JP2004357261A - イメージセンサ - Google Patents
イメージセンサ Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004357261A JP2004357261A JP2003185794A JP2003185794A JP2004357261A JP 2004357261 A JP2004357261 A JP 2004357261A JP 2003185794 A JP2003185794 A JP 2003185794A JP 2003185794 A JP2003185794 A JP 2003185794A JP 2004357261 A JP2004357261 A JP 2004357261A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- pixel
- sensor
- image sensor
- light
- group
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
- Facsimile Heads (AREA)
Abstract
【目的】ＭＯＳ型イメージセンサにグローバルシャッタ機能をもたせるために設けたアナログメモリのしゃ光を効果的に行わせる。
【構成】ＭＯＳ型の対数出力特性をもたせた光センサ回路を画素として、各画素のセンサ信号を時系列的に読み出すようにしたイメージセンサにあって、グローバルシャッタ機能をもたせるために各画素のセンサ信号をそれぞれ一時的に蓄積するメモリを画素群に対応するように一括して設けて、各画素のセンサ信号をしゃ光エリアに設けたメモリ群に転送して、各対応するメモリ要素に一時的に蓄積する手段をとるようにする。
【選択図】 図１３
【構成】ＭＯＳ型の対数出力特性をもたせた光センサ回路を画素として、各画素のセンサ信号を時系列的に読み出すようにしたイメージセンサにあって、グローバルシャッタ機能をもたせるために各画素のセンサ信号をそれぞれ一時的に蓄積するメモリを画素群に対応するように一括して設けて、各画素のセンサ信号をしゃ光エリアに設けたメモリ群に転送して、各対応するメモリ要素に一時的に蓄積する手段をとるようにする。
【選択図】 図１３
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、入射光量に応じて光電変換素子に流れるセンサ電流をトランジスタのサブスレッショルド領域の特性を利用した弱反転状態で対数特性をもって電圧信号に変換して出力する光センサ回路を画素に用いたイメージセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＭＯＳ型のイメージセンサにあっては、その１画素分の光センサ回路が、図１に示すように、入射光Ｌｓの光量に応じたセンサ電流を生ずる光電変換素子としてのフォトダイオードＰＤと、フォトダイオードＰＤに流れるセンサ電流を弱反転状態で対数出力特性をもって電圧信号Ｖｐｄに変換させるトランジスタＱ１と、その電圧信号Ｖｐｄを増幅するトランジスタＱ２と、読出し信号Ｖｓのパルスタイミングでもってセンサ信号Ｖｏを出力するトランジスタＱ３とからなり、対数出力特性をもたせることによってダイナミックレンジを拡大して光信号の検出を高感度で行わせることができるようにしている。
【０００３】
このような構成によるイメージセンサでは、光センサ回路におけるフォトダイオードＰＤに充分な光量をもって入射光Ｌｓが当たっているときには、トランジスタＱ１には充分なセンサ電流が流れることになり、そのトランジスタＱ１の抵抗値もさほど大きくないことから、イメージセンサとして残像を生ずることがないような充分な応答速度をもって光信号の検出を行わせることができる。
【０００４】
しかし、フォトダイオードＰＤの入射光Ｌｓの光量が少なくなってトランジスタＱ１に流れる電流が少なくなると、トランジスタＱ１はそれに流れる電流が１桁小さくなるとその抵抗値が１桁大きくなるように設定されていることから、トランジスタＱ１の抵抗値が増大し、フォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃとの時定数が大きくなってその寄生容量Ｃに蓄積された電荷を放電するのに時間がかかるようになる。そのため、入射光Ｌｓの光量が少なくなるにしたがって、残像が長時間にわたって観測されることになる。
【０００５】
そのため、撮影時の入射光量に応じて光電変換素子に流れるセンサ電流をＭＯＳ型トランジスタを用いて弱反転状態で対数出力特性をもって電圧信号に変換するようにした光センサ回路を画素単位として、複数の画素をマトリクス状に配設したイメージセンサにあって、撮影に先がけてトランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤを所定時間だけ撮影時の定常値よりも低く設定することにより、フォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃに蓄積された残留電荷を排出して初期化することにより、センサ電流に急激な変化が生じても即座にそのときの入射光Ｌｓの光量に応じた電圧信号Ｖｐｄが得られるようにして、入射光量が少ない場合でも残像が生ずることがないようにしている（特開２０００−３２９６１６号公報参照）。
【０００６】
このようなイメージセンサでは、光センサ回路からなる画素を複数マトリクス状に配設して、Ｘ−Ｙアドレス走査方式によって各画素のセンサ信号を時系列的に読み出すようにする場合、各画素の時系列的な読出し期間中にも光センサ回路における受光が進んで、撮影画像にスミア（縦じま）が生じてしまう。
【０００７】
各画素の時系列的な読出し期間中に光センサ回路における受光が進むことがないようにするためには、イメージセンサに全ての画素が一斉にシャッタを閉じるグローバルシャッタ機能をもたせる必要があるが、そのシャッタ機能を実現するには画素ごとにセンサ信号を一時的に蓄積するアナログメモリが必要になる。しかし、その場合、メモリ部分に光が入射すると、そのメモリから正規のセンサ信号を読み出すことができなくなってしまう。
【０００８】
従来のＣＣＤイメージセンサでは、図１６および図１７に示すように、各画素ごとに電荷蓄積部分（メモリに対応している）をしゃ光層２１（しゃ光性能としては８０〜１００ｄＢ程度）によって覆うようにしている。図中、２２はＣＣＤの転送ゲートである。
【０００９】
しかし、図１６に示すものでは、しゃ光層２１を透過した光▲１▼が電荷蓄積部分に直接入射したり、受光部分に斜めに入射した光▲２▼が転送ゲート２２との間で反射をくり返して電荷蓄積部分に到達したり、また受光部分の入射光▲３▼によって内部に生じた正孔や電子が漂って電荷蓄積部分に到達したりして、しゃ光性能が悪くなっている。
【００１０】
また、図１７に示すものでは、受光部分に斜めに入射した光▲２▼の影響を抑制することができるが、しゃ光層２１を透過した光▲１▼が電荷蓄積部分に直接入射し、また受光部分の入射光▲３▼によって内部に生じた正孔や電子が漂って電荷蓄積部分に到達して、依然としてしゃ光性能が悪くなっている。
【００１１】
このようなことは、シャッタ機能をもたせるために各画素ごとに対応してメモリを設けたＭＯＳ型のイメージセンサにあっても同様である。
【００１２】
その場合、対数出力特性をもたせたイメージセンサにあっては、低輝度から高輝度までの入射光の領域にわたってダイナミックレンジの広いセンサ信号を得ることができるようにしているので、特に高輝度の入射光に対するしゃ光性能を上げる必要がある（１２０ｄＢ以上、ＣＣＤイメージセンサのしゃ光性能の１００倍以上）。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする問題点は、低輝度から高輝度にわたってダイナミックレンジの広いセンサ信号を得ることができるように対数出力特性をもたせた光センサ回路を画素に用いたイメージセンサにあって、シャッタ機能をもたせるために各画素のセンサ信号をそれぞれ一時的に蓄積するメモリを設けて、そのメモリ部分をしゃ光する場合、特に高輝度の入射光に対してしゃ光性能を上げる必要があるが、各画素ごとに対応してメモリを併設するのではしゃ光を充分に行わせることができないことである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、入射光量に応じて光電変換素子に流れるセンサ電流をトランジスタのサブスレッショルド領域の特性を利用した弱反転状態で対数特性をもって電圧信号に変換して、その変換された電圧信号に応じたセンサ信号を出力する光センサ回路からなる画素をマトリクス状に配設し、その画素群における各画素のセンサ信号を時系列的に読み出すようにしたイメージセンサにあって、シャッタ機能をもたせるために各画素のセンサ信号をそれぞれ一時的に蓄積するメモリを画素群に対応するように一括して設けて、各画素のセンサ信号をしゃ光エリアに設けたメモリ群に転送して、各対応するメモリ要素に一時的に蓄積する手段をとるようにしている。
