JP2013243516A - 固体撮像素子および駆動方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】イメージセンサの面積増加を抑制しつつ画素のインピーダンスを低下させる。
【解決手段】固体撮像素子では、画素回路に設けられた各画素における、画素を初期化するための素子の電源側の端子と、画素回路周辺にある周辺回路とが接続素子を介して接続される。そして、画素の初期化時には、接続素子がオンされることで、画素と周辺回路とが電気的に接続され、画素に対して周辺回路に接続された電源から電力が供給される。これにより、固体撮像素子の面積増加を抑制しつつ、画素のインピーダンスを低下させることができる。また、画素の初期化が終了すると、接続素子がオフされて画素と周辺回路とが電気的に切り離され、画素へのノイズの伝播が生じないようにされる。本技術は、固体撮像素子に適用することができる。
【選択図】図2

Description

本技術は固体撮像素子および駆動方法に関し、特に、イメージセンサの面積増加を抑制しつつ画素のインピーダンスを低下させることができるようにした固体撮像素子および駆動方法に関する。
例えば、被写体から入射した光を光電変換することで画像を撮像するイメージセンサでは、イメージセンサを構成する画素のリセット時など、画素の初期化を行なう駆動時に電源のドロップ(電圧降下)が生じる。このような電源のドロップは、イメージセンサの画素数が多くなるほど大きくなることが知られている。
そのため、このような電源がドロップしてしまう現象を緩和するために、画素へ電力を供給する電源配線や、画素自身の電源配線を太くすることで、インピーダンスを下げることが一般的に行なわれている。
また、イメージセンサには画素の周辺回路の電源の配線として、共通信号線を挟むように信号処理部に沿って2本の電源ラインを設け、それらの電源ラインをクロス接続ラインで接続することで、信号読み出し速度を向上させるものもある(例えば、特許文献1参照)。
さらに、複数の所定電位を供給可能な電源供給部を複数設け、それらの電源供給部から画素に供給する電位を選択的に切り替えることで、回路負荷を分散させるイメージセンサも提案されている(例えば、特許文献2参照)。
特開2008−54246号公報 特開2007−67682号公報
しかしながら、上述した技術では、画素のインピーダンスを下げるために電源配線等を太くすると、イメージセンサの配線面積、つまりイメージセンサの面積が大きくなり、コストアップにつながってしまう。
また、2本の電源ラインを設け、それらの電源ラインをクロス接続ラインで接続する配線方法も、ターゲット回路の周辺の配線を太くして電源のインピーダンスを下げることと等価であり、配線面積が増加してしまう。さらに、供給電位を選択的に切り替えるために複数の電源供給部を設けたイメージセンサでは、それらの電源供給部の数だけイメージセンサの面積が大きくなってしまう。
本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、イメージセンサの面積増加を抑制しつつ画素のインピーダンスを低下させることができるようにするものである。
本技術の一側面の固体撮像素子は、複数の画素からなり、被写体を撮像する画素回路と、前記画素回路近傍に設けられ、撮像に関する動作を行なう周辺回路と、前記画素の初期化時において、前記画素を初期化するために所定電圧がかけられた前記画素内の素子と、前記所定電圧の前記周辺回路とを電気的に接続する接続素子とを備える。
前記接続素子には、前記周辺回路が前記画素の初期化とは異なる、撮像に関する動作を行っているとき、前記画素と前記周辺回路とを電気的に切り離させることができる。
前記所定電圧を正の電圧とすることができる。
前記周辺回路には、前記所定電圧の電力を供給する電源を接続し、前記接続素子には、前記画素の初期化時に前記画素と前記周辺回路とを接続することで、前記画素と前記電源とを一時的に接続させることができる。
固体撮像素子には、前記画素の初期化時において、前記周辺回路に前記所定電圧で電力を供給し、前記周辺回路が前記画素の初期化とは異なる、撮像に関する動作を行っている場合、前記周辺回路に前記所定電圧とは異なる電圧で電力を供給する電源制御部をさらに設けることができる。
前記所定電圧を負の電圧または零とすることができる。
本技術の一側面の駆動方法は、複数の画素からなり、被写体を撮像する画素回路と、前記画素回路近傍に設けられ、撮像に関する動作を行なう周辺回路と、前記画素内の素子と前記周辺回路とを接続する接続素子とを備える固体撮像素子の駆動方法であって、前記画素の初期化時において、前記画素を初期化するために所定電圧がかけられた前記画素内の前記素子と、前記所定電圧の前記周辺回路とを前記接続素子が電気的に接続するステップを含む。
本技術の一側面においては、複数の画素からなり、被写体を撮像する画素回路と、前記画素回路近傍に設けられ、撮像に関する動作を行なう周辺回路と、前記画素内の素子と前記周辺回路とを接続する接続素子とを備える固体撮像素子において、前記画素の初期化時に、前記画素を初期化するために所定電圧がかけられた前記画素内の前記素子と、前記所定電圧の前記周辺回路とが前記接続素子により電気的に接続される。
