JP5546257B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、固体撮像装置に関するものである。

電子カメラ等に用いられる固体撮像装置として、特開2000−232216号公報(以下、特許文献1)が開示されている。その固体撮像装置は、フォトダイオード(PD)と転送MOSトランジスタを複数個組として共通のフローティングディフュージョン(FD)領域に読み出し、共通のソースフォロアMOSトランジスタで増幅する。

また、特開2000−165755号公報(以下、特許文献2)では、FDにMOS容量を付加してFD容量を可変とし、光電変換部に蓄積される信号電荷に対応して、感度を変化させることができる固体撮像装置を提供する手段が開示されている。FD容量を大きくすることによりFDに多量の電荷が転送された際の出力信号振幅を小さくし、垂直信号線以降の電圧の振幅を抑制することが可能となる。

特開2000−232216号公報 特開2000−165755号公報

しかし、特許文献1では、FDを共通化することによりFD容量そのものが増加する。そのためにSN比(Signal to Noise ratio)が悪化するという課題がある。

また、特許文献2では、FD容量を電気的に可変にするための容量手段が必要であるために、画素内の素子数が増えPD面積が小さくなるという課題がある。

本発明の目的は、素子数を増加させることなくFD容量値を可変にすることができる固体撮像装置を提供することである。

本発明の固体撮像装置は、光電変換により電荷を生成する複数の光電変換素子と、前記光電変換素子毎に接続され、前記複数の光電変換素子により生成された電荷を転送する複数の転送トランジスタと、前記転送トランジスタにより転送された電荷を保持する複数のフローティングディフュージョン領域と、前記フローティングディフュージョン領域毎に接続され、前記複数のフローティングディフュージョン領域の電荷に基づく信号を増幅する複数の増幅手段と、複数の前記フローティングディフュージョン領域同士を接続又は非接続するための接続手段と、前記複数のフローティングディフュージョン領域のうちの第1のフローティングディフュージョン領域に接続されたリセットトランジスタとを有し、前記リセットトランジスタは、前記接続手段を介して、前記複数のフローティングディフュージョン領域のうちの前記第1のフローティングディフュージョン領域とは異なる第2のフローティングディフュージョン領域に接続され、前記第1のフローティングディフュージョン領域の電圧は、前記リセットトランジスタを介してリセットされ、前記第2のフローティングディフュージョン領域の電圧は、前記リセットトランジスタ及び前記接続手段を介してリセットされ、前記第1及び第2のフローティングディフュージョン領域の電圧のリセットを、前記リセットトランジスタ及び前記接続手段の両者を導通状態とした後、前記リセットトランジスタを導通状態に維持した状態で前記接続手段を非導通状態とし、その後、前記リセットトランジスタを非導通状態として行うモードを有することを特徴とする。

高輝度の被写体を撮影する場合には接続手段を接続し、フローティングディフュージョン領域の容量を増大させることにより、フローティングディフュージョン領域上に生じる電圧を抑えることができる。その結果、増幅手段の出力電圧が飽和することを抑制し、ダイナミックレンジを拡大することができる。

また、低輝度の被写体を撮影する場合には、接続手段を非接続とし、フローティングディフュージョン領域を分離することにより、フローティングディフュージョン領域の容量は低減する。そのため、フローティングディフュージョン領域上に生じる電圧は大きくなり、良好なSN比を得ることができる。

本発明の第1の実施形態による固体撮像装置の画素回路図である。 図1の画素回路を2次元アレイ状に配置した固体撮像装置の全体回路図である。 図2の回路のタイミング図である。 本発明の第2の実施形態による固体撮像装置の画素回路図である。 本発明の第3の実施形態による固体撮像装置の画素回路図である。 本発明の第4の実施形態による固体撮像装置の画素回路図である。 本発明の第5の実施形態による固体撮像装置の画素回路図である。 本発明の第6の実施形態による固体撮像装置の画素回路図である。 本発明の第7の実施形態による固体撮像装置の画素回路図である。 本発明の第8の実施形態による固体撮像装置の画素回路図である。 本発明の第1の実施形態による固体撮像装置の画素回路図である。 本発明の第11の実施形態による撮像システムの構成例を示す図である。 図2の回路のタイミング図である。 図2の回路のタイミング図である。 本発明の第9の実施形態の固体撮像装置の加算動作を示す図である。 本発明の第9の実施形態の固体撮像装置の加算動作を示す図である。 本発明の第9の実施形態の固体撮像装置の加算動作を示す図である。 本発明の第9の実施形態の固体撮像装置の加算動作を示す図である。 本発明の第10の実施形態の固体撮像装置の加算動作を示す図である。

(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態による固体撮像装置の2画素分の回路である。第1のフォトダイオード(PD)101a及び第2のフォトダイオード(PD)101bは、光電変換により電荷を生成する第1の光電変換素子及び第2の光電変換素子である。103a,103bは、第1のフローティングディフュージョン領域及び第2のフローティングディフュージョン領域である。102a,102bは、それぞれ、フォトダイオード101a,101bで発生した電荷をそれぞれのフローティングディフュージョン(FD)領域103a,103bへと転送する第1の転送トランジスタ及び第2の転送トランジスタである。104a,104bは、第1及び第2のFD領域103a,103bで電荷電圧変換された電圧を増幅して出力する第1のソースフォロア(SF)アンプ(第1の増幅手段)及び第2のソースフォロア(SF)アンプ(第2の増幅手段)である。105a,105bは、ソースフォロアアンプ104a,104bの出力を制御する選択トランジスタであり、垂直信号線106に接続されている。また、垂直信号線106は、定電流源107に接続されている。

