JP3558589B2 - Ｍｏｓ型イメージセンサ及びその駆動方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＭＯＳ型イメージセンサ及びその駆動方法に関し、特に、入射光量に対するダイナミックレンジの拡大に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明が関するＭＯＳ型イメージセンサは、特に専用プロセスが必要なＣＣＤイメージセンサと違い、標準ＭＯＳプロセスで作製可能なために、低電圧・単一電源動作により低消費電力なこと、および、周辺ロジックやマクロがワンチップ化できる利点があり、近年注目を浴びている。
【０００３】
図６に、Ｏ．Ｙ．Ｐｅｃｈｔ等によって、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ，４４，ｐｐ．１２７１−１７２３、１９９７で発表されている、光量に対するダイナミックレンジ拡大方法の従来例を示す。
【０００４】
これによると、露光時間の異なるＲＯＷｎ及びＲＯＷ（ｎ−Δ）に対して、そこに位置するピクセル２１の信号電荷を上下のそれぞれ第１水平転送レジスタ２２及び第２水平転送レジスタ２３に別々に読み出し、オフチップでそれらを合成することになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
然るに、上記のような方法だと、水平のスキャン回路が上下に必要になるため回路規模が大きくなる。また、露光時間の異なる二画面の合成はオフチップ処理のためシステム規模が大きくなるという欠点もある。
【０００６】
本発明の目的は、回路規模の増大なしに、白飛び・黒潰れの緩和された光量に対するダイナミックレンジの広い画像を実現できるイメージセンサを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のＭＯＳ型イメージセンサは、半導体領域と、前記半導体領域内に形成された前記半導体領域と逆の導電型の拡散層とを有する半導体装置を含み、前記半導体装置の前記拡散層内の電荷を排出した後、前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させ、発生した電荷の表面電位に基づく信号によって前記光の入射量を測定するＭＯＳ型イメージセンサであって、単位ピクセル内に、少なくとも、フォトダイオード、ピクセル内容量選択トランジスタ、ピクセル内容量、リセットトランジスタ、及び読み出しトランジスタを有し、前記フォトダイオードは、前記半導体装置で構成され、前記ピクセル内容量選択トランジスタは、前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量を接続して、そのオンオフに応じて前記フォトダイオードの電荷と前記ピクセル内容量の電荷を合成させるものであり、前記ピクセル内容量は、前記フォトダイオードの電荷と前記ピクセル内容量の前記合成された電荷を蓄積するものであり、前記リセットトランジスタは、前記フォトダイオード及び前記ピクセル内容量選択トランジスタを電源線に接続するものであり、前記読み出しトランジスタは、前記フォトダイオードに蓄積された電荷の読み出しを制御するものである。
【０００８】
また、本発明のＭＯＳ型イメージセンサは、半導体領域と、前記半導体領域内に形成された前記半導体領域と逆の導電型の拡散層とを有する半導体装置を含み、前記半導体装置の前記拡散層内の電荷を排出した後、前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させ、発生した電荷の表面電位に基づく信号によって前記光の入射量を測定するＭＯＳ型イメージセンサであって、単位ピクセル内に、フォトダイオード、ピクセル内容量選択トランジスタ、ピクセル内容量、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ、及び読み出しトランジスタを有し、前記フォトダイオードは、アノードが接地され、入射した光を電子に変換してカソードから前記電子を取り出すもので、前記半導体装置で構成され、前記ピクセル内容量選択トランジスタは、ドレインが前記フォトダイオードのカソードに接続され、ゲートがピクセル内容量選択線に接続され、ソースが前記ピクセル内容量に接続され、そのオンオフに応じて前記フォトダイオードの電荷と前記ピクセル内容量の電荷を合成させるものであり、前記ピクセル内容量は、一端が接地され、他端が前記ピクセル内容量選択トランジスタのソースに接続され、前記フォトダイオードの電荷と前記ピクセル内容量の前記合成された電荷を蓄積するものであり、前記リセットトランジスタは、ソースが前記フォトダイオードのカソードに接続され、ゲートがリセット線に接続され、ドレインが電源線に接続され、前記増幅トランジスタは、ゲートが前記フォトダイオードのカソードに接続され、ドレインが前記電源線に接続され、ソースが前記読み出しトランジスタのドレインに接続され、前記読み出しトランジスタは、ドレインが前記増幅トランジスタのソースに接続され、ゲートが水平選択線に接続され、ソースが垂直読み出し線に接続され、前記フォトダイオードに蓄積された電荷の読み出しを制御するものである。
【０００９】
ここで、前記ピクセル内容量がＭＯＳトランジスタからなり、前記ＭＯＳトランジスタのソース及びドレインは短絡されて接地されゲートは前記ピクセル内容量選択トランジスタのソースに接続された構成であってもよい。また、
前記リセットトランジスタ及び前記ピクセル内容量選択トランジスタが共にデプレッション型のＭＯＳトランジスタであり、前記リセットトランジスタのオフ時のポテンシャルが、前記ピクセル内容量選択トランジスタのオフ時のポテンシャルより高いことが好ましい。
【００１０】
本発明のＭＯＳ型イメージセンサの駆動方法は、単位ピクセル内に、半導体領域と前記半導体領域内に形成された前記半導体領域と逆の導電型の拡散層とで構成されたフォトダイオードと、前記フォトダイオードにピクセル内容量選択トランジスタを介して接続され前記ピクセル内容量選択トランジスタのオンオフに応じて前記フォトダイオードの電荷と合成された電荷が蓄積されるピクセル内容量と、前記フォトダイオード及び前記ピクセル内容量選択トランジスタを電源線に接続するリセットトランジスタと、前記フォトダイオードに蓄積された電荷の読み出しを制御する読み出しトランジスタと、を有し、前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させ、発生した電荷の表面電位に基づく信号によって前記光の入射量を測定するＭＯＳ型イメージセンサの駆動方法であって、前記フォトダイオード及び前記ピクセル内容量を電源線に接続して電荷をリセットする工程と、一フレームにおける前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させる工程と、その後前記フォトダイオードに蓄積された電荷を読み出す工程とを有し、前記一フレームにおける前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させる工程は、時間が異なる複数の露光期間からなり、少なくとも前記複数の露光期間のいずれかの露光期間中又はいずれかの露光期間の後に、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量とを接続して、前記フォトダイオードの電荷と前記ピクセル内容量の電荷とを合成させる工程を含む。ここで、前記拡散層内に電荷を発生させる工程において、前記フォトダイオードに蓄積された過剰な電荷は、前記リセットトランジスタを介して前記電源線に排出する。また、前記複数の露光期間は、先行する露光期間が、その後に位置する露光期間よりも長い期間であることが好ましい。
【００１１】
