JP2006261770A

JP2006261770A - 固体撮像装置の駆動方法

Info

Publication number: JP2006261770A
Application number: JP2005073012A
Authority: JP
Inventors: Sakaki Horii; 賢樹堀居; Atsushi Hamazaki; 淳浜崎
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-03-15
Filing date: 2005-03-15
Publication date: 2006-09-28

Abstract

【課題】実用に供せられている固体撮像装置はダイナミックレンジが３桁かせいぜい４桁しかなく、１０桁程度の輝度差を含むことが通常の自然界の撮像を行うには不十分で、標準的照度の画像情報を取得する場合、高輝度被写体の情報は取得ができないという大きな課題がある。視覚に近い広いダイナミックレンジを持つ固体撮像装置の実用化を課題とする。
【解決手段】低輝度被写体に対しては線形特性を持ち、高輝度被写体に対しては対数関数特性を持ち、被写体輝度で自動切り替え可能な固体撮像装置を駆動方法の発明により実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は固体撮像装置の画質向上に関するものであり、特に固体撮像装置のダイナミックレンジを飛躍的に拡大させる技術に関する。

固体撮像装置としてＣＣＤ固体撮像装置やＣＭＯＳ固体撮像装置（ＭＯＳ型を含む）がデジタルカメラ、ビデオカメラ、携帯電話等に広く用いられ大きな市場を形成している。固体撮像装置ではＣＣＤ型もＣＭＯＳ型も、光電変換素子としてフォトダイオードを使用し所定の時間、光電変換し、信号電荷として読み出す。ＣＭＯＳ固体撮像装置では、フォトダイオードの電荷は検知回路で信号として読み出した後、フォトダイオードを信号電荷を蓄積する前の電圧にリセットし、次の信号蓄積を行う機能制御回路を有している。この機能制御回路部の駆動電圧はフォトダイオードの蓄積電荷を掃き出し、次の電荷を蓄積できるようにする制御パルス電圧（リセットパルス電圧）と、フォトダイオードをフローティングな状態に保つための基底電圧の間で駆動される。この方法では扱える電荷量はフォトダイオードの蓄積容量で決まるため、信号として取り出せる被写体輝度範囲は３桁かせいぜい４桁となっている。信号として取り扱える被写体輝度範囲特性をダイナミックレンジと呼び、撮像画像の画質に大きな影響を与え、向上が求められている。

ダイナミックレンジを改善するため、従来技術では光電変換素子の信号を対数変換して取り出す構成（例えば、非特許文献１参照）や、固体撮像装置に入射する輝度信号を帰線期間にセンサーで検知し、光電変換素子に並置して設けられた容量に電荷を蓄積し、扱える電荷量を増やす構成や（例えば、非特許文献２参照）や低輝度受光域と高輝度受光域を設ける構成（特許文献１参照）等が提案されている。

萩原義雄他：「対数変換形ＣＭＯＳエリア固体撮像素子」，映像メディア学会誌，ＶＯＬ．５４，、ＮＯ．２，ｐｐ２２４−２２８（２０００）大井隆太朗他：「容量選択型可変感度イメージセンサによる広ダイナミックレンジ撮像の基礎検討」，映像メディア学会誌，ＶＯＬ．５９，、ＮＯ．１，ｐｐ１３０−１３５（２００５）特開２００４−３６３１９３

図２は２次元ＣＭＯＳ固体撮像装置の基本構成を示す。光電変換素子としてフォトダイオード１を用い、フォトダイオード１はフォトダイオードの電位を制御する機能制御回路２と、フォトダイオードの電位を検知する検知回路３とに結合されている。所定の時間光入射によりフォトダイオードで光電変換された信号電荷は所定の行信号線に、行走査回路４からの読み出しパルスφTY が印加され、トランジスタMYをオンし、列信号線７に読み出される。列信号線の信号は、列信号を選択する列走査回路５からの読み出しパルスφTXでトランジスタMXをオンし、出力される。通常、画素ばらつきによる固定雑音を抑制するためにノイズ抑制回路６が設けられ、ノイズ抑制した信号が出力される。フォトダイオード１から信号電荷が読み出されると、そのフォトダイオードは機能制御回路２にリセットパルス電圧φresetが印加され、蓄積していた電荷はドレイン電圧線８に掃き出され、次の光電変換による信号蓄積を開始する。

