JP4967813B2

JP4967813B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP4967813B2
Application number: JP2007138465A
Authority: JP
Inventors: 裕弘中野
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2007-05-24
Filing date: 2007-05-24
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2027-05-24
Also published as: JP2008294776A

Description

本発明は固体撮像装置に関する。詳しくは、ＯＡ機器等の読取装置として使用する密着型リニアセンサに係るものである。

従来、リニアセンサの読み取り方式には、主に縮小型読み取り方式と密着型読み取り方式の２方式が存在し、縮小型読み取り方式を採用するリニアセンサは、被写体からの情報をレンズ系を介して縮小し、リニアセンサの固体撮像素子で読み取る構造である。
一方、密着型読み取り方式を採用するリニアセンサ（以下、「密着型リニアセンサ」と称する。）は、レンズ系を介さず、被写体の情報を１対１で読み取る構造である（例えば、特許文献１参照。）。

ここで、密着型リニアセンサは、上記した様に、被写体の情報を１対１で読み取るため、少なくとも被写体の幅以上の長さの固体撮像素子が必要となる。この様な１本の細長状の固体撮像素子を形成するには、この長さより大径のウェハが必要ということになるが、この様な大径のウェハを得るのは非常に困難である。

そのため、複数の固体撮像素子を並べて、各固体撮像素子を同時に動作させ、また、各固体撮像素子からの電気信号については単一配線から出力することとし、各固体撮像素子を順次択一的に選択し、選択された固体撮像素子から電気信号を出力する様に構成された密着型リニアセンサが提案されている。

以下、図面を参照して従来の密着型リニアセンサについて説明を行なう。なお、以下では８つの固体撮像素子を有する密着型リニアセンサを例に挙げて説明を行なう。
従来の密着型リニアセンサでは、図３で示す様に、８つの固体撮像素子（１ｓｔＣｈｉｐ〜８ｔｈＣｈｉｐ）が一列に並べられて構成され、それぞれの固体撮像素子からの出力配線は１つにまとめられており、それぞれの固体撮像素子の動作制御を行うことによって、連続的に固体撮像素子からの出力信号を密着型リニアセンサの信号として出力できる様に構成されている。

ここで、各固体撮像素子は、タイミングジェネレータ（ＴＧ）から選択信号（ＶＯＳＥＬ）が供給される様に構成されており、図４中符合ＶＯＳＥＬ＿１で示す第１の固体撮像素子（１ｓｔＣｈｉｐ）に対しての選択信号がハイレベル（以下、「Ｈレベル」と称する。）となるタイミングで第１の固体撮像素子（１ｓｔＣｈｉｐ）が電気信号を出力し、図４中符合ＶＯＳＥＬ＿２で示す第２の固体撮像素子（２ｎｄＣｈｉｐ）に対しての選択信号がＨレベルとなるタイミングで第２の固体撮像素子（２ｎｄＣｈｉｐ）が電気信号を出力し、図４中符合ＶＯＳＥＬ＿３で示す第３の固体撮像素子（３ｒｄＣｈｉｐ）に対しての選択信号がＨレベルとなるタイミングで第３の固体撮像素子（３ｒｄＣｈｉｐ）が電気信号を出力し、図４中符合ＶＯＳＥＬ＿４で示す第４の固体撮像素子（４ｔｈＣｈｉｐ）に対しての選択信号がＨレベルとなるタイミングで第４の固体撮像素子（４ｔｈＣｈｉｐ）が電気信号を出力し、図４中符合ＶＯＳＥＬ＿５で示す第５の固体撮像素子（５ｔｈＣｈｉｐ）に対しての選択信号がＨレベルとなるタイミンで第５の固体撮像素子（５ｔｈＣｈｉｐ）が電気信号を出力し、図４中符合ＶＯＳＥＬ＿６で示す第６の固体撮像素子（６ｔｈＣｈｉｐ）に対しての選択信号がＨレベルとなるタイミングで第６の固体撮像素子（６ｔｈＣｈｉｐ）が電気信号を出力し、図４中符合ＶＯＳＥＬ＿７で示す第７の固体撮像素子（７ｔｈＣｈｉｐ）に対しての選択信号がＨレベルとなるタイミングで第７の固体撮像素子（７ｔｈＣｈｉｐ）が電気信号を出力し、図４中符合ＶＯＳＥＬ＿８で示す第８の固体撮像素子（８ｔｈＣｈｉｐ）に対しての選択信号がＨレベルとなるタイミングで第８の固体撮像素子（８ｔｈＣｈｉｐ）が電気信号を出力する様に構成されている。

