JP2005328493A - 固体撮像装置、光センサおよび固体撮像装置の動作方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光を受光して光電荷を生成および蓄積するフォトダイオードPDと、フォトダイオードから溢れる光電荷を蓄積する蓄積容量素子CSとが、転送トランジスタTr1
を介して接続されている構成の画素がアレイ状に集積されている。ここで、蓄積容量素子CSは、フォトダイオードPDの蓄積期間内から所定の期間の比率で設定された蓄積容量
素子蓄積期間TCSにおいて、フォトダイオードPDから溢れる光電荷を蓄積する構成などとする。
【選択図】図1
Description
従来用いられているイメージセンサのダイナミックレンジは、例えば3〜4桁(60〜80dB)程度に留まっており、肉眼あるいは銀塩フィルムの5〜6桁(100〜120dB)には及んでいないのが現状である。
そこで、肉眼あるいは銀塩フィルムと同等の5〜6桁(100〜120dB)のダイナミックレンジを持つ高画質イメージセンサの開発が望まれている。このような広いダイナミックレンジを持つイメージセンサは、デジタルカメラやカメラ付き携帯電話などの他、PDA(Personal Digital Assistant)用画像入力カメラ、高度交通管理システム用カメラ、監視カメラ、FA(Factory Automation)用カメラあるいは医療用カメラなどの用途への応用が期待されている。
しかし、この方法でもダイナミックレンジは80dB以下であり、これより広ダイナミックレンジ化することが望まれている。
また、特許文献2には、図31に示すように、フローティングディフュージョンFDの容量CSを可変とし、低照度から高照度までをカバーして広ダイナミック化する技術が開示されている。
他には、短い露光時間による高照度に対応した撮像と、長い露光時間により低照度に対応した撮像の異なる露光時間で2回撮像する技術も開発されている。
また、非特許文献3には、図34に示すように、フォトダイオードPDからの信号を、MOSトランジスタを組み合わせて構成されている対数変換回路により、対数変換しながら出力することで、高照度撮像に対応できるようにする技術が開示されている。
また、上記のことはイメージセンサに限ったことではなく、画素を直線状に配したラインセンサや複数の画素を持たない光センサとしても、高感度高S/N比を維持したままで広ダイナミックレンジ化を達成することは困難であった。
さらに好適には、前記フローティングディフュージョンに転送された光電荷から得られた電圧信号と前記フローティングディフュージョンのリセットレベルの電圧信号との差分を取り、前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子に転送された光電荷から得られた電圧信号と前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子のリセットレベルの電圧信号との差分を取る、ノイズキャンセル手段をさらに有し、またさらに好適には、前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子のリセットレベルの電圧信号を記憶する記憶手段をさらに有する。
あるいはさらに好適には、前記フローティングディフュージョンに転送された光電荷から得られた電圧信号と前記フローティングディフュージョンのリセットレベルの電圧信号との差分を取り、前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子に転送された光電荷から得られた電圧信号と前記フローティングディフュージョンのリセットレベルの電圧信号との差分、または、前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子に転送された光電荷から得られた現フレームの電圧信号と前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子の次フレームのリセットレベルの電圧信号との差分を取る、ノイズキャンセル手段をさらに有する。
さらに好適には、前記フローティングディフュージョンに転送された光電荷から得られた電圧信号と、前記フローティングディフュージョンの前記転送前のレベルの電圧信号との差分を取るノイズキャンセル手段をさらに有する。
あるいはさらに好適には、前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子に転送された光電荷から得られた電圧信号と、前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子のリセットレベルの電圧信号との差分を取るノイズキャンセル手段をさらに有する。
またさらに好適には、前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子のリセットレベルの電圧信号を記憶する記憶手段をさらに有する。
あるいは好適には、前記ノイズキャンセル手段が2キャパシタ方式差動アンプを含み、前記フローティングディフュージョンに転送された光電荷から得られた電圧信号と前記フローティングディフュージョンのリセットレベルの電圧信号との差分と、前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子に転送された光電荷から得られた電圧信号と前記フローティングディフュージョンのリセットレベルの電圧信号との差分、または、前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子に転送された光電荷から得られた現フレームの電圧信号と前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子の次フレームのリセットレベルの電圧信号との差分とを出力する。
さらに好適には、前記ゲインテーブル生成部は、前記第1差分の値が所定の範囲内となったときに、各画素毎のゲインテーブルデータとして前記第1差分と前記第2差分の比を算出し、ゲインテーブルを生成する。
さらに好適には、前記ビデオデータ合成部は、予め設定されたビデオテーブルから、前記第1差分または前記第2差分と所定の閾値の和に応じてビデオデータを求め、出力する。
さらに好適には、前記ビデオデータ合成部は、前記第1差分または前記第2差分と前記ゲインテーブルデータの積を出力する。
次に、フォトダイオードで発生する光電荷のうち飽和前電荷をフォトダイオードに蓄積し、さらに、フォトダイオードの蓄積期間内から所定の期間の比率で設定された蓄積容量素子蓄積期間において、フォトダイオードから溢れる過飽和電荷をフローティングディフュージョンおよび蓄積容量素子において蓄積する。
次に、蓄積トランジスタをオフとして、フローティングディフュージョンと蓄積容量素子のポテンシャルを分割し、フローティングディフュージョン内の光電荷を排出し、フローティングディフュージョンのリセットレベルの電圧信号を読み出す。
次に、転送トランジスタをオンとして飽和前電荷をフローティングディフュージョンに転送し、飽和前電荷を含む電圧信号を読み出す。
次に、蓄積トランジスタをオンとして、フローティングディフュージョンと蓄積容量素子のポテンシャルを結合し、飽和前電荷と過飽和信号を含む電圧信号を読み出す。
次に、フォトダイオードで発生する光電荷のうち飽和前電荷をフォトダイオードに蓄積し、さらに、フォトダイオードから溢れる過飽和電荷をフローティングディフュージョンおよび蓄積容量素子において蓄積する。
次に、蓄積トランジスタをオフとして、フローティングディフュージョンと蓄積容量素子のポテンシャルを分割し、フローティングディフュージョン内の光電荷を排出し、フローティングディフュージョンのリセットレベルの電圧信号を読み出す。
次に、蓄積容量素子とポテンシャルが分割された状態の前記フローティングディフュージョンにより、フォトダイオードの蓄積期間内から所定の期間の比率で設定されたフローティングディフュージョン蓄積期間において、フォトダイオードから溢れる超過飽和電荷を蓄積し、超過飽和電荷を含む電圧信号を読み出す。
次に、転送トランジスタをオンとして飽和前電荷をフローティングディフュージョンに転送し、飽和前電荷を含む電圧信号を読み出す。
次に、蓄積トランジスタをオンとして、フローティングディフュージョンと蓄積容量素子のポテンシャルを結合し、飽和前電荷と過飽和信号を含む電圧信号を読み出す。
