JP2004241749A - イメージセンサ - Google Patents

Abstract

【目的】イメージセンサにおけるオプティカルブラック用の画素から、しゃ光漏れの影響を受けることのない常に安定した基準信号を得るようにする。
【構成】撮影時の入射光量に応じて光電変換素子に流れる電流をドランジスタのサブスレッショルド領域の特性を利用した弱反転状態で対数特性をもっで電圧信号に変換してセンサ信号を出力する光センサ回路を画素に用い、一部に受光部分をしゃ光したオプティカルブラック用の画素を設けたイメージセンサにおいて、撮影に先がけてオプティカルブラック用の画素における光電変換素子の寄生容量に電荷を注入して、撮影時におけるしゃ光漏れによる光の影響を抑制する手段を設ける。
【選択図】 図９

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、入射光量に応じて光電変換素子に流れる電流をトランジスタのサブスレッショルド領域の特性を利用した弱反転状態で対数特性をもって電圧信号に変換した出力を生ずる光センサ回路を画素に用いたイメージセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、撮影時の入射光量に応じて光電変換素子（フォトダイオード）に流れる電流をトランジスタのサブスレッショルド領域の特性を利用した弱反転状態で対数特性をもって電圧信号に変換して、その電圧信号を増幅してダイナミックレンジの広いセンサ出力を生ずる光センサ回路を画素に用いたＭＯＳ型のイメージセンサが開発されている。そして、そのイメージセンサにあって、各画素の光センサ回路における光電変換素子の寄生容量の残留電荷に起因する残像を抑制するべく、撮影に先がけて対数特性変換用のトランジスタのドレイン電圧を定常よりも低い値に切り換えて、その寄生容量に過剰電荷を注入することによって初期化するようにしている（特開２０００−３２９６１６公報参照）。
【０００３】
このような対数出力特性をもった光センサ回路を画素に用いたイメージセンサにあっては、各画素における対数特性変換用トランジスタや増幅用トランジスタなどの特性上の差異によるセンサ出力のばらつきが否めないものになっている。
【０００４】
そのため、各画素のセンサ出力のばらつき状態を測定して、補正値を作成してメモリに登録しておき、その補正値を用いた演算処理によって各画素のセンサ出力のばらつきの補正を行わせるようにしている（国際公開ＷＯ ０２／４５４１４ Ａ１公報参照）。
【０００５】
特に、各画素のセンサ出力が、図４に示すように、温度によって変動してしまう。そのため、各画素の温度ドリフトによるセンサ出力のばらつきを補正するべく、温度を検出して、その検出温度にもとづいてセンサ出力の温度補正を行わせるようにしている（特開２０００−１７５１０８号公報参照）。
【０００６】
また、従来、オプティカルブラック用のしゃ光された画素を設けることによって基準信号を得て、各画素のセンサ出力の温度補正を行うようにしたものがある（特許第１２２６２７１号公報参照）。
【０００７】
増幅型の固体撮像素子では、クランプレベルの基準信号等を得るために、オプティカルブラック用のしゃ光された画素を用いる場合がある。
【０００８】
図５は、イメージセンサにあって、受光用の画素１とオプティカルブラック用の画素２とが並設された部分的な構成を示している。
【０００９】
ここでは、各画素がＣＭＯＳプロセスによってフォトダイオードＰＤおよび光検知制御用トランジススタＱ１、増幅用トランジスタＱ２、画素選択用のトランジスタＱ３からなる光センサ回路（図１参照）が形成されている。そして、各画素の受光量を増加させるためにオンチップで設けられたマイクロレンズＬを通した光が受光用画素１におけるフォトダイオードＰＤが形成されている受光部の上に直接照射され、隣接のオプティカルブラック用の画素２に対応するマイクロレンズＬを通した光がしゃ断されるようにしゃ光層３が設けられている。図中、４は透明層を示している。
