JP2009177847A

JP2009177847A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2009177847A
Application number: JP2009114857A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Endo; 敏朗遠藤; Osamu Yuki; 修結城; Hidetoshi Hayashi; 英俊林; Seiji Hashimoto; 誠二橋本
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2009-05-11
Filing date: 2009-05-11
Publication date: 2009-08-06

Abstract

【課題】センサが高密度となっても、画素信号の転送時間と読み出し用の転送時間とのバランスを取り、高画質で解像度の劣化のない読み取りを実行できる固体撮像装置を提供することを課題とする。
【解決手段】固体撮像装置において、複数の画素信号を任意の時間間隔をもって複数に出力することを特徴とする。また、複数の画素信号を蓄積する複数の蓄積部から、任意の時間間隔をおいて前記複数の画素信号を出力することを特徴とする。更に、１本の信号転送線に接続された複数の画素信号を読み出す固体撮像装置において、ある画素信号を画素信号蓄積部へ転送している期間に、既に蓄積部へ転送済みの同一信号線につながる他の画素信号を蓄積部から出力することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、被写体を撮像する固体撮像装置に関し、主に複数の画素信号を同時に出力する固体撮像装置に関する。

従来の固体撮像装置について、図１３にセンサ部の簡略したブロック図を、図１４にその動作タイミング図を示して説明する。図１３において、光電変換センサ中、ａ，ｂは画素部を表し、光電変換されたそれら画素部の信号電荷が蓄積される部分を蓄積部１とする。垂直シフトレジスタＶＳＲによりセンサの画素部に接続する行選択線を走査し、水平シフトレジスタＨＳＲ１により蓄積部１に蓄積された画素信号を順次走査、出力していく。

図１４によれば、例えば、先ず光電変換センサの各画素に被写体の画像を蓄積し、つぎに、１水平走査期間内（ＨＳＹＮＣ）で、まず蓄積部１への転送用パルスＴＸがオンの間に、画素ａ₁₁〜ａ_1n，ｂ₁₁〜ｂ_1nの信号をそれぞれ蓄積部１へ転送する。そして水平シフトレジスタＨＳＲ１のパルス動作に同期して、期間ＴＳのハイの間にａ，ｂの画素信号を順次出力（ＯＵＴ１，ＯＵＴ２）させる。更に以降も、次の２行目ずつを同様の動作を繰り返す。

（従来例の補足）
図１５に、図１３のブロック図で説明した水平シフトレジスタＨＳＲ部とその周辺部の具体的構成を示す。ノイズ成分の蓄積容量をＣ_TN1、Ｃ_TN2、画素信号ａ成分の蓄積容量をＣ_TS1、画素信号ｂ成分の蓄積容量をＣ_TS2とする。また図１３の列線を、各画素部からの信号電荷を転送する垂直信号線としている。また、水平シフトレジスタＨＳＲ部とその周辺部は、蓄積容量等をリセットするＭＯＳＲ１と、画素ａに対するノイズ成分を蓄積容量Ｃ_TN1に制御パルスφＴＮ１によって導通する転送スイッチＴ１と、同様に転送スイッチＴ２〜Ｔ４と、水平シフトレジスタの走査によりオン／オフするスイッチＨ１〜Ｈ４と、各画素信号と各ノイズ信号を増幅するアンプＡ１〜Ａ４と、画素成分からノイズ成分を差し引く差動アンプＤ１〜Ｄ２とからなる。

図１６に、図１４の動作タイミング図中の期間ＴＸにおける詳細なタイミングを示す。期間Ｔ₁においてＭＯＳＲ１によって各蓄積容量Ｃ_Tをリセット、垂直信号線をリセットする。Ｔ₂においてノイズ成分をＣ_TN1に転送、Ｔ₃において画素ａの信号をＣ_TS1に転送、Ｔ₄において垂直信号線リセットする。また、Ｔ₄〜Ｔ₅の間にｂのノイズ成分をＣ_TN2に転送、Ｔ₅において画素ｂの信号をＣ_TS2に転送、Ｔ₆において各信号出力を（Ｓ−Ｎを行いつつ）蓄積部から読み出す動作を行っている。

