JP3854720B2 - Imaging apparatus and imaging system using the same - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は画像を撮像する撮像装置及びそれを用いた撮像システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、ゲインセル、あるいはAPSを有する撮像装置には、画素アンプにBJT,MOSFET,JFET,などを用いたものがある。
【0003】
これらは光電変換素子であるホトダイオードに蓄積された信号電荷を各々の方式によって増幅、画像情報として読出すものである。信号電荷を増幅する手段は各々の画素中に存在するため、ゲインセルあるいはAPSと呼ばれている。
【0004】
APSは画素中に増幅手段(アンプ)やその制御手段を有するため、光電変換部の画素に占める割合(面積率)あるいは光が入射する領域の画素に占める割合(開口率)は小さくなりがちである。従って撮像装置のダイナミックレンジ、感度、S/N比等は低下する恐れがある。
【0005】
図22−bのように1画素に1つのアンプを設けると開口率が低下する。増幅手段による面積率、開口率の低下を防ぐ方法として例えば特開昭63−100879号公報あるいは特開平9−46596号公報に見られるように、複数画素で1つの増幅手段を共有する方法が提案されている。
【0006】
図24はその画素構成を示す図である。図24に於て、PD1,〜PD4は光電変換部となるホトダイオード、MTX1〜MTX4はホトダイオードPD1〜PD4に蓄積された信号電荷を転送する転送用MOSトランジスタ、MRESはリセット用MOSトランジスタ、MSF,MSELは増幅手段(ソースフォロワ)を構成するMOSトランジスタであり、MSELは画素を選択する選択用スイッチとなっている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開昭63−100879号公報又は特開平9−46596号公報には、複数の画素で1つの増幅手段を共有する場合での具体的な配置は開示されていなかった。
【0008】
また、共有する部分が上記の増幅手段ではなく、他の処理をするものであっても具体的開示はなかった。
【0009】
そのため、本発明では複数の画素で1つの増幅手段等の共通回路を共有する場合においても解像度を低下することなく、良好な性能を得ることができる撮像装置を提供することを目的とする。
【0010】
また、本発明は上記の撮像装置に好適に用いられるノイズ除去手段を有する撮像装置を提供することを目的とする。
【0011】
さらにまた、上記の撮像装置をセンサ部に用いた撮像システムを提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものである。
【0013】
複数の光電変換部と前記複数の光電変換部からの信号を処理する共通回路を配置してなる単位セルが複数配列された撮像装置において、少なくとも前記撮像装置の中心部分には、各々の前記光電変換部内の光を受光する受光部の受光部間のピッチを、少なくとも垂直方向又は水平方向の1方向で等ピッチに調整するための調整手段が設けられており、前記単位セル内の前記複数の光電変換部の各々は、他の光電変換部を介さずに前記共通回路に隣接するように、前記単位セル内の光電変換部を前記共通回路を挟んで両側に配置したことを特徴とする撮像装置を提供する。
【0015】
さらに、また上記に示した撮像装置と、前記撮像装置へ光を結像するレンズと、前記撮像装置からの出力信号を処理する信号処理回路とを有することを特徴とする撮像システムを提供する。
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態の説明に先だって本発明にいたる技術的背景について説明する。
【0017】
本発明者らは、前述した、特開昭63−100879号公報あるいは特開平9−46596号公報に見られるような、複数画素で1つの増幅手段(アンプ)等の共通回路を共有する撮像装置に於ける、画素レイアウトを検討した。
【0018】
図22(a)に共通回路に対して画素数が4である場合の撮像装置の一例の画素レイアウト図を示す。
【0019】
本例は画素の2行2列毎に増幅手段を共有する例であり、4つのホトダイオード173(a11,a12,a21,a22)の間に増幅手段174が配置されている。ここで171は2行分の繰返し単位セル、172は2列分の繰返し単位セルを示す。
【0020】
図23により具体的な画素のパターンレイアウト図を示す。
【0021】
撮像装置はCMOSセンサーである。
【0022】
図23に於て、181は前述の繰返しの単位セル(図中の点線領域)であり、4画素分の大きさで、行、列方向に繰返し配置されている。ホトダイオード182a,182b,182c,182dに入射された光は蓄積電荷である電子に変換され、ホトダイオード182a〜182d中に蓄積される。蓄積された電荷は転送ゲート183a〜dによってフローティングディフュージョン185に転送され、増幅手段であるMOS型アンプの入力ゲート186に運ばれる。この蓄積電荷によってMOS型アンプを流れる電流は変調を受け、その出力電流は垂直信号線187によって画素アレーから取出される。
【0023】
上記撮像装置(2次元画素アレー)のX−Yアドレッシングは、垂直信号線187と、走査線188a〜d,行選択線190によって行われている。また、これらの配線の他に電源VDDの配線191が垂直方向に、フローティングディフュージョン185と、入力ゲート186を所定の電圧にリセットするためのリセット線192が水平方向に配線されている。
【0024】
配線188〜192はセル内の配線よりも上方に配置されており、従ってその分基本寸法はためである。この6本の不透明な配線188〜192は光学的に不感領域となるため、分散配置された増幅手段はこれらの配線188〜192の下に置かれる。そこで、ホトダイオードの位置を前記単位セル181の四角の方向に偏在して配置する事が考えられる。
【0025】
しかし、このような配置は図22(a)から明らかなように、光電変換部の配列が等ピッチとはならないために、それぞれの画素内の光を関知する領域(受光部)の間隔が等しくならず、次のような問題が生じる。
【0026】
すなわち、同色の等ピッチでない配列は、部分的に空間周波数、解像度が等しくないために、解像度の低下、モアレ縞等の不良を発生させる。また、モアレ縞の発生は非常に重大な問題であり、そのような撮像装置は、事実上製品として成り立ち得ない。これは前記単位セルを構成する画素数が4以外の場合にも同様に成り立つ。
【0027】
本発明者らは上記の点に鑑み、さらに検討を進めた結果、複数画素中に分散された増幅手段を有するAPSに於ても、光電変換部のピッチを一定とすることによってそれぞれの受光部の間隔は等しくなり、解像度の低下とモアレ縞の発生を防止し、開口率等を向上させ、良好な性能を得ることができる撮像装置を見出した。
【0028】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
【0029】
図1は2行2列の画素が増幅手段12を共有する例を示す図である。
【0030】
図1では、前記共有する増幅手段12が前記4つの画素の中心に配置され、4つの光電変換部(a11,a12,a21,a22)が前記増幅手段12を取囲むように配置されている。
【0031】
しかも、前記増幅手段12の占める各画素に於ける領域と中心対称な位置に遮光部15が存在している。従って、各画素に於ける前記光電変換部11の重心は前記各画素の中心に存在する。これにより前記4つの光電変換部(a11〜a22)は縦方向、横方向に等間隔aで配置出来ている。
【0032】
また図2では、前記共有する増幅手段22が前記4つの画素の横方向の中心部に配置され、4つの光電変換部21(a11,a12,a21,a22)が前記増幅手段22をはさむように配置されている。
【0033】
しかも、前記増幅手段12の占める各画素に於ける領域と中心対称な位置に遮光部25が存在している。従って各画素に於ける前記光電変換部11の重心は前記各画素の中心に存在する。これにより前記4つの光電変換部(a11〜a22)は縦方向、横方向に等間隔aで配置出来ている。
【0034】
上述した図2の実施形態は、横方向と縦方向を入れ換えても全く同様に成立する。
【0035】
また図3では、4画素から成る繰返し単位セル30のうち、左上と右下に、解像度に最も効くG画素が配置されている。前記G画素に於ては前記セル30の中心に配置されている前記増幅手段32の占める領域と中心対称な位置に遮光部35が存在している。従って、G画素に於ける光電変換部31の重心は、前記G画素の中心に存在する。これにより前記G画素の光電変換部a11,a22は、縦方向、横方向に等間隔aで配置出来ている。
【0036】
R画素は前記セル30の右上に、B画素は前記セル30の左下に配置されている。これらは前記G画素のように特に考慮された遮光部は有しないものの、その単位セル30に於ける配置数が1のため、前記単位セルの間隔2aで等間隔に配置出来ている。
【0037】
図4は、前記図3に示した実施形態のバリエーションであり、前記G画素に於ける増幅手段と遮光部の占める領域が小さくなるように工夫したものである。
【0038】
また本発明者らは上記のような複数画素で1つの増幅手段を共有する撮像装置に有効なノイズ除去に用いられる信号読出回路も見出した。
【0039】
以上に述べた実施形態においては、複数の画素で共有する部分として増幅手段を開示したが、共有する部分は増幅手段に限るものではない。
【0040】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。
【0041】
最初に、図6に本発明における撮像装置を用いた撮像システムのブロック図を示す。同図に示すように、光学系71を通って入射した画像光はCMOSセンサー72上に結像する。CMOSセンサー72上に配置されている画素アレーによって光情報は電気信号へと変換される。その電気信号は信号処理回路73によって予め決められた方法によって信号変換処理され、出力される。信号処理された信号は、記録系、通信系74により情報記録装置により記録、あるいは情報転送される。記録、あるいは転送された信号は再生系77により再生される。CMOSセンサー72、信号処理回路73はタイミング制御回路75により制御され、光学系71、タイミング制御回路75、記録系・通信系74、再生系77はシステムコントロール回路76により制御される。
【0042】
(実施例1)
まず、実施例1について説明する。
【0043】
図5に上記CMOSセンサーの一画素分の回路構成図を示す。
【0044】
図5に於てa11〜a22は光電変換部となるホトダイオード、MTX1〜4はホトダイオードa11〜a22に蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョン(以下FDと記す。)に転送する転送用MOSトランジスタ、MRESはFDをリセットするリセット用MOSトランジスタ、MSF,MSELはソースフォロワ回路を構成するMOSトランジスタであり、MSELは画素を選択する選択スイッチとなっている。
【0045】
図7に本実施例のCMOSセンサーの画素アレー部の具体的なパターンレイアウト図を示す。
【0046】
図8に示すCMOSセンサーは端結晶シリュー基板上にレイアウトルール0.4μmによって形成されており、画素の大きさは8μm角であり、増幅手段であるソースフォロワアンプは2行2列の4画素で共有されている。従って、図中点線領域で示した繰返し単位セル81の大きさは16μm×16μm角であり、2次元アレーが形成されている。
