JP2003219278A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 出力飽和および感度低下の双方を回避して高
精度の撮像を行うことができる固体撮像装置を提供す
る。 【解決手段】 固体撮像装置１は、第ｍ行受光領域１１
_m（ｍ＝１〜Ｍ）を有する受光部１０、Ｍ個の第１信号
処理部２０₁〜２０_MおよびＭ個の第２信号処理部３０₁
〜３０_M等を備えている。受光部１０は、入射光強度に
応じた量の電荷を各々発生するモニタ用フォトダイオー
ドＰＤ_Aおよび撮像用フォトダイオードＰＤ_Bの対がＭ行
Ｎ列に２次元配列されたものである。モニタ用フォトダ
イオードＰＤ _A,m,nで発生した電荷Ｑ_A,m,nが第１信号処
理部２０_mにより検出され、その検出結果に基づいて第
２信号処理部３０_mのスイッチＳＷ₃₁〜ＳＷ₃₃それぞれ
の開閉状態が設定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、入射光を撮像する
固体撮像装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像装置は、複数のフォトダイオー
ドを有する受光部と、電荷を蓄積する容量素子を有する
信号処理部とを有している。このような固体撮像装置で
は、各フォトダイオードへの入射光の強度に応じた量の
電荷が該フォトダイオードで発生し、その電荷が信号処
理部の容量素子に蓄積され、その蓄積された電荷の量に
応じた電圧値が信号処理部より出力される。そして、こ
の電圧値に基づいて各フォトダイオードへの入射光の強
度が求められて、これにより受光部へ入射する光の像が
得られる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来の固体撮像装置では、信号処理部の容量素子が蓄積
し得る電荷の量に限界がある。このことから、この限界
を超える電荷を発生させるような高強度の光がフォトダ
イオードに入射した場合には、信号処理部より出力され
る電圧値が飽和してしまい、入射光強度の正確な測定
（すなわち正確な撮像）ができない。

【０００４】このような飽和が発生しないようにするに
は、信号処理部の容量素子の容量値を大きくすればよ
い。しかし、その場合には、低強度の光がフォトダイオ
ードに入射した場合に、入射光強度の検出感度が低くな
る。

【０００５】また、信号処理部が容量値可変の可変容量
部を有するものとして、フォトダイオードへの入射光の
強度に応じて、該容量値を適切に設定することが考えら
れる。すなわち、入射光強度が高いときには、容量値を
大きく設定することで、信号処理部より出力される電圧
値が飽和することを回避することができる。一方、入射
光強度が低いときには、容量値を小さく設定すること
で、入射光強度の検出感度の低下を回避することができ
る。

【０００６】しかし、信号処理部が可変容量部を有する
ものである場合であっても、設定された容量値によって
は、高強度の光がフォトダイオードに入射した場合には
信号処理部より出力される電圧値が飽和することがあ
り、或いは、低強度の光がフォトダイオードに入射した
場合には入射光強度の検出感度が低くなることがある。
また、受光部へ入射する光の分布における最大強度と最
小強度との比が大きいときには、受光部上の画素によっ
ては、信号処理部より出力される電圧値は飽和すること
があり、或いは、入射光強度の検出感度が低くなること
がある。

【０００７】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、出力飽和および感度低下の双方を回避
して高精度の撮像を行う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。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る固体撮像装
置は、(1) 入射光強度に応じた量の電荷を各々発生する
複数の撮像用フォトダイオードおよびモニタ用フォトダ
イオードを有する受光部と、(2) モニタ用フォトダイオ
ードで発生した電荷の量を検出し、その検出結果を表す
第１信号を出力する第１信号処理部と、(3) 第１信号処
理部より出力される第１信号に基づいて容量値が設定さ
れる可変容量部を有し、撮像用フォトダイオードで発生
した電荷を可変容量部に蓄積し、その蓄積した電荷の量
を表す第２信号を出力する第２信号処理部と、を備える
ことを特徴とする。

【０００９】この固体撮像装置の受光部は、入射光強度
に応じた量の電荷を各々発生する複数の撮像用フォトダ
イオードおよびモニタ用フォトダイオードを有してい
る。モニタ用フォトダイオードで発生した電荷の量は第
１信号処理部により検出され、その検出結果を表す第１
信号が第１信号処理部より出力され、この第１信号処理
部より出力された第１信号に基づいて第２信号処理部の
可変容量部の容量値が設定される。そして、撮像用フォ
トダイオードで発生した電荷は第２信号処理部の可変容
量部に蓄積され、その蓄積された電荷の量を表す第２信
号が第２信号処理部より出力される。このように、第２
信号処理部の可変容量部の容量値が入射光強度に応じて
適切に設定されるので、高強度の光が入射した場合であ
っても、第２信号処理部より出力される電圧値の飽和が
回避され、また、低強度の光が入射した場合であって
も、入射光強度の検出感度の低下が回避され得る。

