JP3999522B2

JP3999522B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP3999522B2
Application number: JP2002011917A
Authority: JP
Inventors: 保博鈴木; 行信杉山; 誠一郎水野
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2002-01-21
Filing date: 2002-01-21
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2022-01-21
Also published as: JP2003219278A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光を撮像する固体撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像装置は、複数のフォトダイオードを有する受光部と、電荷を蓄積する容量素子を有する信号処理部とを有している。このような固体撮像装置では、各フォトダイオードへの入射光の強度に応じた量の電荷が該フォトダイオードで発生し、その電荷が信号処理部の容量素子に蓄積され、その蓄積された電荷の量に応じた電圧値が信号処理部より出力される。そして、この電圧値に基づいて各フォトダイオードへの入射光の強度が求められて、これにより受光部へ入射する光の像が得られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来の固体撮像装置では、信号処理部の容量素子が蓄積し得る電荷の量に限界がある。このことから、この限界を超える電荷を発生させるような高強度の光がフォトダイオードに入射した場合には、信号処理部より出力される電圧値が飽和してしまい、入射光強度の正確な測定（すなわち正確な撮像）ができない。
【０００４】
このような飽和が発生しないようにするには、信号処理部の容量素子の容量値を大きくすればよい。しかし、その場合には、低強度の光がフォトダイオードに入射した場合に、入射光強度の検出感度が低くなる。
【０００５】
また、信号処理部が容量値可変の可変容量部を有するものとして、フォトダイオードへの入射光の強度に応じて、該容量値を適切に設定することが考えられる。すなわち、入射光強度が高いときには、容量値を大きく設定することで、信号処理部より出力される電圧値が飽和することを回避することができる。一方、入射光強度が低いときには、容量値を小さく設定することで、入射光強度の検出感度の低下を回避することができる。
【０００６】
しかし、信号処理部が可変容量部を有するものである場合であっても、設定された容量値によっては、高強度の光がフォトダイオードに入射した場合には信号処理部より出力される電圧値が飽和することがあり、或いは、低強度の光がフォトダイオードに入射した場合には入射光強度の検出感度が低くなることがある。また、受光部へ入射する光の分布における最大強度と最小強度との比が大きいときには、受光部上の画素によっては、信号処理部より出力される電圧値は飽和することがあり、或いは、入射光強度の検出感度が低くなることがある。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、出力飽和および感度低下の双方を回避して高精度の撮像を行うことができる固体撮像装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る固体撮像装置は、(1) 入射光強度に応じた量の電荷を各々発生する複数の撮像用フォトダイオードおよびモニタ用フォトダイオードを有する受光部と、(2) モニタ用フォトダイオードで発生した電荷の量を検出し、その検出結果を表す第１信号を出力する第１信号処理部と、(3) 第１信号処理部より出力される第１信号に基づいて容量値が設定される可変容量部を有し、撮像用フォトダイオードで発生した電荷を可変容量部に蓄積し、その蓄積した電荷の量を表す第２信号を出力する第２信号処理部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