本技術の一側面によれば、イメージセンサの面積増加を抑制しつつ画素のインピーダンスを低下させることができる。
電源ドロップについて説明する図である。 固体撮像素子の構成例を示す図である。 電源ドロップの低減について説明する図である。 固体撮像素子の構成例を示す図である。 電源ドロップの低減について説明する図である。 撮像装置の構成例を示す図である。
以下、図面を参照して、本技術を適用した実施の形態について説明する。
〈第1の実施の形態〉
[本技術の概要について]
まず、本技術の概要について説明する。
イメージセンサ(固体撮像素子)の多画素化や、全画素での露光期間を一致させるシャッタ方式による駆動などにより、同時にリセットされる画素数が多くなると、画素のリセットによる画素電源のドロップが大きくなる。
例えば、図1の曲線C11に示すように、同時にリセットされる画素数が少ない場合、画素のリセットによって画素電源のドロップ(画素電源の瞬時低下)は発生するが、その電圧の低下はわずかである。なお、図1において、横方向は時間を示しており、縦方向は画素電源の電圧を示している。また、図中、横方向における矢印RT11の位置は、画素をリセットした時刻を示している。
曲線C11により示される画素電源の電圧は、画素のリセットのタイミングでわずかに低下しているが、その後、すぐに回復している。ここで、画素電源の電圧とは、例えば各画素内の浮遊拡散領域の電位をリセット電圧のレベルにセットするために、リセットトランジスタに印加される電圧である。すなわち、リセットトランジスタに接続される電源の電圧である。
これに対して、同時にリセットされる画素数が多い場合、曲線C12に示すように画素電源の電圧は、画素のリセットのタイミングで大きく低下し、その電圧が回復するまでに時間がかかってしまう。
上述したように、画素内の配線や画素までの配線を太くして画素(画素電源)のインピーダンスを低下させれば、画素のリセット時など、画素を初期化する駆動を行なったときに画素電源がドロップしてしまう現象を緩和することができる。しかし、この場合、イメージセンサにおける配線面積(センサ面積)が増加し、コストが高くなってしまう。
そこで、本技術では、画素近傍に配置された周辺回路であって、画素のリセット等、画素の初期化時に動作していない周辺回路と、画素とを接続素子により接続し、画素の初期化時に接続素子をオンして、一時的に画素に電力が供給されるようにされる。すなわち、画素の初期化時に、画素電源により電源電圧が印加されるリセットトランジスタの端子(ドレイン)に対して、周辺回路からも同じ電圧が印加されるようにされる。
ここで周辺回路は、画素が選択されたときに負荷電流源となる負荷MOS回路や、カラム並列に配置され、画素から読み出された電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するADC(Analog Digital Converter)、画素の駆動を制御するドライバなどとされる。つまり、周辺回路は、画素近傍に設けられ、画像の撮像に関する動作を行なう回路であればよい。
通常、イメージセンサでは、画素の初期化(リセット)が行なわれている期間において、画素に面する周辺回路は基本的にダイナミックに動作しない。すなわち、例えば画素に供給されるパルス信号(電圧信号)のオン,オフ等の動作は行われない。そのため、画素の初期化期間では、周辺回路と画素とを接続しても、周辺回路から画素へとノイズが伝播する等の悪影響が生じることはない。
また、本技術では、画素の初期化動作が終了すると接続素子がオフされ、画素内のリセットトランジスタと周辺回路とが電気的に切り離され、周辺回路で発生するノイズの画素への伝播が生じないようにされる。
これにより、本技術では、従来のイメージセンサの配線に加えて、周辺回路と画素とを接続する接続素子を設けるだけで、画素内の配線や画素近傍から画素までの配線の増加を抑制することができるとともに、画素のインピーダンスを低下させることができる。また、イメージセンサの面積増加の抑制により、イメージセンサのコストダウンを実現することができる。
[固体撮像素子の構成例]
次に、本技術を適用した固体撮像素子の具体的な実施の形態について説明する。
図2は、本技術を適用した固体撮像素子の一実施の形態の構成例を示す図である。
固体撮像素子11は、例えばCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)型イメージセンサなどからなる。
固体撮像素子11は、画素回路21、ドライバ22、接続素子23、列信号処理部24、および接続素子25から構成される。
画素回路21は、図中、横方向(水平方向)および縦方向(垂直方向)に並ぶ複数の画素からなり、各画素は被写体からの光を光電変換して電気信号を生成する。画素回路21からは、各画素で得られた電気信号が出力される。
例えば画素回路21を構成する各画素には、被写体からの光を受光するフォトダイオード等の光電変換素子、光電変換素子で得られた光電荷を蓄積する浮遊拡散領域、光電変換素子から浮遊拡散領域へと電荷を転送するための転送トランジスタなどが設けられている。
