JP2002077731A - 固体撮像装置および撮像システム - Google Patents
固体撮像装置および撮像システムInfo
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Abstract
ート電位制御線の数を減らす。 【解決手段】 光電変換部2と、光電変換部からの信号
を読み出す読み出し手段3と、読み出し手段の入力部を
リセットするために、リセット信号を入力部に供給する
ためのリセット手段5とを含む画素と、読み出し手段3
からの信号が読み出される出力線8とを有し、リセット
手段5は、出力線8の信号レベルに応じて制御される。
Description
撮像システムに係わり、特に光電変換部と、前記光電変
換部からの信号を読み出す読み出し手段と、前記読み出
し手段の入力部をリセットするために、リセット信号を
前記入力部に供給するためのリセット手段とを含む画素
を有する固体撮像装置および撮像システムに関するもの
である。
比の良さからCCDが多く使われている。しかし、一方
ではその使い方の簡便さや消費電力の小ささを長所とす
るいわゆる増幅型固体撮像装置の開発も行なわれてき
た。増幅型固体撮像装置とは、受光画素に蓄積された信
号電荷を、画素部に備わったトランジスタの制御電極に
導き、増幅された信号を主電極から出力するタイプのも
のであり、増幅用トランジスタとしてSIT(静電誘導
トランジスタ)を使ったSIT型イメージセンサ、バイ
ポーラトランジスタを使ったBASIS、制御電極が空
乏化するJFET(接合型電界効果トランジスタ)を使
ったCMD、MOSトランジスタを使ったCMOSセン
サなどがある。特にCMOSセンサは、CMOSプロセ
スとのマッチングが良く周辺CMOS回路をオンチップ
化できることから開発に力が注がれている。
表わす回路図であり、同図において1は単位画素であっ
て、簡単のため2×2画素としている。2は光を受け信
号電荷を蓄積するためのフォトダイオード、3は信号電
荷増幅用のMOSトランジスタ、4はフォトダイオード
2に蓄積された信号電荷をMOSトランジスタ3のゲー
ト電極部に転送するための転送用MOSトランジスタ、
5はMOSトランジスタ3のゲート電極電位をリセット
するためのリセット用MOSトランジスタ、6は電源電
位供給線であり、リセット用MOSトランジスタ5のド
レイン電極と増幅用MOSトランジスタ3のドレイン電
極は、共通に電源電位供給線6に接続されている。7は
出力画素を選択するための選択スイッチ用MOSトラン
ジスタ、8は画素出力線であり、選択スイッチ用MOS
トランジスタ7がオン状態になると、増幅用MOSトラ
ンジスタ3のソース電極と出力線8とが導通し、選択さ
れた画素の信号出力が出力線8に導かれる。9は画素出
力線8に定電流を供給するための定電流供給用MOSト
ランジスタであり、選択された画素の選択スイッチ用M
OSトランジスタ7を通して増幅用MOSトランジスタ
3に負荷電流を供給し、増幅用MOSトランジスタ3を
ソースフォロワとして動作させ、MOSトランジスタ3
のゲート電位とある一定の電圧差を持つ電位が出力線8
に表われるようにしている。
のゲート電位を制御するための転送制御線、11はリセ
ット用MOSトランジスタ5のゲート電位を制御するた
めのリセット制御線、12は選択用MOSトランジスタ
7のゲート電位を制御するための選択制御線、13はM
OSトランジスタ9が定電流供給源となるような飽和領
域動作をするようにMOSトランジスタ9のゲートに一
定の電位を供給するための定電位供給線である。14は
転送制御線10に転送パルスを供給するためのパルス端
子、15はリセット制御線11にリセットパルスを供給
するためのパルス端子、16は選択制御線12に選択パ
ルスを供給するためのパルス端子、17は行列配置の画
素の行を順次選択走査するための垂直走査回路、18は
垂直走査回路17の出力線であって、18−1は第1行
選択出力線、18−2は第2行選択出力線である。19
は転送制御線10にパルス端子14からのパルスを導く
ためのスイッチ用MOSトランジスタ、20はリセット
制御線11にパルス端子15からのパルスを導くための
スイッチ用MOSトランジスタ、21は選択制御線12
にパルス端子16からのパルスを導くためのスイッチ用
MOSトランジスタであって、MOSトランジスタ1
9,20,21のゲートは行選択出力線18に接続さ
れ、どの行の画素が駆動されるかは行選択出力線18の
状態によって決まる。
であり、23は画素のリセット信号出力を保持するため
の容量、24は画素の光信号出力を保持するための容
