(57)【要約】  画像センサが、受け取った入射光に対応する電荷を蓄積する感光領域、感光領域から電荷を転送するための転送ゲート、時間に対して増加する電圧を有する電圧源、感光領域から電荷を受け取り、電荷を電圧に変換するためのフローティングディフュージョン、フローティングディフュージョンから信号を受け取り、増幅するための増幅器、増幅器からの電圧を基準電圧と比較するためのコンパレータ、および増加する電圧の開始から、感光領域からフローティングディフュージョンへの電荷の転送の開始を示す信号がコンパレータから受け取られるまでの間のクロック・サイクルをカウントするためのカウンタを包含し、感光領域の埋まっていない容量を表すディジタル信号が生成される。
2009527192.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）受け取った入射光に対応する電荷を蓄積する感光領域、
（ｂ）前記感光領域からの前記電荷のすべてまたは部分を転送するための転送ゲート、
（ｃ）前記転送ゲートに印加される、時間に対して傾斜が付けられた電圧を有する電圧源、
（ｄ）前記感光領域からの前記電荷のすべてまたは部分を受け取り、かつ前記電荷を電圧に変換するためのフローティングディフュージョン、
（ｅ）前記フローティングディフュージョンから信号を受け取り、増幅するための増幅器、
（ｆ）前記増幅器からの電圧を基準電圧と比較するためのコンパレータ、および
（ｇ）前記増加する電圧の開始から、前記感光領域から前記フローティングディフュージョンへの電荷の転送の開始を示す信号が前記コンパレータから受け取られるまでの間のクロック・サイクルをカウントするためのカウンタ、
を包含する画像センサ。
【請求項２】
前記傾斜が付けられた電圧は、時間に対して増加する電圧である、請求項１に記載の画像センサ。
【請求項３】
さらに、前記基準電圧を生成するためのリセット・トランジスタを包含する、請求項１に記載の画像センサ。
【請求項４】
さらに、前記基準電圧を保持するための、前記コンパレータと電気的に接続されたキャパシタを包含する、請求項１に記載の画像センサ。
【請求項５】
前記感光領域はフォトダイオードである、請求項１に記載の画像センサ。
【請求項６】
さらに、読み出しをイネーブルするための、前記増幅器と電気的に接続された行選択トランジスタを包含する、請求項１に記載の画像センサ。
【請求項７】
（ａ）受け取った入射光に対応する電荷を蓄積する感光領域、
（ｂ）前記感光領域からの前記電荷のすべてまたは部分を転送するための転送ゲート、
（ｃ）前記転送ゲートに印加される、時間に対して傾斜が付けられた電圧を有する電圧源、
（ｄ）前記感光領域からの前記電荷のすべてまたは部分を受け取り、かつ前記電荷を電圧に変換するためのフローティングディフュージョン、
（ｅ）前記フローティングディフュージョンから信号を受け取り、増幅するための増幅器、
（ｆ）前記増幅器からの電圧を基準電圧と比較するためのコンパレータ、および
（ｇ）前記増加する電圧の開始から、前記感光領域から前記フローティングディフュージョンへの電荷の転送の開始を示す信号が前記コンパレータから受け取られるまでの間のクロック・サイクルをカウントするためのカウンタ、
を包含する撮像デバイス。
【請求項８】
前記傾斜が付けられた電圧は、時間に対して増加する電圧である、請求項７に記載の撮像デバイス。
【請求項９】
さらに、前記基準電圧を生成するためのリセット・トランジスタを包含する、請求項７に記載の撮像デバイス。
【請求項１０】
さらに、前記基準電圧を保持するための、前記コンパレータと電気的に接続されたキャパシタを包含する、請求項７に記載の撮像デバイス。
【請求項１１】
前記感光領域はフォトダイオードである、請求項７に記載の撮像デバイス。
【請求項１２】
さらに、読み出しをイネーブルするための、前記増幅器と電気的に接続された行選択トランジスタを包含する、請求項７に記載の撮像デバイス。
【請求項１３】
（ａ）受け取った入射光に対応する電荷がたまるキャパシタを有する感光領域、
（ｂ）前記感光領域からの前記電荷のすべてまたは部分を転送するための転送ゲート、
