JP5224899B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Description
(2)続くリセットサンプル期間T2においては、リセットパルスφRST1をLレベルとする。この際、高輝度光が入射していない画素P11,P13ではフローティングディフュージョン部FD11,FD13の電圧VFD11,VFD13(VFD13は図示省略)は変化しないが、高輝度光の入射画素P12ではフォトダイオードPDからの電荷の漏れ込み等によってフローティングディフュージョン部FD12の電圧VFD12が図示のように低下する。それにより画素P12が接続されている垂直信号線32の電位V32(Rst) も低下し、(VFD12−VGS-M312 )となる。なお、VGS-M312 は画素P12の増幅トランジスタM312 のゲート・ソース間電圧である。そして、リセットサンプル期間T2の終期において、CDS回路10のクランプパルスφCLをLレベルとして、各垂直信号線31〜33の電位をクランプする。
(3)続く信号転送期間T3では、転送パルスφTR1をHレベルとして、各画素P11〜P13のフォトダイオードPDの信号電荷をフローティングディフュージョン部FD11〜FD13へそれぞれ転送する。この際、高輝度光入射画素P12におけるフローティングディフュージョン部FD12の電圧VFD12は、リセットサンプル期間T2において既に下がっているため、フォトダイオードPDの電荷を転送しても、リセットサンプル期間T2の電圧から少ししか下がらない(電荷の漏れ込みによりフローティングディフュージョン部FD12の電圧VFD12が下がり切っている場合は、変化しない)。したがって、垂直信号32の電位V32(Sig) も少ししか変化しない。なお、この際、他の垂直信号線31,33の電位も、画素P11,P13には殆ど光が入射していないものとしているため、殆ど変化しない。
(4)続く信号サンプリング期間T4では、CDS回路10の処理動作により、差分電位〔V32(Rst) −V32(Sig) 〕がサンプルホールド容量C12に保持される。次いで、CDS回路10で処理された差分電位が列選択トランジスタM6及び出力アンプ5を介して、画像信号として出力される。この際、高輝度光の入射画素P12では、リセットサンプル期間T2における垂直信号線32の電位V32(Rst) の変動により、CDS処理による差分電位〔V32(Rst) −V32(Sig) 〕が小さく、黒く沈んだ出力が画像信号として出力され、黒沈み現象が発生する。
(2)続くリセットサンプル期間T2においては、その終期にCDS回路10のクランプパルスφCLをLレベルとして、各画素のフローティングディフュージョン部FD11〜FD13の電圧を、垂直信号31〜33を介してCDS回路10にクランプする。
(3)続く信号転送期間T3において、転送パルスφTR1をHレベルとして、各画素P11〜P13のフォトダイオードPDの信号電荷をフローティングディフュージョン部FD11〜FD13にそれぞれ転送すると、高輝度光入射画素P12では信号電荷が多いため、そのフローティングディフュージョン部FD12の電位VFD12は電源電圧VDDから大きく下がる。したがって、画素P12が接続された垂直信号線32の電位V32は、(VFD12−VGS-M312 )となり、大きく下がる。これにより、垂直信号線32に接続されているバイアス用トランジスタM52のドレイン・ソース間電圧は小さくなるため、該バイアス用トランジスタM52に流れる電流が減少する。これにより、バイアス用トランジスタM51〜M53のソースに共通に接続されているGND線のGND抵抗による電圧降下が減少し、垂直信号線31,33に接続されているバイアス用トランジスタM51,M53のゲート・ソース間電圧が大きくなり、垂直信号線31,33に流れる電流が増加する。これにより、画素P11,P13の増幅トランジスタM311 ,M313 のゲート・ソース間電圧が大きくなり、垂直信号線31,33の電位V31,V33がリセットレベル出力(VDD)に対してΔV低下する。
