JP5616105B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、各々入射光量に応じた量の電荷を発生する複数のフォトダイオードが２次元配置された受光部を有する固体撮像装置に関するものであり、特に、口腔内におけるＸ線撮像に好適に用いられ得る固体撮像装置に関する。

口腔内におけるＸ線撮像に用いられることを意図した固体撮像装置が特許文献１に開示されている。このような用途では、撮像すべきＸ線の入射期間が極めて短く、固体撮像装置はＸ線入射タイミングを捉えて該Ｘ線を撮像しなければならない。そこで、特許文献１に開示された固体撮像装置は、Ｘ線像を撮像するためにフォトダイオードを含む画素部が２次元配列された撮像用受光部とは別に、Ｘ線入射を検知するためのトリガ用フォトダイオードをも備えている。そして、この固体撮像装置は、トリガ用フォトダイオードから出力される電気信号をモニタすることでＸ線入射を検知し、その後、撮像用受光部から出力される電気信号に基づいてＸ線像を得る。

また、固体撮像装置の構成としてＡＰＳ（Active Pixel Sensor）方式とＰＰＳ（Passive Pixel Sensor）方式とがある。特許文献１に開示された固体撮像装置はＡＰＳ方式のものである。ＡＰＳ方式の場合の画素部は、入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードと、該電荷を蓄積する電荷蓄積部としてのフローティング・ディフュージョン領域と、フローティング・ディフュージョン領域と電気的に接続されたゲート電極を有する増幅用トランジスタと、を含んで構成される。

ＡＰＳ方式の固体撮像装置は、受光部の複数の画素部において同一タイミングで、フォトダイオードの接合容量部およびフローティング・ディフュージョン領域を放電させ、フォトダイオードで電荷を発生させ、その発生した電荷をフローティング・ディフュージョン領域へ転送して、その転送した電荷をフローティング・ディフュージョン領域に蓄積することができる。そして、この固体撮像装置は、受光部における行毎に順に、各画素部のフローティング・ディフュージョン領域に蓄積された電荷の量に応じたデータを増幅用トランジスタから出力することができる。このような撮像動作はグローバルシャッター方式と呼ばれる。

これに対して、ローリングシャッター方式の撮像動作では、フォトダイオードでの電荷発生，電荷蓄積およびデータ出力が、受光部における行毎に期間をずらして順に行われる。ローリングシャッター方式の撮像動作では、撮像により得られた各フレームの画像データは、行によって異なる時刻に得られたものとなる。

グローバルシャッター方式の撮像動作では、撮像により得られた各フレームの画像データは、行によらず同一の時刻に得られたものとなる。したがって、口腔内におけるＸ線撮像のように撮像すべき光の入射期間が極めて短い場合には、グローバルシャッター方式の撮像動作が好適である。

特表２００２−５０５００２号公報

しかしながら、ローリングシャッター方式の撮像動作と比較して、グローバルシャッター方式の撮像動作は、完全な相関二重サンプリング（Correlated Double Sampling、ＣＤＳ）を行うことができないことから出力信号にノイズが多く含まれ、また、画素部内のフローティング・ディフュージョン領域に電荷を蓄積している期間における電荷のリークの影響を受けてしまうという問題点を有している。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、撮像すべき光の入射期間が極めて短い場合にも高精度の撮像を行うことができる固体撮像装置を提供することを目的とする。

本発明に係る固体撮像装置は、Ｍ×Ｎ個の画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,ＮがＭ行Ｎ列に２次元配列された撮像用受光部と、入射光量に応じた量の電荷を発生するトリガ用フォトダイオードを含むトリガ用受光部と、トリガ用受光部で発生した電荷の量に応じたトリガ用データを出力するトリガ用データ出力部と、撮像用受光部の各画素部Ｐ_ｍ,ｎの動作を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。ただし、Ｍ，Ｎは２以上の整数であり、ｍは１以上Ｍ以下の整数であり、ｎは１以上Ｎ以下の整数である。

また、各画素部Ｐ_ｍ,ｎは、入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードと、フォトダイオードで発生した電荷を蓄積する第１電荷蓄積部と、第１電荷蓄積部に蓄積された電荷が転送される第２電荷蓄積部と、第１電荷蓄積部の電荷蓄積を初期化する第１初期化部と、第２電荷蓄積部の電荷蓄積を初期化する第２初期化部と、第１電荷蓄積部に蓄積された電荷を第２電荷蓄積部へ転送する転送部と、第２電荷蓄積部に蓄積された電荷の量に応じた画素データを配線Ｌ_ｎへ出力する出力部と、を含むことを特徴とする。

さらに、制御部は、(a) トリガ用データ出力部から出力されるトリガ用データの絶対値が第１閾値未満の状態から第１閾値を超える状態に転じた後に、トリガ用データの絶対値が第１閾値を超える状態が一定時間τ _１ 以上に亘って続いたときに、光入射の開始と判断して、撮像用受光部のＭ×Ｎ個の画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎに対して同時に、第１初期化部による初期化動作を終了させて、第１電荷蓄積部による電荷蓄積動作を開始させ、(b) その後、トリガ用データ出力部から出力されるトリガ用データの絶対値が第２閾値を超える状態から第２閾値未満の状態に転じた後に、トリガ用データの絶対値が第２閾値を超えない状態が一定時間τ _２ 以上に亘って続いたときに、光入射の終了と判断して、撮像用受光部の各行について順次に、各画素部Ｐ_ｍ,ｎに対して、第２初期化部による初期化動作を終了させて、転送部による電荷転送動作および出力部によるデータ出力動作を行わせることを特徴とする。また、一定時間τ _１ よりも一定時間τ _２ が１０倍以上長い。

