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JP4421353B2 - 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、複数の受光部が１次元または２次元に配列された光検出部を備えており、各画素位置にある受光部への入射強度を表す電気信号値を該受光部から出力して、この電気信号値に基づいて画像を撮像することができる。このような固体撮像装置においては、画素位置間の入射光量の差が大きい場合（すなわち、撮像すべき画像におけるコントラストが高い場合）であっても、コントラストが優れた画像を撮像により得ることが要求される。
ところで、特許文献１に開示されたフォトセンサ回路は、受光部としてフォトダイオードを含み、このフォトダイオードへの光入射に伴い発生する電荷を積分回路内の容量部に蓄積して、この蓄積した電荷の量に応じた電圧値を積分回路から出力する。また、この固体撮像装置では、積分回路内の容量部の容量値が可変であり、これにより、光検出のダイナミックレンジの拡大を図っている。この特許文献１に開示された技術を固体撮像装置において利用することにより、コントラストが優れた画像を撮像により得ることができる固体撮像装置を実現することができるとも考えられる。
特許第３１４６５０２号公報
特許文献１に開示された技術では、積分回路の容量部の容量値を小さく設定することで、入射光量が小さい場合に高感度で光検出を行うものである。したがって、フォトダイオードから出力される信号電荷が積分回路で増幅されるだけでなく、ノイズも積分回路で増幅され、光検出のＳ／Ｎ比がよくない。また、特許文献１に開示された技術を利用した固体撮像装置は、コントラストが優れた画像を得ることができても、その画像のＳ／Ｎ比がよくない。
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、コントラストおよびＳ／Ｎ比の双方が優れた画像を得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。
本発明に係る固体撮像装置に含まれる受光部は、(1) 入射光強度に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードと、(2) 各々電荷を蓄積する第１容量部および第２容量部と、(3) 第１容量部および第２容量部の双方または何れか一方にゲート端子が接続され、第１容量部および第２容量部のうちゲート端子に接続されているものに蓄積されている電荷の量に応じた電圧値を出力する増幅用トランジスタと、(4) フォトダイオードで発生した電荷を、第１スイッチを介して第１容量部へ転送し、第２スイッチを介して第２容量部へ転送する転送用トランジスタと、(5) 第１容量部および第２容量部それぞれの電荷を初期化する放電用トランジスタと、(6) 増幅用トランジスタから出力される電圧値を選択的に出力する選択用トランジスタと、を備えることを特徴とする。
この受光部では、各々電荷を蓄積する第１容量部および第２容量部が備えられていて、これら第１容量部および第２容量部それぞれは、放電用トランジスタにより電荷が初期化される。光入射に伴いフォトダイオードで発生した電荷は、転送用トランジスタを経て、第１スイッチを介して第１容量部へ転送され、第２スイッチを介して第２容量部へ転送される。第１容量部および第２容量部の双方または何れか一方と増幅用トランジスタのゲート端子とが接続され、第１容量部および第２容量部のうちゲート端子に接続されているものに蓄積されている電荷の量に応じた電圧値が、増幅用トランジスタおよび選択用トランジスタを経て出力される。
本発明に係る固体撮像装置は、(1) １次元状または２次元状に配列されたＭ×Ｎ個の区画Ａ１,１〜ＡＭ,Ｎを含み、第ｍ行第ｎ列にある区画Ａｍ,ｎ内にＫ個の上記の受光部が配置されている光検出部と、(2) 区画Ａｍ,ｎに含まれるＫ個の受光部それぞれの増幅用トランジスタのゲート端子が第１容量部および第２容量部の何れか一方に接続されているときに増幅用トランジスタから選択用トランジスタを経て出力される第１電圧値を保持するとともに、増幅用トランジスタのゲート端子が第１容量部および第２容量部の双方に接続されているときに増幅用トランジスタから選択用トランジスタを経て出力される第２電圧値を保持する保持部と、(3) 区画Ａｍ,ｎに含まれるＫ個の受光部それぞれから出力されて保持部に保持された第１電圧値の加算値を演算して出力するとともに、区画Ａｍ,ｎに含まれるＫ個の受光部それぞれから出力されて保持部に保持された第２電圧値の平均値を演算して出力する演算部と、を備えることを特徴とする。ただし、ＭおよびＮは１以上の整数であり、ＭおよびＮのうち少なくとも一方は２以上の整数であり、Ｋ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り、ｎは１以上Ｎ以下の任意の整数である。ここで、各区画Ａｍ,ｎについて、演算部から出力される加算値および平均値を入力し、加算値の絶対値が所定値より小さければ加算値を出力し、そうでなければ平均値を出力する選択部を更に備えるのが好適である。