また、各画素には、浮遊拡散領域の電位変動を電気信号に変換する増幅トランジスタや、増幅トランジスタで読み出された電気信号を、垂直方向に並ぶ画素に接続された垂直信号線に出力するための選択トランジスタなどが設けられている。
さらに、各画素には、画素のリセット時など、画素初期化時に浮遊拡散領域から外部に蓄積電荷を排出するか、または浮遊拡散領域に外部から電荷を注入することで、浮遊拡散領域の電位をリセット電圧のレベルにセットするリセットトランジスタも設けられている。リセットトランジスタのドレインには、浮遊拡散領域における電荷の排出または注入を行なうために画素電源が接続されて、所定の電圧がかけられている。
なお、画素回路21の各画素には、光電変換素子、浮遊拡散領域、転送トランジスタ、増幅トランジスタ、選択トランジスタ、およびリセットトランジスタが設けられると説明したが、各画素はどのような構成とされてもよい。すなわち、各画素には、少なくとも光電変換を行なう構成、光電変換で得られた電荷を電気信号として読み出す構成、および画素を初期化する構成が設けられていればよい。
ドライバ22は、画素回路21の各画素を構成する素子と図示せぬ信号線により接続されており、図示せぬ電源から電力の供給を受けて各画素の駆動を制御する。
例えば、ドライバ22は、画素を構成する転送トランジスタ、選択トランジスタ、およびリセットトランジスタの各ゲートに電圧を印加することで、浮遊拡散領域への電荷の転送、画素信号を読み出す画素の選択、および画素(浮遊拡散領域)の初期化を制御する。
また、ドライバ22は、複数の接続素子23により画素回路21の各画素と接続されている。各接続素子23は、画素回路21の画素と、ドライバ22に接続された図示せぬ電源とを接続するスイッチからなり、印加された電圧に応じてスイッチをオン,オフさせることで画素に電源電圧を印加する。例えば接続素子23の画素回路21側の端子は、画素を構成するリセットトランジスタの画素電源が接続されている端子、具体的にはリセットトランジスタのドレインに接続されている。また、接続素子23の画素回路21側の端子は、増幅トランジスタのドレインにも接続されている。
列信号処理部24は、画素回路21に設けられた垂直信号線に接続されており、図示せぬ電源から電力供給を受けて各垂直信号線にバイアス電流を供給する。すなわち、列信号処理部24には、各画素の負荷電流源となる負荷MOS回路が設けられている。
また、列信号処理部24は、画素回路21内の垂直信号線から読み出された電気信号に基づいて、相関二重サンプリングや、オートゲインコントロール処理、A/D変換処理などを行って各画素の画素信号を生成する。このようにして得られた各画素の画素信号からなる信号が、被写体を撮像することで得られた画像の画像信号とされる。
さらに、列信号処理部24は、複数の接続素子25により画素回路21の各画素と接続されている。各接続素子25は、画素回路21の画素と、列信号処理部24に接続された図示せぬ電源とを接続するスイッチからなり、印加された電圧に応じてスイッチをオン,オフさせることで画素に電源電圧を印加する。
例えば接続素子25の画素回路21側の端子は、画素を構成するリセットトランジスタの画素電源が接続されている端子、すなわちリセットトランジスタのドレインに接続されている。また、接続素子25の画素回路21側の端子は、増幅トランジスタのドレインにも接続されている。
[固体撮像素子の動作の説明]
次に、固体撮像素子11の動作について説明する。
固体撮像素子11による画像の撮像が開始されると、まず、ドライバ22により画素回路21内のいくつかの画素について、画素を構成する選択トランジスタのゲートに選択パルス(電圧)が供給され、画素が選択された状態とされる。つまり、画素から電気信号が垂直信号線に出力される状態とされる。
このとき、画素回路21の垂直信号線には、列信号処理部24からバイアス電流が供給された状態とされている。また、この状態では、接続素子23および接続素子25のスイッチはオフされており、ドライバ22および列信号処理部24と、画素回路21の画素内のリセットトランジスタのドレインとは電気的に接続されていない。
続いて、リセットパルスにより選択されている画素の初期化(リセット)が行なわれる。すなわち、ドライバ22は、画素回路21の選択されている画素を構成するリセットトランジスタのゲートにリセットパルス(電圧)を印加し、ゲートをオンする。
すると、浮遊拡散領域がリセットトランジスタを介して画素電源と電気的に接続されて、浮遊拡散領域、すなわち画素が初期化される。なお、画素の初期化時には、画素回路21の選択された画素内の転送トランジスタはオフされ、光電変換素子から浮遊拡散領域に電荷が転送されないようにされる。
また、リセットトランジスタのゲートがオンされるとき、接続素子23および接続素子25に電圧が印加されてスイッチがオンされる。これにより、リセットトランジスタの画素電源が接続されている側の端子(ドレイン)と、ドライバ22および列信号処理部24とが、接続素子23および接続素子25により電気的に接続される。つまり、画素電源により所定の電圧がかけられているリセットトランジスタの端子に、同じ電圧がかけられているドライバ22や列信号処理部24等の周辺回路が電気的に接続される。
