KR20140131582A - 고체 촬상 장치 - Google Patents

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KR20140131582A
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도호쿠 다이가쿠
올림푸스 메디칼 시스템즈 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 판독 기간 중에 화소 출력이 변동해도 노이즈 내성이 높은 신호를 출력한다. 입사광을 광전 변환하는 PD(11)를 포함하여 2차원 배열된 복수의 단위 화소(9)와, 하나 이상의 해당 단위 화소(9)를 포함하는 복수의 화소 그룹마다 설치된 FD(13) 및 노이즈 신호와 신호 노이즈 합 신호를 개별로 출력 가능한 2개의 출력 단자(8a, 8b)와, 출력 단자(8a, 8b)가 공통으로 접속되고, 노이즈 신호 전압, 신호 노이즈 합 신호 전압을 각각 유지 가능한 복수의 제1, 제2 전송선(6a, 6b)과, 출력 단자(8a)와 제1 전송선(6a)과의 사이에 배치된 제1 스위치(10a)와, 출력 단자(8b)와 제2 전송선(6b)과의 사이에 배치된 제2 스위치(10b)와, 각 전송선(6a, 6b)에 설치된 제3, 제4 스위치(19a, 19b)와, 각 전송선(6a, 6b)이 각각 제3, 제4 스위치(19a, 19b)를 개재해서 병렬로 접속된 제3, 제4 전송선(7a, 7b)을 구비하는 고체 촬상 장치를 제공한다.

Description

고체 촬상 장치{SOLID-STATE IMAGE CAPTURE DEVICE}
본 발명은 고체 촬상 장치에 관한 것이다.
종래, CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 이미지 센서로 대표되는, 광전 변환 소자가 축적된 신호 전하를 화소 내에서 신호 전압으로 변환하고 나서 신호선에 출력하는 증폭형 고체 촬상 장치가 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조). 이 고체 촬상 장치는, 화소 내의 전하 전압 변환 소자를 리셋할 때 발생하는 전압(이하, 노이즈 전압이라고 함)과, 해당 노이즈 전압에, 광전 변환에 의해 발생한 신호 전하를 부가한 전압(이하, 신호 노이즈 합 전압이라고 함)을 화소 내의 전하 전압 변환 소자로부터 출력시켜서, 따로따로 유지시키는 2개의 용량 소자를 모든 수직 신호선에 구비하고 있다.
그리고, 이 고체 촬상 장치는, 수직 시프트 레지스터에 의해 선택된 행의 모든 화소로부터의 노이즈 전압과 신호 노이즈 합 전압을 용량 소자에 유지한 후에, 수평 시프트 레지스터에 의해 선택된 열(列)에 구비된 2개의 용량 소자로부터, 노이즈 전압과 신호 노이즈 합 전압을 출력하고, CDS 회로에 의해 이들 전압의 차분을 산출함으로써 노이즈 제거를 행하는 구성으로 되어 있다.
일본 특허 공개 제2000-4399호 공보
그러나, 종래의 고체 촬상 장치는, 소형화를 위해서 열에 구비된 용량 소자를 삭제하면, CDS 회로에 의해 노이즈 제거를 행하기 위해서는 노이즈 신호의 판독을 1라인분 행한 후에 신호 노이즈 합 신호의 판독을 행할 필요가 있고, 판독 기간 중에 화소 출력이 변동된 경우에는 노이즈 제거를 할 수 없게 된다. 이것은, 특히 화소수가 증가함에 따라 현저해진다.
본 발명은, 상술한 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 판독 기간 중에 화소 출력이 변동해도 노이즈 내성이 높은 신호를 출력할 수 있는 고체 촬상 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 이하의 수단을 제공한다.
본 발명의 일 형태는, 입사광을 광전 변환하는 광전 변환 소자를 포함하여 2차원 배열된 복수의 단위 화소와, 하나 이상의 상기 단위 화소를 포함하는 복수의 화소 그룹마다 설치되고, 상기 화소 그룹 내의 각 상기 단위 화소의 상기 광전 변환 소자에 있어서, 광전 변환된 신호 전하를 전압 또는 전류로 변환하는 전하 변환 소자 및, 상기 전하 변환 소자를 리셋할 때 발생하는 노이즈 신호와 상기 노이즈 신호에 광전 변환에 의해 발생한 신호를 부가한 신호 노이즈 합 신호를 개별로 출력 가능한 2개의 출력 단자와, 복수의 상기 화소 그룹의 한쪽의 상기 출력 단자가 공통으로 접속되고, 상기 한쪽의 출력 단자로부터 출력되는 상기 노이즈 신호에 기초하는 전압을 유지 가능한 복수의 제1 전송선과, 복수의 상기 화소 그룹의 다른 쪽의 상기 출력 단자가 공통으로 접속되고, 상기 다른 쪽의 출력 단자로부터 출력되는 상기 신호 노이즈 합 신호에 기초하는 전압을 유지 가능한 복수의 제2 전송선과, 한쪽의 상기 출력 단자와 상기 제1 전송선과의 사이에 배치된 제1 스위치와, 다른 쪽의 상기 출력 단자와 상기 제2 전송선과의 사이에 배치된 제2 스위치와, 각 상기 제1 전송선에 설치된 제3 스위치와, 각 상기 제2 전송선에 설치된 제4 스위치와, 복수의 상기 제1 전송선이, 각각 상기 제3 스위치를 개재해서 병렬로 접속된 제3 전송선과, 복수의 상기 제2 전송선이, 각각 상기 제4 스위치를 개재해서 병렬로 접속된 제4 전송선을 구비하는 고체 촬상 장치를 제공한다.