更に、具体的に説明を行なうと、密着型リニアセンサを構成する各固体撮像素子は、図５で示す様に、フォトダイオードから成る光電変換部（画素）が直線的に多数配列されてなるセンサ列１０１、センサ列の一方側に配置されてセンサ列の各光電変換部で光電変換された信号電荷を読み出す読み出しゲート１０２、読み出しゲートのセンサ列とは反対側に配置されて読み出しゲートにより読み出された信号電荷を保持する電荷保持部１０３（１０３ａ、１０３ｂ）、電荷保持部の読み出しゲートとは反対側に配置されて電荷保持部から転送された信号電荷を出力部側に転送する水平転送レジスタ１０４、水平転送レジスタによって水平転送された信号電荷を信号電圧に変換する電荷電圧変換部１０５、電荷電圧変換部によって変換された信号電圧を出力する出力回路部１０６を有している。

ここで、電荷保持部には選択信号（ＶＲＳＥＬ）が印加されると共に出力回路部には選択信号（ＶＯＳＥＬ）が印加されており、選択信号（ＶＲＳＥＬ）がＨレベルの際に電荷保持部に信号電荷を保持することができ、選択信号（ＶＯＳＥＬ）がＨレベルの際に出力回路部から信号電圧を出力する様に構成されている。また、電荷保持部は第１の電荷保持部１０３ａと第２の電荷保持部１０３ｂとから構成されており、選択信号（ＶＲＳＥＬ）が印加されていない状態においては、第１の電荷保持部のポテンシャルは読み出しゲートのポテンシャルよりも高く設定されている。
なお、選択信号（ＶＯＳＥＬ）のタイミングチャートは図４に示す通りであり、選択信号（ＶＲＳＥＬ）のタイミングチャートは図６で示す通りである。

以下、上記の様に構成された密着型リニアセンサの動作について、図面を参照して説明を行なう。なお、以下では説明の便宜上、密着型リニアセンサ内の第１の固体撮像素子及び第２の固体撮像素子の２つの固体撮像素子の出力動作について説明を行なう。また、図８中符合φＲＯＧは読み出しゲートに印加される読み出し電圧を示しており、図８中符号φＶ１及びφＶ２は第１の電荷保持部に印加される電圧値を示しており、図８中符合φＶ３は第２の電荷保持部に印加される電圧値を示している。

従来の密着型リニアセンサでは、入射した光量に応じてセンサ列で信号電荷が蓄積され（図７（ａ）参照。）、蓄積された信号電荷は、図８中符合ｔ１で示すタイミングでφＲＯＧがＨレベルとされることで読み出しゲートに読み出される（図７（ｂ）参照。）。

次に、図８中符合ｔ２で示すタイミングでφＶＲＳＥＬ＿１がＨレベル、φＲＯＧがＬレベル、φＶ１がＨレベル、φＶ２がＨレベルとされることで読み出しゲートに読み出された信号電荷が第１の電荷保持部に転送される。なお、第２の固体撮像素子についてはφＶＲＳＥＬ＿２がＬレベルであるものの、読み出しゲートと第１の電荷保持部とのポテンシャル差に起因して信号電荷の転送がなされることとなる。

