JP2012010055A - 固体撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】小規模な回路構成で黒化現象の補正が可能な固体撮像装置を提供する。
【解決手段】固体撮像装置1は、フォトダイオードの電荷を画素信号に変換する画素11と、画素信号をランプ信号と比較する比較器32と、ランプ信号に同期してカウントを開始し入力信号が反転するまでカウントするカウンタ35と、比較器32の出力端とカウンタ35の入力端との間に設けられるとともに画素信号が入力された比較器出力制御回路33とを備える。比較器出力制御回路33は、カウント開始直前に、画素信号が所定値を超えている場合には、比較器32から出力された比較信号Voutをカウンタ35に供給して信号が反転したときにカウントを停止させ、画素信号が所定値以下である場合にはカウンタ35の計測期間中に反転しない信号を供給してフルカウントさせる。
【選択図】図1

Description

本発明は、固体撮像装置に関するものである。
固体撮像装置として、CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサやCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサが知られている。これらの固体撮像装置は、デジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラ、携帯電話用の撮像デバイスとして広く用いられている。近年では、スミア発生がなく、CCDイメージセンサよりも消費電力が低いCMOSイメージセンサの開発が進んでいる。
CMOSイメージセンサには、列並列AD変換型もしくはカラムADC型と称されるイメージセンサがある。このカラムADC型のイメージセンサは、画素ごとにフローティングディフュージョン(FD)を備え、画素アレイ中の任意の1行を選択し、列方向に並ぶ1行分の画素を同時にアクセスして同時並列的に画素信号を読み出す。そして、読み出された画素信号をAD変換し、デジタル化された1列分の画像データを信号処理部に出力するように構成されている。
このようなイメージセンサには、FDをリセットしたときの信号レベル(リセットレベル)と撮像時の信号レベルとの間で差分処理を行い、ノイズ成分を除去した画素信号を抽出するものがある。これは、一般的な撮影条件においてノイズ除去による画質向上効果が得られ、好ましいものである。
ところが、ある撮像条件においては、このような差分処理を行うことにより弊害が生じることも判ってきた。具体的には、撮像範囲に太陽やライトなどの高輝度物体があるなど、飽和レベルの光量よりもさらに強い高光量の撮像条件下において生じる。それは、太陽黒点現象あるいは黒化現象などと称され、本来高輝度の白となるべき高光量の部分が低輝度になったり黒くなったりする現象である。
この現象は、非常に強い光が画素の電荷生成部(光電変換素子)に入射したときに、電荷生成部で生成された電荷が容量結合によりFDに漏れ出し、リセットレベルが時間の経過とともに低下することに起因する。いま、リセットレベルの変化量をΔVとし、電荷生成部から取得された信号電荷量に応じた画素信号の信号レベルをVbとすると、差分処理によりVb−ΔVが当該画素の画素信号として抽出される。いま、差分処理後の画素信号と識別するため、画素から取得される生の画素信号を便宜的に「原始画素信号」ということにする。電荷生成部に強い光が入射されて飽和レベルに達すると、原始画素信号Vbはそれ以下になることはなく一定となる。一方、リセットレベルは低下してΔVが増大する。そのため、差分Vb−ΔVが小さくなり、出力される画素信号が低下する。その結果、画素に強い光が照射されているにもかかわらず画素信号が低下し、高輝度物体が黒い画像となる黒化現象が発生する。
この黒化現象の発生を抑止するため、(1)リセットレベルを所定値に置き換え、あるいはリセットレベルをクリップする手法がある(例えば、特許文献1を参照)。また(2)リセットレベルと参照信号との比較結果に応じて、画素信号レベルを読み出す際の比較器出力の制御を変更する手法が提案されている(例えば、特許文献2を参照)。また(3)黒化現象の判定時にリセットレベルのバラつきの影響を緩和できるようにする手法も提案されている(例えば、特許文献3を参照)。
特開2000−287131号公報 特開2007−243266号公報 特開2008−283557号公報
しかしながら、上記のような黒化現象の抑止手法には、以下に説明するような課題があった。
(1)リセットレベルを所定値に置換し、あるいはクリップする手法
この手法は、黒化現象が発生するほどリセットレベルが低下する場合に、これを所定の電圧に置き換えるか、リセットレベルが大きく低下する前に所定の電圧にクリップすることで黒化現象の防止を図る技術である。
しかしながら、リセットレベルを所定の電圧に置き換える構成とする場合、リセットレベルを検出する電圧検出手段に加えて電圧発生手段や電圧置換手段等が必要になり、回路規模が大きくなるという問題が発生する。また、所定の電圧にクリップする構成とする場合には、各カラムに配置されたクリップ回路の特性バラつきにより、カラムごとに所定の電圧(クリップレベル)が異なる事態が考えられる。これは、カラムごとに黒化現象発生の判断基準が異なることに繋がり、列ごとに黒化現象の出方がばらつくという課題に繋がる。
(2)リセットレベルと参照信号との比較結果に応じて、画素信号レベルを読み出す際の比較器出力の制御を変更する手法
この手法は、デジタルCDS(Correlated Double Sampling:相関二重サンプリング)処理における黒化現象を回避するための技術である。ここでは、リセットレベルと参照信号(RAMP)との比較結果によって、その後の画素信号(原始画素信号)を読み出す際の比較器出力の制御を変更する。具体的には、リセットレベルが参照信号よりも低い場合には、原始画素信号を読み出す期間において比較器の出力を原始画素信号の信号レベルによらず固定とし、カウンタをフルカウントさせることにより黒化現象を防止する。この様子を図7のタイミングチャートを用いて概要説明する。なお、画素から得られる原始画素信号Vxは、通常の光量の場合を実線で示し、黒化現象を生じるような高光量の場合を点線で示している。
