JP4648777B2 - 光センサ回路およびイメージセンサ - Google Patents

Description

本発明は、光センサ回路およびイメージセンサに関し、特に、高輝度光が入射する時のオーバフロー電荷の影響を排除し、相関二重サンプリングを適切に利用して広いダイナミックレンジを実現するのに好適な光センサ回路、およびこの光センサ回路を画素として利用して構成されるイメージセンサに関する。

従来、光信号を電気信号として検出する光センサ回路の中で、ＭＯＳ型トランジスタを用いてフォトダイオード（光電変換素子）により光電変換で得た光電流信号を対数特性を有する電圧信号に変換するものが知られていた。この光センサ回路は、ダイナミックレンズが広い、少ない消費電力で駆動可能である等の特性を有している。この光センサ回路を１つの画素としてマトリックス状に複数並べることにより、撮像を行うＭＯＳ型イメージセンサが形成される。

ＭＯＳ型イメージセンサでは、個々の光センサ回路（画素）の持つ固有の固定パターンノイズが問題となっていた。固定パターンノイズは、各光センサ回路内の増幅用ＭＯＳ型トランジスタのばらつきが大きな原因になっている。

上記の固定パターンノイズを除去するため、例えば相関二重サンプリング処理が利用される。この相関二重サンプリング処理は、各光センサ回路から出力される映像信号をサンプリングして得たデータと、基準信号をサンプリングして得たデータとを減算処理することによりノイズを除去する手法である。このノイズ除去手法は、ＭＯＳ型イメージセンサを含め、ＣＣＤ型イメージセンサでも広く利用されている。

またＭＯＳ型イメージセンサの場合には、上記の相関二重サンプリング処理を行うために、暗出力用トランジスタを備える技術が提案されている（例えば、特許文献１の図６と図７等）。この特許文献１に示される光センサ回路では、図６に示すごとく、入射光Ｌ１を受けてフォトダイオードＰＤから出力される電流信号を、対数特性を有するように電圧変換する変換用ＭＯＳ型トランジスタＱ１と、フォトダイオードＰＤをＭＯＳ型トランジスタＱ１から切り離し、電流信号を遮断する暗時の信号を得る暗出力用または電流遮断用のＭＯＳ型トランジスタＱ４とを設け、これにより基準となる暗出力と光電流信号の映像出力とを得るようにしている。すなわち、ＭＯＳ型トランジスタＱ４をオフにし光電流信号を遮断することにより暗時の出力が得られ、ＭＯＳ型トランジスタＱ４をオンにすることにより光信号Ｌ１がフォトダイオードＰＤに入射したときの出力を得ることができる。なお図６において、Ｑ２は増幅用のＭＯＳ型トランジスタであり、Ｑ３は画素選択用のＭＯＳ型トランジスタである。
特開２００３−２５９２３４号公報

特許文献１に開示されたＣＭＯＳイメージセンサによれば、フォトダイオードＰＤに入射する光信号の光量が多い場合、すなわち高輝度光の場合には暗出力用ＭＯＳ型トランジスタＱ４のゲート下に電荷が多く存在することになる。このため、フォトダイオードに入射する光量が多いと、暗出力用ＭＯＳ型トランジスタＱ４をオフにした際、ゲート下の電荷がドレイン側へ流れ、溢れた電荷が付加されて暗出力が適切に得られない。つまり、高輝度撮影時には暗出力を得ることができないという問題があった。換言すれば、ＭＯＳ型イメージセンサでは、高輝度光の入射時には、相関二重サンプリング処理機能が働かず、固定パターンノイズを除去することができないという問題があった。これは、ＭＯＳ型トランジスタのダイナミックレンジを狭くするものであった。

