KR20140136445A - 고체 촬상 소자, 고체 촬상 소자의 구동 방법, 및 전자 기기 - Google Patents

고체 촬상 소자, 고체 촬상 소자의 구동 방법, 및 전자 기기 Download PDF

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Abstract

고체 촬상 소자는 구동 회로 및 매트릭스 형상으로 배열된 화소를 포함하는 화소부를 구비한다. 상기 화소는, 입사한 광을 전하로 변환하고 상기 전하를 축적하도록 구성된 광전 변환 소자, 상기 광전 변환 소자에 접속되는 전하 유지부 및 부유 확산 영역을 포함한다. 상기 구동 회로는, 상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 제1 부분을 상기 전하 유지부에 전송하고, 동시에 상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 제2 부분을 상기 부유 확산 영역에 전송한다. 전자 글로벌 셔터는 각각의 상기 화소의 상기 광전 변환 소자로부터의 전하를 동시에 전송함으로써 실현된다.

Description

고체 촬상 소자, 고체 촬상 소자의 구동 방법, 및 전자 기기{SOLID STATE IMAGING ELEMENT, DRIVING METHOD OF SOLID STATE IMAGING ELEMENT, AND ELECTRONIC APPARATUS}
본 개시는, 고체 촬상 소자, 고체 촬상 소자의 구동 방법, 및 전자 기기에 관한 것으로, 특히, 보다 양호한 화상을 촬상할 수 있도록 한 고체 촬상 소자, 고체 촬상 소자의 구동 방법, 및 전자 기기에 관한 것이다.
종래, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서나 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서 등의 고체 촬상 소자는, 디지털 스틸 카메라나 디지털 비디오 카메라 등에 널리 사용되고 있다. 또한, 근래, 촬상 기능을 구비한 휴대 전화기기 등의 모바일 기기에 탑재되어 있는 고체 촬상 소자에는, 전원 전압이 낮고, 저소비 전력이라는 관점 등 때문에, CMOS 이미지 센서가 많이 채용되고 있다.
예를 들면, CMOS 이미지 센서에서는, 화소가 갖는 PD(Photodiode : 포토 다이오드)에서 광전 변환된 전하가, 부유 확산 영역인 FD(Floating Diffusion : 플로팅 디퓨전)에 전송된다. 그리고, FD의 전위를 측정함으로써, PD에서 발생한 전하에 응한 레벨의 화소 신호가 판독된다.
일반적으로, CMOS 이미지 센서는, 화소 신호의 판독을 화소의 1행마다밖에 행할 수가 없기 때문에, 화면의 노광 시간의 동시성을 구비할 수가 없었다. 이에 대해, 예를 들면, 글로벌 셔터라고 칭하여지는, 화소 신호를 판독하는 기술에 의해, 화면의 노광 시간의 동시성을 구비한 CMOS 이미지 센서가 개발되어 있다. 종래, 글로벌 셔터를 실현하기 위해서는, 화소 내에 차광된 전하 유지 영역을 마련하고, 화소 신호의 판독을 대기하고 있는 화소에서는, 전하 유지 영역에서 화소 신호를 유지할 필요가 있다. 이 전하 유지 영역으로서, 화소에 구비되어 있는 FD를 이용하는 것이 많이 있다.
또한, 본원 출원인은, 전하 유지 영역으로서, CCD형의 메모리부와, FD의 양쪽을 이용함으로써, 포화 전하량이 감소하는 것을 회피한 고체 촬상 소자를 제안하고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).
일본 특개2009-268083호 공보
그런데, 근래, 고체 촬상 소자의 소형화가 진행된 한편, 감도를 보다 향상시키는 것이나 포화 전하량을 증가시키는 것 등이 요구되고 있어서, 소형의 고체 촬상 소자라도, 보다 양호한 화상을 촬상할 수 있는 기술의 개발이 기대되고 있다.
본 개시는, 이와 같은 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 보다 양호한 화상을 촬상할 수 있도록 하는 것이다.
본 개시의 실시의 형태의 한 측면으로, 구동 회로 및 매트릭스 형상으로 배열된 화소를 포함하는 화소부를 구비한 고체 촬상 소자를 제공할 수 있다. 상기 화소 중 소정의 하나의 화소는, 입사한 광을 전하로 변환하고 상기 전하를 축적하도록 구성된 광전 변환 소자, 상기 광전 변환 소자에 접속되는 전하 유지부 및 부유 확산 영역을 포함할 수 있다. 또한, 상기 구동 회로는, 상기 소정의 하나의 화소에 대하여, 상기 전하 유지부가 상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 제1 부분을 수신 및 유지하고, 동시에 상기 부유 확산 영역이 상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 제2 부분을 수신 및 유지하는 전송 동작을 행하도록 구성할 수 있다. 상기 설명한 실시의 형태는 화소에 의하여, 유지되는 전하의 양의 감소 없이 전하 유지부의 소형화를 할 수 있게 한다. 전하 유지부의 소형화에 의하여, 화소 크기가 작아지고 동일 크기의 촬상 소자에 더 많은 화소를 포함시킬 수 있으며, 또는 화소 크기를 동일하게 유지면서 광전 변환 소자의 면적을 넓혀 광전 변환 소자의 포화 전하량을 증가시킬 수 있다.
상기 설명한 실시의 형태의 또 다른 측면으로, 상기 구동 회로는, 상기 전송 동작을 행한 후에, 상기 광전 변환 회로에 축적된 상기 전하의 상기 제2 부분의 크기에 상응하는 데이터 신호를 판독하고, 동시에 상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 상기 제1 부분의 크기에 상응하는 데이터 신호를 판독하도록 구성될 수 있다.
상기 설명한 실시의 형태의 또 다른 측면으로, 상기 구동 회로는, 상기 광전 변환 회로에 축적된 상기 전하의 상기 제2 부분의 크기에 상응하는 데이터 신호를 판독한 후 및 상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 상기 제1 부분의 크기에 상응하는 데이터 신호를 판독하기 전에, 상기 부유 확산 영역을 리셋하고, 상기 부유 확산 영역의 리셋 레벨에 상응하는 데이터 신호를 판독하고, 상기 전하 유지부에 유지되어 있는 상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 상기 제1 부분을 상기 부유 확산 영역에 전송하는 2차 전송 동작을 행할 수 있다.
상기 설명한 실시의 형태의 또 다른 측면으로, 상기 소정의 하나의 화소는, 상기 부유 확산 영역 및 리셋 전위에 접속되고, 리셋 신호가 공급될 때 도통하도록 구성된 리셋 트랜지스터와, 선택 신호가 공급될 때, 상기 구동 회로로 상기 부유 확산 영역에 유지된 전하의 크기 근거한 데이터 신호를 출력하도록 구성된 선택 트랜지스터를 더 구비하고, 상기 구동 회로는, 상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 상기 제2 부분이 상기 부유 확산 영역에 유지될 때, 상기 선택 트랜지스터에 상기 선택 신호를 공급함에 의하여, 상기 광전 변환소자에 축적된 상기 전하의 상기 제2 부분의 크기에 상응하는 상기 데이터 신호를 판독하고, 상기 리셋 트랜지스터에 상기 리셋 신호를 공급함에 의하여 상기 부유 확산 영역을 리셋하고, 상기 부유 확산 영역을 리셋한 후에 상기 선택 트랜지스터에 상기 선택 신호를 공급함에 의하여 상기 부유 확산 영역의 리셋 레벨에 상응하는 상기 데이터 신호를 판독하고, 상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 상기 제1 부분이 상기 부유 확산 영역에 유지될 때, 상기 선택 트랜지스터에 상기 선택 신호를 공급함에 의하여, 상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 상기 제1 부분의 크기에 상응하는 상기 데이터 신호를 판독할 수 있다.
상기 설명한 실시의 형태의 또 다른 측면으로, 각각의 상기 화소는 입사한 광을 전하로 변환하고 상기 전하를 축적하도록 구성된 광전 변환 소자를 포함하고, 상기 구동 회로는, 각각의 상기 화소의 상기 광전 변화 소자를 동시에 리셋함에 의해 각각의 상기 화소에 대한 각각의 전하 축적 기간이 동시에 시작되고, 각각의 상기 화소에 대한 상기 각각의 전하 축적 기간이 동시에 종료되는 글로벌 셔터 동작을 행하도록 구성될 수 있다.
상기 설명한 실시의 형태의 또 다른 측면으로, 상기 광전 변환 소자와 접속되는 전하 유지부 및 부유 확산 영역을 포함하고, 상기 구동 회로는, 각각의 상기 화소에 대하여 상기 전송 동작을 동시에 행함으로써, 상기 화소에 대한 상기 각각의 축적 기간을 동시에 종료하도록 구성될 수 있다.
상기 설명한 실시의 형태의 또 다른 측면으로, 상기 구동 회로는, 각각의 상기 화소로부터, 상기 화소의 상기 광전 변환 소자에 축적된 각각의 전하에 상응하는 각각의 데이터 신호를 판독하는 롤링 판독 동작을 행하도록 구성되고, 상기 구동 회로는, n번째 화상 프레임에 대하여 상기 롤링 판독이 행하여질 때, (n+1)번째 화상 프레임에 대하여 상기 글로벌 셔터 동작을 시작하도록 구성될 수 있다.
상기 설명한 실시의 형태의 또 다른 측면으로, 상기 소정의 하나의 화소는, 상기 광전 변환 소자 및 배출 전위에 접속되는 배출 트랜지스터를 포함하고, 상기 구동 회로는, 상기 배출 트랜지스터가 펄스 기간에 대하여 전도 상태에 있도록 하여, 상기 광전 변환 회로를 리셋하도록 구성되고, 비전도 상태일 때의 상기 배출 트랜지스터와 상기 광전 변환 소자 사이의 전위 장벽의 크기가, 상기 전하 유지부와 상기 광전 변환 소자 사이의 전위 장벽의 크기보다 더 낮을 수 있다.
상기 설명한 실시의 형태의 또 다른 측면으로, 각각의 상기 화소는, 입사한 광을 전하로 변환하고 상기 전하를 축적하도록 구성된 광전 변환 소자, 상기 광전 변환 소자에 접속되는 전하 유지부 및 부유 확산 영역을 포함하고, 상기 화소는 N개(N≥2, N은 정수)의 그룹으로 배열되어 있으며, 동일 그룹에 포함된 화소는, 공통으로 하나의 부유 확산 영역을 공유하며, 상기 하나의 부유 확산 영역은, 공통으로 상기 하나의 부유 확산 영역을 공유하는 각각의 화소에 포함된 각각의 상기 부유 확산 영역을 구성할 수 있다.
상기 설명한 실시의 형태의 또 다른 측면으로, 상기 구동 회로는, 메커니컬 셔터를 구동함에 의하여, 상기 화소에 대한 상기 각각의 축적 기간을 동시에 종료하도록 구성될 수 있다.
상기 설명한 실시의 형태의 또 다른 측면으로, 상기 전하 유지부의 전하 유지 용량은, 상기 광전 변환 소자의 전하 유지 용량보다 낮을 수 있다.
