JP2023545223A - Multi-resolution imager for night vision - Google Patents

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ピーター, アラン レヴィン,
ジョン, ロバートソン タワー,
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    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14601Structural or functional details thereof
    • H01L27/14641Electronic components shared by two or more pixel-elements, e.g. one amplifier shared by two pixel elements
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • 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

画像を捕捉するためのイメージセンサを構成するピクセルのセットを有するイメージセンサ。ピクセルのセットの中の2以上のピクセルが各々、個々のピクセルを形成するために構成可能な複数のフォトダイオードを含むアーキテクチャを有する。制御システムは、複数のフォトダイオードと協働して個々のピクセルを形成することができる。複数のフォトダイオードの各々は、そのフォトダイオードに電気的に結合された転送ゲートを有することができる。共通領域は、少なくとも積分時間の間またはその後に、電荷を保持または転送することができる。共通領域およびセンスノードに電気的に結合された読み出しゲートは、共通領域からの電荷を、読み出しゲートを通じてセンスノードに供給することができる。An image sensor having a set of pixels that make up the image sensor for capturing images. Two or more pixels in the set of pixels each have an architecture that includes a plurality of photodiodes that are configurable to form an individual pixel. The control system can cooperate with multiple photodiodes to form individual pixels. Each of the plurality of photodiodes can have a transfer gate electrically coupled to the photodiode. The common region can hold or transfer charge at least during or after the integration time. A read gate electrically coupled to the common region and the sense node can supply charge from the common region to the sense node through the read gate.

Description

参照による組み込み
本願は、2019年4月4日に出願された「Multiple Window, Multiple Mode Image Sensor」という名称の特許出願第16/375,059号の米国特許法120条下における利益およびその一部継続出願としての優先権を主張し、同出願は、2018年10月30日に出願された「Extended dynamic range imaging sensor and operating mode of the same」という名称の米国出願第16/175,662号の米国特許法120条下における利益およびその一部継続出願としての優先権を主張しており、同出願は、2016年8月16日に出願された「Extended dynamic range imaging sensor and operating mode of the same」という名称の米国特許出願第15/238,063号の継続出願としての利益を主張しており、同出願は、2015年8月18日に出願された「Extended dynamic range (XDR) CMOS pixel and operating mode」という名称の米国仮特許出願第62/206,417号の米国特許法119条下における利益を主張していた。本明細書において言及されるこれらの出願はすべて、各個々の文献が参照により組み込まれるものと具体的に個々に示されたのと同程度に、参照によってそれらの全体が本明細書に組み込まれる。
INCORPORATION BY REFERENCE This application incorporates the benefit under 35 U.S.C. 120 of patent application Ser. Claiming priority as a continuation application, the application is based on U.S. Application No. 16/175,662 entitled "Extended dynamic range imaging sensor and operating mode of the same" filed on October 30, 2018. 120 of the U.S. Patent Act and priority as a continuation-in-part application thereof, the application is filed on August 16, 2016, and is based on the patent application “Extended dynamic range imaging sensor and operating mode of the same No. 15/238,063, filed on August 18, 2015, entitled "Extended dynamic range (XDR) CMOS pixels and 119 of U.S. Provisional Patent Application No. 62/206,417 entitled "Operating Mode". All of these applications mentioned herein are herein incorporated by reference in their entirety to the same extent as if each individual document was specifically and individually indicated to be incorporated by reference. .

政府の権利
本発明は、米軍契約指令(U.S. Army Contracting Command)によって授与されたその他の取引合意(Other Transaction Agreement)W909MY-18-9-0001の下における政府の支援を受けてなされた。政府は、本発明に一定の権利を有する。
GOVERNMENT RIGHTS This invention was made with Government support under Other Transaction Agreement W909MY-18-9-0001 awarded by the U.S. Army Contracting Command. Ta. The Government has certain rights in this invention.

背景技術
本発明の分野は、全般的にイメージングデバイスに関する。より詳細には、本開示の一実施形態は、広範囲の動作が可能な、相補型金属酸化膜半導体(「CMOS」)を用いたイメージングセンサを対象とする。
BACKGROUND OF THE INVENTION The field of the invention relates generally to imaging devices. More particularly, one embodiment of the present disclosure is directed to a complementary metal oxide semiconductor (“CMOS”) imaging sensor capable of a wide range of operation.

イメージングセンサは通例、一般にCMOSや電荷結合デバイス(「CCD」)センサなどの光検出器として知られる感光要素を含んでいるピクセルの配列を含む。一般に、光検出器は、積分期間として知られるものの間に、入射光に応じて電荷を蓄積する。 Imaging sensors typically include an array of pixels containing light-sensitive elements known as photodetectors, such as CMOS or charge-coupled device (“CCD”) sensors. Generally, a photodetector accumulates charge in response to incident light during what is known as an integration period.

以前のクアッド(quad)ピクセルイメージャは、4つのフォトダイオードが4つの転送ゲートを通じて当該センスノードに直接信号電荷を順次転送できるのに十分な大きさである必要のあるセンスノードを有していた。この形態の結果、一部には、4回の順次の転送およびセンスノードに結合したそれらの転送ゲートに起因して、非クアッドピクセルイメージャと比べて高静電容量のセンスノードになり得る。加えて、センスノードは、フォトダイオードから電荷を直接受け取るために、大きくなければならない。したがって、読み出しノイズが非クアッドピクセルよりも高くなり得る。 Previous quad pixel imagers had a sense node that needed to be large enough to allow the four photodiodes to sequentially transfer signal charge directly to the sense node through four transfer gates. This configuration may result in a high capacitance sense node compared to non-quad pixel imagers, in part due to the four sequential transfers and their transfer gates coupled to the sense nodes. Additionally, the sense node must be large to receive charge directly from the photodiode. Therefore, readout noise may be higher than non-quad pixels.

ローリングシャッターは静止画または映像の単一のフレームを撮影することができ、これは、ある1つの瞬間にシーン全体のスナップショットを撮影することによって捕捉される(例えばグローバルシャッター)のではなく、ピクセルの複数の行にわたって高速にスキャンし、次いで読み出し動作を行うことによって捕捉される。 A rolling shutter can take a still image or a single frame of footage, which is captured by taking a snapshot of the entire scene at one moment in time (e.g. global shutter), rather than capturing a pixel is captured by rapidly scanning across multiple rows of the image and then performing a read operation.

要約 summary

暗視が可能な多解像度イメージャのための機械、方法、およびシステムが論じられる。イメージセンサは、画像を捕捉するためのイメージセンサを構成するピクセルのセットを有する。ピクセルのセットの中の2以上のピクセルが各々、コントローラによって個々のピクセルへと形成されることが可能な複数のフォトダイオードを含むアーキテクチャを有する。制御システムは、複数のフォトダイオードのうち第1のフォトダイオードおよび第2のフォトダイオードを含む、個々のピクセルの中の複数のフォトダイオードと協働するように構成される。各フォトダイオードは、そのフォトダイオードに電気的に結合された転送ゲートを有することができる。共通領域が、少なくとも積分時間の間またはその後に、電荷を保持または転送することができる。共通領域とセンスノードとに電気的に結合された読み出しゲートが、共通領域からの電荷を、読み出しゲートを通じてセンスノードに供給することができる。よって、共通領域は、転送ゲート出力からセンスノードに電荷を移動するための電荷転送チャネルとして動作させることができる。各ピクセルは、少なくとも積分時間の間またはその後に、少なくとも第1のフォトダイオードから受け取った電荷を保持または転送するための、1)センスノードに電気的に結合された共通領域、2)センスノードに電気的に結合された1または複数の読み出しゲート、および、3)両方の任意の組み合わせ、の少なくとも1つを有することができる。 Machines, methods, and systems for multi-resolution imagers capable of night vision are discussed. An image sensor has a set of pixels that make up the image sensor for capturing images. Two or more pixels in the set of pixels each have an architecture that includes a plurality of photodiodes that can be formed into individual pixels by a controller. The control system is configured to cooperate with a plurality of photodiodes in each pixel, including a first photodiode and a second photodiode of the plurality of photodiodes. Each photodiode can have a transfer gate electrically coupled to the photodiode. The common region can hold or transfer charge at least during or after the integration time. A read gate electrically coupled to the common region and the sense node can supply charge from the common region to the sense node through the read gate. Thus, the common region can be operated as a charge transfer channel to move charge from the transfer gate output to the sense node. Each pixel includes: 1) a common region electrically coupled to the sense node for retaining or transferring charge received from at least the first photodiode during or after at least the integration time; 2) a common region electrically coupled to the sense node; and 3) any combination of both.

本明細書に提供される設計のこれらおよび他の特徴は、図面、説明、および特許請求の範囲を参照してより良く理解することができ、それらはすべて本特許出願の開示をなす。 These and other features of the designs provided herein can be better understood with reference to the drawings, description, and claims, all of which constitute disclosure of this patent application.

例示的なピクセルのブロック図の一実施形態を示す図であり、このピクセルは、積分時間の間またはその後に、関連付けられたフォトダイオード転送ゲートを通って共通領域に移動されることになる電荷を同時に収集する複数のフォトダイオードと、読み出し動作の間に共通領域からのビニングされた電荷を当該読み出しゲートを通じてセンスノードに転送するための、共通領域に電気的に結合された読み出しゲートと、を有する。FIG. 3 illustrates one embodiment of a block diagram of an exemplary pixel that transfers charge to be transferred to a common area through an associated photodiode transfer gate during or after an integration time. a plurality of photodiodes for simultaneous collection and a readout gate electrically coupled to the common area for transferring binned charge from the common area through the readout gate to the sense node during a readout operation. .

例示的なピクセルのブロック図の一実施形態を示す図であり、ここでは、積分時間の間に複数のフォトダイオードが同時に電荷を集め、それが各転送ゲートを通じて複数の共通領域に転送され、次いで、各共通領域内の電荷を、その共通領域に結合された読み出しゲートを通じて供給して、センスノードにおいて共にビニングさせる。FIG. 3 illustrates one embodiment of an exemplary pixel block diagram in which multiple photodiodes simultaneously collect charge during an integration time, which is transferred to multiple common areas through each transfer gate, and then , the charges in each common region are fed through a read gate coupled to the common region to bin them together at the sense node.

画像を捕捉するためのイメージセンサを構成するピクセルのセットを有する例示的なイメージセンサのブロック図の一実施形態を示す図である。1 illustrates one embodiment of a block diagram of an exemplary image sensor having a set of pixels that make up an image sensor for capturing images. FIG.

画像を捕捉するためのイメージセンサを構成するピクセルのセットを有するイメージセンサのための制御システムおよびピクセル配列のブロック図の一実施形態を示す図であり、各ピクセルは、図1~2に示される例示的なピクセルと同様の個々のピクセルを形成する複数のフォトダイオードを含むアーキテクチャを有する。FIG. 3 illustrates one embodiment of a block diagram of a control system and pixel arrangement for an image sensor having a set of pixels making up the image sensor for capturing images, each pixel being as shown in FIGS. 1-2. It has an architecture that includes multiple photodiodes forming individual pixels similar to the example pixel.

