JP6324184B2 - 光電変換装置、撮像システム、および光電変換装置の駆動方法 - Google Patents

光電変換装置、撮像システム、および光電変換装置の駆動方法 Download PDF

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Description

本件は光電変換装置に係り、特に、基準信号を出力する光電変換装置に関する。
撮像装置の分野において、補正処理等の、動作のタイミングの基準となる信号を、撮像装置自身で生成することが知られている。特許文献１には、遮光画素を含む光学的黒領域に、遮光画素とは異なる出力信号を発生する位置基準画素を設けることが記載されている。さらに、１個の位置基準画素は、遮光画素に周囲を囲まれていることが記載されている。
特開平５−３０８５７９号公報
しかしながら、特許文献１に記載の固体撮像装置では、例えば固体撮像装置の温度や使用環境、蓄積時間の長さ等によって、位置基準画素の出力が異なることが考えられる。特に、位置基準画素が、その周囲を遮光画素に囲まれた状態で光学的黒領域に設けられているため、読み出された信号が位置基準画素に基づくものなのか、それとも、遮光画素の欠陥等に起因する特異的な信号なのかが識別できない。また、１個の位置基準画素が遮光画素に囲まれて配置されているため、読み出された信号から、行の開始位置を特定するためには、煩雑な処理が必要となる。
本発明は、上記の問題の少なくとも一つを解決することを目的とする。
本発明の一つの側面である光電変換装置は、有効画素行と、第１の基準画素と第２の基準画素とが互いに隣接して配置された基準画素対を複数含む基準画素行と、を含む画素部と、電圧供給部とを有し、前記第１の基準画素は、前記電圧供給部から第１の電圧が供給されるゲートを有するとともに、前記第１の電圧に基づく第１の基準信号を出力するトランジスタを有し、前記第２の基準画素は、前記電圧供給部から前記第１の電圧とは異なる第２の電圧が供給されるゲートを有するとともに、前記第２の電圧に基づく第２の基準信号を出力するトランジスタを有することを特徴とする。
本発明の別の一つの側面である光電変換装置の駆動方法は、有効画素を含む有効画素行と、第１の基準画素と第２の基準画素とが互いに隣接して配置された基準画素対を複数含む基準画素行と、を含む画素部と、電圧供給部とを有し、前記第１の基準画素は、前記電圧供給部から第１の電圧が供給されるゲートを有するとともに、前記第１の電圧に基づく第１の基準信号を出力するトランジスタを有し、前記第２の基準画素は、前記電圧供給部から前記第１の電圧とは異なる第２の電圧が供給されるゲートを有するとともに、前記第２の電圧に基づく第２の基準信号を出力するトランジスタを有する光電変換装置の駆動方法であって、前記第１の基準画素からの前記第１の基準信号の読み出しと、前記第２の基準画素からの前記第２の基準信号の読み出しとを、前記有効画素からの信号の読み出しに先んじて行うことを特徴とする。
本発明に依れば、光電変換装置の動作の精度向上、および読み出している画素行の開始位置の識別の少なくとも一方が実現できる。
光電変換装置の構成例を示す図である。 第１実施形態に係る基準画素行の構成、ならびに、出力部から出力される信号の様子を示す図である。 第１の実施形態に係る有効画素および第１の基準画素の構成例を示す図である。 第２の実施形態に係る基準画素行の構成例を示す図である。 第３の実施形態に係る基準画素の構成例を示す図である。 第４の実施形態に係る撮像システムの構成例を示す図である。
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る光電変換装置の構成例を示す図である。光電変換装置１は画素部ＰＡ、行選択部４００、読み出し部５００、出力部６００、および水平走査部７００を含む。
画素部ＰＡは、有効画素領域１００、遮光画素領域２００、基準画素領域３００を含む。有効画素領域１００は、光電変換部を備え、入射光に応じた信号を出力する有効画素を複数含んだ有効画素行を有し、遮光画素領域２００は、光電変換部を備え、該光電変換部が遮光された遮光画素を複数含んだ遮光画素行を有する。
