JP2004104676A

JP2004104676A - 固体撮像装置及び距離情報入力装置

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Publication number: JP2004104676A
Application number: JP2002266862A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Fukunaga; 福永　康弘
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2002-09-12
Filing date: 2002-09-12
Publication date: 2004-04-02

Abstract

【課題】高感度・低ノイズで、高線形性・高精細を可能とする固体撮像装置（及び距離情報入力装置）を提供すること。
【解決手段】光電変換部１０１と、該光電変換部１０１から電荷検出部１０３へ光電荷を完全転送する転送ゲートと、上記電荷検出部１０３へ送られた電荷を増幅して読み出す読み出しトランジスタ１１０と、上記電荷検出部１０３に送られた電荷を積分蓄積する帰還容量１０６と、上記電荷検出部１０３をリセットするリセットトランジスタ１０４と、選択された画素の光電変換信号を出力する選択トランジスタ１１２と、から単位画素１００を構成し、該単位画素１００外に、上記読み出しトランジスタ１１０に電流を供給する電流源トランジスタ１０９と、画素信号に混入した固定パターンノイズを除去するＣＤＳ回路１１４とを、画素の列（行）毎に共有して形成する。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の単位画素と電流源用の電界効果トランジスタ及びＣＤＳ（相関二重サンプリング）回路を有する固体撮像装置に関する。
【０００２】
また、本発明は、対象物に向けて光を照射し、その反射光を受光することにより、対象物までの距離を検出する測距装置に関わり、対象物の距離情報を画像としてリアルタイム・高精度に取り込む距離情報入力装置に関する。
【０００３】
【従来の技術】
画素内に増幅素子を有する増幅型固体撮像素子が各種知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
図４の（Ａ）は、従来の増幅型固体撮像素子の単位画素構造を示す回路図である。
【０００５】
即ち、単位画素４００は、光電変換部に等価的に蓄積容量４０１が接続されたＰＮ接合フォトダイオード４０４と、このフォトダイオード４０４にそのソースを接続し、そのゲートに接続したリセットパルス入力端子４０２に印加されるリセットパルスにより上記フォトダイオード４０４の電位をそのドレインに接続したリセット電位供給端子４０５に印加されているリセット電位にリセットするリセットトランジスタ４０３と、上記フォトダイオード４０４に蓄積された電荷を読み出すために、上記フォトダイオード４０４にそのゲートが接続され、そのドレインが上記リセット電位供給端子４０５に接続され、ソースフォロワ回路を形成する読み出しトランジスタ４０６と、この読み出しトランジスタ４０６で読み出された信号を信号出力線４１１に伝えるために、そのドレインが上記読み出しトランジスタ４０６のソースに接続され、そのゲートに選択パルスが印加される画素選択パルス入力端子４０８を備え、そのソースが上記信号出力線４１１と接続された選択トランジスタ４０７と、から構成される。
【０００６】
そして、以上説明した単位画素４００を二次元に配置して（図示せず）、垂直・水平の走査を行うことにより二次元の画像情報を得ることができる。
【０００７】
上記単位画素４００の外には、上記読み出しトランジスタ４０６に定電流を供給するために、そのゲートがバイアス供給端子４０９に接続され、そのソースが接地されてカレントソース回路を形成する電流源トランジスタ４１０と、画素信号に混入した固定パターンノイズを除去するＣＤＳ（相関二重サンプリング）回路４１２とが接続される。ここで、上記電流源トランジスタ４１０と上記ＣＤＳ回路４１２とは通常、二次元に配置された単位画素４００に列（行）毎に共有して配置される。
【０００８】
図４の（Ｂ）の駆動タイミングチャートを参照して、単位画素４００の動作に関して説明する。
【０００９】
まず、蓄積期間▲４▼において、上記リセットパルス入力端子４０２に印加するリセットパルスと上記画素選択パルス入力端子４０８に印加する選択パルスとをオフして、蓄積状態にする。
【００１０】
そして、ある一定の蓄積期間▲４▼を経た後に、蓄積レベル読み出し期間▲１▼とするために、上記画素選択パルス入力端子４０８に印加する選択パルスをオンして、該蓄積レベル読み出し期間▲１▼にて蓄積レベルを読み出す。
【００１１】
その後、リセット期間▲２▼にて、上記リセットパルス入力端子４０２に印加する上記リセットパルスをオンし、上記読み出しトランジスタ４０６のゲートと上記フォトダイオード４０４の電位を、上記リセット電位供給端子４０５に印加されているリセット電位へとリセットする。
【００１２】
上記リセット期間▲２▼の直後、オフセット読み出し期間▲３▼にて、上記リセットパルス入力端子４０２に印加する上記リセットパルスをオフし、オフセットレベルを読み出す。
【００１３】
この駆動方法により、画素外に設けた上記ＣＤＳ回路４１２にて、画素のＦＰＮ（固定パターン雑音）成分を除去して、より良い画像信号を取り出すことができる。
【００１４】
また、図５の（Ａ）は、ソース接地型アンプと帰還容量を用いた従来の増幅型固体撮像素子の単位画素構造を示す回路図である。
【００１５】
即ち、単位画素５００は、等価的に蓄積容量５０１が接続されたＰＮ接合フォトダイオード５０６と、このフォトダイオード５０６の電位をリセットレベルへリセットするために、そのゲートがリセットパルス入力端子５０４に、そのソースが上記フォトダイオード５０６に接続されたリセットトランジスタ５０２と、上記フォトダイオード５０６で蓄積された光電荷を積分蓄積するために、その一端子を上記フォトダイオード５０６に、その他端子を上記リセットトランジスタ５０２のドレインに接続した帰還容量５０５と、上記フォトダイオード５０６で蓄積された光電荷を増幅して読み出すために、そのゲートを上記フォトダイオード５０６に、そのドレインを上記帰還容量５０５の上記他端子に接続し、そのソースが接地されるように配置された読み出しトランジスタ５１０と、この読み出しトランジスタ５１０で増幅された光電変換信号を信号出力線５１３へと伝えるために、そのソースを上記読み出しトランジスタ５１０のドレインに、そのゲートを画素選択パルス入力端子５１１に、そのドレインを上記信号出力線５１３へと接続した選択トランジスタ５１２と、から構成される。
【００１６】
そして、以上説明した単位画素５００を二次元に配置して（図示せず）、垂直・水平の走査を行うことにより、二次元の画像情報を得ることができる。
【００１７】
上記単位画素５００の外には、上記読み出しトランジスタ５１０に定電流を供給するために、そのゲートがバイアス供給端子５０７に接続され、そのソースが電源端子５０８に接続された電流源トランジスタ５０９と、画素信号に混入した固定パターンノイズを除去するＣＤＳ回路５１４とが接続される。ここで、上記電流源トランジスタ５０９と上記ＣＤＳ回路５１４とは通常、二次元に配置された画素に列（行）毎に共有して配置される。
【００１８】
図５の（Ｂ）の駆動タイミングチャートを参照して、上記ソース接地型アンプと帰還容量を用いた増幅型固体撮像素子の駆動方法を説明する。
【００１９】
まず、リセット期間▲１▼にて、上記リセットパルス入力端子５０４に印加するリセットパルスと上記画素選択パルス入力端子５１１に印加する選択パルスとをオンし、上記帰還容量５０５の両端と上記読み出しトランジスタ５１０のドレイン・ゲートとを短絡して、上記選択トランジスタ５１２のソース電位を、上記読み出しトランジスタ５１０のゲート・ソース間電圧で決まる電位へとリセットする。