したがって各画素信号を蓄積部へ転送する期間が非常に長くなる。

［他の従来の技術］
他の従来技術として、画像の読み出し方法には、複数の画素信号を加算、あるいは複数の信号転送経路により、複数の画素信号を同時に出力する方法がある。例えば、従来例１として、特開平１０−２８５４７２号公報には、共通の読み出し線に接続された複数の制御スイッチ素子を同時にオンとすることにより、電流モードで同時に複数の画素の読み出しを行い、これら複数の画素の出力を、読み出し出力線上で合成し、選択された複数の画素の信号の積和演算を行う。

また、従来例２として、特開平５−２４４３４０号公報には、通常の電荷転送路とは別に、高速駆動時専用の電荷転送路を設け、駆動パルスの切り換えにより、高速のデータレートが必要な場合には電荷と複数の経路に分岐させて複数の第１、第２出力部から分割して交互に信号を読み出す。

しかしながら、近年は高密度のセンサが強く求められている時であるが、センサが高画素数になると、１水平走査期間内で画素信号を蓄積部へ転送したあと残った時間で、転送分の全画素信号を読み出し切れなくなる。また、そのために信号を出力させる水平シフトレジスタＨＳＲの動作周波数を高速化するにも無理がある。また、複数の画素信号を加算する場合には、解像度が劣化する。また、複数の信号転送経路は回路規模を増大させ、コスト高の要因となる。

そこで、本発明は、上記各問題点を解決するため、センサが高密度となっても、画素信号の転送時間と読み出し用の転送時間とのバランスを取り、高画質で解像度の劣化のない読み取りを実行できる固体撮像装置を提供することを課題とする。

本発明による固体撮像装置は、複数の画素信号を任意の時間間隔をもって複数に出力することを特徴とする。また、複数の画素信号を蓄積する複数の蓄積部から、任意の時間間隔をおいて前記複数の画素信号を出力することを特徴とする。更に、１本の信号転送線に接続された複数の画素信号を読み出す固体撮像装置において、ある画素信号を画素信号蓄積部へ転送している期間に、既に蓄積部へ転送済みの同一信号線につながる他の画素信号を蓄積部から出力することを特徴とする。また、ある画素信号を転送している期間と、他の画素信号を蓄積部から出力する期間を並列に処理できることから、蓄積部から信号を読み出す動作周波数を低くすることができ、読み出し期間を長く取ることができ、高画素数センサに対応できることを特徴とする。

また、本発明は、ＸＹマトリクス状に配置された光電変換素子から画像信号を読み出す固体撮像装置において、前記ＸＹマトリクス状に配置された光電変換素子に各行を駆動する垂直シフトレジスタと、各列に少なくとも２行の蓄積部と、各蓄積部を駆動する水平シフトレジスタとを備え、前記垂直シフトレジスタは２行を同時に駆動し、前記各２行の画像信号を前記２行の蓄積部にそれぞれ転送し、前記水平シフトレジスタの駆動により、前記蓄積部の蓄積電荷をそれぞれ読み出すことを特徴とする。

また、本発明は、複数の光電変換素子を１つの出力線からそれぞれの画像信号を読み出し、前記複数の光電変換素子をＸＹマトリクス状に配置した固体撮像装置において、前記ＸＹマトリクス状に配置された光電変換素子に対して複数行の蓄積部と、前記複数の光電変換素子の各光電変換素子の各行を駆動する垂直シフトレジスタと、前記各蓄積部を駆動する水平シフトレジスタとを備え、前記垂直シフトレジスタは２行を同時に駆動し、前記各２行の画像信号を前記複数行の蓄積部にそれぞれ転送し、前記水平シフトレジスタの駆動により、前記複数行の蓄積部の蓄積電荷をそれぞれ読み出すことを特徴とする。

複数の信号電荷を蓄積部へ転送する時間と蓄積部から読み出す時間とを任意の時間間隔に設定しその動作を行う手段により、シフトレジスタに繰り出すクロック周波数を無理に高速にすることなく高画素数センサの読み出しに対応することができる。

また、クロック周波数を基準に考えれば、高速に複数の画素を同時に読み出し、それぞれで信号処理を実行できるので、複雑な信号処理をも可能とし、多彩な画像信号を得ることができる。

