JP2009033520A - Solid-state imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像装置に関するものである。 The present invention relates to a solid-state imaging device.
ビデオカメラや電子スチルカメラなどでは、CCD型や増幅型の固体撮像装置が使用されている。このような固体撮像装置では、光電変換部を有する画素がマトリクス状に複数配置されており、各画素の光電変換部にて信号電荷を生成する。増幅型固体撮像装置では、画素の光電変換部にて生成・蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョン等の電荷電圧変換部に導き、電荷電圧変換部で信号電荷を電圧に変換し、その電圧に応じた信号を画素に設けられた増幅部によって画素から出力する。 In a video camera, an electronic still camera, and the like, a CCD type or amplification type solid-state imaging device is used. In such a solid-state imaging device, a plurality of pixels each having a photoelectric conversion unit are arranged in a matrix, and signal charges are generated by the photoelectric conversion unit of each pixel. In the amplification type solid-state imaging device, the signal charge generated and accumulated in the photoelectric conversion unit of the pixel is led to a charge-voltage conversion unit such as a floating diffusion, and the signal charge is converted into a voltage by the charge-voltage conversion unit. The signal is output from the pixel by an amplifier provided in the pixel.
このような増幅型固体撮像装置等のXYアドレス型などの固体撮像装置では、一般的に、複数の画素の各列に対応して設けられ対応する列の画素の出力信号が供給される垂直信号線と、前記各垂直信号線に対応して設けられた光出力信号用蓄積容量及び暗出力信号用蓄積容量と、画素からの光出力信号(画素で光電変換された光情報を含む画素出力信号)を垂直信号線を介して光出力信号用蓄積容量に蓄積させる光出力信号用サンプリングスイッチと、画素からの暗出力信号(前記光情報を含まない画素出力信号)を垂直信号線を介して暗出力信号用蓄積容量に蓄積させる暗出力信号用サンプリングスイッチと、光出力信号用蓄積容量に蓄積された光出力信号を光出力信号用水平信号線に転送させる光出力信号用水平転送スイッチと、暗出力信号用蓄積容量に蓄積された暗出力信号を暗出力信号用水平信号線に転送させる暗出力信号用水平転送スイッチと、を備えている。 In such an XY address type solid-state image pickup device such as an amplification type solid-state image pickup device, generally, a vertical signal provided corresponding to each column of a plurality of pixels and supplied with an output signal of a pixel in the corresponding column. A light output signal storage capacitor and a dark output signal storage capacitor provided corresponding to each vertical signal line, and a light output signal from the pixel (a pixel output signal including light information photoelectrically converted by the pixel). ) Is stored in the optical output signal storage capacitor via the vertical signal line, and the dark output signal from the pixel (the pixel output signal not including the optical information) is darkened via the vertical signal line. A dark output signal sampling switch for storing in the output signal storage capacitor, a light output signal horizontal transfer switch for transferring the light output signal stored in the light output signal storage capacitor to the light output signal horizontal signal line, output And a, a horizontal transfer switch dark output signal for transferring the dark output signal stored in the issue for the storage capacitor to the horizontal signal line dark output signal.
このような固体撮像装置では、画素が1行ずつ選択されていき、選択行の画素の暗出力信号及び光出力信号が順次暗出力信号用蓄積容量及び光出力信号用蓄積容量にそれぞれ蓄積され、選択行の水平走査期間において、暗出力信号用蓄積容量及び光出力信号用蓄積容量にそれぞれ蓄積されていた暗出力信号及び光出力信号が、暗出力信号用水平転送スイッチ及び光出力信号用水平転送スイッチによって、暗出力信号用水平信号線及び光出力信号用水平信号線にそれぞれ転送される。 In such a solid-state imaging device, pixels are selected row by row, and the dark output signal and the light output signal of the pixels in the selected row are sequentially stored in the dark output signal storage capacitor and the light output signal storage capacitor, respectively. The dark output signal and the optical output signal stored in the dark output signal storage capacitor and the optical output signal storage capacitor in the horizontal scanning period of the selected row are the dark output signal horizontal transfer switch and the optical output signal horizontal transfer, respectively. The signals are transferred to the dark output signal horizontal signal line and the optical output signal horizontal signal line by the switch.
そして、このような固体撮像装置としては、暗出力信号用水平信号線の暗出力信号と光出力信号用水平信号線の光出力信号との間の差分を、当該固体撮像素子内に設けられた差動アンプ等でとって、その差分信号を外部へ出力するものと、暗出力信号用水平信号線の暗出力信号と光出力信号用水平信号線の光出力信号とをそれぞれ並列的に当該固体撮像素子の外部へ出力して、外部回路等にて両信号の差分をとるものとが、知られている。後者の例として、下記特許文献1に開示された固体撮像装置を挙げることができる。
And as such a solid-state imaging device, the difference between the dark output signal of the horizontal signal line for dark output signals and the optical output signal of the horizontal signal line for optical output signals is provided in the solid-state imaging device. A differential amplifier or the like that outputs the difference signal to the outside, and the dark output signal of the horizontal signal line for dark output signal and the optical output signal of the horizontal signal line for light output signal in parallel with each other in parallel. It is known that the signal is output to the outside of the image sensor and the difference between both signals is obtained by an external circuit or the like. As an example of the latter, the solid-state imaging device disclosed in
このような固体撮像装置によれば、光出力信号と暗出力信号との差分を得ることができるので、いわゆる固定パターンノイズ等のノイズが除去され、画質が高まる。
しかしながら、特許文献1に開示されているような従来の固体撮像装置では、画素を1行ずつ選択し、選択行の画素の暗出力信号及び光出力信号を順次暗出力信号用蓄積容量及び光出力信号用蓄積容量にそれぞれ蓄積しなければならず、画素からの光出力信号及び暗出力信号のサンプリングに比較的長い時間を要するとともに水平走査期間も長くなってしまい、ひいては、信号読み出し動作を高速に行うことができなかった。
However, in a conventional solid-state imaging device as disclosed in
本発明は、実質的に光出力信号と暗出力信号との差分を得ることが可能であるにも拘わらず、信号読み出し動作を高速化することができる固体撮像装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of speeding up a signal reading operation even though a difference between a light output signal and a dark output signal can be substantially obtained. .
本発明者は、研究の結果、各画素の光出力信号及び暗出力信号をそれぞれ別々の蓄積部に蓄積させるべきであるという従来の技術常識に反して、各蓄積部に蓄積させる信号(サンプリング信号)を下記の第1又は第3の態様のように設定することで、信号のサンプリング時間及び水平走査期間を短縮して信号読み出し動作を高速化することができることを見出した。 As a result of research, the present inventor has found that the light output signal and the dark output signal of each pixel should be stored in separate storage units, contrary to the conventional common sense that the signals (sampling signals) to be stored in each storage unit. ) Is set as in the following first or third aspect, it has been found that the signal sampling operation and the horizontal scanning period can be shortened to speed up the signal readout operation.
本発明は、このような本発明者により見出された新たな知見に基づいてなされたもので、前記課題を解決するため、本発明の第1の態様による固体撮像装置は、2次元に配置され入射光を光電変換する複数の画素と、前記複数の画素の各列に対応して設けられ対応する列の前記画素の出力信号が供給される垂直信号線と、前記各垂直信号線に対応してN個(Nは3以上の整数)ずつ設けられ供給された信号を蓄積する信号蓄積部と、前記各信号蓄積部に対応して設けられた第1のスイッチであって、対応する信号蓄積部に対応する前記垂直信号線から当該信号蓄積部への信号の供給をオンオフする第1のスイッチと、前記各信号蓄積部に対応して設けられた第2のスイッチであって、対応する信号蓄積部から所定の水平信号線への信号の供給をオンオフする第2のスイッチと、前記複数の画素並びに前記第1及び第2のスイッチを制御する制御手段と、を備えたものである。前記制御手段は、前記各垂直信号線に関して、当該垂直信号線に対応して設けられた前記N個の信号蓄積部にそれぞれ任意の順番で1からNまでの番号を付すとともに、当該垂直信号線に対応する列の画素のうちの選択されるN−1個の画素にそれぞれ任意の順番で1からN−1までの番号を付し、mを2からN−1までの整数であるとしたときに、1番の信号蓄積部には、1番からN−1番までの画素の暗出力信号が重畳された信号に応じた信号が蓄積され、m番の信号蓄積部には、1番からm−1番までの画素の暗出力信号及びm番からN−1番までの画素の光出力信号が重畳された信号に応じた信号が蓄積され、かつ、N番の信号蓄積部には、1番からN−1番までの画素の光出力信号が重畳された信号に応じた信号が蓄積されるように、前記複数の画素及び前記第1のスイッチを制御する。 The present invention has been made on the basis of such new knowledge found by the present inventor. In order to solve the above problems, the solid-state imaging device according to the first aspect of the present invention is two-dimensionally arranged. A plurality of pixels for photoelectrically converting incident light, a vertical signal line provided corresponding to each column of the plurality of pixels and supplied with an output signal of the pixel in a corresponding column, and corresponding to each vertical signal line A signal accumulating unit for accumulating N signals (N is an integer of 3 or more) and a supplied signal, and a first switch provided corresponding to each signal accumulating unit, A first switch for turning on / off the supply of a signal from the vertical signal line corresponding to the storage unit to the signal storage unit, and a second switch provided for each of the signal storage units, Supplying signals from the signal storage unit to a predetermined horizontal signal line A second switch for turning on and off, the plurality of pixels and control means for controlling said first and second switches, in which with a. For each of the vertical signal lines, the control unit assigns a number from 1 to N in an arbitrary order to each of the N signal storage units provided corresponding to the vertical signal lines, and the vertical signal lines N-1 pixels selected from the pixels in the column corresponding to are numbered from 1 to N-1 in any order, and m is an integer from 2 to N-1. In some cases, a signal corresponding to a signal on which dark output signals of pixels Nos. 1 to N−1 are superimposed is stored in the first signal storage unit, and the first signal storage unit stores the first signal storage unit. A signal corresponding to a signal obtained by superimposing a dark output signal of pixels No. 1 to m−1 and a light output signal of pixels No. m to No. N−1 is accumulated, and the No. N signal accumulation unit A signal corresponding to a signal in which the light output signals of pixels No. 1 to N−1 are superimposed is accumulated. Controls the plurality of pixels and said first switch.
前記第1の態様において、前記光出力信号は、画素で光電変換された光情報を含む画素出力信号である。前記暗出力信号は、前記光情報を含まない画素出力信号である。 In the first aspect, the light output signal is a pixel output signal including light information photoelectrically converted by a pixel. The dark output signal is a pixel output signal that does not include the optical information.
本発明の第2の態様による固体撮像装置は、前記第1の態様において、前記各画素は、入射光に応じた信号電荷を生成し蓄積する光電変換部、前記信号電荷を受け取って前記信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部、該電荷電圧変換部の電位に応じた信号を出力する増幅部、前記光電変換部から前記電荷電圧変換部に電荷を転送する電荷転送部、前記電荷電圧変換部の電位をリセットするリセット部、及び、当該画素を選択する選択部を有するものである。 The solid-state imaging device according to a second aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to the first aspect, wherein each of the pixels generates and stores a signal charge corresponding to incident light, receives the signal charge, and receives the signal charge. A charge-voltage conversion unit that converts a voltage into a voltage, an amplification unit that outputs a signal corresponding to the potential of the charge-voltage conversion unit, a charge transfer unit that transfers charges from the photoelectric conversion unit to the charge-voltage conversion unit, and the charge-voltage conversion A reset unit that resets the potential of the unit and a selection unit that selects the pixel.