상기 설명한 실시의 형태의 또 다른 측면으로, 상기 고체 촬상 소자는 전자 촬상 기기에 포함될 수 있다.
본 개시의 또 다른 실시의 형태의 한 측면으로, 매트릭스 형상으로 배열된 화소를 포함하고, 상기 화소 중 소정의 하나의 화소는, 입사한 광을 전하로 변환하고 상기 전하를 축적하도록 구성된 광전 변환 소자, 상기 광전 변환 소자에 접속되는 전하 유지부 및 부유 확산 영역을 포함하는 고체 촬상 소자의 동작 방법으로서, 상기 방법은 상기 소정의 하나의 화소에 대하여, 상기 전하 유지부가 상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 제1 부분을 수신 및 유지하고, 동시에 상기 부유 확산 영역이 상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 제2 부분을 수신 및 유지하는 전송 동작을 행하는 것을 포함할 수 있다.
상기 설명한 실시의 형태의 또 다른 측면으로, 상기 소정의 하나의 화소에 대하여 상기 전송 동작을 행한 후 연속적으로, 상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 상기 제2 부분의 크기에 상응하는 데이터 신호를 판독하고, 상기 부유 확산 영역을 리셋하고, 상기 부유 확산 영역의 리셋 레벨에 상응하는 데이터 신호를 판독하고, 상기 전하 유지부에 유지되어 있는 상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 상기 제1 부분을 상기 부유 확산 영역에 전송하는 2차 전송 동작을 행하고, 상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 상기 제1 부분의 크기에 상응하는 데이터 신호를 판독하는 것을 더 포함할 수 있다.
상기 설명한 실시의 형태의 또 다른 측면으로, 각각의 상기 화소는 입사한 광을 전하로 변환하고 상기 전하를 축적하도록 구성된 광전 변환 소자를 포함하고, 각각의 상기 화소의 상기 광전 변화 소자를 동시에 리셋함에 의해 각각의 상기 화소에 대한 각각의 전하 축적 기간이 동시에 시작되고, 각각의 상기 화소에 대한 상기 각각의 전하 축적 기간이 동시에 종료되는 글로벌 셔터 동작을 더 행하는 것을 더 포함할 수 있다.
상기 설명한 실시의 형태의 또 다른 측면으로, 각각의 상기 화소는, 부유 확산 영역 및 상기 광전 변환 소자와 접속되는 전하 유지부를 구비하고, 각각의 상기 화소에 대하여 상기 전송 동작을 동시에 행함으로써, 상기 화소에 대한 상기 각각의 축적 기간을 동시에 종료하는 것을 더 포함할 수 있다.
상기 설명한 실시의 형태의 또 다른 측면으로, 각각의 상기 화소로부터, 상기 화소의 상기 광전 변환 소자에 축적된 각각의 전하에 상응하는 각각의 데이터 신호를 판독하는 롤링 판독 동작을 행하고, n번째 화상 프레임에 대하여 상기 롤링 판독이 행하여질 때, (n+1)번째 화상 프레임에 대하여 상기 글로벌 셔터 동작을 시작하는 것을 더 포함할 수 있다.
본 개시된 한 측면에 의하면, 보다 양호한 화상을 촬상할 수 있다.
도 1은 본 기술을 적용한 고체 촬상 소자의 한 실시의 형태의 구성례를 도시하는 블록도.
도 2는 화소부가 갖는 화소의 회로도.
도 3은 고체 촬상 소자의 구동에 관해 설명하는 도면.
도 4는 도 3의 타이밍 차트의 타이밍(t1 내지 t3)에서의 포텐셜을 도시하는 도면.
도 5는 도 3의 타이밍 차트의 타이밍(t4 내지 t6)에서의 포텐셜을 도시하는 도면.
도 6은 도 3의 타이밍 차트의 타이밍(t7 내지 t10)에서의 포텐셜을 도시하는 도면.
도 7은 도 3의 타이밍 차트의 타이밍(t1 내지 t13)에서의 포텐셜을 도시하는 도면.
도 8은 고체 촬상 소자에 의해 동화상을 촬상할 때의 구동에 관해 설명하는 도면.
도 9는 화소 공유 구조를 채용한 화소의 회로도.
도 10은 화소 공유 구조를 채용하는 고체 촬상 소자를 내장하는 촬상 장치의 블록도.
도 11은 촬상 장치에 의해 정지화상을 촬상할 때의 구동에 관해 설명하는 도면.
도 12는 촬상 장치에 의해 동화상을 촬상할 때의 구동에 관해 설명하는 도면.
도 13은 화소 공유 구조를 채용하는 고체 촬상 소자에서의 화소의 배열을 설명하는 도면.
도 14는 화소 공유 구조를 채용하는 고체 촬상 소자에서의 화소의 배열을 설명하는 도면.
이하, 본 기술을 적용한 구체적인 실시의 형태에 관해, 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.
도 1은, 본 기술을 적용한 고체 촬상 소자의 한 실시의 형태의 구성례를 도시하는 블록도이다.
도 1에서, 고체 촬상 소자(11)는, 화소부(12), 수직 구동 회로(13), 칼럼 처리 회로(14), 출력 회로(15), 제어 회로(16)를 구비하여 구성된다.
화소부(12)에는, 복수의 화소(도 2의 화소(21))가 행렬형상으로 배치되어 있고, 각각의 화소는, 도시하지 않은 수평 신호선을 통하여 행마다 수직 구동 회로(13)에 접속됨과 함께, 도시하지 않은 수직 신호선을 통하여 열마다 칼럼 처리 회로(14)에 접속되어 있다.
수직 구동 회로(13)는, 화소부(12)에 배치되어 있는 복수의 화소의 행마다 순번대로, 화소를 구동하기 위한 구동 신호(예를 들면, 후술하는 리셋 신호(Rst), 전송 신호(CCD), 전송 신호(Trf), 선택 신호(Sel), 배출 신호(Drn))를 공급하고, 각각의 화소를 구동한다.
칼럼 처리 회로(14)는, 화소부(12)에 배치되어 있는 복수의 화소로부터, 각각의 화소의 열마다, 화소의 리셋 레벨의 화소 신호와, 화소가 광을 수광함에 의해 발생한 전하에 응한 레벨의 화소 신호를 수취한다. 그리고, 칼럼 처리 회로(14)는, 리셋 레벨의 화소 신호와, 발생한 전하에 응한 레벨의 화소 신호와의 차분을 구하고, 그 차분치를 나타내는 신호를 AD 변환한 화소 신호를, 화소의 열마다 순차적으로 출력한다.
출력 회로(15)는, 칼럼 처리 회로(14)로부터 순차적으로 출력되는 화상 신호에 대해, 게인 조정이나 결함 보정(defect correction) 등의 처리를 행하여, 도시하지 않은 외부의 회로(예를 들면, 도 10의 DSP(104))에 출력한다.
제어 회로(16)는, 고체 촬상 소자(11)를 구성하는 각 블록에 대해 제어 신호를 공급하여, 고체 촬상 소자(11)의 동작을 제어한다.
도 2는, 화소부(12)가 갖는 화소의 회로도이다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 화소(21)는, PD(22), 전하 유지부(23), 전송 트랜지스터(24), FD(25), 증폭 트랜지스터(26), 선택 트랜지스터(27), 리셋 트랜지스터(28), 및 배출 트랜지스터(29)를 구비하여 구성된다. 또한, 화소(21)에는, 화소(21)로부터 출력되는 화소 신호를 칼럼 처리 회로(14)에 전송하는 수직 신호선(30)이 접속되어 있다.
PD(22)는, 입사한 광을 광전 변환에 의해 전하(전자 또는 정공)로 변환하여 축적하는 광전 변환부이다. 또한, PD(22)는, 애노드 단자가 접지되어 있음과 함께, 캐소드 단자가 전하 유지부(23) 및 전송 트랜지스터(24)를 통하여 FD(25)에 접속되어 있다.
전하 유지부(23)는, 전하를 유지하는 기능을 갖는 전하 결합 소자(CCD : Charge Coupled Device)에 의해 구성된다. 전하 유지부(23)는, 수직 구동 회로(13)로부터 공급되는 전송 신호(CCD)에 따라 구동하고, 전송 신호(CCD)가 High 레벨이 되면, PD(22)에 축적되어 있는 전하가 전하 유지부(23)에 전송되어 유지된다.
전송 트랜지스터(24)는, 수직 구동 회로(13)로부터 공급되는 전송 신호(Trf)에 따라 구동하고, 전송 트랜지스터(24)가 온으로 되면, 전하 유지부(23)에 유지되어 있는 전하가 전송 트랜지스터(24)를 통하여 FD(25)에 전송된다.
FD(25)는, 증폭 트랜지스터(26)의 게이트 전극에 접속된 소정의 축적 용량을 갖는 부유 확산 영역이고, 전하 유지부(23) 및 전송 트랜지스터(24)를 통하여 전송되는 전하를 축적한다. 또한, PD(22)에서 발생한 전하가 전하 유지부(23)의 용량보다 많을 때, PD(22)로부터 전하 유지부(23)에 전송된 전하의 일부는, 전송 트랜지스터(24)를 오버플로우하여, FD(25)에 축적된다.
증폭 트랜지스터(26)는, FD(25)에 축적되어 있는 전하에 응한 레벨(즉, FD(25)의 전위)의 화소 신호를, 선택 트랜지스터(27)를 통하여 수직 신호선(30)에 출력한다. 즉, FD(25)가 증폭 트랜지스터(26)의 게이트 전극에 접속되는 구성에 의해, FD(25) 및 증폭 트랜지스터(26)는, PD(22)에서 발생한 전하를, 그 전하에 응한 레벨의 화소 신호로 변환한다.
선택 트랜지스터(27)는, 수직 구동 회로(13)로부터 공급되는 선택 신호(Sel)에 따라 구동하고, 선택 트랜지스터(27)가 온으로 되면, 증폭 트랜지스터(26)로부터 출력되는 화소 신호가 수직 신호선(30)에 출력 가능한 상태가 된다.
리셋 트랜지스터(28)는, 수직 구동 회로(13)로부터 공급되는 리셋 신호(Rst)에 따라 구동하고, 리셋 트랜지스터(28)가 온으로 되면, FD(25)에 축적되어 있는 전하가 전원 배선(Vdd)에 배출되어, FD(25)가 리셋된다.
배출 트랜지스터(29)는, 수직 구동 회로(13)로부터 공급되는 배출 신호(Drn)에 따라 구동하고, 배출 트랜지스터(29)가 온으로 되면, PD(22)에 쌓여 있는 전하가 전원 배선(Vdd)에 배출되고 PD(22)가 리셋된다.
또한, 본 실시의 형태에서는, 화소(21)를 구성하는 전송 트랜지스터(24), 증폭 트랜지스터(26), 선택 트랜지스터(27), 리셋 트랜지스터(28), 및 배출 트랜지스터(29)는, NMOS(Negative Channel Metal Oxide semiconductor)형 트랜지스터로 한다. 따라서, 화소(21)에서 취급되는 전하는 전자이다. 또한, 전하 유지부(23) 및 FD(25)는, 배선층 등에 의해 차광되어 있다.
다음에, 도 3을 참조하여, 고체 촬상 소자(11)의 구동에 관해 설명한다.
