KR101461155B1 - 고체 촬상장치, 고체 촬상장치의 신호 처리 방법, 및촬상장치 - Google Patents

고체 촬상장치, 고체 촬상장치의 신호 처리 방법, 및촬상장치 Download PDF

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Abstract

화소 어레이부, 구동 수단, 신호 처리 수단, 레벨 판정 수단 및 제어 수단을 포함하는 고체 촬상장치가 개시된다.
Figure R1020080033560
부유 확산 용량, 축적 전하량, 광전 변환, 랜덤 노이즈, 고정 패턴 노이즈

Description

고체 촬상장치, 고체 촬상장치의 신호 처리 방법, 및 촬상장치{SOLID-STATE IMAGING DEVICE, SIGNAL PROCESSING METHOD FOR THE SAME, AND IMAGING APPARATUS}
본 발명은 고체 촬상장치, 고체 촬상장치의 신호 처리 방법, 및 촬상장치에 관한 것이다.
본 발명은 일본 특허청에 2007년 4월 23일에 제출된 일본 특허 출원 JP 2007-112650호와 관련된 주제를 포함하며, 그 전체 내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.
도 36은 고체 촬상장치의 단위 화소(100)의 구성의 일례를 도시한다. 이런 예와 같이, 광전 변환소자(101)에서의 광전변환을 통해 획득된 신호 전하를 전송하기 위한 전송 트랜지스터(102)를 가지는 단위 화소(100)에 있어서, 단위 화소의 부유 확산(Floating Diffusion) 용량(FD)(106)으로 전송될 수 있는 최대 축적 전하량(Qfd.max)은 수광부로서의 광전 변환소자(101)의 최대 축적 전하량(Qpd.max) 보다도 충분히 크게 된다. 이에 따라, 광전 변환소자(101)에서의 잔류 전하를 제거함 으로써, 광전 변환소자(101)로부터 부유 확산 용량(106)으로의 완전 전송이 실현된다.
전술된 바와 같은 방식으로, 광전 변환소자(101)에서의 광전변환을 통하여 획득된 신호 전하에 대한 완전 전송이 실현되고, 그 결과 화상 촬영시의 잔상이 방지되고, 입사광의 휘도와 센서 출력 신호 사이의 양호한 선형성이 실현될 수 있다. 이와 관련하여, 본 예의 단위 화소(100)는 전송 트랜지스터(102)에 더하여 리셋 트랜지스터(103), 증폭 트랜지스터(104) 및 화소 선택 트랜지스터(105)를 포함한다.
그러나, 도 36에 도시된 단위 화소(100)는 하기의 문제점을 내포하고 있다.
(1) 부유 확산 용량(106)의 최대 축적 전하량(Qfd.max)이 광전 변환소자(101)의 최대 축적 전하량(Qpd.max) 보다도 커야 하기 때문에, 전하-전압 변환 효율을 향상시키기 위한 부유 확산 용량(106)의 전기 용량의 감소에 제한이 있다.
(2) 상기와 같은 동일한 이유로, 부유 확산 용량(106)의 리셋 전압으로서 사용되는 전원 전압(Vdd)의 감소가 부유 확산 용량(106)의 최대 축적 전하량(Qfd.max)의 감소를 초래하기 때문에, 전원 전압(Vdd)의 하강에 제한이 있다.
다음에, 지금까지, 전술한 문제점 (1) 및 (2)은 다음과 같은 방식으로 해결된다. 즉, 최대 축적 전하량(Qfd.max)이 전하-전압 변환 효율을 향상시키기 위한 부유 확산 용량(106)의 전기 용량의 감소에 기인하여 작아질 때, 또는 최대 축적 전하량(Qfd.max)이 리셋 전압(전원 전압)(Vdd)의 하강에 기인하여 작아질 때, 전하 전송, 신호 판독, 및 부유 확산 용량(106)의 리셋이 실행된 후, 광전 변환소자(101)에 잔류하는 전하는 전송 트랜지스터(102)가 전송할 수 있는 전하보다 많기 때문에 신호를 판독하기 위하여 재전송된다. 이에 따라, 광전 변환소자(101)에 축적된 모든 전하는 복수의 배치(batch)로 판독된다. 예를 들면, 이런 기술은 일본 특허공개공보 제2001-177775호에 개시되어 있다.
그러나, 상기 종래기술에서와 같이, 전하는 복수의 배치로 전송되고, 복수의 배치로 전송된 전하는 무조건적으로 서로 가산되어 출력되며, 특히 입사광 휘도가 낮을 때, 신호 레벨이 낮음에도 불구하고 신호 레벨이 높은 경우와 유사하게 랜덤 노이즈 및 고정 패턴 노이즈가 각각 필연적으로 가산된다. 그 결과, 신호 전하가 복수의 배치로 분할되지 않고 판독되는 경우와 비교하여, 랜덤 노이즈 및 고정 패턴 노이즈가 한층 더 증가하고, 결과적으로 화질이 열화된다.
예를 들면, 1 배치의 신호 전하 판독에서의 랜덤 노이즈가 NRN일 때, 1 배치의 신호 전하 판독에서의 고정 패턴 노이즈가 NFPN일 때, n 배치에서 랜덤 노이즈 및 고정 패턴 노이즈를 판독하고 이들을 서로 가산함으로써 획득되는 노이즈는 각각 고정 패턴 노이즈(NFPN)의 ｎ배와, 랜덤 노이즈(NRN)의
Figure 112008025880218-pat00001
배의 제곱 평균에 의해 표현된다.
전술한 견지에서, 그러므로, 모든 축적 전하가 1회의 판독 동작을 통해 출력될 수 없을 때, 복수의 배치로 모든 축적 전하를 전송하기 위한 구성에 있어서, 특히 낮은 입사광 휘도를 가지는 영역(저휘도 영역)에서 높은 S/N비를 실현할 수 있는 고체 촬상장치, 고체 촬상장치의 신호 처리 방법, 및 촬상장치를 제공하는 것이 요구된다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 광신호를 신호 전하로 변환하도록 구성된 광전 변환부와, 상기 광전 변환부에서 광전변환된 신호 전하를 전송하도록 구성된 전송 소자와, 상기 전송 소자에 의해 전송된 신호 전하를 출력하도록 구성된 출력 수단을 포함하는 단위 화소가 행렬 모양으로 배치됨으로써 구성되는 화소 어레이부, 1단위의 축적 기간 동안 상기 광전 변환부에 축적되고 상기 전송 소자에 의해 상기 출력 수단을 통해 적어도 2배치로 전송되는 신호 전하를 판독하도록 구성된 구동수단, 상기 단위 화소로부터 분할하여 판독된 복수의 출력 신호에 대하여 가산 처리를 행하도록 구성된 신호 처리 수단, 상기 복수의 출력 신호의 각 신호 레벨을 참조 레벨과 비교하도록 구성된 레벨 판정 수단, 및 상기 레벨 판정 수단의 판정 결과에 따라 상기 복수의 출력 신호 중에서 상기 참조 레벨 이상의 신호 레벨을 가지는 출력 신호에 대하여 상기 가산 처리를 실행시키도록 구성된 제어 수단을 구비한 고체 촬상장치가 제공된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 광신호를 신호 전하로 변환하도록 구성된 광전 변환부와, 상기 광전 변환부에서 광전변환된 신호 전하를 전송하도록 구성된 전송 소자와, 상기 전송 소자에 의해 전송된 신호 전하를 출력하도록 구성된 출력 수단을 포함하는 단위 화소가 행렬 모양으로 배치됨으로써 구성되는 화소 어레이부, 1단위의 축적 기간 동안 상기 광전 변환부에 축적되고 상기 전송 소자에 의해 상기 출력 수단을 통해 적어도 2배치로 전송되는 신호 전하를 판독하도록 구성된 구동수단을 포함하고, 상기 단위 화소로부터 분할하여 판독된 복수의 출력 신호에 대하여 가산 처리를 행하는 고체 촬상장치의 신호 처리 방법에 있어서, 상기 복수의 출력 신호의 각 신호 레벨을 참조 레벨과 비교하는 단계, 및 비교 결과에 따라 상기 복수의 출력 신호 중에서 상기 참조 레벨 이상의 신호 레벨의 출력 신호에 대하여 상기 가산 처리를 실행하는 단계를 포함하는 고체 촬상장치의 신호 처리 방법이 제공된다.
본 발명의 또다른 실시예에 따르면, 광신호를 신호 전하로 변환하도록 구성된 광전 변환부와, 상기 광전 변환부에서 광전변환된 신호 전하를 전송하도록 구성된 전송 소자와, 상기 전송 소자에 의해 전송된 신호 전하를 출력하도록 구성된 출력 수단을 포함하는 단위 화소가 행렬 모양으로 배치됨으로써 구성되는 고체 촬상장치; 및 입사광을 상기 고체 촬상장치의 촬상 영역 상에 결상하는 광학계를 포함하는 촬상장치로서, 상기 고체 촬상장치는, 1단위의 축적 기간 동안 상기 광전 변환부에 축적되고 상기 전송 소자에 의해 상기 출력 수단을 통해 적어도 2배치로 전송되는 신호 전하를 판독하도록 구성된 구동수단, 상기 단위 화소로부터 분할하여 판독된 복수의 출력 신호에 대하여 가산 처리를 행하도록 구성된 신호 처리 수단, 상기 복수의 출력 신호의 각 신호 레벨을 참조 레벨과 비교하도록 구성된 레벨 판정 수단, 및 상기 신호 처리 수단에 상기 레벨 판정 수단으로부터 얻어진 판정 결과에 따라 상기 복수의 출력 신호 중에서 상기 참조 레벨 이상의 신호 레벨을 가지는 출력 신호에 대하여 상기 가산 처리의 실행을 지시하도록 구성된 제어 수단을 포함하는 촬상장치가 제공된다.
본 발명에 따르면, 1회의 판독 동작으로 출력될 수 없는 축적 전하가 복수의 배치로 전송되는 경우에, 입사광 휘도가 낮을 때, 고정 패턴 노이즈와 랜덤 노이즈가 적산되지 않도록 하고, 특히 저휘도 측에서 높은 S/N비가 실현될 수 있다. 따라서, 촬영 화상의 화질이 향상될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
(제1 실시형태)
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 고체 촬상장치, 예를 들면 CMOS 이미지 센서의 구성을 나타내는 시스템 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시형태의 CMOS 이미지 센서(10A)는 화소 어레이부(11), 및 그것의 주변 회로를 포함한다. 이 경우에, 화소 어레이부(11)는 광전 변환 소자를 각각 포함하는 단위 화소(이하, 간단히 "화소"로 참조된다)(20)가 행렬 모양으로 2차원적으로 배치되도록 구성된다. 화소 어레이부(11)의 주변회로로서, 예를 들면 수직 주사 회로(12), 수평 주사 회로(13), 칼럼 신호 선택회로(14), 및 신호 처리 회로(15) 등이 설치된다.
화소 어레이부(11) 내의 화소(20)의 행렬 모양 배열에 대하여, 수직 신호선(111)이 화소열 마다 배선되고, 구동 제어선, 예를 들면 전송 제어선(112), 리셋 제어선(113), 및 선택 제어선(114)이 화소 행 마다 배선된다.
수직 신호선(111)의 일단에는 각각 정전류원(16)이 접속되어 있다. 정전류원(16)을 사용하는 대신에, 예를 들면 바이어스 전압(Vbias)으로 게이트가 바이어 스되는 전류 바이어스용 트랜지스터가 사용될 수 있다. 이 경우에, 전류 바이어스용 트랜지스터는 후술하는 증폭 트랜지스터(24)와 함께 소스 팔로우어(source follower) 회로를 구성한다(도 2 참조).
수직 주사 회로(12)는 시프트 레지스트 또는 어드레스 디코더 등으로 구성된다. 부가적으로, 화소 어레이부(11)의 화소(20)를 전자 셔터(electronic shutter) 행과 판독 행의 각각에 대해 행 단위로 수직방향으로 주사하면서, 수직 주사 회로(12)는 전자 셔터 행에 속하는 그 행의 화소(20)에서 신호를 스위핑 오프(sweeping off) 하기 위한 전자 셔터 동작을 행하며, 판독 행에 속하는 그 행의 화소(20)에서 신호를 판독하기 위한 판독 동작을 행한다.
여기에서, 도시가 생략되었지만, 수직 주사 회로(12)는 판독 주사계, 및 전자 셔터 주사계를 포함한다. 이 경우에, 판독 주사계는 화소(20)를 행단위로 순차적으로 선택하면서 판독 행에 속하는 화소(20)에서 신호를 판독하는 판독 동작을 수행한다. 또한, 전자 셔터 주사계는 판독 주사계에 의한 판독 주사 이전에 셔터 속도에 대응하는 시간만큼 동일한 행(전자 셔터 행)에 대하여 전자 셔터 동작을 수행한다.
또한, 제1 타이밍에서 제2 타이밍까지의 기간은 각 화소(20) 내의 신호 전하에 대한 1단위의 축적 기간(노출 기간)이 된다. 여기에서, 제1 타이밍에서, 광전 변환부의 불필요한 전하가 전자 셔터 주사계에 의한 셔터 주사를 통해 리셋된다. 또한, 제2 타이밍에서, 상기 화소에서의 신호가 판독 주사계에 의한 판독 주사를 통하여 각각 판독된다. 즉, 전자 셔터 동작은 광전 변환부에 축적된 신호 전하를 리셋(스위핑 오프)시키고, 그 신호 전하의 리셋 완료후 새롭게 신호 전하의 축적을 시작하는 동작을 의미한다.