【００１０】
そのしゃ光層３としては、通常アルミニウムＡｌの薄膜によって形成されているが、Ａｌよりもしゃ光効果の大きな高融点材料であるタングステンＷ、モリブデンＭｏ、チタンＴｉ等、あるいはそれらの化合物による薄膜を形成することもある。
【００１１】
しかし、しゃ光層３といってもそれが薄膜によるものであるために、マイクロレンズＬを通した光が完全にしゃ断されることなく、微少ながらそのしゃ光漏れによる光がオプティカルブラック用の画素２のフォトダイオードＰＤによって受光されてしまう。
【００１２】
特にダイナミックレンジの大きな対数出力特性をもった光センサ回路を画素に用いたいメージセンサでは、オプティカルブラック用の画素２にはダイナミックレンジ以上のしゃ光性能が要求される。
【００１３】
図６は、受光用画素１の輝度に対する出力特性Ａとオプティカルブラック用の画素２の輝度に対する出力特性Ｂとの一例をそれぞれ示している。オプティカルブラック用の画素２では、しゃ光層３によってしゃ光されているにもかかわらず、１０００ｃｄ／ｍ^２を越えるとセンサ出力が生じてしまう。
【００１４】
オプティカルブラック用の画素２にセンサ出力を生じてしまう原因としては、図７に示すように、しゃ光層３を透過した光Ｐ１がフォトダイオードＰＤによって受光される場合、隣接の受光用画素１に入射した光が上部で転送ゲート１５との間で反射しながら、その反射光Ｐ２がオプティカルブラック用の画素２のフォトダイオードＰＤによって受光される場合、入射光Ｐ３により受光用画素１の下部で発生した正孔や電子が漂ってオプティカルブラック用の画素２のフォトダイオードＰＤに到達する場合などが考えられる。
【００１５】
オプティカルブラック用の画素２からセンサ出力を生ずるようになると、例えばオプティカルブラック用の画素２によって基準信号を得て受光用の画素１のセンサ出力の温度補正を行うような場合に、補正の精度が悪くなってしまう。これは、ダイナミックレンジの大きなイメージセンサの場合に特に問題となる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする問題点は、撮影時の入射光量に応じて光電変換素子に流れる電流をトランジスタのサブスレッショルド領域の特性を利用した弱反転状態で対数特性をもって電圧信号に変換してセンサ信号を出力する光センサ回路を画素に用いたイメージセンサにあって、一部に受光部分をしゃ光したオプティカルブラック用の画素を設けることにより基準信号を得て、各画素のセンサ出力の温度補正などを行わせようとする場合、しゃ光層の透過光などによってオプティカルブラック用の画素からセンサ出力を生じてしまい、正確な基準信号が得られないことである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、撮影時の入射光量に応じて光電変換素子に流れる電流をトランジスタのサブスレッショルド領域の特性を利用した弱反転状態で対数特性をもって電圧信号に変換してセンサ信号を出力する光センサ回路を画素に用い、一部に受光部分をしゃ光したオプティカルブラック用の画素を設けたイメージセンサにおいて、撮影に先がけてオプティカルブラック用の画素における光電変換素子の寄生容量に電荷を注入して、撮影時におけるしゃ光漏れによる光の影響を抑制する手段を設けるようにしている。
【００１８】
【実施例】
図１は、本発明のイメージセンサにおける画素単位となる光センサ回路の基本的な構成を示している。
【００１９】
