JP2007214791A - Imaging element, imaging apparatus, and driving method of imaging element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は撮像素子及び該撮像素子を用いた撮像装置、及び、該撮像素子の駆動方法に関し、特にCMOSセンサで構成した撮像素子、撮像装置、及び駆動方法に関する。 The present invention relates to an imaging device, an imaging device using the imaging device, and a driving method of the imaging device, and more particularly to an imaging device, an imaging device, and a driving method configured with a CMOS sensor.
従来、固体撮像装置としては、そのSN比の良さからCCDが多く使われている。 Conventionally, as a solid-state imaging device, a CCD is often used because of its good SN ratio.
一方、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る。このようなタイプのものには、増幅用トランジスタとしてSITを使ったSIT型イメージセンサ(例えば、非特許文献1参照)、バイポーラトランジスタを使ったBASIS(例えば、非特許文献2参照)がある。他にも、制御電極が空乏化するJFETを使ったCMD(例えば、非特許文献3参照)、MOSトランジスタを使ったCMOSセンサ(例えば、非特許文献4参照)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。 On the other hand, so-called amplification type solid-state imaging devices have also been developed which have advantages such as ease of use and low power consumption. The amplification type solid-state imaging device is of a type that guides signal charges accumulated in a light receiving pixel to a control electrode of a transistor provided in a pixel portion, and outputs an amplified signal from a main electrode. Among these types, there are a SIT type image sensor using SIT as an amplifying transistor (for example, see Non-Patent Document 1) and a BASIS using a bipolar transistor (for example, see Non-Patent Document 2). In addition, there are CMD using a JFET whose control electrode is depleted (for example, see Non-Patent Document 3), CMOS sensor using a MOS transistor (for example, see Non-Patent Document 4), and the like. In particular, the CMOS sensor is well matched with the CMOS process, and the peripheral CMOS circuit can be made on-chip.
増幅型固体撮像装置に共通する課題は、各画素に備わる増幅用トランジスタの出力オフセットが各画素毎に異なるため、イメージセンサの信号に固定パターンノイズ(FPN)が乗ってしまうということである。このFPNを除くために、従来より様々な信号読み出し回路が工夫されている。 The problem common to the amplification type solid-state imaging device is that fixed pattern noise (FPN) is added to the signal of the image sensor because the output offset of the amplification transistor provided in each pixel is different for each pixel. In order to eliminate this FPN, various signal readout circuits have been devised conventionally.
また、CMOSセンサでは、一つの画素を構成するために必要なMOSトランジスタ数が多く、画素の面積を縮小するのが難しいという欠点がある。この欠点を鑑みて、増幅用MOSトランジスタのゲート電極部の電位を垂直出力線に読み出す行を選択する為の、画素内の選択用MOSトランジスタを無くす提案がなされている(例えば、特許文献1を参照)。 In addition, the CMOS sensor has a drawback in that it is difficult to reduce the area of the pixel because a large number of MOS transistors are required to configure one pixel. In view of this drawback, a proposal has been made to eliminate the selection MOS transistor in the pixel for selecting a row for reading the potential of the gate electrode portion of the amplification MOS transistor to the vertical output line (for example, see Patent Document 1). reference).
特許文献1に記載のCMOSセンサでは、画素中に選択用MOSトランジスタが無い分、選択用MOSトランジスタを備えたCMOSセンサに比べて1画素当たりの面積を小さくすることができると共に、従来と同様の高いSN比の信号を出力することができる。
In the CMOS sensor described in
しかしながら、特許文献1に記載されている構成では、選択用MOSトランジスタが無いために、全画素の信号転送を一度に行うと、すべての行の増幅用MOSトランジスタのゲート電極部の信号電位が垂直出力線に読み出されてしまう。そのため、各行毎に電荷信号を読み出すためには、増幅用トランジスタのゲート電極部へ電荷を転送する直前に各行毎にゲート電極部をリセットしなければならなかった。また、特許文献1に記載されている構成では、垂直出力線を用いて、ゲート電極部のリセット電位の供給と、電荷信号読み出しの両方を行う。そのため、全画素のリセットが1度で済む選択用MOSトランジスタを有する構成と比較して、垂直出力線の電位を変えるために要する時間と、各行毎にゲート電極部をリセットする時間がかかるため、信号電荷の読み出しにかかる時間が長くなってしまう。
However, in the configuration described in
また、動画撮影の場合、1画面または1フィールド分の画素の信号を出力する時間は規格で決まっている。そのため、特許文献1の選択用MOSトランジスタが無いCMOSセンサにより動画撮影を行う場合には、信号読み出し時間が長くかかる分、水平走査時間を短縮せざるを得ない。つまり水平走査周波数を高くしなければならないわけであるが、水平走査周波数が高いほど、高周波のノイズ成分がセンサ信号に載ってくるためセンサ信号のSN比が低下するという状況を招くことになる。
In addition, in the case of moving image shooting, the time for outputting pixel signals for one screen or one field is determined by the standard. Therefore, when taking a moving image with a CMOS sensor without a selection MOS transistor of
さらに、特許文献1に記載の選択用MOSトランジスタを省いたCMOSセンサを用いて電子シャッター制御により画像を撮影しようとした場合、ローリング電子シャッター制御を行うことになる。これは、増幅用MOSトランジスタのゲートに一斉に電荷信号を読み出して特定行の選択をすることができないために、1行ずつ光電変換部から電荷を読み出す必要があるためである。そのため、各行を読み出すタイミングから必要な露出時間前に、光電変換部をリセットする必要がある。この場合、信号読み出し行画素の増幅用MOSトランジスタのゲートのリセット動作に加え、別の行の画素をリセットする動作を時系列的に行う必要がある。そのため、選択用MOSトランジスタがあるCMOSセンサに比べると、各行の読み出しに係る時間が長くなるという問題が生ずる。ローリングシャッター制御では、読み出しに係る時間が長くなるほど、画面の上下で撮影タイミングがずれていくため、被写体が動いている場合には、歪んだ画像になってしまう。
Furthermore, when an image is to be taken by electronic shutter control using a CMOS sensor without the selection MOS transistor described in
本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、撮像素子において、各画素の構成を簡略化すると共に、信号電荷の読み出し時間を短縮することができる構成を有する撮像素子、当該撮像素子を用いた撮像装置、及び、当該撮像素子の制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and in the imaging device, an imaging device having a configuration capable of simplifying the configuration of each pixel and shortening the signal charge readout time, and the imaging device. It is an object of the present invention to provide an imaging device used and a method for controlling the imaging device.
