JP2010273383A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光電変換部からの信号を高速に読み出すとともに、ノイズ成分の少ない信号を得ることを課題とする。
【解決手段】 画素が行列状に配され、画素列ごとに設けられたインピ−ダンス変換手段と、インピ−ダンス変換手段へのバイアスの供給状態と供給停止状態とを切り替える第１のスイッチ手段と、画素からの信号をサンプル・ホールドする容量と、画素と容量との間の導通を制御する第２のスイッチ手段と、第１のスイッチ手段と第２のスイッチ手段との動作を制御する駆動手段とを有し、駆動手段は、第２のスイッチ手段を導通させる前に、第１のスイッチ手段により、インピーダンス変換手段へのバイアスの供給を停止させる第１の状態からインピーダンス変換手段へのバイアスの供給を開始する第２の状態へと変化させることを特徴とする撮像装置を提供する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、インピーダンス変換手段のバイアス信号の供給方法に関するものである。

従来の固体撮像素子としては、各画素に発生したそれぞれの信号電荷をそのまま読み出さず、これらの信号電荷を各画素において電圧もしくは電流に変換して増幅した後、各信号電圧もしくは信号電流を該各画素から走査回路を介して読み出すというものが提案されており、これを増幅型固体撮像素子と称している。図８にこの従来の増幅型固体撮像素子である増幅型ＭＯＳセンサー構成を示す。

図８において、光電変換セル内に配置されたフォトダイオード１に蓄積された信号電荷は、増幅トランジスタ４によって電圧として垂直出力線８に読み出される。この時、増幅トランジスタ２と定電流源としての負荷トランジスタ９により、ソースフォロワー回路が形成されているので、フォトダイオード１の信号電荷量に対応した電圧が垂直出力線８から読み出される。ここで、光電変換セルとしては、上記の他、フォトダイオード１をリセットするリセットトランジスタ３と、垂直出力線８に読み出すセルを選択する選択ＭＯＳトランジスタ５とを含む。

このような構成の光電変換セルを２次元的に配列した固体撮像素子では、増幅トランジスタ４のしきい値バラツキに対応した固定パターン雑音が発生し、画質が劣化してしまうため、種々のノイズキャンセル回路が提案されている。ノイズキャンセル回路の構成と動作を、図９のタイミング図を交えて説明する。

垂直シフトレジスタ９１からの選択信号線１０−１に、パルス１０１を印加することによって、選択ＭＯＳトランジスタ５の導通によって、増幅トランジスタ４−１−１、４−１−２、・・・の行を活性化させる。このとき、フォトダイオード１−１−１、１−１−２、・・・に蓄積された信号電荷に対応した出力信号電圧が垂直出力線８（８−１、８−２、・・・）に読み出される。当該固体撮像素子の各セルを活性化しているパルスが“Ｈ”レベル（パルス１０１）の間に、クランプトランジスタ１４（１４−１、１４−２、・・・）のゲートに、“Ｈ”電圧（パルス１０２）を印加し、クランプトランジスタをＯＮさせ、垂直出力線１５（１５−１、１５−２、・・・）をクランプ電圧２２にクランプする。

その後、リセット信号線６（６−１、６−２、・・・）に、“Ｈ”の電圧（パルス１０４）を印加することで、フォトダイオード１（１−１−１、１−１−２、・・・）の電圧をリセットする。このリセット電圧は垂直出力線８（８−１、８−２、・・・）に現れるので、この電圧をクランプ容量１３（１３−１、１３−２、・・・）で垂直出力線１５（１５−１、１５−２、・・・）に伝達する。このクランプ電圧に光電変換セル毎の基底電圧を揃えることで、ＭＯＳトランジスタのしきい値電圧のばらつきを抑えることができる。

次いで、サンプル−ホールドトランジスタ９２（９２−１、９２−２、・・・）をＯＮすることにより、垂直出力線１６（１６−１、１６−２、・・・）に信号を伝達する。そして、水平シフトレジスタ９９からの選択パルス１０５、１０６、・・・が水平選択トランジスタ１７（１７−１、１７−２、・・・）を順次選択することで、選択行の信号電圧が読み出される。

