JP2000340779A - 半導体撮像素子 - Google Patents
半導体撮像素子Info
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- JP2000340779A JP2000340779A JP11153673A JP15367399A JP2000340779A JP 2000340779 A JP2000340779 A JP 2000340779A JP 11153673 A JP11153673 A JP 11153673A JP 15367399 A JP15367399 A JP 15367399A JP 2000340779 A JP2000340779 A JP 2000340779A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 半導体撮像素子において、生体の網膜のよう
に広い受光感度範囲と高いコントラスト検知機能を簡単
な回路構成で実現する。 【解決手段】 半導体撮像素子は複数の画素回路を備
え、各画素回路は二つのフォトディテクタＰＤ１、ＰＤ
２と抵抗Ｒiとを有し、フォトディテクタＰＤ１とフォ
トディテクタＰＤ２とが抵抗Ｒiを介して直列に接続さ
れる。各画素回路は、フォトディテクタＰＤ１と抵抗Ｒ
iとの接続ノード１において抵抗Ｒnを介して隣接する画
素回路と接続される。フォトディテクタＰＤ２と抵抗Ｒ
iとの接続ノード２の電圧変化が増幅された後、出力信
号として取出される。
に広い受光感度範囲と高いコントラスト検知機能を簡単
な回路構成で実現する。 【解決手段】 半導体撮像素子は複数の画素回路を備
え、各画素回路は二つのフォトディテクタＰＤ１、ＰＤ
２と抵抗Ｒiとを有し、フォトディテクタＰＤ１とフォ
トディテクタＰＤ２とが抵抗Ｒiを介して直列に接続さ
れる。各画素回路は、フォトディテクタＰＤ１と抵抗Ｒ
iとの接続ノード１において抵抗Ｒnを介して隣接する画
素回路と接続される。フォトディテクタＰＤ２と抵抗Ｒ
iとの接続ノード２の電圧変化が増幅された後、出力信
号として取出される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は受光量に応じた電圧
を出力する半導体撮像素子であって、屋外の監視用カメ
ラや車載用カメラ等の様々な環境下で使用される撮像装
置において用いられる撮像素子に関する。
を出力する半導体撮像素子であって、屋外の監視用カメ
ラや車載用カメラ等の様々な環境下で使用される撮像装
置において用いられる撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】人間の視覚系において、各々の視細胞
は、それ自身が受けた光量と、その周辺の各視細胞が受
けた光量の平均との差を、受けた光量に対する信号とし
て出力する機能を持っている。この機能により、図１３
に示すように、各視細胞は受光感度範囲の幅は一定であ
るものの、その周辺に入射する光強度の平均に応じてそ
の受光感度範囲をシフトする。すなわち、極端に輝度の
異なる被写体が同一視野内にある場合でも、明るい被写
体を見る視細胞はその受光感度範囲を明るい側に、暗い
被写体を見る視細胞は暗い側にシフトさせる。このよう
な受光感度範囲をシフトする機能により、人間の視覚系
は個々の視細胞の受光感度より広い受光感度範囲を全体
として実現している。
は、それ自身が受けた光量と、その周辺の各視細胞が受
けた光量の平均との差を、受けた光量に対する信号とし
て出力する機能を持っている。この機能により、図１３
に示すように、各視細胞は受光感度範囲の幅は一定であ
るものの、その周辺に入射する光強度の平均に応じてそ
の受光感度範囲をシフトする。すなわち、極端に輝度の
異なる被写体が同一視野内にある場合でも、明るい被写
体を見る視細胞はその受光感度範囲を明るい側に、暗い
被写体を見る視細胞は暗い側にシフトさせる。このよう
な受光感度範囲をシフトする機能により、人間の視覚系
は個々の視細胞の受光感度より広い受光感度範囲を全体
として実現している。
【０００３】また、各視細胞は、それに近接する視細胞
の出力との差を出力するのであるから、人間の視覚系は
輝度変化の存在する部分に対して強く反応する。このた
め、人間の視覚系は被写体の輪郭を自動的に抽出し、見
ている対象に高いコントラストを与えて認識している。
の出力との差を出力するのであるから、人間の視覚系は
輝度変化の存在する部分に対して強く反応する。このた
め、人間の視覚系は被写体の輪郭を自動的に抽出し、見
ている対象に高いコントラストを与えて認識している。
【０００４】一方、ＣＣＤやＣＭＯＳイメージャなどの
固体撮像素子により、同一視野内に極端に輝度の異なる
被写体が存在する対象を撮影する場合では、その対象の
輝度分布の広がりが人間の視覚によって十分に認識でき
る範囲内であっても、画像において、明るい被写体がハ
レーションを起こしたり、あるいは、暗い被写体が黒く
つぶれたりすることがしばしば見受けられる。
固体撮像素子により、同一視野内に極端に輝度の異なる
被写体が存在する対象を撮影する場合では、その対象の
輝度分布の広がりが人間の視覚によって十分に認識でき
る範囲内であっても、画像において、明るい被写体がハ
レーションを起こしたり、あるいは、暗い被写体が黒く
つぶれたりすることがしばしば見受けられる。
【０００５】ＣＣＤやＣＭＯＳイメージャなどの固体撮
像素子は、その素子上に入射する光を光強度と露光時間
に応じた電気信号に変換する機能単位（画素）が複数個
配列されてなる構造を持つ。一般に各画素はいずれも等
しい受光感度範囲を持ち、その受光感度範囲は固定され
ている。素子の受光感度範囲も各画素の受光感度範囲に
等しい。従って、各画素の受光感度範囲を超える輝度の
広がりを持つ対象を撮影しようとする場合、上述した明
るい被写体のハレーションや暗い被写体の黒つぶれなど
の現象を起こす。また、固体撮像素子によって撮影され
た画像は、人間が同じ対象を見た場合に比べ、対象の輪
郭が不明瞭である。このため、画像をブラウン管などに
表示する前にコントラストを明確にするための輪郭強調
処理を必要とする場合が多い。
像素子は、その素子上に入射する光を光強度と露光時間
に応じた電気信号に変換する機能単位（画素）が複数個
配列されてなる構造を持つ。一般に各画素はいずれも等
しい受光感度範囲を持ち、その受光感度範囲は固定され
ている。素子の受光感度範囲も各画素の受光感度範囲に
等しい。従って、各画素の受光感度範囲を超える輝度の
広がりを持つ対象を撮影しようとする場合、上述した明
るい被写体のハレーションや暗い被写体の黒つぶれなど
の現象を起こす。また、固体撮像素子によって撮影され
た画像は、人間が同じ対象を見た場合に比べ、対象の輪
郭が不明瞭である。このため、画像をブラウン管などに
表示する前にコントラストを明確にするための輪郭強調
処理を必要とする場合が多い。
【０００６】従来の固体撮像素子は、受光感度範囲、コ
ントラスト検知機能において、人間の視覚系に大きく劣
っている。監視用カメラなど人間の視覚の代用，あるい
は画像を記録し後に人間がその画像を見る、といった使
用法が固体撮像素子の一般的な使用形態であることを勘
案すると、従来の固体撮像素子は受光感度範囲、コント
ラスト検知機能の面でその性能は不十分であることは明
白である。
ントラスト検知機能において、人間の視覚系に大きく劣
っている。監視用カメラなど人間の視覚の代用，あるい
は画像を記録し後に人間がその画像を見る、といった使
用法が固体撮像素子の一般的な使用形態であることを勘
案すると、従来の固体撮像素子は受光感度範囲、コント
ラスト検知機能の面でその性能は不十分であることは明
白である。
【０００７】そこで、広い受光感度範囲を実現するため
に、これまでに各画素の受光感度範囲の幅を広げる研究
がなされている。
に、これまでに各画素の受光感度範囲の幅を広げる研究