FD領域103aは、リセットトランジスタ108と接続されており、FD領域103aと103bの間にはこれらのFD領域を導通もしくは非導通とするFD接続トランジスタ(接続手段)109が設けられている。また、リセットトランジスタ108、及びSFアンプ104a,104bは画素の電源SVDDと接続されている。

また、リセットトランジスタ108は、図1ではFD領域103aにのみ接続されているが、図11のように、リセットトランジスタ108’がFD領域103bに接続するようにしても良い。その際には、FD領域103aと103bのFD容量をより等しくそろえることができ、FD領域毎のゲインのばらつきを抑制し画質を向上することができる。

図1の回路では、PD101a又は101bに多くの光電荷が発生する際にはFD接続トランジスタ109をオンしてFD領域103aと103bを接続する。そのことによりFD容量は増大するため、FD領域上に生じる電圧を抑えることができる。その結果、垂直信号線106以降の電圧が飽和することを抑制し、ダイナミックレンジを拡大することが可能となる。

また、PD101a又は101bに少量の光電荷が発生する状態の際にはFD接続トランジスタ109をオフして、FD領域103aと103bを分離する。そのことによりFD容量は低減するため、FD領域上に生じる電圧は大きくなり、良好なSN比を得ることができる。

また、PD101aの光電荷を読み出す際に、FD接続トランジスタ109をオンしてFD領域103aと103bを接続した場合には、選択トランジスタ105aをオンしてSFアンプ104aで増幅しても良い。同時に、選択トランジスタ105bをオンしてSFアンプ104bをも使用して増幅しても良い。この際には、2つのSFアンプ104a,104bを使用することにより、実効的にMOSトランジスタのチャネル幅Wが2倍となるため、SFアンプ104a,104bに起因する1/fノイズを低減する効果があり、結果として良好なSN比が得られる。

また、同時にMOSトランジスタのチャネル幅Wが2倍となるため、いわゆるオーバードライブ電圧を小さくすることができるため垂直信号線106のダイナミックレンジをより広く使うことができる。

また、PD101aの光電荷を読み出す際に、FD接続トランジスタ109をオンしてFD領域103aと103bを接続した場合には、選択トランジスタ105aと選択トランジスタ105bのどちらか一方をオンしてもよい。その場合、SFアンプ104aもしくは104bのどちらかで増幅される。このことによりSFアンプ104aと104bのどちらかの1/fノイズが極端に大きい時、又はどちらかのSFアンプ104a,104b、又は選択トランジスタ105a,105bに不具合があり正常な出力が得られない時に正常な側を使用することができる。これにより、歩留りの向上、SN比の向上に効果がある。

また、どちらのトランジスタをオンするかを決める際には行単位で選択行が決定されるので、予めテストした結果を読み込みノイズの小さいトランジスタを選択したり、欠陥のないトランジスタを選択することができる。

図2は、図1の画素回路を2次元アレイ状に配置して構成した固体撮像装置の全体回路図である。図2は、4行2列の例を示したがこの例にとどまるものではなく、さらに多数の行列の画素に対応可能である。

201〜204は、図1の画素ブロックを示したものである。ブロック201と203は、垂直信号線106に接続されており、ブロック202と204は垂直信号線106’に接続されている。

また、ブロック201と202は、共通の駆動線に接続されている。すなわちリセットトランジスタ108のゲート電極には駆動線Presが接続されている。転送トランジスタ102aには駆動線Ptx_aが接続されている。選択トランジスタ105aには駆動線Psel_aが接続されている。転送トランジスタ102bには駆動線Ptx_bが接続されている。選択トランジスタ105bには駆動線Psel_bが接続されている。FD接続トランジスタ109には駆動線Paddが接続されている。ブロック203,204に関しても、ブロック201,202と同様な共通の駆動線が接続されている。

205は垂直走査回路であり、垂直方向へ順次画素ブロックを選択していく。206はクランプ容量C0、207はオペレーショナルアンプ(オペアンプ)であり、プラス端子が基準電圧Vrefに接続されマイナス端子はクランプ容量206に接続されている。また、マイナス端子は208のフィードバック容量Cf、及びスイッチ209に接続され、画素からの信号に対して(C0/Cf)倍のゲインをかけることができる。また、オペアンプ207は、複数個設けたフィードバック容量208を切り替えることによりゲインを替えられるようにしても良い。フィードバック容量208,209のもう一方の端子はオペアンプ207の出力端子と接続されている。オペアンプ207の出力端子は基準信号保持容量(CTN)210、及び光信号保持容量(CTS)211にそれぞれスイッチ212、213を介して接続されている。スイッチ209,212,213はそれぞれPC0R,PTN,PTSの駆動パルスに接続されている。容量210及び211に保持された信号は、水平走査回路214から順次出力されるパルスにより列選択スイッチ215,216をオンさせることにより水平出力線(CHN)217と水平出力線(CHS)218に出力される。これらの信号は差動出力アンプ219で差信号をとり、出力される。スイッチ220,221は、水平出力線(CHN)217と水平出力線(CHS)218を所望のタイミングで駆動パルスPCHRによりVchrにリセットするスイッチである。

図3は、FD容量を小さくして読み出す場合の駆動タイミングを示す。垂直走査回路205がブロック201と202をアクティブ状態にしている時に関して説明を行う。なお、PD101a、101bにはすでに光電荷が蓄積されている状態であるとする。

まず、PD101aの行の光電荷を読み出す駆動方法に関して説明を行う。時刻T=t0の初期状態において、Presはハイレベル(オン状態)、Paddもハイレベルになっており、FD領域103a,103bはリセットトランジスタ108とFD接続トランジスタ109を介して電圧SVDDによりリセットされている。また、読み出し回路はPC0Rがハイレベルになっておりスイッチ209がオンしオペアンプ207は電圧Vrefをバッファーし出力している。また、PCHRはハイレベルになっており、水平出力線217,218は電圧Vchrに固定されている。

