JP2011188410A - 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、及び、電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1,第2の電荷蓄積部33,35を有する画素構成のCMOSイメージセンサ10において、先ず、全画素30のフォトダイオード31を一括してリセットして信号電荷の蓄積を開始し、蓄積時間終了時に第1、第2の電荷蓄積部33,35をリセットする。次に、フォトダイオード31に蓄積された信号電荷を第1の電荷蓄積部33に一括転送する。第1の電荷蓄積部33に信号電荷を一括転送した後、順次行読出しにおいて、先ず、第2の電荷蓄積部35の信号レベルを読み出す。次いで、第1の電荷蓄積部33の信号電荷を第2の電荷蓄積部35に読み出し、当該第2の電荷蓄積部35の電荷に応じた信号レベルを読み出す。しかる後、後で読み出した信号レベルから、先に読み出した信号レベルを減算する。
【選択図】図2
Description
光電変換素子で光電変換されかつ蓄積された信号電荷を転送する転送トランジスタ、当該転送トランジスタによって転送された信号電荷を保持する第1の電荷蓄積部、当該第1の電荷蓄積部に保持された信号電荷を読み出す読出しトランジスタ、当該読出しトランジスタによって読み出された信号電荷を保持する第2の電荷蓄積部、当該第2の電荷蓄積部をリセットするリセットトランジスタ、および、前記第2の電荷蓄積部に保持された信号電荷に応じた電気信号を出力する増幅トランジスタを含む単位画素が行列状に2次元配置されてなる画素アレイ部を備える固体撮像装置において、
前記第1の電荷蓄積部に信号電荷が保持されている期間に当該第1の電荷蓄積部で発生する偽信号成分に対応する偽信号成分を前記第2の電荷蓄積部から得るべく当該第2の電荷蓄積部を駆動し、
前記第2の電荷蓄積部から得られる偽信号成分を用いて、前記第1の電荷蓄積部に保持された信号電荷に応じた信号を補正する
構成を採っている。
1.本発明が適用される固体撮像装置
1−1.CMOSイメージセンサの構成
1−2.単位画素の回路構成
1−3.単位画素の画素構造
2.本発明の一実施形態に関する説明
2−1.実施例1(CDS無しの場合)
2−2.実施例2(CDS無し、OPB画素利用の場合)
2−3.実施例3(CDS有りの場合)
2−4.実施例4(CDS有り、OPB画素利用の場合)
3.変形例
4.電子機器(撮像装置)
[1−1.CMOSイメージセンサの構成]
図1は、本発明が適用される固体撮像装置、例えばX−Yアドレス方式固体撮像装置の一種であるCMOSイメージセンサの構成の概略を示すシステム構成図である。ここで、CMOSイメージセンサとは、CMOSプロセスを応用して、または、部分的に使用して作成されたイメージセンサである。
図2は、単位画素の回路構成の一例を示す回路図である。図2に示すように、本構成例に係る単位画素30は、光電変換素子(光電変換部)である例えばフォトダイオード31を含んでいる。単位画素30はさらに、例えば転送トランジスタ32、第1の電荷蓄積部33、読出しトランジスタ34、第2の電荷蓄積部35、リセットトランジスタ36、増幅トランジスタ37、及び、選択トランジスタ38を有する構成となっている。
次に、単位画素30の構造、特に、第1の電荷蓄積部33の構造について説明する。第1の電荷蓄積部33の構造としては、フローティングディフュージョンを用いた構造(画素構造1)、埋込み型ダイオードを用いた構造(画素構造2)、CCD(Charge Coupled Device)と同じ埋込み型チャネルを用いた構造(画素構造3)などが挙げられる。
図4は、画素構造1に係る単位画素30の構造の一例を示す断面構造図であり、図中、図2と同等部分には同一符号を付して示している。また、図5に、画素構造1に係る単位画素30のレイアウト構造を示す。
