) technology is extremely simple. Due to the simple structure (only one transistor), it is possible to make the pixel very small.
This makes it possible to realize a huge format arrangement. However, since the CMD image sensor has low sensitivity to short wavelengths of light, a special manufacturing process is required.

【0009】 標準的なCMOSプロセス 標準的なCMOS製造プロセスを用いて高性能のイメージセンサを具現するた
めに様々な研究がなされた。この研究は、容易に利用できる技術を用いてオンチ
ップカメラの製造コストを低減できるという点で極めて重要である。高性能AP
Sイメージセンサを製造するためには、以下の点が必要である。
Standard CMOS Process Various studies have been conducted to implement a high performance image sensor using a standard CMOS manufacturing process. This research is extremely important in that it can reduce the manufacturing cost of an on-chip camera by using an easily available technology. High performance AP
In order to manufacture the S image sensor, the following points are necessary.

【0010】 パッシブ・フォトダイオードディテクタ・イメージセンサでは、フォトダイオ
ードを検出素子として用いる。パッシブフォトダイオード系のピクセル要素は1
960年代に研究が行われた。これらのピクセルは、1個のダイオードと1個の
トランジスタを用いる極めてシンプルなものである。このパッシブピクセルの構
造によって、所定のピクセルのサイズに対して最高のフィルファクター、すなわ
ち所定のフィルファクターに対して最小のピクセルサイズが可能となった。
In a passive photodiode detector image sensor, a photodiode is used as a detection element. 1 pixel element for passive photodiode system
Research was conducted in the 960s. These pixels are quite simple with one diode and one transistor. This passive pixel structure allowed the highest fill factor for a given pixel size, ie the smallest pixel size for a given fill factor.

【0011】 しかしながら、この方法には読み出しノイズが比較的高いという不利な点があ
る。また、イメージセンサのアレイにおいて、パッシブユニットセルから全列静
電容量が直接送られる。この静電容量が列のピクセルの数に正比例するため、読
み出しスピードが制限され、それによって読み出しノイズが著しく大きくなる。
従って、パッシブピクセルの方法は巨大フォーマット配列のイメージセンサの構
造には適していない。
However, this method has the disadvantage that the read noise is relatively high. Also, in the array of image sensors, the full column capacitance is sent directly from the passive unit cells. Since this capacitance is directly proportional to the number of pixels in a column, the read speed is limited, which significantly increases the read noise.
Therefore, the passive pixel method is not suitable for the structure of an image sensor having a large format array.

【0012】 アクティブピクセル・フォトダイオード系イメージセンサでは、フォトダイオ
ード系APSイメージセンサは、赤色、緑色及び青色の波長光子に対して高い量
子効率を有するという特徴がある。「アクティブピクセルセンサ」という名称は
、各ユニットセルの中に少なくとも1つの能動状態のトランジスタが含まれてい
るということに由来する。このトランジスタは、増幅またはバッファ機能を果た
す。
In the active pixel photodiode type image sensor, the photodiode type APS image sensor is characterized by having high quantum efficiency for red, green and blue wavelength photons. The name "active pixel sensor" comes from the fact that each unit cell contains at least one active transistor. This transistor performs an amplifying or buffering function.

【0013】 様々なタイプのアクティブ回路がある。単純なアクティブ回路には、ユニット
セルの中に最大3つのトランジスタが含まれている。APSフォトディテクタは
、固定ユニットセルのサイズによってフィルファクターが制限される。換言すれ
ば、最大ユニットセルサイズが固定フィルファクターによって制限される。高解
像度、高フィルファクター、及び高量子効率を達成するためにユニットセル全体
を単純化することが主な目的である。
There are various types of active circuits. A simple active circuit contains up to three transistors in a unit cell. The fill factor of the APS photodetector is limited by the size of the fixed unit cell. In other words, the maximum unit cell size is limited by the fixed fill factor. The main goal is to simplify the entire unit cell to achieve high resolution, high fill factor, and high quantum efficiency.

【0014】 ピクセルのサイズを小さくすると列の静電容量が小さくなり、それによって読
み出しノイズが減少し、読み出し速度が改善されるということに注目されたい。
トランジスタの数を最少にし、かつピクセルの大きさを極めて小さくした構造(
5.6×5.6μm)が達成されたが、フィルファクターが極めて小さい(15
.8%)。
It should be noted that reducing the pixel size reduces the column capacitance, which reduces read noise and improves read speed.
Structure with the minimum number of transistors and extremely small pixel size (
5.6 × 5.6 μm) was achieved, but the fill factor was extremely small (15
. 8%).

【0015】 アクティブピクセル・フォトゲート型イメージセンサでは、検出と電荷蓄積機
能を組み合わせた回路にすることが目的である。前面照明トランジスタは、フォ
トゲートの下側の光強度に比例して電荷を収集する。フォトゲートの下側に集め
られて蓄積された電荷が、読み出し時に浮動拡散ノードに送られる。この浮動拡
散ノードは、ソースフォロワー回路の入力部に接続されている。このソースフォ
ロワーは、浮動拡散を高い静電容量を有するアレイの列から保護する。
The purpose of the active pixel photogate type image sensor is to provide a circuit that combines detection and charge storage functions. The front side illumination transistor collects charge in proportion to the light intensity under the photogate. The charge collected and stored under the photogate is sent to the floating diffusion node during reading. This floating diffusion node is connected to the input of the source follower circuit. This source follower protects the floating diffusion from the columns of the array that have high capacitance.

【0016】 一般に、フォトゲートピクセルの構造には、フォトゲート検出/電荷記憶装置
を含む5つのトランジスタが含まれる。フォトゲート構造における小さい読み出
しノイズ及びイメージの遅れが無いことは重要な利点であるため、フォトゲート
型構造を改良するべく様々な研究が行われた。この研究によって比較的小さなピ
クセル(10×10μm)が、0.5μmのCMOS製造技術を用いて開発され
た。しかしながら、この方法は、青色波長の光子がポリシリコンメッキのフォト
ゲートによって吸収されるため、青色波長光子に対する量子効率が低い。
In general, the structure of a photogate pixel includes five transistors including a photogate detection / charge storage device. Various studies have been carried out to improve the photogate-type structure, since the small readout noise and the absence of image delay in the photogate structure are important advantages. This work resulted in the development of relatively small pixels (10 × 10 μm) using 0.5 μm CMOS fabrication technology. However, this method has low quantum efficiency for blue wavelength photons, since blue wavelength photons are absorbed by the polysilicon plated photogate.

【0017】 この問題を解決するために、様々な技術を応用して、フォトゲートとフォトダ
イオードの構造を組み合わせたAPS型センサが開発された。この構造は、青色
及び緑色の波長光子を集めるためにフォトゲート部を用い、青色の波長光子を集
めるためにフォトダイオード部を用いた。
In order to solve this problem, various technologies have been applied to develop an APS sensor that combines a structure of a photogate and a photodiode. This structure used a photogate section to collect blue and green wavelength photons and a photodiode section to collect blue wavelength photons.

【0018】 可変解像度機能 イメージセンサの解像度を変える能力を可変解像度機能と定義する。可変解像
度機能を適用することによって、高い解像度とビデオフレームレートすなわちイ
メージプロセシングの改善とをトレードオフすることができる。更に重要なこと
は、可変解像度機能によって、解像度とS/N比とをトレードオフすることがで
きるという点である。このことは、光強度に比例する電気信号が極めて弱い場合
に特に重要である。こうすることによって、ノイズが大きくなり、イメージの質
が低下する。しかし、解像度が低くてもノイズが少ないイメージが好ましい場合
もある。
Variable Resolution Function The ability to change the resolution of the image sensor is defined as the variable resolution function. By applying the variable resolution feature, it is possible to trade off high resolution for improved video frame rate or image processing. More importantly, the variable resolution feature allows a trade-off between resolution and S / N ratio. This is especially important when the electrical signal, which is proportional to the light intensity, is extremely weak. This increases noise and reduces image quality. However, there are cases where an image with low noise and low noise is preferable.

【0019】 S. Kemeny他による"CMOS Active Pixel Sensor Array with Programmable Mul
tiresolution Readout"(JPL, California Institute of Technology, Pasadena
CA 91109 USA, 1994)及びR. Paniacci 他による"Programmable multiresoluti
on CMOS active-pixel sensor"(SPIE Vol. 2654)に記載されている1つの方法
を用いて、解像度とスピードをトレードオフする。この方法はピクセル信号ブロ
ック平均化(pixel singal block averaging)に基づいている。この方法は複雑
であり、高いS/N比が得られない。
"CMOS Active Pixel Sensor Array with Programmable Mul by S. Kemeny et al.
tiresolution Readout "(JPL, California Institute of Technology, Pasadena
CA 91109 USA, 1994) and R. Paniacci et al., "Programmable multiresoluti.
One method described in "on CMOS active-pixel sensor" (SPIE Vol. 2654) is used to trade off resolution and speed. This method is based on pixel singal block averaging. This method is complicated and a high S / N ratio cannot be obtained.