この図において、まず信号SELにより画素が選択され、信号RSTによりFDの電荷がリセットされる。信号AZにより原始画素信号とランプ信号Rampとの基準を合わせるオートゼロ処理が行われ、その後リセットレベルを読み出すP相(プリチャージ相)の処理、画素の信号レベルを読み出すD相(データ相)の処理が実行される。
通常光量時、リセットレベルはP相におけるランプ信号Rampの減少スロープ開始から、ランプ信号Rampと原始画素信号Vxとが交差して比較出力が反転するまでのクロックCLKのパルス数をダウンカウントすることによりセットされる。画素信号は、D相におけるランプ信号Rampの減少スロープ開始から、ランプ信号Rampと原始画素信号Vxとが交差して比較出力が反転するまでのクロックCLKのパルス数を上記セット値からアップカウントすることにより取得される。このようにリセットレベルのダウンカウントと、原始画素信号のアップカウントとを組み合わせることにより、リセットレベルのノイズが除去された画素信号が得られる。
一方、黒化現象を生じるような高光量の場合には、信号RSTによりFDの電荷がリセットされた直後から電荷の漏れ出しにより原始画素信号Vxが図中点線で示すように大きく低下する。そのため、このままリセットレベルを読み出せば既述した黒化現象が発生する。
そこで、リセットレベルを読み出すP相の期間において、画素から読みだされた原始画素信号Vxの信号レベル(リセットレベル)が、図中点線で示すようにランプ信号Rampよりも低い場合に、以下の処理を行う。すなわち、原始画素信号を読み出すD相期間において、比較器の出力を画素信号レベルによらず固定し、ランプ信号Rampの減少スロープ開始から、減少スロープの終端までクロックCLKのパルス数をフルカウントさせる。これにより、出力される画素信号は最大値に近くなり黒化現象が防止される。
なお、図7に記載された構成では、非常に強い光が入射した場合に、オートゼロ処理を行う期間(AZ期間という)内に原始画素信号が下がり切り、リセットレベルが参照信号よりも高くなってしまうことが考えられる。この点について、特許文献2には、図8に点線で示すように、原始画素信号Vxが大きく低下するような場合に、リセットレベルが参照信号のRAMP振幅を超えて下がり過ぎないように、信号CLPによりクランプする構成が開示されている。
しかしながら、この構成では次のような問題が考えられる。まず、クランプレベルについて、以下の制約があることが分かっている。(i)クランプレベルを上げると白色領域の黒化現象の補正(太陽黒点補正)は良好となるが、黒色領域のダーク特性(DK特性)が悪化する。(ii)一方、クランプレベルを下げるとDK特性の悪化は見られないが黒化現象が発生しやすくなる。半導体プロセスのバラつきを考慮すると、図9に示すように、クランプレベルの設定値(Window)がない場合も考えられる。なお、図9における各行は、画素11の増幅トランジスタの閾値電圧Vth、各列はクランプレベルである。
(3)黒化現象の判定時にリセットレベルのバラつきの影響を緩和可能とする手法
この手法は、黒化現象の判定時にリセットレベルのバラつきの影響を緩和できるようにした技術である。具体的には、リセット時の画素信号電圧すなわちリセットレベルに応じて判定レベルを調整することにより、単位画素ごとに適正な判定レベルが設定される構成としている。
特許文献3では、これを実現するための回路として、図10及び図11に示す回路構成を提示している。この回路は、初期値レベルと判定レベルを時系列で持つ参照信号と画素信号電圧とを比較する比較部を、参照信号が初期値レベルにあるときに入出力間をショートして初期化するように構成されている。
しかしながら、この回路では、回路を構成する構成要素(素子数)が多いという課題がある。また、図11に示すように比較部301及び比較部401におけるNMOS入力部のゲートにはコンデンサが接続されているが、このコンデンサはノイズ成分を低減する機能のため、一般的にサイズが大きいという課題がある。結果として、このような回路構成では回路面積が大きくなってしまうという課題があった。
本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、小規模な回路構成で黒化現象の補正が可能な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、本発明は、光電変換素子により光電変換された電荷を電荷量に応じた電圧の画素信号に変換して出力する画素と、この画素から出力された画素信号を時間とともに変化するランプ信号と比較して比較信号を出力する比較手段(例えば、実施形態における比較器32)と、ランプ信号に同期してカウントを開始し入力端に供給される信号が反転するまでカウント動作を継続することにより比較時間を計測する計測手段(例えば、実施形態におけるカウンタ35)と、比較手段の出力端と計測手段の入力端との間に介装されるとともに、画素信号が入力された比較器出力制御手段(例えば、実施形態における比較器出力制御回路33)とを備えて構成される。そして、比較器出力制御手段は、計測手段によりカウントが開始される際に、画素信号が黒化現象に基づいて定めた所定値を超えている場合には、比較手段から出力された比較信号を計測手段の入力端に供給して当該比較信号が反転したときにカウント動作を停止させ、画素信号が前記所定値以下である場合には計測手段の計測期間中に反転しない信号(例えば、実施形態におけるHレベルの信号)を供給して計測期間中カウント動作を継続させるように固体撮像装置が構成される。
なお、前記所定値は、画素の飽和レベルに基づいて設定された参照信号の電圧に基づいて定められたものであることが好ましい。
