JP5212022B2 - 固体撮像装置、撮像装置、画素駆動電圧適正化装置、画素駆動電圧適正化方法 - Google Patents
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Description
図1は、本発明に係る固体撮像装置の一実施形態であるCMOS型の固体撮像装置(CMOSイメージセンサ)の基本構成図である。
図2は、垂直走査部14と画素アレイ部10とのインタフェースに着目して、本実施形態の固体撮像装置1を示した図である。
図3〜図3Cは、中間転送を行なう仕組みにおける中間電圧の設定条件とノイズとの関係を調べた検証実験を説明する図である。ここで、図3は、中間電圧の設定値とノイズ量の関係を説明する図である。図3Aは、検証実験の中間転送と完全転送の駆動タイミングを説明する図である。図3Bは、複数種類の中間電圧の設定値において、中間転送と完全転送のそれぞれ得られる信号の合成出力を説明する図である。図3Cは、中間電圧の設定値の違いによる合成出力差を説明する図である。
中間転送を行なう仕組みにおいては、読出選択用トランジスタ34のゲート電極に複数の転送駆動電圧レベル(VDD2_2,AVDD3_2の電圧レベル)を持つ転送パルスTRG を順に供給して、中間転送と完全転送を順に行なう。この技術は、転送パルスTRG の転送駆動電圧レベル(制御電圧)の設定を以下のようにする。
1)基準になる露光時間において、飽和電子数Qs に達する入射光強度を仮定する。
2)転送パルスTRG を供給するタイミングにおける蓄積電子数Neを見積もる。
3)転送パルスTRG は蓄積電子数Neを保持する設定にする。
4)実際には数100mV低い電圧印加が望ましい。
設定電圧によってこれほどのノイズ差が生じることは、特許文献1,2の記述では分からない。
検証実験の中間転送と完全転送の駆動タイミングを図3Aに示す。横軸は時間を示しており、完全転送のシャッタ時間(電荷蓄積時間)をTlsh 、完全転送の読出時刻をTl ,中間転送のシャッタ時間(電荷蓄積時間)をTssh 、中間転送の読出時刻をTs としている。縦軸は出力電子数(電荷量)を示しており、Qs は飽和電子数(飽和電荷量)、中間転送による保持電子数(中間保持電荷量)をQm、中間転送により読み出される電子数(中間転送電荷量)をQn、完全転送で読み出される電子数(完全転送電荷量)をQlとしている。
時刻Tl における出力電子数は、完全転送電荷量Qlであり飽和電荷量Qs を超えた値を得ることができない。これに対して、完全転送電荷量Qlと中間転送電荷量Qnを合成することで、飽和電荷量Qs 以上の出力値が得られることになる。これが、中間転送を利用することによるダイナミックレンジ拡大の基本的な考え方である。
D(Dm≧Dl)=Dm
D(Dl<Dm)=Dl
検証実験の制御電圧の違い(設定電圧A,B)による合成出力D_A,D_Bを1つに纏めて図3Cに示す。図3Cから分かるように、設定電圧Aの場合は輝度レベルに応じて合成出力D_Aが線形に変化しているが、設定電圧Bの場合は輝度レベルに対して合成出力D_Bが非線形に変化する領域が発生している。この非線形領域が発生する条件は、合成すべき中間転送電荷量Qnと完全転送電荷量Qlのうち、完全転送電荷量Qlが情報欠落している場合であり、発生する場所は、前述した実験結果のノイズ増加領域と一致している。
次に、図3Cで示した実験結果における完全転送電荷量Qlの情報欠落条件を特定する。図3A〜図3Cで示す実験において、時刻Tssh の時点で中間保持電荷量Qmに達しており、かつ時刻Tl の時点で完全転送電荷量Qlが飽和電荷量Qs に達している場合である。このとき、完全転送電荷量Qlと中間保持電荷量Qmには、Ql=(Tl −Ts )/(Tssh −Tlsh )×Qm+Qm”の関係がある。この関係を完全転送電荷量Qlが飽和電荷量Qs に達しない領域で維持すれば、完全転送電荷量Qlの情報欠落を防ぐことができる。そのため、中間保持電荷量Qmの設定には情報欠落しない条件を満たす必要が存在する。その条件は、“Qm≧(Tssh −Tlsh )/(Tl −Ts +Tssh −Tlsh )×Qs ”となる。