【0020】 Zhimin Zhou他による"Frame-Transfer CMOS Active Pixel Sensor with Pixel
Binning"(IEEE Trans. Elec. Dev., Vol. 44, No. 16, Oct. 1997, pp. 1764-
1768)に記載されている第2の方法は、複数のピクセルに蓄積された電荷を加算
することが可能である。蓄積された電荷の加算は、まず、電荷蓄積中にメモリセ
ルの中に蓄積された電荷をサンプリングし、次に、垂直方向及び水平方向の電荷
蓄積増幅器(CIA)に送られた電荷を加算することによって達成される。
"Frame-Transfer CMOS Active Pixel Sensor with Pixel" by Zhimin Zhou et al.
Binning "(IEEE Trans. Elec. Dev., Vol. 44, No. 16, Oct. 1997, pp. 1764-
The second method described in 1768) is capable of adding the charges accumulated in a plurality of pixels. The accumulated charge addition first samples the charge accumulated in the memory cell during charge accumulation and then adds the charges sent to the vertical and horizontal charge accumulation amplifiers (CIAs). To be achieved.

【0021】 電荷の加算は線形であるが、ノイズの加算はノイズエネルギーの平方根である
ため、ピクセルの電荷の加算によってS/N比を改善することができる。
Since the charge addition is linear, but the noise addition is the square root of the noise energy, the S / N ratio can be improved by the pixel charge addition.

【0022】 要約 本発明の目的は、感度とS/N比の組み合わせが実質的に最適であり、かつ比
較的フィルファクターの高いCMOSイメージセンサ構造を提供することである
。本発明の一実施例に従って、複数の光検出ユニットセル及び回路を含み得るマ
ルチセルクラスターを提供する。通常は、各セルは検出した光に対応する電荷を
生成する。回路は、複数のユニットセルによって共有することが可能であり、リ
アルタイムで電荷を読み出すために用いられる。
[0022] SUMMARY An object of the present invention, the combination of sensitivity and S / N ratio is substantially optimal, and to provide a relatively high fill factor CMOS image sensor structure. In accordance with one embodiment of the present invention, there is provided a multi-cell cluster that can include multiple photo-detecting unit cells and circuits. Normally, each cell produces a charge corresponding to the detected light. The circuit can be shared by multiple unit cells and is used to read the charge in real time.

【0023】 クラスターはまた、対応するユニットセルを回路に接続する各ユニットセルに
対応するスイッチを含み得る。スイッチはまた、時分割多重化方式で制御され得
る。各ユニットセルは、フォトディテクタ、フォトダイオード、或いはフォトゲ
ートのいずれかを含み得る。この回路は、共有の記憶装置、共有のリセット回路
、または読み出し回路を含み得る。通常、共有の記憶装置は、焦点面における電
荷を蓄積するために用いられ得る。
The cluster may also include a switch for each unit cell that connects the corresponding unit cell to the circuit. The switches can also be controlled in a time division multiplexed manner. Each unit cell can include either a photodetector, a photodiode, or a photogate. This circuit may include a shared storage device, a shared reset circuit, or a read circuit. Generally, a shared storage device can be used to store the charge in the focal plane.

【0024】 本発明の一実施例に従って、多数のクラスター、サンプリングライン、および
検出ラインを含む検出アレイを提供する。クラスターは、複数のユニットセルと
回路とを含み得る。このユニットセルは、光を検出して、その光に対応する電荷
を生成し得る。回路は、ユニットセルによって共有することが可能であって、ユ
ニットセルの動作を制御しうる。回路はまた、電荷を蓄積し得る。各サンプリン
グラインは、行における蓄積された電荷をサンプリングするためにクラスターの
行に接続され得る。各検出ラインは、列におけるサンプリングされた電荷を検出
するためにクラスターの列に接続され得る。サンプリングライン及び検出ライン
はまた、複数のユニットセルを制御するためにプログラミング信号を伝送し得る
In accordance with one embodiment of the present invention, a detection array is provided that includes multiple clusters, sampling lines, and detection lines. A cluster may include multiple unit cells and circuits. The unit cell can detect light and generate a charge corresponding to the light. The circuit can be shared by the unit cells and can control the operation of the unit cells. The circuit may also store charge. Each sampling line may be connected to a row of clusters to sample the accumulated charge in the row. Each detection line can be connected to a column of clusters to detect the sampled charge in the column. The sampling line and detection line may also carry programming signals to control the plurality of unit cells.

【0025】 本発明の一実施例に従って、イメージセンサの動作方法を提供する。この方法
は、クラスターの1或いは複数のユニットセルの電荷を蓄積するステップと、こ
の電荷を蓄積するステップの間に、少なくとも1つのユニットセルの焦点面にお
ける電荷を加算するステップとが含まれる。この方法はまた、加算した電荷を読
み出すステップも含まれ得る。1或いは複数のユニットセルは、予めプログラミ
ングされたユニットセルとすることが可能であり、読み出すステップがリアルタ
イムで加算された電荷を読み出すことを含み得る。
According to an embodiment of the present invention, a method of operating an image sensor is provided. The method includes the steps of accumulating charge in one or more unit cells of the cluster, and adding the charge at the focal plane of at least one unit cell between the accumulating charges. The method may also include the step of reading the added charge. The one or more unit cells may be pre-programmed unit cells and the reading step may include reading the added charge in real time.

【0026】 蓄積するステップが、時分割多重化方式で電荷を蓄積するステップ、或いは各
ユニットセルの電荷を別々に蓄積するステップを含み得る。別法では、この蓄積
するステップが、2或いはそれ以上のユニットセルの電荷を同時に蓄積するステ
ップ、またはクラスターの全てのユニットセルの電荷を同時に蓄積するステップ
を含み得る。この方法はまた、この読み出しを1つのイメージに組み合わせるス
テップを含み得る。
The step of accumulating may include the step of accumulating charges in a time division multiplex manner or the step of accumulating charges of each unit cell separately. Alternatively, this step of accumulating may include accumulating charges of two or more unit cells simultaneously, or accumulating charges of all unit cells of the cluster simultaneously. The method may also include the step of combining the readouts into an image.

【0027】 この方法は、電荷を蓄積するステップにおけるユニットセルの数の選択を動的
に制御するステップを含み得る。この動的に制御するステップは、光の状態によ
ってユニットセルの数を選択するステップを含み得る。全てのステップがリアル
タイムで実行され得る。
The method may include dynamically controlling the selection of the number of unit cells in the step of storing charge. This dynamically controlling step may include selecting the number of unit cells according to light conditions. All steps can be performed in real time.

【0028】 この方法はまた、電荷を蓄積するステップにおけるユニットセルの数を増やし
てイメージセンサのS/N比を改善するステップを含み得る。これは、加算した
電荷の量が線形に増加する一方で、ノイズの増大は平方根の関数としてやや緩や
かであるため、ユニットセルの数を増やしてS/N比を改善することができるた
めである。この方法はまた、時分割多重化方式で、各セルの読み出しを別々に行
ってイメージセンサの解像度を改善するステップを更に含み得る。
The method may also include increasing the number of unit cells in the step of accumulating charges to improve the S / N ratio of the image sensor. This is because the amount of added charge increases linearly, while the increase in noise is a little gradual as a function of the square root, so the number of unit cells can be increased to improve the S / N ratio. . The method may also include the step of reading each cell separately to improve the resolution of the image sensor in a time division multiplexed manner.

【0029】 本発明の詳細な説明 添付の図面を用いる後述する説明によって本発明をより理解することができる
であろう。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The invention will be better understood by the following description, which makes use of the accompanying drawings.

【0030】 本発明は、時分割多重化方式を用いてユニットセルのあるクラスターの電荷の
加算方法を変える可変解像度センサを開示する。このクラスターは、単純な共用
の回路によって支持され、この回路では電荷の収集及び時分割多重化が行われる
ため、複雑な電荷加算回路を排除することができる。新規の可変解像度センサに
よって、ピクセルを小さなサイズにすることができ、かつピクセルのフィルファ
クターを改善することができる。更に、本発明の方法によって、イメージセンサ
の解像度とS/N比即ち感度との間のトレードオフを行って最適な各シーンの照
明を選択することが可能となる。
The present invention discloses a variable resolution sensor that uses a time division multiplexing method to change the charge addition method of a cluster having unit cells. This cluster is supported by a simple shared circuit, which collects charge and time division multiplexes, thus eliminating the need for complex charge summing circuits. The new variable resolution sensor allows for smaller pixels and improved pixel fill factor. Further, the method of the present invention allows for a tradeoff between image sensor resolution and S / N ratio or sensitivity to select the optimal illumination for each scene.

【0031】 センサ10の構造 図1を参照すると、アクティブピクセルセンサ(APS)10が例示されてい
る。このAPS10は、アレイ8と、ラインデコーダー16と、検出増幅器/読
出しマルチプレクサー18とを含む。アレイ8は、多数のマルチフォトディテク
タクラスター12を含む。各クラスター12はn個のユニットセル14を含む。
Structure of Sensor 10 Referring to FIG. 1, an active pixel sensor (APS) 10 is illustrated. The APS 10 includes an array 8, a line decoder 16 and a sense amplifier / readout multiplexer 18. The array 8 includes a number of multi-photodetector clusters 12. Each cluster 12 includes n unit cells 14.