また、上記固体撮像装置において、比較器出力制御手段が、二つのインバータがループ状に接続されて構成されたラッチ回路と、一方の入力端がラッチ回路の第1のノードに接続され、他方の入力端が比較手段の出力端に接続されたNAND回路とを有し、第1のノードに画素信号の信号線が接続され、ラッチ回路の第2のノードに参照信号の信号線が接続され、NAND回路の出力端が計測手段の入力端に接続されるような構成が好ましい。
以上の本発明において、画素が行列状に配設されて画素アレイが形成され、比較手段、測手段および比較器出力制御手段は画素の列ごとに設けられて変換部を形成し、画素アレイにおける各行の画素を並列操作する列走査期間(1H期間)に、プリチャージ相を設けず、データ相のみで構成することも好ましい構成形態である。
このようの固体撮像装置によれば、比較手段と計測手段の間に設けた比較出力制御手段により黒化現象を抑止できる。従って、省面積で黒化現象の補正が可能な固体撮像装置を提供することができる。
本発明に係る固体撮像装置の一例として示すCMOSイメージセンサのブロック図である。 画素の代表的な構成を例示するブロック図である。 比較器の回路構成を例示するブロック図である。 比較器出力制御回路の回路構成を例示するブロック図である。 第1の制御形態における固体撮像装置の動作状況を表すタイミングチャートである。 第1の制御形態における固体撮像装置の動作状況を表すタイミングチャートである。 従来の固体撮像装置における制御構成の一例として示すタイミングチャートである。 従来の固体撮像装置における制御構成の他の一例として示すタイミングチャートである。 従来の固体撮像装置における黒化現象の補正と黒色領域のダーク特性(DK特性)との関係を示す図表である。 従来の固体撮像装置における黒化現象判定用の回路のブロック図である。 図9に示す回路における二つの比較部の構成を示すブロック図である。
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。図1は、本発明に係る固体撮像装置の一例として示す、列並列アナログ/デジタル変換部を搭載したカラムADC方式のCMOSイメージセンサのブロック図である。この図面を参照しながら、まず、固体撮像装置1の全体構成について説明する。
[1.固体撮像装置の全体構成 ]
固体撮像装置1は、画素アレイ10、行走査回路20、変換部群30、列走査回路40、タイミング制御回路50、参照信号生成回路60、センス回路70などを有して構成される。
画素アレイ10は、光電変換による電荷生成部を有する画素11が、複数の行Hおよび列Vに沿ってマトリクス状に配置されて構成され、多数の画素11,11,11…からなる二次元平面の撮像部を形成する。なお、画素(単位画素)11の構成については後に詳述する。
行走査回路20は、画素アレイ10を構成する画素11,11,11…に行信号線21(210,211…)を介して接続されており、タイミング制御回路50から出力される走査信号に基づいて行アドレスHn(H0,H1…)の指定や行走査を制御する。行信号線21は水平信号線、行走査回路20は垂直走査回路とも称される。
列走査回路40は、画素アレイ10を構成する各画素11,11…に列信号線31(310,311…)、及び列信号線ごとに設けられた変換部30a,30a…を介して接続される。列走査回路40は、タイミング制御回路50から出力される走査信号に基づいて列アドレスVn(V0,V1…)の指定や列走査を制御する。列信号線31は垂直信号線、列走査回路40は水平走査回路とも称される。
変換部群30は、画素アレイ10の複数の画素列(カラム)に対応して設けられた複数の変換部30a,30a…を有して構成される。各変換部30aは、画素11から出力された画素信号(原始画素信号)を、撮像条件を考慮したうえで、信号レベルに応じたデジタル信号に変換して出力する。すなわち、変換部群30は列並列アナログ/デジタル変換方式(カラムADC方式)の画素信号変換部を構成する。変換部30aの具体的構成については後に詳述するが、各変換部30aは各画素11から出力されるアナログ信号を、ランプ信号Rampを使用したAPGA対応の積分型AD変換及びデジタルCDSによりデジタル信号に変換して出力する。
タイミング制御回路50は、行走査回路20、変換部群30、列走査回路40の作動を制御し、画素アレイ10から読み出され変換部群30でAD変換されたデジタルの画素信号を、センス回路70を有する水平出力線71を介して出力させる。
次に、このように概要構成される固体撮像装置1にあって、画素アレイ10に設けられた画素11、及び変換部群30に設けられた変換部30aの構成について説明する。
[2.画素の構成]
図2に、画素(単位画素)11の代表的な構成例を示す。この画素11は、光電変換素子と4つのトランジスタで構成される、いわゆる4トランジスタ形態の画素である。
画素11は、光電変換素子としてのフォトダイオード12と、転送トランジスタ13、増幅トランジスタ14、選択トランジスタ15、及びリセットトランジスタ16の4つのトランジスタを能動素子として有する。これらのトランジスタは、行走査回路20により制御される。
フォトダイオード12は、入射光の光量に応じた電荷に光電変換する。転送トランジスタ13は、フォトダイオード12とフローティング拡散層(Floating Diffusion)FDとの間に接続され、フォトダイオード12の電荷をFDに転送する。転送トランジスタ13のゲートに転送制御線を通じて行走査回路20から転送信号TRが与えられることで、フォトダイオード12で光電変換された電荷がFDに転送される。
FDには、増幅トランジスタ14のゲートが接続されている。増幅トランジスタ14は、選択トランジスタ15を介して列信号線31に接続され、画素11外の定電流源17とソースフォロアを構成している。選択制御線を通して選択信号SELが選択トランジスタ15のゲートに与えられて選択トランジスタ15がオンすると、増幅トランジスタ14はFDの電位を増幅してその電位に応じた電圧を列信号線31に出力する。各画素11から出力された信号電圧は、列信号線31を通じて、各列の変換部30aに出力される。