본 형태에 의하면, 입사광이 각 화소 그룹에 속하는 단위 화소 내의 광전 변환 소자에 입사하면, 광전 변환에 의해 신호 전하가 발생하여 광전 변환 소자에 유지된다. 단위 화소에 설치된 전하 변환 소자를 리셋함으로써 발생한 노이즈 신호는, 제1 스위치를 온 상태로 전환함으로써, 각 화소 그룹의 출력 단자로부터 각 제1 전송선에 출력되고, 노이즈 신호에 따른 크기의 전압 형태로 각 제1 전송선에 유지된다.
이 상태에서, 제1 스위치를 오프 상태로 전환하고, 동일한 단위 화소의 광전 변환 소자로부터 신호 전하를 출력시키면, 신호 전하는 전하 변환 소자에 의해 전류 또는 전압으로 변환되고, 제2 스위치를 온 상태로 전환함으로써, 신호 노이즈 합 신호가 화소 그룹의 출력 단자로부터 제2 전송선에 출력되고, 신호 노이즈 합 신호에 따른 크기의 전압 형태로 제2 전송선에 유지된다.
그리고, 동일한 화소 그룹에 접속된 제1 전송선 및 제2 전송선에 설치된 제3 스위치 및 제4 스위치를 온 상태로 전환함으로써, 제1 전송선에 유지되고 있던 노이즈 신호를 제3 전송선에, 제2 전송선에 유지되고 있던 신호 노이즈 합 신호를 제4 전송선에, 동시에 출력할 수 있다. 즉, 제3 전송선 및 제4 전송선의 후단에 있어서, 신호 노이즈 합 신호로부터 노이즈 신호를 감산함으로써, 입사광의 강도에 따른 신호를 고정밀도로 취득할 수 있다.
이 경우에 있어서, 본 형태에 의하면, 단위 화소로부터 개별로 출력되는 노이즈 신호와 신호 노이즈 합 신호를 별도의 제1, 제2 전송선에 유지시키므로, 각 단위 화소의 노이즈 신호를 출력한 직후에 같은 단위 화소의 신호 노이즈 합 신호를 출력하는 것이 가능하게 되고, 판독 기간 중에 화소 출력이 변동해도, 고정밀도로 노이즈를 제거하고, 노이즈 내성이 높은 신호를 포함하여 이루어지는 화상을 구축할 수 있다.
상기 형태에 있어서는, 상기 제1 전송선 및 제2 전송선이, 평행 간격을 두고 제1 방향으로 직선상으로 연장되고, 각 상기 화소 그룹이, 상기 제1 방향에 교차하는 방향으로 인접해서 배열된 2개의 단위 화소를 포함하는 것으로 해도 좋다.
이렇게 함으로써, 제1 전송선 및 제2 전송선에 교차하는 방향에 인접하는 2개의 단위 화소가, 동일한 화소 그룹으로서 제1 전송선 및 제2 전송선을 공유할 수 있다. 그 결과, 1열의 단위 화소 열에 대하여 하나의 전송선을 배치하고 있었던 종래의 고체 촬상 소자와 대비해도, 단위 화소 이외의 부분의 면적을 증대시키는 일 없이, 노이즈 내성이 높은 신호를 출력 가능한 고체 촬상 장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 형태에 있어서는 상기 제1 전송선을 제1 리셋 상태로 리셋하는 제1 리셋 수단과, 상기 제2 전송선을 제2 리셋 상태로 리셋하는 제2 리셋 수단을 구비하고 있어도 좋다.
이렇게 함으로써, 제1 리셋 수단을 온 상태로 전환해서 제1 전송선을 제1 리셋 상태로 리셋한 후에, 제1 리셋 수단을 오프 상태로 전환함으로써 제1 전송선을 부유 전위 상태로 설정할 수 있다. 또한, 제2 리셋 수단을 온 상태로 전환해서 제2 전송선을 제2 리셋 상태로 리셋한 후에, 제2 리셋 수단을 오프 상태로 전환함으로써 제2 전송선을 부유 전위 상태로 설정할 수 있다. 이에 의해, 제1 전송선 및 제2 전송선으로의 노이즈 신호 또는 신호 노이즈 합 신호의 판독 시에 정전류를 공급하지 않는, 소위 용량 부하형 판독 방식에 있어서도, 고정밀도로 신호를 판독할 수 있다.
또한, 상기 형태에 있어서는, 상기 화소 그룹의 상기 출력 단자로부터 상기 제1 전송선 또는 상기 제2 전송선에 신호를 출력시키는 상기 단위 화소를 선택하는 화소 선택 수단을 구비하고, 상기 제1 전송선을, 상기 제1 리셋 수단을 온 상태로 해서 제1 리셋 상태로 한 후에, 상기 제1 리셋 수단을 오프 상태로 전환해서 부유 전위 상태로 하고, 상기 화소 선택 수단에 의해 선택된 상기 단위 화소로부터 출력된 노이즈 신호를, 부유 전위 상태의 상기 제1 전송선으로 소정 시간 판독함으로써 보존하고, 상기 제2 전송선을, 상기 제2 리셋 수단을 온 상태로 해서 제2 리셋 상태로 한 후에, 상기 제2 리셋 수단을 오프 상태로 전환해서 부유 전위 상태로 하고, 상기 화소 선택 수단에 의해 선택된 상기 단위 화소로부터 출력된 신호 노이즈 합 신호를, 부유 전위 상태의 상기 제2 전송선으로 소정 시간 판독함으로써 보존하고, 상기 제1 전송선에 보존된 노이즈 신호를 상기 제3 스위치를 개재해서 상기 제3 전송선으로 판독하고, 상기 제2 전송선에 보존된 신호 노이즈 합 신호를 상기 제4 스위치를 개재해서 상기 제4 전송선으로 판독하는 것으로 해도 좋다.
