JPWO2013099265A1 - 固体撮像素子および撮像装置 - Google Patents

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    • H04N25/76Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors

Abstract

固体撮像素子の電圧制限部は、信号線の電圧が所定値以下とならないように制限する。信号処理部には、信号線を介して画素信号が入力される。制御部は、信号線において電圧制限部と信号処理部との間に配置される。また、制御部は、画素の転送部が画素の光電変換部により変換された電荷を画素のフローティングディフュージョン領域へ転送する期間に電圧制限部と信号処理部との間を非導通にさせる。

Description

本発明は、固体撮像素子および撮像装置に関する。
CMOS(相補性金属酸化膜半導体)型の固体撮像素子において、マトリクス状に配置された各画素の画素信号を増幅する増幅部(以下、カラムアンプとも称する)を列ごとに設けたものが従来から知られている。また、カラムアンプの出力の急激な変動を抑制するために、画素の転送トランジスタがオンの期間中に垂直信号線およびカラムアンプの間を非導通にする接続スイッチを固体撮像素子に設けることも提案されている。
特開2010−278786号公報
ところで、CMOS型の固体撮像素子に高輝度光が入射すると、高輝度光が入射した領域の水平方向(行方向)に電位の変動が生じ、画像に筋状のノイズ(スミア)が生じうる。特に、画素の転送トランジスタがオンの期間中に上記の接続スイッチをオフにすると、カラムアンプの出力レベルが所定の電圧に静定するまでの時間が長くなる場合がある。また、高輝度入射領域の画素読み出し時において垂直信号線の電位がGNDレベルに近づくと、その列の定電流源の動作点が定電流動作範囲外になるため電流値が減少し、回路のIRドロップ量が変化するため回路の電圧値も変化が生じる。そのため、例えば画像の高速読み出し時に上記のスミアが発生しやすくなる。
本発明の一態様である固体撮像素子は、画素と、電圧制限部と、信号処理部と、制御部とを備える。画素は、入射光を電荷に変換する光電変換部と、光電変換部により変換された電荷をフローティングディフュージョン領域へ転送する転送部と、フローティングディフュージョン領域に転送された電荷に応じた画素信号を信号線へ出力する出力部と、を有する。電圧制限部は、信号線に接続され、信号線の電圧が所定値以下とならないように制限する。信号処理部には、信号線を介して画素信号が入力される。制御部は、信号線において電圧制限部と信号処理部との間に配置される。また、制御部は、転送部が光電変換部により変換された電荷をフローティングディフュージョン領域へ転送する期間に電圧制限部と信号処理部との間を非導通にさせる。
本発明の他の態様である固体撮像素子は、第1画素と、第2画素と、第1電圧制限部と、第2電圧制限部と、信号処理部と、制御部とを備える。第1画素は、入射光を電荷に変換する第1光電変換部と、第1光電変換部で変換された電荷を第1フローティングディフュージョン領域へ転送する第1転送部と、第1フローティングディフュージョン領域に転送された電荷に応じた第1画素信号を第1信号線へ出力する第1出力部と、を有する。第2画素は、入射光を電荷に変換する第2光電変換部と、第2光電変換部で変換された電荷を第2フローティングディフュージョン領域へ転送する第2転送部と、第2フローティングディフュージョン領域に転送された電荷に応じた第2画素信号を第2信号線へ出力する第2出力部と、を有する。第1電圧制限部は、第1信号線に接続され、第1信号線の電圧が所定値以下とならないように制限する。第2電圧制限部は、第2信号線に接続され、第2信号線の電圧が所定値以下とならないように制限する。信号処理部には、第1信号線を介して第1画素信号が入力されるとともに、第2信号線を介して第2画素信号が入力される。制御部は、第1電圧制限部と信号処理部との間、かつ第2電圧制限部と信号処理部との間に配置される。制御部は、第1転送部が第1光電変換部により変換された電荷を第1フローティングディフュージョン領域へ転送する第1転送期間に第1電圧制限部と信号処理部との間を非導通にさせる。また、制御部は、第2転送部が第2光電変換部により変換された電荷を第2フローティングディフュージョン領域へ転送する第2転送期間に第2電圧制限部と信号処理部との間を非導通にさせる。
第1実施形態での固体撮像素子の構成例を示すブロック図 画素、クリップ部、行選択スイッチ部、カラムアンプの構成例を示す図 第1実施形態での固体撮像素子の動作例を示す図 第2実施形態での固体撮像素子の構成例を示すブロック図 第2実施形態での固体撮像素子の動作例を示す図 撮像装置の構成例を示す図 画素の変形例を示す図 画素の変形例を示す図
<第1実施形態の説明>
図1は、第1実施形態での固体撮像素子の構成例を示すブロック図である。第1実施形態での固体撮像素子は、シリコン基板上にCMOSプロセスを使用して形成されたXYアドレス型の固体撮像素子である。第1実施形態の固体撮像素子は、例えば、デジタルスチルカメラやビデオカメラなどの撮像装置に実装される(なお、撮像装置の構成例は後述する)。
固体撮像素子11は、例えば、画素アレイ12、垂直走査回路13、接続スイッチの一例である行選択スイッチ部14、クリップ部15、増幅部16(以下、カラムアンプとも称する)、蓄積信号選択部17、信号蓄積部18、水平選択スイッチ部19、水平走査回路20、信号読み出し線の一例である垂直信号線21、定電流源IS、撮像素子制御回路22を有している。
画素アレイ12は、第1方向D1および第2方向D2にマトリクス状に配置された複数の画素PXを有している。以下、第1方向D1および第2方向D2を、行方向D1および列方向D2ともそれぞれ称する。
各々の画素PXの前面には、それぞれが異なる色成分の光を透過させる複数種類のカラーフィルタが所定の色配列で配置されている。そのため、画素PXは、カラーフィルタでの色分解によって各色に対応する電気信号を出力する。これにより、画素アレイ12は、撮像時にカラーの画像を取得することができる。
