(57)【要約】【課題】単一ピクセルに対して、二重または多重の線形な電圧−光応答を得ることができる能動または受動ピクセル構造及びその読み出し方法を提供する。【解決手段】光電素子３上に照射する電磁放射線から変換された電荷キャリアを光電素子３の出力ノードで獲得しながら、第１の期間後に、第１のスイッチ１を開き、それにより第１の数の上記電荷キャリアをメモリ素子４に蓄積して第１の信号を生成し、その後、第１のスイッチ１を閉じる。第２の期間後に、光電素子３の出力ノード上に蓄積された第２の数の電荷キャリアから第２の信号を生成する。読み出し信号は少なくとも上記第１の信号と上記第２の信号とを結合して得る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＯＳ技術において、出力ノードを持つ光電素子と、第１のスイッチを持つメモリ素子とを少なくとも有し、上記第１のスイッチは上記出力ノードと上記メモリ素子との間にあり、前記出力ノードとリセット電圧との間にある第２のスイッチとをさらに有する、ＭＯＳを基礎とするピクセル構造の読み出し信号を得る方法であって、
前記方法は、上記光電素子上に照射する放射から変換された電荷キャリアを上記光電素子の上記出力ノードで獲得しながら、
第１の期間後に、上記第１のスイッチを閉じて開き、それにより第１の数の電荷キャリアを上記メモリ素子に蓄積し、第１の信号を生成し、
第２の期間中に前記第２のスイッチを閉じて開くことにより前記光電素子を前記リセット電圧にリセットし、
前記第２の期間後に前記第１のスイッチを閉じて開くことにより上記光電素子の上記出力ノード上に蓄積された第２の数の電荷キャリアから第２の信号を生成し、
少なくとも上記第１の信号と上記第２の信号とを結合し、上記読み出し信号を得る
ステップからなることを特徴とする方法。
【請求項２】
上記ステップは２より多い数の期間の間繰り返されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
−上記第２の期間後、第１の中間信号を上記第１の信号から生成し、
−その後、上記第１のスイッチを開閉し、それにより第２の中間信号を生成し、
−少なくとも、上記第１及び上記第２の中間信号を結合し、上記読み出し信号を得る
ステップをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
上記第１及び第２の期間の間、上記ピクセル構造に印加される全ての電圧が同じであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
読み出し信号は少なくとも上記第１及び上記第２の中間信号の重み付き平均値であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項６】
読み出し信号は上記第２及び上記第１の中間信号の線形結合であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項７】
光電素子と直列に配置され、前記光電素子をリセットするためのリセットスイッチを閉じ、それにより第３の信号を生成し、上記読み出し信号を上記第１、第２及び第３の信号の結合とする新たなステップを用いることにより、相関関係のある二重−サンプリングが実行されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項８】
上記読み出し信号は、上記第３の信号と上記第１の信号の減算と、上記第３の信号と上記第２の信号の減算との結合であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
上記読み出し信号は、上記第２の信号と上記第１の信号の減算と、上記第３の信号と上記第２の信号の減算との結合であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
上記読み出し信号は、上記第２の信号と上記第１の信号の減算と、上記第３の信号と上記第１の信号の減算との結合であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