この固体撮像装置では、光検出部においてＭ×Ｎ個の区画Ａ１,１〜ＡＭ,Ｎが１次元状または２次元状に配列されており、第ｍ行第ｎ列にある区画Ａｍ,ｎ内にＫ個の上記の本発明に係る受光部が配置されている。区画Ａｍ,ｎに含まれるＫ個の受光部それぞれの増幅用トランジスタのゲート端子が第１容量部および第２容量部の何れか一方に接続されているときに増幅用トランジスタから選択用トランジスタを経て出力される第１電圧値、および、増幅用トランジスタのゲート端子が第１容量部および第２容量部の双方に接続されているときに増幅用トランジスタから選択用トランジスタを経て出力される第２電圧値は、保持部により保持される。そして、演算部により、区画Ａｍ,ｎに含まれるＫ個の受光部それぞれから出力されて保持部に保持された第１電圧値の加算値が演算されて出力され、また、区画Ａｍ,ｎに含まれるＫ個の受光部それぞれから出力されて保持部に保持された第２電圧値の平均値が演算されて出力される。選択部が更に設けられる場合には、この選択部により、各区画Ａｍ,ｎについて、演算部から出力される加算値および平均値が入力され、加算値の絶対値が所定値より小さければ加算値が選択されて出力され、そうでなければ平均値が選択されて出力される。
また、本発明に係る固体撮像装置は、(1) 区画Ａｍ,ｎに含まれるＫ個の受光部それぞれについて設けられ、該受光部の放電用トランジスタに接続された第１端と、該受光部の第１容量部および第２容量部それぞれの電荷を初期化するためのバイアス電位を入力する第２端と、第３端とを有し、第１端と第２端との間または第１端と第３端との間を電気的に接続する接続切替部と、(2) 接続切替部の第３端に入力端子が接続され、区画Ａｍ,ｎに含まれるＫ個の受光部から接続切替部の第１端および第３端を経て流入した電荷を容量素子に蓄積して、その蓄積した電荷の量に応じた積分値を出力する積分回路と、を更に備えるのが好適である。ここで、各区画Ａｍ,ｎについて、演算部から出力される加算値および平均値を入力するとともに、積分回路から出力される積分値を入力し、加算値の絶対値が第１所定値より小さければ加算値を出力し、加算値の絶対値が第１所定値以上であって平均値の絶対値が第２所定値より小さければ平均値を出力し、これらの何れでもなければ積分値を出力する選択部を更に備えるのが好適である。
この場合には、或る区画Ａｍ,ｎに含まれるＫ個の受光部それぞれのフォトダイオードで発生した電荷は、接続切替部を経て積分回路に入力され、この積分回路の容量素子に蓄積される。そして、その蓄積した電荷の量に応じた積分値が積分回路から出力される。選択部が更に設けられる場合には、この選択部により、各区画Ａｍ,ｎについて、演算部から出力される加算値および平均値ならびに積分回路から出力される積分値の何れかが選択されて出力される。
本発明に係る固体撮像装置は、コントラストおよびＳ／Ｎ比の双方が優れた画像を得ることができる。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良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、本実施形態に係る固体撮像装置１の概略構成図である。この図に示される固体撮像装置１は、光検出部１０、保持部２０、演算部３０、積分回路４０、ＣＤＳ回路５０、選択部６０、Ａ／Ｄ変換回路７０およびビットシフト回路８０を備える。なお、この図では、各要素間に配線が示されているが、この線の本数は実際の配線数と必ずしも一致していない。
光検出部１０は、全体として略矩形の領域内に１次元状または２次元状に配列されていて共通の構成を有するＭ×Ｎ個の区画Ａ１,１〜ＡＭ,Ｎを含む。区画Ａｍ,ｎは第ｍ行第ｎ列に位置している。後述するように、各区画Ａｍ,ｎ内にはＫ個の受光部が配置されている。ただし、ＭおよびＮは１以上の整数であり、ＭおよびＮのうち少なくとも一方は２以上の整数であり、Ｋ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り、ｎは１以上Ｎ以下の任意の整数である。
保持部２０は、共通の構成を有するＮ個の保持回路Ｈ１〜ＨＮを含む。各保持回路Ｈｎは、光検出部１０内の第ｎ列にあるＭ個の区画Ａ１,ｎ〜ＡＭ,ｎに対応して設けられている。演算部３０は、保持部２０内のＮ個の保持回路Ｈ１〜ＨＮそれぞれに保持されて出力された電圧値を入力して、その入力電圧値に基づいて所要の演算を行って、その演算結果を表す電圧値を出力する。
積分回路４０は、光検出部１０内のＭ×Ｎ個の区画Ａ１,１〜ＡＭ,Ｎに対して１つだけ設けられている。この積分回路４０は、光検出部１０内の各区画Ａｍ,ｎに含まれるＫ個の受光部から出力された電荷を容量素子に蓄積して、その蓄積した電荷の量に応じた電圧値を出力する。ＣＤＳ（Correlated Double Sampling、相関二重サンプリング）回路５０は、積分回路から出力される電圧値を入力し、或る時刻および他の時刻それぞれにおける入力電圧値の差に応じた電圧値を出力する。
