JP2012151664A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイオードの電流電圧特性に基づく温度測定精度を向上させる。
【解決手段】リセット期間に読み出された画素電圧Ｖｓと信号読み出し期間に読み出された画素電圧Ｖｓの差分を取得するＣＤＳ処理と同じタイミングで温度センサ８のダイオード電流を変化させ、ダイオード電流を変化させた時のダイオード電圧の差分を取得し、差分電圧から温度測定を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は固体撮像装置に関する。

固体撮像装置では、温度上昇に伴って撮像画像のノイズや欠陥が顕在化したり、温度変動に起因して撮像画像に歪が発生したりすることがある。このため、固体撮像装置に温度センサを搭載し、固体撮像装置の温度に基づいて画像信号を補正することが行なわれている。
従来は、撮像素子回路及び撮像素子用のA/D変換回路があり、そして、その撮像素子回路とは別に、温度センサとなるダイオード、及び温度センサ用のA/D変換回路があった。つまり、温度計測に絡む回路ブロックは撮像素子用の信号処理回路ブロックとは独立して存在し、後段の温度補正回路において、保持していた温度測定データを加味して補正を行っていた。

また、この時温度センサとしてダイオードを使用した場合、ダイオードの電流電圧特性は一次近似式で表す事ができない、つまり比例関係にならず、ダイオードの電流電圧特性から温度を求める方法では測定精度が悪かった。

特開２００８−２３６１５８号公報

本発明の一つの実施形態の目的は、ダイオードの電流電圧特性に基づく温度測定精度を向上させることが可能な固体撮像装置を提供することである。

実施形態の固体撮像装置によれば、画素アレイ部と、画像用ＣＤＳ処理部と、温度センサと、温度用ＣＤＳ処理部と、タイミングジェネレータとが設けられている。画素アレイ部は、光電変換した電荷を蓄積する画素がマトリックス状に配置されている。画像用ＣＤＳ処理部は、前記画素からリセット期間に読み出された画素電圧と信号読み出し期間に読み出された画素電圧との差分に基づいて画素信号を出力する。温度センサは、ダイオード電流を変化させた時のダイオード電圧を出力する。温度用ＣＤＳ処理部は、前記ダイオード電流を変化させた時の前記ダイオード電圧の差分に基づいて温度計測値を出力する。タイミングジェネレータは、前記リセット期間、前記信号読み出し期間および前記温度センサのダイオード電流を変化させるタイミングを制御する。

図１は、第１実施形態に係る固体撮像装置が適用される画像処理部の概略構成を示すブロック図である。 図２は、第１実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。 図３は、図２の画素ＰＣの構成例を示す回路図である。 図４は、図２の温度センサ８の構成例を示す回路図である。 図５は、図２の画像用カラムＣＤＳ処理部３−１の構成例を示す回路図である。 図６は、図２の固体撮像装置の温度測定動作を示すタイミングチャートである。 図７は、電圧差分値ΔＶｔと温度との関係を示す図である。 図８は、固体撮像装置の画素信号Ｓｇおよび温度計測値Ｓｔの転送方法の一例を示すブロック図である。 図９は、第２実施形態に係る固体撮像装置の画素ＰＣの画素電圧Ｖｓの読み出し時および温度センサ８のダイオード電圧Ｖｔの読み出し時におけるアナログゲインの変更方法を示すタイミングチャートである。 図１０は、第３実施形態に係る温度センサ８に流す電流の切替方法を示すブロック図である。 図１１は、第４実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。 図１２は、第５実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。

以下、実施形態に係る温度計測装置および固体撮像装置について図面を参照しながら説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る固体撮像装置が適用される画像処理部の概略構成を示すブロック図である。
図１において、イメージセンサ２２の前段にはレンズ光学系２１が設けられ、イメージセンサ２２の後段には画像処理部２４が設けられている。イメージセンサ２２には、ダイオード電流を変化させた時のダイオード電圧を出力する温度センサ２３が搭載されている。画像処理部２４には、温度計測値Ｓｔに基づいて画素信号Ｓｇの補正処理を行う補正処理部２５が設けられている。なお、イメージセンサ２２としては、図２、図１１または図１２の固体撮像装置を用いることができる。

