JP2008042673A - Photoelectric conversion device and driving method thereof - Google Patents
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Abstract
【課題】例えば画像における縦方向の筋状のノイズを抑制できる光電変換装置を提供する。
【解決手段】本発明の第1側面に係る光電変換装置は、光を電荷に変換する光電変換部と、前記電荷を電位に変換する電荷変換部と、前記電荷を前記光電変換部から前記電荷変換部に転送する転送部と、前記電荷変換部の電位に基づく信号を読み出す増幅部と、前記電荷変換部の電位をリセットするリセットトランジスタと、前記リセットトランジスタのゲートに、少なくとも3つの電圧を印加する制御部と、リセットされた前記電荷変換部の電位に基づく信号と、前記電荷が転送された電荷変換部の電位に基づく信号とを差分する差分回路とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図4For example, a photoelectric conversion device capable of suppressing vertical stripe noise in an image is provided.
A photoelectric conversion device according to a first aspect of the present invention includes a photoelectric conversion unit that converts light into a charge, a charge conversion unit that converts the charge into a potential, and the charge from the photoelectric conversion unit to the charge. Apply at least three voltages to a transfer unit that transfers to the conversion unit, an amplification unit that reads a signal based on the potential of the charge conversion unit, a reset transistor that resets the potential of the charge conversion unit, and a gate of the reset transistor And a difference circuit that performs a difference between a signal based on the reset potential of the charge conversion unit and a signal based on the potential of the charge conversion unit to which the charge has been transferred.
[Selection] Figure 4
Description
本発明は、光電変換装置及びその駆動方法に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion device and a driving method thereof.
CDS(Correlated Double Sampling)を行う光電変換装置を用いて撮影を行う場合について以下に説明する。撮影領域内に非常に明るい被写体が存在する場合、それに対応した画素の光電変換部に強い光の像が結像することになる。そして、光電変換部では、その光の強さに応じた電荷が発生する。その光電変換部に隣接する電荷変換部(フローティングディフュージョン)がリセットされる期間において、光電変換部と電荷変換部とは電気的に遮断されている。この場合でも、非常に強い光が結像された画素において、光電変換部から電荷変換部へ電荷があふれ出すことがある。これにより、ノイズ読み出し期間において電荷変換部の電位がリセットレベルから減衰する(基底レベルへ近づく)ことがある。 A case where photographing is performed using a photoelectric conversion device that performs CDS (Correlated Double Sampling) will be described below. When a very bright subject exists in the imaging region, a strong light image is formed on the photoelectric conversion unit of the corresponding pixel. In the photoelectric conversion unit, charges corresponding to the intensity of the light are generated. In the period when the charge conversion unit (floating diffusion) adjacent to the photoelectric conversion unit is reset, the photoelectric conversion unit and the charge conversion unit are electrically disconnected. Even in this case, in a pixel on which very strong light is imaged, charges may overflow from the photoelectric conversion unit to the charge conversion unit. As a result, the potential of the charge conversion unit may attenuate from the reset level (approach the base level) during the noise readout period.
また、通常、光電変換部が遮光されていないのに対して、電荷変換部は遮光されている。この場合でも、光電変換部へ照射される光の一部が電荷変換部へ漏れ込むことがある。これにより、ノイズ読み出し期間における電荷変換部の電位(ノイズ電位)がリセットレベルから減衰することがある。 Further, normally, the photoelectric conversion unit is not shielded from light, whereas the charge conversion unit is shielded from light. Even in this case, part of the light irradiated to the photoelectric conversion unit may leak into the charge conversion unit. Thereby, the potential (noise potential) of the charge conversion unit in the noise readout period may attenuate from the reset level.
ノイズ電位がリセットレベルから減衰すると、ノイズ読み出し期間において、電荷変換部の電位に基づく信号を増幅する増幅部から垂直信号線へ出力される電位(ノイズ出力電位)も減衰する。これにより、信号読み出し期間における垂直信号線の電位(信号出力電位)と、ノイズ出力電位との差を大きく取りにくくなり、垂直信号線のダイナミックレンジが圧迫される。結果として、強い光があたった画素からの光信号出力が減衰し、その画素の階調が黒諧調へ沈む現象が発生する(以下、高輝度黒沈み現象と呼ぶ)。 When the noise potential is attenuated from the reset level, the potential (noise output potential) output from the amplifying unit that amplifies the signal based on the potential of the charge conversion unit to the vertical signal line is also attenuated in the noise reading period. As a result, it becomes difficult to make a large difference between the potential of the vertical signal line (signal output potential) and the noise output potential in the signal readout period, and the dynamic range of the vertical signal line is compressed. As a result, an optical signal output from a pixel that has been exposed to strong light is attenuated, and a phenomenon occurs in which the gradation of the pixel sinks to a black tone (hereinafter referred to as a high luminance black sink phenomenon).