【００２０】
その後、上記画素選択パルス入力端子５１１に印加する上記選択パルスをオンしたまま上記リセットパルス入力端子５０４に印加する上記リセットパルスをオフしたオフセット読み出し期間▲２▼で、オフセットレベルを上記信号出力線５１３より読み出す。
【００２１】
そして、上記リセットパルス入力端子５０４に印加する上記リセットパルスと上記画素選択パルス入力端子５１１に印加する上記選択パルスとをオフした蓄積期間▲３▼で、上記フォトダイオード５０６に入射した光に応じた信号変化を上記帰還容量５０５に蓄積する。
【００２２】
そして、ある一定の蓄積期間▲３▼を経た後に、上記画素選択パルス入力端子５１１に印加する上記選択パルスをオンして、信号読み出し期間▲４▼とし、信号レベルを上記信号出力線５１３より読み出す。
【００２３】
そして、上記ＣＤＳ回路５１４にて、上記オフセット読出し期間▲２▼と上記信号読み出し期間▲４▼とで読み出した出力レベルの差をとる操作を行うことにより、画素信号に混入したＦＰＮ成分を除去することができ、オフセットの影響の少ない、より良い画像信号を得ることができる。
【００２４】
ところで、図４の（Ａ）や図５の（Ａ）に示したような増幅型固体撮像素子は各種の用途に使用されているのは良く知られていることである。
【００２５】
その用途の一つとして、対象物に向けて光を照射し、その反射光を受光することにより、対象物までの距離を検出する測距装置において、対象物の距離情報を画像としてリアルタイム・高精度に取り込む距離情報入力装置がある。即ち、この距離情報入力装置は、固体撮像素子ベースの感度変調素子を使用するものである。
【００２６】
測距方法の一つとして、光の空間伝搬時間計測（Ｔｉｍｅ　ｏｆ　Ｆｌｉｇｈｔ法；ＴＯＦ法）において対象物の距離情報を二次元的に表現するのに、輝度変調したスポット光を二次元的に走査して一つの感度変調素子で受光する、あるいは輝度変調光をエリア照明して一括して感度変調素子アレイで受光する、といった方法がとられる。
【００２７】
まず、距離画像取得原理について最初に述べた後に、画素リセット・感度変調・読み出しといった具体的な駆動方法を説明する。
【００２８】
輝度変調光源と感度変調素子を用いてリアルタイムに距離画像（対象物の奥行きに関する情報を二次元的に並べたもの）を取得する原理については、各種の文献に説明されている（例えば、非特許文献１参照。）
図６の（Ａ）は、非特許文献１に開示されている感度変調素子の受光部における一画素分の断面構造を示す図であり、（Ｂ）はそのポテンシャルダイアグラムを示す図である。
【００２９】
入射光が遮光層６００の開口部から素子の光電変換部６１８に入射すると、光量に応じた光生成電子が発生する。この光電変換部６１８は、ＭＯＳフォトゲート６０１下に形成されるとともに、該光電変換部６１８で生成された電子が、電荷振り分けパルス入力端子６０２及び６０３に接続れさた電荷振り分けゲートを介して、それぞれ電荷蓄積ゲート制御パルス入力端子６０４に接続された電荷蓄積ゲート下の電荷蓄積部６１９及び電荷蓄積部６２０に転送されるように構成されている。このとき、上記電荷蓄積部６１９及び６２０には、上記フォトゲート６０１よりも高い電圧が印加され、且つ、上記電荷振り分けパルス入力端子６０２及び６０３には相補的な電荷振り分けパルス、即ち上記電荷振り分けパルス入力端子６０２に電荷振り分けパルスを印加するときには上記電荷振り分けパルス入力端子６０３の電荷振り分けパルスがオフし、逆に、上記電荷振り分けパルス入力端子６０３に電荷振り分けパルスを印加するときには上記電荷振り分けパルス入力端子６０２の電荷振り分けパルスがオフするような電圧を入力する。このように駆動することによって、上記光電変換部６１８で発生した電子を時間的に選択し、振り分けながら上記電荷蓄積部６１９及び６２０に蓄積することができる。
【００３０】
次に図７を用い、上記感度変調素子を用いた測距原理について説明する。
図７は、送光時の輝度変調光と受光時の対象物からの反射光の光強度、上記電荷振り分けパルス入力端子６０２と６０３に印加される電荷振り分けパルス、上記光電変換部６１８で生成される信号電荷量及び上記電荷蓄積部６１９、６２０の電荷蓄積量の時間変化を表す図である。
【００３１】
ここで、パルス変調された輝度変調光は、上記電荷振り分けパルス入力端子６０２に印加される電荷振り分けパルスとは同位相であり、上記電荷振り分けパルス入力端子６０３に印加される電荷振り分けパルスとは１８０°位相がずれている。反射光は、送光時の輝度変調光に対して、対象物までの距離Ｒを往復するのにかかる時間△ｔだけ位相が遅れている。その反射光が上記光電変換部６１８に達すると、その光強度に比例した量の電荷Ｑが生成される。この電荷Ｑは、上記電荷振り分けパルス入力端子６０２の電荷振り分けパルスと上記電荷振り分けパルス入力端子６０３の電荷振り分けパルスのオン／オフに対応して、それぞれの位相と揃った成分ごとに、これら電荷振り分けパルス入力端子６０２、６０３に接続された電荷振り分けゲートを介し、上記電荷蓄積部６１９、６２０にそれぞれ振り分けられ、電荷Ｑ１、電荷Ｑ２が蓄積される。
【００３２】
このとき、対象物までの距離Ｒは、光速ｃ、変調パルス幅Ｔとすると、
【数１】

と表される。
【００３３】
従って、上記電荷蓄積部６１９、６２０の電荷を各々検出し、式（１）に基づいて処理することで対象物までの距離を検出することが可能となる。
【００３４】
このように、ＴＯＦ法に基づく測距において、電荷振り分けパルス入力端子のオン／オフにより電荷を振り分けるタイプの感度変調画素（以下、電荷振り分け画素）を用いると、対象物までの距離は、振り分けられた電荷Ｑ１とＱ２の比から求められるので、一度の検出で距離情報を得ることができる。また、電荷振り分け方式は、対象物までの距離Ｒが上記電荷蓄積部６１９と６２０に蓄えられた電荷量の比Ｑ１とＱ２により定められるから、入射光の強度に影響されにくいという利点がある。
【００３５】
次に、以上説明した電荷振り分け画素の具体的な駆動方法の例を、図８乃至図１０を参照して説明する。
【００３６】
まず、図８を用いて画素のリセット動作を説明する。
【００３７】
▲１▼の期間において、画素ドレイン電圧入力端子６０８を画素電極リセットパルス入力端子６０６より印加されたリセット電圧に固定したまま画素選択パルス入力端子６０９を除く全ての端子への入力パルスをオンし、上記フォトゲート６０１下の電荷と上記電荷振り分けパルス入力端子６０２、６０３に接続された上記電荷振り分けゲート下の電荷とをドレインへと排出する。
【００３８】
▲２▼の期間において、上記電荷振り分けパルス入力端子６０２と６０３の電荷振り分けパルスをオフし、上記電荷蓄積ゲート制御パルス入力端子６０４に接続された上記電荷蓄積ゲートから上記フォトゲート６０１への電荷逆流を防止する。
【００３９】
▲３▼の期間において、上記電荷蓄積ゲート制御パルス入力端子６０４の制御パルスをオフして、電荷を信号電荷転送ゲート制御パルス入力端子６０５に接続された信号電荷転送ゲートの下とドレインへ排出する。
【００４０】
▲４▼の期間において、上記信号電荷転送ゲート制御パルス入力端子６０５の制御パルスをオフして、該信号電荷転送ゲート制御パルス入力端子６０５に接続された上記信号電荷転送ゲート下の電荷をドレインへと排出する。
【００４１】
次に、図９を用いて、感度変調動作（電荷振り分けとオーバーフロー）を説明する。
【００４２】
▲５▼の期間において、上記電荷振り分けパルス入力端子６０２と６０３に相補的にオン／オフするようなパルスを入力することにより、フォトゲート６０１下で生成された光電荷を上記電荷蓄積ゲート制御パルス入力端子６０４に接続されたそれぞれの電荷蓄積ゲート下に振り分ける。
【００４３】
