KR20060103137A - 물리량 분포 검지기 및 물리 정보 취득 방법 및 물리 정보취득 장치 - Google Patents

Abstract

물리량 분포 검지를 위한 부분을 사용하여 물리량에 대한 소정의 검지 조건하에 취득되는 변화 정보에 기초하여 소정의 목적을 위해 물리 정보를 취득하는 물리 정보 취득 방법이 제공된다. 물리량 분포 검지를 위한 부분은, 검지기에 입사광의 물리량의 변화에 대응하는 변화 정보를 검지하고 검지기에 의해 검지되는 변화 정보에 기초하여 단위 신호를 출력하는, 소정의 순서로 배치된, 단위 구성 요소들을 갖는 검지기를 포함한다. 물리 정보 취득 방법에서, 반송파 신호는 검지기에 의해 검지되는 변화 정보에 기초하여 주파수에 관련된 신호로 변환된다. 소정의 목적을 위한 물리 정보는 주파수와 관련된 신호를 사용하여 취득된다.

물리량 분포 검지, 물리 정보 취득 방법, AD 변환 처리기, CMOS 화상 센서, 광전 변환, 색 감응성, 화소 신호 생성기, 주파수/위상 변조기, 잡음 저항 특성, 반도체 소자층, 펄스 카운트 처리

Description

물리량 분포 검지기 및 물리 정보 취득 방법 및 물리 정보 취득 장치{PHYSICAL QUANTITY DISTRIBUTION DETECTOR, PHYSICAL INFORMATION ACQUIRING METHOD, AND PHYSICAL INFORMATION ACQUIRING DEVICE}

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 물리 정보 취득 장치의 제1 실시예인 CMOS 고체 촬상 장치의 개략도이다.

도 2a 내지 도 2c는 열(column) 신호 처리기(22)에 설치되는 신호 변환기(100) 및 AD 변환기(120)를 설명하는 도면들이다.

도 3은 도 1a에 도시한 제1 실시예의 고체 촬상 장치의 열 신호 처리기(특히, 신호 변환기와 AD 변환기)의 제1예의 동작들을 설명하기 위한 타이밍 차트이다.

도 4는 도 1a에 도시한 제1 실시예의 고체 촬상 장치의 열 신호 처리기(특히, 신호 변환기와 AD 변환기)의 제2 예의 동작들을 설명하기 위한 타이밍 차트이다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 물리 정보 취득 장치의 일 형태인 CMOS 고체 촬상 장치의 개략도이다.

도 6은 도 5에 도시한 제2 실시예의 고체 촬상 장치의 열 신호 처리기(특히, 신호 변환기와 AD 변환기)의 동작들을 설명하기 위한 타이밍 차트이다.

도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 물리 정보 취득 장치의 일 형태인 CMOS 고체 촬상 장치의 제3 실시예의 제1 예를 설명하는 도면들이다.

도 8a 및 도 8b는 본 발명에 따른 물리 정보 취득 장치의 일 형태인 CMOS 고체 촬상 장치의 제3 실시예의 제1 예를 설명하는 도면들이다.

도 9a 및 9b는 본 발명에 따른 물리 정보 취득 장치의 일 형태인 CMOS 고체 촬상 장치의 제3 실시예의 제2 예를 설명하는 도면들이다.

도 10은 본 발명에 따른 물리 정보 취득 장치의 일 형태인 CMOS 고체 촬상 장치의 제4 실시예의 제1 예를 설명하는 도면이다.

도 11a 및 도 11b는 본 발명에 따른 물리 정보 취득 장치의 일 형태인 CMOS 고체 촬상 장치의 제4 실시예의 제2 예를 설명하는 도면들이다.

도 12a 및 도 12b는 본 발명에 따른 물리 정보 취득 장치의 일 형태인 CMOS 고체 촬상 장치의 제5 실시예를 설명하는 도면들이다.

도 13a 및 13b는 제3 실시예 내지 제5 실시예를 실현하는 것에 적합한 후면 조사형의 촬상부(10) 및 주변 회로부의 구조의 일례를 도시하는 단면도들이다.

도 14는 열 판독시스템의 고체 촬상 장치의 개략도이다.

도 15는 열 ADC 시스템의 고체 촬상 장치의 개략도이다.

<주요도면부호설명>

1: 고체 촬상 장치

3: 단위 화소

7: 구동 제어부

10: 촬상부

11: 타이밍 제어부

12: 수평 주사부

14: 수직 주사부

15: 행 제어선

16: 구동 신호 운영부

18: 수직 데이터선

19: 판독 전류 공급선

20: 열 처리부

22: 열 신호 처리기

27: 판독 전류원부

86: 수평 신호선

88: 출력부

60: 수평 선택 스위치부

100: 신호 변환기

102: 전압/주파수 변환기

106: 전압/위상 변환부

120: AD 변환기

121: 카운트 처리부

122, 124, 128: 펄스 카운트 처리부

126: 위상 식별기

130: 데이터 저장부

132: 스위치부

631: 반도체 소자층

638, 642: 배선층

639: 기판 지지재

640: 반도체 소자층

(비특허 문헌1) 가즈야 요네모토,“CCD/CMOS 화상 센서의 기초와 응용", CQ 출판사, 2003년 8월 10일 초판: 제6장 및 제7장

(비특허 문헌2) 더블유. 양 외, "집적 800 x 600 CMOS 화상 시스템", 기술 논문 ISSCC 다이제스트, 페이지 304-305, 1999년 2월

(비특허 문헌3) 토시푸미 이마무라, 요시코 야마모토,“3. 고속/기능 CMOS 화상 센서의 연구", [온라인], [2004년 3월 15일 검색] 인터넷<URL:http://www.sankaken.gr.jp/project/iwataPJ/report/h12/h12index.html>

(비특허 문헌4) 토시푸미 이마무라, 요시코 랴마모토, 나오야 하세가와, “3. 고속/기능 CMOS 화상 센서의 연구", [온라인], [2004년 3월 15일 검색] 인터넷<URL:http://www.sankaken.gr.jp/project/iwataPJ/report/h14/h14index.html>

(비특허 문헌5) 권오봉 외.,"고품질 640 x 480 CMOS 촬상 시스템을 위한 새로운 이중 경사 아날로그-대-디지털 변환기", VL3-03 1999 IEEE 페이지 335∼338

본 발명은, 물리량 분포 검지기, 물리 정보 취득 방법, 및 물리 정보 취득 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 광이나 방사선 등의 외부로부터 입력되는 전자파에 대하여 감응성(sensitivity)이 있는 복수의 단위 구성 요소가 배열되어 이루어져, 단위 구성 요소들에 의해서 전기 신호로 변환된 물리량 분포를 전기 신호로서 판독 가능한 고체 촬상 장치와 같은 물리량 분포 검지(물리량 분포 검지기)를 위한 사용에 적합한 소정의 목적을 위해 정보를 취득하기 위한 기술에 관한 것이다. 더 구체적으로, 검지기에서 검지된 신호를 아날로그 신호대로, 혹은 디지털 데이터로 변환하여, 출력측까지 전송할 때의 잡음 저항 특성에 관한 것이다.

광이나 방사선 등의 외부로부터 입력되는 전자파 혹은 압력(접촉등) 등의 물리량 변화에 대하여 감응성이 있는 단위 구성 요소(예를 들면, 화소)를 행렬 형상의 라인 형상으로 복수 개 배열하여 이루어지는 물리량 분포 검지 반도체 장치가 여러 가지 분야에서 사용되고 있다.

일례로서 비디오 기기의 분야에서는, 물리량의 일례인 광(전자파의 일례)의 변화를 검지하는 CCD(Charge Coupled Device)형 혹은 MOS(Metal Oxide Semiconductor;금속 산화막 반도체)나 CMOS(Complementary Metal-oxide Semiconductor; 상보 금속 산화막 반도체)형의 촬상 디바이스를 이용한 고체 촬상 장치가 사용되고 있다.

또한, 컴퓨터 기기의 분야에서는, 압력이나 광학적 특성의 변화에 기초한 전기적 특성의 변화에 기초한 지문의 상을 검지하는 지문 인증 장치 등이 사용되고 있다. 이들은, 단위 구성 요소(고체 촬상 장치에 있어서는 화소)에 의해서 전기 신호로 변환된 물리량 분포를 전기 신호로서 판독한다.

또한, 고체 촬상 장치들 중에는, 전하 생성기에서 생성된 신호 전하에 따른 화소 신호를 생성하는 화소 신호 생성부에 증폭용의 구동 트랜지스터를 갖는 증폭형 고체 촬상 장치(APS;Active Pixel Sensor; 또한 이득 셀, 또는 화소내 증폭기라고도 일컬어짐) 구성의 화소를 갖춘 증폭형 고체 촬상 장치가 있다. 많은 CMOS 형 고체 촬상 장치들은 그와 같은 구성을 하고 있다(예를 들면, 비특허 문헌1 참조).

이러한 증폭형 고체 촬상 장치에서 화소 신호를 외부에 판독하기 위해서는, 복수의 단위 화소가 배열되어 있는 촬상부에 대하여 주소 제어를 하여, 개개의 단위 화소로부터의 신호를 결정된 주소의 순 또는 임의로 선택하고 판독하도록 하고 있다. 즉, 증폭형 고체 촬상 장치는, 주소 제어형의 고체 촬상 장치의 일례이다.

주소 제어형 고체 촬상 장치에서, 예를 들면, 화소를 선택하는 스위칭 소자나 신호 전하를 판독하는 스위칭 소자에 MOS 트랜지스터가 이용되고 있다. 또한, 수평 주사(scanning) 회로나 수직 주사 회로에 MOS 트랜지스터가 이용된다. 주소 제어형 고체 촬상 장치는 스위칭 소자와 촬상부를 일련의 구성으로 제조를 수행할 수 있는 이점을 갖고 있다.

예를 들면, MOS 형 고체 촬상 장치에서, 각 단위 화소가 MOS 트랜지스터를 갖고 구성되어, 광전 변환에 의해 화소에 축적된 신호 전하를 화소 신호 생성부에 판독하여, 신호 전하를 전류 신호나 전압 신호로 변환하여 출력하는 구성으로 되어 있다.

예를 들면, 단위 화소가 행렬 형상으로 배치된 X-Y 주소형 고체 촬상 장치의 일종인 증폭형 고체 촬상 장치에, 화소들이 증폭 기능을 갖게 하기 위해서, MOS 구조 등의 활성 소자(MOS 트랜지스터)들을 이용하여 화소들을 구성하고 있다. 즉, 광전 변환 소자인 포토다이오드에 축적된 신호 전하(광전자 및 홀(hole))을 화소 신호 생성부의 상기 활성 소자로 증폭하여, 화상 정보로서 판독한다.

X-Y 주소형 고체 촬상 장치에서, 예를 들면, 복수의 화소 트랜지스터들이 2차원 화소 형상으로 배열된다. 라인(행)마다 혹은 화소마다 입사광에 대응하는 신호 전하의 축적이 개시되어, 그 축적된 신호 전하에 기초하는 전류 또는 전압의 신호가 주소 지정에 의해서 각 화소로부터 순서대로 판독된다. 여기서, MOS(CMOS를 포함함)형 고체 촬상 장치에서, 주소 제어의 일례로서, 한 줄의 픽셀들을 동시에 액세스하여 행 단위로 화소 신호를 촬상부에서 판독하는 시스템(이하, 행 단위 판독시스템 혹은 열 판독 시스템이라고도 함)이 자주 이용되고 있다.

도 14는, 열 판독시스템의 고체 촬상 장치(1)의 개략도이다. 이 고체 촬상 장치(1)는, 복수의 단위 화소(3)가 행 및 열에 배열된 화소 어레이(Pixel Array) 구조의 촬상부(10)의 주변에, 수평 주사부(12) 및 수직 주사부(14)를 갖는 구동 제어부(7)를 갖추고 있다. 구동 제어부(7)는, 수평 주사부(12)나 수직 주사부(14) 외에, 마스터 클럭 CLK0을 외부로부터 수취하고, 여러 가지의 내부 클럭을 생성하여 수평 주사부(12), 수직 주사부(14) 등을 제어하는 PLL(Phase Lock Loop;위상 동 기 회로) 구성의 타이밍 제어기(11)를 갖추고 있다. 또한, 구동 제어부(7)는 촬상부(10)로부터 출력되는 화소 신호를 처리하는 신호 처리부로서의 열 처리기(20), 선택 스위치(SW;60a)를 갖는 수평 선택 스위치부(60), 수평 데이터선(86), 및 출력부(88)를 포함하고 있다.

촬상부(10) 내에는, 일례로서, 수평 방향(H)에 1280개, 수직 방향(V)에 960개의 단위 화소(3)가 배치된다. 각 단위 화소(3)는, 수직 주사부(14)에 의해 제어되는 행 제어선(15)이나 화소 신호를 열 처리기(20)에 전달하는 수직 데이터선(18)과 접속되어 있다.

열 처리기(20)는, 도시하지 않은 축적 캐패시터들을 가지며 CDS(Correlated Double Sampling; 상관 2중 샘플링) 처리를 이용한 잡음 제거부들(22a), 및 신호를 샘플/홀드부(S/H부)(22b)를 갖는 열 신호 처리기(22)를 갖추고 있다.

이러한 구성에서는, 한 줄 분을 처리하기 위한 1H 기간(예; 63.3μs)에서, 촬상부(10)로부터의 화소 신호의 판독에 요하는 기간이 8.5μs 정도로, 수평 선택 스위치부(60)에 의한 수평 전송에 요하는 기간이 남은 54.8μs 정도이다.

또한, 촬상부에서 판독된 아날로그의 화소 신호는, 필요에 따라, 아날로그-대-디지털(AD) 변환기(Analog Digital Converter)로 디지털 데이터로 변환한다. 도 14에서, 일례로서, 출력부(88) 내에 AD 변환기(ADC)가 설치된다.

일반적으로, 화소 신호는, 리세트(reset) 성분에 신호 성분이 가해진 형태로 출력되므로, 리세트 성분에 따른 신호 전압과 신호 성분에 따른 신호 전압과의 차이를 계산함으로써 참 유효한 신호 성분을 취출할 필요가 있다.

아날로그의 화소 신호를 디지털 데이터로 변환하는 경우도 마찬가지고, 최종적으로는, 리세트 성분에 따른 신호 전압과 신호 성분에 따른 신호 전압과의 차이 신호 성분을 디지털 데이터로 변환할 필요가 있다. 이 때문에, 여러 가지의 AD 변환의 메커니즘들이 제안이 되어왔다(예를 들면, 비특허 문헌1 내지 비특허 문헌5 참조).

예를 들면, 비특허 문헌1 내지 비특허 문헌5에는, 행렬 형상으로 배치된 화소의 신호 출력을, 행마다 순차적으로 수직 데이터선에 판독한 후, 그 수직 데이터선마다 설치한 AD 변환 회로에서 신호 출력을 디지털 데이터로 변환하는 구조가 개시되어 있다. 이하, 이러한 AD 시스템을 열 ADC 시스템이라고도 한다.

여기서, 비특허 문헌1 내지 비특허 문헌5에 기재된 AD 변환의 메커니즘(열 ADC 시스템)에서, 보다 상세하게는, 촬상부로부터의 화소 신호와 일정한 기울기로 전압값이 변화하는 램프 파형의 전압(레퍼런스 신호 RAMP)을 비교하여, 비교 처리에 요한 시간을 카운터 클럭으로 카운트한다. 구체적으로는, 비교 개시와 거의 동시에 카운트를 개시하여, 비교기의 출력이 반전했을 때의 램프 파형의 전압을 나타내는 카운터의 값(디지털 데이터)을 출력함으로써, 각 수직 열의 화소 신호를 수직 열마다 디지털 화소 데이터로 변환한다.

도 15는, 열 ADC 시스템의 고체 촬상 장치(1)의 개략도이다. 이 고체 촬상 장치(1)는, 촬상부(10)의 외측에 설치된 구동 제어부(7)와, 카운트 처리부(CNT;23) 및 수직 열마다 배치된 열 AD 회로(24)를 갖는 열 처리기(20), 열 처리기(20)의 열 AD 회로(24)에 AD 변환용의 레퍼런스 전압을 공급하는 DAC(Digital Analog Converter)를 포함하는 레퍼런스 신호 생성기(26), 및 디지털 신호 처리를 이용한 센스 증폭기로서의 기능을 갖는 출력부(88)를 포함한다.

열 AD 회로(24)는, 레퍼런스 신호 생성기(26)로 생성되는 레퍼런스 전압 RAMP와, 행 제어선(15)(V1, V2,…)마다 단위 화소(3)로부터 수직 데이터선(18)(H1, H2,…)을 통해 얻어지는 아날로그의 화소 신호를 비교하는 전압 비교기(242)와, 전압 비교기(242)가 비교 처리를 완료하기까지의 시간을 카운트 처리부(23)를 이용하여 카운트한 결과를 비트 데이터마다 홀드하는 메모리 장치로서의 n개의 래치(플립플롭)들의 2 세트로 구성된 데이터 저장부(244)를 포함하여 구성되어, n 비트 AD 변환 기능을 갖고 있다. 열 AD 회로(24)는 n개의 래치를 2 세트 가지므로 리세트 성분에 따른 데이터와 신호 성분에 따른 데이터를 각각 개별적으로 홀드할 수 있다.

한 전압 비교기(242)의 일 입력 단자에는, 다른 전압 비교기(242)의 일 입력 단자와 공통으로, 레퍼런스 신호 생성기(26)로 생성되는 단계별 레퍼런스 전압 RAMP가 입력된다. 전압 비교기(242)의 다른 입력 단자에는, 각각 대응하는 수직 열의 수직 데이터선(18)이 접속된다. 전압 비교기(242)에 촬상부(10)로부터의 화소 신호 전압이 개별적으로 입력된다. 전압 비교기(242)의 출력 신호는 데이터 저장부(244)에 공급된다.

카운트 처리부(23)는, 마스터 클럭 CLK0에 대응한 카운터 클럭 CK0(예를 들면, 두 클럭 주파수가 동일함)에 기초하여 카운트 처리를 수행하고, 카운트 출력 CK1, CK2,…, CKn을 동기용의 카운터 클럭 CK0과 함께, 열 처리기(20)의 각 열 AD 회로(24)에 공통으로 공급한다.

즉, 수직 열마다 배치되는 데이터 저장부(244)의 각 래치에 대하여 카운트 처리부(23)로부터의 각 카운트 출력 CK1, CK2,…, CKn의 배선을 취출함으로써, 각 수직 열의 열 AD 회로(24)가 1개의 카운트 처리부(23)를 공통으로 사용하는 구성으로 되어 있다.

개개의 열 AD 회로(24)의 출력측은, 수평 데이터선(86)에 접속되어 있다. 수평 데이터선(86)은, 2n 비트 폭의 데이터선을 갖고, 출력부(88) 내의 도시하지 않은 각각의 출력선에 대응한 2n개의 센스 증폭기에 데이터가 공급된다. 출력부(88) 내에는, 도시하지 않은 감산 회로가 설치되어 있어, 리세트 성분에 따른 데이터와 신호 성분에 따른 데이터와의 차이를 계산함으로써 참 유효한 신호 데이터를 추출하도록 한다.

이러한 열 ADC 시스템에 따르면, 각 열(수직 열)에 AD 변환을 수행하기 때문에, 판독 속도와 AD 변환 처리의 고속화에 있어서 이점이 있다.

그러나, 종래의 물리량 분포 검지 반도체장치는, 상술한 바와 같이, 광전 변환에 의해 화소에 축적된 신호 전하를 화소 신호 생성기로 판독하여, 신호 전하를 전류 신호나 전압 신호로 변환하여 출력한다.

즉, 이것은, 전압 진폭 혹은 전류 진폭이 신호 전하량에 따른 고 레벨 또는 저 레벨에 세트되어 이 레벨들의 차이에 따라 단위 신호량을 할당함으로써 정보 전달을 수행함을 의미한다. 그러므로, 출력 신호가 기판 바이어스 효과나 배선 길이 의 영향을 받기 쉽고, 잡음 저항 특성이 뒤떨어진다(제1 문제).

또한, AD 변환에 있어서도, 신호 전하를 전류 신호나 전압 신호로 변환하고 나서 AD 변환하기 때문에, 전술의 기판 바이어스 효과나 배선 길이의 영향이 AD 변환 결과에 나타나, 제1 문제가 마찬가지로 발생한다.