上記目的を達成するために、複数の画素が2次元に配置された本発明の撮像素子は、各行を選択するための複数の選択線と、各列に接続された画素の電荷信号を読み出す複数の出力線とを有し、各画素が、光電変換を行って、生じた電荷を蓄積する光電変換手段と、制御電極の電位を増幅して、対応する信号を前記出力線に出力する増幅用トランジスタと、前記増幅用トランジスタの制御電極をリセット電位にリセットするためのリセットスイッチと、前記光電変換手段と前記増幅用トランジスタとの間に設けられ、前記光電変換手段に蓄積された電荷信号の、前記増幅用トランジスタの制御電極への転送をオンオフする転送スイッチと、前記増幅用トランジスタの制御電極と、前記選択線との間に設けられた容量とを有する。 In order to achieve the above object, an image pickup device according to the present invention in which a plurality of pixels are arranged two-dimensionally includes a plurality of selection lines for selecting each row and a plurality of readout signals for pixels connected to each column. Output line, each pixel performs photoelectric conversion and accumulates the generated charge, and amplifies the potential of the control electrode and outputs a corresponding signal to the output line A transistor, a reset switch for resetting the control electrode of the amplifying transistor to a reset potential, and provided between the photoelectric converting means and the amplifying transistor, of the charge signal accumulated in the photoelectric converting means, A transfer switch for turning on and off transfer to the control electrode of the amplifying transistor; and a capacitor provided between the control electrode of the amplifying transistor and the selection line.
また、本発明の撮像装置は、上記記載の撮像素子と、前記撮像素子により得られた電荷信号を処理して画像データを取得する画像処理手段と、前記画像処理手段により処理された画像データを記憶する記憶手段とを有する。 An image pickup apparatus according to the present invention includes the image pickup device described above, an image processing unit that processes a charge signal obtained by the image pickup device to acquire image data, and an image data processed by the image processing unit. Storage means for storing.
また、上記記載の撮像素子の本発明の駆動方法は、前記リセットスイッチを介して、前記複数の画素の前記増幅用トランジスタの制御電極を前記リセット電位にリセットするリセット工程と、 Further, in the driving method of the present invention for the imaging element described above, a reset step of resetting the control electrodes of the amplification transistors of the plurality of pixels to the reset potential via the reset switch;
読み出し行の前記選択線の電位を変位させる選択工程と、 A selection step of displacing the potential of the selection line of the readout row;
前記選択線の電位を変位させている間に、前記読み出し行の前記転送スイッチをオンにする電荷信号の転送工程と、前記転送工程後、前記選択線の電位を変位させている間に、前記出力線の信号を読み出す読み出し工程とを有する。 A charge signal transfer step of turning on the transfer switch of the read row while the potential of the selection line is displaced, and after the transfer step, while the potential of the selection line is displaced, And a reading step of reading out the signal of the output line.
本発明によれば、撮像素子において、各画素の構成を簡略化すると共に、信号電荷の読み出し時間を短縮することができる構成を有する撮像素子、当該撮像素子を用いた撮像装置、及び、当該撮像素子の制御方法を提供することが可能になる。 According to the present invention, in the imaging device, the configuration of each pixel is simplified, and the imaging device having a configuration capable of shortening the signal charge readout time, the imaging device using the imaging device, and the imaging An element control method can be provided.
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
<第1の実施形態>
図1は本発明の第1の実施形態におけるCMOSセンサの構成を示す回路図である。なお、本第1の実施形態におけるCMOSセンサの構成部品について、MOSトランジスタはN型であるものとし、そのゲートがHigh(H)の時に導通状態(オン)になり、Low(L)の時に非導通状態(オフ)となる。またフォトダイオードは信号電子をP型半導体中に形成されたN型半導体領域に蓄積する構成であるものとする。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a CMOS sensor according to the first embodiment of the present invention. As for the components of the CMOS sensor according to the first embodiment, the MOS transistor is assumed to be N-type, and is turned on when the gate is High (H) and non-conductive when it is Low (L). The conduction state (off) is established. The photodiode is configured to store signal electrons in an N-type semiconductor region formed in a P-type semiconductor.
