JP2016021606A - 固体撮像装置および固体撮像装置の制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】電圧信号の読み出し時間の短縮を図ることができる固体撮像装置および固体撮像装置の制御方法を提供すること。【解決手段】一つの実施形態によれば、固体撮像装置の制御方法が提供される。複数のフォトダイオードによって共用されるフローティングディフュージョンの電位をリセットする。電位がリセットされたフローティングディフュージョンへ、フォトダイオードによって光電変換された信号電荷をフォトダイオードに割り当てられた順番に順次転送して蓄積する。フォトダイオードからフローティングディフュージョンへ信号電荷の転送が完了する毎に、フローティングディフュージョンの電位に応じた電圧信号をサンプリングする。連続してサンプリングされる2つの電圧信号の差分に基づいて、フローティングディフュージョンへ転送された信号電荷に応じた電圧信号をフォトダイオード毎に算出する。【選択図】図3
Description
本発明の実施形態は、固体撮像装置および固体撮像装置の制御方法に関する。
従来、複数のフォトダイオード(以下、「PD」と記載する)によって1つのフローティングディフュージョン(以下、「FD」と記載する)を共用する固体撮像装置がある。かかる固体撮像装置によれば、PD毎にFDが設けられる固体撮像装置に比べ、FDの占有面積を縮小することができるので、その分、各PDの受光面積を拡張することができる。
また、かかる固体撮像装置では、FDの電位をリセットしてから1つのPDに蓄積された信号電荷をFDへ転送し、FDへ転送された信号電荷に応じた電圧信号を読み出すという一連の信号処理を全てのPDについて順次繰り返すことが一般的である。
しかしながら、各PDからFDへ信号電荷を転送する場合に、毎回FDの電位をリセットすると処理が嵩み、すべてのPDについて電圧信号の読み出しを終えるまでに長い時間を要する。
一つの実施形態は、電圧信号の読み出し時間の短縮を図ることができる固体撮像装置および固体撮像装置の制御方法を提供することを目的とする。
一つの実施形態によれば、固体撮像装置の制御方法が提供される。複数のフォトダイオードによって共用されるフローティングディフュージョンの電位をリセットする。電位がリセットされたフローティングディフュージョンへ、フォトダイオードによって光電変換された信号電荷をフォトダイオードに割り当てられた順番に順次転送して蓄積する。フォトダイオードからフローティングディフュージョンへ信号電荷の転送が完了する毎に、フローティングディフュージョンの電位に応じた電圧信号をサンプリングする。連続してサンプリングされる2つの電圧信号の差分に基づいて、フローティングディフュージョンへ転送された信号電荷に応じた電圧信号をフォトダイオード毎に算出する。
以下に添付図面を参照して、実施形態に係る固体撮像装置および固体撮像装置の制御方法について詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る固体撮像装置10の概略構成を示すブロック図である。図1に示すように、固体撮像装置10は、画素アレイ1と垂直走査回路2と負荷回路3とカラムADC(Analog Digital Converter)回路4と水平走査回路5と基準電圧発生回路6とタイミング制御回路7と後段処理部8とを備える。
図1は、第1の実施形態に係る固体撮像装置10の概略構成を示すブロック図である。図1に示すように、固体撮像装置10は、画素アレイ1と垂直走査回路2と負荷回路3とカラムADC(Analog Digital Converter)回路4と水平走査回路5と基準電圧発生回路6とタイミング制御回路7と後段処理部8とを備える。
画素アレイ1には、入射光を光電変換して蓄積する画素PCが水平方向(行方向)RDおよび垂直方向(列方向)CDへ2次元アレイ(行列)状に配置される。画素PCは、画素アレイ1における撮像画像の1画素に相当する。なお、画素PCの構造については、図2を参照して後述する。
また、画素アレイ1には、水平方向RDに画素PCの読み出し制御を行う水平制御線Hlinが設けられ、垂直方向CDに画素PCから読み出された電圧信号を伝送する垂直信号線Vlinが設けられる。
垂直走査回路2は、読み出し対象となる画素PCを行単位で順次選択する。負荷回路3は、画素PCから垂直信号線Vlinに列毎に電圧信号を読み出す。カラムADC回路4は、各画素PCの電圧信号をCDS(Correlated Double Sampling)にて列毎にサンプリングする。
水平走査回路5は、読み出し対象となる画素PCを列単位で順次選択する。基準電圧発生回路6は、カラムADC回路4に基準電圧VREFを出力する。この基準電圧VREFは、垂直信号線Vlinを介してカラムADC回路4へ入力される電圧信号と比較するために用いられる。
