固体撮像装置
【課題】画像情報を高速に読み出すことが可能な固体撮像装置を提供すること。
【解決手段】固体撮像装置１０は、マトリックス状に配列された複数の画素Ｃａを備え、行アドレス信号Ｘ０，Ｘ１及び列アドレス信号Ｙ０，Ｙ１により決定される１つの画素Ｃａを選択する。そして、固体撮像装置１０は、選択した１つの画素Ｃａの画像情報、つまり光電変換により生成した入射光量に応じた光電変換信号を出力信号Ｄｏとして出力する。
【解決手段】固体撮像装置１０は、マトリックス状に配列された複数の画素Ｃａを備え、行アドレス信号Ｘ０，Ｘ１及び列アドレス信号Ｙ０，Ｙ１により決定される１つの画素Ｃａを選択する。そして、固体撮像装置１０は、選択した１つの画素Ｃａの画像情報、つまり光電変換により生成した入射光量に応じた光電変換信号を出力信号Ｄｏとして出力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、種々の画像データを取得するために、ＭＯＳ型の固体撮像装置が用いられている。この種の固体撮像装置は、複数の画素が例えばマトリックス配置され、垂直走査回路により行（ライン）を順次走査して各列の画素から画像信号を読み出し、水平走査回路により１ライン分の画像信号を画素毎に読み出すように構成されている。各画素は、線形変換型のイメージセンサであって、所定の電荷蓄積時間、所謂インテグレーションタイムにおいてフォトダイオードで光電変換された画像情報をコンデンサに電荷として蓄積し、蓄積電荷量に応じた画像信号を出力する。このように、コンデンサに電荷を蓄積するインテグレーション動作を行うため、コンデンサに電荷が蓄積されていると、次の蓄積期間においてコンデンサに蓄積される電荷量が入射光量と対応しなくなる。このため、基準電位レベルをコンデンサに与えるリセット動作を行う必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、リセット動作は蓄積電荷の消去なので、リセット後、次の画像情報を蓄積するためのインテグレーションタイムが必要である。そして、リセット動作とインテグレーション動作と情報の読み出し動作を繰り返し行わなければならない。このため、動的に変化する画像の情報を連続的に読み出しをしようとしても、このインテグレーションタイムやリセット動作が制約条件になり、高速読み出しができなかった。
【０００４】
この発明は、画像情報を高速に読み出すようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明による固体撮像装置は、受光素子に流れる電流を検出して電気信号に変換する画素が複数の行信号線及び列データ線の交差点にそれぞれ接続されてマトリックス状に配置された撮像部と、前記行信号線及び前記列データ線と接続され、アドレス信号に基づく行信号線及び列データ線を選択するデコーダと、選択された前記行信号線に接続された画素から列データ線を介して入力される光電変換信号を増幅する増幅回路と、前記受光素子に入射光量に応じた電流が流れるように制御する第１駆動信号と、前記受光素子が接続されたセンスノードをリセットするための第２駆動信号とを生成し、制御信号に応答して前記第１駆動信号及び第２駆動信号を切り換えて前記画素に供給する電圧制御回路と、を備えたものである。
【０００６】
この発明では、画素において受光素子に流れる電流を電気的平衡状態下で検出して電気信号に変換する、つまり動作原理が専らスタティック状態によっているため、電荷の蓄積及び放電を行うダイナミック状態による画素に必要な画像情報の読出し毎のリセットが不要である。このため、第１駆動信号を供給している間、アドレス信号を変更することでそれらのアドレス信号により選択される画素から連続的に画像情報の読出しを行うことができ、読出し間隔が短くなる、つまり実効的に高い読出し速度を得られ、画像情報を高速に読出すことができる。また、制御信号により画素をリセットすることにより、画素に発生する残像が次に読出される画像情報に影響することを防ぐことができる。
【０００７】
この発明の好ましい一実施態様においては、前記画素に対する読出しを検出する読み出し検出回路と、前記読み出し検出回路の検出結果に基づき読出し回数をカウントし、該カウント値と設定値とを比較して前記制御信号を出力するリセット制御回路と、がさらに設けられる。この構成により、画素を間欠的にリセットすることで、外部から制御する必要がなく、残像が次に読出される画像情報に影響することを防ぐことができる。
【０００８】
この発明の一態様においては、前記画素は、受光素子に接続され、前記第１駆動信号によりサブスレショールド領域にて動作する負荷トランジスタと、前記受光素子と前記負荷トランジスタとの間のセンスノードに接続され該センスノードの電位に応じた光電変換信号を出力する増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタと前記列データ線とを接離する読出トランジスタと、を備えた対数変換型画素である。対数変換型画素は、線形変換型画素に比べてダイナミックレンジが広いため、暗い部分における黒つぶれや明るい部分における白とびがないため、鮮明な画像を得ることができる。
【発明の効果】
【０００９】
以上記述したように、本発明によれば、画像情報を高速に読み出すことが可能な固体撮像装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１は、固体撮像装置の概略ブロック回路図である。
固体撮像装置１０は、撮像部１１、アドレスデコーダとしてのＸデコーダ１２及びＹデコーダ１３、増幅回路としてのコラムアンプ１４、出力回路１５、電圧制御回路１６を含む。
【００１１】
撮像部１１は、行列配列された複数の画素Ｃａを備えている。尚、説明を簡単にするため、本実施の形態では、４行４列のマトリックス状に配列された画素Ｃａを備えた撮像部１１について説明する。各画素Ｃａは、受光素子に流れる電流を検出して電気信号に変換する画素である。各行の画素Ｃａはそれぞれ行信号線Ｒ０〜Ｒ３に接続され、各列の画素Ｃａはそれぞれ列データ線Ｃ０〜Ｃ３に接続されている。
【００１２】
Ｘデコーダ１２は、撮像部１１の行数に対応する４本の行信号線Ｒ０〜Ｒ３が接続され、撮像部１１の行数に対応する２ビットの行アドレス信号Ｘ０，Ｘ１が入力される。Ｘデコーダ１２は、行アドレス信号Ｘ０，Ｘ１をデコードして行信号線Ｒ０〜Ｒ３のうちの１本を選択する。そして、Ｘデコーダ１２は、選択した１本の行信号線の電位を画素Ｃａから画像情報を読み出すための電圧レベルに制御する。従って、本実施形態では、選択された１本の行信号線を介して、同行信号線に接続された４個の画素Ｃａに画像情報を読み出すための電圧が読出信号として供給される。各画素Ｃａは、行信号線Ｒ０〜Ｒ３を介して供給される読出信号に応答して画像情報を列データ線Ｃ０〜Ｃ３に出力する。
【００１３】
４個の画素Ｃａから読み出された画像情報としての光電変換信号は、各画素Ｃａが接続された列データ線Ｃ０〜Ｃ３を介してコラムアンプ１４に入力される。コラムアンプ１４はＹデコーダ１３に接続され、該Ｙデコーダ１３には撮像部１１の列数に対応する２ビットの列アドレス信号Ｙ０，Ｙ１が入力される。Ｙデコーダ１３は、アドレス信号Ｙ０，Ｙ１をデコードした信号をコラムアンプ１４に出力する。
【００１４】
コラムアンプ１４は、増幅部とマルチプレクサ回路部とアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換部とを含み、増幅部は各列データ線Ｃ０〜Ｃ３に対応して設けられている。各列データ線Ｃ０〜Ｃ３を介して入力される光電変換信号は各増幅部にてそれぞれ増幅され、マルチプレクサ回路部を介して１つのＡ／Ｄ変換部に伝達される。Ａ／Ｄ変換部は対応する増幅部の出力信号を所定のクロック信号に基づいてサンプリングし、そのサンプリングしたアナログ量（例えば電圧）をデジタル信号に変換する。つまり、コラムアンプ１４は、各行信号線Ｒ０〜Ｒ３に接続された４個の画素Ｃａからそれぞれ読み出された光電変換信号に対応する４つのデジタル信号を生成する。そして、コラムアンプ１４は、Ｙデコーダ１３の出力信号に基づき、４つのデジタル信号のうちアドレス信号Ｙ０，Ｙ１の論理レベルに対応する１つのデジタル信号を選択し、該デジタル信号を出力回路１５に出力する。出力回路１５は、コラムアンプ１４の出力信号を変換した出力信号Ｄｏを出力する。
