WO2009145186A1 - 固体撮像素子およびカメラシステム - Google Patents
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Abstract
Description
これは、CCD画素の製造に専用プロセスを必要とし、また、その動作には複数の電源電圧が必要であり、さらに複数の周辺ICを組み合わせて動作させる必要がある。
このようなCCDの場合に、システムが非常に複雑化するといった処々の問題を、CMOSイメージセンサが克服しているからである。
このため、CMOSイメージセンサは、周辺ICの数を減らすことができるといった、大きなメリットを複数持ち合わせている。
これに対して、CMOSイメージセンサは画素毎にFDアンプを持ち合わせており、その出力は、画素アレイの中のある一行を選択し、それらを同時に列方向へと読み出すような列並列出力型が主流である。
これは、画素内に配置されたFDアンプでは十分な駆動能力を得ることは難しく、したがってデータレートを下げることが必要で、並列処理が有利とされているからである。
CMOSイメージセンサにおいては、このような相関2重サンプリング処理(CDS: Correlated Double Sampling)が一般に行われている(たとえば特許文献1参照)。
転送トランジスタ12は、光電変換素子11とフローティングディフュージョンFD(Floating Difusion)との間に接続され、転送制御線LTxを通じてそのゲート(転送ゲート)に駆動信号TGが与えられる。これにより、転送トランジスタ12は、光電変換素子11で光電変換された電子をフローティングディフュージョンFDに転送する。
そして、選択制御線LSELを通してアドレス信号(セレクト信号)SELが選択トランジスタ15のゲートに与えられ、選択トランジスタ15がオンする。
選択トランジスタ15がオンすると増幅トランジスタ14はフローティングディフュージョンFDの電位を増幅してその電位に応じた電圧を信号線16に出力する。信号線16を通じて、各画素から出力された電圧は、カラム回路(列処理回路)に出力される。
このとき、フローティングディフュージョンFDは事前に光電変換素子11の電荷を受け取れるように、リセットトランジスタ13をオンして電荷を電源側にはきすてている。あるいは転送トランジスタ12をオンしている間、これと並行としてリセットトランジスタ13をオンにして、直接電源に電荷をはきすてる場合もある。
次に、転送トランジスタ12をオンにして光電変換素子11に蓄積された電荷をフローティングディフュージョンFDに転送し、その出力を出力信号線16に出力する。これをD相出力と呼ぶ。
画素回路外部でD相出力とP相出力の差分をとり、フローティングディフュージョンFDのリセットノイズをキャンセルして画像信号とする。
x行目のセレクト信号SELxがハイレベルになることでx行が選択され、リセット信号RSTx信号がハイレベルになると、x行y列の画素のフローティングディフュージョンFDがハイレベルとなり、VSLyはP相と呼ばれるリセットレベルになる。
その後、駆動信号TGxがハイレベルになると、画素内の電荷がフローティングディフュージョンFDに移動し、フローティングディフュージョンFDの電位が下がることで信号線16の電位VSLyは降下する。
そのときの信号線16の電位VSLyのレベルをD相とする。
前述したと同様に、このD相とP相の差分を出力することで画素、VSLの製造ばらつきをキャンセルしたノイズの少ないセンサ出力が得られる。
しかし実際には、図4に示すように、FDの電位がリーク電流により降下すること等が原因で出力信号線16の電位VSLは降下している。
このときのセンサの出力は、本来出力すべき画素信号にプラスしてVSLの電位降下分も含まれていることになる。
また近年、画素の微細化の追及でFD部分を数画素で共有化させた共有画素が使用されており、特に共有画素の場合、FD白点は共有している画素数にまたがった欠陥となるため画質の劣化が著しい。
第1の読み出し駆動の読み出し信号と、第2の読み出し駆動の読み出し信号は、画素信号読み出し部に供給される。
そして、画素信号読み出し部においては、第2の読み出し駆動で読み出された信号と第1の読み出し駆動で読み出された信号との差分がとられ、この差分に応じた信号が出力される。
図5は、本発明の実施形態に係るCMOSイメージセンサ(固体撮像素子)の構成例を示す図である。