本発明に係る固体撮像装置は、撮像用受光部の画素部Ｐ_ｍ,ｎから出力される画素データを入力して保持するＮ個の保持回路Ｈ_１〜Ｈ_Ｎを含む保持部と、各保持回路Ｈ_ｎにより保持されて出力された画素データを入力し演算して出力する画素データ出力部と、を更に備えるのが好適である。この場合、各保持回路Ｈ_ｎは、撮像用受光部における第ｎ列のＭ個の画素部Ｐ_１,ｎ〜Ｐ_Ｍ,ｎと配線Ｌ_ｎにより接続されていて、画素部Ｐ_ｍ,ｎから配線Ｌ_ｎへ出力された雑音成分を表す画素データを入力して保持するとともに、画素部Ｐ_ｍ,ｎから配線Ｌ_ｎへ出力された雑音成分が重畳された信号成分を表す画素データを入力して保持し、これら保持した２つの画素データを出力する。また、画素データ出力部は、各保持回路Ｈ_ｎにより保持されて出力された２つの画素データを入力して、これら２つの画素データの差に応じた画素データを出力する。

本発明に係る固体撮像装置は、撮像すべき光の入射期間が極めて短い場合にも高精度の撮像を行うことができる。

本実施形態に係る固体撮像装置１の構成を示す図である。 本実施形態に係る固体撮像装置１に含まれる画素部Ｐ_ｍ,ｎおよび保持回路Ｈ_ｎそれぞれの回路構成を示す図である。 本実施形態に係る固体撮像装置１に含まれる行選択部３０の回路構成を示す図である。 グローバルシャッター方式を説明する図である。 ローリングシャッター方式を説明する図である。 本実施形態に係る固体撮像装置１におけるシャッター方式を説明する図である。 本実施形態に係る固体撮像装置１の動作を説明するタイミングチャートである。 光入射パターンの例を示す図である。 本実施形態に係る固体撮像装置１に含まれる制御部８０による光入射開始の判断について説明する図である。 本実施形態に係る固体撮像装置１における光入射開始の判断と電荷蓄積動作開始との関係を示す図である。 本実施形態に係る固体撮像装置１に含まれる制御部８０による光入射終了の判断について説明する図である。 本実施形態に係る固体撮像装置１に含まれる制御部８０による光入射終了の判断について説明する図である。 本実施形態に係る固体撮像装置１における光入射終了の判断と電荷蓄積動作終了および信号読出しとの関係を示す図である。 光入射パターンの例を示す図である。 本実施形態に係る固体撮像装置１の動作を説明するタイミングチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る固体撮像装置１の構成を示す図である。この図に示される固体撮像装置１は、撮像用受光部１０、トリガ用受光部２０、行選択部３０、列選択部４０、保持部５０、画素データ出力部６０、トリガ用データ出力部７０および制御部８０を備える。なお、この図では、要素間の配線については省略または簡略化されている。

これらの要素のうち、少なくとも撮像用受光部１０およびトリガ用受光部２０は共通の基板上に形成されている。また、この基板上に、行選択部３０、列選択部４０、保持部５０、画素データ出力部６０およびトリガ用データ出力部７０も形成されているのが好ましい。制御部８０は、この基板上に形成されているのが好ましいが、この基板とは別に設けられていてもよい。

撮像用受光部１０は、入射した光の像を撮像するためのものであり、Ｍ行Ｎ列に２次元配列された画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎを含む。画素部Ｐ_ｍ,ｎは第ｍ行第ｎ列に位置している。Ｍ×Ｎ個の画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎは、共通の構成を有していて、入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードを含んでいる。なお、Ｍ，Ｎは２以上の整数であり、ｍは１以上Ｍ以下の整数であり、ｎは１以上Ｎ以下の整数である。

トリガ用受光部２０は、光の入射を検知するためのものであり、入射光量に応じた量の電荷を発生するトリガ用フォトダイオードを含む。トリガ用受光部２０に含まれるトリガ用フォトダイオードの個数や配置については種々の態様があり得るが、光の入射を高感度に検知するためには、撮像用受光部１０を取り囲むようにトリガ用フォトダイオードが設けられているのが好適であり、また、受光面積が広いのが好適である。トリガ用受光部２０は、図示の如く撮像用受光部１０を取り囲んで設けられている１つのトリガ用フォトダイオードを含むのが好適であり、或いは、撮像用受光部１０の周囲に設けられ互いに並列接続されている複数のトリガ用フォトダイオードを含むのも好適である。

なお、撮像用受光部１０およびトリガ用受光部２０はシンチレータにより覆われていてもよい。この場合、固体撮像装置１はＸ線像をも撮像することができる。

行選択部３０は、各画素部Ｐ_ｍ,ｎに対して、フォトダイオードで発生した電荷の蓄積を指示し、また、その電荷の量に応じた画素データの出力を指示する。行選択部３０は、Ｍ段のシフトレジスタ回路を含み、このシフトレジスタ回路の各段の出力ビットにより、撮像用受光部１０における各行を指定することができる。

