JP5841356B2 - 固体撮像装置、固体撮像装置の制御方法、および撮像装置 - Google Patents
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- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
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Description
このMOS型固体撮像装置は、CCD(Charge Coupled Device:電荷結合素子)型固体撮像装置と異なり、単一電源で駆動することが可能である。また、CCD型固体撮像装置では、専用の製造プロセスを必要とするのに対し、MOS型固体撮像装置は、他のLSIと同じ製造プロセスを用いて製造することができることからSOC(System On Chip)への対応が容易であり、固体撮像装置の多機能化を可能としている。
また、MOS型固体撮像装置は、各画素に増幅回路を備えることによって画素内で信号電荷を増幅しているため、信号の伝達経路からのノイズの影響を受けづらい構成になっている。さらに、各画素の信号電荷を選択して取り出す(選択方式)ことが可能であり、原理上、信号の蓄積時間や読み出し順序を画素毎に自由に制御することができるという特徴がある。
イメージセンサ3は、イメージセンサ制御装置10によって駆動、制御され、レンズユニット部2を介してイメージセンサ3に入射した被写体光を画像信号に変換するMOS型固体撮像装置である。以下の説明において、イメージセンサという場合には、MOS型固体撮像装置を示すこととする。なお、このイメージセンサ3に関する詳細な説明は、後述する。
発光装置4は、発光制御装置11によって駆動、制御され、発光装置4から発せられる光を被写体に当てることにより、被写体から反射する光を調節するストロボやフラッシュなどの装置である。
記録装置6は、半導体メモリなどの着脱可能な記録媒体であり、画像データの記録または読み出しを行う。
表示装置7は、イメージセンサ3に結像され、画像信号処理回路8によって処理された画像データ、または記録装置6から読み出された画像データに基づく画像を表示する液晶などの表示装置である。
画素信号処理チップ32は、画素チップ31から送信されてきた電気信号の一時的な記憶や、電気信号に対する簡単な演算などの処理を行うチップである。また、画素信号処理チップ32は、画素チップ31を駆動、制御するための信号を画素チップ31に送信する。
画素信号線314および画素チップ垂直走査回路信号線315は、チップ接続部33を介して画素信号処理チップ32に接続される。画素チップ31と画素信号処理チップ32とは、画素信号線314および画素チップ垂直走査回路信号線315によって、画素チップ31の駆動、制御に必要な各種信号、および画素チップ31内のそれぞれの単位画素313が出力する画素信号の送受信を行う。
イメージセンサ制御回路329は、画素信号処理チップ垂直走査回路321、画素信号処理チップ列処理回路326、画素信号処理チップ水平走査回路327、および画素チップ31内の画素チップ垂直走査回路311を制御する。
次に、本実施形態のイメージセンサ3の駆動タイミングについて説明する。なお、以下に示すタイミングチャートでは、図2〜図4に示したイメージセンサ3の構成において、2行分の単位画素313および単位画素メモリ323が連続で処理される場合のタイミングを示している。実際の動作においては、イメージセンサ3の、例えば、画素数や、間引き読み出しにおける間引き率などのパラメータによって、連続で処理される単位画素313および単位画素メモリ323行数や、単位画素313および単位画素メモリ323の行の間引き数などが変化する。また、画素チップ垂直走査回路311および画素信号処理チップ垂直走査回路321から出力される各制御パルス(画素リセットパルスΦPR,画素転送パルスΦPT,画素選択パルスΦPS,画素メモリリセットパルスΦMR,画素メモリ転送パルスΦMT,画素メモリ選択パルスΦMS,画素メモリクリップリファレンスパルスΦCR,画素メモリクリップイネーブルパルスΦCE)は、駆動方法に応じてタイミングを変更することができる。
