JP4973115B2 - 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法および撮像装置 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の第1実施形態に係る固体撮像装置、例えばCMOSイメージセンサの構成例を示すシステム構成図である。
図2に、単位画素20の構成の一例を示す。本回路例に係る単位画素20は、光電変換素子、例えばフォトダイオード21に加えて、例えば転送トランジスタ22、リセットトランジスタ23、増幅トランジスタ24および選択トランジスタ25の4つのトランジスタを有する画素構成、即ち特許請求の範囲における転送ゲートに相当する転送トランジスタ22を有する破壊読出しの画素構成となっている。ここでは、これらトランジスタ22〜25として、例えばNMOSトランジスタを用いている。
行選択回路12は、特許請求の範囲における第1駆動手段に相当し、シフトレジスタあるいはアドレスデコーダ等によって構成され、コントローラユニット16による制御の下に、転送パルスTRG、リセットパルスRSTおよび選択パルスSEL等の画素駆動パルスを適宜発生することにより、画素アレイ部11の各画素20を電子シャッタ行と読み出し行それぞれについて行単位で垂直方向(上下方向)に走査しつつ選択し、電子シャッタ行に対してはその行の画素20の信号掃き捨てを行うための電子シャッタ動作を行うとともに、読み出し行に対してはその行の画素20の信号読み出しを行うための読み出し動作を行う。
先行選択回路13は、特許請求の範囲における第2駆動手段に相当し、複数の行選択回路、例えば2つの行選択回路13A,13Bによって構成され、行選択回路12が選択走査する読み出し行に先行して等間隔に複数行(本例では、2行)を選択走査する。
論理回路14は、コントローラユニット16による制御の下に、行選択回路12および先行選択回路13の2つの行選択回路13A,13Bからそれぞれ行選択のために出力される転送パルスTRG、リセットパルスRSTおよび選択パルスSELを、ドライバ15を通して画素アレイ部11の転送制御線112、リセット制御線113および選択制御線114に供給するとともに、後述するように、転送パルスTRGの電圧値を選択するための信号をドライバ回路15に与える。
ドライバ回路15は、行選択回路12による選択走査に同期して、画素20の各トランジスタ22,23,25をON/OFFするための電圧の転送パルスTRG、リセットパルスRSTおよび選択パルスSELを画素20に供給するとともに、行選択回路13A,13Bによる選択走査に同期して、画素20の各トランジスタ22,23,25をON/OFFするための電圧の中間的な電圧(以下、「中間電圧」と記述する)の転送パルスTRGを画素20に供給する。すなわち、ドライバ回路15は、特許請求の範囲における第1乃至第3供給電圧制御手段としての機能を持つ。
カラム回路18は、画素アレイ部11の例えば画素列ごとに、即ち画素列に対して1対1の対応関係をもって配置された単位回路の集合からなり、行選択回路12および行選択回路13A,13Bによって選択された読み出し行の各画素20から垂直信号線111を通して出力される信号に対して所定の信号処理を行うとともに、信号処理後の画素信号を一時的に保持する。
水平走査回路19は、シフトレジスタあるいはアドレスデコーダ等によって構成され、画素アレイ部11の画素列ごとにカラム回路18の各単位回路を順に水平走査しつつ、カラム回路18の各単位回路に一時的に保持されている画素の信号を順次出力する。
先ず、電子シャッタを切ってから画素20の転送トランジスタ22をONにして蓄積電荷を読み出すまでの露光期間中に、1つ又は複数の中間電圧を画素20の転送トランジスタ22に印加して読み出すことで、低照度領域で高いS/Nを確保したまま高照度領域の情報も取得することができる。
QFD1 = Ipd・ΔT−QFD1
