(57)【要約】【課題】フォーカルプレイン方式で生じる読み出し時間差に伴う信号出力レベルの減少を修正して適正な信号出力レベルを確保する。【解決手段】  読み出しトランジスタ１２に印加されるバイアス電圧は、印加電圧発生回路３０によって画素行毎に可変調整が可能であり、各画素行における印加電圧レベルは、読み出しの早い画素行から読み出しの遅い画素行に行くにしたがって徐々に小さくなるように制御される。したがって、各画素行における読み出しトランジスタ１２の印加電圧を適性に調整することにより、各画素行におけるフォトダイオードの容量を変化させ、各フォトダイオードにおける蓄積電子の減少分を相殺し、読み出しタイミングの時間差による画素信号の出力レベルの誤差を吸収し、画面全体で均一な出力を得ることが可能となる。【選択図】図３
2008228021.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ光電変換部と読み出しゲートを含む複数の画素を２次元配列で配置した画素アレイ部と、
前記画素アレイ部の各画素の光電変換部に対し、所定の露光期間によって一斉に信号電荷の蓄積動作を実行させるシャッタ手段と、
前記信号電荷を蓄積した各画素を画素行単位で画素列方向に走査し、各画素行毎に読み出しゲートを順次オン・オフ制御して各画素の光電変換部に蓄積された信号電荷を順次読み出す走査手段と、
前記信号電荷の読み出す期間中に生じる蓄積電荷レベルの低下に対応して前記読み出しゲートに印加する電圧を可変制御する電圧制御手段と、
を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記電圧制御手段は前記信号電荷の読み出す期間中に生じる蓄積電荷レベルの低下に対応して前記読み出しゲートに印加する電圧を徐々に低下させる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】
前記電圧制御手段はチャージポンプであることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項４】
固体撮像装置を用いた撮像部と、前記撮像部を制御する制御部と、前記撮像部を操作する操作部とを有し、
前記固体撮像装置は、
それぞれ光電変換部と読み出しゲートを含む複数の画素を２次元配列で配置した画素アレイ部と、
前記画素アレイ部の各画素の光電変換部に対し、所定の露光期間によって一斉に信号電荷の蓄積動作を実行させるシャッタ手段と、
前記信号電荷を蓄積した各画素を画素行単位で画素列方向に走査し、各画素行毎に読み出しゲートを順次オン・オフ制御して各画素の光電変換部に蓄積された信号電荷を順次読み出す走査手段と、
前記信号電荷の読み出す期間中に生じる蓄積電荷レベルの低下に対応して前記読み出しゲートに印加する電圧を可変制御する電圧制御手段と、
を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項５】
前記電圧制御手段は前記信号電荷の読み出す期間中に生じる蓄積電荷レベルの低下に対応して前記読み出しゲートに印加する電圧を徐々に低下させることを特徴とする請求項４記載の撮像装置。
【請求項６】
前記電圧制御手段はチャージポンプであることを特徴とする請求項４記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばＣＭＯＳイメージセンサのように２次元配列した画素を画素行単位で画素列方向に順次走査し、各画素の信号の読み出しを行う固体撮像装置及び撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＭＯＳイメージセンサに代表される増幅型の固体撮像装置の開発が活発化しており、各種のカメラ装置や携帯電話機等に用いられている。
一般にＣＭＯＳイメージセンサは、同一半導体基板上に、フォトダイオードを含む複数の画素を２次元方向に配置した画素アレイ部よりなる撮像領域と、この撮像領域の外部に形成された周辺回路領域とを設けたものである。
