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公開番号2025010116
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-01-20
出願番号2024108450
出願日2024-07-04
発明の名称固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器
出願人ブリルニクスシンガポールプライベートリミテッド
代理人弁理士法人アテンダ国際特許事務所
主分類H04N 25/70 20230101AFI20250109BHJP(電気通信技術)
要約【課題】光学仕様の影響を受けることなく、HCG信号とLCG信号の結合点におけるSNRの低下を最小限に抑えることができ、ひいては単一露光のハイダイナミックレンジ(SEHDR)パフォーマンスを十分に発現することが可能で、実質的に広ダイナミックレンジ化、高フレームレート化を実現することが可能な固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法および電子機器を提供する。
【解決手段】固体撮像装置10は、画素部20に行列状に配置される画素200が光電変換読み出し部210を含み、第1の低変換利得LCG1をもって読み出す第1低変換利得信号の電圧レベルと第2の低変換利得LCG2をもって読み出す第2の低変換利得信号の電圧レベルは同等である。
【選択図】図7
特許請求の範囲【請求項１】
少なくとも光電変換読み出し部を含む画素が配置された画素部と、
前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、を有し、
前記光電変換読み出し部は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間に転送可能な転送素子と、
前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
少なくとも前記フローティングディフュージョンの蓄積電荷をリセット電位に排出するリセット素子と、
変換利得に応じて前記フローティングディフュージョンとの接続状態または非接続状態に制御される蓄積容量素子と、
前記フローティングディフュージョンの容量および前記蓄積容量素子の蓄積容量、並びに、前記フローティングディフュージョンおよび前記光電変換素子のうち少なくとも前記フローティングディフュージョンのＦＷＣ（Full Well Capacity）に関連付けた第１の低変換利得および第１の高変換利得に応じた信号を読み出し可能な第１の変換利得読み出しモードと、前記フローティングディフュージョンの容量および前記蓄積容量素子の蓄積容量に関連付けた少なくとも第２の低変換利得に応じた信号を読み出し可能な第２の変換利得読み出しモードと、で少なくとも動作可能で、変換利得をもって変換した電圧信号を増幅して出力する変換信号読み出し部と、を含み、
前記画素は、
前記第１の変換利得読み出しモード時には、前記第１の低変換利得および前記第１の高変換利得に応じてリセット状態時の読み出しリセット信号および前記光電変換素子の蓄積電荷に応じた読み出し信号を画素信号として読み出し可能であり、
前記第２の変換利得読み出しモード時には、少なくとも前記第２の低変換利得に応じてリセット状態時の読み出しリセット信号および前記光電変換素子の蓄積電荷または前記光電変換素子の蓄積電荷とオーバーフロー電荷に応じた読み出し信号を画素信号として読み出し可能であり、
前記第１の低変換利得をもって読み出す第１低変換利得信号の電圧レベルと前記第２の低変換利得をもって読み出す第２の低変換利得信号の電圧レベルは同等である
固体撮像装置。
続きを表示（約 2,000 文字）【請求項２】
前記第１の高変換利得は、前記光電変換素子の蓄積電荷に関連付けられ、かつ、前記フローティングディフュージョンのＦＷＣによる制限を受け、
前記第１の低変換利得は、前記光電変換素子の蓄積電荷に関連付けられ、かつ、前記光電変換素子のＦＷＣによる制限を受け、
前記第２の低変換利得は、前記フローティングディフュージョンおよび前記蓄積容量素子の蓄積電荷に関連付けられている
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記読み出し部は、
前記第１の変換利得読み出しモードと、前記第２の変換利得読み出しモードと、で動作するか否かを切り換え可能であり、
第１の変換利得読み出しモードにおいては、第１の低変換利得リセット読み出し処理、第１の高変換利得リセット読み出し処理、第１の高変換利得信号読み出し処理、および第１の低変換利得信号読み出し処理を順次行い、
第２の変換利得読み出しモードにおいては、第２の低変換利得信号読み出し処理、および第２の低変換利得リセット読み出し処理を順次行う
請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記読み出し部は、
前記第１の変換利得読み出しモードおよび前記第２の変換利得読み出しモードを通して、前記第１の低変換利得を中変換利得としてトリプル変換利得読み出しモード処理を行うことが可能で、
前記トリプル変換利得読み出しモードにおいては、中変換利得リセット読み出し処理、第１の高変換利得リセット読み出し処理、第１の高変換利得信号読み出し処理、および中変換利得信号読み出し処理を行い、
第２の低変換利得信号読み出し処理、および第２の低変換利得リセット読み出し処理を順次行う
請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記読み出し部は、
第２の低変換利得信号読み出し処理を行わずに、第２の低変換利得信号を前段の中変換利得信号読み出し処理で取得された中変換利得信号により併用する
請求項４記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記光電変換読み出し部は、
前記転送素子の少なくともチャネル形成領域より深い層に形成され、前記光電変換素子から溢れ出る電荷を前記フローティングディフュージョンの形成領域方向にオーバーフローさせることが可能なオーバーフローパスを含む
請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記光電変換読み出し部は、
前記光電変換素子に接続され、前記光電変換素子から電荷を前記フローティングディフュージョンの形成領域外方向に排出させることが可能なシャッタゲートを含む
請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記光電変換読み出し部から所定の変換利得をもって変換されて読み出される読み出しリセット信号および読み出し信号を保持可能な信号保持部を有し、