また、本発明のＭＯＳ型イメージセンサの駆動方法は、単位ピクセル内に、半導体領域と前記半導体領域内に形成された前記半導体領域と逆の導電型の拡散層とで構成されたフォトダイオードと、前記フォトダイオードにピクセル内容量選択トランジスタを介して接続され前記ピクセル内容量選択トランジスタのオンオフに応じて前記フォトダイオードの電荷と合成された電荷が蓄積されるピクセル内容量と、前記フォトダイオード及び前記ピクセル内容量選択トランジスタを電源線に接続するリセットトランジスタと、前記フォトダイオードに蓄積された電荷の読み出しを制御する読み出しトランジスタと、を有し、前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させ、発生した電荷の表面電位に基づく信号によって前記光の入射量を測定するＭＯＳ型イメージセンサの駆動方法であって、前記フォトダイオード及び前記ピクセル内容量を電源線に接続して電荷をリセットする工程と、一フレームにおける前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させる工程と、その後前記フォトダイオードに蓄積された電荷を読み出す工程とを有し、前記一フレームにおける前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させる工程は、時間が異なる第１の露光期間と第２の露光期間とからなり、前記第１の露光期間は、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量とを接続した状態にて前記第１の露光期間で前記フォトダイオードに発生した第１の電荷を前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量に蓄積し、前記第１の露光期間終了時に、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量との接続を解除し、前記フォトダイオードに蓄積された第１の電荷を前記リセットトランジスタを介してリセットし、前記第２の露光期間は、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量との接続を解除した状態にて前記フォトダイオードのみに第２の電荷を蓄積し、前記第２の露光期間の後、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量とを接続して前記フォトダイオードに蓄積された第２の電荷と前記ピクセル内容量に蓄積された第１の電荷とを合成する。
【００１２】
また、本発明のＭＯＳ型イメージセンサの駆動方法は、単位ピクセル内に、半導体領域と前記半導体領域内に形成された前記半導体領域と逆の導電型の拡散層とで構成されたフォトダイオードと、前記フォトダイオードにピクセル内容量選択トランジスタを介して接続され前記ピクセル内容量選択トランジスタのオンオフに応じて前記フォトダイオードの電荷と合成された電荷が蓄積されるピクセル内容量と、前記フォトダイオード及び前記ピクセル内容量選択トランジスタを電源線に接続するリセットトランジスタと、前記フォトダイオードに蓄積された電荷の読み出しを制御する読み出しトランジスタと、を有し、前記リセットトランジスタ及び前記ピクセル内容量選択トランジスタがともにデプレッション型のＭＯＳトランジスタであって、前記リセットトランジスタのオフ時のポテンシャルが前記ピクセル内容量選択トランジスタのオフ時のポテンシャルより高いものであって、前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させ、発生した電荷の表面電位に基づく信号によって前記光の入射量を測定するＭＯＳ型イメージセンサの駆動方法であって、前記フォトダイオード及び前記ピクセル内容量を電源線に接続して電荷をリセットする工程と、一フレームにおける前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させる工程と、その後前記フォトダイオードに蓄積された電荷を読み出す工程とを有し、前記一フレームにおける前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させる工程は、時間が異なる第１の露光期間と第２の露光期間とからなり、前記第１の露光期間は、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量との接続を解除した状態にて前記フォトダイオードにのみ第１の電荷を蓄積させ、前記第１の露光期間中、発生した過剰な電荷は前記リセットトランジスタを介して前記電源線に排出させ、前記第１の露光期間終了時に、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量を接続して、前記フォトダイオードに蓄積された第１の電荷を前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量に分割し、前記第２の露光期間は、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量との接続を解除した状態にて前記フォトダイオードのみに前記分割された第１の電荷に加えて第２の電荷を蓄積する。
【００１３】
また、本発明のＭＯＳ型イメージセンサの駆動方法は、単位ピクセル内に、半導体領域と前記半導体領域内に形成された前記半導体領域と逆の導電型の拡散層とで構成されたフォトダイオードと、前記フォトダイオードにピクセル内容量選択トランジスタを介して接続され前記ピクセル内容量選択トランジスタのオンオフに応じて前記フォトダイオードの電荷と合成された電荷が蓄積されるピクセル内容量と、前記フォトダイオード及び前記ピクセル内容量選択トランジスタを電源線に接続するリセットトランジスタと、前記フォトダイオードに蓄積された電荷の読み出しを制御する読み出しトランジスタと、を有し、前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させ、発生した電荷の表面電位に基づく信号によって前記光の入射量を測定するＭＯＳ型イメージセンサの駆動方法であって、前記フォトダイオード及び前記ピクセル内容量を電源線に接続して電荷をリセットする工程と、一フレームにおける前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させる工程と、その後前記フォトダイオードに蓄積された電荷を読み出す工程とを有し、前記一フレームにおける前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させる工程は、時間が異なる第１の露光期間と第２の露光期間とからなり、前記第１の露光期間は、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量との接続を解除した状態にて前記フォトダイオードにのみ第１の電荷を蓄積させ、前記第１の露光期間終了時に、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量を接続して、前記フォトダイオードに蓄積された第１の電荷を前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量に分割し、前記第２の露光期間は、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量との接続を解除した状態にて前記フォトダイオードのみに第２の電荷を蓄積し、前記第２の露光期間の後、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量を接続して、前記フォトダイオードに蓄積された第２の電荷を前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量に分割する。
【００１４】
ここで、前記第１の露光期間は、前記第２の露光期間よりも長い期間であることが好ましい。
【００１５】
次に、上記本発明のＭＯＳ型イメージセンサは、以下のような回路構成を採る。
【００１６】
即ち、入射した光を電子に変換し、アノードを接地し、カソードから前記電子を取り出す構成のフォトダイオードと、ゲートを前記フォトダイオードのカソードに接続し、ドレインを電源線に接続し、ソースを読み出しトランジスタのドレインに接続する増幅トランジスタと、ソースを前記フォトダイオードのカソードに、ゲートをリセット線に、ドレインを電源線にそれぞれ接続したリセットトランジスタと、ドレインを前記フォトダイオードのカソードに、ゲートをピクセル内容量の選択線に、ソースをピクセル内容量にそれぞれ接続したピクセル内容量選択トランジスタと、一端を接地し、他端を前記ピクセル内容量選択トランジスタのソースに接続するピクセル内容量と、ドレインを前記増幅トランジスタのソースに、ゲートを水平選択線に、ソースを垂直読み出し線にそれぞれ接続した読み出しトランジスタと、からなる単位ピクセルを有することを特徴とし、前記ピクセル内容量がＭＯＳトランジスタからなり、前記ＭＯＳトランジスタのソース及びドレインを短絡して接地し、ゲートを前記ピクセル内容量選択トランジスタのソースに接続する構成であり、前記リセットトランジスタ及び前記ピクセル内容量選択トランジスタが共にデプレッション型のＭＯＳトランジスタであり、この場合、前記リセットトランジスタのオフ時のポテンシャルが、前記ピクセル内容量選択トランジスタのオフ時のポテンシャルより高い、というものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態の説明に入る前に、本発明の特徴を記しておく。
【００１８】
本発明は、ＭＯＳ型イメージセンサにおいて，一フレーム読み出しの間に，複数の、時間が異なった露光を行い、ピクセル内に設けたメモリ領域にそれらの異なった露光時間で蓄積された電荷を別々に蓄積し、読み出し時にはそれらの蓄積電荷をピクセル内で混合してから読み出すことを特徴とする。
【００１９】
図１に、本発明によるピクセルの回路構成図を示すように、本発明に従って、ＴＧＢ（容量選択線）をハイレベルに保ったままフォトダイオード１とピクセル内容量４とを導通させておき、ＲＳＴ（リセット線）を活性化してフォトダイオード１の初期化を行い、第一露光を開始する。この第一露光期間では、画面内暗部の黒潰れを少なくするよう露出時間を長めに設定する。そのため、画面内明部では電荷が飽和して白飛びが生じる場合がある。
