JP5039649B2 - 撮像装置及び撮像装置の撮影制御方法 - Google Patents
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Description
固体撮像素子の1画素から信号を得るには、まず、電荷蓄積部に蓄積されていた電荷をリセットドレインに排出してリセットする(時刻T0)。このとき、図示したように、電荷蓄積部内にはリセット動作に伴って発生するノイズ電荷であるリセットノイズN1が蓄積される。リセットが完了すると光電変換膜の露光が開始され、この露光によって発生した電荷Qが接続部から電位障壁を通って電荷蓄積部へと蓄積される(時刻T1)。そして、この露光期間中に電荷蓄積部に蓄積された電荷量に応じた信号が信号読み出し回路から出力される。信号出力後は、時刻T2に示すように再びリセット動作が行われ、電荷蓄積部にはリセットノイズN2が蓄積されて、この状態で次の露光が開始される。
ΔQ∝ln(1+αt) ・・・(1)
だたし、αは比例係数
図17に示すように、一般的なMOS型イメージセンサでは、AE(自動露出)・AF(自動焦点調節)機能実行後、全画素の電荷蓄積部にある電荷をリセットドレインに同時に排出するグローバルリセットを行うことで露光を開始する。露光の開始後、メカニカルシャッタを閉じることで露光を終了し、露光の終了後、メカニカルシャッタが閉じた状態で、露光によって発生した電荷に応じた信号の読み出しが行われる。この信号の読み出しは、全画素に蓄積された電荷を1ライン毎に順次読み出す、所謂ローリング読み出しとなっている。
図1は、本発明の第一実施形態である固体撮像素子の1画素分の断面模式図である。本実施形態の固体撮像素子は、図1に示す1画素を同一平面上で1次元状又は二次元状に複数配置した構成となっている。
図1に示す固体撮像素子は、半導体基板であるp型シリコン基板1(以下、基板1という)と、基板1上方にゲート絶縁膜2及び絶縁層10を介して積層された光電変換素子Pとを備える。
図2に示すように、信号出力回路は、リセットトランジスタの他に出力トランジスタ5aと行選択トランジスタ5bとを備える。出力トランジスタ5aは、そのゲートが第二の電荷蓄積部5に接続され、そのドレインが電源に接続され、そのソースが行選択トランジスタ5bのドレインに接続されている。出力トランジスタ5aは、第二の電荷蓄積部5に蓄積された電荷の電荷量に応じた電圧信号を出力するものである。
固体撮像素子30は、行方向とこれに直交する列方向に正方格子状に配列された多数の画素303と、画素303からの信号の読み出しを制御するための走査回路301と、各画素303から出力される信号を処理する信号処理部302とを備える。画素303は、図1に示した構成となっている。
図4に示す撮像装置は、図3に示す固体撮像素子30と、固体撮像素子30の前方に設けられた開閉可能なメカニカルシャッタ37と、固体撮像素子30の各画素から得られる信号に相関二重サンプリング(CDS)処理を行ってリセットノイズを除去するCDS回路31と、CDS回路31の出力信号をデジタル信号に変換するA/D変換器32と、A/D変換器32から出力されるデジタル信号に所定のデジタル信号処理を施して画像データを生成するデジタル信号処理部33と、デジタル信号処理部33で生成された画像データが記録される記録メディア34と、固体撮像素子30及びメカニカルシャッタ37を駆動する駆動部35と、撮像装置全体を統括制御するシステム制御部36とを備える。尚、固体撮像素子30、CDS回路31、及びA/D変換器32は1チップ(1IC)の中に組み込まれていても良い。
図5は、第一実施形態の固体撮像素子を搭載する撮像装置の撮影モード時の動作を示す図であり、各時刻における基板1内の断面ポテンシャルを示した図である。図6は、第一実施形態の固体撮像素子を搭載する撮像装置の撮影モード時の動作タイミングを示す図である。