量、25は画素出力線8と容量23との導通をオンオフ
するためのスイッチ用MOSトランジスタ、26は画素
出力線8と容量24との導通をオンオフするためのスイ
ッチ用MOSトランジスタ、27は容量23に保持され
たリセット出力が導かれるノイズ出力線、28は容量2
4に保持された光出力が導かれる信号出力線、29は容
量23とノイズ出力線27との導通をオンオフするため
のスイッチ用MOSトランジスタ、30は容量24と信
号出力線28との導通をオンオフするためのスイッチ用
MOSトランジスタ、31はノイズ出力線27の電位を
リセットするためのノイズ出力線リセット用MOSトラ
ンジスタ、32は信号出力線28の電位をリセットする
ための信号出力線リセット用MOSトランジスタ、33
はリセット用MOSトランジスタ31及び32のソース
電極にリセット電位を供給するための電源端子、34は
行列配置の画素の列毎に設けられた上記容量23,24
を順次選択していくための水平走査回路であって、35
−1は第1列を選択する出力線、35−2は第2列を選
択する出力線であり、この水平走査回路34の出力線は
スイッチ用MOSトランジスタ29,30に接続されて
いる。また36はリセット用MOSトランジスタ31,
32のゲートにパルスを印加するためのパルス供給端
子、37,38は各々スイッチ用MOSトランジスタ2
5,26のゲートにパルスを印加するためのパルス供給
端子、39はノイズ出力線27の電位と信号出力線28
の電位との差電圧分を増幅して出力する差動アンプ、4
0は差動アンプ39の出力端子である。
4のセンサの動作を説明する。なお図4で示されている
MOSトランジスタはすべてN型とし、ゲート電位がH
ighのレベルでオン状態、Lowのレベルでオフ状態
になるとする。図5におけるタイミングパルスを示す番
号は図4におけるパルス入力端子の番号と一致させてい
る。
択出力線18−1がHighレベルとなると画素行列の
第1行の動作が可能となる。パルス端子16がHigh
レベルとなると画素の増幅用MOSトランジスタ3のソ
ースが出力線8を通して定電流源9と接続することで画
素のソースフォロワ出力が出力線8に出力される。そし
てパルス端子15をHighレベルとすることで増幅用
MOSトランジスタ3のゲート部がリセット用MOSト
ランジスタ5によってリセットされ、次にパルス供給端
子37にHighパルスを印加した時、画素のリセット
出力がMOSトランジスタ25を通して容量23に蓄積
される。
ことでフォトダイオード2に蓄積された信号電荷が転送
用MOSトランジスタ4を通してMOSトランジスタ3
のゲートに転送される。引き続き端子38にHighパ
ルスを印加した時、画素のリセット出力に信号が上乗せ
された出力がMOSトランジスタ26を通して容量24
に蓄積される。画素のリセット出力は各画素のMOSト
ランジスタ3のしきい電圧のばらつきがあるためばらつ
きを生じる。よって容量23と容量24に蓄積された出
力の差分がノイズのない純粋な信号となる。水平走査回
路34を動かせば出力線35−1,35−2が順次Hi
ghとなり各列の容量23,24に蓄積された出力はそ
れぞれMOSトランジスタ29,30を通して水平出力
線27,28に導かれる。出力線35−1,35−2の
Highパルスが出力される前には端子36をHigh
レベルとしMOSトランジスタ31,32を通して水平
出力線27,28をリセットしておく。水平出力線2
7,28に導かれた画素リセット出力及び画素リセット
レベルに上乗せされた信号出力は差動アンプ39に入力
され、リセットレベル分が差し引かれた、すなわちノイ
ズのない画素信号が出力端子40から出力される。
ひとつの画素を構成するMOSトランジスタおよび、制
御線の数が多く、縮小画素を実現するのが困難であると
いう課題があった。すなわち、図4に示した従来例にお
いては、1画素はフォトダイオード、電源線、画素出力
線のほか4つのMOSトランジスタおよび3本の制御線
を有しており、単純な構成であるCCDの画素と比べる
と縮小画素の実現は不利であった。
のXYアドレス型のセンサの画素を構成するトランジスタ
および制御線の数を減らし、画素の縮小化を容易にする
ことにある。
撮像装置は、光電変換部と、前記光電変換部からの信号
を読み出す読み出し手段と、前記読み出し手段の入力部
をリセットするために、リセット信号を前記入力部に供
給するためのリセット手段とを含む画素と、前記読み出
し手段からの信号が読み出される出力線とを有し、前記
リセット手段は、前記出力線の信号レベルに応じて制御
されることを特徴とする。
光電変換部と、前記光電変換部からの信号を読み出す読