続いて、図８中符合ｔ３で示すタイミングでφＶ１がＬレベル、φＶ２がＬレベル、φＶ３がＨレベルとされることで第１の固体撮像素子の第１の電荷保持部に蓄積された信号電荷が第２の電荷保持部に転送される（図７（ｄ）参照。）。なお、第２の固体撮像素子についてはφＶＲＳＥＬ＿２がＬレベルであるために、第１の電荷保持部に信号電荷が蓄積された状態のままである。

次に、図８中符合ｔ４で示すタイミングで、φＶ３をＬレベルとすることで第１の固体撮像素子の第２の電荷保持部に蓄積された信号電荷が水平転送レジスタに転送される（図７（ｅ）参照。）。

その後、図８中符合ｔ５で示すタイミングで、φＶＯＳＥＬ＿１をＨレベルとして、第１の固体撮像素子の水平転送レジスタにより転送される信号電荷の出力を行なう（図７（ｆ）参照。）。

次に、図８中符合ｔ６で示すタイミングで、φＶＲＳＥＬ＿２がＨレベル、φＶ１がＬレベル、φＶ２がＬレベル、φＶ３がＨレベルとされることで第２の固体撮像素子の第１の電荷保持部に蓄積された信号電荷が第２の電荷保持部に転送される（図７（ｇ）参照。）。

続いて、図８中符合ｔ７で示すタイミングで、φＶ３をＬレベルとすることで第２の固体撮像素子の第２の電荷保持部に蓄積された信号電荷が水平転送レジスタに転送される（図７（ｈ）参照。）。

その後、図８中符合ｔ８で示すタイミングで、φＶＯＳＥＬ＿２をＨレベルとして、第２の固体撮像素子の水平転送レジスタにより転送される信号電荷の出力を行なう（図７（ｉ）参照。）。

上記の様にして、第１の固体撮像素子、第２の固体撮像素子の順に出力を行なうこととなる。

特開平４−２５６２７９号公報

ところで、密着型リニアセンサは複数の固体撮像素子を有しているために、密着型リニアセンサで読み取りを行っている際には全ての固体撮像素子が動作することとなり、密着型リニアセンサ全体が消費する電力量は各固体撮像素子が消費する電力量の総和ということとなる。なお、従来の密着型リニアセンサでは、水平転送レジスタは常に動作を行なっている。

一方、密着型リニアセンサからの出力は、複数の固体撮像素子の中から順次択一的に選択された固体撮像素子の出力信号を密着型リニアセンサの出力信号として出力するものであるために、選択されていない固体撮像素子については待機状態が存在することとなる。

本発明は以上の点に鑑みて創案されたものであって、密着型読み取り方式を採用する固体撮像装置の消費電力の低減を実現することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置は、入射した光量に応じて信号電荷を蓄積する受光部と、第１の選択信号が印加されることによって前記受光部から読み出された信号電荷を保持する電荷保持部と、該電荷保持部から転送された信号電荷を出力部方向に転送する電荷転送部と、第２の選択信号が印加されることによって前記電荷転送部により転送された信号電荷を出力する出力回路部とを有する固体撮像素子をＮ個（Ｎ：３以上の整数）備え、第１番目の固体撮像素子から第Ｎ番目の固体撮像素子まで順次択一的に選択され、選択された固体撮像素子から電気信号を出力する固体撮像装置において、第（ｎ＋１）番目（ｎ：Ｎ以下の自然数）の固体撮像素子が有する前記電荷転送部は、第ｎ番目の固体撮像素子に前記第１の選択信号が印加されている期間、第ｎ番目の固体撮像素子に前記第２の選択信号が印加されている期間及び第（ｎ＋１）番目の固体撮像素子に前記第２の選択信号が印加されている期間のみ動作する。

