JP4054839B1 - 光電変換装置およびそれを用いた撮像システム - Google Patents

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Abstract

【課題】 ブロック配線を有する光電変換装置における、信号読み出しの高速化
【解決手段】 光電変換装置は、光電変換素子を有する画素が複数配された画素部と、画素からの信号が転送される複数のブロック配線と、ブロック配線からの信号を共通信号線へ転送する第2の転送スイッチと、それらを駆動させる駆動回路部と、を有する。そして、ブロック配線は、ブロック配線をリセット電位に設定するリセット手段を有する。
【選択図】 図1

Description

本発明は光電変換装置に関するものであり、詳細には、光電変換装置における回路構成に関する。
光電変換装置は近年デジタルカメラなどに用いられている。この光電変換装置の代表的な種類として、CCD型やMOS型光電変換装置が挙げられる。MOS型光電変換装置は、フォトダイオード等の光電変換素子を含む基本セル(画素)が2次元に配置された画素部と、画素部からの信号を保持する容量部と、容量部からの信号を外部へ出力するための共通信号線(水平信号線)とを有する。
光電変換装置は、多画素化、大判化が進んでおり、これに伴ってスイッチ用トランジスタ数の増大(合計ソース容量の増大)や信号線の容量の増大により、共通信号線の寄生容量が大きくなる傾向にある。特許文献1には、共通信号線の容量を低減するため、画素部からの信号をブロック配線に読み出した後、共通信号線へ出力する構成を有する光電変換装置の開示がある。
また多画素化に対応して、信号読み出しの高速化が求められている。信号読み出しの速度には、共通信号線の容量や共通信号線のリセットの速度が影響を与える。共通信号線のリセットとは、信号を読み出す前もしくは読み出した後に、信号線の電位を所定の電位に設定することをいう。このような技術に関しては、例えば特許文献2に記載されている。
特開2003−224776号公報 特開平10−191173号公報
特許文献1では、共通信号線の容量を低減する構成について検討されているものの、そのリセット方法、具体的にはブロック配線のリセット動作についての検討が充分ではなかった。上述したように、多画素化と信号読出しの高速化を両立するためには、共通信号線の容量低減だけでは充分でない場合があった。
このような課題に鑑み本発明は、ブロック配線を有する光電変換装置においてリセット動作を高速に行うことが可能な光電変換装置を提供することを目的とする。
本発明は、光電変換素子を有する画素が複数配された画素部と、前記画素からの信号が転送される複数の容量と、前記容量からの信号を転送する第1の転送スイッチと、前記複数の容量からの信号が転送される複数の信号線と、前記信号線からの信号を転送する第2の転送スイッチと、前記複数の信号線からの信号が転送される共通信号線と、駆動回路部と、を有する光電変換装置であって、前記信号線をリセット電位に設定するリセット手段が前記信号線に設けられていることを特徴とする。
本発明の光電変換装置によれば、信号読出しの高速化を達成することが可能となる。
本発明は、複数の垂直信号線の信号をそれぞれ保持する所定数の信号保持部に共通のブロック配線を有した構成において、複数のブロック配線にリセット手段を設けたことを特徴とする。この構成によって、ブロック配線の電位を高速にリセット電位に設定することが容易となる。これにより、ブロック配線をリセット電位にするための時間を短縮することが可能となり、画素からの信号を高速に読み出すことが可能となる。ここで、リセット手段とは、信号線の電位を所望の電位(リセット電位)VCHRに設定するものである。例えば、リセット電圧を供給する電源、リセット電圧の供給を制御するスイッチを含んで構成される。
特許文献1の構成におけるリセット動作は、共通信号線(水平信号線)に設けられたリセット手段によって行われる。この場合、ブロック配線の電位は、共通信号線およびスイッチを介してリセット電位に設定される。そのため、リセット電圧を供給する経路の容量、抵抗が大きくなり、信号の読出し速度に影響を与える。この点において検討の余地があった。また、十分にリセット動作期間が取れない場合、リセット手段からの距離に依存した電位のばらつきに関しても検討の余地があった。