例えば、第1実施形態においては赤色(R)、緑色(Gr,Gb)、青色(B)のカラーフィルタが2行2列のベイヤ配列にしたがって各画素PXに配置されている。なお、図1では、各々の画素PXにカラーフィルタの色を併せて表記する。また、赤(R)、緑(Gr、Gb)、青(B)のフィルタを有する画素PXを、それぞれ赤画素(R)、青画素(B)、緑画素(Gr、Gb)とも称する。
行方向D1に着目した場合、例えば、画素アレイ12のn行目では、赤画素(R)と、緑画素(Gr)とが交互に配置されている。また、例えば、画素アレイ12のn+1行目では、緑画素(Gb)と、青画素(B)とが交互に配置されている。
また、列方向D2に着目した場合、例えば、画素アレイ12のm列目では、緑画素(Gb)と、赤画素(R)とが交互に配置されている。また、例えば、画素アレイ12のm+1列目では、青画素(B)と、緑画素(Gr)とが交互に配置されている。
なお、列方向D2に配置された複数の画素PXは、列毎に設けられた垂直信号線21により、互いに接続されている。すなわち、画素アレイ12は、同じ列に配置された複数の画素PXからの画素信号を共通の垂直信号線21を介して出力する。
また、各垂直信号線21には、各画素PXからの画素信号を読み出すために、画素アレイ12の画素の列毎に定電流源ISがそれぞれ接続されている。
垂直走査回路13は、制御信号φSEL、φRST、φTXを用いて、画素アレイ12の画素PXを行毎に制御する。例えば、垂直走査回路13は、制御信号φSEL(n)、φRST(n)、φTX(n)を制御し、n行目の各画素PXの画素信号を各垂直信号線21に出力する。また、例えば、垂直走査回路13は、制御信号φSEL(n+1)、φRST(n+1)、φTX(n+1)を制御し、n+1行目の各画素PXの画素信号を各垂直信号線21に出力する。以下、制御信号φSEL、φRST、φTXを、選択信号φSEL、リセット信号φRST、転送信号φTXともそれぞれ称する。
行選択スイッチ部14は、カラムアンプ16の入力側に設けられており、画素アレイ12の画素の列毎に行選択スイッチMLSを複数有している。行選択スイッチMLSは、垂直信号線21とカラムアンプ16との間の導通/非導通を切り換える。
また、クリップ部15は、各々の垂直信号線21において行選択スイッチ部14の入力側(画素PXと行選択スイッチ部14との間)にそれぞれ設けられている。これらのクリップ部15は、垂直信号線21の電圧を所定値にクリップする。
カラムアンプ16は、例えば、演算増幅器を用いて構成された反転増幅器であり、画素アレイ12の画素PXの列毎に設けられている。各カラムアンプ16は、各垂直信号線21を介して各画素PXから出力される画素信号を列ごとに反転増幅する。
ここで、図2を参照しつつ、画素PX、クリップ部15、行選択スイッチ部14、カラムアンプ16の構成例を説明する。
画素PXは、フォトダイオードPDと、転送トランジスタTXと、リセットトランジスタRSTと、増幅トランジスタAMPと、選択トランジスタSELと、フローティングディフュージョン領域FDとをそれぞれ有している。
フォトダイオードPDは、光電変換素子の一例であって、入射光の光量に応じて光電変換により電荷を生成する。転送トランジスタTXは、転送スイッチの一例であって、転送信号φTXの高レベル期間にオンし、フォトダイオードPDに蓄積された電荷をフローティングディフュージョン領域FDに転送する。
転送トランジスタTXのソースはフォトダイオードPDであり、転送トランジスタTXのドレインはフローティングディフュージョン領域FDである。フローティングディフュージョン領域FDは、例えば、半導体基板に不純物を導入して形成された拡散領域である。なお、フローティングディフュージョン領域FDは、増幅トランジスタAMPのゲートと、リセットトランジスタRSTのソースとにそれぞれ接続されている。
リセットトランジスタRSTは、リセット信号φRSTの高レベル期間にオンし、フローティングディフュージョン領域FDを電源電圧VDDにリセットする。また、増幅トランジスタAMPは、ドレインが電源電圧VDDに接続され、ゲートがフローティングディフュージョン領域FDにそれぞれ接続され、ソースが選択トランジスタSELのドレインに接続されており、垂直信号線21に接続された定電流源ISを負荷とするソースフォロア回路を構成する。増幅トランジスタAMPは、フローティングディフュージョン領域FDの電圧値に応じて、選択トランジスタSELを介して読み出し電圧を出力する。選択トランジスタSELは、選択信号φSELの高レベル期間にオンし、増幅トランジスタAMPのソースを垂直信号線21に接続する。
クリップ部15は、カスコード接続されたクリップ電圧生成トランジスタMC1およびクリップ電圧制御トランジスタMC2を有している。クリップ電圧生成トランジスタMC1は、ドレインが電源電圧VDDに接続され、ソースがクリップ電圧制御トランジスタMC2のドレインに接続され、ゲートでクリップ電圧VCRefを受けている。また、クリップ電圧制御トランジスタMC2のソースは垂直信号線21に接続され、クリップ電圧制御トランジスタMC2のゲートは制御信号φClipを受けている。クリップ電圧生成トランジスタMC1、クリップ電圧制御トランジスタMC2を、トランジスタMC1、MC2ともそれぞれ称する。
クリップ部15は、制御信号φClipが高レベルであるときに、接続されている垂直信号線21の電圧をクリップ電圧VCrefで決まる所定値にクリップする。すなわち、画素の出力電圧が高い場合はそのままの電圧を出力するが、画素の出力電圧が所定値よりも低い場合はクリップ部15で決まる所定電圧を出力し、垂直信号線21の電圧が所定値よりも下がらないようにする。なお、上記の所定値は、例えば、VCRefの印加電圧からトランジスタMC1のゲート−ソース間電圧(閾電圧)を減算し、更にトランジスタMC2オン時のドレイン−ソース間電圧を減じた値である。また、制御信号φClipが低レベルであるときには、クリップ部15による垂直信号線21の電圧のクリップは行われない。
また、行選択スイッチ部14の行選択スイッチMLSは、例えば、nMOSトランジスタであり、ソースがカラムアンプ16の入力に接続され、ドレインが垂直信号線21に接続され、ゲートで制御信号φLSWを受けている。この場合、垂直信号線21とカラムアンプ16との間に設けられた行選択スイッチMLSは、制御信号φLSWが高レベルの期間にオンし、垂直信号線21に転送された画素信号をカラムアンプ16の入力端子に出力する。また、制御信号φLSWが低レベルの期間では、行選択スイッチMLSがオフするため、垂直信号線21に転送された画素信号は、カラムアンプ16に出力されない。以下、行選択スイッチMLSをトランジスタMLSとも称する。