【００１５】
【実施例】
本発明によるイメージセンサにあっては、基本的に、前述した図１に示す光センサ回路を画素単位に用いている。
【００１６】
ここでは各トランジスイＱ１〜Ｑ３にＮチャンネル型のものを用いているが、Ｐチャンネル型のものを用いてもよい。
【００１７】
そして、その光センサ回路にあって、撮影に先がけて、対数特性変換用のトランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤを所定時間だけ撮影時の定常値（Ｈレベル）よりも低い電圧値｛Ｌレベル：トランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧからしきい値（０．５〜０．８Ｖ程度）を引いた電圧値以下｝に設定して、フォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃに電荷を注入して初期化するようにしている。
【００１８】
図２は、そのときの光センサ回路における各部信号のタイムチャートを示している。ここで、ｔ１は初期化のタイミングを、ｔ２は光信号検出のタイミングを示している。トランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤを定常値（ハイレベルＨ）から低い電圧（ローレベルＬ）に切り換える所定時間ｔｍとしては、例えば１画素分の読出し速度が１００ｎｓｅｃ程度の場合に５μｓｅｃ程度に設定される。図中、ＴはフォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃの電荷排出による充電期間を示している。
【００１９】
このようなものにあって、初期化時にＭＯＳトランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤがローレベルＬに切り換えられると、そのときのゲート電圧ＶＧとドレイン電圧ＶＤとの間の電位差がトランジスタＱ１のしきい値よりも大きければトランジスタＱ１が低抵抗状態になる。それにより、そのときのソース側の電位がドレイン電圧ＶＤと同じになり（実際にはしきい値分の電位差が残る）、フォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃが放電状態になる。
【００２０】
そして、ｔｍ時間の経過後にそのドレイン電圧ＶＤが定常のハイレベルＨに切り換えられて光信号の検出が行われると、ソース側の電位がドレイン電圧ＶＤよりも低くなって、そのときのゲート電圧ＶＧとドレイン電圧ＶＤとの間の電位差がしきい値よりも大きければＭＯＳトランジスタＱ１が低抵抗状態になり、フォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃが充電状態になる。
【００２１】
このように光信号の検出に先がけてフォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃを放電させて初期化したのちにその寄生容量Ｃを充電させるようにすると、その初期化のタイミングから一定の時間経過した時点での出力電圧（フォトダイオードＰＤの端子電圧）Ｖｐｄは入射光Ｌｓの光量に応じた値となる。すなわち、初期化後には入射光Ｌｓの光量の変化に追随した一定の時定数による放電特性が得られるようになる。
【００２２】
その際、長時間放置すればドレイン電圧ＶＤからトランジスタＱ１を通して供給される電流とフォトダイオードＰＤを流れる電流とは同じになるが、前に残った電荷がなければ常に同じ放電特性が得られるので残像が生ずることがなくなる。したがって、初期化してから一定の時間を定めて光信号を検出するようにすれば、入射光Ｌｓの光量に応じた残像のないセンサ信号Ｖｏを得ることができるようになる。
【００２３】
図３は、その光センサ回路における入射光Ｌｓの輝度に対するセンサ信号Ｖｏの出力特性を示している。それは、フォトダイオードＰＤに流れるセンサ電流が多いときには対数出力特性を示し、センサ電流が少ないときには寄生容量Ｃの充電応答遅れを生じてほぼ線形の非対数出力特性を示している。図中、ＷＡは非対数応答領域を示し、ＷＢは対数応答領域を示している。
【００２４】
図４は、前述した光センサ回路を画素単位として、画素をマトリクス状に複数配設して、各画素のセンサ信号Ｖｏの時系列的な読出し走査を行わせるようにしたイメージセンサの構成例を示している。
【００２５】
そのイメージセンサは、その基本的な構成が、例えば、Ｄ１１〜Ｄ４４からなる４×４の画素をマトリクス状に配設して、主走査方向における各１行分の画素を画素行選択回路１から順次出力される選択信号ＬＳ１〜ＬＳ４によって選択し、その選択された画素行における各画素を、画素選択回路２から順次出力される選択信号ＤＳ１〜ＤＳ４によって制御スイッチ群３における各対応するスイッチＳＷ１〜ＳＷ４が逐次オン状態にされることによって各画素のセンサ信号Ｖｏが時系列的に読み出されるようになっている。図中、４は各画素における前記トランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧ用電源であり、６はドレイン電圧ＶＤ用電源である。ここでは、主走査方向における各画素の出力側に基準抵抗Ｒ１〜Ｒ４を介してバイアス電圧＋Ｖｃｃを印加することによって、各画素のセンサ信号Ｓｏを電圧信号Ｖｏとして出力させるようにしている。
【００２６】
そして、このようなイメージセンサにあって、各１行分の画素の選択に際して、その選択された画素行における各画素の前記トランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤを所定のタイミングをもって定常時のハイレベルＨおよび初期化時のローレベルＬに切り換える電圧切換回路５が設けられている。
【００２７】
このように構成されたイメージセンサの基本的な動作について、図５に示す各部信号のタイムチャートとともに、以下説明をする。
【００２８】
まず、画素行選択信号ＬＳ１がハイレベルＨになると、それに対応するＤ１１，Ｄ１２，Ｄ１３，Ｄ１４からなる第１の画素行が選択される。そして、ＬＳ１がハイレベルＨになっている一定期間Ｔ１のあいだ画素選択信号ＤＳ１〜ＤＳ４が順次ハイレベルＨになって、各画素Ｄ１１，Ｄ１２，Ｄ１３，Ｄ１４のセンサ信号Ｖｏが順次読み出される。
【００２９】
次いで、画素行選択信号ＬＳ１がローレベルＬになった時点で次のＬＳ２がハイレベルＨになると、それに対応するＤ２１，Ｄ２２，Ｄ２３，Ｄ２４からなる第２の画素行が選択される。そして、ＬＳ２がハイレベルＨになっている一定期間Ｔ１のあいだ画素選択信号ＤＳ１〜ＤＳ４が順次ハイレベルＨになって、各画素Ｄ２１，Ｄ２２，Ｄ２３，Ｄ２４のセンサ信号Ｖｏが順次読み出される。
【００３０】
以下同様に、画素行選択信号ＬＳ３およびＬＳ４が連続的にハイレベルＨになって各対応する第３および第４の画素行が順次選択され、ＬＳ３およびＬＳ４がそれぞれハイレベルＨになっている一定期間Ｔ１のあいだ画素選択信号ＤＳ１〜ＤＳ４が順次ハイレベルＨになって、各画素Ｄ３１，Ｄ３２，Ｄ３３，Ｄ３４およびＤ４１，Ｄ４２，Ｄ４３，Ｄ４４のセンサ信号Ｖｏが順次読み出される。
【００３１】
また、画素行選択信号ＬＳ１がＴ１期間後にローレベルＬに立ち下がった時点で、そのとき選択されている第１の画素行における各画素Ｄ１１，Ｄ１２，Ｄ１３，Ｄ１４のドレイン電圧ＶＤ１をそれまでのハイレベルＨからローレベルＬに所定時間Ｔ２のあいだ切り換えることによって各画素の初期化が行われ、１サイクル期間Ｔ３の経過後に行われる次サイクルにおけるセンサ信号Ｖｏの読出しにそなえる。
【００３２】
次いで、画素行選択信号ＬＳ２がＴ１期間後にローレベルＬに立ち下がった時点で、そのとき選択されている第２の画素行における各画素Ｄ２１，Ｄ２２，Ｄ２３，Ｄ２４のドレイン電圧ＶＤ１をそれまでのハイレベルＨからローレベルＬに所定時間Ｔ２のあいだ切り換えることによって各画素の初期化が行われ、１サイクル期間Ｔ３の経過後に行われる次サイクルにおけるセンサ信号Ｖｏの読出しにそなえる。
【００３３】
以下同様に、画素行選択信号ＬＳ３およびＬＳ４がそれぞれＴ１期間後にローレベルＬに立ち下がった時点で、そのとき選択されている第３および第４の画素行にそれぞれ対応するドレイン電圧ＶＤ３をローレベルＬに切り換えて各画素の初期化が行われ、１サイクル期間Ｔ３の経過後に行われる次サイクルにおけるセンサ信号Ｖｏの読出しにそなえる。
【００３４】
図中、Ｔ４は各画素からセンサ信号の読み出しを行わない入射光に応じた充電期間である。
【００３５】