タイミング制御回路7は、垂直走査回路2に対して各画素PCの電圧信号の読み出しのタイミングを制御する。後段処理部8は、サンプリングされた電圧信号に基づいて画素信号を算出する。
かかる固体撮像装置10では、垂直走査回路2によって垂直方向CDに画素PCが行毎に選択されるとともに、水平走査回路5によって水平方向RDに画素PCが列毎に選択される。そして、負荷回路3において、選択された画素PCとの間でソースフォロア動作が行われることにより、画素PCから読み出された電圧信号が垂直信号線Vlinを介してカラムADC回路4に送られる。
次に、図2を参照して画素PCの構造について説明する。本実施形態に係る画素PCは、2つのフォトダイオードを備える。かかる画素PCを備える固体撮像装置10は、2つの電圧信号を個別にサンプリングすることで位相差出力を求めて像の焦点位置を検出する機能と、これら2つの画素信号を足し合わせることで撮像画像の各画素を出力する機能とを有する。
図2は、図1の固体撮像装置10が備える画素PCの上面視による説明図である。図2に示すように、画素PCは、電気的に素子分離された2つのフォトダイオード(光電変換素子)PD1,PD2を備える。また、画素PCは、2つのフォトダイオードPD1,PD2の間に1つのフローティングディフュージョンFDを備える。
各フォトダイオードPD1,PD2とフローティングディフュージョンFDとの間の半導体層上には、それぞれ、転送トランジスタTRS1,TRS2の転送ゲートTG1,TG2が配置される。
また、かかる半導体層上には、フローティングディフュージョンFDを挟んでフォトダイオードPD1,PD2と反対側の領域にリセットトランジスタRSTのゲートRGと増幅トランジスタAMPのゲートGとが配置される。
このように、画素PCは、2つのフォトダイオードPD1,PD2によって、フローティングディフュージョンFD、リセットトランジスタRST、増幅トランジスタAMPを共用する構成を備える。
また、かかる画素PCには、入射する光を各フォトダイオードPD1,PD2へ集光するマイクロレンズMLが設けられる。マイクロレンズMLは、フォトダイオードPD1の受光面とフォトダイオードPD2の受光面とを覆うように設けられる。
このような複数のフォトダイオードPD1,PD2によって1つのフローティングディフュージョンFDを共用する画素PCでは、各フォトダイオードPD1,PD2が光電変換した信号電荷に応じた電圧信号を、次のようにサンプリングする方法が一般的である。
まず、フローティングディフュージョンFDの電位をリセットしたあと、フォトダイオードPD1に蓄積された信号電荷Q1をフローティングディフュージョンFDへ転送する。そして、固体撮像装置10は、信号電荷Q1が蓄積されたフローティングディフュージョンFDの電位に応じた電圧信号である画素信号S1をサンプリングする。
続いて、フォトダイオードPD2に蓄積された信号電荷Q2をフローティングディフュージョンFDへ転送する前に、フローティングディフュージョンFDの電位をリセットする。その後、信号電荷Q2を転送した後、信号電荷Q2が蓄積されたフローティングディフュージョンFDの電位に応じた電圧信号である画素信号S2をサンプリングする。
しかしながら、フォトダイオードPD1,PD2に蓄積された信号電荷Q1,Q2を転送する前に、毎回、フローティングディフュージョンFDの電位をリセットすると、すべての画素PCの画素信号S1,S2をサンプリングするのに要する時間が嵩む。
また、フローティングディフュージョンFDの電位をリセットした場合、フローティングディフュージョンFDにリセットトランジスタRSTのスイッチングノイズに起因したリセットノイズnが入り込むことがある。
このため、フローティングディフュージョンFDの電位をリセットした場合には、その都度リセットノイズnに応じた電圧信号であるリセットノイズ信号Nをサンプリングしておき、後にサンプリングする画素信号S1,S2から差し引く必要が生じる。
したがって、かかるリセットノイズ信号Nのサンプリングおよび画素信号S1,S2からリセットノイズ信号Nを差し引く信号処理によっても、すべての画素PCの画素信号S1,S2をサンプリングするのに要する時間が嵩む。その結果、画素信号S1,S2の読み出しに長い時間を要することになる。
そこで、本実施形態に係る固体撮像装置10では、画素PCにおける画素信号S1,S2の読み出し方法を工夫することで、画素PCにおける画素信号S1,S2の読み出し時間を短縮させた。次に図3を参照して、本実施形態に係る画素PCの画素信号S1,S2を読み出す読み出し方法の概要を説明する。
図3は、第1の実施形態に係る画素PCの画素信号S1,S2を読み出す読み出し方法の概要を示す模式図である。図3(a)に示すように、固体撮像装置10は、画素PCに設けられたフォトダイオードPD1,PD2に光電変換された信号電荷Q1,Q2が蓄積された状態にある。
