(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ−Ｙアドレス指定可能ＭＯＳイメージセンサであって、
複数の画素であって、該複数の画素の中の各画素が、光検出器、及び予め決められた電位レベルに該光検出器の電位を調整するリセット機構を有する複数の画素と、
前記複数の画素の出力レベルを測定する手段と、
前記複数の画素内の個々の画素に含まれる光検出器がリセットされた時、リセットとリセットレベル測定との間の２つの異なった経過時間を使用して、該光検出器の複数のリセットレベルを測定する手段と、
前記リセットレベルの間の差分を求め、該差分を所定のしきい値と比較するために前記測定手段に作動的に接続されている比較回路と、
前記リセットレベル間の前記差分が前記所定のしきい値より少ない時、前記光検出器の信号レベルとして、前記光検出器の測定された出力レベルを使用する手段と、
前記リセットレベル間の前記差分が前記所定のしきい値を超える時、有効な光検出器の信号レベルを生成するために、該リセットレベル間の該差分に漸減信号領域の伝達関数を適用する手段と、
を有するＸ−Ｙアドレス指定可能ＭＯＳイメージセンサ。
【請求項２】
ダイナミックレンジを拡大するためにＸ−Ｙアドレス指定可能ＭＯＳイメージセンサを使用する方法であって、該イメージセンサは、各画素が光検出器、及びリセット機構を有している複数の画素を有し、該方法は、
前記複数の画素内の個々の画素と関連した光検出器がリセットされた時、リセットとリセットレベル測定との間の２つの異なった経過時間を使用して、該光検出器における複数のリセットレベルを測定する段階と、
前記リセットレベル間の差分を求める段階と、
前記リセットレベル間の前記差分を所定のしきい値と比較する段階と、
前記リセットレベル間の前記差分が前記所定のしきい値より少ない時、前記光検出器の信号レベルとして、前記光検出器の測定された出力レベルを使用する段階と、
前記リセットレベル間の前記差分が前記所定のしきい値を超える時、該リセットレベル間の該差分に漸減信号領域の伝達関数を適用することにより、有効な光検出器の信号レベルを生成する段階と、
を有する方法。
【請求項３】
Ｘ−Ｙアドレス指定可能ＭＯＳ撮像システムであって、
複数の画素を有するイメージセンサであって、該複数の画素の中の各画素が、光検出器、及びリセット機構を有している、イメージセンサと、
前記イメージセンサに複数のリセットを適用する手段と、
リセットレベルの間の差分を求め、該差分を所定のしきい値と比較する手段と、
前記リセットレベル間の前記差分が前記所定のしきい値より少ない時、前記光検出器の信号レベルとして、前記光検出器の測定された出力レベルを使用する手段と、
前記リセットレベル間の前記差分が前記所定のしきい値を超える時、有効な光検出器の信号レベルを生成するために、該リセットレベル間の該差分に漸減信号領域の伝達関数を適用する手段と、
を有するＸ−Ｙアドレス指定可能ＭＯＳ撮像システム。
【請求項４】
Ｘ−Ｙアドレス指定可能ＭＯＳイメージセンサであって、
複数の画素であって、該複数の画素の中の各画素が、光検出器、センスノード、及び予め決められた電位レベルに該センスノードの電位を調整するリセット機構を有する複数の画素と、
前記複数の画素の出力レベルを測定する手段と、
前記複数の画素内の個々の画素に含まれるセンスノードがリセットされた時、リセットとリセットレベル測定との間の２つの異なった経過時間を使用して、該センスノードの複数のリセットレベルを測定する手段と、
前記リセットレベルの間の差分を求め、該差分を所定のしきい値と比較するために前記測定手段に作動的に接続されている比較回路と、
前記リセットレベル間の前記差分が前記所定のしきい値より少ない時、前記光検出器の信号レベルとして、前記光検出器の測定された出力レベルを使用する手段と、
前記リセットレベル間の前記差分が前記所定のしきい値を超える時、有効な光検出器の信号レベルを生成するために、該リセットレベル間の該差分に漸減信号領域の伝達関数を適用する手段と、
を有するＸ−Ｙアドレス指定可能ＭＯＳイメージセンサ。
【請求項５】
ダイナミックレンジを拡大するためにＸ−Ｙアドレス指定可能ＭＯＳイメージセンサを使用する方法であって、該イメージセンサは、各画素が光検出器、センスノード及びリセット機構を有している複数の画素を有し、該方法は、
前記複数の画素内の個々の画素と関連したセンスノードがリセットされた時、リセットとリセットレベル測定との間の２つの異なった経過時間を使用して、該センスノードにおける複数のリセットレベルを測定する段階と、
前記リセットレベル間の差分を求める段階と、
前記リセットレベル間の前記差分を所定のしきい値と比較する段階と、
前記リセットレベル間の前記差分が前記所定のしきい値より少ない時、前記光検出器の信号レベルとして、前記光検出器の測定された出力レベルを使用する段階と、
前記リセットレベル間の前記差分が前記所定のしきい値を超える時、該リセットレベル間の該差分に漸減信号領域の伝達関数を適用することにより、有効な光検出器の信号レベルを生成する段階と、
を有する方法。
【請求項６】
Ｘ−Ｙアドレス指定可能ＭＯＳ撮像システムであって、
複数の画素を有するイメージセンサであって、該複数の画素の中の各画素が、光検出器、センスノード、及びリセット機構を有している、イメージセンサと、
前記イメージセンサに複数のリセットを適用する手段と、
リセットレベルの間の差分を求め、該差分を所定のしきい値と比較する手段と、
前記リセットレベル間の前記差分が前記所定のしきい値より少ない時、前記光検出器の信号レベルとして、前記光検出器の測定された出力レベルを使用する手段と、
前記リセットレベル間の前記差分が前記所定のしきい値を超える時、有効な光検出器の信号レベルを生成するために、該リセットレベル間の該差分に漸減信号領域の伝達関数を適用する手段と、
