JP2009296477A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】静止画撮影時に露光ムラを生じることなく高速な初期リセット動作を行うことができ、高速メカニカルシャッタ動作に対応できるようにした固体撮像装置を提供する。
【解決手段】光信号を信号電荷に変換し蓄積するフォトダイオード１０１と、フォトダイオードの蓄積信号電荷を増幅し画素信号として出力する増幅トランジスタ１０４と、蓄積電荷を増幅トランジスタに転送する転送トランジスタ１０２と、信号電荷をリセットするリセットトランジスタ１０３とを備えた画素１００を２次元状に配列した画素部と、画素部を行毎に駆動制御するための垂直走査信号を出力する垂直走査回路２０２と、垂直走査信号に基づいて転送トランジスタを駆動する行転送信号を生成すると共に、行転送信号に対して立ち下がりを所定量遅延させたリセットトランジスタを駆動する行リセット信号を生成する垂直選択部２０３とで固体撮像装置を構成する。
【選択図】図２

Description

この発明は、固体撮像装置に関し、特に画素の高速なリセットが可能な固体撮像装置に関する。

まず、従来のＭＯＳ型固体撮像装置の基本構成及び駆動方法について、図10，図11，図12，図13，図14を用いて説明する。 図10は、ＭＯＳ型固体撮像装置に用いられる画素構成を示す。図10において、100 は単位画素を表し、２次元行列状に複数配列することで画像情報を取得するものである。10１は光電変換を行うフォトダイオード、104 はフォトダイオード101 で発生した光生成電荷をＰＮ接合容量やゲート容量などで電圧に変換し、増幅して読み出すための増幅トランジスタ、102 はフォトダイオード101 で発生した光生成電荷を増幅トランジスタ104 のゲート端子に転送するための転送トランジスタ、103 は増幅トランジスタ104 のゲート端子及びフォトダイオード101 をリセットするためのリセットトランジスタ、105 は画素を選択し、増幅トランジスタ104 の出力を垂直信号線110 に伝達するための選択トランジスタをそれぞれ示している。ここで、フォトダイオード101 以外は遮光されている。

106 は画素電源線であり、全画素共通に電源を供給するもので、増幅トランジスタ104 のドレイン端子及びリセットトランジスタ103 のドレイン端子に電気的に接続されている。107 は１行分の画素をリセットするための行リセット線であり、１行分の画素のリセットトランジスタ103 のゲート端子にそれぞれ電気的に接続されている。108 は１行分の画素の光生成電荷をそれぞれの画素の増幅トランジスタ104 のゲート端子に転送するための行転送線であり、１行分の転送トランジスタ102 のゲート端子にそれぞれ電気的に接続されている。109 は１行分の画素を選択するための行選択線であり、１行分の選択トランジスタ105 のゲート端子にそれぞれ電気的に接続されている。そして、このような画素構成により、光電変換機能、リセット機能、メモリ機能、増幅読み出し機能、選択機能を実現している。

図11は、ＭＯＳ型固体撮像装置の基本構成を模式的に示したものである。図11において、200 は画素部を表し、単位画素100 を２次元行列状に配列したもので、画素Ｐ11〜Ｐ33に対応する。 ここでは、説明を簡単にするために単位画素100 を３行３列分並べている。202 は行選択を行うための垂直走査回路を表し、垂直走査信号φＶＳＲ（ｉ）（ｉ＝１，２，３）を順次出力するものである。203 は垂直選択部を表し、垂直走査信号φＶＳＲ（ｉ）に応じて、各画素Ｐ11〜Ｐ33の行選択線109 ，行リセット線107 及び行転送線108 に、行選択信号φＳＥ（ｉ）（ｉ＝１，２，３）、行リセット信号φＲＳ（ｉ）（ｉ＝１，２，３）及び行転送信号φＴＲ（ｉ）（ｉ＝１，２，３）をそれぞれ伝達するものである。図11では、行選択信号φＳＥ，行リセット信号φＲＳ及び行転送信号φＴＲを各行に伝達するための線を１本で、また垂直選択回路（ＭＶ１, ＭＶ２, ＭＶ３）の出力を各行１本で示しているが、実際にはそれぞれが独立して設けられている。

図12は、垂直選択部203 における垂直選択回路（ＭＶ１，ＭＶ２，ＭＶ３）の具体的な構成を示したものである。図12において、202 は垂直走査回路で、φＳＥ，φＲＳ，φＴＲはそれぞれ行選択信号、行リセット信号、行転送信号である。垂直走査回路202 から出力される垂直走査信号φＶＳＲ（ｉ）（ｉ＝１，２，３）と行選択信号φＳＥの論理積をとった信号φＳＥ（ｉ）（ｉ＝１，２，３）が画素部200 の行選択線109 に接続され、垂直走査信号φＶＳＲ（ｉ）（ｉ＝１，２，３）と行リセット信号φＲＳの論理積をとった信号φＲＳ（ｉ）（ｉ＝１，２，３）が画素部200 の行リセット線107 に接続され、垂直走査信号φＶＳＲ（ｉ）（ｉ＝１，２，３）と行転送信号φＴＲの論理積をとった信号φＴＲ（ｉ）（ｉ＝１，２，３）が画素部200 の行転送線108 に接続される。

