JP4825982B2 - 固体撮像素子及びその信号読み出し方法 - Google Patents
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Description
まずPN接合ダイオード(フォトダイオード)に或る時点で一定の逆電圧を印加することで、フォトダイオード電位を所定のリセット電位VRSTにリセットする。その後、フォトダイオードに光が入射するとフォトキャリアが発生し、電流が流れることによって放電してフォトダイオード電位が下がってゆく。このときに流れる放電電流は入射光の強度に依存するから、入射光強度が大きいほど電位の低下速度は大きくなる。そこで、図12(a)に示すように、リセット終了時点から或る一定時間t1が経過した時点でのフォトダイオード電位V1を検出し、リセット電位VRSTからの減少量(放電量)を得る。この電位の減少量が入射光強度を反映した輝度信号となる(図13(a)参照)。この方法では、フォトダイオード電位をリセットしてからその電位の減少量を検出するまでの時間(つまり電荷蓄積時間)t1を長くすれば、入射光が微弱であっても検出時の電位差が大きくなるので検出感度を上げることが可能である。この構成では、ダイナミックレンジは飽和信号振幅と、読み出し回路やリセット時のノイズの総量の比で与えられ、電源電圧が下がると飽和信号振幅も低下するため、ダイナミックレンジも低下する。
所定の蓄積期間の後、読み出し期間にPWM方式での画素値読み出しを行う場合、何らかの方法でフォトダイオード電位にランプ状の電圧変化ΔVを与え、蓄積期間後のフォトダイオード電位が所定の基準電圧VREFにまで下がった時点から、ランプ状電位変化の開始点から所定の時間が経過した時点までの時間をパルス信号の幅として検出する。したがって、図12(b)及び図13(b)に示すように、蓄積期間中の入射光量が大きく放電量が大きい場合(つまり蓄積期間終了時点でのフォトダイオード電位が図12(b)中にVPD’で示すように相対的に低い場合)にはパルス幅は長く(例えば図12(b)中のt2’)、蓄積期間中の入射光量が微弱で放電量が小さい場合(つまり蓄積期間終了時点でのフォトダイオード電位が図12(b)中にVPDで示すように相対的に高い場合)にはパルス幅は短く(例えば図12(b)中のt2)なる。この場合には、上述のようにランプ状電位変化の開始点から所定の時間が経過した時点以降に次のリセットを実行する。この方式では、ダイナミックレンジは1画素当たりのPWM読み出し期間と読み出し回路のジッタとの比で表される。これはフォトダイオードの飽和信号振幅と読み出し回路の入力換算ノイズとの比で書き換えることができ、読み出し回路のアンプの利得分だけダイナミックレンジを広げることができる。そのため、APS方式に比較すると電源電圧の低下に強い。
a)入射光の強度に応じた信号電荷を発生してこれによる電位を保持する光電変換部と、
b)該光電変換部の保持電位を読み出すようにゲート端子が接続されるとともにドレイン端子を出力とする第1MOSトランジスタを含むアンプ部と、
c)前記光電変換部に読み出すべき電位が保持され、前記第1MOSトランジスタのゲート端子に該保持電位が印加された状態で、該第1MOSトランジスタのソース端子にランプ波形状の電圧を印加する電圧印加部と、
d)前記電圧印加部により前記第1MOSトランジスタのソース端子に印加されたランプ波形状電圧の電圧変化開始点から、該第1MOSトランジスタのゲート−ソース間の電位差が閾値電圧を超えて該トランジスタがオフ状態からオン状態に変化し、それに伴って該トランジスタの出力が変化するまでの、前記保持電位に応じたパルス幅を有する二値信号を生成する信号変換部と、
を備えることを特徴としている。
