JP4538528B2 - 固体撮像素子 - Google Patents
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Description
図2を参照して、反転増幅回路210は、接地ノード5および電源ノード6の間に直列に接続された,トランジスタ212および214を含む。トランジスタ212のゲートは電源ノード6と接続されるので、トランジスタ212は抵抗素子として機能する。したがって、反転増幅回路210は、トランジスタ214のゲートと接続された入力ノードN1の電位が、トランジスタ214のしきい値電圧に対応する所定電位を超えたときには、接地電位Vss(論理ローレベル、以下単に「Lレベル」と表記する)の信号を出力ノードN2へ出力する。一方、反転増幅回路210は、入力ノードN1の電位が所定電位よりも低いときには、出力ノードN2に電源電位Vdd(論理ハイレベル、以下単に「Hレベル」とも称する)の信号をノードN2に出力する。入力ノードN1は、図1に示したフィードバック経路205と接続される。出力ノードN2は、図1に示したパルス発生器230と接続される。
タイマー回路220(図1)によって設定される延長時間Tdだけ、転送ゲート21のオン期間が延長されるように、すなわち、制御信号TG1のHレベル期間中は転送ゲート21のオンが維持されるように、転送制御信号TGが生成される。
をさらに反映した画素出力信号OUTを生成できる。この結果、フローティングディフュージョン領域30の容量Cfdが通常値(すなわち、本実施の形態の画素回路100でのCfdよりも小さい)であり、かつ、時刻t2までに蓄積領域15に蓄積された信号電荷量のみに基づいて画素出力信号OUTを生成する従来の画素制御(図5中の点線)と比較して、高照度領域における、光量変化に対する画素出力信号OUTの変化割合を高めることができる。
実施の形態1では、単一の画素回路およびその制御について説明したが、実際には、複数の画素回路100がアレイ上に配置された固体撮像素子への適用が本発明の主眼である。また、画素制御回路200(図1)については、タイマー回路220やパルス発生器230等の構成要素が存在するため、ある程度の回路面積を必要とする。したがって、実施の形態1の変形例では、実施の形態1による画素回路100および画素制御回路200を用いた固体撮像素子の効率的な構成例について説明する。
と対応の画素回路100のフィードバック経路205との間に介挿接続される。
実施の形態2では、フローティングディフュージョン領域30の電位V(FD)を直接フィードバックした実施の形態1の構成をアレンジして、FD電位V(FD)を増幅した電気信号のフィードバックに基づいて、転送ゲート21のオン期間(転送回路20の作動期間)を制御する構成について説明する。
ある。
図9は、実施の形態2による画素回路および画素制御回路をアレイ配置した固体撮像素子の構成例を示す概念図である。
の変形例では、画素列ごとのデータ線110と画素制御回路200とを接続すれば、図6のような選択スイッチ255を画素回路100ごとに設けることなく、フィードバック経路205を、走査行の画素回路100との間で選択的に形成できる。
実施の形態3では、画素回路構成のさらなるバリエーションについて説明する。
路20を作動させることができる。
図12は、本発明の実施の形態3の変形例による画素回路および画素制御回路の構成を示す回路図である。
えた固体撮像素子において、実施の形態2と同様の効果をさらに享受することができる。
図13は、実施の形態4による画素回路100および画素制御回路200の構成を示す回路図である。
るいは画素回路後段での演算処理を複雑化させることなく、ダイナミックレンジを拡大することができる。
図14は、本発明の実施の形態4の変形例による画素回路および画素制御回路の構成を示す回路図である。
ゲート22のそれぞれに対応させて独立に配置する必要が生じる。
実施の形態1〜4およびそれらの変形例では、画素回路ごとに転送回路20の作動期間の延長要否を制御する構成を説明した。
