JP4614545B2 - イメージセンサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ベースのイメージセンサに関し、より詳しくは、高い感度及び大きなダイナミックレンジを有するアクティブピクセルのイメージセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
アクティブピクセルのイメージセンサ（Active Pixel image Sensor：ＡＰＳ）は、それぞれのピクセルが光感知手段及び少なくとも１つの他の能動素子の両方を含む固体のイメージャであり、信号（電圧信号又は電流信号のいずれか）に変換される電荷を生成する。この信号は、ピクセルの受光面に入射する光の量を表す。イメージング用感知デバイスのダイナミックレンジ（ＤＲ）は、センサのノイズレベルの二乗平均平方根値（σnoise）に対する、一般に飽和信号（Ｖsat）と呼ばれる有効最大検出可能な信号レベルの比率として定義される。これは式１に示されている。
【数１】
ダイナミックレンジ＝Ｖsat／σnoise ……式１
【０００３】
入射フォトンによって生成される電荷を積分する電荷結合素子（ＣＣＤ）などのイメージセンサ素子は、ダイナミックレンジを有していて、このダイナミックレンジは、所定の受光面内に集めて保持することができる電荷量（Ｖsat）によって制限される。例えば、どのような所定のＣＣＤでも、ピクセル内に集めて検出することができる電荷量は、ピクセルの面積に比例する。このため、メガピクセルのディジタルスチルカメラ（ＤＳＣ）内で使用する市販の固体撮像素子については、Ｖsatを表す電子の数はおよそ13,000から20,000個である。入射光が極めて明るくて、ピクセル又は光検出器内で保持することができる電子よりも多くの電子が生成される場合、これらの過剰の電子は、ピクセル内のブルーミング防止手段によって取り除かれ、飽和信号を増加させることには寄与しない。従って、最大検出可能な信号レベルは、光検出器又はピクセル内に保持することができる電荷量に制限される。ＤＲは、センサのノイズレベルσnoiseによっても制限される。Ｖsatについての制限のために、σnoiseを極めて低いレベルにまで減らすために、ＣＣＤの分野において多くの努力がなされてきた。典型的には、市販のメガピクセルのＤＳＣ素子のダイナミックレンジは、1000 : 1 以下である。
【０００４】
ダイナミックレンジについての同様な制限が、ＡＰＳ素子についても存在する。Ｖsatは、光検出器内に保持及び隔離することができる電荷量によって制限される。過剰な電荷は失われる。このことは、ＡＰＳに対してはＣＣＤに比べてさらに問題となり得る。なぜならば、ＡＰＳにおいては、ピクセル内のアクティブ素子により、光検出器にとって利用可能な領域が制限され、またＡＰＳ素子内で使用される電源及びクロックの電圧が低いからである。さらに、ＡＰＳ素子は１チップに構成されたイメージセンサシステムを提供するように使用されてきたので、ＣＣＤには存在しない、タイミング、コントロール及びアナログ−デジタル変換などのＡＰＳ素子上で使用されるデジタル及びアナログ回路は、ＣＣＤと比べてＡＰＳ素子上で一層高いノイズフロア（noise floor）を与える。これは、オンチップのアナログ−デジタル変換器からの可能な量子化ノイズだけでなく、より高い一時的なノイズが原因である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本出願と共通の譲受人に譲渡された米国特許出願第０９／４２６，８７０号では、Guidashは、ＡＰＳ素子のダイナミックレンジを拡大するための従来技術の方式を説明し、光検出器からブルームする電荷を収集することによって、ダイナミックレンジを拡大するための新規な発明を開示している。その方式は、小さいピクセルでダイナミックレンジを拡大するが、センサ内の固定パターンノイズの原因になる光検出器の飽和レベルの空間的変動についての潜在的な不都合があり、センサの感度を向上させない。
【０００６】
従来技術のＡＰＳ素子も、ピクセル内のアクティブ素子の集積によって、またピクセルの上に配置されたカラーのフィルタ層を通る入射光の透過損失によって、フィルファクタが制限されることにより、光に対する感度が低い。
【０００７】
前述した説明から、固定したパターンノイズが低いこと、ピクセルが小さいこと及び感度が高いことを維持しながら、ダイナミックレンジを拡大させる要望が、素子についての従来技術の中に存在することは明白である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、従来技術の問題に対する解決策が提供される。本発明においては、各ピクセル内の浮遊拡散領域が、個別の光検出器の領域として使用され、拡大されたダイナミックレンジ及び高い感度を提供する。
【０００９】
本発明の第１の実施形態では、各ピクセル内に設けられた浮遊拡散領域を、遮光せずに個別の光検出器領域として使用することによって、拡大されたダイナミックレンジ及びより高い感度が提供される。光検出器上に信号の電荷が集積されている間に、浮遊拡散領域上に入射する光に比例して、電荷が浮遊拡散領域上にも集められる。従来技術の素子では、浮遊拡散領域は電荷の電圧への変換ノードとして、積分の間の光検出器用のオーバーフローのドレインとして、又は全体的なフレーム捕獲のための電荷記憶領域として利用される。その結果、光が浮遊拡散領域に又はその近くに入射する結果として生ずる光の蓄積を防ぐために、及び光検出器の領域からブルーミング電荷を排出させるために、浮遊拡散領域は入射光から遮光されるか、又はリセットモードに維持される。本発明では、浮遊拡散領域に入射する光の量に比例して、光検出器の積分時間とは別個にコントロールされた時間だけ、電荷が浮遊拡散領域に積分される。浮遊拡散領域上に積分された電荷は、次に、光検出器上に積分された電荷とは別個に読み出される。この第１の実施形態では、所定のピクセル内の光検出器及び浮遊拡散領域は、同じカラーフィルタによってカバーされるか、又は両方ともどのようなカラーフィルタにもカバーされない。