例えば太陽を撮影した場合には太陽の中心部分が黒い点となり不自然な画像になる。この問題は、被写体と光電変換部との間にメカニカルシャッターを設ければ、静止画に対して解決できる。静止画撮影時においても安価なカメラではメカニカルシャッターを省略する場合が多いので、静止画に対して高輝度黒沈み現象を抑制できないことがある。 For example, when the sun is photographed, the central portion of the sun becomes a black dot, resulting in an unnatural image. This problem can be solved for still images by providing a mechanical shutter between the subject and the photoelectric conversion unit. Even when taking a still image, an inexpensive camera often omits the mechanical shutter, so the high-intensity black sun phenomenon may not be suppressed for a still image.
また、動画撮影時にメカニカルシャッターを併用することは、露光時間、コマ速を確保する上で大きなデメリットとなるため、実現性が低い。これにより、動画に対して高輝度黒沈み現象を抑制できないことがある。 Also, using a mechanical shutter together with moving image shooting is a great disadvantage in securing the exposure time and frame speed, and therefore is not feasible. As a result, the high-luminance black sun phenomenon may not be suppressed for moving images.
それに対して、垂直信号線の電位をクリップする方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1の技術では、ノイズ読み出し期間において垂直信号線の電位をクリップするクリップトランジスタが設けられている。これにより、光電変換部に強い光が照射された場合でも、ノイズ読み出し期間において垂直信号線の電位がクリップ電位以下に下がらないようにでき、高輝度黒沈み現象を抑制できる。
In the technique of
しかし、特許文献1の技術では、クリップトランジスタの製造ばらつきなどにより、1つの列のクリップトランジスタの閾値が、他の列のクリップトランジスタの閾値と異なる傾向にある。例えば、クリップトランジスタの閾値が他の列のクリップトランジスタの閾値より高い列において、その列の垂直信号線は、他の列の垂直信号線よりも低いクリップ電位にクリップされる。あるいは、例えば、クリップトランジスタの閾値が他の列のクリップトランジスタの閾値よりも低い列において、その列の垂直信号線は、他の列の垂直信号線よりも高いクリップ電位にクリップされる。これにより、垂直信号線を介して出力されるノイズ出力電位が列ごとにばらつく傾向にあり、ノイズ出力電位と信号出力電位との差分としてCDSにより得られる画像信号も列ごとにばらつく傾向にある。このため、光電変換により得られる画像に、縦方向の筋状のノイズがのることがある。
However, in the technique of
本発明の目的は、例えば高輝度黒沈み現象を抑制しつつ、画像における縦方向の筋状のノイズを抑制できる光電変換装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a photoelectric conversion device that can suppress vertical stripe noise in an image while suppressing, for example, a high-luminance black sun phenomenon.
本発明の第1側面に係る光電変換装置は、光を電荷に変換する光電変換部と、前記電荷を電位に変換する電荷変換部と、前記電荷を前記光電変換部から前記電荷変換部に転送する転送部と、前記電荷変換部の電位に基づく信号を読み出す増幅部と、前記電荷変換部の電位をリセットするリセットトランジスタと、前記リセットトランジスタのゲートに、少なくとも3つの電圧を印加する制御部と、リセットされた前記電荷変換部の電位に基づく信号と、前記電荷が転送された電荷変換部の電位に基づく信号とを差分する差分回路とを備えたことを特徴とする。 The photoelectric conversion device according to the first aspect of the present invention includes a photoelectric conversion unit that converts light into an electric charge, a charge conversion unit that converts the electric charge into an electric potential, and the charge transferred from the photoelectric conversion unit to the charge conversion unit. A transfer unit, an amplification unit that reads a signal based on the potential of the charge conversion unit, a reset transistor that resets the potential of the charge conversion unit, and a control unit that applies at least three voltages to the gate of the reset transistor; And a difference circuit for differentiating a signal based on the reset potential of the charge conversion unit and a signal based on the potential of the charge conversion unit to which the charge has been transferred.
本発明の第1の側面に係る光電変換装置では、例えば画像における縦方向の筋状のノイズを抑制できる。 In the photoelectric conversion device according to the first aspect of the present invention, for example, vertical streak noise in an image can be suppressed.
本発明の第1実施形態に係る光電変換装置を、図1〜図5を用いて説明する。 A photoelectric conversion device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図1は、第1実施形態に係るに係る光電変換装置の構成図である。図2は、画素セルの構成図である。図4は、光電変換装置の動作を示す波形図である。ここでは、トランジスタがNMOS(NチャネルMOSトランジスタ)である場合について説明するが、トランジスタのタイプとパルスの極性を反転した場合にも本実施形態と同様の効果を得る事ができる。 FIG. 1 is a configuration diagram of a photoelectric conversion apparatus according to the first embodiment. FIG. 2 is a configuration diagram of the pixel cell. FIG. 4 is a waveform diagram showing the operation of the photoelectric conversion device. Here, the case where the transistor is an NMOS (N-channel MOS transistor) will be described, but the same effect as in this embodiment can be obtained even when the transistor type and the polarity of the pulse are reversed.