この固体撮像装置の受光部は、入射光強度に応じた量の電荷を各々発生する複数の撮像用フォトダイオードおよびモニタ用フォトダイオードを有している。モニタ用フォトダイオードで発生した電荷の量は第１信号処理部により検出され、その検出結果を表す第１信号が第１信号処理部より出力され、この第１信号処理部より出力された第１信号に基づいて第２信号処理部の可変容量部の容量値が設定される。そして、撮像用フォトダイオードで発生した電荷は第２信号処理部の可変容量部に蓄積され、その蓄積された電荷の量を表す第２信号が第２信号処理部より出力される。このように、第２信号処理部の可変容量部の容量値が入射光強度に応じて適切に設定されるので、高強度の光が入射した場合であっても、第２信号処理部より出力される電圧値の飽和が回避され、また、低強度の光が入射した場合であっても、入射光強度の検出感度の低下が回避され得る。
【００１０】
本発明に係る固体撮像装置は、複数の撮像用フォトダイオードが１次元配列されたものであってもよいし、また、撮像用フォトダイオードがＭ行Ｎ列（Ｍ≧２、Ｎ≧２）に２次元配列されていて、２次元配列された撮像用フォトダイオードの各行に対応して第２信号処理部が設けられているのが好適である。さらに、２次元配列された撮像用フォトダイオードの各行に対応してモニタ用フォトダイオードおよび第１信号処理部それぞれが設けられているのも好適である。この場合には、固体撮像装置は、入射した光の２次元像を撮像することができる。また、２次元配列された撮像用フォトダイオードの各行に対応して第２信号処理部が設けられているようにすれば、固体撮像装置を半導体基板上に集積化する上で好適である。
【００１１】
本発明に係る固体撮像装置は、撮像用フォトダイオードに対して１対１に対応してモニタ用フォトダイオードが設けられているのが好適であり、或いは、撮像用フォトダイオードに対して多対１に対応してモニタ用フォトダイオードが設けられているのも好適である。前者の場合には、受光部へ入射する光の分布が画素位置に応じて急峻に変化するときであっても、出力飽和および感度低下の双方を回避して高精度の撮像を行うことができる。一方、後者の場合には、受光部の面積を小さくすることができ、或いは、受光部の画素数を多くすることができる。
【００１２】
本発明に係る固体撮像装置は、受光部の第(ｎ＋１)列のモニタ用フォトダイオードで発生した電荷を第１信号処理部が処理する期間と、受光部の第ｎ列の撮像用フォトダイオードで発生した電荷を第２信号処理部が処理する期間とは、少なくとも一部が重なっているのが好適である。ただし、ｎは１以上(Ｎ−１)以下の各整数である。この場合には、第１信号処理部および第２信号処理部それぞれの処理が並列的に行われる。このような並列処理が行われることにより、受光面上の全ての画素について入射光強度を検出する時間が短縮され、単位時間当たりに撮像することができるフレーム数すなわちフレームレートが向上する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１４】
図１は、本実施形態に係る固体撮像装置１の全体構成図である。また、図２は、本実施形態に係る固体撮像装置１の一部構成図である。これらの図に示される固体撮像装置１は、受光部１０、Ｍ個の第１信号処理部２０₁〜２０_M、Ｍ個の第２信号処理部３０₁〜３０_M、Ａ／Ｄ変換部４０およびタイミング制御部５０を備えている。図２には、受光部１０のうちの第ｍ行受光領域１１_m、ならびに、これに対応する第１信号処理部２０_mおよび第２信号処理部３０_mが示されている。ただし、Ｍは２以上の整数であり、ｍは１以上Ｍ以下の任意の整数である。
【００１５】
受光部１０は、入射光強度に応じた量の電荷を各々発生するモニタ用フォトダイオードＰＤ_Aおよび撮像用フォトダイオードＰＤ_Bの対がＭ行Ｎ列に２次元配列されたものである。以下では、第ｍ行第ｎ列に位置するモニタ用フォトダイオードＰＤ_AをＰＤ_A,m,nと記し、第ｍ行第ｎ列に位置する撮像用フォトダイオードＰＤ_BをＰＤ_B,m,nと記す。また、受光部１０のうち第ｍ行にあるＮ対のモニタ用フォトダイオードＰＤ_A,m,nおよび撮像用フォトダイオードＰＤ_B,m,nを含む受光領域を第ｍ行受光領域１１_mと呼ぶ。ただし、Ｎは２以上の整数であり、ｎは１以上Ｎ以下の任意の整数である。
【００１６】