이렇게 함으로써, 소위 용량 부하형 판독 방식에 의해, 제1 전송선으로 고정밀도로 판독한 노이즈 신호와, 제2 전송선으로 고정밀도로 판독한 신호 노이즈 합 신호를, 각각 제3 전송선 또는 제4 전송선에 적은 시간 차이로 판독할 수 있고, 판독 기간 중에 화소 출력이 변동해도, 고정밀도로 노이즈를 제거하고, 노이즈 내성이 높은 신호를 포함하여 이루어지는 화상을 구축할 수 있다.
또한, 상기 형태에 있어서는, 상기 화소 그룹의 상기 출력 단자로부터 상기 제1 전송선 또는 상기 제2 전송선에 신호를 출력시키는 상기 단위 화소를 선택하는 화소 선택 수단과, 상기 제1 전송선에의 정전류의 공급을 온 오프하는 제1 정전류 회로 소자와, 상기 제2 전송선에의 정전류의 공급을 온 오프하는 제2 정전류 회로 소자를 구비하고, 상기 제1 정전류 회로 소자를 온 상태로 해서 상기 제1 전송선에 정전류를 공급하면서, 상기 화소 선택 수단에 의해 선택된 상기 단위 화소로부터 출력된 노이즈 신호를, 상기 제1 전송선으로 소정 시간 판독한 후에, 상기 제1 정전류 회로 소자를 오프 상태로 함으로써, 제1 전송선에 보존하고, 상기 제2 정전류 회로 소자를 온 상태로 해서 상기 제2 전송선에 정전류를 공급하면서, 상기 화소 선택 수단에 의해 선택된 상기 단위 화소로부터 출력된 신호 노이즈 합 신호를, 상기 제2 전송선으로 소정 시간 판독한 후에, 상기 제2 정전류 회로 소자를 오프 상태로 함으로써, 제2 전송선에 보존하고, 상기 제1 전송선에 보존된 노이즈 신호를 상기 제3 스위치를 개재해서 상기 제3 전송선으로 판독하고, 상기 제2 전송선에 보존된 신호 노이즈 합 신호를 상기 제4 스위치를 개재해서 상기 제4 전송선으로 판독하는 것으로 해도 좋다.
이렇게 함으로써, 소위 정전류 부하형 판독 방식에 의해, 제1 전송선으로 고정밀도로 판독한 노이즈 신호와, 제2 전송선으로 고정밀도로 판독한 신호 노이즈 합 신호를, 각각 제3 전송선 또는 제4 전송선으로 적은 시간 차이로 판독할 수 있고, 판독 기간 중에 화소 출력이 변동해도, 고정밀도로 노이즈를 제거하여, 노이즈 내성이 높은 신호를 포함하여 이루어지는 화상을 구축할 수 있다.
본 발명에 따르면, 판독 기간 중에 화소 출력이 변동해도 노이즈 내성이 높은 신호를 출력할 수 있다는 효과를 발휘한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치의 구성을 도시하는 회로도이다.
도 2는 도 1의 고체 촬상 장치가 구비하는 화소를 포함하는 열 회로의 구성을 도시하는 회로도이다.
도 3은 도 1의 고체 촬상 장치의 동작을 도시하는 타이밍 차트이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치의 구성을 도시하는 회로도이다.
도 5는 도 4의 고체 촬상 장치가 구비하는 화소를 포함하는 열 회로의 구성을 도시하는 회로도이다.
도 6은 도 4의 고체 촬상 장치의 동작을 도시하는 타이밍 차트이다.
도 7은 도 4의 고체 촬상 장치의 변형예를 도시하는 회로도이다.
도 8은 도 7의 고체 촬상 장치가 구비하는 화소를 포함하는 열 회로의 구성을 도시하는 회로도이다.
도 9는 도 7의 고체 촬상 장치의 동작을 도시하는 타이밍 차트이다.
도 10은 도 1의 고체 촬상 장치의 변형예이고, 용량 부하형 고체 촬상 장치의 구성을 도시하는 회로도이다.
도 11은 도 10의 고체 촬상 장치가 구비하는 화소를 포함하는 열 회로의 구성을 도시하는 회로도이다.
도 12는 도 10의 고체 촬상 장치의 동작을 도시하는 타이밍 차트이다.
(제1 실시 형태)
이하에, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(1)에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(1)는 복수의 화소(P)를 구비하는 화소 어레이(2), 수직 시프트 레지스터(3), 수평 시프트 레지스터(4) 및 이들의 시프트 레지스터(3, 4)를 제어하는 제어 회로(5)를 구비하고 있다.
화소 어레이(2)는 행렬 형상, 즉 행 방향과 열 방향으로 소정 수 배열된 복수의 화소(P)와, 동일한 열에 속하는 복수의 화소(P)가 공통으로 접속된 복수 쌍의 수직 신호선(제1 전송선, 제2 전송선)(6a, 6b)과, 복수 쌍의 수직 신호선(6a, 6b)이 공통으로 접속된 한 쌍의 수평 신호선(제3 전송선, 제4 전송선)(7a, 7b)을 구비하고 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 하나의 화소(P)가 하나의 화소 그룹을 구성하고 있다.
