JP7362584B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、固体撮像装置に関する。

リニアイメージセンサは、画像情報を１次元的に読み取り、アナログ信号に変換し、時系列で出力する固体撮像装置である。リニアイメージセンサは、ファクシミリ、デジタル複写機、イメージスキャナ等、画像の読み取りに必須なデバイスとして知られている。

近年、高速化を図るために、固体撮像装置の内部にタイミングジェネレータが設けられた構成も知られている。しかしながら、高速化によってＣＣＤ転送時間のばらつきが大きくなり、固体撮像装置から出力される出力信号と、外部のサンプリングパルスとの同期がとれなくなっている。

そのため、固体撮像装置の内部でサンプリングパルスを生成して外部に出力する構成も知られている。この固体撮像装置は、サンプリングパルスと出力信号を選択するためのセレクトパルスとを共通化していた。この構成の場合、サンプリングパルスに発生したノイズが他のパルスや信号の配線を介して出力信号に乗ってしまうことがあった。

特許第５３２２６９６号公報

実施形態は、信号出力期間に出力信号にノイズが乗ることを防ぐ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。

実施形態の固体撮像装置は、第１電荷検出部と、第１出力部と、パルス生成部とを有する。第１電荷検出部は、複数の第１画素を有し、複数の第１画素に蓄積された電荷を検出する。第１出力部は、第１電荷検出部により検出された電荷を増幅し、出力信号として出力する。パルス生成部は、出力信号が出力される信号出力期間とは異なる期間に、出力信号から電荷信号を抽出するためのサンプリングパルスを生成する。パルス生成部は、外部タイミングジェネレータからのタイミング信号に基づいて、複数の第１画素に蓄積された電荷を検出するための第１電荷検出パルスを生成して第１電荷検出部に出力する第１タイミングジェネレータと、第１電荷検出部により検出された電荷に基づき、第１電荷検出部における信号の遅延情報を検出し、遅延情報に基づき前記サンプリングパルスを生成する第２タイミングジェネレータと、を有する。

第１の実施形態の固体撮像装置を含む撮像システムの構成の一例を示す図である。 従来構成のセレクトパルス、サンプリングパルス及び出力信号の関係を示すタイミングチャートである。 第１の実施形態の構成のセレクトパルス、サンプリングパルス及び出力信号の関係を示すタイミングチャートである。 第２の実施形態の構成のセレクトパルス、サンプリングパルス及び出力信号の関係を示すタイミングチャートである。 第３の実施形態の固体撮像装置を含む撮像システムの構成の一例を示す図である。 第４の実施形態の固体撮像装置を含む撮像システムの構成の一例を示す図である。

以下、図面を参照して実施形態について詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の固体撮像装置を含む撮像システムの構成の一例を示す図である。撮像システム１００は、固体撮像装置１と、外部タイミングジェネレータ２と、画像処理装置３とを有して構成されている。なお、以下の説明では、タイミングジェネレータをＴＧと呼ぶ。
固体撮像装置１は、例えばリニアイメージセンサであり、１チップの半導体装置として構成される。固体撮像装置１は、第１電荷検出部１１と、第１出力回路１２と、第１セレクトスイッチ１３と、第２電荷検出部１４と、第２出力回路１５と、第２セレクトスイッチ１６と、ＴＧ部１７と、複数のパッド１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ及び１８ｅとを有して構成されている。

第１電荷検出部１１は、複数の画素２１を備えた第１画素列２２と、複数の蓄積部２３を備えた第１ＣＣＤレジスタ２４とを有する。第２電荷検出部１４は、複数の画素２５を備えた第２画素列２６と、複数の蓄積部２７を備えた第２ＣＣＤレジスタ２８とを有する。ＴＧ部１７は、第１ＴＧ１７ａと、第２ＴＧ１７ｂとを有する。