【００２０】
第一露光終了後、ＴＧＢをローレベルにして、第一露光の結果をピクセル内容量４に蓄積する。
【００２１】
その後、再びＲＳＴを活性化して第二露光を開始する。この第二露光期間は、画面内明部の白飛びを少なくするよう露出時間を第一露光期間より短く設定する。第二露光終了後、ＴＧＢを再びハイレベルにして、第二露光の結果とピクセル内容量４に蓄積した第一露光の結果とをピクセル内で混合し、ＷＬを活性化して読み出す。
【００２２】
これら一連の動作により、第一露光時に白飛びした領域は第二露光時に発生した電荷により補われ、また、同時に、第二露光時に黒潰れした領域は第一露光時の蓄積電荷により補われるため、明暗差の大きい画面内の白飛び、黒潰れが緩和され、光の明暗に対するダイナミックレンジが拡大できる。
【００２３】
次に、本発明の第１の実施形態について図１、図２を参照して説明する。図１を参照すると、本発明の第１の実施形態としてのＣＭＯＳイメージセンサのピクセル回路構成図が示されている。
【００２４】
本ＣＭＯＳイメージセンサは、光１０を受け電気信号に変換するアノード側を接地したフォトダイオード１と、フォトダイオード１から光電変換により電子を取り出すカソード側をゲートに接続し、ドレインを電源線ＶＤＤに接続し増幅器として作用するトランジスタ２と、ソースをフォトダイオード１のカソード側に、ゲートをリセット線ＲＳＴに、そしてドレインを電源線に接続したリセットトランジスタ３と、ドレインをフォトダイオード１のカソード側に、ゲートをピクセル内容量の選択線ＴＧＢに、ソースをピクセル内容量４と接続したトランジスタ５と、一端を接地したピクセル内容量４と、増幅器として作用するトランジスタ２のソースをドレインに、ゲートを水平選択線ＨＬに、そしてソースを垂直読出し線ＶＬに接続した読み出しトランジスタ６を有する。以下、本実施形態の動作につき説明する。
【００２５】
本発明の第１の実施形態のＣＭＯＳイメージセンサの動作について図２のタイミング図を用いて説明する。
【００２６】
まず、ピクセル内容量４を選択する選択線ＴＧＢをハイレベルに固定し、そして、水平選択線ＨＬをローレベルに固定した状態で、リセット線ＲＳＴにハイレベルのパルスを加え、フォトダイオード１のカソードおよびピクセル内容量４を、電源線のレベルにリセットする。
【００２７】
次に、リセット線ＲＳＴにハイレベルパルス印加後、フォトダイオード１は第一の露光期間に入り、フォトダイオード１のカソードには光信号により発生した電子が蓄積される。第一露光期間終了時には、ピクセル内容量４の選択線ＴＧＢをローレベルにし、第一露光期間の信号をピクセル内容量４に蓄える。
【００２８】
引き続き、リセット線ＲＳＴにハイレベルパルスを印加し、フォトダイオード１のカソードを電源線ＶＤＤのレベルにリセット後、フォトダイオード１は第二の露光期間に入り、再びフォトダイオード１のカソードには光信号により発生した電子が蓄積される。
【００２９】
第一及び第二の露光期間終了後には、ピクセル内容量４の選択線ＴＧＢをハイレベルにし、第一露光期間と第二露光期間の信号の混合を行って混合信号とし、そして、水平選択線ＨＬをハイレベルにして混合信号を垂直読み出し線ＶＬに読み出す。
【００３０】
この混合信号は、第一露光期間に白飛びした部分は第二露光期間の情報で、また、第二露光期間に黒潰れした部分は第一露光期間の情報でそれぞれ補われるため、白飛び・黒潰れの緩和された光量に対するダイナミックレンジの広い画像が得られる。
【００３１】
なお，第一の露光期間は、撮像対象の暗部が黒潰れをしないように露光時間を長く設定するのが望ましい。また、第二の露光期間は、撮像対象の明部が白飛びしないように露光時間を短く設定するのが望ましい。なぜなら、第一の露光期間においては、露光時間を長くしたことにより、フォトダイオード１の蓄積電荷が飽和してしまった場合にも、トランジスタ３を介して電源線ＶＤＤに過剰電荷を引き抜くことができるためである。逆に、第二露光時にフォトダイオード１の蓄積電荷が飽和してしまうような長時間露光を行うと、過剰電荷によりピクセル内容量４に蓄積された第一露光時の信号が破壊されてしまう恐れがあるので好ましくない。
【００３２】
このように、露光時間の異なる２回の露光を行って、それぞれの露光期間内で発生した信号をピクセル内で混合して読み出すことにより、第一露光期間に白飛びした部分は第二露光期間の情報で、また、第二露光期間に黒潰れした部分は第一露光期間の情報でそれぞれ補われるため、白飛び・黒潰れの緩和された光量に対するダイナミックレンジの広い画像が得られる。
【００３３】
また、上述の２回の露光は、１フレームの読出しの間に行うことができるため、フレーム読み出し速度を下げることなしにダイナミックレンジの拡大が可能であるという利点もある。
【００３４】
なお、上記実施形態では、ピクセル内のトランジスタはｎチャネル型の場合を説明しているが、ｐチャネル型の場合にもまったく同様に行うことができる。この場合、入力信号やフォトダイオードの極性が逆になることは言うまでもない。
【００３５】
また、ピクセル内容量とピクセル内容量選択トランジスタを増やすことにより、１フレームの間に２回より多い回数の露光期間を設け、上記説明と同様の操作によりピクセル内で混合してさらにダイナミックレンジを拡大することも可能である。
【００３６】
また、ピクセル内容量４に、ソースとドレインとを共に接地したトランジスタを用いることによって、レイアウト面積を小さくすることが可能である。
【００３７】
また、リセットトランジスタ３とピクセル内容量選択トランジスタ５とを共に、デプレッション型のトランジスタとすることによって、トランジスタのゲートのハイレベルを昇圧することなく信号の閾値落ちを防ぐことができる。
【００３８】
さらに、リセットトランジスタ３のオフ時のポテンシャルをピクセル内容量選択トランジスタのオフ時ポテンシャルより高いデプレッション型とすることによって、過剰電荷をリセットトランジスタ３を介して電源線に排出するブルーミングコントロールが可能となる。
【００３９】
次に、本発明の第２の実施形態として、その基本的構成は第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは動作の仕方が異なることを特徴とする。本発明の第２の実施形態のＣＭＯＳイメージセンサの動作について図３のタイミング図を用いて説明する。
【００４０】
まず、水平選択線ＨＬをローレベルに固定した状態でピクセル内容量４選択線ＴＧＢとリセット線ＲＳＴにハイレベルのパルスを加え、フォトダイオード１のカソードおよびピクセル内容量４を，電源線のレベルにリセットする。ピクセル内容量４選択線ＴＧＢとリセット線ＲＳＴにハイレベルパルス印加後、フォトダイオード１は第一の露光期間に入り，フォトダイオード１のカソードには，光信号により発生した電子が蓄積される。
【００４１】
第一露光期間終了時には、ピクセル内容量４選択線ＴＧＢにハイレベルパルスを印加し、第一露光期間の信号をピクセル内容量４に蓄える。その後、フォトダイオード１は第二の露光期間に入り、引き続きフォトダイオード１のカソードには光信号により発生した電子が蓄積される。
【００４２】
第一及び第二の露光期間終了後には、水平選択線ＨＬをハイレベルにして信号を垂直読み出し線ＶＬに読み出す。この信号は，第一露光期間の間の白飛び部分が補われるため、白飛びの緩和された光量に対するダイナミックレンジの広い画像が得られる。
【００４３】
次に、本発明の第３の実施形態のＣＭＯＳイメージセンサの動作について図４のタイミング図を用いて説明する。
【００４４】
まず、水平選択線ＨＬをローレベルに固定した状態でピクセル内容量４選択線ＴＧＢとリセット線ＲＳＴにハイレベルのパルスを加え、フォトダイオード１のカソードおよびピクセル内容量４を電源線のレベルにリセットする。ピクセル内容量４選択線ＴＧＢとリセット線ＲＳＴにハイレベルパルス印加後、フォトダイオード１は第一の露光期間に入り、フォトダイオード１のカソードには光信号により発生した電子が蓄積される。
【００４５】
第一露光期間終了時には、ピクセル内容量４選択線ＴＧＢにハイレベルパルスを印加し、第一露光期間の信号をピクセル内容量４に蓄える。その後、フォトダイオード１は第二の露光期間に入り、引き続きフォトダイオード１のカソードには光信号により発生した電子が蓄積される。
【００４６】
第一及び第二の露光期間終了後には、ピクセル内容量４選択線ＴＧＢをハイレベルにし第一露光期間と第二露光期間の信号の混合を行い、そして、水平選択線ＨＬをハイレベルにして混合信号を垂直読み出し線ＶＬに読み出す。この混合信号は、第一露光期間及び第二露光期間の間に白飛び・黒潰れした部分が相互に補われるため、白飛び・黒潰れの緩和された光量に対するダイナミックレンジの広い画像が得られる。
【００４７】
第１、第２、そして第３の実施形態の効果を図５に示す。ダイナミックレンジ拡大を行わない従来に比べ、いずれも光量に対し出力が飽和し難くなっており、広い光量範囲で出力が変化する、つまり、光量に対してダイナミックレンジが拡大していることがわかる。