図1に示すように光電変換装置100は、複数の画素セル101,111,121、複数の定電流源155、複数の垂直信号線L1、垂直走査回路(制御部)170及び水平走査回路180を備える。
As shown in FIG. 1, the
画素セル101,111,121は、二次元的に(行方向及び列方向に)配列されている。画素セル101等の配列された二次元的な領域に対して、列方向端部近傍には垂直走査回路170が配置されており、行方向端部近傍には水平走査回路180が配置されている。列方向に並んだ画素セル101,111,121には、垂直信号線L1が列ごとに接続されている。各垂直信号線L1には、定電流源155及び出力線L4が接続されている。なお、図1に示された画素セル101等の配列は一例であり、3行4列に限定されるものではない。
The
垂直走査回路170は、各画素セル101等に制御用の信号(例えば、リセット信号Res,転送信号Tx)を供給する。一方、水平走査回路180は、各画素セル101等から垂直信号線L1経由で出力された信号(出力信号)を順次読み出し出力線へ出力する。
The
定電流源155は、例えばトランジスタを含む。そのトランジスタのゲートには、ゲート線L2を介して、複数の列に共通のゲート電圧VGが与えられる。定電流源155のトランジスタのソースには、複数の列に共通のグランド配線L3が接続されている。
The constant
出力線L4は、垂直信号線L1と出力端子159とを接続している。出力端子159の先には、CDS回路160(図2参照)が接続されている。
The output line L4 connects the vertical signal line L1 and the
次に、画素セル101の詳細な構成及び動作を説明する。なお、他の画素セル111,121についても同様である。
Next, a detailed configuration and operation of the
画素セル101は、図2に示すように、フォトダイオード(光電変換部)102、転送トランジスタ(転送部)104、リセットトランジスタ105、フローティングノード(電荷変換部)FN及び増幅トランジスタ(増幅部)106を含む。
As shown in FIG. 2, the
フォトダイオード102は、そのカソードがグランド電位GNDに接続され、そのアノードが転送トランジスタ104に接続されている。フォトダイオード102は、受光した光を光電変換によって電荷に変換し蓄積する。
The
転送トランジスタ104は、そのソースがフォトダイオード102に接続され、そのドレインがフローティングノードFNに接続されている。例えば、フォトダイオード102が転送トランジスタ104のソースを兼ねていてもよい。転送トランジスタ104は、そのゲートに転送信号Txが供給されている。転送トランジスタ104は、転送信号Txに応じて、ノイズ読み出し期間においてOFFされているが、信号読み出し期間においてONされる。転送トランジスタ104は、ONされることにより、フォトダイオード102に蓄積された電荷をフローティングノードFNへ転送する。
The
フローティングノードFNは、グランド電位GNDとの間で寄生容量103を形成する。フローティングノードFNは、リセットトランジスタ105のソースと増幅トランジスタ106のゲートとに接続されている。フローティングノードFNは、電荷を信号電位に変換して増幅トランジスタ106に供給する。
The floating node FN forms a
増幅トランジスタ106は、そのゲートがフローティングノードFNに接続され、そのドレインが電源120に接続され、そのソースが垂直信号線L1に接続されている。増幅トランジスタ106は、フローティングノードFNの出力電位を増幅して垂直信号線L1へ出力する。ここで、増幅トランジスタ106は、垂直信号線L1を介して定電流源155に接続されており、ソースフォロワ動作をする。垂直信号線L1の電位は、出力線L4を介して出力端子159へ伝達される。垂直信号線L1の電位は、CDS回路160(図2参照)により、出力端子159から読み出される。
The
リセットトランジスタ105は、そのソースがフローティングノードFNに接続され、そのドレインが電源120に接続されている。リセットトランジスタ105は、そのゲートにリセット信号Resが供給されている。リセットトランジスタ105は、リセット信号Resに応じて、フローティングノードFNの電位を制御する。
The
ここで、行選択はフローティングノードFNの電位を制御することで行う。そのフローティングノードFNの電位の制御は、リセットトランジスタ105のゲートの電位を制御することにより行われる。すなわち、リセット信号Resにより、行選択が行われる(図4参照)。
Here, row selection is performed by controlling the potential of the floating node FN. The potential of the floating node FN is controlled by controlling the potential of the gate of the
具体的には、電源120に低い電圧(VresL)が与えられ、全ての行のリセットトランジスタ105等に高い電圧(第1電圧)VHが印加される。これにより、全ての行のフローティングノードFNに低い電圧(VresL)が書き込まれる。
Specifically, a low voltage (VresL) is applied to the power supply 120, and a high voltage (first voltage) VH is applied to the
次に、電源120に高い電圧(VresH)が与えられ、選択された行のリセットトランジスタ105のゲートにリセット信号Resとして高い電圧VHが印加される。一方、選択されない行のリセットトランジスタ105のゲートにリセット信号Resとして低い電圧(第3電圧)VLが印加される。これにより、選択された行のリセットトランジスタ105のみがONされて、選択された行のフローティングノードFNのみに電位VresH(又はVH−Vt)が書き込まれる。ここで、Vtはリセットトランジスタ105の閾値である。
Next, a high voltage (VresH) is applied to the power supply 120, and a high voltage VH is applied as the reset signal Res to the gate of the