み出し手段と、前記読み出し手段の入力部をリセットす
るためのリセット手段とを含む、水平方向と垂直方向に
配列された複数の画素を有し、前記読み出し手段を駆動
させるための信号配線と、前記リセット手段を介して前
記読み出し手段の入力部にリセット信号を供給するため
の信号配線とを共通にし、共通の前記信号配線は、水平
方向の複数の画素毎に信号を独立に供給することを特徴
とする。
説明する。
段となるリセット用MOSトランジスタ5のドレイン部
に接続するリセット電位供給線を、読み出し手段となる
増幅用MOSトランジスタ3のドレイン部に接続する電
源供給線と共通化し、また画素出力線8をリセット用M
OSトランジスタ5のゲートに接続し、行選択用のMO
Sトランジスタとそのゲート電位制御線およびリセット
用MOSトランジスタのゲート電位制御線をなくすこと
を可能とするものである。
制御線の役目を兼ねさせ、増幅用トランジスタのゲート
を電源線電位にリセットする動作時、画素出力線の電位
を制御し、リセット用MOSトランジスタをON、OF
Fする。また電源供給線は行毎独立に電位が変えられる
ようにし、上記リセット動作時に、非選択行のリセット
電位供給線は増幅用トランジスタが非動作となるような
電位、選択行の電源供給線は増幅用トランジスタが動作
するような電位に設定する。このような画素出力線およ
び電源供給線の設定、制御により、従来のリセット用M
OSトランジスタのゲート電位制御線、行選択用のMO
Sトランジスタおよびそのゲート電位制御線は不要とな
り、画素の縮小化が容易となる。
詳細に説明する。 [第1の実施例]図1は本発明の第1の実施例を示す回
路図である。本発明は画素構成および画素動作にかかわ
り、読み出し回路、水平走査系は図4に示した従来例と
同じであるのでこの部分を省略し、ここでは、2×2画
素固体撮像装置の画素配置部と垂直走査系、および画素
出力線電位制御回路のみを示している。図1において、
図4と同じ部分については同じ番号を付し、説明を省略
する。
の定電流供給用MOSトランジスタ9のゲートに電位を
供給し、定電流のON、OFF制御をおこなうための制
御端子、42は画素出力線8の電位を制御するためのM
OSトランジスタ、43はMOSトランジスタ42のゲ
ート電位を制御するためのパルス入力端子である。また
各列の画素出力線8はその列の画素のリセット用MOS
トランジスタ5のゲートに接続されている。またリセッ
ト用MOSトランジスタ5のドレインと増幅用MOSト
ランジスタ3のドレインは共通に垂直シフトレジスタ
(垂直走査回路)17の出力線と接続している。この垂
直シフトレジスタの出力線18−1,18−2は各行の
画素ソースフォロワの電源としての役割を担うため、大
きな電流供給能力があるとする。
は、MOSトランジスタ42以外はN型とし、ゲート電
位がHighレベルの時にON、Lowレベルの時にO
FFになるとする。MOSトランジスタ42はP型と
し、ゲート電位がHighレベルの時にOFF、Low
レベルの時にONになるとする。
本実施例の動作は、図4、図5で説明した従来例と比べ
て、1行の画素信号の読み出しを行う前のリセット動作
に違いがあるだけである。このリセット動作は端子41
および端子43をLowレベルとして、MOSトランジ
スタ9をOFF、P型MOSトランジスタ42をONと
して、画素出力線8の電位をHighレベルとする。こ
の時リセット用MOSトランジスタ5はON状態となる
が、垂直シフトレジスタの出力に従い、選択された行の
画素の増幅用MOSトランジスタ3のゲート電位はHi
ghに、非選択行の画素の増幅用MOSトランジスタ3
のゲート電位はLowにリセットされる。次にMOSト
ランジスタ9が定電流を流すように端子41の電位を設
定、端子43電位をHighとしてMOSトランジスタ
42をOFFにする。この状態においては選択行の画素
ソースフォロワのみが動作し、画素のリセット出力が出
力線8に読み出される。以下、読み出し回路においてリ
セット出力を蓄積、フォトダイオード2の信号電荷をM
OSトランジスタ3のゲートへ転送、読み出し回路にお
いてリセット+信号出力を蓄積、という一連の動作、駆
動は図4、図5で説明した動作、駆動と同じである。
には垂直シフトレジスタの出力を用いているが、電流供
給能力の高いバッファ回路を通した出力を用いてもよ
い。また上記動作において、画素のリセットが終了し、
選択された画素の信号が画素出力線に出力された時点で
リセット電位供給線がHighレベルとなるように駆動
回路を設定してもよい。この時、画素出力線の電位は低
く、非選択行の画素のMOSトランジスタ3が導通する
