JP5935286B2 - 撮像装置および撮像表示システム - Google Patents
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Description
1.第1の実施の形態(チャージアンプ回路の帰還または仮想短絡現象を利用してリセット駆動を行う撮像装置の例)
2.第2の実施の形態(1回目リセット動作と2回目リセット動作とにおいてチャージアンプ回路のコンデンサ容量を可変とした例)
3.変形例1(チャージアンプ回路の他の例)
4.変形例2(パッシブ型の画素回路の他の例)
5.変形例3(パッシブ型の画素回路の他の例)
6.変形例4,5(放射線に基づいて撮像を行う撮像部の例)
7.適用例(撮像表示システムへの適用例)
[撮像装置1の全体構成]
図1は、本開示の一実施の形態に係る撮像装置(撮像装置1)の全体のブロック構成を表すものである。撮像装置1は、入射光(撮像光)に基づいて被写体の情報を読み取る(被写体を撮像する)ものである。この撮像装置1は、撮像部11、行走査部13、A/D変換部14、列走査部15およびシステム制御部16を備えている。これらのうち、行走査部13、A/D変換部14、列走査部15およびシステム制御部16が、本開示における「駆動部」の一具体例に対応する。また、本実施の形態では、これらの「駆動部」のうち、A/D変換部14(詳細には、後述する列選択部17)が本開示の「チャージアンプ回路」(後述のチャージアンプ回路17A)を有している。
撮像部11は、入射光(撮像光)に応じて電気信号を発生させるものである。この撮像部11では、画素(撮像画素,単位画素)20が、行列状(マトリクス状)に2次元配置されており、各画素20は、撮像光の光量に応じた電荷量の光電荷を発生して内部に蓄積する光電変換素子(後述の光電変換素子21)を有している。尚、図1中に示したように、以下、撮像部11内における水平方向(行方向)を「H」方向とし、垂直方向(列方向)を「V」方向として説明する。
行走査部13は、後述のシフトレジスタ回路や所定の論理回路等を含んで構成されており、撮像部11内の複数の画素20に対して行単位(水平ライン単位)での駆動(線順次走査)を行う画素駆動部(行走査回路)である。具体的には、後述する読み出し動作やリセット動作等の撮像動作を例えば線順次走査により行う。尚、この線順次走査は、読み出し制御線Lreadを介して前述した行走査信号を各画素20へ供給することによって行われるようになっている。
A/D変換部14は、複数(ここでは4つ)の信号線Lsigごとに1つ設けられた複数の列選択部17を有しており、信号線Lsigを介して入力した信号電圧(信号電荷)に基づいてA/D変換(アナログ/デジタル変換)を行うものである。これにより、デジタル信号からなる出力データDout(撮像信号)が生成され、外部へ出力されるようになっている。
チャージアンプ回路17Aは、例えばチャージアンプ172、容量素子(コンデンサ,フィードバック容量素子)C1およびスイッチSW1を有している。チャージアンプ172は、信号線Lsigから読み出された信号電荷を電圧に変換(Q−V変換)するためのアンプ(増幅器)である。このチャージアンプ172では、負側(−側)の入力端子に信号線Lsigの一端が接続され、正側(+側)の入力端子には所定のリセット電圧Vrstが入力されるようになっている。チャージアンプ172の出力端子と負側の入力端子との間は、容量素子C1とスイッチSW1との並列接続回路を介して帰還接続(フィードバック接続)されている。即ち、容量素子C1の一方の端子がチャージアンプ172の負側の入力端子に接続され、他方の端子がチャージアンプ172の出力端子に接続されている。同様に、スイッチSW1の一方の端子がチャージアンプ172の負側の入力端子に接続され、他方の端子がチャージアンプ172の出力端子に接続されている。尚、このスイッチSW1のオン・オフ状態は、システム制御部16からアンプリセット制御線Lcarstを介して供給される制御信号(アンプリセット制御信号)によって制御される。
列走査部15は、例えば図示しないシフトレジスタやアドレスデコーダ等を含んで構成されており、上記した列選択部17内の各スイッチSW2を走査しつつ順番に駆動するものである。このような列走査部15による選択走査によって、信号線Lsigの各々を介して読み出された各画素20の信号(上記した出力データDout)が、順番に外部へ出力されるようになっている。
