JP2006148339A - 撮像デバイス回路及び固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光受光素子の電荷蓄積効果による残像を低減すること。
【解決手段】画像セルＣａは、フォト・ダイオードＰＤのカソードに接続されサブ・スレッショルド領域で動作する第１トランジスタＴ１によりセンスノードＮ１の電位を対数変換する。そのセンスノードＮ１の電位を第３トランジスタＴ３により画像セルＣａ内で増幅する。そして、センスノードＮ１には第１トランジスタＴ１と高電位電源Ｖｄｄ１との間に逆導電チャネル型の第２トランジスタＴ２（Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタ）を接続し、その第２トランジスタＴ２をリセット信号Φｒ１によりオン・オフ制御するようにした。その結果、センスノードＮ１の電位を高電位電源Ｖｄｄ１レベルに上昇させ、センスノードＮ１をリセットする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、撮像デバイス回路及び固体撮像装置に関するものである。

従来、種々の画像データを取得するために、ＭＯＳ型の撮像デバイスが用いられている。この種の撮像デバイスは、フォト・ダイオードのｐｎ接合容量に蓄積した電荷をＭＯＳ型のトランジスタ（例えば、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ））を介して読み出すようになっている。

一般に、ＭＯＳ型等の撮像デバイスは、撮影に用いられるネガ・フィルムに比べてラティテュード、即ちダイナミック・レンジが狭いと言われている。ラティテュードが狭いことは、画像の暗い部分が黒い画素データとして記録され、画像の明るい部分が白い画素データとして記録される。

このダイナミック・レンジを拡大する技術として、対数変換型の撮像デバイスがある（例えば、特許文献１，非特許文献１参照）。例えば、特許文献１に開示された画像セルは、光受光素子を第１のＭＯＳトランジスタの一方の端子と第２のＭＯＳトランジスタのゲート端子との間に接続され、第１のＭＯＳトランジスタの他方の端子は電圧供給源の一方の電極に接続されている。そして、サブ・スレッショルド領域にて動作する第１のＭＯＳトランジスタにより画像セル中で対数変換を行い、その変換結果を出力する。
米国特許５６０８２０４号明細書 映像メディア学会誌、Ｖｏｌ．５４、Ｎｏ．２、ｐｐ．２２４−、２０００年

ところが、上記の特許文献１と非特許文献１に開示された撮像デバイスは、明暗の差が大きくその明点が移動する場合、光受光素子に流れる光電流（入射光量に応じて流れる電流）が小さい方に急激に変化した画像セルにおいて、対数変換の応答速度によって光受光素子に蓄積された電荷が残存する。このように電荷が残留した状態で撮像動作が行われるため、残像現象が生じるという問題がある。

この発明は、光受光素子の電荷蓄積効果による残像を低減することを目的とする。

この発明による撮像デバイス回路は、光受光素子と１導電チャネル型のトランジスタを備え、入射光量に応じて対数特性を持つ信号を出力する撮像デバイス回路であって、第１端子が第１電源に接続された前記光受光素子と、第１端子が前記光受光素子の第２端子に接続され、ゲート及び第２端子が第２電源に接続され、サブ・スレッショルド領域で動作する第１トランジスタと、第１端子が前記光受光素子と前記第１トランジスタとの間のセンスノードに接続され、第２端子が第２電源に接続され、ゲートにリセット信号が供給され、前記第１トランジスタと逆導電チャネル型である第２トランジスタと、を備えたものである。

光受光素子として、フォト・ダイオードやＭＯＳ型トランジスタのソース−ドレイン拡散と基板又はウェルとのＰＮ接合が用いられる。
この発明によると、光受光素子に流れる光電流、つまり光受光素子で光電変換した信号電荷を、等価的にキャパシタとして動作する光受光素子の電圧変化に置き換え、サブ・スレッショルド領域で動作する第１トランジスタにより対数変換した信号を出力する。ゲートにリセット信号が供給される第２トランジスタが第１トランジスタの第１端子と第２端子とを同電位に制御し、光受光素子と第１トランジスタとの間のセンスノードの電位を第２電源電位にすることでリセットを行い、残像を低減する。