【００１０】
本発明の第２の実施形態においては、所定のピクセル内の光検出器及び浮遊拡散領域に対して異なる又は別個のカラーフィルタを備えた第１の実施形態を利用することによって、入射光に対する拡大されたダイナミックレンジ及び高い感度が提供される。これにより、ピクセル当たり２つのカラーに関連した信号の電荷が提供される。
【００１１】
本発明によれば、素子のダイナミックレンジ及び感度を著しく増加させ、現在のシステム設計において使用することができる、アクティブピクセルのセンサ素子が、内部に複数のピクセルを有するＸ−Ｙアドレス可能なイメージャによって提供される。それぞれの複数のピクセル内には第１の光の帯域幅を感知するように構成された光検出器と、第２の光の帯域幅を感知するように構成された感知ノードと、光検出器及び感知ノードに対して動作するように構成されて、それぞれの光検出器及び感知ノードを所定の電位にリセットできるリセット機構と、電荷を光検出器から感知ノードへ転送するように構成された転送機構と、が含まれ、感知ノードは遮光部を持たずに第２の光検出器として動作できるように形成される。第１及び第２の帯域幅は、設計上の選択により、異なっていても同一でもよい。Ｘ−Ｙアドレス可能なイメージャは、感知ノード上に蓄積された電荷に関連した信号を記憶するための第１の記憶機構、光検出器上に蓄積された電荷に関連した信号を記憶するための第２の記憶機構、及びそれぞれの複数のピクセルについて感知ノード及び光検出器の積分と転送とをコントロールするタイミング回路を有するシステムから成るように構成される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施形態では、各ピクセル内に設けられた浮遊拡散領域を、遮光せずに個別の光検出器領域として使用することによって、拡大されたダイナミックレンジ及びより高い感度が提供される。光検出器上に信号の電荷が集積されている間に、浮遊拡散領域上に入射する光に比例して、電荷が浮遊拡散領域上にも集められる。浮遊拡散領域の積分時間は、光検出器の積分時間とは別にコントロールされる。このことは、図１及び図２に示したピクセルを用いて行われる。これは、本出願と共通の譲受人に譲渡された米国特許出願第０９／４２６，８７０号及び０９／１３０，６６５号においてGuidashによって開示されたものと同様のピクセル設計である。このピクセル１０は、光検出器１２（ピンド・フォトダイオードＰが好ましい）、転送ゲート１６、浮遊拡散部１８、行選択トランジスタ７、浮遊拡散部１８であるソースとリセットゲート１７とリセットドレイン１９とから成るリセットトランジスタ、及び水平オーバーフロー領域６から構成される。
【００１３】
図２は、対カラムの信号処理をさらに詳細に示す、図１に示した本発明の第１の実施形態のピクセルの図である。図２に示したピクセル１０は、行および列に配置された、Ｘ−Ｙアドレス可能ピクセルのアレイの一部であることが好ましい。一般に、ピクセル内に蓄積された電荷の呼出しは、一度に１つの行を選択し、その行内の複数の列を読み出すことによって行われる。それぞれの列は、個々のピクセルの出力を処理するための回路を有している。本発明によって構成される列回路は、信号をそれぞれコンデンサＣ4，Ｃ5及びＣ6に蓄積するために、ゲート信号SHSpd，SHR及びSHSfdによってコントロールされるスイッチとして動作するトランジスタ１，２及び３である。コンデンサＣ4，Ｃ5及びＣ6内にゲート信号SHSpd，SHR及びSHSfdのもとで蓄積されるピクセル１０からの信号は、差動増幅器３１，３２への入力として使用される。これらの差動増幅器は、浮遊拡散部１８に対するリセット値をそれぞれの浮遊拡散部１８及び光検出器１２からの蓄積された信号値と比較する。
【００１４】
本発明の第１の実施形態の動作は、図２のピクセル１０について、図３のタイミング図に示されており、図４及び図５に示した出力信号転送関数が結果として生ずる。図３を参照すると、転送ゲート１６（信号ＴＧとして示されている）にオン及びオフのパルスを加えて、電荷を光検出器１２から浮遊拡散部１８に転送し、次に、リセットゲート１７を動作させて、浮遊拡散部１８をリセットすることによって、ピクセル１０をリセットすなわち初期化する。リセットゲート１７は浮遊拡散部１８を、リセットゲートのパルス幅、リセットトランジスタのスレショルド電圧及びリセットドレイン１９の電位によって決定される電位にリセットする。初期化すなわちリセットシーケンスの後で、転送ゲート１６がオフに切り換えられると、光検出器の積分時間（ｔintpd）が開始する。リセットゲートはオンのままである。水平オーバーフロー領域の静電ポテンシャルは、転送ゲートのオフ電位よりも低いレベルに設定されて、光検出器内の過剰な電荷が、水平オーバーフロー領域を通って隣のピクセルのリセットドレイン内にブルームする。このオーバーフローのメカニズムは、電荷が浮遊拡散部内にブルーミングすること、及び浮遊拡散部上に蓄積された電荷が劣化することを防止する。このオーバーフローのメカニズムは、この技術において周知のどのような手段でもよい。光検出器の積分時間（ｔintpd）が進行すると、浮遊拡散部も積分を開始することができる。浮遊拡散部の積分時間は、リセットゲートがオフに切り替わると開始する。リセットゲートがオフに切り替わる時間と浮遊拡散部をリセットする時間との間の経過時間は、浮遊拡散部の積分時間ｔintfdと呼ばれる。所望の浮遊拡散部の積分時間ｔintfdが終わると、浮遊拡散部１８上に積分された電荷のレベルは、浮遊拡散部１８の信号をコンデンサＣ6上に移すSHSfdのパルスによってサンプル及び保持される。続いて、ＲＧによって浮遊拡散部１８がリセットされ、浮遊拡散部のリセットレベルをコンデンサＣ5上に移すSHRによって、リセットレベルがサンプル及び保持される。次に、ＴＧ１６をオン及びオフするパルスによって、電荷が光検出器１２から浮遊拡散部１８に移動され、その信号レベルは、次に、SHSpdによってサンプル及び保持されて、コンデンサＣ4上に移される。