詳細な議論
後により詳細に論じられるように、ピクセルおよびその構成要素のための制御システムは、制御信号を送って、構成要素の動作のイメージングモードを変更することを通じて、それら構成要素が動作する方式を変えることができる。ピクセルおよびその構成要素のアーキテクチャは、例示的な動作のイメージングモードをサポートし、これは、グローバルシャッタープロセスのいくつかの態様を取り入れたローリングシャッタープロセスを使用する低照度モードである。ピクセルおよびその構成要素を用いたローリングシャッタープロセスを使用する低照度モードは、イメージャが低照度レベルの感度に対する解像度をトレードすることを可能にすると共に、拡張されたダイナミックレンジを提供する。ピクセルおよびその構成要素を用いたローリングシャッタープロセスを使用する低照度モードは、積分時間の間に、ローリングシャッターモードで、複数のフォトダイオードからの同時の電荷ビニングを使用して、ダイナミックレンジおよび低照度レベルの感度を向上させる。最低の光レベルにおける読み出しノイズが低減され、より長い検出範囲を持つ暗視カメラ用のベースラインイメージャピクセルは、積分時間の間に複数のフォトダイオードからの電荷が同時にビニングされる、ピクセルおよびその構成要素を用いたローリングシャッタープロセスを使用する低照度モードを使用することができる。ここでも、このピクセルアーキテクチャを用いた他の動作のイメージングモードが可能であり、後に論じられるが、ピクセルアーキテクチャ、および制御システムがどのように低照度モードでローリングシャッタープロセスを使用してそれらの構成要素を動作させて、積分時間の間に複数のフォトダイオードからの電荷を同時にビニングするかを最初に論じる。
Detailed Discussion As discussed in more detail below, the control system for a pixel and its components determines the manner in which those components operate through sending control signals to change the imaging mode of operation of the components. can be changed. The architecture of the pixel and its components supports an exemplary imaging mode of operation, which is a low light mode that uses a rolling shutter process that incorporates some aspects of the global shutter process. The low light mode, which uses a rolling shutter process with pixels and their components, allows the imager to trade resolution for low light level sensitivity while providing extended dynamic range. Low light mode using a rolling shutter process with pixels and their components uses simultaneous charge binning from multiple photodiodes in rolling shutter mode during the integration time to improve dynamic range and low light Improve level sensitivity. A baseline imager pixel for night vision cameras with reduced readout noise at the lowest light levels and longer detection range uses a pixel and its configuration in which charge from multiple photodiodes is binned simultaneously during the integration time. A low light mode that uses a rolling shutter process with elements can be used. Again, other imaging modes of operation using this pixel architecture are possible and will be discussed later, but the pixel architecture, and how the control system uses a rolling shutter process in low light mode to control those components. We first discuss how to operate to simultaneously bin charges from multiple photodiodes during the integration time.

図1は、例示的なピクセルのブロック図の一実施形態を示し、このピクセルは、積分時間の間またはその後に、関連付けられたフォトダイオード転送ゲートを通って共通領域に移動されることになる電荷を同時に収集する複数のフォトダイオードと、読み出し動作の間に共通領域からのビニングされた電荷を当該読み出しゲートを通じてセンスノードに転送するための、共通領域に電気的に結合された読み出しゲートと、を有する。 FIG. 1 shows one embodiment of a block diagram of an exemplary pixel in which charge is to be transferred to a common area through an associated photodiode transfer gate during or after an integration time. a readout gate electrically coupled to the common region for transferring binned charge from the common region through the readout gate to the sense node during a readout operation. have

イメージセンサ内の各ピクセルは、個々のピクセル100を形成する複数のフォトダイオードおよび他の構成要素を含み得るアーキテクチャを有する。 Each pixel within an image sensor has an architecture that may include multiple photodiodes and other components forming an individual pixel 100.

ピクセル100は、イメージセンサのための光の「検出器」である。それらは、共通の出力段を通る個々のフォトダイオード読み出しであり得る。加えて、複数のフォトダイオードからの電荷は、この共通の出力段を通じて読み出すことができる。コントローラは、ビニングがない場合には1つのフォトダイオードが1つのピクセルの中にあることができるが、ビニングがある場合には最大で例えば4つのフォトダイオードが各自の電荷をビニングさせて1つのピクセルを形成することができるように、フォトダイオードに制御信号を送ることができる。よって、ビニングがないと、ピクセル100を構成する1つのフォトダイオードおよびその他の構成要素が、ディスプレイ内の1ピクセルとなることができる。これは、単純なカメラがこれを見た場合である。また、例示的なビデオカメラ内のイメージセンサは、24メガピクセルのイメージセンサとして記載されることがある。イメージセンサ内のピクセルの尺度は、通例、最小の表示可能な単位を指し、そのためこれはビニングされないケースを指し、その場合、各「ピクセル」は一つのフォトダイオードとなるように操作される。しかし、より高度なカメラまたはビデオカメラの種々の動作モードで論じられるように、コントローラは、そのような例えば24メガピクセルを種々の方式で操作して、光を検出する各ピクセルを形成し得る。コントローラが4つのフォトダイオードすべてをビニングした場合は、ピクセル100を構成する4つのフォトダイオードおよび他の構成要素が、ディスプレイ内で1つのピクセルを形成することができる。したがって、基本的に、4つのフォトダイオードは、ディスプレイ内で単一のピクセルとなる。フォトダイオードおよび表示されるピクセルがある。共通の出力段は、常にピクセルを画定するとは限らない。ピクセルは、フォトダイオードが画像を形成するために出力中でどのように見えるかである。N個のピクセルをもつイメージャセンサ(この場合、Nは個々のフォトダイオードである)は、例えばそれらフォトダイオードの4対1または2対1の電荷ビニングの能力を有する。ビニングされたピクセルのグループは、表示されるピクセルになる。 Pixel 100 is the light "detector" for the image sensor. They can be individual photodiode readouts through a common output stage. Additionally, charge from multiple photodiodes can be read out through this common output stage. The controller allows one photodiode to be in one pixel without binning, but with binning up to, for example, four photodiodes can bin their charge and fit into one pixel. A control signal can be sent to the photodiode so that it can be formed. Thus, without binning, one photodiode and other components that make up pixel 100 can become one pixel in the display. This is what a simple camera would see. Also, the image sensor in an exemplary video camera may be described as a 24 megapixel image sensor. The pixel measure in an image sensor typically refers to the smallest displayable unit, so it refers to the unbinned case, in which each "pixel" is operated to be one photodiode. However, as discussed in the various modes of operation of a more advanced camera or video camera, the controller may manipulate such, for example, 24 megapixels in various ways to form each pixel that detects light. If the controller bins all four photodiodes, the four photodiodes and other components that make up pixel 100 can form one pixel in the display. So basically the four photodiodes become a single pixel in the display. There is a photodiode and a pixel to be displayed. A common output stage does not always define pixels. A pixel is how a photodiode looks in the output to form an image. An imager sensor with N pixels (where N is an individual photodiode) has, for example, the capability of 4:1 or 2:1 charge binning of the photodiodes. The binned group of pixels becomes the displayed pixel.

ここでも、コントローラによって制御される動作モードにおいて、ピクセル100を構成する複数のフォトダイオードは、共通の出力段を通じて読み出される。例えば、クアッドピクセルは、4つのフォトダイオードすべてを電荷から電圧に変換させ、共通の出力段によって一つの信号線に送らせる。フォトダイオードは、ビニングされることもビニングされないこともあるが、すべて共通の出力段を通る。共通の出力段は、センスノードSN、ソース・フォロワ・バッファSF、行選択トランジスタSEL、およびセンスノードと一体化されたリセットトランジスタRST、からなると考えることができる。これらの構成要素はすべて、信号の読み出しに関係している。 Again, in the mode of operation controlled by the controller, the plurality of photodiodes making up pixel 100 are read out through a common output stage. For example, a quad pixel has all four photodiodes convert charge to voltage and send it to one signal line through a common output stage. The photodiodes may be binned or unbinned, but all pass through a common output stage. The common output stage can be considered to consist of a sense node SN, a source follower buffer SF, a row selection transistor SEL, and a reset transistor RST integrated with the sense node. All these components are involved in signal readout.

個々のピクセル100は、複数のフォトダイオード、例えばPD1~PD4を有することができ、その各々が、そのフォトダイオードに電気的に結合された、関連付けられた転送ゲートTG1~TG4を有する。複数のフォトダイオードPD1~PD4は、個々のピクセル100を形成することができ、積分時間の間に光子を集めて電荷を生成し、次いでその電荷信号を、そのフォトダイオードに関連付けられた自身の転送ゲート(それぞれTG1~TG4)を通じて誘導することができる。フォトダイオードPD1~PD4のうち2以上からの電荷は、基本的に、積分時間の位相中に共通領域SR内で「ノイズなしに」同時にビニングすることができる。 An individual pixel 100 may have a plurality of photodiodes, eg, PD1-PD4, each having an associated transfer gate TG1-TG4 electrically coupled to the photodiode. A plurality of photodiodes PD1-PD4 may form individual pixels 100 that collect photons to generate charge during an integration time and then transfer that charge signal to its own transfer associated with that photodiode. can be induced through gates (TG1 to TG4, respectively). Charges from two or more of the photodiodes PD1-PD4 can essentially be binned together "noise-free" within the common region SR during the integration time phase.

ピクセルのセットの中の2以上のピクセルは各々、コントローラによって個々のピクセル100へと形成されることが可能な複数のフォトダイオードを含むアーキテクチャを有する。制御システムは、個々のピクセル100の中の複数のフォトダイオードと協働して、複数のフォトダイオードのうち少なくとも第1のフォトダイオードPD1および第2のフォトダイオードPD2を含めるように構成される。複数のフォトダイオードは、センスノードSNを含む共通の出力段を通じて読み出される。ピクセル100はさらに、1)少なくとも積分時間の間またはその後に、少なくとも一つのフォトダイオードから受け取った電荷を保持または転送するための、センスノードSNに電気的に結合された共通領域SR、2)少なくとも積分時間の間またはその後に、少なくとも一つのフォトダイオードから受け取った電荷を保持または転送するための、センスノードSNに電気的に結合された1または複数の読み出しゲートTX、および、3)少なくとも積分時間の間またはその後に、少なくとも一つのフォトダイオードから受け取った電荷を保持または転送するための1)と2)両方の任意の組み合わせ、の少なくとも1つを含むことができる。 Two or more pixels in the set of pixels each have an architecture that includes a plurality of photodiodes that can be formed into individual pixels 100 by a controller. The control system is configured to cooperate with the plurality of photodiodes in each pixel 100 to include at least a first photodiode PD1 and a second photodiode PD2 of the plurality of photodiodes. The multiple photodiodes are read out through a common output stage that includes a sense node SN. Pixel 100 further includes: 1) a common region SR electrically coupled to sense node SN for retaining or transferring charge received from at least one photodiode during or after at least an integration time; 2) at least 3) one or more readout gates TX electrically coupled to the sense node SN for retaining or transferring charge received from the at least one photodiode during or after the integration time; and 3) at least the integration time. any combination of both 1) and 2) for retaining or transferring charge received from the at least one photodiode during or after the photodiode.