図３（ａ）は図２の単位画素（図２の点線円部分９）の基本構成を表した図で、広く用いられている蓄積方式の画素回路構成である。１はフォトダイオード（ＰＤ）で、フォトダイオードへの印加電圧を制御する機能制御回路部としてリセットトランジスタＭ１が設けられ、ドレイン電圧線８からフォトダイオード１へドレイン電圧ＶDD が印加できるようになっている。フォトダイオード１はトランジスタＭ２のゲートにつながっており、フォトダイオード１の電位ＶPD １０がトランジスタＭ２で検知され、読み出しトランジスタＭＹに加えられる読み出しパルスφＴＹにより信号Ｉsigとして出力される。

図３（ｂ）は印加される駆動パルスとフォトダイオードの電位の変化を示す図である。リセットトランジスタＭ１に時間ｔ1でリセットパルスφresetの電圧Ｖresetを印加し、フォトダイオード１に電荷を蓄積できる状態にし、時間ｔ2でリセットパルスを０Ｖにすると、リセットトランジスタＭ１はオフとなり、フォトダイオード１は外部と結合しない状態（フローティング状態）になり、オフになった時間ｔ2からフォトダイオードの光入射に応じた電荷を蓄積する。所定の時間電荷を蓄積した後、時間ｔ3で読み出しトランジスタＭ２に読み出しパルスφＴＹの電圧Ｖreadを印加して、（ｔ4ーｔ3）の時間で信号として読み出すことになる。ＶPDはフォトダイオードの電位の変化を示す図で、低照度で入射光強度が小さくフォトダイオードが飽和しない場合は１７に示すような変化をし、全蓄積時間に渡り蓄積電荷量が入射光に比例する関係にあり、良好な信号が得られる。しかし入射光が強く、フォトダイオードが飽和すると１８に示すように信号電荷がフォトダイオードの電荷蓄積容量に達し、それ以上の蓄積ができなくなる。

述べてきたように、蓄積方式は信号量の低いところで良好な画像を再現できるが、フォトダイオードが扱える電荷量は蓄積容量で決まり蓄積電荷量の拡大は難しく、この方式で扱える輝度信号（ダイナミックレンジ）は３桁かせいぜい４桁で、１０桁から１１桁のダイナミックレンジを持つ人間の視覚に比べると大幅に小さい。自動車走行用の車載カメラや、監視用カメラ等高輝度の被写体を含む多彩な用途にはさらに数桁の改善が求められている。

蓄積方式を改善させた方法として、光電変換素子に並置して電荷蓄積用の容量を並置し強い輝度信号が入射した場合、並置した容量に電荷を蓄積する方式があるがダイナミックレンジの拡大はせいぜい数倍で大幅な改善は望めない（非特許文献２、特許文献１）。

別の方法として、光電変換素子への印加電圧を制御する機能制御回路部としてサブスレッショルド領域で動作させるトランジスタを設けることで、信号電流を対数変換させ、高輝度の信号量を扱えるようにする対数関数方式が提案されている（非特許文献１）。

図４（ａ）は対数関数方式の画素回路構成で、フォトダイオード１に機能制御回路としてサブスレッショルド領域で駆動させるトランジスタＭ３が設けられ、フォトダイオードの電位ＶPDはトランジスタＭ２のゲートに入力され、読み取りトランジスタＭＹを通って出力される。

