JP4833010B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードを各々有する複数の画素部が配列された受光部を備える固体撮像装置に関するものである。

固体撮像装置は、フォトダイオードを各々有する複数の画素部が２次元配置された受光部を備えており、また、各画素部のフォトダイオードで発生した電荷の量に応じたデジタル値を出力するＡＤ変換回路をも備える場合がある。このような固体撮像装置において、画素数が増加の一途にあり、また、撮像の高速化が求められている。このような画素数の増加と撮像の高速化は、一般に固体撮像装置の消費電力の増加をもたらすことになる。
特表２００２−５０５００２号公報

ところで、固体撮像装置の用途によっては、消費電力の増加を抑制したい場合や、寧ろ消費電力を低減したい場合がある。例えば、固体撮像装置を長時間に亘ってバッテリ駆動したい場合や、固体撮像装置を含む機器の構造上の理由から発熱を抑制したい場合、等である。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、画素数の増加や撮像の高速化を図る場合であっても消費電力の増大を抑制す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は、(1) 入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードと、ゲート端子に形成された寄生容量部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、フォトダイオードで発生した電荷を増幅用トランジスタのゲート端子へ転送する転送用トランジスタと、寄生容量部の電荷を初期化する放電用トランジスタと、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各々有する複数の画素部を含み、電荷蓄積動作制御信号が指示する期間に複数の画素部それぞれにおいてフォトダイオードで発生した電荷を寄生容量部に蓄積する受光部と、(2) 複数の画素部それぞれにおける電荷蓄積動作の後に、複数の画素部それぞれの選択用トランジスタから出力される電圧値に応じたデジタル値を出力する出力部と、(3) 第１入力端子，第２入力端子および出力端子を有するアンプを含み、複数の画素部それぞれの放電用トランジスタにアンプの第１入力端子が接続され、複数の画素部それぞれの寄生容量部の電荷を初期化する為のバイアス電位にアンプの第２入力端子が接続され、アンプの出力端子からの出力信号に基づいて、複数の画素部それぞれのフォトダイオードに入射する光の総量を表す入射光総量信号を出力する入射光総量監視部と、を備えることを特徴とする。また、本発明に係る固体撮像装置は、入射光総量監視部から出力される入射光総量信号を入力し、この入射光総量信号が表す入射光総量が閾値より大きいときに受光部の複数の画素部それぞれに対して電荷蓄積動作を指示する電荷蓄積動作制御信号を生成する制御部を更に備えるのが好適である。

本発明に係る固体撮像装置では、受光部に含まれる各画素部は、ＡＰＳ（Active Pixel Sensor）方式のものであって、フォトダイオード、増幅用トランジスタ、転送用トランジスタ、放電用トランジスタおよび選択用トランジスタを有している。また、入射光総量監視部に含まれるアンプの第１入力端子は、複数の画素部それぞれの放電用トランジスタに接続される。アンプの第２入力端子は、複数の画素部それぞれの増幅用トランジスタのゲート端子に形成された寄生容量部の電荷を初期化する為のバイアス電位に接続される。アンプの第１入力端子は、第２入力端子に対してイマジナリショートの関係にあるので、同じくバイアス電位となっている。したがって、各画素部において、放電用トランジスタおよび転送用トランジスタがオン状態となっているときには、増幅用トランジスタのゲート端子の電位はリセットされるともに、フォトダイオードで発生した電荷は入射光総量監視部のアンプの第１入力端子に入力される。

入射光総量監視部のアンプの出力端子からの出力信号に基づいて、複数の画素部それぞれのフォトダイオードに入射する光の総量を表す入射光総量信号が得られる。そして、この入射光総量信号が表す入射光総量が閾値より大きいときに、受光部の各画素部に対して電荷蓄積動作を指示する電荷蓄積動作制御信号が生成される。受光部では、電荷蓄積動作制御信号が指示する期間に各画素部においてフォトダイオードで発生した電荷が増幅用トランジスタのゲート端子の寄生容量部に蓄積され、その後に、各画素部の選択用トランジスタから出力される電圧値に応じたデジタル値が出力部から出力される。

本発明に係る固体撮像装置では、入射光総量監視部は、アンプの第１入力端子と出力端子との間に設けられた容量素子およびスイッチと、アンプの出力端子から出力される電圧値と基準電圧値とを大小比較して当該比較結果を表す信号を入射光総量信号として出力する比較回路とを更に含み、スイッチが入射光総量信号のレベルに応じて開閉制御されるのが好適である。この場合には、比較回路から出力される入射光総量信号は、受光部への入射光量に応じたパルス繰返し周波数を有するパルス信号となる。

本発明に係る固体撮像装置では、入射光総量監視部は、アンプの第１入力端子と出力端子との間に設けられた容量素子およびスイッチを更に含み、スイッチが一定周期で開閉制御され、アンプの出力端子からの出力信号を入射光総量信号として出力するのが好適である。この場合には、アンプから出力される入射光総量信号は、受光部への入射光量に応じたピーク値を有する三角波信号となる。

本発明に係る固体撮像装置は、入射光総量監視部は、アンプの第１入力端子と出力端子との間に設けられた抵抗器を更に含み、アンプの出力端子からの出力信号を入射光総量信号として出力するのが好適である。この場合には、アンプから出力される入射光総量信号は、受光部への入射光量に応じた電圧値となる。