도 3의 상측에는, 화소(21)의 행마다의 구동 타이밍이 도시되어 있고, 종축은 화소(21)의 행을 나타내고, 횡축은 시간을 나타내고 있다. 또한, 도 3의 하측에는, 리셋 신호(Rst), 전송 신호(CCD), 전송 신호(Trf), 선택 신호(Sel), 및 배출 신호(Drn)의 타이밍 차트가 도시되어 있다.
우선, 고체 촬상 소자(11)에서는, 화소부(12)가 갖는 화소(21)의 모든 행에서 동시에 전자 셔터가 동작하여 PD(22)에 축적되어 있는 전하가 배출되고, PD(22)에 전하를 축적하는 축적 기간이 시작된다. 즉, 화소부(12)가 갖는 화소(21)의 모든 행에서 동시에, 배출 신호(Drn)가 온으로 되어 PD(22)에 축적되어 있는 전하가 전원 배선(Vdd)에 배출되고, 배출 신호(Drn)가 오프로 된 타이밍부터, PD(22)에 전하가 축적되기 시작한다.
다음에, 고체 촬상 소자(11)에서는, 화소부(12)가 갖는 화소(21)의 모든 행에서 동시에 전하 축적 기간이 종료되어 글로벌 전송이 행하여진다. 즉, 선택 신호(Sel)가 온으로 된 타이밍에서, 리셋 신호(Rst) 및 전송 신호(Trf)가 펄스형상으로 온으로 되어, 전하 유지부(23) 및 FD(25)가 리셋되고, 계속해서, 전송 신호(CCD) 및 전송 신호(Trf)가 펄스형상으로 온으로 되어, 전하 축적 기간에서 PD(22)에서 발생한 전하가, 전하 유지부(23) 및 FD(25)에 전송되고, 그 후, 선택 신호(Sel)가 오프로 된다. 여기서, FD(25)에 전송되는 전하는, PD(22)에서 발생한 전하가 많은 경우에, 전하 유지부(23)를 오버플로우하고 전송되는 것이다.
이와 같이, 고체 촬상 소자(11)에서는, 모든 화소(21)에서 동시에(동일한 타이밍에서), 축적 기간이 시작됨과 함께, 축적 기간에서 PD(22)에 축적된 전하가 역시 동시에 전송됨에 의해, 글로벌 셔터가 실현된다.
그리고, 고체 촬상 소자(11)에서는, 화소부(12)가 갖는 화소(21)의 행마다 순차적으로, 리셋 레벨의 화소 신호와, PD(22)에서 발생한 전하에 응한 레벨의 화소 신호의 판독(이하, 적절히, 롤링 판독이라고 칭한다)이 행하여진다. 여기서, 고체 촬상 소자(11)에서는, PD(22)에서 발생한 전하에 응한 레벨의 화소 신호로서, 글로벌 전송에서 전하 유지부(23)에 전송된 전하에 응한 레벨의 화소 신호와, 글로벌 전송에서 전하 유지부(23)를 오버플로우하여 FD(25)에 까지 전송된 전하에 응한 레벨의 화소 신호가 판독된다.
즉, 선택 신호(Sel)가 온으로 되어, 글로벌 전송에서 FD(25)에 전송된 전하에 응한 레벨의 화소 신호가 판독되고, 리셋 신호(Rst)가 펄스형상으로 온으로 되어 FD(25)가 리셋된 후, 리셋 레벨의 화소 신호가 판독된다. 그리고, 전송 신호(Trf)가 펄스형상으로 온으로 되어 전하 유지부(23)에 축적되어 있던 전하가 FD(25)에 전송된 후, 글로벌 전송에 있어서 전하 유지부(23)에 전송된 전하에 응한 레벨의 화소 신호가 판독된다. 그 후, 선택 신호(Sel)가 오프로 된다.
다음에, 도 4 내지 도 7에 도시되어 있는 포텐셜도를 참조하여, 도 3의 타이밍 차트에 도시되어 있는 타이밍(t1 내지 t13)에서의 포텐셜의 변화에 관해 설명한다. 또한, 상술한 바와 같이, 화소(21)에서 취급되는 전하는 전자이기 때문에, 도 4 내지 도 7에서는, 전위가 정인 방향이 하향으로서 포텐셜이 나타나 있다. 또한, 전하 유지부(23)는, PD(22)측에 전위 장벽이 마련된 구조로 되어 있다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 전자 셔터가 구동하기 전에 있어서의 배출 신호(Drn)가 온으로 되기 전의 타이밍(t1)에서는, PD(22) 및 FD(25)에는 전하가 쌓여 있다. PD(22)에 쌓여 있는 전하는, 앞의 프레임에서의 글로벌 전송의 후로부터 화소(21)에 입사한 광에 의해 발생한 것이고, FD(25)에 쌓여 있는 전하는, 앞의 프레임에서의 롤링 판독에서 FD(25)에 전송된 것이다.
그리고, 배출 신호(Drn)가 펄스형상으로 온으로 되어 있는 타이밍(t2)에서, PD(22)에 쌓여 있던 전하는 배출 트랜지스터(29)를 통하여 전원 배선(Vdd)에 배출된다.
그 후, 배출 신호(Drn)가 오프로 된 타이밍(t3)부터, 화소(21)에 입사하는 광이 광전 변환됨에 의해 발생하는 전하가, 리셋되고 전하가 빈 PD(22)에 축적되기 시작한다.
다음에, 도 5에 도시하는 바와 같이, 축적 기간이 경과하기 직전의 타이밍(t4)에서, PD(22)에는, 광전 변환에 의해 발생한 전하가 축적되어 있다. 여기서, 화소(21)에 입사하는 광의 광량이 많아, PD(22)의 용량 이상의 전하가 발생한 때, 배출 트랜지스터(29)를 통하여 전원 배선(Vdd)에 전하가 넘쳐 나오도록, 배출 트랜지스터(29)측의 전위 장벽이, 전하 유지부(23)측의 전위 장벽보다도 낮아지도록 설정되어 있다. 이에 의해, 전하 유지부(23)로 전하가 넘쳐 나오는 것이 회피된다.
그리고, 리셋 신호(Rst) 및 전송 신호(Trf)가 펄스형상으로 온으로 되어 있는 타이밍(t5)에서, 전하 유지부(23) 및 FD(25)에 쌓여 있던 전하가 전원 배선(Vdd)에 배출된다. 이때, 도 3에 도시하는 바와 같이, 후의 롤링 판독의 상태에 접근하기 위해, 선택 트랜지스터(27)는 온의 상태가 유지되는 것이 바람직하다.
그 후, 리셋 신호(Rst) 및 전송 신호(Trf)가 오프로 되어, 타이밍(t6)에서는, 전하 유지부(23) 및 FD(25)의 리셋이 완료된 상태가 된다.
다음에, 도 6에 도시하는 바와 같이, 전송 신호(CCD) 및 전송 신호(Trf)가 펄스형상으로 온으로 되어 있는 타이밍(t7)에서, PD(22)에 축적되어 있던 전하가, 전하 유지부(23) 및 FD(25)에 전송된다. 여기서, 전하 유지부(23)의 용량은, PD(22)의 포화 전하를 전부 받을 수 있도록은 설정되어 있지 않다. 그 때문에, 고체 촬상 소자(11)에 고조도(高照度)의 광이 조사되어, PD(22)에서 발생한 전하가 많을 때, PD(22)로부터 전송되는 전하는, 전송 트랜지스터(24)를 통하여 전하 유지부(23)로부터 넘쳐 나와 FD(25)에 전송된다.
그리고, 전송 신호(CCD) 및 전송 신호(Trf)가 오프로 되어 글로벌 전송이 완료된 타이밍(t8)에서는, PD(22)에서 발생한 전하가 전하 유지부(23) 및 FD(25)에 축적된 상태가 된다. 그 후, 고체 촬상 소자(11)에서는, 화소(21)의 행마다 순번대로 화소 신호를 판독하는 롤링 판독이 행하여지고, 화소 신호를 판독하는 대상으로 될 때까지, 글로벌 전송이 완료된 타이밍(t8)의 포텐셜의 상태가 유지된다.
화소 신호의 판독의 대상이 된 화소(21)에서는, 선택 신호(Sel)가 온으로 되어 화소 신호의 출력이 시작된다. 그리고, 글로벌 전송이 완료된 포텐셜의 상태 그대로인 타이밍(t9)에서, FD(25)에 축적되어 있는 전하에 응한 레벨의 화소 신호가, 고조도의 화소 신호로서 칼럼 처리 회로(14)에 판독된다. 또한, 설명을 간략화하기 위해, 화소 신호를 판독하는 대상이 될 때까지의 기간에 PD(22)에서 발생하는 전하의 도시는 생략되어 있다.
그리고, 리셋 신호(Rst)가 펄스형상으로 온으로 되어 있는 타이밍(t10)에서, FD(25)에 축적되어 있는 전하가 전원 배선(Vdd)에 배출된다.
다음에, 도 7에 도시하는 바와 같이, 리셋 신호(Rst)가 오프로 된 타이밍(t11)에서는, FD(25)의 리셋이 완료된 상태에서의 리셋 레벨의 화소 신호가 칼럼 처리 회로(14)에 판독된다. 이에 의해, 칼럼 처리 회로(14)는, 타이밍(t9)에서 판독한 고조도의 화소 신호와, 타이밍(t11)에서 판독한 리셋 레벨의 화소 신호와의 차분을 구함에 의해, 새로운 고조도의 화소 신호로서 유지한다.
그리고, 전송 신호(Trf)가 펄스형상으로 온으로 되어 있는 타이밍(t12)에서는, 전하 유지부(23)에 유지되어 있던 전하가, 전하 유지부(23)로부터 FD(25)에 전송된다.
그 후, 전송 신호(Trf)가 오프로 된 타이밍(t13)에서, FD(25)에 축적되어 있는 전하에 응한 레벨의 화소 신호가, 저조도의 화소 신호로서 칼럼 처리 회로(14)에 판독된다. 이에 의해, 칼럼 처리 회로(14)는, 타이밍(t11)에서 판독한 리셋 레벨의 화소 신호와, 타이밍(t13)에서 판독한 저조도의 화소 신호와의 차분을 구함에 의해, 새로운 저조도의 화소 신호로서 유지한다.
이와 같이, 고체 촬상 소자(11)에서는, 고조도의 화소 신호 및 저조도의 화소 신호가 취득되고, 칼럼 처리 회로(14)는, 그들의 화소 신호를 출력 회로(15)에 공급하고, 다음 행의 화소(21)에 대한 동작을 행한다. 출력 회로(15)는, 고조도의 화소 신호 및 저조도의 화소 신호로부터, PD(22)에 축적되어 있던 전하에 대응한 화소 신호를 재구성하여, 도시하지 않은 후단의 회로에 출력한다.