リセットトランジスタ16は、電源ラインVDDとFDとの間に接続される。画素から信号を読み出すリード行において、このリセットトランジスタ16のゲートに、リセット制御線を通して行走査回路20からリセット信号RSTが与えられることで、FDの電位がリセットレベルにセットされる。
より具体的には、転送トランジスタ13をオフした状態でリセットトランジスタ16をオンして電源ラインVDDから基準電位を導入し、その後リセットトランジスタ16をオフする。これにより、FDは、黒化現象を生じない通常光量の動作時において、基準電位を基礎としたほぼ一定のリセットレベルの電圧となる。そして、このときのFDの電圧を増幅トランジスタ14、選択トランジスタ15を通して列信号線31に出力する。この出力が画素11のリセット時の信号、すなわちリセットレベルの画素信号であり、FDをプリチャージするP相期間の出力であることからP相出力とも呼ばれる。
次に、上記P相期間で転送トランジスタ13がオフとなった後は、フォトダイオード12により光電変換された電荷が蓄積されている。そこで、転送トランジスタ13をオンしてフォトダイオード12に蓄積された電荷をFDに転送する。このときFDがリセットレベルの電位であれば、FDはリセットレベルからさらに受光量に応じた電位が低下した電圧となる。そして、このときのFDの電圧を増幅トランジスタ14、選択トランジスタ15を通して列信号線31に出力する。この出力が画素11の撮像時の原始的な画素信号(原始画素信号)であり、画像データを取得するD相期間の出力であることからD相出力とも呼ばれる。
そして、D相出力とP相出力との差分を画素信号とすることにより、画素11ごとの出+力のDC成分のばらつきだけでなく、FDリセットノイズも画像信号から除去することができる。これらの動作は、たとえば転送トランジスタ13、選択トランジスタ15およびリセットトランジスタ16の各ゲートが行単位で接続されていることから、1行分の各画素11について同時に行われるものである。D相出力とP相出力の差分を画素信号とする処理は、変換部30aによって実行される。
なお、図2では、全てのトランジスタをNチャンネルトランジスタとした構成を例示したが、一部または全部をPチャンネルトランジスタとしても同様の構成が可能である。また、転送トランジスタ13が無い構成、選択トランジスタ15を無くして電源全体で選択制御を行う構成、複数の画素で任意の構成要素を共有する構成等としてもよい。
[3.変換部の構成]
変換部30aは、図1に示すように、比較器32、比較器出力制御回路33、及びカウンタ35を有し、nビット(nは自然数)のデジタル信号変換機能を備えて構成される。
比較器32は、画素11から出力される原始画素信号Vxと、参照信号生成回路60のランプ信号生成回路62から出力されるランプ信号Rampとを比較し、両者の大小関係が入れ替わったときに出力を反転する比較手段である。ランプ信号Rampは、時間的に所定の傾きを持って線形に変化するスロープ波形の信号であり、ランプ信号生成回路62により生成され、ランプ信号線61を介して比較器32に入力される。
比較器出力制御回路33は、画素11から出力される原始画素信号Vxと、参照信号生成回路60のVref発生回路65から出力される参照信号Vrefとに基づいて、カウンタ35に入力される比較器32の出力を制御し黒化補正を行う。
カウンタ35は、画素11から比較器32及び比較器出力制御回路33を介して供給される原始画素信号または黒化補正信号と、ランプ信号Rampとに基づいて、アナログの原始画素信号をAD変換して画素信号を出力する。この動作は後に詳述するが、基本的〈通常光量時〉には、原始画素信号Vxとランプ信号Rampとの大小関係が入れ替わるまでの時間量を、タイミング制御回路50から出力されるクロックパルスのパルス数をカウントすることでデジタル値に変換する。すなわち、カウンタ35は、アナログの原始画素信号をデジタルの画素信号に変換するAD変換手段を構成する。
なお、カウンタ35は、P相とD相で2回の読み出し結果を演算するために、個別のカウンタ)を2個設けることも可能である。またカウンタ35としてアップダウンカウンタを用いることにより、変換部30aの構成を簡略化することができる。以降の説明では、アップダウンカウンタを用いた形態について説明する。
また、カウンタ35によりカウントされた比較時間のカウント値を保持するメモリ手段(例えばnビットのラッチ回路)を設けることは好ましい構成形態である。このような構成によれば、比較器32による比較及びカウントと、カウント値の出力との並列動作ができ、高速並列作動が可能となる。カウント値を出力する水平出力ラインは、nビット幅の水平出力線71およびセンス回路70で構成されるものであり、本実施形態ではn個としたが、それぞれn×m(mは自然数)個に並列化して出力を高速化することも可能である。
[4.比較器の構成]
次に、比較器32の詳細構成について説明する。図3に比較器32の回路構成例を示す。比較器32は、PMOSトランジスタPT1〜PT4、NMOSトランジスタNT1〜NT3、及びオートゼロ(Auto Zero:AZ)レベルのサンプリング容量としての第1のコンデンサC31,第2のコンデンサC61を有する。
比較器32は、差動増幅器であり、PMOSトランジスタPT1,PT2によりカレントミラー回路が構成され、NMOSトランジスタNT1,NT2によりNMOSトランジスタNT3を電流源とする差動の比較部が構成される。すなわち、比較部では画素11から列信号線31を介して入力される原始画素信号Vxと、ランプ信号線61を介して入力されるランプ信号Rampとが比較され、比較結果に応じた電圧の信号が出力される。比較部の出力は二段のインバータで二度反転され、比較信号Voutとして比較器出力制御回路33へ出力される。
PMOSトランジスタPT3は、スイッチトランジスタとして機能し、NMOSトランジスタNT1のゲート−ドレイン間に接続される。また、PMOSトランジスタPT4も、スイッチトランジスタとして機能し、NMOSトランジスタNT2のゲート−ドレイン間に接続される。