がなされている。
【０００８】一例として、異なる露光時間で撮影した画
像を重ねあわせることでダイナミックレンジを拡大する
手法がある。例えば、菰淵 寛仁による「広ダイナミッ
クレンジ撮像技術」（第７回画像入力技術シンポジウム
講演予稿集、pp.85-92）に開示された方法がある。この
方法は、同一視野内に極端に輝度の異なる被写体が存在
する対象を撮影する場合、暗い被写体を撮影するための
長い露光時間で撮影した画像と、明るい被写体を撮影す
るための短い露光時間で撮影した画像とを重ね合わせる
ことで、明暗いずれの被写体もハレーションや黒つぶれ
なく画像上に表す手法である。
像を重ねあわせることでダイナミックレンジを拡大する
手法がある。例えば、菰淵 寛仁による「広ダイナミッ
クレンジ撮像技術」（第７回画像入力技術シンポジウム
講演予稿集、pp.85-92）に開示された方法がある。この
方法は、同一視野内に極端に輝度の異なる被写体が存在
する対象を撮影する場合、暗い被写体を撮影するための
長い露光時間で撮影した画像と、明るい被写体を撮影す
るための短い露光時間で撮影した画像とを重ね合わせる
ことで、明暗いずれの被写体もハレーションや黒つぶれ
なく画像上に表す手法である。
【０００９】または、トランジスタのサブスレッショル
ド領域における非線形な入出力特性を利用して各画素自
体の受光感度幅を広げる研究などもある。例えば、Ｓ．
Ｇ．チェンバーレイン（S.G.Chamberlain）とＪ．Ｐ．
Ｙ．リー（J.P.Y.Lee）による「新しい広ダイナミック
レンジのシリコンフォトディテクタ及び線形撮像アレイ
（A Novel Wide Dynamic Range Silicon Photodetector
and Linear Imaging Array）」（IEEE Trans on ED, v
ol.ED-31、No.2, pp.175-182, Feb., 1984）がある。
ド領域における非線形な入出力特性を利用して各画素自
体の受光感度幅を広げる研究などもある。例えば、Ｓ．
Ｇ．チェンバーレイン（S.G.Chamberlain）とＪ．Ｐ．
Ｙ．リー（J.P.Y.Lee）による「新しい広ダイナミック
レンジのシリコンフォトディテクタ及び線形撮像アレイ
（A Novel Wide Dynamic Range Silicon Photodetector
and Linear Imaging Array）」（IEEE Trans on ED, v
ol.ED-31、No.2, pp.175-182, Feb., 1984）がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかし、その手法に関
わらず、各画素のダイナミックレンジや受光感度幅を拡
大する手法では、撮影した画像を表示する際に画面全体
のコントラストが弱くなるという問題が発生する。そこ
で画像をいくつかの領域に分割し、各領域内で集中して
いる輝度範囲に表示系の階調を多く与える手法が提案さ
れている。例えば、森村 淳、吾妻 健夫、魚森 謙也に
よる「広ダイナミックレンジ画像合成処理技術」（映像
情報メディア学会誌vol.51、No.2、pp.228-232）があ
る。しかしながら、この手法は複雑な画像の後処理を必
要とする問題がある。
わらず、各画素のダイナミックレンジや受光感度幅を拡
大する手法では、撮影した画像を表示する際に画面全体
のコントラストが弱くなるという問題が発生する。そこ
で画像をいくつかの領域に分割し、各領域内で集中して
いる輝度範囲に表示系の階調を多く与える手法が提案さ
れている。例えば、森村 淳、吾妻 健夫、魚森 謙也に
よる「広ダイナミックレンジ画像合成処理技術」（映像
情報メディア学会誌vol.51、No.2、pp.228-232）があ
る。しかしながら、この手法は複雑な画像の後処理を必
要とする問題がある。
【００１１】人間の網膜のように、各画素が周辺の画素
の出力に応じてその受光感度範囲をシフトする機能を有
する固体撮像素子も既にＣ．ミード（C.Mead）によって
試作されている（「順応性のある網膜（Adaptive Retin
a）」（Analog VLSI Implementations of Neural Syste
ms, 1989, pp.239-246））。この素子を構成する一つの
画素回路を図１４に示す。この図に示すように、一つの
画素回路はフォトディテクタＰＤと作動増幅器ＯＰとを
備え、抵抗Ｒを介して隣接する画素と接続されている。
このように構成される画素回路は、抵抗Ｒによる抵抗ネ
ットワークを介して周辺の画素との間で出力の平均化を
行い、この周辺画素出力の平均と、自分自身の出力との
差を差動増幅器ＯＰを用いて演算している。この素子で
は人間の視覚系の視細胞のように、各画素が受光感度範
囲をシフトすることで素子全体として広い受光感度範囲
を実現している。各画素の受光感度範囲は広がっていな
いので、表示系において受光感度範囲を広げたことによ
る画面全体のコントラストが低下する問題は発生しな
い。しかしながら、この素子では各画素に作動増幅器Ｏ
Ｐを必要とするため、回路規模が大きくなり、また、消
費電力も大きくなるという実用上の問題がある。
の出力に応じてその受光感度範囲をシフトする機能を有
する固体撮像素子も既にＣ．ミード（C.Mead）によって
試作されている（「順応性のある網膜（Adaptive Retin
a）」（Analog VLSI Implementations of Neural Syste
ms, 1989, pp.239-246））。この素子を構成する一つの
画素回路を図１４に示す。この図に示すように、一つの
画素回路はフォトディテクタＰＤと作動増幅器ＯＰとを
備え、抵抗Ｒを介して隣接する画素と接続されている。
このように構成される画素回路は、抵抗Ｒによる抵抗ネ
ットワークを介して周辺の画素との間で出力の平均化を
行い、この周辺画素出力の平均と、自分自身の出力との
差を差動増幅器ＯＰを用いて演算している。この素子で
は人間の視覚系の視細胞のように、各画素が受光感度範
囲をシフトすることで素子全体として広い受光感度範囲
を実現している。各画素の受光感度範囲は広がっていな
いので、表示系において受光感度範囲を広げたことによ
る画面全体のコントラストが低下する問題は発生しな
い。しかしながら、この素子では各画素に作動増幅器Ｏ
Ｐを必要とするため、回路規模が大きくなり、また、消
費電力も大きくなるという実用上の問題がある。
【００１２】今後、人間の網膜に匹敵する広い受光感度
範囲と高いコントラスト検知機能を有し、高い環境適応
能力を有する撮像装置に使用される半導体撮像素子の需
要が益々高まることが予想される。
範囲と高いコントラスト検知機能を有し、高い環境適応
能力を有する撮像装置に使用される半導体撮像素子の需
要が益々高まることが予想される。
【００１３】本発明は上記課題を解決すべくなされたも
のであり、その目的とするところは、高集積可能でかつ
低消費電力で、広い受光感度範囲と高いコントラスト検
知機能を実現する固体撮像素子を提供することにある。
のであり、その目的とするところは、高集積可能でかつ
低消費電力で、広い受光感度範囲と高いコントラスト検
知機能を実現する固体撮像素子を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の半導体撮像素子は以下の構成を有する。本
発明に係る第１の半導体撮像素子は、複数の画素回路が
接続されてなる半導体撮像素子において、画素回路は第
１の光検出素子、第２の光検出素子及び第１の抵抗素子
を有し、第１の光検出素子と第２の光検出素子とは第１
の抵抗素子を介して直列に接続される。各画素回路は二
つの光検出素子のうちの一方と第１の抵抗素子との接続
ノードにおいて第２の抵抗を介して隣接する画素回路と
接続される。
に、本発明の半導体撮像素子は以下の構成を有する。本