【0032】 アレイ8は更に、多数の列検出ラインと多数の行読出しラインとを含む。列検
出ラインはCloSense1−CloSenseHとして示され、行読出しラインはRdRw1−Rd
RwVとして示されている。これらのラインは対応する信号、例えば、行読出しラ
インRdRwは行読出し信号RdRwを伝送する。ユニットセル14の電荷の蓄積即ち露
光は、対応する蓄積信号Intによって制御される。この蓄積信号Intは、Intとし
て示されている統合ラインによって伝送される。クラスター12は、H列×V行
のアレイ8に配置されている。
Array 8 further includes a number of column detect lines and a number of row read lines. The column detect lines are shown as CloSense1-CloSenseH and the row read lines are RdRw1-Rd.
Shown as RwV. These lines carry corresponding signals, eg the row read line RdRw carries the row read signal RdRw. The charge accumulation or exposure of the unit cell 14 is controlled by the corresponding charge signal Int. This accumulated signal Int is transmitted by an integrated line indicated as Int. The clusters 12 are arranged in an array 8 of H columns and V rows.

【0033】 例示した実施例では、例えば行i,i+1などの隣接する行読出しラインRdRw
は1つの行読出しラインを共用するようになっている。そのため、読出しライン
には、例えばRdRw1,2などのように2つの符号が付されている。同様に、列検出
ラインCloSensej,j+1は、列jに連結されたフォトディテクタセルと列j+
1に連結されたフォトディテクタセルとによって共用されるようになっており、
同様に2つの符号で付されている。このように、要素をペアにすることによって
空間を節約できるという利点が生まれる。
In the illustrated embodiment, adjacent row read lines RdRw, such as rows i, i + 1, for example.
Share one row read line. Therefore, the read line is labeled with two symbols, such as RdRw1,2. Similarly, the column detection line CloSense j, j + 1 includes the photodetector cells connected to the column j and the column j +.
It is designed to be shared with the photodetector cell connected to 1.
Similarly, it is attached with two symbols. Thus, pairing elements offers the advantage of saving space.

【0034】 クラスター12の構造 図2を参照すると、本発明を理解するために有用なクラスター12の実現可能
な実施例の模式図が示されている。各ユニットセル14は、対応するフォトディ
テクタ22及び対応するトランジスタ24を含む。クラスター12の動作は、通
常は直接注入回路に基づいている。
Structure of Cluster 12 Referring to FIG. 2, there is shown a schematic diagram of a possible embodiment of cluster 12 useful for understanding the present invention. Each unit cell 14 includes a corresponding photodetector 22 and a corresponding transistor 24. The operation of cluster 12 is usually based on a direct injection circuit.

【0035】 具体的には、クラスター12は14A−14Dとして示されている4つのセル
14を含む。しかしながら、クラスター12は代替的に8個或いは16個のピク
セルからなるユニットセルにすることも可能であり、本発明の範囲に含まれる。
明確にする目的で、ユニットセル14A−14D及び対応する要素はそれぞれA
−Dとして示されている。
Specifically, cluster 12 includes four cells 14, shown as 14A-14D. However, the cluster 12 could alternatively be a unit cell of 8 or 16 pixels and is within the scope of the invention.
For clarity purposes, unit cells 14A-14D and corresponding elements are each A
Shown as -D.

【0036】 本発明の新規の構造によって、ユニットセル14のグループによって蓄積され
た蓄積電荷を個々に加算するか、或いは任意の組み合わせで加算することができ
るため、解像度とS/N比即ち感度との最適なバランスを選択することが可能で
ある。クラスター12の動作を以下に説明する。
Due to the novel structure of the present invention, the accumulated charges accumulated by the group of unit cells 14 can be added individually or in any combination, thus improving the resolution and the S / N ratio, that is, the sensitivity. It is possible to select the optimal balance of. The operation of the cluster 12 will be described below.

【0037】 クラスター12において、4つのユニットセル14の全てがクラスター化され
1つのリセット/読出し回路27が共用される。回路27は、リセットトランジ
スタ26と、蓄積コンデンサ28と、読出しトランジスタ30とを含む。このよ
うに構成することによって、1個のトランジスタ24につき読出しトランジスタ
の数が平均すると1/4個になり、ピクセルのピッチを小さくし、かつ/または
各ユニットセル14に対するセルファクターを大きくし、かつ/または蓄積静電
容量を大きくすることができる。
In the cluster 12, all the four unit cells 14 are clustered and one reset / read circuit 27 is shared. The circuit 27 includes a reset transistor 26, a storage capacitor 28, and a read transistor 30. With this configuration, the number of read transistors per one transistor 24 is 1/4 on average, the pixel pitch is reduced, and / or the cell factor for each unit cell 14 is increased, and The storage capacitance can be increased.

【0038】 従って、共用の電荷蓄積/読出し回路および共用の読出し/検出ラインを用い
ることによって、クラスター12の構造が比較的単純となり、スペースを節約す
ることができる。
Therefore, by using a shared charge storage / readout circuit and a shared read / detect line, the structure of the cluster 12 is relatively simple and space can be saved.

【0039】 本発明の新規の構造は、その他の非標準技術および標準技術、ならびに回路設
計技術と共に用いることが可能である。更に、フォトディテクタのクラスター化
を、任意のタイプのAPS型イメージセンサ及び任意のタイプのアクティブ回路
に適用することによって、ピクセルのピッチを狭め、フィルファクターを改善す
ることができる。同様に、本発明は任意の半導体製造プロセスで用いることがで
きる。図2に示した特定の実施例では、トランジスタ24は選択された信号の極
性及びプロセスからPチャネル型である。しかしながら、他の面を考慮して、N
チャネル型トランジスタを選択して共通のゲート増幅器機能を実行することもで
きる。
The novel structure of the present invention can be used with other non-standard and standard techniques as well as circuit design techniques. Furthermore, the clustering of photodetectors can be applied to any type of APS image sensor and any type of active circuit to narrow the pixel pitch and improve the fill factor. Similarly, the present invention may be used in any semiconductor manufacturing process. In the particular embodiment shown in FIG. 2, transistor 24 is P-channel due to the polarity and process of the selected signal. However, considering other aspects, N
It is also possible to select channel type transistors to perform a common gate amplifier function.

【0040】 図3に示されている例を用いて説明する。図3は、ユニットセル114を含む
代替のクラスター112を例示する。図2とは対照的に、図3のユニットセル1
14は、図2のトランジスタ24と同じ機能を果たすNチャネル型トランジスタ
104を含む。図2に類似の要素には類似の符号を付し、その説明は省略する。
図4を参照すると、4個型フォトゲートクラスター212を例示する代替のクラ
スター化ユニットセルの実施例が示されている。上記した要素に類似の要素には
類似の符号を付し、その説明は省略する。
Description will be made using the example shown in FIG. FIG. 3 illustrates an alternative cluster 112 that includes unit cells 114. In contrast to FIG. 2, the unit cell 1 of FIG.
14 includes N-channel transistor 104 which performs the same function as transistor 24 of FIG. Elements similar to those in FIG. 2 are designated by similar reference numerals, and description thereof will be omitted.
Referring to FIG. 4, an alternative clustered unit cell embodiment illustrating a four photogate cluster 212 is shown. Elements similar to those described above are designated by similar reference numerals, and their description is omitted.

【0041】 クラスター212は、4つのユニットセル214と、リセットトランジスタ2
6と、バッファ108と、読出しトランジスタ30とを含む。各ユニットセル2
14は、対応するフォトゲートセンサ102及びNチャネル型トランジスタ10
4を含む。
The cluster 212 includes four unit cells 214 and a reset transistor 2
6, a buffer 108, and a read transistor 30. Each unit cell 2
Reference numeral 14 denotes the corresponding photogate sensor 102 and N-channel type transistor 10.
Including 4.

【0042】 図2及び図3を用いて説明した原理と同様に、4つのフォトゲート102が、
リセット、ソースフォロワバッファ108、および読出しトランジスタ30を共
用するようにして、1つのフォトゲートセンサ102に対するトランジスタの平
均個数を減らしている。
Similar to the principle described with reference to FIGS. 2 and 3, the four photogates 102 are
By sharing the reset, the source follower buffer 108, and the read transistor 30, the average number of transistors for one photogate sensor 102 is reduced.

【0043】 本明細書では、3つの実施例についてのみ説明したが、本発明の範囲内である
、例えばフォトゲートやPチャネルトランジスタなどのユニットセルと共用回路
のその他の組み合わせが可能であることを理解されたい。
Although only three embodiments have been described herein, other combinations of unit cells and shared circuits, such as photogates and P-channel transistors, are possible within the scope of the invention. I want you to understand.

