KR101598748B1 - 고체 촬상 장치 - Google Patents

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KR101598748B1
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나나 아카하네
사토루 아다치
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올림푸스 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명에 의하면, 판독 기간 중에 화소 출력이 변동되더라도 노이즈 내성이 높은 신호를 출력한다. 입사광을 광전 변환하는 PD(11)를 포함하여 2차원 배열된 복수의 단위 화소(9)와, 하나 이상의 상기 단위 화소(9)를 포함하는 복수의 화소 그룹마다 설치된 FD(13) 및 노이즈 신호와 신호 노이즈 합계 신호를 개별로 출력 가능한 출력 단자(8)와, 출력 단자(8)가 공통으로 접속되고, 출력 단자(8)로부터 출력되는 신호에 기초하는 전압을 유지 가능한 복수의 제1 전송선(6a)과, 상기 제1 전송선(6a)에 병렬하여 설치되고, 전압을 유지 가능한 복수의 제2 전송선(6b)과, 상기 제2 전송선(6b)과 제1 전송선(6a)을 접속하는 전송선 간 용량 소자(20)와, 각 제2 전송선(6b)을 리셋 전압으로 리셋하는 리셋 스위치(16b)와, 각 제2 전송선(6b)에 설치된 판독 스위치(19)와, 각 제2 전송선(6b)이 각각 판독 스위치(19)를 통하여 병렬로 접속된 제3 전송선(7)을 구비하는 고체 촬상 장치를 제공한다.

Description

고체 촬상 장치{SOLID-STATE IMAGE CAPTURE DEVICE}
본 발명은 고체 촬상 장치에 관한 것이다.
종래, CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 이미지 센서로 대표되는 바와 같은, 광전 변환 소자가 축적한 신호 전하를 화소 내에서 신호 전압으로 변환하고 난 후, 신호선에 출력하는 증폭형 고체 촬상 장치가 알려져 있다(예를 들어 특허문헌 1 참조). 이 고체 촬상 장치는, 화소 내의 전하 전압 변환 소자를 리셋할 때 발생하는 전압(이하, 노이즈 전압이라고 함)과, 상기 노이즈 전압에, 광전 변환에 의하여 발생한 신호 전하를 가한 전압(이하, 신호 노이즈 합계 전압이라고 함)을 화소 내의 전하 전압 변환 소자로부터 출력시켜 따로따로 유지시키는 2개의 용량 소자를 모든 수직 신호선에 구비하고 있다.
그리고 이 고체 촬상 장치는, 수직 시프트 레지스터에 의하여 선택된 행의 모든 화소로부터의 노이즈 전압과 신호 노이즈 합계 전압을 용량 소자에 유지한 후, 수평 시프트 레지스터에 의하여 선택된 열에 구비된 2개의 용량 소자로부터 노이즈 전압과 신호 노이즈 합계 전압을 출력하고, CDS 회로에 의하여 이들 전압의 차분을 산출함으로써 노이즈 제거를 행하는 구성으로 되어 있다.
일본 특허 공개 제2000-4399호 공보
그러나 종래의 고체 촬상 장치는, 소형화를 위하여 열지어 구비된 용량 소자를 삭제하면, CDS 회로에 의하여 노이즈 제거를 행하기 위해서는, 노이즈 신호의 판독을 1라인 분 행한 후에 신호 노이즈 합계 신호의 판독을 행할 필요가 있어, 판독 기간 중에 화소 출력이 변동되었을 경우에는 노이즈 제거를 할 수 없게 된다. 이는, 특히 화소수가 증가하는 것에 의하여 현저해진다.
본 발명은 상술한 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 판독 기간 중에 화소 출력이 변동되더라도 노이즈 내성이 높은 신호를 출력할 수 있는 고체 촬상 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 이하의 수단을 제공한다.
본 발명의 일 실시 형태는, 입사광을 광전 변환하는 광전 변환 소자를 포함하여 2차원 배열된 복수의 단위 화소와, 하나 이상의 상기 단위 화소를 포함하는 복수의 화소 그룹마다 설치되고, 상기 화소 그룹 내의 각 상기 단위 화소의 상기 광전 변환 소자에 있어서 광전 변환된 신호 전하를 전압 또는 전류로 변환하는 전하 변환 소자, 및 상기 전하 변환 소자를 리셋할 때 발생하는 노이즈 신호와 상기 노이즈 신호에 광전 변환에 의하여 발생한 신호를 가한 신호 노이즈 합계 신호를 개별로 출력 가능한 출력 단자와, 복수의 상기 화소 그룹의 상기 출력 단자가 공통으로 접속되고, 상기 출력 단자로부터 출력되는 신호에 기초하는 전압을 유지 가능한 복수의 제1 전송선과, 상기 제1 전송선에 병렬하여 설치되고, 전압을 유지 가능한 복수의 제2 전송선과, 상기 제2 전송선과 상기 제1 전송선을 접속하는 전송선 간 용량 소자와, 각 상기 제2 전송선을 리셋 전압으로 리셋하는 리셋 스위치와, 각 상기 제2 전송선에 설치된 판독 스위치와, 각 상기 제2 전송선이 각각 상기 판독 스위치를 통하여 병렬로 접속된 제3 전송선을 구비하는 고체 촬상 장치를 제공한다.
