TWI428013B - Solid-state imaging device - Google Patents

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TWI428013B
TWI428013B TW096114470A TW96114470A TWI428013B TW I428013 B TWI428013 B TW I428013B TW 096114470 A TW096114470 A TW 096114470A TW 96114470 A TW96114470 A TW 96114470A TW I428013 B TWI428013 B TW I428013B
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Yukinobu Sugiyama
Seiichiro Mizuno
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Hamamatsu Photonics Kk
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Description

固體攝像裝置
本發明係關於一種包含二維配置有複數個像素之攝像區域之固體攝像裝置者，其中該複數個像素分別具有用以產生與入射光量對應之量之電荷之光二極體。
固體攝像裝置係包含二維配置有分別具有光二極體之複數個像素之攝像區域，此外，有時亦包含AD轉換電路，用以輸出與在各像素之光二極體所產生之電荷之量對應之數位值。在此種固體攝像裝置中，像素數不斷增加，此外，要求攝像之高速化。此種像素數之增加與攝像之高速化，一般將會帶來固體攝像裝置之功率消耗之增加。
專利文獻1：日本特表2002-505002號公報
然而，依固體攝像裝置之用途不同，有要抑制功率消耗之增加之情形、或反而要降低功率消耗之情形。例如，有要以長時間電池驅動固體攝像裝置之情形、或由於包含固體攝像裝置之機器之結構上之理由而要抑制發熱之情形等。本發明係有鑑於解除上述問題點而研創者，其目的在提供一種即使是謀求像素數之增加或攝像之高速化之情形，亦可抑制功率消耗之增大之固體攝像裝置。
本發明之固體攝像裝置之特徵為包含：(1)攝像區域， 其包含分別具有產生與入射光量對應之量之電荷之光二極體與蓄積該電荷之電荷蓄積部之複數個像素，且於電荷蓄積動作控制信號指示之期間，將在複數個像素各個中於光二極體所產生之電荷藉由電荷蓄積部加以蓄積；(2)觸發(trigger)用光感應區域，其包含產生與入射光量對應之量之電荷之觸發用光二極體；及(3)輸出部，其於電荷蓄積動作控制信號指示之期間之後，將與蓄積於複數個像素各個之電荷蓄積部之電荷之量對應之數位值(以下稱「像素資料」)予以輸出，且於未輸出像素資料之期間，將與在觸發用光感應區域所產生之電荷之量對應之數位值(以下稱「觸發用資料」)予以輸出。再者，包含於此固體攝像裝置之輸出部之特徵為：相較於輸出像素資料時，在輸出觸發用資料時係較低功率消耗地進行動作。此外，較佳為相較於輸出像素資料時，在輸出觸發用資料時，輸出部係較低速地或以較低輸出位元數進行動作。
在本發明之固體攝像裝置中，包含於攝像區域之複數個像素分別具有用以產生與入射光量對應之量之電荷之光二極體；及用以蓄積該電荷之電荷蓄積部。於電荷蓄積動作控制信號指示之期間，在複數個像素各個中，於光二極體產生之電荷係藉由電荷蓄積部蓄積。另一方面，即使是包含於觸發用光感應區域之觸發用光二極體，亦產生與入射光量對應之量之電荷。於電荷蓄積動作控制信號指示之期間之後，與蓄積於複數個像素各個之電荷蓄積部之電荷之量對應之數位值(像素資料)係從輸出部輸出。此外，從輸 出部未輸出像素資料之期間，與在觸發用光感應區域所產生之電荷之量對應之數位值(觸發用資料)係從輸出部輸出。
如此，輸出像素資料之期間，與輸出觸發用資料之期間係互為區別。再者，相較於輸出像素資料時，在輸出觸發用資料時，輸出部係較低功率消耗地進行動作。輸出部係藉由較低速地或以較低輸出位元數進行動作，而可以較低功率消耗地進行動作。
在本發明之固體攝像裝置中，輸出部包含：攝像用AD轉換電路，其於電荷蓄積動作控制信號指示之期間之後進行AD轉換動作而將像素資料輸出；及觸發用AD轉換電路，其將觸發用資料輸出；與攝像用AD轉換電路比較，觸發用AD轉換電路係較低功率消耗地進行動作為較佳。此時，從輸出部輸出像素資料之期間，係攝像用AD轉換電路動作，而觸發用AD轉換電路中止。另一方面，從輸出部輸出觸發用資料之期間，係觸發用AD轉換電路動作，而攝像用AD轉換電路中止。
