(57)【要約】  任意の照明状態で色感度を有するイメージャは、バイエルパターンアレイ中の緑色フィルタ付き画素のうちの少なくとも１つをカラーフィルタが無い画素と置き換え且つ各色チャンネル毎に異なる蓄積期間を与えることにより提供される。カラーフィルタ付き画素をカラーフィルタが無い画素と置き換えると、カラーフィルタ付き画素に対してカラーフィルタが無い画素よりも長い蓄積期間を与えることにより、色感度および光感度の両方の利点を利用できる場合がある。色情報は、隣り合う画素からの非カラーフィルタ情報およびカラーフィルタ情報を使用してバックエンド処理で減算論理を行なうことにより補間されても良い。各色チャンネルにおける蓄積時間は、フィルタ透過およびセンサ吸収の差をデータの各フレーム内で最小に抑えるように適合させることができる。異なる蓄積期間を有することにより生じる動いている物体の色の一時的なずれは、バックエンド処理で補正されても良い。バックエンド処理は動きぼけを補正しても良い。
2008507908.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素を備え、各画素は、蓄積期間中に光生成電荷を生じさせるためのフォトセンサを備え、前記複数の画素の第１のグループがカラーフィルタ付きであり、前記複数の画素の第２のグループにはカラーフィルタが無いことを特徴とする画素アレイ。
【請求項２】
前記第２のグループの画素は、前記第１のグループの画素よりも短い電荷蓄積期間を有することを特徴とする請求項１に記載の画素アレイ。
【請求項３】
前記カラーフィルタが無い画素は、赤外線波長に関してもフィルタが無いことを特徴とする請求項１に記載の画素アレイ。
【請求項４】
前記カラーフィルタが無い画素は、赤外線波長に関してフィルタがあることを特徴とする請求項１に記載の画素アレイ。
【請求項５】
前記複数の画素は、各グループが複数の画素を有し、且つこれらの画素のうちの少なくとも１つがカラーフィルタを持たない状態でグループ化されたことを特徴とする請求項１に記載の画素アレイ。
【請求項６】
各グループは、赤色フィルタ付き、青色フィルタ付き、緑色フィルタ付き、カラーフィルタ無しのものを１つずつ備えたことを特徴とする請求項５に記載の画素アレイ。
【請求項７】
画素の各グループは、赤色フィルタ、緑色フィルタ、青色フィルタにそれぞれ関連する画素を１つずつ更に備えたことを特徴とする請求項５に記載の画素アレイ。
【請求項８】
各グループは、赤色フィルタ付き画素と、青色フィルタ付き画素と、２つのカラーフィルタが無い画素とを備えたことを特徴とする請求項５に記載の画素アレイ。
【請求項９】
４つの画素セルから成る各グループは、シアンカラーフィルタ、マゼンタカラーフィルタ、黄色カラーフィルタを有する画素セルをそれぞれ１つずつ備えたことを特徴とする請求項５に記載の画素アレイ。
【請求項１０】
４つの画素セルから成る各グループが１つの読み出し回路を共有することを特徴とする請求項５に記載の画素アレイ。
【請求項１１】
前記第１のグループの画素は、前記第２のグループの画素とは異なる蓄積期間を有することを特徴とする請求項１に記載の画素アレイ。
【請求項１２】
前記カラーフィルタが無い画素が最も短い蓄積期間を有し、前記赤色フィルタ付き画素が前記カラーフィルタの無い画素よりも長い蓄積期間を有し、前記緑色フィルタ付き画素が前記赤色フィルタ付き画素よりも長い蓄積期間を有し、前記青色フィルタ付き画素が４つの画素の前記グループのうちで最も長い蓄積期間を有することを特徴とする請求項７に記載の画素アレイ。
【請求項１３】
前記赤色フィルタ付き画素および青色フィルタ付き画素が第１の蓄積期間を有し、前記２つのカラーフィルタの無い画素が第２の蓄積期間を有し、前記第１の蓄積期間が前記第２の蓄積期間よりも長いことを特徴とする請求項８に記載の画素アレイ。
【請求項１４】
４つの画素から成る前記グループは、２つの行のそれぞれに２つの画素を備えたことを特徴とする請求項５に記載の画素アレイ。
【請求項１５】
複数の画素セルを備える画素アレイであって、複数の蓄積期間中に光生成電荷を生じさせるためのフォトセンサを備え、前記複数の画素の第１のグループが赤色フィルタ付きであり、前記複数の画素の第２のグループが青色フィルタ付きであり、前記複数の画素の第３のグループがカラーフィルタ無しのものである画素アレイ。
【請求項１６】
前記第１のグループが第１の蓄積期間を有し、前記第２のグループが第２の蓄積期間を有し、前記第３のグループが第３の蓄積期間を有することを特徴とする請求項１５に記載の画素アレイ。
【請求項１７】
前記第１および第２の蓄積期間は、前記第３の蓄積期間とは異なる同じ持続時間を有することを特徴とする請求項１６に記載の画素アレイ。