덧붙여, 열 ADC 시스템을 보다 대규모(2000만 화소급) 또한 고속(500 fps)의 CMOS 화상 센서에 적용하려고 하면, 이하의 문제들이 발생한다.

예를 들면, 램프 신호선이 길어지면 저항, 배선 용량, 및 접속되어 있는 게이트들의 총 용량이 증대한다. 또한 CMOS 화상 센서 칩 내부의 위치에 따라 저항, 배선 용량, 및 게이트들의 총 용량의 값이 변하고, 램프 신호선이 길어질수록 그 영향을 더 받게 된다. 그 결과, CMOS 화상 센서 칩 내부의 위치에 따라 램프 데이터선의 전압(레퍼런스 신호 RAMP)이 변하여, 각 화소의 색 감응성을 정확하게 보정할 수 없고, 색 감응성은 화상의 음영(shading)으로서 나타난다(제2 문제).

이 문제는, 칩 사이즈가 크고, 또한 고속 변환 속도의 CMOS 화상 센서를 동작시키려고 했을 때보다 현저하게 된다. 바꾸어 말하면, 센서의 칩 사이즈가 커지고, 높은 변환 레이트가 요청되게 될 때, AD 변환 처리용의 레퍼런스 신호를 전체 비교기들에 정확하고 또한 고속으로 전달하는 것이 어렵게 되어, 그 결과, 정확한 감응성 보정(색인 경우에는 색 감응성 보정)을 수행하는 것을 어렵게 한다..

또한, 화소 수를 늘리면, 레퍼런스 전압을 이용한 AD 변환에서는, 처리 기간이 필요하다. 즉, 도 15에 도시한 종래의 열 ADC 시스템의 구성으로는 고속 AD 변환에 어려움이 있다. AD 변환 처리 시간을 단축하기위해서는, 카운터 클럭 CK0의 주파수를 높게 하는 것이 생각되지만, 그렇게 하면, 동기용의 카운터 클럭 CK0과 카운트 처리부(23)로부터의 각 카운트 출력 CK1, CK2,…, CKn을, 수직 열마다 배치되는 데이터 저장부(244)의 각 래치까지 배선할 필요가 있어, 이 배선에 의해 잡음의 증가나 전력 소비의 증대가 발생한다 (제3 문제).

본 발명은, 상기 사정에 감안하여 이루어진 것으로,상기 제1∼ 제3 문제 중 적어도 1개를 해소할 수 있는 새로운 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 물리 정보 취득 방법은, 입사된 물리량의 변화에 따른 변화 정보를 검지하는 검지기를 포함하고, 이 검지기에서 검지한 변화 정보에 기초하는 단위 신호를 출력하는 단위 구성 요소가 소정의 순으로 배치된 물리량 분포 검지를 위한 장치를 사용하여, 물리량에 대한 소정의 검지 조건하에 취득된 변화 정보에 기초하여 소정 목적용의 물리 정보를 취득하는 물리 정보 취득 방법으로서, 검지기에서 검지한 변화 정보에 기초하여 반송파 신호를 주파수에 관련된 신호로 변환하여, 이 주파수에 관련된 신호를 사용하여 소정 목적용의 물리 정보를 취득한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 물리 정보 취득 장치는, 상기 물리 정보 취득 방법을 구현하는 데 적합한 장치로서, 검지기에서 검지한 변화 정보에 기초하여, 반송파 신호를 주파수에 관련된 신호로 변환하는 신호 변환기를 갖춰, 이 신호 변환기가 생성한 주파수에 관련된 신호를 사용하여 소정 목적용의 물리 정보를 취득한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 물리량 분포 검지기는, 물리 정보 취득 방 법이나 물리 정보 취득 장치를 구현하는 데 사용되는 장치로서, 검지기에서 검지한 변화 정보에 기초하여 반송파 신호를 주파수에 관련된 신호로 변환하는 신호 변환기와, 신호 변환기가 생성한 주파수에 관련된 신호를 이용하여, 검지기 세트에서 검지한 변화 정보를 처리 대상 신호로서, 이 처리 대상 신호를 디지털 데이터로 변환하는 AD 변환 처리기를, 단위 구성 요소가 소정의 순으로 배치된 검지 영역 상에 포함한다.

본 발명의 다른 실시예들에서, 물리 정보 취득 방법, 물리 정보 취득 장치, 및 물리량 분포 검지기의 추가적으로 유용한 구체적 예들이 제공된다.

예를 들면, 신호 변환기가 생성한 주파수에 관련된 신호를 이용하여, 검지기에서 검지한 변화 정보를 처리 대상 신호로서, 이 처리 대상 신호를 디지털 데이터로 변환하는 AD 변환 처리기를 더 포함하는 것도 또한 가능하다.

신호 변환기나 AD 변환 처리기는, 단위 구성 요소가 소정의 순으로 배치된 검지 영역의 외부에 설치될 수 있지만, 검지 영역 상에 설치할 수도 있다. 후자인 경우, 신호 변환기 및 AD 변환 처리기가 차지하는 영역이, 검지기에서의 물리 정보의 검지 처리에 영향을 미치게 하지 않도록 하는 것이 바람직하다.

이 경우, 신호 변환기나 AD 변환 처리기의 수를 적게 하는 방법으로서, 신호 변환기만을 검지영역 상에 설치하는 경우에는, 복수의 단위 구성 요소들에 대하여 1개의 신호 변환기를 할당하거나, 또는 복수의 신호 변환기들에 대하여 1개의 출력단을 할당하는 선택 스위치부를 설치하는 구성을 채용하면 바람직하다.

또한, 신호 변환기와 AD 변환 처리기의 모두를 검지 영역 상에 설치하는 경 우에는, 복수의 신호 변환기들 및/또는 AD 변환 처리기들에 대하여 1개의 출력단을 할당하는 선택 스위치부를 설치하는 구성을 채용하면 바람직하다. 또한, 선택 스위치부도 검지 영역 상에 설치하는 것은 물론이다.

또한, 신호 변환기, AD 변환 처리기, 및 선택 스위치부를 검지 영역 상에 설치하는 경우에는, 물리량 분포 검지기는, 후면 조사형 검지기인 것이 바람직하다. 여기서, 후면 조사형이란, 검지기가 형성되는 소자층에 대한 한 쪽의 면측에 신호 변환기, AD 변환 처리기, 및 선택 스위치부를 형성하는 반도체 소자층을 갖고, 물리량이 소자층의 다른 쪽의 면측으로부터 검지기로 입사되도록 구성되어 있는 것을 의미한다.

또한, 신호 변환기, AD 변환 처리기,및 선택 스위치부의 전부가 동일한 반도체 소자층에 설치되어 있는 것은 필수가 아니라, 적어도 신호 변환기, AD 변환 처리기, 및 선택 스위치부가 다른 쪽의 면측과는 반대측의 임의 수의 반도체 소자층에 형성되기만 하면 바람직하다. 예를 들면, 신호 변환기, AD 변환 처리기, 및 선택 스위치부가, 각각 개별의 반도체 소자층에 설치될 수 있다.

신호 변환기는, 검지기에서 검지된 변화 정보에 기초하여, 반송파 신호를 주파수에 관련된 변조 신호로 변환하는 기능만을 갖추고 있어야 한다. 반송파 신호의 주파수 성분 그 자체를 변조 신호로서의 변화 정보에 따라 변조하는 주파수 변조기를 설치할 수 있거나, 또는 반송파 신호의 위상 성분을 변조 신호로서의 변화 정보에 따라 변조하는 위상 변조기를 설치할 수도 있다.

또한, AD 변환 처리기가, 소정의 카운트 대상 펄스의 폭을, 신호 변환기로부 터 출력된 신호에 따라 펄스 카운트 처리를 수행하는 것에 의해, 검지기에서 검지한 변화 정보인 처리 대상 신호를 디지털 데이터로 변환하는 것이 바람직하다. 이 때는, 카운터 클럭 용이나 계측 대상의 게이트 신호용의 배선에 의한 잡음이나 전력 소비 등의 문제를 경감하도록, 이들의 주파수를 낮게 하는 메커니즘을 채용하는 것이 바람직하다.

예를 들면, 신호 변환기로서, 주파수 변조기를 설치하는 경우에는, 주파수 변조기의 출력 신호에 따라 레퍼런스 신호의 펄스 폭을 카운트하면 된다. 레퍼런스 신호의 펄스의 폭을, 신호 변환기로부터 출력된 신호를 카운터 클럭으로서 이용하여 펄스 카운트함으로써, AD 변환용의 카운트 처리에 사용되는 게이트 신호로서의 레퍼런스 신호의 주파수를 낮게 할 수 있다. 혹은, 주파수 변조기의 출력 신호를 분주하여 게이트 신호로서 이용함으로써 그 주파수를 낮게 하여, 그 펄스 폭을 레퍼런스 신호에 따라 카운트하는 것도 또한 가능하다.

또한, 신호 변환기로서, 위상 변조기를 설치하는 경우에는, 소정 주파수의 레퍼런스 신호와 위상 변조기로부터 출력된 신호에 기초하여 위상 정보를 추출하는 위상 식별기를 설치하여, 이 위상 식별기로부터 출력된 위상 정보를 나타내는 카운트 대상 펄스의 폭을, 소정 주파수의 레퍼런스 신호 또는 위상 변조기로부터 출력된 신호에 따라 카운트하면 충분하다.

이 경우, 위상 정보를 나타내는 카운트 대상 펄스의 주파수를 낮게 하는 메커니즘을 채용하는 것이 바람직하다. 이것은, AD 변환용의 카운트 처리에 사용되는 게이트 신호로서의 카운트 대상 펄스의 주파수를 낮게 한다는 것을 의미한다.

또한, 레퍼런스 성분과 신호 성분을 포함하는 아날로그 처리 대상 신호의 레퍼런스 성분과 신호 성분과의 차이 신호 성분을 디지털 데이터로 변환하는 경우에는, AD 변환 처리기의 구성으로서, 다운 카운트 모드 및 업 카운트 모드의 어느 한쪽의 모드로 카운트 처리를 수행하여, 처리 완료 시점의 카운트치를 홀드하는 카운트 처리기를 갖춘 구성을 채용하는 것이 바람직하다. 이 때, 레퍼런스 성분 또는 신호 성분에 대하여 처리를 수행하고 있는지에 따라서 카운트 처리의 모드를 스위치하는 것이 바람직하다.

여기서, 카운트 처리의 모드 전환 처리로는, 우선, 제1 처리로서, 화소 등 동일 단위 요소로부터 출력되는 1개의 처리 대상 신호에 있어서의 상이한 물리적 성질을 갖는 레퍼런스 성분과 신호 성분 중의 어느 한쪽에 따른 신호에 대하여, 다운 카운트 모드 및 업 카운트 모드 중의 어느 한쪽의 모드로 카운트 처리를 수행하고, 처리 완료 시점의 카운트치를 홀드한다.

이후, 제2 처리에서, 레퍼런스 성분과 신호 성분 중의 다른 쪽에 대하여, 다운 카운트 모드 및 업 카운트 모드 중의 다른 쪽의 모드로 카운트 처리를 수행하고, 이 비교 처리가 완료된 시점의 카운트치를 홀드한다.

결과적으로, 제2 처리 후에 홀드되는 카운트치는, 제1 카운트치와의 차이가 된다. 즉, 카운트 모드를 스위치한 2회의 카운트 처리를 수행함으로써, 레퍼런스 성분과 신호 성분의 차이에 따른 디지털 값이 제2의 카운트 처리의 카운트치로서 얻어진다.

또한, 제2 처리에서, 카운트 처리에 따른 신호 성분은 적어도 처리 대상 신호의 참 신호 성분을 나타내야 한다. 신호 성분은 단지 참 신호 성분만을 의미하지 않고, 실제로는 처리 대상 신호에 포함되는 잡음 성분, 리세트 성분 등을 포함할 수 있다.

또한, 레퍼런스 성분과 신호 성분은, 상대적인 것이고, 레퍼런스 성분과 신호 성분과의 차이 신호 성분은 화소 등 동일 단위 요소로부터 출력되는 1개의 처리 대상 신호에 있어서의 상이한 물리적 성질들을 갖는 2개의 신호 성분 사이의 차이의 성분이기만 하면 된다.

레퍼런스 성분과 신호 성분에 대하여 카운트 처리를 수행할 때, 소정의 카운트 대상 펄스의 폭을, 신호 변환기로부터 출력된 신호를 카운터 클럭으로서 이용하여 펄스 카운트함으로써, 레퍼런스 성분이나 신호 성분의 각 크기에 대응한 카운트치를 얻는 것이 바람직하다. AD 변환용의 카운트 처리에 사용되는 게이트 신호의 주파수를 낮게 할 수 있다.

다운 카운트 모드나 업 카운트 모드로 카운트 처리를 수행하는 것에 있어서는, 공통의 업다운 카운터를 이용하면서, 그 처리 모드를 스위치하여 수행하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 카운트 처리에 이용하는 카운터 회로를 감소시킬 수 있다. 또한, 2개의 모드를 스위치하여 카운트 처리함으로써, 레퍼런스 성분과 신호 성분과의 감산 처리를 직접 수행할 수 있다. 이것은 레퍼런스 성분과 신호 성분과의 차이를 계산하기 위한 특별한 감산기를 불필요하게 한다.

또한, 제2 처리에 있어서의 카운트 처리는, 제1 처리에 있어서 홀드해 둔 카운트치로부터 개시하는 것이 좋다. 결과적으로, 제2 처리 후에 홀드되는 카운트치 는, 레퍼런스 성분과 신호 성분 사이의 차이 자체의 디지털 값이다.

여기서, 제1 처리로서, 레퍼런스 성분에 대하여 카운트 처리를 수행하고, 제2 처리로서, 신호 성분에 대하여 카운트 처리를 수행하도록 하면, 제2 처리 후에 홀드되는 카운트치는, 신호 성분의 카운트치로부터 레퍼런스 성분의 카운트치를 뺀 디지털 값이 얻어진다.

화소 등의 단위 구성 요소의 처리 대상 신호가, 일련의 시간에서 레퍼런스 성분 후에 신호 성분이 나타나는 신호인 경우, 제2 처리는 레퍼런스 성분에 신호 성분을 가해 얻어진 신호에 대한 처리이다. 제2 처리 후에 홀드되는 카운트치는, 단위 구성 요소의 신호 성분을 나타낸다.

또한, 레퍼런스 성분에 대한 처리를 다운 카운트 모드에서 수행하고, 신호 성분에 대한 처리를 업 카운트 모드에서 수행하도록 하면, 2회에 걸치는 처리 후에 홀드되는 카운트치는, 신호 성분의 카운트치로부터 레퍼런스 성분의 카운트치를 빼어 얻은 디지털 값이 양의 값으로서 얻어진다.

상술된 2 종류의 처리를 조합시켜, 제1 처리로서, 레퍼런스 성분에 대하여 다운 카운트 처리를 수행하고, 제2 처리로서, 신호 성분에 대하여 업 카운트 처리를 수행하도록 하면, 제2 처리 후에 홀드되는 카운트치는, 신호 성분의 카운트치로부터 레퍼런스 성분의 카운트치를 빼어 얻어진 디지털 값이 양의 값으로서 얻어진다. 단위 구성 요소의 처리 대상 신호가, 일련의 시간에 레퍼런스 성분 후에 신호 성분이 나타나는 신호인 경우에는, 단위 구성 요소의 유효 신호 성분을 나타내는 디지털 데이터가 양의 값으로서 편리하게 얻어진다.

또한, 최종 처리 대상 신호에 대하여, 제2 처리로써 홀드한 카운트치를 또 다른 데이터 저장부에 홀드하고, 현재 처리 대상 신호에 대하여, 제1 처리와 제2 처리를 수행할 때에, 데이터 저장부로부터의 카운트치의 판독 처리를 병행하여 수행하는 것이 좋다. 요약하면, 카운트 처리를 이용한 AD 변환 처리와, AD 변환 결과의 외부로의 판독 처리를 파이프라인 처리로 수행함으로써 전체 처리 시간이 단축된다. AD 변환 처리와 판독 처리를 병행하여 수행하는 파이프라인 동작을 수행하는 경우에, 단지 AD 변환된 데이터를 홀드하는 메모리 장치가 AD 변환기마다 일 시스템에 대해 제공되어야 한다. 회로 면적의 증대를 최대한으로 억제할 수 있다.

입사된 전자파에 대응하는 전하를 검지기에 생성하는 전하 생성기 및 전하 생성기에 의해 생성된 전하에 따른 단위 신호를 생성하는 단위 신호 생성기를 단위 구성 요소 내에 포함하고, 이 단위 구성 요소가 행렬 형상으로 배치되어, 물리량 분포 검지를 위한 반도체 장치에서, 전술한 AD 변환 처리는 단위 신호 생성기에 의해 생성되어 열 방향에 출력된 아날로그의 단위 신호를 처리 대상 신호로서 디지털 데이터로 변환하는 처리에 이용할 수 있다.

또 이와 같이, 단위 구성 요소들을 2차원 행렬 형상으로 배치한 경우, 단위 신호 생성기에 의해 생성되어 열 방향에 출력되는 아날로그 단위 신호를 행 단위로(열들에 대해 병렬로) 액세스하여 캡쳐하는 (수직) 스캔 판독을 수행하고, 이 행 단위로, 단위 구성 요소의 각각에 대하여, 제1 처리와 제2 처리를 수행함으로써, 단위 신호의 판독 및 AD 변환 처리의 고속화를 도모하는 것이 좋다.

단위 구성 요소들을 2차원 행렬 형상으로 배치할 때, 신호 변환기나 AD 변환 처리기를 검지 영역의 외부에 설치하는 경우에는, 이들을, 단위 구성 요소의 열의 배열 방향인 행 방향에 복수 개를 포함하고 있는 것이 바람직하다.

신호 변환기는, 단위 신호 생성기에 의해 생성되어 열 방향에 출력되는 아날로그 단위 신호를 행 단위로 캡쳐하고, AD 변환 처리기는, 행 단위로, 단위 구성 요소의 각각에 대하여, 각각이 담당하는 처리를 수행하도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 단위 신호 생성기는, 증폭용의 반도체 소자를 갖는 것이 바람직하다.

전하 생성기가, 전자파로서의 광을 수광하여, 이 수광한 광에 대응하는 전하를 생성하는 광전 변환 소자를 갖고 있으면, 반도체 장치를 고체 촬상 장치로서 구성할 수 있다.

<실시예>

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 설명한다. 아래 설명한 일례에서, X-Y 주소형의 고체 촬상 장치의 일례인, CMOS 촬상 장치를 디바이스로서 사용한다.

그러나, 이것은 단지 일례이고, 아래 기재된 본 발명의 실시예들이 적용되는 디바이스는 MOS 형의 촬상 디바이스에 제한되지 않는다. 외부로부터 입력되는 광 및 전자파에 대하여 감응성이 있는 단위 구성 요소를 행렬 형상의 라인 형상으로 복수 개 배열하여 이루어지는 물리량 분포 검지용의 반도체 장치들 모두에 실시예들을 적용할 수 있다.

촬상 장치의 개략적 구성;제1 실시예

도 1a 및 도 1b는, 본 발명에 따른 물리 정보 취득 장치의 일 형태인 CMOS 고체 촬상 장치의 제1 실시예의 개략도들이다. 이 실시예의 고체 촬상 장치(1)는, 예를 들면, 색 화상을 촬상할 수 있는 카메라 모듈 제품, 전자 스틸카메라, 또는 FA(Factory Automation) 카메라와 같은 카메라 장치에 사용된다. 고체 촬상 장치(1)는 물리량 분포 검지기의 일례이다.

고체 촬상 장치(1)는, 입사광량에 따른 신호를 출력하는 도시되지 않는 검지기로서의 수광 소자를 포함하는 단위 화소가 행 및 열의 정방 격자 형상으로 배열된(즉, 2차원 행렬 형상) 촬상 영역을 가지며, 각 단위 화소로부터의 신호 출력이 전압 신호이고, CDS 처리 기능부 및 그 밖의 기능부들이 수직 열마다 설치된 열형의 고체 촬상 장치이다.

여기서, 제1 실시예의 구성에서, 본원 발명의 실시예들의 특징 부분인 “광량을 반영한 신호 전하에 기초하여, 반송파 신호를 주파수에 관련된 신호로 변환하는 기능부를, 열 처리기(20) 내에 설치하고 있는 특징을 갖는다. 이하 구체적으로 설명한다.

