JP6043002B1 - 固体撮像装置およびその駆動方法、電子機器 - Google Patents
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Abstract
Description
CMOSイメージセンサは、デジタルカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ、医療用内視鏡、パーソナルコンピュータ(PC)、携帯電話等の携帯端末装置(モバイル機器)等の各種電子機器の一部として広く適用されている。
また、特許文献1には、フローティングディフュージョンFDの容量を可変とした広ダイナミックレンジ化技術が開示されている。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。
本実施形態において、固体撮像装置10は、たとえばCMOSイメージセンサにより構成される。
これらの構成要素のうち、たとえば垂直走査回路30、読み出し回路40、およびタイミング制御回路60により画素信号の読み出し部70が構成される。
固体撮像装置10においては、一つの電荷の蓄積期間(露光期間)後の一つの読み出し期間内の所定期間に容量可変部によりフローティングディフュージョンの容量が変更されて、この読み出し期間内に変換利得が切り替えられる。
すなわち、本実施形態の固体撮像装置10は、一度の蓄積期間(露光期間)に光電変換された電荷(電子)に対して、一つの読み出し期間に、画素内部にて、第1変換利得(たとえば高変換利得)モードと第2変換利得(低変換利得)モードを切り替えて信号を出力し、明るい信号と暗い信号の両方を出力するダイナミックレンジが広い固体撮像素子として提供される。
また、本実施形態において、読み出し部70は、リセット期間に続く読み出し期間後に行われる少なくとも一つの転送期間後の読み出し期間において、第1変換利得モード読み出しと第2変換利得モード読み出しのうちの少なくともいずれかを行う。すなわち、転送期間後の読み出し期間において、第1変換利得モード読み出しと第2変換利得モード読み出しの両方を行う場合もある。
画素部20は、フォトダイオード(光電変換素子)と画素内アンプとを含む複数の画素がN行×M列の2次元の行列状(マトリクス状)に配列されている。
このフォトダイオードPDに対して、転送素子としての転送トランジスタTG−Tr、リセット素子としてのリセットトランジスタRST−Tr、ソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタSF−Tr、および選択素子としての選択トランジスタSEL−Trをそれぞれ一つずつ有する。
以下、信号電荷は電子であり、各トランジスタがn型トランジスタである場合について説明するが、信号電荷がホールであったり、各トランジスタがp型トランジスタであっても構わない。
また、本実施形態は、複数のフォトダイオード間で、各トランジスタを共有している場合や、選択トランジスタを有していない3トランジスタ(3Tr)画素を採用している場合にも有効である。
転送トランジスタTG−Trは、制御線TGがハイレベル(H)の期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードPDで光電変換され蓄積された電荷(電子)をフローティングディフュージョンFDに転送する。
なお、リセットトランジスタRST−Trは、電源線VDDとフローティングディフュージョンFDの間に接続され、制御線RSTを通じて制御されるように構成してもよい。
リセットトランジスタRST−Trは、制御線RSTがHレベルの期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンFDを電源線VRst(またはVDD)の電位にリセットする。
ソースフォロワトランジスタSF−TrのゲートにはフローティングディフュージョンFDが接続され、選択トランジスタSEL−Trは制御線SELを通じて制御される。
選択トランジスタSEL−Trは、制御線SELがHレベルの期間に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタSF−TrはフローティングディフュージョンFDの電荷を電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換した列出力の読み出し信号VSLを垂直信号線LSGNに出力する。
これらの動作は、たとえば転送トランジスタTG−Tr、リセットトランジスタRST−Tr、および選択トランジスタSEL−Trの各ゲートが行単位で接続されていることから、1行分の各画素について同時並列的に行われる。
図1においては、各制御線SEL、RST、TGを1本の行走査制御線として表している。
また、垂直走査回路30は、アドレス信号に従い、信号の読み出しを行うリード行と、フォトダイオードPDに蓄積された電荷をリセットするシャッター行の行アドレスの行選択信号を出力する。
そして、シャッタースキャン期間PSHTには、制御線RSTがHレベルの期間に所定期間制御線TGがHレベルに設定されて、リセットトランジスタRST−Trおよび転送トランジスタTG−Trを通じてフォトダイオードPDおよびフローティングディフュージョンFDがリセットされる。
読み出し期間PRD1後に、所定期間、制御線TGがHレベルに設定されて転送トランジスタTG−Trを通じてフローティングディフュージョンFDにフォトダイオードPDの蓄積電荷が転送され、この転送期間PT後の読み出し期間PRD2に蓄積された電子(電荷)に応じた信号が読み出される。
あるいは、読み出し回路40は、たとえば図3(B)に示すように、画素部20の各列出力の読み出し信号VSLを増幅するアンプ(AMP)42が配置されてもよい。
また、読み出し回路40は、たとえば図3(C)に示すように、画素部20の各列出力の読み出し信号VSLをサンプル、ホールドするサンプルホールド(S/H)回路43が配置されてもよい。
次に、本第1の実施形態に係る容量可変部80の構成、それに関連した読み出し処理等について詳述する。
図5(A)は第1の構成例のMOS構造キャパシタ81を含む画素PXLの等価回路を示し、図5(B)は第1の構成例のMOS構造キャパシタ81の断面構造を簡略的に示している。
MOS構造キャパシタ81において、ドレイン811とソース812は半導体基板のチャネル形成領域813の両端側に、たとえば第1導電型であるn+拡散層として形成され、このn+拡散層同士が接続されて、フローティングディフュージョンFDに接続されている。
