JP3827146B2 - Solid-state imaging device and driving method of solid-state imaging device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法に関し、特に光検出におけるダイナミックレンジの拡大を図った固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図12は従来の固体撮像装置を示す構成図、図13は図12の固体撮像装置を構成する1つの画素周辺を示す回路図、図14は図13に示した回路の動作を示すタイミングチャートである。
図12に示した固体撮像装置102は、具体的にはCMOS光センサーであり、半導体基板上に形成された画素部104、V選択手段106、H選択手段108、タイミングジェネレータ110(TG)、S/H・CDS部112、定電流部114Aなどを含んでいる。画素部104には、多数の画素がマトリクス状に配列され、各画素が光を検出して生成した電気信号が、タイミングジェネレータ110からのタイミングパルスにもとづきV選択手段106およびH選択手段108により順次選択され、水平信号線116から出力部118を通じて出力される構成となっている。
【0003】
図13に示したように、画素120は、フォトダイオード122、電荷量に応じた大きさの電圧を生成する電荷電圧変換手段であるフローティングディフュージョン部124(FD部124)、転送パルスが供給されたときフォトダイオード122をFD部124に接続する転送ゲート126、リセットパルスが供給されたときFD部124を電源Vddに接続するリセットゲート128、FD部124の電圧を出力する増幅トランジスター130を含んで構成されている。
【0004】
フォトダイオード122は、アノードがグランドに接続され、カソードは、転送ゲート126を構成するN型のMOSFET(MOS電界効果トランジスター)のソースに接続されている。同MOSFETのドレインはFD部124に接続され、またゲートにはV選択手段106より転送パルス132が供給される。リセットゲート128もN型のMOSFETにより構成され、そのソースはFD部124に、ドレインは電源Vddにそれぞれ接続され、ゲートにはV選択手段106よりリセットパルス134が供給される。
【0005】
増幅トランジスター130を構成するN型のMOSFETのゲートはFD部124に接続され、ドレインは電源Vddに接続されている。増幅トランジスター130と垂直信号線136との間には、N型のMOSFETから成るアドレスゲート138が介在し、そのゲートにはV選択手段106からアドレスパルス140が供給される。そして、増幅トランジスター130のソースはアドレスゲート138のドレインに接続され、アドレスゲート138のソースは垂直信号線136に接続されている。
【0006】
垂直信号線136は、マトリクス状に配列された画素120の各列ごとに設けられ、同一の列に属する画素120のアドレスゲート138のソースはすべて対応する垂直信号線136に接続されている。垂直信号線136の一端は、画素部104の外に配置された定電流部114Aにおいて定電流源114に接続され、この定電流源114により垂直信号線136に一定の電流が流されている。垂直信号線136の他端は、画素部104の外に配置されたS/H・CDS部112に接続されている。
【0007】
S/H・CDS部112には、各垂直信号線136ごとにS/H・CDS回路146が設けられている。各S/H・CDS回路にはタイミングジェネレータ110から第1および第2のサンプリングパルス148、150が供給されて、増幅トランジスター130が垂直信号線136に出力した、フォトダイオード122が生成した信号電荷にもとづきFD部124が生成した電圧(光検出電圧)、およびリセット時のFD部124の電圧(オフセット電圧)をそれぞれ保持するとともに、2つの電圧の差に対応する電圧を出力する。なお、S/H・CDS回路146にオフセット電圧を保持させる場合は第1および第2のサンプリングパルス148、150が同時に供給され、光検出電圧を保持させる場合は第2のサンプリングパルス150のみが供給される。
【0008】
各垂直信号線136ごとのS/H・CDS回路146の出力信号は、タイミングジェネレータ110からのタイミング信号にもとづいて動作するH選択手段108により順次選択されて水平信号線116に出力され、出力部118を通じて出力される。出力部118は詳しくは増幅回路、AGC回路、A/D変換器などにより構成されている。
【0009】
次に、このように構成された固体撮像装置102の動作について、図14をも参照しつつ、画素120における動作を中心に説明する。
V選択手段106はタイミングジェネレータ110からのタイミングパルスにもとづき動作して、画素部104の行を選択し、選択した行に属する画素120に対し、タイミングT1でアドレスパルス140(ハイレベル)を出力する。このアドレスパルス140は、各画素120においてアドレスゲート138に供給され、その結果、アドレスゲート138がオンして増幅トランジスター130が垂直信号線136に接続される。
【0010】
次に、V選択手段106はタイミングT2においてリセットパルス134を出力し、これによりリセットゲート128がオンしてFD部124は電源Vddに接続され、FD部124に蓄積している電荷(電子)が排除される。そして、このリセット状態のFD部124の電圧が増幅トランジスター130により垂直信号線136に出力される。なお、増幅トランジスター130は、アドレスゲート138がオンしているときは、定電流源114とともにソースフォロワー回路を形成するので、ゲート電圧、すなわちFD部124の電圧に追従した電圧が増幅トランジスター130から垂直信号線136に低インピーダンスで出力される。
【0011】
つづいて、タイミングT3において、タイミングジェネレータ110は垂直信号線136ごとに設けられた各S/H・CDS回路146に第1および第2のサンプリングパルス148、150を出力し、増幅トランジスター130により垂直信号線136に出力されたオフセット電圧を保持させる。
【0012】
その後、タイミングT4において、V選択手段106は転送パルス132を出力し、転送ゲート126をオンさせてフォトダイオード122がタイミングT4までに受光して蓄積した電荷(電子)をFD部124に転送させる。FD部124は転送された電荷量に応じた電圧を生成し、増幅トランジスター130はその電圧を、低インピーダンスで垂直信号線136に出力する。
【0013】
そして、タイミングジェネレータ110はタイミングT5で、垂直信号線136ごとに設けられた各S/H・CDS回路146に第2のサンプリングパルス150を出力する。このとき、各S/H・CDS回路146は、増幅トランジスター130が垂直信号線136に出力している電圧を保持するとともに、先に保持しているオフセット電圧と、新たに保持した光検出電圧との差を算出して、オフセット分を除去した、フォトダイオード122への入射光量に対応する大きさの電圧を出力する。
なお、上記オフセット分は画素120ごとに大きさが異なるため、このようにS/H・CDS回路146によりオフセット分を除去することで、オフセットのバラツキによるノイズを除去することができる。
【0014】
各垂直信号線136ごとのS/H・CDS回路146の出力信号は、タイミングジェネレータ110からのタイミングパルスにもとづきH選択手段108により順次選択されて水平信号線116に出力され、出力部118を通じ画像信号として出力される。
V選択手段106はタイミングT6においてアドレスパルス140をローレベルに戻し、その結果、アドレスゲート138がオフして増幅トランジスター130が垂直信号線136から切り離され、1行分の画素120に関する動作が完了する。
【0015】
以降、V選択手段106は、タイミングジェネレータ110からのタイミングパルスにもとづき動作して、画素120の各行を順次選択する。そして、各行ごとに上述のような動作が行われ、V選択手段106がすべての行を選択したところで、すべての画素120により生成された画像1枚分の画像信号が出力されることになる。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような固体撮像装置102では、フォトダイオード122が生成した電荷がオーバーフローするまでの範囲、すなわちフォトダイオード122の飽和レベルまでの範囲の光量しか検出することができなかった。したがって、たとえば被写体の暗い部分に絞りやシャッター速度を合わせた場合には、被写体の明るい部分は、フォトダイオード122が飽和してしまうことから、全体がたとえば真っ白に撮影されてしまい、映像を得ることはできなかった。
【0017】
この問題の解決を図るべく、特開平11−313257号公報には、入射光量の対数に対応した信号を出力するようにしてダイナミックレンジを拡大した固体撮影素子が開示されている。しかし、この固体撮影素子では、コンデンサーを使用していることから、その充放電に時間がかかり、残像が生じるという欠点がある。また、構造的に、雑音が少ないという長所を有している埋め込みフォトダイオード(フォトダイオード表面の絶縁膜とフォトダイオードとの間にたとえばP+層が形成されている)を使用できないため、画質が劣るという問題がある。そして、画素回路の構成要素が多いため、小型化が困難である。
【0018】
また、シャッター速度、したがってフォトダイオード122における電荷蓄積時間を変え、フォトダイオード122が飽和しないような短い時間と、充分に長い時間とで撮影して、各撮影画像を合成することでダイナミックレンジを拡大するといった手法も知られているが、この方法では、ラインメモリーやフレームメモリーが必要なために装置が大型化し、またコスト高となってしまう。そして、感光期間の異なる2つの信号を合成するので、動く被写体への適用が困難である。さらに、画素部の隣接行間で電荷蓄積時間を変えることにより、メモリーを不要にする技術も知られているが、この技術では画素の隣接行間での演算処理が必要であるため、装置が大型化し、また構成が複雑となる。さらに、2画素で1つの信号を生成するので解像度が劣化する。
【0019】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的は、ダイナミックレンジが広く、かつ小型、低コスト、高性能の固体撮像装置を提供することにある。
【0020】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板上にマトリクス状に配列された複数の画素と、前記画素の列ごとに設けられた信号線と、第1のタイミング制御手段と、第2のタイミング制御手段と、第3のタイミング制御手段と、前記信号線ごとに設けられた第1の演算手段と、前記信号線ごとに設けられた第2の演算手段とを含み、前記画素は、受光して信号電荷を生成するフォトダイオードと、蓄積した信号電荷の量に対応した電圧を生成する電荷電圧変換手段と、前記フォトダイオードが生成した信号電荷を前記電荷電圧変換手段に転送する転送手段と、前記電荷電圧変換手段が生成した電圧を対応する前記信号線に出力するバッファー手段と、前記電荷電圧変換手段に蓄積した電荷を排除して前記電荷電圧変換手段をリセットするリセット手段とを含み、前記フォトダイオードが生成した過剰な信号電荷は前記転送手段の転送動作に係わらず前記転送手段を通じて前記電荷電圧変換手段に移動するようにしてあり、前記第1のタイミング制御手段は、制御パルスを供給することによって、(イ)前記画素の行を順次選択し、(ロ)選択行の各画素において、前記リセット手段に前記電荷電圧変換手段をリセットさせて、そのリセット直後に前記電荷電圧変換手段が生成している第3の電圧を前記バッファー手段及び前記信号線を介して前記第1の演算手段に取り込ませた後に、前記転送手段に前記フォトダイオードが生成した信号電荷を前記電荷電圧変換手段へ転送させて、同信号電荷により前記電荷電圧変換手段が生成した第1の電圧を前記バッファー手段及び前記信号線を介して前記第1の演算手段に取り込ませ、前記第1の演算手段は、先に取り込んだ1つの画素の前記第3の電圧とそれに続いて取り込んだ同一画素の前記第1の電圧との差に対応した信号を出力し、前記第2のタイミング制御手段は、前記第1のタイミング制御手段が選択行の各画素において前記リセット手段に前記電荷電圧変換手段をリセットさせる直前に、選択行の各画素に制御パルスを供給して、そのとき前記電荷電圧変換手段が生成している第2の電圧を前記バッファー手段及び前記信号線を介して前記第2の演算手段に取り込ませ、前記第3のタイミング制御手段は、制御パルスを供給することによって、(イ)現在の選択行につづく画素行であって次に選択行とする画素行を選択し、(ロ)新たに選択した選択行の各画素において、前記リセット手段に前記電荷電圧変換手段をリセットさせて、そのリセット直後に前記電荷電圧変換手段が生成している第4の電圧を前記バッファー手段及び前記信号線を介して前記第2の演算手段に取り込ませ、前記第2の演算手段は、先に取り込んだ1つの画素の前記第4の電圧とそれに続いて取り込んだ同一画素の前記第2の電圧との差に対応した信号を出力することを特徴とする。
【0021】