▲６▼の期間において、上記電荷蓄積ゲート制御パルス入力端子６０４の制御パルスの印加電圧を下げることにより、上記電荷蓄積ゲート制御パルス入力端子６０４に接続された上記電荷蓄積ゲート下に溜まった余剰電子を、上記信号電荷転送ゲート制御パルス入力端子６０５に接続された上記信号電荷転送ゲート下を介してドレインへとオーバーフローさせる。
【００４４】
この▲５▼の期間と▲６▼の期間とを交互に繰り返すことにより、クロストークを防止しながら感度変調された信号電荷を蓄積することができる。
【００４５】
次に、図１０を用いて、読み出し動作を説明する。
▲７▼の期間において、上記画素選択パルス入力端子６０９に印加される選択パルスをオンして、信号電荷転送前のオフセット信号を画素信号出力線６１６と６１７から読み出す。
【００４６】
▲８▼の期間において、上記信号電荷転送ゲート制御パルス入力端子６０５の制御パルスをオンして、蓄積した電荷をフローティング状態にされたドレインへ転送する。
【００４７】
▲９▼の期間において、信号電荷転送後の信号レベルを上記画素信号出力線６１６と６１７からそれぞれ読み出し、上記▲７▼の期間において読み出したオフセットレベルとの差をとることによりオフセット成分を除去する。
【００４８】
以上の動作をすることにより、感度変調信号を読み出すことができる。この感度変調信号から式（１）における電荷Ｑ１とＱ２を算出し、式（１）に代入することによって距離情報が抽出される。
【００４９】
以上の方法により、余剰電子が引き起こすクロストークの問題を防止しながら高精度な距離情報を取得することが可能になる。
【００５０】
【特許文献１】
特許第２９６５７７７号公報
【００５１】
【非特許文献１】
１９９５　ＩＥＥＥ　Ｗｏｒｋｓｈｏｐ　ｏｎ　Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　ａｎｄ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｉｍａｇｅ　Ｓｅｎｓｏｒｓ，　Ａｐｒｉ１　２０−２２；　”Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ−Ｔｉｍｅ　Ｂａｓｅｄ　Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　Ｉｍａｇｅ　Ｓｅｎｓｏｒｓ”
【００５２】
【発明が解決しようとする課題】
図４の（Ａ）及び（Ｂ）を用いて説明した従来の増幅型固体撮像素子では、画素４００内に、光電変換用のフォトダイオード４０４以外に、読み出しトランジスタ４０６、リセットトランジスタ４０３、選択トランジスタ４０７の３つのトランジスタという必要最小限の構成になっており、十分な開口率を保ったまま高精細化が可能な画素構造となっている。
【００５３】
しかしながら、リセット動作時に上記リセットトランジスタ４０３のチャネル抵抗が持つ熱雑音が原因で発生する、図４の（Ｂ）に点線で示すような、リセットノイズが大きく、Ｓ／Ｎを劣化する要因となる。このリセットノイズは、画素外に設けられた上記ＣＤＳ回路４１２により、相関のないオフセットレベルと信号レベルとの差分をとるために相乗平均され、
【数２】

倍になってしまう。
【００５４】
これは、ある一定の時間間隔（フレームレート）で動作している撮像素子において、ブランキング期間（図４の（Ｂ）における▲１▼＋▲２▼＋▲３▼にかかる期間（：蓄積期間外の期間））に上記ＣＤＳ回路４１２でＦＰＮ成分を除去する際に、１フレーム前の蓄積による信号レベルを蓄積レベル読み出し期間▲１▼で読み、リセット期間▲２▼でリセット動作を行い、オフセット読み出し期間▲３▼で現在のフレームのリセットレベル（リセットノイズによる変動成分を含んだオフセットレベル）を読み出し、ＣＤＳ動作を行うために、リセットノイズ成分はＣＤＳ動作により除去されずに相関がない変動成分の演算により元のリセットノイズレベルの相乗平均、つまりルート２倍されてしまうといものである。数式を用いると、以下のようになる。
【００５５】
【数３】

【００５６】
（ここで、Ｎ_ｒｓはＣＤＳ後のリセットノイズ成分、ｎ_ｒｓはリセット動作により、信号成分とオフセット成分それぞれに混入しているリセットノイズ成分である。）
また、フォトダイオード４０４の蓄積容量の電圧依存性があるため、出力信号の線形性が劣化する。
【００５７】
さらに、フォトダイオード４０４の寄生容量のために、光生成電子の蓄積に関わる蓄積容量４０１を小さくすることに限界があり、高感度化が困難である。この高感度化のために蓄積容量４０１を縮小する問題は、開口率向上のためにフォトダイオード４０４の開口面積を大きくする必要があることとトレードオフの関係にあり、高感度化を困難とする課題がある。
【００５８】
また、読み出しトランジスタ４０６が形成するソースフォロワ回路の電圧利得が＜１であり、電圧振幅が小さくなってしまい、光電変換部での入射した光に対する電圧変化の振幅を小さくしてしまい、ノイズ混入への耐性を落としてしまうという課題がある。
【００５９】
一方、図５の（Ａ）及び（Ｂ）を用いて説明したソース接地型アンプと帰還容量を用いた従来の増幅型固体撮像素子では、フォトダイオード５０６で光電変換された電荷を帰還容量５０５で積分蓄積して信号を読み出すことにより、フォトダイオード５０６の蓄積容量５０１の電圧依存性による画素出力信号の線形性の劣化を軽減している。画素５００内のトランジスタ数は、図４の（Ａ）及び（Ｂ）を用いて説明した増幅型固体撮像素子と同数の３つで、その他に帰還容量５０５を付加するのみの必要最小限の構成になっている。読み出しトランジスタ５１０をソース接地にすることにより、画素５００内で電圧増幅して出力することが可能になる。さらに、帰還容量５０５を小さくすることにより、容易に高感度を得ることが可能である。
【００６０】
しかしながら、このソース接地型アンプと帰還容量を用いた増幅型固体撮像素子も、図４の（Ａ）及び（Ｂ）を用いて説明した増幅型固体撮像素子と同様に、リセットノイズの除去が困難な構成になっている。従って、結果として、Ｓ／Ｎの劣化を招く課題がある。
【００６１】
また、上記の非特許文献１に開示の技術では、フローティングディフュージョンの蓄積容量電圧依存性のために電荷検出時に出力信号の非線形性が生じ、結果として、得られる測距データの非線形性として現れ、測距精度を著しく低下させるという課題がある。これに関しては、上記非特許文献１献に、信号検出部のフローティングディフュージョンの非線形性が測距データのインフェーズとアウトフェーズが切り替わる領域でギャップ（実距離対測定距離のプロットに段差が出来る現象）として現れる問題が報告されている。
【００６２】
また、フローティングディフュージョンの寄生容量により蓄積容量縮小に限界があり、高感度化を困難にしている課題がある。
【００６３】
さらに、蓄積電荷をソースフォロワで読み出すために、出力の電圧振幅が小さくなり、画素から読み出された信号に対し処理回路から混入するノイズによる影響が大きくなるという課題がある。
【００６４】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、高感度・低ノイズで高線形性・高精細を可能とする固体撮像装置及び距離情報入力装置を提供することを目的とする。
【００６５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明による固体撮像装置は、複数の単位画素と電流源用の電界効果トランジスタ及び相関二重サンプリング回路を有する固体撮像装置において、
上記単位画素が、
入射光を感知して光電荷を生成するためのＭＯＳダイオードよりなる光電変換部と、
上記光電変換部に隣接し、上記光電変換部下の蓄積電荷を完全転送するための転送ゲート部と、
上記転送ゲート部より完全転送された蓄積電荷を検出するための電荷検出部と、
上記電荷検出部へ転送された蓄積電荷を増幅・読み出すために、上記電荷検出部とそのゲートを接続し、そのソースが接地された増幅・読み出し用の電界効果トランジスタと、