【0044】 センサ10の動作 センサ10のレベル上でのイメージの検出は以下の通りである(図1を参照)
。直列の関連する蓄積信号Intがクラスター12に送られ、そこに電荷が蓄積さ
れる。通常は、電荷蓄積時間及びその部位の光強度に比例して、蓄積コンデンサ
に電荷が蓄積される(図1には図示せず)。
The operation of the sensor 10 The detection of an image on the level of the sensor 10 is as follows (see FIG. 1).
. The associated storage signal Int in series is sent to the cluster 12 where the charge is stored. Normally, charges are accumulated in the storage capacitor in proportion to the charge accumulation time and the light intensity at that portion (not shown in FIG. 1).

【0045】 クラスター12の動作 クラスター12の動作を以下に説明する(図2を参照)。クラスター112(
図3)とクラスター212(図4)の動作は類似し、以下に説明する原理の範囲
である。クラスター112とクラスター212の異なる動作のみを説明する。
Operation of Cluster 12 The operation of the cluster 12 will be described below (see FIG. 2). Cluster 112 (
The operation of FIG. 3) and cluster 212 (FIG. 4) are similar and are within the scope of the principles described below. Only the different operation of cluster 112 and cluster 212 will be described.

【0046】 動作サイクル 図2におけるクラスター12のレベル上のイメージ検出及び読出しサイクルの
流れについて以下に説明する。サイクルは、まずリセット信号Rstを作動させ、
リセットトランジスタ26を導通させ、前のサイクルの残っていたコンデンサ2
8の電荷をフラッシュする。
Operation Cycle The flow of the image detection and read cycle on the level of the cluster 12 in FIG. 2 will be described below. The cycle first activates the reset signal Rst,
The reset transistor 26 is made conductive, and the remaining capacitor 2 of the previous cycle
Flush 8 charges.

【0047】 光に曝されるフォトディテクタ22は、Iph-A−Iph-Dとして示される対応する
光電流Iphを伝送する。対応する蓄積信号Int-A、Int-Dが対応するトランジスタ
24に送られ、対応するトランジスタ24が開となり、それによって対応するフ
ォトディテクタ22から光電流Iphが流れる。
The photodetector 22, which is exposed to light, carries a corresponding photocurrent I ph , denoted as I ph-A −I ph-D . Corresponding accumulation signals Int-A, Int-D are sent to the corresponding transistor 24, and the corresponding transistor 24 is opened, whereby the photocurrent I ph flows from the corresponding photodetector 22.

【0048】 一般的なゲート増幅器として作用するトランジスタ24は、フォトディテクタ
22とコンデンサ28とを分離し、コンデンサ28の電圧の変化の影響を受けず
に光電流Iphを供給することができる。更に、トランジスタ24は、フォトディ
テクタ22から光電流Iphをコンデンサ28に伝送する。
The transistor 24 acting as a general gate amplifier separates the photodetector 22 and the capacitor 28, and can supply the photocurrent I ph without being affected by the change in the voltage of the capacitor 28. Further, the transistor 24 transmits the photocurrent I ph from the photodetector 22 to the capacitor 28.

【0049】 蓄積信号Intが「高」になり、対応するトランジスタ24が切断されて光電流I PH の流れが制限されると、電荷蓄積サイクルは終了する。行読出し信号RdRwが「
高」になり、読出しトランジスタ30が導通し、蓄積コンデンサ28に蓄積され
た電荷が読み出される。読出しトランジスタ30の導通によって、コンデンサ2
8に蓄積された電荷が列検出アレイColSenseを介して検出増幅器(図示せず)に
送られる。次に、コンデンサ28の電荷がフラッシュされ、サイクルが繰り返さ
れる。
[0049]   The accumulated signal Int becomes “high”, the corresponding transistor 24 is disconnected, and the photocurrent I PH The charge storage cycle ends when the current flow is limited. The row read signal RdRw is
“High”, the read transistor 30 becomes conductive and is stored in the storage capacitor 28.
Charge is read out. Due to the conduction of the read transistor 30, the capacitor 2
The charge accumulated in 8 is transferred to the detection amplifier (not shown) via the column detection array ColSense.
Sent. The charge on capacitor 28 is then flushed and the cycle repeats.
Be done.

【0050】 リセット機能が読出しトランジスタ30によって代替的に実行できるため、ト
ランジスタ26は随意選択であることに注意されたい。ある種の読出し回路では
、コンデンサ28に残っている残存電荷は無視できるものであり得るが、次の蓄
積サブサイクルの前にフラッシュされるのが好ましい。
Note that transistor 26 is optional because the reset function can alternatively be performed by read transistor 30. In some read circuits, the residual charge remaining on capacitor 28 may be negligible, but is preferably flushed before the next storage subcycle.

【0051】 サブサイクル イメージ検出サイクルは、同一の長さの複数のサブサイクルを含む。各サブサ
イクルは、対応するユニットセル14のリセット、電荷の蓄積、及び読出しを含
む。従って、合計4つのサブサイクルには、ユニットセル14Aに対する1サブ
サイクル、ユニットセル14Bに対する1サブサイクル、ユニットセル14Cに
対する1サブサイクル、およびユニットセル14Dに対する1サブサイクルが含
まれる。
Sub-cycle The image detection cycle includes a plurality of sub-cycles of the same length. Each sub-cycle includes resetting, accumulating and reading out the corresponding unit cell 14. Therefore, the total of four subcycles includes one subcycle for the unit cell 14A, one subcycle for the unit cell 14B, one subcycle for the unit cell 14C, and one subcycle for the unit cell 14D.

【0052】 クラスター12の設定によって、サブサイクルの時間及び数をプログラムする
ことが可能であることに注意されたい。従って、ユニットセル14の電荷蓄積の
サンプリングを変更して、サブサイクルの時間及び内容を変更することが可能で
ある。また、1サイクルにおけるサブサイクルの数を変更することが可能である
It should be noted that by setting the cluster 12 it is possible to program the time and number of sub-cycles. Therefore, it is possible to change the sampling of charge storage of the unit cell 14 to change the time and content of the sub-cycle. Also, the number of sub-cycles in one cycle can be changed.

【0053】 一例として、4つのユニットセル14を個々にサンプリングし、1サイクルを
合計4つのサブサイクルに分けることができる。別法では、4つのユニットセル
14を対でサンプリングして、1サイクルを合計2つのサブサイクルに分けるこ
とも可能である。更に、4つのユニットセル14を1回で同時にサンプリングし
、1サイクルを1つのサブサイクルからなるようにすることも可能である。
As an example, four unit cells 14 can be individually sampled and one cycle can be divided into a total of four sub-cycles. Alternatively, the four unit cells 14 may be sampled in pairs to divide one cycle into a total of two subcycles. Further, it is also possible to sample four unit cells 14 simultaneously at one time so that one cycle is made up of one sub cycle.

【0054】 それぞれのサンプリング方法によって異なったレベルの解像度及び感度を得る
ことができる。最も高い解像度で最も低い感度は、4つのサブサイクルで達成で
き、最も低い解像度で最も高い感度は1つのサブサイクルで達成できる。
Different levels of resolution and sensitivity can be obtained with each sampling method. The lowest sensitivity at the highest resolution can be achieved in four subcycles and the highest sensitivity at the lowest resolution can be achieved in one subcycle.

【0055】 クラスター12が、例えば6個または8個或いは16個のユニットセル14を
含む場合は、サブサイクルの数及び得られるイメージ性能は相応して変化されう
ることに注意されたい。
It should be noted that if the cluster 12 comprises eg 6 or 8 or 16 unit cells 14, the number of sub-cycles and the resulting image performance can be changed accordingly.

【0056】 図2を用いて、個々のサブサイクル(各ユニットセル14を個別にサンプリン
グ)の動作例を以下に説明する。蓄積信号Int-B、Int-C、及びInt-Dが「高」に
なると、トランジスタ24B−24Dからの光電流の流れが切断される。この時
、蓄積信号Int-AはVbias電圧即ち「低」レベルになり、トランジスタ24Aが導
通する。フォトディテクタ20Aからの光電流Iph-Aは対応するトランジスタ2
4Aを経て、コンデンサ28に蓄積される。次に蓄積信号Iph-Aが「高」になり
、トランジスタ24Aからの光電流の流れが切断される。次にコンデンサ28に
蓄積された電荷が読み出される。
An operation example of each sub-cycle (each unit cell 14 is individually sampled) will be described below with reference to FIG. When the accumulated signals Int-B, Int-C, and Int-D go high, the photocurrent flow from the transistors 24B-24D is cut off. At this time, the accumulation signal Int-A becomes the V bias voltage, that is, the "low" level, and the transistor 24A becomes conductive. The photocurrent I ph-A from the photodetector 20A corresponds to the corresponding transistor 2
It is stored in the capacitor 28 through 4A. Next, the accumulated signal I ph-A goes "high", and the flow of photocurrent from the transistor 24A is cut off. Next, the charges accumulated in the capacitor 28 are read out.