本発明に係る固体撮像装置は、画素数の増加や撮像の高速化を図る場合であっても、消費電力の増大を抑制することができる。

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の構成図である。この図に示される固体撮像装置１は、受光部１０、入射光総量監視部２０、行選択部３０、列選択部４０、電圧保持部５０、出力部６０および制御部７０を備える。なお、この図では、要素間の配線については省略または簡略化されている。

受光部１０は、入射した光の像を撮像するためのものであり、Ｍ行Ｎ列に２次元配列された画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎを含む。画素部Ｐ_ｍ,ｎは第ｍ行第ｎ列に位置している。Ｍ×Ｎ個の画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎは、共通の構成を有していて、入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードと、該電荷を蓄積する電荷蓄積部とを有している。受光部１０は、制御部７０から出力される電荷蓄積動作制御信号が指示する期間に、Ｍ×Ｎ個の画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎそれぞれにおいてフォトダイオードで発生した電荷を電荷蓄積部により蓄積する。また、それ以外の期間には、受光部１０は、Ｍ×Ｎ個の画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎそれぞれにおいてフォトダイオードで発生した電荷を入射光総量監視部２０へ出力する。なお、Ｍ，Ｎは２以上の整数であり、ｍは１以上Ｍ以下の整数であり、ｎは１以上Ｎ以下の整数である。

入射光総量監視部２０は、画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎのフォトダイオードに入射する光の総量を表す入射光総量信号を出力するものである。入射光総量監視部２０は、反転入力端子，非反転入力端子および出力端子を有するアンプＡ_２０を含む。アンプＡ_２０の反転入力端子は、画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎそれぞれに接続されている。アンプＡ_２０の非反転入力端子は、バイアス電位Ｖb1に接続されている。入射光総量監視部２０は、アンプＡ_２０の出力端子からの出力信号に基づいて、入射光総量信号を出力する。この入射光総量監視部２０の詳細については、後に図２を用いて説明する。

行選択部３０は、制御部７０による制御の下に、受光部１０における各行を順次に指定して、その指定した第ｍ行のＮ個の画素部Ｐ_ｍ,１〜Ｐ_ｍ,Ｎそれぞれの電荷蓄積部に蓄積された電荷の量に応じた電圧値を電圧保持部５０へ出力させる。行選択部３０は、Ｍ段のシフトレジスタ回路を含み、このシフトレジスタ回路の各段の出力ビットにより、受光部１０における各行を順次に指定することができる。

電圧保持部５０は、共通の構成を有するＮ個の保持回路Ｈ_１〜Ｈ_Ｎを含む。保持回路Ｈ_ｎは、受光部１０における第ｎ列のＭ個の画素部Ｐ_１,ｎ〜Ｐ_Ｍ,ｎと接続されていて、これらのうちの何れかの画素部Ｐ_ｍ,ｎから出力された電圧値を入力し、その入力した電圧値を保持して出力する。保持回路Ｈ_ｎは、雑音成分が重畳された信号成分を表す電圧値を保持するとともに、雑音成分を表す電圧値も保持することができる。

列選択部４０は、電圧保持部５０に含まれるＮ個の保持回路Ｈ_１〜Ｈ_Ｎを順次に指定して、その指定した第ｎの保持回路Ｈ_ｎにより保持されている電圧値を出力部６０へ出力させる。列選択部４０は、Ｎ段のシフトレジスタ回路を含み、このシフトレジスタ回路の各段の出力ビットにより、Ｎ個の保持回路Ｈ_１〜Ｈ_Ｎを順次に指定することができる。

出力部６０は、画素部Ｐ_ｍ,１〜Ｐ_ｍ,Ｎそれぞれにおける電荷蓄積動作の後に、画素部Ｐ_ｍ,１〜Ｐ_ｍ,Ｎそれぞれから出力される電圧値に応じたデジタル値（以下「画素データ」という。）を出力する。また、出力部６０は、その画素データを出力していない期間に、入射光総量監視部２０から出力される入射光総量信号を出力する。出力部６０は、差演算回路６１，ＡＤ変換回路６２およびスイッチＳＷ_６３を含む。

差演算回路６１は、各保持回路Ｈ_ｎから出力される電圧値を入力して処理し、その処理結果である電圧値をＡＤ変換回路６２へ出力する。ＡＤ変換回路６２は、差演算回路６１から出力された電圧値を入力し、この入力した電圧値をＡＤ変換して、そのＡＤ変換の結果であるデジタル値（画素データ）を出力する。また、スイッチＳＷ_６３は、ＡＤ変換回路６２から出力される画素データを入力するとともに、入射光総量監視部２０から出力される入射光総量信号をも入力し、制御部７０により制御されて、画素データおよび入射光総量信号の何れかを選択的して共通の出力信号線Ｌoutへ出力する。

制御部７０は、固体撮像装置１の全体の動作を制御するものである。例えば、制御部７０は、行選択部３０における行選択動作、列選択部４０における列選択動作、電圧保持部５０におけるデータ保持動作、出力部６０におけるＡＤ変換動作および出力信号選択動作、を制御する。また、制御部７０は、入射光総量監視部２０から出力される入射光総量信号を入力し、この入射光総量信号が表す入射光総量が閾値より大きいときに受光部１０の画素部Ｐ_ｍ,１〜Ｐ_ｍ,Ｎそれぞれに対して電荷蓄積動作を指示する電荷蓄積動作制御信号を生成する。

