KR101477856B1 - 고체 촬상 장치 및 고체 촬상 시스템 - Google Patents

고체 촬상 장치 및 고체 촬상 시스템 Download PDF

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Abstract

특정 실시 형태는 제1 화소, 제2 화소 및 출력 회로를 포함하는 고체 촬상 장치를 제공한다. 제1 화소는 제1 포토다이오드 및 제1 포토다이오드 위에 형성된 제1 마이크로 렌즈를 갖는다. 제2 화소는 제2 포토다이오드, 및 제2 포토 다이오드 위에 형성되고, 제1 마이크로 렌즈보다 작은 제2 마이크로 렌즈를 갖는다. 또한, 제2 화소는 제1 화소의 1/n배의 감도와 제1 화소의 n배의 광전 변환 기간을 갖는다. 출력 회로는 제1 신호 전하의 전하량에 기초한 제1 검출 신호와 제2 신호 전하의 전하량에 기초한 제2 검출 신호 사이의 차인 차분 신호를 출력한다.

Description

고체 촬상 장치 및 고체 촬상 시스템{SOLID-STATE IMAGE PICKUP DEVICE AND SOLID-STATE IMAGE PICKUP SYSTEM}
본 발명은 2011년 9월 22일자로 일본에서 출원된 일본 특허 출원 공개 제2011-207448호 공보에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 전체 내용은 본원에 원용된다.
본 발명의 실시 형태는 전체적으로 고체 촬상 장치 및 고체 촬상 시스템에 관한 것이다
최근, 퍼스널 컴퓨터와 휴대 단말기의 입력 수단으로서, 광학식의 언터치(optical-system untouched) 패널이 개발되고 있다. 언터치 패널은 손끝을 디스플레이에 접촉시키지 않고 문자를 입력하고 그림을 그릴 수 있게 해준다. 광학식의 언터치 패널에 따르면, 손끝을 디스플레이에 접촉시키지 않기 때문에, 디스플레이 표면이 더러워지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 광학식의 언터치 패널에 따르면, 손끝의 움직임을 검출함으로써 문자를 입력하고 그림을 그리기 때문에, 손끝이 디스플레이에 접촉한 것을 검출하는 투명 전극이 불필요해진다. 따라서, 투명 전극에 의한 광 흡수에 기인하는 디스플레이의 명도 저하를 방지할 수 있다.
또한，게임 분야에서, 인간의 의지를 기계에 전달하는 수단으로서, 광학적으로 인간의 움직임을 인식시킴으로써, 화면 상의 등장 인물의 움직임을 변경하거나, 인간의 움직임을 볼에 대한 리액션으로 변경하는 시스템이 보급되고 있다.
언터치 패널 및 시스템에 적용되는 카메라에는, 고체 촬상 장치로서 CMOS 센서 또는 CCD 센서가 사용된다. 예를 들면, CMOS 센서에는 동일한 크기 및 동일한 감도를 갖는 복수의 화소가 격자 형상으로 배열되어 있다. 예를 들면, 이러한 CMOS 센서가 적용된 카메라를 사용하여 손끝 등의 피사체의 움직임을 검출하는 경우, 움직임 검출 신호 처리 회로를 이용함으로써 이하와 같은 신호 처리를 행할 필요가 있다.
즉, 소정의 시간 간격마다 움직이는 피사체를 포함하는 소정 영역의 화상을 촬상하고, 촬상된 화상들을, 움직임 검출 신호 처리 회로를 이용하여 비교한다. 화상들을 서로 비교함으로써, 피사체가 움직인 방향 및 피사체가 움직인 거리를 검출한다. 이에 따라, 피사체의 움직임을 검출할 수 있다.
그러나，이러한 신호 처리는 화상 간의 비교에 기초한 처리이기 때문에，처리가 매우 복잡하고, 처리 시간도 길다는 문제가 있다．
특정 실시 형태는 고체 촬상 장치로서, 광을 수광하여 광전 변환하는 것에 의해 제1 신호 전하를 발생시키는 제1 포토다이오드, 및 상기 제1 포토다이오드 위에 형성된 제1 마이크로 렌즈를 갖는 제1 화소, 광을 수광하여 광전 변환하는 것에 의해 제2 신호 전하를 발생시키는 제2 포토다이오드, 및 상기 제2 포토다이오드 위에 형성되고, 상기 제1 마이크로 렌즈보다 작은 제2 마이크로 렌즈(여기서, 제1 마이크로 렌즈와 제2 마이크로 렌즈의 사이즈 비는 n:1임)를 갖는 제2 화소, 및 상기 제1 화소에 있어서 제1 광전 변환 기간에 걸쳐 광전 변환함으로써 얻어지는 상기 제1 신호 전하의 전하량에 기초한 제1 검출 신호와, 상기 제2 화소에 있어서 상기 제1 광전 변환 기간의 n배의 제2 광전 변환 기간에 걸쳐 광전 변환함으로써 얻어지는 상기 제2 신호 전하의 전하량에 기초한 제2 검출 신호와의 차분 신호를 출력하는 출력 회로를 포함한다.
특정 실시 형태는 고체 촬상 장치를 갖는 고체 촬상 시스템으로서, 상기 고체 촬상 장치는, 광을 수광하여 광전 변환하는 것에 의해 제1 신호 전하를 발생시키는 제1 포토다이오드, 및 상기 제1 포토다이오드 위에 형성된 제1 마이크로 렌즈를 갖는 제1 화소, 광을 수광하여 광전 변환하는 것에 의해 제2 신호 전하를 발생시키는 제2 포토다이오드, 및 상기 제2 포토다이오드 위에 형성되고, 상기 제1 마이크로 렌즈보다 작은 제2 마이크로 렌즈(여기서, 제1 마이크로 렌즈와 제2 마이크로 렌즈의 사이즈 비는 n:1임)를 갖는 제2 화소, 상기 제1 화소에 있어서 제1 광전 변환 기간에 걸쳐 광전 변환함으로써 얻어지는 상기 제1 신호 전하의 전하량에 기초한 제1 검출 신호와, 상기 제2 화소에 있어서 상기 제1 광전 변환 기간의 n배의 제2 광전 변환 기간에 걸쳐 광전 변환함으로써 얻어지는 상기 제2 신호 전하의 전하량에 기초한 제2 검출 신호와의 차분 신호를 출력하는 출력 회로, 및 상기 출력 회로로부터 출력되는 상기 차분 신호에 기초하여 화상을 형성하는 화상 형성부를 포함하고, 상기 출력 회로는, 상기 고체 촬상 장치가 정지한 피사체를 촬상한 경우에 상기 제1 화소의 출력과 상기 제2 화소의 출력이 동일하게 되도록 함으로써, 제로를 상기 차분 신호로서 출력하고, 상기 출력 회로는, 상기 고체 촬상 장치가 움직이는 피사체를 촬상한 경우에 상기 제1 화소의 출력과 상기 제2 화소의 출력이 상이하게 되도록 함으로써, 양쪽 차분값을 상기 차분 신호로서 출력하고, 상기 화상 형성부가 이 차분 신호에 기초한 화상을 형성함으로써, 상기 피사체의 움직임을 검출한다.
특정 실시 형태는 고체 촬상 장치로서, 광을 수광하여 광전 변환하는 것에 의해 제1 신호 전하를 발생시키는 제1 포토다이오드, 및 상기 제1 포토다이오드 위에 형성된 제1 마이크로 렌즈를 갖는 제1 화소, 광을 수광하여 광전 변환하는 것에 의해 제2 신호 전하를 발생시키는 제2 포토다이오드, 및 상기 제2 포토다이오드 위에 형성되고, 상기 제1 마이크로 렌즈보다 작은 제2 마이크로 렌즈(여기서, 제1 마이크로 렌즈와 제2 마이크로 렌즈의 사이즈 비는 n:1임)를 갖는 제2 화소, 상기 제1 신호 전하의 전하량과 상기 제2 신호 전하의 전하량에 기초하여 신호를 출력하는 출력 회로, 및 상기 출력 회로에 움직임 검출 모드 신호 또는 와이드 다이내믹 레인지 모드 신호인 모드 전환 신호를 출력함으로써, 상기 출력 회로의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 출력 회로는, 상기 제어부로부터 상기 모드 전환 신호로서 상기 움직임 검출 모드 신호를 수신한 경우, 상기 제2 화소의 광전 변환 기간이 상기 제1 화소의 광전 변환 기간의 n배가 되도록, 상기 제1 화소 및 제2 화소로부터 상기 제1 신호 전하 및 상기 제2 신호 전하를 판독하고, 판독된 상기 제1 신호 전하의 전하량에 기초한 제1 검출 신호와, 상기 제2 신호 전하에 기초한 제2 검출 신호와의 차분 신호를 출력하도록 동작하고, 상기 출력 회로는, 상기 제어부로부터 상기 모드 전환 신호로서 와이드 다이내믹 레인지 모드 신호를 수신한 경우, 상기 제2 화소의 광전 변환 기간이 상기 제1 화소의 광전 변환 기간보다 길어지도록, 상기 제1 화소 및 상기 제2 화소로부터 상기 제1 신호 전하 및 상기 제2 신호 전하를 판독하고, 상기 제1 검출 신호와 상기 제2 검출 신호와의 합에 기초한 신호를 출력하도록 동작한다.
특정 실시 형태는 고체 촬상 장치를 포함하는 고체 촬상 시스템으로서, 상기 고체 촬상 장치는, 광을 수광하여 광전 변환하는 것에 의해 제1 신호 전하를 발생시키는 제1 포토다이오드, 및 상기 제1 포토다이오드 위에 형성된 제1 마이크로 렌즈를 갖는 제1 화소, 광을 수광하여 광전 변환하는 것에 의해 제2 신호 전하를 발생시키는 제2 포토다이오드, 및 상기 제2 포토다이오드 위에 형성되고, 상기 제1 마이크로 렌즈보다 작은 제2 마이크로 렌즈(여기서, 제1 마이크로 렌즈와 제2 마이크로 렌즈의 사이즈 비는 n:1임)를 갖는 제2 화소, 상기 제1 신호 전하의 전하량과 상기 제2 신호 전하의 전하량에 기초한 신호를 출력하는 출력 회로, 상기 출력 회로에 움직임 검출 모드 신호 또는 와이드 다이내믹 레인지 모드 신호인 모드 전환 신호를 출력함으로써, 상기 출력 회로의 동작을 제어하는 제어부, 및 상기 출력 회로로부터 출력되는 상기 신호에 기초하여 화상을 형성하여 출력하는 화상 형성부를 포함하고, 상기 출력 회로는, 상기 제어부로부터 상기 모드 전환 신호로서 상기 움직임 검출 모드 신호를 수신한 경우, 상기 제2 화소의 광전 변환 기간이 상기 제1 화소의 광전 변환 기간의 n배가 되도록, 상기 제1 화소 및 상기 제2 화소로부터 상기 제1 신호 전하 및 상기 제2 신호 전하를 판독하고, 판독된 상기 제1 신호 전하의 전하량에 기초한 제1 검출 신호와, 상기 제2 신호 전하에 기초한 제2 검출 신호와의 차분 신호를 출력하고, 상기 화상 형성부가 상기 차분 신호에 기초한 신호에 기초하여 상기 화상을 형성함으로써, 상기 피사체의 움직임을 검출하고, 상기 출력 회로는, 상기 제어부로부터 상기 모드 전환 신호로서 와이드 다이내믹 레인지 모드 신호를 수신한 경우, 상기 제2 화소의 광전 변환 기간이 상기 제1 화소의 광전 변환 기간보다 길어지도록, 상기 제1 화소 및 상기 제2 화소로부터 상기 제1 신호 전하 및 상기 제2 신호 전하를 판독하고, 상기 제1 검출 신호와 상기 제2 검출 신호와의 합에 기초한 신호를 출력하고, 상기 화상 형성부가 상기 합에 기초한 신호에 기초하여 상기 화상을 형성하여 출력한다.
