JP7316049B2 - 光電変換装置及び光電変換システム - Google Patents

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Description

本発明は、光電変換装置及び光電変換システムに関する。
近年、光電変換装置の微細化とともに信頼性の向上が求められている。特に、車載等の用途では、使用環境が厳しいうえ安全対策は極めて重要であり、機能安全対応として、故障検知機能を備えた光電変換システムが求められている。それに伴い、光電変換装置にも故障検知用の仕組みを組み込むことが必要とされている。
特許文献１には、入射光量に応じた信号を生成する画素からの信号を伝送する伝送経路の少なくとも一部分を介して基準信号を生成する画素からの信号を出力し、出力された基準信号に基づいて伝送経路の異常等の故障検知を行う光電変換装置が記載されている。また、特許文献２には、列読み出し回路のテストを行う信号受信部テスト回路を備えた光電変換装置が記載されている。
国際公開第２００６／１２０８１５号 特開２０１２－１９９９１３号公報
しかしながら、故障検知用の画素に欠陥がある場合や使用に伴う劣化が生じた場合に、故障検知用の画素から適正な判定信号を出力することができず、故障判定の誤りが生じることがあった。
本発明の目的は、故障検知用の画素の欠陥や劣化に起因する故障判定の誤りを低減しうる光電変換装置及び光電変換システムを提供することにある。
本発明の一観点によれば、光電変換部と、前記光電変換部から電荷が転送される第１のノードと、前記第１のノードの電圧をリセットする第１のトランジスタと、を有し、前記第１のノードの電圧に応じた第１の信号を出力する第１の画素と、所定の電圧が供給される第２のノードと、前記第２のノードの電圧をリセットする第２のトランジスタと、を有し、前記第２のノードの電圧に応じた第２の信号を出力する第２の画素と、前記第１のトランジスタ及び前記第２のトランジスタに接続された制御線と、を有し、前記第１のトランジスタは、前記第１のノードを第１の電圧にリセットし、前記第２のトランジスタは、前記第２のノードを前記第１の電圧よりも振幅が小さい第２の電圧にリセットする光電変換装置が提供される。
本発明によれば、故障検知用の画素の欠陥や劣化に起因する故障判定の誤りを低減することができる。
本発明の第１実施形態による光電変換装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態による光電変換装置の画素の構成例を示す回路図である。 本発明の第１実施形態による光電変換装置の駆動方法を示すタイミング図である。 本発明の第１実施形態による光電変換装置における故障検知方法を示す図である。 本発明の第２実施形態による光電変換装置の画素の構成例を示す回路図である。 本発明の第４実施形態による光電変換システム及び移動体の構成例を示す概略図である。 本発明の第４実施形態による光電変換システムの動作を示すフロー図である。
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による光電変換装置について、図１乃至図４を用いて説明する。図１は、本実施形態による光電変換装置の概略構成を示す図である。図２は、本実施形態による光電変換装置の画素の構成例を示す回路図である。図３は、本実施形態による光電変換装置の駆動方法を示すタイミング図である。図４は、本実施形態による光電変換装置における故障検知方法を示す図である。
はじめに、本実施形態による光電変換装置の構造について、図１及び図２を用いて説明する。
本実施形態による光電変換装置１００は、図１に示すように、画素アレイ部１０と、垂直走査回路３０と、読み出し回路４０と、電圧供給部５０と、水平走査回路６０と、出力回路７０と、制御回路８０と、を含む。
画素アレイ部１０は、第１の領域１２と、第２の領域１４とを含む。第１の領域１２には、画像取得用の複数の画素２０Ａが、複数の行及び複数の列に渡って配されている。第２の領域１４には、故障検知用の複数の画素２０Ｂが、複数の行及び複数の列に渡って配されている。第１の領域１２と第２の領域１４とは第１の方向（図１において横方向）に隣接して配されており、画素２０Ａが配された行と画素２０Ｂが配された行とは同じであるが、画素２０Ａが配された列と画素２０Ｂが配された列とは異なっている。各領域を構成する行及び列の数は、特に限定されるものではない。なお、第１の方向は、行方向或いは水平方向と呼ぶことがある。
画素アレイ部１０の各行には、第１の方向に延在する制御線２２が配されている。それぞれの行の制御線２２は、対応する行に属する画素２０Ａ，２０Ｂに接続され、これらに共通の信号線をなしている。制御線２２は、垂直走査回路３０に接続されている。
画素アレイ部１０の各列には、第１の方向と交差する第２の方向（図において縦方向）に延在する出力線２４が配されている。それぞれの列の出力線２４は、対応する列に属する画素２０Ａ又は画素２０Ｂに接続され、これらに共通の信号線をなしている。出力線２４は、読み出し回路４０に接続されている。なお、本明細書では、画素２０Ａに接続された出力線を出力線２４Ａと表記し、画素２０Ｂに接続された出力線を出力線２４Ｂと表記することもある。また、第２の方向は、列方向或いは垂直方向と呼ぶことがある。
画素アレイ部１０の第２の領域１４の各列には、第２の方向に延在する電圧供給線２６が配されている。それぞれの列の電圧供給線２６は、対応する列に属する画素２０Ｂに接続され、これらに共通の信号線をなしている。電圧供給線２６は、電圧供給部５０に接続されている。