本実施形態にかかる固体撮像装置はCMOSイメージセンサであり、図1は1画素(ピクセル)分の等価回路図である。
各画素は、光を受光して光電荷を生成および蓄積するフォトダイオードPD、フォトダイオードPDからの光電荷を転送する転送トランジスタTr1、転送トランジスタTr1を通じて光電荷が転送されるフローティングディフュージョンFD、蓄積動作時に前記フォトダイオードから溢れる光電荷を蓄積する蓄積容量素子CS、フローティングディフュージョンFDと蓄積容量素子CSのポテンシャルを結合または分割する蓄積トランジスタTr2、フローティングディフュージョンFDに接続して形成され、フローティングディフュージョンFD内の光電荷を排出するためのリセットトランジスタTr3、フローティングディフュージョンFD内の光電荷を電圧信号に増幅変換する増幅トランジスタTr4、および、増幅トランジスタに接続して形成され、画素を選択するための選択トランジスタTr5から構成されており、いわゆる5トランジスタ型のCMOSイメージセンサである。例えば、上記の5つのトランジスタはいずれもnチャネルMOSトランジスタからなる。リセットトランジスタTr3のドレインには、所定の基準電圧、例えば、電源電圧Vddが供給される。また、増幅トランジスタTr4のドレインには、例えば、電源電圧Vddが供給される。蓄積容量素子Csの他方の端子には、電源電圧Vdd又は基準電位Vssが供給される。
選択トランジスタTr5、駆動ラインφXについては、画素の選択、非選択動作ができるように、フローティングディフュージョンFDの電圧の適宜な値に固定できればよいから、それらを省略することも可能である。
例えば、n型シリコン半導体基板(n−sub)10にp型ウェル(p−well)11が形成されており、各画素および蓄積容量素子CS領域を区分するLOCOS法などによる素子分離絶縁膜(20,21,22)が形成され、さらに画素を分離する素子分離絶縁膜20の下方に相当するp型ウェル11中には、p+型分離領域12が形成されている
。
p型ウェル11に中にn型半導体領域13が形成され、その表層にp+型半導体領域14が形成され、このpn接合により電荷転送埋め込み型のフォトダイオードPDが構成されている。pn接合に適当なバイアスを印加して発生させた空乏層中に光LTが入射すると、光電効果により光電荷が生じる。
ここで、n型半導体領域13とn+型半導体領域15にかかる領域において、p型ウェル11上面に酸化シリコンなどからなるゲート絶縁膜23を介してポリシリコンなどからなるゲート電極30が形成され、n型半導体領域13とn+型半導体領域15をソース・ドレインとし、p型ウェル11の表層にチャネル形成領域を有する転送トランジスタTr1が構成されている。
また、n+型半導体領域15とn+型半導体領域16にかかる領域において、p型ウェル11上面に酸化シリコンなどからなるゲート絶縁膜24を介してポリシリコンなどからなるゲート電極31が形成され、n+型半導体領域15とn+型半導体領域16をソース・ドレインとし、p型ウェル11の表層にチャネル形成領域を有する蓄積トランジスタTr2が構成されている。
また、素子分離絶縁膜(21,22)で区分された領域において、p型ウェル11の表層に下部電極となるp+型半導体領域17が形成されており、この上層に酸化シリコンなどからなる容量絶縁膜25を介してポリシリコンなどからなる上部電極32が形成されており、これらから蓄積容量素子CSが構成されている。
また、転送トランジスタTr1のゲート電極30には駆動ラインφTが接続して設けられており、また、蓄積トランジスタTr2のゲート電極31には駆動ラインφSが接続して設けられている。
フォトダイオードPDは相対的に浅いポテンシャルの容量CPDを構成し、フローティングディフュージョンFDおよび蓄積容量素子CSは相対的に深いポテンシャルの容量(CFD、CS)を構成する。
ここで、転送トランジスタTr1および蓄積トランジスタTr2はトランジスタのon/offに応じて2準位を取りうる。
図3は、駆動ライン(φT,φS,φR)に印加する電圧を、on/offの2準位、φTについてはさらに(+α)で示す準位を加えた3準位で示したタイミングチャートである。
駆動ラインφTに印加する電圧はon/offの2準位でもよいが、本例の如く3準位とした方がフォトダイオードPDから溢れた電荷をより効率的にフローティングディフュージョンFDと蓄積容量素子CSに捕獲して蓄積することができる。
CPDに対する蓄積期間(これは略映像期間に相当する)TPDは、時刻T0の直前のφTをoffとした時点(T4’)から始まっており、CPDにおいて光電荷の蓄積が開始される。
なお、上述の理由から、時刻T0の直後において、φTについて(+α)準位としている。
このとき、図4(B)に示すように、φSがonとなっているのでCFDとCSが結合した状態となっており、リセット直後にはリセット動作に伴ういわゆるkTCノイズがCFD+CSに発生する。ここで、このCFD+CSのリセットレベルの信号をノイズN2として読み出す。
ノイズN2を読み出して後述のフレームメモリ(記憶手段)に蓄積しておき、画像信号生成時にそのノイズN2を利用する方法が最もS/N比をよくできる動作方法であるが、過飽和時には、飽和前電荷(低照度信号)+過飽和電荷(高照度信号)に比べてノイズN2が十分に小さいので、ノイズN2に代えて後述のノイズN1を用いてもよい。また、現フレームのノイズN2に代えて、次のフレームのノイズN2を用いてもよい。
時刻T1において、CSに対する蓄積容量素子蓄積期間TCSが始まっており、フォトダイオードPDから溢れた光電荷はCSに蓄積され始める。
なお、上述のように映像時間の開始から所定の時間が経っているので、図面上はある程度の飽和前電荷QBがCPDに蓄積していることを示している。
図4(C)は、CPDが飽和しており、CPDに飽和前電荷QBが蓄積し、CFDとCSに過飽和電荷QAが蓄積している状態を示す。
次に、φRをonにして、図5(E)に示すように、CFD中の光電荷を排出してリセットする。
ここで、時刻T3においてφTをoffに戻し、CFDに転送された飽和前電荷QBから飽和前電荷信号S1を読み出す。但し、ここではCFDノイズが乗っているので、実際に読みだされるのはS1+N1となる。図5(G)は、φTをoffに戻す前の状態を示している。
ここで、時刻T4においてφTをoffに戻し、CFD+CSに広がる飽和前電荷QB+過飽和電荷QAから飽和前電荷信号S1と過飽和電荷信号S2の和の信号を読み出す。但し、ここではCFD+CSノイズが乗っており、さらにCFD+CSに広がった電荷から読み取っていることから、実際に読みだされるのはS1’+S2’+N2(S1’とS2’はそれぞれCFDとCSの容量比率によって縮小変調されたS1とS2の値)となる。図5(H)は、φTをoffに戻す前の状態を示している。
図6は本実施形態のCMOSイメージセンサの全体の回路構成を示す等価回路図である。
複数個(図面上は代表して4個)の画素(Pixel)がアレイ状に配置されており、各画素(Pixel)に、駆動ライン(φT,φS,φR)を制御するS/H用行シフトレジスタSRV SHと駆動ライン(φR)を制御するリセット用行シフトレジスタSRV RSTが接続され、さらに電源VDDおよびグラウンドGNDなどが接続されている。
各画素(Pixel)からは、CDS(相関二重サンプリング)回路により、列シフトレジスタSRHおよび駆動ライン(φS1+N1,φN1,φS1'+S2'+N2,φN2)で制御され、上述のように、飽和前電荷信号(S1)+CFDノイズ(N1)、CFDノイズ(N1)、変調された飽和前電荷信号(S1’)+変調された過飽和電荷信号(S2’)+CFD+CSノイズ(N2)およびCFD+CSノイズ(N2)の4つの値がそれぞれのタイミングで各出力ラインに出力される。
ここで、飽和前電荷信号(S1)+CFDノイズ(N1)とCFDノイズ(N1)の各出力端部分CTaは、以下に説明するようにこれらの差分を取ることから、差動アンプDA1を含む回路CTbをCMOSイメージセンサチップ上に形成しておいてもよい。
S/H用行シフトレジスタSRV SHは、左側行シフトレジスタSRV Lに駆動ライン(φS、φR、φT)が接続されており、一方、リセット用行シフトレジスタSRV RSTは右側行シフトレジスタSRV Lに駆動ライン(φR)が接続されている構成である。