以上の動作により、選択された行のフローティングノードFNの電位のみがリセットされ、垂直信号線L1の電位は選択された行における増幅トランジスタ106のソースフォロワ動作により決定される。
With the above operation, only the potential of the floating node FN in the selected row is reset, and the potential of the vertical signal line L1 is determined by the source follower operation of the
すなわち、リセットトランジスタ105は、ノイズ読み出し期間におけるフローティングノードFNの電位(ノイズ電位)をリセットする。増幅トランジスタ106は、そのノイズ電位を増幅した信号をノイズ出力電位として垂直信号線L1に出力する。ノイズ出力電位は、出力線L4を介して出力端子159に伝達される。
That is, the
また、増幅トランジスタ106は、信号読み出し期間におけるフローティングノードFNの電位(信号電位)を増幅した信号を信号出力電位として出力する。信号出力電位は、出力線L4を介して出力端子159に伝達される。
Further, the
CDS回路160は、トランジスタ161、保持容量162、トランジスタ163及び保持容量164を備える。トランジスタ161は、そのソースが垂直信号線L1に接続され、そのドレインが保持容量162に接続される。トランジスタ161は、そのゲートにサンプルホールド信号S/H(N)が供給される。トランジスタ163は、そのソースが垂直信号線L1に接続され、そのドレインが保持容量164に接続される。トランジスタ163は、そのゲートにサンプルホールド信号S/H(S)が供給される。
The
CDS回路160は、出力端子159から垂直信号線L1の電位を読み出す。すなわち、トランジスタ161及び保持容量162は、ノイズ読み出し期間において、垂直信号線L1の電位(ノイズ出力電位)をサンプルホールドする。トランジスタ163及び保持容量164は、信号読み出し期間において、垂直信号線L1の電位(信号出力電位)をサンプルホールドする。そして、それらノイズ出力電位と信号出力電位との差分を取る(不図示)。この差分を取る回路は、差動アンプ等があげられる。また、CDS回路160には、トランジスタ及び保持容量を有さず、クランプ回路からなる場合もあり、適宜選択できる。さらに、出力端子159の後にCDS回路を接続しているが、このCDS回路を各垂直信号線L1に配していても良い。
The
次に、垂直走査回路170の詳細な構成及び動作を、図3を用いて説明する。図3は、垂直走査回路の構成図である。
Next, the detailed configuration and operation of the
垂直走査回路170は、転送ゲート171〜174と、入力端子175〜178とを備える。転送ゲート171〜174は、図示しないが制御信号が入力されるようになっている。
The
まず、転送ゲート171〜173は、所定のタイミングでいずれかが選択的にONされる。転送ゲート171がONされた場合、入力端子175に入力された高い電圧VHがリセット信号Resにセットされる。転送ゲート172がONされた場合、入力端子176に入力された中間電圧VMがリセット信号Resにセットされる。転送ゲート173がONされた場合、入力端子177に入力された低い電圧VLがリセット信号Resにセットされる。これにより、リセットトランジスタ105のゲートに、リセット信号Resとして、少なくとも3つの電位から選択されるいずれかの電位を供給することができる。
First, one of the
一方、転送ゲート174は、所定のタイミングでONされる。転送ゲート174がONされた場合、入力端子178に入力された高い電圧VHが転送信号Txにセットされる。これにより、転送トランジスタ104のゲートに、転送信号Txとして、高い電圧VHを供給することができる。
On the other hand, the
光電変換装置の動作(光電変換装置の制御方法)を、図4を参照して説明する。図4において、選択信号Res、サンプルホールド信号S/H(N)、転送信号Tx及びサンプルホールド信号S/H(S)は、いずれも、垂直走査回路170により供給される。図4は、光電変換装置の動作を示す波形図である。図4において、タイミングT2〜T5の期間をノイズ読み出し期間NPと呼ぶ。また、タイミングT5以降の期間を信号読み出し期間SPと呼ぶ。
The operation of the photoelectric conversion device (control method of the photoelectric conversion device) will be described with reference to FIG. In FIG. 4, the selection signal Res, the sample hold signal S / H (N), the transfer signal Tx, and the sample hold signal S / H (S) are all supplied by the
タイミングT21〜T22の期間において、電源120に低い電圧(VresL)が与えられ、垂直走査回路170により、全ての行のリセットトランジスタ105等に高い電圧(第1電圧)VHが印加される。これにより、全ての行のフローティングノードFNに低い電圧(VresL)が書き込まれる。
In the period of timing T21 to T22, a low voltage (VresL) is applied to the power supply 120, and the high voltage (first voltage) VH is applied to the
タイミングT22〜T1の期間において、電源120の電位が低い電圧(VresL)から高い電位(VresH)に切り替えられる。 In the period of timing T22 to T1, the potential of the power source 120 is switched from a low voltage (VresL) to a high potential (VresH).