その光センサ回路は、撮影時における入射光Ｌｓの光量に応じたセンサ電流を生ずる光電変換素子としてのフォトダイオードＰＤと、そのフォトダイオードＰＤに流れるセンサ電流をサブスレッショルド領域の特性を利用した弱反転状態で対数特性をもって電圧信号Ｖｐｄに変換するトランジスタＱ１と、その変換された電圧信号Ｖｐｄを増幅するトランジスタＱ２と、読出し信号Ｖｓのパルスタイミングでもってセンサ信号Ｖｏを出力するトランジスタＱ３とによって構成され、ダイナミックレンジを拡大して光信号の検出を高感度で行わせることができるようになっている。そして、撮影に先がけてトランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤを所定時間だけ定常値よりも低く設定して、フォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃに蓄積された残留電荷の影響をなくすために余剰電荷を注入して初期化することにより、センサ電流に急激な変化が生じても即座にそのときの入射光Ｌｓの光量に応じた電圧信号Ｖｐｄが得られるようにして、入射光量が少ない場合でも残像が生ずることがないようにしている。この光センサ回路自体は、公知である。
【００２０】
図２は、その光センサ回路における各部信号のタイムチャートを示している。ここで、ｔ１は初期化のタイミングを、ｔ２はセンサ信号Ｖｏの出力タイミングを、Ｔは光検知時の寄生容量Ｃにおける電荷蓄積期間をそれぞれ示している。
【００２１】
図３は、その光センサ回路における入射光の輝度に対するセンサ信号Ｖｏの出力特性を示している。それは、フォトダイオードＰＤに流れるセンサ電流が多いときには対数出力特性を示し、センサ電流が少ないときには寄生容量Ｃの充電に応答遅れを生じてほぼ線形の非対数出力特性を示している。図中、ＷＡは非対数応答領域を示し、ＷＢは対数応答領域を示している。
【００２２】
このような光センサ回路が画素単位として、前述したように、ＣＭＯＳプロセスによって固体撮像素子として構成されるが（図５参照）、このような構成によるのではしゃ光漏れによってオプティカルブラック用の画素２にセンサ出力を生じてしまうことになる（図６参照）。
【００２３】
いま、このような光センサ回路にあって、初期化後におけるセンサ信号の出力タイミングを通常の出力タイミング（例えば初期化完了から１／３０ｓｅｃ）よりも早める（例えば初期化完了から１／１０００ｓｅｃ）と、入射光に応じたフォトダイオードＰＤにおける寄生容量Ｃの必要な電荷蓄積時間（トランジスタＱ１の対数動作による出力が安定するまでの時間）が不充分となって、図８中、Ａ′の特性で示すように、低輝度時の出力感度が悪くなってしまう（感度は通常の場合に比べて１桁ほど悪くなる）。図８中、Ａは通常の出力タイミングで読み出されたセンサ信号の特性を示している。
【００２４】
図９は、そのときの光センサ回路における初期化のタイミングｔ１、その初期化後のＴ′（１／１０００ｓｅｃ）期間経過によるセンサ信号の早めの出力タイミングｔ２′、その初期化後のＴ（１／３０ｓｅｃ）期間経過によるセンサ信号の通常の出力タイミングｔ２およびその各タイミングに応じたフォトダイオードＰＤにおける寄生容量Ｃの充電状態の一例を示している。
【００２５】
本発明によるイメージセンサにあっては、このような現象をオプティカルブラック用の画素２に適用することにより、しゃ光漏れによる出力感度を有効に低下させて、暗から明までの広い輝度範囲にわたって微少なしゃ光漏れによる光の影響を抑制して、安定した基準信号を得ることができるようにしている。
【００２６】
すなわち、撮影に先がけてオプティカルブラック用の画素２におけるフォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃに余剰電荷を注入して、撮影時におけるしゃ光漏れによる光の影響を抑制するようにしている。
【００２７】
具体的には、イメージセンサにおける受光用およびオプティカルブラック用の全ての画素の初期化を同時に行い、その初期化後における入射光によるフォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃの充電初期の段階でオプティカルブラック用の画素２の出力を得て、その後寄生容量Ｃが充分な充電状態になった段階で受光用の画素１のセンサ信号を出力させるようにする。
【００２８】
