JPH0352462A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、複数の受光素子で構成されたアレイを備えて
いる固体撮像装置に関するものである。

〔従来の技術〕

固体撮像装置は、ＣＯＤ　（チャージ力ップルドデバイ
ス）タイプと、ＭＯＳイメージセンサタイプの２つに大
別され、現在のところ、前者が主流である。しかし、用
途によっては、ＭＯＳイメージセンサの方が優れている
。

たとえば、ある時間内はアレイ内の限られた受光素子の
情報のみが必要な場合がある。その場合、ＣＣＤタイプ
では、アレイ内の素子を選択する手段が無いため、外部
メモリなどの記憶手段にアレイの全情報を一旦蓄積転送
した上で、コンピュータなどを使って必要部分の情報を
選択しなければならない。

これに対して、ＭＯＳイメージセンサの場合、アレイ上
の受光素子の選択に用いられるシフトレジスタをデコー
ダに置き換え、デコーダのアドレスラインを外部から制
御することにより、部分的な読み出しが可能となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、従来のこの種のＭＯＳイメージセンサは、フォ
トダイオードに蓄積された電荷を単にビデオラインに移
しかえる方式であるため、光に対する感度が小さい。ま
た、フォトダイオードの電荷が全素子同時にリセットさ
れてから、読み出されるまでがその情報蓄積期間となる
ため、フォトダイオード毎に積分時間が異なる。したが
って、読み出した情報を外部のコンピュータなどの手段
により正しい積分時間に換算しなければならないという
問題点がある。

本発明の課題は、このような問題点を解消することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、本発明の固体撮像装置は、
読み取るべき画像からの光が画素単位でそれぞれに入射
する複数のフォトダイオードと、各フォトダイオード毎
にそれぞれ設けられた複数の容量素子と、各フォトダイ
オードとそれに対応する容量素子とを情報蓄積期間中導
通状態にして容量素子に光信号を蓄積する複数のスイッ
チング手段と、容量素子毎に設けられ情報蓄積期間経過
後の読出期間中に各容量素子の端子電圧値を選択信号に
基づいてビデオラインに出力する複数の電流増幅手段と
、容量素子毎に設けられ続出期間中の所定の時期に各容
量素子の端子電圧値を基準値にリセットする複数のリセ
ット手段と、電流増幅手段毎に設けられ、その出力信号
レベルについて、容量素子に前記光信号が蓄積されてい
るときの信号レベルと前記容量素子が基準値にリセット
されているときの信号レベルとの差を検出する複数の信
号後処理回路と、この信号後処理回路の出力を一定期間
保持する複数の信号保持回路とを備えたものである。

〔作用〕

フォトダイオード毎に容量素子を備えており、情報蓄積
期間中に各フォトダイオードと容量素子を接続して、そ
の時の画素情報を容量素子に蓄えるので、全てのフォト
ダイオードに関して情報蓄積期間が等しい。また、容量
素子の端子電圧を電流増幅手段を介して読み出すので、
高い光感度の画素情報を読み出すことができる。さらに
、装置内に内蔵された信号後処理回路を介して電流増幅
手段の出力を取り出すので、Ｓ／Ｎ比の高い信号を取り
出すことができ、かつ、外部に複雑な信号処理回路を設
ける必要がない。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例を示す回路図であり、一つの
受光素子に対応する周辺回路を示すものである。受光素
子であるフォトダイオード１０は、そのカソードが接地
されアノードがＭＯＳトランジスタＭＱ５のソースに接
続されている。トランジスタＭＱ５は、フォトダイオー
ド１０の寄生容ｆｔ　Ｃ　，１を一定電圧にクランブす
るものであり、そのために、ゲートには低い直流電圧Ｖ
　　　が常ｅｏｎｓｔ　． に印加されている。このトランジスタＭＱ５のドレイン
は、トランジスタＭＱ６、７のソースに接続されている
。トランジスタＭＱ６は、画素情報を蓄積する時間以外
の時間のみオンしてフォトダイオード１０の先電流を抜
き取り、ブルーミングを防ぐスイッチである。トランジ
スタＭＱ７は、蓄積時間のみオンして光電流としての画
素情報を容量Ｃ。の容量素子１１に蓄積するためのスイ
ッチである。これらトランジスタＭＱ６および７の動作
制御は、各ゲートに印加される反転蓄積信号および蓄積
信号によって行われる。反転蓄積信号および蓄積信号は
、互いに相補的な信号である。