上記電荷検出部で検出された蓄積電荷を積分蓄積するために、上記増幅・読み出し用の電界効果トランジスタのゲートにその一端子を接続し、その他端子を上記増幅・読み出し用の電界効果トランジスタのドレインと接続するように配置した帰還容量と、
上記電荷検出部の電位をリセット電位へとリセットするために、そのソースが上記帰還容量の一端と接続され、そのドレインが上記帰還容量の他端にそれぞれ接続されたリセット動作用の電界効果トランジスタと、
検出、読み出された蓄積電荷を出力すべき単位画素として当該単位画素を選択するために、上記増幅・読み出し用の電界効果トランジスタのドレインと当該単位画素外の回路との接続をオン／オフする単位画素選択用の電界効果トランジスタと、
から構成され、
上記電流源用の電界効果トランジスタが、上記複数の単位画素外に配置されるとともに、上記単位画素選択用の電界効果トランジスタによって選択された上記単位画素の増幅・読み出し用の電界効果トランジスタに電流を供給するためにカレントソース回路を形成すべく、そのゲートにはバイアス供給電圧が、また、そのソースには電源電圧が印加され、そのドレインには上記各単位画素の上記単位画素選択用の電界効果トランジスタのドレインが接続されるように構成され、
上記相関二重サンプリング回路が、上記複数の単位画素外に配置されるとともに、上記単位画素選択用の電界効果トランジスタによって選択された単位画素から出力された画素信号に混入した固定パターンノイズとリセットノイズとを除去するために、上記各単位画素の上記単位画素選択用の電界効果トランジスタのドレインに接続されるように構成されている、
ことを特徴とする。
【００６６】
即ち、請求項１に記載の発明の固体撮像装置によれば、上記増幅・読み出し用の電界効果トランジスタ（例えば、図１の（Ａ）の読み出しトランジスタ１１０）と上記電流源用の電界効果トランジスタ（例えば、図１の（Ａ）の電流源トランジスタ１０９）とで反転アンプを構成することができる。この反転アンプと上記帰還容量（例えば、図１の（Ａ）の帰還容量１０６）とで容量帰還回路（電荷電圧変換回路）を構成する。この構成により、入射した光量に応じた光電荷を上記帰還容量に積分蓄積して読み出すことで、上記電荷検出部（例えば、図１の（Ａ）の電荷検出部１０３）の容量の電圧依存性による非線形性の影響を低減できる。即ち、電荷検出部容量の電圧依存性による影響を軽減して線形性を保ちながら信号の読み出しを達成できる。結果として、高線形性な情報を得ることが可能となる。また、光電荷を上記帰還容量で蓄積して読み出すため、上記帰還容量の容量値を縮小することにより、上記光電荷検出部の寄生容量の影響を軽減して、開口率低下を抑えながら、実効的な光電荷検出容量を縮小できる。結果として、光電荷検出の高感度化を実現できる。さらに、上記電荷電圧変換回路のゲインは、上記帰還容量の設定により電圧利得を１よりも大きくすることができるので、ソースフォロワ回路のゲイン＜１による信号振幅低下を解決できる。結果として、信号振幅を損なわずに信号を読み出すことが可能となり、画素で電圧増幅することで画素の後段の処理回路でのノイズが緩和され、Ｓ／Ｎを改善できる。
【００６７】
また、請求項１に記載の発明の固体撮像装置においては、まず、上記転送ゲート部への転送パルス（例えば、図１の（Ａ）の転送パルス入力端子１０２に印加される）をオフして、上記電荷検出部の電位を、上記リセット動作用の電界効果トランジスタ（例えば、図１の（Ａ）のリセットトランジスタ１０４）のゲートへのリセットパルス（例えば、図１の（Ａ）のリセットパルス入力端子１０５に印加される）をオンすることにより、リセット電位へとリセットし、その電位（オフセットレベル）を読み出し、その後、上記転送ゲート部への転送パルスをオンして、上記光電変換部（例えば、図１の（Ａ）の光電変換部１０１）で蓄積された光電荷を上記電荷検出部に完全電荷転送し、再び電位（信号レベル）を読み出し、これらオフセットレベルと信号レベルとの差分をとることにより、蓄積電荷に相当する信号成分を取得することが可能となる。以上の電荷の読み出し方法により、リセット動作時に上記リセット動作用の電界効果トランジスタを介して上記電荷検出部の電位へリセットノイズ成分が混入しても、相関を持ったオフセットレベルと信号レベルとを読み出すことが可能なため、画素外に設けた上記相関二重サンプリング回路（例えば、図１の（Ａ）のＣＤＳ回路１１４）により、ＦＰＮ成分と合わせて、リセットノイズ成分を除去することが可能である。結果として、リセットノイズを除去し、ノイズレベルを低減できるため、信号のＳ／Ｎが改善される。
【００６８】
即ち、ソース接地型アンプと帰還容量とを用いた増幅型固体撮像素子の構成と完全電荷転送の構成とを同時に成すことで、双方の作用・効果を同時に生むことができるように構成したことに本発明の特徴がある。
【００６９】
また、請求項２に記載の発明による固体撮像装置は、複数の単位画素と電流源用の電界効果トランジスタ及び相関二重サンプリング回路を有する固体撮像装置において、
上記単位画素が、
入射光を感知して光電荷を生成・蓄積するためのＭＯＳダイオードよりなる光電変換部と、
上記光電変換部に蓄積された電荷を排出すべく電源電圧に接続された電荷排出部と、
上記光電変換部に隣接し、上記光電変換部下の蓄積電荷を上記電荷排出部へと完全転送し排出するための転送ゲート部と、
上記光電変換部にて生成された蓄積電荷を増幅・読み出すために、上記光電変換部とそのゲートを接続し、そのソースが接地された増幅・読み出し用の電界効果トランジスタと、
上記電荷検出部で検出された蓄積電荷を積分蓄積するために、上記増幅・読み出し用の電界効果トランジスタのゲートにその一端子を接続し、その他端子を上記増幅・読み出し用の電界効果トランジスタのドレインと接続するように配置した帰還容量と、
上記電荷検出部の電位をリセット電位へとリセットするために、そのソースが上記帰還容量の一端と接続され、そのドレインが上記帰還容量の他端にそれぞれ接続されたリセット動作用の電界効果トランジスタと、
検出、読み出された蓄積電荷を出力すべき単位画素として当該単位画素を選択するために、上記増幅・読み出し用の電界効果トランジスタのドレインと当該単位画素外の回路との接続をオン／オフする単位画素選択用の電界効果トランジスタと、
から構成され、
上記電流源用の電界効果トランジスタが、上記複数の単位画素外に配置されるとともに、上記単位画素選択用の電界効果トランジスタによって選択された上記単位画素の増幅・読み出し用の電界効果トランジスタに電流を供給するためにカレントソース回路を形成すべく、そのゲートにはバイアス供給電圧が、また、そのソースには電源電圧が印加され、そのドレインには上記各単位画素の上記単位画素選択用の電界効果トランジスタのドレインが接続されるように構成され、
上記相関二重サンプリング回路が、上記複数の単位画素外に配置されるとともに、上記単位画素選択用の電界効果トランジスタによって選択された単位画素から出力された画素信号に混入した固定パターンノイズとリセットノイズとを除去するために、上記各単位画素の上記単位画素選択用の電界効果トランジスタのドレインに接続されるように構成されている、
ことを特徴とする。
【００７０】
即ち、請求項２に記載の発明の固体撮像装置によれば、上記増幅・読み出し用の電界効果トランジスタ（例えば、図２の（Ａ）の読み出しトランジスタ２１０）と上記電流源用の電界効果トランジスタ（例えば、図２の（Ａ）の電流源トランジスタ２０９）とで反転アンプを構成することができる。この反転アンプと上記帰還容量（例えば、図２の（Ａ）の帰還容量２０６）とで容量帰還回路（電荷電圧変換回路）を構成する。この構成により、入射した光量に応じた光電荷を上記帰還容量に積分蓄積して読み出すことで、上記光電変換部（例えば、図２の（Ａ）の光電変換部２０３）の容量の電圧依存性による非線形性の影響を低減できる。即ち、光電変換部容量の電圧依存性による影響を軽減して線形性を保ちながら信号の読み出しを達成できる。結果として、高線形性な情報を得ることが可能となる。また、光電荷を上記帰還容量で蓄積して読み出すため、上記帰還容量の容量値を縮小することにより、上記光電変換部の寄生容量の影響を軽減して、開口率低下を抑えながら、実効的な光電荷変換容量を縮小できる。結果として、光電荷変換の高感度化を実現できる。さらに、上記電荷電圧変換回路のゲインは、上記帰還容量の設定により電圧利得を１よりも大きくすることができるので、ソースフォロワ回路のゲイン＜１による信号振幅低下を解決できる。結果として、信号振幅を損なわずに信号を読み出すことが可能となり、画素で電圧増幅することで画素の後段の処理回路でのノイズが緩和され、Ｓ／Ｎを改善できる。