これに対して、本発明の構成によれば、複数のブロック配線にリセット手段が設けられているので、リセット動作を速やかに行うことが可能となる。つまり、共通信号線を介さずとも各ブロック配線をリセットすることが可能となる。
ここで、信号線のリセット動作について説明する。まず、信号の出力動作から説明する。
信号を保持する信号保持部として機能する容量から共通信号線へ信号を出力する際には、その信号は信号保持部の容量値と共通信号線との容量値の分割比に応じたものとなる。その際、その信号の大きさと共通信号線への出力速度は次のように示される。容量部の容量をCとし、信号がVsigであったとする。共通信号線の容量をCとし、共通信号線へ出力された信号をVoutとする。そして、ブロック配線の容量をCHB、ブロック配線から共通信号線へ出力するMOSFETのオン抵抗をRとする。そして、共通信号線に設けられたリセット手段の抵抗をRとする。ここでは、リセット手段はスイッチ(例えば、リセット用のMOSFET)からなるとする。CはMOSFETのドレイン(あるいはソース)の複数が並列に接続されている為、容量Cは接続されているMOSFETの数にほぼ比例する。ここで、容量から共通信号線への容量分割のみを考えると、Vout=Vsig×C/(C+C)となる。出力のための時間Tsigは、調和平均を用いてTsig=(C//C)×R=(C×C)×R/(C+C)となる。共通信号線をリセットするための時間TRESは、TRES=C×Rとなる。R=Rと仮定して、出力およびリセットのための時間を比較すると、Tsig<TRESとなる。つまり、出力の時定数<リセットの時定数となり、リセットのための時間が読み出し速度に影響を与えてしまうことが分かる。
ここで、リセット動作を十分に行う為には、より小さなRでなくてはならない。そのために、例えば駆動力の大きなMOSFETを用いることが考えられる。しかし上述した容量が増加、すなわちCが増加することになる。さらに、ブロック配線を有する場合においても同様に時定数の問題が生ずる。ここで共通信号線のみにリセット手段を設けた場合を考える。この場合、ブロック配線と共通線容量とを同時にリセットする必要があるため、リセット手段のMOSFETの駆動力をさらに大きくする必要がある。駆動力を大きくすると前述のとおり容量が増加するため、CからCへ容量分割における信号のゲインの低下をまねいてしまう。
すなわち、Cを定めるには、信号の伝達とリセット動作の特性のバランスを考慮にいれる必要がある。従って、複数のブロック配線にリセット手段を設ける構成により、その各々のMOSFETの駆動力を最適化でき、また、リセット動作を迅速に行うことが出来る。また、ブロック配線から共通信号線へ信号を転送するためのMOSFETのオン抵抗(MOSFETの駆動力)を信号伝達に最適な値にすることができる。従って、信号の転送とブロック配線および共通信号線のリセット動作をともに迅速に行うことが可能となる。以上、スイッチとしてMOSFETを例に説明したがこれに限られるものではない。以下においてMOSFETを例に説明するが、その他の素子を用いることもできる。またスイッチとして表現した場合にもMOSFETや他の周知の素子を用いることができる。
次に図6を用いて、光電変換装置の全体的な構成を説明する。図6の101は画素部である。画素部101は、光電変換素子(例えば、フォトダイオード)を含む、基本セル(画素)が複数配されている。詳細な回路は後述する。102は、信号保持部として機能するラインメモリを含む容量部である。さらに、共通信号線へ信号を出力するためのMOSFETを有する。ラインメモリの信号をMOSFETによって読み出す部分でもあるため、以降、読み出し部102と称する。読み出し部102は、信号増幅部やA/D変換器を有していても良い。また読み出し部102にブロック配線部110が含まれている。本発明はこのブロック配線のリセット機構に特徴を有するものである。具体的には、複数のブロック配線にリセット手段を設けたことを特徴としている。
103は、水平走査回路を含む駆動回路部である。符号にあるa及びbは、同一の機能を有する構成であることを意味する。即ち、本実施形態では、画素部101からの信号は、読み出し部102aと読み出し部102bへ任意に振り分けて読み出すことが可能である。さらに、104は駆動回路部(垂直走査回路を含む)であり、105は増幅回路部、107は出力端子である。ここで、106は共通信号線部である。簡単のため、2本の線にて示しているが、詳細な構成は後述する。