図１０は、初期化後に、受光用の画素１を１／３０ｓｅｃで出力させたときの信号Ａと１／１０００ｓｅｃで出力させたときの信号Ｂとの関係およびオプティカルブラック用の画素２を１／３０ｓｅｃで出力させたときの信号Ａ′と１／１０００ｓｅｃで出力させたときの信号Ｂ′との関係をそれぞれ示している。
【００２９】
本発明によれば、受光用の画素１にあっては感度の良い出力特性Ａが、オプティカルブラック用の画素２にあってはしゃ光漏れによる微少な光によっては変動することがなく安定した出力特性Ｂ′が得られることになる。
【００３０】
図１１は、光センサ回路を画素単位として、画素をマトリクス状に複数配設して、各面素のセンサ信号Ｓｏの時系列的な読出し走査を行わせるようにしたイメージセンサの構成例を示している。
【００３１】
そのイメージセンサは、その基本的な構成が、例えば、Ｄ１１〜Ｄ４４からなる４×４の画素をマトリクス状に配設して、各１ライン分の画素列を画素列選択回路５から順次出力される選択信号ＬＳ１〜ＬＳ４によって選択し、その選択された画素列における各画素を、画素選択回路６から順次出力される選択信号ＤＳ１〜ＤＳ４によって制御スイッチ群７における各対応するスイッチＳＷ１〜ＳＷ４が逐次オン状態にされることによって各画素のセンサ信号Ｓｏが時系列的に読み出されるようになっている。図中、８は各画素における前記トランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧ用電源であり、１０はドレイン電圧ＶＤ用電源である。ここでは、出力側に基準抵抗Ｒを介してバイアス電圧Ｖｂを印加することによって各画素のセンサ信号Ｓｏを電圧信号Ｖｏとしてとり出すようにしている。
【００３２】
そして、このようなイメージセンサにあって、各１ライン分の画素列の選択に際して、その選択された画素列における各画素の前記トランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤを所定のタイミングをもって定常時のハイレベルＨおよび初期化時のローレベルＬに切り換える電圧切換回路９が設けられている。
【００３３】
このように構成されたイメージセンサの基本的な動作について、図１２に示す各部信号のタイムチャートとともに、以下説明をする。
【００３４】
まず、画素列選択信号ＬＳ１がハイレベルＨになると、それに対応するＤ１１，Ｄ１２，Ｄ１３，Ｄ１４からなる第１の画素列が選択される。そして、ＬＳ１がハイレベルＨになっている一定期間Ｔ１のあいだ画素選択信号ＤＳ１〜ＤＳ４が順次ハイレベルＨになって、各画素Ｄ１１，Ｄ１２，Ｄ１３，Ｄ１４のセンサ信号Ｖｏが順次読み出される。
【００３５】
次いで、画素列選択信号ＬＳ１がローレベルＬになった時点で次のＬＳ２がハイレベルＨになると、それに対応するＤ２１，Ｄ２２，Ｄ２３，Ｄ２４からなる第２の画素列が選択される。そして、ＬＳ２がハイレベルＨになっている一定期間Ｔ１のあいだ画素選択信号ＤＳ１〜ＤＳ４が順次ハイレベルＨになって、各画素Ｄ２１，Ｄ２２，Ｄ２３，Ｄ２４のセンサ信号Ｖｏが順次読み出される。
【００３６】
以下同様に、画素列選択信号ＬＳ３およびＬＳ４が連続的にハイレベルＨになって各対応する第３および第４の画素列が順次選択され、ＬＳ３およびＬＳ４がそれぞれハイレベルＨになっている一定期間Ｔ１のあいだ画素選択信号ＤＳ１〜ＤＳ４が順次ハイレベルＨになって、各画素Ｄ３１，Ｄ３２，Ｄ３３，Ｄ３４およびＤ４１，Ｄ４２，Ｄ４３，Ｄ４４のセンサ信号Ｖｏが順次読み出される。
【００３７】
また、画素列選択信号ＬＳ１がＴ１期間後にローレベルＬに立ち下がった時点で、そのとき選択されている第１の画素列における各画素Ｄ１１，Ｄ１２，Ｄ１３，Ｄ１４のドレイン電圧ＶＤ１をそれまでのハイレベルＨからローレベルＬに所定時間Ｔ２のあいだ切り換えることによって各画素の初期化が行われ、１サイクル期間Ｔ３の経過後に行われる次サイクルにおけるセンサ信号Ｖｏの読出しにそなえる。
【００３８】