즉, 도 1a에 도시한 바와 같이, 제1 실시예의 고체 촬상 장치(1)는, 다수의 단위 화소(3)(단위 구성 요소의 일례)가 행 및 열에(2차원 행렬 형상으로) 배열된 촬상 영역(화소부)(10), 즉, 면적 센서부, 촬상 영역(10)의 외측에 설치된 구동 제어부(7), 각 수직 열에 배치된 열 신호 처리기(도면에서, "열 회로(22)")(22)를 갖는 열 처리기(20), 및 수평 선택 스위치부(60)를 포함하고 있다. 또한, 도시되지는 않지만, 촬상부(10)가 설치되어 있는 반도체 영역과는 분리된 회로 기판 상에 외부 회로가 설치된다.

판독 전류원부(27)는, 촬상부(10)와 열 처리기(20) 사이의 신호 경로(수직 데이터선(18)) 상에 설치되고, 신호판독선 및 판독 전류 공급선의 양 기능을 갖는 각 수직 데이터선(18)에 대하여 드레인 단자가 접속된 부하 MOS 트랜지스터를 포함하는 도시되지 않은 부하 트랜지스터부가 배치되어, 각 부하 MOS 트랜지스터를 구동 제어하는 부하 제어부(부하 MOS 제어기)가 설치되어 있다. 이 경우, 전류 소비량의 저감 및 기생 캐패시턴스에의 누적 전하의 영향을 배제하는 것 등을 목적으로, 판독 행을 스위치할 때마다 수직 데이터선(18)의 전류 공급을 온/오프하도록 제어한다.

구동 제어부(7)로서는, 예를 들면, 수평 주사부(12)와 수직 주사부(14)를 포함한다. 또한, 구동 제어부(7)의 다른 구성 요소로서, 수평 주사부(12), 수직 주사부(14), 혹은 열 처리기(20) 등의 고체 촬상 장치(1)의 각 기능부에 소정의 타이밍의 제어 펄스를 공급하는 구동 신호 운영부(판독 주소 제어 장치의 일례)(16)가 설치되어 있다.

구동 제어부(7)의 각 구성 요소는, 촬상부(10)와 함께, 반도체 집적회로 제조 기술과 동일한 기술을 이용하여 단결정 실리콘 등의 반도체 영역에 일체적으로 형성되고, 반도체 시스템의 일례인 고체 촬상 장치로서 구성된다.

도 1a에서, 설명의 단순성을 위해 행 및 열의 일부를 생략하여 보이고 있지만, 실제로는, 촬상부(10)의 각 행 및 각 열에, 수십으로부터 수천의 단위 화소(3)가 배치된다. 또한, 도시되지는 않았지만, 촬상부(10)에는, 각 화소에 소정의 색 코딩을 갖는 색 분리 필터들과 온-칩 렌즈들이 형성된다. 또한 도시되지는 않았지 만, 촬상부(10)의 각 단위 화소(3)는, 포토다이오드나 포토게이트 등의 광전 변환 소자 및 트랜지스터 회로에 의해서 구성되어 있다.

단위 화소(3)는, 수직 열 선택을 위한 수직 제어선(15)을 통하여 수직 주사부(14)와, 또한 복수의 검지기에서 검지되어 증폭 소자를 갖는 단위 신호 생성기에서 증폭된 후에 단위 화소(3)로부터 출력되는 화소 신호 S0(S0_1 내지 S0_h;1 내지 h는 한 행 중의 화소 번호)를 전송하는 전송선으로서의 수직 데이터선(18)을 통해 열 처리기(20)와, 각각 접속되어 있다.

수평 주사부(12)나 수직 주사부(14)는, 구동 신호 운영부(16)로부터 공급되는 구동 펄스에 응답하여 시프트(shift) 동작(주사)을 개시하도록 되어 있다. 수직 제어선(15)에는, 단위 화소(3)를 구동하기 위한 여러 가지의 펄스 신호들이 포함된다.

수평 주사부(12)는, 수평 방향의 판독 열(수평 방향의 주소)을 규정하는(열 처리기(20) 내의 개개의 열 신호 처리기(22)를 선택함) 수평 주소 설정부(12x)와, 수평 주소 설정부(12x)에서 규정된 판독 주소에 따라서 열 처리기(20)의 각 신호를 수평 데이터선(86)에 유도하는 수평 구동기(12y)를 갖는다.

수평 주소 설정부(12x)는, 도시되지는 않았지만, 시프트 레지스터 혹은 디코더를 포함하고, 열 신호 처리기(22)로부터의 화소 정보를 소정의 순서로 선택하여, 그 선택한 화소 정보를 수평 데이터선(86)에 출력하는 선택 수단으로서의 기능을 갖는다.

수직 주사부(14)는, 수직 방향의 판독 행(수직 방향의 주소)나 및 수평 방향 의 판독 열(수평 방향의 주소)을 규정하는(촬상부(10)의 행을 선택함) 수직 주소 설정부(14x)와, 수직 주소 설정부(14x)에서 규정된 수평 행 방향에서의 판독 주소 상의 단위 화소(3)에 대해 행 제어선(15)에 펄스를 공급하여 단위 화소(3)를 구동하는 수직 구동기(14y)를 포함한다.

수직 주소 설정부(14x)는, 도시되지는 않았지만, 신호를 판독하는 행의 기본적인 제어를 수행하는 수직 시프트 레지스터 혹은 디코더 외에, 전기 셔터를 위한 행의 제어를 수행하는 셔터 시프트 레지스터를 포함한다.

수직 시프트 레지스터는, 촬상부(10)로부터 화소 정보를 판독하는 것에서 각 단위 화소(3)를 행 단위로 선택하기 위한 것이고, 각 행의 수직 구동기(14y)와 함께 신호 출력 행 선택부를 구성한다. 셔터 시프트 레지스터는, 전자 셔터 동작을 수행하는 것에서 각 화소를 행 단위로 선택하기 위한 것이고, 각 행의 수직 구동기(14y)와 함께 전자 셔터 행 선택부를 구성한다.

구동 신호 운영부(16)는, 도시되지는 않았지만, 각 부의 동작에 필요한 클럭이나 소정의 타이밍 펄스 신호를 공급하는 타이밍 생성기(timing generator;TG)(판독 주소 제어 장치의 일례)의 기능 블록과, 단자(1a)를 통하여 입력 클럭 CLK0 및, 동작 모드 등을 명령하는 데이터를 수취하고, 또한 단자(1b)를 통하여 고체 촬상 장치(1)의 정보를 포함하는 데이터 DATA를 출력하는 통신 인터페이스의 기능 블록을 포함한다. 또한, 구동 신호 운영부(16)는 수평 주소 신호를 수평 주소 설정부(12x)에, 또한 수직 주소 신호를 수직 주소 설정부(14x)에 출력하여, 각 주소 설정부(12x,14x)는, 주소 신호를 수신하여 그에 대응하는 행 혹은 열을 선택한다.

또한, 구동 신호 운영부(16)는, 촬상부(10) 및 수평 주사부(12) 등과 같은, 다른 기능 요소들과는 독립적으로, 분리된 반도체 집적회로로서 제공될 수 있다. 이 경우, 촬상부(10)와 수평 주사부(12)를 포함하는 촬상 디바이스와 구동 신호 운영부(16)에 의해, 반도체 시스템의 일례인 촬상 장치가 구축된다. 이 촬상 장치는, 주변의 신호 처리 회로, 전원 회로 등도 삽입된 촬상 모듈로서 제공될 수 있다.

열 처리기(20)는 수직 열마다 열 신호 처리기(22)를 포함하고 있고, 한 행의 화소의 신호에 응답하여, 각 열 신호 처리기(22)가 대응하는 열의 화상 신호 S0(S0_1 내지 S0_h;1 내지 h는 한 행의 화소 번호임)를 처리하여, 처리된 화소 신호 S1(S1_1 내지 S1_l;1 내지 h는 한 행의 화소 번호임)를 출력한다.

예를 들면, 열 신호 처리기(22)는, 도시되지는 않았지만, 저장 캐패시터를 포함한 저장부를 포함하고, 단위 화소(3)로부터 수직 데이터선(18)을 통하여 판독된 화소 신호(단위 신호) S0에 기초하는 소정의 목적을 위한 물리 정보를 나타내는 전위 신호 Vm을 저장하는 라인 메모리 구조의 신호 홀드 기능을 가질 수 있다. 또한, 열 신호 처리기(22)는 저장 캐패시터를 가지며, CDS 처리를 이용한 잡음 제거부의 기능을 가질 수 있다.

CDS 처리의 수행에서, 구동 신호 운영부(16)로부터 공급되는 샘플 펄스 SHP와 샘플 펄스 SHD라는 2개의 샘플 펄스들에 기초하여, 수직 데이터선(18)을 통하여 입력된 전압 모드의 화소 정보에 대하여, 화소 리세트 직후의 신호 레벨(잡음 레벨; 0 레벨)과 참 신호 레벨과의 차이를 계산하는 처리를 수행함으로써, 화소마다 의 고정 변동에 의한 고정 패턴 잡음(FPN;Fixed Pattern Noise) 및 리세트 잡음이라고 잡음 신호 성분을 제거한다.

또한, CDS 처리 기능부 등의 후단에, 필요에 따라 신호 증폭 기능을 갖는 AGC(Auto Gain Control) 회로 및 그 밖의 처리 기능 회로 등을 설치하는 것도 가능하다.

또한, 나중에 상세히 기재되는 바와 같이, 본 실시예의 특유의 구성으로서, 도 1b에 도시한 바와 같이, 열 신호 처리기(22)는, 광량을 반영한 신호 전하에 기초하여 반송파 신호를 주파수에 관련된 신호로 변환하는 기능부로서 신호 변환기(100)를 포함한다. 또한, 변조된 반송파 신호(변조 신호)에 기초하여 디지털 카운트 처리를 수행함으로써 AD 변환을 실현하는 펄스 카운트 시스템의 AD 변환기(120)를 신호 변환기(100)의 후단에 포함하는 것도 가능하다.

신호 변환기(100)는, 단지 촬상부(10)에 의해 취득되는 전압 모드의 화소 신호에 기초하여 반송파 신호를 주파수에 관련된 변조 신호로 변환하는 기능을 가져야 하고, 또한 반송파 신호의 주파수 f 그 자체를 변조 신호로서의 화소 신호에 따라 변조하는 주파수 변조기로서의 전압/주파수 변환기(V/F)(102) 혹은 위상φ를 변조 신호로서 사용되는 화소 신호에 따라 변조하는 위상 변조기로서의 전압/위상 변환기(V/P)(106)를 포함해야 한다.

신호 변환기(100)의 후단에 설치되는 AD 변환기(120)는, 신호 변환기(100)에 의해 변조된 반송파 신호(변조 신호)에 기초하여 디지털 카운트 처리를 수행하는 부분이어야 한다. 레퍼런스 신호에 따라 변조 신호의 펄스 폭 혹은 위상 변동 폭 을 카운트 처리하는 구성, 및 변조 신호에 따라 레퍼런스 신호의 펄스 폭 혹은 레퍼런스 신호의 위상 변동 폭을 카운트 처리하는, 즉 설정 시간 당의 펄스 수를 변조 신호로 세는 구성 모두를 채용할 수 있다.

또한, 촬상부(10)로부터 출력되는 화소 신호는, 리세트 레벨 등의 기준 레벨과 리세트 레벨에 중첩된 참 신호 레벨로 나타내지기 때문에, 참 신호 레벨을 추출하기 위해서, 화소 신호는 리세트 레벨과 신호 레벨 사이에서 차이를 처리하는 것에 따른다. 이 경우, 그것은, 신호 변환기(100)와 AD 변환기(120)와의 관계에서, 리세트 레벨과 신호 레벨의 각 펄스 수의 차이를 계산하여 실현된다. 더구나, 이 차이 처리에 따라, 전압 제어 발진기의 주파수 오프셋 및 위상 오프셋 등의 신호 변환기(100)의 개별적 변동을 배제할 수 있다.

열 처리기(20)의 후단에는, 도시되지 않은 수평 판독용의 스위치(선택 스위치)를 포함한 수평 선택 스위치부(60)가 설치되어 있다. 각 수직 열의 열 신호 처리기(22)의 출력단은, 열 신호 처리기(22)로부터 화소 신호 S2를 순차적으로 판독하기 위한 각 수직 열에 대응하는 수평 선택 스위치부(60)의 선택 스위치의 입력단 i에 각각 접속되어 있다.

수평 선택 스위치부(60)의 각 수직 열의 제어 게이트단 c는, 수평 방향의 판독 주소를 제어하고 구동하는 수평 주사부(12)의 수평 구동기(12y)에 접속된다. 한편, 수평 선택 스위치부(60)의 각 수직 열의 선택 스위치의 출력단 o는, 행 방향에 화소 신호를 순차적으로 전송 출력하는 수평 데이터선(86)이 공통 접속되어 있다. 수평 데이터선(86)의 후단에는 출력부(88)가 설치되어 있다.

수평 데이터선(86)은, 단위 화소(3)의 각각으로부터 수직 데이터선(18)을 통하여 전송되는 개개의 화소 신호 S0(정확하게는, 화소 신호 S0에 기초하는 화소 신호 S2)을, 수직 데이터선(18)의 배열 방향인 수평 방향에 소정의 순서로 출력하기 위한 판독선으로서 기능하는 것이며, 열 신호 처리기(22)로부터, 수직 열마다 존재하는 도시되지 않는 선택 스위치에 의해서 선택된 신호를 취출하여 출력부(88)에 전달한다.

즉, 열 신호 처리기(22)에 의해 처리된 화소 정보를 나타내는 신호 전하에 따른 각 수직 열의 전압 신호는, 수평 주사부(12)로부터의 수평 선택 신호φH1 내지φHh에 따른 수평 판독 펄스φg1 내지 φgh에 의해 구동되는 수직 열마다 설치된 선택 스위치에 의해 소정의 타이밍에 선택되어 수평 데이터선(86)으로 판독된다. 그 다음, 수평 데이터선(86)의 후단에 설치된 출력부(88)에 전압 신호가 입력된다.

출력부(88)는, 촬상부(10)로부터 수평 데이터선(86)을 통해서 출력되는 각 단위 화소(3)의 화소 신호 S2_1 내지 S2_h(h= n)를 적당한 이득으로 증폭한 후, 촬상 신호 S3으로서 외부 회로에 출력 단자(88a)를 통하여 공급한다. 이 출력부(88)는, 예를 들면, 버퍼링만 하는 경우도 있고, 다른 경우들에서는 버퍼링 전에 흑 레벨 조정, 열 변동 보정, 색 관계 처리 등을 수행하는 경우도 있다. 또한, 열 신호 처리기(22)에 AD 변환 기능부를 설치하는 경우에는, 출력부(88)는 병렬/직렬 변환 기능을 갖도록 하여, 열 신호 처리기(22)에 의해 취득되는 n 비트 병렬 디지털 데이터를 직렬 데이터로 변환하여 출력할 수 있다.

즉, 본 실시예의 열형의 고체 촬상 장치(1)에서는, 단위 화소(3)로부터의 출 력 신호(전압 신호)가, 수직 데이터선(18), 열 처리기(20)(열 신호 처리기(22)), 수평 데이터선(86), 출력부(88)의 순으로 전송된다. 고체 촬상 장치(1)의 구동은, 한 행의 화소 출력 신호를 수직 데이터선(18)을 통하여 병렬로 열 처리기(20)에 보내어, 처리 후의 신호를 수평 데이터선(86)을 통하여 직렬로 출력하도록 한다. 이 화소 신호의 열 처리기(20)까지의 전송 동작은 한 행의 단위 화소(3)에 대하여 동시에 수행된다.

수직 열이나 수평 행마다의 구동을 할 수 있는 한, 단위 화소를 구동하기 위한 펄스 신호를 단위 화소(3)로 수평 행 방향 또는 수직 열 방향에서 공급하는지를 선택적으로 결정할 수 있다, 즉, 펄스 신호를 인가하기 위한 클럭 선을 구동하기 위한 물리적인 배선 방법은 선택적이다.

이러한 구성의 고체 촬상 장치(1)에서, 수평 주사부(12), 수직 주사부(14), 및 이들을 제어하는 구동 신호 운영부(16)에 의해, 촬상부(10)의 각 화소를 수평 행 단위에 의한 순서로 선택하여, 그 선택한 1개의 수평 행의 화소의 정보를 동시에 판독하는 유형의 CMOS 화상 센서가 구성된다.

출력부(88)의 후단에 설치되는 외부 회로는, 촬상부(10), 구동 제어부(7) 등이 동일한 반도체 영역에 일체적으로 형성된 고체 촬상 장치와는 다른 기판(프린트 기판 혹은 반도체 기판) 상에 구성되어 있고, 각 촬영 모드에 대응한 회로 구성이 채용된다.

촬상부(10) 및 구동 제어부(7)로 이루어지는 고체 촬상 장치(본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치 및 물리 정보 취득 장치의 일례)와 외부 회로에 의해, 고 체 촬상 장치(1)가 구성되어 있다. 구동 제어부(7)를 촬상부(10) 및 열 처리기(20)와 별개로 설치하고, 촬상부(10) 및 열 처리기(20)로 고체 촬상 장치(반도체 장치의 일례)를 구성하고, 이 고체 촬상 장치와 별개의 구동 제어부(7)에 의해 촬상 장치(물리 정보 취득 장치의 일례)로서 구성할 수도 있다.

도시되지는 않았지만, 외부 회로는, 예를 들면, 출력부(88)로부터 출력된 아날로그 촬상 신호 S3을 디지털 촬상 데이터 D3으로 변환하는 A/D(Analog to Digital) 변환기와, A/D 변환기에 의해 디지털화된 촬상 데이터에 기초하여 디지털 신호 처리를 수행하는 디지털 신호 처리기(DSP;Digital Signal Processor)를 포함한다. 열 신호 처리기(22)가 AD 변환기능을 갖추는 경우, 외부 회로는, A/D 변환부를 갖출 필요는 없다.

디지털 신호 처리기는, A/D 변환부로부터 출력되는 디지털 신호를 적당하게 증폭하여 출력하는 디지털 증폭기부의 기능을 갖는다. 또한, 예를 들면, 디지털 신호 처리기는 색 분리 처리를 디지털 신호에 실시하여 R(적), G(녹), 및 B(청)의 각 화상을 나타내는 화상 데이터 RGB를 생성하고, 이 화상 데이터 RGB에 대하여 그 밖의 신호 처리를 실시하여 모니터 출력용의 화상 데이터를 생성한다. 또한, 디지털 신호 처리기에는, 기록 미디어에 촬상 데이터를 저장하기 위한 신호 압축 처리 등을 수행하는 기능부가 포함된다.

또한, 외부 회로는, 디지털 신호 처리기에서 디지털 처리된 화상 데이터를 아날로그 화상 신호로 변환하는 D/A(Digital to Analog) 변환기도 갖춘다. D/A 변환기로부터 출력된 화상 신호는, 액정 모니터 등의 도시가 되지 않은 디스플레이 디바이스에 보내진다. 운영자는, 이 디스플레이 디바이스에 표시되는 메뉴나 화상을 보면서, 촬상 모드를 스위치하는 등의 각종의 동작을 수행할 수 있다.

이 섹션에 설명된 예에서, 고체 촬상 장치의 후단의 신호 처리를 담당하는 외부 회로를 고체 촬상 장치(촬상 칩) 밖에 설치하지만, 기능 소자들의 모두 혹은 일부(예를 들면, A/D 변환기나 디지털 증폭기부)를, 고체 촬상 장치의 칩에 내장하도록 구성할 수 있다. 즉, 촬상부(10)나 구동 제어부(7) 등이 동일한 반도체 영역에 일체적으로 형성된 고체 촬상 장치가 형성된 동일한 반도체 기판 상에 외부 회로를 구성하여, 고체 촬상 장치(1)와 물리 정보 취득 장치를 동일한 장치로서 구성할 수 있다.

도면에서, 수평 선택 스위치부(60) 및 구동 제어부(7)를 촬상부(10)와 함께 포함하여 고체 촬상 장치(1)를 구성하여, 고체 촬상 장치(1)가 물리 정보 취득 장치로서도 거의 기능한다. 그러나, 물리 정보 취득 장치는 항상 이러한 구성에 한정되지는 않는다. 전체 수평 선택 스위치부(60) 및 전체 구동 제어부(7) 또는 그것의 일부가 촬상부(10)가 형성된 동일한 반도체 영역에 일체적으로 형성되도록 요구되지 않는다. 수평 선택 스위치부(60) 및 구동 제어부(7)를, 촬상부(10)가 형성된 다른 회로 기판(다른 반도체 기판에 한하지 않고 일반적인 회로 기판을 의미함) 상에 형성할 수 있다. 예를 들면, 수평 선택 스위치부(60) 및 구동 제어부(7)는 외부 회로가 설치되는 회로 기판에 형성할 수 있다.