수평 주사 회로(13)는 시프트 레지스터 또는 어드레스 디코더 등으로 구성된다. 수평 주사 회로(13)는 화소 어레이부(11)의 각 화소 칼럼을 순차적으로 수평 주사한다. 칼럼 신호 선택회로(14)는 수평 선택 스위치, 수평 신호선 등으로 구성된다. 칼럼 신호 선택회로(14)는 화소 어레이부(11)로부터 화소 행 마다 수직 신호선(111)을 통하여 출력되는 개별 화소(20)의 신호를 수평 주사 회로(13)에 의한 수평 주사 동작과 동기하여 순차 출력한다.
신호 처리 회로(15)는 칼럼 신호 선택회로(14)로부터 화소 단위로 출력되는 화소(20)의 신호에 대하여 노이즈 제거, 아날로그-디지털(A/D) 변환, 가산 처리 등의 각종 신호 처리를 실행한다. 본 실시예는 상기 신호 처리 회로(15)의 구성 및 동작에 특징을 가진다. 본 실시예의 특징에 대한 상세가 후술될 것이다.
수직 주사 회로(12), 수평 주사 회로(13), 신호 처리 회로(15) 등의 동작의 기준이 되는 타이밍 신호와 제어신호는 타이밍 제어회로(도시하지 않음)에서 생성된다는 점을 언급한다.
(화소 회로)
도 2는 단위 화소(20)의 회로 구성의 일례를 도시하는 회로도이다. 본 예의 단위 화소(20)는 매립형 포토다이오드와 같은 광전 변환소자(광전 변환부)(21)에 더하여, 예를 들면 전송 트랜지스터(전송 소자)(22), 리셋 트랜지스터(23), 증폭 트랜지스터(24), 및 선택 트랜지스터(25)의 4개의 트랜지스터를 포함하는 화소 회 로로서 구성된다. 이 경우에, 상기 4개의 트랜지스터(22 내지 25)로서, 예를 들면 N채널의 MOS 트랜지스터가 사용되고 있지만, 본 발명은 이런 구성에 한정되는 것이 아니다.
전송 트랜지스터(22)는 광전 변환소자(21)의 캐소드 전극과 부유 확산 용량(FD)(26) 사이에 접속된다. 전송 트랜지스터(22)는 그것의 게이트 전극(제어 전극)에 전송 펄스(TRG)를 공급함으로써 광전 변환소자(21)에서의 광전 변환을 통해 축적된 신호 전하(여기에서, 전자)를 부유 확산 용량(26)에 전송한다. 그러므로, 부유 확산 용량(26)은 신호 전하를 전압 신호로 변환하는 전하-전압 변환부로서 기능한다.
리셋 트랜지스터(23)의 드레인 전극은 전원 전압(Vdd)을 공급하는 화소 전원에 접속되고, 그 소스 전극은 부유 확산 용량(26)의 접지단 반대편의 일단에 접속된다. 광전 변환소자(21)로부터 부유 확산 용량(26)으로의 신호 전하의 전송에 앞서, 리셋 트랜지스터(23)는 게이트 전극에 리셋 펄스(RST)가 공급됨에 따라 부유 확산 용량(26)의 전위를 리셋 전압(Vrst)으로 리셋한다.
증폭 트랜지스터(24)의 게이트 전극은 부유 확산 용량(26)의 일단에 접속되고, 그 드레인 전극은 전원 전압(Vdd)을 공급하는 화소 전원에 접속된다. 증폭 트랜지스터(24)는 리셋 트랜지스터(23)에 의해 리셋된 후 부유 확산 용량(26)의 전위를 리셋 레벨을 가지는 신호로 출력하고, 전송 트랜지스터(22)에 의해 신호 전하가 부유 확산 용량(26)으로 전송된 후 부유 확산 용량(26)의 전위를 신호 레벨을 가지는 신호로 출력한다.
예를 들면, 선택 트랜지스터(25)의 드레인 전극은 증폭 트랜지스터(24)의 소스 전극에 접속되고, 그 소스 전극은 수직 신호선(111)에 접속된다. 선택 트랜지스터(25)는 화소(20)를 선택 상태로 설정하기 위하여 그 게이트 전극에 선택 펄스(SEL)가 공급됨에 따라 온 상태가 되고, 그 결과 증폭 트랜지스터(24)로부터 출력되는 신호를 수직 신호선(111)으로 출력한다. 또한, 선택 트랜지스터(25)는 화소 전원(Vdd)과 증폭 트랜지스터(24)의 드레인 전극 사이에 접속한 구성을 이용할 수 있다.
여기에서, 본 발명의 실시예가 전송 트랜지스터(22), 리셋 트랜지스터(23), 증폭 트랜지스터(24) 및 선택 트랜지스터(25)를 가지는 4개의 트랜지스터 구성의 단위 화소(20)를 가지는 CMOS 이미지 센서에 적용할 경우가 예로 주어졌지만, 본 발명은 이런 적용 예에 한정되는 것이 아니다.
구체적으로, 도 2에 도시된 선택 트랜지스터(25)가 생략되고, 전원 전압(SELVdd)이 가변할 수 있도록 하여, 증폭 트랜지스터(24)에 선택 트랜지스터(25)의 기능을 제공한, 도 3에 도시된 바와 같은 3개의 트랜지스터 구성을 가지는 단위 화소(20)를 포함하는 CMOS 이미지 센서, 도 4에 도시된 바와 같은 부유 확산 용량(FD)과 판독 회로(200)가 복수의 화소에서 공유되는 구성을 채용하는 CMOS 이미지 센서 등에도 적용가능하다.
상기 구성을 가지는 CMOS 이미지 센서(10A)에 있어서, 단위 화소(20)의 각 구성 소자(전송 트랜지스터(22), 리셋 트랜지스터(23), 및 선택 트랜지스터(25))를 구동하는 수직 주사 회로(12)는 구동 섹션을 구성한다. 이 경우에, 1단위의 축적 기간 동안에 광전 변환소자(21)에 축적된 신호 전하는 전송 트랜지스터(22)에 의해 적어도 2배치로 분할된다. 그러므로, 상기 구동 섹션은 출력 섹션(리셋 트랜지스터(23), 부유 확산 용량(26), 증폭 트랜지스터(24), 및 선택 트랜지스터(25)로 구성됨)을 통한 수직 신호선(111)으로의 분할 전송에 기초하여 신호 전하를 판독한다.
(분할 전송)
상기 구성을 가지는 CMOS 이미지 센서(10A)는 수직 주사 회로(12)로부터 적당하게 출력되는 전송 펄스(TRG), 리셋 펄스(RST) 및 선택 펄스(SEL)에 의한 구동하에서, 1단위의 축적 기간 동안에 광전 변환소자(21)에 축적된 신호 전하를 적어도 2배치로 부유 확산 용량(26)으로 전송하고(분할 전송에 기초하여), 증폭 트랜지스터(24)를 통하여 수직 신호선(111)에서 광전 변환소자(21)에서의 광전 변환을 통해 획득된 전압 신호를 판독하는 동작을 화소 행 단위로 수행한다. 또한, 분할 전송에 기초한 단위 화소(20)로부터 판독된 복수의 신호는 후단의 신호 처리 회로(15)에서 가산 처리된다.
여기에서, 도 5는 일례로서 분할 전송이 4분할로 수행될 경우의 리셋 펄스(RST) 및 전송 펄스(TRG)의 타이밍 관계를 나타낸다. 부가적으로, 도 6은 입사광 휘도가 높을 경우의 동작을 설명하는 에너지 도를 나타내고, 도 7은 입사광 휘도가 낮을 경우의 동작을 설명하는 에너지 도를 나타낸다. 도 6 및 도 7에서, 각 동작 (1) 내지 (15)은 도 5의 각 기간 (1) 내지 (15)에 대응된다.
신호 전하가 4배치로 전송될 경우, 각각의 전하 전송 동작으로 판독되는 Qfd1, Qfd2， Qfd3, Qfd4의 양을 가지는 전하가 Qpd(= Qfd1 + Qfd2 + Qfd3 + Qfd4)의 양을 가지는 축적 전하를 얻도록 서로 가산된다. 부가적으로, 입사광 휘도가 높고, 광전 변환소자(21)가 그 내부에 다량의 전하를 축적하고 있는 화소에 있어서, 도 6에 도시된 바와 같이, 4분할 및 가산이 수행되기 때문에 Qpd의 양을 가지는 모든 축적 전하가 판독될 수 있다.
<분할 전송에서의 문제점>
한편, 입사광 휘도가 낮고, 광전 변환소자(21)가 그 내부에 소량의 전하를 축적하고 있는 화소에 있어서, 도 7에 도시된 바와 같이, 모든 축적 전하는 본 예에서 최초의 몇차례 전송 동작(최초의 2회째의 전송 동작)으로 판독된다. 이에 따라, 본 예에서 나중의 몇차례 전송 동작(나중의 2회째의 전송 동작)에 대해서 출력되어야 할 신호 전하가 없다.
이에 따라, 특히 입사광 휘도가 낮은 경우에, 신호 레벨이 작더라도, 랜덤 노이즈와 고정 패턴 노이즈는 각각 신호 레벨이 클 경우와 유사하게 가산된다. 그러므로, 랜덤 노이즈와 고정 패턴 노이즈는 판독 동작이 분할없이 수행되는 경우와 비교할 때 훨씬 증가하며, 그 결과 화질을 열화시킨다.
<본 실시예의 특징부>
한편, 본 실시예의 CMOS 이미지 센서(10A)에 있어서, 신호 레벨이 참조 레벨 이상일 경우에, 가산 처리 또는 AD 변환 처리가 실행된다. 그러므로, 개별 분할 전송 동작에서의 각각의 최대값, 즉 1회째의 전송 동작으로 전송될 수 있는 최대 전하량(Qfd1.max), 2회째의 전송 동작으로 전송될 수 있는 최대 전하량(Qfd2.max), … 이하의 출력이 얻어지는 경우에, Qpd의 양을 가지는 모든 축적 전하의 판독을 위한 판독 동작이 완료된다고 판정된다. 다음에, 관련된 분할 전송 동작 이후에 다음의 가산 처리 또는 AD 변환 처리가 정지된다. 그 제어는 전술한 바와 같은 방식으로 수행된다. 이것이 본 실시예의 CMOS 이미지 센서(10A)의 특징이다.
최대값(Qfd.max)은 도 8a에 도시된 바와 같이 광전 변환부(광전변환 소자(21))에 의해 취급될 수 있는 최대 전하량(Qpd.max)이 분할 전송에 기초하여 전송될 때 전송되는 전하량이 된다.
예를 들면, Qpd > Qfd1.max가 될 때, 또한 Qpd < Qfd1.max ＋ Qfd2.max가 될 때, 도 8b에 도시된 바와 같이 Qfd1(=Qfd1.max)의 양을 가지는 전하가 1회째의 판독 동작으로 판독되며, Ｑfd2(=Qpd-QQfd1)의 양을 가지는 나머지 전하가 2회째의 판독 동작으로 판독된다.
후술하는 레벨 판정부는 Qfd2 < Qfd2.max의 관계가 확립되었는지 판정하며, 2회째의 가산 처리 또는 A/D 변환 처리후에, 다음의 3회째, 4회째의 가산 처리 또는 A/D 변환 처리가 정지된다. 그 결과, Qfd1의 양을 가지는 전하와 Qfd2의 전하를 가지는 전하를 서로 가산함으로써 얻어지는 Ｑpd의 양을 가지는 전하가 판독될 수 있으며, 또한 3회째, 4회째 가산 처리 또는 A/D 변환 처리에서 노이즈 성분의 가산을 방지하는 것이 가능하다.
<본 실시예의 효과>
도 9는 본 실시예의 CMOS 이미지 센서(10A)의 효과의 예를 도시하는 그래프이다. 즉, 도 9는 광전 변환부에 축적된 최대 전하량이 10,000전자일 때 축적 전하 와 S/N비(dB)의 관계를 보이고 있다. 또한, 일반적으로, 최대 축적 전하량에 도달할 때까지 축적 전하량은 입사광 강도에 비례한다.
이 경우에, 판독 동작에서의 고정 패턴 노이즈는 2e-에 상응하고, 판독 동작에서의 랜덤 노이즈는 7e-에 상응하며, 축적 전하에 상응하는 광 숏(shot) 노이즈가 노이즈 성분으로서 포함된다. 광 숏 노이즈는 축적 전하량의 평방제곱의 형태로 발생한다고 일반적으로 알려져 있다. 또한, 도 9를 참조하면, 광 숏 노이즈만이 노이즈 성분으로서 포함될 경우의 이론적 특성이 직선의 형태로 도시된다.
종래의 4분할 전송과 가산 처리에 있어서, 축적 전하량이 작아도 판독 동작의 고정 패턴 노이즈와 랜덤 노이즈가 분할 수에 따라 각각 가산된다. 그 결과, 도 9에 도시된 바와 같이, 특성이 현저하게 열화된다.
한편, 본 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서(10A)에 있어서, 입사광의 휘도가 낮을 때, 단지 판독 동작에 필요한 횟수에 대하여만 가산 처리가 실행된다. 그러므로, 판독 동작에서의 고정 패턴 노이즈와 랜덤 노이즈의 영향이 작아지기 때문에, 특히 저휘도 측에서 높은 S/N비가 실현될 수 있다. 결과적으로, 화질이 향상될 수 있다.