在本發明之固體攝像裝置中，係以輸出部將像素資料及觸發用資料輸出至共通之輸出信號線者為較佳。此時，像素資料及觸發用資料係以時間分割方式從輸出部輸出至共通之輸出信號線，因此與外部機器之間用以輸出入信號等之佈線之條數不須多，例如在口腔內之X線攝像中使用時成為可靠性高者。另外，從輸出部輸出至共通之輸出信號線之像素資料及觸發用資料係以序列資料為較佳。
本發明之固體攝像裝置係以另外包含控制部為較佳，其係輸入從輸出部輸出之觸發用資料，且於該觸發用資料之絕對值大於臨限值時，對攝像區域之複數個像素各個產生指示電荷蓄積動作之電荷蓄積動作控制信號。此時，係根據從輸出部輸出之觸發用資料而藉由控制部自動產生電荷蓄積動作控制信號。
在本發明之固體攝像裝置中，觸發用光感應區域包含包圍攝像區域而設之1個觸發用光二極體者為較佳。此外，觸發用光感應區域包含設於攝像區域之周圍且相互連接之複數個觸發用光二極體者為較佳。藉由如此構成觸發用光感應區域，即可高感度檢測光對於固體攝像裝置之入射。
 發明之效果
本發明之固體攝像裝置即使是謀求像素數之增加或攝像之高速化時，亦可抑制功率消耗之增大。
以下參照附圖詳細說明用以實施本發明之最佳形態。另外，在圖式之說明中對於相同之元件賦予相同符號，且省略重複之說明。
圖1係為本實施形態之固體攝像裝置1之構成圖。此圖所示之固體攝像裝置1係包含攝像區域(攝像用受光部)10、觸發用光感應區域(觸發用受光部)20、列選擇部30、行選擇部40、電壓保持部50、輸出部60及控制部70。另外，在此圖中，係將元件間之佈線省略或予以簡化。
攝像區域10係為用以將入射之光之像予以攝像者，包含二維排列成M列N行之像素P1,1 至PM,N 。像素Pm,n 係位於第m列第n行。M×N個之像素P1,1 至PM,N 係具有共通之構成，具有用以產生與入射光量對應之量之電荷之光二極體；及用以蓄積該電荷之電荷蓄積部。攝像區域10係於從控制部70輸出之電荷蓄積動作控制信號指示之期間，將在M×N個像素P1,1 至PM,N 各個中於光二極體產生之電荷藉由電荷蓄積部加以蓄積。另外，M、N係2以上之整數，m係1以上M以下之整數，而n係1以上N以下之整數。
觸發用光感應區域20係用以檢測光之入射者，包含用以產生與入射光量對應之量之電荷之觸發用光二極體。關於包含於觸發用光感應區域20之觸發用光二極體之個數或配置雖可為各種態樣，惟為了要高感度檢測光之入射，係以設有觸發用光二極體俾包圍攝像區域10者為較佳，此外，係以受光面積較廣者為較佳。
觸發用光感應區域20係以包含如圖所示將攝像區域10予以包圍而設之1個觸發用光二極體TD(參照圖8)者為較佳。
圖7係為固體攝像裝置1之概略俯視圖，於半導體基板100之中央設定有攝像區域10，且以包圍攝像區域10之方式設有觸發用光感應區域20。
圖8係為圖7所示之觸發用光感應區域20之Ⅷ－Ⅷ箭頭剖面圖，而於N型半導體基板100之表面側形成有P型半導體區域101，而半導體基板100之表面係由絕緣層102所被覆，且上部電極103經由設於絕緣層102之接觸孔與P型半導體區域101接觸。在半導體基板100之背面係設有下部電極104。在P型半導體區域101與N型半導體基板100之界面係形成PN接合，且此等係構成1個觸發用光二極體TD。亦即，P型半導體區域101係將攝像區域10之周圍予以連續包圍。
觸發用光感應區域20係亦以包含設於攝像區域10之周圍且相互並聯連接之複數個觸發用光二極體TD(參照圖9)者為較佳。
圖9係為固體攝像裝置1之概略俯視圖，於半導體基板100之中央設定有攝像區域10，且以包圍攝像區域10之方式設有觸發用光感應區域20。在圖9所示之觸發用光感應區域20之觸發用光二極體TD之Ⅷ－Ⅷ箭頭剖面圖係與圖8所示者相同。
圖10係為顯示圖9所示之觸發用光感應區域20之觸發用光二極體TD之電性接觸關係之電路圖，而觸發用光二極體TD之陽極係藉由由上部電極103組成之共通佈線而連接，而陰極係經由由下部電極104組成之共通電極而接地。
再度參照圖1。列選擇部30係在藉由控制部70之控制下，依序指定攝像區域10之各列，且將與蓄積於其所指定之第m列之N個像素Pm,1 至PM,N 各個電荷蓄積部之電荷之量對應之電壓值輸出至電壓保持部50。列選擇部30係包含M段之位移暫存器電路，且藉由此位移暫存器電路之各段之輸出位元，而可依序指定攝像區域10之各列。