原始画素信号Vxは、第1のコンデンサC31を介してNMOSトランジスタNT1のゲートに入力され、ランプ信号Rampは、第2のコンデンサC61を介してNMOSトランジスタNT2のゲートに入力される。第1のコンデンサC31は、NMOSトランジスタNT1のゲートのDCレベルをカットするための容量、第2のコンデンサC61は、NMOSトランジスタNT2のゲートのDCレベルをカットするための容量として接続される。
比較器32は、ランプ信号Rampと原始画素信号Vxの電圧レベルの大小によって、比較信号VoutがH(High)レベルかL(Low)レベルのどちらかになる回路である。この回路では、まず比較の判定基準電圧を決める必要があり、これを決める処理のことを以下、オートゼロ処理と呼ぶ。オートゼロ処理を行うときには原始画素信号Vx側には列信号線31のリセットレベルを入力し、ランプ信号Ramp側には基準参照電圧を入力する。
PMOSトランジスタPT3,PT4のゲートには、共通にオートゼロ処理を行うためのAZ信号が供給される。このオートゼロ処理は、画素11からのP相出力前に実行されるものであり、AZ信号の立ち下がり及び立ち上がりによって実行される。まず、AZ信号の立ち下がりタイミングでPMOSトランジスタPT3,PT4がオンし、比較器32がオートゼロ状態となる。NMOSトランジスタNT1,NT2のゲート電圧が等しくなるところで動作点が決まり、回路が平衡する。
続いてAZ信号の立ち上がりタイミングでPMOSトランジスタPT3,PT4がオフし、NMOSトランジスタNT1,NT2のゲートは共にフローティングになる。このとき、基準参照電圧とNMOSトランジスタNT1のゲート電圧との差は第1のコンデンサC31に保持され、列信号線31のリセットレベルの電圧とNMOSトランジスタNT2のゲート電圧との差は第2のコンデンサC61に保持される。このようなオートゼロ処理を行った後は、原始画素信号Vxとランプ信号Rampのゼロレベルが等しくなり大小を比較できる状態となる。
AZ信号は、その立ち上がりがなだらかなほど、比較器32のスルーレートが改善される。そのため、AZ信号の立ち上がりをなだらかにすることで、画素11のリセットレベルのばらつきを改善することができる。
なお、入力トランジスタは、入力値によってはPチャンネルトランジスタとしても同様の構成が可能である。また、差動アンプ部は、出力を含め左右反転構成とすることも可能である。
[5.比較器出力制御回路の構成 ]
次に、比較器出力制御回路33の詳細構成について説明する。図4に比較器出力制御回路33の回路構成例を示す。比較器出力制御回路33は、二つのインバータ332a,332bが相互接続されてループ状に構成されたラッチ回路331と、このラッチ回路331の一方のノード333aに接続されたNAND回路335を有して構成される。
NAND回路335が接続された側のノード333aには、コンデンサC1及びスイッチSW1を介して列信号線31が接続され、他方のノード333bにはコンデンサC2及びスイッチSW2を介してVref発生回路65のVref信号線66が接続される。これらのスイッチSW1,SW2は前述したAZ信号によりオン/オフされる。また、ラッチ回路331の二つのインバータは、活性化信号ENにより駆動されるイネーブルスイッチによりオン/オフされる。
このため、AZ信号がHレベルとなりスイッチSW1,SW2がオンになると、列信号線31の電位(原始画素信号の電圧Vx)がコンデンサC1に保持され、Vref信号線66の電位(参照信号Vrefの電圧)がコンデンサC2に保持される。なお、このときEN信号はLレベルであり、ラッチ回路331のイネーブルスイッチはオフの状態である。
NAND回路335の他方の入力端には比較器32の出力が接続され、NAND回路335の出力端がカウンタ35に接続されている。すなわち、NAND回路335は、ラッチ回路331の出力と比較器32の出力とを入力とし、これらの否定論理演算積をカウンタ35に出力している。このため、カウンタ35の入力信号は、比較器32から出力される比較信号Voutの電圧とラッチ回路331のノード333aの電圧に応じて、HレベルとLレベルとに切り替わることになる。そして、この比較器出力制御回路33(NAND回路335)から出力される出力信号により、カウンタ35の動作が制御される。以下では、このように構成される固体撮像装置1の動作(変換部30aの作用)について説明する。
[6.固体撮像装置の動作]
(1)第1の制御形態
図5に第1の制御形態における固体撮像装置の動作状況を表すタイミングチャートを示す。このタイミングチャートは、選択信号SEL、転送信号TR、リセット信号RST、AZ信号、比較器出力制御回路内のスイッチSW1,SW2及びインバータのオンオフ信号などの1H(1水平)期間内の時系列変化を上段に示す。またランプ信号Rampの時系列変化、及びカウンタ35によるカウント値の時系列変化を、通常光量時と黒化現象発生時について図の下段に示す。
まず、任意の行アドレスHn(H0,H1…)の画素11,11…から各列の1回目の読み出しが安定した後に、リセット信号RSTにより画素11をリセットする。そしてAZ信号(Auto Zero)により比較器32の動作点を信号活性化したときの列信号線31の信号レベル(原始画素信号Vxの電圧レベル)とランプ信号線61の信号レベル(ランプ信号Rampの電圧レベル)とで初期化する。
すなわち、画素11がリセットレベルのときに初期化を行って、画素11から列信号線31を介して読み出されたリセット状態の原始画素信号Vxの信号レベルと、ランプ信号Rampの初期値の信号レベルのゼロ点を合わせている。具体的には、図3に示す比較器32の回路構成において、コンデンサ(容量)C31及びC61によってDC成分がカットされている。そのため、列信号線31の信号Vxとランプ信号線61の信号Rampに対して、DC成分がカットされたものをオートゼロすることによって、AZ信号を切ったときの電位が第1,第2のコンデンサC31,C61に保持され、その条件下でゼロ点が合わせられる。