（ｃ）前記転送ゲートに印加される、時間に対して傾斜が付けられた電圧を有する電圧源、
（ｄ）前記感光領域からの前記電荷のすべてまたは部分を受け取り、かつ前記電荷を電圧に変換するための電荷収集部分、および
（ｅ）前記感光領域から前記電荷収集部分への電荷の転送の開始を示す回路、
を包含する画像センサ。
【請求項１４】
前記傾斜が付けられた電圧は、時間に対して増加する電圧である、請求項１３に記載の画像センサ。
【請求項１５】
前記電荷収集部分はフローティングディフュージョンである、請求項１３に記載の画像センサ。
【請求項１６】
前記感光領域はフォトダイオードである、請求項１３に記載の画像センサ。
【請求項１７】
前記電荷収集部分はフローティングディフュージョンである、請求項１６に記載の画像センサ。
【請求項１８】
（ａ）受け取った入射光に対応する電荷がたまるキャパシタを有する感光領域、
（ｂ）前記感光領域からの前記電荷のすべてまたは部分を転送するための転送ゲート、
（ｃ）前記転送ゲートに印加される、時間に対して傾斜が付けられた電圧を有する電圧源、
（ｄ）前記感光領域からの前記電荷のすべてまたは部分を受け取り、かつ前記電荷を電圧に変換するための電荷収集部分、および
（ｅ）前記感光領域から前記電荷収集部分への電荷の転送の開始を示す回路、
を包含する撮像デバイス。
【請求項１９】
前記傾斜が付けられた電圧は、時間に対して増加する電圧である、請求項１８に記載の撮像デバイス。
【請求項２０】
前記電荷収集部分はフローティングディフュージョンである、請求項１８に記載の撮像デバイス。
【請求項２１】
前記感光領域はフォトダイオードである、請求項１８に記載の撮像デバイス。
【請求項２２】
前記電荷収集部分はフローティングディフュージョンである、請求項２１に記載の撮像デバイス。
【請求項２３】
画像センサを動作させる方法であって、
（ａ）キャパシタを有する感光領域によって受け取られた入射光に対応する電荷を蓄積するステップ、
（ｂ）転送ゲートによって前記感光領域からの前記電荷のすべてまたは部分を転送するステップ、
（ｃ）時間に対して傾斜が付けられた電圧を前記転送ゲートに印加するステップ、
（ｄ）電荷収集部分によって前記感光領域からの前記電荷のすべてまたは部分を受け取り、かつ前記電荷を電圧に変換するステップ、および
（ｅ）前記感光領域から前記電荷収集部分への電荷の転送の開始を示すステップ、
を包含する方法。
【請求項２４】
さらに、前記傾斜が付けられた電圧として時間に対して増加する電圧を提供するステップを包含する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
さらに、前記電荷収集部分をフローティングディフュージョンとして提供するステップを包含する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
さらに、前記感光領域をフォトダイオードとして提供するステップを包含する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
さらに、前記電荷収集部分をフローティングディフュージョンとして提供するステップを包含する、請求項２６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して画像センサの分野に関し、より詳細には、画像信号がピクセル・アレイからの出力の直後にディジタル信号に変換されるＣＭＯＳ画像センサ等に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在周知のＣＭＯＳ画像センサは、すべて、同一または実質的に同一の構造を有する。それらは、通常、光学信号を電荷に変換するピクセル・アレイのフォトダイオードまたはフォトゲート等の感光デバイス、電荷を電圧に変換するためのフローティングディフュージョンキャパシタ、および大出力バス・キャパシタンスからフローティングディフュージョンキャパシタンスをバッファし、かつピクセル・アレイの外に電気信号を送出するピクセル増幅器を含む。ピクセル出力信号は、サンプル／ホールド回路アレイによって蓄えられ、それにアナログ信号処理チェーンおよびアナログ・ディジタル・コンバータが続く。
