JP2001326856A - 固体撮像装置およびそれを用いた固体撮像システム - Google Patents

固体撮像装置およびそれを用いた固体撮像システム

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JP2001326856A JP2000143674A JP2000143674A JP2001326856A JP 2001326856 A JP2001326856 A JP 2001326856A JP 2000143674 A JP2000143674 A JP 2000143674A JP 2000143674 A JP2000143674 A JP 2000143674A JP 2001326856 A JP2001326856 A JP 2001326856A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 周辺回路を縮小した固体撮像装置を実現す
る。 【解決手段】 複数の光電変換素子１−１，１−２と、
それぞれの光電変換素子に一端が接続された複数の転送
スイッチ５−１，５−２と、複数の転送スイッチのもう
一端に共通接続された信号入力部と、信号入力部に接続
された増幅部２とを有する画素ブロックを複数配置して
なる固体撮像装置において、画素ブロックごとに走査ク
ロックを出力する走査手段１６を有することを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、画像信号を得る固
体撮像装置およびそれを用いた固体撮像システムに関
し、特にＣＭＯＳコンパチブルＸＹアドレス型増幅型固
体撮像装置およびそれを用いた固体撮像システムに関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、固体撮像装置としては光電変換を
可能とする金属等の導電体と酸化物等の絶縁体と半導体
からなるＭＯＳ構造を有し、光キャリヤの移動方式でＦ
ＥＴ型とＣＣＤ型とに分けられる。この固体撮像装置は
太陽電池、イメージカメラ、複写機、ファクシミリなど
の種々の方面に使用され、技術的にも変換効率や集積密
度の改良改善が図られている。このような固体撮像装置
の一つに、ＣＭＯＳプロセスコンパチブルのセンサ（以
後、ＣＭＯＳセンサという。）がある。このタイプのセ
ンサはセンサはIEEE Transactions on Electron Device
Vol.41 pp452〜453 1994などの文献で発表されてい
る。また、ＣＭＯＳセンサの別の例として、特開平９−
４６５９６号公報で画素の縮小化に好適でかつ画素信号
の加算、非加算の切り替えが任意に行なえる例が開示さ
れている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例において、画素の縮小にともなって垂直走査回路の
ピッチも狭ピッチ化を図っていかなければ縮小化の十分
な効果が得られない。
【０００４】また、加算非加算の切り替え動作を効率よ
く行なう走査回路についても十分な検討がなされていな
かった。
【０００５】本発明は、上述した従来技術のＣＭＯＳセ
ンサに好適な走査手段を提供し、より一層の縮小化およ
び効率的な加算非加算動作を行なうことを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段および作用】本発明は上記
目的を達成するためになされたもので、複数の光電変換
素子と、それぞれの光電変換素子に一端が接続された複
数の転送スイッチと、該複数の転送スイッチのもう一端
に共通接続された信号入力部と、該信号入力部に接続さ
れた増幅部とを有する画素ブロックを複数配置してなる
固体撮像装置において、前記画素ブロックごとに走査ク
ロックを出力する走査手段を有することを特徴とする。
【０００７】上記構成においては、走査手段の回路規模
を簡略化し、面積も縮小できる。
【０００８】また本発明の固体撮像システムは上記本発
明の固体撮像装置を用いたものである。
【０００９】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
詳細に説明する。
【００１０】［第一の実施例］図１は本発明の第一の実
施例を示したものである。同図において、１−１，１−
２はフォトダイオードなどの光電変換素子、５−１，５
−２は転送スイッチＭＯＳトランジスタ、４はリセット
用ＭＯＳトランジスタ、２はソースフォロワアンプの入