【００１５】
即ち、固体撮像装置１０は、マトリックス状に配列された複数の画素Ｃａを備え、行アドレス信号Ｘ０，Ｘ１及び列アドレス信号Ｙ０，Ｙ１により決定される１つの画素Ｃａを選択する。そして、固体撮像装置１０は、選択した１つの画素Ｃａの画像情報、つまり光電変換により生成した入射光量に応じた光電変換信号を出力信号Ｄｏとして出力する。従って、行アドレス信号Ｘ０，Ｘ１及び列アドレス信号Ｙ０，Ｙ１により、任意な位置の画素Ｃａの画像情報を読み出すことができる。
【００１６】
上記撮像部１１を構成する各列の画素Ｃａは、それぞれ電圧供給線Ｌ０〜Ｌ３に接続されている。つまり、各電圧供給線Ｌ０〜Ｌ３には、行信号線Ｒ０〜Ｒ３と同様に、それぞれ４個の画素Ｃａが接続されている。各電圧供給線Ｌ０〜Ｌ３は、電圧制御回路１６に接続されている。
【００１７】
電圧制御回路１６は、外部入力される制御信号Ｓｃに応答して電圧供給線Ｌ０〜Ｌ３を介して各画素Ｃａに供給する駆動信号の電圧を制御する。例えば、電圧制御回路１６は、Ｌレベルの制御信号Ｓｃに基づいて第１の電圧の駆動信号（以下、第１駆動信号）を各画素Ｃａに供給し、Ｈレベルの制御信号Ｓｃに基づいて第２の電圧の駆動信号（以下、第２駆動信号）を各画素Ｃａに供給する。第１駆動信号は、その電圧が各画素Ｃａにおいて光電変換動作するために設定された信号である。第２駆動信号は、その電圧が各画素Ｃａにおいてリセット動作するために設定された信号である。各画素Ｃａは、第１駆動信号に応答して、入射光を光電変換して画像情報を生成する。また、各画素Ｃａは、第２駆動信号に応答してその第２駆動信号の入力直前に保持した画像情報を消去する。従って、この固体撮像装置１０を利用する場合、制御信号Ｓｃを供給することにより、必要に応じて各画素Ｃａをリセットして画像情報を一旦消去した後の画像を得ることができる。
【００１８】
尚、電圧制御回路１６が応答する制御信号Ｓｃのレベルは適宜変更されてもよい。また、制御信号Ｓｃが複数ビット又は複数の信号により構成されていてもよく、複数ビット又は複数の信号の論理レベルの組み合わせに基づいて駆動信号の電圧を制御する。
【００１９】
次に、画素Ｃａの構成を説明する。尚、各画素Ｃａの構成は同じであるため、行信号線Ｒ０と列データ線Ｃ０とに接続された画素Ｃａについて説明する。
図２に示すように、本実施形態の画素Ｃａは対数変換型画像素子である。対数変換型画像素子は、線形変換型画素に比べてダイナミックレンジが広いため、暗い部分における黒つぶれや明るい部分における白とびがないため、鮮明な画像を得ることができる。
【００２０】
画素Ｃａは、受光素子としてのフォトダイオードＰＤと、３つのトランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３とから構成されている。第１〜第３トランジスタＴ１〜Ｔ３は、１導電チャネル型のトランジスタ（本実施形態ではＮチャネル型ＭＯＳトランジスタ）であり、図示しないがバックゲートがグランドＧＮＤに接続されている。
【００２１】
負荷トランジスタとしての第１トランジスタＴ１のドレイン（第１端子）は高電位電源Ｖｄｄが供給され、ゲート（制御端子）は電圧供給線Ｌ０に接続され、ソース（第２端子）はフォトダイオードＰＤのカソードに接続されている。フォトダイオードＰＤのアノードは低電位電源（本実施形態ではグランドＧＮＤ）に接続されている。フォトダイオードＰＤは、入射光の光量に応じた電流Ｉｐを流す。
【００２２】
第１トランジスタＴ１とフォトダイオードＰＤとの間の接続点であるセンスノードＮ１は増幅トランジスタとしての第２トランジスタＴ２のゲートに接続されている。第２トランジスタＴ２のドレインには高電位電源Ｖｄｄが供給され、ソースは画素選択トランジスタとしての第３トランジスタＴ３の第１端子（例えばドレイン）に接続されている。
【００２３】
第３トランジスタＴ３のゲートは行信号線Ｒ０に接続され、第２端子（ソース）は列データ線Ｃ０に接続されている。第３トランジスタＴ３は行信号線Ｒ０を介して供給される読出信号に応じてオンオフ動作し、第２トランジスタＴ２と列データ線Ｃ０とを接離する。従って、第３トランジスタＴ３がオンしたときに第２トランジスタＴ２と列データ線Ｃ０とが接続される。列データ線Ｃ０には図示しない定電流源が接続されており、この定電流源と第２トランジスタＴ２によりソースフォロア回路を構成し、センスノードＮ１の電位が第２トランジスタＴ２を介して光電変換信号として列データ線Ｃ０に出力される。
【００２４】
上記のように構成された画素Ｃａに対して、図１に示す電圧制御回路１６は、第１駆動信号と第２駆動信号を供給する。第１駆動信号は画素Ｃａが光電変換動作するように電圧が設定された信号であり、第２駆動信号は画素Ｃａがリセット動作するように電圧が設定された信号である。
【００２５】
電圧制御回路１６は、第１トランジスタＴ１を弱反転状態、所謂サブスレショールド領域動作を行わせるように電圧を設定した第１駆動信号、例えばドレインの電位と同じ高電位電源Ｖｄｄの第１駆動信号を供給する。
【００２６】
画素Ｃａに光が当ると、この光量に応じてフォトダイオードＰＤにフォト電流Ｉｐが流れる。第１トランジスタＴ１には、第１駆動信号により弱反転状態であるため、フォト電流Ｉｐと同量のサブスレショールド電流(subthreshold current)が流れ、センスノードＮ１の電位は、フォト電流Ｉｐに応じた電位に安定する。このセンスノードＮ１の電位が安定した状態を電気的安定状態（又は電気的平衡状態）という。第１トランジスタＴ１に流れるサブスレショールド電流はフォトダイオードＰＤに流れるフォト電流Ｉｐと等しいため、センスノードＮ１の電位は、フォト電流Ｉｐを対数変換した電位となる。そして、読出信号により第３トランジスタＴ３をオンさせることにより、センスノードＮ１の電位、つまり入射光量に対応する電位の光電変換信号が得られる。
【００２７】
電圧制御回路１６は、第１トランジスタＴ１を強反転状態、所謂オン状態にて動作するように電圧を設定した第２駆動信号、例えばドレインの電位よりもトランジスタＴ１のしきい値電圧以上高い電圧の第２駆動信号を供給する。すると、センスノードＮ１の電位は、高電位電源Ｖｄｄと同じ電圧となり、出力電位が初期化される。この初期化により、過去にフォトダイオードＰＤに入射された光が次の光電変換信号に影響する、即ち残像の影響を防ぐことができる。
【００２８】
次に、第１駆動信号を画素Ｃａに供給した状態で入射光量が変化した場合について説明する。
上記と同様に、画素Ｃａに光が当ると、この第１の光量に応じてフォトダイオードＰＤにフォト電流Ｉｐが流れる。第１トランジスタＴ１は、第１駆動信号により弱反転状態であるため、センスノードＮ１の電位は、フォト電流Ｉｐに応じた電位に安定する平衡状態となる。
【００２９】
画素Ｃａへの入射光量が第２の光量に変化すると、その入射光量に応じてフォトダイオードＰＤにフォト電流Ｉｐ２が流れる。センスノードＮ１の電位は、第２の光量に基づくフォト電流Ｉｐ２に応じた電位へと変動する、いわゆる過渡状態となる。そして、時間経過に従ってセンスノードＮ１の電位は、フォト電流Ｉｐ２に応じた電位に安定する、つまり電気的安定状態となる。
【００３０】
ここで、過渡状態にある時間は、センスノードＮ１に存在している浮遊容量によって異なる。本実施形態の画素Ｃａでは積極的に電荷を蓄積するためのコンデンサを備えていない。しかし、現実的には、配線間等に微少な浮遊容量が存在する。この浮遊容量がほとんどゼロとみなせるほど小さい理想的な状態にある場合、過渡時間はゼロとみなせる。すなわち、浮遊容量に蓄積されている余分な電荷の引き抜き、もしくは浮遊容量に不足電荷を補うための蓄積、が非常に短時間に行われ、実質的な過渡時間はゼロとみなせる。従って、過渡状態の時間がゼロ、即ち入射光量が変化してからセンスノードＮ１が安定するまでの待ち時間がゼロであるため、待ち時間を設ける必要がなく、実質的に高速な読み出しができる。