ほどMOSトランジスタ3のゲート電位が上がることは
ない。
を構成するMOSトランジスタ、制御線の数が従来に比
べて減るため、縮小画素の実現が容易となる。 [第2の実施例]図2は本発明の第2の実施例を示す回
路図である。本発明は画素構成および画素動作にかかわ
り、読み出し回路、水平走査系は図4に示した従来例と
同じであるのでこの部分を省略し、4行×2列の2次元
固体撮像装置の画素配置部と垂直走査系、および画素出
力線電位制御回路のみを示している。図2において、図
1、図4と同じ部品については同じ番号を付し、説明を
省略する。
つのフォトダイオードを含む単位画素を示している。フ
ォトダイオードは各々独立であるので、単位画素44は
撮像装置としての画素2つ分に相当するが、上記2つの
フォトダイオードに蓄積した信号電荷は共通のアンプ用
MOSトランジスタ3のゲート部に転送される。各列の
画素出力線8はその列の画素のリセット用MOSトラン
ジスタ5のゲートに接続されているのは図1と同じであ
る。リセット用MOSトランジスタ5のドレインと増幅
用MOSトランジスタ3のドレインが共通に接続するの
も図1と同じであるが、フォトダイオードの行列配置に
おいて2行につき1本のリセット兼電源供給線がある。
18−1,18−2,18−3,18−4は垂直シフト
レジスタ17の出力であり、それぞれ第1行目、第2行
目、第3行目、第4行目のフォトダイオードを読み出す
ために選択する。45は論理和ゲートであって、垂直シ
フトレジスタの出力線2本が入力され、その出力線46
は単位画素44のリセット兼電源供給線となり、選択さ
れたフォトダイオードが属する単位画素の供給線46は
Highレベルとなるが、電源供給用として十分な電流
供給能力があるとする。
Sトランジスタ9以外はN型とし、ゲート電位がHig
hレベルの時にON、Lowレベルの時にOFFになる
とする。MOSトランジスタ9のみはP型とし、ゲート
電位がHighレベルの時にOFF、Lowレベルの時
にONになるとする。
たMOSトランジスタ3のゲートをHigh電位でリセ
ット、同時に選択されていないMOSトランジスタ3の
ゲートをLow電位でリセット、リセット出力読み出
し、選択されたフォトダイオードの信号電荷転送、(リ
セット+信号)出力読み出しという一連の動作は実施例
1と同じであり、実施例1と違うのは、ひとつの単位画
素に2つのフォトダイオードの出力を割り当てられてい
るため、ひとつの単位画素が2行連続して選択されると
いうことだけである。よって詳しい説明は省略する。
素を構成するMOSトランジスタ、制御線の数がフォト
ダイオード数に比べて、第1の実施例と比べてもさらに
減るため、縮小画素の実現が容易となる。なお第2の実
施例においては単位画素は2つのフォトダイオードを含
むとしているが、2つ以上のフォトダイオードを含む構
成にしても成り立つ。
例におけるMOSトランジスタのN型、P型、および駆
動パルスの極性をそれぞれ逆にしてもよい。
装置を用いた撮像システムについて説明する。図3に基
づいて、本発明の固体撮像素子をスチルカメラに適用し
た場合の一実施例について詳述する。
デオカメラ”に適用した場合を示すブロック図である。
トとメインスイッチを兼ねるバリア、102は被写体の
光学像を固体撮像素子104に結像させるレンズ、10
3はレンズ102を通った光量を可変するための絞り、
104はレンズ102で結像された被写体を画像信号と
して取り込むための固体撮像素子、106は固体撮像素
子104より出力される画像信号のアナログ−ディジタ
ル変換を行うA/D変換器、107はA/D変換器10
6より出力された画像データに各種の補正を行ったりデ
ータを圧縮する信号処理部、108は固体撮像素子10
4、撮像信号処理回路105、A/D変換器106、信
号処理部107に、各種タイミング信号を出力するタイ
ミング発生部、109は各種演算とスチルビデオカメラ
全体を制御する全体制御・演算部、110は画像データ
を一時的に記憶するためのメモリ部、111は記録媒体
に記録または読み出しを行うためのインターフェース
部、112は画像データの記録または読み出しを行うた
めの半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、113は外
部コンピュータ等と通信するためのインターフェース部
である。
ビデオカメラの動作について、説明する。
源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、さ
らに、A/D変換器106などの撮像系回路の電源がオ
ンされる。
制御・演算部109は絞り103を開放にし、固体撮像