以上の結果を踏まえると、大量のデバイスに対してこの条件を満たす方法として、デバイスごとに制御電圧値を設定するのは非現実的であるため、全デバイスの設定条件を満たすように、制御電圧の設定にマージンを持たせることが考えられる。しかしながら、設定にマージンを持たせることは、デバイスごとの適正化が保証されていないことを意味する。また、デバイスの使用環境温度や動作電圧をある条件下で設定値を決めても、デバイスの使用環境が変わる場合がある。このような場合においても、最適であることを保証することが求められる。
第1実施形態では、通常画素の電荷生成部32とは異なる飽和電荷量を呈する検査用の電荷生成部32を画素アレイ部10の一部に作り込む仕組みを採る。
“Qm≧(Tssh −Tlsh )/(Tl −Ts +Tssh −Tlsh )×Qs ”
を満たしているか否かを判定する。
第2実施形態の中間電圧設定適正化処理では、駆動タイミングの工夫により電荷生成部32の電荷量を任意に制御する仕組みを採る。駆動タイミングの工夫は、単位画素3の回路構成にも依存することになるが、基本的には、スイッチ部を利用して、所定のタイミングで電荷生成部32を飽和させ得るような電圧を電荷生成部32に供給することで実現する。スイッチトランジスタ(半導体素子)を所定のタイミングでオンさせることで電荷生成部32飽和するように電荷注入を行なうのである。
図7〜図7Cは、中間電圧を適正化する仕組みの第2実施形態(第2例)を説明する図である。ここで、図7は、第2実施形態(第2例)が適用される3TR構成の単位画素3を示す図である。図7Aは、図7に示す3TR構成の単位画素3に対する通常の駆動タイミングを説明するタイミングチャートである。図7Bは、第2実施形態(第1例)に適用される通常画素領域と保持電荷測定用領域を識別する領域識別信号と画素アレイ部との関係を説明する図である。図7Cは、図7に示す3TR構成の単位画素3に対する第2実施形態(第1例)の駆動タイミングを説明するタイミングチャートである。
図8〜図8Dは、中間電圧を適正化する仕組みの第2実施形態(第2例)を説明する図である。ここで、図8は、第2実施形態(第2例)が適用される4TR構成の単位画素3を示す図であり、図2に示した単位画素3の構成と同様のものである。図8Aは、第2実施形態(第2例)に適用される電源部300の構成例を示す図である。図8Bは、第2実施形態(第2例)に適用される通常画素領域10aと保持電荷測定用領域10cを識別する領域識別信号Tyと画素アレイ部10と画素電源Vdd,SELVDDの関係を説明する図である。図8Cは、図8に示す4TR構成の単位画素3に対する通常の駆動タイミングを説明するタイミングチャートである。図8Dは、図8に示す4TR構成の単位画素3に対する第2実施形態(第2例)の駆動タイミングを説明するタイミングチャートである。
1)電圧設定をデバイスごとに変えない場合、電圧マージンのバラツキを管理する必要があり、生産条件変更などにより特性ばらつきが変わった場合に歩留低下が生じる。本例では、歩留低下が生じないので、その分のコストを低減できる。
2)電圧設定をデバイスごとに変える場合、デバイスごとに中間電圧と保持量の関係を測定する必要があり、測定結果をデバイスごとに反映させるシステムが必要となる。本例では、デバイス自身で適正な中間電圧を設定するフィードバックループ構成を備えるので、そのシステム分のコストを低減できる。
1)第1実施形態は、電源外部制御装置の回路を追加する必要がない利点がある一方、信号電荷生成部32の電荷量(フローティングディフュージョン38の電位)を任意のタイミングで(任意のレベルに)設定できない不利益がある。