時刻T=t1でPsel_aがハイレベルになり、SF104aがアクティブ状態になる。

時刻T=t2でPaddがローレベル(オフ状態)、時刻T=t3でPresがローレベル(オフ状態)となり、FD領域103a、103bはリセットされた状態となる。この状態で垂直信号線106にはFD領域をリセットした電圧をバッファーした出力が生じている。

時刻T=t4でPC0Rをローレベルとし、垂直信号線106をクランプする。

時刻T=t5でPTNをハイレベル、時刻T=t6でPTNをローレベルとし、クランプした際のオペアンプ207の出力を容量(CTN)210に書き込む。

時刻T=t7でPtx_aをハイレベル、時刻T=t8でPtx_aをローレベルとし転送トランジスタ102aをオン及びオフすることによりPD101aの信号電荷をFD領域103aに完全転送により読み出す。このことによりFD電位は下がり、信号出力線の電圧もそれに応じて変化する。この変化はオペアンプ207の出力に“−(C0/Cf)倍”のゲインをもって現れる。

時刻T=t9でPTSをハイレベル、T=t10でPTSをローレベルとし、このときのオペアンプ207の出力を容量(CTS)211に書き込む。

これらの動作は隣接するブロック202でも同時に行われそれぞれのリセット電圧と、それぞれのPDに生じた光電荷に相当する電圧がそれぞれ容量(CTN)210,容量(CTS)211に書き込まれている。

時刻T=t11,t12で、容量(CTN)210,容量(CTS)211に書き込まれた信号は水平転送期間中に水平走査回路214からの信号ΦH1によりスイッチ215,216がオンし、水平出力線217,218に出力される。水平出力線217,218の差信号は、差動出力アンプ219から出力される。この動作が順次繰り返され、時刻T=t13,t14で信号ΦH2によりブロック202の信号が読み出される。そして光信号とノイズ信号の差分が差動出力アンプ219から出力される。

次に、PD101bの行の光電荷を読み出す駆動方法に関して説明を行う。基本的な動作はPD101aと同じであり、異なるのはPD101bを読み出すためにPsel_aの駆動タイミングがPsel_bであること、同様にPtx_aの駆動タイミングがPtx_bであることである。

FD容量を大きくして読み出す場合には図3においてPaddのタイミングをハイレベル固定にすれば良い。このことによりPD101aを読み出すときにも、PD101bを読み出す際にもFD容量は大きくなり、多量の信号電荷がFD領域103a,103bに転送された場合でもFD領域103a,103bの電圧変化が小さく抑えられる。そのため、垂直信号線106以降の電圧が飽和することを抑制し、ダイナミックレンジを拡大することが可能となる。

また、2つのSFアンプ104a,104bを使用して読み出す時には、FD接続トランジスタ109をオンする。そして、FD領域103aと103bを接続した状態で、図3のPsel_aとPsel_bの論理和をとったタイミングで選択トランジスタ105a,105bを駆動すれば良い。このことにより、実効的にMOSトランジスタのチャネル幅Wが2倍となるため、SFアンプ104a,104bに起因する1/fノイズを低減する効果があり、結果として良好なSN比が得られる。

また、PD101aの電荷をSFアンプ104bで読み出すこともできる。その際には図3のPsel_aのタイミングでSF104bを駆動すれば良い。

また、2つのPD101aと101bの電荷を加算することもできる。その際の駆動は、FD接続トランジスタ109をオンしてFD領域103aと103bを接続した上で、Ptx_aとPtx_bの論理和をとったタイミングで転送トランジスタ102a,102bを駆動すれば良い。その際に動作させるSFアンプ105a,105bは前出のように駆動させ、複数もしくは1つ選択すれば良い。その際の具体的な駆動は、FD接続トランジスタ109をオンしてFD領域103a,103bを接続した上で、Ptx_aとPtx_bの論理和をとったタイミングで転送トランジスタ102a,102bを駆動すれば良い。具体的には図13に示すとおりである。

また、転送トランジスタ102a,102bをオンするタイミングは同時でなくてもよいが、オフするタイミングは同時であることが好ましい。すなわち、転送トランジスタ102a,102bによりPD101a,101bの電荷を加算する際に、転送トランジスタ102a,102bをオンするタイミングをずらし、同時に転送トランジスタ102a,102bをオフする。一例を図14に示す。なぜならば転送トランジスタ102a,102bをオンすることによりFD領域103a,103bの電位は振り上げられてより高い電位になり転送し易くなるが、オフする際にはFD領域103a,103bの電位は振り下げられ、逆に転送しにくくなるからである。したがって、一方の転送トランジスタがオフした後にもう一方の転送トランジスタがオフすると後からオフしたPDには転送残りが発生し、残像などの画質の劣化が生じるからである。すなわち複数のPDの電荷を共通FD領域に読み出す際に同時に転送トランジスタをオフすることにより、より多くの電荷を転送することが可能となる。

さらに、Ptx_aとPtx_bのオンタイミングをずらすことによりこれらの駆動パルスを供給するバッファー回路が同時にオンしなくなるため電源電圧変動が小さくなり、ノイズの発生を低減する効果もある。また、動作させるSFアンプ104a,104bは上述のように駆動させ、複数もしくは1つ選択すれば良い。

