JP4306090B2

JP4306090B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP4306090B2
Application number: JP2000154023A
Authority: JP
Inventors: 正純瀬戸田
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2000-05-25
Filing date: 2000-05-25
Publication date: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2020-05-25
Also published as: JP2001339639A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像装置に係り、特にＣＭＯＳイメージセンサと称する固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）は、規則的に配列された多数の画素のフォトダイオードで光電変換されて得られた信号を、画素部で検出・増幅して撮像信号として出力する。従来の固体撮像装置の画素部の各画素は、図３（ａ）に示す等価回路のリニアアンプを用いたアクティブピクセルセンサ（ＡＰＳ）か、同図（ｂ）に示す等価回路のログアンプを用いたＡＰＳにより構成されている。
【０００３】
ここで、図３（ａ）に示すリニアアンプを用いたＡＰＳでは、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）Ｍ１とＭ２の各ドレインが電源電圧Ｖｄｄに接続され、トランジスタＭ１のソースとトランジスタＭ２のゲートが、画素を構成するフォトダイオードＤ１のカソードに接続されている。更に、トランジスタＭ２のソースが、トランジスタＭ３のドレイン、ソースを通して出力側に接続されている。
【０００４】
このリニアアンプを用いたＡＰＳの動作について説明するに、まず、トランジスタＭ１のゲートに端子１を介してリセットパルスが印加され、トランジスタＭ１がオンになり、トランジスタＭ１のドレイン、ソースを介してフォトダイオードＤ１のカソードの電圧が電源電位Ｖｄｄにされる（リセットされる）。なお、このとき、トランジスタＭ３はオフである。続いて、トランジスタＭ１のゲートへのリセットパルスが消失してトランジスタＭ１がオフとなり、これにより、フォトダイオードＤ１のカソード電位がＶｄｄに維持される。
【０００５】
この状態で、フォトダイオードＤ１に光が照射され、フォトダイオードＤ１が入射光を光電変換して、照射光量（強度×時間）に比例した電荷ＱがフォトダイオードＤ１に蓄積され、フォトダイオードＤ１のカソードの電位がＱ／Ｃなる電圧変化を起こす（ただし、ＣはフォトダイオードＤ１の容量である。）。
【０００６】
その後、水平ライン読み出しのためのスイッチングパルスが端子２を介してトランジスタＭ３のゲートに印加されることにより、フォトダイオードＤ１の上記のカソード電圧変化分が、トランジスタＭ２と負荷トランジスタ（図示せず）からなるソースフォロワ回路及びトランジスタＭ３を通して映像信号として出力される。
【０００７】
次に、図３（ｂ）に示すログアンプを用いたＡＰＳでは、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）Ｍ４とＭ５の各ドレインとＭ４のゲートが電源電圧Ｖｄｄに接続され、トランジスタＭ４のソースとトランジスタＭ５のゲートが、画素を構成するフォトダイオードＤ１のカソードに接続されている。更に、トランジスタＭ５のソースが、トランジスタＭ３のドレイン、ソースを通して出力側に接続されている。
【０００８】