【０００３】
この現在のＣＭＯＳ画像センサについての欠点は、高いノイズ、低い速度、および高い電力である。これらの問題は、より初期の段階にアナログ・ディジタル変換を移動し、その後ディジタル・ドメインにおいて信号を処理することによって取り組むことが可能である。より初期の段階のディジタル・ドメイン内における処理のためのその種の１つの従来技術が、ＩＥＥＥジャーナル・オブ・ソリッド‐ステート・サーキッツ（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｓｏｌｉｄ‐Ｓｔａｔｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ）第３６巻、第１２号、２００１年１２月（２０４９ページ）に開示されている。この従来技術は、ピクセルとは独立にキャパシタに印加される傾斜付き電圧を含む。この独立性は、出力においてピクセルからピクセルへの非一様性を招くおそれがある。
【０００４】
したがって、より後の段階にアナログ・ディジタル変換回路を有する画像センサの高いノイズ、低い速度、および高い電力、およびより初期の段階にアナログ・ディジタル変換回路を有する画像センサの非一様性への取り組みの必要性が存在する。このピクセルからピクセルへの非一様性は、本発明において取り組まれており、それにおいてはフォトダイオードに隣接する転送ゲートに傾斜が与えられ、基準電圧がピクセル・リセットから生じる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上に示した問題のうちの１つまたは複数を克服することに向けられている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
簡単に要約すると、本発明の１つの態様によれば、本発明は、（ａ）受け取った入射光に対応する電荷を蓄積する感光領域、（ｂ）感光領域から電荷を転送するための転送ゲート、（ｃ）時間に対して傾斜が付けられた電圧を有する電圧源、（ｄ）感光領域から電荷を受け取り、電荷を電圧に変換するためのフローティングディフュージョン、（ｅ）フローティングディフュージョンから信号を受け取り、増幅するための増幅器、（ｆ）増幅器からの電圧を基準電圧と比較するためのコンパレータ、および（ｇ）増加する電圧の開始から、感光領域からフローティングディフュージョンへの電荷の転送の開始を示す信号がコンパレータから受け取られるまでの間のクロック・サイクルをカウントするためのカウンタを包含する画像センサにある。
【０００７】
上記の、およびそのほかの本発明の目的は、以下の説明および図面に関連して考察するとより明らかなものとなろうが、図面においては、可能な場合に図面を通じて共通する同一の要素の指定に同一の参照番号が使用されている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、高速処理、低電力消費、および低ノイズの利点を有する。さらにそれは、ピクセル増幅器内における非一様性の効果およびスレッショルドの変動を排除する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１を参照すると、複数のピクセル２０および当該複数のピクセル２０からあらかじめ決定済みの態様で信号を受け取り、蓄えるための複数のサンプル・ホールド回路３０を有する本発明の画像センサ１０が示されている。複数のコンパレータ４０のそれぞれが、各サンプル・ホールド回路３０の出力に接続されており、当該複数のコンパレータ４０には、複数のカウンタ５０がそれぞれ接続されている。
【００１０】