φpd1 = φpd0−φtrg1
φtrg1 = Vtrg1 −(Vth+ΔVth)
ここで、Vthは転送トランジスタ22の閾値であり、ΔVthは転送トランジスタ22の閾値ばらつきである。
φpd2 = φpd0−φtrg2
φtrg2 = Vtrg2 −(Vth+ΔVth)
QFD2 = (QPD1 +Ipd・ΔT)−QPD2
= Cpd・φpd1+Ipd・ΔT−Cpd・φpd2
= Cpd・(φpd0−φtrg1 )+Ipd・ΔT
−Cpd・(φpd0−φtrg2 )
= Cpd・φtrg1 +Ipd・ΔT−Cpd・φtrg2
= Cpd・{Vtrg1 −(Vth+ΔVth)}+Ipd・ΔT
−Cpd・{Vtrg2 −(Vth+ΔVth)}
= Ipd・ΔT−Cpd・(Vtrg2 −Vtrg1)
しかしながら、中間読み出し動作時に印加される中間電圧(第2制御電圧)と、転送トランジスタ22の閾値ばらつきの抑圧のために先行して印加される中間電圧(第3制御電圧)との電圧値が異なると、以下の特性ばらつきについては十分にキャンセルできない懸念がある。
Vtrg1とVtrg2の2種類の中間電圧が露光期間中の異なるタイミングで転送トランジスタ22に印加された場合、前記のように2回目の中間電圧による転送量は、それぞれの中間電圧印加による転送の間に蓄積された電荷と、中間電圧Vtrg1と中間電圧Vtrg2との電圧差で決まる。転送トランジスタ22に供給される中間電圧が設定された電圧値に対してオフセットを持つ場合、2つの中間電圧Vtrg1,Vtrg2の電圧差に設定値とのズレが発生し、ノイズとして高照度領域の画質を劣化させる可能性がある。
画素配列に中間電圧を印加する場合、供給する配線の寄生抵抗などの影響で、画素配列内の位置によって中間電圧がオフセットを持つ場合がある。印加する複数の中間電圧の電圧値が異なるため、このオフセット値が転送ごとに異なり、ノイズとして高照度領域の画質を劣化させる可能性がある。
中間電圧を転送トランジスタ22に駆動回路経由で供給する場合、配線およびトランジスタの抵抗や容量により、画素配列内の位置によって立ち上がり時間および立下り時間が異なる。中間電圧印加による転送はサブスレッショルド領域で収束するため、転送トランジスタ22に所望の電圧が印加されている時間が画素間で異なると転送される電荷量が変わる可能性があり、ノイズとして高照度領域の画質を劣化させる。
中間電圧を印加する直前に受光部(フォトダイオード21)に蓄積されている電荷量がそれぞれ異なると、中間電圧印加による転送はサブスレッショルド領域で動作するため、電荷の転送が収束するのに必要な時間よりも中間電圧の印加時間が短い場合、転送直前の蓄積電荷量によって異なる転送残留が発生する。これにより、ノイズとして高照度領域の画質を劣化させる可能性がある。
そこで、本実施形態では、図11に示すように、電子シャッタ動作から通常の読み出し動作までの、低照度領域の画像を取得する第1露光時間Tlow の期間中に、中間電圧転送(中間電圧(第2制御電圧)印加による転送)による読み出し走査を実行する。さらに、その中間電圧転送による読み出し動作よりも、高照度領域の画像取得のための第2露光時間Thighだけ先行して、同じ電圧値の中間電圧(第3制御電圧)によるダミー転送のための行選択走査を1回又は複数回実行する。複数回の中間電圧転送の時間間隔は全て第2露光時間Thighとする。すなわち、中間電圧(第3制御電圧)を等しい時間間隔で複数回転送トランジスタ22に印加する。
ここで、中間電圧の複数回供給による中間転送によって得られた信号については、一例として、図17に示すように、あらかじめ設定された飽和レベルでクリップして加算することで連続的な入出力特性を得る。例えば、図17では、i回目の読み出しである通常露光での完全転送の結果は通常飽和レベルまで高S/Nで出力し、その前のi−1回目の転送では露光時間を2分の1で中間転送することで約2倍のダイナミックレンジを、i−2回目の転送では露光時間を8分の1で中間転送することで約8倍のダイナミックレンジを可能とし、それぞれの飽和レベル付近でクリップして足し合わせることで、連続的な特性が得られる。