このログアンプを用いたＡＰＳの動作について説明するに、トランジスタＭ４のゲートには一定の電源電圧Ｖｄｄがバイアス電圧として印加されており、トランジスタＭ４はオン状態となる以前のサブスレッショルド領域で動作する。このサブスレッショルド領域では、ドレイン電流はゲート・ソース間の電圧に対して、指数関数的に増大する（対数曲線を示す）。
【０００９】
従って、この状態でフォトダイオードＤ１に光が照射されると、フォトダイオードＤ１で光電変換された電流が流れ、この時のＭ４のソース電圧-Ｄ１の光電流（ドレイン電流）の関係は、対数曲線を示し、非常に広いダイナミックレンジが得られる。この時のフォトダイオードＤ１のカソード電圧は、水平ライン読み出しのためのスイッチングパルスが端子２を介してトランジスタＭ３のゲートに印加されてＭ３がオンされることにより、トランジスタＭ５と負荷トランジスタ（図示せず）からなるソースフォロワ回路及びトランジスタＭ３を通して映像信号として出力される。このログアンプを用いたＡＰＳでは、１２０ｄＢのダイナミックレンジのものが報告されている（佐々木正明他、「対数圧縮ＣＭＯＳイメージセンサとその応用」、ＩＰＵ99-63）。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、上記のリニアアンプを用いたＡＰＳによる画素部を有する従来の固体撮像装置では、画質は良いが、ダイナミックレンジが足りないという問題がある。一方、上記のログアンプを用いたＡＰＳによる画素部を有する従来の固体撮像装置では、広いダイナミックレンジが得られる反面、コントラストが悪く、画質に問題がある。このため、従来の固体撮像装置では、使用目的に応じて、画質を優先するときには、画素部をリニアアンプを用いたＡＰＳとし、ダイナミックレンジを優先するときには、画素部をログアンプを用いたＡＰＳとする別々の構成としなければならない。
【００１１】
本発明は以上の点に鑑みなされたもので、使用目的に応じて最適な画素構成を選択し得る固体撮像装置を提供することを目的とする。
【００１２】
また、本発明の他の目的は、省電力化を図り得る固体撮像装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するため、二次元マトリクス状に配列された複数の画素をそれぞれ構成する複数のフォトダイオードのカソード電位を、対応するソースフォロワ回路を通して映像信号として出力する画素部を備えた固体撮像装置において、複数のフォトダイオードの各カソード側に設けられた、リセットパルスによりスイッチングする複数のリセット用トランジスタと、複数のリセット用トランジスタのうち、同じ行に配列された複数のリセット用トランジスタのゲートに、このリセット用トランジスタをオン状態となる以前のサブスレッショルド領域で動作させるべく電源電圧を同時に印加するオン状態か、あるいはこの電源電圧の印加を禁止するオフ状態にスイッチング制御される、各行毎に設けられた第１のスイッチング用トランジスタと、複数のリセット用トランジスタのうち、同じ行に配列された複数のリセット用トランジスタのゲートに、リセットパルスを同時に印加するオン状態か、リセットパルスの通過を阻止するオフ状態にスイッチング制御される、各行毎に設けられた第２のスイッチング用トランジスタと、映像信号の１フィールド又は１フレーム内の最大輝度と最小輝度の差を求め、その差が予め設定した参照電圧以上かどうかに応じて異なる論理値の信号を出力する電圧比較回路と、電圧比較回路の出力信号の論理値に応じて前記第１及び第２のスイッチング用トランジスタの一方をオン状態、他方をオフ状態に選択制御するスイッチング信号を出力する切替回路とを有することを特徴とする。
【００１６】