ここで、第（ｎ＋１）番目の固体撮像素子が有する電荷転送部は、第ｎ番目の固体撮像素子に第１の選択信号が印加されている期間、第ｎ番目の固体撮像素子に第２の選択信号が印加されている期間及び第（ｎ＋１）番目の固体撮像素子に第２の選択信号が印加されている期間のみ動作することによって、Ｎ個の電荷転送部の中で動作している電荷転送部は２個のみということとなる。

なお、第（ｎ＋１）番目の固体撮像素子が有する電荷転送部が、第ｎ番目の固体撮像素子に第１の選択信号が印加されている期間及び第ｎ番目の固体撮像素子に第２の選択信号が印加されている期間に動作するのは、電荷転送部の空送り動作を行なうことによって、待機状態で電荷転送部に蓄積した信号電荷の掃き捨てを行なうためである。一方、第（ｎ＋１）番目の固体撮像素子が有する電荷転送部が、第（ｎ＋１）番目の固体撮像素子に第２の選択信号が印加されている期間に動作するのは信号電荷を出力部側に転送するためである。

本発明を適用した固体撮像装置では、Ｎ個の電荷転送部の中で２個の電荷転送部のみが動作することとなり、（Ｎ−２）個の電荷転送部は動作していないために、消費電力の低減が実現することとなる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明し、本発明の理解に供する。
本発明を適用した固体撮像装置の一例である密着型リニアセンサでは、上記した従来の密着型リニアセンサと同様に、８つの固体撮像素子（１ｓｔＣｈｉｐ〜８ｔｈＣｈｉｐ）が一列に並べられて構成され、それぞれの固体撮像素子からの出力配線は１つにまとめられており、それぞれの固体撮像素子の動作制御を行うことによって、連続的に固体撮像素子からの出力信号を密着型リニアセンサの信号として出力できる様に構成されている（図３参照。）。
尚、ＶＯＳＥＬ＿Ｏ１はＶＯＳＥＬ＿ＩＮをＣＴ１とを第１の固体撮像素子に設けたフリップフロップ回路等でタイミング調整し、ＶＯＳＥＬ＿ＩＮ信号の立ち上がりをＣＴ１信号の立上りまでずらして生成している。同様にＶＯＳＥＬ＿Ｏ２はＶＯＳＥＬ＿０１をＣＴ１とで第２の固体撮像素子に設けたフリップフロップ回路等でタイミング調整する。以下ＶＯＳＥＬ＿Ｏ３以降も順次同様な手法で生成している。

更に、具体的に説明を行なうと、密着型リニアセンサを構成する各固体撮像素子は、上記した従来の密着型リニアセンサを構成する各固体撮像素子と同様に、フォトダイオードから成る光電変換部（画素）が直線的に多数配列されてなるセンサ列、センサ列の一方側に配置されてセンサ列の各光電変換部で光電変換された信号電荷を読み出す読み出しゲート、読み出しゲートのセンサ列とは反対側に配置されて読み出しゲートにより読み出された信号電荷を保持する電荷保持部、電荷保持部の読み出しゲートとは反対側に配置されて電荷保持部から転送された信号電荷を出力部側に転送する水平転送レジスタ、水平転送レジスタによって水平転送された信号電荷を信号電圧に変換する電荷電圧変換部、電荷電圧変換部によって変換された信号電圧を出力する出力回路部を有している（図５参照。）。

ここで、電荷転送部には選択信号（ＶＲＳＥＬ）が印加されると共に出力回路部には選択信号（ＶＯＳＥＬ）が印加されており、選択信号（ＶＲＳＥＬ）がＨレベルの際に電荷保持部に信号電荷を保持することができ、選択信号（ＶＯＳＥＬ）がＨレベルの際に出力回路部から信号電圧を出力する様に構成されている。また、電荷保持部は上記した従来の密着型リニアセンサと同様に第１の電荷保持部と第２の電荷保持部とから構成されており、選択信号（ＶＲＳＥＬ）が印加されていない状態においては、第１の電荷保持部のポテンシャルは読み出しゲートのポテンシャルよりも高く設定されている。
なお、選択信号（ＶＯＳＥＬ）のタイミングチャートは図４に示す通りであり、選択信号（ＶＲＳＥＬ）のタイミングチャートは図６で示す通りである。