トランジスタＭＱ９は容量素子１１の端子電圧をインピ
ーダンス変換してビデオライン１２へ出力するためのソ
ースホロワである。また、トランジスタＭＱＩＯは素子
選択スイッチであり、図示省略したシフトレジスタ等の
走査回路により駆動制御される。符号１３で示されてい
るものは定電流源であり、これらによって電流増幅手段
１６が構或されている。

容量索子１１の一端には、スイッチングトランジスタＭ
Ｑ８が接続されており、後述する読出期間内のリセット
信号がオンレベルとなったときのみトランジスタＭＱ８
をアクティブ状態にして、容量素子１１の端子間電圧を
基準電圧■　　にセｒｅｆｌ プトする。

ビデオライン１２には信号後処理回路１，７が接続され
ている。トランジスタＭＱＩＩは、続出期間中において
光情報出力期間と暗状態出力期間でオンレベルとなるサ
ンプル信号によって駆動され、その期間のみビデオライ
ン情報を伝達する。なお、光情報出力期間とは、容量素
子１１に光信号が蓄積されている期間をいい、暗状態出
力期間とは、容量素子１１が基準値にリセットされてい
る期間をいう。具体的なタイミングは後述する。容量素
子１９および２０は、互いにサイズが等しく、いずれも
そのプラス側端子がオペアンプ回路Ａ］の反転入力端子
に接続されている。トランジスタＭＱ１２は、オペアン
プ回路Ａ１の反転入力端子と出力端子εを後述するクラ
ンブ期間中導通状態εするものであり、その期間内はオ
ペアンプ回路Ａ１の出力が非反転入力端子に接続された
基準電圧Ｖ　　と同一の電圧値となる。容量素子２０の
『ｅ『２ マイナス側端子は、トランジスタＭＱ１３および１４に
接続されている。トランジスタＭＱ１３は、反対側が基
準電圧Ｖ　　に接続されており、前述『ｅ『２ のクランブ信号がオンレベルとなった時のみ、容量素子
２０のマイナス側端子を基単尾圧Ｖ　　にｒｅｆ２ 固定する。また、トランジスタＭＱ１４は、反対側がオ
ペアンプ回路Ａ１の出力端子に接続されており、ホール
ド信号がオンレベルのときのみアクティブとなる。

信号保持回路１８は信号後処理回路１７の出力レベル、
すなわちオペアンプ回路Ａ１の出力レベルを保持する回
路である。トランジスタＭＱ１５は、オペアンプ回路Ａ
１の出力を、ホールド信号がオンレベルの時のみ、信号
保持用容量素子２１に伝達するものであり、このために
ホールド信号期間以外でもその出力レベルが保持され続
ける。

オペアンプ回路Ａ２はバッファアンプであり、容量素子
の信号電圧をインピーダンス変換して外部出力するため
のものである。

以上説明した回路は、一つのフォトダイオードに対応す
る回路であり、本実施例の固体撮像装置は、この回路を
フォトダイオードの数だけ備えている。

つぎに、本実施例の動作を第２図に示すタイミングチャ
ートを用いて説明する。第２図は１つのフォトダイオー
ドに関する１回の読出動作を示したものであり、各フォ
トダイオードごとにこれと同様の読出動作が次々と行わ
れる。なお、各フォトダイオードの読み出しにさきかけ
て、全フォトダイオードに対して同時に先電流の取りＩ
Ｂ　Ｌ．が行われるので、その動作を簡単に説明する。