発明に係る第１の半導体撮像素子は、複数の画素回路が
接続されてなる半導体撮像素子において、画素回路は第
１の光検出素子、第２の光検出素子及び第１の抵抗素子
を有し、第１の光検出素子と第２の光検出素子とは第１
の抵抗素子を介して直列に接続される。各画素回路は二
つの光検出素子のうちの一方と第１の抵抗素子との接続
ノードにおいて第２の抵抗を介して隣接する画素回路と
接続される。
【００１５】本発明に係る第２の半導体撮像素子は、第
１の半導体撮像素子において、画素回路の第１の抵抗素
子の両端を異なった容量値に設定する。
１の半導体撮像素子において、画素回路の第１の抵抗素
子の両端を異なった容量値に設定する。
【００１６】本発明に係る第３の半導体撮像素子は、第
１の半導体撮像素子において、画素回路における第１の
抵抗素子または第２の抵抗素子のうちの少なくともいず
れかをＭＯＳトランジスタにより構成し、抵抗素子の抵
抗値はＭＯＳトランジスタのゲート電圧に応じて設定さ
れる。
１の半導体撮像素子において、画素回路における第１の
抵抗素子または第２の抵抗素子のうちの少なくともいず
れかをＭＯＳトランジスタにより構成し、抵抗素子の抵
抗値はＭＯＳトランジスタのゲート電圧に応じて設定さ
れる。
【００１７】本発明に係る第４の半導体撮像素子は、第
３の半導体撮像素子において、抵抗素子の抵抗値を設定
するためのゲート電圧は、第１及び第２の抵抗素子各々
について少なくとも二つ以上の画素回路に関して共通に
与えられる。
３の半導体撮像素子において、抵抗素子の抵抗値を設定
するためのゲート電圧は、第１及び第２の抵抗素子各々
について少なくとも二つ以上の画素回路に関して共通に
与えられる。
【００１８】本発明に係る第５の半導体撮像素子は、第
１の半導体撮像素子において、第１の抵抗素子の少なく
とも一端に画素回路の状態を初期化するためのリセット
電圧を印加することを特徴とする請求項２記載の半導体
撮像素子。
１の半導体撮像素子において、第１の抵抗素子の少なく
とも一端に画素回路の状態を初期化するためのリセット
電圧を印加することを特徴とする請求項２記載の半導体
撮像素子。
【００１９】本発明に係る第６の半導体撮像素子は、第
５の半導体撮像素子において、リセット電圧は少なくと
も二つ以上の画素回路に関して共通に与えられる。
５の半導体撮像素子において、リセット電圧は少なくと
も二つ以上の画素回路に関して共通に与えられる。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照して本発
明に係る半導体撮像素子の実施の形態を詳細に説明す
る。
明に係る半導体撮像素子の実施の形態を詳細に説明す
る。
【００２１】実施の形態１．図１に実施の形態１の半導
体撮像素子を構成する一つの画素の回路構成を示す。図
１に示すように、一つの画素回路は、二つのフォトディ
テクタＰＤ１、ＰＤ２と、抵抗Ｒiと、増幅用トランジ
スタＴr3と、読み出し用トランジスタＴr4と、スイッチ
ＳＷ１、ＳＷ２とからなる。フォトディテクタＰＤ１、
ＰＤ２はフォトダイオード等からなる光検出素子であ
り、受けた光の強度に応じた電流を発生させる。二つの
フォトディテクタＰＤ１、ＰＤ２は等しい受光感度特性
を有する。
体撮像素子を構成する一つの画素の回路構成を示す。図
１に示すように、一つの画素回路は、二つのフォトディ
テクタＰＤ１、ＰＤ２と、抵抗Ｒiと、増幅用トランジ
スタＴr3と、読み出し用トランジスタＴr4と、スイッチ
ＳＷ１、ＳＷ２とからなる。フォトディテクタＰＤ１、
ＰＤ２はフォトダイオード等からなる光検出素子であ
り、受けた光の強度に応じた電流を発生させる。二つの
フォトディテクタＰＤ１、ＰＤ２は等しい受光感度特性
を有する。
【００２２】フォトディテクタＰＤ１とフォトディテク
タＰＤ２とは、電源電圧Ｖddを与える電源と、基準電位
を与えるグランドＧＮＤとの間に抵抗Ｒiを介して逆バ
イアスとなるように直列に接続される。抵抗Ｒiとフォ
トディテクタＰＤ２とを接続するノード２に増幅用トラ
ンジスタＴr3のゲートが接続され、この増幅用トランジ
スタＴr3に対して直列に読み出し用トランジスタＴr4が
接続される。フォトディテクタＰＤ１と抵抗Ｒiとを接
続するノード１には抵抗Ｒnが接続されている。ノード
１及びノード２にはそれぞれスイッチＳＷ１、スイッチ
ＳＷ２が接続され、これらのスイッチＳＷ１、ＳＷ２が
オンしたときにノード１及びノード２に対して所定のリ
セット電圧Ｖpdcが印加され、初期化されるようになっ
ている。
タＰＤ２とは、電源電圧Ｖddを与える電源と、基準電位
を与えるグランドＧＮＤとの間に抵抗Ｒiを介して逆バ
イアスとなるように直列に接続される。抵抗Ｒiとフォ
トディテクタＰＤ２とを接続するノード２に増幅用トラ
ンジスタＴr3のゲートが接続され、この増幅用トランジ
スタＴr3に対して直列に読み出し用トランジスタＴr4が
接続される。フォトディテクタＰＤ１と抵抗Ｒiとを接
続するノード１には抵抗Ｒnが接続されている。ノード
１及びノード２にはそれぞれスイッチＳＷ１、スイッチ
ＳＷ２が接続され、これらのスイッチＳＷ１、ＳＷ２が
オンしたときにノード１及びノード２に対して所定のリ
セット電圧Ｖpdcが印加され、初期化されるようになっ
ている。
【００２３】図２は画像素子における画素間の接続を説
明した図である。図に示すように撮像素子においては、
複数の画素回路１１がマトリクス状に接続され、一つの
画素回路１１はノード１において抵抗Ｒnを介して隣接
する画素回路のノード１と接続される。
明した図である。図に示すように撮像素子においては、
複数の画素回路１１がマトリクス状に接続され、一つの
画素回路１１はノード１において抵抗Ｒnを介して隣接
する画素回路のノード１と接続される。
【００２４】図３は、図１に示す画素回路をさらに詳細
に示した回路図である。この図に示すように、本実施形
態においてはスイッチＳＷ１、ＳＷ２はＰＭＯＳトラン
ジスタＴr1、Ｔr2で構成されている。抵抗Ｒi、Ｒnは拡
散抵抗または高抵抗ポリシリコンによって実現される。
また、画素回路１１において、読み出し用トランジスタ
Ｔr4の一端に接続された出力信号を取出すための信号線
２１と、リセット電圧Ｖpdcを与える制御線２３と、ト
ランジスタＴr1、Ｔr2を制御する制御線２５と、読み出
し用トランジスタＴr4を制御する制御線２７とが配線さ
れている。
に示した回路図である。この図に示すように、本実施形
態においてはスイッチＳＷ１、ＳＷ２はＰＭＯＳトラン
ジスタＴr1、Ｔr2で構成されている。抵抗Ｒi、Ｒnは拡
散抵抗または高抵抗ポリシリコンによって実現される。
また、画素回路１１において、読み出し用トランジスタ
Ｔr4の一端に接続された出力信号を取出すための信号線
２１と、リセット電圧Ｖpdcを与える制御線２３と、ト
ランジスタＴr1、Ｔr2を制御する制御線２５と、読み出
し用トランジスタＴr4を制御する制御線２７とが配線さ
れている。
【００２５】このように構成される画素回路の動作を説
明する。なお、説明の便宜上、抵抗Ｒi、Ｒnの抵抗値を
Ｒi、Ｒnと表し、また、各ノードの電圧はグランドＧＮ
Ｄの電位を基準としている。
明する。なお、説明の便宜上、抵抗Ｒi、Ｒnの抵抗値を
Ｒi、Ｒnと表し、また、各ノードの電圧はグランドＧＮ
Ｄの電位を基準としている。
【００２６】図１に示す画素回路１１において、逆バイ
アスされたフォトディテクタＰＤ１、ＰＤ２に光が入射
すると、その入射光量（または入射光強度）に応じて電
流が発生し、それにより、抵抗Ｒiに逆方向電流Ｉdが流
れ、ノード１、２間すなわち抵抗Ｒnに電位差が生ず
る。また、抵抗Ｒnを介した画素間接続により抵抗Ｒnを
介して周辺画素のノード１間で電荷が移動するため、ノ
ード１の電位は近傍画素間で平均化される。これによ
り、ノード２の電位はその画素が受けた光量とその画素
の近傍画素が受けた光量の平均値との差分を表す電位と
