JP6045156B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Description
まず、本発明の第1の実施形態を説明する。図1は、本実施形態による撮像装置の構成を示している。本発明の一態様に係る撮像装置は、撮像機能を有する電子機器であればよく、デジタルカメラのほか、デジタルビデオカメラ、内視鏡等であってもよい。
図7は、垂直走査回路3から行毎に画素1に供給される制御信号を示している。以下では、図4に示した2画素の単位で、図7に示す期間T1〜T6における画素1の動作を説明する。同一グループに属する2つの画素1のうち一方の画素1を第1の画素とし、他方の画素1を第2の画素とする。上記の複数のグループのそれぞれにおいて、動作の開始タイミング(図7の期間T1の開始タイミング)は同一である。
まず、転送パルスΦTX1,ΦTX2が“L”(Low)レベルから“H”(High)レベルに変化することで、転送トランジスタ102a,102bがオンとなる。同時に、FDリセットパルスΦRSTが“L”レベルから“H”レベルに変化することで、FDリセットトランジスタ104がオンとなる。期間T1は全ての画素1(以下、全画素と記載)で共通の期間であるため、全画素の光電変換素子101a,101bがリセットされる。
期間T2は露光期間内の期間である。まず、クランプ&メモリリセットパルスΦCL1が“L”レベルから“H”レベルに変化することで、アナログメモリリセットトランジスタ109aがオンとなる。これによって、アナログメモリ110aがリセットされる。同時に、サンプルパルスΦSH1が“L”レベルから“H”レベルに変化することで、サンプルトランジスタ108aがオンとなる。これによって、クランプ容量107の他端の電位が電源電圧VDDにリセットされると共に、サンプルトランジスタ108aがクランプ容量107の他端の電位のサンプルホールドを開始する。
まず、転送パルスΦTX1が“L”レベルから“H”レベルに変化することで、転送トランジスタ102aがオンとなる。これによって、光電変換素子101aに蓄積されている信号電荷が、転送トランジスタ102aを介してFD103に転送され、FD103に蓄積される。これによって、第1の画素の露光(信号電荷の蓄積)が終了する。図7の露光期間1は第1の画素の露光期間(信号蓄積期間)を示している。続いて、転送パルスΦTX1が“H”レベルから“L”レベルに変化することで、転送トランジスタ102aがオフとなる。
上述した期間T2,T3の動作は、第1の画素の動作である。期間T4,T5の動作は、期間T2,T3の動作に対応しており、第2の画素の動作である。期間T4の動作は期間T2の動作と同様であり、期間T5の動作は期間T3の動作と同様であるため、期間T4,T5の動作の動作については説明を省略する。図7の露光期間2は第2の画素の露光期間(信号蓄積期間)を示している。
Vmem=VDD+ΔVmem
=VDD+α1×α2×ΔVfd ・・・(1)
期間T6では、アナログメモリ110a,110bに蓄積されている信号電荷に基づく信号が行毎に順次読み出される。まず、第1の画素からの信号の読み出しが行われる。選択パルスΦSEL1が“L”レベルから“H”レベルに変化することで、選択トランジスタ112aがオンとなる。これによって、(1)式に示した電位Vmemに基づく信号が選択トランジスタ112aを介して垂直信号線9へ出力される。続いて、選択パルスΦSEL1が“H”レベルから“L”レベルに変化することで、選択トランジスタ112aがオフとなる。
図9は、垂直走査回路3から行毎に画素1に供給される制御信号を示している。以下では、図4に示した2画素の単位で、図9に示す期間T1〜T6における画素1の動作を説明する。同一グループに属する2つの画素1のうち一方の画素1を第1の画素とし、他方の画素1を第2の画素とする。複数のグループのそれぞれにおいて、動作の開始タイミング(図9の期間T1の開始タイミング)は同一である。以下では、第1の動作例と異なる部分のみ説明する。
次に、本発明の第2の実施形態を説明する。本実施形態の構成は第1の実施形態の構成と同様であるので、構成の説明を省略する。以下、図10〜図12を参照し、画素1の動作を説明する。以下では2つの動作例を説明する。
図10は、垂直走査回路3から行毎に画素1に供給される制御信号を示している。以下では、図4に示した2画素の単位で、図10に示す期間T1〜T6における画素1の動作を説明する。同一グループに属する2つの画素1のうち一方の画素1を第1の画素とし、他方の画素1を第2の画素とする。複数のグループのそれぞれにおいて、動作の開始タイミング(図10の期間T1の開始タイミング)は同一である。
図12は、垂直走査回路3から行毎に画素1に供給される制御信号を示している。図9と異なるのは、期間T6におけるクランプ&メモリリセットパルスΦCL1,ΦCL2の駆動タイミングである。この期間T6の動作は、図10の期間T6の動作と同様である。したがって、図12の動作では、図9の動作と比較して、信号中のノイズをより低減することができる。
