KR101928115B1 - 고체 촬상 소자의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

수광 영역 중 일부의 영역을 구성하는 하나 또는 복수의 판독 대상행에 포함되는 화소에 축적된 전하를, L회(L은 2 이상의 정수)의 촬상 프레임의 각각에 있어서 선택적으로 판독함과 아울러, L회의 촬상 프레임의 각각에 있어서, 일부의 비판독 대상행에만 포함되는 화소에 축적된 전하의 리세트를 행하고, 또한 2 이상의 비판독 대상행의 각각에 대해서 L회의 촬상 프레임의 동안에 적어도 1회, 리세트를 행한다. 이것에 의해, 수광 영역 중 일부 영역의 화소에 축적된 전하를 선택적으로 판독할 때에, 하나의 촬상 프레임에 필요로 하는 시간을 억제하고, 또 주변 회로로의 부하를 저감시킬 수 있는 고체 촬상 소자의 제어 방법이 실현된다.

Description

고체 촬상 소자의 제어 방법{METHOD FOR CONTROLLING SOLID-STATE IMAGE PICKUP DEVICE}
본 발명은 고체 촬상 소자의 제어 방법에 관한 것이다.
특허 문헌 1에는 X선 검출기를 구비하는 X선 진단 장치의 제어 방법이 개시되어 있다. 이 방법에서는, 제1 X선 조사를 행하여 X선 검출기로부터 화소 데이터를 판독하고, 이 화소 데이터에 기초하여 X선 검출기로부터 화소 데이터를 수집해야 할 부분 영역을 선택한 후, 제2 X선 조사를 행하여 X선 검출기의 그 부분 영역으로부터 화소 데이터를 판독하고 있다. 그리고 X선 검출기의 부분 영역으로부터 화소 데이터를 판독할 때, X선 검출기의 다른 영역의 화소 데이터 모두를, 각 촬상 프레임에서 동시에(혹은, 순차로) 배출하고 있다.
특허 문헌 1: 일본국 특개평 11－318877호 공보
고체 촬상 소자는 복수의 화소가 복수 행 및 복수 열에 걸쳐서 이차원 모양으로 배치된 수광 영역을 가진다. 각 화소에는 입사된 광을 전자(電子)로 변환하기 위한 포토 다이오드가 배치된다. 각 화소의 포토 다이오드는 각 열마다 배설된 판독용 배선에 스위치를 통하여 접속되어 있고, 포토 다이오드 내에 축적된 전하는 스위치를 접속 상태로 함으로써 판독용 배선으로 유출된다.
이와 같은 구성을 구비하는 고체 촬상 소자의 동작 방법의 하나로서, 수광 영역 중 일부의 영역(이하, 관심 영역이라 함)의 화소에 축적된 전하만을 선택적으로 판독하는, 이른바 부분 판독 동작이 있다. 이 부분 판독 동작에 있어서, 전하가 판독되는 관심 영역에서는, 각 화소에서 전하가 판독될 때마다 포토 다이오드가 리세트되므로, 포토 다이오드에 전하가 너무 축적되어 오버플로우가 발생하는 일은 없다. 그러나 전하가 판독되지 않는 다른 영역(이하, 비관심 영역이라 함)에서는, 각 화소의 포토 다이오드에 전하가 계속 축적되어 오버플로우가 발생한다. 오버플로우가 발생하면, 흘러넘친 전하가 주변 화소에 침입하여 주변 화소의 촬상 데이터에 영향을 미쳐 버린다. 따라서 비관심 영역에 포함되는 각 화소의 포토 다이오드를 리세트할 필요가 생긴다. 예를 들면, 특허 문헌 1에 기재된 방법에서는, 촬상 프레임마다, 비관심 영역에 포함되는 전(全)화소의 포토 다이오드를 동시에, 혹은 순차로 리세트하고 있다.
그렇지만, 고체 촬상 소자의 제어에는 하나의 촬상 프레임에 필요로 하는 시간(프레임 레이트)을 가능한 한 짧게 하는 것도 요구된다. 비관심 영역에 포함되는 전(全)화소의 포토 다이오드를 각 촬상 프레임에 있어서 순차로 리세트하면, 각 촬상 프레임의 소요 시간을 길어지게 하는 요인이 된다. 특히, 수광 영역의 면적이 커져, 수광 영역을 구성하는 화소의 개수가 많을수록, 비관심 영역의 포토 다이오드의 리세트에 장시간을 필요로 하여, 촬상 프레임의 소요 시간이 더욱 길어져 버린다. 이것에 대해, 특허 문헌 1에는, 각 촬상 프레임에 있어서, 비관심 영역에 포함되는 전화소의 포토 다이오드를 동시에 리세트하는 방법도 개시되어 있다. 그러나 이와 같은 방법에서는, 비관심 영역의 포토 다이오드가 리세트된 순간, 포토 다이오드에 접속된 배선에 큰 전류가 흐르므로, 전원 등의 주변 회로로의 부하가 커져 버린다.
본 발명은 이와 같은 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 수광 영역 중 일부 영역의 화소에 축적된 전하를 선택적으로 판독할 때에, 하나의 촬상 프레임에 필요로 하는 시간을 억제하고, 또 주변 회로로의 부하를 저감시킬 수 있는 고체 촬상 소자의 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 의한 고체 촬상 소자의 제어 방법은, 포토 다이오드 및 그 포토 다이오드에 일단(一端)이 접속된 판독용 스위치를 각각 포함하는 M×N개(M은 3 이상의 정수, N은 2 이상의 정수)의 화소가 M행 N열로 2차원 배열되어 이루어지는 수광 영역을 구비하는 고체 촬상 소자의 제어 방법으로서, 수광 영역 중 일부의 영역을 구성하는 하나 또는 복수의 행(이하, 판독 대상행이라 함)에 포함되는 화소에 축적된 전하를, L회(L은 2 이상의 정수)의 촬상 프레임의 각각에 있어서 선택적으로 판독함과 아울러, L회의 촬상 프레임의 각각에 있어서, 판독 대상행을 제외한 다른 2 이상의 행(이하, 비판독 대상행이라 함) 중 일부의 비판독 대상행에 포함되는 화소에 축적된 전하의 배출 처리를 행하고, 또한 2 이상의 비판독 대상행의 각각에 대해서 L회의 촬상 프레임의 동안에 적어도 1회, 배출 처리를 행하는 것을 특징으로 한다.
상술한 고체 촬상 소자의 제어 방법에서는, 수광 영역 중 일부의 영역(상술한 관심 영역에 상당)을 구성하는 판독 대상행에 포함되는 화소에 축적된 전하를, L회의 촬상 프레임의 각각에 있어서 선택적으로 판독하는, 이른바 부분 판독 동작을 행한다. 또한, 이 제어 방법에서는, L회의 촬상 프레임의 각각에 있어서, 2 이상의 비판독 대상행(상술한 비관심 영역에 상당) 중 일부에 포함되는 화소에 축적된 전하의 배출 처리(리세트)를 행한다. 한편, 이 배출 처리(리세트)를 2 이상의 비판독 대상행의 각각에 대해서, L회의 촬상 프레임의 동안에 적어도 1회 행한다.
즉, 상술한 제어 방법에서는, 각 촬상 프레임에 있어서 2 이상의 비판독 대상행의 모두를 리세트하는 것이 아니라, 그 일부만을 리세트하고 있다. 따라서 각 촬상 프레임에 있어서 복수의 비판독 대상행을 순차로 리세트하는 경우에 있어서는, 이 제어 방법에 의해서 하나의 촬상 프레임에 필요로 하는 시간을 억제할 수 있다. 특히, 수광 영역의 면적이 커져, 수광 영역을 구성하는 화소의 개수가 많을수록, 이 효과는 현저해 진다. 또, 각 촬상 프레임에 있어서, 복수의 비판독 대상행을 동시에 리세트하는 경우에 있어서는, 포토 다이오드에 접속된 배선에 흐르는 전류를 줄여, 전원 등의 주변 회로로의 부하를 저감시킬 수 있다.
또, 본 발명에 의한 고체 촬상 소자의 제어 방법은, 포토 다이오드 및 그 포토 다이오드에 일단이 접속된 판독용 스위치를 각각 포함하는 M×N개(M은 3 이상의 정수, N은 2 이상의 정수)의 화소가 M행 N열로 2차원 배열되어 이루어지는 수광 영역을 구비하는 고체 촬상 소자의 제어 방법으로서, 수광 영역 중 일부의 영역을 구성하는 하나 또는 복수의 행(이하, 판독 대상행이라 함)에 포함되는 화소에 축적된 전하를, L회(L은 2 이상의 정수)의 촬상 프레임의 각각에 있어서 선택적으로 판독함과 아울러, L회의 촬상 프레임의 각각에 있어서, 판독 대상행을 제외한 다른 행(이하, 비판독 대상행이라 함)에 포함되는 2 이상의 행 중 일부의 행에 포함되는 화소에 축적된 전하의 배출 처리를 행하고, 또한 2 이상의 행의 각각에 대해서 L회의 촬상 프레임의 동안에 적어도 1회, 배출 처리를 행하는 것을 특징으로 한다.
상술한 고체 촬상 소자의 제어 방법에서는, 판독 대상행에 포함되는 화소에 축적된 전하를, L회의 촬상 프레임의 각각에 있어서 선택적으로 판독한다. 또한, 이 제어 방법에서는, L회의 촬상 프레임의 각각에 있어서, 비판독 대상행 중 2 이상의 행의 일부에 포함되는 화소에 축적된 전하의 배출 처리(리세트)를 행한다. 또한, 이 배출 처리(리세트)를 2 이상의 행의 각각에 대해서, L회의 촬상 프레임의 동안에 적어도 1회 행한다.
즉, 상술한 제어 방법에서는, 각 촬상 프레임에 있어서 비판독 대상행에 포함되는 2 이상의 행의 모두를 리세트하는 것이 아니라, 그 일부만을 리세트하고 있다. 따라서 각 촬상 프레임에 있어서 복수의 비판독 대상행을 순차로 리세트하는 경우에 있어서는, 이 제어 방법에 의해서 하나의 촬상 프레임에 필요로 하는 시간을 억제할 수 있다. 또, 각 촬상 프레임에 있어서, 복수의 비판독 대상행을 동시에 리세트하는 경우에 있어서는, 포토 다이오드에 접속된 배선에 흐르는 전류를 줄여, 전원 등의 주변 회로로의 부하를 저감시킬 수 있다.
본 발명에 의한 고체 촬상 소자의 제어 방법에 의하면, 수광 영역 중 일부 영역의 화소에 축적된 전하를 선택적으로 판독할 때에, 하나의 촬상 프레임에 필요로 하는 시간을 억제하고, 또한 주변 회로로의 부하를 저감시킬 수 있다.
도 1은 고체 촬상 장치를 나타내는 평면도이다.
도 2는 고체 촬상 장치의 일부를 확대한 평면도이다.
도 3은 도 2의 I－I선을 따른 단면을 나타내는 측단면도이다.
도 4는 고체 촬상 장치의 내부 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 고체 촬상 장치의 화소, 적분 회로 및 유지 회로 각각의 회로 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 6은 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 제어 방법에 있어서 고체 촬상 소자에 부여되는 각 신호의 타이밍챠트로서, 수광 영역의 모든 화소로부터 전하를 판독하는 모드(통상 판독 모드)를 나타내고 있다.