본 실시 형태에 의하면, 입사광이, 각 화소 그룹에 속하는 단위 화소 내의 광전 변환 소자에 입사되면, 광전 변환에 의하여 신호 전하가 발생하여 광전 변환 소자에 유지된다. 이 상태에서, 각 화소 그룹에 설치된 전하 변환 소자를 리셋한다. 전하 변환 소자를 리셋함으로써 발생한 노이즈 신호는, 각 화소 그룹의 출력 단자로부터 각 제1 전송선에 출력되어, 노이즈 신호에 따른 크기의 전압(이하, 노이즈 전압이라고 함)의 형태로 각 제1 전송선에 유지된다.
다음으로, 노이즈 신호가 화소 그룹의 출력 단자로부터 제1 전송선에 출력되고 있는 상태에서, 리셋 스위치에 의하여 제2 전송선을 리셋 전압으로 리셋한다. 이것에 의하여, 전송선 간 용량 소자에 의하여 접속된 제2 전송선의 리셋 전압이, 제1 전송선의 노이즈 전압을 나타내는 전압으로서 보존된다. 그 후 제1 전송선을 부유 전위 상태로 하고, 화소 그룹의 출력 단자로부터 신호 노이즈 합계 신호를 제1 전송선에 출력하면, 신호 노이즈 합계 신호에 따른 크기의 전압(이하, 신호 노이즈 합계 전압이라고 함)의 형태로 제1 전송선에 유지된다.
이때, 제1 전송선에 유지되고 있는 전압은, 신호 노이즈 합계 신호의 출력 전후에 있어서, 신호 노이즈 합계 전압과 노이즈 전압의 차분(이하, 신호 전압이라고 함)만큼 변화된다. 전송선 간 용량 소자에 의하여 제1 전송선에 접속된 제2 전송선의 전압은, 제1 전송선의 전압이 변화되면, 용량성 커플링에 의하여 동일한 차분만큼 변화된다. 기지의 제2 전압으로 리셋되어 있는 제2 전송선의 전압은, 입사광의 광량에 따른 신호 전압 분만큼 변동되므로, 판독 스위치를 온 상태로 전환함으로써, 노이즈가 제거된 신호 전압을 제3 전송선에 판독할 수 있다.
즉, 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치에 의하면, 각 단위 화소의 노이즈 신호의 출력과 신호 노이즈 합계 신호의 출력의 시간차가 짧아도 되고, 판독 기간 중에 화소 출력이 변동되더라도 고정밀도로 노이즈를 제거하여, 노이즈 내성이 높은 신호를 포함하는 화상을 구축할 수 있다.
상기 실시 형태에 있어서는, 상기 화소 그룹의 상기 출력 단자로부터 상기 제1 전송선에 신호를 출력하는 상기 단위 화소를 선택하는 화소 선택 수단과, 각 상기 제1 전송선을 제1 전압으로 리셋하는 리셋 수단을 구비하고, 상기 제1 전송선을, 상기 리셋 수단을 온 상태로 하여 상기 제1 전압으로 리셋한 후에 상기 리셋 수단을 오프 상태로 전환하여 부유 전위 상태로 하고, 상기 출력 단자에 출력된 노이즈 신호를 부유 전위 상태로 되어 있는 상기 제1 전송선에 판독하면서, 상기 리셋 스위치를 온 상태로 하여 상기 제2 전송선을 상기 리셋 전압으로 리셋하는 노이즈 신호 판독 동작과, 상기 리셋 스위치를 오프 상태로 하여 상기 제2 전송선을 부유 전위 상태로 한 후, 상기 화소 선택 수단에 의하여 선택된 상기 단위 화소로부터 상기 출력 단자에 출력된 신호 노이즈 합계 신호를 부유 전위 상태로 되어 있는 상기 제1 전송선에 판독하는 신호 노이즈 합계 신호 판독 동작을 행해도 된다.
이와 같이 함으로써, 소위 용량 부하형 판독 방식에 의하여, 간이한 구성으로 각 단위 화소의 노이즈 신호와 신호 노이즈 합계 신호의 차분을 직접 판독할 수 있다.