また対数変換用ＭＯＳ型トランジスタと暗出力用ＭＯＳ型トランジスタは、その間にアルミニウム等の遮光壁を設けて外部からの遮光を行っているが、製造技術上、十分な遮光構造を設けることが難しい、そのため、入射光に依存してＭＯＳ型トランジスタのＰＮ接合部が発電し、入射光に反応してしまうという問題があった。さらにアルミニウム遮光の場合には、近赤外光の領域で透過状態が発生してしまうため、完全な遮光にならず、その結果、暗出力が変動するという問題も提起される。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、高輝度撮影時における暗出力用ＭＯＳ型トランジスタのオフ時のゲート下の電荷溢れ（オーバフロー）が暗出力に影響を与えないようにし、相関二重サンプリングによる画素の固定パターンノイズの除去技術の利用を適切に行い、広いダイナミックレンジを実現できると共に、入射光に依存して発電状態が生じたとしても発電電流がセンサ出力に影響を与えるのを防止することができる光センサ回路およびイメージセンサを提供することにある。

本発明に係る光センサ回路およびイメージセンサは、上記目的を達成するために、次のように構成される。

第１の光センサ回路（請求項１に対応）は、光信号を電流信号に変換する光電変換素子と、光電変換素子から出力される電流信号を弱反転状態で対数特性を有する電圧信号に変換する変換用ＭＯＳ型トランジスタと、変換用ＭＯＳ型トランジスタから出力される電圧信号を増幅する増幅用ＭＯＳ型トランジスタと、増幅用ＭＯＳ型トランジスタから出力される電圧信号を選択的に出力させるための出力選択用ＭＯＳ型トランジスタと、光電変換素子に流れる電流信号を遮断する遮断用ＭＯＳ型トランジスタと、遮断用ＭＯＳ型トランジスタがオフ動作時に光電変換素子のオーバフロー電荷を流すための側路用ＭＯＳ型トランジスタと、から成り、側路用ＭＯＳ型トランジスタのドレインは変換用ＭＯＳ型トランジスタのドレインに接続され、側路用ＭＯＳ型トランジスタのソースは遮断用ＭＯＳ型トランジスタのソースに接続され、側路用ＭＯＳ型トランジスタのゲート電圧を変換用ＭＯＳ型トランジスタのゲート電圧と同電位に設定することで、前記変換用ＭＯＳ型トランジスタもしくは増幅用ＭＯＳ型トランジスタ、又は、変換用ＭＯＳ型トランジスタ及び増幅用ＭＯＳ型トランジスタのドレインに電流が流れる状態とする。

上記の光センサ回路では、遮断用ＭＯＳ型トランジスタがオフ状態になった時、フォトダイオードのオーバフロー電荷は側路用ＭＯＳ型トランジスタを経由してドレイン側に供給され、暗時のセンサ信号に影響を与えるのを抑制することが可能となる。このため、フォトダイオードに高輝度の光信号が入射される場合でも、暗信号の出力を適切に得ることができる。

本発明に係るイメージセンサ（請求項２に対応）は、前述の第１の光センサ回路を１画素として複数の配列して撮像領域が形成されるイメージセンサであって、さらに、光センサ回路の遮断用ＭＯＳ型トランジスタがオフして電流信号を遮断した時に出力選択用ＭＯＳ型トランジスタから出力される電流信号を画素ごとに保持する記憶手段と、光信号の光強度を判定する判定手段と、判定手段が光信号の光強度が所定値よりも大きいと判定したとき（高輝度光の場合）、遮断用ＭＯＳ型トランジスタがオンする時の出力選択用ＭＯＳ型トランジスタから出力される電流信号から、記憶手段に保持された電流信号を差し引き、固定パターンノイズを除去する演算処理手段とを備えるように構成される。

このイメージセンサでは、側路用ＭＯＳ型トランジスタを備えた光センサ回路を画素として多数配列して形成された撮像領域を利用し、高輝度光の場合にも暗信号を得ることができ、補正可能時の暗信号に係るデータをメモリに予め用意しておき、高輝度光が入射された場合には、当該暗信号に係るデータを利用してセンサ信号から固定パターンノイズを除去するようにしている。