垂直走査回路３０は、制御線２２を介して画素２０Ａ，２０Ｂに、これらを駆動するための所定の制御信号を供給する。垂直走査回路３０は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどの論理回路によって構成されうる。図１には各行の制御線２２を１本の信号線で示しているが、実際には制御線２２の各々が複数の信号線を含む。垂直走査回路３０により選択された行の画素２０Ａ，２０Ｂは、それぞれが対応する出力線２４に同時に信号を出力するように動作する。
読み出し回路４０は、画素アレイ部１０の列の数に対応する複数の列増幅回路４２を有する（図２参照）。列増幅回路４２は、各列の出力線２４にそれぞれ接続されている。読み出し回路４０は、各列の出力線１８に出力された画素信号を、各列の列増幅回路４２でそれぞれ増幅する。また、読み出し回路４０は、画素２０Ａから出力された画素信号に対して、リセット信号と光電変換信号とに基づくＣＤＳ（Correlated Double Sampling：相関二重サンプリング）処理を行う。画素２０Ｂから出力された画素信号に対しては、リセット信号と電圧供給線２６からの電圧入力時の信号とに基づくＣＤＳ処理を行う。なお、本明細書では、出力線２４Ａに接続された列増幅回路４２Ａと表記し、出力線２４Ｂに接続された列増幅回路４２Ｂと表記することもある。
水平走査回路６０は、読み出し回路４０で処理された画素信号を列毎に順次、出力回路７０に転送するための制御信号を、読み出し回路４０に供給する。
出力回路７０は、バッファアンプ、差動増幅器などから構成され、読み出し回路４０から転送される画素信号を光電変換装置１００の外部の信号処理部（図示せず）に出力する。なお、読み出し回路４０や出力回路７０にＡＤ変換部を設け、デジタルの画像信号を外部に出力するように構成してもよい。
電圧供給部５０は、電圧供給線２６を介して画素２０Ｂに所定の電圧（電圧Ｖｒｅｆ）を供給する電源回路である。
制御回路８０は、垂直走査回路３０、読み出し回路４０、電圧供給部５０及び水平走査回路６０に、それらの動作やタイミングを制御する制御信号を供給するための回路部である。垂直走査回路３０、読み出し回路４０、電圧供給部５０及び水平走査回路６０に供給する制御信号の一部又は総ては、光電変換装置１００の外部から供給してもよい。
図２は、第１の領域１２に配された画素２０Ａと、第２の領域１４に配された画素２０Ｂとの構成例を示す回路図である。図２には、画素アレイ部１０を構成する複数の画素２０Ａ，２０Ｂの中から、同じ行に属する画素２０Ａ，２０Ｂを、それぞれ１つずつ抜き出して示している。
画素２０Ａは、光電変換部ＤＡ、転送トランジスタＭ１Ａ、リセットトランジスタＭ２Ａ、増幅トランジスタＭ３Ａ、選択トランジスタＭ４Ａを含む。光電変換部ＤＡは、例えばフォトダイオードである。光電変換部ＤＡのフォトダイオードは、アノードが基準電圧ノードＧＮＤに接続され、カソードが転送トランジスタＭ１Ａのソースに接続されている。転送トランジスタＭ１Ａのドレインは、リセットトランジスタＭ２Ａのソース及び増幅トランジスタＭ３Ａのゲートに接続されている。転送トランジスタＭ１Ａのドレイン、リセットトランジスタＭ２Ａのソース及び増幅トランジスタＭ３Ａのゲートの接続ノードは、いわゆる浮遊拡散（フローティングディフュージョン）部ＦＤである。浮遊拡散部ＦＤが他の配線や拡散領域との間に作る寄生容量（ＦＤ容量ＣｆｄＡ）は、電荷の保持部としての機能を備える。図２には、この容量を、浮遊拡散部ＦＤに接続された容量Ｃ１Ａにより表している。リセットトランジスタＭ２Ａのドレイン及び増幅トランジスタＭ３Ａのドレインは、画素電源線２８Ａ（電圧Ｖｄｄ＿Ａ）に接続されている。画素電源線２８Ａは、電圧Ｖｄｄ＿Ａを供給するノードである。増幅トランジスタＭ３Ａのソースは、選択トランジスタＭ４Ａのドレインに接続されている。選択トランジスタＭ４Ａのソースは、出力線２４Ａに接続されている。
画素２０Ｂは、光電変換部ＤＢ、転送トランジスタＭ１Ｂ、リセットトランジスタＭ２Ｂ、増幅トランジスタＭ３Ｂ、選択トランジスタＭ４Ｂを含む。光電変換部ＤＢは、例えばフォトダイオードである。光電変換部ＤＢのフォトダイオードは、アノードが基準電圧ノードＧＮＤに接続され、カソードが転送トランジスタＭ１Ｂのソース及び電圧供給線２６に接続されている。電圧供給線２６は、所定の電圧が供給されるノードである。転送トランジスタＭ１Ｂのドレインは、リセットトランジスタＭ２Ｂのソース及び増幅トランジスタＭ３Ｂのゲートに接続されている。転送トランジスタＭ１Ｂのドレイン、リセットトランジスタＭ２Ｂのソース及び増幅トランジスタＭ３Ｂのゲートの接続ノードは、浮遊拡散部ＦＤである。図２には、浮遊拡散部ＦＤが他の配線や拡散領域との間に作る寄生容量（ＦＤ容量ＣｆｄＢ）を、容量Ｃ１Ｂで表している。リセットトランジスタＭ２Ｂのドレイン及び増幅トランジスタＭ３Ｂのドレインは、画素電源線２８Ｂ（電圧Ｖｄｄ＿Ｂ）に接続されている。画素電源線２８Ｂは、電圧Ｖｄｄ＿Ｂを供給するノードである。増幅トランジスタＭ３Ｂのソースは、選択トランジスタＭ４Ｂのドレインに接続されている。選択トランジスタＭ４Ｂのソースは、出力線２４Ｂに接続されている。
このように画素２０Ｂは、回路構成上は、光電変換部ＤＢと転送トランジスタＭ１Ｂとの間の接続ノードに電圧供給線２６が接続されているほかは、画素２０Ａと同様である。なお、第２の領域１４すなわち画素２０Ｂは、図示しない遮光膜で覆われている。画素２０Ｂは、必ずしも光電変換部ＤＢを有している必要はない。特にこの場合、画素２０Ｂの転送トランジスタＭ１Ｂは必ずしも電荷の転送を目的としたものではないが、画素２０Ａの転送トランジスタＭ１Ａと同時に駆動される対応するトランジスタであることから、ここでは便宜的に「転送トランジスタ」と呼ぶものとする。
