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【発明の名称】 CMOSを基礎とするピクセル構造の高ダイナミックレンジの読み出し信号を得る方法及びそのCMOSを基礎とするピクセル構造
【発明者】 【氏名】バール・ディエリック

【氏名】ダニー・スヘフェル

【要約】 【課題】単一ピクセルに対して、二重または多重の線形な電圧−光応答を得ることができる能動または受動ピクセル構造及びその読み出し方法を提供する。

【構成】光電素子3上に照射する電磁放射線から変換された電荷キャリアを光電素子3の出力ノードで獲得しながら、第1の期間後に、第1のスイッチ1を開き、それにより第1の数の上記電荷キャリアをメモリ素子4に蓄積して第1の信号を生成し、その後、第1のスイッチ1を閉じる。第2の期間後に、光電素子3の出力ノード上に蓄積された第2の数の電荷キャリアから第2の信号を生成する。読み出し信号は少なくとも上記第1の信号と上記第2の信号とを結合して得る。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
MOS技術において、出力ノードを持つ光電素子と、第1のスイッチを持つメモリ素子とを少なくとも有し、上記第1のスイッチは上記出力ノードと上記メモリ素子との間にあり、前記出力ノードとリセット電圧との間にある第2のスイッチとをさらに有する、MOSを基礎とするピクセル構造の読み出し信号を得る方法であって、
前記方法は、上記光電素子上に照射する放射から変換された電荷キャリアを上記光電素子の上記出力ノードで獲得しながら、
第1の期間後に、上記第1のスイッチを閉じて開き、それにより第1の数の電荷キャリアを上記メモリ素子に蓄積し、第1の信号を生成し、
第2の期間中に前記第2のスイッチを閉じて開くことにより前記光電素子を前記リセット電圧にリセットし、
前記第2の期間後に前記第1のスイッチを閉じて開くことにより上記光電素子の上記出力ノード上に蓄積された第2の数の電荷キャリアから第2の信号を生成し、
少なくとも上記第1の信号と上記第2の信号とを結合し、上記読み出し信号を得る
ステップからなることを特徴とする方法。
【請求項2】
上記ステップは2より多い数の期間の間繰り返されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項3】
−上記第2の期間後、第1の中間信号を上記第1の信号から生成し、
−その後、上記第1のスイッチを開閉し、それにより第2の中間信号を生成し、
−少なくとも、上記第1及び上記第2の中間信号を結合し、上記読み出し信号を得る
ステップをさらに有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項4】
上記第1及び第2の期間の間、上記ピクセル構造に印加される全ての電圧が同じであることを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項5】
読み出し信号は少なくとも上記第1及び上記第2の中間信号の重み付き平均値であることを特徴とする請求項3に記載の方法。
【請求項6】
読み出し信号は上記第2及び上記第1の中間信号の線形結合であることを特徴とする請求項3に記載の方法。
【請求項7】
光電素子と直列に配置され、前記光電素子をリセットするためのリセットスイッチを閉じ、それにより第3の信号を生成し、上記読み出し信号を上記第1、第2及び第3の信号の結合とする新たなステップを用いることにより、相関関係のある二重−サンプリングが実行されることを特徴とする請求項3に記載の方法。
【請求項8】
上記読み出し信号は、上記第3の信号と上記第1の信号の減算と、上記第3の信号と上記第2の信号の減算との結合であることを特徴とする請求項7に記載の方法。
【請求項9】
上記読み出し信号は、上記第2の信号と上記第1の信号の減算と、上記第3の信号と上記第2の信号の減算との結合であることを特徴とする請求項7に記載の方法。
【請求項10】
上記読み出し信号は、上記第2の信号と上記第1の信号の減算と、上記第3の信号と上記第1の信号の減算との結合であることを特徴とする請求項7に記載の方法。
【請求項11】
