JP2008017011A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 読み出し線の近傍に新たな回路を追加することなく、高輝度被写体の黒沈みを改善する。
【解決手段】 本発明の固体撮像装置は、下記構成を備える。単位画素は、画素配列されて基準信号および光電変換信号を順次出力する。スイッチ素子は、単位画素内に設けられて単位画素の出力を読み出し線に接続する。走査回路は、走査シーケンスに従ってスイッチ素子に選択電位を与えることで走査出力を実施する。さらに、走査回路は、基準信号を走査出力する場合、非選択状態のスイッチ素子の少なくとも一部に、選択電位と非選択電位の中間電位を与える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体撮像装置に関する。

従来、固体撮像装置では、画素リセット時の基準信号と、受光量に応じた光電変換信号とを順次に走査出力するものが知られている。これら両信号の差分を取ることによって、真の光電変換信号を得ることができる。
ところで、この種の固体撮像装置では、高輝度被写体によって受光領域が飽和すると、画素内にオーバーフロー電荷が発生する。このオーバーフロー電荷が、基準信号の生成箇所に混入すると、本来は微小なリセット電位を示すべき基準信号が大きくレベル変動する。この変動状態の基準信号と、飽和状態の光電変換信号との差分を取ることによって、高輝度被写体の撮像画像に黒沈みが生じてしまう。
特に、このような黒沈み現象は、電子シャッタ制御や連続撮影のように、固体撮像装置の受光面が継続的に光に晒される状態において高頻度に発生する。

下記の特許文献１では、レベル検知回路を設けて、差分回路の入力レベルを常に監視する。このレベル検知回路が、基準信号のレベル異常を検知すると、差分回路による両信号の差分処理を一時的に停止させる。この差分処理の停止によって、上述した黒沈み現象を防止することができる。

特開平２００４−２４８３０４号公報

特許文献１の構成では、差分回路の数が増えると、その分だけレベル検知回路を設ける必要がある。そのため、走査系統のマルチチャンネル化が困難になるなどの短所がある。

そこで、本願発明者は、基準信号の読み出し線上に電圧リミット回路を設け、高輝度被写体による基準信号のレベル変動を制限することを考えた。しかしながら、この対策においては、独立した読み出し線の本数分だけ、電圧リミット回路を新たに追加する必要がある。そのため、読み出し線の近傍に、電圧リミット回路とその配線スペースを新たに確保する必要が生じる。

そこで、本発明では、読み出し線に新たな電圧リミット回路を接続することなく、高輝度被写体の黒沈みを改善することを目的とする。

《１》 本発明の固体撮像装置は、単位画素の群、読み出し線、スイッチ素子、および走査回路を備える。
単位画素の群は、受光面に画素配列され、基準信号および光電変換信号を順次に出力する。
読み出し線は、単位画素の出力を読み出すための配線である。
スイッチ素子は、単位画素内に設けられ、単位画素の出力を読み出し線に接続する。
走査回路は、予め定められた走査シーケンスに従ってスイッチ素子に選択電位を与えて導通させる。この動作により、単位画素の出力は読み出し線に走査出力される。
以上の構成において、走査回路は、基準信号を読み出し線に走査出力する場合、該読み出し線に接続される非選択状態のスイッチ素子の少なくとも一部に、選択電位と非選択電位の中間電位を与える。
さらに、走査回路は、光電変換信号を走査出力する場合、非選択状態のスイッチ素子に非選択電位を与える。
《２》 なお好ましくは、中間電位を与えるスイッチ素子のゲート配線には、走査回路からの制御に従って選択電位、非選択電位、および中間電位を選択的に出力する回路が接続される。
《３》 また好ましくは、単位画素の群の一部を、光電変換を行わずに光学的黒レベルを出力するＯＢ（オプチカルブラック）画素とする。さらに、中間電位を与えるスイッチ素子を、このＯＢ画素内のスイッチ素子とする。
《４》 なお好ましくは、中間電位を与えるスイッチ素子を、読み出し線１本当たり複数個のスイッチ素子とする。