前記光電変換部に入射光の強度に応じた読み出すべき電位が保持され、前記第1MOSトランジスタのゲート端子に該保持電位が印加された状態で、該第1MOSトランジスタのソース端子にランプ波形状の電圧を印加し、前記信号変換部により、そのランプ波形状電圧の電圧変化開始点から、該第1MOSトランジスタのゲート−ソース間の電位差が閾値電圧を超えて該トランジスタがオフ状態からオン状態に変化し、それに伴って該トランジスタの出力が変化するまでの、前記保持電位に応じたパルス幅を有する二値信号を生成するようにしたことを特徴としている。
a)入射光の強度に応じた信号電荷を発生してこれによる電位を保持する光電変換部と、
b)該光電変換部の保持電位を読み出すように該光電変換部の出力端子にゲート端子が接続されるとともにドレイン端子を出力とする第1MOSトランジスタを含むアンプ部と、
c)前記光電変換部に読み出すべき電位が保持された状態で、前記第1MOSトランジスタのソース端子、又は容量素子を介して前記光電変換部の出力端子にランプ波形状の電圧を印加する電圧印加部と、
d)前記アンプ部の出力信号を出力する出力信号線と電源供給線との間に接続された第2MOSトランジスタと、
e)該第2MOSトランジスタのゲート端子に制御電圧を印加する回路であって、ランプ波形状電圧の印加前に該第2MOSトランジスタを導通させて前記出力信号線に一端が接続された浮遊容量を充電する充電制御手段と、
f)前記電圧印加部により前記第1MOSトランジスタのソース端子又は容量素子を介して前記光電変換部の出力端子に印加されたランプ波形状電圧の電圧変化開始点から、該第1MOSトランジスタのゲート−ソース間の電位差が閾値電圧を超えて該トランジスタがオフ状態からオン状態に変化し、それに伴って該第1MOSトランジスタを通して前記浮遊容量の充電電荷が放電されることで前記出力信号線上の電圧が変化するまでの、前記保持電位に応じたパルス幅を有する二値信号を生成する信号変換部と、
を備えることを特徴としている。
前記光電変換部に入射光の強度に応じた読み出すべき電位が保持され、前記第1MOSトランジスタのゲート端子に該保持電位が印加された状態で、且つ前記電圧印加部によるランプ波形状電圧の印加前に、前記第2MOSトランジスタのゲート端子に所定の制御電圧を印加することで該MOSトランジスタを導通させて前記出力信号線に一端が接続された浮遊容量を充電しておき、その後に、前記電圧印加部により前記第1MOSトランジスタのソース端子又は容量素子を介して前記光電変換部の出力端子にランプ波形状電圧を印加し始め、前記信号変換部により、そのランプ波形状電圧の電圧変化開始点から、該第1MOSトランジスタのゲート−ソース間の電位差が閾値電圧を超えて該トランジスタがオフ状態からオン状態に変化し、それに伴って該第1MOSトランジスタを通して前記浮遊容量の充電電荷が放電されることで前記出力信号線上の電圧が変化するまでの、前記保持電位に応じたパルス幅を有する二値信号を生成するようにしたことを特徴とする固体撮像素子の信号読み出し方法。
したことを特徴としている。
10、10a、10b、10c、10d…画素セル
11、111、112、113、114…フォトダイオード
12、13、14、19、43、201、202、203、204…MOSトランジスタ
15…リセット信号線
16…行選択信号線
17…ランプ電圧信号線
18…垂直信号線
20…画素ユニット
2…行選択デコーダ
3…ランプ電圧発生回路
4…コンパレータ回路
41…差分アンプ
42…コンパレータ
5…条件判定回路
6…メモリ回路
7…列選択デコーダ
8…グレイコードカウンタ
20…タイミング制御回路
21…バイアス回路
22…充電制御回路
以下、本発明に係る固体撮像素子の一実施例(第1実施例)であるCMOS型イメージセンサについて図面を参照して説明する。図1は本実施例によるイメージセンサの全体構成を示すブロック図、図2は1個の画素セル及び1個のPWM変換部の回路構成図、図3は本実施例のイメージセンサにおける画素信号読み出し動作を説明するためのタイミング図、図4は本実施例のイメージセンサにおけるPWM信号変換動作の説明図である。
VRAMP=−{(VH1−VL)/T}t+VH1 …(1)