【0057】 次に、次のサブサイクルが実行され、蓄積信号Int-A、Int-C、及びInt-Dが「
高」になり、蓄積信号Int-Bが「低」になる。ユニットセル14C及び14Bに
対して同様にこの動作が繰り返され、4つのユニットセル14の全てのサブサイ
クルが終了し、イメージセンサ10の全てのサンプリング及び読出しが完了する
Next, the next sub-cycle is executed, and the accumulation signals Int-A, Int-C, and Int-D are set to "
Goes high and the accumulated signal Int-B goes low. This operation is similarly repeated for the unit cells 14C and 14B, and all the sub-cycles of the four unit cells 14 are completed, and all the sampling and reading of the image sensor 10 are completed.

【0058】 蓄積信号Int-A−Int-Dのタイミングを制御して、1或いは複数のトランジスタ
24を同時に導通させ、1或いは複数の対応するユニットセル14を同時に読み
出すことが可能であることは、当業者であれば容易に理解できるであろう。一例
として、蓄積信号Int-A及びint-Bに対応する2つのサブサイクルが同時に動作し
、それによってユニットセル14A及び14Bからの光電流が同時に加算される
。こうすることによって、一方向における空間解像度が1/2となり、S/N比
が√2(2の平方根を表すものとする)、感度が2倍に改善される。
It is possible to control the timing of the accumulation signals Int-A-Int-D to simultaneously turn on one or a plurality of transistors 24 and read out one or a plurality of corresponding unit cells 14 at the same time. Those of ordinary skill in the art will readily understand. As an example, two sub-cycles corresponding to the accumulation signals Int-A and int-B operate simultaneously, so that the photocurrents from the unit cells 14A and 14B are added simultaneously. By doing so, the spatial resolution in one direction is halved, the S / N ratio is √2 (representing the square root of 2), and the sensitivity is doubled.

【0059】 別の例として、同時サブサイクルでは、対応する蓄積信号Int-A−Int-Dが同時
に動作し、4つのユニットセル14の全てからの光電流が同時に加算される。こ
うすることによって、各方向における空間解像度が1/2となるが、S/N比及
び感度は著しく改善される。
As another example, in the simultaneous sub-cycle, the corresponding storage signals Int-A-Int-D operate simultaneously and photocurrents from all four unit cells 14 are added simultaneously. By doing so, the spatial resolution in each direction is halved, but the S / N ratio and sensitivity are significantly improved.

【0060】 従って、本発明のフォトディテクタのクラスター化を適用することによって、
解像度と感度のトレードオフとが可能な効率的な可変解像度機能を提供できる。
Therefore, by applying the photodetector clustering of the present invention,
It is possible to provide an efficient variable resolution function capable of making a trade-off between resolution and sensitivity.

【0061】 図4を参照して、クラスター212の動作を説明する。上記の例とは対照的に
、各フォトゲート102はそれ自体のコンデンサ(図示せず)に電荷を蓄積する
。従って、全てのフォトゲート102が電荷を蓄積し、時分割多重化サンプリン
グ/読み出しを用いることによって電荷蓄積時間が制限されない。クラスター2
12はまた、図5−図8を用いて後述するように可変解像度機能を有しても、ク
ラスター212の蓄積時間は一定のままである。S/N比の改善は、同時にサン
プリングするフォトゲートの数に比例し、解像度は反比例する。
The operation of the cluster 212 will be described with reference to FIG. In contrast to the example above, each photogate 102 stores charge in its own capacitor (not shown). Therefore, all photogates 102 accumulate charge and the charge accumulation time is not limited by using time division multiplexed sampling / reading. Cluster 2
12 also has a variable resolution capability, as described below with reference to FIGS. 5-8, but the accumulation time of cluster 212 remains constant. The improvement in S / N ratio is proportional to the number of photogates simultaneously sampled, and the resolution is inversely proportional.

【0062】 タイミングダイアグラム 図5を参照すると、4つのユニットセル14のそれぞれに対する個々のサブサ
イクルを示すタイミングダイアグラムが示されており、図2に示された実施例の
動作を理解するのに有用である。
Timing Diagram Referring to FIG. 5, there is shown a timing diagram showing the individual sub-cycles for each of the four unit cells 14, which is useful for understanding the operation of the embodiment shown in FIG. is there.

【0063】 示されている信号の極性は例示目的であり、極性が逆になった場合は図3に示
された実施例に適用しうる。図5を参照すると、既に説明した要素に類似の要素
には類似の参照符号を付し、更なる説明は省略するものとする。
The signal polarities shown are for illustrative purposes and, if the polarities are reversed, may be applied to the embodiment shown in FIG. Referring to FIG. 5, elements similar to those already described are designated by similar reference numerals, and further description will be omitted.

【0064】 以降の図面の説明を明確にする目的で、特定の要素によって実行される動作の
参照符号には下付きの文字を付し、一般的な動作の説明には下付きの文字を付さ
ない。一例として、トランジスタ22Aからの光電流Iphは光電流Iph-Aとして示
し、一般的な説明目的の光電流は光電流Iphとして示す。
For the purpose of clarifying the following description of the drawings, the reference numerals of the actions performed by the specific elements are designated by subscripts, and the description of the general actions are designated by subscripts. I don't. As an example, the photocurrent I ph from transistor 22A is shown as photocurrent I ph-A , and the photocurrent for general description purposes is shown as photocurrent I ph .

【0065】 図5には、4つのサブサイクルがそれぞれTA、TB、TC、及びTDとして示されて
いる。各サブサイクルTでは、対応するユニットセル14はリセット、サンプリ
ング、及び読み出しの全てのサイクルを経る。例えば、サブサイクルTAでは、フ
ォトディテクタ22Aにおけるリセット、サンプリング、および読み出し等が行
われる。
In FIG. 5, four subcycles are shown as T A , T B , T C , and T D , respectively. In each sub-cycle T, the corresponding unit cell 14 goes through all cycles of reset, sampling, and reading. For example, in the sub cycle T A , resetting, sampling, reading and the like in the photo detector 22A are performed.

【0066】 更に図5には、リセット信号Rst、4つの蓄積信号Int-A−Int-D、コンデンサ
光電流IC、コンデンサ電圧VC、及び4つの行読み出し信号RdRWA-Dのタイミング
がそれぞれ示されている。
Further, FIG. 5 shows the timings of the reset signal Rst, the four accumulation signals Int-A-Int-D, the capacitor photocurrent I C , the capacitor voltage V C , and the four row read signals RdRW AD , respectively. ing.

【0067】 図5に示されているサイクルは、サブサイクルTAのポイント42で開始される
。ポイント42ではリセット信号Rstが「高」になり、それによって蓄積コンデ
ンサ28の電荷が放電される。リセット信号Rstが「高」である時、その他の信
号すべて(蓄積及びReadlow)が「低」であることに注意されたい。
The cycle shown in FIG. 5 begins at point 42 of subcycle T A. At point 42, the reset signal Rst goes "high", thereby discharging the charge on the storage capacitor 28. Note that when the reset signal Rst is "high", all other signals (accumulation and Readlow) are "low".

【0068】 ポイント44に示されるように、リセット信号Rstによって、コンデンサ電圧V C の低下として示されるようにコンデンサ28が電荷枯渇状態にされる。次に、
リセット信号Rstが「低」になり、トランジスタ26のスイッチが切れる。
[0068]   As shown at point 44, the reset signal Rst causes the capacitor voltage V C Capacitor 28 is depleted of charge, as shown by next,
The reset signal Rst goes "low" and the transistor 26 is switched off.

【0069】 次に全ての蓄積信号Int-A−Int-Dが「高」になり、期間46として示される短
い時間フォトディテクタ22がコンデンサ28から切り離される。
Next, all accumulated signals Int-A-Int-D go “high” and the photodetector 22 is disconnected from the capacitor 28 for a short period of time, shown as period 46.

【0070】 蓄積信号Int-Aが電圧Vbiasになると、電荷蓄積サブピリオドTint-Aが始まり、
トランジスタ24Aが共通のゲート前値増幅器として動作し、それによってフォ
トディテクタ22Aからの光電流Iph-Aが電荷蓄積サブピリオドTint-Aの間コン
デンサ28に流れる。この間、蓄積信号Int-C−Int-Dは「高」に維持されている
ため、フォトディテクタ22B−22Dからの光電流の流れは制限されている。
When the accumulation signal Int-A becomes the voltage V bias , the charge accumulation sub-period T int-A starts,
Transistor 24A acts as a common pre-gate amplifier, whereby the photocurrent I ph-A from photodetector 22A flows to capacitor 28 during the charge storage sub-period T int-A . During this period, the accumulation signals Int-C-Int-D are maintained at "high", so that the flow of photocurrent from the photodetectors 22B-22D is limited.

