CN106464822A - 固体摄像装置 - Google Patents

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Abstract

固体摄像装置包括受光部、行控制部、列控制部和信号读取部。受光部包括二维排列成M行N列的M×N个像素部P(1，1)～P(M，N)。各像素部P(m，n)包括光电二极管(PD)、放大用晶体管(Tr1)、传输用晶体管(Tr2)、读取用晶体管(Tr3)、第一初始化用晶体管(Tr4)和第二初始化用晶体管(Tr5)。传输用晶体管(Tr2)和第一初始化用晶体管(Tr4)中的一方基于从行控制部输出的控制信号进行导通/关断动作，另一方基于从列控制部输出的控制信号进行导通/关断动作。由此，实现了能够按每个像素设定不同的各种模式的存储期间的固体摄像装置。

Description

固体摄像装置
技术领域
本发明涉及一种固体摄像装置。
背景技术
固体摄像装置具有：包括二维排列的多个像素部的受光部；控制该受光部的各像素部的动作的控制部；和读取来自该受光部的各像素部的信号的信号读取部。各像素部包括产生与入射光量相应的量的电荷的光电二极管、输出与栅极端子的电荷量相应的值的信号的放大用晶体管、和将由光电二极管产生的电荷传输到放大用晶体管的栅极端子的传输用晶体管而构成。
在专利文献1所公开的发明的固体摄像装置中，各像素部包括并联连接的2个传输用晶体管。一方的传输用晶体管通过对位于相同行的多个像素部共同地被赋予的控制信号进行导通(ON)/关断(OFF)动作。另一方的传输用晶体管通过对位于相同列的多个像素部共同地被赋予的控制信号进行导通/关断动作。通过这样构成，该固体摄像装置能够将各像素部中的电荷存储期间设定为各种时间，能够对各像素部的灵敏度进行各种设定，能够实现动态范围的扩大。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5247397号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
但是，在专利文献1所公开的发明的固体摄像装置中，存储期间设定的自由度是不充分的。
本发明是为了解决上述问题而完成的发明，其目的在于，提供能够按每个像素设定不同的各种模式(pattern)的存储期间的固体摄像装置。
解决问题的技术手段
本发明的固体摄像装置，其特征在于，包括：受光部，其包含二维排列成M行N列的M×N个像素部P(1，1)～P(M，N)；行控制部，其向每行输出控制位于受光部的第m行的N个像素部P(m，1)～P(m，N)的动作的控制信号；列控制部，其向每列输出控制位于受光部的第n列的M个像素部P(1，n)～P(M，n)的动作的控制信号；和信号读取部，其读取来自受光部的M×N个像素部P(1，1)～P(M，N)的信号。其中，M、N为2以上的整数，m为1以上M以下的各整数，n为1以上N以下的各整数。
再有，在上述的固体摄像装置中，其特征在于，受光部的各像素部P(m，n)包括：产生与入射光量相应的量的电荷的光电二极管；输出与栅极端子的电荷量相应的值的信号的放大用晶体管；将由光电二极管产生的电荷传输到放大用晶体管的栅极端子的传输用晶体管；将从放大用晶体管输出的信号向信号读取部输出的读取用晶体管；将光电二极管的电荷存储初始化的第一初始化用晶体管；和将放大用晶体管的栅极端子的电荷存储初始化的第二初始化用晶体管。
另外，在上述的固体摄像装置，其特征在于，传输用晶体管和第一初始化用晶体管中的一方基于从行控制部输出的控制信号进行导通/关断动作，另一方基于从列控制部输出的控制信号进行导通/关断动作。
发明的效果
根据本发明，能够按每个像素设定包括多个不连续的存储期间的各种模式的存储期间，由此能够进一步扩大动态范围。
附图说明