図1において、1は単位画素であり、図を分かり易くするために4×4画素のみを示しているが、デジタルカメラなどに使用される一般的なCMOSセンサは、実際には非常に多数の画素を持つ。2は光を受けて信号電荷を蓄積するフォトダイオード(PD)、3は信号電荷増幅用MOSトランジスタ(以下、「増幅MOS」と呼ぶ。)である。4はPD2に蓄積された信号電荷を増幅MOS3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(以下、「転送MOS」と呼ぶ。)である。5は増幅MOS3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(以下、「リセットMOS」と呼ぶ。)である。6は電源電位供給線であり、増幅MOS3のドレイン電極が、電源電位供給線6に接続されている。44は、転送MOS4、リセットMOS5のドレイン、増幅MOS3のゲートが接続され、信号電荷が転送MOS4から転送されてくる、いわゆるフローティングディフージョン部(FD)である。また、45は、FD44と後述するFD電位制御線18とを電極とする容量である。
In FIG. 1, 1 is a unit pixel, and only 4 × 4 pixels are shown for easy understanding of the figure. However, in general, a general CMOS sensor used for a digital camera or the like has a very large number of pixels. Have pixels. Reference numeral 2 denotes a photodiode (PD) that receives light and accumulates signal charges.
7は画素出力線、8は出力線7を通してリセット電位Vresを供給するためのスイッチ用MOSトランジスタ(以下、「スイッチMOS」と呼ぶ。)であり、リセット電位Vresは端子43から供給される。また、スイッチMOS8のゲート電極には、図2を参照して後述するパルスφ42が、パルス供給端子42から制御線12を介して供給される。
7 is a pixel output line, 8 is a switching MOS transistor (hereinafter referred to as “switch MOS”) for supplying a reset potential Vres through the
9は出力線7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(以下、「定電流供給MOS」と呼ぶ。)である。定電流供給MOS9は、増幅MOS3をソースフォロワとして動作させ、増幅MOS3のゲート電位とある一定の電圧差を持つ電位が出力線7に表れるようにしている。また、定電流供給MOS9のゲート電極には、定電流供給MOS9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、図2を参照して後述するような所定の電位を有する信号φ41が、電位供給端子41から定電位供給線13を介してが供給される。
Reference numeral 9 denotes a constant current supply MOS transistor for supplying a constant current to the output line 7 (hereinafter referred to as “constant current supply MOS”). The constant current supply MOS 9 operates with the
10は転送MOS4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MOS5のゲート電位を制御するためのリセット制御線である。 10 is a transfer control line for controlling the gate potential of the transfer MOS 4, and 11 is a reset control line for controlling the gate potential of the reset MOS 5.
14は転送制御線10に転送パルスφTXを供給するための転送パルス入力端子、16はリセット制御線11にリセットパルスφRESを供給するためのリセットパルス入力端子である。17は行列配置の画素の行を順次選択走査するための選択パルス(φV1〜φV4)を出力する垂直走査回路である。18は垂直走査回路17の出力線であって、FD電位制御線である。
19は制御線10にパルス供給端子14からの転送パルスφTXを導くためのスイッチ用MOSトランジスタ(以下、「スイッチMOS」と呼ぶ。)である。スイッチMOS19のゲートはFD電位制御線18に接続され、どの行の画素が駆動されるかは、FD電位制御線18上の垂直走査パルスφV1〜φV4によって決まる。
22は画素からの信号電荷を読み出す、読み出し回路である。読み出し回路22において、23は画素のリセット信号出力を保持するための容量(以下「ノイズ容量」と呼ぶ。)、24はPD2により蓄積された画素の信号電荷出力を保持するための容量(以下、「信号容量」と呼ぶ。)である。25は画素出力線7とノイズ容量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(以下、「ノイズ読み出しMOS」と呼ぶ。)である。26は画素出力線7と信号容量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(以下、「信号読み出しMOS」と呼ぶ。)である。
27はノイズ容量23に保持されたリセット信号出力が導かれるノイズ出力線、28は信号容量24に保持された信号電荷出力が導かれる信号出力線である。29はノイズ容量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は信号容量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トランジスタである。
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トランジスタである。33はリセット用MOSトランジスタ31および32のソース電極にリセット電位を供給するためのリセット電位供給端子である。
34は行列配置の画素の列毎に設けられたノイズ容量23及び信号容量24を順次選択走査するための水平走査パルスφH1〜φH4を出力する水平走査回路、35は水平走査回路34の出力線である。この水平走査回路34の出力線35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のゲート電極にパルスφCRESを印加するためのパルス入力端子である。37、38はノイズ読み出しMOS25及信号読み出しMOS26のゲート電極にそれぞれパルスφCN、φCSを印加するためのパルス供給端子である。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、40は差動アンプ39の出力端子である。
次に、上記構成を有するCMOSセンサの動作について、図2のタイミングチャートを参照しながら説明する。なお、図2では、第1行目の信号電荷の読み出しと同時に第4行目のPD2のリセットを行う場合のタイミングチャートを表している。 Next, the operation of the CMOS sensor having the above configuration will be described with reference to the timing chart of FIG. FIG. 2 shows a timing chart when the PD2 in the fourth row is reset simultaneously with the reading of the signal charges in the first row.