換言すれば、リセットトランジスタの画素電源側の端子と、ドライバ22や列信号処理部24に接続された電源とが電気的に接続される。ここで、リセットトランジスタに接続されている画素電源と、ドライバ22や列信号処理部24に接続されている電源とは、同じ正の電圧の電源とされる。
このように接続素子23や接続素子25を介して画素と電源とを一時的に接続することで、画素(画素電源)のインピーダンスを低減させることができ、画素の初期化により生じる電源ドロップを低減させることができる。
なお、画素の初期化(リセット)期間中には、例えばドライバ22から画素内のリセットトランジスタのゲートにはリセットパルス(電圧)が供給されたり、列信号処理部24により垂直信号線にバイアス電流が供給されたりしている。しかし、画素のリセット期間中には、ドライバ22や列信号処理部24によって、画素内の素子に供給される電圧(パルス)は一定であり、ゲートのオン,オフの切り替えなどのダイナミックな動作は行われない。したがって、画素のリセット期間中は、ドライバ22や列信号処理部24などの周辺回路は動作していないということができる。
画素がリセットされると、ドライバ22は、選択されている画素を構成するリセットトランジスタのゲートをオフし、浮遊拡散領域が初期化されないようにする。
このとき、接続素子23および接続素子25のスイッチがオフされ、リセットトランジスタの画素電源側の端子と、ドライバ22および列信号処理部24とが電気的に切り離される。つまり、リセットトランジスタの画素電源側の端子と、ドライバ22や列信号処理部24に接続された電源とが電気的に分離される。
このように、画素の初期化後、リセットトランジスタの画素電源側の端子が、ドライバ22や列信号処理部24と切り離されるのは、画素の初期化後に固体撮像素子11において画素信号の読み出し動作が行われるからである。
読み出し動作では、画素回路21やその周辺のドライバ22、列信号処理部24などがダイナミックに動作する。そのため、接続素子23や接続素子25のスイッチをオンしたままとすると、ドライバ22や列信号処理部24の電源を通して画素にノイズが伝播してしまう。
そこで、固体撮像素子11では、画素周辺が動作しない画素の初期化期間は、接続素子23や接続素子25のスイッチをオンして、ドライバ22や列信号処理部24に画素のインピーダンスを低下させる機能をもたせる。そして、画素周辺が動作するときには、接続素子23や接続素子25のスイッチをオフして、画素へのノイズの伝播を抑制する。
これにより、画素回路21やその周辺の電源配線幅を細くして配線面積の増加、つまり固体撮像素子11の面積の増加を抑制しつつ、画素(画素電源)のインピーダンスを低下させることができる。また、配線面積の増加の抑制により、イメージセンサ(固体撮像素子11)の低コスト化も実現することができる。
画素の初期化が行なわれると、その後、画素からの画素信号の読み出しが行なわれる。なお、画素の初期化終了時において、選択トランジスタのゲートはオンされ、転送トランジスタとリセットトランジスタのゲートはオフされた状態となっている。また、接続素子23および接続素子25のスイッチはオフされている。
このような状態において、列信号処理部24は、垂直信号線の電圧をリセットレベルとして読み出す。
そして、ドライバ22は、画素回路21の選択された画素を構成する転送トランジスタのゲートに転送パルス(電圧)を印加し、これまでの期間で光電変換素子に蓄積された電荷を浮遊拡散領域に転送させた後、転送トランジスタのゲートをオフする。つまり、転送トランジスタのゲートに転送パルスが印加されない状態とされる。
浮遊拡散領域への電荷の転送により、浮遊拡散領域の電位が変動するので、列信号処理部24は、垂直信号線の電圧を信号レベルとして読み出す。さらにドライバ22は、選択していた画素の選択トランジスタのゲートをオフし、画素を垂直信号線から切り離す。
また、列信号処理部24は、読み出したリセットレベルと信号レベルの差を画素信号の値として出力する。このとき、必要に応じてA/D変換処理やオートゲインコントロール処理が行われる。その後、固体撮像素子11は、選択される画素を変化させながら、必要回数だけ上述の処理を繰り返し行い、撮像処理は終了する。
以上のようにして、固体撮像素子11は画像を撮像し、各画素の画素信号からなる画像信号を出力する。
固体撮像素子11では、画素の初期化時にドライバ22や列信号処理部24の電源と、選択されている画素とを接続して画素のインピーダンスを低下させることで、例えば図3に示すように、画素の初期化時に生じる電源ドロップを低減させることができる。
なお、図3において、横方向は時間を示しており、縦方向は電圧を示している。また、図中、横方向における矢印RT21の位置は、画素を初期化(リセット)した時刻を示している。
図3では、曲線C21は、画素の初期化時にドライバ22や列信号処理部24の電源と、選択されている画素とを接続しなかった場合における各時刻の画素電源、つまり画素内のリセットトランジスタの電源側端子の電圧を示している。これに対して、曲線C22は、画素の初期化時にドライバ22や列信号処理部24の電源と、選択されている画素とを接続した場合における各時刻の画素電源の電圧を示している。
また、曲線C23は、画素回路21の近傍に配置された周辺回路、例えばドライバ22または列信号処理部24の各時刻の電圧を示しており、折れ線C24は、接続素子23および接続素子25に供給される電圧信号(パルス)を示している。