도 1은 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치의 관련부를 나타내는 평면도이다.
도 2는 도 1의 점선 X-X'을 따르는 고체 촬상 장치의 부분 단면도이다.
도 3은 제1 실시 형태의 고체 촬상 장치의 단위 셀 및 복수의 단위 셀에 공통으로 배치된 공통 출력 회로를 포함하는 고체 촬상 장치의 등가 회로도이다．
도 4는 제1 화소(13a) 및 제2 화소(13b)의 광전 변환 기간과, 화소(13a)에 축적되는 제1 신호 전하의 전하량 및 화소(13b)에 축적되는 제2 신호 전하의 전하량 사이의 관계를 나타내는 설명도이다.
도 5는 움직임 검출 모드에서의, 어드레스 트랜지스터, 리세트 트랜지스터, 제1 판독 게이트 및 제2 판독 게이트의 동작과, 수직 신호선에 나타나는 검출 신호 사이의 관계를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 6은 움직임 검출 모드에서의, 제1 내지 제3 스위치의 동작과, 차동 증폭기에 입력된 검출 신호 및 차동 증폭기로부터 출력된 차분 신호 사이의 관계를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 7의 (a) 내지 (f)는 움직임 검출 모드를 설명하기 위한 설명도이며, 도 7의 (a)는 촬상 대상인 움직이고 있는 손끝을 나타내고, 도 7의 (b)는 제1 화소에만 기초하여 손끝을 촬상한 경우의 출력 화상을 나타내고, 도 7의 (c)는 도 7의 (b)의 반전 화상을 나타내고, 도 7의 (d)는 제2 화소에만 기초하여 손끝을 촬상한 경우의 출력 화상을 나타내고, 도 7의 (e)는 도 7의 (a)의 점선 A-A'을 따르는 라인 상의 각셀로부터 출력되는 검출 신호의 전위 레벨을 나타내고, 도 7의 (f)는 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치에 의한 출력 화상을 나타낸다.
도 8은 제2 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치의 관련부를 나타내는 평면도이다.
도 9는 제3 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치의 관련부를 나타내는 평면도이다.
도 10은 제4 실시 형태에 따른 고체 촬상 시스템의 관련부를 나타내는 평면도이다.
도 11은 제4 실시 형태에 따른 고체 촬상 시스템의 관련부를 나타내는 측면도이다.
도 12는 와이드 다이내믹 레인지 모드에서의, 어드레스 트랜지스터, 리세트 트랜지스터, 제1 판독 게이트 및 제2 판독 게이트의 동작과, 수직 신호선에 나타나는 검출 신호 사이의 관계를 나타내는 타이밍차트이다.
도 13은 와이드 다이내믹 레인지 모드에서의, 제1 내지 제3 스위치의 동작과, 차동 증폭기에 입력된 검출 신호 및 차동 증폭기로부터 출력된 차분 신호 사이의 관계를 나타내는 타이밍차트이다.
도 14는 와이드 다이내믹 레인지 모드를 설명하기 위한 도면이며, 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치의 단위 셀이 수광한 광량과, 차동 증폭기로부터 출력된 차분 신호의 전위 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 15는 와이드 다이내믹 레인지 모드를 실현하기 위한 고체 촬상 장치의 다른 변형예를 나타내는 평면도이다.
도 16은 도 15에 나타낸 고체 촬상 장치에 의해 와이드 다이내믹 레인지 모드를 설명하기 위한 도면이며, 고체 촬상 장치의 단위 셀이 수광한 광량과, 차동 증폭기로부터 출력된 차분 신호의 전위 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하에, 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치 및 고체 촬상 시스템에 대해서, 도면을 참조해서 상세하게 설명한다.
(제1 실시 형태)
도 1은, 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(10)의 관련부를 나타내는 평면도이다. 도 1에 나타내는 고체 촬상 장치(10)는 복수의 화소(13a, 13b)가 격자 형상으로 배열된 CMOS형의 고체 촬상 장치(10)이다.
고체 촬상 장치(10)에 있어서, 세로 방향에서 서로 인접하는 화소(13a, 13b)는 감도가 서로 상이하다. 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(10)는, 감도가 상이한 2개의 화소(13a, 13b)를 단위 셀(14)로서 갖는 소위 2화소 1셀 타입의 고체 촬상 장치이다.
각 단위 셀(14)은, 고감도의 제1 화소(13a) 및 저감도의 제2 화소(13b)를 갖는다. 고감도의 제1 화소(13a)는, 면적이 큰 사각 형상의 제1 포토다이오드(11a) 및, 제1 포토다이오드(11a) 위에 형성되는, 사이즈(표면적 또는 높이)가 큰 제1 마이크로 렌즈(12a)를 갖는다. 저감도의 제2 화소(13b)는 제1 포토다이오드(11a)보다 면적이 작은 사각 형상의 제2 포토다이오드(11b) 및 제2 포토다이오드(11b) 위에 형성된, 제1 마이크로 렌즈(12a)보다 사이즈가 작은 제2 마이크로 렌즈(12b)를 갖는다.
각 화소(13a, 13b)의 포화 레벨, 즉, 각 포토다이오드(11a, 11b)에 의해 행해진 광전 변환에 의해 축적될 수 있는 최대의 신호 전하량은, 각 포토다이오드(11a, 11b)의 면적에 의해 결정된다. 제1 포토다이오드(11a)의 면적은 제2 포토다이오드(11b)의 면적보다 크기 때문에, 제1 화소(13a)의 포화 레벨은 제2 화소(13b)의 포화 레벨보다 높다.
제1 화소(13a)는 제2 화소(13b)보다 고감도이며, 제1 포토다이오드(11a)에 단위 시간당에 축적되는 신호 전하량은, 제2 포토다이오드(11b)의 신호 전하량보다 많다. 따라서, 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(10)의 관계와 같이, 제1 포토다이오드(11a)는 제2 포토다이오드(11b)보다 큰 것이 바람직하다. 그러나，제1 포토다이오드(11a) 및 제2 포토다이오드(11b) 양자가 포화가 발생되지 않는 소정의 크기이면, 이들 포토다이오드들(11a, 11b)의 크기 관계는 상술한 관계에 한정되지 않는다. 따라서, 예를 들면, 후술의 도 15에 나타내는 고체 촬상 장치(60)에서의 관계와 같이, 제1 포토다이오드(11a)는 제2 포토다이오드(11b)보다 작을 수 있다.
화소들(13a, 13b)의 감도는 마이크로 렌즈들(12a, 12b)의 사이즈에 의해 결정된다. 제1 마이크로 렌즈(12a)는 제2 마이크로 렌즈(12b)보다 큰 사이즈이므로，제1 화소(13a)의 감도는 제2 화소(13b)의 감도보다 높다.
본 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(10)는, 각각이 제1 화소(13a) 및 제2 화소(13b)를 갖는 복수의 단위 셀(14)이 격자 형상으로 배열되어 있다. 즉, 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(10)는, 동일 단위 셀(14) 내의 제1 마이크로 렌즈(12a)와 제2 마이크로 렌즈(12b)가 도면의 세로 방향(이하, "수직 방향")에 있어서 인접하고, 상이한 단위 셀(14) 내의 제1 마이크로 렌즈(12a)가 도면의 가로 방향(이하, "수평 방향")에 있어서 인접하도록, 복수의 단위 셀(14)이 격자 형상으로 배열되어 있다. 이 경우, 상이한 단위 셀(14) 내의 제2 마이크로 렌즈(12b)가 수평 방향에 있어서 서로 분리되더라도, 제2 마이크로렌즈(12b)는 서로 근접한다.
각 단위 셀(14) 내에는, 제1 화소(13a)에 축적된 신호 전하(이하, "제1 신호 전하")를 판독하는 제1 판독 게이트(15a), 제2 화소(13b)에 축적된 신호 전하(이하, "제2 신호 전하")를 판독하는 제2 판독 게이트(15b), 제1 및 제2 신호 전하를 검출하는 검출부(16), 검출된 제1 및 제2 신호 전하에 기초하여 제1 및 제2 검출 신호를 출력하는 단위 셀의 출력 회로(17), 검출부(16)가 일정한 전위를 갖도록 검출부(16)를 리세트하고, 잉여 전하를 배출하는 리세트 트랜지스터(18), 및 잉여 전하의 배출처로서의 드레인(19)이 설치되어 있다.
제1 판독 게이트(15a)는 제1 화소(13a)의 제1 포토다이오드(11a)의 １변에 근접하는 위치에 설치되어 있다. 제2 판독 게이트(15b)는 제2 화소(13b)의 제2 포토다이오드(11b)의 １변에 근접하는 위치에 설치되어 있다.
검출부(16)는 제1 판독 게이트(15a)와 제2 판독 게이트(15b) 사이에 설치되어 있다. 검출부(16)는 제1 판독 게이트(15a)에 의해 제1 화소(13a)로부터 검출된 제1 신호 전하, 및 제2 판독 게이트(15b)에 의해 제2 화소(13b)로부터 검출된 제2 신호 전하를 수신한다.
단위 셀의 출력 회로(17)는 제2 화소(13b)에 근접하는 위치에 설치되어 있고, 제1 및 제2 신호 전하의 전하량에 따른 제1 및 제2 검출 신호를 출력하는 회로이다.
리세트 트랜지스터(18)는 검출부(16)가 트랜지스터(18)와 단위 셀의 출력 회로(17)에 의해 개재되어 있는 위치에 설치되어 있다. 리세트 트랜지스터(18)는 검출부(16)에 축적된 잉여 전하를 검출부(16)로부터 배출하고, 배출된 잉여 전하를 리세트 트랜지스터(18)의 근방에 설치된 드레인(19)에 전송하는 것에 의해, 검출부(16)의 전위를 일정 레벨로 유지한다.
도 2는 도 1의 일점 쇄선 X-X'을 따르는 고체 촬상 장치(10)의 부분 단면도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 고체 촬상 장치(10)의 단위 셀(14)에 있어서, 예를 들면, 실리콘으로 구성되는 P형의 반도체 기판(20)의 표면에는, N+형의 불순물층으로서 제1 포토다이오드(11a) 및 제2 포토다이오드(11b)가 서로 이격한 위치에 형성되어 있다. 또한，반도체 기판(20)의 표면에서, 제1 포토다이오드(11a)와 제2 포토다이오드(11b) 사이에 개재된 위치에는, N+형의 불순물층으로서 검출부(16)가 형성되어 있다.
반도체 기판(20)의 표면상에서, 제1 포토다이오드(11a)와 검출부(16) 사이에는, 산화막(21)을 사이에 두고 제1 판독 게이트(15a)로서의 제1 게이트 전극(15a)이 형성되어 있다. 마찬가지로, 제2 포토다이오드(11b)와 검출부(16) 사이에는, 산화막(21)을 사이에 두고 제2 판독 게이트(15b)로서의 제2 게이트 전극(15b)이 형성되어 있다.
반도체 기판(20)의 표면상에는, 산화막(21)을 사이에 두고 배선층(22)이 형성되어 있다. 배선층(22)은 제1 게이트 전극(15a), 제2 게이트 전극(15b), 및 배선(23)을 포함하고，이들은 절연체(24)에 의해 서로 절연된다.
배선층(22)의 표면상에는, 제1 마이크로 렌즈(12a) 및 제2 마이크로 렌즈(12b)가 형성되어 있다. 제1 마이크로 렌즈(12a)는 제1 포토다이오드(11a) 위에 형성되고 있고, 제2 마이크로 렌즈(12b)는 제2 포토다이오드(11a) 위에 형성되어 있다.