選択部６０は、演算部３０およびＣＤＳ回路５０それぞれから出力される電圧値を入力して、そのうちの何れか１つの電圧値を選択して出力する。Ａ／Ｄ変換回路７０は、選択部６０から出力された電圧値（アナログ値）を入力し、この電圧値をデジタル値に変換して、このデジタル値を出力する。ビットシフト回路８０は、Ａ／Ｄ変換回路７０から出力されたデジタル値を入力し、選択部６０において何れが選択されたかに応じて必要ビット数だけデジタル値をシフトして出力する。
図２は、本実施形態に係る固体撮像装置１の光検出部１０内の区画Ａｍ,ｎおよび保持部２０内の保持回路Ｈｎの構成図である。各区画Ａｍ,ｎ内には、共有の構成を有するＫ個（本実施形態ではＫ＝１５）の受光部ａ１,１〜ａ３,５が配置されている。また、各保持回路Ｈｎは、共通の構成を有する１５個の部分保持回路ｈ１,１〜ｈ３,５を含む。各保持回路Ｈｎ内の部分保持回路ｈｉ,ｊは、光検出部１０内の第ｎ列にあるＭ個の区画Ａ１,ｎ〜ＡＭ,ｎそれぞれの受光部ａｉ,ｊに対応して設けられている。ただし、ｉは１以上３以下の任意の整数であり、ｊは１以上５以下の任意の整数である。
図３は、本実施形態に係る固体撮像装置１の光検出部１０内の区画Ａｍ,ｎの受光部ａｉ,ｊ、および、保持部２０内の保持回路Ｈｎの部分保持回路ｈｉ,ｊの回路図である。各受光部ａｉ,ｊは、入射光強度に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードＰＤと、各々電荷を蓄積する第１容量部Ｃ１１および第２容量部Ｃ１２と、第１容量部Ｃ１１および第２容量部Ｃ１２の双方または何れか一方にゲート端子が接続される増幅用トランジスタＴ１と、フォトダイオードＰＤで発生した電荷を第１容量部Ｃ１１または第２容量部Ｃ１２へ転送する転送用トランジスタＴ２と、第１容量部Ｃ１１および第２容量部Ｃ１２それぞれの電荷を初期化する放電用トランジスタＴ３と、増幅用トランジスタＴ１から出力される電圧値を選択的に出力する選択用トランジスタＴ４と、を備える。
増幅用トランジスタＴ１のゲート端子は、直接に第１容量部Ｃ１１に接続され、第１スイッチＳＷ１１および第２スイッチＳＷ１２を介して第２容量部Ｃ１２に接続されている。増幅用トランジスタＴ１のドレイン端子はバイアス電位Ｖｄｄとされている。増幅用トランジスタＴ１のソース端子は、選択用トランジスタＴ４のドレイン端子と接続されている。選択用トランジスタＴ４のソース端子は配線Ｌｎ,ｉ,ｊと接続されている。第１容量部Ｃ１１および第２容量部Ｃ１２それぞれの他端は接地されている。第１容量部Ｃ１１および第２容量部Ｃ１２それぞれは、寄生容量であってもよいし、意図的に作られた容量部であってもよい。
転送用トランジスタＴ２のドレイン端子は、放電用トランジスタＴ３のソース端子に接続され、第１スイッチＳＷ１１を介して第１容量部Ｃ１１および増幅用トランジスタＴ１のゲート端子に接続され、第２スイッチＳＷ１２を介して第２容量部Ｃ１２に接続されている。転送用トランジスタＴ２のソース端子は、フォトダイオードＰＤのカソード端子に接続されている。フォトダイオードＰＤのアノード端子は接地されている。放電用トランジスタＴ３のドレイン端子はスイッチＳＷｉ,ｊと接続されている。
転送用トランジスタＴ２は、そのゲート端子に転送制御信号Ｔｒａｎｓを入力し、その転送制御信号ＴｒａｎｓがハイレベルであってスイッチＳＷ１１またはＳＷ１２が閉じているときに、フォトダイオードＰＤで発生した電荷を容量部Ｃ１１またはＣ１２へ転送する。放電用トランジスタＴ３は、そのゲート端子に放電制御信号Ｒｅｓｅｔを入力し、その放電制御信号Ｒｅｓｅｔがハイレベルであるときに、放電用トランジスタＴ３のドレイン端子とスイッチＳＷｉ,ｊとの間を低抵抗にする。選択用トランジスタＴ４は、そのゲート端子に第ｍ行選択制御信号Ｓｅｌｍを入力し、その第ｍ行選択制御信号Ｓｅｌｍがハイレベルであるときに、増幅用トランジスタＴ１から出力される電圧値を配線Ｌｎ,ｉ,ｊへ出力する。
各配線Ｌｎ,ｉ,ｊは、光検出部１０内の第ｎ列にあるＭ個の区画Ａ１,ｎ〜ＡＭ,ｎそれぞれの受光部ａｉ,ｊの選択用トランジスタＴ４と接続されている。各配線Ｌｎ,ｉ,ｊには定電流源が接続されていて、各受光部ａｉ,ｊの増幅用トランジスタＴ１および選択用トランジスタＴ４はソースフォロワ回路を構成している。
スイッチＳＷｉ,ｊは、各受光部ａｉ,ｊについて設けられた接続切替部として作用するものであり、該受光部ａｉ,ｊの放電用トランジスタＴ３に接続された第１端と、該受光部ａｉ,ｊの第１容量部Ｃ１１および第２容量部Ｃ１２それぞれの電荷を初期化するためのバイアス電位Ｖbiasを入力する第２端と、配線Ｌ０を介して積分回路４０の入力端に接続された第３端とを有していて、第１端と第２端との間または第１端と第３端との間を電気的に接続する。
このスイッチＳＷｉ,ｊは、第１端と第２端との間が電気的に接続されているときには、バイアス電位Ｖbiasを放電用トランジスタＴ３に入力させる。また、スイッチＳＷｉ,ｊは、第１端と第３端との間が電気的に接続されていて、放電制御信号Ｒｅｓｅｔおよび転送制御信号Ｔｒａｎｓそれぞれがハイレベルであるときには、受光部ａｉ,ｊ内のフォトダイオードＰＤで発生した電荷を積分回路４０へ入力させる。
