JP3937716B2 - 固体撮像装置及び撮像システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像装置及び撮像システムに係わり、特にフレームトランファ型ＣＣＤの、複数の光電変換素部と該光電変換部の信号電荷を蓄積転送する蓄積部とを備えた固体撮像装置、あるいはインタライン型ＣＣＤの、複数の光電変換部と垂直ＣＣＤと該光電変換部の信号電荷を該垂直ＣＣＤに転送するトランスファゲートとを備えた固体撮像装置及び撮像システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像素子の従来例としては主にＣＣＤ型とＣＭＯＳ型がある。ＣＣＤ型にはインタライン型ＣＣＤ（ＩＬ−ＣＣＤ）、フレームトランスファ型ＣＣＤ（ＦＴ−ＣＣＤ）などがある。
【０００３】
インタライン型ＣＣＤは、複数の光電変換部と、垂直ＣＣＤと、光電変換部の信号電荷を垂直ＣＣＤに転送するトランスファゲートと、垂直ＣＣＤからの電荷を水平転送する水平ＣＣＤと、フローティングディフュージョンアンプ（ＦＤ−Ａｍｐ）とからなる。またフレームトランスファ型ＣＣＤは、光電変換部と、この光電変換部の電荷が転送（フレームシフト）される蓄積部と、この蓄積部からの電荷を水平転送する水平転送部と、フローティングディフュージョンアンプ（ＦＤ−Ａｍｐ）とからなる。以下、ＣＣＤ型固体撮像素子の代表例として図１１にＩＬ−ＣＣＤを示す。
【０００４】
図１１に示すように、ＩＬ−ＣＣＤは光電変換部（ＰＤ）７０と光電変換部７０からの電荷を一時的に蓄える垂直ＣＣＤ（Ｖ−ＣＣＤ）７１、垂直ＣＣＤ７１からの電荷を受けて水平方向に電荷転送する水平ＣＣＤ（Ｈ−ＣＣＤ）７２、水平ＣＣＤ７２からの電荷を電圧に変換する、出力アンプとなるフローティングディフュージョンアンプ（ＦＤ−Ａｍｐ）７３から構成されている。
【０００５】
ＣＣＤは出力段のＦＤ−Ａｍｐまで信号電荷を完全転送させるので、低ノイズであり、かつ画素構造が簡単であることから画素サイズを小さく構成できる特徴がある。しかし、デジタルカメラ用センサの画素数は高画質化のために数百万画素になり、又ＨＤ用カメラでは高速駆動が必須となった現在、水平ＣＣＤのドライブ回路は高消費電力（〜ＣｆＶ2 ）であり、またＦＤ−Ａｍｐのリセットノイズを低減するためのＣＤＳ回路はｎｓｅｃ単位のサンプリング精度が必要となり、量産性上及び使用条件（温度、電圧変動）の範囲が広いことによりサンプリング精度が保証できないことから低ノイズとは言えなくなりつつある。
【０００６】
一方、ＣＭＯＳセンサは、図１２に示すがごとく、画素部８０は光電変換部ＰＤと画素アンプ等となるＭＯＳトランジスタからなり、この画素群はランダムアクセスが可能な垂直走査回路８１及び水平走査回路８５から選択、駆動されるため機能上有利である。また、画素部８０の電荷は画素アンプで電荷電圧変換後、垂直信号線８２を介してクランプ回路８３に出力され、クランプ回路８３により画素部アンプのノイズを除去し、水平信号線８４へ出力される。そして、その信号は水平走査回路８５により順次水平信号線８４からアンプ（Ａｍｐ）８６を介して出力される。このように、ＣＭＯＳセンサは、ＣＣＤの様な電荷転送ではなく、水平走査回路８５により画素信号毎に順次選択して出力するため低消費電力という特徴がある。しかし画素部を構成する素子数が多いため画素サイズをシュリンク化するのは困難である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、ＣＣＤは高画素数化に有利ではあるが、高速駆動、消費電力が不利であり、ＣＭＯＳセンサは逆に高画素数化に不利ではあるが、高速駆動、消費電力に有利である。
【０００８】
（本発明の目的）
本発明の目的は高画素数化に適し、かつ高機能、低消費電力、高速駆動が可能な固体撮像装置とそれを用いた撮像システムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像装置は、２次元状に配列された複数の光電変換部と、垂直ＣＣＤと、該光電変換部の信号電荷をフローティングディフュージョンアンプのゲートに転送するトランスファゲートとを備えたインタライン型ＣＣＤ構成部と、該フローティングディフュージョンアンプの出力電流を電圧として保存し、該保存された電圧を電流に変換し、出力する電流源用トランジスタと、前記電流源用トランジスタの出力電流と、前記フローティングディフュージョンアンプからの出力電流との差分を検出するコンパレータと、該コンパレータからの出力をカウントするカウンターと、該カウンターから出力される電圧を前記フローティングディフュージョンのソース端子に出力するＤＡ変換器と、を備えた複数の電荷検出手段と、前記カウンターから出力される信号を順次読み出すための走査手段と、を同一半導体チップ上に形成した固体撮像装置である。
【００１１】
また本発明の固体撮像装置は、２次元状に配列された光電変換部と、
前記２次元状に配列された光電変換部からの信号電荷を転送する電荷転送部と、
前記電荷転送部からの信号電荷を電圧変換する複数の電荷検出手段と、
前記複数の電荷検出手段からの信号が読み出される共通信号線と、
前記複数の電荷検出手段からの信号を前記共通出力線に転送するための複数の転送用トランジスタと、
前記複数の転送用トランジスタを制御することによって、前記複数の電荷検出手段からの信号を順次前記共通信号線に読み出すための走査手段と、
を同一半導体チップ上に形成したことを特徴とする固体撮像装置である。
【００１２】
また本発明の固体撮像装置は、２次元状に配列された光電変換部と、
前記２次元状に配列された光電変換部からの信号電荷を転送する電荷転送部と、
前記電荷転送部からの信号電荷を電圧変換する複数の電荷検出手段と、
前記複数の電荷検出手段からの信号を処理する複数の信号処理手段と、
前記複数の信号処理手段からの信号が読み出される共通信号線と、
前記複数の信号処理手段からの信号を前記共通出力線に転送するための複数の転送用トランジスタと、
前記複数の転送用トランジスタを制御することによって、前記複数の信号処理手段からの信号を順次前記共通信号線に読み出すための走査手段と、
を同一半導体チップ上に形成したことを特徴とする固体撮像装置である。
【００１３】
本発明の撮像システムは上記本発明の固体撮像装置を用いたものである。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。ここでは、インタライン型ＣＣＤ（ＩＬ−ＣＣＤ）の構成を用いた場合について説明する。なお、フレームトランスファ型ＣＣＤの構成にも本発明を適用できることは勿論である。その場合には、蓄積部からの電荷が電荷検出回路に出力される。
【００１５】
