JP2010141928A - 固体撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 従来の固体撮像装置では、加算する画素数が多くなるとメモリにたまる電荷が大きくなり、出力電圧も大きくなってしまう。そのため出力レンジが非加算時と加算時とで異なるという問題が生じていた。
【解決手段】 光電変換素子を含む複数の画素部(Pix1,Pix2)と、複数の画素部の信号を読み出す信号線(106)と、信号線に第1の電極が接続された第1の容量素子(107a,107b)と、第1の容量素子の第2の電極に入力端子が接続された増幅器(109)と、増幅器の入力端子及び出力端子の間に接続された第2の容量素子(110a,110b)と、を有し、第1の容量素子は、その容量値が非加算モード実行時よりも加算モード実行時において小さくなり、前記増幅器の増幅率が前記非加算モード実行時よりも前記加算モード実行時において小さくなることを特徴とする固体撮像装置を提供する。
【選択図】 図1
【解決手段】 光電変換素子を含む複数の画素部(Pix1,Pix2)と、複数の画素部の信号を読み出す信号線(106)と、信号線に第1の電極が接続された第1の容量素子(107a,107b)と、第1の容量素子の第2の電極に入力端子が接続された増幅器(109)と、増幅器の入力端子及び出力端子の間に接続された第2の容量素子(110a,110b)と、を有し、第1の容量素子は、その容量値が非加算モード実行時よりも加算モード実行時において小さくなり、前記増幅器の増幅率が前記非加算モード実行時よりも前記加算モード実行時において小さくなることを特徴とする固体撮像装置を提供する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、スキャナ、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等に用いられる固体撮像装置に関するものである。
近年では、デジタルカメラ、ビデオカメラ、イメージリーダ等の画像入力装置がある。画像入力装置には、CCDイメージセンサや、バイポーラトランジスタ型イメージセンサ、電界効果トランジスタ型イメージセンサやCMOSイメージセンサ等の非CCD型のイメージセンサと呼ばれる固体撮像装置が設けられる。固体撮像装置は光学的画像情報を電気信号に変換する。この変換された電気信号は、各種の信号処理が施され、表示器に表示されたり、記憶媒体に記録されたりする。
現在の増幅型MOSセンサを用いた固体撮像装置は、行方向の画素信号を順序よく読み出すプログレッシブ走査が一般的である。NTSC方式やPAL方式のような現行テレビ方式に対応させるために、撮像装置内で垂直方向の画素信号を加算する手段が提案されている。また、高解像度の固体撮像装置では、電子ビューファインダーやモニター用の小画面などに比較的低い解像度の画像信号を高速に読み出すために、固体撮像装置内で垂直方向及び水平方向の画素信号を加算する手段が提案されている。
加算する手段を設けているCMOSセンサ回路が、日本国公開特許公報である特開2003−018469号公報に開示されている。
しかしながら、上記の固体撮像装置では加算する画素数が多くなるとメモリにたまる電荷が大きくなり、出力電圧も大きくなってしまう。そのため出力レンジが非加算時と加算時とで異なるという問題が生じていた。
そこで本発明は、複数の画素の信号を加算する場合でも非加算時と同じ出力レンジを保ち、加算時と非加算で同じダイナミックレンジを有する固体撮像装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するための本発明の固体撮像装置は、入射光を電気信号に変換して出力する複数の光電変換素子を有する画素部と、前記複数の光電変換素子から出力される電気信号が共通に供給される信号線と、第一の容量素子を介して入力端子が前記信号線と接続される増幅器と、前記増幅器の入力端子と出力端子とを接続する第二の容量素子と、を有し、前記複数の光電変換素子から出力される電気信号を加算する加算モードと、各光電変換素子から出力される電気信号を加算しない非加算モードを実行し、前記第一の容量素子の容量値が、前記非加算モード実行時よりも前記加算モード実行時において小さく、前記増幅器の増幅率が、前記非加算モード実行時よりも前記加算モード実行時において小さいことを特徴とする。
複数の画素の信号を加算する場合でも非加算時と同じダイナミックレンジを実現することができる。
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態による固体撮像装置を以下に示す。本実施形態では垂直2画素加算の場合を述べる。
本発明の第1の実施形態による固体撮像装置を以下に示す。本実施形態では垂直2画素加算の場合を述べる。