이하에서, 각각의 1회째의 전송 동작으로 전송될 수 있는 최대 전하량(Qfd1.max), 2회째의 전송 동작으로 전송될 수 있는 최대 전하량(Qfd2.max), …… 이하의 출력이 얻어질 경우에, Qpd의 양을 가지는 모든 축적 전하의 판독을 위한 판독 동작이 완료되었는지 판정하고, 관련된 가산 처리 또는 A/D 변환 처리 이 후의 다음의 가산 처리 또는 A/D 변환 처리가 정지되는 제어를 수행하기 위한 신호 처리 회로(15)의 구체적인 실시예에 관하여 설명한다.
(실시예 1)
도 10은 실시예 1의 신호 처리 회로(15A)의 구성의 일례를 도시하는 블럭도이다. 실시예 1의 신호 처리 회로(15A)는 노이즈 제거부(151), A/D 변환부(152), 레벨 판정부(153), 처리 정지부(154) 및 가산부(156)를 포함한다.
노이즈 제거부(151)는 예를 들면 CDS(Correlated Double Sampling ; 상관 이중 샘플링) 회로를 포함하고 있다. 노이즈 제거부(151)는 단위 화소(20)로부터 순차적으로 공급되는 리셋 레벨과 신호 레벨 사이의 차분을 순차적으로 획득하고, 그 결과 리셋 노이즈와 증폭 트랜지스터(24)의 임계치 격차 등에 기인한 각 화소 고유의 고정 패턴 노이즈를 제거한다.
분할 전송에 기초하여 전송되어 노이즈 제거부(151)에서 노이즈가 제거된 아날로그 출력 신호는 A/D 변환부(152) 및 레벨 판정부(153)에 각각 공급된다. A/D 변환부(152)는 거기에 공급되는 아날로그 출력 신호를 A/D 변환을 통하여 디지털 신호로 변환한다.
레벨 판정부(153)는 노이즈 제거후의 신호 레벨을 참조 레벨과 비교하고, 아날로그 신호 레벨이 참조 레벨 이하라고 판정될 때 판정 결과를 출력하며, 판정 결과를 처리 정지신호의 형태로 처리 정지부(154)에 공급한다. 레벨 판정부(153)의 구체적인 구성은 후술될 것이다. 참조 레벨은 1회째의 전송 동작으로 전송될 수 있는 최대 전하량(Qfd1.max), 2회째의 전송 동작으로 전송될 수 있는 최대 전하 량(Qfd2.max), ……에 대응하도록 각각 설정된다.
판정 결과가 레벨 판정부(153)로부터 공급될 때, 처리 정지부(154)는 가산부(156)에 분할 전송에 따라 A/D 변환부(152)로부터 출력되는 디지털 신호에 대해 그 내부에서 실행되는 가산 처리를 정지하도록 지시한다. 가산부(156)에 대한 입력을 0으로 설정하는 기술, 가산부(156)에 대한 제어신호 또는 클록을 정지시키는 기술, 가산부(156)가 인에이블 신호에 응답하여 가산 처리를 행하는 구성을 채용한 경우에 인에이블 신호의 공급을 정지하는 기술 등이 처리 정지부(154)에 의한 가산 처리를 정지하는 기술로서 예측된다.
가산 처리가 처리 정지부(154)로부터 출력된 명령에 따라 정지될 때, 가산부(156)는 가산 처리의 실행을 정지한다(0을 가산할 경우도 가산 처리의 정지의 개념에 포함하는 것으로 한다). 그러나, 상기 경우의 이외에는, 가산부(156)는 분할 전송에 따라 A/D 변환부(152)로부터 순차적으로 공급되는 디지털 신호를 가산하여 1화소의 화소신호의 형태로 결과 신호를 출력하는 처리를 수행한다.
상기 구성의 신호 처리 회로(15A)에 있어서, 노이즈 제거부(151), A/D 변환부(152), 레벨 판정부(153), 처리 정지부(154), 및 가산부(156)는 예를 들면 화소 어레이부(11)와 같은 반도체 기판 상에 서로 집적된다.
그러나, 노이즈 제거부(151), A/D 변환부(152), 레벨 판정부(153), 처리 정지부(154), 및 가산부(156)의 모두가 화소 어레이부(11)와 같은 반도체 기판에 집적될 필요는 없다. 즉, 이들 중 하나 또는 모두가 다른 반도체 기판 상에 집적될 수 있다.
(실시예 2)
도 11은 실시예 2의 신호 처리 회로(15B)의 구성의 일례를 도시하는 블럭도이다. 도면 중에, 도 10과 관련하여 전술된 것과 동일한 부분에는 동일한 참조 부호가 각각 부여된다.
본 실시예 2의 신호 처리 회로(15B)는 A/D 변환부(152), 레벨 판정부(153), 처리 정지부(154), 및 가산부(156)를 포함한다. 또한, 노이즈 제거부(151)에 대하여, 실시예 2의 신호 처리 회로(15B)는 노이즈 제거부(151)가 화소 어레이부(11)의 화소열에 대응하도록 서로 병렬로 제공되는 구성을 채용하고 있다.
이 경우에, 노이즈 제거부(151)가 화소열에 대응하도록 서로 병렬로 제공되는 되는 구성이 채용되더라도, 임의 다른 적당한 구성도 채용될 수 있다. 즉, A/D 변환부(152), 레벨 판정부(153), 처리 정지부(154), 및 가산부(156) 중 어느 하나 또는 모두가 화소열에 대응하도록 서로 병렬로 제공되는 구성도 채용될 수 있다.
(실시예 3)
도 12는 실시예 3의 신호 처리 회로(15C)의 구성의 일례를 도시하는 블럭도이다. 도면 중에, 도 10과 관련하여 전술된 것과 동일한 부분에는 동일한 참조 부호가 각각 부여된다.
본 실시예 3의 신호 처리 회로(15C)는 다음의 구성을 채용하고 있다. 즉, 처리 정지부(154)는 A/D 변환부(152)의 전단측에 배치된다. 또한, 판정 결과가 레벨 판정부(153)로부터 처리 정지신호의 형태로 처리 정지부(154)에 공급될 때, 처리 정지부(154)는 A/D 변환부(152)에 A/D 변환 처리를 정지하도록 지시한다.
A/D 변환부(152)에 대한 입력을 0으로 설정하는 기술, A/D 변환부(152)에 대한 제어신호 또는 클록을 정지시키는 기술, A/D 변환부(152)가 인에이블 신호에 응답하여 가산 처리를 행하는 구성을 채용한 경우에 인에이블 신호의 공급을 정지하는 기술 등이 처리 정지부(154)에 의한 A/D 변환 처리를 정지하는 기술로서 예측된다.
또한, 노이즈 제거부(151)가 실시예 1의 경우와 같이 신호 처리 회로(15C) 내에 배치되는 구성이 채용될 수 있다.
(실시예 4)
도 13은 실시예 4의 신호 처리 회로(15D)의 구성의 일례를 도시하는 블럭도이다. 도면 중에, 도 10과 관련하여 전술된 것과 동일한 부분에는 동일한 참조 부호가 각각 부여된다.
실시예 4의 신호 처리 회로(15D)는 A/D 변환부(152)에서의 AD 변환을 통하여 얻어진 디지털 값을 참조 레벨과 비교하는 구성을 채용하고 있다. 또한, 판정 결과가 레벨 판정부(153)로부터 처리 정지부(154)에 처리 정지신호의 형태로 공급될 때, 처리 정지부(154)는 가산부(156)에 실시예 1의 경우와 유사하게 가산 처리를 정지하도록 지시한다.
가산부(156)에 대한 입력을 0으로 설정하는 기술, 가산부(156)에 대한 제어신호 또는 클록을 정지시키는 기술, 가산부(156)가 인에이블 신호에 응답하여 가산 처리를 행하는 구성을 채용한 경우에 인에이블 신호의 공급을 정지하는 기술 등이 실시예 1의 경우와 유사하게 처리 정지부(154)에 의한 가산 처리를 정지하는 기술 로서 예측된다.
또한, 노이즈 제거부(151)가 실시예 1의 경우와 같이 신호 처리 회로(15C) 내에 배치되는 구성이 채용될 수 있다.
(실시예 5)
도 14는 실시예 5의 신호 처리 회로(15E)의 구성의 일례를 도시하는 블럭도이다. 도면 중에, 도 10과 관련하여 전술된 것과 동일한 부분에는 동일한 참조 부호가 각각 부여된다.
실시예 5의 신호 처리 회로(15E)는 다음의 구성을 채용하고 있다. 즉, 레벨 판정부(153)는 A/D 변환부(152)에서의 AD 변환을 통하여 얻어진 디지털 값을 참조 레벨과 비교한다. 처리 정지부(154)는 A/D 변환부(152)의 전단측에 배치된다. 판정 결과가 레벨 판정부(153)로부터 처리 정지신호의 형태로 처리 정지부(154)에 공급될 때, 처리 정지부(154)는 분할 전송되어서 판독되는 다음의 하나 또는 다음의 모든 출력 신호에 대하여 A/D 변환부(152)에 AD 변환 처리를 정지하도록 지시한다.
A/D 변환부(152)에 대한 입력을 0으로 설정하는 기술, A/D 변환부(152)에 대한 제어신호 또는 클록을 정지시키는 기술, A/D 변환부(152)가 인에이블 신호에 응답하여 가산 처리를 행하는 구성을 채용한 경우에 인에이블 신호의 공급을 정지하는 기술 등이 실시예 3의 경우와 유사하게 처리 정지부(154)에 의한 가산 처리를 정지하는 기술로서 예측된다.
또한, 노이즈 제거부(151)가 실시예 1의 경우와 같이 신호 처리 회로(15C) 내에 배치되는 구성이 채용될 수 있다.
상기한 바와 같이, 분할하여 전하 전송 및 신호 출력을 행하는 CMOS 이미지 센서(10A)에 있어서, 광전 변환소자(21)의 모든 축적 전하가 1회의 판독 동작으로 판독될 수 없을 경우에, 분할 전송에 기초하여 단위 화소(20)로부터 출력된 신호가 서로 가산될 경우에, 각 출력 신호의 레벨이 참조 레벨 이상일 때에 가산 처리가 행해지며, 나머지 출력 신호의 각 레벨이 참조 레벨 이하일 때에 광전 변환소자(21)는 광전 변환소자(21)의 축적 전하가 모두 판독되는 상태(또는 나머지의 전하량이 적은 상태)에 있다. 그러므로, 가산 처리는 그 이후의 다음의 판독 동작에 있어서 정지된다. 그 결과, 특히 입사광의 휘도가 낮을 때, 단지 판독 동작에 필요한 횟수에 대하여만 가산 처리가 실행된다. 그러므로, 판독 동작에서의 고정 패턴 노이즈와 랜덤 노이즈가 가산되는 것이 방지되어, 고정 패턴 노이즈와 랜덤 노이즈의 영향이 작아지고, 특히 저휘도측에서 높은 S/N비가 실현되고, 촬영화상의 화질이 향상될 수 있다.
부가적으로, 참조 레벨에 대하여, 이전에 언급한 대로, ｎ회째의 판독 동작에 대응하여 전송될 수 있는 최대 전하량은 Qfdn.max로서 설정된다. 그러므로, 대응하는 출력 신호의 레벨이 최대 전하량(Qfdn.max) 이하이면, 처리 정지신호가 발생된다. 그러나, 화소의 특성 편차 등을 고려하여 특정 마진(ΔQ)을 설정하고, 최대 전하량(Qfdn.max) 보다도 낮은 전하량(Ｑfdn.max - ΔQ)을 참조 레벨로서 설정하는 것이 바람직하다.
상기 실시예 1 내지 실시예 5의 신호 처리 회로(15A 내지 15E)에 있어서, 처리 정지부(154)는 레벨 판정부(153)로부터 얻어진 판정 결과에 기초하여 분할 전송 에 의해 단위 화소(20)로부터 판독되는 복수의 출력 신호 중에서 참조 레벨 이상의 신호 레벨을 가지는 출력 신호에 대하여 가산 처리를 실행하도록 레벨 판정부(153)에 지시하고, 특히 복수의 출력 신호의 각 신호 레벨이 참조 레벨 이상일 때 가산부(156)에 가산 처리를 실행하도록 지시하고, 또한 복수의 출력 신호의 각 신호 레벨이 참조 레벨 이하일 때 가산부(156)에 가산 처리를 정지하도록 지시하는 제어 섹션을 구성한다.
상기 실시예 1 내지 실시예 5에서, 복수의 출력 신호의 각 신호 레벨이 참조 레벨 이하일 때, 다음 이후의 출력 신호에 대한 가산 처리가 모두 정지되는 경우를 예로 들어서 설명했지만, 다음 이후의 출력 신호에 대한 가산 처리가 적어도 1회 정지될 경우에도, 그 때의 고정 패턴 노이즈와 랜덤 노이즈는 가산되지 않는다. 그 결과, 고정 패턴 노이즈와 랜덤 노이즈의 영향이 억제될 수 있다.
(레벨 판정부)
도 15는 레벨 판정부(153)의 구성의 일례를 도시하는 블럭도이다. 이 경우에, 아날로그 신호에 대한 레벨 판정의 경우가 예로 제시된다.