(第2の実施形態)
図4は、本発明の第2の実施形態による固体撮像装置の画素回路を示したものである。図1との差異はFD領域103aに第3のPD(第3の光電変換素子)401aが第3の転送トランジスタ402aを介して接続されていることにある。同様にFD領域103bには第4のPD(第4の光電変換素子)401bが第4の転送トランジスタ402bを介して接続されている。すなわち、2つのPDに対し共通のFD領域とSFアンプをもつ画素構造が2ペアあり、FD領域103a及び103bがFD接続トランジスタ109により接続された構造となっている。読み出しのタイミングは図3で示したものに加え、Psel,Ptx等が増えるが、基本的に同じである。第3のPD401aの電荷は、第3の転送トランジスタ402aを介して、第1のFD領域103aに転送される。第4のPD401bの電荷は、第4の転送トランジスタ402bを介して、第2のFD領域103bに転送される。

この場合、ベイヤ(ベイア)配列のカラーフィルタの場合、PD101aとPD101bは同色、PD401aと401bも同色となるため、同色の加算が可能となる。

また、本実施形態では2つのPDに対し共通のFD領域とSFアンプをもつ画素構造について示したが、2つに限らず複数個のPDに対し共通のFD領域とSFアンプをもつ画素構造についても同様な効果がある。

(第3の実施形態)
図5(A)及び(B)は、本発明の第3の実施形態による固体撮像装置の画素回路を示したものである。図5(A)と図4との差異は2つのPDに対し共通のFD領域とSFアンプをもつ画素構造が3ペアあり、FD領域103a、103b及び103cがFD接続トランジスタ109と109bにより接続された構造となっていることである。また、図5(B)と図4との差異は3つのPDに対し共通のFD領域を有することである。読み出しのタイミングは図3で示したものに加え、Psel,Ptx、Padd等が増えるが、基本的に同じである。

この場合、ベイヤ配列のカラーフィルタの場合、PD101a、101b、101cは同色、PD401a、401b、401cも同色となるため、同色の加算が可能となる効果がある。奇数個の画素の同色加算を行うことにより、異なる色の色重心が等間隔になる。また、本実施形態では2つのPDに対し共通のFD領域とSFアンプをもつ画素構造が3ペアある構造(2×3構造)、及び3つのPDに対し共通のFD領域とSFアンプをもつ画素構造が2ペアある構造(3×2構造)について示したが、これらに限定されない。(2×5)、(2×7)、(5×2)、(7×2)等の構造においても同様な効果がある。

(第4の実施形態)
図6(A)及び(B)は、本発明の第4の実施形態による固体撮像装置の画素回路を示したものである。図6(B)は図6(A)の画素ブロック601内を示したものである。図では2画素共通のFD領域の図を示しているが、必ずしも2画素でなくてもよい。

図6(A)は図6(B)の画素ブロック601、601b〜601nが15個接続された構造となっており、それぞれはFD接続トランジスタ109、109b〜109nで接続されている。また、画素ブロック601はリセットトランジスタ108を介して電圧SVDDに接続されている。

基本的な読み出し方法は第2及び第3の実施形態で示したものと同様であるが、本実施形態の特徴は加算画素の切り替えが可能であることにある。

例えば3画素加算を行う場合には、FD領域をリセットした後に、FD接続トランジスタ109c,109f,109i,109lをオフ状態にし、それ以外のFD接続トランジスタをオン状態にすれば3画素の加算読み出しが可能となる。また、5画素加算を行う場合には、FD領域をリセットした後に、FD接続トランジスタ109e,109iをオフ状態にし、それ以外のFD接続トランジスタをオン状態にすれば、5画素の加算読み出しが可能となる。

すなわち複数の種類の加算をFD接続トランジスタの駆動を変えるだけで変更することができる効果がある。本実施形態は3画素加算と5画素加算の切り替え例を示したが、組み合わせとしては任意に可能であることは明らかである。

(第5の実施形態)
図7は、本発明の第5の実施形態による固体撮像装置の画素回路を示したものである。本実施形態は、回路図としては第2の実施形態の図4の構成を2つ組み合わせたものである。すなわち2つのPDに対し共通のFD領域とSFアンプをもつ画素構造が2ペアあり、FD接続トランジスタ109により接続された構造をもったものを2つ組み合わせた構成をなしている。図4との違いは2つのPDが同色になっているものが共通のFD領域に接続されていることにある。

FD部701aは、2つの緑(G)画素(PD)の出力を転送することが可能であり、またFD部701bは、2つの赤(R)画素(PD)の出力を転送することが可能となっている。FD部701cと701dも同様である。FD接続トランジスタ702a及び702bは同じ色の出力となるFD領域同士を接続する構成となっている。

ベイヤ配列の画素の場合、垂直方向の並びは異なる色が交互に続くことになる。従って同色の2つのPDを共通のFD領域に接続し、そのFD領域同士を接続することにより同色の3画素以上の加算が容易になる効果がある。

(第6の実施形態)
図8は、本発明の第6の実施形態による固体撮像装置の画素回路を示したものである。本実施形態では、水平方向のFD領域を導通もしくは非導通とするFD接続トランジスタ109が設けられている。これにより水平方向の同色加算が可能となる効果がある。駆動方法としては第1の実施形態で述べた方法と基本的に同じ方法で駆動すれば良い。その際に、垂直信号線106と106’には同じ信号が生じるため、どちらか一方の列の定電流源を停止しても良い。このことにより消費電流を低減する効果がある。

(第7の実施形態)
図9は、本発明の第7の実施形態による固体撮像装置の画素回路を示したものである。本実施形態では、垂直方向と水平方向のFD領域を導通もしくは非導通とするFD接続トランジスタ109、109p、109qが設けられている。これにより水平方向、垂直方向の同色加算が可能となる効果がある。本実施形態は2×2の例を示したが、3×3、等任意の加算が可能となる。