图1是表示本实施方式的固体摄像装置1的整体结构的图。
图2是表示本实施方式的固体摄像装置1的各像素P(m，n)的结构的图。
图3是表示比较例的固体摄像装置的各像素P(m，n)的结构的图。
图4是表示本实施方式的固体摄像装置1的动作例的时序图。
图5是表示比较例的固体摄像装置的动作例的时序图。
图6是表示本实施方式的固体摄像装置1的动作例的时序图。
图7是表示其它的实施方式的固体摄像装置的主要部分结构的图。
图8是表示图7所示的实施方式的固体摄像装置的动作例的时序图。
图9是表示图7所示的实施方式的固体摄像装置的动作例的时序图。
图10是表示又一其它的实施方式的固体摄像装置的主要部分结构的图。
图11是表示图10所示的实施方式的固体摄像装置的动作例的时序图。
图12(a)～(c)是说明各种电荷存储期间的模式的图。
具体实施方式
以下，参照附图，对用于实施本发明的方式进行详细的说明。此外，在附图的说明中对于相同的要素标注相同的符号，省略重复的说明。
图1是表示本实施方式的固体摄像装置1的整体结构的图。固体摄像装置1包括受光部10、行控制部20、列控制部30和信号读取部40。受光部10包括二维排列成M行N列的M×N个像素部P(1，1)～P(M，N)。M×N个像素部P(1，1)～P(M，N)具有共同的结构。各像素部P(m，n)位于第m行第n列。
行控制部20向每行输出控制位于受光部10的第m行的N个像素部P(m，1)～P(m，N)的动作的控制信号。列控制部30向每列输出控制位于受光部10的第n列的M个像素部P(1，n)～P(M，n)的动作的控制信号。信号读取部40读取来自受光部10的M×N个像素部P(1，1)～P(M，N)的信号。其中，M、N为2以上的整数，m为1以上M以下的各整数，n为1以上N以下的各整数。
图2是表示本实施方式的固体摄像装置1的各像素部P(m，n)的结构的图。各像素部P(m，n)包括光电二极管PD、放大用晶体管Tr1、传输用晶体管Tr2、读取用晶体管Tr3、第一初始化用晶体管Tr4和第二初始化用晶体管Tr5。这些晶体管Tr1～Tr5为NMOS晶体管。
光电二极管PD的阳极端子被接地。光电二极管PD的阴极端子与传输用晶体管Tr2的源极端子连接，另外，与第一初始化用晶体管Tr4的源极端子连接，放大用晶体管Tr1的栅极端子与传输用晶体管Tr2的漏极端子连接，另外，与第二初始化用晶体管Tr5的源极端子连接。放大用晶体管Tr1的源极端子与读取用晶体管Tr3的漏极端子连接。放大用晶体管Tr1、第一初始化用晶体管Tr4和第二初始化用晶体管Tr5各自的漏极端子被施加电源电位VDD。
传输用晶体管Tr2的栅极端子被输入从行控制部20向每行输出的trans(m)信号。位于第m行的N个像素部P(m，1)～P(m，N)各自的传输用晶体管Tr2根据trans(m)信号的电平进行导通/关断动作。读取用晶体管Tr3的栅极端子被输入从行控制部20向每行输出的address(m)信号。位于第m行的N个像素部P(m，1)～P(m，N)各自的读取用晶体管Tr3根据address(m)信号的电平进行导通/关断动作。
第二初始化用晶体管Tr5的栅极端子被输入从行控制部20向每行输出的reset2(m)信号。位于第m行的N个像素部P(m，1)～P(m，N)各自的第二初始化用晶体管Tr5根据reset2(m)信号的电平进行导通/关断动作。第一初始化用晶体管Tr4的栅极端子被输入从列控制部30向每列输出的reset1(n)信号。位于第n列的M个像素部P(1，n)～P(M，n)各自的第一初始化用晶体管Tr4根据reset1(n)信号的电平进行导通/关断动作。
行控制部20输出trans(m)信号、address(m)信号和reset2(m)信号来作为控制位于受光部10的第m行的N个像素部P(m，1)～P(m，N)的动作的控制信号。列控制部30输出reset1(n)信号来作为控制位于受光部10的第n列的M个像素部P(1，n)～P(M，n)的动作的控制信号。