次に、本発明の第3の実施形態を説明する。本実施形態の構成は、画素1の構成を除いて、第1の実施形態の構成と同様である。図13は本実施形態の画素1の回路構成を示している。図4の構成と異なるのは、サンプルトランジスタ108a,108bと第2増幅トランジスタ111a,111bとの間にスイッチトランジスタ120a,120bが設けられていることである。他の構成については図4と同じであるので、説明を省略する。
次に、本発明の第4の実施形態を説明する。本実施形態の構成は、画素1の構成を除いて、第1の実施形態の構成と同様である。図16は本実施形態の画素1の回路構成を示している。図13の構成と異なるのは、アナログメモリリセットトランジスタ109と第2増幅トランジスタ111と選択トランジスタ112が第1の画素と第2の画素とで共有されていることである。他の構成については図13と同じであるので、説明を省略する。
「画素を構成する回路要素が配置された第1の基板と第2の基板とが電気的に接続されている固体撮像装置であって、
前記画素は、
前記第1の基板に配置された複数の光電変換手段と、
前記複数の光電変換手段で発生した信号を増幅して増幅信号を出力する増幅手段と、
前記第2の基板に配置され、前記増幅手段から出力された前記増幅信号を蓄積する信号蓄積手段と、
前記信号蓄積手段に蓄積された前記増幅信号を前記画素から出力する出力手段と、
を有し、
前記複数の光電変換手段は1以上のグループのいずれかに分類されており、同一グループ内の第1〜第n(nは2以上の整数)の光電変換手段が1つの前記増幅手段を共有することを特徴とする固体撮像装置。」
であってもよい。
「画素を構成する回路要素が配置された第1の基板と第2の基板とが電気的に接続されている撮像装置であって、
前記画素は、
前記第1の基板に配置された複数の光電変換手段と、
前記複数の光電変換手段で発生した信号を増幅して増幅信号を出力する増幅手段と、
前記第2の基板に配置され、前記増幅手段から出力された前記増幅信号を蓄積する信号蓄積手段と、
前記信号蓄積手段に蓄積された前記増幅信号を前記画素から出力する出力手段と、
を有し、
前記複数の光電変換手段は1以上のグループのいずれかに分類されており、同一グループ内の第1〜第n(nは2以上の整数)の光電変換手段が1つの前記増幅手段を共有することを特徴とする撮像装置。」
であってもよい。
「画素を構成する回路素子が配置された第1の基板と第2の基板とが電気的に接続されている固体撮像装置の前記画素から信号を読み出す処理をコンピュータに実行させるためのプログラムコードが記録されたコンピュータプログラムプロダクトであって、
前記第1の基板に配置された複数の光電変換素子は1以上のグループのいずれかに分類されており、同一グループ内の第1〜第n(nは2以上の整数)の光電変換素子が1つの増幅回路を共有し、
前記第1の基板に配置された複数の光電変換素子で発生した信号を増幅回路により増幅して増幅信号を出力するモジュールと、
前記増幅回路から出力された前記増幅信号を、前記第2の基板に配置された信号蓄積回路に蓄積するモジュールと、
前記信号蓄積回路に蓄積された前記増幅信号を前記画素から出力するモジュールと、
を含むプログラムコードが記録されたコンピュータプログラムプロダクト。」
であってもよい。
Claims (15)
- 画素を構成する回路要素が配置された第1の基板と第2の基板とが電気的に接続されている固体撮像装置であって、
前記画素は、
前記第1の基板に行列状に配置された複数の光電変換素子と、
前記第1の基板に配置され、前記複数の光電変換素子で発生した信号を増幅して増幅信号を出力する増幅回路と、
前記第2の基板に配置され、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と、
前記第2の基板に配置され、前記ノイズ低減回路から出力された前記増幅信号を蓄積する信号蓄積回路と、
前記信号蓄積回路に蓄積された前記増幅信号を前記画素から出力する出力回路と、
を有し、
前記複数の光電変換素子は、列数よりも多い数のグループのいずれかに分類されており、同一グループ内の第1〜第n(nは2以上の整数)の光電変換素子が1つの前記増幅回路を共有し、
前記ノイズ低減回路は、前記画素中の前記増幅回路の出力毎に配置され、
前記信号蓄積回路は、前記第1〜第nの光電変換素子のそれぞれに対応する第1〜第n(nは2以上の整数)のメモリ部をさらに有し、
前記増幅回路は、前記第1〜第nの光電変換素子のそれぞれで発生した第1〜第n(nは2以上の整数)の信号を増幅して第1〜第n(nは2以上の整数)の増幅信号を出力し、
前記ノイズ低減回路は、前記増幅回路から出力された前記第1〜第nの増幅信号中のノイズを低減し、