도 7은 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 제어 방법에 있어서 고체 촬상 소자에 부여되는 각 신호의 타이밍챠트로서, 수광 영역 중 일부의 영역(관심 영역)의 화소만으로부터 전하를 판독하는 모드(부분 판독 모드)를 나타내고 있다.
도 8은 오버플로우의 양태를 설명하기 위한 도면으로서, (a) 트랜지스터를 포함하는 절단면에 의해 절단된 수광 영역의 단면을 나타내는 모식도, (b) 트랜지스터를 포함하지 않는 절단면에 의해 절단된 수광 영역의 단면을 나타내는 모식도이다.
도 9는 비판독 대상행에 포함되는 포토 다이오드의 전하를 리세트하는 과정을 포함하는, 고체 촬상 소자의 제어 방법의 일례를 나타내는 타이밍챠트이다.
도 10은 제2 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 제어 방법에 있어서 고체 촬상 소자에 부여되는 각 신호의 타이밍챠트로서, 수광 영역 중 일부의 영역(관심 영역)의 화소만으로부터 전하를 판독하는 모드(부분 판독 모드)를 나타내고 있다.
도 11은 고체 촬상 소자의 제어 방법의 일 비교예를 나타내는 타이밍챠트이다.
도 12는 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태에 따른 제어 방법에 있어서의 비판독 대상행의 리세트의 양태를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 13은 각 촬상 프레임에 있어서의 리세트 대상행의 배열의 제2 예를 나타내는 모식도이다.
도 14는 각 촬상 프레임에 있어서의 리세트 대상행의 배열의 제3 예를 나타내는 모식도이다.
도 15는 각 촬상 프레임에 있어서의 리세트 대상행의 배열의 제4 예를 나타내는 모식도이다.
도 16은 도 15에 도시된 리세트 대상행의 배열을 실현하기 위한 제어 방법을 나타내는 타이밍챠트이다.
도 17은 각 촬상 프레임에 있어서의 리세트 대상행의 배열의 제5 예를 나타내는 모식도이다.
도 18은 도 17에 도시된 리세트 대상행의 배열을 실현하기 위한 제어 방법을 나타내는 타이밍챠트이다.
도 19는 p형 단결정 실리콘 기판상에 수광 영역이 작성되었을 경우에 있어서의, 부분 판독시의 오버플로우의 양태를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명에 의한 고체 촬상 소자의 제어 방법의 실시 형태를 상세하게 설명한다. 또한, 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 중복하는 설명을 생략한다.
이하의 각 실시 형태에 있어서 사용되는 고체 촬상 소자는, 예를 들면 의료용 X선 촬상 시스템에 이용되어, 특히 치과의료에 있어서의 파노라마 촬영, 세파로 촬영, CT 촬영과 같은 촬상 모드에 의해서, 피검사자의 악부(顎部)의 X선상을 촬상하는 시스템에 이용된다. 이를 위해, 이하의 각 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자는, 대면적의 유리 기판상에 다결정 실리콘이 퇴적되어서 이루어지는 박막 트랜지스터나, 어모퍼스 실리콘(amorphous silicon)이 퇴적되어서 이루어지는 포토 다이오드를 구비하고 있어, 단결정 실리콘 웨이퍼로부터 제작되는 종래의 고체 촬상 소자와 비교하여, 현격히 넓은 수광 면적을 가진다. 도 1 ~ 도 3은, 이하에 언급되는 각 실시 형태에 따른 제어 방법을 실현하기 위한 장치의 일례로서, 고체 촬상 장치(10)의 구성을 나타내는 도면이다. 도 1은 고체 촬상 장치(10)를 나타내는 평면도이고, 도 2는 고체 촬상 장치(10)의 일부를 확대한 평면도이다. 또한, 도 3은 도 2의 I－I선을 따른 단면을 나타내는 측단면도이다. 또한, 도 1 ~ 도 3에는, 이해를 용이하게 하기 위한 XYZ 직교좌표계가 함께 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 고체 촬상 장치(10)는 고체 촬상 소자(11)를 구비하고 있다. 고체 촬상 소자(11)는 이하의 각 실시 형태에 있어서의 제어 대상이며, 유리 기판(12)과, 유리 기판(12)의 주면(主面) 상에 제작된 수광 영역(20) 및 수직 쉬프트 레지스터부(30)를 구비하고 있다. 수직 쉬프트 레지스터부(30)는 수광 영역(20)의 측변(側邊)을 따라서 배치되어 있다. 또, 고체 촬상 장치(10)는 고체 촬상 소자(11)와는 별도로 배치된 신호 출력부(40)를 추가로 구비하고 있다. 신호 출력부(40)는, 예를 들면 수광 영역(20)과 전기적으로 접속된 복수의 C－MOS형 IC 칩(41)에 의해서 구성된다. 신호 출력부(40)는 수광 영역(20)의 N열 각각에 마련된 N개의 적분 회로를 포함하고 있고, 이들 N개의 적분 회로는 제1열 내지 제N열 화소로부터 출력되는 전하의 양에 따른 전압치를 생성한다. 신호 출력부(40)는 각 적분 회로로부터 출력된 전압치를 유지하고, 그 유지한 전압치를 순차적으로 출력한다.
또한, 수광 영역(20) 및 수직 쉬프트 레지스터부(30)는 각각 별개의 유리 기판(12) 상에 마련되어도 좋다. 또, 신호 출력부(40)는 수광 영역(20) 및 수직 쉬프트 레지스터부(30)와 함께 유리 기판(12) 상에 마련되어도 좋다.
수광 영역(20)은 M×N개의 화소가 M행 N열로 2차원 배열되는 것으로 구성되어 있다. 도 2에 도시된 화소 Pm,n은, 제m행 제n열에 위치하는 화소이다. 여기서, m은 1이상 M 이하의 정수이며, n은 1이상 N 이하의 정수이다. M은 3 이상의 정수이며, N은 2 이상의 정수이다. 또한, 도 2에 있어서, 열 방향은 X축 방향과 일치하고, 행 방향은 Y축 방향과 일치한다. 수광 영역(20)에 포함되는 복수의 화소 P1 ,1 ~ PM,N 각각은, 판독용 스위치로서의 트랜지스터(21)와 포토 다이오드(22)를 구비하고 있다. 트랜지스터(21)의 한쪽 전류 단자는 포토 다이오드(22)에 접속되어 있다. 또, 트랜지스터(21)의 다른 쪽 전류 단자는 대응하는 판독용 배선(예를 들면 화소 Pm,n의 경우, 제n열 판독용 배선 Rn)에 접속되어 있다. 트랜지스터(21)의 제어 단자는, 대응하는 행 선택용 배선(예를 들면 화소 Pm ,n의 경우, 제m행 선택용 배선 Qm)에 접속되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 유리 기판(12) 상의 전면(全面)에는, 다결정 실리콘막(14)이 마련되어 있다. 트랜지스터(21), 포토 다이오드(22) 및 제n열 판독용 배선 Rn은 이 다결정 실리콘막(14)의 표면에 형성되어 있다. 트랜지스터(21), 포토 다이오드(22), 및 제n열 판독용 배선 Rn은 절연층(16)에 의해서 덮여 있고, 절연층(16) 위에는 신틸레이터(18)가 유리 기판(12)의 전면을 덮도록 마련되어 있다. 신틸레이터(scintillator, 18)는 입사된 X선을 따라 신틸레이션 광을 발생시켜 X선상(像)을 광상(光像)으로 변환하여, 이 광상을 수광 영역(20)으로 출력한다. 제n열 판독용 배선 Rn은 금속으로 이루어진다.
포토 다이오드(22)는 입사광 강도에 따른 양의 전하를 생성하고, 그 생성한 전하를 접합 용량부에 축적한다. 포토 다이오드(22)는 n형 반도체층(22a), i형 반도체층(22b) 및 p형 반도체층(22c)을 가지는 PIN형 포토 다이오드이다. n형 반도체층(22a)은 n형 다결정 실리콘으로 이루어진 반도체층이다. i형 반도체층(22b)은 i형(안도프) 어모퍼스 실리콘으로 이루어진 반도체층으로, n형 반도체층(22a) 상에 마련되어 있다. 이와 같이, i형 반도체층(22b)이 어모퍼스 실리콘에 의해서 형성됨으로써 i형 반도체층(22b)을 두껍게 할 수 있어, 포토 다이오드(22)의 광전 변환 효율을 높여 고체 촬상 장치(10)의 감도를 향상시킬 수 있다. p형 반도체층(22c)은 p형 어모퍼스 실리콘으로 이루어진 반도체층으로, i형 반도체층(22b) 상에 마련되어 있다.
트랜지스터(21)는 바람직하게는 전계 효과 트랜지스터(FET)에 의해서 구성되지만, 바이폴러 트랜지스터에 의해서 구성되어도 된다. 트랜지스터(21)가 FET인 경우, 이하의 설명에 있어서 제어 단자는 게이트를, 전류 단자는 소스 또는 드레인을 각각 의미한다. 도 3에 도시된 트랜지스터(21)는 FET의 구성을 가지고 있고, 다결정 실리콘으로 이루어진 영역을 포함한다. 일례로서는, 트랜지스터(21)는 각각 다결정 실리콘으로 이루어진 채널 영역(21a), 소스 영역(21b) 및 드레인 영역(21c)을 가진다. 소스 영역(21b)은 채널 영역(21a)의 한쪽 측면을 따라서 형성되어 있다. 드레인 영역(21c)은 채널 영역(21a)의 다른 쪽의 측면을 따라서 형성되어 있다. 또, 채널 영역(21a) 상에는 게이트 전극(21e)이 마련되어 있고, 게이트 전극(21e)과 채널 영역(21a)의 사이에는 게이트 절연막(21d)이 개재(介在)되어 있다.
트랜지스터(21)의 채널 영역(21a), 소스 영역(21b) 및 드레인 영역(21c)을 구성하는 다결정 실리콘은, 저온 다결정 실리콘(Low Temperature Polycrystalline Silicon；LTPS)이라면 더 좋다. 저온 다결정 실리콘은 100 ~ 600℃와 같이 비교적 저온의 프로세스 온도 하에서 퇴적되는 다결정 실리콘이다. 이와 같은 저온 하에서는, 예를 들면 무알칼리 유리와 같은 유리 기판(12)을 지지 기판으로서 이용 가능하다는 것으로부터, 상기 각 영역(21a, 21b 및 21c)의 구성 재료를 저온 다결정 실리콘으로 함으로써, 단결정 실리콘 웨이퍼와 비교하여 넓은 면적을 가지는 유리 기판(12)을 지지 기판으로서 이용하여, 그 유리 기판(12) 상에 대면적의 수광 영역(20)을 제작하는 것이 가능해진다.
하나의 실시예에서는, 유리 기판(12)의 재료로서 예를 들면 0.3mm ~ 1.2mm와 같은 두께를 가지는 판 모양의(서브 스트레이트용의) 무알칼리 유리가 이용된다. 무알칼리 유리는 알칼리 성분을 거의 포함하지 않아, 팽창율이 낮고 또한 내열성이 높으며, 안정된 특성을 가지고 있다. 또, 저온 다결정 실리콘에 있어서의 전자 이동도는 10 ~ 600cm2／Vs이며, 어모퍼스 실리콘에 있어서의 전자 이동도(0.3 ~ 1.0cm2／Vs)보다 크기 때문에, 트랜지스터(21)의 영역(21a, 21b 및 21c)을 저온 다결정 실리콘에 의해서 형성함으로써, 트랜지스터(21)의 온 저항을 저감하는 것이 가능해진다.