(4)続く信号サンプリング期間T4では、CDS回路10の処理動作により、垂直信号線31〜33における、リセット電位と転送後の光信号読み出し電位との差分が、列選択トランジスタM6及び出力アンプ5を介して、画像信号として出力される。この際、高輝度光入射画素P12の周辺画素P11,P13では、上記のようにバイアス用トランジスタM52に接続されたGND線を介した電流変動により、リセットレベルとの差電位ΔVが検出され、これが白浮きとなり、画像信号にハイライト横すじ現象が発生する。
(1)まず、リセット期間T1では、選択パルスφROW1をHレベルとし、クリップ電圧Vclipを電源電圧VDDより低いが黒沈み現象が発生しないような第1のレベルVclipH に設定しておき、リセットパルスφRST1をHレベルとして、各画素のフローティングディフュージョン部FD11,FD12,FD13を電源電圧VDDに固定する。また、CDS回路10のクランプパルスφCL及びサンプルホールドパルスφSHもHレベルとする。
(2)続くリセットサンプル期間T2においては、高輝度光の入射画素P12ではフォトダイオードPDからの電荷の漏れ込み等によってフローティングディフュージョン部FD12の電圧VFD12が大きく低下する。これにより、クリップ回路を設けていない場合は、垂直信号線32の電位V32も大きく低下する。しかし、クリップ回路72を設けているため、垂直信号線32の電位V32(Rst) は、(VclipH −VGS-M72)にクリップされており、それ以下の電位には低下しない。したがって、引き続くCDS回路10の差分処理によっても、黒沈み現象の発生が回避される。なお、VGS-M72は、クリップトランジスタM72のゲート・ソース間電圧である。そして、リセットサンプル期間T2の終期において、CDS回路10でクランプパルスφCLをLレベルとして、各垂直信号線31〜33の電位をクランプする。
(3)続く信号転送期間T3では、クリップ電圧Vclipをハイライト横すじ現象が発生しないような第2のレベルVclipL に切り換え設定すると共に、転送パルスφTR1をHレベルにして、各画素P11〜P13のフォトダイオードPDの電荷をフローティングディフュージョン部FD11〜FD13へそれぞれ転送する。この際、高輝度光入射画素P12におけるフローティングディフュージョン部FD12の電圧VFD12は、大きく低下する。このため、クリップ回路を設けていない場合には、垂直信号線32の電位V32も大きく低下し、バイアス用トランジスタM51のドレイン・ソース間電圧が、バイアス用トランジスタM51が動作する範囲外にまで低下しハイライト横すじが発生する。しかし、クリップ回路の電圧VDD2を第2のクリップレベルVclipL と設定することで、垂直信号線32の電位V32を(VclipL −VGS-M72)でクリップしているため、垂直信号線32の電位V32はこれ以下の電圧にはならず、バイアス用トランジスタM51も動作する。これにより、ハイライト横すじの発生は回避される。
(4)続く信号サンプリング期間T4では、CDS回路10の処理動作により、垂直信号線31〜33のリセット電位と転送後の光信号読み出し電位との差分がサンプルホールド容量C12に保持され、列選択トランジスタM6及び出力アンプ5を介して、黒沈み及びハイライト横すじ現象の阻止された画像信号として出力される。
本発明は、別個のクリップ回路を設けずに、画素部の画素の出力を用いて、黒沈み現象及びハイライト横すじ現象防止のための垂直信号線のクリップ動作を行わせるようにするものであるが、本実施例1は画素部の遷移領域の画素の出力を上記クリップ動作に用いるものである。すなわち、図1に示すように、一般に画素部100 においては、中央部が画像信号を形成する有効領域101 となっており、周辺部が黒レベルを出力させるための遮光領域102 となっている。そして有効領域101 と遮光領域102 との間には、画像信号の質の観点から、画像信号を得るためには用いられない遷移領域(マージン領域)103 が設けられ、この遷移領域103 に含まれる画素を用いてクリップ動作を行わせるものである。