本発明の固体撮像装置では、選択行の画素において第1のタイミング制御手段の制御により電荷電圧変換手段がリセットされる前に、第2のタイミング制御手段による制御によって、電荷電圧変換手段が生成している第2の電圧がバッファー手段を通じ信号線に出力される。また、画素行が第1のタイミング制御手段により選択されるのに先だち、画素行の各画素の電荷電圧変換手段が第3のタイミング制御手段による制御のもとであらかじめリセットされる。したがって、上記第2の電圧は、入射光量が過大な場合に、第3のタイミング制御手段の制御により電荷電圧変換手段がリセットされた後、フォトダイオードが生成した過剰な信号電荷が溢れ電荷電圧変換手段に移動して蓄積し、その結果、電荷電圧変換手段が生成した電圧である。
【0022】
すなわち、本発明の固体撮像装置では、入射光量が過大でフォトダイオードが生成した信号電荷がフォトダイオードから電荷電圧変換手段へ溢れた場合でも、溢れた信号電荷の量に対し直線的に変化する電圧が電荷電圧変換手段により生成され第2の電圧として信号線に出力される。よって、入射光量が通常の大きさの場合は上記第1の電圧を用い、入射光量が過大な場合は第2の電圧を用いて画像信号を生成することで、入射光量が過大な場合でも入射光量に対し直線的に大きさが変化する画像信号を得ることがき、広ダイナミックレンジの撮影が可能となる。
【0023】
また、本発明は、半導体基板上にマトリクス状に配列された複数の画素と、前記画素の列ごとに設けられた信号線と、前記信号線ごとに設けられた第1の演算手段と、前記信号線ごとに設けられた第2の演算手段とを含み、前記画素は、受光して信号電荷を生成するフォトダイオードと、蓄積した信号電荷の量に対応した電圧を生成する電荷電圧変換手段とを含み、前記フォトダイオードが生成した過剰な信号電荷は前記フォトダイオードから溢れて前記電荷電圧変換手段に移動するようにした固体撮像装置の駆動方法であって、前記画素の行を順次選択し、選択行の各画素において、前記電荷電圧変換手段をリセットし、そのリセット直後に前記電荷電圧変換手段が生成している第3の電圧を前記信号線を介して前記第1の演算手段に取り込ませた後に、前記フォトダイオードが生成した信号電荷を前記電荷電圧変換手段へ転送して、同信号電荷により前記電荷電圧変換手段が生成した第1の電圧を前記信号線を介して前記第1の演算手段に取り込む第1のタイミング制御ステップと、前記第1の演算手段において、先に取り込んだ1つの画素の前記第3の電圧とそれに続いて取り込んだ同一画素の前記第1の電圧との差に対応した信号を生成するステップと、前記第1のタイミング制御ステップで選択行の各画素において前記電荷電圧変換手段をリセットする直前に、選択行の各画素に制御パルスを供給して、そのとき前記電荷電圧変換手段が生成している第2の電圧を前記信号線を介して前記第2の演算手段に取り込む第2のタイミング制御ステップと、現在の選択行につづく画素行であって次に選択行とする画素行を選択し、新たに選択した選択行の各画素において、前記電荷電圧変換手段をリセットし、そのリセット直後に前記電荷電圧変換手段が生成している第4の電圧を前記信号線を介して前記第2の演算手段に取り込む第3のタイミング制御ステップと、前記第2の演算手段において、先に取り込んだ1つの画素の前記第4の電圧とそれに続いて取り込んだ同一画素の前記第2の電圧との差に対応した信号を出力するステップとを含むことを特徴とする。
【0024】
本発明の固体撮像装置の駆動方法では、第1のタイミング制御ステップで選択行の画素において電荷電圧変換手段をリセットする前に、第2のタイミング制御ステップで、電荷電圧変換手段が生成している第2の電圧をバッファー手段を通じ信号線に出力する。また、画素行を第1のタイミング制御ステップで選択するのに先だち、画素行の各画素の電荷電圧変換手段を第3のタイミング制御ステップにおいてあらかじめリセットする。したがって、上記第2の電圧は、入射光量が過大な場合に、第3のタイミング制御ステップで電荷電圧変換手段をリセットした後、フォトダイオードが生成した過剰な信号電荷が溢れ電荷電圧変換手段に移動して蓄積し、その結果、電荷電圧変換手段が生成した電圧である。
【0025】
すなわち、本発明の固体撮像装置の駆動方法では、入射光量が過大でフォトダイオードが生成した信号電荷がフォトダイオードから電荷電圧変換手段へ溢れた場合でも、溢れた信号電荷の量に対し直線的に変化する電圧が電荷電圧変換手段により生成され第2の電圧として信号線に出力される。よって、入射光量が通常の大きさの場合は上記第1の電圧を用い、入射光量が過大な場合は第2の電圧を用いて画像信号を生成することで、入射光量が過大な場合でも入射光量に対し直線的に大きさが変化する画像信号を得ることがき、広ダイナミックレンジの撮影が可能となる。
【0026】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態例について図面を参照して説明する。
図1は本発明による固体撮像装置の一例を構成する画素周辺を示す回路図、図2は実施の形態例の固体撮像装置の全体を示す構成図、図3は図1の画素に係わる動作を示すタイミングチャートである。図1、図2において図12、図13と同一の要素には同一の符号が付されており、それらに関する詳しい説明はここでは省略する。以下では、これらの図面を参照して本発明による固体撮像装置の一例について説明し、同時に本発明による固体撮像装置の駆動方法の実施の形態例について説明する。
【0027】
図1、図2に示したように、実施の形態例の固体撮像装置2では、マトリックス状に画素120が並べられた画素部104の各画素列に対して、S/H・CDS回路4(第2の演算手段)が新たに設けられている。S/H・CDS部回路4は、タイミングジェネレータ6(図2)からのサンプリングパルス8および第1のサンプリングパルス148にもとづいて、垂直信号線136に出力されている電圧を保持し、異なるタイミングで保持した2つの電圧の差を算出し、オフセット分を除去して信号成分を出力する。なお、S/H・CDS部4は、図2に示したS/H・CDS部10に配置されている。
【0028】
本実施の形態例では、図2に示したように、S/H・CDS部10とともにH選択手段12が新たに設けられ、S/H・CDS部10のS/H・CDS回路4の出力信号は、H選択手段12により順次選択され水平信号線14を通じ出力部16から出力される。出力部16は詳しくは増幅回路、AGC回路、A/D変換器などにより構成されている。
【0029】
タイミングジェネレータ6は、従来同様、V選択手段7、H選択手段108、S/H・CDS部112にタイミングパルスを供給するとともに、上記S/H・CDS部10およびH選択手段12にタイミングパルスを供給する。本実施の形態例ではタイミングジェネレータ6、V選択手段7が本発明に係る第1から第3のタイミング制御手段を構成している。
【0030】
定電流源114(図1)は、詳しくは、一例として閾値電圧Vthが0.45VのMOSトランジスター114Bにより構成され、そのゲートは0.8Vの電源線114Cに、ソースはグランドにそれぞれ接続され、垂直信号線136が0.4V以上の場合、約10μAの定電流を垂直信号線136に流す。S/H・CDS回路4、146の入力部にはコンデンサーが直列に挿入されているので、S/H・CDS回路4、146側に直流電流が流れることはない。
【0031】
次に、本実施の形態例の固体撮像装置2の動作について、図3をも参照しつつ説明する。なお、図3において、図13に示したタイミングに相当するタイミングには同じ符号が付されている。
V選択手段7は、タイミングジェネレータ6からのタイミングパルスにもとづき画素部104の画素行を選択し、選択した行に属する画素120に対し、タイミングT1でアドレスパルス140(ハイレベル)を出力する。このアドレスパルス140(本発明に係る制御パルス)は、各画素120においてアドレスゲート138に供給され、その結果、アドレスゲート138がオンして増幅トランジスター130(本発明に係るバッファー手段)が垂直信号線136に接続される。このとき、増幅トランジスター130は定電流源114とともにソースフォロワー回路を形成するので、ゲート電圧、すなわちFD部124の電圧に追従した電圧が増幅トランジスター130から垂直信号線136に低インピーダンスで出力される。
【0032】
その後、タイミングジェネレータ6は、本発明に係る第2のタイミング制御として動作し、タイミングT1aで、S/H・CDS部4に対して第2のサンプリングパルス8(本発明に係る制御パルス)を出力し、増幅トランジスター130を通じて垂直信号線136に出力されているFD部124の電圧、すなわち本発明に係る第2の電圧(以下、広D電圧ともいう)を保持させる(本発明に係る第2のタイミング制御ステップ)。この電圧がどのような電圧であるかについては後に詳しく説明する。
【0033】
次に、V選択手段7はタイミングT2においてリセットパルス134を出力し、これによりリセットゲート128がオンしてFD部124は電源Vddに接続され、FD部124に蓄積している信号電荷が排除される。そして、このリセット状態のFD部124の電圧、すなわちオフセット電圧(本発明に係る第3の電圧)が増幅トランジスター130により垂直信号線136に出力される。
【0034】
つづいて、タイミングT3において、タイミングジェネレータ6は垂直信号線136ごとに設けられたS/H・CDS回路146(本発明に係る第1の演算手段)に第1および第2のサンプリングパルス148、150を、S/H・CDS回路4に第1のサンプリングパルス148および第2のサンプリング8をそれぞれ出力し、増幅トランジスター130により垂直信号線136に出力された上記オフセット電圧を保持させる。
【0035】
その後、タイミングT4において、V選択手段7は転送パルス132を出力し、転送ゲート126をオンさせてフォトダイオード122が、前回の転送パルス132の後、タイミングT4までに受光して蓄積した信号電荷をFD部124に転送させる。FD部124は転送された信号電荷の量に応じた電圧、すなわち通常光検出電圧(本発明に係る第1の電圧)を生成し、増幅トランジスター130はその電圧を低インピーダンスで垂直信号線136に出力する。
【0036】
そして、タイミングジェネレータ6はタイミングT5で、垂直信号線136ごとに設けられた各S/H・CDS回路146に第2のサンプリングパルス150を出力し、このとき増幅トランジスター130が垂直信号線136に出力している上記通常光検出電圧を保持させる。これにより、各S/H・CDS回路146は、上述のように保持した通常光検出電圧およびオフセット電圧の差を算出して、オフセット分を除去し、フォトダイオード122の入射光量に対応する大きさの電圧を出力する。各垂直信号線136ごとのS/H・CDS回路146の出力信号は、タイミングジェネレータ6からのタイミングパルスにもとづきH選択手段108により順次選択されて水平信号線116に出力され、出力部118を通じ画像信号として出力される。
【0037】
一方、S/H・CDS部10では、各垂直信号線136ごとに設けられたS/H・CDS回路4が、上述のように保持した広D電圧とオフセット電圧との差を算出し、オフセット分を除去して、フォトダイオード122への入射光量に対応する大きさの電圧を出力する。各垂直信号線136ごとのS/H・CDS回路4の出力信号は、タイミングジェネレータ6からのタイミングパルスにもとづきH選択手段12により順次選択されて水平信号線14に出力され、出力部16を通じ画像信号として出力される。
【0038】
V選択手段7は、次のサイクルに備えるべくタイミングT5aにおいて再度リセットパルス134を出力する。これによりリセットゲート128がオンしてFD部124は電源Vddに接続され、FD部124に蓄積している信号電荷が排除される。
V選択手段7はタイミングT6においてアドレスパルス140をローレベルに戻し、その結果、アドレスゲート138がオフして増幅トランジスター130が垂直信号線136から切り離され、1行分の画素120に関する動作が完了する。
【0039】
以上の動作において、V選択手段7およびタイミングジェネレータ6は本発明に係る第1のタイミング制御手段として動作して、タイミングT1で選択行の画素にアドレスパルス140を供給し、タイミングT2でFD部124をリセットさせ、タイミングT4でフォトダイオード122が生成した信号電荷をFD部124に転送させて、通常光検出電圧を垂直信号線に出力させており、そして、このとき本発明に係る第1のタイミング制御ステップが実行されている。
【0040】
つづいて、V選択手段7はタイミングジェネレータ6とともに本発明に係る第3のタイミング制御手段として動作し、上記タイミングT1〜T6まで選択していた選択行より、一例として5行進んだ画素行(FD電子シャッター行)の各画素に対して、タイミングT7において、リセットパルス134を出力し、FD部124をリセットする(本発明に係る第3のタイミング制御ステップ)。
【0041】
図4はFD電子シャッター行と選択行との関係を示す説明図であり、画素部104を模式的に示し、各四角形20が個々の画素を表している。そして、たとえば選択行22が上記タイミングT1〜T6まで選択されていた行であり、FD電子シャッター行24が、タイミングT7において、上述のように各画素のFD部124にリセットパルス134が供給される行である。
【0042】
ここで、FD電子シャッター行24は、選択行22につづく4行が選択された後、選択されて選択行となり、この選択行(FD電子シャッター行24)において上述したタイミングT1〜T6で行われた選択行22に関する動作と同じ動作が行われる。したがって、タイミングT7でFD電子シャッター行24の画素を構成するFD部124をリセットすることは、画素行(FD電子シャッター行24)が後にV選択手段7により選択されるのに先だち、この画素行の各画素のFD部124をリセットしていることになる。