この発明では、撮像する画面内のダイナミックレンジに応じて、第１のスイッチング用トランジスタをオン状態、かつ、第２のスイッチング用トランジスタをオフ状態に自動的に制御するか、又は第１のスイッチング用トランジスタをオフ状態、かつ、第２のスイッチング用トランジスタをオン状態に自動的に制御することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。図１は本発明なる固体撮像装置の一実施の形態のブロック図を示す。同図において、画素部１０は多数の画素が二次元マトリクス状に配列されており、各画素は後述の図２に示すように、リニアアンプを用いたＡＰＳと、ログアンプを用いたＡＰＳのいずれか一方に選択される構成とされ、更にロー（Ｒｏｗ）選択スイッチ、リセットスイッチ、方式選択スイッチなども含まれている。
【００１８】
また、画素部１０は負荷トランジスタ１１に接続される一方、垂直シフトレジスタ（ＶＳＲ）１２からの垂直パルスがロー選択スイッチに供給され、水平シフトレジスタ（ＨＳＲ）１３からの水平パルスがコラム（Column）選択スイッチ１４を介して供給され、更に負荷１１にも供給される。更に、この実施の形態は、コラム選択スイッチ１４の出力映像信号と端子１６からの参照電圧とを比較する電圧比較回路１５と、電圧比較回路１５の出力電圧に応じて、画素部１０へ出力するスイッチングパルスａ、方式選択パルスｂ及びリセットパルスｃの論理値を変化させる切替回路１７とを有している。
【００１９】
図２は画素部１０及び負荷トランジスタ１１の各一部の一実施の形態の回路図を示す。図２には画素部１０の４画素分の画素回路を示している。すなわち、フォトダイオードＤ１１、Ｄ１２、Ｄ２１及びＤ２２と、これらフォトダイオードＤ１１、Ｄ１２、Ｄ２１及びＤ２２のカソードにソースが接続されているトランジスタ（ＦＥＴ）Ｍ１１１、Ｍ１２１、Ｍ２１１及びＭ２２１と、これらフォトダイオードＤ１１、Ｄ１２、Ｄ２１及びＤ２２のカソードにゲートが接続されているトランジスタ（ＦＥＴ）Ｍ１１２、Ｍ１２２、Ｍ２１２及びＭ２２２とが、上記の４つの画素を構成している。
【００２０】
また、トランジスタ（ＦＥＴ）Ｍ１１３、Ｍ１２３、Ｍ２１３及びＭ２２３は、上記の４つの画素に対応したロー選択スイッチで、それらのゲートには端子ｒ１１、ｒ１２、ｒ２１、ｒ２２には、図１の垂直シフトレジスタ１２からの垂直パルスが印加される。また、垂直方向に配列されたトランジスタＭ１１３、Ｍ１２３等のソースは負荷トランジスタＱ１のドレインに接続され、垂直方向に配列されたトランジスタＭ２１３、Ｍ２２３等のソースは負荷トランジスタＱ２のドレインに接続されている。ソースが接地されているこれらの負荷トランジスタＱ１、Ｑ２は、ゲートが端子２５に共通接続されており、この端子２５には一定のバイアス電圧が常時印加され、定電流源として動作するようにされている。
【００２１】
このような画素回路に加えて、本実施の形態では、第１行に配列されているトランジスタＭ１１１、Ｍ２１１等の各ゲートが、スイッチング用トランジスタ（ＦＥＴ）Ｍ１１０のソースとトランジスタ（ＦＥＴ）とＭ０１０のソースにそれぞれ接続されている。同様に、第２行に配列されているトランジスタＭ１２１、Ｍ２２１等の各ゲートが、スイッチング用トランジスタ（ＦＥＴ）Ｍ１２０のソースとトランジスタ（ＦＥＴ）Ｍ０２０のソースにそれぞれ接続されている。更に、トランジスタＭ１１０、Ｍ１２０の各ゲートは端子２１に共通接続されており、トランジスタＭ０１０、Ｍ０２０の各ゲートは端子２２に共通接続されている。
【００２２】
次に、この実施の形態の動作について説明する。いま、撮影場面が暗く、画質を優先したいときには、切替回路１７からローレベルのスイッチングパルスａと、ハイレベルのスイッチングパルスｂが出力されると共に、リセットパルスｃが順次に出力される。上記のローレベルのスイッチングパルスａは、図２の端子２１を介してトランジスタＭ１１０、Ｍ１２０等のゲートに印加されて、これらのトランジスタＭ１１０、Ｍ１２０をオフとする。また、これと同時に、上記のハイレベルのスイッチングパルスｂは、図２の端子２２を介してトランジスタＭ０１０、Ｍ０２０等のゲートに印加されて、これらのトランジスタＭ０１０、Ｍ０２０等をオンとする。
【００２３】