図1に戻って、蓄積信号選択部17は、画素アレイ12の画素PXの列毎に、画像信号選択スイッチMS1およびノイズ信号選択スイッチMN1をそれぞれ1組ずつ有している。例えば、画像信号選択スイッチMS1は、nMOSトランジスタであり、ソースが信号蓄積部18の画像信号蓄積部CSに接続され、ドレインがカラムアンプ16の出力に接続され、ゲートで制御信号φTSを受けている。この場合、画像信号選択スイッチMS1は、制御信号φTSが高レベルの期間にオンし、カラムアンプ16から入力された信号を信号蓄積部18に出力する。
また、例えば、ノイズ信号選択スイッチMN1は、nMOSトランジスタであり、ソースが信号蓄積部18のノイズ信号蓄積部CNに接続され、ドレインがカラムアンプ16の出力に接続され、ゲートで制御信号φTNを受けている。この場合、ノイズ信号選択スイッチMN1は、制御信号φTNが高レベルの期間にオンし、カラムアンプ16から入力された信号を信号蓄積部18に出力する。以下、画像信号選択スイッチMS1、ノイズ信号選択スイッチMN1をトランジスタMS1、MN1ともそれぞれ称する。
信号蓄積部18は、画素アレイ12の画素PXの列毎に、画像信号蓄積部CSおよびノイズ信号蓄積部CNをそれぞれ1組ずつ有している。例えば、画像信号蓄積部CSは容量であり、一方の端子がトランジスタMS1のソースに接続され、他方の端子が接地されている。また、例えば、ノイズ信号蓄積部CNは容量であり、一方の端子がトランジスタMN1のソースに接続され、他方の端子が接地されている。以下、画像信号蓄積部CS、ノイズ信号蓄積部CNを容量CS、CNともそれぞれ称する。
水平選択スイッチ部19は、画素アレイ12の画素PXの列毎に、画像信号出力スイッチMS2およびノイズ信号出力スイッチMN2をそれぞれ1組ずつ有している。例えば、画像信号出力スイッチMS2およびノイズ信号出力スイッチMN2は、nMOSトランジスタである。以下、画像信号出力スイッチMS2、ノイズ信号出力スイッチMN2をトランジスタMS2、MN2ともそれぞれ称する。
例えば、トランジスタMS2は、ソースから画像信号OUTSを出力し、ドレインがトランジスタMS1のソースおよび容量CSの一方の端子に接続され、ゲートで制御信号GHを受けている。また、例えば、トランジスタMN2は、ソースからノイズ信号OUTNを出力し、ドレインがトランジスタMN1のソースおよび容量CNの一方の端子に接続され、ゲートで制御信号φGHを受けている。なお、トランジスタMS2、MN2のゲートは、互いに接続されている。
すなわち、画像信号出力スイッチMS2は、制御信号φGHが高レベルの期間にオンし、容量CSに保持された電圧を画像信号OUTSとして出力する。また、ノイズ信号出力スイッチMN2は、制御信号φGHが高レベルの期間にオンし、容量CNに保持された電圧をノイズ信号OUTNとして出力する。ここで、ノイズ信号OUTNは、例えば、画素PXがリセットトランジスタRSTによりリセットされ転送トランジスタTXが開く直前の画像信号(暗信号)である。したがって、例えば、画像信号OUTSに含まれる固定ノイズ成分及び画素のリセットノイズ成分は、画像信号OUTSからノイズ信号OUTNを減算することで除去できる。
水平走査回路20は、制御信号φGHを用いて、トランジスタMS2、MN2を順次オンし、信号蓄積部18の容量CS、CNにそれぞれ保持された信号OUTS、OUTNを順次出力する。例えば、m列目の画素PXから読み出された信号に対応する画像信号OUTS、ノイズ信号OUTNをそれぞれ出力するとき、水平走査回路20は、制御信号φGH(m)を高レベルに制御し、他の制御信号φGHを低レベルに制御する。また、例えば、m+1列目の画素PXから読み出された信号に対応する画像信号OUTS、ノイズ信号OUTNをそれぞれ出力するとき、水平走査回路20は、制御信号φGH(m+1)を高レベルに制御し、他の制御信号φGHを低レベルに制御する。
撮像素子制御回路22は、垂直走査回路13、行選択スイッチ部14、クリップ部15、蓄積信号選択部17、水平走査回路20に対して、それぞれ制御信号を供給する。
なお、上記の制御信号は、第1実施形態の固体撮像素子11が実装される撮像装置の制御部から供給されてもよい。上記の場合には、固体撮像素子11から撮像素子制御回路22を省略することができる。
次に、図3を参照しつつ、第1実施形態の固体撮像素子11における画素PX、行選択スイッチ部14、クリップ部15の動作例を説明する。なお、図3は、図1に示した画素アレイ12のn行目の各画素PXから画像信号OUTSおよびノイズ信号OUTNをそれぞれ読み出すときの動作例である。
例えば、垂直走査回路13は、撮像素子制御回路22の指示に応じて、制御信号φRST、φSEL、φTXを図3に示すように制御し、上述のリセットトランジスタRST、選択トランジスタSEL、転送トランジスタTXをそれぞれ動作させる。また、例えば、撮像素子制御回路22は、制御信号φTN、φTS、φLSW、φClipを図3に示すように制御し、上述のトランジスタMS1、MN1、MLS、MC1、MC2をそれぞれ動作させる。
なお、アクセス期間APは、各画素PXの画像信号OUTSおよびノイズ信号OUTNを、信号蓄積部18の容量CS、CNにそれぞれ蓄積するための期間である。また、水平走査期間HSNは、信号蓄積部18の容量CS、CNにそれぞれ蓄積された画像信号OUTSおよびノイズ信号OUTNを順次出力するための期間である。例えば、アクセス期間AP(n)および水平走査期間HSN(n)は、n行目の画素PXの画素信号を読み出すためのアクセス期間APおよび水平走査期間HSNをそれぞれ示している。
また、以下の説明では、n行目の各画素PXの要素を、符号の末尾にnを追加して称する場合もある。例えば、n行目の各画素PXの増幅トランジスタAMPを、増幅トランジスタAMPnとも称する。
n行目の画素PXのアクセス期間AP(n)に移る前では、リセット信号φRST(n)が高レベルに維持され(図3(a))、リセットトランジスタRSTnがオンしている。すなわち、フローティングディフュージョン領域FDnの電圧は、アクセス期間AP(n)に移る前に、初期状態(以下、リセット状態とも称する)にリセットされる。