このように、フォトダイオード１をリセットした後の垂直出力線８の電圧変化のみを、垂直出力線１６に取り出せるので、増幅トランジスタ４のしきい値バラツキの影響を抑圧できる。特に、しきい値電圧のばらつきの影響をなくす各固体撮像素子の出力電圧をノイズ成分を除去することで、ばらつきを排除した信号成分だけの出力を水平出力線に得られることになる。

しかし、上記従来例で、各センサーセルの信号を高速に読み出そうとした場合、各光電変換セルの増幅トランジスタ４がクランプ容量を高速に駆動する必要があり、また、高速化のために、増幅トランジスタ４と負荷トランジスタ９とで構成されるソースフォロワー回路の出力インピーダンスをそれなりに小さくする必要がある。

そのためには、増幅トランジスタ４のゲート幅（Ｗ）とゲート長（Ｌ）の比（Ｗ／Ｌ）を大きくし、また負荷トランジスタ９によるバイアスドレイン電流を大きくする必要が生じる。増幅トランジスタ４は各光電変換セルに存在するため、そのゲート幅の増加は、固体撮像素子のチップ面積増大につながるため、好ましくない。また負荷トランジスタ９によるバイアスドレイン電流の増加も、当然消費電力の増大になるので問題となる。

また、該クランプ容量を小さくすれば、上記問題を発生させず、高速駆動が可能となるが、該クランプ容量の容量値を小さくすると、センサーセルとクランプ容量を含む読み出し回路とで発生するランダムノイズが、√１／Ｃ（Ｃはクランプ容量の容量値）に比例する（ここでは説明を省略する）ため、ランダムノイズの増大という問題が発生する。さらにクランプ容量を小さくするほど、チップ内のレイアウトに依存する寄生容量の影響を受けやすくなるため、センサー信号のバラツキの増大にもつながる。

上記の課題を解決するために、光電変換部と、前記光電変換部からの信号を処理するインピ−ダンス変換手段と、前記インピ−ダンス変換手段にバイアスを供給する第１のスイッチ手段と、前記インピ−ダンス変換手段の入力部に設けられた、前記光電変換部からの信号をサンプル・ホ−ルドする第２のスイッチ手段と、前記第２のスイッチ手段をオンにする前に、前記第１のスイッチ手段をオンにする駆動手段と、を有することを特徴とする撮像装置を提供する。

本発明では、光電変換部からの信号を高速に読み出されるとともに、ノイズ成分の少ない信号を得ることが可能となる。

固体撮像素子の全体的な等価回路を表す図である。 図１の１５の電位変化を表す図である。 固体撮像素子の一部分を表す図である。 固体撮像素子の一部分を表す図である。 固体撮像素子の一部分を表す図である。 図５の回路を動作させるためのタイミングチャ−トを表す図である。 撮像装置を表す図である。 従来の固体撮像素子を表す図である。 従来の固体撮像素子を動作させるためのタイミングチャ−トを表す図である。

図１は、光電変換セルが水平方向及び垂直方向に２次元に配置された固体撮像素子である。

１は光電変換部であるフォトダイオード、２は転送スイッチ、３はリセットスイッチ、４は増幅トランジスタ、５は選択スイッチ、６は垂直シフトレジスタから駆動されるリセット信号線、７は転送信号線、９は増幅トランジスタ４のバイアス電流を与える定電流トランジスタ、１０は選択信号線である。

１１、２８は垂直信号線８に現われるセンサー信号のインピーダンス変換を行い、クランプ容量１３を駆動するインピ−ダンス変換手段であるソースフォロワー回路、１１は、センサ信号をゲートに受け、ソースより出力するソースフォロワトランジスタ（駆動トランジスタ）、２８はソースフォロワートランジスタ１１にバイアス電流を供給する定電流トランジスタ（負荷素子）、１２はその定電流トランジスタ２８の電流のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うスイッチ、１４はクランプ容量１３に、端子２２に印可される基準電圧を供給するクランプスイッチ、１７は水平転送スイッチ、１８は共通水平出力線、１９は、共通水平出力線１８に送られてくる信号電荷を電圧に変換するための帰還容量、２０は出力アンプ、２１は出力端子、２３、２４は定電流トランジスタ２８に電圧を供給する定電流回路、２５、２６も同様に９の定電流トランジスタに基準となる電圧を供給する回路、２７は定電流トランジスタが供給するバイアス電流をスイッチングするスイッチ１２を駆動するためのパルス電圧入力端子である。