次に、高輝度光がイメージセンサ3のリセット期間に入射した場合の駆動タイミングについて説明する。図8は、本実施形態のイメージセンサ3のリセット期間に高輝度光が入射した場合の各駆動のタイミングを示したタイミングチャートである。また、図9は、本実施形態のイメージセンサ3のリセット期間に高輝度光が入射した場合の効果を説明する図である。
次に、高輝度光がイメージセンサ3の転送期間に入射した場合の駆動タイミングについて説明する。図10は、本実施形態のイメージセンサ3の転送期間に高輝度光が入射した場合の各駆動のタイミングを示したタイミングチャートである。また、図11は、本実施形態のイメージセンサ3の転送期間に高輝度光が入射した場合の効果を説明する図である。また、図12は、本実施形態のイメージセンサ3における高輝度光による横筋現象の抑圧に関連する画素信号処理チップ32内の単位画素メモリ323の概略構成の一例を示した回路図である。
画素メモリ電位VMC(1,0)の電位も降下している。しかし、単位画素313(1,0)に入射している高輝度光は、黒沈み現象が起きるまでには至らない高輝度光である。このため、高輝度光が照射された画像座標213の部位の画素メモリ信号は、フォトダイオードPDの飽和信号量に類似した信号ではあるが、画像座標213の部位の中には、黒沈み現象は発生しない。
2・・・レンズユニット部
3・・・イメージセンサ
4・・・発光装置
5・・・メモリ
6・・・記録装置
7・・・表示装置
8・・・画像信号処理回路
9・・・レンズ制御装置
10・・・イメージセンサ制御装置
11・・・発光制御装置
12・・・カメラ制御装置
31・・・画素チップ
32・・・画素信号処理チップ
33・・・チップ接続部
34・・・外部配線接続部
311・・・画素チップ垂直走査回路
312・・・画素アレイ部
313・・・単位画素
314・・・画素信号線
315・・・画素チップ垂直走査回路信号線
316・・・画素リセット線
317・・・画素転送線
318・・・画素選択線
321・・・画素信号処理チップ垂直走査回路
322・・・画素メモリアレイ部
323・・・単位画素メモリ
324・・・画素メモリ信号線
325・・・画素信号処理チップ垂直信号線
326・・・画素信号処理チップ列処理回路
327・・・画素信号処理チップ水平走査回路
328・・・画素信号処理チップ水平走査回路信号線
329・・・イメージセンサ制御回路
3210・・・イメージセンサ制御回路信号線
3211・・・画素メモリリセット線
3212・・・画素メモリ転送線
3213・・・画素メモリ選択線
3214・・・クリップリファレンス線
3215・・・クリップイネーブル線
PD・・・フォトダイオード
FD・・・画素電荷蓄積部
PM1・・・画素転送トランジスタ
PM2・・・画素リセットトランジスタ
PM3・・・画素増幅トランジスタ
PM4・・・画素選択トランジスタ
CC・・・画素メモリ結合容量
MC・・・画素メモリ電荷蓄積部
MM1・・・画素メモリ転送トランジスタ
MM2・・・画素メモリリセットトランジスタ
MM3・・・画素メモリ増幅トランジスタ
MM4・・・画素メモリ選択トランジスタ
MM5・・・画素メモリクリップリファレンストランジスタ
MM6・・・画素メモリクリップイネーブルトランジスタ
CS・・・画素メモリ電流負荷
VPD・・・PD電位
VFD・・・FD電位
V314・・・画素信号線電位
VMC・・・画素メモリ電位
VDDP,VDDM・・・電源電位
VFDRS・・・FDリセット電位
VFDSIG・・・FD信号電位
V314RS・・・画素信号線リセット電位
V314SIG・・・画素信号線信号電位
VREF1・・・第1参照電位
VREF2・・・第2参照電位
VMCRS・・・画素メモリリセット電位
VMCSIG・・・画素メモリ信号電位
VFDSAT・・・FD飽和電位
V314SAT・・・画素信号線飽和電位
VMCSIG1・・・画素メモリ信号電位
VMCSIG2・・・画素メモリ信号電位
V314SIG1・・・画素信号線信号電位
V314SIG2・・・画素信号線信号電位
VMCSIG1・・・画素メモリ信号電位
VMCSIG2・・・画素メモリ信号電位
201,211・・・画像
202,212・・・画像
203,213・・・画像座標
204,214・・・画像座標
205,215・・・画像座標
RCS・・・配線抵抗
3216・・・グラウンド配線
Claims (31)
- 第1の基板と第2の基板とを電気的に接続する接続部によって、前記第1の基板と前記第2の基板とを電気的に接続する固体撮像装置であって、