アクセス期間AP(n)では、先ず、リセット信号φRST(n)が高レベルから低レベルに変化し(図3(b))、リセットトランジスタRSTnがオフする。これにより、フローティングディフュージョン領域FDnは、転送トランジスタTXnがオンしたときに、フォトダイオードPDnからの信号電荷を蓄積できる。なお、フローティングディフュージョン領域FDnの電圧は、フォトダイオードPDnから信号電荷が転送されるまでリセット状態に維持される。
次に、選択信号φSEL(n)が低レベルから高レベルに変化し(図3(c))、選択トランジスタSELnがオンする。選択トランジスタSELnがオンすることにより、増幅トランジスタAMPnのソースから信号を出力するソースフォロア回路が構成される。これにより、増幅トランジスタAMPnは、フローティングディフュージョン領域FDnの電圧(リセット状態の電圧)に応じた電圧を、選択トランジスタSELnを介して垂直信号線21に出力する。なお、垂直信号線21に出力された電圧は、カラムアンプ16により反転増幅される。
そして、制御信号φTNが低レベルから高レベルに変化し(図3(d))、トランジスタMN1がオンする。これにより、n行目の画素PXのリセット状態に対応する信号(図1に示したノイズ信号OUTN)は、信号蓄積部18の容量CNに蓄積される。その後、制御信号φTNが高レベルから低レベルに変化し(図3(e))、トランジスタMN1がオフする。これにより、n行目の画素PXのノイズ信号OUTNは、容量CNに保持される。なお、制御信号φTNが高レベルである期間、制御信号φLSWは高レベルに維持されている。
制御信号φTNが高レベルから低レベルに変化した後に、転送信号φTX(n)が低レベルから高レベルに変化する(図3(f))。そして、一定期間経過後に、転送信号φTX(n)が高レベルから低レベルに変化する(図3(g))。これにより、転送トランジスタTXnが一定期間オンし、フォトダイオードPDnにより生成された信号電荷が、転送トランジスタTXnを介して、フローティングディフュージョン領域FDnに転送される。そして、フローティングディフュージョン領域FDnの電圧(信号電荷が蓄積された容量CFDの電圧)に応じた電圧が、増幅トランジスタAMPnから選択トランジスタSELnを介して垂直信号線21に出力される。
第1実施形態において、転送信号φTX(n)が高レベルである期間では、制御信号φLSWは低レベルに維持される(図3(h、i))。
例えば、転送信号φTX(n)が低レベルから高レベルに変化したとき、制御信号φLSWが高レベルから低レベルに変化し(図3(h))、行選択トランジスタMLSがオフする。
一方、例えば、転送信号φTX(n)が高レベルから低レベルに変化したとき、制御信号φLSWが低レベルから高レベルに変化し(図3(i))、行選択トランジスタMLSがオンする。
また、クリップ部15により、垂直信号線21の電圧が所定値より下がらないようにクリップされる。
なお、図ではφClipが常時高レベルの場合を例に示しているが、目的に応じてパルスを制御することもできる。例えば、クリップ回路を2組用意し、一方は上記のように常時垂直信号線の電圧が所定値以下に下がらないようにし、他方はφTNが高レベルの期間にクリップを有効とし、ノイズ信号読み出し時の垂直信号線レベルが一定電圧以下に下がらないようにすることもできる。
このように、転送信号φTXが高レベルの期間中、行選択トランジスタMLSはオフとなり、垂直信号線21とカラムアンプ16との間が非導通となる。また、転送信号φTX(n)が低レベルに戻った後では、行選択トランジスタMLSがオンするため、垂直信号線21とカラムアンプ16との間が導通する。これにより、所望の電圧がカラムアンプ16に入力される。このように、垂直信号線21に転送された所望の電圧は、行選択トランジスタMLSを介してカラムアンプ16に入力され、カラムアンプ16により反転増幅される。
制御信号φLSWが低レベルから高レベルに変化した後に、制御信号φTSが低レベルから高レベルに変化し(図3(j))、トランジスタMS1がオンする。これにより、n行目の画素PXのフォトダイオードPDにより生成された信号電荷に対応する信号(図1に示した画像信号OUTS)は、信号蓄積部18の容量CSに蓄積される。その後、制御信号φTSが高レベルから低レベルに変化し(図3(k))、トランジスタMS1がオフする。これにより、n行目の画素PXの画像信号OUTSは、容量CSに保持される。
水平走査期間HSN(n)では、制御信号φGHが高レベルに順次変化する。例えば、水平走査回路20は、出力対象の列に対応する制御信号φGHを高レベルに変化させたとき、他の列に対応する制御信号φGHを低レベルに変化させる。これにより、トランジスタMS2、MN2が順次オンし、信号蓄積部18の容量CS、CNにそれぞれ保持された信号OUTS、OUTNが順次出力される。
なお、アクセス期間AP(n)および水平走査期間HSN(n)では、制御信号φRST(n)、φSEL(n)、φTX(n)以外の制御信号φRST、φSEL、φTXは、高レベル、低レベルおよび低レベルにそれぞれ維持されている。
一方、アクセス期間AP(n+1)における制御信号φRST(n+1)、φSEL(n+1)、φTX(n+1)は、アクセス期間AP(n)における制御信号φRST(n)、φSEL(n)、φTX(n)と同様に制御される。アクセス期間AP(n+1)および水平走査期間HSN(n+1)では、制御信号φRST(n+1)、φSEL(n+1)、φTX(n+1)以外の制御信号φRST、φSEL、φTXは、高レベル、低レベルおよび低レベルにそれぞれ維持されている。なお、アクセス期間AP(n+1)において、制御信号φTN、φTS、φLSW、φClipの動作はAP(n)の場合と共通する。
以下、第1実施形態における固体撮像素子11の作用効果を述べる。
まず、説明の前提として、一般的なCMOS型の固体撮像素子で高輝度光が入射したときにスミアが生じる原理を述べる。
或る画素に高輝度光が入射すると、その画素の列に対応する垂直信号線の電位が低下する。これにより、電位が低下した垂直信号線の定電流源は非飽和領域で動作する。また、定電流源のGNDラインでは電流値が低下し、定電流源のGNDラインの配線抵抗IRでの電圧降下量が小さくなる(IRドロップの変動)。そして、他の列の垂直信号線には通常よりも大きな電流が流れる。つまり、高輝度光が入射した画素に対して水平方向に位置する画素では、画素内の増幅トランジスタのゲート−ソース間電圧が大きくなり、通常よりも低い電圧が出力されるので、画像としては明るくなってしまう。その結果、高輝度光が入射した画素の水平方向に筋状のノイズ(スミア)が生じる。