【００３１】
浮遊容量がほとんどゼロとみなせるほど小さい理想的な状態にない場合、センスノードＮ１の電位は、過渡状態においては、第１の光量の影響を受ける電位となる、即ち残像が発生する。つまり、この時に読み出される光電変換信号は、第２の入射光量による信号と、第１の入射光量による残像信号とを含む。しかし、この残像信号は、センスノードＮ１の電位が平衡状態に近づくに従って小さくなり、平衡状態では０（ゼロ）となる。そして、読出信号により第３トランジスタＴ３をオンさせることにより、第２の光量に対応する電位の光電変換信号が得られる。
【００３２】
つまり、本実施形態では、リセット動作を行うことなく変化した光量に応じた電位の光電変換信号を得ることができる。従って、光量が一定の場合、センスノードＮ１の電位は平衡状態であるため、直ちにセンスノードＮ１の電位を読み出すことができる、つまり高速に読出しを行うことができる。
【００３３】
光量が変化した場合、その光量の変化量に応じて光量が変化してから平衡状態になるまでに入射光の変化量に対応した時間がかかる。この時間以上の時間間隔で読出しを行うことにより、残像の無い光電変換信号を得ることができる。この場合であっても、リセット動作が必要ないため、リセット動作を行う場合に比べて読出しまでの時間が短くなり、高速に読出しを行うことができる。
【００３４】
更に、入射光量が徐々に変化する場合、その光量変化に応じてセンスノードＮ１の電位が変化する。従って、入射光量の変化が、過渡状態から平衡状態へと移行するまでに必要な時間程度かそれ以下の場合、センスノードＮ１の電位はほぼ平衡状態で変化するといえる。一方、従来例のようにリセット動作を行うと、センスノードＮ１の電位が基準電位にリセットされるため、その基準電位から光量に応じた電位に変化するために入射光の変化量に対応した時間以上の時間がかかる。つまり、従来例では、リセット動作の期間と、平衡状態となるまでの期間とが必要となり、読出しの間隔が長い。しかし、本実施形態では、センスノードＮ１の電位がほぼ平衡状態で変化するため、読出しの間隔を従来例に比べて短く、ほぼ連続的に読み出すことができる。
【００３５】
光量が変化してから過渡状態を経て平衡状態に移行するまでに要する時間、つまり残像信号が残る時間は、入射光量の変化量の絶対値が同じであっても、変化する方向（減少又は増加）によって異なる。入射光量が減少した場合、フォト電流Ｉｐが減少するので浮遊容量に蓄積された電荷を引き抜くのに時間がかかるため、直前まで高い照度であった被写体部分が低い照度に変化した場合、残像信号が残る時間は長い。逆に、入射光量が増加した場合、フォト電流Ｉｐが増加するので浮遊容量に電荷を蓄積する時間が短く、残像信号が残る時間は短い。
【００３６】
このように、入射光量、即ち被写体照度によって残像消滅時間が異なる。このため、上記の固体撮像装置１０の出力信号Ｄｏに対してエッジ強調や色補正などの画像処理を行う処理回路では、連続的に読み出される２つの光電変換信号の間の変化量、つまり２つの光電変換信号の差の絶対値と差の符号に基づいて、選択的に処理を行うようにすればよい。例えば、入射光量が大きく増加した、つまり光電変換信号の値が大きくなった場合、残像は無いと判断して画像処理を実行する。一方、入射光量が大きく減少した、つまり、光電変換信号の値が小さくなるとともにその値の絶対値が読出し間隔により設定される基準値よりも大きい場合、残像があると判断して処理を保留するとともに、画素Ｃａをリセットするべく制御信号Ｓｃを出力する。これにより、残像を含む光電変換信号に対する画像処理を行うことを防ぎ、残像の影響を防ぐことができる。
【００３７】
以上記述したように、本実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
・固体撮像装置１０は、マトリックス状に配列された複数の画素Ｃａを備え、行アドレス信号Ｘ０，Ｘ１及び列アドレス信号Ｙ０，Ｙ１により決定される１つの画素Ｃａを選択する。そして、固体撮像装置１０は、選択した１つの画素Ｃａの画像情報、つまり光電変換により生成した入射光量に応じた光電変換信号を出力信号Ｄｏとして出力する。従って、行アドレス信号Ｘ０，Ｘ１及び列アドレス信号Ｙ０，Ｙ１により、任意な位置の画素Ｃａの画像情報を読み出すことができる。
【００３８】
・電圧制御回路１６は、制御信号Ｓｃに応答して電圧供給線Ｌ０〜Ｌ３を介して各画素Ｃａに、第１駆動信号を供給し、各画素Ｃａを対数変換型画素として機能させる。また、電圧制御回路１６は、制御信号Ｓｃに応答して各画素Ｃａにリセット動作するための第２駆動信号を供給する。各画素Ｃａは、第２駆動信号に応答してその第２駆動信号の入力直前に保持した画像情報を消去する。従って、制御信号により画素Ｃａをリセットすることにより、画素Ｃａに発生する残像が次に読出される画像情報に影響することを防ぐことができる。
【００３９】
・画素Ｃａは、フォトダイオードＰＤと、フォトダイオードＰＤに接続されサブスレショールド領域にて動作する第１トランジスタＴ１とを備えた対数変換型画素である対数変換型画素は、線形変換型画素に比べてダイナミックレンジが広いため、暗い部分における黒つぶれや明るい部分における白とびがないため、鮮明な画像を得ることができる。
【００４０】
尚、上記各実施の形態は、以下の態様で実施してもよい。
・上記実施形態における固体撮像装置１０の構成を適宜変更しても良い。
例えば、図３に示すように、固体撮像装置を構成する。この固体撮像装置２０は、直並列変換回路（シリアル−パラレル変換回路：ＳＰ変換回路）２１を備える。ＳＰ変換回路２１は、シリアル変換されたアドレス信号Ｓｉを入力し、該アドレス信号Ｓｉをパラレル変換して生成した行アドレス信号Ｘ０，Ｘ１及び列アドレス信号Ｙ０，Ｙ１をＸデコーダ１２及びＹデコーダ１３に出力する。このように、固体撮像装置２０を構成することにより、行アドレス信号Ｘ０，Ｘ１及び列アドレス信号Ｙ０，Ｙ１を入力する専用ピンを設ける必要がないため、固体撮像装置２０のパッケージサイズを小さくすることができる。
【００４１】
また、図４に示すように、固体撮像装置を構成する。この固体撮像装置３０は、アドレス発生回路３１を備える。アドレス発生回路３１は、読出し領域の対角の画素を指定する先頭データＳｐ及び最終データＥｐに基づいて、読出し領域に含まれる全ての画素Ｃａを指定するための行アドレス信号Ｘ０，Ｘ１及び列アドレス信号Ｙ０，Ｙ１を順次生成する。この構成により、読出し領域に含まれる全ての画素Ｃａから光電変換信号が連続的に順次出力されるため、撮像部１１から部分的な画像情報を容易に読み出すことができる。尚、先頭データＳｐ及び最終データＥｐに替えて、読出し領域の基準位置（例えば、アドレスが最も小さい画素Ｃａの位置）と領域のサイズ（画素の個数）を入力するように構成してもよい。
【００４２】
また、図５に示すように、固体撮像装置を構成する。この固体撮像装置４０は、複数（図５において２つ）のコラムアンプ４１，４２と、出力回路４３とを備える。両コラムアンプ４１，４２は、パイプライン構成であり、それぞれ光電変換信号をサンプリングして生成したデジタル信号を出力する。そして、両コラムアンプ４１，４２を交互に動作させる。即ち、一方のコラムアンプからデジタル信号を出力するときに他方のコラムアンプにて読み出した光電変換信号のサンプリングを行う。出力回路４３は、両コラムアンプ４１，４２から交互に出力されるデジタル信号を出力信号Ｄｏとして出力する。
【００４３】