まず、容量素子１１には、トランジスタＭＱ８により予
め基準電圧Ｖ　　がセットされているもｒｅｆｔ のとする。続いて蓄積信号がオンレベルとなった時点で
トランジスタＭＱ７はアクティブに、またトランジスタ
ＭＱ６はカットオフ状態になる。したがって、その時点
でフォトダイオード１０に照射されている光強度に比例
した光電流’ｓｈが引き抜かれることになり、光照射量
が大きいほど、また積分時間が長いほど容量素子１１の
電圧が低下する。ただし、積分時間は全てのフォトダイ
オードについて同じである。

蓄積期間が終了した後、すなわち、蓄積信号がオフとな
ってトランジスタＭＱ７がカットオフに、また、トラン
ジスタＭＱ６がオン状態になったとき、フォトダイオー
ド１０による容量素子１１からの電荷の引き抜きが終了
し、それ以後容ｆｆｉ索子１１の端子電圧はフォトダイ
オード１０に入射した光に応じた一定値を保つ。

この蓄積期間の次に各画素の読み出しが始まる。

読み出しされる容量素子１１について、トランジスタＭ
ＱＩＯのゲートに図示省略した走査回路部からの選択信
号（第２図（Ａ）参照）が時刻ｔ１において印加される
。その結果、ビデオライン１２には、第２図（Ｆ）に示
すように容量素子１１の端子電圧に比例する電圧が現れ
る。この電圧値Ｖ　は近似的に、 ０ １／２ Ｖ　　−Ｖ　　−　　＋２Ｘ　（１／β９）｝ｏ　　　
１１ ’　ｔｈ９ と表すことができる。

ここで、 Ｖ　：ビデオライン電圧 ０ Ｖ　：容量素子１１の端子電圧 １１ ■　＝電流源１３の電流値 β　：トランジスタＭＱ９の電流増幅率９ ■　　＝トランジスタＭＱ９のしきい値ｔｈ９ である。

このとき、サンプル信号は未だオンレベルであるので、
その電圧はトランジスタＭＱＩＩを通じてそのまま容量
素子１つのマイナス側端子に伝達される。また、このと
きクランプ信号もオンレベルであるのでトランジスタＭ
Ｑ１２を介してオペアンプ回路Ａ１の゛出力端子と反転
入力端子とが接続され、容量素子１つのプラス側端子に
は、オペアンプ回路Ａ１の非反転入力端子に印加されて
いる基準電圧Ｖ　　にオペアンプ回路Ａ１のオフセッｒ
ｅｆ２ ト電圧が重畳された電圧が現れている。さらに、容量素
子２０のマイナス側端子はトランジスタＭＱ１３を通じ
て基準電圧Ｖ　　に固定されている。

ｒｅｒ２ つぎに、時刻ｔ２で、トランジスタＭＱ８のゲートにリ
セット信号が印加されるため、容量素子１１の端子電圧
は基準電圧Ｖ　　に固定され、ビｒｅＨ デオライン１２にはこの基準電圧Ｖ　　に比例しｒｅｒ
ｌ た電圧が現れる。このときのビデオライン１２の電圧値
を近似的に表現すると、 ．　Ｖ　　　　　　　　　　　　　　１／２ｖｏ（ｒｓ
ｔ）　　　ｒｅｒｌ　　’　２×（Ｉ／β９）｝’　ｔ
ｈ９ と表すことができる。

ここで、 ｖｏ（ｒｓｔ）　’ビデオライン電圧 Ｖ　　：容量素子１１の端子電圧 ｒｅＮ Ｉ　：電流源１３の電流値 β　：トランジスタＭＱ９の電流増幅率９ ｖ　　：トランジスタＭＱ９のしきい値ｔｈ９ である。