駆動方法としては第1の実施形態で述べた方法と基本的に同じ方法で駆動すれば良い。その際に、垂直信号線106と106’には同じ信号が生じるため、どちらか一方の列の定電流源を停止しても良い。このことにより消費電流を低減する効果がある。

(第8の実施形態)
図10は、本発明の第8の実施形態による固体撮像装置の画素回路を示したものである。本実施形態と図1との差異は選択トランジスタ105a,105bの無い構成になっていることにある。選択トランジスタ105a,105bが無い代わりにリセット電源が正電位SVDDとグランド電位GNDに切り替えられるスイッチ1001が行毎に接続される構成になっている。

スイッチ1001は、読み出しを行わない行ではグランド電位GNDとし、その電位をFD領域103a,103bに書き込み、SFアンプ104a,104bのゲート電位を接地し、SFアンプ104a,104bを不活性とすることができる。逆に,読み出し行では正電位SVDDとし、リセットスイッチ108、FD接続トランジスタ109を介してFD領域103a,103bをリセットし、SFアンプ104a,104bを活性とすることができる。

このように単位画素の選択トランジスタ105a,105bを削減することにより、その分だけフォトダイオード101a,101bの面積の増大、又は画素ピッチの縮小が可能となり高画質な固体撮像装置を提供することが可能となる。

(第9の実施形態)
図15は、本発明の第9の実施形態による固体撮像装置の加算動作を概念的に示したものである。R,Gbは各フォトダイオード(PD)の画素を示している。2つのPDが組となっており、隣接するPD組の間にFD接続トランジスタが設けられている。R、Gbはそれぞれベイヤ配列における赤色、緑色のカラーフィルタが配されたPDの画素を示している。カラーフィルタはPD上に配される。ここではある所定の一列のみを示しているためR(赤色),Gb(緑色)のみであるが、隣接する列にはGb(緑色)、B(青色)に対応する画素が配されている。

図15(A)は、第1の加算動作におけるFD接続トランジスタの接続・非接続状態を示している。一点鎖線内にある3画素分のR画素の信号を加算すべくこれらに対応するFD接続トランジスタがオン(ON)されていることを示している。一点鎖線内のR画素に対応するPDからの信号がFD領域へ転送される。また、垂直制御回路から供給される、FD接続トランジスタへの駆動信号を、矢印とオン(ON)/オフ(OFF)と表している。垂直制御回路としては上述の実施形態の垂直走査回路205(図2)を用いることができる。

ここで、FD接続トランジスタをオンするタイミング、および、PDからFDに転送するタイミングは、同時でも良いし、異なっていても良いが、高速化の観点から同時に転送されるのがよい。図15(A)に示すようにFD接続トランジスタを制御することにより、R画素を3画素加算する。

図15(B)は、図15(A)の終了後、任意のタイミングで行われる第2の加算動作である。加算後の画素重心(サンプリングピッチ)がR画素とGb画素で一致するように、FD接続トランジスタの制御データを1行シフトさせ、FD接続トランジスタの状態を図15(B)に示す状態とする。一点鎖線内のGb画素が加算可能な接続状態である。その後、Gb画素の電荷をFD領域へ転送する。こうすることで、FD領域の容量をそろえたまま、画素重心が揃った加算を行うことが出来る。

図15(C)は、図15(A)、(B)の終了後、任意のタイミングで行われる第3の加算動作である。加算を行うR画素は一点鎖線内に存在する3画素である。本動作を行う際は、FD接続トランジスタの制御データを図15(A)から3行シフト、もしくは図15(B)から2行シフトさせ、接続状態を変更した後に、R画素の電荷を転送する。

ここで、FD接続トランジスタの制御データは、読み出しや転送を制御する垂直制御回路の一制御期間、いわゆる水平ブランキング周期に合わせて更新されるようにするのがよい。例えば、垂直制御回路にFD接続トランジスタ制御用のシフトレジスタや、メモリ素子を設けておき、その更新タイミングを水平ブランキング周期に同期させればよい。

以下、FD接続トランジスタの接続パターンのバリエーションを示す。図16では、FD接続トランジスタの接続パターンを変えた例を示している。図16(A)は図15(A)と同様の走査を行うことができる。

図16(B)において、図15(B)と異なる動作を行う。具体的には、実際には加算の行われないGb画素もFD接続トランジスタにより接続されている点である。つまり図15(B)では3組のFD領域が接続されていたが、図16(B)では更に1つ増えて4組のFD領域が接続されている。そして、太線四角で示したGb画素のみ電荷の転送を行うことにより、加算を行う。FD接続トランジスタの制御データを、走査する方向に一行進めながら、走査する逆側では進めないようにする。そうすることで、特に感度の高いGb画素だけのFD領域の容量を大きくすることが出来、緑色の出力飽和を防止することが出来る。図16(C)は図15(C)と同様の動作を行うことができる。複数のPD(光電変換素子)上にベイヤ配列のカラーフィルタが配されている。R(赤色)に対応するPDの加算数とGb(緑色)に対応するPDの加算数(例えば3)とが等しい。接続状態となっているFD接続トランジスタの数は、緑色に対応する加算時(例えば3)の方が赤色に対応する加算時(例えば2)より多い。FD接続トランジスタにより接続される複数のFD領域の容量は、緑色に対応する加算時の方が赤色に対応する加算時より大きい。

図17では、R、Gb共に、加算に使用しないFD領域の容量を一つ以上接続する例を示している。図17(A)〜(C)の全てにおいて、一点鎖線内に示す画素のFD領域を接続すべくFD接続トランジスタがオンされる。図17(A)〜(C)では、隣接する画素行の信号の加算を行う際に、FD接続トランジスタの接続状態を1行ずつシフトさせて加算を行う。R、Gb画素ともにFD領域の容量を大きくでき、出力飽和を抑制することが出来る。

