JP2007194720A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 垂直転送期間に起因する画像読み出し時間の遅延を抑制する。
【解決手段】 本発明の撮像装置は、下記の構成を備える。複数の画素部は、受光光束を光電変換して画素出力を生成する。これら画素部の水平転送単位は少なくとも２つの群に分けられる。第１垂直転送部は、一つの群である第１群に対して垂直転送信号を与えて第１群の画素出力を垂直転送する。第２垂直転送部は、第１群と異なる第２群に垂直転送信号を与えて第２群の画素出力を垂直転送する。第１保持部は、第１垂直転送部から画素出力を保持する。第２保持部は、第２垂直転送部から画素出力を保持する。水平転送部は、水平読み出し線を介して、第１保持部に保持された画素出力の水平転送と、第２保持部に保持された画素出力の水平転送とを交互に実施する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、撮像装置に関する。

従来の撮像装置としては、下記の特許文献１，２に開示されるものがよく知られている。
この種の撮像装置は、次の手順に従って画素出力の走査読み出しを行う。
(1)垂直転送期間・・画素配列の水平行を選択し、その水平１ライン分の画素出力をパラレルに垂直転送する。垂直転送された画素出力は、水平１ライン分の蓄積容量に保持される。
(2)水平転送期間・・水平１ライン分の蓄積容量を水平読み出し線に順次接続することによって、水平１ライン分の画素出力をシリアルに転送する。
この水平１ライン分の読み出し動作を画素配列の各行について繰り返すことにより、１画面分の画素出力を読み出すことができる。
特開平８−２１４２１７号公報 特開平９−４６５９６号公報

ところで、垂直転送期間には、水平１ライン分がパラレルに一括して転送される。一方、水平転送期間に際しては、この水平１ライン分を画素１つ１つの単位でシリアルに転送する必要がある。そのため、水平転送期間の方が、垂直転送期間に比較して顕著に長かった。

そこで、水平読み出し線を複数ｃｈ化することにより、水平転送期間を短縮する試みがなされている。例えば、水平読み出し線を４ｃｈ化することにより、１ｃｈ分の水平読み出し線の転送画素数（以下、水平転送単位という）を１／４に削減できる。その結果、水平転送期間を１／４程度まで短縮することが可能になる。

近年、このように水平転送期間が短縮されることにより、垂直転送期間が画像読み出し時間に占める割合が相対的に大きくなってきた。
そこで、本発明では、垂直転送期間に起因する画像読み出し時間の遅延を抑制することを目的とする。

《１》 本発明の撮像装置は、複数の画素部、第１垂直転送部、第２垂直転送部、第１保持部、第２保持部、水平読み出し線、および水平転送部を備える。
複数の画素部は、半導体基板上に水平方向および垂直方向に２次元状に配列され、画素ごとに受光光束を光電変換して画素出力を生成する。これら画素部は、水平転送単位が少なくとも２つの群に予め分けられる。
第１垂直転送部は、その内の一つの群である第１群に対して垂直転送信号を与えることにより、この第１群の画素出力を垂直転送する。
第２垂直転送部は、第１群とは異なる第２群に対して垂直転送信号を与えることにより、この第２群の画素出力を垂直転送する。
第１保持部は、第１垂直転送部によって垂直転送される画素出力を保持する。
第２保持部は、第２垂直転送部によって垂直転送される画素出力を保持する。
水平読み出し線は、画素出力を水平転送するための経路である。
水平転送部は、水平読み出し線を介して、第１保持部に保持された画素出力の水平転送と、第２保持部に保持された画素出力の水平転送とを交互に実施する。
《２》 なお好ましくは、第１垂直転送部は、水平転送部が第２保持部の画素出力を水平転送している期間中に、第１群の画素出力を垂直転送して第１保持部に保持させる。一方、第２垂直転送部は、水平転送部が第１保持部の画素出力を水平転送している期間中に、第２群の画素出力を垂直転送して第２保持部に保持させる。
《３》 また好ましくは、第１群を、水平転送単位の略中央から一方に偏在する領域とする。そして、第２群を、水平転送単位の略中央から他方に偏在する領域とする。

