JP5190074B2 - 可変感度画素を用いたダイナミックレンジの拡大 - Google Patents

Description

本発明は一般に、イメージセンサの分野に関し、より詳しくは、可変電荷電圧変換機能を用いたイメージセンサのダイナミックレンジの増大に関する。

現在、イメージセンサは、画像を撮影するための所定のダイナミックレンジを有する。シーンによっては、イメージセンサの能力を超える可能性のある大きい撮像ダイナミックレンジが必要となる。この場合、撮影されたシーンは、忠実に表現されていないかもしれない。そこで、通常の動作モードに加え、イメージセンサのダイナミックレンジを拡大することが望ましい。

国際公開第２００６／１２４５９２Ａ号パンフレット 米国特許出願公開第２００６／１１９７２０Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２００５／２２４８４３Ａ１号明細書

本発明は、イメージセンサに、捕捉された光電子電荷を電圧に変換するための変更可能な感度を持たせることによって、先行技術の欠点を克服する。

本発明は、上記の問題の１つまたはいくつかを克服するためのものである。簡潔に要約すると、本発明の１つの態様によれば、本発明はイメージセンサを読み出すための方法であって、この方法は、光検出器の電荷を、光検出器が第一の容量を有する状態で積分するステップと、光検出器が第一の容量を有する状態で、第一の時点において、結果として得られる信号レベルを読み取るステップと、光検出器の容量を第二の容量に変更するステップと、第二の容量を有する光検出器に関わる信号レベルを読み取るステップと、を含む。

本発明の上記および上記以外の態様、目的、特徴、利点は、好ましい実施例に関する以下の詳細な説明と付属の特許請求範囲を読み、添付の図面を参照することによってより明確に理解、評価されるであろう。

本発明は、転送およびサンプリング動作を複数回行うことと、各転送およびサンプリング動作の後に追加のフローティングディフュージョンを連結してフローティングディフュージョンの容量を増大させることによって、ダイナミックレンジを拡大するという利点を有する。

本発明の１つの実施例の概略図である。 本発明の第二の実施例の概略図である。 本発明の第三の実施例の概略図である。 本発明の第四の実施例の概略図である。 線形容量と非線形容量を表すグラフである。 本発明のデジタルカメラの図である。

図１を参照すると、本発明のイメージセンサ２０の３つの画素１０の概略図（５つのトランジスタからなる画素、つまり５Ｔ画素）が示されている。各画素１０は、入射光に反応して電荷を捕獲する感光領域３０、好ましくは埋め込みフォトダイオード(pinned photodiode)を備える。転送ゲート４０は、電荷を電荷電圧変換機構５０、好ましくはフローティングディフュージョンに転送する。各画素１０のフローティングディフュージョン５０は相互に電気的に連結されている点に注意すべきであり、これについては後に詳述する。リセットトランジスタ６０は、フローティングディフュージョン５０を所定の電圧にリセットする。増幅器７０、好ましくはソースフォロワ回路は、フローティングディフュージョン５０からの信号を感知し、出力バス８０での読み出しのための緩衝を行う。行選択トランジスタ９０は、読み出すべき特定の行を選択する。

ゲート１０５を有するビン選択トランジスタ１００には、フローティングディフュージョン５０の電荷を結合するようにパルスが供給される。図１では、３つのみのフローティングディフュージョン５０が結合可能であるように描かれているが、結合可能なフローティングディフュージョン５０の数は設計上の問題であり、フローティングディフュージョン５０はいくつでも結合できる。フローティングディフュージョン５０を共有することにより、フローティングディフュージョン５０の容量を、結合するフローティングディフュージョン５０の数に応じて変更することが可能となる。

上記の実施例において、フォトダイオード３０からの信号は、以下のように読み出される。たとえば図１の中央の画素のフォトダイオード３０を読み出すためには、中央の読み出し構造（ＲＧ ６０，ＳＦ ７０，ＲＳＥＬトランジスタ９０）が用いられるが、２つのＢＳＥＬトランジスタ１００をオンにすることにより、３行すべてのフローティングディフュージョン５０が共有される。３つのフローティングディフュージョン５０は、ＲＧトランジスタ６０を使ってリセットされ、サンプリング回路（図示されていないが、業界内で周知）の中でリセットレベルがサンプリングされる。次に、２つのＢＳＥＬトランジスタ１００をオフにすることによって、上下のフローティングディフュージョン５０が切断され、その結果として得られる中央のフローティングディフュージョン５０のリセットレベルがサンプリングされる。中央のＴＧゲート４０を動作させることにより、電荷が中央のフォトダイオード３０から中央のフローティングディフュージョン５０に転送される。その結果として得られる信号がサンプリングされる。中央のフローティングディフュージョン５０の容量は、それ自体では、フォトダイオード３０の中のすべての蓄積電荷を保持するには不十分かもしれない点に注意されたい。この場合、電荷はフォトダイオード３０とフローティングディフュージョン５０の間で共有され、このような電荷の共有により、サンプリングされた信号は非線形となる。この第三のサンプル（２つのリセットサンプルと第一の信号サンプル）が採取された後、３つのフローティングディフュージョン５０が２つのＢＳＥＬトランジスタ１００によって再接続される。すると、中央のフローティングディフュージョン５０の信号電荷はすべて、３つのフローティングディフュージョン５０のネットワークに広がる。中央のＴＧゲート４０が再び作動されて、中央のフォトダイオード３０からの残りの電荷のすべてが３つのフローティングディフュージョン５０の中に移動させられ、その結果として得られる信号がサンプリングされる。採取された４つのサンプル、つまり接続された３つのフローティングディフュージョン５０のリセット、１つのフローティングディフュージョン５０のリセット、１つのフローティングディフュージョン５０の信号および接続された３つのフローティングディフュージョン５０の信号から、以下のような、完全に相関する２つの結果が得られる。３つのフローティングディフュージョンの相関信号＝３つのフローティングディフュージョンの信号−３つのフローティングディフュージョンのリセット、１つのフローティングディフュージョンの相関信号＝１つのフローティングディフュージョンの信号−１つのフローティングディフュージョンのリセット。