タイミングT1〜T2の期間において、電源120に高い電位(VresH)が与えられ、垂直走査回路170により、選択された行のみのリセットトランジスタ105のゲートにリセット信号Resとして高い電圧VHが印加される。一方、垂直走査回路170により、選択されない行のリセットトランジスタ105のゲートにリセット信号Resとして低い電圧VLが印加される。これにより、選択された行のフローティングノードFNのみに、例えば、電位VresH(又はVH−Vt)が書き込まれる。
In the period of timing T1 to T2, a high potential (VresH) is applied to the power supply 120, and the
タイミングT2において、垂直走査回路170により、選択された行のリセットトランジスタ105のゲートに供給されるリセット信号Resが高い電圧VHから中間電圧(第2電圧)VMに変わる。これにより、選択された行のリセットトランジスタ105は、ゲートソース間電圧が閾値以下になり、OFF状態になる。一方、垂直走査回路170により、選択されない行のリセットトランジスタ105のゲートにリセット信号Resとして低い電圧VLが印加されたままである。
At timing T2, the
ここで、仮に、フォトダイオード102に強い光があたってフォトダイオード102からフローティングノードFNに電荷が漏れ出た場合を考える。このとき、フローティングノードFNの電位は、リセットレベルVH−Vtから低下し始める。しかし、フローティングノードFNの電位がグランド電位GNDに到達する前に、リセットトランジスタ105は、ゲートソース間電圧が閾値以上になり、ON状態になる。これにより、リセットトランジスタ105は、フローティングノードFNの電位をクリップすることにより、フローティングノードFNの電位の低下を制限する。すなわち、垂直走査回路170は、リセットトランジスタ105を介して(リセット信号Resを介して)、フローティングノードFNの電位の低下を制限する。具体的には、リセットトランジスタ105は、フローティングノードFNの電位の低下をクリップ電位VM−Vtでクリップする。これにより、フローティングノードFNの電位がクリップ電位VM−Vt以下に下がることは抑制されている。
Here, suppose a case where strong light is applied to the
タイミングT3において、サンプルホールド信号S/H(N)が活性化状態になり、トランジスタ161は、ソースとドレインとを導通させて、垂直信号線L1の電位(ノイズ出力電位)を検出するとともに保持容量162へ出力する。ここで、ノイズ出力電位は、ノイズ読み出し期間NPにおける垂直信号線L1の電位である。
At timing T3, the sample hold signal S / H (N) is activated, and the
タイミングT4において、信号S/H(N)が非活性化状態になり、トランジスタ161は、ソースとドレインとを遮断させる。これにより、保持容量162は、垂直信号線L1の電位(ノイズ出力電位)を保持する。
At timing T4, the signal S / H (N) is deactivated, and the
タイミングT5において、選択された行のリセットトランジスタ105のゲートに供給されるリセット信号Resが中間電圧VMから低い電位(第2電圧)VLに変わる。一方、選択されない行のリセットトランジスタ105のゲートにリセット信号Resとして低い電圧VLが印加されたままである。これにより、選択された行のリセットトランジスタ105は、ONされていればOFFされ、OFFされていればOFF状態を維持する。なお、第2電圧(低い電圧VL)は、第1電圧(高い電圧VH)よりも基底レベル(例えば、グランド電位GND)に近い電位である。
At timing T5, the reset signal Res supplied to the gates of the
タイミングT6において、転送信号Txが活性化状態になり、転送トランジスタ104は、ソースとドレインとを導通させて、フォトダイオード102に蓄積された電荷をフローティングノードFNへ転送する。
At timing T6, the transfer signal Tx is activated, and the
タイミングT7において、転送信号Txが非活性化状態になり、転送トランジスタ104は、ソースとドレインとを遮断させる。
At timing T7, the transfer signal Tx is deactivated, and the
タイミングT8において、信号S/H(S)が活性化状態になり、CDS回路160のトランジスタ163は、ソースとドレインとを導通させて、垂直信号線L1の電位(信号出力電位)を検出するとともに保持容量164へ出力する。ここで、信号出力電位は、信号読み出し期間SPにおける垂直信号線L1の電位である。
At timing T8, the signal S / H (S) is activated, and the
タイミングT9において、信号S/H(S)が非活性化状態になり、トランジスタ163は、ソースとドレインとを遮断させる。これにより、保持容量164は、垂直信号線L1の電位(信号出力電位)を保持する。
At timing T9, the signal S / H (S) is deactivated, and the
そして、CDS回路160は、保持容量162に保持されたノイズ出力電位と、保持容量164に保持された信号出力電位との差分を演算する。CDS回路160は、その演算結果を画像信号として出力する。
Then, the
以上のように、クリップ用の回路を垂直信号線ごとに設けずに、フローティングノードの電位を画素ごとにクリップする。これにより、高輝度黒沈み現象を画素ごとに抑制できるので、列単位でノイズが同じになることを抑制できる。この結果、光電変換により得られた画像における縦方向の筋状のノイズを抑制できる。従って、高輝度時においても、高品質な画像を得ることが可能となる。 As described above, the potential of the floating node is clipped for each pixel without providing a clipping circuit for each vertical signal line. Thereby, since the high-intensity black sun phenomenon can be suppressed for each pixel, it can be suppressed that the noise becomes the same for each column. As a result, vertical streak noise in an image obtained by photoelectric conversion can be suppressed. Therefore, a high-quality image can be obtained even at high luminance.