この共通領域SRは、各転送ゲートTG1~TG4に電気的に結合している。この共通領域SRは、読み出しゲートTXを介して、センスノードSNにも結合している。1または複数の共通領域SRが実装されてよく、各々は、i)1クロックサイクル等の間に電荷を一時的に転送する(例えば図2参照)、または、ii)多くのクロックサイクルにわたって電荷を格納することが可能であるなど、長い持続時間にわたって電荷を保持する(例えば図1参照)、ように構成される。共通領域SRは一般に、ローリングシャッタープロセスを使用する低照度モードにあるとき、積分時間の間に複数のフォトダイオードPD1~PD4からの電荷を同時にビニング/合計する。読み出しゲートTXは、読み出し動作の間に共通領域SRからの電荷を読み出しゲートTXを通じてセンスノードSNに供給するために、共通領域SRおよびセンスノードSNに電気的に結合している。 This common region SR is electrically coupled to each transfer gate TG1 to TG4. This common region SR is also coupled to the sense node SN via the read gate TX. One or more common regions SR may be implemented, each of which may i) transfer charge temporarily, such as during one clock cycle (see e.g. FIG. 2), or ii) transfer charge over a number of clock cycles. It is configured to retain a charge for a long duration, such as to be able to store it (see, eg, FIG. 1). The common region SR typically bins/sums charges from multiple photodiodes PD1-PD4 simultaneously during an integration time when in low light mode using a rolling shutter process. The read gate TX is electrically coupled to the common region SR and the sense node SN to supply charge from the common region SR to the sense node SN through the read gate TX during a read operation.

共通領域SRは、積分時間中にフォトダイオードPD1~PD4の2以上からの電荷をビニングし、読み出し動作の間に電荷を転送するために使用される。第1のケースでは、電荷が共通領域SRを通過する場合、最終的なビニングはセンスノードSNで発生する。このように操作されたときには、いくらかのビニングが共通領域SRで発生する。第2のケースでは、電荷が共通領域SRに格納される場合、すべてのビニングが共通領域SRで発生する。他の動作モードでは、共通領域SRは、高解像度向けの単一のフォトダイオード読み出しのためにも使用されることに留意されたい。この場合は、ビニングがないが、信号は、複数のダイオードをビニングする場合と同じ経路をたどる。単一のピクセルの読み出しは、グローバルシャッターとは異なる。電荷が、行時間の何分の1かにわたり共通領域SRに保持される。グローバルシャッター動作の場合、電荷は、少なくとも総行時間にわたって共通領域SRに保持されるが、より高い可能性としては複数の行時間にわたって保持される。 The common region SR is used to bin charge from two or more of photodiodes PD1-PD4 during integration time and to transfer charge during readout operations. In the first case, if the charge passes through the common region SR, the final binning occurs at the sense node SN. When operated in this way, some binning occurs in the common region SR. In the second case, if the charges are stored in the common region SR, all binning occurs in the common region SR. Note that in other modes of operation, the common region SR is also used for single photodiode readout for high resolution. In this case, there is no binning, but the signal follows the same path as when binning multiple diodes. Single pixel readout is different from global shutter. Charge is retained in the common region SR for a fraction of the row time. For global shutter operation, charge is retained in the common region SR for at least the total row time, but more likely for multiple row times.

センスノードSNは、読み出し動作の間に電荷を読み出すために使用される。センスノードSNは、センスノードSNがより低い静電容量を有するときに、電荷を電圧信号に変換することにより、高い変換利得およびより低い読み出しノイズを実現することができる。センスノードSNの大きさは、読み出し動作の間に必要とされるノイズ閾値を下げるために、この例では、転送ゲートTG1~TG4の4つすべてに対して1つの読み出しゲートTXのみへの接続に対応するのに足りるだけの大きさに設定することができる。読み出し動作を完了するために、読み出しの後、リセットゲートRSTがオンにされた時に、センスノードのリセットが発生することに留意されたい。 Sense node SN is used to read charge during read operations. Sense node SN can achieve high conversion gain and lower read noise by converting charge into a voltage signal when sense node SN has a lower capacitance. The size of the sense node SN is such that in this example it is connected to only one read gate TX for all four transfer gates TG1-TG4 in order to lower the noise threshold required during read operations. You can set the size to be large enough to accommodate your needs. Note that the reset of the sense node occurs when the reset gate RST is turned on after reading to complete the read operation.

読み出し動作の間、センスノードSN内の電荷は、ソース・フォロワ・トランジスタSFおよび行選択トランジスタSELを使用して読み出されて、列バス(これは電流源負荷を有する)上に電圧信号を発生させる。読み出し動作のために協働する読み出しトランジスタ群は、読み出しゲート(TX)、ソース・フォロワ(SF)、行選択(SEL)、およびリセット(RST)と表記される。 During a read operation, the charge in the sense node SN is read out using source follower transistor SF and row select transistor SEL to generate a voltage signal on the column bus (which has a current source load). let The read transistor groups that cooperate for a read operation are denoted read gate (TX), source follower (SF), row select (SEL), and reset (RST).

読み出し動作の最初のステップは、共通領域SRに保持されている電荷をセンスノードSNに転送することであり得、2つの別個のステップ(例えば、1)転送ゲートTG1~TG4がスイッチオフされ、次いで、2)読み出しゲートTXがオンにされる)に分割されている。 The first step of a read operation may be to transfer the charge held in the common region SR to the sense node SN, in which two separate steps (e.g. 1) transfer gates TG1-TG4 are switched off and then , 2) the read gate TX is turned on).

よって、電荷は、好ましくは埋め込まれたチャネルウェルにより形成される、ポテンシャルウェルでビニングされる。電荷は、複数のフォトダイオードから自身のポテンシャルウェルを有する共通領域SRに転送される。共通領域SRでは、2以上のフォトダイオードがウェル内で合計/ビニングされることができる。次に、ポテンシャルウェルからセンスノードSNへの第2の転送が、電圧出力を生成する。この低照度モードによってより小さいセンスノードが可能となり、そのため電圧/電子の電荷変換がより高くなり、したがって読み出しノイズが低くなる。 Charge is thus binned in potential wells, preferably formed by buried channel wells. Charge is transferred from the plurality of photodiodes to a common region SR having its own potential well. In the common region SR, two or more photodiodes can be summed/binned within a well. A second transfer from the potential well to the sense node SN then produces a voltage output. This low-light mode allows for smaller sense nodes, resulting in higher voltage-to-electron charge conversion and therefore lower read noise.

例示的な低照度動作では、少なくとも上部の2つのフォトダイオードPD1~PD2およびそれらに関連付けられた転送ゲートTG1~TG2に、制御システムによって制御信号が送られて、積分時間の間にそれらの電荷を共通領域SRに同時に供給するためにそれらの転送ゲートを「スイッチオン」させる。共通領域SRでは、少なくともこれら2つのフォトダイオードPD1~PD2からの電荷が、積分時間の間にビニングされる。さらに最も低いノイズおよび最も拡張された範囲のイメージング動作モードのためには、共通領域SRが4つのフォトダイオードPD1~PD4すべてからの電荷を同時にビニングするように、4つのフォトダイオードPD1~PD4およびそれらに関連付けられた転送ゲートTG1~TG4すべてに制御信号が送られて、積分時間の間に各自の電荷を共通領域SRに転送するために、同時に「スイッチオン」させる。4つのフォトダイオードすべてが、各自の電荷を共通領域で同時にビニングさせると、次いでセンスノードSNに対する1回のみの読み出し動作が発生して、そのビニングされた電荷を読み出す。これに対して、普通は、4つすべてのフォトダイオードPD1~PD4からの全電荷を得るために、4回の順次の読み出し動作に関連するノイズが必要とされる。よって、ノイズは、いくつかの他のクアッドピクセル設計と比べて、3回の読み出し動作分だけ低減される。加えて、共通領域は、センスノードSNのサイズ寸法を小さく保ち、また、読み出しノイズを低減するために存在し得る寄生転送ゲート静電容量も小さく保つために、複数のフォトダイオードPD1~PD4からの電荷を保持し(場合によっては格納し)、次いで、ビニング/合計された電荷をセンスノードSNに転送する。読み出し動作の間に共通領域SRが電荷を転送することにより、センスノードSNおよびその読み出しゲートTXが、小さくなり、より少ない静電容量を有することが可能になる。各々がセンスノードSNに寄生容量を加える4つの転送ゲートTG1~TG4ではなく、1つのみの読み出しゲートTX(一部のアーキテクチャでは2つの読み出しゲート)が、センスノードSNを構成するエリアに結合する。より低い静電容量は、読み出し動作の間に改善されたノイズレベルを可能にし、それにより、低照度条件(例えば星明かりだけがある月のない夜)における検出が可能になり、使用可能な信号が検出できなくなるノイズ閾値レベルを下げる。 In exemplary low-light operation, at least the top two photodiodes PD1-PD2 and their associated transfer gates TG1-TG2 are sent control signals by the control system to transfer their charge during the integration time. The transfer gates are "switched on" to supply the common region SR simultaneously. In the common region SR, charges from at least these two photodiodes PD1 to PD2 are binned during the integration time. Furthermore, for the lowest noise and most extended range imaging mode of operation, the four photodiodes PD1-PD4 and their A control signal is sent to all of the transfer gates TG1-TG4 associated with to "switch on" simultaneously in order to transfer their respective charges to the common region SR during the integration time. When all four photodiodes simultaneously bin their respective charges in the common area, then only one read operation to the sense node SN occurs to read out the binned charges. In contrast, the noise associated with four sequential read operations would normally be required to obtain the full charge from all four photodiodes PD1-PD4. Thus, noise is reduced by three read operations compared to some other quad-pixel designs. In addition, the common area is provided with a large number of connections from multiple photodiodes PD1-PD4 in order to keep the size dimension of the sense node SN small and also to keep the parasitic transfer gate capacitance that may be present to reduce readout noise small. It holds (possibly stores) the charge and then transfers the binning/summed charge to the sense node SN. The common region SR transferring charge during a read operation allows the sense node SN and its read gate TX to be smaller and have less capacitance. Rather than four transfer gates TG1-TG4, each adding parasitic capacitance to sense node SN, only one readout gate TX (two readout gates in some architectures) is coupled to the area that makes up sense node SN. . The lower capacitance allows for improved noise levels during readout operations, thereby allowing detection in low-light conditions (e.g. moonless nights with only starlight) and reducing usable signals. lower the noise threshold level at which it becomes undetectable.