(1)まずFD部リセット期間T1においては、2行の選択パルスφROW1,φROW2をHレベルとして、2行の画素出力を垂直信号線32に接続し、差動入力回路を構成し、また2行目の画素電源VDD2は第1のクリップ電圧VclipH に設定されている。この状態において、2行のリセットパルスφRST1,φRST2をHレベルとする。これにより、1行目の読み出し行の画素P12のフローティングディフュージョン部FD12の電圧VFD12は電源電圧VDDに固定され、2行目のクリップ電圧発生用の画素P22のフローティングディフュージョン部FD22の電圧VFD22は、第1のクリップ電圧VclipH に固定される。これにより、垂直信号線32の電位V32は、(VDD−VGS-M312 )となる。また、CDS回路10のクランプパルスφCL及びサンプルホールドパルスφSHもHレベルとする。
(2)続くリセットサンプリング期間T2においては、2行目のリセットパルスφRST2はHレベルのまま、1行目のリセットパルスφRST1はLレベルとする。1行目の画素P12のフローティングディフュージョン部FD12の電圧VFD12は、高輝度光の入射によるフォトダイオードPDからの電荷の漏れ込み等によって、図示のように低下する。一方、2行目のクリップ電圧発生用画素P22では、リセットパルスφRST2はHレベルのままなので、フローティングディフュージョン部FD22の電圧VFD22は、第1のクリップ電圧VclipH に固定されたままである。したがって、垂直信号32の電位V32(Rst) は、(VclipH −VGS-M322 )にクリップされ、これにより、次に行われるCDS回路10における差分処理による黒沈み現象の発生が抑圧されるようになる。なお、VGS-M322 は画素P22の増幅トランジスタM322 のゲート・ソース間電圧である。そして、リセットサンプリング期間T2の終期において、クランプパルスφCLをLレベルとし、垂直信号線32の電位V32(Rst) (=VclipH −VGS-M322 )をCDS回路10にクランプする。
(3)続く転送期間T3においては、2行目のクリップ電圧発生用画素のリセットパルスφRST2はHレベルのまま、1行目の画素行の転送パルスφTR1をHレベルとする。これにより、1行目(読み出し行)の画素P12のフローティングディフュージョン部FD12の電圧VFD12は、フォトダイオードPDの蓄積電荷により電圧が下がる。また2行目のクリップ電圧発生用画素P22の画素電源VDD2を第2のクリップ電圧VclipL に切り換え、画素P22のフローティングディフュージョン部FD22の電圧VFD22を第2のクリップ電圧VclipL に切り換え固定する。
(4)続く信号サンプリング期間T4においては、2行目の画素行のリセットパルスφRST2をHレベルのまま、1行目の画素行の転送パルスφTR1をLレベルとする。この段階で、1行目の画素P12のフローティングディフュージョン部FD12の電圧VFD12は、ハイライト横すじ発生レベルまで低下するが、2行目のクリップ電圧発生用画素P22のフローティングディフュージョン部FD22の電圧VFD22は第2のクリップ電圧VclipL に固定されているので、垂直信号線32の電位V32(Sig) は、(VclipL −VGS-M322 )にクリップされ、垂直信号線32の電流変動を回避できるため、ハイライト横すじ現象は抑圧される。
次に、実施例2について説明する。この実施例は、クリップ電圧の発生に用いる画素を複数個(N個)とするもので、これによりクリップ電圧発生用画素の増幅トランジスタのゲート面積を実質的に大きくして、増幅トランジスタのゲート・ソース間電圧のばらつきを低減し、〔ゲート・ソース間電圧のばらつきは1/√Nに比例する(N:トランジスタのゲート面積)〕、したがって、列毎のゲート・ソース間電圧のばらつきを低減してクリップ電圧値の精度を高めることを可能にするものである。