또한 상기 실시 형태에 있어서는, 상기 화소 그룹의 상기 출력 단자로부터 상기 제1 전송선에 신호를 출력하는 상기 단위 화소를 선택하는 화소 선택 수단과, 상기 제1 전송선에의 정전류의 공급을 온·오프하는 정전류 회로 소자를 구비하고, 상기 정전류 회로 소자를 온 상태로 하여 상기 제1 전송선에 정전류를 공급한 상태에서, 상기 출력 단자에 출력된 노이즈 신호를 상기 제1 전송선에 판독하면서, 상기 리셋 스위치를 온 상태로 하여 상기 제2 전송선을 상기 리셋 전압으로 리셋하는 노이즈 신호 판독 동작과, 상기 리셋 스위치를 오프 상태로 하여 상기 제2 전송선을 부유 전위 상태로 한 후, 상기 화소 선택 수단에 의하여 선택된 상기 단위 화소로부터 상기 출력 단자에 출력된 신호 노이즈 합계 신호를 상기 정전류 회로 소자를 온 상태로 하여 상기 제1 전송선에 정전류를 공급한 상태에서, 상기 제1 전송선에 판독 동작을 행해도 된다.
이와 같이 함으로써, 소위 정전류 부하형 판독 방식에 의하여, 고정밀도로 각 단위 화소의 노이즈 신호와 신호 노이즈 합계 신호의 차분을 직접 판독할 수 있다.
본 발명에 의하면, 판독 기간 중에 화소 출력이 변동되더라도 노이즈 내성이 높은 신호를 출력할 수 있다는 효과를 발휘한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치의 구성을 도시하는 회로도이다.
도 2는 도 1의 고체 촬상 장치가 구비하는 화소를 포함하는 열 회로의 구성을 도시하는 회로도이다.
도 3은 도 1의 고체 촬상 장치의 동작을 나타내는 타이밍 차트이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치의 구성을 도시하는 회로도이다.
도 5는 도 4의 고체 촬상 장치가 구비하는 화소를 포함하는 열 회로의 구성을 도시하는 회로도이다.
도 6은 도 4의 고체 촬상 장치의 동작을 나타내는 타이밍 차트이다.
도 7은 도 4의 고체 촬상 장치의 변형예를 도시하는 회로도이다.
도 8은 도 7의 고체 촬상 장치가 구비하는 화소를 포함하는 열 회로의 구성을 도시하는 회로도이다.
도 9는 도 7의 고체 촬상 장치의 동작을 나타내는 타이밍 차트이다.
도 10은 도 1의 고체 촬상 장치의 변형예이며, 용량 부하형 고체 촬상 장치의 구성을 도시하는 회로도이다.
도 11은 도 10의 고체 촬상 장치가 구비하는 화소를 포함하는 열 회로의 구성을 도시하는 회로도이다.
도 12는 도 10의 고체 촬상 장치의 동작을 나타내는 타이밍 차트이다.
(제1 실시 형태)
이하에, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(1)에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(1)는, 복수의 화소 P를 구비하는 화소 어레이(2), 수직 시프트 레지스터(3), 수평 시프트 레지스터(4) 및 이들 시프트 레지스터(3, 4)를 제어하는 제어 회로(5)를 구비하고 있다.
화소 어레이(2)는 행렬형, 즉 행 방향과 열 방향으로 소정 수 배열된 복수의 화소 P와, 동일한 열에 속하는 복수의 화소 P가 공통으로 접속된 복수의 제1 수직 신호선(제1 전송선)(6a)과, 각 상기 제1 수직 신호선과 병렬로 연장되는 복수의 제2 수직 신호선(제2 전송선)(6b)과, 복수의 제2 수직 신호선(6b)이 공통으로 접속된 수평 신호선(제3 전송선)(7)을 구비하고 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 하나의 화소 P가 하나의 화소 그룹을 구성하고 있다.
각 화소 P는 도 2에 도시된 바와 같이 단위 화소(9)와, 상기 단위 화소(9)로부터 출력된 신호 전하를 전압으로 변환하는 플로팅 디퓨전(FD, 전하 변환 소자)(13)과, FD(13)에 축적된 신호 전하를 전압으로서 판독하는 증폭 트랜지스터(14)와, 상기 증폭 트랜지스터(14)와 전송 트랜지스터(12) 사이에 접속되고 FD(13)의 전압을 리셋하는 FD 리셋 트랜지스터(15)와, 상기 증폭 트랜지스터(14)의 출력선(출력 단자)(8)과 제1 수직 신호선(6a) 사이에 배치된 선택 트랜지스터(10)를 구비하고 있다.
각 단위 화소(9)는, 수광한 광 신호를 광전 변환하여 신호 전하를 축적하는 포토다이오드(PD, 광전 변환 소자)(11)와, 상기 PD(11)에 축적된 신호 전하를 전송하는 전송 트랜지스터(12)를 구비하고 있다.