また、図３に示されるように、各部分保持回路ｈｉ,ｊは、スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２６および容量素子Ｃ２１〜Ｃ２３を備える。各部分保持回路ｈｉ,ｊは、３つの電圧値を保持することができる。
スイッチＳＷ２１の一端とスイッチＳＷ２４の一端とが互いに接続され、スイッチＳＷ２１の他端が配線Ｌｎ,ｉ,ｊに接続され、スイッチＳＷ２４の他端が配線Ｌ１に接続されていて、スイッチＳＷ２１とスイッチＳＷ２４との接続点と接地電位との間に容量素子Ｃ２１が設けられている。スイッチＳＷ２４が開いているときにスイッチＳＷ２１が閉状態から開状態に転じると、スイッチＳＷ２１が開状態に転じる直前に配線Ｌｎ,ｉ,ｊを経て入力する電圧値Ｖｉ,ｊが容量素子Ｃ２１に保持される。スイッチＳＷ２１が開いていてスイッチＳＷ２４が閉じていると、容量素子Ｃ２１に保持されている電圧値Ｖ１,ｉ,ｊが配線Ｌ１へ出力される。
スイッチＳＷ２２の一端とスイッチＳＷ２５の一端とが互いに接続され、スイッチＳＷ２２の他端が配線Ｌｎ,ｉ,ｊに接続され、スイッチＳＷ２５の他端が配線Ｌ２に接続されていて、スイッチＳＷ２２とスイッチＳＷ２５との接続点と接地電位との間に容量素子Ｃ２２が設けられている。スイッチＳＷ２５が開いているときにスイッチＳＷ２２が閉状態から開状態に転じると、スイッチＳＷ２２が開状態に転じる直前に配線Ｌｎ,ｉ,ｊを経て入力する電圧値Ｖｉ,ｊが容量素子Ｃ２２に保持される。スイッチＳＷ２２が開いていてスイッチＳＷ２５が閉じていると、容量素子Ｃ２２に保持されている電圧値Ｖ２,ｉ,ｊが配線Ｌ２へ出力される。
スイッチＳＷ２３の一端とスイッチＳＷ２６の一端とが互いに接続され、スイッチＳＷ２３の他端が配線Ｌｎ,ｉ,ｊに接続され、スイッチＳＷ２６の他端が配線Ｌ３に接続されていて、スイッチＳＷ２３とスイッチＳＷ２６との接続点と接地電位との間に容量素子Ｃ２３が設けられている。スイッチＳＷ２６が開いているときにスイッチＳＷ２３が閉状態から開状態に転じると、スイッチＳＷ２３が開状態に転じる直前に配線Ｌｎ,ｉ,ｊを経て入力する電圧値Ｖｉ,ｊが容量素子Ｃ２３に保持される。スイッチＳＷ２３が開いていてスイッチＳＷ２６が閉じていると、容量素子Ｃ２３に保持されている電圧値Ｖ３,ｉ,ｊが配線Ｌ３へ出力される。
図４は、フォトダイオードＰＤの断面図である。各フォトダイオードＰＤは、この図に示されるような埋込型のものであるのが好適である。すなわち、これらのフォトダイオードは、ｐ型の第１半導体領域１０１上にｎ−型の第２半導体領域１０２を有し、この第２半導体領域１０２上にｐ＋型の第３半導体領域１０３を有し、第１半導体領域１０１と第２半導体領域１０２とがｐｎ接合を形成しており、第２半導体領域１０２と第３半導体領域１０３とがｐｎ接合を形成している。また、これらの半導体領域の上に絶縁層１０４が設けられ、第２半導体領域１０２が金属層１０５と電気的に接続されている。このようにフォトダイオードが埋込型のものである場合には、リーク電流の発生が抑制され、光検出のＳ／Ｎ比が優れる。
図５は、本実施形態に係る固体撮像装置１の演算部３０の説明図である。演算部３０は、配線Ｌ１〜Ｌ３を介して保持部回路Ｈｎ内の１５個の部分保持回路ｈｉ,ｊそれぞれと接続されていて、加算部３１および平均部３２を備える。
加算部３１は、光検出部１０内のＭ×Ｎ個の区画Ａｍ,ｎ毎に、該区画Ａｍ,ｎ内の１５個の受光部ａｉ,ｊから出力されて保持回路Ｈｎ内の１５個の部分保持回路ｈｉ,ｊそれぞれの容量素子Ｃ２１に保持された電圧値Ｖ１,ｉ,ｊの加算値を演算して、この加算値Ｖｓｕｍを出力する。また、このとき、容量素子Ｃ２１に保持された電圧値Ｖ１,ｉ,ｊの加算値から、容量素子Ｃ２３に保持された電圧値Ｖ３,ｉ,ｊの加算値を減算する。すなわち、加算値Ｖｓｕｍは、光検出部１０内のＭ×Ｎ個の区画Ａｍ,ｎ毎に求められ、下記(1)式で表される。
Figure 0004421353
平均部３２は、光検出部１０内のＭ×Ｎ個の区画Ａｍ,ｎ毎に、該区画Ａｍ,ｎ内の１５個の受光部ａｉ,ｊから出力されて保持回路Ｈｎ内の１５個の部分保持回路ｈｉ,ｊそれぞれの容量素子Ｃ２２に保持された電圧値Ｖ２,ｉ,ｊの平均値を演算して、この平均値Ｖｍｅａｎを出力する。また、このとき、容量素子Ｃ２２に保持された電圧値Ｖ２,ｉ,ｊの平均値から、容量素子Ｃ２３に保持された電圧値Ｖ３,ｉ,ｊの平均値を減算する。すなわち、平均値Ｖｍｅａｎは、光検出部１０内のＭ×Ｎ個の区画Ａｍ,ｎ毎に求められ、下記(2)式で表される。
Figure 0004421353
図６は、本実施形態に係る固体撮像装置１の積分回路４０およびＣＤＳ回路５０の回路図である。
積分回路４０は、アンプＡ４、容量素子Ｃ４およびスイッチＳＷ４を備える。アンプＡ４の非反転入力端子は接地されている。アンプＡ４の反転入力端子は、配線Ｌ０と接続されている。容量素子Ｃ４およびスイッチＳＷ４は、互いに並列接続されていて、アンプＡ４の反転入力端子と出力端子との間に設けられている。この積分回路４０では、スイッチＳＷ４が閉じることにより、容量素子Ｃ４が放電され、出力電圧値が初期化される。スイッチＳＷ４が開いていると、配線Ｌ０を経て流入する電荷が容量素子Ｃ４に蓄積され、この容量素子Ｃ４に蓄積された電荷の量に応じた電圧値Ｖｉｎｔが出力される。