【０００３】
そして、撮像領域には、画素アレイ部の各画素毎に、受光量に応じた信号電荷を生成し、蓄積するフォトダイオードと、フォトダイオードの信号電荷をＦＤ（フローティングデフュージョン）部に読み出す読み出しトランジスタ（転送ゲート）と、ＦＤの電位に応じた画素信号を生成する増幅トランジスタと、画素信号を出力する画素を選択する選択トランジスタと、ＦＤをリセットするリセットトランジスタ等の各種画素トランジスタとを設け、各画素のフォトダイオードで検出した信号電荷を各画素トランジスタの駆動によって画素信号に変換し、画素列毎に設けた信号線より出力する。
【０００４】
また、周辺回路領域には、画素アレイ部に各種の制御パルスを供給して画素信号の読み出しを制御する駆動制御回路、読み出された画素信号に対して各種の信号処理を行う信号処理回路、駆動電源を生成する電源制御回路等が設けられている。
また、半導体基板上には、絶縁膜、トランジスタの駆動電極膜、配線膜、遮光膜といった積層膜が順次形成され、さらに平坦化膜等を介してカラーフィルタ、マイクロレンズ等が形成されている。
このようなＣＭＯＳイメージセンサでは、各画素トランジスタの駆動によって各画素のフォトダイオードに蓄積した信号電荷を各画素毎に画素信号に変換し、これを画素列毎に出力して後段の信号処理回路に送り、ノイズ除去や信号処理等を施して出力する。
【０００５】
また、フォトダイオードとしては、例えばシリコン基板の上層に形成されたＰ型ウェル領域に対し、Ｎ型イオン領域を設けるとともに、その表面にＰ型イオン領域を設けたＨＡＤ構造のものが採用されている。
また、読み出しトランジスタはソース・ドレイン領域のうちの一方をフォトダイオード領域と共有する状態で配置されており、また、読み出しトランジスタのソース・ドレイン領域とリセットトランジスタのソース・ドレイン領域とＦＤ部が共有した構造で形成されている。
そして、フォトダイオードから信号電荷を読み出す際には、読み出しトランジスタがオンしてフォトダイオードの信号電荷をＦＤ部に転送し、これによるＦＤ部の電位変動を増幅トランジスタで検出し、画素信号に変換する。また、信号電荷をリセットする際には、リセットトランジスタがオンしてＦＤ部を電源電位に接続する。
【０００６】
ところで、上述のようなＣＭＯＳイメージセンサでは、各種シャッタ等の動作によって全画素で一括して露光を行い、各画素のフォトダイオードに信号電荷を蓄積した後、画素行単位で画素アレイ部を順次走査し、各画素の読み出しトランジスタをオンして信号電荷を読み出し、増幅トランジスタから画素列毎に設けた垂直信号線に出力するような動作となっている。
このようなＣＭＯＳイメージセンサで特徴的な動作は、いわゆるフォーカルプレイン方式あるいはフォーカルプレイン読み出しと呼称される場合もある。そこで、以下の説明では、このフォーカルプレインという用語を用いて説明を行うものとする。
（例えば特許文献１参照）
【特許文献１】特開２００４−１４０４７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記フォーカルプレイン方式を採用した従来のＣＭＯＳイメージセンサでは、画素アレイ部の１行目の読み出し期間から最終行の読み出し期間までには時間差が生ずる。
例えば、メカニカルシャッタやフラッシュライト等を用いて画素アレイ部への露光を所定期間実行した後に、フォーカルプレイン読み出しを行う動作を仮定する。
図６はこの場合の読み出し動作を示す説明図であり、垂直ブランキング期間の終了後、画素アレイ部の１行目から読み出しを開始し、最終行まで順次読み出しを実行していく動作を示している。
【０００８】
ところで、このような動作において、露光期間中にフォトダイオードが飽和した場合、露光終了から各行の読み出し期間までに、フォトダイオードに蓄積された電荷がフローティングデフュージョン部もしくは基板深部側に徐々に漏洩していくことになる。
そして、１行目の読み出しと最終行の読み出しとの時間差により、１行目のフォトダイオードの漏洩量は少なく、最終行に近づくにつれてフォトダイオードの漏洩量は大きくなる。