図6は、画素構造2に係る単位画素30の構造の一例を示す断面構造図であり、図中、図4と同等部分には同一符号を付して示している。
図7は、画素構造2に係る単位画素30の構造の一例を示す断面構造図であり、図中、図4と同等部分には同一符号を付して示している。
以上説明した、単位画素30ごとに2つの電荷蓄積部33,35を持つことにより、グローバルシャッタ(グローバル露光)を実現可能な固体撮像装置において、本実施形態では、有効な画素数を損なうことなく、偽信号の補正を行えるようにすることを特徴としている。電子シャッタとしてグローバルシャッタ方式を採用することで、画素個々の蓄積期間の同時性を持った良好な画像を得ることができる。
図8は、実施例1に係る駆動方法についての動作説明に供するタイミングチャートである。
図9は、列信号処理部15において信号Vsから信号Vnを減算する処理を行う減算処理部50の一構成例を示すブロック図である。
Vs−Vn=(V_蓄積信号+V_FD1偽信号)−V_FD2偽信号
=V_蓄積信号
但し、V_FD1偽信号=V_FD2偽信号である。
図12は、列信号処理部15が画素アレイ部12の画素列ごとにAD変換機能を持つ、いわゆるカラムAD変換方式の列信号処理部15におけるAD変換部60の一構成例を示すブロック図である。
図13は、実施例2に係る駆動方法についての動作説明に供するタイミングチャートである。
Vn=V_FD2_リーク成分+V_FD2_露光後の光電変換成分
Vs=V_蓄積信号+V_FD1_リーク成分+V_FD1_露光後の光電変換成分
Vn_OPB=V_FD2_リーク成分
Vs_OPB=V_FD1_リーク成分
である。
(Vs−Vs_OPB)−(Vn−Vn_OPB)×a
=V_蓄積信号+V_FD1_露光後の光電変換成分
−V_FD2_露光後の光電変換成分×a
=V_蓄積信号
但し、V_FD1_露光後の光電変換成分=V_FD2_露光後の光電変換成分×aである。
図14は、実施例3に係る駆動方法についての動作説明に供するタイミングチャートである。
Vn=V_kTC1+V_FD2偽信号
Vrst=V_kTC2
Vs=V_蓄積信号+V_kTC2+V_FD1偽信号
である。なお、V_kTC1とV_kTC2とはリセットのタイミングが違うため相関がない。
Vs−Vn−Vrst=(V_蓄積信号+V_kTC2+V_FD1偽信号)
−(V_kTC1+V_FD2偽信号)−V_kTC2
=V_蓄積信号−V_kTC1
但し、V_FD1偽信号=V_FD2偽信号である。
図15は、実施例4に係る駆動方法についての動作説明に供するタイミングチャートである。
Vn=V_FD2_リーク成分+V_FD2_露光後の光電変換成分+V_kTC1
Vrst=V_kTC2
Vs=V_蓄積信号+V_FD1_リーク成分
+V_FD1_露光後の光電変換成分+V_kTC2
Vn_OPB=V_FD2_リーク成分+V_kTC1
Vrst_OPB=V_kTC2
Vs_OPB=V_FD1_リーク成分+V_kTC2
である。
(Vs+Vs_OPB−Vrst−Vrst_OPB)
−(Vn−Vn_OPB)×a
=V_蓄積信号−V_kTC2×a
但し、V_FD1_露光後の光電変換成分=V_FD2_露光後の光電変換成分×aである。
図16は、本実施形態の変形例に係る画素回路の一例を示す回路図であり、図中、図2と同等部分には同一符号を付して示している。
本発明は、固体撮像装置への適用に限られるものではなく、画像取込部(光電変換部)を具備する撮像装置などの電子機器にも適用可能である。ここで、電子機器とは、デジタルスチルカメラやビデオカメラなどの撮像装置(カメラシステム)や、撮像機能を有する携帯電話機やPDA(Personal Digital Assistant)などのモバイル機器などのことを言う。また、本発明が適用される電子機器の中には、画像取込部(画像読取部)に固体撮像装置を用いる複写機も含まれる。なお、電子機器に搭載される上記モジュール状の形態、即ち、カメラモジュールを撮像装置とする場合もある。