【0043】
以上のような選択行22およびFD電子シャッター行24に関する動作は、選択行22およびFD電子シャッター行24を矢印Aの方向に1行ずつ順次シフトさせつつ行われ、V選択手段7がすべての行を選択したところで、すべての画素120により生成された1枚分の画像信号が出力されることになる。
【0044】
次に、タイミングT1aでサンプリングされた上記広D電圧、および上記FD電子シャッター行24におけるFD部124のリセットについて詳しく説明する。
フォトダイオード122への入射光量が多い場合、フォトダイオード122が受光して生成した過剰な信号電荷は転送ゲート126を越えてFD部124へと溢れ、さらにFD部124も溢れて信号電荷はリセットゲート128を越えて電源Vddへと流れ込む。
【0045】
このとき、FD部124の電圧は、電源Vddに流出する信号電荷による電流の大きさにより決まるが、フォトダイオード122が生成する信号電荷量は小さく、MOSFETによるリセットゲート128のチャネルに流れる電流はナノアンペアのオーダーの弱い電流であり、リセットゲート128はサブスレッショルド領域で動作するので、FD部124の電圧は電流値の対数に対応した値となる。そして、このFD部124の電圧が増幅トランジスター130を通じて出力され、S/H・CDS回路4に供給されるので、入射光量が過大な場合、タイミングT1aでS/H・CDS回路4が保持する広D電圧は、入射光量の対数に対応した値となる。
【0046】
しかし、本実施の形態例では、FD電子シャッター行24の各画素のFD部124は、上述のように、選択されるのに先立ち、5行前の段階であらかじめリセットされる。したがって、FD部124のリセットの後、フォトダイオード122から溢れた信号電荷はFD部124に次第に蓄積するが、選択行が5行シフトした段階で、この間にFD部124に蓄積した信号電荷の量に比例した大きさの広D電圧が、S/H・CDS回路4に取り込まれる。このように、本実施の形態例では、FD部124における電荷蓄積時間が短くなるので、入射光量が過大でフォトダイオード122から信号電荷が溢れた場合でも、溢れた信号電荷の量に対し直線的に変化する電圧(広D電圧)を得ることができる。
【0047】
よって、入射光量が通常の大きさの場合は上記通常光検出電圧によりS/H・CDS回路146が生成し出力部118を通じて出力される信号を用い、入射光量が過大な場合は広D電圧によりS/H・CDS回路4が生成し出力部16より出力される信号を用いて画像信号を生成することにより、入射光量が過大な場合でも入射光量に対し大きさが直線的に変化する画像信号を得ることがき、広ダイナミックレンジの撮影が可能となる。
【0048】
なお、入射光量がさらに大きいときは、フォトダイオード122から溢れた信号電荷はリセット後のFD部124でもタイミングT1aの前の段階で溢れ、上述のように、リセットゲート128を通じて流れるため広D電圧は入射光量の対数に対応した値となる。したがって、入射光量に対し大きさが比例的に変化する画像信号は得られないものの、入射光量に応じた大きさの画像信号が得られ、この場合にも広ダイナミックレンジの撮影が可能となる。
【0049】
また、本実施の形態例では、上述のように出力部16、118から同時に信号を出力できるので、必要に応じて両出力を用いるか、一方のみを用いるといった選択が可能であり、後段の信号処理における自由度が高い。
そして、ラインメモリーやフレームメモリーを用いたり、画素部104の行間での演算処理を行ったりする必要がないので、構成および処理内容が簡素であり、装置の小型化に有利であるとともに、製造コストが特に上昇することもない。さらに、画素120の構成は従来と同じであるから、画素120のサイズが大きくなることがなく、この点でも固体撮像装置の小型化に有利である。
また、入射光量がきわめて大きく、出力部16の出力が入射光量の対数に対応した大きさとなる場合、対数変換にコンデンサーなどは使用しないので、残像の問題がなく、そして、雑音の少ない埋め込みフォトダイオード122を使用できるため、画質の点で性能が低下することもない。
【0050】
なお、本実施の形態例では、図4に示したように、FD電子シャッター行22は選択行22より5行先行しているとしたが、これらの行の間隔を種々に変更することで、FD部124における電荷蓄積時間を変更することができ、入射光量が過大な場合に入射光量に対し直線的に変化する広D電圧を得ることができる光量の範囲を調整することができる。上記行間隔は狭くするほど、入射光量に対し直線的に変化する広D電圧を得ることができる光量の範囲は広くなり、たとえば、1フレームが500の画素行で構成されている場合、FD電子シャッター行24を選択行22の次の行とすると、FD電子シャッター行24でFD部124のリセットを行わなかった場合に比べ500倍に拡大する。
【0051】
また、本実施の形態例では、電子がキャリアであるとしたが、各ゲートなどを構成するMOSFETとしてP型のMOSFETを用い、正孔をキャリアとした場合にも、基本的な動作は変わらず、同様の作用効果が得られる。
そして、ここではタイミングジェネレータを内蔵した場合の実施の形態例を示したが、タイミングジェネレータを外付けとすることも可能である。
【0052】
次に、本発明の第2の実施の形態例について説明する。
図5は第2の実施の形態例の固体撮像装置を構成する画素周辺を示す回路図、図6は第2の実施の形態例におけるFD電子シャッター行24と選択行22との関係を示す説明図、図7はS/H・CDS回路を詳しく示す回路図、図8は第2の実施の形態例の動作を示すタイミングチャートである。図中、図1、図4などと同一の要素には同一の符号が付されている。なお、第2の実施の形態例の全体の構成は図2に示した固体撮像装置2の構成と同じであるため、適宜、図2をも参照する。以下では、これらの図面を参照して、本発明の第2の実施の形態例としての固体撮像装置について説明し、同時に本発明の固体撮像装置の駆動方法の他の例について説明する。
【0053】
第2の実施の形態例の固体撮像装置は、図6に示したように、FD電子シャッター行24を選択行22の次の行とし、図5に示したように上記実施の形態例を構成するS/H・CDS回路4をS/H・CDS回路146Aで置き換え、さらに、以下に説明するように、オフセット電圧のS/H・CDS回路146Aへの取り込みタイミングの点で上記実施の形態例の固体撮像装置2と異なっている。
【0054】
まず、図7を参照してS/H・CDS回路146について詳しく説明する。
図7に示したように、S/H・CDS回路146は、トランジスター56、58、コンデンサー60、62、ならびに水平選択トランジスター64を含んで構成されている。トランジスター56のドレインは垂直信号線136に、ソースはコンデンサー60の一端にそれぞれ接続されており、トランジスター56のゲートにはタイミングジェネレータ6より第2のサンプリングパルス150が供給される。また、トランジスター58のドレインはバイアス電圧源Vbに、ソースはコンデンサー60の他端にそれぞれ接続されており、ゲートにはタイミングジェネレータ6より第1のサンプリングパルス148が供給される。なお、上記第1および第2のサンプリングパルス148、150はS/H・CDS部112に配置された全S/H・CDS部146のトランジスター56、58のゲートに対して共通に供給される。
【0055】
コンデンサー60の上記他端とグランドとの間にはコンデンサー62が接続され、コンデンサー60の上記他端にはさらに水平選択トランジスター64のドレインが接続されている。水平選択トランジスター64のソースは水平信号線116に接続されており、ゲートにはH選択手段108より選択パルスがS/H・CDS回路146ごとに個別に供給される。
【0056】
このような構成において、第1および第2のサンプリングパルス148、150が供給されると、トランジスター56、58はともにオンし、これにより、垂直信号線136に出力されているFD部124のオフセット電圧に対応する電圧がコンデンサー60に保持される。
一方、第2のサンプリングパルス150のみが供給されると、トランジスター56がオンし、垂直信号線136に出力されている光検出電圧が、トランジスター56およびコンデンサー60を通じてコンデンサー62に印加される。ここで、コンデンサー60はオフセット電圧に対応する電圧を保持しているので、コンデンサー62は、この電圧を差し引いた電圧に対応する電圧を保持することになる。
【0057】
そして、H選択手段108は、垂直信号線136ごとのS/H・CDS回路146の水平選択トランジスター64に順次、選択パルスを出力し、水平選択トランジスター64を順次オンさせて、コンデンサー62が保持している電圧を順番に水平信号線116に出力させる。
なお、S/H・CDS回路146Aは本実施の形態例ではS/H・CDS回路146と同一の構成となっている。
【0058】
次に、広D電圧、オフセット電圧、通常光検出電圧のS/H・CDS回路146、146Aへの取り込みを中心に、図8をも参照しつつ動作を説明する。
図8に示したタイミングチャートが、図3に示したタイミングチャートと異なるのは、第1および第2のサンプリングパルス148A、150AはS/H・CDS回路146AにタイミングT3では供給されず、タイミングT8で供給され、またタイミングT6aでアドレスパルス140が供給される点である。これら以外の点では図3と同じであり、また関連する動作も同じであるため、ここでは、これらのタイミングにおける動作を中心に説明する。
【0059】
上述のようにタイミングT3では、第1および第2のサンプリングパルス148A、150AはS/H・CDS回路146Aには供給されず、タイミングジェネレータ6はS/H・CDS回路146に対してのみ第1および第2のサンプリングパルス148、150を供給して垂直信号線136に出力されているFD部124のオフセット電圧を保持させる。具体的には、図7に示したように、このときトランジスター56、58がともにオンし、上記オフセット電圧に対応する電圧がコンデンサー60に保持される。
【0060】
その後、S/H・CDS回路146には固体撮像装置2の場合と同様に、タイミングT5で第2のサンプリングパルス150が供給され、S/H・CDS回路146は通常光検出電圧を保持する。具体的には、図7に示したように、このときトランジスター56がオンし、通常光検出電圧から上記オフセット電圧を差し引いた電圧に対応する電圧をコンデンサー62が保持し、この電圧は後にトランジスター64を通じて水平信号線116に出力される。
【0061】
そして、V選択手段7はタイミングジェネレータ6とともに、本発明に係る第3のタイミング制御手段として動作し、図6に示したFD電子シャッター行24の画素を構成するアドレスゲート138に対してまずタイミングT6aにおいてアドレスパルス140を供給してアドレスゲート138をオンさせ、次に、タイミングT7で固体撮像装置2の場合と同様に、リセットパルス134をリセットゲート128に供給してFD部124をリセットさせる。
【0062】
そして、タイミングT8において、タイミングジェネレータ6は第1および第2のサンプリングパルス148A、150Aを各S/H・CDS回路146Aに出力して垂直信号線136に出力されているFD部124のオフセット電圧(本発明に係る第4の電圧)を保持させる。具体的には、図7に示したように、このときトランジスター56、58がともにオンし、上記オフセット電圧に対応する電圧がコンデンサー60に保持される。V選択手段7はつづいてタイミングT9においてアドレスパルスを元のローレベルに戻す。
【0063】
その後、現在のFD電子シャッター行24が次のサイクルで選択行となると、タイミングジェネレータ6は、固体撮像装置2の場合と同様に、タイミングT1aで、第2のサンプリングパルス150Aを各S/H・CDS回路146Aに供給して垂直信号線136に出力されている広D電圧を保持させる。具体的には、図7に示したように、このときトランジスター56がオンし、広D電圧から上記オフセット電圧を差し引いた電圧に対応する電圧をコンデンサー62が保持し、この電圧は後にトランジスター64を通じて水平信号線116に出力される。
以降、選択行22およびFD電子シャッター行24を順次矢印Aの方向に1行ずつシフトさせながら、以上のような動作がくり返される。
【0064】
以上説明したように第2の実施の形態例の固体撮像装置では、S/H・CDS回路146、146Aの両方の回路に対してオフセット電圧が先に供給され、その後、通常光検出電圧および広D電圧がそれぞれ供給される。したがって、S/H・CDS回路146、146Aは、図7に示したように、まったく同じ構成にしてそれぞれ通常光検出電圧および広D電圧からオフセット電圧を差し引いた同極性の電圧を得ることができる。
【0065】
図1に示したS/H・CDS回路4の場合には、上述のようにタイミングT1aでまず広D電圧が供給され、その後、タイミングT3でFD部124のオフセット電圧が供給されるので、S/H・CDS回路4を、S/H・CDS回路146と同じ構成にした場合には、広D電圧に対応する電圧がコンデンサー60に保持されるため、S/H・CDS回路4からは極性が逆の信号が出力されることになる。したがって、S/H・CDS回路4は、出力信号の極性をS/H・CDS回路146と同じとするためには、S/H・CDS回路146とは異なる構成としなければならない。