図２の画素構成の場合、各行に配された制御線２２は、信号線ＴＸ，ＲＥＳ，ＳＥＬを含む。信号線ＴＸは、対応する行に属する画素２０Ａの転送トランジスタＭ１Ａのゲート及び画素２０Ｂの転送トランジスタＭ１Ｂのゲートに、それぞれ接続されている。信号線ＲＥＳは、対応する行に属する画素２０ＡのリセットトランジスタＭ２Ａのゲート及び画素２０ＢのリセットトランジスタＭ２Ｂのゲートに、それぞれ接続されている。信号線ＳＥＬは、対応する行に属する画素２０Ａの選択トランジスタＭ４Ａのゲート及び画素２０Ｂの選択トランジスタＭ４Ｂのゲートに、それぞれ接続されている。同じ行に配された画素２０Ａと画素２０Ｂとは、制御線２２に供給される共通の制御信号に応じて同時に駆動される。
信号線ＴＸには、垂直走査回路３０から、転送トランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂを制御するための駆動パルスである制御信号φＴＸが出力される。信号線ＲＥＳには、垂直走査回路３０から、リセットトランジスタＭ２Ａ，Ｍ２Ｂを制御するための駆動パルスである制御信号φＲＥＳが出力される。信号線ＳＥＬには、垂直走査回路３０から、選択トランジスタＭ４Ａ，Ｍ４Ｂを制御するための駆動パルスである制御信号φＳＥＬが出力される。同一行の画素２０Ａ，２０Ｂに対しては、共通の制御信号φＴＸ，φＲＥＳ，φＳＥＬが垂直走査回路３０から供給される。各トランジスタがＮ型トランジスタで構成される場合、垂直走査回路３０からハイレベルの制御信号が供給されると対応するトランジスタがオンとなり、垂直走査回路３０からローレベルの制御信号が供給されると対応するトランジスタがオフとなる。
光電変換部ＤＡは、入射光をその光量に応じた量の電荷に変換（光電変換）するとともに、生じた電荷を蓄積する。リセットトランジスタＭ２Ａは、オンになることにより浮遊拡散部ＦＤを電圧Ｖｄｄ＿Ａに応じた電圧にリセットする。また、転送トランジスタＭ１Ａは、オンになることにより光電変換部ＤＡの電荷を浮遊拡散部ＦＤに転送する。これにより浮遊拡散部ＦＤは、ＦＤ容量ＣｆｄＡによる電荷電圧変換によって、光電変換部ＤＡから転送された電荷の量に応じた電圧となる。増幅トランジスタＭ３Ａは、ドレインに電圧Ｖｄｄ＿Ａが供給され、ソースに選択トランジスタＭ４Ａ及び出力線２４Ａを介して図示しない電流源からバイアス電流が供給される構成となっている。これにより、増幅トランジスタＭ３Ａは、ゲートを入力ノードとする増幅部（ソースフォロワ回路）を構成する。これにより増幅トランジスタＭ３Ａは、浮遊拡散部ＦＤの電圧に応じた信号を、選択トランジスタＭ４Ａを介して出力線２４Ａに出力する。出力線２４Ａに出力された画素信号は、読み出し回路４０の列増幅回路４２Ａにて所定のゲインで増幅され、列増幅回路４２Ａから出力される。
リセットトランジスタＭ２Ｂは、オンになることにより浮遊拡散部ＦＤを電圧Ｖｄｄ＿Ｂに応じた電圧にリセットする。転送トランジスタＭ１Ｂは、オンになることにより電圧供給線２６から供給される電圧を浮遊拡散部ＦＤに印加する。増幅トランジスタＭ３Ｂは、ドレインに電圧Ｖｄｄ＿Ｂが供給され、ソースに選択トランジスタＭ４Ｂ及び出力線２４Ｂを介して図示しない電流源からバイアス電流が供給される構成となっている。これにより、増幅トランジスタＭ３Ｂは、ゲートを入力ノードとする増幅部（ソースフォロワ回路）を構成する。これにより増幅トランジスタＭ３Ｂは、浮遊拡散部ＦＤの電圧に応じた信号を、選択トランジスタＭ４Ｂを介して出力線２４Ｂに出力する。出力線２４Ｂに出力された画素信号は、読み出し回路４０の列増幅回路４２Ｂにて所定のゲインで増幅され、列増幅回路４２Ｂから出力される。
次に、本実施形態による光電変換装置の駆動方法について、図３を用いて説明する。
図３には、リセットトランジスタＭ２Ａ，Ｍ２Ｂの制御信号φＲＥＳ、選択トランジスタＭ４Ａ，Ｍ４Ｂの制御信号φＳＥＬ、転送トランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂの制御信号φＴＸを示している。これら制御信号は、ハイレベルのときに対応するトランジスタがオンになり、ローレベルのときに対応するトランジスタがオフになる。各制御信号は、制御回路８０による制御のもと、垂直走査回路３０から供給される。また、図３には、出力線２４Ａの電位ＯＵＴ１Ａ、出力線２４Ｂの電位ＯＵＴ１Ｂ、列増幅回路４２Ａからの出力信号の電位ＯＵＴ２Ａ、列増幅回路４２Ｂからの出力信号の電位ＯＵＴ２Ｂを示している。
時刻ｔ０において、垂直走査回路３０から供給される制御信号φＲＥＳはハイレベルであり、画素２０ＡのリセットトランジスタＭ２Ａと画素２０ＢのリセットトランジスタＭ２Ｂとはオンになっている。これにより、画素２０Ａの浮遊拡散部ＦＤは、画素電源線２８Ａから供給されるリセット電圧（電圧Ｖｄｄ＿Ａ）に応じた電位にリセットされている。また、画素２０Ｂの浮遊拡散部ＦＤは、画素電源線２８Ｂから供給されるリセット電圧（電圧Ｖｄｄ＿Ｂ）に応じた電位にリセットされている。
また、時刻ｔ０において、垂直走査回路３０から供給される制御信号φＳＥＬはローレベルであり、画素２０Ａの選択トランジスタＭ４Ａと画素２０Ｂの選択トランジスタＭ４Ｂとはオフになっている。このため、出力線２４Ａには、画素２０Ａの浮遊拡散部ＦＤの電位に応じた信号は出力されていない。また、出力線２４Ｂには、画素２０Ｂの浮遊拡散部ＦＤの電位に応じた信号は出力されていない。