その後、オートゼロ動作による初期化ばらつきを避けるため、ランプ信号生成回路62により一旦僅かなオフセットを加えてから、信号電圧(ランプ信号線レベル)を時間変化させたスロープ状波形のランプ信号を比較器32に入力する。そして、列信号線31から読み出されたリセットレベルの画素信号Vxの電圧とスロープ状に変化するランプ信号Rampの電圧との比較が比較器32により行われ、第1回目のカウント(P相)が行われる。
このとき、ランプ信号Rampの減少スロープ開始と同時にカウンタ35がカウントを開始し、ランプ信号Rampとカウント値が時間的に一対一の対応関係で変化することにより、読み出されたリセット状態のアナログ信号がデジタル信号に変換される。すなわち、ランプ信号Rampは電圧の変化を時間の変化に変換するものであり、その時間(クロックパルスのパルス数)をカウンタ35でカウントすることによりデジタル値に変換される。
そして、原始画素信号Vxとランプ信号Rampが交わったときに比較器32の出力が反転し、黒化現象が発生しない通常の動作の場合、反転と同時にカウンタに比較期間に応じたカウント値が保持される。
1回目の読み出しでは、選択信号SELにより画素11の選択トランジスタ15をオンした後、リセット信号RSTによりリセットトランジスタ16をオンすることによりFDをリセットし、リセットレベルを読み出している。
ここで、リセットレベル(リセット成分)には、単位画素ごとにばらつくノイズがオフセットとして含まれている。しかし、このリセットレベルのばらつきは一般的に小さく、またリセットレベルの値は全画素共通なため、任意の列信号線はおおよそ既知である。さらに、AZ信号の活性化により、比較器32の動作点は、この時の列信号線31の信号レベルと、ランプ信号線61の信号レベルとにより既に初期化されている。したがって、1回目のリセットレベルの読み出し時には、ランプ信号を調整することにより、比較期間を大幅に短くすることが可能となる。本実施形態では、8ビット分のカウント期間(256クロック)でリセットレベルとの比較を行っている。
なお、比較器出力制御回路33では、AZ期間中にSW1,SW2がオンとなり、ラッチ回路331のノード333a,333bに列信号線31とVref信号線66が接続される。AZ期間が終了すると、活性化信号ENによりイネーブルスイッチがオンとなりラッチ回路331が活性化して、ノード333a,333b間の電位差を電源電圧レベルまで増幅し、NAND回路335の入力端へ出力される。ラッチ回路331の活性化は2回目の読み出し期間(D相期間)が終了するまで維持される。
ここで、Vref信号線66を介して比較器出力制御回路33に出力される参照信号Vrefは、Vref発生回路65により生成される。この参照信号Vrefの電圧は、黒化現象が発生するとき(黒化現象と認識されるとき)の画素信号Vxの電圧と同等、または列信号線31のばらつきを考慮して10数[mV]程度高めの電圧レベルに設定される。すなわち入射光量がフォトダイオード12の飽和レベルに達した状態で出力される画素信号の信号電圧と同等、またはこれより幾分高めに設定される。このため、黒化現象が発生しない通常の動作の場合には、計測開始時の画素信号Vxと参照信号Vrefとの電位差が大きく、ラッチ回路331のノード333aから電源電圧まで増幅されたHレベルの信号がNAND回路335に入力される。
2回目の読み出しは、選択信号SELにより選択トランジスタ15をオン状態に保ったまま、転送信号TRにより転送トランジスタ13をオンし、リセット成分に加えて入射光量に応じた信号成分が含まれる画素信号を読み出す。この2回目の読出しは、画素11から撮像時の画素信号(原始画素信号)を読み出して画像データを取得するD相期間である。
列信号線31を介して読み出された原始画素信号Vxと、ランプ信号Rampとを比較器32により比較する。黒化現象が発生しない通常の動作の場合には、原始画素信号Vxとランプ信号Rampが交わったときに比較器32の出力が反転し、黒化現象が発生しない通常の動作の場合には、反転と同時にカウンタに比較期間に応じたカウント値が保持される。
具体的には、原始画素信号Vxとランプ信号Rampが交差する以前は、原始画素信号Vxの方がランプ信号Rampよりも電圧が低い。また、原始画素信号Vxとランプ信号Rampが交差して以降は原始画素信号Vxの方がランプ信号Rampよりも電圧が高くなる。そのため、比較器32からNAND回路335に出力される比較信号Voutの電圧レベルは、LからHに切り替わる。一方、比較器出力制御回路33では、黒化現象が発生しない通常の動作の場合には、計測開始時の画素信号Vxと参照信号Vrefとの電位差が大きく、ラッチ回路331のノード333aからNAND回路335出力される信号はHレベルが保持されている。このため、NAND回路335からカウンタに出力される信号はHレベルからLレベルに反転し、反転と同時にカウンタに比較期間に応じたカウント値が保持される。
ここで、1回目のカウントをダウンカウントとし、2回目のカウントをアップカウントとすることにより、カウンタ内には(2回目のカウント値)−(1回目のカウント)が自動的に保持されることになる。2回目の読み出し時には、ダイナミックレンジに応じた幅広い範囲でカウントを行う必要があるため、本実施例では10ビット+8ビット分のカウント期間(1280クロック)で、信号成分+リセットレベルの比較を行っている。
黒化現象が発生しない通常の場合は、リセットレベルが早期に安定し(図5中に実線で示すVx(通常)を参照)、オートゼロ期間(AZ期間)から1回目の読出し期間にかけて原始画素信号Vxの信号レベルがほぼ一定となる。従って、上記のようなアップダウンカウンタによる差分処理で適正な動作となる。しかし、フォトダイオード12に飽和レベルを大幅に超えるような過大な入射光があった場合には、AZ期間からフォトダイオード12の電荷がFDに漏れ出すことがある。