【００１０】本発明に係る固体撮像装置は、複数の撮像
用フォトダイオードが１次元配列されたものであっても
よいし、また、撮像用フォトダイオードがＭ行Ｎ列（Ｍ
≧２、Ｎ≧２）に２次元配列されていて、２次元配列さ
れた撮像用フォトダイオードの各行に対応して第２信号
処理部が設けられているのが好適である。さらに、２次
元配列された撮像用フォトダイオードの各行に対応して
モニタ用フォトダイオードおよび第１信号処理部それぞ
れが設けられているのも好適である。この場合には、固
体撮像装置は、入射した光の２次元像を撮像することが
できる。また、２次元配列された撮像用フォトダイオー
ドの各行に対応して第２信号処理部が設けられているよ
うにすれば、固体撮像装置を半導体基板上に集積化する
上で好適である。

【００１１】本発明に係る固体撮像装置は、撮像用フォ
トダイオードに対して１対１に対応してモニタ用フォト
ダイオードが設けられているのが好適であり、或いは、
撮像用フォトダイオードに対して多対１に対応してモニ
タ用フォトダイオードが設けられているのも好適であ
る。前者の場合には、受光部へ入射する光の分布が画素
位置に応じて急峻に変化するときであっても、出力飽和
および感度低下の双方を回避して高精度の撮像を行うこ
とができる。一方、後者の場合には、受光部の面積を小
さくすることができ、或いは、受光部の画素数を多くす
ることができる。

【００１２】本発明に係る固体撮像装置は、受光部の第
(ｎ＋１)列のモニタ用フォトダイオードで発生した電荷
を第１信号処理部が処理する期間と、受光部の第ｎ列の
撮像用フォトダイオードで発生した電荷を第２信号処理
部が処理する期間とは、少なくとも一部が重なっている
のが好適である。ただし、ｎは１以上(Ｎ−１)以下の各
整数である。この場合には、第１信号処理部および第２
信号処理部それぞれの処理が並列的に行われる。このよ
うな並列処理が行われることにより、受光面上の全ての
画素について入射光強度を検出する時間が短縮され、単
位時間当たりに撮像することができるフレーム数すなわ
ちフレームレートが向上する。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施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。

【００１４】図１は、本実施形態に係る固体撮像装置１
の全体構成図である。また、図２は、本実施形態に係る
固体撮像装置１の一部構成図である。これらの図に示さ
れる固体撮像装置１は、受光部１０、Ｍ個の第１信号処
理部２０₁〜２０_M、Ｍ個の第２信号処理部３０₁〜３
０_M、Ａ／Ｄ変換部４０およびタイミング制御部５０を
備えている。図２には、受光部１０のうちの第ｍ行受光
領域１１_m、ならびに、これに対応する第１信号処理部
２０_mおよび第２信号処理部３０_mが示されている。ただ
し、Ｍは２以上の整数であり、ｍは１以上Ｍ以下の任意
の整数である。

【００１５】受光部１０は、入射光強度に応じた量の電
荷を各々発生するモニタ用フォトダイオードＰＤ_Aおよ
び撮像用フォトダイオードＰＤ_Bの対がＭ行Ｎ列に２次
元配列されたものである。以下では、第ｍ行第ｎ列に位
置するモニタ用フォトダイオードＰＤ_AをＰＤ_A,m,nと記
し、第ｍ行第ｎ列に位置する撮像用フォトダイオードＰ
Ｄ_BをＰＤ_B,m,nと記す。また、受光部１０のうち第ｍ行
にあるＮ対のモニタ用フォトダイオードＰＤ_A,m,nおよ
び撮像用フォトダイオードＰＤ_B,m,nを含む受光領域を
第ｍ行受光領域１１_mと呼ぶ。ただし、Ｎは２以上の整
数であり、ｎは１以上Ｎ以下の任意の整数である。

【００１６】各モニタ用フォトダイオードＰＤ
_A,m,nは、各々に対応して設けられているスイッチＳＷ
_A,m,nを介して、第１信号処理部２０_mに接続されてい
る。各スイッチＳＷ_A,m,nは、タイミング制御部５０か
ら出力される制御信号に基づいて開閉し、閉じていると
きに、モニタ用フォトダイオードＰＤ_A,m,nで発生した
電荷を第１信号処理部２０_mへ送る。各第１信号処理部
２０_mは、モニタ用フォトダイオードＰＤ_A,m,nで発生し
た電荷の量を検出し、その検出結果を表す第１信号を出
力する。また、各第１信号処理部２０_mの出力端子は、
各々に対応して設けられているスイッチＳＷ_A,mに接続
されている。各スイッチＳＷ_A,mは、タイミング制御部
５０から出力される制御信号に基づいて開閉する。

【００１７】各撮像用フォトダイオードＰＤ_B,m,nは、
各々に対応して設けられているスイッチＳＷ_B,m,nを介
して、第２信号処理部３０_mに接続されている。各スイ
ッチＳＷ_B,m,nは、タイミング制御部５０から出力され
る制御信号に基づいて開閉し、閉じているときに、撮像
用フォトダイオードＰＤ_B,m,nで発生した電荷を第２信
号処理部３０_mへ送る。各第２信号処理部３０_mは、第１
信号処理部２０_mより出力される第１信号に基づいて容
量値が設定される可変容量部を有しており、撮像用フォ
トダイオードＰＤ_B,m,nで発生した電荷を該可変容量部
に蓄積し、その蓄積した電荷の量を表す第２信号を出力
する。また、各第２信号処理部３０_mの出力端子は、各
々に対応して設けられているスイッチＳＷ_B,mを介し
て、Ａ／Ｄ変換部４０に接続されている。各スイッチＳ
Ｗ_B,mは、タイミング制御部５０から出力される制御信
号に基づいて開閉し、閉じているときに、第２信号処理
部３０ _mから出力された第２信号をＡ／Ｄ変換部４０へ
送る。