【請求項１８】
前記第１および第２の蓄積期間が前記第３の蓄積期間よりも長いことを特徴とする請求項１７に記載の画素アレイ。
【請求項１９】
前記第１、第２、第３の蓄積期間が異なる持続時間を有することを特徴とする請求項１６に記載の画素アレイ。
【請求項２０】
カラーフィルタが無い画素は、赤外線波長に関してもフィルタが無いことを特徴とする請求項１５に記載の画素アレイ。
【請求項２１】
前記複数の画素は、各グループが１つの赤色フィルタ付き画素と１つの青色フィルタ付き画素と１つのカラーフィルタが無い画素とを有する状態でグループ化されていることを特徴とする請求項１５に記載の画素アレイ。
【請求項２２】
前記第１、第２、第３の蓄積期間とは異なる持続時間を有する第４の蓄積期間を有する緑色フィルタ付きの画素の、グループの第４のグループを更に備えたことを特徴とする請求項１９に記載の画素アレイ。
【請求項２３】
前記第３の蓄積期間が最も短い持続時間を有することを特徴とする請求項２２に記載の画素アレイ。
【請求項２４】
各グループが共通の読み出し回路を共有することを特徴とする請求項２１に記載の画素アレイ。
【請求項２５】
画素は、各組が４つの画素を有する４画素組の状態でグループ化され、前記第１、第２、第３、第４の画素のグループがそれぞれ１つずつあり、各組が１つの共通の読み出し回路を共有することを特徴とする請求項２３に記載の画素アレイ。
【請求項２６】
複数の画素を備え、各画素が、蓄積期間中に光生成電荷を生じさせるためのフォトセンサを備え、前記複数の画素の第１のグループが第１の蓄積期間を有し、前記複数の画素の第２のグループが第２の蓄積期間を有する画素アレイと、
前記画素の蓄積期間を制御するためのタイミング・制御ユニットと、
前記読み出し回路により読み出される信号を処理するための画像プロセッサと、
を備えたイメージングデバイス。
【請求項２７】
前記第１の蓄積期間が前記第２の蓄積期間よりも短いことを特徴とする請求項２６に記載のイメージングデバイス。
【請求項２８】
前記複数の画素の前記第１のグループがカラーフィルタの無いものであり、前記複数の画素の前記第２のグループがカラーフィルタ付きのものであることを特徴とする請求項２７に記載のイメージングデバイス。
【請求項２９】
第３の蓄積期間を有する前記複数のカラーフィルタ付き画素の第３のグループを少なくとも更に備えたことを特徴とする請求項２８に記載のイメージングデバイス。
【請求項３０】
画素の前記第３のグループは、画素の前記第２のグループとは異なるカラーフィルタを有することを特徴とする請求項２９に記載のイメージングデバイス。
【請求項３１】
前記画像プロセッサは、異なる蓄積期間に起因する色の一時的なずれを補正することを特徴とする請求項２７に記載のイメージングデバイス。
【請求項３２】
前記画像プロセッサは、短い蓄積期間を有する画素の前記第１のグループからのデータに基づいて色データを補間することにより動きを補正することを特徴とする請求項２７に記載のイメージングデバイス。
【請求項３３】
画素アレイを動作させる方法であって、
第１の蓄積期間中に第１の複数のフォトセンサを用いて電荷を生成し、
第２の蓄積期間中に第２の複数のフォトセンサを用いて電荷を生成し、
前記第１の蓄積期間の最後に前記第１の複数のフォトセンサから読み出し回路へと電荷を転送し、
前記第２の蓄積期間の最後に前記第２の複数のフォトセンサから読み出し回路へと電荷を転送する、
ことを含み、前記第１および第２の蓄積期間が部分的に重なり合っている方法。
【請求項３４】
前記第１の蓄積期間が前記第２の蓄積期間の前に始まることを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記第１の蓄積期間は、前記第２の蓄積期間とは異なる時間に終了することを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
第３の蓄積期間中に第３の複数のフォトセンサを用いて電荷を生成し、
第４の蓄積期間中に第４の複数のフォトセンサを用いて電荷を生成し、
前記第３の蓄積期間の最後に前記第３の複数のフォトセンサから読み出し回路へと電荷を転送し、
前記第４の蓄積期間の最後に前記第４の複数のフォトセンサから読み出し回路へと電荷を転送する、