保持部５０は、共通の構成を有するＮ個の保持回路Ｈ_１〜Ｈ_Ｎを含む。保持回路Ｈ_ｎは、撮像用受光部１０における第ｎ列のＭ個の画素部Ｐ_１,ｎ〜Ｐ_Ｍ,ｎと配線Ｌ_ｎにより接続されていて、これらのうちの何れかの画素部Ｐ_ｍ,ｎから出力された画素データを入力し、その入力した画素データを保持して出力する。保持回路Ｈ_ｎは、雑音成分が重畳された信号成分を表す画素データを保持するとともに、雑音成分を表す画素データも保持することができる。

列選択部４０は、保持部５０に含まれるＮ個の保持回路Ｈ_１〜Ｈ_Ｎを順次に指定して、その指定した第ｎの保持回路Ｈ_ｎにより保持されている画素データを画素データ出力部６０へ出力させる。列選択部４０は、Ｎ段のシフトレジスタ回路を含み、このシフトレジスタ回路の各段の出力ビットにより、Ｎ個の保持回路Ｈ_１〜Ｈ_Ｎを順次に指定することができる。

画素データ出力部６０は、差演算回路６１およびＡＤ変換回路６２を含む。差演算回路６１は、保持部５０に含まれるＮ個の保持回路Ｈ_１〜Ｈ_Ｎから順次に出力される画素データ（雑音成分が重畳された信号成分を表す画素データ、雑音成分を表す画素データ）を入力して、これらの差に応じた画素データ（雑音成分が除去された信号成分を表す画素データ）を出力する。ＡＤ変換回路６２は、差演算回路６１から出力された画素データ（アナログ値）を入力してＡＤ変換し、画素データをデジタル値Ｄoutとして出力する。

トリガ用データ出力部７０は、ＩＶ変換回路７１およびＡＤ変換回路７２を含む。ＩＶ変換回路７１は、トリガ用受光部２０から出力される電流信号を入力して、この電流値に応じた電圧値を出力する。ＡＤ変換回路７２は、ＩＶ変換回路７１から出力された電圧値を（アナログ値）を入力してＡＤ変換し、トリガ用データをデジタル値として出力する。

制御部８０は、行選択部３０を介して撮像用受光部１０の各画素部Ｐ_ｍ,ｎの動作を制御する。また、制御部８０は、列選択部４０および画素データ出力部６０それぞれの動作をも制御する。制御部８０は、トリガ用データ出力部７０から出力されるトリガ用データに基づいて光入射の開始および終了を判断し、この判断結果に基づいて制御を行う。

図２は、本実施形態に係る固体撮像装置１に含まれる画素部Ｐ_ｍ,ｎおよび保持回路Ｈ_ｎそれぞれの回路構成を示す図である。なお、この図では、Ｍ×Ｎ個の画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎのうち代表して画素部Ｐ_ｍ,ｎが示され、Ｎ個の保持回路Ｈ_１〜Ｈ_Ｎのうち代表して保持回路Ｈ_ｎが示されている。

画素部Ｐ_ｍ,ｎは、ＡＰＳ（Active Pixel Sensor）方式のものであって、フォトダイオードＰＤおよび４つのトランジスタＴ１〜Ｔ４を含む。この図に示されるように、トランジスタＴ１，トランジスタＴ２およびフォトダイオードＰＤは順に直列的に接続されていて、基準電圧Ｖb1がトランジスタＴ１のドレイン端子に入力され、フォトダイオードＰＤのアノ−ド端子が接地されている。トランジスタＴ３およびトランジスタＴ４は直列的に接続されていて、基準電圧Ｖb2がトランジスタＴ３のドレイン端子に入力され、トランジスタＴ４のソース端子が配線Ｌ_ｎに接続されている。トランジスタＴ１とトランジスタＴ２との接続点がトランジスタＴ３のゲート端子に接続されている。また、配線Ｌ_ｎには定電流源が接続されている。

行選択部３０から供給されるreset(m)信号がトランジスタＴ１のゲート端子に入力され、行選択部３０から供給されるtrans(m)信号がトランジスタＴ２のゲート端子に入力され、行選択部３０から供給されるaddress(m)信号がトランジスタＴ４のゲート端子に入力される。これらreset(m)信号，trans(m)信号およびaddress(m)信号は、第ｍ行のＮ個の画素部Ｐ_ｍ,１〜Ｐ_ｍ,Ｎに対して共通に入力される。

reset(m)信号およびtrans(m)信号がハイレベルであるとき、フォトダイオードＰＤの接合容量部（第１電荷蓄積部）が放電され、また、トランジスタＴ３のゲート端子に電気的に接続されているフローティング・ディフュージョン領域（第２電荷蓄積部）が放電される。放電された後にreset(m)信号およびtrans(m)信号がローレベルになり、更にaddress(m)信号がハイレベルになると、画素部Ｐ_ｍ,ｎから配線Ｌ_ｎへノイズ成分が出力される。reset(m)信号がローレベルになって、trans(m)信号がハイレベルになると、フォトダイオードＰＤの接合容量部（第１電荷蓄積部）に蓄積されていた電荷は、トランジスタＴ３のゲート端子に電気的に接続されているフローティング・ディフュージョン領域（第２電荷蓄積部）に転送され、address(m)信号がハイレベルになると、フローティング・ディフュージョン領域に蓄積されている電荷の量に応じた電圧値が配線Ｌ_ｎへ信号成分として出力される。