【0047】
光電変換部であるホトダイオード82a,82b,82c,82dは各画素の中央に斜めに形成されており、その形状は上下左右でほぼ回転対称、鏡像対称である。また前記ホトダイオードの重心gは各画素に対して同一になるように設計されている。また95は遮光部である。
【0048】
88−aは左上の転送ゲート83−aを制御する走査線、90は行選択線、92はMOSゲート93を制御するリセット線である。
【0049】
ホトダイオード82a〜d中に蓄積された信号電荷は転送ゲート83a〜dを通ってFD85に導かれる。ゲート83a〜dのMOSサイズはL=0.4μm,W=1.0μm(Lはチャネル長、Wはチャネル巾を示す。)である。
【0050】
FD85は巾0.4μmのAl配線によってソースフォロワの入力ゲート86に接続されており、FD85に転送された信号電荷は入力ゲート85の電圧を変調させる。入力ゲート86のMOSの大きさはL=0.8μm,W=1.0μmであり、FD85と入力ゲート86の容量の和は5fF程度である。Q=CVであるから、105個の電子の蓄積によって入力ゲート86の電圧は、3.2V変化することになる。
【0051】
DD端子91から流れ込む電流は入力ゲート86によって変調され、垂直信号線87に流出する。垂直信号線87に流出する電流は図示しない信号処理回路によって信号処理され、最終的には画像情報となる。
【0052】
その後、ホトダイオード82a〜d,FD85,入力ゲート86の電位を所定の値のVDDとするために、リセット線82に接続されたMOSゲート83を開くことで、(このとき転送ゲート83a〜dも開く)ホトダイオード82a〜d,FD85,入力ゲート86はVDD端子とショートされる。
【0053】
その後、転送ゲート83a〜dを閉じる事でホトダイオード82a〜dの電荷蓄積が再び始まる。
【0054】
ここで注目すべきは、水平方向に貫通する配線88a〜d,90,92全ては透明な導体である厚さ1500ÅのITO(Indium Tin Oxide)で形成されているために、前記配線部分のうち、ホトダイオード82a〜d上では光が透過するため、前記ホトダイオードの重心gは光を感知する領域(受光部)の重心と一致する事である。
【0055】
本実施例によれば画素ピッチが等しい比較的高面積率、高開口率なCMOSセンサーを提供する事が出来る。
【0056】
(実施例2)
第2の実施例について説明する。
【0057】
本発明の第2の実施例である撮像装置の具体的なパターンレイアウト図を図8に示す。
【0058】
図9に於て、102a〜dはホトダイオード、103a〜dは転送ゲート、105はFD、106はソースフォロワの入力ゲート、107は垂直信号線、108a〜dは走査線、110は行選択線、112はMOSゲート113を制御するリセット線である。
【0059】
本実施例に於ては水平方向に走る配線108a〜d,110,112が3本づつ各画素の中心を横切るように走っているために、前記ホトダイオード102a〜dに入射する光を妨げるような金属配線であっても、光を感知する領域の重心gの移動は生じず、従って前記画素の中心と一致する。
【0060】
本実施例によれば電気抵抗が小さな通常の(不透明な)金属を使用できるため、前記横方向の配線の時定数が改善され、更に高速な撮像装置を提供する事が出来る。
【0061】
以上の実施例では、遮光膜の下の部分が有効利用されているため、図9に示すように遮光膜の下の部分にまで光電変換部であるホトダイオードを形成し、電荷蓄積部として機能させることも可能である。
【0062】
(実施例3)
第3の実施例について説明する。
【0063】
上述の第2実施例に於ては、最も光集光効率が良い画素の中心を横切るために、撮像装置の感度の低下が懸念される。そこで更に改善された実施例を図10に示す。
【0064】
本実施例に於ては転送ゲート123a〜d、FD125、ソースフォロワの入力ゲート126、リセット用のMOSゲート133全てが横方向を走る配線(走査線128a〜d,行選択線130,リセット線132)下に形成されているため、ホトダイオード122a〜d、及びその開口を最大とする事が出来る。しかも、その開口部は各画素の中心に連続して存在する。また遮光部は水平、垂直配線部分に形成されている。
【0065】
また本実施例に於ては前記増幅手段であるソースフォロワとリセット用のMOSトランジスタを各画素の周辺の水平方向に分割して配置したためにコンパクトに前記水平方向の配線下に配置可能となっている。
【0066】
また右上の画素の配線下には未使用のスペースが未だ存在するため、例えばスマートセンサー等、新規の構成を追加する事も可能である。
【0067】
本実施例によれば、ホトダイオードの面積、及び開口率が大きく取れる事から、広ダイナミックレンジ、高感度な撮像装置を提供する事が出来る。また、将来微細化が進み、前記ホトダイオードの開口部分の寸法が光の波長程度になっても光が入射しなくなるといった恐れは生じにくく、永らくその性能を発揮する事が出来る。
【0068】
また、以上の実施例では、増幅手段は単位セルの中心部に配置し、光を感知する領域の重心と、画素の中心は一致したものであるが、これらに限られず、図11に示したような開口部が並進対称となっている構成のものでもよい。
【0069】
つまり、開口部が並進対称となっていることにより、光を感知する領域は、等ピッチとなるためである。
【0070】
(実施例4)
第4の実施例について説明する。
【0071】
図12に第4の実施例である、撮像装置の具体的なパターンレイアウト図を示す。
【0072】
本実施例は使用する色の位置が決っており、左上と右下が輝度に最も影響を与えるG画素であり、右上がR画素、左下がB画素である。
【0073】
本実施例に於てはG画素のホトダイオード142a,dが面積及び開口率が最大となるように増幅手段及びその他が配置されている。
【0074】
またG画素に於ける光を感知する領域の重心gは各画素中心と一致しているため、G画素の等ピッチ性は確保されている。
【0075】
本実施例によれば高感度な撮像装置を提供する事が出来る。
【0076】
また人間の目に於ては、輝度の解像度の方が色の解像度よりも高く、また暗所では色が消失し、被写体の明暗のみ見えるという状態に類似した特性をも実現する事が出来る。
【0077】
(実施例5)
第5の実施例について説明する。
【0078】
本発明の第4の実施例を示す図を図13に示す。
【0079】
図13において、単位セル201のそれぞれの画素には、オンチップレンズ202が形成されている。そして外界からの光は、このオンチップレンズで集光されて開口部203内に入射する。ここで204は、オンチップレンズによって集光された受光部である。
【0080】
ここで、オンチップレンズを調整することにより、受光部の位置は自由度をもたせることが可能である。
【0081】
このため、複数の画素で共有の増幅手段とした場合に、光電変換部であるフォトダイオードを等ピッチに形成することが出来なくとも、オンチップレンズを調整することによってそれぞれの受光部間は等ピッチとすることが可能となる。
【0082】
また、撮像装置に使用している撮像レンズがテレセントリックでない場合には、センサチップに入射する光は、チップ中央と外周では入射角度(光軸)が異なる。このため、実施例1又は実施例2において、外周部分のみ開口部を不等ピッチにすることにより、センサチップ全体にわたって光を感知する領域は、等ピッチにすることも可能である。
【0083】
以上に述べたように、実施例1から実施例4までは、光学的部材である遮光部を調整することにより、光を感知する領域(受光部)を等ピッチにしている。また実施例5では、光学的部材であるレンズを調整することにより、光を感知する領域(受光部)を等ピッチにしている。
【0084】
(実施例6)
第6の実施例について説明する。
【0085】
本実施例では信号処理回路部を含む本発明に係わる撮像装置について説明する。図14に本実施例の信号処理回路部を含む撮像装置の等価回路図を示す。
【0086】
又、図15にタイミングチャートを示す。
【0087】
垂直ブランキング期間を表わすクロックφV(n)によって垂直走査が開始される。まず1行目のリセット線φTXROが水平ブランキング期間(φHBLハイ)中に活性化し、次いで2行目、3行目が同様に行われる。これにより、各行の画素がリセット電位であるVDDにリセットされる。(図6)
【0088】
各水平期間中には図15に示したように、期間T1ではφRvハイによって前記垂直信号線157に接続するリセット用Tr160がオンし、前記垂直信号線157がリセットされる。それと共にφTN,φTS1,φTS2ハイによって各ゲートTr162がオンし、信号読出用Tr164以前までの配線と蓄積容量163が前記垂直信号線と導通し、同様にリセットされる。これにより、前記蓄積容量163等に蓄積していた電荷が除去される。次いで期間T2で前記リセット線φTXROハイによって画素中のソースフォロワーアンプの入力ゲートであるフローティングゲートがVDDにリセットされる。次いで期間T3で、φLハイにより、前記信号線157に接続する接地用Tr161がオンし、前記信号線157が接地される。それと共にノイズ成分を蓄積するための蓄積容量CTN163を前記信号線57に接続するために、φTNハイとし、前記ゲートTr162をオンさせる。その時には行選択線φSOはハイとなっており、前記フローティングゲートの電位(〜VDD)に応じた電流がVDD端子から前記CTNへ向かって流れ込む事によって、前記蓄積容量CTNはノイズ成分の電荷を保持するようになる。
【0089】
次に期間T4で奇数列走査線φTXOOOハイによって前記画素中にある奇数列転送ゲートがオンし、ホトダイオードa11中の画像光に対応する蓄積電荷が前記フローティングゲートに転送される。その時は前記信号線157にぶら下る容量はノイズ用のCTNではなく、CTS1となっており、同様にして前記a11に相当する奇数列の信号1成分の電荷が前記蓄積容量CTS1に保持される。
【0090】
次に期間T5ではφRVハイによって信号線157のみがリセットされる。他の回路はφSO,φTN〜φTS2がロウであるのでリセットの影響は受けず、その状態は保持されたままである。
【0091】
次に、期間T5と期間T6の間でリセット線62に印加される信号φTXRoがハイレベルとなって画素中の入力ゲートがVDDにリセットされる。
【0092】
期間T6では今度は走査線φTXoeoハイによってホトダイオードa12の蓄積電荷が転送され、同様にして信号電荷が蓄積容量CTS2に保持される。
【0093】
このようにして、1行分のノイズ成分、ホトダイオードa11信号成分、ホトダイオードa12信号成分の電荷がCTN,CTS1,CTS2に各列毎に蓄積される。
【0094】
期間T7に於ては、各列のCTN〜CTS2に蓄積された電荷を各々順次増幅アンプ166に転送するため、水平走査パルスφHcを各列毎に順次ハイとする事によって各列毎に配置されたゲートTr164をオンし、前記各列毎に蓄積容量CTN〜CTS2と前記増幅アンプを導通させる。前記増幅アンプを通過したノイズ成分と、ホトダイオードa11の信号、ホトダイオードa12の信号成分は、差動アンプ167によって前記ホトダイオードa11の信号成分からノイズ成分が光れた成分S1と、前記ホトダイオードa12の信号成分からノイズ成分が引かれた成分S2とが最終的に出力される。
【0095】