また、MOS構造キャパシタ81において、ゲート814は半導体基板のチャネル形成領域813上にゲート酸化膜815を介してポリシリコンにより形成されている。このゲート814が容量変更信号CSの供給ラインに接続されている。
このMOS構造キャパシタ81のゲート電圧を容量変更信号CSで切り替えることにより可変容量として機能させることで、ダイナミックレンジを拡大する処理は、図4に関連付けて説明した読み出しスキャン期間PRDOに行われる。
前述したように、読み出しスキャン期間PRDOには制御線SELはHレベルに設定されて選択トランジスタSEL−Trが導通状態に保持される。
この場合、読み出しスキャン期間PRDOにおいて、たとえばリセット期間PRに、リセット素子であるリセットトランジスタRST−Trを通じてフローティングディフュージョンFDをリセットした後から転送期間PTが開始されるまでの一つの読み出し期間PRD1に、読み出し部70により、容量可変部80のMOS構造キャパシタ81により設定される第1容量に応じた(第1容量はディフォルト値で変更されていない容量ともいえる)高変換利得(第1変換利得)で画素信号の読み出しを行う高変換利得モード読み出しHCG1が行われる。
または、読み出し部70により、たとえば転送期間PTに、転送素子である転送トランジスタTG―Trを通じてフローティングディフュージョンFDにフォトダイオードPDの蓄積電荷を転送した後の一つの読み出し期間PRD2(PRD3)に、読み出し部70により、容量可変部80のMOS構造キャパシタ81により設定される第1容量に応じた高変換利得(第1変換利得)で画素信号の読み出しを行う高変換利得モード読み出しHCG2が行われる。
この場合、読み出しスキャン期間PRDOにおいて、たとえばリセット期間PRに、リセット素子であるリセットトランジスタRST−Trを通じてフローティングディフュージョンFDをリセットした後から転送期間PTが開始されるまでの一つの読み出し期間PRD1に、読み出し部70により、容量可変部80のMOS構造キャパシタ81により設定される第2容量に応じた(ディフォルトの第1容量から変更された第2容量に応じた)低変換利得(第2変換利得)で画素信号の読み出しを行う低変換利得モード読み出しLCG1が行われる。
または、読み出し部70により、たとえば転送期間PTに、転送素子である転送トランジスタTG―Trを通じてフローティングディフュージョンFDにフォトダイオードPDの蓄積電荷を転送した後の一つの読み出し期間PRD2(PRD3)に、読み出し部70により、容量可変部80のMOS構造キャパシタ81により設定される第2容量に応じた低変換利得(第2変換利得)で画素信号の読み出しを行う低変換利得モード読み出しLCG2が行われる。
同様に、低変換利得モード読み出しLCG2の読み出し信号と低変換利得モード読み出しLCG1の読み出し信号との差分がとられてCDS処理が行われる。
図6(A)は第2の構成例のMOS構造キャパシタ81Aを含む画素PXLの等価回路を示し、図6(B)は第2の構成例のMOS構造キャパシタ81Aの断面構造を簡略的に示している。
第2の構成例のMOS構造キャパシタ81Aは、フローティングディフュージョンFDにn+拡散層のドレイン811の領域のみ接続され、ソース812Aは第2導電型のp+拡散層領域として形成されている。
図7では、容量可変部を構成するMOS構造キャパシタとして、図6の第2の構成例のMOS構造キャパシタ81Aを適用した場合の例を示している。
図7(A)は画素PXLの等価回路を示し、図7(B)は動作を説明するためのタイミングチャートを示し、図7(C)は動作の時間経過に伴う画素PXLの要部のポテンシャルの遷移を模式的に示している。
この選択状態において、リセット期間PRにリセットトランジスタRST−Trが、制御線RSTがHレベルの期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンFDが電源線VDDの電位にリセットされる。
このリセット期間PRが経過した後(リセットトランジスタRST−Trが非導通状態)、転送期間PTが開始されるまでの期間が、リセット状態時の画素信号を読み出す第1読み出し期間PRD1となる。
このとき、各画素PXLにおいては、ソースフォロワトランジスタSF−Trにより、フローティングディフュージョンFDの電荷が電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号VSL(HCG1)として垂直信号線LSGNに出力され、読み出し回路40に供給されて、たとえば保持される。
そして、時刻t2に、読み出し部70により、フローティングディフュージョンFDの容量(電荷量)が変更された低変換利得(第2変換利得)で画素信号の読み出しを行う第1の低変換利得モード読み出しLCG1が行われる。
このとき、各画素PXLにおいては、ソースフォロワトランジスタSF−Trにより、フローティングディフュージョンFDの電荷が電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号VSL(LCG1)として垂直信号線LSGNに出力され、読み出し回路40に供給されて、たとえば保持される。
転送期間PTに転送トランジスタTG−Trが、制御線TGがハイレベル(H)の期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードPDで光電変換され蓄積された電荷(電子)がフローティングディフュージョンFDに転送される。
この転送期間PTが経過した後(転送トランジスタTG−Trが非導通状態)、フォトダイオードPDが光電変換して蓄積した電荷に応じた画素信号を読み出す第2読み出し期間PRD2となる。
このとき、各画素PXLにおいては、ソースフォロワトランジスタSF−Trにより、フローティングディフュージョンFDの電荷が電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号VSL(LCG2)として垂直信号線LSGNに出力され、読み出し回路40に供給されて、たとえば保持される。
そして、時刻t4に、読み出し部70により、フローティングディフュージョンFDの容量(電荷量)が低くなるように変更された高変換利得(第1変換利得)で画素信号の読み出しを行う第2の高変換利得モード読み出しHCG2が行われる。
このとき、各画素PXLにおいては、ソースフォロワトランジスタSF−Trにより、フローティングディフュージョンFDの電荷が電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号VSL(HCG2)として垂直信号線LSGNに出力され、読み出し回路40に供給されて、たとえば保持される。
