JP2009005332A - 固体撮像装置及びカメラ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 画素90は、入射光の強度に応じて電荷を生成するフォトダイオード(1)と、フォトダイオード(1)により露光期間T1に生成された電荷量に応じて第1の電圧レベルを生成するとともにフォトダイオード1により露光期間T2に生成された電荷量に応じて第2の電圧レベルを生成する信号生成部(2、4、6、7)と、信号生成部(2、4、6、7)により生成された第1及び第2の電圧レベルを合成する信号合成部(M1〜Mn、9、11、13、14)を含む。
【選択図】図2
Description
また、前記信号合成部は、前記第1の電圧信号と前記第2の電圧信号とをそれぞれ所定の重み付けを施して合成することとしてもよい。
また、前記信号合成部は、同一容量の複数のキャパシタを含んでおり、前記第1のキャパシタは前記複数のキャパシタのうちの第1の個数のキャパシタを並列に接続したものであり、前記第2のキャパシタは前記複数のキャパシタのうち前記第1の個数と異なる第2の個数のキャパシタを並列に接続したものであることとしてもよい。
また、前記信号合成部は、前記第1の電圧信号の重み付けと前記第2の電圧信号の重み付けを任意に切り替え可能なこととしてもよい。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係るMOS型固体撮像装置100の構成を示す機能ブロック図である。
撮像画素90は、フォトダイオード1、信号生成部及び信号合成部を備えている。
信号生成部は、MOSトランジスタ2、4、6、7及びフローティングディフュージョンFを含む。MOSトランジスタ2は、フォトダイオード1とフローティングディフュージョンFとを結ぶ経路に挿設されている。MOSトランジスタ4は、フローティングディフュージョンFと基準電圧電源とを結ぶ経路に挿設されている。MOSトランジスタ6、7は、ソースフォロワを構成している。MOSトランジスタ6のゲートにはフローティングディフュージョンFの電圧VFが供給され、MOSトランジスタ6のドレインには電源電圧VDDが供給されている。MOSトランジスタ7のゲートにはバイアス電圧が供給されており、MOSトランジスタ7のソースにはグラウンド電圧が供給されている。MOSトランジスタ6、7により構成されるソースフォロワは、フローティングディフュージョンFの電圧VFにゲインを乗じて得られる電圧信号を出力する。
時刻t13から時刻t14まで、MOSトランジスタ9、11はオフ状態のまま、MOSトランジスタ17(1)、17(2)、17(3)がオン状態になる。このときキャパシタ19(1)、19(2)、19(3)、C0が並列に接続されることになる。この結果、M点の電圧VMは、レベルV19(1)1、V19(2)1、V19(3)1、VBの平均電圧VM4になる。
時刻t20から時刻t21まで、MOSトランジスタ9、11はオフ状態のまま、MOSトランジスタ17(1)、17(2)、17(3)がオン状態になる。このときキャパシタ19(1)、19(2)、19(3)、C0が並列に接続されることになる。この結果、M点の電圧VMは、レベルV19(1)3、V19(2)3、V19(3)3、VBの平均電圧VM6になる。
撮像画素90の蓄積電荷の上限dは、フォトダイオード1あるいはフローティングディフュージョンFの容量により定まる。直線aの傾きは、露光期間T1で電荷が飽和しない光強度の上限を示す。同様に、直線b、cの傾きは、露光期間T2、T3で電荷が飽和しない光強度の上限を示す。このように、露光期間が短いほど、光強度が強くても電荷が飽和しにくくなる。
撮像画素90の信号レベルの上限hは、蓄積電荷の上限dに対応して定まる。直線eは、露光期間T1の場合の光強度に対する信号レベルを示す。同様に、直線f、gは、露光期間T2、T3の場合の光強度に対する信号レベルを示す。このように、露光期間が短いほど、光強度が強くても信号レベルが飽和しにくくなる。
曲線iは、露光期間T1、T2、T3の信号レベルを合成した場合の光強度に対する信号レベルを示す。このように、露光期間が異なる信号レベルを合成することにより、光強度が弱くてもある程度の信号レベルを確保しつつ光強度が強くても信号レベルの飽和を防止することができる。これはダイナミックレンジが広くなることを意味する。なお実施の形態1では、キャパシタ19(1)〜19(n)の容量は同一である。そのため、合成後の信号レベルにおける露光期間T1、T2、T3の信号レベルの寄与率はいずれも等しくなる。
(実施の形態2)
実施の形態2では、AMI(Amplified MOS Imager)型の固体撮像装置について説明する。