また、ΔVPDは光電流Iphに比例するから、次の(2)式で表すことができる。
ΔVPD=αIph …(2)
(1)式及び(2)式から、次の(3)式が求まる。
VRST−αIph+{(VH1−VL)/T}t−VH1=Vth …(3)
一方、VRSTについては近似的に次の(4)式の関係がある。
VRST=VH1+Vth …(4)
したがって、(3)式及び(4)式から、次の(5)式を導出できる。
τ=α{T/(VH1−VL)}Iph …(5)
これにより、τとIphとは比例関係にあり、光電流量がパルス幅τに変換されることが分かる。
そこで、図2で説明した1個の画素セル10の回路構成を図5に示すものに変形したのが第2実施例によるイメージセンサである。即ち、ソース接地型の第1MOSトランジスタ12に別の1個の第4MOSトランジスタ19を追加し、第1及び第4MOSトランジスタ12、19によりCMOS型のインバータを構成している。この構成では、画素セル10内のトランジスタ個数は3から4に増えるためAPS方式の4Tr型相当の画素サイズとなるものの、2個のMOSトランジスタ12、19は相補的にオンするため、上述したようなPWM変換期間内等でも出力レベルの切り替わりの過渡状態を除いて電流が流れず、その点で低消費電力化に有利である。
また、上記第1、第2実施例では、1個の画素セル10内にフォトダイオード11以外に3個乃至4個のMOSトランジスタ12、13、14、19を配置していたが、これらMOSトランジスタを複数のフォトダイオードに対して共用する構成としてもよい。図6は第3実施例によるイメージセンサの画素セルの構成を示す図であり、それぞれ独立に入射光を光電変換する4個のフォトダイオード111、112、113、114に対して4個のMOSトランジスタ12、13、14、19を共有化した回路構成の例である。共有化するために各フォトダイオード111、112、113、114のカソード端子にそれぞれPD選択用のMOSトランジスタ201、202、203、204のソース端子を接続し、その4個のMOSトランジスタ201、202、203、204のドレイン端子を全て接続して第1MOSトランジスタ12のゲート端子と第2MOSトランジスタ13のソース端子とに接続してある。
次に本発明の第4実施例によるイメージセンサの構成及び動作について説明する。図7は第4実施例のイメージセンサにおける1個の画素セル及び1個のPWM変換部の回路構成図、図8はこのイメージセンサにおけるPWM信号変換動作を説明するタイミング図、図9はこのイメージセンサにおける信号読み出し原理の説明図である。この第4実施例のイメージセンサにおいて、1個の画素セル10内の回路構成及び1個のPWM変換用のコンパレータ回路4の構成は第1実施例と全く同じであり、同一符号を付してある。構成上相違する点は、垂直信号線18に接続されている負荷定電流源として機能するMOSトランジスタ43のゲート端子に一定のバイアス電圧VBIASが印加されているのではなく、充電制御部22からMOSトランジスタ43をオン/オフ駆動する制御電圧VSWPが印加されている点である。
上記第4実施例で説明した信号読み出し方法は、従来技術として説明した図14に示した低電圧駆動PWM方式イメージセンサに適用することもできる。その場合の構成について第5実施例として説明する。図10は、図14に示した画素セルの構成でアンプ83としてソース接地型のMOSトランジスタ83’を使用し、垂直信号線89に浮遊容量充電制御用のMOSトランジスタ43を追記した構成を示すものである。また、図11はこの回路のPWM信号変換動作を説明するタイミング図である。
Claims (19)
- a)入射光の強度に応じた信号電荷を発生してこれによる電位を保持する光電変換部と、
b)該光電変換部の保持電位を読み出すようにゲート端子が接続されるとともにドレイン端子を出力とする第1MOSトランジスタを含むアンプ部と、