次いで、時刻ｔ１において、垂直走査回路３０は、制御信号φＳＥＬをローレベルからハイレベルへと制御する。これにより、画素２０Ａの選択トランジスタＭ４Ａと画素２０Ｂの選択トランジスタＭ４Ｂとがオンになる。この動作により、出力線２４Ａの電位ＯＵＴ１Ａが、画素２０Ａの浮遊拡散部ＦＤの電位に応じた電位となる。また、出力線２４Ｂの電位ＯＵＴ１Ｂが、画素２０Ｂの浮遊拡散部ＦＤの電位に応じた電位となる。
次いで、時刻ｔ２において、垂直走査回路３０は、制御信号φＲＥＳをハイレベルからローレベルへと制御する。これにより、画素２０ＡのリセットトランジスタＭ２Ａと画素２０ＢのリセットトランジスタＭ２Ｂとがオフになる。この動作により、画素２０Ａの浮遊拡散部ＦＤ及び画素２０Ｂの浮遊拡散部ＦＤのリセットを解除する。この際、画素２０Ａの浮遊拡散部ＦＤ及び画素２０Ｂの浮遊拡散部ＦＤの電位がリセットトランジスタＭ２Ａ，Ｍ２Ｂのゲート－ソース間カップリングにより低下するのに起因して、電位ＯＵＴ１Ａ，ＯＵＴ１Ｂも一定量、低下する。
次いで、時刻ｔ３から時刻ｔ４の期間において、垂直走査回路３０は、制御信号φＴＸをローレベルからハイレベルへと制御する。これにより、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間、画素２０Ａの転送トランジスタＭ１Ａと画素２０Ｂの転送トランジスタＭ１Ｂとがオンになる。この動作により、画素２０Ａの光電変換部ＤＡに蓄積されていた電荷が浮遊拡散部ＦＤに転送されて浮遊拡散部ＦＤの電位が変化し、出力線２４Ａの電位ＯＵＴ１Ａが、変化した後の浮遊拡散部ＦＤの電位に応じた電位に低下する。このときの出力信号の信号振幅をｓｉｇ１Ａとする。また、画素２０Ｂの浮遊拡散部ＦＤの電位は、電圧供給線２６から供給される定電圧に応じた電位に変化し、出力線２４Ｂの電位ＯＵＴ１Ｂが、変化した後の浮遊拡散部ＦＤの電位に応じた電位に低下する。このときの出力信号の信号振幅をｓｉｇ１Ｂとする。
出力線２４Ａに出力された信号は列増幅回路４２Ａにより増幅され、列増幅回路４２Ａからの出力信号の電位ＯＵＴ２Ａは、列増幅回路４２Ａの増幅率に応じた電位に増加する。時刻ｔ４以降における出力信号の信号振幅をｓｉｇ２Ａとする。
また、出力線２４Ｂに出力された信号は列増幅回路４２Ｂにより増幅され、列増幅回路４２Ｂからの出力信号の電位ＯＵＴ２Ｂは、列増幅回路４２Ｂの増幅率に応じた電位に増加する。時刻ｔ４以降における出力信号の信号振幅をｓｉｇ２Ｂとする。
本実施形態による光電変換装置では、故障判定は、画素２０Ｂの出力信号の信号振幅ｓｉｇ２Ｂに基づいて行う。
次に、本実施形態による光電変換装置における故障検知方法について、図４を用いて説明する。なお、光電変換装置の故障判定は、光電変換装置内で、画素信号をデジタル信号に変換後、光電変換装置内のＤＦＥ（Digital Front End）にて行ってもよいし、光電変換装置の外部にて行ってもよい。或いは、光電変換装置からアナログ信号を出力し、光電変換装置の外部にて行うようにしてもよい。
図４は、画素２０Ｂからの信号の読み出し過程における浮遊拡散部ＦＤの電位の変化を示す図である。図４には、リセット状態の浮遊拡散部ＦＤに電圧供給線２６から電圧を供給することによる浮遊拡散部ＦＤの電位の変化の様子を模式的に示している。
画素２０Ｂから出力される信号において、浮遊拡散部ＦＤがリセット状態のときのリセット信号と、電圧供給線２６から浮遊拡散部ＦＤに所定の固定電圧を供給したときの出力信号とに基づくＣＤＳ処理を行ったときの出力電圧を電圧Ｖ１とする。また、浮遊拡散部ＦＤがリセット状態のときのリセット信号と、電圧供給線２６から浮遊拡散部ＦＤに固定電圧を供給しないときの出力信号（＝リセット信号と同レベルの出力信号）とに基づくＣＤＳ処理を行ったときの出力電圧を電圧Ｖ２とする。故障判定の基準となる判定閾値電圧は、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との中間付近の電圧に設定する。例えば、リセット電圧を２．８Ｖとし、固定電圧を１．６Ｖとした場合、理想的な条件であれば、電圧Ｖ１は１．２Ｖ、電圧Ｖ２は０Ｖとなる。そこで、判定閾値電圧は、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との中間値である０．６Ｖに設定する。固定電圧を入力した後の電圧が、判定閾値を越えていれば故障していないと判定し、判定閾値を越えていなければ、故障していると判定する。
故障判定は、所定の定電圧を供給している画素２０Ｂにおいて、電圧Ｖ１が判定閾値電圧を超えるか否かによって行う。すなわち、電圧Ｖ１が判定閾値電圧を超えていない場合には故障があると判定し、電圧Ｖ１が判定閾値電圧を超えている場合には故障していないと判定する。上記の例で説明すると、固定電圧を入力した後にＣＤＳ処理を行った結果、電圧Ｖ１の値が０．２Ｖの場合、判定閾値電圧を超えていないため、故障していると判定する。他方、電圧Ｖ１の値が１．０Ｖの場合、判定閾値電圧を超えているため、故障していないと判定する。画素２０Ｂからの出力信号は、画素２０Ａからの出力信号と同じ伝送経路を通って出力されるため、故障があると判定された場合には、出力信号の伝送経路或いは制御線２２等に故障があると推定することができる。
ところで、転送トランジスタＭ１のゲート電極と浮遊拡散部ＦＤとの間の電位差が大きい場合、浮遊拡散部ＦＤへの電荷の漏れが生じて浮遊拡散部ＦＤの電位が変動することがある。このような電荷の漏れは、例えば、転送トランジスタＭ１のゲート絶縁膜に製造時や使用に伴う膜疲労によって導入された欠陥に起因して、ゲート絶縁膜の絶縁性が低下することによって生じうる。
