KR102641558B1

KR102641558B1 - 고체 촬상 소자, 구동 방법, 및 전자 기기

Info

Publication number: KR102641558B1
Application number: KR1020187024028A
Authority: KR
Inventors: 카츠히코 한자와; 유우이치 카지
Original assignee: 소니그룹주식회사
Priority date: 2016-03-04
Filing date: 2017-02-20
Publication date: 2024-02-28
Also published as: JP6922889B2; WO2017150240A1; JPWO2017150240A1; CN108702469A; CN108702469B; US10811447B2; US20190051680A1; KR20180116280A

Abstract

본 개시는, 광다이내믹 레인지의 화상을 보다 고화질로 촬상할 수 있도록 하는 고체 촬상 소자, 구동 방법, 및 전자 기기에 관한 것이다. 고체 촬상 소자는, 광전변환을 행하는 복수의 화소가 배치되는 화소 영역과, 화소가 수광한 광의 광량에 응하여 화소 신호가 개략 대수적으로 변화하는 대수 판독 방식에 의해, 화소로부터 화소 신호를 판독하는 대수 변환 회로가 적어도 배치되는 회로 영역을 구비한다. 또한, 대수 변환 회로는, 화소로부터 화소 신호를 판독할 때에, 대수 판독 방식과 직선 판독 방식을 전환할 수 있다. 본 기술은, 예를 들면, CMOS 이미지 센서에 적용할 수 있다.

Description

고체 촬상 소자, 구동 방법, 및 전자 기기

본 개시는, 고체 촬상 소자, 구동 방법, 및 전자 기기에 관한 것으로, 특히, 광(廣)다이내믹 레인지의 화상을 보다 고화질로 촬상할 수 있도록 하는 고체 촬상 소자, 구동 방법, 및 전자 기기에 관한 것이다.

종래, 다이내믹 레인지가 넓은 화상을 촬상하는 것이 폭넓은 어플리케이션으로 요구되고 있고, 다양한 광다이내믹 레인지 기술이 개발되어 있다.

예를 들면, 특허 문헌 1에는, 적분형의 대수(對數) 변환 회로를 통함으로써, 저 잡음이면서 고감도를 구비함과 함께, 광다이내믹 레인지를 구비한 고체 촬상 장치가 개시되어 있다.

일본 특개2008-28474호 공보

그렇지만, 종래의 고체 촬상 장치는, 화소 내부에 대수 변환 회로를 배치하는 구성이었기 때문에, 대수 변환 회로를 구성하는 트랜지스터의 사이즈나 특성을 최적화하는 것이 곤란하였다. 그때문에, 대수 변환 회로를 구성하는 트랜지스터의 사이즈나 특성을 최적화하고, 광다이내믹 레인지의 화상을 고화질로 촬상하는 것이 요구되고 있다.

본 개시는, 이와 같은 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 광다이내믹 레인지의 화상을 보다 고화질로 촬상할 수 있도록 하는 것이다.

본 개시의 한 측면의 고체 촬상 소자는, 광전변환을 행하는 복수의 화소가 배치되는 화소 영역과, 상기 화소가 수광한 광의 광량에 응하여 화소 신호가 개략 대수적으로 변화하는 대수 판독 방식에 의해, 상기 화소로부터 화소 신호를 판독하는 대수 변환 회로가, 적어도 배치되는 회로 영역을 구비한다.

본 개시의 한 측면의 구동 방법은, 광전변환을 행하는 복수의 화소가 배치되는 화소 영역과, 상기 화소가 수광한 광의 광량에 응하여 화소 신호가 개략 대수적으로 변화하는 대수 판독 방식에 의해, 상기 화소로부터 화소 신호를 판독하는 대수 변환 회로가, 적어도 배치되는 회로 영역을 구비하는 고체 촬상 소자의 구동 방법에 있어서, 상기 화소로부터 상기 대수 판독 방식에 의해 화소 신호를 판독하는 경우에는, MOS(Metal-Oxide Semiconductor) 트랜지스터를 다이오드 접속한 회로를 통하여 상기 화소에 전원 전압을 공급한다.

본 개시의 한 측면의 전자 기기는, 광전변환을 행하는 복수의 화소가 배치되는 화소 영역과, 상기 화소가 수광한 광의 광량에 응하여 화소 신호가 개략 대수적으로 변화하는 대수 판독 방식에 의해, 상기 화소로부터 화소 신호를 판독하는 대수 변환 회로가, 적어도 배치되는 회로 영역을 갖는 고체 촬상 소자를 구비한다.

본 개시의 한 측면에서는, 화소 영역에는, 광전변환을 행하는 복수의 화소가 배치된다. 또한, 회로 영역에는, 화소가 수광한 광의 광량에 응하여 화소 신호가 개략 대수적으로 변화하는 대수 판독 방식에 의해, 화소로부터 화소 신호를 판독하는 대수 변환 회로가, 적어도 배치된다.

본 개시의 한 측면에 의하면, 광다이내믹 레인지의 화상을 보다 고화질로 촬상할 수 있다.

도 1은 본 기술을 적용한 촬상 소자의 한 실시의 형태의 구성례를 도시하는 블록도.
도 2는 화소의 기본 회로 구성의 한 예를 도시하는 회로도.
도 3은 리니어 판독 및 대수 판독의 전환에 관해 설명하는 도면.
도 4는 대수 변환 회로의 회로 구성례를 도시하는 도면.
도 5는 대수 변환 회로의 회로 구성례를 도시하는 도면.
도 6은 화소의 화소 신호의 판독에 관해 설명하는 도면.
도 7은 화소의 변형례를 도시하는 도면.
도 8은 도 7의 화소의 화소 신호의 판독에 관해 설명하는 도면.
도 9는 화소의 1열에 대한 대수 변환 회로의 제1의 배치례를 도시하는 도면.
도 10은 화소의 1열에 대한 대수 변환 회로의 제2의 배치례를 도시하는 도면.
도 11은 적층 구조를 채용한 촬상 소자의 제1의 구성례를 도시하는 도면.
도 12는 적층 구조를 채용한 촬상 소자의 제2의 구성례를 도시하는 도면.
도 13은 화소 및 회로 블록의 구성례를 도시하는 도면.
도 14는 대수 모드의 판독 방식의 변형례에 관해 설명하는 도면.
도 15는 화소 신호의 판독 방식에 관해 설명하는 도면.
도 16은 화소 신호의 판독 방식에 관해 설명하는 도면.
도 17은 화소 공유 구조의 화소를 채용한 구성례를 도시하는 도면.
도 18은 화소 공유 구조의 화소를 채용한 구성례를 도시하는 도면.
도 19는 복수의 화소로 대수 변환 회로를 공유하는 다른 예를 도시하는 도면.
도 20은 다른 사이즈의 포토 다이오드를 이용한 화소 공유 구조의 구성례를 도시하는 도면.
도 21은 대수 판독만을 행하는 화소의 구성례를 도시하는 회로도.
도 22는 도 21의 화소의 화소 신호의 판독에 관해 설명하는 도면.
도 23은 도 21의 화소의 1열에 대한 대수 변환 회로의 배치례를 도시하는 도면.
도 24는 대수 변환 회로의 변형례에 관해 설명하는 도면.
도 25는 화소의 기본 회로 구성의 변형례를 도시하는 회로도.
도 26은 도 24의 화소의 기본 회로 구성에서의 화소 신호의 판독에 관해 설명하는 도면.
도 27은 본 기술을 적용한 촬상 장치의 한 실시의 형태의 구성례를 도시하는 블록도.
도 28은 이미지 센서를 사용하는 사용례를 도시하는 도면.

이하, 본 기술을 적용한 구체적인 실시의 형태에 관해, 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

도 1은, 본 기술을 적용한 촬상 소자의 한 실시의 형태의 구성례를 도시하는 블록도이다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 촬상 소자(11)는, 광전변환을 행하는 복수의 화소(12)가 어레이형상으로 배치되는 화소 영역(13), 및, 그들의 화소(12)로부터 화소 신호를 판독하기 위한 구동을 행하는 회로가 배치되는 회로 영역(14)에 의해 구성된다. 촬상 소자(11)는, 예를 들면, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서이다.

화소(12)는, 수광한 광을 광전변환하고, 그 광량에 응한 레벨의 화소 신호를 출력한다.

화소 영역(13)은, 도시하지 않은 광학계에 의해 집광된 광을 수광하는 수광면이고, 화소 영역(13)에 어레이형상으로 배치되는 복수의 화소(12)에 의해, 그 수광면에 결상한 피사체의 상이 촬상된다.

회로 영역(14)은, 화소(12)를 구동하기 위한 수직 구동 회로나 수평 구동 회로 등이 마련되는 영역이고, 예를 들면, 후술하는 도 2에 도시하는 AD(Analog to Digital) 변환 회로(31)나 대수 변환 회로(32) 등이 배치된다.

또한, 촬상 소자(11)는, 화소 영역(13) 및 회로 영역(14)이 동일 칩상에 형성되는 구성이라도 좋고, 화소 영역(13) 및 회로 영역(14)이 다른 칩상에 형성되는 구성이라도 좋다.

다음에, 도 2는, 도 1의 화소(12)의 기본 회로 구성의 한 예를 도시하는 회로도이다.

도 2에 도시하는 바와 같이, 화소 영역(13)에 배치되는 화소(12)는, 포토 다이오드(21), 전송 트랜지스터(22), FD(Floating Diffusion)부(23), 증폭 트랜지스터(24), 선택 트랜지스터(25), 및 리셋 트랜지스터(26)를 구비하여 구성된다. 또한, 회로 영역(14)에 마련되는 AD 변환 회로(31) 및 대수 변환 회로(32)는, 신호선(33) 및 신호선(34) 각각을 통하여, 화소(12)에 접속된다. 그리고, 화소(12)로부터 AD 변환 회로(31)에 화소 신호를 판독하기 위한 전류원(35)이 신호선(33)에 접속되어 있고, 증폭 트랜지스터(24) 및 전류원(35)에 의해 소스 팔로워가 형성되어 있다.

포토 다이오드(21)는, 입사한 광을 광전변환에 의해 전하로 변환하여 축적하는 광전변환부이고, 애노드 단자가 접지되어 있음과 함께, 캐소드 단자가 전송 트랜지스터(22)에 접속되어 있다.

전송 트랜지스터(22)는, 전송 신호(TRG)에 따라 구동하고, 전송 트랜지스터(22)가 온이 되면, 포토 다이오드(21)에 축적되어 있는 전하가 FD부(23)에 전송된다.

FD부(23)는, 증폭 트랜지스터(24)의 게이트 전극에 접속된 소정의 축적 용량을 갖는 부유 확산 영역이고, 포토 다이오드(21)로부터 전송 트랜지스터(22)를 통하여 전송되어 오는 전하를 축적한다.

증폭 트랜지스터(24)는, FD부(23)에 축적되어 있는 전하에 응한 레벨(즉, FD부(23)의 전위)의 화소 신호를, 선택 트랜지스터(25)를 통하여 신호선(33)에 출력한다. 즉, FD부(23)가 증폭 트랜지스터(24)의 게이트 전극에 접속되는 구성에 의해, FD부(23) 및 증폭 트랜지스터(24)는, 포토 다이오드(21)에서 발생한 전하를, 그 전하에 응한 레벨의 화소 신호로 변환하는 변환부로서 기능한다.