当該固体撮像装置が有する画素部は、
前記第1の基板に含まれ、光電変換素子を具備し、画素信号を発生する画素と、
前記画素信号を前記第2の基板に供給する信号線と、
前記第2の基板に含まれ、前記信号線を経由して供給された前記画素信号を蓄積する信号蓄積回路と、
前記第2の基板に含まれ、前記信号蓄積回路に蓄積された前記画素信号を出力する出力回路と、
前記第2の基板に含まれ、前記画素信号の電圧が、所定の電圧以下にならないようにクリップするクリップ回路と、
を有する、
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 前記第2の基板は、
前記信号蓄積回路に蓄積された前記画素信号を出力する出力信号線を更に有し、
前記クリップ回路は、
前記出力信号線の電圧が、前記所定の電圧以下にならないようにクリップする、
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記接続部には、電流源負荷が接続されている、
ことを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。 - 前記画素は、
入射光量に応じた信号電荷を発生させる前記光電変換素子と、
前記光電変換素子が発生した前記信号電荷を蓄積する蓄積部と、
前記蓄積部に貯められた電荷をリセットするリセット部と、
前記蓄積部に前記信号電荷を転送する転送部と、
前記蓄積部に蓄積された電荷を増幅し、画素信号として出力する増幅部と、
を有し、
前記クリップ回路によってクリップする前記所定の電圧のレベルは、
前記リセット部によってリセットされたときの前記蓄積部の電荷に応じて前記増幅部から出力される前記画素信号であるリセット信号が、前記信号線に出力されているリセット期間と、前記転送部によって前記蓄積部に転送された前記信号電荷に応じて前記増幅部から出力される前記画素信号である被写体信号が、前記信号線に出力されている信号期間と、で異なる、
ことを特徴とする請求項3に記載の固体撮像装置。 - 前記信号蓄積回路は、
前記画素信号を記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された前記画素信号の電圧をリセットする記憶部信号リセット部と、
前記記憶部を選択する記憶部信号選択部と、
前記記憶部に記憶された前記画素信号の電圧を増幅して出力する記憶部信号増幅部と、
一方が前記信号線を経由して供給される前記画素信号の信号線に接続され、もう一方が前記記憶部に接続された結合容量と、
を有することを特徴とする請求項4に記載の固体撮像装置。 - 前記第2の基板は、
前記被写体信号から前記リセット信号を減算した信号を出力する減算部を、さらに有する、
ことを特徴とする請求項5に記載の固体撮像装置。 - 前記リセット期間の間、前記クリップ回路による前記信号線を経由して供給された前記画素信号の電圧のクリップ機能を有効にする、
ことを特徴とする請求項4に記載の固体撮像装置。 - 前記所定の電圧は、
前記リセット信号の飽和電圧である、
ことを特徴とする請求項7に記載の固体撮像装置。 - 前記信号期間の間、前記クリップ回路による前記信号線を経由して供給された前記画素信号の電圧のクリップ機能を有効にする、
ことを特徴とする請求項4に記載の固体撮像装置。 - 前記所定の電圧は、
前記被写体信号の飽和電圧である、
ことを特徴とする請求項9に記載の固体撮像装置。 - 当該固体撮像装置が有する全ての前記画素の前記光電変換素子を同時にリセットする、
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記画素は、
前記光電変換素子で発生した信号を増幅する増幅回路を、さらに備え、
前記信号蓄積回路は、
前記増幅回路によって増幅された増幅信号を蓄積する、
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記画素は、
前記増幅回路から出力された前記増幅信号中のノイズを低減するノイズ低減回路を、さらに備え、
前記信号蓄積回路は、
前記ノイズ低減回路によってノイズが低減された前記増幅信号を蓄積する、
ことを特徴とする請求項12に記載の固体撮像装置。 - 前記増幅回路は、
前記光電変換素子で発生した信号をゲートに受け、ソースおよびドレインの一方から前記増幅信号を出力する増幅トランジスタを含む、