本発明によれば、次の効果を奏する。側路用ＭＯＳ型トランジスタを設け、遮断用ＭＯＳ型トランジスタがオフした時に、高輝度光の受光時にフォトダイオードや遮断用ＭＯＳ型トランジスタのゲート下から溢れるオーバフロー電荷を側路用ＭＯＳ型トランジスタに流して暗出力信号に影響を与えないようしたため、適切な暗出力信号を得ることができる。さらに、低光強度の光信号に対しては相関二重サンプリング処理により画素の固定パターンノイズを除去し、高光強度の光信号に対してはメモリに用意された暗信号に係るデータをセンサ信号から差し引いて固定パターンノイズを除去するようにしたため、低光強度から高光強度まで画素の固定パターンノイズを除去することができ、広いダイナミックレンジを有する光センサ回路およびイメージセンサを実現できる。また、入射光に依存して発電状態が生じたとしても側路用ＭＯＳ型トランジスタを経由して流すことができ、当該発電電流がセンサ出力に影響を与えるのを防止することができる。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

図１に本発明に係る光センサ回路の代表的実施形態を示す。 図１において、前述した「背景技術」の欄の図６で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付している。図１において、光センサ回路１０は、光信号Ｌ１が入射されるフォトダイオードＰＤを有する。第１のＭＯＳ型トランジスタＱ１は、入射光Ｌ１を受けてフォトダイオードＰＤが光電流を出力するとき、この光電流に係る信号を、対数特性を有するように電圧変換する変換用ＭＯＳ型トランジスタである。ＭＯＳ型トランジスタＱ１のドレインにはドレイン電圧Ｖｄａが供給され、そのゲートにはゲート電圧Ｖｐｃが供給される。ＭＯＳ型トランジスタＱ１のソースは、後述するＭＯＳ型トランジスタＱ４を介してフォトダイオードＰＤのカソード側に接続されている。

またＭＯＳ型トランジスタＱ１のソースは、第２のＭＯＳ型トランジスタＱ２のゲートに接続される。ＭＯＳ型トランジスタＱ２は、光電流信号を増幅するための増幅用ＭＯＳ型トランジスタである。ＭＯＳ型トランジスタＱ２のドレイン側には、第３の画素選択用ＭＯＳ型トランジスタＱ３が設けられる。ＭＯＳ型トランジスタＱ３のソースはＭＯＳ型トランジスタＱ２のドレインに接続されている。ＭＯＳ型トランジスタＱ３のゲートにはオン・オフ駆動用のゲート電圧Ｖｓｐが供給されており、そのドレインからセンサ出力信号Ｉoutが出力される。ＭＯＳ型トランジスタＱ２のソースはアース端子に接続される。

ＭＯＳ型トランジスタＱ１とフォトダイオードＰＤの間には第４のＭＯＳ型トランジスタＱ４が接続される。ＭＯＳ型トランジスタＱ４のドレインはＭＯＳ型トランジスタＱ１のソースに接続され、そのソースはフォトダイオードＰＤのカソードに接続される。ＭＯＳ型トランジスタＱ４のゲートにはオン・オフ駆動用のゲート電圧Ｖｓｗが供給されている。このＭＯＳ型トランジスタＱ４は、受光したときの通常の光センサ出力を取り出すときには、オン状態にされる。またＭＯＳ型トランジスタＱ４がオフ動作するときには、フォトダイオードＰＤとＭＯＳ型トランジスタＱ１とを切り離し、光電流信号を遮断し、暗時の信号を取り出すことができる。ＭＯＳ型トランジスタＱ４は、暗出力用または電流遮断用のＭＯＳ型トランジスタである。ＭＯＳ型トランジスタＱ４により、基準となる暗出力と光電流信号の映像出力とを得るようにしている。以上のごとく、ＭＯＳ型トランジスタＱ４をオフにし光電流信号を遮断することにより暗時の出力が得られ、ＭＯＳ型トランジスタＱ４をオンにすることにより光信号Ｌ１がフォトダイオードＰＤに入射したときの出力を得ることができる。

