JP4770618B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Description
まず、本実施形態の固体撮像装置について、図1を参照して説明する。図1は、本発明の実施形態である二次元のMOS型固体撮像装置の一部の構成を概略的に示している。
図1に示した構成の固体撮像装置内に設けられる各画素の構成を図2に示す。尚、図2に示す画素の構成において、図18に示す画素構成と同一の部分については、同一の符号を付してその詳細な説明については省略する。
常に線形変換動作を行う際における各画素内での動作について、図3のタイミングチャートを参照して説明する。又、埋込型フォトダイオードPD及びMOSトランジスタT1,T2における各チャンネルのポテンシャル状態の変遷図を図4に示す。
常に対数変換動作を行う場合における各画素内での動作について、図5のタイミングチャートを参照して説明する。又、埋込型フォトダイオードPD及びMOSトランジスタT1,T2における各チャンネルのポテンシャル状態の変遷図を図6に示す。
Ip=Id2×exp(q/nkT×Vfd) …(1)
I5=Id5×exp(q/nkT×(Vcn−Vfd)) …(2)
I5=a×Ip×exp(q/nkT×Vcn) …(3)
I5=C×dVcn/dt …(4)
C×dVcn=a×Ip×exp(q/nkT×Vcn)×dt …(5)
Vcn=VPD−nkt/q×ln[a×q/nkTC×∫Ip・dt] …(5)
線形変換動作と対数変換動作の切換が可能な自動切換動作が行われる場合における各画素内での動作について、図7のタイミングチャートを参照して説明する。又、埋込型フォトダイオードPD及びMOSトランジスタT1,T2における各チャンネルのポテンシャル状態の変遷図を図8に示す。
まず、線形変換動作から対数変換動作へ切り換える場合の動作について、図9のタイミングチャートに基づいて説明する。上述したように、図3のタイミングチャートに従って、ノイズ信号が出力された後に線形変換動作によって得られた画像信号が出力されて、1フレーム分の撮像動作が行われると、まず、信号φRSの電圧値がVLからVMmaxに切り換えられて、MOSトランジスタT2がサブスレッショルド領域で動作するように設定される。そして、信号φRSCの電圧値をVLとしてMOSトランジスタT6をONとし、MOSトランジスタT6を通じてコンデンサCの電圧値をリセットする。
又、線形変換動作から自動切換動作へ切り換える場合の動作について、図10のタイミングチャートに基づいて説明する。この場合も、図3のタイミングチャートに従って、線形変換動作による1フレーム分の撮像動作が終了すると、信号φRSの電圧値がVHとされてMOSトランジスタT2をONとする。これにより、MOSトランジスタT2を通じて浮遊拡散層FDのポテンシャルがリセットされる。
又、線形変換動作から対数変換動作へ切り換える場合の動作について、図11のタイミングチャートに基づいて説明する。この場合は、図5のタイミングチャートに従って、対数変換動作によって得られた画像信号を出力した後に、リセット動作を行うことで得られたノイズ信号を出力して、1フレーム分の撮像動作が行われる。そして、信号φVがローとされてMOSトランジスタT4がOFFとされると、まず、信号φRSの電圧値がVmaxからVHとされることで、リセットゲートRGのポテンシャルが高くなってMOSトランジスタT2がONとされる。
更に、線形変換動作から自動切換動作へ切り換える場合の動作について、図12のタイミングチャートに基づいて説明する。この場合は、図7のタイミングチャートに従って、自動切換動作によって得られた画像信号を出力した後に、リセット動作を行うことで得られたノイズ信号を出力して、1フレーム分の撮像動作が行われる。そして、信号φVがローとされてMOSトランジスタT4がOFFとされると、信号φRSの電圧値がVHのままとされて、MOSトランジスタT2がONのままの状態とされる。その後、信号φTXがローとされてMOSトランジスタT1がOFFの状態とされ、埋込型フォトダイオードPDから浮遊拡散層FDへの光電荷の転送が禁止されると、線形変換動作による次フレームの撮像動作が開始する。