図3では、φRが立ち下がるタイミングが調整されて、蓄積容量素子蓄積期間TCSの始まるタイミングが調整されているが、上記のリセット用行シフトレジスタSRV RSTを用いる場合、蓄積容量素子蓄積期間TCS以外はS/H用行シフトレジスタSRV SHの2回目のリセットパルスに同期してリセット用行シフトレジスタSRV RSTが1ライン毎の周期でリセットパルスを送るようにする。
また、図8(C)および図8(D)は、S/H用行シフトレジスタSRV SH(左)とリセット用行シフトレジスタSRV RST(右)へのイニシャル信号の入力を示す。
ここで、φVRST(左)は1フレームに1パルスなので、1フレーム中に1ラインしか選択されない。これは、読み出しを行うラインが複数選択されてはいけないためである。一方、φVRST(右)は1フレーム中に複数入力され、例えば512ラインCMOSイメージセンサで256パルス入力すれば、水平ブランキング期間を無視した場合、フローティングディフュージョンと蓄積容量素子への蓄積時間TCSは、蓄積容量素子蓄積期間TCSの始まるタイミングが調整しない場合(時刻T0から蓄積容量素子蓄積期間TCSが始まる場合)の256/512、即ち半分となる。
上記の出力から、飽和前電荷信号(S1)+CFDノイズ(N1)とCFDノイズ(N1)を差動アンプDA1に入力し、これらの差分を取ることでCFDノイズ(N1)をキャンセルし、飽和前電荷信号(S1)が得られる。
一方、変調された飽和前電荷信号(S1’)+変調された過飽和電荷信号(S2’)+CFD+CSノイズ(N2)とCFD+CSノイズ(N2)を差動アンプDA2に入力し、これらの差分を取ってCFD+CSノイズ(N2)をキャンセルし、さらにアンプAPによりCFDとCSの容量比率によって復元して飽和前電荷信号(S1)と同じゲインに調整することで、飽和前電荷信号と過飽和電荷信号の和(S1+S2)が得られる。
S1’、S2’、α(CFDからCFD+CSへの電荷分配比)およびβ(CSからCFD+CSへの電荷分配比)は以下の数式により表される。
S2’=S2×α×β (2)
α=CFD/(CFD+CS) (3)
β=CS/(CFD+CS) (4)
これには、まず、S1をコンパレータCPに入力し、予め設定した基準電位V0と比較する。一方、S1とS1+S2はセレクタSEに入力され、上記のコンパレータCPの出力に応じて、S1とS1+S2のどちらかが選択されて出力される。基準電位V0はフォトダイオードPDの容量に応じて飽和する前の電位が選択され、例えば0.3V程度とする。
即ち、S1からV0を引いて負となれば、即ち、S1がV0よりも小さければ、フォトダイオードPDは飽和していないと判断され、S1が出力される。
逆に、S1からV0を引いて正となれば、即ち、S1がV0よりも大きければ、フォトダイオードPDは飽和していると判断され、S1+S2が出力される。
また、差動アンプDA1およびフレームメモリFM以降の回路については、取り扱うアナログデータが大きくなることから、差動アンプDA1およびフレームメモリFMに入力する前にA/D変換を行い、差動アンプDA1およびフレームメモリFM以降をデジタル処理することが好ましい。但し、デジタル化してから上記のTPD/TCSの比率による復元(増幅)などを行うとデジタル化による不連続性まで増幅してしまうので、できるだけ復元(増幅)してからデジタル化することが好ましい。例えば、用いるA/Dコンバータの入力レンジに合わせて、予め不図示のアンプにより増幅しておくことが好ましい。
この図から、φRを立ち下げるタイミングを遅らせて蓄積容量素子CSへの蓄積期間TCSを制限することで、高照度側の光量対出力の傾きが緩やかになり、蓄積容量素子CSが溢れず、高照度時の情報を圧縮でき、より高照度の情報が入力されても飽和しにくくなっている。
時刻T0から蓄積容量素子蓄積期間TCSが始まる場合、光量800の時に500mVの出力で飽和するが、蓄積容量素子蓄積期間TCSをフォトダイオードPDに対する蓄積期間TPDの5/50(リセットをonとする期間が45/50)とした場合、光量3500でも出力は飽和していない。この場合でも、低照度時の感度は低下していない。
本実施形態の駆動方法によれば、低照度側の感度とS/N比を劣化させずに、高照度側の情報のみ飽和しないようにダイナミックレンジを拡大することができる。
フォトダイオードPDに対する蓄積期間TPDに対して蓄積容量素子蓄積期間TCSを制限することによるダイナミックレンジ拡大の理論値は、以下のようである。
このように、フォトダイオードPDが飽和していない低照度撮像においてはノイズをキャンセルして得た飽和前電荷信号(S1)により高感度、高S/N比を維持することができ、さらにフォトダイオードPDが飽和した高照度撮像においては、フォトダイオードの蓄積期間から所定の比率で設定された蓄積容量素子蓄積期間において、フォトダイオードから溢れる光電荷を上記の所定の比率で蓄積容量素子により蓄積してこれを取り入れ、上記同様にノイズをキャンセルして得た信号(飽和前電荷信号と過飽和電荷信号の和(S1+S2))により、高S/Nを維持して、高照度側に広ダイナミックレンジ化を実現できる。
素子の追加は極小に抑えられており、画素サイズの拡大を招くことはない。
さらに、従来の広ダイナミックレンジ化を実現するイメージセンサのように高照度側と低照度側で蓄積時間を分割しない、即ち、フレームをまたがずに同一の蓄積時間に蓄積しているので、動画の撮像にも対応することができる。
また、フローティグディフュージョンFDのリーク電流(FDリーク)についても、本実施形態のイメージセンサではCFD+CSの最小信号が過飽和電荷+フォトダイオードPDからの飽和電荷となってFDリークの電荷よりも大きな電荷量を取り扱うようになるので、FDリークの影響を受け難いという利点がある。
本実施形態に係るCMOSイメージセンサは、第1実施形態に係るCMOSイメージセンサと同様であるが、駆動方法が異なる。
図11は、駆動ライン(φT,φS,φR)に印加する電圧を、on/offの2準位で示したタイミングチャートである。第1実施形態と同様に、φTについてはさらに(+α)で示す準位を加えた3準位としてもよい。
CPDに対する蓄積期間TPDは、時刻T0の直前のφTをoffとした時点から始まっており、CPDにおいて光電荷の蓄積が開始される。
時刻T1において、CSに対する蓄積容量素子蓄積期間TCSが始まっており、CPDから溢れた光電荷はCSに蓄積され始める。
次に、蓄積容量素子蓄積期間TCSの終了時にφSをoffとしてCFDとCSのポテンシャルを分割する。これにより、蓄積容量素子CSへの蓄積が終了する。
次に、φRをonにしてCFD中の光電荷を排出してリセットし、その直後の時刻T2においてφRをoffに戻して、CFDのリセットレベルの信号をノイズN1として読み出す。
時刻T2でリセットしてから時刻T0で再びリセットするまでの期間は、通常水平ブランキング期間と称される。本実施形態においては、水平ブランキング期間の一部を使ってフォトダイオードPDから溢れる光電荷をフローティングディフュージョンFDで蓄積し、超過飽和電荷信号を生成するものである。フローティングディフュージョン蓄積期間TFDは1ライン単位で調整できる。
ここで、時刻T3においてφTをoffに戻し、CFDに転送された飽和前電荷から飽和前電荷信号S1を含む信号読み出す。但し、ここでは、先に超過飽和電荷信号S3が存在しており、さらにCFDノイズが乗っているので、実際に読みだされるのはS1+S3+N1となる。
ここで、時刻T4においてφTをoffに戻し、CFD+CSに広がる電荷信号を読み出す。このとき、CFD+CS中には飽和前電荷+超過飽和電荷+過飽和電荷が存在しており、飽和前電荷信号S1+過飽和電荷信号S2+超過飽和電荷信号S3の和の信号を読み出す。但し、ここではCFD+CSノイズが乗っており、さらにCFD+CSに広がった電荷から読み取っていることから、実際に読みだされるのはS1’+S2’+S3’+N2(S1’、S2’およびS3’はそれぞれCFDとCSの容量比率によって縮小変調されたS1、S2およびS3の値)となる。
即ち、まず、時刻T2Aで得たS3+N1と時刻T2で得たN1との差分を取り、ノイズキャンセルされた超過飽和電荷信号S3を生成する。
また、時刻T3で得たS1+S3+N1と時刻T2Aで得たS3+N1との差分を取り、ノイズキャンセルされた飽和前電荷信号S1を生成する。