図４（ｂ）はこの構成に対する駆動パルスとフォトダイオードの電位変化と信号出力の例である。入射光が弱い場合１９のような電位で、強い入射光では２０のように変化し、この間の変化は対数関数で変化し、入射光量が強くなってもトランジスタＭ３はサブスレッショルド領域で動作するため飽和することはない。このように、この方式ではフォトダイオードの電位は入射光量に応じて対数関数変化を示し、読み出しトランジスタＭＹに印加される読み出しパルスφＴＹの電圧Ｖreadが印加される時間（ｔ2−ｔ1）に読み出される。ある入射光に対する信号例を２１として示している。この方式では、高輝度の信号量においても飽和することなく広い範囲の入射光量に対応できる。しかし、入射光量の小さい信号量の少ない低輝度領域では入射光に対する信号量の線形関係が悪く、デジタルカメラやビデオカメラのような自動絞り機能で設定される標準状態の画像は再現性良く得られないという欠点があり、特殊用途を除いて実用化されていない。

このようにダイナミックレンジを改善するため対数変換機能回路を付加して、高輝度な信号を扱えるようにした対数変換方式の固体撮像装置では、高輝度な被写体には優れているが、低輝度でコントラストの小さい被写体信号を犠牲にすることとなり、必要な被写体領域で再現性良い画質が得られないという問題を抱え、実用化されていない現状にある。

発明が解決しようとする課題に述べたように、蓄積方式は自動絞り機能で設定される標準領域領域での線形関係は優れているものの、電荷蓄積容量で取扱電荷量に限界があり、高輝度な信号までは扱えないという欠点がある。一方、対数変換方式は高輝度な領域まで信号が扱えるものの、低輝度な信号を犠牲にし、再現性ある良好な画質が得られないという欠点がある。

本発明は光電変換素子部への印加電圧を制御する機能制御回路部への駆動電圧を、低輝度被写体の領域では蓄積方式で駆動させ、高輝度被写体の領域では対数変換方式で駆動させる自動切り替え機能を持たせることで、低照度から高輝度の被写体まで扱えるダイナミックレンジの広い固体撮像装置を実現させる事にある。

本発明は機能制御回路部にフォトダイオードの電荷をリセットする電圧を印加し、電荷を掃き出した後、リセット電位をゼロ電圧にしないで、中間の電位に保持する駆動をさせる。リセット電圧と中間電位の間では、フォトダイオードをフローティングな状態に保ち、中間電位を越えた領域では対数関数として作動でき、蓄積方式と対数関数方式を特別の回路を設けることなく切り替えることが可能な動作を提供することである。リセット電圧が印加された後、中間電位に保たれると、フォトダイオードはリセット電位と中間電位の間でフローティングな状態になり、フォトダイオードに電荷が蓄積されるが、中間電位に達すると機能制御回路部はサブスレッショルド領域で動作し、対数関数として機能する。

このように本発明は、電荷量が少ない領域ではフォトダイオードがフローティングな電位にあり電荷が蓄積方式で蓄積され、電荷量が蓄積容量を越えると自動的に対数機能で動作させる駆動ができ、蓄積方式と対数関数方式の利点を生かした固体撮像装置が実現する。

本発明は次のような効果を奏する。
従来の固体撮像装置のダイナミックレンジの１万倍の改善効果があり、従来の固体撮像装置が扱う被写体の８０％の領域で入射光ー信号量特性が線形関係を維持し、残り２０％では１０％以内の線形関係を持ち、さらにそれから４桁以上の輝度を持つ入射光量域で信号飽和のない広いダイナミックレンジを持つ固体撮像装置が実現できる。

発明を実施するための最良の形態として、光電変換素子部をフォトダイオード、機能制御回路部を外部制御ゲートを持つトランジスタＭ１とし、フォトダイオードの電位を検知するトランジスタＭ２を単位画素構成に含んで構成されるＣＭＯＳ固体撮像装置に対して、信号電荷蓄積時間に対応して、トランジスタＭ１の外部制御ゲートにＶDDの制御パルス電位を印加した後、ＶDD電圧より低い駆動バイアス電圧ＶMを印加することである。