予め、本特性を撮像システムに記録しておけば、システム的にリニアリティ補正が可能となり、入射光量に対する信号出力特性を線形にすることができる。熱励起による放出電流量は時間と共に指数関数的に減少((式1)参照)し、放出電流量が、接続部3に流れ込む電流量(暗電流+被写体に応じた信号電流)と釣り合った時に熱平衡状態に達し、熱励起による放出電流量は見かけ上0となる。よって、入力信号に対する出力特性も図7のように信号蓄積時間の関数となる。このように、信号蓄積時間(露光時間)と出力電荷量を知ることができれば、図7に示したグラフから、信号電流量を知ることができるため、リニアリティ補正が可能となる。
電位決定モードが開始されると、駆動部35は、光電変換層15から接続部3に入射光に応じた電荷(つまり、光がない状態で発生する暗電流電荷以外の電荷)が流れ込まない状態にする(ステップS1)。このような状態の実現方法としては、メカニカルシャッタ37を閉じる制御を行う方法がある。又は、光電変換層15に印加される実効電圧がゼロとなるように、上部電極16に印加するバイアス電圧を制御する方法がある。
図9に示す例では、時刻T0で初期状態となっている。この初期状態は図5の時刻T0の状態と同じである。図9の例では、第二の電荷蓄積部5にリセットノイズN3が蓄積されている。初期状態から、駆動部35は、i(=1)ライン目の各画素のリセットノイズN3に応じたリセットノイズ信号(基準レベル)を信号出力回路から出力させる(時刻T1[i])。この基準レベルはCDS回路31にてサンプリングされる。
ここで、Nは、ステップS4で“NO”と判定した回数
第一実施形態では、露光期間中に発生した電荷を、第一の電荷蓄積部4に一時的に蓄積するものとすることで、リセットノイズを正確に除去できるものとした。しかし、リセットノイズの除去精度を求めないのであれば、第一の電荷蓄積部4を設けない構成としても、第一実施形態の駆動方式を採用することは可能である。
図10は、第二実施形態の固体撮像素子を搭載する撮像装置の撮影モード時の動作を示す図であり、各時刻における基板1内の断面ポテンシャルを示した図である。
図10に示す例では、時刻T0で初期状態となっている。この初期状態とは、電位障壁部7の電位が露光期間中に設定される露光電位よりも十分に低い第一の電位となるように各画素のバリアゲート7aに第一の電圧が印加されており、各画素のリセットゲート9にリセットパルスが印加されていない状態である。初期状態では、第一の電荷蓄積部4に、初期状態の前に行われたリセット動作によるリセットノイズNが蓄積されている。駆動部35は、初期状態では、メカニカルシャッタ37を開ける制御を行う。
第一及び第二実施形態の撮像装置が、グローバルリセット時に電位障壁部7の電位を制御して、接続部3と電位障壁部7を同電位にしているのに対し、第三実施形態の撮像装置は、これとは別の方法で接続部3と電位障壁部7を同電位にする。
まず、時刻T0の状態を初期状態とする。初期状態とは、各画素の電位障壁部7の電位が露光期間中に設定すべき露光電位よりも十分小さな第一の電位になっており、各画素の転送ゲート8に電荷転送パルスが印加されておらず、各画素のリセットゲート9にリセットパルスが印加されておらず、各画素のリセットドレイン6の電位が既定値(第一の電荷蓄積部4の電位よりも十分に高い値)になっている状態である。尚、露光電位及び第一の電位は設計時に任意に決められた値である。
本実施形態では、第三実施形態で説明した撮像装置において、接続部3に電荷を注入するための別の方法について説明する。
図12に示す固体撮像素子は、図1に示す固体撮像素子に、接続部3に電荷を注入するための電荷注入トランジスタを追加した構成となっている。
この電荷注入トランジスタは、接続部3と、基板1内の接続部3の隣に少し離間して設けられたn型不純物層18と、接続部3とn型不純物層18の間の基板1上方にゲート絶縁膜2を介して設けられたゲート電極17とから構成されている。
まず、時刻T0の状態を初期状態とする。初期状態とは、電荷注入ソース18の電位が高電位となっており、その他の部分の電位が図11の時刻T0と同じ状態である。尚、駆動部35は、初期状態ではメカニカルシャッタ37を開ける制御を行う。