撮像画素90は、フォトダイオード1、信号生成部及び信号合成部を備えている。信号合成部の構成は、実施の形態1と同様であるので説明を省略する。
時刻t3から時刻t4まで、MOSトランジスタ11はオフ状態のまま、MOSトランジスタ9、17(1)がオン状態になる。フォトダイオード1の電圧V1は、基準レベルVRから露光期間T1に生成された電荷量に応じた分だけ低下し、読出レベルV11になる。このときM点の電圧VMは、読出レベルV11にソースフォロワのゲインを乗じて得られるレベルVM1になり、キャパシタ19(1)の電圧V19(1)は、レベルVM1と略同じレベルV19(1)1になる。時刻t4を過ぎてMOSトランジスタ17(1)がオフ状態になれば、キャパシタ19(1)にレベルV19(1)1が保持される。
時刻t11から時刻t12まで、MOSトランジスタ9、11はオフ状態のまま、MOSトランジスタ17(1)、17(2)、17(3)がオン状態になる。このときキャパシタ19(1)、19(2)、19(3)、C0が並列に接続されることになる。この結果、M点の電圧VMは、レベルV19(1)1、V19(2)1、V19(3)1、VBの平均電圧VM4になる。
時刻t18から時刻t19まで、MOSトランジスタ9、11はオフ状態のまま、MOSトランジスタ17(1)、17(2)、17(3)がオン状態になる。このときキャパシタ19(1)、19(2)、19(3)、C0が並列に接続されることになる。この結果、M点の電圧VMは、レベルV19(1)3、V19(2)3、V19(3)3、VBの平均電圧VM6になる。
図9は、本発明の実施の形態2に係る撮像画素90の蓄積電荷と露光時間との関係を示す図である。
(実施の形態3)
実施の形態3では、メモリM1に含まれるキャパシタ19(1)の容量と、メモリM2〜Mnに含まれるキャパシタ19(2)〜19(n)の容量とが異なる。
これ以外の点については実施の形態1と同様なので説明を省略する。
メモリM1に含まれるキャパシタ19(1)の容量は2pFであり、メモリM2〜Mnに含まれるキャパシタ19(2)〜19(n)の容量はいずれも1pFである。このように、キャパシタ19(1)の容量をキャパシタ19(2)〜19(n)の容量よりも大きくすることで、露光期間T1、T2、T3にそれぞれ対応する電圧信号を合成したときに、露光期間T1に対応する電圧信号の寄与率を露光期間T2、T3にそれぞれ対応する電圧信号の寄与率よりも大きくすることができる。
曲線jは、露光期間T1、T2、T3の信号レベルを合成した場合の光強度に対する信号レベルを示す。実施の形態3では、キャパシタ19(1)、19(2)、19(3)の容量比は2:1:1である。そのため、合成後の信号レベルにおける露光期間T1、T2、T3の信号レベルの寄与率も2:1:1となる。このようにすることで、光強度が弱い領域(低輝度域)のコントラストを高めることができる。
(実施の形態4)
実施の形態4では、露光期間T1に対応する電圧信号を保持させるキャパシタの個数と、露光期間T2、T3に対応する電圧信号を保持させるキャパシタの個数とが異なる。これ以外の点については実施の形態1と同様なので説明を省略する。
カメラは、撮像チップ102、信号処理チップ103及び光学系105を備える。撮像チップ102には、MOS型固体撮像装置100及びタイミング生成部101が搭載されている。信号処理チップ103には、モード選択部104が搭載されている。タイミング生成部101は、モード選択部104により選択されたモードに応じた駆動信号を生成する。生成された駆動信号はMOS型固体撮像装置100に供給される。このような構成により、撮像条件に応じてコントラストを高める輝度域を動的に変更することができる。
(実施の形態5)
実施の形態5では、露光期間T1、T2、T3の信号レベルを逐次合成するMOS型固体撮像装置について説明する。
実施の形態5では信号合成部の構成が実施の形態1と異なる。これ以外の構成については実施の形態1と同様なので説明を省略する。
曲線iは、露光期間T1、T2、T3の信号レベルを合成した場合の光強度に対する信号レベルを示す。実施の形態5では、充電時間T4、T5、T6の長さは同一である。そのため、合成後の信号レベルにおける露光期間T1、T2、T3の信号レベルの寄与率はいずれも等しくなる。
(実施の形態6)
実施の形態6では、充電時間T4、T5、T6の長さが異なる。これ以外については実施の形態5と同様なので説明を省略する。
(実施の形態7)
図21は、本発明の実施の形態7に係る撮像画素90の構成を示す図である。