【0071】 従って、トランジスタ22Aからの光電流Iphのみが流れるため、電荷蓄積サ
ブピリオドTint-Aの間、コンデンサ光電流ICは光電流Iph-Aに等しい。更に、蓄
積コンデンサ28は線形であり、電圧と共に変化するとは考えられないため、コ
ンデンサの電圧VCは傾斜48として示されるように時間と共に線形に上昇する。
従って、 I=Iph-A及び VC = VC-A 蓄積サブピリオドTint-Aの最後は、ピーク電圧VC-Aとして示されている。蓄積
サブピリオドTint-Aが終了すると、読み出しピリオドTRd-Aが始まる。読み出し
は、連続してアレイのライン毎に行われ、コンデンサ28に蓄積された電荷のサ
ンプリングを実行させる読み出し信号RdRW1,2、RdRW3,4、、、、RdRWV-3,V-2、R
dRWV-1,Vによって制御される。
Therefore, since only the photocurrent I ph from the transistor 22A flows, the capacitor photocurrent IC is equal to the photocurrent I ph-A during the charge storage sub-period T int-A . Furthermore, since the storage capacitor 28 is linear and is not expected to change with voltage, the voltage on the capacitor V C rises linearly with time as shown by the slope 48.
Therefore, the end of I c = I ph-A and V C = V CA accumulation sub-period T int-A is shown as the peak voltage V CA. When the accumulation sub-period T int-A ends, the read period T Rd-A begins. Readout is continuously performed for each line of the array, and read-out signals RdRW 1,2 , RdRW 3,4 , ..., RdRW V-3, V-2 , which perform sampling of charges accumulated in the capacitor 28, R
Controlled by dRW V-1, V.

【0072】 蓄積コンデンサ28のサンプリングによってコンデンサが低下50として示さ
れるようにフラッシュされるが、レベル52によって示されるようにコンデンサ
28にはわずかな残存電荷が残り得る。
Although sampling of the storage capacitor 28 causes the capacitor to be flushed as shown as drop 50, there may be some residual charge left on the capacitor 28 as shown by level 52.

【0073】 次に、リセット信号Rstが「高」になり、サブサイクルTBが開始され、蓄積コ
ンデンサ28からコンデンサ光電流ICが放電される。サブサイクルTAで実行され
た各ステップが、対応するユニットセル14に対する適正な信号によってサブサ
イクルTB−TDで繰り返される。
Next, the reset signal Rst becomes "high", the sub-cycle T B is initiated, capacitor beam current I C is discharged from the storage capacitor 28. Each step performed in sub-cycle T A is repeated in sub-cycle T B -T D with the appropriate signal for the corresponding unit cell 14.

【0074】 イメージセンサがそれぞれのユニットセル14に対する電荷蓄積時間の個々の
チューニングをイネーブルしない限り、通常はクラスター12における全てのフ
ォトディテクタ22の蓄積ピリオドTint及び読出しピリオドTrdは同じである。
従って、サブサイクルはTA= TB = TC = TDであり、イメージセンサのサンプリン
グ/読み出しサイクルTの合計は4×TAである。
Unless the image sensor enables individual tuning of the charge storage time for each unit cell 14, the storage period T int and the read period T rd of all photodetectors 22 in the cluster 12 are typically the same.
Therefore, the sub-cycle is T A = T B = T C = T D , and the total sampling / reading cycle T of the image sensor is 4 × T A.

【0075】 電荷蓄積サンプリングの別のタイミングも可能である。図6に示されている例
では、フォトディテクタ22Aと22Bを同時にサンプリングするデュアルサブ
サイクルの後、フォトディテクタ22Cと22Dの同時サンプリングが続く。上
記した要素に類似する要素には類似の番号を付し、更なる説明は省略するものと
する。
Other timings for charge storage sampling are possible. In the example shown in FIG. 6, a dual sub-cycle of simultaneously sampling photodetectors 22A and 22B is followed by simultaneous sampling of photodetectors 22C and 22D. Elements similar to those described above will be numbered similarly and further description will be omitted.

【0076】 例えば図6に例示されているように、コンデンサ光電流はIc=Iph-A+Iph-B
あり、光電流Iph-A−Iph-Dが同一の場合には、Ic=2Iph-A=2Iph-Dとなる。さら
に、デュアルサブサイクルTA+B+TC+D=TA+TB+TC+TDである。
For example, as illustrated in FIG. 6, when the condenser photocurrent is I c = I ph-A + I ph-B , and the photocurrents I ph-A −I ph-D are the same, I c = 2I ph-A = 2I ph-D . Furthermore, the dual sub-cycle T A + B + T C + D = T A + T B + T C + T D.

【0077】 図6に示されているように、デュアル読み出しサブピリオドTRd-A+Bの時間は
、個別の読み出しピリオドTRd-Aに概ね等しい。従って、デュアル蓄積サブピリ
オドTint-A+Bのための実時間は長くなり、コンデンサの電圧VC、すなわちVC-A
+B。が相当高くなる。
As shown in FIG. 6, the time of the dual read sub-period T Rd-A + B is approximately equal to the individual read period T Rd-A . Therefore, the real time for the dual accumulation sub-period T int-A + B will be longer and the capacitor voltage V C , or V CA
+ B. Is considerably higher.

【0078】 図7を参照すると、フォトディテクタ22Aと22Cの同時サンプリング、及
びそれに続くフォトディテクタ22Bと22Dの同時サンプリングが示されてい
る。このサンプリングの結果は、図6に例示されているサンプリングの結果に類
似している。
Referring to FIG. 7, simultaneous sampling of photodetectors 22A and 22C, followed by simultaneous sampling of photodetectors 22B and 22D is shown. The result of this sampling is similar to the result of the sampling illustrated in FIG.

【0079】 図8を参照すると、4つ全てのフォトディテクタ22の同時サンプリングが例
示されている。このサンプリング方法では感度は最大になるが、解像度は最低に
なる。S/N比及び蓄積時間の計算は付録に示されている。
Referring to FIG. 8, simultaneous sampling of all four photodetectors 22 is illustrated. This sampling method has the highest sensitivity but the lowest resolution. Calculations of S / N ratio and storage time are given in the Appendix.

【0080】 センサの適用例 当業者であれば明らかなように、図5に例示された実施例によるS/N比及び
解像度は図6のそれとは異なっている。S/N比は、蓄積時間の平方根として改
善され、蓄積時間は2倍を超えるため(同じフレームレートに対して半分の読み
出し時間であるため)、図5に比べて図6の光電流信号が2倍を超え、デュアル
S/N比は、デュアル蓄積の場合、√2倍以上個別のS/N比より改善される。
Application Example of Sensor As will be apparent to those skilled in the art, the S / N ratio and resolution according to the embodiment illustrated in FIG. 5 are different from those in FIG. The S / N ratio is improved as the square root of the accumulation time, and since the accumulation time exceeds twice (because it is half the readout time for the same frame rate), the photocurrent signal of FIG. 6 is smaller than that of FIG. Over 2 times, the dual S / N ratio is more than √2 times better than the individual S / N ratio in the case of dual storage.

【0081】 対照的に、フォトディテクタ22A及び22Bは同じ行にあり、フォトディテ
クタ22C及び22Dはその下側の行にあるため、図6に示されている連続サン
プリングの場合、水平方向の解像度が低下する。従って、デュアルサブサイクル
の場合、S/N比は改善されるが、解像度が低下する。
In contrast, the photodetectors 22A and 22B are in the same row and the photodetectors 22C and 22D are in the row below it, resulting in reduced horizontal resolution for the continuous sampling shown in FIG. . Therefore, in the case of the dual sub-cycle, the S / N ratio is improved but the resolution is lowered.

【0082】 図7のタイミングダイアグラムにおいて、フォトディテクタ22A及び22C
は同じ列にあるが、フォトディテクタ22B及び22Dはその右側の列にあるた
め、S/N比が改善されるが、垂直方向の解像度が低下する。
In the timing diagram of FIG. 7, the photodetectors 22A and 22C are
Are in the same column, but the photodetectors 22B and 22D are in the column to the right, which improves the signal-to-noise ratio but reduces the vertical resolution.

【0083】 最後に図8を参照すると、同時サブサイクルによって水平方向及び垂直方向の
双方における解像度が1/2になる。しかしながら、S/N比は著しく改善され
る。
Finally, referring to FIG. 8, simultaneous sub-cycles reduce the resolution in both horizontal and vertical directions by half. However, the S / N ratio is significantly improved.

【0084】 図5―図8の動作を分析することによって、本発明は適用例によって、好適な
解像度と好適なS/N比を選択することが可能であることを理解されたい。
By analyzing the operation of FIGS. 5-8, it should be understood that the present invention can select a suitable resolution and a suitable S / N ratio depending on the application.

【0085】 当業者であれば、様々な従来技術と共に本発明を用いることができることを理
解するであろう。一例として、背面照明イメージセンサにマルチ・フォトディテ
クタ・ユニットセルを組み合わせると、小さなピクセルを具現することが可能で
ある。
Those skilled in the art will appreciate that the present invention can be used with various conventional techniques. As an example, a backlit image sensor can be combined with a multi-photodetector unit cell to implement small pixels.

【0086】 当業者であれば本発明は上述の記載に限定されるものでないことを理解できる
であろう。本発明の範囲は請求の範囲によってのみ制限されるものである。
Those skilled in the art will appreciate that the present invention is not limited to the above description. The scope of the invention is limited only by the claims.