この発明の一態様においては、ゲートが前記光受光素子と前記第１トランジスタとの間のセンスノードに接続され、第１端子が第２電源に接続され、第２端子から前記センスノードの電位を増幅した信号を出力する第３トランジスタが備えられる。従って、画像セル内でセンスノードの電位を増幅して出力することができる。

この発明の一態様においては、ゲートに駆動信号が供給され、該駆動信号に応答してオン・オフして前記第３トランジスタの出力信号を外部へ出力する出力トランジスタが備えられる。従って、駆動信号により選択された画像セルの信号が出力される。このため、このように構成された画像セルをマトリックス状に配列した場合、駆動信号により任意の画像セルにおける光電変換信号を得ることができる。

この発明による固体撮像装置は、複数の行選択線と複数の列信号線の交点に接続されて行列配列された複数の画像セルを備え、前記各画像セルは、光受光素子と１導電チャネル型のトランジスタを備え、入射光量に応じて対数特性を持つ信号を出力するものであって、前記画像セルは、第１端子が第１電源に接続された前記光受光素子と、第１端子が前記光受光素子の第２端子に接続され、ゲート及び第２端子が第２電源に接続され、サブ・スレッショルド領域で動作する第１トランジスタと、第１端子が前記光受光素子と前記第１トランジスタとの間のセンスノードに接続され、第２端子が第２電源に接続され、ゲートにリセット信号が供給され、前記第１トランジスタと逆導電チャネル型である第２トランジスタと、ゲートが前記光受光素子と前記第１トランジスタとの間のセンスノードに接続され、第１端子が第２電源に接続され、第２端子から前記センスノードの電位を増幅した信号を出力する第３トランジスタと、ゲートが前記行選択線に接続され、第１端子が前記第３トランジスタに接続され、第２端子が前記列信号線に接続され、前記行選択線を介して供給される駆動信号に応答してオン・オフして前記第３トランジスタの出力信号を外部へ出力する出力トランジスタと、を備えたものである。

この発明によると、光受光素子に流れる光電流、つまり光受光素子で光電変換した信号電荷を、等価的にキャパシタとして動作する光受光素子の電圧変化に置き換え、サブ・スレッショルド領域で動作する第１トランジスタにより対数変換した信号を出力する。ゲートにリセット信号が供給される第２トランジスタが第１トランジスタの第１端子と第２端子とを同電位に制御し、光受光素子と第１トランジスタとの間のセンスノードの電位を第２電源電位にすることでリセットを行い、残像を低減する。また、第３トランジスタにより、画像セル内でセンスノードの電位を増幅して出力することができる。更に、駆動信号により選択された画像セルの信号が出力されるため、駆動信号により任意の画像セルにおける光電変換信号を得ることができる。

以上記述したように、本発明によれば、フォト・ダイオードの電荷蓄積効果による残像を低減する撮像デバイス回路及び固体撮像装置を提供することができる。

以下、本発明を具体化した第１の実施の形態を図１〜図３に従って説明する。
図２は、固体撮像装置の概略ブロック回路図である。
固体撮像装置１０は、撮像部１１、内部クロック発生回路１２、垂直走査回路１３、水平走査回路１４、出力回路１５を含む。

撮像部１１は、行列配列された複数の画像セルＣａを備えている。尚、図２には、４行４列のマトリックス状に配列された画像セルＣａを示している。
内部クロック発生回路１２は、クロック信号Φ０が入力され、該クロック信号Φ０に基づいて垂直クロック信号Φｗと水平クロック信号Φｔを生成する。

垂直走査回路１３は、垂直方向のシフトレジスタであり、行選択線Ｗ１〜Ｗ４と、該行選択線Ｗ１〜Ｗ４と対を成すリセット線Ｒ１〜Ｒ４が接続されている。水平走査回路１４は複数（図２において４個）の増幅回路１６とシフトレジスタ１７とを含み、列信号線ＢＬ１〜ＢＬ４が接続されている。それら行選択線Ｗ１〜Ｗ４と列信号線ＢＬ１〜ＢＬ４の交点に画像セルＣａが接続されている。また、各画像セルＣａは、行選択線Ｗ１〜Ｗ４と対を成すリセット線Ｒ１〜Ｒ４が接続されている。