先ず、端子42にハイが印可され、出力線7がリセット電位Vresによりリセットされている状態で、リセットパルスφRESをLowレベル(L)からHighレベル(H)にすることにより(t1)、全画素のFD44をリセット電位Vresに一度にリセットする。このとき、容量45はリセット電位Vresまでチャージされる。次に、リセットパルスφRESをLに戻し、垂直走査回路17によって垂直走査パルスφV1をHにすると(t2)、第1行目が選択される。この動作により、容量45による容量結合で、第1行目のFD44の電位がVres+(H−L)の電位まで振り上げられ、他の行のFD44の電位よりも高くなる。このFD電位差、すなわち増幅MOS3のゲート電位差ができることによって選択行画素の増幅MOS3のみが導通状態となり、選択された行の画素のFD44の出力がなされる。
First, in a state where high is applied to the terminal 42 and the
例えば、選択行のFD44の電位を4V、非選択行のFD44の電位を3V、増幅MOS3の閾値Vthを0.7Vとすると、選択行画素のソースフォロワ動作によって、
画素出力線(増幅MOS3のソース)電位=4V−Vth=3.3V
For example, when the potential of the
Pixel output line (source of amplification MOS 3) potential = 4V-Vth = 3.3V
となる。従って、非選択行の増幅MOS3では、Vgs=3V−3.3V=−0.3V<0.7V(Vth)となり、これにより非選択行の画素の増幅MOS3は非導通となる。
なお、容量45の容量結合によって振り上がる電位差(H−L)は、以下のように設定する。先ず、スイッチMOS10のゲートにφV1〜φV4のHがかけられたときにONとなるため、転送制御線10の最大電位はH−Vth1(スイッチMOS10の閾値)である。この転送制御線10の最大電位は、転送MOS4のゲートにかけられるため、転送MOS4の閾値をVth2とすると、FD44が取り得る最小値(最も明るい画素の値、Vh)は、Vres−(HーVth1−Vth2)である。また、FD44が取り得る最大値(最も暗い画素の値、Vd)はVresであるため、FD44が取り得る最大値と最小値の電位差(Vd−Vh)=Vres−(Vres−H+Vth1+Vth2)=H−Vth1−Vth2である。従って、(H−L)がH−Vth1−Vth2以上となるようにすれば、選択された行の増幅MOS3のみがONするようにすることができる。
It becomes. Therefore, in the
Note that the potential difference (HL) raised by capacitive coupling of the
なお、電位差(H−L)は理想的にはVd−Vhだが、実際には各画素1の増幅MOS3の閾値Vthにばらつきがあり、また、一般的に、MOSトランジスタの電流をほぼ完全にオフにするのはVgs<Vth−0.4V程度である必要がある。これらのことから、Vd−Vh+α、α≒0.6V程度とするのが好ましい。勿論、αはこの値に限られるものではないことは言うまでもない。
Although the potential difference (H−L) is ideally Vd−Vh, there is actually a variation in the threshold value Vth of the
次に、パルスφ42をLにしてスイッチMOS8をオフにすると共に、パルスφ41の電位を定電流供給MOS9が定電流を供給できるような電位に設定する(t3)。これにより、FD44の電位が出力線7に読み出されることになる。この状態でφCNをHにしてノイズ読み出しMOS25をオンにすることで、第1行目の画素のリセット出力(ノイズ信号)をノイズ容量23に蓄積する(t4)。
Next, the pulse φ42 is set to L to turn off the switch MOS8, and the potential of the pulse φ41 is set to a potential at which the constant current supply MOS9 can supply a constant current (t3). As a result, the potential of the
次に、転送パルスφTXをHにすると共に、第1行目以外のPD2をリセットする行(ここでは第4行目とする)を選択するφV4をHにする(t5)。ここではφV1がHである第1行目と、第4行目のスイッチMOS19が同時にオンとなり、第1行目と第4行目の転送MOS4のみがオンとなる。従って、第1行目及び第4行目のみ、PD2からFD44へ信号電荷が転送される。
Next, the transfer pulse φTX is set to H, and φV4 for selecting a row for resetting PD2 other than the first row (here, the fourth row) is set to H (t5). Here, the
このとき、第4行目のFD44の電位は、容量45の容量結合によりVres+(HーL)に振り上げられた電位に、PD2から転送された電荷Vpdが加算された電位となる。
At this time, the potential of the
そして、転送パルスφTXをLに戻すと同時にφV4もLに戻す(t6)。これに伴って、第4行目のFD44の電位は容量45を通して下がることにより、FD44の電位は、Vres+(HーL)+Vpd−(H−L)=Vres+Vpdとなる。上述したように、本代1の実施形態のPD2は電子を蓄積するため、Vres+VpdはVresよりも低い電位であるため、増幅MOS3はオフとなり、第4行目は非選択行となる。これにより、電荷転送終了後は、画素出力線7には、第1行目の信号電荷に対応する電位のみが現れると共に、第4行目の画素のPD2はリセットされたことになる。
Then, simultaneously with the transfer pulse φTX being returned to L, φV4 is also returned to L (t6). Along with this, the potential of the
この状態でφCSをHにして信号読み出しMOS26をオンにすることで(t6)、第1行目の信号電荷出力を信号容量24に蓄積する。このようにして第1行目の信号電荷出力の読み出しを終えると、第1行目を選択するφV1をLにする(t7)。
In this state, φCS is set to H to turn on the signal readout MOS 26 (t6), whereby the signal charge output of the first row is accumulated in the
次に、垂直走査パルスφH1からφH4を順次オンしていくことで(t8〜t11)、ノイズ容量23及び信号容量24に蓄積されたノイズ信号及び電荷信号が順次ノイズ出力線27及び信号出力線28に出力される。そして、39により差分が取られて、ノイズが除去された光信号に対応する信号が端子40から出力される。
Next, by sequentially turning on the vertical scanning pulses φH1 to φH4 (t8 to t11), the noise signal and the charge signal accumulated in the
以降、第2行目の信号読み出しと同時に、第(n+1)行目(図1の例では第1行目)のリセット、第3行目の信号読み出しと同時に第(n+2)行目(図1の例では第2行目)のリセットというように、信号の読み出しと、別の行のPD2のリセットを順次行う。 Thereafter, the reset of the (n + 1) th row (the first row in the example of FIG. 1) is reset simultaneously with the signal readout of the second row, and the (n + 2) th row (FIG. 1) simultaneously with the signal readout of the third row. In the example of FIG. 5, the signal is read out and the PD2 in another row is sequentially reset, as in the second row).