本発明の固体撮像装置の一実施例の概略的構成図を図１に示す。被写体光は光電変換部となるフォトダイオード（ＰＤ）１で光電変換される。なお、フォトダイオード１は行列状に、画素Ｐ11，Ｐ12，Ｐ13，…、Ｐ21，Ｐ22，Ｐ23，…、Ｐ31，Ｐ32，Ｐ33，…、…として配置される。フォトダイオード１で光電変換された電荷はトランスファゲートを経て垂直ＣＣＤ２へ転送される。垂直ＣＣＤ２へ転送された電荷は１水平期間毎に一括して電荷検出手段となる電荷検出回路３へ転送され電圧へ変換される。なお、インタライン型ＣＣＤ構成部は、フォトダイオード１、垂直ＣＣＤ２から構成され、図１１に示した従来のインタライン型ＣＣＤと異なり、垂直ＣＣＤからの信号電荷は（水平ＣＣＤではなく）電荷検出回路３へ転送される。
【００１６】
信号電圧は走査手段となる水平走査回路４からのパルスにより水平信号線５へ出力され、出力アンプ６を経て、不図示の後段の画像信号処理回路へ導かれる。
【００１７】
なお、電荷検出回路３からの出力信号を直接読み出してもよいが、電荷検出回路３の出力側に、ノイズ除去、ＡＤ変換等の信号処理を行う信号処理手段をさらに設けて水平走査回路４により出力することもできる。
【００１８】
なお、図１の固体撮像装置は、同一半導体チップ上に形成されている。
【００１９】
図２は図１の電荷検出回路及び信号処理手段の概略的構成図である。電荷検出回路は垂直ＣＣＤからの信号電荷がゲートに転送される電荷検出アンプ（ＦＤ−Ａｍｐ；フローティングディフュージョンアンプ）、電荷検出アンプのゲートをリセットするリセットトランジスタＴＲから構成される。信号処理手段はノイズを除去するためのクランプコンデンサＣｐ、トランジスタＴＰ、ノイズを除去した信号を蓄積する蓄積容量ＣS1，ＣS2、クランプコンデンサＣｐと蓄積容量ＣS1，ＣS2とを接続するための転送用トランジスタＴS1，ＴS2、蓄積容量ＣS1，ＣS2からの信号を水平信号線５1，５2に出力するトランジスタＴC1，ＴC2から構成される。１００は電荷検出・信号処理回路ブロックを示す。
【００２０】
垂直ＣＣＤ２は駆動パルスφＶｎ により１水平期間毎にトランスファーゲートＴＧを介して電荷検出アンプ（ＦＤ−Ａｍｐ；フローティングディフュージョンアンプ）へ電荷転送する。電荷検出アンプ（ＦＤ−Ａｍｐ）ではゲート部の残留電圧（電荷）を除去するためのリセットトランジスタＴＲと寄生容量によりリセットノイズが発生する。また電荷検出アンプ（ＦＤ−Ａｍｐ）毎のオフセット電圧のバラツキもある。これらのノイズを除去するため、垂直ＣＣＤ２の電荷を電荷検出アンプ（ＦＤ−Ａｍｐ）へ転送する前にクランプコンデンサＣｐでノイズをクランプする。
【００２１】
このクランプ後、トランスファゲートＴＧをＯＮすることにより垂直ＣＣＤ２の電荷（画素Ｐ11，Ｐ12，Ｐ13，…からの信号電荷）は電荷検出アンプ（ＦＤ−Ａｍｐ）のゲート部へ転送され、その寄生容量により電圧変換される。電荷検出アンプの出力信号電圧には、先に述べたリセットノイズとオフセット電圧が重畳されるが、クランプコンデンサＣｐにはノイズ成分がクランプされているため、クランプコンデンサＣｐの出力端では該ノイズが結果的に除去され、信号電圧のみが蓄積容量ＣS1にメモリされる。
【００２２】
同様な動作により次の垂直ＣＣＤ２の電荷（画素Ｐ21，Ｐ22，Ｐ23，…からの信号電荷）は電圧変換され、ノイズ除去後蓄積容量ＣS2にメモリされる。蓄積容量ＣS1，ＣS2にメモリされた２行分の画素信号Ｓ01，Ｓ02は水平走査回路４からの走査パルスにより順次水平信号線５1，５2に転送される。
【００２３】
図３は図２の電荷検出回路及び信号処理手段の動作タイミング図である。
【００２４】
図３に示すように、まずＴ1 期間に駆動パルスφＶｎがＨレベルとなって、トランスファゲートＴＧの入力段の垂直ＣＣＤ２に電荷が転送される。Ｔ2 期間になると電荷検出アンプ（ＦＤ−Ａｍｐ）の電源電圧ＶCCが印加され、信号φC がＨレベルとなって電荷検出アンプ（ＦＤ−Ａｍｐ）のゲートがリセットされ、また信号φｐがＨレベルとなってトランジスタＴｐがＯＮし、クランプコンデンサＣｐの出力端が基準電圧にクランプされるとともに、信号φS1，φS2がＨレベルとなって、蓄積容量ＣS1，ＣS2の残留電荷がリセットされる。ここで、リセットノイズとオフセット電圧成分がクランプコンデンサＣｐにクランプされる。
【００２５】
次にＴ3 期間に、信号φTがＨレベルとなって、トランスファゲートＴＧがＯＮされ、電荷検出アンプのゲート部に信号電荷が転送される。電荷検出アンプの出力信号電圧には、先に述べたリセットノイズとオフセット電圧が重畳されるが、クランプコンデンサＣｐの出力端ではノイズが結果的に除去され、信号φS1がＨレベルとなり、ノイズが除去されたＶ1 行の画素信号が蓄積容量ＣS1にメモリされる。
【００２６】
次にＴ4 ，Ｔ5 期間に、Ｔ2 ，Ｔ3 期間と同様な動作により、垂直ＣＣＤ２の電荷が次のセルへ転送され、電荷検出アンプ（ＦＤ−Ａｍｐ）の電源電圧ＶCCが印加された状態で、信号φC がＨレベルとなって電荷検出アンプ（ＦＤ−Ａｍｐ）のゲートがリセットされ、信号φｐがＨレベルとなってクランプコンデンサＣｐの出力端が基準電圧にクランプされる。そして、信号φTがＨレベル、信号φS2がＨレベルとなり、ノイズが除去されたＶ2 行の画素信号が蓄積容量ＣS2にメモリされる。
【００２７】
Ｔ5 期間終了後、電荷検出アンプの電源電圧ＶCCはＯＦＦとなり、消費電力の消耗を防ぐ。
【００２８】
上述の様に電荷検出アンプは１水平走査期間という低速動作であるため、周波数帯域幅は狭いのでアンプのノイズ発生は、一般のＣＣＤの出力アンプよりも非常に小さい。また低周波駆動であるのでノイズ除去動作（ＣＤＳ）、即ちクランプ動作に問題は発生しない。ＦＤ−Ａｍｐのリセット動作と垂直ＣＣＤからの電荷転送はＦＤ−Ａｍｐの１／ｆノイズの低減効果を大きくするには短かい方が望ましい。
【００２９】
蓄積容量ＣS1，ＣS2にメモリされた信号は、次のＴ6 期間に水平走査回路４からの走査パルスφＨｍｎ（φＨ01，φＨ02，φＨ03，…）により順次出力される。即ち画素信号毎に選択されて出力されるため、水平走査回路の消費電力は小さい。また２行分の画素信号を同時出力出来るので結果的に高速駆動が可能となる。さらに高速駆動が必要であれば、メモリ（蓄積容量）を増やしさらに多線出力にすれば良い。
【００３０】
本発明の固体撮像装置の他の実施例を図４に示す。図４において、図２と同じ電荷検出・信号処理回路ブロック１００内の回路は省略した。
【００３１】
本実施例は複数の垂直ＣＣＤ２の電荷を共通の電荷検出アンプを順次利用して出力する場合である。信号φT1，φT2を順次Ｈレベルとして、トランスファゲートＴG1、ＴG2をＯＮし、２列の垂直ＣＣＤから電荷検出アンプのゲート部への電荷転送制御を順次に行うことにより、２列分の画素信号を蓄積容量ＣS1,ＣS2にメモリし出力する。本実施例では２画素分の幅に電荷検出回路、信号処理手段を設けることが出来るのでその分チップ面積を小さく出来る。
【００３２】
信号処理手段にはプログラマブルゲインアンプ、アナログ−デジタル変換回路、カラーセンサの場合はホワイトバランス回路等設けることが可能である。