증폭 트랜지스터(14)의 소스는 출력선(8)에 접속되어 있다. 증폭 트랜지스터(14)는 게이트에 접속된 FD(13)의 신호 전압을 전류 증폭하여, 그 신호를 출력선(8)에 출력하도록 되어 있다. 구체적으로는, 수직 시프트 레지스터(3)로부터 FD 리셋 트랜지스터(15)의 게이트에 FD 리셋 펄스 φR이 입력됨으로써, 증폭 트랜지스터(14)의 게이트가 액티브 상태로 되어 판독 가능한 상태로 된다. 동시에, FD(13)에 전송된 신호 전하는, FD 리셋 트랜지스터(15)의 드레인측으로 배출된다. 이것에 의하여 FD(13)의 전압이 리셋되도록 되어 있다.
전송 트랜지스터(12)는 게이트에 전송 펄스 φT가 입력됨으로써, 소스측의 PD(11)로부터 드레인측의 FD(13)로, PD(11)가 축적한 신호 전하를 전송하도록 되어 있다. 전송 트랜지스터(12)에의 φT 신호는 열마다 입력된다. 이 전송 동작에 의하여, PD(11)가 축적하고 있었던 신호 전하량은 0으로 리셋된다. FD(13)는, 전송 트랜지스터(12)를 통하여 PD(11)로부터 전송되어 온 신호 전하에 따른 신호 전압을 생성하도록 되어 있다.
선택 트랜지스터(10)는 게이트에 노이즈 판독 펄스 φS가 입력됨으로써, 드레인측의 증폭 트랜지스터(14)로부터 소스측의 제1 수직 신호선(6a)에, FD(13)에 생성된 신호 전압에 따른 신호를 출력하도록 되어 있다.
각 수직 신호선(6a, 6b)에는 이 전위를 리셋하는 리셋 수단이 설치되어 있다. 리셋 수단은, 각각 게이트에의 리셋 펄스 φVCL1, φVCL2가 입력됨으로써 각 수직 신호선(6a, 6b)을 VREF로 리셋하는 신호선 리셋 트랜지스터(리셋 스위치)(16a, 16b)에 의하여 구성되어 있다.
제1 수직 신호선(6a)에는, 상기 제1 수직 신호선(6a)과 정전류원(17) 사이에 배치되고, 제1 수직 신호선(6a)과 정전류원(17)의 도통 및 절단을 전환하는 정전류원 접속 스위치(18)가 설치되어 있다.
또한 제2 수직 신호선(6b)에는, 상기 제2 수직 신호선(6b)과 수평 신호선(7)의 도통 및 절단을 전환하는 수직 신호선 선택 스위치(판독 스위치)(19)가 설치되어 있다.
또한 제1 수직 신호선(6a)과 제2 수직 신호선(6b) 사이에는, 양 수직 신호선(6a, 6b)을 접속하는 용량 소자(CAC)(20)가 설치되어 있다.
수직 시프트 레지스터(3)는 화소 어레이(2) 중에서 하나의 행을 선택하여, 선택한 행에 속하는 화소 P에 펄스 φR, φT, φS를 입력함으로써, 각 화소 P로부터 제1 수직 신호선(6a)에 신호를 출력시키도록 되어 있다.
수평 시프트 레지스터(4)는 수직 신호선 선택 스위치(19)에 대하여 수직 신호선 선택 펄스 φHCLK를 입력함으로써, 수직 신호선 선택 펄스 φHCLK가 입력된 제2 수직 신호선(6b)으로부터 수평 신호선(7)으로 신호를 출력시키도록 되어 있다.
제어 회로(5)는 미리 설정된 펄스 시퀀스에 따라, 상술한 각 펄스를 출력시키는 제어 신호를 수직 시프트 레지스터(3) 및 수평 시프트 레지스터(4)에 출력함으로써, 화소 어레이(2)로부터의 신호의 판독 동작을 제어하도록 되어 있다.
도 1 및 도 2에 있어서 도면 부호 CV1, CV2는, 각 수직 신호선(6a, 6b)의 기생 용량을 나타내고 있다.
다음으로, 이와 같이 구성된 고체 촬상 장치(1)의 구동 방법에 대하여 도 3의 타이밍 차트를 참조하여 설명한다.
본 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(1)는, 화소 P가 수광한 광 신호에 따른 전압과, FD(12)의 리셋 시에 발생한 노이즈에 관한 전압(이하, 「노이즈 전압(노이즈 신호)」이라고 함)을 판독한다. 여기서, 화소 P가 수광한 광 신호에 따른 전압에는, 상술한 FD(12)의 리셋 시에 발생한 노이즈 전압이 포함되어 있다. 즉, 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(1)에 있어서는, 노이즈 전압과, 상기 노이즈 전압에, 화소 P가 수광한 광 신호에 따른 전압을 가한 전압(이하, 「신호 노이즈 합계 전압(신호 노이즈 합계 신호)」이라고 함)을 개별로 제1 수직 신호선(6a)에 개별로 판독함으로써, 제2 수직 신호선(6b)에 나타나는 신호 노이즈 합계 전압과 노이즈 전압의 차분을 수평 신호선(7)에 출력하도록 되어 있다.
