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JP6317622B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、固体撮像装置に関するものである。
固体撮像装置は、2次元配列された複数個の画素部を含む受光部、この受光部の各画素部の動作を制御する制御部、および、この受光部の各画素部からの信号を読み出す信号読出部を備える。各画素部は、入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオード、ゲート端子の電荷量に応じた値の信号を出力する増幅用トランジスタ、および、フォトダイオードで発生した電荷を増幅用トランジスタのゲート端子に転送する転送用トランジスタを含んで構成され得る。
特許文献1に開示された発明の固体撮像装置では、各画素部は、並列接続された2つの転送用トランジスタを含む。一方の転送用トランジスタは、同じ行にある複数の画素部に対して共通に与えられる制御信号によりオン/オフ動作する。他方の転送用トランジスタは、同じ列にある複数の画素部に対して共通に与えられる制御信号によりオン/オフ動作する。このように構成されることで、この固体撮像装置は、各画素部における電荷蓄積期間を様々な時間に設定することができ、各画素部の感度を様々に設定することができて、ダイナミックレンジの拡大を図ることができるとされている。
特許第5247397号公報
しかしながら、特許文献1に開示された発明の固体撮像装置では、蓄積期間設定の自由度が充分ではない。本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、画素ごとに異なる様々なパターンの蓄積期間を設定することができる固体撮像装置を提供することを目的とする。
本発明の固体撮像装置は、M行N列に2次元配列されたM×N個の画素部P(1,1)〜P(M,N)を含む受光部と、受光部の第m行にあるN個の画素部P(m,1)〜P(m,N)の動作を制御する制御信号を行毎に出力する行制御部と、受光部の第n列にあるM個の画素部P(1,n)〜P(M,n)の動作を制御する制御信号を列毎に出力する列制御部と、受光部のM×N個の画素部P(1,1)〜P(M,N)からの信号を読み出す信号読出部と、を備えることを特徴とする。ただし、M,Nは2以上の整数であり、mは1以上M以下の各整数であり、nは1以上N以下の各整数である。
さらに、受光部の各画素部P(m,n)は、入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードと、ゲート端子の電荷量に応じた値の信号を出力する増幅用トランジスタと、フォトダイオードで発生した電荷を増幅用トランジスタのゲート端子に転送する転送用トランジスタと、増幅用トランジスタから出力される信号を信号読出部へ出力する読出用トランジスタと、フォトダイオードの電荷蓄積を初期化する第1初期化用トランジスタと、増幅用トランジスタのゲート端子の電荷蓄積を初期化する第2初期化用トランジスタと、を含むことを特徴とする。また、転送用トランジスタおよび第1初期化用トランジスタのうち一方が行制御部から出力される制御信号に基づいてオン/オフ動作し、他方が列制御部から出力される制御信号に基づいてオン/オフ動作することを特徴とする。
本発明の固体撮像装置は、受光部のM×N個の画素部P(1,1)〜P(M,N)が複数のブロックに区分され、複数のブロックそれぞれがQ行R列に配列された画素部を含むのが好適である。さらに、複数のブロックそれぞれにおける第q行第r列の画素部において、転送用トランジスタが同一の制御信号に基づいてオン/オフ動作し、第1初期化用トランジスタが同一の制御信号に基づいてオン/オフ動作するのが好適である。ただし、Q,Rのうち少なくとも一方は2以上の整数であり、qは1以上Q以下の各整数であり、rは1以上R以下の各整数である。