各行信号線Ｒ０〜Ｒ３を介して読出信号が供給されると、各行信号線Ｒ０〜Ｒ３に接続された複数の画素Ｃａから同時に光電変換信号が出力される。従って、１つの行信号線に接続された画素Ｃａの画像情報を読み出すためには行アドレスと列アドレスとを指定する必要があり、続いて同じ行信号線に接続された別の画素Ｃａの画像情報を読み出すためには列アドレスのみを指定すればよい。このため、アドレスの指定から出力信号が出力するまでの時間に差が生じる。従って、一定の間隔でアドレスを指定しても、出力信号の出力間隔が異なる場合がある。この現象は、選択する行信号線を変更する、つまり行アドレス信号を変更する場合に発生する。このため、１つの行アドレスの指定により読み出された複数の画像情報を一方のコラムアンプにてサンプリングして出力信号を順次出力する。この出力信号を出力している間に、別の行アドレスを指定して行信号線に接続された複数の画素Ｃａから読み出した画像情報を別のコラムアンプに入力する。そして、出力回路４３は、一方のコラムアンプからの読出しが終了すると、別のコラムアンプからの読出しを開始する。このように、第１コラムアンプ４１と第２コラムアンプ４２に対してランプリングと信号の読出しとを交互に行うことにより、行アドレスを変更しても一定の間隔で出力信号Ｄｏを出力することができる。
【００４４】
・上記各実施形態における画素Ｃａは、フォト電流Ｉｐにより設定されるセンスノードＮ１の電位を読み出す、所謂スタティック動作をしている。ちなみに、従来の画素は、コンデンサに対する電荷の蓄積・放電を行うダイナミック動作をしている。このため、スタティック動作を専ら行う画素、つまり、フォトダイオードＰＤに流れるフォト電流Ｉｐを検出して電気信号に変換する画素であれば構成を変更しても良く、例えば、図６に示すように、抵抗Ｒ１を備えた画素を用いてもよい。この画素は、抵抗Ｒ１にフォト電流Ｉｐが流れることによって生じるセンスノードＮ１の電圧変化を光電変換信号として読み出すものである。尚、図６に示す画素に、センスノードＮ１をリセットするためのトランジスタを備えても良い。
【００４５】
・上記実施形態では、入力される制御信号Ｓｃにより画素Ｃａをリセットするようにしたが、固体撮像装置自身が判断して画素Ｃａをリセットするようにしてもよい。この一具体例を図７に示す。この固体撮像装置５０は、読み出し検出回路５１とリセット制御回路５２とを備える。読み出し検出回路５１は、行信号線Ｒ０〜Ｒ３に接続され、各行信号線Ｒ０〜Ｒ３の電圧変化に基づいて画像情報の読出しを検出し、検出信号を出力する。リセット制御回路５２は、読み出し検出回路５１の検出信号に基づいて読出し回数をカウントし、そのカウント値が設定値（例えば、３０回）と一致すると制御信号Ｓｃを電圧制御回路１６に出力する。この構成により、読出し動作に対して間欠的にリセットを実行することができ、残像の影響を定期的に除去することができる。尚、読出し検出回路は、列データ線のレベル変化、アドレス信号（行アドレス信号Ｘ０，Ｘ１及び列アドレス信号Ｙ０，Ｙ１）の変化、等に基づき読出しを検出するようにしてもよい。
【００４６】
・上記各実施形態では、１導電チャネル型のトランジスタとしてＮチャネル型ＭＯＳトランジスタを用いたが、Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタを用いてもよい。また、Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタ及びＰチャネル型ＭＯＳトランジスタを用いたＣＭＯＳ構造としてもよい。
【００４７】
・上記実施形態では全ての画素Ｃａを一括してリセットするようにしたが、別々にリセットするようにしてもよい。例えば、電圧制御回路１６は、行アドレス信号Ｘ０，Ｘ１に基づいて選択される行信号線Ｒ０〜Ｒ３の選択情報を入力し、その選択情報に基づいて、画像情報が読み出された画素Ｃａが接続された行信号線に第２駆動信号を供給することにより、読出し動作が行われた行の画素Ｃａをリセットする。この構成によれば、１つの行信号線に接続された画素Ｃａから画像情報を読み出しているときに、読出しが終了した行の画素Ｃａをリセットすることができる、つまり読出しとリセットを同時に行うことができるため、従来例のようにリセットが終了するまで待つ必要がなく、連続的に画像情報の読出しを行うことができ、複数の画像情報の読出し時間が短くなる、つまり実効的な読出し速度を向上することができる。
【００４８】
・上記各実施形態では、各行の画素Ｃａを同じ電圧供給線Ｌ０〜Ｌ３に接続したが、個々の画素Ｃａに対して電圧供給線を別々に接続する構成としてもよい。また、複数行の画素Ｃａを１本の電圧供給線に接続する構成としてもよい。
【００４９】
・上記各実施形態では、第１トランジスタＴ１のゲートに供給する信号の電圧を制御して対数変換のための負荷トランジスタとリセットのためのトランジスタとに機能させるようにしたが、対数変換と対数変換するためのトランジスタとセンスノードＮ１をリセットするためのトランジスタとを別々の構成としてもよい。
【００５０】
上記各実施の形態から把握できる技術的思想を以下に記載する。
・読出し領域を設定する領域情報が入力され、該領域情報に基づいて前記読出し領域に含まれるすべての画素を選択するためのアドレス信号を順次発生するアドレス発生回路を備えたことを特徴とする請求項１〜３のうちの何れか一項に記載の固体撮像装置。
【００５１】
・シリアル信号をパラレル変換して前記アドレス信号を生成するシリアル−パラレル変換回路を備えたことを特徴とする請求項１〜３のうちの何れか一項に記載の固体撮像装置。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】一実施形態の固体撮像装置のブロック回路図。
【図２】画素の回路図。
【図３】別の固体撮像装置のブロック回路図。
【図４】別の固体撮像装置のブロック回路図。
【図５】別の固体撮像装置のブロック回路図。
【図６】別の画素の回路図。
【図７】別の固体撮像装置のブロック回路図。
【符号の説明】
【００５３】
１１…撮像部、１６…電圧制御回路、５２…リセット制御回路、Ｃ０〜Ｃ３…列データ線、Ｃａ…画素、Ｉｐ…フォト電流、Ｎ１…センスノード、Ｒ０〜Ｒ３…行信号線、Ｓｃ…制御信号、Ｘ０，Ｘ１…行アドレス信号、Ｙ０，Ｙ１…列アドレス信号、Ｔ１…第１トランジスタ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、種々の画像データを取得するために、ＭＯＳ型の固体撮像装置が用いられている。この種の固体撮像装置は、複数の画素が例えばマトリックス配置され、垂直走査回路により行（ライン）を順次走査して各列の画素から画像信号を読み出し、水平走査回路により１ライン分の画像信号を画素毎に読み出すように構成されている。各画素は、線形変換型のイメージセンサであって、所定の電荷蓄積時間、所謂インテグレーションタイムにおいてフォトダイオードで光電変換された画像情報をコンデンサに電荷として蓄積し、蓄積電荷量に応じた画像信号を出力する。このように、コンデンサに電荷を蓄積するインテグレーション動作を行うため、コンデンサに電荷が蓄積されていると、次の蓄積期間においてコンデンサに蓄積される電荷量が入射光量と対応しなくなる。このため、基準電位レベルをコンデンサに与えるリセット動作を行う必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、リセット動作は蓄積電荷の消去なので、リセット後、次の画像情報を蓄積するためのインテグレーションタイムが必要である。そして、リセット動作とインテグレーション動作と情報の読み出し動作を繰り返し行わなければならない。このため、動的に変化する画像の情報を連続的に読み出しをしようとしても、このインテグレーションタイムやリセット動作が制約条件になり、高速読み出しができなかった。
【０００４】