ことを更に含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記第１、第２、第３、第４の蓄積期間が部分的に重なり合っていることを特徴とする請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記第１、第２、第３、第４の蓄積期間が異なる時間に終了することを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記複数のフォトセンサのうちの１つは、その上にカラーフィルタまたは近赤外フィルタを有していないことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項４０】
前記フィルタが無いフォトセンサは、最も短い蓄積期間中に蓄積されることを特徴とする請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
イメージングデバイスを動作させる方法であって、
第１の蓄積期間中に画素アレイにおける第１の複数のフォトセンサを用いて電荷を生成するステップと、
前記第１の蓄積期間の最後に前記第１の複数のフォトセンサから読み出し回路へと電荷を転送するステップと、
第２の蓄積期間中に画素アレイにおける第２の複数のフォトセンサを用いて電荷を生成するステップと、
前記第２の蓄積期間の最後に前記第２の複数のフォトセンサから読み出し回路へと電荷を転送するステップと、
前記蓄積期間が異なる時間に終了するように前記画素アレイの蓄積期間を制御するステップと、
前記読み出し回路によって読み出された信号を処理するステップと、
を含む方法。
【請求項４２】
前記蓄積期間が部分的に重なり合っていることを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記第１の蓄積期間が前記第２の蓄積期間よりも長いことを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４４】
前記第２の複数のフォトセンサを用いて電荷を生成する前記ステップは、カラーフィルタ処理されていない入射光から電荷を生成することを含むことを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４５】
前記第１の複数のフォトセンサを用いて電荷を生成する前記ステップは、カラーフィルタ処理された入射光から電荷を生成することを含むことを特徴とする請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
信号を処理する前記ステップは、前記第１の蓄積期間からの信号を前記第２の蓄積期間からの信号から差し引くことにより色情報を補間することを含むことを特徴とする請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
信号を処理する前記ステップは、異なる蓄積期間に起因する色の一時的なずれを補正することを特徴とする請求項４５に記載の方法。
【請求項４８】
信号を処理する前記ステップが動きぼけを補正することを特徴とする請求項４５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、イメージャデバイスに関し、特に画素アレイの光感度の向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
人間は様々な波長の光エネルギを色として認識し、これは眼の網膜内の２つのタイプの感光受容体、すなわち杆体（ｒｏｄ  ｃｅｌｌ）および錐体（ｃｏｎｅ  ｃｅｌｌ）により検出される。杆体は、光量だけを検出し、光子が少ない低い光レベルであっても機能するものであり、暗視としても知られている。杆体は、光の強度によって刺激され、視像のサイズ、形状、輝度の認識を担っているが、色および細かい詳細な内容を認識しない。錐体は、受けられる光の波長の異なる範囲をそれぞれが検出できる３つのタイプがあり、活性化させるのに数百の光子を必要とする。錐体は、低い照明レベルに対してあまり感度がないが、色情報を与える。錐体の３つのタイプのうち、１つのタイプはそれぞれ、赤色の光、緑色の光、青色の光を吸収する特殊なタイプの色素を含んでいる。
【０００３】
これに対し、デジタルイメージャは画素セルのアレイ（配列）を備えており、各画素セルは、光を電荷へ変換するための光変換デバイス、例えばフォトダイオードゲート、光伝導体またはフォトダイオードを含んでいる。ＣＭＯＳイメージャにおいて、読み出し回路は、各画素セルに接続されており、一般的にはソースフォロワー出力トランジスタを含んでいる。光変換デバイスは光を電子に変換し、この電子は、一般に、ソースフォロワー出力トランジスタのゲートに接続されたフローティング拡散領域へと転送される。光変換デバイスからの電荷をフローティング拡散領域へ転送するために、電荷転送デバイス（例えばトランジスタ）を含めることができる。また、そのようなイメージャセルは、一般に、電荷転送前にフローティング拡散領域を所定の電荷レベルにリセットするためのトランジスタを有している。ソースフォロワートランジスタの出力は、行選択トランジスタにより出力信号としてゲートされる。