行選択部４００が画素部ＰＡの行を選択すると、選択された行の画素から、画素信号が出力される。読み出し部５００は、水平走査部７００とともに、画素部ＰＡから並列に出力された信号をマルチプレクスして出力部６００から出力させる機能を担う。読み出し部５００は、画素部ＰＡから出力された信号をバッファする回路や、画素部ＰＡから出力された信号をサンプルホールドするサンプルホールド回路などを含んでも良い。
図２（ａ）は、基準画素領域３００に含まれる基準画素行の構成例を示す図である。本実施形態の基準画素行は、第１の基準画素３０と第２の基準画素３１とが隣接して配置された基準画素対３３を複数含んでなる。本実施形態においては、基準画素行の両端には基準画素対３３がそれぞれ配されており、ともに、端部から第１の基準画素と第２の基準画素とがこの順で交互に配置されている。第１の基準画素３０から出力される第１の基準信号と、第２の基準画素３１から出力される第２の基準信号とは、互いに信号レベルが異なる。第１および第２の基準信号は、光電変換装置１に入射する光量に依存しない信号である。また、基準画素行は、基準画素対のみならず、他の画素を含んでも良い。図２（ａ）には、基準画素行の両端から数えて４画素を除く領域に、遮光画素を設けた例を示している。
図２（ｂ）に、基準画素行に係る信号が読み出される場合の、出力部６００から出力される信号の値の遷移を示す。ここでは、図２（ａ）の左側から順に信号を読み出す場合を説明する。図２（ｂ）に示す時刻Ｔ０〜Ｔ４の間に、出力レベルがＶ１の第１の基準信号と、出力レベルがＶ２の第２の基準信号とが交互に、２回ずつ出力される。時刻Ｔ４から時刻ＴＮ−４の期間は、遮光画素２００に基づく信号が出力される期間である。その後、時刻ＴＮ−４〜時刻ＴＮの間に、第２の基準信号と第１の基準信号が交互に、２回ずつ出力される。図２（ｂ）に示すように、第２の基準信号の信号レベルＶ２は、遮光画素２００から出力される信号と実質的に等しいレベルであってもよいが、遮光画素２００から出力される信号とは異なる信号レベルであっても良い。ここで、実質的に等しいレベルとは、信号レベルに相違があったとしても、その相違が無視できる範囲にあることを意味する。そのため、実質的に等しいレベルは光電変換装置の用途や、満たすべき仕様によってその範囲が異なる。
上述のように、基準画素対３３を複数含む基準画素行を設けることにより、基準画素行から出力された信号中に、第１の基準レベルから第２の基準レベルへの遷移あるいは第２の基準レベルから第１の基準レベルへの遷移が複数回現れるので、基準画素に基づく信号であることを容易に識別することができる。特に、複数の基準画素対を隣接して配置することにより、第１と第２の基準信号が交互に現れる出力パターンが得られるため、偶然生じた遮光画素２００の欠陥に基づく信号ではなく、基準画素に基づく信号であることを正確に識別できる。また、基準画素行の物理的な端部には基準画素ではなく、例えば遮光画素が設けられていたとしても、基準画素行を走査する場合に、最初に基準画素対を選択することにより、行の先頭を識別することも可能である。
また、光電変換装置は、画素部の一方からのみ走査するだけでなく、逆の方向に走査を行うこともある。基準画素の端部、すなわち、走査が開始される位置、に基準画素対を設けることにより、読み出している画素行の開始位置の識別が可能となる。さらに、本実施形態のように、一方の端部に配置された基準画素対に含まれる第１および第２の基準画素が、同じ基準画素行の反対側の端部から見て同じ順に配置することにより、走査の方向を切り替えても、画素行の開始を正確に識別することができる。特に、画素が選択されていない場合や１行の読み出しを終えた後に、第２の基準信号と同等の信号レベルを出力部６００から出力するように構成すると、基準画素行から信号を読み出す前には必ず第２の基準信号と同等の信号レベルが出力されているので、基準画素行において第１の基準画素を最初に選択することにより、画素行の開始をより容易に識別できる。