上述したように、第1実施形態に係るCMOSイメージセンサ10では、単位画素20が転送ゲートである転送トランジスタ22を有する破壊読出しの画素であることで、低暗電流や、1電子あたりの電圧を示す変換効率が高いこと、リセットレベルを相間二重サンプリング(CDS)と呼ばれるノイズキャンセル動作が可能であること、などによる高S/Nという作用効果を奏する。
なお、上記実施形態では、読み出し動作(図12の垂直走査1b)に先行する垂直走査を2回(図12の垂直走査2,3)実行するとしたが、2回に限られるものではなく、図22に示すように、3回以上、本例では4回(垂直走査2〜5))実行することも可能である。この場合、行選択回路を追加するか、あるいは、走査の終了した行選択回路を再度使う、あるいは、2行以上選択可能な行選択回路を用いるようにすればよい。
また、上記実施形態では、図12における第1中間電圧を供給する垂直走査1bと、フォトダイオード21に蓄積された電荷を完全にFD部26に転送すべく前記供給電圧(中間電圧)とは異なる電圧を供給する垂直走査1cを、図24の垂直走査1bのように共通化してもよい。この場合の駆動タイミングを図25に示す。
また、図26に示すように、完全転送による通常の読み出し動作(垂直走査1c)の前に、複数の中間電圧の印加による読み出し動作(垂直走査1b,1b′)を実行する場合には、それぞれの垂直走査に先行して、それぞれの供給電圧と同じ電圧を複数回の垂直走査で供給して、例えば、図26の垂直走査2,3,2′,3′を実行するようにすることも可能である。
図27は、本発明の第2実施形態に係る固体撮像装置、例えばCMOSイメージセンサの構成例を示すシステム構成図であり、図中、図1と同等部分には同一符号を付して示している。
図29は、本発明の第3実施形態に係る固体撮像装置、例えばCMOSイメージセンサの構成例を示すシステム構成図であり、図中、図1および図27と同等部分には同一符号を付して示している。
以上説明した第1乃至第3実施形態(変形例を含む)では、CMOSイメージセンサに適用した場合を例に挙げて説明したが、本発明はCMOSイメージセンサに限らず、増幅型の固体撮像装置全般に、さらには光電変換素子からの信号電荷の読み出し部分に関する発明であることから、CCDイメージセンサに代表される電荷転送型の固体撮像装置にも同様に適用可能である。
先述した第1乃至第3実施形態(変形例を含む)に係るCMOSイメージセンサ10,50,60は、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置において、その撮像デバイス(画像入力デバイス)として用いて好適なものである。
Claims (20)
- 光信号を信号電荷に変換する受光部と当該受光部で光電変換された信号電荷を転送する転送ゲートとを含む単位画素が行列状に2次元配置されてなる画素アレイ部と、
第1露光時間に前記単位画素に蓄積された信号電荷を、前記転送ゲートに第1の電圧を印加して読み出し、読み出した信号電荷を第1映像信号として前記画素アレイ部から出力し、当該第1映像信号の出力に先立って、前記第1露光時間の期間中に、前記第1映像信号を出力する単位画素の前記転送ゲートに前記第1の電圧より低い複数の第2電圧を印加して複数回の読み出し動作を行う駆動手段と、
を備えた固体撮像装置。 - 光信号を信号電荷に変換する受光部と当該受光部で光電変換された信号電荷を転送する転送ゲートとを含む単位画素が行列状に2次元配置されてなる画素アレイ部を有する固体撮像装置の駆動方法であって、