【０００４】
カラーイメージャにおいて、画素セルはセンサの表面上にカラーフィルタも有しており、このカラーフィルタは、光変換デバイスに入ることが許容されても良い光の特定の波長を制限する。第１の行の赤および緑のフィルタと第２の行の緑および青のフィルタとが交互に配列されたバイエルパターンフィルタは、図１に示されるようにアレイ全体にわたって繰り返される典型的な２×２正方形の画素セルにおいて最も一般的に使用されている。可視スペクトルの緑波長領域（５５０ｎｍ）で最大感度に達する人間の視覚反応に起因して、緑フィルタに重きが置かれている。そのため、緑データは、処理されると、クロミナンス情報を与えるだけでなく、そのピーク応答が人間の眼のピーク応答に近づくにつれてルミナンス（輝度）情報のためにも使用される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
錐体のようなカラーフィルタ付き画素は、適切な信号を生成するために、フィルタが無い画素セルに比べて多数の光子を必要とする。これは、透過率を減少させるカラーフィルタ自体に大きな原因がある。また、カラーイメージャは、カラーフィルタ付き画素によってＮＩＲエネルギが吸収されないようにするため、光路中に近赤外線（ＮＩＲ）遮断フィルタも有している。しかしながら、微光状態では、イメージャは、カラーフィルタ透過損失を伴うだけでなく、ＮＩＲフィルタを画素アレイから除去するための更なる機構が無ければ、存在するＮＩＲエネルギをうまく利用することもできない。
【０００６】
単色イメージャはＮＩＲエネルギをうまく利用することができる。単色イメージャにおける画素セルは、カラーフィルタもＮＩＲ遮断フィルターも有しておらず、したがってＮＩＲエネルギを含む低いレベルの入射光に対して感度が大きい。しかしながら、単色イメージャは、像の色情報を取得することができない。
【０００７】
微光状態で良好な像を得ることができるカラーイメージャが望ましく且つ必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の典型的な実施形態は、バイエルパターンアレイ中のカラーフィルタ付き画素のうちの少なくとも１つをカラーフィルタが全く無い画素と置き換えることにより、色感度および低い光応答感度を有するイメージャを提供する。カラーフィルタが無い画素に関しては、カラーフィルタ付き画素と比べて異なる蓄積期間が与えられても良い。例えば、バイエルパターンアレイの緑色フィルタ付き画素のうちの一方または両方がフィルタの無い画素に置き換えられても良い。
【０００９】
フィルタが無い光画素の変換デバイス、例えばフォトダイオードはおそらく任意のカラーフィルタ付き画素の前に飽和するため、本発明の典型的な実施形態は、色付きチャンネルの蓄積期間よりも短い蓄積期間を有するフィルタ無しチャンネルを提供する。
【００１０】
本発明のこれらの特徴および他の特徴は、添付図面に関連して与えられる以下の詳細な説明から更に明らかに理解され得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下の詳細な説明においては、説明の一部を形成し且つ本発明が実施される可能性のある特定の実施形態が一例として示される添付図面を参照する。これらの実施形態は当業者が本発明を実施できるように十分詳しく記載されており、また、他の実施形態が利用されても良く、本発明の思想および範囲から逸脱することなく構造的、論理的、電気的な変更が成されても良いことは言うまでもない。
【００１２】
用語「基板」は、シリコン、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）またはシリコンオンサファイア（ＳＯＳ）技術、ドープおよび非ドープ半導体、ベース半導体基盤により支持されたシリコンのエピタキシャル層、および、他の半導体構造を含む半導体ベースの材料として理解されるべきである。また、以下の説明で「基板」が参照される際には、ベース半導体構造または基盤の内部あるいはそれらの上にわたって領域または接合部を形成するために前のプロセスステップが利用された場合もある。また、半導体は、シリコン系である必要はなく、シリコン−ゲルマニウム、ゲルマニウムまたはガリウムヒ素に基づくこともできる。
【００１３】