また期間7は、前記ホトダイオードの光電荷蓄積が行われる期間でもある。
【0096】
さらに、ホトダイオードa21,a22からの信号成分からノイズ成分を引いた成分を得る場合においても、今回は、φTXooo,φTXoeoの変わりにφTXooe,φTXoeeをハイにすることを除けば、上述に述べたのと同様の動作で行うことができる。
【0097】
(実施例7)
実施例7について説明する。
【0098】
本実施例の信号処理回路部を含む撮像装置の等価回路図を図16に示す。
【0099】
本実施例に於ては前記信号蓄積用の蓄積容量CTS1〜CTS4 63が4個設けられており、各々の容量63に対して異った信号情報を記憶する事が可能である。より具体的にはCTS1には画素a11の、CTS4には画素22の信号電荷を蓄積する事が出来る。従って増幅アンプ66以降の信号処理が半分の速度で良くなり、その分、前記増幅アンプ66及び差動アンプ67、及び図示しない後板の信号処理系の信号処理が実施例6に比べて半分の速度で良くなる。その分回路に使用する素子の速度を低下させる事が出来、より低下、低性能安価な素子及び回路を使用可能となり、システム系全体のコストダウンを見込む事が出来る。
【0100】
また、前記蓄積容量に蓄積する電荷は何も各ホトダイオードからの直接の出力である必要はなく、各画素に付随する転送ゲート、及びリセットゲートのクロックを工夫する事で、公知のように前記各ホトダイオードの信号電荷の加算が可能である。例えばCTS1には画素a11のGの光情報、CTS2には画素a22のGの光情報、CT3には画素a12+a21のR+Bの光情報といった信号の取出方も可能となっている。本実施例に於ては、各画素をよりインテリジェントに使用するスマートセンサーに於ても充分に力を発揮出来る構成となっている。
【0101】
以上述べた実施例6、実施例7では、それぞれの単位セル毎の増幅手段の特性のばらつきによるノイズを除去することが可能となる。
【0102】
(実施例8)
実施例8について説明する。
【0103】
図17で、本実施例をノンインタレースで駆動した時のタイミングを説明する。
【0104】
水平ブランキング期間(HBLK)に、画素で光電変換された信号の転送と、光電変換の初期状態へのリセット動作を行う。
【0105】
期間T1では、パルスφVで垂直信号線をリセットし、信号線上の残留電荷の除去を行うとともに、パルスφTN1,φTN2,φTS1,φTS2で一時蓄積用メモリCTN1,CTN2,CTS1,CTS2上の残留電荷の除去を行う。
【0106】
期間T2では1行目の画素行(a11,a12,・・・a1n)のなかで、まず奇数番目の光電変換信号を転送する前段階として、共通アンプのゲート部をパルスφTXROでリセットし残留電荷を除去する。除去した後ゲート部にはリセットノイズが残る。
【0107】
期間T3では、T2期間でのリセットノイズと共通アンプのオフセット電圧をメモリCTU1へ転送する期間である。パルスφSOで共通アンプの出力部を垂直信号線へ接続し、また共通アンプを動作状態にするためにパルスφLで負荷MOS Trを導通させ、パルスφTN1で垂直信号線とメモリを接続させる。メモリにはノイズ(N)として蓄積される。
【0108】
期間T4では、奇数番目(a11,a13,・・・a1n)の光電変換信号をメモリCTS1へ転送する期間である。パルスφL,φTS1,φSOにより共通アンプからメモリまでが導通状態となる。
【0109】
パルスφTXooで光電変換信号は、受光部から共通アンプのゲート部へ転送される。この時点でゲートにはT2期間でのリセットノイズに上記光電変換信号が加算されることになる。このゲート電圧は、共通アンプのオフセット電圧に重畳し、メモリ上では信号(S+N)として蓄積される。
【0110】
期間T5〜T8では、この期間は偶数番目(a12,a14,,・・・a1n-1)の光電変換信号をメモリTS2へ転送する駆動を行う。基本動作は前述のT1〜T4期間と同じである。異なるのはφTXoo→φTXoe,φTN1→φTN2,φTS1→φTS2のパルス制御である。
【0111】
期間T9では、垂直信号線と共通アンプと転送MOS間の残留電荷を除去させることによりリセットノイズと光電変換信号の転送の基本動作を終了させる。
【0112】
上述の駆動で各メモリ上にはノイズN1,N2,信号S1+N1,S2+N2が蓄積されている。これらのノイズと信号はT10期間に水平シフトレジスタからのパルスφH1,φH2で水平出力線の転送される。出力アンプA1で(S1+N1)−N1の減算が行なわれ、信号S1が出力され、また出力アンプA2で(S2+N2)−N2の減算が行なわれ信号S2が出力される。
【0113】
これで画素行(a11・・・a1n)の光電変換信号のみが得られたことになる。画素行の蓄積はT4,T8期間で光電変換信号をゲート部へ転送した時点で光電変換を開始している。
【0114】
次の水平ブランキング期間では2行目の画素行の動作が1行目と同様に行なわれる。2行目の画素行の動作終了により4画素を単位とした共通アンプは、次の動作が行なわれる一垂直期間後まで非導通状態になる。
【0115】
図18で、2行同時駆動を行う場合は、メモリ(CTN1,CTS1,CTS2)と出力差動アンプ(A1,A2)をもう一系列増すことで容易に出来る。即ちノンインタレース駆動で、1H毎に画素行へ1行分の駆動を行っていたが、これを1H期間内に2画素行分行なえば良い。
【0116】
図6に垂直タイミングの概略図を示す。
【0117】
一垂直期間に上述水平期間の動作が、垂直方向画素分の駆動が順次行なわれる。垂直シフトレジスタは1H毎に駆動パルスφTXoo,φTXoe,φTXRO,φSoパルスを行毎に出力する。
【0118】
以上のように、実施例8では、上述した実施例6、実施例7のような、増幅手段の特性のばらつきによるノイズを除去するのみでなく、さらにリセットノイズも除去することが可能となる。
【0119】
(実施例9)
実施例9について説明する。
【0120】
本発明は何も図24に示したような一般的なCMOSセンサーに使用するだけでなく、図25に示したISSCC98/SESS:ON11/IMAGESEMSORS/PAPER FA11.8pp182に開示されているイメージセンサーその他にも応用する事が出来る。
【0121】
その際の4つの画素に共有するアンプの構成としては例えば図20のような回路が考えられる。
【0122】
(実施例10)
実施例10について説明する。
【0123】
本実施例では画素の共通アンプに付加機能を設けた共通回路について述べる。
【0124】
図21に共通回路実施例図を示す。
【0125】
共通アンプの後段にはメモリ回路、差動アンプ、コンパレータがある。メモリに前記実施例で述べたノイズを一時蓄積し、アンプの(+)側に信号(S−N)を転送し、両者の差動をとれば信号のみ(S)が得られる。この信号を垂直信号線に出力する。あるいは目的によっては、後段のコンパレータで2値化することが出来る。
【0126】
また、コンパレータをADコンバータにすれば、AD出力を得ることができる。AD出力はシリアル出力、パラレル出力のどちらでも良く、目的によって回路構成を変えれば良い。
【0127】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、解像度の低下、モアレ縞の発生といった性能低下を生じることがなく、開口率が大きく感度が高く、多機能を内蔵可能な高歩留な撮像装置を実現することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の画素部レイアウトを示す図である。
【図2】本発明の画素部レイアウトを示す図である。
【図3】本発明の画素部レイアウトを示す図である。
【図4】本発明の画素部レイアウトを示す図である。
【図5】CMOSセンサ−の単位セルの回路構成図を示す。
【図6】本発明の撮像装置を用いた撮像システムのブロック図である。
【図7】本発明の一実施例のパタ−ンレイアウト図である。
【図8】本発明の一実施例のパタ−ンレイアウト図である。
【図9】本発明の一実施例を表す図である。
【図10】本発明の一実施例のパタ−ンレイアウト図である。
【図11】本発明の一実施例を表す図である。
【図12】本発明の一実施例のパタ−ンレイアウト図である。
【図13】本発明の一実施例を表す図である。
【図14】本発明の一実施例の信号処理回路図である。
【図15】本発明の一実施例のタイミングチャ−トである。
【図16】本発明の一実施例の信号処理回路図である。
【図17】本発明の一実施例の信号処理回路図である。
【図18】本発明の一実施例のタイミングチャ−トである。
【図19】本発明の一実施例のタイミングチャ−トである。
【図20】本発明の一実施例を表す図である。
【図21】本発明の一実施例を表す図である。
【図22】撮像装置の画素部のレイアウト図である。
【図23】図22の撮像装置のパタ−ンレイアウト図である。
【図24】CMOSセンサ−の単位セルの回路構成図を示す。
【図25】従来のCMOSセンサ−の画素部の回路構成図である。
【符号の説明】
11 光電変換部
12 共通画素アンプ部
15 遮光部
21 光電変換部
22 共通画素アンプ部
25 遮光部
31 光電変換部
32 共通画素アンプ部
35 遮光部
202 オンチップレンズ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an imaging apparatus that captures an image and an imaging system using the imaging apparatus.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, some imaging devices having gain cells or APS use BJTs, MOSFETs, JFETs, etc. as pixel amplifiers.
[0003]
These amplify signal charges stored in a photodiode, which is a photoelectric conversion element, and read out them as image information by each method. The means for amplifying the signal charge exists in each pixel and is called a gain cell or APS.
[0004]
Since the APS has an amplifying means (amplifier) and its control means in the pixel, the ratio (area ratio) of the photoelectric conversion unit to the pixel or the ratio of the light incident region (aperture ratio) tends to be small. is there. Accordingly, the dynamic range, sensitivity, S / N ratio, and the like of the imaging apparatus may be reduced.
[0005]