本発明の固体撮像装置は、受光部において、行制御部から出力される制御信号に基づいて転送用トランジスタがオン/オフ動作するとともに列制御部から出力される制御信号に基づいて第1初期化用トランジスタがオン/オフ動作する画素部と、行制御部から出力される制御信号に基づいて第1初期化用トランジスタがオン/オフ動作するとともに列制御部から出力される制御信号に基づいて転送用トランジスタがオン/オフ動作する画素部とが、混在して配置されているのが好適である。これら2種類の画素部は、行方向および列方向の双方について交互に配置されていてもよく、様々な配置パターンの態様が有り得る。
本発明によれば、複数の不連続な蓄積期間を含む様々なパターンの蓄積期間を画素ごとに設定できることによりダイナミックレンジを更に拡大することができる。
本実施形態の固体撮像装置1の全体構成を示す図である。 本実施形態の固体撮像装置1の各画素部P(m,n)の構成を示す図である。 比較例の固体撮像装置の各画素部P(m,n)の構成を示す図である。 本実施形態の固体撮像装置1の動作例を示すタイミングチャートである。 比較例の固体撮像装置の動作例を示すタイミングチャートである。 本実施形態の固体撮像装置1の動作例を示すタイミングチャートである。 他の実施形態の固体撮像装置の要部構成を示す図である。 図7に示される実施形態の固体撮像装置の動作例を示すタイミングチャートである。 図7に示される実施形態の固体撮像装置の動作例を示すタイミングチャートである。 更に他の実施形態の固体撮像装置の要部構成を示す図である。 図10に示される実施形態の固体撮像装置の動作例を示すタイミングチャートである。 様々な電荷蓄積期間のパターンを説明する図である。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図1は、本実施形態の固体撮像装置1の全体構成を示す図である。固体撮像装置1は、受光部10、行制御部20、列制御部30および信号読出部40を備える。受光部10は、M行N列に2次元配列されたM×N個の画素部P(1,1)〜P(M,N)を含む。M×N個の画素部P(1,1)〜P(M,N)は共通の構成を有する。各画素部P(m,n)は第m行第n列に位置する。行制御部20は、受光部10の第m行にあるN個の画素部P(m,1)〜P(m,N)の動作を制御する制御信号を行毎に出力する。列制御部30は、受光部10の第n列にあるM個の画素部P(1,n)〜P(M,n)の動作を制御する制御信号を列毎に出力する。信号読出部40は、受光部10のM×N個の画素部P(1,1)〜P(M,N)からの信号を読み出す。ただし、M,Nは2以上の整数であり、mは1以上M以下の各整数であり、nは1以上N以下の各整数である。
図2は、本実施形態の固体撮像装置1の各画素部P(m,n)の構成を示す図である。各画素部P(m,n)は、フォトダイオードPD、増幅用トランジスタTr1、転送用トランジスタTr2、読出用トランジスタTr3、第1初期化用トランジスタTr4および第2初期化用トランジスタTr5を含む。これらのトランジスタTr1〜Tr5はNMOSトランジスタである。
フォトダイオードPDのアノード端子は接地されている。フォトダイオードPDのカソード端子は、転送用トランジスタTr2のソース端子に接続され、また、第1初期化用トランジスタTr4のソース端子に接続されている、増幅用トランジスタTr1のゲート端子は、転送用トランジスタTr2のドレイン端子に接続され、また、第2初期化用トランジスタTr5のソース端子に接続されている。増幅用トランジスタTr1のソース端子は、読出用トランジスタTr3のドレイン端子に接続されている。増幅用トランジスタTr1,第1初期化用トランジスタTr4および第2初期化用トランジスタTr5それぞれのドレイン端子は、電源電位VDDが印加される。
転送用トランジスタTr2のゲート端子は、行制御部20から行毎に出力されるtrans(m)信号が入力される。第m行にあるN個の画素部P(m,1)〜P(m,N)それぞれの転送用トランジスタTr2は、trans(m)信号のレベルに応じてオン/オフ動作する。読出用トランジスタTr3のゲート端子は、行制御部20から行毎に出力されるaddress(m)信号が入力される。第m行にあるN個の画素部P(m,1)〜P(m,N)それぞれの読出用トランジスタTr3は、address(m)信号のレベルに応じてオン/オフ動作する。