【００４８】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明のイメージセンサは、露光時間の異なる２回の露光を行って、それぞれの露光期間内で発生した信号をピクセル内で混合して（ピクセル内に設けた容量に１回目の露光期間で発生した信号電荷を保持し、２回目の露光期間で発生した信号電荷を１回目の信号電荷とピクセル内で混合して）読み出すことにより、第一露光期間に白飛びした部分は第二露光期間の情報で、また、第二露光期間に黒潰れした部分は第一露光期間の情報でそれぞれ補われるため、白飛び・黒潰れの緩和された光量に対するダイナミックレンジの広い画像が得られる。
【００４９】
また、上述の２回の露光は、１フレームの読出しの間に行うことができるため、フレーム読み出し速度を下げることなしにダイナミックレンジの拡大が可能であるという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を説明する等価回路図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の動作を示すタイミング図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の動作を示すタイミング図である。
【図４】本発明の第３の実施形態の動作を示すタイミング図である。
【図５】本発明の第１、２、３の実施形態により得られる出力と光量の関係及び従来の方法により得られる出力と光量の関係を示すグラフである。
【図６】従来のイメージセンサのダイナミックレンジ拡大方法の一つを説明するための画素近傍の模式平面図である。
【符号の説明】
１ フォトダイオード
２、３、５、６ トランジスタ
４ ピクセル内容量
１０ 光
２１ ピクセル
２２ 第１水平転送レジスタ
２３ 第２水平転送レジスタ
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＭＯＳ型イメージセンサ及びその駆動方法に関し、特に、入射光量に対するダイナミックレンジの拡大に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明が関するＭＯＳ型イメージセンサは、特に専用プロセスが必要なＣＣＤイメージセンサと違い、標準ＭＯＳプロセスで作製可能なために、低電圧・単一電源動作により低消費電力なこと、および、周辺ロジックやマクロがワンチップ化できる利点があり、近年注目を浴びている。
【０００３】
図６に、Ｏ．Ｙ．Ｐｅｃｈｔ等によって、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ，４４，ｐｐ．１２７１−１７２３、１９９７で発表されている、光量に対するダイナミックレンジ拡大方法の従来例を示す。
【０００４】
これによると、露光時間の異なるＲＯＷｎ及びＲＯＷ（ｎ−Δ）に対して、そこに位置するピクセル２１の信号電荷を上下のそれぞれ第１水平転送レジスタ２２及び第２水平転送レジスタ２３に別々に読み出し、オフチップでそれらを合成することになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
然るに、上記のような方法だと、水平のスキャン回路が上下に必要になるため回路規模が大きくなる。また、露光時間の異なる二画面の合成はオフチップ処理のためシステム規模が大きくなるという欠点もある。
【０００６】
本発明の目的は、回路規模の増大なしに、白飛び・黒潰れの緩和された光量に対するダイナミックレンジの広い画像を実現できるイメージセンサを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のＭＯＳ型イメージセンサは、半導体領域と、前記半導体領域内に形成された前記半導体領域と逆の導電型の拡散層とを有する半導体装置を含み、前記半導体装置の前記拡散層内の電荷を排出した後、前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させ、発生した電荷の表面電位に基づく信号によって前記光の入射量を測定するＭＯＳ型イメージセンサであって、単位ピクセル内に、少なくとも、フォトダイオード、ピクセル内容量選択トランジスタ、ピクセル内容量、リセットトランジスタ、及び読み出しトランジスタを有し、前記フォトダイオードは、前記半導体装置で構成され、前記ピクセル内容量選択トランジスタは、前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量を接続して、そのオンオフに応じて前記フォトダイオードの電荷と前記ピクセル内容量の電荷を合成させるものであり、前記ピクセル内容量は、前記フォトダイオードの電荷と前記ピクセル内容量の前記合成された電荷を蓄積するものであり、前記リセットトランジスタは、前記フォトダイオード及び前記ピクセル内容量選択トランジスタを電源線に接続するものであり、前記読み出しトランジスタは、前記フォトダイオードに蓄積された電荷の読み出しを制御するものである。
【０００８】
また、本発明のＭＯＳ型イメージセンサは、半導体領域と、前記半導体領域内に形成された前記半導体領域と逆の導電型の拡散層とを有する半導体装置を含み、前記半導体装置の前記拡散層内の電荷を排出した後、前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させ、発生した電荷の表面電位に基づく信号によって前記光の入射量を測定するＭＯＳ型イメージセンサであって、単位ピクセル内に、フォトダイオード、ピクセル内容量選択トランジスタ、ピクセル内容量、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ、及び読み出しトランジスタを有し、前記フォトダイオードは、アノードが接地され、入射した光を電子に変換してカソードから前記電子を取り出すもので、前記半導体装置で構成され、前記ピクセル内容量選択トランジスタは、ドレインが前記フォトダイオードのカソードに接続され、ゲートがピクセル内容量選択線に接続され、ソースが前記ピクセル内容量に接続され、そのオンオフに応じて前記フォトダイオードの電荷と前記ピクセル内容量の電荷を合成させるものであり、前記ピクセル内容量は、一端が接地され、他端が前記ピクセル内容量選択トランジスタのソースに接続され、前記フォトダイオードの電荷と前記ピクセル内容量の前記合成された電荷を蓄積するものであり、前記リセットトランジスタは、ソースが前記フォトダイオードのカソードに接続され、ゲートがリセット線に接続され、ドレインが電源線に接続され、前記増幅トランジスタは、ゲートが前記フォトダイオードのカソードに接続され、ドレインが前記電源線に接続され、ソースが前記読み出しトランジスタのドレインに接続され、前記読み出しトランジスタは、ドレインが前記増幅トランジスタのソースに接続され、ゲートが水平選択線に接続され、ソースが垂直読み出し線に接続され、前記フォトダイオードに蓄積された電荷の読み出しを制御するものである。
【０００９】
ここで、前記ピクセル内容量がＭＯＳトランジスタからなり、前記ＭＯＳトランジスタのソース及びドレインは短絡されて接地されゲートは前記ピクセル内容量選択トランジスタのソースに接続された構成であってもよい。また、
前記リセットトランジスタ及び前記ピクセル内容量選択トランジスタが共にデプレッション型のＭＯＳトランジスタであり、前記リセットトランジスタのオフ時のポテンシャルが、前記ピクセル内容量選択トランジスタのオフ時のポテンシャルより高いことが好ましい。
【００１０】
本発明のＭＯＳ型イメージセンサの駆動方法は、単位ピクセル内に、半導体領域と前記半導体領域内に形成された前記半導体領域と逆の導電型の拡散層とで構成されたフォトダイオードと、前記フォトダイオードにピクセル内容量選択トランジスタを介して接続され前記ピクセル内容量選択トランジスタのオンオフに応じて前記フォトダイオードの電荷と合成された電荷が蓄積されるピクセル内容量と、前記フォトダイオード及び前記ピクセル内容量選択トランジスタを電源線に接続するリセットトランジスタと、前記フォトダイオードに蓄積された電荷の読み出しを制御する読み出しトランジスタと、を有し、前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させ、発生した電荷の表面電位に基づく信号によって前記光の入射量を測定するＭＯＳ型イメージセンサの駆動方法であって、前記フォトダイオード及び前記ピクセル内容量を電源線に接続して電荷をリセットする工程と、一フレームにおける前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させる工程と、その後前記フォトダイオードに蓄積された電荷を読み出す工程とを有し、前記一フレームにおける前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させる工程は、時間が異なる複数の露光期間からなり、少なくとも前記複数の露光期間のいずれかの露光期間中又はいずれかの露光期間の後に、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量とを接続して、前記フォトダイオードの電荷と前記ピクセル内容量の電荷とを合成させる工程を含む。ここで、前記拡散層内に電荷を発生させる工程において、前記フォトダイオードに蓄積された過剰な電荷は、前記リセットトランジスタを介して前記電源線に排出する。また、前記複数の露光期間は、先行する露光期間が、その後に位置する露光期間よりも長い期間であることが好ましい。