선택 트랜지스터(25)는, 선택 신호(SEL)에 따라 구동하고, 선택 트랜지스터(25)가 온이 되면, 증폭 트랜지스터(24)로부터 출력되는 화소 신호가 신호선(33)에 출력 가능한 상태가 되고, 화소(12)로부터 화소 신호를 출력하기 위해 선택된 상태로 한다.

리셋 트랜지스터(26)는, 리셋 신호(RST)에 따라 구동하고, 리셋 트랜지스터(26)가 온이 되면, FD부(23)가 신호선(34)을 통하여 대수 변환 회로(32)에 접속된다.

AD 변환 회로(31)는, 신호선(33)에 의해 선택 트랜지스터(25)에 접속되어 있고, 선택 트랜지스터(25)를 통하여 증폭 트랜지스터(24)로부터 출력되는 화소 신호를 AD 변환하여, 도시하지 않은 후단의 회로에 공급한다.

대수 변환 회로(32)는, 신호선(34)에 의해 리셋 트랜지스터(26)에 접속되어 있고, 화소(12)로부터 화소 신호를 판독하는 판독 방식을 리니어 모드(linear mode)와 대수 모드(logarithmic mode)로 전환할 수 있다. 리니어 모드는, 화소(12)가 수광한 광의 광량에 응하여 직선적으로 변화하는 화소 신호가 화소(12)로부터 판독되는 판독 방식이고, 대수 모드는, 화소(12)가 수광한 광의 광량에 응하여 대수적으로 변화하는 화소 신호가 화소(12)로부터 판독되는 판독 방식이다.

여기서, 도 3을 참조하여, 리니어 판독 및 대수 판독의 전환에 관해 설명한다. 도 3에는, 종축을 센서 출력(선형축(線形軸))으로 하고, 횡축을 입사광 강도(대수축(對數軸))로 하여, 대수 변환 회로(32)에 의해 화소(12)로부터, 리니어 판독으로 판독되는 화소 신호와, 대수 판독으로 판독되는 화소 신호가 실선으로 도시되어 있다. 예를 들면, 이네이블 신호(LOGEN)(후술하는 도 4 참조)가 Low레벨인 때에는 리니어 판독이 되고, 이네이블 신호(LOGEN)가 Hi레벨인 때에는 대수 판독이 되고, 이네이블 신호(LOGEN)에 의한 스위치의 온/오프로, 이들의 판독이 전환하여 이용된다. 또한, 파선으로 도시하는 바와 같이, 예를 들면, 입사광의 강도에 의거하여, 점(P1)에서 리니어 판독과 대수 판독을 전환하여도 좋고, 입사광의 강도가 낮은 경우에는 리니어 판독으로 하고, 입사광의 강도가 높은 경우에는 대수 판독으로 하여도 좋다.

이와 같이, 촬상 소자(11)는, 대수 변환 회로(32)에 의해, 화소(12)의 화소 특성을 바꾸는 일 없게 리니어 판독과 대수 판독을 심레스로 전환할 수 있다.

다음에, 도 4 및 도 5는, 대수 변환 회로(32)의 회로 구성례를 도시하는 도면이다.

도 4의 A에는, 대수 변환 회로(32)의 제1의 회로 구성례가 도시되어 있다.

도 4의 A에 도시하는 바와 같이, 대수 변환 회로(32A)는, NMOS(N-channel Metal-Oxide Semiconductor) 트랜지스터(41) 및 스위치(42)가 조합되어 구성된다. NMOS 트랜지스터(41)의 소스는, 신호선(34)에 의해 리셋 트랜지스터(26)(도 2)에 접속되어 있고, NMOS 트랜지스터(41)의 드레인 및 게이트가, 전원(VLOG)에 접속되어 있다. 또한, 스위치(42)는, 신호선(34) 및 전원(VR)의 사이를 접속하도록 배치되고, 대수 신호의 판독을 유효하게 하는 이네이블 신호(LOGEN)를 반전시킨 반전 이네이블 신호(XLOGEN)에 따라 개폐를 행한다.

이와 같이 대수 변환 회로(32A)는 구성되어 있고, 화소(12)로부터 화소 신호를 판독할 때에, 반전 이네이블 신호(XLOGEN)에 따라, 리니어 모드와 대수 모드를 심레스로 전환할 수 있다.

즉, 리니어 모드인 경우, 반전 이네이블 신호(XLOGEN)가 Hi레벨이 됨으로써 스위치(42)가 온 되고, 스위치(42)를 통하여 전원(VR)이 화소(12)에 접속됨으로써, 화소(12)의 수광량에 응하여 직선적으로 변화하는 화소 신호가 판독된다. 또한, 대수 모드인 경우, 반전 이네이블 신호(XLOGEN)가 Low레벨이 됨으로써 스위치(42)가 오프 되고, 다이오드 접속된 NMOS 트랜지스터(41)를 통하여 전원(VLOG)이 화소(12)에 접속됨으로써, 화소(12)의 수광량에 응하여 대수적으로 변화하는 화소 신호가 판독된다.

도 4의 B에는, 대수 변환 회로(32)의 제2의 회로 구성례가 도시되어 있다.

도 4의 B에 도시하는 바와 같이, 대수 변환 회로(32B)는, PMOS(P-channel Metal-Oxide Semiconductor) 트랜지스터(43) 및 스위치(42)가 조합되어 구성된다. PMOS 트랜지스터(43)의 소스 및 게이트는, 신호선(34)에 의해 리셋 트랜지스터(26)(도 2)에 접속되어 있고, PMOS 트랜지스터(43)의 드레인이, 전원(VLOG)에 접속되어 있다. 또한, 스위치(42)는, 신호선(34) 및 전원(VR)의 사이를 접속하도록 배치되고, 대수 신호의 판독을 유효하게 하는 이네이블 신호(LOGEN)를 반전시킨 반전 이네이블 신호(XLOGEN)에 따라 개폐를 행한다.

이와 같이 대수 변환 회로(32B)는 구성되어 있고, 화소(12)로부터 화소 신호를 판독할 때에, 반전 이네이블 신호(XLOGEN)에 따라, 리니어 모드와 대수 모드를 심레스로 전환할 수 있다.

즉, 리니어 모드인 경우, 반전 이네이블 신호(XLOGEN)가 Hi레벨이 됨으로써 스위치(42)가 온 되고, 스위치(42)를 통하여 전원(VR)이 화소(12)에 접속됨으로써, 화소(12)의 수광량에 응하여 직선적으로 변화하는 화소 신호가 판독된다. 또한, 대수 모드인 경우, 반전 이네이블 신호(XLOGEN)가 Low레벨이 됨으로써 스위치(42)가 오프 되고, 다이오드 접속된 PMOS 트랜지스터(43)를 통하여 전원(VLOG)이 화소(12)에 접속됨으로써, 화소(12)의 수광량에 응하여 대수적으로 변화하는 화소 신호가 판독된다.

도 4의 C에는, 대수 변환 회로(32)의 제3의 회로 구성례가 도시되어 있다.

도 4의 C에 도시하는 바와 같이, 대수 변환 회로(32C)는, NMOS 트랜지스터(41), 스위치(42), 및 스위치(44)가 조합되어 구성된다. NMOS 트랜지스터(41)의 소스는, 스위치(44)를 통하여, 신호선(34)에 의해 리셋 트랜지스터(26)(도 2)에 접속되어 있고, NMOS 트랜지스터(41)의 드레인 및 게이트가, 전원(VLOG)에 접속되어 있다. 또한, 스위치(42)는, 신호선(34) 및 전원(VR)의 사이를 접속하도록 배치되고, 대수 신호의 판독을 유효하게 하는 이네이블 신호를 반전시킨 반전 이네이블 신호(XLOGEN)에 따라 개폐를 행한다. 또한, 스위치(44)는, NMOS 트랜지스터(41) 및 신호선(34)의 사이를 접속하도록 배치되고, 대수 신호의 판독을 유효하게 하는 이네이블 신호(LOGEN)에 따라 개폐를 행한다.

이와 같이 대수 변환 회로(32C)는 구성되어 있고, 화소(12)로부터 화소 신호를 판독할 때에, 이네이블 신호(LOGEN) 및 반전 이네이블 신호(XLOGEN)에 따라, 리니어 모드와 대수 모드를 심레스로 전환할 수 있다.

즉, 리니어 모드인 경우, 반전 이네이블 신호(XLOGEN)가 Hi레벨이 됨으로써 스위치(42)가 온 되는 한편, 이네이블 신호(LOGEN)가 Low레벨이 됨으로써 스위치(44)가 오프 된다. 이에 의해, 스위치(42)를 통하여 전원(VR)이 화소(12)에 접속됨으로써, 화소(12)의 수광량에 응하여 직선적으로 변화하는 화소 신호가 판독된다. 또한, 대수 모드인 경우, 반전 이네이블 신호(XLOGEN)가 Low레벨이 됨으로써 스위치(42)가 오프 되는 한편, 이네이블 신호(LOGEN)가 Hi레벨이 됨으로써 스위치(44)가 온 된다. 이에 의해, 다이오드 접속된 NMOS 트랜지스터(41)를 통하여 전원(VLOG)이 화소(12)에 접속됨으로써, 화소(12)의 수광량에 응하여 대수적으로 변화하는 화소 신호가 판독된다.

도 4의 D에는, 대수 변환 회로(32)의 제4의 회로 구성례가 도시되어 있다.

도 4의 D에 도시하는 바와 같이, 대수 변환 회로(32D)는, PMOS 트랜지스터(43), 스위치(42), 및 스위치(44)가 조합되어 구성된다. PMOS 트랜지스터(43)의 소스 및 게이트는, 스위치(44)를 통하여, 신호선(34)에 의해 리셋 트랜지스터(26)(도 2)에 접속되어 있고, PMOS 트랜지스터(43)의 드레인이, 전원(VLOG)에 접속되어 있다. 또한, 스위치(42)는, 신호선(34) 및 전원(VR)의 사이를 접속하도록 배치되고, 대수 신호의 판독을 유효하게 하는 이네이블 신호(LOGEN)를 반전시킨 반전 이네이블 신호(XLOGEN)에 따라 개폐를 행한다. 또한, 스위치(44)는, NMOS(43) 및 신호선(34)의 사이를 접속하도록 배치되고, 대수 신호의 판독을 유효하게 하는 이네이블 신호(LOGEN)에 따라 개폐를 행한다.

이와 같이 대수 변환 회로(32D)는 구성되어 있고, 화소(12)로부터 화소 신호를 판독할 때에, 이네이블 신호(LOGEN) 및 반전 이네이블 신호(XLOGEN)에 따라, 리니어 모드와 대수 모드를 심레스로 전환할 수 있다.