上記の回路構成において、さらに、第５のＭＯＳ型トランジスタＱ５が付設される。このＭＯＳ型トランジスタＱ５は、そのドレインがＭＯＳ型トランジスタＱ１のドレインに接続され、そのソースはＭＯＳ型トランジスタＱ４のソースに接続される。ＭＯＳ型トランジスタＱ５のゲートには所定電圧値のゲート電圧Ｖｐｃ２が供給される。ＭＯＳ型トランジスタＱ５は、ＭＯＳ型トランジスタＱ４がオフの時、オン状態にされ、光信号Ｌ１の光強度が高い時にＭＯＳ型トランジスタＱ４のゲート下に存在するオーバフロー電荷をドレイン側に流すための側路用ＭＯＳ型トランジスタである。ＭＯＳ型トランジスタＱ５のゲート電圧Ｖｐｃ２は、ＭＯＳ型トランジスタＱ１のゲート電圧Ｖｐｃよりも低く設定されている。ＭＯＳ型トランジスタＱ５のゲート電圧をこのように設定することにより、ＭＯＳ型トランジスタＱ４がオフしたとき、フォトダイオードＰＤのオーバフロー電荷はＭＯＳ型トランジスタＱ５のドレインに放出される。

図２と図３を参照して上記光センサ回路１０の第１の動作例（参考例）を説明する。図２と図３は共に、横軸方向に示される光センサ回路１０の各部、すなわちＭＯＳ型トランジスタＱ１，Ｑ４，Ｑ５とフォトダイオードＰＤにおける電荷蓄積状態等を示している。縦軸は電位を示しており、下方に向かうほど電位が高くなる。ＭＯＳ型トランジスタＱ１，Ｑ４，Ｑ５のオン・オフ動作等の動作状態（ゲートの電位状態）はそれぞれのゲート電圧Ｖｐｃ，Ｖｓｗ，Ｖｐｃ２によって決定されている。なお、図に示された２１，２２，２３はそれぞれＭＯＳ型トランジスタＱ１，Ｑ４，Ｑ５のゲート電極を示している。また灰色領域２４は電荷の蓄積状態または移動を示している。

図２はＭＯＳ型トランジスタＱ４がオンされた状態（センサ信号の出力状態）を示し、図３はＭＯＳ型トランジスタＱ４がオフされた状態（遮光時または暗時の出力取出し状態）を示している。

図２に示されるごとく、光信号Ｌ１に応じてフォトダイオードＰＤに光電流が流れ電荷を蓄積する時には、ＭＯＳ型トランジスタＱ４はオン状態にあるので、光電流はＭＯＳ型トランジスタＱ１によって排出される。図２でＭＯＳ型トランジスタＱ１の左側への電荷の移動はＭＯＳ型トランジスタＱ１のドレイン側への光電流の流れを示している。このことは、ＭＯＳ型トランジスタＱ１は、弱反転状態（サブスレッショルド範囲）で動作するため、光電流は対数的な電圧に変換されることを意味している。またＭＯＳ型トランジスタＱ５のゲート電圧Ｖｐｃ２はフォトダイオードＰＤで発生した電荷（光電流）が通過しないように設定されている。

次に、図３に示されるごとく、ＭＯＳ型トランジスタＱ４をオフすると、フォトダイオードＰＤで発生する電荷は、ＭＯＳ型トランジスタＱ５を介してドレイン側に流れる。

上記の動作状態を実現するため、図３に示されたＭＯＳ型トランジスタＱ１，Ｑ４，Ｑ５のゲート電圧Ｖｐｃ，Ｖｓｗ，Ｖｐｃ２の間ではＶｐｃ＞Ｖｐｃ２＞Ｖｓｗという電位の大小関係が形成される。

上記のような動作状態が生じるように光センサ回路１０を構成することにより、ＭＯＳ型トランジスタＱ４をオフしている期間においてフォトダイオードＰＤでの電荷の溢れが生じたときにはＭＯＳ型トランジスタＱ５を経由してドレイン側に流し、オーバフロー電荷によるセンサ出力への影響を排除することができる。

次に、上記光センサ回路１０の第２の動作例（実施例）を説明する。この動作例の場合には、遮光出力（暗出力）測定時にはＭＯＳ型トランジスタＱ５をオンし、ＭＯＳ型トランジスタＱ４をオフする。また蓄積信号（センサ信号）測定時にはＭＯＳ型トランジスタＱ５をオフし、ＭＯＳ型トランジスタＱ４をオンする。この第２の動作例の場合には、上記ゲート電圧Ｖｐｃ２は、所定の一定電圧ではなく、オン・オフ駆動用のハイレベルおよびローレベルのゲート電圧となる。

