JP2005513899A

JP2005513899A - 撮像装置およびこれを備えるカメラ

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Publication number: JP2005513899A
Application number: JP2003555551A
Authority: JP
Inventors: アルイシウス、ウェー．エム．コルトホート; ウィレム、フークストラ
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2002-12-03
Publication date: 2005-05-12
Also published as: AU2002351116A8; CN1606810A; EP1459356A2; WO2003054922A2; CN100409448C; KR20040069183A; US7277130B2; TW200410406A; TWI284417B; WO2003054922A3; US20050128326A1; AU2002351116A1

Abstract

この発明はロウおよびカラムに配置された画素を備える撮像装置に関する。各画素は、感光画素、フローティング伝播（diffusion）部、転送トランジスタ、その制御電極が前記フローティング伝播部に接続された増幅トランジスタ、および、リセットトランジスタを備えている。外部ノードは、ロウ選択バスを介して選択スイッチに結合されている。この選択スイッチは、第１の電圧源で生成された第１のバイアス電圧、または、第２の電圧源で生成された第２のバイアス電圧の何れかを、前記ロウ選択バスへと供給する。第１のバイアス電圧を供給し同時に前記リセットトランジスタをオンさせることは、前記増幅トランジスタをオンモードへとバイアスさせる第１のバイアス電圧へとフローティング伝播部をプログラムし、これにより、画素を選択している。同様に、第２のバイアス電圧を供給することが増幅トランジスタをオフモードへとバイアスさせて、これにより、画素を非選択状態としている。このような画素の選択および非選択は、それぞれの画素内の独立した選択トランジスタの必要性を回避して、これにより、画素の充填比を増加させている。このアプローチは、相関二重サンプリング法（ＣＤＳ―correlateddoublesampling―）を適用する撮像装置のためには特に有用である。

Description

本発明は、複数の画素を備え、少なくとも１つの画素が、光を電荷へと変換する感光素子と、前記電荷を電圧レベルへと変換する電荷−電圧変換ノードと、前記感光画素と前記電荷−電圧変換ノードとの間に接続された主要導電性チャネルを有する転送トランジスタと、前記電荷−電圧変換ノードとに接続された制御電極と前記画素の第１の外部ノードに接続された主要導電性チャネルを有すると共に前記画素の第２の外部ノードに結合された増幅トランジスタと、および、前記電荷−電圧変換ノードと前記第２の外部ノードとの間に接続された主要導電性チャネルを有するリセットトランジスタと、を備える撮像装置にに関する。

この発明はまた、撮像装置の画像部上に画像を合焦させるための光学手段を備えるカメラに関する。

このような撮像装置は、アクティブ画素センサ［ＡＰＳ―Active Pixel Sensor―］画像化器［imager］として一般に知られている。このような画像化器は、相補的金属酸化半導体（ＣＭＯＳ―Complementary Metal-Oxide Semiconductor―）の集積回路（ＩＣ―Integrated Circuit―）プロセスによる固体画像化器［solid state imagers］として通常実用化されている。通常の使用において、ＡＰＳ画像化器は例えば、ディジタル静止カメラ、ウェブカム［webcam］、ビデオカメラレコーダ（カムコーダ―camcorder―）、または、セルラーホンのような移動通信アプリケーションなどのカメラシステムの一部分であっても良い。

その基本的な形態において、ＡＰＳ画像化器は、画像部と読出し部とを備えている。画像部は、いわゆる画像要素［picture element］または画素［pixel―ピクセル―］のマトリックスを備え、これらの画素はロウ［row―列―］およびカラム［column―行―］に配列されている。従来の画素の一例が図１に示されている。このような画素はまた、「４Ｔ画素」として知られている。光学手段は、画像部上に画像を投射する。各画素は、一般的にはフォトダイオードまたはフォトゲートである感光素子の手段によって、入射光線を電気信号に変換するために配置されている。この感光画素は、光に露光されるたび毎に電荷を生成する。露光後この電荷は、例えば、フローティング［floating―浮遊電荷―］伝播部［diffusion―拡散部―］のような電荷−電圧変換ノードへ転送される。フローティング伝播部の電圧レベルは、その上に蓄積される電荷に比例している。この電荷は、ノイズ源により生成されたいわゆるゼロ光レベル電荷と、感光素子により集められた電荷との、合計である。ソースフォロワまたは増幅トランジスタを用いることにより、フローティング伝播部の電圧レベルは、画素の第１の外部ノードに結合されたソースフォロワトランジスタのソースへとコピーされる。ソースフォロワトランジスタのドレインは、バイアスを行なうために用いられる画素の第２の外部ノードへと接続されている。