以上のような各部信号の発生のタイミングは、図示しないＥＣＵの制御下で画素行選択回路１、画素選択回路２および電圧切換回路５の駆動を行わせることによって決定されるようになっている。
【００３６】
このように、各画素のセンサ信号Ｖｏの読出し走査に応じた適切なタイミングをもって各画素の初期化を行わせることによって、イメージセンサ全体としての蓄積時間の過不足を低減できるようになる。
【００３７】
そして、残像がなく、ダイナミックレンジの広い対数出力特性をもったイメージセンサが実現できるようになる。
【００３８】
本発明は、このようなイメージセンサにあって、例えば、図６に示すように、４×３構成による画素群（Ｄ１１〜Ｄ３４）から各画素信号Ｖｏを時系列的に読み出すに際して、前述したグローバルシャッタ機能をもたせるために、各画素のセンサ信号Ｖｏをそれぞれ一時的に記憶保持するアナログメモリＭ１１〜Ｍ３４からなる４×３構成によるメモリ群を画素群に対応するように一括して設けるようにしている。そして、画素群（Ｄ１１〜Ｄ３４）とメモリ群（Ｍ１１〜Ｍ３４とを、１ライン分のスイッチ群ＳＷ２１〜ＳＷ２４からなるスイッチ回路８を介して接続するようにしている。
【００３９】
各アナログメモリＭ１１〜Ｍ３３は、それぞれ制御スイッチ用のトランジスタＱ４のオン、オフに応じてセンサ信号Ｖｏの電圧値に応じた充電（書込み）および放電（読出し）がなされるコンデンサＣ２からなっている。
【００４０】
そして、タイミング発生回路（ＥＣＵ）７の制御下で、画素群の画素行選択回路１と同期して画素行選択回路９から出される画素行選択信号ＬＳ２１〜ＬＳ２３によって、メモリ群Ｍ１１〜Ｍ３４における各１ライン分のメモリの書込み、読出しが行われるようになっている。
【００４１】
また、タイミング発生回路（ＥＣＵ）７の制御下で、スイッチ回路８における各スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２４のオン，オフが行われるようになっている。
【００４２】
このように構成された本発明によるイメージセンサにおける動作について、図７に示す各部駆動信号のタイムチャートとともに以下説明する。
【００４３】
まず、電圧切換回路５からのドレイン電圧ＶＤ１〜ＶＤ３が順次ローレベルＬに切り換えられることによって、画素群（Ｄ１１〜Ｄ３４）における各１行分の画素の初期化が順次に行われる。図７中、Ｔ５は初期化期間を示している。
【００４４】
そして、最初の画素行が初期化されたのち一定の充電期間Ｔ６が経過したとき（または最後の画素行が初期化されたのち一定期間経過したとき）にスイッチ回路８における各スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２４がオン状態になる。
【００４５】
この状態で画素行選択回路１から出される画素行選択信号ＬＳ１１がハイレベルＨになって、第１行目の各画素Ｄ１１〜Ｄ１４のセンサ信号Ｖｏが読み出される。同時に、画素行選択回路９から出される画素行選択信号ＬＳ２１がハイレベルＨになって、第１行目の各メモリＭ１１〜Ｍ１４に第１行目の各画素Ｄ１１〜Ｄ１４のセンサ信号Ｖｏが書き込まれる。
【００４６】
続いて、画素行選択回路１から出される画素行選択信号ＬＳ１２がハイレベルＨになって第２行目の各画素Ｄ２１〜Ｄ２４のセンサ信号Ｖｏが読み出される。同時に、画素行選択回路９から出される画素行選択信号ＬＳ２２がハイレベルＨになって、第２行目の各メモリＭ２１〜Ｍ２４に第２行目の各画素Ｄ２１〜Ｄ２４のセンサ信号Ｖｏが書き込まれる。
【００４７】
最終的に、画素行選択回路１から出される画素行選択信号ＬＳ１３がハイレベルＨになって第３行目の各画素Ｄ３１〜Ｄ３４のセンサ信号Ｖｏが読み出される。同時に、画素行選択回路９から出される画素行選択信号ＬＳ２３がハイレベルＨになって、第３行目の各メモリＭ３１〜Ｍ３４に第３行目の各画素Ｄ３１〜Ｄ３４のセンサ信号Ｖｏが書き込まれる。
【００４８】
そして、画素群における全ての画素Ｄ１１〜Ｄ３４のセンサ信号Ｖｏがメモリ群のメモリＭ１１〜Ｍ３４に書き込れると、スイッチ回路８における各スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２４がオフ状態になって、画素群からメモリ群に信号が混入しないようにしゃ断する。
【００４９】
図７中、Ｔ７は画素群における各画素Ｄ１１〜Ｄ３４のセンサ信号Ｖｏがメモリ群の各メモリＭ１１〜Ｍ３４に書き込まれるのに要する転送期間を示している。
【００５０】
次に、メモリ群に書き込まれた各画素のセンサ信号Ｖｏを時系列的に読み出すのに際して、画素行選択回路９から出される画素行選択信号ＬＳ２１が一定の期間ハイレベルＨ状態になり、その期間中に画素選択回路２から出される画素選択信号ＤＳ１〜ＤＳ４によってスイッチ回路３における各スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４が順次オンする。それにより、第１行目のメモリＭ１１〜Ｍ１４から各対応する画素のセンサ信号Ｖｏが順次読み出される。
【００５１】
続けて、画素行選択回路９から出される画素行選択信号ＬＳ２２が一定の期間ハイレベルＨ状態になり、その期間中に画素選択回路２から出される画素選択信号ＤＳ１〜ＤＳ４によってスイッチ回路３における各スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４が順次オンする。それにより、第２行目のメモリＭ２１〜Ｍ２４から各対応する画素のセンサ信号Ｖｏが順次読み出される。
【００５２】
最終的に、画素行選択回路９から出される画素行選択信号ＬＳ２３が一定の期間ハイレベルＨ状態になり、その期間中に画素選択回路２から出される画素選択信号ＤＳ１〜ＤＳ４によってスイッチ回路３における各スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４が順次オンする。それにより、第３行目のメモリＭ３１〜Ｍ３４から各対応する画素のセンサ信号Ｖｏが順次読み出される。
【００５３】
図７中、Ｔ８はメモリ群から各対応する画素のセンサ信号Ｖｏが時系列的に読み出されるのに要する読出し期間を示している。
【００５４】
また、画素群における各画素Ｄ１１〜Ｄ３４のセンサ信号Ｖｏをメモリ群に転送するに際して、その転送期間Ｔ７が初期化期間Ｔ５と等しくなるように設定することにより、初期化後における各画素行の充電期間Ｔ６を同じにすることができる。
【００５５】
図８は、図６に示すイメージセンサにあって、メモリ群から各画素のセンサ信号Ｖｏを読み出す際にインターレス走査を行わせるようにしたときの各部駆動信号のタイムチャートを示している。
【００５６】
また、図９は、図６に示すイメージセンサにあって、メモリ群に各画素のセンサ信号Ｖｏを書き込む際にインターレス走査を行わせるようにしたときの各部駆動信号のタイムチャートを示している。
【００５７】
また、図１０は、図６に示すスイッチ回路８の代わりにバッファ回路１０を設けて、転送時に画素行選択回路９によって各バッファ増幅器Ｂ１〜Ｂ４をオン状態にして、各画素のセンサ信号をバッファ増幅器Ｂ１〜Ｂ４を介して各対応する行のメモリに書き込むようにしている。このように、内部での信号の駆動能力を上げてやることで、転送速度を早くすることが可能になる。各バッファ増幅器Ｂ１〜Ｂ４は、その各出力段をハイインピーダンスにしてオフ状態にすることができるようになっている。
【００５８】
また、図１１は、メモリ群を上下に分けて設けた場合の構成例を示している。このように、メモリ群を分割して上下（または左右）に設けることによって、転送時間を短縮できるようになる。
【００５９】
また、図１２は、アナログメモリブロックにＣＣＤを利用した場合の構成例を示している。ここで、ＣＣＤ１〜ＣＣＤ４は垂直転送用のＣＣＤアレイ、ＣＣＤ５は水平転送用のＣＣＤアレイである。
【００６０】
このように、画素群から切り離してメモリ群を別途に一括して設けて、画素群における各画素Ｄ１１〜Ｄ３４のセンサ信号Ｖｏをメモリ群に転送して一時蓄積したうえで、そのメモリ群から各対応する画素のセンサ信号Ｖｏを時系列的に読み出すようにすると、メモリ群全体のしゃ光を効果的に行わせることが可能になり、グローバルシャッタ機能をより完全に発揮させることができるようになる。
【００６１】
その場合、図１３および図１４に示すように、基板１１上に画素群Ａとメモリ群Ｂとが並設されたものにあって、メモリ群Ｂの部分を充分に覆うようにしゃ光層１２を設けることができるようになる。
【００６２】
したがって、結像レンズ１３を介して画素群Ａ上に光Ｌが入射するようにする場合、そのレンズ系では周縁部の像が歪むためにその画素群Ａよりも広い領域にわたって光Ｌを入射させる必要があるが、メモリ群Ｂはしゃ光層１２によって効果的にしゃ光されることになる。
【００６３】