垂直走査回路１３は、垂直クロック信号Φｗに基づいて行選択線Ｗ１〜Ｗ４を順次駆動する。行選択線Ｗ１〜Ｗ４に接続された画像セルＣａは、行選択線Ｗ１〜Ｗ４を介して供給される駆動信号に応答して光電変換信号を列信号線ＢＬ１〜ＢＬ４に出力する。

水平走査回路１４を構成する増幅回路１６は各列信号線ＢＬ１〜ＢＬ４が接続されている。各増幅回路１６は、列信号線ＢＬ１〜ＢＬ４を介して入力される光電変換信号を増幅する増幅部と、その増幅部の出力信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換部を含む。

水平走査回路１４を構成するシフトレジスタ１７は、増幅回路１６から出力されるデジタル信号を水平クロック信号Φｔに基づいて出力回路１５に転送する。
出力回路１５は、水平走査回路１４から出力される信号のパルス幅を伸長した出力信号ｏｕｔを生成し出力する。

次に、画像セルの構成を説明する。
図１は、行選択線Ｗ１と列信号線ＢＬ１との交点に接続された画像セルＣａを示す。
画像セルＣａは、フォト・ダイオードＰＤを含む。そのフォト・ダイオードＰＤは、アノードが第１電源としての低電位電源（本実施形態ではグランドＧＮＤ）に接続され、カソードが一導電チャネル型の第１トランジスタＴ１に接続されている。この第１トランジスタＴ１は１導電チャネル型のトランジスタ（本実施形態ではＮチャネル型ＭＯＳトランジスタ）であり、第１端子（ソース）がフォト・ダイオードＰＤに接続され、第２端子（ドレイン）及びゲートが第２電源としての高電位電源Ｖｄｄ１に接続されている。

フォト・ダイオードＰＤと第１トランジスタＴ１との接続点であるセンスノードＮ１には第２トランジスタＴ２が接続されている。この第２トランジスタＴ２は、第１トランジスタＴ１と異なる導電チャネル型、即ちＰチャネル型ＭＯＳトランジスタであり、ドレインがセンスノードＮ１に接続され、ソースが高電位電源Ｖｄｄ１に接続され、ゲートがリセット線Ｒ１に接続されている。

また、センスノードＮ１には、第３トランジスタＴ３が接続されている。第３トランジスタＴ３は第１トランジスタＴ１と同じ導電チャネル型、即ちＮチャネル型ＭＯＳトランジスタであり、ゲートがセンスノードＮ１に接続され、ソースが出力トランジスタとしての第４トランジスタＴ４に接続され、ドレインが高電位電源Ｖｄｄ２に接続されている。第４トランジスタＴ４は第１及び第３トランジスタＴ１，Ｔ３と同じ導電チャネル型、即ちＮチャネル型ＭＯＳトランジスタであり、第１端子（例えばドレイン）が第３トランジスタＴ３に接続され、第２端子（例えばソース）が列信号線ＢＬ１に接続され、ゲートが行選択線Ｗ１に接続されている。

このように構成された画像セルＣａは、行選択線Ｗ１の電位に従って動作する。
その行選択線Ｗ１の電位は、垂直走査回路１３から供給され、その波形は垂直クロック信号Φｗと実質的に同じ波形を持つ。尚、ここでは、行選択線Ｗ１に供給される電位を持つ信号をΦｗ１とする。この駆動信号Φｗ１は、図３に示すように、立ち上がりエッジと立ち下がりエッジとを所定の時定数によりなまらせた台形状の波形を持つ。例えば、垂直走査回路１３は、駆動信号Φｗ１を、パルス幅ｔｋの１０〜２０パーセントの立ち上がり幅ｔｒ及び立ち下がり幅ｔｆを持つように生成している。更に、垂直走査回路１３は、ＬレベルがグランドＧＮＤレベルであり、Ｈレベルが高電位電源Ｖｄｄ１レベルであるように駆動信号Φｗ１を生成している。更に、垂直走査回路１３は、駆動信号Φｗ１が立ち下がった後、所定期間ｔｒＬレベルとなるリセット信号Φｒ１を生成する。