< 신호 변환기 및 AD 변환기의 상세>

도 2a 내지 도 2c는, 열 신호 처리기(22)에 설치되는 신호 변환기(100) 및 AD 변환기(120)를 설명하는 도면들이다. 여기서, 신호 변환기(100)는, 반송파 신호를 화소 신호에 기초하여 주파수에 관련된 변조 신호로 변환하는 기능을 갖추어야만 하고, 반송파 신호의 주파수 f 그 자체 혹은 위상 φ를 변조 신호로서의 화소 신호에 따라 변조해야 한다.

예를 들면, 도 2a이나 도 2b에 도시한 바와 같이, 반송파 신호의 파라미터 들 중에서 주파수 f를 화소 신호에 따라 변조하는, 즉 화소 신호의 진폭을 반송파 신호의 주파수에 연계시켜 진폭이 일정하고 주파수를 변조 신호로서의 화소 신호의 진폭에 따라 변화시키는 주파수 변조(FM;Frequency Modulation) 시스템, 즉, 전압/주파수 변환(V/F 변환) 시스템을 이용한 주파수 변조기로서 신호 변환기(100)를 설치할 수 있다.

예를 들면, 전압/주파수 변환기(102)는, 화소 신호의 신호 진폭을 반송파 신호의 주파수 편차가 되도록, 예를 들면, 큰 신호 레벨을 높은/낮은 주파수에, 작은 신호 레벨을 낮은/높은 주파수에 시프트시켜 변조한다.

원칙적으로, 발진 주파수를 전압으로 제어할 수 있는 발진기, 즉, 전압 제어 발진기(VCO;Voltage controlled oscillator)의 제어 전압에, 변조 신호로서 화소 신호를 가하는 것에 의해, 변조 신호로서 FM 변조 신호(변조 신호 Fout1)가 얻어진다.

인간은, 눈으로 얻은 정보를 펄스화하여 뇌에 전하고 있다. 도 2a나 도 2b에 도시된 주파수 변조 시스템을 채용하면, 광량에 따른 주파수를 전송하는 메커니즘이 되어, 인간의 눈의 정보 전달의 메커니즘에 가까운 형태가 된다.

다른 경우에, 도 2c에 도시한 바와 같이, 반송파 신호의 파라미터들 중에서 위상φ를 화소 신호로 변조하는, 즉 화소 신호의 진폭을 반송파 신호의 위상에 연계시켜, 진폭 및 주파수가 일정하고 위상을 변조 신호로서의 화소 신호의 진폭에 의해서 변화시키는 위상 변조(PM;Phase Modulation) 시스템, 즉 전압/위상 변환(V/P 변환) 시스템을 이용한 위상 변조기로서 신호 변환기(100)가 설치될 수 있다.

예를 들면, 전압/위상 변환기(106)는, 화소 신호의 신호 진폭을 반송파 신호의 위상 편차가 되도록, 예를 들면, 큰 신호 레벨을 큰/작은 위상 변동에, 작은 신호 레벨을 작은/큰 위상 변동에 시프트시켜 변조 신호 Fout2를 취득한다.

이 위상 변조 시스템은, 반송파 신호의 위상φ를 변조시켜, 진폭이 일정하고 신호의 위상을 변조 신호에 따라 변화시키는 시스템이다. 위상 변조 시스템과 주파수 변조 시스템 간의 차이는 변조 신호가 반송파 신호의 주파수 그 자체에 또는 위상에 할당하는지의 차이라고 할 수 있다. 위상 변조 시스템은 파형적으로도 수식적으로도 FM 변조와 유사하여, 특성적으로는 주파수 변조 시스템과 동일하다고 생각할 수 있다.

FM 시스템이나 PM 시스템을 이용할 때, 신호 전달 시에 반송파 신호(변조 신호)의 진폭이나 주파수 혹은 위상이 변동해도, 변조 신호에 의해 전송되는 화상 신호에 끼치는 영향이 적고, 또한 수신측에서의 입력 신호가 약해진 경우의 SN 비(신호 전력 대 잡음 전력의 비)의 열화 정도가 적고, 잡음 저항 특성이 양호하다.

또한, 신호 변환기(100)의 후단에 설치되는 AD 변환기(120)는, 신호 변환기(100)에 의해 변조 완료된 반송파 신호(변조 신호)에 기초하여 디지털 카운트 처리 를 수행한다.

예를 들면, 전압/주파수 변환기(102)의 후단에 AD 변환기(120)를 설치하는 경우, 도 2a에 도시한 바와 같이, 전압/주파수 변환기(102)로부터 출력된 변조 신호 Fout1에 따라, 상대적으로 저주파수의 레퍼런스 신호 F1의 펄스 폭을 카운트 처리하는 펄스 카운트 처리기(122)를 설치할 수 있다. 이 도 2a에 도시하는 구성에서는, 레퍼런스 신호 F1를 시간 게이트 신호로서 기능시킬 수 있어, 레퍼런스 신호 F1의 주파수를 낮게 할 수 있는 이점이 있다. 레퍼런스 신호 F1를, 수직 열마다 배치되는 AD 변환기(120)까지 배선하는 경우도, 레퍼런스 신호 F1의 주파수를 낮게 함으로써, 이 배선에 의한 잡음이나 전력 소비의 문제를 저감할 수 있다.

다른 경우에, 도 2b에 도시한 바와 같이, 외부로부터 입력되는 상대적으로 고주파의 레퍼런스 신호 F1에 따라 전압/주파수 변환기(102)로부터 출력된 변조 신호 Fout1의 펄스 폭을 카운트 처리하는 펄스 카운트 처리기(124)를 설치할 수 있다. 이 도 2b에 도시하는 구성에서, 변조 신호 Fout1가 시간 게이트 신호로서 기능하기 때문에, 변조 신호 Fout1를 분주하고 나서 레퍼런스 신호 F1에 따라 카운트 처리하도록 하면, 카운터 클럭으로서 기능하는 레퍼런스 신호 F1의 주파수를 낮게 할 수 있는 이점이 있다. 레퍼런스 신호 F1를 카운터 클럭으로서, 수직 열마다 배치되는 AD 변환기(120)까지 배선하는 경우도, 레퍼런스 신호 F1의 주파수를 낮게 함으로써, 이 배선에 의한 잡음이나 전력 소비의 문제를 저감할 수 있다.

또한, 전압/위상 변환기(106)의 후단에 AD 변환기(120)를 설치하는 경우, 도 2c에 도시한 바와 같이, 우선 소정의 주파수의 레퍼런스 신호 F2와 위상 변조기로 서의 전압/위상 변환기(106)로부터 출력된 변조 신호 Fout2에 기초하여 디지털 처리에서 위상 정보를 추출하는 위상 식별기(126)를 설치한다. 위상 식별기(126)는, 외부로부터 입력되는 레퍼런스 신호 F2와 전압/위상 변환기(106)로부터 출력된 변조 신호 Fout2 사이에서 위상 식별 처리를 수행함으로써, 화소 신호를 나타내는 위상 변동 폭 신호 PWo를 출력한다.

그리고, 위상 식별기(126)로 검지된 화소 신호에 대응하는 위상 변동 폭 신호 PWo를 전압/위상 변환기(106)로부터 출력된 변조 신호 Fout2 혹은 레퍼런스 신호 F2에 따라 카운트 처리하는 펄스 카운트 처리기(128)를 설치한다.

위상 변동 폭 신호 PWo가 시간 게이트 신호로서 기능하기 때문에, 위상 변동(위상 변동 폭 신호 PWo)를 변조 신호 Fout2의 주파수를 유지하여 나타내는 것만이 아니라, 또한 레퍼런스 신호 F2의 주파수를 낮게 하여 나타내면, 카운터 클럭으로서 기능하는 레퍼런스 신호의 주파수를 낮게 할 수 있다는 이점이 있다. 레퍼런스 신호 F2를 카운터 클럭으로서, 수직 열마다 배치되는 AD 변환기(120)까지 배선할 때도, 레퍼런스 신호 F2의 주파수를 낮게 함으로써, 이 배선에 의한 잡음이나 전력 소비의 문제를 저감할 수 있다.

고체 촬상 장치의 동작; 제1 실시예; 제 1예

도 3은, 도 1a 및 도 1b에 도시한 제1 실시예의 고체 촬상 장치(1)의 열 신호 처리기(22)(특히, 신호 변환기(100)와 AD 변환기(120))에 있어서의 제1 예의 동작을 설명하기 위한 타이밍 차트이다. 비교 예로서, 램프(ramp)-유사한 레퍼런스 신호 RAMP와 화소 신호 전압을 비교하여, 그 비교에 요하는 시간을 카운터 클럭 CLK0으로 카운트함으로써 AD 변환을 수행하는 종래 방식의 시스템의 타이밍을 점선으로 나타낸다.

이 제1 예에서는, 도 2a에 도시한 바와 같이, 외부로부터 입력되는 상대적으로 저주파수의 레퍼런스 신호 F1의 펄스 폭을 전압/주파수 변환기(102)로부터 출력된 변조 신호 Fout1에 따라 카운트 처리한다. 다른 경우에, 도 2c에 도시한 바와 같이, 위상 식별기(126)로 검지된 화소 신호에 대응하는 위상 변동 폭 신호 PWo를 외부로부터 입력되는 상대적으로 고주파수의 레퍼런스 신호 F2 혹은 변조 신호 Fout2에 따라 카운트 처리하는 경우를 보이고 있다. 요약하면, 설정 시간 당 혹은 위상 변동 폭 신호 PWo 당의 펄스 수를 변조 신호 Fout1나 변조 신호 Fout2(혹은 레퍼런스 신호 F1)에 따라 카운트한다.

촬상부(10)의 각 단위 화소(3)로 감지된 아날로그 화소 신호를 디지털 신호로 변환하는 메커니즘은, 상술한 바와 같이, 단위 화소(3)로부터의 화소 신호에 있어서의 레퍼런스 성분이나 신호 성분의 각 전압 신호에 대응한 변조 신호 Fout1를 레퍼런스 신호 F1로 펄스 카운트하는 방법이 채택된다. 다른 경우에, 단위 화소(3)로부터의 화소 신호에 있어서의 레퍼런스 성분이나 신호 성분의 각 전압 신호에 대응한 변조 신호 Fout2에 기초하여 위상 식별한 위상 변동 폭 신호 PWo를 레퍼런스 신호 F1로 펄스 카운트함으로써, 레퍼런스 성분이나 신호 성분의 각각의 크기에 대응한 카운트치를 얻는 방법을 채용한다.

여기서, 수직 데이터선(18)으로부터 출력되는 화소 신호는, 일련의 시간으로, 레퍼런스 성분으로서의 화소 신호의 잡음을 포함하는 리세트 성분 ΔV 후에 신 호 성분 Vsig이 나타난다. 제1 처리로서 레퍼런스 성분(리세트 성분 ΔV)에 대하여 카운트 처리를 수행하는 경우, 제2의 카운트 처리는 레퍼런스 성분(리세트 성분 ΔV)에 신호 성분 Vsig을 가해 얻어진 신호에 대한 처리이다. 카운트 처리는 이하 구체적으로 설명한다.

제1 판독(P 위상 검지이라고도 함)을 위해, 우선 구동 신호 운영부(16)는, 펄스 카운트 처리기(122) 혹은 펄스 카운트 처리기(128)의 카운트치를 초기값“0에 리세트시키고, 펄스 카운트 처리기(122) 혹은 펄스 카운트 처리기(128)를 다운 카운트 모드로 설정한다. 그리고, 임의의 행 Hx의 단위 화소(3)로부터 수직 데이터선(18)(H1, H2,…)에의 제1 판독이 안정된 후, 구동 신호 운영부(16)는, 전압/주파수 변환기(102), 전압/위상 변환기(106), 및 위상 식별기(126)에 처리 시작을 지시한다. 이것은, 필요할 때에 이들만을 작동시킴으로써 주변부에의 영향을 배제하기 위해서이다. 또한, 전압/주파수 변환기(102)나 전압/위상 변환기(106), 위상 식별기(126)를 항상 시작할 수 있다.

이 지시에 응답하여, 전압/주파수 변환기(102)는, 촬상부(10)로부터 공급되는 임의의 수직 데이터선(18)(Vx)의 화소 신호 전압에 따른 주파수를 변조 신호 Fout1로서 출력한다(t32). 또한 전압/위상 변환기(106)는, 촬상부(10)로부터 공급되는 임의의 수직 데이터선(18)(Vx)의 화소 신호 전압에 따른 위상 변동을 갖는 소정의 주파수의 변조 신호 Fout2를 출력한다(t32). 위상 식별기(126)는, 이 변조 신호 Fout2에 기초하여 위상 식별을 수행하여, 상기한 수직 데이터선(18)(Vx)의 화소 신호 전압에 따른 위상 변동을 나타내는 위상 변동 폭 신호 PWo를 출력한다 (t32).

다음으로, 행마다 배치된 펄스 카운트 처리기(122) 혹은 펄스 카운트 처리기(128)에서의 제1 처리에서 촬상부(10)로부터 판독된 화소 신호에 따른 펄스 수를 계측하기 위해, 변조 신호 Fout1나 위상 변동 폭 신호 PWo의 출력이 안정된 시점에, 구동 신호 운영부(16)는, 레퍼런스 신호 F1나 레퍼런스 신호 F2를 펄스 카운트 처리기(122)나 펄스 카운트 처리기(128)에 공급한다. 구동 신호 운용부(16)는 펄스 카운트 처리기(122) 또는 펄스 카운트 처리기(128)가 제1 카운트 동작으로서, 초기값“0"으로부터 다운 카운트를 시작하도록 한다(t34).

이 경우, 펄스 카운트 처리기(122)나 펄스 카운트 처리기(128)는, 변조 신호 Fout1나 레퍼런스 신호 F2(혹은 변조 신호 Fout2)에 따라 레퍼런스 신호 F1이나 위상 변동 폭 신호 PWo의 1 클럭 폭(활성 기간 ; 본 예에서는 단지 H 레벨만으로 충분함)을 음의 방향에 카운트 처리한다.

펄스 카운트 처리기(122) 혹은 펄스 카운트 처리기(128)는, 1 클럭 폭을 카운트를 끝낼 때 카운트 동작을 정지하고, 그 시점의 카운트치를 화소 데이터로서 래치(홀드/저장)함으로써 AD 변환을 완료한다(t36). 즉, 제1 판독시에는, 변조 신호 Fout1나 위상 변동 폭 신호 PWo의 1 클럭을, 레퍼런스 신호 F1나 레퍼런스 신호 F2에 따라 카운트함으로써, 리세트 성분 Vrst의 크기에 대응한 카운트치를 얻는다.

이 제1 판독시에는, 화소 신호 전압 Vx에서의 리세트 레벨 Vrst에 대하여 카운트 처리를 수행하고 있기 때문에, 단위 화소(3)의 리세트 성분 ΔV를 판독한다.

이 리세트 성분 ΔV 내에는, 단위 화소(3)마다 변동되는 잡음이 오프셋으로 서 포함되어 있다. 그러나, 일반적으로, 이 리세트 성분 ΔV의 변동은 작고, 또한 리세트 레벨 Vrst는 모든 화소에 공통이기 때문에, 임의의 수직 데이터선(18)의 화소 신호 전압 Vx에서의 리세트 성분 ΔV의 출력 값은 대체로 알려진다. 따라서, 리세트 성분 ΔV에 대한 비트 해상도를 신호 성분 Vsig에 대한 비트 해상도보다도 낮게 억제하는 수 있다. 예를 들면, 11 비트(+ 1023까지)의 신호 성분 Vsig에 대한 비트 해상도와 비교하면 리세트 성분ΔV의 비트 해상도를, 7 비트(-127까지) 정도에 설정할 수 있다.

이를 위해, 도시한 신호 형태인 경우, 리세트 성분 ΔV가 신호 성분 Vsig보다도 크므로, 전압/주파수 변환기(102)는, 화소 신호의 신호 진폭을 큰 신호 레벨(리세트 성분 ΔV)을 낮은 주파수에, 작은 신호 레벨(신호 성분 Vsig)을 높은 주파수에 시프트시켜 변조하는 것이 바람직하다. 또한, 레퍼런스 신호 F1의 계측 폭(카운트 기간)을 짧게 하여 AD 변환 기간을 단축하기 위해서는, 피 변조파 Fout1의 주파수를, 제2 예의 경우의 것보다도 상대적으로 높게 설정하는 것이 바람직하다.

또한 본 실시예에서는, 화소 신호 전압 Vx를 변조 신호 Fout1나 위상 변동 폭 신호 PWo에 직접적으로 변환하고 나서 카운트 처리한다. 그러므로, 비특허 문헌1 등과 같은 레퍼런스 전압을 이용하여 화소 신호 전압에 따른 펄스 폭 신호를 생성하여 그 펄스 폭을 소정의 카운터 클럭으로 카운트하는 메커니즘과는 달리, 변조 신호 Fout1나 위상 변동 폭 신호 PWo가 안정된 시점, 즉, 임의의 행 Hx의 단위 화소(3)로부터 수직 데이터선(18)(H1, H2,…)에의 제1 판독이 안정된 시점과 대략 동시기에, 즉시 카운트 처리를 개시할 수 있다.

예를 들면, 변조 신호 Fout1 그 자체 또는 변조 신호 Fout2와 동 주파수의 위상 변동 폭 신호 PWo를 고주파수의 레퍼런스 신호 F1나 변조 신호 Fout2에 따라 카운트하면, 수직 데이터선(18)(H1, H2,…)에의 제1 판독이 안정된 시점과 대략 동시기에 카운트 결과가 얻어진다.

변조 신호 Fout1를 분주하고 나서 레퍼런스 신호 F1에 따라 카운트 처리하거나, 혹은 변조 신호 Fout2의 주파수를 낮추어서 위상 변동 폭 신호 PWo를 생성하여 레퍼런스 신호 F1이나 변조 신호 Fout2에 따라 카운트 처리하는 경우도, 카운트 대상의 펄스 폭을, 비특허 문헌1 등에서, 임의의 행 Vx의 단위 화소(3)로부터 수직 데이터선(18)(H1, H2,…)에의 제1 판독이 안정된 시점부터 리세트 성분 Δ V와 레퍼런스 전압이 일치하기까지의 시간 폭보다도 더 좁게 설정한다. 이것은, 제1 판독이 안정된 시점부터 카운트 종료까지의 기간(t32 내지 t36)을 단축시키는 것을 가능하게 한다.

그러나, 레퍼런스 신호 F1나 변조 신호 Fout2(혹은 레퍼런스 신호 F1)의 주파수, 즉, 카운트 처리의 클럭 주파수는, 변조 신호 Fout1나 변조 신호 Fout2의 1 클럭(혹은, 한 쪽의 활성 기간; 본 예에서는 H 레벨 기간)을 소정의 비트 폭으로 카운트를 할 수 있게 하는 주파수로 결정되기 때문에, 변조 신호 Fout1나 변조 신호 Fout2의 주파수를 높게 설정할 수록 고속에서의 잠금(lock)이 필요해진다. 그러나, 변조 신호 Fout1를 분주하고 나서 카운트 처리하여 그 주파수를 억제할 수도 있다.

어느 경우에도, 종래 것와 동등한 비트 해상도를 확보할 수 있다. 예를 들 면, 제1 리세트 성분 ΔV의 판독시에는, 리세트 성분 ΔV에 대한 카운트 처리의 최장 기간을, 7 비트의 카운트 기간(128 클럭)에 설정하여, 리세트 성분 ΔV의 비교를 수행할 수 있다. 그 방식으로, 비트 해상도를 확보해도, 제1 판독이 안정된 시점부터 카운트 종료까지의 기간(t32 내지 t36)을 단축하는 것이 가능하다.