を有するＸ−Ｙアドレス指定可能ＭＯＳ撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体イメージセンサに関し、さらに特に、拡大されたダイナミックレンジを有する能動画素イメージセンサ（ＡＰＳ）または受動画素イメージセンサ（ＰＰＳ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＡＰＳは、各々の画素が光感知手段と少なくとも１つの他の能動素子との両方を含むソリッドステートイメージセンサであり、信号（電圧信号または電流信号）に変換される電荷を生じさせる。この信号は、画素のフォトサイト（photosite ）に入射する光の量を表す。画像感知装置のダイナミックレンジ（ＤＲ）は、センサのｒｍｓノイズレベル（σnoise ）に対する、一般的には飽和信号（Ｖsat ）と呼ばれる有効最大検出可能信号レベルの比率として定義されている。これを次の等式１で表わされる。
【０００３】
等式１：  ダイナミックレンジ＝Ｖsat ／σnoise 
入射光子（incident photon)によって発生させられる電荷を積分する電荷結合素子（ＣＣＤ）のようなイメージセンサ素子は、収集されて特定のフォトサイトに保持されることが可能な電荷の量（Ｖsat ）によって制限されるダイナミックレンジを有する。例えば、あらゆる特定のＣＣＤにおいて、画素内で収集され検出されることが可能な電荷の量は画素面積に比例している。したがって、メガピクセル形ディジタルスチールカメラ（ＤＳＣ）で使用される市販の素子の場合には、Ｖsat を表す電子の個数が電子約１３，０００個から約２０，０００個である。入射光が非常に明るく、画素または光検出器において保持されることが可能な電子の個数よりも多くの電子を発生する場合には、これらの過剰な電子が画素内のブルーミング防止（ａｎｔｉ−ｂｌｏｏｍｉｎｇ）手段によって抜き取られ、したがって、飽和信号の増加の原因にはならない。したがって、最大検出可能信号レベルは、光検出器または画素の中に保持されることが可能な電荷量に制限される。ＤＲは、さらに、センサノイズレベルσnoise によっても制限されている。Ｖsat に対する制限のせいで、σnoise を非常に低いレベルに低下させるために、ＣＣＤに関して様々な研究が行われてきた。一般的には、市販のメガピクセルＤＳＣ装置は１０００：１以下のＤＲを有する。
【０００４】
ＡＰＳ装置の場合にも、同様のＤＲの制限が存在する。Ｖsat は、光検出器内に保持され隔離されることが可能な電荷の量によって制限されている。過剰な電荷は失われる。ＡＰＳの画素内の能動素子が光検出器のための使用可能面積を制限するので、および、低い電圧供給とクロックとがＡＰＳ装置内で使用されるので、この問題点はＣＣＤに比較してＡＰＳの場合に一層深刻となる可能性がある。これに加えて、ＡＰＳ装置はイメージセンサシステムをチップ上に実現するために使用されてきたので、ＣＣＤには存在しない、タイミングと制御とＡ／Ｄ変換とのようなＡＰＳ装置上で使用されるディジタルおよびアナログ回路が、ＣＣＤに比較して著しく高いノイズ下限（noise floor)をＡＰＳ装置にもたらす。これは、より高い時間ノイズと、おそらくはオンチップＡ／Ｄコンバータからの量子化ノイズとに起因している。
【０００５】
半導体イメージセンサ技術では、ＡＰＳとＰＰＳの両方に関してダイナミックレンジの拡大を実現する多数の発表が存在する。これらは、（１）米国特許第５，６５０，６４３号でKonumaによって教示されているような、閾値に達するクロック周期数の測定と、（２）Orly Yadid-Pecht他によって、the 1997 IEEE Workshop on Charge-Coupled Devices and Advanced Image Sensors;paper#R15 で発表された "Wide Intrascene Dynamic Range CMOS APS Using Dual Sampling" において説明されているような、変化する積分時間を有する２つ以上の相関画像の捕捉と、（３）Sypros Kavadias 他によって "On-chip Offset Calibrated Logarithmic Response Image Sensor",1999 IEEE Workshop on Charge-Coupled Devices and Advanced Image Sensors,pp.68-71 において、M.Loose 他によって "Self-Calibrating Logarithmic CMOS Image Sensor with Single Chip Camera Functionality",1999 IEEE Workshop on Charge-Coupled Devices and Advanced Image Sensors,pp.191-194において、N.Ricquier他によって "Active Pixel CMOS Image Sensor with On-Chip Non-Uniformity Correction",1995 IEEE Workshop on Charge-Coupled Devices and Advanced Image Sensors において、および、J.Huppertz他によって "Fast CMOS Imaging with High Dynamic Range",1997 IEEE Workshop on Charge-Coupled Devices and Advanced Image Sensors,pp.1-4 において説明されているような、対数伝達関数画素アーキテクチャと、（４）S.Decker他によって "Comparison of CCD and CMOS Pixels for a Wide Dynamic Range Area Imager",1995 IEEE Workshop on Charge-Coupled Devices and Advanced Image Sensors と、"A 256x256 CMOS Imaging Array with Wide Dynamic Range Pixels and Column-Parallel Digital Output",IEEE Journal of Solid State Circuits,Vol.33,No.12,Dec.1998 とにおいて従来技術の引例で説明されているような、積分中におけるリセットゲートのレベルの変更とを含む。
【０００６】