放射を電荷キャリアに変換する、リセットスイッチを介して電圧に接続された光電素子と、
増幅器に接続されたメモリ素子と、
上記光電素子と上記メモリ素子との間にある転送スイッチとを少なくとも備え、
前記転送スイッチは第１の期間及び第２の期間の後に閉じてかつ開くようになっておりこれによって第１の数の上記電荷キャリア及び第２の数の上記電荷キャリアが上記メモリ素子に蓄積されるようになっており、前記第１の期間及び第２の期間の間に前記リセットスイッチが閉じてかつ開き、前記光電素子がリセットされることを特徴とするＭＯＳを基礎としたピクセル構造。
【請求項１２】
上記メモリ素子は、コンデンサまたは寄生容量のようなアナログメモリであることを特徴とする請求項１１に記載のＭＯＳを基礎としたピクセル構造。
【請求項１３】
上記両スイッチはＣＭＯＳトランジスタであることを特徴とする請求項１１に記載のＭＯＳを基礎としたピクセル構造。
【請求項１４】
上記増幅器は能動ピクセルを有するためにピクセル構造内に配置されたことを特徴とする請求項１１ないし請求項１３のいずれか１つに記載のＭＯＳを基礎としたピクセル構造。
【請求項１５】
上記増幅器は受動ピクセル構造を有するためにピクセル構造の外側に配置されたことを特徴とする請求項１１ないし請求項１４のいずれか１つに記載のＭＯＳを基礎としたピクセル構造。
【請求項１６】
請求項１２ないし請求項１５のいずれか１つに記載のピクセル構造を構成するピクセルの幾何学的な構成を有するＭＯＳ撮像センサ。
【請求項１７】
カメラシステムにおいて、請求項１６に記載のＭＯＳ撮像センサを利用する方法。
【請求項１８】
カメラシステムにおいて、請求項１１に記載の方法を利用する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＭＯＳまたはＭＯＳ技術で製造された固体撮像デバイスに関する。特に、本発明は、広いダイナミックレンジでＣＭＯＳを基礎とするピクセル構造の読み出し信号を得る方法に関する。
本発明はまた、新しいピクセル構造及び本発明の方法において改善されたそのピクセル構造を有する撮像デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像デバイスはよく知られている。これらのデバイスはカメラシステムにおいて広範な用途がある。そのような用途において、感光素子からなるピクセルのマトリクスは撮像センサを構成し、カメラシステムに搭載されている。そのマトリクスの信号は測定されてビデオ信号に多重化される。
【０００３】
通常、固体撮像デバイスはＣＣＤ技術またはＣＭＯＳもしくはＭＯＳ技術により実現される。
【０００４】
ＣＭＯＳもしくはＭＯＳ技術により実現される撮像センサの中で、受動ピクセルを有するＣＭＯＳもしくはＭＯＳ撮像センサと、能動ピクセルを有するＣＭＯＳもしくはＭＯＳ撮像センサとは区別される。１つの能動ピクセルは、そのピクセルにおいて集積された手段により構成され、光電素子上に集められた電荷を増幅する。受動素子は上記の手段を有さないが電荷増幅素子を要する。電荷増幅素子はピクセルにおいて集積されておらず、かつ、ピクセルに向かう長い給電線に接続される。
【０００５】
高品質のＣＣＤ画像形成装置により得られる画質と同様にかなり質の高い画質が得られるように、ＣＭＯＳもしくはＭＯＳ撮像センサの性能を向上させるために努力が続けられている。ＣＭＯＳを基礎とする電子回路技術の小型化により、ＣＣＤを基礎とするピクセルと同じぐらい小さい、ＣＭＯＳもしくはＭＯＳを基礎とする複雑なピクセルを実現することがさらに可能である。ＣＭＯＳもしくはＭＯＳを基礎とする撮像素子の主な利点は、ＣＣＤ技術がまれにしか普及してなく、より複雑で高価な技術であるという一方で、ＣＭＯＳ技術がほとんどの基板製造技術により普及しているということである。
【０００６】
同時系属中の欧州特許出願ＥＰ−Ａ−０７７３６６７号及びＥＰ−９７８７００８４．７号において、前述の目的を単独でまたは組み合わせて達成する、ピクセル構造及びそれらをアドレッシングする方法が説明されている。これらの特許出願の内容は参照されることにより本文中に組み込まれる。