즉, 리니어 모드인 경우, 반전 이네이블 신호(XLOGEN)가 Hi레벨이 됨으로써 스위치(42)가 온 되는 한편, 이네이블 신호(LOGEN)가 Low레벨이 됨으로써 스위치(44)가 오프 된다. 이에 의해, 스위치(42)를 통하여 전원(VR)이 화소(12)에 접속됨으로써, 화소(12)의 수광량에 응하여 직선적으로 변화하는 화소 신호가 판독된다. 또한, 대수 모드인 경우, 반전 이네이블 신호(XLOGEN)가 Low레벨이 됨으로써 스위치(42)가 오프 되는 한편, 이네이블 신호(LOGEN)가 Hi레벨이 됨으로써 스위치(44)가 온 된다. 이에 의해, 다이오드 접속된 PMOS 트랜지스터(43)를 통하여 전원(VLOG)이 화소(12)에 접속됨으로써, 화소(12)의 수광량에 응하여 대수적으로 변화하는 화소 신호가 판독된다.

또한, 도 4의 C에 도시하는 대수 변환 회로(32C)는, 스위치(44)가 NMOS 트랜지스터(41)의 소스측에 배치되는 구성례로 되어 있지만, 스위치(44)가, NMOS 트랜지스터(41)의 드레인과 전원(VLOG) 사이에 배치되는 구성을 채용하여도 좋다. 또한, 도 4의 A에 도시하는 대수 변환 회로(32A), 및, 도 4의 C에 도시하는 대수 변환 회로(32C)에서, NMOS 트랜지스터(41)의 보디를 GND에 접속하는 구성뿐만 아니라, 소스에 접속시키는 구성으로 하여도 좋다.

또한, 도 5에는, 대수 변환 회로(32)의 제5의 회로 구성례가 도시되어 있다.

도 5에 도시하는 바와 같이, 대수 변환 회로(32E)는, 2개의 NMOS 트랜지스터(41-1 및 41-2), 스위치(42), 및, 2개의 스위치(44-1 및 44-2)가 조합되어 구성된다.

NMOS 트랜지스터(41-1)의 소스는, 스위치(44-1)를 통하여, 신호선(34)에 의해 리셋 트랜지스터(26)(도 2)에 접속되어 있고, NMOS 트랜지스터(41-1)의 드레인 및 게이트가, 전원(VLOG)에 접속되어 있다. 마찬가지로, NMOS 트랜지스터(41-2)의 소스는, 스위치(44-2)를 통하여, 신호선(34)에 의해 리셋 트랜지스터(26)(도 2)에 접속되어 있고, NMOS 트랜지스터(41-2)의 드레인 및 게이트가, 전원(VLOG)에 접속되어 있다. 또한, 스위치(42)는, 신호선(34) 및 전원(VR)의 사이를 접속하도록 배치되고, 대수 신호의 판독을 유효하게 하는 이네이블 신호(LOGEN)를 반전시킨 반전 이네이블 신호(XLOGEN)에 따라 개폐를 행한다.

또한, 스위치(44-1)는, NMOS 트랜지스터(41-1) 및 신호선(34)의 사이를 접속하도록 배치되고, 대수 신호의 판독을 유효하게 하는 제1의 이네이블 신호(LOGEN1)에 따라 개폐를 행한다. 마찬가지로, 스위치(44-2)는, NMOS 트랜지스터(41-2) 및 신호선(34)의 사이를 접속하도록 배치되고, 대수 신호의 판독을 유효하게 하는 제2의 이네이블 신호(LOGEN2)에 따라 개폐를 행한다.

이와 같이 구성되는 대수 변환 회로(32E)는, 2개의 NMOS 트랜지스터(41-1 및 41-2)를 마련함에 의해, 스위치(44-1 및 44-2)를 전환함으로써, 화소(12)로부터 판독되는 화소 신호의 다이내믹 레인지를 변경할 수 있다. 또한, 대수 변환 회로(32E)는, NMOS 트랜지스터(41-1 및 41-2)에 의해 다이오드 특성을 정돈하기 때문에, 트리밍 기능을 넣을 수 있다.

또한, 대수 변환 회로(32)는, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같은 회로 구성례로 한정되는 일 없이, 이들 이외의 회로 구성을 채용할 수 있다. 또한, 전원(VR) 및 전원(VLOG)은, 도시하는 바와 같이 다른 전원으로 하는 외에, 동일 전원이라도 좋다. 또한, 대수 변환 회로(32E)와 같이 2개의 NMOS 트랜지스터(41-1 및 41-2)에 의한 2단(段) 구성 외에, 2개 이상의 NMOS 트랜지스터(41)에 의한 다단 구성으로 하여도 좋다.

그리고, 촬상 소자(11)에서는, 대수 변환 회로(32)가 회로 영역(14)(즉, 화소 영역(13)의 외부)에 배치되는 구성을 채용함으로써, 대수 변환 회로(32)를 구성하는 트랜지스터의 사이즈나 종류 등에 대해 설계의 자유도를 향상시킬 수 있다.

다음에, 도 6을 참조하여, 화소(12)의 화소 신호의 판독에 관해 설명한다.

도 6의 A에는, 화소(12)로부터 리니어 모드로 화소 신호를 판독할 때의 구동 신호의 예가 도시되어 있고, 도 6의 B에는, 화소(12)로부터 대수 모드로 화소 신호를 판독할 때의 구동 신호의 예가 도시되어 있다.

도 6의 A에 도시하는 바와 같이, 리니어 모드인 경우, Low레벨의 이네이블 신호(LOGEN)가 대수 변환 회로(32)에 공급되어, 예를 들면, 도 4의 C에 도시한 스위치(42)는 온(반전 이네이블 신호(XLOGEN) : Hi레벨)이 됨과 함께, 스위치(44)는 오프가 된다.

그리고, 리니어 모드에서는, 먼저, 선택 신호(SEL)가 Hi레벨이 됨으로써, 화소(12)로부터 신호선(33)에 화소 신호가 출력 가능하게 되다. 다음에, 리셋 신호(RST)가 펄스형상으로 Hi레벨이 되어 FD부(23)가 리셋되고, AD 변환 회로(31)는, 리셋 레벨의 화소 신호(리셋 신호)를 판독하여 AD 변환을 행한다. 그리고, 전송 신호(TRG)가 펄스형상으로 Hi레벨이 되어 포토 다이오드(21)로부터 FD부(23)에 전하가 전송되고, AD 변환 회로(31)는, 포토 다이오드(21)가 수광한 광의 판독하여 의 화소 신호(광신호)를 판독하여 AD 변환을 행한다. 그 후, 선택 신호(SEL)가 Low레벨이 됨으로써, 화소(12)로부터 화소 신호의 판독이 종료된다.

도 6의 B에 도시하는 바와 같이, 대수 모드인 경우, Hi레벨의 이네이블 신호(LOGEN)가 대수 변환 회로(32)에 공급되어, 예를 들면, 도 4의 C에 도시한 스위치(42)는 오프(반전 이네이블 신호(XLOGEN) : Low레벨)가 됨과 함께, 스위치(44)는 온이 된다. 또한, 대수 모드인 경우, 항상 Hi레벨의 리셋 신호(RST) 및 전송 신호(TRG)가 화소(12)에 공급되고 있다.

따라서 대수 모드에서는, 선택 신호(SEL)가 Hi레벨인 동안, 포토 다이오드(21)로부터 FD부(23)에 전하가 계속 전송된다. 이에 의해, 포토 다이오드(21)에서 광전변환된 전하가, FD부(23)를 통하여, 다이오드 접속된 트랜지스터(예를 들면, 도 4의 A의 NMOS 트랜지스터(41)나 도 4의 B의 PMOS 트랜지스터(43) 등)에 유입함에 의해, 대수적으로 변화하는 화소 신호를 판독할 수 있다.

다음에, 도 7을 참조하여, 화소(12)의 변형례에 관해 설명한다.

도 7의 A에는, 화소(12)의 제1의 변형례가 도시되어 있고, 도 7의 B에는, 화소(12)의 제2의 변형례가 도시되어 있다. 또한, 도 7에 도시하는 화소(12A 및 12B)에서, 도 2의 화소(12)와 공통되는 구성에 관해서는 동일한 부호를 붙이고, 그 상세 설명은 생략한다.

도 7의 A에 도시하는 바와 같이, 화소(12A)는, 포토 다이오드(21), 전송 트랜지스터(22), FD부(23), 증폭 트랜지스터(24), 선택 트랜지스터(25), 및 리셋 트랜지스터(26)를 구비하는 점에서, 도 2의 화소(12)와 공통되는 구성으로 되어 있다.

그리고, 화소(12A)는, 리셋 트랜지스터(26)가 전원(VDD)에 접속되어 있고, 포토 다이오드(21)의 캐소드 단자가 대수 전환 트랜지스터(27)를 통하여 대수 변환 회로(32)에 접속되는 점에서, 도 2의 화소(12)와 다른 구성으로 되어 있다. 대수 전환 트랜지스터(27)는, 대수 전환 신호(LSW)에 따라 구동하고, 대수 전환 트랜지스터(27)와 함께 전송 트랜지스터(22)가 온이 되면, FD부(23)가 대수 변환 회로(32)에 접속된다.

도 7의 B에 도시하는 바와 같이, 화소(12B)는, 포토 다이오드(21), 전송 트랜지스터(22), FD부(23), 증폭 트랜지스터(24), 선택 트랜지스터(25), 및 리셋 트랜지스터(26)를 구비하는 점에서, 도 2의 화소(12)와 공통되는 구성으로 되어 있다.

그리고, 화소(12B)는, 리셋 트랜지스터(26)가 전원(VDD)에 접속되어 있고, FD부(23)가 대수 전환 트랜지스터(27)를 통하여 대수 변환 회로(32)에 접속되는 점에서, 도 2의 화소(12)와 다른 구성으로 되어 있다. 대수 전환 트랜지스터(27)는, 대수 전환 신호(LSW)에 따라 구동하고, 대수 전환 트랜지스터(27)가 온이 되면, FD부(23)가 대수 변환 회로(32)에 접속되도록 구성된다.

이와 같이 구성되는 화소(12A) 및 화소(12B)에서도, 도 2의 화소(12)와 마찬가지로, 대수 변환 회로(32)에 의해, 화소(12A) 및 화소(12B)의 화소 특성을 바꾸는 일 없이 리니어 판독과 대수 판독을 심레스로 전환할 수 있다.

다음에, 도 8을 참조하여, 화소(12A 및 12B)에 대응하는 화소 신호의 판독에 관해 설명한다.

도 8의 A에는, 화소(12A 및 12B)로부터 리니어 모드로 화소 신호를 판독할 때의 구동 신호의 예가 도시되어 있고, 도 8의 B에는, 화소(12A 및 12B)로부터 대수 모드로 화소 신호를 판독할 때의 구동 신호의 예가 도시되어 있다.

도 8의 A에 도시하는 바와 같이, 리니어 모드인 경우, Low레벨의 대수 전환 신호(LSW)가 대수 전환 트랜지스터(27)에 공급되어, 대수 전환 트랜지스터(27)가 오프가 된다. 그리고, 리니어 모드에서는, 도 6의 A를 참조한 설명과 같은 구동으로, 화소(12A 및 12B)로부터 화소 신호가 판독된다.