電壓保持部50係包含具有共通之構成之N個保持電路H1 至HN 。保持電路Hn 係與攝像區域10之第n行之M個像素P1,n 至PM,n 連接，而將從此等之中之任一像素Pm,n 所輸出之電壓值予以輸入，且保持其所輸入之電壓值並予以輸出。保持電路Hn 係可保持表示重疊有雜音成分之信號成分之電壓值，同時亦可保持表示雜音成分之電壓值。
行選擇部40係依序指定包含於電壓保持部50之N個保持電路H1 至HN ，且將藉由其所指定之第n個保持電路Hn 所保持之電壓值輸出至輸出部60。行選擇部40係包含N段位移暫存器，且藉由此位移暫存器電路之各段之輸出位元，即可依序指定N個保持電路H1 至HN 。
輸出部60係於從控制部70輸出之電荷蓄積動作控制信號指示之期間(亦即將在各像素Pm,n 中於光二極體產生之電荷藉由電荷蓄積部蓄積之期間)之後，將與蓄積於M×N個像素P1,1 至PM,N 各個之電荷蓄積部之電荷之量對應之數位值(像素資料)予以輸出，此外，在未輸出該像素資料之期間，將與在觸發用光感應區域20所產生之電荷之量對應之數位值(觸發用資料)予以輸出。輸出部60於輸出觸發用資料時，係相較於輸出像素資料時較低功率消耗地進行動作。
輸出部60係以將像素資料及觸發用資料輸出至共通之輸出信號線Lout者為較佳，此外，亦以此等資料作為序列資料輸出者為較佳。在此等情形下，可削減用以輸出此等資料之佈線之條數，而於提升可靠性方面較為有利。
控制部70係用以控制固體攝像裝置1之整體之動作者。例如，控制部70係用以控制列選擇部30之列選擇動作、行選擇部40之行選擇動作、電壓保持部50之資料保持動作、輸出部60之像素資料及觸發用資料之輸出動作。此外，控制部70係將從輸出部60所輸出之觸發用資料予以輸入，且在此觸發用資料之絕對值大於臨限值時，將對於攝像區域10之像素Pm,1 至Pm,N 各個指示電荷蓄積動作之電荷蓄積動作控制信號予以輸出。再者，控制部70係用以輸出與輸出部60之像素資料及觸發用資料各個之各位元之輸出時序同步之時脈信號CLK。
另外，對於攝像區域10之像素Pm,1 至Pm,N 各個指示電荷蓄積動作之電荷蓄積動作控制信號，亦可從控制部70直接供給至攝像區域10，亦可為與賦予至包含於各像素Pm,n 之各電晶體之閘極端子之控制信號(後述之Peset(m)信號、Trans(m)信號及Hold(m)信號)一同指示電荷蓄積動作者。或者電荷蓄積動作控制信號從控制部70供給至列選擇部30，再根據此電荷蓄積動作控制信號來產生賦予至包含於各像素Pm,n 之各電晶體之閘極端子之控制信號亦可。
圖2係為包含於本實施形態之固體攝像裝置1之輸出部60之構成圖。此圖所示之輸出部60係具有差運算電路61、積分電路62、攝像用AD轉換電路63、觸發用AD轉換電路64、開關SW61 及開關SW62 。
差運算電路61係從保持電路Hn 輸入用以表示重疊有雜音成分之信號成分之電壓值，同時亦從保持電路Hn 輸入用以表示雜音成分之電壓值，再將與兩者之差對應電壓值予以輸出。從此差運算電路61輸出之電壓值係用以表示經去除雜音成分之信號成分。積分電路62係將從觸發用光感應區域20輸出之電荷輸入並予以蓄積，且將與該蓄積電荷量對應之電壓值予以輸出。
攝像用AD轉換電路63係將從差運算電路61輸出之電壓值輸入，且將該輸入之電壓值進行AD轉換，再將該經AD轉換之結果之數位值(像素資料)予以輸出。觸發用AD轉換電路64係將從積分電路62輸出之電壓值輸入，且將該輸入之電壓值進行AD轉換，再將該經AD轉換之結果之數位值(觸發用資料)予以輸出。
攝像用AD轉換電路63係於電荷蓄積動作控制信號指示之期間之後進行AD轉換動作而輸出像素資料。觸發用AD轉換電路64係於攝像用AD轉換電路63未輸出像素資料之期間將觸發用資料予以輸出。觸發用AD轉換電路64係以相較於攝像用AD轉換電路63更低速或低輸出位元數動作。
開關SW61 係藉由從控制部70輸出之sel_data信號控制而進行開閉動作，於關閉時，將從攝像用AD轉換電路63輸出之像素資料輸出至輸出信號線Lout。開關SW62 係藉由從控制部70輸出之sel_trig信號控制而進行開閉動作，於關閉時，將從觸發用AD轉換電路64輸出之觸發用資料輸出至輸出信號線Lout。開關SW61 及開關SW62 不會有同時關閉之情形。
另外，輸出部60亦可具有作為上述之攝像用AD轉換電路63及觸發用AD轉換電路64共通之1個AD轉換電路。此時，AD轉換電路於將觸發用資料輸出之際，係以相較於將像素資料輸出之際更低速或低輸出位元數動作。例如AD轉換電路若為管線(Pipe line)方式者，則於將觸發用資料輸出之際，係相較於將像素資料輸出之際更減少使其動作之段數。此外，例如，AD轉換電路若為使用複數個電容器之逐次比較方式者，則於將觸發用資料輸出之際，係相較於將像素資料輸出之際更減少所使用之電容器之個數。
