JP4819561B2 - 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２次元配置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該電荷を蓄積する電荷蓄積部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電荷蓄積部により蓄積する撮像用受光部と、(2) 入射光量に応じた量の電荷を発生するトリガ用フォトダイオードを含むトリガ用受光部と、(3) 電荷蓄積動作制御信号が指示する期間の後に、複数の画素部それぞれの電荷蓄積部に蓄積された電荷の量に応じたデジタル値（以下「画素データ」という。）を出力する撮像用ＡＤ変換回路と、撮像用ＡＤ変換回路が画素データを出力していない期間に、トリガ用受光部で発生した電荷の量に応じたデジタル値（以下「トリガ用データ」という。）を出力するトリガ用ＡＤ変換回路と、を含む出力部出力部と、(4) 出力部から出力されたトリガ用データを入力し、このトリガ用データの絶対値が閾値より大きいときに撮像用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とともに、出力部による画素データおよびトリガ用データそれぞれの各ビットの出力タイミングに同期したクロック信号を出力する制御部と、を備えることを特徴とする。さらに、この固体撮像装置は、撮像用ＡＤ変換回路と比較してトリガ用ＡＤ変換回路が低消費電力かつ低速で動作することを特徴とする。また、撮像用ＡＤ変換回路と比較してトリガ用ＡＤ変換回路が低出力ビット数で動作するのが好適である。

本発明に係る固体撮像装置では、撮像用受光部に含まれる複数の画素部それぞれは、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と、該電荷を蓄積する電荷蓄積部とを有する。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は電荷蓄積部により蓄積される。一方、トリガ用受光部に含まれるトリガ用フォトダイオードでも、入射光量に応じた量の電荷が発生する。電荷蓄積動作制御信号が指示する期間の後に、複数の画素部それぞれの電荷蓄積部に蓄積された電荷の量に応じたデジタル値（画素データ）が出力部の撮像用ＡＤ変換回路から出力される。また、撮像用ＡＤ変換回路から画素データが出力されていない期間に、トリガ用受光部で発生した電荷の量に応じたデジタル値（トリガ用データ）が出力部のトリガ用ＡＤ変換回路から出力される。

このように、画素データが出力される期間と、トリガ用データが出力される期間とは、互いに区別される。そして、撮像用ＡＤ変換回路と比較してトリガ用ＡＤ変換回路は低消費電力で動作する。出力部は、低速または低出力ビット数で動作することにより、低消費電力で動作することができる。

本発明に係る固体撮像装置では、出力部は、電荷蓄積動作制御信号が指示する期間の後にＡＤ変換動作を行って画素データを出力する撮像用ＡＤ変換回路と、トリガ用データを出力するトリガ用ＡＤ変換回路と、を含む。出力部から画素データが出力される期間には、撮像用ＡＤ変換回路が動作し、トリガ用ＡＤ変換回路が休止する。一方、出力部からトリガ用データが出力される期間には、トリガ用ＡＤ変換回路が動作し、撮像用ＡＤ変換回路が休止する。

本発明に係る固体撮像装置では、出力部が画素データおよびトリガ用データを共通の出力信号線へ出力するのが好適である。この場合には、画素データおよびトリガ用データが出力部から共通の出力信号線へ時分割で出力されるので、外部機器との間で信号等を入出力するための配線の本数が少なくてよく、例えば口腔内におけるＸ線撮像において用いられる場合には信頼性が高いものとなる。なお、出力部から共通の出力信号線へ出力される画素データおよびトリガ用データはシリアルデータであるのが好適である。

本発明に係る固体撮像装置では、トリガ用受光部は、撮像用受光部を取り囲んで設けられている１つのトリガ用フォトダイオードを含むのが好適である。また、トリガ用受光部は、撮像用受光部の周囲に設けられ互いに接続されている複数のトリガ用フォトダイオードを含むのも好適である。このようにトリガ用受光部が構成されていることにより、固体撮像装置への光の入射が高感度に検知され得る。

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、撮像用受光部１０、トリガ用受光部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。

撮像用受光部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。撮像用受光部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。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。