이상과 같이, 고체 촬상 소자(11)에서는, 축적 기간에 발생한 전하의 축적을 PD(22)만에서 행하고, 그 전하를 글로벌 전송에 의해 전하 유지부(23) 및 FD(25)에 전송하고, 롤링 판독이 행하여지는 순번이 될 때까지 유지시킬 수 있다. 이와 같이, PD(22)에 축적되어 있는 전하를, 전하 유지부(23)뿐만 아니라 FD(25)에도 축적시킴으로써, 전하 유지부(23)를 소형화할 수 있다. 이에 응하여, PD(22)의 면적을 넓힐 수가 있어서, PD(22)의 감도를 향상시키거나, PD(22)의 포화 전하량을 증가시킬 수 있다.
따라서 고체 촬상 소자(11)를 소형화하여도, 보다 고감도이고 다이내믹 레인지가 넓은, 보다 양호한 화상을 취득할 수 있다.
여기서, 예를 들면, 종래의 글로벌 셔터의 기술에서는, 전하 유지 영역으로서 FD만을 이용하는 경우는, FD에서 발생하는 노이즈가 큰 것에 의해 저조도에서 노이즈가 눈의 띄게 되는 일이 있다. 또한, 전하 유지 영역으로서 CCD형의 메모리부만을 이용하는 경우는, 큰 CCD형의 메모리부가 필요해지는 것에 응하여, PD의 감도 및 포화 전하량이 크게 저하되어 버리는 일이 있다. 또한, 전하 유지 영역으로서 CCD형의 메모리부와, FD의 양쪽을 이용하는 구성(상술한 특허 문헌 1 참조)에서는, 동화상을 촬상할 때에, 프레임 사이에 노광할 수 없는 시간 날아감(time-skipping)이 발생할 뿐만 아니라, 동화상의 감도가 저하되는 일이 있다. 이에 대해, 고체 촬상 소자(11)에서는, 글로벌 셔터를 실현하고, 또한, 저조도에서도 노이즈가 작고, 감도와 포화 전하량을 확보함과 함께, 동화상에서의 시간 날아감의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 상술한 특허 문헌 1에 개시되어 있는 고체 촬상 소자에서는, 전하 유지 영역으로서 CCD형의 메모리부와 FD의 양쪽을 이용함으로써, 포화 전하량을 많게 하고 있는데, CCD형의 메모리부는, 노광 기간 중에 PD로부터 넘친 전하의 받는 그릇으로서 사용되고 있기 때문에, CCD형의 메모리부가 전하를 유지하고 있는 때에는 노광을 행할 수가 없었다. 이에 대해, 고체 촬상 소자(11)에서는, 축적 기간에서, PD(22)로부터 배출 트랜지스터(29)를 통하여 전하가 배출되는 구성으로 되어 있기 때문에, 전하 유지부(23)가 전하를 유지하고 있는 동안에도 PD(22)의 노광을 행할 수가 있다. 이에 의해, 고체 촬상 소자(11)에서는, 연속한 노광이 요구되는 매끈한 동화상을 촬상하는 것이나, 동화상의 감도가 저하되는 것을 회피할 수 있다.
즉, 고체 촬상 소자(11)에서는, 축적 기간에서 발생한 전하의 축적을 PD(22)만으로 행함으로써, 앞의 프레임에서의 롤링 판독이 행하여지는 것과 병행하는 타이밍에서, 현재의 프레임에서의 전자 셔터를 행할 수가 있다.
도 8을 참조하여, 앞의 프레임에서의 롤링 판독이 행하여지는 것과 병행하는 타이밍에서, 현재의 프레임에서의 전자 셔터를 행할 수가 있는 것에 대해 설명한다.
도 8에는, n-1번째의 프레임에서의 처리의 타이밍으로서 글로벌 전송(n-1) 및 롤링 판독(n-1)이 도시되어 있고, n번째의 프레임에서의 처리의 타이밍으로서 전자 셔터(n), 글로벌 전송(n), 및 롤링 판독(n)이 도시되어 있고, n+1번째의 프레임에서의 처리의 타이밍으로서 전자 셔터(n+1) 및 글로벌 전송(n+1)이 도시되어 있다.
도 8에 도시하는 바와 같이, n-1번째의 프레임의 롤링 판독(n-1)이 행하여지고 있는 기간에, n번째의 프레임의 전자 셔터(n)가 행하여지고 있다. 마찬가지로, n번째의 프레임의 롤링 판독(n)이 행하여지고 있는 기간에, n+1번째의 프레임의 전자 셔터(n+1)가 행하여지고 있다.
상술한 바와 같이, PD(22)에 영향을 주는 것은, 전자 셔터에 의한 전하의 배출과, 축적 기간에서의 전하의 축적이고, 롤링 판독에서의 전하의 전송은, PD(22)에는 영향을 주는 일은 없다. 즉, 롤링 판독에서의 전하의 전송에 의해 영향을 받는 것은, 전하 유지부(23) 이후의 소자이다. 따라서, 앞의 프레임에서의 롤링 판독이 행하여지고 있는 기간에, 현재의 프레임에서의 전자 셔터를 행하여 축적 기간을 시작시킬 수 있다. 또한, 전원 흔들림 등의 영향을 최소한으로 하기 위해, 화소(21)로부터의 전하의 판독이 행과 행으로 전환되는 타이밍에서, 전자 셔터를 행하는 것이 바람직하다.
이와 같은 타이밍에서 처리를 행함에 의해, 앞의 프레임의 롤링 판독이 행하여지고 있는 동안에, 현재의 프레임의 축적 기간이 시작된다. 그 결과, 고체 촬상 소자(11)에서는, 프레임 사이의 시간 날아감이 적고 매끈한 동화상을 얻을 수 있다. 또한, 고체 촬상 소자(11)에서는, 글로벌 셔터에 의해 왜곡이 없는 화상을 얻을 수 있음과 함께, 전하 유지부(23)를 소형화하는데 수반하여 PD(22)를 대형화함에 의해 고감도의 화상을 얻을 수 있다.
또한, 글로벌 전송이 행하여지고 있는 기간에 전자 셔터를 행하는 것은, 실용상의 문제가 없을 정도면 좋다. 예를 들면, 모든 화소(21)를 완전히 동시에 구동한 경우에는, 드라이버인 수직 구동 회로(13)의 부하가 높아지기 때문에, 그 부하를 저감시키기 위해, 예를 들면, 화소부(12)의 윗부분과 아랫부분에서, 미소한 시간차를 마련하여 전자 셔터를 행하도록 하여도 좋다.
또한, 고체 촬상 소자(11)에서는, 화소(21)를 구성하는 일부의 트랜지스터를, 소정수의 화소(21)에서 공유하는 화소 공유 구조를 채용하여도 좋다.
다음에, 도 9를 참조하여, 화소 공유 구조를 채용한 화소(21)에 관해 설명한다.
도 9에는, 2개의 화소(211) 및 화소(212)에 의해, FD(25), 증폭 트랜지스터(26), 선택 트랜지스터(27), 및 리셋 트랜지스터(28)를 공유하는 화소 공유 구조가 도시되어 있다. 또한, 도 9에는, 화소(21)로부터 화소 신호를 판독하기 위해 수직 신호선(30)에 접속되어 있는 정전류원(31)이 도시되어 있다.
화소(211)는, PD(221), 전하 유지부(231), 전송 트랜지스터(241), 및 배출 트랜지스터(291)를 구비하고, 화소(212)는, PD(222), 전하 유지부(232), 전송 트랜지스터(242), 및 배출 트랜지스터(292)를 구비하고 있다. 그리고, FD(25), 증폭 트랜지스터(26), 선택 트랜지스터(27), 및 리셋 트랜지스터(28)는, 화소(211) 및 화소(212)에서 공유하여 사용된다.
그런데, 화소(211) 및 화소(212)에 의해 FD(25)를 공유하는 구조에서는, PD(221) 및 PD(222)에서 발생한 전하를 글로벌 전송할 때에, PD(221) 및 PD(222)를 오버플로우한 전하는, FD(25)에서 혼합되게 된다.
따라서 화소 공유 구조를 채용하는 고체 촬상 소자(11)를 내장하는 촬상 장치에서는, 메커니컬 셔터를 이용하여 글로벌 셔터를 실현함과 함께, 공유되는 FD(25)에서 전하가 혼합되는 것을 회피하도록 구성된다.
도 10에는, 화소 공유 구조를 채용하는 고체 촬상 소자(11)를 내장하는 촬상 장치의 블록도가 도시되어 있다.
도 10에 도시하는 바와 같이, 촬상 장치(101)는, 광학계(102), 메커니컬 셔터(103), 고체 촬상 소자(11), DSP(Digital Signal Processor)(104), 표시부(105), 메모리(106), 전원부(107), 조작부(108), 및 CPU(Central Processing Unit)(109)를 구비하여 구성된다.
광학계(102)는, 복수장의 렌즈를 갖고서 구성되어 있고, 도시하지 않은 피사체로부터의 광을 집광하고, 메커니컬 셔터(103)를 통하여, 고체 촬상 소자(11)의 수광면에 피사체의 상을 결상시킨다. 또한, 광학계(102)는, CPU(109)의 제어에 따라 렌즈를 구동하여 배율을 조정한다.
메커니컬 셔터(103)는, CPU(109)의 제어에 따라 개폐 구동하고, 메커니컬 셔터(103)가 열린 상태에서 고체 촬상 소자(11)에 광이 조사되고, 메커니컬 셔터(103)가 닫힌 상태에서 고체 촬상 소자(11)에 조사된 광이 차폐된다. 또한, 메커니컬 셔터(103)는, 축적 기간 종료를 규정할 수 있는 간이적인 기구에 의해 구성할 수 있다.
고체 촬상 소자(11)는, 그 수광면에 조사된 광에 응한 화소 신호를, DSP(104)에 출력한다.
DSP(104)는, 고체 촬상 소자(11)로부터 출력되는 화소 신호에 의거하여 화상을 구축하고, 그 화상을, 표시부(105)에 공급하여 표시시키고, 메모리(106)에 공급하여 기억시킨다. 표시부(105)는, 액정 패널이나 유기 EL(Electro-Luminescence) 패널 등을 구비하여 구성되고, DSP(104)에 의해 구축된 화상을 표시한다. 메모리(106)는, 플래시 메모리(예를 들면, EEPROM(Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory)) 등의 불휘발성의 메모리에 의해 구성되고, DSP(104)에 의해 구축된 화상을 기억한다.
전원부(107)는, CPU(109)의 제어에 따라, 촬상 장치(101)를 구성하는 각 블록의 구동에 필요한 전력을 공급한다. 조작부(108)는, 버튼이나, 레버, 터치 패널 등을 구비하여 구성되고, 유저의 조작에 응한 조작 신호를 CPU(109)에 공급한다.
CPU(109)는, 촬상 장치(101)를 구성하는 각 블록에 대해 제어 신호를 송신하고, 그들의 블록의 동작을 제어한다. 예를 들면, CPU(109)는, 고체 촬상 소자(11)의 수직 구동 회로(13)와 동기하여, 수직 구동 회로(13)에 의해 전자 셔터가 구동됨에 의해 축적 기간이 시작된 후, 축적 기간이 종료되는 타이밍에 따라, 메커니컬 셔터(103)에 의해 고체 촬상 소자(11)에 대한 차광을 행하게 한다.