처음에, 노이즈 전압을 제1 수직 신호선(6a)에 출력하여 일단 유지시키는 동작은, 이하와 같이 하여 행해진다.
우선, 모든 제1 수직 신호선(6a)의 정전류원 접속 스위치(18)를 차단한 상태에서, 당해 수직 신호선(6a)의 리셋 수단을 구성하고 있는 신호선 리셋 트랜지스터(16a)에 리셋 펄스 φVCL1이 인가되어, 당해 제1 수직 신호선(6a)이 전위 VREF로 리셋된다. 또한 이와 동시에, 수직 시프트 레지스터(3)로부터 출력 대상으로 되는 행에 속하는 각 화소 P에 FD 리셋 펄스 φR이 인가됨으로써, FD(12)의 전위가 리셋되고, 선택된 화소 P의 증폭 트랜지스터(14)가 도통한다.
이 상태에서, 제1 수직 신호선(6a)에 설치되어 있는 정전류원 접속 스위치(18)의 게이트에 펄스 φCOL을 입력함으로써, 정전류원 접속 스위치(18)가 온 상태로 되어, 제1 수직 신호선(6a)에 정전류가 흐른다. 그리고 이와 동시에, 당해 제1 수직 신호선(6a)에 접속되어 있는 출력선(8)의 선택 트랜지스터(10)의 게이트에 노이즈 판독 펄스 φS가 입력됨으로써, 상기 선택 트랜지스터(10)가 도통하고, 리셋되어 있었던 FD(12)의 노이즈 전압이 제1 수직 신호선(6a)에 출력된다. 그리고 펄스 φCOL의 입력을 소정 시간 유지한 후에 정지하여, 정전류원 접속 스위치(18)가 오프 상태로 전환됨으로써, 제1 수직 신호선(6a)은 부유 전위 상태로 되고, 노이즈 전압이 당해 제1 수직 신호선(6a)의 기생 용량에 일단 유지된다.
다음으로, 모든 제1 수직 신호선(6a)에 노이즈 전압이 유지되어 있는 상태에서, 모든 제2 수직 신호선(6b)의 리셋 수단을 구성하고 있는 신호선 리셋 트랜지스터(16b)에 리셋 펄스 φVCL2가 인가되어, 당해 제2 수직 신호선(6b)이 기지의 전위 VREF로 리셋된다.
그리고 이후, 수직 시프트 레지스터(3)로부터 출력 대상으로 되는 행에 속하는 각 화소 P의 전송 트랜지스터(12)의 게이트에 전송 펄스 φT가 인가됨으로써, PD(11)로부터 FD(12)로, PD(11)가 축적한 신호 전하가 전송되고, FD(12)의 전위가 신호 노이즈 합계 전압으로 설정된다.
이 상태에서 증폭 트랜지스터(14)는 도통 상태에 있으므로, 제1 수직 신호선(6a)의 전위가 노이즈 전압으로부터 신호 노이즈 합계 전압으로 변화된다.
이 경우에 있어서, 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치에 있어서는, 제1 수직 신호선(6a)과 제2 수직 신호선(6b)은 용량 소자(20)에 의하여 접속되어 있으므로, 제1 수직 신호선(6a)의 전위가 노이즈 전압으로부터 신호 노이즈 합계 전압으로 변화되면, 용량 소자(20)에 의한 커플링 효과에 의하여, 제2 수직 신호선(6b)의 전위가 신호 노이즈 합계 전압과 노이즈 전압의 차분만큼 변화된다.
그리고, 동일한 행 내의 모든 화소 P로부터의 신호 노이즈 합계 전압이 제1 수직 신호(6a)에 출력된 시점에서, 수평 시프트 레지스터(4)로부터 수직 신호선 선택 펄스 φHCLK를 수직 신호선 선택 스위치(19)에 인가한다.
이것에 의하여, 제2 수직 신호선(6b)에 유지되어 있는 신호 노이즈 합계 전압과 노이즈 전압의 차분이 수평 신호선(7)에 판독된다. 수평 신호선(7)에는 신호 증폭 수단(21)이 설치되어 있으며, 판독된 노이즈 전압과 신호 노이즈 합계 전압의 차분인 화소 신호는, 신호 증폭 수단(21)에 의하여 증폭되어 출력된다.
그리고 모든 제2 수직 신호선(6b)으로부터 노이즈 전압과 신호 노이즈 합계 전압의 차분을 순차, 수평 신호선(7)에 판독함으로써, 1행 분의 화소 신호를 얻을 수 있다. 따라서 수직 시프트 레지스터(3)에 의하여 선택하는 행을 순차 전환하여 동일한 처리를 행함으로써, 모든 화소 P의 화소 신호를 출력하여 1매의 화상을 취득할 수 있다.