なる。このノード２の電位変化を増幅用トランジスタＴ
r3により増幅し、読み出し用トランジスタＴr4を介して
出力信号として取り出す。以下に上記の動作をより詳し
く説明する。
アスされたフォトディテクタＰＤ１、ＰＤ２に光が入射
すると、その入射光量（または入射光強度）に応じて電
流が発生し、それにより、抵抗Ｒiに逆方向電流Ｉdが流
れ、ノード１、２間すなわち抵抗Ｒnに電位差が生ず
る。また、抵抗Ｒnを介した画素間接続により抵抗Ｒnを
介して周辺画素のノード１間で電荷が移動するため、ノ
ード１の電位は近傍画素間で平均化される。これによ
り、ノード２の電位はその画素が受けた光量とその画素
の近傍画素が受けた光量の平均値との差分を表す電位と
なる。このノード２の電位変化を増幅用トランジスタＴ
r3により増幅し、読み出し用トランジスタＴr4を介して
出力信号として取り出す。以下に上記の動作をより詳し
く説明する。
【００２７】画素回路は画像信号を出力する前に所定の
タイミングでリセットされる（このリセット動作のタイ
ミングについては後述する。）。具体的には、抵抗Ｒi
の両端のノード１とノード２は、スイッチＳＷ１、ＳＷ
２が所定時間の間オンされることにより、所定の初期電
圧Ｖpdcが両ノード１、２に対してリセット電圧として
印加され、ノード１とノード２の電圧が電圧Ｖpdcにリ
セットされる。リセット電圧Ｖpdcは電源電圧と０Ｖと
の間の値をとる。その後、フォトディテクタＰＤ１、Ｐ
Ｄ２が受光すると、その受光量に応じてノード１、２の
電位すなわちノード１、２の電圧Ｖ1、Ｖ2が変化する。
タイミングでリセットされる（このリセット動作のタイ
ミングについては後述する。）。具体的には、抵抗Ｒi
の両端のノード１とノード２は、スイッチＳＷ１、ＳＷ
２が所定時間の間オンされることにより、所定の初期電
圧Ｖpdcが両ノード１、２に対してリセット電圧として
印加され、ノード１とノード２の電圧が電圧Ｖpdcにリ
セットされる。リセット電圧Ｖpdcは電源電圧と０Ｖと
の間の値をとる。その後、フォトディテクタＰＤ１、Ｐ
Ｄ２が受光すると、その受光量に応じてノード１、２の
電位すなわちノード１、２の電圧Ｖ1、Ｖ2が変化する。
【００２８】図１に示す画素回路のノード１、２におけ
る電圧Ｖ1、Ｖ2の変化を説明するにあたり、まず、図１
に示す回路において増幅用トランジスタＴr3及び抵抗Ｒ
nの接続を考慮しない場合のノード電圧Ｖ1、Ｖ2の変化
について説明する。すなわち、図４に示す回路における
ノード１、２の電圧Ｖ1、Ｖ2の変化について説明する。
る電圧Ｖ1、Ｖ2の変化を説明するにあたり、まず、図１
に示す回路において増幅用トランジスタＴr3及び抵抗Ｒ
nの接続を考慮しない場合のノード電圧Ｖ1、Ｖ2の変化
について説明する。すなわち、図４に示す回路における
ノード１、２の電圧Ｖ1、Ｖ2の変化について説明する。
【００２９】図５は、図４に示す画素回路においてノー
ド１の電圧Ｖ1とノード２の電圧Ｖ2の入射光量Ｄに対す
る変化を示した図である。なお、図５では、リセット終
了からの時間ｔが十分に経過した後の状態を示してい
る。また、時間ｔがほぼ０のときの電圧Ｖ1、Ｖ2の様子
を破線で示している。
ド１の電圧Ｖ1とノード２の電圧Ｖ2の入射光量Ｄに対す
る変化を示した図である。なお、図５では、リセット終
了からの時間ｔが十分に経過した後の状態を示してい
る。また、時間ｔがほぼ０のときの電圧Ｖ1、Ｖ2の様子
を破線で示している。
【００３０】図５に示すように、電圧Ｖ1は、画素に入
射する光量Ｄに応じてその値が変化し、リセット電圧Ｖ
pdcから電流ＩdとＲi／２との積で求められる電圧値だ
け高い値になる。ここで、電流Ｉdは入射光量Ｄに比例
するため、電圧Ｖ1とリセット電圧Ｖpdcとの差は光量Ｄ
に比例して増加する。同様に、電圧Ｖ2も入射光量Ｄに
応じてその値が変化し、リセット電圧Ｖpdcから電流Ｉd
とＲi／２との積で求められる電圧値だけ低い値にな
る。すなわち、電圧Ｖ2は一定の割合で光量Ｄに比例し
て減少する。
射する光量Ｄに応じてその値が変化し、リセット電圧Ｖ
pdcから電流ＩdとＲi／２との積で求められる電圧値だ
け高い値になる。ここで、電流Ｉdは入射光量Ｄに比例
するため、電圧Ｖ1とリセット電圧Ｖpdcとの差は光量Ｄ
に比例して増加する。同様に、電圧Ｖ2も入射光量Ｄに
応じてその値が変化し、リセット電圧Ｖpdcから電流Ｉd
とＲi／２との積で求められる電圧値だけ低い値にな
る。すなわち、電圧Ｖ2は一定の割合で光量Ｄに比例し
て減少する。
【００３１】また、リセット時からの経過時間ｔが大き
いほど、電圧Ｖ１、Ｖ２の傾きの絶対値は大きくなる。
すなわち、リセット電圧Ｖpdcの印加終了直後（経過時
間tがほぼ０）では、電圧Ｖ1と電圧Ｖ2はともにリセッ
ト電圧Ｖpdcとほぼ等しく、時間ｔが経過するにつれて
回路の時定数にしたがいリセット電圧Ｖpdcからの差が
増大していく。したがって、画素回路から出力信号を読
み出す際には、この時間ｔが十分経過した後に読み出す
ようにする。
いほど、電圧Ｖ１、Ｖ２の傾きの絶対値は大きくなる。
すなわち、リセット電圧Ｖpdcの印加終了直後（経過時
間tがほぼ０）では、電圧Ｖ1と電圧Ｖ2はともにリセッ
ト電圧Ｖpdcとほぼ等しく、時間ｔが経過するにつれて
回路の時定数にしたがいリセット電圧Ｖpdcからの差が
増大していく。したがって、画素回路から出力信号を読
み出す際には、この時間ｔが十分経過した後に読み出す
ようにする。
【００３２】次に、ノード２に対する増幅用トランジス
タＴr3の接続を考慮した場合のノード電圧Ｖ1、Ｖ2の変
化について図６を用いて説明する。
タＴr3の接続を考慮した場合のノード電圧Ｖ1、Ｖ2の変
化について図６を用いて説明する。
【００３３】増幅用トランジスタＴr3のゲートには寄生
容量Ｃmが存在する。このため、図６に示すようにノー
ド２にはトランジスタＴr3のゲート容量Ｃmが接続され
ているのと等しくなる。また、二つのフォトディテクタ
ＰＤ１、ＰＤ２もそれぞれ寄生容量Ｃpdを有するため、
ノード１には容量Ｃpdが、ノード２には容量Ｃpdに加え
て容量Ｃmが接続されていることになる。このため、ノ
ード１とノード２に接続される容量値は異なり、ノード
２にはノード１よりも大きな容量が接続されたことにな
る。
容量Ｃmが存在する。このため、図６に示すようにノー
ド２にはトランジスタＴr3のゲート容量Ｃmが接続され
ているのと等しくなる。また、二つのフォトディテクタ
ＰＤ１、ＰＤ２もそれぞれ寄生容量Ｃpdを有するため、
ノード１には容量Ｃpdが、ノード２には容量Ｃpdに加え
て容量Ｃmが接続されていることになる。このため、ノ
ード１とノード２に接続される容量値は異なり、ノード
２にはノード１よりも大きな容量が接続されたことにな
る。
【００３４】図７は、図６に示す画素回路におけるリセ
ット時からの時間ｔが十分に経過したときのノード１の
電圧Ｖ1とノード２の電圧Ｖ2とを示す。この場合も図５
に示す場合と同様に、電圧Ｖ1と電圧Ｖ2はそれらの差が
電流Ｉdと抵抗値Ｒiの積に応じた値となる。しかしなが
ら、図５に示す場合と異なり、光量Ｄに対する電圧Ｖ2
の傾きの絶対値は小さくなり、電圧Ｖ1の傾きの絶対値
は大きくなっている。これは、ノード２にはノード１に
接続される容量（Ｃpd）よりも大きな容量（Ｃpd＋Ｃ
m）が接続されているためである。この回路構成におい
ても、経過時間ｔがほぼ０の場合は、破線で示すように
電圧Ｖ1と電圧Ｖ2はともにリセット電圧Ｖpdcとほぼ等
しいが、ノード１とノード２の時定数が異なることによ
り、電圧Ｖ1と電圧Ｖ2の傾きの絶対値は異なる。つま
り、接続される容量がノード１と比較して大きなノード
２は、ノード１よりもゆっくりと変化するため、光量Ｄ
に対する電圧Ｖ2の傾きの絶対値が小さくなる。
ット時からの時間ｔが十分に経過したときのノード１の
電圧Ｖ1とノード２の電圧Ｖ2とを示す。この場合も図５