次いで、画素列選択信号ＬＳ２がＴ１期間後にローレベルＬに立ち下がった時点で、そのとき選択されている第２の画素列における各画素Ｄ２１，Ｄ２２，Ｄ２３，Ｄ２４のドレイン電圧ＶＤ１をそれまでのハイレベルＨからローレベルＬに所定時間Ｔ２のあいだ切り換えることによって各画素の初期化が行われ、１サイクル期間Ｔ３の経過後に行われる次サイクルにおけるセンサ信号Ｖｏの読出しにそなえる。
【００３９】
以下同様に、画素列選択信号ＬＳ３およびＬＳ４がそれぞれＴ１期間後にローレベルＬに立ち下がった時点で、そのとき選択されている第３および第４の画素列にそれぞれ対応するドレイン電圧ＶＤ３をローレベルＬに切り換えて各画素の初期化が行われ、１サイクル期間Ｔ３の経過後に行われる次サイクルにおけるセンサ信号Ｖｏの読出しにそなえる。
【００４０】
図中、Ｔ４は各画素からセンサ信号の読み出しを行わない入射光に応じた電荷の蓄積期間である。
【００４１】
以上のような各部信号の発生のタイミングは、図示しないＥＣＵの制御下で画素列選択回路５、画素選択回路６および電圧切換回路１０の駆動を行わせることによって決定されるようになっている。
【００４２】
このように、各画素のセンサ信号Ｓｏの読出し走査に応じた適切なタイミングをもって各画素の初期化を行わせることによって、イメージセンサ全体としての蓄積時間の過不足を低減できるようになる。
【００４３】
そして、残像がなく、ダイナミックレンジの広い対数出力特性をもったイメージセンサが実現できるようになる。
【００４４】
図１３は、イメージセンサにおけるオプティカルブラック用の画素２の設置状態の一例を示している。ここでは、６４２×４８２画素のマトリクス構成にあって、第１行および第２行、第４８１列および第４８２列の各画素をそれぞれオプティカルブラック用の画素とし、他の６４０×４８０の画素を受光用の画素１としている。
【００４５】
図１４は、図１３の画素構成における各画素の初期化および各画素信号の読出しのタイミングを示している。
【００４６】
また、図１５は、イメージセンサにおけるオプティカルブラック用の画素２の設置状態の他の例を示している。
【００４７】
前述のようにして得られたオプティカルブラック用の画素２の出力信号は、例えば、以下のようにして用いられる。
【００４８】
オプティカルブラック用の画素２の出力信号は、電荷蓄積時間に違いがあっても、図１６に示すように、同じ傾向の温度特性を有している。
【００４９】
しかし、各オプティカルブラック用の画素２からそれぞれ得られる出力信号は電荷蓄積時間の違いから同じ特性にはならない。そのため、各オプティカルブラック用の画素２からそれぞれ得られる出力信号の特性を変換してやる必要がある。
【００５０】
図１７は、イメージセンサにおける各オプティカルブラック用の画素２の出力信号を用いてその受光用の画素１から出力するセンサ信号の温度補正をする場合の構成例を示している。
【００５１】
ここでは、ＥＣＵ１１の制御下において、イメージセンサ１２から出力する各オプティカルブラック用の画素の信号が変換回路１３へ送られ、各受光用の画素から出力するセンサ信号が温度補正回路１４へ送られる。変換回路１３ではオプティカルブラック用の画素の信号によりイメージセンサ１２の温度を検出して温度補正回路１４に与える。温度補正回路１４では、その温度検出信号に応じて各受光用の画素から出力するセンサ信号の温度補正のための演算処理を行って、その処理されたセンサ信号Ｖｏ′を出力するようになっている。
【００６６】
【効果】
以上、本発明によれば、撮影時の入射光量に応じて光電変換素子に流れる電流をトランジスタのサブスレッショルド領域の特性を利用した弱反転状態で対数特性をもって電圧信号に変換してセンサ信号を出力する光センサ回路を画素に用い、一部に受光部分をしゃ光したオプティカルブラック用の画素を設けたイメージセンサにあって、撮影に先がけてオプティカルブラック用の画素における光電変換素子の寄生容量に電荷を注入して、撮影時におけるしゃ光漏れによる光の影響を抑制することにより、常に安定した精度の良い基準信号を得ることができるという利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】イメージセンサにおける画素単位となる対数出力特性をもった光センサ回路の一般的な回路構成例を示す電気回路図である。