도 3에 도시된 바와 같이 화소 Pm ,n은, 예를 들면 이하의 공정에 의해서 제작된다. 우선, 유리 기판(12) 상에 어모퍼스 실리콘막을 형성한다. 성막(成膜) 방법으로서는, 예를 들면 플라스마 CVD가 바람직하다. 다음으로, 레이저 빔(예를 들면 엑시머 레이저 빔)을 어모퍼스 실리콘막의 전체에 순차 조사함으로써, 어모퍼스 실리콘막의 전면을 다결정 실리콘화한다(엑시머 레이저 어닐). 이렇게 하여, 다결정 실리콘막(14)이 형성된다. 이어서, 다결정 실리콘막(14)의 일부 영역 상에, 게이트 절연막(21d)으로서의 SiO2막을 형성한 후, 그 위에 게이트 전극(21e)을 형성한다. 이어서, 소스 영역(21b) 및 드레인 영역(21c)으로 되어야 할 각 영역에 이온을 주입한다. 그 후, 다결정 실리콘막(14)의 패터닝을 실시하고, 노광 및 에칭을 반복하여 실시하여, 다른 전극이나 컨택트홀 등을 형성한다. 또, 다결정 실리콘막(14)에 있어서의 화소 Pm ,n로 되어야 할 영역에 이온을 주입하여 n형으로 한 후, 그 위에, i형 및 p형의 어모퍼스 실리콘층(즉 i형 반도체층(22b) 및 p형 반도체층(22c))을 순차적으로 적층하여 PIN형 포토 다이오드(22)를 형성한다. 그 후, 절연층(16)으로 되는 패시베이션막을 형성한다.
이어서, 고체 촬상 장치(10)의 회로 구성에 대해서 상세하게 설명한다. 도 4는 고체 촬상 장치(10)의 내부 구성을 나타내는 도면이다. 상술한 바와 같이, 수광 영역(20)은, M×N개의 화소 P1 ,1 ~ PM ,N가 M행 N열로 2차원 배열되어서 이루어진다. 제m행의 N개의 화소 Pm ,1 ~ Pm ,N은 제m행 선택용 배선 Qm을 통하여 수직 쉬프트 레지스터부(30)에 접속되어 있다. 또한, 도 4에 있어서, 수직 쉬프트 레지스터부(30)는 제어부(6)에 포함되어 있다.
신호 출력부(40)는 각 열마다 마련된 N개의 적분 회로(42) 및 N개의 유지 회로(44)를 가지고 있다. 적분 회로(42) 및 유지 회로(44)는, 각 열마다 서로 직렬로 접속되어 있다. N개의 적분 회로(42)는 서로 공통의 구성을 가지고 있다. 또, N개의 유지 회로(44)는 서로 공통의 구성을 가지고 있다.
N개의 적분 회로(42) 각각은, 판독용 배선 R1 ~ RN 각각에 접속된 입력단을 가지고, 판독용 배선 R1 ~ RN으로부터 입력단에 입력된 전하를 축적하고, 그 축적 전하량에 따른 전압치를 출력단으로부터 N개의 유지 회로(44) 각각으로 출력한다. N개의 적분 회로(42) 각각은, N개의 적분 회로(42)에 대해서 공통으로 마련된 리세트용 배선(46)을 통하여 제어부(6)에 접속되어 있다. N개의 유지 회로(44) 각각은, 적분 회로(42)의 출력단에 접속된 입력단을 가지고, 이 입력단에 입력되는 전압치를 유지하며, 그 유지된 전압치를 출력단으로부터 전압 출력용 배선(48)으로 출력한다. N개의 유지 회로(44) 각각은, N개의 유지 회로(44)에 대해서 공통으로 마련된 유지용 배선(45)을 통하여 제어부(6)에 접속되어 있다. 또, N개의 유지 회로(44) 각각은, 제1열 선택용 배선 U1 ~ 제N열 선택용 배선 UN 각각을 통하여 제어부(6)의 수평 쉬프트 레지스터부(61)에 접속되어 있다.
제어부(6)의 수직 쉬프트 레지스터부(30)는, 제m행 선택 제어 신호 VSm을 제m행 선택용 배선 Qm을 통하여 제m행의 N개의 화소 Pm ,1 ~ Pm ,N 각각에 제공한다. 수직 쉬프트 레지스터부(30)에 있어서, 행 선택 제어 신호 VS1 ~ VSM은 순차로 유의치(有意値)로 된다. 또, 제어부(6)의 수평 쉬프트 레지스터부(61)는 열선택 제어 신호 HS1 ~ HSN을, 열 선택용 배선 U1 ~ UN을 통하여 N개의 유지 회로(44) 각각에 제공한다. 수평 쉬프트 레지스터부(61)에 있어서, 열선택 제어 신호 HS1 ~ HSN은 순차로 유의치로 된다. 또, 제어부(6)는 리세트 제어 신호 RE를, 리세트용 배선(46)을 통하여 N개의 적분 회로(42) 각각에 제공함과 아울러, 유지 제어 신호 Hd를 유지용 배선(45)을 통하여 N개의 유지 회로(44) 각각에 제공한다.
도 5는 고체 촬상 장치(10)의 화소 Pm ,n, 적분 회로(42), 및 유지 회로(44) 각각의 회로 구성의 일례를 나타내는 도면이다. 여기에서는, M×N개의 화소 P1 ,1 ~ PM,N을 대표하여 화소 Pm ,n의 회로도를 나타내고 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 화소 Pm ,n의 포토 다이오드(22)의 애노드 단자는 접지되고, 캐소드 단자는 트랜지스터(21)를 통하여 판독용 배선 Rn에 접속되어 있다. 화소 Pm ,n의 트랜지스터(21)에는, 수직 쉬프트 레지스터부(30)로부터 제m행 선택용 배선 Qm을 통하여 제m행 선택 제어 신호 VSm이 제공된다. 제m행 선택 제어 신호 VSm은 제m행의 N개의 화소 Pm ,1 ~ Pm ,N 각각에 포함되는 트랜지스터(21)의 개폐 동작을 지시한다. 예를 들면, 제m행 선택 제어 신호 VSm이 비유의치(예를 들면 로우 레벨)일 때, 트랜지스터(21)가 비도통 상태가 된다. 이때, 포토 다이오드(22)에서 발생한 전하는 열판독용 배선 Rn으로 출력되는 일 없이 포토 다이오드(22)의 접합 용량부에 축적된다. 한편, 제m행 선택 제어 신호 VSm이 유의치(예를 들면 하이 레벨)일 때, 트랜지스터(21)가 접속 상태로 된다. 이때, 포토 다이오드(22)의 접합 용량부에 축적되어 있던 전하가, 트랜지스터(21)를 거쳐 판독용 배선 Rn으로 출력된다. 이 전하는 판독용 배선 R을n 통하여 적분 회로(42)로 보내진다.
적분 회로(42)는 앰프(42a), 용량 소자(42b) 및 방전용 스위치(42c)를 포함한다. 용량 소자(42b) 및 방전용 스위치(42c)는 서로 병렬로 접속되고, 또한 앰프(42a)의 입력 단자와 출력 단자의 사이에 접속되어 있다. 앰프(42a)의 입력 단자는 판독용 배선 Rn에 접속되어 있다. 방전용 스위치(42c)에는, 제어부(6)로부터 리세트용 배선(46)을 통하여 리세트 제어 신호 RE가 제공된다.
리세트 제어 신호 RE는, N개의 적분 회로(42) 각각의 방전용 스위치(42c)의 개폐 동작을 지시한다. 예를 들면, 리세트 제어 신호 RE가 비유의치(예를 들면 하이 레벨)일 때, 방전용 스위치(42c)가 닫혀 용량 소자(42b)가 방전되어, 적분 회로(42)의 출력 전압치가 초기화된다. 또, 리세트 제어 신호 RE가 유의치(예를 들면 로우 레벨)일 때, 방전용 스위치(42c)가 열려서 적분 회로(42)에 입력된 전하가 용량 소자(42b)에 축적되며, 그 축적 전하량에 따른 전압치가 적분 회로(42)로부터 출력된다.
유지 회로(44)는 입력용 스위치(44a), 출력용 스위치(44b) 및 용량 소자(44c)를 포함한다. 용량 소자(44c)의 일단은 접지되어 있다. 용량 소자(44c)의 타단은, 입력용 스위치(44a)를 통하여 적분 회로(42)의 출력단에 접속되고, 또한 출력용 스위치(44b)를 통하여 전압 출력용 배선(48)과 접속되어 있다. 입력용 스위치(44a)에는, 제어부(6)로부터 유지용 배선(45)을 통하여 유지 제어 신호 Hd가 주어진다. 유지 제어 신호 Hd는 N개의 유지 회로(44) 각각의 입력용 스위치(44a)의 개폐 동작을 지시한다. 유지 회로(44)의 출력용 스위치(44b)에는, 제어부(6)로부터 제n열 선택용 배선 Un을 통한 제n열 선택 제어 신호 HSN이 주어진다. 선택 제어 신호 HSn은 유지 회로(44)의 출력용 스위치(44b)의 개폐 동작을 지시한다.
예를 들면, 유지 제어 신호 Hd가 하이 레벨로부터 로우 레벨로 변하면, 입력용 스위치(44a)가 닫힘 상태에서 열림 상태로 변하고, 그때에 유지 회로(44)에 입력되고 있는 전압치가 용량 소자(44c)에 유지된다. 또, 제n열 선택 제어 신호 HSN이 로우 레벨에서 하이 레벨로 변하면, 출력용 스위치(44b)가 닫혀서, 용량 소자(44c)에 유지되어 있는 전압치가 전압 출력용 배선(48)으로 출력된다.
(제1 실시 형태)
도 6 및 도 7은, 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 제어 방법에 있어서 고체 촬상 소자(11)에 부여되는 각 신호의 타이밍챠트이다. 도 6은 수광 영역(20)의 모든 화소로부터 전하를 판독하는 모드(통상 판독 모드)를 나타내고 있다. 또, 도 7은 수광 영역(20) 중 일부의 영역(관심 영역)의 화소만으로부터 전하를 판독하는 모드(부분 판독 모드)를 나타내고 있다.