なお、固体撮像装置１は、２つの電荷検出部を有する構成であるが、１つあるいは３つ以上の電荷検出部を有する構成であってもよい。また、第１及び第２電荷検出部１１、１４はそれぞれ、１つの画素列を有する構成であるが、それぞれ２つ以上の画素列を有する構成であってもよい。

パルス生成部を構成するＴＧ部１７は、出力信号が出力される信号出力期間とは異なる期間に、出力信号から電荷信号を抽出するためのサンプリングパルスを生成する。ＴＧ部１７には、外部ＴＧ２からタイミング信号がパッド１８ａを介して入力される。第１ＴＧ１７ａは、このタイミング信号に基づいて電荷検出パルスＰＡ及びＰＢを生成する。電荷検出パルスＰＡは第１電荷検出部１１に出力され、電荷検出パルスＰＢは第２電荷検出部１４に出力される。

第２ＴＧ１７ｂは、第１及び第２電荷検出部１１、１４により検出された電荷が入力される。第２ＴＧ１７ｂは、入力された電荷に基づき、第１及び第２電荷検出部１１、１４の遅延情報を検出する。また、第２ＴＧ１７ｂは、検出した遅延情報に基づき、制御パルスＰＣ、ＰＤ、セレクトパルスＰＥ、ＰＦ及びサンプリングパルスＳＰを生成する。生成されたパルスはそれぞれ、第１出力回路１２、第２出力回路１５、第１セレクトスイッチ１３、第２セレクトスイッチ１６及びパッド１８ｂに出力される。

第１電荷検出部１１は、電荷検出パルスＰＡに応じて電荷を検出する。具体的には、第１電荷検出部１１は、各画素２１に蓄積された電荷を読み出し、対応する各蓄積部２３にパラレルに垂直転送する。そして、第１電荷検出部１１は、垂直転送された電荷を第１出力回路１２及び第２ＴＧ１７ｂにシリアルに水平転送する。

第１出力部としての第１出力回路１２は、例えば増幅回路により構成され、制御パルスＰＣに応じて、入力された電荷を増幅し、第１セレクトスイッチ１３に出力する。第１選択部としての第１セレクトスイッチ１３は、セレクトパルスＰＥに応じて、入力された電荷を出力信号ＯＳとして出力するか否かを選択する。

第２電荷検出部１４は、電荷検出パルスＰＢに応じて電荷を検出する。具体的には、第２電荷検出部１４は、各画素２５に蓄積された電荷を読み出し、対応する各蓄積部２７にパラレルに垂直転送する。そして、第２電荷検出部１４は、垂直転送された電荷を第２出力回路１５及び第２ＴＧ１７ｂにシリアルに水平転送する。

第２出力部としての第２出力回路１５は、例えば増幅回路により構成され、制御パルスＰＤに応じて、入力された電荷を増幅し、第２セレクトスイッチ１６に出力する。第２選択部としての第２セレクトスイッチ１６は、セレクトパルスＰＦに応じて、入力された電荷を出力信号ＯＳとして出力するか否かを選択する。

セレクトパルスＰＥ及びＰＦは、第１セレクトスイッチ１３及び第２セレクトスイッチ１６の一方が選択されるように生成される。第１セレクトスイッチ１３又は第２セレクトスイッチ１６から出力された出力信号ＯＳが、パッド１８ｃを介して画像処理装置３に入力される。パッド１８ｄ及び１８ｅは、電源ＶＤＤ及びグランドＧＮＤに接続される。

画像処理装置３は、サンプリングパルスＳＰに応じて出力信号ＯＳの電荷信号を抽出し、所定の画像処理を行う。

図２は、従来構成のセレクトパルス、サンプリングパルス及び出力信号の関係を示すタイミングチャートである。
従来では、第２ＴＧからセレクトパルスＰＥを出力する信号線と、サンプリングパルスＳＰを出力する信号線を１本に共通化し、セレクトパルスＰＥをサンプリングパルスＳＰとして固体撮像装置の外部に出力していた。そのため、セレクトパルスＰＥ及びサンプリングパルスＳＰは、出力信号ＯＳが出力される水平転送期間に出力されている。