図18では、隣接したR画素とGb画素を加算する際に、それぞれでのFD接続トランジスタの制御データを同一にしている。つまり図18(A),(B)においてFD接続トランジスタの接続状態を変化させずに、FD領域へ転送するPDを切り換えることにより加算を行う。図18(C),(D)においても同様である。このような動作によれば、FD接続トランジスタの制御データとその制御を簡略化できるという追加の効果が得られる。

(第10の実施形態)
本発明の第10の実施形態による固体撮像装置では、加算に関係しないFD領域を接続せずに二つ以上のFD領域を接続して加算する際に効果のある例を示す。カラーフィルタ配列は例えばベイヤ配列である。1つのPDに対して1つのFD領域が対応して設けられた構成である。別の言い方をすればFD領域を共有化していない構成である。

画素加算を行う際の動作を図19(A)〜(C)に示す。図19(A)では、隣り合うR画素のPDに対応するFD領域同士を、Gb画素のFD領域を介して接続する。そして、次のタイミングで、図19(B)に示すように、FD接続トランジスタの制御状態を3行分シフトさせ、複数のGb画素を加算する。その際にR画素を介している。介されるR画素やGb画素は、PDからFD領域への電荷の転送を行わないので情報を失わず、後の加算にその信号は利用される。次に、図19(C)に示すように、FD接続トランジスタの接続状態を、図19(A)に対して5行分、図19(B)に対して2行分シフトさせ、複数のR画素を加算する。

本実施形態の効果として、同色の加算を行う際に、加算専用の配線を異なる色をまたいで配置する必要がなくなり、その結果として垂直方向に配される配線の本数を減らすことが可能となり、PDの開口率の向上、画素の微細化が可能になると言う点が挙げられる。

また、本実施形態では、FD領域の共有を行っていない回路を一単位として説明したが、FD領域の共有を行っている場合でも、使わないFD領域を介することによる上述の効果を同様に得ることが出来る。

(第11の実施形態)
図12は、本発明の第11の実施形態による撮像システム(スチルビデオカメラ)の構成例を示す図である。撮像システムは、前述した任意の実施形態の固体撮像装置を用いたシステムである。撮像システムの構成を説明する。バリア1は、レンズ2のプロテクトとメインスイッチを兼ねる。レンズ2は、被写体の光学像を固体撮像素子4に結像させる。絞り3は、レンズ2を通った光量を可変する。固体撮像素子4は、第1〜第10の実施形態の固体撮像装置に相当し、レンズ2により結像された被写体を画像信号として取り込む。撮像信号処理回路5は、固体撮像素子4から出力される画像信号に各種の補正、クランプ等の処理を行う。A/D変換器6は、撮像信号処理回路5より出力される画像信号のアナログ−ディジタル変換を行う。信号処理部7は、A/D変換器6より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する。タイミング発生部8は、固体撮像素子4及び撮像信号処理回路5及びA/D変換器6及び信号処理部7に各種タイミング信号を出力する。なお、5〜8の各回路は固体撮像素子4と同一チップ上に形成しても良い。また、全体制御・演算部9は、各種演算と撮像システム全体を制御する。メモリ部10は、画像データを一時的に記憶する。記録媒体制御インターフェース部11は、記録媒体12に対して記録又は読み出しを行う。記録媒体12は、画像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な媒体である。外部インターフェース(I/F)部13は、外部コンピュータ等と通信する。

次に、図12の動作について説明する。バリア1がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、さらに、A/D変換器6等の撮像系回路の電源がオンされる。それから、露光量を制御するために、全体制御・演算部9は絞り3を開放にし、固体撮像素子4から出力された信号は、撮像信号処理回路5をスルーしてA/D変換器6へ出力される。A/D変換器6は、その信号をA/D変換して、信号処理部7に出力する。信号処理部7は、そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部9で行う。

この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部9は絞り3を制御する。次に、固体撮像素子4から出力された信号を基に、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部9で行う。その後、レンズ2を駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断したときは、再びレンズ2を駆動し測距を行う。

そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像素子4から出力された画像信号は、撮像信号処理回路5において補正等がされ、さらにA/D変換器6でA/D変換され、信号処理部7を通り全体制御・演算部9によりメモリ部10に蓄積される。その後、メモリ部10に蓄積されたデータは、全体制御・演算部9の制御により記録媒体制御I/F部11を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体12に記録される。また外部I/F部13を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。

本実施形態によれば、消費電力が小さくかつ高品質な撮像システムを構築することができる。

第1〜第11の実施形態によれば、多量の光電荷が発生する高輝度の被写体を撮影する場合にはFD接続トランジスタを接続し、FD容量を増大させる。このことによりFD領域上に生じる電圧を抑えることができる。その結果、垂直信号線106以降の電圧が飽和することを抑制し、ダイナミックレンジを拡大することが可能となる。

また、少量の光電荷が発生する状態の際にはFD接続トランジスタを非接続としてFD領域を分離する。そのことによりFD容量は低減するため、FD領域上に生じる電圧は大きくなり、良好なSN比を得ることができる。また、MOS容量を付加することがないため、PD面積が圧迫されるということもなく大きなPD面積を確保できるため、感度、飽和の向上ができ、高性能な固体撮像装置を提供できる。