ここで、本発明の比較例として、行選択トランジスタの出力側にクリップ回路を設けた場合も併せて説明する。上記の比較例の構成では、転送トランジスタがオンの期間中に行選択トランジスタがオフになると、垂直信号線とクリップ回路とが遮断される。そのため、上記の期間において、行選択トランジスタの入力側では垂直信号線の電圧がクリップされないので、画素に高輝度光が入射すると垂直信号線の電位がGND付近まで低下してしまう。
比較例の構成において、その後、行選択トランジスタがオフからオンになると、垂直信号線とクリップ回路とが接続されるので、垂直信号線の電圧はクリップ回路によるクリップ電圧まで戻る。しかし、比較例の場合には、行選択トランジスタがオンになるときにクリップ回路から瞬間的に突入電流が垂直信号線に流れる。また、垂直信号線に接続された定電流源も通常の電流値に戻る。
そのため、上記の比較例の場合には、画素に高輝度光が入射したときには水平方向へのスミアが比較的生じやすいことが分かる。また、比較例の場合には、行選択トランジスタのオン/オフで垂直信号線の電圧が大きく変動し、カラムアンプの出力レベルが静定するまでの時間が長くかかる。例えば、比較例の構成で信号の高速読み出しを行う場合、上記のスミアがより発生しやすくなる。
一方、第1実施形態の固体撮像素子11では、転送トランジスタTXがオンの期間中に行選択トランジスタMLSはオフとなり、垂直信号線21とカラムアンプ16との間が非導通となる。しかし、第1実施形態では、上記の期間において、画素PXから行選択トランジスタMLSの入力側までの垂直信号線21の電圧は、クリップ部15によって所定値にクリップされる。そのため、第1実施形態の固体撮像素子11では、画素PXに高輝度光が入射したときには、その画素PXに接続されている垂直信号線21の電圧はクリップされた電圧よりも低下しないので、水平方向へのスミアの発生を効果的に抑制できる。また、第1実施形態では、転送トランジスタTXがオンの期間中もクリップ部15が有効に機能することから、行選択トランジスタMLSがオフからオンになったときにカラムアンプ16の出力レベルが静定するまでの時間も短くなる。よって、第1実施形態では、スミアの発生を抑制しつつ、信号の高速読み出しが比較的容易となる。
<第2実施形態の説明>
図4は、第2実施形態での固体撮像素子の概要を示している。第2実施形態の固体撮像素子は、第1実施形態の変形例であって、画素アレイ12の両側(上下)に信号読み出しの回路をそれぞれ設けている。
ここで、第2実施形態の固体撮像素子11には、図1に示した行選択スイッチ部14の代わりに、ラインセレクタ23が設けられている。また、図4では、増幅部の後段にある要素(蓄積信号選択部17、信号蓄積部18、水平選択スイッチ部19、水平走査回路20)と、撮像素子制御回路22との図示はいずれも省略している。なお、第2実施形態において、第1実施形態と共通の要素は同一の符号を付して重複説明を省略する。
ラインセレクタ23は、画素アレイ12上で隣接する1対の奇数列と偶数列との画素信号を切り替えるスイッチである。このラインセレクタ23は、画素アレイ12における列方向D2の一端側(図中下側)および他端側(図中上側)にそれぞれ配置される。例えば、垂直信号線21とカラムアンプ16との間に設けられた各ラインセレクタ23は、行選択スイッチMLS1と、行選択スイッチMLS2とを有している。例えば、行選択スイッチMLS1、MSL2は、nMOSトランジスタであり、ゲートで制御信号LSW1、LSW2をそれぞれ受けている。以下、行選択スイッチMLS1、MLS2を行選択トランジスタMLS1、MLS2とも称する。
例えば、画素アレイ12の下側に位置するラインセレクタ23では、1対の行選択トランジスタMLS1、MLS2のソースは、共通のカラムアンプ16の入力に接続されている。そして、例えば、画素アレイ12の下側に位置する行選択トランジスタMLS1、MSL2のドレインは、奇数列の垂直信号線21、偶数列の垂直信号線21にそれぞれ接続されている。
一方、例えば、画素アレイ12の上側に位置するラインセレクタ23では、1対の行選択トランジスタMLS1、MLS2のソースは、共通のカラムアンプ16の入力に接続されている。そして、例えば、画素アレイ12の上側に位置する行選択トランジスタMLS1、MSL2のドレインは、偶数列の垂直信号線21、奇数列の垂直信号線21にそれぞれ接続されている。
なお、ラインセレクタ23の行選択トランジスタMLS1、MLS2は、垂直信号線21とカラムアンプ16との間の導通/非導通を切り換える接続スイッチとして機能する。
本実施形態でのカラムアンプ16は、画素アレイ12の列方向D2の両側(図4の上側および下側)に配置されている。画素アレイ12の下側に配置されたカラムアンプ16は、画素アレイ12の下側に位置するラインセレクタ23から信号を受け、画素アレイ12の上側に配置されたカラムアンプ16は、画素アレイ12の上側に位置するラインセレクタ23から信号を受ける。また、画素アレイ12の行方向D1において、カラムアンプ16は、画素アレイ12の2列毎に1つずつ設けられる。つまり、画素の2列分の幅に1つのカラムアンプ16が配置されるため、多画素化により画素ピッチが縮小した場合でも、カラムアンプ16のレイアウトスペースを確保できる。
また、本実施形態では、クリップ部15、蓄積信号選択部17、信号蓄積部18、水平選択スイッチ部19、水平走査回路20、定電流源ISは、画素アレイ12の上側および下側に分けてそれぞれ配置されている。クリップ部15および定電流源ISは、各々の垂直信号線21に対して画素アレイ12の上下に1つずつ設けられている。本実施形態では、クリップ部15および定電流源ISが画素アレイ12の上下にそれぞれ配置されているため、画像の上下対称性を維持できる。なお、蓄積信号選択部17、信号蓄積部18、水平選択スイッチ部19および水平走査回路20の構成は、上述の第1実施形態と同様である。
図5は、第2実施形態での固体撮像素子11の動作例を示している。図5は、上述した図4に示した画素アレイ12のn行目の各画素から画像信号OUTSおよびノイズ信号OUTNをそれぞれ読み出すときの固体撮像素子11の動作を示している。なお、図5に示す動作は、制御信号LSW(LSW1、LSW2)の動作を除いて、上述した図3に示す動作と同じである。