構造的に、各転送ゲートTG1~TG4は、共通領域に電荷を供給するために、転送ゲートTG1~TG4の各々の下に形成されたそれ自身のチャネルを有する。共通領域SRを形成するウェルの少なくとも一部分は、2以上実装される場合には各転送ゲートTXの下方に位置する。ポテンシャルウェルは、好ましくは、埋め込まれたチャネルウェルによって形成される。各フォトダイオードの、トランジスタや金属酸化物デバイス等の転送ゲートTG1~TG4は、制御システムからそれに制御信号を送らせて、その特定のフォトダイオードの積分時間を制御し、よって、その関連付けられたフォトダイオード、例えばPD1~PD4が、それに関連付けられた転送ゲートTG1~TG4が蓄積された電荷をフォトダイオードから共通領域SRに移動させる前に、どれほど長く光子を集めるかを制御する。 Structurally, each transfer gate TG1-TG4 has its own channel formed under each of the transfer gates TG1-TG4 to supply charge to the common region. At least a portion of the well forming the common region SR is located below each transfer gate TX when two or more wells are mounted. The potential well is preferably formed by a buried channel well. Each photodiode's transfer gate TG1-TG4, such as a transistor or a metal oxide device, allows control signals to be sent to it from the control system to control the integration time of that particular photodiode and thus its associated photodiode. The diodes, eg PD1-PD4, control how long they collect photons before their associated transfer gates TG1-TG4 transfer the stored charge from the photodiodes to the common region SR.

一実施形態では、共通領域SRは、多くのサイクルにわたって電荷を格納するように構築されたウェルを備えて構築されることに留意されたい。共通領域は、仮想ゲートまたはポリゲートによって形成され得る、電荷ポテンシャルを格納するウェルであり得る。図1のピクセルアーキテクチャに伴う課題の一つは、電荷が共通領域に格納されるため、その面積が、所望の最大電荷を保持するのに十分な大きさでなければならないことである。そのことにより、フォトダイオードPD1~PD4のために利用できる空間が減り、量子効率が低下する。このアーキテクチャがより低いノイズをもたらし得るという発想がなければ、この手法は論理的に見えないかもしれない。また、共通領域SRが大きくなり過ぎると、センスノードSNへの電荷の転送に、その動作モードで要求される/許容されるよりも長い時間がかかり得る。したがって、一実施形態では、共通領域SRの電荷容量は、センスノードSNへの必要とされる電荷転送時間を可能にするのに足りるだけの大きさに、そして、予期される量の電荷を実際に格納するのをサポートするために必要とされる最小限のみに、設定することができる。 Note that in one embodiment, the common region SR is constructed with wells constructed to store charge over many cycles. The common area can be a well that stores a charge potential, which can be formed by a virtual gate or a polygate. One of the challenges with the pixel architecture of FIG. 1 is that since the charge is stored in a common area, that area must be large enough to hold the maximum desired charge. This reduces the space available for photodiodes PD1-PD4 and reduces quantum efficiency. Without the idea that this architecture could yield lower noise, this approach may not seem logical. Also, if the common region SR becomes too large, the transfer of charge to the sense node SN may take longer than required/allowed by that mode of operation. Therefore, in one embodiment, the charge capacity of the common region SR is made large enough to allow the required charge transfer time to the sense node SN, and to actually transfer the expected amount of charge. can be set to only the minimum required to support storage.

共通領域SRは、電荷チャネルを有することができる。共通領域SRは、フォトダイオードPD1~PD4の各々からのフォトダイオード出力からの電荷チャネルを有することができ、その電荷チャネルは、そのフォトダイオードに関連付けられた転送ゲートTG1~TG4の下方を通り、共通領域SRのウェルを通って、読み出しゲートTXに至る。センスノードSNが大きくなり過ぎる問題は、フォトダイオード出力から転送TGゲートの下方を通り、ウェルを通って、読み出しゲートTXに至るこれらの電荷チャネルを追加することによって解決できることに留意されたい。それにより、センスノードSNが4つのフォトダイオードPD1~PD4から隔たることが可能になるが、依然としてピクセル内にある。フォトダイオードの出力から、センスノードSNのウェル、そして読み出しゲートに及ぶチャネルの追加により、ウェルが、4つのフォトダイオードPD1~PD4すべてからの電荷の直接の転送に同時に対処するのに十分な大きさである必要がなくなる。ここでも、この手法は、クアッドピクセルアーキテクチャを使用しないイメージャのノイズ閾値レベルまで、またはその近くまで、ノイズを低減することができる。 The common region SR can have a charge channel. The common region SR may have a charge channel from the photodiode output from each of the photodiodes PD1-PD4, the charge channel passing under the transfer gate TG1-TG4 associated with that photodiode and common to the photodiode output. It passes through the well of region SR and reaches the read gate TX. Note that the problem of sense node SN becoming too large can be solved by adding these charge channels from the photodiode output, under the transfer TG gate, through the well, to the readout gate TX. It allows the sense node SN to be separated from the four photodiodes PD1-PD4, but still within the pixel. The addition of a channel extending from the output of the photodiode to the well of the sense node SN to the readout gate ensures that the well is large enough to simultaneously handle the direct transfer of charge from all four photodiodes PD1-PD4. It no longer needs to be. Again, this approach can reduce noise to or near the noise threshold level of imagers that do not use quad-pixel architecture.

転送ゲートTG1~TG4とセンスノードの間の共通領域SRは、その電荷を共通領域SRに保持/格納するための読み出しゲートを有する電荷ビニング領域であり得る。共通領域SRは、4つのフォトダイオードPD1~PD4からの電荷がビニングされ、次いで1つの読み出しゲートTX1を通じてセンスノードSNに転送されていく場所である。この電荷ビニング領域は、グローバルシャッター動作を可能にするために1フレーム時間にわたり電荷を保持/格納することができ、この電荷ビニング領域は、ローリングシャッター動作のために1行時間未満だけ電荷を保持することもできる。 The common region SR between the transfer gates TG1-TG4 and the sense node may be a charge binning region with a read gate for holding/storing the charge in the common region SR. The common region SR is a place where charges from the four photodiodes PD1 to PD4 are binned and then transferred to the sense node SN through one read gate TX1. This charge binning region can hold/storage charge for one frame time to enable global shutter operation, and this charge binning region holds charge for less than one row time for rolling shutter operation. You can also do that.

ピクセルを含んでいるイメージセンサは、ローリングシャッター、グローバルシャッターを実装すると共に種々の動作のイメージングモードで動作することができる制御システムを有する。制御システムは、制御信号を送って、イメージセンサをグローバルシャッターとローリングシャッターの混合動作モードで動作させることができる。いくつかのグローバルシャッター態様を有するこのローリングシャッターモードで、制御システムは、複数のフォトダイオードから同時に電荷を集めるための制御信号を送ることにより、および、複数のフォトダイオードに蓄積された電荷を、そのフォトダイオードに結合された関連付けられた転送ゲートTGを通じて共通領域SRに転送するための別の信号を送ることにより、積分時間を開始する。共通領域SRは、積分時間の間に、2以上のフォトダイオードPD1~PD4によって供給された電荷を合計/ビニングする。読み出し動作の間、制御システムは、共通領域SR内のビニングされた電荷を、読み出しゲートTXを通じてセンスノードSNに転送するための制御信号を送る。ローリングシャッターを有するイメージセンサは、すべての行が同時に読み出される代わりに、フォトダイオードの行単位でイメージセンサ内のフォトダイオードの行を読み出す。 The image sensor containing the pixels has a control system that implements rolling shutter, global shutter, and can operate in various imaging modes of operation. The control system can send control signals to operate the image sensor in a mixed global shutter and rolling shutter mode of operation. In this rolling shutter mode with several global shutter aspects, the control system controls the charge accumulation on multiple photodiodes by sending control signals to collect charge from multiple photodiodes simultaneously, and The integration time is started by sending another signal for transfer to the common region SR through the associated transfer gate TG coupled to the photodiode. The common region SR sums/bins the charges supplied by two or more photodiodes PD1-PD4 during the integration time. During a read operation, the control system sends a control signal to transfer the binned charge in the common region SR to the sense node SN through the read gate TX. An image sensor with a rolling shutter reads out rows of photodiodes within the image sensor on a row-by-row basis instead of all rows being read out simultaneously.

図1のピクセルアーキテクチャの利点は、4Xビニングされたピクセルが、すべての行が同時に読み出されるすべてのフォトダイオードの同時ビニングのグローバルシャッターモード、または好ましくは、複数のフォトダイオードの同時ビニングの態様を伴うがそれが行単位である、ローリングシャッターモードのどちらでも動作可能であることであり、それにより、動いている物体に関して表示画像内の幾何学的歪みがより少なくなる。 An advantage of the pixel architecture of Figure 1 is that the 4X binned pixels involve a global shutter mode of simultaneous binning of all photodiodes, where all rows are read out simultaneously, or, preferably, an aspect of simultaneous binning of multiple photodiodes. The advantage is that it can operate in either row-by-row or rolling shutter mode, which results in less geometric distortion in the displayed image with respect to moving objects.

クアッドピクセルアーキテクチャは、基板上のピクセル100内に4つのフォトダイオードPD1~PD4があるCMOSピクセルであってよい。 The quad pixel architecture may be a CMOS pixel with four photodiodes PD1-PD4 within the pixel 100 on the substrate.

図2は、例示的なピクセルのブロック図の一実施形態を示し、ここでは、積分時間の間に複数のフォトダイオードが同時に電荷を集め、それが各転送ゲートを通じて複数の共通領域に転送され、次いで、各共通領域内の電荷を、その共通領域に結合された読み出しゲートを通じて供給して、センスノードにおいて共にビニングさせる。図示されるように、共通領域は実際には各読み出しゲートTX1~TX2の一部であることに留意されたい。よって、1または複数の読み出しゲートは、少なくとも第1の読み出しゲートTX1および第2の読み出しゲートTX2を含むと共に、共通領域として機能するように構成されている。共通領域(図1のSR)は、よって、積分時間の間に第1のフォトダイオードPD1および第2のフォトダイオードPD2からの電荷を転送するための第1の共通領域(図2に示されるTX1)と、積分時間の間に第3のフォトダイオードPD3および第4のフォトダイオードPD4からの電荷を転送するための第2の共通領域(図2に示されるTX2)と、に分割されている。読み出しゲートTX1~TX2は、ここでは電荷をセンスノードに導く導線として働く。それらは、電荷を転送することしかできず、電荷を格納することはできない。 FIG. 2 shows one embodiment of an exemplary pixel block diagram in which multiple photodiodes simultaneously collect charge during an integration time, which is transferred to multiple common areas through each transfer gate; The charges in each common region are then fed through a read gate coupled to that common region to bin together at the sense node. Note that as shown, the common area is actually part of each read gate TX1-TX2. Therefore, the one or more readout gates include at least the first readout gate TX1 and the second readout gate TX2, and are configured to function as a common area. The common region (SR in FIG. 1) is therefore the first common region (TX1 shown in FIG. 2) for transferring the charge from the first photodiode PD1 and the second photodiode PD2 during the integration time. ) and a second common region (TX2 shown in FIG. 2) for transferring charge from the third photodiode PD3 and the fourth photodiode PD4 during the integration time. The readout gates TX1-TX2 act here as conductors leading the charge to the sense nodes. They can only transfer charge, not store charge.