図11において、201 は電流源部を表し、列毎に備えられた電流源ＭＬ１，ＭＬ２，ＭＬ３と、図10で説明した垂直信号線110 とが、それぞれ電気的に接続されることで、増幅トランジスタ104 と電流源ＭＬ１〜ＭＬ３とでソースフォロア回路が列毎に構成される。 ここで電流源ＭＬ１〜ＭＬ３は、一定のバイアス電流を流す働きがある。

図11において、204 は列処理回路部を表し、上述のソースフォロア回路から出力される画素信号を列毎に設けられた列処理回路ＣＤＳ１，ＣＤＳ２，ＣＤＳ３により、それぞれ相関２重サンプリング（ＣＤＳ）を行い、画素の固定パターンノイズなどのオフセットばらつき除去などの信号処理を行った後、その信号処理結果をメモリしておくものである。 205 は列選択を行うための水平走査回路を表し、水平走査信号φＨＳＲ（ｊ）（ｊ＝１，２，３）を順次出力するものである。206 は水平選択スイッチ部を表し、列処理回路部204 にメモリされた信号処理結果を、水平走査信号φＨＳＲ（ｊ）（ｊ＝１，２，３）に応じて、水平信号線207 に伝達するものである。 208 は水平信号線207 に伝達された列処理回路部204 にメモリされた信号処理結果を増幅し、外部に出力するためのアンプを表す。

次に、このように構成されているＭＯＳ型撮像装置の動画撮影時の駆動タイミングについて、図13のタイミングチャートを用いて説明する。 垂直走査回路202 から第１行目の垂直走査信号φＶＳＲ（１）が出力されると、第１行目の画素が駆動可能になる。 より詳しく説明すると、第１行目の画素には、行選択信号φＳＥが、第１行目の選択信号φＳＥ（１）として、垂直選択回路ＭＶ１及び行選択線109 を介して第１行目の画素の選択トランジスタ105 のゲート端子に伝達されるようになり、行リセット信号φＲＳが、第１行目のリセット信号φＲＳ（１）として垂直選択回路ＭＶ１及び行リセット線107 を介して第１行目の画素のリセットトランジスタ103 のゲート端子に伝達されるようになり、行転送信号φＴＲは、第１行目の転送信号φＴＲ（１）として、垂直選択回路ＭＶ１及び行転送線108 を介して第１行目の画素の転送トランジスタ１０２のゲート端子に伝達されるようになる。

まず期間Ｔv における動作について説明する。垂直走査信号φＶＳＲ（１）が“Ｈ”レベルになり、次いで行選択信号φＳＥ（１）が“Ｈ”レベルになると、増幅トランジスタ104 の出力が垂直信号線110 に伝達されるようになる。すなわち、信号読み出し及び信号処理を行う期間が開始される。次に、行リセット信号φＲＳ（１）が“Ｈ”レベルになると、増幅トランジスタ104 のゲート端子が画素電源ＶＤＤのレベルにリセットされる。 次いで行リセット信号φＲＳ（１）を“Ｌ”レベルにし、このときに増幅トランジスタ104 から出力されるリセットレベル出力を列処理回路部204 にてサンプリングする。

次に、行転送信号φＴＲ（１）を“Ｈ”レベルにして、フォトダイオード101 に蓄積された光生成電荷を増幅トランジスタ104 のゲート端子に転送する。そして行転送信号φＴＲ（１）を“Ｌ”レベルにして、このときに出力される信号レベル出力を列処理回路部204 にて再度サンプリングする。 その後、列処理回路部204 では、サンプリングされた信号レベル出力とリセットレベル出力との差分処理が行われ、列処理回路ＣＤＳ１，ＣＤＳ２及びＣＤＳ３に差分処理後の信号がそれぞれメモリされる。 そして、行選択信号φＳＥ（１）を“Ｌ”レベルにして信号読み出し及び信号処理を行う期間が終了する。 フォトダイオード101 に蓄積された光生成電荷の増幅トランジスタ104 のゲート端子への転送が終了すると、フォトダイオード101 はリセットされ、フォトダイオード101 にて光生成電荷の蓄積が開始される。

次いで、期間Ｔh における動作について説明する。 水平走査信号φＨＳＲ（ｊ）（ｊ＝１，２，３）が水平走査回路205 から順次出力されると、列処理回路部204 の列処理回路ＣＤＳ１，ＣＤＳ２，ＣＤＳ３にメモリされた差分処理後の信号が、水平選択スイッチ部206 の水平選択スイッチＭＨ１，ＭＨ２及びＭＨ３をそれぞれ介して順次水平信号線207 に読み出される。水平信号線207 に読み出された信号は、出力アンプ部208 で増幅され外部に出力される。図13では、外部に出力される信号をＶout で示している。このとき、出力アンプ部208 には、信号帯域に応じて適当なバイアス電流が供給されている。

