JP2011015219A - 固体撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】CMOSイメージセンサにおいて、単位画素1(m,n) は、入射光を光電変換し蓄積する第1のフォトダイオードPD1 およびそれよりも光感度が小さい第2のフォトダイオードPD2 と、第1、第2のフォトダイオードの信号電荷を読み出す第1、第2の読出しトランジスタREAD1 、READ2 と、第1、第2の読出しトランジスタに接続され、信号電荷を蓄積するフローティングディフュージョンFDとを有し、第1、第2のフォトダイオードの信号電荷を読み出して加算した電位を増幅して信号を出力する高感度モードと、第2のフォトダイオードの信号電荷を読み出した電位を増幅して信号を出力する低感度モードとを備える。
【選択図】図1
Description
図1は、本発明の固体撮像装置の第1の実施形態に係るCMOSイメージセンサを概略的に示すブロック図である。このCMOSイメージセンサにおいて、撮像領域10はm行n列に配置された複数の単位画素(ユニットセル)1(m,n) を含む。ここでは、各単位画素のうち、m行目n列目の1つの単位画素1(m,n) 、および、撮像領域の各カラムに対応して列方向に形成された垂直信号線のうちの1本の垂直信号線11(n) を代表的に示す。
従来画素の光感度:SENS
従来画素の飽和レベル:VSAT
高感度画素の光感度:SENS1
高感度画素の飽和レベル:VSAT1
低感度画素の光感度:SENS2
低感度画素の飽和レベル:VSAT2
で表すと、
SENS=SENS1+SENS2
VSAT=VSAT1+VSAT2 …(1)
高感度画素が飽和して低感度モードに切り替わると、得られる信号電荷量が減少してS/N が低下する。高感度画素が飽和する光量は、VSAT1/SENS1 で表される。この光量での低感度画素の信号出力は、VSAT1 ×SENS2/SENS1 となる。従って、この光量での信号出力の低下率は、
(VSAT1×SENS2/SENS1)/(VSAT1×SENS/SENS1) =SENS2/SENS …(2)
となる。高感度/低感度モード切替時の信号低下は避けたいので、SENS2/SENSは、10%から50%の間に設定するのが妥当と考えられる。本実施形態では、SENS2/SENS=1/4=25%に設定している。
(VSAT2/VSAT)×(SENS/SENS2) …(3)
となる。この式(3)より明らかなように、VSAT2/VSATは可能な限り大きくしたほうが良い。これは、高感度画素と低感度画素の飽和レベルは、同程度か、もしくは低感度画素の方を大きくした方が良いということを意味している。数式で表すと、
VSAT1/SENS1 < VSAT2/SENS2 …(4)
を満たすと、ダイナミックレンジを拡大することができる。
図6は、第1の実施形態の変形例に係るCMOSイメージセンサの撮像領域における素子形成領域およびゲートのレイアウトイメージの一部を信号線とともに概略的に示す図である。図6中、信号線は、m行目の信号線ADRES(m)、RESET(m)、READ1(m)、READ2(m)および、(m+1) 行目の信号線ADRES(m+1)、RESET(m+1)、READ1(m+1)、READ2(m+1)、n列目の2本の垂直信号線VSIG1(n)、VSIG2(n)、(n+1) 列目の2本の垂直信号線VSIG1(n+1)、VSIG2(n+1)を示している。なお、色フィルタおよびマイクロレンズのレイアウトは、図2(b)に示した第1の実施形態におけるレイアウトと同じである。
図7は、本発明の固体撮像装置の第2の実施形態に係るCMOSイメージセンサの撮像領域における単位画素の1つ分を取り出して、素子形成領域およびゲート、色フィルタ・マイクロレンズのレイアウトイメージを概略的に示す図である。
図8は、本発明の固体撮像装置の第3の実施形態に係るCMOSイメージセンサを概略的に示すブロック図である。このCMOSイメージセンサにおいて、撮像領域10に行列状に配置されている単位画素中に高感度画素と低感度画素が一つずつ配置されている点、色フィルタがRGB ベイヤー配列で配置されている点、垂直シフトレジスタ12、電流源13、CDS&ADC 14、水平シフトレジスタ15、信号レベル判定回路16、タイミング発生回路17等が設けられている点は第1の実施形態と同様である。しかし、各単位画素の回路構成、読出し方法が第1の実施形態とは異なる。
Claims (5)
- 入射光を光電変換して蓄積する第1のフォトダイオードと、
前記第1のフォトダイオードに接続され、信号電荷を読み出す第1の読出しトランジスタと、
前記第1のフォトダイオードよりも光感度が小さく、入射光を光電変換して蓄積する第2のフォトダイオードと、
前記第2のフォトダイオードに接続され、信号電荷を読み出す第2の読出しトランジスタと、
前記第1の読出しトランジスタおよび前記第2の読出しトランジスタに接続され信号電荷を蓄積す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の電位をリセットする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の電位を増幅する増幅トランジスタと
を有する単位画素のアレイ領域を具備し、
前記第1のフォトダイオードの信号電荷と前記第2のフォトダイオードの信号電荷とを前記フローティングディフュージョンで加算した電位を増幅して信号を出力する第1の動作モードと、
前記第2のフォトダイオードの信号電荷が前記第2の読出しトランジスタにより読み出された前記フローティングディフュージョンの電位を増幅して信号を出力する第2の動作モードと
を備えたことを特徴とする固体撮像装置。 - 入射光を光電変換して蓄積する第1のフォトダイオードと、
前記第1のフォトダイオードに接続され、信号電荷を読み出す第1の読出しトランジスタと、
前記第1のフォトダイオードよりも光感度が小さく、入射光を光電変換して蓄積するための第2のフォトダイオードと、
前記第2のフォトダイオードに接続され、信号電荷を読み出す第2の読出しトランジスタと、
前記第1の読出しトランジスタおよび前記第2の読出しトランジスタに接続され、信号電荷を蓄積す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の電位をリセットする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の電位を増幅する増幅トランジスタと
を有する単位画素のアレイ領域を具備し、
前記第1のフォトダイオードの信号電荷と前記第2のフォトダイオードの信号電荷とを、別々に読み出して信号を出力する第1の動作モードと、
前記第2のフォトダイオードの信号電荷を読み出して信号を出力する第2の動作モードと
を備えたことを特徴とする固体撮像装置。 - 前記第1のフォトダイオードの光感度をSENS1 、飽和レベルをVSAT1 、前記第2のフォトダイオードの光感度をSENS2 、飽和レベルをVSAT2 で表すと、
VSAT1/SENS1 < VSAT2/SENS2
の関係式を満たすことを特徴とする請求項1または2に記載の固体撮像装置。 - 前記第1のフォトダイオードに光を集光する第1のマイクロレンズと、
前記第2のフォトダイオードに光を集光する第2のマイクロレンズとをさらに具備し、
前記第1のマイクロレンズの面積は前記第2のマイクロレンズの面積よりも大きく、
前記第1のマイクロレンズと前記第2のマイクロレンズは互いに市松模様状に配置されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の固体撮像装置。 - 前記第1のフォトダイオードに光を集光するための第1のマイクロレンズと、
前記第2のフォトダイオードに光を集光するための第2のマイクロレンズとをさらに具備し、
前記第1のマイクロレンズは複数のマイクロレンズから構成され、当該複数のマイクロレンズの面積の和は前記第2のマイクロレンズの面積よりも大きい
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
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