또한, 도 6에는 위에서부터 순차적으로, (a) 리세트 제어 신호 RE, (b) 제1행 선택 제어 신호 VS1, (c) 제2행 선택 제어 신호 VS2, (d) 제3행 선택 제어 신호 VS3, (e) 제4행 선택 제어 신호 VS4, (f) 제5행 선택 제어 신호 VS5, (g) 제M행 선택 제어 신호 VSM, (h) 유지 제어 신호 Hd 및 (i) 제1열 선택 제어 신호 HS1 ~ 제N열 선택 제어 신호 HSN이 각각 도시되어 있다. 또, 도 7에는 위에서부터 순차적으로, (a) 리세트 제어 신호 RE, (b) 제1행 선택 제어 신호 VS1, (c) 제2행 선택 제어 신호 VS2, (d) 제3행 선택 제어 신호 VS3, (e) 제4행 선택 제어 신호 VS4, (f) 제5행 선택 제어 신호 VS5, (g) 제(mp－2)행 선택 제어 신호 VSmp －2, (h) 제(mp－1)행 선택 제어 신호 VSmp －1, (i) 제mp행 선택 제어 신호 VSmp, (j) 제(mp＋1)행 선택 제어 신호 VSmp ＋1, (k) 제M행 선택 제어 신호 VSM, (m) 유지 제어 신호 Hd 및 (n) 제1열 선택 제어 신호 HS1 ~ 제N열 선택 제어 신호 HSN이 각각 도시되어 있다.
＜제1 제어 방법(통상 판독 모드)＞
제1 제어 방법(통상 판독 모드)에서는, 수광 영역(20)의 모든 화소 P1 ,1 ~ PM,N에 축적된 전하를 판독한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 우선, 시각 t10에서부터 시각 t11까지의 기간, 제어부(6)가 리세트 제어 신호 RE를 하이 레벨로 한다. 이것에 의해, N개의 적분 회로(42) 각각에 있어서, 방전용 스위치(42c)가 닫힘 상태로 되어, 용량 소자(42b)가 방전된다.
시각 t11보다 후의 시각 t12에서부터 시각 t13까지의 기간, 제어부(6)가 제1행 선택 제어 신호 VS1를 하이 레벨로 한다. 이것에 의해, 제1행의 화소 P1 ,1 ~ P1 ,N에 있어서 트랜지스터(21)가 접속 상태로 되어, 화소 P1 ,1 ~ P1 ,N 각각의 포토 다이오드(22)에서 축적된 전하가 판독용 배선 R1 ~ RN을 통해서 적분 회로(42)로 출력되어, 용량 소자(42b)에 축적된다. 적분 회로(42)에서는, 용량 소자(42b)에 축적된 전하량에 따른 크기의 전압치가 출력된다. 또한, 시각 t13의 후, 제1행의 화소 P1,1 ~ P1 ,N 각각의 트랜지스터(21)는 비접속 상태로 된다.
그리고 시각 t13보다 후의 시각 t14에서부터 시각 t15까지의 기간, 제어부(6)가 유지 제어 신호 Hd를 하이 레벨로 하고, 이것에 의해, N개의 유지 회로(44)의 각각에서 입력용 스위치(44a)가 접속 상태가 되어, 적분 회로(42)로부터 출력된 전압치가 용량 소자(44c)에 의해서 유지된다.
이어서, 시각 t15보다 후의 시각 t16에서부터 시각 t17까지의 기간, 제어부(6)가 제1열 선택 제어 신호 HS1 ~ 제N열 선택 제어 신호 HSN을 순차 하이 레벨로 한다. 이것에 의해, N개의 유지 회로(44)의 출력용 스위치(44b)가 순차 닫힘 상태로 되어, 용량 소자(44c)에 유지되어 있던 전압치가 순차적으로 전압 출력용 배선(48)으로 출력된다. 또, 이 동안, 제어부(6)가 리세트 제어 신호 RE를 하이 레벨로 하여, 적분 회로(42)의 용량 소자(42b)가 방전된다.
이어서, 시각 t17보다 후의 시각 t18에서부터 시각 t19까지의 기간, 제어부(6)가 제2행 선택 제어 신호 VS2를 하이 레벨로 한다. 이것에 의해, 제2행의 화소 P2,1 ~ P2 ,N에 있어서 트랜지스터(21)가 접속 상태로 되어, 화소 P2 ,1 ~ P2 ,N 각각의 포토 다이오드(22)에서 축적된 전하가 판독용 배선 R1 ~ RN을 통해서 적분 회로(42)에 출력되어, 용량 소자(42b)에 축적된다. 이후, 제1행과 마찬가지의 동작에 의해서, 용량 소자(42b)에 축적된 전하량에 따른 크기의 전압치가 N개의 유지 회로(44)로부터 순차적으로 전압 출력용 배선(48)으로 출력된다. 그리고 제3행 내지 제M행의 화소에 축적된 전하에 대해서도, 제1행과 마찬가지의 동작에 의해서 전압치로 변환되어 순차적으로 전압 출력용 배선(48)으로 출력된다. 이렇게 하여, 수광 영역(20)으로부터의 하나의 촬상 프레임 분의 화상 데이터의 판독이 완료된다.
＜제2 제어 방법(부분 판독 모드)＞
제2 제어 방법(부분 판독 모드)에서는, 수광 영역(20)의 화소 P1 ,1 ~ PM ,N 중 일부의 화소, 즉 판독 대상행인 제mp행으로부터 제M행에 포함되는 화소 Pmp ,1 ~ PM,N(단, 여기에서는 mp는 3 이상 (M－1) 이하의 홀수로 함)에 축적된 전하를 판독하고, 비판독 대상행인 나머지의 제1행으로부터 제(mp－1)행에 포함되는 화소 P1 ,1 ~ Pmp－1,N에 축적된 전하에 대해서는 배출 처리(리세트)를 행한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 우선, 시각 t20에서부터 시각 t21까지의 기간, 제어부(6)가 리세트 제어 신호 RE를 하이 레벨로 한다. 이것에 의해, N개의 적분 회로(42) 각각에 있어서, 방전용 스위치(42c)가 닫힘 상태로 된다. 또, 이 시각 t20에서부터 시각 t21까지의 기간 내에, 제어부(6)는 비판독 대상행인 제1행에서부터 제(mp－1)행 중, 홀수 번째의 행 즉 제1행 선택 제어 신호 VS1, 제3행 선택 제어 신호 VS3,···, 제(mp－2)행 선택 제어 신호 VSmp －2를 순차적으로 하이 레벨로 한다. 이것에 의해, (mp－1)행의 비판독 대상행 중 홀수 번째의 행에 있어서 순차적으로 다음의 동작을 한다. 즉, 당해 행에 포함되는 각 화소에 있어서 트랜지스터(21)가 순차 접속 상태로 되어, 포토 다이오드(22)에 축적된 전하가 판독용 배선 R1 ~ RN을 통해서 적분 회로(42)에 출력된다. 이 동안, 적분 회로(42)의 방전용 스위치(42c)가 항상 닫힘 상태이므로, 적분 회로(42)에 도달한 전하는 기준 전위선(GND선)으로 배출된다. 이와 같은 동작에 의해, (mp－1)행의 비판독 대상행 중 홀수 번째의 행에 포함되는 화소의 포토 다이오드(22)가 리세트된다.
이어서, 시각 t21보다 후의 시각 t22에서부터 시각 t23까지의 기간, 제어부(6)가 제mp행 선택 제어 신호 VSmp를 하이 레벨로 한다. 이것에 의해, 제mp행의 화소 Pmp,1 ~ Pmp ,N에 있어서 트랜지스터(21)가 접속 상태로 되고, 화소 Pmp ,1 ~ Pmp ,N 각각의 포토 다이오드(22)에서 축적된 전하가 판독용 배선 R1 ~ RN을 통해서 적분 회로(42)에 출력되어, 용량 소자(42b)에 축적된다. 적분 회로(42)로부터는, 용량 소자(42b)에 축적된 전하량에 따른 크기의 전압치가 출력된다. 또한, 시각 t23의 후, 제mp행의 화소 Pmp ,1 ~ Pmp ,N 각각의 트랜지스터(21)는 비접속 상태로 된다.
그리고 시각 t23보다 후의 시각 t24에서부터 시각 t25까지의 기간, 제어부(6)가 유지 제어 신호 Hd를 하이 레벨로 한다. 이것에 의해, 적분 회로(42)로부터 출력된 전압치가 용량 소자(44c)에 의해서 유지된다.
이어서, 시각 t25보다 후의 시각 t26에서부터 시각 t27까지의 기간, 제어부(6)가 제1열 선택 제어 신호 HS1 ~ 제N열 선택 제어 신호 HSN을 순차 하이 레벨로 한다. 이것에 의해, 용량 소자(44c)에 유지되고 있던 전압치가 순차적으로 전압 출력용 배선(48)으로 출력된다. 또, 이 동안, 제어부(6)가 리세트 제어 신호 RE를 하이 레벨로 하여, 적분 회로(42)의 용량 소자(42b)가 방전된다.
이어서, 시각 t27보다 후의 시각 t28에서부터 시각 t29까지의 기간, 제어부(6)가 제(mp＋1)행 선택 제어 신호 VSmp ＋1을 하이 레벨로 한다. 이것에 의해, 제(mp＋1)행의 화소 Pmp ＋1,1 ~ Pmp ＋1,N에서 트랜지스터(21)가 접속 상태로 되어, 화소 Pmp ＋1,1 ~ Pmp ＋1,N 각각의 포토 다이오드(22)에서 축적된 전하가 판독용 배선 R1 ~ RN을 통해서 적분 회로(42)에 출력되어, 용량 소자(42b)에 축적된다. 이후, 제mp행과 마찬가지의 동작에 의해서, 용량 소자(42b)에 축적된 전하량에 따른 크기의 전압치가 N개의 유지 회로(44)로부터 순차적으로 전압 출력용 배선(48)으로 출력된다. 그리고 제(mp＋2)행 내지 제M행의 화소에 축적된 전하에 대해서도, 제mp행과 마찬가지의 동작에 의해서 전압치로 변환되어, 순차적으로 전압 출력용 배선(48)으로 출력된다. 이렇게 하여, 수광 영역(20)의 판독 대상행으로부터의 하나의 촬상 프레임 분의 화상 데이터의 판독이 완료된다.
이어서, 시각 t30에서부터 시각 t31까지의 기간, 제어부(6)가 리세트 제어 신호 RE를 하이 레벨로 한다. 이것에 의해, N개의 적분 회로(42) 각각에 있어서, 방전용 스위치(42c)가 닫힘 상태로 된다. 또, 이 시각 t30에서부터 시각 t31까지의 기간 내에, 제어부(6)는 비판독 대상행인 제1행에서부터 제(mp－1)행 중, 짝수 번째의 행 즉 제2행 선택 제어 신호 VS2, 제4행 선택 제어 신호 VS4,···, 제(mp－1)행 선택 제어 신호 VSmp －1을 순차적으로 하이 레벨로 한다. 이것에 의해, (mp－1)행의 비판독 대상행 중 짝수 번째의 행에 있어서, 순차적으로 포토 다이오드(22)가 리세트된다. 그 후, 상술한 시각 t21에서부터 시각 t29까지의 동작을 다시 반복한다. 이렇게 하여, 수광 영역(20)의 판독 대상행으로부터의 다음의 1 프레임 분의 화상 데이터의 판독이 완료된다.