【０００７】
一般に、撮像デバイスについて、調和が困難な３つの仕様とは、
−撮像デバイスの感度、特に暗における感度
−画像の表面の品質（画像に傷のないことを意味する）
−高いダイナミックレンジを有する応答の必要性
であることを認識する必要がある。
【０００８】
対数関数的応答のような非線形応答を有する撮像センサは、例えば、欧州特許出願ＥＰ−Ａ−０７３９０３９号から知られる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、受動もしくは能動ピクセルを有する撮像センサのほとんどは線形な電圧−光応答を示す。これは、それらのダイナミックレンジが線形応答のダイナミックレンジにより制限されることを意味する。例えば、もし、線形出力電圧が約２５０のＳ／Ｒ比（これは代表的な値）を有するとすると、対応するダイナミックレンジも同じ値になるであろう。
【００１０】
二重線形応答もしくは多重線形応答の撮像センサが知られている。そのようなセンサにおいては、ピクセルの外側で、１つの電気出力信号中で光学応答の２つ以上の部分が結合されている。現状では、異なる感度で２つの画像を入力し、それらを結合することにより、従来の撮像センサを用いてそのような二重線形応答画像を得ることができる。
【００１１】
米国特許ＵＳＰ−５１６４８３２号は、２つの感度領域を持つ応答曲線を有するＣＣＤ回路について開示する。そのＣＣＤ回路はＣＣＤ上の並列な構成中にクリッピングゲートを有する。応答曲線を得るために、光の集積期間は第１と第２の集積期間に分けられる。第１の集積期間（以下、「第１の期間」という。）の間、クリッピングゲートは、ＣＣＤ上に照射された高い光強度により生成される信号を除去する特定の直流電圧に設定される。第２の集積期間（以下、「第２の期間」という。）の間、この制限は取り除かれる。高い信号は第２の期間の間のみ、その結果に付加するだけであり、低い信号は全ての時間の間付加する。
【００１２】
集積期間の第１の期間の間では集められた光電荷は制限され、第２の期間の間ではその制限は取り除かれる。この制限は、クリッピングゲートを第１の期間の間は１つの直流電圧に、第２の期間の間は他の値に設定することにより取り除くことができる。このことはゲートが過度の電荷を連続的に取り除くことを意味する。
【００１３】
本発明は、単一ピクセルに対して、二重または多重の線形な電圧−光応答を得ることが可能な能動または受動ピクセル構造を開示することを目的とする。
さらに、本発明は、二重もしくは多重の線形な電圧−光応答を単一画像走査において得ることが可能な能動または受動ピクセル構造を読み出す方法を開示することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、出力ノードを備えた光電素子と、それとの間に第１のスイッチ素子を備えたメモリ素子とを少なくとも有する、ＭＯＳを基礎とするピクセル構造の読み出し信号を得るための方法に関する。その方法は、光電素子上への電磁放射線から変換された電荷キャリアを上記光電素子の上記出力ノード上で獲得しながら、集積期間の第１の期間後に第１の信号を生成し、集積期間の第２の期間後に第２の信号を生成するステップからなり、上記読み出し信号は少なくとも上記第１および第２の信号の結合とする。
【００１５】
本発明によれば、集積期間のいずれにおいても集められる電荷量の制限はない。第１の期間の間に集められた信号は、その期間の間、スイッチが僅かに閉じて開くことにより記憶される。第２の期間の間、出力ノードとメモリ素子とは電気的に接触しない。このため、スイッチは両期間中、同じ状態にあることができる。これにより、第２の期間後、それぞれが異なる時間の間で得られる２つの電荷パケットが存在する。その後、読み出しを行うために、これら２つの電荷パケットは読み出し信号に結合される。この結合は例えば、電荷パケットを加算するか又は減算することにより、すなわち、センサ外部の回路においてそれらを加算するか又は減算することにより実行される。
【００１６】