固体撮像装置10は、フォトダイオードPD1,PD2に信号電荷Q1,Q2が蓄積された状態でフローティングディフュージョンFDの電位を電源電圧の電位にリセットする。この際、フローティングディフュージョンFDには、リセットトランジスタRSTのスイッチングによるノイズであるリセットノイズnが入り込んで蓄積されて保持される。
ここで、固体撮像装置10は、信号電荷Q1をフローティングディフュージョンFDへ転送する前に、リセットノイズnが蓄積されたフローティングディフュージョンFDの電位に応じた電圧信号であるリセットノイズ信号Nをサンプリングする。なお、フローティングディフュージョンFDの電位のリセットおよびリセットノイズ信号Nのサンプリングは、フォトダイオードPD1,PD2に信号電荷Q1,Q2を蓄積する前に行ってもよい。
次に、図3(b)に示すように、固体撮像装置10は、フォトダイオードPD1の信号電荷Q1をリセットノイズnが蓄積されたフローティングディフュージョンFDへ転送する。そして、固体撮像装置10は、リセットノイズnと信号電荷Q1とが蓄積されたフローティングディフュージョンFDの電位に応じた電圧信号N+S1をサンプリングする。かかる電圧信号N+S1は、リセットノイズnに対応するリセットノイズ信号Nと信号電荷Q1に対応する画素信号S1との2つの信号成分を含む。
そして、固体撮像装置10は、電圧信号N+S1をサンプリングしたあと、電圧信号N+S1とリセットノイズ信号Nとの差分を取ることによってリセットノイズn成分を含まない画素信号S1を算出する。
次に、図3(c)に示すように、固体撮像装置10は、フローティングディフュージョンFDの電位をリセットすることなく、フォトダイオードPD2に蓄積された信号電荷Q2をフローティングディフュージョンFDへ転送する。これにより、フローティングディフュージョンFDには、リセットノイズnと信号電荷Q1と信号電荷Q2とが蓄積されて保持される。
そして、固体撮像装置10は、フローティングディフュージョンFDに蓄積されたリセットノイズnと信号電荷Q1と信号電荷Q2との総和に応じた電圧信号N+S1+S2をサンプリングする。かかる電圧信号N+S1+S2は、リセットノイズnに対応するリセットノイズ信号Nと信号電荷Q1に対応する画素信号S1と信号電荷Q2に対応する画素信号S2との3つの信号成分を含む。
これにより、固体撮像装置10は、電圧信号N+S1+S2をサンプリングしたあと、電圧信号N+S1+S2とリセットノイズ信号Nとの差分を取ることによってリセットノイズn成分を含まない画素信号S1+S2を算出することができる。さらに、固体撮像装置10は、画素信号S1+S2を算出したあと、画素信号S1+S2と画素信号S1との差分を取ることによって画素信号S2を算出することができる。
かかる固体撮像装置10は、電圧信号N+S1をサンプリングしたあと、フローティングディフュージョンFDの電位をリセットすることなく、信号電荷Q2をフローティングディフュージョンFDへ転送している。
このように、固体撮像装置10は、電圧信号N+S1をサンプリングしたあと、フローティングディフュージョンFDの電位をリセットすることなく、信号電荷Q2をフローティングディフュージョンFDへ転送する。このため、固体撮像装置10は、信号電荷Q2を転送する前に、リセットノイズ信号Nのサンプリングを行う必要がない。
したがって、固体撮像装置10によれば、フローティングディフュージョンFDの電位のリセット回数およびリセットノイズ信号Nのサンプリング回数を抑えることができるため、画素アレイ1における画素PCの画素信号S1,S2の読み出し時間を短縮することができる。
また、固体撮像装置10では、画素信号S2を算出する前に、撮像画像の各画素に対応する画素信号S1+S2を算出することができるため、撮像画像の出力を早めることができる。
なお、かかる固体撮像装置10では、リセット動作によってフローティングディフュージョンFDに入るリセットノイズnが画素信号S1,S2に影響を与えないほど小さい場合、リセットノイズ信号Nのサンプリングを省略することができる。
かかる場合においても、画素PCにおけるサンプリングの処理をさらに抑えることができるため、画素アレイ1における画素PCの画素信号S1,S2の読み出し時間を短縮することができる。
次に、図4および図5を参照して、本実施形態に係る画素PCから画素信号S1,S2を読み出す具体的な読み出し方法の一例について説明する。図4は、第1の実施形態に係る固体撮像装置10が備える画素PCの回路構成の一例を示す説明図である。図5は、図4に示す画素PCにおける動作時の各部の電圧波形を示すタイミングチャートである。
図4に示すように、画素PCは、2つとのフォトダイオードPD1,PD2、2つの転送トランジスタTRS1,TRS2を備える。さらに、画素PCは、フローティングディフュージョンFD、増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRST、アドレストランジスタADRを備える。なお、アドレストランジスタADRを除く、これらの物理的な配置の一例については、図2に示すとおりである。