도 8의 B에 도시하는 바와 같이, 대수 모드인 경우, Hi레벨의 대수 전환 신호(LSW)가 대수 전환 트랜지스터(27)에 공급되어, 대수 전환 트랜지스터(27)가 온이 된다. 그리고, 리니어 모드에서는, 도 6의 B를 참조한 설명과 같은 구동으로, 화소(12A 및 12B)로부터 화소 신호가 판독된다.

다음에, 도 9는, 화소 영역(13)에 어레이형상으로 배치되는 화소(12)의 1열에 대한 대수 변환 회로(32)의 제1의 배치례를 도시하는 도면이다.

도 9에 도시하는 제1의 배치례에서는, 화소(12)의 1열에 대해, 그 1열로 배치되는 화소(12)의 개수에 응한 복수의 대수 변환 회로(32)가 배치된다. 즉, 촬상 소자(11)는, 화소 영역(13)의 1열에 마련되는 N개의 화소(12-1 내지 12-N)에 대한 리니어 모드 및 대수 모드의 전환을, 각각 대응하는 N개의 대수 변환 회로(32-1 내지 32-N)가 행하도록 구성할 수 있다.

이와 같이, 하나의 화소(12)에 대해 하나의 대수 변환 회로(32)가 마련되는 촬상 소자(11)에서는, 화소(12)마다, 리니어 모드 및 대수 모드의 전환을 행할 수가 있다.

다음에, 도 10은, 화소 영역(13)에 어레이형상으로 배치되는 화소(12)의 1열에 대한 대수 변환 회로(32)의 제2의 배치례를 도시하는 도면이다.

도 10에 도시하는 제2의 배치례에서는, 화소(12)의 1열에 대해 하나의 대수 변환 회로(32)가 배치된다. 즉, 촬상 소자(11)는, 화소 영역(13)의 1열에 마련되는 N개의 화소(12-1 내지 12-N)에 대한 리니어 모드 및 대수 모드의 전환을, 하나의 대수 변환 회로(32)가 행하도록 구성할 수 있다.

이와 같이, 1열의 화소(12-1 내지 12-N)에 대해 하나의 대수 변환 회로(32)가 마련되는 촬상 소자(11)에서는, 열마다, 리니어 모드 및 대수 모드의 전환을 행할 수가 있다.

또한, 도 9 및 도 10에 도시하는 바와 같은 배치례 외에, 예를 들면, 1열로 배치되는 복수의 화소(12) 중, 소정 개수의 화소(12)마다 하나의 대수 변환 회로(32)를 마련하는 배치를 채용하여도 좋다. 이 경우, 소정 개수의 화소(12)마다, 리니어 모드 및 대수 모드의 전환을 행할 수가 있다.

또한, 하나의 대수 변환 회로(32)에 접속되는 소정 개수의 화소(12) 중, 하나의 화소(12)를 접속하면, 하나의 화소 신호가 대수 변환되고, 한편, 복수의 화소(12)를 접속하면 광신호를 가산(加算)할 수 있다. 예를 들면, 화소(12)의 접속이라는 것은, 전송 트랜지스터(22) 및 리셋 트랜지스터(26)를 온 하는 상태나, 대수 전환 트랜지스터(27)만 온 하는 상태, 대수 전환 트랜지스터(27) 및 전송 트랜지스터(22)를 온 하는 상태 등이다. 즉, 포토 다이오드(21)와 대수 변환 회로(32)를 접속하는 것을 나타낸다.

여기서, 촬상 소자(11)는, 예를 들면, 화소 영역(13) 및 회로 영역(14)을 다른 기판에 마련하고, 그들의 기판끼리를 TSV(Through-Silicon Via)나 마이크로 범프, Cu-Cu 접속 등을 이용하여 접속하는 적층 구조를 채용할 수 있다.

다음에, 도 11은, 적층 구조를 채용한 촬상 소자(11)의 제1의 구성례를 설명하는 도면이다.

도 11에 도시하는 바와 같이, 촬상 소자(11A)는, 화소 기판(51A) 및 회로 기판(52A)이 적층하여 구성된다. 화소 기판(51A)에는, 도 1의 촬상 소자(11)와 마찬가지로, 복수의 화소(12)가 어레이형상으로 배치되어 있고, 좌하에 도시하는 바와 같이 소정수의 화소(12)에 의해 화소 유닛(53)이 구성된다. 회로 기판(52A)에는, 화소 기판(51A)의 화소 유닛(53)마다 회로 블록(54)이 마련되어 있고, 회로 블록(54)은, 대수 변환 회로(32)만이 배치되는 구성으로 할 수 있다. 또는, 회로 블록(54)은, 화소 유닛(53)에 대응하는 AD 변환 회로(31) 및 대수 변환 회로(32)가 배치되는 구성으로 하여도 좋다.

이와 같이 구성되는 촬상 소자(11A)는, 화소 유닛(53)마다, 회로 블록(54)에 배치되는 대수 변환 회로(32)에 의해, 리니어 모드 및 대수 모드의 전환을 행할 수가 있다.

다음에, 도 12는, 적층 구조를 채용한 촬상 소자(11)의 제2의 구성례를 설명하는 도면이다.

도 12에 도시하는 바와 같이, 촬상 소자(11B)는, 화소 기판(51B) 및 회로 기판(52B)이 적층하여 구성된다. 화소 기판(51B)에는, 도 1의 촬상 소자(11)와 마찬가지로, 복수의 화소(12)가 어레이형상으로 배치되어 있다. 회로 기판(52B)에는, 화소 기판(51B)의 화소(12)마다 회로 블록(54)이 마련되어 있다.

이와 같이 구성되는 촬상 소자(11B)는, 화소(12)마다, 회로 블록(54)에 배치되는 대수 변환 회로(32)에 의해, 리니어 모드 및 대수 모드의 전환을 행할 수가 있다. 또한, 촬상 소자(11)는, 2층 이상의 기판이 적층되어 구성되어도 좋다. 또한, 촬상 소자(11)는, 이와 같은 적층 구조에서, 화소(12)가 형성되는 화소 영역(13) 이외의 영역의 화소 기판(51)에, 예를 들면, 화소 기판(51)의 주변부분에, 대수 변환 회로(32)가 형성되는 구성으로 하여도 좋다.

여기서, 도 13을 참조하여, 화소(12)마다 회로 블록(54)이 마련되는 구성에서의 화소(12) 및 회로 블록(54)의 구성례에 관해 설명한다.

예를 들면, 도 13의 A에 도시하는 바와 같이, 화소(12A)는, 도 2의 화소(12)와 마찬가지로 구성됨과 함께, 회로 블록(54A)은, 대수 변환 회로(32)만을 배치하는 구성으로 할 수 있다.

또한, 도 13의 B에 도시하는 바와 같이, 화소(12B)는, 도 2의 화소(12)와 마찬가지로 구성됨과 함께, 회로 블록(54B)은, AD 변환 회로(31) 및 대수 변환 회로(32)를 배치하는 구성으로 할 수 있다.

또한, 도 13의 C에 도시하는 바와 같이, 화소(12C)는, 포토 다이오드(21), 전송 트랜지스터(22), FD부(23), 증폭 트랜지스터(24), 및 선택 트랜지스터(25)를 배치하는 구성으로 함과 함께, 회로 블록(54C)은, AD 변환 회로(31), 대수 변환 회로(32), 및 리셋 트랜지스터(26)를 배치하는 구성으로 할 수 있다.

또한, 도 13의 D에 도시하는 바와 같이, 화소(12D)는, 포토 다이오드(21), 전송 트랜지스터(22), 및 FD부(23)를 배치하는 구성으로 함과 함께, 회로 블록(54D)은, AD 변환 회로(31), 대수 변환 회로(32), 증폭 트랜지스터(24), 선택 트랜지스터(25), 및 리셋 트랜지스터(26)를 배치하는 구성으로 할 수 있다.

또한, 도 13의 E에 도시하는 바와 같이, 화소(12E)는, 포토 다이오드(21), 전송 트랜지스터(22), FD부(23), 증폭 트랜지스터(24), 및 리셋 트랜지스터(26)를 배치하는 구성으로 함과 함께, 회로 블록(54E)은, AD 변환 회로(31), 대수 변환 회로(32), 및 선택 트랜지스터(25)를 배치하는 구성으로 할 수 있다.

이와 같이, 화소(12)마다 회로 블록(54)이 마련되는 구성에서, 화소(12) 및 회로 블록(54)을 구성하는 소자를, 각각에 적절하게 배치할 수 있고, 도 13에 도시한 바와 같은 배치례 이외의 배치를 채용하여도 좋다.

다음에, 도 14를 참조하여, 대수 모드의 판독 방식의 변형례에 관해 설명한다.

도 14의 A에는, 대수 모드의 판독 방식의 제1의 변형례가 도시되어 있다. 즉, 이네이블 신호(LOGEN)가 Low레벨일 때에 리셋 신호를 출력하고, 이네이블 신호(LOGEN)가 Hi레벨일 때에 대수적으로 광신호를 출력한다. 그러면, 도 14의 A에 도시하는 바와 같이, 최초에 리셋 신호를 판독하고, 다음에 대수 신호를 광신호로서 판독하는 대수 모드의 판독 방식으로 구동할 수 있다. 도 14의 A에 도시하는 바와 같은 대수 모드의 판독 방식에 의해, 화소 신호의 판독에 사용한 드레인 접지 회로의 노이즈(오프셋을 포함한다)를 제거하는 CDS(Correlated Double Sampling) 동작을 실현할 수 있다.

도 14의 B에는, 대수 모드의 판독 방식의 제2의 변형례가 도시되어 있다. 도 14의 B에 도시하는 바와 같은 대수 모드의 판독 방식에 의해, 출력을 뺄셈(아날로그 영역, 디지털 영역 또는 그 양쪽)함으로써 회로의 오프셋을 제거할 수 있다.

다음에, 도 15를 참조하여, 예를 들면, 상술한 도 9에 도시한 바와 같이, 화소(12)의 1열에 대해, 그 1열로 배치되는 화소(12)의 개수에 응한 복수의 대수 변환 회로(32)가 배치되는 촬상 소자(11)에서의 화소 신호의 판독 방식에 관해 설명한다.

도 15에서는, 화소 영역(13)에 배치되는 복수의 화소(12) 중, 리니어 모드로 화소 신호가 판독되는 화소(12)에는 해칭(hatching)이 시행되지 않고, 대수 모드로 화소 신호가 판독되는 화소(12)에는 해칭이 시행되어 있다.

예를 들면, 도 15의 A에 도시하는 바와 같이, 리니어 모드로 화소 신호가 판독되는 화소(12)와, 대수 모드로 화소 신호가 판독되는 화소(12)가, 화소(12)의 1열마다 배치되는 판독 방식으로, 화소 신호를 판독할 수 있다.

또한, 도 15의 B에 도시하는 바와 같이, 리니어 모드로 화소 신호가 판독되는 화소(12)와, 대수 모드로 화소 신호가 판독되는 화소(12)가, 화소(12)의 1행마다 배치되는 판독 방식으로, 화소 신호를 판독할 수 있다.