ＣＤＳ回路５０は、スイッチＳＷ５１およびＳＷ５２、容量素子Ｃ５ならびにアンプＡ５を有する。容量素子Ｃ５の一端は、スイッチＳＷ５１を介して接地され、アンプＡ５の入力端子と接続されている。容量素子Ｃ５の他端は、スイッチＳＷ５２を介して積分回路４０のアンプＡ４の出力端子と接続されている。このＣＤＳ回路５０では、第１時刻にスイッチＳＷ５１が閉状態から開状態に転じ、第２時刻にスイッチＳＷ５２が閉状態から開状態に転じることで、第１時刻および第２時刻それぞれにおいて積分回路４０から出力される電圧値Ｖｉｎｔの差に応じた電圧値Ｖｃｄｓが出力される。
選択部６０は、演算部３０から出力される加算値Ｖｓｕｍおよび平均値Ｖｍｅａｎを入力するとともに、ＣＤＳ回路５０から出力される電圧値Ｖｃｄｓ（積分回路４０から出力される積分値Ｖｉｎｔと略同等）を入力する。そして、加算値Ｖｓｕｍの絶対値が第１所定値Ｖｔｈ１より小さければ、選択部６０は加算値Ｖｓｕｍを出力する。加算値Ｖｓｕｍの絶対値が第１所定値Ｖｔｈ１以上であって、平均値Ｖｍｅａｎの絶対値が第２所定値Ｖｔｈ２より小さければ、選択部６０は平均値Ｖｍｅａｎを出力する。これらの何れでもなければ、選択部６０は積分値Ｖｉｎｔ（すなわち、電圧値Ｖｃｄｓ）を出力する。すなわち、選択部６０から出力される電圧値Ｖｏｕｔは、下記(3)式で表される。また、選択部６０からは、加算値Ｖｓｕｍ，平均値Ｖｍｅａｎおよび電圧値Ｖｃｄｓのうちの何れが選択されて電圧値Ｖｏｕｔとして出力されたかを表す選択信号が出力される。
Figure 0004421353
Ａ／Ｄ変換回路７０は、選択部６０から出力された電圧値Ｖｏｕｔを入力し、この電圧値Ｖｏｕｔをデジタル値に変換して、このデジタル値を出力する。ビットシフト回路８０は、Ａ／Ｄ変換回路７０から出力されたデジタル値を入力し、選択部６０において何れが選択されたかに応じて必要ビット数だけデジタル値をシフトして出力する。すなわち、選択部６０から出力される電圧値Ｖｏｕｔが加算値Ｖｓｕｍである場合には、ビットシフト回路８０は、Ａ／Ｄ変換回路７０から出力されたデジタル値をビットシフトすることはない。選択部６０から出力される電圧値Ｖｏｕｔが平均値Ｖｍｅａｎである場合には、ビットシフト回路８０は、Ａ／Ｄ変換回路７０から出力されたデジタル値をｐビットだけ上位にシフトする。また、選択部６０から出力される電圧値Ｖｏｕｔが電圧値Ｖｃｄｓである場合には、ビットシフト回路８０は、Ａ／Ｄ変換回路７０から出力されたデジタル値をｑビットだけ上位にシフトする（ただし、ｐ＜ｑ）。
次に、本実施形態に係る固体撮像装置１の動作について説明する。図７および図８それぞれは、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。なお、以下に説明する動作は、制御部（不図示）から出力される各種の制御信号に基づいて為される。また、各受光部ａｉ,ｊに対応して設けられているスイッチＳＷｉ,ｊは、バイアス電位Ｖbiasが放電用トランジスタＴ３に入力するように設定されている。
図７には、上から順に、受光部ａｉ,ｊの放電用トランジスタＴ３のゲート端子に入力する放電制御信号Ｒｅｓｅｔのレベル変化、受光部ａｉ,ｊの転送用トランジスタＴ２のゲート端子に入力する転送制御信号Ｔｒａｎｓのレベル変化、受光部ａｉ,ｊのスイッチＳＷ１１の開閉動作、および、受光部ａｉ,ｊのスイッチＳＷ１２の開閉動作、が示されている。この図に示される動作は、光検出部１０内の全ての区画Ａｍ,ｎに含まれる全ての受光部ａｉ,ｊにおいて同時に行われる。
時刻ｔ１０に、放電制御信号Ｒｅｓｅｔおよび転送制御信号Ｔｒａｎｓそれぞれがハイレベルとなり、受光部ａｉ,ｊのスイッチＳＷ１１およびスイッチＳＷ１２それぞれが閉じる。これにより、フォトダイオードＰＤ，第１容量部Ｃ１１および第２容量部Ｃ１２それぞれの電荷が初期化される。
時刻ｔ１１に、放電制御信号Ｒｅｓｅｔおよび転送制御信号Ｔｒａｎｓそれぞれがローレベルに転じ、受光部ａｉ,ｊのスイッチＳＷ１１およびスイッチＳＷ１２それぞれが開く。この状態において、フォトダイオードＰＤに光が入射すると、当該入射光量に応じた量の電荷がフォトダイオードで発生し、フォトダイオードＰＤの接合容量部に蓄積される。
時刻ｔ１２に転送制御信号Ｔｒａｎｓがハイレベルに転じ、時刻ｔ１５に転送制御信号Ｔｒａｎｓがローレベルに転じる。転送制御信号Ｔｒａｎｓがハイレベルである時刻ｔ１２から時刻ｔ１５までの期間において、スイッチＳＷ１１が一旦閉じた後に時刻ｔ１３に開き、その後に、スイッチＳＷ１２が一旦閉じた後に時刻ｔ１４に開く。