후속의 제2의 판독(D 위상 검지이라고도 함)시에, 리세트 성분 ΔV에 추가로, 단위 화소(3)마다의 입사광량에 따른 신호 성분 Vsig을 판독하여, 제1 판독과 동일한 동작을 수행한다. 즉, 우선 구동 신호 운영부(16)는, 펄스 카운트 처리기(122) 혹은 펄스 카운트 처리기(128)를 업 카운트 모드로 설정한다. 그리고, 임의의 행 Hx의 단위 화소(3)로부터 수직 데이터선(18)(H1, H2,…)에의 제2의 판독이 안정된 후, 구동 신호 운영부(16)는, 전압/주파수 변환기(102), 전압/위상 변환기(106), 및 위상 식별기(126)에 처리 시작을 지시한다. 이것은, 필요할 때에만 이들을 작동시킴으로써 주변부에의 영향을 배제하기 위해서이다. 전압/주파수 변환기(102), 전압/위상 변환기(106), 및 위상 식별기(126)를 항상 시작할 수 있다.

이 지시에 응답하여, 전압/주파수 변환기(102)는, 촬상부(10)로부터 공급되는 임의의 수직 데이터선(18)(Vx)의 화소 신호 전압에 따른 주파수를 변조 신호 Fout1로서 출력한다(t42). 또한 전압/위상 변환기(106)는, 촬상부(10)로부터 공급되는 임의의 수직 데이터선(18)(Vx)의 화소 신호 전압에 따른 위상 변동을 갖는 소정의 주파수의 변조 신호 Fout2로서 출력한다(t42). 위상 식별기(126)는, 이 변조 신호 Fout2에 기초하여 위상 식별을 수행하여, 수직 데이터선(18)(Vx)의 화소 신호 전압에 따른 위상 변동을 나타내는 위상 변동 폭 신호 PWo를 출력한다(t42). 또 한, 도면에서, 종래예의 t20과 거의 동일한 시점에 t42를 설정하고 있지만, 실제로는, 제1 처리를 종래예보다도 빨리 수행할 수 있으므로, 제1 처리 완료 t36로부터 제2 처리 개시 t42까지의 간격을, 종래예의 제1 처리 완료 t12로부터 제2 처리 개시 t20까지의 간격보다도 짧게 설정할 수 있다.

행마다 배치된 펄스 카운트 처리기(122) 혹은 펄스 카운트 처리기(128)에서, 제2 처리에서 촬상부(10)로부터 판독된 화소 신호에 따른 펄스 수를 계측하기 위해, 변조 신호 Fout1나 위상 변동 폭 신호 PWo의 출력이 안정된 시점에, 구동 신호 운영부(16)는, 레퍼런스 신호 F1나 레퍼런스 신호 F2를 펄스 카운트 처리기(122)나 펄스 카운트 처리기(128)에 공급한다. 그와 반대로, 제2의 카운트 동작으로서, 제1 판독시에 취득된 단위 화소(3)의 리세트 성분 ΔV에 대응하는 카운트치로부터, 펄스 카운트 처리기(122) 또는 펄스 카운트 처리기(128)가 업 카운트를 시작하도록 한다. 즉, 구동 운영부(16)는 펄스 카운트 처리기(122) 또는 펄스 카운트 처리기(128)가 양의 방향으로 카운트 처리를 시작하도록 한다(t44).

이 경우, 펄스 카운트 처리기(122)나 펄스 카운트 처리기(128)는, 변조 신호 Fout1나 레퍼런스 신호 F2(혹은 변조 신호 Fout2)에 따른 레퍼런스 신호 F1이나 위상 변동 폭 신호 PWo의 1 클럭 폭(활성 기간; 본 예에서는 단지 H 레벨만으로 충분함)을 양의 방향으로 카운트 처리한다.

펄스 카운트 처리기(122) 혹은 펄스 카운트 처리기(128)가, 1 클럭 폭을 카운트하기를 끝내면, 카운트 동작을 정지하고, 그 시점의 카운트치를 화소 데이터로서 래치(홀드/저장)함으로써 AD 변환을 완료한다(t46). 즉, 제2의 판독시에는, 펄 스 카운트 처리기(122) 또는 펄스 카운트 처리기(128)는 변조 신호 Fout1나 위상 변동 폭 신호 PWo의 1 클럭을, 레퍼런스 신호 F1나 레퍼런스 신호 F2에 따라 카운트함으로써, 신호 성분 Vsig 의 크기에 대응한 카운트치를 얻는다.

이 제2의 판독시에는, 화소 신호 전압 Vx의 신호 성분 Vsig에 관해서 카운트 처리를 수행하고 있기 때문에, 단위 화소(3)의 신호 성분 Vsig을 판독한다.

여기서, 본 실시예에서, 펄스 카운트 처리기(122) 혹은 펄스 카운트 처리기(128)에 있어서의 카운트 동작을, 제1 판독시에는 다운 카운트, 제2의 판독시에는 업 카운트하므로, 펄스 카운트 처리기(122) 혹은 펄스 카운트 처리기(128) 내에서 자동적으로, 수학식 1로 나타내는 감산이 수행되어, 이 감산 결과에 따른 카운트치가 펄스 카운트 처리기(122) 혹은 펄스 카운트 처리기(128)에 홀드된다.

(제2 비교 기간의 카운트치) - (제1 비교 기간의 카운트치)

여기서, 수학식 1은, 수학식 2과 같이 변형할 수 있고, 결과적으로는, 펄스 카운트 처리기(122) 혹은 펄스 카운트 처리기(128)에 유지되는 카운트치는 참 신호 성분 Vsig에 대응하는 카운트치이다.

(제2 비교 기간) - (제1 비교 기간)

= (신호 성분 Vsig + 리세트 성분 ΔV + 열 신호 처리기의 오프셋 성분)

- (리세트 성분 ΔV + 열 신호 처리기의 오프셋 성분)

= (신호 성분 Vsig)

즉, 전술된 바와 같이 하여, 제1 판독시에 있어서의 다운 카운트와 제2의 판독시에 있어서의 업 카운트의 2회의 판독과 카운트 처리에 의한 펄스 카운트 처리기(122) 혹은 펄스 카운트 처리기(128) 내에서의 감산 처리에 의해서, 단위 화소(3)마다의 변동을 포함한 리세트 성분Δ V와 열 신호 처리기(22)마다의 오프셋 성분을 제거할 수가 있어서, 단위 화소(3)마다의 입사광량에 따른 신호 성분 Vsig만을 단순한 구성으로 추출할 수 있다.

열 신호 처리기(22) 내의 구성 요소의 개별적 변동, 즉, 신호 변환기(100)의 전압/주파수 변환기(102), 전압/위상 변환기(106), 혹은 위상 식별기(126)에 개별적 변동(주파수 오프셋이나 위상 오프셋)이 있더라도, 그 개별적 변동을 제거할 수 있다. 또한, 이 경우, 화소 신호에 있어서의 리세트 잡음도 제거할 수 있는 이점이 있다.

따라서, 본 실시예의 열 신호 처리기(22)(신호 변환기(100)와 AD 변환기(120))는, 아날로그 화소 신호를 디지털의 화소 데이터로 변환하는 디지털 변환부로서 뿐만 아니라, CDS 처리 기능부로서도 동작하게 된다.

수학식 2로 얻어지는 카운트치가 나타내는 화소 데이터가 양의 신호 전압을 나타내기 때문에, 보수 연산 등이 불필요해지고, 기존의 시스템과의 친화성이 높다.

제2 의 판독시에도, 화소 신호 전압 Vx를 변조 신호 Fout1나 위상 변동 폭 신 호 PWo에 직접적으로 변환하고 나서 카운트 처리하기 때문에, 리세트 레벨 Vrst에 대하여 카운트 처리와 마찬가지로, 변조 신호 Fout1나 위상 변동 폭 신호 PWo가 안정된 시점, 즉, 임의의 행 Hx의 단위 화소(3)로부터 수직 데이터선(18)(H1, H2,…)에의 제2의 판독이 안정된 시점과 대략 동일한 시기에, 즉시 카운트 처리를 시작할 수 있다.

변조 신호 Fout1 그 자체나 변조 신호 Fout2와 동 주파수의 위상 변동 폭 신호 PWo를 고주파수의 레퍼런스 신호 F1나 변조 신호 Fout2에 따라 카운트하면, 수직 데이터선(18)(H1, H2,…)에의 제2 판독이 안정된 시점과 대략 동일한 시간에 카운트 결과가 얻어진다.

변조 신호 Fout1를 분주하고 나서 레퍼런스 신호 F1에 따라 카운트 처리하거나, 혹은 변조 신호 Fout2의 주파수를 낮추어서 위상 변동 폭 신호 PWo를 생성하여 레퍼런스 신호 F1나 변조 신호 Fout2에 따라 카운트 처리할 때, 카운트되는 펄스 폭을, 비특허 문헌1 등에서, 임의의 행 Hx의 단위 화소(3)로부터 수직 데이터선(18)(H1, H2,…)에의 제2의 판독이 안정된 시점부터 리세트 성분 ΔV와 레퍼런스 전압이 서로 일치하기까지의 시간 폭보다도 더 좁게 설정함으로써, 제2의 판독이 안정된 시점부터 카운트 종료까지의 기간(t42 내지 t46)을 단축하는 것이 가능하다.

비특허 문헌1 등에서처럼, 레퍼런스 전압을 이용하여 화소 신호 전압에 따른 펄스 폭 신호를 생성하여 그 펄스 폭을 소정의 카운터 클럭으로 카운트하는 메커니즘에서, 제2의 판독시에는 입사광량에 따른 신호 성분 Vsig을 판독하기 때문에, 광량의 크기를 넓은 범위에서 판정하기 위해, 업 카운트 기간(t20 내지 t24; 비교 기간)을 길게 설정하고, 레퍼런스 전압을 크게 변화시킬 필요가 있기 때문에, 카운트 처리에 장시간이 필요한 처리와는 크게 상이하다.

즉, 본 실시예의 메커니즘에 따르면, 리세트 성분Δ V(레퍼런스 성분)에 대한 카운트 처리 및 신호 성분 Vsig에 대한 카운트 처리 모두를, 촬상부(10)로부터 판독된 화소 신호 전압이 안정된 시점과 거의 동시에 신호 성분 Vsig에 대한 카운트 처리를 완료시킬 수 있어서, 2회에 걸쳐 수행되는 처리에 대한 총 AD 변환 기간을 대폭 단축하는 것이 가능하게 된다.

제1과 제2의 처리에 사용하는 레퍼런스 신호 F1이나 레퍼런스 신호 F2를 동일하게 설정하는 것이 용이하므로, 제1과 제2의 AD 변환의 정밀도를 쉽게 동일하게 할 수 있다. 결과적으로, 업다운 카운터에 의한 수학식 1으로 나타낸 감산 결과가 정확하게 얻어진다. 비특허 문헌1 등에 기재된 메커니즘에서, 제1과 제2의 AD 변환의 정밀도를 쉽게 동일하도록 하기 위해서는, 레퍼런스 신호의 기울기를 일정하게 유지할 필요가 있다. 이것은 불안정 요인을 고려할 필요가 있는 처리와는 크게 상이하다.

제2의 카운트 처리가 완료한 후의 소정의 타이밍으로, 구동 신호 운영부(16)는 수평 주사부(12)에 대하여 화소 데이터의 판독을 지시한다. 이 지시에 응답하여, 수평 주사부(12)는, 수평 선택 스위치부(60)에 공급하는 수평 선택 신호 CH(i), 즉, 수평 판독 펄스 φg1 내지 φgh를 순차적으로 시프트시킨다. 또한, 도면에서, 종래예의 t28과 거의 동일한 시점에 판독을 개시하도록 보이고 있지만, 실제로는, 제2 처리를 종래예보다도 빨리 수행할 수 있으므로, 제2 처리 완료 t46로부터 판독 개시까지의 간격을, 종래예의 제2 처리 완료 t22로부터 판독 개시 t28까 지의 간격보다도 짧게 설정할 수 있다.

결과적으로, 펄스 카운트 처리기(122) 혹은 펄스 카운트 처리기(128)에 저장/홀드한 수학식 2로 나타내는 카운트치, 즉, n 비트의 디지털 데이터로 나타낸 화소 데이터는, n 개의 수평 데이터선(86)을 통하여, 순차적으로, 열 신호 처리기(22) 밖이나 촬상부(10)를 갖는 칩 밖에 출력 단자(88a)로부터 출력되어, 그 후, 순차적으로 행마다 동일 동작이 반복됨으로써 2차원 화상을 나타내는 비디오 데이터가 얻어진다.

이상 설명한 바와 같이, 제1 실시예의 고체 촬상 장치에 따르면, 업다운 카운터를 이용하면서, 고체 촬상 장치의 처리 모드를 스위치하여 2회에 걸쳐 카운트 처리를 수행하도록 했다. 또한, 행렬 형상으로 단위 화소(3)가 배열된 구성에서, 열 신호 처리기(22)를 수직 열마다 설치한 병렬 열 AD 회로에서 구성했다.

그러므로, 레퍼런스 성분(리세트 성분)과 신호 성분과의 감산 처리를 제2의 카운트 결과로서 수직 열마다 직접적으로 취득할 수가 있어서, 레퍼런스 성분과 신호 성분의 각각의 카운트 결과를 홀드하는 메모리 장치를 카운트 처리부가 포함하는 래치 기능으로 실현할 수 있어서, AD 변환된 데이터를 유지하는 특수 목적의 메모리 장치를 카운터와는 별도로 준비할 필요가 없다.

또한, 레퍼런스 성분과 신호 성분과의 차이를 계산하기 위한 특별한 감산기가 불필요하게 된다. 따라서, 종래 구성보다도, 회로 규모나 회로 면적을 감소시킬수 있어서, 또한, 잡음의 증가나 전류 혹은 전력 소비의 증대를 해소할 수 있다.

신호 변환기(100)에서 전압 모드의 화소 신호를 주파수에 관련된 FM 변조 신 호(변조 신호 Fout1)나 PM 변조 신호(변조 신호 Fout2)로 변환하고 나서 카운트 처리를 행함으로써 AD 변환을 수행하도록 열 AD 회로(AD 변환기)를 구성했기 때문에, 램프 신호선이 길어지는 것에 의한 선 저항, 배선 용량, 접속되어 있는 게이트 총 용량, 기판 바이어스 효과 등의 문제들이 FM 변조 신호(변조 신호 Fout1) 및 PM 변조 신호(변조 신호 Fout2)에는 무관해지기 때문에, 기판 바이어스 효과나 배선 길이 등의 영향이 AD 변환 결과에 나타나는 일이 없다.

비트 수에 상관없이 카운트 처리기를 동작시키는 카운터 클럭 1개와 카운트 모드를 스위치하는 제어선으로 카운트 처리를 제어할 수 있고, 종래 구성에서 필요로 하던 카운트 처리부의 카운트치를 메모리 장치까지 유도하는 신호선이 불필요하게 된다. 잡음의 증가나 전력 소비의 증대를 해소할 수 있다. 더구나, 촬상부(10)로부터 판독된 화소 신호 전압 Vx가 안정된 시점과 거의 동시에 카운트 결과를 취득할 수 있고 AD 변환 처리를 완료시킬 수 있다.

AD 변환 장치를 동일 칩 상에 탑재한 고체 촬상 장치(1)에서, 전압 비교기(252)와 펄스 카운트 처리기(122) 혹은 펄스 카운트 처리기(128)를 쌍으로 형성하여 AD 변환기로서의 열 AD 회로를 구성한다. 펄스 카운트 처리기(122) 혹은 펄스 카운트 처리기(128)의 동작으로서, 다운 카운트와 업 카운트를 조합하여 사용하면서, 처리 대상 신호의 기본 성분(본 실시예로서는 리세트 성분)과 신호 성분과의 차이를 디지털 데이터로 변경함으로써 회로 규모, 회로 면적, 전력 소비, 고체 촬상 장치(1)와 다른 기능부와 사이의 인터페이스용 배선의 수, 이 배선에 의한 잡음이나 전류 소비 등의 문제들을 해소할 수가 있고, 또한, AD 변환 처리 시간을 비약 적으로 단축할 수 있다.

고체 촬상 장치의 동작; 제1 실시예; 제2예

도 4는, 도 1a 및 도1b에 도시한 제1 실시예의 고체 촬상 장치(1)의 열 신호 처리기(22)(특히, 신호 변환기(100)와 AD 변환기(120))에 있어서의 제2 예의 동작을 설명하기 위한 타이밍 차트이다. 이 제2 예에서는, 도 2b에 도시한 바와 같이, 변조 신호 Fout1를 시간 게이트 신호로서, 외부로부터 공급되는 고주파수의 카운터 클럭으로서의 레퍼런스 신호 F1로서 카운트한다.

행마다 배치된 펄스 카운트 처리기(122) 혹은 펄스 카운트 처리기(128)에서, 제1 처리에서 촬상부(10)로부터 판독된 화소 신호에 따른 펄스 수를 계측하기 위해, 변조 신호 Fout1나 위상 변동 폭 신호 PWo의 출력이 안정된 시점에, 구동 신호 운영부(16)는, 레퍼런스 신호 F1를 펄스 카운트 처리기(122)에 공급하여 카운트 처리를 시작하도록 한다.

이 경우, 제1 리세트 성분 ΔV에 대한 제1 카운트 동작시에, 구동 신호 운영부(16)는 펄스 카운트 처리기(122)가 초기값“0"으로부터 다운 카운트를 시작하도록 한다. 그와 반대로, 신호 성분 Vsig에 대한 제2 카운트 동작시에는, 제1 종료 후에 홀드된 단위 화소(3)의 리세트 성분 ΔV에 대응하는 카운트치로부터, 업 카운트를 시작하도록 한다. 즉, 구동 신호 운영부(16)는 펄스 카운트 처리기(122)가 양의 방향으로 카운트 처리를 시작하도록 한다(t44).

이 경우, 펄스 카운트 처리기(122)는, 전압/주파수 변환기(102)로부터 출력된 변조 신호 Fout1를 시간 게이트 신호로서 이용하여, 그 시간 게이트 신호의 1개 의 펄스 폭을, 외부로부터 공급되는 레퍼런스 신호 F1를 카운터 클럭으로서 이용하여 카운트 처리를 수행한다. 레퍼런스 신호 F1의 주파수를 낮게 억제하기 위해서, 피 변조파 Fout1의 주파수를, 제1예의 경우의 것보다도 상대적으로 낮게 억제하는 것이 바람직하다. 변조파 Fout1의 주파수가 제1 예와 같은 정도로 높을 때, 변조파 Fout1를 분주하여 분주 펄스의 1 펄스 폭을 카운트하는 등, 복수 개의 변조파 Fout1에 동일한 기간을 카운트 처리함으로써, 레퍼런스 신호 F1의 주파수를 낮게 억제할 수 있다.

이하, 제1 예와 마찬가지로, 펄스 카운트 처리기(122) 혹은 펄스 카운트 처리기(128)는, 1 클럭 폭을 카운트하기를 끝내면, 카운트 동작을 정지하고, 그 시점의 카운트치를 화소 데이터로서 래치(홀드/저장)함으로써 AD 변환을 완료한다(t36/t46).

이상 설명한 바와 같이, 카운트 처리의 형태들이, 제1 예와 제2 예에서 상이하다. 즉, 제1 예에서, 외부로부터 공급되는 레퍼런스 신호 F1 혹은 레퍼런스 신호 F2에 대응하는 위상 변동 폭 신호 PWo를 카운트 대상으로 설정하여, 신호 변환기(100)의 출력 신호(변조 신호 Fout1, Fout2 그 자체 또는 Fout2에 대응하는 레퍼런스 신호 F2)에 따라 카운트한다. 한편, 제2 예에서, 신호 변환기(100)의 출력 신호(변조 신호 Fout1 그 자체)를 카운트 대상으로 설정하여, 외부로부터 공급되는 레퍼런스 신호 F1에 따라 카운트한다. 그러나, 그 밖의 점에서, 제2 예는 제1 예와 다르지 않다.

따라서, 이 제2 예에서, 제1 예에서처럼, 촬상부(10)로부터 판독된 화소 신 호 전압 Vx가 안정된 시점과 거의 동시에 카운트 결과를 취득할 수 있고 AD 변환 처리를 완료시킬 수 있어, AD 변환 처리 시간를 비약적으로 단축할 수 있다.

변조 신호 Fout1를 분주하여 시간 게이트 신호로 만들고 레퍼런스 신호 F1에 따라 카운트 처리할 때도, 카운트 대상의 시간 게이트 신호의 펄스 폭을 좁게 설정함으로써, 화소 신호의 판독이 안정된 시점부터 카운트 종료까지의 기간(t32 내지 t36, t42 내지 t46)을 단축하는 것이 가능하고, 2회에 걸치는 총 AD 변환 기간을 단축하는 것이 가능하게 된다.