ここで、折れ線C24で示される電圧信号の電圧は、上に凸の期間において、接続素子23および接続素子25を構成するスイッチがオンされる電圧となり、他の期間では各スイッチがオフされる電圧となる。この例では、画素の初期化直前に、接続素子23と接続素子25を構成するスイッチがオンされている。
図3の例では、画素の初期化時にドライバ22や列信号処理部24の電源と、選択されている画素とを接続しないと、曲線C21に示すように画素電源の電圧は、画素の初期化のタイミングで大きく低下し、その電圧が回復するまで時間がかかってしまう。
これに対して、折れ線C24に示す電圧信号を接続素子23および接続素子25に供給し、画素初期化時にドライバ22や列信号処理部24の電源と、選択されている画素とが接続された状態とすると、画素電源の電圧は、曲線C22に示すように変化する。
すなわち、曲線C22に示す画素電源の電圧は、画素の初期化時にわずかに低下するが、その低下量は曲線C21に示す場合と比べると大幅に小さくなっており、電源ドロップもすぐに回復している。
また、この場合、ドライバ22や列信号処理部24の電源が、画素と接続されるので、ドライバ22や列信号処理部24等の周辺回路の電圧も、曲線C23に示すように画素初期化時にはわずかに低下し、その後、瞬時に回復している。
曲線C22や曲線C23から分かるように、固体撮像素子11では、画素の初期化時にわずかに電源ドロップが生じるが、この電源ドロップはすぐに回復するため、固体撮像素子11を高速に動作させることが可能となる。
また、曲線C23に示す周辺回路の電圧は、画素の初期化後、すなわち矢印D11に示す時刻以降においては、画素からの信号の読み出し等の動作のため、周辺回路の動作、例えば画素内の素子への電圧の供給動作に応じてわずかな振幅で上下に変化している。矢印D11に示される時刻以降においては、接続素子23および接続素子25を構成するスイッチはオフとされているため、周辺回路から画素へとノイズが伝播されてしまうようなこともない。
なお、以上においては、画素の初期化期間中、継続してドライバ22や列信号処理部24の電源と、選択されている画素とを接続すると説明したが、これらの電源と画素とは、初期化期間の少なくとも一部の期間、接続されていればよい。特に、リセットトランジスタのゲートがオンされたとき、つまり画素のリセットが開始されたときに、ドライバ22や列信号処理部24の電源と、選択されている画素とが接続されていれば、その接続終了時刻は、初期化終了前でも後でもよい。
また、ドライバ22の電源と画素とが接続される期間、および列信号処理部24の電源と画素とが接続される期間は、同じであってもよいし、異なるようにしてもよい。
〈第2の実施の形態〉
[固体撮像素子の構成例]
ところで、周辺回路に供給される電源電圧と、画素電源の電圧とに差異がある場合もある。そのような場合には、画素や周辺回路が誤動作を起こさないという条件下で、周辺回路を介して画素に印加される電圧と画素電源の電圧とが一時的に合わせられて、周辺回路と画素が接続されるようにすればよい。
そのような場合、固体撮像素子は、例えば図4に示すように構成される。なお、図4において、図2における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
図4に示す固体撮像素子51は、画素回路21、ドライバ22、接続素子23、列信号処理部24、接続素子25、電源制御回路61、接続素子62、接続素子63、接続素子64、および接続素子65から構成される。すなわち、固体撮像素子51は、図2の固体撮像素子11に、さらに電源制御回路61、および接続素子62乃至接続素子65が設けられた構成とされている。
この例では、画素回路21を構成する各画素のリセットトランジスタのドレインに供給される画素電源の電圧VDDpixと、ドライバ22や列信号処理部24による画素回路21の駆動に用いられる電源の電圧VDDperiとが異なる大きさとなっている。
電圧VDDpixと電圧VDDperiとが異なるので、電圧VDDpixの値が、例えば画素や周辺回路が誤動作を起こさない範囲で定められるか、または画素や周辺回路が誤動作を起こさないように設計される。
電源制御回路61は、図示せぬ電源からドライバ22や列信号処理部24への電力供給を制御する回路であり、必要に応じて異なる電圧でドライバ22や列信号処理部24に電力を供給する。
電源制御回路61とドライバ22とは、スイッチなどからなる接続素子62と接続素子63により接続されている。
接続素子62および接続素子63は、スイッチなどからなり、印加された電圧に応じてスイッチをオン,オフさせることでドライバ22に電力を供給する。
例えば、画素の初期化時には、接続素子62のスイッチがオンされ、接続素子63のスイッチはオフされる。これにより、画素の初期化時には、電源制御回路61からドライバ22に、画素電源の電圧VDDpixと同じ電圧で電力が供給される。
また、画素の初期化時以外の期間においては、接続素子62のスイッチはオフされ、接続素子63のスイッチがオンされて、電源制御回路61からドライバ22には、電圧VDDperiで電力が供給される。