各受光部ａｉ,ｊにおいて、以上のような動作が行われることにより、時刻ｔ１１から時刻ｔ１３までにフォトダイオードＰＤで発生した電荷が第１容量部Ｃ１１に蓄積され、時刻ｔ１３から時刻ｔ１４までにフォトダイオードＰＤで発生した電荷が第２容量部Ｃ１２に蓄積される。ただし、フォトダイオードＰＤの接合容量部より第１容量部Ｃ１１の容量値が小さく強い光が入射した場合（すなわち、第１容量部Ｃ１１が飽和する場合）には、時刻ｔ１１から時刻ｔ１３までにフォトダイオードＰＤで発生した電荷のうち、第１容量部Ｃ１１の容量を超えない量の電荷が、第１容量部Ｃ１１に蓄積される。そして、この場合には、時刻ｔ１１から時刻ｔ１３までにフォトダイオードＰＤで発生した電荷のうち第１容量部Ｃ１１の容量を超えた分の電荷と、時刻ｔ１３から時刻ｔ１４までにフォトダイオードＰＤで発生した電荷とが、第２容量部Ｃ１２に蓄積される。
図８には、上から順に、受光部ａｉ,ｊの放電用トランジスタＴ３のゲート端子に入力する放電制御信号Ｒｅｓｅｔのレベル変化、受光部ａｉ,ｊの選択用トランジスタＴ４のゲート端子に入力する第ｍ行選択制御信号Ｓｅｌｍのレベル変化、受光部ａｉ,ｊのスイッチＳＷ１１の開閉動作、受光部ａｉ,ｊのスイッチＳＷ１２の開閉動作、受光部ａｉ,ｊから出力される電圧値Ｖｉ,ｊのレベル変化、部分保持回路ｈｉ,ｊのスイッチＳＷ２１の開閉動作、部分保持回路ｈｉ,ｊのスイッチＳＷ２２の開閉動作、および、部分保持回路ｈｉ,ｊのスイッチＳＷ２３の開閉動作、が示されている。
この図に示される動作のうち、放電制御信号Ｒｅｓｅｔおよび第ｍ行選択制御信号Ｓｅｌｍそれぞれのレベル変化、ならびに、スイッチＳＷ１１およびスイッチＳＷ１２それぞれの開閉動作は、光検出部１０内の第ｍ行にあるＮ個の区画Ａｍ,１〜Ａｍ,Ｎに含まれる全ての受光部ａｉ,ｊにおいて同時に行われ、また、光検出部１０内の第１行〜第Ｍ行については順次に行われる。
上記時刻ｔ１５後の時刻ｔ２０から時刻ｔ２３までの期間、第ｍ行選択制御信号Ｓｅｌｍがハイレベルになる。時刻ｔ２２から時刻ｔ２３までの期間、放電制御信号Ｒｅｓｅｔがハイレベルになる。時刻ｔ２０には、スイッチＳＷ１１およびスイッチＳＷ１２それぞれは開いている。その後の時刻ｔ２１にスイッチＳＷ１１およびスイッチＳＷ１２それぞれが閉じて、時刻ｔ２３にスイッチＳＷ１１およびスイッチＳＷ１２それぞれが開く。
また、時刻ｔ２０から時刻ｔ２１までの期間において、スイッチＳＷ１１およびスイッチＳＷ１２それぞれが開いているので、増幅用トランジスタＴ１のゲート端子に、第１容量部Ｃ１１は接続されているが、第２容量部Ｃ１２は接続されていない。したがって、このとき選択用トランジスタＴ４を経て配線Ｌｎ,ｉ,ｊに出力される電圧値Ｖ１,ｉ,ｊは、第１容量部Ｃ１１に蓄積されている電荷の量に応じたものである。この期間に部分保持回路ｈｉ,ｊのスイッチＳＷ２１が一旦閉じた後に開くと、部分保持回路ｈｉ,ｊの容量素子Ｃ２１には、この電圧値Ｖ１,ｉ,ｊが保持される。
時刻ｔ２１から時刻ｔ２２までの期間において、スイッチＳＷ１１およびスイッチＳＷ１２それぞれが閉じているので、増幅用トランジスタＴ１のゲート端子に、第１容量部Ｃ１１および第２容量部Ｃ１２の双方が接続されている。したがって、このとき選択用トランジスタＴ４を経て配線Ｌｎ,ｉ,ｊに出力される電圧値Ｖ２,ｉ,ｊは、第１容量部Ｃ１１および第２容量部Ｃ１２それぞれに蓄積されている電荷の量の和に応じたものである。この期間に部分保持回路ｈｉ,ｊのスイッチＳＷ２２が一旦閉じた後に開くと、部分保持回路ｈｉ,ｊの容量素子Ｃ２２には、この電圧値Ｖ２,ｉ,ｊが保持される。
時刻ｔ２２から時刻ｔ２３までの期間において、放電制御信号Ｒｅｓｅｔが一旦ハイレベルとなるので、このとき選択用トランジスタＴ４を経て配線Ｌｎ,ｉ,ｊに出力される電圧値Ｖ３,ｉ,ｊは、ノイズ成分を表すものである。このノイズ成分には、各画素のトランジスタＴ１の閾値ばらつきにより発生する固定パターンノイズ、および、各画素の放電用トランジスタＴ３の開放時に発生するｋＴＣノイズと呼ばれるランダム雑音、の二種類が含まれる。この期間に部分保持回路ｈｉ,ｊのスイッチＳＷ２３が一旦閉じた後に開くと、部分保持回路ｈｉ,ｊの容量素子Ｃ２３には、この電圧値Ｖ３,ｉ,ｊが保持される。
上記時刻ｔ２３後に、保持部２０内の保持回路Ｈ１〜ＨＮについて順次に、部分保持回路ｈｉ,ｊのスイッチＳＷ２４〜ＳＷ２６が閉じると、部分保持回路ｈｉ,ｊから電圧値Ｖ１,ｉ,ｊ〜Ｖ３,ｉ,ｊが配線Ｌ１〜Ｌ３へ出力される。そして、これら電圧値Ｖ１,ｉ,ｊ，Ｖ２,ｉ,ｊおよびＶ３,ｉ,ｊを入力した演算部３０により、光検出部１０内のＭ×Ｎ個の区画Ａｍ,ｎ毎に、加算値Ｖｓｕｍ（上記(1)式）および平均値Ｖｍｅａｎ（上記(2)式）それぞれが、時刻ｔ２０〜ｔ２１での電圧値Ｖ１,ｉ,ｊから時刻ｔ２２〜ｔ２３での電圧値Ｖ３,ｉ,ｊの差分信号、及び、時刻ｔ２１〜ｔ２２での電圧値Ｖ２,ｉ,ｊから時刻ｔ２２〜ｔ２３での電圧値Ｖ３,ｉ,ｊの差分信号、として求められる。このタイミングにより、上記二種類のノイズのうち、前者の固定パターンノイズのみが除去できる。もし、後者のランダム雑音ノイズも取り除きたい場合は、全画素分のｔ２３直前での信号一フレーム分を別の場所に記憶させ、一フレーム前のｔ２３直前の信号から、時刻ｔ２０〜ｔ２１での電圧値Ｖ１,ｉ,ｊ、及び、時刻ｔ２１〜ｔ２２での電圧値Ｖ２,ｉ,ｊとの差分を取れば良い。ただし、この時は、時刻ｔ１０〜ｔ１１でのリセット動作は不要となる。