システム制御部16は、行走査部13、A/D変換部14および列走査部15の動作を制御するものである。具体的には、システム制御部16は、前述した各種のタイミング信号(制御信号)を生成するタイミングジェネレータを有しており、このタイミングジェネレータにおいて生成される各種のタイミング信号を基に、行走査部13、A/D変換部14および列走査部15の駆動制御を行う。このシステム制御部16の制御に基づいて、行走査部13、A/D変換部14および列走査部15がそれぞれ撮像部11内の複数の画素20に対する撮像駆動(線順次撮像駆動)を行うことにより、撮像部11から出力データDoutが取得されるようになっている。
本実施の形態の撮像装置1では、撮像光Linが撮像部11へ入射すると、各画素20内の光電変換素子21では、この撮像光Linが信号電荷に変換(光電変換)される。このとき、蓄積ノードNでは、光電変換により発生した信号電荷の蓄積によって、ノード容量に応じた電圧変化が生じる。具体的には、蓄積ノード容量をCs、発生した信号電荷をqとすると、蓄積ノードNでは(q/Cs)の分だけ電圧が変化(ここでは低下)する。このような電圧変化に応じて、トランジスタ22のドレインには入力電圧Vin(信号電荷に対応した電圧)が印加される。このトランジスタ22へ供給される入力電圧Vin(蓄積ノードNに蓄積された信号電荷)は、読み出し制御線Lreadから供給される行走査信号に応じてトランジスタ22がオン状態になると、画素20から信号線Lsigへ読み出される。
図7(A),(B)は、露光期間および読み出し期間における画素20および列選択部17内のチャージアンプ回路の動作例を表したものである。尚、以下では説明の便宜上、トランジスタ22のオン・オフ状態を、スイッチを用いて図示している。
上述のように、読み出し/第1リセット期間Tr1では、読み出し動作に伴ってリセット動作がなされるが、この期間Tr1後であっても、それ以前に蓄積されていた信号電荷の一部が画素20内に残存(残留)する場合がある。信号電荷の一部が画素20内に残ると、次の読み出し動作時(次のフレーム期間での撮像時)においてその残留電荷に起因した残像が発生し、撮像画質が劣化してしまう。以下、図8〜図13を参照して、このような信号電荷の残存について、詳細に説明する。
上記のような信号電荷の残存が発生する理由の一つとして、外光(特に、強外光)の影響を受けて画素20内の電荷が飽和してしまうことが考えられる。光電変換素子21では、ゲート電極21Gに印加されるゲート電圧により、真性半導体層21Iが、蓄積状態(飽和状態)、空乏状態、反転状態のいずれかの状態となる。ところが、薄膜フォトダイオードでは、その蓄積状態もしくは反転状態においてゲート電極21G側の界面に電荷が誘起された状態(図8(A))から、空乏状態(図8(B))に遷移するには、数百μsオーダーの時間が必要である。通常、PIN型のフォトダイオードは、空乏状態で光感度が最大となるため空乏状態で使用するが、例えば強外光が照射されてVnp<0Vの状態になると、蓄積状態に遷移する。尚、Vnpは、p型半導体層21P側から見たn型半導体層21Nの電位である。
そこで本実施の形態では、複数回(ここでは、上記読み出し/第1リセット期間Tr1におけるリセット動作を含む計2回)のリセット動作が行われる。また、読み出し駆動およびリセット駆動は、後述するように線順次でなされ、詳細には読み出し駆動および複数回のリセット駆動が単一の線順次駆動によってなされる。これにより、上記残留電荷を低減し、この残留電荷に起因して生じる残像を抑えるようにしている。具体的には、図14に示したように、1垂直期間(1フレーム期間)ΔTvにおいて、露光期間Tex後、期間Tr1において読み出し動作および1回目のリセット動作がなされた後、所定の時間間隔後の第2リセット期間Tr2において2回目のリセット動作(第2リセット動作)がなされる。また、これらのうち、期間Tr1,Tr2における読み出し動作およびリセット動作の各動作はそれぞれ線順次に行われる(システム制御部16の制御に基づいて、各画素20では、線順次読み出し駆動および線順次リセット駆動がなされる)。