When one amplifier is provided for one pixel as shown in FIG. 22-b, the aperture ratio decreases. As a method for preventing the area ratio and the aperture ratio from being lowered by the amplifying means, a method for sharing one amplifying means by a plurality of pixels is proposed as disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 63-1000087 or Japanese Patent Laid-Open No. 9-46596. Has been.
[0006]
FIG. 24 is a diagram showing the pixel configuration. In FIG. 24, PD1 to PD4 are photodiodes serving as photoelectric conversion units, MTX1 to MTX4 are transfer MOS transistors for transferring signal charges stored in the photodiodes PD1 to PD4, MRES are reset MOS transistors, MSF, MSEL. Is a MOS transistor constituting an amplifying means (source follower), and MSEL is a selection switch for selecting a pixel.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above Japanese Patent Laid-Open No. 63-100899 or Japanese Patent Laid-Open No. 9-46596 does not disclose a specific arrangement in the case where one amplification means is shared by a plurality of pixels.
[0008]
Further, there is no specific disclosure even if the shared portion is not the above-described amplification means but performs other processing.
[0009]
Therefore, an object of the present invention is to provide an imaging device capable of obtaining good performance without reducing resolution even when a plurality of pixels share a common circuit such as one amplifying unit.
[0010]
It is another object of the present invention to provide an imaging apparatus having a noise removing unit that is preferably used in the above imaging apparatus.
[0011]
Furthermore, it aims at providing the imaging system which used said imaging device for the sensor part.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made to solve the above-described problems.
[0013]
In an imaging apparatus in which a plurality of unit cells each including a plurality of photoelectric conversion units and a common circuit for processing signals from the plurality of photoelectric conversion units are arranged, at least a central portion of the imaging apparatus includes each of the photoelectric conversion units. An adjusting means is provided for adjusting the pitch between the light receiving portions of the light receiving portions that receive the light in the conversion portion to an equal pitch at least in one direction of the vertical direction or the horizontal direction. Each of the photoelectric conversion units is adjacent to the common circuit without passing through another photoelectric conversion unit The photoelectric conversion units in the unit cell are arranged on both sides with the common circuit in between An imaging apparatus is provided.
[0015]
Furthermore, there is provided an imaging system comprising the above-described imaging device, a lens that forms an image of light on the imaging device, and a signal processing circuit that processes an output signal from the imaging device.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Prior to the description of the embodiments of the present invention, the technical background leading to the present invention will be described.
[0017]
The present inventors have disclosed an imaging apparatus that shares a common circuit such as one amplifying means (amplifier) with a plurality of pixels, as described in JP-A-63-100879 or JP-A-9-46596. The pixel layout was examined.
[0018]
FIG. 22A shows a pixel layout diagram of an example of the imaging apparatus when the number of pixels is 4 with respect to the common circuit.
[0019]
This example is an example in which the amplifying means is shared every two rows and two columns of pixels, and the amplifying means 174 is arranged between four photodiodes 173 (a11, a12, a21, a22). Here, 171 indicates a repeating unit cell for two rows, and 172 indicates a repeating unit cell for two columns.
[0020]
FIG. 23 shows a specific pixel pattern layout.
[0021]
The imaging device is a CMOS sensor.
[0022]
In FIG. 23, reference numeral 181 denotes the above-mentioned repeating unit cell (dotted line area in the figure), which is repeatedly arranged in the row and column directions with a size of 4 pixels. Light incident on the photodiodes 182a, 182b, 182c, and 182d is converted into electrons that are accumulated charges and accumulated in the photodiodes 182a to 182d. The accumulated charges are transferred to the floating diffusion 185 by the transfer gates 183a to 183d, and are carried to the input gate 186 of the MOS type amplifier which is an amplifying means. The current flowing through the MOS amplifier is modulated by the accumulated charge, and the output current is extracted from the pixel array by the vertical signal line 187.
[0023]
The XY addressing of the imaging device (two-dimensional pixel array) is performed by the vertical signal line 187, the scanning lines 188a to 188d, and the row selection line 190. In addition to these wirings, a power supply VDD wiring 191 is wired in the vertical direction, and a floating diffusion 185 and a reset line 192 for resetting the input gate 186 to a predetermined voltage are wired in the horizontal direction.