この状態で、切替回路１７からのハイレベルのリセットパルスｃが端子２３、２４等から、オン状態にあるトランジスタＭ０１０、Ｍ０２０等を介して同じ水平ライン（行）にあるトランジスタＭ１１１、Ｍ２１２等、Ｍ１２１、Ｍ２２２等をそれぞれオンとして、それらのトランジスタＭ１１１、Ｍ２１２、Ｍ１２１、Ｍ２２２等のドレイン、ソースを介してフォトダイオードＤ１１、Ｄ２１、Ｄ１２、Ｄ２２等のカソードの電圧が電源電位Ｖｄｄにされる（リセットされる）。なお、このとき、トランジスタＭ１３１、Ｍ２１３、Ｍ１２３、Ｍ２２３はオフである。続いて、上記のリセットパルスｃが消失してトランジスタＭ１がオフとなり、これにより、フォトダイオードＤ１のカソード電位がＶｄｄに維持される。
【００２４】
この状態で、フォトダイオードＤ１１、Ｄ２１、Ｄ１２、Ｄ２２等に光が照射され、フォトダイオードＤ１１、Ｄ２１、Ｄ１２、Ｄ２２等が入射光を光電変換して、照射光量（強度×時間）に比例した電荷ＱがフォトダイオードＤ１１、Ｄ２１、Ｄ１２、Ｄ２２等に蓄積され、フォトダイオードＤ１１、Ｄ２１、Ｄ１２、Ｄ２２等のカソードの電位がＱ／Ｃなる電圧変化を起こす。
【００２５】
その後、図１の垂直シフトレジスタ１２からのハイレベルの垂直パルスが、ある１水平走査期間（１Ｈ）は、端子ｒ１１、ｒ２１等を介して１行目の同じ水平方向に配列されたトランジスタＭ１１３、Ｍ２１３等のゲートに印加されて、これらのトランジスタをオンとするため、この１Ｈ期間では、１行目の水平方向に配列されているフォトダイオードＤ１１、Ｄ２１の上記のカソード電圧変化分が、トランジスタＭ１１３、Ｍ２１３等と負荷トランジスタＱ１、Ｑ２等からなるソースフォロワ回路を通して、図１のコラム選択スイッチ１４へ映像信号として出力される。コラム選択スイッチ１４からは同じ水平ライン上の多数のフォトダイオードからの電圧変化分が、１Ｈ内の映像期間内で順次切替出力される。
【００２６】
次の１Ｈ期間では、垂直シフトレジスタ１２からのハイレベルの垂直パルスが、端子ｒ１２、ｒ２２等を介して２行目の水平方向に配列されたトランジスタＭ１２３、Ｍ２２３等のゲートに印加されて、これらのトランジスタをオンとするため、この１Ｈ期間では、２行目の水平方向に配列されているフォトダイオードＤ１２、Ｄ２２の上記のカソード電圧変化分が、トランジスタＭ１２３、Ｍ２２３等と負荷トランジスタＱ１、Ｑ２等からなるソースフォロワ回路を通して、図１のコラム選択スイッチ１４へ映像信号として出力される。コラム選択スイッチ１４からは２行目の水平ライン上の多数のフォトダイオードからの電圧変化分が、１Ｈ内の映像期間内で順次切替出力される。
【００２７】
以下、上記と同様の動作が繰り返される。このようにして、上記の場合は、リニアアンプを用いたＡＰＳによる動作が行われる。この動作状態において、例えば、太陽光や電球等明るい物体が撮影場面の中に入ってきた場合、コラム選択スイッチ１４から出力された映像信号の、１フィールド（フレーム）内の最大照度と最低照度に対応する各信号電圧レベルの差が大きくなる。電圧比較回路１５では、この差を求め、更にこの差が端子１６を介して入力される参照電圧と比較して、これよりも大きい時には、明るい場面であると判断して、ハイレベルの信号を切替回路１７へ出力する。
【００２８】
切替回路１７はこのハイレベルの信号入力により、ハイレベルのスイッチングパルスａと、ローレベルのスイッチングパルスｂを出力する。上記のハイレベルのスイッチングパルスａは、図２の端子２１を介してトランジスタＭ１１０、Ｍ１２０等のゲートに印加されて、これらのトランジスタＭ１１０、Ｍ１２０等をオンとする。また、これと同時に、上記のローレベルのスイッチングパルスｂは、図２の端子２２を介してトランジスタＭ０１０、Ｍ０２０等のゲートに印加されて、これらのトランジスタＭ０１０、Ｍ０２０等をオフとする。
【００２９】