2)第2実施形態は、信号電荷生成部32の電荷量(フローティングディフュージョン38の電位)を任意のタイミングで(任意のレベルに)設定できる利点がある一方、信号電荷生成部32を電子で埋めるために、電源電圧Vddをローレベルに制御する回路が必要になる不利益がある。
図9は、第1・第2実施形態の固体撮像装置と同様の仕組みを利用した第3実施形態の撮像装置の概略構成を示す図である。第3実施形態は、前述の固体撮像装置1の各実施形態に採用していた中間電圧設定適正化処理の仕組みを、物理情報取得装置の一例である撮像装置に適用したものである。図9は、その撮像装置8の概略構成図である。主要な構成要素について説明すると次の通りである(主要なもの以外は説明を割愛する)。
Claims (9)
- 信号電荷を生成する電荷生成部、および、前記電荷生成部で生成された信号電荷を転送する電荷転送部を具備し前記電荷生成部で生成された信号電荷に対応する処理対象信号を生成して出力する信号出力部を有する単位画素が配列されている画素アレイ部と、
前記単位画素を駆動する駆動制御部であって、前記電荷転送部をそれぞれ異なる複数の転送駆動電圧レベルで順次駆動する駆動制御部と、
前記電荷生成部が飽和しているときの飽和電荷量に基づく画素信号と、前記転送駆動電圧レベルが前記電荷生成部の飽和電荷量を完全に前記信号出力部側に転送し得る完全転送レベルと前記電荷転送部をオフさせるオフレベルの間のレベルにある状態で電荷転送を行なう中間転送後に前記電荷生成部に保持される中間電圧保持電荷量に基づく画素信号に基づき、実際の前記中間電圧保持電荷量が前記中間電圧保持電荷量の期待値となるように前記中間電圧のレベルを設定する転送駆動電圧設定部と
を備えた固体撮像装置。 - 前記電荷生成部が飽和しているときの飽和電荷量に基づく画素信号と、前記転送駆動電圧レベルが前記電荷生成部の飽和電荷量を完全に前記信号出力部側に転送し得る完全転送レベルと前記電荷転送部をオフさせるオフレベルの間のレベルにある状態で前記電荷生成部に保持される中間電圧保持電荷量に基づく画素信号に基づき、前記転送駆動電圧設定部が前記中間電圧のレベルを適正な値に設定するための判定の指標値を求め、求めた指標値を前記転送駆動電圧設定部に通知する信号処理部を備え、
前記転送駆動電圧設定部は、前記信号処理部から通知される指標値と、前記中間電圧保持電荷量の期待値とを比較し、この比較結果に基づいて、前記中間電圧のレベルを設定する
請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記転送駆動電圧設定部は、
前記電荷生成部が飽和しているときの飽和電荷量に基づく画素信号と、前記転送駆動電圧レベルが前記電荷生成部の飽和電荷量を完全に前記信号出力部側に転送し得る完全転送レベルと前記電荷転送部をオフさせるオフレベルの間のレベルにある状態で前記電荷生成部に保持される中間電圧保持電荷量に基づく画素信号に基づき判定の指標値を求める外部に設けられた信号処理部から前記判定の指標値を取得し、
この取得した指標値と前記中間電圧保持電荷量の期待値とを比較し、この比較結果に基づいて、前記中間電圧のレベルを設定する
請求項1に記載の固体撮像装置。 - 完全転送の電荷蓄積時間をTlsh 、完全転送の読出時刻をTl ,中間転送の電荷蓄積時間をTssh 、中間転送の読出時刻をTs 、飽和電荷量をQs 、中間転送による中間保持電荷量をQm、中間転送により読み出される中間転送電荷量をQn、完全転送で読み出される完全転送電荷量をQlとしたとき、
“Ql=(Tl −Tlsh )/(Ts −Tssh )×Qn”、および、“Ql=(Tl −Ts )/(Tssh −Tlsh )×Qm+Qm”の関係があり、かつ、
“Qm≧(Tssh −Tlsh )/(Tl −Ts +Tssh −Tlsh )×Qs ”を満たす前記中間電圧保持電荷量Qmが、前記中間電圧保持電荷量の期待値である