各モニタ用フォトダイオードＰＤ_A,m,nは、各々に対応して設けられているスイッチＳＷ_A,m,nを介して、第１信号処理部２０_mに接続されている。各スイッチＳＷ_A,m,nは、タイミング制御部５０から出力される制御信号に基づいて開閉し、閉じているときに、モニタ用フォトダイオードＰＤ_A,m,nで発生した電荷を第１信号処理部２０_mへ送る。各第１信号処理部２０_mは、モニタ用フォトダイオードＰＤ_A,m,nで発生した電荷の量を検出し、その検出結果を表す第１信号を出力する。また、各第１信号処理部２０_mの出力端子は、各々に対応して設けられているスイッチＳＷ_A,mに接続されている。各スイッチＳＷ_A,mは、タイミング制御部５０から出力される制御信号に基づいて開閉する。
【００１７】
各撮像用フォトダイオードＰＤ_B,m,nは、各々に対応して設けられているスイッチＳＷ_B,m,nを介して、第２信号処理部３０_mに接続されている。各スイッチＳＷ_B,m,nは、タイミング制御部５０から出力される制御信号に基づいて開閉し、閉じているときに、撮像用フォトダイオードＰＤ_B,m,nで発生した電荷を第２信号処理部３０_mへ送る。各第２信号処理部３０_mは、第１信号処理部２０_mより出力される第１信号に基づいて容量値が設定される可変容量部を有しており、撮像用フォトダイオードＰＤ_B,m,nで発生した電荷を該可変容量部に蓄積し、その蓄積した電荷の量を表す第２信号を出力する。また、各第２信号処理部３０_mの出力端子は、各々に対応して設けられているスイッチＳＷ_B,mを介して、Ａ／Ｄ変換部４０に接続されている。各スイッチＳＷ_B,mは、タイミング制御部５０から出力される制御信号に基づいて開閉し、閉じているときに、第２信号処理部３０_mから出力された第２信号をＡ／Ｄ変換部４０へ送る。
【００１８】
Ａ／Ｄ変換部４０は、各第１信号処理部２０_mより出力されスイッチＳＷ_A,mを介して到達した第１信号を入力するとともに、各第２信号処理部３０_mより出力されスイッチＳＷ_B,mを介して到達した第２信号を入力する。そして、Ａ／Ｄ変換部４０は、第２信号の値（アナログ値）をデジタル値に変換し、そのデジタル値の各ビットを第１信号の値に応じてシフトして、そのビットシフトしたデジタル値を出力する。タイミング制御部５０は、各スイッチＳＷ_A,m,n、各スイッチＳＷ_A,m、各スイッチＳＷ_B,m,nおよび各スイッチＳＷ_B,mそれぞれの開閉動作を制御するとともに、各第１信号処理部２０_m、各第２信号処理部３０_mおよびＡ／Ｄ変換部４０それぞれの動作を制御する。
【００１９】
図３は、本実施形態に係る固体撮像装置１の受光部１０における各フォトダイオードの配置の説明図である。この図には、受光部１０におけるＭ×Ｎ個の画素のうち、第ｍ行第ｎ列、第ｍ行第(ｎ＋１)列、第(ｍ＋１)行第ｎ列および第(ｍ＋１)行第(ｎ＋１)列それぞれの画素が示されている。各画素におけるモニタ用フォトダイオードＰＤ_Aおよび撮像用フォトダイオードＰＤ_Bそれぞれについては、光に対して感応する領域の形状の例が具体的に示されている。また、各画素におけるスイッチＳＷ_AおよびＳＷ_B、各スイッチの開閉を制御する制御信号を伝える制御ラインＣＬ_AおよびＣＬ_B、ならびに、各フォトダイオードで発生した電荷を伝えるビデオラインＶＬ_AおよびＶＬ_Bそれぞれについては、模式的に示されている。
【００２０】
各制御ラインＣＬ_A,nは、タイミング制御部５０より出力される制御信号を、第ｎ列にあるＭ個のスイッチＳＷ_A,1,n〜ＳＷ_A,M,nそれぞれへ送るものである。各制御ラインＣＬ_B,nは、タイミング制御部５０より出力される制御信号を、第ｎ列にあるＭ個のスイッチＳＷ_B,1,n〜ＳＷ_B,M,nそれぞれへ送るものである。
【００２１】
各ビデオラインＶＬ_A,mは、第ｍ行にあるＮ個のスイッチＳＷ_A,m,1〜ＳＷ_A,m,Nそれぞれと接続されており、第ｍ行にあるＮ個のモニタ用フォトダイオードＰＤ_A,m,1〜ＰＤ_A,m,Nそれぞれで発生した電荷を順次に第１信号処理部２０_mへ送るものである。各ビデオラインＶＬ_B,mは、第ｍ行にあるＮ個のスイッチＳＷ_B,m,1〜ＳＷ_B,m,Nそれぞれと接続されており、第ｍ行にあるＮ個の撮像用フォトダイオードＰＤ_B,m,1〜ＰＤ_B,m,Nそれぞれで発生した電荷を順次に第２信号処理部３０_mへ送るものである。
【００２２】
受光部１０上の第ｍ行第ｎ列に位置する画素には、１対のモニタ用フォトダイオードＰＤ_A,m,nおよび撮像用フォトダイオードＰＤ_B,m,nが設けられている。モニタ用フォトダイオードＰＤ_A,m,nの感応領域の形状は略矩形であり、撮像用フォトダイオードＰＤ_B,m,nの感応領域の形状は略Ｌ字形である。そして、両者を併せた全体の形状は略矩形となっている。
【００２３】