【００７１】
また、請求項２に記載の発明の固体撮像装置においては、まず、上記転送ゲート部への転送パルス（例えば、図２の（Ａ）の転送パルス入力端子２０２に印加される）をオフして上記光電変換部に光電荷が蓄積された状態で、上記リセット動作用の電界効果トランジスタ（例えば、図２の（Ａ）のリセットトランジスタ２０４）のゲートへのリセットパルス（例えば、図２の（Ａ）のリセットパルス入力端子２０５に印加される）をオンして上記光電変換部の電位（オフセットレベル）を読み出す。その後、上記リセット動作用の電界効果トランジスタのゲートへのリセットパルスをオフして上記転送ゲート部への転送パルスをオンすることにより、上記光電変換部で蓄積された光電荷を上記転送ゲート部を介して電荷排出部（例えば、図２の（Ａ）の電源電圧入力端子２０１へ接続された電荷排出部）に完全電荷転送し、再び電位（信号レベル）を読み出し、これらオフセットレベルと信号レベルとの差分をとることにより、光電変換により生成された蓄積電荷のみに相当する信号成分を取得することが可能となる。以上の電荷の読み出し方法により、リセット動作時に上記リセット動作用の電界効果トランジスタを介して上記光電変換部の電位へリセットノイズ成分が混入しても、相関を持ったオフセットレベルと信号レベルとを読み出すことが可能なため、画素外に設けた上記相関二重サンプリング回路（例えば、図２の（Ａ）のＣＤＳ回路２１４）により、ＦＰＮ成分と合わせて、リセットノイズ成分を除去することが可能である。結果として、リセットノイズを除去し、ノイズレベルを低減できるため、信号のＳ／Ｎが改善される。
【００７２】
以上の構成と駆動方法により、請求項１に記載の発明の固体撮像装置と同等な作用・効果を生み出すことができる。
【００７３】
また、請求項３に記載の発明による距離情報入力装置は、一次元または二次元のアレイ状に配置された単位受光素子と電流源用の電界効果トランジスタ及び相関二重サンプリング回路を有する感度変調を利用した距離情報入力装置において、
上記単位受光素子が、
対象物からの反射光を電荷に変換する光電変換部と、
上記光電変換部で変換、生成された電荷を蓄積記憶する二つの電荷検出部と、
上記光電変換部と上記電荷検出部との間に設けられ、上記光電変換部で変換、生成される電荷を、光の輝度変調と同期して二つの上記電荷検出部に振り分ける二つの電荷振り分けゲートと、
上記電荷検出部に蓄積された電荷を排出すべく電源電圧に接続された二つの電荷排出部と、
上記電荷検出部と上記電荷排出部との間に設けられるとともに、二つの信号振り分けゲートで構成され、上記電荷検出部に蓄積された電荷を上記電荷検出部から上記電荷排出部に完全転送する二つの電荷転送部と、
上記電荷検出部へ転送された蓄積電荷を増幅・読み出すために、上記電荷検出部とゲートを接続し、ソースが接地された二つの増幅・読み出し用の電界効果トランジスタと、
上記電荷検出部で検出された光電荷を積分蓄積して読み出すために、上記増幅・読み出し用の二つの電界効果トランジスタのゲートに一端子を接続し、他端子をドレインと接続するように配置した二つの帰還容量と、
上記電荷検出部の電位をリセット電位へとリセットするために、ソースが上記帰還容量の一端と、ドレインが上記帰還容量の他端にそれぞれ接続された二つのリセット動作用の電界効果トランジスタと、
増幅・読み出された蓄積電荷を出力すべき単位画素として当該単位画素を選択するために、上記増幅・読み出し用の電界効果トランジスタのドレインと上記単位画素外の回路との接続をオン／オフする二つの単位画素選択用の電界効果トランジスタと、
から構成され、
上記電流源用の電界効果トランジスタ二つがそれぞれ、上記複数の単位画素外に配置されるとともに、上記単位画素選択用の電界効果トランジスタによって選択された上記単位画素の上記増幅・読み出し用の電界効果トランジスタに電流を供給するためにカレントソース回路を形成すべく、そのゲートにはバイアス供給電圧が、また、そのソースには電源電圧が印加され、そのドレインには上記各単位画素の上記単位画素選択用の電界効果トランジスタのドレインが接続されるように構成され、
上記相関二重サンプリング回路が、上記複数の単位画素外に配置されるとともに、上記単位画素選択用の電界効果トランジスタによって選択された上記単位画素から出力された画素信号に混入した固定パターンノイズとリセットノイズを除去するために、二つそれぞれ、上記各単位画素の上記単位画素選択用の電界効果トランジスタのドレインに接続されるように構成されている、
ことを特徴とする。
【００７４】
即ち、請求項３に記載の発明の距離情報入力装置によれば、請求項２に記載の発明に関わる構成を、電荷振り分け画素のそれぞれの電荷振り分け蓄積部に設けることにより、電荷検出部（例えば、図３の（Ａ）の電荷検出部３１０、３１９）であるフローティングディフュージョン容量の電圧依存性による検出信号の非線形性を改善できる。結果として、測距データの線形性を向上できる。
【００７５】
さらに、光電荷を読み出す帰還容量（例えば、図３の（Ａ）の帰還容量３０６、３１６）を縮小することにより、フローティングディフュージョンの寄生容量の影響を軽減して、開口率低下を抑えながら実効的な蓄積容量を縮小できる。結果として、高感度化が比較的容易に実現可能となる。
【００７６】
また、電荷電圧変換回路のゲインを高ゲインに設計することにより、ソースフォロワ回路のゲイン＜１による信号振幅低下の問題を解決し、信号振幅を損なわずに信号を読み出すことが可能となる。
【００７７】
さらに、画素内で電圧増幅することで、後処理回路でのノイズが緩和され、信号のＳ／Ｎを改善できる。
【００７８】
以上、請求項３に記載の発明によれば、高感度・低ノイズで、高線形性・高精細化が容易な距離情報入力装置を実現することが可能になる。
【００７９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００８０】
［第１の実施の形態］
図１の（Ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像装置の構成を示す回路図である。なお、本実施の形態に係る固体撮像装置は、複数の単位画素を二次元に配置したものであるが、図１の（Ａ）では、図面の簡略化のため、代表して一つの単位画素１００のみを示している。
【００８１】
この単位画素１００は、光電荷を生成するための光電変換部１０１と、該光電変換部１０１で生成された光電荷を転送ゲートを介して電荷検出部１０３へと完全転送するための転送パルスが印加される転送パルス入力端子１０２と、上記電荷検出部１０３へ送られた電荷を増幅して読み出すための読み出しトランジスタ１１０と、上記電荷検出部１０３に送られた電荷を積分蓄積するための帰還容量１０６と、上記電荷検出部１０３をリセットレベルへとリセットするためにゲートにリセットパルス入力端子１０５が接続されたリセットトランジスタ１０４と、選択された画素の光電変換信号を信号出力線１１３へと伝えるために、そのゲートに画素選択パルス入力端子１１１が接続された選択トランジスタ１１２と、から構成される。
【００８２】
そして、このような単位画素１００外に、各画素の読み出しトランジスタ１１０に電流を供給するために、そのゲートがバイアス供給端子１０８に、そのソースが電源端子１０７に接続された電流源トランジスタ１０９と、選択された各画素から上記信号出力線１１３により供給される光電変換信号（画素信号）に混入した固定パターンノイズを除去するＣＤＳ回路１１４とを、画素の列（行）毎に共有して形成している。