トランジスタＭ１１０、Ｍ１２０がオンとなると、リセットパルスがゲートに印加されるべきトランジスタＭ１１１、Ｍ２１１、Ｍ１２０、Ｍ２２１等のゲートには、リセットパルスに代えてトランジスタＭ１１０、Ｍ１２０のドレイン、ソースを介して電源電圧Ｖｄｄがバイアス電圧として印加され、トランジスタＭ１１１、Ｍ２１１、Ｍ１２０、Ｍ２２１等はオン状態となる以前のサブスレッショルド領域で動作する。このサブスレッショルド領域では、ドレイン電流はゲート・ソース間の電圧に対して、指数関数的に増大する（対数曲線を示す）。
【００３０】
従って、この状態でフォトダイオードＤ１１、Ｄ２１、Ｄ１２、Ｄ２２に光が照射されると、フォトダイオードＤ１１、Ｄ２１、Ｄ１２、Ｄ２２で光電変換された電流が流れ、この時のＭ１１１、Ｍ２１１、Ｍ１２０、Ｍ２２１のソース電圧-Ｄ１１、Ｄ２１、Ｄ１２、Ｄ２２の光電流（ドレイン電流）の関係は、対数曲線を示し、非常に広いダイナミックレンジが得られる。
【００３１】
その後、前述したように、図１の垂直シフトレジスタ１２からのハイレベルの垂直パルスに基づき、ある１Ｈ期間では、１行目の水平方向に配列されているフォトダイオードＤ１１、Ｄ２１のカソード電圧変化分が、トランジスタＭ１１３、Ｍ２１３等と負荷トランジスタＱ１、Ｑ２等からなるソースフォロワ回路を通して、図１のコラム選択スイッチ１４へ映像信号として出力され、次の１Ｈ期間では、２行目の水平方向に配列されているフォトダイオードＤ１２、Ｄ２２のカソード電圧変化分が、トランジスタＭ１２３、Ｍ２２３等と負荷トランジスタＱ１、Ｑ２等からなるソースフォロワ回路を通して、図１のコラム選択スイッチ１４へ映像信号として出力される。
【００３２】
コラム選択スイッチ１４からは２行目の水平ライン上の多数のフォトダイオードからの電圧変化分が、１Ｈ内の映像期間内で順次切替出力される。以下、上記と同様の動作が繰り返される。このようにして、高輝度の物体があるダイナミックレンジの広い場面では、ログアンプを用いたＡＰＳ動作を画素部１０に行わせることができる。この動作状態において、トランジスタＭ０１０及びＭ０２０はオフとされているため、リセットパルスｃによる動作は行われず、リセット回路の停止による省電力化を図ることができる。
【００３３】
上記のログアンプを用いたＡＰＳによる動作状態において、明るい物体が無い撮影場面に移った場合は、コラム選択スイッチ１４から出力された映像信号の、１フィールド（フレーム）内の最大照度と最低照度に対応する各信号電圧レベルの差が小さくなる。このとき、電圧比較回路１５は、この差が端子１６を介して入力される参照電圧よりも小さくなり、暗い場面であると判断して、ローレベルの信号を切替回路１７へ出力する。
【００３４】
この結果、切替回路１７は、ローレベルのスイッチングパルスａと、ハイレベルのスイッチングパルスｂを出力すると共に、リセットパルスｃが順次に出力し、画素部１０を前述したリニアアンプを用いたＡＰＳの動作に切替制御する。
【００３５】
このように、本実施の形態によれば、撮影画面の明るさ（あるいはダイナミックレンジ）に応じて簡単にログアンプからリニアアンプへ、あるいはその逆に切り替えることができ、また、この切り替えに際しては、画素部１０の各行毎に２個のトランジスタＭ０１０（Ｍ０２０）及びＭ１１０（Ｍ１２０）を設けるだけでよいため、画素部１０の開口率の低下やデバイス面積の増大によるコストの上昇が実質上ない。
【００３６】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、例えばリニアアンプとして使用するか、ログアンプとして使用するかの切り替えを手動で行うようにしてもよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、画素部をリニアアンプを用いた画素動作か、ログアンプを用いた画素動作を選択的に行えるため、高画質の撮影がしたいときにはリニアアンプを用いた画素動作に、高輝度の物体があるときにはダイナミックレンジの広いログアンプを用いた画素動作というように、一つの装置で撮影対象に応じた最適な撮像動作を選択することができる。