本発明の第3の態様による固体撮像装置は、2次元に配置され入射光を光電変換する複数の画素と、前記複数の画素の各列に対応して設けられ対応する列の前記画素の出力信号が供給される垂直信号線と、前記各垂直信号線に対応してN個(Nは3以上の整数)ずつ設けられ供給された信号を蓄積する信号蓄積部と、前記各信号蓄積部に対応して設けられた第1のスイッチであって、対応する信号蓄積部に対応する前記垂直信号線から当該信号蓄積部への信号の供給をオンオフする第1のスイッチと、前記各信号蓄積部に対応して設けられた第2のスイッチであって、対応する信号蓄積部から所定の水平信号線への信号の供給をオンオフする第2のスイッチと、前記複数の画素並びに前記第1及び第2のスイッチを制御する制御手段と、を備えたものである。前記各画素は、入射光に応じた信号電荷を生成し蓄積する光電変換部、前記信号電荷を受け取って前記信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部、該電荷電圧変換部の電位に応じた信号を出力する増幅部、前記光電変換部から前記電荷電圧変換部に電荷を転送する電荷転送部、前記電荷電圧変換部の電位をリセットするリセット部、及び、当該画素を選択する選択部を有する。前記複数の画素は、前記光電変換部が列方向に順次並んだN−1個の画素毎に画素ブロックをなす。前記画素ブロック毎に、当該画素ブロックに属する前記N−1個の画素が1組の前記電荷電圧変換部、前記増幅部、前記リセット部及び前記選択部を共有する。前記制御手段は、前記各垂直信号線に関して、当該垂直信号線に対応して設けられた前記N個の信号蓄積部にそれぞれ任意の順番で1からNまでの番号を付すとともに、当該垂直信号線に対応する列の画素のうちの選択される前記画素ブロックのN−1個の画素にそれぞれ任意の順番で1からN−1までの番号を付し、mを2からN−1までの整数であるとしたときに、1番の信号蓄積部には、1番からN−1番までの画素の信号電荷が当該画素ブロックの前記電荷電圧変換部に転送されていない状態における当該画素ブロックの出力信号に応じた信号が蓄積され、m番の信号蓄積部には、1番からm−1番までの画素の信号電荷が当該画素ブロックの前記電荷電圧変換部に転送されていないとともにm番からN−1番までの画素の信号電荷が当該画素ブロックの前記電荷電圧変換部に転送された状態における当該画素ブロックの出力信号に応じた信号が蓄積され、かつ、N番の信号蓄積部には、1番からN−1番までの画素の信号電荷が当該画素ブロックの前記電荷電圧変換部に転送された状態における当該画素ブロックの出力信号に応じた信号が蓄積されるように、前記複数の画素及び前記第1のスイッチを制御する。 The solid-state imaging device according to the third aspect of the present invention includes a plurality of pixels that are two-dimensionally arranged to photoelectrically convert incident light, and an output of the pixels in a corresponding column provided corresponding to each column of the plurality of pixels. A vertical signal line to which a signal is supplied, a signal storage unit that stores N signals (N is an integer of 3 or more) corresponding to each vertical signal line, and stores the supplied signals; A first switch provided correspondingly, the first switch for turning on / off the supply of a signal from the vertical signal line corresponding to the corresponding signal storage unit to the signal storage unit, and each of the signal storage units A second switch provided corresponding to the second switch for turning on / off the supply of a signal from the corresponding signal storage unit to a predetermined horizontal signal line, the plurality of pixels, and the first and second switches And a control means for controlling the switch of 2. Those were. Each of the pixels includes a photoelectric conversion unit that generates and accumulates signal charges according to incident light, a charge-voltage conversion unit that receives the signal charges and converts the signal charges into a voltage, and a voltage according to the potential of the charge-voltage conversion unit An amplification unit that outputs a signal; a charge transfer unit that transfers charges from the photoelectric conversion unit to the charge-voltage conversion unit; a reset unit that resets the potential of the charge-voltage conversion unit; and a selection unit that selects the pixel . The plurality of pixels form a pixel block for every N−1 pixels in which the photoelectric conversion units are sequentially arranged in the column direction. For each pixel block, the N−1 pixels belonging to the pixel block share a set of the charge voltage conversion unit, the amplification unit, the reset unit, and the selection unit. For each of the vertical signal lines, the control unit assigns a number from 1 to N in an arbitrary order to each of the N signal storage units provided corresponding to the vertical signal lines, and the vertical signal lines N-1 pixels of the selected pixel block among the pixels in the column corresponding to are numbered from 1 to N-1 in any order, and m is an integer from 2 to N-1 In the first signal storage unit, the signal charges of the pixel blocks in the state where the signal charges of the pixels from No. 1 to N−1 are not transferred to the charge voltage conversion unit of the pixel block. A signal corresponding to the output signal is accumulated, and the signal charge of the pixels from No. 1 to m−1 is not transferred to the charge voltage conversion unit of the pixel block in the mth signal accumulation unit and the mth signal accumulation unit. To N-1 pixel signal charges Signals corresponding to the output signals of the pixel block in the state transferred to the charge-voltage conversion unit of the pixel block are accumulated, and pixels Nos. 1 to N−1 are stored in the Nth signal accumulation unit. The plurality of pixels and the first switch are controlled so that a signal corresponding to the output signal of the pixel block in a state where the signal charge of the pixel block is transferred to the charge-voltage conversion unit of the pixel block is accumulated.
本発明の第4の態様による固体撮像装置は、前記第1乃至第3のいずれかの態様において、前記各垂直信号線に関して、当該垂直信号線に対応して設けられた前記N個の信号蓄積部からの信号は、当該N個の信号蓄積部にそれぞれ対応する前記第2のスイッチをそれぞれ介して、互いに異なる水平信号線へそれぞれ供給されるものである。 The solid-state imaging device according to a fourth aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to any one of the first to third aspects, wherein the N signal accumulations corresponding to the vertical signal lines are provided for the vertical signal lines. The signals from the units are supplied to different horizontal signal lines through the second switches respectively corresponding to the N signal storage units.
本発明の第5の態様による固体撮像装置は、前記第4の態様において、前記制御手段は、前記N個の信号蓄積部から前記互いに異なる水平信号線へそれぞれ信号が同時に供給されるように、前記第2のスイッチを制御するものである。 The solid-state imaging device according to a fifth aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to the fourth aspect, wherein the control means is configured to simultaneously supply signals from the N signal storage units to the different horizontal signal lines. The second switch is controlled.
本発明の第6の態様による固体撮像装置は、前記第4又は第5の態様において、前記水平信号線の本数はN本であり、前記各垂直信号線に関して、当該垂直信号線に対応して設けられた前記N個の信号蓄積部からの信号は、当該N個の信号蓄積部にそれぞれ対応する前記第2のスイッチを介して、前記N本の水平信号線のうちのいずれかの水平信号線にそれぞれ供給されるものである。 In the solid-state imaging device according to the sixth aspect of the present invention, in the fourth or fifth aspect, the number of the horizontal signal lines is N, and each vertical signal line corresponds to the vertical signal line. A signal from the N signal storage units provided is supplied to any one of the N horizontal signal lines through the second switch corresponding to the N signal storage units. Each is supplied to a line.
本発明の第7の態様による固体撮像装置は、前記第4又は第5の態様において、前記複数の画素の各列に対応して設けられた前記垂直信号線は、(i)複数のグループに分けられ、(ii)前記水平信号線は、前記垂直信号線の各グループ毎に当該グループに対応してN本ずつ設けられ、(iii)前記各グループ毎に、当該グループに属する前記各垂直信号線に関して、当該垂直信号線に対応して設けられた前記N個の信号蓄積部からの信号は、当該N個の信号蓄積部にそれぞれ対応する前記第2のスイッチを介して、当該グループに対応して設けられた前記N本の水平信号線のうちのいずれかの水平信号線にそれぞれ供給されるものである。 The solid-state imaging device according to a seventh aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to the fourth or fifth aspect, wherein the vertical signal lines provided corresponding to the columns of the plurality of pixels are (i) a plurality of groups. (Ii) N horizontal signal lines are provided for each group of the vertical signal lines in correspondence with the group, and (iii) each vertical signal belonging to the group is provided for each group. With respect to the line, signals from the N signal storage units provided corresponding to the vertical signal lines correspond to the group via the second switches respectively corresponding to the N signal storage units. Are supplied to any one of the N horizontal signal lines provided.
本発明の第8の態様による固体撮像装置は、前記第1乃至第7のいずれかの態様において、kを1からN−1までの整数であるとしたときに、k番の信号蓄積部からの信号とk+1番の信号蓄積部からの信号との間の差分に応じた信号をそれぞれ得る信号処理手段を備えたものである。 A solid-state imaging device according to an eighth aspect of the present invention provides a solid-state imaging device according to any one of the first to seventh aspects, wherein k is an integer from 1 to N−1, And signal processing means for obtaining signals corresponding to the difference between the signal No. 1 and the signal from the k + 1-th signal storage unit.
本発明によれば、本発明は、実質的に光出力信号と暗出力信号との差分を得ることが可能であるにも拘わらず、信号読み出し動作を高速化することができる固体撮像装置を提供することができる。 According to the present invention, the present invention provides a solid-state imaging device capable of speeding up a signal reading operation even though a difference between a light output signal and a dark output signal can be substantially obtained. can do.