以上の動作で１行分の画素の信号が読み出される。 この動作を第１行から第３行まで順次行うことで、画素部200 の全画素の信号を読み出すことができる。すなわち、受光画素部200 の画素Ｐ11〜Ｐ33の画素信号が、出力アンプ部208 からＶout として順次出力される。以上の期間が１フレーム期間Ｔf であり、この説明ではフォトダイオード101 の光生成電荷の蓄積期間になっている。

次に、図11に示す撮像装置を用いて静止画撮影を行う場合の説明を行う。静止画撮影では、メカニカルシャッタを用いて露光時間を決定している。静止画撮影時の動作は、メカニカルシャッタが閉じて遮光された状態で全画素のリセット（初期リセット）を行い、続いてメカニカルシャッタの先幕を開くことにより、露光が開始される。その後、所望の時間を経た後、メカニカルシャッタの後幕を閉じることによって遮光され、露光が終了する。露光終了後、読み出し動作が行われる。

ライブビューモードなどの動画撮影から静止画撮影へと移行する際は、動画撮影時では常にメカニカルシャッタが開いているため、上述したメカニカルシャッタを用いた露光決定方法では一度メカニカルシャッタを閉じる必要があり、移行時にタイムラグが生じてしまう。そこで、近年、移行時のタイムラグをなくすために露光の開始を固体撮像装置のリセット動作（初期リセット）によって行い、露光の終了をメカニカルシャッタによって行う方法がある。以後この方法を先幕電子シャッタと呼ぶ。先幕電子シャッタ動作では、画像の上下で露光時間を一致させるために初期リセット動作とメカニカルシャッタの動作を同じ速度で行わなければならない。このとき、メカニカルシャッタの動作は数ｍｓと高速であるため、初期リセット動作も数ｍｓで高速に行わなければならない。

図14は、先幕電子シャッタを用いた静止画撮影時の駆動タイミングを表すタイミングチャートである。垂直走査回路202 から第１行目の垂直走査信号φＶＳＲ（１）が出力されると、第１行目の画素が駆動可能になる。 垂直走査信号φＶＳＲ（１）が“Ｈ”レベルになり、次いで行リセット信号φＲＳ（１）が“Ｈ”レベルになると、１行分の画素のリセットトランジスタ103 がＯＮとなる。次に行転送信号φＴＲ（１）が“Ｈ”レベルになると、第１行目のフォトダイオード101 が電源電圧ＶＤＤとなり、フォトダイオード101 がリセットされ、露光が開始される。第２行目以降も同様である。その後、所望の時間を経た後、メカニカルシャッタを閉じて露光を終了し、信号の読み出しを行う。信号の読み出しは、図13で説明した信号読み出し動作と同様である。但し、静止画撮影時は、読み出し時に遮光されているため、光生成電荷の転送が終了しても露光は開始されない。
特開２００５−１７６１０５号公報

先幕電子シャッタ動作においては、図14に示すように、初期リセット時にはリセット動作のみを各行に対して順次行うことで初期リセット動作がなされるが、画素数の増大と共に行数が増加すると初期リセット期間が長くなってしまい、メカニカルシャッタ動作に対応ができなくなってしまう。したがって、初期リセット動作をメカニカルシャッタ動作に対応させるためには、垂直選択動作を高速に行う必要がある。しかしながら、従来の構成で初期リセット動作を行うには、垂直走査信号φＶＳＲと行転送信号φＴＲ，行リセット信号φＲＳとの論理積をとった信号を用いているため、リセット動作を不具合なく、行うためには、各信号間でタイミングマージンをとらなければならない。したがって、タイミングマージンをとることで無駄な時間が生じ、垂直走査回路を高速に駆動しても高速な初期リセット動作を行うことが困難となり、上記のようにメカニカルシャッタ速は初期リセット速度に依存しているため、高速メカニカルシャッタの機能を発揮することが出来なかった。

また、高速な初期リセット動作を行うための方法として特開２００５−１７６１０５号公報に開示された方法がある。この方法は複数行を同時にリセットし、これを繰り返すことで高速な初期リセット動作を実現している。しかし、この方法では各行の露光時間に差が生じるため、画像に露光ムラの不具合が生じる。

本発明では、従来のＭＯＳ型固体撮像装置における上記問題を解消するためになされたもので、静止画撮影時に露光ムラを生じることなく高速な初期リセット動作を行うことができ、高速メカニカルシャッタ動作に対応できるようにした固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、光信号を信号電荷に変換し蓄積する光電変換素子と、該光電変換素子に蓄積された信号電荷を増幅し画素信号として出力する増幅手段と、蓄積された信号電荷を前記増幅手段に転送する転送手段と、前記信号電荷をリセットするリセット手段とを備えた画素を２次元状に配列した画素部と、該画素部を行毎に駆動制御するための垂直走査信号を出力する垂直走査手段と、前記垂直走査信号に基づいて前記転送手段を駆動する行転送信号を生成すると共に、前記行転送信号に対して立ち下がりを所定量遅延させた前記リセット手段を駆動する行リセット信号を生成する垂直選択手段を有して固体撮像装置を構成するものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る固体撮像装置において、前記行リセット信号は、前記転送信号全体を遅延させて生成されたものであることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項１に係る固体撮像装置において、前記画素部の画素を行毎にリセット動作のみ順次行う初期リセット動作後、所望の露光期間を経た後、前記画素信号を行毎に順次出力する行程により行われる静止画撮影において、前記初期リセット動作時に、前記行転送信号及び前記行リセット信号を生成させるように制御する制御手段を有することを特徴とするものである。