【００１８】Ａ／Ｄ変換部４０は、各第１信号処理部２
０_mより出力されスイッチＳＷ_A,mを介して到達した第１
信号を入力するとともに、各第２信号処理部３０_mより
出力されスイッチＳＷ_B,mを介して到達した第２信号を
入力する。そして、Ａ／Ｄ変換部４０は、第２信号の値
（アナログ値）をデジタル値に変換し、そのデジタル値
の各ビットを第１信号の値に応じてシフトして、そのビ
ットシフトしたデジタル値を出力する。タイミング制御
部５０は、各スイッチＳＷ_A,m,n、各スイッチＳＷ_A,m、
各スイッチＳＷ_B,m,nおよび各スイッチＳＷ_B,mそれぞれ
の開閉動作を制御するとともに、各第１信号処理部２０
_m、各第２信号処理部３０_mおよびＡ／Ｄ変換部４０それ
ぞれの動作を制御する。

【００１９】図３は、本実施形態に係る固体撮像装置１
の受光部１０における各フォトダイオードの配置の説明
図である。この図には、受光部１０におけるＭ×Ｎ個の
画素のうち、第ｍ行第ｎ列、第ｍ行第(ｎ＋１)列、第
(ｍ＋１)行第ｎ列および第(ｍ＋１)行第(ｎ＋１)列それ
ぞれの画素が示されている。各画素におけるモニタ用フ
ォトダイオードＰＤ_Aおよび撮像用フォトダイオードＰ
Ｄ_Bそれぞれについては、光に対して感応する領域の形
状の例が具体的に示されている。また、各画素における
スイッチＳＷ_AおよびＳＷ_B、各スイッチの開閉を制御す
る制御信号を伝える制御ラインＣＬ_AおよびＣＬ_B、なら
びに、各フォトダイオードで発生した電荷を伝えるビデ
オラインＶＬ_AおよびＶＬ_Bそれぞれについては、模式的
に示されている。

【００２０】各制御ラインＣＬ_A,nは、タイミング制御
部５０より出力される制御信号を、第ｎ列にあるＭ個の
スイッチＳＷ_A,1,n〜ＳＷ_A,N,nそれぞれへ送るものであ
る。各制御ラインＣＬ_B,nは、タイミング制御部５０よ
り出力される制御信号を、第ｎ列にあるＭ個のスイッチ
ＳＷ_B,1,n〜ＳＷ_B,N,nそれぞれへ送るものである。

【００２１】各ビデオラインＶＬ_A,mは、第ｍ行にある
Ｎ個のスイッチＳＷ_A,m,1〜ＳＷ_{A,m, N}それぞれと接続さ
れており、第ｍ行にあるＮ個のモニタ用フォトダイオー
ドＰＤ_A,m,1〜ＰＤ_A,m,Nそれぞれで発生した電荷を順次
に第１信号処理部２０_mへ送るものである。各ビデオラ
インＶＬ_B,mは、第ｍ行にあるＮ個のスイッチＳＷ_{B,m ,1}
〜ＳＷ_B,m,Nそれぞれと接続されており、第ｍ行にある
Ｎ個の撮像用フォトダイオードＰＤ_B,m,1〜ＰＤ_B,m,Nそ
れぞれで発生した電荷を順次に第２信号処理部３０_mへ
送るものである。

【００２２】受光部１０上の第ｍ行第ｎ列に位置する画
素には、１対のモニタ用フォトダイオードＰＤ_A,m,nお
よび撮像用フォトダイオードＰＤ_B,m,nが設けられてい
る。モニタ用フォトダイオードＰＤ_A,m,nの感応領域の
形状は略矩形であり、撮像用フォトダイオードＰＤ
_B,m,nの感応領域の形状は略Ｌ字形である。そして、両
者を併せた全体の形状は略矩形となっている。

【００２３】図４は、本実施形態に係る固体撮像装置１
の第１信号処理部２０_mおよび第２信号処理部３０_mそれ
ぞれの回路図である。

【００２４】各第１信号処理部２０_mは、アンプＡ₂₀、
コンデンサＣ₂₀、スイッチＳＷ₂₀、コンパレータ２１〜
２３および制御部２４を有している。アンプＡ₂₀の入力
端子はビデオラインＶＬ_A,mに接続されており、アンプ
Ａ₂₀の入力端子と出力端子との間にコンデンサＣ₂₀およ
びスイッチＳＷ₂₀が並列的に設けられている。アンプＡ
₂₀、コンデンサＣ₂₀およびスイッチＳＷ₂₀は積分回路を
構成している。すなわち、この積分回路は、タイミング
制御部５０より出力される制御信号により制御されてス
イッチＳＷ₂₀が開いているときに、ビデオラインＶＬ
_A,mを経て送られて来た電荷をコンデンサＣ₂₀に蓄積
し、その蓄積した電荷の量に応じた電圧値Ｖ ₂₀をアンプ
Ａ₂₀の出力端子より出力する。また、スイッチＳＷ₂₀が
閉じることにより、コンデンサＣ₂₀に蓄積されていた電
荷を放電して、アンプＡ₂₀の出力端子より出力する電圧
値を初期化する。