고체 촬상 장치(10)에 있어서, 예를 들면, 제1 게이트 전극(15a)에 원하는 전압이 인가되면，제1 게이트 전극(15a) 바로 아래의 반도체 기판(20)의 표면에 채널이 형성되기 때문에, 제1 포토다이오드(11a)에 축적된 제1 신호 전하를 채널을 통해 검출부(16)에 전송할 수 있다. 마찬가지로, 제2 게이트 전극(15b)에 원하는 전압이 인가되면，제2 게이트 전극(15b) 바로 아래의 반도체 기판(20)의 표면에 채널이 형성되기 때문에, 제2 포토다이오드(11b)에 축적된 제2 신호 전하를 채널을 통해 검출부(16)에 전송할 수 있다.
리세트 트랜지스터(18)에 있어서의 전하의 전송도 마찬가지로 행해진다.
도 3은 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(10)에 있어서의 단위 셀(14) 및 복수의 단위 셀(14)에 공통으로 배치된 공통 출력 회로(17')를 포함하는 고체 촬상 장치의 등가 회로도이다． 도 3에 도시한 바와 같이, 고감도의 제1 화소(13a)를 구성하는 제1 포토다이오드(11a)에는 제1 판독 게이트(15a)가 접속되어 있다. 마찬가지로, 저감도의 제2 화소(13b)를 구성하는 제2 포토다이오드(11b)에는 제2 판독 게이트(15b)가 접속되어 있다.
제1 판독 게이트(15a) 및 제2 판독 게이트(15b)의 출력은 검출부(16)에 공통으로 접속되어 있다. 검출부(16)는 수직 방향에 있어서, 리세트 트랜지스터(18)에 접속되어 있고, 수평 방향에 있어서, 단위 셀의 출력 회로(17)에 접속되어 있다.
단위 셀의 출력 회로(17)는, 검출부(16)에 의해 수신된 제1 및 제2 신호 전하를 전압 신호로 변환하기 위한 앰프 트랜지스터 AMPTr, 및 단위 셀(14)을 선택하기 위한 어드레스 트랜지스터 ADDRESSTr을 포함한다. 검출부(16)는, 수평 방향에 있어서, 단위 셀의 출력 회로(17)의 앰프 트랜지스터 AMPTr의 제어 게이트에 접속되어 있다.
앰프 트랜지스터 AMPTr의 드레인은, 어드레스 트랜지스터 ADDRESSTr에 접속되어 있고, 앰프 트랜지스터 AMPTr의 소스는 수직 신호선 LS를 통해 로드 트랜지스터 LOADTr에 접속되어 있다.
제1 내지 제3 스위치 SW1, SW2, SW3, 차동 증폭기 Diff-AMP, 로드 트랜지스터 LOADTr를 포함하는 공통 출력 회로(17')는 수직 방향으로 배열된 복수의 단위 셀(14)에 공통으로 사용된다.
제1 판독 게이트(15a)의 제어 게이트는, 제1 리드 LR1을 통해 주변 회로로서의 수직 레지스터(25)에 접속되어 있고, 제2 판독 게이트(15b)의 제어 게이트는, 제2 리드 LR2를 통해 수직 레지스터(25)에 접속되어 있다. 리세트 트랜지스터(18)의 게이트 전극은, 리세트 선 LRS를 통해 수직 레지스터(25)에 접속되어 있고, 어드레스 트랜지스터 ADDRESSTr의 게이트 전극은, 어드레스 선 LA를 통해 수직 레지스터(25)에 접속되어 있다.
앰프 트랜지스터 AMPTr의 출력은, 로드 트랜지스터 LOADTr 및 제1 스위치 SW1을 통해 차동 증폭기 Diff-AMP의 반전 입력 단자(이하, "마이너스 단자")에 접속됨과 동시에, 로드 트랜지스터 LOADTr 및 제2 스위치 SW2를 통해 차동 증폭기 Diff-AMP의 비반전 입력 단자(이하, "플러스 단자")에 접속되어 있다. 제1 스위치 SW1의 출력은, 차동 증폭기 Diff-AMP의 마이너스 단자에 접속됨과 동시에, 한쪽 단이 접지되어 있는 캐패시터 C의 다른쪽 단에 접지되어 있다.
차동 증폭기 Diff-AMP의 출력에는, 제3 스위치 SW3이 접속되어 있다. 제3 스위치 SW3에는, 제3 스위치 SW3으로부터 출력되는 신호에 기초하여 화상을 형성하는 화상 형성부(26)가 접속되어 있다.
공통 출력 회로(17')는 각 수직 신호선 LS의 하부에 설치되어 있다. 제3 스위치 SW3은 수평 레지스터(도시 생략)에 접속되어 있고, 순차적으로 SW3을 온 시켜, 1 수평 주사선의 차분 출력을 순차적으로, 수평 출력 라인(도시 생략)을 통해 외부로 출력시킨다. 화상 형성부(26)는 수평 레지스터 및 수평 출력 라인을 포함한다.
수직 레지스터(25) 및 공통 출력 회로(17')를 제어하는 제어부(27)는 수직 레지스터(25) 및 공통 출력 회로(17')에 접속되어 있다. 제어부(27)는 수직 레지스터(25) 및 공통 출력 회로(17')의 제어 신호를 출력함으로써, 수직 레지스터(25) 및 공통 출력 회로(17')의 동작을 제어한다.
즉, 제어부(27)가 수직 레지스터(25)에 출력하는 제어 신호에 기초하여, 수직 레지스터(25)는 제1 판독 게이트(15a), 제2 판독 게이트(15b), 리세트 트랜지스터(18), 및 어드레스 트랜지스터 ADDRESSTr에, 제1 판독 게이트(15a), 제2 판독 게이트(15b), 리세트 트랜지스터(18), 및 어드레스 트랜지스터 ADDRESSTr을 원하는 타이밍에서 동작시키기 위한 신호를 출력한다.
제어부(27)가 공통 출력 회로(17')에 포함되는 제1 내지 제 3 스위치 SW1, SW2, SW3, 및 로드 트랜지스터 LOADTr의 각각에, 원하는 타이밍에서 출력하는 제어 신호에 기초하여, 제1 내지 제 3 스위치 SW1, SW2, SW3, 및 로드 트랜지스터 LOADTr은 원하는 타이밍에서 동작한다.
각 단위 셀(14)에 설치된 제1 판독 게이트(15a), 제2 판독 게이트(15b), 리세트 트랜지스터(18), 및 단위 셀(14)의 출력 회로(17), 수직 레지스터(25), 및 공통 출력 회로(17')를 포함하는 회로를, 출력 회로로 칭하면，출력 회로는, 제어부(27)가 출력 회로에 출력하는 제어 신호에 기초하여, 원하는 타이밍에서 원하는 동작을 행한다.
다음으로, 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(10)에 의해 사용된 촬상 방법에 대하여 설명한다. 이 촬상 방법은, 움직임 검출 모드를 실현하는 방법이다. 움직임 검출 모드는, 정지 상태에 있는 피사체를 화상으로서 출력하지 않고, 움직이고 있는 피사체의 윤곽을 화상으로서 출력하는 모드이다. 움직임 검출 모드를 실현하는 방법에 대하여, 도 4를 참조하여 설명한다. 도 4는 제1 화소(13a) 및 제2 화소(13b)의 광전 변환 기간과, 화소(13a)에 축적되는 제1 신호 전하의 전하량 및 화소(13b)에 축적되는 제2 신호 전하의 전하량 간의 관계를 나타내기 위한 설명도이다. 도면 중의 실선의 화살표는 제1 화소(13a)에 축적되는 제1 신호 전하의 전하량을 나타내고, 도면 중의 일점 쇄선의 화살표는 제2 화소(13b)에 축적되는 제2 신호 전하의 전하량을 나타낸다. 이하의 설명에 있어서, 제2 화소(13b)의 감도에 대한 제1 화소(13a)의 감도의 감도비는 2:1로 가정한다.
도 4에 도시한 바와 같이, 우선，서로 다른 감도를 갖는 제1 화소(13a) 및 제2 화소(13b)에 있어서, 제1 화소(13a)의 광전 변환 및 제2 화소(13b)의 광전 변환을 동시에 개시한다. 제1 화소(13a)의 감도는 제2 화소(13b)의 감도의 2배이므로，광전 변환에 의해 제1 화소(13a)에 축적되는 제1 신호 전하의 전하량은, 제2 화소(13b)에 축적되는 제2 신호 전하의 전하량의 2배의 비율로 증가한다.
미리 정해진 시간 t1이 경과 한 후, 제1 화소(13a)에 축적된 제1 신호 전하만을 배출한다. 이 배출 동작은, 소위 전자 셔터이며, 제1 화소(13a)에 축적된 제1 신호 전하는 리세트 트랜지스터(18)를 통해 드레인(19)으로 배출된다. 제2 화소(13b)의 광전 변환은 계속 행해진다.
제1 화소(13a)의 전자 셔터가 종료된 후, 다시 제1 화소(13a)의 광전 변환이 개시된다.
전자 셔터가 종료하고 나서 미리 정해진 시간 t1, 즉 제1 화소(13a)의 광전 변환 기간 t1이 경과 한 후, 제1 화소(13a)에 축적된 제1 신호 전하가 판독된다.
또한, 제1 화소(13a)에 축적된 제1 신호 전하를 판독하는 타이밍에서 약간 어긋난 타이밍, 즉, 실질적으로 제2 화소(13b)의 광전 변환 기간 t2(=2×t1)가 경과 한 후, 제2 화소(13b)에 축적된 제2 신호 전하가 판독된다.
매초 30매의 화상을 찍는 경우에, 각 화상이 수직 방향으로 500 화소를 갖는 경우, 제1 화소(13a)로부터 제1 신호 전하를 판독하는 타이밍과, 제2 화소(13b)로부터 제2 신호 전하를 판독하는 타이밍 간의 차는 예를 들면, 약 64㎲이다.
본 실시 형태에 있어서, 제2 화소(13b)의 광전 변환 기간이 제1 화소(13a)의 광전 변환 기간의 2배로 설정되어 있지만, 일반적으로, 제1 화소(13a)의 감도가 제2 화소(13b)의 감도의 ｎ배일 경우, 양자의 광전 변환 기간은, 제2 화소(13b)의 광전 변환 기간이 제1 화소(13a)의 광전 변환 기간의 ｎ배가 되도록 양자의 전자 셔터를 동작시킴으로써, 임의로 설정될 수 있다.
본 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치가 정지 상태에 있는 피사체를 촬상하는 경우, 제1 화소(13a)로부터 판독된 제1 신호 전하의 전하량 Q와, 제2 화소(13b)로부터 판독된 제2 신호 전하의 전하량 Q는, 도 4에 도시한 바와 같이 대략 동등하게 된다. 그러나，고체 촬상 장치가 움직이고 있는 피사체를 촬상하는 경우, 제1 화소(13a)로부터 판독된 제1 신호 전하의 전하량 및 제2 화소(13b)로부터 판독된 제2 신호 전하의 전하량은 동일하지 않게 되어, 양전하량 간에 차가 생긴다.
다음으로，제1 화소(13a)로부터 판독된 제1 신호 전하의 전하량에 기초한 제1 검출 신호와, 제2 화소(13b)로부터 판독된 제2 신호 전하의 전하량에 기초한 제2 검출 신호에, 차동 증폭기 Diff-AMP를 이용하여 감산 처리를 행한다.
전술한 바와 같이, 정지 상태에 있는 피사체를 촬상하는 경우, 제1 신호 전하의 전하량과 제2 신호 전하의 전하량은 동일하다. 따라서, 제1 검출 신호의 전압과 제2 검출 신호의 전압은 동등하게 된다. 따라서, 제1 검출 신호와 제2 검출 신호에 감산 처리를 행하면，차동 증폭기 Diff-AMP는 차분 신호로서 제로를 출력한다.