以下、具体的な構成について実施形態を用いて説明するが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、上述したブロック配線のリセット機構に特徴を有するものであり、これに逸脱しない限り適宜組み合わせ可能である。またリセット手段は少なくとも複数のブロック配線にそれぞれ設けられていればよい。最も好ましいのは全てのブロック配線にそれぞれ設けられている構成であるが、垂直信号線の数等によっては、共通信号線のリセット手段に近接したブロック配線にはリセット手段は設けず、離れた場所に配された複数のブロック配線に設けてもよい。
ここで、垂直信号線とは第1方向に延在した配線のことである。また、水平信号線とは、第1方向とは異なる第2方向に延在した配線のことであり、第1方向と第2方向とは直交でなくてもよい。実施形態では水平信号線を共通信号線としている。
(第1の実施形態)
第1の実施形態について、図1を用いて、詳細な構成を説明する。図1は、図6における画素部101から読み出し部102aを経て出力端子107aまでの経路を示している。符号aは省略している。
画素部101には、画素126が2次元に配列している。画素126は、光電変換素子であるフォトダイオードPD、その電荷を転送する転送スイッチTX、電荷が転送される活性領域をリセットするリセットスイッチRESを有する。更に、電荷に基づいた電位を出力するためのMOSFET(SF)、画素の選択を行うスイッチSELとを含む。この構成は一例である。そして、画素は列方向に配された垂直信号線127にそれぞれ接続されている。垂直信号線127には、画素からの信号を増幅する増幅部125と信号を転送するスイッチ128が配されている。
読み出し部102は、スイッチ128を介して転送される信号を保持するラインメモリ108を含む。109は、ラインメモリ108に保持された信号をブロック配線112、113へ出力するためのスイッチであり、スイッチ120、121はブロック配線112、113の信号を共通信号線111へそれぞれ出力するためのスイッチである。さらに、各ブロック配線112および113はリセット手段122を有する。リセット手段はブロック配線に所望の電圧(リセット電圧)VCHRを供給するものであり、本実施形態においてはMOSFETによって構成されている。
ここで、ブロック配線112、113を設けたため、共通信号線に直接接続されるスイッチ数が減り共通信号線118の寄生容量が低減されている。それと同時に複数のブロック配線にそれぞれリセット手段122を有するため、共通信号線111とブロック配線112および113のリセット動作を高速で行うことが可能となり、高速読み出しが可能となる。また、リセット動作が容易に行えることで、各ブロック配線のリセット電位のばらつきを低減することが可能となり、高品質な画像信号を得ることが可能となる。
(第2の実施形態)
本実施形態の光電変換装置は、第1の実施形態と比べて各ブロック配線および共通信号線が2本の組となっている構成が異なる。この構成によって、ノイズ成分が抑制された信号を得ることが可能となり、高品質な画像を得ることが可能となる。更に、複数の共通信号線の組118および119を有することにより1組の共通信号線に接続されるブロック配線、スイッチの数が削減できるため、共通信号線の容量は更に低減される。同様に、ブロック配線の組114から117を有することにより各ブロック配線の容量が低減される。従って、第1の実施形態に比べて更なる高速読み出しが可能となる。
図2を用いて詳細に説明する。ブロック配線部および共通信号線部は、それぞれ4本の共通信号を有している。ブロック配線部の114Sと114N、115Sと115N、116Sと116N、117Sと117Nが組となっており、共通信号線部の118Sと118N、119Sと119Nが組となっている。S1はある画素からのノイズ信号と電荷に基づく信号とが重畳した信号を保持するラインメモリであり、N1はそのノイズ信号を保持するラインメモリである。S1、S2といった符号における数字は画素列に対応している。各ブロック配線114、115、116、117に読み出された信号は、スイッチ123あるいは124を介して共通信号線118あるいは119へと転送される。そして、各ブロック配線114、115、116、117はリセット手段122を有している。このような構成によって、各ブロック配線のリセット動作にかかる時間を短縮することが可能となり、信号のばらつきが低減され、また、より高速に信号を読み出すことが可能となる。
