JP5003127B2 - 撮像装置とその制御方法およびカメラ - Google Patents
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Description
その白傷は主にCMOS撮像素子やCCD撮像素子を構成するフォトダイオードPDで発生し、フォトダイオードPDの結晶欠陥や入射光による過剰な電荷発生等が原因である。このフォトダイオードPDで発生する白傷の問題を解決するCMOS撮像素子やCCD撮像素子の製造方法が提案されている(たとえば特許文献1、2参照)。
このフローティングディフュージョンFDで発生するリーク電流による白傷の発生について図1、図2および図3を参照しながら説明する。
図1に示すCMOS撮像装置は、たとえば、各画素に光電変換素子としてのフォトダイオード(PD)11、転送トランジスタ12、リセットトランジスタ13、増幅トランジスタ14、およびセレクトトランジスタ15を有する。
なお、図1に示す例では、CMOS撮像装置を用いている。
また、CMOS撮像装置の構成によっては、セレクトトランジスタ15を有しない場合もある。
転送トランジスタ12は、ドレインがフローティングノードND16に接続され、ゲートが転送選択線TRFLに接続され、ソースがフォトダイオードPD11のカソードに接続されている。
リセットトランジスタ13は、ソースがフローティングノードND16に接続され、ドレインに所定の電圧VDD1が印加され、ゲートがリセット線RSTLに接続されている。
増幅トランジスタ14は、ソースがセレクトトランジスタ15のドレインに接続され、ドレインに所定の電圧VDD2が印加され、ゲートがフローティングノードND16に接続されている。
セレクトトランジスタ15は、ソースは所定の信号線に接続され、ドレインが増幅トランジスタ14のソースに接続され、ゲートがセレクト線SELLに接続されている。
転送トランジスタ12は、転送選択線TRFLにハイレベルの電圧が印加されるとスイッチがオン(導通状態)に切り替り、信号電荷はフローティングノードND16に転送される。
リセットトランジスタ13は、リセット線RSTLにハイレベルの電圧が印加されるとスイッチがオンに切り替わり、フローティングノードND16の電位を電圧VDD1にリセットする。
増幅トランジスタ14は、フローティングノードND16の電位がハイレベルに切り替わるとスイッチがオンに切り替わり、フローティングノードND16の電位を増幅して信号を信号線SGNLへ伝達させる。
セレクトトランジスタ15は、セレクト線SELLにハイレベルの電圧が印加されるとスイッチがオンに切り替わり、フォトダイオードPD11で発生した信号電荷を所定の水平転送回路へ伝達させる。
なお、図2は説明の簡略化のために、図1のフォトダイオードPD11、転送トランジスタ12、およびリセットトランジスタ13のみを示す。
フォトダイオードPD21は、p型ウェル領域212がn型電荷蓄積領域211を囲むように形成される。
転送トランジスタTTRはゲートTRFG22を有し、フォトダイオード21とフローティングディフュージョンFD23となるソース・ドレイン領域間にトランジスタ絶縁膜221を介して転送トランジスタ電極222が形成される。
フローティングディフュージョンFD23は、p型ウェル領域231の上部に拡散層であるn型半導体232が形成される。
リセットトランジスタRTRはゲートRSTG24を有し、p型ウェル領域251の上部にn型電荷蓄積領域252が形成された領域25とフローティングディフュージョンFD23となるソース・ドレイン領域間にトランジスタ絶縁膜241を介して転送トランジスタ電極242が形成される。
リセットトランジスタRTRのドレイン26は、電圧VDD1が印加される。
フォトダイオードPD21において信号電荷の蓄積後、リセットトランジスタRTRのゲート24に所定の電圧が印加され、リセットトランジスタRTRはオン(導通状態)となり、リセットトランジスタRTRの電位ポテンシャルは電位ポテンシャルRSTφlから電位ポテンシャルRSTφhに低下し、フローティングディフュージョン23の電圧は電位VDD1にリセットされる。このときの信号は、基準信号SGLBとして読み出される。
基準信号SGLBの読み出し完了後、リセットトランジスタRTRのゲート24に所定の電圧が印加され、リセットトランジスタRTRはオフ(非導通状態)となる。
転送トランジスタTTRは、転送トランジスタTTRのゲート22に所定の電圧が印加されてオンとなり、転送トランジスタTTRの電位ポテンシャルは電位ポテンシャルTRFφlから電位ポテンシャルTRFφhに低下し、信号電荷はフォトダイオードPD21からフローティングディフュージョン23へ転送される。