上記方法は、より好ましくは、以下の手順により実行される：
−第１の期間後に、上記第１のスイッチを開き、それにより第１の数の上記電荷キャリアを上記メモリ素子に蓄積し、第１の信号を生成し；
−第２の期間後に、第２の数の上記電荷キャリアを上記出力ノードに蓄積し、第２の信号を生成し、上記読み出し信号は少なくとも上記第１の信号と上記第２の信号との結合とする。
【００１７】
なお、「生成」と「結合」の用語は、当業者の基礎的な知識によれば電気回路において異なる信号を取り扱つかっていることを意味することに注意すべきである。
【００１８】
光電素子はフォトダイオード、フォトゲート、フォトトランジスタまたはフォトレジスタのような任意の素子であってもよい。
【００１９】
前述のステップと考え方の少なくともいずれかは２より大きい期間の数の間、繰り返されてもよい。
【００２０】
好ましい態様では、上記の情報は、さらに以下のステップを含む。
−上記第２の期間後に、第１の中間信号を上記第１の信号から生成し、
−その後、上記第１のスイッチを開閉し、それにより第２の中間信号を生成し、
−少なくとも、上記第１および第２の中間信号を上記読み出し信号を得るために結合する。
【００２１】
好ましくは、本質的に、上記第１の期間の間に上記光電素子に照射された電磁放射線から変換された全ての電荷キャリアは、通常の飽和すなわちピクセルの逆焦点ぼけ（anti-blooming）を除き、上記第１の信号を生成する。
【００２２】
より好ましくは、本質的に、上記第２の期間の間に上記光電素子に照射された電磁放射線から変換された全ての電荷キャリアは上記第２の信号を生成する。
【００２３】
第１の好ましい態様によれば、読み出し信号は少なくとも上記第１及び第２の信号の平均値または重み付きの平均値である。
【００２４】
別の好ましい態様によれば、読み出し信号は上記第２の信号と上記第１の信号の減算である。
【００２５】
好ましい態様によれば、相関二重サンプリングは第２のスイッチを閉じる新たなステップを用いて実行される。第２のスイッチは光電素子と直列に配置され、上記光電素子をリセットし、それにより第３の信号を生成する。上記読み出し信号は第１、第２および第３の信号の結合である。
【００２６】
好ましくは、この場合、読み出し信号は、第３と第１の信号の減算と、第３と第２の信号の減算との結合である。
【００２７】
別の好ましい態様によれば、読み出し信号は、第２と第１の信号の減算と、第３と第２の信号の減算との結合であってもよい。
【００２８】
別の好ましい態様によれば、読み出し信号は、第２と第１の信号の減算と、第３と第１の信号の減算との結合とすることもできる。
【００２９】
本発明はまたＣＭＯＳを基礎としたピクセル構造に関する。そのピクセル構造は少なくとも；
−電磁放射線を電荷キャリアに変換し、リセットスイッチと電源とに接続された光電素子；
−増幅器に接続されたメモリ素子；及び
−上記光電素子と上記メモリ素子との間にあり、開いたときに第１の数の上記電荷キャリアを上記メモリ素子に格納させる第１のスイッチ
からなる。
【００３０】
好ましくは、メモリ素子は、ＣＭＯＳトランジスタであってもよいのと同様に、コンデンサやピクセル構造中に配置されたスイッチのようなアナログメモリ素子であってもよい。実際には、コンデンサはピクセル中の内部接続線により形成される寄生容量であってもよい。
【００３１】
本発明はまた、少なくともピクセル群の一部分が前述の構造を有するピクセルの幾何学的な構成を有するＣＭＯＳ撮像デバイスに関する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、添付の図面を参照して本発明に係るＣＭＯＳを基礎とするピクセル構造及びその読み出し方法の実施の形態を説明する。
【００３３】
図１は本発明の実施形態である、メモリ素子４を備えた機能的なピクセル構造を表す。図１において、３は光受容体やフォトダイオードのような光電素子であり、それはスイッチ２によりリセットできる。フォトダイオードにより生成される信号は周期的にコンデンサ４上の別のスイッチ１によりサンプリングされる。そのとき、生じる電圧は増幅器Ａにより表される回路上に従来の方法で多重入力される。