Konumaに与えられた米国特許第５，６５０，６４３号（Konuma）は、ソリッドステートイメージセンシング素子のダイナミックレンジを拡大するために使用可能である装置を教示している。Konumaは、積分信号閾値レベルに達するのに要する時間を測定し、これを唯一のセンサ出力として提供するために、比較器と、光検出器に関連したカウンタとを組み込むことによって、有効Ｖsat レベルを増加させる手段を示している。比較器入力に供給される信号レベルに光検出器の信号レベルが達するのに要したカウンタクロック周期の数を求めるために、このカウンタを比較器と組み合わせて使用する。その次に、この装置は、光検出器に関連した出力すなわち信号値として、カウンタクロック周期の数だけを提供する。
【０００７】
【発明が解決しょうとする課題】
Konumaの開示内容は、Ｖsat を有効に増加させることによってダイナミックレンジの拡大を実現するが、このアプローチには幾つかの問題点がある。
第１に、各画素にカウンタと比較器を備えなければならない場合には、各画素内の素子の個数が非常に多くなり、その結果として、非常に小さいフィルファクタを有する画素、または、非常に大きい画素をもたらすことになる。半導体技術の現状における現在の最小特徴サイズと、小型で低コストのイメージセンサが必要であることとから見て、このアプローチは実際的ではない。
【０００８】
第２に、各画素の出力は、特定の閾値に達するために必要な時間に関するカウンタ値であり、かつ、光検出器内で積分される実際の電荷の量に関するアナログ出力値を含まない。このアプローチでは、有効Ｖsat レベルが増加するが、有効ＤＲは、カウンタクロックの時間周期または精度と、カウンタのサイズとによって制限されることになる。例えば、カウンタが１０ビット又は１０２４カウントを有する時には、１０２４のマスタクロック周期を所望の露出時間に当てはめることが可能であれば、ダイナミックレンジは１０ビットに拡大される。所望の露出時間が１００ミリ秒である場合には、カウンタクロック周期は９７．６マイクロ秒より小さくなければならない。ＤＲを２０ビットに拡大しようとする場合には、２０ビットカウンタが必要であり、１００ミリ秒の露出時間のためには１０．５ＭＨｚより高いカウンタクロック周波数が必要だろう。この例では、１０からビットへのＤＲの拡大は、１０００倍速いクロック周波数という要件に結果する。露出時間が減少するにつれて、これに見合った形で、より高速のマスタクロックが必要とされる。例えば、明るい日光の下で屋外で画像を取り込む時に１／６０秒（time of 1/60th of a second）の露出時間が望ましいかまたは必要とされる場合には、２０ビットを量子化するためには６３ＭＨｚのマスタクロックが必要とされることになる。一般的な露出条件で高いダイナミックレンジを実現するためには、非常に高速のカウンタクロックが必要であることは明白である。あるいは、カウンタのビット数が多くなればなるほど、これを画素の中に一体化するために、より多くの面積が必要とされ、ますます大きい画素を生じさせる。典型的なカウンタは１ビット当たり４−８個のトランジスタを必要とする。したがって、２０ビットのカウンタは８０−１６０個のトランジスタを必要とし、その結果として０．３５μｍのＣＭＯＳプロセスでは４０μｍより大きい画素サイズをもたらすであろう。これに加えて、このアプローチは、各画素毎に出力値を得るために、イメージセンサ内の全ての画素が、プログラムされた閾値レベルに達することを必要とする。これは、閾値レベルがＶsat に近い場合には、光景の暗領域が閾値レベルに達することを可能にするために非常に長い露出時間を必要とするであろう。閾値レベルを非常に低い値にプログラムすることによって、この露出時間を減少させることが可能であるが、これは、光景の中の非常に明るい領域が極度に短時間のうちに閾値レベルに達するので、こうした非常に明るい領域における情報の精度を低下させるであろう。
【０００９】
第３に、Konumaのアプローチでは、最も明るい光レベルにおいてデータがより多く量子化される。これは、閾値に達するまでの時間から有効光測定値をどのように計算するかを考察することによって、次の等式２に示されている。
閾値（ＶT ）に達するのに要する時間量（ｔT ）が分かっており、かつ、測定が行われている時間全体にわたって光源が一定不変であると仮定すると、あらゆる任意の時点（ｔM ）における光の量を計算することが可能である。増大された有効電圧（Ｖext ）の表現式は、次の等式２によって与えられる。
【００１０】
【数１】
0004536901.tif 000002
【００１１】
離散系では、時間変数ｔT を、次の等式３に示すように量子化された単位で測定する。
【００１２】
【数２】
0004536901.tif 000003
【００１３】
ｃｖが量子化整数コード値であり、ＭａｘＣｖが、ｔM におけるｃｖ値に対応するコード値である場合。値を代入することによって、次の等式４が得られる。
【００１４】
【数３】
0004536901.tif 000004
【００１５】
図２を参照すると、ゼロのコード値（ｃｖ）が無限の（infinite）光を意味する。最大である第１の測定可能な量子化は、ｃｖ＝１とｃｖ＝２の間である。８ビット線形系に関する量子化は０．００３９であり、これはKonumaによって説明された「閾値に達するまでの時間」を用いる方法における最小の量子化よりも小さい。
【００１６】
第４に、閾値に達する時間を常時監視するために、画素アレイの外側に単一のカウンタおよび比較器を有する場合には、十分に精細な量子化を実現してダイナミックレンジの増大を得るために十分なだけ小さいサンプリング周波数を有するように、極度に高いレートで各画素を測定しなければならないであろう。例えば、所望の露出時間にわたって１０ビットの量子化が必要であり、かつ、イメージセンサ内に１００万個の画素が存在すると仮定する。１００ミリ秒の所望の露出時間では、各画素を９７．６５マイクロ秒毎にアクセスし、プログラムされた閾値レベルと対照して測定しなければならない。このことは、９７．６５マイクロ秒毎に１００万個の画素をサンプリングしなければならないということを意味する。このためには、９７．６５ピコ秒毎に１つの画素、すなわち、１０．２４ＧＨｚの画素サンプリングレートが必要であろう。これを行うための手段は、Konumaによっても、ＡＰＳ装置または他のイメージセンサ装置の分野のどこにおいても、開示されていない。
【００１７】