同様に、読み出し回路40において、第2の低変換利得モード読み出しLCG2の読み出し信号VSL(LCG2)と第1の低変換利得モード読み出しLCG1の読み出し信号VSL(LCG1)との差分{VSL(LCG2)−VSL(LCG1)}がとられてCDS処理が行われる。
そして、読み出し部70が、一つの読み出し期間に、容量可変部80(80A)により設定される第1容量に応じた高変換利得(第1変換利得)で画素信号の読み出しを行う高変換利得(第1変換利得)モード読み出しと、容量可変部80により設定される第2容量に応じた低変換利得(第2変換利得)で画素信号の読み出しを行う低変換利得(第2変換利得)モード読み出しと、を行う。
図8は、本発明の第2の実施形態に係る画素および容量可変部の構成例を示す図である。
図9(A)は画素PXLの等価回路を示し、図9(B)は動作を説明するためのタイミングチャートを示し、図9(C)は動作の時間経過に伴う画素PXLの要部のポテンシャルの遷移を模式的に示し、図9(D)は照度とCDS出力との関係を示している。
この選択状態において、リセット期間PRにリセットトランジスタRST−Trが、制御線RSTがHレベルの期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンFDが電源線VDDの電位にリセットされる。
このリセット期間PRが経過した後(リセットトランジスタRST−Trが非導通状態)、転送期間PTが開始されるまでの期間が、リセット状態時の画素信号を読み出す第1読み出し期間PRD11となる。
リセット期間PRの開始と略並行して、容量変更信号CSGがHレベルに切り替えられて、フローティングディフュージョンFDの容量(電荷量)が第1容量から第2容量に増加するように変更される。
このとき、各画素PXLにおいては、ソースフォロワトランジスタSF−Trにより、フローティングディフュージョンFDの電荷が電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号VSL(LCG11)として垂直信号線LSGNに出力され、読み出し回路40に供給されて、たとえば保持される。
そして、時刻t2に、読み出し部70により、フローティングディフュージョンFDの容量(電荷量)が変更された高変換利得(第1変換利得)で画素信号の読み出しを行う第1の高変換利得モード読み出しHCG11が行われる。
このとき、各画素PXLにおいては、ソースフォロワトランジスタSF−Trにより、フローティングディフュージョンFDの電荷が電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号VSL(HCG11)として垂直信号線LSGNに出力され、読み出し回路40に供給されて、たとえば保持される。
第1転送期間PT11に転送トランジスタTG−Trが、制御線TGがHレベルの期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードPDで光電変換され蓄積された電荷(電子)がフローティングディフュージョンFDに転送される。
この第1転送期間PT11が経過した後(転送トランジスタTG−Trが非導通状態)、フォトダイオードPDが光電変換して蓄積した電荷に応じた画素信号を読み出す第2読み出し期間PRD12となる。
このとき、各画素PXLにおいては、ソースフォロワトランジスタSF−Trにより、フローティングディフュージョンFDの電荷が電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号VSL(HCG12)として垂直信号線LSGNに出力され、読み出し回路40に供給されて、たとえば保持される。
この容量変更と略並行して、第2転送期間PT12となる。なお、このとき、容量変更信号CSGは、第2転送期間PT12が経過した後、制御線SELがLレベルに切り替えられるまでHレベルのままに保持される。
第2転送期間PT12に転送トランジスタTG−Trが、制御線TGがHレベルの期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードPDで光電変換され蓄積された電荷(電子)がフローティングディフュージョンFDに転送される。
この第2転送期間PT12が経過した後(転送トランジスタTG−Trが非導通状態)、フォトダイオードPDが光電変換して蓄積した電荷に応じた画素信号をさらに読み出す第3読み出し期間PRD13となる。
このとき、各画素PXLにおいては、ソースフォロワトランジスタSF−Trにより、フローティングディフュージョンFDの電荷が電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号VSL(LCG12)として垂直信号線LSGNに出力され、読み出し回路40に供給されて、たとえば保持される。
同様に、読み出し回路40において、第2の低変換利得モード読み出しLCG12の読み出し信号VSL(LCG12)と第1の低変換利得モード読み出しLCG11の読み出し信号VSL(LCG11)との差分{VSL(LCG12)−VSL(LCG11)}がとられてCDS処理が行われる。
すなわち、本第2の実施形態によれば、一度の蓄積期間(露光期間)に光電変換された電荷(電子)に対して、画素内部にて、一つの読み出し期間において、高変換利得モードと低変換利得モードを切り替えて信号を出力し、明るい信号と暗い信号の両方を出力することができ、高変換利得モードおよび低変換利得モード時のリセットノイズがキャンセルでき、動体歪みの発生を抑止しつつ広ダイナミックレンジ化を実現でき、ひいては高画質化を実現することができるという効果を得ることができる。
図10は、本発明の第3の実施形態に係る画素部および容量可変部の構成例を示す図である。
第1および第2の実施形態では、容量可変部はMOS構造キャパシタ、スイッチとキャパシタで構成されている。
本第3の実施形態では、容量変更信号BINn,BINn+1により第1ビンニングスイッチ84n,84n+1をオン、オフすることにより、接続するフローティングディフュージョンFD数を1または複数(本例では2)に切り替えて、読み出し対象画素のフローティングディフュージョンFDの容量を変更し、読み出される画素PXLnまたはPXLn+1のフローティングディフュージョンFDの変換利得を切り替える。
第3の実施形態では、第1ビンニングスイッチ84n+1が共有のリセット素子として機能する。
以下の説明では、ビンニングスイッチをビンニングトランジスタと呼ぶ場合もある。
本第3の実施形態においては、第1ビンニングトランジスタ84n,84n+1がリセット素子としての機能を併せ持つ。