光电二极管PD能够产生与入射光量相应的量的电荷，并且将电荷存储到接合电容部。在放大用晶体管Tr1的栅极端子形成有浮动扩散部(floating diffusion)，或者形成有与其不同的电容部，能够存储电荷。传输用晶体管Tr2在导通状态的期间，将由光电二极管PD产生的电荷传输到放大用晶体管Tr1的栅极端子。放大用晶体管Tr1从源极端子输出与栅极端子的电荷量相应的值的信号。读取用晶体管Tr3在导通状态的期间，将从放大用晶体管Tr1输出的信号作为readout(n)信号输出到信号读取部40。第一初始化用晶体管Tr4在导通状态的期间对光电二极管PD的电荷存储进行初始化。第二初始化用晶体管Tr5在导通状态的期间对放大用晶体管Tr1的栅极端子的电荷存储进行初始化。
各像素部P(m，n)的动作的概况如下所述。通过从行控制部20向每行输出的reset2(m)信号遍及一定期间而成为高电平，从而在位于第m行的N个像素部P(m，1)～P(m，N)各个中，第二初始化用晶体管Tr5成为导通状态，放大用晶体管Tr1的栅极端子的电荷存储被初始化。通过从列控制部30向每列输出的reset1(n)信号遍及一定期间而成为高电平，从而位于第n列的M个像素部P(1，n)～P(M，n)各个中，第一初始化用晶体管Tr4成为导通状态，光电二极管PD的电荷存储被初始化。
在reset1(n)信号从高电平转到低电平时，位于第n列的M个像素部P(1，n)～P(M，n)各个中，第一初始化用晶体管Tr4转为关断状态，光电二极管PD的电荷存储被开始。之后，在从行控制部20向每行输出的trans(m)信号遍及一定期间而成为高电平并转到低电平时，位于第m行的N个像素部P(m，1)～P(m，N)各个中，至此时为止由光电二极管PD所产生的电荷被传输到放大用晶体管Tr1的栅极端子。然后，从行控制部20向每行输出的address(m)信号遍及一定期间而成为高电平，从而位于第m行的N个像素部P(m，1)～P(m，N)各个中，读取用晶体管Tr3成为导通状态，从放大用晶体管Tr1输出的信号作为readout(n)信号被输出到信号读取部40。
各像素部P(m，n)中的电荷存储期间为，自赋予第一初始化用晶体管Tr4的栅极端子的reset1(n)信号从高电平转为低电平时(电荷存储开始时刻)起，直至赋予传输用晶体管Tr2的栅极端子trans(m)信号从高电平转到低电平时(电荷存储结束时刻)为止的期间。从各像素部P(m，n)输出的readout(n)信号的值是与遍及上述电荷存储期间的向光电二极管PD的入射光量相应的值。
在以上所说明的实施方式中，各像素部P(m，n)中，基于从行控制部20输出的trans(m)信号，传输用晶体管Tr2进行导通/关断动作，基于从列控制部30输出的reset1(n)信号，第一初始化晶体管Tr4进行导通/关断动作。相反的，各像素部P(m，n)中，也可以是基于从行控制部20输出控制信号，第一初始化晶体管Tr4进行导通/关断动作，基于从列控制部30输出的控制信号，传输用晶体管Tr2进行导通/关断动作。
这样，各像素部P(m，n)中，传输用晶体管Tr2和第一初始化用晶体管Tr4中的一方基于从行控制部20输出的控制信号进行导通/关断动作，另一方基于从列控制部30输出的控制信号进行导通/关断动作，由此能够进一步实现动态范围的扩大。关于该点，对本实施方式和比较例进行对比来说明。
图3是表示比较例的固体摄像装置的各像素部P(m，n)的结构的图。与图2所示的本实施方式的各像素部P(m，n)比较时，图3所示的比较例的各像素部P(m，n)在包括光电二极管PD和5个晶体管Tr1～Tr5的方面相同，这些元件之间的连接关系也大致相同，在从行控制部向每行输出的address(m)信号被输入到读取用晶体管Tr3的栅极端子的方面也相同。