【００３３】
ランダムアクセス駆動の実施例の説明図を図５に示す。図５（Ａ）は撮像画面のイメージ図である。撮像領域Ａの画像を読み出すタイミング例が図５（Ｂ）である。
【００３４】
撮像領域Ａと撮像領域Ｂとで撮像領域を構成する。従来例では垂直走査、水平走査の全期間ほぼ同じ周波数で駆動される。本来は読出したい撮像領域Ａだけを読出せば高速駆動が可能となる。従来のＣＣＤでは、読出したい撮像領域Ａを高速で読み出すのは困難であった。本発明の実施例では、垂直方向の不要撮像期間ＶA （ＶC ）は垂直ＣＣＤを高速駆動して不要電荷を電荷検出アンプのリセットトランジスタＴＲで除去する。次に水平方向の不要撮像期間ＨA （ＨC ）は水平走査回路のランダムアクセスによりＨB期間だけ信号を出力するように走査する。その結果、撮像領域Ａの画像信号のみを読み出すことが出来るので、高速化を達成でき、また不要撮像領域を駆動しないので低消費電力となる。
【００３５】
さらにランダムアクセスを発展させるには、画素行の選択が可能なＣＣＤにより実現できる。その公知例としてテレビジョン学会技術ＴＥＢＳ １０１−６ ＥＤ８４１に開示された素子がある。この公知例はCharge Sweep Deviceと呼ばれ、画素行の選択は垂直ＴＧ−ＳＣＡＮＮＥＲで駆動される。この様なCharge Sweep Deviceと本発明による電荷検出アンプ、信号処理回路とを組み合わせれば、本発明の効果を期待できる。
【００３６】
図６は電荷検出回路とアナログデジタル変換回路部を有する場合の等価回路ブロック図である。ＤＡ変換器にはランプ状基準電圧の範囲を切換えるＤＡ出力レンジ切換情報が入力される。
【００３７】
図６において、２は垂直ＣＣＤ、４２は垂直ＣＣＤ２の信号電荷をＦＤ−Ａｍｐ（フローティングディフュージョンアンプ）４３のゲートに転送する転送制御スイッチとなるトランスファーゲート、４４は選択トランジスタ、４５はリセットトランジスタ、４６はＦＤ−Ａｍｐ４３の出力電流をスイッチ４７と保存用コンデンサー４８によって電圧として保存し、その電圧を電流に変換しながら出力する電流源用トランジスタ、５１は電流源トランジスタ４６の出力電流と、選択トランジスタ４４を介して出力されるＦＤ−Ａｍｐ４３の出力電流との差分を検出するコンパレータ、５０はコンパレーター５１の出力をカウントするカウンター、４９はカウンター５０から出力されるデジタル信号により電圧をＦＤ−Ａｍｐ４３のソース（主電極）端子へ出力するＤＡ変換器である。ＤＡ変換器４９にはＤＡ出力レンジ切換情報が入力され、ＤＡ変換器から出力されるランプ状基準電圧の範囲を切換えて、画素信号がＡＤ入力電圧範囲の最適値になるよう制御される。
【００３８】
上記の構成で、例としてＦＤ−Ａｍｐがリセットされた後、垂直ＣＣＤからの信号電荷による信号電圧を得る方法を図７のタイミングチャートを交えて説明する。ここで図６の各トランジスタ４２，４３，４４，４５はＰＭＯＳトランジスタとして、トランジスタ４６はＮＭＯＳトランジスタとして以降説明する。ＤＡ変換器４９はある高電位（ＶHD）を出力するように設定する。カウンター５０はリセットされ、カウント動作はしていないものとする。信号φCを“Ｌ”レベルとして（パルス２０１）リセットトランジスタ４５をＯＮさせ、ＦＤ−Ａｍｐ４３のゲート端子を所定の電位にリセットする。その時、同時に信号φXを“Ｌ”レベル（パルス２０２）にして選択トランジスタ４４をＯＮさせ、またスイッチ４７もＯＮさせる。ＦＤ−Ａｍｐ４３のリセット時の出力電流は、トランジスタ４６がゲート−ドレインが短絡することで発生するゲート電圧の形で保存用コンデンサ４８に保存される（比較基準電圧が保存される。）。その後、トランジスタ４５，４４、スイッチ４７はＯＦＦし、垂直ＣＣＤからの信号電荷を、信号φT を“Ｌ”レベルにする（パルス２０３）ことでトランスファゲート４２がＯＮしＦＤ−Ａｍｐ４３のゲート端子に転送する。この時のゲート電位はリセット時よりも低い電圧であったとするとＦＤ−Ａｍｐ４３の出力電流はそれに応じてリセット時よりも大きい値となる。一方、トランジスタ４６は保存用コンデンサ４８の電圧を受け、ＦＤ−Ａｍｐ４３がリセットされた時の電流を出力している。信号φX を“Ｌ”レベルにし（パルス２０４）再びトランジスタ４４をＯＮさせるとコンパレーター５１の入力電位はある高電位（ＶH ）に上昇する。この後カウンター５０を動作し、そのデジタル出力を増幅させ、それを受けるＤＡ変換器４９の出力電圧は徐々に減少（ＤＡ変換器４９はデジタル入力信号に対し負極性のアナログ出力電圧を発生すると仮定する。）する。ある時点で、ＦＤ−Ａｍｐ４３の出力電流とトランジスタ４６の出力電流が等しくなり、コンパレーター５１の入力電圧は急速に減少するので、その変化を検出し、カウンター５０のカウント動作を停止させる。
【００３９】
このカウンター５０のカウント開始から停止までに変化したデジタル値はＦＤ−Ａｍｐ４３のゲート電位の、リセットされた時の電位と信号電荷が転送された時の電位の差分に等しい値となる。このようにして差分に対応するＡＤ変換が行われたことになる。
【００４０】
図８は垂直ＣＣＤと電荷検出回路、ＡＤ変換回路との接続を示す概略的回路構成図である。図８において図６に示した構成部材と同一構成部材については図６と同一符号を付する。
【００４１】
垂直ＣＣＤ２からの各信号電荷は、ＦＤ−Ａｍｐ４３のゲートに入力され、カウンタ５０によりデジタルデータに変換され、データセレクタ５２で順次選択され、ＡＤ変換データとして出力される。
【００４２】
図９に本発明の固体撮像装置の構造図を示す。図９（Ａ）はインタライン型ＣＣＤ構成部となる、光電変換部、垂直ＣＣＤ、チャネルストップの構成を示すための断面図である。図９（Ｂ）は信号処理手段の一部であるインバータ部の構成を示すための断面図である。
【００４３】
図９（Ａ）に示すように、単位画素は光電変換部であるＰＤ領域、電荷を転送するトランスファゲート領域、垂直ＣＣＤ領域、チャネルストップ領域から構成されている。これらはｎ型基板６０上に構成されたｐウェル６５内に形成され、ＰＤ領域では表面のｐ+ 層６７により暗電流を低減する構造となっている。垂直ＣＣＤ領域ではｎ層６９の下にｐ層６８を設け転送電荷量のアップとスミアを減少させる。トランスファゲート領域ではＰＤから垂直ＣＣＤへの光電荷を転送するための制御を行う。６１はＰＤ領域に光を集めるマイクロレンズ、６２は遮光層、６３はポリシリコンからなるゲート電極、６４はＳｉＯ2層である。
【００４４】
図９（Ｂ）に示すように、信号処理回路の一部であるインバータ部はｎ型基板６０上にｐウエルとｎウエルを形成してｎ−ＭＯＳトランジスタとｐ−ＭＯＳトランジスタを設けている。
【００４５】