c)前記光電変換部に読み出すべき電位が保持され、前記第1MOSトランジスタのゲート端子に該保持電位が印加された状態で、該第1MOSトランジスタのソース端子にランプ波形状の電圧を印加する電圧印加部と、
d)前記電圧印加部により前記第1MOSトランジスタのソース端子に印加されたランプ波形状電圧の電圧変化開始点から、該第1MOSトランジスタのゲート−ソース間の電位差が閾値電圧を超えて該トランジスタがオフ状態からオン状態に変化し、それに伴って該トランジスタの出力が変化するまでの、前記保持電位に応じたパルス幅を有する二値信号を生成する信号変換部と、
を備えることを特徴とする固体撮像素子。 - 前記アンプ部は、N型又P型である前記第1MOSトランジスタをソース接地形態としたアンプであることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記アンプ部は、N型又P型である前記第1MOSトランジスタのドレイン端子側にさらに逆極性のMOSトランジスタを追加したCMOSインバータアンプであることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。
- n行m列の二次元状に画素セルが配置され、各画素セルには前記光電変換部と前記アンプ部とを含み、さらに各画素セルは、前記光電変換部の保持電位をリセットするための第2MOSトランジスタと、第1MOSトランジスタの出力電圧を複数の画素セルで共用する信号線に出力するか否かを決める出力選択用の第3MOSトランジスタとを少なくとも備えることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記信号線は1列に属するn個の全画素セルに共用され、前記信号変換部は列毎にそれぞれ設けられることを特徴とする請求項4に記載の固体撮像素子。
- n行m列の二次元状に画素セルが配置され、各画素セルには前記光電変換部と該光電変換部の保持電位を選択的に出力するための出力用ゲート回路とを含み、隣接する又は近接する複数の画素セルに対し、前記アンプ部と、その複数の画素セル内の光電変換部の保持電位をリセットするための第2MOSトランジスタと、第1MOSトランジスタの出力電圧を複数の画素セルで共用する信号線に出力するか否かを決める出力選択用の第3MOSトランジスタとを共用したことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記信号変換部は、前記第1MOSトランジスタの出力電圧から前記ランプ波形状電圧に相当する分を差し引いた電圧信号を生成する波形整形部と、該波形整形部の出力電圧を所定の判定閾値で以て判定して二値化する比較部と、を含むことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記第1MOSトランジスタはN型であり、前記光電変換部の保持電位をリセットする際に、前記電圧印加部は該第1MOSトランジスタのソース端子に本素子の最低電位でない電圧VH1を印加することで、前記光電変換部の電位をその電圧VH1よりもそのMOSトランジスタの閾値電圧又はそれに近い電圧分だけ高い電位付近のリセット電位VRSTに初期設定し、前記電圧印加部は下り勾配のランプ波形状の電圧を印加することを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記光電変換部の蓄積期間中の保持電位をリセット電位VRSTに設定した後、入射光の強度に応じた信号電荷を発生して保持電位を該リセット電位VRSTから下げてゆく際に、前記電圧印加部は第1MOSトランジスタのソース端子に前記電圧VH1よりも高い電圧VH2を印加することを特徴とする請求項8に記載の固体撮像素子。