サンプリングパルスＳＰの出力は他のパルスや信号（例えば、電源ＶＤＤ、グランドＧＮＤ）にノイズを誘発する。そして、誘発されたノイズが各ブロックに伝わり、出力信号ＯＳにノイズを誘発してしまっていた。そのため、従来では、水平転送期間に出力信号ＯＳにノイズが乗っていた。

図３は、第１の実施形態の構成のセレクトパルス、サンプリングパルス及び出力信号の関係を示すタイミングチャートである。
本実施形態では、第２ＴＧ１７ｂからセレクトパルスＰＥを出力する信号線と、サンプリングパルスＳＰを出力する信号線を別系統とし、セレクトパルスＰＥとは別にサンプリングパルスＳＰを固体撮像装置１の外部に出力している。より具体的には、垂直転送期間の直前にサンプリングパルス出力期間を設ける。垂直転送期間は、第１、第２電荷検出部１１、１４の各画素２１、２８に蓄積された電荷を、対応する各蓄積部２３、２７にパラレルに転送する期間である。サンプリングパルス出力期間にセレクトパルスＰＥと同期したサンプリングパルスＳＰを固体撮像装置１の外部に出力する。なお、サンプリングパルス出力期間は、垂直転送期間の直前に設けることに限定されるものではなく、水平転送期間の直前に設けてもよい。水平転送期間は、各蓄積部２３、２７の電荷を第１、第２出力回路１２、１５にシリアルに転送する期間である。
このように、パルス生成部を構成するＴＧ部１７は、信号出力期間とは異なる期間に、出力信号ＯＳから電荷信号を抽出するためのサンプリングパルスＳＰを生成する。

サンプリングパルス出力期間に出力信号ＯＳにノイズが乗ったとしても、出力信号ＯＳが固体撮像装置１の外部に出力される水平転送期間ではないため、画像処理装置３における画像処理に影響がない。

サンプリングパルスＳＰは、セレクトパルスＰＥと同期している。画像処理装置３は、サンプリングパルスＳＰに基づいて、出力信号ＯＳをサンプリングする。

このように、本実施形態では、出力信号ＯＳが固体撮像装置１の外部に出力される水平転送期間にサンプリングパルスＳＰを出力しているため、信号出力期間の出力信号にノイズが乗ることを防ぐことができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態の固体撮像装置を含む撮像システムの構成は、第１の実施形態と同様である。第１の実施形態では、サンプリングパルスＳＰを外部に出力するサンプリングパルス出力期間を新たに設けているため、出力信号ＯＳの出力に余分な時間がかかっていた。これに対し、第２の実施形態では、サンプリングパルスＳＰを外部に出力する期間を垂直転送期間としている。

図４は、第２の実施形態の構成のセレクトパルス、サンプリングパルス及び出力信号の関係を示すタイミングチャートである。
第２ＴＧ１７ｂは、垂直転送期間にサンプリングパルスＳＰを出力する。垂直転送期間では、出力信号ＯＳが外部に出力されないため、ノイズが乗っても影響がない。

サンプリングパルスＳＰはセレクトパルスＰＥと同期しており、画像処理装置３は、垂直転送期間に外部に出力されたサンプリングパルスＳＰから出力信号ＯＳをサンプリングする。第２の実施形態では、サンプリングパルスＳＰを垂直転送期間に発生させるため、第１の実施形態よりも出力信号ＯＳを出力する速度を速くすることができる。

（第３の実施形態）
図５は、第３の実施形態の固体撮像装置を含む撮像システムの構成の一例を示す図である。撮像システム１００Ａは、図１の固体撮像装置１に代わり固体撮像装置１Ａを用いて構成されている。