そのためメカシャッタ等を用いて露光期間と読み出し期間を独立に設けると、１行目の信号出力レベルと比較して、最終行に近づくにつれて信号出力レベルが減少してしまうといった問題があった。
【０００９】
図７はこの場合の動作を示す説明図であり、信号出力レベルが１行目から最終行に進むにつれて徐々に減少していく様子を表している。
このような現象は、特に多画素化された静止画を撮影するデジタルスチルカメラにおいて顕著に生じる問題である。
【００１０】
そこで本発明は、フォーカルプレイン方式で生じる読み出し時間差に伴う信号出力レベルの減少を修正して適正な信号出力レベルを確保することができ、正確な撮像信号を得ることが可能な固体撮像装置及び撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、それぞれ光電変換部と読み出しゲートを含む複数の画素を２次元配列で配置した画素アレイ部と、前記画素アレイ部の各画素の光電変換部に対し、所定の露光期間によって一斉に信号電荷の蓄積動作を実行させるシャッタ手段と、前記信号電荷を蓄積した各画素を画素行単位で画素列方向に走査し、各画素行毎に読み出しゲートを順次オン・オフ制御して各画素の光電変換部に蓄積された信号電荷を順次読み出す走査手段と、前記信号電荷の読み出す期間中に生じる蓄積電荷レベルの低下に対応して前記読み出しゲートに印加する電圧を可変制御する電圧制御手段とを有することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の撮像装置は、固体撮像装置を用いた撮像部と、前記撮像部を制御する制御部と、前記撮像部を操作する操作部とを有し、前記固体撮像装置は、それぞれ光電変換部と読み出しゲートを含む複数の画素を２次元配列で配置した画素アレイ部と、前記画素アレイ部の各画素の光電変換部に対し、所定の露光期間によって一斉に信号電荷の蓄積動作を実行させるシャッタ手段と、前記信号電荷を蓄積した各画素を画素行単位で画素列方向に走査し、各画素行毎に読み出しゲートを順次オン・オフ制御して各画素の光電変換部に蓄積された信号電荷を順次読み出す走査手段と、前記信号電荷の読み出す期間中に生じる蓄積電荷レベルの低下に対応して前記読み出しゲートに印加する電圧を可変制御する電圧制御手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の固体撮像装置及び撮像装置によれば、フォーカルプレイン方式によって被写体の撮像時に、光電変換部から信号電荷が電子が漏洩することにより生じる１行目から最終行にかけての出力の減少を防ぐことができ、画面全体で均一な出力を得ることができ、画質の向上を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は本発明の実施例における固体撮像装置の具体例を示す平面図であり、ＣＭＯＳイメージセンサの例を示している。また、図２は図１に示す固体撮像装置の画素内の回路構成を示す回路図である。
本実施例の固体撮像装置は、図１に示すように、２次元方向に配置された複数の画素１６によって撮像領域を構成する画素アレイ部２０と、画素アレイ部２０の各画素を垂直方向に走査して画素信号の読み出し動作を制御する垂直走査回路２１と、画素アレイ部２０の各画素列（カラム）から導かれた垂直信号線２８を制御する負荷ＭＯＳトランジスタ回路２４と、画素アレイ部２０の各画素列から読み出された画素信号を取り込み、相関二重サンプリング処理によるノイズ除去を行うＣＤＳ回路２６と、ＣＤＳ回路２６の画素信号を水平信号線２７に出力する水平選択トランジスタ回路２６と、水平選択トランジスタ回路２６を水平方向に順次選択して画素信号の出力を制御する水平走査回路２２とを有する。
そして、水平信号線２７に出力された画素信号はバッファアンプを介して後段の回路に伝送される。
【００１５】