이하, 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 제어 방법에 의해서 얻어지는 효과에 대해서 설명한다. 촬상 영역을 부분적으로 판독하는 경우, 전하가 판독되지 않은 영역(비판독 대상행)에서는, 포토 다이오드에 전하가 계속 축적되어 오버플로우가 발생한다. 오버플로우가 발생하면, 흘러넘친 전하가 주변 화소에 침입하여 주변 화소의 촬상 데이터에 영향을 미쳐 버린다. 여기서, 도 8은 오버플로우의 양태를 설명하기 위한 도면이다. 도 8 (a)는 트랜지스터(21)를 포함하는 절단면에 의해 절단된 수광 영역(20)의 단면을 나타내는 모식도이다. 또, 도 8 (b)는 트랜지스터(21)를 포함하지 않는 절단면에 의해 절단된 수광 영역(20)의 단면을 나타내는 모식도이다. 포토 다이오드(22)에 전하가 과도하게 축적되면, 그 전하에 의해서 포토 다이오드(22)의 n형 반도체층(22a)의 전위가 저하된다. 그리고 n형 반도체층(22a)의 전위의 저하가 한도를 초과하면, 트랜지스터(21)의 게이트 전극(21e)에 전계가 인가되어 있지 않아도, 소스 영역(21b)과 드레인 영역(21c)의 전위차에 의해서, 비접속 상태를 유지하지 못하고 채널 영역(21a)을 전하가 이동해 버린다(도 8 (a)에 도시된 화살표 E1). 그리고 이와 같은 전하의 이동에 의해서, 판독용 배선 Rn으로의 오버플로우가 발생하는 경우가 생긴다. 또, 도 8 (b)에 도시된 바와 같이, 포토 다이오드(22) 중 트랜지스터(21)에 접하지 않은 부분에서는, n형 반도체층(22a)이 주위의 포토 다이오드(22)로부터 독립해 존재하고 있기 때문에, 서로 이웃하는 포토 다이오드(22)로 전하가 이동하는 일은 없다. 그러나 포토 다이오드(22)에 바이어스 전압을 인가하기 위하여, p형 반도체층(22c)은 투명한 기준 전위선(GND선)(23)에 접속된다. 따라서 포토 다이오드(22)에 있어서 전하가 과잉으로 축적되면, p형 반도체층(22c)을 통하여 기준 전위선(23)의 전위가 국소적으로 변동해 버린다고 생각할 수 있다. 또한, 기준 전위선(23)이 유의의 저항값을 가지는 것으로부터, 이와 같은 전위 변동은 당해 화소의 근방에서만 발생하는 것이라고 생각할 수 있다.
상기와 같은 오버플로우 등을 회피하기 위해, 비판독 대상행에 포함되는 포토 다이오드(22)의 전하를 적당 배출(리세트)할 필요가 발생한다. 여기서, 도 9는 비판독 대상행에 포함되는 포토 다이오드(22)의 전하를 리세트하는 과정을 포함하는, 고체 촬상 소자의 제어 방법의 일례를 나타내는 타이밍챠트이다. 또한, 도 9에 있어서, (a) ~ (n)에 도시된 각 신호는, 상술한 도 7과 마찬가지이다. 이 예에서는, 제어부(6)가 리세트 제어 신호 RE를 하이 레벨로 하는 시각 t20에서부터 시각 t21까지의 기간 내에, 비판독 대상행인 제1행으로부터 제(mp－1)행에 대응하는 제1행 선택 제어 신호 VS1, 제2행 선택 제어 신호 VS2,···, 제(mp－1)행 선택 제어 신호 VSmp －1을 순차적으로 하이 레벨로 한다. 이것에 의해, (mp－1)행의 비판독 대상행의 모두에 있어서, 순차적으로 포토 다이오드(22)가 리세트된다. 그 후, 도 7에 도시된 시각 t22에서부터 시각 t29까지의 동작을 마찬가지로 행함으로써, 수광 영역(20)의 판독 대상행으로부터의 하나의 촬상 프레임 분의 화상 데이터의 판독을 완료한다.
고체 촬상 소자(11)의 제어에는, 하나의 촬상 프레임에 필요로 하는 시간(프레임 레이트)을 가능한 한 짧게 하는 것이 요구된다. 그렇지만, 상술한 예에서는, 모든 비판독 대상행의 포토 다이오드(22)를 하나의 촬상 프레임에 있어서 순차로 리세트하고 있으므로, 각 촬상 프레임의 소요 시간이 길어져 버린다고 하는 문제가 있다. 특히, 수광 영역(20)의 면적이 커져, 수광 영역(20)을 구성하는 화소의 개수가 많을수록, 비판독 대상행의 포토 다이오드(22)의 리세트에 장시간을 필요로 하여, 촬상 프레임의 소요 시간이 더욱 길어져 버린다.
상술한 제어 방법이 가지는 과제에 대해, 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 제어 방법 중 제2 제어 방법(부분 판독 모드)에서는, 2회의 촬상 프레임의 각각에 있어서, 2 이상의 비판독 대상행(제1행 ~ 제(mp－1)행) 중 일부에만 대해서 배출 처리(리세트)를 행한다. 구체적으로는, 하나의 촬상 프레임에 있어서 홀수 번째의 비판독 대상행(제1행, 제3행,···, 제(mp－2)행)에 포함되는 화소에 축적된 전하의 리세트를 행하고, 다음의 촬상 프레임에 있어서 짝수 번째의 비판독 대상행(제2행, 제4행,···, 제(mp－1)행)에 포함되는 화소에 축적된 전하의 리세트를 행한다. 그리고 이와 같은 동작에 의해서, 화소에 축적된 전하의 리세트를 2 이상의 비판독 대상행의 각각에 대해서 2회의 촬상 프레임의 사이에 1회는 반드시 행하게 된다.
발명자의 지견에 의하면, 비판독 대상행의 화소로부터의 오버플로우 등을 막기 위해서는, 촬상 프레임마다 모든 비판독 대상행의 화소를 리세트하는 것은 반드시 필요하지 않다. 이에, 본 실시 형태에 따른 제어 방법과 같이, 2회의 촬상 프레임의 사이에 비판독 대상행의 화소를 1회씩 리세트할 수 있도록, 각 촬상 프레임에 있어서 홀수 번째 및 짝수 번째의 비판독 대상행을 교대로 리세트함으로써, 하나의 촬상 프레임에 필요로 하는 시간을 큰 폭으로 억제할 수 있다. 특히, 수광 영역(20)의 면적이 커져, 수광 영역(20)을 구성하는 화소 P1 ,1 ~ PM ,N의 개수가 많을수록, 이 효과는 현저해 진다.
또, 본 실시 형태와 같이, 비판독 대상행에 포함되는 화소에 축적된 전하의 리세트는, 순차적으로 행해지는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 제어 방법에 의하면, 비판독 대상행의 리세트를 순차적으로 행하는 경우에도, 하나의 촬상 프레임에 필요로 하는 시간을 억제할 수 있다. 그리고 비판독 대상행의 리세트를 순차적으로 행함으로써, 배선에 흐르는 전류를 보다 줄여, 전원 등의 주변 회로로의 부하를 현격히 저감시킬 수 있다.
또, 본 실시 형태에서는, 하나의 촬상 프레임에 있어서 리세트되는 비판독 대상행(제1행, 제3행,···, 및 제(mp－2)행, 혹은 제2행, 제4행,···, 및 제(mp－1)행)은, 상호의 간격을 1행씩 비워서 배치되어 있다. 이와 같이, 각 촬상 프레임에 있어서, 비판독 대상행끼리의 간격은 1행 이상 열려 있는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 각 촬상 프레임에 있어서 리세트가 행해지는 비판독 대상행의 위치를 분산시킬 수 있어, 판독 대상행(제mp행 ~ 제M행)으로의 전하의 오버플로우를 보다 효과적으로 억제할 수 있다.
또, 본 실시 형태에 있어서는, 트랜지스터(21)의 채널 영역(21a), 소스 영역(21b) 및 드레인 영역(21c)이, 다결정 실리콘으로 이루어진다. 근년, 예를 들면 의료 용도(치과의 X선 촬영 등)로 이용되는 2차원 플랫 패널 이미지 센서와 같은 고체 촬상 소자에는, 보다 넓은 수광면이 요구되고 있다. 그러나 종전의 고체 촬상 소자와 같이 단결정 실리콘 웨이퍼 상에 수광부를 제작한 것으로는, 최대의 것이라도 직경 12인치라는 단결정 실리콘 웨이퍼의 크기에 기인하여, 고체 촬상 소자의 수광면의 넓이가 제한되어 버린다. 이것에 반해, 예를 들면 유리 기판와 같은 절연 기판 상에 다결정 실리콘을 성막하고, 이 다결정 실리콘의 표면에 포토 다이오드나 다른 트랜지스터 등의 전자 부품을 형성함으로써, 단결정 실리콘 웨이퍼를 이용하여 형성되는 종래의 고체 촬상 소자와 비교하여 수광면을 현격히 넓게 하는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시 형태에 있어서, 트랜지스터(21)의 채널 영역(21a), 소스 영역(21b) 및 드레인 영역(21c)은 어모퍼스 실리콘으로 이루어져도 좋고, 다결정 실리콘 및 어모퍼스 실리콘의 양쪽으로 이루어져도 좋다. 이 경우에 있어서도, 상술한 효과를 바람직하게 얻을 수 있다.
단, 프레임 레이트가 빠른 경우, 어모퍼스 실리콘으로 이루어진 트랜지스터(21)에서는, 비접속 상태로 했을 때에 과도적으로 전하가 트랩되어 버린다고 하는 문제가 있다(이른바 메모리 효과). 어모퍼스 실리콘은 비정질이기 때문에, FET의 채널에 전하를 트랩하는 준위(準位)의 밀도가 높아지기 때문이다. 이것에 반해, 다결정 실리콘(특히, 저온 다결정 실리콘)은 트랩 준위의 밀도가 낮기 때문에, 트랜지스터(21)를 다결정 실리콘에 의해서 구성함으로써, 이와 같은 메모리 효과의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
(제2 실시 형태)
이어서, 본 발명에 따른 고체 촬상 소자의 제어 방법에 관한 제2 실시 형태 에 대해서 설명한다. 또한, 본 실시 형태에 있어서, 제1 제어 방법(통상 판독 모드)은 상술한 제1 실시 형태와 마찬가지이므로, 그 설명을 생략한다.
＜제2 제어 방법(부분 판독 모드)＞
도 10은 제2 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 제어 방법에 있어서 고체 촬상 소자(11)에 부여되는 각 신호의 타이밍챠트로서, 수광 영역(20) 중 일부의 영역(관심 영역)의 화소만으로부터 전하를 판독하는 모드(부분 판독 모드)를 나타내고 있다. 도 10의 (a) ~ (n)에는, 제1 실시 형태의 도 7의 (a) ~ (n)에 상당하는 각 신호가 도시되어 있다.
본 실시 형태에 따른 제2 제어 방법(부분 판독 모드)에 있어서도, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 수광 영역(20)의 화소 P1 ,1 ~ PM ,N 중 일부의 화소, 즉 판독 대상행인 제mp행으로부터 제M행에 포함되는 화소 Pmp ,1 ~ PM ,N에 축적된 전하를 판독하고, 비판독 대상행인 나머지의 제1행 내지 제(mp－1)행에 포함되는 화소 P1 ,1 ~ Pmp －1,N에 축적된 전하에 대해서는 배출 처리(리세트)를 행한다.