請求項１及び２に係る発明によれば、行転送信号及び行リセット信号を垂直走査信号より生成することよって、タイミングマージンを考慮しないですみ、そして、このとき、行リセット信号は行転送信号の立ち下がりを遅延させて生成しているため、行リセット信号は行転送信号よりも遅れて“Ｌ”レベルとなり、リセット動作がより確実に行われる。したがって、垂直方向の初期リセット動作を高速化し、高速メカニカルシャッタ動作に対応できる固体撮像装置を実現できる。また、請求項３に係る発明によれば、請求項１及び２と同様に、タイミングマージンを考慮しないですむため、静止画撮影における初期リセット動作時に高速なリセット動作を行うことができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

（実施例１）
まず、本発明に係る固体撮像装置の実施例１について図１，図２，図３，図４を用いて説明する。この実施例は、請求項１〜３に係る発明に対応するものである。図１は、実施例１に係る固体撮像装置全体の構成を示すブロック図である。この実施例に係る固体撮像装置は、垂直選択回路ＭＶ10，ＭＶ20，ＭＶ30の構成と、制御部を設けた点以外は、図11に示した従来例と同じ構成であるため、その概略説明は省略する。図２は、垂直選択回路（ＭＶ10，ＭＶ20，ＭＶ30）の具体的な構成を示す回路構成図である。ここで用いられる画素は、図10に示した従来例と同じであるので、画素構成の説明を省略する。

図２において、202 は垂直走査回路で、φＳＥ，φＲＳ，φＴＲ，φＣＴＬはそれぞれ行選択信号、行リセット信号、行転送信号、遅延回路21を制御する遅延回路制御信号であり、これらの信号は制御部209 によって制御される。垂直走査回路202 から出力される垂直走査信号φＶＳＲ（ｉ）（ｉ＝１，２，３）と行選択信号φＳＥの論理積をとった信号φＳＥ（ｉ）（ｉ＝１，２，３）が画素部200 の行選択線109 に接続され、垂直走査回路202 から出力される垂直走査信号φＶＳＲ（ｉ）（ｉ＝１，２，３）と行リセット信号φＲＳの論理積をとった信号、及び遅延回路制御信号φＣＴＬと第ｉ行目の転送信号φＴＲ（ｉ）（ｉ＝１，２，３）の論理積をとった信号の論理和をとった信号φＲＳ（ｉ）（ｉ＝１，２，３）が画素部200 の行リセット線107 に接続され、垂直走査信号φＶＳＲ（ｉ）（ｉ＝１，２，３）と行転送信号φＴＲの論理積をとった信号φＴＲ（ｉ）（ｉ＝１，２，３）が画素部の行転送線108 に接続される。遅延回路21は、スイッチや遅延素子などを用いて構成してもよい。

次に、上記構成の実施例１に係る固体撮像装置をデジタルカメラに適用した場合のデジタルカメラの構成について、図３を用いて説明する。図３において、１は被写体像を固体撮像装置５に結像させるレンズ部である。レンズ部１は、レンズ制御装置２によってズーム、フォーカス、絞りなどが駆動制御される。３は遮光部材であるシャッタで、所謂一眼レフカメラに使用されるフォーカルプレーン型のシャッタ機構である。シャッタ３はシャッタ駆動装置４によって駆動制御される。５はレンズ部１で結像された被写体を画像信号として取り込む図１に示した構成を有する固体撮像装置である。

また、６は固体撮像装置５の出力端子より出力された信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部であり、９はＡ／Ｄ変換部６より出力された信号に各処理を行う撮像信号処理回路である。撮像信号処理回路９では、画像信号の増幅、画像データに各種の補正、画像データの圧縮などを行う。７は固体撮像装置５を駆動、制御するための駆動回路、11はデジタルカメラ全体の制御を行う制御装置、８は画像データを一時的に記憶するためのメモリ部、10は画像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリなどの着脱可能な記録媒体である。

次に、上記構成を有するデジタルカメラにおける先幕電子シャッタを用いた静止画撮影時の動作について、図４のタイミングチャートを用いて説明する。初期リセット時は、行選択信号φＳＥ及び行リセット信号φＲＳは常時“Ｌ”レベルであり、行転送信号φＴＲ及び遅延回路制御信号φＣＴＬは常時“Ｈ”レベルとなっている。垂直走査回路202 から第１行目の垂直走査信号φＶＳＲ（１）が出力されると、第１行目の画素が駆動可能になる。 垂直走査信号φＶＳＲ（１）が“Ｈ”レベルになると、行転送信号φＴＲは“Ｈ”レベルであるため、第１行目の転送信号φＴＲ（１）は垂直走査信号φＶＳＲ（１）と同様の信号となる。行リセット信号φＲＳは常時”Ｌ”レベルであるため、垂直走査信号φＶＳＲ（１）と行リセット信号φＲＳの論理積を取った信号は”Ｌ”レベルとなる。