画像化器の読出し部にサンプルおよびホールド（ＳＨ―Sample & Hold―）回路を用いることにより、画素の第１の外部ノードの電圧（画素信号）は、さらなる処理のためにサンプル［標本化］される。画素の性能を増加させるために、相関二重サンプリング法（ＣＤＳ―correlated double sampling―）が適用されても良い。ＣＤＳに適用したＡＰＳ画像化器においては、フローティング伝播部のゼロ光電圧レベルがまずサンプルされ、その後、感光素子により集められた光が転送されてしまった後に、フローティング伝播部の電圧レベルがサンプルされる。ゼロ光レベル電荷内で反射される、このノイズの影響は、第２のサンプル［標本］から第１のサンプルを差し引くことにより除去される。これは、感光素子からフローティング伝播部への電荷の転送を制御する画素内の転送トランジスタを必要とする。

さらに、ＡＰＳ画像化器は通常、画素の各カラムが同一のＳＨ［サンプルアンドホールド］回路を共有していることに基づいて、ロウごとに読み出されている。１つのカラムにおける異なる画素の画素信号の混合を防止するため、従来のＡＰＳ画像化器は、選択トランジスタを備え、その主要導電性チャネルはソースフォロワトランジスタのソースを前記画素の第１の外部ノードに結合させている。

最後に、フローティング伝播部の電圧レベルは、画素信号が再び読み出し可能となる前に、所定のレベルへとリセットされることが必要である。このために、画素は、通常はリセットトランジスタであるリセットゲートを備え、その主要導電性チャネルはフローティング伝播部および画素の第２の外部ノードに接続されている。

多数のトランジスタが必要とされている結果として、従来のＣＤＳ・ＡＰＳ画像化器における１つの画素の充填比［fill factor］は相対的に低くなる。このことは、画素の相対的に小さな面積が感光素子のために利用できることを意味している。残りの面積の大部分は、トランジスタ、および、これらのトランジスタを読出し部に接続するために必要となる配線部により占められている。さらに、１つの画素の最小面積は、１つの画素内の多数のトランジスタにより主に決定される。したがって、従来の画素は、画像部の所定の面積上に適合［fit］する多数の画素を制限して、これにより、ＣＤＳ・ＡＰＳ画像化器の実現可能な解像度を制限するという不利を有している。ヨーロッパ特許出願公開ＥＰ−Ａ１０１７１０７号は、感光素子としてのフォトゲートを備えるＣＤＳ・ＡＰＳ画像化器のための問題解決手法を開示している。このヨーロッパ特許出願公開ＥＰ−Ａ１０１７１０７号による画素は図２に示されている。この文献に開示された画素において、選択トランジスタは削除されている。画素のフローティング伝播部の代わりに、オフ状態におけるソースフォロワトランジスタがバイアスのために用いられており、これにより、画素を非選択とすることができると共に、これがソースフォロワとして機能するオン状態においては、画素を選択することができる。このため、リセットトランジスタのドレインは、フォトゲートの動作を制御する電圧源に結合されている。ソースフォロワトランジスタは、この電圧源を介して適切なバイアス電圧レベルを供給すると共にリセットトランジスタを同時にオンさせることにより、そのオフモードまたはそのオンモードの何れかにバイアスされる。しかしながら、フォトゲートの特定の動作が実現されるので、開示された解決方法はフォトゲートを実現するＣＤＳ・ＡＰＳについて適用可能であるのみである。

発明の概要

フォトダイオードが感光素子として用いられても良く、増加された充填比を有する画素を備える撮像装置を提供することが、とりわけこの発明の目的である。

このために、この発明は、冒頭の段落に定義された撮像装置において、オフモードおよびオンモードのそれぞれにおける前記増幅トランジスタをバイアスするために、前記第２の外部ノードが、少なくとも２つの異なる電圧レベルを前記電荷−電圧変換ノードに供給するためのバイアス手段に結合されていることを特徴とする撮像装置を提供する。

前記増幅トランジスタの制御電極にに供給される電圧は、該増幅トランジスタの動作のモードを決定する。増幅トランジスタの制御電極への第１の電圧レベルの適用は、増幅トランジスタの主要導電性チャネルを介して電流が流れないことを保証している。したがって、増幅トランジスタはオフモードにバイアスされる。このようにして、前記画素の電荷−電圧変換ノードへ前記第１の電圧レベルを供給することにより、画素が画素信号を生成しないことが保証される。増幅トランジスタの制御電極への第２の電圧レベルの供給は、この増幅トランジスタの主要導電性チャネルを介して電流が流れることを可能にすることを保証する。従って、この増幅トランジスタは、オンモードにバイアスされる、このようにして、前記画素の電荷−電圧変換ノードへの前記第２の電圧レベルの供給により、この画素が画素信号を生成することが保証される。要するに、前記画素は、前記電荷−電圧変換ノードへの前記第１および前記第２の電圧レベルのそれぞれの供給により、非選択および選択の何れかとされている。これは、選択トランジスタを設ける必要性を除去して、このようにして、フォトダイオードが感光素子として用いられても良い画素において、結果として画素に増加された充填比を持たせることができる。