第2の実施の形態例では、上述のようにS/H・CDS回路146Aは、S/H・CDS回路146と同じ構成でよく、両回路からは同じ極性の信号が出力される。そのため、S/H・CDS回路の設計が容易であり、製造においても有利である。
【0066】
また、第2の実施の形態例では、上述のようにタイミングT7でFD電子シャッター行の画素のFD部124をリセットしてタイミングT8でオフセット電圧をS/H・CDS回路146Aに保持し、その直後に、次の選択行(すなわち上記FD電子シャッター行)の画素からタイミングT1aで広D電圧をS/H・CDS回路146Aに取り込んで、オフセット分を除去した広D電圧に対応する信号を得る。したがって、広D電圧に含まれるKTC雑音などのノイズを効果的に除去することができる。
すなわち、タイミングT7でFD電子シャッター行の画素のFD部124をリセットしたとき、FD部124の電圧(オフセット電圧)は、KTC雑音などの雑音が重畳したものとなっている。その後、フォトダイオード122から溢れた信号電荷はFD部124に蓄積し、FD部124は対応する電圧を生成するが、この電圧には、上記リセット後の雑音が重畳している。よって、次のサイクルのタイミングT1aで、オフセット電圧に重畳している雑音と同じ雑音が重畳した広D電圧をS/H・CDS回路146Aに取り込み、先にタイミングT8で取り込んでいるリセット直後のオフセット電圧を減じると、雑音成分を確実に除去することができる。
【0067】
なお、第2の実施の形態例では、選択行とFD電子シャッター行とは隣どうしであり両行の位置関係が固定であるため、フォトダイオード122から溢れた信号電荷のFD部における蓄積時間の調整は行えず、入射光量が過大な場合の感度を調整することはできない。しかし、FD電子シャッター行を選択行の次の行とすることで最もダイナミックレンジが広くなるので、FD電子シャッター行をこのように固定することは必ずしも不利とはならない。また、入射光量が過大な場合の感度を固定することは、後段における信号処理が容易になるという点で有利に働く。
【0068】
次に本発明の第3の実施の形態例について説明する。
図9は第3の実施の形態例の動作を示すタイミングチャート、図10は第3の実施の形態例におけるフォトダイオード電子シャッター行、FD電子シャッター行、ならびに選択行の関係を示す説明図である。図10において図4と同一の要素には同一の符号が付されている。以下では、これらの図面を参照して、本発明の第3の実施の形態例としての固体撮像装置について説明し、同時に本発明の固体撮像装置の駆動方法の他の例について説明する。
なお、第3の実施の形態例の固体撮像装置の全体の構成および画素の構成は最初の実施の形態例の固体撮像装置2と同じであるため、図1、図2をも適宜参照する。
【0069】
この第3の実施の形態例は、図10に示したように、FD電子シャッター行24とともにフォトダイオード電子シャッター行26を設定し、そしてタイミングジェネレータ6およびV選択手段7によるタイミング制御を変更した点で、上記固体撮像装置2と異なっている。FD電子シャッター行24は、本実施の形態例では、選択行22より4行先行する位置にあり、フォトダイオード電子シャッター行26は選択行22より7行先行する位置にある。
【0070】
本実施の形態例の動作について説明すると、V選択手段7(図2)は、タイミングT1で選択行22の各画素に対してアドレスパルス140(ハイレベル)を出力する。その結果、アドレスゲート138(図1)がオンして増幅トランジスター130が垂直信号線136に接続される。
その後、タイミングジェネレータ6は、タイミングT1aで、S/H・CDS回路4に対してサンプリングパルス8を出力し、増幅トランジスター130を通じて垂直信号線136に出力されている広D電圧を保持させる。
次に、V選択手段7はタイミングT2において選択行22、FD電子シャッター行24、フォトダイオード電子シャッター行26の各行にリセットパルス134を出力する。これにより上記3行の各画素においてリセットゲート128がオンしてFD部124がリセットされる。選択行22では、このリセット状態のFD部124の電圧、すなわちオフセット電圧が増幅トランジスター130により垂直信号線136に出力される。
【0071】
つづいて、タイミングT3において、タイミングジェネレータ6は垂直信号線136ごとに設けられたS/H・CDS回路146に第1および第2のサンプリングパルス148、150を、S/H・CDS回路4に第1のサンプリングパルス148および第2のサンプリング8をそれぞれ出力し、選択行22の増幅トランジスター130により垂直信号線136に出力された上記オフセット電圧を保持させる。
【0072】
その後、タイミングT4において、V選択手段7は転送パルス132を選択行22およびフォトダイオード電子シャッター行26の画素を構成する転送ゲートに供給してオンさせ、このタイミングまでにフォトダイオード122が受光して蓄積した信号電荷をFD部124に転送させる。選択行22の各画素のFD部124は通常光検出電圧を生成し、増幅トランジスター130はその電圧を低インピーダンスで垂直信号線136に出力する。
【0073】
そして、タイミングジェネレータ6はタイミングT5で、各S/H・CDS回路146に第2のサンプリングパルス150を出力し、このとき増幅トランジスター130が垂直信号線136に出力している上記通常光検出電圧を保持させる。これにより、各S/H・CDS回路146は、上述のように保持した通常光検出電圧からオフセット電圧を差し引き、フォトダイオード122への入射光量に対応する大きさの電圧を出力する。各垂直信号線136ごとのS/H・CDS回路146の出力信号は、タイミングジェネレータ6からのタイミングパルスにもとづきH選択手段108により順次選択されて水平信号線116に出力され、出力部118を通じ画像信号として出力される。
【0074】
一方、S/H・CDS部10では、各S/H・CDS回路4が、上述のように保持した広D電圧からオフセット電圧を差し引きフォトダイオード122の入射光量に対応する大きさの電圧を出力する。各S/H・CDS回路4の出力信号は、タイミングジェネレータ6からのタイミングパルスにもとづきH選択手段12により順次選択されて水平信号線14に出力され、出力部16を通じ画像信号として出力される。
【0075】
V選択手段7は、次のサイクルに備えるべくタイミングT5aにおいて再度リセットパルス134を選択行22、FD電子シャッター行24、ならびにフォトダイオード電子シャッター行26に出力する。これにより各行の画素を構成するリセットゲート128がオンしてFD部124がリセットされる。なお、フォトダイオード電子シャッター行26の画素には、タイミングT4において転送パルス132が供給されているので、フォトダイオード電子シャッター行26の画素を構成するフォトダイオード122およびFD部124はこの段階でともにリセット状態となる。
【0076】
V選択手段7はタイミングT6において選択行22の画素に供給していたアドレスパルス140をローレベルに戻し、その結果、選択行22の画素を構成するアドレスゲート138がオフして増幅トランジスター130が垂直信号線136から切り離される。V選択手段7は、以降、このような動作を、選択行22、FD電子シャッター行24、ならびにフォトダイオード電子シャッター行26を順次矢印A(図10)の方向に1行ずつシフトさせつつ実行する。
【0077】
以上の動作において、図10に示したフォトダイオード電子シャッター行26は、選択行22につづく6行が選択された後、選択されて選択行となり、その段階で上述したタイミングT1〜T6で行われた図10に示した選択行22に関する動作と同じ動作がフォトダイオード電子シャッター行26(新たな選択行22)において行われる。したがって、タイミングT4で、フォトダイオード電子シャッター行26の画素に転送パルス134を供給してフォトダイオード122の信号電荷をFD部124に転送させ、さらにタイミングT5aでリセットパルスを供給してFD部124をリセットすることは、画素行(フォトダイオード電子シャッター行26)が後にV選択手段7により選択されるのに先だって、その画素のフォトダイオード122およびFD部124をリセットしていることになる(本発明に係る第4のタイミング制御ステップ)。ここで、フォトダイオード電子シャッター行26に転送パルスおよびリセットパルスを供給するV選択手段7は、タイミングジェネレーター6と共に本発明に係る第4のタイミング制御手段として動作している。
【0078】
このように、第3の実施の形態例では、フォトダイオード電子シャッター行26を設定してフォトダイオード122を先行してリセットするので、フォトダイオード122における電荷蓄積時間は、選択行22からフォトダイオード電子シャッター行26までの行数に相当する時間となる。よって、この行数を種々に調整することで、フォトダイオード122における電荷蓄積時間を変更することができ、第1の実施の形態例と同様の効果が得られることに加えて、通常レベルの入射光量に対して感度の調整を行うことが可能となる。
【0079】
なお、この第3の実施の形態例では、FD電子シャッター行24の画素に対してタイミングT2でもリセットパルス134を供給するとしたが、このタイミングではリセットパルスを供給せず、タイミングT5aにおいてのみリセットパルスを供給するようにしてもよく、その場合にも、FD電子シャッター行24が後に選択されるのに備えてあらかじめFD部124をリセットすることができる。また、最初の実施の形態例の場合のように、タイミング6以降のタイミングでFD部124をリセットするようにすることも無論可能である。
ただし、選択行22、FD電子シャッター行24、ならびにフォトダイオード電子シャッター行26の各行の画素を共通にタイミング制御し、設計を容易にするという点では、FD電子シャッター行24に対して選択行22などと同一のタイミングでリセットパルスを供給する方式とする方が有利である。
【0080】
さらに、第3の実施の形態例では、フォトダイオード電子シャッター行26の画素に対して、選択行22の画素と同じタイミングで、リセットパルス134および転送パルス132を供給するとしたが、フォトダイオード電子シャッター行26に対するこのようなタイミング制御は、フォトダイオード電子シャッター行26のフォトダイオード122およびFD部124を先行してリセットすることが目的であるから、選択行22とは異なるタイミングでフォトダイオード122およびFD部124をリセットする構成とすることも無論可能である。
【0081】
次に、本発明の第4の実施の形態例について説明する。
図11は、本発明の第4の実施の形態例としての固体撮像装置の全体を示す構成図である。図中、図2と同一の要素には同一の符号が付されている。
本実施の形態例の固体撮像装置34では、図1に示したS/H・CDS部10、112に代えてCDS・AGC部10A、114Aが設けられ、また信号合成・A/D変換部28、通信部30が新たに設けられ、さらに水平信号線116はバスライン116Aに置き換えられている。
【0082】
CDS・AGC部10A、114Aは、図2のS/H・CDS部10、112にAGC(自動利得制御)の機能を加えたものであり、オフセット分を除去した広D電圧および通常光検出電圧に対しレベル調整を行った上でこれらの電圧をそれぞれ出力する。
そして、信号合成・A/D変換部28は、CDS・AGC部10A、114Aからの広D電圧および通常光検出電圧を合成して1つのダイナミックレンジの広い光検出電圧とし、さらにデジタル信号に変換して出力する。このデジタル信号は、H選択手段108により順次バスラインに読み出され、デジタル出力端子32を通じて出力される。
通信部30は、モード制御端子36を通じて入力されるモード制御信号にもとづいて、タイミングジェネレータ6の動作を制御し固体撮像装置34の駆動モードを制御する。
【0083】
従って、第4の実施の形態例の固体撮像装置34では、フォトダイオードへの入射光量が通常レベルの場合の光検出結果と、過大である場合の光検出結果とが合成された状態で出力されるので、外部に信号合成のための回路を設ける必要がない。また、通信部30を通じて固体撮像装置34の動作を種々に制御することができ動作における柔軟性が増す。
【0084】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の固体撮像装置では、選択行の画素において第1のタイミング制御手段の制御により電荷電圧変換手段がリセットされる前に、第2のタイミング制御手段による制御によって、電荷電圧変換手段が生成している第2の電圧がバッファー手段を通じ信号線に出力される。また、画素行が第1のタイミング制御手段により選択されるのに先だち、画素行の各画素の電荷電圧変換手段が第3のタイミング制御手段による制御のもとであらかじめリセットされる。したがって、上記第2の電圧は、入射光量が過大な場合に、第3のタイミング制御手段の制御により電荷電圧変換手段がリセットされた後、フォトダイオードが生成した過剰な信号電荷が溢れ電荷電圧変換手段に移動して蓄積し、その結果、電荷電圧変換手段が生成した電圧である。
【0085】