그러나，움직이는 피사체를 촬상하는 경우, 피사체의 움직임에 따라 제1 신호 전하의 전하량과 제2 신호 전하의 전하량 사이에는 차가 생긴다. 따라서, 제1 검출 신호의 전압과 제2 검출 신호의 전압 사이에도 차가 생긴다. 이 때문에, 제1 검출 신호와 제2 검출 신호에 감산 처리를 행하면，차동 증폭기 Diff-AMP는 제1 검출 신호의 전압과 제2 검출 신호의 전압 간의 차로서 차분 신호를 출력한다. 차분 신호를 화상화함으로써, 고체 촬상 장치는 피사체의 움직임에 따른 화상을 출력한다.
이상으로 설명한 바와 같이, 움직임 검출 모드는, 제2 화소(13b)에 대한 제1 화소(13a)의 감도비를 2:1로 설정함과 함께, 제2 화소(13b)에 대한 제1 화소(13a)의 광전 변환 기간비를 1:2로 설정한 후, 제1 화소(13a) 및 제2 화소(13b)를 이용하여 피사체를 촬상함으로써 얻어지는 제1 및 제2 검출 신호에 감산 처리를 행함으로써 실현된다.
움직임 검출 모드는, 일반적으로, 제2 화소(13b)에 대한 제1 화소(13a)의 감도비를 n:1로 설정함과 함께, 제2 화소(13b)에 대한 제1 화소(13a)의 광전 변환 기간비를 1:n로 설정한 후, 제1 화소(13a) 및 제2 화소(13b)를 이용하여 피사체를 촬상함으로써 얻어지는 제1 및 제2 검출 신호에 감산 처리를 행함으로써 실현된다.
전술한 움직임 검출 모드를 실현하는 방법에 대해서, 도 3의 등가 회로도를 참조하면서, 도 5 및 도 6을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 도 5는 움직임 검출 모드에 있어서의, 어드레스 트랜지스터 ADDRESSTr, 리세트 트랜지스터(18), 제1 판독 게이트(15a), 및 제2 판독 게이트(15b)의 동작과, 수직 신호선 LS에 나타나는 제1 및 제2 검출 신호 간의 관계를 나타내는 타이밍차트이다. 도 6은 움직임 검출 모드에 있어서의, 제1 내지 제3 스위치 SW1, SW2, SW3의 동작과, 차동 증폭기 Diff-AMP에 입력되는 제1 및 제2 검출 신호 및 차동 증폭기 Diff-AMP의 출력 단자로부터 출력되는 차분 신호 간의 관계를 나타내는 타이밍차트이다.
도 5 및 도 6에 나타낸 움직임 검출 모드의 동작은, 전술한 출력 회로의 적어도 일부(수직 레지스터(25) 및 공통 출력 회로(17'))에, 제어 신호로서의 모드 전환 신호로서, 움직임 검출 모드 신호를 출력하는 제어부(27)(도 3)에 의해 행해진다.
어드레스 트랜지스터 ADDRESSTr(도 3)가 오프일 때에, 도 5에 도시한 바와 같이, T7의 타이밍에서, 제1 판독 게이트(15a)와 제2 판독 게이트(15b)를 동시에 일정 시간 α동안 온한다. 게이트(15a, 15b)를 온함으로써, 제1 화소(13a) 및 제2 화소(13b)에 축적된 제1 및 제2 신호 전하를 검출부(16)에 배출한다. 이후 T9의 타이밍에서 제1 화소(13a)에 전자 셔터를 행하기 때문에, T7의 타이밍에서, 제1 판독 게이트(15a)는 반드시 온 될 필요는 없다.
다음으로，T8의 타이밍에서, 리세트 트랜지스터(18)를 일정 시간 β 동안만 온한다. 트랜지스터(18)를 온함으로써, 검출부(16)에 축적된 제1 및 제2 신호 전하를, 잉여 전하로서 드레인(19)에 보내고, 검출부(16)의 전위를 일정 레벨로 유지한다. 이후 T1의 타이밍에서 리세트 트랜지스터(18)를 온하기 때문에, 이 타이밍에서는，반드시 리세트 트랜지스터(18)를 온할 필요는 없다.
다음으로，제1 판독 게이트(15a)가 오프되고 나서 시간 t1-α가 경과 한 후, T9의 타이밍에서 다시 제1 판독 게이트(15a)를 일정 시간 α만큼 온한다. 즉, 제1 화소(13a)에 있어서, 소위 전자 셔터를 행한다. 제1 판독 게이트(15a)를 온함으로써, 제1 화소(13a)에 축적된 제1 신호 전하를 검출부(16)로 다시 배출한다. 이 때, 제2 판독 게이트(15b)는 온 되지 않고, 제2 화소(13b)는 광전 변환을 계속한다.
다음으로，T10의 타이밍에서, 다시 리세트 트랜지스터(18)를 일정 시간 β만큼 온한다. 트랜지스터(18)를 온함으로써, 검출부(16)에 축적된 제1 신호 전하를, 잉여 전하로서 드레인(19)에 보내고, 검출부(16)의 전위를 일정 레벨로 유지한다. 이후 T1의 타이밍에서 리세트 트랜지스터(18)를 온하기 때문에, 이 타이밍에서도, 반드시 리세트 트랜지스터(18)를 온할 필요는 없다.
다음으로，어드레스 트랜지스터 ADDRESSTr를 온으로 하여, T1의 타이밍에서 리세트 트랜지스터(18)를 온 하여, 일정 시간 β 동안 온으로 유지한다. 리세트 트랜지스터(18)를 온 하면，지금까지 검출부(16)에 축적된 제1 신호 전하 또는 제2 신호 전하가 드레인(19)에 배출되어, 검출부(16)의 전위가 일정 레벨로 유지된다. 이 후, 리세트 트랜지스터(18)를 오프하면，검출부(16)는 유도에 의해 노이즈를 검출하고, 이 노이즈는 앰프 트랜지스터 AMPTr의 제어 게이트에 추가된다. 따라서, 수직 신호선 LS에는 노이즈 성분이 발생한다.
다음으로，제1 화소(13a)의 전자 셔터가 종료하고나서 시간 t1-α가 경과 한 후, T3의 타이밍에서 다시 제1 판독 게이트(15a)를 일정 시간 α동안 온한다. 게이트(15a)를 온함으로써, 제1 화소(13a)에 축적된 제1 신호 전하를 판독한다. 제1 신호 전하는 검출부(16)에 의해 검출되어, 앰프 트랜지스터 AMPTr의 제어 게이트에 인가된다. 따라서, 수직 신호선 LS에, 제1 신호 전하의 전하량에 기초하는 제1 검출 신호가 발생한다. 제1 검출 신호는 노이즈 성분과 중첩된다.
T9의 타이밍에서 제1 판독 게이트(15a)를 오프할 때부터 T3의 타이밍에서 제1 판독 게이트(15a)를 오프할 때까지의 기간은, 제1 화소(13a)의 광전 변환 기간 t1이다.
다음으로，T4의 타이밍에서 리세트 트랜지스터(18)를 온 하여, 일정 시간 β 동안 온으로 유지한다. 리세트 트랜지스터(18)를 온 하면，검출부(16)의 전위가 일정 레벨로 유지된다. 이 후, 리세트 트랜지스터(18)를 오프하면，T1의 타이밍에서 리세트 트랜지스터(18)를 오프할 때에 발생한 노이즈와 동일 레벨의 노이즈가 리세트 트랜지스터(18)에 발생되고, 수직 신호선 LS에는 다시 노이즈 성분이 발생한다.
이 후, T7의 타이밍에서 제2 판독 게이트(15b)가 오프되고나서 시간 t2-α가 경과 한 후, T6의 타이밍에서 제2 판독 게이트(15b)를 일정 기간 α동안 온한다. 게이트(15b)를 온함으로써, 제2 화소(13b)에 축적된 제2 신호 전하가 판독된다. 제2 신호 전하는 검출부(16)에 의해 검출되어, 앰프 트랜지스터 AMPTr의 제어 게이트에 인가된다. 따라서, 수직 신호선 LS에, 제2 신호 전하의 전하량에 기초하는 제2 검출 신호가 발생한다. 제2 검출 신호는 노이즈 성분과 중첩된다.
T7의 타이밍에서 제2 판독 게이트(15b)를 오프할 때부터 T6의 타이밍에서 제2 판독 게이트(15b)를 오프할 때까지의 기간은, 제2 화소(13b)의 광전 변환 기간 t2이다. 광전 변환 기간 t2는, 실제는, 제1 화소(13a)의 광전 변환 기간 t1의 2배보다 약간 길다. 그러나，T3과 T6의 양 타이밍 간의 어긋남을, 실질적으로 t2=2×t1이 되도록 설정함으로써, 제2 화소(13b)의 광전 변환 기간 t2가, 제1 화소(13a)의 광전 변환 기간 t1의 2배로 간주할 수 있다.
제2 화소(13b)의 광전 변환 기간 t2가, 제1 화소(13a)의 광전 변환 기간 t1의 2배로 간주하는 한편， 제2 화소(13b)의 감도는 제1 화소(13a)의 1/2배이다. 따라서, 정지 상태에 있는 피사체를 촬상하는 경우, 제1 화소(13a)로부터 판독된 제1 신호 전하의 전하량과 제2 화소(13b)으로부터 판독된 제2 신호 전하의 전하량은 거의 동일해진다. 그러나，움직이는 피사체를 촬상하는 경우, 제1 신호 전하의 전하량과 제2 신호 전하의 전하량 사이에는 차가 생긴다.
도 5에 도시한 바와 같이, T3의 타이밍에서 제1 신호 전하를 판독하면, 이 후, 도 6에 도시한 바와 같이, T31의 타이밍에서 제1 스위치 SW1을 온 하여, 일정 시간 동안 온으로 유지한다. 그 후，제1 신호 전하의 전하량에 기초하는 제1 검출 신호는, 노이즈 성분와 함께，차동 증폭기 Diff-AMP의 반전 입력 단자(이하, "마이너스 단자")에 입력된다. 동시에，캐패시터 C에는, 제1 검출 신호 및 노이즈 성분이 입력된다. 따라서, 캐패시터 C에는, 제1 검출 신호 및 노이즈 성분에 의해 유지된 전위가 충전된다. 따라서, 일정 기간 동안, 캐패시터 C는, 제1 검출 신호 및 노이즈 성분에 의해 유지된 전위를 유지한다. 따라서, 제1 스위치 SW1을 오프하더라도, 차동 증폭기 Diff-AMP의 마이너스 단자에는, 일정 시간 동안, 캐패시터 C에 충전된 전위가 계속 인가된다.
또한，도 5에 도시한 바와 같이, T6의 타이밍에서 제2 화소(13b)로부터 제2 신호 전하를 판독하면, 이 후, 도 6에 도시한 바와 같이, T62의 타이밍에서 제2 및 제3 스위치 SW2, SW3을 일정 기간 동안 온한다. 그 후，제2 신호 전하의 전하량에 기초하는 제2 검출 신호는, 노이즈 성분와 함께，차동 증폭기 Diff-AMP의 비반전입력 단자(이하, "플러스 단자")에 입력된다.
차동 증폭기 Diff-AMP의 플러스 단자에, 제2 검출 신호 및 노이즈 성분에 의해 유지된 전위가 인가되는 기간 동안, 마이너스 단자에는, 제1 검출 신호 및 노이즈 성분에 의해 유지된 전위가 인가된다.
제1 화소(13a)로부터 판독된 제1 신호 전하의 전하량과, 제2 화소(13b)로부터 판독된 제2 신호 전하의 전하량이 동일할 경우, 제1 검출 신호의 전위와 제2 검출 신호의 전위는 동일하다. 또한，각각의 검출 신호와 중첩되어 있는 노이즈 성분의 전위도 동일하다. 따라서, T62의 타이밍에서 제3 스위치 SW3을 온 하여, 일정 시간 동안 온으로 유지하면，차동 증폭기 Diff-AMP는 차분 신호로서 제로를 출력한다. 노이즈 성분도 캔슬(cancel)되기 때문에，차동 증폭기 Diff-AMP는 아무 노이즈 성분도 출력하지 않는다.