本実施形態では、第三実施形態で説明した撮像装置において、接続部3に電荷を注入するための別の方法について説明する。
本実施形態の撮像装置の構成は、第四実施形態で説明したものと同様である。ただし、本実施形態の撮像装置の駆動部35は、電荷注入ソース18の電位は固定とし、電荷注入ゲート17の電位を、電荷注入ソース18の電位よりも高い高電位と、電荷注入ソース18の電位よりも低い低電位との2種類の電位のいずれかとなるように制御する。
まず、時刻T0の状態を初期状態とする。初期状態とは、電荷注入ゲート17の電位が低電位となっており、その他の部分の電位が図11の時刻T0と同じ状態である。尚、駆動部35は、初期状態ではメカニカルシャッタ37を開ける制御を行う。
(V_on)=(V_def)−(V_step)×N ・・・(3)
ここで、Nは、ステップS4で“NO”と判定した回数
3 接続部
4 第一の電荷蓄積部
7 電位障壁部
14 下部電極
15 光電変換層
16 上部電極
P 光電変換素子
30 固体撮像素子
35 駆動部
37 メカニカルシャッタ
Claims (22)
- 半導体基板上方に積層された一対の電極とこれに挟まれる光電変換層とを含む光電変換素子をそれぞれ有する複数の画素を含む固体撮像素子と、前記固体撮像素子を駆動する駆動手段とを備える撮像装置であって、
前記画素が、前記半導体基板内に設けられ、前記一対の電極の一方と電気的に接続される接続部と、前記半導体基板内に前記接続部に隣接して設けられ、該接続部の電位に対して電位障壁となる電位障壁部であって電位が前記駆動手段によって可変制御される電位障壁部と、前記半導体基板内に前記電位障壁部に隣接して設けられ、前記光電変換層で発生した電荷が前記接続部及び前記電位障壁部を介して蓄積される第一の電荷蓄積部と、前記第一の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を出力するMOSトランジスタで構成された信号出力回路とを含み、
前記固体撮像素子の前方に設けられた開閉可能なメカニカルシャッタを備え、
前記固体撮像素子の露光期間中の前記電位障壁部の電位を露光電位とし、
前記駆動手段は、前記メカニカルシャッタを開いた状態で、全ての前記画素において、前記接続部と前記電位障壁部を前記露光電位にし、該露光電位にしたことによって発生した不要電荷を前記信号出力回路を構成するリセットトランジスタのドレインに排出するグローバルリセットを行った後に露光を開始し、前記メカニカルシャッタを閉じると共に前記電位障壁部の電位を前記露光電位よりも低く又は高くすることで前記露光を終了し、前記メカニカルシャッタを閉じている期間中に、前記電位障壁部の電位を前記露光電位よりも低く又は高くした状態で、前記露光によって前記第一の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を前記信号出力回路から出力させる撮像装置。 - 請求項1記載の撮像装置であって、
前記露光電位が、前記グローバルリセット直前の前記接続部の電位よりも高く又は低く設定されており、
前記駆動手段が、前記グローバルリセットを、前記電位障壁部を前記露光電位にし、前記電位障壁部を前記露光電位にしたことによって前記接続部から溢れた不要電荷を前記ドレインに排出することで行う撮像装置。 - 請求項2記載の撮像装置であって、
前記露光電位を決定する電位決定モードを有し、
前記駆動手段は、前記電位決定モード時、前記光電変換層から前記接続部に入射光に応じた電荷が流れ込まない状態とし、この状態で前記電位障壁部の電位を所定の値“V_on”にしたときに前記第一の電荷蓄積部に蓄積される電荷に応じた信号を前記信号出力回路から出力させる駆動を、前記駆動を1回行う毎に前記所定の値“V_on”を“V_step”だけ増加又は減少させて、全ての前記画素の前記信号出力回路から前記信号が出力されるようになるまで繰り返し行い、全ての前記画素の前記信号出力回路から前記信号が出力された時点での前記所定の値“V_on”を、前記露光電位とする撮像装置。 - 請求項3記載の撮像装置であって、