また、遅延回路制御信号φＣＴＬは常時”Ｈ”レベルであるため、第１行目の転送信号φＴＲ（１）と遅延回路制御信号φＣＴＬの論理積をとった信号は、第１行目の転送信号φＴＲ（１）と同様の信号となる。したがって、第１行目のリセット信号φＲＳ（１）は“Ｌ”レベルと第１行目の転送信号φＴＲ（１）との論理和をとった信号となるため、第１行目のリセット信号φＲＳ（１）は第１行目の転送信号φＴＲ（１）と同様の信号となる。但し、第１行目のリセット信号φＲＳ（１）のタイミングは、第１行目の転送信号φＴＲ（１）に比べ、論理積、論理和をとる遅延回路21を介している分だけ遅延して現れる。第１行目のリセット信号φＲＳ（１）が“Ｈ”レベルから“Ｌ”レベルになった時点から第１行目の画素にて光生成電荷の蓄積が開始され、所望の時間を経た後、メカニカルシャッタが閉じて入射光が遮断されることにより、蓄積が終了される。第２行目以降も同様である。

この静止画撮影時における信号の読み出し動作は、図13で説明した従来例における信号読み出し動作と同様である。但し、静止画撮影時は、読み出し時に遮光されているため、光生成電荷の転送が終了しても露光は開始されない。

以上のように、上記構成の固体撮像装置を用いて、垂直走査信号から転送信号を生成し、その転送信号を遅延させてリセット信号を生成することにより、信号間のタイミングマージンを考慮する必要がなく、また１行ずつ順次リセットが終了するため、画像に露光ムラを生じさせず、高速な初期リセットが可能となる。したがって、高速メカニカルシャッタ動作に対応できる固体撮像装置を実現できる。

（実施例２）
次に、本発明の実施例２について、図５を用いて説明する。この実施例も請求項１〜３に係る発明に対応するものである。この実施例の固体撮像装置自体の構成は図１に示した実施例１と同じである。本実施例は、実施例１において、よりリセットを確実に行うように駆動させるようにしたものである。前記実施例１で用いた固体撮像装置において、初期リセット時に各行のリセット時間を長くした場合のタイミングチャートを図５に示す。図５に示すように、垂直走査信号φＶＳＲの“Ｈ”レベルである期間を図４に示した実施例１における時間の２倍とると、第ｉ行目の転送信号φＴＲ（ｉ）（ｉ＝１，２，３）及び第ｉ行目のリセット信号φＲＳ（ｉ）の“Ｈ”レベルである期間も同様に、図４に示した時間の２倍となる。

このようにして、リセットに寄与する垂直走査信号φＶＳＲの“Ｈ”レベルである期間を長くとることにより、より確実にリセットを行うことが可能となる。また、各行間のリセット終了のタイミング、つまり露光を開始するタイミングの間隔は、垂直走査信号φＶＳＲの各行間の”Ｌ“レベルとなるタイミングの間隔と等しいため、画像に露光ムラを生じることなく、高速な初期リセットが可能となり、高速メカニカルシャッタ動作に対応させることができる。もちろん、垂直走査信号φＶＳＲの“Ｈ”レベルである期間は、図５に示した時間に限らない。

（実施例３）
次に、本発明の実施例３について図６，図７，図８，図９を用いて説明する。この実施例も請求項１〜３に係る発明に対応するものである。この実施例３に係る固体撮像装置は、垂直走査信号から転送信号を生成し、その転送信号を遅延させてリセット信号を生成することが可能な固体撮像装置をデジタルカメラに用いた場合に、静止画撮影に加え、動画撮影動作も行えるように構成したものである。実施例３に係る固体撮像装置全体の構成を図６に示す。図１に示した実施例１と異なる点は、垂直走査回路及び垂直選択部が第１の垂直走査回路202-1 と第２の垂直走査回路202-2 及び第１の垂直選択部203-1 と第２の垂直選択部203-2 の二つ存在する点である。第１の垂直走査回路202-1 と第１の垂直選択部203-1 は上記した図11に示した従来例のものと等しく、読み出し時に用いる信号を制御する。

第２の垂直走査回路202-2 において、φＲＳ２，φＴＲ２はそれぞれ行リセット信号、行転送信号であり、リセット時に用いる信号を制御する。第１及び第２の垂直選択部203-1 ，203-2 に入力する信号φＳＥ，φＲＳ１，φＲＳ２，φＴＲ１，φＴＲ２は制御部209 によって制御される。遅延回路22は、図７に示すように、図２に示した実施例１の遅延回路21から遅延回路制御信号φＣＴＬを除き、論理積の代わりにバッファをおいた構成となっている。但し、遅延回路22の構成は前記構成に限らない。