図15〜図18に、線順次撮像駆動(線順次読み出し駆動および線順次リセット駆動)の際の各動作のタイミングの一例について示す。図15(A)〜(F)は、本実施の形態に係る線順次撮像駆動の一例を、タイミング波形図で表わしたものである。ここで、(A)〜(F)はそれぞれ、読み出し制御線Lread(1)〜Lread(3),Lread(n-2)〜Lread(n)の電位Vread(1)〜Vread(3),Vread(n-2)〜Vread(n)のタイミング波形を示している。また、図中に示したΔThは、1水平期間(1水平走査期間)を表している。図16〜図18ではそれぞれ、前述したアンプリセット制御線Lcarstの電位Vcarstを、前述した第1の動作例の場合(各図の(D))および第2の動作例の場合(各図の(E))の各々について示している。
第2リセット期間Tr2では、チャージアンプ回路17Aにおけるチャージアンプの帰還(フィードバック)または仮想短絡現象を利用して、2回目のリセット動作がなされる。具体的には、帰還を利用する場合には、図20(A)に示したように、画素20内のトランジスタ22がオン状態になると共に、チャージアンプ回路17AにおけるスイッチSW1もオン状態となっている。これにより、チャージアンプ172を用いたボルテージフォロワ回路が形成されている。このため、チャージアンプ172では、その帰還特性(フィードバック特性)により、負側の入力端子側(信号線Lsig側)の電圧が、正側の入力端子に印加されているリセット電圧Vrstに略等しくなる。このように第1の動作例では、チャージアンプ172における帰還を利用して、画素20内の蓄積ノードNの電位Vnがリセット電圧Vrstに変位する(2回目のリセット動作がなされる)。
図22は、本開示の第2の実施の形態に係るチャージアンプ回路(チャージアンプ回路17B)の構成を、画素20の回路構成と共に表したものである。尚、以下では、上記第1の実施の形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
本実施の形態のチャージアンプ回路17Bは、例えば上記第1の実施の形態のチャージアンプ回路17Aと同様、A/D変換部14(列選択部17)内に、S/H回路173およびマルチプレクサ回路174等と共に設けられるものである。また、撮像部11の各画素20の読み出し動作時には上述のようなQ−V変換を行うと共に、リセット動作において蓄積ノードNにリセット電圧Vrstを与えるものである。詳細は後述するが、本実施の形態においても、このようなチャージアンプ回路17Bを用いて、パッシブ型の画素20に対して、読み出し動作と共にリセット動作(1回目のリセット動作)がなされると共に、1フレーム期間内において複数回のリセット動作が行われる。
本実施の形態においても、上記第1の実施の形態と同様、撮像部11へ入射した撮像光Linは、各画素20内において光電変換され、これにより発生した信号電荷が蓄積ノードNに蓄積される。蓄積された電荷は、トランジスタ22がオン状態になると、信号線Lsigへ読み出される。このようにして信号線Lsigへ読み出された信号電荷は、A/D変換部14(列選択部17)内のチャージアンプ回路17BにおいてQ−V変換された後、出力データDout(撮像信号)が生成される。このようにして、撮像駆動動作がなされる。以下、チャージアンプ回路17Bを用いた露光動作、読み出し動作およびリセット動作について説明する。
図27は、変形例1に係るチャージアンプ回路(チャージアンプ回路17C)の構成を、画素20の回路構成と共に表したものである。チャージアンプ回路17Cは、例えば上記第1の実施の形態のチャージアンプ回路17Aと同様、A/D変換部14(列選択部17)内に、S/H回路173およびマルチプレクサ回路174等と共に設けられるものである。また同様に、チャージアンプ回路17Cは、例えばチャージアンプ172、容量素子C1およびスイッチSW1を有している。チャージアンプ172の負側の入力端子には信号線Lsigが接続され、正側の入力端子にはリセット電圧Vrstが入力されるようになっており、チャージアンプ172の出力端子と負側の入力端子との間には、容量素子C1とスイッチSW1とがそれぞれ並列に接続されている。
図31は、変形例2に係る画素(画素20A)の回路構成をチャージアンプ回路17Aの回路構成例と共に表したものである。本変形例の画素20Aは、実施の形態の画素20と同様にいわゆるパッシブ型の回路構成となっており、1つの光電変換素子21と1つのトランジスタ22とを有している。また、この画素20AにはH方向に沿って延在する読み出し制御線Lreadと、V方向に沿って延在する信号線Lsigとが接続されている。