이와 같이 촬상 장치(101)는 구성되어 있고, CPU(109)의 제어에 응하여 메커니컬 셔터(103)가 개폐 구동하여, 고체 촬상 소자(11)의 PD(22)에 전하를 축적하는 축적 기간이 종료되는 타이밍에서 메커니컬 셔터(103)가 닫혀진다. 이와 같이, 촬상 장치(101)에서는, 정지화상을 촬상하는 경우, 메커니컬 셔터(103)를 이용하여 글로벌 셔터가 실현된다. 또한, FD(25)에서 전하가 혼합되는 것도 회피된다.
다음에, 도 11을 참조하여, 촬상 장치(101)에 의해 정지화상을 촬상할 때의 구동에 관해 설명한다.
도 11에는, 도 3과 마찬가지로, 화소(21)의 행마다의 구동 타이밍과, 각 신호의 타이밍 차트가 도시되어 있다.
우선, 메커니컬 셔터(103)가 열려 있는 상태에서, 화소부(12)가 갖는 화소(21)의 모든 행에서 동시에 전자 셔터가 동작하여 PD(221) 및 PD(222)에 축적되어 있는 전하가 배출되고, PD(221) 및 PD(222)에 전하를 축적하는 축적 기간이 시작된다. 이 때, 도 11의 타이밍(t21 내지 t23)에서의 화소(211) 및 화소(212)의 포텐셜은, 도 4의 타이밍(t1 내지 t3)과 같은 것으로 된다.
다음에, 축적 기간이 종료되는 타이밍에서, 메커니컬 셔터(103)가 닫혀짐에 의해, 모든 화소(21)에서 축적 기간이 통일된 글로벌 셔터가 실현된다.
그리고, 화소부(12)가 갖는 화소(21)의 행마다 순차적으로, 전하의 전송이 행하여져서, 롤링 판독이 행하여진다. 여기서, 도 9에 도시한 바와 같이, 2개의 화소(211) 및 화소(212)에 의해 FD(25)가 공급되는 구조에서는, 화소(21)와 화소(212)에서 순번대로 화소 신호가 판독된다.
우선, 화소(212)로부터 화소 신호가 판독된다. 즉, 선택 신호(Sel)가 온으로 된 타이밍에서, 리셋 신호(Rst) 및 전송 신호(Trf1)가 펄스형상으로 온으로 되고(타이밍(t25)), 전하 유지부(231) 및 FD(25)가 리셋된다. 계속해서, 전송 신호(CCD1) 및 전송 신호(Trf1)가 펄스형상으로 온으로 되고(타이밍(t27)), 전하 축적 기간에서 PD(221)에서 발생한 전하가, 전하 유지부(231) 및 FD(25)에 전송된다.
그 후, FD(25)에 전송된 전하에 응한 레벨의 화소 신호가 판독되고(타이밍(t28)), 리셋 신호(Rst)가 펄스형상으로 온으로 되어 FD(25)가 리셋된 후, 리셋 레벨의 화소 신호가 판독된다(타이밍(t30)). 그리고, 전송 신호(Trf1)가 펄스형상으로 온으로 되어 전하 유지부(231)에 축적되어 있던 전하가 FD(25)에 전송된 후, 전하 유지부(231)에 축적되어 있던 전하에 응한 레벨의 화소 신호가 판독된다(타이밍(t32)). 그 후, 선택 신호(Sel)가 오프로 된다.
다음에, 화소(212)로부터 화소 신호가 판독된다. 즉, 선택 신호(Sel)가 온으로 된 타이밍에서, 리셋 신호(Rst) 및 전송 신호(Trf2)가 펄스형상으로 온으로 되고(타이밍(t34)), 전하 유지부(232) 및 FD(25)가 리셋된다. 계속해서, 전송 신호(CCD2) 및 전송 신호(Trf2)가 펄스형상으로 온으로 되고(타이밍(t36)), 전하 축적 기간에서 PD(222)에서 발생한 전하가, 전하 유지부(232) 및 FD(25)에 전송된다.
그 후, FD(25)에 전송된 전하에 응한 레벨의 화소 신호가 판독되고(타이밍(t37)), 리셋 신호(Rst)가 펄스형상으로 온으로 되어 FD(25)가 리셋된 후, 리셋 레벨의 화소 신호가 판독된다(타이밍(t39)). 그리고, 전송 신호(Trf2)가 펄스형상으로 온으로 되어 전하 유지부(232)에 축적되어 있던 전하가 FD(25)에 전송된 후, 전하 유지부(232)에 축적되어 있던 전하에 응한 레벨의 화소 신호가 판독된다(타이밍(t41)). 그 후, 선택 신호(Sel)가 오프로 된다.
이와 같이, 2개의 화소(211) 및 화소(212)에 의해 FD(25)가 공급되는 구조에서는, 화소(21)의 행마다 순차적으로, 전하의 전송과 롤링 판독이 행하여지기 때문에, PD(22)로부터의 전하의 전송은, 모든 화소(21)에서 동일한 타이밍으로 되어 있지 않다. 따라서, 전하가 전송될 때까지 PD(22)에 축적된 상태이지만, 메커니컬 셔터(103)에 의해 고체 촬상 소자(11)가 차광되어 있기 때문에, 축적 기간의 후에 광전 변환에 의한 전하의 발생은 방지된다.
이때, 도 11의 타이밍(t24 내지 t27 및 t33 내지 t36)에서의 화소(211) 및 화소(212)의 포텐셜은, 도 5 및 도 6의 타이밍(t4 내지 7)과 같은 것으로 된다. 또한, 도 11의 타이밍(t28 내지 t32 및 t37 내지 t41)에서의 화소(211) 및 화소(212)의 포텐셜은, 도 6 및 도 7의 타이밍(t9 내지 13)과 같은 것으로 된다.
이와 같이, 고체 촬상 소자(11)에서 화소 공유 구조를 채용하여도 글로벌 셔터를 실현하고 정지화상을 촬상할 수 있다. 그리고, 고체 촬상 소자(11)에서는, 화소 공유 구조에 의해 소형화를 도모할 수 있음과 함께, 포화를 크게 한 글로벌 셔터의 정지화상을 취득할 수가 있어서, 보다 양호한 화상을 취득할 수 있다.
또한, 화소 공유 구조를 채용한 고체 촬상 소자(11)에서는, 정지화상을 촬상할 때에는, 전하를 전송하는 동작이 화소(21)의 행마다 행하여지기 때문에, 화소(21)로부터의 리셋 레벨의 화소 신호를 도 11의 타이밍(t26)에서 칼럼 처리 회로(14)에 판독할 수 있다. 이에 의해, 고조도의 화소 신호에서는, 타이밍(t30)에서 판독된 리셋 레벨의 화소 신호와의 차분이 아니라, 타이밍(t26)에서 판독된 리셋 레벨의 화소 신호와의 차분을 이용할 수 있다. 따라서, 고조도의 화소 신호에서 리셋 노이즈를 저감시킬 수 있음과 함께, 차분을 구하는 처리의 순번이, 저조도의 화소 신호와 마찬가지이기(리셋 레벨의 화소 신호를 판독한 후에, 발생한 전하에 응한 레벨의 화소 신호를 판독한다) 때문에, 칼럼 처리 회로(14)의 구성을 보다 간이화할 수 있다.
또한, 정지화상의 화소수가 적어도 좋은 경우에는, 모든 화소(21)로부터 화소 신호를 판독하는 것이 아니라, 화소 가산을 행하는 판독 동작을 채용하여도 좋다.
그런데, 촬상 장치(101)에서 동화상을 촬상하는 경우에는, 메커니컬 셔터(103)는 이용되지 않는다. 현재, 촬상 장치(101)에서는, 1천만 화소 이상의 정지화상을 촬상 가능한 고체 촬상 소자(11)가 채용되어 있음에 대해, 동화상의 화소수은, 200만 화소 정도로 되어 있다. 따라서, 화소 공유 구조를 채용하는 고체 촬상 소자(11)에서는, 화소 가산을 이용하여 화소수를 줄여서 동화상을 촬상할 수 있다.
다음에, 도 12를 참조하여, 촬상 장치(101)에 의해 동화상을 촬상할 때의 구동에 관해 설명한다.
도 12에는, 도 11과 마찬가지로, 화소(21)의 행마다의 구동 타이밍과, 각 신호의 타이밍 차트가 도시되어 있다.
우선, 화소부(12)가 갖는 화소(21)의 모든 행에서 동시에 전자 셔터가 동작하여 PD(22)에 축적되어 있는 전하가 배출되고, PD(221) 및 PD(222)에 전하를 축적하는 축적 기간이 시작된다. 즉, 화소부(12)가 갖는 화소(21)의 모든 행에서 동시에, 배출 신호(Drn1 및 Drn2)가 온으로 되어 PD(221) 및 PD(222)에 축적되어 있는 전하가 전원 배선(Vdd)에 배출된다. 그리고, 배출 신호(Drn1 및 Drn2)가 오프로 된 타이밍부터, PD(221) 및 PD(222)에 전하가 축적되기 시작한다.
다음에, 화소부(12)가 갖는 화소(21)의 모든 행에서 동시에 전하 축적 기간이 종료되어 글로벌 전송이 행하여진다. 즉, 선택 신호(Sel)가 온으로 된 타이밍에서, 리셋 신호(Rst) 및 전송 신호(Trf1 및 Trf2)가 펄스형상으로 온으로 되고, 전하 유지부(231 및 232)및 FD(25)가 리셋된다. 계속해서, 전송 신호(CCD1 및 CCD2) 및 전송 신호(Trf1 및 Trf2)가 펄스형상으로 온으로 되고, 전하 축적 기간에서 PD(221) 및 PD(222)에서 발생한 전하가, 전하 유지부(231 및 232)에 각각 전송되고, 그 후, 선택 신호(Sel)가 오프로 된다.
이와 같이, 고체 촬상 소자(11)에서는, 모든 화소(21)에서 동시에(동일한 타이밍에서), 축적 기간이 시작됨과 함께, 축적 기간에서 PD(221) 및 PD(222)에 축적된 전하가 전송됨에 의해, 글로벌 셔터가 실현된다.
그리고, 화소(21)의 행마다 순차적으로, 리셋 레벨의 화소 신호와, PD(221) 및 PD(222)에서 발생한 전하에 응한 레벨의 화소 신호의 롤링 판독이 행하여진다. 여기서, 고체 촬상 소자(11)에서는, PD(221) 및 PD(222)에서 발생한 전하에 응한 레벨의 화소 신호로서, 글로벌 전송에서 전하 유지부(231 및 232)에 전송된 전하에 응한 레벨의 화소 신호와, 글로벌 전송에서 전하 유지부(231 및 232)를 오버플로우하여 FD(25)에 까지 전송된 전하에 응한 레벨의 화소 신호가 판독된다.
