(57)【要約】【課題】光量に応じて画素単位でダイナミックレンジを可変することにより全体画面の色再現性を低下しないで飽和を防止できる画素単位の飽和防止が可能なイメージセンサを提供する。【解決手段】イメージセンサは、フォトダイオードＰＤで生成された光電荷量を一定利得で増幅するドライブトランジスタＱ４と、上記トランジスタＱ４の出力電圧Ｖｘが限界レベルを外れる場合イメージセンサが飽和状態であるものと判断する飽和感知手段３１、３２と、上記飽和感知手段の判断結果に従ってオン／オフするスイッチング手段Ｑ３と、上記スイッチング手段のオン／オフに応じて選択的にフォトダイオードＰＤ及びドライブトランジスタＱ４のゲートに同時に連結され、上記スイッチング手段を介して伝達されたフォトダイオードＰＤの電荷を蓄積する複数のフローティングディフュージョンＦＤ１、ＦＤ２を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電荷を生成するフォトダイオードと、上記フォトダイオードで生成された電荷量を一定利得で増幅するドライブトランジスタを含んだイメージセンサにおいて、
上記ドライブトランジスタの出力電圧を入力として受け、上記出力電圧が限界レベルを外れる場合、イメージセンサが飽和状態であるものと判断する飽和感知手段と、
上記飽和感知手段の判断結果に従ってオン／オフスイッチングするスイッチング手段と、
上記スイッチング手段のオン／オフによって選択的に上記フォトダイオード及びドライブトランジスタのゲートに同時に連結され、上記スイッチング手段を通して伝達されたフォトダイオードの電荷を蓄積する複数のフローティングディフュージョンと、
を含むことを特徴とする画素単位の飽和防止機能を有するイメージセンサ。
【請求項２】
上記スイッチング手段は上記飽和感知手段の出力信号に応じてオン／オフ動作してフローティングディフュージョンを選択的にフォトダイオード及びドライブトランジスタに連結する飽和防止トランジスタであることを特徴とする請求項１に記載の画素単位の飽和防止機能を有するイメージセンサ。
【請求項３】
上記飽和感知手段は、上記ドライブトランジスタの出力端に入力端を連結したインバーターと、
上記インバーターの出力を上記飽和防止トランジスタのゲートに印加するフィードバックラインから成ることを特徴とする請求項２に記載の画素単位の飽和防止機能を有するイメージセンサ。
【請求項４】
上記飽和感知手段は、上記ドライブトランジスタの出力電圧と既設定された基準電圧とを比較して基準電圧よりドライブトランジスタの出力電圧が小さい場合、上記飽和防止トランジスタをオンにさせる比較器から成ることを特徴とする請求項２に記載の画素単位の飽和防止機能を有するイメージセンサ。
【請求項５】
上記複数のフローティングディフュージョンは、上記フォトダイオードに常に連結されてフォトダイオードで生成された電荷を蓄積する第１フローティングディフュージョンと、
上記スイッチング手段に応じて選択的にフォトダイオードの電荷の入力を受け蓄積する第２フローティングディフュージョンから成ることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の画素単位の飽和防止機能を有するイメージセンサ。
【請求項６】
リセット信号に応じて複数のフローティングディフュージョンＦＤ１、ＦＤ２の電位をセッティングし、光電荷を排出するリセットトランジスタをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の画素単位の飽和防止機能を有するイメージセンサ。
【請求項７】
トランスファ信号Ｔｘに応じて上記フォトダイオードの光電荷を複数のフローティングディフュージョンに輸送するトランスファゲートをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の画素単位の飽和防止機能を有するイメージセンサ。
【請求項８】
光電荷を生成するフォトダイオードＰＤと、
トランスファ信号Ｔｘに応じて上記フォトダイオードＰＤに集束された光電荷を輸送するトランスファトランジスタＱ１と、