信号電荷は、ポテンシャルウェルWELに蓄積され、この転送された信号電荷(転送電荷)による電位面は図2(b)に図示するPφのようになる。
信号電荷がフローティングディフュージョン23に蓄積された時点で、フローティングディフュージョン23の電圧の読み出しが行われ、この読み出し時の電圧と先に読み出しが行われた基準信号SGLBの電圧との差分を転送電荷による転送信号SGLRとする。
なお、このフローティングディフュージョンFDへの信号電荷の転送に必要な電位差は、フローティングディフュージョンFDにおける信号振幅、フォトダイオードPDの空乏電位および信号電荷の転送に必要な電位差から決定される。
以下、本発明の第1実施形態を図面に関連づけて説明する。
また、画素アレイ部41には、垂直スキャン回路44と画素配列の各行(ロウ)にリセット線RSTL、転送選択線TRFL、およびセレクト線SELLが接続され、画素配列の各行(カラム)に信号線SGNLが配列されている。
水平スキャン回路43は、その内部に各信号線SGNLに接続されたアンプ431を有する。なお、アンプ431の代わりに、アナログデジタル変換器が用いることができる。
信号処理回路45は、水平スキャン回路43から入力される信号を処理し、出力バッファ46に処理された信号を出力する。なお、出力バッファ46の代わりに、アンプもしくはアナログデジタル変換器が用いることができる。
出力バッファ46は、入力側が信号処理回路45と接続され、出力側が明暗判定部47と記憶装置410に接続されている。
明暗判定部47は、出力バッファ46から入力された信号基づいて、画像の明暗を判定し、その判定結果を電圧発生回路48に出力する。なお、明暗判定部47は、任意の配置が可能である。
電圧発生回路VGEN48は、明暗判定部47から入力される判定結果に基づいたリセット時電圧を発生させ、画素アレイ部41に出力する。なお、電圧発生回路は、任意の配置が可能である。
タイミング制御部TG49は、水平スキャン回路43、垂直スキャン回路44の駆動タイミングを制御する。
記憶装置410は、出力バッファ46の出力側と接続され、画像データが記憶される。
転送トランジスタ52は、フォトダイオードPD51のカソードとフローティングノードND56との間に接続され、ゲートが転送選択線TRFLに接続され、オンすることにより、フォトダイオードPD51に蓄積されている信号電荷をフローティングノードND56に転送する機能を有している。
増幅トランジスタ53とセレクトトランジスタ54は、電源電圧VDDと信号線SGNLとの間に直列に接続されている。
増幅トランジスタ53は、ゲートがフローティングノードND56に接続され、フローティングノードND56の電位を増幅し、セレクトトランジスタ54を介して信号線SGNLに出力する。
セレクトトランジスタ54のゲートは、セレクト線SELLに接続されている。
リセットトランジスタ55は、ソースがフローティングノードND56に接続され、ドレインがフローティングノードND56をリセットするための電圧発生回路48に接続され、ゲートがリセット線RSTLに接続され、フローティングノードND56の電位をリセットする機能を有している。
水平スキャン回路43、垂直スキャン回路44は、タイミング制御部49により駆動タイミングが制御される。
明暗判定部47は、入力側が信号線SGNLとノード61を介して接続され、出力側が電圧発生回路48の入力側と接続されている。
電圧発生回路48は、入力側が明暗判定部47の出力側と接続され、出力側がリセットトランジスタ55のドレインと信号線FDLで接続され、また一端が基準電位GNDに接地される。
なお、電圧発生回路62の設置場所は、撮像装置の内部あるいは外部で任意の場所に設置できる。
明暗判定部47は、フローティングノードND56のリセット時に、撮像画像のデータの明暗を判定する。具体的には明暗判定部47は、画素回路50から入力される信号の平均レベルから撮像画像の明暗を判定し、撮像画像を明と判断した場合には、リセット時電圧VDDを発生する制御信号を電圧発生回路48に出力し、撮像画像を暗と判断した場合には、電圧VDDより低いリセット時電圧VRSTを発生する制御信号を電圧発生回路48に出力する。
電圧発生回路48は、フローティングノードND56のリセット時に、明暗判定部47から入力される制御信号に基づいたリセット時電圧を発生する。明暗判定部47の判定結果が明の場合には、電圧VDDを発生し、判定結果が暗の場合には、電圧VDDより低い電圧VRSTを発生する。この明暗判定部47からの判定結果に応じて発生させた電圧VDDもしくは電圧VRESTのリセット時電圧を信号線FDLに出力し、リセットトランジスタ55のドレインに印加する。