図2のピクセルアーキテクチャは、2つの読み出しゲート、TX1およびTX2を有する。各読み出しゲートTX1またはTX2は、2つの転送ゲートTG1~TG2またはTG3~TG4に結合し、次いでセンスノードSNに結合している。ゆっくりと確実にセンスノードSNに転送されるまで電荷を格納することができる図2の共通領域SRと異なり、転送ゲートTG1~TG4の一部は、ここでは一時的にのみ電荷を保持する。2つの読み出しゲートTX1~TX2は、センスノードSNへの電荷転送ゲートの役割を果たす。4つのフォトダイオードPD1~PD4からの電荷は、センスノード内で実際にビニングされる。よって、このアーキテクチャにより、2つ、3つ、または4つすべてのフォトダイオードの電荷ビニングが同時に行われ得るが、共通領域ではなくセンスノードSNで行われる。共通領域は、関連付けられたTGゲート出力TG1~TG4から直接センスノードSNへのチャネルとして働くことができることに留意されたい。 The pixel architecture of FIG. 2 has two readout gates, TX1 and TX2. Each read gate TX1 or TX2 is coupled to two transfer gates TG1-TG2 or TG3-TG4 and then to a sense node SN. Unlike the common region SR of FIG. 2, which can store charge until it is slowly and reliably transferred to the sense node SN, some of the transfer gates TG1-TG4 only temporarily hold charge here. The two read gates TX1 and TX2 serve as charge transfer gates to the sense node SN. The charges from the four photodiodes PD1-PD4 are actually binned within the sense node. Thus, with this architecture, charge binning of two, three or all four photodiodes can be performed simultaneously, but at the sense node SN rather than in the common area. Note that the common region can act as a channel from the associated TG gate outputs TG1-TG4 directly to the sense node SN.

読み出しゲートTX1およびTX2は、ポリゲートを使用することによって実装することができる。読み出しゲートTX1およびTX2の小さいサイズはまた、所与のクアッド面積内でより大きいフォトダイオードPD1~PD4を可能にし、その結果、量子効率がより高くなる。センスノードSNの面積は、それでも以前の設計よりもはるかに小さい。各々がセンスノードSNに寄生容量を加える4つの転送ゲートTG1~TG4ではなく、2つのみの小さい読み出しゲートTXが、センスノードSNのエリアに結合している。重複静電容量が、センスノードSNの小さいサイズによってさらに低減される。 Read gates TX1 and TX2 can be implemented by using poly gates. The small size of readout gates TX1 and TX2 also allows for larger photodiodes PD1-PD4 within a given quad area, resulting in higher quantum efficiency. The area of sense node SN is still much smaller than previous designs. Instead of four transfer gates TG1-TG4, each adding parasitic capacitance to sense node SN, only two small read gates TX are coupled to the area of sense node SN. Redundant capacitance is further reduced by the small size of sense node SN.

図2において、一実施形態では、アーキテクチャは読み出しゲートTXを必要としない。代わりに、アーキテクチャは、センスノードと1または複数の転送ゲート(TG)とに結合された共通領域を有することができる。共通領域は、積分時間の間に電荷をセンスノードに転送および移動するように構成され得る。共通領域は、電荷を保持する必要はなく、単に電荷を転送すればよい。 In FIG. 2, in one embodiment, the architecture does not require a read gate TX. Alternatively, the architecture may have a common region coupled to a sense node and one or more transfer gates (TGs). The common region may be configured to transfer and move charge to the sense node during the integration time. The common area need not hold charge, but simply transfer charge.

図1を参照すると、複数のフォトダイオードを有する例示的なピクセルは、積分時間の間に、2以上のフォトダイオードによって供給される電荷の合計/ビニングのために各転送ゲートを通じて複数の共通領域に転送される電荷を同時に集め、次いで読み出し動作の間に、各共通領域のビニングされた電荷を、読み出しゲートを通じてセンスノードに供給する。 Referring to FIG. 1, an exemplary pixel with multiple photodiodes is divided into multiple common areas through each transfer gate for summation/binning of the charge provided by two or more photodiodes during the integration time. The transferred charges are collected simultaneously and then during a read operation, the binned charges of each common area are provided to the sense node through the read gate.

ピクセル100は、4つの転送ゲートTG1~TG4を有し、各々は、それに関連付けられたフォトダイオードPD1~PD4の縁部にある。上部2つの転送ゲートTG1~TG2の間の中央チャネルが、2つのフォトダイオードPD1~PD2の電荷を格納するための共通領域SR1として働くと共に、それら2つのフォトダイオードPD1~PD2からの電荷をビニングする。同様に、上部2つの転送ゲートTG3~TG4の間の中央チャネルが、2つのフォトダイオードPD3~PD4の電荷を格納するための共通領域SR2として働くと共に、それら2つのフォトダイオードPD3~PD4からの電荷をビニングする。4つの転送ゲートTG1~TG4すべてが、各自のチャネルを通じて読み出しゲートTXに電気的に結合している。読み出しゲートTXは、センスノードSNに結合している。センスノードSNは、センスノードSNに電気的に結合された利得キャパシタGCも有する。 Pixel 100 has four transfer gates TG1-TG4, each at the edge of its associated photodiode PD1-PD4. A central channel between the upper two transfer gates TG1-TG2 acts as a common region SR1 for storing the charges of the two photodiodes PD1-PD2, and also bins the charges from the two photodiodes PD1-PD2. . Similarly, the central channel between the upper two transfer gates TG3-TG4 acts as a common region SR2 for storing the charges of the two photodiodes PD3-PD4, and also serves as a common region SR2 for storing the charges of the two photodiodes PD3-PD4. binning. All four transfer gates TG1-TG4 are electrically coupled to the read gate TX through their respective channels. Read gate TX is coupled to sense node SN. Sense node SN also has a gain capacitor GC electrically coupled to sense node SN.

一実施形態では、第1の格納領域SR1は、上部2つの転送ゲートTG1~TG2の間の長く、深い中央チャネルによって形成されるウェルである。第2の格納領域SR2は、下部2つの転送ゲートTG3~TG4の間の長く、深い中央チャネルによって形成されるウェルである。 In one embodiment, the first storage region SR1 is a well formed by a long, deep central channel between the top two transfer gates TG1-TG2. The second storage region SR2 is a well formed by a long, deep central channel between the bottom two transfer gates TG3-TG4.

読み出しゲートTX1は、読み出し動作の間に、第1の共通領域SR1および第2の共通領域SR2からの電荷を、読み出しゲートTX1を通じてセンスノードSNに転送する。 The read gate TX1 transfers charges from the first common region SR1 and the second common region SR2 to the sense node SN through the read gate TX1 during a read operation.

図3は、画像を捕捉するためのイメージセンサを構成するピクセルのセットを有する例示的なイメージセンサのブロック図の一実施形態を示す。イメージセンサは、ピクセルの列および行を備える配列500を有する。この例では、イメージセンサは、画像を捕捉するように構成されており、例示的なピクセル100を含むピクセルの5つの行および列を有する(行1~5)。 FIG. 3 depicts one embodiment of a block diagram of an exemplary image sensor having a set of pixels that make up an image sensor for capturing images. The image sensor has an array 500 comprising columns and rows of pixels. In this example, the image sensor is configured to capture images and has five rows and columns of pixels, including exemplary pixel 100 (rows 1-5).

図4は、画像を捕捉するためのイメージセンサを構成するピクセルのセットを有するイメージセンサのための制御システムおよびピクセル配列のブロック図の一実施形態を示し、各アーキテクチャは、図1~2に示される例示的なピクセルと同様のフォトダイオードを含んでいる。制御システムは、アナログ/ADC回路に実装された2以上のデコーダを有するコントローラ、ピクセル500のクアッドピクセル配列内のフォトダイオードの各転送ゲートのための列および行制御回路、MIM利得キャパシタ、読み出しゲート、リセットスイッチ、および行選択スイッチ、列論理ドライバ、およびタイミング回路、などの構成要素を含んでよい。 FIG. 4 shows one embodiment of a block diagram of a control system and pixel arrangement for an image sensor having a set of pixels that make up the image sensor for capturing images, each architecture shown in FIGS. 1-2. The pixel contains a photodiode similar to the exemplary pixel shown in FIG. The control system includes a controller with two or more decoders implemented in analog/ADC circuits, column and row control circuits for each transfer gate of a photodiode in a quad pixel array of pixels 500, a MIM gain capacitor, a readout gate, It may include components such as a reset switch and row select switches, column logic drivers, and timing circuits.

制御システムは、2以上のデコーダを使用することができる。2以上のデコーダは、タイマと協働して、ピクセルの配列500の複数のピクセルが種々の動作のイメージングモードで動作することを可能にするために、i)フレームレート、ii)複数のフォトダイオードの積分時間、および、iii)ピクセルごとの複数のフォトダイオードのビニング、を制御するための制御信号を指示する。ここでも、制御システムは、複数のフォトダイオードと協働して、個々のピクセルの検出器を形成するように複数のフォトダイオードを構成する、および/または個々のピクセルの検出器を形成するように単一のフォトダイオードを構成するように構成される。 A control system can use more than one decoder. The two or more decoders cooperate with the timer to enable the pixels of the array of pixels 500 to operate in various imaging modes of operation, i) the frame rate, ii) the photodiodes. and iii) the binning of multiple photodiodes per pixel. Again, the control system may configure the plurality of photodiodes to cooperate with the plurality of photodiodes to form a detector for an individual pixel and/or to form a detector for an individual pixel. Configured to form a single photodiode.