光検出器及び浮遊拡散部からのサンプル及び保持された信号レベルを、次に、電圧ドメイン内で加算して、合計信号を作ることができる。この１つの実施例を図２で示す。本発明は、コンデンサＣ6上の浮遊拡散信号とコンデンサＣ5上のリセットレベルとの差動増幅器３２を経由した差分呼出し、及びコンデンサＣ4上の光検出器の信号レベルとコンデンサＣ5上のリセットレベルとの差動増幅器３１を経由した第２の差分呼出しを構成して、これにより、光検出器の信号レベルに対して正しい補正された二重サンプリングを提供する。次に、いくつかの手段によって、最終出力信号を決定することができる。１つの例は、２つの差動増幅器３１及び３２からの信号を別個に読み出して、外部のチップにて加えることができる、ピクセル当たり２つの信号値を提供することである。第２の実施形態は、ピクセル当たりの単一の信号レベルとして信号を読み出すために、これらの信号を第３の増幅器及び後続の信号処理チェーンへの入力として提供することによって達成される。電圧ドメイン内で信号を結合するこの呼出し方法は、電荷ドメイン内で信号を結合することよりも、より大きな最大ピクセル信号レベルＶmaxをも提供する。これは、浮遊拡散部が、積分された光検出器の信号及び積分された浮遊拡散部の信号を同時に保持する必要がないからである。このため、Ｖmaxは、浮遊拡散部の容量に光検出器の容量を加えた全容量まで拡大される。
【００１５】
この方法はリセットレベルを基準値としたピクセルの差分呼出しを使用しているので、ピクセルのオフセットノイズは相殺される。さらに、ピクセル内にどのような素子も追加することなく、ダイナミックレンジを拡大するので、この方法は、低コストの民生用のデジタル画像形成用途に実用的な小さなピクセルで実行することができる。浮遊拡散部及び光検出器の両方が積分のために使用されるので、ピクセルの感度が増大されて、このためピクセル内により大きな光能動的な領域が提供される。浮遊拡散部が、光検出器からブルームする電荷を集めるのではなく、浮遊拡散部に入射する光から作られる電荷を積分するので、電荷が光検出器からブルームするポイントの変動による固定パターンノイズが取り除かれる。この方法では、リセットレベルが浮遊拡散部の信号レベルに対して補正されないため、浮遊拡散部上に積分された電荷のピクセル読取りノイズは増加される。
これは、一般に、３０個の電子以下であり、有効信号レベルにおけるゲインと比較すると小さい。
【００１６】
図３について説明した動作の結果として、センサの出力応答は、図４及び図５に示すようになる。この出力応答は２つの領域から成る。光のレベルが低い場合は、出力応答は線形領域Ａによる。線形領域Ａの傾斜は、光検出器と浮遊拡散部とによって与えられた応答の重ね合わせであり、光検出器及び浮遊拡散部の両方の積分時間に比例している。光電子の数が光検出器の容量を超えると、この電荷は水平オーバーフロー領域を通って流れて、リセットドレインすなわち隣接するピクセルのＶＤＤを経由して取り除かれる。光検出器の信号電荷は、Ｖpdsatと呼ばれるこのポイントで飽和する。このポイントで、ピクセルの出力応答は、線形領域Ｂに従う。好ましい実施形態では、図３に示したタイミングによって、線形領域Ｂにおいて線形の応答が提供される。この線形領域Ｂの傾斜は、浮遊拡散部の積分時間ｔintfdに依存すると共に正比例する。２つの図面（図４及び図５）は、線形領域Ａ及び線形領域Ｂに対して２つの異なる傾斜を示している。図４の浮遊拡散部の積分時間は、図５のそれよりも短い。その結果、図５の線形領域Ａ及び線形領域Ｂの傾斜は、図４のものより大きい。
【００１７】
ダイナミックレンジは２つの方法で拡大される。第１は、浮遊拡散領域を使用して光電子を積分及び記憶するので、最大電子容量は、光検出器を用するだけよりは大きくなる。第２は、光検出器及び浮遊拡散領域に対して異なる積分時間を使用することによって、有効な又は推定された信号レベルＶeffは、光検出器及び浮遊拡散領域の積分時間の比率、光検出器及び浮遊拡散領域の応答度の比率、及びそれぞれからの測定された信号レベルから決定することができる。光検出器の積分時間ｔintpdの浮遊拡散部の積分時間ｔintfdに対する比率を大きくすることができるので、光検出器及び浮遊拡散部の容量によって限定される信号を大きく超えて、Ｖeffを増大させることができる。
【００１８】
センサの出力信号を、線形領域Ｂからの有効信号レベルを決めずに、直接表示することも可能である。このことは、より大きな入射光源の範囲を直接検出可能な信号の電圧範囲内にマッピング及び直接表示することによって、さらにダイナミックレンジを拡大する。この直接出力応答は、図４及び図５内で示されているものである。
【００１９】
図３に示すタイミング図は、浮遊拡散部及び光検出器上の電荷を別個に読み出す好ましい実施形態を示している。この場合、信号は電圧ドメイン内で結合される。呼出しは、単一呼出しによって行うこともできる。この単一呼出しでは、光検出器内の信号の電荷は浮遊拡散部に転送され、結合された電荷は図６に示すように読み出される。この方法は、単一呼出しの利点を有するため、呼出し時間が早いが、有効電荷容量が小さく、差分呼出しが補正されない不都合がある。
【００２０】
本発明の第２の実施形態は、２つの異なるカラーフィルタα及びβと結合された浮遊拡散部２８及び光検出器２２からの電荷を、別個に読み出す方法を利用している。これらのカラーフィルタα及びβは、所定のピクセル２０内の光検出器２２及び浮遊拡散部２８の上に設けられている。このことは、図７に示されている。この発明では、２つの異なるカラーに関連した信号レベルを得ることができ、それぞれのピクセルの場所から別々に測定される。図７を参照すると、浮遊拡散部２８上に蓄積された電荷はタイミング信号SHSfdによってコンデンサＣ6上に記憶される、本発明の第２の実施形態が示されている。図３に示したタイミング図に呼応した方法では、SHSfd信号の後に、リセット信号がリセットゲート（ＲＧ）２７に印加されて、その結果、浮遊拡散部２８がリセットされ、次に、その浮遊拡散部２８の電位レベルが、タイミング信号SHRが加えられることによってコンデンサＣ5上に記憶される。次に、光検出器２２内に蓄積された電荷は、タイミング信号ＴＧによって浮遊拡散部２８に転送される。