トリガ用受光部２０は、光の入射を検知するためのものであり、入射光量に応じた量の電荷を発生するトリガ用フォトダイオードを含む。トリガ用受光部２０に含まれるトリガ用フォトダイオードの個数や配置については種々の態様があり得るが、光の入射を高感度に検知するためには、撮像用受光部１０を取り囲むようにトリガ用フォトダイオードが設けられているのが好適であり、また、受光面積が広いのが好適である。トリガ用受光部２０は、図示の如く撮像用受光部１０を取り囲んで設けられている１つのトリガ用フォトダイオードを含むのが好適であり、或いは、撮像用受光部１０の周囲に設けられ互いに並列接続されている複数のトリガ用フォトダイオードを含むのも好適である。

行選択部３０は、制御部７０による制御の下に、撮像用受光部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、撮像用受光部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、撮像用受光部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、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（すなわち、各画素部Ｐ_ｍ,ｎ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）の後に、Ｍ×Ｎ個の画素部Ｐ_１,１〜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デジタル値（画素データ）を出力し、また、その画素データを出力していない期間に、トリガ用受光部２０で発生した電荷の量に応じたデジタル値（トリガ用データ）を出力する。出力部６０は、画素データを出力する際と比較して、トリガ用データを出力する際に低消費電力で動作する。

出力部６０は、画素データおよびトリガ用データ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、信頼性向上の点で有利である。

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における画素データおよびトリガ用データの出力動作、を制御する。また、制御部７０は、出力部７０から出力されたトリガ用データを入力し、このトリガ用データの絶対値が閾値より大きいときに撮像用受光部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出力する。さらに、制御部７０は、出力部６０による画素データおよびトリガ用データそれぞれの各ビットの出力タイミングに同期したクロック信号ＣＬＫを出力する。

なお、撮像用受光部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から撮像用受光部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に含まれる出力部６０の構成図である。この図に示される出力部６０は、差演算回路６１、積分回路６２、撮像用ＡＤ変換回路６３、トリガ用ＡＤ変換回路６４、スイッチＳＷ_６１およびスイッチＳＷ_６２を有する。

差演算回路６１は、雑音成分が重畳された信号成分を表す電圧値を保持回路Ｈ_ｎから入力するとともに、雑音成分を表す電圧値をも保持回路Ｈ_ｎから入力して、両者の差に応じた電圧値を出力する。この差演算回路６１から出力される電圧値は、雑音成分が除去された信号成分を表す。積分回路６２は、トリガ用受光部２０から出力される電荷を入力して蓄積し、その蓄積電荷量に応じた電圧値を出力する。

撮像用ＡＤ変換回路６３は、差演算回路６１から出力される電圧値を入力し、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。トリガ用ＡＤ変換回路６４は、積分回路６２から出力される電圧値を入力し、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（トリガ用データ）を出力する。

撮像用ＡＤ変換回路６３は、電荷蓄積動作制御信号が指示する期間の後にＡＤ変換動作を行って画素データを出力する。撮像用ＡＤ変換回路６３が画素データを出力していない期間に、トリガ用ＡＤ変換回路６４はトリガ用データを出力する。撮像用ＡＤ変換回路６３と比較してトリガ用ＡＤ変換回路６４は低速または低出力ビット数で動作する。

スイッチＳＷ_６１は、制御部７０から出力されるsel_data信号により制御されて開閉動作し、閉じているときに、撮像用ＡＤ変換回路６３から出力される画素データを出力信号線Ｌoutへ出力する。スイッチＳＷ_６２は、制御部７０から出力されるsel_trig信号により制御されて開閉動作し、閉じているときに、トリガ用ＡＤ変換回路６４から出力されるトリガ用データを出力信号線Ｌoutへ出力する。スイッチＳＷ_６１およびスイッチＳＷ_６２は同時に閉じることはない。

なお、出力部６０は、上記の撮像用ＡＤ変換回路６３およびトリガ用ＡＤ変換回路６４として共通の１つのＡＤ変換回路を有していてもよい。その場合、ＡＤ変換回路は、画素データを出力する際と比較して、トリガ用データを出力する際に低速または低出力ビット数で動作する。例えば、ＡＤ変換回路がパイプライン方式のものであれば、画素データを出力する際と比較して、トリガ用データを出力する際に、動作させる段数を少なくする。また、例えば、ＡＤ変換回路が複数の容量素子を用いた逐次比較方式のものであれば、画素データを出力する際と比較して、トリガ用データを出力する際に、用いる容量素子の個数を少なくする。