本発明の固体撮像装置の構成ブロック図である。本発明の固体撮像装置の構成ブロック図による動作タイミング図である。本発明の固体撮像装置の構成ブロック図である。本発明の固体撮像装置の構成ブロック図による動作タイミング図である。本発明の固体撮像装置の構成ブロック図である。本発明の固体撮像装置の構成ブロック図である。本発明の固体撮像装置の構成ブロック図による動作タイミング図である。本発明の固体撮像装置の構成ブロック図である。本発明の固体撮像装置の構成ブロック図である。本発明の固体撮像装置の構成ブロック図による動作タイミング図である。本発明の固体撮像装置の構成ブロック図である。本発明の固体撮像装置の構成ブロック図による動作タイミング図である。従来例の固体撮像装置の構成ブロック図である。従来例の固体撮像装置の構成ブロック図による動作タイミング図である。従来例の固体撮像装置の構成ブロック図である。従来例の固体撮像装置の構成ブロック図による動作タイミング図である。

本発明による実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

［実施形態１］
図１に本発明の実施形態１の固体撮像装置であるセンサ部の簡略したブロック図を、図２にその動作タイミング図を示す。

本実施形態では、奇数行の画素（ａ₁₁〜ａ_1n）の信号電荷を蓄積部１に、偶数行の画素（ｂ₁₁〜ｂ_1n）の信号電荷を蓄積部２に転送し、各々について水平シフトレジスタＨＳＲを有して、独立に動作する構成としている。また、図１によれば、垂直シフトレジスタＶＳＲにより奇数行及び偶数行の画素を駆動し、画素側の各列には蓄積部１，２の選択スイッチが備えられている。

この固体撮像装置の動作は、図２を参照して、１水平走査期間ＨＳＹＮＣのハイの内、期間ＴＸａで奇数行の画素（ａ₁₁〜ａ_1n）の信号電荷を蓄積部１に転送した後、ＨＳＲ１のパルス動作に同期して、期間ＴＳａで蓄積部１から順次画素ａ₁₁〜ａ_1nの信号がＯＵＴ１として出力される。また期間ＴＸｂで偶数行の画素（ｂ₁₁〜ｂ_1n）の信号電荷を蓄積部２に転送した後、ＨＳＲ２の動作に同期して、期間ＴＳｂで蓄積部２から順次画素ｂ₁₁〜ｂ_1nの信号がＯＵＴ２として出力される。以後、画素ａ，ｂの２行目以降も同様の動作を繰り返す。

本実施形態によれば、ある水平走査期間に２行分の信号電荷を蓄積部へ独立に転送することができるので、転送後の読み出し時間を長く確保でき、読み出し動作周波数を低く抑えることができる。

本実施形態によれば、各ＨＳＲのスタートパルスのタイミングをずらすだけで、任意の時間間隔をもって順次画素信号を読み出すことができる。

図３に、図１の固体撮像装置の蓄積部とその周辺部のブロック図のＨＳＲ１、蓄積部の具体的構成を示す。

図１５と同様に、ノイズ成分の蓄積容量をＣ_TN、画素信号ａ成分の蓄積容量をＣ_TS1とする。また、図３の列線を各画素部からの信号電荷を転送する垂直信号線としており、ＨＳＲ２、蓄積部２の構成も同様とする。

また、図３によれば、水平シフトレジスタＨＳＲ１と蓄積部１は、蓄積容量等をリセットするＭＯＳＲ１と、画素ａに対するノイズ成分を蓄積容量Ｃ_TN1に制御パルスφＴＮ１によって導通する転送スイッチＴ１と、画素ａの画像成分を蓄積容量Ｃ_TS1に制御パルスφＴＳ１によって導通する転送スイッチＴ２と、水平シフトレジスタＨＳＲ１の走査によりオン／オフするスイッチＨ１，Ｈ２と、画素成分と各ノイズ成分をそれぞれ増幅するアンプＡ１，Ａ２と、画素成分からノイズ成分を差し引く差動アンプＤ１とからなる。