第2初期化用トランジスタTr5のゲート端子は、行制御部20から行毎に出力されるreset2(m)信号が入力される。第m行にあるN個の画素部P(m,1)〜P(m,N)それぞれの第2初期化用トランジスタTr5は、reset2(m)信号のレベルに応じてオン/オフ動作する。第1初期化用トランジスタTr4のゲート端子は、列制御部30から列毎に出力されるreset1(n)信号が入力される。第n列にあるM個の画素部P(1,n)〜P(M,n)それぞれの第1初期化用トランジスタTr4は、reset1(n)信号のレベルに応じてオン/オフ動作する。
行制御部20は、受光部10の第m行にあるN個の画素部P(m,1)〜P(m,N)の動作を制御する制御信号として、trans(m)信号,address(m)信号およびreset2(m)信号を出力する。列制御部30は、受光部10の第n列にあるM個の画素部P(1,n)〜P(M,n)の動作を制御する制御信号としてreset1(n)信号を出力する。
フォトダイオードPDは、入射光量に応じた量の電荷を発生し、接合容量部に電荷を蓄積することができる。増幅用トランジスタTr1のゲート端子には、フローティングディフュージョンが形成されており、或いは、これとは別に容量部が形成されていて、電荷を蓄積することができる。転送用トランジスタTr2は、オン状態である期間に、フォトダイオードPDで発生した電荷を増幅用トランジスタTr1のゲート端子に転送する。増幅用トランジスタTr1は、ゲート端子の電荷量に応じた値の信号をソース端子から出力する。読出用トランジスタTr3は、オン状態である期間に、増幅用トランジスタTr1から出力される信号をreadout(n)信号として信号読出部40へ出力する。第1初期化用トランジスタTr4は、オン状態である期間に、フォトダイオードPDの電荷蓄積を初期化する。第2初期化用トランジスタTr5は、オン状態である期間に、増幅用トランジスタTr1のゲート端子の電荷蓄積を初期化する。
各画素部P(m,n)の動作の概略は以下のとおりである。行制御部20から行毎に出力されるreset2(m)信号が一定期間に亘ってハイレベルとなることにより、第m行にあるN個の画素部P(m,1)〜P(m,N)それぞれにおいて、第2初期化用トランジスタTr5がオン状態となり、増幅用トランジスタTr1のゲート端子の電荷蓄積が初期化される。列制御部30から列毎に出力されるreset1(n)信号が一定期間に亘ってハイレベルとなることにより、第n列にあるM個の画素部P(1,n)〜P(M,n)それぞれにおいて、第1初期化用トランジスタTr4がオン状態となり、フォトダイオードPDの電荷蓄積が初期化される。
reset1(n)信号がハイレベルからローレベルに転じると、第n列にあるM個の画素部P(1,n)〜P(M,n)それぞれにおいて、第1初期化用トランジスタTr4がオフ状態に転じて、フォトダイオードPDの電荷蓄積が開始される。その後、行制御部20から行毎に出力されるtrans(m)信号が一定期間に亘ってハイレベルとなってローレベルに転じると、第m行にあるN個の画素部P(m,1)〜P(m,N)それぞれにおいて、そのときまでにフォトダイオードPDで発生した電荷が増幅用トランジスタTr1のゲート端子に転送される。そして、行制御部20から行毎に出力されるaddress(m)信号が一定期間に亘ってハイレベルとなることにより、第m行にあるN個の画素部P(m,1)〜P(m,N)それぞれにおいて、読出用トランジスタTr3がオン状態となり、増幅用トランジスタTr1から出力される信号がreadout(n)信号として信号読出部40へ出力される。
各画素部P(m,n)における電荷蓄積期間は、第1初期化用トランジスタTr4のゲート端子に与えられるreset1(n)信号がハイレベルからローレベルに転じたとき(電荷蓄積開始時刻)から、転送用トランジスタTr2のゲート端子に与えられるtrans(m)信号がハイレベルからローレベルに転じたとき(電荷蓄積終了時刻)までの期間である。各画素部P(m,n)から出力されるreadout(n)信号の値は、上記電荷蓄積期間に亘るフォトダイオードPDへの入射光量に応じたものである。