浮遊拡散部２８上の光検出器２２の電荷は、次に、タイミング信号SHSpdを動作させることによって、コンデンサＣ4上に記憶される。本発明の好ましい実施形態においては、差動増幅器３１への基準入力としてコンデンサＣ5上のリセットレベルを使用して、コンデンサＣ4上のカラーフィルタαの浮遊拡散部２８の信号レベルを読み取る、差分呼出しを採用するように構成されている。コンデンサＣ6上のカラーフィルタβの光検出器２２の信号レベルについての第２の差分呼出しが、コンデンサＣ5上のリセットレベルを再度基準入力として差動増幅器３２を経由して行われ、これにより、光検出器２２の信号レベルについての真の補正された二重サンプリングが提供される。次に、最終的な出力信号がいくつかの手段によって決定される。１つの例は、２つの差動増幅器３１及び３２からの信号を別個に読み出して、外部のチップにて加えることができるピクセル当たり２つの信号値を提供することである。ピクセル当たりの単一のカラー差のレベルとして信号を読み出すために、カラーフィルタα及びカラーフィルタβの信号を第３の増幅器及び信号処理チェーンへの入力として提供することによって、第２の実施形態の呼出しが得られるように構成される。このことは、ピクセルごとにアナログ電圧ドメイン内にカラーの減算又はカラーの加算のいずれかを設けた任意の方法で、又は単一のピクセル若しくは隣接するピクセルからの２つのカラー信号を使用して、これらの信号の所望の組合わせを得るような何らかの方法で行うこともできる。
【００２１】
第２の実施形態において最終出力信号を得るための別の方法は、カラーの１つに白色光を表示させることである。この第２の実施形態のバージョンでは、カラーフィルタは、浮遊拡散部２８又は光検出器２２のいずれかに対しては、事実上、空のスペースとする。カラーなしのフィルタを用いて、浮遊拡散部２８又は光検出器２２の上にこの空のスペースを作ることにより、白色フィルタを作成することが好ましい。白色フィルタは、光検出器２２又は浮遊拡散部２８上のカラーフィルタよりも早く光電子を蓄積するので、それぞれのピクセル２０に関連するカラー信号を維持しながら、ピクセル２０の感度を増加させることができる。この方法を用いて、イメージセンサをカラー又は単色のセンサとして使用することができる。
【００２２】
他の方法は、それぞれのピクセル内の光検出器又は浮遊拡散領域に対して緑のカラーフィルタを設けることである。この実施形態においては、ピクセル当たりのより正確な輝度のサンプルを作ることができる。従来技術の装置は、一般に、隣接したピクセルのカラーフィルタで処理した光のサンプルの補間から、各ピクセルにおいて輝度チャネルを作る。これにより、カラーフィルタの補間に関連するノイズは存在しないので、より少ないノイズのイメージを提供することができる。また、本発明が提供する特徴を用いて、デジタルイメージング技術を拡大し変更させることができる。
【００２３】
図面には示していないが、この方法は当業者に明白な多くの変形例を用いて実施することができる。例えば、光検出器はフォトゲートとすることができ、リセット用トランジスタは任意のリセット手段に置き換えることができ、水平オーバーフロー領域は水平オーバーフローゲート又は他のオーバーフロー手段であってもよく、行選択トランジスタはどのような行選択手段によって置き換えることもできる。それぞれのピクセルは、異なるカラーの対を持つことができる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明は、次のような利点を有する。本発明は、センサのダイナミックレンジ及び感度の拡大を提供するものであり、これはほとんど又はまったく変更なしに現在のセンサ及びピクセルの設計の中で容易に採用することができる。高い充填比を有する小さいピクセルによって、ピクセル当たり２つのカラーからの別個の信号が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 光検出器及び浮遊拡散部の両方に入射するフォトンから作られる光電子の積分によってダイナミックレンジを拡大する、本発明の第１の実施形態のピクセルの模式的な構成図である。
【図２】 対カラムの信号処理をさらに詳細に示す、図１に示した本発明の第１の実施形態のピクセルの模式的な構成図である。
【図３】 図２に示したピクセルについての動作を説明するタイミング図である。
【図４】 図２のピクセルにおける図３のタイミング図に示される動作による一対の伝達関数を示すグラフであって、線形領域Ｂに対して小さい傾斜をもたらす短い浮遊拡散積分時間に対応したグラフである。
【図５】 図２のピクセルにおける図３のタイミング図に示される動作による一対の伝達関数を示すグラフであって、線形領域Ｂに対して大きい傾斜をもたらす長い浮遊拡散積分時間に対応したグラフである。
【図６】 図２に示したピクセルについての他の動作を説明するタイミング図である。
【図７】 光検出器及び浮遊拡散部の両方に入射するフォトンから作られる光電子の積分によってダイナミックレンジを拡大する、本発明の第２の実施形態のピクセルの図である。
【符号の説明】
１，２，３ トランジスタ、６ 水平オーバーフロー領域、７ 行選択トランジスタ、１０，２０ ピクセル、１２，２２ 光検出器、１６，２６ 転送ゲート、１７，２７ リセットゲート、１８，２８ 浮遊拡散部、１９，２９ リセットドレイン、３１，３２ 差動増幅器。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ベースのイメージセンサに関し、より詳しくは、高い感度及び大きなダイナミックレンジを有するアクティブピクセルのイメージセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
アクティブピクセルのイメージセンサ（Active Pixel image Sensor：ＡＰＳ）は、それぞれのピクセルが光感知手段及び少なくとも１つの他の能動素子の両方を含む固体のイメージャであり、信号（電圧信号又は電流信号のいずれか）に変換される電荷を生成する。この信号は、ピクセルの受光面に入射する光の量を表す。イメージング用感知デバイスのダイナミックレンジ（ＤＲ）は、センサのノイズレベルの二乗平均平方根値（σnoise）に対する、一般に飽和信号（Ｖsat）と呼ばれる有効最大検出可能な信号レベルの比率として定義される。これは式１に示されている。