信号合成部は、MOSトランジスタ13、14、41、44、キャパシタ43、46を含む。MOSトランジスタ41及びキャパシタ43は、MOSトランジスタ6、7により構成されるソースフォロワの出力ノードとグラウンドとを結ぶ経路に挿設されている。MOSトランジスタ44及びキャパシタ46は、MOSトランジスタ41及びキャパシタ43の接続ノードとグラウンドとを結ぶ経路に挿設されている。MOSトランジスタ13、14は、ソースフォロワを構成している。MOSトランジスタ13のドレインには電源電圧VDDが供給され、MOSトランジスタ13のゲートにはキャパシタ46の電圧V46が供給される。MOSトランジスタ14のゲート15にはバイアス電圧が供給されており、MOSトランジスタ14のソースにはグラウンド電圧が供給されている。MOSトランジスタ13、14により構成されるソースフォロワは、キャパシタ46の電圧V46にゲインを乗じて得られる電圧V16を出力する。
信号レベルV1、V2、V3の寄与率は、キャパシタ43とキャパシタ46との容量比Nに応じて異なる。例えばNが2のとき、すなわちキャパシタ46の容量がキャパシタ43の容量の2倍であるとき、信号レベルV1、V2、V3の寄与率は、21:32:47になる(図24参照)。
(実施の形態8)
実施の形態8では、露光期間T1、T2、T3の信号レベルを足し合せて合成するMOS型固体撮像装置について説明する。
実施の形態8では信号合成部の構成が実施の形態1と異なる。これ以外の構成については実施の形態1と同様なので説明を省略する。
91 MOSトランジスタ
92 共通垂直信号線
93 ノイズキャンセル回路
94 MOSトランジスタ
95 共通信号線
96 垂直走査回路
97 信号出力線
98 水平走査回路
99 信号出力線
100 MOS型固体撮像装置
101 タイミング生成部
102 撮像チップ
103 信号処理チップ
104 モード選択部
105 光学系
Claims (13)
- 複数の画素を備えた固体撮像装置であって、
各画素は、
入射光の強度に応じて電荷を生成するフォトダイオードと、
ソースフォロワを含む回路構成を有し、前記フォトダイオードにより第1の露光期間に生成された電荷量に応じた第1の電圧信号と前記フォトダイオードにより前記第1の露光期間と長さが異なる第2の露光期間に生成された電荷量に応じた第2の電圧信号とを1フレーム期間に前記ソースフォロワから出力する信号生成部と、
前記ソースフォロワから出力された前記第1及び第2の電圧信号を保持する少なくともひとつのキャパシタを含む回路構成を有し、前記キャパシタに保持された第1及び第2の電圧信号を合成する信号合成部と
を含むことを特徴とする固体撮像装置。 - 前記信号合成部は、
第1のキャパシタと、前記第1のキャパシタと同一容量の第2のキャパシタとを含んでおり、
前記第1の電圧信号を第1のキャパシタに保持し、前記第2の電圧信号を前記第2のキャパシタに保持し、前記第1の電圧信号が保持されている第1のキャパシタと前記第2の電圧信号が保持されている第2のキャパシタとを並列に接続すること
を特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記信号合成部は、
前記第1の電圧信号と前記第2の電圧信号とをそれぞれ所定の重み付けを施して合成すること
を特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記信号合成部は、
第1のキャパシタと、前記第1のキャパシタと異なる容量の第2のキャパシタとを含んでおり、
前記第1の電圧信号を第1のキャパシタに保持し、前記第2の電圧信号を前記第2のキャパシタに保持し、前記第1の電圧信号が保持されている第1のキャパシタと前記第2の電圧信号が保持されている第2のキャパシタとを並列に接続すること
を特徴とする請求項3に記載の固体撮像装置。 - 前記信号合成部は、
同一容量の複数のキャパシタを含んでおり、
前記第1のキャパシタは前記複数のキャパシタのうちの第1の個数のキャパシタを並列に接続したものであり、前記第2のキャパシタは前記複数のキャパシタのうち前記第1の個数と異なる第2の個数のキャパシタを並列に接続したものであること
を特徴とする請求項4に記載の固体撮像装置。 - 前記信号合成部は、
前記第1の電圧信号の重み付けと前記第2の電圧信号の重み付けを任意に切り替え可能なこと
を特徴とする請求項3に記載の固体撮像装置。 - 前記信号合成部は、
第1のキャパシタと、前記第1のキャパシタよりも小さな容量の第2のキャパシタとを含んでおり、
第1のモードでは前記第1の電圧信号を第1のキャパシタに保持し、前記第2の電圧信号を前記第2のキャパシタに保持し、前記第1の電圧信号が保持されている第1のキャパシタと前記第2の電圧信号が保持されている第2のキャパシタとを並列に接続し、