なお、図4における高い電圧VHは、電源120と同電位であってもよい。低い電圧VLは、グランド電位GNDと同電位であっても良い。 Note that the high voltage VH in FIG. 4 may be the same potential as the power supply 120. The low voltage VL may be the same potential as the ground potential GND.
また、中間電圧VMは、高い電圧VHと低い電圧VLとの間における適切な値に設定される。例えば、中間電圧VMは、フローティングノードFNの電位がリセットレベル(電位VH−Vt)であるときにリセットトランジスタ105のゲートソース間電圧が閾値Vt未満となる電位に設定される。なおかつ、中間電圧VMは、垂直信号線L1のダイナミックレンジを圧迫しないような値に設定される。
The intermediate voltage VM is set to an appropriate value between the high voltage VH and the low voltage VL. For example, the intermediate voltage VM is set to a potential at which the gate-source voltage of the
選択された行のリセットトランジスタ105のゲートには、信号読み出し期間SPにおいて、リセット信号Resとして低い電圧VLaが印加されても良い。低い電圧VLaは、低い電圧VLと異なる電位であってフローティングノードのクリップ動作が可能な電位であってもよい。これにより、光信号によって垂直信号線L1が飽和するような光量が照射された場合にも、低い電圧VLaによるフローティングノードFNのクリップ効果により、光信号読み出し期間SPにおける定電流源155の動作範囲の逸脱を防止できる。この結果、高輝度黒沈み現象が発生した画素セルに対して行方向に隣接した画素セルの階調が黒諧調へ近づく現象(CMOSセンサにおけるスミア現象)を抑制できる。すなわち、光電変換された画像において横方向の筋状のノイズがのることを抑制できる。(CMOSセンサにおけるスミア現象の詳細は特開2001−230974に記述されている。)
各画素セル101等は、3トランジスタ方式である代わりに、選択トランジスタをさらに含む方式であってもよい。
A low voltage VLa may be applied to the gate of the
Each
クリップ電位VM−Vtは、撮影モードによって可変になっていてもよい。CDS回路160の下流に設けられた図示しない読み出し回路や信号処理回路においてゲインの切り替えが可能な場合、高輝度黒沈み現象がおこり始めるフローティングノードFNのバイアスポイントはゲイン設定により異なることがある。ノイズ出力電位が読み出される際に、垂直信号線L1、読み出し回路、信号処理回路等の経路中、いずれかの1ヶ所でも飽和してしまった場合に、高輝度黒沈み現象がおこり始める。そのためゲインを高く設定するほど、より小さいフローティングノードFNの変化に対して高輝度黒沈み現象がおこり始める。
The clip potential VM-Vt may be variable depending on the shooting mode. When gain switching is possible in a readout circuit and signal processing circuit (not shown) provided downstream of the
よって、ゲインが高く設定される撮影モードでは、クリップ電位VM−Vtがより高く設定されてもよい。一方、ゲインが低く設定される撮影モードでは、クリップ電位VM−Vtがより低く設定されてもよい。この場合、撮影モード毎にクリップ電位VM−Vtは適切に設定されるので、信号が飽和することを避け、高輝度黒沈み現象を抑制できる。この結果、画質の劣化を抑制できる。 Therefore, in the shooting mode in which the gain is set high, the clip potential VM-Vt may be set higher. On the other hand, in the shooting mode in which the gain is set low, the clip potential VM-Vt may be set lower. In this case, since the clip potential VM-Vt is appropriately set for each photographing mode, it is possible to avoid saturation of the signal and suppress the high-intensity black sun phenomenon. As a result, deterioration in image quality can be suppressed.
次に、本発明の光電変換装置を適用した撮像システムの一例を図8に示す。 Next, an example of an imaging system to which the photoelectric conversion device of the present invention is applied is shown in FIG.