각 화소(P)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 단위 화소(9)와, 해당 단위 화소(9)로부터 출력된 신호 전하를 전압으로 변환하는 플로팅 디퓨전(FD, 전하 변환 소자)(13)과, FD(13)에 축적된 신호 전하를 전압으로서 판독하는 증폭 트랜지스터(14)와, 해당 증폭 트랜지스터(14)와 전송 트랜지스터(12)과의 사이에 접속되어 FD(13)의 전압을 리셋하는 FD 리셋 트랜지스터(15)와, 상기 증폭 트랜지스터(14)의 2개의 출력선(출력 단자)(8a, 8b)과 한 쌍의 수직 신호선(6a, 6b)과의 사이에 각각 배치된 2개의 선택 트랜지스터(제1 스위치, 제2 스위치)(10a, 10b)를 구비하고 있다.
각 단위 화소(9)는 수광한 광신호를 광전 변환해서 신호 전하를 축적하는 포토 다이오드(PD, 광전 변환 소자)(11)와, 해당 PD(11)에 축적된 신호 전하를 전송하는 전송 트랜지스터(12)를 구비하고 있다.
증폭 트랜지스터(14)의 소스는 2개의 출력선(8a, 8b)으로 분기되어 있다. 증폭 트랜지스터(14)는 게이트에 접속된 FD(13)의 신호 전압을 증폭하고, 그 신호를 출력선에 출력하게 되어 있다. 구체적으로는, 수직 시프트 레지스터(3)로부터 FD 리셋 트랜지스터(15)의 게이트에 FD 리셋 펄스 φR이 입력됨으로써, 증폭 트랜지스터(14)의 게이트가 액티브 상태로 되고, 판독 가능한 상태로 된다. 동시에, FD(13)에 전송된 신호 전하는, FD 리셋 트랜지스터(15)의 드레인측에 배출된다. 이에 의해 FD(13)의 전압이 리셋되게 되어 있다.
전송 트랜지스터(12)는 게이트에 전송 펄스 φT가 입력됨으로써, 소스측의 PD(11)로부터 드레인측의 FD(13)에, PD(11)가 축적한 신호 전하를 전송하게 되어 있다. 전송 트랜지스터(12)로의 φT 신호는 열마다 입력된다. 이 전송 동작에 의해 PD(11)가 축적하고 있었던 신호 전하량은 제로로 리셋된다. FD(13)는, 전송 트랜지스터(12)를 개재해서 PD(11)로부터 전송되어 온 신호 전하에 따른 신호 전압을 생성하게 되어 있다.
한쪽 선택 트랜지스터(10a)는 게이트에 노이즈 판독 펄스 φNS가 입력됨으로써, 소스측의 증폭 트랜지스터(14)로부터 드레인측의 한쪽 수직 신호선(6a)에 FD(13)에 생성된 신호 전압을 출력하게 되어 있다. 또한, 다른 쪽 선택 트랜지스터(10b)는 게이트에 신호 판독 펄스 φSS가 입력됨으로써, 드레인측의 증폭 트랜지스터(14)로부터 소스측의 다른 쪽 수직 신호선(6b)에 FD(13)에 생성된 신호 전압을 출력하게 되어 있다.
각 수직 신호선(6a, 6b)에는, 이들 전위를 리셋하는 리셋 수단이 설치되어 있다. 리셋 수단은, 각각 게이트에의 리셋 펄스 φVCLS, φVCLN이 입력됨으로써, 각 수직 신호선(6a, 6b)을 VREF에 리셋하는 신호선 리셋 트랜지스터(16a, 16b)에 의해 구성되어 있다.
또한, 각 수직 신호선(6a, 6b)에는, 해당 각 수직 신호선(6a, 6b)과 정전류원(17)과의 사이에 배치되고, 각 수직 신호선(6a, 6b)과 정전류원(17)의 도통 및 절단을 전환하는 정전류원 접속 스위치(18a, 18b)와, 각 수직 신호선(6a, 6b)과 수평 신호선(7a, 7b)의 도통 및 절단을 전환하는 수직 신호선 선택 스위치(제3 스위치, 제4 스위치)(19a, 19b)가 설치되어 있다.
수직 시프트 레지스터(3)는 화소 어레이(2) 중에서 하나의 행을 선택하고, 선택한 행에 속하는 화소(P)에 펄스 φR, φT, φNS, φSS를 입력함으로써, 각 화소(P)로부터 수직 신호선(6a, 6b)에 신호를 출력시키게 되어 있다.
수평 시프트 레지스터(4)는 수직 신호선 선택 스위치(19a, 19b)에 대하여 수직 신호선 선택 펄스 φHCLK를 입력함으로써, 수직 신호선 선택 펄스 φHCLK가 입력된 수직 신호선(6a, 6b)으로부터 수평 신호선(7a, 7b)에 신호를 출력시키게 되어 있다.
제어 회로(5)는 미리 설정된 펄스 시퀀스에 따라, 상술한 각 펄스를 출력시키는 제어 신호를 수직 시프트 레지스터(3) 및 수평 시프트 레지스터(4)에 출력함으로써, 화소 어레이(2)로부터의 신호의 판독 동작을 제어하게 되어 있다.
도 1 및 도 2에 있어서, 부호 CVS, CVN은, 각 수직 신호선(6a, 6b)의 기생 용량을 나타내고 있다.