すなわち、トランジスタＴ１，Ｔ２は、オン状態となることで、フォトダイオードＰＤの接合容量部（第１電荷蓄積部）の電荷蓄積を初期化する第１初期化部として作用する。トランジスタＴ１は、オン状態となることで、フローティング・ディフュージョン領域（第２電荷蓄積部）の電荷蓄積を初期化する第２初期化部として作用する。トランジスタＴ１がオフ状態となってトランジスタＴ２がオン状態となることで、これらのトランジスタＴ１，Ｔ２は、フォトダイオードＰＤの接合容量部（第１電荷蓄積部）に蓄積されていた電荷をフローティング・ディフュージョン領域（第２電荷蓄積部）へ転送する転送部として作用する。トランジスタＴ４は、オン状態となることで、フローティング・ディフュージョン領域（第２電荷蓄積部）に蓄積された電荷の量に応じた画素データを出力する出力部として作用する。

保持回路Ｈ_ｎは、２つの容量素子Ｃ_１，Ｃ_２、および、４つのスイッチＳＷ_１１，ＳＷ_１２，ＳＷ_２１，ＳＷ_２２を含む。この保持回路Ｈ_ｎでは、スイッチＳＷ_１１およびスイッチＳＷ_１２は、直列的に接続されて配線Ｌ_ｎと配線Ｈline_sとの間に設けられ、容量素子Ｃ_１の一端は、スイッチＳＷ_１１とスイッチＳＷ_１２との間の接続点に接続され、容量素子Ｃ_１の他端は接地されている。また、スイッチＳＷ_２１およびスイッチＳＷ_２２は、直列的に接続されて配線Ｌ_ｎと配線Ｈline_nとの間に設けられ、容量素子Ｃ_２の一端は、スイッチＳＷ_２１とスイッチＳＷ_２２との間の接続点に接続され、容量素子Ｃ_２の他端は接地されている。

この保持回路Ｈ_ｎでは、スイッチＳＷ_１１は、列選択部４０から供給されるset_s信号のレベルに応じて開閉する。スイッチＳＷ_２１は、列選択部４０から供給されるset_n信号のレベルに応じて開閉する。set_s信号およびset_n信号は、Ｎ個の保持回路Ｈ_１〜Ｈ_Ｎに対して共通に入力される。スイッチＳＷ_１２，ＳＷ_２２は、列選択部４０から供給されるhshift(n)信号のレベルに応じて開閉する。

この保持回路Ｈ_ｎでは、set_n信号がハイレベルからローレベルに転じてスイッチＳＷ_２１が開くときに画素部Ｐ_ｍ,ｎから配線Ｌ_ｎへ出力されていたノイズ成分が、それ以降、容量素子Ｃ_２により電圧値out_n(n)として保持される。set_s信号がハイレベルからローレベルに転じてスイッチＳＷ_１１が開くときに画素部Ｐ_ｍ,ｎから配線Ｌ_ｎへ出力されていた信号成分が、それ以降、容量素子Ｃ_１により電圧値out_s(n)として保持される。そして、hshift(n)信号がハイレベルになると、スイッチＳＷ_１２が閉じて、容量素子Ｃ_１により保持されていた電圧値out_s(n)が配線Ｈline_sへ出力され、また、スイッチＳＷ_２２が閉じて、容量素子Ｃ_２により保持されていた電圧値out_n(n)が配線Ｈline_nへ出力される。これら電圧値out_s(n)と電圧値out_n(n)との差が、画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードＰＤで発生した電荷の量に応じた画素データを表す。

図３は、本実施形態に係る固体撮像装置１に含まれる行選択部３０の回路構成を示す図である。行選択部３０は、共通の構成を有するＭ個の部分回路３１_１〜３１_Ｍを含む。各部分回路３１_ｍは、ラッチ回路３２，ＮＯＲ回路３３，ＩＮＶ回路３４，ＮＡＮＤ回路３５_ｔ，ＮＡＮＤ回路３５_ｒ，ＮＡＮＤ回路３５_ａ，ＩＮＶ回路３６_ｔ，ＩＮＶ回路３６_ｒおよびＩＮＶ回路３６_ａを含む。

Ｍ個の部分回路３１_１〜３１_Ｍそれぞれのラッチ回路３２は、縦続接続されていてＭ段のシフトレジスタを構成している。初段の部分回路３１_１のラッチ回路３２に一定期間だけハイレベルとなるＤ信号が入力されると、これ以降、各部分回路３１_ｍのラッチ回路３２から出力されるshift(m)信号が順次に一定期間だけハイレベルとなる。

各部分回路３１_ｍのＮＯＲ回路３３は、ラッチ回路３２から出力されるshift(m)信号を入力するとともに、gs_mode信号をも入力する。ＩＮＶ回路３４は、ＮＯＲ回路３３から出力される信号を論理反転して、当該論理反転信号をenable(m)信号として出力する。すなわち、各部分回路３１_ｍのＮＯＲ回路３３およびＩＮＶ回路３４は、shift(m)信号とgs_mode信号との論理和を表すenable(m)信号を出力する。

各部分回路３１_ｍのＮＡＮＤ回路３５_ｔは、ＩＮＶ回路３４から出力されるenable(m)信号を入力するとともに、Vtrans信号をも入力する。ＩＮＶ回路３６_ｔは、ＮＡＮＤ回路３５_ｔから出力される信号を論理反転して、当該論理反転信号をtrans(m)信号として出力する。すなわち、各部分回路３１_ｍのＮＡＮＤ回路３５_ｔおよびＩＮＶ回路３６_ｔは、enable(m)信号とVtrans信号との論理積を表すtrans(m)信号を出力する。