図４に、図２で説明した固体撮像装置の動作タイミング図中の期間ＴＸａ，ＴＸｂにおける詳細なタイミングを示す。図１４と同様に、期間ＴＸａにおいて、各蓄積容量Ｃ_Tおよび垂直信号線リセット、画素ａのノイズ成分をＣ_TN1に転送、画素ａの画像信号をＣ_TS1に転送する。そして、φＨｎによりＨＳＲ１を動作させ、［画像信号Ｓ−ノイズ成分Ｎ］の差信号を得つつ、出力信号を得る。その期間と平行して期間ＴＸｂにおいて、蓄積容量および垂直信号線リセットを行った後、蓄積部選択スイッチを切りかえ画素ｂのノイズ成分をＣ_TN2に転送し、画素ｂの信号をＣ_TS2に転送する。そして、φＨｎ'によりＨＳＲ２を動作させ、［画像信号Ｓ−ノイズ成分Ｎ］を行いつつ出力信号を得る。

［実施形態２］
図５に本実施形態におけるセンサ部の簡略したブロック図を示す。図５によれば、画素及び垂直シフトレジスタＶＳＲの構成は図３と同様である。

本実施形態では１つのＨＳＲ１で２つの蓄積部１，２を動作させ、出力信号ＯＵＴ１，２を得ることができる。そのＨＳＲ１と蓄積部１，２の接続部の具体的構成の１例を図６に示す。奇数行の画素ａの信号電荷を蓄積する蓄積容量Ｃ_a1〜Ｃ_anを蓄積部１、偶数行の画素ｂの信号電荷を蓄積する蓄積容量Ｃ_b1〜Ｃ_bnを蓄積部２とする。また、奇数行の画素ａの画素信号はスイッチＴ３により、蓄積容量Ｃ_a1〜Ｃ_anに転送され、偶数行の画素ｂの画素信号はスイッチＴ４により、蓄積容量Ｃ_b1〜Ｃ_bnに転送される。その後、水平シフトレジスタＨＳＲ１により、各スイッチＨ３，Ｈ４によりそれぞれアンプＡ３，Ａ４で増幅されて出力ＯＵＴ１，ＯＵＴ２として出力される。

ここで、出力信号ＯＵＴ１，２間で時間差をもたせるため、ＨＳＲ１の前半部分は蓄積部１のみ動作させる。次に、蓄積部２の先頭である容量Ｃ_b1以降のアドレスを、蓄積部１のｍ番目に出力する容量Ｃ_am以降のアドレスと接続して同時に動作させることにより、容量Ｃ_a1の出力時から容量Ｃ_amの出力時までの時間差をもって、出力ＯＵＴ１，２を得ることができる。そしてＨＳＲ１の後半部分は蓄積部２のみ動作させる。

図７に、本実施形態での動作タイミング図を示す。１水平走査期間の内、期間ＴＸａで奇数行の画素ａの信号電荷を蓄積部１に転送し、期間ＴＸｂで偶数行の画素ｂの信号電荷を蓄積部２に転送する。そして画素ａの転送後、ＨＳＲ１前半部のパルス動作に同期して期間ＴＳａで順次画素ａ₁₁〜の信号が出力される。そしてある時間差をおいて期間ＴＳｂで蓄積部２からも画素ｂ₁₁〜の信号が出力される。ＨＳＲ１の後半部は蓄積部２のみ動作させ、画素ｂ_1nまで全て読み出す。２行目以降も同様の動作を繰り返す。

本実施形態によれば、２つの蓄積部からの信号読み出しに対するシフトレジスタＳＲを１つに共通化することができ、実施形態１よりも回路規模の縮小を図ることができる。

［実施形態３］
本実施形態では、複数の画素で１つの増幅手段（アンプ）等の共通回路を共有する撮像装置において、その実施手段を説明する。

図８にセンサ部分の簡略したブロック図を、図９にさらに具体的な構成を示す。ただし、ＨＳＲ１，２の上下位置は逆に表記している。図８のａ，ｂ，ｃ，ｄと、図９のａ，ｂ，ｃ，ｄは対応している。図８において、単位セルとして画素ａ₁₁，ｂ₁₁，ｃ₁₁，ｄ₁₁とが一つのソースフォロワで読み出す。また、図９において、単位セルは、各画素のフォトダイオードａ₁₁，ｂ₁₁，ｃ₁₁，ｄ₁₁と、各画素の光電荷を転送するＴａ，Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔｄと、フローティングゲートをリセットするＴ_Rと、ゲート電位を増幅するソースフォロワアンプＴ_Aと、列出力線に選択読み出すＴ_Sとから構成されている。