n行目の画素のアクセス期間AP(n)に移る前では、リセット信号φRST(n)が高レベルに維持され(図5(a))、制御信号φLSW1が低レベルに維持される。また、アクセス期間AP(n)に移る前に、制御信号φLSW2が高レベルから低レベルに変化し(図5(a1))、行選択トランジスタMLS2がオフする。
アクセス期間AP(n)では、制御信号φLSW1が低レベルから高レベルに変化し(図5(b1))、制御信号φTNが低レベルから高レベルに変化する(図5(d))。すなわち、行選択トランジスタMLS1およびトランジスタMN1がオンする。これにより、n行目の赤画素(R)のノイズ信号OUTNは、画素アレイ12の下側に配置された信号蓄積部18の容量CNに蓄積される。また、n行目の緑画素(Gr)のノイズ信号OUTNは、画素アレイ12の上側に配置された信号蓄積部18の容量CNに蓄積される。
そして、転送信号φTX(n)が低レベルから高レベルに変化したとき(図5(f))、制御信号φLSW1が高レベルから低レベルに変化し(図5(h))、行選択トランジスタMLS1がオフする。また、例えば、転送信号φTX(n)が高レベルから低レベルに変化したとき(図5(g))、制御信号φLSW1が低レベルから高レベルに変化し(図5(i))、行選択トランジスタMLS1がオンする。なお、アクセス期間AP(n)および水平走査期間HSN(n)では、制御信号φLSW2は低レベルに維持される。すなわち、転送信号φTX(n)が高レベルの期間中、制御信号φLSW1、φLSW2は、低レベルに維持され、行選択トランジスタMLS1、MLS2の両方がオフする。
このように、本実施形態でも、転送信号φTX(n)が高レベルの期間では、垂直信号線21とカラムアンプ16との間は非導通である。したがって、本実施形態では、高レベルの転送信号TX(n)のフィードスルーによる垂直信号線の電圧上昇がカラムアンプ16に伝達されることを防止できる。また、転送信号φTX(n)が低レベルに戻った後では、行選択トランジスタMLS1がオンするため、垂直信号線21とカラムアンプ16との間は導通する。これにより、所望の電圧がカラムアンプ16に入力される。
例えば、n行目の赤画素(R)のフォトダイオードPDにより生成された信号電荷に対応する信号は、画素アレイ12の下側に配置されたカラムアンプ16に行選択トランジスタMLS1を介して入力され、カラムアンプ16により反転増幅される。また、例えば、n行目の緑画素(Gr)のフォトダイオードPDにより生成された信号電荷に対応する信号は、画素アレイ12の上側に配置されたカラムアンプ16に行選択トランジスタMLS1を介して入力され、カラムアンプ16により反転増幅される。
転送信号φTX(n)が低レベルから高レベルに変化したとき、制御信号φLSW1が高レベルから低レベルに変化し(図5(h))、行選択トランジスタLSW1がオフする。
また、クリップ部15により、垂直信号線21の電圧が所定値より下がらないようにクリップされる。
制御信号φLSW1が低レベルから高レベルに変化した後に、制御信号φTSが低レベルから高レベルに変化し(図5(j))、蓄積信号選択部17のトランジスタMS1がオンする。これにより、n行目の赤画素(R)の画像信号OUTSは、画素アレイ12の下側に配置された信号蓄積部18の容量CSに蓄積される。また、n行目の緑画素(Gr)の画像信号OUTSは、画素アレイ12の上側に配置された信号蓄積部18の容量CSに蓄積される。
水平走査期間HSN(n)では、n行目の赤画素(R)の信号OUTS、OUTNが、画素アレイ12の下側に配置された信号蓄積部18から水平選択スイッチ部19を介して順次出力される。また、n行目の緑画素(Gr)の信号OUTS、OUTNが、画素アレイ12の上側に配置された信号蓄積部18から水平選択スイッチ部19を介して順次出力される。なお、制御信号φLSW1は、n+1行目の画素のアクセス期間AP(n+1)に移る前に、高レベルから低レベルに変化する(図5(a2))。
なお、アクセス期間AP(n)および水平走査期間HSN(n)では、制御信号φRST(n)、φSEL(n)、φTX(n)以外の制御信号φRST、φSEL、φTXは、高レベル、低レベルおよび低レベルにそれぞれ維持されている。
一方、アクセス期間AP(n+1)における制御信号φRST(n+1)、φSEL(n+1)、φTX(n+1)、φLSW2は、アクセス期間AP(n)における制御信号φRST(n)、φSEL(n)、φTX(n)、φLSW1と同様に制御される。アクセス期間AP(n+1)および水平走査期間HSN(n+1)では、制御信号φRST(n+1)、φSEL(n+1)、φTX(n+1)以外の制御信号φRST、φSEL、φTXは、高レベル、低レベルおよび低レベルにそれぞれ維持されている。アクセス期間AP(n+1)および水平走査期間HSN(n+1)では、制御信号φLSW1は低レベルに維持されている。なお、アクセス期間AP(n+1)において、制御信号φTN、φTS、φLSW、φClipの動作はAP(n)の場合と共通する。
すなわち、アクセス期間AP(n+1)では、制御信号φLSW2がアクセス期間AP(n)の制御信号φLSW1と同様に制御される。そのため、水平走査期間HSN(n+1)では、n+1行目の青画素(B)の信号OUTS、OUTNが、画素アレイ12の下側に配置された信号蓄積部18から水平選択スイッチ部19を介して順次出力される。また、水平走査期間HSN(n+1)では、n+1行目の緑画素(Gb)の信号OUTS、OUTNが、画素アレイ12の上側に配置された信号蓄積部18から水平選択スイッチ部19を介して順次出力される。
以上、第2実施形態の固体撮像素子11では、少なくとも転送信号φTXが高レベルの期間中、制御信号LSW1、LSW2の両方が低レベルに維持されるとともに、垂直信号線21の電圧は、クリップ部15によって所定値よりも下がらないようにクリップされる。したがって、第2実施形態においても、上述した第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、第2実施形態では、或る垂直信号線21に着目すると、行選択トランジスタMLS1、MLS2の制御により、奇数列の信号読み出しと偶数列の信号読み出しとを1行毎に切り換えることができる。これにより、例えば、緑画素(Gr、Gb)からの信号を、画素アレイ12の上側に配置されたカラムアンプ16を介して読み出すことができ、例えば、赤画素(R)および青画素(B)からの信号を、画素アレイ12の下側に配置されたカラムアンプ16を介して読み出すことができる。このため、本実施形態では、緑画素(Gr)と緑画素(Gb)との信号のレベル差を小さくすることができる。