スイッチ１２は、ソースフォロワー回路１１、２８がクランプ容量１３を駆動する必要のある時のみＯＮとなり、定電流回路２３、２４の電流をソースフォロワー回路１１に供給することで、常時定電流回路２３、２４の電流を供給する場合に比べ、ここで消費される電力を大幅に削減できる。

上述したように、ソースフォロワー回路１１が容量１３を駆動するタイミングで、スイッチ１２をＯＮさせる場合、該スイッチ１２がＯＮからＯＦＦになった後の、ノード１５の電位の変化を図２に示す。時間ｔ０はスイッチ１２がＯＮ→ＯＦＦとなった時で、ソースフォロワートランジスタ１１はそのドレインが電源に接続されているので、そのゲート端子に印加されている信号電圧に応じて、ソースフォロワトランジスタ１１のｓｕｂ−ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ領域特性によって決まる時定数でノード１５を充電し、電位が上昇していく。

クランプ容量１３の一方の端子は、該端子が接続されている水平転送スイッチがＯＮするまでハイインピーダンス状態にあるので該容量の電荷は保存され、したがってノード１６もノード１５と同じ電位変動となり、上昇する。

共通水平出力線の電位は回路構成上、アンプ２０における仮想接地が成り立っているので、端子２２に与えられている基準電圧に保たれている。

ｔ１はある水平転送スイッチ（例えば図１における１７−１）がＯＮした時であり、ｔ２は別の水平転送スイッチ（例えば１７−２）がＯＮした時を示しており、前記ｔ０から同じ時定数でノード１５−１、１５−２の電位は上昇するが、転送スイッチ１７−１と１７−２はそのＯＮするタイミングが異なる為、水平転送スイッチ１７がＯＮし、ノード１６の電位が前記基準電圧に遷移する時の電圧の変化分はノード１６−１と１６−２で異なり、その電位変化分の差はノード１５にも現れ、さらに図３に示したソースフォロワートランジスタ１１のゲートーソース間の寄生容量Ｃｇｓによる結合で、垂直出力線８（８−１、８−２）に現れる信号電位の変化分も異なる結果となる。

したがって、同じ信号電位が２つの垂直出力線８−１、８−２に印可されていても、電変換セル内の増幅トランジスタ４の出力インピーダンスは低くないので前記水平転送スイッチのＯＮ／ＯＦＦ時に生じる電位変化分を抑えられず、出力される信号電位が変動し、固定パターンノイズと呼ばれるノイズが発生する。

図４は、上記効果がより顕著に現れる回路構成を示しており、光電変換セルと垂直出力線ソースフォロワー１１の間にサンプル／ホールド回路を挿入している。

他の素子番号は図１と同一である。水平転送スイッチＯＮ時に生じる電位変化は、前記ソースフォロワー１１のゲートーソース間寄生容量Ｃｇｓと前記サンプル／ホールド回路のホールド容量との電荷分割で決まる値だけホールド容量に保存されていた信号電位が変化してしまう。

また、図４のように、センサーセルと垂直信号線ソースフォロワーとの間にサンプル／ホールド回路を挿入した場合、ソースフォロワートランジスタのゲートーソース間寄生容量Ｃｇｓは前記Ｓ／Ｈ回路のホールド容量の一部として付加され、そのＣｇｓはＭＯＳトランジスタの動作領域で異なり、該ソースフォロワーのバイアス電流供給スイッチ１２のＯＮするタイミングを、前記Ｓ／ＨスイッチがＯＦＦする後となるように設定すると、該Ｃｇｓの動作領域による変動分だけバイアス電流スイッチＯＮ時に該ソースフォロワーのゲート電位が変動する。このＣｇｓはゲート酸化膜工程における製造バラツキの影響で変動するため、該ゲート電位には固定パターンノイズが発生するということがある。