最後に、提供される出力は時間である。この出力から入射画像を再構成する（すなわち、信号レベルを求める）ためには、時間値からの乗算によって外挿法によって推定を行わなければならない。このことは、イメージセンサの有効ノイズレベルを悪化させる可能性がある。値ｔは、電圧ｖ（ｔ）が閾値に達するまでの時間を測定するために使用される。信号ＶＰＤ（ｔ）は、標準偏差σv を有する幾らかのガウス付加ノイズを伴う、時間の経過に応じた光子の蓄積を表す。当業者は、次の等式５に示すように、拡大された電圧ドメイン（σExt ）内のノイズが付加ノイズに関係していることを示すことが可能である。
【００１８】
【数４】
0004536901.tif 000005
【００１９】
ｔM が常にｔT よりも大きいならば、σExt の値が常にσv より大きいということが理解できる。上述の説明から、低ノイズと、小さい画素と、単純で低周波数の読出しとを維持しながら、増大したＶsat とダイナミックレンジとを提供する装置と、増大した電圧信号の量子化を管理する手段とが、従来技術において依然として必要とされ続けているということが明らかであるはずである。
【００２０】
従来技術の引例、すなわち、Orly Yadid-Pecht他、"Wide Intrascene Dynamic Range CMOS APS Using Dual Sampling",1997 IEEE Workshop on Charge-Coupled Devices and Advanced Image Sensors;paper#R15と、O.Pecht 他、"CMOS APS with Autoscaling and Customized Wide Dynamic Range",1999 IEEE Workshop on Charge-Coupled Devices and Advanced Image Sensors と、M.Schantz 他、"256x256 CMOS Imager with Linear Readout and 120dB Dyanamic Range",1999 IEEE Workshop on Charge-Coupled Devices and Advanced Image Sensorsによって開示されているような、２つ以上のフレームの取り込みの方法では、異なった積分時間を有する同一の画像または光景の２つ以上のフレームを取り込む場合に、多重読出しが必要であり、各々の読出しのための積分時間が、正確な補間を得るように光景の照度にしたがって選択されなければならない。このことは、積分時間の迅速な選択を容易にするために撮像自動露出システムに複雑性を付加し、当業では現在まで提示されたことがない。さらに、有効信号レベルの複数フレーム出力比較および計算を行うためには、追加のフレームメモリが必要となる。これに加えて、２つのフレームの間に何らかの移動または光景照度の変化がある場合には、このダイナミックレンジ拡大方法は役立たない。
【００２１】
Sypros Kavadias 他、"On-chip Offset Calibrated Logarithmic Response Image Sensors",1999 IEEE Workshop on Charge-Coupled Devices and Advanced Image Sensors,pp.68-71 と、M.Loose 他、"Self-Calibrating Logarithmic CMOS Image Sensor with Single Chip Camera Functionality",1999 IEEE Workshop on Charge-Coupled Devices and Advanced Image Sensors,pp.191-194 と、N.Ricquier他、"Active Pixel CMOS Image Sens or with On-Chip Non-Uniformity Correction",1995 IEEE Workshop on Charge-Coupled Devices and Advanced Image Sensorsによって説明されているダイナミックレンジ拡大方法を使用して、対数伝達関数を有する画素が実現される。ＭＯＳＦＥＴ副閾値を使用するというアプローチは、非常に高い固定パターンノイズを有する挙動を示す。これを補正するためのアプローチは、追加のシステムメモリ、各画素の個々の閾値トリミング、または、画素１個毎に追加のトランジスタを必要とする。このことは、チップサイズと、システムのコストおよび複雑性とを増大させる。
【００２２】
J.Huppertz他、"Fast CMOS Imaging with High Dynamic Range",1997 IEEE Workshop on Charge-Coupled Devices and Advanced Image Sensors,pp.1-4と、S.Decker他、"Comparison of CCD and CMOS Pixels for a Wide Dynamic Range Area Imager",1995 IEEE Workshop on Charge-Coupled Devices and Advanced Image Sensorsとによって説明されているダイナミックレンジ拡大方法の場合は、リセットゲート電圧レベルが、積分中に特定の時間応答に応じてオン状態からオフ状態に変化させられる。この方法では、明画素に関して画素が飽和しないように電荷をスキミング（skimming）してリセットドレインの中に逃すことによって、ダイナミックレンジを拡大する。この方法は、電子シャッターモードで動作するために複雑なタイミングを必要とするという欠点と、個々の信号レベルが電荷のスキミングによるものであるか否か、または、単純に積分信号レベルの合計であるか否かを識別することが困難であるという欠点とを有する。
【００２３】
上述の説明から、低ノイズと、小さい画素と、単一フレーム読出しと、融通性の高い伝達関数とを維持しながら、ダイナミックレンジの拡大を実現する装置が、従来技術において依然として必要とされているということが明らかなはずである。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明によって、従来技術の問題点に対する解決策が提供される。本発明では、ＣＭＯＳイメージセンサのブルーミング（blooming) 挙動を、光景内ダイナミックレンジ（intrascene dynamic range）の拡大を実現するために使用する。