ＣＣＤ部と信号処理回路部のウエル分離は電荷検出部から行うことが望ましい。信号処理回路部からは信号の高速転送やロジック回路からのパルスノイズが発生するためである。このノイズの発生源からＣＣＤ部にノイズが伝搬しないようにウエルで分離する。用途によっては電荷検出部はＣＣＤウエル内であっても良い。基本的に電荷検出部は１水平期間毎に信号電荷を電圧変換する機能なので、低速動作であり、この場合ノイズ発生は少ないことによる。図１３はインバータ部をdeep wellで分離した構造である。完全にセンサー部と分離する事により、インバータ部のノイズを遮断する効果が高くなる。
【００４６】
図１０に基づいて、本発明の固体撮像装置をスチルカメラに適用した場合の一実施例について詳述する。図１０は、本発明の固体撮像装置を「スチルビデオカメラ」に適用した場合を示すブロック図である。
【００４７】
図１０において、１１１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、１１２は被写体の光学像を固体撮像素子４に結像させるレンズ、１１３はレンズ１１２を通った光量を可変するための絞り、１１４はレンズ１１２で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子、１１５は撮像信号処理回路、１１６は撮像信号処理回路１１５より出力される画像信号のアナログーデジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器、１１７はＡ／Ｄ変換器１１６より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、１１８は固体撮像素子１１４、撮像信号処理回路１１５、Ａ／Ｄ変換器１１６、信号処理部１１７に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、１１９は各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部、１２０は画像データを一時的に記憶する為のメモリ部、１２１は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部、１２２は画像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、１２３は外部コンピュータ等と通信する為のインターフェース部である。
【００４８】
次に、前述の構成における撮影時のスチルビデオカメラの動作について説明する。バリア１１１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、更にＡ／Ｄ変換器１１６などの撮像系回路の電源がオンされる。それから、露光量を制御する為に、全体制御・演算部１１９は絞り１１３を開放にし、固体撮像素子１１４から出力された信号はＡ／Ｄ変換器１１６で変換された後、信号処理部１１７に入力される。そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部１１９で行う。この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部１１９は絞りを制御する。
【００４９】
次に、固体撮像素子１１４から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部１１９で行う。その後、レンズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は、再びレンズを駆動し測距を行う。そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。
【００５０】
露光が終了すると、固体撮像素子１１４から出力された画像信号はＡ／Ｄ変換器１１６でＡ／Ｄ変換され、信号処理部１１７を通り全体制御・演算部１１９によりメモリ部に書き込まれる。
【００５１】
その後、メモリ部１２０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部１１９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部１２１を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１２２に記録される。また、外部Ｉ／Ｆ部１２３を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
【００５２】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、高感度、高速駆動、低消費電力、多機能な固体撮層装置とその撮像システムを提供出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体撮像装置の一実施例を示す概略的構成図である。
【図２】図１の電荷検出回路及び信号処理手段の概略的構成図である。
【図３】図２の電荷検出回路及び信号処理手段の動作タイミング図である。
【図４】本発明の固体撮像装置の他の実施例を示す構成図である。
【図５】ランダムアクセス駆動の実施例の説明図である。
【図６】電荷検出回路とアナログデジタル変換回路部を有する場合の等価回路ブロック図である。
【図７】図６の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図８】垂直ＣＣＤと電荷検出回路、ＡＤ変換回路との接続を示す概略的回路構成図である。
【図９】固体撮像装置の構造の一例を示す構成図である。
【図１０】本発明の固体撮像装置を「スチルビデオカメラ」に適用した場合を示すブロック図である。
【図１１】ＩＬ−ＣＣＤの概略的構成図である。
【図１２】ＣＭＯＳセンサの概略的構成図である。
【図１３】インバータ部をdeep wellで分離した構造図である。
【符号の説明】
１ フォトダイオード（ＰＤ）
２ 垂直ＣＣＤ
３ 電荷検出回路
４ 水平走査回路
５ 水平信号線
６ 出力アンプ
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像装置及び撮像システムに係わり、特にフレームトランファ型ＣＣＤの、複数の光電変換素部と該光電変換部の信号電荷を蓄積転送する蓄積部とを備えた固体撮像装置、あるいはインタライン型ＣＣＤの、複数の光電変換部と垂直ＣＣＤと該光電変換部の信号電荷を該垂直ＣＣＤに転送するトランスファゲートとを備えた固体撮像装置及び撮像システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像素子の従来例としては主にＣＣＤ型とＣＭＯＳ型がある。ＣＣＤ型にはインタライン型ＣＣＤ（ＩＬ−ＣＣＤ）、フレームトランスファ型ＣＣＤ（ＦＴ−ＣＣＤ）などがある。
【０００３】