즉, 선택 신호(Sel)가 온으로 되어, 글로벌 전송에서 FD(25)에 전송된 전하에 응한 레벨의 화소 신호가 판독되고, 리셋 신호(Rst)가 펄스형상으로 온으로 되어 FD(25)가 리셋된 후, 리셋 레벨의 화소 신호가 판독된다. 그리고, 전송 신호(Trf1 및 Trf2)가 펄스형상으로 온으로 되어 전하 유지부(231 및 232)에 축적되어 있던 전하가 FD(25)에 전송된 후, 글로벌 전송에서 전하 유지부(231 및 232)에 전송된 전하에 응한 레벨의 화소 신호가 판독된다. 즉, 화소(211) 및 화소(212)의 수광량에 응한 화소 신호가 가산되어 판독된다. 그 후, 선택 신호(Sel)가 오프로 된다.
이때, 도 12의 타이밍(t1 내지 t13)에서의 화소(211) 및 화소(212)의 포텐셜은, 도 4 내지 도 7의 타이밍(t1 내지 t13)과 같은 것으로 된다.
이와 같이, 화소 가산을 행함에 의해, 화소 공유 구조에 의해 화소(21)를 소형화할 수 있음과 함께, 포화를 크게 한 글로벌 셔터의 동화상을 취득할 수 있다. 또한, 감도가 낮은 화상이나, 에일리어싱 노이즈(aliasing noise)를 갖는 화상이라도 좋으면, 화소 가산을 행하는 일 없이, 공유된 복수의 화소(21) 중의 하나의 화소(21)만으로부터 화소 신호를 판독하는 솎아냄 판독을 행하여도 좋다.
여기서, PD(221) 및 PD(222)에서 발생한 전하가 FD(25)에서 혼합되는 것으로 되기 때문에, PD(221) 및 PD(222)는 동일한 색의 광을 수광 하도록, 공유 구조로 하는 화소(211) 및 화소(212)가 선택된다.
도 13에는, 화소 공유 구조를 채용한 고체 촬상 소자(11)에서의 색 배열의 예가 도시되어 있다. 도 13에는, 2화소 공유 구조에서의 색 배열이 도시되어 있다.
도 13의 상측에 도시되어 있는 색 배열에서는, 종방향으로 같은 색이 2개씩 배치되어 있고, 굵은 선으로 둘러싸여진 2개의 화소가 화소 공유 구조가 된다. 그리고, 동화상을 촬상하는 경우에는, 공유된 2개의 화소로 화소 가산이 행하여지기 때문에, 도 13의 하측에 도시하는 바와 같이, 경사 45도로 회전된 베이어 배열의 화상이 취득된다.
또한, 정지화상에서 모든 화소를 판독하는 경우에는, 독자적인 색 배열로 되지만, 공유하는 2개의 화소끼리 축적 시간을 다르게 함에 의해, 경사 45도로 회전된 베이어 배열에서의 다이내믹 레인지를 확대시키는 동작을 행할 수가 있다. 이와 같은 색 배열에 의해, 경사 배열로 되어 있기 때문에, 신호 처리에서 화소수의 2배의 정방격자에 용이하게 할 수 있다. 즉, 원래의 화소수로 용이하게 되돌릴 수 있다. 또한, 도 13에 나타내는 색 배열의 고체 촬상 소자(11)를 경사 45도로 회전시켜서 실장한 구성으로 한 경우에는, 동화상을 촬상할 때에도, 다이내믹 레인지를 확대시킨 정지화상을 촬상할 때에도, 베이어 배열의 화상을 취득할 수 있다.
도 14에는, 화소 공유 구조를 채용한 고체 촬상 소자(11)에서의 색 배열의 다른 예가 도시되어 있다. 도 14에는, 3화소 공유 구조에서의 색 배열이 도시되어 있다.
도 14에 도시되어 있는 색 배열에서는, 배선으로 연결되어 있는 3개의 화소가 공유 단위가 된다. 이와 같이, 베이어 배열에서, 세로로 같은 색의 화소를 3개씩 교대로 공유할 수 있다. 또한, 공유되는 3개의 화소에서의 화소 가산과, 칼럼 처리 회로(14) 등에서 열방향으로 3열로 행하여지는 화소 가산을 조합시킴으로써, 고체 촬상 소자(11)가 갖는 화소(21)의 1/9의 화소수로 이루어지는 베이어 배열의 화상을 재구축할 수 있다. 이에 의해, 예를 들면, 고체 촬상 소자(11)의 화소수가 1800만 화소 이상의 경우에, 200만 화소의 HD(High Definition)의 동화상을 촬상할 수 있다.
또한, 화소 공유 구조를 채용하는 구성에서 전하 유지부(23)를 마련하지 않고, FD(25)만으로 전하를 일시적으로 유지하는 구조를 채용하여도 좋다.
또한, 고체 촬상 소자(11)는, 가시광에 의한 화상을 촬상하는 이외에도, 검출 가능한 소정의 물리량, 예를 들면, 적외선이나 X선, 또는 입자 등의 입사나, 압력 분포 등에 의한 화상을 촬상하는 용도에 사용할 수 있다. 또한, 고체 촬상 소자(11)로서는, 촬상 장치(101)와 같은 최종 제품(이른바, 디지털 스틸 카메라) 외에, 최종 제품에 조립하기 위한 모듈로 한 구성이 포함된다.
또한, 본 기술은 이하와 같은 구성도 취할 수 있다.
(1)
구동 회로 및
매트릭스 형상으로 배열된 화소를 포함하는 화소부를 구비하고,
상기 화소 중 소정의 하나의 화소는,
입사한 광을 전하로 변환하고 상기 전하를 축적하도록 구성된 광전 변환 소자,
상기 광전 변환 소자에 접속되는 전하 유지부 및
부유 확산 영역을 포함하고,
상기 구동 회로는, 상기 소정의 하나의 화소에 대하여, 상기 전하 유지부가 상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 제1 부분을 수신 및 유지하고, 동시에 상기 부유 확산 영역이 상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 제2 부분을 수신 및 유지하는 전송 동작을 행하도록 구성된 고체 촬상 소자.
(2)
상기 구동 회로는, 상기 전송 동작을 행한 후에, 상기 광전 변환 회로에 축적된 상기 전하의 상기 제2 부분의 크기에 상응하는 데이터 신호를 판독하고, 동시에 상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 상기 제1 부분의 크기에 상응하는 데이터 신호를 판독하도록 구성된 상기 (1)에 기재된 고체 촬상 소자.
(3)
상기 구동 회로는,
상기 광전 변환 회로에 축적된 상기 전하의 상기 제2 부분의 크기에 상응하는 데이터 신호를 판독한 후 및 상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 상기 제1 부분의 크기에 상응하는 데이터 신호를 판독하기 전에,
상기 부유 확산 영역을 리셋하고,
상기 부유 확산 영역의 리셋 레벨에 상응하는 데이터 신호를 판독하고,
상기 전하 유지부에 유지되어 있는 상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 상기 제1 부분을 상기 부유 확산 영역에 전송하는 2차 전송 동작을 행하는 상기 (2)에 기재된 고체 촬상 소자.
(4)
상기 소정의 하나의 화소는,
상기 부유 확산 영역 및 리셋 전위에 접속되고, 리셋 신호가 공급될 때 도통하도록 구성된 리셋 트랜지스터와,
선택 신호가 공급될 때, 상기 구동 회로로 상기 부유 확산 영역에 유지된 전하의 크기 근거한 데이터 신호를 출력하도록 구성된 선택 트랜지스터를 더 구비하고,
상기 구동 회로는,
상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 상기 제2 부분이 상기 부유 확산 영역에 유지될 때, 상기 선택 트랜지스터에 상기 선택 신호를 공급함에 의하여, 상기 광전 변환소자에 축적된 상기 전하의 상기 제2 부분의 크기에 상응하는 상기 데이터 신호를 판독하고,
상기 리셋 트랜지스터에 상기 리셋 신호를 공급함에 의하여 상기 부유 확산 영역을 리셋하고,
상기 부유 확산 영역을 리셋한 후에 상기 선택 트랜지스터에 상기 선택 신호를 공급함에 의하여 상기 부유 확산 영역의 리셋 레벨에 상응하는 상기 데이터 신호를 판독하고,
상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 상기 제1 부분이 상기 부유 확산 영역에 유지될 때, 상기 선택 트랜지스터에 상기 선택 신호를 공급함에 의하여, 상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 상기 제1 부분의 크기에 상응하는 상기 데이터 신호를 판독하는 상기 (3)에 기재된 고체 촬상 소자.
(5)
각각의 상기 화소는 입사한 광을 전하로 변환하고 상기 전하를 축적하도록 구성된 광전 변환 소자를 포함하고,
상기 구동 회로는, 각각의 상기 화소의 상기 광전 변화 소자를 동시에 리셋함에 의해 각각의 상기 화소에 대한 각각의 전하 축적 기간이 동시에 시작되고, 각각의 상기 화소에 대한 상기 각각의 전하 축적 기간이 동시에 종료되는 글로벌 셔터 동작을 행하도록 구성된 상기 (1)에 기재된 고체 촬상 소자.
(6)
각각의 상기 화소는,
상기 광전 변환 소자와 접속되는 전하 유지부 및
부유 확산 영역을 포함하고,
상기 구동 회로는, 각각의 상기 화소에 대하여 상기 전송 동작을 동시에 행함으로써, 상기 화소에 대한 상기 각각의 축적 기간을 동시에 종료하도록 구성된 상기 (5)에 기재된 고체 촬상 소자.
(7)
상기 구동 회로는, 각각의 상기 화소로부터, 상기 화소의 상기 광전 변환 소자에 축적된 각각의 전하에 상응하는 각각의 데이터 신호를 판독하는 롤링 판독 동작을 행하도록 구성되고,
상기 구동 회로는, n번째 화상 프레임에 대하여 상기 롤링 판독이 행하여질 때, (n+1)번째 화상 프레임에 대하여 상기 글로벌 셔터 동작을 시작하도록 구성된 상기 (6)에 기재된 고체 촬상 소자.
(8)
상기 소정의 하나의 화소는, 상기 광전 변환 소자 및 배출 전위에 접속되는 배출 트랜지스터를 포함하고,
상기 구동 회로는, 상기 배출 트랜지스터가 펄스 기간에 대하여 전도 상태에 있도록 하여, 상기 광전 변환 회로를 리셋하도록 구성되고,
비전도 상태일 때의 상기 배출 트랜지스터와 상기 광전 변환 소자 사이의 전위 장벽의 크기가, 상기 전하 유지부와 상기 광전 변환 소자 사이의 전위 장벽의 크기보다 더 낮은 상기 (1)에 기재된 고체 촬상 소자.
(9)
각각의 상기 화소는,
입사한 광을 전하로 변환하고 상기 전하를 축적하도록 구성된 광전 변환 소자,
상기 광전 변환 소자에 접속되는 전하 유지부 및
부유 확산 영역을 포함하고,
상기 화소는 N개(N≥2, N은 정수)의 그룹으로 배열되어 있으며,
동일 그룹에 포함된 화소는, 공통으로 하나의 부유 확산 영역을 공유하며,
상기 하나의 부유 확산 영역은, 공통으로 상기 하나의 부유 확산 영역을 공유하는 각각의 화소에 포함된 각각의 상기 부유 확산 영역을 구성하는 상기 (1)에 기재된 고체 촬상 소자.