に示す場合と同様に、電圧Ｖ1と電圧Ｖ2はそれらの差が
電流Ｉdと抵抗値Ｒiの積に応じた値となる。しかしなが
ら、図５に示す場合と異なり、光量Ｄに対する電圧Ｖ2
の傾きの絶対値は小さくなり、電圧Ｖ1の傾きの絶対値
は大きくなっている。これは、ノード２にはノード１に
接続される容量（Ｃpd）よりも大きな容量（Ｃpd＋Ｃ
m）が接続されているためである。この回路構成におい
ても、経過時間ｔがほぼ０の場合は、破線で示すように
電圧Ｖ1と電圧Ｖ2はともにリセット電圧Ｖpdcとほぼ等
しいが、ノード１とノード２の時定数が異なることによ
り、電圧Ｖ1と電圧Ｖ2の傾きの絶対値は異なる。つま
り、接続される容量がノード１と比較して大きなノード
２は、ノード１よりもゆっくりと変化するため、光量Ｄ
に対する電圧Ｖ2の傾きの絶対値が小さくなる。
【００３５】以上の点を参考にして、図１に示す画素回
路について入射光量に対するノード１、２の電圧Ｖ1、
Ｖ2の変化を説明する。
路について入射光量に対するノード１、２の電圧Ｖ1、
Ｖ2の変化を説明する。
【００３６】図１に示す画素回路は、図６に示す画素回
路にさらにノード１において抵抗Ｒnを介して隣接画素
と相互接続したものである。このように、隣接画素間で
ノード１どうしを抵抗Ｒnを介して接続することにより
近傍画素間で抵抗Ｒnを介して電荷が移動するため、ノ
ード１の電位は近傍画素のノード１の電位を平均した値
になる。この電位が平均化される近傍画素の範囲は抵抗
Ｒnの抵抗値により調整でき、その抵抗値Ｒnを大きくす
ることにより平均化される範囲を狭くでき、抵抗値Ｒn
を小さくすることによりその範囲を広くできる。また、
抵抗Ｒiの値を変えることにより画素回路の感度が調整
できる。
路にさらにノード１において抵抗Ｒnを介して隣接画素
と相互接続したものである。このように、隣接画素間で
ノード１どうしを抵抗Ｒnを介して接続することにより
近傍画素間で抵抗Ｒnを介して電荷が移動するため、ノ
ード１の電位は近傍画素のノード１の電位を平均した値
になる。この電位が平均化される近傍画素の範囲は抵抗
Ｒnの抵抗値により調整でき、その抵抗値Ｒnを大きくす
ることにより平均化される範囲を狭くでき、抵抗値Ｒn
を小さくすることによりその範囲を広くできる。また、
抵抗Ｒiの値を変えることにより画素回路の感度が調整
できる。
【００３７】今、一つの平均化される範囲内の画素に対
する入射光量が光量ａから光量ｂの範囲に分布する場合
を考える。抵抗Ｒnによる画素間接続がない場合、入射
光量Ｄに対するノード電圧Ｖ1、Ｖ2は、図８において実
線Ｖ1'、Ｖ2'で示すように変化する。すなわち、画素間
接続がない場合、光量ａを受光するとノード１の電圧Ｖ
1は電圧値Ｖ1aとなり、光量ｂを受光すると電圧Ｖ1は電
圧値Ｖ1bとなる。
する入射光量が光量ａから光量ｂの範囲に分布する場合
を考える。抵抗Ｒnによる画素間接続がない場合、入射
光量Ｄに対するノード電圧Ｖ1、Ｖ2は、図８において実
線Ｖ1'、Ｖ2'で示すように変化する。すなわち、画素間
接続がない場合、光量ａを受光するとノード１の電圧Ｖ
1は電圧値Ｖ1aとなり、光量ｂを受光すると電圧Ｖ1は電
圧値Ｖ1bとなる。
【００３８】ところが、抵抗Ｒnによる画素間接続があ
る場合、リセット後十分な時間が経過すると、ノード１
の電圧Ｖ1は、近傍画素のノード１間で平均化されて、
入射光量にかかわらずこの平均された値Ｖ1c（この値は
光量の分布具合で決まる）になる。すなわち、光量ａを
受けたときのノード１の電圧Ｖ1は、画素間接続がない
ときの電圧Ｖ1aから平均値との差ΔＶa（＝Ｖ1c−Ｖ1
a）だけ上方にシフトし、また、光量bを受けたときのノ
ード１の電圧Ｖ1は、画素間接続がないときの電圧Ｖ1b
から平均値との差ΔＶb（＝Ｖ1b−Ｖ1c）だけ下方にシ
フトする。
る場合、リセット後十分な時間が経過すると、ノード１
の電圧Ｖ1は、近傍画素のノード１間で平均化されて、
入射光量にかかわらずこの平均された値Ｖ1c（この値は
光量の分布具合で決まる）になる。すなわち、光量ａを
受けたときのノード１の電圧Ｖ1は、画素間接続がない
ときの電圧Ｖ1aから平均値との差ΔＶa（＝Ｖ1c−Ｖ1
a）だけ上方にシフトし、また、光量bを受けたときのノ
ード１の電圧Ｖ1は、画素間接続がないときの電圧Ｖ1b
から平均値との差ΔＶb（＝Ｖ1b−Ｖ1c）だけ下方にシ
フトする。
【００３９】その結果、ノード２の電圧Ｖ2はノード１
の電圧Ｖ1の変化にしたがいシフトする。すなわち、ノ
ード２の電圧Ｖ2は、画素間接続がないときの値から、
光量ａを受けたときはΔＶａだけ上方へシフトし、光量
ｂを受けたときは、ΔＶｂだけ下方へシフトする。ま
た、画素が近傍画素の受光量の平均値ｍと等しい光量を
受けたときは、電圧Ｖ1は画素間接続がない場合と同様
の値となり、電圧Ｖ2も画素間接続がない場合と同様の
値となる。
の電圧Ｖ1の変化にしたがいシフトする。すなわち、ノ
ード２の電圧Ｖ2は、画素間接続がないときの値から、
光量ａを受けたときはΔＶａだけ上方へシフトし、光量
ｂを受けたときは、ΔＶｂだけ下方へシフトする。ま
た、画素が近傍画素の受光量の平均値ｍと等しい光量を
受けたときは、電圧Ｖ1は画素間接続がない場合と同様
の値となり、電圧Ｖ2も画素間接続がない場合と同様の
値となる。
【００４０】すなわち、画素間接続がある場合、一つの
画素において、ノード２の電圧は、その近傍の画素が受
ける光量の平均値と、その画素が受ける光量との差分を
表した値となる。
画素において、ノード２の電圧は、その近傍の画素が受
ける光量の平均値と、その画素が受ける光量との差分を
表した値となる。
【００４１】このように、各画素のノード1を抵抗Ｒnを
介して相互接続することによって、増幅用トランジスタ
Ｔr3のゲートに接続されたノード2の電圧Ｖ2は、画素近
傍の受光量の平均値を基準として、その画素の受光量と
近傍画素における平均値との差を示す信号を表す。ここ
で、その基準となる電圧値は、画素間接続がない場合の
ノード２の電圧値Ｖ2と等しく、この電圧Ｖ2とリセット
電圧Ｖpdcとのずれは光量が大きくなるにしたがって大
きくなる（図８参照）。このことは、ノード２の電圧Ｖ
2が入射光量に依存することを示し、平均値からの差分
に応じて一様に変化しないことを示す。このずれによる
受光量依存成分は小さい方が好ましく、電圧Ｖ2とリセ
ット電圧Ｖpdcとのずれはノード２に接続された容量値
を大きくすることで低減することができる。本実施形態
では、増幅用トランジスタＴr3のゲート容量を利用する
ことにより、ノード１と比較してノード２に接続される
容量値を大きくし、出力信号の光量依存成分を低減して
いる。さらに、別途、所定容量値のコンデンサをノード
２に接続することにより、ノード２に接続される容量値
を大きくしてもよい。
介して相互接続することによって、増幅用トランジスタ
Ｔr3のゲートに接続されたノード2の電圧Ｖ2は、画素近
傍の受光量の平均値を基準として、その画素の受光量と
近傍画素における平均値との差を示す信号を表す。ここ
で、その基準となる電圧値は、画素間接続がない場合の
ノード２の電圧値Ｖ2と等しく、この電圧Ｖ2とリセット
電圧Ｖpdcとのずれは光量が大きくなるにしたがって大
きくなる（図８参照）。このことは、ノード２の電圧Ｖ
2が入射光量に依存することを示し、平均値からの差分
に応じて一様に変化しないことを示す。このずれによる
受光量依存成分は小さい方が好ましく、電圧Ｖ2とリセ
ット電圧Ｖpdcとのずれはノード２に接続された容量値
を大きくすることで低減することができる。本実施形態
では、増幅用トランジスタＴr3のゲート容量を利用する
ことにより、ノード１と比較してノード２に接続される
容量値を大きくし、出力信号の光量依存成分を低減して
いる。さらに、別途、所定容量値のコンデンサをノード
２に接続することにより、ノード２に接続される容量値
を大きくしてもよい。