理解を明快にするために、上記の本発明の装置が、アナログ回路の使用を制限し（ノイズ低減目的のため）ディジタル回路の利点を最大限に利用することに注意を要する。また図２が、理解を明快にするために、本発明の１つのピクセルおよびそれの関連回路だけを図解して本発明の複数のピクセルの代表的なピクセルを図解していることにも注意を要する。理解されるであろうが、本発明は、複数のその種のピクセルを、たとえば図１に示されるところのピクセル・アレイ２０を含む。図２を参照すると、ピクセル２０は、入射光に応答して電荷を蓄積する感光領域またはフォトダイオード６０からなる。転送ゲート７０は、電圧源９５から時間に対して傾斜が付けられた電圧（好ましくは時間に対して増加する電圧）を受け取り、それがフォトダイオード６０から、電荷を電圧信号に変換する電荷‐電圧変換領域またはフローティングディフュージョン８０への電荷の転送を生じさせる。増加する電圧は、好ましくはオンチップの、ただしピクセル・アレイ２０の外側の電圧源９５によって供給される。電圧源９５は、代替実施態様におけるオプションとしてオフチップで配置してもよい。リセット・トランジスタ９０が、フローティングディフュージョン８０およびサンプル・ホールド回路３０の両方のための基準電圧を設定し、詳細を後述するとおり、それが（サンプル・ホールド回路３０の場合に）その後に続いてコンパレータ４０によって使用されることになる。増幅器または増幅器トランジスタ１００は、フローティングディフュージョン８０から信号を受け取って増幅する。行選択トランジスタ１１０は、サンプル・ホールド回路３０への出力のための特定のピクセル行を選択する。
【００１１】
図３は、図２についての好ましいタイミングを含み、かつ図２内で参照されているコンポーネントに印加されるべきタイミング信号と共通のタイミング信号ヘッダ、すなわちＲＳ、ＴＧ、ＲＧ、およびＳＨＲを含む。図２および３をここで参照すると、積分の間に複数のフォトダイオード６０によって画像が取り込まれ、積分後に、行選択トランジスタ１１０のゲートに『ハイ』を印加することによってピクセル・アレイ内のピクセル行が読み出しのために選択される。その後、パルス電圧がリセット・トランジスタ９０のゲートに印加され、フローティングディフュージョン（ＦＤ）キャパシタ８０から電荷がクリアされ、その後フローティングディフュージョン８０が基準電圧にリセットされる。ＦＤ  ８０における電圧は、増幅器１００によって増幅され、列バスに送出される。出力ノード１１５における基準信号をもってクロックＳＨＲが『ロー』から『ハイ』になり、スイッチＳ２を閉じてスイッチＳ１を開く。基準電圧は、キャパシタ（Ｃｓｈ）１２０上にサンプリングされる。ＳＨＲクロックは、カウンタ５０もリセットする。ＳＨＲパルスに続いて、時間に対して傾斜が付けられた、または増加する電圧が転送ゲート７０上に印加され、転送ゲート７０の下にフォトダイオード６０からフローティングディフュージョン８０への信号の転送のための電位を作り出す。その後ＳＨＲがハイからローに変化し、スイッチＳ１が閉じてＳ２が開き、それによってコンパレータ４０が比較状態に置かれ、カウンタ５０が、コンパレータ４０がカウンタ５０にカウントの停止をシグナルするまでのクロック・サイクルのカウントを開始する。コンパレータ５０は、各列内のピクセル出力電圧とサンプリングされたリセット電圧を比較する。
【００１２】
傾斜付きＴＧ電圧が、ＴＧゲート７０の下に充分な電位を生成すると、フォトダイオード６０内に蓄積された電荷がフォトダイオード６０からフローティングディフュージョン８０流れ始める。注意を要するが、本発明は、フローティングディフュージョン８０を使用してフォトダイオード６０からの電荷の転送の『開始』または『起動』を検知し、従来技術におけるようなフォトダイオード上の『全』電荷の検知とはまったく異なる。本発明の考察に戻るが、電荷の転送が開始するとフローティングディフュージョン８０において電圧の変化が作り出され、その電圧の変化がピクセル増幅器１００を通って列コンパレータ４０に送出される。この電圧の変化がコンパレータ４０をトリガし、出力状態を変更する。カウンタ５０の『イネーブル』入力は、コンパレータ４０からの出力内の変化を検知し、続いてカウントを停止する。列カウンタ５０の内容が行ピクセル・ディジタル出力である。
【００１３】