放射を電荷キャリアに変換する、リセットスイッチを介して電圧に接続された光電素子と、
増幅器に接続されたメモリ素子と、
上記光電素子と上記メモリ素子との間にある転送スイッチとを少なくとも備え、
前記転送スイッチは第1の期間及び第2の期間の後に閉じてかつ開くようになっておりこれによって第1の数の上記電荷キャリア及び第2の数の上記電荷キャリアが上記メモリ素子に蓄積されるようになっており、前記第1の期間及び第2の期間の間に前記リセットスイッチが閉じてかつ開き、前記光電素子がリセットされることを特徴とするMOSを基礎としたピクセル構造。
【請求項12】
上記メモリ素子は、コンデンサまたは寄生容量のようなアナログメモリであることを特徴とする請求項11に記載のMOSを基礎としたピクセル構造。
【請求項13】
上記両スイッチはCMOSトランジスタであることを特徴とする請求項11に記載のMOSを基礎としたピクセル構造。
【請求項14】
上記増幅器は能動ピクセルを有するためにピクセル構造内に配置されたことを特徴とする請求項11ないし請求項13のいずれか1つに記載のMOSを基礎としたピクセル構造。
【請求項15】
上記増幅器は受動ピクセル構造を有するためにピクセル構造の外側に配置されたことを特徴とする請求項11ないし請求項14のいずれか1つに記載のMOSを基礎としたピクセル構造。
【請求項16】
請求項12ないし請求項15のいずれか1つに記載のピクセル構造を構成するピクセルの幾何学的な構成を有するMOS撮像センサ。
【請求項17】
カメラシステムにおいて、請求項16に記載のMOS撮像センサを利用する方法。
【請求項18】
カメラシステムにおいて、請求項11に記載の方法を利用する方法。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、CMOSまたはMOS技術で製造された固体撮像デバイスに関する。特に、本発明は、広いダイナミックレンジでCMOSを基礎とするピクセル構造の読み出し信号を得る方法に関する。
本発明はまた、新しいピクセル構造及び本発明の方法において改善されたそのピクセル構造を有する撮像デバイスに関する。
【背景技術】
【0002】
固体撮像デバイスはよく知られている。これらのデバイスはカメラシステムにおいて広範な用途がある。そのような用途において、感光素子からなるピクセルのマトリクスは撮像センサを構成し、カメラシステムに搭載されている。そのマトリクスの信号は測定されてビデオ信号に多重化される。
【0003】
通常、固体撮像デバイスはCCD技術またはCMOSもしくはMOS技術により実現される。
【0004】
CMOSもしくはMOS技術により実現される撮像センサの中で、受動ピクセルを有するCMOSもしくはMOS撮像センサと、能動ピクセルを有するCMOSもしくはMOS撮像センサとは区別される。1つの能動ピクセルは、そのピクセルにおいて集積された手段により構成され、光電素子上に集められた電荷を増幅する。受動素子は上記の手段を有さないが電荷増幅素子を要する。電荷増幅素子はピクセルにおいて集積されておらず、かつ、ピクセルに向かう長い給電線に接続される。
【0005】
高品質のCCD画像形成装置により得られる画質と同様にかなり質の高い画質が得られるように、CMOSもしくはMOS撮像センサの性能を向上させるために努力が続けられている。CMOSを基礎とする電子回路技術の小型化により、CCDを基礎とするピクセルと同じぐらい小さい、CMOSもしくはMOSを基礎とする複雑なピクセルを実現することがさらに可能である。CMOSもしくはMOSを基礎とする撮像素子の主な利点は、CCD技術がまれにしか普及してなく、より複雑で高価な技術であるという一方で、CMOS技術がほとんどの基板製造技術により普及しているということである。
【0006】
同時系属中の欧州特許出願EP−A−0773667号及びEP−97870084.7号において、前述の目的を単独でまたは組み合わせて達成する、ピクセル構造及びそれらをアドレッシングする方法が説明されている。これらの特許出願の内容は参照されることにより本文中に組み込まれる。
【0007】
一般に、撮像デバイスについて、調和が困難な3つの仕様とは、