이어서, 이와 같이 구성된 고체 촬상 장치(1)의 구동 방법에 대해서 도 3의 타이밍 차트를 참조하여 설명한다.
본 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(1)는, 화소(P)가 수광한 광신호에 관한 전압과, FD(12)의 리셋 시에 발생한 노이즈에 관한 전압(이하, 「노이즈 전압(노이즈 신호)」이라고 함)을 판독한다. 여기서, 화소(P)가 수광한 광신호에 관한 전압에는, 상기한 FD(12)의 리셋 시에 발생한 노이즈 전압이 포함되어 있다. 즉, 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(1)에 있어서는, 노이즈 전압과, 해당 노이즈 전압에 화소(P)가 수광한 광신호에 관한 전압을 부가한 전압(이하, 「신호 노이즈 합 전압(신호 노이즈 합 신호)」이라고 함)을 개별로 판독하도록 되어 있다.
노이즈 전압 및 신호 노이즈 합 전압의 판독 동작은, 노이즈 전압을 한쪽 수직 신호선(6a)에 출력해서 해당 수직 신호선(6a)의 기생 용량으로 일단 유지시키는 동작, 신호 노이즈 합 전압을 다른 쪽 수직 신호선(6b)에 출력해서 해당 수직 신호선(6b)의 기생 용량으로 일단 유지시키는 동작 및, 한 쌍의 수직 신호선(6a, 6b)에 각각 유지된 노이즈 전압과 신호 노이즈 합 전압을 한 쌍의 수평 신호선(7a, 7b)으로 판독하는 동작의 대략 3개의 동작으로 분류할 수 있다.
먼저, 노이즈 전압을 한쪽 수직 신호선(6a)에 출력해서 일단 유지시키는 동작은 이하와 같이 해서 행해진다.
먼저, 모든 한쪽 수직 신호선(6a)의 정전류원 접속 스위치(18a)를 차단한 상태에서, 당해 수직 신호선(6a)의 리셋 수단을 구성하고 있는 신호선 리셋 트랜지스터(16a)에 리셋 펄스 φVCLN이 인가되고, 당해 수직 신호선(6a)이 전위 VREF에 리셋된다. 또한, 이것과 동시에, 수직 시프트 레지스터(3)로부터 출력 대상이 되는 행에 속하는 각 화소(P)에 FD 리셋 펄스 φR이 인가됨으로써, FD(12)의 전위가 리셋되고, 선택된 화소(P)의 증폭 트랜지스터(14)가 액티브 상태로 된다.
이 상태에서, 수직 신호선(6a)에 설치되어 있는 정전류원 접속 스위치(18a)의 게이트에 펄스 φCOLN을 입력함으로써, 정전류원 접속 스위치(18a)가 온 상태로 되고, 수직 신호선(6a)에 정전류가 흐른다. 그리고, 이것과 동시에, 당해 수직 신호선(6a)에 접속되어 있는 한쪽 출력선(8a)의 선택 트랜지스터(10a)의 게이트에 노이즈 판독 펄스 φNS가 입력됨으로써, 해당 선택 트랜지스터(10a)가 도통하고, 리셋되어 있던 FD(12)의 노이즈 전압이 수직 신호선(6a)에 출력된다. 그리고, 펄스 φCOLN의 입력을 소정 시간 유지한 후에 정지하고, 정전류원 접속 스위치(18a)가 오프 상태로 전환됨으로써, 수직 신호선(6a)은 부유 전위 상태로 되고, 노이즈 전압이 당해 수직 신호선(6a)의 기생 용량으로 일단 유지된다.
이어서, 모든 다른 쪽 수직 신호선(6b)의 리셋 수단을 구성하고 있는 신호선 리셋 트랜지스터(16b)에 리셋 펄스 φVCLS가 인가되고, 당해 수직 신호선(6b)이 전위 VREF로 리셋된다. 또한, 이것과 동시에, 수직 시프트 레지스터(3)로부터 출력 대상이 되는 행에 속하는 각 화소(P)의 전송 트랜지스터(12)의 게이트에 전송 펄스 φT가 인가됨으로써, PD(11)로부터 FD(12)에, PD(11)가 축적한 신호 전하가 전송되고, FD(12)의 전위가 신호 노이즈 합 전압으로 설정된다.
이 상태에서, 증폭 트랜지스터(14)는 도통 상태에 있으므로, 다른 쪽 수직 신호선(6b)에 설치되어 있는 정전류원 접속 스위치(18b)의 게이트에 펄스 φCOLS를 입력함으로써, 정전류원 접속 스위치(18b)가 온 상태로 되고, 수직 신호선(6b)에 정전류가 흐른다. 그리고, 이것과 동시에, 수직 신호선(6b)에 접속되어 있는 다른 쪽 출력선(8b)의 선택 트랜지스터(10b)의 게이트에 노이즈 판독 펄스 φSS가 입력됨으로써, 해당 선택 트랜지스터(10b)가 도통하고, FD(12)에 설정되어 있던 신호 노이즈 합 전압이 수직 신호선(6b)에 출력된다. 그리고, 펄스 φCOLS의 입력을 소정 시간 유지한 후에 정지하고, 정전류원 접속 스위치(18b)가 오프 상태로 전환됨으로써, 수직 신호선(6b)은 부유 전위 상태로 되고, 출력된 신호 노이즈 합 전압이 당해 수직 신호선(6b)의 기생 용량으로 일단 유지된다.
그리고, 노이즈 전압을 유지한 수직 신호선(6a) 및 신호 노이즈 합 전압을 유지한 수직 신호선(6b)으로부터, 노이즈 전압 및 신호 노이즈 합 전압을 판독하는 동작은 이하와 같이 행해진다.