圖3係顯示包含於本實施形態之固體攝像裝置1之像素Pm,n 及保持電路Hn 各個電路構成之圖。另外，在此圖中，係M×N個像素P1,1 至PM,N 之中代表顯示像素Pm,n ，N個保持電路H1 至HN 之中代表顯示保持電路Hn 。
像素Pm,n 係APS(Active Pixel Sensor，主動圖像感測器)方式者，包含光二極體PD及5個MOS電晶體T1至T5。如該圖所示，電晶體T1、電晶體T2及光二極體PD係依序串聯連接，而基準電壓Vb1係輸入於電晶體T1之汲極端子，且光二極體PD之陽極端子係接地。
電晶體T3及電晶體T4係串聯連接，而基準電壓Vb2係輸入於電晶體T3之汲極端子，且電晶體T4之源極端子係連接於佈線Vline(n)。電晶體T1與電晶體T2之連接點係經由電晶體T5而與電晶體T3之閘極端子連接。此外，於佈線Vline(n)係連接有定電流源。
Reset(m)信號係輸入於電晶體T1之閘極端子，且Trans(m)信號係輸入於電晶體T2之閘極端子，而Address(m)信號係輸入於電晶體T4之閘極端子，此外，Hold(m)信號係輸入於電晶體T5之閘極端子。此等Reset(m)信號、Trans(m)信號、Address(m)信號及Hold(m)信號係於藉由控制部70之控制下從列選擇部30輸出，且共通輸入於第m行之N個像素Pm,1 至Pm,N 。
當Reset(m)信號及Trans(m)信號為高位準時，光二極體PD之接合電容部(電荷蓄積部：元件係與光二極體PD相同)即放電，再者，若Hold(m)信號亦為高位準，則電晶體T3之閘極端子之電位即被重設(reset)。之後，若Reset(m)信號、Trans(m)信號及Hold(m)信號成為低位準，則於光二極體產生之電荷將蓄積於接合電容部。若Hold(m)信號為低位準，而Address(m)信號為高位準，則從像素Pm,n 輸出雜訊成分至佈線Vline(n)。再者，若Trans(m)信號、Hold(m)信號及Address(m)信號成為高位準，則與蓄積於光二極體PD之接合電容部之電荷之量對應之電壓值即作為信號成分輸出至佈線Vline(n)。
保持電路Hn 係包含2個電容器C1 、C2 及4個開關SW11 、SW12 、SW21 、SW22 。在此保持電路Hn 中，開關SW11 及開關SW12 係串聯連接而設於佈線Vline(n)與佈線Hline_s之間，而電容器C1 之一端係連接於開關SW11 與開關SW12 之間之連接點，且電容器C1 之另一端係接地。此外，開關SW21 及開關SW22 係串聯連接而設於佈線Vline(n)與佈線Hline_n之間，而電容器C2 之一端係連接於開關SW21 與開關SW22 之間之連接點，且電容器C2 之另一端係接地。
在此保持電路Hn 中，開關SW11 係與從控制部70供給之set_s信號之位準對應而開閉。開關SW21 係與從控制部70供給之set_n信號之位準對應而開閉。set_s信號及set_n信號係共通輸入於N個保持電路H1 至HN 。開關SW12 、SW22 係與從控制部70供給之hshiht(n)信號之位準對應而開閉。
在此保持電路Hn 中，set_n信號由高位準轉為低位準而於開關SW21 打開時，從像素Pm,n 輸出於佈線Vline(n)之雜訊成分係在此之後藉由電容器C2 保持為電壓值out_n(n)。set_s信號從高位準轉為低位準而於開關SW11 打開時，從像素Pm,n 輸出於佈線Vline(n)之信號成分係在此之後藉由電容器C1 保持為電壓值out_s(n)。再者，若hshiht(n)信號成為高位準，則開關SW12 關閉，藉由電容器C1 所保持之電壓值out_s(n)即輸出至佈線Hline_s，此外，開關SW22 關閉，藉由電容器C2 所保持之電壓值out_n(n)即輸出至佈線Hline_n。此等電壓值out_s(n)與電壓值out_n(n)之差係表示與在像素Pm,n 之光二極體PD所產生之電荷之量對應之電壓值。
圖4係顯示包含於本實施形態之固體攝像裝置1之差運算電路61之電路構成之圖。如該圖所示，差運算電路61係包含放大器A64 至A66 、開關SW64 、SW65 及電阻R1 至R4 。放大器A66 之反轉輸入端子係經由電阻R1 而與緩衝放大器A64 之輸出端子連接，且經由電阻R3 而與自己之輸出端子連接。放大器A66 之非反轉輸入端子係經由電阻R2 而與緩衝放大器A65 之輸出端子連接，且經由電阻R4 而與接地電位連接。放大器A66 之輸出端子係與攝像用AD轉換電路63之輸入端子連接。緩衝放大器A64之輸入端子係經由佈線Hline_s而與N個保持電路H1 至HN 連接，且經由開關SW64 而與接地電位連接。緩衝放大器A65 之之輸入端子係經由佈線Hline_n而與N個保持電路H1 至HN 連接，且經由開關SW65 而與接地電位連接。