これまで説明した実施形態では、各画素部P(m,n)は、行制御部20から出力されるtrans(m)信号に基づいて転送用トランジスタTr2がオン/オフ動作し、列制御部30から出力されるreset1(n)信号に基づいて第1初期化用トランジスタTr4がオン/オフ動作する。逆に、各画素部P(m,n)は、行制御部20から出力される制御信号に基づいて第1初期化用トランジスタTr4がオン/オフ動作し、列制御部30から出力される制御信号に基づいて転送用トランジスタTr2がオン/オフ動作してもよい。
このように、各画素部P(m,n)は、転送用トランジスタTr2および第1初期化用トランジスタTr4のうち一方が行制御部20から出力される制御信号に基づいてオン/オフ動作し、他方が列制御部30から出力される制御信号に基づいてオン/オフ動作することにより、更なるダイナミックレンジの拡大が可能となる。これについて本実施形態と比較例とを対比して説明する。
図3は、比較例の固体撮像装置の各画素部P(m,n)の構成を示す図である。図2に示された本実施形態の各画素部P(m,n)と比較すると、図3に示される比較例の各画素部P(m,n)は、フォトダイオードPDおよび5個のトランジスタTr1〜Tr5を含む点で同じであり、これらの要素の間の接続関係も略同じであり、行制御部から行毎に出力されるaddress(m)信号が読出用トランジスタTr3のゲート端子に入力される点も同じである。
図2に示された本実施形態の各画素部P(m,n)と比較すると、図3に示される比較例の各画素部P(m,n)は、トランジスタTr4が転送用トランジスタとして用いられる点で相違し、その転送用トランジスタTr4のドレイン端子が増幅用トランジスタTr1のゲート端子に接続されている点で相違する。また、行制御部から行毎に出力されるtrans1(m)が転送用トランジスタTr2のゲート端子に入力される点で相違し、列制御部から列毎に出力されるtrans2(n)が転送用トランジスタTr4のゲート端子に入力される点で相違し、行制御部から行毎に出力されるreset(m)が初期化用トランジスタTr5のゲート端子に入力される点で相違する。
図4は、本実施形態の固体撮像装置1の動作例を示すタイミングチャートである。図5は、比較例の固体撮像装置の動作例を示すタイミングチャートである。何れの図も、3行3列の画素部P(1,1)〜P(3,3)それぞれについて電荷蓄積期間を示している。比較例(図5)では、蓄積期間は連続した1回の期間のみである。蓄積開始時刻を同一行内で変えることができない。蓄積期間を短くしようとすると、蓄積終了時刻を早くするしか方法がない。また、非蓄積期間を挟んだ複数回の蓄積期間を設定することはできない。
これに対して、本実施形態(図4)では、画素部P(1,1)の電荷蓄積期間の長さはクロックCLKの3周期分である。画素部P(1,2)の電荷蓄積期間の長さはクロックCLKの2周期分である。画素部P(1,3)の電荷蓄積期間の長さはクロックCLKの1周期分である。画素部P(2,1)の電荷蓄積期間の長さはクロックCLKの4周期分である。画素部P(2,2)の電荷蓄積期間の長さはクロックCLKの3周期分である。画素部P(2,3)の電荷蓄積期間の長さはクロックCLKの2周期分である。画素部P(3,1)の電荷蓄積期間の長さはクロックCLKの5周期分である。画素部P(3,2)の電荷蓄積期間の長さはクロックCLKの4周期分である。画素部P(3,3)の電荷蓄積期間の長さはクロックCLKの3周期分である。このように、本実施形態では、電荷蓄積開始時刻および電荷蓄積終了時刻の両方の設定を行ごと又は列ごとで変更することが可能である上に、連続しない複数の蓄積期間を設定することも可能である。この機能から、各画素部の電荷蓄積期間の長さを様々に設定することができ、各画素部の感度を様々に設定することができて、ダイナミックレンジの拡大を図ることができる。