本発明によれば、読み出し線に新たな電圧リミット回路を接続することなく、高輝度被写体の黒沈みを改善することが可能になる。

《第１実施形態》
［第１実施形態の構成説明］
図１は、第１実施形態の固体撮像装置１１の回路構成を示す図である。なお、説明を簡明にするため、図１では縦２画素×横２画素分の領域について図示している。

図１において、固体撮像装置１１の受光面には、単位画素１の群が画素配列される。この画素配列の端である１行目には、ＯＢ画素１ｂが配置される。このＯＢ画素１ｂは、光電変換を行えない構成となっている。そのため、ＯＢ画素１ｂは、光電変換信号に代えて光学的黒レベルを示す信号を生成する。一方、２行目以降の単位画素１は、入射光に応じた光電変換を実施し、光電変換信号を生成する。

次に、単位画素１内の回路構成について説明する。まず、単位画素１には、フォトダイオードＰＤが配置される。このフォトダイオードＰＤは、転送トランジスタＴＸを介して、浮遊拡散領域ＦＤに接続される。転送トランジスタＴＸは、制御パルスＴＸ１，ＴＸ２によって行単位にゲート制御される。この浮遊拡散領域ＦＤは、リセットトランジスタＲＳＴを介してリセットされる。リセットトランジスタＲＳＴは、制御パルスＲＳＴ１，ＲＳＴ２によって行単位にゲート制御される。また、浮遊拡散領域ＦＤの電位は、増幅素子ＡＭのゲートに印加される。この増幅素子ＡＭのソースと、垂直読み出し線ＶＬとの間は、行選択用のスイッチ素子ＳＥＬを介して接続される。スイッチ素子ＳＥＬは、制御パルスＳＥＬ１，ＳＥＬ２によって行単位にゲート制御される。

さらに、走査系の回路構成について説明する。垂直読み出し線ＶＬには、電流源Ｉｂｉａｓがそれぞれ接続される。さらに、垂直読み出し線ＶＬには、基準信号と光電変換信号とを分岐するため、一組のスイッチ素子Ｍｄａｒｋ，Ｍｓｉｇが接続される。このスイッチ素子Ｍｄａｒｋは、制御パルスＤＡＲＫＣＡＰによってゲート制御される。また、スイッチ素子Ｍｓｉｇは、制御パルスＳＩＧＣＡＰによってゲート制御される。このスイッチ素子Ｍｄａｒｋの分岐先には、基準信号を保持するための容量Ｃｄａｒｋが設けられる。また、スイッチ素子Ｍｓｉｇの分岐先には、光電変換信号を保持するための容量Ｃｓｉｇが設けられる。なお、これらの垂直走査に係る制御パルスは、垂直走査回路２から供給される。一方、容量Ｃｄａｒｋに保持される基準信号は、水平走査用のスイッチ素子Ｈｄａｒｋを介して、水平読み出し線Ｈｒに出力される。一方、容量Ｃｓｉｇに保持される基準信号は、水平走査用のスイッチ素子Ｈｓｉｇを介して、水平読み出し線Ｈｓに出力される。これらのスイッチ素子Ｈｄａｒｋ，Ｈｓｉｇは、水平走査回路３から供給される制御パルスＨ１，Ｈ２によってゲート制御される。差分アンプ４は、水平読み出し線Ｈｒ，Ｈｓに出力される基準信号と光電変換信号との差分を取り、真の光電変換信号を出力する。

なお、１行目のスイッチ素子ＳＥＬのゲート配線には、図２に示す付加回路９９が接続される。この付加回路９９は、スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４、およびインバータ回路Ｑ５，Ｑ６から構成される。この内、スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ３は、ＰＭＯＳトランジスタであり、ゲート電圧をローレベルに設定することで導通する。一方、スイッチ素子Ｑ４は、ＮＭＯＳトランジスタであり、ゲート電圧をハイレベルに設定することで導通する。さらに、この付加回路９９には、スイッチ素子ＳＥＬの選択電位Ｈ、非選択電位Ｌ、その中間電位Ｍ、および制御パルスＭＶＳＥＬ，ＳＥＬ１ｉｎとが供給される。