本発明の撮像装置は、片方の群を垂直転送している間に、もう片方の群について水平転送を開始できる。その結果、垂直転送の待ち時間を低減し、画像読み出しを高速化することができる。

《第１実施形態》
図１は、撮像装置１１の構成を示す図である。この図１において、撮像装置１１は、下記の構成要素を備える。

(1)複数の画素部１２・・フォトダイオードＰＤ、増幅素子ＱＡ、および行選択用ＭＯＳスイッチＱＳを備える。これら画素部１２は、半導体基板上に水平方向および垂直方向に２次元状に配列され、画素ごとに受光光束を光電変換して画素出力を生成する。画素部１２の出力端子は、画素配列の垂直列ごとに共通接続され、垂直読み出し線１３を形成する。
なお、これら画素部１２は、水平転送単位のほぼ中央から一方に偏在する領域（図１では左半分）が第１群に設定され、残りの領域（図１では右半分）が第２群に設定される。

(2)第１垂直転送部１３Ｌ・・受光面の左外側に配置され、画素部１２の第１群に対して垂直転送信号Ｌ１Ｌ〜Ｌ４Ｌを供給する。

(3)第２垂直転送部１３Ｒ・・受光面の右外側に配置され、画素部１２の第２群に対して垂直転送信号Ｌ１Ｒ〜Ｌ４Ｒを供給する。

(4)第１保持部１４Ｌ・・コンデンサＣＴ１〜２、およびＭＯＳスイッチＱＴＬを備える。ＭＯＳスイッチＱＴＬのゲートには、第１垂直転送部１３Ｌから制御信号ＣＬが供給される。

(5)第２保持部１４Ｒ・・コンデンサＣＴ３〜４、およびＭＯＳスイッチＱＴＲを備える。ＭＯＳスイッチＱＴＲのゲートには、第２垂直転送部１３Ｒから制御信号ＣＲが供給される。

(6)水平読み出し線１５・・画素出力を水平転送するための経路である。

(7)水平転送部１７・・シフトレジスタ１６、およびＭＯＳスイッチＱＨ１〜４を備える。シフトレジスタ１６からＭＯＳスイッチＱＨ１〜４には、制御信号Ｃ１〜４が供給される。

［第１実施形態の動作説明］
図２は、撮像装置１１の画像読み出し動作のタイミングチャートである。以下、図２に示す期間Ｔ１〜Ｔ３に区切って、撮像装置１１の画像読み出し動作を説明する。

（期間Ｔ１） まず、第１垂直転送部１３Ｌは、垂直転送信号Ｌ１Ｌを用いて、１行目左半分の行選択用ＭＯＳスイッチＱＳを一時的に導通させる。この動作により、１行目左半分の画素出力が、垂直読み出し線１３を介して垂直転送される。
この動作に合わせて、第１垂直転送部１３Ｌは、制御信号ＣＬを用いて、ＭＯＳスイッチＱＴＬを一時的に導通させる。その結果、第１保持部１４Ｌ内のコンデンサＣＴ１〜２は、１行目左半分の画素出力を保持する。

（期間Ｔ２） 水平転送部１７は、制御信号Ｃ１，Ｃ２を順番にハイレベルに切り換える。その結果、ＭＯＳスイッチＱＨ１〜２は順に導通し、第１保持部１４Ｌに保持された１行目左半分の画素出力は、水平読み出し線１５を介して順次に水平転送される。
この１行目左半分を水平転送している期間中に、第２垂直転送部１３Ｒは、垂直転送信号Ｌ１Ｒを用いて、１行目右半分の行選択用ＭＯＳスイッチＱＳを一時的に導通させる。この動作により、１行目右半分の画素出力が、垂直読み出し線１３を介して垂直転送される。
この動作に合わせて、第２垂直転送部１３Ｒは、制御信号ＣＲを用いて、ＭＯＳスイッチＱＴＲを一時的に導通させる。その結果、第２保持部１４Ｒ内のコンデンサＣＴ３〜４は、１行目右半分の画素出力を保持する。