상기 설명한 바와 같이, 정지한 상태에 있는 피사체를 촬상하는 경우, 즉, 제1 화소(13a)로부터 판독된 제1 신호 전하의 전하량과, 제2 화소(13b)로부터 판독된 제2 신호 전하의 전하량이 동일할 경우, 차동 증폭기 Diff-AMP는 차분 신호로서 제로를 출력한다. 따라서, 정지 상태에 있는 피사체를 촬상해도, 고체 촬상 장치는 출력 화상을 출력하지 않는다.
그러나, 피사체가 움직이고 있을 때, 그 움직임에 따라, 제1 신호 전하의 전하량과 제2 신호 전하의 전하량 사이에 차가 생기게 되고, 차동 증폭기(Diff-AMP)는, 제1 검출 신호와 제2 검출 신호 사이의 차에 기초하는 차분 신호를 출력한다. 따라서, 피사체가 움직이고 있을 때, 고체 촬상 장치는 차분 신호에 기초하는 화상을 출력한다. 전술된 바와 같이, 움직임 검출 모드가 실현된다. 피사체가 움직이고 있을 때에도, 제1 검출 신호에 중첩하는 노이즈 성분과, 제2 검출 신호에 중첩하는 노이즈 성분이 동일하기 때문에, 양쪽의 노이즈 성분이 차동 증폭기(Diff-AMP)에 의해 소거되어, 노이즈 성분들이 차동 증폭기(Diff-AMP)로부터 출력되는 차분 신호에 중첩되지 않는다.
도 7의 (a) 내지 도 7의 (f)를 참조하여, 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치에 의한 움직임 검출 모드를 또한 설명한다. 도 7의 (a) 내지 도 7의 (f)는 움직임 검출 모드를 보다 상세히 설명하기 위한 설명도이며, 도 7의 (a)는 피사체의 예로서 움직이고 있는 손끝을 나타내고, 도 7의 (b)는 오직 제1 화소에 의해 손끝의 화상을 촬상하는 경우의 출력 화상을 나타내고, 도 7의 (c)는 도 7의 (b)의 반전 화상을 나타내고, 도 7의 (d)는 오직 제2 화소에 의해 손끝의 화상을 촬상하는 경우의 출력 화상을 나타내고, 도 7의 (e)는 도 7의 (a)의 파선 A-A'을 따른 라인상의 각 셀로부터 출력되는 출력 신호의 전위 레벨을 나타내고, 도 7의 (f)는 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치에 의한 출력 화상을 나타낸다. 또한，이하의 설명에서, 제1 화소와 제2 화소의 감도비는 2:1인 것으로 가정한다.
도 7의 (a)에 도시한 바와 같이, 시간 Δ1의 사이에, L1, L2, L3의 순으로 연속하여 움직이는 손끝의 화상을, 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치에 의한 움직임 검출 모드에서 촬상했을 경우를 생각한다.
광전 변환 기간이 t1인 제1 화소(13a)의 촬상은, 손끝이 L2의 위치에 존재하는 타이밍에서 개시되고, 제1 화소(13a)의 촬상은, 손끝이 L3의 위치에 존재하는 타이밍에서 종료된다고 가정한다. 또한, 광전 변환 기간이 t2인 제2 화소(13b)의 촬상은, 손끝이 L1의 위치에 존재하는 타이밍에서 개시되고, 제2 화소(13b)의 촬상은, 손끝이 L3의 위치에 존재하는 타이밍에서 촬상을 종료된다고 상정한다.
이 경우, 도 7의 (b)에 도시한 바와 같이, 움직이는 손끝의 화상을, 오직 제1 화소(13a)에 의해 촬상했을 경우, 출력 화상으로서, 광전 변환 기간 t1에 대응하는 굵기의 손끝의 화상이 출력된다. 또한, 도 7의 (c)는, 도 7의 (b)의 반전 출력 화상을 나타낸다.
도 7의 (d)에 도시한 바와 같이, 움직이는 손끝의 화상을, 오직 제2 화소(13b)에 의해 촬상했을 경우, 출력 화상으로서, 광전 변환 기간 t2에 대응하는 굵기의 손끝의 화상이 출력된다.
제1 화소(13a)에 의해 화상을 촬상하는 것에 의해 얻어지는 제1 검출 신호는, 차동 증폭기(Diff-AMP)의 마이너스 단자에 입력되고, 제2 화소(13b)에 의해 화상을 촬상하는 것에 의해 얻어지는 제1 검출 신호는 차동 증폭기(Diff-AMP)의 플러스 단자에 입력된다. 결과로서, 차동 증폭기(Diff-AMP)는 양쪽 검출 신호 사이의 차의 차분 신호를 출력 신호로서 출력한다. 즉, 차동 증폭기(Diff-AMP)는, 도 7의 (b)의 반전 화상으로서 도 7의 (c)에 도시된 화상과 도 7의 (d)에 도시된 화상의 합에 상당하는 화상을 출력한다.
즉, 도 7의 (a)에 도시되는 바와 같이, 움직이는 손끝의 화상을 촬상했을 경우, 도 7의 (e)에 도시되는 바와 같이, 위치 L1에서 각 셀로부터 출력되는 차분 신호의 전위 레벨이, 손끝이 움직이는 방향을 따라 마이너스로 하강한다. 위치 L2에서 각 셀로부터 출력되는 차분 신호의 전위 레벨은, 손끝이 움직이는 방향을 따라 상승하고, 점 P(위치 L1∼L3의 중점)에서 제로가 되고, 손끝이 움직이는 방향을 따라 또한 상승한다. 위치 L3에서 각 셀로부터 출력되는 출력 신호의 전위 레벨은, 손끝이 움직이는 방향을 따라 하강한다.
이를 화상으로 도시했을 경우, 도 7의 (f)에 도시된 바와 같이, 움직임이 없어 보이는 위치 L2 부근의 각 셀로부터는 화상이 출력되지 않고, 움직임이 있는 듯이 보이는 위치 L1, L3 부근의 각 셀로부터는 화상이 출력되어, 움직이는 손끝의 윤곽만이 출력된다. 이렇게 하여, 움직임 검출 모드가 실현된다.
이상으로 설명한 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치는, 제1 화소(13a)와 제2 화소(13b)의 감도비를 n:1로 설정하고 나서, 제1 화소(13a)와 제2 화소(13b)의 광전 변환 기간비를 1:n으로 설정한 후, 제1 및 제2 화소(13a, 13b)를 이용하여 피사체의 화상을 촬상하는 것에 의해 얻어지는 제1 및 제2 검출 신호를 감산 처리하는 것에 의해, 피사체의 움직임을 검출할 수 있다. 따라서, 화상끼리를 비교하는 복잡한 신호 처리를 행하지 않고, 용이하게 피사체의 움직임을 검출할 수 있다.
(움직임 검출 모드의 변형예)
움직임 검출 모드에서는, 도 5에 도시한 바와 같이, T2, T5의 타이밍에서 노이즈 성분만을 검출하도록 구성된다. 즉, 우선, 상기 타이밍들에서 노이즈를 검출하고, 차동 증폭기(Diff-AMP)에 의해 제1 및 제2 검출 신호에 중첩되는 노이즈를 제거한다. 다음으로, 노이즈가 제거된 제1 검출 신호와 제2 검출 신호 사이의 차를 계산한다. 이런 구성에 의해, 움직임 검출 모드를 실현해도 좋다.
노이즈가 제거된 제1 검출 신호 및 제2 검출 신호를 구분하여 추출하면, 제1 화소(13a)와 제2 화소(13b)에 독립적인 피사체의 화상을 촬상하게 된다. 이 경우, 고해상도 모드가 실현된다.
(제2 실시 형태)
도 8은 제2 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(30)의 관련부를 나타내는 평면도이다. 제2 고체 촬상 장치(30)는, 제1 고체 촬상 장치(10)와 비교하여, 단위 셀(14)의 배치가 다르다는 점에서 상이하다.
도 8에 도시한 바와 같이, 제2 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(30)는, 복수의 제1 마이크로 렌즈(12a) 및 복수의 제2 마이크로 렌즈(12b)가 바둑판 형상으로 배열되도록, 복수의 단위 셀(14)이 배열된 것이다.
즉, 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(30)는, 복수의 제1 마이크로 렌즈(12a)가 바둑판 형상으로 배열되고, 각 제2 마이크로 렌즈(12b)를 제1 마이크로 렌즈(12a) 사이의 간극에 배치함으로써 복수의 제2 마이크로 렌즈(12b)가 바둑판 형상으로 배열되도록, 복수의 단위 셀(14)이 배열된 것이다.
고체 촬상 장치(30)도, 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(10)에 의한 촬상 방법과 마찬가지로 동작시킴으로써, 움직임 검출 모드를 실현할 수 있다.
이상으로 설명한 제2 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(30)도, 제1 화소(13a)와 제2 화소(13b)의 감도비를 n:1로 설정하고 나서, 제1 화소(13a)와 제2 화소(13b)의 광전 변환 기간비를 1:n로 설정한 후, 제1 및 제2 화소(13a, 13b)를 이용하여 피사체의 화상을 촬상하는 것에 의해 얻어지는 제1 및 제2 검출 신호를 감산 처리한다. 따라서, 고체 촬상 장치(30)도, 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(10)와 마찬가지의 이유에 의해, 용이하게 피사체의 움직임을 검출할 수 있다.
또한, 제2 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(30)에 따르면, 고체 촬상 장치(30)는, 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(10)에 의해 수광되는 광보다도 많은 광을 수광할 수 있으며, 이는 고체 촬상 장치(30)의 제1 및 제2 마이크로 렌즈(12a, 12b)의 간극이 감소되기 때문이다. 따라서, 향상된 감도의 고체 촬상 장치(30)를 제공할 수 있다.
(제3 실시 형태)
도 9는 제3 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(40)의 관련부를 나타내는 평면도이다. 제3 고체 촬상 장치(40)에서는, 경사 방향으로 서로 인접하는 화소(41a, 41b)의 감도가 서로 상이하다. 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(40)는, 감도가 다른 2개의 화소(41a, 41b)를 단위 셀(42)로 하는, 소위 2화소 1셀 타입의 고체 촬상 장치이다.
또한，고체 촬상 장치(40)는, 단위 셀마다 적색, 녹색 및 청색 중 어느 하나의 광을 투과시키는 색 필터(R1, R2, Gr1, Gr2, Gb1, Gb2, B1, B2)를, 배선층(22)(도 2)과 제1 및 제2 마이크로 렌즈(43a, 43b) 사이에 갖는다. 적색의 광을 투과시키는 적색 필터(R1, R2), 녹색의 광을 투과시키는 녹색 필터(Gr1, Gr2, Gb1, Gb2) 및 청색의 광을 투과시키는 청색 필터(B1, B2)는, 단위 셀(42)의 배열에 따라 베이어 배열(Bayer array)로 배열되어 있다.
각 단위 셀(42)은, 고감도의 제1 화소(41a)와, 저감도의 제2 화소(41b)를 갖는다. 고감도의 제1 화소(41a)는, 면적이 큰 육각형상의 제1 포토다이오드(44a)와, 제1 포토다이오드(44a) 위에 형성되는 사이즈가 큰 제1 마이크로 렌즈(43a)를 갖는다. 또한, 저감도의 제2 화소(41b)는, 제1 포토다이오드(44a)보다 사이즈가 작은 육각형상의 제2 포토다이오드(44b)와, 제2 포토다이오드(44b) 위에 형성되는, 제1 마이크로 렌즈(43a)보다 사이즈가 작은 제2 마이크로 렌즈(43b)를 갖는다.
본 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(40)는 복수의 단위 셀(42)을 갖고, 이들은 각각 도면에서 경사 방향으로 대향하여 배치된다. 복수의 제1 마이크로 렌즈(43a) 및 복수의 제2 마이크로 렌즈(43b)가 바둑판 형상으로 배열되도록, 복수의 단위 셀(42)이 배열된다.