촬상 장치의 개략적 구성; 제2 실시예

도 5는, 본 발명에 따른 물리 정보 취득 장치의 일 형태인 CMOS 고체 촬상 장치의 제2 실시예의 개략도이다. 특히, 열 처리기(20)에 주목하면, 그것의 주요한 주변부와 함께 도시된다. 이 제2 실시예의 고체 촬상 장치(1)는, 제1 실시예의 고체 촬상 장치(1)와 비교하여, 열 신호 처리기(22)(특히 AD 변환기(120)의 후단 회로)의 구성을 변형하고 있다.

즉, 제2 실시예의 열 신호 처리기(22)는, 그것의 후단에(구체적으로는, 도 2에 도시한 펄스 카운트 처리기(122) 혹은 펄스 카운트 처리기(128); 집합적으로 카운트 처리기(121)라고도 함), AD 변환기(120)에 홀드된 카운트 결과를 홀드하는 n 비트의 메모리 장치로서의 데이터 저장부(130)와, 카운트 처리기(121)와 데이터 저장부(130) 사이에 배치된 스위치부(132)를 포함하고 있다. 수평 선택 스위치부(60)는, 데이터 저장부(130)와 수평 데이터선(86) 사이에 배치된다.

스위치부(132) 내의 개개의 스위치에는, 다른 수직 열의 스위치와 공통으로, 구동 신호 운영부(16)로부터, 소정의 타이밍으로, 메모리 전송 지시 펄스 CN8가 공급된다. 스위치부(132)는, 메모리 전송 지시 펄스 CN8가 공급되면, 대응하는 카운트 처리기(121)의 카운트치를 데이터 저장부(130)에 전송한다. 데이터 저장부(130)는, 전송된 카운트치를 홀드/저장한다.

카운트 처리기(121)의 카운트치를 소정의 타이밍으로 데이터 저장부(130)에 홀드시키는 메커니즘은, 양자 사이에 스위치부(132)를 배치하는 구성에 한하지 않고, 예를 들면, 카운트 처리기(121)와 데이터 저장부(130)를 직접적으로 접속하면서, 카운트 처리기(121)를 가동하는 출력을 메모리 전송 지시 펄스 CN8에 따라 제어함으로써 실현할 수도 있고, 데이터 저장부(130)의 데이터 캡쳐 타이밍을 결정하는 래치 클럭으로서 메모리 전송 지시 펄스 CN8를 이용하는 메커니즘을 실현하는 것도 또한 가능하다.

데이터 저장부(130)의 후단의 수평 선택 스위치부(60)에는, 수평 주사부(12)(수평 구동기(12y))로부터 제어선(12c)을 통하여 수평 선택 신호 CH(i), 즉, 수평 판독 펄스φg1 내지 φgh가 입력된다. 수평 선택 스위치부(60)는, 제어선(12c)을 통한 제어 펄스에 의한 지시가 수신될 때까지는, 카운트 처리기(121)로부터 캡쳐한 카운트치를 데이터 저장부(130)에 홀드하도록 한다.

수평 주사부(12)와 수평 선택 스위치부(60)는 열 신호 처리기(22)의 각 신호 변환기(100)와 카운트 처리기(121)에 의해 수행되는 처리와 병행하여, 각 데이터 저장부(130)가 홀드하고 있었던 카운트치를 판독하는 판독 주사부의 기능을 갖는다.

이러한 제2 실시예의 구성에 따르면, 카운트 처리기(121)가 홀드한 카운트 결과를 데이터 저장부(130)에 전송할 수 있으므로, 카운트 동작, 즉, 카운트 처리기(121)의 AD 변환 처리와, 카운트 결과를 수평 데이터선(86)에 서로 독립적으로 판독하는 판독 동작을 제어가능하여, AD 변환 처리와 외부로의 신호의 판독 동작을 병행하여 수행하는 파이프라인 동작을 실현할 수 있다.

고체 촬상 장치의 동작; 제2 실시예

도 6은, 도 5에 도시한 제2 실시예의 고체 촬상 장치(1)의 열 신호 처리기(22)(특히, 신호 변환기(100)와 AD 변환기(120))에 있어서의 동작을 설명하기 위한 타이밍 차트이다. 제2 실시예는, 제1 실시예의 제1 예에 대한 수정본으로서 기재되지만, 제2 실시예를 제2 예에 또한 수정하여 적용이 가능하다. 열 신호 처리기(22)에 있어서의 AD 변환 처리는 제1 실시예의 것과 동일하다. AD 변환 처리의 상세한 설명은 생략한다.

제2 실시예에서, 제1 실시예의 구성에 데이터 저장부(130)를 추가한 것이며, AD 변환 처리 등의 기본적인 동작은 제1 실시예의 것들과 동일하다. 그러나, 펄스 카운트 처리기(122) 혹은 펄스 카운트 처리기(128)의 동작 전(t32)에, 구동 신호 운영부(16)로부터의 메모리 전송 지시 펄스 CN8에 기초하여, 전 행 Hx-1의 카운트 결과를 데이터 저장부(130)에 전송한다.

제1 실시예에서, 단지 제2의 판독 처리, 즉, AD 변환 처리를 완료한 후에만 화소 데이터를 열 신호 처리기(22)의 외부에 출력할 수 있으므로, 판독 처리에는 제한이 있다. 한편, 제2 실시예의 구성에서는, 제1 판독 처리(AD 변환 처리)에 앞 서서 최종 감산 처리 결과를 나타내는 카운트치를 데이터 저장부(130)에 전송하고 있기 때문에, 판독 처리에는 제한이 없다.

결과적으로, 데이터 저장부(130)로부터 수평 데이터선(86) 및 출력부(88)를 통해 외부로의 신호 출력 동작, 현재 행 Hx의 판독, 신호 변환기(100)에 의한 변조 처리, 펄스 카운트 처리기(122) 혹은 펄스 카운트 처리기(128)의 카운트 동작을 병행하여 수행할 수 있어서, 열 판독과 AD 기간 그 자체를 1H 기간에 설정할 수 있어서, 보다 효율적인 신호 출력이 가능하게 된다.

AD 변환기(120)의 후단에 파이프라인 동작용을 위한 구성 요소로서, 데이터 저장부(130)와 스위치부(132)를 설치하고 있는 점에서 제2 실시예가 제1 실시예와는 다르지만, 그외에는, 제1 실시예와 동일하다. 따라서, 이 제2 실시예에서, 제1 실시예처럼, 촬상부(10)로부터 판독된 화소 신호 전압 Vx가 안정된 시점과 거의 동시에 카운트 결과를 취득할 수 있고 AD 변환 처리를 완료시킬 수 있어, AD 변환 처리 시간을 비약적으로 단축시킬 수 있다.

예를 들면, 제1 실시예의 구성에서, 1H 기간(예; 63.3μs)에, 촬상부(10)로부터의 화소 신호의 판독과 AD 변환 처리에 요하는 열 판독과 AD 기간이 약 8.5μs이고, 수평 전송 기간이 54.8μs이다. 한편, 열 판독과 AD 기간 8.5μs 그 자체를 1H 기간(8.5μs)으로 설정할 수 있다.

촬상 장치의 개략적 구성; 제3 실시예; 제1 예

도 7a 및 도 7b 그리고 도 8a 및 도 8b는, 본 발명에 따른 물리 정보 취득 장치의 일 형태인 CMOS 고체 촬상 장치의 제3 실시예의 제1 예를 설명하는 도면들 이다. 제1 실시예에 대한 수정본으로서 제3 실시예가 기재되고, 또한 제3 실시예를 제2 실시예에 대하여도 수정하여 적용이 가능하다.

이 제3 실시예의 고체 촬상 장치(1)는, 신호 변환기(100)를 촬상부(10)에 설치하는 특징을 갖는다. 특히, 제1 예에서, 신호 변환기(100)를 단위 화소(3)마다 설치하여, 그 출력을, 수직 열마다, 열 신호 처리기(22)의 AD 변환기(120)에 전달하는 특징을 갖는다. 즉, 고체 촬상 장치(1)는 각각 1개의 전하 생성기(32), 화소 신호 생성기(33), 및 신호 변환기(100)에 대하여, 1개의 AD 변환기(120)를 할당하는 특징을 갖는다.

도 7b에 도시한 바와 같이, 열 처리기(20) 내의 열 신호 처리기(22)는 신호 변환기(100)로부터 출력된 주파수 정보(변조 신호 Fout1) 혹은 위상 정보(변조 신호 Fout2)(또한 집합적으로 변조 신호 F0이라고도 일컬음)에 기초하여 펄스 카운트 처리를 수행하는 AD 변환기(120)를 포함한다. 그러므로, 고체 촬상 장치(1)의 전체 구성을 개략적으로 도시한 도 7a에서, 열 신호 처리기(22)를 열 AD로서 나타낸다.

도 8a에 도시한 바와 같이, 촬상부(10) 내의 각각의 단위 화소(3)는, 신호 전하를 검지하는 전하 생성기(32)와, 전하 생성기(32)로 생성된 신호 전하에 기초하여 전압 모드의 화소 신호를 생성하는 화소내 증폭기로서의 화소 신호 생성기(33)를 포함한다.

전하 생성기(32)와 화소 신호 생성기(33)의 구성은, 통상의 CMOS 화상 센서(와)의 것들과 동일하다. 본 실시예에서, CMOS 센서로서 4 TR 구성의 범용 CMOS 센 서를 사용할 수 있다, 4 TR 구성의 것에 제한되지 않고, 예를 들면, 일본특허 제2708455호에 기재된 것처럼, 3개의 트랜지스터로 이루어지는 3 TR 구성의 CMOS 센서를 사용할 수도 있다. 물론, 이것들의 화소 구성은 단지 예들일 뿐이며, 통상의 CMOS 화상 센서의 어레이 구성이기만 하면, 임의의 CMOS 센서를 사용할 수 있다.

화소내 증폭기(화소 신호 생성기(33))는, 단지 전하 생성기(32)로 생성된 신호 전하를 전압 모드의 화소 신호로 변환 가능한 전하/전압 변환(Q/V) 시스템이어야 한다. 예를 들면, 플로팅 디퓨전(floating diffusion) 증폭기 구성의 화소내 증폭기가 이용된다. 일례로서, 도 8b에 도시한 바와 같이, 전하 생성기(32)와 연계하여, 전하 판독부(전송 게이트부/판독 게이트부)의 일례인 판독 선택 트랜지스터(34), 리세트 게이트부의 일례인 리세트 트랜지스터(36), 수직 선택 트랜지스터(40), 및 플로팅 디퓨전(38)의 전위 변화를 검지하는 검지 소자의 일례인 소스 폴로어(source follower)구성의 증폭 트랜지스터(42)를 포함하는 화소 신호 생성기(33)를 사용할 수 있다.

가로방향 배선은 동일 행의 화소들에 대하여 공통이다. 수직 주사부(14)의 수직 구동기(14y)에 의해서 동일 행의 모든 단위 화소(3)가 동시에 구동 제어된다. 예를 들면, 수직 구동기(14y) 내에는, 전송 구동 버퍼(252), 리세트 구동 버퍼(254), 및 선택 구동 버퍼(256)가 수용되어 있다.

단위 화소(3)에 대한 배선으로서, 전송 게이트 배선(판독 선택선 TRG)(55), 리세트 배선(RST)(56), 및 행 주소 선택을 위한 수직 선택선(SEL)(57)의 3개의 선이 가로방향에 부설되고, 수직 데이터선(18)과 드레인선(Vdd 공급 배선)이 세로 방 향에 부설되고, 플로팅 디퓨전(38)과 증폭 트랜지스터(42)의 게이트를 연결하는 등의 내부 배선(화소내의 배선)이 부설된다. 또한, 도면에 도시하지 않지만, 화소 경계 부분과 흑 레벨 검지 화소를 위한 차광막에 사용하는 제2 배선이 존재한다.

증폭 트랜지스터(42)의 출력측은, 판독 전류 공급선(19)을 통하여 판독 전류원부(27)와 접속된다. 결과적으로, 신호 판독시에, 판독 전류원부(27) 내의 부하 MOS 트랜지스터와 선택된 행의 증폭 트랜지스터(42) 사이에 소스폴로어가 형성되어, 각 증폭 트랜지스터(42)에 접속된 부하 MOS 트랜지스터를 사용하여 미리 결정된 정전류를 증폭용 트랜지스터에 공급하기를 계속한다(도 7a 참조). 전류 소비량이 증가하는 문제가 있지만, 판독 전류 공급선(19)을 제거하여, 소스폴로어 출력의 증폭 트랜지스터(42)에, 항상 전류를 공급할 수 있다.

제3 실시예의 특징 부분으로서, 고체 촬상 장치(1)는 화소 신호 생성기(33)의 후단에, 전압 모드의 화소 신호에 기초하여 FM 변조나 PM 변조를 수행하는 신호 변환기(100)를 포함한다. 전하 생성기(32)로 생성된 신호 전하를 화소 신호 생성기(33)에 의해 전압 모드의 화소 신호로 변환하고 나서, 신호 변환기(100)에 의해, 반송파 신호를 주파수에 관련된 신호로 변환하므로, 범용적인 VCO를 이용한 FM 변조 회로 및 PM 변조 회로를 이용할 수 있는 이점이 있다.

신호 변환기(100)의 출력은, 화소 신호의 신호 판독선의 기능을 갖는 수직 데이터선(18)에, 동일 수직 열의 신호 변환기(100)와 공통으로 접속된다. 단위 화소(3)로 취득한 신호 전하에 따른 변조 신호 F0(Fout1또는 Fout2)은 열 신호 처리기(22) 내의 AD 변환기(120)에 공급된다(도 7a 참조).

신호 변환기(100)의 트랜지스터 출력을 판독 전류원부(27)와 접속되는 소스폴로어에 형성함으로써, 신호 판독시에는 판독 전류원부(27) 내의 부하 MOS 트랜지스터와 선택된 행의 트랜지스터 사이에서 소스폴로어를 형성하여, 각 트랜지스터에 접속된 부하 MOS 트랜지스터를 사용하여 정전류를 트랜지스터에 공급하기를 계속할 수도 있다.

촬상 장치의 개략적 구성; 제3 실시예; 제2 예

도 9a 및 도 9b는, 본 발명에 따른 물리 정보 취득 장치의 일 형태인 CMOS 고체 촬상 장치의 제3 실시예의 제2 예를 설명하는 도면들이다. 제2 예는 제3 실시예의 제1 예의 수정본으로서 기재된다.

이 제3 실시예의 제2 예의 고체 촬상 장치(1)는, 신호 변환기(100)를 촬상부(10)에 구성하고, 복수의 수직 열의 전하 생성기(32) 및 화소 신호 생성기(33)에 대하여 1개의 AD 변환기(120)를 할당함으로써 신호 변조용의 회로 규모를 작게 할 수 있는 특징을 갖는다.

이 경우, 복수의 전하 생성기(32) 및 화소 신호 생성기(33)에 대하여 1개의 AD 변환기(120)를 할당하기 위해, 단위 화소(3)의 출력측과 수직 데이터선(18) 사이에는, 선택기 스위치(58)가 설치된다. 선택기 스위치(58)로 선택된 변조 신호 F0(Fout1 또는 Fout2)를 선택기 스위치(58)의 단일의 출력단(59)으로부터 수직 데이터선(18)을 통하여 AD 변환기(120)에 공급한다. 선택기 스위치(58)는, 복수의 단위 화소(3)에 대하여 1개의 신호 변환기(100)를 할당하는 선택 스위치부로서 기능한다. 스위치 제어 신호로서 판독 행을 지시하는 제어 신호가 선택기 스위치 (58)에 입력된다.

그러므로, 도시되지는 않지만, 열 처리기(20) 내에는, 할당될 AD 변환기(120)를 감안한 수의 AD 변환기(120)를 설치한다. AD 변환기(120)의 수가 최대로 되는 구성으로서, 각각 2개의 전하 생성기(32) 및 화소 신호 생성기(33)에 대하여 1개의 AD 변환기(120)를 할당할 수 있다. AD 변환기(120)의 수가 최소가 되는 구성으로서, 전체 수직 열의 전하 생성기(32) 및 화소 신호 생성기(33)에 대하여 1개의 AD 변환기(120)를 할당할 수 있다.

복수의 전하 생성기(32) 및 화소 신호 생성기(33)에 대하여 단지 1개의 AD 변환기(120)를 할당해야 한다. 예를 들면, 도 9a에 도시한 바와 같이, 각각의 화소에 신호 변환기(100)를 설치하여, 각 신호 변환기(100)의 후단에 선택기 스위치(58)를 배치할 수도 있다. 이 경우, 선택기 스위치(58)는, 복수의 신호 변환기(100)에 대하여 단일의 출력단(59)을 할당하거나 1개의 AD 변환기(120)를 할당하는 선택 스위치부의 기능을 갖는다. 다른 경우에, 도 9b에 도시한 바와 같이, 또한 신호 변환기(100)의 전단에 선택기 스위치(58)를 배치하여 신호 변환기(100)의 수를 삭감하여, 신호 변조용의 전체 회로 규모를 비약적으로 감소시킬 수도 있다. 이 경우, 선택기 스위치(58)는, 복수의 단위 화소(3)에 대하여 단일의 출력단(59)을 할당하거나 1개의 신호 변환기(100)를 할당하는 선택 스위치부의 기능을 갖는다.

제3 실시예의 구성을 채용하면, 제1 예 및 제2 예를 막론하고, 각각의 단위 화소(3)로 취득한 신호 전하에 따른 변조 신호 F0(Fout1 또는 Fout2)을 촬상부(10) 의 외부에 설치된 열 처리기(20)에 전송한다. 인간의 눈의 정보 전달의 구조와 동일한 형태가(로) 된다.

신호 변환기(100)와 AD 변환기(120)의 동작은, 제1 실시예의 것들과 동일하다. 이 제3 실시예에서, 제1 실시예와 같이, 촬상부(10)로부터 판독된 화소 신호 전압 Vx가 안정된 시점과 거의 동시에 카운트 결과를 취득할 수 있고 AD 변환 처리를 완료시킬 수 있어서, AD 변환 처리를 비약적으로 단축할 수 있다.

신호 변환기(100)를 포함하는 부분들을 촬상부(10)에 배치하고, AD 변환기(120)는 열 처리기(20)에 남기므로 종래 구성으로서는 얻을 수 없는 효과를 실현할 수 있다.

도 8 및 도 9로부터 알 수 있는 바와 같이, 단위 화소(3)의 크기는 신호 변환기(100)를 추가하므로 증가한다. 제2 예에서, 선택기를 촬상부(10)에 배치하는 필요가 있으므로, 촬상부(10) 전체의 면적도 증가하여서, 고밀도화를 실현하기 어렵게 한다.

신호 판독을 위한 수직 데이터선(18) 외에 판독 전류 공급선(19)을 배치할 필요가 있다. 그러므로, 촬상부(10)의 활성 소자에 배선을 하는 배선층을 형성할 때, 입사광을 배선층과 동일한 표면측으로부터 광전 변환 소자에 수취하는 표면 수광형의 통상적 화소 구조를 갖는 표면 센서에서, 판독 전류 공급선(19)이 빛을 가리는 요인일 수 있다.

이들의 문제를 해소하기 위해서, 후술하는 바와 같이, 후면 조사형의 센서 구조가 채용되어야 한다. 후면 조사형에서는, 광전 변환 소자가 형성되는 소자층 에 대하여 그 한 쪽의 표면측에, 활성 소자에 대하여 배선을 하는 배선층 및 그 밖의 회로 구성원들을 배치하는 층을 형성하고, 소자층의 다른 쪽의 면측, 즉, 배선층 및 그외 구성원들을 배치하는 층과 반대 표면측으로부터 광전 변환 소자에 입사광을 수취한다. 이러한 후면 수광형의 화소 구조를 채용하여, 수광면을 고려한 배선 및 회로 구성원 배치가 필요가 없게 된다. 즉, 배선이나 회로 구성원들에 의한 차광의 문제를 걱정하지 않고, 광전 변환 소자 영역 위에 배선을 할 수 있어서, 배선 및 회로 구성원들의 배치의 자유도가 향상된다.

그러나, 후면 조사형이 채용될 때도, 광 입사면과는 반대측의 배선 및 회로 구성원들을 위한 층 수를 감소하면서 전체 촬상부(10)의 크기의 증가를 방지하기 위해, 신호 변환기(100)와 선택기 스위치(58)의 회로 규모를 작게 하는 것이 바람직하다. 신호 변환기(100)의 수를 줄일 수 있는 도 9b에 도시하는 구성을 채용하는 것이 적절하다고 고려된다.