ディジタル較正機能が、メモリ（オンまたはオフチップ）内にストアされているオプティカルブラックの入射光をサンプリングすることによってＡ／Ｄ変換動作内に含められる。この較正信号が、取り込まれた画像を表すディジタル信号から差し引かれることになる。ピクセル・ノイズまたはピクセル増幅器のオフセットは、除去されるか、または大きく低減される。
【００１４】
図４ａ〜４ｃを参照するが、明快のため、従来技術が電子の数を検出することに注意を要する。対照的に本発明の画像センサは、フォトダイオードの電荷電位を検出、または別のいい方をすれば、フォトダイオードの埋められていないポテンシャル井戸の深さを検出する。ピクセル・アレイ２０内のフォトダイオード６０上に光が存在すると、フォトダイオード６０のポテンシャル井戸１２１内に電荷が生成されて蓄積される。フォトダイオード６０とフローティングディフュージョン８０の間のピクセル内に転送ゲート７０が存在し、そこでフローティングディフュージョン８０が使用されて電荷から電圧に変換される。転送ゲート７０のゲートに印加される電圧は、ゲートの下の電位をコントロールし、当該電圧が転送ゲート７０のスレッショルド電圧より高いとき、電導チャンネルを作り出す。フォトダイオード６０のポテンシャル井戸１２１とフローティングディフュージョンエリア８０が、このとき作り出された転送ゲート７０のチャンネルによって接続される。このゲート電圧が増加すると、ゲートの下の電位が下げられる。転送ゲート７０の下の電位がフォトダイオード６０の井戸１２１の電位に等しくなると、フォトダイオード６０内に蓄積されていた電荷がフォトダイオード６０から拡散エリア８０へ、転送ゲート７０を通って移動を開始する。フォトダイオード６０からフローティングディフュージョン８０への電荷の移動は、フローティングディフュージョンエリア８０において電圧信号を生成することになり、その後それがピクセル増幅器１００の入力に渡される。サンプル・ホールド・アレイ３０内の回路が、ピクセル増幅器出力１１５における電圧信号を、以前に転送ゲート電圧が印加されるときに生成された基準電圧と比較する。フォトダイオード６０からフローティングディフュージョン８０への電子の移動は、サンプル・ホールド回路３０内のコンパレータ４０をトリガしてその出力状態を変更する。コンパレータ４０のこの変更がカウンタ５０を停止し、カウンタ５０の出力にディジタル・コードが生成される。このディジタル・コードまたはディジタル信号は、ピクセルによって作り出された画像信号を表す。
【００１５】
図５を参照すると、本発明の好ましい商的実施態様を図解するために、本発明の画像センサ１０が配置されるディジタル・カメラ１２５が示されている。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の画像センサのブロック図である。
【図２】図１の回路図である。
【図３】図２のタイミング図である。
【図４ａ】本発明の画像センサの回路図形式の図解である。
【図４ｂ】本発明の断面の図解である。
【図４ｃ】本発明の概念を明快に図解するための図４ｂの井戸ポテンシャル図の図解である。
【図５】本発明の画像センサのための代表的な商的実施態様を図解するための本発明のディジタル・カメラを示した平面図である。
【符号の説明】
【００１７】
１０  画像センサ、２０  複数のピクセル、３０  サンプル・ホールド回路、４０  コンパレータ、５０  カウンタ、６０  フォトダイオード、７０  転送ゲート、８０  フローティングディフュージョン、９０  リセット・トランジスタ、９５  電圧源、１００  増幅器トランジスタ、１１０  行選択トランジスタ、１１５  出力ノードまたはピクセル増幅器出力、１２０  キャパシタ（Ｃｓｈ）、１２１  電位井戸、１２５  ディジタル・カメラ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図５】
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【国際調査報告】
2009527192.tif 000010
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