差運算電路61之開關SW64 、SW65 係藉由hreset信號控制而開閉動作。藉由開關SW64 關閉，輸入於緩衝放大器A64 之輸入端子之電壓值即被重設。藉由開關SW65 關閉，輸入於緩衝放大器A65 之輸入端子之電壓值即被重設。開關SW64 、SW65 打開時，從N個保持電路H1 至HN 之中任一個保持電路Hn 輸出至佈線Hline_s、Hline_n之電壓值out_s(n)、out_n(n)即輸入於緩衝放大器A64 、A65 之輸入端子。若將緩衝放大器A64 、A65 各個之放大率設為1、4個電阻R1 至R4 各個電阻值設為相互相等，則從差運算電路61之輸出端子輸出之電壓值，係表示分別經由佈線Hline_s及佈線Hline_n而輸入之電壓值之差。
圖5係為顯示包含於本實施形態之固體攝像裝置1之積分電路62之電路構成之圖。如該圖所示，積分電路62係包含放大器A67 、電容器C67 及開關SW67 。電容器C67 及開關SW67 係相互並聯連接，設於放大器A67 之反轉輸入端子與輸出端子之間。放大器A67 之反轉輸入端子係與觸發用光感應區域20連接。放大器A67 之非反轉輸入端子係與基準電位Vb連接。放大器A67 之輸出端子係與觸發用AD轉換電路64之輸入端子連接。積分電路62之開關SW67 係藉由reset－trig信號控制而開閉動作。藉由開關SW67 關閉，電容器C67 即放電，且從積分電路62輸出之電壓值即被重設。開關SW67 打開時，從觸發用光感應區域20輸出之電荷即蓄積於電容器C67 ，且與該蓄積電荷量對應之電壓值即從積分電路62輸出。
接著說明本實施形態之固體攝像裝置1之動作之一例。圖6係顯示本實施形態之固體攝像裝置1之動作之一例之時序圖。固體攝像裝置1係在藉由控制部70之控制下動作。在此圖中，從上依序顯示(a)入射至固體攝像裝置1之光之強度、(b)從控制部70輸出之時脈信號CLK、(c)從輸出部60輸出至輸出信號線Lout之數位信號Dout(像素資料Ddata(m)或觸發用資料Dtrig)、(d)從控制部70輸出之電荷蓄積動作控制信號、(e)由觸發用光感應區域20、積分電路62及觸發用AD轉換電路64進行之觸發用資料讀取動作、(f)由攝像區域10、電壓保持部50、差運算電路61及攝像用AD轉換電路63所進行之像素資料讀取動作。
在此圖中，係將針對攝像區域10之第m列從攝像用AD轉換電路63輸出之數位值(像素資料)表示為Ddata(m)，且將從觸發用AD轉換電路64輸出之數位值(觸發用資料)表示為Dtrig。時刻t0 、t1 、t2 、t3 、t4 、t5 、t6 係表示從控制部70輸出之時脈信號CLK之下降時刻。此外，茲設為於時刻t0 前及時刻t7 後，光並未入射至固體攝像裝置1，而從時刻t0 至時刻t7 為止之期間，光入射至固體攝像裝置1。
茲設定於電源接入固體攝像裝置1瞬間之後之固定期間，從控制部70輸出之電荷蓄積動作控制信號為高位準。再者，此電荷蓄積動作控制信號轉為低位準之後，從攝像區域10經由電壓保持部50、差運算電路61、攝像用AD轉換電路63及開關SW61 ，而由輸出部60輸出1訊框份之像素資料。此時輸出之像素資料雖為無意義者，惟藉由設定電荷蓄積動作控制信號於經過接入電源後之固定期間為高位準，攝像區域10之各像素Pm,n 或其他電路即被重設，而使之後之正常動作成為可能。
之後，在時刻t0 前，係由與觸發用光感應區域20之受光量對應之觸發用資料Dtrig經由積分電路62、觸發用AD轉換電路64及開關SW61 而從輸出部60輸出。從控制部70輸出之時脈信號CLK係成為與觸發用資料之各位元之輸出時序同步者。再者，茲設定在控制部70中，判定其觸發用資料Dtrig之絕對值小於臨限值，且判斷光未入射於固體攝像裝置1(或入射光量較固定位準小)，而電荷蓄積動作控制信號仍為低位準。
此外，茲設定時刻t0 前，攝像區域10之像素P1,1 至PM,N 各個仍為重設狀態。亦即，從列選擇部30供給至各像素Pm,n 之Reset(m)信號、Trans(m)信號及Hold(m)信號均設為高位準，而電晶體T1、T2、T5成為導通狀態，光二極體PD之接合電容部(電荷蓄積部)即放電，電晶體T3之閘極端子之電位即被重設。此外，攝像用AD轉換電路63係處於中止狀態，而開關SW61 係開啟。