[0024]
The wirings 188 to 192 are arranged above the wirings in the cell, and accordingly, the basic dimensions are too small. Since the six opaque wirings 188 to 192 are optically insensitive areas, the amplifying means arranged in a distributed manner are placed under these wirings 188 to 192. Therefore, it is conceivable to arrange the photodiodes so as to be unevenly distributed in the square direction of the unit cell 181.
[0025]
However, as is apparent from FIG. 22A, such an arrangement does not have an equal pitch in the arrangement of the photoelectric conversion units. Therefore, the intervals between the regions (light receiving units) that detect light in each pixel are equal. However, the following problems occur.
[0026]
That is, an array having the same color and not equal pitches partially causes the spatial frequency and the resolution to be partially not equal, thereby causing a reduction in resolution and defects such as moire fringes. In addition, the occurrence of moire fringes is a very serious problem, and such an imaging apparatus cannot practically be a product. This also holds true when the number of pixels constituting the unit cell is other than four.
[0027]
As a result of further investigation in view of the above points, the present inventors have found that each of the light receiving portions can be obtained by making the pitch of the photoelectric conversion portions constant in an APS having amplification means dispersed in a plurality of pixels. The imaging device has been found to have the same interval, prevent a decrease in resolution and the occurrence of moire fringes, improve the aperture ratio, etc., and obtain good performance.
[0028]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0029]
FIG. 1 is a diagram illustrating an example in which pixels in 2 rows and 2 columns share an amplifying unit 12.
[0030]
In FIG. 1, the shared amplifying unit 12 is arranged at the center of the four pixels, and four photoelectric conversion units (a11, a12, a21, a22) are arranged so as to surround the amplifying unit 12.
[0031]
In addition, the light shielding portion 15 exists at a position symmetrical to the center of the region in each pixel occupied by the amplification means 12. Therefore, the center of gravity of the photoelectric conversion unit 11 in each pixel exists at the center of each pixel. Accordingly, the four photoelectric conversion units (a11 to a22) can be arranged at equal intervals a in the vertical direction and the horizontal direction.
[0032]
In FIG. 2, the shared amplifying means 22 is arranged at the center in the horizontal direction of the four pixels, and the four photoelectric conversion units 21 (a11, a12, a21, a22) sandwich the amplifying means 22. Has been placed.
[0033]
In addition, a light shielding portion 25 exists at a position symmetrical to the center of the region in each pixel occupied by the amplification means 12. Therefore, the center of gravity of the photoelectric conversion unit 11 in each pixel exists at the center of each pixel. Accordingly, the four photoelectric conversion units (a11 to a22) can be arranged at equal intervals a in the vertical direction and the horizontal direction.
[0034]
The above-described embodiment of FIG. 2 is established in exactly the same manner even when the horizontal direction and the vertical direction are interchanged.
[0035]
In FIG. 3, G pixels that are most effective for resolution are arranged in the upper left and lower right of the repetitive unit cell 30 composed of four pixels. In the G pixel, there is a light shielding portion 35 at a position symmetrical to the center of the region occupied by the amplification means 32 disposed at the center of the cell 30. Therefore, the center of gravity of the photoelectric conversion unit 31 in the G pixel exists at the center of the G pixel. Thereby, the photoelectric conversion parts a11 and a22 of the G pixel can be arranged at equal intervals a in the vertical and horizontal directions.
[0036]
The R pixel is arranged at the upper right of the cell 30 and the B pixel is arranged at the lower left of the cell 30. Although they do not have a light-shielding portion that is specifically considered unlike the G pixel, the number of arrangement in the unit cell 30 is 1, and therefore, the unit cells can be arranged at equal intervals with the interval 2a.
[0037]
FIG. 4 is a variation of the embodiment shown in FIG. 3, and is devised so that the area occupied by the amplifying means and the light shielding portion in the G pixel is reduced.
[0038]
The present inventors have also found a signal readout circuit used for noise removal that is effective in an imaging apparatus that shares one amplification means with a plurality of pixels as described above.
[0039]
In the embodiment described above, the amplification unit is disclosed as a portion shared by a plurality of pixels, but the shared portion is not limited to the amplification unit.
[0040]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0041]
First, FIG. 6 shows a block diagram of an imaging system using the imaging apparatus of the present invention. As shown in the figure, the image light incident through the optical system 71 forms an image on the CMOS sensor 72. The optical information is converted into an electric signal by the pixel array arranged on the CMOS sensor 72. The electric signal is subjected to signal conversion processing by a signal processing circuit 73 by a predetermined method and output. The signal processed signal is recorded or transferred by an information recording device by a recording system and communication system 74. The recorded or transferred signal is reproduced by the reproduction system 77. The CMOS sensor 72 and the signal processing circuit 73 are controlled by a timing control circuit 75, and the optical system 71, the timing control circuit 75, the recording / communication system 74, and the reproduction system 77 are controlled by a system control circuit 76.
[0042]
Example 1
First, Example 1 will be described.
[0043]
FIG. 5 shows a circuit configuration diagram for one pixel of the CMOS sensor.
[0044]
In FIG. 5, a11 to a22 are photodiodes serving as photoelectric conversion units, MTX1 to MTX are transfer MOS transistors for transferring signal charges accumulated in the photodiodes a11 to a22 to a floating diffusion (hereinafter referred to as FD), MRES Reset MOS transistors for resetting FD, MSF and MSEL are MOS transistors constituting a source follower circuit, and MSEL is a selection switch for selecting a pixel.
[0045]
FIG. 7 shows a specific pattern layout of the pixel array portion of the CMOS sensor of this embodiment.
[0046]
The CMOS sensor shown in FIG. 8 is formed on an end crystal silicon substrate with a layout rule of 0.4 μm, the pixel size is 8 μm square, and the source follower amplifier as an amplifying means is 4 pixels in 2 rows and 2 columns. Shared. Therefore, the size of the repeating unit cell 81 shown by the dotted line region in the drawing is 16 μm × 16 μm square, and a two-dimensional array is formed.
[0047]
Photodiodes 82a, 82b, 82c, and 82d, which are photoelectric conversion units, are formed obliquely at the center of each pixel, and their shapes are substantially rotationally symmetric and mirror image symmetric vertically and horizontally. The center of gravity g of the photodiode is designed to be the same for each pixel. Reference numeral 95 denotes a light shielding portion.
[0048]
Reference numeral 88-a denotes a scanning line for controlling the upper left transfer gate 83-a, 90 denotes a row selection line, and 92 denotes a reset line for controlling the MOS gate 93.
[0049]
The signal charges accumulated in the photodiodes 82a to 82d are guided to the FD 85 through the transfer gates 83a to 83d. The MOS sizes of the gates 83a to 83d are L = 0.4 μm and W = 1.0 μm (L indicates a channel length and W indicates a channel width).
[0050]
The FD 85 is connected to the input gate 86 of the source follower by an Al wiring having a width of 0.4 μm, and the signal charge transferred to the FD 85 modulates the voltage of the input gate 85. The MOS size of the input gate 86 is L = 0.8 μm and W = 1.0 μm, and the sum of the capacitances of the FD 85 and the input gate 86 is about 5 fF. Since Q = CV, 10 Five The voltage of the input gate 86 changes by 3.2 V due to the accumulation of electrons.
[0051]
V DD The current flowing from the terminal 91 is modulated by the input gate 86 and flows out to the vertical signal line 87. The current flowing out to the vertical signal line 87 is signal-processed by a signal processing circuit (not shown) and finally becomes image information.
[0052]
Thereafter, the potentials of the photodiodes 82a to 82d, the FD 85, and the input gate 86 are set to a predetermined value V. DD Therefore, by opening the MOS gate 83 connected to the reset line 82 (the transfer gates 83a to 83d are also opened at this time), the photodiodes 82a to 82d, the FD 85, and the input gate 86 are set to V DD Shorted to the terminal.
[0053]
Thereafter, charge transfer of the photodiodes 82a to 82d starts again by closing the transfer gates 83a to 83d.
[0054]
It should be noted here that all of the wirings 88a to 88d, 90, and 92 penetrating in the horizontal direction are made of transparent conductive ITO (Indium Tin Oxide) having a thickness of 1500 mm. Since light is transmitted through the photodiodes 82a to 82d, the center of gravity g of the photodiode is coincident with the center of gravity of the light sensing region (light receiving portion).
[0055]
According to this embodiment, it is possible to provide a CMOS sensor having a relatively high area ratio and a high aperture ratio with the same pixel pitch.
[0056]
(Example 2)
A second embodiment will be described.
[0057]
FIG. 8 shows a specific pattern layout of the image pickup apparatus according to the second embodiment of the present invention.