また、各画素１６は、図２に示すように、入射した光を光電変換するフォトダイオード（ＰＤ）１と、光電変換された電気信号を転送パルス（ΦＴＲＧ）に基づいてフローティングデフュージョン（ＦＤ）部３に転送する読み出しトランジスタ（ＴＧ）１２と、リセットパルス（ΦＲＳＴ）に基づいてＦＤ部３の電位を電源電圧ＶＤＤにリセットするリセットトランジスタ（ＲＳＴ）１４、ＦＤ部３の電位変動を電圧信号または電流信号に変換する増幅トランジスタ（ＡＭＰ）１３と、選択信号（ΦＳＥＬ）に基づいて増幅トランジスタ１３の出力を垂直信号線２８に接続する選択トランジスタ１５とを有する。
したがって、画素１６の近傍には、垂直方向に垂直信号線２８や電源線２３等が配線され、水平方向に読み出し線１７、リセット線１８、選択線１９等が配線されている。
【００１６】
図３は画素アレイ部のフォーカルプレイン読み出し動作に対する読み出しトランジスタの印加電圧の変化とフォトダイオードの容量変化の関係を示す説明図である。
図３（Ａ）は画素アレイ部２０と垂直走査回路２１及び水平走査回路２２の配置を模式的に示している。
本例において、読み出しトランジスタ（読み出しゲート）１２に印加されるバイアス電圧（つまり、読み出しゲートオフ時の印加電圧）は、印加電圧発生回路（電圧制御手段）３０によって画素行毎に可変調整が可能な構成となっており、各画素行における印加電圧レベルは、図３（Ｂ）に示すように、読み出しの早い画素行から読み出しの遅い画素行に行くにしたがって徐々に小さくなるように制御される。
【００１７】
そして、このような読み出しトランジスタの印加電圧の変化により、フォトダイオードの見かけ上の容量は、図３（Ｃ）に示すように、読み出しの早い画素行から読み出しの遅い画素行に行くにしたがって徐々に大きくなって行く。
一方、フォトダイオードに蓄積された電子は、露光動作からの時間経過に伴って徐々に漏洩が生じるため、読み出しの早い画素行から読み出しの遅い画素行に行くにしたがって徐々に減少していく。
【００１８】
したがって、本実施例では、各画素行における読み出しトランジスタ１２の印加電圧を適性に調整することにより、各画素行におけるフォトダイオードの容量を変化させ、各フォトダイオードにおける蓄積電子の減少分を相殺し、読み出しタイミングの時間差による画素信号の出力レベルの誤差を吸収し、画面全体で均一な出力を得ることが可能となる。
【００１９】
読み出しトランジスタに対する印加電圧は、例えば画素行毎に設けたチャージポンプ回路等によるレベルシフタにより制御することが可能である。
図４は本実施例で印加電圧発生回路に用いることができるチャージポンプ回路の構成例を示す回路図である。
このチャージポンプ回路は、発振回路３０１、アンプ３０２、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４、分圧抵抗（出力電圧設定部３０７）Ｒ１、Ｒ２、ポンプ用コンデンサ（ポンプ容量）ＣＰ、出力用コンデンサＣＯＵＴ、インバータ３０３、位相補償回路３０４、制御回路３０５、基準電圧源３０６等で構成されている。
【００２０】
まず、制御回路３０５は、発振回路３０１からの周波数信号に基づいてパルス信号を生成し、そのパルス信号をスイッチＳＷ１、ＳＷ３に供給するとともに、インバータ３０３を介して反転パルス信号をスイッチＳＷ２、ＳＷ４に供給する。
このスイッチング動作によって、ポンプ用コンデンサＣＰは、スイッチＳＷ１、ＳＷ３を介して電源電圧で充電され、その充電電圧はスイッチＳＷ２を介して出力用コンデンサＣＯＵＴに供給される。出力用コンデンサＣＯＵＴでは、ポンプ用コンデンサＣＰの出力を平滑化し、電圧出力VOUTとして出力する。
また、出力用コンデンサＣＯＵＴによる電圧出力VOUTは、抵抗Ｒ１、Ｒ２によって分割され、アンプ３０２に入力される。アンプ３０２では、この分割電圧と参照電圧の誤差信号を制御回路３０５に供給し、制御回路３０５では、この誤差信号に対応する出力電圧制御信号を生成してスイッチＳＷ４に供給し、電圧出力VOUTを制御する。
【００２１】