第１の垂直選択部203-1 及び第２の垂直選択部203-2 によって出力された各行リセット信号と各行転送信号のそれぞれの論理和をとった信号は、それぞれ第ｉ行目のリセット信号φＲＳ（ｉ）（ｉ＝１，２，３）と、転送信号φＴＲ（ｉ）（ｉ＝１，２，３）となり、画素Ｐ11〜Ｐ33からなる画素部200 の各行リセット信号線108 と各行転送信号線107 に接続される。図６では、行選択信号φＳＥ（１），φＳＥ（２），φＳＥ（３）、行リセット信号φＲＳ（１），φＲＳ（２），φＲＳ（３）及び行転送信号φＴＲ（１），φＴＲ（２），φＴＲ（３）を各行に伝達するための線を１本で、また第１及び第２の垂直選択回路（ＭＶ１-1，ＭＶ１-2，ＭＶ１-3，ＭＶ２-1，ＭＶ２-2，ＭＶ２-3）の出力を各行１本で示しているが、実際にはそれぞれが独立して設けられている。

図７は、実施例３において第１及び第２の垂直選択部203-1 ，203-2 の垂直選択回路（ＭＶ１-1，ＭＶ１-2，ＭＶ１-3，ＭＶ２-1，ＭＶ２-2，ＭＶ２-3）の具体的な構成を示したものである。図７において、202-1 ，202-2 は第１及び第２の垂直走査回路で、φＳＥ，φＲＳ１，φＲＳ２，φＴＲ１，φＴＲ２はそれぞれ行選択信号、行リセット信号、行転送信号である。第１の垂直選択部203-1 より出力される信号φＲＳ１（ｉ）（ｉ＝１，２，３）及びφＴＲ１( ｉ) （ｉ＝１，２，３）はそれぞれ、垂直走査信号φＶＳＲ１（ｉ）（ｉ＝１，２，３）と行リセット信号φＲＳ１の論理積をとったもの、及び垂直走査信号φＶＳＲ１（ｉ）（ｉ＝１，２，３）と行転送信号φＴＲ１の論理積をとったものである。また、第１の垂直選択部203-1 より出力される信号φＳＥ（ｉ）（ｉ＝１，２，３）は垂直走査信号φＶＳＲ（ｉ）（ｉ＝１，２，３）と行選択信号φＳＥの論理積をとったものである。

第２の垂直選択部203-2 より出力される信号φＲＳ２（ｉ）（ｉ＝１，２，３）及びφＴＲ２（ｉ）（ｉ＝１，２，３）はそれぞれ、垂直走査信号φＶＳＲ２（ｉ）（ｉ＝１，２，３）と行リセット信号φＲＳ２の論理積をとったもの、及び垂直走査信号φＶＳＲ２（ｉ）（ｉ＝１，２，３）と行転送信号φＴＲ２の論理積をとったものである。

画素部200 のリセット信号線107 に伝達するリセット信号φＲＳ（ｉ）（ｉ＝１，２，３）は、第１の垂直選択部203-1 より出力される信号φＲＳ１（ｉ）（ｉ＝１，２，３）と第２の垂直選択部203-2 より出力される信号φＲＳ２（ｉ）（ｉ＝１，２，３）の論理和をとったものである。画素部200 の転送信号線108 に伝達する転送信号φＴＲ（ｉ）（ｉ＝１，２，３）は、第１の垂直選択部203-1 より出力される信号φＴＲ１（ｉ）（ｉ＝１，２，３）と第２の垂直選択部203-2 より出力される信号φＴＲ２（ｉ）（ｉ＝１，２，３）の論理和をとったものである。

次に、実施例３において動画撮影時の動作を、図８に示すタイミングチャートに基づいて説明する。動画撮影では、リセット動作と読み出し動作が各行毎に連続して行われるが、第２の垂直走査回路202-2 と第２の垂直選択部203-2 によってリセット動作を行い、第１の垂直走査回路202-1 と第１の垂直選択部203-1 によって読み出し動作を行う。リセット時は、行リセット信号φＲＳ２は常時“Ｌ”のレベルであり、行転送信号φＴＲ２は常時“Ｈ”レベルとなっている。第２の垂直走査回路202-2 から第１行目の垂直走査信号φＶＳＲ２（１）が出力されると、第１行目の画素が駆動可能になる。 垂直走査信号φＶＳＲ２（１）が“Ｈ”レベルになると、行転送信号φＴＲ２は“Ｈ”レベルであるため、第１行目の転送信号φＴＲ２（１）は垂直走査信号φＶＳＲ２（１）と同様の信号となる。行リセット信号φＲＳ２は常時“Ｌ”レベルであるため、垂直走査信号φＶＳＲ２（１）と行リセット信号φＲＳ２の論理積を取った信号は“Ｌ”レベルとなる。

したがって、第２の垂直選択部203-2 より出力される第１行目のリセット信号φＲＳ２（１）は、“Ｌ”レベルと第２の垂直選択部203-2 より出力される第１行目の転送信号φＴＲ２（１）との論理和をとった信号となるため、第２の垂直選択部203-2 より出力される第１行目の転送信号φＴＲ２（１）と同様の信号となる。但し、第２の垂直選択部203-2 より出力される第１行目のリセット信号φＲＳ２（１）のタイミングは、第２の垂直選択部203-2 より出力される第１行目の転送信号φＴＲ２（１）に比べ、バッファ、論理和をとる遅延回路22を介している分だけ遅延して現れる。