図32は、変形例3に係る画素(画素20D)の回路構成をチャージアンプ回路17Aの回路構成例と共に表したものである。本変形例の画素20Dは、実施の形態の画素20と同様にいわゆるパッシブ型の回路構成となっており、1つの光電変換素子21を有しており、H方向に沿って延在する読み出し制御線Lreadと、V方向に沿って延在する信号線Lsigとに接続されている。尚、ここでは、上記第1の実施の形態のチャージアンプ回路17Aを例に挙げて説明するが、上記第2の実施の形態のチャージアンプ回路17Bまたは変形例1のチャージアンプ回路17Cに置き換えてもよい。
図33(A),(B)はそれぞれ、変形例4,5に係る撮像部(撮像部11A,11B)の概略構成を模式的に表したものである。
続いて、上記実施の形態および各変形例(変形例1〜5)に係る撮像装置は、以下に説明するような撮像表示システムへ適用可能である。
(1)各々が光電変換素子を含む複数の画素を有する撮像部と、前記画素内に蓄積された信号電荷の読み出し駆動およびリセット駆動を行う駆動部とを備え、前記駆動部は、読み出された信号電荷を電圧に変換するチャージアンプ回路を有し、前記リセット駆動を1フレーム期間内で間欠的に複数回行い、かつ前記1フレーム期間内の各リセット駆動を、前記チャージアンプ回路におけるチャージアンプの帰還または仮想短絡現象を利用して行う撮像装置。
(2)前記チャージアンプ回路は、入力側の一方の端子が画素の信号線に接続され、他方の端子がリセット電位に保持されたチャージアンプと、前記チャージアンプの入力側の一方の端子と出力側の端子との間に並列接続された第1の容量素子と、前記チャージアンプおよび前記第1の容量素子に並列接続された第1のスイッチとを有する上記(1)に記載の撮像装置。
(3)前記駆動部は、前記第1のスイッチをオン状態に保持し、前記帰還を利用したリセット駆動を行う上記(2)に記載の撮像装置。
(4)前記駆動部は、前記第1のスイッチをオフ状態に保持し、前記仮想短絡現象を利用したリセット駆動を行う上記(2)に記載の撮像装置。
(5)前記チャージアンプ回路は、前記チャージアンプの入力側の一方の端子と出力側の端子との間に並列接続された第2の容量素子と、前記第2の容量素子に直列接続された第2のスイッチとを更に有する上記(2)〜(4)のいずれかに記載の撮像装置。
(6)前記駆動部は、前記第1のスイッチをオン状態、前記第2のスイッチをオフ状態にそれぞれ保持して、前記帰還を利用したリセット駆動を行う上記(5)に記載の撮像装置。
(7)前記駆動部は、前記第1のスイッチをオフ状態、前記第2のスイッチをオン状態にそれぞれ保持して、前記仮想短絡現象を利用したリセット駆動を行う上記(5)に記載の撮像装置。
(8)前記駆動部は、前記画素の露光動作の際には、前記第1のスイッチをオン状態、前記第2のスイッチをオフ状態にそれぞれ保持し、前記読み出し駆動の際には、前記第1および第2のスイッチの両方をオフ状態に保持する上記(5)〜(7)のいずれかに記載の撮像装置。
(9)前記駆動部は、1回目のリセット駆動を、前記読み出し駆動に伴って、前記第1および第2のスイッチの両方をオフ状態に保持して行う上記(8)に記載の撮像装置。
(10)前記第2の容量素子の容量は前記第1の容量素子よりも大きい上記(5)〜(9)のいずれかに記載の撮像装置。
(11)前記仮想短絡現象を利用したリセット駆動は、前記チャージアンプ回路が信号電荷を読み出し可能な状態において行う上記(1)〜(10)のいずれかに記載の撮像装置。
(12)前記光電変換素子が、PIN型のフォトダイオードまたはMIS型センサからなる上記(1)〜(11)のいずれかに記載の撮像装置。
(13)前記撮像部が、入射した放射線に基づいて電気信号を発生させるものである上記(1)〜(12)のいずれかに記載の撮像装置。
(14)前記撮像部は、前記光電変換素子上に、放射線を前記光電変換素子の感度域に変換する波長変換層を有する上記(13)に記載の撮像装置。
(15)前記放射線がX線である上記(14)に記載の撮像装置。
(16)前記トランジスタの前記半導体層は、アモルファスシリコン、多結晶シリコン、微結晶シリコンまたは酸化物半導体よりなる上記(1)〜(15)のいずれかに記載の撮像装置。