図4を用いて本実施形態の駆動方法の一例を説明する。図4は、転送スイッチ109のM1からM12を制御するパルスであり、パルスφ123、124はスイッチ123、124を制御する。さらにφCHRは、リセット手段のMOSトランジスタを制御するパルスである。ここでは、ハイパルスはトランジスタをオンしている。
まず、画素部からの信号がラインメモリ108に保持される。その後、転送スイッチ109の一部(M1からM4)がオンした後、リセット手段122のMOSトランジスタにハイパルスが入力し、リセット動作が行われる。このとき、すべてのリセット手段122にハイパルスは供給され、同時にリセット動作が行われている。ここで、M1からM4に対応する画素部からの信号がスイッチ123がオンすることで共通信号線118、119へと転送されている。その後、この動作が繰りかえされ、信号が読み出される。
本実施形態においては光信号に重畳したノイズ信号の例として、画素のノイズ信号を例に挙げたが、ブロック配線と画素との間の信号経路にアンプを設けた場合には、このアンプのノイズを抑制する構成であってもよい。
図5に、本実施形態における駆動回路部103の模式図を示す。駆動回路部103は、水平走査部を構成するデータ転送部と、ロジック回路によって構成される論理演算部とを有している。論理演算部の構成によって駆動方法,すなわち読み出し方法を変えることが可能である。
図5の構成において、基準クロックが入力したのち、水平走査回路のSR1からの出力がスイッチ109の一部(M1からM4)をオンにさせる。そして、順次SR2、SR3、SR4の出力がスイッチ109(M5からM16)を動作させていく。SR1等の出力が論理演算部に入力され、スイッチ123、124へパルスφ123、φ124を供給する。ここで、このφ123およびφ124は、単純に配線によって供給することも可能である。しかし、SR1等の出力を用いることで短時間でのリセットを実現することが可能となる。
本実施形態においては、第1の実施形態の構成における駆動を説明したが、その構成に限られるものではない。共通信号線等の構成に対応して、分周回路における駆動や制御線の数を変えればよい。
本実施形態の構成によって、ブロック配線を有することで共通信号線の容量を低減しつつ、リセット動作を容易にし、高速読み出しが可能な光電変換装置を得ることが可能となる。また、リセット動作が容易に行えることで、各ブロック配線のリセット電位のばらつきを低減することが可能となり、高品質な画像信号を得ることが可能となる。
(第3の実施形態)
本実施形態においては、第2の実施形態に比べて共通信号線にリセット手段を多く有している。図3に構成を示す。図1では共通信号線に一箇所のみ設けられていたが、共通信号線の増幅器105に近接する端部と、これとは逆側の端部にそれぞれ設けられている。このような構成によって、第2の実施形態に比べて、よりリセット動作を容易に行うことが可能となり、高速に信号読み出しを行うことが可能となる。特に、共通信号線ごとに複数のリセット手段が離れて配置されていることで、高速なリセットが可能となる。
(第4の実施形態)
本実施形態においては上述した実施形態と比較して、リセット手段に用いるスイッチの駆動力を更に規定したものである。第1の実施形態を例にスイッチの駆動力について説明する。図7は読み出し部102から出力端子107までの概念図である。ブロック配線112および共通信号線111は容量CHBおよびCにてしめしている。スイッチには、オン時の抵抗R、Rrを示している。簡単のため、C=CHB=Cと仮定すると、ラインメモリ108から共通信号線111まで信号を読み出す時の時定数は調和平均をとると(C//(CHB+C))×R=(2/3)C×Rである。リセットのための時間はCHB×Rr=C×Rr=C×Rrとなる。高速に読み出すために、信号の読み出しとリセットとを同程度の時間で行う場合には、Rr=(2/3)Rとなる。従って、リセット手段のスイッチのオン抵抗は信号を転送するためのスイッチよりも小さいオン抵抗のスイッチであればよいことが分かる。これは第1の実施形態に限らず全ての実施形態に適用可能である。