즉, 동일 행 내의 모든 화소(P)로부터의 노이즈 전압 및 신호 노이즈 합 전압이 복수 쌍의 수직 신호선(6a, 6b)에 유지된 상태에서, 수평 시프트 레지스터(4)로부터 수직 신호선 선택 펄스 φHCLK를 수직 신호선 선택 스위치(19a)에 인가한다.
이에 의해, 한쪽 수직 신호선(6a)에 유지되어 있던 노이즈 전압이 한쪽 수평 신호선(7a)으로 판독되고, 다른 쪽 수직 신호선(6b)에 유지되어 있던 신호 노이즈 합 전압이 다른 쪽 수평 신호선(7b)으로 판독된다. 각 수평 신호선(7a, 7b)에는 신호 증폭 수단(20a, 20b)이 설치되어 있고, 판독된 노이즈 전압 및 신호 노이즈 합 전압은 신호 증폭 수단(20a, 20b)에 의해 증폭된 후에, 후단에 배치되는 도시하지 않은 차동 증폭기에 입력되고, 거기에서 차분 연산이 행해짐으로써, 신호 전압이 연산된다.
즉, 복수 쌍의 수직 신호선(6a, 6b) 모두에 대해서 노이즈 전압과 신호 노이즈 합 전압을 차례로 수평 신호선(7a, 7b)으로 판독함으로써, 1행분의 화소 신호를 얻을 수 있다. 따라서, 수직 시프트 레지스터(3)에 의해 선택하는 행을 차례로 전환해서 동일 처리를 행함으로써, 모든 화소(P)의 화소 신호를 출력하고, 1매의 화상을 취득할 수 있다.
이 경우에 있어서, 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(1)에 의하면, 동일한 화소(P)로부터 별개로 출력된 노이즈 전압과 신호 노이즈 합 전압이 한 쌍의 수직 신호선(6a, 6b)에 따로따로 유지되므로, 노이즈 전압을 유지한 직후에, 단시간의 내에 신호 노이즈 합 전압을 유지할 수 있다. 그 결과, 판독 기간 중에 화소(P)의 출력이 변동해도 노이즈 내성이 높은 신호를 출력할 수 있다는 이점이 있다.
(제2 실시 형태)
이어서, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(30)에 대해서 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시 형태의 설명에 있어서, 상술한 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(1)와 구성을 공통으로 하는 개소에는 동일 부호를 붙이고, 그 설명을 생략한다.
본 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(30)는, 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(1)가 모든 화소(P)에 증폭 트랜지스터(14)와, FD 리셋 트랜지스터(15)와, 2개의 선택 트랜지스터(10a, 10b)를 구비하고 있었던 것에 반해, 도 4에 도시한 바와 같이, 2×2=4 화소(P)로, 이들 증폭 트랜지스터(14), FD 리셋 트랜지스터(15) 및 2개의 선택 트랜지스터(10a, 10b)를 공유하고 있는 점에서 상이하다.
즉, 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(30)에 있어서는, 도 5에 도시되는 바와 같이, 2×2의 정사각 배열된 4개의 단위 화소(9)를 포함하여 이루어지는 화소 그룹(31)에 있어서, 각 단위 화소(9)가 PD(11)와 전송 트랜지스터(12)를 구비하고, 모든 전송 트랜지스터(12)의 드레인측이 공통의 FD(13)에 접속됨과 함께, 해당FD(13)를 리셋하는 단일의 FD 리셋 트랜지스터(15), FD(13)에 축적된 신호 전하를 전압으로서 판독하는 증폭 트랜지스터(14) 및, 해당 증폭 트랜지스터(14)의 소스측에 있어서 분기한 2개의 출력선(8a, 8b)에 각각 설치된 2개의 선택 트랜지스터(10a, 10b)가 각 화소 그룹(31)에 의해 공유되고 있다.
이렇게 구성된 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(30)의 동작에 대해서, 도 6을 참조하여 설명한다.
본 실시 형태에 있어서, 각 화소 그룹(31)에 4개의 단위 화소(9)로부터의 노이즈 전압 및 신호 노이즈 합 전압의 판독 동작은, 하나의 단위 화소(9)의 노이즈 전압을 한쪽 수직 신호선(6a)에 출력해서 해당 수직 신호선(6a)의 기생 용량으로 일단 유지시키는 동작, 신호 노이즈 합 전압을 다른 쪽 수직 신호선(6b)에 출력해서 해당 수직 신호선(6b)의 기생 용량으로 일단 유지시키는 동작 및, 한 쌍의 수직 신호선(6a, 6b)에 각각 유지된 노이즈 전압과 신호 노이즈 합 전압을 한 쌍의 수평 신호선(7a, 7b)으로 판독하는 동작의 대략 3개의 동작을, 단위 화소(9)를 전환하면서 4회 반복함으로써 행해지는 것이다.
즉, 본 실시 형태에 있어서는, 수직 시프트 레지스터(화소 선택 수단)(3)는, 4개의 단위 화소(9)의 전송 트랜지스터(12)에 대하여 4개의 전송 펄스 φT1 내지 φT4를 출력한다. 수직 시프트 레지스터(3)로부터의 각 전송 펄스 φT1 내지 φT4의 상이한 시각에 있어서의 출력에 의해, 각 단위 화소(9)로부터의 신호 노이즈 합 전압이 다른 쪽 수직 신호선(6b)에 상이한 시각에 출력되어서 유지된다.
