JP5215526B2 - ハニカム構造の能動ピクセルセンサ - Google Patents

Description

本発明は、光学イメージセンサに係り、特にハニカム構造の能動ピクセルセンサに関する。

ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）で製造されたビジュアルイメージングシステムは、伝統的なＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージャと比較してコストや電力を非常に低減させると認められている。ビデオまたは静止画像を生成するために、ＣＣＤセンサに代替される多様な技術が開発されつつある。多様な技術スキームは、各ピクセルでまたは支援回路で信号増幅を行うか否かによって、受動ピクセルと能動ピクセルとに大別される。受動ピクセルセンサは、ピクセルが単純であり、光学フィルファクタが高いという利点がある。能動ピクセルセンサは、信号伝達及び感度を向上させるために各ピクセルに増幅部を備えるが、その結果、光学フィルファクタが低くなるという結果を起こす。

図１は、典型的な能動ピクセルセンサを示す図である。図１に示すように、各ピクセル１００は、フォトダイオード１０１、伝送トランジスタ１０２、フローティングディフュージョンＦＤ、リセットトランジスタ１０３、増幅トランジスタ１０４、及びロー選択トランジスタ１０５で構成される。かかる構成要素を一つのピクセル１００に含めることによって、フィルファクタが低くなる。
したがって、能動ピクセルセンサのフィルファクタを増加させるピクセルアーキテクチャーの存在が要求される。

本発明の目的は、ハニカム構造のフォトダイオードを有し、三つのフローティングディフュージョンを共有する能動ピクセルセンサを提供するところにある。
本発明の他の目的は、前記能動ピクセルセンサの色フィルタアレイを提供するところにある。
本発明のさらに他の目的は、前記能動ピクセルセンサの読み取り方法を提供するところにある。

前記の目的を達成するために、本発明の一例による能動ピクセルセンサは、三つのピクセルで構成された単位ピクセルを複数個備え、単位ピクセルそれぞれは、三つの六角形構造のフォトダイオード、三つのピクセルに共有されるフローティングディフュージョン、フォトダイオードそれぞれとフローティングディフュージョンとの間に配置される第１〜第３伝送トランジスタ、フローティングディフュージョンと連結されるリセットトランジスタ、及びフローティングディフュージョンと直列連結される選択トランジスタ及び増幅トランジスタを備える。

前記他の目的を達成するために、本発明の他の例によるハニカム構造のフォトダイオードを有する能動ピクセルセンサは、六角形構造のフォトダイオード上に色フィルタを置くが、第２行の一つのフォトダイオード上に第１色フィルタを置き、第２行の第１色フィルタと隣接した第１行のフォトダイオード上に第２色フィルタと第３色フィルタとを置き、第２行の第１色フィルタの左右のフォトダイオード上に第３色フィルタと第２色フィルタとを置き、第２行の第１色フィルタと隣接した第３行のフォトダイオード上に第２色フィルタと第３色フィルタとを置く。第１色フィルタは青色フィルタであり、前記第２色フィルタは赤色フィルタであり、前記第３色フィルタは緑色フィルタであることが望ましい。

前記さらに他の目的を達成するために、本発明による能動ピクセルセンサの読み取り方法において、三つのピクセルで構成された単位ピクセルが行及び列で配置され、単位ピクセルそれぞれは、三つの前記六角形構造のフォトダイオード、三つのピクセルに共有されるフローティングディフュージョン、フォトダイオードそれぞれとフローティングディフュージョンとの間に配置される第１〜第３伝送トランジスタ、及びフローティングディフュージョンと連結されるリセットトランジスタ、選択トランジスタ及び増幅トランジスタを備え、第１単位ピクセルは、第１フローティングディフュージョンの上端の左右に第１ピクセルのフォトダイオード及び第２ピクセルのフォトダイオードが隣接して配列され、フローティングディフュージョンの下端に第３ピクセルの前記フォトダイオードが配列され、第２単位ピクセルは、第２フローティングディフュージョンの上端に第４ピクセルのフォトダイオードが配列され、フローティングディフュージョンの下端の左右に第５ピクセルのフォトダイオード及び第６ピクセルのフォトダイオードが隣接して配列され、第１単位ピクセル及び第２単位ピクセルが隣接して配置されてハニカム構造をなす。能動ピクセルセンサの読み取り方法は、第１ピクセル−第２ピクセル−第３ピクセル−第４ピクセル−第５ピクセル−第６ピクセル順に読み取られる。