본 예의 레벨 판정부(153)는 레벨 비교기(1531)와 처리 정지신호 유지부(1532)를 포함하고 있다.
레벨 비교기(1531)는 예를 들면 도 16에 도시된 바와 같은 차동 증폭회로의 형태로 구성된다. 레벨 비교기(1531)는 분할하여 전송된 출력 신호를 반전 (-) 입력 단자에서 수신하고, 참조 신호를 비반전 (+) 입력 단자에서 수신하고, 출력 신호의 레벨을 참조 신호의 레벨과 비교하며, 비교 결과를 처리 정지신호의 형태로 출력한다.
처리 정지신호 유지부(1532)는 D형 플립플롭에 의해 구성된 래치 회로(15321), 및 논리 합산 회로(15322)를 포함한다. 여기에서, 논리 합산 회로(15322)는 레벨 비교기(1531)의 비교 결과인 처리 정지신호와 래치 회로(15321)의 Ｑ출력을 2개의 입력으로 수신하고, Ｄ입력을 래치 회로(15321)로 출력한다.
레벨 판정부(153)는 레벨 비교기(1531)에서의 비교에 기초하여 처리 정지신호가 발생한 다음 이후의 판독 동작에 있어서도 계속하여 처리 정지가 요구되는 경우에 대응한 회로 구성을 가진다. 처리 정지신호가 발생한 다음 이후의 판독 동작에 있어서, 처리 정지가 수행되지 않을 경우에, 처리 정지신호를 유지하는 처리 정지신호 유지부(1532)는 생략된다.
이제, 상기 구성의 레벨 판정부(153)의 동작이 도 17의 타이밍 차트를 참조하여 설명될 것이다.
래치 회로(15321)가 리셋 신호(RESET)에 의해 리셋되어, 래치 회로(15321)의 Ｑ출력인 처리 정지신호가 로우 레벨(이하, "L"레벨로 참조된다)이 된다. 다음에, 레벨 비교기(1531)의 비교 결과가 하이 레벨(이하, "H"레벨이라고 참조된다)이 되면, 래치 회로(15321)는 다음 세트 신호(SET)에 따라 "H"레벨에서의 비교 결과를 유지하고, 리셋 신호(RESET)가 입력될 때까지 비교 결과에 관계없이 비교 결과를 계속하여 유지한다.
도 15의 회로 예의 경우에, 처리 정지신호는 2회째의 판독 동작으로 "H"레벨이 된다. 그러므로, 3회째 또는 4회째 판독 동작에서의 레벨 비교기(1531)의 비교 결과가 "L"레벨이라도, 처리 정지신호는 "H"레벨로 유지된다.
부가적으로, 레벨 비교기(1531)의 비교 결과가 "H"레벨이 되는 2회째의 판독 동작 전후에 가산이 정지되도록 즉시 반영이 요구될 경우에, 비교 결과와 처리 정지신호가 논리적으로 합산될 수 있다.
지금까지 아날로그 신호에 대한 레벨 판정의 경우가 예로서 설명되었다. 그러나, 디지털 신호에 대한 레벨 판정의 경우에, 단순한 뺄셈을 실행하는 방법, 디지털 신호의 비트 폭 내의 특정 숫자가 1 또는 0인지 판정하는 방법, AD 변환 중에 특정 숫자가 1 또는 0이 되는지 판정하는 방법 등이 동일한 것을 사용함으로써 참조 레벨의 분해능에 기초하여 레벨 비교가 수행될 수 있는 한 채용될 수 있다.
(제2 실시형태)
도 18은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 고체 촬상장치, 예를 들면 CMOS 이미지 센서의 구성을 나타내는 시스템 구성도이다. 도면 중, 도 1과 동등한 부분에는 동일한 부호에 의해 각각 지정된다.
도 18에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 CMOS 이미지 센서(10B)는 화소 어레이부(11), 수직 주사 회로(12), 수평 주사 회로(13), 및 칼럼 신호 선택회로(14)에 더하여, 화소 어레이부(11)의 화소열 마다 배치된 복수의 칼럼 회로(17)를 포함한다. 칼럼 회로(17)는 화소 어레이부(11)로부터 수직 신호선(111)을 통하여 화소 단위로 출력되는 화소(20)의 신호에 대하여 노이즈 제거 처리, AD 변환 처리, 및 가산 처리와 같은 각종 신호 처리를 실행한다. 상기 구성 이외의 다른 구성은 제1 실시예의 CMOS 이미지 센서(10A)와 기본적으로 동일하다.
또한, 본 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서(10B)는 신호 레벨이 제1 실시예의 CMOS 이미지 센서(10A)와 같이 참조 레벨 이상일 때 실행되는 가산 처리 또는 A/D 변환 처리를 실행한다. 그러므로, 개별 분할 전송 동작에서의 최대값, 즉 1회째로 전송될 수 있는 최대 전하량(Qfd1.max), 2회째로 전송될 수 있는 최대 전하량(Qfd2.max), .... 이하의 출력이 얻어질 경우에, Qpd의 양을 가지는 모든 축적 전하를 판독하기 위한 판독 동작이 완료되었다고 판정한다. 다음 이후의 가산 처리 또는 A/D 변환 처리가 정지된다. 이 제어는 전술한 바와 같은 방식으로 실행된다. 또한, 이 제어는 각각의 칼럼 회로(17)로 실행된다.
이하에서, 1회째로 전송될 수 있는 최대 전하량(Qfd1.max), 2회째로 전송될 수 있는 최대 전하량(Qfd2.max), … 이하의 출력이 얻어질 경우에, Qpd의 양을 가지는 모든 축적 전하의 판독을 위한 판독 동작이 완료되었다고 판정하고, 다음 이후의 가산 처리 또는 A/D 변환 처리가 정지되는 제어를 수행하는 칼럼 회로(17)의 구체적인 실시예가 설명될 것이다.
(실시예 1)
도 19는 실시예 1의 칼럼 회로(17A)의 구성의 일례를 도시하는 블럭도이다.본 실시예 1의 칼럼 회로(17A)는 A/D 변환부(171), 레벨 판정부(172), 처리 정지부(제어 섹션)(173), 및 가산부(174)를 포함한다. 여기에서, 도시가 생략되었지만, 도 10의 노이즈 제거부(151)에 해당하는 노이즈 제거부가 A/D 변환부(171)의 전단측에 제공되는 구성을 채용하는 것도 가능하다.
A/D 변환부(171)는 화소 어레이부(11)로부터 수직 신호선(111)을 통하여 분 할하여 전송된 아날로그 출력 신호를 디지털 신호로 변환한다. 레벨 판정부(172)는 A/D 변환부(171)에서의 A/D 변환을 통하여 얻어진 디지털 신호의 디지털 값을 참조 레벨과 비교한다. 디지털 값이 참조 레벨 이하라고 결정될 경우에, 레벨 판정부(172)는 판정 결과를 출력하고, 판정 결과를 처리 정지신호의 형태로 처리 정지부(154)에 공급한다. 참조 레벨은 1회째로 전송될 수 있는 최대 전하량(Qfd1.max), 2회째로 전송될 수 있는 최대 전하량(Qfd2.max), …에 대응하도록 설정된다.
판정 결과가 레벨 판정부(172)로부터 공급될 경우에, 처리 정지부(173)는 가산부(174)에 A/D 변환부(171)로부터 출력되는 분할 전송에 따르는 디지털 신호에 대한 가산 처리를 정지하도록 지시한다.
가산부(174)에 대한 입력을 0으로 설정하는 기술, 가산부(174)에 대한 제어신호 또는 클록을 정지시키는 기술, 가산부(174)가 인에이블 신호에 응답하여 가산 처리를 행하는 구성을 채용한 경우에 인에이블 신호의 공급을 정지하는 기술 등이 처리 정지부(154)에 의한 가산 처리를 정지하는 기술로서 예측된다.
가산 처리가 처리 정지부(173)로부터 출력된 명령에 따라 정지된 경우에, 가산부(174)는 가산 처리의 실행을 정지한다(0을 가산할 경우도 가산 처리의 정지 개념에 포함하는 것으로 한다). 그러나, 그 이외의 경우에, 가산부(174)는 분할 전송에 따라 A/D 변환부(171)로부터 순차적으로 공급되는 디지털 신호를 가산 처리하여 1화소의 화소신호의 형태로 출력하는 처리를 수행한다.
(실시예 2)
도 20은 실시예 2의 칼럼 회로(17B)의 구성의 일례를 도시하는 블럭도이다. 도면 중, 도 19를 참조하여 전술된 것과 동등한 부분에는 동일한 부호가 각각 부여된다.
본 실시예 2의 칼럼 회로(17B)는 다음의 구성을 채용하고 있다. 즉, 레벨 판정부(172)는 A/D 변환부(152)에 의한 A/D 변환을 통하여 얻어진 디지털 값을 참조 레벨과 비교한다. 처리 정지부(173)는 A/D 변환부(171)의 전단측에 배치된다. 그러므로, 판정 결과가 레벨 판정부(172)로부터 처리 정지신호의 형태로 처리 정지부(173)에 공급된 경우에, 처리 정지부(173)는 분할 전송되어서 판독되는 다음 이후의 어느 하나 또는 모든 출력 신호에 대한 A/D 변환 처리를 정지하도록 A/D 변환부(171)에 지시한다.
A/D 변환부(171)에 대한 입력을 0으로 설정하는 기술, A/D 변환부(171)에 대한 제어신호 또는 클록을 정지시키는 기술, A/D 변환부(171)가 인에이블 신호에 응답하여 가산 처리를 행하는 구성을 채용한 경우에 인에이블 신호의 공급을 정지하는 기술 등이 처리 정지부(173)에 의한 A/D 변환 처리의 정지 기술로서 예측된다.
(실시예 3)
도 21은 실시예 3의 칼럼 회로(17C)의 구성의 일례를 도시하는 블럭도이다. 도면 중, 도 19를 참조하여 전술된 것과 동등한 부분에는 동일한 부호가 각각 부여된다.
실시예 3의 칼럼 회로(17C)에서, A/D 변환부(171)는 실시예 2의 칼럼 회로(17B)에서의 A/D 변환 기능에 더하여 노이즈 제거(CDS) 기능과 가산 기능을 가진다.
(A/D 변환부 및 처리 정지부)
도 22는 A/D 변환부(171) 및 처리 정지부(173)의 구체적인 구성의 일례를 도시하는 블럭도이다.
도 22에 도시된 바와 같이, 본 예의 A/D 변환부(171)는 전압 비교기(1711)와 카운터(1712)를 포함하고 있다. 부가적으로, 본 예의 처리 정지부(173)는 논리곱 회로(1731)로 구성되어 있다.
전압 비교기(1711)는 램프(ramp) 파형을 가지는 참조 신호(Vref)를 반전 (-) 입력 단자에서 수신하고, 수직 신호선(111)을 통하여 단위 화소(20)로부터 공급되는 출력 신호(Vout)를 비반전 (+) 단자에서 수신한다. 그 출력 신호(Vout)가 참조 신호(Vref) 보다도 클 경우에, 전압 비교기(1711)는 비교 결과(Vco)를 출력한다.
카운터(1712)는 업/다운(up/down) 카운터로 구성된다. 카운터(1712)는 전압 비교기(1711)의 비교 결과(Vco)가 천이할 때까지의 기간동안 업/다운 제어신호의 제어하에 클록 CK에 동기하여 업 카운트/다운 카운트의 카운팅 동작을 수행하여, 카운트 값을 증감시킨다.
보다 구체적으로, 리셋 레벨이 판독될 때, 카운터(1712)는 다운 카운트에 의해 카운트 값을 감소시키는 반면에, 신호 레벨이 판독될 때, 카운터(1712)는 업 카운트에 의해 카운트 값을 증가시킨다. 이에 따라, 리셋 레벨과 신호 레벨의 차분을 얻기 위한 노이즈 제거 처리가 A/D 변환과 동시에 실행될 수 있다.
더욱이, 리셋 레벨과 신호 레벨에 대한 2회째의 A/D 변환 처리가 1회째의 A/D 변환 처리 결과의 획득에 수반하도록 유사하게 실행되면, 카운트 값은 1회째의 A/D 변환 처리 결과와 2회째의 A/D 변환 처리 결과의 합이 된다. 따라서, 가산 처리도 동시에 실행될 수 있다.
카운터(1712)는 반드시 리셋 레벨을 다운 카운트할 필요는 없다. 즉, 리셋 레벨이 업 카운트된 후에, 신호 레벨의 판독 직전에 신호 레벨을 반전시키도록 신호 레벨에 "1"이 더해져서, 음의 값으로서 신호 레벨을 취급하여, 신호 레벨도 유사하게 업 카운트되는 처리도 채용될 수 있다.
그 밖에도, 다음의 처리도 채용될 수 있다. 즉, 리셋 레벨의 판독에서의 총 카운트 값이 N이고, 리셋 레벨의 값에 해당하는 카운트 값이 Nsig일 때, 비교 결과(Vco)가 천이한 후 총 카운트 값(N)의 카운팅이 완료될 때까지 카운트 값(N-Nsig)이 카운트되며, 신호 레벨의 값에 해당하는 카운트 값(Msig)이 (N - Nsig - Msig)의 형태로 결과값을 출력하도록 카운트된다. 그후, 최종적으로 공지의 값으로서 총 카운트 값(N)이 값(N - Nsig - Msig)으로부터 감산되어, 노이즈 제거후의 신호 출력(Msig - Nsig)을 얻는다.