(第5の実施形態)
本実施形態においては、画素からブロック配線までの構成の例を示す。画素は上述したような構成である。画素126から、電荷保持部をリセットトランジスタによって基準電位に設定した際(リセット動作時)の電位に基づく信号(ノイズ信号)が垂直信号線127に出力される。さらに、画素126から、画像を形成する信号となる、光電変換素子から転送された電荷に基づく信号(ノイズ信号が重畳された光信号)が垂直信号線127に出力される。垂直信号線127には、ソースフォロワ回路の一部を構成する定電流源が設けられている(不図示)。その後、ノイズ信号および電荷に基づく信号はアンプ125の前段のクランプ容量により差動処理されノイズ信号が抑制された信号を得ることができる。その後、画素のノイズが抑制された信号は各垂直信号線127に配された増幅部(アンプ)125にて増幅され、MOSFET128を介してラインメモリ108に保持される。ラインメモリがアンプに対して二つ設けられているのはアンプのオフセットを抑制するための差動処理を行うためである。
そして、MOSFET109を介して、ラインメモリ108に保持された信号はブロック配線へと出力される。
本実施形態によれば、ブロック配線、共通信号線に読み出す前に信号を増幅することが可能となり、上記実施形態に対して、更にSNを向上させることが可能となる。
(第6の実施形態)
本発明の信号検出装置を用いた例として、撮像システムに適用した場合を述べる。信号検出装置は、光を検出する光電変換素子を有する光電変換装置であり、撮像システムの一例としてデジタルスチルカメラに用いた場合を、図8を用いて説明する。他の撮像システムには、デジタルカムコーダなどが挙げられる。
図8は、デジタルスチルカメラのシステムをブロックで図示したものである。は、光電変換装置である固体撮像装置804を備える。
被写体の光学像は、レンズ802等を含む光学系によって固体撮像装置804の撮像面に結像される。レンズ802の外側には、レンズ802のプロテクト機能とメインスイッチを兼ねるバリア801が設けられうる。レンズ802には、それから出射される光の光量を調節するための絞り803が設けられうる。固体撮像装置804から複数チャンネルで出力される撮像信号は、撮像信号処理回路805によって各種の補正、クランプ等の処理が施される。撮像信号処理回路805から複数チャンネルで出力される撮像信号は、A/D変換器806でアナログ−ディジタル変換される。A/D変換器806から出力される画像データは、信号処理部(画像処理部)807によって各種の補正、データ圧縮などがなされる。固体撮像装置804、撮像信号処理回路805、A/D変換器806及び信号処理部807は、タイミング発生部808が発生するタイミング信号にしたがって動作する。
ブロック805から808は、固体撮像装置804と同一チップ上に形成されてもよい。また、各ブロックは、全体制御・演算部809によって制御される。その他、画像データを一時的に記憶するためのメモリ部810、記録媒体への画像の記録又は読み出しのための記録媒体制御インターフェース部811を備える。記録媒体812は、半導体メモリ等を含んで構成され、着脱が可能である。さらに、外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース(I/F)部813を備えてもよい。
次に、図8の動作について説明する。バリア801のオープンに応じて、メイン電源、コントロール系の電源、A/D変換器806等の撮像系回路の電源が順にオンする。その後、露光量を制御するために、全体制御・演算部809が絞り803を開放にする。固体撮像装置804から出力された信号は、撮像信号処理回路805をスルーしてA/D変換器806へ提供される。A/D変換器806は、その信号をA/D変換して信号処理部807に出力する。信号処理部807は、そのデータを処理して全体制御・演算部809に提供し、全体制御・演算部809において露出量を決定する演算を行う。全体制御・演算部809は、決定した露出量に基づいて絞りを制御する。