これらに構成要素のうちカラム読み出し回路103、ラインメモリ104、アンプ回路105、および転送線106により画素信号読み出し部が形成される。
画素回路101Aは、この1個の光電変換素子111に対して、転送素子としての転送トランジスタ112、リセット素子としてのリセットトランジスタ113、増幅トランジスタ114、および選択トランジスタ115の4つのトランジスタを能動素子として有する。
転送トランジスタ112は、光電変換素子111と出力ノードとしてのフローティングディフュージョンFDとの間に接続されている。
転送トランジスタ112は、転送制御線LTxを通じてそのゲート(転送ゲート)に駆動信号TGが与えられることで、光電変換素子111で光電変換された電子をフローティングディフュージョンFDに転送する。
リセットトランジスタ113は、リセット制御線LRSTを通してそのゲートにリセットRSTが与えられることで、フローティングディフュージョンFDの電位を電源ラインLVDDの電位にリセットする。
そして、選択制御線LSELを通して制御信号(アドレス信号またはセレクト信号)SELが選択トランジスタ115のゲートに与えられ、選択トランジスタ115がオンする。
選択トランジスタ115がオンすると、増幅トランジスタ114はフローティングディフュージョンFDの電位を増幅してその電位に応じた電圧を信号線116に出カする。信号線116を通じて、各画素から出力された電圧は、カラム回路103に出カされる。
これらの動作は、たとえば転送トランジスタ112、リセットトランジスタ113、および選択トランジスタ115の各ゲートが行単位で接続されていることから、1行分の各画素について同時に行われる。
これらのリセット制御線LRST、転送制御線LTx、および選択制御線LSELは、画素駆動部としての行選択回路102により駆動される。
行選択回路102は、第1のP相およびD相読み出し駆動時には、転送トランジスタ112の駆動信号TGをローレベルにしたままでD相のサンプリングを行うように、駆動信号TGの出力制御を行う。第1のP相読み出しはリセット読み出し動作に相当し、第1のD相読み出しは非転送読み出し動作に相当する。
行選択回路102は、第2のP相およびD相読み出し駆動時には、転送トランジスタ112の駆動信号TGをハイレベルにしたままでD相のサンプリングを行うように、駆動信号TGの出力制御を行う。第2のP相読み出しはリセット読み出し動作に相当し、第2のD相読み出しは転送読み出し動作に相当する。
この駆動信号TGをハイレベルにして転送トランジスタ112をオンにしてD相のサンプリングを行う処理をTG・ON信号処理という。
本実施形態のCMOSイメージセンサ100は、画素の1行分を読み出す期間に、第1の読み出し駆動および第2の読み出し駆動、並びに、第2の読み出し駆動で読み出された信号と第1の読み出し駆動で読み出された信号との差分に応じた信号の出力を行う。
図7(A)がTG・OFF信号処理のタイミングチャートを示し、図7(B)がTG・ON信号処理のタイミングチャートを示している。
TG・OFF信号処理において、x行目のセレクト信号SELxがハイレベルになることでx行が選択され、リセット信号RSTx信号がハイレベルになると、x行y列の画素のフローティングディフュージョンFDがハイレベルとなり、VSLyはP相と呼ばれるリセットレベルになる。
TG・OFF信号処理において、その後、駆動信号TGxがローレベルに保持されて転送トランジスタ112がオフのままに保持される。
このときのセンサの出力がTG・OFF信号であり、P相~D相期間の信号線116の電位VSLの降下分を出力していることになる。
このTG・OFF信号はカラム読み出し回路103を介してラインメモリ104に保存される。
TG・ON信号処理において、その後、駆動信号TGxがハイレベルに保持されて転送トランジスタ112がオンとなり、なると、画素内の電荷がフローティングディフュージョンFDに移動する。そして、フローティングディフュージョンFDの電位が下がることで信号線16の電位VSLyは降下する。
そのときの信号線116の電位VSLyのレベルをD相とする。
これに対して、本実施形態においては、第1のP相およびD相読み出しにおいて、駆動信号TGをローレベルに保持したまま、D相のサンプリングを行う。
本実施形態においては、このときのセンサの出力をTG・OFF信号と呼び、P相~D相期間の信号線116の電位VSLの降下分を出力していることになる。