さらに、時刻T4で得たS1’+S2’+S3’+N2と時刻T1で得たN2との差分を取り、ノイズキャンセルされたS1’+S2’+S3’を得て、さらにこれを第1実施形態と同様の手順でCFDとCSの容量比率で復元し、S1+S2+S3とする。さらに、上記で得たS3との差分を取り、飽和前電荷信号S1+過飽和電荷信号S2を生成する。但し、S1+S2に対してS3が十分小さい場合は、差分を取らずにS3を無視してもよい。
上記のようにして得た超過飽和電荷信号S3は、フォトダイオードPDに対する蓄積期間TPD内から所定の期間の比率で設定されたフローティングディフュージョン蓄積期間TFDにおいてフローティングディフュージョンFDに蓄積された光電荷の信号であるので、S3にTPD/TFDの比率γを乗ずることで、映像期間全体で捕獲する場合にフローティングディフュージョンFDに蓄積される光電荷の信号(S3×γ)に復元することができる。
例えば、30fpsの場合映像期間(TPD)は33m秒であり、フローティングディフュージョン蓄積期間TFDは水平ブランキング期間に設けているので長くても10μ秒程度となる。この場合、33m秒/10μ秒の比率を乗ずることでS3を復元できる。
図12は上記の3つの信号(S1、S1+S2、S3×γ)から1つを選択して出力する回路図である。
これには、まず、S1をコンパレータCP1に入力し、予め設定した基準電位V0と比較する。一方、S1とS1+S2がセレクタSE1に入力され、上記のコンパレータCP1の出力に応じて、S1とS1+S2のどちらかが選択されて出力される。基準電位V0はフォトダイオードPDの容量に応じて飽和する前の電位が選択される。
次に、セレクタSE1の出力をコンパレータCP2に入力し、予め設定した基準電位V0’と比較する。一方、セレクタSE1の出力とS3×γがセレクタSE2に入力され、上記のコンパレータCP2の出力に応じて、セレクタSE1の出力とS3×γのどちらかが選択されて出力される。基準電位V0’は蓄積容量素子CSの容量に応じて飽和する前の電位が選択される。
このように、フォトダイオードPDが飽和していない低照度撮像においてはノイズをキャンセルして得た飽和前電荷信号(S1)により高感度、高S/N比を維持することができ、さらにフォトダイオードPDが飽和した高照度撮像においては、フォトダイオードから溢れる光電荷を蓄積容量素子により蓄積してこれを取り入れ、上記同様にノイズをキャンセルして得た信号(飽和前電荷信号と過飽和電荷信号の和(S1+S2))により高照度側にダイナミックレンジを拡大でき、さらに蓄積容量素子が飽和した超高照度撮像においては、フォトダイオードの蓄積期間から所定の比率で設定されたフローティングディフュージョン蓄積期間において、フォトダイオードから溢れる光電荷を上記の所定の比率で蓄積容量素子により蓄積してこれを取り入れ、上記同様にノイズをキャンセルして所定比率で復元した信号(超過飽和電荷信号(S3×γ))により、高S/Nを維持して、さらに高照度側に広ダイナミックレンジ化を実現できる。
素子の追加は極小に抑えられており、画素サイズの拡大を招くことはない。
さらに、従来の広ダイナミックレンジ化を実現するイメージセンサのように高照度側と低照度側で蓄積時間を分割しない、即ち、フレームをまたがずに同一の蓄積時間に蓄積しているので、動画の撮像にも対応することができる。
また、フローティグディフュージョンFDのリーク電流(FDリーク)についても、本実施形態のイメージセンサではCFD+CSの最小信号が過飽和電荷+フォトダイオードPDからの飽和電荷となってFDリークの電荷よりも大きな電荷量を取り扱うようになるので、FDリークの影響を受け難いという利点がある。
第1および第2実施形態のCMOSイメージセンサ、あるいは第1実施形態において時刻T0から蓄積容量素子蓄積期間TCSを開始したパターンのCMOSイメージセンサにおいて、CFD+CSのリセットレベルの信号をノイズN2として読み出し、フレームメモリFMに蓄積しておくことで飽和前電荷信号と過飽和電荷信号の和(S1+S2)をサンプリングするときのノイズをキャンセルしているが、本実施形態に係るCMOSイメージセンサではフレームメモリを使わないことでチップコストを低減することができる。
フレームメモリは、CFD+CSのリセットレベルの信号(N2)のサンプリングタイミングが変調された飽和前電荷信号および過飽和電荷信号の和(S1’+S2’+N2)のサンプリングタイミングより1フレーム分先行して発生することにより必要となっている。
このノイズは(kTC)1/2の電荷ばらつきとなるため、蓄積容量素子CSの容量が大きいほどばたつきも大きくなるが、高照度側にダイナミックレンジが20dB以上拡大できるので、蓄積容量素子CSの容量を40fFとしても、82電子相当のノイズにしかならない。
一方、低照度側から高照度側にデータを切り替える時点での信号電荷は、受光部の容量にもよるが、通常10000電子以上はあり、この場合の光ショットノイズは100電子であり、上記の82電子を二乗和すると129電子となる。これは、S/N比にして40dBが37.8dBにわずかに劣化する程度である。
図14(A)は上記のCFD+CSのリセットレベルの信号(N2)をCFDのリセットレベルの信号(N1)で代用するのを実現するためのCDS回路の回路図である。また、図14(B)は駆動ラインの印加電圧およびサンプリングタイミングを示したタイミングチャートである。
即ち、図14(A)のCDS回路は、ノイズキャンセル回路として交流結合回路を含み、N1のサンプリング時にトランジスタSH1およびSH2がonとなってそれぞれ入力され、次にS1+N1のサンプリング時にトランジスタSH1がonとなって、S1+N1と先に入力されたN1の差分を交流成分として出力し、ADコンバータADC1に入力する。次に、S1’+S2’+N2のサンプリング時にトランジスタSH2がonとなって、S1’+S2’+N2と先に入力されたN1の差分を交流成分として出力し、ADコンバータADC2に入力する。S1’+S2’+N2と先に入力されたN1の差分は、kTCノイズを残して、実質的にS1’+S2’となる。
即ち、図15(A)のCDS回路は、ノイズキャンセル回路として交流結合回路を含み、N1のサンプリング時にトランジスタSH1がonとなって入力され、次にS1+N1のサンプリング時にトランジスタSH1がonとなって、S1+N1と先に入力されたN1の差分を交流成分として出力し、ADコンバータADC1に入力する。
次に、S1’+S2’+N2のサンプリング時にトランジスタSH2がonとなって入力され、次に次フレームのN2”のサンプリング時にトランジスタSH2がonとなってN2”と先に入力されたS1’+S2’+N2の差分を交流成分として出力し、ADコンバータADC2に入力する。N2”と先に入力されたS1’+S2’+N2との差分は、kTCノイズを残し、反転するが、実質的にS1’+S2’となる。
即ち、図16(A)のCDS回路は、ノイズキャンセル回路として2キャパシタ方式差動アンプを含み、図16(B)に示すようにN1、S1+N1、S1’+S2’+N2、N2”の各サンプリングタイミングでサンプリングした信号を図16(A)のCDS回路に入力して、差動アンプDA3からS1+N1とN1との差分を出力し、また、差動アンプDA4からS1’+S2’+N2と次フレームのN2”との差分を出力する。
上記各実施形態、あるいは第1実施形態において時刻T0から蓄積容量素子蓄積期間TCSを開始したパターンのCMOSイメージセンサにおいて、各画素においてトランジスタを介してフォトダイオードに接続するように設けた蓄積容量素子CSは、フローティングディフュージョン容量CFDと相関がなく、フローティングディフュージョン容量CFD単独で電圧変換した場合と蓄積容量素子CS込みで電圧変換した場合とでゲインばらつきの傾向が異なる。
従って、フローティングディフュージョン容量CFDのゲイン補正を行う処理系を低照度の信号と高照度の信号の合成回路に組み込むことで、信号の切り替えに伴う固定パターンノイズの発生を抑制し、さらなる画質の改善が可能になる。
CMOSイメージセンサ部50からのセンサ出力は、前処理部60においてデジタル化され、さらにゲインテーブル生成部70およびビデオデータ合成部80で信号処理され、2つのビデオ出力(Video1,Video2)として出力される。
CMOSイメージセンサ部50は、マトリクス状に配置された複数の画素を含み、各画素の出力をセンサ出力として出力するまでの回路に相当する。