比較例では、蓄積開始時刻を同一行内で変えることができない(図12(a))。また、比較例では、非蓄積期間を挟んだ複数回の蓄積期間を設定することはできない。これに対して、本実施形態では、蓄積期間の重心をあわせたり(同図(b))、非蓄積期間を挟んだ複数回の蓄積期間を設定したり(同図(c))することができるので、高速に輝度の変化する対象を含む画像をハイダイナミックレンジ撮像する際に好適である。
非蓄積期間を挟んだ複数回の蓄積期間を設定するためには、フォトダイオードPDの電荷を増幅用トランジスタTr1のゲート端子へ複数回転送する必要がある。そのためには、電荷を容量分配することにならないように、フォトダイオードPDを埋め込み型の構成として、フォトダイオードPDを完全空乏化して容量をゼロにする必要がある。これにより、フォトダイオードPDの蓄積電荷を全て増幅用トランジスタTr1のゲート端子に転送することができる。
図6は、本実施形態の固体撮像装置1の他の動作例を示すタイミングチャートである。同図は、1フレーム期間(各画素部からreadout(n)信号を出力してから次にreadout(n)信号を出力するまでの期間)内に、3行3列の画素部P(1,1)〜P(3,3)それぞれについて4回の電荷蓄積期間が存在する場合を示している。この動作例に示されるように、本実施形態では、各画素部の各回の電荷蓄積期間の長さを様々に設定することができる。また、各画素部の第1回および第2回の電荷蓄積期間の長さの和を一定に設定することもでき、各画素部の第3回および第4回の電荷蓄積期間の長さの和を一定に設定することもできる。
図7は、他の実施形態の固体撮像装置の要部構成を示す図である。この実施形態では、受光部10のM×N個の画素部P(1,1)〜P(M,N)が複数のブロックに区分され、複数のブロックそれぞれがQ行R列に配列された画素部を含む。複数のブロックそれぞれにおける第q行第r列の画素部において、転送用トランジスタTr2が同一の制御信号に基づいてオン/オフ動作し、第1初期化用トランジスタTr4が同一の制御信号に基づいてオン/オフ動作する。Q,Rのうち少なくとも一方は2以上の整数である。
同図では、M=N=8 とし、Q=R=2 としている。すなわち、8×8個の画素部P(1,1)〜P(8,8)が4×4個のブロックに区分され、各ブロックが2行2列に配列された画素部を含む。各ブロック内における第q行第r列の画素部P(q,r)において、転送用トランジスタTr2がtrans(q)信号に基づいてオン/オフ動作し、第1初期化用トランジスタTr4がreset1(r)信号に基づいてオン/オフ動作する。つまり、4×4個のブロックそれぞれにおいて同じ位置にある画素部の電荷蓄積期間は同じとなる。qは1以上Q以下の各整数であり、rは1以上R以下の各整数である。
図8および図9は、図7に示される実施形態の固体撮像装置の動作例を示すタイミングチャートである。図8に示される動作例では、各ブロック内において、第1行第1列の画素部および第2行第2列の画素部それぞれの電荷蓄積期間の長さを1とすると、第1行第2列の画素部の電荷蓄積期間の長さは4であり、第2行第1列の画素部の電荷蓄積期間の長さは16である。図9に示される動作例では、各ブロック内において、第1行第1列の画素部の電荷蓄積期間の長さを1とすると、第2行第2列の画素部の電荷蓄積期間の長さを4とし、第1行第2列の画素部の電荷蓄積期間の長さを16とし、第2行第1列の画素部の電荷蓄積期間の長さを64とすることができる。
図10は、更に他の実施形態の固体撮像装置の要部構成を示す図である。この実施形態では、受光部10において第1種の画素部と第2種の画素部とが行方向および列方向の双方について交互に配置されている。第1種の画素部は、行制御部20から出力されるsignal1(m)信号に基づいて転送用トランジスタTr2がオン/オフ動作するとともに、列制御部30から出力されるsignal2(n)信号に基づいて第1初期化用トランジスタTr4がオン/オフ動作する。第2種の画素部は、行制御部20から出力されるsignal1(m)信号に基づいて第1初期化用トランジスタTr4がオン/オフ動作するとともに、列制御部30から出力されるsignal2(n)信号に基づいて転送用トランジスタTr2がオン/オフ動作する。同図には、3行3列の画素部P(1,1)〜P(3,3)が示されている。これらのうち、画素部P(1,1)、P(1,3)、P(2,2)、P(3,1)、P(3,3)は、第1種の画素部である。画素部P(1,2)、P(2,1)、P(2,3)、P(3,2)は、第2種の画素部である。