즉, 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(40)는, 복수의 제1 마이크로 렌즈(43a)가 바둑판 형상으로 배열되고, 각 제2 마이크로 렌즈(43b)를 제1 마이크로 렌즈(43a)의 간극에 배치함으로써 복수의 제2 마이크로 렌즈(43b)가 바둑판 형상으로 배열되도록, 복수의 단위 셀(42)이 배열된 것이다.
각 단위 셀(42) 내에는, 제1 및 제2 판독 게이트(45a, 45b), 검출부(46), 단위 셀의 출력 회로(47), 리세트 트랜지스터(48) 및 드레인(49)이 제공되어 있다.
제1 판독 게이트(45a)는, 제1 화소(41a)의 제1 포토다이오드(44a)의 일 변에 근접하는 위치에 제공되어 있다. 제2 판독 게이트(45b)는, 제2 화소(41b)의 제2 포토다이오드(44b)의 일 변에 근접하는 위치에, 제1 판독 게이트(45a)에 대하여 수직으로 제공되어 있다.
검출부(46) 및 단위 셀의 출력 회로(47)는, 단위 셀(42) 내에서 제1 화소(41a)와 제2 화소(41b) 사이에 제공되어 있다. 검출부(46)는 제1 판독 게이트(45a)와 제2 판독 게이트(45b) 사이에 제공되어 있고, 단위 셀의 출력 회로(47)는 검출부(46)에 대향하는 위치에 제공되어 있다.
리세트 트랜지스터(48)는 검출부(46)에 근접하는 위치에 제공되어 있고, 드레인(49)은 이 영역(49)과 검출부(46)에 의해, 리세트 트랜지스터(48)를 개재하는 위치에 제공되어 있다.
단위 셀(42)이 배열된 고체 촬상 장치(40)에서, 복수의 수직 신호선 LSGr, LSB, LSGb, LSR은, 수직 방향으로 동일한 색의 색 필터를 갖는 복수의 단위 셀(42) 각각의 단위 셀의 출력 회로(47)에 공통으로 접속되어 있다. 수직 신호선 LSGr, LSB, LSGb, LSR에 대하여 수직인 복수의 수평 신호선 LH1은, 수평 방향으로 인접하는 복수의 단위 셀(42) 각각의 제1 판독 게이트(45a)에 공통으로 접속되어 있다. 복수의 수평 신호선 LH1의 사이에, 수평 신호선 LH1에 대하여 평행하게 배치되는 복수의 수평 신호선 LH2은, 수평 방향으로 인접하는 복수의 단위 셀(42) 각각의 제2 판독 게이트(45b)에 공통으로 접속되어 있다.
고체 촬상 장치(40)도, 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(10)에 의한 촬상 방법과 마찬가지로 동작시킴으로써, 움직임 검출 모드를 실현할 수 있다.
이상으로 설명한 제3 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(40)도, 제1 화소(41a)와 제2 화소(41b)의 감도비를 n:1로 설정하고 나서, 제1 화소(41a)와 제2 화소(41b)의 광전 변환 기간비를 1:n로 설정한 후, 제1 및 제2 화소(41a, 41b)를 이용하여 피사체의 화상을 촬상하는 것에 의해 얻어지는 제1 및 제2 검출 신호를 감산 처리한다. 따라서, 고체 촬상 장치(40)도, 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(10)와 마찬가지의 이유에 의해, 용이하게 피사체의 움직임을 검출할 수 있다.
또한, 제3 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(40)에 따르면, 각 단위 셀(42) 내에서 제1 화소(41a)와 제2 화소(41b)는, 동일한 색의 색 필터를 포함한다. 또한, 각 단위 셀(42) 내에서 동일한 색의 2개의 필터를 1개의 색 필터로 간주하면, 1개의 색 필터로 간주되는 적색 필터(R), 녹색 필터(Gr, Gb) 및 청색 필터(B)는, 베이어 배열로 배열된다. 따라서, 통상적으로 이용되는 화상 처리 회로가, 차동 증폭기(Diff-AMP)로부터 출력되는 차분 신호로부터 색을 갖는 화상을 형성하는 화상 처리 회로(도시 생략)로서 그대로 적용될 수 있다.
(제4 실시 형태)
도 10은 제1 내지 제3 고체 촬상 장치(10, 30, 40) 중 어느 하나를 이용한 고체 촬상 시스템(50)으로서 언터치 패널(50)(untouched panel)을 개략적으로 나타내는 평면도이다. 도 11은 언터치 패널(50)을 나타내는 개략적 측면도이다.
도 10 및 도 11에 도시한 바와 같이, 표시 장치로서, 예를 들면, 디스플레이(51)의 주변부에는, 프레임부(52)가 제공되어 있다. 프레임부(52)에는, 예를 들면, 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(10)가 적용된 복수의 카메라(53)가 제공되어 있다. 이들 카메라(53)는, 예를 들면, 프레임부(52)의 우측 상부 코너 및 좌측 상부 코너에 제공되어 있다.
또한, 카메라(53)는, 제2 또는 제3 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(30, 40)를 적용한 것이어도 된다.
이러한 언터치 패널(50)에서는, 각 카메라(53)를 움직임 검출 모드에서 동작시켜서, 피사체로서, 예를 들면, 도 10에 도시된 손끝의 화상을 촬상한다. 이 경우, 각 카메라(53)가 소유하는 각 고체 촬상 장치(10)는, 정지한 손끝의 화상을 촬상했을 경우에, 출력 회로로부터 차분 신호로서 제로(zero)를 출력하고, 움직이는 손끝의 화상을 촬상했을 경우에, 출력 회로로부터 제로 이외의 다른 차분 신호를 출력한다. 또한, 제로 이외의 다른 차분 신호가 출력되었을 경우, 화상 형성부(26)(도 3)는, 이 차분 신호에 기초하는 화상을 형성하고, 형성한 화상을 출력한다. 즉, 언터치 패널(50)은, 각 카메라(53)가 소유하는 각각의 고체 촬상 장치(10)로부터 출력되는 화상에 기초하여, 피사체인 손끝의 움직임을 검출한다.
보다 구체적으로, 우측 상부 위치의 카메라(53)에 의해, 손끝의 화상을 촬상하고, 도 10의 x 방향 및 z 방향의 손끝의 움직임을 검출시키고, 좌측 상부 위치의 카메라(53)에 의해, 손끝의 화상을 촬상하고, 도 10의 y 방향 및 z 방향의 손끝의 움직임을 검출시킨다. 상기 배치에 의해, 언터치 패널(50)은, 손끝의 3차원적인 움직임을 검출할 수 있다. 따라서, 디스플레이(51)를 손끝으로 직접 접촉하는 일없이, 언터치 패널(50)을 조작할 수 있다. 예를 들면, 언터치 패널(50) 상의 손끝의 움직임에 따라 묘화하는 경우에, 손끝의 움직임에 기초하여 형성되는 화상이 디스플레이(51) 상에 표시되도록 구성할 수 있다. 예를 들면, 언터치 패널(50) 상의 손끝의 움직임에 따라 디스플레이(51) 상에 표시되는 게임의 등장 인물을 움직이는 경우에, 형성되는 화상을 디스플레이(51) 상에 표시할 필요가 없다.
고체 촬상 시스템(50)에 따르면, 용이하게 피사체의 움직임을 검출할 수 있는 고체 촬상 장치(10, 30, 40)를 이용한 카메라(53)에 의해, 피사체의 움직임을 검출하기 때문에, 용이하게 피사체의 움직임을 검출할 수 있는 고체 촬상 시스템(50)을 제공할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 시스템(50)에 따르면, 디스플레이(51)를 손끝으로 직접 접촉하는 일없이, 언터치 패널(50)을 조작할 수 있기 때문에, 디스플레이(51)의 표면이 오염되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 시스템(50)에 따르면, 복수의 카메라(53)에 의해 손끝의 3차원적인 움직임을 검출하기 때문에, 손끝으로 디스플레이(51)에 접촉한 것을 검출하기 위한 투명 전극을, 디스플레이(51)에 제공할 필요가 없다. 따라서, 고체 촬상 시스템(50)은, 종래의 터치 패널과 비교하여, 디스플레이(51)의 명도를 상승시킨다.
(변형예)
본 실시 형태들에 따른 고체 촬상 장치(10, 30, 40)는, 용이하게 움직임 검출 모드를 실현할 수 있다． 그러나, 예를 들면, 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(10)의 기본 구성에 의해, 그대로 와이드 다이내믹 레인지 모드를 실현할 수 있다. 이하, 와이드 다이내믹 레인지 모드를 실현하는 방법을 설명한다. 이하의 방법 설명에 있어서, 움직임 검출 모드를 실현하는 방법과 다른 부분에 대해서만 설명한다.
도 12는, 와이드 다이내믹 레인지 모드에서, 어드레스 트랜지스터(ADDRESSTr), 리세트 트랜지스터(18), 제1 판독 게이트(15a) 및 제2 판독 게이트(15b)의 동작과, 수직 신호선 LS에 나타나는 제1 및 제2 검출 신호의 관계를 나타내는 타이밍차트이다. 도 13은, 와이드 다이내믹 레인지 모드에서의, 제1 내지 제3 스위치(SW1, SW2, SW3)의 동작과, 차동 증폭기(Diff-AMP)에 입력되는 제1 및 제2 검출 신호 및 차동 증폭기(Diff-AMP)로부터 출력되는 차분 신호의 관계를 나타내는 타이밍차트이다.
도 12에 도시한 와이드 다이내믹 레인지 모드의 동작은, 제1 실시 형태에서 설명한 출력 회로의 적어도 일부(수직 레지스터(25) 및 공통 출력 회로(17'))에, 제어 신호인 모드 전환 신호로서, 와이드 다이내믹 레인지 모드 신호를 출력하는 제어부(27)(도 3)에 의해 실행된다.
도 12 및 도 13에 도시한 바와 같이, 와이드 다이내믹 레인지 모드의 경우, 우선，T1의 타이밍에서 리세트 트랜지스터(18)가 온되고, 검출부(16)가 일정 레벨로 유지된다. 그 후에, 리세트 트랜지스터(18)가 오프된다. 검출부(16)는 인덕션에 의해 노이즈를 검출하고, 노이즈 성분이 수직 신호선 LS에서 생성된다. 다음에, T2의 타이밍에서 노이즈 성분만을 샘플링한다. 즉, T2의 타이밍에서 제1 스위치(SW1)가 온되고, 일정 시간 동안 유지된다. 그 후, 수직 신호선 LS에 나타나는 노이즈 성분이, 차동 증폭기(Diff-AMP)의 마이너스 단자에 입력되고, 캐패시터 C에 입력된다. 따라서, 캐패시터 C에는, 노이즈 성분에 기초하는 전위가 충전된다. 따라서, 일정 기간 동안, 캐패시터 C는, 노이즈 성분에 기초하는 전위를 유지한다. 따라서, 제1 스위치(SW1)를 오프해도, 차동 증폭기(Diff-AMP)의 마이너스 단자에는, 일정 시간 동안, 캐패시터 C에 충전된 전위가 계속하여 인가된다.
다음으로, 제1 화소(13a)에 축적되는 제1 신호 전하의 판독과, 제2 화소(13b)에 축적되는 제2 신호 전하의 판독을, T3의 타이밍에서 동시에 행한다. 그 후, 수직 신호선 LS에는, 제1 신호 전하의 전하량과 제2 신호 전하의 전하량의 합에 상당하는 전하량에 기초하는 전위를 갖는 검출 신호가 나타난다. 이 검출 신호는, 노이즈 성분에 중첩된다.