本発明の第１の実施形態は、積分中に光検出器からブルームする電荷を利用する。従来技術の装置では、光検出器の信号レベルは、ブルーミング電荷を除去し廃棄することによって、明領域内で制限される。本発明では、光検出器からブルームする電荷を、光検出器の積分時間とは無関係に制御される時間期間の間に積分し、この収集されたブルーミング電荷を画素の読出しにおける光検出器信号電荷に加える。
【００２５】
本発明の第２の実施形態は、高い照度レベル下のＣＭＯＳ  ＡＰＳの読出しに関連した、光レベルの増大に伴って漸減する信号の挙動を利用することによって、ダイナミックレンジの拡大を実現する。これは、リセットとリセットレベル測定との間の異なった経過時間を有する２つのリセットレベルのサンプルを採取し、それによって２つの異なった有効リセットレベル積分時間を提供することによって行われる。この２つの測定リセットレベルを比較することによって、光検出器の物理的飽和信号を越える、光検出器の有効信号レベルを求めることが可能である。漸減高光信号領域 (diminishing high light signal region) 内または低光標準線形信号領域 (low light standard linear signal region)内で画素が動作している場合に、この２つのリセット測定レベルの間で求められる差を使用する。この結果に応じて、画素の光検出器の読出しからの電圧出力に対して、異なる伝達関数を適応し、その画素に関する有効信号レベルを与える。その画素上に入射している光が明るく、かつ、上述の２つの測定リセットレベルの間の差が予め決められた閾値を上回る場合には、漸減信号領域に関連した伝達関数を光検出器値の計算に使用する。２つの測定リセットレベルの間の差が予め決められた閾値を越えない場合には、光検出器値を識別するために、標準の線形伝達関数を使用する。これに加えて、画素に関する有効信号レベルまたは入射照度レベルを求めるために、測定された差の値を別個に使用することが可能である。
【００２６】
本発明によって、能動画素センサ装置のダイナミックレンジを著しく拡大しかつ現在のシステム設計において使用可能である能動画素センサ装置が、Ｘ−Ｙアドレス指定可能ＭＯＳイメージセンサ方法および装置によって実現され、この方法および装置は、予め決められた電位レベルに光検出器電位を調整するリセット機構を有する光検出器を複数の画素の中の各画素が有するように複数の画素を有する、Ｘ−Ｙアドレス指定可能ＭＯＳイメージセンサを形成する画素アレイを有する半導体ＭＯＳセンサと、リセットとリセットレベル測定との間の２つの異なった経過時間を使用して複数のリセットレベルを測定する手段と、これらのリセットレベルの間の差を求めるためにこの測定手段に作動的に接続されている比較回路と、光検出器の有効信号レベルを識別するために使用される予め決められた伝達関数のセットと、光検出器の累積光の範囲に対して上記伝達関数のどれが適用可能であるかを上記差から求める手段とを使用する。検出した差に応答して、光検出器からの電荷の読出しに対して伝達関数が適用される。これらの伝達関数は、前置光検出器の飽和関数である第１の伝達関数と、後置光検出器の飽和関数である第２の伝達関数とを含む。これらの伝達関数を、同じ行の読出し期間中に光検出器の２つのリセットレベルに適用する。上記差に対する応答は、一連のディジタル加算とディジタル乗算の適用であることが可能である。上記２つのリセットレベルの間の差を、この差から有効画素信号レベルを計算するために使用する。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施形態は、積分中に光検出器からブルームする電荷を収集することを利用する。これを、図１に示す画素を使用して行う。これは、米国特許出願０８／８００，９４７でGuidash 他によって開示されたものに類似した画素設計である。この画素１０は、光検出器１２（好ましくはピン結合フォトダイオードＰＤ）と、伝達ゲート（ＴＧ）１６と、浮動拡散（ＦＤ）１８と、浮動拡散１８上を少なくとも覆う光シールド８と、入力信号トランジスタと、光源浮動拡散１８とリセットゲート１７とリセットドレイン１９とから構成されるリセットトランジスタとを含む。光を光検出器１２上に集束させるために、マイクロレンズ６が備えられている。本発明の第１の実施形態の動作を、図４に示す出力信号伝達関数に結果する、図１の画素１０に関する図２、図３のタイミング図の形で示す。
【００２８】
図２を参照すると、これは光検出器１２と浮動拡散１８とからの電荷が、浮動拡散上の電界ドメイン内で加算され、光検出器と浮動拡散とからの組合せ電荷が増幅器２２を経由して読み出される、列に基づいて図１に示す画素の動作を示すダイアグラムと、これに関連したタイミングダイアグラムである。画素１０は、伝達ゲート１６（信号ＴＧで示す）の起動と、リセットゲート１７の起動による浮動拡散１８の後続のリセットとによって、浮動拡散１８に対する光検出器１２からの電荷の伝達によってリセットまたは初期化され、このことが浮動拡散１８を予め決められた電位にリセットする。初期化またはリセットシーケンスの後で伝達ゲート１６がオフにされる時に、時間τ１において、光検出器積分時間（ｔintpd ）が開始する。光検出器内の過剰な電荷が伝達ゲート領域を通過して浮動拡散１８の中にブルームするように、伝達ゲートのオフ状態における静電位は０ボルトより深いレベルにセットされる。光検出器積分時間（ｔintpd ）が進行するにつれて、光検出器１２は光電子で満たされていく。入射光が明るい場合には、画素内で発生される光電子の個数が光検出器１２の容量を超える。この時点で、過剰な電荷が浮動拡散１８の中に溢れ出す。電荷が浮動拡散１８の中に溢れ出し始める時にリセットゲート１７がオンである場合には、この電荷はリセットゲート１７領域を通ってリセットドレイン１９に運び去られ、同じ予め決められた電位、典型的には、リセットドレイン１９の閾値電圧（ＶＤＤ）より低い閾値電圧で、浮動拡散から出ていく。電荷が浮動拡散１８の中に溢れ出し始める時にリセットゲート１７がオフである場合には、この電位は浮動拡散１８の中に収集されることになる。光検出器積分時間中にＲＧがオフにされている時間の量を、浮動拡散積分時間ｔintfd と呼ぶ。