インタライン型ＣＣＤは、複数の光電変換部と、垂直ＣＣＤと、光電変換部の信号電荷を垂直ＣＣＤに転送するトランスファゲートと、垂直ＣＣＤからの電荷を水平転送する水平ＣＣＤと、フローティングディフュージョンアンプ（ＦＤ−Ａｍｐ）とからなる。またフレームトランスファ型ＣＣＤは、光電変換部と、この光電変換部の電荷が転送（フレームシフト）される蓄積部と、この蓄積部からの電荷を水平転送する水平転送部と、フローティングディフュージョンアンプ（ＦＤ−Ａｍｐ）とからなる。以下、ＣＣＤ型固体撮像素子の代表例として図１１にＩＬ−ＣＣＤを示す。
【０００４】
図１１に示すように、ＩＬ−ＣＣＤは光電変換部（ＰＤ）７０と光電変換部７０からの電荷を一時的に蓄える垂直ＣＣＤ（Ｖ−ＣＣＤ）７１、垂直ＣＣＤ７１からの電荷を受けて水平方向に電荷転送する水平ＣＣＤ（Ｈ−ＣＣＤ）７２、水平ＣＣＤ７２からの電荷を電圧に変換する、出力アンプとなるフローティングディフュージョンアンプ（ＦＤ−Ａｍｐ）７３から構成されている。
【０００５】
ＣＣＤは出力段のＦＤ−Ａｍｐまで信号電荷を完全転送させるので、低ノイズであり、かつ画素構造が簡単であることから画素サイズを小さく構成できる特徴がある。しかし、デジタルカメラ用センサの画素数は高画質化のために数百万画素になり、又ＨＤ用カメラでは高速駆動が必須となった現在、水平ＣＣＤのドライブ回路は高消費電力（〜ＣｆＶ2 ）であり、またＦＤ−Ａｍｐのリセットノイズを低減するためのＣＤＳ回路はｎｓｅｃ単位のサンプリング精度が必要となり、量産性上及び使用条件（温度、電圧変動）の範囲が広いことによりサンプリング精度が保証できないことから低ノイズとは言えなくなりつつある。
【０００６】
一方、ＣＭＯＳセンサは、図１２に示すがごとく、画素部８０は光電変換部ＰＤと画素アンプ等となるＭＯＳトランジスタからなり、この画素群はランダムアクセスが可能な垂直走査回路８１及び水平走査回路８５から選択、駆動されるため機能上有利である。また、画素部８０の電荷は画素アンプで電荷電圧変換後、垂直信号線８２を介してクランプ回路８３に出力され、クランプ回路８３により画素部アンプのノイズを除去し、水平信号線８４へ出力される。そして、その信号は水平走査回路８５により順次水平信号線８４からアンプ（Ａｍｐ）８６を介して出力される。このように、ＣＭＯＳセンサは、ＣＣＤの様な電荷転送ではなく、水平走査回路８５により画素信号毎に順次選択して出力するため低消費電力という特徴がある。しかし画素部を構成する素子数が多いため画素サイズをシュリンク化するのは困難である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、ＣＣＤは高画素数化に有利ではあるが、高速駆動、消費電力が不利であり、ＣＭＯＳセンサは逆に高画素数化に不利ではあるが、高速駆動、消費電力に有利である。
【０００８】
（本発明の目的）
本発明の目的は高画素数化に適し、かつ高機能、低消費電力、高速駆動が可能な固体撮像装置とそれを用いた撮像システムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像装置は、２次元状に配列された複数の光電変換部と、垂直ＣＣＤと、該光電変換部の信号電荷をフローティングディフュージョンアンプのゲートに転送するトランスファゲートとを備えたインタライン型ＣＣＤ構成部と、該フローティングディフュージョンアンプの出力電流を電圧として保存し、該保存された電圧を電流に変換し、出力する電流源用トランジスタと、前記電流源用トランジスタの出力電流と、前記フローティングディフュージョンアンプからの出力電流との差分を検出するコンパレータと、該コンパレータからの出力をカウントするカウンターと、該カウンターから出力される電圧を前記フローティングディフュージョンのソース端子に出力するＤＡ変換器と、を備えた複数の電荷検出手段と、前記カウンターから出力される信号を順次読み出すための走査手段と、を同一半導体チップ上に形成した固体撮像装置である。
【００１１】
また本発明の固体撮像装置は、２次元状に配列された光電変換部と、
前記２次元状に配列された光電変換部からの信号電荷を転送する電荷転送部と、
前記電荷転送部からの信号電荷を電圧変換する複数の電荷検出手段と、
前記複数の電荷検出手段からの信号が読み出される共通信号線と、
前記複数の電荷検出手段からの信号を前記共通出力線に転送するための複数の転送用トランジスタと、
前記複数の転送用トランジスタを制御することによって、前記複数の電荷検出手段からの信号を順次前記共通信号線に読み出すための走査手段と、
を同一半導体チップ上に形成したことを特徴とする固体撮像装置である。
【００１２】
また本発明の固体撮像装置は、２次元状に配列された光電変換部と、
前記２次元状に配列された光電変換部からの信号電荷を転送する電荷転送部と、
前記電荷転送部からの信号電荷を電圧変換する複数の電荷検出手段と、
前記複数の電荷検出手段からの信号を処理する複数の信号処理手段と、
前記複数の信号処理手段からの信号が読み出される共通信号線と、
前記複数の信号処理手段からの信号を前記共通出力線に転送するための複数の転送用トランジスタと、
前記複数の転送用トランジスタを制御することによって、前記複数の信号処理手段からの信号を順次前記共通信号線に読み出すための走査手段と、
を同一半導体チップ上に形成したことを特徴とする固体撮像装置である。
【００１３】
本発明の撮像システムは上記本発明の固体撮像装置を用いたものである。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。ここでは、インタライン型ＣＣＤ（ＩＬ−ＣＣＤ）の構成を用いた場合について説明する。なお、フレームトランスファ型ＣＣＤの構成にも本発明を適用できることは勿論である。その場合には、蓄積部からの電荷が電荷検出回路に出力される。
【００１５】
本発明の固体撮像装置の一実施例の概略的構成図を図１に示す。被写体光は光電変換部となるフォトダイオード（ＰＤ）１で光電変換される。なお、フォトダイオード１は行列状に、画素Ｐ11，Ｐ12，Ｐ13，…、Ｐ21，Ｐ22，Ｐ23，…、Ｐ31，Ｐ32，Ｐ33，…、…として配置される。フォトダイオード１で光電変換された電荷はトランスファゲートを経て垂直ＣＣＤ２へ転送される。垂直ＣＣＤ２へ転送された電荷は１水平期間毎に一括して電荷検出手段となる電荷検出回路３へ転送され電圧へ変換される。なお、インタライン型ＣＣＤ構成部は、フォトダイオード１、垂直ＣＣＤ２から構成され、図１１に示した従来のインタライン型ＣＣＤと異なり、垂直ＣＣＤからの信号電荷は（水平ＣＣＤではなく）電荷検出回路３へ転送される。
【００１６】
信号電圧は走査手段となる水平走査回路４からのパルスにより水平信号線５へ出力され、出力アンプ６を経て、不図示の後段の画像信号処理回路へ導かれる。
【００１７】
なお、電荷検出回路３からの出力信号を直接読み出してもよいが、電荷検出回路３の出力側に、ノイズ除去、ＡＤ変換等の信号処理を行う信号処理手段をさらに設けて水平走査回路４により出力することもできる。
【００１８】
なお、図１の固体撮像装置は、同一半導体チップ上に形成されている。