図３（ａ）に、有効画素領域１００の有効画素１０の構成例を示す。有効画素１０は、光電変換部ＰＤ、トランジスタＭ１、Ｍ２、およびスイッチＳＷＳを含む。光電変換部ＰＤは例えばフォトダイオードである。トランジスタＭ２は、スイッチＳＷＳが導通すると、電流源Ｉｃとともにソースフォロワ回路として動作する。トランジスタＭ２の制御ノードは、光電変換部およびトランジスタＭ１の一方の主ノードとの共通ノードに接続され、このノードの電位に応じた電圧がソースフォロワ回路の出力ノードに現れる。光電変換部ＰＤで生じた電荷によって、トランジスタＭ２の制御ノードの電位が変動する。また、トランジスタＭ１は、電圧ＶＲＥＳに基づいてトランジスタＭ２の制御ノードおよび光電変換部ＰＤをリセットする。電流源Ｉｃは、有効画素３０および遮光画素を含む他の画素に対して共通に設けても良い。また、第２の基準画素３１は、有効画素１０と同じ構成を有していてもよい。第２の基準画素３１として動作する場合には、少なくとも信号を読み出す期間において、トランジスタＭ１をオン状態に保つことで、トランジスタＭ２の制御ノードの電位を固定し、入射光量に依存しない第２の基準信号を出力する。
図３（ｂ）に、第１の基準画素３０の構成例を示す。第１の基準画素３０は、有効画素１０と同様の構成を有しているが、トランジスタＭ１に供給される電圧がＶＷである点で有効画素１０と相違する。第１および第２の基準画素は、光電変換部ＰＤが遮光されるように構成しても良いし、光電変換部を持たなくても良い。第１の基準画素３０においても、少なくとも信号を読み出す期間において、トランジスタＭ１をオン状態に保つことで、トランジスタＭ２の制御ノードの電位を固定し、入射光量に依存しない第１の基準信号を出力する。
以上で説明したように、本実施形態に係る光電変換装置は、基準画素行を有し、基準画素行が複数の基準画素対を含むことにより、光電変換装置の動作の精度向上が図れる。さらに、基準画素の端部、すなわち、走査が開始される位置、に基準画素対を設けることにより、読み出している画素行の開始位置の識別が可能となる。
（第２の実施形態）
図４（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る基準画素行の構成例を示す図である。図２（ａ）に示した基準画素行との違いは、遮光画素２００に代えて、温度検出画素ＴＰを備える点にある。温度検出画素ＴＰは、光電変換装置の温度に応じた信号レベルの信号を出力する画素である。
図４（ｂ）に、基準画素行に係る信号が読み出される場合の、出力部６００から出力される信号の値の遷移を示す。ここでは、図４（ａ）の左側から順に信号を読み出す場合を説明する。第１の実施形態と同様に、時刻Ｔ０〜Ｔ４の間に、出力レベルがＶ１の第１の基準信号と、出力レベルがＶ２の第２の基準信号とが交互に、２回ずつ出力される。時刻Ｔ４〜時刻ＴＮ−４の期間は、温度検出画素ＴＰに基づく信号が出力される期間である。その後、時刻ＴＮ−４〜時刻ＴＮの間に、第２の基準信号と第１の基準信号が交互に、２回ずつ出力される。第２の基準信号の信号レベルＶ２は、第１の実施形態と同様に、遮光画素２００から出力される信号と実質的に等しいレベルであってもよい。温度検出画素ＴＰから出力される信号の信号レベルＶ３は、光電変換装置の温度によって変動する。
本実施形態のように、温度検出画素を備えることにより、光電変換装置の温度に応じた信号の補正を行うことが可能になる。
本実施例においても、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
（第３の実施形態）
図５に、本発明の第３の実施形態に係る基準画素３０および３１の構成例を示す。本実施例においては、第１および第２の基準画素は、同じ回路構成を有する。
本実施形態に係る基準画素に特徴的なのは、基準画素が第１の基準信号と第２の基準信号とを切り替えて出力することができるように構成されている点である。先の実施形態では、第１の基準画素３０のトランジスタＭ２の制御ノードは、トランジスタＭ１を介して電圧ＶＲＥＳが供給されるように構成されていた。これに対して、本実施形態では、さらにトランジスタＭ３を介して電圧ＶＷが供給されるように構成されている。トランジスタＭ１とＭ３は同時にオンすることはない。
このような基準画素を用いることにより、基準画素行から出力される信号のパターンを変えることができるという利点がある。
本実施例においても、先の実施形態と同様の効果が得られる。
（第４の実施形態）