図１（ａ）に光電変換素子部をフォトダイオード１、機能制御回路部を外部制御ゲートを持つトランジスタＭ１と、フォトダイオードの電位を検知するトランジスタＭ２を単位画素構成とする構成図を示す。図１（ｂ）には図１（ａ）の構成のＣＭＯＳ固体撮像装置に本発明を実施する最良の形態例を示す。

図１（ｂ）はトランジスタＭ１の外部制御ゲートへの印加パルスφreset、読み出しトランジスタＭＹに印加されるパルスφＴＹ、フォトダイオードの電位ＶPDが示してある。図１（ｂ）の時間ｔ１において、トランジスタＭ１はリセットパルスφresetの電圧Ｖreset１１が印加され、オン状態になり、フォトダイオード１は蓄積電荷がドレイン電圧線７に掃き出され、ＶDDの電位に設定される。時間ｔ２で、トランジスタＭ１は中間電圧ＶM１２の電圧に保持され、（ＶDD−ＶM）の電圧範囲でトランジスタＭ１はオフ状態になる。このとき、フォトダイオード１はフローティングな状態となり、フォトダイオード１には光入射による電荷が蓄積されていく。フォトダイオードの電位が上昇し、中間電位ＶMに達すると、トランジスタＭ１は導通状態となりサブスレッショルド領域で動作し、対数関数の電流がトランジスタＭ１を流れる。所定の信号蓄積時間の後、時間ｔ３で読み出しトランジスタＭＹに読み出しパルスφＴＹの電圧Ｖreadを加えると信号が読み出される。この後再び、トランジスタＭ１にはリセットパルスφresetのリセット電圧値Ｖresetが外部制御ゲートに印加された後、中間電圧値ＶMで保持する動作が行われる。

図１（ｃ）はトランジスタＭ１の外部制御ゲートへの印加パルスφresetを、フォトダイオードの電位ＶPDをトランジスタＭ２で検知する前に基底電圧ＶLに戻して後、読み出しトランジスタＭＹにパルスφＴＹの電圧Ｖreadを印加して動作する形態例である。図１（ｃ）の時間ｔ１において、トランジスタＭ１はリセットパルスφresetの電圧Ｖreset１１が印加され、オン状態になり、フォトダイオードは蓄積された電荷が掃き出され、ＶDDの電位に設定される。時間ｔ２で、トランジスタＭ１は中間電圧ＶM １２の電圧が印加した状態に保たれ、（ＶDD−ＶM）の電圧範囲でトランジスタＭ１はオフ状態になり、フォトダイオード１は再びフローティングな状態となり、フォトダイオードに光入射による電荷が蓄積されていく。フォトダイオード１の電位ＶPD １０が上昇し、電圧ＶMに達すると、トランジスタＭ１はサブスレッショルド領域で動作し、対数関数の電流がトランジスタＭ１を流れる。所定の信号蓄積時間の後、時間ｔ５でトランジスタＭ１は基底電圧ＶL１３にする。この状態でフォトダイオード１は再びフローティングな状態となり、時間ｔ３で読み出しトランジスタＭＹに読み出しパルスφＴＹの電圧Ｖreadを加え、フォトダイオードの信号電荷が読み出される。この後、次の周期に入り、トランジスタＭ１にはリセットパルスφresetのリセット電圧値Ｖresetが外部制御ゲートに印加される。この駆動方法はＣＭＯＳ固体撮像装置だけでなく、ＣＣＤ固体撮像装置のように電荷を転送していく方式にも適用できる。

１．２μｍルールのＣＭＯＳプロセスで、画素寸法７μｍ×７μｍに本発明を実施できる画素回路構成をもった２００×２００画素数の固体撮像装置を試作し、本発明の効果を評価した。