논리곱 회로(1731)는 하나의 입력 단자에서 클록 CK을 수신하고, 음의 논리를 가지는 다른 입력 단자에서 처리 정지신호를 수신한다. 처리 정지신호가 레벨 판정부(172)로부터 공급될 때, 논리곱 회로(1731)는 카운터(1712)로의 클록 CK의 입력을 정지시키며, 그 결과 카운터(1712)의 카운팅 동작, 즉 A/D 변환 처리, 노이즈 제거 처리, 및 A/D 변환부(171)의 가산 처리를 정지시킨다.
다음에, 상기 구성을 가지는 A/D 변환부(341), 즉 노이즈 제거 기능과 가산 기능을 가지는 A/D 변환부(341)의 동작 타이밍에 대하여 도 23의 타이밍 차트를 사 용하여 설명될 것이다. 이 경우에, 도 8b에 도시된 바와 같이, 최초의 2회째의 판독 동작으로 모든 전하가 판독되는 경우를 예로 들어서 설명하는 것으로 한다.
레벨 판정부(172)에서의 레벨 판정은 A/D 변환 및 가산 처리가 행해진 신호에 대하여 실행된다. 따라서, 참조 레벨에 대하여, 분할 전송에 기초하여 제1 판독 동작으로 전송된 최대 전하량(Qfd1.max), 분할 전송에 기초하여 제2 판독 동작으로 전송된 최대 전하량(Qfd2.max)，……을 누적 가산함으로서 얻어진 값이 각각의 판독 동작에서의 참조 레벨로서 설정된다.
도 23에 도시된 예에서, 전술한 바와 같이, ΔQ는 화소의 특성 편차에 대한 마진으로 설정된다. 그러므로, 1회째의 판독 동작에 대한 참조 레벨은 (Qfd1.max - ΔQ)로서 설정되고, 2회째의 판독 동작에 대한 참조 레벨은 (Qfd1.max + Qfd2.max - ΔQ) 등으로서 설정된다.
신호 레벨의 판독이 완료된 타이밍에서 신호 레벨의 참조 레벨과의 비교가 실행되고, 처리 정지신호가 3회째의 판독 동작 이후의 A/D 변환 처리를 정지시키도록 2회째의 판독 동작에서 발생된다. 그 때문에, 1회째의 판독 결과와 2회째의 판독 결과만을 가산된 값이 A/D 변환 및 가산 처리의 출력으로 얻어진다.
상기 실시예 1,2,3에서, 레벨 판정부(172)가 A/D 변환기(171)의 후단측에 있어서 디지털 값을 참조 레벨과 비교하더라도, 또한 A/D 변환기(171)의 전단측에 있어서 아날로그 값을 참조 레벨과 비교하는 구성이 채용될 수 있다.
부가적으로, 상기 실시예 1,2,3의 레벨 판정부(172)에 대하여, 도 15에 도시된 레벨 판정부(153)와 동일한 구성을 사용하는 것이 가능하다.
상기한 바와 같이, 분할 전송에 기초한 구동법을 사용하는 CMOS 이미지 센서(10B)에서, 신호 레벨이 참조 레벨 이상일 때, 가산 처리 또는 A/D 변환 처리가 실행되고, 신호 레벨이 참조 레벨 이하일 때, 가산 처리 또는 A/D 변환 처리가 그 이후의 판독 동작에서 정지된다. 그 결과, 특히 저휘도의 경우에, 단지 판독 동작에 필요한 횟수만의 가산 처리 또는 A/D 변환 처리가 실행된다. 그러므로, 판독 동작에서의 고정 패턴 노이즈와 랜덤 노이즈가 가산되지 않으며, 고정 패턴 노이즈와 랜덤 노이즈의 영향이 작아지고, 특히 저휘도측에서 높은 S/N비를 실현하는 결과를 가져온다. 결국, 촬영화상의 화질이 향상될 수 있다.
상기 실시예 1 내지 실시예 3의 칼럼 회로(17A 내지 17C)에 있어서, 처리 정지부(173)는 레벨 판정부(172)로부터 얻어진 판정 결과에 따라 분할 전송에 기초하여 단위 화소(20)로부터 출력되는 복수의 출력 신호 중에서 참조 레벨 이상의 신호 레벨을 가지는 출력 신호에 대하여 가산 처리를 실행하도록 가산부(174)에 지시하고, 구체적으로 복수의 출력 신호의 각 신호 레벨이 참조 레벨 이상일 때에 가산 처리를 실행하도록 가산부(174)에 지시하고, 복수의 출력 신호의 각 신호 레벨이 참조 레벨 이하일 때에 가산 처리를 정지하도록 가산부(174)에 지시하는 제어 섹션을 구성한다.
(제3 실시형태)
도 24는 본 발명의 제3 실시형태에 따른 고체 촬상장치, 예를 들면 CMOS 이미지 센서의 구성을 나타내는 시스템 구성도이다. 도면 중, 도 1을 참조하여 이전에 설명된 것과 동등한 부분에는 동일한 부호가 부여된다.
도 24에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에 따른 CMOS 이미지 센서(10C)는 화소 어레이부(11), 수직 주사 회로(12), 수평 주사 회로(13), 복수의 칼럼 회로(17), 및 칼럼 신호 선택회로(14)에 더하여, 공급전압 제어회로(31), 전압 공급회로(32) 및 타이밍 발생 회로(TG)(33)를 포함한다, 또한, CMOS 이미지 센서(10C)는 화소 어레이부(11)의 화소열 마다 배치된 복수의 칼럼 회로(34)를 포함한다. 그 이외의 구성은 제2 실시형태에 따른 CMOS 이미지 센서(10B)와 기본적으로 동일하다.
공급전압 제어회로(31)는 단위 화소(20) 내의 전송 트랜지스터(전송 소자)(22)의 게이트 전극(제어 전극)에 인가되는 전송 펄스(TRG)의 전압값(피크값)을 제어한다. 이 공급전압 제어회로(31)의 구체적인 구성은 후술될 것이다.
전압 공급회로(32)는 공급전압 제어회로(31)에 대하여 전압값이 다른 복수의 제어 전압을 공급한다. 이 복수의 제어 전압은 다른 전압값을 가지는 전송 펄스(TRG)로서 전송 트랜지스터(22)의 게이트 전극에 공급된다. 이 다른 전압값을 가지는 전송 펄스(TRG)의 상세는 후술될 것이다.
타이밍 발생 회로(TG)(33)는 공급전압 제어회로(31)가 전송 트랜지스터(22)의 게이트 전극에 다른 전압값을 가지는 복수의 전송 펄스(TRG)를 공급할 때 판정되는 타이밍에 따라 타이밍 신호(PTRG)를 발생한다.
칼럼 회로(34)는 화소 어레이부(11)로부터 수직 신호선(111)을 통하여 화소 단위로 출력되는 화소(20)의 신호에 대하여 노이즈 제거, A/D 변환, 가산 처리 등의 각종 신호 처리를 실행한다. 칼럼 회로(34)의 구체적인 구성 및 동작은 후술될 것이다.
(공급전압 제어회로)
공급전압 제어회로(31)는 수직 주사 회로(12)에 의한 수직 주사 동작을 통하여 선택된 행에 속하는 단위 화소(20)가 전압 공급회로(32)로부터 공급되는 복수의 전압중 하나를 선택하여 구동됨에 따라서 어드레스 신호(ADR)를 입력으로서 수신하며, 그 결과 화소 단위(20) 내의 전송 트랜지스터(22)의 게이트 전극에 전송 펄스(TRG)로서 선택된 전압을 공급한다.
전송 트랜지스터(22)가 온 상태로 되는 온 전압(Von), 전송 트랜지스터(22)가 오프 상태로 되는 오프 전압(Voff), 온 전압(Von)과 오프 전압(Voff) 사이의 중간 전압(Vmid)이 복수의 전압으로서 전압 공급회로(32)로부터 공급된다. 여기에서, 중간 전압(Vmid)은 광전 변환소자(21)의 축적 전하의 일부가 유지되면서 나머지의 축적 전하가 부분적으로 부유 확산 용량(26)으로 전송될 수 있는 전압이다.
전술한 화소 회로에서, 전송 트랜지스터(22)가 N-채널로 이루어지기 때문에, 온 전압(Von)이 전원 전압(Vdd)으로서 설정되고, 오프 전압(Voff)이 접지 전압으로서 설정되고, 바람직하게 접지 전압보다도 낮은 전압으로서 설정된다. 부가적으로, 본 실시형태에서, 다른 전압값을 가지는 2개의 중간 전압(Vmid0 및 Vmid1)이 중간 전압(Vmid)로서 사용된다.
이에 따라, 4개의 전압, 즉 온 전압(Von), 중간 전압(Vmid0 및 Vmid1), 및 오프 전압(Voff)이 전압 공급회로(32)로부터 공급전압 제어회로(31)로 공급된다. 4개의 전압은 Voff < Vmid0 < Vmid1 < Von의 관계를 나타낸다. 또한, 4개의 전압 중, 중간 전압(Vmid0 및 Vmid1) 및 온 전압(Von)은 전송 펄스(TRG)로서 사용된다.
중간 전압(Vmid0 및 Vmid1), 및 온 전압(Von)이 전압 공급회로(32)로부터 공급되는 타이밍을 제어하기 위하여, 3개의 타이밍 신호(PTRG1, PTRG2, PTRG3)가 타이밍 발생 회로(33)로부터 공급전압 제어회로(31)에 공급된다. 공급전압 제어회로(31)는 타이밍 신호(PTRG1, PTRG2, PTRG3)에 기초하여 중간 전압(Vmid0 및 Vmid1), 및 온 전압(Von) 중 하나를 선택하고, 전송 트랜지스터(22)의 게이트 전극에 중간 전압(Vmid)으로서 선택된 하나를 공급한다.
도 25는 공급전압 제어회로(31)의 회로 구성의 일례를 도시하는 회로도이다. 도 25에 도시된 바와 같이, 본 예의 공급전압 제어회로(31)는 4개의 전압, 즉 온 전압(Von), 중간 전압(Vmid0 및 Vmid1), 및 오프 전압(Voff)에 대응하는 4개의 회로 블록(311 내지 314), 및 3입력 NOR 회로(315)를 포함한다.
어드레스 신호(ADR)가 수직 주사 회로(12)로부터 회로 블록(311 내지 314)의 각각에 공통적으로 공급된다. 타이밍 신호(PTRG1, PTRG2, PTRG3)가 타이밍 발생 회로(33)로부터 3개의 입력으로서 NOR 회로(315)에 공급된다.
회로 블록(311)은 어드레스 신호(ADR)와 타이밍 신호(PTRG1)를 2개의 입력으로 수신하는 NAND 회로(3111), 레벨 시프터(3112), 및 P채널의 구동 트랜지스터(3113)를 포함한다. 회로 블록(311)은 선택된 중간 전압(Vmid0)을 전송 트랜지스터(22)의 게이트 전극에 공급한다.
회로 블록(312)은 어드레스 신호(ADR)와 타이밍 신호(PTRG2)를 2개의 입력으로 수신하는 AND 회로(3121), 및 P채널의 구동 트랜지스터(3122)를 포함한다. 회로 블록(312)은 선택된 중간 전압(Vmid1)을 전송 트랜지스터(22)의 게이트 전극에 공급한다.
회로 블록(313)은 어드레스 신호(ADR)와 타이밍 신호(PTRG3)를 2개의 입력으로 수신하는 NAND 회로(3131), 및 N채널의 구동 트랜지스터(3132)를 포함한다. 회로 블록(313)은 선택된 온 전압(Von)을 전송 트랜지스터(22)의 게이트 전극에 공급한다.
회로 블록(314)은 어드레스 신호(ADR)와 NOR 회로(315)로부터의 출력 신호를 2개의 입력으로 수신하는 AND 회로(3141), 음의 논리 세트를 가지는 하나의 입력 단자에서 어드레스 신호(ADR)를 수신하고 다른 출력 단자에서 AND 회로(3141)로부터의 출력 신호를 수신하는 OR 회로(3142), 레벨 시프터(3143), 및 N채널의 구동 트랜지스터(3144)를 포함한다. 회로 블록(314)은 선택된 오프 전압(Voff)을 전송 트랜지스터(22)의 게이트 전극에 공급한다.
접지 전압보다 낮은 전압, 예를 들면 전송 트랜지스터(22)가 오프 상태로 되는 오프 전압(Voff)으로서 -1.0V를 공급하기 위해서, 회로 블록(314)은 NOR 회로(315)의 작용에 기초하여 다른 회로 블록(311,312, 및 313)과 배타적으로 동작하는 회로 구성을 채용한다.
도 26은 공급전압 제어회로(31)의 입출력에 대한 타이밍 관계를 나타낸다. 전송 트랜지스터(22)의 게이트 전극에 공급하는 전압이 중간 전압(Vmid0 및 Vmid1), 온 전압(Von) 및 오프 전압(Voff)이라고 가정한 경우에, 화소 행이 어드레스 신호(ADR)에 의해서 선택될 때, 타이밍 신호(PTRG1, PTRG2, PTRG3)에 따라, 거 기에 각각 대응하는 중간 전압(Vmid0 및 Vmid1) 및 온 전압(Von)이 전송 트랜지스터(22)의 게이트 전극에 연속적으로 공급되고, 그 이외의 경우에는 오프 전압(Voff)이 공급된다.