【図２】その光センサ回路において初期化手段をとったときの各部信号のチイムチャートである。
【図３】その光センサ回路における初期化手段をとったときの入射光の輝度に対するセンサ信号の出力特性を示す図である。
【図４】その光センサ回路から出力するセンサ信号の温度による変化状態の一例を示す特性図である。
【図５】ＣＭＯＳプロセスによって形成された受光用の画素とオプティカルブラック用の画素とが並設された部分的な構成を示す正断面図である。
【図６】入射光の輝度に対する受光画素の出力としゃ光漏れの影響を受けているオプティカルブラック用の画素の出力との特性をそれぞれ示す図である。
【図７】オプティカルブラック用の画素におけるしゃ光漏れの状態を示す正断面図である。
【図８】光センサ回路におけるセンサ信号の読出しのタイミングを変化させたときの入射光の輝度に対するセンサ信号の出力特性の変化状態の一例を示す図である。
【図９】光センサ回路における初期化、早めのセンサ信号の読出し、通常のセンサ信号の読出しの各タイミングチャートおよびその各タイミングに応じたフォトダイオードの寄生容量の充電状態の特性を示す図である。
【図１０】イメージセンサにおける受光用の画素およびオプティカルブラック用の画素の早めに出力させたときの信号と通常に出力させたときの信号の出力特性をそれぞれ示す図である。
【図１１】光センサ回路を画素単位に用いたイメージセンサの一構成例を示すブロック図である。
【図１２】図１１に示すイメージセンサにおける各部信号のタイムチャートである。
【図１３】イメージセンサにおけるオプティカルブラック用の画素の設置状態の一例を示す図である。
【図１４】図１３の画素構成における各画素の初期化および各画素信号の読出しのタイミングを示すタイムチャートである。
【図１５】イメージセンサにおけるオプティカルブラック用の画素の設置状態の他の例を示す図である。
【図１６】オプティカルブラック用の画素の出力信号の温度特性の一例を示す図である。
【図１７】イメージセンサにおける各オプティカルブラック用の画素の出力信号を用いて受光用の画素から出力するセンサ信号の温度補正をする場合の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 受光用画素
２ オプティカルブラック用の画素
３ しゃ光層
４ 透明層
１５ 転送ゲート
Ｌ マイクロレンズ
Ｑ１ 対数特性変換用トランジスタ
Ｑ２ 増幅用トランジスタ
Ｑ３ 出力用トランジスタ
ＰＤ フォトダイオード（光電変換素子）
Ｃ 寄生容量

Claims (3)

1. 撮影時の入射光量に応じて光電変換素子に流れる電流をトランジスタのサブスレッショルド領域の特性を利用した弱反転状態で対数特性をもって電圧信号に変換してセンサ信号を出力する光センサ回路を画素に用い、一部に受光部分をしゃ光したオプティカルブラック用の画素を設けたイメージセンサにおいて、撮影に先がけてオプティカルブラック用の画素における光電変換素子の寄生容量に電荷を注入して、撮影時におけるしゃ光漏れによる光の影響を抑制する手段を設けたことを特徴とするイメージセンサ。
2. 撮影に先がけて、各受光用画素における光電変換素子の寄生容量に電荷を注入して初期化を行わせるようにしたことを特徴とする請求項１の記載によるイメージセンサ。
3. 初期化後における入射光による光電変換素子の寄生容量の充電初期の段階で、受光用画素のセンサ信号の出力に先がけて、オプティカルブラック用の画素のセンサ信号を出力させるようにしたことを特徴とする請求項２の記載によるイメージセンサ。

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