図11は、図10に示される実施形態の固体撮像装置の動作例を示すタイミングチャートである。同図に示されるように、この実施形態では、受光部10において第1種の画素部と第2種の画素部とが行方向および列方向の双方について交互に配置されていることにより、電荷蓄積開示時刻および電荷蓄積終了時刻それぞれの設定の自由度を高くした上でダイナミックレンジの拡大が可能となる。
1…固体撮像装置、10…受光部、20…行制御部、30…列制御部、40…信号読出部、P(1,1)〜P(M,N)…画素部、PD…フォトダイオード、Tr1…増幅用トランジスタ、Tr2…転送用トランジスタ、Tr3…読出用トランジスタ、Tr4…第1初期化用トランジスタ、Tr5…第2初期化用トランジスタ。

Claims (3)

  1. M行N列に2次元配列されたM×N個の画素部P(1,1)〜P(M,N)を含む受光部と、
    前記受光部の第m行にあるN個の画素部P(m,1)〜P(m,N)の動作を制御する制御信号を行毎に出力する行制御部と、
    前記受光部の第n列にあるM個の画素部P(1,n)〜P(M,n)の動作を制御する制御信号を列毎に出力する列制御部と、
    前記受光部のM×N個の画素部P(1,1)〜P(M,N)からの信号を読み出す信号読出部と、
    を備え、
    前記受光部の各画素部P(m,n)は、
    入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードと、ゲート端子の電荷量に応じた値の信号を出力する増幅用トランジスタと、前記フォトダイオードで発生した電荷を前記増幅用トランジスタの前記ゲート端子に転送する転送用トランジスタと、前記増幅用トランジスタから出力される信号を前記信号読出部へ出力する読出用トランジスタと、前記フォトダイオードの電荷蓄積を初期化する第1初期化用トランジスタと、前記増幅用トランジスタの前記ゲート端子の電荷蓄積を初期化する第2初期化用トランジスタと、を含み、
    前記転送用トランジスタおよび前記第1初期化用トランジスタのうち一方が前記行制御部から出力される制御信号に基づいてオン/オフ動作し、他方が前記列制御部から出力される制御信号に基づいてオン/オフ動作する、
    ことを特徴とする固体撮像装置(ただし、M,Nは2以上の整数、mは1以上M以下の各整数、nは1以上N以下の各整数)。
  2. 前記受光部のM×N個の画素部P(1,1)〜P(M,N)が複数のブロックに区分され、
    前記複数のブロックそれぞれがQ行R列に配列された画素部を含み、
    前記複数のブロックそれぞれにおける第q行第r列の画素部において、前記転送用トランジスタが同一の制御信号に基づいてオン/オフ動作し、前記第1初期化用トランジスタが同一の制御信号に基づいてオン/オフ動作する、
    ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置(ただし、Q,Rのうち少なくとも一方は2以上の整数、qは1以上Q以下の各整数、rは1以上R以下の各整数)。
  3. 前記受光部において、
    前記行制御部から出力される制御信号に基づいて前記転送用トランジスタがオン/オフ動作するとともに前記列制御部から出力される制御信号に基づいて前記第1初期化用トランジスタがオン/オフ動作する画素部と、
    前記行制御部から出力される制御信号に基づいて前記第1初期化用トランジスタがオン/オフ動作するとともに前記列制御部から出力される制御信号に基づいて前記転送用トランジスタがオン/オフ動作する画素部とが、
    混在して配置されている、
    ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
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