【００３４】
好ましい実施形態の１つでは、その増幅器Ａは、能動ピクセルを有するようにするためにピクセル構造中に配置される。他の好ましい例では、増幅器Ａは、受動ピクセルを有するようにするためにピクセル構造の外部に配置され得る。
【００３５】
このピクセル構造は、前述の読み出し信号を得る本発明の方法を実行でき、それゆえ、単一ピクセルにおいて二重または多重の線形な光−電圧応答を実現することができる。
【００３６】
図２は、図１で示された概略構造の特定の実施形態を表す。そこでは、ピクセルは４つのトランジスタが集積された能動ピクセルである。それは、ノードＣ上でスイッチ２１を介して集積勾配の中間の信号レベルをサンプリングできるという特徴を有する。その後、両信号（中間の値および最終的に集積された値）を、高いダイナミックレンジを持った１つの読み出し信号に結合することができる。最も単純な方法では、この結合は、両方の値を加算することにより得られる。
【００３７】
そのような構造での有効な応答は、第１の部分３２と第２の部分３１とを含む二重の線形な勾配を伴う能動ピクセルに対する図３の（ａ）において表される。本発明によれば図３の（ｂ）に表されるように第１の部分３２の勾配は、画像の行（ロウ）数に係る電子シャッタ比によって変化し得る。例えば、１から２５０までの間で。
【００３８】
二重の勾配は、画像の強度の高い部分を圧縮するが、強度の低い部分は保持する。それはガンマ補正または対数的圧縮に匹敵する特性を持ち、さらに、それは広い範囲で調節されることができ、種々の光強度条件を調整することができる。
【００３９】
図１または図２に表されるピクセル構造のＣＭＯＳ技術により可能な実施形態の断面図を図４に示す。図４において、メモリ素子はまたＭＯＳ構造４４として実現される（必ずしもそうする必要はない）。増幅及び多重は示されていない。ピクセル構造の動作がいくらかの電荷の収集を行うときは、金属の光遮蔽４９は必要でない。さらに図４においてシリコン基板が示されている。シリコン基板においては、（ｎ++）ｎ／ｐ-接合のような光電素子４３；金属または、シリコン基板から誘電体層により分離されたポリシリコン層（実際にはＰ+表面層）のような第１のスイッチ４１及び第２のスイッチ４２がある。
【００４０】
アナログメモリ素子は、接合部である部分を少なくとも一つ有するか、または接合部を有する他の回路素子（トランジスタ）に接続された容量素子４４により表される。接合部は光電性を有し、この光電性によりコンデンサ４４に蓄積された電荷に影響を与える電流の流れが生ずる。そのようなメモリ素子すなわちコンデンサ４４は種々の目的に用いられる。例えば、空間周波数フィルタリングや、一時的なフィルタリング、画像の記憶等に用いられる。
【００４１】
ベストモードで動作させるために、前述の回路は安定したコンデンサ４４上の信号を有する必要がある。これに関し、コンデンサ及びそれに対する相互接続が光から遮蔽される必要がある。それは金属化により容易となる。しかしながら、コンデンサ及びそれに対する相互接続素子の少なくとも一方は、それに照射される光によりチップの基板中に存在する電荷を集めてもよい。特に、基板の深いところで生成される光電荷は、コンデンサ４４またはその相互接続上に容易に拡散し、それらを充電（放電）する。
【００４２】
もし、コンデンサ４４の一部分でない、フォトダイオード４３または他のダイオードが図４の実施形態にしたがって作成されれば、チップの基板中をさまよう電荷はそこに集まりやすく、このため、コンデンサ４４上の電荷に影響を与えない。
【００４３】
本発明はまた、ダイナミック応答について二重または多重の線形の勾配を得るための、ＣＭＯＳを基礎としたピクセル構造の信号を読み出す好ましい方法にも関する。第１の好ましい実施形態によれば、図５に示すように、いくつかのパルスが、図２のピクセル構造のリセットスイッチ２２とスイッチ２１とに与えられる。
【００４４】
図５上では、リセットは第１番目の線で、サンプルは２番目の線で、フォトダイオードの出力ノード上およびノードＣ上で見られる電位レベルは３番目の線で表されている。