【００２９】
所望の光検出器積分時間ｔintpd の終了時点で、光検出器１２内の信号電荷が、時間τ２において伝達ゲート１６をパルスすることによって浮動拡散１８に伝達される。その次に、浮動拡散１８の信号レベルがＳＨＳによってサンプリングされ、コンデンサＣ５上に保持される。浮動拡散積分時間ｔintfd 中にブルーミング電荷が浮動拡散１８上に収集され終わっていない（すなわち、画像の暗領域）場合には、浮動拡散１８からのコンデンサＣ５上の信号電荷は、積分中に光検出器１２内で収集された電荷を含む。ブルーミング電荷が浮動拡散１８上に既に収集され終わっている場合には、浮動拡散１８からのコンデンサＣ５上の信号電荷は、光検出器積分時間（ｔintpd ）中に光検出器１２内に収集された電位と、浮動拡散積分時間中に浮動拡散中に収集された電荷とを含む。この浮動拡散積分時間ｔintfd は、リセットゲート１７がオフにされる時点から、信号電荷が時間τ２において光検出器１２から伝達される時点までに経過する時間である。浮動拡散積分時間ｔintfd は、光検出器積分時間ｔintpd とは別個にかつ無関係に制御される。
【００３０】
図２に関して説明した動作の結果として、センサ出力応答は、図４（Ａ）（Ｂ）とに示す通りである。出力応答は２つの領域を含む。低い光レベルの場合には、出力応答は線形領域１に従う。光電子の個数が光検出器の容量を超える時には、この電荷は浮動拡散上に収集され、光検出器信号電荷に加算される。この場合には、画素出力応答が領域２に従う。この好ましい実施形態は、図２に示すタイミングによって領域２内で線形応答を実現する。S.Decker他、"A 256x256 CMOS Imaging Array with Wide Dynamic Range Pixels and Column-Parallel Digital Output",IEEE Journal of Solid State Circuits,Vol.33,No.12,Dec.1998 によって従来技術の引例で説明されているように、時間に応じて変動するリセットゲート電位レベルを有することによって、非線形応答を生じさせることも可能である。この好ましい実施形態では、領域２内の出力応答は線形であり、その勾配は、浮動拡散積分時間ｔintfd に依存しかつ正比例している。２つの図（図４（Ａ）（Ｂ））が領域２の２つの異なった勾配を示す。図４（Ａ）の浮動拡散積分時間は図４（Ｂ）の浮動拡散積分時間よりも短い。したがって、図４（Ｂ）の領域２の勾配は図４（Ａ）の領域２の勾配よりも大きい。
【００３１】
浮動拡散積分時間ｔintfd が既知なので、画素の有効信号レベルを次の等式６によって求めることが可能である。
【００３２】
【数５】
0004536901.tif 000006
【００３３】
浮動拡散積分時間ｔintfd に対する光検出器積分時間ｔintpd の比率を大きくすることが可能なので、Ｖeff を、光検出器の容量によって制限されている信号を著しく越えて増大させることが可能である。したがって、ダイナミックレンジが拡大される。これに加えて、浮動拡散の電荷容量によって決定される最大電圧レベルＶmax が、浮動拡散の静電容量を制御することによって光検出器の容量の最大電圧レベルよりも高いことが可能である。さらに、領域２から有効信号レベルを求めることなしに、センサ出力信号を直接的に表示することも可能である。さらに、これは、直接的に検出可能な信号電圧範囲の中により大きな入射光源範囲をマッピングし直接的に表示することによって、光景間ダイナミックレンジの拡大を実現する。さらに、Ｖpdsat のレベルを、伝達ゲート１６のオフレベルを所望のレベルに設定することによってプログラムすることが可能である。
【００３４】
図２に示すタイミングは、光検出器信号と収集されたブルーミング電荷とを含む浮動拡散上の組合せ電荷全体の単一の読出しを示す。最初に信号が読み出され、その次にリセットが読み出され、その次にリセットレベル測定値が読み出される。これは、相関されていない二重サンプル読出しであり、このことは信号に対して一時の（temporal) リセットノイズを加える。２回の読出しを行うことによって、光検出器信号レベルと浮動拡散ブルーミング電荷レベルとの読出しを完了することが可能である。これを図３に示す。この仕方で、浮動拡散１８上に収集されたブルーミング電荷のレベルを、ＳＨＳpdにパルス印加することによってサンプルホールドし、これによって、ブルーミング電荷をコンデンサＣ４上に移し、その次に、ＲＧによって浮動拡散１８のリセットを行い、ＳＨＲによってリセットレベルをサンプルホールドし、これによってリセットレベルをコンデンサＣ５に移す。その次に、電荷を光検出器１２から浮動拡散１８に伝達し、その信号レベルをＳＨＳfdによってサンプルホールドし、コンデンサＣ６上に移す。本発明は、差動増幅器３１を介したコンデンサＣ４上の蓄積ブルーミング電荷とコンデンサＣ５上のリセットレベルとに関する差分読出しと、差動増幅器３２を介したコンデンサＣ６上の蓄積信号電荷とコンデンサＣ５上のリセットレベルとに関する第２の差分読出しとを想定し、したがって、光検出器信号レベルに関する真の相関した二重サンプリングを実現する。その次に、幾つかの手段によって最後の出力信号を求めることが可能である。こうした手段の１つが、２つの差動増幅器３１、３２からの信号を別々に読み出して、オフチップ（ｏｆｆ−ｃｈｉｐ）で加算されることが可能な画素１個当たり２つの信号値を提供することである。第２の具体例が、第３の差動増幅器に対する入力として信号を提供し、画素１個当たりの単一レベルとしてその信号を読み出すことによって行われる。電圧ドメインで信号を組み合わせるこの読出し方法は、さらに、電荷ドメインで信号を組み合わせる場合よりも大きいＶmax を提供する。これは、浮動拡散が光検出器信号とブルーミング信号とを同時に保持する必要がないからである。したがって、Ｖmax は、全浮動拡散容量と光検出器容量との合計であるように増大させられる。
【００３５】