力ＭＯＳトランジスタ、３は垂直選択ＭＯＳトランジス
タ、７はソースフォロワ負荷トランジスタ、８は暗出力
転送ＭＯＳトランジスタ、９は明出力転送トランジス
タ、１０は暗出力蓄積容量、１１は明出力蓄積容量、１
２−１，１２−２はそれぞれ暗出力，明出力を転送する
ための水平転送ＭＯＳトランジスタ、１３−１，１３−
２は水平出力線リセットＭＯＳトランジスタ、１４は差
動出力アンプ、１５は水平走査回路である。１６は画素
ブロックごとに１段ずつ配置された垂直走査手段、１７
は演算処理部であり本実施例ではＡＮＤゲートおよびＮ
ＡＮＤゲートで構成している。垂直走査手段１６，演算
処理部１７を合わせて垂直走査回路を構成する。
【００１１】図２に画素部の断面図を示す。同図におい
て、２０１はＰ型ウエル、２０２はゲート酸化膜、２０
３−１，２０３−２はポリＳｉなどで形成された転送Ｍ
ＯＳトランジスタのゲート電極、２０４は信号入力部と
なるｎ+ フローティングディフュージョン（ＦＤ）部、
２０５−１，２０５−２は光電変換部である。ＦＤ部２
０４はそれぞれの転送ＭＯＳトランジスタ２０３−１，
２０３−２を介して二つの光電変換部２０５−１，２０
５−２と接続される。同図において、二つの転送ＭＯＳ
トランジスタ５−１，５−２のドレインとＦＤ部２０４
を共通化して微細化とＦＤ部２０４の容量低減による感
度向上を図っているが、２つの転送ＭＯＳトランジスタ
５−１，５−２に対してそれぞれにドレインを設け、そ
の間を金属配線で接続してＦＤ部としてもよい。
【００１２】次に図３のタイミングチャートを用いて動
作を簡単に述べる。同図において、Ｖ１，Ｖ２は垂直走
査手段１６から順次出力される垂直走査タイミングクロ
ック、φRESは演算処理部１７に入力される外部リセッ
トクロック、φSELは演算処理部１７に入力される外部
垂直選択クロック、φTX1，φTX2は同じく演算処理部１
７に入力される第一、第二の外部転送クロックである。
【００１３】先ず、転送スイッチ５、リセットスイッチ
４をオンすることにより光電変換素子１をリセットす
る。次に転送スイッチ５をオフした後、蓄積動作にはい
る。蓄積時間終了時、垂直走査回路１６からのタイミン
グクロックＶ1とφSELのＡＮＤ演算によって、時刻Ｔ0
において垂直選択クロックφsel1をハイとし、垂直選択
ＭＯＳトランジスタ３をオンさせ、第一、第二ラインの
画素に対応するソースフォロワアンプを動作させる。次
に同様に垂直走査回路１６からのタイミングクロックＶ
1とφRESのＮＡＮＤ演算によって、リセットクロックφ
res1をロウとし、ＦＤ部２０４のリセットを止め、ＦＤ
部２０４をフローティング状態とした後、時刻Ｔ1にお
いてクロックφTNをハイとしＦＤ部２０４の暗電圧をソ
ースフォロワ動作で蓄積容量ＣTN１０に出力する。
【００１４】次に第一ラインの画素の光電変換出力を行
なうために時刻Ｔ2において垂直走査回路１６からのタ
イミングクロックＶ1とφTX1のＡＮＤ演算によって、転
送クロックφtx11をハイとして転送ＭＯＳトランジスタ
５を導通し、信号電荷をＦＤ部２０４へ転送する。電荷
が転送されることによりＦＤ部２０４の電位が光に応じ
て変化することになる。時刻Ｔ3においてクロックφTS
をハイとしこのＦＤ部２０４の電圧をソースフォロワ動
作で蓄積容量ＣTS11に出力する。この時点で第一ライン
の画素の暗出力、光出力はそれぞれ蓄積容量ＣTN10、Ｃ
TS11に蓄積されており、時刻Ｔ4に水平出力線リセット
クロックφHCを一時ハイとして水平出力線をリセット
し、水平転送期間において水平走査回路１５の走査タイ
ミング信号により水平出力線に画素の暗出力と光出力が
出力される。この時、差動増幅器１４によって二つの出
力の差動出力Ｖoutを取れば、画素のランダムノイズ、
固定パターンノイズを除去したＳ／Ｎ比の良い信号が得
られる。
【００１５】第二ラインの信号読出しへの切り替えは、
上記で説明した読み出しのシークエンスのうち外部転送
クロックφTX1の代わりに同じタイミングで転送クロッ
クφTX2をクロック動作させることで容易に切り替えを
行ない出力することができる。
【００１６】本実施例においては、第一、第二の二つの
ラインの画素列を制御する間に一度だけ垂直の走査タイ
ミング信号を発生させることでセンサの読み出し動作を
行なうことができる。従って、垂直走査手段の回路構成
を簡略化できるので、画素の縮小に連動して走査手段の
縮小ができ、小型の固体撮像装置を実現できるものであ
る。
【００１７】また本実施例では第一、第二ラインのどち