이와 같이 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(1)에 의하면, 동일한 화소 P로부터 별개로 출력된 노이즈 전압과 신호 노이즈 합계 전압이 제1 수직 신호선(6a)에 각각 출력되기만 하면, 제2 수직 신호선(6b)에 나타난 신호 노이즈 합계 전압과 노이즈 전압의 차분을 수평 신호선(7)에 판독할 수 있다. 그 결과, 노이즈 전압을 판독한 직후, 단시간 내에 신호 노이즈 합계 전압을 판독할 수 있다. 그 결과, 판독 기간 중에 화소 P의 출력이 변동되더라도 노이즈 내성이 높은 신호를 출력할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 동일한 화소 P로부터 별개로 출력된 노이즈 전압과 신호 노이즈 합계 전압이 제1 수직 신호선(6a)에 각각 출력되기만 하면, 제2 수직 신호선(6b)에 나타난 신호 노이즈 합계 전압과 노이즈 전압의 차분을 수평 신호선(7)에 출력할 수 있으며, 그 후단에 차동 증폭기와 같은 회로를 설치하지 않아도 된다. 따라서, 구성을 간이하게 하여 소형화할 수 있다는 이점이 있다.
(제2 실시 형태)
다음으로, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(30)에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시 형태의 설명에 있어서, 상술한 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(1)와 구성을 공통으로 하는 개소에는 동일 부호를 붙여, 그 설명을 생략한다.
본 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(30)는, 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(1)가 모든 화소 P에, 증폭 트랜지스터(14)와, FD 리셋 트랜지스터(15)와, 선택 트랜지스터(10)를 구비하고 있었던 데 비하여, 도 4에 도시한 바와 같이 열방향으로 배열되는 2개의 화소 P에서, 이들 증폭 트랜지스터(14), FD 리셋 트랜지스터(15) 및 선택 트랜지스터(10)를 공유하고 있는 점에서 상이하다.
즉, 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(30)에 있어서는, 도 5에 도시된 바와 같이 2개의 단위 화소(9)를 포함하는 화소 그룹(31)에 있어서, 각 단위 화소(9)가 PD(11)과 전송 트랜지스터(12)를 구비하고, 모든 전송 트랜지스터(12)의 드레인측이 공통의 FD(13)에 접속됨과 아울러, 상기 FD(13)를 리셋하는 단일의 FD 리셋 트랜지스터(15), FD(13)에 축적된 신호 전하를 전압으로서 판독하는 증폭 트랜지스터(14), 및 상기 증폭 트랜지스터(14)의 소스측에 접속하는 출력선(8)에 설치된 선택 트랜지스터(10)가, 각 화소 그룹(31)에 의하여 공유되어 있다.
이와 같이 구성된 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(30)의 동작에 대하여 도 6을 참조하여 설명한다.
본 실시 형태에 있어서, 각 화소 그룹(31)의 2개의 단위 화소(9)로부터의 노이즈 전압 및 신호 노이즈 합계 전압의 판독 동작은, 하나의 단위 화소(9)의 노이즈 전압을 제1 수직 신호선(6a)에 출력하여 상기 수직 신호선(6a)의 기생 용량에 일단 유지시킨 상태에서, 제2 수직 신호선(6b)를 리셋 전압으로 리셋하고, 그 후 신호 노이즈 합계 전압을 제1 수직 신호선(6a)에 출력함으로써 행해지며, 그 결과, 제2 수직 신호선(6b)에 나타난 신호 노이즈 합계 전압과 노이즈 전압의 차분을 수평 신호선(7)에 판독하는 동작을, 단위 화소(9)를 전환하여 2회 반복함으로써 행해지는 것이다.
즉, 본 실시 형태에 있어서는, 수직 시프트 레지스터(화소 선택 수단)(3)는, 2개의 단위 화소(9)의 전송 트랜지스터(12)에 대하여 2개의 전송 펄스 φT1, φT2를 출력한다. 수직 시프트 레지스터(3)로부터의 각 전송 펄스 φT1, φT2의 상이한 시각에 있어서의 출력에 의하여, 각 단위 화소(9)로부터의 신호 노이즈 합계 전압이 제1 수직 신호선(6a)에 상이한 시각에 출력되어 유지된다.
그리고 제2 수직 신호선(6b)에 나타난 신호 노이즈 합계 전압과 노이즈 전압의 차분이, 선택된 행 내의 모든 화소 그룹(31)에 대하여 수평 신호선(7)에 판독된 후, 단위 화소(9)를 전환하여 동일한 동작이 반복됨으로써, 모든 단위 화소(9)로부터의 신호 전압을 얻을 수 있다.