【００１９】
図２は図１の電荷検出回路及び信号処理手段の概略的構成図である。電荷検出回路は垂直ＣＣＤからの信号電荷がゲートに転送される電荷検出アンプ（ＦＤ−Ａｍｐ；フローティングディフュージョンアンプ）、電荷検出アンプのゲートをリセットするリセットトランジスタＴＲから構成される。信号処理手段はノイズを除去するためのクランプコンデンサＣｐ、トランジスタＴＰ、ノイズを除去した信号を蓄積する蓄積容量ＣS1，ＣS2、クランプコンデンサＣｐと蓄積容量ＣS1，ＣS2とを接続するための転送用トランジスタＴS1，ＴS2、蓄積容量ＣS1，ＣS2からの信号を水平信号線５1，５2に出力するトランジスタＴC1，ＴC2から構成される。１００は電荷検出・信号処理回路ブロックを示す。
【００２０】
垂直ＣＣＤ２は駆動パルスφＶｎ により１水平期間毎にトランスファーゲートＴＧを介して電荷検出アンプ（ＦＤ−Ａｍｐ；フローティングディフュージョンアンプ）へ電荷転送する。電荷検出アンプ（ＦＤ−Ａｍｐ）ではゲート部の残留電圧（電荷）を除去するためのリセットトランジスタＴＲと寄生容量によりリセットノイズが発生する。また電荷検出アンプ（ＦＤ−Ａｍｐ）毎のオフセット電圧のバラツキもある。これらのノイズを除去するため、垂直ＣＣＤ２の電荷を電荷検出アンプ（ＦＤ−Ａｍｐ）へ転送する前にクランプコンデンサＣｐでノイズをクランプする。
【００２１】
このクランプ後、トランスファゲートＴＧをＯＮすることにより垂直ＣＣＤ２の電荷（画素Ｐ11，Ｐ12，Ｐ13，…からの信号電荷）は電荷検出アンプ（ＦＤ−Ａｍｐ）のゲート部へ転送され、その寄生容量により電圧変換される。電荷検出アンプの出力信号電圧には、先に述べたリセットノイズとオフセット電圧が重畳されるが、クランプコンデンサＣｐにはノイズ成分がクランプされているため、クランプコンデンサＣｐの出力端では該ノイズが結果的に除去され、信号電圧のみが蓄積容量ＣS1にメモリされる。
【００２２】
同様な動作により次の垂直ＣＣＤ２の電荷（画素Ｐ21，Ｐ22，Ｐ23，…からの信号電荷）は電圧変換され、ノイズ除去後蓄積容量ＣS2にメモリされる。蓄積容量ＣS1，ＣS2にメモリされた２行分の画素信号Ｓ01，Ｓ02は水平走査回路４からの走査パルスにより順次水平信号線５1，５2に転送される。
【００２３】
図３は図２の電荷検出回路及び信号処理手段の動作タイミング図である。
【００２４】
図３に示すように、まずＴ1 期間に駆動パルスφＶｎがＨレベルとなって、トランスファゲートＴＧの入力段の垂直ＣＣＤ２に電荷が転送される。Ｔ2 期間になると電荷検出アンプ（ＦＤ−Ａｍｐ）の電源電圧ＶCCが印加され、信号φC がＨレベルとなって電荷検出アンプ（ＦＤ−Ａｍｐ）のゲートがリセットされ、また信号φｐがＨレベルとなってトランジスタＴｐがＯＮし、クランプコンデンサＣｐの出力端が基準電圧にクランプされるとともに、信号φS1，φS2がＨレベルとなって、蓄積容量ＣS1，ＣS2の残留電荷がリセットされる。ここで、リセットノイズとオフセット電圧成分がクランプコンデンサＣｐにクランプされる。
【００２５】
次にＴ3 期間に、信号φTがＨレベルとなって、トランスファゲートＴＧがＯＮされ、電荷検出アンプのゲート部に信号電荷が転送される。電荷検出アンプの出力信号電圧には、先に述べたリセットノイズとオフセット電圧が重畳されるが、クランプコンデンサＣｐの出力端ではノイズが結果的に除去され、信号φS1がＨレベルとなり、ノイズが除去されたＶ1 行の画素信号が蓄積容量ＣS1にメモリされる。
【００２６】
次にＴ4 ，Ｔ5 期間に、Ｔ2 ，Ｔ3 期間と同様な動作により、垂直ＣＣＤ２の電荷が次のセルへ転送され、電荷検出アンプ（ＦＤ−Ａｍｐ）の電源電圧ＶCCが印加された状態で、信号φC がＨレベルとなって電荷検出アンプ（ＦＤ−Ａｍｐ）のゲートがリセットされ、信号φｐがＨレベルとなってクランプコンデンサＣｐの出力端が基準電圧にクランプされる。そして、信号φTがＨレベル、信号φS2がＨレベルとなり、ノイズが除去されたＶ2 行の画素信号が蓄積容量ＣS2にメモリされる。
【００２７】
Ｔ5 期間終了後、電荷検出アンプの電源電圧ＶCCはＯＦＦとなり、消費電力の消耗を防ぐ。
【００２８】
上述の様に電荷検出アンプは１水平走査期間という低速動作であるため、周波数帯域幅は狭いのでアンプのノイズ発生は、一般のＣＣＤの出力アンプよりも非常に小さい。また低周波駆動であるのでノイズ除去動作（ＣＤＳ）、即ちクランプ動作に問題は発生しない。ＦＤ−Ａｍｐのリセット動作と垂直ＣＣＤからの電荷転送はＦＤ−Ａｍｐの１／ｆノイズの低減効果を大きくするには短かい方が望ましい。
【００２９】
蓄積容量ＣS1，ＣS2にメモリされた信号は、次のＴ6 期間に水平走査回路４からの走査パルスφＨｍｎ（φＨ01，φＨ02，φＨ03，…）により順次出力される。即ち画素信号毎に選択されて出力されるため、水平走査回路の消費電力は小さい。また２行分の画素信号を同時出力出来るので結果的に高速駆動が可能となる。さらに高速駆動が必要であれば、メモリ（蓄積容量）を増やしさらに多線出力にすれば良い。
【００３０】
本発明の固体撮像装置の他の実施例を図４に示す。図４において、図２と同じ電荷検出・信号処理回路ブロック１００内の回路は省略した。
【００３１】
本実施例は複数の垂直ＣＣＤ２の電荷を共通の電荷検出アンプを順次利用して出力する場合である。信号φT1，φT2を順次Ｈレベルとして、トランスファゲートＴG1、ＴG2をＯＮし、２列の垂直ＣＣＤから電荷検出アンプのゲート部への電荷転送制御を順次に行うことにより、２列分の画素信号を蓄積容量ＣS1,ＣS2にメモリし出力する。本実施例では２画素分の幅に電荷検出回路、信号処理手段を設けることが出来るのでその分チップ面積を小さく出来る。
【００３２】
信号処理手段にはプログラマブルゲインアンプ、アナログ−デジタル変換回路、カラーセンサの場合はホワイトバランス回路等設けることが可能である。
【００３３】
ランダムアクセス駆動の実施例の説明図を図５に示す。図５（Ａ）は撮像画面のイメージ図である。撮像領域Ａの画像を読み出すタイミング例が図５（Ｂ）である。
【００３４】
撮像領域Ａと撮像領域Ｂとで撮像領域を構成する。従来例では垂直走査、水平走査の全期間ほぼ同じ周波数で駆動される。本来は読出したい撮像領域Ａだけを読出せば高速駆動が可能となる。従来のＣＣＤでは、読出したい撮像領域Ａを高速で読み出すのは困難であった。本発明の実施例では、垂直方向の不要撮像期間ＶA （ＶC ）は垂直ＣＣＤを高速駆動して不要電荷を電荷検出アンプのリセットトランジスタＴＲで除去する。次に水平方向の不要撮像期間ＨA （ＨC ）は水平走査回路のランダムアクセスによりＨB期間だけ信号を出力するように走査する。その結果、撮像領域Ａの画像信号のみを読み出すことが出来るので、高速化を達成でき、また不要撮像領域を駆動しないので低消費電力となる。
【００３５】