［第１実施形態の動作説明］
図３は、固体撮像装置１１の動作を示すタイミングチャートである。以下、図３に沿って、動作説明を行う。

（１行目の読出し）
垂直走査回路２は、制御パルスＳＥＬ１ｉｎをハイレベル、制御パルスＭＶＳＥＬをローレベルに設定する。この設定により、図２に示すスイッチ素子Ｑ１，Ｑ３が導通し、制御パルスＳＥＬ１は選択電位Ｈとなる。この制御パルスＳＥＬ１によって１行目のスイッチ素子ＳＥＬは導通する。この動作により、１行目の増幅素子ＡＭには、電流源Ｉｂｉａｓからソース電流が供給され、ソースホロワ回路を構成する。

一方、垂直走査回路２は、制御パルスＴＸ１をローレベルに維持したまま、制御パルスＲＳＴ１を用いて１行目のリセットトランジスタＲＳＴを導通から非導通に変化させる。この設定により、１行目の浮遊拡散領域ＦＤは、フローティング状態となる。フローティング状態の浮遊拡散領域ＦＤは、フローティングになった瞬間のリセット電位を保持する。このリセット電位は、１行目の増幅素子ＡＭのゲートに印加される。その結果、１行目のソースホロワ回路は、リセット電位に対応した基準信号を、垂直読み出し線ＶＬに出力する。この状態で、垂直走査回路２は、制御パルスＤＡＲＫＣＡＰを用いてスイッチ素子Ｍｄａｒｋを一時的に導通させる。その結果、１行目の基準信号は、容量Ｃｄａｒｋに保持される。

続いて、垂直走査回路２は、制御パルスＴＸ１を用いて１行目の転送トランジスタＴＸを一時的に導通させ、１行目のフォトダイオードＰＤに蓄積される信号電荷を浮遊拡散領域ＦＤに転送する。なお、１行目はＯＢ画素１ｂのため、ここでの信号電荷は光学的黒レベルに相当する。この動作により、浮遊拡散領域ＦＤの電位は、リセット電位から光学的黒レベルの電荷分だけ変化する。この電位は、１行目の増幅素子ＡＭのゲートに印加される。その結果、１行目のソースホロワ回路は、光学的黒レベルを、垂直読み出し線ＶＬに出力する。この状態で、垂直走査回路２は、制御パルスＳＩＧＣＡＰを用いてスイッチ素子Ｍｓｉｇを一時的に導通させる。その結果、１行目の光学的黒レベルは、容量Ｃｓｉｇに保持される。

この状態で、水平走査回路３は、制御パルスＨ１，Ｈ２…を用いてスイッチ素子Ｈｄａｒｋ，Ｈｓｉｇを水平方向に順次導通させる。その結果、１行目の基準信号および光学的黒レベルは、水平読み出し線Ｈｒ，Ｈｓを介して水平方向に走査出力される。
差分アンプ４は、この光学的黒レベルと基準信号との差分をとり、真の光学的黒レベルとして外部に出力する。

（通常状態における２行目読出し）
垂直走査回路２は、制御パルスＳＥＬ２を選択電位Ｈに設定し、２行目のスイッチ素子ＳＥＬを導通させる。このスイッチ素子ＳＥＬを介して、電流源Ｉｂｉａｓから２行目の増幅素子ＡＭにソース電流が供給される。その結果、２行目の増幅素子ＡＭは、ソースホロワ回路を構成する。

一方、垂直走査回路２は、制御パルスＴＸ２をローレベルに維持したまま、制御パルスＲＳＴ２を用いて２行目のリセットトランジスタＲＳＴを導通から非導通に変化させる。この動作により、２行目の浮遊拡散領域ＦＤは、フローティングになった瞬間のリセット電位を保持する。２行目のソースホロワ回路は、このリセット電位に対応した基準信号を、垂直読み出し線ＶＬに出力する。