上記のように光センサ回路１０を動作させると、ＭＯＳ型トランジスタＱ４がオフになった時にはＭＯＳ型トランジスタＱ５がオンとなるので、ＭＯＳ型トランジスタＱ５を経由してフォトダイオードＰＤのオーバフロー電荷をそのドレイン側に放出する。これにより、上記の第１の動作例と同様な作用・効果を発揮させることができる。

さらに上記の第２の動作例では、上記光センサ回路１０においてＭＯＳ型トランジスタＱ５のゲート電圧Ｖｐｃ２を、ＭＯＳ型トランジスタＱ１のゲート電圧Ｖｐｃと同じ電圧値として設定することもできる。このようにすると、フォトダイオードＰＤにおける電圧状態が安定し変動しなくなるので、遮光時（暗時）の出力を検出している間も電荷蓄積時間を延ばすことができる。この状態を図４のグラフ２５で示す。この期間を電荷蓄積に利用すれば、画素としてのセンサ感度を高めることができる。

次に図５〜図７を参照して本発明に係るイメージセンサ（撮像装置）の実施形態を説明する。このイメージセンサ３０は、前述した光センサ回路１０を１画素として利用して撮像領域を形成することにより構成される。図５の撮像素子３１は、マトリックス配列構造を有する撮像領域に配置される１つの画素を示す。撮像素子３１は、電気回路として、上記光センサ回路１０の構造を有している。イメージセンサ３０は、例えばその２次元的な撮像領域にマトリックス状に配列された多数の撮像素子３１を有しているが、図５では説明の便宜上１つの撮像素子３１のみを示している。他の撮像素子についても同様な回路構造が適用されている。

上記イメージセンサ３０はＭＯＳ型イメージセンサであり、原則的に、固定パターンノイズは相関二重サンプリング処理に基づく暗出力補正により除去される。相関二重サンプリング処理に基づく暗出力補正が行われるのは、光信号の光強度が所定値よりも小さい、相対的に低輝度光の場合である。所定値はイメージセンサに応じて任意に定められる。この実施形態の場合には、光信号の光強度が所定値よりも大きい場合、すなわち高輝度光が入射される場合には、相関二重サンプリング処理による補正は行わず、後述のメモリ３５に用意される「高輝度光でない時の暗信号」を利用して固定パターンノイズを除去するようにしている。

撮像素子３１から出力されるセンサ信号は、Ａ−Ｄ変換器（ＡＤＣ）３２でディジタル値に変換される。Ａ−Ｄ変換器３２から出力されるセンサ信号に係るディジタル信号は、オフセット除去部３３と判定部３４に供給される。判定部３４は、供給されたセンサ信号のディジタル値に基づいて、検出で得た入射光（Ｌ１）の光強度を判定し、さらに高輝度光の影響の有無を判定する。

メモリ３５には、撮像素子（光センサ回路）３１の上記遮断用ＭＯＳ型トランジスタＱ４がオフして光電流信号を遮断した時に、出力選択用ＭＯＳ型トランジスタＱ３から出力されるセンサ信号（暗信号）に係るディジタル値（センサデータ）を撮像素子（画素）ごとに保持している。メモリ３５に記憶されるデータは、判定部３４が高輝度光の影響が生じていない信号と判定したときに、判定部３４によって更新される。

上記のオフセット除去部３３は、判定部３４が、光信号（Ｌ１）の光強度が所定値よりも大きい高輝度光と判定したとき、ＭＯＳ型トランジスタＱ４がオンする時のＭＯＳ型トランジスタＱ３から出力されるセンサ信号に係るデータから、メモリ３５に保持されたセンサ信号（暗信号）に対応するデータを差し引き、もって固定パターンノイズを除去する演算処理手段である。