[0058]
In FIG. 9, 102a to d are photodiodes, 103a to d are transfer gates, 105 is an FD, 106 is a source follower input gate, 107 is a vertical signal line, 108a to d are scanning lines, 110 is a row selection line, A reset line 112 controls the MOS gate 113.
[0059]
In the present embodiment, the wirings 108a to 108d, 110, and 112 that run in the horizontal direction run so as to cross the center of each pixel, so that the light incident on the photodiodes 102a to 102d is blocked. Even the metal wiring does not move the center of gravity g of the light sensing region, and therefore coincides with the center of the pixel.
[0060]
According to the present embodiment, since a normal (opaque) metal having a small electric resistance can be used, the time constant of the lateral wiring is improved, and a higher-speed imaging device can be provided.
[0061]
In the above embodiment, since the portion under the light shielding film is effectively used, a photodiode as a photoelectric conversion portion is formed up to the portion under the light shielding film as shown in FIG. 9 to function as a charge storage portion. It is also possible.
[0062]
Example 3
A third embodiment will be described.
[0063]
In the second embodiment described above, since the center of the pixel having the best light collection efficiency is crossed, there is a concern that the sensitivity of the image pickup apparatus is lowered. FIG. 10 shows a further improved embodiment.
[0064]
In this embodiment, the transfer gates 123a to 123d, the FD 125, the source follower input gate 126, and the reset MOS gate 133 all run in the horizontal direction (scanning lines 128a to 128d, row selection line 130, reset line 132). ), The photodiodes 122a to 122d and their openings can be maximized. Moreover, the opening continuously exists in the center of each pixel. The light shielding portion is formed in the horizontal and vertical wiring portions.
[0065]
Further, in this embodiment, the source follower as the amplification means and the reset MOS transistor are arranged in the horizontal direction around each pixel, so that it can be compactly arranged under the horizontal wiring. Yes.
[0066]
In addition, since an unused space still exists under the wiring of the upper right pixel, it is possible to add a new configuration such as a smart sensor.
[0067]
According to the present embodiment, since the photodiode area and the aperture ratio can be increased, an imaging device with a wide dynamic range and high sensitivity can be provided. Further, as the miniaturization progresses in the future, even if the size of the opening of the photodiode becomes about the wavelength of light, there is no possibility that light will not enter, and the performance can be exhibited for a long time.
[0068]
In the above embodiment, the amplifying means is arranged at the center of the unit cell, and the center of gravity of the region for sensing light and the center of the pixel coincide with each other. However, the present invention is not limited to these and is shown in FIG. Such an opening may have a translational symmetry.
[0069]
In other words, because the openings are translationally symmetric, the areas where light is sensed are at equal pitches.
[0070]
Example 4
A fourth embodiment will be described.
[0071]
FIG. 12 shows a specific pattern layout diagram of the image pickup apparatus according to the fourth embodiment.
[0072]
In this embodiment, the position of the color to be used is determined. The upper left and lower right are G pixels that most affect the luminance, the upper right is an R pixel, and the lower left is a B pixel.
[0073]
In this embodiment, the amplifying means and others are arranged so that the photodiodes 142a and 142d of the G pixel have the maximum area and aperture ratio.
[0074]
Further, since the center of gravity g of the light sensing region in the G pixel coincides with the center of each pixel, the equal pitch property of the G pixel is ensured.
[0075]
According to this embodiment, it is possible to provide a highly sensitive imaging device.
[0076]
Further, the human eye can realize a characteristic similar to a state in which the luminance resolution is higher than the color resolution, the color disappears in a dark place, and only the light and darkness of the subject can be seen.
[0077]
(Example 5)
A fifth embodiment will be described.
[0078]
A diagram showing a fourth embodiment of the present invention is shown in FIG.
[0079]
In FIG. 13, an on-chip lens 202 is formed in each pixel of the unit cell 201. Light from the outside world is collected by this on-chip lens and enters the opening 203. Here, reference numeral 204 denotes a light receiving portion condensed by an on-chip lens.
[0080]
Here, by adjusting the on-chip lens, the position of the light receiving unit can have a degree of freedom.
[0081]
For this reason, in the case where the amplification means is shared by a plurality of pixels, even if the photodiodes that are the photoelectric conversion units cannot be formed at an equal pitch, by adjusting the on-chip lens, the distance between the light receiving units is equal. The pitch can be set.
[0082]
When the imaging lens used in the imaging device is not telecentric, the incident angle (optical axis) of light incident on the sensor chip differs between the center and the outer periphery of the chip. For this reason, in Example 1 or Example 2, it is also possible to make the area | region which senses light over the whole sensor chip into an equal pitch by making an opening part an unequal pitch only in an outer peripheral part.
[0083]
As described above, in the first to fourth embodiments, the light sensing region (light receiving unit) is made to have an equal pitch by adjusting the light shielding unit which is an optical member. In the fifth embodiment, by adjusting a lens that is an optical member, light sensing regions (light receiving portions) are set at an equal pitch.
[0084]
(Example 6)
A sixth embodiment will be described.
[0085]
In this embodiment, an imaging apparatus according to the present invention including a signal processing circuit unit will be described. FIG. 14 shows an equivalent circuit diagram of an imaging apparatus including the signal processing circuit unit of the present embodiment.
[0086]
FIG. 15 shows a timing chart.
[0087]
Vertical scanning is started by a clock φV (n) representing a vertical blanking period. First, reset line φTX in the first row RO Is activated during the horizontal blanking period (φHBL high), and then the second and third rows are performed in the same manner. As a result, each row of pixels has a reset potential V DD Reset to. (Fig. 6)
[0088]
During each horizontal period, as shown in FIG. 1 Then, the reset Tr 160 connected to the vertical signal line 157 is turned on by φRv high, and the vertical signal line 157 is reset. At the same time, each of the gates Tr162 is turned on by φTN, φTS1, and φTS2 high, and the wiring up to the signal reading Tr164 and the storage capacitor 163 are brought into conduction with the vertical signal line, and are similarly reset. As a result, charges accumulated in the storage capacitor 163 and the like are removed. Then period T 2 The reset line φTX RO The high causes the floating gate that is the input gate of the source follower amplifier in the pixel to be V DD Reset to. Then period T Three Thus, when φL is high, the grounding Tr 161 connected to the signal line 157 is turned on, and the signal line 157 is grounded. At the same time, in order to connect the storage capacitor CTN163 for storing the noise component to the signal line 57, it is set to φTN high and the gate Tr162 is turned on. At that time, the row selection line φSO is high, and the potential of the floating gate (˜V DD ) According to the current V DD By flowing from the terminal toward the CTN, the storage capacitor CTN holds the charge of the noise component.
[0089]
Next period T Four Odd-column scanning line φTX OOO The odd-numbered column transfer gate in the pixel is turned on by high, and the accumulated charge corresponding to the image light in the photodiode a11 is transferred to the floating gate. At that time, the capacitance hanging from the signal line 157 is not CTN for noise but CTS1, and similarly, the charge of the signal 1 component in the odd-numbered column corresponding to the a11 is held in the storage capacitor CTS1.
[0090]
Next period T Five Then, only the signal line 157 is reset by φRV high. The other circuits are not affected by the reset because φSO and φTN to φTS2 are low, and the state is maintained.
[0091]
Next, period T Five And period T 6 The signal φTX applied to the reset line 62 between Ro Becomes high level and the input gate in the pixel is V DD Reset to.
[0092]
Period T 6 Now, scan line φTX oeo High by photodiode a 12 The stored charge is transferred, and the signal charge is similarly held in the storage capacitor CTS2.
[0093]
In this way, the noise component for one row, the photodiode a 11 Signal component, photodiode a 12 The charge of the signal component is accumulated for each column in CTN, CTS1, and CTS2.
[0094]
Period T 7 In this case, in order to sequentially transfer the charges accumulated in CTN to CTS2 of each column to the amplification amplifier 166, the horizontal scanning pulse φHc is sequentially set to high for each column to arrange the gates arranged for each column. The Tr 164 is turned on, and the storage capacitors CTN to CTS2 are connected to the amplification amplifier for each column. The noise component that has passed through the amplification amplifier and the photodiode a 11 Signal, photodiode a 12 The signal component of is output from the photodiode a by the differential amplifier 167. 11 A component S1 in which a noise component is emitted from the signal component of the photodiode a, and the photodiode a 12 Finally, the component S2 obtained by subtracting the noise component from the signal component is output.
[0095]
The period 7 is also a period during which photocharge accumulation of the photodiode is performed.
[0096]
Furthermore, the photodiode a twenty one , A twenty two Even in the case of obtaining a component obtained by subtracting the noise component from the signal component from ooo , ΦTX oeo ΦTX instead of ooe , ΦTX oee The operation can be performed in the same manner as described above except that is set to high.
