JP5546257B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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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