【数１】
ダイナミックレンジ＝Ｖsat／σnoise ……式１
【０００３】
入射フォトンによって生成される電荷を積分する電荷結合素子（ＣＣＤ）などのイメージセンサ素子は、ダイナミックレンジを有していて、このダイナミックレンジは、所定の受光面内に集めて保持することができる電荷量（Ｖsat）によって制限される。例えば、どのような所定のＣＣＤでも、ピクセル内に集めて検出することができる電荷量は、ピクセルの面積に比例する。このため、メガピクセルのディジタルスチルカメラ（ＤＳＣ）内で使用する市販の固体撮像素子については、Ｖsatを表す電子の数はおよそ13,000から20,000個である。入射光が極めて明るくて、ピクセル又は光検出器内で保持することができる電子よりも多くの電子が生成される場合、これらの過剰の電子は、ピクセル内のブルーミング防止手段によって取り除かれ、飽和信号を増加させることには寄与しない。従って、最大検出可能な信号レベルは、光検出器又はピクセル内に保持することができる電荷量に制限される。ＤＲは、センサのノイズレベルσnoiseによっても制限される。Ｖsatについての制限のために、σnoiseを極めて低いレベルにまで減らすために、ＣＣＤの分野において多くの努力がなされてきた。典型的には、市販のメガピクセルのＤＳＣ素子のダイナミックレンジは、1000 : 1 以下である。
【０００４】
ダイナミックレンジについての同様な制限が、ＡＰＳ素子についても存在する。Ｖsatは、光検出器内に保持及び隔離することができる電荷量によって制限される。過剰な電荷は失われる。このことは、ＡＰＳに対してはＣＣＤに比べてさらに問題となり得る。なぜならば、ＡＰＳにおいては、ピクセル内のアクティブ素子により、光検出器にとって利用可能な領域が制限され、またＡＰＳ素子内で使用される電源及びクロックの電圧が低いからである。さらに、ＡＰＳ素子は１チップに構成されたイメージセンサシステムを提供するように使用されてきたので、ＣＣＤには存在しない、タイミング、コントロール及びアナログ−デジタル変換などのＡＰＳ素子上で使用されるデジタル及びアナログ回路は、ＣＣＤと比べてＡＰＳ素子上で一層高いノイズフロア（noise floor）を与える。これは、オンチップのアナログ−デジタル変換器からの可能な量子化ノイズだけでなく、より高い一時的なノイズが原因である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本出願と共通の譲受人に譲渡された米国特許出願第０９／４２６，８７０号では、Guidashは、ＡＰＳ素子のダイナミックレンジを拡大するための従来技術の方式を説明し、光検出器からブルームする電荷を収集することによって、ダイナミックレンジを拡大するための新規な発明を開示している。その方式は、小さいピクセルでダイナミックレンジを拡大するが、センサ内の固定パターンノイズの原因になる光検出器の飽和レベルの空間的変動についての潜在的な不都合があり、センサの感度を向上させない。
【０００６】
従来技術のＡＰＳ素子も、ピクセル内のアクティブ素子の集積によって、またピクセルの上に配置されたカラーのフィルタ層を通る入射光の透過損失によって、フィルファクタが制限されることにより、光に対する感度が低い。
【０００７】
前述した説明から、固定したパターンノイズが低いこと、ピクセルが小さいこと及び感度が高いことを維持しながら、ダイナミックレンジを拡大させる要望が、素子についての従来技術の中に存在することは明白である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、従来技術の問題に対する解決策が提供される。本発明においては、各ピクセル内の浮遊拡散領域が、個別の光検出器の領域として使用され、拡大されたダイナミックレンジ及び高い感度を提供する。
【０００９】
本発明の第１の実施形態では、各ピクセル内に設けられた浮遊拡散領域を、遮光せずに個別の光検出器領域として使用することによって、拡大されたダイナミックレンジ及びより高い感度が提供される。光検出器上に信号の電荷が集積されている間に、浮遊拡散領域上に入射する光に比例して、電荷が浮遊拡散領域上にも集められる。従来技術の素子では、浮遊拡散領域は電荷の電圧への変換ノードとして、積分の間の光検出器用のオーバーフローのドレインとして、又は全体的なフレーム捕獲のための電荷記憶領域として利用される。その結果、光が浮遊拡散領域に又はその近くに入射する結果として生ずる光の蓄積を防ぐために、及び光検出器の領域からブルーミング電荷を排出させるために、浮遊拡散領域は入射光から遮光されるか、又はリセットモードに維持される。本発明では、浮遊拡散領域に入射する光の量に比例して、光検出器の積分時間とは別個にコントロールされた時間だけ、電荷が浮遊拡散領域に積分される。浮遊拡散領域上に積分された電荷は、次に、光検出器上に積分された電荷とは別個に読み出される。この第１の実施形態では、所定のピクセル内の光検出器及び浮遊拡散領域は、同じカラーフィルタによってカバーされるか、又は両方ともどのようなカラーフィルタにもカバーされない。
【００１０】
本発明の第２の実施形態においては、所定のピクセル内の光検出器及び浮遊拡散領域に対して異なる又は別個のカラーフィルタを備えた第１の実施形態を利用することによって、入射光に対する拡大されたダイナミックレンジ及び高い感度が提供される。これにより、ピクセル当たり２つのカラーに関連した信号の電荷が提供される。
【００１１】