このようなチャージポンプ回路によるレベルシフタを画素行毎に設け、各画素行毎に読み出しトランジスタの印加電圧として供給することにより、図３に示すような動作を得ることができる。
なお、このような読み出しトランジスタ用のレベルシフタは、例えば転送パルスのレベルを最適化するための目的で従来のＣＭＯＳイメージセンサにおいても利用されており、このようなレベルシフタによって読み出しトランジスタの温度補償を行うような構成も提案されている。
そこで、このようなレベルシフタを利用して、本実施例で説明したオフ時の印加電圧レベルを調整する手段として用いることが可能であり、ハードウェアの大幅な変更を行うことなく実現が可能である。
また、印加電圧発生回路としては、他の構成を用いることも可能であり、上記チャージポンプ回路の例に限定されないことは勿論である。
【００２２】
以上のような本実施例のような構成により、メカシャッタ等を用いた静止画撮像時に、フォトダイオードから電子が漏洩することにより起こる１行目から最終行にかけての出力の減少を防ぐことができる。
そのため、例えばメカシャッタ等を用いた多画素化スチルカメラによる静止画撮像を行った場合においても、画面全体で均一な出力を得ることができ、高品位のスチルカメラを提供することが可能となる。なお、本実施例で実現した機能はスチルカメラに限らず、ビデオカメラにも適用可能なものである。
【００２３】
以上、本発明による固体撮像装置の具体的な実施例について説明したが、本発明はさらに種々の変形が可能である。例えば、上記実施例では、１画素内に４つのトランジスタ（読み出し、リセット、増幅、選択）を設けた構成を前提にして説明しているが、例えば選択トランジスタを省略した３トランジスタ構成のものや、行選択と列選択の２つのトランジスタを設けた５トランジスタ構成のものも提案されており、いずれも方式においても本発明を適用できるものである。
【００２４】
また、固体撮像装置は１チップ上にイメージセンサ等を構成したものに限らず、撮像部と信号処理部や光学系がまとめてパッケージ化されたモジュールであってもよい。また、カメラシステムや携帯電話器に利用される装置であってもよい。なお、本発明では、ＣＭＯＳイメージセンサの機能を単体で有する構成を固体撮像装置といい、固体撮像装置と他の要素（制御回路、操作部、表示部、さらにはデータ蓄積機能、通信機能等）と一体化された構成を撮像装置というものとする。
【００２５】
以下、本発明を適用した撮像装置の具体例を説明する。
図５は本例のＣＭＯＳイメージセンサを用いたカメラ装置の構成例を示すブロック図である。
図５において、撮像部４１０は、例えば図１に示したＣＭＯＳイメージセンサを用いて被写体の撮像を行うものであり、撮像信号をメイン基板に搭載されたシステムコントロール部４２０に出力する。
すなわち、撮像部４１０では、上述したＣＭＯＳイメージセンサの出力信号に対し、ＡＧＣ（自動利得制御）、ＯＢ（オプティカルブラック）クランプ、ＣＤＳ（相関二重サンプリング）、Ａ／Ｄ変換といった処理を行い、デジタル撮像信号を生成して出力する。
【００２６】
なお、本例では、撮像部４１０内で撮像信号をデジタル信号に変換してシステムコントロール部４２０に出力する例について示しているが、撮像部４１０からアナログ撮像信号をシステムコントロール部４２０に送り、システムコントロール部４２０側でデジタル信号に変換する構成であってもよい。
また、撮像部４１０内での具体的な制御動作や信号処理等も従来から種々の方法が提供されており、本発明の撮像装置において特に限定しないことは勿論である。
【００２７】
また、撮像光学系４００は、鏡筒内に配置されたズームレンズ４０１や絞り機構４０２等を含み、ＣＭＯＳイメージセンサの受光部に被写体像を結像させるものであり、システムコントロール部４２０の指示に基づく駆動制御部４３０の制御により、各部を機械的に駆動してオートフォーカス等の制御が行われる。
【００２８】
また、システムコントロール部４２０には、ＣＰＵ４２１、ＲＯＭ４２２、ＲＡＭ４２３、ＤＳＰ４２４、外部インターフェース４２５等が設けられている。