なお、受光部１０の画素部Ｐ_ｍ,１〜Ｐ_ｍ,Ｎそれぞれに対して電荷蓄積動作を指示する電荷蓄積動作制御信号は、制御部７０から受光部１０に直接に供給されてもよく、各画素部Ｐ_ｍ,ｎに含まれる各トランジスタのゲート端子に与えられる制御信号（後述するReset(m)信号，Trans(m)信号およびHold(m)信号）とともに電荷蓄積動作を指示するものであってもよい。或いは、電荷蓄積動作制御信号が制御部７０から行選択部３０に供給されて、この電荷蓄積動作制御信号に基づいて、各画素部Ｐ_ｍ,ｎに含まれる各トランジスタのゲート端子に与えられる制御信号が生成されてもよい。

図２は、本実施形態に係る固体撮像装置１に含まれる入射光総量監視部２０，画素部Ｐ_ｍ,ｎおよび保持回路Ｈ_ｎそれぞれの回路構成を示す図である。なお、この図では、Ｍ×Ｎ個の画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎのうち代表して画素部Ｐ_ｍ,ｎが示され、Ｎ個の保持回路Ｈ_１〜Ｈ_Ｎのうち代表して保持回路Ｈ_ｎが示されている。Ｍ×Ｎ個の画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎに対して１個の入射光総量監視部２０が設けられている。また、各列のＭ個の画素部Ｐ_１,ｎ〜Ｐ_Ｍ,ｎに対して１個の保持回路Ｈ_ｎが設けられている。

入射光総量監視部２０は、積分回路２１および比較回路２２を含む。また、積分回路２１は、アンプＡ_２０，容量素子Ｃ_２０およびスイッチＳＷ_２０を有する。アンプＡ_２０の反転入力端子は、配線Ｌresetを介して画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎそれぞれの放電用トランジスタＴ１のドレイン端子に接続されている。アンプＡ_２０の非反転入力端子は、バイアス電位Ｖb1に接続されている。このバイアス電位Ｖb1は、画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎそれぞれの増幅用トランジスタＴ３のゲート端子に形成された寄生容量部の電荷を初期化し得る電位である。アンプＡ_２０の反転入力端子と出力端子との間に、互いに並列的に接続された容量素子Ｃ_２０およびスイッチＳＷ_２０が設けられている。比較回路２２は、アンプＡ_２０の出力端子から出力される電圧値と基準電圧値Ｖrefとを大小比較して、当該比較結果を表す信号を入射光総量信号として出力する。この入射光総量信号のレベルに応じてスイッチＳＷ_２０は開閉制御される。

この入射光総量監視部２０では、スイッチＳＷ_２０が開いていると、画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎそれぞれから配線Ｌresetを経てアンプＡ_２０の反転入力端子に入力された電荷が容量素子Ｃ_２０に蓄積されていき、その蓄積電荷量に応じた電圧値がアンプＡ_２０の出力端子から出力される。アンプＡ_２０の出力端子から出力された電圧値は比較回路２２により基準電圧値Ｖrefとを大小比較され、当該比較結果を表す信号が入射光総量信号として出力される。

容量素子Ｃ_２０に電荷が蓄積されていくに従い、やがて、アンプＡ_２０の出力端子から出力される電圧値と基準電圧値Ｖrefとの大小関係が逆転して、入射光総量信号のレベルが変化し、これに応じてスイッチＳＷ_２０が閉じる。スイッチＳＷ_２０が閉じると、容量素子Ｃ_２０が放電され、アンプＡ_２０の出力端子から出力される電圧値が初期化され、アンプＡ_２０の出力端子から出力される電圧値と基準電圧値Ｖrefとの大小関係が再び逆転して、入射光総量信号のレベルが再び変化し、これに応じてスイッチＳＷ_２０が開く。このように、入射光総量信号は、レベルが時間的に変化するパルス信号となり、そのパルスの繰返し周波数は、アンプＡ_２０の反転入力端子への電荷流入の速度（電流値）を表す。

画素部Ｐ_ｍ,ｎは、ＡＰＳ方式のものであって、フォトダイオードＰＤおよび５個のＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ５を含む。この図に示されるように、放電用トランジスタＴ１，転送用トランジスタＴ２およびフォトダイオードＰＤは順に直列的に接続されていて、入射光総量監視部２０のアンプＡ_２０の反転入力端子がトランジスタＴ１のドレイン端子に接続され、フォトダイオードＰＤのアノ−ド端子が接地されている。

増幅用トランジスタＴ３および選択用トランジスタＴ４は直列的に接続されていて、基準電圧Ｖb2がトランジスタＴ３のドレイン端子に入力され、トランジスタＴ４のソース端子が配線Ｖline(n)に接続されている。トランジスタＴ１とトランジスタＴ２との接続点は、トランジスタＴ５を介してトランジスタＴ３のゲート端子に接続されている。また、配線Ｖline(n)には定電流源が接続されている。

Reset(m)信号がトランジスタＴ１のゲート端子に入力され、Trans(m)信号がトランジスタＴ２のゲート端子に入力され、Address(m)信号がトランジスタＴ４のゲート端子に入力され、また、Hold(m)信号がトランジスタＴ５のゲート端子に入力される。これらReset(m)信号，Trans(m)信号，Address(m)信号およびHold(m)信号は、制御部７０による制御の下に行選択部３０から出力され、第ｍ行のＮ個の画素部Ｐ_ｍ,１〜Ｐ_ｍ,Ｎに対して共通に入力される。