その後、リセット信号が時刻ｔ３でローレベルとなって
トランジスタＭＱ８がオフすると、容量素子１ｌの端子
電圧値が、基準電圧Ｖ　　からトラｒｅａｌ ンジスタＭＱ８のゲートソース間寄生容量によるレベル
シフト分だけ低下する。時刻ｔ３以降を暗信号出力期間
と呼ぶことにし、そのときのビデオライン１２の電圧を
Ｖ。（ｒｓｔ。）とする。

サンプル信号は、第２図（Ｃ）に示すように、リセット
信号とほぼ相補的関係をもっており、リセット信号のハ
イレベル期間を包含する所定の期間においてのみローレ
ベルとなる。また、ホールド信号は、第２図（Ｄ）に示
すように、サンプル信号の立ち上がり（時刻１４）より
も若干早めに立ち上がる信号である。さらに、クランブ
信号は、第２図（Ｅ）に示すように、ホールド信号とほ
ぼ相捕的な関係をもっており、ホールド信号の／−イレ
ベル期間を包含する所定の期間においてのみローレベル
となる。

したがって、時刻ｔ３以後の暗信号出力期間において、
サンプル信号がオンレベルとなるとき（時刻１４）には
、クランブ信号のＯ−レベルによってトランジスタＭＱ
１２および１３がオフ状態、ホールド信号のハイレベル
によってトランジスタＭ　Ｑ　１．　４および１５がオ
ン状態となっている。

このときのオペアンプ回路Ａ１の出力は、容量素子１９
、２０の容ｆｆｉｃ　　　Ｃ　　に対して電荷保存ｓｌ
’　　　　ｓ２ 刑を適用することによりつぎのように求められる。

（ｖ　　＋ｖ　　−■　）×Ｃｓｌ ｏｆｆ　　　　　　ｒｅｆ２　　　　ｏ＋（Ｖ　　　　
　＋Ｖ　　　　　−Ｖ　　　　　＞ｏｒ（’　　　　　
ｒｅｒ２　　　　　ｒｅｆ２ｏｒｒ　　　ｒｅ［’２　
　　ｏ（ｒｓｔ−）　）−（Ｖ　　　　　＋Ｖ　　　　
　−Ｖ ＋（Ｖ　　　　　＋Ｖ　　　　　−Ｖ　　　　　）ｏ『
ｒ　　　　　ｒｅｒ２　　　　ｏｕｔ×Ｃ，２ ×Ｃｓｌ ＸＣｓ２ ・・・■ ここで、 ■　　＝オペアンプ回路Ａ１のオフセット電圧ｏｒ『 である。

さらに、Ｃｓｌ””　ｓ２とすると、 ｏｕｔ　　　ｏ　　　ｒｅ『２　　　ｏ（ｒｓｔ−）　
　　　”’■ｖ　　　−ｖ十ｖ　　　−ｖ となる。

また、光情報出力期間（時刻ｔ　からｔ２まで）ｌ のビデオライン電圧値Ｖ　は、暗信号出力期間０ （時刻ｔ　以降）のビデオライン電圧値Ｖ。（ｒｓｔ”
）３ から光情報電圧Ｖｉを差し引いたものであるという関係
を考慮するε、 ｖ””　ｖｏ（ｒｓｔ−）　　”　　　　　　　　”’
■０　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１
であるので、これを■式に代入すると、Ｖ　　　−Ｖ　
　　−Ｖ　　　　　　　　　　・・・■ｏｕｔ　　　ｒ
ｅｆ２　　　１ となり、オペアンプ回路Ａ１のオフセット電圧や、トラ
ンジスタＭＱ９のしきい値電圧等の要素に影響されずに
、正確に基弗電圧Ｖ　　に対する光信ｒｅｒ２ 号情報を取り出すことができる（第２図（Ｇ）参照）。