【００２５】各第１信号処理部２０_m内の３つのコンパ
レータ２１〜２３それぞれの非反転入力端子がアンプＡ
₂₀の出力端子に接続されている。コンパレータ２１の反
転入力端子には一定の参照電圧Ｖ_ref1が入力している。
コンパレータ２２の反転入力端子には一定の参照電圧Ｖ
_ref2が入力している。コンパレータ２３の反転入力端子
には一定の参照電圧Ｖ_ref3が入力している。コンパレー
タ２１〜２３それぞれは、反転入力端子および非反転入
力端子それぞれに入力した電圧値を大小比較し、その比
較結果を示す論理値を出力端子より出力する。参照電圧
Ｖ_ref1〜Ｖ_ref3それぞれの値は互いに異なっている。制
御部２４は、これら３つのコンパレータ２１〜２３それ
ぞれの出力端子より出力された論理値を入力し、その論
理値に応じた第１信号を出力する。

【００２６】各第２信号処理部３０_mは、アンプＡ₃₀、
コンデンサＣ₃₀〜Ｃ₃₃およびスイッチＳＷ₃₀〜ＳＷ₃₃を
有している。アンプＡ₃₀の入力端子はビデオラインＶＬ
_B,mに接続されている。アンプＡ₃₀の入力端子と出力端
子との間には、コンデンサＣ ₃₀、スイッチＳＷ₃₀、直列
接続されたコンデンサＣ₃₁およびスイッチＳＷ₃₁、直列
接続されたコンデンサＣ₃₂およびスイッチＳＷ₃₂、なら
びに、直列接続されたコンデンサＣ₃₃およびスイッチＳ
Ｗ₃₃が並列的に設けられている。スイッチＳＷ ₃₁〜ＳＷ
₃₃それぞれは、第１信号処理部２０_mより出力される第
１信号に基づいて開閉する。すなわち、コンデンサＣ₃₀
〜Ｃ₃₃およびスイッチＳＷ₃₁〜ＳＷ₃₃は、第１信号処理
部２０_mより出力される第１信号に基づいて容量値が設
定される可変容量部を構成している。スイッチＳＷ
₃₀は、タイミング制御部５０より出力される制御信号に
より制御されて開閉する。

【００２７】各第２信号処理部３０_mは積分回路を構成
している。すなわち、この積分回路は、スイッチＳＷ₃₀
が開いているときに、ビデオラインＶＬ_B,mを経て送ら
れて来た電荷を可変容量部に蓄積し、その蓄積した電荷
の量に応じた電圧値Ｖ₃₀をアンプＡ₃₀の出力端子より出
力する。また、スイッチＳＷ₃₀が閉じることにより、可
変容量部に蓄積されていた電荷を放電して、アンプＡ₃₀
の出力端子より出力する電圧値を初期化する。

【００２８】コンデンサＣ₂₀およびＣ₃₀〜Ｃ₃₃それぞれ
の容量値、ならびに、参照電圧Ｖ_{re f1}〜Ｖ_ref3それぞれ
の値は、

【数１】 なる関係式を満たす。ここで、Ｃは一定値であり、Ｖ
_satも一定値である。Ｓ_Aは各モニタ用フォトダイオード
ＰＤ_A,m,nの感応部の面積であり、Ｓ_Bは各撮像用フォト
ダイオードＰＤ_B,m,nの感応部の面積である。

【００２９】また、一定時間にモニタ用フォトダイオー
ドＰＤ_A,m,nで発生する電荷の量をＱ_A,m,nとし、該一定
時間に撮像用フォトダイオードＰＤ_B,m,nで発生する電
荷の量をＱ_B,m,nとする。一般にフォトダイオードで発
生する電荷の量は感応部の面積に比例するから、モニタ
用フォトダイオードＰＤ_A,m,nおよび撮像用フォトダイ
オードＰＤ_B,m,nそれぞれに同一強度の光が入射したと
すると、

【数２】 なる関係式が成り立つ。

【００３０】各第１信号処理部２０_mにおいて、モニタ
用フォトダイオードＰＤ_A,m,nで発生してコンデンサＣ
₂₀に蓄積される電荷の量Ｑ_A,m,nに応じて、アンプＡ₂₀
の出力端子より出力される電圧値Ｖ₂₀は、

【数３】 なる式で表される。

【００３１】そして、この電圧値Ｖ₂₀は、３つのコンパ
レータ２１〜２３によりレベルが判定されて、

【数４】 の何れの範囲内であるかが判定される。

【００３２】アンプＡ₂₀より出力される電圧値Ｖ₂₀がＶ
_sat／８未満（上記(4a)式）であれば、制御部２４によ
り、スイッチＳＷ₃₁〜ＳＷ₃₃の全てが開かれて、可変容
量部の容量値はＣ（＝Ｃ₃₀）とされる。このとき、上記
(1a)式、(2)式、(3)式および(4a)式より、第２信号処理
部３０_mに入力する電荷の量Ｑ_B,m,nは、