画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎ全体について、動作シーケンスは以下の三通りに区別される。すなわち、
１）入射光量監視期間（図４中の時刻ｔ１以前）
２）電荷蓄積動作期間（図４中の時刻ｔ１〜ｔ３）
３）読み出し出力期間（図４中の時刻ｔ３以降）
である。このうち、上記１）、２）については、全画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎ全体が同時に動作を開始・終了する。また、３）については単位にて第１行から第Ｍ行まで順次動作が繰り返されるものである。この１）〜３）の動作原理を前提に以下に説明を行う。

入射光総量監視部２０のアンプＡ_２０の非反転入力端子には、増幅用トランジスタＴ３のゲート端子に形成された寄生容量部の電荷を初期化する為のバイアス電位Ｖb1が入力されており、アンプＡ_２０の反転入力端子は、非反転入力端子に対してイマジナリショートの関係にあるので、同じくバイアス電位Ｖb1となっている。したがって、Reset(m)信号およびTrans(m)信号がハイレベルであるとき、フォトダイオードＰＤの接合容量部（電荷蓄積部）が放電され、さらに、Hold(m)信号もハイレベルであると、トランジスタＴ３のゲート端子に形成された寄生容量部の電荷が放電される。上記１）の入射光量監視期間においては、常時Reset(m)信号およびTrans(m)信号がハイレベルであり、フォトダイオード全体の光電流がまとめてアンプＡ_２０の反転入力端子を介し容量素子Ｃ_２０に流れ続ける。

その後に、上記２）の電荷蓄積動作期間に入り、全画素部全体のReset(m)信号，Trans(m)信号およびHold(m)信号がローレベルになると、フォトダイオードＰＤで発生した電荷は接合容量部に蓄積されていく。電荷蓄積動作期間の最後に、Trans(m)信号およびHold(m)信号が短期間のみ、一斉にハイレベルとなり、フォトダイオード内の電荷がトランジスタＴ３のゲート容量に瞬時に転送される。

この後、３）の各行読み出し期間に入ると、選択された行のＮ個の画素部のHold(m)信号がローレベルであって、Address(m)信号がハイレベルであると、画素部Ｐ_ｍ,ｎから配線Ｖline(n)へノイズ成分が出力される。そして、選択された行のＮ個の画素部のTrans(m)信号，Hold(m)信号およびAddress(m)信号がハイレベルになると、フォトダイオードＰＤの接合容量部に蓄積されている電荷の量に応じた電圧値が配線Ｖline(n)へ信号成分として出力される。

保持回路Ｈ_ｎは、２つの容量素子Ｃ_１，Ｃ_２、および、４つのスイッチＳＷ_１１，ＳＷ_１２，ＳＷ_２１，ＳＷ_２２を含む。このホールド回路Ｈ_ｎでは、スイッチＳＷ_１１およびスイッチＳＷ_１２は、直列的に接続されて配線Ｖline(n)と配線Ｈline_sとの間に設けられ、容量素子Ｃ_１の一端は、スイッチＳＷ_１１とスイッチＳＷ_１２との間の接続点に接続され、容量素子Ｃ_１の他端は接地されている。また、スイッチＳＷ_２１およびスイッチＳＷ_２２は、直列的に接続されて配線Ｖline(n)と配線Ｈline_nとの間に設けられ、容量素子Ｃ_２の一端は、スイッチＳＷ_２１とスイッチＳＷ_２２との間の接続点に接続され、容量素子Ｃ_２の他端は接地されている。

このホールド回路Ｈ_ｎでは、スイッチＳＷ_１１は、制御部７０から供給されるset_s信号のレベルに応じて開閉する。スイッチＳＷ_２１は、制御部７０から供給されるset_n信号のレベルに応じて開閉する。set_s信号およびset_n信号は、Ｎ個のホールド回路Ｈ_１〜Ｈ_Ｎに対して共通に入力される。スイッチＳＷ_１２，ＳＷ_２２は、制御部７０から供給されるhshiht(n)信号のレベルに応じて開閉する。

このホールド回路Ｈ_ｎでは、set_n信号がハイレベルからローレベルに転じてスイッチＳＷ_２１が開くときに画素部Ｐ_ｍ,ｎから配線Ｖline(n)へ出力されていたノイズ成分が、それ以降、容量素子Ｃ_２により電圧値out_n(n)として保持される。set_s信号がハイレベルからローレベルに転じてスイッチＳＷ_１１が開くときに画素部Ｐ_ｍ,ｎから配線Ｖline(n)へ出力されていた信号成分が、それ以降、容量素子Ｃ_１により電圧値out_s(n)として保持される。そして、hshiht(n)信号がハイレベルになると、スイッチＳＷ_１２が閉じて、容量素子Ｃ_１により保持されていた電圧値out_s(n)が配線Ｈline_sへ出力され、また、スイッチＳＷ_２２が閉じて、容量素子Ｃ_２により保持されていた電圧値out_n(n)が配線Ｈline_nへ出力される。これら電圧値out_s(n)と電圧値out_n(n)との差が、画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードＰＤで発生した電荷の量に応じた電圧値を表す。