- 前記第1MOSトランジスタはP型であり、前記光電変換部の保持電位をリセットする際に、前記電圧印加部は第1MOSトランジスタのソース端子に本素子の最高電位でない電圧VH1を印加することで、前記光電変換部の電位をその電圧VH1よりもそのMOSトランジスタの閾値電圧の絶対値又はそれに近い電圧分だけ低い電位付近のリセット電位VRSTに初期設定し、前記電圧印加部は上り勾配のランプ波形状の電圧を印加することを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記光電変換部の蓄積期間中の保持電位をリセット電位VRSTに設定した後、入射光の強度に応じた信号電荷を発生して保持電位を該リセット電位VRSTから上げてゆく際に、前記電圧印加部は第1MOSトランジスタのソース端子に前記電圧VH1よりも低い電圧VH2を印加することを特徴とする請求項10に記載の固体撮像素子。
- 少なくとも前記アンプ部に含まれるMOSトランジスタをSOI(Silicon on Insulator)基板上に形成したことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記信号変換部は前記信号線と電源供給線との間に接続された第4MOSトランジスタを含み、さらに該第4MOSトランジスタのゲート端子に制御電圧を印加する回路であってランプ波形状電圧の印加前に該第4MOSトランジスタを導通させて前記信号線に一端が接続された浮遊容量を充電する充電制御手段を備え、前記第1MOSトランジスタのソース端子に印加されたランプ波形状電圧の変化に伴ってオフ状態からオン状態に変化した該第1MOSトランジスタを通して前記浮遊容量の充電電荷を放電することで、該第1MOSトランジスタの出力電圧を変化させるようにしたことを特徴とする請求項4に記載の固体撮像素子。
- 前記信号変換部は前記信号線と電源供給線との間に接続された第4MOSトランジスタを含み、さらに該第4MOSトランジスタのゲート端子に制御電圧を印加する回路であってランプ波形状電圧の印加前に該第4MOSトランジスタを導通させて前記信号線に一端が接続された浮遊容量を充電する充電制御手段を備え、前記第1MOSトランジスタのソース端子に印加されたランプ波形状電圧の変化に伴ってオフ状態からオン状態に変化した該第1MOSトランジスタを通して前記浮遊容量の充電電荷を放電することで、該第1MOSトランジスタの出力電圧を変化させるようにしたことを特徴とする請求項6に記載の固体撮像素子。
- 入射光の強度に応じた信号電荷を発生してこれによる電位を保持する光電変換部と、該光電変換部の保持電位を読み出すようにゲート端子が接続されるとともにドレイン端子を出力とする第1MOSトランジスタを含むアンプ部と、該第1MOSトランジスタの出力に基づいて入射光強度に応じた二値信号を生成する信号変換部と、を具備する固体撮像素子の信号読み出し方法であって、
前記光電変換部に入射光の強度に応じた読み出すべき電位が保持され、前記第1MOSトランジスタのゲート端子に該保持電位が印加された状態で、該第1MOSトランジスタのソース端子にランプ波形状の電圧を印加し、前記信号変換部により、そのランプ波形状電圧の電圧変化開始点から、該第1MOSトランジスタのゲート−ソース間の電位差が閾値電圧を超えて該トランジスタがオフ状態からオン状態に変化し、それに伴って該トランジスタの出力が変化するまでの、前記保持電位に応じたパルス幅を有する二値信号を生成するようにしたことを特徴とする固体撮像素子の信号読み出し方法。 - 前記第1MOSトランジスタはN型であり、前記光電変換部の保持電位をリセットする際に、該第1MOSトランジスタのソース端子に本素子の最低電位でない電圧VH1を印加することで、前記光電変換部の電位をその電圧VH1よりもそのMOSトランジスタの閾値電圧又はそれに近い電圧分だけ高い電位付近のリセット電位VRSTに初期設定し、その後に下り勾配のランプ波形状の電圧を印加するようにしたことを特徴とする請求項15に記載の固体撮像素子の信号読み出し方法。
- 前記固体撮像素子にあっては、n行m列の二次元状に画素セルが配置され、各画素セルには前記光電変換部と前記アンプ部とを含み、さらに各画素セルは、前記光電変換部の保持電位をリセットするための第2MOSトランジスタと、第1MOSトランジスタの出力電圧を複数の画素セルで共用する信号線に出力するか否かを決める出力選択用の第3MOSトランジスタを少なくとも含み、前記信号変換部は前記信号線と電源供給線との間に接続された第4MOSトランジスタを含み、