【００１１】
また、本発明のＭＯＳ型イメージセンサの駆動方法は、単位ピクセル内に、半導体領域と前記半導体領域内に形成された前記半導体領域と逆の導電型の拡散層とで構成されたフォトダイオードと、前記フォトダイオードにピクセル内容量選択トランジスタを介して接続され前記ピクセル内容量選択トランジスタのオンオフに応じて前記フォトダイオードの電荷と合成された電荷が蓄積されるピクセル内容量と、前記フォトダイオード及び前記ピクセル内容量選択トランジスタを電源線に接続するリセットトランジスタと、前記フォトダイオードに蓄積された電荷の読み出しを制御する読み出しトランジスタと、を有し、前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させ、発生した電荷の表面電位に基づく信号によって前記光の入射量を測定するＭＯＳ型イメージセンサの駆動方法であって、前記フォトダイオード及び前記ピクセル内容量を電源線に接続して電荷をリセットする工程と、一フレームにおける前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させる工程と、その後前記フォトダイオードに蓄積された電荷を読み出す工程とを有し、前記一フレームにおける前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させる工程は、時間が異なる第１の露光期間と第２の露光期間とからなり、前記第１の露光期間は、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量とを接続した状態にて前記第１の露光期間で前記フォトダイオードに発生した第１の電荷を前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量に蓄積し、前記第１の露光期間終了時に、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量との接続を解除し、前記フォトダイオードに蓄積された第１の電荷を前記リセットトランジスタを介してリセットし、前記第２の露光期間は、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量との接続を解除した状態にて前記フォトダイオードのみに第２の電荷を蓄積し、前記第２の露光期間の後、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量とを接続して前記フォトダイオードに蓄積された第２の電荷と前記ピクセル内容量に蓄積された第１の電荷とを合成する。
【００１２】
また、本発明のＭＯＳ型イメージセンサの駆動方法は、単位ピクセル内に、半導体領域と前記半導体領域内に形成された前記半導体領域と逆の導電型の拡散層とで構成されたフォトダイオードと、前記フォトダイオードにピクセル内容量選択トランジスタを介して接続され前記ピクセル内容量選択トランジスタのオンオフに応じて前記フォトダイオードの電荷と合成された電荷が蓄積されるピクセル内容量と、前記フォトダイオード及び前記ピクセル内容量選択トランジスタを電源線に接続するリセットトランジスタと、前記フォトダイオードに蓄積された電荷の読み出しを制御する読み出しトランジスタと、を有し、前記リセットトランジスタ及び前記ピクセル内容量選択トランジスタがともにデプレッション型のＭＯＳトランジスタであって、前記リセットトランジスタのオフ時のポテンシャルが前記ピクセル内容量選択トランジスタのオフ時のポテンシャルより高いものであって、前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させ、発生した電荷の表面電位に基づく信号によって前記光の入射量を測定するＭＯＳ型イメージセンサの駆動方法であって、前記フォトダイオード及び前記ピクセル内容量を電源線に接続して電荷をリセットする工程と、一フレームにおける前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させる工程と、その後前記フォトダイオードに蓄積された電荷を読み出す工程とを有し、前記一フレームにおける前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させる工程は、時間が異なる第１の露光期間と第２の露光期間とからなり、前記第１の露光期間は、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量との接続を解除した状態にて前記フォトダイオードにのみ第１の電荷を蓄積させ、前記第１の露光期間中、発生した過剰な電荷は前記リセットトランジスタを介して前記電源線に排出させ、前記第１の露光期間終了時に、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量を接続して、前記フォトダイオードに蓄積された第１の電荷を前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量に分割し、前記第２の露光期間は、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量との接続を解除した状態にて前記フォトダイオードのみに前記分割された第１の電荷に加えて第２の電荷を蓄積する。
【００１３】
また、本発明のＭＯＳ型イメージセンサの駆動方法は、単位ピクセル内に、半導体領域と前記半導体領域内に形成された前記半導体領域と逆の導電型の拡散層とで構成されたフォトダイオードと、前記フォトダイオードにピクセル内容量選択トランジスタを介して接続され前記ピクセル内容量選択トランジスタのオンオフに応じて前記フォトダイオードの電荷と合成された電荷が蓄積されるピクセル内容量と、前記フォトダイオード及び前記ピクセル内容量選択トランジスタを電源線に接続するリセットトランジスタと、前記フォトダイオードに蓄積された電荷の読み出しを制御する読み出しトランジスタと、を有し、前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させ、発生した電荷の表面電位に基づく信号によって前記光の入射量を測定するＭＯＳ型イメージセンサの駆動方法であって、前記フォトダイオード及び前記ピクセル内容量を電源線に接続して電荷をリセットする工程と、一フレームにおける前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させる工程と、その後前記フォトダイオードに蓄積された電荷を読み出す工程とを有し、前記一フレームにおける前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させる工程は、時間が異なる第１の露光期間と第２の露光期間とからなり、前記第１の露光期間は、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量との接続を解除した状態にて前記フォトダイオードにのみ第１の電荷を蓄積させ、前記第１の露光期間終了時に、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量を接続して、前記フォトダイオードに蓄積された第１の電荷を前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量に分割し、前記第２の露光期間は、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量との接続を解除した状態にて前記フォトダイオードのみに第２の電荷を蓄積し、前記第２の露光期間の後、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量を接続して、前記フォトダイオードに蓄積された第２の電荷を前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量に分割する。
【００１４】
ここで、前記第１の露光期間は、前記第２の露光期間よりも長い期間であることが好ましい。
【００１５】
次に、上記本発明のＭＯＳ型イメージセンサは、以下のような回路構成を採る。
【００１６】