<撮像装置の構成例>
図6は、撮像装置の一例である電子カメラの構成例を示す図である。
電子カメラは、撮像光学系31と、上記の第1実施形態または第2実施形態の固体撮像素子32と、アナログフロントエンド回路33(AFE回路)と、画像処理部34と、モニタ35と、記録I/F36と、制御部37と、操作部38とを有している。ここで、固体撮像素子32、アナログフロントエンド回路33、画像処理部34、操作部38はそれぞれ制御部37と接続されている。
撮像光学系31は、例えばズームレンズやフォーカスレンズを含む複数のレンズで構成されている。なお、簡単のため、図6では撮像光学系31を1枚のレンズで図示する。
固体撮像素子32は、撮像光学系31を通過した光束による被写体の結像を撮像する。この撮像素子の出力はアナログフロントエンド回路33に接続されている。
電子カメラの撮影モードにおいて、固体撮像素子32は、操作部38の入力に応じて、不揮発性の記憶媒体(39)への記録を伴う記録用静止画像や動画像を撮影する。また、固体撮像素子32は、記録用静止画像の撮影待機時にも所定間隔ごとに観測用の画像(スルー画像)を連続的に撮影する。時系列に取得されたスルー画像のデータ(あるいは上記の動画像のデータ)は、モニタ35での動画表示や制御部37による各種の演算処理に使用される。なお、動画撮影時に、電子カメラはスルー画像を記録するようにしてもよい。
アナログフロントエンド回路33は、パイプライン式に入力される画像信号に対して、アナログ信号処理、A/D変換処理を順次施す回路である。アナログフロントエンド回路33の出力は画像処理部34に接続される。
画像処理部34は、アナログフロントエンド回路33から入力されるデジタルの画像信号に対して画像処理(色補間処理、階調変換処理、輪郭強調処理、ホワイトバランス調整など)を行う。なお、画像処理部34には、モニタ35および記録I/F36が接続される。
モニタ35は、各種の画像を表示する表示デバイスである。例えば、モニタ35は、制御部37の制御により、撮影モード下でのスルー画像の動画表示(ビューファインダ表示)を行う。
記録I/F36は、不揮発性の記憶媒体39を接続するためのコネクタを有している。そして、記録I/F36は、コネクタに接続された記憶媒体39に対してデータの書き込み/読み込みを実行する。上記の記憶媒体39は、ハードディスクや、半導体メモリを内蔵したメモリカードなどで構成される。なお、図6では記憶媒体39の一例としてメモリカードを図示する。
制御部37は、電子カメラの動作を統括的に制御するプロセッサである。操作部38は、記録用静止画像の取得指示(例えばレリーズ釦の全押し操作)をユーザから受け付ける。
上記の電子カメラは、上記の第1実施形態または第2実施形態の固体撮像素子32を用いるので、例えば、静止画の連写撮影時や動画撮影時において、高輝度の被写体を撮影したときにスミアの発生を抑制できる。
<実施形態の補足事項>
(補足1):第1実施形態では、画素アレイ12の一端側から画像信号を読み出す例を説明した。しかし、第1実施形態において、画素アレイ12の両端から画像信号を読み出すようにしてもよい。例えば、第1実施形態において、画素アレイ12の列方向D2の両端側に、行選択スイッチ部14、カラムアンプ16、蓄積信号選択部17、信号蓄積部18、水平選択スイッチ部19および水平走査回路20をそれぞれ1組ずつ設けてもよい。この場合、例えば、奇数列の画像信号を画素アレイ12の上側から読み出し、偶数列の画像信号を画素アレイ12の下側から読み出すようにすればよい(なお、補足1の構成例の図示は省略する)。
(補足2):上記実施形態では、1画素が4つのトランジスタで構成される例を説明した。しかし、本発明の固体撮像素子は、リセットトランジスタRST、増幅トランジスタAMPおよび選択トランジスタSELを複数の画素間で共有するもの(例えば、2画素で5つのトランジスタを有する2.5Tr構成、または4画素で7つのトランジスタを有する1.75Tr構成)であってもよい。
図7は、画素PXの変形例を示している。図7に示した画素PXの構成は、増幅トランジスタAMP、選択トランジスタSEL、リセットトランジスタRSTおよびフローティングディフュージョン領域FDが、画素アレイ12の列方向D2に隣接する2画素(PX1〜PX2)で共用されている点を除いて、上述した図2の画素PXと同様である。なお、図7に示す画素PXについて、列方向D2に隣接する複数のフローティングディフュージョン領域FDをスイッチで接続し、さらに列方向D2での加算読み出しを可能としてもよい(この場合の図示は省略する)。
図8は、画素PXの変形例を示している。図8に示した画素PXの構成は、増幅トランジスタAMP、選択トランジスタSEL、リセットトランジスタRSTおよびフローティングディフュージョン領域FDが、画素アレイ12の列方向D2に隣接する4画素(PX1〜PX4)で共用されている点を除いて、上述した図2の画素PXと同様である。
(補足3):上記実施形態では、撮像装置の一例として電子カメラの構成を説明した。しかし、本発明の撮像装置は、固体撮像素子と各種の信号処理回路とをオンチップで一体化したものであってもよい。
(補足4):上記実施形態において、固体撮像素子のカラーフィルタアレイはベイヤ配列に限定されることなく、他のカラーフィルタアレイ(例えば、マゼンタ、グリーン、シアンおよびイエローを用いる補色系カラーフィルタなど)であってもよい。
(補足5):上記実施形態において、固体撮像素子は水平走査回路でOUTS,OUTNをアナログ信号のまま出力する構成を説明した。しかし、本発明の固体撮像素子は、カラムアンプ16のそれぞれにAD変換器を配置したカラムADC方式として、デジタル出力としてもよい。その場合は、撮像装置において、アナログフロントエンドAFE33の代わりに、デジタルフロントエンドDFEを配置すればよい。