【0087】 付録 数式 解像度とS/N比のトレードオフは、以下に示す一連の式で説明される。コン
デンサに光電流Iphの合計は、以下の式で示され、
Appendix Formulas The trade-off between resolution and S / N ratio is described by the following set of formulas. The sum of the photocurrent I ph in the capacitor is given by the following equation,

【0088】[0088]

【数1】 [Equation 1]

【0089】 電流ノイズInの合計は、以下の式で示される。The total of the current noise I n is shown by the following equation.

【0090】[0090]

【数2】 [Equation 2]

【0091】 ここで、 Icは、一度にコンデンサに蓄積される合計電流であり、 Iph-jは、j番目のフォトディテクタからコンデンサに流れる個別の電流であり、
inは、フォトディテクタからの電流ノイズの合計であり、 in-jは、j番目のフォトディテクタの電流ノイズであり、 Kは、同時に導通するフォトディテクタの数である。
Where I c is the total current stored in the capacitor at one time, I ph-j is the individual current flowing from the jth photodetector into the capacitor,
i n is the total current noise from the photodetectors, i nj is the current noise of the jth photodetector, and K is the number of photodetectors that are conducting at the same time.

【0092】 上の式からフォトディテクタによるノイズが主なものであり、スイッチングト
ランジスタによるリセットノイズ及び1/fノイズなどの他のノイズは無視できる
ものであることに注意されたい。
It should be noted from the above equation that the noise due to the photodetector is the main one and the other noise such as reset noise due to the switching transistor and 1 / f noise is negligible.

【0093】 S/N比を、以下の式として定義する。[0093]   The S / N ratio is defined as the following formula.

【0094】[0094]

【数3】 [Equation 3]

【0095】 この場合、全てのフォトディテクタは同じ光電流Iph低下し、電荷蓄積時間の間
同じノイズが生成され、他のノイズを無視できるものとすると、熱ノイズは、以
下の式で示される。
In this case, if all photodetectors have the same photocurrent I ph drop, the same noise is generated during the charge accumulation time, and other noise can be ignored, the thermal noise is given by the following equation.

【0096】[0096]

【数4】 [Equation 4]

【0097】 ここで、S/Nは蓄積コンデンサを充電する1つのフォトディテクタに対するS/
N比であり、(S/N)KはK個のフォトディテクタが同時に蓄積コンデンサを充電す
るときのS/N比である。
Here, S / N is S / N for one photodetector that charges the storage capacitor.
Is the N ratio, and (S / N) K is the S / N ratio when the K photodetectors simultaneously charge the storage capacitor.

【0098】 従って、一例として、K=4で、電荷蓄積時間が一定の場合、S/N比は2倍に
改善される。
Therefore, as an example, when K = 4 and the charge accumulation time is constant, the S / N ratio is improved to double.

【0099】 通常は、一般的な条件下では、光電流Iphは極めて小さく、トランジスタは弱
反転領域で動作する。この時、蓄積コンデンサは、線形であり、電圧で変化しな
いものとすると、以下の式が成り立つ。
Under normal conditions, the photocurrent I ph is usually very small, and the transistor operates in the weak inversion region. At this time, assuming that the storage capacitor is linear and does not change with voltage, the following formula is established.

【0100】[0100]

【数5】 [Equation 5]

【0101】[0101]

【数6】 [Equation 6]

【0102】 ここで、ICはコンデンサからの電流であり、tは蓄積サブピリオドである。例え
ば、tが蓄積サブピリオドTintと等しい場合、コンデンサの電圧Vcの値は、以下
の式で表すことができる。
Where I C is the current from the capacitor and t is the accumulated sub-period. For example, if t is equal to the accumulated sub-period T int , then the value of the capacitor voltage V c can be expressed as:

【0103】[0103]

【数7】 [Equation 7]

【0104】 更に、TAがフォトディテクタAのサブサイクルであり、 Tint-AがフォトディテクタAの蓄積ピリオドであり、 Trd-AがフォトディテクタAの読み出し時間である場合は以下の式が成り立つ。Further, when T A is the sub-cycle of the photodetector A, T int-A is the accumulation period of the photodetector A, and T rd-A is the readout time of the photodetector A, the following formula is established.

【0105】[0105]

【数8】 [Equation 8]

【0106】 通常は、クラスターにおける全てのフォトディテクタに対する蓄積ピリオドTi nt 及び読み出しピリオドTrdは同一であり、またサブサイクル時間Tも同一である
ため、
Normally, the accumulation period T i nt and the reading period T rd for all photodetectors in the cluster are the same, and the subcycle time T is also the same,

【0107】[0107]

【数9】 [Equation 9]

【0108】 となり、イメージセンサのサンプリング/読み出しサイクルTの合計は、以下の
式で表すことができる。
Therefore, the total sampling / reading cycle T of the image sensor can be expressed by the following equation.

【0109】[0109]

【数10】 [Equation 10]

【0110】 式(8)に式(10)を代入すると、1つのフォトディテクタに対する最大個別蓄積
サブサイクルTint-max-individualは、
Substituting equation (10) into equation (8), the maximum individual storage subcycle T int-max-individual for one photodetector is

【0111】[0111]

【数11】 [Equation 11]

【0112】 となる。また1つのフォトディテクタに対する最大デュアル蓄積サブサイクルTi nt-dual は、最大個別蓄積サブピリオドTintと比べ2倍を超える。It becomes Maximum dual storage subcycle T i nt-dual also for one photodetector is greater than 2 times higher than the maximum individual storage sub-period T int.

【0113】[0113]

【数12】 [Equation 12]

【0114】 式(4)から、個々のサブサイクルからデュアルサブサイクルにすると、S/N
比は蓄積時間の平方根として改善され、光電流信号が2倍になる。式(4)及び(12
)から、デュアルサブサイクルのS/N比は以下の式で表すことができる。
From the equation (4), if the individual sub-cycles are changed to the dual sub-cycles, the S / N
The ratio improves as the square root of the integration time, doubling the photocurrent signal. Equations (4) and (12
), The S / N ratio of the dual sub-cycle can be expressed by the following equation.

【0115】[0115]

【数13】 [Equation 13]

【0116】 4つ全てのフォトディテクタ電流Iphが蓄積コンデンサに同時に加算されると
、水平方向及び垂直方向の解像度が半分になるが、以下の式で示されるようにS
/N比は著しく改善される。
When all four photodetector currents I ph are added to the storage capacitor at the same time, the horizontal and vertical resolutions are halved, but as shown in the following equation, S
The / N ratio is significantly improved.

【0117】[0117]

【数14】 [Equation 14]

【0118】 例1:T = 33.33 ミリ秒、Trd = 4 ミリ秒の場合、デュアルS/N比は個別S
/N比より3.4倍向上する。
Example 1: When T = 33.33 ms and T rd = 4 ms, the dual S / N ratio is individual S
3.4 times better than the / N ratio.

【0119】 例2:T = 33.33 ミリ秒、Trd = 4 ミリ秒の場合、全てのフォトディテクタが
同時に加算される場合のS/N比は個々について行う場合に比べ10.4倍改善され
る。
Example 2: When T = 33.33 ms and T rd = 4 ms, the S / N ratio when all the photodetectors are added at the same time is improved by 10.4 times as compared with the case where the photodetectors are individually added.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 本発明の好適な実施例に従って製造され動作する、半導体材料のモノリシック
片上に具現された、アクティブピクセルセンサ(APS)イメージセンサ構造を例
示する。
FIG. 1 illustrates an active pixel sensor (APS) image sensor structure embodied on a monolithic piece of semiconductor material, constructed and operative in accordance with a preferred embodiment of the present invention.

【図2】 図1の構造とともに用いられる、直接注入(ID)回路に基づいた4個型フォト
ディテクタ・ユニットセルの模式図である。
FIG. 2 is a schematic diagram of a four-piece photodetector unit cell based on a direct injection (ID) circuit for use with the structure of FIG.

【図3】 図2のユニットセルに類似し、反対の極性信号で動作する4個型フォトディテ
クタ・ユニットセルの模式図である。
FIG. 3 is a schematic diagram of a four-photodetector unit cell similar to the unit cell of FIG. 2 and operating with opposite polarity signals.

【図4】 Nチャネル型フォトゲート・トランジスタに基づいた代替の4個型フォトディ
テクタ・ユニットセルの模式図である。
FIG. 4 is a schematic diagram of an alternative four-element photodetector unit cell based on an N-channel photogate transistor.

【図5】 図1に例示した構造と共に具現された場合の個々の制御信号の連続するタイミ
ングを示すタイミングダイアグラムである。
5 is a timing diagram illustrating successive timings of individual control signals when implemented with the structure illustrated in FIG.

【図6】 同時にサンプリングした水平方向のフォトディテクタの対に対する制御信号の
シーケンスを示すタイミングダイアグラムである。
FIG. 6 is a timing diagram illustrating a sequence of control signals for a pair of simultaneously sampled horizontal photodetectors.

【図7】 同時にサンプリングした垂直方向の一対のフォトディテクタに対する制御信号
のシーケンスを示すイミングダイアグラムである。
FIG. 7 is an imming diagram showing a sequence of control signals for a pair of vertical photodetectors sampled simultaneously.