すなわち、本発明の固体撮像装置では、入射光量が過大でフォトダイオードが生成した信号電荷がフォトダイオードから電荷電圧変換手段へ溢れた場合でも、溢れた信号電荷の量に対し直線的に変化する電圧が電荷電圧変換手段により生成され第2の電圧として信号線に出力される。よって、入射光量が通常の大きさの場合は上記第1の電圧を用い、入射光量が過大な場合は第2の電圧を用いて画像信号を生成することで、入射光量が過大な場合でも入射光量に対し直線的に大きさが変化する画像信号を得ることがき、広ダイナミックレンジの撮影が可能となる。
【0086】
そして、ラインメモリーやフレームメモリーを用いたり、画素行の行間での演算処理を行ったりする必要がないので、構成および処理内容が簡素であり、装置の小型化に有利であるとともに、製造コストが特に上昇することもない。
さらに、画素の構成は従来と同じであるから、画素のサイズが大きくなることがなく、この点でも固体撮像装置の小型化に有利である。
また、入射光量がきわめて大きく、上記第2の電圧が入射光量の対数に対応した大きさとなる場合、対数変換にコンデンサーなどは使用しないので、残像の問題がなく、そして、雑音の少ない埋め込みフォトダイオードを使用できるため、画質の点で性能が低下することもない。
【0087】
また、本発明の固体撮像装置の駆動方法では、第1のタイミング制御ステップで選択行の画素において電荷電圧変換手段をリセットする前に、第2のタイミング制御ステップで、電荷電圧変換手段が生成している第2の電圧をバッファー手段を通じ信号線に出力する。また、画素行を第1のタイミング制御ステップで選択するのに先だち、画素行の各画素の電荷電圧変換手段を第3のタイミング制御ステップにおいてあらかじめリセットする。したがって、上記第2の電圧は、入射光量が過大な場合に、第3のタイミング制御ステップで電荷電圧変換手段をリセットした後、フォトダイオードが生成した過剰な信号電荷が溢れ電荷電圧変換手段に移動して蓄積し、その結果、電荷電圧変換手段が生成した電圧である。
【0088】
すなわち、本発明の固体撮像装置の駆動方法では、入射光量が過大でフォトダイオードが生成した信号電荷がフォトダイオードから電荷電圧変換手段へ溢れた場合でも、溢れた信号電荷の量に対し直線的に変化する電圧が電荷電圧変換手段により生成され第2の電圧として信号線に出力される。よって、入射光量が通常の大きさの場合は上記第1の電圧を用い、入射光量が過大な場合は第2の電圧を用いて画像信号を生成することで、入射光量が過大な場合でも入射光量に対し直線的に大きさが変化する画像信号を得ることがき、広ダイナミックレンジの撮影が可能となる。
【0089】
そして、ラインメモリーやフレームメモリーを用いたり、画素行の行間での演算処理を行ったりする必要がないので、固体撮像装置の構成および処理内容が簡素であり、装置の小型化に有利であるとともに、製造コストが特に上昇することもない。
さらに、画素の構成は従来と同じでよいため、画素のサイズが大きくなることがなく、この点でも固体撮像装置の小型化に有利である。
また、入射光量がきわめて大きく、上記第2の電圧が入射光量の対数に対応した大きさとなる場合、対数変換にコンデンサーなどは使用しないので、残像の問題がなく、そして、雑音の少ない埋め込みフォトダイオードを使用できるため、画質の点で性能が低下することもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による固体撮像装置の一例を構成する画素周辺を示す回路図である。
【図2】実施の形態例の固体撮像装置の全体を示す構成図である。
【図3】図1の画素に係わる動作を示すタイミングチャートである。
【図4】FD電子シャッター行と選択行との関係を示す説明図である。
【図5】第2の実施の形態例の固体撮像装置を構成する画素周辺を示す回路図である。
【図6】第2の実施の形態例におけるFD電子シャッター行と選択行との関係を示す説明図である。
【図7】S/H・CDS回路を詳しく示す回路図である。
【図8】第2の実施の形態例の動作を示すタイミングチャートである。
【図9】第3の実施の形態例の動作を示すタイミングチャートである。
【図10】第3の実施の形態例におけるフォトダイオード先行リセット行、FD電子シャッター行、ならびに選択行の関係を示す説明図である。
【図11】本発明の第4の実施の形態例としての固体撮像装置の全体を示す構成図である。
【図12】従来の固体撮像装置を示す構成図である。
【図13】図12の固体撮像装置を構成する1つの画素周辺を示す回路図である。
【図14】図13に示した回路の動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
2、34……固体撮像装置、4、146……S/H・CDS回路、6……タイミングジェネレータ、7…V選択手段、10、112……S/H・CDS部、12、108……H選択手段、14、116……水平信号線、16、118……出力部、22……選択行、24……FD電子シャッター行、26……フォトダイオード電子シャッター行、104……画素部、120……画素、136……垂直信号線。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid-state imaging device and a driving method of the solid-state imaging device, and more particularly to a solid-state imaging device and a driving method of the solid-state imaging device that aim to expand a dynamic range in light detection.
[0002]
[Prior art]
FIG. 12 is a block diagram showing a conventional solid-state imaging device, FIG. 13 is a circuit diagram showing the periphery of one pixel constituting the solid-state imaging device of FIG. 12, and FIG. 14 is a timing chart showing the operation of the circuit shown in FIG. is there.
The solid-
[0003]
As shown in FIG. 13, the pixel 120 is supplied with a
[0004]
The
[0005]
The gate of the N-type MOSFET constituting the
[0006]
The
[0007]
The S / H •
[0008]
The output signal of the S / H /
[0009]
Next, the operation of the solid-
The
[0010]
Next, the V selection means 106 outputs a
[0011]
Subsequently, at
[0012]
Thereafter, at
[0013]
The
Since the size of the offset is different for each pixel 120, noise due to variations in offset can be removed by removing the offset by the S / H /
[0014]
The output signal of the S / H /
V selection means 106 At timing T6, the
[0015]
Thereafter, the
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such a solid-
[0017]
In order to solve this problem, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-313257 discloses a solid-state imaging device whose dynamic range is expanded by outputting a signal corresponding to the logarithm of the incident light quantity. However, since this solid-state imaging device uses a capacitor, it takes time to charge and discharge, and there is a drawback that an afterimage is generated. Also, since the embedded photodiode (for example, a P + layer is formed between the insulating film on the surface of the photodiode and the photodiode) having a merit that noise is structurally low cannot be used, the image quality is inferior. There is a problem. And since there are many components of a pixel circuit, size reduction is difficult.
[0018]
Also, the dynamic range is expanded by changing the shutter speed, and hence the charge accumulation time in the
[0019]
The present invention has been made to solve such problems, and an object thereof is to provide a solid-state imaging device having a wide dynamic range, a small size, a low cost, and a high performance.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
Up To achieve the purpose, A solid-state imaging device according to the present invention includes: A plurality of pixels arranged in a matrix on a semiconductor substrate, a signal line provided for each column of the pixels, and a first timing control means; A second timing control means, a third timing control means, a first calculation means provided for each of the signal lines, and a second calculation means provided for each of the signal lines; The pixel receives light and generates a signal charge; and Accumulated Charge voltage conversion means for generating a voltage corresponding to the amount of signal charge, and the photodiode generates Faith A transfer means for transferring a signal charge to the charge voltage conversion means, and a charge voltage conversion means Power A buffer means for outputting a pressure to the corresponding signal line; and a reset means for eliminating the charge accumulated in the charge-voltage conversion means and resetting the charge-voltage conversion means, and the excess generated by the photodiode Faith The signal charge moves to the charge voltage conversion means through the transfer means regardless of the transfer operation of the transfer means. Like The first timing control means includes: By supplying control pulses, (a) Sequentially selecting rows of the pixels; (B) Selected row of