（期間Ｔ３） 水平転送部１７は、制御信号Ｃ３，Ｃ４を順番にハイレベルに切り換える。その結果、ＭＯＳスイッチＱＨ３〜４は順に導通する。その結果、第２保持部１４Ｒに保持された１行目右半分の画素出力は、水平読み出し線１５を介して順次に水平転送される。
この１行目右半分を水平転送している期間中に、第１垂直転送部１３Ｌは、垂直転送信号Ｌ２Ｌを用いて、２行目左半分の行選択用ＭＯＳスイッチＱＳを一時的に導通させる。この動作により、２行目左半分の画素出力が、垂直読み出し線１３を介して垂直転送される。
この動作に合わせて、第１垂直転送部１３Ｌは、制御信号ＣＬを用いて、ＭＯＳスイッチＱＴＬを一時的に導通させる。その結果、第１保持部１４Ｌ内のコンデンサＣＴ１〜２は、２行目左半分の画素出力を保持する。

上述した画像読み出し動作を、行選択の位置をずらしながら続けることにより、１画面分の画像信号を読み出すことができる。

［第１実施形態の効果など］
以上説明したように、第１実施形態では、水平転送単位を２つの群に分け、垂直転送を群ごとに実施する。この構成により、２つの群について垂直転送のタイミングを適宜にずらすことが可能になる。その結果、片方の群を水平転送している間に、もう片方の群の垂直転送を先行して済ませることが可能になる。したがって、垂直転送の待ち時間を見かけ上ゼロに近づけることが可能になり、撮像装置１１の画像読み出しを高速化できる。

また、第１実施形態では、図１に示すように、水平転送単位を左右に分割し、第１群、第２群とする。この構成では、第１垂直転送部１３Ｌから第１群までの配線と、第２垂直転送部１３Ｒから第２群までの配線とを左右に完全分離することができる。その結果、双方の配線が受光面内で交差したり、平行に配線されることがない。したがって配線スペースに無駄がなく、画素部１２の開口効率を高めることが容易になる。

さらに、この構成では、第１垂直転送部１３Ｌから第１群までの配線長を、水平転送単位の本来の長さの半分まで短縮できる。同様に、第２垂直転送部１３Ｒから第２群までの配線長を、水平転送単位の長さの半分まで短縮できる。そのため、これら配線の容量分は半減され、これら配線を通過する制御信号の遅延を防止することができる。

《第２実施形態》
図３は、撮像装置１１ａの構成を示す図である。この撮像装置１１ａの構成上の特徴は次の点である。

(1)画素部１２は、画素出力をリセットするためのＭＯＳスイッチＱＲを備える。このＭＯＳスイッチＱＲのドレイン側は定電圧Ｖｃｃに接続される。

(2)第１垂直転送部１３Ｌは、画素部１２の第１群に対して、リセット信号Ｒ１Ｌ〜Ｒ３Ｌを供給する。また、第２垂直転送部１３Ｒは、画素部１２の第２群に対して、リセット信号Ｒ１Ｒ〜Ｒ３Ｒを供給する。

(3)第１保持部１４Ｌは、ノイズ電圧を保持するためのコンデンサＣＴ１Ｎ〜ＣＴ２Ｎ、およびＭＯＳスイッチＱＴＬＮを備える。このＭＯＳスイッチＱＴＬＮのゲートには、第１垂直転送部１３Ｌから制御信号ＣＮＬが供給される。さらに、第１保持部１４Ｌは、信号電圧を保持するためのコンデンサＣＴ１Ｓ〜ＣＴ２Ｓ、およびＭＯＳスイッチＱＴＬＳを備える。このＭＯＳスイッチＱＴＬＳのゲートには、第１垂直転送部１３Ｌから制御信号ＣＳＬが供給される。