우선, 제1 실시 형태와 마찬가지로 하여, 시각 t20에서부터 시각 t21까지의 기간, 제어부(6)가 리세트 제어 신호 RE를 하이 레벨로 한다. 이것에 의해, N개의 적분 회로(42) 각각에 있어서, 방전용 스위치(42c)가 닫힘 상태로 된다. 그리고 이 시각 t20에서부터 시각 t21까지의 기간 내, 제어부(6)가 비판독 대상행인 제1행 내지 제(mp－1)행 중, 홀수 번째의 행 즉 제1행 선택 제어 신호 VS1, 제3행 선택 제어 신호 VS3,···, 제(mp－2)행 선택 제어 신호 VSmp －2를 하이 레벨로 한다. 단, 본 실시 형태에서는, 이들 행 선택 제어 신호 VS1, VS3,···, VSmp －2를 하이 레벨로 하는 타이밍이 제1 실시 형태와 다르다. 제1 실시 형태에서는 이들 행 선택 제어 신호 VS1, VS3,···, VSmp －2를 순차적으로 하이 레벨로 하고 있었지만, 본 실시 형태에서는, 이들 행 선택 제어 신호 VS1, VS3,···, VSmp －2를 동시에 하이 레벨로 한다.
이것에 의해, (mp－1)행의 비판독 대상행 중 홀수 번째의 행에 있어서 동시에 다음의 동작을 한다. 즉, 이들 행에 포함되는 각 화소에 있어서 트랜지스터(21)가 일제히 접속 상태로 되어, 포토 다이오드(22)에 축적된 전하가 판독용 배선 R1 ~ RN을 통해서 적분 회로(42)에 출력된다. 이 동안, 적분 회로(42)의 방전용 스위치(42c)가 항상 닫힘 상태이므로, 적분 회로(42)에 도달한 전하는 기준 전위선(GND선)으로 배출된다. 이와 같은 동작에 의해, (mp－1)행의 비판독 대상행 중 홀수 번째의 행에 포함되는 화소의 포토 다이오드(22)가 리세트된다.
이어서, 시각 t21보다 후의 시각 t22에서부터 시각 t29까지의 기간, 제1 실시 형태와 같은 제어 방법에 의해서, 수광 영역(20)의 판독 대상행(제mp행 내지 제M행)으로부터의 하나의 촬상 프레임 분의 화상 데이터의 판독을 행한다.
이어서, 시각 t30에서부터 시각 t31까지의 기간, 제어부(6)가 리세트 제어 신호 RE를 하이 레벨로 한다. 이것에 의해, N개의 적분 회로(42) 각각에 있어서, 방전용 스위치(42c)가 닫힘 상태로 된다. 그리고 이 시각 t30에서부터 시각 t31까지의 기간 내, 제어부(6)는 비판독 대상행인 제1행 내지 제(mp－1)행 중, 짝수 번째의 행 즉 제2행 선택 제어 신호 VS2, 제4행 선택 제어 신호 VS4,···, 제(mp－1)행 선택 제어 신호 VSmp －1을 하이 레벨로 한다. 이때, 앞의 촬상 프레임과 마찬가지로, 이들 행 선택 제어 신호 VS2, VS4,···, VSmp －1을 동시에 하이 레벨로 한다. 이것에 의해, (mp－1)행의 비판독 대상행 중 짝수 번째의 행에 있어서, 포토 다이오드(22)가 동시에 리세트된다. 그 후, 상술한 시각 t21에서부터 시각 t29까지의 동작을 다시 반복한다. 이렇게 하여, 수광 영역(20)의 판독 대상행으로부터의 다음의 촬상 프레임의 화상 데이터의 판독이 완료된다.
이하, 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 제어 방법에 의해서 얻어지는 효과에 대해서, 비교예를 나타내면서 설명한다. 도 11은 고체 촬상 소자의 제어 방법의 일 비교예를 나타내는 타이밍챠트이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 이 비교예에서는, 제어부(6)가 리세트 제어 신호 RE를 하이 레벨로 하는 시각 t20에서부터 시각 t21까지의 기간 내에, 비판독 대상행인 제1행 내지 제(mp－1)행에 대응하는 제1행 선택 제어 신호 VS1, 제2행 선택 제어 신호 VS2,···, 제(mp－1)행 선택 제어 신호 VSmp －1을 동시에 하이 레벨로 한다. 이것에 의해, 모든 비판독 대상행에 있어서, 포토 다이오드(22)가 동시에 리세트된다. 그 후, 도 10에 도시된 시각 t22에서부터 시각 t29까지의 동작을 마찬가지로 행함으로써, 수광 영역(20)의 판독 대상행으로부터의 하나의 촬상 프레임 분의 화상 데이터의 판독을 완료한다.
그렇지만, 상술한 비교예에서는, 모든 비판독 대상행의 포토 다이오드(22)를 하나의 촬상 프레임에 있어서 동시에 리세트하므로, 리세트 된 순간, 포토 다이오드(22)에 접속된 배선에 큰 전류가 흐른다. 따라서 배선이나 전원 등의 주변 회로로의 부하가 커져 버린다.
구체적으로 설명하면, 모든 비판독 대상행에 대응하는 행 선택 제어 신호 VS1 내지 VSmp －1이 수직 쉬프트 레지스터부(30)로부터 일제히 출력되므로, 전원의 전류 공급 능력이 충분하지 않는 경우에는, 행 선택 제어 신호 VS1 내지 VSmp －1의 상승 시간(rising time)이 길어져 버린다. 또, 수직 쉬프트 레지스터부(30)의 내부에는 전원 전류를 받기 위한 배선이 존재하지만, 행 선택 제어 신호 VS1 내지 VSmp －1을 생성하기 위한 전원 전류가 이 배선에 한 번에 흐르게 되어, 그 배선에 있어서의 전압 강하가 커지는 것에 의해서 행 선택 제어 신호 VS1 내지 VSmp －1의 상승 시간이 더욱 길어져 버린다.
또, 모든 비판독 대상행의 포토 다이오드(22)에 축적되어 있던 전하가 각 판독용 배선 R1 ~ RN에 대해서 일제히 출력되므로, 판독용 배선 R1 ~ RN에 있어서의 전압 강하가 커지는 것에 의해서 포토 다이오드(22)의 민첩한 리세트가 방해되어 버린다. 또한, 적분 회로(42)에 대해서, 전원은 모든 비판독 대상행으로부터 일제히 출력된 전하를 리세트하기 위한 전류를 공급해야 하기 때문에, 전원의 전류 공급 능력이 낮은 경우, 적분 회로(42)의 리세트 동작에 필요로 하는 시간이 길어져 버린다. 혹은, 적분 회로(42)의 동작이 불안정하게 될 우려도 있다. 또, 적분 회로(42)의 출력 임피던스가 높은 경우에도, 적분 회로(42)의 리세트 동작에 필요로 하는 시간이 길어져 버린다.
그리고 모든 비판독 대상행의 포토 다이오드(22)를 동시에 리세트하는 것에 기인하는 이러한 현상을 회피하기 위해서는, 충분한 용량을 가지는 전원 회로와 출력 임피던스가 충분히 작은 적분 회로(42)가 필요하게 되어, 제조 비용이 증가하는 한 요인이 된다.
상기와 같은 비교예가 가지는 과제에 반해, 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 제어 방법 중 제2 제어 방법(부분 판독 모드)에서는, 상술한 제1 실시 형태와 마찬가지로, 2 이상의 비판독 대상행(제1행 ~ 제(mp－1)행)의 각각에 대해서 2회의 촬상 프레임의 사이에 1회의 배출 처리(리세트)를 확보하면서, 각 촬상 프레임에 있어서, 일부의 비판독 대상행에만 포함되는 화소에 축적된 전하의 리세트를 행한다. 이것에 의해, 수직 쉬프트 레지스터부(30)의 내부나 판독용 배선 R1 ~ RN에 흐르는 전류를 줄이고, 전원 등의 주변 회로로의 부하를 저감시킬 수 있다.
또, 본 실시 형태와 같이, 비판독 대상행에 포함되는 화소에 축적된 전하의 리세트는, 동시에 행해져도 좋다. 상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 제어 방법에 의하면, 비판독 대상행의 리세트를 동시에 행하는 경우에도, 주변 회로로의 부하를 저감시킬 수 있다. 그리고 비판독 대상행의 리세트를 동시에 행함으로써, 각 촬상 프레임의 소요 시간을 보다 짧게 할 수 있다.
또, 본 실시 형태에서는, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 하나의 촬상 프레임에 있어서 리세트되는 비판독 대상행(제1행, 제3행,···, 및 제(mp－2)행, 혹은 제2행, 제4행,···, 및 제(mp－1)행)은 상호의 간격을 1행씩 비워서 배치되어 있다. 이와 같이, 각 촬상 프레임에 있어서, 비판독 대상행끼리의 간격은 1행 이상 q비워져 있는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 각 촬상 프레임에 있어서 리세트가 행해지는 비판독 대상행의 위치를 분산시킬 수 있어, 판독 대상행(제mp행 ~ 제M행)으로의 전하의 오버플로우를 보다 효과적으로 억제할 수 있다.
(변형예)
상술한 각 실시 형태에서는, 2회의 촬상 프레임의 사이에 비판독 대상행의 화소를 1회씩 리세트 할 수 있도록, 각 촬상 프레임에 있어서 홀수 번째 및 짝수 번째의 비판독 대상행을 교대로 리세트하는 경우를 예시했다. 도 12는 이와 같은 제어 방법에 있어서의 비판독 대상행의 리세트의 양태를 모식적으로 나타내는 도면이다. 도 12 (a) ~ (d) 각각은, 4개의 연속하는 촬상 프레임 각각을 나타내고 있고, 각 도면에는, 1 또는 2 이상의 판독 대상행으로 이루어진 관심 영역 A1과, 2 이상의 비판독 대상행으로 이루어진 비관심 영역 A2와, 각 촬상 프레임에 있어서 리세트 대상으로 되는 비판독 대상행 A3이 도시되어 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 상술한 각 실시 형태에서는, 제1 촬상 프레임(도 12(a)) 및 제3 촬상 프레임(도 12(c))에 있어서 홀수 번째의 비판독 대상행 A3이 리세트되고, 제2 촬상 프레임(도 12(b)) 및 제4 촬상 프레임(도 12(d))에 있어서 짝수 번째의 비판독 대상행 A3이 리세트된다.
그렇지만, 본 발명에 의한 고체 촬상 소자의 제어 방법에 있어서, 각 촬상 프레임에 있어서의 리세트 대상행의 배열은 이것에 한정되는 것은 아니다. 도 13은 각 촬상 프레임에 있어서의 리세트 대상행의 배열의 제2 예를 나타내는 모식도이다. 도 13에 도시된 예에서는, 비관심 영역 A2에 포함되는 복수의 행을 4행씩의 행 그룹으로 나누고, 각 행 그룹마다 1프레임당 1행씩, 순차적으로 리세트를 행한다. 또, 도 14는 각 촬상 프레임에 있어서의 리세트 대상행의 배열의 제3 예를 나타내는 모식도이다. 도 14에 도시된 예에서는, 비관심 영역 A2에 포함되는 복수의 행을 3행씩의 행 그룹으로 나누고, 1 프레임당 하나의 행 그룹을 순차적으로 리세트한다. 예를 들면 이들과 같이 리세트 대상행을 배열한 경우에 있어서도, 상술한 각 실시 형태와 마찬가지의 효과를 바람직하게 얻을 수 있다.