図15を参照して、実施の形態5の第1の例による固体撮像素子は、図6に示した固体撮像素子と比較して、画素制御回路200に代えて画素制御回路201を備える点で異なる。また、画素回路100中の転送回路20については、図1(転送ゲート21単体)、図10(転送ゲート21および補助転送ゲート22)、および、図13(デュアルゲートトランジスタ23)に示したいずれの構成を適用してもよい。なお、図示は省略するが、各画素回路100においてフィードバック経路205が不要となるので削除される。
図16を参照して、実施の形態5の第2の例による固体撮像素子は、図15に示した第1の例と比較して、操作スイッチ203がさらに設けられる点で異なる。
実施の形態1〜5およびそれらの変形例では、転送回路20の作動期間の延長要否を制御する構成について説明した。実施の形態6では、転送回路20の作動期間についての検討をさらに進めて、従来の発想とは異なる作動期間長の設定によって、ダイナミックレンジの拡大が実現できることを説明する。
フォトダイオード10が発生する信号電荷量は、プロセスおよび構造に依存する物理定数となる光電変換効率(量子効率)と、受光強度と、光照射時間との積に依存する。一方で、フォトダイオード10の蓄積領域15の容量Cpdによって、蓄積できる最大電荷量(飽和電荷量)が決まる。飽和電荷量を超える信号電荷が発生されても、蓄積領域15には蓄積できないので、その明るさを検知することができなくなる。
和以上に確保することが必要である。
さらに、延長期間T1でも信号電荷量が0〜Qpdmaxまでの範囲を用いて光量を検知できるようにすれば、ΔLに対応する拡大ダイナミックレンジΔDRは、延長期間T1に対する基準露光時間TF1の比によって、下記(2)式で示される。
このように、延長期間T1に応じて拡大ダイナミックレンジΔDRが決まる。なお、Cfdによって保持できる信号電荷量が2×Qpdmaxよりも小さい場合には、延長期間T1の間でフローティングディフュージョン領域30が飽和する可能性があるので、飽和するまでの光量範囲のみが検知可能となる。したがって、この際の拡大ダイナミックレンジΔDRは、式(2)よりも小さくなる。逆に言えば、この面からも、CfdはCpdの2倍程度確保することが好ましい。
Claims (11)
- 受光に応じて信号電荷を発生する光検知素子と、前記光検知素子によって発生された信号電荷を蓄積する蓄積領域と、フローティングディフュージョン領域と、作動時に前記蓄積領域の信号電荷を前記フローティングディフュージョン領域へ転送する一方で非作動時に前記転送を遮断するように構成された転送回路とを含む画素回路と、
前記信号電荷の転送を制御するための画素制御手段とを備え、
前記画素制御手段は、
前記画素回路の受光レベルに応じて、受光量が所定以上のときには、前記受光量が所定より低いときと比較して前記転送回路の作動期間を延長するように前記転送回路を制御する、固体撮像素子。 - 前記画素制御手段は、
前記転送回路を所定期間作動させる第1の転送制御手段と、
前記所定期間に前記フローティングディフュージョン領域へ転送された信号電荷量が基準より大きいときには前記所定期間よりも前記転送回路の作動を延長する一方で、前記転送された信号電荷量が前記基準以下のときには前記所定期間終了時に前記転送回路を非作動とするための第2の転送制御手段とを含む、請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記転送回路は、
前記光検知素子および前記フローティングディフュージョン領域の間に並列接続された転送ゲートおよび補助転送ゲートを有し、
前記第1の転送制御手段は、前記所定期間に前記転送ゲートをオンし、
前記第2の転送制御手段は、前記所定期間に転送された信号電荷量が前記基準より大きいときに、前記所定期間以後に前記補助転送ゲートを一定期間オンする、請求項2記載の固体撮像素子。 - 前記転送回路は、前記光検知素子および前記フローティングディフュージョン領域の間に接続された転送ゲートを有し、
前記第1の転送制御手段は、前記所定期間に前記転送ゲートをオンし、