光がフォト・ダイオードＰＤは、入射光の光量に応じた光電流（フォトカレント）を流し、その光電流により第１トランジスタＴ１がサブ・スレッショルド領域にて動作し、対数変換された電圧が第３トランジスタＴ３のゲートに印加される。第３トランジスタＴ３は、ソース・フォロワ回路として動作し、ゲートに加わる電圧を増幅した信号を出力する。第４トランジスタＴ４は、Ｈレベルの駆動信号Φｗ１に応答してオンし、そのオンした第４トランジスタＴ４を介して信号が列信号線ＢＬ１に出力される。

駆動信号Φｗ１がＬレベルとなり第４トランジスタＴ４がオフした後、リセット信号Φｒ１がＬレベルに立ち下がる。すると、このリセット信号Φｒ１がゲートに供給されている第２トランジスタＴ２はオンする。この第２トランジスタＴ２はＰチャネル型ＭＯＳトランジスタであるため、ドレインの電位をソース電位と同じとすることができる。つまり、オンした第２トランジスタＴ２は、ドレインが接続されたセンスノードＮ１を高電位電源Ｖｄｄ１の電位にする。これにより、センスノードＮ１の電位をリセットする。

尚、Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにてセンスノードＮ１を高電位電源Ｖｄｄ１レベルにリセットすることも考えられる。しかし、Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタは、ゲートに高電位電源Ｖｄｄ１が印加されてオンした場合にソース電位がしきい値電圧分だけ高電位電源Ｖｄｄ１よりも低下する。このため、センスノードＮ１を高電位電源Ｖｄｄ１レベルに確実にリセットすることができるＰチャネル型ＭＯＳトランジスタを用いることが有利である。

駆動信号Φｗ１の波形をなまらせることは、ノイズ発生を防ぐ。つまり、駆動信号Φｗ１の電位を急激に立ち上げると、第１トランジスタＴ１が急激に動作するため、光電流にリンギング等のノイズが発生する。同様に、駆動信号Φｗ１の電位を急激に立ち下げると、ノイズが発生する。このため、駆動信号Φｗ１の立ち上がり及び立ち下がりをなまらせることで、これらのノイズを抑える。

図２に示す増幅回路１６は、列信号線ＢＬ１に読み出された信号を増幅し、水平クロック信号Φｔに基づいてサンプリングしＡ／Ｄ変換する。この水平クロック信号Φｔは図３に示すように、フォト・ダイオードＰＤで十分に光電流が発生している時期にサンプリングするようにタイミングが設定されている。

そして、シフトレジスタ１７は、増幅回路１６の出力信号を出力回路１５に転送し、出力回路１５は、入力信号のパルス幅を所定のパルス幅（本実施形態では幅ｔｋ）に伸張した出力信号ｏｕｔを生成し、それを出力する。

以上記述したように、本実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）画像セルＣａは、フォト・ダイオードＰＤのカソードに接続されサブ・スレッショルド領域で動作する第１トランジスタＴ１によりセンスノードＮ１の電位を対数変換する。そのセンスノードＮ１の電位を第３トランジスタＴ３により画像セルＣａ内で増幅する。そして、センスノードＮ１には第１トランジスタＴ１と高電位電源Ｖｄｄ１との間に逆導電チャネル型の第２トランジスタＴ２（Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタ）を接続し、その第２トランジスタＴ２をリセット信号Φｒ１によりオン・オフ制御するようにした。その結果、センスノードＮ１の電位を高電位電源Ｖｄｄ１レベルに上昇させ、センスノードＮ１のリセットを確実に行うことができる。

尚、上記各実施の形態は、以下の態様で実施してもよい。
・上記実施形態では、フォト・ダイオードＰＤにＮチャネル型ＭＯＳトランジスタよりなる第１トランジスタＴ１を接続し、センスノードＮ１をＰチャネル型ＭＯＳトランジスタよりなる第２トランジスタＴ２にてリセットするようにした。これを、フォト・ダイオードＰＤにＰチャネル型ＭＯＳトランジスタを接続してこれをサブ・スレッショルド領域で動作させ、センスノードＮ１にＮチャネル型ＭＯＳトランジスタを接続してリセットするようにしてもよい。この場合、第１電源は高電位電源Ｖｄｄ１となり、第２電源は低電位電源（グランドＧＮＤ）となる。そして、Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにてセンスノードＮ１を高電位電源Ｖｄｄ１とグランドＧＮＤのいずれにリセットするようにしてもよいが、確実なリセットを行うためにはＮチャネル型ＭＯＳトランジスタをセンスノードＮ１とグランドＧＮＤとの間に接続し、センスノードＮ１をグランドＧＮＤレベルにリセットすることが好ましい。