ドライバ22における場合と同様に、電源制御回路61と列信号処理部24とは、スイッチなどからなる接続素子64と接続素子65により接続されている。接続素子64および接続素子65は、スイッチなどからなり、印加された電圧に応じてスイッチをオン,オフさせることで列信号処理部24に電力を供給する。
例えば、画素の初期化時には、接続素子64のスイッチがオンされ、接続素子65のスイッチはオフされる。これにより、画素の初期化時には、電源制御回路61から列信号処理部24に、画素電源の電圧VDDpixと同じ電圧で電力が供給される。
また、画素の初期化時以外の期間においては、接続素子64のスイッチはオフされ、接続素子65のスイッチがオンされて、電源制御回路61から列信号処理部24には、電圧VDDperiで電力が供給される。
例えば、固体撮像素子51では、接続素子62および接続素子64は、接続素子23と接続素子25がオンされるタイミングでオンされ、接続素子23と接続素子25がオフされるタイミングでオフされるように制御される。逆に、接続素子63および接続素子65は、接続素子23と接続素子25がオンされるタイミングでオフされ、接続素子23と接続素子25がオフされるタイミングでオンされるように制御される。
[固体撮像素子の動作の説明]
このような固体撮像素子51は、基本的に図2の固体撮像素子11と同じ動作をする。但し、画素の初期化時と、画素の初期化時以外の期間とで、電源制御回路61からドライバ22および列信号処理部24に供給される電力の電圧の切り替えが行なわれる。
すなわち、画素の初期化前においては、接続素子62および接続素子64のスイッチはオフされ、接続素子63および接続素子65のスイッチがオンされている。
したがって、ドライバ22および列信号処理部24には、電圧VDDperiの電力が電源制御回路61から供給され、ドライバ22および列信号処理部24は、供給された電力に基づいて画素回路21を駆動する。例えば、ドライバ22は、画素回路21を構成するいくつかの画素について、画素を構成する選択トランジスタのゲートに電圧VDDperiの選択パルスを印加する。
なお、この状態では、接続素子23および接続素子25のスイッチはオフされている。
そして、画素の初期化時、より詳細には画素の初期化が行なわれる直前に、接続素子62および接続素子64のスイッチがオンされ、接続素子63および接続素子65のスイッチがオフされる。これにより、ドライバ22および列信号処理部24には、電圧VDDpixの電力が電源制御回路61から供給されるようになる。
同時に、接続素子23および接続素子25のスイッチがオンされる。これにより、リセットトランジスタの画素電源が接続されている側の端子と、ドライバ22および列信号処理部24とが、接続素子23および接続素子25により電気的に接続される。つまり、リセットトランジスタの画素電源側の端子に、ドライバ22や列信号処理部24に接続された電源制御回路61から電圧VDDpixが印加される。
また、画素初期化のタイミングとなると、ドライバ22は、画素回路21の選択されている画素を構成するリセットトランジスタのゲートにリセットパルス(電圧)を印加し、ゲートをオンすることで、画素を初期化する。このときリセットトランジスタのゲートに印加される電圧はVDDpixである。
このように接続素子23や接続素子25を介して画素と電源とを一時的に接続することで、画素のインピーダンスを低減させることができ、画素の初期化により生じる電源ドロップを低減させることができる。
選択されている画素を構成するリセットトランジスタのゲートをドライバ22によりオフすることで画素の初期化が終了する。
このとき、接続素子23および接続素子25のスイッチがオフされ、リセットトランジスタの画素電源側の端子と、ドライバ22および列信号処理部24とが電気的に切り離される。同時に、接続素子62および接続素子64のスイッチがオフされ、接続素子63および接続素子65のスイッチがオンされる。これにより、ドライバ22および列信号処理部24には、電圧VDDperiの電力が電源制御回路61から供給されるようになる。
画素の初期化が終了し、画素回路21の選択されている画素と、ドライバ22および列信号処理部24の電源とが切り離されると、その後、選択されている画素からの画素信号の読み出し動作が行われる。
このとき、ドライバ22や列信号処理部24は、電源制御回路61から供給された電圧VDDperiの電力により、画素回路21を駆動させる。例えば、ドライバ22は、画素を構成する転送トランジスタのゲートに電圧VDDperiの転送パルスを供給するなどして、画素信号の読み出し動作を行う。
以上のようにして、固体撮像素子51は画素の初期化期間と、そうでない期間とで電源制御回路61からドライバ22および列信号処理部24に供給される電力の電圧を切り替える。画素の初期化期間においては、ドライバ22や、画素回路21の画素を構成するリセットトランジスタ等の素子には、本来印加されるべき電圧VDDperiとは異なる電圧VDDpixが印加される。そのため、ドライバ22や列信号処理部24などの周辺回路と、画素回路21が電圧VDDpixで誤動作したり、破壊されたりしないことが前提となる。