また、本発明を適用した密着型リニアセンサを構成する第（ｎ＋１）番目（ｎ：自然数）の固体撮像素子では、図１で示す様に、水平転送レジスタを駆動するための水平転送パルスの供給源であるφＨ（ＰＡＤ）と水平転送レジスタとの間にＭＯＳトランジスタ１を形成し、ＭＯＳトランジスタがオン状態の際にのみφＨ（ＰＡＤ）から水平転送レジスタに水平転送パルスが印加される構成とし、ＭＯＳトランジスタがオフ状態の際には電源電圧（ＶＤＤ）が水平転送レジスタに印加される構成としている。
また、ＭＯＳトランジスタのゲート電極には、ＯＲゲート２の出力信号が印加される様に構成され、ＯＲゲートには第ｎ番目の固体撮像素子に印加される選択信号（ＶＲＳＥＬ＿ｎ）、第ｎ番目の固体撮像素子に印加される選択信号（ＶＯＳＥＬ＿ｎ）及び第（ｎ＋１）番目の固体撮像素子に印加される選択信号（ＶＯＳＥＬ＿（ｎ＋１））が入力される様に構成されている。

以下、上記の様に構成された密着型リニアセンサの動作について、図面を参照して説明を行なう。なお、以下では説明の便宜上、密着型リニアセンサ内の第１の固体撮像素子及び第２の固体撮像素子の２つの固体撮像素子の出力動作について説明を行なう。また、図２中符合φＲＯＧは読み出しゲートに印加される読み出し電圧を示しており、図２（ａ）中符号φＶ１及びφＶ２は第１の電荷保持部に印加される電圧値を示しており、図２（ａ）中符合φＶ３は第２の電荷保持部に印加される電圧値を示している。

また、第２の固体撮像素子の水平レジスタに印加される水平転送パルス（ＶＨＳＥＬ＿２）については、図２（ｂ）で示す様に、第１の固体撮像素子に印加される選択信号（ＶＲＳＥＬ＿１）と選択信号（ＶＯＳＥＬ＿１）及び第２の固体撮像素子に印加される選択信号（ＶＯＳＥＬ＿１）がＨレベルの期間のみクロック動作を行い、それ以外の期間はＨレベルとなっている。

本発明を適用した密着型リニアセンサでは、入射した光量に応じてセンサ列で信号電荷が蓄積され（図７（ａ）参照。）、蓄積された信号電荷は、図２（ａ）中符合ｔ１で示すタイミングでφＲＯＧがＨレベルとされることで読み出しゲートに読み出される（図７（ｂ）参照。）。

次に、図２（ａ）中符合ｔ２で示すタイミングでφＶＲＳＥＬ＿１がＨレベル、φＲＯＧがＬレベル、φＶ１がＨレベル、φＶ２がＨレベルとされることで読み出しゲートに読み出された信号電荷が第１の電荷保持部に転送される。なお、第２の固体撮像素子についてはφＶＲＳＥＬ＿２がＬレベルであるものの、読み出しゲートと第１の電荷保持部とのポテンシャル差に起因して信号電荷の転送がなされることとなる。

続いて、図２（ａ）中符合ｔ３で示すタイミングでφＶ１がＬレベル、φＶ２がＬレベル、φＶ３がＨレベルとされることで第１の固体撮像素子の第１の電荷保持部に蓄積された信号電荷が第２の電荷保持部に転送される（図７（ｄ）参照。）。なお、第２の固体撮像素子についてはφＶＲＳＥＬ＿２がＬレベルであるために、第１の電荷保持部に信号電荷が蓄積された状態のままである。