差動アンプ61において、フローティングディフュージョンに転送された光電荷から得られた電圧信号(S1+N1)とフローティングディフュージョンのリセットレベルの電圧信号(N1)との第1差分を取り、ADコンバータADC3によりデジタル化して低照度側信号データV1として出力する。ゲインA1はADコンバータADC3の入力電圧範囲に適合させる目的で設けてあるが、差動アンプ61に含めることもできる。
また、フローティングディフュージョンおよび蓄積容量素子に転送された光電荷から得られた電圧信号(S1’+S2’+N2)とフローティングディフュージョンおよび蓄積容量素子のリセットレベルの電圧信号(N2)は、それぞれゲインA2でADコンバータの入力電圧範囲に適合された後、ADコンバータ(ADC4,5)でデジタル化される。フローティングディフュージョンおよび蓄積容量素子のリセットレベルの電圧信号(N2)は他の信号より1フレーム分先に出力されるので、フレームメモリFMで記憶しておき、減算ブロック62においてS1’+S2’+N2とN2との第2差分を取り、高照度側信号データV2として出力する。
ゲインテーブル生成部70は上記で得られた差分(V1とV2)に応じて、各画素毎のゲインを設定するゲインテーブルを生成するものであり、下限設定部71、上限設定部72、コンパレータ73および除算ブロック74を有し、ゲインテーブル75が作成される。
上記の低照度側信号データV1の値と下限設定部71および上限設定部72の値とをコンパレータ73で比較し、下限設定部71および上限設定部72で設定された所定の範囲内となったときに、コンパレータ73は除算ブロック74にイネーブル信号Enableを出力する。
このとき、除算ブロック74はV1/V2の比を算出し、ゲインテーブル75を作成、更新する。ゲインテーブル75が作成、更新されたら、インジケータ76が有効となり、ゲインテーブル75の値をアプリケーション側で使用することができるようになる。
ゲインテーブル生成部70により、フローティングディフュージョンFDのゲインのばらつきを抑制し、V1とV2の切り替え時の固定パターンノイズの発生を抑制することができる。
また、上記のゲインテーブルとしては、予め想定されるV1/V2の値を書き込んでおくことで、電源投入時などのゲインテーブルの作成、更新前においても、違和感なく撮像が可能となる。
まず、低照度側信号データV1は、画素毎の飽和レベルのばらつきを抑制するためにリミッタ81にかけられる。コンパレータ82は、閾値(TH Level)設定部83で予め設定された閾値と低照度側信号データV1とを比較し、セレクタ(84,85)のためのデータ選択信号を生成する。
セレクタ84は、より分解能の高い低照度側信号データV1と、閾値設定部83で予め設定された閾値レベルの値が加算ブロック86により加算された、より大量の電荷量情報を扱える高照度側信号データV2とのいずれかをコンパレータ82からのデータ選択信号に応じて選択して、ビデオテーブル87に出力する。
ビデオテーブル87には、応用により必要とされるガンマ曲線などが記憶されており、これを参照してビデオ信号Video1が出力される。
ゲインテーブル生成部70により作成されたゲインテーブル75から、ゲインデータが読み出され、乗算ブロック88において高照度側信号データV2と乗算される。これは、高照度側信号データV2が低照度側信号データV1と同一の傾きを持ち、CMOSイメージセンサが扱うことのできる全光量範囲において直線的な数値をVideo2の出力として与えることを示すものである。撮像対象が低照度であれば、セレクタ85は分解能の高い低照度側信号データV1を選択する。信号選択の動作はVideo1と同様である。
Video2系統の出力は、各画素毎のゲインばらつきをVideo1と同じにすることで、低照度側信号が高照度側信号に切り替わるときに発生する不連続なゲインを補正された形で出力されることになり、2つの情報の切り替え時に見える固定パターンノイズを除去することができる。
本実施形態に係る固体撮像装置は第1実施形態と同様のCMOSイメージセンサであり、図21は1画素(ピクセル)分の等価回路図である。
各画素は、光を受光して光電荷を生成および蓄積するフォトダイオードPD、フォトダイオードPDからの光電荷を転送する転送トランジスタTr1、転送トランジスタTr1を通じて光電荷が転送されるフローティングディフュージョンFD、蓄積動作時に前記フォトダイオードから溢れる光電荷を蓄積する蓄積容量素子CS、フローティングディフュージョンFDと蓄積容量素子CSのポテンシャルを結合または分割する蓄積トランジスタTr2、蓄積容量素子CSに直接接続し、蓄積トランジスタTr2を介してフローティングディフュージョンFDに接続して形成され、蓄積容量素子CSおよびフローティングディフュージョンFD内の光電荷を排出するためのリセットトランジスタTr3、フローティングディフュージョンFD内の光電荷を電圧信号に増幅変換する増幅トランジスタTr4、および、増幅トランジスタに接続して形成され、画素を選択するための選択トランジスタTr5から構成されており、いわゆる5トランジスタ型のCMOSイメージセンサである。例えば、上記の5つのトランジスタはいずれもnチャネルMOSトランジスタからなる。
選択トランジスタTr5,駆動ラインφXについては、画素の選択、非選択動作ができるように、フローティングディフュージョンFDの電圧を適宜な値に固定できればよいから、それらを省略することも可能である。
フォトダイオードPDは相対的に浅いポテンシャルの容量CPDを構成し、フローティングディフュージョンFDおよび蓄積容量素子CSは相対的に深いポテンシャルの容量(CFD、CS)を構成する。
ここで、転送トランジスタTr1および蓄積トランジスタTr2はトランジスタのon/offに応じて2準位を取りうる。
図23は、駆動ライン(φT,φS,φR)に印加する電圧を、on/offの2準位、φTについてはさらに(+α)で示す準位を加えた3準位で示したタイミングチャートである。
駆動ラインφTに印加する電圧はON/OFFの2準位でもよいが、本例の如く3準位とした方がフォトダイオードPDから溢れ出た電荷をより効率的にフローティングディフュージョンFDと蓄積容量素子Csに捕獲して蓄積することができる。
CPDに対する蓄積期間(これは略映像期間に相当する)TPDは、時刻T0の直前のφTをoffとした時点(T4’)から始まっており、CPDにおいて光電荷の蓄積が開始される。
なお、上述の理由から、時刻T0の直後において、φTについて(+α)準位としている。
このとき、図24(B)に示すように、φSがonとなっているのでCFDとCSが結合した状態となっており、リセット直後にはリセット動作に伴ういわゆるkTCノイズがCFD+CSに発生する。ここで、このCFD+CSのリセットレベルの信号をノイズN2として読み出す。
時刻T1において、CSに対する蓄積容量素子蓄積期間TCSが始まっており、フォトダイオードPDから溢れた光電荷はCSに蓄積され始める。
なお、上述のように映像時間の開始から所定の時間が経っているので、図面上はある程度の飽和前電荷QBがCPDに蓄積していることを示している。
図24(C)は、CPDが飽和しており、CPDに飽和前電荷QBが蓄積し、CFDとCSに過飽和電荷QAが蓄積している状態を示す。
ここで、CPDのポテンシャルがCFDよりも浅く、転送トランジスタの準位がCPDより深くなっているので、CPD中にあった飽和前電荷QBを全てCFDに転送する完全電荷転送を実現できる。
次に、時刻T3においてφTをoffに戻し、CFDに転送された飽和前電荷QB から飽和前電荷信号S1を読み出す。但し、CFDには飽和前電荷QBと過飽和電荷の一部QA1の和の電荷が存在しており、実際に読みだされるのはS1+N1となる。図25(E)は、φTをoffに戻す前の状態を示している。
ここで、時刻T4においてφTをoffに戻し、CFD+CSに広がる飽和前電荷QB+過飽和電荷QAから飽和前電荷信号S1と過飽和電荷信号S2の和の信号を読み出す。但し、ここではCFD+CSノイズが乗っており、さらにCFD+CSに広がった電荷から読み取っていることから、実際に読みだされるのはS1’+S2’+N2(S1’とS2’はそれぞれCFDとCSの容量比率によって縮小変調されたS1とS2の値)となる。図25(F)は、φTをoffに戻す前の状態を示している。