この発明は、画像情報を高速に読み出すようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明による固体撮像装置は、受光素子に流れる電流を検出して電気信号に変換する画素が複数の行信号線及び列データ線の交差点にそれぞれ接続されてマトリックス状に配置された撮像部と、前記行信号線及び前記列データ線と接続され、アドレス信号に基づく行信号線及び列データ線を選択するデコーダと、選択された前記行信号線に接続された画素から列データ線を介して入力される光電変換信号を増幅する増幅回路と、前記受光素子に入射光量に応じた電流が流れるように制御する第１駆動信号と、前記受光素子が接続されたセンスノードをリセットするための第２駆動信号とを生成し、制御信号に応答して前記第１駆動信号及び第２駆動信号を切り換えて前記画素に供給する電圧制御回路と、を備えたものである。
【０００６】
この発明では、画素において受光素子に流れる電流を電気的平衡状態下で検出して電気信号に変換する、つまり動作原理が専らスタティック状態によっているため、電荷の蓄積及び放電を行うダイナミック状態による画素に必要な画像情報の読出し毎のリセットが不要である。このため、第１駆動信号を供給している間、アドレス信号を変更することでそれらのアドレス信号により選択される画素から連続的に画像情報の読出しを行うことができ、読出し間隔が短くなる、つまり実効的に高い読出し速度を得られ、画像情報を高速に読出すことができる。また、制御信号により画素をリセットすることにより、画素に発生する残像が次に読出される画像情報に影響することを防ぐことができる。
【０００７】
この発明の好ましい一実施態様においては、前記画素に対する読出しを検出する読み出し検出回路と、前記読み出し検出回路の検出結果に基づき読出し回数をカウントし、該カウント値と設定値とを比較して前記制御信号を出力するリセット制御回路と、がさらに設けられる。この構成により、画素を間欠的にリセットすることで、外部から制御する必要がなく、残像が次に読出される画像情報に影響することを防ぐことができる。
【０００８】
この発明の一態様においては、前記画素は、受光素子に接続され、前記第１駆動信号によりサブスレショールド領域にて動作する負荷トランジスタと、前記受光素子と前記負荷トランジスタとの間のセンスノードに接続され該センスノードの電位に応じた光電変換信号を出力する増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタと前記列データ線とを接離する読出トランジスタと、を備えた対数変換型画素である。対数変換型画素は、線形変換型画素に比べてダイナミックレンジが広いため、暗い部分における黒つぶれや明るい部分における白とびがないため、鮮明な画像を得ることができる。
【発明の効果】
【０００９】
以上記述したように、本発明によれば、画像情報を高速に読み出すことが可能な固体撮像装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１は、固体撮像装置の概略ブロック回路図である。
固体撮像装置１０は、撮像部１１、アドレスデコーダとしてのＸデコーダ１２及びＹデコーダ１３、増幅回路としてのコラムアンプ１４、出力回路１５、電圧制御回路１６を含む。
【００１１】
撮像部１１は、行列配列された複数の画素Ｃａを備えている。尚、説明を簡単にするため、本実施の形態では、４行４列のマトリックス状に配列された画素Ｃａを備えた撮像部１１について説明する。各画素Ｃａは、受光素子に流れる電流を検出して電気信号に変換する画素である。各行の画素Ｃａはそれぞれ行信号線Ｒ０〜Ｒ３に接続され、各列の画素Ｃａはそれぞれ列データ線Ｃ０〜Ｃ３に接続されている。
【００１２】
Ｘデコーダ１２は、撮像部１１の行数に対応する４本の行信号線Ｒ０〜Ｒ３が接続され、撮像部１１の行数に対応する２ビットの行アドレス信号Ｘ０，Ｘ１が入力される。Ｘデコーダ１２は、行アドレス信号Ｘ０，Ｘ１をデコードして行信号線Ｒ０〜Ｒ３のうちの１本を選択する。そして、Ｘデコーダ１２は、選択した１本の行信号線の電位を画素Ｃａから画像情報を読み出すための電圧レベルに制御する。従って、本実施形態では、選択された１本の行信号線を介して、同行信号線に接続された４個の画素Ｃａに画像情報を読み出すための電圧が読出信号として供給される。各画素Ｃａは、行信号線Ｒ０〜Ｒ３を介して供給される読出信号に応答して画像情報を列データ線Ｃ０〜Ｃ３に出力する。
【００１３】
４個の画素Ｃａから読み出された画像情報としての光電変換信号は、各画素Ｃａが接続された列データ線Ｃ０〜Ｃ３を介してコラムアンプ１４に入力される。コラムアンプ１４はＹデコーダ１３に接続され、該Ｙデコーダ１３には撮像部１１の列数に対応する２ビットの列アドレス信号Ｙ０，Ｙ１が入力される。Ｙデコーダ１３は、アドレス信号Ｙ０，Ｙ１をデコードした信号をコラムアンプ１４に出力する。
【００１４】
コラムアンプ１４は、増幅部とマルチプレクサ回路部とアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換部とを含み、増幅部は各列データ線Ｃ０〜Ｃ３に対応して設けられている。各列データ線Ｃ０〜Ｃ３を介して入力される光電変換信号は各増幅部にてそれぞれ増幅され、マルチプレクサ回路部を介して１つのＡ／Ｄ変換部に伝達される。Ａ／Ｄ変換部は対応する増幅部の出力信号を所定のクロック信号に基づいてサンプリングし、そのサンプリングしたアナログ量（例えば電圧）をデジタル信号に変換する。つまり、コラムアンプ１４は、各行信号線Ｒ０〜Ｒ３に接続された４個の画素Ｃａからそれぞれ読み出された光電変換信号に対応する４つのデジタル信号を生成する。そして、コラムアンプ１４は、Ｙデコーダ１３の出力信号に基づき、４つのデジタル信号のうちアドレス信号Ｙ０，Ｙ１の論理レベルに対応する１つのデジタル信号を選択し、該デジタル信号を出力回路１５に出力する。出力回路１５は、コラムアンプ１４の出力信号を変換した出力信号Ｄｏを出力する。
【００１５】
即ち、固体撮像装置１０は、マトリックス状に配列された複数の画素Ｃａを備え、行アドレス信号Ｘ０，Ｘ１及び列アドレス信号Ｙ０，Ｙ１により決定される１つの画素Ｃａを選択する。そして、固体撮像装置１０は、選択した１つの画素Ｃａの画像情報、つまり光電変換により生成した入射光量に応じた光電変換信号を出力信号Ｄｏとして出力する。従って、行アドレス信号Ｘ０，Ｘ１及び列アドレス信号Ｙ０，Ｙ１により、任意な位置の画素Ｃａの画像情報を読み出すことができる。
【００１６】
上記撮像部１１を構成する各列の画素Ｃａは、それぞれ電圧供給線Ｌ０〜Ｌ３に接続されている。つまり、各電圧供給線Ｌ０〜Ｌ３には、行信号線Ｒ０〜Ｒ３と同様に、それぞれ４個の画素Ｃａが接続されている。各電圧供給線Ｌ０〜Ｌ３は、電圧制御回路１６に接続されている。
【００１７】
電圧制御回路１６は、外部入力される制御信号Ｓｃに応答して電圧供給線Ｌ０〜Ｌ３を介して各画素Ｃａに供給する駆動信号の電圧を制御する。例えば、電圧制御回路１６は、Ｌレベルの制御信号Ｓｃに基づいて第１の電圧の駆動信号（以下、第１駆動信号）を各画素Ｃａに供給し、Ｈレベルの制御信号Ｓｃに基づいて第２の電圧の駆動信号（以下、第２駆動信号）を各画素Ｃａに供給する。第１駆動信号は、その電圧が各画素Ｃａにおいて光電変換動作するために設定された信号である。第２駆動信号は、その電圧が各画素Ｃａにおいてリセット動作するために設定された信号である。各画素Ｃａは、第１駆動信号に応答して、入射光を光電変換して画像情報を生成する。また、各画素Ｃａは、第２駆動信号に応答してその第２駆動信号の入力直前に保持した画像情報を消去する。従って、この固体撮像装置１０を利用する場合、制御信号Ｓｃを供給することにより、必要に応じて各画素Ｃａをリセットして画像情報を一旦消去した後の画像を得ることができる。
【００１８】
尚、電圧制御回路１６が応答する制御信号Ｓｃのレベルは適宜変更されてもよい。また、制御信号Ｓｃが複数ビット又は複数の信号により構成されていてもよく、複数ビット又は複数の信号の論理レベルの組み合わせに基づいて駆動信号の電圧を制御する。
【００１９】
次に、画素Ｃａの構成を説明する。尚、各画素Ｃａの構成は同じであるため、行信号線Ｒ０と列データ線Ｃ０とに接続された画素Ｃａについて説明する。