図１５では、側方から光が入射することがないように、メモリ群Ｂの側方をも覆うようなしゃ光層１２′を設けるようにしている。
【００６４】
しゃ光層１２または１２′としては、アルミニウム、タングステン、金、ニッケル、クロム等の金属材料が用いられるが、その他に成膜可能なしゃ光性を有する材料が広く用いられる。また、成膜以外に、塗布やスクリーン印刷などによって形成することも可能である。
【００６５】
また、しゃ光層を設ける以外に、基板１１上に画素群Ａとメモリ群Ｂとが並設されたものをパッケージに収納する際に、そのパッケージに画素群Ａの部分に光が入射する窓を設けて、メモリ群Ｂの部分がそのパッケージによって覆われるようにしてもよい。
【００６６】
【効果】
以上、本発明によれば、低輝度から高輝度にわたってダイナミックレンジの広いセンサ信号を得ることができるように対数出力特性をもたせた光センサ回路を画素に用いたイメージセンサにあって、グローバルシャッタ機能をもたせるために各画素のセンサ信号をそれぞれ一時的に蓄積するメモリを各画素から切り離して一括して設けて、そのメモリ群の全体をしゃ光することにより各メモリのしゃ光を効果的に行わせることができ、特に高輝度の入射光に対して充分なしゃ光性能を発揮して、各メモリから正規な各画素のセンサ信号を読み出すことができるという利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】イメージセンサにおける画素単位となる対数出力特性をもった光センサ回路の一般的な回路構成例を示す電気回路図である。
【図２】その光センサ回路において初期化手段をとったときの各部信号のチイムチャートである。
【図３】その光センサ回路における初期化手段をとったときの入射光の輝度に対するセンサ信号の出力特性を示す図である。
【図４】光センサ回路を画素単位に用いたイメージセンサの基本的な構成例を示すブロック図である。
【図５】図４に示すイメージセンサにおける各部信号のタイムチャートである。
【図６】本発明によるグローバルシャッタ機能をもたせたイメージセンサの一構成例を示すブロック図である。
【図７】図６に示すイメージセンサにおける各部信号のタイムチャートである。
【図８】図６に示すイメージセンサにおいてメモリ群から各画素のセンサ信号を読み出す際にインターレス走査を行わせるようにしたときの各部駆動信号のタイムチャートである。
【図９】図６に示すイメージセンサにおいてメモリ群に各画素のセンサ信号を書き込む際にインターレス走査を行わせるようにしたときの各部駆動信号のタイムチャートである。
【図１０】本発明によるグローバルシャッタ機能をもたせたイメージセンサの他の構成例を示すブロック図である。
【図１１】本発明によるグローバルシャッタ機能をもたせたイメージセンサのさらに他の構成例を示すブロック図である。
【図１２】本発明によるグローバルシャッタ機能をもたせたイメージセンサのさらに他の構成例を示すブロック図である。
【図１３】基板上に本発明によるイメージセンサにおける画素群とメモリ群とを並設して、メモリ群の部分をしゃ光層によって覆った状態を示す斜視図である。
【図１４】メモリ群の部分をしゃ光層によって覆った状態の一例を示す部分的な正断面図である。
【図１５】メモリ群の部分をしゃ光層によって覆った状態の他の例を示す部分的な正断面図である。
【図１６】従来のＣＣＤイメージセンサにおける電荷蓄積部分をしゃ光層によって覆ったときの部分的な一構成例を示す正断面図である。
【図１７】従来のＣＣＤイメージセンサにおける電荷蓄積部分をしゃ光層によって覆ったときの部分的な他の構成例を示す正断面図である。
【符号の説明】
１ 画素群用の画素行選択回路
２ 画素選択回路
３ スイッチ回路
４ ゲート電圧ＶＧ用電源
５ 電圧切換回路
６ ドレイン電圧ＶＤ用電源
７ タイミング発生回路
８ スイッチ回路
９ メモリ群用の画素行選択回路
１０ バッファ回路
１２ しゃ光層
１２′ しゃ光層
Ａ 画素群
Ｂ メモリ群
【産業上の利用分野】
本発明は、入射光量に応じて光電変換素子に流れるセンサ電流をトランジスタのサブスレッショルド領域の特性を利用した弱反転状態で対数特性をもって電圧信号に変換して出力する光センサ回路を画素に用いたイメージセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＭＯＳ型のイメージセンサにあっては、その１画素分の光センサ回路が、図１に示すように、入射光Ｌｓの光量に応じたセンサ電流を生ずる光電変換素子としてのフォトダイオードＰＤと、フォトダイオードＰＤに流れるセンサ電流を弱反転状態で対数出力特性をもって電圧信号Ｖｐｄに変換させるトランジスタＱ１と、その電圧信号Ｖｐｄを増幅するトランジスタＱ２と、読出し信号Ｖｓのパルスタイミングでもってセンサ信号Ｖｏを出力するトランジスタＱ３とからなり、対数出力特性をもたせることによってダイナミックレンジを拡大して光信号の検出を高感度で行わせることができるようにしている。
【０００３】
このような構成によるイメージセンサでは、光センサ回路におけるフォトダイオードＰＤに充分な光量をもって入射光Ｌｓが当たっているときには、トランジスタＱ１には充分なセンサ電流が流れることになり、そのトランジスタＱ１の抵抗値もさほど大きくないことから、イメージセンサとして残像を生ずることがないような充分な応答速度をもって光信号の検出を行わせることができる。
【０００４】
しかし、フォトダイオードＰＤの入射光Ｌｓの光量が少なくなってトランジスタＱ１に流れる電流が少なくなると、トランジスタＱ１はそれに流れる電流が１桁小さくなるとその抵抗値が１桁大きくなるように設定されていることから、トランジスタＱ１の抵抗値が増大し、フォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃとの時定数が大きくなってその寄生容量Ｃに蓄積された電荷を放電するのに時間がかかるようになる。そのため、入射光Ｌｓの光量が少なくなるにしたがって、残像が長時間にわたって観測されることになる。
【０００５】
そのため、撮影時の入射光量に応じて光電変換素子に流れるセンサ電流をＭＯＳ型トランジスタを用いて弱反転状態で対数出力特性をもって電圧信号に変換するようにした光センサ回路を画素単位として、複数の画素をマトリクス状に配設したイメージセンサにあって、撮影に先がけてトランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤを所定時間だけ撮影時の定常値よりも低く設定することにより、フォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃに蓄積された残留電荷を排出して初期化することにより、センサ電流に急激な変化が生じても即座にそのときの入射光Ｌｓの光量に応じた電圧信号Ｖｐｄが得られるようにして、入射光量が少ない場合でも残像が生ずることがないようにしている（特開２０００−３２９６１６号公報参照）。
【０００６】
このようなイメージセンサでは、光センサ回路からなる画素を複数マトリクス状に配設して、Ｘ−Ｙアドレス走査方式によって各画素のセンサ信号を時系列的に読み出すようにする場合、各画素の時系列的な読出し期間中にも光センサ回路における受光が進んで、撮影画像にスミア（縦じま）が生じてしまう。
【０００７】
各画素の時系列的な読出し期間中に光センサ回路における受光が進むことがないようにするためには、イメージセンサに全ての画素が一斉にシャッタを閉じるグローバルシャッタ機能をもたせる必要があるが、そのシャッタ機能を実現するには画素ごとにセンサ信号を一時的に蓄積するアナログメモリが必要になる。しかし、その場合、メモリ部分に光が入射すると、そのメモリから正規のセンサ信号を読み出すことができなくなってしまう。
【０００８】
従来のＣＣＤイメージセンサでは、図１６および図１７に示すように、各画素ごとに電荷蓄積部分（メモリに対応している）をしゃ光層２１（しゃ光性能としては８０〜１００ｄＢ程度）によって覆うようにしている。図中、２２はＣＣＤの転送ゲートである。
【０００９】
しかし、図１６に示すものでは、しゃ光層２１を透過した光▲１▼が電荷蓄積部分に直接入射したり、受光部分に斜めに入射した光▲２▼が転送ゲート２２との間で反射をくり返して電荷蓄積部分に到達したり、また受光部分の入射光▲３▼によって内部に生じた正孔や電子が漂って電荷蓄積部分に到達したりして、しゃ光性能が悪くなっている。
【００１０】
また、図１７に示すものでは、受光部分に斜めに入射した光▲２▼の影響を抑制することができるが、しゃ光層２１を透過した光▲１▼が電荷蓄積部分に直接入射し、また受光部分の入射光▲３▼によって内部に生じた正孔や電子が漂って電荷蓄積部分に到達して、依然としてしゃ光性能が悪くなっている。
【００１１】