ただし、容量CFD+CSを用いると、同じ光量を照射して同じ電荷数を得てもCSの分容量値が大きくなっているため、変換される電圧はその分低くなる。
例えば、所定の閾値を設定電圧して、CFDを用いたときの電圧が閾値を超えるまでの低照度側ではCFDで表示したグラフの低照度信号S1を用い、閾値電圧を超える高照度側では、CFD+CSと表示したグラフの高照度信号S1+S2に切り替えて用いる。
これは、図24(D)および図25(E)に示すように、飽和前電荷の測定は、過飽和電荷の一部をノイズとして扱いながら測定しているので、相対光量が増加するにつれてノイズレベルが増加してしまい、飽和前電荷を測定できる範囲が狭くなってしまうからである。
そこで、上記の現象が生じるような場合は、低照度側(CFDを用いたとき)の信号の閾値THLと高照度側(CFD+CSを用いたとき)の信号の閾値THHをそれぞれ設定し、両信号がともにそれぞれの閾値を下回っている場合には、CFDで表示したグラフの低照度信号S1を用い、両信号のいずれか一方が閾値電圧を超える場合には、CFD+CSと表示したグラフの高照度信号S1+S2を用いる。
本実施形態に係るCMOSイメージセンサは、上記の第1〜第5実施形態のCMOSイメージセンサにおいて、各画素Pixelからの出力を低照度信号と高照度信号とでマルチプレクスに出力する構成としたCMOSイメージセンサである。
本実施形態に係るCMOSイメージセンサは、上記の第1〜第6実施形態のCMOSイメージセンサにおいて、下記のようにして高照度信号に対するゲイン制御を行うCMOSイメージセンサである。
ただし、容量CFD+CSを用いると、同じ光量を照射して同じ電荷数を得てもCSの分容量値が大きくなっているため、変換される電圧はその分低くなる。このため、高照度信号を用いる場合には、CFDとCSの容量比率によって復元して低照度信号である飽和前電荷信号(S1)と同じゲインに調整することで、高照度信号である飽和前電荷信号と過飽和電荷信号の和(S1+S2)を得る。
例えば、図28における上記の出力区間RG内のある光量における低照度信号の電圧A1と高照度信号A2の値から、比率A1/A2を算出する。
得られた比率をゲインとしてフィードバックして、高照度信号のゲイン制御を行うものである。
本実施形態の構成のCMOSイメージセンサでは、撮影の度にゲインを算出しなおすことができるので、常に正確なゲインを得て高照度信号のゲイン制御を行うことができる。
本実施形態に係るCMOSイメージセンサは、上記の第1〜第7実施形態のCMOSイメージセンサにおいて、下記のようにして低照度信号と高照度信号の切り替えにおける連続性を向上させるCMOSイメージセンサである。
図29(A)は、本実施形態のCMOSイメージセンサにおいて、容量CFDを用いたときのフローティングディフュージョンの電圧を相対光量に対してプロットした低照度信号のグラフ(CFDと表示)と、容量CFD+CSを用いたときのフローティングディフュージョンの電圧を相対光量に対してプロットした高照度信号のグラフ(CFD+CSと表示)と、高照度信号のグラフを所定のゲインで復元したグラフ((CFD+CS)’と表示)を重ねて示した図である。
ゲイン調整がなされていても、低照度信号のグラフと高照度信号のグラフに差がある場合があり、ある電位を閾値として低照度信号から高照度信号に切り替えると、その切り替え点で段差が生じ、不連続となってしまう。
例えば、実施形態においては、固体撮像装置について説明しているが、これに限らず、各固体撮像装置の画素を直線状に配したラインセンサや、各固体撮像装置の画素をそのまま単独で構成することで得られる光センサについても、従来には得られなかった広ダイナミックレンジ化と高感度、高S/N比を達成することができる。
また、蓄積容量素子の形状などは特に限定はなく、DRAMのメモリキャパシタなどで容量を高めるためにこれまでに開発された種々の方法を採用することができる。
固体撮像装置としては、フォトダイオードとフォトダイオードから溢れる光電荷を蓄積する蓄積容量素子とが転送トランジスタを介して接続されている構成であればよく、CMOSイメージセンサの他、CCDにも適用することができる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
本発明の光センサは広いダイナミックレンジが望まれている光センサに適用できる。
本発明の固体撮像装置の動作方法は広いダイナミックレンジが望まれているイメージセンサの動作方法に適用できる。
Claims (26)
- 光を受光して光電荷を生成および蓄積するフォトダイオードと、
前記光電荷を転送する転送トランジスタと、
少なくとも前記転送トランジスタを介して前記フォトダイオードに接続して設けられ、前記フォトダイオードの蓄積期間内から所定の期間の比率で設定された蓄積容量素子蓄積期間において、前記フォトダイオードから溢れる光電荷を少なくとも前記転送トランジスタを通じて蓄積する蓄積容量素子と
を有する画素がアレイ状に複数個集積されている固体撮像装置。 - 前記転送トランジスタと前記蓄積容量素子の間に、
前記転送トランジスタを通じて前記光電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンと前記蓄積容量素子のポテンシャルを結合または分割する蓄積トランジスタと
をさらに有する請求項1に記載の固体撮像装置。 - 光を受光して光電荷を生成および蓄積するフォトダイオードと、
前記光電荷を転送する転送トランジスタと、
前記転送トランジスタを通じて前記光電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
ポテンシャルの結合および分割が可能となるように前記フローティングディフュージョンに接続して設けられ、前記フォトダイオードの蓄積期間に前記フォトダイオードから溢れる光電荷を前記転送トランジスタおよび前記フローティングディフュージョンを通じて蓄積する蓄積容量素子と、
前記フローティングディフュージョンと前記蓄積容量素子のポテンシャルを結合または分割する蓄積トランジスタと
を有する画素がアレイ状に複数個集積され、
前記フローティングディフュージョンが、前記蓄積容量素子とポテンシャルが分割された状態で、前記フォトダイオードの蓄積期間内から所定の期間の比率で設定されたフローティングディフュージョン蓄積期間において、前記フォトダイオードから溢れる光電荷を蓄積する
固体撮像装置。 - 前記蓄積容量素子は、前記フォトダイオードの蓄積期間内から所定の期間の比率で設定された蓄積容量素子蓄積期間において、前記フォトダイオードから溢れる光電荷を蓄積する
請求項3に記載の固体撮像装置。 - 前記フローティングディフュージョンに接続して形成され、前記フローティングディフュージョン内の光電荷を排出するためのリセットトランジスタと、
前記フローティングディフュージョン内の光電荷を電圧信号に増幅変換する増幅トランジスタと、
前記増幅トランジスタに接続して形成され、前記画素を選択するための選択トランジスタと
をさらに有する請求項2〜4のいずれかに記載の固体撮像装置。 - 前記フローティングディフュージョンに転送された光電荷から得られた電圧信号と前記フローティングディフュージョンのリセットレベルの電圧信号との差分を取り、前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子に転送された光電荷から得られた電圧信号と前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子のリセットレベルの電圧信号との差分を取る、ノイズキャンセル手段をさらに有する
請求項5に記載の固体撮像装置。 - 前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子のリセットレベルの電圧信号を記憶する記憶手段をさらに有する
請求項6に記載の固体撮像装置。 - 前記フローティングディフュージョンに転送された光電荷から得られた電圧信号と前記フローティングディフュージョンのリセットレベルの電圧信号との差分を取り、前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子に転送された光電荷から得られた電圧信号と前記フローティングディフュージョンのリセットレベルの電圧信号との差分、または、前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子に転送された光電荷から得られた現フレームの電圧信号と前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子の次フレームのリセットレベルの電圧信号との差分を取る、ノイズキャンセル手段をさらに有する