各フォトダイオードPD1,PD2は、カソードがグランドに接続され、アノードが転送トランジスタTRS1,TRS2のソースに接続される。2つの転送トランジスタTRS1,TRS2の各ドレインは、1つのフローティングディフュージョンFDに接続される。
各転送トランジスタTRS1,TRS2は、転送ゲートTG1,TG2に転送信号READ1,READ2が入力されると、フォトダイオードPD1,PD2によって光電変換された信号電荷Q1,Q2をフローティングディフュージョンFDへ転送する。フローティングディフュージョンFDには、リセットトランジスタRSTのソースが接続される。
また、リセットトランジスタRSTのドレインは、電源電圧線VDDに接続される。かかるリセットトランジスタRSTは、ゲートRGへリセット信号RSGが入力されると、フローティングディフュージョンFDの電位を電源電圧の電位にリセットする。
また、フローティングディフュージョンFDには、増幅トランジスタAMPのゲートGが接続される。かかる増幅トランジスタAMPのソースは、垂直信号線Vlinに接続され、ドレインがアドレストランジスタADRのソースに接続される。垂直信号線Vlinは、電流源Tに接続される。また、アドレストランジスタADRのドレインは、電源電圧線VDDに接続される。
かかる画素PCは、図5に示すタイミングチャートにしたがって動作する。ここでは、フォトダイオードPD1,PD2に信号電荷Q1,Q2が蓄積された状態から説明する。また、ここでは、時刻t1にリセットトランジスタRSTがオンされた後、時刻t3に転送トランジスタTRS1がオンされ、その後、時刻t5に転送トランジスタTRS2がオンされるものとして、画素PCの動作を説明する。時刻t1,t3,t5は、所定のクロックに基づく既知の時刻である。
先ず、画素PCでは、図5に示すように、時刻t1にリセット信号RSGが立ち上がると、リセットトランジスタRSTのゲートRGへリセット信号RSGが入力され、フローティングディフュージョンFDの電位が電源電位の電位にリセットされる。
そして、リセットした場合のフローティングディフュージョンFDの電圧が増幅トランジスタAMPのゲートGにかかり、ゲートGにかかった電圧に応じた電圧信号VSIGが垂直信号線Vlinを介してカラムADC回路4へ入力される。
ここで、図5に示すように、リセットした場合における電圧信号VSIGの電圧波形は、リセット信号RSGの立ち上がりと同時に上昇した後に安定する。ただし、安定した電圧信号VSIGには、リセットトランジスタRSTのスイッチングノイズに起因したリセットノイズnが含まれる。
その後、カラムADC回路4は、電圧信号VSIGの電圧波形と基準電圧VREFの電圧波形とを比較する。ここで、基準電圧VREFの電圧波形は、リセットノイズ信号N、電圧信号N+S1、電圧信号N+S1+S2をサンプリングするために各サンプリング動作の前後において最大振幅値と最小振幅値が予め設定された電圧波形である。
つまり、基準信号VREFは、時刻t1から時刻t2の期間、時刻t2から時刻t3の期間、および時刻t3以降の期間において、信号レベルが電圧信号VSIGよりも高い状態から、電圧信号VSIGよりも低い状態へ推移するように生成される信号である。
そして、カラムADC回路4は、時刻t2に基準電圧VREFの電圧波形と電圧信号VSIGの電圧波形とが交差した場合に、フローティングディフュージョンFDに保持されたリセットノイズnに応じたリセットノイズ信号Nをサンプリングする。
このように、カラムADC回路4は、フローティングディフュージョンFDの電位がリセットされた時刻t1から、転送トランジスタTRS1がオンされるまでの期間に、リセットノイズNのサンプリングを行う。そして、カラムADC回路4は、サンプリングしたリセットノイズ信号Nを後段処理部8(図1参照)へ出力する。
次に、画素PCでは、時刻t3に転送信号READ1が立ち上がると、転送トランジスタTRS1の転送ゲートTG1へ転送信号READ1が入力され、フォトダイオードPD1の信号電荷Q1がフローティングディフュージョンFDへ転送される。
そして、信号電荷Q1を転送した場合のフローティングディフュージョンFDの電圧が増幅トランジスタAMPのゲートGにかかり、ゲートGにかかった電圧に応じた電圧信号VSIGが垂直信号線Vlinを介してカラムADC回路4へ入力される。
そして、カラムADC回路4は、信号電荷Q1を転送した場合の電圧信号VSIGの電圧波形と基準電圧VREFの電圧波形とを比較する。なお、図5に示すように、信号電荷Q1を転送した場合における電圧信号VSIGの電圧波形は、リセットノイズnにより下降した電圧レベルからさらに信号電荷Q1の電荷量の分だけ下降して安定する。