【００４２】図９は各光量域での入射光量Ｄに対するノ
ード２における電圧Ｖ2の変化の一例を示した図であ
る。図９において、例えば、実線Ｐは、近傍画素の受光
光量範囲が光量ａから光量ｂにあるときのノード２の電
圧Ｖ2の変化を示す。このとき、電圧Ｖ2は平均光量ｍを
基準とした平均光量との差分を示している。同様に、実
線Ｐ'は、近傍画素の受光光量範囲が光量ａ'から光量
ｂ'にあるときのノード２の電圧Ｖ2の変化を示す。この
ように、本実施形態の画素回路は、人間の網膜と同様に
周囲の光量にしたがい、その受光感度範囲をシフトさせ
ることができる。
ード２における電圧Ｖ2の変化の一例を示した図であ
る。図９において、例えば、実線Ｐは、近傍画素の受光
光量範囲が光量ａから光量ｂにあるときのノード２の電
圧Ｖ2の変化を示す。このとき、電圧Ｖ2は平均光量ｍを
基準とした平均光量との差分を示している。同様に、実
線Ｐ'は、近傍画素の受光光量範囲が光量ａ'から光量
ｂ'にあるときのノード２の電圧Ｖ2の変化を示す。この
ように、本実施形態の画素回路は、人間の網膜と同様に
周囲の光量にしたがい、その受光感度範囲をシフトさせ
ることができる。
【００４３】図１０は、図９に示すノード２の電圧Ｖ2
を増幅用トランジスタＴr3により読み出し、反転増幅し
て得られる出力信号を示した図である。この図に示すよ
うに、限られた光量ａから光量ｂの範囲に対して大きな
振幅を割り当てることができるので、高いコントラスト
検知機能が実現される。増幅用トランジスタＴr3の増幅
率を変えることで光量Ｄの変化に対する信号の変化（傾
き）を変えることができ、コントラストを調整すること
ができる。しかし、この増幅率と受光感度検知領域の限
界は画素間接続がない場合の光量Ｄに対する電圧Ｖ2の
傾きによって制限される。
を増幅用トランジスタＴr3により読み出し、反転増幅し
て得られる出力信号を示した図である。この図に示すよ
うに、限られた光量ａから光量ｂの範囲に対して大きな
振幅を割り当てることができるので、高いコントラスト
検知機能が実現される。増幅用トランジスタＴr3の増幅
率を変えることで光量Ｄの変化に対する信号の変化（傾
き）を変えることができ、コントラストを調整すること
ができる。しかし、この増幅率と受光感度検知領域の限
界は画素間接続がない場合の光量Ｄに対する電圧Ｖ2の
傾きによって制限される。
【００４４】図１１は上記の画素回路に対する制御信号
のタイミングチャートである。図１１の（ａ）は、ノー
ド１及びノード２をリセットするためのリセット信号を
示し、図１１の（ｂ）は、出力電圧を読み出すタイミン
グを与える読み出し制御信号を示す。図１１の（ａ）に
示すように、時刻Ｔ0からＴ0'の間、リセット信号をＬ
ｏｗ（０Ｖ）とする。これによりトランジスタＴr1、Ｔ
r2がオンし、制御線２３を介してノード１及びノード２
にリセット電圧Vpdcが印加される。その後、フォトディ
テクタＰＤ１、ＰＤ２の受光動作に伴い、時刻Ｔ0'から
時刻Ｔ1までの間ノード１の電圧Ｖ1は抵抗Ｒnを介して
隣接画素との間で平均化される。次に時刻Ｔ1で読み出
し制御信号をＨｉｇｈ（電源電圧Ｖdd）にすると、ノー
ド２の電圧Ｖ2がトランジスタＴr3によって電流に変換
され、読み出し用トランジスタＴr4及び信号線２１を介
して外部に取り出される。各画素回路に対して、以上の
動作が所定の周期で行われることにより、リセット動
作、読み出し動作が繰り返して行われる。このように、
画素回路は読み出し動作前にリセットされることによ
り、光量に応じた電圧を出力する際の基準を常に一定に
保つことができ、安定した光量−電圧変換が可能とな
る。
のタイミングチャートである。図１１の（ａ）は、ノー
ド１及びノード２をリセットするためのリセット信号を
示し、図１１の（ｂ）は、出力電圧を読み出すタイミン
グを与える読み出し制御信号を示す。図１１の（ａ）に
示すように、時刻Ｔ0からＴ0'の間、リセット信号をＬ
ｏｗ（０Ｖ）とする。これによりトランジスタＴr1、Ｔ
r2がオンし、制御線２３を介してノード１及びノード２
にリセット電圧Vpdcが印加される。その後、フォトディ
テクタＰＤ１、ＰＤ２の受光動作に伴い、時刻Ｔ0'から
時刻Ｔ1までの間ノード１の電圧Ｖ1は抵抗Ｒnを介して
隣接画素との間で平均化される。次に時刻Ｔ1で読み出
し制御信号をＨｉｇｈ（電源電圧Ｖdd）にすると、ノー
ド２の電圧Ｖ2がトランジスタＴr3によって電流に変換
され、読み出し用トランジスタＴr4及び信号線２１を介
して外部に取り出される。各画素回路に対して、以上の
動作が所定の周期で行われることにより、リセット動
作、読み出し動作が繰り返して行われる。このように、
画素回路は読み出し動作前にリセットされることによ
り、光量に応じた電圧を出力する際の基準を常に一定に
保つことができ、安定した光量−電圧変換が可能とな
る。
【００４５】なお、上記リセット信号はノード１及びノ
ード２のうちのいずれか一方にのみ印加するようにして
もよい。また、上記リセット信号は、平均化される画素
間で各画素が一様に動作するように複数の画素回路に対
して共通に与えることが好ましい。少なくとも二つの隣
接する画素回路に対して一定値のリセット信号を与える
のが好ましい。これにより半導体撮像素子から得られる
出力信号の精度を向上できる。
ード２のうちのいずれか一方にのみ印加するようにして
もよい。また、上記リセット信号は、平均化される画素
間で各画素が一様に動作するように複数の画素回路に対
して共通に与えることが好ましい。少なくとも二つの隣
接する画素回路に対して一定値のリセット信号を与える
のが好ましい。これにより半導体撮像素子から得られる
出力信号の精度を向上できる。
【００４６】以上のように、本実施形態の撮像素子は、
二つのダイオードと一つの抵抗とからなる直列回路を有
する画素回路を備え、各画素回路が抵抗を介して隣接画
素回路と接続されている。このように、従来のように差
動増幅器を用いずに画素回路が構成できるため、簡単な
構成で撮像素子を実現でき、また、その受光感度範囲を
人間の網膜のように各画素が周辺の明るさに応じてシフ
トすることができるため、広い受光感度範囲と高いコン
トラストの検知が実現できる。
二つのダイオードと一つの抵抗とからなる直列回路を有
する画素回路を備え、各画素回路が抵抗を介して隣接画
素回路と接続されている。このように、従来のように差
動増幅器を用いずに画素回路が構成できるため、簡単な
構成で撮像素子を実現でき、また、その受光感度範囲を
人間の網膜のように各画素が周辺の明るさに応じてシフ
トすることができるため、広い受光感度範囲と高いコン
トラストの検知が実現できる。
【００４７】実施の形態２．図１２に実施の形態２の半
導体撮像素子を構成する画素回路の構成を示す。本実施
形態では、実施の形態１における画素回路の抵抗Ｒn及
び抵抗ＲiをＭＯＳトランジスタで構成している。すな
わち、図１２に示すように、画素間を結合する抵抗Ｒn
をＰＭＯＳトランジスタＴrnで構成し、また、フォトデ
ィテクタＰＤ１、ＰＤ２間に挿入された抵抗ＲiをＰＭ
ＯＳトランジスタＴriで構成している。なお、本実施形
態の画素回路は、実施の形態１の画素回路と同様に動作
する。
導体撮像素子を構成する画素回路の構成を示す。本実施
形態では、実施の形態１における画素回路の抵抗Ｒn及
び抵抗ＲiをＭＯＳトランジスタで構成している。すな
わち、図１２に示すように、画素間を結合する抵抗Ｒn
をＰＭＯＳトランジスタＴrnで構成し、また、フォトデ
ィテクタＰＤ１、ＰＤ２間に挿入された抵抗ＲiをＰＭ
ＯＳトランジスタＴriで構成している。なお、本実施形
態の画素回路は、実施の形態１の画素回路と同様に動作
する。
【００４８】ＭＯＳトランジスタＴrn、Ｔriにより実現
される抵抗値はそれぞれのゲート電圧を制御することに
より調整できる。具体的には、トランジスタＴrnの抵抗
値は結合バイアス電圧Ｖnにより、トランジスタＴriの