또, 도 15는 각 촬상 프레임에 있어서의 리세트 대상행의 배열의 제4 예를 나타내는 모식도이다. 도 15에 도시된 예에서는, 비관심 영역 A2에 포함되는 복수의 행을 4개의 행 그룹 A21 ~ A24로 나누고 있다. 또한, 이 예에서는, 행 그룹 A21은 1개의 비판독 대상행으로 이루어지고, 행 그룹 A22는 2개의 비판독 대상행으로 이루어지고, 행 그룹 A23은 4개의 비판독 대상행으로 이루어지고, 행 그룹 A24는 8개의 비판독 대상행으로 이루어진 것으로 한다. 그리고 관심 영역 A1에 인접하는 행 그룹 A21에서는, 촬상 프레임마다 모든 비판독 대상행 A3에 대해서 리세트를 행한다. 즉, 행 그룹 A21에서는, 4개의 촬상 프레임의 사이에 각 비판독 대상행의 리세트가 4회씩 행해진다. 또, 관심 영역 A1에 가까운 행 그룹 A22에서는, 제1 촬상 프레임(도 15(a)) 및 제3 촬상 프레임(도 15(c))에 있어서 하나의 비판독 대상행 A3을 리세트하고, 제2 촬상 프레임(도 15(b)) 및 제4 촬상 프레임(도 15(d))에 있어서 다른 하나의 비판독 대상행 A3을 리세트한다. 즉, 행 그룹 A22에서는, 4개의 촬상 프레임의 사이에 각 비판독 대상행의 리세트가 2회씩 행해진다. 또, 관심 영역 A1로부터 약간 떨어진 행 그룹 A23에서는, 제1 촬상 프레임(도 15(a)) 내지 제4 촬상 프레임(도 15(d))의 각각에 있어서, 하나의 비판독 대상행 A3을 리세트한다. 즉, 행 그룹 A23에서는, 4개의 촬상 프레임의 사이에 각 비판독 대상행의 리세트가 1회씩 행해진다. 또, 관심 영역 A1로부터 가장 떨어진 행 그룹 A24에서는, 제1 촬상 프레임(도 15(a)) 내지 제8 촬상 프레임(미도시)의 각각에 있어서, 하나의 비판독 대상행 A3을 리세트한다. 즉, 행 그룹 A24에서는, 8개의 촬상 프레임의 사이에 각 비판독 대상행의 리세트가 1회씩 행해진다.
도 16은 도 15에 도시된 리세트 대상행의 배열을 실현하기 위한 제어 방법을 나타내는 타이밍챠트이다. 도 16은 비판독 대상행(제1행 내지 제15행) 각각에 대한 리세트 동작을 나타내고 있고, 각 촬상 프레임(도면에는 제1 촬상 프레임으로부터 제24 촬상 프레임까지 표시) 마다, 리세트가 행해지는 촬상 프레임에서는 하이 레벨로 하여 나타내고, 리세트가 행해지지 않는 촬상 프레임에서는 로우 레벨로 하여 나타내고 있다.
도 15 및 도 16에 도시된 예와 같이, 관심 영역 A1에 인접하는 행 그룹 A21의 리세트의 빈도는, 다른 행 그룹의 리세트의 빈도보다 많은 것이 바람직하다. 혹은, 관심 영역 A1에 가까워질수록 비판독 대상행의 리세트의 빈도가 많고, 관심 영역 A1로부터 멀어질수록 비판독 대상행의 리세트의 빈도가 적은 것이 바람직하다. 이것에 의해, 비판독 대상행에 있어서의 전하의 오버플로우 등에 의한 판독 대상행(관심 영역 A1)으로의 영향을 보다 효과적으로 억제하여, 판독 대상행(관심 영역 A1)의 각 화소에 축적된 전하를 더욱 좋은 정밀도로 판독할 수 있다.
도 17은 각 촬상 프레임에 있어서의 리세트 대상행의 배열의 제5 예를 나타내는 모식도이다. 도 17에 도시된 예에서는, 비관심 영역 A2에 포함되는 복수의 행을 4개의 행 그룹 A21 ~ A23 및 A25로 나누고 있다. 또한, 이 예에서는, 행 그룹 A21은 1개의 비판독 대상행으로 이루어지고, 행 그룹 A22는 2개의 비판독 대상행으로 이루어지고, 행 그룹 A23은 4개의 비판독 대상행으로 이루어지고, 행 그룹 A25는 8개의 비판독 대상행으로 이루어진 것으로 한다. 그리고 행 그룹 A21 ~ A23에서는, 상술한 제4 예와 마찬가지로 하여, 각 비판독 대상행의 리세트가 행해진다. 한편, 행 그룹 A25에서는, 리세트가 전혀 행해지지 않는다.
도 18은 도 17에 도시된 리세트 대상행의 배열을 실현하기 위한 제어 방법을 나타내는 타이밍챠트이다. 도 18은 비판독 대상행(제1행 내지 제15행) 각각에 대한 리세트 동작을 나타내고 있고, 각 촬상 프레임(도면에는 제1 촬상 프레임으로부터 제24 촬상 프레임까지 표시) 마다, 리세트가 행해지는 촬상 프레임에서는 하이 레벨로 하여 나타내고, 리세트가 행해지지 않는 촬상 프레임에서는 로우 레벨로 하여 나타내고 있다.
도 17 및 도 18에 도시된 예와 같이, 각 촬상 프레임에 있어서, 비판독 대상행 중 2 이상의 행(이 예에서는 제9행 내지 제15행)을 제외한 다른 행(이 예에서는 제1행 내지 제8행)의 리세트를 행하지 않는 것도 상정된다. 이와 같이, 본 발명에 의한 고체 촬상 소자의 제어 방법에서는, 비판독 대상행의 모두에 대해서 리세트를 행하는 것은 필수가 아니고, 비판독 대상행 중 리세트 대상인 2 이상의 행을 제외한 다른 행에 대해서, 리세트가 행해지지 않는 형태도 생각할 수 있다. 또, 이와 같은 경우, 이 제5 예와 같이, 리세트를 행하지 않는 행 그룹은 관심 영역 A1로부터 가장 떨어진 행 그룹 A25인 것이 바람직하다. 그리고 관심 영역 A1에 가까운 행 그룹일수록 비판독 대상행의 리세트의 빈도가 많고, 관심 영역 A1로부터 먼 행 그룹일수록 비판독 대상행의 리세트의 빈도가 적은 것이 바람직하다. 이것에 의해, 비판독 대상행에 있어서의 전하의 오버플로우 등에 의한 판독 대상행(관심 영역 A1)으로의 영향을 보다 효과적으로 억제하면서, 주변 회로로의 부하를 더욱 저감시킬 수 있다.
본 발명에 의한 고체 촬상 소자의 제어 방법은, 상술한 각 실시 형태 및 변형예에 한정되는 것이 아니고, 그 밖에 다양한 변형이 가능하다. 예를 들면, 상기 실시 형태 및 각 변형예에서는 유리 기판상에 다결정 실리콘이나 어모퍼스 실리콘이 성막되어 이루어지는 고체 촬상 장치에 본 발명을 적용한 예를 나타냈지만, 본 발명은 이와 같은 구성에 한정되지 않고, 예를 들면 단결정 실리콘 기판상에 제작되는 고체 촬상 소자에 대해서도 적용 가능하다.
도 19는 p형 단결정 실리콘 기판(70)상에 수광 영역이 작성되었을 경우에 있어서의, 부분 판독시의 오버플로우의 양태를 설명하기 위한 도면이다. p형 단결정 실리콘 기판(70)상에 작성된 수광 영역은, 도 2에 도시된 포토 다이오드(22)를 대신하여, 포토 다이오드(24)를 각 화소마다 가진다. 도 19 (a)는 트랜지스터(21)를 포함하는 절단면에서 포토 다이오드(24)를 절단하여 얻어진 단면을 나타내는 모식도이고, 도 19 (b)는 트랜지스터(21)를 포함하지 않는 절단면에서 포토 다이오드(24)를 절단하여 얻어진 단면을 나타내는 모식도이다. 도 19 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 포토 다이오드(24)는 p형 단결정 실리콘 기판(70)에 대한 이온 주입 등에 의해서 형성된 n＋형 반도체 영역(24a)을 포함한다. 그리고 이 n＋형 반도체 영역(24a)은 p형 단결정 실리콘 기판(70)에 대한 이온 주입 등에 의해서 형성된 p＋형 반도체 영역(24b)에 의해서 둘러싸여 있다.
포토 다이오드(24)에 전하가 과도하게 축적되면, 그 전하에 의해서 포토 다이오드(24)의 n형 반도체 영역(24a)의 전위가 저하된다. 그리고 n형 반도체 영역(24a)의 전위의 저하가 한도를 초과하면, 트랜지스터(21)의 게이트 전극(21e)에 전계가 인가되고 있지 않아도, 소스 영역(21b)과 드레인 영역(21c)의 전위차에 의해서, 비접속 상태를 유지하지 못하고 채널 영역(21a)을 전하가 이동해 버린다(도 19 (a)에 도시된 화살표 E2). 그리고 이와 같은 전하의 이동에 의해서, 판독용 배선 Rn으로의 오버플로우가 발생하는 것으로 된다. 또, 도 19 (b)에 도시된 바와 같이, 포토 다이오드(24) 중 트랜지스터(21)에 접하지 않는 부분에서는, n형 반도체 영역(24a)의 전위의 저하가 한도를 초과하면, p형 단결정 실리콘 기판(70)을 통하여 인접 화소의 포토 다이오드(24)로 전하가 이동해 버린다(도 19 (b)에 도시된 화살표 E3).
상술한 바와 같이, 단결정 실리콘 기판상에 제작되는 고체 촬상 소자에 있어서도, 부분 판독시의 오버플로우 등에 의한 문제가 생길 수 있다. 본 발명에 따른 제어 방법에 의하면, 이와 같은 고체 촬상 소자의 부분 판독 동작에 있어서도, 하나의 촬상 프레임에 필요로 하는 시간을 억제하고, 또한 주변 회로로의 부하를 저감시킬 수 있다.
또, 상술한 실시 형태 및 각 변형예에서는 각 화소가 가지는 트랜지스터(21)로서 FET를 예시했지만, 트랜지스터(21)는 바이폴러 트랜지스터여도 괜찮다. 그 경우, 제어 단자는 베이스를, 전류 단자는 콜렉터 또는 이미터를 의미한다. 또, 상술한 실시 형태에서는, 비판독 대상행에 대해서, 2회의 촬상 프레임의 사이에 적어도 1회의 배출 처리를 행하고 있고, 상술한 각 변형예에서는, 최다로 8회의 촬상 프레임의 사이에 적어도 1회의 배출 처리를 행하고 있다. 그렇지만, 배출 처리를 위한 촬상 프레임 수는 이들에 한정되는 것이 아니고, 임의의 L회(L은 2 이상의 정수)의 촬상 프레임의 사이에 적어도 1회의 배출 처리를 행함으로써, 각 실시 형태에 있어서 상술한 효과를 바람직하게 달성할 수 있다.