カラムADC回路4は、時刻t4に基準電圧VREFの電圧波形と電圧信号VSIGの電圧波形とが交差した場合、フローティングディフュージョンFDに保持されたリセットノイズnと信号電荷Q1との総和に応じた電圧信号N+S1をサンプリングする。
そして、カラムADC回路4は、サンプリングした電圧信号N+S1を後段処理部8へ出力する。これにより、後段処理部8は、電圧信号N+S1とリセットノイズ信号Nとの差分を取ることによって、リセットノイズn成分を含まない画素信号S1を算出することができる。
次に、画素PCでは、図5に示すように、時刻t5で転送信号READ2が立ち上がると、転送トランジスタTRS2の転送ゲートTG2へ転送信号READ2が入力され、フォトダイオードPD2の信号電荷Q2がフローティングディフュージョンFDへ転送される。
そして、信号電荷Q2を転送した場合のフローティングディフュージョンFDの電圧が増幅トランジスタAMPのゲートGにかかり、ゲートGにかかった電圧に応じた電圧信号VSIGが垂直信号線Vlinを介してカラムADC回路4へ入力される。
このように、画素PCでは、リセットノイズnおよび信号電荷Q1を保持したフローティングディフュージョンFDをリセットすることなく、フローティングディフュージョンFDへ続けて信号電荷Q2を転送する。
そして、カラムADC回路4は、信号電荷Q2を転送した場合の電圧信号VSIGの電圧波形と基準電圧VREFの電圧波形を比較する。なお、図5に示すように、信号電荷Q2を転送した場合における電圧信号VSIGの電圧波形は、信号電荷Q1により下降した電圧レベルからさらに信号電荷Q2の電荷量の分だけ下降して安定する。
そして、カラムADC4は、図5に示すように、時刻t6に基準電圧VREFの電圧波形と電圧信号VSIGとの電圧波形とが交差した場合に、フローティングディフュージョンFDに保持されたリセットノイズnと信号電荷Q1,Q2の総和に応じた電圧信号N+S1+S2をサンプリングする。
そして、カラムADC回路4は、サンプリングした電圧信号N+S1+S2を後段処理部8へ入力する。これにより、後段処理部8は、電圧信号N+S1+S2とリセットノイズ信号Nとの差分を取ることによって、リセットノイズn成分を含まない画素信号S1+S2を算出することができる。さらに、後段処理部8は、算出した画素信号S1+S2と先に算出した画素信号S1との差分を取ることによって、画素信号S2を算出することができる。
このように、固体撮像装置10によれば、フローティングディフュージョンFDのリセットを1回しか行わないにもかかわらず、信号電荷Q1,Q2,Q1+Q2のそれぞれに応じた電圧信号S1,S2,S1+S2を算出することができる。
なお、上述の実施形態では、基準電圧VREFの電圧波形と電圧信号VSIGの電圧波形とを比較することで、リセットノイズ信号N、電圧信号N+S1、電圧信号N+S1+S2のサンプリングのタイミングを図っているが、この方法に限られない。
サンプリングのタイミングを図る他の方法としては、例えば、次の方法がある。リセット信号RSGおよび転送信号READ1,READ2を立ち上げるタイミングは既知のため、これらのタイミングを示したチャートにサンプリングのタイミングを新たに追加設定する。
具体的には、上記のタイミングチャートにおいて転送信号READ1を立ち上げる直前にリセットノイズ信号Nのサンプリングを行うタイミングが設定され、転送信号READ2を立ち上げる直前に電圧信号N+S1のサンプリングを行うタイミングが設定される。また、電圧信号N+S1+S2のサンプリングを行うタイミングは、次のリセット信号RSGを立ち上げる直前に設定される。なお、かかるタイミングチャートは、例えば、カラムADC回路4が備えるメモリに格納される。
次に、本実施形態に係る固体撮像装置10が実行する処理手順について図6を参照して説明する。図6は、第1の実施形態に係る固体撮像装置10が実行する処理手順を示すフローチャートである。
図6に示すように、固体撮像装置10は、まず、リセットトランジスタRSTのゲートRGに電圧を印加する(ステップS101)。次に、固体撮像装置10は、リセットノイズnを保持するフローティングディフュージョンFDの電位に応じたリセットノイズ信号Nのサンプリングを行う(ステップS102)。
かかるサンプリングのあと、固体撮像装置10は、転送トランジスタTRS1の転送ゲートTG1に電圧を印加する(ステップS103)。次に、固体撮像装置10は、リセットノイズnと信号電荷Q1とを保持するフローティングディフュージョンFDの電位に応じたリセットノイズ信号Nと画素信号S1とを含む電圧信号N+S1のサンプリングを行う(ステップS104)。
かかるサンプリングのあと、固体撮像装置10は、電圧信号N+S1とリセットノイズ信号Nとの差分を取ることによってリセットノイズn成分を含まない画素信号S1を算出する(ステップS105)。
