光传感器及其信号读出方法、以及区域式光传感器及其信号读出方法技术

提供一种能够维持在受光元件(PD)与浮动扩散电容器(CFD)之间设置有传送开关的以往的光传感器的优点和优势的同时比以往更高速地进行读取、并能够进一步降低消耗电力的光传感器。受光元件的半导体结部被完全耗尽，并且受光元件的电子的势能曲线朝向所述浮动扩散电容器的方向进行负的倾斜且保持着该负的倾斜的状态地与所述浮动扩散电容器的电子势阱的最上部相连。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光传感器及其信号读出方法、以及区域式光传感器及其信号读出方法
本专利技术涉及一种特别是应用于进行光学测定/分析等的装置的能够以摄像速度为每秒100万帧以上的高速读出清晰的图像的光传感器及其信号读出方法、以及区域式光传感器及其信号读出方法。
技术介绍
随着科学技术的发展、网络社会的渗透，线状或区域状的光传感器、固体摄像装置等(以后也将它们中的任一个称为“光传感器”、或者统称为“光传感器”)的需求飞速增长。其中，特别是应用于进行光学测定/分析等的装置的应对高灵敏度/高速/宽动态范围/宽光波长频带的光传感器、应对静止图像/运动图像的固体摄像装置作为开拓新市场的必须项目而受到市场的强烈需求。特别是动态范围更宽的光传感器、固态摄像装置在应对医用/医药/健康/看护市场、生命科学市场、形成放心安全社会所需的防灾、预防犯罪市场、4K、8K广播时代等中受到迫切期待。作为应对高灵敏度/高速/宽动态范围/宽光波长频带的光传感器、固体摄像装置的例子，例如记载在专利文献1中。现有技术文献专利文献专利文献1：国际公开WO2016080337
技术实现思路
专利技术要解决的问题专利文献1所记载的光传感器/固体摄像装置(以后，对于光传感器、固体摄像装置中的任一方或两方有时记为“光传感器”)在应对高灵敏度/高速/宽动态范围/宽光波长频带方面确实比以往更优异，但是为了满足上述市场、时代的需要，在发挥这些优点的同时，寻求进一步的高速应对。然而，上述的光传感器在作为受光元件之一的光电二极管(以后有时还简称为“PD”)与浮动扩散电容器(以后有时还简称为“CFD”)之间设置有传送开关，通过使该传送开关接通-断开(ON-OFF)来向所述浮动扩散电容器(CFD)传送所述光电二极管(PD)中存在的电荷。为此，需要使传送开关接通-断开所需的像素驱动脉冲的建立时间(settlingtime)，因此限制了帧频的高速化。另外，需要将多个像素驱动脉冲高速地传播至像素区域整体，提高了功耗。此外，如果没有特别说明，则在本案中记为“像素”的情况下的该像素是指由受光元件(PD)和浮动扩散电容器(CFD)构成。本专利技术是鉴于上述的点而完成的，其主要的目的在于提供一种能够维持在光电二极管等受光元件(PD)与浮动扩散电容器(CFD)之间设置有传送开关的以往的光传感器的优点和优势的同时比以往更高速地进行读取、并能够进一步降低功耗的光传感器。用于解决问题的方案本专利技术是鉴于上述的点专心研究所开发出的结果，其特征之一是一种光传感器的信号读出方法以及在该信号读出方法中使用的光传感器，其特征在于，通过受光元件接收光，所述受光元件的半导体结部被完全耗尽，并且所述受光元件的电子的势能曲线朝向所述浮动扩散电容器的方向进行负的倾斜，该势能曲线保持着该负的倾斜的状态地与所述浮动扩散电容器的电子势阱的最上部相连，在所述接收光的期间内设置的同一帧期间中依次进行至少两次的蓄积工序，所述蓄积工序是将与该接收光相应地在所述受光元件的内部产生的电子按照所述势能曲线进行移送并蓄积到势阱中的工序。本专利技术的另一个特征是一种光传感器及其信号读出方法，其特征在于具有受光元件、浮动扩散电容器以及像素信号输出线，所述浮动扩散电容器直接与该受光元件电连接，蓄积由输入到该受光元件的光产生的电荷，信号读出路径与所述像素信号输出线连接，所述受光元件的电容(CPD)与所述浮动扩散电容器的电容(CFD)具有以下关系：0.0008≤(CPD)/(CFD)≤0.8...........(1）4.0×10-18F≤(CPD)≤4.0×10-16F.....(2)5.0×10-16F≤(CFD)≤5.0×10-15F......(3)所述受光元件的半导体结部被完全耗尽，并且所述受光元件的电子的势能曲线朝向所述浮动扩散电容器的方向进行负的倾斜，该势能曲线保持着该负的倾斜的状态地与所述浮动扩散电容器的电子势阱的最上部相连。本专利技术的另一个特征是一种区域式光传感器及其信号读出方法，具备：光传感器像素电路部，其具备光传感器像素电路和像素内相关双采样电路，所述光传感器像素电路具备受光元件和浮动扩散电容器，所述浮动扩散电容器直接与该受光元件电连接，蓄积由输入到该受光元件的光产生的电荷，所述受光元件的半导体结部被完全耗尽，并且所述受光元件具有电子的势能曲线，所述势能曲线朝向所述浮动扩散电容器的方向进行负的倾斜，该势能曲线保持着该负的倾斜的状态地与所述浮动扩散电容器的电子势阱的最上部相连，所述光传感器像素电路具有在时间轴上择一地使用的两个输出系统，所述像素内相关双采样电路基于第一输出(a1)和第二输出(b1)进行噪声消除来输出信号(ab1)，所述第一输出(a1)和第二输出(b1)是从一个输出系统输出的基于通过光照射而在所述受光元件内产生的光电荷量的输出；以及模拟存储器电路部，其具备模拟存储器阵列、存储器单元行选择开关阵列以及存储器读出电路，所述模拟存储器阵列是将多个存储器单元进行阵列配置而得到的，所述存储器单元用于保持所述信号(ab1)、以及从另一个输出系统输出的第一输出(a2)及第二输出(b2)中的任一个输出的信号，所述存储器单元行选择开关阵列用于选择任一个存储器单元配设行，所述存储器读出电路用于读出任一个存储器单元中保持的信号。专利技术的效果根据本专利技术，能够提供一种能够维持以往的光传感器的优点和优势的同时比以往更高速地进行读取、并能够进一步降低功耗的光传感器以及利用该光传感器的信号读出方法。本专利技术的其它的特征和优点通过参照附图在下面进行的说明会变得更加清楚。此外，在附图中，对相同或同样的结构标注相同的参照编号。附图说明附图包含于说明书中，构成说明书的一部分，表示本专利技术的实施方式，与对其的描述一起用于说明本专利技术的原理。图1是用于说明本专利技术的光传感器的优选的实施方式的典型例之一的像素电路部的电路说明图。图2A是用于说明作为本专利技术的优选的实施方式的光电传感器的像素驱动的原理的势能说明图，并且是复位完成时(t1)的说明图。图2B是用于说明作为本专利技术的优选的实施方式的光电传感器的像素驱动的原理的势能说明图，并且是第一电压信号读出时(t2)的说明图。图2C是用于说明作为本专利技术的优选的实施方式的光电传感器的像素驱动的原理的势能说明图，并且是第二电压信号读出时(t3)的说明图。图3是本专利技术所涉及的光传感器的模拟存储器电路部的电路说明图。图4是示出本专利技术所涉及的光传感器的像素驱动的定时以及浮动扩散电容电压(VFD)的时间推移的一个例子的时序图。图5是示出本专利技术的光传感器的像素驱动的定时以及浮动扩散电容电压(VFD)的时间推移的另一个例子的时序图。图6是用于说明本专利技术的图像传感器的结构的框图。图7是示出本专利技术所涉及的构成受光信号生成及保持元件的光传感器像素电路部100、模拟存储器电路部300以及像素输出信号线(PIXEL_OUT)1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光传感器的信号读出方法，其特征在于，/n通过受光元件接收光，所述受光元件的半导体结部被完全耗尽，并且所述受光元件的电子的势能曲线朝向所述浮动扩散电容器的方向进行负的倾斜，该势能曲线保持着该负的倾斜的状态地与所述浮动扩散电容器的电子势阱的最上部相连，在所述接收光的期间内设置的同一帧期间中依次进行至少两次的蓄积工序，所述蓄积工序是将与该接收光相应地在所述受光元件的内部产生的电子按照所述势能曲线进行移送并蓄积到势阱中的工序。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种光传感器的信号读出方法，其特征在于，
通过受光元件接收光，所述受光元件的半导体结部被完全耗尽，并且所述受光元件的电子的势能曲线朝向所述浮动扩散电容器的方向进行负的倾斜，该势能曲线保持着该负的倾斜的状态地与所述浮动扩散电容器的电子势阱的最上部相连，在所述接收光的期间内设置的同一帧期间中依次进行至少两次的蓄积工序，所述蓄积工序是将与该接收光相应地在所述受光元件的内部产生的电子按照所述势能曲线进行移送并蓄积到势阱中的工序。