そうなるとAZ期間〜P相期間において列信号線31を介して入力される原始画素信号Vxの信号電圧が急激に低下する事態が発生する。例えば、オートゼロ処理した信号レベルに対して、P相期間中にランプ信号Rampの振幅より大きくなる場合(図5中に点線で示すVx1)や、AZ期間中に下がり切ってしまう場合(同上、Vx2)がある。
黒化現象を回避する手段を有さない構成では、(2回目のカウント値)−(1回目のカウント値)の差分処理を行うと、差が少ないため、黒または黒に近いダークな信号として出力され、高光量であるにも関わらず黒化する黒化現象となる。
以下では、黒化現象が発生するような極端に過大な入射光があった場合の動作について、引き続き図5を参照しながら説明する。
AZ期間において、過大な入射光により原始画素信号Vxの電圧が低下すると、比較器出力制御回路33内のコンデンサC1,C2には、低下した原始画素信号Vxの電圧と、参照信号Vrefの電圧がそれぞれが保持される。AZ期間が終了すると、比較器出力制御回路33内のラッチ回路331が活性化信号ENにより活性化され、このときラッチ回路331のノード333aの電圧は、コンデンサC1,C2に保持された電位の電位差に応じたものとなる。
ところが、上記のように原始画素信号Vxの電圧が低下し、参照信号Vrefの電圧以下になると、ラッチ回路331が活性化したときに、ノード333aの電圧はGNDレベルになる。
ラッチ回路のノード333aは、そのままNAND回路335に接続されており、NAND回路335の出力は比較器32の出力信号Voutの電圧レベルによらずH(High)レベルになる。
ラッチ回路331は、2回目の読み出し(D相)が終了するまで活性化された状態のため、NAND回路335の出力もこの期間Hレベルを維持し続ける。結局、黒化現象が発生するような極端に過大な入射光があった場合には、1回目のカウント及び2回目のカウントともにカウンタ35の入力信号は反転せず、(2回目のカウント値)−(1回目のカウント値)は、信号成分を読み出すために準備された10ビット分のカウント期間(1024クロック)でフルカウントした値となる。すなわち、白い状態となる。
このように、ランプ信号のゼロ調正期間にフローティングディフュージョンの電位が大きく変動するような条件に対し、構成要素が少なく極めて簡明な構成で黒化現象を抑止可能としたことが本発明の特徴である。
(2)第2の制御形態
次に、本発明の第2の制御形態について説明する。この制御形態は、カウンタ35においてP相のカウントを行わないとした構成に特徴がある。この制御形態の固体撮像装置1の動作を、図6に示すタイミングチャートにより説明する。なお、タイミングチャートの各信号は、第1制御形態と同様であり、ここでは重複説明を省略する。
オートゼロ期間の制御動作は第1制御形態と同様である。まず、任意の行アドレスHn(H0,H1…)の画素11,11…から各列の読み出しが安定した後に、リセット信号RSTにより画素11をリセットする。そしてAZ信号により比較器32の動作点を信号活性化時の列信号線31の信号値Vxとランプ信号線61の信号値Rampとで初期化する。
すなわち、画素11がリセットレベルのときに初期化を行って、画素11から列信号線31を介して読み出されたリセット状態の信号値Vxと、ランプ信号Rampの初期値のゼロ点を合わせる。具体的には、列信号線31の信号Vxとランプ信号線61の信号Rampに対して、DC成分をカットしたものでゼロ点調整することにより、AZ信号をオフしたときの電荷を第1,第2のコンデンサC31,C61に保持し、その条件下でゼロ点が合わせられる。
その後、オートゼロ動作による初期化ばらつきを避けるため、ランプ信号生成回路62により一旦僅かなオフセットを加えてから、信号電圧を時間変化させたスロープ状波形のランプ信号を比較器32に入力する。次いで、画素11の選択信号SELにより選択トランジスタ15を活性化状態に保ったまま転送信号TRにより転送トランジスタ13を活性化することで、リセットレベルに加え画素11への入射光量に応じた信号成分を列信号線31に読み出す。
そして、列信号線31から読み出されたリセットレベルの画素信号Vxの電圧とスロープ状に変化するランプ信号Rampの電圧との比較が比較器32により行われ、D相のカウントが行われる。カウントはランプ信号Rampの減少スロープ開始と同時にカウンタ35がカウントを開始し、ランプ信号Rampとカウント値が時間的に一対一の対応関係で変化することにより、読み出されたアナログ信号Vxがデジタル信号に変換される。
本実施形態では予めランプ信号生成回路62によりランプ信号線レベルに僅かなオフセットを加えているため、カウント結果からこのオフセットに相当するカウント値を差し引いて入射光量に応じた信号成分を出力することが好ましい。この作業は一般的にセンス回路70以降のロジック回路で行われる。本実施形態では、タイミング制御回路50内に具備されているものとする。
比較器出力制御回路33では、AZ期間中にSW1,SW2がオンとなり、ラッチ回路331のノード333a,333bに列信号線31とVref信号線66が接続される。AZ期間が終了すると、活性化信号ENによりイネーブルスイッチがオンとなりラッチ回路331が活性化して、ノード333a,333b間の電位差を電源電圧レベルまで増幅し、NAND回路335の入力端へ出力される。ラッチ回路331の活性化は読み出し期間(D相期間)が終了するまで維持される。
Vref信号線66に出力される参照信号は、Vref発生回路65により生成される。参照信号Vrefの電圧は、黒化現象が発生するときの画素信号Vxの電圧と同等、または列信号線31のばらつきを考慮して10数[mV]程度高めの電圧レベルに設定される。すなわち入射光量がフォトダイオード12の飽和レベルに達した状態で出力される画素信号の信号電圧と同等、またはこれより幾分高めに設定される。従って、黒化現象が発生しない通常の動作の場合には、ラッチ回路331のノード333aから電源電圧まで増幅された信号がNAND回路335に入力される。