抵抗値は補正バイアス電圧Ｖiにより調整できる。バイ
アス電圧Ｖn、Ｖiはそれぞれ制御線２９、３１により与
えられ、回路動作中はそれらの値は固定されている。
される抵抗値はそれぞれのゲート電圧を制御することに
より調整できる。具体的には、トランジスタＴrnの抵抗
値は結合バイアス電圧Ｖnにより、トランジスタＴriの
抵抗値は補正バイアス電圧Ｖiにより調整できる。バイ
アス電圧Ｖn、Ｖiはそれぞれ制御線２９、３１により与
えられ、回路動作中はそれらの値は固定されている。
【００４９】なお、トランジスタＴrn、Ｔriの抵抗値を
調整するためのバイアス電圧Ｖn、Ｖiは平均化される近
傍画素間において同一の値が与えられるようにする。例
えば、隣接画素のうち少なくとも二つの画素において共
通のバイアス電圧Ｖn、Ｖiを与えるようにするのが好ま
しい。これにより、平均化される画素範囲において各画
素の抵抗値が同じ値となり、各画素の特性が一様とな
る。
調整するためのバイアス電圧Ｖn、Ｖiは平均化される近
傍画素間において同一の値が与えられるようにする。例
えば、隣接画素のうち少なくとも二つの画素において共
通のバイアス電圧Ｖn、Ｖiを与えるようにするのが好ま
しい。これにより、平均化される画素範囲において各画
素の抵抗値が同じ値となり、各画素の特性が一様とな
る。
【００５０】以上のように、抵抗Ｒn、Ｒiをトランジス
タで構成することにより、半導体基板上において抵抗素
子を形成する場合に比べて、容易にかつ小規模で実現で
きる。さらに、トランジスタのゲート電位を変えること
により感度や平均化の範囲を変更でき、設計時の抵抗値
の設定における負担が軽減され、また、撮像装置への実
装時においても撮像対象に応じた調整が容易に行える。
タで構成することにより、半導体基板上において抵抗素
子を形成する場合に比べて、容易にかつ小規模で実現で
きる。さらに、トランジスタのゲート電位を変えること
により感度や平均化の範囲を変更でき、設計時の抵抗値
の設定における負担が軽減され、また、撮像装置への実
装時においても撮像対象に応じた調整が容易に行える。
【００５１】
【発明の効果】本発明の第１の半導体撮像素子によれ
ば、一つの画素回路を二つのフォトセンサと一つの抵抗
とからなる直列回路で構成し、各画素回路を抵抗を介し
て接続する。これにより、人間の網膜のように各画素が
周辺の画素への入射光量に応じて受光感度範囲をシフト
する機構を持つ撮像素子を容易な回路構成で実現でき
る。また、フォトセンサ間に抵抗を用いているため、そ
の抵抗値を変えることにより半導体撮像素子の感度等の
性能を容易に変更することができる。
ば、一つの画素回路を二つのフォトセンサと一つの抵抗
とからなる直列回路で構成し、各画素回路を抵抗を介し
て接続する。これにより、人間の網膜のように各画素が
周辺の画素への入射光量に応じて受光感度範囲をシフト
する機構を持つ撮像素子を容易な回路構成で実現でき
る。また、フォトセンサ間に抵抗を用いているため、そ
の抵抗値を変えることにより半導体撮像素子の感度等の
性能を容易に変更することができる。
【００５２】本発明の第２の半導体撮像素子によれば、
抵抗素子の両端を異なる容量値にすることにより、周辺
画素の平均の受光量とその画素の受光量との差を求める
際の基準値の入射光量依存性を抑制できるため、入射光
量の絶対値に影響されないで周辺画素の平均の受光量と
その画素の受光量との差分を表す電圧を出力することが
できる。これにより、受光感度範囲を入射光量に応じて
シフトする機構を実現できる。
抵抗素子の両端を異なる容量値にすることにより、周辺
画素の平均の受光量とその画素の受光量との差を求める
際の基準値の入射光量依存性を抑制できるため、入射光
量の絶対値に影響されないで周辺画素の平均の受光量と
その画素の受光量との差分を表す電圧を出力することが
できる。これにより、受光感度範囲を入射光量に応じて
シフトする機構を実現できる。
【００５３】本発明の第３の半導体撮像素子によれば、
抵抗素子をＭＯＳトランジスタで構成するため、回路規
模を増大させることなく半導体撮像素子を製造でき、さ
らにＭＯＳトランジスタのゲート電圧を制御することに
よりその抵抗値を容易に変更できるため、感度調整等が
容易になり、また、抵抗値の設計時の負担が軽減され
る。
抵抗素子をＭＯＳトランジスタで構成するため、回路規
模を増大させることなく半導体撮像素子を製造でき、さ
らにＭＯＳトランジスタのゲート電圧を制御することに
よりその抵抗値を容易に変更できるため、感度調整等が
容易になり、また、抵抗値の設計時の負担が軽減され
る。
【００５４】本発明の第４の半導体撮像素子によれば、
周辺画素において共通にゲート電圧を印加して抵抗値を
一定値にする。これにより、周辺画素において各画素の
一様な動作が可能となり、半導体撮像素子の精度を向上
できる。
周辺画素において共通にゲート電圧を印加して抵抗値を
一定値にする。これにより、周辺画素において各画素の
一様な動作が可能となり、半導体撮像素子の精度を向上
できる。
【００５５】本発明の第５の半導体撮像素子によれば、
リセット電圧を印加して各画素回路を初期化できるた
め、安定した出力を得ることができる。
リセット電圧を印加して各画素回路を初期化できるた
め、安定した出力を得ることができる。
【００５６】本発明の第６の半導体撮像素子によれば、
周辺画素において共通にリセット電圧を印加することに
より、周辺画素において各画素の一様な動作が可能とな
り、半導体撮像素子の精度を向上できる。
周辺画素において共通にリセット電圧を印加することに
より、周辺画素において各画素の一様な動作が可能とな
り、半導体撮像素子の精度を向上できる。
【図１】 本発明の実施の形態１の半導体撮像素子を構
成する画素の回路図。
成する画素の回路図。
【図２】 実施の形態1の画素回路をアレイ状に配列し
た様子を説明した図。
た様子を説明した図。
【図３】 実施の形態１の画素回路のさらに詳細な回路
図。
図。
【図４】 実施の形態１の画素回路において画素間接続
と読み出し用トランジスタを考慮しない画素回路の回路
図。
と読み出し用トランジスタを考慮しない画素回路の回路
図。
【図５】 図４に示す画素回路の入射光量と各ノード電
圧との関係を示す図。
圧との関係を示す図。
【図６】 実施の形態１の画素回路において各部の容量
を明示した回路図。
を明示した回路図。
【図７】 図６に示す画素回路の入射光量と各ノード電
圧との関係を示す図。
圧との関係を示す図。
【図８】 隣接画素との間で接続された画素回路におけ
る入射光量と各ノード電圧との関係を示す図。
る入射光量と各ノード電圧との関係を示す図。
【図９】 実施の形態１の画素回路において、読み出し
トランジスタのゲートに接続するノードでの電圧と入射
光量との関係の一例を示す図。
トランジスタのゲートに接続するノードでの電圧と入射
光量との関係の一例を示す図。
【図１０】 図９に示すノード電圧を反転増幅し読み出
し信号として取出した場合の入射光量と出力電圧との関
係を示す図。
し信号として取出した場合の入射光量と出力電圧との関
係を示す図。
【図１１】 実施の形態１の画素回路の制御信号のタイ
ミングチャート。
ミングチャート。
【図１２】 実施の形態２の半導体撮像素子を構成する
画素回路の回路図。
画素回路の回路図。
【図１３】 人間の網膜における局所的感度自動調整の
様子を示した図。
様子を示した図。
【図１４】 従来の受光感度範囲をシフトする機能を有
する画素の回路図。
する画素の回路図。
１，２ ノード、 １１，１１ａ 画素回路、 Ｃpd，
Ｃm 容量、 ＰＤ１，ＰＤ２ フォトディテクタ、
Ｒn 抵抗、 Ｒi 抵抗、 ＳＷ１，ＳＷ２スイッチ、
Ｔr1，Ｔr2，Ｔri，Ｔrn ＭＯＳトランジスタ、 Ｔ
r3 増幅用トランジスタ、Ｔr4 読み出し用トランジス
タ
Ｃm 容量、 ＰＤ１，ＰＤ２ フォトディテクタ、