以下、本発明による固体撮像装置について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, a solid-state imaging device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[第1の実施の形態] [First Embodiment]
図1は、本発明の第1の実施の形態による固体撮像装置を示す概略ブロック図である。本実施の形態による固体撮像装置は、図1に示すように、イメージセンサ(固体撮像素子)1と、いわゆるタイミングジェネレータ(図示せず)を含みイメージセンサ1の垂直走査回路12(図2参照)及び水平走査回路13(図2参照)に駆動パルス等を供給してイメージセンサ1を制御する外部制御部2と、イメージセンサ1から得られる信号を処理して画像信号を得る外部信号処理部3と、を備えている。
FIG. 1 is a schematic block diagram showing a solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the solid-state imaging device according to the present embodiment includes an image sensor (solid-state imaging device) 1 and a so-called timing generator (not shown), and a
図2は、図1中のイメージセンサ1を示す回路図である。このイメージセンサ1は、CMOS型固体撮像素子として構成されている。
FIG. 2 is a circuit diagram showing the
図2に示すように、このイメージセンサ1は、一般的なCMOS型固体撮像素子と同様に、2次元状に配置された複数の単位画素11(図2では、2×2個の画素11のみを示す。)と、垂直走査回路12と、水平走査回路13と、画素11の各列に対応して設けられ対応する列の画素11の出力信号が供給される垂直信号線14と、各垂直信号線14に接続された定電流源15とを有している。なお、画素11の数が限定されるものではないことは、言うまでもない。
As shown in FIG. 2, the
このイメージセンサ1は、一般的なCMOS固体撮像素子とは異なり、N本(本実施の形態では、3本)の水平信号線16−1〜16−3と、各垂直信号線14に対応してN個(本実施の形態では、3個)ずつ設けられ供給された信号を蓄積する信号蓄積部としての蓄積容量C1〜C3と、各蓄積容量C1〜C3に対応して設けられた第1のスイッチTV1〜TV3と、各蓄積容量C1〜C3に対応して設けられた第2のスイッチTH1〜TH3と、水平信号線16−1〜16−3にそれぞれ接続された出力アンプAP1〜AP3とを有している。本実施の形態では、第1のスイッチTV1〜TV3及び第2のスイッチTH1〜TH3は、全てnMOSトランジスタである。なお、実際には、水平信号線16−1〜16−3をそれぞれ所定タイミングで所定の電位にリセットするための各トランジスタが設けられるが、それらのトランジスタの図示は省略している。
Unlike a general CMOS solid-state imaging device, the
第1のスイッチTV1〜TV3は、各垂直信号線14と蓄積容量C1〜C3の一端との間にそれぞれ設けられ、対応する蓄積容量C1〜C3に対応する垂直信号線14から当該蓄積容量C1〜C3への信号の供給をオンオフする。蓄積容量C1〜C3の他端はそれぞれ接地されている。各第1のスイッチTV1のゲートは、共通に接続されて、外部制御部2から制御信号φTV1を受ける。各第1のスイッチTV2のゲートは、共通に接続されて、外部制御部2から制御信号φTV2を受ける。各第1のスイッチTV3のゲートは、共通に接続されて、外部制御部2から制御信号φTV3を受ける。
The first switches TV1 to TV3 are provided between the
第2のスイッチTH1〜TH3は、蓄積容量C1〜C3の前記一端と水平信号線16−1〜16−3との間にそれぞれ設けられ、対応する蓄積容量C1〜C3から水平信号線16−1〜16−3への信号の供給をオンオフする。各第1のスイッチTH1〜TH3のゲートは、水平走査回路13から制御信号φH1〜φH3をそれぞれ受ける。
The second switches TH1 to TH3 are provided between the one end of the storage capacitors C1 to C3 and the horizontal signal lines 16-1 to 16-3, respectively, and the corresponding storage capacitors C1 to C3 to the horizontal signal line 16-1 are provided. Turn on / off the supply of signals to ˜16-3. The gates of the first switches TH1 to TH3 receive control signals φH1 to φH3 from the
各画素11は、一般的なCMOS型固体撮像素子と同様に、入射光に応じた信号電荷を生成し蓄積する光電変換部としてのフォトダイオードPDと、前記信号電荷を受け取って前記信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部としてのフローティングディフュージョンFDと、フローティングディフュージョンFDの電位に応じた信号を出力する増幅部としての増幅トランジスタAMPと、フォトダイオードPDからフローティングディフュージョンFDに電荷を転送する電荷転送部としての転送トランジスタTXと、フローティングディフュージョンFDの電位をリセットするリセット部としてのリセットトランジスタRESと、当該画素11を選択するための選択部としての選択トランジスタSELとを有し、図2に示すように接続されている。なお、本実施の形態では、画素11のトランジスタAMP,TX,RES,SELは、全てnMOSトランジスタである。図2において、Vddは電源電圧である。
Each
転送トランジスタTXのゲートは、行毎に、垂直走査回路12からの転送トランジスタTXを制御する制御信号φTXを転送トランジスタTXに供給する制御線に、接続されている。リセットトランジスタRESのゲートは、行毎に、垂直走査回路12からのリセットトランジスタRESを制御する制御信号φRESをリセットトランジスタRESに供給する制御線に、接続されている。選択トランジスタSELのゲートは、行毎に、垂直走査回路12からの選択トランジスタSELを制御する制御信号φSELを選択トランジスタSELに供給する制御線に、接続されている。
The gate of the transfer transistor TX is connected to a control line for supplying a control signal φTX for controlling the transfer transistor TX from the
フォトダイオードPDは、入射光の光量(被写体光)に応じて信号電荷を生成する。転送トランジスタTXは、転送パルス(制御信号)φTXのハイレベル期間にオンし、フォトダイオードPDに蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョンFDに転送する。リセットトランジスタRESは、リセットパルス(制御信号)φRESのハイレベル期間にオンし、フローティングディフュージョンFDをリセットする。 The photodiode PD generates a signal charge according to the amount of incident light (subject light). The transfer transistor TX is turned on during the high level period of the transfer pulse (control signal) φTX, and transfers the signal charge accumulated in the photodiode PD to the floating diffusion FD. The reset transistor RES is turned on during a high level period of the reset pulse (control signal) φRES to reset the floating diffusion FD.
増幅トランジスタAMPは、そのドレインが電源電圧Vddに接続され、そのゲートがフローティングディフュージョンFDに接続され、そのソースが選択トランジスタSELのドレインに接続され、定電流源15を負荷とするフォースフォロア回路を構成している。増幅トランジスタAMPは、フローティングディフュージョンFDの電圧値に応じて、選択トランジスタSELを介して垂直信号線14に読み出し電流を出力する。選択トランジスタSELは、選択パルス(制御信号)φSELのハイレベル期間にオンし、増幅トランジスタAMPのソースを垂直信号線14に接続する。
The amplification transistor AMP has a drain connected to the power supply voltage Vdd, a gate connected to the floating diffusion FD, a source connected to the drain of the selection transistor SEL, and a force follower circuit having the constant
垂直走査回路12は、外部制御部2からの駆動パルス(図示せず)を受けて、画素11の行毎に、選択パルスφSEL、リセットパルスφRES及び転送パルスφTXをそれぞれ出力する。また、水平走査回路13は、外部制御部2からの駆動パルス(図示せず)を受けて、制御信号φH1〜φH3を出力する。さらに、前述したように、外部制御部2は、制御信号φTV1〜φTV3を出力する。したがって、本実施の形態では、外部制御部2、垂直走査回路12及び水平走査回路13が、画素11、第1のスイッチTV1〜TV3及び第2のスイッチTH1〜TH3を制御する制御手段を構成している。
The
そして、本実施の形態では、外部制御部2、垂直走査回路12及び水平走査回路13は、各垂直信号線14に関して、当該垂直信号線14に対応して設けられたN個(本実施の形態では、3個)の蓄積容量C1〜C3にそれぞれ任意の順番で1からN(本実施の形態では、3)までの番号を付すとともに、当該垂直信号線14に対応する列の画素11のうちの選択されるN−1個(本実施の形態では、2個)の画素11にそれぞれ任意の順番で1からN−1(本実施の形態では、2)までの番号を付し、mを2からN−1(本実施の形態では、2)までの整数であるとしたときに、1番の蓄積容量には、1番からN−1番(本実施の形態では、2番)までの画素11の暗出力信号が重畳された信号に応じた信号が蓄積され、m番の蓄積容量には、1番からm−1番までの画素11の暗出力信号及びm番からN−1番(本実施の形態では、2番)までの画素11の光出力信号が重畳された信号に応じた信号が蓄積され、かつ、N番(本実施の形態では、3番)の蓄積容量には、1番からN−1番(本実施の形態では、2番)までの画素11の光出力信号が重畳された信号に応じた信号が蓄積されるように、各画素11及び第1のスイッチTV1〜TV3を制御する。また、本実施の形態では、外部制御部2、垂直走査回路12及び水平走査回路13は、各垂直信号線14に対応するもの毎に、第2のスイッチTH1〜TH3を同時にオンオフし、N個(本実施の形態では、3個)の蓄積容量C1〜C3から水平信号線16−1〜16−3へ信号が同時に供給されるように、第2のスイッチTH1〜TH3を制御する。このように、本実施の形態ではN=3とした例であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、Nは4以上としてもよい。
In this embodiment, the
図3は、本実施の形態による固体撮像装置の読み出し動作の一例を示すタイミングチャートである。 FIG. 3 is a timing chart showing an example of the reading operation of the solid-state imaging device according to the present embodiment.
本実施の形態では、メカニカルシャッタ(図示せず)が所定の露光期間だけ開かれて各画素11のフォトダイオードPDの電荷蓄積層に電荷が蓄積された後、N−1行ずつ(本実施の形態では、2行ずつ)順次選択され、各N−1行(本実施の形態では、各2行)について順次同じ動作が行われていく。図4は、主として、n行目及びn+1行目の画素11が選択され、引き続いてn+2行目及びn+3行目の画素11が選択された場合の動作を示している。
In this embodiment, after a mechanical shutter (not shown) is opened for a predetermined exposure period and charges are accumulated in the charge accumulation layer of the photodiode PD of each
期間T1は、n−2行目及びn−1行目の画素11の出力の水平走査期間であり、後述する期間T3に対応している。
The period T1 is a horizontal scanning period of the output of the
期間T1後の期間T2において、垂直走査回路12によりn行目及びn+1行目の画素が選択され、n行目及びn+1行目のリセットパルスφRES(n),φRES(n+1)がローレベルに変化し、n行目及びn+1行目のリセットトランジスタRESがオフする。また、期間T2において、n行目及びn+1行目の選択パルスφSEL(n),φSEL(n+1)がハイレベルに変化し、n行目及びn+1行目の選択トランジスタSELがオンする。n行目及びn+1行目の選択トランジスタSELのオンにより、n行目及びn+1行目の増幅トランジスタAMPのソースは垂直信号線14に接続される。そして、n行目及びn+1行目の増幅トランジスタAMPは、定電流源15によってソースフォロア回路として動作する。
In the period T2 after the period T1, the pixels in the nth and n + 1th rows are selected by the
期間T2が開始した後、期間T12が開始するまでの期間においては、n行目及びn+1行目の選択トランジスタSELがオンし、同時にn行目及びn+1行目のリセットトランジスタRESがオフすることで、n行目及びn+1行目の画素11の増幅トランジスタAMPのゲート電圧が、フローティング状態となり、n行目及びn+1行目の画素11のリセットレベルが垂直信号線14に現れる。このとき、期間T2が開始した後の期間T11において、サンプリングパルス(制御信号)φTV1がハイレベルに変化し、第1のスイッチTV1がオンする。これにより、n行目の画素11の暗出力信号(光情報を含まない信号であり、ここではリセット状態に対応する画素出力信号)VDnとn+1行目の画素11の暗出力信号VDn+1とが重畳した信号VDn+VDn+1が、蓄積容量C1に蓄積される。この動作は、n行目及びn+1行目の各列の画素11に対して同時並列に実行される。
In the period from the start of the period T2 to the start of the period T12, the selection transistors SEL in the n-th and n + 1-th rows are turned on, and simultaneously the reset transistors RES in the n-th and n + 1-th rows are turned off. The gate voltages of the amplification transistors AMP of the
次に、期間T2中の期間T12において、n行目の転送パルスφTX(n)がハイレベルに変化し、n行目の転送トランジスタTXがオンする。n行目の転送トランジスタTXのオンにより、n行目の画素11のフォトダイオードPDで光電変換され蓄積されていた信号電荷が、対応するフローティングディフュージョンFDに転送される。これによって、フローティングディフュージョンFDの電圧は転送されてきた電荷量に応じた電圧となり、この電圧が増幅トランジスタAMPのゲート電極に印加される。その結果、n行目の画素11の光情報を含んだレベルとn+1行目の画素11のリセットレベルが、垂直信号線14に現れる。このとき、期間T12の後の期間T13において、サンプリングパルス(制御信号)φTV2がハイレベルに変化し、第1のスイッチTV2がオンする。これにより、n行目の画素11の光出力信号(フォトダイオードFDで光電変換された光情報を含んだ画素出力信号であって、本来の光情報信号VLnと暗出力信号VDnとが重畳した信号VLn+VDn)とn+1行目の画素11の暗出力信号VDn+1とが重畳した信号VLn+VDn+VDn+1が、蓄積容量C2に蓄積される。この動作は、n行目及びn+1行目の各列の画素11に対して同時並列に実行される。