例えば、時刻ｔ２において、制御信号φＴＸはローレベルであり、画素２０Ａの転送トランジスタＭ１Ａのゲート電極と浮遊拡散部ＦＤとの間の電位差及び画素２０Ｂの転送トランジスタＭ１Ｂのゲート電極と浮遊拡散部ＦＤとの間の電位差は大きい状態である。そのため、転送トランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂのゲート絶縁膜に上述のような欠陥が存在すると、浮遊拡散部ＦＤへの電荷が転送トランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂのゲート電極側から流入し、浮遊拡散部ＦＤの電位が増加することがある。また、転送トランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂのゲート絶縁膜に当初は欠陥が存在していなくても、高電界下の使用によってゲート絶縁膜が徐々に劣化し、電荷の漏れの原因となる欠陥が導入されることも起こりうる。
画素２０Ｂにおいて行う故障判定は、前述のように、画素２０Ｂの浮遊拡散部ＦＤの電位に基づいて行われるため、浮遊拡散部ＦＤの電位が変動すると、故障判定を誤る虞がある。そのため、故障検出用の画素２０Ｂにおいては、浮遊拡散部ＦＤのリセット電圧は、相対的に低いことが望ましい。一方、画像検出用の画素２０Ａにおいて浮遊拡散部ＦＤのリセット電圧を下げることは、ダイナミックレンジの低下に繋がる。そのため、画像検出用の画素２０Ａにおいては、浮遊拡散部ＦＤのリセット電圧は、相対的に高いことが望ましい。
このような観点から、本実施形態においては、画素２０Ｂの浮遊拡散部ＦＤのリセット時の電圧Ｖｆｄ＿Ｂが、画素２０Ａの浮遊拡散部ＦＤのリセット時の電圧Ｖｆｄ＿Ａよりも振幅が小さくなるように構成している。
具体的には、画素電源線２８Ａに供給する電圧をＶｄｄ＿Ａ、画素電源線２８Ｂに供給する電圧をＶｄｄ＿Ｂとして、電圧Ｖｄｄ＿Ａと電圧Ｖｄｄ＿Ｂとが以下の関係となるように構成している。
Ｖｄｄ＿Ａ＞Ｖｄｄ＿Ｂ
例えば、電圧Ｖｄｄ＿Ａは約３．３Ｖ、電圧Ｖｄｄ＿Ｂは約２．５Ｖである。
このように構成することで、時刻ｔ２の直後において、画素２０Ａの浮遊拡散部ＦＤのリセット時の電圧Ｖｆｄ＿Ａと、画素２０Ｂの浮遊拡散部ＦＤのリセット時の電圧Ｖｆｄ＿Ｂとは、以下の関係となる。
Ｖｆｄ＿Ａ＞Ｖｆｄ＿Ｂ
例えば、電圧Ｖｆｄ＿Ａは約３．２Ｖ、電圧Ｖｆｄ＿Ｂは約２．４Ｖである。
これにより、画素２０Ａから取得する信号のダイナミックレンジを低下することなく、画素２０Ｂから取得する信号に基づく故障検出の誤判定を低減することができる。
このように、本実施形態によれば、故障検知用の画素の欠陥や劣化に起因する故障判定の誤りを低減することができる。
本実施形態で説明した電圧Ｖｒｅｆは、種々の値に変更が可能である。例えば、ある期間において供給する電圧Ｖｒｅｆを画素の電源電圧相当の電圧（約３Ｖ）とし、ある期間において供給する電圧Ｖｒｅｆを接地電圧（約０Ｖ）としてもよい。このような変更は、ある１フレームにおいては、電圧Ｖｒｅｆを画素の電源電圧相当の電圧とし、別の１フレームにおいては、電圧Ｖｒｅｆを接地電圧とするような例を含む。
また、本実施形態では、光電変換部ＤＡが光電変換によって蓄積する電荷が電子である場合を説明した。他の例として、光電変換部ＤＡが光電変換によって正孔を蓄積するようにしても良い。この場合には、浮遊拡散部ＦＤのリセット時の電圧Ｖｆｄ＿Ａ，Ｖｆｄ＿Ｂは、
Ｖｆｄ＿Ａ＜Ｖｆｄ＿Ｂ
の関係となる。例えば、電圧Ｖｆｄ＿Ａは約－３．２Ｖ、電圧Ｖｆｄ＿Ｂは約－２．４Ｖである。この場合においても、電圧Ｖｆｄ＿Ｂは、電圧Ｖｆｄ＿Ａに対して振幅は小さいと言える。
なお、本実施形態で言う電圧Ｖｆｄ＿Ａ，Ｖｆｄ＿Ｂの振幅の基準となる基準電位とは、浮遊拡散部ＦＤが飽和電荷量相当の電荷を保持した場合の電位とすることができる。実体的には、接地電位を基準電位とすることができる。
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による光電変換装置及びその駆動方法について、図５を用いて説明する。第１実施形態による光電変換装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図５は、本実施形態による光電変換装置の画素の構成例を示す回路図である。
本実施形態では、画素２０Ｂの浮遊拡散部ＦＤのリセット時の電圧Ｖｆｄ＿Ｂを画素２０Ａの浮遊拡散部ＦＤのリセット時の電圧Ｖｆｄ＿Ａよりも低い電圧に設定するための他の構成例を説明する。
本実施形態による光電変換装置においては、図５に示すように、電圧供給線２６が、画素電源線２８Ｂに接続されている。すなわち、画素電源線２８Ｂには、電圧供給部５０から電圧Ｖｒｅｆが供給される。その他の点は、図１及び図２に示す第１実施形態による光電変換装置と同様である。
電圧Ｖｒｅｆは、画素電源線２８Ａに供給される電圧Ｖｄｄ＿Ａよりも低い電圧に設定される。したがって、画素電源線２８Ｂに電圧Ｖｒｅｆを供給することで、時刻ｔ２の直後において、画素２０Ａの浮遊拡散部ＦＤのリセット時の電圧Ｖｆｄ＿Ａと、画素２０Ｂの浮遊拡散部ＦＤのリセット時の電圧Ｖｆｄ＿Ｂとは、以下の関係となる。
Ｖｆｄ＿Ａ＞Ｖｆｄ＿Ｂ
これにより、画素２０Ａから取得する信号のダイナミックレンジを低下することなく、画素２０Ｂから取得する信号に基づく故障検出の誤判定を低減することができる。
このように、本実施形態によれば、故障検知用の画素の欠陥や劣化に起因する故障判定の誤りを低減することができる。