そして、第1ビンニングトランジスタ84n,84n+1を介して接続される複数(本例では2)の画素の全画素で、リセット期間PRにフローティングディフュージョンFDの電荷を排出する第1ビンニングトランジスタ84n+1によるリセット素子を共有している。
この選択状態において、リセット期間PR21に全ての第1ビンニングトランジスタ84n,84n+1(84n−1・・・)が、容量変更信号BINn,BINn+1がリセット信号としてHレベルの期間に選択されて導通状態となり、各フローティングディフュージョンFDが電源線VDDの電位にリセットされる。
このリセット期間PR21が経過した後、容量変更信号BINn+1がLレベルに切り替えられ、第1ビンニングトランジスタ84n+1が非導通状態に切り替えられる。
一方、容量変更信号BINnはHレベルのままに保持されて、第1ビンニングトランジスタ84nが導通状態に保持される。
第1ビンニングトランジスタ84n+1が非導通状態に切り替えられ、第1ビンニングトランジスタ84nが導通状態に保持されることによりリセット期間PR21が終了し、画素PXLnのフローティングディフュージョンFDの容量(電荷量)が第1容量から第2容量に増加するように変更される。
そして、転送期間PT21が開始されるまでの期間が、リセット状態時の画素信号を読み出す第1読み出し期間PRD21となる。
このとき、各画素PXLnにおいては、ソースフォロワトランジスタSF−Trにより、フローティングディフュージョンFDの電荷が電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号VSL(LCG21)として垂直信号線LSGNに出力され、読み出し回路40に供給されて、たとえば保持される。
そして、時刻t2に、読み出し部70により、フローティングディフュージョンFDの容量(電荷量)が変更された高変換利得(第1変換利得)で画素信号の読み出しを行う第1の高変換利得モード読み出しHCG21が行われる。
このとき、各画素PXLnにおいては、ソースフォロワトランジスタSF−Trにより、フローティングディフュージョンFDの電荷が電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号VSL(HCG21)として垂直信号線LSGNに出力され、読み出し回路40に供給されて、たとえば保持される。
第1転送期間PT21に転送トランジスタTG−Trが、制御線TGがHレベルの期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードPDで光電変換され蓄積された電荷(電子)がフローティングディフュージョンFDに転送される。
この第1転送期間PT21が経過した後(転送トランジスタTG−Trが非導通状態)、フォトダイオードPDが光電変換して蓄積した電荷に応じた画素信号を読み出す第2読み出し期間PRD22となる。
このとき、各画素PXLnにおいては、ソースフォロワトランジスタSF−Trにより、フローティングディフュージョンFDの電荷が電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号VSL(HCG22)として垂直信号線LSGNに出力され、読み出し回路40に供給されて、たとえば保持される。
この容量変更と略並行して、第2転送期間PT22となる。なお、このとき、容量変更信号BINnは、第2転送期間PT22が経過した後もHレベルのままに保持される。
第2転送期間PT22に転送トランジスタTG−Trが、制御線TGがHレベルの期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードPDで光電変換され蓄積された電荷(電子)がフローティングディフュージョンFDに転送される。
この第2転送期間PT22が経過した後(転送トランジスタTG−Trが非導通状態)フォトダイオードPDが光電変換して蓄積した電荷に応じた画素信号をさらに読み出す第3読み出し期間PRD23となる。
このとき、各画素PXLnにおいては、ソースフォロワトランジスタSF−Trにより、フローティングディフュージョンFDの電荷が電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号VSL(LCG22)として垂直信号線LSGNに出力され、読み出し回路40に供給されて、たとえば保持される。
同様に、読み出し回路40において、第2の低変換利得モード読み出しLCG22の読み出し信号VSL(LCG22)と第1の低変換利得モード読み出しLCG21の読み出し信号VSL(LCG21)との差分{VSL(LCG22)−VSL(LCG21)}がとられてCDS処理が行われる。
このとき、容量変更信号BINnは第n行アクセス時のHレベルのままに保持されている。
そして、この選択状態において、リセット期間PR22に全ての第1ビンニングトランジスタ84n,84n+1(84n−1・・・)が、容量変更信号BINn,BINn+1がリセット信号としてHレベルの期間に選択されて導通状態となり、各フローティングディフュージョンFDが電源線VDDの電位にリセットされる。
このリセット期間PR22が経過した後、容量変更信号BINn+1がLレベルに切り替えられ、第1ビンニングトランジスタ84n+1が非導通状態に切り替えられる。
一方、容量変更信号BINnはHレベルのままに保持されて、第1ビンニングトランジスタ84nが導通状態に保持される。
第1ビンニングトランジスタ84n+1が非導通状態に切り替えられ、第1ビンニングトランジスタ84nが導通状態に保持されることによりリセット期間PR22が終了し、画素PXLn+1のフローティングディフュージョンFDの容量(電荷量)が第1容量から第2容量に増加するように変更される。
そして、転送期間PT23が開始されるまでの期間が、リセット状態時の画素信号を読み出す第1読み出し期間PRD24となる。
このとき、各画素PXLn+1においては、ソースフォロワトランジスタSF−Trにより、フローティングディフュージョンFDの電荷が電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号VSL(LCG23)として垂直信号線LSGNに出力され、読み出し回路40に供給されて、たとえば保持される。
そして、時刻t2に、読み出し部70により、フローティングディフュージョンFDの容量(電荷量)が変更された高変換利得(第1変換利得)で画素信号の読み出しを行う第1の高変換利得モード読み出しHCG23が行われる。
このとき、各画素PXLn+1においては、ソースフォロワトランジスタSF−Trにより、フローティングディフュージョンFDの電荷が電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号VSL(HCG23)として垂直信号線LSGNに出力され、読み出し回路40に供給されて、たとえば保持される。