第1露光時間に前記単位画素に蓄積された信号電荷を、前記転送ゲートに第1の電圧を印加して読み出し、読み出した信号電荷を第1映像信号として前記画素アレイ部から出力し、当該第1映像信号の出力に先立って、前記第1露光時間の期間中に、前記第1映像信号を出力する単位画素の前記転送ゲートに前記第1の電圧より低い複数の第2電圧を印加して複数回の読み出し動作を行う、
固体撮像装置の駆動方法。 - 前記第1露光時間の期間中に、前記第1映像信号を出力する単位画素に前記転送ゲートを駆動する時間間隔によって決まる複数の露光時間に比例して蓄積される信号電荷を読み出して前記第1映像信号と異なる複数の感度の映像信号として前記画素アレイ部から順次出力することが可能に前記複数回の読み出し動作を行う、
請求項2記載の固体撮像装置の駆動方法。 - 光信号を信号電荷に変換する受光部と当該受光部で光電変換された信号電荷を転送する転送ゲートとを含む単位画素が行列状に2次元配置されてなる固体撮像装置と、
被写体からの光を前記固体撮像装置の撮像面上に導く光学系と、
を具備し、
前記固体撮像装置は、
前記単位画素が行列状に2次元配置されてなる画素アレイ部と、
第1露光時間に前記単位画素に蓄積された信号電荷を、前記転送ゲートに第1の電圧を印加して読み出し、読み出した信号電荷を第1映像信号として前記画素アレイ部から出力し、当該第1映像信号の出力に先立って、前記第1露光時間の期間中に、前記第1映像信号を出力する単位画素の前記転送ゲートに前記第1の電圧より低い複数の第2電圧を印加して複数回の読み出し動作を行う駆動手段と、
を備えた撮像装置。 - 光信号を信号電荷に変換する光電変換素子と当該光電変換素子で光電変換された信号電荷を転送する転送ゲートとを含む単位画素が行列状に2次元配置されてなる画素アレイ部と、
前記転送ゲートの制御電極に第1制御電圧を供給する第1供給電圧制御手段と、
前記転送ゲートの制御電極に前記第1制御電圧とは異なる電圧値の1つ又は複数の第2制御電圧を順次供給する第2供給電圧制御手段と、
前記第2制御電圧の供給に先行して、当該いずれか1つ又は複数の個々の第2制御電圧と同じ電圧値の第3制御電圧を複数回供給する第3供給電圧制御手段と、
前記第1制御電圧が供給された際に前記転送ゲートによって転送される信号電荷を読み出す第1駆動手段と、
前記第2制御電圧が順次供給された際に前記転送ゲートによって転送される信号電荷を読み出す第2駆動手段と、
を備えた固体撮像装置。 - 前記第2制御電圧は、前記光電変換素子に蓄積された電荷の一部を保持したまま、その保持量を超えた蓄積電荷を前記転送ゲートによって転送できる電圧である、
請求項5記載の固体撮像装置。 - 前記第1制御電圧の供給および前記第2制御電圧の供給の前に、前記転送ゲートによって転送された電荷を蓄積するフローティングディフュージョンを所定電位にリセットするリセット手段をさらに備える、
請求項5記載の固体撮像装置。 - 前記第3供給電圧制御手段は、前記第3制御電圧が前記第2制御電圧の複数の供給に先行するとき、当該複数の供給の各々において等しい時間間隔で前記第3制御電圧を複数回供給する、
請求項5記載の固体撮像装置。 - 前記第3供給電圧制御手段は、前記複数の供給間において異なる時間間隔で前記第3制御電圧を供給する、
請求項8記載の固体撮像装置。 - 前記第2供給電圧制御手段は、前記複数の供給間において異なる電圧値の前記第2制御電圧を供給する、
請求項5記載の固体撮像装置。 - 前記単位画素は、前記光電変換素子から前記転送ゲートによって転送された信号電荷を信号電圧として増幅して出力する増幅トランジスタを有し、
前記第1駆動手段および前記第2駆動手段のそれぞれは、前記転送ゲートによって前記増幅トランジスタに転送された信号電荷を当該増幅トランジスタを介して読み出す、
請求項5記載の固体撮像装置。 - 前記光電変換素子から前記転送ゲートによって転送された信号電荷を転送する電荷転送部を有し、
前記第1駆動手段および前記第2駆動手段のそれぞれは、前記転送ゲートによって前記電荷転送部に転送された信号電荷を当該電荷転送部を介して読み出す、