暗視/低照度モードにある制御システムは、複数のフォトダイオードが積分時間の間に電荷を同時に集め、関連付けられた転送ゲートがスイッチオフするための第1の制御信号を送るように構成され得る。次に、関連付けられた転送ゲートは、第2の制御信号を受け取ると、複数のフォトダイオードのうち少なくとも2以上に蓄積されている電荷を、電荷をその後の読み出し動作に向けて保持するために、そのフォトダイオードに結合されている各自の関連付けられた転送ゲートを通じて1または複数の共通領域に同時に移動する。アーキテクチャの多くでは、1または複数の共通領域は、積分時間の間に2以上のフォトダイオードによって供給された電荷をビニングする。また、読み出しゲートは、読み出し動作が発生するまで電荷を共通領域に維持しておくために、スイッチオフされる。制御システムは、次いで、読み出し動作の間に第3の制御信号を送って、読み出しゲートをスイッチオンすることにより、共通領域のビニングされた電荷を、読み出しゲートを通じてセンスノードに転送する。転送ゲートは、電荷が漏れてフォトダイオードに戻らないようにするための信号も受け取り得る。ローリングシャッターモードで動作している時の制御システムは、上記のシーケンスをフォトダイオードの行単位で行って、1つの画像フレームの一時間フレーム内にすべての行を行うように構成される。制御システムは、読み出しトランジスタのセット(先に論じられた)の残りおよび利得キャパシタに制御信号を送って、読み出し動作を終了し得る。 The control system in night vision/low light mode may be configured such that the plurality of photodiodes simultaneously collect charge during the integration time and send a first control signal for the associated transfer gate to switch off. . The associated transfer gate, upon receiving the second control signal, then transfers the charge stored in at least two of the plurality of photodiodes to retain the charge for a subsequent readout operation. simultaneously to one or more common regions through their associated transfer gates coupled to their photodiodes. In many architectures, one or more common regions bin the charge provided by two or more photodiodes during the integration time. The read gate is also switched off to keep the charge in the common area until a read operation occurs. The control system then sends a third control signal during a read operation to switch on the read gate, thereby transferring the binned charge of the common area to the sense node through the read gate. The transfer gate may also receive a signal to prevent charge from leaking back into the photodiode. When operating in rolling shutter mode, the control system is configured to perform the above sequence row by row of photodiodes, performing all rows within one time frame of one image frame. The control system may send control signals to the remainder of the set of read transistors (discussed above) and the gain capacitor to terminate the read operation.

制御システムは、画像内に捕捉されつつあるシーンを分析するように構成される。制御システムは、複数の画像ピクセルによって捕捉されつつあるシーン内の、異なる光強度および必要とされるフレームレートなどのシーン内容のイメージング条件に基づいて、一行内の2以上のピクセルに対して異なる動作のイメージングモードを選択する。コントローラは、
ピクセル100内に捕捉されたイメージング条件に基づいて、少なくとも2つのピクセルに対して異なる動作のイメージングモードを選択し、
読み出しにより複数のピクセルから得られた蓄積電荷および他のイメージング条件を反映する、収集されたデータ信号を使用して画像を組み立てることにより、
イメージングセンサを操作することができる。
The control system is configured to analyze the scene being captured in the image. The control system operates differently on two or more pixels within a row based on imaging conditions of the scene content, such as different light intensities and required frame rates within the scene being captured by multiple image pixels. Select the imaging mode. The controller is
selecting different imaging modes of operation for at least two pixels based on imaging conditions captured within the pixel 100;
By assembling an image using the collected data signals that reflect the accumulated charge and other imaging conditions obtained from multiple pixels through readout.
Capable of operating imaging sensors.

図1~2のピクセルアーキテクチャはすべて、静電容量およびその結果生じる利得を変更するためのセンスノードSNへの切り替え可能な静電容量を可能にする、追加のMIMキャパシタGCを含むことができる。 All of the pixel architectures of FIGS. 1-2 may include an additional MIM capacitor GC that allows switchable capacitance to the sense node SN to modify the capacitance and resulting gain.

制御システムは、電荷を共通領域に転送し、そこに電荷を一行時間よりも長く格納し、次いで読み出しゲートTXによって読み出すように構成され得る。制御システムはまた、電荷を共通領域にビニングし、そこに一行の何分の一かだけ電荷を格納するために、電荷を共通領域に転送するように構成することもできる。目的は完全に異なる。 The control system may be configured to transfer the charge to the common area, store the charge there for longer than a row time, and then read it out by the readout gate TX. The control system may also be configured to transfer charge to the common area to bin the charge to the common area and store a fraction of a row of charge therein. The purpose is completely different.

イメージセンサは、例示的なクアッドピクセル/電気回路を用いて種々の動作モードを可能にするように、制御信号用の配線/導体経路を引き回す。コントローラは、構想される動作のイメージングモードを実現するために、イメージャの各行の各ピクセルへの制御信号のタイミングを制御してよく、構想される動作のイメージングモードには以下が含まれる。 The image sensor routes wiring/conductor paths for control signals to enable various modes of operation using an exemplary quad pixel/electrical circuit. The controller may control the timing of control signals to each pixel of each row of the imager to implement the envisioned imaging mode of operation, which includes:

1.)順番に順次行われる、フォトダイオードPD1~PD4のビニングされないフォトダイオード読み出し。場合によっては、高解像度のために積分時間が各々異なる。自身のフォトダイオードに関連付けられた各転送ゲートは、そのフォトダイオードからの電荷を関連付けられた転送ゲートを通じて共通領域に転送するために、順次スイッチオンされる。最も高い解像度の読み出しモードの場合、制御システムは、積分時間の間に、信号を送って単一のフォトダイオードから順次電荷を集め、関連付けられた転送ゲートを使用して、その電荷を共通領域のポテンシャルウェルに転送する。共通領域内の電荷は、次いで転送ゲートを使用してセンスノードに転送される。代替として、電荷は、単に転送ゲートを使用することによってセンスノードに転送される。ここでも、制御システムは、他の3つのフォトダイオードに対してこのプロセスを順に順次繰り返す。 1. ) Non-binned photodiode readout of photodiodes PD1-PD4 performed sequentially in sequence. In some cases, the integration times are different due to high resolution. Each transfer gate associated with its own photodiode is switched on in sequence to transfer charge from that photodiode through the associated transfer gate to the common region. For the highest resolution readout mode, the control system sends a signal to collect charge sequentially from a single photodiode during the integration time and uses an associated transfer gate to transfer that charge to a common area. Transfer to potential well. Charge in the common area is then transferred to the sense node using a transfer gate. Alternatively, charge is transferred to the sense node simply by using a transfer gate. Again, the control system repeats this process for the other three photodiodes in turn.

2.)最も高い感度モードの場合、4つのフォトダイオードすべてが、各自の電荷をノイズなしに1つの共通領域で順次ビニングさせて、4X信号を用いるスーパーピクセルを形成する。次に、読み出し動作の間に、格納領域に格納されたビニングされた電荷は、読み出しゲートを使用してセンスノードに転送される。 2. ) For the highest sensitivity mode, all four photodiodes sequentially bin their charges in one common area without noise to form a superpixel using a 4X signal. Then, during a read operation, the binned charge stored in the storage region is transferred to the sense node using the read gate.

3.)同時のまたは各々が1または複数の格納領域にある、複数のフォトダイオードのビニングされたフォトダイオード読み出し。例えば、1)フォトダイオード、例えばPD1~PD4、のすべてが同時に1つの共通領域にビニングされるか、または、2)各ペア、例えばPD1~PD2、次いで例えばPD3~PD4が、積分時間の間に、各自の積分時間からの各自の蓄積された電荷を、自身の共通領域で共にビニングさせる。積分時間の間にフォトダイオードからの電荷のすべてが1つの共通の格納領域にビニングされてはいない場合、ビニングフォトダイオード読み出しモードが、各自の積分時間からの各自の蓄積された電荷を有している複数のフォトダイオードを、センスノードで共にビニングさせることができる。コントローラは、電荷/信号レベルを集めて読み出すために、例えば2つ、3つ、または4つのフォトダイオード、例えばPD1~PD4、の任意の組み合わせをビニングすることができる。コントローラとタイマは協働して、パルスを介してすべて同時に、ビニングされたフォトダイオードの転送ゲートをスイッチオンし、共通領域の読み出しゲートをスイッチオフさせる。共通領域、次いでセンスノードでの複数のフォトダイオードからの電荷のビニングは、有効露出、感度を増大させ、よってより良好な解像度になる。 3. ) Simultaneous or binned photodiode readout of multiple photodiodes, each in one or more storage areas. For example, 1) all of the photodiodes, e.g. PD1-PD4, are binned into one common area at the same time, or 2) each pair, e.g. PD1-PD2 and then e.g. PD3-PD4, are binned into one common area during the integration time. , their respective accumulated charges from their respective integration times are binned together in their common area. If all of the charge from the photodiodes during the integration time is not binned into one common storage area, the binning photodiode readout mode will contain each accumulated charge from each integration time. Multiple photodiodes can be binned together at the sense node. The controller can bin any combination of, eg, two, three, or four photodiodes, eg, PD1-PD4, to collect and read out charge/signal levels. The controller and timer work together to switch on the transfer gates of the binned photodiodes and switch off the readout gates of the common area, all at the same time via a pulse. Binning the charge from multiple photodiodes in a common area and then at the sense node increases the effective exposure, sensitivity, and thus better resolution.

4.)動き適合信号積分(motion adaptive signal integration:MASI)のための高フレームレートの動作イメージングモード、および/または動きブレ低減のための高い利得を伴う短い積分時間。動き適合信号積分(MASI)のための高フレームレートは、複数のフォトダイオードを有するピクセル100からのフォトダイオードの読み出しを使用する動作のイメージングモードであり得る。高フレームレートのMASIアルゴリズムは、異なる露出の高フレームレート画像を組み合わせることにより、高いダイナミックレンジを実現する。高フレームレートモードは、ビニング、非ビニング、および所与のピクセル100における拡張されたダイナミックレンジをなお実装することができる。高フレームレートは、イメージセンサのデータスループットに合わせるために、一定量の行またはさらには個々のピクセルを、読み出されないように除外することもできることに留意されたい。よって、第1のデコーダは、60本の行など、行のサブセットを選択することができ、それらは、80本の行など、イメージセンサを構成する全量の行から各自の電荷を読み出させる。 4. ) High frame rate motion imaging mode for motion adaptive signal integration (MASI) and/or short integration time with high gain for motion blur reduction. High frame rate for motion adaptive signal integration (MASI) may be an imaging mode of operation that uses photodiode readout from a pixel 100 with multiple photodiodes. The high frame rate MASI algorithm achieves high dynamic range by combining high frame rate images of different exposures. High frame rate modes may still implement binning, non-binning, and extended dynamic range in a given pixel 100. Note that high frame rates may also exclude a certain amount of rows or even individual pixels from being read out to match the data throughput of the image sensor. Thus, the first decoder can select a subset of rows, such as 60 rows, and have them read out their respective charges from the total number of rows that make up the image sensor, such as 80 rows.

4)低照明条件から晴天条件までの拡張されたダイナミックレンジ。拡張されたダイナミックレンジの動作のイメージングモードは、ピクセル100からの複数のフォトダイオードの読み出しを使用する動作のイメージングモードであり得る。ダイナミックレンジは、低い光強度において、全ウェル容量に至るまでにセンサがどれほど良好に正確な信号を測定できるかの尺度であり得る。拡張されたダイナミックレンジは、4つのフォトダイオードの有効積分時間を調整することによって実現され得る。 4) Extended dynamic range from low light conditions to clear sky conditions. The extended dynamic range imaging mode of operation may be an imaging mode of operation that uses multiple photodiode readouts from the pixel 100. Dynamic range can be a measure of how well a sensor can measure accurate signals at low light intensities and up to full well volume. Extended dynamic range can be achieved by adjusting the effective integration times of the four photodiodes.