本発明によれば、六角形のフォトダイオードを採用してフィルファクタを増加させてピクセルピッチを減らすことによって、映像信号を鮮明にディスプレイする。また、各行ごとに均一に青色フィルタ、緑色フィルタ及び赤色フィルタが配列された色アレイフィルタを使用して、映像パターン信号のノイズを減らす。

本発明と、本発明の動作上の利点及び本発明の実施によって達成される目的を十分に理解するためには、本発明の望ましい実施形態を例示する添付図面及び添付図面に記載された内容を参照しなければならない。
以下、添付した図面を参照して本発明の望ましい実施形態を説明することにより、本発明を詳細に説明する。各図面に付された同一参照符号は同一部材を示す。

図２は、本発明の一実施形態による三つのフローティングディフュージョンを共有する能動ピクセルセンサの単位ピクセルを示す回路ダイヤグラムである。図２に示すように、単位ピクセル２００は、三つのピクセル２１０，２２０，２３０で構成され、第１〜第３フォトダイオード２０１，２０２，２０３、第１〜第３伝送トランジスタ２０４，２０５，２０６、リセットトランジスタ２０７、選択トランジスタ２０８及び増幅トランジスタ２０９を備える。

図３は、図２と関連した単位ピクセル２００の新たなアーキテクチャーを示す図面である。図３に示すように、第１〜第３フォトダイオード２０１，２０２，２０３は、六角形の形状を有する。フローティングディフュージョンＦＤは、隣接した第１ピクセル２１０、第２ピクセル２２０及び第３ピクセル２３０に共有される。リセットトランジスタ２０７、選択トランジスタ２０８及び増幅トランジスタ２０９も、第１ピクセル２１０、第２ピクセル２２０及び第３ピクセル２３０に共有される。隣接した第１〜第３ピクセル２１０，２２０，２３０のイメージ信号の分離は、第１〜第３伝送トランジスタ２０４，２０５，２０６により行われる。

図４Ａ及び図４Ｂは、単位ピクセルのアレイ類型を説明する図である。図４Ａの第１類型の単位ピクセルアレイは、フローティングディフュージョンＦＤの上端の左右に第１ピクセル１及び第２ピクセル２が隣接して配列され、フローティングディフュージョンＦＤの下端に第３ピクセル３が配列される。図４Ｂの第２類型の単位ピクセルアレイは、フローティングディフュージョンＦＤの上端に第４ピクセル４が配列され、フローティングディフュージョンＦＤの下端の左右に第５ピクセル５及び第６ピクセル６が隣接して配列される。

図５は、六角形のフォトダイオードの上部に置かれるマイクロレンズを説明する図である。図５に示すように、六角形のフォトダイオード５０１の面積にマイクロレンズ５０２がほぼぴったりしてデッドスペース５０３が小さいことが分かる。これに対する比較例として、図６の四角形のフォトダイオード６０１の上部に置かれるマイクロレンズ６０２を見れば、デッドスペース６０３が大きいことが分かる。六角形のフォトダイオード５０１の面積と四角形のフォトダイオード６０１の面積とが同一であると仮定すれば、六角形のフォトダイオード５０１のデッドスペースは２１．５％を表し、四角形のフォトダイオード６０１のデッドスペースは１３．５％を表す。すなわち、六角形のフォトダイオード５０１のデッドスペースが、四角形のフォトダイオード６０１のデッドスペースより８％減少するということが分かる。

したがって、物体からの光は、撮像レンズ光学系によって集光された後、マイクロレンズにより集光されてフォトダイオードに結像されるが、六角形のフォトダイオードのフィルファクタが大きくなるということが分かる。
図７は、本発明の単位ピクセルアレイでピクセルピッチを説明する図である。図７に示すように、一辺の長さをＲとするとき、正六角形のフォトダイオードの面積は

で計算される。そして、正六角形のフォトダイオードを有するピクセルピッチは、

で計算される。一方、正方形のフォトダイオードを有するピクセルピッチを計算すれば、図８に示したように、一辺の長さをＸとするとき、ピクセルピッチはＸで計算される。

同じ面積の正六角形のフォトダイオードと正方形のフォトダイオードそれぞれのピクセルピッチを比較すれば、表１の通りである。

表１から分かるように、同じフォトダイオードの面積について、正六角形のフォトダイオードのピクセルピッチが正方形のフォトダイオードのピクセルピッチより小さいことが分かる。これは、映像信号、特にストライプ状のパターンの映像信号をディスプレイするにおいて、正六角形のフォトダイオードを有するピクセルがさらに鮮明にディスプレイできるということを意味する。