各部分回路３１_ｍのＮＡＮＤ回路３５_ｒは、ＩＮＶ回路３４から出力されるenable(m)信号を入力するとともに、Vreset信号をも入力する。ＩＮＶ回路３６_ｒは、ＮＡＮＤ回路３５_ｒから出力される信号を論理反転して、当該論理反転信号をreset(m)信号として出力する。すなわち、各部分回路３１_ｍのＮＡＮＤ回路３５_ｒおよびＩＮＶ回路３６_ｒは、enable(m)信号とVreset信号との論理積を表すreset(m)信号を出力する。

各部分回路３１_ｍのＮＡＮＤ回路３５_ａは、ラッチ回路３２から出力されるshift(m)信号を入力するとともに、Vaddress信号をも入力する。ＩＮＶ回路３６_ａは、ＮＡＮＤ回路３５_ａから出力される信号を論理反転して、当該論理反転信号をaddress(m)信号として出力する。すなわち、各部分回路３１_ｍのＮＡＮＤ回路３５_ａおよびＩＮＶ回路３６_ａは、shift(m)信号とVaddress信号との論理積を表すaddress(m)信号を出力する。

gs_mode信号，Vtrans信号，Vreset信号およびVaddress信号それぞれは、Ｍ個の部分回路３１_１〜３１_Ｍに共通に入力される。また、これらの信号およびＤ信号は制御部８０から行選択部３０に与えられる。gs_mode信号がハイレベルであるとき、各部分回路３１_ｍから出力されるtrans(m)信号は常にVtrans信号と同レベルとなり、各部分回路３１_ｍから出力されるreset(m)信号も常にVreset信号と同レベルとなる。

これに対して、gs_mode信号がローレベルであるとき、各部分回路３１_ｍのラッチ回路３２から出力されるshift(m)信号が順次に一定期間だけハイレベルとなるのに応じて、各部分回路３１_ｍから出力されるtrans(m)信号は順次に一定期間だけVtrans信号と同レベルとなり、各部分回路３１_ｍから出力されるreset(m)信号も順次に一定期間だけVreset信号と同レベルとなる。

また、gs_mode信号のレベルに拘わらず、各部分回路３１_ｍのラッチ回路３２から出力されるshift(m)信号が順次に一定期間だけハイレベルとなるのに応じて、各部分回路３１_ｍから出力されるaddress(m)信号は順次に一定期間だけVaddress信号と同レベルとなる。

したがって、gs_mode信号がハイレベルであるとき、固体撮像装置１は各行に供給されるtrans(m)信号とreset(m)信号に関してグローバルシャッター方式の撮像動作と同様の全画素同時の動作が可能である。これに対して、gs_mode信号がローレベルであるとき、固体撮像装置１は各行に供給されるtrans(m)信号とreset(m)信号に関してローリングシャッター方式の撮像動作と同様の行毎の動作が可能である。また、address(m)信号に関しては、違いはない。

図４は、グローバルシャッター方式を説明する図である。図５は、ローリングシャッター方式を説明する図である。また、図６は、本実施形態に係る固体撮像装置１におけるシャッター方式を説明する図である。これらの図では、トリガ用受光部２０へ入射する光の強度が示されており、また、トリガ用データ出力部７０から出力されるトリガ用データに基づいて検出される光入射の開始のタイミングが矢印で示されている。また、これらの図では、撮像用受光部１０における各行について、フォトダイオードＰＤの接合容量部（第１電荷蓄積部）に電荷を蓄積する電荷蓄積期間と、フローティング・ディフュージョン領域（第２電荷蓄積部）に蓄積された電荷の量に応じた画素データをトランジスタＴ４から出力する信号読出し期間とが示されている。

図４に示されるように、グローバルシャッター方式では、電荷蓄積期間は撮像用受光部１０の全行で共通であり、信号読出し期間は撮像用受光部１０の行毎に異なる。これに対して、図５に示されるように、ローリングシャッター方式では、撮像用受光部１０の各行で電荷蓄積期間に続いて信号読出し期間があり、これらの期間は撮像用受光部１０の行毎に異なる。

一方、図６に示されるように、本実施形態に係る固体撮像装置１におけるシャッター方式では、電荷蓄積期間の開始は撮像用受光部１０の全行で共通であるが、電荷蓄積期間の終了は撮像用受光部１０の行毎に異なり、撮像用受光部１０の各行で電荷蓄積期間に続いて信号読出し期間がある。本実施形態に係る固体撮像装置１は、gs_mode信号をハイレベルとすることで、電荷蓄積期間の開始を撮像用受光部１０の全行で共通とすることができ、また、gs_mode信号をローレベルとすることで、電荷蓄積期間の終了および信号読出しを行毎に順次に行うことができる。

なお、何れのシャッター方式においても、撮像用受光部１０の各行の信号読出し期間が互いに重なることはない。また、何れのシャッター方式においても、トリガ用データ出力部７０から出力されるトリガ用データに基づいて光入射の開始が検出されたタイミング（図中の矢印）より後に、撮像用受光部１０の各行の電荷蓄積期間が開始される。

図７は、本実施形態に係る固体撮像装置１の動作を説明するタイミングチャートである。この図には、上から順に、トリガ用受光部２０への光入射強度、トリガ用受光部２０からの出力電流、制御部８０による制御（待機、電荷蓄積、信号読出し）、制御部８０から行選択部３０へ与えられる電荷蓄積期間信号、第１行の各画素部に与えられるreset(1)信号，trans(1)信号およびaddress(1)信号、第ｍ行の各画素部に与えられるreset(m)信号，trans(m)信号およびaddress(m)信号、第Ｍ行の各画素部に与えられるreset(M)信号，trans(M)信号およびaddress(M)信号、行選択部３０に与えられるgs_mode信号、ならびに、ＡＤ変換回路６２から出力されるデジタル値Ｄout、が示されている。