この発明による撮像装置の実施形態は、前記画素がマトリックスを構成するロウ［列］およびカラム［行］に配列され、前記ロウ内の画素の第２の外部ノードがロウ選択バスに接続されていることを特徴としている。画素をロウ方向およびカラム方向に配置すると共にロウ方向の画素の第２の外部ノードを同一のロウ選択バスに接続することは、画素に対してロウ毎にこれを基準として選択および非選択することを可能にさせている。このようにして、画素の１つのロウが選択されても良く、これに対して残りのロウは非選択とされても良い。このことは、１つの画素のみが各カラム内で選択され、そのカラムの残りの画素は非選択とされることを保証している。１つのカラムにつき１つのＳＨ回路を提供することは、画素に対してロウ毎をその基準として読み出されることを可能にしており、その理由は各ＳＨ回路がその入力で単一の画素の画素信号を受信することを保証しているからである。

この発明による撮像装置の更なる実施形態は、前記バイアス手段が、第１のバイアス電圧を供給する第１の電圧源と、第２のバイアス電圧を供給する第２の電圧源と、および、前記第１の電圧源または前記第２の電圧源の何れかを前記ロウ選択バスに結合するための選択スイッチと、を備えていることを特徴としている。前記選択スイッチは、１つの電圧源のバイアス電圧のみが前記ロウ選択バスに供給されると共に、それ故に、前記ロウ選択バス接続された前記画素の電荷−電圧変換ノードへも供給されることを保証する。ＡＰＳ撮像装置が実施形態されるＩＣ技術において、このような選択スイッチを設計して実現することは相対的に容易である。さらに、第１および第２のバイアス電圧をそれぞれ供給する電圧源のために提供することは相対的に容易である。電圧源は、ＡＰＳ撮像装置それ自体の一部分であっても良いし、または、通常のやり方により選択スイッチに結合される外部電圧源であっても良い。第１のバイアス電圧は、もしもフローティング伝播部に設けられるならば、オフモードにおける増幅トランジスタをバイアスするようにして選択され、これに対して、第２のバイアス電圧は、もしもフローティング伝播部に設けられるのであるならば、オンモードにおける増幅トランジスタをバイアスするようにして選択される。

この発明によるカメラシステムは、この発明による撮像装置を備えている。このようなカメラシステムにおいて、画像が光学手段を介して撮像装置の画像部の上に投射される。このようなカメラシステムの長所は、撮像装置内の画素が増加させられた充填比を有しているので、より高い感光性をカメラシステムが有していることである。それ故に、従来のカメラシステムについて非常に貧弱であった照明の状況の下でもこのシステムを用いても良い。

発明の詳細な説明

この発明の構成は、添付図面を参照して実施形態の説明により明瞭かつ詳細になるであろう。添付の図面において対応する構成部分は対応する参照符号により表示される。

図１は、一般的な撮像装置の画素を示す説明図である。画素１０１はまた、「４Ｔ−画素」として公知である。これは、フォトダイオード１０２，転送トランジスタ１０３，フローティング伝播部１０４，ソースフォロワトランジスタ１０５，リセットトランジスタ１０６，および、選択トランジスタ１０７を備える。図示された実施形態において、全てのトランジスタは、ＭＯＳＦＥＴである。フォトダイオード１０２のアノードは、接地に接続される。フォトダイオード１０２のカソードは、転送トランジスタ１０３を介してフローティング伝播部１０４に接続される。転送トランジスタ１０３の動作は、転送ゲート１０８から供給される転送信号により制御される。ソースフォロワトランジスタ１０５のゲートは、フローティング伝播部１０４に接続される。ソースフォロワトランジスタ１０５のソースは、選択トランジスタ１０７のドレインに接続される。ソースフォロワトランジスタ１０５のドレインは、リセットトランジスタ１０６のドレインに、および、画素の第２の外部外部ノード１１２に接続される。リセットトランジスタ１０６のソースは、フローティング伝播部１０４に接続される。リセットトランジスタ１０６の動作は、リセットゲート１０９へ供給されるリセット信号により制御される。選択トランジスタ１０７のソースは、画素の第１の外部ノード１１１に接続される。選択トランジスタ１０７の動作は、選択ゲート１１０に供給される選択信号により制御される。画素の第２の外部ノード１１２は、図１に図示されないが、参照電圧Ｖ_ＨＩＧＨを供給するＤＣ電圧源に結合される。Ｖ_ＨＩＧＨは、正の供給電力よりも通常は低い。しかしながら、実用上の理由から電力供給電圧に等しいＶ_ＨＩＧＨを選択することも有利であろう。画素の第１の外部ノード１１１は、画像センサの読出し部内の、サンプルおよびホールド回路（ＳＨ回路）に接続される。