図１０にセンサ部分の簡略したブロック図に対する動作タイミング図を示す。ａ，ｂ，ｃ，ｄは画素部を表し、画素信号を蓄積する部分は、その４画素で１つの共通アンプをもち、単位セルを構成し、蓄積部１〜４と簡略している。ＶＳＲによりセンサの画素部に接続する行選択線を走査し、ＨＳＲにより蓄積部に蓄積された画素信号を順次走査、出力していく。

例えば、１水平走査期間に、まずＴＸａにより画素ａ_1nつまり奇数行奇数列の信号を蓄積部１へ転送する。そしてＴＳａによりａ₁₁〜ａ_1nの画素信号を順次ＯＵＴ１から出力させる。そのＯＵＴ１から信号を出力させている間に、ＴＸｂにより画素ｂ_1nつまり偶数列の信号を蓄積部２へ転送する。そしてＴＳｂによりｂ₁₁〜ｂ_1nの画素信号を順次ＯＵＴ２から出力させる。そして次の水平走査期間で、ＴＸｃによりｃ_1nつまり偶数行奇数列の信号を蓄積部３へ転送する。

そしてＴＳｃによりｃ₁₁〜ｃ_1nの画素信号を順次ＯＵＴ３から出力させる。そのＯＵＴ３から信号を出力させている間に、ＴＸｄにより画素ｄ_1nつまり偶数列の信号を蓄積部４へ転送する。そしてＴＳｄによりｄ₁₁〜ｄ_1nの画素信号を順次ＯＵＴ４から出力させる。このように、蓄積部１，２あるいは蓄積部３，４から各々独立して各行の奇数列ａ，ｃあるいは偶数列ｂ，ｄの画素信号を出力させることにより、高画素数の読み出し速度アップに対応する。

［実施形態４］
前記までの実施形態では、複数の画素信号は任意の時間間隔をおいて出力されるところまで述べた。しかし実際の撮像システムでは図１１のように構成される。

図１１に本発明における固体撮像装置１０を用いた撮像システムのブロック図を示す。同図に示すように、光学系１１を通って入射した画像光はＣＭＯＳセンサ１２上に結像する。ＣＭＯＳセンサ１２上に配置されている画素アレイによって光情報は電気信号へと変換される。その電気信号は、信号処理回路１３に入力され、Ａ／Ｄ変換器１４、ＤＳＰ（デジタル信号処理）１５、メモリ１６等で構成される信号処理回路１３によって、信号変換処理され、出力される。

信号処理された信号は、エンコーダ１７により出力装置に対応して記録、通信、あるいは表示に順応する画像信号に変換されて、各出力装置の記録系１８、通信系１９、表示系２０に出力される。ＣＭＯＳセンサ、信号処理回路１３はタイミング制御回路２１により制御され、光学系１１、タイミング制御回路２１、エンコーダ１７、記録系１８、通信系１９、表示系２０は、システム制御回路２２により制御される。

このようにセンサ出力のあとスムーズな信号処理を行うためには、上述した画素ａおよびｂ又は第３実施形態で説明した画素ａ，ｂ，ｃ，ｄに対するそれぞれの出力のタイミングについて、信号間の時間差をなくした方がよい。本実施形態では、その信号遅延を補償する手段として各蓄積部からの出力にＦＩＦＯ（First In First Out）メモリを用いている。図１２にその動作タイミング図を示す。図１２には画素を記載していないが、例えば蓄積部１，２間に、図１に示すように配置しているものとする。ここで、図１２に示すように、例えば，ＨＳＲ１とＨＳＲ２あるいはＨＳＲ１のみでかかる動作により蓄積部１，２からそれぞれＯＵＴ１、ＯＵＴ２という出力が、時間差をもって得られる（図１２（ａ））。