図４は、本実施形態に係る固体撮像装置１の第１信号処理部２０_mおよび第２信号処理部３０_mそれぞれの回路図である。
【００２４】
各第１信号処理部２０_mは、アンプＡ₂₀、コンデンサＣ₂₀、スイッチＳＷ₂₀、コンパレータ２１〜２３および制御部２４を有している。アンプＡ₂₀の入力端子はビデオラインＶＬ_A,mに接続されており、アンプＡ₂₀の入力端子と出力端子との間にコンデンサＣ₂₀およびスイッチＳＷ₂₀が並列的に設けられている。アンプＡ₂₀、コンデンサＣ₂₀およびスイッチＳＷ₂₀は積分回路を構成している。すなわち、この積分回路は、タイミング制御部５０より出力される制御信号により制御されてスイッチＳＷ₂₀が開いているときに、ビデオラインＶＬ_A,mを経て送られて来た電荷をコンデンサＣ₂₀に蓄積し、その蓄積した電荷の量に応じた電圧値Ｖ₂₀をアンプＡ₂₀の出力端子より出力する。また、スイッチＳＷ₂₀が閉じることにより、コンデンサＣ₂₀に蓄積されていた電荷を放電して、アンプＡ₂₀の出力端子より出力する電圧値を初期化する。
【００２５】
各第１信号処理部２０_m内の３つのコンパレータ２１〜２３それぞれの非反転入力端子がアンプＡ₂₀の出力端子に接続されている。コンパレータ２１の反転入力端子には一定の参照電圧Ｖ_ref1が入力している。コンパレータ２２の反転入力端子には一定の参照電圧Ｖ_ref2が入力している。コンパレータ２３の反転入力端子には一定の参照電圧Ｖ_ref3が入力している。コンパレータ２１〜２３それぞれは、反転入力端子および非反転入力端子それぞれに入力した電圧値を大小比較し、その比較結果を示す論理値を出力端子より出力する。参照電圧Ｖ_ref1〜Ｖ_ref3それぞれの値は互いに異なっている。制御部２４は、これら３つのコンパレータ２１〜２３それぞれの出力端子より出力された論理値を入力し、その論理値に応じた第１信号を出力する。
【００２６】
各第２信号処理部３０_mは、アンプＡ₃₀、コンデンサＣ₃₀〜Ｃ₃₃およびスイッチＳＷ₃₀〜ＳＷ₃₃を有している。アンプＡ₃₀の入力端子はビデオラインＶＬ_B,mに接続されている。アンプＡ₃₀の入力端子と出力端子との間には、コンデンサＣ₃₀、スイッチＳＷ₃₀、直列接続されたコンデンサＣ₃₁およびスイッチＳＷ₃₁、直列接続されたコンデンサＣ₃₂およびスイッチＳＷ₃₂、ならびに、直列接続されたコンデンサＣ₃₃およびスイッチＳＷ₃₃が並列的に設けられている。スイッチＳＷ₃₁〜ＳＷ₃₃それぞれは、第１信号処理部２０_mより出力される第１信号に基づいて開閉する。すなわち、コンデンサＣ₃₀〜Ｃ₃₃およびスイッチＳＷ₃₁〜ＳＷ₃₃は、第１信号処理部２０_mより出力される第１信号に基づいて容量値が設定される可変容量部を構成している。スイッチＳＷ₃₀は、タイミング制御部５０より出力される制御信号により制御されて開閉する。
【００２７】
各第２信号処理部３０_mは積分回路を構成している。すなわち、この積分回路は、スイッチＳＷ₃₀が開いているときに、ビデオラインＶＬ_B,mを経て送られて来た電荷を可変容量部に蓄積し、その蓄積した電荷の量に応じた電圧値Ｖ₃₀をアンプＡ₃₀の出力端子より出力する。また、スイッチＳＷ₃₀が閉じることにより、可変容量部に蓄積されていた電荷を放電して、アンプＡ₃₀の出力端子より出力する電圧値を初期化する。
【００２８】
コンデンサＣ₂₀およびＣ₃₀〜Ｃ₃₃それぞれの容量値、ならびに、参照電圧Ｖ_ref1〜Ｖ_ref3それぞれの値は、
【数１】

なる関係式を満たす。ここで、Ｃは一定値であり、Ｖ_satも一定値である。Ｓ_Aは各モニタ用フォトダイオードＰＤ_A,m,nの感応部の面積であり、Ｓ_Bは各撮像用フォトダイオードＰＤ_B,m,nの感応部の面積である。
【００２９】
また、一定時間にモニタ用フォトダイオードＰＤ_A,m,nで発生する電荷の量をＱ_A,m,nとし、該一定時間に撮像用フォトダイオードＰＤ_B,m,nで発生する電荷の量をＱ_B,m,nとする。一般にフォトダイオードで発生する電荷の量は感応部の面積に比例するから、モニタ用フォトダイオードＰＤ_A,m,nおよび撮像用フォトダイオードＰＤ_B,m,nそれぞれに同一強度の光が入射したとすると、
【数２】

なる関係式が成り立つ。
【００３０】
各第１信号処理部２０_mにおいて、モニタ用フォトダイオードＰＤ_A,m,nで発生してコンデンサＣ₂₀に蓄積される電荷の量Ｑ_A,m,nに応じて、アンプＡ₂₀の出力端子より出力される電圧値Ｖ₂₀は、
【数３】

なる式で表される。
【００３１】