図３は、本実施形態に係る固体撮像装置１に含まれる画素部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。

画素部Ｐ_ｍ,ｎは、ＡＰＳ（Active Pixel Sensor）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、トランジスタＴ１，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、基準電圧Ｖb1がトランジスタＴ１のドレイン端子に入力され、フォトダイオードＰＤのアノ−ド端子が接地されている。

トランジスタＴ３およびトランジスタ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。

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のゲート端子の電位がリセットされる。その後に、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、フォトダイオードで発生した電荷は接合容量部に蓄積されていく。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、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４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６３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。

図５は、本実施形態に係る固体撮像装置１に含まれる積分回路６２の回路構成を示す図である。この図に示されるように、積分回路６２は、アンプＡ_６７、容量素子Ｃ_６７およびスイッチＳＷ_６７を含む。容量素子Ｃ_６７およびスイッチＳＷ_６７は、互いに並列的に接続されて、アンプＡ_６７の反転入力端子と出力端子との間に設けられている。アンプＡ_６７の反転入力端子はトリガ用受光部２０と接続されている。アンプＡ_６７の非反転入力端子は基準電位Ｖｂと接続されている。アンプＡ_６７の出力端子はトリガ用ＡＤ変換回路６４の入力端子と接続されている。積分回路６２のスイッチＳＷ_６７は、reset_trig信号により制御されて開閉動作する。スイッチＳＷ_６７が閉じることで、容量素子Ｃ_６７が放電され、積分回路６２から出力される電圧値がリセットされる。スイッチＳＷ_６７が開いているときに、トリガ用受光部２０から出力された電荷が容量素子Ｃ_６７に蓄積され、その蓄積電荷量に応じた電圧値が積分回路６２から出力される。

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６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) 制御部７０から出力されるクロック信号ＣＬＫ、(c) 出力部６０から出力信号線Ｌoutへ出力されるデジタル信号Ｄout（画素データＤdata(m)またはトリガ用データＤtrig）、(d) 制御部７０から出力される電荷蓄積動作制御信号、(e) トリガ用受光部２０，積分回路６２およびトリガ用ＡＤ変換回路６４によるトリガ用データ読出動作、(f) 撮像用受光部１０，電圧保持部５０，差演算回路６１および撮像用ＡＤ変換回路６３による画素データ読出動作、が示されている。

この図では、撮像用受光部１０の第ｍ行について撮像用ＡＤ変換回路６３から出力されるデジタル値（画素データ）をＤdata(m)と表し、トリガ用ＡＤ変換回路６４から出力されるデジタル値（トリガ用データ）をＤtrigと表している。時刻ｔ_０，ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３，ｔ_４，ｔ_５，ｔ_６は、制御部７０から出力されるクロック信号ＣＬＫの立下り時刻を表している。また、時刻ｔ_０前および時刻ｔ_７後には固体撮像素子１に光が入射しておらず、時刻ｔ_０から時刻ｔ_７までの期間に固体撮像素子１に光が入射するものとする。

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、撮像用受光部１０から電圧保持部５０，差演算回路６１，撮像用ＡＤ変換回路６３およびスイッチＳＷ_６１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、撮像用受光部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。

その後、時刻ｔ_０前では、トリガ用受光部２０の受光量に応じたトリガ用データＤtrigが、積分回路６２，トリガ用ＡＤ変換回路６４およびスイッチＳＷ_６１を経て出力部６０から出力される。制御部７０から出力されるクロック信号ＣＬＫは、トリガ用データの各ビットの出力タイミングに同期したものとなる。そして、制御部７０において、そのトリガ用データＤtrigの絶対値が閾値より小さいと判定され、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。

また、時刻ｔ_０前は、撮像用受光部１０の画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎそれぞれはリセット状態のままとされる。すなわち、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、撮像用ＡＤ変換回路６３は休止状態にあり、スイッチＳＷ_６１は開いている。