図２を参照すると、４つのトランジスタを用いた（４Ｔ）実施例が示されている。これらのトランジスタはすべて、ＢＳＥＬがないことを除き、同じく機能する。フローティングディフュージョン５０の容量を変えるために、ゲート（ＣＳＥＬ）１１０が追加されている。このゲート１１０には、容量を変更するようにパルスが供給される。

４Ｔ実施例では、フォトダイオードからの信号が次のように読み出される。ＣＳＥＬゲート１１０がフローティングディフュージョン容量をより小さくするように作動され、フローティングディフュージョン５０がＲＧトランジスタ６０を使ってリセットされ、サンプリング回路（図示されていないが、業界内で周知）の中でリセットレベルがサンプリングされる。次に、ＣＳＥＬゲート１１０は、フローティングディフュージョン容量をより大きくするように作動され、その結果としてのフローティングディフュージョン５０のリセットレベルがサンプリングされる。ＴＧゲート４０を動作させることによって、電荷がフォトダイオード３０からフローティングディフュージョンの中へと転送される。より大きいフローティングディフュージョン容量に電荷を転送した結果として得られる信号がサンプリングされる。この第三のサンプル（２つのリセットサンプルと第一の信号サンプル）が採取された後、ＣＳＥＬゲート１１０が作動されて、フローティングディフュージョン容量をより小さくし、同じ電荷をより小さいフローティングディフュージョン容量に印加した結果として得られる信号がサンプリングされる。採取された４つのサンプル、つまり、より小さいフローティングディフュージョン容量とより大きいフローティングディフュージョン容量のリセット、および蓄積されたフォトダイオード電荷をより大きいフローティングディフュージョン容量とより小さいフローティングディフュージョン容量に印加した結果として得られる信号によって、以下のような、完全に相関する２つの結果が得られる。より大きいフローティングディフュージョン容量の相関信号＝より大きいフローティングディフュージョン容量の信号−より大きいフローティングディフュージョン容量のリセット、より小さいフローティグディフュージョンの相関信号＝より小さいフローティングディフュージョン容量の信号−より小さいフローティングディフュージョン容量のリセット。

図３を参照すると、別の実施例として、３つのトランジスタからなる（３Ｔ）実施例が示されている。３つのトランジスタからなる能動画素では、フォトダイオード３０の容量が電荷電圧変換を実現し、フォトダイオード容量によって、積分されたフォトダイオードの電荷が電圧を発生させることがよく知られている。そのため、４Ｔ実施例と比較すると、フローティングディフュージョン（ＦＤ）と転送ゲート（ＴＧ）が省かれている。積分されたフォトダイオード電荷とフォトダイオード容量から得られる電圧は、トランジスタ７０、好ましくはソースフォロワのゲートに印加され、電圧の読み出しが可能となる。この実施例は、フォトダイオード３０の容量を変化させるように選択的に励起されるゲート（ＣＳＥＬ）１１０を有する。好ましい実施例の場合と同様に、前述のものと同じく機能する行選択トランジスタ９０とリセットトランジスタ６０がある。

３Ｔ実施例では、フォトダイオード３０からの信号が次のように読み出される。ＣＳＥＬゲート１１０がフォトダイオード容量をより大きくするように動作している状態で、しばらくの期間にわたりフォトダイオード３０における電荷を積分した後に、積分された電荷とより大きいフォトダイオード容量から得られる電圧がサンプリングされる。次に、ＣＳＥＬゲート１１０は、フォトダイオード容量をより小さくするように作動され、積分された電荷とより小さいフォトダイオード容量から得られる電圧がサンプリングされる。次に、リセットトランジスタ６０は、ＣＳＥＬゲート１１０が引き続きフォトダイオード容量をより小さくするように作動されている状態で、積分された電荷を取り除くことによってフォトダイオード３０をリセットするように作動され、結果として得られるリセット電圧がサンプリングされる。最後に、ＣＳＥＬゲート１１０がフォトダイオード容量をより大きくするように作動され、結果として得られるリセット電圧がサンプリングされる。採取された４つのサンプル、つまり、より小さいフォトダイオード容量とより大きいフォトダイオード容量の信号およびより大きいフォトダイオード容量とより小さいフォトダイオード容量のリセットから、次のような、２つの微分結果が得られる。より大きいフォトダイオード容量の微分信号＝より大きいフォトダイオード容量の信号−より大きいフォトダイオード容量のリセット、より小さいフォトダイオード容量の微分信号＝より小さいフォトダイオード容量の信号−より小さいフォトダイオード容量のリセット。３Ｔ画素の動作に関してよく理解されているように、結果として得られる微分信号は十分に相関しているとみなすことができず、これは、サンプリングされたリセットレベルが、信号の積分と測定より前のリセットとは異なるリセット動作の結果であるからである。しかしながら、微分信号は、ソースフォロワトランジスタに関する閾値の変動によって画素ごとに異なるソースフォロワのオフセットを除外する上で有利である。