또한, 도 15의 C에 도시하는 바와 같이, 리니어 모드로 화소 신호가 판독되는 화소(12)와, 대수 모드로 화소 신호가 판독되는 화소(12)가, 체크무늬형상으로(즉, 화소(12)의 1열 및 1행마다 엇갈리게) 배치되는 판독 방식으로, 화소 신호를 판독할 수 있다. 이와 같은 판독 방식에서는, 공간 주파수가 향상하는 것이 알려져 있다.

이와 같이, 리니어 모드로 화소 신호가 판독되는 화소(12)와, 대수 모드로 화소 신호가 판독되는 화소(12)를 혼재시킴으로써, 다이내믹 레인지가 넓은 화상과, 노이즈가 작은 화상을 동일한 타이밍에서 취득할 수 있다. 예를 들면, 촬상 소자(11)는, 그들 2장의 화상을 독립한 것으로서 사용하여도 좋고, 그들 2장의 화상을 합성함으로써 노이즈가 적고, 또한, 다이내믹 레인지가 넓은 화상을 취득할 수 있다. 또한, 도 15를 참조하여 설명한 판독 방식은, 모든 화소(12)에서 리니어 모드 또는 대수 모드로 화소 신호를 판독할 수 있도록 촬상 소자(11)가 구성되어 있음으로써 실현할 수 있고, 그와 같이 구성되는 촬상 소자(11)의 응용례이다.

다음에, 도 16을 참조하여, 도 11에 도시한 촬상 소자(11A 및 11B)에서의 화소 신호의 판독 방식에 관해 설명한다.

도 16의 A에서는, 촬상 소자(11A)에 배치되는 복수의 화소 유닛(53) 중, 리니어 모드로 화소 신호가 판독되는 화소 유닛(53)에는 해칭이 시행되지 않고, 대수 모드로 화소 신호가 판독되는 화소 유닛(53)에는 해칭이 시행되어 있다.

도 16의 A에 도시하는 바와 같이, 촬상 소자(11A)에서는, 리니어 모드로 화소 신호가 판독되는 화소 유닛(53)과, 대수 모드로 화소 신호가 판독되는 화소 유닛(53)이, 체크무늬형상으로(즉, 화소 유닛(53)의 1열 및 1행마다 엇갈리게) 배치되는 판독 방식으로, 화소 신호를 판독할 수 있다.

이와 같이, 리니어 모드로 화소 신호가 판독되는 화소 유닛(53)과, 대수 모드로 화소 신호가 판독되는 화소 유닛(53)을 혼재시킴으로써, 다이내믹 레인지가 넓은 화상과, 노이즈가 작은 화상을 동일한 타이밍에서 취득할 수 있다. 예를 들면, 촬상 소자(11)는, 그들 2장의 화상을 독립한 것으로서 사용하여도 좋고, 그들 2장의 화상을 합성함으로써 노이즈가 적고, 또한, 다이내믹 레인지가 넓은 화상을 취득할 수 있다.

또한, 예를 들면, 리니어 모드로 화소 신호가 판독되는 화소 유닛(53)과, 대수 모드로 화소 신호가 판독되는 화소 유닛(53)이, 규칙적으로(예를 들면, 1열 또는 1행마다)에 배치되는 판독 방식이나, 랜덤하게 배치되는 판독 방식을 채용하여도 좋다. 또한, 화소 유닛(53)에 포함되는 모든 화소(12)가, 리니어 모드 또는 대수 모드의 어느 하나만으로 화소 신호가 판독되는 구성으로 하는 외에, 리니어 모드 또는 대수 모드가 조합되어 화소 신호가 판독되도록 하여도 좋다. 또한, 여기서 설명한 바와 같은 판독 방식은, 모든 화소(12)에서 리니어 모드 또는 대수 모드로 화소 신호를 판독할 수 있도록 촬상 소자(11A)가 구성되어 있음으로써 실현할 수 있고, 그와 같이 구성되는 촬상 소자(11A)의 응용례이다.

도 16의 B에서는, 촬상 소자(11B)에 배치되는 복수의 화소(12) 중, 리니어 모드로 화소 신호가 판독되는 화소(12)에는 해칭이 시행되지 않고, 대수 모드로 화소 신호가 판독되는 화소(12)에는 해칭이 시행되어 있다.

도 16의 B에 도시하는 바와 같이, 촬상 소자(11B)에서는, 리니어 모드로 화소 신호가 판독되는 화소(12)와, 대수 모드로 화소 신호가 판독되는 화소(12)가, 체크무늬형상으로(즉, 화소(12)의 1열 및 1행마다 엇갈리게) 배치되는 판독 방식으로, 화소 신호를 판독할 수 있다.

이와 같이, 리니어 모드로 화소 신호가 판독되는 화소(12)와, 대수 모드로 화소 신호가 판독되는 화소(12)를 혼재시킴으로써, 다이내믹 레인지가 넓은 화상과, 노이즈가 작은 화상을 동일한 타이밍에서 취득할 수 있다. 예를 들면, 촬상 소자(11)는, 그들 2장의 화상을 독립한 것으로서 사용하여도 좋고, 그들의 2장의 화상을 합성함으로써 노이즈가 적고, 또한, 다이내믹 레인지가 넓은 화상을 취득할 수 있다.

또한, 예를 들면, 리니어 모드로 화소 신호가 판독되는 화소(12)와, 대수 모드로 화소 신호가 판독되는 화소(12)가, 규칙적으로(예를 들면, 1열 또는 1행마다)에 배치되는 판독 방식이나, 랜덤하게 배치되는 판독 방식을 채용하여도 좋다. 또한, 여기서 설명한 바와 같은 판독 방식은, 모든 화소(12)에서 리니어 모드 또는 대수 모드로 화소 신호를 판독할 수 있도록 촬상 소자(11B)가 구성되어 있음으로써 실현할 수 있고, 그와 같이 구성되는 촬상 소자(11B)의 응용례이다.

또한, 상술한 바와 같은 각 판독 방식에서, 예를 들면, 프레임마다, 리니어 모드로 화소 신호가 판독되는 화소(12)(또는 화소 유닛(53))와, 대수 모드로 화소 신호가 판독되는 화소(12)(또는 화소 유닛(53))를 전환하여도 좋다.

예를 들면, 리니어 모드와 대수 모드를 심레스로 전환할 수 있는 것을 이용하여, 화상을 촬상할 때의 자동 노출 동작시에는, 대수 모드로 화소 신호를 판독하고, 화상을 촬상할 때에는, 리니어 모드로 전환하여 화소 신호를 판독하는 제어를 행할 수가 있다. 이와 같은 제어는, 대수 모드는 다이내믹 레인지가 넓기 때문에 최적의 노광 조건을 결정하는데 최적이고, 리니어 모드는 노이즈가 적기 때문에 촬영 모드에 적합한 것으로 된다.

다음에, 도 17 및 도 18을 참조하여, 화소 공유 구조의 화소(12)를 채용한 구성례에 관해 설명한다.

도 17에 도시되어 있는 화소(12X)는, 2개의 포토 다이오드(21a 및 21b)가, FD부(23), 증폭 트랜지스터(24), 선택 트랜지스터(25), 및 리셋 트랜지스터(26)를 공유하여 사용하는 2화소 공유 구조로 되어 있다. 그리고, 화소(12X)의 1열에 대해, 그 1열로 배치되는 화소(12X)의 개수에 응한 복수의 대수 변환 회로(32)가 배치된다. 즉, 화소 영역(13)의 1열에 마련되는 N개의 화소(12X-1 내지 12X-N)에 대한 리니어 모드 및 대수 모드의 전환가, 각각 대응하는 N개의 대수 변환 회로(32-1 내지 32-N)에 의해 행하여진다.

또한, 도 18에 도시되어 있는 화소(12Y)도, 도 17의 화소(12X)와 마찬가지로, 2화소 공유 구조로 되어 있다. 그리고, 도 12를 참조하여 상술(上述)한 바와 같은 적층 구조와 마찬가지로, 화소 기판(51)에 배치되는 화소(12Y)마다, 대수 변환 회로(32)를 갖는 회로 블록(54)을 회로 기판(52)에 마련한 구성으로 할 수 있다.

이와 같이, 2화소 공유 구조의 화소(12X) 및 화소(12Y)를 이용함으로써, 보다 미세화를 도모할 수 있다. 물론, 4화소 공유 구조나 8화소 공유 구조를 이용하여, 그들의 화소 공유 구조마다, 하나의 대수 변환 회로(32)를 이용하는 구성을 채용할 수 있다.

다음에, 도 19를 참조하여, 복수의 화소(12)로 대수 변환 회로(32)를 공유하는 다른 예에 관해 설명한다.

도 19에는, 예를 들면, 수직 방향으로 m행, 또한, 수평 방향으로 n열이 되도록 배치되는 m×n개의 화소(12(1, 1) 내지 12(m, n))의 영역에 대응하여, 대수 변환 회로(32)를 갖는 회로 블록(54)이 회로 기판(52)에 배치되는 구성이 도시되어 있다. 이와 같이, 소정의 영역에 배치되는 소정수(m×n개)의 화소(12)마다, 대수 변환 회로(32)를 공유할 수 있다.

이와 같이, 화소 공유 구조의 화소(12X 또는 12Y)에 의해 대수 변환 회로(32)를 공유하는 구성이나, 복수의 화소(12)에 의해 대수 변환 회로(32)를 공유하는 구성 등, 도시한 예로 한정되는 일 없이, 다양한 구성을 자유롭게 채용할 수 있다.

예를 들면, 도 20에는, 다른 사이즈의 포토 다이오드(21)를 이용한 화소 공유 구조의 구성례가 도시되어 있다.

도 20에 도시되어 있는 화소(12Z)는, 작은 사이즈의 포토 다이오드(21S-1)와, 큰 사이즈의 포토 다이오드(21L-1)를 이용한 화소 공유 구조가 이용되고 있다. 이와 같이, 사이즈가 다른 포토 다이오드(21), 즉, 감도가 다른 포토 다이오드(21)를 이용함으로써, 촬상 소자(11)는, 예를 들면, HDR(High Dynamic Range) 합성을 행하는 구성으로 할 수 있다.

이와 같이, 작은 사이즈의 포토 다이오드(21S-1)와, 큰 사이즈의 포토 다이오드(21L-1)를 이용하는데 더하여, 그들의 중간 사이즈의 포토 다이오드(21)를 조합시켜도 좋다.

또한, 본 기술은, 화소 공유 구조를 이용하지 않는 화소(12)에서, 화소(12)마다, 다른 사이즈의 포토 다이오드(21)를 채용한 구성에 적용할 수 있다. 또한, 본 기술은, 화소(12)마다, 컬러 필터나 반사 방지막 등의 광학 특성(투과 특성)를 다른 것으로 함으로써, 화소(12)마다의 감도를 변경하는 구성에 적용할 수 있다.