らを読み出す際にも必要な、リセットクロックφres、垂
直選択クロックφselを発生する回路は、第一、第二の
二つのラインで一組の回路を設けそれを共用しているの
で、やはり回路規模を縮小し小型化に貢献している。
【００１８】二画素の信号をＦＤ部２０４上で加算して
読み出す際も本実施例の回路構成を全く変えずに印加パ
ルスのタイミングのみの変更で実現できる。上下２画素
の加算の場合のタイミングチャートを図４に示す。非加
算モードの図３では転送クロックφtx11とφtx21のタイ
ミングを１ライン分ずらしていたが、加算の場合は同じ
タイミングになる。すなわち光電変換素子１−１，１−
２から同時に読み出すために、まずクロックφTNをハイ
として垂直出力線からノイズ成分を読み出し次に転送ク
ロックφtx11とφtx21をそれぞれ同時にハイ、ロウとし
てＦＤ部２０４に転送する。これにより同時刻に上下二
つの光電変換素子１の信号をＦＤ部２０４で加算するこ
とが可能となる。
【００１９】本実施例では外部転送クロックφTX1、φT
X2のタイミングを変更するだけで容易にこの機能を実現
できるものである。
【００２０】本実施例中の演算処理部１７はＡＮＤゲー
トとＮＡＮＤゲートで構成した場合を例にとって説明し
たがこれに限るものではない。
【００２１】図１１に演算処理部をＯＲゲートおよびＮ
ＯＲゲートで構成した場合の本実施例の構成例を示す。
図１２は本構成例の場合の動作タイミングチャートであ
る。本構成例でも、垂直走査タイミングクロックとクロ
ックφRES、φSEL、φTX1、φTX2を演算処理部で演算処
理することで所望のクロックを発生させることができ
る。また本構成例で示した画素部構成の場合は、ＡＮＤ
ゲートおよびＮＡＮＤゲートで構成したときよりＯＲゲ
ートおよびＮＯＲゲートで構成した方がさらにゲートを
構成するトランジスタ数を削減でき、さらに回路規模を
簡略化できるものである。
【００２２】［第二の実施例］図５に本発明による第二
実施例の模式説明図を示す。本実施例はＹ方向４画素を
１画素ブロックにした例で、４画素に対し一段の垂直走
査手段１６を設けたことを特徴とする。
【００２３】本実施例においては、第一〜第四の四つの
ラインの画素列を制御する間に一度だけ垂直の走査タイ
ミング信号を発生させることでセンサの読み出し動作を
行なうことができるので、前記実施例にくらべ垂直走査
手段の回路構成をさらに簡略化できるので、画素の縮小
に連動して走査手段の縮小ができ、より小型の固体撮像
装置を実現できるものである。
【００２４】また同様にリセットクロックφres、垂直
選択クロックφselを発生する回路は、第一〜第四の四
つのラインで一組の回路を設けそれを共用しているの
で、やはり回路規模を縮小することができる。
【００２５】勿論、Ｙ方向４画素の信号をＦＤ部２０４
上で任意の組み合わせで加算して読み出す際も本実施例
の回路構成を全く変えずに印加パルスのタイミングのみ
の変更で容易に実現できる。
【００２６】［第三の実施例］図６に本発明による第三
実施例の模式説明図を示す。本実施例は演算処理部１７
をトランスファーゲート６０１とスイッチＭＯＳトラン
ジスタ６０２で構成した実施例である。６０３はインバ
ータであり、垂直走査タイミングクロックの反転信号を
生成する。
【００２７】本実施例の動作を図３のタイミングチャー
トを用いて説明する。まず上記第一の実施例と同様に光
電変換素子をリセットした後蓄積動作に入る。蓄積時間
終了時、垂直走査手段１６からのタイミング出力Ｖ１を
ハイにすることによってトランスファーゲート６０１−
１〜６０１−４をオンする。外部クロックφSEL，φRE
S，φTX1，φTX2はトランスファーゲート６０１−１〜
６０１−４を介して画素部に伝えられ、実施例１で説明
したのと同様のタイミングで各画素を動作させるクロッ
クとして働く。第一、第二ラインの信号を読み出した
後、垂直走査タイミングクロックＶ１はロウになるので
スイッチＭＯＳトランジスタ６０２がオンして第一、第
二ラインに対応する垂直選択ＭＯＳトランジスタ３のゲ
ートおよび転送ＭＯＳトランジスタ５のゲートはオフす
る電位に固定される。またリセットＭＯＳトランジスタ
４のゲートはオンする電位に固定される。
【００２８】本実施例においても上記第一、第二の実施
例と同様の効果が得られることはいうまでもない。また
さらに、本実施例では演算処理部１７の回路規模を実施
例１，２よりさらに縮小することができるものである。
また、本実施例では、外部クロックがトランスファーゲ