次に、実施例3について説明する。実施例1及び実施例2に示したように、クリップ電圧発生用画素として単一の画素行あるいは複数の画素行を用いた場合に、その画素行に異常出力をなす欠陥画素が含まれる場合がある。欠陥画素をクリップ電圧発生用画素として用いると最適なクリップ電圧に設定することができず、垂直信号線の電位のクリップ機能を果たさなくなる可能性がある。そこで、本実施例では、欠陥画素の位置情報をメモリに保存しておき、クリップ動作時には欠陥画素の存在する画素行をクリップ電圧発生用画素行として用いないようにするものである。
次に、実施例4について説明する。固体撮像装置においては、画素部の有効領域の一部のみを読み出す場合(ハイビジョン撮影時等)がある。このような信号読み出し行数を削減したモードで動作させる場合には、非読み出し行が増える。そこで、本実施例では、この増えた非読み出し行もクリップ電圧発生用画素として使用するもので、これによりクリップ電圧における増幅トランジスタのゲート・ソース間電圧VGSのばらつきを更に低減させることができる。
4 水平走査部
5 出力アンプ
6 タイミング制御部
7 水平信号線
10 CDS回路
31,32,33 垂直信号線
100 画素部
101 有効領域
102 遮光領域
103 遷移領域
Claims (5)
- 入射光を信号電荷に変換する光電変換手段、前記信号電荷を蓄積する蓄積部、該蓄積部に前記信号電荷を転送する転送手段、前記蓄積部に蓄積された前記信号電荷を増幅して画素信号として出力する増幅手段、及びリセットラインに保持された電位を前記蓄積部に供給して該蓄積部をリセットするリセット手段を有する画素が複数、行列状に2次元に配列されると共に、他端が接地された定電流源の一端に一端が接続され、前記画素信号が出力される、列毎に設けられた出力信号線を有し、前記画素が2次元に配列された領域上に、遮光された遮光領域、前記入射光に対応した画素信号を読み出す読み出し領域、及び前記遮光領域と前記読み出し領域との間の遷移領域が各々設定された画素部と、
同一の前記出力信号線に接続された前記画素のうち、前記読み出し領域に含まれる前記画素を第1の画素とし、前記遷移領域に含まれる前記画素を第2の画素として、前記第1の画素から前記出力信号線への前記入射光に応じた前記画素信号の出力時、前記第2の画素を前記リセット手段によりリセットし、そのときに前記第2の画素から前記出力信号線へ出力される画素信号を用いて、前記定電流源の前記一端と他端との間の電位差が、前記定電流源が動作可能な範囲に保持されるように制御する制御手段とを有し、
前記制御手段は、
前記リセット手段による前記蓄積部をリセットする期間には、前記第2の画素に供給する画素電源の電圧を、前記第1の画素に供給する画素電源の電圧よりも低い第1のクリップ電圧に設定し、
前記第1の画素から前記出力信号線への前記入射光に応じた前記画素信号を出力する期間には、前記第2の画素に供給する画素電源の電圧を、前記第1のクリップ電圧よりも低い第2のクリップ電圧に設定する
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 前記制御手段は、複数の前記第2の画素からの画素信号を用いて前記定電流源の前記保持動作を行わせることを特徴とする請求項1に係る固体撮像装置。
- 前記制御手段は、前記定電流源の前記保持動作に用いる複数の前記第2の画素の組み合わせを変更可能に制御することを特徴とする請求項2に係る固体撮像装置。
- 前記制御手段は、更に、前記読み出し領域のうち、前記入射光に対応した前記画素信号の読み出しの対象とはならなかった前記第1の画素からの画素信号を用いて前記定電流源の前記保持動作を行わせることを特徴とする請求項1に係る固体撮像装置。
- 前記制御手段は、前記定電流源の両端間の前記電位差が、前記定電流源が動作可能な範囲の下限となるように、前記画素信号を出力する前記第2の画素を制御することを特徴とする請求項1に係る固体撮像装置。
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