図６は、本発明の第４の実施形態に係る撮像システムの構成例を示す図である。撮像システム８００は、例えば、光学部８１０、撮像素子８９０、映像信号処理部８３０、記録・通信部８４０、タイミング制御部８５０、システム制御部８６０、及び再生・表示部８７０を含む。撮像装置８２０は、撮像素子８９０及び映像信号処理部８３０を有する。撮像素子８９０は、先の実施例で説明した光電変換装置１が用いられる。
レンズ等の光学系である光学部８１０は、被写体からの光を撮像素子８９０の、複数の画素が２次元状に配列された画素部ＰＡに結像させ、被写体の像を形成する。撮像素子８９０は、タイミング制御部８５０からの信号に基づくタイミングで、画素部ＰＡに結像された光に応じた信号を出力する。撮像素子８９０から出力された信号は、映像信号処理部である映像信号処理部８３０に入力され、映像信号処理部８３０が、プログラム等によって定められた方法に従って信号処理を行う。映像信号処理部８３０での処理によって得られた信号は画像データとして記録・通信部８４０に送られる。記録・通信部８４０は、画像を形成するための信号を再生・表示部８７０に送り、再生・表示部８７０に動画や静止画像を再生・表示させる。記録・通信部８４０は、また、映像信号処理部８３０からの信号を受けて、システム制御部８６０と通信を行うほか、不図示の記録媒体に、画像を形成するための信号を記録する動作も行う。
システム制御部８６０は、撮像システムの動作を統括的に制御するものであり、光学部８１０、タイミング制御部８５０、記録・通信部８４０、及び再生・表示部８７０の駆動を制御する。また、システム制御部８６０は、例えば記録媒体である不図示の記憶装置を備え、ここに撮像システムの動作を制御するのに必要なプログラム等が記録される。また、システム制御部８６０は、例えばユーザの操作に応じて駆動モードを切り替える信号を撮像システム内に供給する。具体的な例としては、読み出す行やリセットする行の変更、電子ズームに伴う画角の変更や、電子防振に伴う画角のずらし等である。タイミング制御部８５０は、システム制御部８６０による制御に基づいて撮像素子８９０及び映像信号処理部８３０の駆動タイミングを制御する。
また、光学部８１０として、入射光の波長を変換する波長変換部材を備えるように構成しても良い。一例として、入射光としてＸ線が入射すると、可視光を放出する波長変換部材が挙げられる。撮像素子８９０は、波長変換部材によって波長が変換された入射光に基づく信号を生成する。この構成によれば、Ｘ線撮像装置としての撮像システムを構成することができる。また、撮像システムは、Ｘ線を生成する光源としてのＸ線生成装置を含んでも良い。
また、上述の光電変換装置を半導体基板上に形成し、これを複数二次元状に配列することで、マルチチップ光電変換装置を構成しても良い。マルチチップ光電変換装置を構成する複数の光電変換装置は、並列に動作してもよい。
上述の各実施形態は例示的なものに過ぎず、本発明の思想から逸脱しない範囲で変更を加えることができる。例えば、上述の各実施形態においては、基準画素行が基準画素対とは別に遮光画素２００または温度検出画素ＴＰを含む例を説明したが、基準画素行は、基準画素のみを含んで構成しても良い。
１００ 有効画素領域
２００ 遮光画素領域
３００ 基準画素領域
３０ 第１の基準画素
３１ 第２の基準画素
３３ 基準画素対

Claims (18)

  1. 有効画素行と、
    第１の基準画素と第２の基準画素とが互いに隣接して配置された基準画素対を複数含む基準画素行と、を含む画素部と、
    電圧供給部とを有し、
    前記第１の基準画素は、前記電圧供給部から第１の電圧が供給されるゲートを有するとともに、前記第１の電圧に基づく第１の基準信号を出力するトランジスタを有し、
    前記第２の基準画素は、前記電圧供給部から前記第１の電圧とは異なる第２の電圧が供給されるゲートを有するとともに、前記第２の電圧に基づく第２の基準信号を出力するトランジスタを有すること
    を特徴とする光電変換装置。
  2. 前記画素部を走査する走査部をさらに備え、
    前記走査部は、
    前記基準画素行を走査する場合に、前記画素対を最初に選択すること
    を特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