請求項5に記載の固体撮像装置。 - 前記蓄積容量素子と前記蓄積トランジスタの接続部に接続して形成され、前記蓄積容量素子および前記フローティングディフュージョン内の光電荷を排出するためのリセットトランジスタと、
前記フローティングディフュージョン内の光電荷を電圧信号に増幅変換する増幅トランジスタと、
前記増幅トランジスタに接続して形成され、前記画素を選択するための選択トランジスタと
をさらに有する請求項2〜4のいずれかに記載の固体撮像装置。 - 前記フローティングディフュージョンに転送された光電荷から得られた電圧信号と、前記フローティングディフュージョンの前記転送前のレベルの電圧信号との差分を取るノイズキャンセル手段をさらに有する
請求項9に記載の固体撮像装置。 - 前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子に転送された光電荷から得られた電圧信号と、前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子のリセットレベルの電圧信号との差分を取るノイズキャンセル手段をさらに有する
請求項9に記載の固体撮像装置。 - 前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子のリセットレベルの電圧信号を記憶する記憶手段をさらに有する
請求項11に記載の固体撮像装置。 - 光を受光して光電荷を生成および蓄積するフォトダイオードと、
前記光電荷を転送する転送トランジスタと、
前記転送トランジスタを通じて前記光電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
ポテンシャルの結合および分割が可能となるように前記フローティングディフュージョンに接続して設けられ、前記フォトダイオードの蓄積期間に前記フォトダイオードから溢れる光電荷を前記転送トランジスタおよび前記フローティングディフュージョンを通じて蓄積する蓄積容量素子と、
前記フローティングディフュージョンと前記蓄積容量素子のポテンシャルを結合または分割する蓄積トランジスタと
を有する画素がアレイ状に複数個集積され、
前記フローティングディフュージョンに転送された光電荷から得られた電圧信号と前記フローティングディフュージョンのリセットレベルの電圧信号との差分を取り、前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子に転送された光電荷から得られた電圧信号と前記フローティングディフュージョンのリセットレベルの電圧信号との差分、または、前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子に転送された光電荷から得られた現フレームの電圧信号と前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子の次フレームのリセットレベルの電圧信号との差分を取る、ノイズキャンセル手段をさらに有する
固体撮像装置。 - 前記ノイズキャンセル手段が交流結合回路を含み、前記フローティングディフュージョンに転送された光電荷から得られた電圧信号と前記フローティングディフュージョンのリセットレベルの電圧信号との差分と、前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子に転送された光電荷から得られた電圧信号と前記フローティングディフュージョンのリセットレベルの電圧信号との差分、または、前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子に転送された光電荷から得られた現フレームの電圧信号と前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子の次フレームのリセットレベルの電圧信号との差分とを、交流成分として出力する
請求項13に記載の固体撮像装置。 - 前記ノイズキャンセル手段が2キャパシタ方式差動アンプを含み、前記フローティングディフュージョンに転送された光電荷から得られた電圧信号と前記フローティングディフュージョンのリセットレベルの電圧信号との差分と、前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子に転送された光電荷から得られた電圧信号と前記フローティングディフュージョンのリセットレベルの電圧信号との差分、または、前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子に転送された光電荷から得られた現フレームの電圧信号と前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子の次フレームのリセットレベルの電圧信号との差分とを出力する
請求項13に記載の固体撮像装置。 - 光を受光して光電荷を生成および蓄積するフォトダイオードと、前記光電荷を転送する転送トランジスタと、前記転送トランジスタを通じて前記光電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、ポテンシャルの結合および分割が可能となるように前記フローティングディフュージョンに接続して設けられ、前記フォトダイオードの蓄積期間に前記フォトダイオードから溢れる光電荷を前記転送トランジスタおよび前記フローティングディフュージョンを通じて蓄積する蓄積容量素子と、前記フローティングディフュージョンと前記蓄積容量素子のポテンシャルを結合または分割する蓄積トランジスタとを有する画素がアレイ状に複数個集積されたセンサ部と、
前記フローティングディフュージョンに転送された光電荷から得られた電圧信号および前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子に転送された光電荷から得られた電圧信号と、それぞれのリセットレベルまたはリセット相当レベルとの差分を、それぞれ算出する前処理部と、
前記差分に応じて各画素毎のゲインを設定するゲインテーブルを生成するゲインテーブル生成部と、
前記差分および前記ゲインテーブルのデータに応じてビデオデータを合成するビデオデータ合成部と
を有する固体撮像装置。 - 前記前処理部は、前記差分として、前記フローティングディフュージョンに転送された光電荷から得られた電圧信号と前記フローティングディフュージョンのリセットレベルの電圧信号との第1差分と、前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子に転送された光電荷から得られた電圧信号と前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子のリセットレベルの電圧信号あるいは前記フローティングディフュージョンのリセットレベルの電圧信号との第2差分とを算出する
請求項16に記載の固体撮像装置。 - 前記ゲインテーブル生成部は、前記第1差分の値が所定の範囲内となったときに、各画素毎のゲインテーブルデータとして前記第1差分と前記第2差分の比を算出し、ゲインテーブルを生成する
請求項17に記載の固体撮像装置。 - 前記ビデオデータ合成部は、予め設定されたビデオテーブルから、前記第1差分または前記第2差分と所定の閾値の和に応じてビデオデータを求め、出力する
請求項17に記載の固体撮像装置。 - 前記ビデオデータ合成部は、前記第1差分または前記第2差分と前記ゲインテーブルデータの積を出力する
請求項18に記載の固体撮像装置。 - 光を受光して光電荷を生成および蓄積するフォトダイオードと、
前記光電荷を転送する転送トランジスタと、
前記フォトダイオードに少なくとも前記転送トランジスタを介して接続して設けられ、前記フォトダイオードの蓄積期間内から所定の期間の比率で設定された蓄積容量素子蓄積期間において、前記フォトダイオードから溢れる光電荷を少なくとも前記転送トランジスタを通じて蓄積する蓄積容量素子と
を有する光センサ。 - 光を受光して光電荷を生成および蓄積するフォトダイオードと、