そして、この電圧値Ｖ₂₀は、３つのコンパレータ２１〜２３によりレベルが判定されて、
【数４】

の何れの範囲内であるかが判定される。
【００３２】
アンプＡ₂₀より出力される電圧値Ｖ₂₀がＶ_sat／８未満（上記(4a)式）であれば、制御部２４により、スイッチＳＷ₃₁〜ＳＷ₃₃の全てが開かれて、可変容量部の容量値はＣ（＝Ｃ₃₀）とされる。このとき、上記(1a)式、(2)式、(3)式および(4a)式より、第２信号処理部３０_mに入力する電荷の量Ｑ_B,m,nは、
【数５】

なる範囲にある。したがって、第２信号処理部３０_mより出力される第２信号の値Ｖ₃₀（＝Ｑ_B,m,n／Ｃ）は、
【数６】

なる範囲にある。
【００３３】
アンプＡ₂₀より出力される電圧値Ｖ₂₀がＶ_sat／８以上Ｖ_sat／４未満（上記(4b)式）であれば、制御部２４により、スイッチＳＷ₃₁が閉じられスイッチＳＷ₃₂およびＳＷ₃₃が開かれて、可変容量部の容量値は２Ｃ（＝Ｃ₃₀＋Ｃ₃₁）とされる。このとき、上記(1b)式、(2)式、(3)式および(4b)式より、第２信号処理部３０_mに入力する電荷の量Ｑ_B,m,nは、
【数７】

なる範囲にある。したがって、第２信号処理部３０_mより出力される第２信号の値Ｖ₃₀（＝Ｑ_B,m,n／２Ｃ）は、
【数８】

なる範囲にある。
【００３４】
アンプＡ₂₀より出力される電圧値Ｖ₂₀がＶ_sat／４以上Ｖ_sat／２未満（上記(4c)式）であれば、制御部２４により、スイッチＳＷ₃₁およびＳＷ₃₂が閉じられスイッチＳＷ₃₃が開かれて、可変容量部の容量値は４Ｃ（＝Ｃ₃₀＋Ｃ₃₁＋Ｃ₃₂）とされる。このとき、上記(1c)式、(2)式、(3)式および(4c)式より、第２信号処理部３０_mに入力する電荷の量Ｑ_B,m,nは、
【数９】

なる範囲にある。したがって、第２信号処理部３０_mより出力される第２信号の値Ｖ₃₀（＝Ｑ_B,m,n／４Ｃ）は、上記(8)式で表される範囲にある。
【００３５】
アンプＡ₂₀より出力される電圧値Ｖ₂₀がＶ_sat／２以上（上記(4d)式）であれば、制御部２４により、スイッチＳＷ₃₁〜ＳＷ₃₃の全てが閉じられて、可変容量部の容量値は８Ｃ（＝Ｃ₃₀＋Ｃ₃₁＋Ｃ₃₂＋Ｃ₃₃）とされる。このとき、上記(1d)式、(2)式、(3)式および(4d)式より、第２信号処理部３０_mに入力する電荷の量Ｑ_B,m,nは、
【数１０】

なる範囲にある。したがって、第２信号処理部３０_mより出力される第２信号の値Ｖ₃₀（＝Ｑ_B,m,n／８Ｃ）は、上記(8)式で表される範囲にある。
【００３６】
そして、Ａ／Ｄ変換部４０は、第２信号処理部３０_mより出力される第２信号の値Ｖ₃₀をデジタル値に変換する。電圧値Ｖ₂₀がＶ_sat／８未満（上記(4a)式）であれば、Ａ／Ｄ変換部４０は、変換したデジタル値をそのまま出力する。電圧値Ｖ₂₀がＶ_sat／８以上Ｖ_sat／４未満（上記(4b)式）であれば、Ａ／Ｄ変換部４０は、変換したデジタル値を１ビット分だけ上位にシフトして、そのビットシフトしたデジタル値を出力する。電圧値Ｖ₂₀がＶ_sat／４以上Ｖ_sat／２未満（上記(4c)式）であれば、Ａ／Ｄ変換部４０は、変換したデジタル値を２ビット分だけ上位にシフトして、そのビットシフトしたデジタル値を出力する。電圧値Ｖ₂₀がＶ_sat／２以上（上記(4d)式）であれば、Ａ／Ｄ変換部４０は、変換したデジタル値を３ビット分だけ上位にシフトして、そのビットシフトしたデジタル値を出力する。
【００３７】
以上のように、受光部１０上にＭ行Ｎ列に配列された各画素について、該画素のモニタ用フォトダイオードＰＤ_A,m,nで発生した電荷Ｑ_A,m,nが第１信号処理部２０_mにより検出される。その検出結果を表す第１信号が第１信号処理部２０_mより出力され、この第１信号に基づいて第２信号処理部３０_mの可変容量部の容量値が設定される。そして、該画素の撮像用フォトダイオードＰＤ_B,m,nで発生した電荷Ｑ_B,m,nが第２信号処理部３０_mの可変容量部に蓄積され、その蓄積された電荷の量を表す第２信号が第２信号処理部３０_mより出力される。このとき、電荷Ｑ_A,m,nに応じて（すなわち、電荷Ｑ_B,m,nに応じて）、第２信号処理部３０_mの可変容量部の容量値が適切に設定される。
【００３８】