Next, in the period T12 in the period T2, the transfer pulse φTX (n) in the nth row changes to a high level, and the transfer transistor TX in the nth row is turned on. When the transfer transistor TX in the n-th row is turned on, the signal charge photoelectrically converted and accumulated by the photodiode PD of the
その後、期間T2中の期間T14において、n+1行目の転送パルスφTX(n+1)がハイレベルに変化し、n+1行目の転送トランジスタTXがオンする。n+1行目の転送トランジスタTXのオンにより、n+1行目の画素11のフォトダイオードPDで光電変換され蓄積されていた信号電荷が、対応するフローティングディフュージョンFDに転送される。これによって、フローティングディフュージョンFDの電圧は転送されてきた電荷量に応じた電圧となり、この電圧が増幅トランジスタAMPのゲート電極に印加される。その結果、n+1行目の画素11の光情報を含んだレベルとn+1行目の画素11の光情報を含んだレベルが、垂直信号線14に現れる。このとき、期間T14の後の期間T15において、サンプリングパルス(制御信号)φTV3がハイレベルに変化し、第1のスイッチTV3がオンする。これにより、n行目の画素11の光出力信号VLn+VDnとn+1行目の画素11の光出力信号(フォトダイオードFDで光電変換された光情報を含んだ画素出力信号であって、本来の光情報信号VLn+1と暗出力信号VDn+1とが重畳した信号VLn+1+VDn+1)とが重畳した信号VLn+VDn+VLn+1+VDn+1が、蓄積容量C3に蓄積される。この動作は、n行目及びn+1行目の各列の画素11に対して同時並列に実行される。
Thereafter, in the period T14 in the period T2, the transfer pulse φTX (n + 1) in the (n + 1) th row changes to a high level, and the transfer transistor TX in the (n + 1) th row is turned on. When the transfer transistor TX in the (n + 1) th row is turned on, the signal charge photoelectrically converted and accumulated by the photodiode PD of the
このようにして、期間T2において、n行目及びn+1行目の画素11の出力信号のサンプリングが行われ、各列毎に、(i)蓄積容量C1には、n行目の画素11の暗出力信号VDnとn+1行目の画素11の暗出力信号VDn+1とが重畳した信号VDn+VDn+1が、蓄積され、(ii)蓄積容量C2には、n行目の画素11の光出力信号VLn+VDnとn+1行目の画素11の暗出力信号VDn+1とが重畳した信号VLn+VDn+VDn+1が、蓄積され、(iii)蓄積容量C3には、n行目の画素11の光出力信号VLn+VDnとn+1行目の画素11の光出力信号VLn+1+VDn+1とが重畳した信号VLn+VDn+VLn+1+VDn+1が、蓄積される。
In this manner, in the period T2, the output signals of the
期間T2後の期間T3は、n行目及びn+1行目の画素11の出力の水平走査期間である。期間T3において、水平走査回路13からの制御信号φH1〜φH3による水平走査によって第2のスイッチTH1〜TH3が各垂直信号線14に対応するもの毎に順次オンされ、蓄積容量C1〜C3にそれぞれ蓄積されていた信号が各垂直信号線14に対応するもの毎に順次水平信号線16−1〜16−3に読み出され、出力アンプAP1〜AP3をそれぞれ介して図1中の外部信号処理部3へ出力される。このとき、同じ垂直信号線14に対応する第2のスイッチTH1〜TH3は同時にオンオフされる。
A period T3 after the period T2 is a horizontal scanning period of the output of the
図面には示していないが、外部信号処理部3は、出力アンプAP1,AP2の出力間の差分を、差動アンプ等によって得る。期間T3では、この差分信号は、蓄積容量C1に蓄積されていた信号VDn+VDn+1と蓄積容量C2に蓄積されていた信号VLn+VDn+VDn+1との差分(すなわち、n行目の画素11の本来の光情報信号VLn)に応じた信号となる。また、外部信号処理部3は、出力アンプAP2,AP3の出力間の差分を、差動アンプ等によって得る。期間T3では、この差分信号は、蓄積容量C2に蓄積されていた信号VLn+VDn+VDn+1と蓄積容量C3に蓄積されていた信号VLn+VDn+VLn+1+VDn+1との差分(すなわち、n+1行目の画素11の本来の光情報信号VLn+1)に応じた信号となる。このようにして、従来の相関2重サンプリングの場合と同等の、ノイズ分(VDn,VDn+1)の除去された光情報信号VLn,VLn+1が得られる。
Although not shown in the drawing, the external
次に、期間T4,T5において、n行目及びn+1行目に関して期間T2,T3に行われたのと同様の動作が、n+2行目及びn+3行目について行われ、それ以降においても同様の動作を繰り返す。 Next, in the periods T4 and T5, operations similar to those performed in the periods T2 and T3 with respect to the nth row and the n + 1th row are performed for the n + 2th row and the n + 3th row, and the same operation is performed thereafter. repeat.
ここで、本実施の形態による固体撮像装置と比較される比較例による固体撮像装置について、説明する。この比較例は、前述した従来技術に対応している。図4はこの比較例による固体撮像装置で用いられるイメージセンサ101を示す回路図である。図4において、図2中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
Here, a solid-state imaging device according to a comparative example compared with the solid-state imaging device according to the present embodiment will be described. This comparative example corresponds to the above-described prior art. FIG. 4 is a circuit diagram showing the
この比較例による固体撮像装置が本実施の形態による固体撮像装置と異なる所は、以下に説明する点のみである。この比較例では、イメージセンサ101において、蓄積容量C3、第1のスイッチTV3、第2のスイッチTH3、水平信号線16−3、及び、出力アンプAP3が、取り除かれている。また、この比較例では、外部制御部2、垂直走査回路12及び水平走査回路13は、各垂直信号線14に関して、当該垂直信号線14に対応して設けられた一方の蓄積容量C1には当該列の画素11の暗出力信号が蓄積され、当該垂直信号線14に対応して設けられた他方の蓄積容量C2には当該列の画素11の光出力信号が蓄積されるように、各画素11及び第1のスイッチTV1,TV2を制御する。
The solid-state imaging device according to this comparative example is different from the solid-state imaging device according to the present embodiment only in the points described below. In this comparative example, in the
これに伴い、この比較例では、図5に示すタイミングチャートに従って読み出し動作が行われる。図5は、この比較例による固体撮像装置の読み出し動作を示すタイミングチャートである。 Accordingly, in this comparative example, a read operation is performed according to the timing chart shown in FIG. FIG. 5 is a timing chart showing the read operation of the solid-state imaging device according to this comparative example.
この比較例では、メカニカルシャッタ(図示せず)が所定の露光期間だけ開かれて各画素11のフォトダイオードPDの電荷蓄積層に電荷が蓄積された後、1行ずつ順次選択され、各1行について順次同じ動作が行われていく。図5は、主として、n行目の画素11が選択され、引き続いてn+1行目の画素11が選択された場合の動作を示している。
In this comparative example, after a mechanical shutter (not shown) is opened for a predetermined exposure period and charges are accumulated in the charge accumulation layer of the photodiode PD of each
期間T21は、n−1行目の画素11の出力の水平走査期間であり、後述する期間T23に対応している。
The period T21 is a horizontal scanning period of the output of the
期間T21後の期間T22において、垂直走査回路12によりn行目の画素11が選択され、n行目のリセットパルスφRES(n)がローレベルに変化し、n行目のリセットトランジスタRESがオフする。また、期間T22において、n行目の選択パルスφSEL(n)がハイレベルに変化し、n行目の選択トランジスタSELがオンする。n行目の選択トランジスタSELのオンにより、n行目の増幅トランジスタAMPのソースは垂直信号線14に接続される。そして、n行目の増幅トランジスタAMPは、定電流源15によってソースフォロア回路として動作する。
In the period T22 after the period T21, the
期間T22が開始した後、期間T32が開始するまでの期間においては、n行目の選択トランジスタSELがオンし、同時にn行目のリセットトランジスタRESがオフすることで、n行目の画素11の増幅トランジスタAMPのゲート電圧が、フローティング状態となり、n行目の画素11のリセットレベルが垂直信号線14に現れる。このとき、期間T22が開始した後の期間T31において、サンプリングパルス(制御信号)φTV1がハイレベルに変化し、第1のスイッチTV1がオンする。これにより、n行目の画素11の暗出力信号VDnが、蓄積容量C1に蓄積される。この動作は、n行目の各列の画素11に対して同時並列に実行される。
In the period from the start of the period T22 to the start of the period T32, the n-th row selection transistor SEL is turned on, and at the same time, the n-th row reset transistor RES is turned off. The gate voltage of the amplification transistor AMP enters a floating state, and the reset level of the
次に、期間T22中の期間T32において、n行目の転送パルスφTX(n)がハイレベルに変化し、n行目の転送トランジスタTXがオンする。n行目の転送トランジスタTXのオンにより、n行目の画素11のフォトダイオードPDで光電変換され蓄積されていた信号電荷が、対応するフローティングディフュージョンFDに転送される。これによって、フローティングディフュージョンFDの電圧は転送されてきた電荷量に応じた電圧となり、この電圧が増幅トランジスタAMPのゲート電極に印加される。その結果、n行目の画素11の光情報を含んだレベルが、垂直信号線14に現れる。このとき、期間T32の後の期間T33において、サンプリングパルス(制御信号)φTV2がハイレベルに変化し、第1のスイッチTV2がオンする。これにより、n行目の画素11の光出力信号VLn+VDnが、蓄積容量C2に蓄積される。この動作は、n行目の各列の画素11に対して同時並列に実行される。
Next, in the period T32 in the period T22, the transfer pulse φTX (n) in the nth row changes to a high level, and the transfer transistor TX in the nth row is turned on. When the transfer transistor TX in the n-th row is turned on, the signal charge photoelectrically converted and accumulated by the photodiode PD of the
このようにして、期間T22において、n行目の画素11の出力信号のサンプリングが行われ、各列毎に、(i)蓄積容量C1には、n行目の画素11の暗出力信号VDnが蓄積され、(ii)蓄積容量C2には、n行目の画素11の光出力信号VLn+VDnが蓄積される。
In this way, in the period T22, the output signal of the
期間T22後の期間T23は、n行目の画素11の出力の水平走査期間である。期間T23において、水平走査回路13からの制御信号φH1,φH2による水平走査によって第2のスイッチTH1,TH2が各垂直信号線14に対応するもの毎に順次オンされ、蓄積容量C1,C2にそれぞれ蓄積されていた信号が各垂直信号線14に対応するもの毎に順次水平信号線16−1,16−2に読み出され、出力アンプAP1,AP2をそれぞれ介して外部信号処理部3へ出力される。
A period T23 after the period T22 is a horizontal scanning period of the output of the
図面には示していないが、この比較例では、外部信号処理部3は、出力アンプAP1,AP2の出力間の差分を、差動アンプ等によって得る。期間T23では、この差分信号は、蓄積容量C1に蓄積されていたn行目の画素11の暗出力信号VDnと蓄積容量C2に蓄積されていたn行目の画素11の光出力信号VLn+VDnとの差分(すなわち、n行目の画素11の本来の光情報信号VLn)に応じた信号となる。このようにして、相関2重サンプリングに従って、ノイズ分(VDn)の除去された光情報信号VLnが得られる。
Although not shown in the drawing, in this comparative example, the external
次に、期間T24,T25において、n行目に関して期間T22,T23に行われたのと同様の動作が、n+1行目について行われ、それ以降においても同様の動作を繰り返す。 Next, in the periods T24 and T25, operations similar to those performed in the periods T22 and T23 for the nth row are performed for the (n + 1) th row, and the same operations are repeated thereafter.