時刻ｔ_０後に固体撮像素子１に光が入射し始めると、制御部７０において、出力部６０から出力されるトリガ用データＤtrigの絶対値が閾値より大きいと判定され、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、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後のクロック信号ＣＬＫの立下り時刻ｔ_３から、電荷蓄積動作制御信号がローレベルに転じた後のクロック信号ＣＬＫの立下り時刻ｔ_６までの期間、撮像用受光部１０の各画素部Ｐ_ｍ,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、フォトダイオードで発生した電荷は接合容量部に蓄積されていく。

この時刻ｔ_３から時刻ｔ_６までの期間、トリガ用受光部２０の受光量に応じたトリガ用データＤtrigが、積分回路６２，トリガ用ＡＤ変換回路６４およびスイッチＳＷ_６１を経て出力部６０から出力される。制御部７０から出力されるクロック信号ＣＬＫは、トリガ用データの各ビットの出力タイミングに同期したものとなる。また、撮像用ＡＤ変換回路６３は休止状態にあり、スイッチＳＷ_６１は開いている。

なお、このときに出力されるトリガ用データに基づいて累計の入射光量をモニタすることができる。そして、このモニタした累計の入射光量に基づいて撮像用受光部１０における電荷蓄積の時間（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）を適正値に設定することができる。また、このモニタした入射光量が一定レベルより小さくなった時点で、電荷蓄積動作制御信号をローレベルとしてもよい。或いは、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後のクロック信号ＣＬＫの立下り時刻ｔ_６から時刻ｔ_７までの期間、撮像用受光部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。

この時刻ｔ_６から時刻ｔ_７までの期間、撮像用ＡＤ変換回路６３およびトリガ用ＡＤ変換回路６４の何れも休止状態にあり、出力部７０から画素データおよびトリガ用データの何れも出力されない。また、制御部７０からクロック信号ＣＬＫは出力されない。

続く時刻ｔ_７から時刻ｔ_９までの期間に、撮像用受光部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、時刻ｔ_７から時刻ｔ_８までの期間に、撮像用受光部１０の第１行においてのみ、Address(1)信号がローレベルとなり、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、時刻ｔ_８から時刻ｔ_９までの期間に、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を経て撮像用ＡＤ変換回路６３に入力されてＡＤ変換され、撮像用ＡＤ変換回路６３からスイッチＳＷ_６１を経て順次にＮ個の画素データＤdata(1)が出力される。この時刻ｔ_７から時刻ｔ_９までの期間、制御部７０から出力されるクロック信号ＣＬＫは、画素用データの各ビットの出力タイミングに同期したものとなる。トリガ用ＡＤ変換回路６４は休止状態にあり、スイッチＳＷ_６２は開いている。

更に続く時刻ｔ_９から時刻ｔ_１１までの期間に、撮像用受光部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、時刻ｔ_９から時刻ｔ_１０までの期間に、撮像用受光部１０の第２行においてのみ、Address(2)信号がローレベルとなり、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、時刻ｔ_１０から時刻ｔ_１１までの期間に、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を経て撮像用ＡＤ変換回路６３に入力されてＡＤ変換され、撮像用ＡＤ変換回路６３からスイッチＳＷ_６１を経て順次にＮ個の画素データＤdata(2)が出力される。この時刻ｔ_９から時刻ｔ_１１までの期間、制御部７０から出力されるクロック信号ＣＬＫは、画素用データの各ビットの出力タイミングに同期したものとなる。トリガ用ＡＤ変換回路６４は休止状態にあり、スイッチＳＷ_６２は開いている。

以降も同様にして、撮像用受光部１０の第３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、撮像用受光部１０から電圧保持部５０，差演算回路６１，撮像用ＡＤ変換回路６３およびスイッチＳＷ_６１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_０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、撮像用ＡＤ変換回路６３およびトリガ用ＡＤ変換回路６４が設けられていて、これら２つのＡＤ変換回路６３，６４が同時に動作することは無い。固体撮像装置１へ光入射があるか否かをモニタしている期間、および、当該光入射を検知した後に撮像用受光部１０の各画素部Ｐ_ｍ,ｎにおいてフォトダイオードで発生した電荷が接合容量部に蓄積されていく期間では、撮像用ＡＤ変換回路６３が休止しており、トリガ用ＡＤ変換回路６４が動作する。撮像用受光部１０の各画素部Ｐ_ｍ,ｎにおいて電荷蓄積後に画素データを読み出す期間では、トリガ用ＡＤ変換回路６４が休止しており、撮像用ＡＤ変換回路６３が動作する。