撮像システム90は、図5に示すように、主として、光学系、撮像装置86及び信号処理部を備える。光学系は、主として、シャッター91、撮影レンズ92及び絞り93を備える。撮像装置86は、光電変換装置100を含む。信号処理部は、主として、撮像信号処理回路95、A/D変換器96、画像信号処理部97、メモリ部87、外部I/F部89、タイミング発生部98、全体制御・演算部99、記録媒体88及び記録媒体制御I/F部94を備える。なお、信号処理部は、記録媒体88を備えなくても良い。
As shown in FIG. 5, the
シャッター91は、光路上において撮影レンズ92の手前に設けられ、露出を制御する。
The
撮影レンズ92は、入射した光を屈折させて、撮像装置86の光電変換装置100へ被写体の像を結像させる。
The
絞り93は、光路上において撮影レンズ92と光電変換装置100との間に設けられ、撮影レンズ92を通過後に光電変換装置100へ導かれる光の量を調節する。
The
撮像装置86の光電変換装置100は、光電変換装置100に結像された被写体の像を画像信号に変換する。撮像装置86は、その画像信号を光電変換装置100から読み出して出力する。
The
撮像信号処理回路95は、撮像装置86に接続されており、撮像装置86から出力された画像信号を処理する。
The imaging
A/D変換器96は、撮像信号処理回路95に接続されており、撮像信号処理回路95から出力された処理後の画像信号(アナログ信号)をデジタル信号へ変換する。
The A /
画像信号処理部97は、A/D変換器96に接続されており、A/D変換器96から出力された画像信号(デジタル信号)に各種の補正等の演算処理を行い、画像データを生成する。この画像データは、メモリ部87、外部I/F部89、全体制御・演算部99及び記録媒体制御I/F部94などへ供給される。
The image
メモリ部87は、画像信号処理部97に接続されており、画像信号処理部97から出力された画像データを記憶する。
The
外部I/F部89は、画像信号処理部97に接続されている。これにより、画像信号処理部97から出力された画像データを、外部I/F部89を介して外部の機器(パソコン等)へ転送する。
The external I /
タイミング発生部98は、撮像装置86、撮像信号処理回路95、A/D変換器96及び画像信号処理部97に接続されている。これにより、撮像装置86、撮像信号処理回路95、A/D変換器96及び画像信号処理部97へタイミング信号を供給する。そして、撮像装置86、撮像信号処理回路95、A/D変換器96及び画像信号処理部97がタイミング信号に同期して動作する。
The
全体制御・演算部99は、タイミング発生部98、画像信号処理部97及び記録媒体制御I/F部94に接続されており、タイミング発生部98、画像信号処理部97及び記録媒体制御I/F部94を全体的に制御する。
The overall control /
記録媒体88は、記録媒体制御I/F部94に取り外し可能に接続されている。これにより、画像信号処理部97から出力された画像データを、記録媒体制御I/F部94を介して記録媒体88へ記録する。
The
以上の構成により、光電変換装置100において良好な画像信号が得られれば、良好な画像(画像データ)を得ることができる。
With the above configuration, if a good image signal is obtained in the
次に、本発明の第2実施形態に係る光電変換装置を、図6及び図7を用いて説明する。図6は、第2実施形態に係るに係る光電変換装置の構成図である。図7は、図6の光電変換装置の動作を示す波形図である。 Next, a photoelectric conversion device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is a configuration diagram of a photoelectric conversion apparatus according to the second embodiment. FIG. 7 is a waveform diagram showing the operation of the photoelectric conversion device of FIG.
光電変換装置200は、基本的な構成は第1実施形態と同様であるが、画素セル101等の代わりに画素セル201等を備え、補償パルス配線L5をさらに備える点で、第1実施形態と異なる。
The basic structure of the
補償パルス配線L5は、画素セル201等の間を行方向に延びている。
The compensation pulse line L5 extends between the
画素セル201は、補償容量(補償部)209をさらに含む。補償容量209は、補償パルス配線L5とフローティングノードFNとの間に設けられている。これにより、補償容量209は、リセットトランジスタ105のゲート電位(リセット信号Res)の変動によるフローティングノードFNのフィードスルーを補償する。この補償容量209は、例えば、リセットトランジスタ105のゲートとフローティングノードFNとの間の寄生容量と同等の容量になるよう設計される。
The
補償パルス配線L5を介して補償容量209の一方の電極に供給される補償パルスは、図7に示すように、選択された行のリセットトランジスタ105のゲートに供給されるリセット信号Resを論理的に反転した信号になっている。この補償パルスは、選択された行の補償パルス配線L5に印加される。一方、選択されていない行の補償パルス配線L5は非活性化状態になっている。
As shown in FIG. 7, the compensation pulse supplied to one electrode of the
上記の第1実施形態では、ノイズ読み出し期間NPと信号読み出し期間SPにおけるリセットトランジスタ105のゲート電位(リセット信号Resの電位)が異なる。これにより、フローティングノードFNのフィードスルーの影響は、CDS回路160によりノイズ出力電位と信号出力電位との差分が演算されて得られる画像信号に、オフセットとして重畳されてしまう。画像信号のオフセットにより、画像信号の入射光量に対するリニアリティが低下することがある。あるいは、画面信号のオフセット量が画素ごとに異なる場合、光電変換により得られた画像において、シェーディングが発生することがある。
In the first embodiment, the gate potential (the potential of the reset signal Res) of the
それに対して、第2実施形態では、フローティングノードFNのフィードスルーを補償しているので、画像信号のオフセットを補償することができる。これにより、画像信号の入射光量に対するリニアリティの低下を抑制できる。あるいは、画面信号のオフセット量が画素ごとにばらつくことを低減できるので、光電変換により得られた画像において、シェーディングの発生を抑制することが可能である。 On the other hand, in the second embodiment, since the feedthrough of the floating node FN is compensated, the offset of the image signal can be compensated. Thereby, the fall of the linearity with respect to the incident light quantity of an image signal can be suppressed. Alternatively, since the variation in the offset amount of the screen signal for each pixel can be reduced, it is possible to suppress the occurrence of shading in an image obtained by photoelectric conversion.