既述したように、黒化現象が発生しない通常の動作の場合、ランプ信号線61の信号電圧Rampと列信号線31の信号電圧Vxが等しくなったときに比較器32の出力が反転し、同時にカウンタ35に比較期間に応じたカウント値が保持される。このとき、カウントをアップカウントとしておく。第2の制御形態では、10ビット分のカウント期間〈1024クロック〉で、信号成分の比較を行う。
黒化現象が発生しない通常の場合は、リセットレベルが早期に安定し(図中実線のVx(通常)を参照)、オートゼロ期間から読出し期間に入るまで原始画素信号Vxの信号レベルがほぼ一定となる。従って、アップカウンタによるカウントで適正な処理が行える。しかし、フォトダイオード12に飽和レベルを大幅に超えるような過大な入射光があった場合には、AZ期間からフォトダイオード12の電荷がFDに漏れ出すことがある。
そうなるとAZ期間〜D相の読み込み期間にかけて列信号線31の信号電圧Vxが急激に低下する事態が発生する(図6中に点線で示すVx1,Vx2)。このような状態でオートゼロ処理で対応しようとすれば、その後、画素11の入射光量に応じた信号成分を読み出しても列信号線31の電圧変化が少ないかほぼ変化しないので、黒または黒に近いダークな信号として出力されてしまい、黒化現象となる。
以下では、黒化現象が発生するような極端に過大な入射光があった場合の動作について、引き続き図6を参照しながら説明する。
AZ期間において、過大な入射光により列信号線31の電圧Vxが低下すると、比較器出力制御回路33内のコンデンサC1,C2には、列低下した原始画素信号Vxの電圧と、参照信号Vrefの電圧がそれぞれ保持される。AZ期間が終了すると、比較器出力制御回路33内のラッチ回路331が活性化信号ENにより活性化され、このときラッチ回路331のノード333aの電圧は、コンデンサC1,C2に保持された電位の電位差に応じたものとなる。
ところが、上記のように原始画素信号Vxの電圧が低下し、Vref信号線66の参照信号Vrefの電圧以下になると、ラッチ回路331が活性化したときに、ノード333aの電圧はGNDレベルになる。
ラッチ回路のノード333aは、そのままNAND回路335に接続されており、NAND回路335の出力は比較器32の出力信号Voutの電圧レベルによらずH(High)レベルになる。
ラッチ回路331は、読み出し期間が終了するまで活性化された状態のため、NAND回路335の出力もこの期間Hレベルを維持し続ける。結局、黒化現象が発生するような極端に過大な入射光があった場合には、カウンタ35の入力信号は反転せず、カウント値は、信号成分を読み出すために準備された10ビット分のカウント期間(1024クロック)でフルカウントした値となる。すなわち、白い状態となる。
このように、ランプ信号のゼロ調正期間にフローティングディフュージョンの電位が大きく変動するような条件に対し、構成要素が少なく極めて簡明な構成で黒化現象を抑止可能としたことが本発明の第1の特徴である。またD相の比較機関の身を計測する構成のため、固体撮像装置全体を簡明化することができる。
以上、本発明の実施の形態のいくつかを図面に基づいて説明したが、これらは例示であり、いわゆる当業者の知識に基づいて、種々の変形、改良を施した他の形態で本発明を実施することが可能である。
1 固体撮像装置(CMOSイメージセンサ)
10 画素アレイ
11 画素
12 フォトダイオード(光電変換素子)
30 変換部群
30a,30a… 変換部
32 比較器
33 比較器出力制御回路
35 カウンタ
60 参照信号生成回路
61 ランプ信号線
62 ランプ信号生成回路
65 Vref発生回路
66 Vref信号線
Ramp ランプ信号
Vx 原始画素信号
Vref 参照信号
Vout 比較信号

Claims (4)

  1. 光電変換素子により光電変換された電荷を電荷量に応じた電圧の画素信号に変換して出力する画素と、
    前記画素から出力された画素信号を時間とともに変化するランプ信号と比較して比較信号を出力する比較手段と、
    前記ランプ信号に同期してカウントを開始し、入力端に供給される信号が反転するまでカウント動作を継続することにより比較時間を計測する計測手段と、
    前記比較手段の出力端と前記計測手段の入力端との間に介装されるとともに、前記画素信号が入力された比較器出力制御手段とを備え、
    前記比較器出力制御手段は、前記計測手段によりカウントが開始される際に、
    前記画素信号が、黒化現象に基づいて定めた所定値を超えている場合には、前記比較手段から出力された比較信号を前記計測手段の入力端に供給して当該比較信号が反転したときにカウント動作を停止させ、
    前記画素信号が、前記所定値以下である場合には前記計測手段の計測期間中に反転しない信号を供給して前記計測期間中カウント動作を継続させる
    ように構成した固体撮像装置。
  2. 前記所定値は、前記画素の飽和レベルに基づいて設定された参照信号の電圧に基づいて定められる請求項1に記載の固体撮像装置。
  3. 前記比較器出力制御手段は、
    二つのインバータがループ状に接続されて構成されたラッチ回路と、一方の入力端が前記ラッチ回路の第1のノードに接続され、他方の入力端が前記比較手段の出力端に接続されたNAND回路とを有し、
    前記第1のノードに前記画素信号の信号線が接続され、前記ラッチ回路の第2のノードに前記参照信号の信号線が接続され、
    前記NAND回路の出力端が前記計測手段の入力端に接続されて構成される請求項2に記載の固体撮像装置。
  4. 前記画素が行列状に配設されて画素アレイが形成され、
    前記比較手段、前記測手段および前記比較器出力制御手段は前記画素の列ごとに設けられて変換部を形成し、
    前記画素アレイにおける各行の画素を並列操作する列走査期間に、プリチャージ相を設けずに、データ相のみで構成した請求項1〜3に記載の固体撮像装置。
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