本発明によれば、素子のダイナミックレンジ及び感度を著しく増加させ、現在のシステム設計において使用することができる、アクティブピクセルのセンサ素子が、内部に複数のピクセルを有するＸ−Ｙアドレス可能なイメージャによって提供される。それぞれの複数のピクセル内には第１の光の帯域幅を感知するように構成された光検出器と、第２の光の帯域幅を感知するように構成された感知ノードと、光検出器及び感知ノードに対して動作するように構成されて、それぞれの光検出器及び感知ノードを所定の電位にリセットできるリセット機構と、電荷を光検出器から感知ノードへ転送するように構成された転送機構と、が含まれ、感知ノードは遮光部を持たずに第２の光検出器として動作できるように形成される。第１及び第２の帯域幅は、設計上の選択により、異なっていても同一でもよい。Ｘ−Ｙアドレス可能なイメージャは、感知ノード上に蓄積された電荷に関連した信号を記憶するための第１の記憶機構、光検出器上に蓄積された電荷に関連した信号を記憶するための第２の記憶機構、及びそれぞれの複数のピクセルについて感知ノード及び光検出器の積分と転送とをコントロールするタイミング回路を有するシステムから成るように構成される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施形態では、各ピクセル内に設けられた浮遊拡散領域を、遮光せずに個別の光検出器領域として使用することによって、拡大されたダイナミックレンジ及びより高い感度が提供される。光検出器上に信号の電荷が集積されている間に、浮遊拡散領域上に入射する光に比例して、電荷が浮遊拡散領域上にも集められる。浮遊拡散領域の積分時間は、光検出器の積分時間とは別にコントロールされる。このことは、図１及び図２に示したピクセルを用いて行われる。これは、本出願と共通の譲受人に譲渡された米国特許出願第０９／４２６，８７０号及び０９／１３０，６６５号においてGuidashによって開示されたものと同様のピクセル設計である。このピクセル１０は、光検出器１２（ピンド・フォトダイオードＰが好ましい）、転送ゲート１６、浮遊拡散部１８、行選択トランジスタ７、浮遊拡散部１８であるソースとリセットゲート１７とリセットドレイン１９とから成るリセットトランジスタ、及び水平オーバーフロー領域６から構成される。
【００１３】
図２は、対カラムの信号処理をさらに詳細に示す、図１に示した本発明の第１の実施形態のピクセルの図である。図２に示したピクセル１０は、行および列に配置された、Ｘ−Ｙアドレス可能ピクセルのアレイの一部であることが好ましい。一般に、ピクセル内に蓄積された電荷の呼出しは、一度に１つの行を選択し、その行内の複数の列を読み出すことによって行われる。それぞれの列は、個々のピクセルの出力を処理するための回路を有している。本発明によって構成される列回路は、信号をそれぞれコンデンサＣ4，Ｃ5及びＣ6に蓄積するために、ゲート信号SHSpd，SHR及びSHSfdによってコントロールされるスイッチとして動作するトランジスタ１，２及び３である。コンデンサＣ4，Ｃ5及びＣ6内にゲート信号SHSpd，SHR及びSHSfdのもとで蓄積されるピクセル１０からの信号は、差動増幅器３１，３２への入力として使用される。これらの差動増幅器は、浮遊拡散部１８に対するリセット値をそれぞれの浮遊拡散部１８及び光検出器１２からの蓄積された信号値と比較する。
【００１４】
本発明の第１の実施形態の動作は、図２のピクセル１０について、図３のタイミング図に示されており、図４及び図５に示した出力信号転送関数が結果として生ずる。図３を参照すると、転送ゲート１６（信号ＴＧとして示されている）にオン及びオフのパルスを加えて、電荷を光検出器１２から浮遊拡散部１８に転送し、次に、リセットゲート１７を動作させて、浮遊拡散部１８をリセットすることによって、ピクセル１０をリセットすなわち初期化する。リセットゲート１７は浮遊拡散部１８を、リセットゲートのパルス幅、リセットトランジスタのスレショルド電圧及びリセットドレイン１９の電位によって決定される電位にリセットする。初期化すなわちリセットシーケンスの後で、転送ゲート１６がオフに切り換えられると、光検出器の積分時間（ｔintpd）が開始する。リセットゲートはオンのままである。水平オーバーフロー領域の静電ポテンシャルは、転送ゲートのオフ電位よりも低いレベルに設定されて、光検出器内の過剰な電荷が、水平オーバーフロー領域を通って隣のピクセルのリセットドレイン内にブルームする。このオーバーフローのメカニズムは、電荷が浮遊拡散部内にブルーミングすること、及び浮遊拡散部上に蓄積された電荷が劣化することを防止する。このオーバーフローのメカニズムは、この技術において周知のどのような手段でもよい。光検出器の積分時間（ｔintpd）が進行すると、浮遊拡散部も積分を開始することができる。浮遊拡散部の積分時間は、リセットゲートがオフに切り替わると開始する。リセットゲートがオフに切り替わる時間と浮遊拡散部をリセットする時間との間の経過時間は、浮遊拡散部の積分時間ｔintfdと呼ばれる。所望の浮遊拡散部の積分時間ｔintfdが終わると、浮遊拡散部１８上に積分された電荷のレベルは、浮遊拡散部１８の信号をコンデンサＣ6上に移すSHSfdのパルスによってサンプル及び保持される。続いて、ＲＧによって浮遊拡散部１８がリセットされ、浮遊拡散部のリセットレベルをコンデンサＣ5上に移すSHRによって、リセットレベルがサンプル及び保持される。次に、ＴＧ１６をオン及びオフするパルスによって、電荷が光検出器１２から浮遊拡散部１８に移動され、その信号レベルは、次に、SHSpdによってサンプル及び保持されて、コンデンサＣ4上に移される。
光検出器及び浮遊拡散部からのサンプル及び保持された信号レベルを、次に、電圧ドメイン内で加算して、合計信号を作ることができる。この１つの実施例を図２で示す。本発明は、コンデンサＣ6上の浮遊拡散信号とコンデンサＣ5上のリセットレベルとの差動増幅器３２を経由した差分呼出し、及びコンデンサＣ4上の光検出器の信号レベルとコンデンサＣ5上のリセットレベルとの差動増幅器３１を経由した第２の差分呼出しを構成して、これにより、光検出器の信号レベルに対して正しい補正された二重サンプリングを提供する。次に、いくつかの手段によって、最終出力信号を決定することができる。１つの例は、２つの差動増幅器３１及び３２からの信号を別個に読み出して、外部のチップにて加えることができる、ピクセル当たり２つの信号値を提供することである。第２の実施形態は、ピクセル当たりの単一の信号レベルとして信号を読み出すために、これらの信号を第３の増幅器及び後続の信号処理チェーンへの入力として提供することによって達成される。電圧ドメイン内で信号を結合するこの呼出し方法は、電荷ドメイン内で信号を結合することよりも、より大きな最大ピクセル信号レベルＶmaxをも提供する。これは、浮遊拡散部が、積分された光検出器の信号及び積分された浮遊拡散部の信号を同時に保持する必要がないからである。このため、Ｖmaxは、浮遊拡散部の容量に光検出器の容量を加えた全容量まで拡大される。