(補足6):第2実施形態では、ラインセレクタ23を1行毎に切り換えて、必ずGrとGbが片方(例えば上側)のカラムアンプ16を介して出力される構成を説明した。しかし、ラインセレクトの接続方向を固定して、例えばRとGbが下側、GrとBが上側のカラムアンプを介して出力される構成としてもよい。
以上の詳細な説明により、実施形態の特徴点および利点は明らかになるであろう。これは、特許請求の範囲が、その精神および権利範囲を逸脱しない範囲で前述のような実施形態の特徴点および利点にまで及ぶことを意図する。また、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、あらゆる改良および変更に容易に想到できるはずであり、発明性を有する実施形態の範囲を前述したものに限定する意図はなく、実施形態に開示された範囲に含まれる適当な改良物および均等物によることも可能である。
11…固体撮像素子、12…画素アレイ、13…垂直走査回路、14…行選択スイッチ部、15…クリップ部、16…カラムアンプ、17…蓄積信号選択部、18…信号蓄積部、19…水平選択スイッチ部、20…水平走査回路、21…垂直信号線、22…撮像素子制御回路、23…ラインセレクタ、31…撮像光学系、32…固体撮像素子、33…アナログフロントエンド回路、34…画像処理部、35…モニタ、36…記録I/F、37…制御部、38…操作部、39…記憶媒体、PX…画素、IS…定電流源

Claims (11)

  1. 入射光を電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部により変換された電荷をフローティングディフュージョン領域へ転送する転送部と、前記フローティングディフュージョン領域に転送された電荷に応じた画素信号を信号線へ出力する出力部と、を有する画素と、
    前記信号線に接続され、前記信号線の電圧が所定値以下とならないように制限する電圧制限部と、
    前記信号線を介して前記画素信号が入力される信号処理部と、
    前記信号線において前記電圧制限部と前記信号処理部との間に配置され、前記転送部が前記光電変換部により変換された電荷を前記フローティングディフュージョン領域へ転送する期間に前記電圧制限部と前記信号処理部との間を非導通にさせる制御部と、
    を備える固体撮像素子。
  2. 請求項1に記載の固体撮像素子において、
    前記信号処理部は、演算増幅器を含むことを特徴とする固体撮像素子。
  3. 請求項1または請求項2に記載の固体撮像素子において、
    前記電圧制限部は、前記転送部が前記光電変換部で変換された電荷を前記フローティングディフュージョン領域へ転送する期間における前記信号線の電圧が所定値以下とならないように制限することを特徴とする固体撮像素子。
  4. 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の固体撮像素子において、
    前記制御部は、前記転送部が前記光電変換部で変換された電荷を前記フローティングディフュージョン領域へ転送する期間の後に前記電圧制限部と前記信号処理部との間を導通させることを特徴とする固体撮像素子。
  5. 入射光を電荷に変換する第1光電変換部と、前記第1光電変換部で変換された電荷を第1フローティングディフュージョン領域へ転送する第1転送部と、前記第1フローティングディフュージョン領域に転送された電荷に応じた第1画素信号を第1信号線へ出力する第1出力部と、を有する第1画素と、
    入射光を電荷に変換する第2光電変換部と、前記第2光電変換部で変換された電荷を第2フローティングディフュージョン領域へ転送する第2転送部と、前記第2フローティングディフュージョン領域に転送された電荷に応じた第2画素信号を第2信号線へ出力する第2出力部と、を有する第2画素と、
    前記第1信号線に接続され、前記第1信号線の電圧が所定値以下とならないように制限する第1電圧制限部と、
    前記第2信号線に接続され、前記第2信号線の電圧が所定値以下とならないように制限する第2電圧制限部と、
    前記第1信号線を介して前記第1画素信号が入力されるとともに、前記第2信号線を介して前記第2画素信号が入力される信号処理部と、
    前記第1電圧制限部と前記信号処理部との間に配置され、前記第1転送部が前記第1光電変換部により変換された電荷を前記第1フローティングディフュージョン領域へ転送する第1転送期間に前記第1電圧制限部と前記信号処理部との間を非導通にさせ、かつ前記第2電圧制限部と前記信号処理部との間に配置され、前記第2転送部が前記第2光電変換部により変換された電荷を前記第2フローティングディフュージョン領域へ転送する第2転送期間に前記第2電圧制限部と前記信号処理部との間を非導通にさせる制御部と、
    を備える固体撮像素子。
  6. 請求項5に記載の固体撮像素子において、
    前記信号処理部は、演算増幅器を含むことを特徴とする固体撮像素子。
  7. 請求項5または請求項6に記載の固体撮像素子において、
    前記第1電圧制限部は、前記第1転送期間における前記第1信号線の電圧が所定値以下とならないように制限し、
    前記第2電圧制限部は、前記第2転送期間における前記第2信号線の電圧が所定値以下とならないように制限することを特徴とする固体撮像素子。
  8. 請求項5から請求項7のいずれか1項に記載の固体撮像素子において、
    前記制御部は、前記第1転送期間の後に前記第1電圧制限部と前記信号処理部との間を導通させ、かつ前記第2転送期間の後に前記第2電圧制限部と前記信号処理部との間を導通させることを特徴とする固体撮像素子。
  9. 請求項5から請求項8のいずれか1項に記載の固体撮像素子において、
    前記第1画素及び前記第2画素は、それぞれ同一の分光感度を有するフィルタを更に含むことを特徴とする固体撮像素子。
  10. 請求項5から請求項8のいずれか1項に記載の固体撮像素子において、
    前記第1フローティングディフュージョン領域と前記第2フローティングディフュージョン領域とは電気的に接続されていることを特徴とする固体撮像素子。
  11. 請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の固体撮像素子を備えることを特徴とする撮像装置。
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