【００４５】
２つの集積期間が図５に示されている。リセットパルス後のある時間、スイッチ２１は短い時間開かれ、これによりノード（コンデンサ）Ｃ上の電位が固定する。第１の集積期間の終了時にスイッチ２１は短い時間開かれ、フォトダイオードの出力ノード上の新しい電位がサンプリングされる。
【００４６】
本実施形態では、フォトダイオードの出力ノード上の新しい電位と、コンデンサＣ上で固定された電位との重み付けられた平均値がサンプリングされる（信号「ｂ」）。リセット（スイッチ２２を閉じる）後、ピクセルのリセットレベルが、再度サンプリングされる（信号「ｃ」）。これは、二重サンプリング等に関連するオフセット補正に対して有効である。この信号サンプル「ｂ」は二重線形応答を得るために十分である。それは、サンプルがそれ自体において、低い感度と高い感度の電気的応答であるコンデンサＣおよびフォトダイオード上の電位の平均値であるからである。差（ｂ−ｃ）は、この信号の相関関係のある二重サンプリングされた変形であり、これにより、結果として起こり得るオフセット非同一性を除去する。
【００４７】
より一般的な教義で図２のピクセル構造を参照しない場合、本発明の方法は図５において概略的に示される。
【００４８】
図５において、リセットは第１の線で表され、サンプルは第２の線で表され、フォトダイオード出力ノード及びノードＣ上で見られる電位レベルは第３の線で表される。リセットパルス後のある時間、サンプルスイッチは短い間開かれ、これによりコンデンサＣ上のこの電位を固定する。
【００４９】
その集積期間の終了時にコンデンサＣ上に記憶された値がサンプリングされ（「ａ」）、その後、サンプルスイッチは短い間開かれ、フォトダイオード出力ノード上の新しい電位がサンプリングされる（「ｂ」）。リセット後、ピクセルのリセット値がサンプリングされる。それは二重サンプリング等に関連するオフセット補正に対して有効となる。
【００５０】
値ａと値ｂ、または関連した二重サンプリング構成において（ｃ−ａ）と（ｃ−ｂ）は、低い応答性と高い応答性をそれぞれ有する応答となる。両値は、ピクセルに対して外部または撮像センサの内側もしくは外側で結合され得る。結合の単純な方法は線形結合であり、図３に示されるような有効な応答曲線を生ずる。
【００５１】
値ａと値ｂ、または関連した二重サンプリング構成において（ｃ−ａ）と（ｃ−ｂ）は、低い応答性と高い応答性をそれぞれ有する応答となる。両値は、ピクセルの外部または撮像センサの内側もしくは外側で結合され得る。結合の簡単な方法は、線形結合または非線形結合であり、図３の（ａ）において示すような有効な応答曲線を生ずる。
【００５２】
本発明の実施形態において、ピクセル構造は０．７μｍＣＭＯＳ技術を用いて、ＭＩＴＥＣにて製造される。本発明のピクセルは約１：２００００から１：６００００までのダイナミックレンジを示す。これに対して、同じ技術で製造された本発明の特徴を持たない参照したピクセルでは約１：２０００から１：３０００までのダイナミックレンジを示す。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】（ａ）と（ｂ）は本発明の実施形態によるピクセル構造の概略の機能を示す図である。
【図２】（ａ）と、（ｂ）または（ｃ）とは本発明の特定の実施形態のピクセルのアーキテクチャを示す図である。
【図３】（ａ）は図２に示すピクセルの典型的な応答を示す図であり、（ｂ）は電子シャッタ比により変化する応答の勾配に対する異なる可能性を示す図である。
【図４】本発明によるピクセル構造の実施形態を示す図である。
【図５】ピクセルの駆動及び読み出し方法を説明した図である。
【符号の説明】
【００５４】
１，２，４１，４２  スイッチ
２  スイッチ
３，４３  光電素子
４  メモリ素子
４４  コデンサ素子
Ａ  増幅器。
【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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