かかる算出のあと、固体撮像装置10は、転送トランジスタTRS2の転送ゲートTG2に電圧を印加する(ステップS106)。次に、固体撮像装置10は、リセットノイズnと信号電荷Q1と信号電荷Q2とを保持するフローティングディフュージョンFDの電位に応じたリセットノイズ信号Nと画素信号S1と画素信号S2とを含む電圧信号N+S1+S2のサンプリングを行う(ステップS107)。
かかるサンプリングのあと、固体撮像装置10は、電圧信号N+S1+S2とリセットノイズ信号Nとの差分を取ることによってリセットノイズn成分を含まない画素信号S1+S2を算出する(ステップS108)。
さらに、かかる算出のあと、固体撮像装置10は、画素信号S1+S2と画素信号S1との差分を取ることによって画素信号S2を算出し(ステップS109)、処理を終了する。
このように、固体撮像装置10は、電圧信号N+S1をサンプリングしたあと、フローティングディフュージョンFDの電位をリセットすることなく、信号電荷Q2をフローティングディフュージョンFDへ転送する。このため、固体撮像装置10は、信号電荷Q2を転送する前に、リセットノイズ信号Nのサンプリングを行う必要がない。
したがって、固体撮像装置10によれば、フローティングディフュージョンFDの電位のリセット回数およびリセットノイズ信号Nのサンプリング回数を抑えることができるため、画素信号S1,S2の読み出し時間を短縮することができる。
また、固体撮像装置10では、画素信号S2を算出する前に、撮像画像の各画素に対応する画素信号S1+S2を算出することができるため、撮像画像の出力を早めることができる。
なお、かかる固体撮像装置10では、リセット動作によってフローティングディフュージョンFDに入るリセットノイズnが画素信号S1,S2に影響を与えないほど小さい場合、リセットノイズ信号Nのサンプリングを省略することができる。
かかる場合においても、フローティングディフュージョンFDの電位のリセット回数およびリセットノイズ信号Nのサンプリング回数をさらに抑えることができるため、画素アレイ1における画素PCの画素信号S1,S2の読み出し時間を短縮することができる。
(第2の実施形態)
次に第2の実施形態について説明する。第1の実施形態に係る固体撮像装置10では、フォトダイオードPD1の信号電荷Q1をフローティングディフュージョンFDへ転送したあと、フォトダイオードPD2の信号電荷Q2をフローティングディフュージョンFDへ転送している。
次に第2の実施形態について説明する。第1の実施形態に係る固体撮像装置10では、フォトダイオードPD1の信号電荷Q1をフローティングディフュージョンFDへ転送したあと、フォトダイオードPD2の信号電荷Q2をフローティングディフュージョンFDへ転送している。
かかる固体撮像装置10では、例えば、想定外の強い光がフォトダイオードPD1,PD2へ入射した場合、信号電荷Q1を保持したフローティングディフュージョンFDへ信号電荷Q2を転送すると、フローティングディフュージョンFDが飽和状態になる恐れがある。
かかる例外的な状況の場合に、固体撮像装置10では、信号電荷Q2の一部がフローティングディフュージョンFDからオーバーフローするか、もしくは、転送されずにPD2に残存する可能性があり、信頼性のある画素信号S2が得られないおそれがある。
そこで、第2の実施形態に係る固体撮像装置では、画素アレイ1においてフォトダイオードPD1,PD2に蓄積された信号電荷Q1,Q2の読み出し順を行毎に入れ替えて行うことで、信頼性のある画素信号S1,S2を選択して得ている。このような読み出し順について、図7を参照して説明する。
図7は、第2の実施形態に係る固体撮像装置が備える画素アレイ1におけるフォトダイオードPD1,PD2に蓄積された信号電荷Q1,Q2の読み出し順を示す説明図である。
図7に示すように、第2の実施形態に係る固体撮像装置は、例えば、まず、1行目の画素PCで先にフォトダイオードPD1の信号電荷Q1の読み出しを行い、次にフォトダイオードPD2の信号電荷Q2の読み出しを行う。
ここで、第2の実施形態に係る固体撮像装置では、図示しない検知部によって、フローティングディフュージョンFDが飽和状態にあるかどうかを判定する。具体的には、検知部は、基準電圧VREFの電圧波形が最小振幅値まで下降しても電圧信号VSIGの電圧波形が反転しない場合に、フローティングディフュージョンFDが飽和状態にあると判定する。
そして、第2の実施形態に係る固体撮像装置は、検知部よってフローティングディフュージョンFDが飽和状態にあると判定された場合、2行目の画素PCでは、先にフォトダイオードPD2の信号電荷Q2の読み出しを行い、次にフォトダイオードPD1の信号電荷Q1の読み出しを行う。
このように、第2の実施形態に係る固体撮像装置は、検知部の判定に基づいて、信号電荷Q1,Q2の読み出しを行うフォトダイオードPD1,PD2の順番を変更することによって、信頼性のある画素信号S1,S2を選択して読み出すことができる。