素子4から出力された信号はA/D変換器106で変換
された後、信号処理部107に入力される。そのデータ
を基に露出の演算を全体制御・演算部109で行う。
し、その結果に応じて全体制御・演算部109は絞りを
制御する。
信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離
の演算を全体制御・演算部109で行う。その後、レン
ズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判
断したときは、再びレンズを駆動し測距を行う。
まる。露光が終了すると、固体撮像素子104から出力
された画像信号はA/D変換器106でA−D変換さ
れ、信号処理部107を通り全体制御・演算109によ
りメモリ部に書き込まれる。その後、メモリ部110に
蓄積されたデータは、全体制御・演算部109の制御に
より記録媒体制御I/F部を通り半導体メモリ等の着脱
可能な記録媒体112に記録される。又外部I/F部1
13を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を
行ってもよい。
素を構成する構成部材、例えばCMOSセンサではMO
Sトランジスタ、ゲート電位制御線の数を従来に比べて
減らすことができ、画素の縮小化が容易となる。
適用した場合を示すブロック図である。
ある。
レジスタ出力線 19 MOSトランジスタ 20 MOSトランジスタ 21 MOSトランジスタ 22 読み出し回路 23 蓄積容量 24 蓄積容量 25 MOSトランジスタ 26 MOSトランジスタ 27 水平出力線 28 水平出力線 29 MOSトランジスタ 30 MOSトランジスタ 31 MOSトランジスタ 32 MOSトランジスタ 33 電位供給端子 34 水平シフトレジスタ 35−1,35−2 水平シフトレジスタの出力線 36 パルス入力端子 37 パルス入力端子 38 パルス入力端子 39 差動アンプ 40 出力端子 41 ゲート電位入力端子 42 MOSトランジスタ 43 パルス入力端子 44 フォトダイオード共通単位画素 45 論理和ゲート 46 論理和ゲート45の出力(画素のリセット兼電源
供給線)
Claims (7)
- 【請求項1】 光電変換部と、前記光電変換部からの信
号を読み出す読み出し手段と、前記読み出し手段の入力
部をリセットするために、リセット信号を前記入力部に
供給するためのリセット手段とを含む画素と、 前記読み出し手段からの信号が読み出される出力線とを
有し、 前記リセット手段は、前記出力線の信号レベルに応じて
制御されることを特徴とする固体撮像装置。 - 【請求項2】 それぞれ、光電変換部と、前記光電変換
部からの信号を読み出す読み出し手段と、前記読み出し
手段の入力部をリセットするためのリセット手段とを含
む、水平方向と垂直方向に配列された複数の画素を有
し、 前記読み出し手段を駆動させるための信号配線と、前記
リセット手段を介して前記読み出し手段の入力部にリセ
ット信号を供給するための信号配線とを共通にし、 共通の前記信号配線は、水平方向の複数の画素毎に信号
を独立に供給することを特徴とする固体撮像装置。 - 【請求項3】 請求項1又は請求項2に記載の固体撮像
装置において、前記読み出し手段の入力部をリセットす
るためのリセット電位は該読み出し手段に接続される電
源配線から供給されることを特徴とする固体撮像装置。 - 【請求項4】 請求項1又は請求項2に記載の固体撮像
装置において、前記読み出し手段及び前記リセット手段
はそれぞれMOS型トランジスタであることを特徴とす
る固体撮像装置。 - 【請求項5】 請求項1〜4のいずれかの請求項に記載
の固体撮像装置において、前記光電変換部と前記読み出
し手段の入力部との間に転送スイッチを備え、該光電変
換部に蓄積された信号電荷は該転送スイッチを通して前
記読み出し手段の入力部に転送されることを特徴とする
固体撮像装置。 - 【請求項6】 請求項1〜4のいずれかの請求項に記載
の固体撮像装置において、前記読み出し手段の入力部に
は複数の転送スイッチが接続され、各転送スイッチによ
り複数の光電変換部から独立に信号電荷が転送されるこ
とを特徴とする固体撮像装置。 - 【請求項7】 請求項1〜6のいずれかの請求項に記載
の固体撮像装置と、該固体撮像装置へ光を結像する光学
系と、該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撮像システム。
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