上記の通り、本第1の実施形態によれば、任意の行のフォトダイオードのリセット動作を、別の行の信号読み出し動作と同時並行して行うことが可能になると共に、選択行と非選択行のFDのリセットを別々のタイミングで行う必要が無くなる。従って、画素の読み出しに係る時間を短縮することが可能となる。 As described above, according to the first embodiment, the reset operation of the photodiode in any row can be performed in parallel with the signal read operation in another row, and the selected row and the non-selected row are selected. It is not necessary to reset the FD of the row at different timings. Accordingly, it is possible to shorten the time required for pixel reading.
なお、本第1の実施形態によれば、特許文献1の画素構成よりもFD電位を振り上げるための容量がひとつ加えられたために、画素の縮小には不利になるが、画素選択用MOSトランジスタをつけた画素構成に比べれば、画素の構成は簡略化されたものとなる。
According to the first embodiment, since one capacitor for raising the FD potential is added to the pixel configuration of
<第2の実施形態>
図3は本発明の第2の実施形態におけるCMOSセンサの構成を示す回路図であり、図1と共通する部品については同一の番号を付して説明を省略する。図3は、図1の各画素におけるリセットMOS5のゲート電極とソースが電源に接続され、図1のリセット制御線11、リセットパルス入力端子16、スイッチMOS8及びその制御線12が無いところが異なっている。
<Second Embodiment>
FIG. 3 is a circuit diagram showing the configuration of the CMOS sensor according to the second embodiment of the present invention. Components common to those in FIG. 3 is different in that the gate electrode and the source of the reset MOS 5 in each pixel in FIG. 1 are connected to a power source, and the reset control line 11, the reset
図3の構成を有するCMOSセンサを駆動するための駆動パルスは、図2に示した第1の実施形態の駆動パルスタイミングのうち、FD電位リセットパルスφRES及びのスイッチMOS8の制御パルスφ42を無くしたものと同じである。 The drive pulse for driving the CMOS sensor having the configuration of FIG. 3 is obtained by eliminating the FD potential reset pulse φRES and the control pulse φ42 of the switch MOS8 in the drive pulse timing of the first embodiment shown in FIG. Is the same.
リセットMOS5の閾電圧をVth、電源電圧をVDDとすると、垂直走査回路17の出力がLとなっている通常時には、FD44の電位は(VDD−Vth)にリセットされている。FD44の電位が(VDD−Vth)以上の電位ではリセットMOSにドレイン電流が流れないため、FD電位は(VDD−Vth)以上には上がらない。
When the threshold voltage of the reset MOS 5 is Vth and the power supply voltage is VDD, the potential of the
この状態で、ある行を選択するために垂直走査回路17の出力線18のいずれかがHとなると、選択行画素のFD44の電位が(H−L)分、振り上げられ、選択行の画素出力が画素出力線17に現れることは、第1の実施形態と同じである。また、選択行画素のFD44は(VDD−Vth)以上の電位に振り上げられるので、選択行画素のリセットMOS5はオフ状態のままである。
In this state, when any of the
画素出力が終了して垂直走査回路17の出力がLになると、今度は画素のFD電位が容量45を通して振り下げられ、FD44に転送されたPD2の信号電荷分だけ、FD44の電位は一時的に(VDD−Vth)よりも下がる。この状態になるとリセットMOS5にドレイン電流が流れ、FD電位はごく短い時間内に(VDD−Vth)に戻る。
When the pixel output is completed and the output of the
上記の通り本発明の第2の実施形態によれば、第1の実施形態と同様の効果に加え、リセットMOS5のリセット制御線11が不要となるため、第1の実施形態に比べて、画素の構成がより簡単になる。更に、第1の実施形態で必要だったFD44のリセットパルスφRESが不要となり、動作時間もより短縮される。
As described above, according to the second embodiment of the present invention, the reset control line 11 of the reset MOS 5 is unnecessary in addition to the same effects as those of the first embodiment. The configuration becomes simpler. Furthermore, the reset pulse φRES of the
<第3の実施形態>
図4は本発明の第3の実施形態におけるCMOSセンサの構成を示す回路図であり、図1と共通する部品については同一の番号を付して説明を省略する。図4は、画素のリセットMOS5が接合型トランジスタ(JFET)46に置き換えられ、その制御電極をフォトダイオード2の電位固定の電極と共通のP型半導体としたところが、図1に示す構成と異なる。これにより、図1のリセット制御線11、リセットパルス入力端子16、スイッチMOS8及びその制御線12が無い構成となっている。
<Third Embodiment>
FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of a CMOS sensor according to the third embodiment of the present invention. Components common to those in FIG. FIG. 4 is different from the configuration shown in FIG. 1 in that the pixel reset MOS 5 is replaced with a junction transistor (JFET) 46 and its control electrode is a P-type semiconductor common to the fixed potential electrode of the photodiode 2. Accordingly, the reset control line 11, the reset
JFET46は一般的なノーマリオン型であって、ピンチオフ電圧をVpとすると、しきい電圧値は−Vpである。JFET46の制御電極であるP型半導体は接地されていて0Vとすると、通常FD44の電位は0−(−Vp)、すなわちVpにリセットされている。この状況は上述した第2の実施形態と同様である。JFET46以外の図4のCMOSセンサの駆動は第2の実施形態の駆動と同じである。
The JFET 46 is a general normally-on type, and when the pinch-off voltage is Vp, the threshold voltage value is −Vp. Assuming that the P-type semiconductor that is the control electrode of the JFET 46 is grounded and set to 0V, the potential of the
このように、本発明の第3の実施形態によれば、FDリセット用の接合型トランジスタではMOSトランジスタで必要なゲート電極が不要である。従って、画素の構成は第2の実施形態に比べてさらに簡素なものになっており、リセットMOSトランジスタ付きの構成と比較してより簡素な構成であって画素を縮小化することができる。さらにローリングリセット動作を含めたセンサの駆動という点では、第2の実施形態と同様に、FDのリセットパルスが不要であると共に、PD2のリセットは信号読み出しの行における信号電荷転送と同時並行で行うことができる。そのため、従来例と比べてセンサの駆動時間を短縮することができる。 Thus, according to the third embodiment of the present invention, the gate electrode necessary for the MOS transistor is not necessary in the junction transistor for FD reset. Therefore, the configuration of the pixel is simpler than that of the second embodiment, and the configuration of the pixel is simpler than that of the configuration with the reset MOS transistor, and the pixel can be reduced. Further, in the point of driving the sensor including the rolling reset operation, the FD reset pulse is unnecessary as in the second embodiment, and the PD2 is reset simultaneously with the signal charge transfer in the signal readout row. be able to. Therefore, the driving time of the sensor can be shortened compared with the conventional example.