若光於時刻t0 後開始入射於固體攝像裝置1，則在控制部70中，判定從輸出部60輸出之觸發用資料Dtrig之絕對值大於臨限值，且判斷為光入射於固體攝像裝置1(或入射光量為固定位準以上)，而電荷蓄積動作控制信號轉為高位準。
再者，從電荷蓄積動作控制信號轉為高位準之後之時脈信號CLK之下降時刻t3 直到電荷蓄積動作控制信號轉為低位準之後之時脈信號CLK之下降時刻t6 為止之期間，在攝像區域10之各像素Pm,n 中，Reset(m)信號、Trans(m)信號及Hold(m)信號係成為低位準，電晶體T1、T2、T5係成為關斷(off)狀態，而於光二極體所產生之電荷係蓄積於接合電容部。
從該時刻t3 到時刻t6 之期間，係由與觸發用光感應區域20之受光量對應之觸發用資料Dtrig經由積分電路62、觸發用AD轉換電路64及開關SW61 而從輸出部60輸出。從控制部70輸出之時脈信號CLK係成為與觸發用資料之各位元之輸出時序同步者。此外，攝像用AD轉換電路63係處於中止狀態，而開關SW61 係打開。
另外，可根據此時輸出之觸發用資料來監控累計之入射光量。再者，可根據該監控之累積之入射光量將攝像區域10之電荷蓄積之時間(亦即電荷蓄積動作控制信號設為高位準之期間)設定為適當值。此外，在該監控之入射光量小於固定位準之時點，亦可將電荷蓄積動作控制信號設為低位準。或是在可預先預測入射光量時，根據該預測值將電荷蓄積時間設定為適當值亦可。
在從電荷蓄積動作控制信號轉為低位準之後之時脈信號CLK之下降時刻t6 到時刻t7 之期間，在攝像區域10之各像素Pm,n 中，Reset(m)信號及Address(m)信號係成為低位準，而電晶體T1、T4係成為關斷狀態，此外，Trans(m)信號及Hold(m)信號係成為高位準，而電晶體T2、T5係成為導通狀態。藉此，至此為止蓄積於接合電容部之電荷，係經由電晶體T2、T5而移動於電晶體T3之閘極端子而予以保持。惟由於電晶體T4為關斷狀態，因此與電荷蓄積量對應之電壓值不會有從各像素Pm,n 輸出至佈線Vline(n)之情形。
在從該時刻t6 到時刻t7 之期間，攝像用AD轉換電路63及觸發用AD轉換電路64之任一者均為中止狀態，而從輸出部60均未輸出像素資料及觸發用資料之任一者。此外，不從控制部70輸出時脈信號CLK。
在接下來之時刻t7 至時刻t9 之期間，與位於攝像區域10之第1列之N個像素P1,1 至P1,N 之電荷蓄積量對應之N個像素資料Ddata(1)從輸出部60輸出。具體而言，從時刻t7 至時刻t8 之期間，僅在攝像區域10之第1列，Address(1)信號成為低位準，而電晶體T4成為導通狀態，而與位於第1列之各像素P1,n 之電荷蓄積量對應之電壓值係輸出至佈線Vline(n)，且藉由電壓保持部50之保持電路Hn 予以保持。再者，從時刻t8 到時刻t9 之期間，從各保持電路Hn 依序輸出之電壓值係經由差運算電路61而輸入於攝像用AD轉換電路63作AD轉換，且從攝像用AD轉換電路63經由開關SW61 而依序輸出N個像素資料Dtata(1)。在該時刻t7 至時刻t9 之期間，從控制部70輸出之時脈信號CLK係成為與像素用資料之各位元之輸出時序同步者。觸發用AD轉換電路64係處於中止狀態，而開關SW62 係打開。
在更接下來之時刻t9 至時刻t11 之期間，與位於攝像區域10之第2列之N個像素P2,1 至P2,N 之電荷蓄積量對應之N個像素資料Ddata(2)從輸出部60輸出。具體而言，從時刻t9 至時刻t10 之期間，僅在攝像區域10之第2列，Address(2)信號成為低位準，而電晶體T4成為導通狀態，而與位於第2列之各像素P2,n 之電荷蓄積量對應之電壓值係輸出至佈線Vline(n)，且藉由電壓保持部50之保持電路Hn 予以保持。再者，從時刻t10 到時刻t11 之期間，從各保持電路Hn依序輸出之電壓值係經由差運算電路61而輸入於攝像用AD轉換電路63作AD轉換，且從攝像用AD轉換電路63經由開關SW61 而依序輸出N個像素資料Ddata(2)。在該時刻t9 至時刻t11 之期間，從控制部70輸出之時脈信號CLK係成為與像素用資料之各位元之輸出時序同步者。觸發用AD轉換電路64係處於中止狀態，而開關SW62 係打開。