図２に示すように、本実施形態の画素Ｃａは対数変換型画像素子である。対数変換型画像素子は、線形変換型画素に比べてダイナミックレンジが広いため、暗い部分における黒つぶれや明るい部分における白とびがないため、鮮明な画像を得ることができる。
【００２０】
画素Ｃａは、受光素子としてのフォトダイオードＰＤと、３つのトランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３とから構成されている。第１〜第３トランジスタＴ１〜Ｔ３は、１導電チャネル型のトランジスタ（本実施形態ではＮチャネル型ＭＯＳトランジスタ）であり、図示しないがバックゲートがグランドＧＮＤに接続されている。
【００２１】
負荷トランジスタとしての第１トランジスタＴ１のドレイン（第１端子）は高電位電源Ｖｄｄが供給され、ゲート（制御端子）は電圧供給線Ｌ０に接続され、ソース（第２端子）はフォトダイオードＰＤのカソードに接続されている。フォトダイオードＰＤのアノードは低電位電源（本実施形態ではグランドＧＮＤ）に接続されている。フォトダイオードＰＤは、入射光の光量に応じた電流Ｉｐを流す。
【００２２】
第１トランジスタＴ１とフォトダイオードＰＤとの間の接続点であるセンスノードＮ１は増幅トランジスタとしての第２トランジスタＴ２のゲートに接続されている。第２トランジスタＴ２のドレインには高電位電源Ｖｄｄが供給され、ソースは画素選択トランジスタとしての第３トランジスタＴ３の第１端子（例えばドレイン）に接続されている。
【００２３】
第３トランジスタＴ３のゲートは行信号線Ｒ０に接続され、第２端子（ソース）は列データ線Ｃ０に接続されている。第３トランジスタＴ３は行信号線Ｒ０を介して供給される読出信号に応じてオンオフ動作し、第２トランジスタＴ２と列データ線Ｃ０とを接離する。従って、第３トランジスタＴ３がオンしたときに第２トランジスタＴ２と列データ線Ｃ０とが接続される。列データ線Ｃ０には図示しない定電流源が接続されており、この定電流源と第２トランジスタＴ２によりソースフォロア回路を構成し、センスノードＮ１の電位が第２トランジスタＴ２を介して光電変換信号として列データ線Ｃ０に出力される。
【００２４】
上記のように構成された画素Ｃａに対して、図１に示す電圧制御回路１６は、第１駆動信号と第２駆動信号を供給する。第１駆動信号は画素Ｃａが光電変換動作するように電圧が設定された信号であり、第２駆動信号は画素Ｃａがリセット動作するように電圧が設定された信号である。
【００２５】
電圧制御回路１６は、第１トランジスタＴ１を弱反転状態、所謂サブスレショールド領域動作を行わせるように電圧を設定した第１駆動信号、例えばドレインの電位と同じ高電位電源Ｖｄｄの第１駆動信号を供給する。
【００２６】
画素Ｃａに光が当ると、この光量に応じてフォトダイオードＰＤにフォト電流Ｉｐが流れる。第１トランジスタＴ１には、第１駆動信号により弱反転状態であるため、フォト電流Ｉｐと同量のサブスレショールド電流(subthreshold current)が流れ、センスノードＮ１の電位は、フォト電流Ｉｐに応じた電位に安定する。このセンスノードＮ１の電位が安定した状態を電気的安定状態（又は電気的平衡状態）という。第１トランジスタＴ１に流れるサブスレショールド電流はフォトダイオードＰＤに流れるフォト電流Ｉｐと等しいため、センスノードＮ１の電位は、フォト電流Ｉｐを対数変換した電位となる。そして、読出信号により第３トランジスタＴ３をオンさせることにより、センスノードＮ１の電位、つまり入射光量に対応する電位の光電変換信号が得られる。
【００２７】
電圧制御回路１６は、第１トランジスタＴ１を強反転状態、所謂オン状態にて動作するように電圧を設定した第２駆動信号、例えばドレインの電位よりもトランジスタＴ１のしきい値電圧以上高い電圧の第２駆動信号を供給する。すると、センスノードＮ１の電位は、高電位電源Ｖｄｄと同じ電圧となり、出力電位が初期化される。この初期化により、過去にフォトダイオードＰＤに入射された光が次の光電変換信号に影響する、即ち残像の影響を防ぐことができる。
【００２８】
次に、第１駆動信号を画素Ｃａに供給した状態で入射光量が変化した場合について説明する。
上記と同様に、画素Ｃａに光が当ると、この第１の光量に応じてフォトダイオードＰＤにフォト電流Ｉｐが流れる。第１トランジスタＴ１は、第１駆動信号により弱反転状態であるため、センスノードＮ１の電位は、フォト電流Ｉｐに応じた電位に安定する平衡状態となる。
【００２９】
画素Ｃａへの入射光量が第２の光量に変化すると、その入射光量に応じてフォトダイオードＰＤにフォト電流Ｉｐ２が流れる。センスノードＮ１の電位は、第２の光量に基づくフォト電流Ｉｐ２に応じた電位へと変動する、いわゆる過渡状態となる。そして、時間経過に従ってセンスノードＮ１の電位は、フォト電流Ｉｐ２に応じた電位に安定する、つまり電気的安定状態となる。
【００３０】
ここで、過渡状態にある時間は、センスノードＮ１に存在している浮遊容量によって異なる。本実施形態の画素Ｃａでは積極的に電荷を蓄積するためのコンデンサを備えていない。しかし、現実的には、配線間等に微少な浮遊容量が存在する。この浮遊容量がほとんどゼロとみなせるほど小さい理想的な状態にある場合、過渡時間はゼロとみなせる。すなわち、浮遊容量に蓄積されている余分な電荷の引き抜き、もしくは浮遊容量に不足電荷を補うための蓄積、が非常に短時間に行われ、実質的な過渡時間はゼロとみなせる。従って、過渡状態の時間がゼロ、即ち入射光量が変化してからセンスノードＮ１が安定するまでの待ち時間がゼロであるため、待ち時間を設ける必要がなく、実質的に高速な読み出しができる。
【００３１】
浮遊容量がほとんどゼロとみなせるほど小さい理想的な状態にない場合、センスノードＮ１の電位は、過渡状態においては、第１の光量の影響を受ける電位となる、即ち残像が発生する。つまり、この時に読み出される光電変換信号は、第２の入射光量による信号と、第１の入射光量による残像信号とを含む。しかし、この残像信号は、センスノードＮ１の電位が平衡状態に近づくに従って小さくなり、平衡状態では０（ゼロ）となる。そして、読出信号により第３トランジスタＴ３をオンさせることにより、第２の光量に対応する電位の光電変換信号が得られる。
【００３２】
つまり、本実施形態では、リセット動作を行うことなく変化した光量に応じた電位の光電変換信号を得ることができる。従って、光量が一定の場合、センスノードＮ１の電位は平衡状態であるため、直ちにセンスノードＮ１の電位を読み出すことができる、つまり高速に読出しを行うことができる。
【００３３】
光量が変化した場合、その光量の変化量に応じて光量が変化してから平衡状態になるまでに入射光の変化量に対応した時間がかかる。この時間以上の時間間隔で読出しを行うことにより、残像の無い光電変換信号を得ることができる。この場合であっても、リセット動作が必要ないため、リセット動作を行う場合に比べて読出しまでの時間が短くなり、高速に読出しを行うことができる。
【００３４】
更に、入射光量が徐々に変化する場合、その光量変化に応じてセンスノードＮ１の電位が変化する。従って、入射光量の変化が、過渡状態から平衡状態へと移行するまでに必要な時間程度かそれ以下の場合、センスノードＮ１の電位はほぼ平衡状態で変化するといえる。一方、従来例のようにリセット動作を行うと、センスノードＮ１の電位が基準電位にリセットされるため、その基準電位から光量に応じた電位に変化するために入射光の変化量に対応した時間以上の時間がかかる。つまり、従来例では、リセット動作の期間と、平衡状態となるまでの期間とが必要となり、読出しの間隔が長い。しかし、本実施形態では、センスノードＮ１の電位がほぼ平衡状態で変化するため、読出しの間隔を従来例に比べて短く、ほぼ連続的に読み出すことができる。
【００３５】