(10)
상기 구동 회로는, 각각의 상기 화소의 상기 광전 변화 소자를 동시에 리셋함에 의해 각각의 상기 화소에 대한 각각의 전하 축적 기간이 동시에 시작되고, 각각의 상기 화소에 대한 상기 각각의 전하 축적 기간이 동시에 종료되는 글로벌 셔터 동작을 행하도록 구성된 상기 (9)에 기재된 고체 촬상 소자.
(11)
상기 구동 회로는, 각각의 상기 화소에 대하여 상기 전송 동작을 동시에 행함으로써, 상기 화소에 대한 상기 각각의 축적 기간을 동시에 종료하도록 구성된 상기 (10)에 기재된 고체 촬상 소자.
(12)
상기 구동 회로는, 각각의 상기 화소로부터, 상기 화소의 상기 광전 변환 소자에 축적된 각각의 전하에 상응하는 각각의 데이터 신호를 판독하는 롤링 판독 동작을 행하도록 구성되고,
상기 구동 회로는, n번째 화상 프레임에 대하여 상기 롤링 판독이 행하여질 때, (n+1)번째 화상 프레임에 대하여 상기 글로벌 셔터 동작을 시작하도록 구성된 상기 (11)에 기재된 고체 촬상 소자.
(13)
상기 구동 회로는, 메커니컬 셔터를 구동함에 의하여, 상기 화소에 대한 상기 각각의 축적 기간을 동시에 종료하도록 구성된 상기 (10)에 기재된 고체 촬상 소자.
(14)
상기 전하 유지부의 전하 유지 용량은, 상기 광전 변환 소자의 전하 유지 용량보다 낮은 상기 (1)에 기재된 고체 촬상 소자.
(15)
상기 (1)에 기재된 고체 촬상 소자를 구비하는 전자 촬상 기기.
(16)
매트릭스 형상으로 배열된 화소를 포함하고, 상기 화소 중 소정의 하나의 화소는, 입사한 광을 전하로 변환하고 상기 전하를 축적하도록 구성된 광전 변환 소자, 상기 광전 변환 소자에 접속되는 전하 유지부 및 부유 확산 영역을 포함하는 고체 촬상 소자의 동작 방법으로서,
상기 소정의 하나의 화소에 대하여, 상기 전하 유지부가 상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 제1 부분을 수신 및 유지하고, 동시에 상기 부유 확산 영역이 상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 제2 부분을 수신 및 유지하는 전송 동작을 행하는 고체 촬상 소자의 동작 방법.
(17)
상기 소정의 하나의 화소에 대하여 상기 전송 동작을 행한 후 연속적으로,
상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 상기 제2 부분의 크기에 상응하는 데이터 신호를 판독하고,
상기 부유 확산 영역을 리셋하고,
상기 부유 확산 영역의 리셋 레벨에 상응하는 데이터 신호를 판독하고,
상기 전하 유지부에 유지되어 있는 상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 상기 제1 부분을 상기 부유 확산 영역에 전송하는 2차 전송 동작을 행하고,
상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 상기 제1 부분의 크기에 상응하는 데이터 신호를 판독하는 것을 더 포함하는 상기 (16)에 기재된 고체 촬상 소자의 동작 방법.
(18)
각각의 상기 화소는 입사한 광을 전하로 변환하고 상기 전하를 축적하도록 구성된 광전 변환 소자를 포함하고,
각각의 상기 화소의 상기 광전 변화 소자를 동시에 리셋함에 의해 각각의 상기 화소에 대한 각각의 전하 축적 기간이 동시에 시작되고, 각각의 상기 화소에 대한 상기 각각의 전하 축적 기간이 동시에 종료되는 글로벌 셔터 동작을 더 행하는 것을 더 포함하는 상기 (16)에 기재된 고체 촬상 소자의 동작 방법.
(19)
각각의 상기 화소는, 부유 확산 영역 및 상기 광전 변환 소자와 접속되는 전하 유지부를 구비하고, 각각의 상기 화소에 대하여 상기 전송 동작을 동시에 행함으로써, 상기 화소에 대한 상기 각각의 축적 기간을 동시에 종료하는 것을 더 포함하는 상기 (18)에 기재된 고체 촬상 소자의 동작 방법.
(20)
각각의 상기 화소로부터, 상기 화소의 상기 광전 변환 소자에 축적된 각각의 전하에 상응하는 각각의 데이터 신호를 판독하는 롤링 판독 동작을 행하고, n번째 화상 프레임에 대하여 상기 롤링 판독이 행하여질 때, (n+1)번째 화상 프레임에 대하여 상기 글로벌 셔터 동작을 시작하는 것을 더 포함하는 상기 (19)에 기재된 고체 촬상 소자의 동작 방법.
(21)
소정의 물리량에 응한 전하를 발생하여 축적하는 전하 발생부와, 상기 전하 발생부에 축적되어 있는 상기 전하를 배출하는 배출부와, 상기 전하 발생부로부터 전송되어 오는 상기 전하를 유지하는 유지부와, 상기 전하 발생부에서 발생한 상기 전하를, 그 전하에 응한 레벨의 화소 신호로 변환하는 변환부를 갖는 화소가, 2차원적으로 행렬형상으로 배치된 화소부와,
상기 전하 발생부에 축적되어 있는 상기 전하를 상기 화소부에 배치되어 있는 모든 상기 화소에 대해 개략 동일한 타이밍에서 상기 배출부에 배출시켜서 상기 화소 신호로서 출력하기 위한 전하를 축적하는 축적 기간을 시작시키고, 상기 화소부에 배치되어 있는 모든 상기 화소에 대해 개략 동일한 타이밍에서 상기 축적 기간을 종료시켜, 상기 화소부에 배치되어 있는 상기 화소의 행마다 상기 화소 신호를 출력시키는 구동을 행하는 구동부를 구비하고,
상기 전하 발생부에서 발생한 상기 전하가 상기 유지부에 전송될 때에, 상기 유지부의 용량을 초과한 일부의 상기 전하가 상기 변환부에 전송되고, 상기 유지부 및 상기 변환부에 의해 상기 전하 발생부에서 발생한 상기 전하가 유지되는 고체 촬상 소자.
(22)
상기 구동부가, 상기 전하 발생부로부터 상기 유지부에의 상기 전하의 전송을, 상기 화소부에 배치되어 있는 모든 상기 화소에 대해 개략 동일한 타이밍에서 행함에 의해, 상기 축적 기간을 종료시키는 상기 (22)에 기재된 고체 촬상 소자.
(23)
상기 구동부는,
상기 유지부의 용량을 초과하여 상기 변환부에 전송되어 상기 변환부에 축적되어 있는 상기 전하에 응한 레벨의 화소 신호를 출력시키고,
상기 변환부에 축적되어 있는 전하를 배출시켜서 상기 변환부를 리셋시킨 상태에서의 리셋 레벨의 화소 신호를 출력시키고,
상기 유지부에 유지되어 있는 상기 전하를 상기 변환부에 전송시켜, 상기 변환부에 축적되어 있는 상기 전하에 응한 레벨의 화소 신호를 출력시키는 구동을 행하는 상기 (21) 또는 (22)에 기재된 고체 촬상 소자.
(24)
상기 축적 기간중에 상기 전하 발생부의 축적 용량을 초과하는 전하가 발생한 때에, 상기 전하 발생부로부터 상기 배출부에 전하가 배출되도록, 상기 전하 발생부의 상기 배출부측의 전위 장벽이, 상기 전하 발생부의 상기 유지부측의 전위 장벽보다도 낮게 설정되어 있는 상기 (21)부터 (23)까지의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.
(25)
상기 구동부는, 상기 화소 신호로부터 구축되는 화상이 연속적으로 취득되는 경우, 현재의 프레임의 앞의 프레임에서 상기 화소의 행마다 상기 화소 신호를 출력시키는 구동을 행하고 있는 기간에, 현재의 프레임에서의 상기 축적 기간을 시작시키는 구동을 행하는 상기 (21)부터 (24)까지의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.
(26)
소정수의 상기 화소에 의해 공유하여 상기 변환부가 이용되는 화소 공유 구조가 채용되어 있는 상기 (21)부터 (25)까지의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.
(27)
소정의 물리량에 응한 전하를 발생하여 축적하는 전하 발생부와, 상기 전하 발생부에 축적되어 있는 상기 전하를 배출하는 배출부와, 상기 전하 발생부로부터 전송되어 오는 상기 전하를 유지하는 유지부와, 상기 전하 발생부에서 발생한 상기 전하를, 그 전하에 응한 레벨의 화소 신호로 변환하는 변환부를 갖는 화소가, 2차원적으로 행렬형상으로 배치된 화소부를 구비하는 고체 촬상 소자의 구동 방법으로서,
상기 전하 발생부에 축적되어 있는 상기 전하를 상기 화소부에 배치되어 있는 모든 상기 화소에 대해 개략 동일한 타이밍에서 상기 배출부에 배출시켜서 상기 화소 신호로서 출력하기 위한 전하를 축적하는 축적 기간을 시작시키고,
상기 화소부에 배치되어 있는 모든 상기 화소에 대해 개략 동일한 타이밍에서 상기 축적 기간을 종료시켜,
상기 화소부에 배치되어 있는 상기 화소의 행마다 상기 화소 신호를 출력시키는 스텝을 포함하고,
상기 전하 발생부에서 발생한 상기 전하가 상기 유지부에 전송될 때에, 상기 유지부의 용량을 초과한 일부의 상기 전하가 상기 변환부에 전송되고, 상기 유지부 및 상기 변환부에 의해 상기 전하 발생부에서 발생한 상기 전하가 유지되는 고체 촬상 소자의 구동 방법.
(28)
소정의 물리량에 응한 전하를 발생하여 축적하는 전하 발생부와, 상기 전하 발생부에 축적되어 있는 상기 전하를 배출하는 배출부와, 상기 전하 발생부로부터 전송되어 오는 상기 전하를 유지하는 유지부와, 상기 전하 발생부에서 발생한 상기 전하를, 그 전하에 응한 레벨의 화소 신호로 변환하는 변환부를 갖는 화소가, 2차원적으로 행렬형상으로 배치된 화소부와,
상기 전하 발생부에 축적되어 있는 상기 전하를 상기 화소부에 배치되어 있는 모든 상기 화소에 대해 개략 동일한 타이밍에서 상기 배출부에 배출시켜서 상기 화소 신호로서 출력하기 위한 전하를 축적하는 축적 기간을 시작시키고, 상기 화소부에 배치되어 있는 모든 상기 화소에 대해 개략 동일한 타이밍에서 상기 축적 기간을 종료시켜, 상기 화소부에 배치되어 있는 상기 화소의 행마다 상기 화소 신호를 출력시키는 구동을 행하는 구동부를 갖는 고체 촬상 소자를 구비하고,
상기 전하 발생부에서 발생한 상기 전하가 상기 유지부에 전송될 때에, 상기 유지부의 용량을 초과한 일부의 상기 전하가 상기 변환부에 전송되고, 상기 유지부 및 상기 변환부에 의해 상기 전하 발생부에서 발생한 상기 전하가 유지되는 전자 기기.