상기 실시 형태에 의한 고체 촬상 소자의 제어 방법에서는, 포토 다이오드 및 그 포토 다이오드에 일단이 접속된 판독용 스위치를 각각 포함하는 M×N개(M은 3 이상의 정수, N은 2 이상의 정수)의 화소가 M행 N열로 2차원 배열되어 이루어지는 수광 영역을 구비하는 고체 촬상 소자의 제어 방법으로서, 수광 영역 중 일부의 영역을 구성하는 하나 또는 복수의 행(이하, 판독 대상행이라 함)에 포함되는 화소에 축적된 전하를, L회(L은 2 이상의 정수)의 촬상 프레임의 각각에 있어서 선택적으로 판독함과 아울러, L회의 촬상 프레임의 각각에 있어서, 판독 대상행을 제외한 다른 2 이상의 행(이하, 비판독 대상행이라 함) 중 일부의 비판독 대상행에 포함되는 화소에 축적된 전하의 배출 처리를 행하고, 또한 2 이상의 비판독 대상행의 각각에 대해서 L회의 촬상 프레임의 동안에 적어도 1회, 배출 처리를 행하는 구성을 이용하고 있다.
또, 고체 촬상 소자의 제어 방법은, 판독 대상행에 인접하는 하나 또는 복수의 비판독 대상행의 배출 처리의 빈도가, 다른 비판독 대상행의 배출 처리의 빈도보다 많은 구성으로 하여도 된다. 이것에 의해, 판독 대상행으로의 전하의 오버플로우를 보다 효과적으로 억제하여, 판독 대상행의 각 화소에 축적된 전하를 더욱 좋은 정밀도로 판독할 수 있다.
또, 고체 촬상 소자의 제어 방법은, 일부의 비판독 대상행이 복수 행 존재하고 있고, L회의 촬상 프레임의 각각에 있어서, 일부의 비판독 대상행에 포함되는 화소에 축적된 전하의 배출 처리를 동시에 행하는 구성으로 하여도 된다. 상술한 바와 같이, 본 구성에 의한 고체 촬상 소자의 제어 방법에 의하면, 복수의 비판독 대상행의 배출 처리(리세트)를 동시에 행하는 경우에도, 배선에 흐르는 전류를 줄여 전원 등의 주변 회로로의 부하를 저감시킬 수 있다. 그리고 이와 같이 복수의 비판독 대상행의 배출 처리(리세트)를 동시에 행함으로써, 각 촬상 프레임의 소요 시간을 보다 짧게 할 수 있다.
혹은, 고체 촬상 소자의 제어 방법은, 일부의 비판독 대상행이 복수 행 존재하고 있고, L회의 촬상 프레임의 각각에 있어서, 일부의 비판독 대상행에 포함되는 화소에 축적된 전하의 배출 처리를 순차적으로 행하는 구성으로 하여도 된다. 상술한 바와 같이, 본 구성에 의한 고체 촬상 소자의 제어 방법에 의하면, 복수의 비판독 대상행의 배출 처리(리세트)를 순차로 행하는 경우에도, 하나의 촬상 프레임에 필요로 하는 시간을 억제할 수 있다. 그리고 이와 같이 복수의 비판독 대상행의 배출 처리(리세트)를 순차로 행함으로써, 배선에 흐르는 전류를 보다 줄여 전원 등의 주변 회로로의 부하를 현격히 저감시킬 수 있다.
또, 고체 촬상 소자의 제어 방법은, 일부의 비판독 대상행이 복수 행 존재하고 있고, L회의 촬상 프레임의 각각에 있어서, 일부의 비판독 대상행끼리의 간격을 1행 이상 비우는 구성으로 하여도 된다. 이것에 의해, 각 촬상 프레임에 있어서 배출 처리(리세트)가 행해지는 비판독 대상행의 위치를 분산시킬 수 있어, 판독 대상행으로의 전하의 오버플로우를 보다 효과적으로 억제할 수 있다.
또, 상기 실시 형태에 의한 고체 촬상 소자의 제어 방법에서는, 포토 다이오드 및 그 포토 다이오드에 일단이 접속된 판독용 스위치를 각각 포함하는 M×N개(M은 3 이상의 정수, N은 2 이상의 정수)의 화소가 M행 N열로 2차원 배열되어 이루어지는 수광 영역을 구비하는 고체 촬상 소자의 제어 방법으로서, 수광 영역 중 일부의 영역을 구성하는 하나 또는 복수의 행(이하, 판독 대상행이라 함)에 포함되는 화소에 축적된 전하를, L회(L은 2 이상의 정수)의 촬상 프레임의 각각에 있어서 선택적으로 판독함과 아울러, L회의 촬상 프레임의 각각에 있어서, 판독 대상행을 제외한 다른 행(이하, 비판독 대상행이라 함)에 포함되는 2 이상의 행 중 일부의 행에 포함되는 화소에 축적된 전하의 배출 처리를 행하고, 또한 2 이상의 행의 각각에 대해서 L회의 촬상 프레임의 동안에 적어도 1회, 배출 처리를 행하는 구성을 이용하고 있다.
또, 고체 촬상 소자의 제어 방법은, L회의 촬상 프레임에 있어서, 비판독 대상행 중 2 이상의 행을 제외한 다른 행에 포함되는 화소에 축적된 전하의 배출 처리를 행하지 않는 구성으로 하여도 된다. 이와 같이, 상술한 고체 촬상 소자의 제어 방법에서는, 비판독 대상행의 모두에 대해서 전하의 배출 처리를 행하는 것은 필수가 아니고, 배출 처리의 대상인 2 이상의 행을 제외한 다른 행에 대해서 배출 처리를 행하지 않는 경우도 포함된다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명은 수광 영역 중 일부 영역의 화소에 축적된 전하를 선택적으로 판독할 때에, 하나의 촬상 프레임에 필요로 하는 시간을 억제하고, 또 주변 회로로의 부하를 저감시킬 수 있는 고체 촬상 소자의 제어 방법으로서 이용 가능하다.
6…제어부, 10…고체 촬상 장치,
11…고체 촬상 소자, 12…유리 기판,
14…다결정 실리콘막, 16…절연층,
18…신틸레이터, 20…수광 영역,
21…트랜지스터, 22…포토 다이오드,
30…수직 쉬프트 레지스터부, 40…신호 출력부,
41…칩, 42…적분 회로,
42a…앰프, 42b…용량 소자,
42c…방전용 스위치, 44…유지 회로,
44a…입력용 스위치, 44b…출력용 스위치,
44c…용량 소자, 61…수평 쉬프트 레지스터부,
A1…관심 영역, A2…비관심 영역,
A3…비판독 대상행, A21 ~ A25…행 그룹
Hd…유지 제어 신호, HS1 ~ HSN…열선택 제어 신호,
P1 ,1 ~ PM ,N…화소, Q1 ~ QM…행 선택용 배선,
R1 ~ RN…판독용 배선, RE…리세트 제어 신호,
U1 ~ UN…열 선택용 배선, VS1 ~ VSM…행 선택 제어 신호.

Claims (9)

  1. 포토 다이오드 및 그 포토 다이오드에 일단이 접속된 판독용 스위치를 각각 포함하는 M×N개(M은 3 이상의 정수, N은 2 이상의 정수)의 화소가 M행 N열로 2차원 배열되어 이루어지는 수광 영역을 구비하는 고체 촬상 소자의 제어 방법으로서,
    상기 수광 영역 중 일부의 영역을 구성하는 하나 또는 복수의 행(이하, 판독 대상행이라 함)에 포함되는 상기 화소에 축적된 전하를, L회(L은 2 이상의 정수)의 촬상(撮像) 프레임의 각각에 있어서, 상기 판독 대상행 모두로부터 판독함과 아울러,
    상기 판독 대상행을 제외한 다른 2 이상의 행(이하, 비판독 대상행이라 함)의 각각에 대해서 상기 L회의 촬상 프레임의 동안에 적어도 1회, 상기 화소에 축적된 전하의 배출 처리를 행하고, 상기 L회의 촬상 프레임의 각각에 있어서, 상기 배출 처리를 행하지 않는 상기 비판독 대상행이 존재하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자의 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 판독 대상행에 인접하는 하나 또는 복수의 상기 비판독 대상행의 상기 배출 처리의 빈도가, 다른 상기 비판독 대상행의 상기 배출 처리의 빈도보다 많은 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자의 제어 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    적어도 1회의 상기 촬상 프레임에 있어서, 상기 배출 처리를 행하는 상기 비판독 대상행이 복수 행 존재하고 있고,
    당해 촬상 프레임에 있어서, 상기 복수 행의 비판독 대상행에 포함되는 상기 화소에 축적된 전하의 배출 처리를 동시에 행하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자의 제어 방법.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    적어도 1회의 상기 촬상 프레임에 있어서, 상기 배출 처리를 행하는 상기 비판독 대상행이 복수 행 존재하고 있고,
    당해 촬상 프레임에 있어서, 상기 복수 행의 비판독 대상행에 포함되는 상기 화소에 축적된 전하의 배출 처리를 순차적으로 행하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자의 제어 방법.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    적어도 1회의 상기 촬상 프레임에 있어서, 상기 배출 처리를 행하는 상기 비판독 대상행이 복수 행 존재하고 있고,
    당해 촬상 프레임에 있어서, 상기 복수 행의 비판독 대상행끼리의 간격을 1행 이상 비우는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자의 제어 방법.
  6. 청구항 3에 있어서,
    적어도 1회의 상기 촬상 프레임에 있어서, 상기 배출 처리를 행하는 상기 비판독 대상행이 복수 행 존재하고 있고,
    당해 촬상 프레임에 있어서, 상기 복수 행의 비판독 대상행끼리의 간격을 1행 이상 비우는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자의 제어 방법.
  7. 청구항 4에 있어서,
    적어도 1회의 상기 촬상 프레임에 있어서, 상기 배출 처리를 행하는 상기 비판독 대상행이 복수 행 존재하고 있고,
    당해 촬상 프레임에 있어서, 상기 복수 행의 비판독 대상행끼리의 간격을 1행 이상 비우는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자의 제어 방법.
  8. 포토 다이오드 및 그 포토 다이오드에 일단이 접속된 판독용 스위치를 각각 포함하는 M×N개(M은 3 이상의 정수, N은 2 이상의 정수)의 화소가 M행 N열로 2차원 배열되어 이루어지는 수광 영역을 구비하는 고체 촬상 소자의 제어 방법으로서,
    상기 수광 영역 중 일부의 영역을 구성하는 하나 또는 복수의 행(이하, 판독 대상행이라 함)에 포함되는 상기 화소에 축적된 전하를, L회(L은 2 이상의 정수)의 촬상 프레임의 각각에 있어서, 상기 판독 대상행 모두로부터 판독함과 아울러,
    상기 판독 대상행을 제외한 다른 행(이하, 비판독 대상행이라 함)에 포함되는 2 이상의 행의 각각에 대해서 상기 L회의 촬상 프레임의 동안에 적어도 1회, 상기 화소에 축적된 전하의 배출 처리를 행하고, 상기 L회의 촬상 프레임의 각각에 있어서, 상기 2 이상의 행 중에 상기 배출 처리를 행하지 않는 행이 존재하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자의 제어 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 L회의 촬상 프레임에 있어서, 상기 비판독 대상행 중 상기 2 이상의 행을 제외한 다른 행에 포함되는 상기 화소에 축적된 전하의 배출 처리를 행하지 않는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자의 제어 방법.
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