−撮像デバイスの感度、特に暗における感度
−画像の表面の品質(画像に傷のないことを意味する)
−高いダイナミックレンジを有する応答の必要性
であることを認識する必要がある。
【0008】
対数関数的応答のような非線形応答を有する撮像センサは、例えば、欧州特許出願EP−A−0739039号から知られる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
しかしながら、受動もしくは能動ピクセルを有する撮像センサのほとんどは線形な電圧−光応答を示す。これは、それらのダイナミックレンジが線形応答のダイナミックレンジにより制限されることを意味する。例えば、もし、線形出力電圧が約250のS/R比(これは代表的な値)を有するとすると、対応するダイナミックレンジも同じ値になるであろう。
【0010】
二重線形応答もしくは多重線形応答の撮像センサが知られている。そのようなセンサにおいては、ピクセルの外側で、1つの電気出力信号中で光学応答の2つ以上の部分が結合されている。現状では、異なる感度で2つの画像を入力し、それらを結合することにより、従来の撮像センサを用いてそのような二重線形応答画像を得ることができる。
【0011】
米国特許USP−5164832号は、2つの感度領域を持つ応答曲線を有するCCD回路について開示する。そのCCD回路はCCD上の並列な構成中にクリッピングゲートを有する。応答曲線を得るために、光の集積期間は第1と第2の集積期間に分けられる。第1の集積期間(以下、「第1の期間」という。)の間、クリッピングゲートは、CCD上に照射された高い光強度により生成される信号を除去する特定の直流電圧に設定される。第2の集積期間(以下、「第2の期間」という。)の間、この制限は取り除かれる。高い信号は第2の期間の間のみ、その結果に付加するだけであり、低い信号は全ての時間の間付加する。
【0012】
集積期間の第1の期間の間では集められた光電荷は制限され、第2の期間の間ではその制限は取り除かれる。この制限は、クリッピングゲートを第1の期間の間は1つの直流電圧に、第2の期間の間は他の値に設定することにより取り除くことができる。このことはゲートが過度の電荷を連続的に取り除くことを意味する。
【0013】
本発明は、単一ピクセルに対して、二重または多重の線形な電圧−光応答を得ることが可能な能動または受動ピクセル構造を開示することを目的とする。
さらに、本発明は、二重もしくは多重の線形な電圧−光応答を単一画像走査において得ることが可能な能動または受動ピクセル構造を読み出す方法を開示することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0014】
本発明は、出力ノードを備えた光電素子と、それとの間に第1のスイッチ素子を備えたメモリ素子とを少なくとも有する、MOSを基礎とするピクセル構造の読み出し信号を得るための方法に関する。その方法は、光電素子上への電磁放射線から変換された電荷キャリアを上記光電素子の上記出力ノード上で獲得しながら、集積期間の第1の期間後に第1の信号を生成し、集積期間の第2の期間後に第2の信号を生成するステップからなり、上記読み出し信号は少なくとも上記第1および第2の信号の結合とする。
【0015】
本発明によれば、集積期間のいずれにおいても集められる電荷量の制限はない。第1の期間の間に集められた信号は、その期間の間、スイッチが僅かに閉じて開くことにより記憶される。第2の期間の間、出力ノードとメモリ素子とは電気的に接触しない。このため、スイッチは両期間中、同じ状態にあることができる。これにより、第2の期間後、それぞれが異なる時間の間で得られる2つの電荷パケットが存在する。その後、読み出しを行うために、これら2つの電荷パケットは読み出し信号に結合される。この結合は例えば、電荷パケットを加算するか又は減算することにより、すなわち、センサ外部の回路においてそれらを加算するか又は減算することにより実行される。
【0016】
上記方法は、より好ましくは、以下の手順により実行される:
−第1の期間後に、上記第1のスイッチを開き、それにより第1の数の上記電荷キャリアを上記メモリ素子に蓄積し、第1の信号を生成し;