ＣＰＵ４２１は、ＲＯＭ４２２及びＲＡＭ４２３を用いて本カメラ装置の各部に指示を送り、システム全体の制御を行う。
ＤＳＰ４２４は、撮像部４１０からの撮像信号に対して各種の信号処理を行うことにより、所定のフォーマットによる静止画または動画の映像信号（例えばＹＵＶ信号等）を生成する。
外部インターフェース４２５には、各種エンコーダやＤ／Ａ変換器が設けられ、システムコントロール部４２０に接続される外部要素（本例では、ディスプレイ４３０、メモリ媒体４４０、操作パネル部４５０）との間で、各種制御信号やデータをやり取りする。
【００２９】
ディスプレイ４３０は、本カメラ装置に組み込まれた例えば液晶パネル等の小型表示器であり、撮像した画像を表示する。なお、このようなカメラ装置に組み込まれた小型表示器に加えて、外部の大型表示装置に画像データを伝送し、表示できる構成とすることも勿論可能である。
メモリ媒体４４０は、例えば各種メモリカード等に撮影された画像を適宜保存しておけるものであり、例えばメモリ媒体コントローラ４４１に対してメモリ媒体を交換可能なものとなっている。メモリ媒体４４０としては、各種メモリカードの他に、磁気や光を用いたディスク媒体等を用いることができる。
操作パネル部４５０は、本カメラ装置で撮影作業を行うに際し、ユーザが各種の指示を行うための入力キーを設けたものであり、ＣＰＵ４２１は、この操作パネル部４５０からの入力信号を監視し、その入力内容に基づいて各種の動作制御を実行する。
【００３０】
このようなカメラ装置に、本発明の固体撮像装置を適用することにより、高品位の撮像装置を提供できる。なお、以上の構成において、システムの構成要素となる単位デバイスや単位モジュールの組み合わせ方、セットの規模等については、製品化の実情等に基づいて適宜選択することが可能であり、本発明の撮像装置は、種々の変形を幅広く含むものとする。
【００３１】
また、本発明の固体撮像装置及び撮像装置において、撮像対象（被写体）としては、人や景色等の一般的な映像に限らず、偽札検出器や指紋検出器等の特殊な微細画像パターンの撮像にも適用できるものである。
この場合の装置構成としては、図５に示した一般的なカメラ装置ではなく、さらに特殊な撮像光学系やパターン解析を含む信号処理系を含むことになり、この場合にも本発明の作用効果を十分発揮して、精密な画像検出を実現することが可能となる。
さらに、遠隔医療や防犯監視、個人認証等のように遠隔システムを構成する場合には、上述のようにネットワークと接続した通信モジュールを含む装置構成とすることも可能であり、幅広い応用が実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施例における固体撮像装置の具体例を示す平面図である。
【図２】図１に示す固体撮像装置の画素内の回路構成を示す回路図である。
【図３】画素アレイ部のフォーカルプレイン読み出し動作に対する読み出しトランジスタの印加電圧の変化とフォトダイオードの容量変化の関係を示す説明図である。
【図４】図３に示すＣＭＯＳイメージセンサで用いることができるチャージポンプ回路の一例を示す回路図である。
【図５】本発明の他の実施例におけるカメラ装置の構成例を示すブロック図である。
【図６】ＣＭＯＳイメージセンサのフォーカルプレイン読み出し動作を示す説明図である。
【図７】従来のＣＭＯＳイメージセンサにおける出力信号レベルの減少を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３３】
１……フォトダイオード、３……ＦＤ部、１２……読み出しトランジスタ、１３……増幅トランジスタ、１４……リセットトランジスタ、１５……選択トランジスタ、１６……画素、２０……画素アレイ部、２１……垂直走査回路、２２……水平走査回路、３０……印加電圧発生回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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