即ち、入射した光を電子に変換し、アノードを接地し、カソードから前記電子を取り出す構成のフォトダイオードと、ゲートを前記フォトダイオードのカソードに接続し、ドレインを電源線に接続し、ソースを読み出しトランジスタのドレインに接続する増幅トランジスタと、ソースを前記フォトダイオードのカソードに、ゲートをリセット線に、ドレインを電源線にそれぞれ接続したリセットトランジスタと、ドレインを前記フォトダイオードのカソードに、ゲートをピクセル内容量の選択線に、ソースをピクセル内容量にそれぞれ接続したピクセル内容量選択トランジスタと、一端を接地し、他端を前記ピクセル内容量選択トランジスタのソースに接続するピクセル内容量と、ドレインを前記増幅トランジスタのソースに、ゲートを水平選択線に、ソースを垂直読み出し線にそれぞれ接続した読み出しトランジスタと、からなる単位ピクセルを有することを特徴とし、前記ピクセル内容量がＭＯＳトランジスタからなり、前記ＭＯＳトランジスタのソース及びドレインを短絡して接地し、ゲートを前記ピクセル内容量選択トランジスタのソースに接続する構成であり、前記リセットトランジスタ及び前記ピクセル内容量選択トランジスタが共にデプレッション型のＭＯＳトランジスタであり、この場合、前記リセットトランジスタのオフ時のポテンシャルが、前記ピクセル内容量選択トランジスタのオフ時のポテンシャルより高い、というものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態の説明に入る前に、本発明の特徴を記しておく。
【００１８】
本発明は、ＭＯＳ型イメージセンサにおいて，一フレーム読み出しの間に，複数の、時間が異なった露光を行い、ピクセル内に設けたメモリ領域にそれらの異なった露光時間で蓄積された電荷を別々に蓄積し、読み出し時にはそれらの蓄積電荷をピクセル内で混合してから読み出すことを特徴とする。
【００１９】
図１に、本発明によるピクセルの回路構成図を示すように、本発明に従って、ＴＧＢ（容量選択線）をハイレベルに保ったままフォトダイオード１とピクセル内容量４とを導通させておき、ＲＳＴ（リセット線）を活性化してフォトダイオード１の初期化を行い、第一露光を開始する。この第一露光期間では、画面内暗部の黒潰れを少なくするよう露出時間を長めに設定する。そのため、画面内明部では電荷が飽和して白飛びが生じる場合がある。
【００２０】
第一露光終了後、ＴＧＢをローレベルにして、第一露光の結果をピクセル内容量４に蓄積する。
【００２１】
その後、再びＲＳＴを活性化して第二露光を開始する。この第二露光期間は、画面内明部の白飛びを少なくするよう露出時間を第一露光期間より短く設定する。第二露光終了後、ＴＧＢを再びハイレベルにして、第二露光の結果とピクセル内容量４に蓄積した第一露光の結果とをピクセル内で混合し、ＷＬを活性化して読み出す。
【００２２】
これら一連の動作により、第一露光時に白飛びした領域は第二露光時に発生した電荷により補われ、また、同時に、第二露光時に黒潰れした領域は第一露光時の蓄積電荷により補われるため、明暗差の大きい画面内の白飛び、黒潰れが緩和され、光の明暗に対するダイナミックレンジが拡大できる。
【００２３】
次に、本発明の第１の実施形態について図１、図２を参照して説明する。図１を参照すると、本発明の第１の実施形態としてのＣＭＯＳイメージセンサのピクセル回路構成図が示されている。
【００２４】
本ＣＭＯＳイメージセンサは、光１０を受け電気信号に変換するアノード側を接地したフォトダイオード１と、フォトダイオード１から光電変換により電子を取り出すカソード側をゲートに接続し、ドレインを電源線ＶＤＤに接続し増幅器として作用するトランジスタ２と、ソースをフォトダイオード１のカソード側に、ゲートをリセット線ＲＳＴに、そしてドレインを電源線に接続したリセットトランジスタ３と、ドレインをフォトダイオード１のカソード側に、ゲートをピクセル内容量の選択線ＴＧＢに、ソースをピクセル内容量４と接続したトランジスタ５と、一端を接地したピクセル内容量４と、増幅器として作用するトランジスタ２のソースをドレインに、ゲートを水平選択線ＨＬに、そしてソースを垂直読出し線ＶＬに接続した読み出しトランジスタ６を有する。以下、本実施形態の動作につき説明する。
【００２５】
本発明の第１の実施形態のＣＭＯＳイメージセンサの動作について図２のタイミング図を用いて説明する。
【００２６】
まず、ピクセル内容量４を選択する選択線ＴＧＢをハイレベルに固定し、そして、水平選択線ＨＬをローレベルに固定した状態で、リセット線ＲＳＴにハイレベルのパルスを加え、フォトダイオード１のカソードおよびピクセル内容量４を、電源線のレベルにリセットする。
【００２７】
次に、リセット線ＲＳＴにハイレベルパルス印加後、フォトダイオード１は第一の露光期間に入り、フォトダイオード１のカソードには光信号により発生した電子が蓄積される。第一露光期間終了時には、ピクセル内容量４の選択線ＴＧＢをローレベルにし、第一露光期間の信号をピクセル内容量４に蓄える。
【００２８】
引き続き、リセット線ＲＳＴにハイレベルパルスを印加し、フォトダイオード１のカソードを電源線ＶＤＤのレベルにリセット後、フォトダイオード１は第二の露光期間に入り、再びフォトダイオード１のカソードには光信号により発生した電子が蓄積される。
【００２９】
第一及び第二の露光期間終了後には、ピクセル内容量４の選択線ＴＧＢをハイレベルにし、第一露光期間と第二露光期間の信号の混合を行って混合信号とし、そして、水平選択線ＨＬをハイレベルにして混合信号を垂直読み出し線ＶＬに読み出す。
【００３０】
この混合信号は、第一露光期間に白飛びした部分は第二露光期間の情報で、また、第二露光期間に黒潰れした部分は第一露光期間の情報でそれぞれ補われるため、白飛び・黒潰れの緩和された光量に対するダイナミックレンジの広い画像が得られる。
【００３１】
なお，第一の露光期間は、撮像対象の暗部が黒潰れをしないように露光時間を長く設定するのが望ましい。また、第二の露光期間は、撮像対象の明部が白飛びしないように露光時間を短く設定するのが望ましい。なぜなら、第一の露光期間においては、露光時間を長くしたことにより、フォトダイオード１の蓄積電荷が飽和してしまった場合にも、トランジスタ３を介して電源線ＶＤＤに過剰電荷を引き抜くことができるためである。逆に、第二露光時にフォトダイオード１の蓄積電荷が飽和してしまうような長時間露光を行うと、過剰電荷によりピクセル内容量４に蓄積された第一露光時の信号が破壊されてしまう恐れがあるので好ましくない。
【００３２】
このように、露光時間の異なる２回の露光を行って、それぞれの露光期間内で発生した信号をピクセル内で混合して読み出すことにより、第一露光期間に白飛びした部分は第二露光期間の情報で、また、第二露光期間に黒潰れした部分は第一露光期間の情報でそれぞれ補われるため、白飛び・黒潰れの緩和された光量に対するダイナミックレンジの広い画像が得られる。
【００３３】
また、上述の２回の露光は、１フレームの読出しの間に行うことができるため、フレーム読み出し速度を下げることなしにダイナミックレンジの拡大が可能であるという利点もある。
【００３４】
なお、上記実施形態では、ピクセル内のトランジスタはｎチャネル型の場合を説明しているが、ｐチャネル型の場合にもまったく同様に行うことができる。この場合、入力信号やフォトダイオードの極性が逆になることは言うまでもない。
【００３５】
また、ピクセル内容量とピクセル内容量選択トランジスタを増やすことにより、１フレームの間に２回より多い回数の露光期間を設け、上記説明と同様の操作によりピクセル内で混合してさらにダイナミックレンジを拡大することも可能である。
【００３６】
また、ピクセル内容量４に、ソースとドレインとを共に接地したトランジスタを用いることによって、レイアウト面積を小さくすることが可能である。
【００３７】
また、リセットトランジスタ３とピクセル内容量選択トランジスタ５とを共に、デプレッション型のトランジスタとすることによって、トランジスタのゲートのハイレベルを昇圧することなく信号の閾値落ちを防ぐことができる。
【００３８】
さらに、リセットトランジスタ３のオフ時のポテンシャルをピクセル内容量選択トランジスタのオフ時ポテンシャルより高いデプレッション型とすることによって、過剰電荷をリセットトランジスタ３を介して電源線に排出するブルーミングコントロールが可能となる。
【００３９】
次に、本発明の第２の実施形態として、その基本的構成は第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは動作の仕方が異なることを特徴とする。本発明の第２の実施形態のＣＭＯＳイメージセンサの動作について図３のタイミング図を用いて説明する。
【００４０】
まず、水平選択線ＨＬをローレベルに固定した状態でピクセル内容量４選択線ＴＧＢとリセット線ＲＳＴにハイレベルのパルスを加え、フォトダイオード１のカソードおよびピクセル内容量４を，電源線のレベルにリセットする。ピクセル内容量４選択線ＴＧＢとリセット線ＲＳＴにハイレベルパルス印加後、フォトダイオード１は第一の露光期間に入り，フォトダイオード１のカソードには，光信号により発生した電子が蓄積される。
【００４１】
第一露光期間終了時には、ピクセル内容量４選択線ＴＧＢにハイレベルパルスを印加し、第一露光期間の信号をピクセル内容量４に蓄える。その後、フォトダイオード１は第二の露光期間に入り、引き続きフォトダイオード１のカソードには光信号により発生した電子が蓄積される。