転送ゲート１０８に現れた電圧レベルに依存して、導電性チャネルは、フォトダイオード１０２のカソードとフローティング伝播部１０４との間に出現または消滅する。導電性チャネルの出現において、フォトダイオード１０２により集められた電荷は、フローティング伝播部１０４に転送される。

所定の積分時間の間にフォトダイオード１０２により電荷が集められる。この電荷は、フォトダイオード１０２へ到達する光のエネルギーにより生成される。積分時間の終了により、集められた電荷は、転送ゲート１０８に対してパルス信号を供給することにより、フォトダイオード１０２からフローティング伝播部１０４へ転送される。電荷がフローティング伝播部１０４へ転送される前に、フローティング伝播部１０４は、リセットゲート１０９へリセット信号を供給することにより、所定の状態に設定される。その後、選択トランジスタ１０７がゲート１１への選択信号の供給により、および、ソースフォロワトランジスタ１０５の導電チャネルを介して所定の電流を提供することによりオンされる。その結果、フローティング伝播部１０４の電圧レベルは、画像センサの読出し部内のＳＨ回路によりサンプルされる、画素の第１の外部ノード１１１へと（ＤＣシフトによって）コピーされる。この第１のサンプルは、フローティング伝播部の参照レベルを表している。その後、フォトダイオード１０２内に集められた電荷は、フローティング伝播部１０４に転送される。この電荷のダンプ［転送・廃棄］は、結果として、フォトダイオード１０２により集められた電荷の量に比例する、フローティング伝播部の電圧レベルにおける変化分となる。フローティング伝播部の電圧レベルは、読出し部のＳＨ回路によりサンプルされる、画素の第１の外部ノード１１１へと（ＤＣシフトによって）コピーされる。この第２のサンプルは、フローティング伝播部１０４の参照レベルと信号レベルとを合計したものである。この電荷がフォトダイオード１０２からフローティング伝播部１０４へと転送されてしまった後に、フォートダイオード１０２の次の蓄積時間が始まる。

第１のサンプルが第２のサンプルから引き算されたとき、フローティング伝播部１０４の信号レベルがまさに残存しており、それはフォトダイオードにより集められた電荷の電荷の量に比例している。これは、相関二重サンプリング法（ＣＤＳ―correlated double sampling―）の原理である。ＣＤＳは、リセットおよび１／ｆ雑音を抑制する長所を有している。これは結果として、画素のそしてそれ故に画像センサの雑音性能を最適なものとしている。

ＣＭＯＳ画像化器のような、固体画像化器の性能における重要な要素は、画素の充填比である。この充填比は、画素の全体の面積に対するフォトダイオードの感光面積の割合である。フォトダイオードの感光面積を大きくすればするほど、その中に蓄積されることが可能な電荷は多くなっている。画素内に蓄積される電荷量が多くなればなるほど、ダイナミックレンジ（処理可能な最小信号に対する最大信号の比）は高くなるであろう。上述したＣＭＯＳ画像化器の不利な点は、それらが相対的に低い充填比しか有していないことである。

図２は、ヨーロッパ特許出願公開ＥＰ−Ａ１０１７１０７号に開示された画素を示す図である。画素２０１は、フォトゲート２０２と、転送トランジスタ２０３と、フローティング伝播部２０４と、ソースフォロワトランジスタ２０６と、および、リセットトランジスタ２０５とを備える。フォトゲートは接地に接続されると共に、転送トランジスタ２０３を介してフローティング伝播部２０４へと接続される。フォトゲート２０２の動作は、制御端子２０７へ供給される信号により制御される。転送トランジスタ２０３の動作は、転送ゲート２０８へ供給される転送信号により制御される。ソースフォロワトランジスタ２０６のゲートは、フローティング伝播部２０４に接続される。ソースフォロワトランジスタ２０６のソースは、画素の第１の外部ノード２１０に接続される。ソースフォロワトランジスタ２０６のドレインは、画素の第２の外部ノード２１１に接続される。リセットトランジスタ２０５のソースは、制御端子２０７に接続される。リセットトランジスタ２０５の動作は、リセットゲート２０９へ供給されるリセット信号により制御される。この実施形態における全てのトランジスタはＭＯＳＦＥＴである。