上記イメージセンサ３０における固定パターンノイズの除去は、光電変換素子（ＰＤ）に入射される光信号（Ｌ１）の光強度（光量）が所定値よりも小さく、相関二重サンプリング処理に基づく補正が可能な範囲の場合には暗信号に係るデータを利用して当該補正が行われる。光信号（Ｌ１）の光強度（光量）が所定値よりも大きいときには、上記補正ができないので、補正ができたときの暗信号に係るデータを用いて減算処理を行い、固定パターンノイズを除去する。

上記のように構成することにより、フォトダイオードに高輝度光が入射した場合でも、固定パターンノイズを除去することができる。

なお、上記の実施形態の説明ではＭＯＳ型トランジスタをｎチャネル型として説明したが、その代わりにｐチャネル型のＭＯＳ型トランジスタを用いることができるのは勿論である。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明は、撮像装置であるＭＯＳ型イメージセンサの１次元または２次元のイメージセンサを形成する光センサ回路（または画素）として利用される。

本発明に係る光センサ回路の代表的実施形態の電気回路図である。 光センサ回路の第１の動作例（参考例）を示し、ＭＯＳ型トランジスタＱ４がオンされた状態（センサ信号の出力状態）を示すモデル図である。 光センサ回路の第１の動作例（参考例）を示し、ＭＯＳ型トランジスタＱ４がオフされた状態（遮光時または暗時の出力取出し状態）を示すモデル図である。 暗時の出力変化を示すグラフである。 本発明に係るイメージセンサの実施形態を示すブロック図である。 従来の光センサ回路の電気回路図である。

符号の説明

１０ 光センサ回路
２１，２２，２３ ゲート電極
３０ イメージセンサ
３１ 撮像素子
３２ Ａ−Ｄ変換器
３３ オフセット除去部
３４ 判定部
３５ メモリ

Claims (2)

1. 光信号を電流信号に変換する光電変換素子と、
   前記光電変換素子から出力される前記電流信号を弱反転状態で対数特性を有する電圧信号に変換する変換用ＭＯＳ型トランジスタと、
   前記変換用ＭＯＳ型トランジスタから出力される前記電圧信号を増幅する増幅用ＭＯＳ型トランジスタと、
   前記増幅用ＭＯＳ型トランジスタから出力される電圧信号を選択的に出力させるための出力選択用ＭＯＳ型トランジスタと、
   前記光電変換素子に流れる前記電流信号を遮断する遮断用ＭＯＳ型トランジスタと、
   前記遮断用ＭＯＳ型トランジスタがオフ動作時に前記光電変換素子のオーバフロー電荷を流すための側路用ＭＯＳ型トランジスタと、から成り、
   前記側路用ＭＯＳ型トランジスタのドレインは前記変換用ＭＯＳ型トランジスタのドレインに接続され、前記側路用ＭＯＳ型トランジスタのソースは前記遮断用ＭＯＳ型トランジスタのソースに接続され、前記側路用ＭＯＳ型トランジスタのゲート電圧を前記変換用ＭＯＳ型トランジスタのゲート電圧と同電位に設定することで、前記変換用ＭＯＳ型トランジスタもしくは前記増幅用ＭＯＳ型トランジスタ、又は、前記変換用ＭＯＳ型トランジスタ及び前記増幅用ＭＯＳ型トランジスタのドレインに電流が流れる状態とする、ことを特徴とする光センサ回路。
2. 請求項１に記載された光センサ回路を１画素として複数の配列して撮像領域が形成されるイメージセンサであって、さらに、
   前記光センサ回路の前記遮断用ＭＯＳ型トランジスタがオフして前記電流信号を遮断した時に前記出力選択用ＭＯＳ型トランジスタから出力される電流信号を画素ごとに保持する記憶手段と、
   前記光信号の光強度を判定する判定手段と、
   前記判定手段が前記光信号の光強度が所定値よりも大きいと判定したとき、前記遮断用ＭＯＳ型トランジスタがオンする時の前記出力選択用ＭＯＳ型トランジスタから出力される電流信号から、前記記憶手段に保持された前記電流信号を差し引き、固定パターンノイズを除去する演算処理手段と、
   を備えることを特徴とするイメージセンサ。

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