上記トランスファトランジスタＱ１に連結されてフォトダイオードＰＤで生成された電荷を蓄積しながら感知ノードとして利用される第１フローティングディフュージョンＦＤ１と、
選択的に上記トランスファトランジスタＱ１に連結されフォトダイオードＰＤの光電荷を蓄積する第２フローティングディフュージョンＦＤ２と、
リセット信号Ｒｘに応じてオン／オフ動作し第１及び／又は第２フローティングディフュージョンＦＤ１、ＦＤ２の電位を基準電位としてセッティングし光電荷を排出してリセットさせるリセットトランジスタＱ２と、
上記第２フローティングディフュージョンＦＤ２を上記トランスファトランジスタＱ１に選択的に連結する飽和防止トランジスタＱ３と、
上記第１及び／又は第２フローティングディフュージョンＦＤ１、ＦＤ２に蓄積された値によってソースフォロワ（ｓｏｕｒｃｅ  ｆｏｌｌｏｗｅｒ）の役目を果たすドライブトランジスタ（Ｑ４）と、
上記ドライブトランジスタ（Ｑ４）と出力端（Ｖｏｕｔ）との間に具備され選択信号に応じてドライブトランジスタ（Ｑ４）で検出された感知電圧を出力するセレクトトランジスタ（Ｑ５）と、
上記ドライブトランジスタ（Ｑ４）の出力端に連結され感知電圧を反転させるインバーター３１と、
上記インバーター３１の出力端と上記トランジスタ（Ｑ３）のゲート端を連結するフィードバックライン３２と、
を含むことを特徴とする画素単位の飽和防止機能を有するイメージセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はイメージセンサに関するもので、さらに詳しくは光量に従って画素単位にダイナミックレンジ（Ｄｙｎａｍｉｃ  ｒａｎｇｅ）を可変することにより全体画面の色再現性を低下しなくても飽和を防止することができる画素単位の飽和防止機能を有するＣＭＯＳイメージセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に自然界に存在する各被写体は、部分別に光の明るさ及び波長が互いに異なって表れる。イメージセンサは光に反応する半導体の性質を利用して被写体の相互に異なる明るさ及び波長を信号処理可能なレベルの電気的な値で出力する素子である。
【０００３】
通常上記イメージセンサは単位画素として使用され、多数のイメージセンサを所定規格の行列に配置して画素アレイを構成し、このような画素アレイを通して一定規格のイメージを撮像する。
【０００４】
上述したイメージセンサは光に反応する半導体素子と、上記半導体素子の電気的変化を所定レベルの電気的な信号に出力するための多数のトランジスタから成る。
【０００５】
図４は従来の単位画素として利用されるイメージセンサ中の３ＴＲ  ＣＭＯＳイメージセンサの要部を示す回路図である。
【０００６】
図４を参照すれば、上記イメージセンサは光に反応して容量値が変化されるフォトダイオードＰＤと、次の信号の検出のために上記フォトダイオードＰＤをリセットさせるリセットトランジスタＱ２と、上記フォトダイオードＰＤに蓄積された電気信号によってソースフォロワ（ｓｏｕｒｃｅ  ｆｏｌｌｏｗｅｒ）の役目を果たすドライブトランジスタＱ４と、感知値の出力を選択するセレクトトランジスタＱ５から成る。
【０００７】
即ち、リセット信号Ｒｘに応じて上記リセットトランジスタＱ２が一定時間の間にオンになれば、光に反応した容量値に比例した量の電流がフォトダイオードＰＤに蓄積され、ドライブトランジスタＱ４は上記フォトダイオードＰＤの電圧を設定された範囲の電気信号に増幅し、このようにドライブトランジスタＱ４から出力される感知信号ＶｏｕｔはセレクトトランジスタＱ５がターンオンされることによって画素アレイのアドレシング順に沿って出力される。
【０００８】
図５は従来の他のイメージセンサを示したもので、４ＴＲイメージセンサの回路図である。図示のように、４ＴＲイメージセンサは上記３ＴＲイメージセンサに、トランスファ信号Ｔｘに応じてフォトダイオードＰＤに蓄積された電気信号を伝達するトランスファトランジスタＱ１と、上記トランスファトランジスタＱ１を通してフォトダイオードＰＤに蓄積された電荷の伝達を受けるフローティングディフュージョンＦＤをさらに含み、上記フローティングディフュージョンＦＤに蓄積された電荷によって上記ドライブトランジスタＱ４が動作するように構成される。