また、このとき（時刻ｔ４直後）、トランジスタＭＱ１
５はホールド信号がオンレベルなので、オペアンプ回路
Ａ１の出力レベルは容量素子２１に蓄積される。その結
果、ホールド信号がローレベルになった後も（時刻ｔ５
以降）、オペアンプ回路Ａ２を通じてＶ　　を外部に対
して出力を保ｏｕｔ 持し続ける（第２図（Ｈ）参照）。

なお、基ｉｌｌ電圧Ｖ　　は、装置に内蔵した電源『ｅ
『２ からとってもよいし、外部からの供給を受けてもよい。

外部からの供給を受ける場合は、比較的容易に電圧値の
変更が可能であるので、ユーザーの用途に合わせて光情
報レベルを容易に調整することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の固体撮像装置によれば、
各フォトダイオードでの積分期間が同一であるので、外
部でのレベル補正が不要である。

また、容量素子をフォトダイオード毎に鑓えており、し
かも画素情報である容量素子の端子電圧を電流増幅手段
を介して読み出すので、高い感度の画素情報を得ること
ができる。さらに、装置内に内蔵された信号後処理回路
を介して電流増幅手段の出力を取り出すので、Ｓ／Ｎ比
の高い信号を取り出すことができ、かつ、外部に複雑な
信号処理回路が不要となるので、使い勝手がよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す回路図、第２図は本実
施例の動作を示すタイミングチャートである。 １０・・・フォトダイオード、１１、１９、２０、２１
・・・容量素子、１２・・・ビデオ信号線、１３・・・
定電流源、１４・・・リセット回路、１６・・・電流増
幅回路、１７・・・信号後処理回路、１８・・・信号保
持回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、読み取るべき画像からの光が画素単位でそれぞれに
   入射する複数のフォトダイオードと、各フォトダイオー
   ド毎にそれぞれ設けられた複数の容量素子と、 前記各フォトダイオードとそれに対応する容量素子とを
   情報蓄積期間中導通状態にして容量素子に光信号を蓄積
   する複数のスイッチング手段と、前記容量素子毎に設け
   られ情報蓄積期間経過後の読出期間中に前記各容量素子
   の端子電圧値を選択信号に基づいてビデオラインに出力
   する複数の電流増幅手段と、 前記容量素子毎に設けられ読出期間中の所定の時期に各
   容量素子の端子電圧値を基準値にリセットする複数のリ
   セット手段と、 前記電流増幅手段毎に設けられ、その出力信号レベルに
   ついて、前記容量素子に前記光信号が蓄積されていると
   きの信号レベルと前記容量素子が基準値にリセットされ
   ているときの信号レベルとの差を検出する複数の信号後
   処理回路と、 この信号後処理回路の出力を一定期間保持する複数の信
   号保持回路と を備えた固体撮像装置。 ２、前記信号後処理回路は、非反転入力端子に基準電位
   が与えられたオペアンプ回路と、一端がこのオペアンプ
   回路の反転入力端子に接続され他端が第１のスイッチン
   グ手段を介して前記ビデオラインに接続された第１の容
   量素子と、一端が前記オペアンプ回路の反転入力端子に
   接続され他端が第２のスイッチング手段を介して前記オ
   ペアンプ回路の出力端子に接続され容量が第１の容量素
   子と等しい第２の容量素子と、第２の容量素子および第
   ２のスイッチング手段に対して並列に接続された第３の
   スイッチング手段と、第２の容量素子と第２のスイッチ
   ング手段との接続点に一端が接続され他端が基準電位に
   接続された第４のスイッチング手段とで構成され、前記
   第１〜第４のスイッチング手段を所定のタイミングでオ
   ンオフ制御することにより、前記電流増幅手段の出力信
   号レベルについて、前記容量素子に前記光信号が蓄積さ
   れているときの信号レベルと前記容量素子が基準値にリ
   セットされているときの信号レベルとの差を検出するも
   のである請求項１記載の固体撮像装置。