そこで、前記垂直出力線ソースフォロワートランジスタ１１のドレイン端子と電源との間にスイッチを挿入し、前記バイアス電流供給スイッチのＯＮ／ＯＦＦタイミングと同期した駆動をすることにより、該バイアス電流供給スイッチがＯＦＦした時にノード１５を充電する電流供給源がなくなり、前記、水平転送スイッチＯＮのタイミングまでノード１５、１６の電位が上昇することがなく、よりノイズ成分の少ない信号が得られる。

また、該バイアス電流スイッチのＯＮのタイミングを、図４における、光電変換セルと垂直出力線ソースフォロワーの間に設けられたＳ／Ｈ回路のＯＮのタイミングの前になるよう設定することで、該垂直線ソースフォロワーのＯＮ時のＣｇｓが該Ｓ／Ｈ回路のホールド容量に付加されることになり、よりノイズ成分の少ない信号が得られる。

上記の点について、以下に具体的に説明する。

図５は、図１における垂直出力線以降から共通水平出力線までの部分のみを示したもので、特に垂直出力線８とソースフォロワートランジスタ１１との間にサンプル・ホールド回路（サンプル・ホ−ルドスイッチ３１、サンプル・ホ−ルド容量３２）が挿入されている。

また、ソ−スフォロワトランジスタ１１と電源ライン３２との間に、スイッチ２９を挿入している。そして、スイッチ２９とバイアス電流供給スイッチの駆動が同期するように、バイアス電流供給スイッチ１２を駆動するのと同じクロック線２７’（同期手段）でスイッチ２９を駆動する。

そのようにすることで、ソースフォロワートランジスタ１１のバイアス電流の供給を停止した時、同時に該ソースフォロワー１１のドレインは電源ライン３２から切り離され、ノード１５を充電する電流経路はなくなる。

図６は、特にスイッチ１２、２９のＯＮ／ＯＦＦタイミングの、他のスイッチのタイミングに対する関係を示している。

図中、３０はＳ／Ｈスイッチを駆動するパルスを示し、２７はスイッチ１２、２９を駆動する端子２７に印可されるパルスを、３１は水平転送スイッチ１７を駆動するパルスを表している。

Ｓ／ＨスイッチがＯＮするパルス１０１がＨＩになる前にパルス１０２を端子２７に印可し、スイッチ１２、２９をＯＮさせ、ソースフォロワー１１のＣｇｓをそのトランジスタＯＮ時の値に確定させておく。前記Ｓ／ＨスイッチがＯＦＦした後、スイッチ１２、２９もＯＦＦさせ、次に水平転送スイッチ１７がＯＮする前に再びパルス１０３によってスイッチ１２、２９をＯＮさせ、スイッチ１７がパルス１０４でＯＮした時にクランプ容量１３を駆動できるようにする。

図５はソースフォロワートランジスタ１１がＮＭＯＳの場合を示しているが、ＰＭＯＳの場合は該スイッチ２９はそのドレイン端子−ＧＮＤ（もしくはある低電位電源ライン）間に挿入されることは容易に考えられるものである。

以上に示したように、ＮＭＯＳソースフォロワートランジスタの場合は、そのドレイン端子と高電位電圧源との間に、ＰＭＯＳソースフォロワートランジスタの場合はそのドレイン端子と低電位電圧源との間にスイッチを挿入し、該ソースフォロワーへのバイアス電流の供給を制御するスイッチとほぼ同期させてＯＮ／ＯＦＦ制御することで、前記スイッチをＯＦＦさせてバイアス電流の供給を停止した時のソースフォロワー出力端子電位の、寄生容量充電などによる上昇をなくし、それによる固定パターンノイズの変動を抑えた。

また、垂直出力線と前記ソースフォロワーとの間にＳ／Ｈ回路を挿入した場合の、Ｓ／ＨスイッチのＯＦＦ→ＯＮのタイミングを、前記バイアス電流供給制御スイッチのＯＦＦ→ＯＮのタイミングに対して遅らせ、Ｓ／ＨスイッチのＯＮ→ＯＦＦのタイミングはバイアス電流スイッチのＯＦＦ→ＯＮに対し早くするようにすることで、固定パターンノイズの発生を抑えた。