그리고, 한쪽 수직 신호선(6a)에 유지된 노이즈 전압 및 다른 쪽 수직 신호선(6b)에 유지된 하나의 단위 화소(9)로부터의 신호 노이즈 합 전압이, 선택된 행 내의 모든 화소 그룹(31)에 대하여 2개의 수평 신호선(7a, 7b)으로 판독된 후에, 단위 화소(9)를 전환해서 동일한 동작이 4회 반복됨으로써, 모든 단위 화소(9)로부터의 신호 전압을 얻을 수 있다.
이와 같이, 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(30)에 의하면, 4개의 단위 화소(9)마다, FD(12), 증폭 트랜지스터(14) 및 2개의 선택 트랜지스터(10a, 10b)를 공유하므로, 화소 어레이(2) 내의 PD(11) 이외의 소자를 적게 하여, 소형화 또는 고해상도화를 도모할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 일 방향으로 연장되는 수직 신호선(6a, 6b)에 교차하는 행 방향으로 인접하는 2개의 단위 화소(9)가 동일한 화소 그룹(31)으로서, 이 수직 신호선(6a, 6b)을 공유하고 있으므로, 1열의 단위 화소(9) 열에 대하여 하나의 수직 신호선을 배치하고 있었던 종래의 고체 촬상 소자와 대비해도 단위 화소(9) 이외의 부분의 면적을 증대시키지 않고, 노이즈 내성이 높은 신호를 출력할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 화소 그룹(31)이 4개의 단위 화소(9)를 포함하여 이루어지는 경우를 예시해서 설명했지만, 이것에 한정되는 것이 아니라, 1 이상의 임의의 수의 단위 화소(9)를 포함하는 것으로 해도 좋다. 예를 들어, 도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이 화소 그룹(32)이 8개의 단위 화소(9)를 포함하는 것으로 해도 좋다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 노이즈 전압 및 신호 노이즈 합 전압을 한 쌍의 수직 신호선(6a, 6b)으로 판독할 때, 수직 신호선(6a, 6b)을 정전류원(17)에 접속해서 정전류를 흘리면서 소정 시간 판독하는, 소위 정전류 부하 방식의 판독 방법을 예시해서 설명했지만, 이것 대신에 정전류원(17)에 접속하지 않고 판독하는 용량 부하 방식의 판독 방법을 채용해도 좋다.
용량 부하 방식의 판독 방법을 채용한 경우의 블록도 및 타이밍 차트를 각각, 도 10 내지 도 12에 도시하였다. 또한, 용량 부하 방식의 경우에 대해서도, 복수의 화소(P)를 포함하여 이루어지는 화소 그룹(31)에 적용할 수 있다.
이 용량 부하 방식에 의해서도, 정전류 부하 방식과 마찬가지의 효과를 발휘할 수 있다. 또한, 정전류원(17), 정전류원 접속 트랜지스터(18a, 18b) 및 이들의 제어 신호를 불필요하게 할 수 있고, 또한 간이하게 구성 및 제어할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 정전류 부하 방식의 경우에는, 수직 신호선(6a, 6b)을 리셋 전압 VREF로 리셋하는 신호선 리셋 트랜지스터(16a, 16b)는 없어도 좋다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 화소가 행렬 형상으로 배열된 화소 어레이(2)에 적용한 경우를 예시했지만, 이것 대신에, 화소가 하니컴 형상으로 배열된 화소 어레이에 적용하는 것으로 해도 좋다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 전하 변환 소자(13)가 전하를 전압으로 변환해서 출력하는 것으로 했지만, 이것 대신에, 전류로 변환해서 출력하는 것을 채용해도 좋다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 수직 신호선(6a, 6b)의 기생 용량을 이용해서 노이즈 전압 및 신호 노이즈 합 전압을 수직 신호선(6a, 6b)에 유지시키는 것으로 하였다. 이에 의해, 특별한 용량 소자를 불필요하게 하여, 고체 촬상 장치(1, 30)의 소형화를 도모할 수 있다.
그러나, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니라, 각 수직 신호선(6a, 6b)에 용량 소자(도시 생략)를 접속하는 것으로 해도 좋다. 이것에 의해서도, 노이즈 전압 및 신호 노이즈 합 전압의 시간 차이의 저감에 의한, 판독 기간 중에 화소 출력이 변동해도 노이즈 내성이 높은 신호를 출력할 수 있다는 효과를 발휘할 수 있다.