(4)第２保持部１４Ｒは、ノイズ電圧を保持するためのコンデンサＣＴ３Ｎ〜ＣＴ４Ｎ、およびＭＯＳスイッチＱＴＲＮを備える。このＭＯＳスイッチＱＴＲＮのゲートには、第２垂直転送部１３Ｒから制御信号ＣＮＲが供給される。さらに、第２保持部１４Ｒは、信号電圧を保持するためのコンデンサＣＴ３Ｓ〜ＣＴ４Ｓ、およびＭＯＳスイッチＱＴＲＳを備える。このＭＯＳスイッチＱＴＲＳのゲートには、第２垂直転送部１３Ｒから制御信号ＣＳＲが供給される。

(5)水平読み出し線１５Ｎは、ＭＯＳスイッチＱＨ１Ｎ〜ＱＨ４Ｎを介して、コンデンサＣＴ１Ｎ〜ＣＴ４Ｎにそれぞれ接続される。一方、水平読み出し線１５Ｓは、ＭＯＳスイッチＱＨ１Ｓ〜ＱＨ４Ｓを介して、コンデンサＣＴ１Ｓ〜ＣＴ４Ｓにそれぞれ接続される。

(6)水平転送部１７は、水平転送用の制御信号Ｃ１〜４を出力する。制御信号Ｃ１は、ＭＯＳスイッチＱＨ１Ｎ，ＱＨ１Ｓのゲートに供給される。制御信号Ｃ２は、ＭＯＳスイッチＱＨ２Ｎ，ＱＨ２Ｓのゲートに供給される。制御信号Ｃ３は、ＭＯＳスイッチＱＨ３Ｎ，ＱＨ３Ｓのゲートに供給される。制御信号Ｃ４は、ＭＯＳスイッチＱＨ４Ｎ，ＱＨ４Ｓのゲートに供給される。
なお、その他の構成については、第１実施形態（図１）と同じため、ここでの説明を省略する。

［第２実施形態の動作説明］
図４は、撮像装置１１ａの画像読み出し動作のタイミングチャートである。以下、図４に示す期間Ｔ１１〜Ｔ１３に区切って、撮像装置１１ａの画像読み出し動作を順に説明する。

（期間Ｔ１１） まず、第１垂直転送部１３Ｌは、垂直転送信号Ｌ１Ｌを用いて行選択用ＭＯＳスイッチＱＳを一時的に導通させ、１行目左半分の画素部１２の信号電圧を垂直読み出し線１３に出力する。この状態で、第１垂直転送部１３Ｌは、制御信号ＣＳＬを用いてＭＯＳスイッチＱＴＬＳを一時的に導通させ、コンデンサＣＴ１Ｓ〜ＣＴ２Ｓに、１行目左半分の信号電圧を保持させる。
続いて、第１垂直転送部１３Ｌは、リセット信号Ｒ１Ｌを用いてＭＯＳスイッチＱＲを一時的に導通させ、１行目左半分の画素部１２の信号電圧をリセットする。このリセット後の電圧バラツキが、画素部１２からノイズ電圧として出力される。この状態で、第１垂直転送部１３Ｌは、制御信号ＣＮＬを用いてＭＯＳスイッチＱＴＬＮを一時的に導通させ、コンデンサＣＴ１Ｎ〜ＣＴ２Ｎに、１行目左半分のノイズ電圧を保持させる。