したがって、高強度の光が撮像用フォトダイオードＰＤ_B,m,nに入射した場合であっても、第２信号処理部３０_mより出力される電圧値の飽和が回避され、また、低強度の光が撮像用フォトダイオードＰＤ_B,m,nに入射した場合であっても、入射光強度の検出感度の低下が回避され得る。さらに、受光部１０へ入射する光の分布における最大強度と最小強度との比が大きいときであっても、受光部１０上の全ての画素について出力飽和および感度低下の双方が回避され得る。
【００３９】
次に、本実施形態に係る固体撮像装置１の動作タイミングについて説明する。図５は、本実施形態に係る固体撮像装置１の動作を説明するタイミングチャートである。この図には、第ｍ行受光領域１１_mにあるモニタ用フォトダイオードＰＤ_A,m,nからビデオラインＶＬ_A,mへ出力される電荷量、第１信号処理部２０_mから出力される第１信号の値、第ｍ行受光領域１１_mにある撮像用フォトダイオードＰＤ_B,m,nからビデオラインＶＬ_B,mへ出力される電荷量、第２信号処理部３０_mから出力される第２信号の値、および、Ａ／Ｄ変換部４０から出力されるデジタル値、それぞれの出力タイミングが示されている。なお、以下に説明する固体撮像装置１の動作は、タイミング制御部５０による制御の下に行われるものである。
【００４０】
時刻ｔ_n,1以前に、各第１信号処理部２０_mのスイッチＳＷ₂₀が一旦閉じることにより各第１信号処理部２０_mの出力が初期化され、その後にスイッチＳＷ₂₀が開く。また、各第２信号処理部３０_mのスイッチＳＷ₃₀が一旦閉じることにより各第２信号処理部３０_mの出力が初期化され、その後にスイッチＳＷ₃₀が開く。
【００４１】
受光部１０の第(ｎ＋１)列にあるＭ個のスイッチＳＷ_A,1,n+1〜ＳＷ_A,M,n+1は、時刻ｔ_n,1に閉じ、この時刻ｔ_n,1より一定時間経過後の時刻ｔ_n,2に開く。また、受光部１０の第ｎ列にあるＭ個のスイッチＳＷ_B,1,n〜ＳＷ_B,M,nは、時刻ｔ_n,1に閉じ、時刻ｔ_n,2に開く。
【００４２】
この時刻ｔ_n,1から時刻ｔ_n,2までの期間に、受光部１０の第(ｎ＋１)列にあるモニタ用フォトダイオードＳＷ_A,m,n+1で発生した電荷Ｑ_A,m,n+1は、ビデオラインＶＬ_A,mを経て第１信号処理部２０_mに入力し、コンデンサＣ₂₀に蓄積される。第１信号処理部２０_mでは、このコンデンサＣ₂₀に蓄積された電荷の量に応じた電圧値Ｖ₂₀がアンプＡ₂₀より出力され、その電圧値Ｖ₂₀のレベルがコンパレータ２１〜２３により判定され、その判定結果が制御部２４に入力され記憶される。
【００４３】
また、この時刻ｔ_n,1から時刻ｔ_n,2までの期間に、受光部１０の第ｎ列にある撮像用フォトダイオードＳＷ_B,m,nで発生した電荷Ｑ_B,m,nは、ビデオラインＶＬ_B,mを経て第２信号処理部３０_mに入力し、可変容量部に蓄積される。なお、可変容量部の容量値は、時刻ｔ_n-1,2〜ｔ_n,1までの期間に適切に設定されている。第２信号処理部３０_mでは、この可変容量部に蓄積された電荷の量に応じた電圧値Ｖ₃₀がアンプＡ₃₀より出力される。
【００４４】
また、この時刻ｔ_n,1から時刻ｔ_n,2までの期間に、スイッチＳＷ_B,1〜ＳＷ_B,Mそれぞれが順次に閉じて、第２信号処理部３０₁〜３０_Mそれぞれより出力された電圧値Ｖ₃₀（第ｎ列の各画素に対応するもの）が順次にＡ／Ｄ変換部４０に入力する。また、スイッチＳＷ_A,1〜ＳＷ_A,Mそれぞれが順次に閉じて、第１信号処理部２０₁〜２０_Mそれぞれより出力された第１信号（第ｎ列の各画素に対応するもの）が順次にＡ／Ｄ変換部４０に入力する。そして、Ａ／Ｄ変換部４０において、第２信号処理部３０₁〜３０_Mそれぞれより出力された電圧値Ｖ₃₀はデジタル値に変換され、そのデジタル値は第１信号に基づいて必要に応じてビットシフトされる。そして、第ｎ列のＭ個の画素それぞれについて、そのビットシフトされたデジタル値がＡ／Ｄ変換部４０より出力される。
【００４５】
さらに、時刻ｔ_n,2から時刻ｔ_n+1,1までの期間に、その前の時刻ｔ_n,1から時刻ｔ_n,2までの期間に第１信号処理部２０_mの制御部２４に記憶されていた判定結果（すなわち、第(ｎ＋１)列にあるモニタ用フォトダイオードＳＷ_A,m,n+1で発生した電荷Ｑ_A,m,n+1のレベル）に基づいて、第１信号処理部２０_mの制御部２４より第１信号が出力される。そして、この第１信号に基づいて、第２信号処理部３０_mの可変容量部の容量値が設定される。その後、時刻ｔ_n+1,1から時刻ｔ_n+1,2までの期間に、受光部１０の第(ｎ＋１)列にある撮像用フォトダイオードＳＷ_B,m,n+1で発生した電荷Ｑ_B,m,n+1は、ビデオラインＶＬ_B,mを経て第２信号処理部３０_mに入力して可変容量部に蓄積され、この可変容量部に蓄積された電荷の量に応じた電圧値Ｖ₃₀がアンプＡ₃₀より出力される。