画素２０１の基本的な動作は、図１に示された画素１０１の動作と同じである。所定の蓄積時間の間に、電荷はフォトゲート２０２に集められる。この電荷は、フォトゲート２０２に到達する光のエネルギーにより生成される。蓄積時間の終わりに、集められた電荷は、転送ゲート２０８にパルス信号を供給することにより、フォトゲート２０２からフローティング伝播部２０４へと転送される。これは結果としてフローティング伝播部２０４の電圧レベルの変化となる。図１に示された画素１０１のライン入力により、フローティング伝播部２０４の電圧レベルは、ソースフォロワトランジスタ２０６の手段により、画素２０１の第１の外部ノード２１０へとコピーされる。

この画素選択メカニズムは、図１に示された画素１０１のそれとは異なっている。図１においては選択トランジスタ１０７の手段により画素１０１が選択されたり非選択となったりしていたが、図２の画素２０１においてはこのような選択トランジスタは現れていない。その代わりに、ソースフォロワトランジスタ２０６は、画素を非選択とするために、フローティング伝播部２０４へ所与の電圧レベルを与えることによりオフモードへとバイアスされる。同様にソースフォロワトランジスタ２０６は、フローティング伝播部２０４へ別の電圧レベルを供給することによりオンモードへとバイアスされる。フローティング伝播部へ上述した電圧を供給することは、フォトゲート２０２の動作を制御するために用いられる制御端子２０７の手段により実現される。バイアス電圧は、制御端子へ適切な電圧を供給することにより、および、リセットトランジスタ２０５をオンさせることによりフローティング伝播部２０４へ供給される。

画素２０１は選択トランジスタを省略する画素１０１を超える長所を有し、したがって充填比を増加させている。画素２０１の明らかな不利は、感光素子としてのフォトゲートを必要としないことである。

図３は、本発明の撮像装置の画素を示す説明図である。画素３０１は、フォトダイオード３０２と、転送トランジスタ３０３と、フローティング伝播部３０４と、ソースフォロワトランジスタ３０５と、および、リセットトランジスタ３０６とを備える。フォトダイオード３０２のアノードは、接地に接続される。フォトダイオード３０２のカソードは、転送トランジスタ３０３を介してフローティング伝播部３０４に接続される。転送トランジスタ３０３動作は、転送ゲート３０７に供給される転送信号により制御される。ソースフォロワトランジスタ３０５のゲートは、フローティング伝播部３０４に接続される。ソースフォロワトランジスタ３０５のソースは、画素３０１の第１の外部ノード３０９に接続される。ソースフォロワトランジスタ３０５のドレインは、リセットトランジスタ３０６のドレイン、および、画素３０１の第２の外部ノード３１０に接続される。リセットトランジスタ３０６のソースは、フローティング伝播部３０４に接続される。リセットトランジスタ３０６の動作は、リセットゲート３０８へ供給されるリセット信号により制御される。この実施形態における全てのトランジスタは絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ―Insulated Gate Field Effect Transistor―）である。他のタイプのＩＧＦＥＴがまた適用されても良いとしても、ＭＯＳＦＥＴを適用することは有利であろう。

図１に示された画素１０１に関する相違点は、選択トランジスタが設けられていない構成を有する点である。実用上の画素において、撮像装置は、画素毎ではなくてロウ（列）毎を基本にして選択される。したがって、もしも画素のロウ（列）を読み出すために必要とされるアドレス指定と活性化が読出し部内の制御および選択手段に対して完全に転送されるならば、選択トランジスタを画素から除去することが許容される。同じ画素の全体の面積を保持することにより、この場合はフォトダイオードである感光素子のために有用である面積が増加することは明らかであろう。従って、画素３０１の充填比は画素１０１の充填比よりも高くなる。図４は、このことがどのようにして実現可能であるのかを示している。さらに、図４は、画素３０１の機能するところをより詳細に説明している。

図２に示される画素２０１は、フォトゲートを感光素子として利用するＡＰＳ画像化器のために増進された充填比の長所を提供する。構成要素の削減を通して、画素３０１は、感光素子としてフォトダイオードを用いるＡＰＳ画像化器のためのこの長所を実現する。画素２０１に対する画素３０１の追加的な長所は、フォトダイオード３０２がフォトゲートにより機能的に置き換えられても良いということである。従って、この設計は、フォトダイオードを用いるＡＰＳ画像化器、およびフォトゲートを用いる画像化器の両方に有利に適用可能である。

電荷−電圧変換を可能にするフローティングゲートまたは他の容量素子によりフローティング伝播部３０４を機能的に置き換えることは有利な点であっても良い。さらに、ピンで固定された表面を有するフォトダイオードが用いられるとき、表面漏れ電流は転送されるであろう。これは、暗電流における本質的な低減が得られることを可能にするという長所を有する。

他の設計の選択に依存して、図３に示されたＮ−ＭＯＳＦＥＴの代わりにＰ−ＭＯＳＦＥＴを用いる間に画素３０１を実現することは有利であろう。その場合、フォトダイオードまたはフォトゲートをバイアスすることは、それ相応に適合されるべきである。