  3. 前記走査部は、前記最初に選択する画素対のうち、第１の基準画素を選択することを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
  4. 遮光された光電変換部を備える遮光画素を含む遮光画素行をさらに有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光電変換装置。
  5. 前記第２の基準信号は、前記第１の基準信号よりも、前記遮光画素に基づく信号と信号レベルが近いことを特徴とする請求項４に記載の光電変換装置。
  6. 前記第２の基準信号は、前記遮光画素に基づく信号と実質的に等しい信号レベルであることを特徴とする請求項４または５に記載の光電変換装置。
  7. 前記複数の基準画素対の少なくとも一つは、前記基準画素行の端部に設けられたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の光電変換装置。
  8. 前記少なくとも一つの基準画素対は、前記端部から第１の基準画素と第２の基準画素とがこの順に配列されてなり、
    前記複数の基準画素対の別の一つの基準画素対は、前記基準画素行の前記端部とは反対の端部に、前記反対の端部から第１の基準画素と第２の基準画素とがこの順に配列されてなること
    を特徴とする請求項７に記載の光電変換装置。
  9. 前記基準画素行が、前記光電変換装置の温度を検出する温度検出画素をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の光電変換装置。
  10. 前記複数の基準画素対が、互いに隣接して設けられたことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の光電変換装置。
  11. 前記第１および第２の基準画素は、前記第１および第２の基準信号を切り替えて出力できるように構成されたことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の光電変換装置。
  12. 各々に請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の光電変換装置が設けられた複数の半導体基板を二次元状に配列してなることを特徴とするマルチチップ光電変換装置。
  13. 請求項１乃至１２のいずれかに記載の光電変換装置と、
    前記光電変換装置から出力された信号を処理して画像データを生成する映像信号処理部と、を備えたこと
    を特徴とする撮像システム。
  14. Ｘ線を生成する光源をさらに備えることを特徴とする、請求項１３に記載の撮像システム。
  15. 前記Ｘ線の波長を変換する波長変換部材をさらに有することを特徴とする請求項１４に記載の撮像システム。
  16. 有効画素を含む有効画素行と、
    第１の基準画素と第２の基準画素とが互いに隣接して配置された基準画素対を複数含む基準画素行と、を含む画素部と、電圧供給部とを有し、
    前記第１の基準画素は、前記電圧供給部から第１の電圧が供給されるゲートを有するとともに、前記第１の電圧に基づく第１の基準信号を出力するトランジスタを有し、
    前記第２の基準画素は、前記電圧供給部から前記第１の電圧とは異なる第２の電圧が供給されるゲートを有するとともに、前記第２の電圧に基づく第２の基準信号を出力するトランジスタを有する光電変換装置の駆動方法であって、
    前記第１の基準画素からの前記第１の基準信号の読み出しと、前記第２の基準画素からの前記第２の基準信号の読み出しとを、前記有効画素からの信号の読み出しに先んじて行うことを特徴とする光電変換装置の駆動方法。
  17. 遮光された光電変換部を備える遮光画素をさらに有し、
    前記第２の基準信号は、前記第１の基準信号よりも前記遮光画素に基づく信号と信号レベルが近いことを特徴とする請求項１６に記載の光電変換装置の駆動方法。
  18. 前記第２の基準信号は、前記遮光画素に基づく信号と実質的に等しい信号レベルであることを特徴とする請求項１７に記載の光電変換装置の駆動方法。
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