이상과 같이, 촬상 소자(11)는, 화소 영역(13)과 회로 영역(14)을 나누어 만들어짐으로써, 최적의 트랜지스터의 종류를 선택할(예를 들면, 전원종류(電源種)를 바꾸거나, 즉 게이트 산화막을 바꾸거나, 임계치를 바꾸거나, NMOS나 PMOS의 제약을 없애거나 할) 수 있다. 이에 의해, 촬상 소자(11)는, 광다이내믹 레인지의 화상을 보다 고화질로 촬상할 수 있다.

또한, 촬상 소자(11)는, 화소 기판(51) 및 회로 기판(52)을 개별적으로 제조할 수 있기 때문에, 프로세스 자체를 바꾸어서 최적화를 도모할 수 있다. 또한, 촬상 소자(11)는, 다이내믹 레인지가 높은 화소(12)로서 화소 신호를 판독할 수 있기 때문에, 화소 사이즈를 바꾸어 감도차를 이용한 HDR 방식에서는, 화소 사이즈비(比)를 크게 하지 않고도 종래와 동등 이상의 HDR 합성이 가능하다. 즉, 화소(12)마다, 또는, 프레임마다 노광 시간을 제어한 HDR 합성에서도, 노광비를 작게, 또는, 프레임 매수를 적게 하여도, 종래와 동등 이상의 HDR 합성을 간단하게 실장(實裝)할 수 있다.

다음에, 도 21은, 대수 판독만을 행하는 화소의 구성례를 도시하는 회로도이다.

도 21에 도시하는 바와 같이, 화소(121)는, 포토 다이오드(21) 및 선택 트랜지스터(25)를 구비하여 구성되고, 화소(121)에서는, 대수 판독만이 행하여진다. 또한, 화소(121)는, 포토 다이오드(21)의 캐소드 단자가, 선택 트랜지스터(25)를 통하여 AD 변환 회로(31)에 접속됨과 함께, 직접적으로 대수 변환 회로(32)에 접속되는 접속 구성으로 되어 있다.

그리고, 화소(121)는, 도 2에 도시한 바와 같은 전류원(35)이 불필요하고, 포토 다이오드(21)를 전류원으로 하여, 포토 다이오드(21)에서 발생한 전하를, 신호선(33)을 통하여 AD 변환 회로(31)에 판독할 수 있다. 즉, 화소(121)는, 선택 트랜지스터(25)가 온이 되면, 포토 다이오드(21)에서 발생한 전하가 대수적으로 변화하는 화소 신호를, AD 변환 회로(31)에 출력할 수 있다.

이와 같이 구성되는 화소(121)는, 도 2의 화소(12)와 비교하여, 전송 트랜지스터(22), FD부(23), 증폭 트랜지스터(24), 선택 트랜지스터(25), 및 리셋 트랜지스터(26)가 삭제된 구성으로 되어 있다. 또한, 화소(121)에서는, 리셋 트랜지스터(26)의 기능을, 대수 변환 회로(32)의 내부의 스위치(42)(도 4 참조)가 구비하는 구성으로 된다. 따라서, 화소(121)는, 도 2의 화소(12)보다도, 화소 면적을 삭감할 수 있음과 함께, 그 설계를 용이하게 행할 수 있다.

또한, 화소(121)에서는, 도 2의 화소(12)와 비교하여, 증폭 트랜지스터(24)를 구동하기 위한 전류원(35)을 구비할 필요가 없고, 증폭 트랜지스터(24) 및 전류원(35)에 의한 소스 팔로워가 불필요한 구성으로 되어 있다. 따라서, 화소(121)는, 그들 회로를 삭감함에 의해 노이즈의 저감을 도모할 수 있음과 함께, 소비 전력을 저감시킬 수 있다. 또한, 화소(121)는, AD 변환 회로(31)의 회로 설계가 용이해진다.

다음에, 도 22를 참조하여, 화소(121)의 화소 신호의 판독에 관해 설명한다.

도 22에 도시하는 바와 같이, 화소(121)로부터 화소 신호를 판독할 때, 항상, 대수 변환 회로(32)에 공급되는 이네이블 신호(LOGEN)는 Hi레벨이 되고, 대수 변환 회로(32)에 공급되는 반전 이네이블 신호(XLOGEN)는 Low레벨이 된다. 그리고, 선택 신호(SEL)가 Hi레벨인 동안, 포토 다이오드(21)로부터 AD 변환 회로(31)에 전하가 계속 전송된다. 이에 의해, 포토 다이오드(21)에서 광전변환된 전하가, 다이오드 접속된 트랜지스터(예를 들면, 도 4의 A의 NMOS 트랜지스터(41)나 도 4의 B의 PMOS 트랜지스터(43) 등)에 유입함에 의해, 대수적으로 변화하는 화소 신호를 판독할 수 있다.

다음에, 도 23은, 화소 영역(13)에 어레이형상으로 배치되는 화소(121)의 1열에 대한 대수 변환 회로(32)의 배치례를 도시하는 도면이다.

도 23에 도시하는 배치례에서는, 화소(121)의 1열에 대해, 그 1열로 배치되는 화소(121)의 개수에 응한 복수의 대수 변환 회로(32)가 배치된다. 즉, 촬상 소자(11)는, 화소 영역(13)의 1열에 마련되는 N개의 화소(121-1 내지 121-N)에 대해, 각각 대응하는 N개의 대수 변환 회로(32-1 내지 32-N)를 구비하여 구성할 수 있다.

이와 같이, 하나의 화소(121)에 대해 하나의 대수 변환 회로(32)가 마련되는 촬상 소자(11)에서는, 화소(121)마다, 화소 신호의 대수 판독을 행할 수가 있다. 또한, 촬상 소자(11)에서는, 이들의 대수 변환 회로(32)는, 화소 영역(13)의 외부가 되는 회로 영역(14)에 배치된다. 이에 의해, 촬상 소자(11)는, 대수 변환 회로(32)를 구성하는 트랜지스터의 사이즈나 종류 등에 대해 설계의 자유도를 향상시킬 수 있다.

다음에, 도 24를 참조하여, 대수 변환 회로(32)의 변형례에 관해 설명한다.

도 24에 도시하는 바와 같이, N개의 대수 변환 회로(32a-1 내지 32a-N)는, 반전 이네이블 신호(XLOGEN)에 따라 전원(VR)과의 접속을 제어하는 스위치(42)가 공통화된 구성으로 되어 있다. 스위치(42)는, 화소(121)에서 발생한 전하를 리셋하는 기능을 구비한다.

도 4를 참조하여 상술한 대수 변환 회로(32)의 회로 구성은, 어느 구성례에서도 스위치(42)를 구비하는 구성으로 되어 있고, N개의 대수 변환 회로(32a-1 내지 32a-N)가 스위치(42)를 공통되게 이용함으로써, 그들의 외부에 배치할 수 있다. 즉, 대수 변환 회로(32a-1 내지 32a-N)는, 도 4에 도시하는 대수 변환 회로(32)의 회로 구성에서, 그 내부에 스위치(42)가 배치되지 않는 구성으로 되어 있다.

이와 같이, 대수 변환 회로(32a-1 내지 32a-N)가 스위치(42)를 공통화함에 의해, 촬상 소자(11)는, 회로 면적을 삭감할 수 있다.

또한, N개의 대수 변환 회로(32a-1 내지 32a-N)와 같이, 스위치(42)를 공통화하는 구성은, 화소(121)에 대해 적용할 뿐만 아니라, 화소(12)에 대해서도 적용할 수 있다.

다음에, 도 25는, 도 2의 화소(12)의 기본 회로 구성의 변형례를 도시하는 회로도이다. 또한, 도 25에 도시하는 화소(12)의 기본 회로 구성에 있어서, 도 2와 공통된 구성에 관해서는, 동일한 부호를 붙이고, 그 상세 설명은 생략한다.

도 25에 도시하는 화소(12)의 기본 회로 구성에서는, 도 2와 마찬가지로 화소(12)가 구성됨과 함께, AD 변환 회로(31), 대수 변환 회로(32), 및 전류원(35)을 구비하는 구성으로 되어 있다. 그리고, 도 25에 도시하는 화소(12)의 기본 회로 구성에서는, 신호선(33) 및 신호선(34)을 접속하도록 스위치(141)가 추가됨과 함께, 신호선(33)에 스위치(142) 및 스위치(143)가 추가되어 있다. 스위치(142)는, 화소(12)와, 신호선(33) 및 스위치(141)의 접속점과의 사이를 접속하고, 스위치(142)는, 신호선(33) 및 AD 변환 회로(31)의 접속점과 전류원(35)과의 사이를 접속한다.

그리고, 스위치(141)는, 대수 신호를 판독하는 모드를 지시하는 대수 모드 신호(LOGMODE)에 따라 개폐를 행하고, 스위치(142) 및 스위치(143)는, 대수 모드 신호(LOGMODE)를 반전시킨 반전 대수 모드 신호(XLOGMODE)에 따라 개폐를 행한다.

다음에, 도 26을 참조하여, 도 25의 화소(12)의 기본 회로 구성에서의 화소 신호의 판독에 관해 설명한다.

도 26의 A에는, 화소(12)로부터 리니어 모드로 화소 신호를 판독할 때의 구동 신호의 예가 도시되어 있고, 도 26의 B에는, 화소(12)로부터 대수 모드로 화소 신호를 판독할 때의 구동 신호의 예가 도시되어 있다.

도 26의 A에 도시하는 바와 같이, 리니어 모드인 경우, Low레벨의 대수 모드 신호(LOGMODE)가 스위치(141)에 공급됨과 함께, Hi레벨의 반전 대수 모드 신호(XLOGMODE)가 스위치(142) 및 스위치(143)에 공급된다. 따라서, 리니어 모드인 경우, 스위치(141)는 오프로 됨과 함께, 스위치(142) 및 스위치(143)는 온이 된다.

즉, 리니어 모드에서는, 실질적으로, 도 2와 같은 접속 구성이 되고, 도 6의 A를 참조하여 상술한 리니어 모드와 마찬가지로, 화소(12)로부터 화소 신호를 판독할 수 있다.

도 26의 B에 도시하는 바와 같이, 대수 모드인 경우, Low레벨의 대수 모드 신호(LOGMODE)가 스위치(141)에 공급됨과 함께, Hi레벨 반전 대수 모드 신호(XLOGMODE)가 스위치(142) 및 스위치(143)에 공급된다. 따라서, 리니어 모드인 경우, 스위치(141)는 오프로 됨과 함께, 스위치(142) 및 스위치(143)는 온이 된다. 따라서, 리니어 모드인 경우, 스위치(141)는 온으로 됨과 함께, 스위치(142) 및 스위치(143)는 오프가 된다. 또한, 대수 모드인 경우, 항상 Hi레벨의 리셋 신호(RST) 및 전송 신호(TRG)가 화소(12)에 공급되고 있다.

따라서 대수 모드에서는, 선택 신호(SEL)가 Hi레벨인 동안, 도 21의 화소(121)와 마찬가지로, 포토 다이오드(21)가, 직접적으로, AD 변환 회로(31) 및 대수 변환 회로(32)에 접속되게 된다. 또한, 이 경우, 스위치(143)가 오프로 됨으로써, 전류원(35)이 접속되지 않는 구성이 된다. 이에 의해, 포토 다이오드(21)에서 광전변환된 전하가, 대수 변환 회로(32)의 다이오드 접속된 트랜지스터(예를 들면, 도 4의 A의 NMOS 트랜지스터(41)나 도 4의 B의 PMOS 트랜지스터(43) 등)에 유입함에 의해, 대수적으로 변화하는 화소 신호를 AD 변환 회로(31)에 판독할 수 있다.