ート６０１を介して直接画素部トランジスタのゲートに
伝えられるので、クロックの振幅が実施例１，２ではロ
ジックゲートの電源電圧で一意に決定されてしまってい
たのに対し、入力する外部クロックの振幅を変えること
で自由にクロックの振幅を変化させることができる。た
とえば、転送ＭＯＳトランジスタのオフ時のゲート電圧
を蓄積期間中にＭＯＳの閾値電圧よりやや高めに設定し
ておくことで、強い光が光電変換素子１に入射した時に
発生した過剰電荷を転送ＭＯＳトランジスタおよびリセ
ットＭＯＳトランジスタを通して電源ＶDDに捨てる、横
型オーバーフロードレイン動作を行なうこともできる。
【００２９】［第四の実施例］図７に本発明による第四
実施例の模式説明図を示す。本実施例は外部クロックの
入力部と演算処理部の間にデコーダ回路７０１を設け、
外部より入力するクロック数の削減を図ったものであ
る。
【００３０】図８にデコーダ回路を、図９にその動作タ
イミングチャートを示す。同図に示すように外部クロッ
クφTXはデコーダクロックφDEC1，φDEC2がハイかロウ
かに応じてφTX1〜φTX4のいずれかに振り分けられ出力
される。出力されたφTX1〜φTX4と垂直走査タイミング
クロックとのＡＮＤ演算によって転送クロックを生成す
る。
【００３１】本実施例では、デコーダ回路７０１を設け
たことで外部クロックの数を実施例２と比較して一つ減
らすことができる。本実施例はＹ方向４画素を１画素ブ
ロックにした例であるが、たとえば８画素を１画素ブロ
ックにした場合、実施例２では外部転送クロックは８ク
ロック必要だが、本実施例では一つの外部転送クロック
と三つのデコーダクロックの計四つで同様の動作を実現
することができるものである。
【００３２】そのため、外部クロックを削減することが
でき、本固体撮像装置の制御が容易になる、クロック配
線を敷設する面積を縮小することができるといった新た
な効果を得ることができる。
【００３３】上記第一〜第四の実施例の走査手段はシフ
トレジスタ回路を用いても良いし、デコーダ回路を用い
ても良い。シフトレジスタ回路はデコーダ回路に比べ回
路規模をより縮小することができる。また、デコーダ回
路はシフトレジスタ回路に比べ、画素列を選択する順序
を自由に選ぶことができ、さまざまな信号読み出し順を
実現することができる。
【００３４】図１０に撮像システム概略図を示す。同図
に示すように、光学系７１、絞り８０を通って入射した
画像光はＣＭＯＳセンサ７２上に結像する。ＣＭＯＳセ
ンサ７２上に配置されている画素アレーによって光情報
は電気信号へと変換され、ノイズ除去されて出力され
る。その出力信号は信号処理回路７３によって予め決め
られた方法によって信号変換処理され、出力される。信
号処理された信号は、記録系、通信系７４により情報記
録装置により記録、あるいは情報転送される。記録、あ
るいは転送された信号は再生系７７により再生される。
絞り８０、ＣＭＯＳセンサ７２、信号処理回路７３はタ
イミング制御回路７５により制御され、光学系７１、タ
イミング制御回路７５、記録系・通信系７４、再生系７
７はシステムコントロール回路７６により制御される。
【００３５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば周
辺回路を縮小した固体撮像装置を実現できるため、小型
化、収量アップによる低コスト化、パッケージの小型
化、光学系の小型化、外部制御回路の簡略化といった効
果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例の模式説明図である。
【図２】本発明の第一の実施例の画素部断面図である。
【図３】本発明の第一の実施例の第一のタイミングチャ
ートである。
【図４】本発明の第一の実施例の第二のタイミングチャ
ートである。
【図５】本発明の第二の実施例の模式説明図である。
【図６】本発明の第三の実施例の模式説明図である。
【図７】本発明の第四の実施例の模式説明図である。
【図８】デコーダ回路の回路構成図である。
【図９】デコーダ回路の動作タイミングチャートであ
る。
【図１０】本発明による撮像システム概略を示す図であ
る。
【図１１】演算処理部をＯＲゲートおよびＮＯＲゲート
で構成した場合の構成例を示す図である。
【図１２】図１１の構成例の動作タイミングチャートで
ある。
【符号の説明】