演算部３０から出力された加算値Ｖｓｕｍおよび平均値Ｖｍｅａｎは選択部６０に入力する。選択部６０では、加算値Ｖｓｕｍの絶対値が第１所定値Ｖｔｈ１より小さい場合（すなわち、区画Ａｍ,ｎへの入射光量が比較的少なく、受光部ａｉ,ｊにおいて第１容量部Ｃ１１が飽和していない場合）には、選択部６０から出力される電圧値Ｖｏｕｔとして加算値Ｖｓｕｍが選択される。一方、加算値Ｖｓｕｍの絶対値が第１所定値Ｖｔｈ１以上である場合（すなわち、区画Ａｍ,ｎへの入射光量が比較的多く、受光部ａｉ,ｊにおいて第１容量部Ｃ１１が飽和している場合）には、選択部６０から出力される電圧値Ｖｏｕｔとして平均値Ｖｍｅａｎが選択される。
このとき、選択部６０から加算値Ｖｓｕｍが出力されるときの受光感度をαとし、選択部６０から平均値Ｖｍｅａｎが出力されるときの受光感度をβとすると、両者の比は下記(4)式で表される。なお、本実施形態では Ｋ＝１５ としている。第１容量部Ｃ１１および第２容量部Ｃ１２それぞれの容量値を適切に設定することにより、この比を例えば ６４:１ とすることができる。
Figure 0004421353
ただし、或る区画Ａｍ,ｎへの入射光量が更に多いと、その区画Ａｍ,ｎに含まれる受光部ａｉ,ｊにおいて第１容量部Ｃ１１および第２容量部Ｃ１２の双方が飽和する場合がある。このような場合には、その区画Ａｍ,ｎに含まれる各受光部ａｉ,ｊにおいて、放電制御信号Ｒｅｓｅｔおよび転送制御信号Ｔｒａｎｓそれぞれがハイレベルとされ、フォトダイオードＰＤで発生した電荷はスイッチＳＷｉ,ｊおよび配線Ｌ０を経て積分回路４０へ入力する。そして、区画Ａｍ,ｎ内の全てのフォトダイオードＰＤで発生した電荷は積分回路４０の容量素子Ｃ４に蓄積され、この容量素子Ｃ４に蓄積された電荷の量に応じた電圧値Ｖｉｎｔが積分回路４０から出力される。さらに、ＣＤＳ回路５０では、積分回路４０における電荷蓄積期間に亘って積分回路４０から出力される電圧値が入力されて、電荷蓄積期間の初期時刻および終了時刻それぞれにおいて積分回路４０から出力される電圧値の差に応じた電圧値Ｖｃｄｓが出力される。各受光部ａｉ,ｊの第１容量部Ｃ１１および第２容量部Ｃ１２と比較して、積分回路４０の容量素子Ｃ４は容量値を大きくすることができるから、区画Ａｍ,ｎへの入射光量が更に多い場合であっても、容量素子Ｃ４は飽和し難くすることができる。
そこで、加算値Ｖｓｕｍの絶対値が第１所定値Ｖｔｈ１以上であって平均値Ｖｍｅａｎの絶対値が第２所定値Ｖｔｈ２より小さい場合（すなわち、区画Ａｍ,ｎへの入射光量が比較的多く、受光部ａｉ,ｊにおいて第１容量部Ｃ１１が飽和しているが、第２容量部Ｃ１２が飽和していない場合）には、選択部６０から出力される電圧値Ｖｏｕｔとして平均値Ｖｍｅａｎが選択される。また、これらの何れでもない場合（すなわち、区画Ａｍ,ｎへの入射光量が更に多く、受光部ａｉ,ｊにおいて第１容量部Ｃ１１および第２容量部Ｃ１２の双方が飽和している場合）には、選択部６０から出力される電圧値Ｖｏｕｔとして電圧値Ｖｃｄｓが選択される。すなわち、選択部６０から出力される電圧値Ｖｏｕｔは、上記(3)式で表される。
選択部６０から出力された電圧値ＶｏｕｔはＡ／Ｄ変換回路７０によりＡ／Ｄ変換され、電圧値Ｖｏｕｔに対応するデジタル値がＡ／Ｄ変換回路７０から出力される。このＡ／Ｄ変換回路７０から出力されたデジタル値は、ビットシフト回路８０により、選択部６０において何れが選択されたかに応じて必要ビット数だけシフトされる。
選択部６０から出力される電圧値Ｖｏｕｔが加算値Ｖｓｕｍである場合には、ビットシフト回路８０では、Ａ／Ｄ変換回路７０から出力されたデジタル値がビットシフトされることはない。選択部６０から出力される電圧値Ｖｏｕｔが平均値Ｖｍｅａｎである場合には、ビットシフト回路８０では、Ａ／Ｄ変換回路７０から出力されたデジタル値がｐビットだけ上位にシフトされる。また、選択部６０から出力される電圧値Ｖｏｕｔが電圧値Ｖｃｄｓである場合には、ビットシフト回路８０では、Ａ／Ｄ変換回路７０から出力されたデジタル値がｑビットだけ上位にシフトされる。
ここでｐ，ｑは、各受光部ａｉ,ｊの第１容量部Ｃ１１の容量値、各受光部ａｉ,ｊの第１容量部Ｃ１１および第２容量部Ｃ１２それぞれの容量値の和、区画Ａｍ,ｎに含まれる受光部ａｉ,ｊの個数、ならびに、積分回路４０の容量素子Ｃ４の容量値、に応じて適切に設定される。ビットシフト回路８０から出力されるデジタル値は、選択部６０において何れの入力電圧値が選択されたかに拘らず、各区画Ａｍ,ｎへの入射光量を表すものである。
以上のように、本実施形態に係る固体撮像装置１は、各区画Ａｍ,ｎへの入射光量を高いダイナミックレンジで測定することができ、コントラストが優れた画像を得ることができる。また、本実施形態に係る固体撮像装置１は、入射光量が小さい場合にフォトダイオードから出力される信号電荷をノイズとともに積分回路で増幅するのではなく、各区画Ａｍ,ｎ内の受光部ａｉ,ｊにおいてフォトダイオードＰＤで発生した電荷を増幅用トランジスタＴ１および選択用トランジスタＴ４からなるソースフォロワ回路を経て出力するので、Ｓ／Ｎ比が優れた画像を得ることができる。