【０００９】
上記４ＴＲイメージセンサはリセット信号Ｒｘが印加され上記フォトダイオードＰＤに光電荷が生成されて蓄積された後、トランスファトランジスタＱ１が一定時間オンになり、フォトダイオードＰＤの光電荷をフローティングディフュージョンＦＤに伝達し、上記フローティングディフュージョンＦＤに蓄積された電荷量によってドライブトランジスタＱ４が増幅動作して感知出力Ｖｏｕｔを発生させ、この感知出力はセレクトトランジスタ（Ｑ５）を通して画素アレイのアドレシング順に出力される。
【００１０】
上述したイメージセンサにおいて、感知出力電圧は光の量に比例して増加するが、その出力可能な範囲が制限されているため、動作範囲（Ｄｙｎａｍｉｃ  ｒａｎｇｅ）を超えて光が入ってくる場合イメージセンサが飽和され、イメージが鮮明に表現されず、唯白く表現されるホワイト現象が表れる。
【００１１】
通常イメージセンサの動作範囲ＤＲは次の［数１］の式のように最小測定可能な光量（Ｉｐｈ＿ｍｉｎ）と最大測定可能な光量（Ｉｐｈ＿ｍａｘ）との比で定義される。
【数１】
2007006478.tif 000003
【００１２】
即ち、動作範囲ＤＲが大きいことは一画面内で明るい部分と暗い部分を同時に表現することができることを意味し、よってイメージセンサの動作範囲ＤＲの拡張が要求されている。
【００１３】
ところで、上述した従来のイメージセンサは動作範囲がフォトダイオードＰＤ及び／又はフローティングディフュージョンＦＤの特性によって固定されるため、上記動作範囲より多量の光が入ってくる場合、要求される正常なイメージを再現することができない。
【００１４】
従って、飽和現象を防止するための様々な研究が行われている。
【００１５】
一の方法として、光に対応した感知電圧をログ形態で提供することにより動作範囲を拡張させ飽和によるイメージ再現問題を解決する方法が提案されているが、これはカラーの歪曲現象が発生して全体的な色再現性が劣ってしまい、画質が低下されるという問題点がある。
【００１６】
さらに他の方法として、デジタル処理過程において飽和現象が表れる場合、画素アレイの全体出力電圧をダウンさせ、飽和によりホワイト現象を解決する方法があるが、この場合、飽和してない画面の他領域まで感知電圧レベルが調整されるため画質が低下されるという問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は上述した従来の問題点を解決するために提案されたもので、その目的は光量に応じて画素単位でダイナミックレンジ（Ｄｙｎａｍｉｃ  ｒａｎｇｅ）を可変することにより全体画面の色再現性を低下しなくても飽和を防止することができる画素単位の飽和防止が可能なＣＭＯＳイメージセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上述した目的を達成するための構成手段として、本発明は光電荷を生成するフォトダイオードと、上記フォトダイオードで生成された電荷量を一定利得で増幅するドライブトランジスタを含んだイメージセンサにおいて、上記ドライブトランジスタの出力電圧を入力に受け、上記出力電圧が限界レベルを外れる場合イメージセンサが飽和状態であるものと判断する飽和感知手段と、上記飽和感知手段の判断結果に従ってオン／オフスイッチングするスイッチング手段と、上記スイッチング手段のオン／オフに応じて選択的に上記フォトダイオード及びドライブトランジスタのゲートに同時に連結され、上記スイッチング手段を介して伝達されたフォトダイオードの電荷を蓄積する複数のフローティングディフュージョンを含んで成る。
【００１９】