【００４２】
第一及び第二の露光期間終了後には、水平選択線ＨＬをハイレベルにして信号を垂直読み出し線ＶＬに読み出す。この信号は，第一露光期間の間の白飛び部分が補われるため、白飛びの緩和された光量に対するダイナミックレンジの広い画像が得られる。
【００４３】
次に、本発明の第３の実施形態のＣＭＯＳイメージセンサの動作について図４のタイミング図を用いて説明する。
【００４４】
まず、水平選択線ＨＬをローレベルに固定した状態でピクセル内容量４選択線ＴＧＢとリセット線ＲＳＴにハイレベルのパルスを加え、フォトダイオード１のカソードおよびピクセル内容量４を電源線のレベルにリセットする。ピクセル内容量４選択線ＴＧＢとリセット線ＲＳＴにハイレベルパルス印加後、フォトダイオード１は第一の露光期間に入り、フォトダイオード１のカソードには光信号により発生した電子が蓄積される。
【００４５】
第一露光期間終了時には、ピクセル内容量４選択線ＴＧＢにハイレベルパルスを印加し、第一露光期間の信号をピクセル内容量４に蓄える。その後、フォトダイオード１は第二の露光期間に入り、引き続きフォトダイオード１のカソードには光信号により発生した電子が蓄積される。
【００４６】
第一及び第二の露光期間終了後には、ピクセル内容量４選択線ＴＧＢをハイレベルにし第一露光期間と第二露光期間の信号の混合を行い、そして、水平選択線ＨＬをハイレベルにして混合信号を垂直読み出し線ＶＬに読み出す。この混合信号は、第一露光期間及び第二露光期間の間に白飛び・黒潰れした部分が相互に補われるため、白飛び・黒潰れの緩和された光量に対するダイナミックレンジの広い画像が得られる。
【００４７】
第１、第２、そして第３の実施形態の効果を図５に示す。ダイナミックレンジ拡大を行わない従来に比べ、いずれも光量に対し出力が飽和し難くなっており、広い光量範囲で出力が変化する、つまり、光量に対してダイナミックレンジが拡大していることがわかる。
【００４８】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明のイメージセンサは、露光時間の異なる２回の露光を行って、それぞれの露光期間内で発生した信号をピクセル内で混合して（ピクセル内に設けた容量に１回目の露光期間で発生した信号電荷を保持し、２回目の露光期間で発生した信号電荷を１回目の信号電荷とピクセル内で混合して）読み出すことにより、第一露光期間に白飛びした部分は第二露光期間の情報で、また、第二露光期間に黒潰れした部分は第一露光期間の情報でそれぞれ補われるため、白飛び・黒潰れの緩和された光量に対するダイナミックレンジの広い画像が得られる。
【００４９】
また、上述の２回の露光は、１フレームの読出しの間に行うことができるため、フレーム読み出し速度を下げることなしにダイナミックレンジの拡大が可能であるという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を説明する等価回路図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の動作を示すタイミング図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の動作を示すタイミング図である。
【図４】本発明の第３の実施形態の動作を示すタイミング図である。
【図５】本発明の第１、２、３の実施形態により得られる出力と光量の関係及び従来の方法により得られる出力と光量の関係を示すグラフである。
【図６】従来のイメージセンサのダイナミックレンジ拡大方法の一つを説明するための画素近傍の模式平面図である。
【符号の説明】
１ フォトダイオード
２、３、５、６ トランジスタ
４ ピクセル内容量
１０ 光
２１ ピクセル
２２ 第１水平転送レジスタ
２３ 第２水平転送レジスタ
Claims (12)
- 半導体領域と、前記半導体領域内に形成された前記半導体領域と逆の導電型の拡散層とを有する半導体装置を含み、前記半導体装置の前記拡散層内の電荷を排出した後、前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させ、発生した電荷の表面電位に基づく信号によって前記光の入射量を測定するＭＯＳ型イメージセンサであって、
単位ピクセル内に、少なくとも、フォトダイオード、ピクセル内容量選択トランジスタ、ピクセル内容量、リセットトランジスタ、及び読み出しトランジスタを有し、
前記フォトダイオードは、前記半導体装置で構成され、
前記ピクセル内容量選択トランジスタは、前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量を接続して、そのオンオフに応じて前記フォトダイオードの電荷と前記ピクセル内容量の電荷を合成させるものであり、
前記ピクセル内容量は、前記フォトダイオードの電荷と前記ピクセル内容量の前記合成された電荷を蓄積するものであり、
前記リセットトランジスタは、前記フォトダイオード及び前記ピクセル内容量選択トランジスタを電源線に接続するものであり、
前記読み出しトランジスタは、前記フォトダイオードに蓄積された電荷の読み出しを制御するものである、
こと特徴とするＭＯＳ型イメージセンサ。 - 半導体領域と、前記半導体領域内に形成された前記半導体領域と逆の導電型の拡散層とを有する半導体装置を含み、前記半導体装置の前記拡散層内の電荷を排出した後、前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させ、発生した電荷の表面電位に基づく信号によって前記光の入射量を測定するＭＯＳ型イメージセンサであって、
単位ピクセル内に、フォトダイオード、ピクセル内容量選択トランジスタ、ピクセル内容量、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ、及び読み出しトランジスタを有し、
前記フォトダイオードは、アノードが接地され、入射した光を電子に変換してカソードから前記電子を取り出すもので、前記半導体装置で構成され、
前記ピクセル内容量選択トランジスタは、ドレインが前記フォトダイオードのカソードに接続され、ゲートがピクセル内容量選択線に接続され、ソースが前記ピクセル内容量に接続され、そのオンオフに応じて前記フォトダイオードの電荷と前記ピクセル内容量の電荷を合成させるものであり、
前記ピクセル内容量は、一端が接地され、他端が前記ピクセル内容量選択トランジスタのソースに接続され、前記フォトダイオードの電荷と前記ピクセル内容量の前記合成された電荷を蓄積するものであり、
前記リセットトランジスタは、ソースが前記フォトダイオードのカソードに接続され、ゲートがリセット線に接続され、ドレインが電源線に接続され、
前記増幅トランジスタは、ゲートが前記フォトダイオードのカソードに接続され、ドレインが前記電源線に接続され、ソースが前記読み出しトランジスタのドレインに接続され、
前記読み出しトランジスタは、ドレインが前記増幅トランジスタのソースに接続され、ゲートが水平選択線に接続され、ソースが垂直読み出し線に接続され、前記フォトダイオードに蓄積された電荷の読み出しを制御するものである、
ことを特徴とするＭＯＳ型イメージセンサ。 - 前記ピクセル内容量がＭＯＳトランジスタからなり、前記ＭＯＳトランジスタのソース及びドレインは短絡されて接地されゲートは前記ピクセル内容量選択トランジスタのソースに接続された構成である請求項２に記載のＭＯＳ型イメージセンサ。
- 前記リセットトランジスタ及び前記ピクセル内容量選択トランジスタが共にデプレッション型のＭＯＳトランジスタである請求項２又は３に記載のＭＯＳ型イメージセンサ。
- 前記リセットトランジスタのオフ時のポテンシャルが、前記ピクセル内容量選択トランジスタのオフ時のポテンシャルより高い請求項４に記載のＭＯＳ型イメージセンサ。
- 単位ピクセル内に、半導体領域と前記半導体領域内に形成された前記半導体領域と逆の導電型の拡散層とで構成されたフォトダイオードと、前記フォトダイオードにピクセル内容量選択トランジスタを介して接続され前記ピクセル内容量選択トランジスタのオンオフに応じて前記フォトダイオードの電荷と合成された電荷が蓄積されるピクセル内容量と、前記フォトダイオード及び前記ピクセル内容量選択トランジスタを電源線に接続するリセットトランジスタと、前記フォトダイオードに蓄積された電荷の読み出しを制御する読み出しトランジスタと、を有し、前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させ、発生した電荷の表面電位に基づく信号によって前記光の入射量を測定するＭＯＳ型イメージセンサの駆動方法であって、
前記フォトダイオード及び前記ピクセル内容量を電源線に接続して電荷をリセットする工程と、一フレームにおける前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させる工程と、その後前記フォトダイオードに蓄積された電荷を読み出す工程とを有し、