前記光電荷を転送する転送トランジスタと、
前記転送トランジスタを通じて前記光電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
ポテンシャルの結合および分割が可能となるように前記フローティングディフュージョンに接続して設けられ、前記フォトダイオードの蓄積期間に前記フォトダイオードから溢れる光電荷を前記転送トランジスタおよび前記フローティングディフュージョンを通じて蓄積する蓄積容量素子と、
前記フローティングディフュージョンと前記蓄積容量素子のポテンシャルを結合または分割する蓄積トランジスタと
を有し、
前記フローティングディフュージョンが、前記蓄積容量素子とポテンシャルが分割された状態で、前記フォトダイオードの蓄積期間内から所定の期間の比率で設定されたフローティングディフュージョン蓄積期間において、前記フォトダイオードから溢れる光電荷を蓄積する
光センサ。 - 光を受光して光電荷を生成および蓄積するフォトダイオードと、
前記光電荷を転送する転送トランジスタと、
前記転送トランジスタを通じて前記光電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
ポテンシャルの結合および分割が可能となるように前記フローティングディフュージョンに接続して設けられ、前記フォトダイオードの蓄積期間に前記フォトダイオードから溢れる光電荷を前記転送トランジスタおよび前記フローティングディフュージョンを通じて蓄積する蓄積容量素子と、
前記フローティングディフュージョンと前記蓄積容量素子のポテンシャルを結合または分割する蓄積トランジスタと
を有し、
前記フローティングディフュージョンに転送された光電荷から得られた電圧信号と前記フローティングディフュージョンのリセットレベルの電圧信号との差分を取り、前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子に転送された光電荷から得られた電圧信号と前記フローティングディフュージョンのリセットレベルの電圧信号との差分、または、前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子に転送された光電荷から得られた現フレームの電圧信号と前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子の次フレームのリセットレベルの電圧信号との差分を取る、ノイズキャンセル手段をさらに有する
光センサ。 - 光を受光して光電荷を生成および蓄積するフォトダイオードと、前記光電荷を転送する転送トランジスタと、前記転送トランジスタを通じて前記光電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、ポテンシャルの結合および分割が可能となるように前記フローティングディフュージョンに接続して設けられ、前記フォトダイオードの蓄積期間に前記フォトダイオードから溢れる光電荷を前記転送トランジスタおよび前記フローティングディフュージョンを通じて蓄積する蓄積容量素子と、前記フローティングディフュージョンと前記蓄積容量素子のポテンシャルを結合または分割する蓄積トランジスタとを有するセンサ部と、
前記フローティングディフュージョンに転送された光電荷から得られた電圧信号および前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子に転送された光電荷から得られた電圧信号と、それぞれのリセットレベルまたはリセット相当レベルとの差分を、それぞれ算出する前処理部と、
前記差分に応じて各画素毎のゲインを設定するゲインテーブル生成部と、
前記差分および前記ゲインテーブルのデータに応じてビデオデータを合成するビデオデータ合成部と
を有する光センサ。 - 光を受光して光電荷を生成および蓄積するフォトダイオードと、前記光電荷を転送する転送トランジスタおよび蓄積トランジスタと、前記転送トランジスタを介して前記フォトダイオードに接続して設けられたフローティングディフュージョンと、前記フォトダイオードの蓄積期間に前記フォトダイオードから溢れる光電荷を前記転送トランジスタおよび前記蓄積トランジスタを通じて蓄積し、前記蓄積トランジスタにより前記フローティングディフュージョンとのポテンシャルの結合または分割が制御される蓄積容量素子とを有する画素がアレイ状に複数個集積された固体撮像装置の動作方法であって、
電荷蓄積前において、前記転送トランジスタをオフとし、前記蓄積トランジスタをオンとして、前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子内の光電荷を排出する工程と、
前記フローティングディフュージョンと前記蓄積容量素子のリセットレベルの電圧信号を読み出す工程と、
前記フォトダイオードで発生する光電荷のうち飽和前電荷を前記フォトダイオードに蓄積し、前記フォトダイオードの蓄積期間内から所定の期間の比率で設定された蓄積容量素子蓄積期間において、前記フォトダイオードから溢れる過飽和電荷を前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子において蓄積する工程と、
前記蓄積トランジスタをオフとして、前記フローティングディフュージョンと前記蓄積容量素子のポテンシャルを分割し、前記フローティングディフュージョン内の光電荷を排出する工程と、
前記フローティングディフュージョンのリセットレベルの電圧信号を読み出す工程と、
前記転送トランジスタをオンとして前記飽和前電荷を前記フローティングディフュージョンに転送し、前記飽和前電荷を含む電圧信号を読み出す工程と、
前記蓄積トランジスタをオンとして、前記フローティングディフュージョンと前記蓄積容量素子のポテンシャルを結合し、前記飽和前電荷と前記過飽和信号を含む電圧信号を読み出す工程と
を有する固体撮像装置の動作方法。 - 光を受光して光電荷を生成および蓄積するフォトダイオードと、前記光電荷を転送する転送トランジスタおよび蓄積トランジスタと、前記転送トランジスタを介して前記フォトダイオードに接続して設けられたフローティングディフュージョンと、前記フォトダイオードの蓄積期間に前記フォトダイオードから溢れる光電荷を前記転送トランジスタおよび前記蓄積トランジスタを通じて蓄積し、前記蓄積トランジスタにより前記フローティングディフュージョンとのポテンシャルの結合または分割が制御される蓄積容量素子とを有する画素がアレイ状に複数個集積された固体撮像装置の動作方法であって、
電荷蓄積前において、前記転送トランジスタをオフとし、前記蓄積トランジスタをオンとして、前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子内の光電荷を排出する工程と、
前記フローティングディフュージョンと前記蓄積容量素子のリセットレベルの電圧信号を読み出す工程と、
前記フォトダイオードで発生する光電荷のうち飽和前電荷を前記フォトダイオードに蓄積し、前記フォトダイオードから溢れる過飽和電荷を前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子において蓄積する工程と、
前記蓄積トランジスタをオフとして、前記フローティングディフュージョンと前記蓄積容量素子のポテンシャルを分割し、前記フローティングディフュージョン内の光電荷を排出する工程と、
前記フローティングディフュージョンのリセットレベルの電圧信号を読み出す工程と、
前記蓄積容量素子とポテンシャルが分割された状態の前記フローティングディフュージョンにより、前記フォトダイオードの蓄積期間内から所定の期間の比率で設定されたフローティングディフュージョン蓄積期間において、前記フォトダイオードから溢れる超過飽和電荷を蓄積する工程と、
前記超過飽和電荷を含む電圧信号を読み出す工程と、
前記転送トランジスタをオンとして前記飽和前電荷を前記フローティングディフュージョンに転送し、前記飽和前電荷を含む電圧信号を読み出す工程と、
前記蓄積トランジスタをオンとして、前記フローティングディフュージョンと前記蓄積容量素子のポテンシャルを結合し、前記飽和前電荷と前記過飽和信号を含む電圧信号を読み出す工程と
を有する固体撮像装置の動作方法。
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