以後亦以相同方式，從攝像區域10之第3列到第M列，依序將與第m列之N個像素Pm,1 至Pm,N 之電荷蓄積量對應之N個像素資料Ddata(m)從輸出部60輸出。藉由如此，從攝像區域10經由電壓保持部50、差運算電路61、攝像用AD轉換電路63及開關SW61 ，從輸出部60輸出1訊框份之像素資料Ddata(1)至Ddata(M)。再者，於輸出1訊框份之像素資料之後，再度恢復至與時刻t0 前相同之狀態。
如此，在本實施形態之固體攝像裝置1中，係設有攝像用AD轉換電路63及觸發用AD轉換電路64，而此等2個AD轉換電路63、64不會有同時動作之情形。在監控是否有光入射於固體攝像裝置1之期間、以及在檢測出該光入射之後，在攝像區域10之各像素Pm,n 中於光二極體所產生之電荷持續蓄積於接合電容部之期間，攝像用AD轉換電路63係中止，而觸發用AD轉換電路64則動作。在攝像區域10之Pm,n 中於電荷蓄積後讀取像素資料之期間，觸發用AD轉換電路64係中止，而攝像用AD轉換電路63則動作。
用以讀取像素資料之攝像用AD轉換電路63係由於要求高速動作，而且要求固定數以上之輸出位元數，因此功率消耗大。於攝像用AD轉換電路63動作時從控制部70輸出之時脈信號CLK係與像素資料之各位元之輸出時序同步而成為高頻率者。例如，此時，時脈信號之頻率為80MHz，而像素資料為14位元，功率消耗為500mW。
相對於此，用以讀取觸發用資料之觸發用AD轉換電路64係由於低速動作亦可，而且輸出位元數可較少，因此功率消耗小。於觸發用AD轉換電路64動作時從控制部70輸出之時脈信號CLK係與觸發用資料之各位元之輸出時序同步而成為低頻率者。例如，此時，時脈信號之頻率為1MHz，而觸發用資料為8位元，功率消耗為25mW。
本實施形態之固體攝像裝置1係如於以下之用途之際可發揮效果。亦即，由於固體攝像裝置1係於攝像區域10及 觸發用光感應區域20各個受光面上設置螢光體(scintillator)，而可藉由螢光體將入射之X線轉換為可見光，且於攝像區域10或觸發用光感應區域20之光二極體接收該可見光，藉此，即可進行入射之X線之攝像。設有此種螢光體之固體攝像裝置1係使用於口腔內之X線攝像。
固體攝像裝置1用於口腔內之X線攝像時，應攝像之X線之入射期間極短，而固體攝像裝置1必須捕捉X線入射時序而進行該X線攝像。因此，固體攝像裝置1係於X線入射前，藉由觸發用光感應區域20、積分電路62及觸發用AD轉換電路64讀取觸發用資料，而根據該觸發用資料以檢測X線入射。再者，固體攝像裝置1係在一檢測出X線入射，即藉由攝像區域10、電壓保持部50、差運算電路61及攝像用AD轉換電路63讀取像素資料。藉由如此方式，固體攝像裝置1即可捕捉X線入射時序而進行該X線攝像。
如此，固體攝像裝置1用於口腔內之X線攝像時，只要在X線入射前可中止觸發用AD轉換電路64，且僅於X線入射時使觸發用AD轉換電路64動作即可。因此，此固體攝像裝置1即使在謀求像素數之增加或攝像之高速化時，亦可抑制功率消耗之增大。
此外，固體攝像裝置1用於口腔內之X線攝像時，係以將像素資料及觸發用資料輸出至共通之輸出信號線Lout者為較佳，此外，亦以將此等資料輸出作為序列資料者為較佳。於此等之情形，即可削減用以輸出此等資料之佈線之條數，而可提升可靠性。
再者，固體攝像裝置1係於檢測出光入射之後，可藉由電荷蓄積部將攝像區域10之M×N個像素P1,1 至PM,N 各個中同一期間於光二極體所產生之電荷加以蓄積，且於該電荷蓄積之後，可針對各像素Pm,n 將像素資料依序從輸出部60輸出。因此，即使入射光量之時間性變化快時，亦可在所有像素中捕捉同一期間之入射光量，而可進行高精確度之攝像。
本發明並不以上述實施形態為限，亦可作各種之變形。例如，在上述實施形態中，控制部70雖係產生電荷蓄積動作控制信號，然而亦可於固體攝像裝置之外另行設置根據觸發用資料而產生電荷蓄積動作控制信號之外部機器。此時，從固體攝像裝置之輸出部將觸發用資料輸出至外部機器，且根據該輸出之觸發用資料而藉由外部機器產生電荷蓄積動作控制信號，再將該產生之電荷蓄積動作控制信號從外部機器供給至固體攝像裝置。
藉由如此方式，於根據觸發用資料與臨限值之大小比較之光入射檢測之際，可在外部機器靈活地調整其臨限值。此外，可在外部機器靈活地調整電荷蓄積動作控制信號指示電荷蓄積之期間(亦即藉由電荷蓄積部將在各像素中於光二極體所產生之電荷加以蓄積之期間)，而可容易對應寬廣之入射光量範圍。
上述之固體攝像裝置係包含：觸發用光感應區域20；攝像區域10，具有複數個像素且將在第1期間(t3 －t6 )中於像素P(m,n)所產生之電荷予以蓄積；及輸出部60，將來自觸發用光感應區域20之數位值之觸發用資料(Dtrig)予以輸出，且在與第1期間(t3 -t6 )不同之第2期間(t8 -t9 )中將來自攝像區域10之數位值之像素資料(Ddata)予以輸出，而於輸出觸發用資料(Dtrig)時，相較於輸出像素資料(Ddata)時係較低功率消耗地進行動作。因此，可減低整體之功率消耗。