（期間Ｔ１２） 水平転送部１７は、制御信号Ｃ１，Ｃ２を順番にハイレベルに切り換える。その結果、１行目左半分の信号電圧およびノイズ電圧は、水平読み出し線１５Ｓ，１５Ｎを介して同時並行に水平転送される。
この１行目左半分の水平転送期間中に、第２垂直転送部１３Ｒは、垂直転送信号Ｌ１Ｒを用いて行選択用ＭＯＳスイッチＱＳを一時的に導通させ、１行目右半分の画素部１２の信号電圧を垂直読み出し線１３に出力する。この状態で、第２垂直転送部１３Ｒは、制御信号ＣＳＲを用いてＭＯＳスイッチＱＴＲＳを一時的に導通させ、コンデンサＣＴ３Ｓ〜ＣＴ４Ｓに、１行目右半分の信号電圧を保持させる。
続いて、第２垂直転送部１３Ｒは、リセット信号Ｒ１Ｒを用いてＭＯＳスイッチＱＲを一時的に導通させ、１行目右半分の画素部１２からノイズ電圧を垂直読み出し線１３に出力させる。この状態で、第２垂直転送部１３Ｒは、制御信号ＣＮＲを用いてＭＯＳスイッチＱＴＲＮを一時的に導通させ、コンデンサＣＴ３Ｎ〜ＣＴ４Ｎに、１行目右半分のノイズ電圧を保持させる。

（期間Ｔ１３） 水平転送部１７は、制御信号Ｃ３，Ｃ４を順番にハイレベルに切り換える。その結果、１行目右半分の信号電圧およびノイズ電圧は、水平読み出し線１５Ｓ，１５Ｎを介して同時並行に水平転送される。
この１行目右半分の水平転送期間中に、第１垂直転送部１３Ｌは、垂直転送信号Ｌ２Ｌを用いて行選択用ＭＯＳスイッチＱＳを一時的に導通させ、２行目左半分の画素部１２の信号電圧を垂直読み出し線１３に出力する。この状態で、第１垂直転送部１３Ｌは、制御信号ＣＳＬを用いてＭＯＳスイッチＱＴＬＳを一時的に導通させ、コンデンサＣＴ１Ｓ〜ＣＴ２Ｓに、２行目左半分の信号電圧を保持させる。
続いて、第１垂直転送部１３Ｌは、リセット信号Ｒ２Ｌを用いてＭＯＳスイッチＱＲを一時的に導通させ、２行目左半分の画素部１２からノイズ電圧を垂直読み出し線１３に出力させる。この状態で、第１垂直転送部１３Ｌは、制御信号ＣＮＬを用いてＭＯＳスイッチＱＴＬＮを一時的に導通させ、コンデンサＣＴ１Ｎ〜ＣＴ２Ｎに、２行目左半分のノイズ電圧を保持させる。

上述した画像読み出し動作を、行選択の位置をずらしながら続けることにより、１画面分の信号電圧Ｓおよびノイズ電圧Ｎを同時並行に読み出すことができる。これら信号電圧Ｓとノイズ電圧Ｎの差分を求めることにより、ノイズ分を除去した真の画素出力を求めることができる。

［第２実施形態の効果など］
以上説明したように、第２実施形態では、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
特に、第２実施形態では、信号電圧とノイズ電圧を時分割に垂直転送する。そのため、第１実施形態に比べて、２倍程度の垂直転送期間が必要となる。
しかしながら、この第２実施形態においても、片方の群を水平転送している間に、もう片方の群の垂直転送を先行して済ませる。したがって、第２実施形態においても、垂直転送の待ち時間を見かけ上ゼロに近づけることができる。

《第３実施形態》
図５は、撮像装置１１ｂの構成を示す図である。
この撮像装置１１ｂの特徴は、第１保持部１４Ｌおよび第２保持部１４Ｒを、ＦＰＮ除去回路Ａ１〜Ａ４を用いて構成した点である。
第３実施形態の動作上の特徴は、このＦＰＮ除去回路Ａ１〜Ａ４を用いて、垂直転送の段階で信号電圧Ｓとノイズ電圧Ｎの差分を取り、水平転送前に真の画素出力を生成している点である。そのため、第２実施形態とは異なり、単線の水平読み出し線１５を用いて画素出力を水平転送できる。なお、その他の転送シーケンスについては、第２実施形態（図４）と同様のため、ここでの説明を省略する。
この第３実施形態においても、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。