これにより、第2の実施形態に係る固体撮像装置は、例えば、1行目の画素PCから信頼性のある画素信号S1を読み出し、2行目の画素PCから信頼性のある画素信号S2を読み出し、これら画素信号S1,S2の和から信頼性のある出力画素を算出可能である。
(第3の実施形態)
次に第3の実施形態について説明する。第1の実施形態に係る固体撮像装置10では、平面視において1つのマイクロレンズMLの中に2つのフォトダイオードPD1,PD2が配置された構成にあるが、この構成に限られない。他の画素の構成例については、図8を参照して説明する。
次に第3の実施形態について説明する。第1の実施形態に係る固体撮像装置10では、平面視において1つのマイクロレンズMLの中に2つのフォトダイオードPD1,PD2が配置された構成にあるが、この構成に限られない。他の画素の構成例については、図8を参照して説明する。
図8は、第3の実施形態に係る固体撮像装置が備える他の画素の構成例を示す説明図である。なお、図2に示す画素PCと同様の機能を有する構成要素については、図2に示す符号と同一の符号を付すとともに、その他の構成要素については説明の便宜上省略している。
図8(a)に示す画素PCaは、平面視において縦に2つのフォトダイオードPD1,PD2が配置され、各フォトダイオードPD1,PD2に対してマイクロレンズML1,ML2がそれぞれ設けられた構成である。また、画素PCaは、縦に並ぶ2つのフォトダイオードPD1,PD2の間に1つのフローティングディフュージョンFDを備える。フローティングディフュージョンFDは、フォトダイオードPD1,PD2によって共用される。
かかる画素PCaは、フローティングディフュージョンFDを挟んで縦にフォトダイオードPD1,PD2が配置されるため、縦方向の位相差検出画素として用いられる。
かかる画素PCaにおいても、第1の実施形態の固体撮像装置10が実行する処理手順と同様の処理手順で、リセットノイズ信号Nのサンプリング、電圧信号N+S1のサンプリング、電圧信号N+S1+S2のサンプリングが順番に行われる。
したがって、画素PCaは、縦方向の位相差画素を読み出す場合においても、画素信号S1,S2の読み出し時間を短縮することができる。
また、図8(b)に示す画素PCbは、平面視において横に2つのフォトダイオードPD1,PD2を配置し、各フォトダイオードPD1,PD2に対してマイクロレンズML1,ML2がそれぞれ設けられた構成である。また、画素PCbは、横に並ぶ2つのフォトダイオードPD1,PD2の上に1つのフローティングディフュージョンFDを備える。フローティングディフュージョンFDは、フォトダイオードPD1,PD2によって共用される。
かかる画素PCbの構造は、2つのフォトダイオードPD1,PD2によって1つのフローティングディフュージョンFDを共有した2画素1セル構造である。かかる画素PCbにおいても、第1の実施形態の固体撮像装置10が実行する処理手順と同様の処理手順で、リセットノイズ信号Nのサンプリング、電圧信号N+S1のサンプリング、電圧信号N+S1+S2のサンプリングが順番に行われる。
したがって、画素PCbは、2画素1セル構造においても、画素信号S1,S2の読み出し時間を短縮することができる。
なお、画素PCbは、各フォトダイオードPD1,PD2の受光面の半分を遮光膜で覆い隠した構成であってもよい。かかる画素PCbにおいても、フォトダイオードPD1,PD2によって受光される光の位相差を検出することができるとともに、画素信号S1,S2の読み出し時間を短縮することができる。
図8(c)に示す画素PCcは、平面視において1つのフローティングディフュージョンFDを4つのフォトダイオードPD1,PD2,PD3,PD4で周囲を囲む構成である。また、画素PCcでは、各フォトダイオードPD1,PD2,PD3,PD4に対してマイクロレンズML1,ML2,ML3,ML4がそれぞれ設けられる。
かかる画素PCcの構造は、4つのフォトダイオードPD1,PD2,PD3,PD4で1つのフローティングディフュージョンFD2を共有した4画素1セル構造である。
かかる画素PCcでは、リセットノイズ信号Nのサンプリングを行ったあと、フォトダイオードPD1の信号電荷Q1がフローティングディフュージョンFDへ転送される。そして、画素PCcでは、リセットノイズnと信号電荷Q1とを含むフローティングディフュージョンFDの電位に応じた電圧信号N+S1のサンプリングが行われる。
そして、画素PCcでは、各フォトダイオードPD2,PD3,PD4においても、信号電荷を転送する前にフローティングディフュージョンFDの電位をリセットすることなく、同様にして信号電荷の転送および電圧信号のサンプリングが順番に行われる。
したがって、画素PCcは、4画素1セル構造においても、画素信号S1,S2,S3,S4の読み出し時間を短縮することができる。