第1転送期間PT23に転送トランジスタTG−Trが、制御線TGがハイレベル(H)の期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードPDで光電変換され蓄積された電荷(電子)がフローティングディフュージョンFDに転送される。
この第1転送期間PT23が経過した後(転送トランジスタTG−Trが非導通状態)、フォトダイオードPDが光電変換して蓄積した電荷に応じた画素信号を読み出す第2読み出し期間PRD25となる。
このとき、各画素PXLn+1においては、ソースフォロワトランジスタSF−Trにより、フローティングディフュージョンFDの電荷が電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号VSL(HCG24)として垂直信号線LSGNに出力され、読み出し回路40に供給されて、たとえば保持される。
この容量変更と略並行して、第2転送期間PT24となる。なお、このとき、容量変更信号BINnは、第2転送期間PT24が経過した後もHレベルのままに保持される。
第2転送期間PT24に転送トランジスタTG−Trが、制御線TGがハイレベル(H)の期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードPDで光電変換され蓄積された電荷(電子)がフローティングディフュージョンFDに転送される。
この第2転送期間PT24が経過した後(転送トランジスタTG−Trが非導通状態)、フォトダイオードPDが光電変換して蓄積した電荷に応じた画素信号をさらに読み出す第3読み出し期間PRD26となる。
このとき、各画素PXLnにおいては、ソースフォロワトランジスタSF−Trにより、フローティングディフュージョンFDの電荷が電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号VSL(LCG24)として垂直信号線LSGNに出力され、読み出し回路40に供給されて、たとえば保持される。
同様に、読み出し回路40において、第2の低変換利得モード読み出しLCG24の読み出し信号VSL(LCG24)と第1の低変換利得モード読み出しLCG23の読み出し信号VSL(LCG23)との差分{VSL(LCG24)−VSL(LCG23)}がとられてCDS処理が行われる。
すなわち、本第3の実施形態によれば、一度の蓄積期間(露光期間)に光電変換された電荷(電子)に対して、画素内部にて、一つの読み出し期間において、高変換利得モードと低変換利得モードを切り替えて信号を出力し、明るい信号と暗い信号の両方を出力することができ、高変換利得モードおよび低変換利得モード時のリセットノイズがキャンセルでき、動体歪みの発生を抑止しつつ広ダイナミックレンジ化を実現でき、ひいては高画質化を実現することができるという効果を得ることができる。
また、本第3の実施形態によれば、リセット素子を1列の2画素で共有する画素を備えることから、フローティングディフュージョンFDのリセット時において、フローティングディフュージョンFDとリセット電極間の抵抗が低いため、リセット動作の高速性に優れるという利点がある。
図12は、本発明の第4の実施形態に係る画素部および容量可変部の構成例を示す図である。
第3の実施形態では、第1ビンニングトランジスタ(スイッチ)84n+1が共有のリセット素子として機能する。
第4の実施形態では、最も他端側となる図示しない第1ビンニングトランジスタ(スイッチ)84N−1が共有のリセット素子として機能する。
たとえば、読み出し画素PXLnの列方向に両端の画素PXLn−1,PXLn+1に対応する容量変更信号BINn−1,BINn+1をLレベルにすることにより、非リセット状態にする。
またたとえば、読み出し画素PXLn+1の列方向に両端の画素PXLn,PXLn+2(図示せず)に対応する容量変更信号BINn,BINn+2(図示せず)をLレベルにすることにより、非リセット状態にする。
この選択状態において、リセット期間PR31に全ての第1ビンニングトランジスタ84n−1,84n,84n+1が、容量変更信号BINn−1,BINn,BINn+1がリセット信号としてHレベルの期間に選択されて導通状態となり、各フローティングディフュージョンFDが電源線VDDの電位にリセットされる。
このリセット期間PR31が経過した後、容量変更信号BINn−1,BINn+1がLレベルに切り替えられ、第1ビンニングトランジスタ84n−1,84n+1が非導通状態に切り替えられる。
一方、容量変更信号BINnはHレベルのままに保持されて、第1ビンニングトランジスタ84nが導通状態に保持される。
第1ビンニングトランジスタ84n−1,84n+1が非導通状態に切り替えられ、第1ビンニングトランジスタ84nが導通状態に保持されることによりリセット期間PR31が終了し、画素PXLnのフローティングディフュージョンFDの容量(電荷量)が第1容量から第2容量に増加するように変更される。
そして、転送期間PT31が開始されるまでの期間が、リセット状態時の画素信号を読み出す第1読み出し期間PRD31となる。
このとき、各画素PXLnにおいては、ソースフォロワトランジスタSF−Trにより、フローティングディフュージョンFDの電荷が電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号VSL(LCG31)として垂直信号線LSGNに出力され、読み出し回路40に供給されて、たとえば保持される。
そして、時刻t2に、読み出し部70により、フローティングディフュージョンFDの容量(電荷量)が変更された高変換利得(第1変換利得)で画素信号の読み出しを行う第1の高変換利得モード読み出しHCG31が行われる。
このとき、各画素PXLnにおいては、ソースフォロワトランジスタSF−Trにより、フローティングディフュージョンFDの電荷が電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号VSL(HCG31)として垂直信号線LSGNに出力され、読み出し回路40に供給されて、たとえば保持される。
第1転送期間PT31に転送トランジスタTG−Trが、制御線TGがHレベルの期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードPDで光電変換され蓄積された電荷(電子)がフローティングディフュージョンFDに転送される。