【００１５】
この方法はリセットレベルを基準値としたピクセルの差分呼出しを使用しているので、ピクセルのオフセットノイズは相殺される。さらに、ピクセル内にどのような素子も追加することなく、ダイナミックレンジを拡大するので、この方法は、低コストの民生用のデジタル画像形成用途に実用的な小さなピクセルで実行することができる。浮遊拡散部及び光検出器の両方が積分のために使用されるので、ピクセルの感度が増大されて、このためピクセル内により大きな光能動的な領域が提供される。浮遊拡散部が、光検出器からブルームする電荷を集めるのではなく、浮遊拡散部に入射する光から作られる電荷を積分するので、電荷が光検出器からブルームするポイントの変動による固定パターンノイズが取り除かれる。この方法では、リセットレベルが浮遊拡散部の信号レベルに対して補正されないため、浮遊拡散部上に積分された電荷のピクセル読取りノイズは増加される。
これは、一般に、３０個の電子以下であり、有効信号レベルにおけるゲインと比較すると小さい。
【００１６】
図３について説明した動作の結果として、センサの出力応答は、図４及び図５に示すようになる。この出力応答は２つの領域から成る。光のレベルが低い場合は、出力応答は線形領域Ａによる。線形領域Ａの傾斜は、光検出器と浮遊拡散部とによって与えられた応答の重ね合わせであり、光検出器及び浮遊拡散部の両方の積分時間に比例している。光電子の数が光検出器の容量を超えると、この電荷は水平オーバーフロー領域を通って流れて、リセットドレインすなわち隣接するピクセルのＶＤＤを経由して取り除かれる。光検出器の信号電荷は、Ｖpdsatと呼ばれるこのポイントで飽和する。このポイントで、ピクセルの出力応答は、線形領域Ｂに従う。好ましい実施形態では、図３に示したタイミングによって、線形領域Ｂにおいて線形の応答が提供される。この線形領域Ｂの傾斜は、浮遊拡散部の積分時間ｔintfdに依存すると共に正比例する。２つの図面（図４及び図５）は、線形領域Ａ及び線形領域Ｂに対して２つの異なる傾斜を示している。図４の浮遊拡散部の積分時間は、図５のそれよりも短い。その結果、図５の線形領域Ａ及び線形領域Ｂの傾斜は、図４のものより大きい。
【００１７】
ダイナミックレンジは２つの方法で拡大される。第１は、浮遊拡散領域を使用して光電子を積分及び記憶するので、最大電子容量は、光検出器を用するだけよりは大きくなる。第２は、光検出器及び浮遊拡散領域に対して異なる積分時間を使用することによって、有効な又は推定された信号レベルＶeffは、光検出器及び浮遊拡散領域の積分時間の比率、光検出器及び浮遊拡散領域の応答度の比率、及びそれぞれからの測定された信号レベルから決定することができる。光検出器の積分時間ｔintpdの浮遊拡散部の積分時間ｔintfdに対する比率を大きくすることができるので、光検出器及び浮遊拡散部の容量によって限定される信号を大きく超えて、Ｖeffを増大させることができる。
【００１８】
センサの出力信号を、線形領域Ｂからの有効信号レベルを決めずに、直接表示することも可能である。このことは、より大きな入射光源の範囲を直接検出可能な信号の電圧範囲内にマッピング及び直接表示することによって、さらにダイナミックレンジを拡大する。この直接出力応答は、図４及び図５内で示されているものである。
【００１９】
図３に示すタイミング図は、浮遊拡散部及び光検出器上の電荷を別個に読み出す好ましい実施形態を示している。この場合、信号は電圧ドメイン内で結合される。呼出しは、単一呼出しによって行うこともできる。この単一呼出しでは、光検出器内の信号の電荷は浮遊拡散部に転送され、結合された電荷は図６に示すように読み出される。この方法は、単一呼出しの利点を有するため、呼出し時間が早いが、有効電荷容量が小さく、差分呼出しが補正されない不都合がある。
【００２０】
本発明の第２の実施形態は、２つの異なるカラーフィルタα及びβと結合された浮遊拡散部２８及び光検出器２２からの電荷を、別個に読み出す方法を利用している。これらのカラーフィルタα及びβは、所定のピクセル２０内の光検出器２２及び浮遊拡散部２８の上に設けられている。このことは、図７に示されている。この発明では、２つの異なるカラーに関連した信号レベルを得ることができ、それぞれのピクセルの場所から別々に測定される。図７を参照すると、浮遊拡散部２８上に蓄積された電荷はタイミング信号SHSfdによってコンデンサＣ6上に記憶される、本発明の第２の実施形態が示されている。図３に示したタイミング図に呼応した方法では、SHSfd信号の後に、リセット信号がリセットゲート（ＲＧ）２７に印加されて、その結果、浮遊拡散部２８がリセットされ、次に、その浮遊拡散部２８の電位レベルが、タイミング信号SHRが加えられることによってコンデンサＣ5上に記憶される。次に、光検出器２２内に蓄積された電荷は、タイミング信号ＴＧによって浮遊拡散部２８に転送される。浮遊拡散部２８上の光検出器２２の電荷は、次に、タイミング信号SHSpdを動作させることによって、コンデンサＣ4上に記憶される。本発明の好ましい実施形態においては、差動増幅器３１への基準入力としてコンデンサＣ5上のリセットレベルを使用して、コンデンサＣ4上のカラーフィルタαの浮遊拡散部２８の信号レベルを読み取る、差分呼出しを採用するように構成されている。コンデンサＣ6上のカラーフィルタβの光検出器２２の信号レベルについての第２の差分呼出しが、コンデンサＣ5上のリセットレベルを再度基準入力として差動増幅器３２を経由して行われ、これにより、光検出器２２の信号レベルについての真の補正された二重サンプリングが提供される。次に、最終的な出力信号がいくつかの手段によって決定される。１つの例は、２つの差動増幅器３１及び３２からの信号を別個に読み出して、外部のチップにて加えることができるピクセル当たり２つの信号値を提供することである。ピクセル当たりの単一のカラー差のレベルとして信号を読み出すために、カラーフィルタα及びカラーフィルタβの信号を第３の増幅器及び信号処理チェーンへの入力として提供することによって、第２の実施形態の呼出しが得られるように構成される。このことは、ピクセルごとにアナログ電圧ドメイン内にカラーの減算又はカラーの加算のいずれかを設けた任意の方法で、又は単一のピクセル若しくは隣接するピクセルからの２つのカラー信号を使用して、これらの信号の所望の組合わせを得るような何らかの方法で行うこともできる。