《実施形態の補足事項》
なお、上述した実施形態では、水平転送単位を左右に分割して、第１群、第２群を設定している。しかしながら、第１群および第２群の設定はこれに限定されるものではない。例えば、画素部１２の奇数列を集めて第１群とし、画素部１２の偶数列を集めて第２群としてもよい。

また、上述した実施形態では、水平転送単位を２つの群に分割している。しかしながら、水平転送単位を３つ以上の群に分割してもよい。この場合も、１つの群の水平転送期間中に、別の群の垂直転送を完了させることにより、垂直転送の待ち時間を見かけ上ゼロに近づけることができる。

なお、上述した実施形態では、１ｃｈの水平転送動作について説明した。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。水平転送動作を複数ｃｈ化してもよい。この場合、各ｃｈごとに本発明を適用することが可能である。

また、上述した実施形態では、説明を簡明にするため、撮像装置の縦横画素数を２〜３画素程度に簡略化している。しかしながら、実施形態はこれに限定されず、縦横画素数を必要に応じて変更することが可能である。

なお、上述した第２および第３実施形態では、画素部１２から信号電圧・ノイズ電圧の順番で読み出すケースについて説明した。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、画素部１２からノイズ電圧・信号電圧といった逆の順番で読み出しもよい。

以上説明したように、本発明は、撮像装置などに利用可能な技術である。

撮像装置１１の構成を示す図である。 撮像装置１１の画像読み出し動作のタイミングチャートである。 撮像装置１１ａの構成を示す図である。 撮像装置１１ａの画像読み出し動作のタイミングチャートである。 撮像装置１１ｂの構成を示す図である。

符号の説明

１１…撮像装置，１１ａ…撮像装置，１１ｂ…撮像装置，１２…画素部，１３Ｌ…第１垂直転送部，１３…垂直読み出し線，１３Ｒ…第２垂直転送部，１４Ｌ…第１保持部，１４Ｒ…第２保持部，１５…水平読み出し線，１７…水平転送部

Claims (3)

1. 半導体基板上に水平方向および垂直方向に２次元状に配列され、画素ごとに受光光束を光電変換して画素出力を生成する複数の画素部と、
   複数の前記画素部の水平転送単位を少なくとも２つの群に予め分け、その内の一つの群である第１群に対して垂直転送信号を与えて垂直転送を実施する第１垂直転送部と、
   前記第１群とは異なる第２群に対して垂直転送信号を与えて垂直転送を実施する第２垂直転送部と、
   前記第１垂直転送部によって垂直転送される前記画素出力を保持する第１保持部と、
   前記第２垂直転送部によって垂直転送される前記画素出力を保持する第２保持部と、
   前記画素出力を水平転送するための経路である水平読み出し線と、
   前記水平読み出し線を介して、前記第１保持部に保持された前記画素出力の水平転送と、前記第２保持部に保持された前記画素出力の水平転送とを交互実施する水平転送部と
   を備えたことを特徴とする撮像装置。
2. 請求項１に記載の撮像装置において、
   前記第１垂直転送部は、前記水平転送部が前記第２保持部の前記画素出力を水平転送している期間中に、前記第１群の前記画素出力を垂直転送して前記第１保持部に保持させ、
   前記第２垂直転送部は、前記水平転送部が前記第１保持部の前記画素出力を水平転送している期間中に、前記第２群の前記画素出力を垂直転送して前記第２保持部に保持させる
   ことを特徴とする撮像装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の撮像装置において
   前記第１群は、水平転送単位の略中央から一方に偏在する領域であり、
   前記第２群は、水平転送単位の略中央から他方に偏在する領域である
   ことを特徴とする撮像装置。

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