画素100 のリセット線107 に接続される第１行目のリセット信号φＲＳ（１）は、第２の垂直選択部203-2 より出力される第１行目のリセット信号φＲＳ２（１）と第１の垂直選択部203-1 より出力される第１行目のリセット信号φＲＳ１（１）の論理和であるが、リセット時は第１の垂直選択部203-1 より出力される第１行目のリセット信号φＲＳ１（１）は“Ｌ”レベルとなるように制御部209 によって制御されているため、第２の垂直選択部203-2 より出力される第１行目のリセット信号φＲＳ２（１）となる。第1 行目のリセット信号φＲＳ（１）が“Ｈ”レベルから“Ｌ”レベルになった時点から、第１行目の画素にて光生成電荷の蓄積が開始される。第２行目以降も同様である。

読み出し時は、第１の垂直走査回路202-1 と第１の垂直選択部203-1 が、図13に示した従来例のタイミングと同様に動作する。このとき、画素100 の転送線108 に接続される第１行目の転送信号φＴＲ（１）は、第１の垂直選択部203-1 より出力される第１行目の転送信号φＴＲ１（１）と第２の垂直選択部203-2 より出力される第１行目の転送信号φＴＲ２（１）の論理和であるが、読み出し期間は第２の垂直選択部203-2 より出力される第１行目の転送信号φＴＲ２（１）は“Ｌ”レベルとなるように制御部209 によって制御されているため、第１の垂直選択部203-1 より出力される第１行目の転送信号φＴＲ１（１）となる。読み出し時は、第１行目の行転送信号φＴＲ（１）を“Ｈ”レベルにして、フォトダイオード101 に蓄積された光生成電荷を増幅トランジスタ104 のゲート端子に転送する。そして第１行目の行転送信号φＴＲ（１）を“Ｌ”レベルにして、このときに出力される信号レベル出力を列処理回路部204 にて再度サンプリングし、読み出し処理が行われる。 第２行以降も同様である。なお、リセットから読み出しまでの露光期間は、図８に示したタイミングチャートにおいては１行分としているが、このタイミングは１行分に限らない。

次に、先幕電子シャッタを用いた静止画撮影時動作を、図９に示すタイミングチャートに基づいて説明する。静止画撮影では、まず、第２の垂直走査回路203-2 によってリセット動作を行う。初期リセット時は、行リセット信号φＲＳ２は常時“Ｌ”レベルであり、行転送信号φＴＲ２は常時“Ｈ”レベルとなっている。第２の垂直走査回路202-2 から第１行目の垂直走査信号φＶＳＲ２（１）が出力されると、第１行目の画素が駆動可能になる。 垂直走査信号φＶＳＲ２（１）が“Ｈ”レベルになると、行転送信号φＴＲ２は“Ｈ”レベルであるため、第１行目の転送信号φＴＲ２（１）は垂直走査信号φＶＳＲ（１）と同様の信号となる。行リセット信号φＲＳ２は常時“Ｌ”レベルであるため、垂直走査信号φＶＳＲ２（１）と行リセット信号φＲＳ２の論理積を取った信号は“Ｌ”レベルとなる。

したがって、第２の垂直選択部203-2 より出力される第１行目のリセット信号φＲＳ２（１）は、“Ｌ”レベルと第２の垂直選択部203-2 より出力される第１行目の転送信号φＴＲ２（１）との論理和をとった信号となるため、第２の垂直選択部203-2 より出力される第１行目の転送信号φＴＲ２（１）と同様の信号となる。但し、第２の垂直選択部203-2 より出力される第１行目のリセット信号φＲＳ２（１）のタイミングは、第２の垂直選択部203-2 より出力される第１行目の転送信号φＴＲ２（１）に比べ、バッファ、論理和をとる遅延回路21を介している分だけ遅延して現れる。

画素100 のリセット線107 に接続される第１行目のリセット信号φＲＳ（１）は、第２の垂直選択部203-2 より出力される第１行目のリセット信号φＲＳ２（１）と第１の垂直選択部203-1 より出力される第１行目のリセット信号φＲＳ１（１）の論理和であるが、リセット時は第１の垂直選択部203-1 より出力される第１行目のリセット信号φＲＳ１（１）は“Ｌ”レベルとなるように制御部209 によって制御されているため、第２の垂直選択部203-2 より出力される第１行目のリセット信号φＲＳ２（１）となる。第１行目のリセット信号φＲＳ（１）が“Ｈ”レベルから“Ｌ”レベルになった時点から、第１行目の画素にて光生成電荷の蓄積が開始される。第２行目以降も同様である。その後、所望の時間を経た後、メカニカルシャッタによって露光を終了させる。