For each pixel Leave Causing the reset means to reset the charge voltage conversion means. The , After the third voltage generated by the charge-voltage converter immediately after the reset is taken into the first arithmetic means via the buffer means and the signal line, The photodiode is generated in the transfer means. Faith The charge is transferred to the charge voltage conversion means. The , The first voltage generated by the charge voltage conversion means by the signal charge is used as the buffer means. as well as Signal line The first calculation means takes the third voltage of one pixel previously acquired and the first voltage of the same pixel subsequently acquired from the first calculation means. Outputting a signal corresponding to the difference, the second timing control means, The first timing control means Selected In each pixel in the selected row, the reset means resets the charge voltage conversion means. straight before , Select Supply a control pulse to each pixel in the selected row ,then The buffer means generates the second voltage generated by the charge voltage conversion means. as well as The signal line The third timing control means supplies the control pulse to the second calculation means, and (a) a pixel row that follows the currently selected row and is the next selected row. (B) in each pixel of the newly selected selected row, the charge voltage conversion unit is reset by the reset unit, and the charge voltage conversion unit generates the fourth immediately after the reset. The voltage is taken into the second computing means via the buffer means and the signal line, and the second computing means captures the fourth voltage of one pixel previously captured and the same captured subsequently. A signal corresponding to the difference from the second voltage of the pixel is output. It is characterized by that.
[0021]
In the solid-state imaging device of the present invention, before the charge voltage conversion unit is reset by the control of the first timing control unit in the pixels in the selected row, the charge voltage conversion unit is generated by the control of the second timing control unit. The second voltage is output to the signal line through the buffer means. Further, before the pixel row is selected by the first timing control means, the charge voltage conversion means of each pixel in the pixel row is reset in advance under the control of the third timing control means. Therefore, when the incident light quantity is excessive, the second voltage is the charge voltage conversion because the excessive signal charge generated by the photodiode overflows after the charge voltage conversion means is reset by the control of the third timing control means. The voltage generated by the charge voltage conversion means as a result of moving to the means and accumulating.
[0022]
That is, in the solid-state imaging device of the present invention, even when the amount of incident light is excessive and the signal charge generated by the photodiode overflows from the photodiode to the charge-voltage conversion means, the voltage varies linearly with the amount of overflowing signal charge. Is generated by the charge-voltage conversion means and output to the signal line as the second voltage. Therefore, the first voltage is used when the incident light amount is normal, and the image signal is generated using the second voltage when the incident light amount is excessive. An image signal whose size changes linearly with respect to the amount of light can be obtained, and wide dynamic range photography is possible.
[0023]
The present invention also provides: A plurality of pixels arranged in a matrix on a semiconductor substrate, a signal line provided for each column of the pixels, a first arithmetic means provided for each signal line, and a signal line provided for each signal line The pixel includes a photodiode that receives light and generates a signal charge, and a charge-voltage conversion unit that generates a voltage corresponding to the amount of the accumulated signal charge. Is a solid-state imaging device driving method in which excess signal charge generated from the photodiode overflows from the photodiode and moves to the charge-voltage conversion means. The charge voltage conversion means is reset, and immediately after the reset, the third voltage generated by the charge voltage conversion means is taken into the first calculation means via the signal line, The signal charge generated by the photodiode is transferred to the charge voltage conversion means, and the first voltage generated by the charge voltage conversion means by the signal charge is taken into the first calculation means via the signal line. And a signal corresponding to a difference between the third voltage of one pixel previously captured and the first voltage of the same pixel captured subsequently in the first calculation means. And a control pulse is supplied to each pixel in the selected row immediately before resetting the charge voltage conversion unit in each pixel in the selected row in the first timing control step, and then the charge voltage conversion unit A second timing control step of taking in the second voltage generated by the second calculation means via the signal line, and a pixel row following the currently selected row, The selected pixel row is selected, the charge voltage conversion unit is reset in each pixel of the newly selected selection row, and the fourth voltage generated by the charge voltage conversion unit is immediately after the reset. A third timing control step for fetching into the second computing means via the signal line; and the fourth voltage of one pixel previously fetched in the second computing means and the same fetched subsequently. A signal corresponding to the difference from the second voltage of the pixel is output. And a step.