그 후에, 도 13에 도시한 바와 같이, T31의 타이밍에서 제2 및 제3 스위치(SW2, SW3)가 온되고, 일정 시간 동안 유지된다. 그 후, 검출 신호는, 노이즈 성분와 함께, 차동 증폭기(Diff-AMP)의 플러스 단자에 입력된다.
이상으로 설명한 바와 같이, 차동 증폭기(Diff-AMP)의 플러스 단자에, 검출 신호 및 노이즈 성분에 기초하는 전위가 인가되고 있을 때, 마이너스 단자에는, 노이즈 성분에 기초하는 전위가 인가되고 있다.
차동 증폭기(Diff-AMP)의 플러스 단자에 인가되는 노이즈 성분의 전위와 마이너스 단자에 인가되는 노이즈 성분의 전위는 동일하다. 따라서, T31의 타이밍에서 제3 스위치(SW3)가 온되어, 일정 시간 동안 온으로 유지될 경우, 차동 증폭기(Diff-AMP)로부터는, 노이즈 성분이 소거되어 얻어지는 검출 신호만이 차분 신호로서 출력된다.
다음으로, 제1 신호 전하의 판독과, 제2 신호 전하의 판독을 동시에 수행하고, 양쪽의 신호 전하를 가산하는 것에 의해, 와이드 다이내믹 레인지 모드를 실현할 수 있는 이유에 대해서 도 14를 참조하여 설명한다.
도 14는 와이드 다이내믹 레인지 모드를 설명하기 위한 도면이며, 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(10)의 단위 셀(14)이 수광한 광량과, 차동 증폭기(Diff-AMP)로부터 출력되는 차분 신호의 전위의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 14에 도시한 바와 같이, 예를 들면, 오직 제1 화소(13a)에 의해 피사체의 화상을 촬상했을 경우, 제1 화소(13a)는 고감도를 갖기 때문에, 피사체로부터 수광되는 광이 저광량일지라도, 제1 포토다이오드(11a) 내에서 제1 신호 전하의 전하량이 급격하게 증가한다. 따라서, 오직 제1 화소(13a)에 의해 피사체의 화상을 촬상했을 경우, 고감도 모드가 실현된다.
그러나, 제1 화소(13a)의 제1 포토다이오드(11a) 내에서, 제1 신호 전하의 전하량이 급격하게 증가하기 때문에, 피사체로부터 수광되는 광이 고광량이었을 경우, 제1 포토다이오드(11a)는 포화된다. 따라서, 오직 제1 화소(13a)에 의해 피사체의 화상을 촬상했을 경우, 다이내믹 레인지가 좁다.
한편, 예를 들면, 오직 제2 화소(13b)에 의해 피사체의 화상을 촬상했을 경우, 제2 화소(13b)는 저감도를 갖기 때문에, 제2 화소(13b)의 제2 포토다이오드(11b) 내에서, 제2 신호 전하의 전하량은 완만하게 증가한다. 따라서, 피사체로부터 수광되는 광이 고광량일지라도, 제2 포토다이오드(11b)은 쉽게 포화되지 않는다. 즉, 오직 제2 화소(13b)에 의해 피사체의 화상을 촬상했을 경우, 다이내믹 레인지가 넓다.
그러나, 제2 화소(13b)의 제2 포토다이오드(11b) 내에서, 제2 신호 전하의 전하량은 완만하게 증가하기 때문에, 피사체로부터 수광되는 광이 저광량이었을 경우, 제2 포토다이오드(11b) 내에서 제2 신호 전하의 전하량은 거의 증가하지 않는다. 따라서, 오직 제2 화소(13b)에 의해 피사체를 촬상했을 경우, 감도가 저하한다.
한편, 제1 신호 전하와 제2 신호 전하를 가산하면, 피사체로부터 수광되는 광이 저광량이여도, 제1 포토다이오드(11a) 내에서 제1 신호 전하의 전하량이 급격하게 증가하기 때문에, 피사체의 화상을 고감도로 촬상할 수 있다.
또한, 피사체로부터 수광되는 광이 고광량이여도, 제2 포토다이오드(11b) 내에서 제2 신호 전하의 전하량이 증가하기 때문에, 오직 제2 화소(13b)에 의해 피사체의 화상을 촬상했을 경우와 동일한 다이내믹 레인지를 실현할 수 있다.
따라서, 제1 신호 전하의 판독과, 제2 신호 전하의 판독을 동시에 수행하고, 양쪽의 신호 전하를 가산하는 것에 의해, 와이드 다이내믹 레인지 모드를 실현할 수 있다.
이와 같이, 움직임 검출 모드 또는 와이드 다이내믹 레인지 모드를 선택적으로 실현할 수 있는 고체 촬상 장치(10, 30, 40) 중 어느 하나를, 제4 실시 형태와 같이, 고체 촬상 시스템(50)인 언터치 패널(50)에 적용해도 좋다. 움직임 검출 모드 또는 와이드 다이내믹 레인지 모드를 선택적으로 실현할 수 있는 고체 촬상 장치(10, 30, 40) 중 어느 하나를, 예를 들면, 정지 화상을 촬상하는 카메라 기능을 갖는 언터치 패널(50)에 적용하는 것이 유효하다．
(와이드 다이내믹 레인지 모드의 변형예)
도 15는 와이드 다이내믹 레인지 모드를 실현하기 위한 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치의 다른 변형예를 나타내는 평면도이다. 도 15에 나타내는 변형예에 따른 고체 촬상 장치(60)는, 고체 촬상 장치(60)가 대형의 제1 마이크로 렌즈(64a)를 갖는 고감도의 제1 화소(61a) 및 제1 마이크로 렌즈(64a)보다 작은 제2 마이크로 렌즈(64b)를 갖는 저감도의 제2 화소(61b)에 의해 단위 셀(62)이 구성된다는 점에서, 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(10)와 동일하다. 그러나, 고체 촬상 장치(60)는, 제1 화소(61a)의 제1 포토다이오드(63a)가 제2 화소(61b)의 제2 포토다이오드(63b)보다도 작다는 점에서, 고체 촬상 장치(10)와 상이하다.
단위 셀(62)에 포함되는 제1 및 제2 판독 게이트(15a, 15b), 검출부(16), 단위 셀의 출력 회로(17), 리세트 트랜지스터(18) 및 드레인(19)은, 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(10)와 마찬가지로 구성된다.
고체 촬상 장치(60)도, 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(10)에 의한 촬상 방법과 마찬가지로 동작시킴으로써, 움직임 검출 모드를 실현할 수 있다.
고체 촬상 장치(60)도, 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(10)에 의한 와이드 다이내믹 레인지 모드의 촬상 방법과 마찬가지로 동작시킴으로써, 와이드 다이내믹 레인지 모드를 실현할 수 있다. 그러나, 변형예에 따른 고체 촬상 장치(60)의 경우, 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(10)(도 1)에 의한 와이드 다이내믹 레인지 모드보다도 넓은 와이드 다이내믹 레인지를 실현할 수 있다. 이하에, 이 이유를 설명한다.
도 16은 고체 촬상 장치(60)의 단위 셀(62)이 수광한 광량과, 차동 증폭기(Diff-AMP)로부터 출력되는 차분 신호의 전위의 관계를 나타내는 도면이다.
도 15에 도시한 바와 같이, 제1 화소(61a)의 제1 포토다이오드(63a)를 작게 형성하면, 도 16에 도시한 바와 같이, 제1 화소(61a)의 포화 레벨이 저하하기 때문에, 제1 화소(61a)의 다이내믹 레인지는 작아진다. 하지만, 제2 화소(61b)의 제2 포토다이오드(63b)를 크게 형성하면, 도 16에 도시한 바와 같이, 제2 화소(61b)의 포화 레벨이 상승하기 때문에, 제2 화소(61b)의 다이내믹 레인지는 넓어진다.
와이드 다이내믹 레인지 모드의 경우에 다이내믹 레인지는, 제2 화소(61b)의 다이내믹 레인지와 동일하기 때문에, 변형예에 따른 고체 촬상 장치(60)에 따르면, 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(10)에 의한 와이드 다이내믹 레인지 모드보다 훨씬 더 넓은 와이드 다이내믹 레인지를 실현할 수 있다.
특정한 실시 형태들을 설명했지만, 본 실시 형태들은, 예로서만 제시한 것이며, 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 의도되지 않는다. 실제로, 본원에 설명한 신규한 실시 형태들은, 그 밖의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하며, 본 발명의 정신을 일탈하지 않는 범위 내에서, 본원에 설명한 실시 형태들의 형태에 대해 다양한 생략, 치환 및 변경을 행할 수 있다． 특허청구범위에 기재된 발명과 그 균등물은 본 발명의 범위 및 정신에 포함되는 형태 또는 변형을 포함하는 것으로 의도된다.
10, 30, 40, 60 : 고체 촬상 장치
11a, 44a, 63a : 제1 포토다이오드
11b, 44b, 63b : 제2 포토다이오드
12a, 43a, 64a : 제1 마이크로 렌즈
12b, 43b, 64b : 제2 마이크로 렌즈
13a, 41a, 61a : 제1 화소
13b, 41b, 61b : 제2 화소

Claims (20)

  1. 고체 촬상 장치로서,
    광을 수광하여 광전 변환하는 것에 의해 제1 신호 전하를 발생시키는 제1 포토다이오드, 및 상기 제1 포토다이오드 위에 형성된 제1 마이크로 렌즈를 갖는 제1 화소,
    광을 수광하여 광전 변환하는 것에 의해 제2 신호 전하를 발생시키는 제2 포토다이오드, 및 상기 제2 포토다이오드 위에 형성되고, 상기 제1 마이크로 렌즈보다 작은 제2 마이크로 렌즈(여기서, 제1 마이크로 렌즈와 제2 마이크로 렌즈의 사이즈 비는 n:1임)를 갖는 제2 화소, 및
    상기 제1 화소에 있어서 제1 광전 변환 기간에 걸쳐 광전 변환함으로써 얻어지는 상기 제1 신호 전하의 전하량에 기초한 제1 검출 신호와, 상기 제2 화소에 있어서 상기 제1 광전 변환 기간의 n배의 제2 광전 변환 기간에 걸쳐 광전 변환함으로써 얻어지는 상기 제2 신호 전하의 전하량에 기초한 제2 검출 신호와의 차분 신호를 출력하는 출력 회로
    를 포함하는, 고체 촬상 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 화소 및 상기 제2 화소를 포함하는 복수의 단위 셀을 포함하고,
    상기 단위 셀은 격자 형상(lattice shape)으로 배열되는, 고체 촬상 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 화소 및 상기 제2 화소를 포함하는 복수의 단위 셀을 포함하고,
    상기 단위 셀은 복수의 제1 마이크로 렌즈 및 복수의 제2 마이크로 렌즈가 각각 바둑판 형상(check shape)으로 배열되도록 배열되는, 고체 촬상 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 포토다이오드와 상기 제1 마이크로 렌즈 사이에, 적색, 청색 및 녹색 중 임의의 1색의 광을 투과시키는 컬러 필터를 갖는 상기 제1 화소, 및
    상기 제2 포토다이오드와 상기 제2 마이크로 렌즈 사이에, 상기 제1 화소가 갖는 컬러 필터와 동일한 색의 광을 투과시키는 컬러 필터를 갖는 상기 제2 화소
    를 포함하는 복수의 단위 셀을 포함하고,
    상기 단위 셀은 상기 컬러 필터가 베이어―배열(Bayer-array)이 되도록 배열되는, 고체 촬상 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 출력 회로는,
    상기 제1 신호 전하와 상기 제2 신호 전하를 축적하는 검출부,
    상기 검출부에 축적된 상기 제1 신호 전하의 전하량에 기초하여 상기 제1 신호 전하를 상기 제1 검출 신호로 변환함과 함께, 상기 검출부에 축적된 상기 제2 신호 전하의 전하량에 기초하여 상기 제2 신호 전하를 상기 제2 검출 신호로 변환하는 앰프 트랜지스터, 및
    상기 앰프 트랜지스터에 접속되어 있으며 상기 제1 검출 신호가 입력되는 반전 입력 단자, 상기 앰프 트랜지스터에 접속되어 있으며 상기 제2 검출 신호가 입력되는 비-반전 입력 단자, 및 상기 제1 검출 신호와 상기 제2 검출 신호와의 차분인 상기 차분 신호를 출력하는 출력 단자를 갖는 차동 증폭기
    를 포함하는, 고체 촬상 장치.