このようなことは、シャッタ機能をもたせるために各画素ごとに対応してメモリを設けたＭＯＳ型のイメージセンサにあっても同様である。
【００１２】
その場合、対数出力特性をもたせたイメージセンサにあっては、低輝度から高輝度までの入射光の領域にわたってダイナミックレンジの広いセンサ信号を得ることができるようにしているので、特に高輝度の入射光に対するしゃ光性能を上げる必要がある（１２０ｄＢ以上、ＣＣＤイメージセンサのしゃ光性能の１００倍以上）。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする問題点は、低輝度から高輝度にわたってダイナミックレンジの広いセンサ信号を得ることができるように対数出力特性をもたせた光センサ回路を画素に用いたイメージセンサにあって、シャッタ機能をもたせるために各画素のセンサ信号をそれぞれ一時的に蓄積するメモリを設けて、そのメモリ部分をしゃ光する場合、特に高輝度の入射光に対してしゃ光性能を上げる必要があるが、各画素ごとに対応してメモリを併設するのではしゃ光を充分に行わせることができないことである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、入射光量に応じて光電変換素子に流れるセンサ電流をトランジスタのサブスレッショルド領域の特性を利用した弱反転状態で対数特性をもって電圧信号に変換して、その変換された電圧信号に応じたセンサ信号を出力する光センサ回路からなる画素をマトリクス状に配設し、その画素群における各画素のセンサ信号を時系列的に読み出すようにしたイメージセンサにあって、シャッタ機能をもたせるために各画素のセンサ信号をそれぞれ一時的に蓄積するメモリを画素群に対応するように一括して設けて、各画素のセンサ信号をしゃ光エリアに設けたメモリ群に転送して、各対応するメモリ要素に一時的に蓄積する手段をとるようにしている。
【００１５】
【実施例】
本発明によるイメージセンサにあっては、基本的に、前述した図１に示す光センサ回路を画素単位に用いている。
【００１６】
ここでは各トランジスイＱ１〜Ｑ３にＮチャンネル型のものを用いているが、Ｐチャンネル型のものを用いてもよい。
【００１７】
そして、その光センサ回路にあって、撮影に先がけて、対数特性変換用のトランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤを所定時間だけ撮影時の定常値（Ｈレベル）よりも低い電圧値｛Ｌレベル：トランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧからしきい値（０．５〜０．８Ｖ程度）を引いた電圧値以下｝に設定して、フォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃに電荷を注入して初期化するようにしている。
【００１８】
図２は、そのときの光センサ回路における各部信号のタイムチャートを示している。ここで、ｔ１は初期化のタイミングを、ｔ２は光信号検出のタイミングを示している。トランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤを定常値（ハイレベルＨ）から低い電圧（ローレベルＬ）に切り換える所定時間ｔｍとしては、例えば１画素分の読出し速度が１００ｎｓｅｃ程度の場合に５μｓｅｃ程度に設定される。図中、ＴはフォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃの電荷排出による充電期間を示している。
【００１９】
このようなものにあって、初期化時にＭＯＳトランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤがローレベルＬに切り換えられると、そのときのゲート電圧ＶＧとドレイン電圧ＶＤとの間の電位差がトランジスタＱ１のしきい値よりも大きければトランジスタＱ１が低抵抗状態になる。それにより、そのときのソース側の電位がドレイン電圧ＶＤと同じになり（実際にはしきい値分の電位差が残る）、フォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃが放電状態になる。
【００２０】
そして、ｔｍ時間の経過後にそのドレイン電圧ＶＤが定常のハイレベルＨに切り換えられて光信号の検出が行われると、ソース側の電位がドレイン電圧ＶＤよりも低くなって、そのときのゲート電圧ＶＧとドレイン電圧ＶＤとの間の電位差がしきい値よりも大きければＭＯＳトランジスタＱ１が低抵抗状態になり、フォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃが充電状態になる。
【００２１】
このように光信号の検出に先がけてフォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃを放電させて初期化したのちにその寄生容量Ｃを充電させるようにすると、その初期化のタイミングから一定の時間経過した時点での出力電圧（フォトダイオードＰＤの端子電圧）Ｖｐｄは入射光Ｌｓの光量に応じた値となる。すなわち、初期化後には入射光Ｌｓの光量の変化に追随した一定の時定数による放電特性が得られるようになる。
【００２２】
その際、長時間放置すればドレイン電圧ＶＤからトランジスタＱ１を通して供給される電流とフォトダイオードＰＤを流れる電流とは同じになるが、前に残った電荷がなければ常に同じ放電特性が得られるので残像が生ずることがなくなる。したがって、初期化してから一定の時間を定めて光信号を検出するようにすれば、入射光Ｌｓの光量に応じた残像のないセンサ信号Ｖｏを得ることができるようになる。
【００２３】
図３は、その光センサ回路における入射光Ｌｓの輝度に対するセンサ信号Ｖｏの出力特性を示している。それは、フォトダイオードＰＤに流れるセンサ電流が多いときには対数出力特性を示し、センサ電流が少ないときには寄生容量Ｃの充電応答遅れを生じてほぼ線形の非対数出力特性を示している。図中、ＷＡは非対数応答領域を示し、ＷＢは対数応答領域を示している。
【００２４】
図４は、前述した光センサ回路を画素単位として、画素をマトリクス状に複数配設して、各画素のセンサ信号Ｖｏの時系列的な読出し走査を行わせるようにしたイメージセンサの構成例を示している。
【００２５】
そのイメージセンサは、その基本的な構成が、例えば、Ｄ１１〜Ｄ４４からなる４×４の画素をマトリクス状に配設して、主走査方向における各１行分の画素を画素行選択回路１から順次出力される選択信号ＬＳ１〜ＬＳ４によって選択し、その選択された画素行における各画素を、画素選択回路２から順次出力される選択信号ＤＳ１〜ＤＳ４によって制御スイッチ群３における各対応するスイッチＳＷ１〜ＳＷ４が逐次オン状態にされることによって各画素のセンサ信号Ｖｏが時系列的に読み出されるようになっている。図中、４は各画素における前記トランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧ用電源であり、６はドレイン電圧ＶＤ用電源である。ここでは、主走査方向における各画素の出力側に基準抵抗Ｒ１〜Ｒ４を介してバイアス電圧＋Ｖｃｃを印加することによって、各画素のセンサ信号Ｓｏを電圧信号Ｖｏとして出力させるようにしている。
【００２６】
そして、このようなイメージセンサにあって、各１行分の画素の選択に際して、その選択された画素行における各画素の前記トランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤを所定のタイミングをもって定常時のハイレベルＨおよび初期化時のローレベルＬに切り換える電圧切換回路５が設けられている。
【００２７】
このように構成されたイメージセンサの基本的な動作について、図５に示す各部信号のタイムチャートとともに、以下説明をする。
【００２８】
まず、画素行選択信号ＬＳ１がハイレベルＨになると、それに対応するＤ１１，Ｄ１２，Ｄ１３，Ｄ１４からなる第１の画素行が選択される。そして、ＬＳ１がハイレベルＨになっている一定期間Ｔ１のあいだ画素選択信号ＤＳ１〜ＤＳ４が順次ハイレベルＨになって、各画素Ｄ１１，Ｄ１２，Ｄ１３，Ｄ１４のセンサ信号Ｖｏが順次読み出される。
【００２９】
次いで、画素行選択信号ＬＳ１がローレベルＬになった時点で次のＬＳ２がハイレベルＨになると、それに対応するＤ２１，Ｄ２２，Ｄ２３，Ｄ２４からなる第２の画素行が選択される。そして、ＬＳ２がハイレベルＨになっている一定期間Ｔ１のあいだ画素選択信号ＤＳ１〜ＤＳ４が順次ハイレベルＨになって、各画素Ｄ２１，Ｄ２２，Ｄ２３，Ｄ２４のセンサ信号Ｖｏが順次読み出される。
【００３０】
以下同様に、画素行選択信号ＬＳ３およびＬＳ４が連続的にハイレベルＨになって各対応する第３および第４の画素行が順次選択され、ＬＳ３およびＬＳ４がそれぞれハイレベルＨになっている一定期間Ｔ１のあいだ画素選択信号ＤＳ１〜ＤＳ４が順次ハイレベルＨになって、各画素Ｄ３１，Ｄ３２，Ｄ３３，Ｄ３４およびＤ４１，Ｄ４２，Ｄ４３，Ｄ４４のセンサ信号Ｖｏが順次読み出される。