図３は、本実施形態に係る固体撮像装置１に含まれる差演算回路６１の回路構成を示す図である。この図に示されるように、差演算回路６１は、アンプＡ_６４〜Ａ_６６、スイッチＳＷ_６４、ＳＷ_６５、および、抵抗器Ｒ_１〜Ｒ_４を含む。アンプＡ_６６の反転入力端子は、抵抗器Ｒ_１を介してバッファアンプＡ_６４の出力端子と接続され、抵抗器Ｒ_３を介して自己の出力端子と接続されている。アンプＡ_６６の非反転入力端子は、抵抗器Ｒ_２を介してバッファアンプＡ_６５の出力端子と接続され、抵抗器Ｒ_４を介して接地電位と接続されている。アンプＡ_６６の出力端子は画素用ＡＤ変換回路６２の入力端子と接続されている。バッファアンプＡ_６４の入力端子は、配線Ｈline_sを介してＮ個の保持回路Ｈ_１〜Ｈ_Ｎと接続され、スイッチＳＷ_６４を介して接地電位と接続されている。バッファアンプＡ_６５の入力端子は、配線Ｈline_nを介してＮ個の保持回路Ｈ_１〜Ｈ_Ｎと接続され、スイッチＳＷ_６５を介して接地電位と接続されている。

差演算回路６１のスイッチＳＷ_６４，ＳＷ_６５は、hreset信号により制御されて開閉動作する。スイッチＳＷ_６４が閉じることで、バッファアンプＡ_６４の入力端子に入力される電圧値がリセットされる。スイッチＳＷ_６５が閉じることで、バッファアンプＡ_６５の入力端子に入力される電圧値がリセットされる。スイッチＳＷ_６４，ＳＷ_６５が開いているときに、Ｎ個の保持回路Ｈ_１〜Ｈ_Ｎのうちの何れかの保持回路Ｈ_ｎから配線Ｈline_s，Ｈline_nへ出力された電圧値out_s(n)，out_n(n)が、バッファアンプＡ_６４，Ａ_６５の入力端子に入力される。バッファアンプＡ_６４，Ａ_６５それぞれの増幅率を１とし、４個の抵抗器Ｒ_１〜Ｒ_４それぞれの抵抗値が互いに等しいとすると、差演算回路６１の出力端子から出力される電圧値は、配線Ｈline_sおよび配線Ｈline_nそれぞれを経て入力される電圧値の差を表す。

次に、本実施形態に係る固体撮像装置１の動作の一例について説明する。図４は、本実施形態に係る固体撮像装置１の動作の一例を示すタイミングチャートである。固体撮像装置１は、制御部７０による制御の下に動作する。この図には、上から順に、 (a) 固体撮像素子１に入射する光の強度、(b) 入射光総量監視部２０の積分回路２１から出力される電圧値、 (c) 入射光総量監視部２０から出力される入射光総量信号、(d) 制御部７０から出力される電荷蓄積動作制御信号、(e) 出力部６０から出力される信号、が示されている。なお、この図では、受光部１０の第ｍ行についてＡＤ変換回路６２から出力されるデジタル値（画素データ）をＤdata(m)と表している。

固体撮像素子１に電源が投入された直後の一定期間に、制御部７０から出力される電荷蓄積動作制御信号がハイレベルとされる。そして、この電荷蓄積動作制御信号がローレベルに転じた後に、受光部１０から電圧保持部５０，差演算回路６１，ＡＤ変換回路６２およびスイッチＳＷ_６３を経て１フレーム分の画素データが出力部６０から出力される。このとき出力される画素データは無意味なものであるが、電源投入後の一定期間に亘って電荷蓄積動作制御信号がハイレベルとされることにより、受光部１０の各画素部Ｐ_ｍ,ｎや他の回路がリセットされ、その後の正常動作が可能となる。

また、このリセットにより、行選択部３０から各画素部Ｐ_ｍ,ｎに供給されるReset(m)信号，Trans(m)信号およびHold(m)信号がともにハイレベルとされて、トランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ５がオン状態となっていて、フォトダイオードＰＤの接合容量部（電荷蓄積部）が放電され、トランジスタＴ３のゲート端子の電位がリセットされる。また、入射光総量監視部２０の積分回路２１に含まれるスイッチＳＷ_２０は、一定期間だけ閉じた後に開く。

その後、固体撮像素子１に光が入射していない期間では、受光部１０の各画素部Ｐ_ｍ,ｎに含まれるフォトダイオードＰＤでは暗電流が発生する。その暗電流は、各画素部Ｐ_ｍ,ｎに含まれるトランジスタＴ１，Ｔ２および配線Ｌresetを経て、入射光総量監視部２０の積分回路２１に入力され、容量素子Ｃ_２０に電荷が蓄積されていく。これにより積分回路２１から出力される電圧値は次第に増加していくか、その増加速度は遅い。

したがって、固体撮像素子１に光が入射していない期間では、入射光総量監視部２０から出力される入射光総量信号のパルス間隔は広い。そして、制御部７０において、入射光総量信号のパルス間隔が所定値より広いと判定され、固体撮像素子１に光が入射していない（または、入射光量が一定レベルより小さい）と判断されて、電荷蓄積動作制御信号がローレベルのままとされる。