この第1転送期間PT31が経過した後(転送トランジスタTG−Trが非導通状態)、フォトダイオードPDが光電変換して蓄積した電荷に応じた画素信号を読み出す第2読み出し期間PRD32となる。
このとき、各画素PXLnにおいては、ソースフォロワトランジスタSF−Trにより、フローティングディフュージョンFDの電荷が電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号VSL(HCG32)として垂直信号線LSGNに出力され、読み出し回路40に供給されて、たとえば保持される。
この容量変更と略並行して、第2転送期間PT32となる。なお、このとき、容量変更信号BINnは、第2転送期間PT32が経過した後もHレベルのままに保持される。
第2転送期間PT32に転送トランジスタTG−Trが、制御線TGがハイレベル(H)の期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードPDで光電変換され蓄積された電荷(電子)がフローティングディフュージョンFDに転送される。
この第2転送期間PT32が経過した後(転送トランジスタTG−Trが非導通状態)、フォトダイオードPDが光電変換して蓄積した電荷に応じた画素信号をさらに読み出す第3読み出し期間PRD33となる。
このとき、各画素PXLnにおいては、ソースフォロワトランジスタSF−Trにより、フローティングディフュージョンFDの電荷が電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号VSL(LCG32)として垂直信号線LSGNに出力され、読み出し回路40に供給されて、たとえば保持される。
同様に、読み出し回路40において、第2の低変換利得モード読み出しLCG32の読み出し信号VSL(LCG32)と第1の低変換利得モード読み出しLCG31の読み出し信号VSL(LCG31)との差分{VSL(LCG32)−VSL(LCG31)}がとられてCDS処理が行われる。
このとき、容量変更信号BINnは第n行アクセス時のHレベルのままに保持されている。
そして、この選択状態において、リセット期間PR32に全ての第1ビンニングトランジスタ84n−1,84n,84n+1が、容量変更信号BINn−1,BINn,BINn+1がリセット信号としてHレベルの期間に選択されて導通状態となり、各フローティングディフュージョンFDが電源線VDDの電位にリセットされる。
このリセット期間PR32が経過した後、容量変更信号BINnがLレベルに切り替えられ、第1ビンニングトランジスタ84nが非導通状態に切り替えられる。
一方、容量変更信号BINn+1,BINn−1はHレベルのままに保持されて、第1ビンニングトランジスタ84n+1,84n−1が導通状態に保持される。
第1ビンニングトランジスタ84nが非導通状態に切り替えられ、第1ビンニングトランジスタ84n+1,84n−1が導通状態に保持されることによりリセット期間PR32が終了し、画素PXLn+1のフローティングディフュージョンFDの容量(電荷量)が第1容量から第2容量に増加するように変更される。
そして、転送期間PT33が開始されるまでの期間が、リセット状態時の画素信号を読み出す第1読み出し期間PRD34となる。
このとき、各画素PXLn+1においては、ソースフォロワトランジスタSF−Trにより、フローティングディフュージョンFDの電荷が電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号VSL(LCG33)として垂直信号線LSGNに出力され、読み出し回路40に供給されて、たとえば保持される。
そして、時刻t2に、読み出し部70により、フローティングディフュージョンFDの容量(電荷量)が変更された高変換利得(第1変換利得)で画素信号の読み出しを行う第1の高変換利得モード読み出しHCG33が行われる。
このとき、各画素PXLn+1においては、ソースフォロワトランジスタSF−Trにより、フローティングディフュージョンFDの電荷が電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号VSL(HCG33)として垂直信号線LSGNに出力され、読み出し回路40に供給されて、たとえば保持される。
第1転送期間PT33に転送トランジスタTG−Trが、制御線TGがHレベルの期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードPDで光電変換され蓄積された電荷(電子)がフローティングディフュージョンFDに転送される。
この第1転送期間PT33が経過した後(転送トランジスタTG−Trが非導通状態)、フォトダイオードPDが光電変換して蓄積した電荷に応じた画素信号を読み出す第2読み出し期間PRD35となる。
このとき、各画素PXLn+1においては、ソースフォロワトランジスタSF−Trにより、フローティングディフュージョンFDの電荷が電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号VSL(HCG34)として垂直信号線LSGNに出力され、読み出し回路40に供給されて、たとえば保持される。
この容量変更と略並行して、第2転送期間PT34となる。なお、このとき、容量変更信号BINn+1は、第2転送期間PT34が経過した後もHレベルのままに保持される。
第2転送期間PT34に転送トランジスタTG−Trが、制御線TGがHレベルの期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードPDで光電変換され蓄積された電荷(電子)がフローティングディフュージョンFDに転送される。
この第2転送期間PT34が経過した後(転送トランジスタTG−Trが非導通状態)、フォトダイオードPDが光電変換して蓄積した電荷に応じた画素信号をさらに読み出す第3読み出し期間PRD36となる。
このとき、各画素PXLnにおいては、ソースフォロワトランジスタSF−Trにより、フローティングディフュージョンFDの電荷が電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号VSL(LCG34)として垂直信号線LSGNに出力され、読み出し回路40に供給されて、たとえば保持される。
同様に、読み出し回路40において、第2の低変換利得モード読み出しLCG34の読み出し信号VSL(LCG34)と第1の低変換利得モード読み出しLCG33の読み出し信号VSL(LCG33)との差分{VSL(LCG34)−VSL(LCG33)}がとられてCDS処理が行われる。