ことを特徴とする請求項13に記載の固体撮像装置。 - 前記ノイズ低減回路は、
前記増幅トランジスタのソースおよびドレインの一方に、直接または間接に接続され、出力された前記増幅信号をクランプするためのクランプ容量と、
前記クランプ容量に直接または間接に接続され、クランプされた前記増幅信号をサンプルホールドするサンプルホールドトランジスタと、
を含み、
前記信号蓄積回路は、
前記サンプルホールドトランジスタによってサンプルホールドされた前記増幅信号を蓄積する、
ことを特徴とする請求項14に記載の固体撮像装置。 - 前記接続部における前記第1の基板側の接続点、および前記接続部における前記第2の基板側の接続点は、
前記光電変換素子の出力端子から前記信号蓄積回路の入力端子までに至る経路上の、いずれかの位置に配置される、
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記接続部は、バンプである、
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記接続部は、
前記第1の基板の表面に形成された第1の電極と、前記第2の基板の表面に形成され、前記第1の電極と貼り合わされた第2の電極とを有する、
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記第2の基板は、
前記光電変換素子に入射する光が照射される前記第1の基板の表面とは反対側の表面と接続される、
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記第1の基板の画素は、
前記光電変換素子と、
前記光電変換素子で発生した信号を転送する転送回路と、
前記光電変換素子で発生した信号を増幅する第1増幅回路と、
前記第1増幅回路の入力部をリセットする第1リセット回路と、
を有し、
前記第2の基板の信号蓄積回路は、
アナログメモリ回路と、
前記アナログメモリ回路の信号を増幅する第2増幅回路と、
前記第2増幅回路の入力部をリセットする第2リセット回路と、
を有する、
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - 第1の基板と第2の基板とを電気的に接続する接続部によって、前記第1の基板と前記第2の基板とを電気的に接続する固体撮像装置の制御方法であって、
当該固体撮像装置が有する画素部の前記第1の基板に含まれ、光電変換素子を具備する画素で発生した画素信号を前記第2の基板に供給する信号線に出力させるステップと、
前記第2の基板に含まれる信号蓄積回路に、前記信号線を経由して供給された前記画素信号を蓄積させるステップと、
前記第2の基板に含まれる出力回路から、前記信号蓄積回路に蓄積された前記画素信号を出力させるステップと、
前記第2の基板に含まれるクリップ回路で、前記画素信号の電圧が、所定の電圧以下にならないようにクリップさせるステップと、
を含む、
ことを特徴とする固体撮像装置の制御方法。 - 第1の基板と第2の基板とを電気的に接続する接続部によって、前記第1の基板と前記第2の基板とを電気的に接続する撮像装置であって、
当該撮像装置が有する画素部は、
前記第1の基板に含まれ、光電変換素子を具備し、画素信号を発生する画素と、
前記画素信号を前記第2の基板に供給する信号線と、
前記第2の基板に含まれ、前記信号線を経由して供給された前記画素信号を蓄積する信号蓄積回路と、
前記第2の基板に含まれ、前記信号蓄積回路に蓄積された前記画素信号を出力する出力回路と、
前記第2の基板に含まれ、前記画素信号の電圧が、所定の電圧以下にならないようにクリップするクリップ回路と、
を有する、
ことを特徴とする撮像装置。 - 第1の基板と第2の基板とを電気的に接続する接続部によって、前記第1の基板と前記第2の基板とを電気的に接続する固体撮像装置であって、
当該固体撮像装置が有する画素部は、
前記第1の基板に含まれ、光電変換素子を具備する画素と、
前記画素に接続される第1の信号線と、
前記第2の基板に含まれ、一端が、前記第1の信号線に接続されるトランジスタと、
前記第2の基板に含まれ、前記第1の信号線に接続される容量と、
前記容量に接続される第2の信号線と、
を有し、
前記トランジスタは、
前記第1の信号線の電圧が、所定の電圧以下にならないようにクリップする、