請求項5記載の固体撮像装置。 - 前記第1駆動手段および前記第2駆動手段のそれぞれは、
前記転送ゲートによって転送される信号電荷を読み出す、前記単位画素の2次元配列における1行または複数行を順次走査で選択して前記転送ゲートに前記第1乃至第3制御電圧を供給する手段と、
1行または複数行を選択して前記転送ゲートに前記第1乃至第3制御電圧を供給する動作を、前記順次走査による選択行に先行して複数回実行する手段と
を有する、請求項5記載の固体撮像装置。 - 光信号を信号電荷に変換する光電変換素子と当該光電変換素子で光電変換された信号電荷を転送する転送ゲートとを含む単位画素が行列状に2次元配置されてなる固体撮像装置の駆動方法であって、
前記転送ゲートの制御電極に第1制御電圧を供給するとともに、前記第1制御電圧とは異なる電圧値の第2制御電圧を1回又は複数回供給し、
前記第2制御電圧の供給に先行して、当該いずれか1つ又は複数の個々の第2制御電圧と同じ電圧値の第3制御電圧を複数回供給し、
前記第1制御電圧が供給された際に前記転送ゲートによって転送される信号電荷を読み出し、
前記第2制御電圧を順次供給した際に前記転送ゲートによって転送される信号電荷を読み出す、
固体撮像装置の駆動方法。 - 前記第2制御電圧は、前記光電変換素子に蓄積された電荷の一部を保持したまま、その保持量を超えた蓄積電荷を前記転送ゲートによって転送できる電圧である、
請求項14記載の固体撮像装置の駆動方法。 - 前記第1制御電圧の供給および前記第2制御電圧の供給の前に、前記転送ゲートによって転送された電荷を蓄積するフローティングディフュージョンを所定電位にリセットする、
請求項14記載の固体撮像装置の駆動方法。 - 前記第3制御電圧が前記第2制御電圧の複数の供給に先行するとき、当該複数の供給の各々において等しい時間間隔で前記第3制御電圧を複数回供給する、
請求項14記載の固体撮像装置の駆動方法。 - 前記複数の供給間において異なる電圧値の前記第2制御電圧を供給する、
請求項14記載の固体撮像装置の駆動方法。 - 光信号を信号電荷に変換する光電変換素子と当該光電変換素子で光電変換された信号電荷を転送する転送ゲートとを含む単位画素が行列状に2次元配置されてなる固体撮像装置と、
被写体からの光を前記固体撮像装置の撮像面上に導く光学系とを具備し、
前記固体撮像装置は、
前記転送ゲートの制御電極に第1制御電圧を供給する第1供給電圧制御手段と、
前記転送ゲートの制御電極に前記第1制御電圧とは異なる電圧値の1つ又は複数の第2制御電圧を順次供給する第2供給電圧制御手段と、
前記第2制御電圧の供給に先行して、当該いずれか1つ又は複数の個々の第2制御電圧と同じ電圧値の第3制御電圧を複数回供給する第3供給電圧制御手段と、
前記第1制御電圧が供給された際に前記転送ゲートによって転送される信号電荷を読み出す第1駆動手段と、
前記第2制御電圧が順次供給された際に前記転送ゲートによって転送される信号電荷を読み出す第2駆動手段と、
を備えた撮像装置。 - 光信号を信号電荷に変換する光電変換素子と当該光電変換素子で光電変換された信号電荷を転送する転送ゲートとを含む単位画素が行列状に2次元配置されてなる画素アレイ部と、
前記転送ゲートの制御電極に第1制御電圧を供給する第1供給電圧制御手段と、
前記転送ゲートの制御電極に前記第1制御電圧とは異なる電圧値の複数の第2制御電圧を順次供給する第2供給電圧制御手段と、
前記第2制御電圧の供給に先行して、当該第2制御電圧と同じ電圧値の第3制御電圧を1回又は複数回供給する第3供給電圧制御手段と、
前記第1制御電圧が供給された際に前記転送ゲートによって転送される信号電荷を読み出す第1駆動手段と、
前記第2制御電圧が順次供給された際に前記転送ゲートによって転送される信号電荷を読み出す第2駆動手段と、
を備えた固体撮像装置。
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