前記第2の転送制御手段は、前記所定期間に転送された信号電荷量が前記基準より大きいときに、前記所定期間の終了後も前記転送ゲートのオンを一定期間維持する、請求項2記載の固体撮像素子。 - 前記第2の転送制御手段は、前記所定期間における前記フローティングディフュージョン領域の電位に基づいて、前記所定期間に転送された信号電荷量が前記基準より大きいか否かを判断する、請求項2〜4のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
- 前記画素回路は、作動時に前記フローティングディフュージョン領域の信号電荷量に応じた電気信号を発生する増幅器をさらに含み、
前記増幅器は、前記所定期間において作動するように構成され、
前記第2の転送制御手段は、前記所定期間における前記増幅器からの前記電気信号に基づいて、前記所定期間に転送された信号電荷量が前記基準より大きいか否かを判断する、請求項2〜4のいずれか1項に記載の固体撮像素子。 - 前記固体撮像素子は、
複数個の前記画素回路を有する画素アレイと、
各前記画素回路からの出力を読出すためのデータ線とをさらに備え、
各前記画素回路は、作動時に前記フローティングディフュージョン領域の信号電荷量に応じた電気信号を発生する増幅器、および、前記増幅器と前記データ線との間に配置された画素選択スイッチ素子をさらに含み、
前記複数個の画素回路は複数のグループに分割されるとともに、前記画素制御手段は、前記複数のグループの各々に対応させて前記画素アレイの外部領域に設けられ、
前記固体撮像素子は、
各前記画素回路中の前記転送回路と対応する前記画素制御手段との間に配置される第1のスイッチ素子と、
各前記画素回路中の前記フローティングディフュージョン領域と対応する前記画素制御手段との間に配置される第2のスイッチ素子とをさらに備え、
前記第1および前記第2のスイッチ素子は、前記複数のグループの各々において、当該グループ内の前記画素回路のうちの選択された1個を前記画素制御手段と順次接続するように制御され、
前記第2の転送制御手段は、前記第2のスイッチ素子を介して接続された前記フローティングディフュージョン領域の電位に基づいて、前記所定期間に転送された信号電荷量が前記基準より大きいか否かを判断する、請求項5に記載の固体撮像素子。 - 前記固体撮像素子は、
複数個の前記画素回路を有する画素アレイと、
各前記画素回路からの出力を読出すためのデータ線とをさらに備え、
各前記画素回路は、前記データ線と前記増幅器との間に配置された画素選択スイッチ素子をさらに含み、
前記複数個の画素回路は複数のグループに分割されるとともに、前記画素制御手段は、前記複数のグループの各々に対応させて前記画素アレイの外部領域に設けられ、
前記固体撮像素子は、
各前記画素回路中の前記転送回路と対応する前記画素制御手段との間に配置される第1のスイッチ素子をさらに備え、
前記第1のスイッチ素子は、前記複数のグループの各々において、当該グループ内の前記画素回路のうちの選択された1個を前記画素制御手段と順次接続するように制御され、
前記第2の転送制御手段は、前記増幅器から前記データ線へ出力された前記電気信号に基づいて、前記所定期間に転送された信号電荷量が前記基準より大きいか否かを判断する、請求項6に記載の固体撮像素子。 - 前記固体撮像素子は、複数個の前記画素回路を備え、
前記画素制御手段は、前記複数個の画素回路全体での受光レベルが所定以上のときには、前記複数個の画素回路の各々で共通に、前記作動期間が延長されるように前記転送回路を制御する一方で、前記受光レベルが所定より低いときには、前記複数個の画素回路の各々で共通に、前記作動期間が延長されないように前記転送回路を制御する、請求項1または2に記載の固体撮像素子。 - 前記受光レベルが前記所定以上である状況であるか否かを指定するための操作スイッチをさらに備え、
前記画素制御手段は、前記操作スイッチへの入力有無に応じて、前記複数個の画素回路全体での受光レベルが前記所定以上であるか否かを判断する、請求項9に記載の固体撮像素子。 - 前記画素制御手段は、前記固体撮像素子による直前の撮像時における前記複数個の画素回路からの出力に基づいて、前記複数個の画素回路全体での受光レベルが前記所定以上であるか否かを判断する、請求項9に記載の固体撮像素子。
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