この方法は、基準リセットレベルに対する画素の差分読出しを利用するので、画素オフセットノイズがキャンセルされる。これに加えて、画素内に追加の素子を付加することなしにダイナミックレンジが拡大されるので、低コストの消費者向けディジタル撮像用途に関して実際的である小さな画素を用いてダイナミックレンジの拡大を実現することが可能である。このアプローチでは、信号レベルにリセットレベルが相関されていないので、画素読出しノイズがＫＴＣによって増大させられる。これは、一般的に３０個未満の電子であり、有効信号レベルにおける利得に比較して小さい。
【００３６】
本発明の第２の実施形態も、ダイナミックレンジを拡大するためにブルーミング挙動を利用する。ＣＭＯＳ ＡＰＳ装置とＰＰＳ装置では、入射光レベルが過剰に明るくなると、信号レベルとリセットレベルとの間の差から求められる出力信号が、光レベルの増大に伴って減少し、最終的には「黒」レベルに達すると見なされる。この漸減信号挙動は、リセット時点とリセットレベルがサンプルホールドされる時点との間に、一般的にセンスノード（sense node) と呼ばれる電荷−電圧変換ノードにおける電荷蓄積の結果として減少するリセットレベルの効果に起因する。これは、４トランジスタＡＰＳの場合には、センスノード上にその間に収集される個別の光検出器からのブルーミング電荷によって、または、３トランジスタＡＰＳ画素の場合もしくはＰＰＳ画素の場合には、センスノードとしても機能する光検出器内の電子の蓄積によって生じる。修正されない場合には、入力光レベルの減少に起因するこうした漸減信号効果は望ましくないだろう。
【００３７】
本発明の第２の実施形態において機能すると想定される適切な画素領域の断面図を図６（Ａ）と図８（Ａ）とに概略的に示し、これに対応するタイミング図を図５と図７に示す。図６（Ａ）に示す画素２０とこれに対応する図５のタイミング図は、光検出器が電荷−電圧変換ノードとして働く３トランジスタＡＰＳと、ＰＰＳ装置との場合に該当する。図８（Ａ）に示す画素３０とこれに対応する図７のタイミング図は、電荷−電圧変換ノード（浮動拡散３８）が光検出器３２から分離しており隔離されているＡＰＳの場合に該当する。
【００３８】
３トランジスタＡＰＳ装置とＰＰＳ装置との場合である図５と図６（Ａ）を参照すると、ＲＧ  ２７がオン／オフパルスされる時に光検出器２２をリセットすることによって画素２０を初期化する。その次に、光検出器内での信号の積分が始まる。積分が進むにつれて、光検出器２２が光電子で完全に満杯になるまで光検出器の静電位ＶＰＤが減少する。この時点で、ＶＰＤは約０ボルトである。その次に、ＳＨＳをストローブすることによって、光検出器２２の信号レベルをサンプルホールドする。その次に、光検出器２２からの信号の基準レベル差分読出しを提供するために、ＲＧ  ２７をストローブすることによって光検出器をリセットする。リセットとリセットレベルのサンプルホールドとの間に経過する時間は、典型的には、数マイクロ秒である。この経過時間中の入射光レベルが低い場合には、リセットレベルは明瞭には変化せず、図６（Ｂ）に示すように公称リセットレベルＲＬ０に極めて近くなる。この入射光が非常に明るい場合には、センサが入射光からシールドされていなければ、リセットレベルが経過時間中に変化する可能性がある。図６（Ｃ）に示す例は、光検出器電圧ＶＰＤがリセットレベルＲＬＡになることを引き起こす非常に明るい入射光レベルに該当する。出力信号レベルの読出しが信号レベルとリセットレベルとの間の差によって決定され、かつ、最大光検出器レベルがＲＬ０に対してではなくＲＬＡに対して比較されるので、感知される出力信号レベルが減少する。リセットとリセットレベルのサンプルホールドとの間の時間内に光検出器を完全に満杯にするのに十分なだけ入射光レベルが明るい場合には、図６（Ｄ）に示すように、光検出器はリセットレベルＲＬＢに達する。この場合には、サンプルホールドされた信号レベルとサンプルホールドされたリセットレベルとの間の差がゼロであり、黒の画像または暗画像を生じさせる。これは、図９（Ａ）と図９（Ｂ）に示すように入射光の強さの増大につれて漸減する信号の領域を生じさせる。
【００３９】
４トランジスタＡＰＳ装置の場合に該当する図７と図８（Ａ）を参照すると、同じ効果が生じる。入射光レベルが、光検出器３２が満杯になるのに十分な明るさとなり、過剰な電子が溢れ出して浮動拡散３８の中に入り込むと、その結果として、リセットレベルと差分読出し信号レベルとが、図５と図６（Ａ）−（Ｄ）とに関して説明した仕方と同様の仕方で低下する。
【００４０】
しかし、この漸減信号レベル効果の測定は、図９（Ｂ）に示すように、伝達関数が非常に線形的であり、通常の飽和露出Ｉsat の２０，０００倍から５０，０００倍の入射光レベルで黒レベルに達するということを示す。図９（Ａ）では、ｘ軸目盛りが無照度から飽和露出の３倍に延びる。図９（Ａ）では、ｘ軸目盛りによって、飽和前の画素の線形領域の出力応答を認識することが可能である。これは、無照度とＩsat との間の領域である。図４（Ｂ）では、無照度からＩsat の５０，０００倍に延びるようにｘ軸目盛りを変更してある。この目盛りでは、飽和領域内のセンサの出力応答を識別することがより容易であるが、図４（Ａ）に示す飽和前の領域を識別することは困難である。飽和領域内のセンサの出力応答では、出力信号が０ボルトに達して黒信号または暗信号として現れるＩsat の〜５０，０００倍に達するまで、出力信号が直線的に漸減するか、または、特徴的でありかつ経験的に知られている何らかの他の伝達関数にしたがって漸減する。
【００４１】
本発明によって提示される新たな着想は、ダイナミックレンジを拡大するように、「有効信号レベル」を求めるために、この漸減信号領域を使用することである。図５と図７とに示すように、この挙動に関する「有効リセット積分時間」は、単純に、電荷−電圧変換ノードのリセットの立下がり端と、リセットレベルのサンプルホールドの立下がり端との間の経過時間である。この小さな積分時間中の信号変化を、別々の有効積分時間によってサンプルホールドされる２つのリセットシーケンスを有することによって確かめることが可能である。予め決められた閾値を越える差が２つのリセットレベルの間にある場合には、応答曲線の漸減信号領域内に画素があることが分かる。これを、暗リセットから生じさせられる基準リセットレベルに対して単一のリセットレベルを比較することによって行うことも可能である。応答曲線の漸減信号領域内に画素があると判定した直後に、センサの漸減信号領域によって与えられる特定の測定された伝達関数から、入射照度レベルを求めることが可能である。したがって、無照度から飽和露出の５０，０００倍までの入射照度レベルを、このセンサによって検出することが可能であり、これによってダイナミックレンジの拡大が得られる。これに加えて、次の等式（７）を使用することによって、２つのリセットレベルの間に測定される差から有効信号レベルを求めることが可能である。