此外，輸出部60係在與第1期間(t3 -t6 )重複之期間，將來自觸發用光感應區域20之觸發用資料(Dtrig)予以輸出。在本例中，由於係在與進行蓄積之第1期間重疊之期間將觸發用資料予以輸出，因此可縮短從電荷蓄積到資料輸出之整體之期間。
1．．．固體攝像裝置
10．．．攝像區域
20．．．觸發用光感應區域
30．．．列選擇部
40．．．行選擇部
50．．．電壓保持部
60．．．輸出部
61．．．差運算電路
62．．．積分電路
63．．．攝像用AD轉換電路
64．．．觸發用AD轉換電路
70．．．控制部
P1,1 至PM,N ．．．像素
圖1係為本實施形態之固體攝像裝置1之構成圖。
圖2係為包含於本實施形態之固體攝像裝置1之輸出部60之構成圖。
圖3係為顯示包含於本實施形態之固體攝像裝置1之像素Pm,n 及保持電路Hn 各個之電路構成圖。
圖4係為顯示包含於本實施形態之固體攝像裝置1之差運算電路61之電路構成圖。
圖5係為顯示包含於本實施形態之固體攝像裝置1之積分電路62之電路構成圖。
圖6係為顯示本實施形態之固體攝像裝置1之動作之一例之時序圖。
圖7係為固體攝像裝置1之概略俯視圖。
圖8係為圖7所示之觸發用光感應區域20之Ⅷ-Ⅷ箭頭剖面圖。
圖9係為固體攝像裝置1之概略俯視圖。
圖10係為顯示圖9所示之觸發用光感應區域20之觸發用光二極體TD之電性連接關係之電路圖。
1．．．固體攝像裝置
10．．．攝像區域
20．．．觸發用光感應區域
30．．．列選擇部
40．．．行選擇部
50．．．電壓保持部
60．．．輸出部
70．．．控制部
H1 至HN ．．．保持電路
P1,1 至PM,N．．． 像素

Claims (9)

  1. 一種固體攝像裝置，其特徵為包含：攝像區域，其包含分別具有產生與入射光量對應之量之電荷之光二極體與蓄積該電荷之電荷蓄積部之複數個像素，且於電荷蓄積動作控制信號指示之期間，將在前述複數個像素各個中於前述光二極體所產生之電荷藉由前述電荷蓄積部加以蓄積；觸發用光感應區域，其包含產生與入射光量對應之量之電荷之觸發用光二極體；及輸出部，其於前述電荷蓄積動作控制信號指示之前述期間之後，將與蓄積於前述複數個像素各個之前述電荷蓄積部之電荷之量對應的數位值即像素資料予以輸出，且於未輸出前述像素資料之期間，將與在前述觸發用光感應區域所產生之電荷之量對應之數位值即觸發用資料予以輸出；相較於輸出前述像素資料時，在輸出前述觸發用資料時，前述輸出部係功率消耗較低功率消耗地進行動作。
  2. 如請求項1之固體攝像裝置，其中相較於輸出前述像素資料時，於輸出前述觸發用資料時前述輸出部係較低速地或以低輸出位元數進行動作。
  3. 如請求項1之固體攝像裝置，其中前述輸出部包含：攝像用AD轉換電路，其於前述電荷蓄積動作控制信號指示之前述期間之後進行AD轉換動作而將前述像素資料輸出；及觸發用AD轉換電路，其將前述觸發用資料予以輸 出；與前述攝像用AD轉換電路比較，前述觸發用AD轉換電路係功率消耗較低功率消耗地進行動作。
  4. 如請求項1之固體攝像裝置，其中前述輸出部將前述像素資料及前述觸發用資料輸出至共通之輸出信號線。
  5. 如請求項1之固體攝像裝置，其中進而包含控制部，其係輸入從前述輸出部輸出之前述觸發用資料，且於該觸發用資料之絕對值大於臨限值時，對前述攝像區域之前述複數個像素各個產生指示電荷蓄積動作之前述電荷蓄積動作控制信號。
  6. 如請求項1之固體攝像裝置，其中前述觸發用光感應區域包含包圍前述攝像區域而設之1個觸發用光二極體。
  7. 如請求項1之固體攝像裝置，其中前述觸發用光感應區域包含設於前述攝像區域之周圍且相互連接之複數個觸發用光二極體。
  8. 一種固體攝像裝置，其特徵為包含：觸發用光感應區域；攝像區域，其具有複數個像素且將在第1期間中於像素所產生之電荷予以蓄積；及輸出部，其將來自前述觸發用光感應區域之數位值即觸發用資料予以輸出，且在與前述第1期間不同之第2期間中將來自前述攝像區域之數位值即像素資料予以輸出，且相較於輸出前述像素資料時，在輸出將前述觸發用資料時係功率消耗較低功率消耗地進行動作。
  9. 如請求項8之固體攝像裝置，其中前述輸出部在與前述第1期間重疊之期間，將來自前述觸發用光感應區域之觸發用資料予以輸出。
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