【００８３】
このような構成の固体撮像装置における各単位画素１００の駆動方法に関して図１の（Ｂ）に示したタイミングチャートを用いて説明する。
【００８４】
まず、蓄積期間▲１▼において、上記光電変換部１０１に入射した光に応じた光電荷を蓄積する。このとき、上記画素選択パルス入力端子１１１、リセットパルス入力端子１０５、転送パルス入力端子１０２に印加される駆動パルスはそれぞれオフしている。
【００８５】
次のリセット期間▲２▼では、上記光電変換部１０１に蓄積電荷を貯めたままで、上記画素選択パルス入力端子１１１への画素選択パルスをオンするとともに、上記リセットパルス入力端子１０５へのリセットパルスをオンして上記帰還容量１０６の両端を短絡し、上記電流源トランジスタ１０９のバイアス供給端子１０８に印加される電圧で決まるリセット電圧へ上記電荷検出部１０３をリセットする。これにより、上記光電変換部１０１、上記転送パルス入力端子１０２に接続された転送ゲート、及び上記電荷検出部１０３のポテンシャルレベルは、図１の（Ｃ）に示すような関係となる。
【００８６】
そして、オフセット読み出し期間▲３▼で、上記画素選択パルス入力端子１１１への画素選択パルスはオンしたまま、上記リセットパルス入力端子１０５へのリセットパルスをオフして、オフセットレベルを読み出し、当該単位画素１００外に設けた上記ＣＤＳ回路１１４に送る。
【００８７】
その後、転送期間▲４▼で、上記転送パルス入力端子１０２への転送パルスをオンして、図１の（Ｄ）に示すように、上記光電変換部１０１に蓄積された光電荷を、上記転送パルス入力端子１０２に接続された転送ゲートを介して上記電荷検出部１０３へと完全電荷転送で転送する。
【００８８】
そして、信号レベル読み出し期間▲５▼で、上記電荷検出部１０３のポテンシャルレベルである信号レベルが、上記帰還容量１０６を介して読み出され、当該単位画素１００外の上記ＣＤＳ回路１１４に送られる。
【００８９】
而して、上記▲２▼〜▲３▼〜▲４▼〜▲５▼の期間に相当するブランキング期間で、上記ＣＤＳ回路１１４のＣＤＳ動作により、相関の取れているオフセット期間▲３▼で読み出したオフセットレベルと信号レベル読み出し期間▲５▼で読み出した信号レベルとの差分を取り、リセットノイズを除去するとともにＦＰＮ成分も除去した出力信号を得ることができる。
【００９０】
さらに、容量帰還回路（電荷電圧変換回路）の帰還容量１０６を用いて電荷を読み出すことにより、線形性を向上させ、読み出しトランジスタ１１０をソース接地にすることにより、画素での電圧増幅を達成することができる。また、設計により帰還容量１０６の容量値を縮小し、感度を向上することが比較的容易に達成可能であり、画素内電圧増幅により後段の処理回路から混入するノイズの影響を緩和することができる。
【００９１】
即ち、本第１の実施の形態によれば、高感度・低ノイズで高線形性な固体撮像装置を実現することが可能になる。
【００９２】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態に係る固体撮像装置を説明する。
【００９３】
図２の（Ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係る固体撮像装置の構成を示す回路図である。なお、本実施の形態に係る固体撮像装置は、複数の単位画素を二次元に配置したものであるが、図２の（Ａ）では、図面の簡略化のため、代表して一つの単位画素２００のみを示している。
【００９４】
この単位画素２００は、入射光に応じた光電荷を生成するための光電変換部２０３と、該光電変換部２０３に蓄積した光電荷を、電源電圧入力端子２０１へ接続された電荷排出部へと転送ゲートを介して完全転送して排出するための、上記転送ゲートに接続された転送パルス入力端子２０２と、上記光電変換部２０３で蓄積された光電荷に相当する光信号を増幅して読み出すために、そのソースを接地して配置された読み出しトランジスタ２１０と、上記光電変換部２０３で蓄積された光電荷に相当する電荷を積分して蓄積する帰還容量２０６と、そのゲートに接続されたリセットパルス入力端子２０５に印加されるリセットパルスをオンすることにより、上記光電変換部２０３をリセット電位へとリセットするためのリセットトランジスタ２０４と、選択された画素の光電変換信号を信号出力線２１３へと伝えるために、そのゲートに画素選択パルス入力端子２１１が接続された選択トランジスタ２１２と、から構成される。
【００９５】
そして、このような単位画素２００外に、各画素内の読み出しトランジスタ２１０へ電流を供給するために、そのゲートがバイアス供給端子２０８に、そのソースが上記電源電圧入力端子２０１に接続され、カレントソース回路を形成する電流源トランジスタ２０９と、選択された各画素から上記信号出力線２１３により供給される光電変換信号（画素信号）に混入した固定パターンノイズを除去するＣＤＳ回路２１４とを、画素の列（行）毎に共有して形成している。
【００９６】
このような構成の固体撮像装置における各単位画素２００の駆動方法に関して図２の（Ｂ）に示したタイミングチャートを用いて説明する。
【００９７】
まず、蓄積期間▲１▼において、上記光電変換部２０３に入射した光に応じた光電荷を蓄積する。このとき、上記画素選択パルス入力端子２１１、リセットパルス入力端子２０５、転送パルス入力端子２０２に印加される駆動パルスはそれぞれオフしている。
【００９８】
次のリセット期間▲２▼では、上記光電変換部２０３に蓄積電荷を貯めたままで、上記画素選択パルス入力端子２１１への画素選択パルスをオンするとともに、上記リセットパルス入力端子２０５へのリセットパルスをオンして上記帰還容量２０６の両端を短絡し、上記電流源トランジスタ２０９のバイアス供給端子２０８に印加される電圧で決まるリセット電圧へ、上記光電変換部２０３をリセットする。これにより、上記光電変換部２０３、上記転送パルス入力端子２０２に接続された転送ゲート、及び上記電源電圧入力端子２０１へ接続された電荷排出部のポテンシャルレベルは、図２の（Ｃ）に示すような関係となる。
【００９９】
そして、オフセット読み出し期間▲３▼で、上記画素選択パルス入力端子２１１への画素選択パルスはオンしたまま、上記リセットパルス入力端子２０５へのリセットパルスをオフして、オフセットレベルを読み出し、当該単位画素２００外に設けた上記ＣＤＳ回路２１４に送る。
【０１００】
その後、転送期間▲４▼で、上記転送パルス入力端子２０２への転送パルスをオンして、図２の（Ｄ）に示すように、上記光電変換部２０３に蓄積された光電荷を、上記転送パルス入力端子２０２に接続された転送ゲートを介して、上記電源電圧入力端子２０１へ接続された電荷排出部へと完全電荷転送で排出する。
【０１０１】
そして、信号レベル読み出し期間▲５▼で、上記光電変換部２０３のポテンシャルレベルである信号レベルが、上記帰還容量２０６を介して読み出されて、当該単位画素２００外の上記ＣＤＳ回路２１４に送られ、上記ＣＤＳ回路２１４でＣＤＳ動作が実行されることになる。
【０１０２】
以上の構成と駆動方法により、本第２の実施の形態に係る固体撮像装置も、上記第１の実施の形態に係る固体撮像装置と同等な作用・効果を得ることができる。
【０１０３】
さらに、上記第１の実施の形態に係る固体撮像装置に比べて、本第２の実施の形態に係る固体撮像装置の画素構成は、トランジスタ数が三つ、転送ゲートが一つ、帰還容量が一つ、光電変換部が一つというさらなる画素構成要素削減を達成しており、より高精細化が可能な構成となっている。
【０１０４】
即ち、本第２の実施の形態によれば、高感度・低ノイズで高線形性・高精細な固体撮像装置を実現することが可能になる。
【０１０５】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態に係る距離情報入力装置を説明する。