次に、図２（ａ）中符合ｔ４で示すタイミングで、φＶ３をＬレベルとすることで第１の固体撮像素子の第２の電荷保持部に蓄積された信号電荷が水平転送レジスタに転送される（図７（ｅ）参照。）。

その後、図２（ａ）中符合ｔ５で示すタイミングで、φＶＯＳＥＬ＿１をＨレベルとして、第１の固体撮像素子の水平転送レジスタにより転送される信号電荷の出力を行なう（図７（ｆ）参照。）。

次に、図２（ａ）中符合ｔ６で示すタイミングで、φＶＲＳＥＬ＿２がＨレベル、φＶ１がＬレベル、φＶ２がＬレベル、φＶ３がＨレベルとされることで第２の固体撮像素子の第１の電荷保持部に蓄積された信号電荷が第２の電荷保持部に転送される（図７（ｇ）参照。）。

続いて、図２（ａ）中符合ｔ７で示すタイミングで、φＶ３をＬレベルとすることで第２の固体撮像素子の第２の電荷保持部に蓄積された信号電荷が水平転送レジスタに転送される（図７（ｈ）参照。）。

その後、図２（ａ）中符合ｔ８で示すタイミングで、φＶＯＳＥＬ＿２をＨレベルとして、第２の固体撮像素子の水平転送レジスタにより転送される信号電荷の出力を行なう（図７（ｉ）参照。）。

上記した本発明を適用した密着型リニアセンサでは、８個の水平転送レジスタの中で駆動している水平転送レジスタが２個のみとなり、負荷容量が１／４に低減でき、消費電力の低減、不要輻射低減効果を期待することができる。

本発明を適用した密着型リニアセンサを説明するための模式図である。各パルスのタイミングチャートを示す図（１）である。各パルスのタイミングチャートを示す図（２）である。従来の密着型リニアセンサを説明するための模式図である。選択信号（ＶＯＳＥＬ）のタイミングを説明するための図である。従来の固体撮像素子を説明するための模式図である。選択信号（ＶＲＳＥＬ）のタイミングを説明するための図である、密着型リニアセンサの動作を説明するための模式図（１）である。密着型リニアセンサの動作を説明するための模式図（２）である。密着型リニアセンサの動作を説明するための模式図（３）である。密着型リニアセンサの動作を説明するための模式図（４）である。密着型リニアセンサの動作を説明するための模式図（５）である。密着型リニアセンサの動作を説明するための模式図（６）である。密着型リニアセンサの動作を説明するための模式図（７）である。密着型リニアセンサの動作を説明するための模式図（８）である。密着型リニアセンサの動作を説明するための模式図（９）である。従来の各パルスのタイミングチャートを示す図である。

符号の説明

１ＭＯＳトランジスタ
２ＯＲゲート

Claims

入射した光量に応じて信号電荷を蓄積する受光部と、第１の選択信号が印加されることによって前記受光部から読み出された信号電荷を保持する電荷保持部と、該電荷保持部から転送された信号電荷を出力部方向に転送する電荷転送部と、第２の選択信号が印加されることによって前記電荷転送部により転送された信号電荷を出力する出力回路部とを有する固体撮像素子をＮ個（Ｎ：３以上の整数）備え、第１番目の固体撮像素子から第Ｎ番目の固体撮像素子まで順次択一的に選択され、選択された固体撮像素子から電気信号を出力する固体撮像装置において、
第（ｎ＋１）番目（ｎ：Ｎ以下の自然数）の固体撮像素子が有する前記電荷転送部は、第ｎ番目の固体撮像素子に前記第１の選択信号が印加されている期間、第ｎ番目の固体撮像素子に前記第２の選択信号が印加されている期間及び第（ｎ＋１）番目の固体撮像素子に前記第２の選択信号が印加されている期間のみ動作する
ことを特徴とする固体撮像装置。