Ｒn 抵抗、 Ｒi 抵抗、 ＳＷ１，ＳＷ２スイッチ、
Ｔr1，Ｔr2，Ｔri，Ｔrn ＭＯＳトランジスタ、 Ｔ
r3 増幅用トランジスタ、Ｔr4 読み出し用トランジス
タ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4M118 AA02 AA06 AB01 BA14 CA02 FA06 5C024 AA01 CA12 CA14 CA15 CA21 FA01 GA01 GA31 HA05 JA04 5F049 MA01 NA01 NB05 RA06 RA10 UA20
Claims (6)
- 【請求項１】 複数の画素回路が接続されてなる半導体
撮像素子において、 上記画素回路は第１の光検出素子、第２の光検出素子及
び第１の抵抗素子を有し、第１の光検出素子と第２の光
検出素子とが第１の抵抗素子を介して直列に接続され、 上記各画素回路は、上記二つの光検出素子のうちの一方
と上記第１の抵抗素子との接続ノードにおいて第２の抵
抗素子を介して隣接する画素回路と接続されることを特
徴とする半導体撮像素子。 - 【請求項２】 上記画素回路において、上記第１の抵抗
素子の両端を異なった容量値に設定することを特徴とす
る請求項１記載の半導体撮像素子。 - 【請求項３】 上記画素回路において、上記第１の抵抗
素子または第２の抵抗素子のうちの少なくともいずれか
をＭＯＳトランジスタにより構成し、上記抵抗素子の抵
抗値は上記ＭＯＳトランジスタのゲート電圧に応じて設
定されることを特徴とする請求項１記載の半導体撮像素
子。 - 【請求項４】 上記抵抗値を設定するためのゲート電圧
は、第１及び第２の抵抗の抵抗素子各々について、少な
くとも二つ以上の画素回路に関して共通に与えられるこ
とを特徴とする請求項３記載の半導体撮像素子。 - 【請求項５】 上記第１の抵抗素子の少なくとも一端に
画素回路の状態を初期化するためのリセット電圧を印加
することを特徴とする請求項１記載の半導体撮像素子。 - 【請求項６】 上記リセット電圧は少なくとも二つ以上
の画素回路に関して共通に与えられることを特徴とする
請求項５記載の半導体撮像素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15367399A JP3514663B2 (ja) | 1999-06-01 | 1999-06-01 | 半導体撮像素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15367399A JP3514663B2 (ja) | 1999-06-01 | 1999-06-01 | 半導体撮像素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000340779A true JP2000340779A (ja) | 2000-12-08 |
| JP3514663B2 JP3514663B2 (ja) | 2004-03-31 |
Family
ID=15567680
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15367399A Expired - Fee Related JP3514663B2 (ja) | 1999-06-01 | 1999-06-01 | 半導体撮像素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3514663B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7098951B2 (en) | 2001-09-21 | 2006-08-29 | Exploitation Of Next Generation Co., Ltd. | Image pickup device with high contrast detection capability |
| WO2007132695A1 (ja) | 2006-05-11 | 2007-11-22 | Fusayoshi Hirotsu | 半導体撮像素子 |
| US7435935B2 (en) | 2003-10-30 | 2008-10-14 | Fusayoshi Hirotsu | Semiconductor image pickup device with dual current generation circuit capable of sensing light over wider range |
| WO2010074199A1 (ja) | 2008-12-26 | 2010-07-01 | 廣津 和子 | 固体撮像素子およびその制御方法 |
| JPWO2018211366A1 (ja) * | 2017-05-18 | 2020-05-14 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | 画像検出モジュール、情報管理システム |
-
1999
- 1999-06-01 JP JP15367399A patent/JP3514663B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO2007132695A1 (ja) | 2006-05-11 | 2007-11-22 | Fusayoshi Hirotsu | 半導体撮像素子 |
| WO2010074199A1 (ja) | 2008-12-26 | 2010-07-01 | 廣津 和子 | 固体撮像素子およびその制御方法 |
| JP2010171918A (ja) * | 2008-12-26 | 2010-08-05 | Hirotsu Kazuko | 固体撮像素子 |
| US8552354B2 (en) | 2008-12-26 | 2013-10-08 | Kazuko Hirotsu | Solid-state image pickup element having a control circuit for controlling the operation period of a transfer circuit and method for controlling the same |
| JPWO2018211366A1 (ja) * | 2017-05-18 | 2020-05-14 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | 画像検出モジュール、情報管理システム |
| US11403833B2 (en) | 2017-05-18 | 2022-08-02 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Image detection module and information management system |
| JP2022174043A (ja) * | 2017-05-18 | 2022-11-22 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | 半導体装置 |
| JP7383766B2 (ja) | 2017-05-18 | 2023-11-20 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | 半導体装置 |
| US12557407B2 (en) | 2017-05-18 | 2026-02-17 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Image detection module and information management system |
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