【００３１】
また、画素行選択信号ＬＳ１がＴ１期間後にローレベルＬに立ち下がった時点で、そのとき選択されている第１の画素行における各画素Ｄ１１，Ｄ１２，Ｄ１３，Ｄ１４のドレイン電圧ＶＤ１をそれまでのハイレベルＨからローレベルＬに所定時間Ｔ２のあいだ切り換えることによって各画素の初期化が行われ、１サイクル期間Ｔ３の経過後に行われる次サイクルにおけるセンサ信号Ｖｏの読出しにそなえる。
【００３２】
次いで、画素行選択信号ＬＳ２がＴ１期間後にローレベルＬに立ち下がった時点で、そのとき選択されている第２の画素行における各画素Ｄ２１，Ｄ２２，Ｄ２３，Ｄ２４のドレイン電圧ＶＤ１をそれまでのハイレベルＨからローレベルＬに所定時間Ｔ２のあいだ切り換えることによって各画素の初期化が行われ、１サイクル期間Ｔ３の経過後に行われる次サイクルにおけるセンサ信号Ｖｏの読出しにそなえる。
【００３３】
以下同様に、画素行選択信号ＬＳ３およびＬＳ４がそれぞれＴ１期間後にローレベルＬに立ち下がった時点で、そのとき選択されている第３および第４の画素行にそれぞれ対応するドレイン電圧ＶＤ３をローレベルＬに切り換えて各画素の初期化が行われ、１サイクル期間Ｔ３の経過後に行われる次サイクルにおけるセンサ信号Ｖｏの読出しにそなえる。
【００３４】
図中、Ｔ４は各画素からセンサ信号の読み出しを行わない入射光に応じた充電期間である。
【００３５】
以上のような各部信号の発生のタイミングは、図示しないＥＣＵの制御下で画素行選択回路１、画素選択回路２および電圧切換回路５の駆動を行わせることによって決定されるようになっている。
【００３６】
このように、各画素のセンサ信号Ｖｏの読出し走査に応じた適切なタイミングをもって各画素の初期化を行わせることによって、イメージセンサ全体としての蓄積時間の過不足を低減できるようになる。
【００３７】
そして、残像がなく、ダイナミックレンジの広い対数出力特性をもったイメージセンサが実現できるようになる。
【００３８】
本発明は、このようなイメージセンサにあって、例えば、図６に示すように、４×３構成による画素群（Ｄ１１〜Ｄ３４）から各画素信号Ｖｏを時系列的に読み出すに際して、前述したグローバルシャッタ機能をもたせるために、各画素のセンサ信号Ｖｏをそれぞれ一時的に記憶保持するアナログメモリＭ１１〜Ｍ３４からなる４×３構成によるメモリ群を画素群に対応するように一括して設けるようにしている。そして、画素群（Ｄ１１〜Ｄ３４）とメモリ群（Ｍ１１〜Ｍ３４とを、１ライン分のスイッチ群ＳＷ２１〜ＳＷ２４からなるスイッチ回路８を介して接続するようにしている。
【００３９】
各アナログメモリＭ１１〜Ｍ３３は、それぞれ制御スイッチ用のトランジスタＱ４のオン、オフに応じてセンサ信号Ｖｏの電圧値に応じた充電（書込み）および放電（読出し）がなされるコンデンサＣ２からなっている。
【００４０】
そして、タイミング発生回路（ＥＣＵ）７の制御下で、画素群の画素行選択回路１と同期して画素行選択回路９から出される画素行選択信号ＬＳ２１〜ＬＳ２３によって、メモリ群Ｍ１１〜Ｍ３４における各１ライン分のメモリの書込み、読出しが行われるようになっている。
【００４１】
また、タイミング発生回路（ＥＣＵ）７の制御下で、スイッチ回路８における各スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２４のオン，オフが行われるようになっている。
【００４２】
このように構成された本発明によるイメージセンサにおける動作について、図７に示す各部駆動信号のタイムチャートとともに以下説明する。
【００４３】
まず、電圧切換回路５からのドレイン電圧ＶＤ１〜ＶＤ３が順次ローレベルＬに切り換えられることによって、画素群（Ｄ１１〜Ｄ３４）における各１行分の画素の初期化が順次に行われる。図７中、Ｔ５は初期化期間を示している。
【００４４】
そして、最初の画素行が初期化されたのち一定の充電期間Ｔ６が経過したとき（または最後の画素行が初期化されたのち一定期間経過したとき）にスイッチ回路８における各スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２４がオン状態になる。
【００４５】
この状態で画素行選択回路１から出される画素行選択信号ＬＳ１１がハイレベルＨになって、第１行目の各画素Ｄ１１〜Ｄ１４のセンサ信号Ｖｏが読み出される。同時に、画素行選択回路９から出される画素行選択信号ＬＳ２１がハイレベルＨになって、第１行目の各メモリＭ１１〜Ｍ１４に第１行目の各画素Ｄ１１〜Ｄ１４のセンサ信号Ｖｏが書き込まれる。
【００４６】
続いて、画素行選択回路１から出される画素行選択信号ＬＳ１２がハイレベルＨになって第２行目の各画素Ｄ２１〜Ｄ２４のセンサ信号Ｖｏが読み出される。同時に、画素行選択回路９から出される画素行選択信号ＬＳ２２がハイレベルＨになって、第２行目の各メモリＭ２１〜Ｍ２４に第２行目の各画素Ｄ２１〜Ｄ２４のセンサ信号Ｖｏが書き込まれる。
【００４７】
最終的に、画素行選択回路１から出される画素行選択信号ＬＳ１３がハイレベルＨになって第３行目の各画素Ｄ３１〜Ｄ３４のセンサ信号Ｖｏが読み出される。同時に、画素行選択回路９から出される画素行選択信号ＬＳ２３がハイレベルＨになって、第３行目の各メモリＭ３１〜Ｍ３４に第３行目の各画素Ｄ３１〜Ｄ３４のセンサ信号Ｖｏが書き込まれる。
【００４８】
そして、画素群における全ての画素Ｄ１１〜Ｄ３４のセンサ信号Ｖｏがメモリ群のメモリＭ１１〜Ｍ３４に書き込れると、スイッチ回路８における各スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２４がオフ状態になって、画素群からメモリ群に信号が混入しないようにしゃ断する。
【００４９】
図７中、Ｔ７は画素群における各画素Ｄ１１〜Ｄ３４のセンサ信号Ｖｏがメモリ群の各メモリＭ１１〜Ｍ３４に書き込まれるのに要する転送期間を示している。
【００５０】
次に、メモリ群に書き込まれた各画素のセンサ信号Ｖｏを時系列的に読み出すのに際して、画素行選択回路９から出される画素行選択信号ＬＳ２１が一定の期間ハイレベルＨ状態になり、その期間中に画素選択回路２から出される画素選択信号ＤＳ１〜ＤＳ４によってスイッチ回路３における各スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４が順次オンする。それにより、第１行目のメモリＭ１１〜Ｍ１４から各対応する画素のセンサ信号Ｖｏが順次読み出される。
【００５１】
続けて、画素行選択回路９から出される画素行選択信号ＬＳ２２が一定の期間ハイレベルＨ状態になり、その期間中に画素選択回路２から出される画素選択信号ＤＳ１〜ＤＳ４によってスイッチ回路３における各スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４が順次オンする。それにより、第２行目のメモリＭ２１〜Ｍ２４から各対応する画素のセンサ信号Ｖｏが順次読み出される。
【００５２】
最終的に、画素行選択回路９から出される画素行選択信号ＬＳ２３が一定の期間ハイレベルＨ状態になり、その期間中に画素選択回路２から出される画素選択信号ＤＳ１〜ＤＳ４によってスイッチ回路３における各スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４が順次オンする。それにより、第３行目のメモリＭ３１〜Ｍ３４から各対応する画素のセンサ信号Ｖｏが順次読み出される。
【００５３】
図７中、Ｔ８はメモリ群から各対応する画素のセンサ信号Ｖｏが時系列的に読み出されるのに要する読出し期間を示している。
【００５４】
また、画素群における各画素Ｄ１１〜Ｄ３４のセンサ信号Ｖｏをメモリ群に転送するに際して、その転送期間Ｔ７が初期化期間Ｔ５と等しくなるように設定することにより、初期化後における各画素行の充電期間Ｔ６を同じにすることができる。
【００５５】
図８は、図６に示すイメージセンサにあって、メモリ群から各画素のセンサ信号Ｖｏを読み出す際にインターレス走査を行わせるようにしたときの各部駆動信号のタイムチャートを示している。
【００５６】
また、図９は、図６に示すイメージセンサにあって、メモリ群に各画素のセンサ信号Ｖｏを書き込む際にインターレス走査を行わせるようにしたときの各部駆動信号のタイムチャートを示している。
【００５７】
また、図１０は、図６に示すスイッチ回路８の代わりにバッファ回路１０を設けて、転送時に画素行選択回路９によって各バッファ増幅器Ｂ１〜Ｂ４をオン状態にして、各画素のセンサ信号をバッファ増幅器Ｂ１〜Ｂ４を介して各対応する行のメモリに書き込むようにしている。このように、内部での信号の駆動能力を上げてやることで、転送速度を早くすることが可能になる。各バッファ増幅器Ｂ１〜Ｂ４は、その各出力段をハイインピーダンスにしてオフ状態にすることができるようになっている。