前記電位決定モードを、電源が投入されたときに実行する撮像装置。 - 請求項3記載の撮像装置であって、
前記電位決定モードを、電源投入後、一定時間毎に実行する撮像装置。 - 請求項1記載の撮像装置であって、
前記駆動手段は、前記信号の出力完了後から前記グローバルリセット完了までの間に前記電位障壁部の電位を前記露光電位になるように制御し、前記グローバルリセットを、前記リセットトランジスタのドレインの電位を前記電位障壁部の電位よりも低く又は高くして前記接続部に電荷を注入し、該注入によって発生した不要電荷を、既定の電位に戻した前記ドレインに排出することで行う撮像装置。 - 請求項1記載の撮像装置であって、
前記画素が、前記接続部をドレインとするトランジスタであって、前記接続部に電荷を注入するための電荷注入トランジスタを備え、
前記駆動手段は、前記信号の出力完了後から前記グローバルリセット完了までの間に前記電位障壁部の電位を前記露光電位になるように制御し、前記グローバルリセットを、前記電荷注入トランジスタのソースの電位を前記電荷注入トランジスタのゲートの電位よりも下降又は上昇させて前記ソースから前記接続部に電荷を注入し、該注入によって発生した不要電荷を、前記リセットトランジスタのドレインに排出することで行う撮像装置。 - 請求項1記載の撮像装置であって、
前記画素が、前記接続部をドレインとするトランジスタであって、前記接続部に電荷を注入するための電荷注入トランジスタを備え、
前記駆動手段は、前記信号の出力完了後から前記グローバルリセット完了までの間に前記電位障壁部の電位を前記露光電位になるように制御し、前記グローバルリセットを、前記電荷注入トランジスタのゲートの電位を前記電荷注入トランジスタのソースの電位よりも上昇又は下降させて前記ソースから前記接続部に電荷を注入し、該注入によって発生した不要電荷を、前記リセットトランジスタのドレインに排出することで行う撮像装置。 - 請求項1〜8のいずれか1項記載の撮像装置であって、
前記画素が、前記半導体基板内に設けられ、前記信号出力回路を構成する出力トランジスタのゲートに接続された第二の電荷蓄積部と、前記第一の電荷蓄積部に蓄積された電荷を前記第二の電荷蓄積部に転送する電荷転送手段とを備える撮像装置。 - 請求項9記載の撮像装置であって、
前記第一の電荷蓄積部が埋め込み型の蓄積部である撮像装置。 - 請求項1〜10のいずれか1項記載の撮像装置であって、
前記光電変換層が有機材料で構成されている撮像装置。 - 半導体基板上方に積層された一対の電極とこれに挟まれる光電変換層とを含む光電変換素子をそれぞれ有する複数の画素を含む固体撮像素子を有する撮像装置の撮影制御方法であって、
前記画素が、前記半導体基板内に設けられ、前記一対の電極の一方と電気的に接続される接続部と、前記半導体基板内に前記接続部に隣接して設けられ、該接続部の電位に対して電位障壁となる電位障壁部と、前記半導体基板内に前記電位障壁部に隣接して設けられ、前記光電変換層で発生した電荷が前記接続部及び前記電位障壁部を介して蓄積される第一の電荷蓄積部と、前記第一の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を出力するMOSトランジスタで構成された信号出力回路とを含み、
前記固体撮像素子の露光期間中の前記電位障壁部の電位を露光電位とし、
前記固体撮像素子の前方に設けられた開閉可能なメカニカルシャッタを開いた状態で、全ての前記画素において、前記接続部と前記電位障壁部を前記露光電位にし、該露光電位にしたことによって発生した不要電荷を前記信号出力回路を構成するリセットトランジスタのドレインに排出するグローバルリセットを行った後に露光を開始し、前記メカニカルシャッタを閉じると共に前記電位障壁部の電位を前記露光電位よりも低く又は高くすることで前記露光を終了し、前記メカニカルシャッタを閉じている期間中に、前記電位障壁部の電位を前記露光電位よりも低く又は高くした状態で、前記露光によって前記第一の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を前記信号出力回路から出力させる撮像装置の撮影制御方法。 - 請求項12記載の撮像装置の撮影制御方法であって、