以上の動作により、固体撮像素子51では、画素の初期化時にドライバ22や列信号処理部24の電源と、選択されている画素とを電気的に接続し、画素のインピーダンスを低下させることができる。これにより、例えば図5に示すように、画素の初期化時に生じる電源ドロップを低減させることができる。
なお、図5において、横方向は時間を示しており、縦方向は電圧を示している。また、図中、横方向における矢印RT31の位置は、画素を初期化した時刻を示している。
図5では、曲線C31は、画素の初期化時にドライバ22や列信号処理部24の電源と、選択されている画素とを接続した場合における、各時刻の画素電源の電圧を示している。また、曲線C32は、画素回路21の近傍に配置された周辺回路、例えばドライバ22または列信号処理部24の各時刻の電圧を示している。
さらに、折れ線C33は、接続素子23、接続素子25、接続素子62、および接続素子64に供給される電圧信号(パルス)を示している。ここで、折れ線C33で示される電圧信号の電圧は、上に凸の期間において、接続素子23、接続素子25、接続素子62、および接続素子64を構成するスイッチがオンされる電圧となり、他の期間では各スイッチがオフされる電圧となる。
図5の例では、折れ線C33に示す電圧信号を接続素子23、接続素子25、接続素子62、および接続素子64に供給し、画素初期化時にドライバ22や列信号処理部24の電源と、選択されている画素とが接続された状態とされる。すると、画素電源の電圧は、曲線C31に示すように変化する。
すなわち、曲線C31に示す画素電源の電圧は、画素の初期化時にわずかに低下するが、その低下量はわずかであり、電源ドロップもすぐに回復している。
また、この場合、ドライバ22や列信号処理部24の電源が画素と接続されるので、ドライバ22や列信号処理部24等の周辺回路の電圧も、曲線C32に示すように画素リセット時にはわずかに低下するが、その後、瞬時に回復している。
曲線C31や曲線C32から分かるように、固体撮像素子51では、画素のリセット時にわずかに電源ドロップが生じるが、この電源ドロップはすぐに回復するため、固体撮像素子51を高速に動作させることが可能となる。
また、曲線C32に示す周辺回路の電圧は、基本的に画素の初期化期間、より詳細には接続素子62および接続素子64のスイッチがオンされている期間はVDDpixとなり、他の期間ではVDDperiとなっている。
さらに、曲線C32に示す周辺回路の電圧は、画素の初期化後、すなわち矢印D21に示す時刻以降においては、画素からの信号の読み出し等の動作のため、周辺回路の動作に応じてわずかな振幅で上下に変化している。しかし、矢印D21に示される時刻以降においては、接続素子23および接続素子25を構成するスイッチはオフとされているため、周辺回路から画素へとノイズが伝播されてしまうようなことはない。
以上のように、本技術によれば、画素の初期化時に画素と周辺回路の電源とを電気的に接続し、周辺回路がダイナミックに動作する期間では、画素と周辺回路の電源とを切り離すことで、イメージセンサの面積増加を抑制しつつ、画素のインピーダンスを低下させることができる。
なお、以上においては、周辺回路として、列信号処理部24とドライバ22を例に説明したが、周辺回路は、画素回路21近傍にあり、画素初期化時にダイナミックに動作しないものであれば、どのようなものであってもよい。例えば相関二重サンプリング処理を行なう回路や、A/D変換処理を行なう回路が周辺回路とされてもよい。
また、以上では、周辺回路の電源と画素電源とを接続する場合、つまり電源配線の例について説明したが、本技術は、電源配線に限らずGND配線(グランド配線)や負バイアスの配線であっても同様に適用可能である。すなわち、画素を初期化するために所定の電圧がかけられている画素内の素子に、同じ電圧がかけられている周辺回路が電気的に接続されればよい。
ここで、所定の電圧は正の電圧、負の電圧、零(0V)の何れであってもよい。例えば、画素を構成するリセットトランジスタがPチャンネルのMOSトランジスタである場合などには、リセットトランジスタのグランドと、周辺回路のグランドとが画素の初期化期間だけ接続される。
[撮像装置の構成例]
さらに、本技術は、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置や、撮像機能を有する携帯端末装置や、画像読取部に固体撮像素子を用いる複写機など、画像取込部(光電変換部)に固体撮像素子を用いる電子機器全般に対して適用可能である。固体撮像素子は、ワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。
図6は、本技術を適用した電子機器としての、撮像装置の構成例を示す図である。
図6の撮像装置91は、レンズ群などからなる光学部101、固体撮像素子(撮像デバイス)102、およびカメラ信号処理回路であるDSP(Digital Signal Processor)回路103を備える。また、撮像装置91は、フレームメモリ104、表示部105、記録部106、操作部107、および電源部108も備える。DSP回路103、フレームメモリ104、表示部105、記録部106、操作部107および電源部108は、バスライン109を介して相互に接続されている。