次いで、第2のP相およびD相読み出しにおいて、駆動信号TGをハイレベルにして、D相のサンプリングを行う。
その後、図7(B)に示すようなTG・ON信号を読み出し、同じ行のTG・ON信号とTG・OFF信号の差分を出力する。
k=1の時は、x行TG・OFF信号→x行TG・ON信号→x+1行TG・OFF信号→x+1行TG・ON信号→…を繰り返すことになる。
なお、TG・OFF信号は温度変化が無い限りは変動が少ないと考えられるため、1フレームのTG・OFF信号をフレームメモリに保管した後、その後、数フレームのTG・ON信号に対して同じフレームのTG・OFF信号で差分を取ることでフレームレートを上げることも可能である。
一般的なCMOSイメージセンサにおいては、[センサ出力(TG・ON信号) = 画素信号 + VSL電位降下]となっていた。
これに対して、本実施形態のCMOSイメージセンサ100においては、[センサ出力 = TG・ON信号-TG・OFF信号 = 画素信号 + VSL電位降下-VSL電位降下 = 画素信号]となり、既存CMOSイメージセンサではキャンセルできなかった、信号線VSLの電位降下をキャンセルしたノイズの少ないセンサ出力を得ることができる。
ただし、P相~D相間のVSL電位降下(FD白点など)が画的に大きな影響を与えるのは、画素データの出力が小さい低照度時である。
一般に、低照度時はフレームレートを下げた長時間露光により信号量を確保することが多い。
そして、モード切替信号MSWにより被写体に応じたモードに切り替えるようにすれば、被写体ごとに最適な駆動を行うことができる。
ADC群250は、nビットデジタル信号変換機能を有し、各垂直信号線(列線)毎に配置され、列並列ADCブロックが構成される。
各ラッチの出力は、たとえば2nビット幅の転送線270に接続されている。
そして、転送線270に対応したアンプ回路260が配置される。
このとき、比較器251と同様に列毎に配置されたアップダウンカウンタ252が動作しており、ランプ波形RAMPのある電位Vslopとカウンタ値が一対一対応を取りながら変化することで垂直信号線の電位(アナログ信号)VSLをデジタル信号に変換する。
参照電圧Vslopの変化は電圧の変化を時間の変化に変換するものであり、その時間をある周期(クロック)で数えることでデジタル値に変換するものである。
そしてアナログ電気信号VSLと参照電圧Vslopが交わったとき、比較器251の出力が反転し、アップダウンカウンタ252の入力クロックを停止し、または、入力を停止していたクロックをアップダウンカウンタ252に入力し、AD変換を完了させる。
以上のAD変換期間終了後、ラッチに保持されたデータが、転送線270に転送され、アンプ回路260を経て図示しない信号処理回路に入力され、所定の信号処理により2次元画像が生成される。
この構成は、[TG・ON信号-TG・OFF信号]出力に最も有効な回路の一つである。
また、P相時にダウンカウント、D相時にアップカウントをすることで、D相-P相のCDSを各カラムで行うことができる。
その後、駆動信号TGをローレベルのままで、D相1をアップダウンカウンタ252でダウンカウントする。
その後、駆動信号TGをハイレベルにして、D相2をアップダウンカウンタ252でアップカウントする。
このように、アップダウンカウンタを使用したカラムADCにより、特別なラインメモリを必要とせず[TG・ON信号-TG・OFF信号]出力を実現することができる。
これにより、より低消費電力化、高速化が可能である。
P相~D相間の信号電位VSLの電位降下起因のTG・OFF白点、縦筋、シェーディング等をキャンセルしたノイズの少ない(TG・OFFキャンセル出力)画像が得られる。
アップダウンカウンタを用いたカラムADC回路に適用することで、ラインメモリ無しで、ノイズの少ない、TG・OFFキャンセル出力の画像が得られる。
通常は高フレームレートで撮像を行い、TG・OFF白点等が目立つ低照度の時は、TG・OFFキャンセル出力モードに切り替えることで被写体ごとに最適な画像を得ることができる。
信号処理回路340で処理された画像信号は、たとえばメモリなどの記録媒体に記録される。記録媒体に記録された画像情報は、プリンタなどによってハードコピーされる。また、信号処理回路340で処理された画像信号を液晶ディスプレイ等からなるモニターに動画として映し出される。
Claims (13)
- 光信号を電気信号に変換し、その電気信号を露光時間に応じて蓄積する機構を有する複数の画素回路が行列状に配列された画素部と、