【００２１】
第２の実施形態において最終出力信号を得るための別の方法は、カラーの１つに白色光を表示させることである。この第２の実施形態のバージョンでは、カラーフィルタは、浮遊拡散部２８又は光検出器２２のいずれかに対しては、事実上、空のスペースとする。カラーなしのフィルタを用いて、浮遊拡散部２８又は光検出器２２の上にこの空のスペースを作ることにより、白色フィルタを作成することが好ましい。白色フィルタは、光検出器２２又は浮遊拡散部２８上のカラーフィルタよりも早く光電子を蓄積するので、それぞれのピクセル２０に関連するカラー信号を維持しながら、ピクセル２０の感度を増加させることができる。この方法を用いて、イメージセンサをカラー又は単色のセンサとして使用することができる。
【００２２】
他の方法は、それぞれのピクセル内の光検出器又は浮遊拡散領域に対して緑のカラーフィルタを設けることである。この実施形態においては、ピクセル当たりのより正確な輝度のサンプルを作ることができる。従来技術の装置は、一般に、隣接したピクセルのカラーフィルタで処理した光のサンプルの補間から、各ピクセルにおいて輝度チャネルを作る。これにより、カラーフィルタの補間に関連するノイズは存在しないので、より少ないノイズのイメージを提供することができる。また、本発明が提供する特徴を用いて、デジタルイメージング技術を拡大し変更させることができる。
【００２３】
図面には示していないが、この方法は当業者に明白な多くの変形例を用いて実施することができる。例えば、光検出器はフォトゲートとすることができ、リセット用トランジスタは任意のリセット手段に置き換えることができ、水平オーバーフロー領域は水平オーバーフローゲート又は他のオーバーフロー手段であってもよく、行選択トランジスタはどのような行選択手段によって置き換えることもできる。それぞれのピクセルは、異なるカラーの対を持つことができる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明は、次のような利点を有する。本発明は、センサのダイナミックレンジ及び感度の拡大を提供するものであり、これはほとんど又はまったく変更なしに現在のセンサ及びピクセルの設計の中で容易に採用することができる。高い充填比を有する小さいピクセルによって、ピクセル当たり２つのカラーからの別個の信号が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 光検出器及び浮遊拡散部の両方に入射するフォトンから作られる光電子の積分によってダイナミックレンジを拡大する、本発明の第１の実施形態のピクセルの模式的な構成図である。
【図２】 対カラムの信号処理をさらに詳細に示す、図１に示した本発明の第１の実施形態のピクセルの模式的な構成図である。
【図３】 図２に示したピクセルについての動作を説明するタイミング図である。
【図４】 図２のピクセルにおける図３のタイミング図に示される動作による一対の伝達関数を示すグラフであって、線形領域Ｂに対して小さい傾斜をもたらす短い浮遊拡散積分時間に対応したグラフである。
【図５】 図２のピクセルにおける図３のタイミング図に示される動作による一対の伝達関数を示すグラフであって、線形領域Ｂに対して大きい傾斜をもたらす長い浮遊拡散積分時間に対応したグラフである。
【図６】 図２に示したピクセルについての他の動作を説明するタイミング図である。
【図７】 光検出器及び浮遊拡散部の両方に入射するフォトンから作られる光電子の積分によってダイナミックレンジを拡大する、本発明の第２の実施形態のピクセルの図である。
【符号の説明】
１，２，３ トランジスタ、６ 水平オーバーフロー領域、７ 行選択トランジスタ、１０，２０ ピクセル、１２，２２ 光検出器、１６，２６ 転送ゲート、１７，２７ リセットゲート、１８，２８ 浮遊拡散部、１９，２９ リセットドレイン、３１，３２ 差動増幅器。
Claims (2)
- 複数のピクセルから成るイメージングアレイを有する半導体ベースのＸ−Ｙアドレス可能なイメージセンサであって、
少なくとも１つの前記ピクセルは、
第１の光の帯域幅を感知するように構成された光検出器と、
前記光検出器の上に設けられ第１の帯域を通過させる第１カラーフィルタと、
前記第１の光の帯域幅と異なる第２の光の帯域幅を感知するように構成された感知ノードと、
前記感知ノードの上に設けられ第２の帯域を通過させる第２カラーフィルタと、
前記光検出器及び前記感知ノードに対して動作するように構成されて、前記光検出器と前記感知ノードとを所定の電位にリセットできるリセット機構と、
前記光検出器にて生成された電荷を前記感知ノードへ転送するように構成された転送機構と、
を備え、
前記感知ノードは、遮光部を持たずに第２の光検出器として動作できるように形成されること、
を特徴とするイメージセンサ。 - 請求項１に記載のＸ−Ｙアドレス可能なＭＯＳイメージセンサであって、
前記光検出器に蓄積された信号電荷に応じた信号レベルを記憶するために使用される第１の記憶機構と、
前記感知ノードに蓄積された信号電荷に応じた信号レベルを記憶するために使用される第２の記憶機構と、
前記ピクセルにおける信号電荷の蓄積及び転送のタイミングをコントロールするためのタイミング回路と、
をさらに備えることを特徴とするイメージセンサ。
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