与图2所示的本实施方式的各像素部P(m，n)比较时，图3所示的比较例的各像素部P(m，n)在晶体管Tr4作为传输用晶体管来使用的方面不同，在该传输用晶体管Tr4的漏极端子与放大用晶体管Tr1的栅极端子连接的方面不同。另外，在从行控制部向每行输出的transl(m)被输入到传输用晶体管Tr2的栅极端子的方面不同，在从列控制部向每列输出的trans2(n)被输入到传输用晶体管Tr4的栅极端子的方面不同，在从行控制部向每行输出的reset(m)被输入到初始化用晶体管Tr5的栅极端子的方面不同。
图4是表示本实施方式的固体摄像装置1的动作例的时序图。图5是表示比较例的固体摄像装置的动作例的时序图。任一图都是关于3行3列的像素部P(1，1)～P(3，3)各个表示电荷存储期间。比较例(图5)中，存储期间只是连续的一次的期间。无法在同一行内改变存储开始时刻。如果想要缩短存储期间，则只有提早存储结束时刻的方法。另外，也无法设定夹着非存储期间的多次的存储期间。
相对于此，在本实施方式(图4)中，像素部P(1，1)的电荷存储期间的长度是时钟CLK的3个周期量。像素部P(1，2)的电荷存储期间的长度是时钟CLK的2个周期量。像素部P(1，3)的电荷存储期间的长度是时钟CLK的1个周期量。像素部P(2，1)的电荷存储期间的长度是时钟CLK的4个周期量。像素部P(2，2)的电荷存储期间的长度是时钟CLK的3个周期量。像素部P(2，3)的电荷存储期间的长度是时钟CLK的2个周期量。像素部P(3，1)的电荷存储期间的长度是时钟CLK的5个周期量。像素部P(3，2)的电荷存储期间的长度是时钟CLK的4个周期量。像素部P(3，3)的电荷存储期间的长度是时钟CLK的3个周期量。
这样，在本实施方式中，能够按每行或者每列改变电荷存储开始时刻和电荷存储结束时刻这两者的设定，在此基础上也能够设定不连续的多个存储期间。根据该功能，能够多样地设定各像素部的电荷存储期间的长度，能够多样地设定各像素部的灵敏度，能够实现动态范围的扩大。
在比较例中，无法在同一行内改变存储开始时刻(图12(a))。另外，在比较例中，无法设定夹着非存储期间的多次的存储期间。相对于此，在本实施方式中，由于能够匹配存储期间的重心(图12(b))、或者设定夹着非存储期间的多次的存储期间(图12(c))，所以在对包含亮度高速地变化的对象的图像进行高动态范围摄像时是适合的。
为了设定夹着非存储期间的多次的存储期间，需要将光电二极管PD的电荷向放大用晶体管Tr1的栅极端子传输多次。为此，需要以不对电荷进行电容分配的方式，将光电二极管PD作为埋入型的结构，将光电二极管PD完全耗尽化并使电容为零。由此，能够将光电二极管PD的存储电荷全部传输到放大用晶体管Tr1的栅极端子。
图6是表示本实施方式的固体摄像装置1的其它的动作例的时序图。图6表示在1帧期间(自从各像素部输出readout(n)信号起至接下来输出readout(n)信号为止的期间)内，关于3行3列的像素部P(1，1)～P(3，3)各个存在4次电荷存储期间的情况。如该动作例所示，在本实施方式中，能够将各像素部的各次的电荷存储期间的长度多样地设定。另外，能够将各像素部的第一次和第二次的电荷存储期间的长度之和设定为一定，能够将各像素部的第三次和第四次的电荷存储期间的长度之和设定为一定。
图7是表示其它的实施方式的固体摄像装置的主要部分结构的图。在该实施方式中，受光部10的M×N个像素部P(1，1)～P(M，N)被划分为多个区块(block)。多个区块分别包括排列成Q行R列的像素部。在多个区块的各个区块中的第q行第r列的像素部中，传输用晶体管Tr2基于同一控制信号进行导通/关断动作，第一初始化用晶体管Tr4基于同一控制信号进行导通/关断动作，Q、R中的至少一方为2以上的整数。