−第2の期間後に、第2の数の上記電荷キャリアを上記出力ノードに蓄積し、第2の信号を生成し、上記読み出し信号は少なくとも上記第1の信号と上記第2の信号との結合とする。
【0017】
なお、「生成」と「結合」の用語は、当業者の基礎的な知識によれば電気回路において異なる信号を取り扱つかっていることを意味することに注意すべきである。
【0018】
光電素子はフォトダイオード、フォトゲート、フォトトランジスタまたはフォトレジスタのような任意の素子であってもよい。
【0019】
前述のステップと考え方の少なくともいずれかは2より大きい期間の数の間、繰り返されてもよい。
【0020】
好ましい態様では、上記の情報は、さらに以下のステップを含む。
−上記第2の期間後に、第1の中間信号を上記第1の信号から生成し、
−その後、上記第1のスイッチを開閉し、それにより第2の中間信号を生成し、
−少なくとも、上記第1および第2の中間信号を上記読み出し信号を得るために結合する。
【0021】
好ましくは、本質的に、上記第1の期間の間に上記光電素子に照射された電磁放射線から変換された全ての電荷キャリアは、通常の飽和すなわちピクセルの逆焦点ぼけ(anti-blooming)を除き、上記第1の信号を生成する。
【0022】
より好ましくは、本質的に、上記第2の期間の間に上記光電素子に照射された電磁放射線から変換された全ての電荷キャリアは上記第2の信号を生成する。
【0023】
第1の好ましい態様によれば、読み出し信号は少なくとも上記第1及び第2の信号の平均値または重み付きの平均値である。
【0024】
別の好ましい態様によれば、読み出し信号は上記第2の信号と上記第1の信号の減算である。
【0025】
好ましい態様によれば、相関二重サンプリングは第2のスイッチを閉じる新たなステップを用いて実行される。第2のスイッチは光電素子と直列に配置され、上記光電素子をリセットし、それにより第3の信号を生成する。上記読み出し信号は第1、第2および第3の信号の結合である。
【0026】
好ましくは、この場合、読み出し信号は、第3と第1の信号の減算と、第3と第2の信号の減算との結合である。
【0027】
別の好ましい態様によれば、読み出し信号は、第2と第1の信号の減算と、第3と第2の信号の減算との結合であってもよい。
【0028】
別の好ましい態様によれば、読み出し信号は、第2と第1の信号の減算と、第3と第1の信号の減算との結合とすることもできる。
【0029】
本発明はまたCMOSを基礎としたピクセル構造に関する。そのピクセル構造は少なくとも;
−電磁放射線を電荷キャリアに変換し、リセットスイッチと電源とに接続された光電素子;
−増幅器に接続されたメモリ素子;及び
−上記光電素子と上記メモリ素子との間にあり、開いたときに第1の数の上記電荷キャリアを上記メモリ素子に格納させる第1のスイッチ
からなる。
【0030】
好ましくは、メモリ素子は、CMOSトランジスタであってもよいのと同様に、コンデンサやピクセル構造中に配置されたスイッチのようなアナログメモリ素子であってもよい。実際には、コンデンサはピクセル中の内部接続線により形成される寄生容量であってもよい。
【0031】
本発明はまた、少なくともピクセル群の一部分が前述の構造を有するピクセルの幾何学的な構成を有するCMOS撮像デバイスに関する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0032】
以下、添付の図面を参照して本発明に係るCMOSを基礎とするピクセル構造及びその読み出し方法の実施の形態を説明する。
【0033】
図1は本発明の実施形態である、メモリ素子4を備えた機能的なピクセル構造を表す。図1において、3は光受容体やフォトダイオードのような光電素子であり、それはスイッチ2によりリセットできる。フォトダイオードにより生成される信号は周期的にコンデンサ4上の別のスイッチ1によりサンプリングされる。そのとき、生じる電圧は増幅器Aにより表される回路上に従来の方法で多重入力される。
【0034】
好ましい実施形態の1つでは、その増幅器Aは、能動ピクセルを有するようにするためにピクセル構造中に配置される。他の好ましい例では、増幅器Aは、受動ピクセルを有するようにするためにピクセル構造の外部に配置され得る。