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による光電変換装置及びその駆動方法について、図２を参照して説明する。第１実施形態による光電変換装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
本実施形態では、画素２０Ｂの浮遊拡散部ＦＤのリセット時の電圧Ｖｆｄ＿Ｂを画素２０Ａの浮遊拡散部ＦＤのリセット時の電圧Ｖｆｄ＿Ａよりも低い電圧に設定するための他の構成例を説明する。
本実施形態においては、画素２０ＡのリセットトランジスタＭ２Ａの閾値電圧Ｖｔｈ＿ｒｅｓＡと、画素２０ＢのリセットトランジスタＭ２Ｂの閾値電圧Ｖｔｈ＿ｒｅｓＢとが、異なっている。具体的には、閾値電圧Ｖｔｈ＿ｒｅｓＡと閾値電圧Ｖｔｈ＿ｒｅｓＢとが、以下の関係となるように構成している。
Ｖｔｈ＿ｒｅｓＢ＞Ｖｔｈ＿ｒｅｓＡ
また、本実施形態においては、画素電源線２８Ａに供給する電圧Ｖｄｄ＿Ａと、画素電源線２８Ｂに供給する電圧Ｖｄｄ＿Ｂとが、以下の関係となるように構成している。
Ｖｄｄ＿Ａ＝Ｖｄｄ＿Ｂ
このように構成することで、時刻ｔ２の直後において、画素２０Ａの浮遊拡散部ＦＤのリセット時の電圧Ｖｆｄ＿Ａと、画素２０Ｂの浮遊拡散部ＦＤのリセット時の電圧Ｖｆｄ＿Ｂとは、以下の関係となる。
Ｖｆｄ＿Ａ＞Ｖｆｄ＿Ｂ
これにより、画素２０Ａから取得する信号のダイナミックレンジを低下することなく、画素２０Ｂから取得する信号に基づく故障検出の誤判定を低減することができる。
リセットトランジスタＭ２の閾値電圧は、トランジスタのサイズやチャネル不純物濃度等を変えることにより、適宜変更することができる。例えば、リセットトランジスタＭ２Ａのゲート幅を、リセットトランジスタＭ２Ｂのゲート幅よりも広くする。或いは、リセットトランジスタＭ２Ａのゲート長を、リセットトランジスタＭ２Ｂのゲート長よりも短くする。或いは、リセットトランジスタＭ２がＮ型トランジスタで構成される場合、リセットトランジスタＭ２Ａのチャネル領域のＮ型不純物濃度を、リセットトランジスタＭ２Ｂのチャネル領域のＮ型不純物濃度よりも高くする。これらは、任意に組み合わせてもよい。このようにすることで、閾値電圧Ｖｔｈ＿ｒｅｓＡを、閾値電圧Ｖｔｈ＿ｒｅｓＢよりも低くすることができる。
なお、本実施形態では、画素電源線２８Ａに供給する電圧Ｖｄｄ＿Ａと画素電源線２８Ｂに供給する電圧Ｖｄｄ＿Ｂとを同じ電圧にしたが、Ｖｆｄ＿Ａ＞Ｖｆｄ＿Ｂの関係が維持できる範囲において、これら電圧を異なる値に設定してもよい。
このように、本実施形態によれば、故障検知用の画素の欠陥や劣化に起因する故障判定の誤りを低減することができる。
［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による光電変換システム及び移動体について、図６及び図７を用いて説明する。
図６は、本実施形態による光電変換システム及び移動体の構成例を示す概略図である。図７は、本実施形態による光電変換システムの動作を示すフロー図である。
本実施形態では、車載カメラに関する光電変換システムの一例を示す。図６（ａ）は、車両システムとこれに搭載される光電変換システムの一例を示したものである。光電変換システム７０１は、撮像装置７０２、画像前処理部７１５、集積回路７０３、光学系７１４を含む。光学系７１４は、撮像装置７０２に被写体の光学像を結像する。撮像装置７０２は、光学系７１４により結像された被写体の光学像を電気信号に変換する。撮像装置７０２は、上記第１乃至第３実施形態のいずれかの光電変換装置である。画像前処理部７１５は、撮像装置７０２から出力された信号に対して所定の信号処理を行う。画像前処理部７１５の機能は、撮像装置７０２内に組み込まれていてもよい。光電変換システム７０１には、光学系７１４、撮像装置７０２及び画像前処理部７１５が、少なくとも２組設けられており、各組の画像前処理部７１５からの出力が集積回路７０３に入力されるようになっている。
集積回路７０３は、光電変換システム用途向けの集積回路であり、メモリ７０５を含む画像処理部７０４、光学測距部７０６、視差演算部７０７、物体認知部７０８、異常検出部７０９を含む。画像処理部７０４は、画像前処理部７１５の出力信号に対して、現像処理や欠陥補正等の画像処理を行う。メモリ７０５は、撮像画像の一次記憶、撮像画素の欠陥位置を格納する。光学測距部７０６は、被写体の合焦や、測距を行う。視差演算部７０７は、複数の撮像装置７０２により取得された複数の画像データから視差（視差画像の位相差）の算出を行う。物体認知部７０８は、車、道、標識、人等の被写体の認知を行う。異常検出部７０９は、撮像装置７０２の異常を検知すると、主制御部７１３に異常を発報する。
集積回路７０３は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。また、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等によって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。
主制御部７１３は、光電変換システム７０１、車両センサ７１０、制御ユニット７２０等の動作を統括・制御する。なお、主制御部７１３を持たず、光電変換システム７０１、車両センサ７１０、制御ユニット７２０が個別に通信インターフェースを有して、それぞれが通信ネットワークを介して制御信号の送受を行う（例えばＣＡＮ規格）方法も取りうる。