さらに、上述した目的を達成するための他の構成手段として、本発明による画像単位の飽和防止機能を有するイメージセンサは、光電荷を生成するフォトダイオードと、トランスファ信号に応じて上記フォトダイオードに集束された光電荷を輸送するトランスファトランジスタと、上記トランスファトランジスタに連結されてフォトダイオードで生成された電荷を蓄積する第１フローティングディフュージョンと、選択的に上記トランスファトランジスタに連結されフォトダイオードの光電荷を蓄積する第２フローティングディフュージョンと、リセット信号に応じてオン／オフ動作し第１及び／又は第２フローティングディフュージョンの電位を基準電位としてセッティングし光電荷を排出してリセットさせるリセットトランジスタと、上記第２フローティングディフュージョンを上記トランスファトランジスタに選択的に連結する飽和防止トランジスタと、上記第１及び／又は第２フローティングディフュージョンに蓄積された値によってソースフォロワの役目を果たすドライブトランジスタと、上記ドライブトランジスタと出力端（Ｖｏｕｔ）との間に具備され選択信号に応じてドライブトランジスタで発生した感知電圧を出力するセレクトトランジスタと、上記ドライブトランジスタの出力端に連結され感知電圧を反転させるインバーターと、上記インバータの出力端と上記トランジスタのゲート端を連結するフィードバックラインと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のイメージセンサは各画素単位イメージセンサ別に、過多の光が入射され飽和限界に達する場合、フローティングディフュージョン領域をさらに増加させることで電圧レベルをダウンさせ、飽和によるホワイト現象などの発生を防止することができ、その結果画素単位に飽和防止が可能になることにより規定範囲内の光が入射された他領域の色再現性を低下しなくても済み、全画面の画質を改善する優れた効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、添付した図面を用いて本発明によるイメージセンサの構成及び作用を説明する。添付された図面において、相互同一な機能及び作用を有する構成要素等に対して同一符号を付す。
【００２２】
図１は、本発明によるイメージセンサの一例を示した詳細回路図である。図１を参照すれば、本発明によるイメージセンサは、光電荷を生成するフォトダイオードＰＤと、トランスファ信号Ｔｘに応じて上記フォトダイオードＰＤに集束された光電荷（ｐｈｏｔｏ−ｇｅｎｅｒａｔｅｄ  ｃｈａｒｇｅ）を輸送或いは転送するトランスファトランジスタＱ１と、上記トランスファトランジスタＱ１に連結されフォトダイオードＰＤで生成された電荷を蓄積する第１フローティングディフュージョンＦＤ１と、上記トランスファトランジスタＱ１から選択的にフォトダイオードＰＤの光電荷の伝達を受けて蓄積する第２フローティングディフュージョンＦＤ２と、リセット信号Ｒｘに応じて上記第１及び／又は第２フローティングディフュージョンＦＤ１、ＦＤ２の電位を基準電位としてセッティングして光電荷を排出してリセットさせるリセットトランジスタＱ２と、オン／オフ動作して上記第２フローティングディピュージョンＦＤ２を上記トランスファトランジスタＱ１に連結したり、切り離す飽和防止トランジスタＱ３と、上記第１及び／又は第２フローティングディフュージョンＦＤ１、ＦＤ２に蓄積された値に応じてソースフォロワ（ｓｏｕｒｃｅ  ｆｏｌｌｏｗｅｒ）の役目、役割または機能を果たすドライブトランジスタＱ４と、上記ドライブトランジスタＱ４と出力端Ｖｏｕｔとの間に具備され選択信号Ｓｘに応じてドライブトランジスタＱ４で検出された感知電圧を出力するセレクトトランジスタＱ５と、上記ドライブトランジスタＱ４のドレイン端（ＶＤＤ電源側）や出力端（出力電圧Ｖｘ出力ノード）に連結されるインバータ３１と、上記インバータ３１の出力端と上記トランジスタＱ３のゲート端を連結するフィードバックライン３２で構成される。なお、ここでは、上記トランジスタＱ１からＱ５及びＱ７はＮチャンネル型のＭＯＳＦＥＴで、トランジスタＱ６はＰチャンネル型のＭＯＳＦＥＴで構成されている。
【００２３】
上記構成において、第１、２フローティングディフュージョンＦＤ１、ＦＤ２は感知ノードとして利用される。即ち、上記第１、第２フローティングディフュージョンＦＤ１、ＦＤ２は、上記トランジスタＱ３のオン／オフによって選択的に動作するために、相互に「及び／又は」の関係をもって感知ノードとして作動する。
【００２４】