상술된 바와 같은 방식에서, 중간 전압(Vmid0 및 Vmid1) 및 온 전압(Von)은 공급전압 제어회로(31)에 의한 제어하에서 수직 주사 회로(12)에 의한 수직 주사에 동기하여 화소 행마다 공급전압 회로(31)로부터 전송 트랜지스터(22)의 게이트 전극에 그 순서로 연속적으로 공급된다. 이에 따라, 광전 변환소자(21)에 축적된 신호 전하가 예를 들면 3배치로 부유 확산 용량(26)으로 전송되는 3분할 전송을 실현하는 것이 가능하다.
(3분할 전송)
이하에서, 어떤 화소 행에서의 3분할 전송의 경우에 대한 구체적인 동작이 도 27의 타이밍 차트 및 도 28의 동작 설명도를 사용하여 설명될 것이다. 도 28에서, 각각의 동작 (1) 내지 (11)은 도 27에 도시된 각각의 기간 (1) 내지 (11)에 대응된다.
신호 전하가 어떤 화소 행의 1단위의 축적 기간 동안 3분할 전송에 기초하여 전송된 경우에, 리셋 펄스(RTS)가 수직 주사 회로(12)로부터 리셋 트랜지스터(23)의 게이트 전극에 일정한 간격으로 3회 인가되며, 이에 따라 부유 확산 용량(26)의 리셋 동작을 3회 실행한다. 중간 전압(Vmid0 및 Vmid1) 및 온 전압(Von)은 이 순서로 리셋 동작에 동기하여 리셋 동작마다 일정 시간이 경과할 때 공급전압 제어회로(31)로부터 전송 트랜지스터(22)의 게이트 전극에 그 순서로 연속적으로 공급된 다.
기간(1) 동안에, 전하(Qpd)가 광전 변환소자(21)에 축적된다. 이때, 오프 전압(Voff)이 전송 트랜지스터(22)의 게이트 전극에 인가된다. 부가적으로, 부유 확산 용량(26)이 1회째의 리셋 펄스(RST)에 의해 이미 리셋되었다. 부유 확산 용량(26)의 리셋 레벨은 증폭 트랜지스터(24) 및 선택 트랜지스터(25)를 통하여 수직 신호선(111)에 1회째의 리셋 레벨로서 판독된다.
리셋 레벨의 1회째의 판독 완료후, 기간(2) 동안에 중간 전압(Vmid0)이 전송 트랜지스터(22)의 게이트 전극에 인가된다. 이 중간 전압(Vmid0)의 인가는 광전 변환소자(21)의 축적 전하(Qpd)의 일부의 전하(Qmid0)가 잔류한 채로 전하(Qpd - Qmid0)가 부유 확산 용량(26)으로 전송되게 한다.
다음에, 기간(3) 동안에, 오프 전압(Voff)이 전송 트랜지스터(22)의 게이트 전극에 인가된다. 이에 따라, 부유 확산 용량(26)에 전송된 전하(Qpd - Qmid0)에 대응하는 신호가 수직 신호선(111)에 제1 신호 레벨을 가지는 신호의 형태로 판독된다.
다음에, 기간(4) 동안에, 2회째의 리셋 펄스(RST)가 리셋 트랜지스터(23)의 게이트 전극에 인가됨으로써 부유 확산 용량(26)이 리셋된다. 이어서, 기간(5) 동안에, 그 리셋 레벨을 가지는 신호가 수직 신호선(111)에 2회째의 리셋 레벨을 가지는 신호의 형태로 판독된다.
다음에, 기간(6) 동안에, 중간 전압(Vmid1)이 전송 트랜지스터(22)의 게이트 전극에 인가된다. 이 중간 전압(Vmid1)의 인가는 광전 변환소자(21)에 잔류하는 전 하(Qmid0)의 일부의 전하(Qmid1)가 잔류한 채로 (Qpd0 - Qmid1)의 전하가 부유 확산 용량(26)으로 전송되게 한다.
다음에, 기간(7) 동안에, 오프 전압(Voff)이 전송 트랜지스터(22)의 게이트 전극에 인가된다. 이에 따라, 부유 확산 용량(26)에 전송된 전하(Qpd0 -Qmid1)에 대응하는 신호가 수직 신호선(111)에 2회째의 신호 레벨로 판독된다.
다음에, 기간(8) 동안에, 3회째의 리셋 펄스(RST)가 리셋 트랜지스터(23)의 게이트 전극에 인가됨으로써 부유 확산 용량(26)이 리셋된다. 이어서, 기간(9) 동안에, 그 리셋 레벨을 가지는 신호가 수직 신호선(111)에 3회째의 리셋 레벨을 가지는 신호의 형태로 판독된다.
다음에, 기간(10) 동안에, 온 전압(Von)이 전송 트랜지스터(22)의 게이트 전극에 인가된다. 온 전압(Von)의 인가는 광전 변환소자(21)의 잔류 전하(Qmid1)가 부유 확산 용량(26)으로 전송되게 한다.
다음에, 기간(11) 동안에, 오프 전압(Voff)이 전송 트랜지스터(22)의 게이트 전극에 인가된다. 이에 따라, 부유 확산 용량(26)에 전송된 전하(Qmid1)에 대응하는 신호가 수직 신호선(111)에 3회째의 신호 레벨을 가지는 신호의 형태로 판독된다.
3분할 전송의 경우에, 중간 전압(Vmid0 및 Vmid1)이 제1 제어 신호가 되고, 온 전압(Von)이 제2 제어 신호가 된다.
(n분할 전송)
여기에서, 3분할 전송의 경우를 예로 들어서 설명했지만, 전송 동작의 분할 수는 임의로 설정가능하다. 그리고, n분할(n은 2이상의 정수)의 전송이 실행될 경우에, 도 29에 도시된 바와 같이, (n-1)개의 중간 전압(Vmid0, Vmid1,……, Vmid(n-2)), 및 온 전압(Von)이 공급전압 제어회로(13)로부터 전송 트랜지스터(22)의 게이트 전극에 순차적으로 인가되어지고, 이에 따라 관련된 전송 트랜지스터(22)를 구동시킨다.
n분할 전송의 경우에, (n-1)개의 중간 전압((Vmid0 내지 Vmid(n-2))은 각각 제1 제어 전압이 되고, 온 전압(Von)은 제2 제어 전압이 된다.
전하의 전송, 리셋, 및 화소 선택은 전술한 n분할 전송에 기초한 구동하에서 화소 행마다 실행된다. 이에 따라, 리셋 레벨을 가지는 신호 및 신호 레벨을 가지는 신호(즉, 단위 화소(20)로부터의 출력 신호)가 열-병렬로, 즉 화소열 단위로 병렬적으로 수직 신호선(111)에 판독되어, 관련된 수직 신호선(111)을 통하여 칼럼 회로(34)에 공급된다.
분할 전송에 기초한 구동법이 전송 트랜지스터(22)의 게이트 전극에 분할 전송에 기초하여 임의 전하량의 단위로 전하를 전송하기 위하여 중간 전압(Vmid0 및 Vmid1)을 인가하는 시스템에 대응하는 경우에, 제1 및 제2 실시형태에 따른 분할 전송에 기초한 구동법의 경우와 대조적으로, 전하 전송 및 출력이 고휘도를 가지는 화소에서 최초로 이루어지는 반면, 전하 전송 및 출력이 저휘도의 화소에서 최초로 이루어지지 않는다.
도 28에 도시된 분할 전송에 기초한 구동법의 경우에, 도 27에 도시된 바와 같이, 분할 전송은 광전 변환부(수광부)에 유지할 수 있는 전하량이 전송 트랜지스 터(22)에 대한 구동전압에 의존하여 달라진다는 점을 이용함으로써 실행된다. 예를 들면, 도 27의 예에서, 전송 트랜지스터(22)에 대한 구동전압으로서 중간 전압(Vmid0 및 Vmid1)을 사용함으로써, 전하(Qmid0 및 Qmid1)가 순서대로 광전 변환부에 유지될 수 있고, 전하(Qmid0 및 Qmid1)의 양을 초과하는 전하가 판독되도록 순차적으로 전송될 수 있다.
(본 실시형태의 특징부)
중간 전압(Vmid0 및 Vmid1) 및 온 전압(Von)이 그 순서대로 전송 트랜지스터(22)의 게이트 전극에 전송 펄스(TRG)로서 순차적으로 공급되고, 1단위의 축적 기간 동안에 광전 변환부에 축적된 신호 전하가 예를 들면 3분할 전송에 기초하여 부유 확산 용량(26)으로 전송되며, 3분할 전송에 기초하여 전송된 신호 전하가 판독되는, 상기한 바와 같은 구성을 채용하는 CMOS 이미지 센서(10C)의 특징은 다음과 같다. 즉, 출력이 분할 전송 동작의 대응하는 출력의 최대값 이상이 될 때, 관련 분할 전송 동작 이전에 판독된 결과 또는 그 가산 결과가 리셋되고, 다음 이후의 가산 처리 또는 A/D 변환 처리가 실행된다.
(본 실시형태의 효과)
제1, 제2 실시형태에서, 신호 레벨이 참조 레벨 이상일 때, 가산 처리 또는 A/D 변환 처리가 실행되고, 신호 레벨이 참조 레벨 이하일 때, 광전 변환부의 축적 전하가 모두 판독된다. 그러므로, 다음 이후의 가산 처리 또는 A/D 변환 처리가 정지된다. 한편, 본 실시형태에서, 광전 변환부에 축적 전하가 없는 상태로부터 전하가 축적된다. 또한, 신호 레벨이 참조 레벨 이상이 될 때, 그 이전에 판독된 결과 또는 그 가산 결과가 리셋되고, 다음 이후의 가산 처리 또는 A/D 변환 처리가 시작되어 실행된다. 이에 따라, 특히 저휘도의 국면에서 판독 동작에서의 출력이 없기 때문에 노이즈 성분의 가산없이 제1, 제2 실시형태의 경우와 동일한 작용효과가 얻어질 수 있다.
예를 들면, 도 30a에 도시된 바와 같이, 전송될 수 있는 최대 전하량이 판정된다. 또한, 도 30b에 도시된 바와 같이, 예를 들면 축적 전하량이 Qpd > Qfd4.max, Qpd < Qfd4.max + Qfd3.max의 관계를 충족시킬 경우에, Qpd의 양을 가지는 축적 전하가 1회째의 판독 동작 및 2회째의 판독 동작 중에 출력되지 않고 전송되지 않는다. 또한, Qfd3(= Qpd - Qfd4.max)의 양을 가지는 전하가 3회째의 판독 동작에서 판독되어 전송되며, Qfd4.max의 양을 가지는 전하가 4회째의 판독 동작에서 판독되어 전송된다.
또한, 3회째의 판독 동작 및 4회째의 판독 동작에서 출력되는 출력 신호의 가산은 각각 Qpd의 양을 가지는 모든 축적 전하가 얻어지도록 한다. 이 경우에, 유지 데이터 리셋 신호가 3회째의 판독 동작에서 Qfd3 < Qfd3.max의 레벨 판정에 따라 발생된다. 그러므로, 그때까지 A/D 변환을 통해 얻어져서 유지되어 있는 1회째의 데이터와 2회째의 데이터, 또는 1회째의 데이터와 2회째의 데이터를 가산함으로써 얻어져서 유지되어 있는 데이터가 리셋된다. 또한, 3회째의 데이터와 4회째의 데이터만의 가산은 노이즈 성분을 억제시킬 수 있게 한다.
이하에서, 분할된 각각의 전송 동작의 최대값을 상회하는 출력이 얻어질 때, 그 이전에 판독된 결과 또는 그 가산 결과를 리셋하고, 다음 이후의 가산 처리 또 는 A/D 변환 처리를 시작하는 제어를 행하는 칼럼 회로(34)의 구체적인 실시예에 관련하여 설명될 것이다.
(칼럼 회로)
도 31은 칼럼 회로(34)의 구성의 일례를 도시하는 블럭도이다. 도 31에 도시된 바와 같이, 칼럼 회로(34A)는 A/D 변환부(341), 레벨 판정부(342), 및 가산부(343)로 구성된다.
A/D 변환부(341)는 화소 어레이부(11)부의 단위 화소(20)로부터 수직 신호선(111)을 통하여 분할 전송에 기초하여 전송되는 아날로그의 출력 신호를 디지털 신호로 변환한다. 레벨 판정부(342)는 A/D 변환부(341)에서 A/D 변환을 통해 얻어진 디지털 신호의 디지털 값을 참조 레벨과 비교한다. 디지털 레벨이 참조 레벨보다 높다고 판정될 때, 레벨 판정부(342)는 판정 결과를 출력하고, 그 판정 결과를 유지 데이터 리셋 신호의 형태로 가산부(343)에 공급한다.
가산부(343)는 분할 전송에 따라 A/D 변환부(341)로부터 순차적으로 공급되는 디지털 신호를 가산 처리하여 그 가산 결과를 유지한다. 유지 데이터 리셋 신호가 레벨 판정부(342)에 공급될 때, 가산부(343)는 그때까지 가산하여 유지한 유지 데이터를 리셋하고, 분할 전송에 따라 A/D 변환부(341)로부터 순차적으로 공급되는 디지털 신호에 대하여 다시 가산 처리를 시작하고, 최종적인 유지 데이터를 1화소의 화소신호로서 출력한다.