[0097]
(Example 7)
Example 7 will be described.
[0098]
FIG. 16 shows an equivalent circuit diagram of the imaging apparatus including the signal processing circuit unit of this embodiment.
[0099]
In the present embodiment, four signal storage capacitors CTS1 to CTS4 63 are provided, and different signal information can be stored for each capacitor 63. More specifically, the signal charge of the pixel a11 can be stored in CTS1 and the signal charge of the pixel 22 can be stored in CTS4. Accordingly, the signal processing after the amplification amplifier 66 can be performed at half speed, and the signal processing of the amplification amplifier 66, the differential amplifier 67, and the signal processing system of the rear panel (not shown) is half that of the sixth embodiment. Get better at speed. Accordingly, the speed of the elements used in the circuit can be reduced, and lower-cost and low-performance elements and circuits can be used, so that the cost of the entire system can be expected.
[0100]
In addition, it is not necessary for the electric charge stored in the storage capacitor to be a direct output from each photodiode. By devising the clock of the transfer gate and the reset gate associated with each pixel, The signal charge of the photodiode can be added. For example, it is possible to extract signals such as G light information of the pixel a11 in the CTS1, G light information of the pixel a22 in the CTS2, and R + B light information of the pixel a12 + a21 in the CT3. In this embodiment, a smart sensor that uses each pixel more intelligently can be sufficiently exerted.
[0101]
In the sixth embodiment and the seventh embodiment described above, it is possible to remove noise due to variations in characteristics of the amplifying means for each unit cell.
[0102]
(Example 8)
Example 8 will be described.
[0103]
The timing when the present embodiment is driven in a non-interlace manner will be described with reference to FIG.
[0104]
In the horizontal blanking period (HBLK), transfer of signals photoelectrically converted by the pixels and reset operation to the initial state of photoelectric conversion are performed.
[0105]
Period T 1 Then, the vertical signal line is reset by the pulse φV to remove the residual charges on the signal line, and the residual charges on the temporary storage memories CTN1, CTN2, CTS1, and CTS2 are removed by the pulses φTN1, φTN2, φTS1, and φTS2. Do.
[0106]
Period T 2 Then, the first pixel row (a 11 , A 12 , ... a 1n ) First, as a step before transferring the odd-numbered photoelectric conversion signal, the gate portion of the common amplifier is set to the pulse φTX. RO Reset to remove residual charge. Reset noise remains in the gate after removal.
[0107]
Period T Three Then T 2 This is a period in which the reset noise and the offset voltage of the common amplifier are transferred to the memory CTU1. The output portion of the common amplifier is connected to the vertical signal line by the pulse φSO, and the load MOS Tr is turned on by the pulse φL in order to put the common amplifier in the operating state, and the vertical signal line and the memory are connected by the pulse φTN1. It is accumulated as noise (N) in the memory.
[0108]
Period T Four Then, odd number (a 11 , A 13 , ... a 1n ) Photoelectric conversion signal is transferred to the memory CTS1. Pulses φL, φTS1, and φSO bring the common amplifier to the memory into conduction.
[0109]
Pulse φTX oo Thus, the photoelectric conversion signal is transferred from the light receiving portion to the gate portion of the common amplifier. At this point the gate has a T 2 The photoelectric conversion signal is added to the reset noise in the period. This gate voltage is superimposed on the offset voltage of the common amplifier and is stored as a signal (S + N) on the memory.
[0110]
Period T Five ~ T 8 Then, this period is an even number (a 12 , A 14, , ... a 1n-1 ) Photoelectric conversion signal of memory T S2 Drive to transfer to. The basic operation is the aforementioned T 1 ~ T Four It is the same as the period. The difference is φTX oo → φTX oe , ΦT N1 → φT N2 , ΦT S1 → φT S2 Pulse control.
[0111]
Period T 9 Then, by removing residual charges between the vertical signal line, the common amplifier, and the transfer MOS, the basic operation of transferring reset noise and photoelectric conversion signals is completed.
[0112]
Noise N1, N2, and signals S1 + N1, S2 + N2 are accumulated on each memory by the above driving. These noises and signals are T Ten During the period, the horizontal output line is transferred with pulses φH1 and φH2 from the horizontal shift register. The output amplifier A1 subtracts (S1 + N1) -N1 and outputs a signal S1, and the output amplifier A2 performs subtraction of (S2 + N2) -N2 and outputs a signal S2.
[0113]
The pixel row (a 11 ... a 1n Only the photoelectric conversion signal of) is obtained. The accumulation of pixel rows is T Four , T 8 Photoelectric conversion is started when the photoelectric conversion signal is transferred to the gate portion during the period.
[0114]
In the next horizontal blanking period, the operation of the second pixel row is performed in the same manner as the first row. When the operation of the second pixel row is completed, the common amplifier in units of four pixels becomes non-conductive until one vertical period after the next operation is performed.
[0115]
In FIG. 18, when two rows are driven simultaneously, the memory (CT N1 , CT S1 , CT S2 ) And another output differential amplifier (A1, A2) can be easily added. In other words, the non-interlaced driving is performed for one row to the pixel row every 1H, but this may be performed for two pixel rows within the 1H period.
[0116]
FIG. 6 shows a schematic diagram of the vertical timing.
[0117]
In one vertical period, the operation in the horizontal period is sequentially performed for the pixels in the vertical direction. The vertical shift register has a drive pulse φTX every 1H. oo , ΦTX oe , ΦTX RO , ΦSo pulse is output for each row.
[0118]
As described above, in the eighth embodiment, not only noise due to variations in characteristics of the amplifying means as in the sixth and seventh embodiments described above, but also reset noise can be removed.
[0119]
Example 9
Example 9 will be described.
[0120]
The present invention is not only used for a general CMOS sensor as shown in FIG. 24, but also in addition to an image sensor disclosed in ISSCC98 / SESS: ON11 / IMAGESEMSORS / PAPER FA11.8pp182 shown in FIG. Can also be applied.
[0121]
As a configuration of the amplifier shared by the four pixels at that time, for example, a circuit as shown in FIG. 20 can be considered.
[0122]
(Example 10)
Example 10 will be described.
[0123]
In this embodiment, a common circuit in which an additional function is provided in a common amplifier of pixels will be described.
[0124]
FIG. 21 shows a common circuit embodiment.
[0125]
There are a memory circuit, a differential amplifier, and a comparator after the common amplifier. If the noise described in the above embodiment is temporarily stored in the memory, the signal (SN) is transferred to the (+) side of the amplifier, and the difference between the two is obtained, only the signal (S) is obtained. This signal is output to the vertical signal line. Or depending on the purpose, it can be binarized by a comparator at a later stage.
[0126]
If the comparator is an AD converter, an AD output can be obtained. The AD output may be either serial output or parallel output, and the circuit configuration may be changed depending on the purpose.
[0127]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, there is provided a high-yield imaging device that has a high aperture ratio, high sensitivity, and built-in multi-functions without causing performance degradation such as resolution reduction and generation of moire fringes. Can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a layout of a pixel portion according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a pixel portion layout of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a layout of a pixel portion according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a pixel portion layout of the present invention.
FIG. 5 is a circuit configuration diagram of a unit cell of a CMOS sensor.
FIG. 6 is a block diagram of an imaging system using the imaging apparatus of the present invention.
FIG. 7 is a pattern layout diagram of an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a pattern layout diagram of an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram illustrating an embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a pattern layout diagram of one embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram illustrating an embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a pattern layout diagram of one embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a diagram illustrating an embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a signal processing circuit diagram according to an embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a timing chart of an embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a signal processing circuit diagram according to an embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a signal processing circuit diagram of one embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a timing chart of an embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a timing chart of an embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a diagram illustrating an embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a diagram illustrating an embodiment of the present invention.
FIG. 22 is a layout diagram of a pixel portion of the imaging apparatus.
FIG. 23 is a pattern layout diagram of the imaging apparatus of FIG. 22;
FIG. 24 is a circuit configuration diagram of a unit cell of a CMOS sensor.
FIG. 25 is a circuit configuration diagram of a pixel portion of a conventional CMOS sensor.