上記図１に示した実施例を参照すれば、本発明は既存イメージセンサに、複数のフローティングディフュージョン領域を具備し、さらに、イメージセンサの感知出力電圧をフィードバックして飽和防止のための限界値以上であるかを検出する飽和感知手段と、上記飽和感知手段の検出結果に従ってオン／オフスイッチング動作して上記複数のフローティングディフュージョン領域を選択的にイメージセンサ回路に連結することで、感知ノードの容量値を増加させて動作範囲を拡張させ、出力電圧を減少させることを旨とする。
【００２５】
上記図１の実施例では、飽和感知手段をインバータ３１及びフィードバックライン３２で具現したが、上記インバータ３１の代わりに、ドライブトランジスタＱ４の出力電圧を所定の基準電圧より小さいのかを比べる比較器（ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ）を用いることもできる。この場合、上記比較器は上記ドライブトランジスタＱ４の出力電圧と既設定された基準電圧の入力を受け、その出力は上記フィードバックライン３２を通して飽和防止トランジスタＱ３に連結され、基準電圧と上記ドライブトランジスタＱ４の出力電圧との比較結果に従って上記飽和防止トランジスタＱ３をオン／オフさせることになる。上記飽和感知手段は、上記ドライブトランジスタＱ４の出力電圧が限界範囲を外れるかどうかを確認することができ、その結果に応じて上記飽和防止トランジスタＱ３を動作させることができるのであれば、上述したインバータ３１及び比較器以外に他のものでも実現できる。
【００２６】
上記図１の実施例において、上述した複数のフローティングディフュージョン領域の具現は、第１、２フローティングディフュージョンＦＤ１、ＦＤ２をトランスファトランジスタＱ１に並列で連結することにより得られる。変形例として、３ＴＲ方式のイメージセンサを利用する場合には、上記第１、２フローティングディフュージョンＦＤ１、ＦＤ２はフォトダイオードＰＤに並列で連結され得る。この際、第１フローティングディフュージョンＦＤ１は固定的に連結し、第２フローティングディフュージョンＦＤ２は選択的に連結されるように具現化できる。
【００２７】
さらに、上記スイッチング手段は、オン／オフ動作して第２フローティングディフュージョンＦＤ２を選択的にトランスファトランジスタＱ１に連結する飽和防止トランジスタＱ３で構成される。上記飽和感知手段は上記ドライブトランジスタＱ４の出力端（出力電圧Ｖｘ出力ノード）に入力端を連結したインバータ３１と、上記インバータ３１の出力を上記飽和防止トランジスタＱ３のゲートに印加するフィードバックライン３２から成り、上記ドライブトランジスタＱ４の出力電圧Ｖｘが一定レベル以下に落ちればインバータ３１の出力が高レベルになり、これはフィードバックライン３２を通して飽和防止トランジスタＱ３に印加され、該飽和防止トランジスタＱ３をオンにさせる。これに、上記第２フローティングディフュージョンＦＤ２は第１フローティングディフュージョンＦＤ１のようにトランスファトランジスタＱ１に連結され、感知ノードの全体容量値を増加させ、光量が増加しても規定値以内の感知電圧を出力するようにする。
【００２８】
上記リセットトランジスタＱ２と、セレクトトランジスタＱ５はイメージセンサの種類によって含まれないこともあり得る。
【００２９】
以上のような構成の本発明によるイメージセンサの作用を図２（ａ）及び図２（ｂ）に表した等価回路を参照して説明する。
【００３０】
図２（ａ）は限界以内の光が入射される場合のイメージセンサを表した等価回路図である。光量が設定された範囲以内の場合ドライブトランジスタＱ４の出力電圧が基準レベル以上となり、これに対応するインバータ３１の出力は低レベルになる。従って、飽和防止トランジスタＱ３はオフされ、第１フローティングディフュージョンＦＤ１のみトランスファトランジスタＱ１に連結され、図２（ａ）のような等価回路が表れる。
【００３１】