制御部８０は、トリガ用受光部２０への光入射が開始される前では、撮像用受光部１０を待機状態とする。すなわち、制御部８０は、gs_mode信号をハイレベルとして、行選択部３０から全ての画素部Ｐ_ｍ,ｎへ与えるreset(m)信号およびtrans(m)信号をそれぞれVreset、Vtransと等しいハイレベルとし、address(m)信号をローレベルとする。これにより、全ての画素部Ｐ_ｍ,ｎにおいて、トランジスタＴ１，Ｔ２が共にオン状態となって、フォトダイオードＰＤの接合容量部（第１電荷蓄積部）の電荷蓄積が初期化され続け、また、トランジスタＴ３のゲート端子に接続されるフローティング・ディフュージョン領域（第２電荷蓄積部）の電荷蓄積も初期化され続ける。

制御部８０は、トリガ用受光部２０への光入射が開始されたと判断すると、撮像用受光部１０を電荷蓄積期間とする。すなわち、制御部は、gs_mode信号をハイレベルのままとして、行選択部３０から全ての画素部Ｐ_ｍ,ｎへ与えるreset(m)信号をVresetと等しいハイレベルのままとし、trans(m)信号をVtransと等しいローレベルに変化させ、address(m)信号をローレベルのままとする。これにより、全ての画素部Ｐ_ｍ,ｎにおいて同時に、トランジスタＴ２がオフ状態となって、フォトダイオードＰＤの接合容量部（第１電荷蓄積部）の電荷蓄積の初期化動作が終了して、この接合容量部（第１電荷蓄積部）による電荷蓄積動作が開始される。このとき、トランジスタＴ３のゲート端子に接続されるフローティング・ディフュージョン領域（第２電荷蓄積部）の電荷蓄積は初期化され続ける。

その後、制御部８０は、トリガ用受光部２０への光入射が終了されたと判断すると、撮像用受光部１０を信号読出し期間とする。すなわち、制御部８０は、gs_mode信号をローレベルに変化させた後に、撮像用受光部１０の各行について順次に信号読出しを行わせる。第ｍ行の画素部Ｐ_ｍ,ｎからの信号読出しでは、行選択部３０から画素部Ｐ_ｍ,ｎへ与えるreset(m)信号をローレベルに変化させるとともに、address(m)信号をハイレベルに変化させ、その後にtrans(m)信号を一定期間だけハイレベルとし、更に後にaddress(m)信号をローレベルに戻す。これにより、第ｍ行の画素部Ｐ_ｍ,ｎにおいて、トランジスタＴ１がオフ状態となるとともに、トランジスタＴ４がオン状態となり、その後にトランジスタＴ２が一定期間だけオン状態となり、更に後にトランジスタＴ４がオフ状態に戻る。

第ｍ行の画素部Ｐ_ｍ,ｎにおいて、トランジスタＴ１，Ｔ２がオフ状態でトランジスタＴ４がオン状態となると、トランジスタＴ３のゲート端子に接続されるフローティング・ディフュージョン領域（第２電荷蓄積部）の電荷蓄積の初期化動作が終了して、該画素部Ｐ_ｍ,ｎから配線Ｌ_ｎへ出力されたデータ（雑音成分）は、保持回路Ｈ_ｎの容量素子Ｃ_２により電圧値out_n(n)として保持される。

その後、第ｍ行の画素部Ｐ_ｍ,ｎにおいて、トランジスタＴ１がオフ状態でトランジスタＴ２，Ｔ４がオン状態となると、フォトダイオードＰＤの接合容量部（第１電荷蓄積部）に蓄積されていた電荷がフローティング・ディフュージョン領域（第２電荷蓄積部）へ転送され、フローティング・ディフュージョン領域（第２電荷蓄積部）に蓄積された電荷の量に応じた画素データが配線Ｌ_ｎへ出力される。このとき該画素部Ｐ_ｍ,ｎから配線Ｌ_ｎへ出力されたデータ（雑音成分が重畳された信号成分）は、保持回路Ｈ_ｎの容量素子Ｃ_１により電圧値out_s(n)として保持される。

そして、その後、各保持回路Ｈ_ｎについて順次に、容量素子Ｃ_１により保持されていた電圧値out_s(n)が配線Ｈline_sへ出力され、容量素子Ｃ_２により保持されていた電圧値out_n(n)が配線Ｈline_nへ出力されて、これら電圧値out_s(n)と電圧値out_n(n)との差に応じたデータ（雑音成分が除去された信号成分を表す画素データ）が差演算回路６１により求められる。さらに、この差演算回路６１から出力された画素データ（アナログ値）がＡＤ変換回路６２によりＡＤ変換されて、該画素データに応じたデジタル値Ｄ_ｎが出力される。このデジタル値Ｄ_ｎは、画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードＰＤで発生した電荷の量を表す。