用語「画素」（pixel）とは、光放射線を電気信号に変換するためのフォトセンサやトランジスタを含む画像素子の単位セルのことである。例示のため、代表的な画素が図面に示されてここで説明されており、また、一般に、イメージャの全ての画素の製造が同様の形態で同時に進行する。したがって、以下の詳細な説明は限定的な意味にとられるべきではなく、また、本発明の範囲は添付の請求項によって画定される。
【００１４】
ここで、図面を参照すると、同様の要素が同様の参照符号で示されており、図４は従来の４トランジスタ（４Ｔ）画素セルの概略図を示している。従来の画素のそれぞれは、基板のドープ領域に光生成電荷を形成するために基板上にわたって位置するフォトセンサ２６、例えばフォトゲート、光伝導体またはフォトダイオードを備えている。読み出し回路は、各画素セル毎に設けられており、少なくともソースフォロワートランジスタ３４とソースフォロワートランジスタ３４の出力を列出力ラインに結合するための行選択トランジスタ３６とを含んでいる。また、画素セルは、一般に、ソースフォロワートランジスタ３４のゲートに接続されたフローティング拡散ノード２８を有している。フォトセンサ２６によって生成される電荷はフローティング拡散領域２６へ送られる。また、イメージャは、フォトセンサ２６からの電荷をフローティング拡散ノード２７へ転送するための転送ゲート３０と、電荷転送前にフローティング拡散領域ノードを所定の電荷レベルにリセットするためのリセットトランジスタ３２とを含んでいても良い。
【００１５】
図５は、各画素セルが前述したように構成されて成る画素アレイ１００を有するＣＭＯＳイメージャデバイス１０８のブロック図を示している。画素アレイ１００は所定数の列および行で配置された複数の画素を備えている。アレイ１００内の各行の画素は全て行選択ラインにより同時にＯＮにされ、また、各列の画素はそれぞれの列選択ラインによって選択的に出力される。複数の行ラインおよび列ラインはアレイ１００全体にわたって設けられている。行ラインは、行アドレスデコーダ１５５に応じて行ドライバ１４５により選択的に駆動される。列選択ラインは、列アドレスデコーダ１７０に応じて列ドライバ１６０により選択的に駆動される。したがって、各画素毎に行アドレスおよび列アドレスが設けられている。
【００１６】
ＣＭＯＳイメージャ１００は、画素読み出しに適した行ラインおよび列ラインを選択するためのアドレスデコーダ１５５，１７０と、選択された行ラインおよび列ラインのドライブトランジスタに対して駆動電圧を印加する行ドライバ回路および列ドライバ回路１４５，１６０とを制御する制御回路１５０によって動作される。一般に列内の各行選択された画素毎に画素リセット信号Ｖｒｓｔおよび画素画像信号Ｖｓｉｇを含む画素列信号は、列デバイス１６０に関連付けられたサンプル・ホールド回路１６１により読み取られる。各画素毎に差分信号Ｖｒｓｔ−Ｖｓｉｇが生成され、この差分信号はアナログ−デジタル変換器１７５により増幅されてデジタル化される。アナログ−デジタル変換器１７５はアナログ画素信号をデジタル信号へ変換し、デジタル信号は、デジタル画像出力を形成するために画像プロセッサ１８０へ供給される。
【００１７】
カラー画素アレイは、多くの場合、可視スペクトルから光情報を取得するため、バイエルパターンのような異なるカラーフィルタをその上に有する４つの画素から成るグループにより構成される。従来のバイエルパターン画素アレイの一部が図１に示されている。バイエルパターンにおいて、４つの画素から成る各グループは、赤色フィルタを有する１つの画素と、青色フィルタを有する１つの画素と、緑色フィルタを有する２つの画素とを有している。処理されると、緑データは、クロミナンス情報を与えるだけでなく、そのピーク応答が人間の眼のピーク応答に近づくにつれてルミナンス（輝度）情報のためにも使用される。他のカラーフィルタパターンは、シアンフィルタ、マゼンタフィルタ、黄色フィルタを含んでいても良く、これらも可視スペクトルから光情報を取得する。
【００１８】
本発明の１つの典型的な実施形態では、図２に示されるように、バイエルパターン配列を成すカラーフィルタを有する画素のうちの少なくとも１つが、カラーフィルタを何ら伴わない画素と置き換えられても良い。図示の実施形態においては、２つの緑色フィルタ付き画素の一方が、カラーフィルタが無い画素と置き換えられる。赤色フィルタ付き画素ＡＡおよび緑色フィルタ付き画素ＢＢは第１の行を共有するとともに、フィルタが無い画素ＣＣおよび青色フィルタ付き画素ＤＤは第２の行を共有しており、それにより、赤色フィルタ付き画素ＡＡがフィルタが無い画素ＣＣと第１の列を共有し、緑色フィルタ付き画素ＢＢが青色フィルタ付き画素ＤＤと第２の列を共有する。
【００１９】