第2のモードでは前記第1の電圧信号を前記第2のキャパシタに保持し、前記第2の電圧信号を前記第1のキャパシタに保持し、前記第2の電圧信号が保持されている第1のキャパシタと前記第1の電圧信号が保持されている第2のキャパシタとを並列に接続すること
を特徴とする請求項6に記載の固体撮像装置。 - 前記信号合成部は、
同一容量の複数のキャパシタを含んでおり、
第1のモードでは前記第1の電圧信号を前記複数のキャパシタのうちの第1の個数のキャパシタに保持し、前記第2の電圧信号を前記複数のキャパシタのうちの前記第1の個数よりも少ない第2の個数のキャパシタに保持し、前記第1の電圧信号が保持されている第1の個数のキャパシタと前記第2の電圧信号が保持されている第2の個数のキャパシタとを並列に接続し、
第2のモードでは前記第1の電圧信号を前記複数のキャパシタのうちの第3の個数のキャパシタに保持し、前記第2の電圧信号を前記複数のキャパシタのうちの前記第3の個数よりも多い第4の個数のキャパシタに保持し、前記第1の電圧信号が保持されている第3の個数のキャパシタと前記第2の電圧信号が保持されている第4の個数のキャパシタとを並列に接続すること
を特徴とする請求項6に記載の固体撮像装置。 - 前記信号合成部は、
信号保持用のキャパシタと信号合成用のキャパシタとを含んでおり、
前記第1の電圧信号を前記信号保持用のキャパシタに保持し、第1の充電期間に前記信号保持用のキャパシタに保持された第1の電圧信号に応じた第1の電流により前記信号合成用のキャパシタを充電し、前記第1の充電期間の経過後に前記第2の電圧信号を前記信号保持用のキャパシタに保持し、前記第1の充電期間と同じ長さの第2の充電期間に前記第2の電圧信号に応じた第2の電流により前記信号合成用のキャパシタをさらに充電すること
を特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記信号合成部は、
信号保持用のキャパシタと信号合成用のキャパシタとを含んでおり、
前記第1の電圧信号を前記信号保持用のキャパシタに保持し、第1の充電期間に前記信号保持用のキャパシタに保持された第1の電圧信号に応じた第1の電流により前記信号合成用のキャパシタを充電し、前記第1の充電期間の経過後に前記第2の電圧信号を前記信号保持用のキャパシタに保持し、前記第1の充電期間と異なる長さの第2の充電期間に前記第2の電圧信号に応じた第2の電流により前記信号合成用のキャパシタをさらに充電すること
を特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記信号合成部は、
信号保持用のキャパシタと信号合成用のキャパシタとを含んでおり、
前記第1の電圧信号を前記信号保持用のキャパシタに保持し、前記信号合成用のキャパシタと前記第1の電圧信号が保持されている信号保持用のキャパシタとを並列に接続してから切り離し、その後、前記第2の電圧信号を前記信号保持用のキャパシタに保持し、前記第1の電圧信号に基づく電圧信号が保持されている信号合成用のキャパシタと前記第2の電圧信号が保持されている信号保持用のキャパシタとを並列に接続すること
を特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記信号合成部は、
第1のキャパシタと第2のキャパシタとを含んでおり、
前記第1の電圧信号を前記第1のキャパシタに保持し、前記第2の電圧信号を前記第2のキャパシタに保持し、前記第1の電圧信号が保持されている第1のキャパシタと前記第2の電圧信号が保持されている第2のキャパシタとを直列に接続すること
を特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - 固体撮像装置を備えたカメラであって、
前記固体撮像装置は、複数の画素を備え、
各画素は、
入射光の強度に応じて電荷を生成するフォトダイオードと、
ソースフォロワを含む回路構成を有し、前記フォトダイオードにより第1の露光期間に生成された電荷量に応じた第1の電圧信号と前記フォトダイオードにより前記第1の露光期間と長さが異なる第2の露光期間に生成された電荷量に応じた第2の電圧信号とを1フレーム期間に前記ソースフォロワから出力する信号生成部と、
前記ソースフォロワから出力された前記第1及び第2の電圧信号を保持する少なくともひとつのキャパシタを含む回路構成を有し、前記キャパシタに保持された第1及び第2の電圧信号を合成する信号合成部と
を含むことを特徴とするカメラ。
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