電圧VDDは、たとえば、転送トランジスタ52など素子の駆動が可能な電圧である。
なお、図7では、画素回路50のリセットトランジスタ55、転送トランジスタ52、およびセレクトトランジスタ54のタイミングチャートのみを図示している。
また時刻t2では、明暗判定部47は、信号線SGNLからノード61を介して信号が入力され、撮像画像の明暗を判定する。明暗判定部47は、撮像画像を明と判断した場合には、電圧VDDを発生し、判定結果を暗と判断した場合には、電圧VDDより低い電圧VRSTを発生する。この明暗判定部47からの判定結果に応じて発生させた電圧VDDもしくは電圧VRESTのリセット時電圧を信号線FDLに供給し、リセットトランジスタ55のドレインにリセット時電圧をリセットが完了する時刻t3まで印加する。
さらに時刻t2では、フローティングノードND56のリセットを行う。リセットトランジスタ55は、垂直スキャン回路44からハイレベルのリセット信号RSTがリセット線RSTLに伝達され、リセットトランジスタ55はオンに切り替わり、フローティングノードND56の電圧がリセット時電圧にリセットされる。明暗判定部47が、撮像画像を明と判断した場合には、リセット時電圧VDDでフローティングノードND56をリセットし、撮像画面を暗と判断した場合には、電圧VDDより低いリセット時電圧VRSTでフローティングノードND56をリセットする。
また、転送トランジスタ52は、時刻t6から時刻t7まで、オンの状態が保持される。
また同時に、垂直スキャン回路44からハイレベルの転送信号TRFが転送信号線TRFLに伝達され、転送トランジスタ52はオンに切り替わる。
駆動制御装置801は、たとえばタイミング制御部49を有する。
撮像装置802は、たとえば、画素アレイ部41、水平スキャン回路43、および垂直スキャン回路44を有する。
画像処理プロセッサ803は、たとえば、信号処理回路45や明暗判定部47、あるいは露出制御機構(AE)を有する。
電圧発生回路VGEN48は通常の制御系80の外部にある。
撮像装置802は、被写体の像を光信号から電気信号に変換し、画像データを画像処理プロセッサ803に出力する。
画像処理プロセッサ803は、撮像装置802から入力された画像データを基に画像処理を行い、処理された画像データを記憶装置410に出力する。
また、画像処理プロセッサ803は、画像データの平均の信号レベルからの撮像画像の明暗を判定し、判定結果を制御信号として駆動制御装置801にフィードバックし、さらに電圧発生回路48に出力する。
記憶装置410は、画像処理プロセッサ803から入力された画像データを記録する。
画像処理プロセッサ803内部の明暗判定部47が撮像画面を明と判断した場合は、リセット時電圧VDDでフローティングノードND56をリセットし、撮像画面を暗と判断した場合には、電圧VDDより低い電圧VRSTでフローティングノードND56をリセットする。
電圧VDDは、たとえば、転送トランジスタ52の駆動が可能な電圧である。
CMOS撮像装置などは多数の画素がアレイ状に配列されているため、画素同士を接続する配線数を抑制するためにも、たとえばリセットトランジスタ55のドレインは増幅トランジスタ53のドレインと共通の電源線に接続する方が効率がよい。
本実施形態は、リセットトランジスタの駆動に同期して、フローティングディフュージョンFDのリセット時電圧を制御する。
図9は、本発明に係る第2実施形態の単位画素回路の一例を示す回路図である。図9では、CMOS撮像装置を一例として示している。
その他の素子については、第1実施形態に係る図5と構成が同様であるため、説明を省略する。
第2実施形態では、上記に述べた、リセットトランジスタ55のドレインと増幅トランジスタ53aのドレインが共通の信号線FDLで接続されている以外は、第1実施形態と同様の構成であるため、説明を省略する。
なお、図11は、画素回路50のリセットトランジスタ55、転送トランジスタ52、およびセレクトトランジスタ54のタイミングチャートのみを図示している。
また、図11は、明暗判定部47が撮像画像を暗であると判断した場合についてのタイミングチャートであり、以降図11のタイミングチャートに基づいて説明する。
電圧発生回路VGEN48は、フローティングノードND56のリセットが完了する時刻t4までの期間リセット時電圧VRSTを発生させ、信号線FDLに電圧VRSTを供給する。