【００５８】
また、図１１は、メモリ群を上下に分けて設けた場合の構成例を示している。このように、メモリ群を分割して上下（または左右）に設けることによって、転送時間を短縮できるようになる。
【００５９】
また、図１２は、アナログメモリブロックにＣＣＤを利用した場合の構成例を示している。ここで、ＣＣＤ１〜ＣＣＤ４は垂直転送用のＣＣＤアレイ、ＣＣＤ５は水平転送用のＣＣＤアレイである。
【００６０】
このように、画素群から切り離してメモリ群を別途に一括して設けて、画素群における各画素Ｄ１１〜Ｄ３４のセンサ信号Ｖｏをメモリ群に転送して一時蓄積したうえで、そのメモリ群から各対応する画素のセンサ信号Ｖｏを時系列的に読み出すようにすると、メモリ群全体のしゃ光を効果的に行わせることが可能になり、グローバルシャッタ機能をより完全に発揮させることができるようになる。
【００６１】
その場合、図１３および図１４に示すように、基板１１上に画素群Ａとメモリ群Ｂとが並設されたものにあって、メモリ群Ｂの部分を充分に覆うようにしゃ光層１２を設けることができるようになる。
【００６２】
したがって、結像レンズ１３を介して画素群Ａ上に光Ｌが入射するようにする場合、そのレンズ系では周縁部の像が歪むためにその画素群Ａよりも広い領域にわたって光Ｌを入射させる必要があるが、メモリ群Ｂはしゃ光層１２によって効果的にしゃ光されることになる。
【００６３】
図１５では、側方から光が入射することがないように、メモリ群Ｂの側方をも覆うようなしゃ光層１２′を設けるようにしている。
【００６４】
しゃ光層１２または１２′としては、アルミニウム、タングステン、金、ニッケル、クロム等の金属材料が用いられるが、その他に成膜可能なしゃ光性を有する材料が広く用いられる。また、成膜以外に、塗布やスクリーン印刷などによって形成することも可能である。
【００６５】
また、しゃ光層を設ける以外に、基板１１上に画素群Ａとメモリ群Ｂとが並設されたものをパッケージに収納する際に、そのパッケージに画素群Ａの部分に光が入射する窓を設けて、メモリ群Ｂの部分がそのパッケージによって覆われるようにしてもよい。
【００６６】
【効果】
以上、本発明によれば、低輝度から高輝度にわたってダイナミックレンジの広いセンサ信号を得ることができるように対数出力特性をもたせた光センサ回路を画素に用いたイメージセンサにあって、グローバルシャッタ機能をもたせるために各画素のセンサ信号をそれぞれ一時的に蓄積するメモリを各画素から切り離して一括して設けて、そのメモリ群の全体をしゃ光することにより各メモリのしゃ光を効果的に行わせることができ、特に高輝度の入射光に対して充分なしゃ光性能を発揮して、各メモリから正規な各画素のセンサ信号を読み出すことができるという利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】イメージセンサにおける画素単位となる対数出力特性をもった光センサ回路の一般的な回路構成例を示す電気回路図である。
【図２】その光センサ回路において初期化手段をとったときの各部信号のチイムチャートである。
【図３】その光センサ回路における初期化手段をとったときの入射光の輝度に対するセンサ信号の出力特性を示す図である。
【図４】光センサ回路を画素単位に用いたイメージセンサの基本的な構成例を示すブロック図である。
【図５】図４に示すイメージセンサにおける各部信号のタイムチャートである。
【図６】本発明によるグローバルシャッタ機能をもたせたイメージセンサの一構成例を示すブロック図である。
【図７】図６に示すイメージセンサにおける各部信号のタイムチャートである。
【図８】図６に示すイメージセンサにおいてメモリ群から各画素のセンサ信号を読み出す際にインターレス走査を行わせるようにしたときの各部駆動信号のタイムチャートである。
【図９】図６に示すイメージセンサにおいてメモリ群に各画素のセンサ信号を書き込む際にインターレス走査を行わせるようにしたときの各部駆動信号のタイムチャートである。
【図１０】本発明によるグローバルシャッタ機能をもたせたイメージセンサの他の構成例を示すブロック図である。
【図１１】本発明によるグローバルシャッタ機能をもたせたイメージセンサのさらに他の構成例を示すブロック図である。
【図１２】本発明によるグローバルシャッタ機能をもたせたイメージセンサのさらに他の構成例を示すブロック図である。
【図１３】基板上に本発明によるイメージセンサにおける画素群とメモリ群とを並設して、メモリ群の部分をしゃ光層によって覆った状態を示す斜視図である。
【図１４】メモリ群の部分をしゃ光層によって覆った状態の一例を示す部分的な正断面図である。
【図１５】メモリ群の部分をしゃ光層によって覆った状態の他の例を示す部分的な正断面図である。
【図１６】従来のＣＣＤイメージセンサにおける電荷蓄積部分をしゃ光層によって覆ったときの部分的な一構成例を示す正断面図である。
【図１７】従来のＣＣＤイメージセンサにおける電荷蓄積部分をしゃ光層によって覆ったときの部分的な他の構成例を示す正断面図である。
【符号の説明】
１ 画素群用の画素行選択回路
２ 画素選択回路
３ スイッチ回路
４ ゲート電圧ＶＧ用電源
５ 電圧切換回路
６ ドレイン電圧ＶＤ用電源
７ タイミング発生回路
８ スイッチ回路
９ メモリ群用の画素行選択回路
１０ バッファ回路
１２ しゃ光層
１２′ しゃ光層
Ａ 画素群
Ｂ メモリ群
Claims (4)
- 入射光量に応じて光電変換素子に流れるセンサ電流をトランジスタのサブスレッショルド領域の特性を利用した弱反転状態で対数特性をもって電圧信号に変換して、その変換された電圧信号に応じたセンサ信号を出力する光センサ回路からなる画素をマトリクス状に配設し、その画素群における各画素のセンサ信号を時系列的に読み出すようにしたイメージセンサにおいて、各画素のセンサ信号を画素群に対応してしゃ光エリアに設けたメモリ群に転送して、各対応するメモリ要素に一時的に蓄積する手段を設けたことを特徴とするイメージセンサ。
- メモリ群は、その上に形成されたしゃ光層によってしゃ光されていることを特徴とする請求項１の記載によるイメージセンサ。
- メモリ群は、その表面がイメージセンサのパッケージ枠によって覆われてしゃ光されていることを特徴とする請求項１の記載によるイメージセンサ。
- 予め光センサ回路における対数特性変換用のトランジスタのドレイン電圧を定常値よりも低い値に切り換えて、光電変換素子の寄生容量に蓄積された電荷を排出して初期化する手段を設け、その初期化に要する時間と同じ時間をもって画素群における各画素のセンサ信号をメモリ群に転送させるようにしたことを特徴とする請求項１の記載によるイメージセンサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003185794A JP2004357261A (ja) | 2003-05-26 | 2003-05-26 | イメージセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003185794A JP2004357261A (ja) | 2003-05-26 | 2003-05-26 | イメージセンサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004357261A true JP2004357261A (ja) | 2004-12-16 |
Family
ID=34055363
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003185794A Pending JP2004357261A (ja) | 2003-05-26 | 2003-05-26 | イメージセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004357261A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009212549A (ja) * | 2008-02-29 | 2009-09-17 | Toyo Inspections Kk | 撮像装置 |
| JP2009223201A (ja) * | 2008-03-18 | 2009-10-01 | Nippon Hoso Kyokai <Nhk> | 立体撮像装置および立体表示装置 |
| US8298853B2 (en) | 2010-08-10 | 2012-10-30 | International Business Machines Corporation | CMOS pixel sensor cells with poly spacer transfer gates and methods of manufacture |