在图7中，设M＝N＝8，设Q＝R＝2。即，8×8个像素部P(1，1)～P(8，8)被划分为4×4个的区块，各区块包括排列成2行2列的像素部。在各区块内的第q行第r列的像素部P(q，r)中，传输用晶体管Tr2基于trans(q)信号进行导通/关断动作，第一初始化用晶体管Tr4基于reset1(r)信号进行导通/关断动作。即，在4×4个的区块各个中位于相同位置的像素部的电荷存储期间是相同的。q为1以上Q以下的各整数，r为1以上R以下的各整数。
图8和图9是表示图7所示的实施方式的固体摄像装置的动作例的时序图。图8所示的动作例中，在各区块内，在设第1行第1列的像素部和第2行第2列的像素部各自的电荷存储期间的长度为1时，第1行第2列的像素部的电荷存储期间的长度为4，第2行第1列的像素部的电荷存储期间的长度为16。图9所示的动作例中，在各区块内，在设第1行第1列的像素部的电荷存储期间的长度为1时，能够设第2行第2列的像素部的电荷存储期间的长度为4，设第1行第2列的像素部的电荷存储期间的长度为16，设第2行第1列的像素部的电荷存储期间的长度为64。
图10是表示又一其它的实施方式的固体摄像装置的主要部分结构的图。在该实施方式中，在受光部10中，第一种像素部和第二种像素部在行方向和列方向这两个方向上交替地配置。第一种像素部中，传输用晶体管Tr2基于从行控制部20输出的signal1(m)信号进行导通/关断动作，并且第一初始化用晶体管Tr4基于从列控制部30输出的signal2(n)信号进行导通/关断动作。
第二种像素部中，第一初始化用晶体管Tr4基于从行控制部20输出的signal1(m)信号进行导通/关断动作，并且传输用晶体管Tr2基于从列控制部30输出的signal2(n)信号进行导通/关断动作。图10中表示3行3列的像素部P(1，1)～P(3，3)。其中，像素部P(1，1)、P(1，3)、P(2，2)、P(3，1)、P(3，3)是第一种像素部。像素部P(1，2)、P(2，1)、P(2，3)、P(3，2)是第二种像素部。
图11是表示图10所示的实施方式的固体摄像装置的动作例的时序图。如图11所示，在该实施方式中，受光部10中第一种像素部和第二种像素部在行方向和列方向这两个方向上交替地配置，能够提高电荷存储开始时刻和电荷存储结束时刻各自的设定的自由度而且能够扩大动态范围。
本发明的固体摄像装置并不限于上述的实施方式和结构例，可以进行各种变形。
在上述实施方式的固体摄像装置中，设为如下结构，包括：受光部，其包含二维排列成M行N列的M×N个像素部P(1，1)～P(M，N)；行控制部，其向每行输出控制位于受光部的第m行的N个像素部P(m，1)～P(m，N)的动作的控制信号；列控制部，其向每列输出控制位于受光部的第n列的M个像素部P(1，n)～P(M，n)的动作的控制信号；和信号读取部，其读取来自受光部的M×N个像素部P(1，1)～P(M，N)的信号。其中，M、N为2以上的整数，m为1以上M以下的各整数，n为1以上N以下的各整数。
再有，在上述的固体摄像装置中，设为如下结构，受光部的各像素部P(m，n)包括：产生与入射光量相应的量的电荷的光电二极管；输出与栅极端子的电荷量相应的值的信号的放大用晶体管；将由光电二极管产生的电荷传输到放大用晶体管的栅极端子的传输用晶体管；将从放大用晶体管输出的信号向信号读取部输出的读取用晶体管；将光电二极管的电荷存储初始化的第一初始化用晶体管；和将放大用晶体管的栅极端子的电荷存储初始化的第二初始化用晶体管。
另外，在上述的固体摄像装置中，设为如下结构，传输用晶体管和第一初始化用晶体管中的一方基于从行控制部输出的控制信号进行导通/关断动作，另一方基于从列控制部输出的控制信号进行导通/关断动作。