また同時刻t4に、フローティングノードND56の電位を増幅させる増幅トランジスタ53aを駆動させるため、電圧発生回路48は、増幅トランジスタ53aが駆動可能な電圧VDDを発生させ、信号線FDLに電圧VDDを供給する。
また、本発明に係る第3実施形態は、電圧生成回路で発生させる電源電圧をフレーム単位で調整する。その結果、本発明による効果と同等の効果を得ることができる。
本発明に係る第4実施形態は、1つのフローティングディフュージョンFDに対して複数のフォトダイオードPD等の光学素子が接続されている撮像装置である。
増幅トランジスタ53bのドレインは、セレクトトランジスタ54aのソースに接続され、ソースは所定の信号線に接続され、ゲートはフローティングノードND56に接続されている。
セレクトトランジスタ54aのドレインは電源電圧VDDに接続され、ソースは増幅トランジスタ53bのドレインに接続されている。
そこで、本発明の実施形態によれば、フローティングノードND56のリセット時に、撮像画像の明暗によりフローティングディフュージョンFDのリセット時電圧を変化させる。
すなわち、撮像画像の明暗を判定し、撮像画像が暗い場合は、フローティングディフュージョンFDのリセット時電圧を他の素子を駆動させる駆動電圧よりも下げ、撮像画像が明るい場合は、フローティングディフュージョンFDの電圧を通常の素子の駆動電圧に設定することで、フローティングディフュージョンFDでのリーク電流は抑制され、白傷の発生を抑圧できる。
本発明に係る実施形態は、デバイスの開発と組み合わせることにより、白傷のさらなる改善が得られる。
Claims (11)
- 光電変換で発生した信号電荷を電圧に変換して読み出し、リセット時に前記信号電荷が伝送されるノードによりリセット時電圧が印加される電荷電圧変換部と、
前記電荷電圧変換部の読み出し信号により画像の明暗を判定する明暗判定部と、
を有し、
前記明暗判定部は、
前記リセット時電圧の電源を直接制御して、前記明暗の判定結果に応じて、2値の前記リセット時電圧の何れかを発生させる、
撮像装置。 - 前記明暗判定部は、
前記リセット時に同期して、前記リセット時電圧の電源を制御する、
請求項1記載の撮像装置。 - 前記明暗判定部は、
前記画像の明暗によってフレーム単位で、前記リセット時電圧の電源を制御する
請求項1または2に記載の撮像装置。 - 前記明暗判定部は、
前記リセット時に、暗時のリセット時電圧を明時のリセット時電圧より低く設定する
請求項1または2に記載の撮像装置。 - 前記撮像装置は、
前記リセット時電圧の電源と他の素子を駆動する駆動電圧の電源とを共有する
請求項1から4の何れか一項に記載の撮像装置。 - 前記撮像装置は、
1つの前記ノードに対して複数の光学素子が接続されている
請求項5記載の撮像装置。 - リセット時電圧と、
前記駆動電圧を共通に生成する電圧発生回路と、
を有し、
前記電圧発生回路は、
前記明暗判定部の判定に応じて発生電圧を設定可能で、暗の時は、前記駆動電圧より低い電圧を発生し、リセット終了時に、前記発生した電圧を暗時のリセット時電圧に設定する
請求項5記載の撮像装置。 - 明の時は、前記駆動電圧を前記リセット時電圧に設定する
請求項7記載の撮像装置。 - ウェルが第1導電型で形成され、
前記信号電荷を電圧に変換する拡散層が第2導電型で形成され、
暗時の前記電荷電圧変換部のリセット時電圧が明時のリセット時電圧より低い、
請求項4記載の撮像装置。 - 光電変換で発生した信号電荷を電圧に変換して読み出す第1ステップと、
前記第1ステップで読み出した信号により画像の明暗を判定する第2ステップと、
リセット時に前記信号電荷が転送されるノードにリセット時電圧を印加する第3ステップと、
を有し、
前記第3ステップにおいて、前記リセット時電圧の電源を直接制御し、前記第2ステップの判定結果に応じて、2値の前記リセット時電圧の何れかを設定する、
撮像装置の制御方法。 - 撮像装置と、
上記撮像装置の撮影エリアに対して入射光を導く光学系と、
電圧発生回路と、
を含み、
前記撮像装置は、
光電変換で発生した信号電荷を電圧に変換して読み出し、リセット時に前記信号電荷が伝送されるノードによりリセット時電圧が印加される電荷電圧変換部と、
前記電荷電圧変換部の読み出し信号により画像の明暗を判定する明暗判定部と、
を有し、
前記明暗判定部は、
前記リセット時電圧の電源を直接制御し、2値の前記リセット時電圧の何れかを発生させる、
カメラ。
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