カラーフィルタは透過率を低下させるため、そのようなアレイ内のカラーフィルタ付き画素は、フィルタが無い画素よりもゆっくりと飽和する。したがって、カラーフィルタが無い画素には、カラーフィルタ付き画素よりも短い積分時間（蓄積時間）が与えられても良い。また、色ではなく光強度、サイズ、形状、輝度の情報を得るために画素が設けられると、近赤外（ＮＩＲ）エネルギをうまく利用することができる場合がある。このように、カラーフィルタ付き画素のうちの１つをカラーフィルタが無い画素に置き換える場合には、非可視スペクトルから光情報を得るために、カラーフィルタが無い画素からＮＩＲフィルタが排除されても良い。したがって、可視スペクトルから光を取得する３つの画素と、可視スペクトルおよび非可視スペクトルから光を取得する１つの画素が存在する。
【００２０】
１つの典型的な実施形態において、各画素の読み出しのための積分時間は、各画素の積分時間の終了後に画素読み出しに適した行ラインおよび列ラインをアドレス指定するタイミング・制御回路１５０によって調整されても良い。
【００２１】
他の典型的な実施形態において、図２における４つの画素ＡＡ−ＤＤから成る各グループは、１つの読み出し回路を共有する。読み出し回路は、一般に、フローティング拡散ノードと、リセットゲートと、ソースフォロワートランジスタと、行選択トランジスタとを備えている。図６に示されるように、画素ＡＡはフォトセンサ２６ａおよび転送ゲート３０ａを有しており、画素ＢＢはフォトセンサ２６ｂおよび転送ゲート３０ｂを有しており、画素ＣＣはフォトセンサ２６ｃおよび転送ゲート３０ｃを有しており、画素ＤＤはフォトセンサ２６ｄおよび転送ゲート３０ｄを有している。従来技術の画素セルとは異なり、これらの各画素ＡＡ−ＤＤはそれら自体の読み出し回路を有していない。むしろ、４つの全ての画素は、例えば共有行、共有列構成で、フローティング拡散ノード２８’とリセットゲート３２’とソースフォロワートランジスタと３４’と行選択トランジスタ３６’とを共有する。
【００２２】
電荷がフォトセンサ２６ａ−ｄにより生成されると、それぞれの転送ゲート３０ａ−ｄは、電荷を１つずつフローティング拡散ノードへ転送するとともに、読み出し回路に対して１つずつ適用される。図７は、本発明に係る画素セルＡＡ−ＤＤにおける典型的な電荷蓄積・転送ゲートタイミング図を示している。図７における信号は、図５の回路１５０と同様のタイミング・制御回路によって供給することができる。図７のタイミング図は、画素ＡＡ，ＢＢ，ＣＣ，ＤＤにおける既に蓄積された電荷の読み出しの時点から始まる。
【００２３】
Ｔ１では、行選択トランジスタ３６’（ＲＳ）がＯＮにされる。各画素ＡＡ−ＤＤは、読み出しのために個別にサンプリングされた蓄積電荷を有している。読み出し順序は、望ましい任意の順序にすることができる。例として、図７は、画素ＣＣ，ＡＡ，ＤＤ，ＢＢの順序での読み出しを示している。時間Ｔ２では、リセットトランジスタ３２’（ＲＳＴ）にパルスが加えられ、時間Ｔ３においてサンプル・ホールドリセット回路（ＳＨＲ）がリセット信号サンプルＶｒｓｔ−ＣＣを取得する。その後、カラーフィルタが無い画素ＣＣは、時間Ｔ４においてその転送ゲート３０ｃ（ＴＧＵ）にパルスが加えられた後にサンプリングされ、続いて、時間Ｔ５において出力信号Ｖｓｉｇ−ＣＣを取得するサンプル・ホールド信号回路（ＳＨＳ）にパルスが加えられる。赤色フィルタ付き画素ＡＡ（ＴＧＲ）をサンプリングするためのサイクルを開始するためにＴ６において再びリセットトランジスタ３２’（ＲＳＴ）にパルスが加えられる。赤色フィルタ付き画素ＡＡのリセットレベルＶｒｓｔ−ＡＡおよび信号レベルＶｓｉｇ−ＡＡをサンプリングするプロセスにおいて、サンプル・ホールドリセット回路（ＳＨＲ）およびサンプル・ホールド信号回路（ＳＨＳ）にも同様にパルスが加えられる。異なる転送ゲートにパルスを加える度に、リセット信号Ｖｒｓｔおよび画素出力信号Ｖｓｉｇに関して全ての画素ＡＡ−ＤＤがサンプリングされるまで、ＤＤ画素およびＢＢ画素に関してサイクルが繰り返される。時間Ｔ７では、他の行がサンプリングされたため、行選択トランジスタ３６’（ＲＳ）がＯＦＦされる。なお、この構成においては、赤色および緑色フィルタ付き画素が第１の行にあり且つカラーフィルタが無い画素および青色フィルタ付き画素が第２の行にある状態で、画素の２つの行が実際に読み出される。これらの２つの行が読み取られた後、次の２つの行が読み取られる。また、この構成では、１つの行における２つの隣り合う画素が１つの列ラインを共有する。
【００２４】