さらにランダムアクセスを発展させるには、画素行の選択が可能なＣＣＤにより実現できる。その公知例としてテレビジョン学会技術ＴＥＢＳ １０１−６ ＥＤ８４１に開示された素子がある。この公知例はCharge Sweep Deviceと呼ばれ、画素行の選択は垂直ＴＧ−ＳＣＡＮＮＥＲで駆動される。この様なCharge Sweep Deviceと本発明による電荷検出アンプ、信号処理回路とを組み合わせれば、本発明の効果を期待できる。
【００３６】
図６は電荷検出回路とアナログデジタル変換回路部を有する場合の等価回路ブロック図である。ＤＡ変換器にはランプ状基準電圧の範囲を切換えるＤＡ出力レンジ切換情報が入力される。
【００３７】
図６において、２は垂直ＣＣＤ、４２は垂直ＣＣＤ２の信号電荷をＦＤ−Ａｍｐ（フローティングディフュージョンアンプ）４３のゲートに転送する転送制御スイッチとなるトランスファーゲート、４４は選択トランジスタ、４５はリセットトランジスタ、４６はＦＤ−Ａｍｐ４３の出力電流をスイッチ４７と保存用コンデンサー４８によって電圧として保存し、その電圧を電流に変換しながら出力する電流源用トランジスタ、５１は電流源トランジスタ４６の出力電流と、選択トランジスタ４４を介して出力されるＦＤ−Ａｍｐ４３の出力電流との差分を検出するコンパレータ、５０はコンパレーター５１の出力をカウントするカウンター、４９はカウンター５０から出力されるデジタル信号により電圧をＦＤ−Ａｍｐ４３のソース（主電極）端子へ出力するＤＡ変換器である。ＤＡ変換器４９にはＤＡ出力レンジ切換情報が入力され、ＤＡ変換器から出力されるランプ状基準電圧の範囲を切換えて、画素信号がＡＤ入力電圧範囲の最適値になるよう制御される。
【００３８】
上記の構成で、例としてＦＤ−Ａｍｐがリセットされた後、垂直ＣＣＤからの信号電荷による信号電圧を得る方法を図７のタイミングチャートを交えて説明する。ここで図６の各トランジスタ４２，４３，４４，４５はＰＭＯＳトランジスタとして、トランジスタ４６はＮＭＯＳトランジスタとして以降説明する。ＤＡ変換器４９はある高電位（ＶHD）を出力するように設定する。カウンター５０はリセットされ、カウント動作はしていないものとする。信号φCを“Ｌ”レベルとして（パルス２０１）リセットトランジスタ４５をＯＮさせ、ＦＤ−Ａｍｐ４３のゲート端子を所定の電位にリセットする。その時、同時に信号φXを“Ｌ”レベル（パルス２０２）にして選択トランジスタ４４をＯＮさせ、またスイッチ４７もＯＮさせる。ＦＤ−Ａｍｐ４３のリセット時の出力電流は、トランジスタ４６がゲート−ドレインが短絡することで発生するゲート電圧の形で保存用コンデンサ４８に保存される（比較基準電圧が保存される。）。その後、トランジスタ４５，４４、スイッチ４７はＯＦＦし、垂直ＣＣＤからの信号電荷を、信号φT を“Ｌ”レベルにする（パルス２０３）ことでトランスファゲート４２がＯＮしＦＤ−Ａｍｐ４３のゲート端子に転送する。この時のゲート電位はリセット時よりも低い電圧であったとするとＦＤ−Ａｍｐ４３の出力電流はそれに応じてリセット時よりも大きい値となる。一方、トランジスタ４６は保存用コンデンサ４８の電圧を受け、ＦＤ−Ａｍｐ４３がリセットされた時の電流を出力している。信号φX を“Ｌ”レベルにし（パルス２０４）再びトランジスタ４４をＯＮさせるとコンパレーター５１の入力電位はある高電位（ＶH ）に上昇する。この後カウンター５０を動作し、そのデジタル出力を増幅させ、それを受けるＤＡ変換器４９の出力電圧は徐々に減少（ＤＡ変換器４９はデジタル入力信号に対し負極性のアナログ出力電圧を発生すると仮定する。）する。ある時点で、ＦＤ−Ａｍｐ４３の出力電流とトランジスタ４６の出力電流が等しくなり、コンパレーター５１の入力電圧は急速に減少するので、その変化を検出し、カウンター５０のカウント動作を停止させる。
【００３９】
このカウンター５０のカウント開始から停止までに変化したデジタル値はＦＤ−Ａｍｐ４３のゲート電位の、リセットされた時の電位と信号電荷が転送された時の電位の差分に等しい値となる。このようにして差分に対応するＡＤ変換が行われたことになる。
【００４０】
図８は垂直ＣＣＤと電荷検出回路、ＡＤ変換回路との接続を示す概略的回路構成図である。図８において図６に示した構成部材と同一構成部材については図６と同一符号を付する。
【００４１】
垂直ＣＣＤ２からの各信号電荷は、ＦＤ−Ａｍｐ４３のゲートに入力され、カウンタ５０によりデジタルデータに変換され、データセレクタ５２で順次選択され、ＡＤ変換データとして出力される。
【００４２】
図９に本発明の固体撮像装置の構造図を示す。図９（Ａ）はインタライン型ＣＣＤ構成部となる、光電変換部、垂直ＣＣＤ、チャネルストップの構成を示すための断面図である。図９（Ｂ）は信号処理手段の一部であるインバータ部の構成を示すための断面図である。
【００４３】
図９（Ａ）に示すように、単位画素は光電変換部であるＰＤ領域、電荷を転送するトランスファゲート領域、垂直ＣＣＤ領域、チャネルストップ領域から構成されている。これらはｎ型基板６０上に構成されたｐウェル６５内に形成され、ＰＤ領域では表面のｐ+ 層６７により暗電流を低減する構造となっている。垂直ＣＣＤ領域ではｎ層６９の下にｐ層６８を設け転送電荷量のアップとスミアを減少させる。トランスファゲート領域ではＰＤから垂直ＣＣＤへの光電荷を転送するための制御を行う。６１はＰＤ領域に光を集めるマイクロレンズ、６２は遮光層、６３はポリシリコンからなるゲート電極、６４はＳｉＯ2層である。
【００４４】
図９（Ｂ）に示すように、信号処理回路の一部であるインバータ部はｎ型基板６０上にｐウエルとｎウエルを形成してｎ−ＭＯＳトランジスタとｐ−ＭＯＳトランジスタを設けている。
【００４５】
ＣＣＤ部と信号処理回路部のウエル分離は電荷検出部から行うことが望ましい。信号処理回路部からは信号の高速転送やロジック回路からのパルスノイズが発生するためである。このノイズの発生源からＣＣＤ部にノイズが伝搬しないようにウエルで分離する。用途によっては電荷検出部はＣＣＤウエル内であっても良い。基本的に電荷検出部は１水平期間毎に信号電荷を電圧変換する機能なので、低速動作であり、この場合ノイズ発生は少ないことによる。図１３はインバータ部をdeep wellで分離した構造である。完全にセンサー部と分離する事により、インバータ部のノイズを遮断する効果が高くなる。
【００４６】
図１０に基づいて、本発明の固体撮像装置をスチルカメラに適用した場合の一実施例について詳述する。図１０は、本発明の固体撮像装置を「スチルビデオカメラ」に適用した場合を示すブロック図である。
【００４７】