[0024]
In the solid-state imaging device driving method of the present invention, the charge voltage conversion means is generated in the second timing control step before the charge voltage conversion means is reset in the pixels in the selected row in the first timing control step. The second voltage is output to the signal line through the buffer means. Further, prior to selecting a pixel row in the first timing control step, the charge voltage conversion means of each pixel in the pixel row is reset in advance in the third timing control step. Therefore, when the incident light quantity is excessive, the second voltage is transferred to the charge voltage conversion means because the excessive signal charge generated by the photodiode overflows after resetting the charge voltage conversion means in the third timing control step. As a result, the voltage is generated by the charge-voltage conversion means.
[0025]
That is, in the solid-state imaging device driving method of the present invention, even when the amount of incident light is excessive and the signal charge generated by the photodiode overflows from the photodiode to the charge-voltage conversion means, the amount of signal charge overflowed linearly. The changing voltage is generated by the charge voltage conversion means and output to the signal line as the second voltage. Therefore, the first voltage is used when the incident light amount is normal, and the image signal is generated using the second voltage when the incident light amount is excessive. An image signal whose size changes linearly with respect to the amount of light can be obtained, and wide dynamic range photography is possible.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a circuit diagram showing the periphery of a pixel constituting an example of a solid-state imaging device according to the present invention, FIG. 2 is a configuration diagram showing the entire solid-state imaging device of an embodiment, and FIG. It is a timing chart which shows. 1 and 2, the same elements as those in FIGS. 12 and 13 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted here. Hereinafter, an example of a solid-state imaging device according to the present invention will be described with reference to these drawings, and at the same time, embodiments of a driving method of the solid-state imaging device according to the present invention will be described.
[0027]
As shown in FIGS. 1 and 2, in the solid-
[0028]
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, an H selection means 12 is newly provided together with the S / H •
[0029]
The
[0030]
Specifically, the constant current source 114 (FIG. 1) is configured by, for example, a
[0031]
Next, the operation of the solid-
The V selection means 7 selects a pixel row of the
[0032]
After that, the
[0033]
Next, the V selection means 7 outputs a
[0034]
Subsequently, at
[0035]
Thereafter, at timing T4, the V selection means 7 outputs a transfer pulse 132, turns on the
[0036]
The
[0037]
On the other hand, in the S / H •
[0038]
The V selection means 7 The
V selection means 7 At timing T6, the
[0039]
In the above operation, the V selection means 7 and the
[0040]
Subsequently, the V selection means 7 operates as the third timing control means according to the present invention together with the
[0041]
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the relationship between the FD electronic shutter row and the selected row. The
[0042]
Here, the FD
[0043]
The operations relating to the selected
[0044]
Next, the wide D voltage sampled at the timing T1a and the reset of the
When the amount of light incident on the
[0045]
At this time, the voltage of the
[0046]
However, in this embodiment, as described above, the
[0047]
Therefore, when the incident light quantity is normal, a signal generated by the S / H •
[0048]
When the amount of incident light is larger, the signal charge overflowing from the
[0049]
Further, in the present embodiment, since the signals can be simultaneously output from the
In addition, since it is not necessary to use a line memory or a frame memory, or to perform arithmetic processing between the rows of the
In addition, when the incident light quantity is extremely large and the output of the
[0050]
In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the FD
[0051]
In this embodiment, electrons are carriers. However, even when a P-type MOSFET is used as a MOSFET constituting each gate and holes are carriers, the basic operation remains the same. The same effect can be obtained.
In this embodiment, the timing generator is incorporated. However, the timing generator can be externally provided.
[0052]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 5 is a circuit diagram showing the periphery of the pixels constituting the solid-state imaging device of the second embodiment, and FIG. 6 is an explanation showing the relationship between the FD
[0053]
As shown in FIG. 6, the solid-state imaging device of the second embodiment has the FD
[0054]
First, the S / H •
As shown in FIG. 7, the S / H •
[0055]
A
[0056]
In such a configuration, when the first and
On the other hand, when only the
[0057]
Then, the H selection means 108 sequentially outputs a selection pulse to the
The S / H •
[0058]
Next, the operation will be described with reference to FIG. 8, focusing on the incorporation of the wide D voltage, the offset voltage, and the normal light detection voltage into the S / H •
The timing chart shown in FIG. 8 differs from the timing chart shown in FIG. 3 in that the first and
[0059]
As described above, at the timing T3, the first and
[0060]
After that, the
[0061]
The V selection means 7 operates together with the
[0062]
At timing T8, the
[0063]
After that, when the current FD
Thereafter, the above operation is repeated while the selected
[0064]
As described above, in the solid-state imaging device according to the second embodiment, the offset voltage is first supplied to both the S / H •
[0065]
In the case of the S / H •
In the second embodiment, as described above, the S / H •
[0066]
In the second embodiment, as described above, the
That is, when the
[0067]
In the second embodiment, since the selected row and the FD electronic shutter row are adjacent to each other and the positional relationship between the two rows is fixed, adjustment of the accumulation time of the signal charge overflowing from the
[0068]
Next, a third embodiment of the present invention will be described.
FIG. 9 is a timing chart showing the operation of the third embodiment, and FIG. 10 is an explanatory diagram showing the relationship between the photodiode electronic shutter row, the FD electronic shutter row, and the selected row in the third embodiment. . 10, the same elements as those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals. Hereinafter, with reference to these drawings, a solid-state imaging device as a third exemplary embodiment of the present invention will be described, and at the same time, another example of the driving method of the solid-state imaging device of the present invention will be described.
The overall configuration and pixel configuration of the solid-state imaging device according to the third embodiment are the same as those of the solid-
[0069]
In the third embodiment, as shown in FIG. 10, the photodiode electronic shutter row 26 is set together with the FD
[0070]
The operation of this embodiment will be described. The V selection means 7 (FIG. 2) outputs an address pulse 140 (high level) to each pixel in the selected
After that, the
Next, the
[0071]
Subsequently, at
[0072]
After that, at timing T4, the V selection means 7 supplies the transfer pulse 132 to the transfer gates constituting the pixels of the selected
[0073]
Then, the
[0074]
On the other hand, in the S / H •
[0075]
The V selection means 7 In preparation for the next cycle, the
[0076]
V selection means 7 The
[0077]
In the above operation, the photodiode electronic shutter row 26 shown in FIG. 10 is selected and becomes the selected row after the selection of the six rows following the selected
[0078]
Thus, in the third embodiment, the photodiode electronic shutter row 26 is set and the
[0079]
In the third embodiment, the
However, the
[0080]
Furthermore, in the third embodiment, the
[0081]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described.
FIG. 11 is a block diagram showing the entirety of a solid-state imaging device as a fourth embodiment of the present invention. In the figure, the same elements as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals.
In the solid-
[0082]
The CDS /
Then, the signal synthesis / A /
The
[0083]
Therefore, in the solid-
[0084]
【The invention's effect】
As described above, in the solid-state imaging device of the present invention, the charge voltage is controlled by the second timing control unit before the charge voltage conversion unit is reset by the control of the first timing control unit in the pixels of the selected row. The second voltage generated by the conversion means is output to the signal line through the buffer means. Further, before the pixel row is selected by the first timing control means, the charge voltage conversion means of each pixel in the pixel row is reset in advance under the control of the third timing control means. Therefore, when the incident light quantity is excessive, the second voltage is the charge voltage conversion because the excessive signal charge generated by the photodiode overflows after the charge voltage conversion means is reset by the control of the third timing control means. The voltage generated by the charge voltage conversion means as a result of moving to the means and accumulating.
[0085]
That is, in the solid-state imaging device of the present invention, even when the amount of incident light is excessive and the signal charge generated by the photodiode overflows from the photodiode to the charge-voltage conversion means, the voltage varies linearly with the amount of overflowing signal charge. Is generated by the charge-voltage conversion means and output to the signal line as the second voltage. Therefore, the first voltage is used when the incident light amount is normal, and the image signal is generated using the second voltage when the incident light amount is excessive. An image signal whose size changes linearly with respect to the amount of light can be obtained, and wide dynamic range photography is possible.
[0086]
Since there is no need to use a line memory or a frame memory, or to perform arithmetic processing between pixel rows, the configuration and processing contents are simple, which is advantageous for downsizing of the apparatus and the manufacturing cost is low. There is no particular rise.
Furthermore, since the pixel configuration is the same as the conventional one, the pixel size does not increase, and this is also advantageous for downsizing the solid-state imaging device.
In addition, when the incident light quantity is extremely large and the second voltage has a magnitude corresponding to the logarithm of the incident light quantity, a capacitor or the like is not used for logarithmic conversion, so there is no problem of afterimages and there is little noise in the embedded photodiode. Therefore, the performance is not deteriorated in terms of image quality.
[0087]
In the solid-state imaging device driving method of the present invention, the charge voltage conversion unit generates the charge voltage conversion unit in the second timing control step before resetting the charge voltage conversion unit in the pixel in the selected row in the first timing control step. The second voltage is output to the signal line through the buffer means. Further, prior to selecting a pixel row in the first timing control step, the charge voltage conversion means of each pixel in the pixel row is reset in advance in the third timing control step. Therefore, when the incident light quantity is excessive, the second voltage is transferred to the charge voltage conversion means because the excessive signal charge generated by the photodiode overflows after resetting the charge voltage conversion means in the third timing control step. As a result, the voltage is generated by the charge-voltage conversion means.