上記画素部の信号電荷の蓄積、転送および出力を行うように駆動可能な画素駆動部と、
上記画素部から画素の信号の読み出しを行う画素信号読み出し部と、を有し、
上記画素部の画素回路は、
出力ノードと、
光信号を電気信号に変換し信号電荷を蓄積する光電変換素子と、
駆動信号によりオン、オフされ、オン状態で上記光電変換素子の電荷を上記出力ノードに転送する転送素子と、を含み、
上記画素駆動部は、
上記駆動信号により上記転送素子をオフさせて出力ノードの信号を出力する第1の読み出し駆動と、
上記駆動信号により上記転送素子をオンさせて信号電荷を上記出力ノードに転送させて出力ノードの信号を出力する第2の読み出し駆動と、を行うことが可能で、
上記画素信号読み出し部は、
上記第2の読み出し駆動で読み出された信号と上記第1の読み出し駆動で読み出された信号との差分に応じた信号を出力する機能を有する
固体撮像素子。 - 上記画素駆動部および上記画素信号読み出し部は、
画素の1行分を読み出す期間に、上記第1の読み出し駆動および第2の読み出し駆動、並びに、上記第2の読み出し駆動で読み出された信号と上記第1の読み出し駆動で読み出された信号との差分に応じた信号の出力を行う
請求項1記載の固体撮像素子。 - 上記画素信号読み出し部は、
画素の列配列に対応して配置され、読み出し信号電位と参照電圧とを比較判定し、その判定信号を出力する複数の比較器と、
上記比較器の出力により動作が制御され、対応する上記比較器の比較時間をカウントする複数のアップダウンカウンタと、を含む
請求項1または2記載の固体撮像素子。 - 上記複数のアップダウンカウンタは、
上記第1の読み出し駆動時には、ダウンカウントまたはアップカウントを行い、
上記第2の読み出し駆動時には、アップカウントまたはダウンカウントを行う
請求項3記載の固体撮像素子。 - モード切替信号により第1モードと第2モードの切り替えが可能で、
上記第1モード時には、
上記画素駆動部は、
上記第2の読み出し駆動のみを行い、
上記画素信号読み出し部は、
上記第2の読み出し駆動で読み出した信号を出力し、
上記第2モード時は、
上記画素駆動部は、
上記第1の読み出し駆動および第2の読み出し駆動を行い、
上記画素信号読み出し部は、
上記第2の読み出し駆動で読み出された信号と上記第1の読み出し駆動で読み出された信号との差分に応じた信号を出力する
請求項1から4のいずれか一に記載の固体撮像素子。 - 光信号を電気信号に変換し、その電気信号を露光時間に応じて蓄積する機構を有する複数の画素回路が行列状に配列された画素部と、
上記画素部のリセット、信号電荷の蓄積および出力を行うように駆動可能な画素駆動部と、
上記画素部から画素の信号の読み出しを行う画素信号読み出し部と、を有し、
上記画素部の画素回路は、
出力ノードと、
光信号を電気信号に変換し信号電荷を蓄積する光電変換素子と、
リセット信号によりオン、オフされ、オン状態で上記出力ノードをリセットするリセット素子と、
駆動信号によりオン、オフされ、オン状態で上記光電変換素子の電荷を上記出力ノードに転送する転送素子と、を含み、
上記画素駆動部は、
上記リセット信号により上記リセット素子をオンさせて出力ノードの信号を出力するリセット読み出し駆動と、上記駆動信号により上記転送素子をオフさせて出力ノードの信号を出力する非転送読み出し駆動とを行う第1の読み出し駆動と、
上記リセット信号により上記リセット素子をオンさせて出力ノードの信号を出力するリセット読み出し駆動と、上記駆動信号により上記転送素子をオンさせて信号電荷を上記出力ノードに転送させて出力ノードの信号を出力する転送読み出し駆動とを行う第2の読み出し駆動と、を行うことが可能で、
上記画素信号読み出し部は、
上記第2の読み出し駆動で読み出された信号と上記第1の読み出し駆動で読み出された信号との差分に応じた信号を出力する機能を有する
固体撮像素子。 - 上記画素駆動部および上記画素信号読み出し部は、
画素の1行分を読み出す期間に、上記第1の読み出し駆動および第2の読み出し駆動、並びに、上記第2の読み出し駆動で読み出された信号と上記第1の読み出し駆動で読み出された信号との差分に応じた信号の出力を行う
請求項6記載の固体撮像素子。 - 上記画素信号読み出し部は、
画素の列配列に対応して配置され、読み出し信号電位と参照電圧とを比較判定し、その判定信号を出力する複数の比較器と、
上記比較器の出力により動作が制御され、対応する上記比較器の比較時間をカウントする複数のアップダウンカウンタと、を含む