즉, 대수 모드에서는, 실질적으로, 도 21의 화소(121)와 같은 접속 구성이 되어, 도 22를 참조하여 상술한 대수 모드와 마찬가지로, 화소(12)로부터 화소 신호를 판독할 수 있다.

또한, 상술한 바와 같은 촬상 소자(11)는, 예를 들면, 디지털 스틸 카메라나 디지털 비디오 카메라 등의 촬상 시스템, 촬상 기능을 구비하는 휴대 전화기, 또는, 촬상 기능을 구비하는 다른 기기라는 각종의 전자 기기에 적용할 수 있다.

도 27은, 전자 기기에 탑재된 촬상 장치의 구성례를 도시하는 블록도이다.

도 27에 도시하는 바와 같이, 촬상 장치(201)는, 광학계(202), 촬상 소자(203), 신호 처리 회로(204), 모니터(205), 및 메모리(206)를 구비하여 구성되고, 정지 화상상 및 동화상을 촬상 가능하다.

광학계(202)는, 1장 또는 복수장의 렌즈를 갖고서 구성되고, 피사체로부터의 상광(입사광)을 촬상 소자(203)에 유도하고, 촬상 소자(203)의 수광면(센서부)에 결상시킨다.

촬상 소자(203)로서는, 상술한 촬상 소자(11)가 적용된다. 촬상 소자(203)에는, 광학계(202)를 통하여 수광면에 결상된 상에 응하여, 일정 기간, 전자가 축적된다. 그리고, 촬상 소자(203)에 축적된 전자에 응한 신호가 신호 처리 회로(204)에 공급된다.

신호 처리 회로(204)는, 촬상 소자(203)로부터 출력된 화소 신호에 대해 각종의 신호 처리를 시행한다. 신호 처리 회로(204)가 신호 처리를 시행함에 의해 얻어진 화상(화상 데이터)은, 모니터(205)에 공급되어 표시되거나, 메모리(206)에 공급되어 기억(기록)되거나 한다.

이와 같이 구성되어 있는 촬상 장치(201)에서는, 상술한 촬상 소자(11)를 적용함으로써, 다이내믹 레인지가 넓은 촬상이 가능해지기 때문에, 피사체의 조도가 레인지 내에 충분히 수습됨으로써, 피사체에의 노광 제어 정밀도를 향상시킬 수 있고, 확실하게 노출이 맞는 화상을 촬상할 수 있다.

도 28은, 상술한 이미지 센서를 사용하는 사용례를 도시하는 도면이다.

상술한 이미지 센서는, 예를 들면, 이하와 같이, 가시광이나, 적외광, 자외광, X선 등의 광을 센싱하는 다양한 케이스에 사용할 수 있다.

·디지털 카메라나, 카메라 기능 부착의 휴대 기기 등의, 감상용으로 제공되는 화상을 촬영하는 장치

·자동 정지 등의 안전운전이나, 운전자의 상태의 인식 등을 위해, 자동차의 전방이나 후방, 주위, 차내 등을 촬영하는 차량탑재용 센서, 주행 차량이나 도로를 감시하는 감시 카메라, 차량 사이 등의 거리측정을 행하는 거리측정 센서 등의, 교통용으로 제공되는 장치

·유저의 제스처를 촬영하여, 그 제스처에 따른 기기 조작을 행하기 위해, TV나, 냉장고, 에어 컨디셔너 등의 가전에 제공되는 장치

·내시경이나, 적외광의 수광에 의한 혈관 촬영을 행하는 장치 등의, 의료나 헬스케어용으로 제공되는 장치

·방범 용도의 감시 카메라나, 인물 인증 용도의 카메라 등의, 시큐리티 용으로 제공되는 장치

·피부를 촬영한 피부 측정기나, 두피를 촬영하는 마이크로스코프 등의, 미용용으로 제공되는 장치

·스포츠 용도 등 용의 액션 카메라나 웨어러블 카메라 등의, 스포츠용으로 제공되는 장치

·밭이나 작물의 상태를 감시하기 위한 카메라 등의, 농업용으로 제공되는 장치

또한, 본 기술은 이하와 같은 구성도 취할 수 있다.

(1)

광전변환을 행하는 복수의 화소가 배치되는 화소 영역과,

상기 화소가 수광한 광의 광량에 응하여 화소 신호가 개략 대수적으로 변화하는 대수 판독 방식에 의해, 상기 화소로부터 화소 신호를 판독하는 대수 변환 회로가, 적어도 배치되는 회로 영역을 구비하는 고체 촬상 소자.

(2)

상기 대수 변환 회로는, 상기 화소로부터 화소 신호를 판독할 때에, 상기 대수 판독 방식과, 상기 화소가 수광한 광의 광량에 응하여 화소 신호가 개략 직선적으로 변화하는 직선 판독 방식을 전환하는 상기 (1)에 기재된 고체 촬상 소자.

(3)

상기 대수 변환 회로는, 상기 화소의 광전변환부에서 발생한 전하가 전송되는 부유 확산 영역에 소정의 트랜지스터를 통하여 접속되는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 고체 촬상 소자.

(4)

상기 대수 변환 회로는, 상기 화소로부터 상기 직선 판독 방식에 의해 화소 신호를 판독하는 경우에는, 스위치를 통하여 상기 화소에 전원 전압을 공급하고, 상기 화소로부터 상기 대수 판독 방식에 의해 화소 신호를 판독하는 경우에는, MOS(Metal-Oxide Semiconductor) 트랜지스터를 다이오드 접속한 회로를 통하여 상기 화소에 전원 전압을 공급하는 상기 (1)부터 (3)의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.

(5)

상기 대수 변환 회로는, 상기 화소 영역에 배치되는 상기 화소의 열마다, 그 열의 상기 화소의 개수에 응한 개수로 배치되는 상기 (1)부터 (3)의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.

(6)

상기 대수 변환 회로는, 상기 화소 영역에 배치되는 상기 화소의 열마다, 1개씩 배치되는 상기 (1)부터 (3)의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.

(7)

상기 화소 영역에 배치되는 소정수의 상기 화소에 대응하여, 하나의 상기 대수 변환 회로가 배치되는 상기 (1)부터 (6)의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.

(8)

상기 화소 영역이 형성되는 화소 기판과, 상기 회로 영역이 형성되는 회로 기판이 적층되는 적층 구조에 의해 구성되는 상기 (1)부터 (7)의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.

(9)

상기 화소 기판에 형성되는 하나의 상기 화소에 대응하여, 상기 회로 기판에 하나의 상기 대수 변환 회로가 배치되는 상기 (8)에 기재된 고체 촬상 소자.

(10)

상기 화소 기판에 형성되는 복수의 상기 화소로 이루어지는 화소 유닛에 대응하여, 상기 회로 기판에 하나의 상기 대수 변환 회로가 배치되는 상기 (8)에 기재된 고체 촬상 소자.

(11)

상기 화소 영역에서, 상기 직선 판독 방식의 상기 화소와 상기 대수 판독 방식의 상기 화소가, 상기 화소의 1열마다 배치되는 상기 (1)부터 (10)의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.

(12)

상기 화소 영역에서, 상기 직선 판독 방식의 상기 화소와 상기 대수 판독 방식의 상기 화소가, 상기 화소의 1행마다 배치되는 상기 (1)부터 (11)의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.

(13)

상기 화소 영역에서, 상기 직선 판독 방식의 상기 화소와 상기 대수 판독 방식의 상기 화소가, 상기 화소의 1열 및 1행마다 엇갈리게 배치되는 상기 (1)부터 (12)의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.

(14)

상기 화소 영역에서, 상기 직선 판독 방식의 상기 화소와 상기 대수 판독 방식의 상기 화소가, 복수의 상기 화소로 이루어지는 화소 유닛마다 배치되는 상기 (1)부터 (13)의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.

(15)

화상을 촬상할 때의 자동 노출 동작일 때에, 상기 대수 판독 방식에 의해 화소 신호를 판독하고, 화상을 촬상할 때에, 상기 직선 판독 방식에 의해 화소 신호를 판독하는 상기 (1)부터 (14)의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.

(16)

상기 화소는,

입사한 광을 광전변환에 의해 전하로 변환하여 축적하는 광전변환부와,

제1의 신호선과 상기 광전변환부를 접속하고, 상기 화소가 화소 신호를 출력하기 위해 선택된 상태로 하는 선택 트랜지스터를 갖고서 구성되고,

상기 화소를 전류원으로 하여, 상기 제1의 신호선을 통하여 출력되는 화소 신호를 AD(Analog to Digital) 변환하는 AD 변환 회로를 또한 구비하고,

제2의 신호선을 통하여, 상기 광전변환부가 직접적으로 상기 대수 변환 회로에 접속되는 상기 (1)부터 (15)의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.

(17)

상기 대수 변환 회로는, 상기 화소 영역에 배치되는 상기 화소의 열마다, 그 열의 상기 화소의 개수에 응한 개수로 배치되는 상기 (16)에 기재된 고체 촬상 소자.

(18)

상기 화소 영역에서 1열로 배치되는 상기 화소에 접속되는 복수의 상기 대수 변환 회로가, 상기 화소에서 발생한 전하를 리셋하는 스위치를 공통되게 이용하는 상기 (17)에 기재된 고체 촬상 소자.

(19)

상기 화소는,

상기 광전변환부에 축적되어 있는 전하를 전송하는 전송 트랜지스터와,

상기 전송 트랜지스터를 통하여 전송되어 오는 전하를 축적하는 부유 확산 영역과,

상기 부유 확산 영역에 축적되어 있는 전하에 응한 레벨의 화소 신호를 출력하는 증폭 트랜지스터와,

제1의 신호선과 상기 증폭 트랜지스터를 접속하고, 상기 화소가 화소 신호를 출력하기 위해 선택된 상태로 하는 선택 트랜지스터와,

상기 부유 확산 영역을, 제2의 신호선을 통하여 상기 대수 변환 회로에 접속하는 리셋 트랜지스터를 갖고서 구성되고,

상기 증폭 트랜지스터와 소스 팔로워를 구성하는 전류원과,

상기 제1의 신호선을 통하여 상기 화소로부터 출력되는 화소 신호를 AD 변환하는 AD 변환 회로를 또한 구비하는 상기 (1)부터 (15)의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.

(20)

상기 제1의 신호선 및 상기 제2의 신호선의 사이에 배치되는 제1의 스위치와,

상기 화소와, 상기 제1의 신호선 및 상기 제1의 스위치의 접속점과의 사이에 배치되는 제2의 스위치와,

상기 제1의 신호선 및 상기 AD 변환 회로의 접속점과, 상기 전류원과의 사이에 배치되는 제3의 스위치를 또한 구비하고,

상기 대수 판독 방식에 의해 상기 화소로부터 화소 신호를 판독할 때, 상기 제1의 스위치가 온이 되고, 상기 제2의 스위치 및 상기 제3의 스위치가 오프가 되는 상기 (19)에 기재된 고체 촬상 소자.