続いて、垂直走査回路203-1 のみ動作させることによって読み出し動作を行う。読み出し時は、第１の垂直走査回路202-1 と第１の垂直選択部203-1 が図13に示した従来例のタイミングと同様に動作する。このとき、画素100 の転送線108 に接続される第１行目の転送信号φＴＲ（１）は第１の垂直選択部203-1 より出力される第１行目の転送信号φＴＲ１（１）と第２の垂直選択部203-2 より出力される第１行目の転送信号φＴＲ２（１）の論理和であるが、読み出し期間は第２の垂直選択部203-2 より出力される第１行目の転送信号φＴＲ２（１）は“Ｌ”レベルとなるように制御部209 によって制御されているため、第１の垂直選択部203-1 より出力される第１行目の転送信号φＴＲ１（１）となる。

読み出し時は、第１行目の行転送信号φＴＲ（１）を“Ｈ”レベルにして、フォトダイオード101 に蓄積された光生成電荷を増幅トランジスタ104 のゲート端子に転送する。そして、第１行目の行転送信号φＴＲ（１）を“Ｌ”レベルにして、このときに出力される信号レベル出力を列処理回路部204 にて再度サンプリングし、読み出し処理が行われる。 第２行以降も同様である。

前記図６及び図７に示した回路構成を持つ実施例３に係る固体撮像装置において、前記図８及び図９のタイミングチャートに示した動作を行わせることにより、静止画撮影において画像に露光ムラを生じることなく、高速な初期リセットが可能で高速メカニカルシャッタ動作に対応可能となり、また、動画撮影も可能となる。

本発明に係る固体撮像装置の実施例１の全体構成を示すブロック図である。 図１に示した実施例１の垂直選択回路及び画素部分の具体的な構成を示す回路構成図である。 図１及び図２に示した実施例１に係る固体撮像装置を用いたデジタルカメラの構成を示すブロック図である。 図３に示したデジタルカメラにおいて先幕電子シャッタを用いた静止画撮影時の動作を説明するためのタイミングチャートである。 実施例２における駆動動作を説明するためのタイミングチャートである。 実施例３に係る固体撮像装置の全体構成を示すブロック図である。 図６に示した実施例３の垂直選択回路の具体的な構成を示す回路構成図である。 図６及び図７に示した実施例３の動画撮影時の動作を説明するためのタイミングチャートである。 実施例３の先幕電子シャッタを用いた静止画撮影時の動作を説明するためのタイミングチャートである。 ＭＯＳ型固体撮像装置に用いられる一般的な画素構成を示す回路構成図である。 ＭＯＳ型固体撮像装置の基本構成を示すブロック図である。 図11に示したＭＯＳ型固体撮像装置における垂直選択回路の具体的な構成を示す回路構成図である。 図11及び図12に示したＭＯＳ型固体撮像装置の動画撮影時の動作を説明するためのタイミングチャートである。 図11及び図12に示したＭＯＳ型固体撮像装置の先幕電子シャッタを用いた静止画撮影時の動作を説明するためのタイミングチャートである。

符号の説明

１ レンズ
２ レンズ制御装置
３ シャッタ
４ シャッタ駆動装置
５ 固体撮像装置
６ Ａ／Ｄ変換部
７ 駆動回路
８ メモリ
９ 信号処理回路
10 記録装置
11 制御装置
21，22 遅延回路
100 単位画素
101 フォトダイオード
102 転送トランジスタ
103 リセットトランジスタ
104 増幅トランジスタ
105 選択トランジスタ
106 画素電源電圧
107 行リセット線
108 行転送線
109 行選択線
110 垂直信号線
200 画素部
201 電流源部
202 垂直走査回路
202-1 第１の垂直走査回路
202-2 第２の垂直走査回路
203 垂直選択部
203-1 第１の垂直選択部
203-2 第２の垂直選択部
204 列処理回路
205 水平走査回路
206 水平選択スイッチ部
207 水平信号線
208 出力アンプ部
209 制御部

Claims (3)

1. 光信号を信号電荷に変換し蓄積する光電変換素子と、該光電変換素子に蓄積された信号電荷を増幅し画素信号として出力する増幅手段と、蓄積された信号電荷を前記増幅手段に転送する転送手段と、前記信号電荷をリセットするリセット手段とを備えた画素を２次元状に配列した画素部と、
   該画素部を行毎に駆動制御するための垂直走査信号を出力する垂直走査手段と、
   前記垂直走査信号に基づいて前記転送手段を駆動する行転送信号を生成すると共に、前記行転送信号に対して立ち下がりを所定量遅延させた前記リセット手段を駆動する行リセット信号を生成する垂直選択手段とを有することを特徴とした固体撮像装置。
2. 前記行リセット信号は、前記行転送信号全体を遅延させて生成されたものであることを特徴とする請求項１に係る固体撮像装置。
3. 前記画素部の画素を行毎にリセット動作のみ順次行う初期リセット動作後、所望の露光期間を経た後、前記画素信号を行毎に順次出力する行程により行われる静止画撮影において、
   前記初期リセット動作時に、前記行転送信号及び前記行リセット信号を生成させるように制御する制御手段を有することを特徴とした請求項１に係る固体撮像装置。

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