図1は、第1の実施形態の固体撮像装置の等価回路図であり、2次元的に画素を配列したうちのある2×1画素にかかわる部分を図示している。単位画素は、光電変換素子であるフォトダイオード101と、フォトダイオード101で光電変換により発生した電荷による信号を増幅する増幅MOSFET105と、フォトダイオード101で発生した電荷を増幅MOSFET105のゲート電極に転送するスイッチ102と、を有する。更に、単位画素は、増幅MOSFET105のゲート電極を所定電圧にリセットするリセットスイッチ103、および増幅MOSFET105のソース電極と信号線である垂直出力線106との導通を制御する行選択スイッチ104を有する。垂直走査回路119により行が選択される。
107a、107bはクランプ容量であり、本実施形態では垂直出力線106につき同じ容量C0のものを2個備える。108はクランプ容量切り替えスイッチである。109は演算増幅器、110a〜110bは帰還容量Cf、111a〜111bは帰還容量切り替え兼加算用スイッチである。クランプ容量107a、107b及びスイッチ108は、第1の容量素子であるクランプ容量素子を構成する。クランプ容量素子を構成する各クランプ容量の各々は、第1の電極が垂直出力線106に接続され、第2の電極が増幅器109の反転入力端子に接続される。2個の帰還容量110a、110b及び2個のスイッチ111a、111bの対は、第2の容量素子である帰還容量素子を構成する。帰還容量素子は、増幅器109の反転入力端子及び出力端子間に接続される。108、111a、111bを切り替えることでクランプ容量素子と帰還容量素子の比を変化させることができ、増幅器109のゲインを変えることができる。増幅器109のゲインGはG=c0/cF(cF:帰還容量素子の容量値 c0:クランプ容量素子の容量値)で表される。112はクランプスイッチである。
114はサンプルホールド容量、113はSH転送用スイッチで、スイッチ113をオンすることにより、増幅器109で増幅された信号を容量114で保持する。115は水平転送スイッチであり、水平走査回路116により選択された列のスイッチ115がオンすることで画素信号が水平出力線117に転送され、ユニティ・ゲインの出力アンプ118を介して外部に出力される。
非加算モード時と加算モード時の読み出し方を次に説明する。クランプ容量107a及び107bの容量値はともにC0、帰還容量110a及び110bの容量値はともにCfとする。
非加算モード時のタイミングを図2に示す。非加算モード時はクランプ容量107a、107bの2個を使用する。読み出し動作に先立って、所定の露光時間が経過し、各フォトダイオード101には光電荷が蓄積されているものとする。また信号pvadd1、pvadd2、pgainは非加算モードでの動作中は常時ハイレベルであり、増幅器109のゲインはC0/Cfに設定されている。信号pgainがハイレベルであるので、スイッチ108がオンし、2個のクランプ容量107a及び107bが並列に接続される。このときのクランプ容量素子の容量値は、2×C0である。また、信号pvadd1、pvadd2がハイレベルであるので、2個の帰還容量110a及び110bが並列に接続される。このときの帰還容量素子の容量値は、2×Cfである。増幅器109のゲインをC0/Cfにする手法は上記に限られない。第1の容量素子であるクランプ容量素子の容量値と第2の容量素子である帰還容量素子の容量値を等しくすればよく、例えば、pgainを常時ローレベルにし、pvadd1とpvadd2のうち一方を常時ローレベルに、他方を常時ハイレベルにすることでも実現できる。
まず、垂直走査回路119の信号res1のハイレベルにより、画素Pix1の増幅MOSFET105のゲートがリセットされる。次に、垂直走査回路119の信号sel1のハイレベルによって、画素Pix1の行が選択される。信号pc0rのパルスがハイレベルになり、画素Pix1のノイズがクランプされる。信号tx1のパルスがハイレベルになり、画素Pix1のフォトダイオード101の信号が転送される。これにより、画素の増幅MOSFET105に起因するノイズが除去された信号が増幅器109には入力される。信号ptsをハイレベルにすることにより、容量114に画素Pix1の信号を保持させる。この後、水平走査回路116の信号h1のハイレベルにより選択された列の信号が水平信号線117に転送され、出力アンプ118から出力される。
次に、垂直2画素加算時のタイミングを図3に示す。2画素加算時はクランプ容量107aを1つだけ使用する。読み出し動作に先立って、所定の露光時間が経過し、各フォトダイオード101には光電荷が蓄積されているものとする。また信号pgainは加算モードでの動作中は常時ローレベルであるので、スイッチ108がオフし、1個のクランプ容量107aのみが接続される。このときの増幅器109のゲインは(1/2)×(C0/Cf)になる。クランプ容量素子の容量値は、C0である。このときの増幅器109のゲインは(1/2)×(C0/Cf)になる。また、信号pvadd1、pvadd2がハイレベルであるので、2個の帰還容量110a及び110bが並列に接続される。帰還容量素子の容量値は、2×Cfである。