固体撮像装置１Ａの内部でサンプリングパルスＳＰが生成されず、外部ＴＧ２から出力されたサンプリングパルスＳＰが画像処理装置３に直接入力される構成となっている。そのため、固体撮像装置１からパッド１８ｂが削除されている。また、固体撮像装置１ＡのＴＧ部１７は、図１の第１ＴＧ１７ａに代わり第１ＴＧ１７ｃを用いて構成されている。また、固体撮像装置１ＡのＴＧ部１７は、図１のＴＧ部１７から第２ＴＧ１７ｂが削除されている。さらに、固体撮像装置１Ａは、図１の固体撮像装置１に対してメモリ３１が追加されている。

メモリ３１には、第１及び第２電荷検出部１１、１４における信号の遅延情報が格納されている。これら遅延情報は、例えば固体撮像装置１Ａの製造過程で予めテスタ等によって測定し、メモリ３１に格納される。

第１ＴＧ１７ｃは、メモリ３１に格納された第１電荷検出部１１の遅延情報に基づいて、制御パルスＰＣ、セレクトパルスＰＥを生成する。また、第１ＴＧ１７ｃは、第２電荷検出部１４の遅延情報に基づいて、制御パルスＰＤ、セレクトパルスＰＦを生成する。制御パルスＰＣ及びＰＤはそれぞれ、第１出力回路１２及び第２出力回路１５に供給され、セレクトパルスＰＥ及びＰＦはそれぞれ、第１セレクトスイッチ１３及び第２セレクトスイッチ１６に供給される。固体撮像装置１Ａは、メモリ３１の遅延情報に基づいて制御パルスＰＣ、ＰＤ、セレクトパルスＰＥ、ＰＦを生成することで、外部ＴＧ２から出力されたサンプリングパルスＳＰと同期が取れるようにしている。

本実施形態では、固体撮像装置１ＡからサンプリングパルスＳＰを出力しない構成となっているため、サンプリングパルスＳＰの配線と固体撮像装置１Ａの各パルスや信号の配線との間に距離を保つことができる。この結果、固体撮像装置１Ａは、サンプリングパルスＳＰへのノイズの誘発を避けることができるため、信号出力期間の出力信号ＯＳにノイズが乗ることを防ぐことができる。

（第４の実施形態）
図６は、第４の実施形態の固体撮像装置を含む撮像システムの構成の一例を示す図である。撮像システム１００Ｂは、図１の固体撮像装置１に代わり固体撮像装置１Ｂを用いて構成されている。固体撮像装置１Ｂは、図１の第２ＴＧ１７ｂに代わり第２ＴＧ１７ｄを用いて構成されている。
第２ＴＧ１７ｄは、入力された電荷に基づき、第１及び第２電荷検出部１１、１４の遅延情報を検出する。また、第２ＴＧ１７ｄは、検出した遅延情報に基づき、制御パルスＰＣ、ＰＤ、セレクトパルスＰＥ、ＰＦを生成する。生成されたパルスはそれぞれ、第１出力回路１２、第２出力回路１５、第１セレクトスイッチ１３、及び、第２セレクトスイッチ１６に出力される。

固体撮像装置１Ｂとは別のチップの半導体装置である遅延装置４を備えて構成されている。遅延装置４は、第１ＴＧ４１と、第１電荷検出部４２と、第２ＴＧ４３と、パッド４４ａ及び４４ｂとを有して構成されている。第１ＴＧ４１、第１電荷検出部４２、及び、第２ＴＧ４３は、固体撮像装置１Ｂの第１ＴＧ１７ａ、第１電荷検出部１１、及び、第２ＴＧ１７ｄと同じ回路構成となっている。

本実施形態では、外部ＴＧ２から出力されたサンプリングパルスＳＰは、遅延装置４を介して画像処理装置３に入力される。遅延装置４は、固体撮像装置１Ｂの第１ＴＧ１７ａ、第１電荷検出部１１、及び、第２ＴＧ１７ｄと同じ回路構成となっている。そのため、遅延装置４に入力されたサンプリングパルスＳＰは、第１ＴＧ１７ａ、第１電荷検出部１１、及び、第２ＴＧ１７ｄを経由する信号の遅延と同じ遅延を有して遅延装置４から出力される。この結果、第１ＴＧ１７ａ、第１電荷検出部１１、及び、第２ＴＧ１７ｄの遅延と同じ遅延を有するサンプリングパルスＳＰを画像処理装置３に入力することができる。