【００３８】
また、本発明によれば、上記の選択動作は第１のトランジスタと第２のトランジスタを各行毎に追加するだけでよいので、画素部の開口率の低下や、固体撮像装置デバイス面積の増大によるコスト上昇を実質的にゼロに抑えることができる。
【００３９】
更に、本発明によれば、ログアンプを用いた画素動作をさせるときには、リセットパルスを不要にできるため、リセット回路の停止による省電力化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態のブロック図である。
【図２】図１中の画素部と負荷トランジスタの各一部の一実施の形態の回路図である。
【図３】従来の一画素回路の各例の等価回路図である。
【符号の説明】
１０画素部
１１負荷トランジスタ
１２垂直シフトレジスタ（ＶＳＲ）
１３水平シフトレジスタ（ＨＳＲ）
１４コラム選択スイッチ
１５電圧比較回路
１６参照電圧入力端子
１７切替回路
２１、２２スイッチング信号入力端子
２３、２４リセットパルス入力端子
Ｍ０１０、Ｍ０２０リセット回路動作制御用スイッチングトランジスタ
Ｍ１１０、Ｍ１２０リニアアンプ・ログアンプ切替用トランジスタ
Ｍ１１１、Ｍ２１１、Ｍ１２１、Ｍ２２１、Ｍ１１２、Ｍ２１２、Ｍ１２２、Ｍ２２２トランジスタ
Ｍ１１３、Ｍ２１３、Ｍ１２３、Ｍ２２３ロー選択スイッチ用トランジスタ
Ｄ１１、Ｄ２１、Ｄ１２、Ｄ２２フォトダイオード

Claims

二次元マトリクス状に配列された複数の画素をそれぞれ構成する複数のフォトダイオードのカソード電位を、対応するソースフォロワ回路を通して映像信号として出力する画素部を備えた固体撮像装置において、
前記複数のフォトダイオードの各カソード側に設けられた、リセットパルスによりスイッチングする複数のリセット用トランジスタと、
前記複数のリセット用トランジスタのうち、同じ行に配列された複数のリセット用トランジスタのゲートに、このリセット用トランジスタをオン状態となる以前のサブスレッショルド領域で動作させるべく電源電圧を同時に印加するオン状態か、あるいはこの電源電圧の印加を禁止するオフ状態にスイッチング制御される、各行毎に設けられた第１のスイッチング用トランジスタと、
前記複数のリセット用トランジスタのうち、同じ行に配列された複数のリセット用トランジスタのゲートに、前記リセットパルスを同時に印加するオン状態か、前記リセットパルスの通過を阻止するオフ状態にスイッチング制御される、各行毎に設けられた第２のスイッチング用トランジスタと、
前記映像信号の１フィールド又は１フレーム内の最大輝度と最小輝度の差を求め、その差が予め設定した参照電圧以上かどうかに応じて異なる論理値の信号を出力する電圧比較回路と、
前記電圧比較回路の出力信号の論理値に応じて前記第１及び第２のスイッチング用トランジスタの一方をオン状態、他方をオフ状態に選択制御するスイッチング信号を出力する切替回路と
を有することを特徴とする固体撮像装置。
前記切替回路は、前記差が前記参照電圧以上である撮像場面のダイナミックレンジが大きいときの第１の論理値の前記電圧比較回路の出力信号が入力されたときには、前記第１のスイッチング用トランジスタをオン、前記第２のスイッチング用トランジスタをオフとするスイッチング信号を出力して前記画素部をログアンプによる動作をさせ、前記差が前記参照電圧未満である撮像場面のダイナミックレンジが小さいときの第２の論理値の前記電圧比較回路の出力信号が入力されたときには、前記第１のスイッチング用トランジスタをオフ、前記第２のスイッチング用トランジスタをオンとするスイッチング信号を出力すると共に、前記リセットパルスを出力して前記画素部をリニアアンプによる動作をさせることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。