前記光電変換読み出し部は、
前記変換信号読み出し部から読み出される読み出しリセット信号および読み出し信号を変換利得処理ごとに前記信号保持部の所定の保持部に保持させる信号選択部を含む
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記信号選択部は、
前記変換信号読み出し部から読み出される読み出しリセット信号および読み出し信号と基準信号とを比較し、比較結果に応じて読み出し処理の変換利得処理および読み出しリセット信号であるか読み出し信号であるかを判別して、判別結果に応じて前記変換信号読み出し部から読み出される読み出しリセット信号および読み出し信号を変換利得処理ごとに前記信号保持部の所定の保持部に保持させる
請求項８記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記読み出し部は、
前記第１の高変換利得読み出し処理では、低照度シーンに動作可能として切り換え、
前記第１の低変換利得読み出し処理では、中照度シーンに動作可能として切り換え、
前記第２の低変換利得読み出し処理では、高照度シーンに動作可能として切り換え、
前記信号選択部は、
前記第１の高変換利得読み出し処理では、第１の高変換利得による読み出しリセット信号および読み出し信号を前記信号保持部に保持させ、
前記第１の低変換利得読み出し処理では、第１の低変換利得による読み出しリセット信号および読み出し信号を前記信号保持部に保持させ、
前記第２の低変換利得読み出し処理では、第２の低変換利得による読み出し信号および読み出しリセット信号を前記信号保持部に保持させる
請求項９記載の固体撮像装置。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器に関するものである。
続きを表示（約 1,900 文字）【背景技術】
【０００２】
光を検出して電荷を発生させる光電変換素子を用いた固体撮像装置（イメージセンサ）として、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサが実用に供されている。
ＣＭＯＳイメージセンサは、デジタルカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ、医療用内視鏡、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、車載用カメラ、携帯電話等の携帯端末装置(モバイル機器)等の各種電子機器の一部として広く適用されている。
【０００３】
ＣＭＯＳイメージセンサは、画素毎にフォトダイオード（光電変換素子）および浮遊拡散層（ＦＤ：Floating Diffusion、フローティングディフュージョン)を有するＦＤアンプを持ち合わせており、その読み出しは、画素アレイの中のある一行を選択し、それらを同時に列（カラム）出力方向へと読み出すような列並列出力型が主流である。
【０００４】
一般的に、ＣＭＯＳイメージセンサの各画素は、たとえば１個のフォトダイオードに対して、転送素子としての転送トランジスタ、リセット素子としてのリセットトランジスタ、ソースフォロワ素子（増幅素子）としてのソースフォロワトランジスタ、および選択素子としての選択トランジスタの４素子を能動素子として含んで構成される。
【０００５】
転送トランジスタは、所定の転送期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードで光電変換され蓄積された電荷（電子）をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。
リセットトランジスタは、所定のリセット期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンＦＤを電源線の電位にリセットする。
選択トランジスタは、読み出しスキャン時に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタはフローティングディフュージョンＦＤで電圧信号に変換した列出力の読み出し信号を垂直信号線に出力する。
【０００６】
たとえば、読み出しスキャン期間において、リセット期間にフローティングディフュージョンＦＤがたとえば電源線の電位（基準電位）にリセットされた後、フローティングディフュージョンＦＤの電荷がＦＤ容量に応じた利得をもって電圧信号に変換されて、基準レベルの読み出しリセット信号（基準レベルの信号）ＶＲＳＴとして垂直信号線に出力される。
続いて、所定の転送期間に、フォトダイオードで光電変換され蓄積された電荷（電子）がフローティングディフュージョンＦＤに転送される。そして、フローティングディフュージョンＦＤの電荷がＦＤ容量に応じた利得をもって電圧信号に変換されて、信号レベルの読み出し信号（信号レベルの信号）ＶＳＩＧとして垂直信号線に出力される。
画素の出力信号は、カラム読み出し回路において差分信号（ＶＳＩＧ－ＶＲＳＴ）としてＣＤＳ（相関二重サンプリング）処理される。
【０００７】
このように、通常の画素読み出し信号（以下、画素信号という場合もある）ＰＳは、１つの基準レベルの読み出しリセット信号ＶＲＳＴと１つの信号レベルの読み出し信号ＶＳＩＧにより形成される。
【０００８】
ところで、ＣＭＯＳイメージセンサでは、フォトダイオードで生成しかつ蓄積した光電荷を、画素毎あるいは行毎に順次走査して読み出す動作が行われる。
この順次走査、すなわち、電子シャッタとしてローリングシャッタを採用した場合は、光電荷を蓄積する露光の開始時間、および終了時間を全ての画素で一致させることができない。そのため、順次走査の場合、動被写体の撮像時に撮像画像に歪みが生じるという問題がある。
【０００９】
そこで、画像歪みが許容できない、高速に動く被写体の撮像や、撮像画像の同時性を必要とするセンシング用途では、電子シャッタとして、画素アレイ部中の全画素に対して同一のタイミングで露光開始と露光終了とを実行するグローバルシャッタが採用される。
【００１０】
電子シャッタとしてグローバルシャッタを採用したＣＭＯＳイメージセンサは、画素内に、たとえば、読み出し部から読み出された信号を信号保持キャパシタに保持する信号保持部が設けられている。
グローバルシャッタを採用したＣＭＯＳイメージセンサでは、フォトダイオードから電荷を電圧信号として一斉に信号保持部の信号保持キャパシタにアナログ的なサンプルホールド動作により蓄積し、そののち順次読み出すことにより、画像全体の同時性を確保している（たとえば、非特許文献１参照）。
（【００１１】以降は省略されています）

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