この場合のイメージセンサは図３（ａ）に示しているように、先に所定のオンデューティタイムを有するリセット信号Ｒｘが印加されたら、リセットトランジスタＱ２がターンオンになり、上記第１フローティングディフュージョンＦＤ１ノードを基準電位（Ｖｒｅｆ−ＶＴＨ）としてリセットさせる。ここで、ＶｒｅｆはリセットトランジスタＱ２に印加される基準電圧で、ＶＴＨは上記リセットトランジスタＱ２にかかる臨界電圧（スレッショールド電圧）である。
【００３２】
上記リセット信号Ｒｘの立ち下がりエッジでトランスファ信号Ｔｘが印加され、これに上記リセットトランジスタＱ２のオフとともにトランスファトランジスタＱ１がターンオンされる。この際、上記フォトダイオードＰＤは光に露出され光電荷が発生される。これは上記トランスファトランジスタＱ１がオン状態である間第１フローティングディフュージョンＦＤ１に蓄積される。上記生成された光電荷量は上記光の量及び波長によって異なる。上記第１フローティングディフュージョンＦＤ１の蓄積値はソースフォロワとして動作するドライブトランジスタＱ４によって所定利得で増幅され、図３のａのように選択信号Ｓｘが印加される間、ターンオンされたセレクトトランジスタＱ５によって出力される。
【００３３】
上記の場合、上記ドライブトランジスタＱ４の出力電圧Ｖｘは、Ｑｐｈｏｔｏ＝ＣＦＤ１ｓＶｘの関係で表わされる。
【００３４】
上記のような一連の動作が繰り返して行われている間に、限界以上の光が上昇した場合、図３（ｂ）に示しているように、ドライブトランジスタＶｘの出力電圧Ｖｘが基準レベル以下に落ちる。これにドライブトランジスタＶｘの出力が基準レベル以下に落ちた場合インバータ３１の出力は高レベルとなり飽和防止トランジスタＱ３をオンさせ、第２フローティングディフュージョンＦＤ２をトランスファトランジスタＱ１に連結する。従って、その等価回路は図２（ｂ）のようになり、第１フローティングディフュージョンＦＤ１と第２フローティングディフュージョンＦＤ２が並列連結される。この場合、上記ドライブトランジスタＱ４側から見た時キャパシタンスがＣＦＤ１＋ＣＦＤ２で増加する。従って、トライブトランジスタＱ４の出力電圧ＶｘはＱｐｈｏｔｏ＝（ＣＦＤ１＋ＣＦＤ２）ｓＶｘの関係で表わされ、図２（ａ）と対比した時、キャパシタンス値が２倍に増加し出力電圧のレベルが略１／２と減少する。
【００３５】
上述した動作等は各画素単位イメージセンサ別に行われ、このように構成されたイメージセンサ等で画素アレイを具現する場合、各画素別に入射される光量によって上記図２（ａ）または図２（ｂ）のように動作するようになるので、全体画面中の光量が過多な領域では出力レベルを一定割合に減少させホワイト現象などが起こらないようにし、規定範囲の光が入ってきた領域では正常に動作して実際とほぼ類似した色再現性を表すようにする。従って、全体画質を上昇させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明によるイメージセンサの回路構成図である。
【図２】本発明によるイメージセンサの動作状態別等価回路図であり、（ａ）は限界以内の光が入射される場合の等価回路図、（ｂ）は限界以上の光が入射される場合の等価回路図である。
【図３】本発明によるイメージセンサの動作タイミング図であり、（ａ）は図２（ａ）の等価回路図に対応する動作タイミング図、（ｂ）は図２（ｂ）の等価回路図に対応する動作タイミング図である。
【図４】従来のイメージセンサの回路図である。
【図５】従来の他のイメージセンサの回路図である。
【符号の説明】
【００３７】
３１    インバータ
３２    フィードバックライン
Ｑ１〜Ｑ７    トランジスタ
ＰＤ    フォトダイオード
ＦＤ１、ＦＤ２    フローティングディフュージョン（Ｆｌｏａｔｉｎｇ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）
【図１】
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【図２】
2007006478.tif 000005
【図３】
2007006478.tif 000006
【図４】
2007006478.tif 000007
【図５】
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