図１０において、１１１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、１１２は被写体の光学像を固体撮像素子４に結像させるレンズ、１１３はレンズ１１２を通った光量を可変するための絞り、１１４はレンズ１１２で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子、１１５は撮像信号処理回路、１１６は撮像信号処理回路１１５より出力される画像信号のアナログーデジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器、１１７はＡ／Ｄ変換器１１６より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、１１８は固体撮像素子１１４、撮像信号処理回路１１５、Ａ／Ｄ変換器１１６、信号処理部１１７に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、１１９は各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部、１２０は画像データを一時的に記憶する為のメモリ部、１２１は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部、１２２は画像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、１２３は外部コンピュータ等と通信する為のインターフェース部である。
【００４８】
次に、前述の構成における撮影時のスチルビデオカメラの動作について説明する。バリア１１１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、更にＡ／Ｄ変換器１１６などの撮像系回路の電源がオンされる。それから、露光量を制御する為に、全体制御・演算部１１９は絞り１１３を開放にし、固体撮像素子１１４から出力された信号はＡ／Ｄ変換器１１６で変換された後、信号処理部１１７に入力される。そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部１１９で行う。この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部１１９は絞りを制御する。
【００４９】
次に、固体撮像素子１１４から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部１１９で行う。その後、レンズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は、再びレンズを駆動し測距を行う。そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。
【００５０】
露光が終了すると、固体撮像素子１１４から出力された画像信号はＡ／Ｄ変換器１１６でＡ／Ｄ変換され、信号処理部１１７を通り全体制御・演算部１１９によりメモリ部に書き込まれる。
【００５１】
その後、メモリ部１２０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部１１９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部１２１を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１２２に記録される。また、外部Ｉ／Ｆ部１２３を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
【００５２】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、高感度、高速駆動、低消費電力、多機能な固体撮層装置とその撮像システムを提供出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体撮像装置の一実施例を示す概略的構成図である。
【図２】図１の電荷検出回路及び信号処理手段の概略的構成図である。
【図３】図２の電荷検出回路及び信号処理手段の動作タイミング図である。
【図４】本発明の固体撮像装置の他の実施例を示す構成図である。
【図５】ランダムアクセス駆動の実施例の説明図である。
【図６】電荷検出回路とアナログデジタル変換回路部を有する場合の等価回路ブロック図である。
【図７】図６の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図８】垂直ＣＣＤと電荷検出回路、ＡＤ変換回路との接続を示す概略的回路構成図である。
【図９】固体撮像装置の構造の一例を示す構成図である。
【図１０】本発明の固体撮像装置を「スチルビデオカメラ」に適用した場合を示すブロック図である。
【図１１】ＩＬ−ＣＣＤの概略的構成図である。
【図１２】ＣＭＯＳセンサの概略的構成図である。
【図１３】インバータ部をdeep wellで分離した構造図である。
【符号の説明】
１ フォトダイオード（ＰＤ）
２ 垂直ＣＣＤ
３ 電荷検出回路
４ 水平走査回路
５ 水平信号線
６ 出力アンプ
Claims (7)
- ２次元状に配列された複数の光電変換部と、垂直ＣＣＤと、該光電変換部の信号電荷をフローティングディフュージョンアンプのゲートに転送するトランスファゲートとを備えたインタライン型ＣＣＤ構成部と、
該フローティングディフュージョンアンプの出力電流を電圧として保存し、該保存された電圧を電流に変換し、出力する電流源用トランジスタと、前記電流源用トランジスタの出力電流と、前記フローティングディフュージョンアンプからの出力電流との差分を検出するコンパレータと、該コンパレータからの出力をカウントするカウンターと、該カウンターから出力される電圧を前記フローティングディフュージョンのソース端子に出力するＤＡ変換器と、を備えた複数の電荷検出手段と、
前記カウンターから出力される信号を順次読み出すための走査手段と、を同一半導体チップ上に形成した固体撮像装置。 - 前記走査手段はデータセレクタであることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
- 請求項１に記載の固体撮像装置において、前記走査手段は、前記電荷検出手段の出力を共通の信号線へ転送する手段と、該信号線に接続される出力アンプとを有することを特徴とする固体撮像装置。
- 請求項１に記載の固体撮像装置において、前記垂直ＣＣＤから出力される信号電荷を前記電荷検出手段のリセット手段で一括リセットすることを特徴とする固体撮像装置。
- 請求項１に記載の固体撮像装置において、任意の前記電荷検出手段の出力信号をランダムアクセスすることを特徴とする固体撮像装置。
- 請求項１に記載の固体撮像装置において、前記電荷検出手段は入力部のリセットと信号電荷の電圧変換時に電源電圧が供給されることを特徴とする固体撮像装置。
- 請求項１〜６のいずれかの請求項に記載の固体撮像装置と、該固体撮像装置へ光を結像する光学系と、該固体撮像装置からの出力信号を処理する信号処理回路とを有することを特徴とする撮像システム。
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