まず、垂直走査回路119の信号res1及びres2のハイレベルにより、画素Pix1及びPix2の増幅MOSFET105のゲートがリセットされる。次に、垂直走査回路119の信号sel1のハイレベルによって、画素Pix1の行が選択される。信号pc0rのパルスがハイレベルになり、画素Pix1のノイズがクランプされる。信号tx1のパルスがハイレベルになり、画素Pix1のフォトダイオード101の信号が転送される。このとき帰還容量110a、110bには画素Pix1の信号が保持されている。次に垂直走査回路119の信号sel2のハイレベルにより、画素Pix2の行が選択される。次に、信号pvadd1、pvadd2がともにローレベルにされた状態で信号pc0rのパルスがハイレベルになり、画素Pix2のノイズがクランプされる。帰還容量110a、110bには画素Pix1の信号が保持されたままである。信号pvadd1、pvadd2がともにハイレベルになった後に信号tx2のパルスがハイレベルになり、画素Pix2のフォトダイオード101の信号が転送される。このとき帰還容量110a、110bには“Pix1の信号+Pix2の信号”が保持される。信号ptsをハイレベルにすることにより、容量114に“Pix1の信号+Pix2の信号”を転送する。この後、水平走査回路116の信号h1のハイレベルによりスイッチ115が選択されて、容量114に保持された信号が水平信号線117に転送され、出力アンプ118から出力される。
2画素加算の場合、加算モード時に増幅器109のゲインを非加算モード時の1/2にすることにより、非加算モード時でも加算モード時でも出力アンプの入力レンジを同じに保つことができ、これにより、加算モード時でも非加算モード時と同じダイナミックレンジを実現することができる。
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態による固体撮像装置を以下に示す。本実施形態では垂直3画素加算の場合を述べる。
本発明の第2の実施形態による固体撮像装置を以下に示す。本実施形態では垂直3画素加算の場合を述べる。
図4は、第2の実施形態の固体撮像装置の等価回路図であり、2次元的に画素を配列したうちのある3×1画素にかかわる部分を図示している。図1と同じ符号を付したものは説明を省略する。
第2の実施形態は3画素加算なので切り替えスイッチによりクランプ容量の容量値を帰還容量の容量値の1倍と1/3倍に設定できるようになっている。
(非加算モード)時と加算時の読み出し方を次に説明する。クランプ容量107a及び107bの容量値はそれぞれ(2/3)×C0、(4/3)×C0であり、帰還容量110a及び110bの容量値はともにCfとする。
非加算モード時のタイミングは図2で示した第1の実施形態と同様の動作であり、pvadd1及びpvadd2は常時ハイレベル、pgainは常時ハイレベルのまま3行分の画素を順次読み出す。非加算モード時はクランプ容量及び帰還容量をそれぞれ2個ずつ使用するので増幅器109のゲインはC0/Cfである。増幅器109のゲインをC0/Cfにする手法は上記に限られない。第1の容量素子であるクランプ容量素子の容量値と第2の容量素子である帰還容量素子の容量値を等しくすれば実現できる。
垂直3画素加算時のタイミングを図5に示す。3画素加算時はクランプ容量107aのみを使用するので増幅器109のゲインは(1/3)×(C0/Cf)である。読み出し動作に先立って、所定の露光時間が経過し、各フォトダイオード101には光電荷が蓄積されているものとする。また信号pgainは加算モードでの動作中は常時ローレベルであり、増幅器109のゲインは(1/3)×(C0/Cf)に設定されている。信号pvadd1、pvadd2がハイレベルであるとき、2個の帰還容量110a、110bが並列に接続される。
まず、垂直走査回路119の信号res1、res2、res3のハイレベルにより、画素Pix1、Pix2、Pix3の増幅MOSFET105のゲートがリセットされる。次に、垂直走査回路119の信号sel1のハイレベルによって、画素Pix1の行が選択される。信号pc0rのパルスがハイレベルになり、画素Pix1のノイズがクランプされる。信号tx1のパルスがハイレベルになり、画素Pix1のフォトダイオード101の信号が転送される。このとき、帰還容量110a、110bには画素Pix1のフォトダイオード101の信号が保持される。次に、垂直走査回路119の信号sel2のハイレベルにより、画素Pix2の行が選択される。信号pvadd1、pvadd2がともにローレベルにされた状態で信号pc0rのパルスがハイレベルになり、画素Pix2のノイズがクランプされる。帰還容量110a、110bには、画素Pix1の信号が保持されたままである。信号pvadd1、pvadd2がともにハイレベルにされてから信号tx2のパルスをハイレベルにし、画素Pix2のフォトダイオード101の信号が転送される。このとき帰還容量110a、110bには“Pix1の信号+Pix2の信号”が保持される。次に、垂直走査回路119の信号sel3のハイレベルにより、画素Pix3の行が選択される。