本実施の形態に係る図3と比較例に係る図5との比較から明らかなように、本実施の形態によれば、前記比較例に比べて、信号のサンプリング時間及び水平走査期間を短縮して信号読み出し動作を高速化することができる。 As apparent from the comparison between FIG. 3 according to the present embodiment and FIG. 5 according to the comparative example, according to the present embodiment, the signal sampling time and the horizontal scanning period are shortened as compared with the comparative example. Thus, the signal reading operation can be speeded up.
すなわち、前記比較例では、n行目及びn+1行目の画素11の信号読み出しに関して期間T31,T33,T34,T36の合計4つのサンプリング期間を要するのに対し、本実施の形態では、n行目の画素11及びn+1行目の画素11の信号読み出しに関して期間T11,T13,T15の合計3つのサンプリング期間ですむ。よって、本実施の形態によれば、前記比較例に比べて、サンプリング時間を短縮することができ、ひいては、信号読み出しを高速化することができる。
That is, in the comparative example, a total of four sampling periods T31, T33, T34, and T36 are required for signal readout of the
また、前記比較例では、n行目及びn+1行目の画素11の信号読み出しに関して2回の水平走査期間T23,T25を要するのに対し、本実施の形態では、n行目及びn+1行目の画素11の信号読み出しに関して1回の水平走査期間T3ですむ。よって、本実施の形態によれば、前記比較例に比べて、水平走査期間を短縮することができ、この点からも、信号読み出しを高速化することができる。
In the comparative example, two horizontal scanning periods T23 and T25 are required for signal readout of the
[第2の実施の形態] [Second Embodiment]
図6は、本発明の第2の実施の形態による固体撮像装置で用いられるイメージセンサ21を示す回路図であり、図2に対応している。図6において、図2中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
FIG. 6 is a circuit diagram showing the
本実施の形態が前記第1の実施の形態と異なる所は、以下に説明する点のみである。本実施の形態では、イメージセンサ21において、出力アンプAP1〜AP3に代えて、水平信号線16−1の信号と水平信号線16−2の信号との差分を得る差動アンプDAP1、及び、水平信号線16−2の信号と水平信号線16−3の信号との差分を得る差動アンプDAP2が、設けられている。
The present embodiment is different from the first embodiment only in the points described below. In the present embodiment, in the
本実施の形態では、差動アンプDAP1からn行目の画素11の本来の光情報信号VLnに応じた信号が得られ、差動アンプDAP2からn+1行目の画素11の本来の光情報信号VLn+1に応じた信号が得られる。よって、本実施の形態では、図1中の外部信号処理部3は、不要となる。
In the present embodiment, a signal corresponding to the original optical information signal VL n of the
本実施の形態によっても、前記第1の実施の形態と同様の利点が得られる。 Also in this embodiment, the same advantages as those in the first embodiment can be obtained.
[第3の実施の形態] [Third Embodiment]
図7は、本発明の第3の実施の形態による固体撮像装置で用いられるイメージセンサ31を示す回路図であり、図2に対応している。図7において、図2中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
FIG. 7 is a circuit diagram showing an
本実施の形態が前記第1の実施の形態と異なる所は、以下に説明する点のみである。本実施の形態では、イメージセンサ31において、水平信号線16−1〜16−3及び出力アンプAP1〜AP3にそれぞれ対応する水平信号線16−11〜16−13及び出力アンプAP11〜AP13が、追加されている。そして、本実施の形態では、画素11の各列に対応して設けられた垂直信号線14が2つのグループに分けられている。そして、一方のグループの垂直信号線14に対応する蓄積容量C1〜C3からの信号は、当該蓄積容量C1〜C3にそれぞれ対応する第2のスイッチTH1〜TH3を介して、当該グループに対応して設けられた水平信号線16−1〜16−3にそれぞれ供給されるように、配線されている。また、他方のグループの垂直信号線14に対応する蓄積容量C1〜C3からの信号は、当該蓄積容量C1〜C3にそれぞれ対応する第2のスイッチTH1〜TH3を介して、当該グループに対応して設けられた水平信号線16−11〜16−13にそれぞれ供給されるように、配線されている。そして、出力アンプAP11〜AP13が追加されたことに伴い、外部信号処理部3は、出力アンプAP1,AP2の出力間の差分及び出力アンプAP2,AP3の出力間の差分のみならず、出力アンプAP11,AP12の出力間の差分及び出力アンプAP12,AP13の出力間の差分も得るように、構成される。
The present embodiment is different from the first embodiment only in the points described below. In the present embodiment, in the
本実施の形態によれば、前記第1の実施の形態と同様に、信号読み出しを高速化することができる。のみならず、本実施の形態によれば、一方グループの蓄積容量C1〜C3から水平信号線16−1〜16−3への信号の転送と、他方グループの蓄積容量C1〜C3から水平信号線16−11〜16−13への信号の転送とを、同時に行うことができるので、前記第1の実施の形態に比べて水平走査期間を半分に短縮することができ、信号読み出しをより高速化することができる。 According to the present embodiment, the signal readout can be speeded up as in the first embodiment. In addition, according to the present embodiment, the signal transfer from the storage capacitors C1 to C3 of one group to the horizontal signal lines 16-1 to 16-3 and the horizontal signal line from the storage capacitors C1 to C3 of the other group are performed. Since signal transfer to 16-11 to 16-13 can be performed at the same time, the horizontal scanning period can be shortened to half compared to the first embodiment, and signal readout can be performed at higher speed. can do.
なお、本実施の形態は、垂直信号線14を2つのグループに分けて水平信号線を2組設ける例であったが、本発明では、垂直信号線14を3つ以上のグループに分けて水平信号線を3組以上設けてもよい。
In this embodiment, the
[第4の実施の形態] [Fourth Embodiment]
図8は、本発明の第4の実施の形態による固体撮像装置で用いられるイメージセンサ41を示す回路図であり、図2に対応している。図2では2×2個の画素11を示しているのに対し、図8では4×2個の画素11(2×2個の画素ブロック111)を示している。図8において、図2中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
FIG. 8 is a circuit diagram showing an
本実施の形態が前記第1の実施の形態と異なる所は、以下に説明する点のみである。本実施の形態では、イメージセンサ41において、列方向に隣り合う2つの画素11毎に、当該2つの画素11が1組のフローティングディフュージョンFD、増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRES及び選択トランジスタSELを共有している。図8では、1組のフローティングディフュージョンFD、増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRES及び選択トランジスタSELを共有する2つの画素11を、画素ブロック111として示している。また、図8では、画素ブロック111内の上側の画素11のフォトダイオードPD及び転送トランジスタTXをそれぞれ符号PDA,TXAで示し、画素ブロック111内の下側の画素11のフォトダイオードPD及び転送トランジスタTXをそれぞれ符号PDB,TXBで示し、両者を区別している。また、転送トランジスタTXAのゲート電極に供給される制御信号をφTXAとし、転送トランジスタTXBのゲート電極に供給される制御信号をφTXBとし、両者を区別している。なお、図1ではnは画素行を示しているが、図8ではnは画素ブロック111の行を示している。なお、図8では、図面表記の便宜上、同一画素ブロック111内のフォトダイオードPDA,PDBが互いに行方向(図中の横方向)にずれているかのように記載しているが、実際には、それらのフォトダイオードPDA,PDBは列方向に並んでいる。
The present embodiment is different from the first embodiment only in the points described below. In the present embodiment, in the
したがって、本実施の形態による固体撮像装置で用いられるイメージセンサ41は、一般的なCMOS固体撮像素子とは異なり、N本(本実施の形態では、3本)の水平信号線16−1〜16−3と、各垂直信号線14に対応してN個(本実施の形態では、3個)ずつ設けられ供給された信号を蓄積する信号蓄積部としての蓄積容量C1〜C3と、各蓄積容量C1〜C3に対応して設けられた第1のスイッチTV1〜TV3と、各蓄積容量C1〜C3に対応して設けられた第2のスイッチTH1〜TH3と、水平信号線16−1〜16−3にそれぞれ接続された出力アンプAP1〜AP3とを有している。そして、本実施の形態では、フォトダイオードPD(PDA,PDB)が列方向に順次並んだN−1個(本実施の形態では、2個)の画素11毎に画素ブロック111をなし、画素ブロック111毎に、当該画素ブロック111に属するN−1個(本実施の形態では、2個)の画素11が1組のフローティングディフュージョンFD、増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRES及び選択トランジスタSELを共有している。
Therefore, the
そして、本実施の形態では、外部制御部2、垂直走査回路12及び水平走査回路13は、各垂直信号線14に関して、当該垂直信号線14に対応して設けられたN個(本実施の形態では、3個)の蓄積容量C1〜C3にそれぞれ任意の順番で1からN(本実施の形態では、3)までの番号を付すとともに、当該垂直信号線14に対応する列の画素11のうちの選択される画素ブロック111のN−1個(本実施の形態では、2個)の画素11にそれぞれ任意の順番で1からN−1(本実施の形態では、2)までの番号を付し、mを2からN−1(本実施の形態では、2)までの整数であるとしたときに、1番の蓄積容量には、1番からN−1番(本実施の形態では、2番)までの画素11の信号電荷が当該画素ブロック111のフローティングディフュージョンFDに転送されていない状態における当該画素ブロック111の出力信号に応じた信号が蓄積され、m番の蓄積容量には、1番からm−1番までの画素11の信号電荷が当該画素ブロック111のフローティングディフュージョンFDに転送されていないとともにm番からN−1番(本実施の形態では、2番)までの画素11の信号電荷が当該画素ブロック111のフローティングディフュージョンFDに転送された状態における当該画素ブロック111の出力信号に応じた信号が蓄積され、かつ、N番(本実施の形態では、3番)の蓄積容量には、1番からN−1番(本実施の形態では、2番)までの画素11の信号電荷が当該画素ブロック111のフローティングディフュージョンFDに転送された状態における当該画素ブロック111の出力信号に応じた信号が蓄積されるように、各画素11及び第1のスイッチTV1〜TV3を制御する。また、本実施の形態では、外部制御部2、垂直走査回路12及び水平走査回路13は、各垂直信号線14に対応するもの毎に、第2のスイッチTH1〜TH3を同時にオンオフし、N個(本実施の形態では、3個)の蓄積容量C1〜C3から水平信号線16−1〜16−3へ信号が同時に供給されるように、第2のスイッチTH1〜TH3を制御する。このように、本実施の形態ではN=3とした例であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、Nは4以上としてもよい。
In this embodiment, the
図9は、本実施の形態による固体撮像装置の読み出し動作の一例を示すタイミングチャートであり、図3に対応している。 FIG. 9 is a timing chart showing an example of the reading operation of the solid-state imaging device according to the present embodiment, and corresponds to FIG.