図18は、本発明による電子機器の一例である撮像装置の構成例を示すブロック図である。図18に示すように、本発明による撮像装置100は、レンズ群101等を含む光学系、撮像素子102、カメラ信号処理部であるDSP回路103、フレームメモリ104、表示装置105、記録装置106、操作系107および電源系108等を有している。そして、DSP回路103、フレームメモリ104、表示装置105、記録装置106、操作系107および電源系108がバスライン109を介して相互に接続された構成となっている。
Claims (17)
- 光電変換素子で光電変換されかつ蓄積された信号電荷を転送する転送トランジスタ、当該転送トランジスタによって転送された信号電荷を保持する第1の電荷蓄積部、当該第1の電荷蓄積部に保持された信号電荷を読み出す読出しトランジスタ、当該読出しトランジスタによって読み出された信号電荷を保持する第2の電荷蓄積部、当該第2の電荷蓄積部をリセットするリセットトランジスタ、及び、前記第2の電荷蓄積部に保持された信号電荷に応じた電気信号を出力する増幅トランジスタを含む単位画素が行列状に2次元配置されてなる画素アレイ部と、
前記第1の電荷蓄積部に信号電荷が保持されている期間に当該第1の電荷蓄積部で発生する偽信号成分に対応する偽信号成分を前記第2の電荷蓄積部から得るべく当該第2の電荷蓄積部を駆動する駆動部と、
前記駆動部による駆動の下に前記第2の電荷蓄積部から得られる偽信号成分を用いて前記第1の電荷蓄積部に保持された信号電荷に応じた信号を補正する補正部とを備える固体撮像装置。 - 前記駆動部は、
前記画素アレイ部の全単位画素について前記光電変換素子での信号電荷の蓄積時間が終了したときに前記第1の電荷蓄積部、及び、前記第2の電荷蓄積部をリセットし、次いで、前記転送トランジスタによって前記光電変換素子に蓄積された信号電荷を前記第1の電荷蓄積部に一括転送し、
その後の順次行読出しにおいて、読出し行の前記第2の電荷蓄積部の第1の信号レベルを前記増幅トランジスタを通して出力し、次いで、前記第1の電荷蓄積部に保持された信号電荷を前記読出しトランジスタによって前記第2の電荷蓄積部に読み出し、当該第2の電荷蓄積部の第2の信号レベルを前記増幅トランジスタを通して出力する請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記補正部は、前記第2の信号レベルから前記第1の信号レベルを減算する請求項2に記載の固体撮像装置。
- 前記補正部は、前記第1の信号レベルに対してあらかじめ設定された係数を掛けた値を前記第2の信号レベルから減算する請求項3に記載の固体撮像装置。
- 前記係数は、前記第1の電荷蓄積部と前記第2の電荷蓄積部との面積比に基づいて設定される請求項4に記載の固体撮像装置。
- 前記減算を行う前記第1の信号レベル及び前記第2の信号レベルは、画素信号が画像を形成する信号として用いられる有効画素についての第1の信号レベル及び第2の信号レベルであり、
前記補正部は、前記有効画素についての第1の信号レベルと第2の信号レベルの各々から、前記画素アレイ部の周辺部に遮光された状態で設けられた遮光画素についての第1の信号レベルと第2信号レベルをそれぞれ減算する請求項3に記載の固体撮像装置。 - 前記補正部は、前記有効画素についての第1の信号レベルと前記遮光画素についての第1の信号レベルに対してあらかじめ設定された係数を掛けた値を、前記有効画素についての第2の信号レベルと前記遮光画素についての第2の信号レベルから減算する請求項6に記載の固体撮像装置。
- 前記駆動部は、
順次行読出しにおいて、読出し行の前記第1の信号レベルを出力した後、
前記リセットトランジスタによって前記第2の電荷蓄積部をリセットして当該リセットレベルを前記増幅トランジスタによって出力し、
しかる後前記第2の信号レベルを出力し、
前記補正部は、