【0035】
このピクセル構造は、前述の読み出し信号を得る本発明の方法を実行でき、それゆえ、単一ピクセルにおいて二重または多重の線形な光−電圧応答を実現することができる。
【0036】
図2は、図1で示された概略構造の特定の実施形態を表す。そこでは、ピクセルは4つのトランジスタが集積された能動ピクセルである。それは、ノードC上でスイッチ21を介して集積勾配の中間の信号レベルをサンプリングできるという特徴を有する。その後、両信号(中間の値および最終的に集積された値)を、高いダイナミックレンジを持った1つの読み出し信号に結合することができる。最も単純な方法では、この結合は、両方の値を加算することにより得られる。
【0037】
そのような構造での有効な応答は、第1の部分32と第2の部分31とを含む二重の線形な勾配を伴う能動ピクセルに対する図3の(a)において表される。本発明によれば図3の(b)に表されるように第1の部分32の勾配は、画像の行(ロウ)数に係る電子シャッタ比によって変化し得る。例えば、1から250までの間で。
【0038】
二重の勾配は、画像の強度の高い部分を圧縮するが、強度の低い部分は保持する。それはガンマ補正または対数的圧縮に匹敵する特性を持ち、さらに、それは広い範囲で調節されることができ、種々の光強度条件を調整することができる。
【0039】
図1または図2に表されるピクセル構造のCMOS技術により可能な実施形態の断面図を図4に示す。図4において、メモリ素子はまたMOS構造44として実現される(必ずしもそうする必要はない)。増幅及び多重は示されていない。ピクセル構造の動作がいくらかの電荷の収集を行うときは、金属の光遮蔽49は必要でない。さらに図4においてシリコン基板が示されている。シリコン基板においては、(n++)n/p-接合のような光電素子43;金属または、シリコン基板から誘電体層により分離されたポリシリコン層(実際にはP+表面層)のような第1のスイッチ41及び第2のスイッチ42がある。
【0040】
アナログメモリ素子は、接合部である部分を少なくとも一つ有するか、または接合部を有する他の回路素子(トランジスタ)に接続された容量素子44により表される。接合部は光電性を有し、この光電性によりコンデンサ44に蓄積された電荷に影響を与える電流の流れが生ずる。そのようなメモリ素子すなわちコンデンサ44は種々の目的に用いられる。例えば、空間周波数フィルタリングや、一時的なフィルタリング、画像の記憶等に用いられる。
【0041】
ベストモードで動作させるために、前述の回路は安定したコンデンサ44上の信号を有する必要がある。これに関し、コンデンサ及びそれに対する相互接続が光から遮蔽される必要がある。それは金属化により容易となる。しかしながら、コンデンサ及びそれに対する相互接続素子の少なくとも一方は、それに照射される光によりチップの基板中に存在する電荷を集めてもよい。特に、基板の深いところで生成される光電荷は、コンデンサ44またはその相互接続上に容易に拡散し、それらを充電(放電)する。
【0042】
もし、コンデンサ44の一部分でない、フォトダイオード43または他のダイオードが図4の実施形態にしたがって作成されれば、チップの基板中をさまよう電荷はそこに集まりやすく、このため、コンデンサ44上の電荷に影響を与えない。
【0043】
本発明はまた、ダイナミック応答について二重または多重の線形の勾配を得るための、CMOSを基礎としたピクセル構造の信号を読み出す好ましい方法にも関する。第1の好ましい実施形態によれば、図5に示すように、いくつかのパルスが、図2のピクセル構造のリセットスイッチ22とスイッチ21とに与えられる。
【0044】
図5上では、リセットは第1番目の線で、サンプルは2番目の線で、フォトダイオードの出力ノード上およびノードC上で見られる電位レベルは3番目の線で表されている。
【0045】
2つの集積期間が図5に示されている。リセットパルス後のある時間、スイッチ21は短い時間開かれ、これによりノード(コンデンサ)C上の電位が固定する。第1の集積期間の終了時にスイッチ21は短い時間開かれ、フォトダイオードの出力ノード上の新しい電位がサンプリングされる。
【0046】