やがて、固体撮像素子１に光が入射し始めると、受光部１０の各画素部Ｐ_ｍ,ｎに含まれるフォトダイオードＰＤで発生した電荷は、各画素部Ｐ_ｍ,ｎに含まれるトランジスタＴ１，Ｔ２および配線Ｌresetを経て、入射光総量監視部２０の積分回路２１に入力され、容量素子Ｃ_２０に電荷が蓄積されていく。これにより積分回路２１から出力される電圧値は次第に増加していくか、その増加速度は入射光量に応じたものとなる。

したがって、固体撮像素子１に光が入射し始めると、入射光総量監視部２０から出力される入射光総量信号のパルス間隔は狭くなる。そして、制御部７０において、入射光総量信号のパルス間隔が所定値より狭いと判定され、固体撮像素子１に光が入射している（または、入射光量が一定レベル以上である）と判断されて、時刻ｔ１に電荷蓄積動作制御信号がハイレベルに転じる。

そして、電荷蓄積動作制御信号がハイレベルに転じた時刻ｔ１から、電荷蓄積動作制御信号がローレベルに転じる時刻ｔ２までの期間、受光部１０の各画素部Ｐｍ,ｎでは、Reset(m)信号，Trans(m)信号およびHold(m)信号がローレベルになって、トランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ５がオフ状態となり、フォトダイオードＰＤで発生した電荷は接合容量部に蓄積されていく。

なお、入射光量を予め予測できる場合には、その予測値に基づいて電荷蓄積時間（すなわち、電荷蓄積動作制御信号がハイレベルとされる期間ｔ _１ 〜ｔ _２ ）を適正値に設定してもよい。

電荷蓄積動作制御信号がローレベルに転じた時刻ｔ_２から時刻ｔ_３までの期間、受光部１０の各画素部Ｐ_ｍ,ｎでは、Reset(m)信号およびAddress(m)信号がローレベルとなって、トランジスタＴ１，Ｔ４がオフ状態となり、また、Trans(m)信号およびHold(m)信号がハイレベルになって、トランジスタＴ２，Ｔ５がオン状態となる。これにより、それまでに接合容量部に蓄積されていた電荷は、トランジスタＴ２，Ｔ５を経て、トランジスタＴ３のゲート端子に移動してホールドされる。ただし、トランジスタＴ４がオフ状態であるので、電荷蓄積量に応じた電圧値が各画素部Ｐ_ｍ,ｎから配線Ｖline(n)へ出力されることは無い。

続く時刻ｔ_３から時刻ｔ_４までの期間に、受光部１０の第１行にあるＮ個の画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_１,Ｎにおける電荷蓄積量に応じたＮ個の画素データＤdata(1)が出力部６０から出力される。具体的には、受光部１０の第１行においてのみ、Address(1)信号がハイレベルとなり、トランジスタＴ４がオン状態となって、第１行にある各画素部Ｐ_１,ｎにおける電荷蓄積量に応じた電圧値が、配線Ｖline(n)へ出力され、電圧保持部５０の保持回路Ｈ_ｎにより保持される。そして、各保持回路Ｈ_ｎから順次に出力された電圧値は差演算回路６１を経てＡＤ変換回路６２に入力されてＡＤ変換され、ＡＤ変換回路６２からスイッチＳＷ_６３を経て順次にＮ個の画素データＤdata(1)が出力される。

続く時刻ｔ_４から時刻ｔ_５までの期間に、受光部１０の第２行にあるＮ個の画素部Ｐ_２,１〜Ｐ_２,Ｎにおける電荷蓄積量に応じたＮ個の画素データＤdata(2)が出力部６０から出力される。具体的には、受光部１０の第２行においてのみ、Address(2)信号がハイレベルとなり、トランジスタＴ４がオン状態となって、第２行にある各画素部Ｐ_２,ｎにおける電荷蓄積量に応じた電圧値が、配線Ｖline(n)へ出力され、電圧保持部５０の保持回路Ｈ_ｎにより保持される。そして、各保持回路Ｈ_ｎから順次に出力された電圧値は差演算回路６１を経てＡＤ変換回路６２に入力されてＡＤ変換され、ＡＤ変換回路６２からスイッチＳＷ_６３を経て順次にＮ個の画素データＤdata(2)が出力される。

更に続く時刻ｔ_５から時刻ｔ_６までの期間に、受光部１０の第３行にあるＮ個の画素部Ｐ_３,１〜Ｐ_３,Ｎにおける電荷蓄積量に応じたＮ個の画素データＤdata(3)が出力部６０から出力される。具体的には、受光部１０の第３行においてのみ、Address(3)信号がハイレベルとなり、トランジスタＴ４がオン状態となって、第3行にある各画素部Ｐ_３,ｎにおける電荷蓄積量に応じた電圧値が、配線Ｖline(n)へ出力され、電圧保持部５０の保持回路Ｈ_ｎにより保持される。そして、各保持回路Ｈ_ｎから順次に出力された電圧値は差演算回路６１を経てＡＤ変換回路６２に入力されてＡＤ変換され、ＡＤ変換回路６２からスイッチＳＷ_６３を経て順次にＮ個の画素データＤdata(3)が出力される。