[Explanation of symbols]
11 Photoelectric converter
12 Common pixel amplifier
15 Shading part
21 Photoelectric converter
22 Common pixel amplifier
25 Shading part
31 Photoelectric converter
32 Common pixel amplifier
35 Shading part
202 On-chip lens

Claims (24)

複数の光電変換部と前記複数の光電変換部からの信号を処理する共通回路を配置してなる単位セルが複数配列された撮像装置において、
少なくとも前記撮像装置の中心部分には、各々の前記光電変換部内の光を受光する受光部の受光部間のピッチを、少なくとも垂直方向又は水平方向の1方向で等ピッチに調整するための調整手段が設けられており、
前記単位セル内の前記複数の光電変換部の各々は、他の光電変換部を介さずに前記共通回路に隣接するように、前記単位セル内の光電変換部を前記共通回路を挟んで両側に配置したことを特徴とする撮像装置。
In an imaging apparatus in which a plurality of unit cells are arranged by arranging a plurality of photoelectric conversion units and a common circuit for processing signals from the plurality of photoelectric conversion units,
Adjusting means for adjusting the pitch between the light receiving portions of the light receiving portions that receive light in each of the photoelectric conversion portions at least in the central portion of the image pickup device to at least equal pitch in one direction of the vertical direction or the horizontal direction. Is provided,
The photoelectric conversion units in the unit cell are arranged on both sides of the common circuit so that each of the plurality of photoelectric conversion units in the unit cell is adjacent to the common circuit without passing through another photoelectric conversion unit. An imaging device characterized by being arranged .
請求項1において、前記調整手段は、前記共通回路により生じる、少なくとも撮像装置の中心部分の受光部の水平方向又は垂直方向の少なくとも1方向での不等ピッチをキャンセルするための光学的部材であることを特徴とする撮像装置。  2. The optical member according to claim 1, wherein the adjusting unit cancels an unequal pitch in at least one direction of a horizontal direction or a vertical direction of a light receiving unit at least in a central portion of the imaging apparatus, which is generated by the common circuit. An imaging apparatus characterized by that. 請求項2において、前記光学的部材は遮光膜であることを特徴とする撮像装置。  The imaging apparatus according to claim 2, wherein the optical member is a light shielding film. 請求項3において、前記共通回路は単位セルの中心部に配置したことを特徴とする撮像装置。  4. The imaging apparatus according to claim 3, wherein the common circuit is disposed in a central portion of the unit cell. 請求項4において、前記遮光膜は隣り合う単位セル間に配置したことを特徴とする撮像装置。  5. The imaging apparatus according to claim 4, wherein the light shielding film is disposed between adjacent unit cells. 請求項5において、前記遮光膜は少なくとも前記単位セルの水平方向又は垂直方向の中心線に対して線対称となる位置に配置したことを特徴とする撮像装置。  6. The imaging apparatus according to claim 5, wherein the light shielding film is disposed at a position that is at least line-symmetric with respect to a horizontal or vertical center line of the unit cell. 請求項2において、前記光学的部材はオンチップレンズであることを特徴とする撮像装置。  The imaging apparatus according to claim 2, wherein the optical member is an on-chip lens. 請求項1乃至請求項7のいずれか1項において、各光電変換部における前記受光部の重心と各光電変換部の重心は一致していることを特徴とする撮像装置。  8. The imaging apparatus according to claim 1, wherein the center of gravity of the light receiving unit and the center of gravity of each photoelectric conversion unit in each photoelectric conversion unit are the same. 請求項1乃至請求項8のいずれか1項において、前記共通回路はアンプであることを特徴とする撮像装置。  9. The imaging apparatus according to claim 1, wherein the common circuit is an amplifier. 請求項9において、前記アンプは前記単位セル中の複数の光電変換部からの信号を増幅する増幅手段と前記単位セル中をリセットするリセット手段を有することを特徴とする撮像装置。  The imaging apparatus according to claim 9, wherein the amplifier includes an amplifying unit that amplifies signals from a plurality of photoelectric conversion units in the unit cell and a reset unit that resets the unit cell. 請求項9又は請求項10において、前記単位セル内で各光電変換部における受光部の重心と光電変換部の重心が一致するように、シフトレジスタから駆動パルスを共通回路に加えるための制御線を設けたことを特徴とする撮像装置。  The control line for applying a drive pulse from the shift register to the common circuit so that the center of gravity of the light receiving unit and the center of photoelectric conversion unit in each photoelectric conversion unit in the unit cell coincide with each other. An imaging device characterized by being provided. 請求項9又は請求項10において、前記単位セル内は水平方向に貫通する、シフトレジスタから駆動パルスを共通回路に加えるための制御線を有し、前記制御線は光を透過する透明な導体であることを特徴とする撮像装置。  11. The unit cell according to claim 9, further comprising a control line for passing a drive pulse from a shift register to a common circuit, the control line being a transparent conductor that transmits light. There is an imaging apparatus. 請求項9又は請求項10において、前記単位セル内は水平方向に貫通する、シフトレジスタから駆動パルスを共通回路に加えるための制御線を有し、前記制御線は前記光電変換部の中心部を横切ることを特徴とする撮像装置。  11. The control unit according to claim 9, wherein the unit cell has a control line that penetrates in a horizontal direction and applies a driving pulse from a shift register to a common circuit, and the control line extends through a central portion of the photoelectric conversion unit. An imaging apparatus characterized by traversing. 請求項9又は請求項10において、前記単位セル内は水平方向に貫通する、シフトレジスタから駆動パルスを共通回路に加えるための制御線を有し、前記単位セルを構成する共通回路は、前記制御線の下方に配置したことを特徴とする撮像装置。  11. The unit cell according to claim 9, further comprising a control line for applying a driving pulse from a shift register to a common circuit, which penetrates in the unit cell in a horizontal direction, and the common circuit constituting the unit cell includes the control An image pickup apparatus arranged below a line. 請求項9又は請求項10において、前記単位セル内は水平方向に貫通する、シフトレジスタから駆動パルスを共通回路に加えるための制御線を有し、前記制御線は2つの群に分かれており、それぞれ前記各画素の周辺部分を同本数で貫通することを特徴とする撮像装置。  In Claim 9 or Claim 10, it has a control line for applying a drive pulse from a shift register to a common circuit, which penetrates in the unit cell in the horizontal direction, and the control line is divided into two groups, An imaging apparatus characterized by penetrating the peripheral portion of each pixel in the same number. 請求項15において、前記単位セルは、少なくとも増幅手段及びリセット手段を有し、前記増幅手段と前記リセット手段は別々の群の前記制御線の下方に配置されたことを特徴とする撮像装置。  16. The imaging apparatus according to claim 15, wherein the unit cell includes at least an amplifying unit and a reset unit, and the amplifying unit and the reset unit are disposed below the control lines of different groups. 請求項1において、前記調整手段は、少なくとも前記撮像装置の中心部分の各同じ色毎の受光部間のピッチを少なくとも垂直方向又は水平方向の1方向で等ピッチに調整することを特徴とする撮像装置。  2. The imaging according to claim 1, wherein the adjusting means adjusts the pitch between the light receiving portions for each same color in at least the central portion of the imaging apparatus to be equal to at least one pitch in the vertical direction or the horizontal direction. apparatus. 請求項17において、輝度を主に決める色フィルタが取り付けられている光電変換部の受光部を、それ以外の色フィルタが取り付けられている光電変換部の受光部よりも大きくすることを特徴とする撮像装置。  The light receiving unit of the photoelectric conversion unit to which the color filter mainly determining luminance is attached is larger than the light receiving unit of the photoelectric conversion unit to which other color filters are attached. Imaging device. 請求項18において、輝度を主に決める色はグリーン(G)であることを特徴とする撮像装置。  The imaging apparatus according to claim 18, wherein the color that mainly determines luminance is green (G). 請求項17において、前記調整手段は遮光膜であり、前記遮光膜は前記単位セルの中心に対して中心対称であることを特徴とする撮像装置。  18. The imaging apparatus according to claim 17, wherein the adjusting unit is a light shielding film, and the light shielding film is centrally symmetric with respect to a center of the unit cell. 請求項17乃至請求項20のいずれか1項において、前記共通回路はアンプであることを特徴とする撮像装置。  21. The imaging apparatus according to claim 17, wherein the common circuit is an amplifier. 請求項21において、前記アンプは複数の光電変換部からの信号を増幅する増幅手段と前記増幅手段の入力部をリセットするリセット手段を有することを特徴とする撮像装置。  24. The imaging apparatus according to claim 21, wherein the amplifier includes an amplifying unit that amplifies signals from a plurality of photoelectric conversion units and a reset unit that resets an input unit of the amplifying unit. 請求項1乃至請求項8及び請求項17乃至請求項20のいずれか1項において、前記共通回路は、複数の光電変換部からの信号をディジタル信号に変換するディジタル信号変換手段を有することを特徴とする撮像装置。  21. The common circuit according to claim 1, wherein the common circuit includes digital signal conversion means for converting signals from a plurality of photoelectric conversion units into digital signals. An imaging device. 請求項1乃至請求項15のいずれか1項に記載の前記撮像装置と、前記撮像装置へ光を結像するレンズと、前記撮像装置からの出力信号を処理する信号処理回路とを有することを特徴とする撮像システム。  The image pickup apparatus according to any one of claims 1 to 15, a lens that forms an image of light on the image pickup apparatus, and a signal processing circuit that processes an output signal from the image pickup apparatus. A characteristic imaging system.
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