なお、上記第1〜第3の実施形態においては、CMOSセンサの構成部品について、MOSトランジスタはN型、フォトダイオードは信号電子をP型半導体中に形成されたN型半導体領域に蓄積する構成であるものとして説明した。しかしながら本発明はこれに限るものではない。MOSトランジスタをそのゲートが(L)の時にオンとなるようなP型MOSトランジスタを主構成要素とし、またN型半導体中に形成されたP型半導体領域に信号であるホールを蓄積する方式で本発明を構成できることもできるのは自明である。 In the first to third embodiments, the components of the CMOS sensor are configured such that the MOS transistor is N-type and the photodiode is configured to store signal electrons in an N-type semiconductor region formed in a P-type semiconductor. Explained that there is. However, the present invention is not limited to this. This is a system in which a MOS transistor is a P-type MOS transistor which is turned on when its gate is (L), and a signal hole is accumulated in a P-type semiconductor region formed in an N-type semiconductor. Obviously, the invention can also be constructed.
また、上記第1〜第3の実施形態においては、ローリングシャッター制御を実現する場合について説明したが、本発明はこれに限るものではない。本発明のCMOSセンサをメカニカルシャッターを有するカメラに適用した場合には、全画素のフォトダイオードを一斉にリセットした後、所定の露出時間後にシャッターを閉じ、フォトダイオードに蓄積された信号電荷を行毎に読み出すようような動作となる。この場合、ある行のPDの信号電荷をFDに読み出す際に、別の行のPD2のリセットは行われない。この場合であっても、各行の信号電荷の読み出し直前にFDをリセットする動作が必要が無いので、読み出し時間を短縮することが可能になる。 In the first to third embodiments, the case where the rolling shutter control is realized has been described. However, the present invention is not limited to this. When the CMOS sensor of the present invention is applied to a camera having a mechanical shutter, the photodiodes of all the pixels are reset all at once, then the shutter is closed after a predetermined exposure time, and the signal charges accumulated in the photodiodes are stored for each row. The operation is such that it is read out. In this case, when the signal charge of the PD in one row is read to the FD, the PD2 in another row is not reset. Even in this case, it is not necessary to reset the FD immediately before reading the signal charges in each row, so that the reading time can be shortened.
<第4の実施形態>
次に、図5を参照して、上記第1〜第3の実施形態で説明した増幅型固体撮像装置を用いたデジタルスチルカメラについて説明する。
<Fourth Embodiment>
Next, a digital still camera using the amplification type solid-state imaging device described in the first to third embodiments will be described with reference to FIG.
図3において、401はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、402は被写体の光学像を増幅型固体撮像装置404に結像させるレンズ、403はレンズ402を通った光量を可変制御するための絞りである。404はレンズ402により結像された被写体光学像を画像信号として取り込むための増幅型固体撮像装置であって、上述した第1〜第3の実施形態のいずれかで説明した構成を有する。
In FIG. 3, 401 is a barrier that serves as a lens protect and a main switch, 402 is a lens that forms an optical image of a subject on the amplification type solid-
405は、撮像装置404から出力される画像信号を増幅するゲイン可変アンプ部及びゲイン値を補正するためのゲイン補正回路部等を含む撮像信号処理回路である。406は撮像信号処理回路405により処理された画像信号のアナログーディジタル変換を行うA/D変換器、407はA/D変換器406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である。408は撮像装置404、撮像信号処理回路405、A/D変換器406、信号処理部407に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部である。409は各種演算とデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部、410は画像データを一時的に記憶する為のメモリ部である。
411は記録媒体に記録または読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部、412は画像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、413は外部コンピュータ等と通信する為のインターフェース部である。
次に、上記構成を有するデジタルスチルカメラにおける撮影時の動作について説明する。 Next, the operation at the time of shooting in the digital still camera having the above configuration will be described.