図４を参照すると、本発明のまた別の実施例として、ソースフォロワ７０のゲートを制御するノードに接続された非線形容量１２０を有する、前述のような４Ｔ画素構造が示されている。図５は、線形容量と非線形容量の両方の電荷対電圧挙動を示す。このような非線形容量は、ソースと、ドレインと、コンデンサの１枚のプレートとなるチャネル領域と、もう一方のプレートとなるゲートを有する一般的なＭＯＳトランジスタによって提供されてもよい。ソース、ドレイン、チャネルの材料が相互に接続されて、１つの電位に保持され、ゲートがそのトランジスタの閾値電圧より低い別の電位に保持されると、非線形容量が得られる。この非線形容量は、画素によって供給される信号に対して画素レベル圧縮動作を行うために用いられてもよい。図５に示される非線形容量においては、電圧の変化が、より低い電荷の信号のほうがより高い電荷の信号より比較的大きい。この画素装置は、一般的に理解されているように、ソースフォロワのゲートノードの非線形容量１２０をリセットし、結果として得られる電圧をサンプリングし、電荷をフォトダイオード３０からフローティングディフュージョン５０（と、フローティングディフュージョンノードが非線形容量ノードと共通であることから、非線形容量）に転送し、新たな電圧をサンプリングすることによって動作する。

図４はまた、ＣＳＥＬコントロール１１０を通じて選択可能な追加の容量を提供することによる、別の動作モードも示している。ＣＳＥＬコントロール１１０は、ソースフォロワノードの非線形容量を変更するために使用される。図４において、容量の変更は、フローティングディフュージョン５０に隣接するゲートによって可能となる。つまり、ゲートの電位を変化させると、フローティングディフュージョン５０の容量と、ひいてはソースフォロワノードの非線形容量全体が変化する。

図６は、本発明のイメージセンサ２０を備える本発明のデジタルカメラ１３０の側面図である。

以上、本発明を好ましい実施例について説明した。しかしながら、当業者であれば本発明の範囲から逸脱することなく変更や改変を加えることができることが理解されるであろう。

１０ 画素、２０ イメージセンサ、３０ 感光領域、４０ 転送ゲート、５０ フローティングディフュージョン、６０ リセットトランジスタ、７０ 増幅器、８０ 出力バス、９０ 行選択トランジスタ、１００ ビン選択トランジスタ、１０５ ゲート、１１０ ゲート、１２０ 非線形容量、１３０ デジタルカメラ。

Claims (3)

1. イメージセンサを読み出す方法であって、
   （ａ）非線形容量を有する電圧変換部を第一の容量として、そこに蓄積される電荷をリセットし、結果として得られる第一のリセット信号を保持するステップと、
   （ｂ）前記電圧変換部を第二の容量に変換し、そこに蓄積される電荷をリセットし、結果として得られる第二のリセット信号を保持するステップと、
   （ｃ）第一の時点で、電荷を感光領域から前記第二の容量を有する前記電圧変換部に転送し、結果として得られる第一の信号を保持するステップと、
   （ｄ）前記電圧変換部を前記第二の容量から前記第一の容量に変換するステップと、
   （ｅ）第二の時点で、電荷を前記感光領域から前記第一の容量を有する前記電圧変換部に転送し、結果として得られる第二の信号を保持するステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
2. イメージセンサを読み出す方法であって、
   （ａ）感光領域を第一の容量として、そこに蓄積される電荷をリセットし、結果として得られる第一のリセット信号を保持するステップと、
   （ｂ）前記感光領域を第二の容量に変換し、そこに蓄積される電荷をリセットし、結果として得られる第二のリセット信号を保持するステップと、
   （ｃ）第一の時点で、電荷を前記感光領域に蓄積し、結果として得られる第一の信号を保持するステップと、
   （ｄ）前記感光領域を前記第二の容量から前記第一の容量に変換するステップと、
   （ｅ）第二の時点で、電荷を前記感光領域に蓄積し、結果として得られる第二の信号を保持するステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
3. 請求項１又は２に記載の方法であって、
   前記ステップ（ａ）からの前記第一のリセット信号を前記ステップ（ｅ）からの前記第二の信号から減算し、前記ステップ（ｂ）からの前記第二のリセット信号を前記ステップ（ｃ）からの前記第一の信号から減算することを特徴とする方法。

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