前記露光電位を、前記グローバルリセット直前の前記接続部の電位よりも高く又は低く設定し、前記グローバルリセットを、前記電位障壁部を前記露光電位にし、前記電位障壁部を前記露光電位にしたことによって前記接続部から溢れた不要電荷を前記ドレインに排出することで行う撮像装置の撮影制御方法。 - 請求項13記載の撮像装置の撮影制御方法であって、
前記露光電位を決定する際、前記光電変換層から前記接続部に入射光に応じた電荷が流れ込まない状態とし、この状態で前記電位障壁部の電位を所定の値“V_on”にしたときに前記第一の電荷蓄積部に蓄積される電荷に応じた信号を前記信号出力回路から出力させる駆動を、前記駆動を1回行う毎に前記所定の値“V_on”を“V_step”だけ増加又は減少させて、全ての前記画素の前記信号出力回路から前記信号が出力されるようになるまで繰り返し行い、全ての前記画素の前記信号出力回路から前記信号が出力された時点での前記所定の値“V_on”を、前記露光電位とする撮像装置の撮影制御方法。 - 請求項14記載の撮像装置の撮影制御方法であって、
前記露光電位の決定を、前記撮像装置の電源が投入されたときに実行する撮像装置の撮影制御方法。 - 請求項14記載の撮像装置の撮影制御方法であって、
前記露光電位の決定を、前記撮像装置の電源投入後、一定時間毎に実行する撮像装置の撮影制御方法。 - 請求項12記載の撮像装置の撮影制御方法であって、
前記信号の出力完了後から前記グローバルリセット完了までの間に前記電位障壁部の電位を前記露光電位になるように制御し、前記グローバルリセットを、前記リセットトランジスタのドレインの電位を前記電位障壁部の電位よりも低く又は高くして前記接続部に電荷を注入し、該注入によって発生した不要電荷を、既定の電位に戻した前記ドレインに排出することで行う撮像装置の撮影制御方法。 - 請求項12記載の撮像装置の撮影制御方法であって、
前記画素が、前記接続部をドレインとするトランジスタであって、前記接続部に電荷を注入するための電荷注入トランジスタを備え、
前記信号の出力完了後から前記グローバルリセット完了までの間に前記電位障壁部の電位を前記露光電位になるように制御し、前記グローバルリセットを、前記電荷注入トランジスタのソースの電位を前記電荷注入トランジスタのゲートの電位よりも下降又は上昇させて前記ソースから前記接続部に電荷を注入し、該注入によって発生した不要電荷を、前記リセットトランジスタのドレインに排出することで行う撮像装置の撮影制御方法。 - 請求項12記載の撮像装置の撮影制御方法であって、
前記画素が、前記接続部をドレインとするトランジスタであって、前記接続部に電荷を注入するための電荷注入トランジスタを備え、
前記信号の出力完了後から前記グローバルリセット完了までの間に前記電位障壁部の電位を前記露光電位になるように制御し、前記グローバルリセットを、前記電荷注入トランジスタのゲートの電位を前記電荷注入トランジスタのソースの電位よりも上昇又は下降させて前記ソースから前記接続部に電荷を注入し、該注入によって発生した不要電荷を、前記リセットトランジスタのドレインに排出することで行う撮像装置の撮影制御方法。 - 請求項12〜19のいずれか1項記載の撮像装置の撮影制御方法であって、
前記画素が、前記半導体基板内に設けられ、前記信号出力回路を構成する出力トランジスタのゲートに接続された第二の電荷蓄積部と、前記第一の電荷蓄積部に蓄積された電荷を前記第二の電荷蓄積部に転送する電荷転送手段とを備える撮像装置の撮影制御方法。 - 請求項20記載の撮像装置の撮影制御方法であって、
前記第一の電荷蓄積部が埋め込み型の蓄積部である撮像装置の撮影制御方法。 - 請求項12〜21のいずれか1項記載の撮像装置の撮影制御方法であって、
前記光電変換層が有機材料で構成されている撮像装置の撮影制御方法。
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