前記ランプ波形状電圧の印加前に前記第4MOSトランジスタのゲート端子に所定電圧を印加することで該第4MOSトランジスタを導通させて前記信号線に一端が接続された浮遊容量を充電し、前記ランプ波形状電圧の印加時に第1MOSトランジスタを通して前記浮遊容量の充電電荷を放電することで該第1MOSトランジスタの出力電圧を変化させるようにしたことを特徴とする請求項15に記載の固体撮像素子の信号読み出し方法。 - a)入射光の強度に応じた信号電荷を発生してこれによる電位を保持する光電変換部と、
b)該光電変換部の保持電位を読み出すように該光電変換部の出力端子にゲート端子が接続されるとともにドレイン端子を出力とする第1MOSトランジスタを含むアンプ部と、
c)前記光電変換部に読み出すべき電位が保持された状態で、前記第1MOSトランジスタのソース端子、又は容量素子を介して前記光電変換部の出力端子にランプ波形状の電圧を印加する電圧印加部と、
d)前記アンプ部の出力信号を出力する出力信号線と電源供給線との間に接続された第2MOSトランジスタと、
e)該第2MOSトランジスタのゲート端子に制御電圧を印加する回路であって、ランプ波形状電圧の印加前に該第2MOSトランジスタを導通させて前記出力信号線に一端が接続された浮遊容量を充電する充電制御手段と、
f)前記電圧印加部により前記第1MOSトランジスタのソース端子又は容量素子を介して前記光電変換部の出力端子に印加されたランプ波形状電圧の電圧変化開始点から、該第1MOSトランジスタのゲート−ソース間の電位差が閾値電圧を超えて該トランジスタがオフ状態からオン状態に変化し、それに伴って該第1MOSトランジスタを通して前記浮遊容量の充電電荷が放電されることで前記出力信号線上の電圧が変化するまでの、前記保持電位に応じたパルス幅を有する二値信号を生成する信号変換部と、
を備えることを特徴とする固体撮像素子。 - 入射光の強度に応じた信号電荷を発生してこれによる電位を保持する光電変換部と、該光電変換部の保持電位を読み出すように該光電変換部の出力端子にゲート端子が接続されるとともにドレイン端子を出力とする第1MOSトランジスタを含むアンプ部と、前記第1MOSトランジスタのソース端子、又は容量素子を介して前記光電変換部の出力端子にランプ波形状の電圧を印加する電圧印加部と、前記アンプ部の出力信号を出力する出力信号線と電源供給線との間に接続された第2MOSトランジスタと、前記出力信号線上の電圧に基づいて前記保持電位に応じたパルス幅を有する二値信号を生成する信号変換部と、を具備する固体撮像素子の信号読み出し方法であって、
前記光電変換部に入射光の強度に応じた読み出すべき電位が保持され、前記第1MOSトランジスタのゲート端子に該保持電位が印加された状態で、且つ前記電圧印加部によるランプ波形状電圧の印加前に、前記第2MOSトランジスタのゲート端子に所定の制御電圧を印加することで該MOSトランジスタを導通させて前記出力信号線に一端が接続された浮遊容量を充電しておき、その後に、前記電圧印加部により前記第1MOSトランジスタのソース端子又は容量素子を介して前記光電変換部の出力端子にランプ波形状電圧を印加し始め、前記信号変換部により、そのランプ波形状電圧の電圧変化開始点から、該第1MOSトランジスタのゲート−ソース間の電位差が閾値電圧を超えて該トランジスタがオフ状態からオン状態に変化し、それに伴って該第1MOSトランジスタを通して前記浮遊容量の充電電荷が放電されることで前記出力信号線上の電圧が変化するまでの、前記保持電位に応じたパルス幅を有する二値信号を生成するようにしたことを特徴とする固体撮像素子の信号読み出し方法。
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