(29)
소정수의 상기 화소에 의해 상기 변환부가 공유하여 이용되는 화소 공유 구조가 채용되어 있고,
상기 화소부에 대한 광의 조사 및 차광을 전환하는 차광 기구를 또한 구비하고,
상기 화소 신호로부터 구축되는 화상에 의해 정지화상을 취득하는 경우, 상기 차광 기구에 의해 상기 화소부에 대한 차광을 행함에 의해, 상기 축적 기간을 종료시키는 상기 (28)에 기재된 전자 기기.
(30)
제8항에 있어서,
소정수의 상기 화소에 의해 공유하여 상기 변환부가 이용되는 화소 공유 구조가 채용되어 있고,
상기 화소 신호로부터 구축되는 화상을 연속적으로 취득하여 동화상을 촬상하는 경우, 상기 전하 발생부로부터 상기 유지부에의 상기 전하의 전송을, 상기 화소부에 배치되어 있는 모든 상기 화소에 대해 개략 동일한 타이밍에서 행함에 의해, 상기 축적 기간을 종료시키는 상기 (28)에 기재된 전자 기기.
또한, 본 실시의 형태는, 상술한 실시의 형태로 한정되는 것이 아니고, 본 개시된 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 변경이 가능하다.
11 : 고체 촬상 소자
12 : 화소부
13 : 수직 구동 회로
14 : 칼럼 처리 회로
15 : 출력 회로
16 : 제어 회로
21 : 화소
22 : PD
23 : 전하 유지부
24 : 전송 트랜지스터
25 : FD
26 : 증폭 트랜지스터
27 : 선택 트랜지스터
28 : 리셋 트랜지스터
29 : 배출 트랜지스터
30 : 수직 신호선
31 : 정전류원
101 : 촬상 장치
102 : 광학계
103 : 메커니컬 셔터
104 : DSP
105 : 표시부
106 : 메모리
107 : 전원부
108 : 조작부
109 : CPU

Claims (20)

  1. 구동 회로 및
    매트릭스 형상으로 배열된 화소를 포함하는 화소부를 구비하고,
    상기 화소 중 소정의 하나의 화소는,
    입사한 광을 전하로 변환하고 상기 전하를 축적하도록 구성된 광전 변환 소자,
    상기 광전 변환 소자에 접속되는 전하 유지부 및
    부유 확산 영역을 포함하고,
    상기 구동 회로는, 상기 소정의 하나의 화소에 대하여, 상기 전하 유지부가 상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 제1 부분을 수신 및 유지하고, 동시에 상기 부유 확산 영역이 상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 제2 부분을 수신 및 유지하는 전송 동작을 행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구동 회로는, 상기 전송 동작을 행한 후에, 상기 광전 변환 회로에 축적된 상기 전하의 상기 제2 부분의 크기에 상응하는 데이터 신호를 판독하고, 동시에 상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 상기 제1 부분의 크기에 상응하는 데이터 신호를 판독하도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 구동 회로는,
    상기 광전 변환 회로에 축적된 상기 전하의 상기 제2 부분의 크기에 상응하는 데이터 신호를 판독한 후 및 상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 상기 제1 부분의 크기에 상응하는 데이터 신호를 판독하기 전에,
    상기 부유 확산 영역을 리셋하고,
    상기 부유 확산 영역의 리셋 레벨에 상응하는 데이터 신호를 판독하고,
    상기 전하 유지부에 유지되어 있는 상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 상기 제1 부분을 상기 부유 확산 영역에 전송하는 2차 전송 동작을 행하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 소정의 하나의 화소는,
    상기 부유 확산 영역 및 리셋 전위에 접속되고, 리셋 신호가 공급될 때 도통하도록 구성된 리셋 트랜지스터와,
    선택 신호가 공급될 때, 상기 구동 회로로 상기 부유 확산 영역에 유지된 전하의 크기 근거한 데이터 신호를 출력하도록 구성된 선택 트랜지스터를 더 구비하고,
    상기 구동 회로는,
    상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 상기 제2 부분이 상기 부유 확산 영역에 유지될 때, 상기 선택 트랜지스터에 상기 선택 신호를 공급함에 의하여, 상기 광전 변환소자에 축적된 상기 전하의 상기 제2 부분의 크기에 상응하는 상기 데이터 신호를 판독하고,
    상기 리셋 트랜지스터에 상기 리셋 신호를 공급함에 의하여 상기 부유 확산 영역을 리셋하고,
    상기 부유 확산 영역을 리셋한 후에 상기 선택 트랜지스터에 상기 선택 신호를 공급함에 의하여 상기 부유 확산 영역의 리셋 레벨에 상응하는 상기 데이터 신호를 판독하고,
    상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 상기 제1 부분이 상기 부유 확산 영역에 유지될 때, 상기 선택 트랜지스터에 상기 선택 신호를 공급함에 의하여, 상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 상기 제1 부분의 크기에 상응하는 상기 데이터 신호를 판독하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    각각의 상기 화소는 입사한 광을 전하로 변환하고 상기 전하를 축적하도록 구성된 광전 변환 소자를 포함하고,
    상기 구동 회로는, 각각의 상기 화소의 상기 광전 변화 소자를 동시에 리셋함에 의해 각각의 상기 화소에 대한 각각의 전하 축적 기간이 동시에 시작되고, 각각의 상기 화소에 대한 상기 각각의 전하 축적 기간이 동시에 종료되는 글로벌 셔터 동작을 행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    각각의 상기 화소는,
    상기 광전 변환 소자와 접속되는 전하 유지부 및
    부유 확산 영역을 포함하고,
    상기 구동 회로는, 각각의 상기 화소에 대하여 상기 전송 동작을 동시에 행함으로써, 상기 화소에 대한 상기 각각의 축적 기간을 동시에 종료하도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 구동 회로는, 각각의 상기 화소로부터, 상기 화소의 상기 광전 변환 소자에 축적된 각각의 전하에 상응하는 각각의 데이터 신호를 판독하는 롤링 판독 동작을 행하도록 구성되고,
    상기 구동 회로는, n번째 화상 프레임에 대하여 상기 롤링 판독이 행하여질 때, (n+1)번째 화상 프레임에 대하여 상기 글로벌 셔터 동작을 시작하도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 소정의 하나의 화소는, 상기 광전 변환 소자 및 배출 전위에 접속되는 배출 트랜지스터를 포함하고,
    상기 구동 회로는, 상기 배출 트랜지스터가 펄스 기간에 대하여 전도 상태에 있도록 하여, 상기 광전 변환 회로를 리셋하도록 구성되고,
    비전도 상태일 때의 상기 배출 트랜지스터와 상기 광전 변환 소자 사이의 전위 장벽의 크기가, 상기 전하 유지부와 상기 광전 변환 소자 사이의 전위 장벽의 크기보다 더 낮은 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    각각의 상기 화소는,
    입사한 광을 전하로 변환하고 상기 전하를 축적하도록 구성된 광전 변환 소자,
    상기 광전 변환 소자에 접속되는 전하 유지부 및
    부유 확산 영역을 포함하고,
    상기 화소는 N개(N≥2, N은 정수)의 그룹으로 배열되어 있으며,
    동일 그룹에 포함된 화소는, 공통으로 하나의 부유 확산 영역을 공유하며,
    상기 하나의 부유 확산 영역은, 공통으로 상기 하나의 부유 확산 영역을 공유하는 각각의 화소에 포함된 각각의 상기 부유 확산 영역을 구성하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 구동 회로는, 각각의 상기 화소의 상기 광전 변화 소자를 동시에 리셋함에 의해 각각의 상기 화소에 대한 각각의 전하 축적 기간이 동시에 시작되고, 각각의 상기 화소에 대한 상기 각각의 전하 축적 기간이 동시에 종료되는 글로벌 셔터 동작을 행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 구동 회로는, 각각의 상기 화소에 대하여 상기 전송 동작을 동시에 행함으로써, 상기 화소에 대한 상기 각각의 축적 기간을 동시에 종료하도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 구동 회로는, 각각의 상기 화소로부터, 상기 화소의 상기 광전 변환 소자에 축적된 각각의 전하에 상응하는 각각의 데이터 신호를 판독하는 롤링 판독 동작을 행하도록 구성되고,
    상기 구동 회로는, n번째 화상 프레임에 대하여 상기 롤링 판독이 행하여질 때, (n+1)번째 화상 프레임에 대하여 상기 글로벌 셔터 동작을 시작하도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 구동 회로는, 메커니컬 셔터를 구동함에 의하여, 상기 화소에 대한 상기 각각의 축적 기간을 동시에 종료하도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 전하 유지부의 전하 유지 용량은, 상기 광전 변환 소자의 전하 유지 용량보다 낮은 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  15. 제1항의 고체 촬상 소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 전자 촬상 기기.
  16. 매트릭스 형상으로 배열된 화소를 포함하고, 상기 화소 중 소정의 하나의 화소는, 입사한 광을 전하로 변환하고 상기 전하를 축적하도록 구성된 광전 변환 소자, 상기 광전 변환 소자에 접속되는 전하 유지부 및 부유 확산 영역을 포함하는 고체 촬상 소자의 동작 방법으로서,
    상기 소정의 하나의 화소에 대하여, 상기 전하 유지부가 상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 제1 부분을 수신 및 유지하고, 동시에 상기 부유 확산 영역이 상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 제2 부분을 수신 및 유지하는 전송 동작을 행하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자의 동작 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 소정의 하나의 화소에 대하여 상기 전송 동작을 행한 후 연속적으로,
    상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 상기 제2 부분의 크기에 상응하는 데이터 신호를 판독하고,
    상기 부유 확산 영역을 리셋하고,
    상기 부유 확산 영역의 리셋 레벨에 상응하는 데이터 신호를 판독하고,
    상기 전하 유지부에 유지되어 있는 상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 상기 제1 부분을 상기 부유 확산 영역에 전송하는 2차 전송 동작을 행하고,
    상기 광전 변환 소자에 축적된 상기 전하의 상기 제1 부분의 크기에 상응하는 데이터 신호를 판독하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자의 동작 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    각각의 상기 화소는 입사한 광을 전하로 변환하고 상기 전하를 축적하도록 구성된 광전 변환 소자를 포함하고,
    각각의 상기 화소의 상기 광전 변화 소자를 동시에 리셋함에 의해 각각의 상기 화소에 대한 각각의 전하 축적 기간이 동시에 시작되고, 각각의 상기 화소에 대한 상기 각각의 전하 축적 기간이 동시에 종료되는 글로벌 셔터 동작을 더 행하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자의 동작 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    각각의 상기 화소는, 부유 확산 영역 및 상기 광전 변환 소자와 접속되는 전하 유지부를 구비하고,
    각각의 상기 화소에 대하여 상기 전송 동작을 동시에 행함으로써, 상기 화소에 대한 상기 각각의 축적 기간을 동시에 종료하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자의 동작 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    각각의 상기 화소로부터, 상기 화소의 상기 광전 변환 소자에 축적된 각각의 전하에 상응하는 각각의 데이터 신호를 판독하는 롤링 판독 동작을 행하고,
    n번째 화상 프레임에 대하여 상기 롤링 판독이 행하여질 때, (n+1)번째 화상 프레임에 대하여 상기 글로벌 셔터 동작을 시작하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자의 동작 방법.
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