[0088]
That is, in the solid-state imaging device driving method of the present invention, even when the amount of incident light is excessive and the signal charge generated by the photodiode overflows from the photodiode to the charge-voltage conversion means, the amount of signal charge overflowed linearly. The changing voltage is generated by the charge voltage conversion means and output to the signal line as the second voltage. Therefore, the first voltage is used when the incident light amount is normal, and the image signal is generated using the second voltage when the incident light amount is excessive. An image signal whose size changes linearly with respect to the amount of light can be obtained, and wide dynamic range photography is possible.
[0089]
Since there is no need to use a line memory or a frame memory, or to perform arithmetic processing between pixel rows, the configuration and processing contents of the solid-state imaging device are simple, which is advantageous for downsizing the device. The manufacturing cost is not particularly increased.
Furthermore, since the pixel configuration may be the same as the conventional one, the pixel size does not increase, which is advantageous for downsizing of the solid-state imaging device.
In addition, when the incident light quantity is extremely large and the second voltage has a magnitude corresponding to the logarithm of the incident light quantity, a capacitor or the like is not used for logarithmic conversion, so there is no problem of afterimages and there is little noise in the embedded photodiode. Therefore, the performance is not deteriorated in terms of image quality.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a periphery of a pixel constituting an example of a solid-state imaging device according to the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram illustrating an entire solid-state imaging device according to an embodiment.
FIG. 3 is a timing chart showing an operation related to the pixel of FIG. 1;
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a relationship between an FD electronic shutter row and a selected row.
FIG. 5 is a circuit diagram showing the periphery of a pixel constituting the solid-state imaging device according to the second embodiment.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a relationship between an FD electronic shutter row and a selected row in the second embodiment.
FIG. 7 is a circuit diagram showing in detail an S / H • CDS circuit.
FIG. 8 is a timing chart showing the operation of the second exemplary embodiment.
FIG. 9 is a timing chart showing the operation of the third exemplary embodiment.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a relationship between a photodiode preceding reset row, an FD electronic shutter row, and a selected row in the third embodiment.
FIG. 11 is a block diagram showing the entirety of a solid-state imaging device as a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a configuration diagram illustrating a conventional solid-state imaging device.
13 is a circuit diagram showing the periphery of one pixel constituting the solid-state imaging device of FIG. 12. FIG.
14 is a timing chart showing the operation of the circuit shown in FIG.
[Explanation of symbols]
2, 34... Solid imaging device, 4, 146... S / H / CDS circuit, 6... Timing generator, 7. H selection means, 14, 116 ... horizontal signal line, 16, 118 ... output unit, 22 ... selected row, 24 ... FD electronic shutter row, 26 ... photodiode electronic shutter row, 104 ... pixel portion, 120... Pixel, 136... Vertical signal line.
Claims (2)
前記画素は、受光して信号電荷を生成するフォトダイオードと、蓄積した信号電荷の量に対応した電圧を生成する電荷電圧変換手段と、前記フォトダイオードが生成した信号電荷を前記電荷電圧変換手段に転送する転送手段と、前記電荷電圧変換手段が生成した電圧を対応する前記信号線に出力するバッファー手段と、前記電荷電圧変換手段に蓄積した電荷を排除して前記電荷電圧変換手段をリセットするリセット手段とを含み、
前記フォトダイオードが生成した過剰な信号電荷は前記転送手段の転送動作に係わらず前記転送手段を通じて前記電荷電圧変換手段に移動するようにしてあり、
前記第1のタイミング制御手段は、制御パルスを供給することによって、(イ)前記画素の行を順次選択し、(ロ)選択行の各画素において、前記リセット手段に前記電荷電圧変換手段をリセットさせて、そのリセット直後に前記電荷電圧変換手段が生成している第3の電圧を前記バッファー手段及び前記信号線を介して前記第1の演算手段に取り込ませた後に、前記転送手段に前記フォトダイオードが生成した信号電荷を前記電荷電圧変換手段へ転送させて、同信号電荷により前記電荷電圧変換手段が生成した第1の電圧を前記バッファー手段及び前記信号線を介して前記第1の演算手段に取り込ませ、
前記第1の演算手段は、先に取り込んだ1つの画素の前記第3の電圧とそれに続いて取り込んだ同一画素の前記第1の電圧との差に対応した信号を出力し、
前記第2のタイミング制御手段は、前記第1のタイミング制御手段が選択行の各画素において前記リセット手段に前記電荷電圧変換手段をリセットさせる直前に、選択行の各画素に制御パルスを供給して、そのとき前記電荷電圧変換手段が生成している第2の電圧を前記バッファー手段及び前記信号線を介して前記第2の演算手段に取り込ませ、
前記第3のタイミング制御手段は、制御パルスを供給することによって、(イ)現在の選択行につづく画素行であって次に選択行とする画素行を選択し、(ロ)新たに選択した選択行の各画素において、前記リセット手段に前記電荷電圧変換手段をリセットさせて、そのリセット直後に前記電荷電圧変換手段が生成している第4の電圧を前記バッファー手段及び前記信号線を介して前記第2の演算手段に取り込ませ、
前記第2の演算手段は、先に取り込んだ1つの画素の前記第4の電圧とそれに続いて取り込んだ同一画素の前記第2の電圧との差に対応した信号を出力する、
ことを特徴とする固体撮像装置。A plurality of pixels arranged in a matrix on a semiconductor substrate, a signal line provided for each column of the pixels, a first timing control means, a second timing control means, and a third timing control means And a first computing means provided for each signal line, and a second computing means provided for each signal line ,
The pixel includes a light receiving to a photodiode for generating a signal charge, accumulated signal and charge-voltage converting means for generating a voltage corresponding to the amount of charge, the charge-voltage converting the signal charges the photodiode was produced transfer means for transferring the unit, the charge voltage and buffer means for outputting to the signal line converting means corresponding to the generated voltage, the charge-voltage converting means and the charge-voltage converting means to eliminate the accumulated charges in Resetting means for resetting,
The excessive signal charge by the photodiode-generated Yes so as to move in the charge-voltage converting means through said transfer means regardless of transfer operation of the transfer means,
Said first timing control means, by supplying a control pulse, (b) said sequentially selects a row of pixels, (b) Oite to each pixel of the selected row, the charge-voltage converting means to the reset means was allowed to reset, the third voltage the charge-voltage converting means immediately after a reset is generated after incorporated into the first arithmetic means through said buffer means and said signal lines, said transfer means said the signal charges by the photodiode-generated by transferred to the charge-voltage converting means, wherein the first voltage generated by the charge-voltage converting means by the signal charges via the buffer means and said signal line a 1 to the calculation means,
The first calculation means outputs a signal corresponding to a difference between the third voltage of one pixel previously captured and the first voltage of the same pixel captured subsequently,
It said second timing control means, wherein immediately prior to reset the charge-voltage converting means to the reset means in each pixel of the first timing control means is selected 択行, a control pulse to each pixel of the selected択行supplying to, then allowed to ingest the second voltage is the charge-voltage converting means is generating said second calculation means via said buffer means and said signal line,
The third timing control means supplies a control pulse to select (a) a pixel row subsequent to the currently selected row and the pixel row to be selected next, and (b) newly selected. In each pixel of the selected row, the charge voltage conversion unit is reset by the reset unit, and a fourth voltage generated by the charge voltage conversion unit immediately after the reset is generated via the buffer unit and the signal line. Let the second computing means capture,
The second calculation means outputs a signal corresponding to a difference between the fourth voltage of one pixel previously captured and the second voltage of the same pixel captured subsequently.
A solid-state imaging device.
前記画素の行を順次選択し、選択行の各画素において、前記電荷電圧変換手段をリセットし、そのリセット直後に前記電荷電圧変換手段が生成している第3の電圧を前記信号線を介して前記第1の演算手段に取り込ませた後に、前記フォトダイオードが生成した信号電荷を前記電荷電圧変換手段へ転送して、同信号電荷により前記電荷電圧変換手段が生成した第1の電圧を前記信号線を介して前記第1の演算手段に取り込む第1のタイミング制御ステップと、The row of pixels is sequentially selected, the charge voltage conversion unit is reset in each pixel of the selected row, and the third voltage generated by the charge voltage conversion unit immediately after the reset is supplied via the signal line. The signal charge generated by the photodiode is transferred to the charge voltage conversion means after being taken into the first calculation means, and the first voltage generated by the charge voltage conversion means by the signal charge is transferred to the signal. A first timing control step for taking in the first calculation means via a line;
前記第1の演算手段において、先に取り込んだ1つの画素の前記第3の電圧とそれに続いて取り込んだ同一画素の前記第1の電圧との差に対応した信号を生成するステップと、Generating a signal corresponding to a difference between the third voltage of one pixel previously captured and the first voltage of the same pixel captured subsequently in the first arithmetic means;
前記第1のタイミング制御ステップで選択行の各画素において前記電荷電圧変換手段をリセットする直前に、選択行の各画素に制御パルスを供給して、そのとき前記電荷電圧変換手段が生成している第2の電圧を前記信号線を介して前記第2の演算手段に取り込む第Immediately before resetting the charge-voltage converter in each pixel in the selected row in the first timing control step, a control pulse is supplied to each pixel in the selected row, and the charge-voltage converter is generated at that time. The second voltage is taken into the second calculation means via the signal line. 2のタイミング制御ステップと、Two timing control steps;
現在の選択行につづく画素行であって次に選択行とする画素行を選択し、新たに選択した選択行の各画素において、前記電荷電圧変換手段をリセットし、そのリセット直後に前記電荷電圧変換手段が生成している第4の電圧を前記信号線を介して前記第2の演算手段に取り込む第3のタイミング制御ステップと、The pixel row that is the pixel row that follows the currently selected row and that is the next selected row is selected, the charge-voltage conversion unit is reset in each pixel of the newly selected selected row, and the charge voltage immediately after the reset A third timing control step of taking the fourth voltage generated by the conversion means into the second calculation means via the signal line;
前記第2の演算手段において、先に取り込んだ1つの画素の前記第4の電圧とそれに続いて取り込んだ同一画素の前記第2の電圧との差に対応した信号を出力するステップと、A step of outputting a signal corresponding to a difference between the fourth voltage of one pixel captured in advance and the second voltage of the same pixel captured subsequently in the second arithmetic means;
を含むことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。The solid-state imaging device drive method characterized by including.
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