請求項1〜3の内の何れか一項に記載の固体撮像装置。 - 前記画素アレイ部の一部の領域における前記単位画素には、前記電荷生成部が飽和するように電荷注入を行なう部材が形成されており、
前記中間電圧保持電荷量は、前記電荷注入がなされた前記単位画素に対して中間転送を行なったときのものである
請求項1〜4の内の何れか一項に記載の固体撮像装置。 - 前記単位画素は、半導体素子で構成されたスイッチ部を有し、
前記駆動制御部は、前記半導体素子を所定のタイミングでオンさせることで前記電荷生成部が飽和するように電荷注入を行ない、
前記中間電圧保持電荷量は、前記電荷注入がなされた前記単位画素に対して中間転送を行なったときのものである
請求項1〜4の内の何れか一項に記載の固体撮像装置。 - 信号電荷を生成する電荷生成部、および、前記電荷生成部で生成された信号電荷を転送する電荷転送部を具備し前記電荷生成部で生成された信号電荷に対応する処理対象信号を生成して出力する信号出力部を有する単位画素が配列されている画素アレイ部と、
前記単位画素を駆動する駆動制御部であって、前記電荷転送部をそれぞれ異なる複数の転送駆動電圧レベルで順次駆動する駆動制御部と、
前記電荷生成部が飽和しているときの飽和電荷量に基づく画素信号と、前記転送駆動電圧レベルが前記電荷生成部の飽和電荷量を完全に前記信号出力部側に転送し得る完全転送レベルと前記電荷転送部をオフさせるオフレベルの間のレベルにある状態で前記電荷生成部に保持される中間電圧保持電荷量に基づく画素信号に基づき、前記転送駆動電圧設定部が前記中間電圧のレベルを適正な値に設定するための判定の指標値を求める信号処理部と、
前記信号処理部が求めた前記判定の指標値と前記中間電圧保持電荷量の期待値とを比較し、実際の前記中間電圧保持電荷量が前記中間電圧保持電荷量の期待値となるように前記中間電圧のレベルを設定する転送駆動電圧設定部と
を備えた撮像装置。 - 信号電荷を生成する電荷生成部、および、前記電荷生成部で生成された信号電荷を転送する電荷転送部を具備し前記電荷生成部で生成された信号電荷に対応する処理対象信号を生成して出力する信号出力部を有する単位画素を有する固体撮像装置から、前記電荷生成部が飽和しているときの飽和電荷量に基づく画素信号と、前記転送駆動電圧レベルが前記電荷生成部の飽和電荷量を完全に前記信号出力部側に転送し得る完全転送レベルと前記電荷転送部をオフさせるオフレベルの間のレベルにある状態で前記電荷生成部に保持される中間電圧保持電荷量に基づく画素信号を取得し、各画素信号に基づいて前記転送駆動電圧設定部が前記中間電圧のレベルを適正な値に設定するための判定の指標値を求める信号処理部と、
前記信号処理部が求めた前記判定の指標値と前記中間電圧保持電荷量の期待値とを比較し、実際の前記中間電圧保持電荷量が前記中間電圧保持電荷量の期待値となるように前記中間電圧のレベルを設定する転送駆動電圧設定部と
を備えた画素駆動電圧適正化装置。 - 信号電荷を生成する電荷生成部、および、前記電荷生成部で生成された信号電荷を転送する電荷転送部を具備し前記電荷生成部で生成された信号電荷に対応する処理対象信号を生成して出力する信号出力部を有する単位画素を有する固体撮像装置から、前記電荷生成部が飽和しているときの飽和電荷量に基づく画素信号と、前記転送駆動電圧レベルが前記電荷生成部の飽和電荷量を完全に前記信号出力部側に転送し得る完全転送レベルと前記電荷転送部をオフさせるオフレベルの間のレベルにある状態で前記電荷生成部に保持される中間電圧保持電荷量に基づく画素信号を取得し、
各画素信号に基づいて判定の指標値を求め、
前記指標値と前記中間電圧保持電荷量の期待値とを比較し、実際の前記中間電圧保持電荷量が前記中間電圧保持電荷量の期待値となるように前記中間電圧のレベルを設定する 画素駆動電圧適正化方法。
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