次に、全体制御・演算部809は、固体撮像装置804から出力され信号処理部807で処理された信号にから高周波成分を取り出して、高周波成分に基づいて被写体までの距離を演算する。その後、レンズ802を駆動して、合焦か否かを判断する。合焦していないと判断したときは、再びレンズ802を駆動し、距離を演算する。
そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像装置804から出力された撮像信号は、撮像信号処理回路805において補正等がされ、A/D変換器806でA/D変換され、信号処理部807で処理される。信号処理部807で処理された画像データは、全体制御・演算809によりメモリ部810に蓄積される。
その後、メモリ部810に蓄積された画像データは、全体制御・演算部809の制御により記録媒体制御I/F部を介して記録媒体812に記録される。また、画像データは、外部I/F部813を通してコンピュータ等に提供されて処理されうる。
高速読み出しが可能な光電変換装置を用いることによって、高速撮影や動画撮影においても高品質な画像が提供可能な撮像システムを提供することが可能となる。
なお、上述の実施形態においては光電変換装置について述べてきたが、本発明は共通信号線の構成に係るものであり、検出される信号が磁気信号であってもよい。構成においても、共通信号線は光信号用とリセット信号用との組でなくてもよい。
第1の実施形態の読み出し部の模式的な回路図 第2の実施形態の読み出し部の模式的な回路図 第3の実施形態の読み出し部の模式的な回路図 第2の実施形態の駆動方法の一例 駆動回路の一例 光電変換装置の平面模式図 第1の実施形態の模式図 撮像システムを説明するブロック図
符号の説明
101 画素部
102 読み出し部(容量部)
103 駆動回路部
104 駆動回路部
105 増幅回路部
106 共通信号線部
107 出力端子
108 ラインメモリ(容量)
109 読み出しスイッチ
110 ブロック配線部
112〜117 ブロック配線
118、119 共通信号線
120、121、123、124 スイッチ
122 リセット手段

Claims (7)

  1. 2次元に配された光電変換素子と、
    前記光電変換素子の信号が出力される複数の垂直信号線と、
    前記垂直信号線に出力された信号を保持する信号保持部と、
    前記信号保持部の信号が出力される水平信号線と、
    複数の前記信号保持部を1つのブロックとし、該ブロックを複数有し、同一のブロックに含まれる前記信号保持部からの信号がそれぞれ読み出される複数のブロック配線と、
    前記複数のブロック配線に読み出された信号をそれぞれ前記水平信号線に転送するための複数のスイッチと、を有し、
    前記ブロック配線の電位をリセットするリセット手段を、複数のブロック配線に設けることを特徴とする光電変換装置。
  2. 前記リセット手段は全てのブロック配線に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。
  3. 前記ブロック配線は、第1のブロック配線と第2のブロック配線とを有し、
    前記水平信号線は、第1の水平信号線と第2の水平信号線とを有し、
    前記第1の水平信号線へ前記第1のブロック配線からの信号が転送され、
    前記第2の水平信号線へ前記第2のブロック配線からの信号が転送されることを特徴とする請求項1あるいは2に記載の光電変換装置。
  4. 前記水平信号線をリセット電位に設定するリセット手段が前記水平信号線に設けられていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の光電変換装置。
  5. 前記リセット手段はMOSトランジスタからなることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の光電変換装置。
  6. 前記リセット手段のMOSトランジスタは、前記複数のスイッチに比べて、オン時の抵抗が小さいことを特徴とする請求項5に記載の光電変換装置。
  7. 請求項1から6のいずれか1項に記載の光電変換装置と、
    前記光電変換装置から出力される画像信号を処理する画像処理部と、
    を備えることを特徴とする撮像システム。
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