図７に基づいて、上記で説明した固体撮像素子を用いた撮像装置について説明する。

図７において、１０１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、１０２は被写体の光学像を固体撮像素子１０４に結像させるレンズ、１０３はレンズ１０２を通った光量を可変するための絞り、１０４はレンズ１０２で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子、１０５は、固体撮像素子１０４から出力される画像信号を増幅するゲイン可変アンプ部及びゲイン値を補正するためのゲイン補正回路部等を含む撮像信号処理回路、１０６は固体撮像素子１０４より出力される画像信号のアナログーディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器、１０７はＡ／Ｄ変換器１０６より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、１０８は固体撮像素子１０４、撮像信号処理回路１０５、Ａ／Ｄ変換器１０６、信号処理部１０７に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、１０９は各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部、１１０は画像データを一時的に記憶する為のメモリ部、１１１は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部、１１２は画像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、１１３は外部コンピュータ等と通信する為のインターフェース部である。

次に、前述の構成における撮影時のスチルビデオカメラの動作について説明する。

バリア１０１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、更にＡ／Ｄ変換器６などの撮像系回路の電源がオンされる。

それから、露光量を制御する為に、全体制御・演算部１０９は絞り１０３を開放にし、固体撮像素子４から出力された信号はＡ／Ｄ変換器１０６で変換された後、信号処理部１０７に入力される。

そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部１０９で行う。

この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部１０９は絞りを制御する。

次に、固体撮像素子１０４から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部１０９で行う。その後、レンズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は、再びレンズを駆動し測距を行う。

そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。

露光が終了すると、固体撮像素子１０４から出力された画像信号はＡ／Ｄ変換器１０６でＡ／Ｄ変換され、信号処理部１０７を通り全体制御・演算部１０９によりメモリ部に書き込まれる。

その後、メモリ部１１０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部１０９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１１２に記録される。また、外部Ｉ／Ｆ部１１３を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。

１１ ソ−スフォロワトランジスタ
１２ バイアス電流供給スイッチ
１３ クランプ容量
２８ 定電流トランジスタ
２９ スイッチ
３１ サンプル・ホ−ルドスイッチ
３２ サンプル・ホ−ルド容量

Claims (5)

1. 光電変換部と前記光電変換部で生じた信号を増幅する増幅トランジスタと、を有する画素が行列状に配され、
   前記画素の列ごとに設けられたインピ−ダンス変換手段と、
   前記インピ−ダンス変換手段へのバイアスの供給状態と供給停止状態とを切り替える第１のスイッチ手段と、
   前記インピ−ダンス変換手段の入力部に設けられた、前記画素からの信号をサンプル・ホールドする容量と、
   前記画素と前記容量との間の導通を制御する第２のスイッチ手段と、
   前記第１のスイッチ手段と前記第２のスイッチ手段との動作を制御する駆動手段とを有し、
   前記駆動手段は、
   前記第２のスイッチ手段を導通させる前に、前記第１のスイッチ手段により、前記インピーダンス変換手段へのバイアスの供給を停止させる第１の状態から前記インピーダンス変換手段へのバイアスの供給を開始する第２の状態へと変化させることを特徴とする撮像装置。
2. 前記駆動手段は、
   前記第２の状態の後に、前記インピーダンス変換手段へのバイアスの供給を停止する第３の状態とする前に、前記第２のスイッチ手段により、前記容量へのサンプル・ホールド動作を完了させることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記インピーダンス変換手段は、前記画素からの信号を制御電極に受け、主電極より出力する駆動トランジスタと、前記トランジスタの負荷となる負荷素子を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
4. 前記インピーダンス変換手段の出力部に、前記インピーダンス変換手段からの信号を受ける容量を設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
5. 前記光電変換部に光を結像するレンズと、
   前記インピーダンス変換手段からの信号をディジタル信号に変換するアナログ・ディジタル変換回路と、
   前記アナログ・ディジタル変換回路からの信号の信号処理を行う信号処理回路と、
   を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像装置。

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