上述的固体摄像装置中，优选，受光部的M×N个像素部P(1，1)～P(M，N)被划分为多个区块，多个区块分别包括排列成Q行R列的像素部。再有，在多个区块的各个区块中的第q行第r列的像素部中，传输用晶体管基于同一控制信号进行导通/关断动作，第一初始化用晶体管基于同一控制信号进行导通/关断动作。其中，Q、R中的至少一方为2以上的整数，q为1以上Q以下的各整数，r为1以上R以下的各整数。
上述的固体摄像装置中，优选，在受光部中，传输用晶体管基于从行控制部输出的控制信号进行导通/关断动作并且第一初始化用晶体管基于从列控制部输出的控制信号进行导通/关断动作的像素部、与第一初始化用晶体管基于从行控制部输出的控制信号进行导通/关断动作并且传输用晶体管基于从列控制部输出的控制信号进行导通/关断动作的像素部混合存在地进行配置。这两种像素部可以在行方向和列方向这两个方向上交替地配置，也可以有各种配置模式的方式。
产业上的利用可能性
本发明能够作为能够按每个像素设定不同的各种模式的存储期间的固体摄像装置来使用。
符号的说明
1…固体摄像装置、10…受光部、20…行控制部、30…列控制部、40…信号读取部、P(1，1)～P(M，N)…像素部、PD…光电二极管、Tr1…放大用晶体管、Tr2…传输用晶体管、Tr3…读取用晶体管、Tr4…第一初始化用晶体管、Tr5…第二初始化用晶体管。

Claims (3)

1.一种固体摄像装置，其特征在于，
包括：
受光部，其包含二维排列成M行N列的M×N个像素部P(1，1)～P(M，N)；
行控制部，其向每行输出控制位于所述受光部的第m行的N个像素部P(m，1)～P(m，N)的动作的控制信号；
列控制部，其向每列输出控制位于所述受光部的第n列的M个像素部P(1，n)～P(M，n)的动作的控制信号；和
信号读取部，其读取来自所述受光部的M×N个像素部P(1，1)～P(M，N)的信号，
所述受光部的各像素部P(m，n)包括：
产生与入射光量相应的量的电荷的光电二极管；
输出与栅极端子的电荷量相应的值的信号的放大用晶体管；
将由所述光电二极管产生的电荷传输到所述放大用晶体管的所述栅极端子的传输用晶体管；
将从所述放大用晶体管输出的信号向所述信号读取部输出的读取用晶体管；
将所述光电二极管的电荷存储初始化的第一初始化用晶体管；和
将所述放大用晶体管的所述栅极端子的电荷存储初始化的第二初始化用晶体管，
所述传输用晶体管和所述第一初始化用晶体管中的一方基于从所述行控制部输出的控制信号进行导通/关断动作，另一方基于从所述列控制部输出的控制信号进行导通/关断动作，
其中，M、N为2以上的整数，m为1以上M以下的各整数，n为1以上N以下的各整数。
2.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述受光部的M×N个像素部P(1，1)～P(M，N)被划分为多个区块，
所述多个区块分别包括排列成Q行R列的像素部，
在所述多个区块的各个区块中的第q行第r列的像素部中，所述传输用晶体管基于同一控制信号进行导通/关断动作，所述第一初始化用晶体管基于同一控制信号进行导通/关断动作，
其中，Q、R中的至少一方为2以上的整数，q为1以上Q以下的各整数，r为1以上R以下的各整数。
3.如权利要求1或2所述的固体摄像装置，其特征在于，
在所述受光部中，
所述传输用晶体管基于从所述行控制部输出的控制信号进行导通/关断动作并且所述第一初始化用晶体管基于从所述列控制部输出的控制信号进行导通/关断动作的像素部、与所述第一初始化用晶体管基于从所述行控制部输出的控制信号进行导通/关断动作并且所述传输用晶体管基于从所述列控制部输出的控制信号进行导通/关断动作的像素部混合存在地进行配置。
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