１ 光電変換素子 ２ ソースフォロワ入力ＭＯＳトランジスタ ３ 垂直選択ＭＯＳトランジスタ ４ リセット用ＭＯＳトランジスタ ５ 転送スイッチＭＯＳトランジスタ ７ ソースフォロア負荷トランジスタ ８ 暗出力転送ＭＯＳトランジスタ ９ 明出力転送トランジスタ １０ 暗出力蓄積容量 １１ 明出力蓄積容量 １２ 水平転送ＭＯＳトランジスタ １３ 水平出力線リセットＭＯＳトランジスタ １４ 差動出力アンプ １５ 水平走査回路 １６ 垂直走査手段 １７ 演算処理部

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数の光電変換素子と、それぞれの光電
    変換素子に一端が接続された複数の転送スイッチと、該
    複数の転送スイッチのもう一端に共通接続された信号入
    力部と、該信号入力部に接続された増幅部とを有する画
    素ブロックを複数配置してなる固体撮像装置において、 前記画素ブロックごとに走査クロックを出力する走査手
    段を有することを特徴とする固体撮像装置。
  2. 【請求項２】 前記走査手段がシフトレジスタであるこ
    とを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
  3. 【請求項３】 前記走査手段がデコーダであることを特
    徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
  4. 【請求項４】 前記画素ブロック内の複数の転送スイッ
    チに対応する複数の転送クロックが入力され、前記走査
    手段から出力される走査クロックと前記複数の転送クロ
    ックをそれぞれ演算処理する演算処理手段を有し、演算
    処理した信号を前記複数の転送スイッチを駆動するクロ
    ックとして供給することを特徴とする請求項１記載の固
    体撮像装置。
  5. 【請求項５】 一つの転送クロック入力を前記画素ブロ
    ック内の複数の転送スイッチに対応する複数の転送クロ
    ック入力に変換して前記演算処理手段に入力するデコー
    ダを有することを特徴とする請求項４記載の固体撮像装
    置。
  6. 【請求項６】 前記演算処理手段が、前記走査クロック
    と前記転送クロックとを入力とするＡＮＤ演算処理手段
    であることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の
    固体撮像装置。
  7. 【請求項７】 前記演算処理手段が、前記走査クロック
    と前記転送クロックとを入力とするＯＲ演算処理手段で
    あることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の固
    体撮像装置。
  8. 【請求項８】 前記画素ブロックの複数の転送スイッチ
    を前記複数の第一の転送スイッチとしたとき、前記演算
    処理手段が複数の第二の転送スイッチからなり、 前記走査クロックが該複数の第二の転送スイッチのゲー
    トに入力され、前記転送クロック入力が前記第二の転送
    スイッチを介して前記第一の転送スイッチに供給される
    ことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の固体撮
    像装置。
  9. 【請求項９】 前記信号入力部をリセットするリセット
    スイッチを前記画素ブロックごとに一つ有するととも
    に、リセットクロック入力が入力され、前記走査クロッ
    クと前記リセットクロック入力を演算処理する演算処理
    手段を有し、演算処理した信号を前記リセットスイッチ
    を駆動するクロックとして供給することを特徴とする請
    求項１記載の固体撮像装置。
  10. 【請求項１０】 前記画素ブロックを選択するための選
    択スイッチを前記画素ブロックごとに一つ有するととも
    に、選択クロック入力が入力され、前記走査クロックと
    前記選択クロック入力を演算処理する演算処理手段を有
    し、演算処理した信号を前記選択スイッチを駆動するク
    ロックとして供給することを特徴とする請求項１記載の
    固体撮像装置。
  11. 【請求項１１】 請求項１〜１０のいずれかの請求項に
    記載の固体撮像装置と、前記固体撮像装置へ光を結像す
    る光学系と、前記固体撮像装置からの出力信号を処理す
    る信号処理回路とを有することを特徴とする固体撮像シ
    ステム。
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