이와 같이 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(30)에 의하면, 2개의 단위 화소(9)마다 FD(12), 증폭 트랜지스터(14) 및 선택 트랜지스터(10)를 공유하므로, 화소 어레이(2) 내의 PD(11) 이외의 소자를 적게 하여, 소형화 또는 고해상도화를 도모할 수 있다는 이점이 있다.
또한 본 실시 형태에 있어서는, 화소 그룹(31)이 2개의 단위 화소(9)를 포함하는 경우를 예시하여 설명했지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 1 이상의 임의의 수의 단위 화소(9)를 포함하는 것으로 해도 된다. 예를 들어 도 7 내지 도 9에 도시한 바와 같이, 화소 그룹(32)이 4개의 단위 화소(9)를 포함하는 것으로 해도 된다.
또한 본 실시 형태에 있어서는, 노이즈 전압 및 신호 노이즈 합계 전압을 제1 수직 신호선(6a)에 판독할 때, 제1 수직 신호선(6a)를 정전류원(17)에 접속하여 정전류를 흐르게 하면서 소정 시간 판독하는, 소위 정전류 부하 방식의 판독 방법을 예시하여 설명했지만, 그 대신 정전류원(17)에 접속하지 않고 판독하는 용량 부하 방식의 판독 방법을 채용해도 된다.
용량 부하 방식의 판독 방법을 채용했을 경우의 블록도 및 타이밍 차트를 각각, 도 10 내지 도 12에 나타낸다. 또한 용량 부하 방식의 경우에 대해서도, 복수의 화소 P를 포함하는 화소 그룹(31)에 적용할 수 있다.
이 용량 부하 방식에 의해서도, 정전류 부하 방식과 마찬가지의 효과를 발휘할 수 있다. 또한 정전류원(17), 정전류원 접속 트랜지스터(18) 및 이들의 제어 신호를 불필요하게 할 수 있으며, 또한 간이하게 구성 및 제어할 수 있다는 이점이 있다.
또한 정전류 부하 방식의 경우에는, 제1 수직 신호선(6a)을 리셋 전압 VREF로 리셋하는 신호선 리셋 트랜지스터(16a)는 없어도 된다.
또한 본 실시 형태에 있어서는, 화소가 행렬형으로 배열된 화소 어레이(2)에 적용했을 경우를 예시했지만, 그 대신 화소가 벌집형으로 배열된 화소 어레이에 적용하는 것으로 해도 된다.
또한 본 실시 형태에 있어서는, 전하 변환 소자(13)가 전하를 전압으로 변환하여 출력하는 것으로 했지만, 그 대신 전류로 변환하여 출력하는 것을 채용해도 된다.
또한 본 실시 형태에 있어서는, 수직 신호선(6a, 6b)의 기생 용량을 이용하여 노이즈 전압 및 신호 노이즈 합계 전압을 수직 신호선(6a, 6b)에 유지시키는 것으로 하였다. 이것에 의하여, 특별한 용량 소자를 불필요하게 하여 고체 촬상 장치(1, 30)의 소형화를 도모할 수 있다.
그러나 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 각 수직 신호선(6a, 6b)에 용량 소자(도시 생략)를 접속하는 것으로 해도 된다. 이것에 의해서도, 노이즈 전압 및 신호 노이즈 합계 전압의 시간차 저감에 의한, 판독 기간 중에 화소 출력이 변동되더라도 노이즈 내성이 높은 신호를 출력할 수 있다는 효과를 발휘할 수 있다.