図９は、本発明の色フィルタアレイの配置を説明する図である。図９に示すように、色フィルタアレイ９００は、第２行の青色フィルタ９０６を基準として、第１行に赤色フィルタ９０１及び緑色フィルタ９０２が隣接して配置され、第２行に緑色フィルタ９０５及び赤色フィルタ９０７が左右に配置され、第３行に赤色フィルタ９１０及び緑色フィルタ９１１が隣接して配置される。すなわち、青色フィルタ９０６に隣接して三つの赤色フィルタ９０１，９０７，９１０及び三つの緑色フィルタ９０２，９０５，９１１が配置される。

第２行の赤色フィルタ９０７を基準として、第１行に緑色フィルタ９０２及び青色フィルタ９０３が隣接して配置され、第２行に青色フィルタ９０６及び緑色フィルタ９０８が左右に配置され、第３行に緑色フィルタ９１１及び青色フィルタ９１２が隣接して配置される。すなわち、赤色フィルタ９０７に隣接して三つの緑色フィルタ９０２，９０８，９１１及び三つの青色フィルタ９０３，９０６，９１２が配置される。

第２行の緑色フィルタ９０８を基準として、第１行に青色フィルタ９０３及び赤色フィルタ９０４が隣接して配置され、第２行に赤色フィルタ９０７及び青色フィルタ９０９が左右に配置され、第３行に青色フィルタ９１２及び赤色フィルタ９１３が隣接して配置される。すなわち、緑色フィルタ９０８に隣接して三つの青色フィルタ９０３，９０９，９１２及び三つの赤色フィルタ９０４，９０７，９１３が配置される。

色フィルタアレイ９００は、各行ごとに青色フィルタＢ、赤色フィルタＲ及び緑色フィルタＧが均一に配置されていることが分かる。これに対する比較例として、一般的なベイヤー色アレイの配置が図１０に示されている。図１０に示すように、ベイヤー色アレイは、一斜線方向に緑色フィルタＧが配列され、緑色フィルタＧの間に赤色フィルタＲまたは青色フィルタＢが一つずつ挟まれて配置される。かかるベイヤー色アレイ１０００は、奇数行に緑色フィルタＧ及び青色フィルタＢのみが、偶数行に赤色フィルタＲ及び緑色フィルタＧのみが配置される。すなわち、各行に青色フィルタＢ、赤色フィルタＲ及び緑色フィルタＧが均一に配置されていないことが分かる。これは、映像パターン信号のノイズを誘発する要因となることもある。

図１１は、図４Ａ及び図４Ｂで説明した単位ピクセルが配列されたピクセルアレイを示す図であり、図１２は、図１１のピクセルアレイの読み取り動作のためのタイミングダイヤグラムである。図１１のピクセルアレイの読み取り順序は、１−２−３−４−５−６ピクセル順になされる。これと関連して図１２のタイミングダイヤグラムを参照すれば、第１選択信号ＳＥＬ１がイネーブルされ、第１リセット信号ＲＥＳＥＴ１がトグリングされる間に第１伝送信号ＰＤ１＿ＴＧ、第２伝送信号ＰＤ２＿ＴＧ及び第３伝送信号ＰＤ３＿ＴＧが順次にイネーブルされる。第１リセット信号ＲＥＳＥＴ１の最初のパルスにより１，２，３ピクセルがリセットされた後、第１伝送信号ＰＤ１＿ＴＧのパルスにより、第１ピクセル１の六角形のフォトダイオードに保存された光電荷が信号として読み取られる。第１リセット信号ＲＥＳＥＴ１の２番目のパルスにより１，２，３ピクセルがリセットされた後、第２伝送信号ＰＤ２＿ＴＧのパルスにより、第２ピクセル２の六角形のフォトダイオードに保存された光電荷が信号として読み取られる。そして、第１リセット信号ＲＥＳＥＴ１の３番目のパルスにより１，２，３ピクセルがリセットされた後、第３伝送信号ＰＤ３＿ＴＧのパルスにより、第３ピクセル３の六角形のフォトダイオードに保存された光電荷が信号として読み取られる。