図４は、この発明による撮像装置を示す概略概観図である。撮像装置４０１は、画像部４０２と、読出し部４０３とを備える。

画像部４０２は、ロウおよびカラムのマトリックス状に配置された複数の画素３０１を備える。画像部４０２はまた、複数の転送バスと、複数のリセットバスと、および、複数のロウリセットバスとを備える。画素３０１の各ロウは、それ自身の転送バス４０４と、リセットバス４０５と、選択バス４０６とを有する。同一のロウに配置された画素３０１の転送ゲート３０７は、同一の転送バス４０４に接続され；同一のロウに配置された画素３０１のリセットゲートは、同一のリセットバス４０５に接続され、および同一のロウに配置された画素３０１の第２の外部ノード３１０は、同一のロウ選択バス４０６に接続される。画像部４０２はまた、複数の読み出しバスを備える。画素３０１の各カラムは、それ自身の読み出しバス４０７を有する。同一のカラムに配置された画素３０１の第１の外部ノード３０９は、同一の読み出しバス４０７に接続される。このバスの配置は、まず１つのロウの画素を選択して残りのロウを非選択とすることにより、画素がロウ毎に基づいて読み出されることを可能にし、その後に各カラム毎に選択された画素の画素信号を読み出している。

読み出し部４０３は、ロウ毎に基づいて画素の動作を選択および制御するために配置された電子回路を備える制御および選択ブロック４０８を備える。さらに、読出し部４０３は、第１のＤＣ電圧Ｖ_ＨＩＧＨを供給するために配置された第１のＤＣ電圧源４０９と、第２のＤＣ電圧Ｖ_ＬＯＷを供給するために配置された第２のＤＣ電圧源４１０と、および、複数の選択スイッチとを備える。各選択スイッチ４１１は、１つのロウ選択バス４０６と、第１の電圧源４０９と、第２の電圧源４１０とに結合される。第１の動作モードにおいて、スイッチ４１１は、ロウ選択バス４０６を第１の電圧源４０９に電気的に結合させ、そして第２の動作モードにおいて、スイッチ４１１はロウ選択バス４０６を第２の電圧源４１０に電気的に結合させる。制御および選択ブロック４０８は、スイッチ４１１が第１のモードまたは第２のモードの何れで動作するのかを決定する。

読出し部はさらに、複数のサンプルおよびホールド回路４１２を備える。各サンプルおよびホールド回路は、読み出しバス４０７に接続される入力４１９と、および出力４１３とを備える。各サンプルおよびホールド回路はまた、第１のスイッチ４１４および第１の保持キャパシタ４１５と、第２のスイッチ４１６および第２の保持キャパシタ４１７と、および差動増幅器４１８とを備える。第１の保持キャパシタ４１５は、差動増幅器の第１の入力に接続されると共に、第１のスイッチ４１４を介して読み出しバス４０７に結合される。第２の保持キャパシタ４１７は、差動増幅器の第２の入力に接続されると共に、第２のスイッチ４１６を介して読み出しバス４０７に結合される。差動増幅器４１８の出力は、サンプルおよびホールド回路の出力４０３を形成する。

動作において、サンプルおよびホールド回路４１２は、画素３０１を読み出すために、相関二重サンプリングを行なっている。第１のスイッチ４１４および第１の保持キャパシタ４１５を用いて、読み出される画素３０１のフローティング伝播部３０４の参照レベルを表す第１のサンプルが記憶される。第２のスイッチ４１６および第２の保持キャパシタ４１７を用いて、読み出される画素３０１のフローティング伝播部の参照レベルおよび信号レベルの合計を表す第２のサンプルが記憶される。差動増幅器４１８は、第２のサンプルから第１のサンプルを引き算する。結果として生じる差は増幅されて、サンプルおよびホールド回路４１２の出力４１３に画素出力信号として現れる。

画素は、フローティング伝播部３０４の電圧レベルをプログラムまたはセットすることにより、選択および非選択される。ソースフォロワトランジスタ３０５は、画素３０１のフローティング伝播部３０４の電圧レベルをＶ_ＬＯＷにプログラムすることにより、効果的にオフとされ、これによりその画素を非選択とする。ソースフォロワトランジスタ３０５はフローティング伝播部３０４の電圧レベルをＶ_ＨＩＧＨにプログラムすることにより、効果的にオンとされる。Ｖ_ＬＯＷおよびＶ_ＨＩＧＨは、ソースフォロワトランジスタ３０５の結果として生じるゲート−ソース電圧は、フローティング伝播部３０４がＶ_ＬＯＷにプログラムされた場合にはしきい値よりもはっきりと低く、フローティング伝播部３０４がＶ_ＨＩＧＨにプログラムされた場合にはしきい値よりもはっきりと高くなるように、選択されなくてはならない。図３および図４に示されるようにＮ−ＭＯＳＦＥＴの代わりにＰ−ＭＯＳＦＥＴが用いられる場合、値Ｖ_ＬＯＷおよびＶ_ＨＩＧＨはそれに応じて調整されなくてはならない。