光量が変化してから過渡状態を経て平衡状態に移行するまでに要する時間、つまり残像信号が残る時間は、入射光量の変化量の絶対値が同じであっても、変化する方向（減少又は増加）によって異なる。入射光量が減少した場合、フォト電流Ｉｐが減少するので浮遊容量に蓄積された電荷を引き抜くのに時間がかかるため、直前まで高い照度であった被写体部分が低い照度に変化した場合、残像信号が残る時間は長い。逆に、入射光量が増加した場合、フォト電流Ｉｐが増加するので浮遊容量に電荷を蓄積する時間が短く、残像信号が残る時間は短い。
【００３６】
このように、入射光量、即ち被写体照度によって残像消滅時間が異なる。このため、上記の固体撮像装置１０の出力信号Ｄｏに対してエッジ強調や色補正などの画像処理を行う処理回路では、連続的に読み出される２つの光電変換信号の間の変化量、つまり２つの光電変換信号の差の絶対値と差の符号に基づいて、選択的に処理を行うようにすればよい。例えば、入射光量が大きく増加した、つまり光電変換信号の値が大きくなった場合、残像は無いと判断して画像処理を実行する。一方、入射光量が大きく減少した、つまり、光電変換信号の値が小さくなるとともにその値の絶対値が読出し間隔により設定される基準値よりも大きい場合、残像があると判断して処理を保留するとともに、画素Ｃａをリセットするべく制御信号Ｓｃを出力する。これにより、残像を含む光電変換信号に対する画像処理を行うことを防ぎ、残像の影響を防ぐことができる。
【００３７】
以上記述したように、本実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
・固体撮像装置１０は、マトリックス状に配列された複数の画素Ｃａを備え、行アドレス信号Ｘ０，Ｘ１及び列アドレス信号Ｙ０，Ｙ１により決定される１つの画素Ｃａを選択する。そして、固体撮像装置１０は、選択した１つの画素Ｃａの画像情報、つまり光電変換により生成した入射光量に応じた光電変換信号を出力信号Ｄｏとして出力する。従って、行アドレス信号Ｘ０，Ｘ１及び列アドレス信号Ｙ０，Ｙ１により、任意な位置の画素Ｃａの画像情報を読み出すことができる。
【００３８】
・電圧制御回路１６は、制御信号Ｓｃに応答して電圧供給線Ｌ０〜Ｌ３を介して各画素Ｃａに、第１駆動信号を供給し、各画素Ｃａを対数変換型画素として機能させる。また、電圧制御回路１６は、制御信号Ｓｃに応答して各画素Ｃａにリセット動作するための第２駆動信号を供給する。各画素Ｃａは、第２駆動信号に応答してその第２駆動信号の入力直前に保持した画像情報を消去する。従って、制御信号により画素Ｃａをリセットすることにより、画素Ｃａに発生する残像が次に読出される画像情報に影響することを防ぐことができる。
【００３９】
・画素Ｃａは、フォトダイオードＰＤと、フォトダイオードＰＤに接続されサブスレショールド領域にて動作する第１トランジスタＴ１とを備えた対数変換型画素である対数変換型画素は、線形変換型画素に比べてダイナミックレンジが広いため、暗い部分における黒つぶれや明るい部分における白とびがないため、鮮明な画像を得ることができる。
【００４０】
尚、上記各実施の形態は、以下の態様で実施してもよい。
・上記実施形態における固体撮像装置１０の構成を適宜変更しても良い。
例えば、図３に示すように、固体撮像装置を構成する。この固体撮像装置２０は、直並列変換回路（シリアル−パラレル変換回路：ＳＰ変換回路）２１を備える。ＳＰ変換回路２１は、シリアル変換されたアドレス信号Ｓｉを入力し、該アドレス信号Ｓｉをパラレル変換して生成した行アドレス信号Ｘ０，Ｘ１及び列アドレス信号Ｙ０，Ｙ１をＸデコーダ１２及びＹデコーダ１３に出力する。このように、固体撮像装置２０を構成することにより、行アドレス信号Ｘ０，Ｘ１及び列アドレス信号Ｙ０，Ｙ１を入力する専用ピンを設ける必要がないため、固体撮像装置２０のパッケージサイズを小さくすることができる。
【００４１】
また、図４に示すように、固体撮像装置を構成する。この固体撮像装置３０は、アドレス発生回路３１を備える。アドレス発生回路３１は、読出し領域の対角の画素を指定する先頭データＳｐ及び最終データＥｐに基づいて、読出し領域に含まれる全ての画素Ｃａを指定するための行アドレス信号Ｘ０，Ｘ１及び列アドレス信号Ｙ０，Ｙ１を順次生成する。この構成により、読出し領域に含まれる全ての画素Ｃａから光電変換信号が連続的に順次出力されるため、撮像部１１から部分的な画像情報を容易に読み出すことができる。尚、先頭データＳｐ及び最終データＥｐに替えて、読出し領域の基準位置（例えば、アドレスが最も小さい画素Ｃａの位置）と領域のサイズ（画素の個数）を入力するように構成してもよい。
【００４２】
また、図５に示すように、固体撮像装置を構成する。この固体撮像装置４０は、複数（図５において２つ）のコラムアンプ４１，４２と、出力回路４３とを備える。両コラムアンプ４１，４２は、パイプライン構成であり、それぞれ光電変換信号をサンプリングして生成したデジタル信号を出力する。そして、両コラムアンプ４１，４２を交互に動作させる。即ち、一方のコラムアンプからデジタル信号を出力するときに他方のコラムアンプにて読み出した光電変換信号のサンプリングを行う。出力回路４３は、両コラムアンプ４１，４２から交互に出力されるデジタル信号を出力信号Ｄｏとして出力する。
【００４３】
各行信号線Ｒ０〜Ｒ３を介して読出信号が供給されると、各行信号線Ｒ０〜Ｒ３に接続された複数の画素Ｃａから同時に光電変換信号が出力される。従って、１つの行信号線に接続された画素Ｃａの画像情報を読み出すためには行アドレスと列アドレスとを指定する必要があり、続いて同じ行信号線に接続された別の画素Ｃａの画像情報を読み出すためには列アドレスのみを指定すればよい。このため、アドレスの指定から出力信号が出力するまでの時間に差が生じる。従って、一定の間隔でアドレスを指定しても、出力信号の出力間隔が異なる場合がある。この現象は、選択する行信号線を変更する、つまり行アドレス信号を変更する場合に発生する。このため、１つの行アドレスの指定により読み出された複数の画像情報を一方のコラムアンプにてサンプリングして出力信号を順次出力する。この出力信号を出力している間に、別の行アドレスを指定して行信号線に接続された複数の画素Ｃａから読み出した画像情報を別のコラムアンプに入力する。そして、出力回路４３は、一方のコラムアンプからの読出しが終了すると、別のコラムアンプからの読出しを開始する。このように、第１コラムアンプ４１と第２コラムアンプ４２に対してランプリングと信号の読出しとを交互に行うことにより、行アドレスを変更しても一定の間隔で出力信号Ｄｏを出力することができる。
【００４４】
・上記各実施形態における画素Ｃａは、フォト電流Ｉｐにより設定されるセンスノードＮ１の電位を読み出す、所謂スタティック動作をしている。ちなみに、従来の画素は、コンデンサに対する電荷の蓄積・放電を行うダイナミック動作をしている。このため、スタティック動作を専ら行う画素、つまり、フォトダイオードＰＤに流れるフォト電流Ｉｐを検出して電気信号に変換する画素であれば構成を変更しても良く、例えば、図６に示すように、抵抗Ｒ１を備えた画素を用いてもよい。この画素は、抵抗Ｒ１にフォト電流Ｉｐが流れることによって生じるセンスノードＮ１の電圧変化を光電変換信号として読み出すものである。尚、図６に示す画素に、センスノードＮ１をリセットするためのトランジスタを備えても良い。
【００４５】
・上記実施形態では、入力される制御信号Ｓｃにより画素Ｃａをリセットするようにしたが、固体撮像装置自身が判断して画素Ｃａをリセットするようにしてもよい。この一具体例を図７に示す。この固体撮像装置５０は、読み出し検出回路５１とリセット制御回路５２とを備える。読み出し検出回路５１は、行信号線Ｒ０〜Ｒ３に接続され、各行信号線Ｒ０〜Ｒ３の電圧変化に基づいて画像情報の読出しを検出し、検出信号を出力する。リセット制御回路５２は、読み出し検出回路５１の検出信号に基づいて読出し回数をカウントし、そのカウント値が設定値（例えば、３０回）と一致すると制御信号Ｓｃを電圧制御回路１６に出力する。この構成により、読出し動作に対して間欠的にリセットを実行することができ、残像の影響を定期的に除去することができる。尚、読出し検出回路は、列データ線のレベル変化、アドレス信号（行アドレス信号Ｘ０，Ｘ１及び列アドレス信号Ｙ０，Ｙ１）の変化、等に基づき読出しを検出するようにしてもよい。