集積回路７０３は、主制御部７１３からの制御信号を受け或いは自身の制御部によって、撮像装置７０２へ制御信号や設定値を送信する機能を有する。
光電変換システム７０１は、車両センサ７１０に接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの自車両走行状態及び自車外環境や他車・障害物の状態を検知することができる。車両センサ７１０は、視差画像から対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段でもある。また、光電変換システム７０１は、操舵、巡行、衝突防止機能等の種々の運転支援を行う運転支援制御部７１１に接続されている。特に、衝突判定機能に関しては、光電変換システム７０１や車両センサ７１０の検知結果を基に他車・障害物との衝突推定・衝突有無を判定する。これにより、衝突が推定される場合の回避制御、衝突時の安全装置起動を行う。
また、光電変換システム７０１は、衝突判定部での判定結果に基づいて、ドライバーに警報を発する警報装置７１２にも接続されている。例えば、衝突判定部の判定結果として衝突可能性が高い場合、主制御部７１３は、ブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして、衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置７１２は、音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムやメーターパネルなどの表示部に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。
本実施形態では、車両の周囲、例えば前方又は後方を光電変換システム７０１で撮影する。図６（ｂ）に、車両前方を光電変換システム７０１で撮像する場合の光電変換システム７０１の配置例を示す。
２つの撮像装置７０２は、車両７００の前方に配置される。具体的には、車両７００の進退方位又は外形（例えば車幅）に対する中心線を対称軸に見立て、その対称軸に対して２つの撮像装置７０２が線対称に配置されると、車両７００と被写対象物との間の距離情報の取得や衝突可能性の判定を行う上で好ましい。また、撮像装置７０２は、運転者が運転席から車両７００の外の状況を視認する際に運転者の視野を妨げない配置が好ましい。警報装置７１２は、運転者の視野に入りやすい配置が好ましい。
次に、光電変換システム７０１における撮像装置７０２の故障検知動作について、図７を用いて説明する。撮像装置７０２の故障検知動作は、図７に示すステップＳ８１０～Ｓ８８０に従って実施される。
ステップＳ８１０は、撮像装置７０２のスタートアップ時の設定を行うステップである。すなわち、光電変換システム７０１の外部（例えば主制御部７１３）又は光電変換システム７０１の内部から、撮像装置７０２の動作のための設定を送信し、撮像装置７０２の撮像動作及び故障検出動作を開始する。
次いで、ステップＳ８２０において、走査行に属する第１の領域１２の画素２０Ａからの信号を取得する。また、ステップＳ８３０において、走査行に属する第２の領域１４の画素２０Ｂからの出力値を取得する。なお、ステップＳ８２０とステップＳ８３０とは逆でもよい。
次いで、ステップＳ８４０において、画素２０Ｂの出力期待値と実際の出力値との該非判定を行う。ここでの出力期待値は、所定の判定閾値に対して所定の関係を満たす値である。例えば、図４を用いて説明した例においては、画素２０Ｂから出力される電圧Ｖ１が判定閾値電圧を超えている場合に、画素２０Ｂの出力期待値と実際の出力値とが一致していると判定される。
ステップＳ８４０における該非判定の結果、出力期待値と実際の出力値とが一致している場合は、ステップＳ８５０に移行し、撮像動作が正常に行われていると判定し、ステップＳ８６０へと移行する。ステップＳ８６０では、走査行の画素信号をメモリ７０５に送信して一次保存する。そののち、ステップＳ８２０に戻り、故障検知動作を継続する。
一方、ステップＳ８４０における該非判定の結果、出力期待値と実際の出力値とが一致していない場合は、ステップＳ８７０に移行し、撮像動作に異常があると判定し、主制御部７１３、警報装置７１２に警報を発報する。警報装置７１２は、表示部に異常が検知されたことを表示させる。その後、ステップＳ８８０において撮像装置７０２を停止し、光電変換システム７０１の動作を終了する。
なお、本実施形態では、１行毎にフローチャートをループさせる例を例示したが、複数行毎にフローチャートをループさせてもよいし、１フレーム毎に故障検出動作を行ってもよい。
また、本実施形態では、他の車両と衝突しない制御を説明したが、他の車両に追従して運転する制御や、車線からはみ出さないように運転する制御などにも適用可能である。更に、光電変換システム７０１は、自車両等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機或いは産業用ロボットなどの移動体（移動装置）に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。
［変形実施形態］
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。例えば、第１又は第２実施形態において、リセットトランジスタＭ２Ｂの閾値電圧がリセットトランジスタＭ２Ａの閾値電圧よりも高くなるように構成してもよい。
また、上記第１乃至第３実施形態では、画素２０Ａ，２０ＢのトランジスタをＮ型トランジスタにより構成する場合を想定して説明を行ったが、画素２０Ａ，２０ＢのトランジスタをＰ型トランジスタにより構成するようにしてもよい。この場合、上記説明における各駆動信号の信号レベルは逆になる。