本実施形態では、フォトダイオードの出力ノード上の新しい電位と、コンデンサC上で固定された電位との重み付けられた平均値がサンプリングされる(信号「b」)。リセット(スイッチ22を閉じる)後、ピクセルのリセットレベルが、再度サンプリングされる(信号「c」)。これは、二重サンプリング等に関連するオフセット補正に対して有効である。この信号サンプル「b」は二重線形応答を得るために十分である。それは、サンプルがそれ自体において、低い感度と高い感度の電気的応答であるコンデンサCおよびフォトダイオード上の電位の平均値であるからである。差(b−c)は、この信号の相関関係のある二重サンプリングされた変形であり、これにより、結果として起こり得るオフセット非同一性を除去する。
【0047】
より一般的な教義で図2のピクセル構造を参照しない場合、本発明の方法は図5において概略的に示される。
【0048】
図5において、リセットは第1の線で表され、サンプルは第2の線で表され、フォトダイオード出力ノード及びノードC上で見られる電位レベルは第3の線で表される。リセットパルス後のある時間、サンプルスイッチは短い間開かれ、これによりコンデンサC上のこの電位を固定する。
【0049】
その集積期間の終了時にコンデンサC上に記憶された値がサンプリングされ(「a」)、その後、サンプルスイッチは短い間開かれ、フォトダイオード出力ノード上の新しい電位がサンプリングされる(「b」)。リセット後、ピクセルのリセット値がサンプリングされる。それは二重サンプリング等に関連するオフセット補正に対して有効となる。
【0050】
値aと値b、または関連した二重サンプリング構成において(c−a)と(c−b)は、低い応答性と高い応答性をそれぞれ有する応答となる。両値は、ピクセルに対して外部または撮像センサの内側もしくは外側で結合され得る。結合の単純な方法は線形結合であり、図3に示されるような有効な応答曲線を生ずる。
【0051】
値aと値b、または関連した二重サンプリング構成において(c−a)と(c−b)は、低い応答性と高い応答性をそれぞれ有する応答となる。両値は、ピクセルの外部または撮像センサの内側もしくは外側で結合され得る。結合の簡単な方法は、線形結合または非線形結合であり、図3の(a)において示すような有効な応答曲線を生ずる。
【0052】
本発明の実施形態において、ピクセル構造は0.7μmCMOS技術を用いて、MITECにて製造される。本発明のピクセルは約1:20000から1:60000までのダイナミックレンジを示す。これに対して、同じ技術で製造された本発明の特徴を持たない参照したピクセルでは約1:2000から1:3000までのダイナミックレンジを示す。
【図面の簡単な説明】
【0053】
【図1】(a)と(b)は本発明の実施形態によるピクセル構造の概略の機能を示す図である。
【図2】(a)と、(b)または(c)とは本発明の特定の実施形態のピクセルのアーキテクチャを示す図である。
【図3】(a)は図2に示すピクセルの典型的な応答を示す図であり、(b)は電子シャッタ比により変化する応答の勾配に対する異なる可能性を示す図である。
【図4】本発明によるピクセル構造の実施形態を示す図である。
【図5】ピクセルの駆動及び読み出し方法を説明した図である。
【符号の説明】
【0054】
1,2,41,42 スイッチ
2 スイッチ
3,43 光電素子
4 メモリ素子
44 コデンサ素子
A 増幅器。
【出願人】 【識別番号】506362510
【氏名又は名称】サイプレス・セミコンダクタ・コーポレーション・(ベルギー)・ビイヴイビイエイ
【出願日】 平成19年9月26日(2007.9.26)
【代理人】 【識別番号】100082005
【弁理士】
【氏名又は名称】熊倉 禎男

【識別番号】100067013
【弁理士】
【氏名又は名称】大塚 文昭

【識別番号】100086771
【弁理士】
【氏名又は名称】西島 孝喜

【識別番号】100109070
【弁理士】
【氏名又は名称】須田 洋之


【公開番号】 特開2008−17536(P2008−17536A)
【公開日】 平成20年1月24日(2008.1.24)
【出願番号】 特願2007−249524(P2007−249524)