【００４６】
・上記各実施形態では、１導電チャネル型のトランジスタとしてＮチャネル型ＭＯＳトランジスタを用いたが、Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタを用いてもよい。また、Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタ及びＰチャネル型ＭＯＳトランジスタを用いたＣＭＯＳ構造としてもよい。
【００４７】
・上記実施形態では全ての画素Ｃａを一括してリセットするようにしたが、別々にリセットするようにしてもよい。例えば、電圧制御回路１６は、行アドレス信号Ｘ０，Ｘ１に基づいて選択される行信号線Ｒ０〜Ｒ３の選択情報を入力し、その選択情報に基づいて、画像情報が読み出された画素Ｃａが接続された行信号線に第２駆動信号を供給することにより、読出し動作が行われた行の画素Ｃａをリセットする。この構成によれば、１つの行信号線に接続された画素Ｃａから画像情報を読み出しているときに、読出しが終了した行の画素Ｃａをリセットすることができる、つまり読出しとリセットを同時に行うことができるため、従来例のようにリセットが終了するまで待つ必要がなく、連続的に画像情報の読出しを行うことができ、複数の画像情報の読出し時間が短くなる、つまり実効的な読出し速度を向上することができる。
【００４８】
・上記各実施形態では、各行の画素Ｃａを同じ電圧供給線Ｌ０〜Ｌ３に接続したが、個々の画素Ｃａに対して電圧供給線を別々に接続する構成としてもよい。また、複数行の画素Ｃａを１本の電圧供給線に接続する構成としてもよい。
【００４９】
・上記各実施形態では、第１トランジスタＴ１のゲートに供給する信号の電圧を制御して対数変換のための負荷トランジスタとリセットのためのトランジスタとに機能させるようにしたが、対数変換と対数変換するためのトランジスタとセンスノードＮ１をリセットするためのトランジスタとを別々の構成としてもよい。
【００５０】
上記各実施の形態から把握できる技術的思想を以下に記載する。
・読出し領域を設定する領域情報が入力され、該領域情報に基づいて前記読出し領域に含まれるすべての画素を選択するためのアドレス信号を順次発生するアドレス発生回路を備えたことを特徴とする請求項１〜３のうちの何れか一項に記載の固体撮像装置。
【００５１】
・シリアル信号をパラレル変換して前記アドレス信号を生成するシリアル−パラレル変換回路を備えたことを特徴とする請求項１〜３のうちの何れか一項に記載の固体撮像装置。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】一実施形態の固体撮像装置のブロック回路図。
【図２】画素の回路図。
【図３】別の固体撮像装置のブロック回路図。
【図４】別の固体撮像装置のブロック回路図。
【図５】別の固体撮像装置のブロック回路図。
【図６】別の画素の回路図。
【図７】別の固体撮像装置のブロック回路図。
【符号の説明】
【００５３】
１１…撮像部、１６…電圧制御回路、５２…リセット制御回路、Ｃ０〜Ｃ３…列データ線、Ｃａ…画素、Ｉｐ…フォト電流、Ｎ１…センスノード、Ｒ０〜Ｒ３…行信号線、Ｓｃ…制御信号、Ｘ０，Ｘ１…行アドレス信号、Ｙ０，Ｙ１…列アドレス信号、Ｔ１…第１トランジスタ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光素子に流れる電流を検出して電気信号に変換する画素が複数の行信号線及び列データ線の交差点にそれぞれ接続されてマトリックス状に配置された撮像部と、
前記行信号線及び前記列データ線と接続され、アドレス信号に基づく行信号線及び列データ線を選択するデコーダと、
選択された前記行信号線に接続された画素から列データ線を介して入力される光電変換信号を増幅する増幅回路と、
前記受光素子に入射光量に応じた電流が流れるように制御する第１駆動信号と、前記受光素子が接続されたセンスノードをリセットするための第２駆動信号とを生成し、制御信号に応答して前記第１駆動信号及び第２駆動信号を切り換えて前記画素に供給する電圧制御回路と、
を備えたことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記画素に対する読出しを検出する読み出し検出回路と、
前記読み出し検出回路の検出結果に基づき読出し回数をカウントし、該カウント値と設定値とを比較して前記制御信号を出力するリセット制御回路と、
を備えたことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記画素は、受光素子に接続され、前記第１駆動信号によりサブスレショールド領域にて動作する負荷トランジスタと、前記受光素子と前記負荷トランジスタとの間のセンスノードに接続され該センスノードの電位に応じた光電変換信号を出力する増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタと前記列データ線とを接離する読出トランジスタと、を備えた対数変換型画素であることを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
【請求項１】
受光素子に流れる電流を検出して電気信号に変換する画素が複数の行信号線及び列データ線の交差点にそれぞれ接続されてマトリックス状に配置された撮像部と、
前記行信号線及び前記列データ線と接続され、アドレス信号に基づく行信号線及び列データ線を選択するデコーダと、
選択された前記行信号線に接続された画素から列データ線を介して入力される光電変換信号を増幅する増幅回路と、
前記受光素子に入射光量に応じた電流が流れるように制御する第１駆動信号と、前記受光素子が接続されたセンスノードをリセットするための第２駆動信号とを生成し、制御信号に応答して前記第１駆動信号及び第２駆動信号を切り換えて前記画素に供給する電圧制御回路と、
を備えたことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記画素に対する読出しを検出する読み出し検出回路と、
前記読み出し検出回路の検出結果に基づき読出し回数をカウントし、該カウント値と設定値とを比較して前記制御信号を出力するリセット制御回路と、
を備えたことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記画素は、受光素子に接続され、前記第１駆動信号によりサブスレショールド領域にて動作する負荷トランジスタと、前記受光素子と前記負荷トランジスタとの間のセンスノードに接続され該センスノードの電位に応じた光電変換信号を出力する増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタと前記列データ線とを接離する読出トランジスタと、を備えた対数変換型画素であることを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−２１５０３０（Ｐ２００７−２１５０３０Ａ）
【公開日】平成１９年８月２３日（２００７．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３４２８４（Ｐ２００６−３４２８４）
【出願日】平成１８年２月１０日（２００６．２．１０）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月２３日（２００７．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月１０日（２００６．２．１０）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
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