また、上記第１乃至第３実施形態に示した光電変換装置は、画像の取得を目的とした装置、すなわち固体撮像装置として用いることもできる。本明細書で説明した光電変換装置の適用例は必ずしも固体撮像装置に限定されるものではない。例えば、上記第４実施形態で説明したような測距を目的とする装置に適用する場合にあっては、必ずしも画像を出力する必要はない。このような場合、当該装置は、光情報を所定の電気信号に変換する光電変換装置と言うことができる。固体撮像装置は、光電変換装置の１つである。
また、上記第４実施形態に示した光電変換システムは、本発明の光電変換装置を適用しうる光電変換システム例を示したものであり、本発明の光電変換装置を適用可能な光電変換システムは図６に示した構成に限定されるものではない。
なお、上記実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
ＤＡ，ＤＢ…光電変換部
Ｍ１Ａ，Ｍ１Ｂ…転送トランジスタ
Ｍ２Ａ，Ｍ２Ｂ…リセットトランジスタ
ＦＤ…浮遊拡散部
１０…画素アレイ部
２０…画素
３０…垂直走査回路
４０…読み出し回路
５０…電圧供給部
６０…水平走査回路
７０…出力回路
８０…制御回路
１００…光電変換装置
７０１…光電変換システム

Claims (13)

  1. 光電変換部と、前記光電変換部から電荷が転送される第１のノードと、前記第１のノードの電圧をリセットする第１のトランジスタと、を有し、前記第１のノードの電圧に応じた第１の信号を出力する第１の画素と、
    所定の電圧が供給される第２のノードと、前記第２のノードの電圧をリセットする第２のトランジスタと、を有し、前記第２のノードの電圧に応じた第２の信号を出力する第２の画素と、
    前記第１のトランジスタ及び前記第２のトランジスタに接続された制御線と、を有し、
    前記第１のトランジスタは、前記第１のノードを第１の電圧にリセットし、
    前記第２のトランジスタは、前記第２のノードを前記第１の電圧よりも振幅が小さい第２の電圧にリセットする
    ことを特徴とする光電変換装置。
  2. 前記第１のトランジスタと前記第２のトランジスタとは、前記制御線に供給される共通の制御信号に応じて同時に駆動される
    ことを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
  3. 前記第１のノードは、前記第１のトランジスタを介して、前記第１の電圧が供給されるノードに接続されており、
    前記第２のノードは、前記第２のトランジスタを介して、前記第２の電圧が供給されるノードに接続されている
    ことを特徴とする請求項１又は２記載の光電変換装置。
  4. 前記第２の電圧が供給されるノードは、前記所定の電圧が供給されるノードである
    ことを特徴とする請求項３記載の光電変換装置。
  5. 前記第２のトランジスタの閾値電圧は、前記第１のトランジスタの閾値電圧よりも高い
    ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  6. 前記第１の画素は、前記光電変換部から前記第１のノードに電荷を転送する第３のトランジスタを更に有し、
    前記第２の画素は、前記第２のノードに前記所定の電圧を供給する第４のトランジスタを更に有する
    ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  7. 前記振幅は、接地電位からの振幅である
    ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  8. 複数の前記第２の画素と、前記所定の電圧を供給する電圧供給部と、を有し、
    前記電圧供給部は、複数の前記第２の画素の各々の前記第２のノードに、配線を介して前記所定の電圧を供給する
    ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  9. 前記第２の信号は、前記光電変換装置の異常の検知に用いられる信号である
    ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
    前記光電変換装置の前記第１の画素及び前記第２の画素から出力される信号を処理する信号処理部と
    を有することを特徴とする光電変換システム。
  11. 前記第２の画素から出力される前記第２の信号に基づいて前記光電変換装置の異常を検出する異常検出部を更に有する
    ことを特徴とする請求項１０記載の光電変換システム。
  12. 移動体であって、
    請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
    前記光電変換装置の前記第１の画素から出力される信号に基づく視差画像から、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段と、
    前記距離情報に基づいて前記移動体を制御する制御手段と
    を有することを特徴とする移動体。
  13. 前記光電変換装置の前記第２の画素から出力される前記第２の信号に基づいて前記光電変換装置の異常を検出する異常検出部を更に有する
    ことを特徴とする請求項１２に記載の移動体。
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