| JP2014195112A (ja) * | 2005-06-02 | 2014-10-09 | Sony Corp | 半導体イメージセンサ・モジュール及びその製造方法 |
| US9673249B2 (en) | 2005-03-07 | 2017-06-06 | Sony Corporation | Solid-state image pickup device, electronic apparatus using such solid-state image pickup device and method of manufacturing solid-state image pickup device |
-
2003
- 2003-05-26 JP JP2003185794A patent/JP2004357261A/ja active Pending
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9673249B2 (en) | 2005-03-07 | 2017-06-06 | Sony Corporation | Solid-state image pickup device, electronic apparatus using such solid-state image pickup device and method of manufacturing solid-state image pickup device |
| JP2014195112A (ja) * | 2005-06-02 | 2014-10-09 | Sony Corp | 半導体イメージセンサ・モジュール及びその製造方法 |
| US9955097B2 (en) | 2005-06-02 | 2018-04-24 | Sony Corporation | Semiconductor image sensor module and method of manufacturing the same |
| US10129497B2 (en) | 2005-06-02 | 2018-11-13 | Sony Corporation | Semiconductor image sensor module and method of manufacturing the same |
| US10594972B2 (en) | 2005-06-02 | 2020-03-17 | Sony Corporation | Semiconductor image sensor module and method of manufacturing the same |
| US10645324B2 (en) | 2005-06-02 | 2020-05-05 | Sony Corporation | Semiconductor image sensor module and method of manufacturing the same |
| US11228728B2 (en) | 2005-06-02 | 2022-01-18 | Sony Group Corporation | Semiconductor image sensor module and method of manufacturing the same |
| US11722800B2 (en) | 2005-06-02 | 2023-08-08 | Sony Group Corporation | Semiconductor image sensor module and method of manufacturing the same |
| JP2009212549A (ja) * | 2008-02-29 | 2009-09-17 | Toyo Inspections Kk | 撮像装置 |
| JP2009223201A (ja) * | 2008-03-18 | 2009-10-01 | Nippon Hoso Kyokai <Nhk> | 立体撮像装置および立体表示装置 |
| US8298853B2 (en) | 2010-08-10 | 2012-10-30 | International Business Machines Corporation | CMOS pixel sensor cells with poly spacer transfer gates and methods of manufacture |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8964077B2 (en) | Solid-state imaging device, method for driving the same, and imaging device | |
| AU713290B2 (en) | Local autoadaptive optical sensor | |
| TWI386046B (zh) | 固態成像器件、驅動其之方法、用於其之信號處理方法以及成像裝置 | |
| CN108886049B (zh) | 成像装置、驱动方法和电子设备 | |
| US9432602B2 (en) | Solid-state imaging device, driving method, and electronic device | |
| US20060103749A1 (en) | Image sensor and pixel that has switchable capacitance at the floating node | |
| US7675015B2 (en) | CMOS image sensor with boosted voltage signal and related method of operation | |
| US6157016A (en) | Fast CMOS active-pixel sensor array readout circuit with predischarge circuit | |
| US6049357A (en) | Image pickup apparatus including signal accumulating cells | |
| US8547452B2 (en) | Image processing apparatus, image processing method, and image processing program | |
| JP2000059688A (ja) | 光電変換装置 | |
| JP2002204398A (ja) | イメージセンサ | |
| JP2003046864A (ja) | 固体撮像装置およびその駆動方法 | |
| JP2006148328A (ja) | 固体撮像装置 | |
| WO2007078960A2 (en) | Image sensor array with ferroelectric element and method therefor | |
| JP2004357261A (ja) | イメージセンサ | |
| JP2006217421A (ja) | 固体撮像装置 | |
| JP3882129B2 (ja) | イメージセンサの出力補正装置 | |
| US7474346B2 (en) | Image processing device and method for reading image signal from a matrix type solid state image-pickup element | |
| JP3782327B2 (ja) | 固体撮像装置およびその駆動方法 | |
| US7324146B2 (en) | Image processing device, image processing method and solid-state image-pickup device | |
| JP4019250B2 (ja) | フォトセンサシステム及びフォトセンサシステムにおけるフォトセンサの駆動制御方法 | |
| US20040183933A1 (en) | Image-processing device and processing method thereof | |
| US7080785B2 (en) | Image-processing device, image-processing method and solid-state image-pickup device | |
| JP2011061523A (ja) | Ｍｏｓ型イメージセンサ、ｍｏｓ型イメージセンサの駆動方法、撮像装置、撮像方法 |