本実施形態では、固体撮像装置１ＢからサンプリングパルスＳＰを出力しない構成となっているため、サンプリングパルスＳＰの配線と固体撮像装置１Ｂの各パルスや信号の配線との間に距離を保つことができる。この結果、固体撮像装置１Ｂは、サンプリングパルスＳＰへのノイズの誘発を避けることができるため、信号出力期間の出力信号ＯＳにノイズが乗ることを防ぐことができる。

上述した実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１，１Ａ，１Ｂ…固体撮像装置、２…外部ＴＧ、３…画像処理装置、４…遅延装置、１１…第１電荷検出部、１２…第１出力回路、１３…第１セレクトスイッチ、１４…第２電荷検出部、１５…第２出力回路、１６…第２セレクトスイッチ、１７…ＴＧ部、１７ａ，１７ｃ…第１ＴＧ、１７ｂ，１７ｄ…第２ＴＧ、１８ａ～１８ｅ、４４ａ、４４ｂ…パッド、２１，２５…画素、２２…第１画素列、２３，２７…蓄積部、２４…第１ＣＣＤレジスタ、２６…第２画素列、２８…第２ＣＣＤレジスタ、３１…メモリ、４１…第１ＴＧ、４２…第１電荷検出部、４３…第２ＴＧ、１００，１００Ａ，１００Ｂ…撮像システム。

Claims (5)

1. 複数の第１画素を有し、前記複数の第１画素に蓄積された電荷を検出する第１電荷検出部と、
   前記第１電荷検出部により検出された電荷を増幅し、出力信号として出力する第１出力部と、
   前記出力信号が出力される信号出力期間とは異なる期間に、前記出力信号から電荷信号を抽出するためのサンプリングパルスを生成するパルス生成部と、
   を有し、
   前記パルス生成部は、外部タイミングジェネレータからのタイミング信号に基づいて、前記複数の第１画素に蓄積された電荷を検出するための第１電荷検出パルスを生成して前記第１電荷検出部に出力する第１タイミングジェネレータと、
   前記第１電荷検出部により検出された電荷に基づき、前記第１電荷検出部における信号の遅延情報を検出し、前記遅延情報に基づき前記サンプリングパルスを生成する第２タイミングジェネレータと、を有する固体撮像装置。
2. 複数の第２画素を有し、前記複数の第２画素に蓄積された電荷を検出する第２電荷検出部と、
   前記第２電荷検出部により検出された電荷を増幅し、出力信号として出力する第２出力部と、さらに有し、
   前記第１タイミングジェネレータは、前記外部タイミングジェネレータからのタイミング信号に基づいて、前記複数の第２画素に蓄積された電荷を検出するための第２電荷検出パルスを生成して前記第２電荷検出部に出力し、
   前記第２タイミングジェネレータは、前記第２電荷検出部により検出された電荷に基づき、前記第２電荷検出部における信号の遅延情報を検出し、前記遅延情報に基づき前記サンプリングパルスを生成する請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記第１出力部から出力された出力信号を選択する第１選択部と、
   前記第２出力部から出力された出力信号を選択する第２選択部と、をさらに有する請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記パルス生成部は、前記複数の第１画素及び前記複数の第２画素に蓄積された電荷を第１及び第２レジスタに垂直転送する期間の直前のサンプリングパルス出力期間に前記サンプリングパルスを出力する請求項３に記載の固体撮像装置。
5. 前記パルス生成部は、前記複数の第１画素及び前記複数の第２画素に蓄積された電荷を第１及び第２レジスタに垂直転送する期間に前記サンプリングパルスを出力する請求項３に記載の固体撮像装置。

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