時間Ｔ８においては、任意の残りのフォトダイオード電荷を放出し且つ電荷蓄積に備えて回路をリセットするため、全ての転送ゲートおよびリセットトランジスタがＯＮされる。その後、各画素は、転送ゲートがＯＦＦになると、すなわち、ＴＧＵ，ＴＧＲ，ＴＧＢ，ＴＧＧがローになると、それ自体の電荷蓄積期間を開始する。蓄積期間は、画素の転送ゲートが再びＯＮになって電荷をフローティング拡散領域へ転送するときに終了する。各画素の蓄積期間の開始は、各カラーフィルタの透過率に基づいてハードコードされても良く或いは異なる照明状態に関して動的に制御されても良い画素アレイのタイミング・制御により制御される。
【００２５】
したがって、図７において、青色フィルタ付き画素ＤＤは、時間Ｔ９で、転送ゲート３０ｄ（ＴＧＢ）が閉じられるときに、その蓄積期間を最初に開始する。青色フィルタ付き画素ＤＤは、時間Ｔ９において、転送ゲート３０ｂ（ＴＧＢ）が閉じられるときに、その蓄積期間を開始する。時間Ｔ１０において、赤色フィルタ付き画素ＡＡは、転送ゲート３０ａ（ＴＧＲ）が閉じられるときにその蓄積期間を開始し、カラーフィルタが無い画素ＣＣは、時間Ｔ１１において転送ゲート３０ｃ（ＴＧＵ）が閉じられるときにその蓄積期間を開始し、緑色フィルタ付き画素ＢＢは、時間Ｔ１２において転送ゲート３０ｂ（ＴＧＧ）が閉じられるときにその蓄積期間を開始する。Ｔ１２後、全ての画素ＡＡ−ＤＤが蓄積している。すなわち、これらの画素は全て、入射光を集めており、また、光子を電荷に変換してそれらを当該画素のそれぞれのフォトセンサ２６ａ−ｄに蓄えている。時間Ｔ１３では、行選択トランジスタ３６’（ＲＳ）がＯＮされ、時間Ｔ１〜Ｔ７に関して前述したように進行する画素のための読み出し期間が開始される。
【００２６】
図７に示されるように、画素ＡＡの電荷蓄積期間は（Ｔ１０−Ｔ１５）であり、画素ＢＢの電荷蓄積期間は（Ｔ１２−Ｔ１７）であり、画素ＣＣの電荷蓄積期間は（Ｔ１１−Ｔ１４）であり、画素ＤＤの電荷蓄積期間は（Ｔ９−Ｔ１６）である。電荷蓄積期間は、画素の感度と、画素上のカラーフィルタの透過率をもって光を取得できる画素の能力とに基づいて設定されても良い。前述した実施例において、青色フィルタ付き画素は、光に対してあまり感度が高くない傾向にあり、したがって、電荷を蓄積するために長い蓄積時間を要する。そのため、青色フィルタ付き画素ＤＤは最も長い電荷蓄積期間を有していても良い。同様に、カラーフィルタが無い画素ＣＣは、速く飽和するため、短い電荷蓄積時間を有しても良い。カラーフィルタが無い画素を最も短い蓄積時間に設定しつつ、全てのカラーフィルタ付き画素を同じ電荷蓄積期間に設定することもできる。なお、画素がサンプリングされる順序は前述した順序に限定されない。前述した４画素グループの動作のタイミングは、蓄積期間および読み出し期間をどのように設定できるのかについての単なる一例である。
【００２７】
簡単のため、図６に示される回路は、４つの画素から成る１つのグループを示している。しかしながら、この４画素グループは、図５における画素アレイ１００の全体にわたって繰り返される。アレイの全体にわたって１つのカラーフィルタ付き画素をカラーフィルタが無い画素と置き換えることにより、画素アレイにおいて色感度および光感度の両方の利点を同時に得ることができる。
【００２８】
図３は、両方の緑色フィルタ付き画素がカラーフィルタの無い画素によって置き換えられた本発明の他の実施形態を示している。したがって、２×２画素グループは、赤色フィルタ付き画素およびカラーフィルタが無い画素を第１の行に有するとともに、カラーフィルタが無い画素および青色フィルタ付き画素を第２の行に有している。４画素グループにおける２つの画素がカラーフィルタ付き画素であり、２つがカラーフィルタの無い画素であるため、２つの異なる蓄積時間、すなわち、カラーフィルタが無い画素のための１つの短い蓄積時間と、カラーフィルタ付き画素のための１つの長い蓄積時間とが効果的に存在し得る。しかしながら、必要に応じて、各画素毎に個々の電荷蓄積時間を設定することもできる。
【００２９】
この実施形態では、緑色フィルタ付き画素が存在していないため、図５の画像プロセッサ１８０は、減算論理機能を果たすことにより、隣り合う赤色フィルタ付き画素および青色フィルタ付き画素から収集された電荷に基づいて、カラーフィルタが無い画素からの電荷のどの部分が緑スペクトルからのものであったのかを決定する。
【００３０】
なお、この実施形態の４画素グループ（図３）は、図５の画素アレイ１００の全体にわたって繰り返される。
【００３１】
色応答バランスのための従来の技術は、電子ゲインを弱い出力信号に対して適用することを伴う。しかしながら、電子ゲインが適用されると、信号と共にノイズが増幅されてしまい望ましくない。本発明によれば、各色チャンネル毎に蓄積時間を変えることにより色応答のバランスを保つことができ、それにより、電子ゲインを適用するのではなく画素内の波長によってフィルタ透過率およびシリコン吸収の差を補正することができる。