1, 30: 고체 촬상 장치
3: 수직 시프트 레지스터(화소 선택 수단)
6a: 제1 수직 신호선(제1 전송선)
6b: 제2 수직 신호선(제2 전송선)
7: 수평 신호선(제3 전송선)
8: 출력선(출력 단자)
9: 단위 화소
10: 선택 트랜지스터
11: 광전 변환 소자, PD
13: 전하 변환 소자, FD
16a: 신호선 리셋 트랜지스터(리셋 수단)
16b: 신호선 리셋 트랜지스터(리셋 스위치)
18: 정전류원 접속 트랜지스터(정전류 회로 소자)
19: 수직 신호선 선택 스위치(판독 스위치)
20: 용량 소자(전송선 간 용량 소자)
31, 32: 화소 그룹

Claims (3)

  1. 입사광을 광전 변환하는 광전 변환 소자를 포함하여 2차원 배열된 복수의 단위 화소와,
    하나 이상의 상기 단위 화소를 포함하는 복수의 화소 그룹마다 설치되고, 상기 화소 그룹 내의 각 상기 단위 화소의 상기 광전 변환 소자에서 광전 변환된 신호 전하를 전압 또는 전류로 변환하는 전하 변환 소자와,
    상기 전하 변환 소자를 리셋할 때 발생하는 노이즈 신호와 상기 노이즈 신호에 광전 변환에 의하여 발생한 신호를 가한 신호 노이즈 합계 신호를 개별로 출력 가능한 출력 단자와,
    복수의 상기 화소 그룹의 상기 출력 단자가 공통으로 접속되고, 상기 출력 단자로부터 출력되는 신호에 기초하는 전압을 유지 가능한 복수의 제1 전송선과,
    상기 제1 전송선에 병렬하여 설치되고, 전압을 유지 가능한 복수의 제2 전송선과,
    상기 제2 전송선과 상기 제1 전송선을 접속하는 전송선 간 용량 소자와,
    각 상기 제2 전송선을 리셋 전압으로 리셋하는 리셋 스위치와,
    각 상기 제2 전송선에 설치된 판독 스위치와,
    각 상기 제2 전송선이 각각 상기 판독 스위치를 통하여 병렬로 접속된 제3 전송선과,
    상기 화소 그룹의 상기 출력 단자로부터 상기 제1 전송선에 신호를 출력하는 상기 단위 화소를 선택하는 화소 선택 수단과, 각 상기 제1 전송선을 제1 전압으로 리셋하는 리셋 수단을 구비하고,
    상기 제1 전송선을, 상기 리셋 수단을 온 상태로 하여 상기 제1 전압으로 리셋한 후에 상기 리셋 수단을 오프 상태로 전환하여 부유 전위 상태로 하고,
    상기 출력 단자에 출력된 노이즈 신호를 부유 전위 상태로 되어 있는 상기 제1 전송선에서 판독하면서, 상기 리셋 스위치를 온 상태로 하여 상기 제2 전송선을 상기 리셋 전압으로 리셋하는 노이즈 신호 판독 동작과,
    상기 리셋 스위치를 오프 상태로 하여 상기 제2 전송선을 부유 전위 상태로 한 후, 상기 화소 선택 수단에 의하여 선택된 상기 단위 화소로부터 상기 출력 단자에 출력된 신호 노이즈 합계 신호를 부유 전위 상태로 되어 있는 상기 제1 전송선에서 판독하는 신호 노이즈 합계 신호 판독 동작을 행하는 고체 촬상 장치.
  2. 입사광을 광전 변환하는 광전 변환 소자를 포함하여 2차원 배열된 복수의 단위 화소와,
    하나 이상의 상기 단위 화소를 포함하는 복수의 화소 그룹마다 설치되고, 상기 화소 그룹 내의 각 상기 단위 화소의 상기 광전 변환 소자에서 광전 변환된 신호 전하를 전압 또는 전류로 변환하는 전하 변환 소자와,
    상기 전하 변환 소자를 리셋할 때 발생하는 노이즈 신호와 상기 노이즈 신호에 광전 변환에 의하여 발생한 신호를 가한 신호 노이즈 합계 신호를 개별로 출력 가능한 출력 단자와,
    복수의 상기 화소 그룹의 상기 출력 단자가 공통으로 접속되고, 상기 출력 단자로부터 출력되는 신호에 기초하는 전압을 유지 가능한 복수의 제1 전송선과,
    상기 제1 전송선에 병렬하여 설치되고, 전압을 유지 가능한 복수의 제2 전송선과,
    상기 제2 전송선과 상기 제1 전송선을 접속하는 전송선 간 용량 소자와,
    각 상기 제2 전송선을 리셋 전압으로 리셋하는 리셋 스위치와,
    각 상기 제2 전송선에 설치된 판독 스위치와,
    각 상기 제2 전송선이 각각 상기 판독 스위치를 통하여 병렬로 접속된 제3 전송선과,
    상기 화소 그룹의 상기 출력 단자로부터 상기 제1 전송선에 신호를 출력하는 상기 단위 화소를 선택하는 화소 선택 수단과,
    상기 제1 전송선에의 정전류의 공급을 온·오프하는 정전류 회로 소자를 구비하고,
    상기 정전류 회로 소자를 온 상태로 하여 상기 제1 전송선에 정전류를 공급한 상태에서, 상기 출력 단자에 출력된 노이즈 신호를 상기 제1 전송선에서 판독하면서, 상기 리셋 스위치를 온 상태로 하여 상기 제2 전송선을 상기 리셋 전압으로 리셋하는 노이즈 신호 판독 동작과,
    상기 리셋 스위치를 오프 상태로 하여 상기 제2 전송선을 부유 전위 상태로 한 후, 상기 화소 선택 수단에 의하여 선택된 상기 단위 화소로부터 상기 출력 단자에 출력된 신호 노이즈 합계 신호를 상기 정전류 회로 소자를 온 상태로 하여 상기 제1 전송선에 정전류를 공급한 상태에서, 상기 제1 전송선에서 판독 동작을 행하는 고체 촬상 장치.
  3. 삭제
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