すなわち、本第4の実施形態によれば、一度の蓄積期間(露光期間)に光電変換された電荷(電子)に対して、画素内部にて、一つの読み出し期間において、高変換利得モードと低変換利得モードを切り替えて信号を出力し、明るい信号と暗い信号の両方を出力することができ、高変換利得モードおよび低変換利得モード時のリセットノイズがキャンセルでき、動体歪みの発生を抑止しつつ広ダイナミックレンジ化を実現でき、ひいては高画質化を実現することができるという効果を得ることができる。
図14は、本発明の第5の実施形態に係る画素部および容量可変部の構成例を示す図である。
本第5の実施形態においては、配線WR上に縦続接続され各画素に対応するように形成された第1ビンニングトランジスタ(ビンニングスイッチ)84n−1,84n,84n+1に加えて、各画素PXLn−1,PXLn,PXLn+1のフローティングディフュージョンFDと配線WRのノードNDn−1,NDn,NDn+1との間に、たとえばNMOSトランジスタにより形成される第2ビンニングトランジスタ(ビンニングスイッチ)85n−1,85n,85n+1が接続されている。
本実施形態においては、図15に示すように、第1容量変更信号BIN1n−1,BIN1n,BIN1n+1と、第2容量変更信号BIN2n−1,BIN2n,BIN2n+1はペアを形成し、同じタイミングで(位相で)Hレベル、Lレベルに切り替えられる。
第2ビンニングトランジスタ85n−1,85n,85n+1は、各画素PXLn−1,PXLn,PXLn+1の転送トランジスタTG−Trの近傍に配置され、高変換利得モードにおいて、フローティングディフュージョンFDノードの寄生容量を最小化するために用いられる。
本第5の実施形態の動作は、基本的に、読み出し画素、たとえば画素PXLnの上側に隣接する画素PXLn+1の第1および第2の容量変更信号BIN1n+1,BIN2n+1を読み出し画素PXLnの第1および第2の容量変更信号BIN1n,BIN2nと同じタイミングで(位相で)Hレベル、Lレベルに切り替えられる以外は、前述した第4の実施形態と同様の動作が行われる。
したがって、第5の実施形態の動作の詳細は省略する。
すなわち、本第5の実施形態によれば、一度の蓄積期間(露光期間)に光電変換された電荷(電子)に対して、画素内部にて、一つの読み出し期間において、高変換利得モードと低変換利得モードを切り替えて信号を出力し、明るい信号と暗い信号の両方を出力することができ、高変換利得モードおよび低変換利得モード時のリセットノイズがキャンセルでき、動体歪みの発生を抑止しつつ広ダイナミックレンジ化を実現でき、ひいては高画質化を実現することができるという効果を得ることができる。
また、第5の実施形態によれば、フローティングディフュージョンFDの接続数を柔軟に切り替えることが可能であり、ダイナミックレンジの拡張性に優れる。また、画素内のトランジスタ数が少ないため、PD開口率を高く、光電変換感度や飽和電子数を高めることができる。
図16は、本発明の第6の実施形態に係る画素部および容量可変部の構成例を示す図である。
図17は、本第6の実施形態に係る容量可変部にビンニングスイッチを適用した場合の広ダイナミックレンジを実現する動作のタイミングチャートである。
本第6の実施形態においては、各画素PXLn−1,PXLn,PXLn+1の第1ビンニングトランジスタ84n−1,84n,84n+1の上側の隣接画素との接続部と電源線VDDとの間に、オーバーフロードレイン(OFD)ゲート86n−1,86n,86n+1が接続されている。
図18は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置が画素共有構造にも適用が可能であることを説明するための図である。
図19(A)が表面照射型イメージセンサの簡略構成を示し、図19(B)が裏面照射型イメージセンサの簡略構成を示している。
表面照射型イメージセンサ(FSI)と裏面照射型イメージセンサ(BSI)の両方に適用可能である。
さらに、電子機器100は、このCMOSイメージセンサ110の画素領域に入射光を導く(被写体像を結像する)光学系(レンズ等)120を有する。
電子機器100は、CMOSイメージセンサ110の出力信号を処理する信号処理回路(PRC)130を有する。
信号処理回路130で処理された画像信号は、液晶ディスプレイ等からなるモニタに動画として映し出し、あるいはプリンタに出力することも可能であり、またメモリカード等の記録媒体に直接記録する等、種々の態様が可能である。
そして、カメラの設置の要件に実装サイズ、接続可能ケーブル本数、ケーブル長さ、設置高さなどの制約がある用途に使われる、たとえば、監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器を実現することができる。
Claims (16)
- 画素が配置された画素部と、
前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、を有し、
前記画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送期間に転送可能な転送素子と、
前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
リセット期間に前記フローティングディフュージョンの電荷を排出するリセット素子と、
前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた利得をもって電圧信号に変換するソースフォロワ素子と、
前記フローティングディフュージョンの容量を容量変更信号に応じて変更可能な容量可変部と、を含み、
前記読み出し部は、
前記リセット素子を通じて前記フローティングディフュージョンをリセットするリセット期間後の読み出し期間にリセット状態の信号を読み出し、
前記リセット期間後の前記読み出し期間後に、前記転送素子を通じて前記フローティングディフュージョンに前記光電変換素子の蓄積電荷を転送する前記転送期間後の読み出し期間に、蓄積電荷に応じた信号を読み出す、読み出しスキャンが可能で、
前記読み出しスキャン期間において、
転送処理を行う前記転送期間を複数設定し、前記各転送期間後の各読み出し期間に蓄積電荷に応じた信号を読み出す処理をそれぞれ行う
固体撮像装置。 - 前記読み出し部は、
前記複数の転送期間のうちの少なくとも1つの転送期間においては、前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量を大きくした状態で前記光電変換素子から蓄積電荷を転送させる
請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記読み出し部は、