その信号をＦＩＦＯメモリに通すことにより、位相がそろった信号として得ることができる（図１２（ｂ））。こうして撮像システム全体として、スムーズな信号処理を行うことができる。

特に、シリアルな信号形態ではないので、パラレルにそれぞれ信号処理するように、パラレル信号処理又は、パイプライン的な信号処理形態が望まれ、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）をパラレルに配置することで現実的にも可能であり、通常の時系列的な画素の読み出して信号処理する方法に比較して、蓄積部の出力数だけの時間短縮を図ることができる。

１１光学系
１２センサ（固体撮像装置）
１３信号処理回路
１４Ａ／Ｄ変換器
１５ＤＳＰ
１６メモリ
１７エンコーダ
１８記録系
１９通信系
２０表示系
２１タイミング制御回路
２２システム制御回路

Claims

複数の光電変換素子により得られる複数の画素信号を任意の時間間隔をもって出力することができる固体撮像装置。
複数の画素信号を蓄積する複数の蓄積部から、任意の時間間隔をおいて前記画素信号を出力することができる固体撮像装置。
１本の信号転送線に接続された複数の画素信号を読み出す固体撮像装置において、ある画素信号を画素信号蓄積部へ転送している期間に、既に蓄積部へ転送済みの同一信号線につながる他の画素信号を蓄積部から出力することを特徴とする固体撮像装置。
請求項３に記載の固体撮像装置において、出力させた複数の画素信号の信号遅延を補償する手段を有することを特徴とする固体撮像装置。
請求項３に記載の固体撮像装置において、前記画素信号蓄積部からの信号読み出し動作にかかるシフトレジスタをそれぞれ独立に動作できることを特徴とする固体撮像装置。
ＸＹマトリクス状に配置された光電変換素子から画像信号を読み出す固体撮像装置において、
前記ＸＹマトリクス状に配置された光電変換素子に各行を駆動する垂直シフトレジスタと、各列に少なくとも２行の蓄積部と、各蓄積部を駆動する水平シフトレジスタとを備え、前記垂直シフトレジスタは２行を同時に駆動し、前記各２行の画像信号を前記２行の蓄積部にそれぞれ転送し、前記水平シフトレジスタの駆動により、前記蓄積部の蓄積電荷をそれぞれ読み出すことを特徴とする固体撮像装置。
複数の光電変換素子を１つの出力線からそれぞれの画像信号を読み出し、前記複数の光電変換素子をＸＹマトリクス状に配置した固体撮像装置において、
前記ＸＹマトリクス状に配置された光電変換素子に対して複数行の蓄積部と、
前記複数の光電変換素子の各光電変換素子の各行を駆動する垂直シフトレジスタと、前記各蓄積部を駆動する水平シフトレジスタとを備え、前記垂直シフトレジスタは２行を同時に駆動し、前記各２行の画像信号を前記複数行の蓄積部にそれぞれ転送し、前記水平シフトレジスタの駆動により、前記複数行の蓄積部の蓄積電荷をそれぞれ読み出すことを特徴とする固体撮像装置。
ＸＹマトリクス状に配置された複数の光電変換素子と、
前記複数の光電変換素子からの信号を蓄積する蓄積手段と、
前記蓄積手段からの信号を水平方向に順次出力する水平出力手段とを備え、
前記水平方向の１行の光電変換素子からの信号を前記蓄積手段から前記水平出力手段に読み出している期間中に、前記水平方向の１行の光電変換素子以外の前記水平方向の１行の光電変換素子からの信号を前記蓄積手段に蓄積することを特徴とする固体撮像装置。
請求項８に記載の固体撮像装置において、前記水平出力手段は、前記水平方向の２行の信号を並列的に読み出すことを特徴とする固体撮像装置。
請求項９に記載の固体撮像装置において、前記水平出力手段から前記水平方向の２行の信号を所定時間ずらして、並列的に読み出す駆動手段を有することを特徴とする固体撮像装置。
請求項１０に記載の固体撮像装置において、前記並列的に読み出す前記駆動手段はそれぞれ同一の駆動手段であることを特徴とする固体撮像装置。