【００４２】
【数６】
0004536901.tif 000007
【００４３】
ここで、ｔexp ＝露出時間であり、ｔintr＝有効リセット積分時間である。
飽和領域伝達関数の適用、または、等式（７）で示す通りの有効信号レベルの計算は、システムソフトウェアもしくはハードウェアによってイメージセンサの外部で行うことも、または、アナログドメインもしくはディジタルドメインにおいてセンサ上で行うことも可能である。この着想の一具体例を図１０に示してある。図１０を参照すると、この図に示すように、リセットとリセットレベルのサンプルホールドとの間の経過時間が互いに異なっている２つのリセットレベルの間に差があるかどうかを求めるために、プログラム可能な閾値を有する比較器を使用する。画素出力信号レベルを、従来技術で説明されている方法に類似した方法で読み取る。サンプルホールドされた光検出器信号レベルを、リセット１に対して示差的に読み出し、Ｎビット（この例では８ビット）にディジタル化する。その次に、リセット１とリセット２とを入力として有するこの比較器の出力を、伝達関数ビットとして使用する。「ゼロ」の伝達関数ビットが、８ビット光検出器信号レベルをそのまま使用すべきであるということを示す。「１」の伝達関数ビットが、飽和領域伝達関数を使用して８ビット出力を使用して８ビット光検出器信号レベルを計算すべきであるということを示す。図６（Ａ）に示す画素に関するこの読出し動作のタイミングも、図１０に示してある。光検出器積分時間が経過し終わると、浮動拡散をリセットし、リセットレベルをサンプルホールドする。これがリセット１であり、経過リセット積分時間１を有する。その次に、ＰＤの変化を浮動拡散に伝達し、信号レベルをサンプルホールドする。その次に、ＦＤをリセットし、リセットレベルをサンプルホールドし、リセット１の経過リセット積分時間とは異なっている経過リセット積分時間２を有するリセット２を得る。
【００４４】
この動作は、信号レベル読み取り、リセット、リセット１の読み取り、所望の経過時間の間の待機、リセット２の読み取りというシーケンスにおいて読出しが行われるということを除いて、ＰＤがセンスノードとして機能するＡＰＳ画素の場合、または、ＰＰＳ画素の場合と同様の仕方で生じる。
これに加えて、リセット１とリセット２との間に予め決められた差が存在するかどうかを調べるために比較器を使用するのではなく、リセットレベルの差の実際値を、（信号−リセット１）の値を求めるために使用する方法と同様の方法で読み出すことも可能である。その次に、この（リセット２−リセット１）の値を、等式（７）を使用して有効信号レベルを求めるために使用することが可能である。８ビットＡＤＣを通して、どの値、または、（信号−リセット１）、または、（リセット２−リセット１）を読み出すべきかを決めるためのフラグビットを提供するように、比較を行うことも可能である。
【００４５】
【発明の効果】
本発明は次の利点を有する。本発明は、僅かな変更を加えるだけで、または、全く変更を加えずに、現行の画素およびセンサアーキテクチャで容易に使用されることが可能なセンサのダイナミックレンジを拡大することを実現する。高いフィルファクタを有する小さな画素が、４０，０００×Ｖsat 単一フレーム捕捉標準読出しに対して信号レベルを検出することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】光検出器からブルームした電荷を収集することによってダイナミックレンジを拡大する本発明の第１の実施形態の説明図である。
【図２】光検出器の電荷が加算される列に基づいて図１に示す画素の動作を示す説明図と、その関連のタイミング図である。
【図３】光検出器の電荷が加算される列に基づいて図１に示す画素の動作を示す説明図と、その関連のタイミング図である。
【図４】（Ａ）は、線形領域２に向かう小さな傾斜部分に至る短い浮動拡散積分時間を有する、図２、図３に示すタイミング図にしたがって作用させられる図１の画素に関する１対の伝達関数を示し、
（Ｂ）は、線形領域２に向かうより大きな傾斜部分に至る相対的により長い浮動拡散積分時間を有する、図２、図３に示すタイミング図にしたがって作用させられる図１の画素に関する１対の伝達関数を示す。
【図５】図６（Ａ）に示す漸減信号挙動を示すために使用するタイミング図である。
【図６】（Ａ）は、画素の断面図であり、（Ｂ）から（Ｄ）は、（Ａ）に示す通りの画素に関する漸減信号挙動の効果を示す静電気図である。
【図７】図８（Ａ）に示す漸減信号挙動を示すために使用するタイミング図である。
【図８】（Ａ）は、画素の断面図であり、（Ｂ）から（Ｄ）は、（Ａ）に示す通りの画素に関する漸減信号挙動の効果を示す静電気図である。
【図９】（Ａ）は、漸減信号領域を示す説明図であり、（Ｂ）は、漸減信号領域を示す拡大図である。
【図１０】サンプルホールドされている画素の出力を示す説明図である。
【符号の説明】
１０，２０…画素
１２，２２…光検出器
１４，２４…基板
１６，２６…伝達ゲート
１７，２７…リセットゲート
１８，２８…浮動拡散
１９，２９…リセットドレイン
【図１】
0004536901.tif 000008
【図２】
0004536901.tif 000009
【図３】
0004536901.tif 000010
【図４】
0004536901.tif 000011
【図５】
0004536901.tif 000012
【図６】
0004536901.tif 000013
【図７】
0004536901.tif 000014
【図８】
0004536901.tif 000015
【図９】
0004536901.tif 000016
【図１０】
0004536901.tif 000017