本実施の形態では、メカニカルシャッタ(図示せず)が所定の露光期間だけ開かれて各画素ブロック111の各画素11のフォトダイオードPDA,PDBの電荷蓄積層に電荷が蓄積された後、画素ブロック111の各行(すなわち、2画素行ずつ)が順次選択され、各行について順次同じ動作が行われていく。図9は、主として、n行目の画素ブロック111が選択され、引き続いてn+1行目の画素ブロック111が選択された場合の動作を示している。
In the present embodiment, after a mechanical shutter (not shown) is opened for a predetermined exposure period and charges are accumulated in the charge accumulation layers of the photodiodes PDA and PDB of each
期間T41は、n−1行目の画素ブロック111の出力(すなわち、n−1行目の画素ブロック111の上側の画素11及び下側の画素11の出力)の水平走査期間であり、後述する期間T43に対応している。
The period T41 is a horizontal scanning period of the output of the
期間T41後の期間T42において、垂直走査回路12によりn行目の画素ブロック111(すなわち、n行目の画素ブロック111の上側の画素11及び下側の画素11)が選択され、n行目のリセットパルスφRES(n)がローレベルに変化し、n行目の画素ブロック111のリセットトランジスタRESがオフする。また、期間T42において、n行目の選択パルスφSEL(n)がハイレベルに変化し、n行目の画素ブロック111の選択トランジスタSELがオンする。n行目の画素ブロック111の選択トランジスタSELのオンにより、n行目の画素ブロック111の増幅トランジスタAMPのソースは垂直信号線14に接続される。そして、n行目の画素ブロック111の増幅トランジスタAMPは、定電流源15によってソースフォロア回路として動作する。
In the period T42 after the period T41, the
期間T42が開始した後、期間T52が開始するまでの期間においては、n行目の画素ブロック111の選択トランジスタSELがオンし、同時にn行目の画素ブロック111のリセットトランジスタRESがオフすることで、n行目の画素ブロック111の増幅トランジスタAMPのゲート電圧が、フローティング状態となり、n行目の画素ブロック111の上側の画素11及び下側の画素11のリセットレベルが垂直信号線14に現れる。この状態は、n行目の画素ブロック111の上側の画素11の信号電荷及び下側の画素11の信号電荷が、n行目の画素ブロック111のフローティングディフュージョンFDに転送されていない状態(以下、「暗状態」という。)である。このとき、期間T42が開始した後の期間T51において、サンプリングパルス(制御信号)φTV1がハイレベルに変化し、第1のスイッチTV1がオンする。これにより、n行目の画素ブロック111の暗出力信号(暗状態における画素ブロック111の出力信号)VDが、蓄積容量C1に蓄積される。この動作は、n行目の各列の画素ブロック111に対して同時並列に実行される。
In the period from the start of the period T42 to the start of the period T52, the selection transistor SEL of the n-
次に、期間T42中の期間T52において、n行目の転送パルスφTXB(n)がハイレベルに変化し、n行目の画素ブロック111の下側の画素11の転送トランジスタTXBがオンする。この転送トランジスタTXBのオンにより、n行目の画素ブロック111の下側の画素11のフォトダイオードPDBで光電変換され蓄積されていた信号電荷が、対応するフローティングディフュージョンFDに転送される。これによって、フローティングディフュージョンFDの電圧は転送されてきた電荷量に応じた電圧となり、この電圧が増幅トランジスタAMPのゲート電極に印加される。その結果、n行目の画素ブロック111の下側の画素11の光情報を含んだレベルが、垂直信号線14に現れる。このとき、期間T52の後の期間T53において、サンプリングパルス(制御信号)φTV2がハイレベルに変化し、第1のスイッチTV2がオンする。これにより、n行目の画素ブロック111の上側の画素11の信号電荷がフローティングディフュージョンFDに転送されていないとともにn行目の画素ブロック111の下側の画素11の信号電荷がフローティングディフュージョンFDに転送された状態における画素ブロック111の出力信号VLB+VDが、蓄積容量C2に蓄積される。この動作は、n行目の各列の画素ブロック111に対して同時並列に実行される。前記出力信号VLB+VDは、暗出力信号VDと下側の画素11の本来の光情報信号VLBとが重畳した信号に相当する。
Next, in the period T52 in the period T42, the transfer pulse φTXB (n) in the n-th row changes to a high level, and the transfer transistor TXB of the
その後、期間T42中の期間T54において、n行目の転送パルスφTXA(n)がハイレベルに変化し、n行目の画素ブロック111の上側の画素11の転送トランジスタTXAがオンする。この転送トランジスタTXAのオンにより、n行目の画素ブロック111の上側の画素11のフォトダイオードPDAで光電変換され蓄積されていた信号電荷が、対応するフローティングディフュージョンFDに転送される。これにより、対応するフローティングディフュージョンFDには、n行目の画素ブロック111の上側の画素11の信号電荷及び下側画素11の信号電荷の両方がフローティングディフュージョンFDに転送された状態となる。これによって、フローティングディフュージョンFDの電圧は転送されてきた両信号電荷を加算した電荷量に応じた電圧となり、この電圧が増幅トランジスタAMPのゲート電極に印加される。その結果、n行目の上側の画素11の光情報及び下側画素11の光情報を含んだレベルが、垂直信号線14に現れる。このとき、期間T54の後の期間T55において、サンプリングパルス(制御信号)φTV3がハイレベルに変化し、第1のスイッチTV3がオンする。これにより、n行目の画素ブロック111の上側の画素11の信号電荷及び下側の画素11の信号電荷がフローティングディフュージョンFDに転送された状態における画素ブロック111の出力信号VLA+VLB+VDが、蓄積容量C3に蓄積される。この動作は、n行目の各列の画素ブロック111に対して同時並列に実行される。前記出力信号VLA+VLB+VDは、暗出力信号VDと上側の画素11の本来の光情報信号VLAと下側の画素11の本来の光情報信号VLBとが重畳した信号に相当する。
Thereafter, in the period T54 in the period T42, the transfer pulse φTXA (n) in the n-th row changes to a high level, and the transfer transistor TXA of the
このようにして、期間T42において、n行目の画素ブロック111の出力信号のサンプリングが行われ、各列毎に、(i)蓄積容量C1には、n行目の画素ブロック111の暗出力信号VDが蓄積され、(ii)蓄積容量C2には、暗出力信号VDと下側の画素11の本来の光情報信号VLBとが重畳した信号VLB+VDが、蓄積され、(iii)蓄積容量C3には、暗出力信号VDと上側の画素11の本来の光情報信号VLAと下側の画素11の本来の光情報信号VLBとが重畳した信号VLA+VLB+VDが、蓄積される。
In this way, in the period T42, the output signal of the
期間T42後の期間T43は、n行目の画素ブロック111の出力(すなわち、n行目の画素ブロック111の上側の画素11及び下側の画素11の出力)の水平走査期間である。期間T43において、水平走査回路13からの制御信号φH1〜φH3による水平走査によって第2のスイッチTH1〜TH3が各垂直信号線14に対応するもの毎に順次オンされ、蓄積容量C1〜C3にそれぞれ蓄積されていた信号が各垂直信号線14に対応するもの毎に順次水平信号線16−1〜16−3に読み出され、出力アンプAP1〜AP3をそれぞれ介して外部信号処理部3へ出力される。このとき、同じ垂直信号線14に対応する第2のスイッチTH1〜TH3は同時にオンオフされる。
A period T43 after the period T42 is a horizontal scanning period of the output of the
図面には示していないが、外部信号処理部3は、出力アンプAP1,AP2の出力間の差分を、差動アンプ等によって得る。期間T43では、この差分信号は、蓄積容量C1に蓄積されていた信号VDと蓄積容量C2に蓄積されていた信号VLB+VDとの差分(すなわち、n行目の画素ブロック111の下側の画素11の本来の光情報信号VLB)に応じた信号となる。また、外部信号処理部3は、出力アンプAP2,AP3の出力間の差分を、差動アンプ等によって得る。期間T43では、この差分信号は、蓄積容量C2に蓄積されていた信号VLB+VDと蓄積容量C3に蓄積されていた信号VLA+VLB+VDとの差分(すなわち、n行目の画素ブロック111の上側の画素11の本来の光情報信号VLA)に応じた信号となる。このようにして、従来の相関2重サンプリングの場合と同等の、ノイズ分(VD)の除去された光情報信号VLA,VLBが得られる。
Although not shown in the drawing, the external
次に、期間T44,T45において、n行目の画素ブロック111に関して期間T42,T43に行われたのと同様の動作が、n+1行目の画素ブロック111について行われ、それ以降においても同様の動作を繰り返す。
Next, in the periods T44 and T45, the same operation as that performed in the periods T42 and T43 for the
ここで、本実施の形態による固体撮像装置と比較される比較例による固体撮像装置について、説明する。図10はこの比較例による固体撮像装置で用いられるイメージセンサ141を示す回路図である。図10において、図8中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
Here, a solid-state imaging device according to a comparative example compared with the solid-state imaging device according to the present embodiment will be described. FIG. 10 is a circuit diagram showing an
この比較例による固体撮像装置が本実施の形態による固体撮像装置と異なる所は、以下に説明する点のみである。この比較例では、イメージセンサ141において、蓄積容量C3、第1のスイッチTV3、第2のスイッチTH3、水平信号線16−3、及び、出力アンプAP3が、取り除かれている。また、この比較例では、外部制御部2、垂直走査回路12及び水平走査回路13は、各垂直信号線14に関して、当該垂直信号線14に対応して設けられた一方の蓄積容量C1には当該列の画素11の暗出力信号が蓄積され、当該垂直信号線14に対応して設けられた他方の蓄積容量C2には当該列の画素11の光出力信号が蓄積されるように、各画素11及び第1のスイッチTV1,TV2を制御する。
The solid-state imaging device according to this comparative example is different from the solid-state imaging device according to the present embodiment only in the points described below. In this comparative example, in the
これに伴い、この比較例では、図11に示すタイミングチャートに従って読み出し動作が行われる。図11は、この比較例による固体撮像装置の読み出し動作を示すタイミングチャートである。 Accordingly, in this comparative example, the read operation is performed according to the timing chart shown in FIG. FIG. 11 is a timing chart showing the reading operation of the solid-state imaging device according to this comparative example.