【数５】 なる範囲にある。したがって、第２信号処理部３０_mよ
り出力される第２信号の値Ｖ₃₀（＝Ｑ_B,m,n／Ｃ）は、

【数６】 なる範囲にある。

【００３３】アンプＡ₂₀より出力される電圧値Ｖ₂₀がＶ
_sat／８以上Ｖ_sat／４未満（上記(4b)式）であれば、制
御部２４により、スイッチＳＷ₃₁が閉じられスイッチＳ
Ｗ₃₂およびＳＷ₃₃が開かれて、可変容量部の容量値は２
Ｃ（＝Ｃ₃₀＋Ｃ₃₁）とされる。このとき、上記(1b)式、
(2)式、(3)式および(4b)式より、第２信号処理部３０ _m
に入力する電荷の量Ｑ_B,m,nは、

【数７】 なる範囲にある。したがって、第２信号処理部３０_mよ
り出力される第２信号の値Ｖ₃₀（＝Ｑ_B,m,n／２Ｃ）
は、

【数８】 なる範囲にある。

【００３４】アンプＡ₂₀より出力される電圧値Ｖ₂₀がＶ
_sat／４以上Ｖ_sat／２未満（上記(4c)式）であれば、制
御部２４により、スイッチＳＷ₃₁およびＳＷ₃₂が閉じら
れスイッチＳＷ₃₃が開かれて、可変容量部の容量値は４
Ｃ（＝Ｃ₃₀＋Ｃ₃₁＋Ｃ₃₂）とされる。このとき、上記(1
c)式、(2)式、(3)式および(4c)式より、第２信号処理部
３０_mに入力する電荷の量Ｑ_B,m,nは、

【数９】 なる範囲にある。したがって、第２信号処理部３０_mよ
り出力される第２信号の値Ｖ₃₀（＝Ｑ_B,m,n／４Ｃ）
は、上記(8)式で表される範囲にある。

【００３５】アンプＡ₂₀より出力される電圧値Ｖ₂₀がＶ
_sat／２以上（上記(4d)式）であれば、制御部２４によ
り、スイッチＳＷ₃₁〜ＳＷ₃₃の全てが閉じられて、可変
容量部の容量値は８Ｃ（＝Ｃ₃₀＋Ｃ₃₁＋Ｃ₃₂＋Ｃ₃₃）と
される。このとき、上記(1d)式、(2)式、(3)式および(4
d)式より、第２信号処理部３０_mに入力する電荷の量Ｑ
_B,m,nは、

【数１０】 なる範囲にある。したがって、第２信号処理部３０_mよ
り出力される第２信号の値Ｖ₃₀（＝Ｑ_B,m,n／８Ｃ）
は、上記(8)式で表される範囲にある。

【００３６】そして、Ａ／Ｄ変換部４０は、第２信号処
理部３０_mより出力される第２信号の値Ｖ₃₀をデジタル
値に変換する。電圧値Ｖ₂₀がＶ_sat／８未満（上記(4a)
式）であれば、Ａ／Ｄ変換部４０は、変換したデジタル
値をそのまま出力する。電圧値Ｖ₂₀がＶ_sat／８以上Ｖ
_sat／４未満（上記(4b)式）であれば、Ａ／Ｄ変換部４
０は、変換したデジタル値を１ビット分だけ上位にシフ
トして、そのビットシフトしたデジタル値を出力する。
電圧値Ｖ₂₀がＶ_sat／４以上Ｖ_sat／２未満（上記(4c)
式）であれば、Ａ／Ｄ変換部４０は、変換したデジタル
値を２ビット分だけ上位にシフトして、そのビットシフ
トしたデジタル値を出力する。電圧値Ｖ₂₀がＶ_sat／２
以上（上記(4d)式）であれば、Ａ／Ｄ変換部４０は、変
換したデジタル値を３ビット分だけ上位にシフトして、
そのビットシフトしたデジタル値を出力する。

【００３７】以上のように、受光部１０上にＭ行Ｎ列に
配列された各画素について、該画素のモニタ用フォトダ
イオードＰＤ_A,m,nで発生した電荷Ｑ_A,m,nが第１信号処
理部２０_mにより検出される。その検出結果を表す第１
信号が第１信号処理部２０_mより出力され、この第１信
号に基づいて第２信号処理部３０_mの可変容量部の容量
値が設定される。そして、該画素の撮像用フォトダイオ
ードＰＤ_B,m,nで発生した電荷Ｑ_B,m,nが第２信号処理部
３０_mの可変容量部に蓄積され、その蓄積された電荷の
量を表す第２信号が第２信号処理部３０_mより出力され
る。このとき、電荷Ｑ_A,m,nに応じて（すなわち、電荷
Ｑ_B,m,nに応じて）、第２信号処理部３０_mの可変容量部
の容量値が適切に設定される。