画素データを読み出すための撮像用ＡＤ変換回路６３は、高速動作が要求され、また、一定数以上の出力ビット数が要求されるので、消費電力が大きい。撮像用ＡＤ変換回路６３が動作しているときに制御部７０から出力されるクロック信号ＣＬＫは、画素データの各ビットの出力タイミングに同期して高周波数のものとなる。例えば、この場合、クロック信号の周波数は８０ＭＨｚであり、画素データは１４ビットであり、消費電力は５００ｍＷである。

これに対して、トリガ用データを読み出すためのトリガ用ＡＤ変換回路６４は、低速動作であってもよく、また、出力ビット数が少なくてもよいので、消費電力が小さい。トリガ用ＡＤ変換回路６４が動作しているときに制御部７０から出力されるクロック信号ＣＬＫは、トリガ用データの各ビットの出力タイミングに同期して低周波数のものとなる。例えば、この場合、クロック信号の周波数は１ＭＨｚであり、トリガ用データは８ビットであり、消費電力は２５ｍＷである。

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、撮像用受光部１０およびトリガ用受光部２０それぞれ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、その可視光を撮像用受光部１０またはトリガ用受光部２０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、Ｘ線入射前に、トリガ用受光部２０，積分回路６２およびトリガ用ＡＤ変換回路６４によりトリガ用データを読み出して、そのトリガ用データに基づいて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、撮像用受光部１０，電圧保持部５０，差演算回路６１および撮像用ＡＤ変換回路６３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線入射前には撮像用ＡＤ変換回路６４を休止することができ、Ｘ線入射時のみ撮像用ＡＤ変換回路６４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、画素データおよびトリガ用データ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、撮像用受光部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、トリガ用データ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トリガ用データが出力され、その出力されたトリガ用データ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、トリガ用データ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。

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に含まれる出力部６０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に含まれる積分回路６２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。

符号の説明

１…固体撮像装置、１０…撮像用受光部、２０…トリガ用受光部、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…積分回路、６３…撮像用ＡＤ変換回路、６４…トリガ用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該電荷を蓄積する電荷蓄積部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電荷蓄積部により蓄積する撮像用受光部と、
   入射光量に応じた量の電荷を発生するトリガ用フォトダイオードを含むトリガ用受光部と、
   前記電荷蓄積動作制御信号が指示する前記期間の後に、前記複数の画素部それぞれの前記電荷蓄積部に蓄積された電荷の量に応じたデジタル値（以下「画素データ」という。）を出力する撮像用ＡＤ変換回路と、前記撮像用ＡＤ変換回路が前記画素データを出力していない期間に、前記トリガ用受光部で発生した電荷の量に応じたデジタル値（以下「トリガ用データ」という。）を出力するトリガ用ＡＤ変換回路と、を含む出力部と、
   前記出力部から出力された前記トリガ用データを入力し、このトリガ用データの絶対値が閾値より大きいときに前記撮像用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とともに、前記出力部による前記画素データおよび前記トリガ用データそれぞれの各ビットの出力タイミングに同期したクロック信号を出力する制御部と、
   を備え、
   前記撮像用ＡＤ変換回路と比較して前記トリガ用ＡＤ変換回路が低消費電力かつ低速で動作する
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記撮像用ＡＤ変換回路と比較して前記トリガ用ＡＤ変換回路が低出力ビット数で動作する、ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記出力部が前記画素データおよび前記トリガ用データを共通の出力信号線へ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。
4. 前記トリガ用受光部が、前記撮像用受光部を取り囲んで設けられている１つのトリガ用フォトダイオードを含む、ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
5. 前記トリガ用受光部が、前記撮像用受光部の周囲に設けられ互いに接続されている複数のトリガ用フォトダイオードを含む、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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