前記一フレームにおける前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させる工程は、時間が異なる複数の露光期間からなり、少なくとも前記複数の露光期間のいずれかの露光期間中又はいずれかの露光期間の後に、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量とを接続して、前記フォトダイオードの電荷と前記ピクセル内容量の電荷とを合成させる工程を含むことを特徴とするＭＯＳ型イメージセンサの駆動方法。 - 前記拡散層内に電荷を発生させる工程において、前記フォトダイオードに蓄積された過剰な電荷は、前記リセットトランジスタを介して前記電源線に排出する請求項６に記載のＭＯＳ型イメージセンサの駆動方法。
- 前記複数の露光期間は、先行する露光期間が、その後に位置する露光期間よりも長い期間である請求項６又は７に記載のＭＯＳ型イメージセンサの駆動方法。
- 単位ピクセル内に、半導体領域と前記半導体領域内に形成された前記半導体領域と逆の導電型の拡散層とで構成されたフォトダイオードと、前記フォトダイオードにピクセル内容量選択トランジスタを介して接続され前記ピクセル内容量選択トランジスタのオンオフに応じて前記フォトダイオードの電荷と合成された電荷が蓄積されるピクセル内容量と、前記フォトダイオード及び前記ピクセル内容量選択トランジスタを電源線に接続するリセットトランジスタと、前記フォトダイオードに蓄積された電荷の読み出しを制御する読み出しトランジスタと、を有し、前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させ、発生した電荷の表面電位に基づく信号によって前記光の入射量を測定するＭＯＳ型イメージセンサの駆動方法であって、
前記フォトダイオード及び前記ピクセル内容量を電源線に接続して電荷をリセットする工程と、一フレームにおける前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させる工程と、その後前記フォトダイオードに蓄積された電荷を読み出す工程とを有し、
前記一フレームにおける前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させる工程は、時間が異なる第１の露光期間と第２の露光期間とからなり、
前記第１の露光期間は、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量とを接続した状態にて前記第１の露光期間で前記フォトダイオードに発生した第１の電荷を前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量に蓄積し、
前記第１の露光期間終了時に、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量との接続を解除し、前記フォトダイオードに蓄積された第１の電荷を前記リセットトランジスタを介してリセットし、
前記第２の露光期間は、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量との接続を解除した状態にて前記フォトダイオードのみに第２の電荷を蓄積し、
前記第２の露光期間の後、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量とを接続して前記フォトダイオードに蓄積された第２の電荷 と前記ピクセル内容量に蓄積された第１の電荷とを合成する、
ことを特徴とするＭＯＳ型イメージセンサの駆動方法。 - 単位ピクセル内に、半導体領域と前記半導体領域内に形成された前記半導体領域と逆の導電型の拡散層とで構成されたフォトダイオードと、前記フォトダイオードにピクセル内容量選択トランジスタを介して接続され前記ピクセル内容量選択トランジスタのオンオフに応じて前記フォトダイオードの電荷と合成された電荷が蓄積されるピクセル内容量と、前記フォトダイオード及び前記ピクセル内容量選択トランジスタを電源線に接続するリセットトランジスタと、前記フォトダイオードに蓄積された電荷の読み出しを制御する読み出しトランジスタと、を有し、前記リセットトランジスタ及び前記ピクセル内容量選択トランジスタがともにデプレッション型のＭＯＳトランジスタであって、前記リセットトランジスタのオフ時のポテンシャルが前記ピクセル内容量選択トランジスタのオフ時のポテンシャルより高いものであって、前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させ、発生した電荷の表面電位に基づく信号によって前記光の入射量を測定するＭＯＳ型イメージセンサの駆動方法であって、
前記フォトダイオード及び前記ピクセル内容量を電源線に接続して電荷をリセットする工程と、一フレームにおける前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させる工程と、その後前記フォトダイオードに蓄積された電荷を読み出す工程とを有し、
前記一フレームにおける前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させる工程は、時間が異なる第１の露光期間と第２の露光期間とからなり、
前記第１の露光期間は、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量との接続を解除した状態にて前記フォトダイオードにのみ第１の電荷を蓄積させ、前記第１の露光期間中、発生した過剰な電荷は前記リセットトランジスタを介して前記電源線に排出させ、
前記第１の露光期間終了時に、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量を接続して、前記フォトダイオードに蓄積された第１の電荷を前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量に分割し、
前記第２の露光期間は、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量との接続を解除した状態にて前記フォトダイオードのみに前記分割された第１の電荷に加えて第２の電荷を蓄積する、
ことを特徴とするＭＯＳ型イメージセンサの駆動方法。 - 単位ピクセル内に、半導体領域と前記半導体領域内に形成された前記半導体領域と逆の導電型の拡散層とで構成されたフォトダイオードと、前記フォトダイオードにピクセル内容量選択トランジスタを介して接続され前記ピクセル内容量選択トランジスタのオンオフに応じて前記フォトダイオードの電荷と合成された電荷が蓄積されるピクセル内容量と、前記フォトダイオード及び前記ピクセル内容量選択トランジスタを電源線に接続するリセットトランジスタと、前記フォトダイオードに蓄積された電荷の読み出しを制御する読み出しトランジスタと、を有し、前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させ、発生した電荷の表面電位に基づく信号によって前記光の入射量を測定するＭＯＳ型イメージセンサの駆動方法であって、
前記フォトダイオード及び前記ピクセル内容量を電源線に接続して電荷をリセットする工程と、一フレームにおける前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させる工程と、その後前記フォトダイオードに蓄積された電荷を読み出す工程とを有し、
前記一フレームにおける前記拡散層内に光を入射させて前記拡散層内に電荷を発生させる工程は、時間が異なる第１の露光期間と第２の露光期間とからなり、
前記第１の露光期間は、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量との接続を解除した状態にて前記フォトダイオードにのみ第１の電荷を蓄積させ、
前記第１の露光期間終了時に、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量を接続して、前記フォトダイオードに蓄積された第１の電荷を前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量に分割し、
前記第２の露光期間は、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量との接続を解除した状態にて前記フォトダイオードのみに第２の電荷を蓄積し、
前記第２の露光期間の後、前記ピクセル内容量選択トランジスタによって前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量を接続して、前記フォトダイオードに蓄積された第２の電荷を前記フォトダイオードと前記ピクセル内容量に分割する、
ことを特徴とするＭＯＳ型イメージセンサの駆動方法。 - 前記第１の露光期間は、前記第２の露光期間よりも長い期間である請求項９乃至１１のいずれかに記載のＭＯＳ型イメージセンサの駆動方法。
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