動作において、撮像装置４０１における画素３０１は以下のステップを含むようにして読み出されても良い：
−スイッチ４１１を用いて、全てのロウ選択バス４０６を電圧源４１０に結合させて、これにより全てのロウ選択バスにＶ_ＬＯＷを供給する；
−リセット信号を全てのリセットバス４０５に供給して、これにより全ての画素３０１のフローティング伝播部３０４をＶ_ＬＯＷにプログラムして、その後、全ての画素のソースフォロワトランジスタ３０５をオフにさせる；
−スイッチ４１１を用いて、読み出されるべき画素３０１のロウのロウ選択バス４０６を電圧源４０９に結合させて、これにより読み出されるべき画素のロウにおけるロウ選択バス４０６にＶ_ＨＩＧＨを供給する；
−読み出されるべき画素３０１のロウのリセットバス４０６にリセット信号を供給し、これによりこれらの画素のフローティング伝播部３０４をＶ_ＨＩＧＨにプログラムして、その後読み出されるべき画素のソースフォロワトランジスタ３０５を効果的にオンさせる；
読み出されるべき画素３０１のフローティング伝播部３０４の参照レベルをサンプリングする；
−フォトダイオード３０２内に蓄積された電荷を読み出されるべき画素３０１のフローティング伝播部３０４に転送する；
−読み出されるべき画素３０１のフローティング伝播部３０４の信号プラス参照レベルをサンプリングする。

上述した説明は、撮像装置４０１の画素３０１がどのようにして読み出されることが可能であるかの一例である。これが１つの方法であり、同一の結果を提供する他の方法が可能であることは、この技術分野の通常の知識を有する技術者にとって明らかであろう。

図５は、この発明によるカメラシステムの概略的な概観図である。このカメラシステム５０１は、撮像装置５０２の画像部５０５上に画像を合焦させるための光学手段（図示せず）と、ディジタル信号プロセッサ５０３と、および、コントローラ５０４とを備える。この撮像装置５０２は、画像部５０５上に投射された画像を、電気的出力信号へと変換して、この信号はディジタル化され、適当なフォーマットに変換され、デジタル信号プロセッサ５０３へと転送される。このディジタル信号プロセッサ５０３は、多数の処理ステップを実行し、転送されたり、例えばビデオカセットやハードディスクのような適切な手段状に記憶させたりする前に、例えば、色補正、画像フォーマット適合、画像符号化等を含んでいる。これは、図５には示されていない。コントローラ５０４は、カメラシステム５０１内で異なるタスクを調和させて動作する。

撮像装置５０２は、図４に示された撮像装置４０１である。これは、通信バス回路５０６と、画像部５０５や読出し部５０８のような他の電気的な回路構成５０７とを備える。ディジタル信号プロセッサ５０３は、通信バス回路５０９と、実際の信号処理を実行するＤＳＰコア５１０とを備える。コントローラ５０４は、通信バス回路５１１と、実際の制御タスクを実行する他の電子的な回路構成を備える。通信バス回路５０６，５０９および５１１は、同一の通信バスの一部分である。通信バスは、撮像装置５０２、ディジタル信号プロセッサ５０３、およびコントローラ５０４の間の通信を円滑に行なわせる。

この発明による撮像装置を備えるカメラシステムの代わりの実施形態もまた可能であることは明らかであろう。このようなカメラシステムの基本的な実施形態は、画像を撮像装置５０２の画像部５０５上に投射する光学手段をまさに備え、これに対して、画素出力信号はカメラシステムの出力信号である。この発明に係る撮像装置を備えるカメラシステムのさらの代わりの実施形態においては、撮像装置５０２およびディジタル信号プロセッサ５０３は、単一の集積回路に集積化される。この発明に係る撮像装置を備えるカメラシステムの更なる実施形態において、コントローラ５０４と、バスインターフェース５０６，５０９および５１１を備えるバスシステムが省略されている。

さらに、上述した画像は人間の肉眼により視覚可能な範囲内の波長の電磁的な放射により構成されていることは明らかであろう。この画像は、例えば赤外線映像であることも可能であろう。