バリア401がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、更にA/D変換器406などの撮像系回路の電源がオンされる。
When the
その後、露光量を制御する為に、全体制御・演算部409は絞り403を開放にし、撮像装置404から出力された信号はA/D変換器406で変換された後、信号処理部407に入力される。全体制御・演算部409は、信号処理部407により所定の信号処理がされたデータを基に測光を行い、その結果により明るさを判断し、露出の演算を行う。そして得られた露出に応じて絞り403を制御する。
Thereafter, in order to control the exposure amount, the overall control /
次に、撮像装置404から出力された信号を基にして、全体制御・演算部409は高周波成分を取り出して被写体までの距離の演算を行う。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時は、再びレンズを駆動し測距を行う。そして、合焦が確認された後に本露光を始める。
Next, based on the signal output from the
露光が終了すると、撮像装置404から出力された画像信号はA/D変換器406でA/D変換され、信号処理部407を通り全体制御・演算部409によりメモリ部410に書き込まれる。
When the exposure is completed, the image signal output from the
その後、メモリ部410に蓄積されたデータは、全体制御・演算部409の制御により記録媒体制御I/F部411を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体412に記録される。
Thereafter, the data stored in the memory unit 410 is recorded on a
また、外部I/F部413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。
Further, the image may be processed by directly inputting to a computer or the like through the external I /
<第5の実施形態>
次に、図6を参照して、上記第1〜第3の実施形態で説明した増幅型固体撮像装置を用いたデジタルビデオカメラについて説明する。
<Fifth Embodiment>
Next, a digital video camera using the amplification type solid-state imaging device described in the first to third embodiments will be described with reference to FIG.
図4において、501は撮影レンズであり、焦点調節を行うためのフォーカスレンズ501A、ズーム動作を行うズームレンズ501B、結像用のレンズ501Cを備えている。502は絞り、503は撮影レンズ501により撮像面に結像された被写体像を光電変換して電気的な画像信号に変換する増幅型固体撮像装置であって、上述した第1または第2の実施形態で説明した構成を有する。504は撮像装置503より出力された撮像信号をサンプルホールドし、さらに、信号レベルを増幅するサンプルホールド回路(S/H回路)であり、映像信号を出力する。
In FIG. 4,
505はS/H回路504から出力された映像信号にガンマ補正、色分離、ブランキング処理等の所定の処理を施すプロセス回路で、輝度信号Yおよびクロマ信号Cを出力する。プロセス回路S/H5から出力されたクロマ信号Cは、色信号補正回路21で、ホワイトバランス及び色バランスの補正がなされ、色差信号R−Y,B−Yとして出力される。
A
また、プロセス回路505から出力された輝度信号Yと、色信号補正回路21から出力された色差信号R−Y、B−Yは、エンコーダ回路(ENC回路)24で変調され、標準テレビジョン信号として出力される。そして、図示しないビデオレコーダ、あるいは電子ビューファインダ等のモニタEVFへと供給される。
Also, the luminance signal Y output from the
また、506はアイリス制御回路であり、S/H回路504から供給される映像信号に基づいてアイリス駆動回路507を制御し、映像信号のレベルが所定レベルの一定値となるように、絞り502の開口量を制御すべくigメータを自動制御する。
513、514は、S/H回路504から出力された映像信号中より合焦検出を行うために必要な高周波成分を抽出する、異なった帯域制限のバンドパスフィルタ(BPF)である。第一のバンドパスフィルタ513(BPF1)、及び第二のバンドパスフィルタ514(BPF2)から出力された信号は、ゲート回路515及びフォーカスゲート枠信号で各々でゲートされ、ピーク検出回路516でピーク値が検出されてホールドされる。更に、ピーク値は、論理制御回路517に入力される。この信号を焦点電圧と呼び、この焦点電圧によってフォーカスを合わせている。
また、518はフォーカスレンズ501Aの移動位置を検出するフォーカスエンコーダ、519はズームレンズ501Bの焦点距離を検出するズームエンコーダ、520は絞り502の開口量を検出するアイリスエンコーダである。これらのエンコーダの検出値は、システムコントロールを行う論理制御回路517へと供給される。
論理制御回路517は、設定された合焦検出領域内に相当する映像信号に基づいて、被写体に対する合焦検出を行い、焦点調節を行う。即ち、各々のバンドパスフィルタ513、514より供給された高周波成分のピーク値情報を取り込み、高周波成分のピーク値が最大となる位置へとフォーカスレンズ501Aを駆動すべくフォーカス駆動回路509にフォーカスモータ510の回転方向、回転速度、回転/停止等の制御信号を供給し、これを制御する。
The
1:画素、2:フォトダイオード(PD)、3:信号電荷増幅用MOSトランジスタ、4:信転送用MOSトランジスタ、5:リセット用MOSトランジスタ、6:電源電位供給線、7:画素出力線、8:スイッチ用MOSトランジスタ、9:定電流供給用MOSトランジスタ、10:転送制御線、11:リセット制御線、12:制御線、13:定電位供給線、14:転送パルス入力端子、16:リセットパルス入力端子、17:垂直走査回路、18:FD電位制御線、19:スイッチ用MOSトランジスタ、22:読み出し回路、23:ノイズ容量、24:信号容量、25、26:スイッチ用MOSトランジスタ、27:ノイズ出力線、28:信号出力線、29:スイッチ用MOSトランジスタ、30:スイッチ用MOSトランジスタ、31:ノイズ出力線リセット用MOSトランジスタ、32:信号出力線リセット用MOSトランジスタ、33:リセット電位供給端子、34:水平走査回路、35:出力線、36、37、38:パルス入力端子、39:差動アンプ、40:出力端子、41:電位供給端子、42:パルス供給端子、43:端子、44:フローティングディフージョン部(FD)、45:容量、46:JFET 1: pixel, 2: photodiode (PD), 3: signal charge amplification MOS transistor, 4: signal transfer MOS transistor, 5: reset MOS transistor, 6: power supply potential supply line, 7: pixel output line, 8 : MOS transistor for switch, 9: MOS transistor for constant current supply, 10: Transfer control line, 11: Reset control line, 12: Control line, 13: Constant potential supply line, 14: Transfer pulse input terminal, 16: Reset pulse Input terminal, 17: vertical scanning circuit, 18: FD potential control line, 19: switching MOS transistor, 22: readout circuit, 23: noise capacity, 24: signal capacity, 25, 26: switching MOS transistor, 27: noise Output line 28: Signal output line 29: Switch MOS transistor 30: Switch MOS transistor 3 : MOS transistor for resetting noise output line, 32: MOS transistor for resetting signal output line, 33: Reset potential supply terminal, 34: Horizontal scanning circuit, 35: Output line, 36, 37, 38: Pulse input terminal, 39: Difference Dynamic amplifier, 40: output terminal, 41: potential supply terminal, 42: pulse supply terminal, 43: terminal, 44: floating diffusion part (FD), 45: capacitance, 46: JFET
Claims (11)
光電変換を行って、生じた電荷を蓄積する光電変換手段と、
制御電極の電位を増幅して、対応する信号を前記出力線に出力する増幅用トランジスタと、
前記増幅用トランジスタの制御電極をリセット電位にリセットするためのリセットスイッチと、
前記光電変換手段と前記増幅用トランジスタとの間に設けられ、前記光電変換手段に蓄積された電荷信号の、前記増幅用トランジスタの制御電極への転送をオンオフする転送スイッチと、
前記増幅用トランジスタの制御電極と、前記選択線との間に設けられた容量と