又、対数変換動作及び自動切換動作については、図5のタイミングチャートによる対数変換動作及び図7のタイミングチャートによる自動切換動作に限らず、別のタイミングによって行うことができる。尚、本例においては、対数変換動作及び自動切換動作のいずれにおいても同様のタイミングとなるため、図13のタイミングチャートに従って、自動切換動作による各信号のタイミングを説明するものとする。
対数変換動作及び自動切換動作について、上述の第1例以外にも、MOSトランジスタT2の閾値バラツキをノイズ信号に含めた動作を行うこともできる。このときの対数変換動作及び自動切換動作の動作例について、自動切換動作を代表して、図17のタイミングチャートに従って説明する。又、本例においては、図16の画素構成に示すように、MOSトランジスタT2のドレインに直流電圧VPDが印加される代わりに、ハイとローの2値で変化する信号φVPDが与えられる。尚、信号φVPDがハイとなる電圧値は、直流電圧VRSと等しい値である。
12 水平走査回路
13−1〜13−n ライン
14−1〜14−m 出力信号線
15 電源ライン
16−1〜16−m 定電流源
17−1〜17−m サンプルホールド回路
18 補正回路
20 P型層
21 N型埋込層
22,24 絶縁膜
23,25 ゲート電極
30 P型基板
31 P型ウェル層
50 減算器
51 演算器
FD N型浮遊拡散層
D N型拡散層
PD 埋込型フォトダイオード
T1〜T6 MOSトランジスタ
TG 転送ゲート
RG リセットゲート
Claims (4)
- 入射光量に応じた光電荷を発生して内部に蓄積する光電変換素子と、該光電変換素子からの光電荷が転送されて一時的に保持する電荷保持部と、前記光電変換素子と前記電荷保持部との間に形成される転送ゲートと、を有する複数の画素を備える固体撮像装置において、
前記画素が、
前記電荷保持部に第1電極が接続されるとともに第2電極に直流電圧が印加され、制御電極に3値の電圧値が切り換えられる第1制御信号が入力される第1トランジスタと、
第1電極、第2電極、及び制御電極を備えるとともに、制御電極が前記電荷保持部に接続された第2トランジスタと、
前記第2トランジスタの第1電極に第2電極が接続されるとともに第1電極に直流電圧が印加され、制御電極に3値の電圧値が切り換えられる第2制御信号が入力される第3トランジスタと、
前記第2トランジスタの第1電極に一端が接続される容量素子と、
を備え、
前記第2制御信号を中間となる電圧値とすることにより前記第3トランジスタを定電流負荷として使用することで、全ての輝度範囲において入射光量の積分値に対して線形的に変化する電気信号を前記画素より出力させる第1状態とし、
前記第1制御信号を中間となる電圧値とすることにより前記第1及び第2トランジスタをサブスレッショルド領域で駆動することで、少なくとも一部の輝度範囲において入射光量の積分値に対して自然対数的に変化する電気信号を前記画素より出力することが可能な第2状態とすることを特徴とする固体撮像装置。 - 前記第1状態による撮像動作を行うとき、前記第1制御信号を3値の電圧値のうち中間となる電圧値を使用することなく2値の電圧値による信号として、前記第1トランジスタを前記電荷保持部のリセット用トランジスタとして使用し、
前記第2状態による撮像動作を行うとき、前記第2制御信号を3値の電圧値のうち中間となる電圧値を使用することなく2値の電圧値による信号として、前記第3トランジスタを前記容量素子のリセット用トランジスタとして使用することを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記画素と接続されて前記画素から電気信号が出力される出力信号線を備え、
前記画素が、
前記容量素子に現れる電気信号を増幅する増幅部と、
前記出力信号線に接続されて、該増幅部で増幅された電気信号を前記出力信号線に出力する読み出し用スイッチと、
を備えることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の固体撮像装置。 - フレーム毎の前記撮像動作が前記第1状態及び前記第2状態の間で選択されて切り替わることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の固体撮像装置。
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