촬상 장치의 개략적 구성; 제4 실시예; 제1 예

도 10은, 본 발명에 따른 물리 정보 취득 장치의 일 형태인 CMOS 고체 촬상 장치의 제4 실시예의 제1 예를 설명하는 도면이다. 제1 예는 제3 실시예의 제1 예에 대한 수정본으로서 기재된다. 이 제4 실시예의 고체 촬상 장치(1)는, 신호 변환기(100)뿐만 아니라 AD 변환기(120)도 촬상부(10)에 설치하는 특징을 갖는다.

특히 제1 예에서, 신호 변환기(100) 및 AD 변환기(120)를 단위 화소(3)마다 설치하여, 그 출력을, 수직 열마다, 촬상부(10)의 외부에 취출하는 특징을 갖는다. 도시되지는 않았지만, AD 변환기(120)를 촬상부(10) 내에 설치하고 있고, 이 AD 변 환기(120)의 출력을 즉시 수평 선택 스위치부(60) 및 수평 데이터선(86)을 통하여 출력부(88)에 전달할 수 있다.

도 10에 도시한 바와 같이, 촬상부(10) 내의 각각의 단위 화소(3)는, 신호 전하를 검지하는 전하 생성기(32)와, 전하 생성기(32)로 생성된 신호 전하에 기초하여 전압 모드의 화소 신호를 생성하는 화소내 증폭기로서의 화소 신호 생성기(33)를 포함한다.

이 제3 실시예의 특징 부분으로서, 화소 신호 생성기(33)의 후단에, 신호 변환기(100) 및 AD 변환기(120)를 이 순서로 포함하고 있다. AD 변환기(120)의 출력은, 화소 신호의 출력선인 수직 데이터선(18)에, 동일 수직 열의 AD 변환기(120)와 공통으로 접속된다. 단위 화소(3)로 취득한 신호 전하에 따른 변조 신호 F0(Fout1 또는 Fout2)에 기초하여 AD 변환기(120)로 취득한 카운터 값이 수평 선택 스위치부(60) 및 수평 데이터선(86)을 통하여 출력부(88)에 공급된다.

도 11a 및 도 11b는, 본 발명에 따른 물리 정보 취득 장치의 일 형태인 CMOS 고체 촬상 장치의 제4 실시예의 제2 예를 설명하는 도면들이다. 제2 예는 제3 실시예의 제2 예에 대한 수정본으로서 기재된다.

이 제4 실시예의 제2 예의 고체 촬상 장치(1)는, 신호 변환기(100) 및 AD 변환기(120)를 촬상부(10)에 구성하고, 복수의 수직 열의 전하 생성기(32) 및 화소 신호 생성기(33)에 대하여 수평 선택 스위치부(60) 내의 선택 스위치를 1개 할당하도록 하는 특징을 갖는다.

이 경우, 복수의 전하 생성기(32) 및 화소 신호 생성기(33)에 대하여 1개의 선택 스위치를 할당하기 위해, 단위 화소(3)의 출력측과 수직 데이터선(18) 사이에, 선택기 스위치(58)가 설치되고, 선택기 스위치(58)로 선택된 카운트치(AD 변환기(120)에 의한 것)을 수직 데이터선(18)을 통하여 선택 스위치에 공급한다. 선택기 스위치(58)는, 스위치 제어 신호로서 판독 행을 지시하는 제어 신호가 입력된다.

그러므로, 도시되지는 않았지만, 수평 선택 스위치부(60) 내에, 할당될 선택 스위치를 감안한 수의 선택 스위치를 설치한다. 선택 스위치의 수가 최대가 되는 구성으로서, 각각 2개의 전하 생성기(32) 및 화소 신호 생성기(33)에 대하여 단 1개의 신호 변환기(100) 및 AD 변환기(120)를 할당할 수 있고, 선택 스위치의 수가 최소가 되는 구성으로서, 모든 수직 열의 전하 생성기(32) 및 화소 신호 생성기(33)에 대하여 1개의 선택 스위치를 할당할 수 있다.

복수의 전하 생성기(32) 및 화소 신호 생성기(33)에 대하여 단지 1개의 선택 스위치만을 할당해야 한다. 도 11a에 도시한 바와 같이, 각각의 화소에 신호 변환기(100) 및 AD 변환기(120)를 설치하여, 각 AD 변환기(120)의 후단에 선택기 스위치(58)를 배치할 수도 있다. 이 경우, 선택기 스위치(58)는, 복수의 AD 변환기(120)에 대하여 단일의 출력단(59)을 할당하거나 수평 선택 스위치부(60) 내의 1개의 선택 스위치를 할당하는 선택 스위치부의 기능을 갖는다.

다른 경우에, 도 11b에 도시한 바와 같이, 신호 변환기(100)의 전단에 선택기 스위치(58)를 배치하여 신호 변환기(100) 및 AD 변환기(120)의 수를 감소시킬 수도 있다. 이 경우, 선택기 스위치(58)는, 복수의 단위 화소(3)에 대하여, 즉, 단일의 출력단(59)을 할당하거나 1개의 신호 변환기(100)와 AD 변환기(120), 즉, 수평 선택 스위치부(60) 내의 1개의 선택 스위치를 할당하는 선택 스위치부의 기능을 갖는다.

도시되지는 않았지만, 도 11a와 도 11b의 중간적인 형태로서, 각각의 단위 화소(3)에 신호 변환기(100)를 설치하여, 복수의 신호 변환기(100)와 1개의 AD 변환기(120) 사이에 선택기 스위치(58)를 배치하여 AD 변환기(120)의 수를 감소시킬 수 있다. 이 경우, 선택기 스위치(58)는, 복수의 신호 변환기(100)에 대하여, 단일의 출력단(59)을 할당하거나 1개의 AD 변환기(120), 즉, 수평 선택 스위치부(60) 내의 1개의 선택 스위치를 할당하는 선택 스위치부의 기능을 갖는다.

제4 실시예의 구성을 채용하면, 제1 예 및 제2 예를 막론하고, 각각의 단위 화소(3)로 취득한 신호 전하에 따른 카운터 값, 즉, AD 변환 결과를 촬상부(10)의 외부에 설치된 수평 선택 스위치부(60)에 발신하여 즉시 출력부(88)에 전송한다. 이것은, 인간의 눈의 정보 전달의 메커니즘과 동일한 형태이다.

신호 변환기(100)와 AD 변환기(120)의 동작은, 제1 실시예의 것들과 동일하다. 이 제4 실시예에서, 제1 실시예와 마찬가지로, 촬상부(10)로부터 판독된 화소 신호 전압 Vx가 안정된 시점과 거의 동시에 카운트 결과를 취득할 수 있고 AD 변환 처리를 완료시킬 수 있어서, AD 변환 처리 시간을 비약적으로 단축할 수 있다.

신호 변환기(100)뿐만 아니라 AD 변환기(120)를 도 촬상부(10)에 배치하므로 종래 구성에서 얻을 수 없는 효과를 실현할 수 있다.

그러나, 도 10 및 도 11a 및 도 11b로부터 알 수 있는 바와 같이, 제3 실시 예의 구성에 기초하여 AD 변환기(120)를 촬상부(10)에 설치하므로, 고밀도화를 실현하는 것이 한층 곤란하게 된다. 단위 화소(3)의 크기가 신호 변환기(100)나 AD 변환기(120)의 추가로 증가한다. 제2 예에서, 선택기를 촬상부(10)에 배치하는 필요가 있으므로, 전체 촬상부(10) 전체의 면적도 증가하므로, 고밀도화를 실현하기 어렵게 된다.

제3 실시예와 마찬가지로, 신호 판독을 위해 수직 데이터선(18) 외에 판독 전류 공급선(19)을 배치할 필요가 있으므로, 촬상부(10)의 활성 소자에 대하여 배선을 하는 배선층의 형성에서, 입사광을 배선층과 동일한 표면측으로부터 광전 변환 소자에 수취하는 표면 수광형의 통상적 화소 구조를 갖는 표면 센서에서는, 판독 전류 공급선(19)이 빛을 가리는 요인일 수 있다.

이 문제들을 해소하기 위해서, 제3 실시예에 설명한 바와 같이, 후면 조사형의 센서 구조가 채용되어야 한다. 그러나, 후면 수광형의 센서 구조가 채용될 때도, 광 입사면과는 반대측의 배선 수 및 회로 구성원들의 층 수를 적게 하면서 촬상부(10) 전체로서의 크기의 증가를 방지하기 위해, 신호 변환기(100), AD 변환기(120), 및 선택기 스위치(58)의 회로 규모를 작게 하는 것이 바람직하다. 신호 변환기(100) 및 AD 변환기(120)의 수를 줄일 수 있는 도 11b에 도시하는 구성을 채용하는 것이 적절하다고 고려된다.

촬상 장치의 개략적 구성; 제5 실시예

도 12a 및 도 12b는, 본 발명에 따른 물리 정보 취득 장치의 일 형태인 CMOS 고체 촬상 장치의 제5 실시예를 설명하는 도면들이다. 제5 실시예는 제3 실시예의 제1 예에 대한 수정본으로서 기재된다. 아래 설명하는 수정된 형태는, 제3 실시예의 제2 예나 제4 실시예의 제1 예 및 제2 예에 대하여도 마찬가지로 적용할 수 있다.

제5 실시예는, 전하 생성기(32)로 생성된 신호 전하에 기초하여, 직접적으로 FM 변조나 PM 변조에 의한 신호 변환을 수행하는 신호 변환기(101)를 설치하는 특징을 갖는다. 직접적으로 FM 변조나 PM 변조를 수행하기 위해서는, 도 10a에 도시한 바와 같이, 신호 변환기(100)를, 전하 주입형의 변조 회로로서 형성해야 한다. 즉, 신호 전하에 기초하여 반송파 신호를 주파수에 관련된 변조 신호로 변환하는 기능을 갖추어야 하고, 반송파 신호의 주파수 f 그 자체를 변조 신호로서의 신호 전하로 변조하는 주파수 변조기로서의 전하/주파수 변환기(Q/F)혹은 위상φ를 변조 신호로서의 신호 전하에 따라 변조하는 위상 변조기로서의 전하/위상 변환기(Q/P)를 포함해야만 한다.

도 10b에 도시한 바와 같이, 필요에 따라, 전하 생성기(32)로 생성된 신호 전하를 신호 변환기(100)에 전송하는 스위치로서의 판독 선택 트랜지스터(34)를 전하 생성기(32)와 신호 변환기(100) 사이에 설치하면 바람직하다. 전하를 배출하는 리세트 게이트부로서 리세트 트랜지스터(36)를 설치할 수 있다.

제3 및 제4 실시예 모두에서, 전하 생성기(32)로 생성된 신호 전하는 화소 신호 생성기(33)에 의해 전압 모드의 화소 신호로 변환하고 나서, 반송파 신호를 주파수에 관련된 신호로 변환하기 때문에, 범용적인 VCO를 이용한 FM 변조 회로나 PM 변조 회로를 이용할 수 있지만, 회로 구성이 용장(redundant)으로 되어 있다.

한편, 제5 실시예에서, 전하 생성기(32)로 생성된 신호 전하에 기초하여 직접적으로 FM 변조나 PM 변조를 수행하므로 회로 구성을 조밀하게 만들 수 있다.

후면 조사형의 센서 구조; 단면도

도 13a 및 도 13b는, 제3 내지 제5 실시예를 실현하는 것에 적합한 후면 조사형의 촬상부(10) 및 주변 회로부의 구조의 일례를 도시하는 단면도들이다. 도 13a에서, 웨이퍼를 CMP(Chemical Mechanical Polishing)에 의해서 연마함으로써, 전하 생성기(32)나 화소 신호 생성기(33)를 위한 약 10 내지 20μm의 두께의 실리콘(Si)으로 만들어진 반도체 소자층(631)이 형성된다. 그 두께가 바람직한 범위는, 가시광에 대하여 5 내지 15μm, 적외광에 대하여 15 내지 50μm, 자외광에 대하여 3 내지 7μm 이다. 이 반도체 소자층(631)의 한 쪽의 표면측에는 반도체 소자층(631)과 차광막(633) 사이에 SiO2막(632)을 삽입한 차광막(633)이 형성되어 있다.

배선과 상이하게 차광막(633)은,광학적인 요소만을 고려하여 설치된다. 이 차광막(633)에는 개구부(633a)가 형성되어 있다. 차광막(633)의 상에는, 패시베이션막으로서 실리콘 질화막(SiN)(634)이 형성되고, 개구부(633a)의 위에 색 필터(635) 및 마이크로 렌즈(636)가 형성되어 있다. 반도체 소자층(631)의 한 쪽의 표면측에 입사하는 광은, 마이크로 렌즈(636) 및 색 필터(635)를 경유하여, 반도체 소자층(631)에 형성되는 포토다이오드(433)의 수광면에 유도되는 화소 구조로 되어 있다. 반도체 소자층(631)의 다른 쪽의 표면에, 트랜지스터 및 금속 배선이 형성되는 배선층(638)이 설치되고, 그 밑으로는 약 100μm 두께의 기판 지지재(639)가 접착되고 있다.

배선층(638) 내의 제1 층째는 화소내의 배선으로서, 제2 층째는 수직 데이터선(18)이나 드레인선 등을 위한 세로 방향의 배선으로서 사용되고, 제3 층째는 전송 게이트 배선(판독 선택선 TRG)(55), 리세트 배선(RST)(56), 및 행 주소 설정용의 수직 선택선(VSEL)(57) 등을 위한 가로방향의 배선으로서 이용된다.

또한, 제3 및 제4 실시예의 실현에서, 세로 방향의 배선은, 수직 데이터선(18)에 제한하지 않고, 신호판독시에 판독 전류원부(27)의 부하 MOS 트랜지스터와 선택 행의 증폭 트랜지스터(42) 사이에 소스폴로어를 설치하여, 각 증폭 트랜지스터(42)에 접속된 부하 MOS 트랜지스터를 사용하여 미리 결정된 정전류를 증폭 트랜지스터(42)에 공급을 계속하기 위한 판독 전류 공급선(19)도 배치된다.

이 판독 전류 공급선(19)을 위한 층으로서, 배선층(638) 내에 제4 층째를 설치한다. 배선층(638) 내에서 층 수를 늘리더라도, 수광면측의 광학 설계에는 아무런 영향을 주지 않는다. 이 점에서, 층 수를 증가할 때, 후면 조사형의 센서 구조는 수광면측의 광학 설계에 영향을 주는 표면 수광형의 센서와 크게 상이하다. 물론, 수직 데이터선(18)은 제4 층째 이후에 배치될 수 있다. 이 경우, 2층째의 배선 수를 감소시켜서, 화소의 미세화를 실현할 수 있다.

배선층(638)과 기판 지지재(639) 사이에는, 신호 변환기(100), AD 변환기(120), 및 선택기 스위치(58)를 위한, 10 내지 20μm 정도의 두께의 실리콘(Si)등으로 만들어진 반도체 소자층(640)이 형성된다. 신호 변환기(100), AD 변환기(120), 및 선택기 스위치(58)의 전부가 동일한 반도체 소자층에 설치되는 것은 필 수가 아니고, 적어도 신호 변환기(100), AD 변환기(120), 및 선택기 스위치(58)가, 단지 수광면측과는 반대측의 임의의 수의 반도체 소자층에 형성되어야 한다. 예를 들면, 반도체 소자층(640)을, (640a, 640b, 및 640c)의 3층 구조로 하여, 신호 변환기(100), AD 변환기(120), 및 선택기 스위치(58)가, 각각 개별의 반도체 소자층(640a, 640b, 및 640c)에 설치되는 것이 또한 가능하다. 이와 같이 반도체 소자층(640)을 설치하더라도, 수광면측의 광학 설계에는 아무런 영향을 주지 않는다. 이 점에서, 수광면측에 회로 구성원을 배치하는 경우, 후면 조사형의 센서 구조는 수광면측의 광학 설계에 영향을 주는 표면 수광형의 센서 구조와 크게 상이하다.

종래의 CMOS 화상 센서는, 배선층측을 표면측으로 하여, 이 배선층측으로부터 입사광을 수취하는 표면 수광형의 화소 구조를 채용한다. 상술된 후면 조사형의 소자 구조에서는, 배선층(638) 및 반도체 소자층(640)과 반대측의 표면으로부터 입사광을 수취한다.

이 후면 수광형 화소 구조로부터 분명한 바와 같이, 마이크로 렌즈(636)와 포토다이오드(433) 사이에는 차광막(633)이 금속층으로서 존재할 뿐이고, 이 차광막(633)의 포토다이오드(433)로부터의 높이가 SiO2막(632)의 두께(예를 들면, 약 5μm)만큼 낮으므로, 금속층에서의 이클립스(eclipse)에 의한 콘덴싱(condensing)의 제한을 없앨 수 있다.

도 13a로부터도 알 수 있는 바와 같이, 배선층과 반대측의 표면에서 광을 수취하는 후면 수광형 화소 구조를 채용하고 있기 때문에, 배선이나 반도체 소자층(640) 내의 회로 구성원들에 의한 차광의 문제를 걱정하지 않고, 포토다이오드 등 의 광전 변환 소자 영역 위에 배선 및 회로 구성원들을 배치할 수 있다.

또한, 도 13a부터 알 수 있는 바와 같이, 수광면측에 배선층638)이 존재하지 않으므로, 차광막(633), 색 필터(635), 및 마이크로 렌즈(636)를 수광면에 대하여 낮은 위치에 형성할 수 있으므로, 후면 수광형의 화소 구조는 또한 감응성, 혼색, 주변감광(limb darkening) 등에 관해서도 이점이 있다.

본 예에 나타낸 후면 조사형의 센서 구조에서는,판독 전류 공급선(19)뿐만 아니라, 그 밖의 배선(화소내의 배선, 판독 전류 공급선(19)을 제외하는 세로 방향의 배선, 및 가로방향의 배선)을, 입사광을 광전 변환 소자에 수취하는 측과는 반대측의 면에 배치하고 있지만, 이것은 필수가 아니다. 즉, 제3 혹은 제4 실시예의 실현에서, 후면 조사형의 센서 구조는 수직 데이터선(18)과는 별도로 설치하도록 요구될 수 있는 판독 전류 공급선(19)에 적용한다. 이 경우, 표면 조사형의 센서 구조를 기본으로서 변형할 때, 도 13b에 도시된 층 구조가 얻어진다.

예를 들면, 이미 표면형의 센서로서 광학 설계된 센서를, 특성의 호환성을 갖는 상태에서 글로벌 셔터로서 변경하여 사용할 때, 예를 들면, 디지털 시스템으로서의 제어선과 아날로그 시스템으로서의 수직 데이터선을 표면과 후면에서 격리하는 등에 센서 구조를 이용할 수 있다.

배선층(642)과 배선층(638) 사이에 유지되는, 포토다이오드(433) 등이 형성되는 반도체 소자층(631)을 끼워, 수광면과는 반대측에 신호 변환기(100), AD 변환기(120), 선택기 스위치(58)용의 반도체 소자층(640)과 판독 전류 공급선(19)용의 배선층(642)을 배치하고, 수광면측에 그 밖의 배선(화소내의 배선, 세로 방향의 배 선, 가로방향의 배선)용의 배선층(638)을 배치하도록 하는 것은 불가능하지 않지만, 실제 문제로서, 공정 수가 증가한다.

본 발명을 실시예를 이용하여 설명했지만, 본 발명의 기술적 범위는 상기 실시예에 기재된 범위에는 한정되지 않는다. 발명의 요지를 일탈하지 않은 범위에서 상기 실시예에 다양한 수정 및 변경을 할 수 있다. 그와 같은 수정 및 변경 후의 형태들도 또한 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

상기의 실시예들은, 청구범위에 따라 발명을 제한하지는 않는다. 실시예들에서 설명되어 있는 특징의 조합의 전부가 문제들을 해결하는 수단에 항상 필수적이지는 않는다. 전술한 실시예들에는 여러 가지의 단계의 발명이 포함되어 있고, 본 명세서에 개시되는 복수의 소자들의 적절한 조합에 따라 여러 가지의 발명을 추출할 수 있다. 실시예들에 기재되는 모든 소자들로부터 몇 개의 소자들이 삭제되어도, 몇 개의 소자들이 삭제된 구성이 발명으로서 추출될 수 있다.