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 前記第1の信号線は、
前記画素で発生した信号を前記第2の基板に供給し、
前記容量は、
前記第1の信号線を経由して供給された信号を蓄積し、
前記第2の信号線は、
前記容量に蓄積された信号を出力する、
ことを特徴とする請求項23に記載の固体撮像装置。 - 前記画素は、
前記光電変換素子で発生した信号をゲートに受け、ソースおよびドレインの一方から増幅信号を出力する増幅トランジスタを含む増幅回路を、さらに備え、
前記容量は、
前記増幅トランジスタによって増幅された前記増幅信号を蓄積する、
ことを特徴とする請求項23に記載の固体撮像装置。 - 前記画素は、
前記増幅トランジスタのソースおよびドレインの一方に、直接または間接に接続され、出力された前記増幅信号をクランプするためのクランプ容量と、
前記クランプ容量に直接または間接に接続され、クランプされた前記増幅信号をサンプルホールドするサンプルホールドトランジスタと、
を含むノイズ低減回路を、さらに備え、
前記容量は、
前記サンプルホールドトランジスタによってサンプルホールドされた前記増幅信号を蓄積する、
ことを特徴とする請求項25に記載の固体撮像装置。 - 前記第1の基板の画素は、
前記光電変換素子と、
前記光電変換素子で発生した信号がソースおよびドレインの一方に接続され、前記光電変換素子で発生した信号をソースおよびドレインのもう一方に出力する転送トランジスタと、
前記転送トランジスタが出力した信号をゲートに受け、ソースおよびドレインの一方から第1の増幅信号を出力する第1増幅トランジスタと、
前記第1増幅トランジスタのゲートをリセットする第1リセットトランジスタと、
を有し、
前記第2の基板は、
前記容量であるアナログメモリ回路と、
前記アナログメモリ回路の信号をゲートに受け、ソースおよびドレインの一方から第2の増幅信号を出力する第2増幅トランジスタと、
前記第2増幅トランジスタのゲートをリセットする第2リセットトランジスタと、
を有する、
ことを特徴とする請求項24に記載の固体撮像装置。 - 前記第1リセットトランジスタによって前記第1増幅トランジスタがリセットされているリセット期間の間、前記トランジスタによって前記第1の信号線の電圧が、第1の電圧以下にならないようにクリップする、
ことを特徴とする請求項27に記載の固体撮像装置。 - 前記転送トランジスタのソースおよびドレインのもう一方から前記光電変換素子で発生した信号に出力され、前記第1増幅トランジスタのソースおよびドレインの一方から前記光電変換素子で発生した信号に応じた前記第1の増幅信号が出力されている信号期間の間、前記トランジスタによって前記第1の信号線の電圧が、第2の電圧以下にならないようにクリップする、
ことを特徴とする請求項27に記載の固体撮像装置。 - 第1の基板と第2の基板とを電気的に接続する接続部によって、前記第1の基板と前記第2の基板とを電気的に接続する固体撮像装置の制御方法であって、
当該固体撮像装置が有する画素部の前記第1の基板に含まれ、光電変換素子を具備する画素で発生した信号を、前記画素に接続される第1の信号線に出力させるステップと、
前記第2の基板に含まれ、前記第1の信号線に接続される容量に、前記第1の信号線に出力された信号を蓄積させるステップと、
前記容量に接続される第2の信号線に蓄積した信号を出力させるステップと、
を含み、
前記第2の基板に含まれ、一端が、前記第1の信号線に接続されるトランジスタによって、前記第1の信号線の電圧が、所定の電圧以下にならないようにクリップさせるステップを、さらに含む、
ことを特徴とする固体撮像装置の制御方法。 - 第1の基板と第2の基板とを電気的に接続する接続部によって、前記第1の基板と前記第2の基板とを電気的に接続する撮像装置であって、
当該撮像装置が有する画素部は、
前記第1の基板に含まれ、光電変換素子を具備する画素と、
前記画素に接続される第1の信号線と、
前記第2の基板に含まれ、一端が、前記第1の信号線に接続されるトランジスタと、
前記第2の基板に含まれ、前記第1の信号線に接続される容量と、
前記容量に接続される第2の信号線と、
を有し、
前記トランジスタは、
前記第1の信号線の電圧が、所定の電圧以下にならないようにクリップする、
ことを特徴とする撮像装置。
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