また、画素PCcは、4つのフォトダイオードPD1,PD2,PD3,PD4で1つのフローティングディフュージョンFDを共有しているため、フォトダイオードの敷設領域を大きくすることができる。したがって、画素PCcは、各フォトダイオードPD1,PD2,PD3,PD4の受光面の面積を大きく設定することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1 画素アレイ、 10 固体撮像装置、 2 垂直走査回路、 3 負荷回路、 4 カラムADC回路、 5 水平走査回路、 6 基準電圧発生回路、 7 タイミング制御回路、 8 後段処理部、 PC,PCa,PCb,PCc 画素、 CD 垂直方向、 RD 水平方向、 Hlin 水平制御線、 Vlin 垂直信号線、 PD1,PD2,PD3,PD3 フォトダイオード、 FD フローティングディフュージョン、 TRS1,TRS2 転送トランジスタ、 TG1,TG2,TG3,TG4 転送ゲート、 RST リセットトランジスタ、 RG ゲート、 AMP 増幅トランジスタ、 G ゲート、 ML,ML1,ML2,ML3,ML4 マイクロレンズ、 n リセットノイズ、 N リセットノイズ信号、 Q1,Q2 信号電荷、 S1,S2 画素信号
Claims (5)
- 複数のフォトダイオードによって共用されるフローティングディフュージョンの電位をリセットする工程と、
前記電位がリセットされた前記フローティングディフュージョンへ、前記フォトダイオードによって光電変換された信号電荷を前記フォトダイオードに割り当てられた順番に順次転送して蓄積する工程と、
1つの前記フォトダイオードから前記フローティングディフュージョンへ前記信号電荷の転送が完了する毎に、前記フローティングディフュージョンの電位に応じた電圧信号をサンプリングする工程と、
連続してサンプリングされる2つの前記電圧信号の差分に基づいて、前記フローティングディフュージョンへ転送された前記信号電荷に応じた前記電圧信号を前記フォトダイオード毎に算出する工程と
を含むことを特徴とする固体撮像装置の制御方法。 - 前記フローティングディフュージョンの電位がリセットされた場合に、前記電圧信号をサンプリングする工程
をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置の制御方法。 - 前記フローティングディフュージョンを共用する全ての前記フォトダイオードから前記フローティングディフュージョンへ前記信号電荷が転送された場合に、前記フローティングディフュージョンの電位をリセットする工程
をさらに含むことを特徴とする請求項1または2に記載の固体撮像装置の制御方法。 - 前記フローティングディフュージョンが前記信号電荷によって飽和する場合に、前記フローティングディフュージョンへ前記信号電荷を転送する前記フォトダイオードの順番を変更する工程
をさらに含むことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一つに記載の固体撮像装置の制御方法。 - 複数のフォトダイオードによって共用されるフローティングディフュージョンの電位をリセットするリセット処理部と、
前記電位がリセットされた前記フローティングディフュージョンへ、前記フォトダイオードによって光電変換された信号電荷を前記フォトダイオードに割り当てられた順番に順次転送して蓄積する転送処理部と、
1つの前記フォトダイオードから前記フローティングディフュージョンへ前記信号電荷の転送が完了する毎に、前記フローティングディフュージョンの電位に応じた電圧信号をサンプリングするサンプリング処理部と、
連続してサンプリングされる2つの前記電圧信号の差分に基づいて、前記フォトダイオード毎に前記フローティングディフュージョンへ転送された信号電荷に応じた電圧信号を算出する算出処理部と
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
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Cited By (6)
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---|---|---|---|---|
JP2018006666A (ja) * | 2016-07-07 | 2018-01-11 | キヤノン株式会社 | 光電変換装置及び撮像システム |
EP3651450A4 (en) * | 2017-07-07 | 2022-03-30 | Brillnics Singapore Pte. Ltd. | SOLID STATE IMAGING DEVICE, METHOD OF OPERATION FOR THE SOLID STATE IMAGING DEVICE, AND ELECTRONIC EQUIPMENT |
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