1, 30: 고체 촬상 장치
3: 수직 시프트 레지스터(화소 선택 수단)
6a: 수직 신호선(제1 전송선)
6b: 수직 신호선(제2 전송선)
7a: 수평 신호선(제3 전송선)
7b: 수평 신호선(제4 전송선)
8a, 8b: 출력 단자
9: 단위 화소
10a: 선택 트랜지스터(제1 스위치)
10b: 선택 트랜지스터(제2 스위치)
11: 광전 변환 소자, PD
13: 전하 변환 소자, FD
16a: 신호선 리셋 트랜지스터(제1 리셋 수단)
16b: 신호선 리셋 트랜지스터(제2 리셋 수단)
18a: 정전류원 접속 트랜지스터(제1 정전류 회로 소자)
18b: 정전류원 접속 트랜지스터(제2 정전류 회로 소자)
19a: 수직 신호선 선택 스위치(제3 스위치)
19b: 수직 신호선 선택 스위치(제4 스위치)
31, 32: 화소 그룹

Claims (5)

  1. 입사광을 광전 변환하는 광전 변환 소자를 포함하여 2차원 배열된 복수의 단위 화소와,
    하나 이상의 상기 단위 화소를 포함하는 복수의 화소 그룹마다 설치되고, 상기 화소 그룹 내의 각 상기 단위 화소의 상기 광전 변환 소자에 있어서, 광전 변환 된 신호 전하를 전압 또는 전류로 변환하는 전하 변환 소자 및, 상기 전하 변환 소자를 리셋할 때 발생하는 노이즈 신호와 상기 노이즈 신호에 광전 변환에 의해 발생한 신호를 부가한 신호 노이즈 합 신호를 개별로 출력 가능한 2개의 출력 단자와,
    복수의 상기 화소 그룹의 한쪽의 상기 출력 단자가 공통으로 접속되고, 상기 한쪽의 출력 단자로부터 출력되는 상기 노이즈 신호에 기초하는 전압을 유지 가능한 복수의 제1 전송선과,
    복수의 상기 화소 그룹의 다른 쪽의 상기 출력 단자가 공통으로 접속되고, 상기 다른 쪽의 출력 단자로부터 출력되는 상기 신호 노이즈 합 신호에 기초하는 전압을 유지 가능한 복수의 제2 전송선과,
    한쪽의 상기 출력 단자와 상기 제1 전송선과의 사이에 배치된 제1 스위치와,
    다른 쪽의 상기 출력 단자와 상기 제2 전송선과의 사이에 배치된 제2 스위치와,
    각 상기 제1 전송선에 설치된 제3 스위치와,
    각 상기 제2 전송선에 설치된 제4 스위치와,
    복수의 상기 제1 전송선이, 각각 상기 제3 스위치를 개재해서 병렬로 접속된 제3 전송선과,
    복수의 상기 제2 전송선이, 각각 상기 제4 스위치를 개재해서 병렬로 접속된 제4 전송선을 구비하는 고체 촬상 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전송선 및 제2 전송선이, 평행 간격을 두고 제1 방향으로 직선상으로 연장되고,
    각 상기 화소 그룹이, 상기 제1 방향에 교차하는 방향으로 인접해서 배열된 2개의 단위 화소를 포함하는, 고체 촬상 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 전송선을 제1 리셋 상태로 리셋하는 제1 리셋 수단과,
    상기 제2 전송선을 제2 리셋 상태로 리셋하는 제2 리셋 수단을 구비하는, 고체 촬상 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 화소 그룹의 상기 출력 단자로부터 상기 제1 전송선 또는 상기 제2 전송선에 신호를 출력시키는 상기 단위 화소를 선택하는 화소 선택 수단을 구비하고,
    상기 제1 전송선을, 상기 제1 리셋 수단을 온 상태로 해서 제1 리셋 상태로 한 후에, 상기 제1 리셋 수단을 오프 상태로 전환해서 부유 전위 상태로 하고,
    상기 화소 선택 수단에 의해 선택된 상기 단위 화소로부터 출력된 노이즈 신호를, 부유 전위 상태의 상기 제1 전송선으로 소정 시간 판독함으로써 보존하고,
    상기 제2 전송선을, 상기 제2 리셋 수단을 온 상태로 해서 제2 리셋 상태로 한 후에, 상기 제2 리셋 수단을 오프 상태로 전환해서 부유 전위 상태로 하고,
    상기 화소 선택 수단에 의해 선택된 상기 단위 화소로부터 출력된 신호 노이즈 합 신호를, 부유 전위 상태의 상기 제2 전송선으로 소정 시간 판독함으로써 보존하고,
    상기 제1 전송선에 보존된 노이즈 신호를 상기 제3 스위치를 개재해서 상기 제3 전송선으로 판독하고,
    상기 제2 전송선에 보존된 신호 노이즈 합 신호를 상기 제4 스위치를 개재해서 상기 제4 전송선으로 판독하는, 고체 촬상 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 화소 그룹의 상기 출력 단자로부터 상기 제1 전송선 또는 상기 제2 전송선에 신호를 출력시키는 상기 단위 화소를 선택하는 화소 선택 수단과,
    상기 제1 전송선에의 정전류의 공급을 온 오프하는 제1 정전류 회로 소자와,
    상기 제2 전송선에의 정전류의 공급을 온 오프하는 제2 정전류 회로 소자를 구비하고,
    상기 제1 정전류 회로 소자를 온 상태로 해서 상기 제1 전송선에 정전류를 공급하면서, 상기 화소 선택 수단에 의해 선택된 상기 단위 화소로부터 출력된 노이즈 신호를, 상기 제1 전송선으로 소정 시간 판독한 후에, 상기 제1 정전류 회로 소자를 오프 상태로 함으로써, 제1 전송선에 보존하고,
    상기 제2 정전류 회로 소자를 온 상태로 해서 상기 제2 전송선에 정전류를 공급하면서, 상기 화소 선택 수단에 의해 선택된 상기 단위 화소로부터 출력된 신호 노이즈 합 신호를, 상기 제2 전송선으로 소정 시간 판독한 후에, 상기 제2 정전류 회로 소자를 오프 상태로 함으로써, 제2 전송선에 보존하고,
    상기 제1 전송선에 보존된 노이즈 신호를 상기 제3 스위치를 개재해서 상기 제3 전송선으로 판독하고,
    상기 제2 전송선에 보존된 신호 노이즈 합 신호를 상기 제4 스위치를 개재해서 상기 제4 전송선으로 판독하는, 고체 촬상 장치.
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