一つの前記読み出し期間に、前記容量可変部により設定される第1容量に応じた第1変換利得で前記画素信号の読み出しを行う第1変換利得モード読み出しと、
前記容量可変部により設定される第2容量に応じた第2変換利得で前記画素信号の読み出しを行う第2変換利得モード読み出しと、のうちの少なくともいずれかを行う
請求項1または2記載の固体撮像装置。 - 前記読み出し部は、
前記リセット期間に続く前記読み出し期間に前記第1変換利得モード読み出しと前記第2変換利得モード読み出しを行う
請求項3記載の固体撮像装置。 - 前記読み出し部は、
前記リセット期間に続く前記読み出し期間後に行われる複数の前記転送期間後の前記各読み出し期間において、前記第1変換利得モード読み出しと前記第2変換利得モード読み出しのうちの少なくともいずれかを行う
請求項4記載の固体撮像装置。 - 前記リセット期間に続く第1の読み出し期間に第1の前記第2変換利得モード読み出しを行い、次いで第1の前記第1変換利得モード読み出しを行い、
前記フローティングディフュージョンの容量を前記第1変換利得に対応する前記第1容量に保持した状態で、前記第1の読み出し期間後の前記転送素子による第1の転送期間の転送処理を行い、
当該第1の転送期間後の第2の読み出し期間に第2の前記第1変換利得モード読み出しを行い、
前記フローティングディフュージョンの容量を前記第2変換利得に対応する前記第2容量に保持した状態で、前記第2の読み出し期間後の前記転送素子による第2の転送期間の転送処理を行い、
当該第2の転送期間後の第3の読み出し期間に第2の前記第2変換利得モード読み出しを行う
請求項3から5のいずれか一に記載の固体撮像装置。 - 前記第2容量は前記第1容量より大きい
請求項3から6のいずれか一に記載の固体撮像装置。 - 前記容量可変部は、
少なくとも隣接する2つの前記画素の前記フローティングディフュージョン間に接続され、前記容量変更信号に応じて選択的にオン、オフされるビンニングスイッチを含み、
接続するフローティングディフュージョン数を切り替えて、読み出される前記画素の前記フローティングディフュージョンの変換利得を切り替える
請求項1から7のいずれか一に記載の固体撮像装置。 - 前記ビンニングスイッチを介して接続される複数の画素の全画素で、リセット期間に前記フローティングディフュージョンの電荷を排出するリセット素子を共有している
請求項8記載の固体撮像装置。 - 前記容量可変部は、
隣接する2つの前記画素の前記フローティングディフュージョン間の配線に接続され、第1容量変更信号に応じて選択的にオン、オフされる第1ビンニングスイッチと、
前記第1ビンニングスイッチより前記転送素子側の配線と前記フローティングディフュージョン間に接続され、第2容量変更信号に応じて選択的にオン、オフされる第2ビンニングスイッチと、を含む
請求項8または9記載の固体撮像装置。 - 前記容量可変部は、
前記第1ビンニングスイッチに接続され、前記フローティングディフュージョンから溢れる電荷を排出するオーバーフローゲートを有する
請求項10記載の固体撮像装置。 - 前記容量可変部は、
キャパシタと、
前記キャパシタと前記フローティングディフュージョン間に接続され、前記容量変更信号に応じてオン、オフされるスイッチと、を含む
請求項1から7のいずれか一に記載の固体撮像装置。 - 前記画素部は、
一つの前記フローティングディフュージョンを複数の前記光電変換素子および前記転送素子で共有する画素共有構造を有する
請求項1から12のいずれか一に記載の固体撮像装置。 - 前記固体撮像装置は、表面照射型または裏面照射型である
請求項1から13のいずれか一に記載の固体撮像装置。 - 画素が配置された画素部を有し、
前記画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送期間に転送可能な転送素子と、
前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
リセット期間に前記フローティングディフュージョンの電荷を排出するリセット素子と、
前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた利得をもって電圧信号に変換するソースフォロワ素子と、
前記フローティングディフュージョンの容量を容量変更信号に応じて変更可能な容量可変部と、を含む固体撮像装置の駆動方法であって、
前記リセット素子を通じて前記フローティングディフュージョンをリセットするリセット期間後の読み出し期間にリセット状態の信号を読み出し、
前記リセット期間後の前記読み出し期間後に、前記転送素子を通じて前記フローティングディフュージョンに前記光電変換素子の蓄積電荷を転送する前記転送期間後の読み出し期間に、蓄積電荷に応じた信号を読み出す、読み出しスキャン期間において、
転送処理を行う前記転送期間を複数設定し、前記各転送期間後の各読み出し期間に蓄積電荷に応じた信号を読み出す処理をそれぞれ行う
固体撮像装置の駆動方法。 - 画素が配置された画素部と、前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、を含む固体撮像装置と、
前記固体撮像装置に被写体像を結像する光学系と、を有し、
前記固体撮像装置の画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送期間に転送可能な転送素子と、
前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
リセット期間に前記フローティングディフュージョンの電荷を排出するリセット素子と、
前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた利得をもって電圧信号に変換するソースフォロワ素子と、
前記フローティングディフュージョンの容量を容量変更信号に応じて変更可能な容量可変部と、を含み、
前記読み出し部は、
前記リセット素子を通じて前記フローティングディフュージョンをリセットするリセット期間後の読み出し期間にリセット状態の信号を読み出し、
前記リセット期間後の前記読み出し期間後に、前記転送素子を通じて前記フローティングディフュージョンに前記光電変換素子の蓄積電荷を転送する前記転送期間後の読み出し期間に、蓄積電荷に応じた信号を読み出す、読み出しスキャンが可能で、
前記読み出しスキャン期間において、
転送処理を行う前記転送期間を複数設定し、前記各転送期間後の各読み出し期間に蓄積電荷に応じた信号を読み出す処理をそれぞれ行う
電子機器。
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