制御部８０は、最終行まで読出しを完了した後、撮像用受光部１０を待機状態とする。すなわち、制御部８０は、gs_mode信号をハイレベルとして、行選択部３０から全ての画素部Ｐ_ｍ,ｎへ与えるreset(m)信号およびtrans(m)信号をハイレベルとし、address(m)信号をローレベルとする。これにより、全ての画素部Ｐ_ｍ,ｎにおいて、トランジスタＴ１，Ｔ２が共にオン状態となって、フォトダイオードＰＤの接合容量部（第１電荷蓄積部）の電荷蓄積が初期化され続け、トランジスタＴ３のゲート端子に接続されるフローティング・ディフュージョン領域（第２電荷蓄積部）の電荷蓄積も初期化され続ける。以降は、上記の動作が繰り返される。

以上のように、本実施形態に係る固体撮像装置１は、光入射の開始の際に全ての画素部Ｐ_ｍ,ｎにおいて同時に電荷蓄積動作を開始し、光入射の終了の後に各行について順次に電荷蓄積動作を終了して信号読出しを行うので、相関二重サンプリングを行うことができる。また、この固体撮像装置１は、電荷蓄積動作を終了すると直ちに信号読出しを行うことができるので、フローティング・ディフュージョン領域（第２電荷蓄積部）に電荷を転送してから信号読出しを行う迄の時間を短くすることができる。したがって、固体撮像装置１は、撮像すべき光の入射期間が極めて短い場合にも、高精度の撮像を行うことができる。

次に、制御部８０による光入射の開始および終了の判断について説明する。最も簡易な方法として、制御部８０は、トリガ用データ出力部７０から出力されるトリガ用データの絶対値が閾値未満の状態から閾値を超える状態に転じた時を光入射開始時と判断し、また、トリガ用データの絶対値が閾値を超える状態から閾値未満の状態に転じた時を光入射終了時と判断することができる。

しかし、この簡易な判断方法では、トリガ用データ出力部７０から出力されるトリガ用データにノイズが加わっている場合や、一定期間に亘って光入射がパルス的に繰り返される場合には、誤った判断が為されることがある。特に、固体撮像装置１が口腔内におけるＸ線撮像に用いられる場合には、このような誤った判断が為される可能性が大きい。

例えば、口腔内におけるＸ線撮像に用いられる固体撮像装置は、ポータブル機器であることから落下等の衝撃が加わる場合があり、また、患者が装置本体やケーブルを噛む場合もあって、これらの要因によりトリガ用データに瞬間的にノイズが乗る場合がある。

また、口腔内におけるＸ線撮像に用いられる固体撮像装置は、単発のＸ線パルスが入射される場合もあり、また、一定期間に亘って複数のＸ線パルスが繰り返し入射される場合もある。図８は、光入射パターンの例を示す図である。同図（ａ），（ｂ）に示される光入射パターンでは１パルスの入射のみであるのに対して、同図（ｃ），（ｄ）に示される光入射パターンでは一定期間に亘って複数の光パルスの入射が繰り返される。同図（ｃ）では、或る光パルスと次の光パルスとの間に入射休止期間が存在する。同図（ｄ）では、或る光パルスに続いて直ちに次の光パルスが入射される。

同図（ｃ），（ｄ）に示される光入射パターンの場合、トリガ用データの絶対値が閾値を超える状態から閾値未満の状態に転じた時を光入射終了時と判断して、各画素部Ｐ_ｍ,ｎにおいて電荷蓄積を終了すると、複数の光パルスのうち第２の光パルス以降については撮像することができない。

以下に説明する制御部８０による判断方法は、トリガ用データ出力部７０から出力されるトリガ用データにノイズが加わっている場合や、一定期間に亘って光入射がパルス的に繰り返される場合であっても、光入射の開始および終了を正確に判断することができるものである。

図９は、本実施形態に係る固体撮像装置１に含まれる制御部８０による光入射開始の判断について説明する図である。同図に示されるように、制御部８０は、トリガ用データ出力部７０から出力されるトリガ用データの絶対値が閾値未満の状態から第１閾値を超える状態に転じた後に、トリガ用データの絶対値が第１閾値を超える状態が一定時間τ_１以上に亘って続いたときに、光入射開始と判断する。そして、制御部８０は、図１０に示されるように、光入射開始と判断すると、撮像用受光部１０の各画素部Ｐ_ｍ,ｎに対して同時に待機状態から電荷蓄積動作へ変化させる。

一方、制御部８０は、トリガ用データの絶対値が第１閾値未満の状態から第１閾値を超える状態に転じた場合であっても、その後にトリガ用データの絶対値が第１閾値を超える状態が続く時間が一定時間τ_１未満であると、トリガ用データにノイズが重畳されていると判断して、光入射開始とは判断しない。このとき、制御部８０は、撮像用受光部１０の各画素部Ｐ_ｍ,ｎに対して待機状態のままとし、各画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードＰＤの接合容量部を初期化し続ける。

ここで、時間τ_１は、トリガ用データ出力部７０から出力されるトリガ用データに重畳されるノイズのパルス幅より大きい値に設定され、例えば１００μｓ以上に設定される。

図１１および図１２は、本実施形態に係る固体撮像装置１に含まれる制御部８０による光入射終了の判断について説明する図である。これらの図に示されるように、制御部８０は、トリガ用データ出力部７０から出力されるトリガ用データの絶対値が第２閾値を超える状態から第２閾値未満の状態に転じた後に、トリガ用データの絶対値が第２閾値を超えない状態が時間τ_２以上に亘って続いたときに、光入射終了と判断する。そして、制御部８０は、図１３に示されるように、光入射終了と判断すると、撮像用受光部１０の各行について順次に電荷蓄積動作を終了させて信号読出し動作を行わせる。