信号pvadd1、pvadd2がともにローレベルにされた状態で信号pc0rのパルスがハイレベルになり、画素Pix3のノイズがクランプされる。帰還容量110a、110bには“Pix1の信号+Pix2の信号”が保持されたままである。信号pvadd1、pvadd2がともにハイレベルにされてから信号tx3のパルスをハイレベルにし、画素Pix3のフォトダイオード101の信号が転送される。このとき帰還容量110a、110bには“Pix1の信号+Pix2の信号+Pix3の信号”が保持される。信号ptsをハイレベルにすることにより、容量114に“Pix1の信号+Pix2の信号+Pix3の信号”を転送する。この後、水平走査回路116の信号h1のハイレベルにより選択された列の信号が水平信号線106に転送され、出力アンプ118から出力される。
3画素加算の場合、加算モード時に増幅器109のゲインを非加算モード時の1/3にすることにより、非加算モード時でも加算モード時でも出力アンプの入力レンジを同じに保つことができ、これにより、加算モード時でも非加算モード時と同じダイナミックレンジを実現することができる。
(第3の実施形態)
本発明の第3の実施形態による固体撮像装置を以下に示す。本実施形態では垂直2画素をフローティングディフュージョン(以下FDという)部で加算する場合を述べる。
本発明の第3の実施形態による固体撮像装置を以下に示す。本実施形態では垂直2画素をフローティングディフュージョン(以下FDという)部で加算する場合を述べる。
図6は、第3の実施形態の固体撮像装置の等価回路図であり、2次元的に画素を配列したうちのある2×1画素にかかわる部分を図示している。図1と同じ番号を付したものは説明を省略する。本実施形態の画素はFD部が2画素で共通のタイプである。単位画素内は、フォトダイオード601a、601bと、フォトダイオード601a、601bで発生した電荷を検出部である増幅MOSFET605のゲートに転送するスイッチ602、603と、フォトダイオード601a、601bで発生した信号を増幅する増幅MOSFET605を有する。更に、増幅MOSFET605の入力を所定電圧にリセットするリセットスイッチ604、および増幅MOSFET605のソース電極と垂直出力線106との導通を制御する行選択スイッチ606を有する。フォトダイオード601a、601bは、光電変換を行う光電変換素子である。垂直走査回路119により行が選択される。
非加算モード時と加算モード時の読み出し方を次に説明する。クランプ容量107a及び107bの容量値はともにC0、帰還容量110a及び110bの容量値はともにCfとする。
非加算モード時のタイミングは図2で第1の実施形態と同じ動作である。非加算モード時はクランプ容量及び帰還容量をそれぞれ2個ずつ使用するので増幅器109のゲインはC0/Cfである。
垂直2画素FD部加算時のタイミングを図7に示す。2画素加算時はクランプ容量107aだけを使用するので増幅器109のゲインは(1/2)×(C0/Cf)である。読み出し動作に先立って、所定の露光時間が経過し、フォトダイオード601a及び601bには光電荷が蓄積されているものとする。また信号pgainは加算動作中は常時ローレベルであり、増幅器109のゲインは(1/2)×(C0/Cf)に設定されている。また、信号pvadd1、pvadd2がハイレベルであるので、2個の帰還容量110a及び110bが並列に接続される。
まず、垂直走査回路119の信号resのハイレベルにより、画素Pix1の増幅MOSFET105のゲートがリセットされる。次に、垂直走査回路119の信号selのハイレベルによって、フォトダイオード601a、601bの画素の行が選択される。信号pc0rのパルスがハイレベルになり、画素のノイズがクランプされる。信号tx1、tx2のスイッチが同時にオンし、フォトダイオード601a、601bに蓄積された電荷がフローティングディフュージョン部に転送される。信号ptsをハイレベルにすることにより、容量114に画素の信号を保持する。この後、水平走査回路116の信号h1のハイレベルにより選択された列の信号が水平信号線117に転送され、ユニティ・ゲインである出力アンプ118から出力される。
2画素FD部加算の場合、加算モード時に増幅器109のゲインを非加算モード時の1/2にすることにより、非加算モード時でも加算モード時でも出力アンプの入力レンジを同じに保つことができ、これにより、加算モード時でも非加算モード時と同じダイナミックレンジを実現することができる。
一般に、加算する画素の数をnとした場合、増幅器の増幅率を、加算モード時には非加算モード時の1/nに設定することになる。これにより加算モード時でも非加算モード時でも出力アンプの入力レンジを同じに保つことができ、加算モード時でも非加算モード時と同じダイナミックレンジを実現することができる。
(第4の実施形態)
本発明の第4の実施形態による固体撮像装置を以下に示す。本実施形態では垂直2画素加算する場合を述べる。
本発明の第4の実施形態による固体撮像装置を以下に示す。本実施形態では垂直2画素加算する場合を述べる。