以降も同様にして、受光部１０の第４行から第Ｍ行まで順次に、第ｍ行にあるＮ個の画素部Ｐ_ｍ,１〜Ｐ_ｍ,Ｎにおける電荷蓄積量に応じたＮ個の画素データＤdata(m)が出力部６０から出力される。このようにして、受光部１０から電圧保持部５０，差演算回路６１，ＡＤ変換回路６２およびスイッチＳＷ_６３を経て１フレーム分の画素データＤdata(1)〜Ｄdata(M)が出力部６０から出力される。そして、１フレーム分の画素データが出力された後、再び、時刻ｔ_１前と同じ状態に戻る。

このように、本実施形態に係る固体撮像装置１では、受光部１０への入射光量を監視する入射光総量監視部２０が設けられていて、入射光総量監視部２０から出力される入射光総量信号に基づいて、受光部１０に光が入射しているか否か（または、入射光量が一定レベル以上であるか否か）が判断される。そして、受光部１０に光が入射している（または、入射光量が一定レベル以上である）と判断されたときに、受光部１０の画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎそれぞれにおける電荷蓄積量に応じた画素データＤdata(1)〜Ｄdata(M)が出力部６０から出力される。すなわち、受光部１０から出力部６０へ到る画素データの読出動作、その中でも特にＡＤ変換回路６２におけるＡＤ変換動作は、受光部１０への光入射があったときのみでよい。したがって、本実施形態に係る固体撮像装置１は、画素数の増加や撮像の高速化を図る場合であっても、消費電力の増大を抑制することができる。

本実施形態に係る固体撮像装置１は、例えば以下のような用途の際に効果を発揮することができる。すなわち、固体撮像装置１は、受光部１０の受光面上にシンチレータが設けられることで、入射したＸ線をシンチレータにより可視光に変換して、その可視光を受光部１０のフォトダイオードで受光することができ、これにより、入射したＸ線を撮像することができる。このようなシンチレータが設けられた固体撮像装置１は、口腔内におけるＸ線撮像に用いられる。

固体撮像装置１が口腔内におけるＸ線撮像に用いられる場合、撮像すべきＸ線の入射期間が極めて短く、固体撮像装置１はＸ線入射タイミングを捉えて該Ｘ線を撮像しなければならない。そこで、固体撮像装置１は、入射光総量監視部２０によりＸ線入射を検知する。そして、固体撮像装置１は、Ｘ線入射を検知したら、受光部１０，電圧保持部５０，差演算回路６１およびＡＤ変換回路６２により画素データを読み出す。このようにすることにより、固体撮像装置１は、Ｘ線入射タイミングを捉えて該Ｘ線を撮像することができる。

このように、固体撮像装置１が口腔内におけるＸ線撮像に用いられる場合、Ｘ線入射前にはＡＤ変換回路６２を休止することができ、Ｘ線入射時のみＡＤ変換回路６２を動作させればよい。したがって、この固体撮像装置１は、画素数の増加や撮像の高速化を図る場合であっても、消費電力の増大を抑制することができる。

また、固体撮像装置１が口腔内におけるＸ線撮像に用いられる場合、画素データおよび入射光総量信号を共通の出力信号線Ｌoutへ出力するのが好適であり、また、これらのデータをシリアルデータとして出力するのも好適である。これらの場合には、これらのデータを出力するための配線の本数を削減することができ、信頼性を向上させることができる。

さらに、固体撮像装置１は、光入射を検知した後に、受光部１０のＭ×Ｎ個の画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎそれぞれにおいて同一期間にフォトダイオードＰＤで発生した電荷を電荷蓄積部により蓄積することができ、その電荷蓄積の後に、各画素部Ｐ_ｍ,ｎについて画素データを順次に出力部６０から出力することができる。したがって、入射光量の時間的な変化が速い場合であっても、全ての画素部において同一期間の入射光量を捉えることができ、高精度の撮像を行うことができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では制御部７０が電荷蓄積動作制御信号を生成したが、入射光総量信号に基づいて電荷蓄積動作制御信号を生成する外部機器を固体撮像装置とは別個に設けてもよい。この場合、固体撮像装置の出力部から外部機器へ入射光総量信号が出力され、その出力された入射光総量信号に基づいて外部機器により電荷蓄積動作制御信号が生成され、その生成された電荷蓄積動作制御信号が外部機器から固体撮像装置へ与えられる。

このようにすることにより、入射光総量信号と閾値との大小比較に基づく光入射検知の際に、その閾値を外部機器において柔軟に調整することができる。また、電荷蓄積動作制御信号が電荷蓄積を指示する期間（すなわち、各画素部においてフォトダイオードで発生した電荷を電荷蓄積部により蓄積する期間）を外部機器において柔軟に調整することができ、幅広い入射光量レンジに容易に対応することができる。

また、入射光総量監視部２０については、図５または図６に示される変形例の構成も可能である。図５に示される入射光総量監視部２０Ａは、アンプＡ_２０，容量素子Ｃ_２０およびスイッチＳＷ_２０を有する。アンプＡ_２０の反転入力端子は、配線Ｌresetを介して画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎそれぞれの放電用トランジスタＴ１のドレイン端子に接続されている。アンプＡ_２０の非反転入力端子は、バイアス電位Ｖb1に接続されている。このバイアス電位Ｖb1は、画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎそれぞれの増幅用トランジスタＴ３のゲート端子に形成された寄生容量部の電荷を初期化し得る電位である。アンプＡ_２０の反転入力端子と出力端子との間に、互いに並列的に接続された容量素子Ｃ_２０およびスイッチＳＷ_２０が設けられている。スイッチＳＷ_２０は、制御部７０Ａにより制御されて、一定周期で開閉する。そして、入射光総量監視部２０Ａは、アンプＡ_２０の出力端子からの出力信号を入射光総量信号として出力する。