레벨 판정부(342)로부터 얻어진 판정 결과가 유지 데이터 리셋 신호로서 사용될 경우에, 유지 데이터의 리셋이 1회 실행되어야 한다. 그러므로, 레벨 판정 부(342)는 도 15에 나타낸 레벨 판정부(153)와 같이 유지 데이터 리셋 신호를 계속하여 유지하는 구성을 가질 필요는 없다.
여기에서 도시가 생략되었지만, 도 10에 도시된 노이즈 제거부(151)에 해당하는 노이즈 제거부가 A/D 변환부(341)의 전단측에 제공되는 구성이 채용될 수 있다.
상기 실시예의 칼럼 회로(34)에서, 가산부(343)는 레벨 판정 섹션(34)로부터 얻어진 판정결과에 따라 분할 전송에 기초하여 단위 화소(20)로부터 판독되는 복수의 출력 신호 중, 각각 참조 레벨 이상이 되는 신호 레벨을 가지는 출력 신호에 대하여 가산 처리를 실행하는 제어 섹션으로서의 기능을 가진다. 구체적으로, 복수의 출력 신호의 각 신호 레벨이 참조 레벨 이상이 될 때, 그 이전에 판독된 출력 신호 또는 가산 처리를 시작하는 그 가산 결과를 리셋한다.
(고변환 효율)
이상 설명한 제1 내지 제3 실시형태에 따른 CMOS 이미지 센서(10A 내지 10C)에 있어서, 부유 확산 용량(26)에서의 전하-전압 변환 효율을 향상시키기 위하여, 신호 전하가 광전 변환소자(21)로부터 전송되는 부유 확산 용량(전하-전압 변환부)(26)의 기생 용량(FD 용량)이 미소화된다. 구체적으로, 기생 용량은 부유 확산 용량(26)에 의해 취급될 수 있는 최대 전하량이 광전 변환소자(21)에 축적될 수 있는 최대 전하량보다도 작아지도록 감소되며, 이에 따라 높은 전하-전압 변환 효율을 달성할 수 있다.
광전 변환소자(21)에 축적된 최대 전하량이 10,000e-로서 설정될 때, 모든 축적 전하가 1회의 전송 동작으로 판독될 수 있는 FD 용량은 1로서 설정된다. 도 32는 이 경우의 판독 동작에서의 랜덤 노이즈가 7e-로 설정되고, 판독 동작에서의 고정 패턴 노이즈가 2e-로서 설정되고, 광 숏 노이즈가 광 숏 노이즈의 제곱근으로서 설정될 때, 축적 전하에 대한 S/N비(㏈)의 관계를 나타낸다.
또한, 도 32는 같은 조건하에서 FD 용량이 1/4로서 설정되어 종래의 분할 전송과 가산 처리가 실행되는 경우와 비교해 볼 때 본 발명의 정지 판정하에서 4분할 전송과 가산 처리가 실행되는 경우를 보이고 있다.
도 32로부터 명백한 바와 같이, 고변환 효율을 위하여, 광 숏 노이즈 이외의 노이즈 성분이 상대적으로 감소되고 모든 축적 전하가 분할 전송에 기초하여 판독된 이후에, 노이즈 성분만이 저휘도의 경우에 가산되지 않기 때문에, 높은 화질이 실현될 수 있다는 것을 알 수 있다.
부가적으로, 유사하게 FD 용량이 1/10로서 설정되어 10분할 전송이 실행되고 본 발명의 가산 처리가 실행되는 경우에서와 같이, FD 용량이 미소화되고, 분할 전송시의 분할수가 증가되며, 이에 따라 광 숏 노이즈 이외의 노이즈 성분을 감소시킬 수 있다.
상기한 바와 같이, 출력 신호의 신호 레벨에 대한 랜덤 노이즈와 고정 패턴 노이즈를 상대적으로 감소시키고 전하-전압 변환 효율을 증진시키기 위해, 부유 확산 용량(26)의 기생 용량을 감소시킴으로써 전하-전압 변환 효율이 향상되고, 이에 따라 1회의 판독 동작으로 출력될 수 없는 축적 전하를 분할 전송에 기초하여 전송하는 CMOS 이미지 센서(10A 내지 10C)에 있어서, 분할 전송에 기초하여 단위 화소(20)로부터 출력되는 신호가 가산될 때, 가산 처리에 불필요한 판독 동작이 입사광 휘도 또는 축적 전하에 기초하여 검출되므로, 대응하는 신호가 가산되지 않는다. 이에 따라, 불필요한 랜덤 노이즈와 고정 패턴 노이즈가 가산 결과에 포함되는 것이 방지될 수 있다. 결과적으로, 높은 S/N비가 특히 저휘도 영역에서 실현될 수 있다.
(변형예)
상기 각 실시예에서는 신호 처리 회로(15)(15A, 15B, 15C, 15D, 15E) 및 칼럼 회로(17)(17A, 17B, 17C), (34)가 A/D 변환 기능을 가질 경우가 예로서 설명되었지만, A/D 변환 기능은 필수적인 구성요소는 아니다. 그러므로, 신호 처리 회로(15) 및 칼럼 회로(17, 34)가 적어도 가산 기능을 가진다면 소기의 목적이 달성될 수 있다.
또한, 상기 각 실시예에서, 광전 변환소자(21)의 전하가 1개의 전송 트랜지스터(22)에 의해 공통의 부유 확산 용량(26)으로 분할 전송에 기초하여 전송되고, 공통의 수직 신호선(111)에서 순차적으로 판독하는 구성의 단위 화소(20)를 포함하는 CMOS 이미지 센서에 본 발명이 적용되는 경우를 예로 들어서 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, 여러가지의 변형예가 가능하다.
(변형예 1)
도 33은 변형예 1의 단위 화소(20B)의 화소 회로를 나타내는 회로도이다. 도 면 중, 도 2를 참조하여 이전에 설명된 것들 동일한 부분에는 동일한 참조 번호가 부여된다.
도 33에 도시된 바와 같이, 변형예 1의 단위 화소(20A)는 증폭 트랜지스터(24)에 대하여 직렬로 접속된 선택 트랜지스터(25)의 드레인 전극과 전원(Vdd) 사이에 전류원(31)이 접속되고, 선택 트랜지스터(25)의 드레인 노드로부터 출력 신호(Vout)가 도출되도록 구성되어 있다.
단위 화소(20A)에 있어서, 부유 확산 용량(26)에서의 전하-전압 변환의 변환 효율은 부유 확산 용량(26)과 수직 신호선(111) 사이의 기생 용량의 용량값(Ci)에 의존한다. 그러므로, 이 기생 용량의 용량값(Ci)은 부유 확산 용량(26)의 용량값(Cfd)보다도 작게 됨으로써, 변환 효율을 상승시킬 수 있다.
여기에서, Qfd.max는 부유 확산 용량(26)의 최대 축적 전하량이고 Qi.max는 기생 용량(Ci)의 최대 축적 전하량일 때, 높은 전하-전압 고변환 효율의 효과를 얻기 위해서는 Qi.max < Qfd.max의 관계를 조건으로 한다. 이 때문에, 광전 변환소자(21)에 축적된 Qpd의 양을 가지는 전하는 최대 축적 전하량(Qfd.max) 보다도 작은 최대 축적 전하량(Qi.max)을 단위로서 분할 전송에 기초하여 전송될 필요가 있다.
지금까지 설명된 바와 같이,높은 전하-전압 변환 효율 또는 높은 전압 증폭률을 가지는 단위 화소(20A)를 포함하는 CMOS 이미지 센서는 S/N비에 있어서 유리한 반면, 1회의 판독 동작으로 판독될 수 있는 전하량에 제한이 발생될 수 있다.
전술한 분할 전송이 단위 화소(20A)를 포함하는 CMOS 이미지 센서에 적용되 며, 광전 변환소자(21)의 전하가 분할 전송에 기초하여 전송되어, 광전 변환소자(21)에서 발생된 모든 전하가 판독 회로의 출력 범위에 따라 효율적으로 출력될 수 있다.
부가적으로, 도 33에 도시된 단위 화소(22A)에서, 리셋시의 전하-전압 변환부(부유 확산 용량(26))의 전압은 판독 회로의 동작점으로 설정될 필요가 있다. 그러나, 전술한 분할 전송의 적용은 전하-전압 변환부의 전위에 따르지 않고 분할 전송에 기초하여 전송된 전하량을 제어할 수 있게 한다.
(변형예 2)
도 34는 변형예 2의 단위 화소(20B)의 화소 회로를 나타내는 회로도이다. 도면 중, 도 2를 참조하여 이전에 설명된 것들 동일한 부분에는 동일한 참조 번호가 부여된다.
도 34에 도시된 바와 같이, 변형예 2의 단위 화소(20B)는 증폭 트랜지스터(24) 대신에, 부유 확산 용량(26)과 선택 트랜지스터(25) 사이에 반전 증폭회로(27)가 접속되고, 그 반전 증폭회로(27)에 리셋 트랜지스터(23)가 병렬로 접속되도록 구성되어 있다. 이런 방식의 화소 내의 반전 증폭회로(27)의 제공은 신호 레벨이 S/N비를 개선시키기 위하여 증폭될 수 있다.
이런 방식으로 화소 내에 제공된 반전 증폭회로(27)를 갖는 단위 화소(20C)를 포함하는 CMOS 이미지 센서에서, 반전 증폭회로(27)의 증폭률이 -A일 경우에, 부유 확산 용량(26)에 최대 축적 전하량(Qfd.max)이 전송될 때의 출력 전압(Vout)의 진폭(-Ａ·Ｑfd.max/Cfd)은 일부의 경우에 출력 전압(Vout)의 출력 가능범위(Δ Vout.pp)를 넘는다.
이 경우에, 모든 전하를 출력 신호의 형태로 출력하기 위하여, 분할 전송은 부유 확산 용량(26)의 최대 축적 전하량(Qfd.max) 보다도 작은 전하량(Qmid)(<Qfd.max)이 최대가 되는 전하량의 단위로 수행될 수 있다.
전술한 분할 전송은 단위 화소(20B)를 포함하는 CMOS 이미지 센서에 적용되며, 광전 변환소자(21)의 전하는 임의 분할 전송에 기초하여 전송되어, 광전 변환소자(21)에서 발생된 모든 전하는 출력 전압(Vout)의 출력 가능범위(ΔVout.pp)에 따라 효율적으로 출력될 수 있다.
상기 각 실시예에서, 가시광의 광량에 대응하는 신호 전하를 물리량의 형태로 검출하는 단위 화소가 행렬 모양으로 배치되는 CMOS 이미지 센서에 본 발명이 적용된 경우가 예로 들어서 설명되었지만, 본 발명은 CMOS 이미지 센서에 대한 적용에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명은 칼럼 회로가 화소 어레이부의 화소열 마다 배치되는 칼럼 방식을 사용하는 고체 촬상장치 전반에 대하여 적용가능하다.
또한, 본 발명은 가시광의 입사광량의 분포를 검출하여 그 분포를 화상의 형태로 촬상하는 고체 촬상장치에 대한 적용에 한정되지 않는다. 즉, 본 발명은 적외선, X선, 입자 등의 입사량의 분포를 검출하여 그 분포를 화상의 형태로 촬상하는 고체 촬상장치, 및 광의의 의미로 압력 또는 정전용량과 같은 다른 물리량의 분포를 검출하여 그 분포를 화상의 형태로 촬상하는 지문 검출 센서와 같은 고체 촬상장치(물리량 분포 검출 장치) 전반에 대하여 적용가능하다.
더욱이, 본 발명은 화소 어레이부의 각 단위 화소를 행 단위로 순차적으로 주사하여 각 단위 화소로부터 화소 신호를 판독하는 고체 촬상장치에 한정되지 않는다. 즉, 본 발명은 화소 단위로 임의의 화소를 선택하고, 선택된 각 화소로부터 화소 단위로 신호를 판독하는 X-Y 어드레스형 고체 촬상장치에도 적용가능하다.
또한, 고체 촬상장치는 원칩(one-chip)으로서 형성된 형태를 가질 수 있고, 촬영부, 신호 처리부 또는 광학계가 집합적으로 패키징되는 촬영기능을 가지는 모듈 형태를 가질 수 있다.
부가적으로, 본 발명은 고체 촬상장치 뿐만 아니라 촬상장치에도 적용가능하다. 여기에서, 촬상장치는 디지털 스틸 카메라 또는 비디오 카메라와 같은 카메라 시스템, 또는 휴대 전화기와 같은 촬영기능을 가지는 전자기기를 의미한다. 또한, 촬상장치는 전자기기에 탑재되는 상기 모듈 형태, 즉 일부의 경우에 카메라 모듈을 의미한다.
(촬상장치)
도 35는 본 발명의 실시예에 따른 촬상장치의 구성을 도시하는 블럭도이다. 도 35에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 촬상장치(50)는 렌즈 그룹(51)을 포함하는 광학계, 고체 촬상장치(52), 카메라 신호 처리 회로로서 DSP 회로(53), 프레임 메모리(54), 표시 장치(55), 기록 장치(56), 조작계(57) 및 전원계(58) 등을 포함한다. 또한, DSP 회로(53), 프레임 메모리(54), 표시 장치(55), 기록 장치(56), 조작계(57) 및 전원계(58)는 버스 라인(59)을 통하여 서로 접속된다.