また、積分回路４０において電荷を蓄積する容量部の容量値が多段階に設定可能であるのが好適である。このようにすることにより、更に光検出のダイナミックレンジを大きくすることができる。
本実施形態に係る固体撮像装置１の概略構成図である。 本実施形態に係る固体撮像装置１の光検出部１０内の区画Ａｍ,ｎおよび保持部２０内の保持回路Ｈｎの構成図である。 本実施形態に係る固体撮像装置１の光検出部１０内の区画Ａｍ,ｎの受光部ａｉ,ｊ、および、保持部２０内の保持回路Ｈｎの部分保持回路ｈｉ,ｊの回路図である。 フォトダイオードＰＤの断面図である。 本実施形態に係る固体撮像装置１の演算部３０の説明図である。 本実施形態に係る固体撮像装置１の積分回路４０およびＣＤＳ回路５０の回路図である。 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。 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。
符号の説明
１…固体撮像装置、１０…光検出部、２０…保持部、３０…演算部、４０…積分回路、５０…ＣＤＳ回路、６０…選択部、７０…Ａ／Ｄ変換回路、８０…ビットシフト回路。

Claims (4)

  1. １次元状または２次元状に配列されたＭ×Ｎ個の区画Ａ１,１〜ＡＭ,Ｎを含み、第ｍ行第ｎ列にある区画Ａｍ,ｎ内にＫ個の受光部が配置されており、前記Ｋ個の受光部それぞれが、入射光強度に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードと、各々電荷を蓄積する第１容量部および第２容量部と、前記第１容量部および前記第２容量部の双方または何れか一方にゲート端子が接続され前記第１容量部および前記第２容量部のうち前記ゲート端子に接続されているものに蓄積されている電荷の量に応じた電圧値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、第１スイッチを介して前記第１容量部へ転送し、第２スイッチを介して前記第２容量部へ転送する転送用トランジスタと、前記第１容量部および前記第２容量部それぞれの電荷を初期化する放電用トランジスタと、前記増幅用トランジスタから出力される電圧値を選択的に出力する選択用トランジスタと、を含む光検出部と、
    区画Ａｍ,ｎに含まれるＫ個の受光部それぞれの前記増幅用トランジスタのゲート端子が前記第１容量部および前記第２容量部の何れか一方に接続されているときに前記増幅用トランジスタから前記選択用トランジスタを経て出力される第１電圧値を保持するとともに、前記増幅用トランジスタのゲート端子が前記第１容量部および前記第２容量部の双方に接続されているときに前記増幅用トランジスタから前記選択用トランジスタを経て出力される第２電圧値を保持する保持部と、
    区画Ａｍ,ｎに含まれるＫ個の受光部それぞれから出力されて前記保持部に保持された前記第１電圧値の加算値を演算して出力するとともに、区画Ａｍ,ｎに含まれるＫ個の受光部それぞれから出力されて前記保持部に保持された前記第２電圧値の平均値を演算して出力する演算部と、
    を備えることを特徴とする固体撮像装置（ただし、ＭおよびＮは１以上の整数、ＭおよびＮのうち少なくとも一方は２以上の整数、Ｋは２以上の整数、ｍは１以上Ｍ以下の任意の整数、ｎは１以上Ｎ以下の任意の整数）。
  2. 各区画Ａｍ,ｎについて、前記演算部から出力される加算値および平均値を入力し、前記加算値の絶対値が所定値より小さければ前記加算値を出力し、そうでなければ前記平均値を出力する選択部を更に備えることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
  3. 区画Ａｍ,ｎに含まれるＫ個の受光部それぞれについて設けられ、該受光部の前記放電用トランジスタに接続された第１端と、該受光部の前記第１容量部および前記第２容量部それぞれの電荷を初期化するためのバイアス電位を入力する第２端と、第３端とを有し、前記第１端と前記第２端との間または前記第１端と前記第３端との間を電気的に接続する接続切替部と、
    前記接続切替部の前記第３端に入力端子が接続され、区画Ａｍ,ｎに含まれるＫ個の受光部から前記接続切替部の前記第１端および前記第３端を経て流入した電荷を容量素子に蓄積して、その蓄積した電荷の量に応じた積分値を出力する積分回路と、
    を更に備えることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
  4. 各区画Ａｍ,ｎについて、前記演算部から出力される加算値および平均値を入力するとともに、前記積分回路から出力される積分値を入力し、前記加算値の絶対値が第１所定値より小さければ前記加算値を出力し、前記加算値の絶対値が前記第１所定値以上であって前記平均値の絶対値が第２所定値より小さければ前記平均値を出力し、これらの何れでもなければ前記積分値を出力する選択部を更に備えることを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
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