このようにして基準信号を垂直読み出し線ＶＬに読み出す期間中、垂直走査回路２は、制御パルスＳＥＬ１ｉｎをハイレベル、制御パルスＭＶＳＥＬをハイレベルに設定する。その結果、図２に示すスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３は導通し、１行目のスイッチ素子ＳＥＬのゲート電位が中間電位Ｍに設定される。この中間電位Ｍは、基準信号の異常レベルに制限がかかる電位に設計される。例えば、２行目のスイッチ素子ＳＥＬの選択電位Ｈよりも、例えば５００ｍＶ程度低く設定される。

そのため、垂直読み出し線ＶＬに読み出される基準信号が通常レベルにある限り、１行目のスイッチ素子ＳＥＬが導通することはない。その結果、２行目の基準信号は、垂直読み出し線ＶＬに支障無く読み出される。
この状態で、垂直走査回路２は、制御パルスＤＡＲＫＣＡＰを用いてスイッチ素子Ｍｄａｒｋを一時的に導通させる。その結果、２行目の基準信号は、容量Ｃｄａｒｋに保持される。

続いて、垂直走査回路２は、制御パルスＳＥＬ１ｉｎをローレベルに設定する。その結果、図２に示すスイッチ素子Ｑ３は非導通となり、スイッチ素子Ｑ４が導通する。そのため、１行目のスイッチ素子ＳＥＬのゲート電位が非選択電位Ｌに設定される。この動作により、垂直読み出し線の電圧リミットが解除される。

この状態で、垂直走査回路２は、制御パルスＴＸ２を用いて２行目の転送トランジスタＴＸを一時的に導通させ、２行目のフォトダイオードＰＤに蓄積される信号電荷を浮遊拡散領域ＦＤに転送する。この動作により、浮遊拡散領域ＦＤの電位は、リセット電位から信号電荷分だけ変化する。この電位は、２行目の増幅素子ＡＭのゲートに印加される。その結果、２行目のソースホロワ回路は、光電変換信号を垂直読み出し線ＶＬに出力する。続いて、垂直走査回路２は、制御パルスＳＩＧＣＡＰを用いてスイッチ素子Ｍｓｉｇを一時的に導通させる。その結果、２行目の光電変換信号は、容量Ｃｓｉｇに保持される。

次に、水平走査回路３は、制御パルスＨ１，Ｈ２…を用いてスイッチ素子Ｈｄａｒｋ，Ｈｓｉｇを水平順に一時導通させる。その結果、２行目の基準信号および光電変換信号は、水平読み出し線Ｈｒ，Ｈｓを介して水平方向に走査出力される。
差分アンプ４は、この光電変換信号と基準信号との差分をとり、真の光電変換信号として外部に出力する。

（電荷リーク状態における２行目読み出し）
次に、高輝度被写体によって電荷オーバーフローが発生するケースについて説明する。なおここでは、２行２列目のフォトダイオードＰＤが飽和して電荷オーバーフローが発生したと仮定して説明する。
このオーバーフロー電荷が浮遊拡散領域ＦＤに混入することにより、２行２列目の浮遊拡散領域ＦＤのリセット電位は異常低下する。この異常低下に伴い、２列目の垂直読み出し線ＶＬに出力される基準信号の電位は、中間電位Ｍを下回って更に低下する。

この２列目の垂直読み出し線ＶＬの電位低下により、中間電位Ｍをゲートに与えていた１行２列目のスイッチ素子ＳＥＬが導通する。このとき、２行２列目（スイッチ素子ＳＥＬおよび増幅素子ＡＭ）は機能停止し、垂直読み出し線ＶＬの電位低下は停止する。
このように垂直読み出し線ＶＬに読み出される基準信号は、１行目の単位画素１（ＯＢ画素１ｂ）が安全弁となって電圧リミットがかかる。そのため、電荷オーバーフローが万一生じても、基準信号の信号レベルが下がり過ぎることはない。この状態で、電圧リミットされた２行２列目の基準信号は、２列目の容量Ｃｄａｒｋに保持される。