예를 들면, 상기 실시예들에서 설명된 예들에서, 라인(행)마다 입사광에 대응하는 신호 전하의 축적이 개시되어, 그 축적된 신호 전하에 기초하는 전류 또는 전압의 신호를, 주소 지정에 의해서 각 화소의 화소 신호로서 순서대로 촬상부에서 판독하는 노출 시간의 전자 제어를 수행하는 행 단위 판독 시스템(열 판독 시스템)의 장치에 본 발명이 적용된다. 그러나, 화소마다 입사광에 대응하는 신호 전하의 축적이 시작되는 시스템에서, 실시예들에서처럼, 축적된 신호 전하에 기초하여, 반송파 신호를 주파수에 관련된 신호로 변환하여, 이 주파수에 관련된 신호를 사용하여 소정의 목적을 위한 물리 정보를 취득할 수 있다.

실시예들에서, 광이나 방사선 등의 외부로부터 입력되는 전자파에 대하여 감응성을 갖는 CMOS 고체 촬상 장치가 일례로서 기재되지만, 주소 설정으로써 화소의 축적 시간 및 판독 시점이 결정되는 타입의 물리량의 변화를 검지하는 모든 물리량 분포 검지기에, 상기 실시예들로 설명한 메커니즘들을 적용할 수 있다. CCD(전하 결합 소자) 등과 같이, 단위 구성 요소 내에 단위 신호 생성기를 포함하지 않는 구조의 반도체 장치에도 그 메커니즘을 또한 적용할 수 있다.

물리량의 변화를 광으로 파악하는 메커니즘에 한하지 않고, 예를 들면, 압력에 기초하는 전기적 특성의 변화 및 광학적 특성의 변화에 기초하여 지문의 상을 검지하는 지문 인증 장치(JP-A-2002-7984, JP-A-2001-125734 등을 참조)등, 그 밖의 물리적인 변화를 검지하는 메커니즘에서, 검지기에서 검지된 물리량 변화 정보에 기초하여, 반송파 신호를 주파수에 관련된 신호로 변환하여, 이 주파수에 관련된 신호를 사용하여 소정의 목적을 위한 물리 정보를 취득할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따라, 반송파 신호는 검지기에 의해 검지되는 전하 정보에 기초하여 주파수(변조 신호)에 관련된 신호로 변환되어, 변조 신호를 사용하여 소정의 목적을 위해 물리 정보를 취득한다.검지기에 의해 검지된 전하 정보는 전압 모드나 전류 모드의 신호로서 출력측에 전송되지 않고, 주파수와 관련된 변조 신호로 변환된 후에 전송된다. 그러므로, 신호가 전송될 때 진폭, 주파수, 또는 반송파 신호(변조 신호)의 위상이 변동하더라도, 그 변동은 변조 신호에 의해 전송되는 신호에 영향을 덜 미치고, 신호는 기판 바이어스 효과, 배선 길이, 배선 용량, 게이트 총 용량 등에 의해 쉽게 영향을 받지 않고, 수신측의 입력 신호가 약해 질 때 SN 레이트(신호 전력 대 잡음 전력의 비율)의 열화량이 작고, 잡음 저항 특성이 만족할만하다.

AD 변환 처리가 신호 변환기에서 생성된 변조 파동을 사용하여 펄스 카운트 처리에서 AD 변환 처리기에서 수행되고, AD 변환 처리를 효과적으로 수행하는 것이 가능하다. 또한, AD 변환을 위한 카운트 처리에서 사용되는 카운트 클럭이나 게이트 신호가 AD 변환 처리기에 배선될 때도, 카운터 클럭이나 게이트 신호의 주파수를 낮추기 위한 메커니즘을 채택하기는 쉽다. 배선에 의한 잡음 및 전력 소비의 문제를 쉽게 감소시키는 것이 가능하다.

당업자들이라면, 다양한 수정, 조합, 서브-조합, 및 변형이 첨부된 청구범위나 그것의 동등물의 범위 내에 있는 한 디자인 요구사항과 다른 요인들에 따라 발생할 수 있슴을 이해해야 한다.

본 발명에 따르면, 검지기에서 검지한 변화 정보에 기초하여 반송파 신호를 주파수에 관련된 신호(변조 신호)로 변환하여, 이 변조 신호를 사용하여 소정의 목적을 위한 물리 정보를 취득하는 것이다.

검출부에서 검지한 변화 정보를 전압 모드나 전류 모드의 신호로 출력측에 전송하는 것은 아니고, 주파수에 관련된 변조 신호로 변환하여 전송하기 때문에, 신호 전달시에 반송파 신호(변조 신호)의 진폭이나 주파수나 위상이 변동해도, 변조 신호에 운반되는 신호에 끼치는 영향이 적고, 기판 바이어스 효과나 배선 길이나 배선 용량이나 게이트 총 용량 등의 영향을 받기 어렵고, 또한 수신측에서의 입 력 신호가 약해진 경우의 SN 비(신호 전력 대 잡음 전력의 비)의 열화량이 적고, 잡음 저항 특성이 양호하다. 또한, 신호 변환기에서 생성된 변조파를 사용하여, AD 변환 처리기에서 펄스 카운트 처리로써 AD 변환 처리를 수행함으로써, AD 변환 처리를 효율적으로 수행할 수 있다. 덧붙여, AD 변환용의 카운트 처리에 사용되는 카운터 클럭이나 게이트 신호를 AD 변환 처리기까지 배선하는 경우, 카운터 클럭이나 게이트 신호의 주파수를 낮게 하는 구조를 채용하는 것이 용이하고, 이 배선에 의한 잡음이나 전력 소비의 문제를 저감하는 것이 용이하게 실현된다.

Claims (38)

1. 입사된 물리량의 변화에 따른 변화 정보를 검지하는 검지기(detector)를 포함하여 상기 검지기에서 검지한 상기 변화 정보에 기초하는 단위 신호를 출력하는 단위 구성 요소가 소정의 순으로 배치된 물리량 분포 검지를 위한 부분을 사용하여, 물리량에 대한 소정의 검지 조건하에 취득된 상기 변화 정보에 기초하여 소정의 목적을 위한 물리 정보를 취득하는 물리 정보 취득 방법으로서,

   상기 검지기에서 검지한 상기 변화 정보에 기초하여 반송파 신호를 주파수에 관련된 신호로 변환하고,

   이 주파수에 관련된 신호를 사용하여 소정의 목적을 위한 물리 정보를 취득하는 물리 정보 취득 방법.
2. 입사된 물리량의 변화에 따른 변화 정보를 검지하는 검지기를 포함하여 상기 검지기에서 검지한 변화 정보에 기초하는 신호를 출력하는 단위 구성 요소가 소정의 순으로 배치된 물리량 분포 검지를 위한 부분을 사용하여, 물리량에 대한 소정의 검지 조건하에 취득된 상기 신호에 기초하여 소정의 목적을 위한 물리 정보를 취득하는 물리 정보 취득 장치로서,

   상기 검지기에서 검지한 변화 정보에 기초하여, 반송파 신호를 주파수에 관련된 신호로 변환하는 신호 변환기를 포함하고,

   상기 신호 변환기가 생성한 주파수에 관련된 신호를 사용하여, 소정의 목적 을 위한 물리 정보를 취득하는 물리 정보 취득 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 신호 변환기가 생성한 주파수에 관련된 신호를 이용하여, 상기 검지기에서 검지한 상기 변화 정보를 처리 대상 신호로서 설정하여, 상기 처리 대상 신호를 디지털 데이터로 변환하는 AD 변환 처리기를 더 포함하는 물리 정보 취득 장치.
4. 제2항에 있어서, 상기 신호 변환기는, 상기 단위 구성 요소가 소정의 순서로 배치된 검지 영역에 설치되어 있는 물리 정보 취득 장치.
5. 제4항에 있어서, 복수의 상기 단위 구성 요소들에 대하여 1개의 신호 변환기를 할당하거나 또는 복수의 신호 변환기에 대하여 1개의 출력단을 할당하는 선택 스위치부를 더 포함하는 물리 정보 취득 장치.
6. 제3항에 있어서, 상기 신호 변환기와 상기 AD 변환 처리기는, 상기 단위 구성 요소가 소정의 순서로 배치된 검지 영역에 설치되는 물리 정보 취득 장치.
7. 제6항에 있어서, 복수의 신호 변환기 및/또는 상기 AD 변환 처리기에 대하여 1개의 출력단을 할당하는 선택 스위치부를 더 포함하는 물리 정보 취득 장치.
8. 제2항에 있어서, 상기 신호 변환기는, 상기 검지기에서 검지한 상기 변화 정보에 기초하여, 상기 반송파 신호에 있어서의 주파수 성분을 변조하는 주파수 변조기를 포함하는 물리 정보 취득 장치.
9. 제2항에 있어서, 상기 검지기에서 검지한 상기 변화 정보에 기초하여 단위 신호를 생성하는 단위 신호 생성기를 상기 단위 구성 요소 내에 포함하고, 상기 신호 변환기는, 상기 단위 신호 생성기에서 생성된 상기 단위 신호에 기초하여, 상기 반송파 신호에 있어서의 주파수 성분을 변조하는 주파수 변조기를 포함하는 물리 정보 취득 장치.
10. 제2항에 있어서, 상기 신호 변환기는, 상기 검지기에서 검지한 상기 변화 정보에 기초하여, 상기 반송파 신호에 있어서의 위상 성분을 변조하는 위상 변조기를 포함하는 물리 정보 취득 장치.
11. 제2항에 있어서, 상기 검지기에서 검지한 상기 변화 정보에 기초하여 단위 신호를 생성하는 단위 신호 생성기를 상기 단위 구성 요소 내에 포함하고, 상기 신호 변환기는, 상기 단위 신호 생성기에서 생성된 상기 단위 신호에 기초하여, 상기 반송파 신호에 있어서의 위상 성분을 변조하는 위상 변조기를 포함하는 물리 정보 취득 장치.
12. 제3항에 있어서, 상기 AD 변환 처리기는, 소정의 카운트 대상 펄스의 폭을, 상기 신호 변환기로부터 출력된 신호에 따라 펄스 카운트 처리를 수행하여, 상기 검지기에서 검지한 상기 변화 정보인 상기 처리 대상 신호를 디지털 데이터로 변환하는 물리 정보 취득 장치.
13. 제2항에 있어서, 상기 신호 변환기는, 상기 검지기에서 검지한 상기 변화 정보에 기초하여, 상기 반송파 신호에 있어서의 위상 성분을 변조하는 위상 변조기를 포함하고,

    상기 AD 변환 처리기는, 소정의 주파수의 레퍼런스 신호와 상기 위상 변조기로부터 출력된 신호에 기초하여 위상 정보를 추출하는 위상 식별기를 포함하고,

    상기 AD 변환 처리기는 상기 위상 식별기로부터 출력된 상기 위상 정보를 나타내는 카운트 대상 펄스의 폭을, 상기 소정의 주파수의 레퍼런스 신호 또는 상기 위상 변조기로부터 출력된 신호에 따라 펄스 카운트 처리를 수행하여, 상기 검지기에서 검지한 상기 변화 정보인 상기 처리 대상 신호를 디지털 데이터로 변환하는 물리 정보 취득 장치.
14. 제3항에 있어서,

    상기 AD 변환 처리기는, 레퍼런스 성분과 신호 성분을 포함하는 아날로그 처리 대상 신호의 상기 레퍼런스 성분과 상기 신호 성분과의 차이 신호 성분을 디지털 데이터로 변환하고,

    다운 카운트 모드 및 업 카운트 모드 중의 어느 한쪽의 모드로 카운트 처리를 수행하고, 상기 카운트 처리가 완료한 시점의 카운트치를 홀드하는 카운트 처리기를 포함하는 물리 정보 취득 장치.
15. 제14항에 있어서, 상기 레퍼런스 성분과 상기 신호 성분 중의 어느 것에 대한 처리인지에 따라서 상기 카운트 처리부에서의 상기 카운트 처리의 모드를 스위치하는 제어부를 더 포함하는 물리 정보 취득 장치.
16. 제14항에 있어서, 상기 카운트 처리기는, 공통 카운터 회로를 포함하며, 상기 업 카운트 모드와 상기 다운 카운트 모드를 변환할 수 있는 물리 정보 취득 장치.
17. 제15항에 있어서, 상기 제어기는, 제2 처리에 있어서의 상기 카운트 처리를, 제1 처리에서 홀드한 카운트치로부터 시작하는 물리 정보 취득 장치.
18. 제15항에 있어서, 상기 제어부는, 제1 처리의 상기 레퍼런스 성분에 대하여 상기 카운트 처리를 수행하고, 제2 처리의 상기 신호 성분에 대하여 상기 카운트 처리를 수행하도록 제어하는 물리 정보 취득 장치.
19. 제15항에 있어서, 상기 제어기는, 상기 레퍼런스 성분에 대하여 상기 카운트 처리부가 상기 다운 카운트 모드로써 상기 카운트 처리를 수행하고, 상기 신호 성분에 대하여 상기 카운트 처리부가 상기 업 카운트 모드로써 상기 카운트 처리를 수행하도록, 상기 카운트 처리기에서의 상기 카운트 처리의 모드를 스위치하는 물리 정보 취득 장치.
20. 제14항에 있어서,

    최종 처리 대상 신호에 대하여, 상기 카운트 처리부에 의해 홀드된 상기 카운트치를 홀드하는 데이터 저장부;

    현재 처리 대상 신호에 대하여, 상기 신호 변환기와 상기 카운트 처리기에 의해 수행되는 처리와 병행하여, 상기 데이터 저장부에서 상기 카운트치를 판독하는 판독 주사부

    를 더 포함하는 물리 정보 취득 장치.
21. 제2항에 있어서, 상기 물리량 분포 검지를 위한 부분은, 상기 검지기가 형성되는 소자층의 한 쪽의 표면측에 상기 신호 변환기를 형성하는 반도체 소자층을 가지며, 상기 물리량이 상기 소자층의 다른 쪽의 표면측으로부터 상기 검지기로 입사되도록 하는 물리 정보 취득 장치.
22. 제21항에 있어서, AD 변환 처리기는 반도체 소자층에 형성되고, 상기 AD 변환 처리기는, 상기 한 표면측 상에 상기 신호 변환기가 생성한 상기 주파수에 관련 된 신호를 이용하여, 상기 검지기에서 검지한 상기 변화 정보를 처리 대상 신호로서 설정하여, 상기 처리 대상 신호를 디지털 데이터로 변환하는 물리 정보 취득 장치.
23. 입사된 물리량의 변화에 따른 변화 정보를 검지하는 검지기를 포함하고 상기 검지기에서 검지한 상기 변화 정보에 기초하는 신호를 출력하는 단위 구성 요소가 소정의 순으로 배치된 물리량 분포 검지기로서,

    상기 검지기에서 검지한 상기 변화 정보에 기초하여 반송파 신호를 주파수에 관련된 신호로 변환하는 신호 변환기를, 상기 단위 구성 요소가 소정의 순서로 배치된 검지 영역에 포함하는 물리량 분포 검지기.
24. 제23항에 있어서, 복수의 단위 구성 요소에 대하여 1개의 신호 변환기를 할당하거나, 또는 복수의 신호 변환기에 대하여 1개의 출력단을 할당하는 선택 스위치부를, 상기 검지 영역에 더 포함하는 물리량 분포 검지기.
25. 제23항에 있어서, 상기 신호 변환기가 생성한 주파수에 관련된 신호를 이용하여, 상기 검지기에서 검지한 변화 정보를 처리 대상 신호로서 설정하여, 상기 처리 대상 신호를 디지털 데이터로 변환하는 AD 변환 처리기를 상기 검지 영역에 더 포함하는 물리량 분포 검지기.
26. 제25항에 있어서, 복수의 신호 변환기 및/또는 상기 AD 변환 처리기에 대하여 1개의 출력단을 할당하는 선택 스위치부를, 상기 검지 영역에 더 포함하는 물리량 분포 검지기.
27. 제23항에 있어서, 상기 신호 변환기는, 상기 검지기에서 검지한 상기 변화 정보에 기초하여, 상기 반송파 신호의 주파수 성분을 변조하는 주파수 변조기를 포함하는 물리량 분포 검지기.
28. 제23항에 있어서, 상기 검지기에서 검지한 상기 변화 정보에 기초하여 단위 신호를 생성하는 단위 신호 생성기를 상기 단위 구성 요소 내에 포함하고, 상기 신호 변환기는, 상기 단위 신호 생성기에서 생성된 상기 단위 신호에 기초하여, 상기 반송파 신호에 있어서의 주파수 성분을 변조하는 주파수 변조기를 포함하는 물리량 분포 검지기.
29. 제23항에 있어서, 상기 신호 변환기는, 상기 검지기에서 검지한 상기 변화 정보에 기초하여, 상기 반송파 신호의 위상 성분을 변조하는 위상 변조기를 포함하는 물리량 분포 검지기.
30. 제23항에 있어서, 상기 검지기에서 검지한 상기 변화 정보에 기초하여 단위 신호를 생성하는 단위 신호 생성기를 상기 단위 구성 요소 내에 포함하고, 상기 신 호 변환기는, 상기 단위 신호 생성기에서 생성된 상기 단위 신호에 기초하여, 상기 반송파 신호의 위상 성분을 변조하는 위상 변조기를 포함하는 물리량 분포 검지기.
31. 제25항에 있어서, 상기 AD 변환 처리기는, 소정의 카운트 대상 펄스의 폭을, 상기 신호 변환기로부터 출력된 신호에 따라 펄스 카운트 처리를 수행하여, 상기 검지기에서 검지한 상기 변화 정보인 상기 처리 대상 신호를 디지털 데이터로 변환하는 물리량 분포 검지기.
32. 제25항에 있어서, 상기 신호 변환기는, 상기 검지기에서 검지한 상기 변화 정보에 기초하여, 상기 반송파 신호의 위상 성분을 변조하는 위상 변조기를 포함하고, 상기 AD 변환 처리기는, 소정의 주파수의 레퍼런스 신호와 상기 위상 변조기로부터 출력된 신호에 기초하여 위상 정보를 추출하는 위상 식별기를 가지며,

    상기 AD 변환 처리기는, 상기 위상 식별기로부터 출력된 상기 위상 정보를 나타내는 카운트 대상 펄스의 폭을, 상기 소정 주파수의 레퍼런스 신호 또는 상기 위상 변조기로부터 출력된 상기 신호에 따라 펄스 카운트 처리를 수행하여, 상기 검지기에서 검지한 상기 변화 정보인 상기 처리 대상 신호를 디지털 데이터로 변환하는 물리량 분포 검지기.
33. 제23항에 있어서, 상기 검지기가 형성되는 소자층의 한 쪽의 표면측에 상기 신호 변환기를 형성하는 반도체 소자층을 설치하고, 상기 물리량이 상기 소자층의 다른 쪽의 면측으로부터 상기 검지기로에 입사되는 물리량 분포 검지기.
34. 제33항에 있어서, 상기 신호 변환기가 생성한 주파수에 관련된 신호를 이용하여, 상기 검지기에서 검지한 상기 변화 정보를 처리 대상 신호로서 설정하여, 상기 처리 대상 신호를 디지털 데이터로 변환하는 AD 변환 처리기가, 상기 한 쪽의 면측에 설치된 반도체 소자층에 형성되는 물리량 분포 검지기.
35. 복수의 화소들을 포함하는 촬상 영역; 및

    상기 복수의 화소들로부터의 화상 신호가 주파수와 관련된 신호로 변환되는 신호 변환부

    를 포함하는 고체 촬상 장치.
36. 복수의 화소들을 포함하는 촬상 영역을 포함하고,

    상기 복수의 화소들은, 입사광량에 대응하는 화상 신호가 주파수에 관련된 신호로 변환되어 주파수에 관련된 신호가 상기 복수의 화소들로부터 출력되는 신호 변환기부를 포함하는 고체 촬상 장치.
37. 복수의 화소들을 포함하는 촬상 영역, 및

    상기 복수의 화소들로부터의 화상 신호가 주파수와 관련된 신호로 변환되는 신호 변환기부를 갖는 고체 촬상 장치를 포함하는 카메라 장치.
38. 복수의 화소들을 포함하는 촬상 영역을 갖는 고체 촬상 장치를 포함하고,

    상기 복수의 화소들은 입사광량에 따른 화상 신호가 주파수에 관련된 신호로 변환되고, 주파수와 관련된 신호가 상기 복수의 화소들로부터 출력되는 신호 변환기부를 포함하는 카메라 장치.

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