(21)

상기 화소가 수광한 광의 광량에 응하여 화소 신호가 개략 직선적으로 변화하는 직선 판독 방식에 의해 상기 화소로부터 화소 신호를 판독할 때, 상기 제1의 스위치가 오프가 되고, 상기 제2의 스위치 및 상기 제3의 스위치가 온이 되는 상기 (20)에 기재된 고체 촬상 소자.

(22)

광전변환을 행하는 복수의 화소가 배치되는 화소 영역과,

상기 화소가 수광한 광의 광량에 응하여 화소 신호가 개략 대수적으로 변화하는 대수 판독 방식에 의해, 상기 화소로부터 화소 신호를 판독하는 대수 변환 회로가, 적어도 배치되는 회로 영역을 구비하는 고체 촬상 소자의 구동 방법에 있어서,

상기 화소로부터 상기 대수 판독 방식에 의해 화소 신호를 판독하는 경우에는, MOS(Metal-Oxide Semiconductor) 트랜지스터를 다이오드 접속한 회로를 통하여 상기 화소에 전원 전압을 공급하는 구동 방법.

(23)

광전변환을 행하는 복수의 화소가 배치되는 화소 영역과,

상기 화소가 수광한 광의 광량에 응하여 화소 신호가 개략 대수적으로 변화하는 대수 판독 방식에 의해, 상기 화소로부터 화소 신호를 판독하는 대수 변환 회로가, 적어도 배치되는 회로 영역을 갖는 고체 촬상 소자를 구비하는 전자 기기.

또한, 본 실시의 형태는, 상술한 실시의 형태로 한정되는 것이 아니고, 본 개시의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지의 변경이 가능하다.

11 : 촬상 소자
12 : 화소
13 : 화소 영역
14 : 회로 영역
21 : 포토 다이오드
22 : 전송 트랜지스터
23 : FD부
24 : 증폭 트랜지스터
25 : 선택 트랜지스터
26 : 리셋 트랜지스터
27 : 대수 전환 트랜지스터
31 : AD 변환 회로
32 : 대수 변환 회로
33 및 34 : 신호선
41 : NMOS 트랜지스터
42 : 스위치
43 : PMOS 트랜지스터
44 : 스위치
51 : 화소 기판
52 : 회로 기판
53 : 화소 유닛
54 : 회로 블록

Claims

광전변환을 행하는 복수의 화소가 배치되는 화소 영역과,
상기 화소가 수광한 광의 광량에 응하여 화소 신호가 개략 대수적으로 변화하는 대수 판독 방식에 의해, 상기 화소로부터 화소 신호를 판독하는 대수 변환 회로가, 적어도 배치되는 회로 영역을 구비하고,
상기 대수 변환 회로는, 상기 화소로부터 화소 신호를 판독할 때에, 상기 대수 판독 방식과, 상기 화소가 수광한 광의 광량에 응하여 화소 신호가 개략 직선적으로 변화하는 직선 판독 방식을 전환하며,
상기 화소 영역에서, 상기 직선 판독 방식의 상기 화소와 상기 대수 판독 방식의 상기 화소가, 상기 화소의 1열마다 배치되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
제1항에 있어서,
상기 대수 변환 회로는, 상기 화소의 광전변환부에서 발생한 전하가 전송되는 부유 확산 영역에 소정의 트랜지스터를 통하여 접속되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
제1항에 있어서,
상기 대수 변환 회로는, 상기 화소로부터 상기 직선 판독 방식에 의해 화소 신호를 판독하는 경우에는, 스위치를 통하여 상기 화소에 전원 전압을 공급하고, 상기 화소로부터 상기 대수 판독 방식에 의해 화소 신호를 판독하는 경우에는, MOS(Metal-Oxide Semiconductor) 트랜지스터를 다이오드 접속한 회로를 통하여 상기 화소에 전원 전압을 공급하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
제1항에 있어서,
상기 대수 변환 회로는, 상기 화소 영역에 배치되는 상기 화소의 열마다, 그 열의 상기 화소의 개수에 응한 개수로 배치되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
제1항에 있어서,
상기 대수 변환 회로는, 상기 화소 영역에 배치되는 상기 화소의 열마다, 1개씩 배치되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
제1항에 있어서,
상기 화소 영역에 배치되는 소정수의 상기 화소에 대응하여, 하나의 상기 대수 변환 회로가 배치되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
제1항에 있어서,
상기 화소 영역이 형성되는 화소 기판과, 상기 회로 영역이 형성되는 회로 기판이 적층되는 적층 구조에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
제7항에 있어서,
상기 화소 기판에 형성되는 하나의 상기 화소에 대응하여, 상기 회로 기판에 하나의 상기 대수 변환 회로가 배치되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
제7항에 있어서,
상기 화소 기판에 형성되는 복수의 상기 화소로 이루어지는 화소 유닛에 대응하여, 상기 회로 기판에 하나의 상기 대수 변환 회로가 배치되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
제1항에 있어서,
상기 화소 영역에서, 상기 직선 판독 방식의 상기 화소와 상기 대수 판독 방식의 상기 화소가, 상기 화소의 1행마다 배치되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
제1항에 있어서,
상기 화소 영역에서, 상기 직선 판독 방식의 상기 화소와 상기 대수 판독 방식의 상기 화소가, 상기 화소의 1열 및 1행마다 엇갈리게 배치되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
제1항에 있어서,
상기 화소 영역에서, 상기 직선 판독 방식의 상기 화소와 상기 대수 판독 방식의 상기 화소가, 복수의 상기 화소로 이루어지는 화소 유닛마다 배치되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
제1항에 있어서,
화상을 촬상할 때의 자동 노출 동작일 때에, 상기 대수 판독 방식에 의해 화소 신호를 판독하고, 화상을 촬상할 때에, 상기 직선 판독 방식에 의해 화소 신호를 판독하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
제1항에 있어서,
상기 화소는,
입사한 광을 광전변환에 의해 전하로 변환하여 축적하는 광전변환부와,
제1의 신호선과 상기 광전변환부를 접속하고, 상기 화소가 화소 신호를 출력하기 위해 선택된 상태로 하는 선택 트랜지스터를 갖고서 구성되고,
상기 화소를 전류원으로 하여, 상기 제1의 신호선을 통하여 출력되는 화소 신호를 AD(Analog to Digital) 변환하는 AD 변환 회로를 또한 구비하고,
제2의 신호선을 통하여, 상기 광전변환부가 직접적으로 상기 대수 변환 회로에 접속되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
제14항에 있어서,
상기 대수 변환 회로는, 상기 화소 영역에 배치되는 상기 화소의 열마다, 그 열의 상기 화소의 개수에 응한 개수로 배치되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
제15항에 있어서,
상기 화소 영역에서 1열로 배치되는 상기 화소에 접속되는 복수의 상기 대수 변환 회로가, 상기 화소에서 발생한 전하를 리셋하는 스위치를 공통되게 이용하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
제1항에 있어서,
상기 화소는,
입사한 광을 광전변환에 의해 전하로 변환하여 축적하는 광전변환부와,
상기 광전변환부에 축적되어 있는 전하를 전송하는 전송 트랜지스터와,
상기 전송 트랜지스터를 통하여 전송되어 오는 전하를 축적하는 부유 확산 영역과,
상기 부유 확산 영역에 축적되어 있는 전하에 응한 레벨의 화소 신호를 출력하는 증폭 트랜지스터와,
제1의 신호선과 상기 증폭 트랜지스터를 접속하고, 상기 화소가 화소 신호를 출력하기 위해 선택된 상태로 하는 선택 트랜지스터와,
상기 부유 확산 영역을, 제2의 신호선을 통하여 상기 대수 변환 회로에 접속하는 리셋 트랜지스터를 갖고서 구성되고,
상기 증폭 트랜지스터와 소스 팔로워를 구성하는 전류원과,
상기 제1의 신호선을 통하여 상기 화소로부터 출력되는 화소 신호를 AD 변환하는 AD 변환 회로를 또한 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
제17항에 있어서,
상기 제1의 신호선 및 상기 제2의 신호선의 사이에 배치되는 제1의 스위치와,
상기 화소와, 상기 제1의 신호선 및 상기 제1의 스위치의 접속점과의 사이에 배치되는 제2의 스위치와,
상기 제1의 신호선 및 상기 AD 변환 회로의 접속점과, 상기 전류원과의 사이에 배치되는 제3의 스위치를 또한 구비하고,
상기 대수 판독 방식에 의해 상기 화소로부터 화소 신호를 판독할 때, 상기 제1의 스위치가 온이 되고, 상기 제2의 스위치 및 상기 제3의 스위치가 오프가 되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
제18항에 있어서,
상기 화소가 수광한 광의 광량에 응하여 화소 신호가 개략 직선적으로 변화하는 직선 판독 방식에 의해 상기 화소로부터 화소 신호를 판독할 때, 상기 제1의 스위치가 오프가 되고, 상기 제2의 스위치 및 상기 제3의 스위치가 온이 되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
광전변환을 행하는 복수의 화소가 배치되는 화소 영역과,
상기 화소가 수광한 광의 광량에 응하여 화소 신호가 개략 대수적으로 변화하는 대수 판독 방식에 의해, 상기 화소로부터 화소 신호를 판독하는 대수 변환 회로가, 적어도 배치되는 회로 영역을 구비하고, 상기 대수 변환 회로는, 상기 화소로부터 화소 신호를 판독할 때에, 상기 대수 판독 방식과, 상기 화소가 수광한 광의 광량에 응하여 화소 신호가 개략 직선적으로 변화하는 직선 판독 방식을 전환하며, 상기 화소 영역에서, 상기 직선 판독 방식의 상기 화소와 상기 대수 판독 방식의 상기 화소가, 상기 화소의 1열마다 배치되는 고체 촬상 소자의 구동 방법에 있어서,
상기 화소로부터 상기 대수 판독 방식에 의해 화소 신호를 판독하는 경우에는, MOS(Metal-Oxide Semiconductor) 트랜지스터를 다이오드 접속한 회로를 통하여 상기 화소에 전원 전압을 공급하는 것을 특징으로 하는 구동 방법.
광전변환을 행하는 복수의 화소가 배치되는 화소 영역과,
상기 화소가 수광한 광의 광량에 응하여 화소 신호가 개략 대수적으로 변화하는 대수 판독 방식에 의해, 상기 화소로부터 화소 신호를 판독하는 대수 변환 회로가, 적어도 배치되는 회로 영역을 구비하고,
상기 대수 변환 회로는, 상기 화소로부터 화소 신호를 판독할 때에, 상기 대수 판독 방식과, 상기 화소가 수광한 광의 광량에 응하여 화소 신호가 개략 직선적으로 변화하는 직선 판독 방식을 전환하며,
상기 화소 영역에서, 상기 직선 판독 방식의 상기 화소와 상기 대수 판독 방식의 상기 화소가, 상기 화소의 1열마다 배치되는 고체 촬상 소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 전자 기기.
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