続いて、垂直走査回路２は、１行目のスイッチ素子ＳＥＬのゲート電位を非選択電位Ｌに設定することにより、垂直読み出し線の電圧リミットを解除する。
この状態で、垂直走査回路２は、制御パルスＴＸ２を用いて２行目の転送トランジスタＴＸを一時的に導通させ、２行目の光電変換信号を垂直読み出し線ＶＬに出力する。このとき、飽和状態の２行２列目からは、飽和レベルの光電変換信号が出力される。この飽和レベルの光電変換信号は、２列目の容量Ｃｓｉｇに保持される。
差分アンプ４は、この飽和レベルの光電変換信号と、電圧リミットされた基準信号との差分を取り、真の光電変換信号として外部に出力する。

［第１実施形態の効果など］
図４は、第１実施形態の効果を説明する図である。
図４に示す区間Ａは、光電変換信号が飽和しない区間である。この区間Ａでは、電荷オーバーフローは発生せず、基準信号も正常レベルを維持する。そのため、真の光電変換信号（＝光電変換信号−基準信号）は、入射光量に応じた変化を示す。
図４に示す区間Ｂは、光電変換信号が飽和する区間である。この区間Ｂでも、入射光量が電荷オーバーフローの発生限界に達しないため、電荷リークは発生しない。したがって、基準信号は正常レベルを維持する。この場合、真の光電変換信号は、入射光量によらず飽和レベルを示す。
図４に示す区間Ｃは、入射光量が電荷オーバーフローの発生限界を超える区間である。従来、この区間Ｃでは、基準信号が異常レベルを示す。そのため、真の光電変換信号は、飽和レベルから異常低下する。この異常低下が、カメラ側の最終的な飽和レベル（図４参照）を下回ることにより黒沈み現象が発生する。しかし、第１実施形態では、基準信号に電圧リミットがかかるため、真の光電変換信号が飽和レベルから低下しても最終的な飽和レベルを下回ることがない。そのため、黒沈み現象は改善される。

特に、第１実施形態では、既存のスイッチ素子ＳＥＬを安全弁として機能させることにより、垂直読み出し線ＶＬに電圧リミットをかける。したがって、垂直読み出し線ＶＬの近傍に、電圧リミット回路を新規追加する必要がない。すなわち、垂直読み出し線ＶＬの莫大な本数分だけ電圧リミット回路を新規追加する必要がなく、回路スペースを大幅に節約することが可能になる。

なお、第１実施形態では、スイッチ素子ＳＥＬのゲート制御によって、垂直読み出し線ＶＬに電圧リミットをかける。このような電圧リミットは、スイッチ素子ＳＥＬの共通ゲート配線に付加回路９９を接続することで実現する。したがって、付加回路９９は、単位画素１の群から離して、共通ゲート配線の付近に配置すれば済む。その結果、画素配列の隙間に無理して付加回路９９を設けるなどの必要がなく、単位画素１の受光効率を損ねる弊害もない。

さらに、第１実施形態では、ＯＢ画素１ｂのスイッチ素子ＳＥＬを利用して、垂直読み出し線ＶＬに電圧リミットをかける。そのため、ＯＢ画素１ｂの基準信号それ自体には、電圧リミットがかからない。しかし、このＯＢ画素１ｂは電荷オーバーフローを殆ど生じないため、ＯＢ画素１ｂの基準信号に電圧リミットをかけなくても特に支障は無い。

（なお、ＯＢ画素１ｂにおいて、漏光による電荷や周辺画素からの電荷リークが生じるケースも想定される。このような場合は、選択状態のＯＢ画素１ｂとは別の単位画素１のスイッチ素子ＳＥＬを用いて、垂直読み出し線ＶＬに電圧リミットをかけることが好ましい。）

また、ＯＢ画素１ｂを電圧リミットに使用するため、入射光量が急変してもリミット電圧は殆ど変動しない。したがって、入射光量の変動影響を受けずに、安定かつ確実に基準信号を電圧リミットすることができる。