【０１０６】
本第３の実施の形態は、図６の（Ａ）乃至図１０を用いて説明した従来の感度変調素子の画素構造の二つある電荷振り分け蓄積部のそれぞれに、上記第２の実施の形態で示した容量帰還読み出し回路を設けた構成になっており、駆動方法においても、リセット動作と感度変調動作に関しては従来と同様の方法を用いて行い、読み出し動作において上記第２の実施例で説明した容量帰還をかけながら完全電荷転送により電荷を排出して読み出しし、ＣＤＳ回路にてリセットノイズ成分を除去する方式になっている。
【０１０７】
図３の（Ａ）は、本発明の第３の実施の形態に係る距離情報入力装置における感度変調素子の構成を示す回路図である。なお、感度変調素子は、二次元に配置した複数の単位画素を有するものであるが、図３の（Ａ）では、図面の簡略化のため、代表して一つの単位画素３００のみを示している。
【０１０８】
即ち、感度変調素子の単位画素３００は、入射光を光電変換部３１２にのみ入射させるために遮光層を備えており、入射光に応じた光電荷を生成するための光電変換部３１２と、該光電変換部３１２で生成した光電荷を振り分けるための電荷振り分けゲート３１１及び３１３と、振り分けられた光電荷を検出するための電荷検出部３１０及び３１９と、上記電荷検出部３１０、３１９で検出された光電荷を電源端子３０３に接続された電荷排出部へ完全転送して排出する転送ゲート３０９及び３２３と、上記電荷検出部３１０と３１９とに振り分けられた電荷を増幅して読み出すために、それぞれのソース端子３０８及び３１８を接地するように配置された読み出しトランジスタ３０７及び３１７と、上記電荷検出部３１０、３１９に振り分けられた電荷を積分蓄積するための帰還容量３０６及び３１６と、上記電荷検出部３１０、３１９をリセット電位へとリセットするために、それぞれのゲートにリセットパルス入力端子３１４が接続されたリセットトランジスタ３０５及び３１５と、選択された画素の光電変換信号を信号出力線３０１及び３２５へと伝えるために、それぞれのゲートに画素選択パルス入力端子３２１が接続された選択トランジスタ３０４及び３２２と、から構成される。
【０１０９】
そして、このような単位画素３００外に、上記読み出しトランジスタ３０７及び３１７に電流を供給するために、それぞれのゲートがバイアス供給端子３２０に、それぞれのソースが電源端子３０３に接続された電流源トランジスタ３０２及び３２４と、画素信号に混入した固定パターンノイズを除去するＣＤＳ回路３２６及び３２７とを、画素の列（行）毎に共有して形成している。
【０１１０】
なお、図３の（Ａ）では、上記光電変換部３１２への電源端子や上記ゲート３１１、３１３、３０９、３２３への駆動パルス入力端子は、図示を省略してある。
【０１１１】
図３の（Ｂ）は、上記構成の感度変調素子における光電変換部３１２と各ゲート３１１、３１３、３０９、３２３、電荷検出部３１０、３１９、及び電源端子３０３に接続された電荷排出部に対応するポテンシャルダイアグラムを示す図である。
【０１１２】
まず、同図の上側に示すように、それぞれの電荷振り分けゲート３１１、３１３に電荷を振り分けた状態でオフセットレベルを読み出し、その後、同図の下側に示すように、転送ゲート３０９、３２３をオンして電荷を排出し、信号レベルを読み出す。即ち、蓄積した電荷による信号変化分が上記帰還容量３０６、３１６を介して読み出される。この感度変調素子の基本動作、画素の駆動方法、完全電荷転送の駆動方法に関しては、既に説明済みのため割愛する。
【０１１３】
以上の構成により、本第３の実施の形態によれば、電荷検出部であるフローティングディフュージョン容量の電圧依存性による検出信号の非線形性を改善できる。結果として、測距データの線形性を向上できる。
【０１１４】
さらに、光電荷を読み出す帰還容量を縮小することにより、フローティングディフュージョンの寄生容量の影響を軽減して、開口率低下を抑えながら実効的な蓄積容量を縮小できる。結果として、高感度化が比較的容易に実現可能となる。
【０１１５】
また、電荷電圧変換回路のゲインを高ゲインに設計することによりソースフォロワ回路のゲイン＜１による信号振幅低下の問題を解決し、信号振幅を損なわずに信号を読み出すことが可能となる。
【０１１６】
さらに、画素内で電圧増幅することで、後処理回路でのノイズが緩和され、信号のＳ／Ｎを改善できる。
【０１１７】
また、以上の説明にあるように、図６の（Ａ）に示したような従来の感度変調素子における単位画素と比べても、上記単位画素３００のトランジスタ数は同じで、帰還容量３０６、３１６を付加するのみで、以上の作用・効果を生み出すことができる。結果として、開口率を損なうことなく、画素縮小が可能な画素構造を実現でき、少ないチップ面積で高精細化が可能となる。
【０１１８】
従って、本第３の実施の形態によれば、高感度・低ノイズで、高線形性・高精細化が容易な距離情報入力装置を実現することが可能になる。
【０１１９】
以上実施の形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。
【０１２０】
例えば、上記単位画素１００、２００、３００は二次元に配列されるものとして説明したが、一次元配列であっても構わない。
【０１２１】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、高感度・低ノイズで高線形性・高精細を可能とする固体撮像装置及び距離情報入力装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像装置の構成を示す回路図、（Ｂ）はその駆動方法を説明するためのタイミングチャートを示す図、（Ｃ）はリセット期間における光電変換部、転送ゲート、及び電荷検出部のポテンシャルレベルを示す図であり、（Ｄ）は転送期間における光電変換部、転送ゲート、及び電荷検出部のポテンシャルレベルを示す図である。
【図２】（Ａ）は本発明の第２の実施の形態に係る固体撮像装置の構成を示す回路図、（Ｂ）はその駆動方法を説明するためのタイミングチャートを示す図、（Ｃ）はリセット期間における光電変換部、転送ゲート、及び電荷排出部のポテンシャルレベルを示す図であり、（Ｄ）は転送期間における光電変換部、転送ゲート、及び電荷排出部のポテンシャルレベルを示す図である。
【図３】（Ａ）は本発明の第３の実施の形態に係る距離情報入力装置における感度変調素子の構成を示す回路図であり、（Ｂ）はその光電変換部、各ゲート、電荷検出部、及び電荷排出部のポテンシャルレベルの変遷を説明するための図である。
【図４】（Ａ）は従来の増幅型固体撮像素子の単位画素構造を示す回路図であり、（Ｂ）はその駆動タイミングチャートを示す図である。
【図５】（Ａ）はソース接地型アンプと帰還容量を用いた従来の増幅型固体撮像素子の単位画素構造を示す回路図であり、（Ｂ）はその駆動タイミングチャートを示す図である。
【図６】（Ａ）は従来の感度変調素子の受光部における一画素分の断面構造を示す図であり、（Ｂ）はそのポテンシャルダイアグラムを示す図である。
【図７】従来の感度変調素子における送光時の輝度変調光と受光時の対象物からの反射光の光強度、電荷振り分けパルス入力端子に印加される電荷振り分けパルス、光電変換部で生成される信号電荷量及び電荷蓄積部の電荷蓄積量の時間変化を表す図である。
【図８】従来の感度変調素子における画素のリセット動作を説明するためのタイミングチャートを示す図である。
【図９】従来の感度変調素子における感度変調動作（電荷振り分けとオーバーフロー）を説明するためのタイミングチャートを示す図である。
【図１０】従来の感度変調素子における読み出し動作を説明するためのタイミングチャートを示す図である。
【符号の説明】
１００、２００、３００　　　単位画素
１０１、２０３、３１２　　　光電変換部
１０２、２０２　　　転送パルス入力端子
１０３、３１０、３１９　　　電荷検出部
１０４、２０４、３０５、３１５　　　リセットトランジスタ
１０５、２０５、３１４　　　リセットパルス入力端子