光学部101は、被写体からの入射光(像光)を取り込んで固体撮像素子102の撮像面上に結像する。固体撮像素子102は、光学部101によって撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。この固体撮像素子102は、上述した固体撮像素子11や固体撮像素子51に対応する。
表示部105は、例えば、液晶パネルや有機EL(electro luminescence)パネル等のパネル型表示装置からなり、固体撮像素子102で撮像された動画像または静止画像を表示する。記録部106は、固体撮像素子102で撮像された動画像または静止画像を、ビデオテープやDVD(Digital Versatile Disk)等の記録媒体に記録する。
操作部107は、ユーザによる操作に応じて、撮像装置91が持つ様々な機能について操作指令を発する。電源部108は、DSP回路103、フレームメモリ104、表示部105、記録部106および操作部107の動作電源となる各種の電源を、これら供給対象に対して適宜供給する。
また、上述した実施形態においては、可視光の光量に応じた信号電荷を物理量として検知する画素が行列状に配置されてなるCMOSイメージセンサに適用した場合を例に挙げて説明した。しかしながら、本技術はCMOSイメージセンサへの適用に限られるものではなく、固体撮像素子全般に対して適用可能である。
また、本技術は、可視光の入射光量の分布を検知して画像として撮像する固体撮像素子への適用に限らず、赤外線やX線、あるいは粒子等の入射量の分布を画像として撮像する固体撮像素子に対して適用可能である。
さらに、本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
さらに、本技術は、以下の構成とすることも可能である。
[1]
複数の画素からなり、被写体を撮像する画素回路と、
前記画素回路近傍に設けられ、撮像に関する動作を行なう周辺回路と、
前記画素の初期化時において、前記画素を初期化するために所定電圧がかけられた前記画素内の素子と、前記所定電圧の前記周辺回路とを電気的に接続する接続素子と
を備える固体撮像素子。
[2]
前記接続素子は、前記周辺回路が前記画素の初期化とは異なる、撮像に関する動作を行っているとき、前記素子と前記周辺回路とを電気的に切り離す
[1]に記載の固体撮像素子。
[3]
前記所定電圧は正の電圧である
[1]または[2]に記載の固体撮像素子。
[4]
前記周辺回路は、前記所定電圧の電力を供給する電源に接続され、
前記接続素子は、前記画素の初期化時に前記素子と前記周辺回路とを接続することで、前記素子と前記電源とを一時的に接続する
[3]に記載の固体撮像素子。
[5]
前記画素の初期化時において、前記周辺回路に前記所定電圧で電力を供給し、前記周辺回路が前記画素の初期化とは異なる、撮像に関する動作を行っている場合、前記周辺回路に前記所定電圧とは異なる電圧で電力を供給する電源制御部をさらに備える
[3]に記載の固体撮像素子。
[6]
前記所定電圧は負の電圧または零である
[1]または[2]に記載の固体撮像素子。
11 固体撮像素子, 21 画素回路, 22 ドライバ, 23 接続素子, 24 列信号処理部, 25 接続素子, 51 固体撮像素子, 61 電源制御回路

Claims (7)

  1. 複数の画素からなり、被写体を撮像する画素回路と、
    前記画素回路近傍に設けられ、撮像に関する動作を行なう周辺回路と、
    前記画素の初期化時において、前記画素を初期化するために所定電圧がかけられた前記画素内の素子と、前記所定電圧の前記周辺回路とを電気的に接続する接続素子と
    を備える固体撮像素子。
  2. 前記接続素子は、前記周辺回路が前記画素の初期化とは異なる、撮像に関する動作を行っているとき、前記素子と前記周辺回路とを電気的に切り離す
    請求項1に記載の固体撮像素子。
  3. 前記所定電圧は正の電圧である
    請求項2に記載の固体撮像素子。
  4. 前記周辺回路は、前記所定電圧の電力を供給する電源に接続され、
    前記接続素子は、前記画素の初期化時に前記素子と前記周辺回路とを接続することで、前記素子と前記電源とを一時的に接続する
    請求項3に記載の固体撮像素子。
  5. 前記画素の初期化時において、前記周辺回路に前記所定電圧で電力を供給し、前記周辺回路が前記画素の初期化とは異なる、撮像に関する動作を行っている場合、前記周辺回路に前記所定電圧とは異なる電圧で電力を供給する電源制御部をさらに備える
    請求項3に記載の固体撮像素子。
  6. 前記所定電圧は負の電圧または零である
    請求項2に記載の固体撮像素子。
  7. 複数の画素からなり、被写体を撮像する画素回路と、
    前記画素回路近傍に設けられ、撮像に関する動作を行なう周辺回路と、
    前記画素内の素子と前記周辺回路とを接続する接続素子と
    を備える固体撮像素子の駆動方法であって、
    前記画素の初期化時において、前記画素を初期化するために所定電圧がかけられた前記画素内の前記素子と、前記所定電圧の前記周辺回路とを前記接続素子が電気的に接続する
    ステップを含む駆動方法。
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