《第２実施形態》
図５は、第２実施形態における固体撮像装置１１ｓの回路構成を示す図である。なお、第１実施形態と同様の構成および作用効果については、ここでの重複説明を省略する。
第２実施形態では、画素配列の端に位置する複数行をＯＢ画素１ｂとする。この複数行のスイッチ素子ＳＥＬの共通ゲート配線には、付加回路９９が接続される。したがって、第２実施形態では、これら複数行のスイッチ素子ＳＥＬを同時に利用して、垂直読み出し線ＶＬに電圧リミットをかけることができる。
第２実施形態では、このような動作により、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

さらに、第２実施形態では、垂直読み出し線１本当たり複数のスイッチ素子ＳＥＬを用いて、電圧リミットをかける。そのため、電圧リミットのドライブ不足を補うことが可能になる。その結果、基準信号の急激または過大なレベル異常に対しても、安定かつ確実に電圧リミットをかけることができる。そのため、一段と厳しい撮影条件下においても、確実に黒沈み現象を改善することができる。

《実施形態の補足事項》
なお、上述した実施形態では、画素配列の端に位置するスイッチ素子ＳＥＬを電圧リミットに利用する。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。画素配列の端以外に位置するスイッチ素子ＳＥＬを電圧リミットに利用してもよい。

また、上述した実施形態では、ＯＢ画素１ｂのスイッチ素子ＳＥＬを電圧リミットに利用する。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。ＯＢ画素１ｂ以外のスイッチ素子ＳＥＬを電圧リミットに利用してもよい。

なお、上述した実施形態では、電圧リミットに利用する単位画素１を固定的に定める。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。複数行に付加回路９９をもうければ、電圧リミットに利用する単位画素１を適宜に交替させることができる。その結果、全ての単位画素１が出力する基準信号に対して電圧リミットをかけることも可能になる。

以上説明したように、本発明は、固体撮像装置などに利用可能な技術である。

第１実施形態の固体撮像装置１１の回路構成を示す図である。 スイッチ素子ＳＥＬのゲート駆動回路を示す図である。 固体撮像装置１１の動作を示すタイミングチャートである。 第１実施形態の効果を説明する図である。 第２実施形態の固体撮像装置１１ｓの回路構成を示す図である。

符号の説明

１…単位画素，１ｂ…ＯＢ画素，２…垂直走査回路，３…水平走査回路，４…差分アンプ，１１…固体撮像装置，ＦＤ…浮遊拡散領域，ＰＤ…フォトダイオード，ＶＬ…垂直読み出し線，ＴＸ…転送トランジスタ，ＲＳＴ…リセットトランジスタ，ＳＥＬ…スイッチ素子，ＡＭ…増幅素子

Claims (4)

1. 受光面に画素配列され、基準信号および光電変換信号を順次に出力する単位画素の群と、
   前記単位画素の出力を読み出すための読み出し線と、
   前記単位画素内に設けられ、前記単位画素の出力を前記読み出し線に接続するスイッチ素子と、
   予め定められた走査シーケンスに従って前記スイッチ素子に選択電位を与えて導通させ、前記単位画素の出力を前記読み出し線に走査出力する走査回路とを備え、
   前記走査回路は、
   前記基準信号を前記読み出し線に走査出力する場合、該読み出し線に接続される非選択状態の前記スイッチ素子の少なくとも一部に対し、前記選択電位と非選択電位の中間電位を与え、
   前記光電変換信号を走査出力する場合、前記非選択状態の前記スイッチ素子に前記非選択電位を与える
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   前記中間電位が与えられる前記スイッチ素子のゲート配線には、前記走査回路からの制御に従って前記選択電位、前記非選択電位、および前記中間電位を選択的に出力する回路が接続される
   ことを特徴とする固体撮像装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の固体撮像装置において、
   前記単位画素の群の一部は、光電変換を行わずに光学的黒レベルを出力するＯＢ（オプチカルブラック）画素であり、
   前記中間電位を与える前記スイッチ素子は、前記ＯＢ画素内の前記スイッチ素子である
   ことを特徴とする固体撮像装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の固体撮像装置において、
   前記中間電位を与える前記スイッチ素子は、前記読み出し線１本当たり複数個の前記スイッチ素子である
   ことを特徴とする固体撮像装置。
   

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