前記信号蓄積回路は、前記ノイズが低減された前記第1〜第nの増幅信号を前記第1〜第nのメモリ部のそれぞれに蓄積する
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 前記複数の光電変換素子をリセットするリセット回路をさらに有し、
該リセット回路が全ての前記光電変換素子を一括してリセットした後、前記同一グループ内の前記第1〜第nの光電変換素子で発生した信号のそれぞれに対応する前記増幅信号を前記信号蓄積回路が順次蓄積する
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記複数の光電変換素子をリセットするリセット回路をさらに有し、
該リセット回路が前記同一グループ内の前記第1〜第nの光電変換素子を順次リセットした後、前記同一グループ内の前記第1〜第nの光電変換素子で発生した信号のそれぞれに対応する前記増幅信号を前記信号蓄積回路が順次蓄積する
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記ノイズ低減回路は、前記増幅回路に接続される回路の動作に由来して前記増幅回路の入力部で発生するノイズまたは前記増幅回路の動作特性に由来するノイズを除去する
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記複数の光電変換素子をリセットする第1のリセット回路と、
前記増幅回路の入力部をリセットする第2のリセット回路と、
前記複数の光電変換素子のそれぞれで発生した信号を前記増幅回路の入力部に順次転送する転送回路と、
前記信号蓄積回路に蓄積された前記増幅信号を増幅して第2の増幅信号を出力する第2の増幅回路と、
前記第2の増幅回路の入力部をリセットする第3のリセット回路と、
前記信号蓄積回路と前記第2の増幅回路の入力部との間に配され、オンとオフを切り替え可能なスイッチ回路と
をさらに有し、
前記ノイズ低減回路は、前記増幅回路から出力された前記増幅信号をクランプするクランプ部を有し、
前記信号蓄積回路は、前記クランプ部でクランプされた前記増幅信号に応じた信号をサンプルホールドして前記メモリ部に蓄積するサンプルホールド部を有し、
前記第1のリセット回路が全ての前記光電変換素子を一括してリセットした後、それぞれの前記光電変換素子に対応する期間において、
前記第2のリセット回路が前記増幅回路の入力部をリセットし、
前記増幅回路の入力部がリセットされた後の前記増幅回路から出力された前記増幅信号を前記クランプ部がクランプし、
前記第1のリセット回路が全ての前記光電変換素子を一括してリセットしてから所定期間が経過した後、前記光電変換素子で発生した信号を前記転送回路が前記増幅回路の入力部に転送し、
前記転送回路が前記信号を転送することによって発生する前記増幅信号の変動に応じた信号を前記サンプルホールド部がサンプルホールドして前記メモリ部に蓄積した後、前記スイッチ回路がオフのとき前記第3のリセット回路が前記第2の増幅回路の入力部をリセットした後の前記第2の増幅信号と、前記転送回路が前記信号を転送することによって発生する前記増幅信号の変動に応じた信号を前記サンプルホールド部がサンプルホールドしてメモリ部に蓄積した後であって前記スイッチ回路がオンのときの前記第2の増幅信号と、を前記出力回路が前記画素から時分割で出力する
ことを特徴とする請求項4に記載の固体撮像装置。 - 所定方向に並んだ、連続する複数の光電変換素子が同一グループに含まれるよう、前記複数の光電変換素子が分類されている
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記同一グループ内の前記第1〜第nの光電変換素子で発生した信号のそれぞれに対応する前記増幅信号を前記信号蓄積回路が順次蓄積する期間が、前記同一グループ内の前記第1〜第nの光電変換素子ごとに異なる
ことを特徴とする請求項2または請求項3に記載の固体撮像装置。 - 前記ノイズ低減回路は、前記増幅回路から出力された前記増幅信号をクランプするクランプ部を有し、
前記信号蓄積回路は、前記クランプ部でクランプされた前記増幅信号に応じた信号をサンプルホールドして前記メモリ部に蓄積するサンプルホールド部を有し、
前記クランプ部でクランプされた前記増幅信号に応じた信号を前記サンプルホールド部がサンプルホールドして前記メモリ部に順次蓄積する期間が、前記同一グループ内の前記第1〜第nの光電変換素子ごとに異なる
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記ノイズ低減回路は、前記増幅回路から出力された前記増幅信号をクランプするクランプ部を有し、
前記信号蓄積回路は、前記クランプ部でクランプされた前記増幅信号に応じた信号をサンプルホールドして前記メモリ部に蓄積するサンプルホールド部を有し、
前記リセット回路が全ての前記光電変換素子を一括してリセットした後、
第1の期間において、