【００３８】したがって、高強度の光が撮像用フォトダ
イオードＰＤ_B,m,nに入射した場合であっても、第２信
号処理部３０_mより出力される電圧値の飽和が回避さ
れ、また、低強度の光が撮像用フォトダイオードＰＤ
_B,m,nに入射した場合であっても、入射光強度の検出感
度の低下が回避され得る。さらに、受光部１０へ入射す
る光の分布における最大強度と最小強度との比が大きい
ときであっても、受光部１０上の全ての画素について出
力飽和および感度低下の双方が回避され得る。

【００３９】次に、本実施形態に係る固体撮像装置１の
動作タイミングについて説明する。図５は、本実施形態
に係る固体撮像装置１の動作を説明するタイミングチャ
ートである。この図には、第ｍ行受光領域１１_mにある
モニタ用フォトダイオードＰＤ_A,m,nからビデオライン
ＶＬ_A,mへ出力される電荷量、第１信号処理部２０_mから
出力される第１信号の値、第ｍ行受光領域１１_mにある
撮像用フォトダイオードＰＤ_B,m,nからビデオラインＶ
Ｌ_B,mへ出力される電荷量、第２信号処理部３０ _mから出
力される第２信号の値、および、Ａ／Ｄ変換部４０から
出力されるデジタル値、それぞれの出力タイミングが示
されている。なお、以下に説明する固体撮像装置１の動
作は、タイミング制御部５０よる制御の下に行われるも
のである。

【００４０】時刻ｔ_n,1以前に、各第１信号処理部２０_m
のスイッチＳＷ₂₀が一旦閉じることにより各第１信号処
理部２０_mの出力が初期化され、その後にスイッチＳＷ
₂₀が開く。また、各第２信号処理部３０_mのスイッチＳ
Ｗ₃₀が一旦閉じることにより各第２信号処理部３０_mの
出力が初期化され、その後にスイッチＳＷ₃₀が開く。

【００４１】受光部１０の第(ｎ＋１)列にあるＭ個のス
イッチＳＷ_A,1,n+1〜ＳＷ_A,M,n+1は、時刻ｔ_n,1に閉
じ、この時刻ｔ_n,1より一定時間経過後の時刻ｔ_n,2に開
く。また、受光部１０の第ｎ列にあるＭ個のスイッチＳ
Ｗ_B,1,n〜ＳＷ_B,M,nは、時刻ｔ _n,1に閉じ、時刻ｔ_n,2に
開く。

【００４２】この時刻ｔ_n,1から時刻ｔ_n,2までの期間
に、受光部１０の第(ｎ＋１)列にあるモニタ用フォトダ
イオードＳＷ_A,m,n+1で発生した電荷Ｑ_A,m,n+1は、ビデ
オラインＶＬ_A,mを経て第１信号処理部２０_mに入力し、
コンデンサＣ₂₀に蓄積される。第１信号処理部２０_mで
は、このコンデンサＣ₂₀に蓄積された電荷の量に応じた
電圧値Ｖ₂₀がアンプＡ₂₀より出力され、その電圧値Ｖ₂₀
のレベルがコンパレータ２１〜２３により判定され、そ
の判定結果が制御部２４に入力され記憶される。

【００４３】また、この時刻ｔ_n,1から時刻ｔ_n,2までの
期間に、受光部１０の第ｎ列にある撮像用フォトダイオ
ードＳＷ_B,m,nで発生した電荷Ｑ_B,m,nは、ビデオライン
ＶＬ _B,mを経て第２信号処理部３０_mに入力し、可変容量
部に蓄積される。なお、可変容量部の容量値は、時刻ｔ
_n-1,2〜ｔ_n,2までの期間に適切に設定されている。第２
信号処理部３０_mでは、この可変容量部に蓄積された電
荷の量に応じた電圧値Ｖ₃₀がアンプＡ₃₀より出力され
る。

【００４４】また、この時刻ｔ_n,1から時刻ｔ_n,2までの
期間に、スイッチＳＷ_B,1〜ＳＷ_B,Mそれぞれが順次に閉
じて、第２信号処理部３０₁〜３０_Mそれぞれより出力さ
れた電圧値Ｖ₃₀（第ｎ列の各画素に対応するもの）が順
次にＡ／Ｄ変換部４０に入力する。また、スイッチＳＷ
_A,1〜ＳＷ_A,Mそれぞれが順次に閉じて、第１信号処理部
２０₁〜２０_Mそれぞれより出力された第１信号（第ｎ列
の各画素に対応するもの）が順次にＡ／Ｄ変換部４０に
入力する。そして、Ａ／Ｄ変換部４０において、第２信
号処理部３０₁〜３０_Mそれぞれより出力された電圧値Ｖ
₃₀はデジタル値に変換され、そのデジタル値は第１信号
に基づいて必要に応じてビットシフトされる。そして、
第ｎ列のＭ個の画素それぞれについて、そのビットシフ
トされたデジタル値がＡ／Ｄ変換部４０より出力され
る。