この比較例では、メカニカルシャッタ(図示せず)が所定の露光期間だけ開かれて各画素ブロック111の各画素11のフォトダイオードPDA,PDBの電荷蓄積層に電荷が蓄積された後、各行が2回ずつ順次選択され、各行について順次同じ動作が行われていく。図11は、主として、n行目の画素ブロック111が選択された場合の動作を示している。
In this comparative example, after a mechanical shutter (not shown) is opened for a predetermined exposure period and charges are accumulated in the charge accumulation layers of the photodiodes PDA and PDB of each
期間T61は、n−1行目の画素ブロック111の上側の画素11の出力の水平走査期間であり、後述する期間T65に対応している。
The period T61 is a horizontal scanning period of the output of the
期間T61後の期間T62において、垂直走査回路12によりn行目の画素ブロック111が選択され、n行目のリセットパルスφRES(n)がローレベルに変化し、n行目の画素ブロック111のリセットトランジスタRESがオフする。また、期間T62において、n行目の選択パルスφSEL(n)がハイレベルに変化し、n行目の画素ブロック111の選択トランジスタSELがオンする。n行目の画素ブロック111の選択トランジスタSELのオンにより、n行目の増幅トランジスタAMPのソースは垂直信号線14に接続される。そして、n行目の画素ブロック111の増幅トランジスタAMPは、定電流源15によってソースフォロア回路として動作する。
In a period T62 after the period T61, the
期間T62が開始した後、期間T72が開始するまでの期間においては、n行目の画素ブロック111の選択トランジスタSELがオンし、同時にn行目の画素ブロック111のリセットトランジスタRESがオフすることで、n行目の画素ブロック111の増幅トランジスタAMPのゲート電圧が、フローティング状態となり、n行目の画素ブロック111の下側の画素11のリセットレベルが垂直信号線14に現れる。このとき、期間T62が開始した後の期間T71において、サンプリングパルス(制御信号)φTV1がハイレベルに変化し、第1のスイッチTV1がオンする。これにより、n行目の画素ブロック111の暗出力信号VDが、蓄積容量C1に蓄積される。この動作は、n行目の各列の画素ブロック111に対して同時並列に実行される。
In the period from the start of the period T62 to the start of the period T72, the selection transistor SEL of the n-
次に、期間T62中の期間T72において、n行目の転送パルスφTXB(n)がハイレベルに変化し、n行目の画素ブロック111の下側の画素11の転送トランジスタTXBがオンする。この転送トランジスタTXBのオンにより、n行目の画素ブロック111の下側の画素11のフォトダイオードPDBで光電変換され蓄積されていた信号電荷が、対応するフローティングディフュージョンFDに転送される。これによって、フローティングディフュージョンFDの電圧は転送されてきた電荷量に応じた電圧となり、この電圧が増幅トランジスタAMPのゲート電極に印加される。その結果、n行目の画素ブロック111の下側の画素11の光情報を含んだレベルが、垂直信号線14に現れる。このとき、期間T72の後の期間T73において、サンプリングパルス(制御信号)φTV2がハイレベルに変化し、第1のスイッチTV2がオンする。これにより、n行目の画素ブロック111の上側の画素11の信号電荷がフローティングディフュージョンFDに転送されていないとともにn行目の画素ブロック111の下側の画素11の信号電荷がフローティングディフュージョンFDに転送された状態における画素ブロック111の出力信号(すなわち、下側の画素11の光出力信号)VL+BVDが、蓄積容量C2に蓄積される。この動作は、n行目の各列の画素ブロック111に対して同時並列に実行される。前記光出力信号VLB+VDは、暗出力信号VDと下側の画素11の本来の光情報信号VLBとが重畳した信号に相当する。
Next, in a period T72 in the period T62, the transfer pulse φTXB (n) in the n-th row changes to a high level, and the transfer transistor TXB of the
このようにして、期間T62において、n行目の画素ブロック111の下側の画素11の出力信号のサンプリングが行われ、各列毎に、(i)蓄積容量C1には、n行目の画素ブロック111の下側の画素11の暗出力信号VDが蓄積され、(ii)蓄積容量C2には、n行目の画素ブロック111の下側の画素11の光出力信号VLB+VDが蓄積される。
In this way, in the period T62, the output signal of the
期間T62後の期間T63は、n行目の画素ブロック111の下側の画素11の出力の水平走査期間である。期間T63において、水平走査回路13からの制御信号φH1,φH2による水平走査によって第2のスイッチTH1,TH2が各垂直信号線14に対応するもの毎に順次オンされ、蓄積容量C1,C2にそれぞれ蓄積されていた信号が各垂直信号線14に対応するもの毎に順次水平信号線16−1,16−2に読み出され、出力アンプAP1,AP2をそれぞれ介して外部信号処理部3へ出力される。
A period T63 after the period T62 is a horizontal scanning period of the output of the
図面には示していないが、この比較例では、外部信号処理部3は、出力アンプAP1,AP2の出力間の差分を、差動アンプ等によって得る。期間T63では、この差分信号は、蓄積容量C1に蓄積されていたn行目の画素ブロック111の下側の画素11の暗出力信号VDと蓄積容量C2に蓄積されていたn行目の画素ブロック111の下側の画素11の光出力信号VLB+VDとの差分(すなわち、n行目の画素ブロック111の下側の画素11の本来の光情報信号VLB)に応じた信号となる。このようにして、相関2重サンプリングに従って、ノイズ分(VD)の除去された光情報信号VLBが得られる。
Although not shown in the drawing, in this comparative example, the external
次に、期間T64において、再び、垂直走査回路12によりn行目の画素ブロック111が選択され、n行目のリセットパルスφRES(n)がローレベルに変化し、n行目の画素ブロック111のリセットトランジスタRESがオフする。また、期間T64において、n行目の選択パルスφSEL(n)がハイレベルに変化し、n行目の画素ブロック111の選択トランジスタSELがオンする。n行目の画素ブロック111の選択トランジスタSELのオンにより、n行目の増幅トランジスタAMPのソースは垂直信号線14に接続される。そして、n行目の画素ブロック111の増幅トランジスタAMPは、定電流源15によってソースフォロア回路として動作する。
Next, in the period T64, the
期間T64が開始した後、期間T75が開始するまでの期間においては、n行目の画素ブロック111の選択トランジスタSELがオンし、同時にn行目の画素ブロック111のリセットトランジスタRESがオフすることで、n行目の画素ブロック111の増幅トランジスタAMPのゲート電圧が、フローティング状態となり、n行目の画素ブロック111の上側の画素11のリセットレベルが垂直信号線14に現れる。このとき、期間T64が開始した後の期間T74において、サンプリングパルス(制御信号)φTV1がハイレベルに変化し、第1のスイッチTV1がオンする。これにより、n行目の画素ブロック111の暗出力信号VDが、蓄積容量C1に蓄積される。この動作は、n行目の各列の画素ブロック111に対して同時並列に実行される。
In the period from the start of the period T64 to the start of the period T75, the selection transistor SEL of the n-
次に、期間T64中の期間T75において、n行目の転送パルスφTXA(n)がハイレベルに変化し、n行目の画素ブロック111の上側の画素11の転送トランジスタTXAがオンする。この転送トランジスタTXAのオンにより、n行目の画素ブロック111の上側の画素11のフォトダイオードPDAで光電変換され蓄積されていた信号電荷が、対応するフローティングディフュージョンFDに転送される。これによって、フローティングディフュージョンFDの電圧は転送されてきた電荷量に応じた電圧となり、この電圧が増幅トランジスタAMPのゲート電極に印加される。その結果、n行目の画素ブロック111の上側の画素11の光情報を含んだレベルが、垂直信号線14に現れる。このとき、期間T75の後の期間T76において、サンプリングパルス(制御信号)φTV2がハイレベルに変化し、第1のスイッチTV2がオンする。これにより、n行目の画素ブロック111の下側の画素11の信号電荷がフローティングディフュージョンFDに転送されていないとともにn行目の画素ブロック111の上側の画素11の信号電荷がフローティングディフュージョンFDに転送された状態における画素ブロック111の出力信号(すなわち、上側の画素11の光出力信号)VLA+VDが、蓄積容量C2に蓄積される。この動作は、n行目の各列の画素ブロック111に対して同時並列に実行される。前記光出力信号VLA+VDは、暗出力信号VDと上側の画素11の本来の光情報信号VLAとが重畳した信号に相当する。
Next, in the period T75 in the period T64, the transfer pulse φTXA (n) in the nth row changes to a high level, and the transfer transistor TXA of the
このようにして、期間T64において、n行目の画素ブロック111の上側の画素11の出力信号のサンプリングが行われ、各列毎に、(i)蓄積容量C1には、n行目の画素ブロック111の上側の画素11の暗出力信号VDが蓄積され、(ii)蓄積容量C2には、n行目の画素ブロック111の上側の画素11の光出力信号VLA+VDが蓄積される。
In this way, in the period T64, the output signal of the
期間T64後の期間T65は、n行目の画素ブロック111の上側の画素11の出力の水平走査期間である。期間T65において、水平走査回路13からの制御信号φH1,φH2による水平走査によって第2のスイッチTH1,TH2が各垂直信号線14に対応するもの毎に順次オンされ、蓄積容量C1,C2にそれぞれ蓄積されていた信号が各垂直信号線14に対応するもの毎に順次水平信号線16−1,16−2に読み出され、出力アンプAP1,AP2をそれぞれ介して外部信号処理部3へ出力される。
A period T65 after the period T64 is a horizontal scanning period of the output of the
期間T65において外部信号処理部3で得られる出力アンプAP1,AP2の出力間の差分信号は、蓄積容量C1に蓄積されていたn行目の画素ブロック111の上側の画素11の暗出力信号VDと蓄積容量C2に蓄積されていたn行目の画素ブロック111の上側の画素11の光出力信号VLA+VDとの差分(すなわち、n行目の画素ブロック111の上側の画素11の本来の光情報信号VLA)に応じた信号となる。このようにして、相関2重サンプリングに従って、ノイズ分(VD)の除去された光情報信号VLAが得られる。
The difference signal between the outputs of the output amplifiers AP1 and AP2 obtained in the external
その後、n行目の画素ブロック111に関して期間T62〜T65に行われたのと同様の動作が、n+1行目の画素ブロック111について行われ、それ以降においても同様の動作を繰り返す。
Thereafter, the same operation as that performed in the period T62 to T65 with respect to the
本実施の形態に係る図9と比較例に係る図11との比較から明らかなように、本実施の形態によれば、前記比較例に比べて、信号のサンプリング時間及び水平走査期間を短縮して信号読み出し動作を高速化することができる。 As is clear from the comparison between FIG. 9 according to the present embodiment and FIG. 11 according to the comparative example, according to the present embodiment, the signal sampling time and the horizontal scanning period are reduced as compared with the comparative example. Thus, the signal reading operation can be speeded up.
すなわち、前記比較例では、n行目の画素ブロック111の上側の画素11及び下側の画素11の信号読み出しに関して期間T71,T73,T74,T76の合計4つのサンプリング期間を要するのに対し、本実施の形態では、n行目の画素ブロック111の上側の画素11及び下側の画素11の信号読み出しに関して期間T51,T53,T55の合計3つのサンプリング期間ですむ。よって、本実施の形態によれば、前記比較例に比べて、サンプリング時間を短縮することができ、ひいては、信号読み出しを高速化することができる。
That is, in the comparative example, a total of four sampling periods T71, T73, T74, and T76 are required for signal readout of the
また、前記比較例では、n行目の画素ブロック111の上側の画素11及び下側の画素11の信号読み出しに関して2回の水平走査期間T63,T65を要するのに対し、本実施の形態では、n行目の画素ブロック111の上側の画素11及び下側の画素11の信号読み出しに関して1回の水平走査期間T43ですむ。よって、本実施の形態によれば、前記比較例に比べて、水平走査期間を短縮することができ、この点からも、信号読み出しを高速化することができる。
In the comparative example, two horizontal scanning periods T63 and T65 are required for signal readout of the
以上、本発明の各実施の形態及びその変形例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。 As mentioned above, although each embodiment of this invention and its modification were demonstrated, this invention is not limited to these.