前記クランプ部が前記同一グループ内の第1の光電変換素子のリセットレベルに応じた前記増幅信号をクランプし、
前記第1の光電変換素子で発生した信号が前記増幅回路の入力部に転送されることによって発生する前記増幅信号の変動に応じた信号を前記サンプルホールド部がサンプルホールドして前記メモリ部に蓄積し、
前記第1の期間と異なる第2の期間において、
前記クランプ部が前記同一グループ内の第2の光電変換素子のリセットレベルに応じた前記増幅信号をクランプし、
前記第2の光電変換素子で発生した信号によって発生する前記増幅信号の変動に応じた信号を前記サンプルホールド部がサンプルホールドして前記メモリ部に蓄積する
ことを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。 - 前記ノイズ低減回路は、前記増幅回路から出力された前記増幅信号をクランプするクランプ部を有し、
前記信号蓄積回路は、前記クランプ部でクランプされた前記増幅信号に応じた信号をサンプルホールドして前記メモリ部に蓄積するサンプルホールド部を有し、
前記リセット回路が前記同一グループ内の前記第1〜第nの光電変換素子を順次リセットした後、
第1の期間において、
前記クランプ部が前記同一グループ内の第1の光電変換素子のリセットレベルに応じた前記増幅信号をクランプし、
前記第1の光電変換素子で発生した信号が前記増幅回路の入力部に転送されることにより発生する前記増幅信号の変動に応じた信号を前記サンプルホールド部がサンプルホールドして前記メモリ部に蓄積し、
前記第1の期間と異なる第2の期間において、
前記クランプ部が前記同一グループ内の第2の光電変換素子のリセットレベルに応じた前記増幅信号をクランプし、
前記第2の光電変換素子で発生した信号によって発生する前記増幅信号の変動に応じた信号を前記サンプルホールド部がサンプルホールドして前記メモリ部に蓄積する
ことを特徴とする請求項3に記載の固体撮像装置。 - 前記リセット回路が前記同一グループ内の前記第1の光電変換素子をリセットしてから、前記第1の光電変換素子で発生した信号が前記増幅回路の入力部に転送されるまでの期間の長さと、前記リセット回路が前記同一グループ内の前記第2の光電変換素子をリセットしてから、前記第2の光電変換素子で発生した信号が前記増幅回路の入力部に転送されるまでの期間の長さとが同一である
ことを特徴とする請求項10に記載の固体撮像装置。 - 前記複数の光電変換素子をリセットする第1のリセット回路と、
前記増幅回路の入力部をリセットする第2のリセット回路と、
前記複数の光電変換素子のそれぞれで発生した信号を前記増幅回路の入力部に順次転送する転送回路と、
前記メモリ部に蓄積された前記増幅信号を増幅して第2の増幅信号を出力する第2の増幅回路と、
前記第2の増幅回路の入力部をリセットする第3のリセット回路と、
をさらに有し、
前記ノイズ低減回路は、前記増幅回路から出力された前記増幅信号をクランプするクランプ部を有し、
前記信号蓄積回路は、前記クランプ部でクランプされた前記増幅信号に応じた信号をサンプルホールドして前記メモリ部に蓄積するサンプルホールド部を有し、
前記第1のリセット回路が全ての前記光電変換素子を一括してリセットした後、それぞれの前記光電変換素子に対応する期間において、
前記第2のリセット回路が前記増幅回路の入力部をリセットし、
前記増幅回路の入力部がリセットされた後の前記増幅回路から出力された前記増幅信号を前記クランプ部がクランプし、
前記第1のリセット回路が全ての前記光電変換素子を一括してリセットしてから所定期間が経過した後、前記光電変換素子で発生した信号を前記転送回路が前記増幅回路の入力部に転送し、
前記転送回路が前記信号を転送することによって発生する前記増幅信号の変動に応じた信号を前記サンプルホールド部がサンプルホールドして前記メモリ部に蓄積した後、前記転送回路が前記信号を転送することによって発生する前記増幅信号の変動に応じた信号を前記サンプルホールド部がサンプルホールドして前記メモリ部に蓄積した後の前記第2の増幅信号と、前記第3のリセット回路が前記第2の増幅回路の入力部をリセットした後の前記第2の増幅信号と、を前記出力回路が前記画素から時分割で出力する
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記出力回路が出力した2種類の信号の差分処理を行う差分処理回路をさらに有する
ことを特徴とする請求項12に記載の固体撮像装置。 - 前記増幅回路の入力部の容量よりも前記信号蓄積回路の容量が大きい
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、前記複数の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。
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