この入射光総量監視部２０Ａでは、スイッチＳＷ_２０の一定周期の開閉に応じて、アンプＡ_２０の出力端子から出力される電圧値は増減を繰り返す。すなわち、スイッチＳＷ_２０が閉じると、アンプＡ_２０の出力端子から出力される電圧値は初期化され、スイッチＳＷ_２０が開いている期間に、アンプＡ_２０の出力端子から出力される電圧値は変化する。そのときの出力電圧値の変化速度は、アンプＡ_２０の反転入力端子への電荷流入の速度（電流値）を表す。また、スイッチＳＷ_２０が開いている期間は一定であり、スイッチＳＷ_２０が閉じている期間も一定である。したがって、アンプＡ_２０の出力端子から出力される入射光総量信号の各三角波のピーク値は、受光部１０に入射する光の総量を表す。

図６に示される入射光総量監視部２０Ｂは、アンプＡ_２０および抵抗器Ｒ_２０を有する。アンプＡ_２０の反転入力端子は、配線Ｌresetを介して画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎそれぞれの放電用トランジスタＴ１のドレイン端子に接続されている。アンプＡ_２０の非反転入力端子は、バイアス電位Ｖb1に接続されている。このバイアス電位Ｖb1は、画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎそれぞれの増幅用トランジスタＴ３のゲート端子に形成された寄生容量部の電荷を初期化し得る電位である。アンプＡ_２０の反転入力端子と出力端子との間に抵抗器Ｒ_２０が設けられている。この入射光総量監視部２０Ｂでは、アンプＡ_２０の反転入力端子に入力する電流値に応じた電圧値がアンプＡ_２０の出力端子から入射光総量信号として出力される。アンプＡ_２０から出力される入射光総量信号は、受光部１０に入射する光の総量を表す。

本実施形態に係る固体撮像装置１の構成図である。 本実施形態に係る固体撮像装置１に含まれる入射光総量監視部２０，画素部Ｐ_ｍ,ｎおよび保持回路Ｈ_ｎそれぞれの回路構成を示す図である。 本実施形態に係る固体撮像装置１に含まれる差演算回路６１の回路構成を示す図である。 本実施形態に係る固体撮像装置１の動作の一例を示す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に含まれる入射光総量監視部２０の変形例の回路構成を示す図である。 本実施形態に係る固体撮像装置１に含まれる入射光総量監視部２０の変形例の回路構成を示す図である。

符号の説明

１…固体撮像装置、１０…受光部、２０…入射光総量監視部、２１…積分回路、２２…比較回路、３０…行選択部、４０…列選択部、５０…電圧保持部、６０…出力部、６１…差演算回路、６２…ＡＤ変換回路、７０…制御部、Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎ…画素部。

Claims (5)

1. 入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードと、ゲート端子に形成された寄生容量部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前記増幅用トランジスタのゲート端子へ転送する転送用トランジスタと、前記寄生容量部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各々有する複数の画素部を含み、電荷蓄積動作制御信号が指示する期間に前記複数の画素部それぞれにおいて前記フォトダイオードで発生した電荷を前記寄生容量部に蓄積する受光部と、
   前記複数の画素部それぞれにおける電荷蓄積動作の後に、前記複数の画素部それぞれの前記選択用トランジスタから出力される電圧値に応じたデジタル値を出力する出力部と、
   第１入力端子，第２入力端子および出力端子を有するアンプを含み、前記複数の画素部それぞれの前記放電用トランジスタに前記アンプの前記第１入力端子が接続され、前記複数の画素部それぞれの前記寄生容量部の電荷を初期化する為のバイアス電位に前記アンプの前記第２入力端子が接続され、前記アンプの前記出力端子からの出力信号に基づいて、前記複数の画素部それぞれの前記フォトダイオードに入射する光の総量を表す入射光総量信号を出力する入射光総量監視部と、
   を備えることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記入射光総量監視部から出力される入射光総量信号を入力し、この入射光総量信号が表す入射光総量が閾値より大きいときに前記受光部の前記複数の画素部それぞれに対して電荷蓄積動作を指示する前記電荷蓄積動作制御信号を生成する制御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. 前記入射光総量監視部が、
   前記アンプの前記第１入力端子と前記出力端子との間に設けられた容量素子およびスイッチと、前記アンプの前記出力端子から出力される電圧値と基準電圧値とを大小比較して当該比較結果を表す信号を前記入射光総量信号として出力する比較回路とを更に含み、
   前記スイッチが前記入射光総量信号のレベルに応じて開閉制御される、
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
4. 前記入射光総量監視部が、
   前記アンプの前記第１入力端子と前記出力端子との間に設けられた容量素子およびスイッチを更に含み、
   前記スイッチが一定周期で開閉制御され、
   前記アンプの前記出力端子からの出力信号を前記入射光総量信号として出力する、
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
5. 前記入射光総量監視部が、
   前記アンプの前記第１入力端子と前記出力端子との間に設けられた抵抗器を更に含み、
   前記アンプの前記出力端子からの出力信号を前記入射光総量信号として出力する、
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。

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