一方、制御部８０は、トリガ用データの絶対値が第２閾値を超える状態から第２閾値未満の状態に転じた場合であっても、その後の時間τ_２の間に、トリガ用データの絶対値が第２閾値を超えたときに、光入射が未だ終了していないと判断する。このとき、制御部８０は、撮像用受光部１０の各画素部Ｐ_ｍ,ｎに対して電荷蓄積動作を継続させる。

また、時間τ_２は、光入射パルスの繰り返し周期に応じて適切に設定される。例えば、光源（Ｘ線源）が周波数５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの商用電源により駆動される場合、その光源から出射されて固体撮像素子１に入射される光パルスのパターンは図１４に示されるようになる。光パルスの繰り返し周波数は、同図（ａ）に示されるように５０Ｈｚもしくは６０Ｈｚ、または、同図（ｂ）に示されるように倍の周波数となる。同図（ａ）に示されるように、光の非入射から入射までの時間間隔は最大で１０ｍｓであるので、時間τ_２は１２.５ｍｓ以上に設定されるのが好適である。

図１５は、本実施形態に係る固体撮像装置１の動作を説明するタイミングチャートである。同図は、図８（ｃ），（ｄ）（図１４（ａ），（ｂ））に示される光入射パターンの場合のタイミングチャートである。この場合には、制御部８０は、複数の光パルスのうちの最後の光パルスの入射の終了の後に光入射終了と判断して、撮像用受光部１０を信号読出し期間とする。その他の動作については図７で説明したものと同様である。

１…固体撮像装置、１０…撮像用受光部、２０…トリガ用受光部、３０…行選択部、４０…列選択部、５０…保持部、６０…画素データ出力部、６１…差演算回路、６２…ＡＤ変換回路、７０…トリガ用データ出力部、７１…ＩＶ変換回路、７２…ＡＤ変換回路、８０…制御部、Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎ…画素部。

Claims (2)

1. Ｍ×Ｎ個の画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,ＮがＭ行Ｎ列に２次元配列された撮像用受光部と、入射光量に応じた量の電荷を発生するトリガ用フォトダイオードを含むトリガ用受光部と、前記トリガ用受光部で発生した電荷の量に応じたトリガ用データを出力するトリガ用データ出力部と、前記撮像用受光部の各画素部Ｐ_ｍ,ｎの動作を制御する制御部と、を備え、
   各画素部Ｐ_ｍ,ｎが、入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードと、前記フォトダイオードで発生した電荷を蓄積する第１電荷蓄積部と、前記第１電荷蓄積部に蓄積された電荷が転送される第２電荷蓄積部と、前記第１電荷蓄積部の電荷蓄積を初期化する第１初期化部と、前記第２電荷蓄積部の電荷蓄積を初期化する第２初期化部と、前記第１電荷蓄積部に蓄積された電荷を前記第２電荷蓄積部へ転送する転送部と、前記第２電荷蓄積部に蓄積された電荷の量に応じた画素データを配線Ｌ_ｎへ出力する出力部と、を含み、
   前記制御部が、
   前記トリガ用データ出力部から出力されるトリガ用データの絶対値が第１閾値未満の状態から前記第１閾値を超える状態に転じた後に、前記トリガ用データの絶対値が前記第１閾値を超える状態が一定時間τ _１ 以上に亘って続いたときに、光入射の開始と判断して、前記撮像用受光部の前記Ｍ×Ｎ個の画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎに対して同時に、前記第１初期化部による初期化動作を終了させて、前記第１電荷蓄積部による電荷蓄積動作を開始させ、
   その後、前記トリガ用データ出力部から出力されるトリガ用データの絶対値が第２閾値を超える状態から前記第２閾値未満の状態に転じた後に、前記トリガ用データの絶対値が前記第２閾値を超えない状態が一定時間τ _２ 以上に亘って続いたときに、光入射の終了と判断して、前記撮像用受光部の各行について順次に、各画素部Ｐ_ｍ,ｎに対して、前記第２初期化部による初期化動作を終了させて、前記転送部による電荷転送動作および前記出力部によるデータ出力動作を行わせ、
   前記一定時間τ _１ よりも前記一定時間τ _２ が１０倍以上長い、
   ことを特徴とする固体撮像装置（ただし、Ｍ，Ｎは２以上の整数、ｍは１以上Ｍ以下の整数、ｎは１以上Ｎ以下の整数）。
2. 前記撮像用受光部の画素部Ｐ_ｍ,ｎから出力される画素データを入力して保持するＮ個の保持回路Ｈ_１〜Ｈ_Ｎを含む保持部と、各保持回路Ｈ_ｎにより保持されて出力された画素データを入力し演算して出力する画素データ出力部と、を更に備え、
   各保持回路Ｈ_ｎが、前記撮像用受光部における第ｎ列のＭ個の画素部Ｐ_１,ｎ〜Ｐ_Ｍ,ｎと配線Ｌ_ｎにより接続されていて、画素部Ｐ_ｍ,ｎから配線Ｌ_ｎへ出力された雑音成分を表す画素データを入力して保持するとともに、画素部Ｐ_ｍ,ｎから配線Ｌ_ｎへ出力された雑音成分が重畳された信号成分を表す画素データを入力して保持し、これら保持した２つの画素データを出力し、
   前記画素データ出力部が、各保持回路Ｈ_ｎにより保持されて出力された２つの画素データを入力して、これら２つの画素データの差に応じた画素データを出力する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。

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