【００４５】さらに、時刻ｔ_n,2から時刻ｔ_n+1,1までの
期間に、その前の時刻ｔ_n,1から時刻ｔ_n,2までの期間に
第１信号処理部２０_mの制御部２４に記憶されていた判
定結果（すなわち、第(ｎ＋１)列にあるモニタ用フォト
ダイオードＳＷ_A,m,n+1で発生した電荷Ｑ_A,m,n+1のレベ
ル）に基づいて、第１信号処理部２０_mの制御部２４よ
り第１信号が出力される。そして、この第１信号に基づ
いて、第２信号処理部３０_mの可変容量部の容量値が設
定される。その後、時刻ｔ_n+1,1から時刻ｔ_{n+1, 2}までの
期間に、受光部１０の第(ｎ＋１)列にある撮像用フォト
ダイオードＳＷ_{B ,m,n+1}で発生した電荷Ｑ_B,m,n+1は、ビ
デオラインＶＬ_B,mを経て第２信号処理部３０_mに入力し
て可変容量部に蓄積され、この可変容量部に蓄積された
電荷の量に応じた電圧値Ｖ₃₀がアンプＡ₃₀より出力され
る。

【００４６】以上のように、受光部１０の第(ｎ＋１)列
にあるモニタ用フォトダイオードＳＷ_A,m,n+1で発生し
た電荷Ｑ_A,m,n+1が第１信号処理部２０_mにおいて処理さ
れている期間と、受光部１０の第ｎ列にある撮像用フォ
トダイオードＳＷ_B,m,nで発生した電荷Ｑ_B,m,nが第２信
号処理部３０_mにおいて処理されている期間とは、少な
くとも一部が互いに重なっている。すなわち、第１信号
処理部２０_mおよび第２信号処理部３０_mそれぞれの処理
が並列的に行われる。このような並列処理が行われるこ
とにより、受光面１０上のＭ×Ｎ個の画素の全てについ
て入射光強度を検出する時間が短縮され、単位時間当た
りに撮像することができるフレーム数すなわちフレーム
レートが向上する。

【００４７】次に、本実施形態に係る固体撮像装置１の
変形例について説明する。図６は、本実施形態に係る固
体撮像装置１の受光部１０の変形例を示す図である。こ
の図に示される受光部１０は、図２に示されたものと比
較すると、第ｍ行第ｎ列に位置するモニタ用フォトダイ
オードＰＤ_A,m,nに対応して４つのＦＥＴトランジスタ
Ｔ１_A,m,n〜Ｔ４_A,m,nが設けられている点で相違し、ま
た、ビデオラインＶＬ _A,mに接続された定電流源１２_mが
設けられている点で相違している。

【００４８】トランジスタＴ１_A,m,nのソース端子には
一定電圧が供給されている。トランジスタＴ１_A,m,nの
ドレイン端子は、トランジスタＴ２_A,m,nのソース端子
と接続されている。トランジスタＴ２_A,m,nのドレイン
端子は、モニタ用フォトダイオードＰＤ_A,m,nのカソー
ド端子と接続されている。撮像用フォトダイオードＰＤ
_{A ,m,n}のアノード端子は接地電位とされている。トラン
ジスタＴ３_A,m,nのソース端子には一定電圧が供給され
ている。トランジスタＴ３_A,m,nのドレイン端子は、ト
ランジスタＴ４_A,m,nのソース端子と接続されている。
トランジスタＴ３_{A,m ,n}のゲート端子は、トランジスタ
Ｔ１_A,m,nのドレイン端子と接続されている。トランジ
スタＴ４_A,m,nのドレイン端子は、ビデオラインＶＬ_A,m
と接続されている。トランジスタＴ１_A,m,n，Ｔ２_A,m,n
およびＴ４_A,m,nそれぞれのゲート端子には、タイミン
グ制御部５０より出力される制御信号が入力する。

【００４９】このように構成される受光部１０のモニタ
用フォトダイオードＰＤ_Aは、いわゆるアクティブピク
セルタイプのものであり、タイミング制御部５０による
制御の下に以下のように動作する。トランジスタＴ２
_A,m,nおよびＴ４_A,m,nそれぞれのゲート端子に所定電圧
が印加されることで、モニタ用フォトダイオードＰＤ_A,
m,nで発生した電荷の量に応じた電圧値がビデオライン
ＶＬ_A,mへ出力される。また、トランジスタＴ１_A,m,nの
ゲート端子に所定電圧が印加されることで、ビデオライ
ンＶＬ_A,mへの出力が初期化される。このような図６に
示される構成を受光部１０が有する場合にも、第１信号
処理部２０_m、第２信号処理部３０_mおよびＡ／Ｄ変換部
４０それぞれは上記と同様の構成を有し、固体撮像装置
１は、同様の動作を行い、同様の効果を奏することがで
きる。

【００５０】図７は、本実施形態に係る固体撮像装置１
の受光部１０の変形例における各フォトダイオードの配
置の説明図である。この図に示される受光部１０は、図
３に示されたものと比較すると、２行の撮像用フォトダ
イオードＰＤ_Bに対して、１行のモニタ用フォトダイオ
ードＰＤ_Aが設けられている点で相違している。また、
これに応じて、ビデオラインＶＬ_A,mおよび第１信号処
理部２０_mそれぞれも、２行の撮像用フォトダイオード
ＰＤ_Bに対して１つずつ設けられている。すなわち、Ｍ
×Ｎ個の撮像用フォトダイオードＰＤ_B,m,nが一定間隔
で２次元配列されているのに対して、撮像用フォトダイ
オードＰＤ_B,m,nと撮像用フォトダイオードＰＤ_B,m+1,n
との間に１つのモニタ用フォトダイオードＰＤ_A,m,nが
設けられている。また、第１信号処理部２０_mから出力
された第１信号に基づいて、第２信号処理部３０_mの可
変容量部の容量値が適切に設定されるだけでなく、第２
信号処理部３０_m+1の可変容量部の容量値も適切に設定
される。