第1〜第11の実施形態の固体撮像装置において、複数の光電変換素子(フォトダイオード)101,401は、水平方向及び垂直方向に配列され、光電変換により電荷を生成する。複数の転送トランジスタ102,402は、光電変換素子101,401毎に接続され、複数の光電変換素子101,401により生成された電荷を転送する。複数のフローティングディフュージョン(FD)領域103,701は、転送トランジスタ102,402により転送された電荷を保持する。複数の増幅手段(SFアンプ)104は、フローティングディフュージョン領域103,701毎に接続され、複数のフローティングディフュージョン領域103,701の電荷に基づく信号を増幅する。接続手段(FD接続トランジスタ)109,702は、複数のフローティングディフュージョン領域103,701同士を接続又は非接続する。

また、1個のフローティングディフュージョン領域103,701に共通に接続される転送トランジスタ102,402が複数個である。また、接続手段109,702が複数個である。また、複数の選択トランジスタ105は、増幅手段104毎に接続され、複数の増幅手段104を選択する。

また、光電変換素子101,401は、カラーフィルタを有する。複数のフローティングディフュージョン領域103,701は、それぞれ転送トランジスタ102,402を介して同色のカラーフィルタを有する光電変換素子101,401のみが接続されている。

また、接続手段109,702により接続された複数のフローティングディフュージョン領域103,701は、転送トランジスタ102,402を介して同色のカラーフィルタを有する光電変換素子101,401に2N+1個(Nは自然数)接続されている。例えば、Nは1又は2であり、3画素加算又は5画素加算を行う。

また、図2等に示すように、接続手段109,702は、垂直方向に並ぶ複数のフローティングディフュージョン領域103,701を接続する。

また、図8に示すように、接続手段109は、水平方向に並ぶ複数のフローティングディフュージョン領域103を接続する。

また、図9に示すように、接続手段109は、垂直方向及び水平方向に並ぶ複数のフローティングディフュージョン領域103を接続する。

また、接続手段109,702により接続された複数のフローティングディフュージョン領域103,701に対応する少なくとも2個の増幅手段104を使用して1個の画素信号を読み出す。

また、第1のモードでは接続手段109,702が非接続にして増幅手段104が増幅し、第2のモードでは接続手段109,702が接続して増幅手段104が増幅する。

また、最も低感度の読み出しを行う場合には接続手段109,702は接続し、最も高感度の読み出しを行う場合には接続手段109,702は非接続とする。

また、接続手段109,702により接続された複数のフローティングディフュージョン領域103,701で複数の光電変換素子101,401の電荷が加算される。

また、接続手段109,702を複数有し、複数の接続手段109,702の一部が接続にし、残りの接続手段109,702が非接続にすることにより、複数の光電変換素子101,401の電荷を加算する。

また、複数の接続手段109,702の接続状態を変更することにより、光電変換素子101,401の電荷の加算する画素数を変更する。

また、光電変換素子101,401の電荷は、転送トランジスタ102,402を介して接続されたフローティングディフュージョン領域103,701に接続された増幅手段104ではなく、他の増幅手段104により読み出される。すなわち、光電変換素子101,401の電荷は、接続手段109,702を介して接続されるフローティングディフュージョン領域103,701に接続された増幅手段104により読み出される。

第1〜第11の実施形態によれば、高輝度の被写体を撮影する場合には接続手段を接続し、フローティングディフュージョン領域の容量を増大させることにより、フローティングディフュージョン領域上に生じる電圧を抑えることができる。その結果、増幅手段の出力電圧が飽和することを抑制し、ダイナミックレンジを拡大することができる。

また、低輝度の被写体を撮影する場合には、接続手段を非接続とし、フローティングディフュージョン領域を分離することにより、フローティングディフュージョン領域の容量は低減する。そのため、フローティングディフュージョン領域上に生じる電圧は大きくなり、良好なSN比を得ることができる。

なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

1 バリア
2 レンズ
3 絞り
4 固体撮像素子
5 撮像信号処理回路
6 A/D変換器
7 信号処理部
8 タイミング発生部
9 全体制御・演算部
10 メモリ部
11 記録媒体制御インターフェース(I/F)部
12 記録媒体
13 外部インターフェース(I/F)部
101 フォトダイオード
102 転送トランジスタ
103 FD領域
104 ソースフォロア(SF)アンプ
105 選択トランジスタ
106 共通出力線
107 定電流源
108 リセットトランジスタ
109 FD接続トランジスタ
201〜204 画素ブロック
205 垂直走査回路
206 クランプ容量(C0)
207 オペレーショナルアンプ
208 フィードバック容量(Cf)
209 スイッチ
210 基準信号保持容量
211 光信号保持容量
212 スイッチ
213 スイッチ
214 水平走査回路
215 列選択スイッチ
216 列選択スイッチ
217 水平出力線
218 水平出力線
219 差動出力アンプ
220 スイッチ
221 スイッチ
401 フォトダイオード
402 転送トランジスタ
601 画素ブロック
701 FD領域
702 FD接続トランジスタ
1001 スイッチ

Claims (19)