(17)撮像装置と、この撮像装置により得られた撮像信号に基づく画像表示を行う表示装置とを備え、前記撮像装置は、各々が光電変換素子を含む複数の画素を有する撮像部と、前記画素内に蓄積された信号電荷の読み出し駆動およびリセット駆動を行う駆動部とを備え、前記駆動部は、読み出された信号電荷を電圧に変換するチャージアンプ回路を有し、前記リセット駆動を1フレーム期間内で間欠的に複数回行い、かつ前記1フレーム期間内の各リセット駆動を、前記チャージアンプ回路におけるチャージアンプの帰還または仮想短絡現象を利用して行う撮像表示システム。
Claims (11)
- 各々が光電変換素子を含む複数の画素を有する撮像部と、
前記画素内に蓄積された信号電荷の読み出し駆動およびリセット駆動を行うと共に、読み出された信号電荷を電圧に変換するチャージアンプ回路を有する駆動部とを備え、
前記チャージアンプ回路は、
入力側の一方の端子が前記画素の信号線に接続され、他方の端子がリセット電位に保持されたチャージアンプと、
前記チャージアンプの入力側の一方の端子と出力側の端子との間に並列接続された第1および第2の容量素子と、
前記第1および第2の容量素子に並列接続された第1のスイッチと、
前記第2の容量素子に直列接続された第2のスイッチと
を含み、
前記駆動部は、
前記リセット駆動を1フレーム期間内で間欠的に複数回行い、かつ
前記1フレーム期間内の各リセット駆動を、前記第1のスイッチをオフ状態、前記第2のスイッチをオン状態にそれぞれ保持して、前記チャージアンプ回路における仮想短絡現象を利用して行う
撮像装置。 - 前記駆動部は、
前記画素の露光動作の際には、前記第1のスイッチをオン状態、前記第2のスイッチをオフ状態にそれぞれ保持し、
前記読み出し駆動の際には、前記第1および第2のスイッチの両方をオフ状態に保持する
請求項1に記載の撮像装置。 - 前記駆動部は、1回目のリセット駆動を、前記読み出し駆動に伴って、前記第1および第2のスイッチの両方をオフ状態に保持して行う
請求項2に記載の撮像装置。 - 前記第2の容量素子の容量は前記第1の容量素子よりも大きい
請求項1ないし請求項3のいずれか1つに記載の撮像装置。 - 前記仮想短絡現象を利用したリセット駆動は、前記チャージアンプ回路が信号電荷を読み出し可能な状態において行う
請求項1ないし請求項4のいずれか1つに記載の撮像装置。 - 前記光電変換素子が、PIN型のフォトダイオードまたはMIS型センサからなる
請求項1ないし請求項5のいずれか1つに記載の撮像装置。 - 前記撮像部が、入射した放射線に基づいて電気信号を発生させるものである
請求項1ないし請求項6のいずれか1つに記載の撮像装置。 - 前記撮像部は、前記光電変換素子上に、放射線を前記光電変換素子の感度域に変換する波長変換層を有する
請求項6に記載の撮像装置。 - 前記放射線がX線である
請求項7または請求項8に記載の撮像装置。 - 前記画素は、トランジスタを更に含み、
前記トランジスタの半導体層は、アモルファスシリコン、多結晶シリコン、微結晶シリコンまたは酸化物半導体よりなる
請求項1ないし請求項9のいずれか1つに記載の撮像装置。 - 撮像装置と、この撮像装置により得られた撮像信号に基づく画像表示を行う表示装置とを備え、
前記撮像装置は、
各々が光電変換素子を含む複数の画素を有する撮像部と、
前記画素内に蓄積された信号電荷の読み出し駆動およびリセット駆動を行うと共に、読み出された信号電荷を電圧に変換するチャージアンプ回路を有する駆動部とを備え、
前記チャージアンプ回路は、
入力側の一方の端子が前記画素の信号線に接続され、他方の端子がリセット電位に保持されたチャージアンプと、
前記チャージアンプの入力側の一方の端子と出力側の端子との間に並列接続された第1および第2の容量素子と、
前記第1および第2の容量素子に並列接続された第1のスイッチと、
前記第2の容量素子に直列接続された第2のスイッチと
を含み、
前記駆動部は、
前記リセット駆動を1フレーム期間内で間欠的に複数回行い、かつ
前記1フレーム期間内の各リセット駆動を、前記第1のスイッチをオフ状態、前記第2のスイッチをオン状態にそれぞれ保持して、前記チャージアンプ回路における仮想短絡現象を利用して行う
撮像表示システム。
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