【００３２】
本発明の典型的な実施形態では、色チャンネルが別々にサンプリングされても良い。この場合、各色チャンネルはそれ自体の電荷蓄積期間を有している。画素アレイがアレイ内の画素のグループに関して様々な蓄積時間を有していると、シーンの中で動く物体の色が一時的にずれるという潜在的な問題が存在する。これは、図５の画像プロセッサ１８０では、例えばバックエンド処理で補正されても良い。色の一時的なずれの場合と同じバックエンド処理を使用して、動きぼけを補正しても良い。これは、カラーフィルタの無い画素が他の画素に対して非常に短い蓄積時間を有しており、それにより、動きの早い瞬間から補間するための基準のフレームを与えるからである。
【００３３】
以上のように、前述した４画素グループは、図５に示されたイメージャデバイス１０８の画素アレイ１００において繰り返されて使用されても良い。図８は、カメラ装置３００、すなわち、装置３００への入力デバイスとして本発明の画素を使用するイメージャデバイス１０８（図５）を含むように変更された一般的なプロセッサベースのカメラ装置を示している。また、イメージャデバイス１０８は、カメラ装置３００から制御データまたは他のデータを受けても良い。
【００３４】
カメラ装置３００は、バス３０４を介して様々なデバイスと通信する中央処理ユニット（ＣＰＵ）３０２を含んでいる。例えば入力／出力（Ｉ／Ｏ）デバイス３０６およびイメージャデバイス１０８を含むバス３０４に接続されたデバイスの一部は、システム３００の内外で通信を行なう。例えばランダムアクセスメモリシステム（ＲＡＭ）３１０およびＦＬＡＳＨまたはハードドライブメモリ３１２などの周辺メモリデバイスを含むバス３０４に接続された他のデバイスはメモリを形成する。
【００３５】
また、図９に示されるように、カメラ装置３００はプロセッサベースのカメラシステム４００内に含められても良い。カメラ装置３００を使用しても良いプロセッサベースのカメラシステム４００の例としては、コンピュータシステム、カメラシステム、スキャナ、マシンビジョンシステム、カーナビシステム、テレビ電話、監視システム、オートフォーカスシステム、スタートラッカーシステム、動き検出システム、画像安定化システムなどが挙げられるが、これらに限定されない。
【００３６】
システム４００は、バス４０４を介して様々なデバイスと通信する中央処理ユニット（ＣＰＵ）４０２を含んでいる。例えば入力／出力（Ｉ／Ｏ）デバイス４０６およびカメラ装置３００を含むバス４０４に接続されたデバイスの一部は、システム４００の内外で通信を行なう。例えばランダムアクセスメモリシステム（ＲＡＭ）４１０、ＦＬＡＳＨまたはハードドライブ４１２、および、フロッピーディスクドライブ４１４およびコンパクトディスク（ＣＤ）ドライブ４１６などの１つ以上の周辺メモリデバイスを含むバス４０４に接続された他のデバイスはメモリを形成する。カメラ装置３００は、１つの蓄積回路内で、ＣＰＵ、デジタル信号プロセッサ、または、マイクロプロセッサなどのプロセッサと組み合わされても良い。
【００３７】
他の実施形態（図示せず）においては、本発明の画素アレイをＳＯＣイメージャデバイス上に設けて、イメージャ上で処理を行なえるようにすることが望ましい場合がある。
【００３８】
以上の説明および図面は、本発明の特徴および利点を達成する典型的な実施形態の単なる例示であると見なされるべきである。特定のプロセス条件および構造の変更およびこれらに対する置き換えは、本発明の思想および範囲から逸脱することなく行なうことができる。したがって、本発明は、以上の説明および図面によって限定されるものと見なされるべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】従来技術の画素アレイを示している。
【図２】本発明の１つの実施形態に係る画素アレイを示している。
【図３】本発明の他の実施形態に係る画素アレイを示している。
【図４】イメージングデバイスのブロック図である。
【図５】従来技術の４トランジスタ（４Ｔ）画素セルの概略図である。
【図６】図２の実施形態に係る４画素セルグループの概略図である。
【図７】図６の画素セルの動作を示すタイミング図である。
【図８】本発明の一実施形態にしたがって構成された少なくとも１つのイメージャデバイスを組み込むカメラ装置を示している。
【図９】本発明の一実施形態にしたがって構成された少なくとも１つのイメージャデバイスを組み込むプロセッサシステムを示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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