【００４６】
以上のように、受光部１０の第(ｎ＋１)列にあるモニタ用フォトダイオードＳＷ_A,m,n+1で発生した電荷Ｑ_A,m,n+1が第１信号処理部２０_mにおいて処理されている期間と、受光部１０の第ｎ列にある撮像用フォトダイオードＳＷ_B,m,nで発生した電荷Ｑ_B,m,nが第２信号処理部３０_mにおいて処理されている期間とは、少なくとも一部が互いに重なっている。すなわち、第１信号処理部２０_mおよび第２信号処理部３０_mそれぞれの処理が並列的に行われる。このような並列処理が行われることにより、受光面１０上のＭ×Ｎ個の画素の全てについて入射光強度を検出する時間が短縮され、単位時間当たりに撮像することができるフレーム数すなわちフレームレートが向上する。
【００４７】
次に、本実施形態に係る固体撮像装置１の変形例について説明する。図６は、本実施形態に係る固体撮像装置１の受光部１０の変形例を示す図である。この図に示される受光部１０は、図２に示されたものと比較すると、第ｍ行第ｎ列に位置するモニタ用フォトダイオードＰＤ_A,m,nに対応して４つのＦＥＴトランジスタＴ１_A,m,n〜Ｔ４_A,m,nが設けられている点で相違し、また、ビデオラインＶＬ_A,mに接続された定電流源１２_mが設けられている点で相違している。
【００４８】
トランジスタＴ１_A,m,nのソース端子には一定電圧が供給されている。トランジスタＴ１_A,m,nのドレイン端子は、トランジスタＴ２_A,m,nのソース端子と接続されている。トランジスタＴ２_A,m,nのドレイン端子は、モニタ用フォトダイオードＰＤ_A,m,nのカソード端子と接続されている。撮像用フォトダイオードＰＤ_A,m,nのアノード端子は接地電位とされている。トランジスタＴ３_A,m,nのソース端子には一定電圧が供給されている。トランジスタＴ３_A,m,nのドレイン端子は、トランジスタＴ４_A,m,nのソース端子と接続されている。トランジスタＴ３_A,m,nのゲート端子は、トランジスタＴ１_A,m,nのドレイン端子と接続されている。トランジスタＴ４_A,m,nのドレイン端子は、ビデオラインＶＬ_A,mと接続されている。トランジスタＴ１_A,m,n，Ｔ２_A,m,nおよびＴ４_A,m,nそれぞれのゲート端子には、タイミング制御部５０より出力される制御信号が入力する。
【００４９】
このように構成される受光部１０のモニタ用フォトダイオードＰＤ_Aは、いわゆるアクティブピクセルタイプのものであり、タイミング制御部５０による制御の下に以下のように動作する。トランジスタＴ２_A,m,nおよびＴ４_A,m,nそれぞれのゲート端子に所定電圧が印加されることで、モニタ用フォトダイオードＰＤ_A,m,nで発生した電荷の量に応じた電圧値がビデオラインＶＬ_A,mへ出力される。また、トランジスタＴ１_A,m,nのゲート端子に所定電圧が印加されることで、ビデオラインＶＬ_A,mへの出力が初期化される。このような図６に示される構成を受光部１０が有する場合にも、第１信号処理部２０_m、第２信号処理部３０_mおよびＡ／Ｄ変換部４０それぞれは上記と同様の構成を有し、固体撮像装置１は、同様の動作を行い、同様の効果を奏することができる。
【００５０】
図７は、本実施形態に係る固体撮像装置１の受光部１０の変形例における各フォトダイオードの配置の説明図である。この図に示される受光部１０は、図３に示されたものと比較すると、２行の撮像用フォトダイオードＰＤ_Bに対して、１行のモニタ用フォトダイオードＰＤ_Aが設けられている点で相違している。また、これに応じて、ビデオラインＶＬ_A,mおよび第１信号処理部２０_mそれぞれも、２行の撮像用フォトダイオードＰＤ_Bに対して１つずつ設けられている。すなわち、Ｍ×Ｎ個の撮像用フォトダイオードＰＤ_B,m,nが一定間隔で２次元配列されているのに対して、撮像用フォトダイオードＰＤ_B,m,nと撮像用フォトダイオードＰＤ_B,m+1,nとの間に１つのモニタ用フォトダイオードＰＤ_A,m,nが設けられている。また、第１信号処理部２０_mから出力された第１信号に基づいて、第２信号処理部３０_mの可変容量部の容量値が適切に設定されるだけでなく、第２信号処理部３０_m+1の可変容量部の容量値も適切に設定される。
【００５１】