を有することを特徴とする撮像素子。 An imaging device in which a plurality of pixels are two-dimensionally arranged, and includes a plurality of selection lines for selecting each row, and a plurality of output lines for reading out charge signals of pixels connected to each column, Pixel is
Photoelectric conversion means for performing photoelectric conversion and accumulating the generated charges;
An amplifying transistor that amplifies the potential of the control electrode and outputs a corresponding signal to the output line;
A reset switch for resetting the control electrode of the amplifying transistor to a reset potential;
A transfer switch provided between the photoelectric conversion means and the amplifying transistor, for turning on / off the transfer of the charge signal accumulated in the photoelectric conversion means to the control electrode of the amplifying transistor;
An image pickup device comprising: a capacitor provided between a control electrode of the amplification transistor and the selection line.
前記信号電荷の読み出し時に、前記出力線を定電流駆動する定電流源とを更に有し、
前記リセットスイッチは前記出力線に接続され、少なくとも前記リセットスイッチによる前記増幅用トランジスタの制御電極のリセット時には前記供給手段を用い、前記信号電荷の読み出し時には前記定電流源を用いて、前記出力線を駆動することを特徴とする請求項1に記載の撮像素子。 Supply means for supplying a reset potential to the output line;
A constant current source for driving the output line at a constant current when reading the signal charge;
The reset switch is connected to the output line, and at least the control electrode of the amplifying transistor is reset by the reset switch, the supply means is used, and the signal charge is read by using the constant current source. The imaging device according to claim 1, wherein the imaging device is driven.
前記読み出し行の転送スイッチをオフにした後、前記選択線の電位を変位させている間に、前記垂直線の信号を前記保持容量に読み出すことを特徴とする請求項6に記載の撮像素子。 A holding capacitor for holding the signal of the vertical line;
The image sensor according to claim 6, wherein after the transfer switch of the readout row is turned off, the signal of the vertical line is read out to the storage capacitor while the potential of the selection line is displaced.
前記撮像素子により得られた電荷信号を処理して画像データを取得する画像処理手段と、
前記画像処理手段により処理された画像データを記憶する記憶手段と
を有することを特徴とする撮像装置。 The image sensor according to any one of claims 1 to 8,
Image processing means for processing the charge signal obtained by the image sensor to obtain image data;
An image pickup apparatus comprising: storage means for storing image data processed by the image processing means.
前記リセットスイッチを介して、前記複数の画素の前記増幅用トランジスタの制御電極を前記リセット電位にリセットするリセット工程と、
読み出し行の前記選択線の電位を変位させる選択工程と、
前記選択線の電位を変位させている間に、前記読み出し行の前記転送スイッチをオンにする電荷信号の転送工程と、
前記転送工程後、前記選択線の電位を変位させている間に、前記出力線の信号を読み出す読み出し工程とを有することを特徴とする駆動方法。 A plurality of pixels are two-dimensionally arranged, an imaging device having a plurality of selection lines for selecting each row and a plurality of output lines for reading signal charges of the pixels connected to each column, A photoelectric conversion means for performing photoelectric conversion and accumulating the generated charge, an amplifying transistor for amplifying a charge signal of the control electrode and outputting a corresponding signal to the output line, and a control electrode of the amplifying transistor A reset switch for resetting the signal to a reset potential, and transferring the charge signal accumulated in the photoelectric conversion means to the control electrode of the amplification transistor provided between the photoelectric conversion means and the amplification transistor And a transfer switch that turns on and off, a control electrode of the amplification transistor, and a capacitor provided between the selection lines,
Resetting the control electrodes of the amplifying transistors of the plurality of pixels to the reset potential via the reset switch;
A selection step of displacing the potential of the selection line of the readout row;
A charge signal transfer step of turning on the transfer switch of the read row while displacing the potential of the selection line;
And a reading step of reading out the signal of the output line while displacing the potential of the selection line after the transfer step.
前記読み出し工程は、前記読み出し行の転送スイッチをオフした後に行うことを特徴とする請求項10に記載の駆動方法。 While the transfer switch of the readout row is turned on in the transfer step, the potential of the selection line of the row for resetting the photoelectric conversion means is displaced, and the reset row selection for turning on the transfer switch of the row to be reset The driving method according to claim 10, wherein the step and the reading step are performed after a transfer switch of the reading row is turned off.
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