請求項6または7記載の固体撮像素子。 - 上記複数のアップダウンカウンタは、
上記第1の読み出し駆動時には、
上記リセット読み出し駆動においてアップカウントまたはダウンカウントを行い、
上記非転送読み出し駆動においてダウンカウントまたはアップカウントを行い、
上記第2の読み出し駆動時には、
上記リセット読み出し駆動においてダウンカウントまたはアップカウントを行い、
上記転送読み出し駆動においてアップカウントまたはダウンカウントを行う
請求項8記載の固体撮像素子。 - 上記複数のアップダウンカウンタは、
上記第1の読み出し駆動時には、
上記非転送読み出し駆動においてダウンカウントまたはアップカウントを行い、
上記第2の読み出し駆動時には、
上記転送読む出し駆動においてアップカウントまたはダウンカウントを行う
請求項8記載の固体撮像素子。 - モード切替信号により第1モードと第2モードの切り替えが可能で、
上記第1モード時には、
上記画素駆動部は、
上記第2の読み出し駆動のみを行い、
上記画素信号読み出し部は、
上記第2の読み出し駆動で読み出した信号を出力し、
上記第2モード時は、
上記画素駆動部は、
上記第1の読み出し駆動および第2の読み出し駆動を行い、
上記画素信号読み出し部は、
上記第2の読み出し駆動で読み出された信号と上記第1の読み出し駆動で読み出された信号との差分に応じた信号を出力する
請求項6から10のいずれか一に記載の固体撮像素子。 - 固体撮像素子と、
上記固体撮像素子に被写体像を結像する光学系と、
上記固体撮像素子の出力画像信号を処理する信号処理回路と、を有し、
上記固体撮像素子は、
光信号を電気信号に変換し、その電気信号を露光時間に応じて蓄積する機構を有する複数の画素回路が行列状に配列された画素部と、
上記画素部の信号電荷の蓄積、転送および出力を行うように駆動可能な画素駆動部と、
上記画素部から画素の信号の読み出しを行う画素信号読み出し部と、を有し、
上記画素部の画素回路は、
出力ノードと、
光信号を電気信号に変換し信号電荷を蓄積する光電変換素子と、
駆動信号によりオン、オフされ、オン状態で上記光電変換素子の電荷を上記出力ノードに転送する転送素子と、を含み、
上記画素駆動部は、
上記駆動信号により上記転送素子をオフさせて出力ノードの信号を出力する第1の読み出し駆動と、
上記駆動信号により上記転送素子をオンさせて信号電荷を上記出力ノードに転送させて出力ノードの信号を出力する第2の読み出し駆動と、を行うことが可能で、
上記画素信号読み出し部は、
上記第2の読み出し駆動で読み出された信号と上記第1の読み出し駆動で読み出された信号との差分に応じた信号を出力する機能を有する
カメラシステム。 - 固体撮像素子と、
上記固体撮像素子に被写体像を結像する光学系と、
上記固体撮像素子の出力画像信号を処理する信号処理回路と、を有し、
上記固体撮像素子は、
光信号を電気信号に変換し、その電気信号を露光時間に応じて蓄積する機構を有する複数の画素回路が行列状に配列された画素部と、
上記画素部のリセット、信号電荷の蓄積および出力を行うように駆動可能な画素駆動部と、
上記画素部から画素の信号の読み出しを行う画素信号読み出し部と、を有し、
上記画素部の画素回路は、
出力ノードと、
光信号を電気信号に変換し信号電荷を蓄積する光電変換素子と、
リセット信号によりオン、オフされ、オン状態で上記出力ノードをリセットするリセット素子と、
駆動信号によりオン、オフされ、オン状態で上記光電変換素子の電荷を上記出力ノードに転送する転送素子と、を含み、
上記画素駆動部は、
上記リセット信号により上記リセット素子をオンさせて出力ノードの信号を出力するリセット読み出し駆動と、上記駆動信号により上記転送素子をオフさせて出力ノードの信号を出力する非転送読み出し駆動とを行う第1の読み出し駆動と、
上記リセット信号により上記リセット素子をオンさせて出力ノードの信号を出力するリセット読み出し駆動と、上記駆動信号により上記転送素子をオンさせて信号電荷を上記出力ノードに転送させて出力ノードの信号を出力する転送読み出し駆動とを行う第2の読み出し駆動と、を行うことが可能で、
上記画素信号読み出し部は、
上記第2の読み出し駆動で読み出された信号と上記第1の読み出し駆動で読み出された信号との差分に応じた信号を出力する機能を有する
カメラシステム。
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