・上記実施形態では、撮像部１１を４行４列のマトリックス状に形成したが、行数，列数は適宜変更されてもよい。
・上記実施形態では、画像セルＣａの駆動信号Φｗ１を、立ち上がり及び立ち下がりをなまらせるようにしたが、少なくとも立ち上がりをなまらせるようにしてもよい。

・上記実施形態では、第１トランジスタＴ１のドレインに供給する高電位電源Ｖｄｄ１と、第３トランジスタＴ３のドレインに供給する高電位電源Ｖｄｄ２を別々にしたが、同じ高電位電源を供給する構成としてもよい。

一実施の形態の画像セルを示す回路図である。 固体撮像装置のブロック回路図である。 固体撮像装置の動作を示す波形図である。

符号の説明

Ｃａ…画像セル、Ｎ１…センスノード、Ｔ１…第１トランジスタ、Ｔ２…第２トランジスタ、Ｔ３…第３トランジスタ、Ｗ１〜Ｗ４…行選択線、Φｒ１…リセット信号、Φｗ１…駆動信号、ＢＬ１〜ＢＬ４…列信号線、ｏｕｔ…出力信号。

Claims (4)

1. 光受光素子と１導電チャネル型のトランジスタを備え、入射光量に応じて対数特性を持つ信号を出力する撮像デバイス回路であって、
   第１端子が第１電源に接続された前記光受光素子と、
   第１端子が前記光受光素子の第２端子に接続され、ゲート及び第２端子が第２電源に接続され、サブ・スレッショルド領域で動作する第１トランジスタと、
   第１端子が前記光受光素子と前記第１トランジスタとの間のセンスノードに接続され、第２端子が第２電源に接続され、ゲートにリセット信号が供給され、前記第１トランジスタと逆導電チャネル型である第２トランジスタと、
   を備えたことを特徴とする撮像デバイス回路。
2. ゲートが前記光受光素子と前記第１トランジスタとの間のセンスノードに接続され、第１端子が第２電源に接続され、第２端子から前記センスノードの電位を増幅した信号を出力する第３トランジスタを備えたことを特徴とする請求項１記載の撮像デバイス回路。
3. ゲートに駆動信号が供給され、該駆動信号に応答してオン・オフして前記第３トランジスタの出力信号を外部へ出力する出力トランジスタと、
   を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の撮像デバイス回路。
4. 複数の行選択線と複数の列信号線の交点に接続されて行列配列された複数の画像セルを備え、前記各画像セルは、光受光素子と１導電チャネル型のトランジスタを備え、入射光量に応じて対数特性を持つ信号を出力する、固体撮像装置であって、
   前記画像セルは、
   第１端子が第１電源に接続された前記光受光素子と、
   第１端子が前記光受光素子の第２端子に接続され、ゲート及び第２端子が第２電源に接続され、サブ・スレッショルド領域で動作する第１トランジスタと、
   第１端子が前記光受光素子と前記第１トランジスタとの間のセンスノードに接続され、第２端子が第２電源に接続され、ゲートにリセット信号が供給され、前記第１トランジスタと逆導電チャネル型である第２トランジスタと、
   ゲートが前記光受光素子と前記第１トランジスタとの間のセンスノードに接続され、第１端子が第２電源に接続され、第２端子から前記センスノードの電位を増幅した信号を出力する第３トランジスタと、
   ゲートが前記行選択線に接続され、第１端子が前記第３トランジスタに接続され、第２端子が前記列信号線に接続され、前記行選択線を介して供給される駆動信号に応答してオン・オフして前記第３トランジスタの出力信号を外部へ出力する出力トランジスタと、
   を備えたことを特徴とする固体撮像装置。

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