要するに、この発明はロウおよびカラム方向に配置された画素を有する撮像装置４０１に関する。各画素３０１は、感光素子３０２と、フローティング伝播部３０４と、転送トランジスタ３０３と、前記フローティング伝播部３０４に接続された制御電極を有する増幅トランジスタ３０５と、および、リセットトランジスタ３０６とを備える。外部ノード３１０は、ロウ選択バス４０６を介して選択スイッチに結合される。選択スイッチ４１１は第１の電圧源４０９により生成された第１のバイアス電圧、または第２の電圧源４１０により生成された第２のバイアス電圧の何れかを、ロウ選択バス４０６に供給する。第１のバイアス電圧を供給することおよび同時にリセットトランジスタ３０６をオンさせることは、オンモードで増幅トランジスタ３０５をバイアスさせる第１のバイアス電圧へとフローティング伝播部３０４をプログラムして、これにより画素３０１を選択する。同様にして、第２のバイアス電圧を供給することは、オフモードで増幅トランジスタ３０５をバイアスさせて、これにより画素３０１を非選択とする。画素への選択および非選択についてのこの方法は、各画素内の別個の選択トランジスタについての必要性を避けて、これにより、画素の充填比を増加させる。このアプローチは、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）を提供する撮像装置にとっては特に役にたつ。

上述した説明は、具体例となるべきことを目指すもので限定的でないことは理解されるべきである。多くの実施形態は、上述した説明を読み返すことによりこの技術分野における通常の知識を有する技術者に取って明らかとなるであろう。それ故に、この発明の範囲は、上述した説明に対してそれほど参考とはならないものとして決定されるべきではあるが、この明細書に添付された請求項を参考にしてこれらの請求項が権利を与えられるのと等価な完全な範囲に沿って、決定されるべきことを志向すべきである。

例えば、設計的な選択に基づいて、ロウ毎に基づいて行なう代わりに画素毎に基づいて画素を読み出すことも有利であろう。これは、画素３０１の第２の外部ノードを第１および第２のＤＣ電圧源に結合するためにロウ選択バス４０６以外の選択手段により円滑に行なわれる。

例えば、画素３０１の変形は、アンチブルーミング手段を含み、この手段は感光素子３０２と、画素信号に影響を与えることなく除去されるべき感光素子内で生成される過剰な電荷を許容する更なるＤＣ電圧源と、の間に結合された主要導電チャネルと、感光素子内に蓄積されることが可能な最大電荷を制御する所定の電圧レベルを供給するその他の更なるＤＣ電圧源に結合される制御電極と、を有する追加のトランジスタにより構成されている。

一般的な撮像装置の一例の画素を示す説明図である。一般的な撮像装置の更なる一例の画素を示す説明図である。この発明の実施形態による撮像装置の画素を示す説明図である。この発明の実施形態による撮像装置の概略回路説明図である。この発明の実施形態によるカメラシステムの概略ブロック説明図である。

符号の説明

３０１画素
３０２感光素子
３０３転送トランジスタ
３０４電荷−電圧変換ノード
３０５増幅トランジスタ
３０６リセットトランジスタ
３０９第１の外部ノード
３１０第２の外部ノード
４０１撮像装置
４０６，４０９，４１０，４１１バイアス手段

Claims

複数の画素を備え、少なくとも１つの画素が、光を電荷へと変換する感光素子と、前記電荷を電圧レベルへと変換する電荷−電圧変換ノードと、前記感光画素と前記電荷−電圧変換ノードとの間に接続された主要導電性チャネルを有する転送トランジスタと、前記電荷−電圧変換ノードとに接続された制御電極と前記画素の第１の外部ノードに接続された主要導電性チャネルを有すると共に前記画素の第２の外部ノードに結合された増幅トランジスタと、および、前記電荷−電圧変換ノードと前記第２の外部ノードとの間に接続された主要導電性チャネルを有するリセットトランジスタと、を備える撮像装置において、
前記第２の外部ノードは、前記増幅トランジスタをそれぞれオフモードおよびオンモードにバイアスさせるために、少なくとも２つの異なる電圧レベルを前記電荷−電圧変換ノードに供給するバイアス手段に結合されていることを特徴とする撮像装置。
前記画素はマトリックスを構成するロウ（列）とカラム（行）とに配置されると共に、複数の画素における前記第２の外部ノードはロウ方向であってロウ選択バスに接続されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記バイアス手段は、第１のバイアス電圧を供給する第１の電圧源と、第２のバイアス電圧源を供給する第２の電圧源と、および、前記第１の電圧源または前記第２の電圧源のいずれかを前記ロウ選択バスへと結合させるための選択スイッチと、を備えることを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
前記感光素子はフォトダイオードを含むことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記感光素子はフォトゲートを含むことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記増幅トランジスタは、絶縁ゲート電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記リセットトランジスタは、絶縁ゲート電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記転送トランジスタは、絶縁ゲート電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
画像を撮像装置の画像部上に合焦させるための光学手段を備えるカメラにおいて、前記撮像装置は、請求項１乃至請求項８の何れかに記載された撮像装置であることを特徴とするカメラ。