前記第2の信号レベルから前記第1の信号レベルおよび前記リセットレベルを減算する請求項2に記載の固体撮像装置。 - 前記補正部は、
前記単位画素から与えられるアナログ画素信号をランプ波形の参照信号と比較する比較器と、
一定周期のクロックに同期してアップ/ダウンのカウント動作を行い、前記比較器の出力が反転したときにカウント動作を停止するアップ/ダウンカウンタと
を有し、前記アナログ画素信号を前記アップ/ダウンカウンタのカウント値とするアナログ−デジタル変換器であり、
前記アップ/ダウンカウンタにおいて前記第1の信号レベルをダウンカウントし、前記第2の信号レベルをアップカウントすることにより、前記第2の信号レベルから前記第1の信号レベルを減算する請求項3に記載の固体撮像装置。 - 前記補正部は、前記第2の信号レベルから前記第1の信号レベルに対してあらかじめ設定された係数を掛けた値を減算する請求項9に記載の固体撮像装置。
- 前記係数に応じて前記参照信号のランプ波形の傾きを決定する請求項10に記載の固体撮像装置。
- 前記係数は、前記第1の電荷蓄積部と前記第2の電荷蓄積部との面積比に基づいて設定される請求項10に記載の固体撮像装置。
- 前記単位画素は、当該単位画素を構成する回路素子の一部を複数の単位画素間で共有している請求項1乃至請求項12のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
- 前記複数の単位画素は、同一画素列に属する2つの画素である請求項13に記載の固体撮像装置。
- 前記2つの単位画素間に共有される回路素子の一部は前記第2の電荷蓄積部であり、
当該第2の電荷蓄積部は、前記2つの単位画素の各々の前記第1の電荷蓄積部から等距離の位置に設けられている請求項14に記載の固体撮像装置。 - 光電変換素子で光電変換されかつ蓄積された信号電荷を転送する転送トランジスタ、当該転送トランジスタによって転送された信号電荷を保持する第1の電荷蓄積部、当該第1の電荷蓄積部に保持された信号電荷を読み出す読出しトランジスタ、当該読出しトランジスタによって読み出された信号電荷を保持する第2の電荷蓄積部、当該第2の電荷蓄積部をリセットするリセットトランジスタ、および、前記第2の電荷蓄積部に保持された信号電荷に応じた電気信号を出力する増幅トランジスタを含む単位画素が行列状に2次元配置されてなる画素アレイ部を具備する固体撮像装置の駆動にあって、
前記第1の電荷蓄積部に信号電荷が保持されている期間に当該第1の電荷蓄積部で発生する偽信号成分に対応する偽信号成分を前記第2の電荷蓄積部から得るべく当該第2の電荷蓄積部を駆動するステップと、
前記第2の電荷蓄積部から得られる偽信号成分を用いて前記第1の電荷蓄積部に保持された信号電荷に応じた信号を補正するステップとを有する固体撮像装置の駆動方法。 - 光電変換素子で光電変換されかつ蓄積された信号電荷を転送する転送トランジスタ、当該転送トランジスタによって転送された信号電荷を保持する第1の電荷蓄積部、当該第1の電荷蓄積部に保持された信号電荷を読み出す読出しトランジスタ、当該読出しトランジスタによって読み出された信号電荷を保持する第2の電荷蓄積部、当該第2の電荷蓄積部をリセットするリセットトランジスタ、および、前記第2の電荷蓄積部に保持された信号電荷に応じた電気信号を出力する増幅トランジスタを含む単位画素が行列状に2次元配置されてなる画素アレイ部と、
前記第1の電荷蓄積部に信号電荷が保持されている期間に当該第1の電荷蓄積部で発生する偽信号成分に対応する偽信号成分を前記第2の電荷蓄積部から得るべく当該第2の電荷蓄積部を駆動する駆動部と、
前記駆動部による駆動の下に前記第2の電荷蓄積部から得られる偽信号成分を用いて前記第1の電荷蓄積部に保持された信号電荷に応じた信号を補正する補正部と
を備える固体撮像装置を有する電子機器。
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