なお、補償パルスの振幅は、リセットトランジスタ105のゲート電位(リセット信号Resの電位)とフローティングノードFNとの間に形成されるフィードスルー容量と、補償容量209との容量比を考慮して決められた値であっても良い。
The amplitude of the compensation pulse is determined in consideration of the capacitance ratio between the
補償容量209は、リセットトランジスタ105と同様のMOSトランジスタにより形成されてもよい。
The
補償パルスは、図8に示すように、簡略化された2値の単純なパルスとなっていてもよい。この場合でも、サンプルホールド信号S/H(N)が活性化される期間T3a〜T4aと、サンプルホールド信号S/H(S)が活性化される期間T8a〜T9aとにおいて、補償容量209に補償パルスが入力される。これにより、CDS回路160によりノイズ出力電位と信号出力電位との差分が演算されて得られる画像信号のオフセット成分を補償することが可能である。
The compensation pulse may be a simplified binary simple pulse as shown in FIG. Even in this case, the
補償パルスは、選択された行の補償パルス配線L5毎に独立して印加されずに、複数行の補償パルス配線L5に一律に印加されてもよい。この場合でも、垂直信号線L1の電位は選択された行のフローティングノードFNの電位によって決定されるため、ノイズ出力電位と信号出力電位との差分が演算されて得られる画像信号のオフセット成分を補償することが可能である。また、補償パルスが全行一律に印加されるので、補償パルスを供給する回路(図示しない垂直選択回路)の簡素化をはかることができ、チップサイズを縮小することができる。 The compensation pulse may be applied uniformly to the compensation pulse lines L5 of a plurality of rows without being applied independently to the compensation pulse lines L5 of the selected row. Even in this case, since the potential of the vertical signal line L1 is determined by the potential of the floating node FN in the selected row, the offset component of the image signal obtained by calculating the difference between the noise output potential and the signal output potential is compensated. Is possible. Further, since the compensation pulse is applied uniformly to all rows, the circuit for supplying the compensation pulse (vertical selection circuit not shown) can be simplified, and the chip size can be reduced.
90 撮像システム。
100,200 光電変換装置。
102 フォトダイオード
104 転送トランジスタ
105 リセットトランジスタ
106 増幅トランジスタ
170 垂直走査回路
209 補償容量
FN フローティングノード
90 Imaging system.
100, 200 photoelectric conversion device.
102
Claims (6)
前記電荷を電位に変換する電荷変換部と、
前記電荷を前記光電変換部から前記電荷変換部に転送する転送部と、
前記電荷変換部の電位に基づく信号を読み出す増幅部と、
前記電荷変換部の電位をリセットするリセットトランジスタと、
前記リセットトランジスタのゲートに、少なくとも3つの電圧を印加する制御部と、
リセットされた前記電荷変換部の電位に基づく信号と、前記電荷が転送された電荷変換部の電位に基づく信号とを差分する差分回路と、
を備えたことを特徴とする光電変換装置。 A photoelectric conversion unit that converts light into electric charge;
A charge converter for converting the charge into a potential;
A transfer unit that transfers the charge from the photoelectric conversion unit to the charge conversion unit;
An amplifier that reads a signal based on the electric potential of the charge converter;
A reset transistor for resetting a potential of the charge conversion unit;
A controller that applies at least three voltages to the gate of the reset transistor;
A difference circuit for subtracting a signal based on the reset potential of the charge converter and a signal based on the potential of the charge converter to which the charge has been transferred;
A photoelectric conversion device comprising:
ことを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。 The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the reset unit clips a potential of the charge conversion unit.
前記電荷の転送時に、前記リセットトランジスタのゲートに印加される電圧は、最も低い電圧であることを特徴とする請求項1又は2に記載の光電変換装置。 The charge is an electron;
3. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the voltage applied to the gate of the reset transistor during the transfer of the charge is the lowest voltage. 4.
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の光電変換装置。 The photoelectric conversion apparatus according to claim 1, further comprising a compensation unit that compensates for feedthrough to the charge conversion unit.
前記電荷は、電子であり、
第1電圧を前記リセットトランジスタのゲートに印加する第1ステップと、
前記第1電圧より低い電圧である第2電圧を、前記リセットトランジスタのゲートに印加する第2ステップと、
前記第2電圧より低い電圧である第3電圧を、前記リセットトランジスタのゲートに印加する第3ステップと、
を備えたことを特徴とする光電変換装置の制御方法。 Based on a photoelectric conversion unit that converts light into a charge, a charge conversion unit that converts the charge into a potential, a transfer unit that transfers the charge from the photoelectric conversion unit to the charge conversion unit, and a potential of the charge conversion unit A control method of a photoelectric conversion device including an amplification unit that reads a signal and a reset transistor that resets a potential of the charge conversion unit,
The charge is an electron;
Applying a first voltage to the gate of the reset transistor;
Applying a second voltage that is lower than the first voltage to the gate of the reset transistor;
Applying a third voltage that is lower than the second voltage to the gate of the reset transistor;
A control method for a photoelectric conversion device comprising:
請求項1から3のいずれか1項に記載の光電変換装置と
を備えたことを特徴とする撮像システム。 Optical system,
An imaging system comprising: the photoelectric conversion device according to claim 1.
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