１０６、２０６、３０６、３１６　　　帰還容量
１０７、３０３　　　電源端子
１０８、２０８、３２０　　　バイアス供給端子
１０９、２０９、３０２、３２４　　　電流源トランジスタ
１１０、２１０、３０７、３１７　　　読み出しトランジスタ
１１１、２１１、３２１　　　画素選択パルス入力端子
１１２、２１２、３０４、３２２　　　選択トランジスタ
１１３、２１３、３０１、３２５　　　信号出力線
１１４、２１４、３２６、３２７　　　ＣＤＳ（相関二重サンプリング）回路
２０１　　　電源電圧入力端子
３０８、３１８　　　ソース端子
３０９、３２３　　　転送ゲート
３１１、３１３　　　電荷振り分けゲート

Claims

複数の単位画素と電流源用の電界効果トランジスタ及び相関二重サンプリング回路を有する固体撮像装置において、
上記単位画素が、
入射光を感知して光電荷を生成するためのＭＯＳダイオードよりなる光電変換部と、
上記光電変換部に隣接し、上記光電変換部下の蓄積電荷を完全転送するための転送ゲート部と、
上記転送ゲート部より完全転送された蓄積電荷を検出するための電荷検出部と、
上記電荷検出部へ転送された蓄積電荷を増幅・読み出すために、上記電荷検出部とそのゲートを接続し、そのソースが接地された増幅・読み出し用の電界効果トランジスタと、
上記電荷検出部で検出された蓄積電荷を積分蓄積するために、上記増幅・読み出し用の電界効果トランジスタのゲートにその一端子を接続し、その他端子を上記増幅・読み出し用の電界効果トランジスタのドレインと接続するように配置した帰還容量と、
上記電荷検出部の電位をリセット電位へとリセットするために、そのソースが上記帰還容量の一端と接続され、そのドレインが上記帰還容量の他端にそれぞれ接続されたリセット動作用の電界効果トランジスタと、
検出、読み出された蓄積電荷を出力すべき単位画素として当該単位画素を選択するために、上記増幅・読み出し用の電界効果トランジスタのドレインと当該単位画素外の回路との接続をオン／オフする単位画素選択用の電界効果トランジスタと、
から構成され、
上記電流源用の電界効果トランジスタが、上記複数の単位画素外に配置されるとともに、上記単位画素選択用の電界効果トランジスタによって選択された上記単位画素の増幅・読み出し用の電界効果トランジスタに電流を供給するためにカレントソース回路を形成すべく、そのゲートにはバイアス供給電圧が、また、そのソースには電源電圧が印加され、そのドレインには上記各単位画素の上記単位画素選択用の電界効果トランジスタのドレインが接続されるように構成され、
上記相関二重サンプリング回路が、上記複数の単位画素外に配置されるとともに、上記単位画素選択用の電界効果トランジスタによって選択された単位画素から出力された画素信号に混入した固定パターンノイズとリセットノイズとを除去するために、上記各単位画素の上記単位画素選択用の電界効果トランジスタのドレインに接続されるように構成されている、
ことを特徴とする固体撮像装置。
複数の単位画素と電流源用の電界効果トランジスタ及び相関二重サンプリング回路を有する固体撮像装置において、
上記単位画素が、
入射光を感知して光電荷を生成・蓄積するためのＭＯＳダイオードよりなる光電変換部と、
上記光電変換部に蓄積された電荷を排出すべく電源電圧に接続された電荷排出部と、
上記光電変換部に隣接し、上記光電変換部下の蓄積電荷を上記電荷排出部へと完全転送し排出するための転送ゲート部と、
上記光電変換部にて生成された蓄積電荷を増幅・読み出すために、上記光電変換部とそのゲートを接続し、そのソースが接地された増幅・読み出し用の電界効果トランジスタと、
上記電荷検出部で検出された蓄積電荷を積分蓄積するために、上記増幅・読み出し用の電界効果トランジスタのゲートにその一端子を接続し、その他端子を上記増幅・読み出し用の電界効果トランジスタのドレインと接続するように配置した帰還容量と、
上記電荷検出部の電位をリセット電位へとリセットするために、そのソースが上記帰還容量の一端と接続され、そのドレインが上記帰還容量の他端にそれぞれ接続されたリセット動作用の電界効果トランジスタと、
検出、読み出された蓄積電荷を出力すべき単位画素として当該単位画素を選択するために、上記増幅・読み出し用の電界効果トランジスタのドレインと当該単位画素外の回路との接続をオン／オフする単位画素選択用の電界効果トランジスタと、
から構成され、
上記電流源用の電界効果トランジスタが、上記複数の単位画素外に配置されるとともに、上記単位画素選択用の電界効果トランジスタによって選択された上記単位画素の増幅・読み出し用の電界効果トランジスタに電流を供給するためにカレントソース回路を形成すべく、そのゲートにはバイアス供給電圧が、また、そのソースには電源電圧が印加され、そのドレインには上記各単位画素の上記単位画素選択用の電界効果トランジスタのドレインが接続されるように構成され、
上記相関二重サンプリング回路が、上記複数の単位画素外に配置されるとともに、上記単位画素選択用の電界効果トランジスタによって選択された単位画素から出力された画素信号に混入した固定パターンノイズとリセットノイズとを除去するために、上記各単位画素の上記単位画素選択用の電界効果トランジスタのドレインに接続されるように構成されている、
ことを特徴とする固体撮像装置。
一次元または二次元のアレイ状に配置された単位受光素子と電流源用の電界効果トランジスタ及び相関二重サンプリング回路を有する感度変調を利用した距離情報入力装置において、
上記単位受光素子が、
対象物からの反射光を電荷に変換する光電変換部と、
上記光電変換部で変換、生成された電荷を蓄積記憶する二つの電荷検出部と、
上記光電変換部と上記電荷検出部との間に設けられ、上記光電変換部で変換、生成される電荷を、光の輝度変調と同期して二つの上記電荷検出部に振り分ける二つの電荷振り分けゲートと、
上記電荷検出部に蓄積された電荷を排出すべく電源電圧に接続された二つの電荷排出部と、
上記電荷検出部と上記電荷排出部との間に設けられるとともに、二つの信号振り分けゲートで構成され、上記電荷検出部に蓄積された電荷を上記電荷検出部から上記電荷排出部に完全転送する二つの電荷転送部と、
上記電荷検出部へ転送された蓄積電荷を増幅・読み出すために、上記電荷検出部とゲートを接続し、ソースが接地された二つの増幅・読み出し用の電界効果トランジスタと、
上記電荷検出部で検出された光電荷を積分蓄積して読み出すために、上記増幅・読み出し用の二つの電界効果トランジスタのゲートに一端子を接続し、他端子をドレインと接続するように配置した二つの帰還容量と、
上記電荷検出部の電位をリセット電位へとリセットするために、ソースが上記帰還容量の一端と、ドレインが上記帰還容量の他端にそれぞれ接続された二つのリセット動作用の電界効果トランジスタと、
増幅・読み出された蓄積電荷を出力すべき単位画素として当該単位画素を選択するために、上記増幅・読み出し用の電界効果トランジスタのドレインと上記単位画素外の回路との接続をオン／オフする二つの単位画素選択用の電界効果トランジスタと、
から構成され、
上記電流源用の電界効果トランジスタ二つがそれぞれ、上記複数の単位画素外に配置されるとともに、上記単位画素選択用の電界効果トランジスタによって選択された上記単位画素の上記増幅・読み出し用の電界効果トランジスタに電流を供給するためにカレントソース回路を形成すべく、そのゲートにはバイアス供給電圧が、また、そのソースには電源電圧が印加され、そのドレインには上記各単位画素の上記単位画素選択用の電界効果トランジスタのドレインが接続されるように構成され、
上記相関二重サンプリング回路が、上記複数の単位画素外に配置されるとともに、上記単位画素選択用の電界効果トランジスタによって選択された上記単位画素から出力された画素信号に混入した固定パターンノイズとリセットノイズを除去するために、二つそれぞれ、上記各単位画素の上記単位画素選択用の電界効果トランジスタのドレインに接続されるように構成されている、
ことを特徴とする距離情報入力装置。