一実施形態では、本明細書で論じられるクアッドピクセル設計は、いくつかの他の従来の設計と比べたときに、2倍(またはそれ以上)の読み出しノイズの低減をもたらすことができる。1つの実施形態では、システムはクアッド設計から構成され、そこでは、4つの8×8umピクセルが個々に読み出されるか、または各自の電荷が組み合わされ/ビニングされて、16×16umのスーパーピクセルを形成するかのいずれかである。16×16umピクセルは、最も低い光レベルについて4倍以上の信号を集める。この設計は、読み出しノイズを2倍低減しながら、星明かりの照明のみによる向上したイメージングを可能にする。 In one embodiment, the quad-pixel design discussed herein can provide a readout noise reduction of two times (or more) when compared to some other conventional designs. In one embodiment, the system is constructed from a quad design, where four 8x8um pixels are read out individually or their charges are combined/binned to form a 16x16um superpixel. Either you do it. A 16x16um pixel collects 4 times more signal for the lowest light levels. This design allows for improved imaging with starlight illumination alone while reducing readout noise by a factor of two.

本発明が、1または複数の実施形態の点から説明されたが、明示的に述べられたもの以外の多くの相当形態、代替形態、変形例、および変更が可能であり、本発明の範囲内にあることが理解されるべきである。 Although this invention has been described in terms of one or more embodiments, there are many equivalents, alterations, modifications, and modifications other than those expressly described and which fall within the scope of this invention. It should be understood that

Claims (20)