【００５１】このように受光部１０が構成される場合に
も、第１信号処理部２０_m、第２信号処理部３０_mおよび
Ａ／Ｄ変換部４０それぞれは上記と略同様の構成を有
し、固体撮像装置１は、略同様の動作を行い、略同様の
効果を奏することができる。ただし、図３および図７そ
れぞれに示されたものを互いに比較すると、図３に示さ
れるように撮像用フォトダイオードＰＤ_Aに対して１対
１に対応してモニタ用フォトダイオードＰＤ_Bが設けら
れている場合、受光部１０へ入射する光の分布が画素位
置に応じて急峻に変化するときであっても、出力飽和お
よび感度低下の双方を回避して高精度の撮像を行うこと
ができる。一方、図７に示されるように撮像用フォトダ
イオードＰＤ_Aに対して多対１に対応してモニタ用フォ
トダイオードＰＤ_Bが設けられている場合、受光部１０
の面積を小さくすることができ、或いは、受光部１０の
画素数を多くすることができる。

【００５２】

【発明の効果】以上、詳細に説明したとおり、本発明に
よれば、第２信号処理部の可変容量部の容量値が入射光
強度に応じて適切に設定されるので、高強度の光が入射
した場合であっても、第２信号処理部より出力される電
圧値の飽和が回避され、また、低強度の光が入射した場
合であっても、入射光強度の検出感度の低下が回避され
得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態に係る固体撮像装置１の全体構成図
である。

【図２】本実施形態に係る固体撮像装置１の一部構成図
である。

【図３】本実施形態に係る固体撮像装置１の受光部１０
における各フォトダイオードの配置の説明図である。

【図４】本実施形態に係る固体撮像装置１の第１信号処
理部２０_mおよび第２信号処理部３０_mそれぞれの回路図
である。

【図５】本実施形態に係る固体撮像装置１の動作を説明
するタイミングチャートである。

【図６】本実施形態に係る固体撮像装置１の受光部１０
の変形例を示す図である。

【図７】本実施形態に係る固体撮像装置１の受光部１０
の変形例における各フォトダイオードの配置の説明図で
ある。

【符号の説明】

１…固体撮像装置、１０…受光部、２０₁〜２０_M…第１
信号処理部、３０₁〜３０_M…第２信号処理部、４０…Ａ
／Ｄ変換部、５０…タイミング制御部、ＰＤ_{A ,m,n}…モ
ニタ用フォトダイオード、ＰＤ_B,m,n…撮像用フォトダ
イオード。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 水野 誠一郎 静岡県浜松市市野町1126番地の１ 浜松ホ トニクス株式会社内 Ｆターム(参考） 4M118 AA10 AB01 BA06 CA02 DD09 5C024 CX13 CX41 GX03 GX14 GX18 GY35 GZ50 HX35

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射光強度に応じた量の電荷を各々発生
   する複数の撮像用フォトダイオードおよびモニタ用フォ
   トダイオードを有する受光部と、 前記モニタ用フォトダイオードで発生した電荷の量を検
   出し、その検出結果を表す第１信号を出力する第１信号
   処理部と、 前記第１信号処理部より出力される前記第１信号に基づ
   いて容量値が設定される可変容量部を有し、前記撮像用
   フォトダイオードで発生した電荷を前記可変容量部に蓄
   積し、その蓄積した電荷の量を表す第２信号を出力する
   第２信号処理部と、 を備えることを特徴とする固体撮像装置。
2. 【請求項２】 前記撮像用フォトダイオードがＭ行Ｎ列
   （Ｍ≧２、Ｎ≧２）に２次元配列されており、 ２次元配列された前記撮像用フォトダイオードの各行に
   対応して前記第２信号処理部が設けられている、 ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 【請求項３】 ２次元配列された前記撮像用フォトダイ
   オードの各行に対応して前記モニタ用フォトダイオード
   および前記第１信号処理部それぞれが設けられているこ
   とを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
4. 【請求項４】 前記撮像用フォトダイオードに対して１
   対１に対応して前記モニタ用フォトダイオードが設けら
   れていることを特徴とする請求項２記載の固体撮像装
   置。
5. 【請求項５】 前記撮像用フォトダイオードに対して多
   対１に対応して前記モニタ用フォトダイオードが設けら
   れていることを特徴とする請求項２記載の固体撮像装
   置。
6. 【請求項６】 前記受光部の第(ｎ＋１)列の前記モニタ
   用フォトダイオードで発生した電荷を前記第１信号処理
   部が処理する期間と、前記受光部の第ｎ列の前記撮像用
   フォトダイオードで発生した電荷を前記第２信号処理部
   が処理する期間とは、少なくとも一部が重なっている、
   ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置（ただ
   し、ｎは１以上(Ｎ−１)以下の各整数）。