図５は測定結果で、図５（ａ）は横軸は照度で対数軸表示をした結果で、図５（ｂ）は低照度部分で横軸を線形軸にとって表示している。図５（ａ）で曲線２２は電圧Vresetを３．３Vとし、中間電圧VMを２．２Vとして動作させたときの試作固体撮像装置の信号電流の照度依存性を測定した結果である。照度が約５×１０^３までは照度と信号電流は比例する特性を示し、１０^３〜１０^４では比例関係から１０％程度はずれた特性を示し、１０^４から上の強い照度に対しては対数関数の特性を示していることが分かる。ダイナミックレンジとしては１０^８以上の飛躍的な向上を示していることが分かる。図５にはＶM＝１．８ＶとＶM ＝０Vの結果も示している。ＶM＝１．８Ｖの場合も同じような依存性を示している。ＶM ＝０Vの場合は従来の動作で、約３００ｌｕｘで飽和して、それ以上の照度では照度依存性は全く無くなっている。

図５（ｂ）は図５（ａ）の低照度部分の測定結果で、照度を表す横軸は線形にとってある。低照度では照度に比例していることが確認できる。線形関係領域から対数関数領域に移る照度は中間電圧ＶMの値に依存しており、ＶMの値が大きくなると線形関係の領域は狭くなり、対数関数領域が広くなることが分かる。VM＝２．２Vの場合で約２４０ｌｕｘで対数関数領域２３に入る結果を示している。

デジタルカメラ、ビデオカメラ、携帯電話、自動車走行用の車載カメラや、監視用カメラ等多彩な用途分野の画像入力装置に利用できる。

実施例に示す試作結果から中間電圧ＶMを固体撮像装置の用途に合わせて選択することで、画像入力装置に広範な応用が期待できる。

ＣＭＯＳ固体撮像装置に関する本発明の駆動方法を示す概略図である。ＣＭＯＳ固体撮像装置の構成概略図である。本発明が解決しようとする蓄積方式ＣＭＯＳ固体撮像装置の課題を説明する図である。本発明が解決しようとする対数関数方式ＣＭＯＳ固体撮像装置の課題を説明する図である。本発明の実施例の特性を示す図である。

符号の説明

１光電変換素子部、フォトダイオード
２機能制御回路
３検知回路部
７列信号線
８ドレイン電圧線
９説明のための単位画素指定部
１０フォトダイオード電位
１１リセット印加パルスのフォトダイオード電荷掃き出し電圧
１２リセット印加パルスの中間電圧
１３リセット印加パルスの基底電圧
１４低輝度入射光におけるフォトダイオード電位変化概略曲線
１５高輝度入射光におけるフォトダイオード電位変化概略曲線
１６蓄積方式と対数関数方式の信号切り替わりレベル
１７蓄積方式の非飽和入射光におけるフォトダイオード電位変化概略曲線
１８蓄積方式の飽和入射光におけるフォトダイオード電位変化概略曲線
１９対数関数方式の低輝度入射光におけるフォトダイオード電位線
２０対数関数方式の高輝度入射光におけるフォトダイオード電位線
２１対数関数方式の信号出力レベルの例示
２２ＶＭ＝２．２Ｖに対する信号電流の照度依存性の測定結果
２３ＶＭ＝２．２Ｖにおける対数関数領域

Claims

光電変換素子部と前記光電変換素子部への印加電圧を制御する機能制御回路部を有してなる固体撮像装置において、前記機能制御回路部の駆動電圧が制御パルス電圧と駆動バイアス電圧からなり、前記駆動バイアス電圧が前記制御パルス電圧の最高値と基底電圧の間の中間電圧値で設定されることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法
請求項１の固体撮像装置の駆動方法で、機能制御回路部の駆動電圧が信号読み出し期間においては基底電圧に設定されることを特徴をする固体撮像装置の駆動方法