装置であって、
画像を捕捉するためのイメージセンサを構成するピクセルのセットを有する前記イメージセンサ、を備え、
前記ピクセルのセットの中の2以上のピクセルは各々、個々のピクセルを形成するために構成可能な複数のフォトダイオードを含むアーキテクチャを有し、前記複数のフォトダイオードが、センスノードを含む共通の出力段を通じて読み出され、
制御システムは、前記複数のフォトダイオードと協働して、前記個々のピクセルを形成すべく前記複数のフォトダイオードを構成するように構成され、前記複数のフォトダイオードは、第1のフォトダイオードおよび第2のフォトダイオードを含み、
前記第1のフォトダイオードおよび前記第2のフォトダイオードは各々、そのフォトダイオードに電気的に結合された転送ゲートを有し、前記装置はさらに、
1)少なくとも積分時間の間またはその後に、少なくとも前記第1のフォトダイオードから受け取った電荷を保持または転送するための、前記センスノードに電気的に結合された共通領域、2)少なくとも前記積分時間の間またはその後に、少なくとも前記第1のフォトダイオードから受け取った電荷を保持または転送するための、前記センスノードに電気的に結合された1または複数の読み出しゲート、および、3)少なくとも前記積分時間の間またはその後に、少なくとも前記第1のフォトダイオードから受け取った電荷を保持または転送するための1)と2)両方の任意の組み合わせ、の少なくとも1つを備えている、装置。
A device,
said image sensor having a set of pixels forming an image sensor for capturing an image;
The two or more pixels in the set of pixels each have an architecture including a plurality of photodiodes configurable to form an individual pixel, the plurality of photodiodes having a common output including a sense node. read out through the stages,
A control system is configured to cooperate with the plurality of photodiodes to configure the plurality of photodiodes to form the individual pixels, the plurality of photodiodes including a first photodiode and a first photodiode. 2 photodiodes,
The first photodiode and the second photodiode each have a transfer gate electrically coupled to the photodiode, and the apparatus further comprises:
1) a common region electrically coupled to the sense node for retaining or transferring charge received from at least the first photodiode during or after at least the integration time; 2) at least after the integration time; 3) one or more readout gates electrically coupled to said sense node for retaining or transferring charge received from at least said first photodiode during or after said integration time; any combination of both 1) and 2) for retaining or transferring charge received from at least the first photodiode during or thereafter.
前記1または複数の読み出しゲートは、少なくとも第1の読み出しゲートおよび第2の読み出しゲートを含むと共に、前記共通領域として機能するように構成されており、前記共通領域は、前記積分時間の間に前記第1のフォトダイオードおよび前記第2のフォトダイオードからの前記電荷を転送するための第1の共通領域と、前記積分時間の間に第3のフォトダイオードおよび第4のフォトダイオードからの電荷を転送するための第2の共通領域と、に分割されている、請求項1に記載の装置。 The one or more readout gates include at least a first readout gate and a second readout gate, and are configured to function as the common area, and the common area is configured to act as the common area during the integration time. a first common area for transferring the charge from the first photodiode and the second photodiode and transferring charge from the third photodiode and the fourth photodiode during the integration time; 2. The apparatus of claim 1, wherein the apparatus is divided into: a second common area for; 前記複数のフォトダイオードは、前記積分時間の間に電荷を集めるように構成されており、前記共通領域は、前記第1のフォトダイオードおよび前記第2のフォトダイオードからの前記電荷を保持するように構成されており、前記読み出しゲートは、読み出し動作の間に、前記共通領域からの前記保持されている電荷を、前記読み出しゲートを通じて前記センスノードに供給するように構成されている、請求項1に記載の装置。 The plurality of photodiodes are configured to collect charge during the integration time, and the common area is configured to retain the charge from the first photodiode and the second photodiode. 2. The method of claim 1, wherein the read gate is configured to supply the retained charge from the common region to the sense node through the read gate during a read operation. The device described. 前記第1のフォトダイオードおよび前記第2のフォトダイオードは、前記共通領域が少なくとも前記積分時間の間またはその後に前記第1および第2のフォトダイオードからの前記電荷をビニングするために、前記積分時間の間に各自の電荷を同時に前記共通領域に供給するように構成されており、前記制御システムは、前記イメージセンサをローリングシャッター動作モードで動作させるための制御信号を送るように構成されており、それにより、前記積分時間の間に、前記複数のフォトダイオードが電荷を同時に集め、前記電荷が関連付けられた前記フォトダイオードの転送ゲートを通じて前記共通領域に移動されてビニングされ、前記読み出しゲートは、次いで前記読み出し動作の間に、前記共通領域からの前記電荷を、前記読み出しゲートを通じて前記センスノードに供給するように構成されており、前記ローリングシャッター動作モードにある前記イメージセンサは、すべての前記フォトダイオードが同時に各自の信号を転送する代わりに、フォトダイオードの行単位で、前記イメージセンサ内のフォトダイオードの行を読み出すように構成される、請求項3に記載の装置。 The first photodiode and the second photodiode are connected to each other during the integration time such that the common area bins the charge from the first and second photodiodes during or after at least the integration time. and the control system is configured to send a control signal to operate the image sensor in a rolling shutter mode of operation; Thereby, during the integration time, the plurality of photodiodes simultaneously collect charge, the charge is transferred and binned to the common area through the transfer gate of the associated photodiode, and the readout gate then During the readout operation, the image sensor in the rolling shutter mode of operation is configured to supply the charge from the common area to the sense node through the readout gate, and the image sensor in the rolling shutter mode of operation 4. The apparatus of claim 3, wherein the apparatus is configured to read out rows of photodiodes in the image sensor on a row-by-row basis instead of transferring their respective signals simultaneously. 前記個々のピクセルの中の前記複数のフォトダイオードは、第3のフォトダイオードおよび第4のフォトダイオードを含み、前記共通領域は、前記積分時間の間に、前記第1のフォトダイオード、前記第2のフォトダイオード、前記第3のフォトダイオード、および前記第4のフォトダイオードからの前記電荷を格納するように構成されている、請求項3に記載の装置。 The plurality of photodiodes in the individual pixel include a third photodiode and a fourth photodiode, and the common area is configured such that during the integration time, the first photodiode, the second photodiode 4. The apparatus of claim 3, configured to store the charge from a photodiode, a third photodiode, and a fourth photodiode. 前記共通領域は、少なくとも前記積分時間の間またはその後に、電荷を保持または転送するように構成されており、
前記共通領域と前記センスノードとに電気的に結合された前記1または複数の読み出しゲートは、前記共通領域からの電荷を、前記読み出しゲートを通じて前記センスノードに供給するように構成されている、請求項1に記載の装置。
the common region is configured to retain or transfer charge at least during or after the integration time;
The one or more readout gates electrically coupled to the common region and the sense node are configured to supply charge from the common region to the sense node through the readout gate. The device according to item 1.
前記制御システムは、積分時間の間に電荷を同時に集めるように前記複数のフォトダイオードに第1の制御信号を送り、かつ、少なくとも前記積分時間の間またはその後に、前記第1および第2のフォトダイオードによって供給された電荷をビニングするために、前記複数のフォトダイオードのうち少なくとも前記第1のフォトダイオードおよび前記第2のフォトダイオードに蓄積された前記電荷を、そのフォトダイオードに結合された各自の関連付けられた転送ゲートを通じて前記共通領域に同時に移動するように、関連付けられた前記転送ゲートに第2の制御信号を送るように構成されており、前記制御システムはさらに、次いで、前記共通領域内の前記ビニングされた電荷を、前記読み出しゲートを通じて前記センスノードに転送する前記読み出し動作のために第3の制御信号を送るように構成されており、ローリングシャッターモードで動作している時の前記制御システムは、前記3つの制御信号の上記シーケンスをフォトダイオードの行単位で行って、1つの画像フレームの一時間フレーム内にすべての行を行うように構成されている、請求項1に記載の装置。 The control system sends a first control signal to the plurality of photodiodes to collect charge simultaneously during an integration time, and controls the first and second photodiodes at least during or after the integration time. For binning the charge provided by the diodes, the charge accumulated in at least the first photodiode and the second photodiode of the plurality of photodiodes is divided into the respective ones coupled to the photodiode. the control system is further configured to send a second control signal to the associated transfer gates to simultaneously move through the associated transfer gates to the common area; the control system when operating in rolling shutter mode, the control system being configured to send a third control signal for the read operation to transfer the binned charge through the read gate to the sense node; 2. The apparatus of claim 1, wherein said sequence of said three control signals is configured to perform said sequence of said three control signals row by row of photodiodes, so that all rows are performed within one time frame of one image frame. 前記読み出し動作の間に必要とされるノイズ閾値を下げるため、前記センスノードの面積は、関連付けられた前記転送ゲートすべての代わりに、前記読み出しゲートに直接結合するのに十分な程度に小さく設定され、
前記制御システムは、各フォトダイオードがそれ自体の個々のピクセルを形成するよう前記複数のフォトダイオードと協働して前記複数のフォトダイオードを再構成するように構成されている、請求項1に記載の装置。
To reduce the noise threshold required during the read operation, the area of the sense node is set small enough to couple directly to the read gate instead of all the associated transfer gates. ,
2. The control system is configured to cooperate with the plurality of photodiodes to reconfigure the plurality of photodiodes such that each photodiode forms its own individual pixel. equipment.
前記共通領域は、前記第1のフォトダイオードからのフォトダイオード出力および前記第2のフォトダイオードからのフォトダイオード出力からの電荷チャネルを有し、前記電荷チャネルは、そのフォトダイオードに電気的に結合された関連付けられた前記転送ゲートを通じ、前記共通領域のウェルを通じて、前記読み出しゲートに至る、請求項1に記載の装置。 The common area has a charge channel from a photodiode output from the first photodiode and a photodiode output from the second photodiode, the charge channel being electrically coupled to the photodiode. 2. The apparatus of claim 1, wherein the reading gate is reached through the associated transfer gate and through the well of the common area. ローリングシャッターを実装する制御システムを有するイメージセンサのための方法であって、
積分時間の間に2以上のフォトダイオードによって供給された電荷をビニングするために、ピクセルを形成する複数のフォトダイオードからの電荷を、関連付けられた転送ゲートを通じて同時に共通領域に移動することと、
次いで、読み出し動作の間に、前記共通領域からの前記ビニングされた電荷を、読み出しゲートを通じてセンスノードに供給することと、を含む方法。
A method for an image sensor having a control system implementing a rolling shutter, the method comprising:
simultaneously transferring charge from the plurality of photodiodes forming a pixel to a common area through associated transfer gates to binning the charge provided by the two or more photodiodes during an integration time;
then supplying the binned charge from the common region to a sense node through a read gate during a read operation.
前記積分時間の間に、前記複数のフォトダイオードを用いて電荷を集めることと、
前記積分時間の間に、前記2以上のフォトダイオードからの前記電荷を前記共通領域内に格納し、ビニングすることと、
次いで、前記読み出し動作の間に、前記共通領域からの前記ビニングされた電荷を、前記読み出しゲートを通じて前記センスノードに供給することと、
をさらに含む、請求項10に記載の方法。
collecting charge using the plurality of photodiodes during the integration time;
storing and binning the charge from the two or more photodiodes in the common area during the integration time;
then supplying the binned charge from the common region to the sense node through the read gate during the read operation;
11. The method of claim 10, further comprising:
前記イメージセンサをローリングシャッター動作モードで動作させるための制御信号を送ることであって、それにより、前記積分時間の間に、前記複数のフォトダイオードが電荷を同時に集め、前記電荷が、関連付けられたフォトダイオード転送ゲートを通じて前記共通領域に移動されてビニングされ、前記読み出しゲートは、次いで前記読み出し動作の間に、前記共通領域からの前記電荷を、前記読み出しゲートを通じて前記センスノードに供給し、前記ローリングシャッター動作モードにある前記イメージセンサは、すべての行が同時に読み出される代わりに、フォトダイオードの行単位で前記イメージセンサ内のフォトダイオードの行を読み出すことをさらに含む、請求項11に記載の方法。 sending a control signal to operate the image sensor in a rolling shutter mode of operation, whereby during the integration time, the plurality of photodiodes simultaneously collect charge, the charges are associated with each other; A photodiode transfer gate is moved and binned to the common area, and the readout gate then supplies the charge from the common area to the sense node through the readout gate during the readout operation, and the rolling 12. The method of claim 11, wherein the image sensor in a shutter mode of operation further comprises reading out rows of photodiodes in the image sensor on a photodiode row by row basis instead of all rows being read out simultaneously. 前記個々のピクセルの中の前記複数のフォトダイオードは、少なくとも4つのフォトダイオードを含み、
前記積分時間の間に、前記複数のフォトダイオードすべてからの前記電荷を格納するために前記電荷を前記共通領域に移動することを含む、請求項10に記載の方法。
the plurality of photodiodes within the individual pixel includes at least four photodiodes;
11. The method of claim 10, comprising moving the charge from all of the plurality of photodiodes to the common area to store the charge during the integration time.
少なくとも前記積分時間の間またはその後に、前記共通領域に電荷を保持または転送することをさらに含み、
前記1または複数の読み出しゲートは、前記共通領域および前記センスノードに電気的に結合されており、前記読み出しゲートは、前記共通領域からの電荷を、その読み出しゲートを通じて前記センスノードに供給する、請求項10に記載の方法。
further comprising retaining or transferring charge to the common region during or after at least the integration time;
The one or more readout gates are electrically coupled to the common region and the sense node, the readout gate providing charge from the common region to the sense node through the readout gate. The method according to item 10.
前記1または複数の読み出しゲートは、少なくとも第1の読み出しゲートおよび第2の読み出しゲートを含むと共に、前記共通領域として機能するように構成されており、前記共通領域は、前記積分時間の間に前記第1のフォトダイオードおよび前記第2のフォトダイオードからの前記電荷を転送するための第1の共通領域と、前記積分時間の間に第3のフォトダイオードおよび第4のフォトダイオードからの電荷を転送するための第2の共通領域と、に分割されている、請求項10に記載の方法。 The one or more readout gates include at least a first readout gate and a second readout gate, and are configured to function as the common area, and the common area is configured to act as the common area during the integration time. a first common area for transferring the charge from the first photodiode and the second photodiode and transferring charge from the third photodiode and the fourth photodiode during the integration time; 11. The method of claim 10, wherein: 積分時間の間に電荷を同時に集めるように、前記複数のフォトダイオードおよび各自の関連付けられた転送ゲートに第1の制御信号を送ることと、
次いで、少なくとも前記積分時間の間またはその後に、前記複数のフォトダイオードのうち第1および第2のフォトダイオードによって供給された電荷をビニングするために、少なくとも前記第1のフォトダイオードおよび第2のフォトダイオードに蓄積された前記電荷を、そのフォトダイオードに結合された各自の関連付けられた転送ゲートを通じて前記共通領域に同時に移動するように、前記関連付けられた転送ゲートに第2の制御信号を送ることと、
前記共通領域内の前記ビニングされた電荷を、前記読み出しゲートを通じて前記センスノードに転送する前記読み出し動作のために第3の制御信号を送ることと、をさらに含み、
ローリングシャッターモードで動作している時の前記制御システムは、前記3つの制御信号の上記シーケンスをフォトダイオードの行単位で行って、1つの画像フレームの一時間フレーム内にすべての行を行うように構成される、請求項10に記載の方法。
sending a first control signal to the plurality of photodiodes and their respective associated transfer gates to simultaneously collect charge during an integration time;
Then, during or after at least the integration time, at least the first photodiode and the second photodiode of the plurality of photodiodes are connected to each other for binning the charge provided by the first and second photodiodes of the plurality of photodiodes. sending a second control signal to the associated transfer gates to simultaneously transfer the charge stored on the diodes to the common region through their respective associated transfer gates coupled to the photodiodes; ,
sending a third control signal for the read operation to transfer the binned charge in the common region to the sense node through the read gate;
The control system when operating in rolling shutter mode performs the above sequence of the three control signals row by row of photodiodes such that all rows are performed within one time frame of one image frame. 11. The method of claim 10, comprising:
前記読み出し動作の間に必要とされるノイズ閾値を下げるため、前記センスノードの面積は、前記関連付けられた転送ゲートすべての代わりに、前記読み出しゲートに直接結合するのに十分な程度に小さく設定され、
前記制御システムは、各フォトダイオードがそれ自体の個々のピクセルを形成するよう前記複数のフォトダイオードと協働して前記複数のフォトダイオードを再構成するように構成されている、請求項10に記載の方法。
To reduce the noise threshold required during the read operation, the area of the sense node is set small enough to couple directly to the read gate instead of all of the associated transfer gates. ,
11. The control system is configured to cooperate with the plurality of photodiodes to reconfigure the plurality of photodiodes such that each photodiode forms its own individual pixel. the method of.
前記共通領域は、前記複数のフォトダイオードの中の第1のフォトダイオードからのフォトダイオード出力および第2のフォトダイオードからのフォトダイオード出力からの電荷チャネルを有し、前記電荷チャネルは、そのフォトダイオードに電気的に結合された前記転送ゲートの下方を通じ、前記共通領域のウェルを通じて、前記読み出しゲートに至る、請求項10に記載の方法。 The common area has a charge channel from a photodiode output from a first photodiode and a photodiode output from a second photodiode of the plurality of photodiodes, and the charge channel 11. The method of claim 10, wherein the read gate is reached through a well of the common area through a well of the common area through a bottom of the transfer gate electrically coupled to the transfer gate. 画像を捕捉するためのイメージセンサを構成するピクセルのセットを有する前記イメージセンサのための方法であって、
個々のピクセルを形成するために構成可能な複数のフォトダイオードを含むアーキテクチャを各々が有するように、前記ピクセルのセット内の2以上のピクセルを作成することと、
前記複数のフォトダイオードと協働して前記個々のピクセルを形成するように制御システムを構成することであって、前記複数のフォトダイオードのうち第1のフォトダイオードおよび第2のフォトダイオードが各々、そのフォトダイオードに電気的に結合された転送ゲートを有する、構成することと、
1)少なくとも積分時間の間またはその後に、少なくとも前記第1のフォトダイオードから受け取った電荷を保持または転送するための、前記センスノードに電気的に結合された共通領域、2)少なくとも前記積分時間の間またはその後に、少なくとも前記第1のフォトダイオードから受け取った電荷を保持または転送するための、前記センスノードに電気的に結合された1または複数の読み出しゲート、および、3)少なくとも前記積分時間の間またはその後に、少なくとも前記第1のフォトダイオードから受け取った電荷を保持または転送するための1)と2)両方の任意の組み合わせ、の少なくとも1つを作成することと、を含む方法。
A method for an image sensor having a set of pixels constituting the image sensor for capturing an image, the method comprising:
creating two or more pixels in the set of pixels, each having an architecture that includes a plurality of photodiodes configurable to form an individual pixel;
a control system configured to cooperate with the plurality of photodiodes to form the individual pixels, wherein a first photodiode and a second photodiode of the plurality of photodiodes each include: comprising a transfer gate electrically coupled to the photodiode;
1) a common region electrically coupled to the sense node for retaining or transferring charge received from at least the first photodiode during or after at least the integration time; 2) at least after the integration time; 3) one or more readout gates electrically coupled to said sense node for retaining or transferring charge received from at least said first photodiode during or after said integration time; during or after, at least one of: any combination of both 1) and 2) for retaining or transferring charge received from at least the first photodiode.
前記個々のピクセルの中の前記複数のフォトダイオードは、第3のフォトダイオードおよび第4のフォトダイオードを含み、前記共通領域は、前記積分時間の間に、前記第1のフォトダイオード、前記第2のフォトダイオード、前記第3のフォトダイオード、および前記第4のフォトダイオードからの前記電荷を保持するように構成されている、請求項19に記載の方法。 The plurality of photodiodes in the individual pixel include a third photodiode and a fourth photodiode, and the common area is configured such that during the integration time, the first photodiode, the second photodiode 20. The method of claim 19, wherein the method is configured to retain the charge from a second photodiode, the third photodiode, and the fourth photodiode.
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