  1. 光電変換により電荷を生成する複数の光電変換素子と、
    前記光電変換素子毎に接続され、前記複数の光電変換素子により生成された電荷を転送する複数の転送トランジスタと、
    前記転送トランジスタにより転送された電荷を保持する複数のフローティングディフュージョン領域と、
    前記フローティングディフュージョン領域毎に接続され、前記複数のフローティングディフュージョン領域の電荷に基づく信号を増幅する複数の増幅手段と、
    複数の前記フローティングディフュージョン領域同士を接続又は非接続するための接続手段と、
    前記複数のフローティングディフュージョン領域のうちの第1のフローティングディフュージョン領域に接続されたリセットトランジスタとを有し、
    前記リセットトランジスタは、前記接続手段を介して、前記複数のフローティングディフュージョン領域のうちの前記第1のフローティングディフュージョン領域とは異なる第2のフローティングディフュージョン領域に接続され、
    前記第1のフローティングディフュージョン領域の電圧は、前記リセットトランジスタを介してリセットされ、
    前記第2のフローティングディフュージョン領域の電圧は、前記リセットトランジスタ及び前記接続手段を介してリセットされ、
    前記第1及び第2のフローティングディフュージョン領域の電圧のリセットを、
    前記リセットトランジスタ及び前記接続手段の両者を導通状態とした後、前記リセットトランジスタを導通状態に維持した状態で前記接続手段を非導通状態とし、その後、前記リセットトランジスタを非導通状態として行うモードを有することを特徴とする固体撮像装置。
  2. 1個の前記フローティングディフュージョン領域に共通に接続される前記転送トランジスタが複数個であることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
  3. さらに、前記増幅手段毎に接続され、前記複数の増幅手段を選択する複数の選択トランジスタを有することを特徴とする請求項1又は2記載の固体撮像装置。
  4. 前記光電変換素子上にカラーフィルタが配され、
    各フローティングディフュージョン領域は、それぞれ前記転送トランジスタを介して同色のカラーフィルタが配された光電変換素子のみが接続されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  5. 前記光電変換素子上にカラーフィルタが配され、
    前記接続手段により接続された2N+1個(Nは自然数)の前記フローティングディフュージョン領域は、前記転送トランジスタを介して同色のカラーフィルタが配された2N+1個の前記光電変換素子に接続されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  6. 前記接続手段により接続された複数の前記フローティングディフュージョン領域に対応する少なくとも2個の前記増幅手段を使用して1個の画素信号を読み出すことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  7. 第1のモードでは前記接続手段が非接続にして前記増幅手段が増幅し、第2のモードでは前記接続手段が接続して前記増幅手段が増幅することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  8. 最も低感度の読み出しを行う場合には前記接続手段は接続し、最も高感度の読み出しを行う場合には前記接続手段は非接続とすることを特徴とする請求項7記載の固体撮像装置。
  9. 前記接続手段により接続された複数の前記フローティングディフュージョン領域で複数の前記光電変換素子の電荷が加算されることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  10. 前記接続手段を複数有し、
    前記複数の接続手段の一部が接続にし、残りの前記接続手段が非接続にすることにより、複数の前記光電変換素子の電荷を加算することを特徴とする請求項9記載の固体撮像装置。
  11. 前記複数の接続手段の接続状態を変更することにより、前記光電変換素子の電荷の加算する画素数を変更することを特徴とする請求項10記載の固体撮像装置。
  12. 前記光電変換素子の電荷は、前記転送トランジスタ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に接続された前記増幅手段ではなく、前記接続手段を介して接続される前記フローティングディフュージョン領域に接続された増幅手段により読み出されることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  13. 前記複数の転送トランジスタにより複数の前記光電変換素子の電荷を加算する際に、同時に前記複数の転送トランジスタをオフすることを特徴とする請求項9記載の固体撮像装置。
  14. 前記複数の転送トランジスタにより複数の前記光電変換素子の電荷を加算する際に、前記複数の転送トランジスタをオンするタイミングをずらすことを特徴とする請求項9又は13記載の固体撮像装置。
  15. 隣接する画素行の信号の加算を行う際に、前記接続手段の接続状態を1行ずつシフトさせて加算を行うことを特徴とする請求項9記載の固体撮像装置。
  16. 前記複数の光電変換素子上にベイヤ配列のカラーフィルタが配され、赤色に対応する光電変換素子の加算数と緑色に対応する光電変換素子の加算数とが等しく、接続状態となっている前記接続手段の数は、緑色に対応する加算時の方が赤色に対応する加算時より多く、前記接続手段により接続される複数の前記フローティングディフュージョン領域の容量は、緑色に対応する加算時の方が赤色に対応する加算時より大きいことを特徴とする請求項9記載の固体撮像装置。
  17. 光電変換により電荷を生成する第1及び第2の光電変換素子と、
    第1及び第2のフローティングディフュージョン領域と、
    前記第1の光電変換素子の電荷を前記第1のフローティングディフュージョン領域へ転送する第1の転送トランジスタと、
    前記第2の光電変換素子の電荷を前記第2のフローティングディフュージョン領域へ転送する第2の転送トランジスタと、
    前記第1のフローティングディフュージョン領域に転送された電荷に基づく信号を増幅して出力する第1の増幅手段と、
    前記第2のフローティングディフュージョン領域に転送された電荷に基づく信号を増幅して出力する第2の増幅手段と、
    前記第1及び第2のフローティングディフュージョン領域同士を接続又は非接続するための接続手段と、
    前記第1のフローティングディフュージョン領域に接続されたリセットトランジスタとを有し、
    前記リセットトランジスタは、前記接続手段を介して、前記第2のフローティングディフュージョン領域に接続され、
    前記第1のフローティングディフュージョン領域の電圧は、前記リセットトランジスタを介してリセットされ、
    前記第2のフローティングディフュージョン領域の電圧は、前記リセットトランジスタ及び前記接続手段を介してリセットされ、
    前記第1及び第2のフローティングディフュージョン領域の電圧のリセットを、
    前記リセットトランジスタ及び前記接続手段の両者を導通状態とした後、前記リセットトランジスタを導通状態に維持した状態で前記接続手段を非導通状態とし、その後、前記リセットトランジスタを非導通状態として行うモードを有することを特徴とする固体撮像装置。
  18. 第3の光電変換素子の電荷が、第3の転送トランジスタを介して、前記第1のフローティングディフュージョン領域に転送されることを特徴とする請求項17記載の固体撮像装置。
  19. 第4の光電変換素子の電荷が、第4の転送トランジスタを介して、前記第2のフローティングディフュージョン領域に転送されることを特徴とする請求項18記載の固体撮像装置。
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