2.根据权利要求1所述的光传感器的信号读出方法，其特征在于，
所述蓄积工序中的蓄积期间为1μs以下。


3.一种光传感器，其特征在于，
具有受光元件、浮动扩散电容器以及像素信号输出线，所述浮动扩散电容器直接与该受光元件电连接，蓄积由输入到该受光元件的光产生的电荷，信号读出路径与所述像素信号输出线连接，
所述受光元件的电容(CPD)与所述浮动扩散电容器的电容(CFD)具有以下关系：
0.0008≤(CPD)/(CFD)≤0.8············(1)
4.0×10-18F≤(CPD)4.0×10-16F·····(2)
5.0×10-16F≤(CFD)≤5.0×10-15F······(3)
所述受光元件的半导体结部被完全耗尽，并且所述受光元件的电子的势能曲线朝向所述浮动扩散电容器的方向进行负的倾斜，该势能曲线保持着该负的倾斜的状态地与所述浮动扩散电容器的电子势阱的最上部相连。


4.一种区域式光传感器，其特征在于，具备：
(1)光传感器像素电路部，其具备光传感器像素电路和像素内相关双采样电路，所述光传感器像素电路具备受光元件和浮动扩散电容器，所述浮动扩散电容器直接与该受光元件电连接，蓄积由输入到该受光元件的光产生的电...

【专利技术属性】
技术研发人员：须川成利，黑田理人，
申请(专利权)人：国立大学法人东北大学，
类型：发明
国别省市：日本;JP