図8は、第4の実施形態の固体撮像装置の等価回路図であり、2次元的に画素を配列したうちのある2×1画素にかかわる部分を図示している。図1と同じ番号を付したものは説明を省略する。901は増幅率変更可能な出力アンプである。
非加算時の動作タイミングは図2に示したものと同じである。加算時の動作タイミングは図3に示したものと同じである。
ところで、固体撮像装置中の各素子には製造上のばらつきが存在する。そのため、増幅器109のゲインを変えても、加算モードでの動作時と非加算モードでの動作時の出力振幅範囲は、実際には一致しないことがある。このような場合には、本実施例のように増幅率可変の出力アンプ901を用いることでより精度良く、出力振幅を同じに保つことができ、これにより、加算モード時でも非加算モード時と同じダイナミックレンジを実現することができる。
また、図には示されないが、固体撮像装置は複数列の画素を有し、各画素列につき増幅器109を有する。この増幅器109もそれぞればらつきを有しており、画素列ごとに出力振幅範囲が異なる場合がある。そのような場合でも、本実施例の如く増幅率可変の出力アンプ901を用いることで、画素列内の出力振幅範囲を一致させることに加えて、異なる画素列同士の出力振幅範囲も一致させることができる。
また、容量を多く設けることはチップ面積の増大につながるので、各列に設けるクランプ容量や帰還容量の数にも制限が生ずる場合がある。こうした場合においても、本実施例の如く増幅率可変の出力アンプを備えることで、増幅率可変の出力アンプのない場合に比べて出力振幅範囲を幅広く制御することができるという利点を有する。
なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
101 フォトダイオード
102 転送スイッチ
103 リセットスイッチ
104 選択スイッチ
105 増幅MOSFET
106 垂直出力線
107a,107b クランプ容量
108 スイッチ
109 差動増幅器
110a,110b 帰還容量
111a,111b,112,113 スイッチ
114 容量
115 水平転送スイッチ
116 水平走査回路
117 水平出力線
118 出力アンプ
119 垂直走査回路
102 転送スイッチ
103 リセットスイッチ
104 選択スイッチ
105 増幅MOSFET
106 垂直出力線
107a,107b クランプ容量
108 スイッチ
109 差動増幅器
110a,110b 帰還容量
111a,111b,112,113 スイッチ
114 容量
115 水平転送スイッチ
116 水平走査回路
117 水平出力線
118 出力アンプ
119 垂直走査回路
Claims (6)
- 入射光を電気信号に変換して出力する複数の光電変換素子を有する画素部と、
前記複数の光電変換素子から出力される電気信号が共通に供給される信号線と、
第一の容量素子を介して入力端子が前記信号線と接続される増幅器と、
前記増幅器の入力端子と出力端子とを接続する第二の容量素子と、を有し、
前記複数の光電変換素子から出力される電気信号を加算する加算モードと、各光電変換素子から出力される電気信号を加算しない非加算モードを実行し、
前記第一の容量素子の容量値が、前記非加算モード実行時よりも前記加算モード実行時において小さく、前記増幅器の増幅率が、前記非加算モード実行時よりも前記加算モード実行時において小さいことを特徴とする固体撮像装置。 - 第一の容量素子は複数の容量及び1個以上のスイッチを有することを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
- 前記加算モード実行時の前記増幅器の増幅率は、加算に関与する光電変換素子の数をnとして、前記非加算モード実行時の1/n倍とすることを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。
- 前記複数の光電変換素子から出力される電気信号は、前記増幅器の前記第二の容量素子において加算されることを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。
- 複数の光電変換素子は共通の検出部に接続され、前記複数の光電変換素子から出力される電気信号は前記検出部において加算されることを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。
- 前記増幅器の出力端子と接続される、増幅率の変更可能な増幅器を有することを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010050755A JP2010141928A (ja) | 2005-11-18 | 2010-03-08 | 固体撮像装置 |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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