  6. 고체 촬상 장치를 갖는 고체 촬상 시스템으로서,
    상기 고체 촬상 장치는,
    광을 수광하여 광전 변환하는 것에 의해 제1 신호 전하를 발생시키는 제1 포토다이오드, 및 상기 제1 포토다이오드 위에 형성된 제1 마이크로 렌즈를 갖는 제1 화소,
    광을 수광하여 광전 변환하는 것에 의해 제2 신호 전하를 발생시키는 제2 포토다이오드, 및 상기 제2 포토다이오드 위에 형성되고, 상기 제1 마이크로 렌즈보다 작은 제2 마이크로 렌즈(여기서, 제1 마이크로 렌즈와 제2 마이크로 렌즈의 사이즈 비는 n:1임)를 갖는 제2 화소,
    상기 제1 화소에 있어서 제1 광전 변환 기간에 걸쳐 광전 변환함으로써 얻어지는 상기 제1 신호 전하의 전하량에 기초한 제1 검출 신호와, 상기 제2 화소에 있어서 상기 제1 광전 변환 기간의 n배의 제2 광전 변환 기간에 걸쳐 광전 변환함으로써 얻어지는 상기 제2 신호 전하의 전하량에 기초한 제2 검출 신호와의 차분 신호를 출력하는 출력 회로, 및
    상기 출력 회로로부터 출력되는 상기 차분 신호에 기초하여 화상을 형성하는 화상 형성부
    를 포함하고,
    상기 출력 회로는, 상기 고체 촬상 장치가 정지한 피사체를 촬상한 경우에 상기 제1 화소의 출력과 상기 제2 화소의 출력이 동일하게 되도록 함으로써, 제로를 상기 차분 신호로서 출력하고,
    상기 출력 회로는, 상기 고체 촬상 장치가 움직이는 피사체를 촬상한 경우에 상기 제1 화소의 출력과 상기 제2 화소의 출력이 상이하게 되도록 함으로써, 양쪽 차분값을 상기 차분 신호로서 출력하고, 상기 화상 형성부가 이 차분 신호에 기초한 화상을 형성함으로써, 상기 피사체의 움직임을 검출하는, 고체 촬상 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    복수의 상기 고체 촬상 장치를 갖는, 고체 촬상 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 화상 형성부에서 형성된 상기 화상을 표시하는 표시부를 더 포함하는, 고체 촬상 시스템.
  9. 고체 촬상 장치로서,
    광을 수광하여 광전 변환하는 것에 의해 제1 신호 전하를 발생시키는 제1 포토다이오드, 및 상기 제1 포토다이오드 위에 형성된 제1 마이크로 렌즈를 갖는 제1 화소,
    광을 수광하여 광전 변환하는 것에 의해 제2 신호 전하를 발생시키는 제2 포토다이오드, 및 상기 제2 포토다이오드 위에 형성되고, 상기 제1 마이크로 렌즈보다 작은 제2 마이크로 렌즈(여기서, 제1 마이크로 렌즈와 제2 마이크로 렌즈의 사이즈 비는 n:1임)를 갖는 제2 화소,
    상기 제1 신호 전하의 전하량과 상기 제2 신호 전하의 전하량에 기초하여 신호를 출력하는 출력 회로, 및
    상기 출력 회로에 움직임 검출 모드 신호 또는 와이드 다이내믹 레인지 모드 신호인 모드 전환 신호를 출력함으로써, 상기 출력 회로의 동작을 제어하는 제어부
    를 포함하고,
    상기 출력 회로는, 상기 제어부로부터 상기 모드 전환 신호로서 상기 움직임 검출 모드 신호를 수신한 경우, 상기 제2 화소의 광전 변환 기간이 상기 제1 화소의 광전 변환 기간의 n배가 되도록, 상기 제1 화소 및 제2 화소로부터 상기 제1 신호 전하 및 상기 제2 신호 전하를 판독하고, 판독된 상기 제1 신호 전하의 전하량에 기초한 제1 검출 신호와, 상기 제2 신호 전하에 기초한 제2 검출 신호와의 차분 신호를 출력하도록 동작하고,
    상기 출력 회로는, 상기 제어부로부터 상기 모드 전환 신호로서 와이드 다이내믹 레인지 모드 신호를 수신한 경우, 상기 제2 화소의 광전 변환 기간이 상기 제1 화소의 광전 변환 기간보다 길어지도록, 상기 제1 화소 및 상기 제2 화소로부터 상기 제1 신호 전하 및 상기 제2 신호 전하를 판독하고, 상기 제1 검출 신호와 상기 제2 검출 신호와의 합에 기초한 신호를 출력하도록 동작하는, 고체 촬상 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 출력 회로는,
    상기 제1 포토다이오드에 발생된 상기 제1 신호 전하를 판독하는 제1 판독 게이트,
    상기 제2 포토다이오드에 발생된 상기 제2 신호 전하를 판독하는 제2 판독 게이트,
    상기 제1 판독 게이트에 의해 판독된 상기 제1 신호 전하와, 상기 제2 판독 게이트에 의해 판독된 상기 제2 신호 전하를 축적하는 검출부,
    상기 검출부에 축적된 상기 제1 신호 전하의 전하량에 기초하여 상기 제1 신호 전하를 상기 제1 검출 신호로 변환함과 함께, 상기 검출부에 축적된 상기 제2 신호 전하의 전하량에 기초하여 상기 제2 신호 전하를 상기 제2 검출 신호로 변환하는 앰프 트랜지스터, 및
    상기 앰프 트랜지스터에 제1 스위치를 통해 접속되어 있는 반전 입력 단자, 상기 앰프 트랜지스터에 제2 스위치를 통해 접속되어 있는 비-반전 입력 단자 및 출력 단자를 갖는 차동 증폭기
    를 포함하고,
    상기 모드 전환 신호는 상기 제1 판독 게이트, 상기 제2 판독 게이트, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 동작을 제어하는, 고체 촬상 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 모드 전환 신호가 움직임 검출 모드 신호인 경우,
    상기 모드 전환 신호는, 상기 제1 판독 게이트와 상기 제2 판독 게이트를 제어함과 함께,
    상기 제1 검출 신호가 상기 차동 증폭기의 상기 반전 입력 단자에 입력되고 상기 제2 검출 신호가 상기 차동 증폭기의 상기 비-반전 입력 단자에 입력되도록 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치를 제어하고,
    상기 차동 증폭기의 상기 출력 단자는 상기 제1 검출 신호와 상기 제2 검출 신호와의 차에 대응하는 신호를 출력하고,
    상기 모드 전환 신호가 상기 와이드 다이내믹 레인지 모드 신호인 경우,
    상기 모드 전환 신호는, 상기 제1 판독 게이트 및 상기 제2 판독 게이트를 제어함과 함께,
    상기 제1 검출 신호와 상기 제2 검출 신호와의 합이 상기 차동 증폭기의 상기 비-반전 입력 단자에 입력되도록 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치를 제어하고,
    상기 차동 증폭기의 출력 단자는 상기 제1 검출 신호와 상기 제2 검출 신호의 합에 대응하는 신호를 출력하는, 고체 촬상 장치.
  12. 삭제
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제1 포토다이오드는 상기 제2 포토다이오드보다 큰, 고체 촬상 장치.
  14. 삭제
  15. 제9항에 있어서,
    상기 제1 화소와 상기 제2 화소를 포함하는 복수의 단위 셀을 갖고,
    상기 단위 셀은 격자 형상으로 배열되는, 고체 촬상 장치.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 제1 화소 및 상기 제2 화소를 포함하는 복수의 단위 셀을 갖고,
    상기 단위 셀은 복수의 제1 마이크로 렌즈 및 복수의 제2 마이크로 렌즈가 각각 바둑판 형상으로 배열되도록 배열되는, 고체 촬상 장치.
  17. 제9항에 있어서,
    상기 제1 포토다이오드와 상기 제1 마이크로 렌즈 사이에, 적색, 청색 및 녹색 중 임의의 1색의 광을 투과시키는 컬러 필터를 갖는 상기 제1 화소, 및
    상기 제2 포토다이오드와 상기 제2 마이크로 렌즈 사이에, 상기 제1 화소가 갖는 컬러 필터와 동일한 색의 광을 투과시키는 컬러 필터를 갖는 상기 제2 화소
    를 포함하는 복수의 단위 셀을 포함하고,
    상기 단위 셀은 상기 컬러 필터가 베이어―배열이 되도록 배열되는, 고체 촬상 장치.
  18. 고체 촬상 장치를 포함하는 고체 촬상 시스템으로서,
    상기 고체 촬상 장치는,
    광을 수광하여 광전 변환하는 것에 의해 제1 신호 전하를 발생시키는 제1 포토다이오드, 및 상기 제1 포토다이오드 위에 형성된 제1 마이크로 렌즈를 갖는 제1 화소,
    광을 수광하여 광전 변환하는 것에 의해 제2 신호 전하를 발생시키는 제2 포토다이오드, 및 상기 제2 포토다이오드 위에 형성되고, 상기 제1 마이크로 렌즈보다 작은 제2 마이크로 렌즈(여기서, 제1 마이크로 렌즈와 제2 마이크로 렌즈의 사이즈 비는 n:1임)를 갖는 제2 화소,
    상기 제1 신호 전하의 전하량과 상기 제2 신호 전하의 전하량에 기초한 신호를 출력하는 출력 회로,
    상기 출력 회로에 움직임 검출 모드 신호 또는 와이드 다이내믹 레인지 모드 신호인 모드 전환 신호를 출력함으로써, 상기 출력 회로의 동작을 제어하는 제어부, 및
    상기 출력 회로로부터 출력되는 상기 신호에 기초하여 화상을 형성하여 출력하는 화상 형성부
    를 포함하고,
    상기 출력 회로는, 상기 제어부로부터 상기 모드 전환 신호로서 상기 움직임 검출 모드 신호를 수신한 경우, 상기 제2 화소의 광전 변환 기간이 상기 제1 화소의 광전 변환 기간의 n배가 되도록, 상기 제1 화소 및 상기 제2 화소로부터 상기 제1 신호 전하 및 상기 제2 신호 전하를 판독하고, 판독된 상기 제1 신호 전하의 전하량에 기초한 제1 검출 신호와, 상기 제2 신호 전하에 기초한 제2 검출 신호와의 차분 신호를 출력하고, 상기 화상 형성부가 상기 차분 신호에 기초한 신호에 기초하여 상기 화상을 형성함으로써, 피사체의 움직임을 검출하고,
    상기 출력 회로는, 상기 제어부로부터 상기 모드 전환 신호로서 와이드 다이내믹 레인지 모드 신호를 수신한 경우, 상기 제2 화소의 광전 변환 기간이 상기 제1 화소의 광전 변환 기간보다 길어지도록, 상기 제1 화소 및 상기 제2 화소로부터 상기 제1 신호 전하 및 상기 제2 신호 전하를 판독하고, 상기 제1 검출 신호와 상기 제2 검출 신호와의 합에 기초한 신호를 출력하고, 상기 화상 형성부가 상기 합에 기초한 신호에 기초하여 상기 화상을 형성하여 출력하는, 고체 촬상 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    복수의 상기 고체 촬상 장치를 갖는, 고체 촬상 시스템.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 화상 형성부에서 형성된 상기 화상을 표시하는 표시부를 더 포함하는, 고체 촬상 시스템.
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