렌즈 그룹(51)은 피사체로부터의 입사광을 고체 촬상장치(52)의 촬영면 상에 결상시킨다. 고체 촬상장치(52)는 렌즈 그룹(51)에 의해 촬영면 상에 결상된 입사 광의 광량을 화소 단위로 전기신호로 변환하여 화소신호로서 출력한다. 이 고체 촬상장치(52)로서, 전술한 제1 내지 제3 실시형태에 따른 CMOS 이미지 센서(10)가 사용될 수 있다.
표시 장치(55)는 액정표시 장치 또는 유기EL(electro luminescence) 표시 장치와 같은 패널형 표시 장치에 의해 구성된다. 표시 장치(55)는 고체 촬상장치(52)로 촬상된 동영상 또는 정지 화상을 표시한다. 기록장치(56)는 고체 촬상장치(52)로 촬상된 동영상 또는 정지 화상을 비디오 테이프 또는 DVD와 같은 기록 매체에 기록한다.
조작계(57)는 유저에 의한 조작하에서 본 실시예의 촬상장치가 가지는 여러가지 기능에 대하여 조작 명령을 출력한다. 전원계(58)는 DSP 회로(53), 프레임 메모리(54), 표시 장치(55), 기록 장치(56) 및 조작계(57)의 동작 전원이 되는 각종 전원을 적당하게 공급한다.
상기한 바와 같이, 비디오 카메라 또는 디지털 스틸 카메라, 또는 휴대전화기와 같은 모바일 기기의 카메라 모듈과 같은 촬상장치에 있어서, 그 고체 촬상장치(52)로서, 전술한 제1 내지 제3 실시형태의 CMOS 이미지 센서(10A 내지 10C) 중 하나가 사용되며, 그 결과 모든 축적 전하가 1회의 판독으로 출력될 수 없는 경우에 전하가 분할 전송에 기초하여 전송되어, 그 분할 전송에 기초하여 전송되는 출력 신호가 서로 가산될 경우에 불필요한 랜덤 노이즈와 고정 패턴 노이즈가 가산 결과에 포함되지 않도록 할 수 있다. 결과적으로, 특히 저휘도영역에서 높은 S/N비가 실현된다.
당업자는 첨부한 청구범위의 범위 또는 그것의 균등물 내에서 여러가지 변형, 조합, 부분 조합, 및 변경이 설계변경 및 다른 요인에 의존하여 이루어질 수 있다고 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서를 나타내는 시스템 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 단위 화소의 회로 구성의 일례를 개시하는 회로도이다.
도 3은 도 1에 도시된 단위 화소의 회로 구성의 다른 예를 개시하는 회로도이다.
도 4는 도 1에 도시된 단위 화소의 회로 구성의 또다른 예를 개시하는 회로도이다.
도 5는 분할 전송이 4분할에서 수행될 때 리셋 펄스(RST)와 전송 펄스(TRG) 사이의 타이밍 관계를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 6은 4분할 전송에서의 입사광 휘도가 높을 경우의 동작을 설명하는 에너지 도이다.
도 7은 4분할 전송에서의 입사광 휘도가 낮을 경우의 동작을 설명하는 에너지 도이다.
도 8a 및 도 8b는 광전 변환부가 취급할 수 있는 최대 전하량(Qpd.max)과 각각의 분할 전송 동작의 최대값(Qfd.max) 사이의 관계를 각각 도시한 도면이다.
도 9는 광전 변환부에 축적된 최대 전하량이 10,000 전자로 설정될 때 축적 전하와 S/N(dB) 사이의 관계를 도시한 그래프이다.
도 10은 실시예 1의 신호 처리 회로의 구성의 일례를 개시하는 블럭도이다.
도 11은 실시예 2의 신호 처리 회로의 구성의 일례를 개시하는 블럭도이다.
도 12는 실시예 3의 신호 처리 회로의 구성의 일례를 개시하는 블럭도이다.
도 13은 실시예 4의 신호 처리 회로의 구성의 일례를 개시하는 블럭도이다.
도 14는 실시예 5의 신호 처리 회로의 구성의 일례를 개시하는 블럭도이다.
도 15는 레벨 판정부의 구성의 일례를 개시하는 블럭도이다.
도 16은 도 15에 도시된 레벨 판정부 내의 레벨 비교기의 구성의 일례를 개시하는 회로도이다.
도 17은 도 15에 도시된 레벨 판정부의 동작을 설명하는 타이밍 차트이다.
도 18은 본 발명의 제2실시형태에 따른 CMOS 이미지 센서를 나타내는 시스템 구성도이다.
도 19는 실시예 1의 칼럼 회로의 구성의 일례를 개시하는 블럭도이다.
도 20은 실시예 2의 칼럼 회로의 구성의 일례를 개시하는 블럭도이다.
도 21은 실시예 3의 칼럼 회로의 구성의 일례를 개시하는 블럭도이다.
도 22는 A/D 변환부 및 처리 정지부의 구체적인 구성의 일례를 개시하는 블럭도이다.
도 23은 노이즈 제거 기능과 가산 기능을 가지는 A/D 변환부의 동작 타이밍을 나타내는 타이밍 차트이다.
도 24는 본 발명의 제3 실시형태에 따른 CMOS 이미지 센서의 구성을 나타내는 시스템 구성도이다.
도 25는 도 24에 도시된 공급전압 제어회로의 회로 구성의 일례를 개시하는 회로도이다.
도 26은 공급전압 제어회로의 입력 동작과 출력 동작 사이의 타이밍 관계를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 27은 3분할 전송의 경우에서의 구동 타이밍 예를 개시하는 타이밍 차트이다.
도 28은 3분할 전송의 경우에서의 동작을 설명하는 에너지 도이다.
도 29는 n분할 전송의 경우에서의 구동 타이밍 예를 개시하는 타이밍 차트이다.
도 30a 및 도 30b는 광전 변환부가 취급할 수 있는 최대 전하량(Qpd.max)과 각각의 분할 전송의 최대값(Qfd.max) 사이의 관계를 개별적으로 도시한 도면이다.
도 31은 도 24에 도시된 칼럼 회로의 구성의 일례를 개시하는 블럭도이다.
도 32는 전하-전압 변환 효율을 향상시켰을 경우의 입사광 강도 : S/N의 특성에 관한 본 발명과 종래기술의 비교 예를 도시한 도면이다.
도 33은 변형예 1의 단위 화소의 화소 회로를 나타내는 회로도이다.
도 34는 변형예 2의 단위 화소의 화소 회로를 나타내는 회로도이다.
도 35는 본 발명의 실시예에 따른 촬상장치의 구성의 일례를 개시하는 블럭도이다.
도 36은 종래기술에서의 단위 화소의 구성의 일례를 개시하는 회로도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10A ,10B,10C : CMOS 이미지 센서
11 : 화소 어레이부 12 : 수직 주사 회로
13 : 수평 주사 회로 14 : 칼럼 신호 선택회로
15(15A,15B,15C,15D,15E) : 신호 처리 회로
17(17A,17B,17C), 34 : 칼럼 회로 20(20A,20B) : 단위 화소
21 : 광전변환소자 22 : 전송 트랜지스터
23 : 리셋 트랜지스터 24 : 증폭 트랜지스터
25 : 선택 트랜지스터 31 : 공급전압 제어회로
32 : 전압 공급회로 33 : 타이밍 발생 회로(TG)

Claims (17)

  1. 광신호를 신호 전하로 변환하는 광전 변환부와, 상기 광전 변환부에서 광전변환된 신호 전하를 전송하는 전송 소자와, 상기 전송 소자에 의해 전송된 신호 전하를 출력하는 출력 수단을 포함하는 단위 화소가 행렬 모양으로 배치되는 화소 어레이부와,
    1단위의 축적 기간 동안 상기 광전 변환부에 축적된 신호 전하를 상기 전송 소자에 의해 적어도 2배치로 분할하여 상기 출력 수단을 통해 판독하는 구동수단과,
    상기 단위 화소로부터 분할하여 판독된 복수의 출력 신호에 대하여 가산 처리를 행하는 신호 처리 수단과,
    상기 복수의 출력신호의 각각을 판독할 때마다 해당 복수의 출력 신호의 각 신호 레벨을 참조 레벨과 비교하는 레벨 판정 수단과,
    상기 레벨 판정 수단의 판정 결과에 근거하여, 상기 복수의 출력 신호 중, 상기 참조 레벨 이상의 신호 레벨의 출력 신호에 대하여 상기 가산 처리를 실행시키는 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 복수의 출력 신호의 각 신호 레벨이 상기 참조 레벨 이하일 때, 상기 가산 처리를 정지하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 복수의 출력 신호의 각 신호 레벨이 상기 참조 레벨 이하가 될 때, 상기 출력 수단에서의 분할 전송에 의한 다음 이후의 출력 신호에 대한 상기 가산 처리를 적어도 1회 정지하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 복수의 출력 신호의 각 신호 레벨이 상기 참조 레벨 이상이 될 때, 상기 가산 처리를 개시하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 복수의 출력 신호의 각 신호 레벨이 상기 참조 레벨 이상이 될 때, 그 이전에 판독된 출력 신호 또는 그 가산 결과를 리셋하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 신호 처리 수단은 상기 복수의 출력 신호에 대하여 아날로그-디지털 변환 처리를 행하는 아날로그-디지털 변환 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 복수의 출력 신호의 각 신호 레벨이 상기 참조 레벨 이하가 될 때, 상기 아날로그-디지털 변환 처리를 정지하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 복수의 출력 신호의 각 신호 레벨이 상기 참조 레벨 이상이 될 때, 상기 아날로그-디지털 변환 처리를 개시하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 아날로그-디지털 변환 수단은,
    상기 복수의 출력 신호를 참조 신호와 비교하는 비교 수단과,
    상기 비교 수단의 비교 결과에 따른 카운트 값만큼 카운팅 동작을 행하는 카운팅 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 아날로그-디지털 변환 수단은 상기 카운팅 수단에 의한 카운팅 동작에 의해, 상기 아날로그-디지털 변환 처리와 상기 가산 처리를 병행하여 실행하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 카운팅 수단은 상기 비교 수단의 비교 결과에 따른 카운트 값만큼 업 카운트 또는 다운 카운트하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 아날로그-디지털 변환 수단은 상기 카운팅 수단에 의한 업 카운트 또는 다운 카운트에 의해, 상기 단위 화소로부터 얻어진 리셋 레벨과 신호 레벨의 차분을 획득하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 출력 수단은 상기 전송 소자에 의해 전송된 신호 전하를 전압으로 변환하는 전하-전압 변환부를 포함하고,
    상기 전하-전압 변환부는, 해당 전하-전압 변환부를 취급할 수 있는 최대 전하량이 상기 광전 변환부에 축적가능한 최대 전하량보다도 작아지도록 기생 용량이 작게 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상장치.
  14. 광신호를 신호 전하로 변환하는 광전 변환부와, 상기 광전 변환부에서 광전변환된 신호 전하를 전송하는 전송 소자와, 상기 전송 소자에 의해 전송된 신호 전하를 출력하는 출력 수단을 포함하는 단위 화소가 행렬 모양으로 배치되는 화소 어레이부와,
    1단위의 축적 기간 동안 상기 광전 변환부에 축적된 신호 전하를 상기 전송 소자에 의해 적어도 2배치로 분할하여 상기 출력 수단을 통해 판독하는 구동수단을 포함하고,
    상기 단위 화소로부터 분할하여 판독된 복수의 출력 신호에 대하여 가산 처리를 행하는 고체 촬상장치의 신호 처리 방법에 있어서,
    상기 복수의 출력신호의 각각을 판독할 때마다 해당 복수의 출력 신호의 각 신호 레벨을 참조 레벨과 비교하고,
    상기 비교 결과에 근거하여, 상기 복수의 출력 신호 중, 상기 참조 레벨 이상의 신호 레벨의 출력 신호에 대하여 상기 가산 처리를 실행하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상장치의 신호 처리 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 출력 신호의 각 신호 레벨이 상기 참조 레벨 이하가 될 때, 상기 가산 처리를 정지하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상장치의 신호 처리 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 출력 신호의 각 신호 레벨이 상기 참조 레벨 이상이 될 때, 상기 가산 처리를 개시하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상장치의 신호 처리 방법.
  17. 광신호를 신호 전하로 변환하는 광전 변환부와, 상기 광전 변환부에서 광전변환된 신호 전하를 전송하는 전송 소자와, 상기 전송 소자에 의해 전송된 신호 전하를 출력하는 출력 수단을 포함하는 단위 화소가 행렬 모양으로 배치되는 고체 촬상장치와,
    입사광을 상기 고체 촬상장치의 촬상 영역 상에 결상하는 광학계를 포함하고,
    상기 고체 촬상장치는,
    1단위의 축적 기간 동안 상기 광전 변환부에 축적된 신호 전하를 상기 전송 소자에 의해 적어도 2배치로 분할하여 상기 출력 수단을 통해 판독하는 구동수단과,
    상기 단위 화소로부터 분할하여 판독된 복수의 출력 신호에 대하여 가산 처리를 행하는 신호 처리 수단과,
    상기 복수의 출력신호의 각각을 판독할 때마다 해당 복수의 출력 신호의 각 신호 레벨을 참조 레벨과 비교하는 레벨 판정 수단과,
    상기 레벨 판정 수단의 판정 결과에 근거하여, 상기 복수의 출력 신호 중, 상기 참조 레벨 이상의 신호 레벨의 출력 신호에 대하여 상기 가산 처리를 실행시키는 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 촬상장치.
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