このように受光部１０が構成される場合にも、第１信号処理部２０_m、第２信号処理部３０_mおよびＡ／Ｄ変換部４０それぞれは上記と略同様の構成を有し、固体撮像装置１は、略同様の動作を行い、略同様の効果を奏することができる。ただし、図３および図７それぞれに示されたものを互いに比較すると、図３に示されるように撮像用フォトダイオードＰＤ_Aに対して１対１に対応してモニタ用フォトダイオードＰＤ_Bが設けられている場合、受光部１０へ入射する光の分布が画素位置に応じて急峻に変化するときであっても、出力飽和および感度低下の双方を回避して高精度の撮像を行うことができる。一方、図７に示されるように撮像用フォトダイオードＰＤ_Aに対して多対１に対応してモニタ用フォトダイオードＰＤ_Bが設けられている場合、受光部１０の面積を小さくすることができ、或いは、受光部１０の画素数を多くすることができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本発明によれば、第２信号処理部の可変容量部の容量値が入射光強度に応じて適切に設定されるので、高強度の光が入射した場合であっても、第２信号処理部より出力される電圧値の飽和が回避され、また、低強度の光が入射した場合であっても、入射光強度の検出感度の低下が回避され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る固体撮像装置１の全体構成図である。
【図２】本実施形態に係る固体撮像装置１の一部構成図である。
【図３】本実施形態に係る固体撮像装置１の受光部１０における各フォトダイオードの配置の説明図である。
【図４】本実施形態に係る固体撮像装置１の第１信号処理部２０_mおよび第２信号処理部３０_mそれぞれの回路図である。
【図５】本実施形態に係る固体撮像装置１の動作を説明するタイミングチャートである。
【図６】本実施形態に係る固体撮像装置１の受光部１０の変形例を示す図である。
【図７】本実施形態に係る固体撮像装置１の受光部１０の変形例における各フォトダイオードの配置の説明図である。
【符号の説明】
１…固体撮像装置、１０…受光部、２０₁〜２０_M…第１信号処理部、３０₁〜３０_M…第２信号処理部、４０…Ａ／Ｄ変換部、５０…タイミング制御部、ＰＤ_A,m,n…モニタ用フォトダイオード、ＰＤ_B,m,n…撮像用フォトダイオード。

Claims

入射光強度に応じた量の電荷を各々発生する複数の撮像用フォトダイオードおよびモニタ用フォトダイオードを有する受光部と、
前記モニタ用フォトダイオードで発生した電荷の量を検出し、その検出結果を表す第１信号を出力する第１信号処理部と、
前記第１信号処理部より出力される前記第１信号に基づいて容量値が設定される可変容量部を有し、前記撮像用フォトダイオードで発生した電荷を前記可変容量部に蓄積し、その蓄積した電荷の量を表す第２信号を出力する第２信号処理部と、
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
前記撮像用フォトダイオードがＭ行Ｎ列（Ｍ≧２、Ｎ≧２）に２次元配列されており、
２次元配列された前記撮像用フォトダイオードの各行に対応して前記第２信号処理部が設けられている、
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
２次元配列された前記撮像用フォトダイオードの各行に対応して前記モニタ用フォトダイオードおよび前記第１信号処理部それぞれが設けられていることを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
前記撮像用フォトダイオードに対して１対１に対応して前記モニタ用フォトダイオードが設けられていることを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
前記撮像用フォトダイオードに対して多対１に対応して前記モニタ用フォトダイオードが設けられていることを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
前記受光部の第(ｎ＋１)列の前記モニタ用フォトダイオードで発生した電荷を前記第１信号処理部が処理する期間と、前記受光部の第ｎ列の前記撮像用フォトダイオードで発生した電荷を前記第２信号処理部が処理する期間とは、少なくとも一部が重なっている、ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置（ただし、ｎは１以上(Ｎ−１)以下の各整数）。