【図8】 同時にサンプリングした4つのフォトディテクタに対する制御信号のシーケン
スを示すタイミングダイアグラムである。
FIG. 8 is a timing diagram showing a sequence of control signals for four photodetectors sampled simultaneously.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,MZ,SD,SL,SZ,TZ,UG ,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD, RU,TJ,TM),AE,AG,AL,AM,AT, AU,AZ,BA,BB,BG,BR,BY,BZ,C A,CH,CN,CR,CU,CZ,DE,DK,DM ,DZ,EE,ES,FI,GB,GD,GE,GH, GM,HR,HU,ID,IL,IN,IS,JP,K E,KG,KP,KR,KZ,LC,LK,LR,LS ,LT,LU,LV,MA,MD,MG,MK,MN, MW,MX,MZ,NO,NZ,PL,PT,RO,R U,SD,SE,SG,SI,SK,SL,TJ,TM ,TR,TT,TZ,UA,UG,US,UZ,VN, YU,ZA,ZW Fターム(参考) 4M118 AA01 AA10 AB01 BA14 CA03 CA07 DB09 DD11 DD12 FA06 FA33 FA34 5C024 CX03 CX41 GX02 GY31 GY38 HX02 HX28 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (81) Designated countries EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, I T, LU, MC, NL, PT, SE), OA (BF, BJ , CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, GM, K E, LS, MW, MZ, SD, SL, SZ, TZ, UG , ZW), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM), AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BY, BZ, C A, CH, CN, CR, CU, CZ, DE, DK, DM , DZ, EE, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, K E, KG, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS , LT, LU, LV, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NO, NZ, PL, PT, RO, R U, SD, SE, SG, SI, SK, SL, TJ, TM , TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VN, YU, ZA, ZW F-term (reference) 4M118 AA01 AA10 AB01 BA14 CA03                       CA07 DB09 DD11 DD12 FA06                       FA33 FA34                 5C024 CX03 CX41 GX02 GY31 GY38                       HX02 HX28

Claims (21)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 複数の光検出ユニットセルと、回路とを含むマルチセルク
ラスターであって、 前記各セルが検出した光に対応する電荷を生成し、 前記回路が前記複数のユニットセルによって共用され、前記回路において前記
電荷の読み出しが実質的にリアルタイムで実行されることを特徴とするマルチセ
ルクラスター。
1. A multi-cell cluster including a plurality of photodetection unit cells and a circuit, wherein each cell generates an electric charge corresponding to light detected, and the circuit is shared by the plurality of unit cells. A multi-cell cluster, wherein the readout of the charges is performed in substantially real time in the circuit.
【請求項2】 前記各ユニットセルに対応するスイッチを含み、前記各ス
イッチによって対応するユニットセルと前記回路とが接続されており、前記各ス
イッチが時分割多重化方式で制御されることを特徴とする請求項1に記載のクラ
スター。
2. The switch includes a switch corresponding to each unit cell, the corresponding unit cell is connected to the circuit by each switch, and each switch is controlled by a time division multiplexing method. The cluster according to claim 1, wherein
【請求項3】 前記各ユニットセルが、フォトディテクタ、フォトダイオ
ード、またはフォトゲートの1つを含むことを特徴とする請求項1に記載のクラ
スター。
3. The cluster according to claim 1, wherein each unit cell includes one of a photodetector, a photodiode, or a photogate.
【請求項4】 前記回路が焦点面における前記電荷を蓄積するための共用
の記憶装置を含むことを特徴とする請求項1に記載のクラスター。
4. The cluster of claim 1, wherein the circuit includes a shared storage device for storing the charge at a focal plane.
【請求項5】 前記回路が共用のリセット回路を含むことを特徴とする請
求項1に記載のクラスター。
5. The cluster of claim 1, wherein the circuit includes a shared reset circuit.
【請求項6】 前記回路が共用の読み出し回路を含むことを特徴とする請
求項1に記載のクラスター。
6. The cluster of claim 1, wherein the circuit comprises a shared read circuit.
【請求項7】 検出アレイであって、多数のクラスターと、サンプリング
ラインと、検出ラインとを含み、 前記多数のクラスターが、光を検出して前記光に対応する電荷を生成する複数
のユニットセルと、前記ユニットセルの動作を制御すると共に前記電荷の蓄積を
するための前記ユニットセルによって共用される回路とを含み、 前記サンプリングラインがそれぞれ、クラスターの行における蓄積された前記
電荷のサンプリングのために、前記クラスターの行に接続されており、 前記検出ラインが、クラスターの列におけるサンプリングされた前記電荷を検
出するべく、前記クラスターの列に接続されていることを特徴とする検出アレイ
7. A detection array comprising a plurality of clusters, a sampling line and a detection line, wherein the plurality of clusters detect light and generate a charge corresponding to the light. And a circuit shared by the unit cells for controlling the operation of the unit cells and for accumulating the charges, each sampling line for sampling the accumulated charges in a row of a cluster. To the row of the cluster, the detection line being connected to the column of the cluster for detecting the sampled charge in the column of the cluster.
【請求項8】 前記各ラインによって、前記複数のユニットセルを制御す
るべくプログラミング信号が送られることを特徴とする請求項7に記載のアレイ
8. The array of claim 7, wherein each line carries a programming signal to control the plurality of unit cells.
【請求項9】 イメージセンサを動作する方法であって、 クラスターの1或いは複数のユニットセルからの電荷を蓄積するステップと、 前記蓄積するステップの間に、前記少なくとも1つのユニットセルからの焦点
面における電荷を加算するステップと、 前記加算した電荷を読み出すステップとを含むことを特徴とする方法。
9. A method of operating an image sensor, the method comprising: accumulating charge from one or more unit cells of a cluster, and a focal plane from the at least one unit cell between the accumulating steps. A step of adding the charges in the step of: and reading the added charges.
【請求項10】 前記1或いは複数のユニットセルがプログラミングされ
たユニットセルであることを特徴とする請求項9に記載の方法。
10. The method of claim 9, wherein the one or more unit cells are programmed unit cells.
【請求項11】 前記読み出しステップが、リアルタイムで前記加算した
電荷を読み出すことを含むことを特徴とする請求項9に記載の方法。
11. The method of claim 9, wherein the reading step includes reading the added charge in real time.
【請求項12】 前記蓄積するステップが、時分割多重化方式で蓄積する
ステップを含むことを特徴とする請求項9に記載の方法。
12. The method of claim 9, wherein the accumulating step comprises accumulating in a time division multiplexed manner.
【請求項13】 前記蓄積するステップが、前記各ユニットセルからの電
荷を別々に蓄積するステップを含むことを特徴とする請求項9に記載の方法。
13. The method of claim 9, wherein the storing step comprises separately storing charge from each of the unit cells.
【請求項14】 前記蓄積するステップが、2或いはそれ以上の前記ユニ
ットセルからの電荷を実質的に同時に蓄積するステップを含むことを特徴とする
請求項9に記載の方法。
14. The method of claim 9, wherein the storing step comprises the step of storing charge from two or more of the unit cells substantially simultaneously.
【請求項15】 前記蓄積するステップが、前記クラスターにおける全て
の前記ユニットセルからの電荷を実質的に同時に蓄積するステップを含むことを
特徴とする請求項9に記載の方法。
15. The method of claim 9, wherein the storing step comprises the step of storing charges from all the unit cells in the cluster at substantially the same time.
【請求項16】 前記読み出しを1つのイメージに組合わせるステップを
更に含むことを特徴とする請求項9に記載の方法。
16. The method of claim 9, further comprising combining the readouts into an image.
【請求項17】 前記電荷を蓄積するステップにおいて、前記1或いは複
数のユニットセルの数の選択を、動的に制御するステップを更に含むことを特徴
とする請求項9に記載の方法。
17. The method according to claim 9, further comprising the step of dynamically controlling the selection of the number of the one or more unit cells in the step of accumulating the charges.
【請求項18】 前記動的に制御するステップが、光の状態によって前記
1或いは複数のユニットセルの数を選択するステップを含むことを特徴とする請
求項17に記載の方法。
18. The method according to claim 17, wherein the dynamically controlling step includes the step of selecting the number of the one or more unit cells according to a light condition.
【請求項19】 前記各ステップの全てが実質的にリアルタイムで実行さ
れることを特徴とする請求項17に記載の方法。
19. The method of claim 17, wherein all of the steps are performed in substantially real time.
【請求項20】 前記蓄積するステップにおける前記1或いは複数のセル
の数を増やして、前記イメージセンサのS/N比を改善するステップを更に含む
ことを特徴とする請求項9に記載の方法。
20. The method of claim 9, further comprising increasing the number of the one or more cells in the storing step to improve the S / N ratio of the image sensor.
【請求項21】 時分割多重化方式で前記各セルの読み出しを別々に実行
することによって前記イメージセンサの解像度を改善することを特徴とする請求
項9に記載の方法。
21. The method of claim 9, wherein the resolution of the image sensor is improved by performing the reading of each cell separately in a time division multiplexed manner.
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