例えば、本発明では、前記第1の実施の形態を変形することで前記第2及び第3の実施の形態をそれぞれ得たのと同様変形を、前記第4の実施の形態に適用してもよい。 For example, in the present invention, the same modification as that obtained in the second and third embodiments by modifying the first embodiment may be applied to the fourth embodiment. Good.
また、前述した各実施の形態において、各垂直信号線14にアンプ(いわゆるカラムアンプ)を設け、垂直信号線14の信号を当該カラムアンプで増幅した後に蓄積容量C1〜C3に蓄積してもよい。
In each of the embodiments described above, an amplifier (so-called column amplifier) may be provided for each
1,21,31,41 イメージセンサ(固体撮像素子)
11 画素
12 垂直走査回路
13 水平走査回路
14 水平信号線
111 画素ブロック
PD フォトダイオード
AMP 増幅トランジスタ
RES リセットトランジスタ
TX 転送トランジスタ
SEL 選択トランジスタ
FD フローティングディフュージョン
C1〜C3 蓄積容量(信号蓄積部)
TV1〜TV3 第1のスイッチ
TH1〜TH3 第2のスイッチ
16−1〜16−3 水平信号線
1, 21, 31, 41 Image sensor (solid-state imaging device)
11
TV1 to TV3 first switch TH1 to TH3 second switch 16-1 to 16-3 horizontal signal line
Claims (8)
前記複数の画素の各列に対応して設けられ対応する列の前記画素の出力信号が供給される垂直信号線と、
前記各垂直信号線に対応してN個(Nは3以上の整数)ずつ設けられ供給された信号を蓄積する信号蓄積部と、
前記各信号蓄積部に対応して設けられた第1のスイッチであって、対応する信号蓄積部に対応する前記垂直信号線から当該信号蓄積部への信号の供給をオンオフする第1のスイッチと、
前記各信号蓄積部に対応して設けられた第2のスイッチであって、対応する信号蓄積部から所定の水平信号線への信号の供給をオンオフする第2のスイッチと、
前記複数の画素並びに前記第1及び第2のスイッチを制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記各垂直信号線に関して、当該垂直信号線に対応して設けられた前記N個の信号蓄積部にそれぞれ任意の順番で1からNまでの番号を付すとともに、当該垂直信号線に対応する列の画素のうちの選択されるN−1個の画素にそれぞれ任意の順番で1からN−1までの番号を付し、mを2からN−1までの整数であるとしたときに、1番の信号蓄積部には、1番からN−1番までの画素の暗出力信号が重畳された信号に応じた信号が蓄積され、m番の信号蓄積部には、1番からm−1番までの画素の暗出力信号及びm番からN−1番までの画素の光出力信号が重畳された信号に応じた信号が蓄積され、かつ、N番の信号蓄積部には、1番からN−1番までの画素の光出力信号が重畳された信号に応じた信号が蓄積されるように、前記複数の画素及び前記第1のスイッチを制御する、
ことを特徴とする固体撮像装置。 A plurality of pixels that are two-dimensionally arranged to photoelectrically convert incident light;
A vertical signal line provided corresponding to each column of the plurality of pixels and supplied with an output signal of the pixel in the corresponding column;
A signal accumulating unit for accumulating the supplied signals provided for each N (N is an integer of 3 or more) corresponding to each vertical signal line;
A first switch provided corresponding to each of the signal storage units, the first switch for turning on / off the supply of a signal from the vertical signal line corresponding to the corresponding signal storage unit to the signal storage unit; ,
A second switch provided corresponding to each of the signal storage units, the second switch for turning on and off the signal supply from the corresponding signal storage unit to a predetermined horizontal signal line;
Control means for controlling the plurality of pixels and the first and second switches;
With
For each of the vertical signal lines, the control unit assigns a number from 1 to N in an arbitrary order to each of the N signal storage units provided corresponding to the vertical signal lines, and the vertical signal lines N-1 pixels selected from the pixels in the column corresponding to are numbered from 1 to N-1 in any order, and m is an integer from 2 to N-1. In some cases, a signal corresponding to a signal on which dark output signals of pixels Nos. 1 to N−1 are superimposed is stored in the first signal storage unit, and the first signal storage unit stores the first signal storage unit. A signal corresponding to a signal obtained by superimposing a dark output signal of pixels No. 1 to m−1 and a light output signal of pixels No. m to No. N−1 is accumulated, and the No. N signal accumulation unit A signal corresponding to a signal in which the light output signals of pixels No. 1 to N−1 are superimposed is accumulated. Controls the plurality of pixels and said first switch,
A solid-state imaging device.
前記複数の画素の各列に対応して設けられ対応する列の前記画素の出力信号が供給される垂直信号線と、
前記各垂直信号線に対応してN個(Nは3以上の整数)ずつ設けられ供給された信号を蓄積する信号蓄積部と、
前記各信号蓄積部に対応して設けられた第1のスイッチであって、対応する信号蓄積部に対応する前記垂直信号線から当該信号蓄積部への信号の供給をオンオフする第1のスイッチと、
前記各信号蓄積部に対応して設けられた第2のスイッチであって、対応する信号蓄積部から所定の水平信号線への信号の供給をオンオフする第2のスイッチと、
前記複数の画素並びに前記第1及び第2のスイッチを制御する制御手段と、
を備え、
前記各画素は、入射光に応じた信号電荷を生成し蓄積する光電変換部、前記信号電荷を受け取って前記信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部、該電荷電圧変換部の電位に応じた信号を出力する増幅部、前記光電変換部から前記電荷電圧変換部に電荷を転送する電荷転送部、前記電荷電圧変換部の電位をリセットするリセット部、及び、当該画素を選択する選択部を有し、
前記複数の画素は、前記光電変換部が列方向に順次並んだN−1個の画素毎に画素ブロックをなし、
前記画素ブロック毎に、当該画素ブロックに属する前記N−1個の画素が1組の前記電荷電圧変換部、前記増幅部、前記リセット部及び前記選択部を共有し、
前記制御手段は、前記各垂直信号線に関して、当該垂直信号線に対応して設けられた前記N個の信号蓄積部にそれぞれ任意の順番で1からNまでの番号を付すとともに、当該垂直信号線に対応する列の画素のうちの選択される前記画素ブロックのN−1個の画素にそれぞれ任意の順番で1からN−1までの番号を付し、mを2からN−1までの整数であるとしたときに、1番の信号蓄積部には、1番からN−1番までの画素の信号電荷が当該画素ブロックの前記電荷電圧変換部に転送されていない状態における当該画素ブロックの出力信号に応じた信号が蓄積され、m番の信号蓄積部には、1番からm−1番までの画素の信号電荷が当該画素ブロックの前記電荷電圧変換部に転送されていないとともにm番からN−1番までの画素の信号電荷が当該画素ブロックの前記電荷電圧変換部に転送された状態における当該画素ブロックの出力信号に応じた信号が蓄積され、かつ、N番の信号蓄積部には、1番からN−1番までの画素の信号電荷が当該画素ブロックの前記電荷電圧変換部に転送された状態における当該画素ブロックの出力信号に応じた信号が蓄積されるように、前記複数の画素及び前記第1のスイッチを制御する、
ことを特徴とする固体撮像装置。 A plurality of pixels that are two-dimensionally arranged to photoelectrically convert incident light;
A vertical signal line provided corresponding to each column of the plurality of pixels and supplied with an output signal of the pixel in the corresponding column;
A signal accumulating unit for accumulating the supplied signals provided for each N (N is an integer of 3 or more) corresponding to each vertical signal line;
A first switch provided corresponding to each of the signal storage units, the first switch for turning on / off the supply of a signal from the vertical signal line corresponding to the corresponding signal storage unit to the signal storage unit; ,
A second switch provided corresponding to each of the signal storage units, the second switch for turning on and off the signal supply from the corresponding signal storage unit to a predetermined horizontal signal line;
Control means for controlling the plurality of pixels and the first and second switches;
With
Each of the pixels includes a photoelectric conversion unit that generates and accumulates signal charges according to incident light, a charge-voltage conversion unit that receives the signal charges and converts the signal charges into a voltage, and a voltage according to the potential of the charge-voltage conversion unit An amplification unit that outputs a signal; a charge transfer unit that transfers charges from the photoelectric conversion unit to the charge voltage conversion unit; a reset unit that resets the potential of the charge voltage conversion unit; and a selection unit that selects the pixel. And
The plurality of pixels form a pixel block for every N−1 pixels in which the photoelectric conversion units are sequentially arranged in a column direction,
For each pixel block, the N-1 pixels belonging to the pixel block share a set of the charge voltage conversion unit, the amplification unit, the reset unit, and the selection unit,
For each of the vertical signal lines, the control unit assigns a number from 1 to N in an arbitrary order to each of the N signal storage units provided corresponding to the vertical signal line, and the vertical signal line N-1 pixels of the selected pixel block among the pixels in the column corresponding to are numbered from 1 to N-1 in any order, and m is an integer from 2 to N-1 In the first signal storage unit, the signal charges of the pixel blocks 1 to N−1 are not transferred to the charge-voltage conversion unit of the pixel block. A signal corresponding to the output signal is accumulated, and the signal charge of the pixels from No. 1 to m−1 is not transferred to the charge voltage conversion unit of the pixel block in the m-th signal accumulation unit and the m-th signal accumulation unit. To N-1 pixel signal charges A signal corresponding to the output signal of the pixel block in a state transferred to the charge-voltage conversion unit of the pixel block is accumulated, and the Nth signal accumulation unit stores pixels Nos. 1 to N−1. Controlling the plurality of pixels and the first switch so that a signal corresponding to an output signal of the pixel block in a state where the signal charge of the pixel block is transferred to the charge-voltage conversion unit of the pixel block is accumulated.
A solid-state imaging device.
前記各垂直信号線に関して、当該垂直信号線に対応して設けられた前記N個の信号蓄積部からの信号は、当該N個の信号蓄積部にそれぞれ対応する前記第2のスイッチを介して、前記N本の水平信号線のうちのいずれかの水平信号線にそれぞれ供給されることを特徴とする請求項4又は5記載の固体撮像装置。 The number of the horizontal signal lines is N,
For each of the vertical signal lines, signals from the N signal storage units provided corresponding to the vertical signal lines are passed through the second switches respectively corresponding to the N signal storage units. 6. The solid-state imaging device according to claim 4, wherein the solid-state imaging device is supplied to any one of the N horizontal signal lines.
前記水平信号線は、前記垂直信号線の各グループ毎に当該グループに対応してN本ずつ設けられ、
前記各グループ毎に、当該グループに属する前記各垂直信号線に関して、当該垂直信号線に対応して設けられた前記N個の信号蓄積部からの信号は、当該N個の信号蓄積部にそれぞれ対応する前記第2のスイッチを介して、当該グループに対応して設けられた前記N本の水平信号線のうちのいずれかの水平信号線にそれぞれ供給されることを特徴とする請求項4又は5記載の固体撮像装置。 The vertical signal lines provided corresponding to the columns of the plurality of pixels are divided into a plurality of groups.
The horizontal signal line is provided for each group of the vertical signal lines by N lines corresponding to the group,
For each of the vertical signal lines belonging to the group, the signals from the N signal storage units provided corresponding to the vertical signal lines correspond to the N signal storage units, respectively. 6. The signal is supplied to any one of the N horizontal signal lines provided corresponding to the group via the second switch. The solid-state imaging device described.
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