次いで、第２選択信号ＳＥＬ２がイネーブルされ、第２リセット信号ＲＥＳＥＴ２がトグリングされる間に第４伝送信号ＰＤ４＿ＴＧ、第５伝送信号ＰＤ５＿ＴＧ及び第６伝送信号ＰＤ６＿ＴＧが順次にイネーブルされる。第２リセット信号ＲＥＳＥＴ２の最初のパルスにより４，５，６ピクセルがリセットされた後、第４伝送信号ＰＤ４＿ＴＧのパルスにより、第４ピクセル４の六角形のフォトダイオードに保存された光電荷が信号として読み取られる。第２リセット信号ＲＥＳＥＴ２の２番目のパルスにより４，５，６ピクセルがリセットされた後、第５伝送信号ＰＤ５＿ＴＧのパルスにより、第５ピクセル５の六角形のフォトダイオードに保存された光電荷が信号として読み取られる。そして、第２リセット信号ＲＥＳＥＴ２の３番目のパルスにより４，５，６ピクセルがリセットされた後、第６伝送信号ＰＤ６＿ＴＧのパルスにより、第６ピクセル６の六角形のフォトダイオードに保存された光電荷が信号として読み取られる。

本発明は、図面に示した一実施形態を参考にして説明されたが、これは、例示的なものに過ぎず、当業者であれば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想により決まらなければならない。

本発明は、光学イメージセンサ関連の技術分野に適用可能である。

典型的な能動ピクセルセンサを示す図である。 本発明の一実施形態による三つのフローティングディフュージョンを共有する能動ピクセルセンサの単位ピクセルを示す回路ダイヤグラムである。 図２の単位ピクセルの新たなアーキテクチャーを示す図である。 図２の単位ピクセルの類型を説明する図である。 図２の単位ピクセルの類型を説明する図である。 本発明の六角形のフォトダイオードの上部に置かれるマイクロレンズを説明する図である。 一般的な四角形のフォトダイオードの上部に置かれるマイクロレンズを説明する図である。 本発明の単位ピクセルアレイでピクセルピッチを説明する図である。 一般的な四角形のフォトダイオードを有するピクセルアレイでピクセルピッチを説明する図である。 本発明の色フィルタアレイの配置を説明する図である。 一般的なベイヤー色アレイの配置を説明する図である。 図４Ａ及び図４Ｂで説明された単位ピクセルが配列されたピクセルアレイを示す図である。 図１１のピクセルアレイの読み取り動作のためのタイミングダイヤグラムである。

符号の説明

２００ 単位ピクセル
２０１ 第１フォトダイオード
２０２ 第２フォトダイオード
２０３ 第３フォトダイオード
２０４ 第１伝送トランジスタ
２０５ 第２伝送トランジスタ
２０６ 第３伝送トランジスタ
２０７ リセットトランジスタ
２０８ 選択トランジスタ
２０９ 増幅トランジスタ
２１０，２２０，２３０ ピクセル

Claims (9)

1. それぞれが六角形の形状を有し、かつ、ハニカム構造で配列された複数個のフォトダイオードのうち、互いに隣接する３個のフォトダイオードからなる単位ピクセルであって、
   前記単位ピクセルは、さらに、
   前記３個のフォトダイオードに共有され、それらの間の領域に配置される１個のフローティングディフュージョン領域と、
   前記３個のフォトダイオードのそれぞれと前記１個のフローティングディフュージョン領域との間に連結されて配置される３個の伝送装置と、
   を備えることを特徴とする単位ピクセル。
2. 前記単位ピクセルは、
   前記フローティングディフュージョン領域に連結されるリセット装置と、
   前記フローティングディフュージョン領域に直列連結される選択装置及び増幅装置と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の単位ピクセル。
3. 前記伝送装置、前記リセット装置、前記選択装置及び前記増幅装置それぞれは、ＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする請求項２に記載の単位ピクセル。
4. 前記３個のフォトダイオードのうち、第１及び第２フォトダイオードが、第３フォトダイオードの上端の左側及び右側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の単位ピクセル。
5. 前記３個のフォトダイオードのうち、第１及び第２フォトダイオードが、第３フォトダイオードの下端の左側及び右側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の単位ピクセル。
6. 前記単位ピクセルは、前記フォトダイオードを覆うマイクロレンズをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の単位ピクセル。
7. 前記マイクロレンズは、円形の形状を有することを特徴とする請求項６に記載の単位ピクセル。
8. 前記単位ピクセルは、前記フォトダイオードと前記マイクロレンズとの間に色フィルタをさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の単位ピクセル。
9. それぞれが六角形の形状を有し、かつ、ハニカム構造で配列された複数個のフォトダイオードのうち、互いに隣接して配置された第１、第２及び第３フォトダイオードそれぞれの相異なる色信号をそれぞれの電気的信号に変換するステップと、
   前記第１、第２及び第３フォトダイオードからのそれぞれの電気的信号を、前記第１、第２及び第３フォトダイオードの間の領域に配置されて共有されたフローティングディフュージョン領域へ伝送するステップと、を含む
   ことを特徴とするイメージのセンシング方法。

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