そして、レンズ光学系２１を介してイメージセンサ２２に光が入射すると、その光量に応じた画素信号Ｓｇが生成されるともに、温度センサ２３から出力されたダイオード電圧の差分に基づいて温度計測値Ｓｔが算出され、画像処理部２４に送られる。補正処理部２５において、温度計測値Ｓｔに基づいて画素信号Ｓｇの補正処理が行われるとともに、補正処理が行われた画素信号Ｓｇの画像処理が行われる。

なお、画素信号Ｓｇの補正処理では、例えば、温度変動に起因して発生するレンズ光学系２１の屈折率変動や寸法変動に伴う画素信号Ｓｇの歪を解消したり、フォトダイオードＰＤの暗電流に起因する固定パターンノイズや白点を解消したりすることができる。

また、画素信号Ｓｇの画像処理としては、例えば、シェーディング補正、色分離補間処理、マスキング処理、γ補正処理、色空間変換処理、ブライトネス調整、コントラスト調整、色彩調整および彩度調整などを挙げることができる。

図２は、第１実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロックである。
図２において、この固体撮像装置には、光電変換した電荷を蓄積する画素ＰＣがロウ方向およびカラム方向にマトリックス状に配置された画素アレイ部１、読み出し対象となる画素ＰＣを垂直方向に走査する垂直レジスタ２、ダイオード電流を変化させた時のダイオード電圧を出力する温度センサ８、温度センサ８のダイオード電流の基準となる参照電圧を発生させる参照電圧発生部７、画素ＰＣからリセット期間に読み出された画素電圧Ｖｓと信号読み出し期間に読み出された画素電圧Ｖｓとの差分に基づいて画素信号Ｓｇを出力する画像用カラムＣＤＳ処理部３−１、温度センサ８のダイオード電流を変化させた時のダイオード電圧の差分に基づいて温度計測値Ｓｔを出力する温度用カラムＣＤＳ処理部３−２、読み出し対象となる画素ＰＣおよび温度センサ８を水平方向に走査する水平レジスタ４、画素ＰＣのリセット期間、信号読み出し期間および温度センサ８のダイオード電流を変化させるタイミングを制御するタイミングジェネレータ５、画像用カラムＣＤＳ処理部３−１および温度用カラムＣＤＳ処理部３−２に基準電圧ＶＦを出力する基準電圧発生部６、画像用カラムＣＤＳ処理部３−１および温度用カラムＣＤＳ処理部３−２を駆動するドライバ９、画像用カラムＣＤＳ処理部３−１および温度用カラムＣＤＳ処理部３−２から出力された信号を検知するセンスアンプ１０および画素ＰＣから読み出された信号に垂直信号線Ｖｌｉｎの電位を追従させる負荷回路１１が設けられている。

なお、温度センサ８と画素アレイ部１とは同一の半導体チップに搭載することができる。基準電圧発生部６から出力される基準電圧ＶＦとしてはランプ波を用いることができる。参照電圧発生部７としてはバンドギャップリファレンス回路を用いることができる。

ここで、画素アレイ部１において、ロウ方向には画素ＰＣの読み出し制御を行う水平制御線Ｈｌｉｎが設けられ、カラム方向には画素ＰＣから読み出された信号を伝送する垂直信号線Ｖｌｉｎが設けられている。

そして、垂直レジスタ２にて画素ＰＣが垂直方向に走査されることで、ロウ方向の画素ＰＣが選択され、その画素ＰＣから読み出された画素電圧Ｖｓは垂直信号線Ｖｌｉｎを介して画像用カラムＣＤＳ処理部３−１に伝送される。ここで、負荷回路１１では、画素ＰＣから信号が読み出される時にその画素ＰＣとの間でソースフォロアが構成されることで、垂直信号線Ｖｌｉｎの電位が画素ＰＣから読み出された画素電圧Ｖｓに追従される。

そして、画像用カラムＣＤＳ処理部３−１において、各画素ＰＣからリセット期間に読み出された画素電圧Ｖｓと信号読み出し期間に読み出された画素電圧Ｖｓがサンプリングされ、これらの画素電圧Ｖｓの差分がとられることで各画素ＰＣの信号成分がＣＤＳにてデジタル化され、センスアンプ１０を介して画素信号Ｓｇとして出力される。

また、温度センサ８から読み出されたダイオード電圧Ｖｔは温度用カラムＣＤＳ処理部３−２に伝送される。そして、温度用カラムＣＤＳ処理部３−２において、ダイオード電流を変化される前に読み出されたダイオード電圧Ｖｔとダイオード電流を変化された後に読み出されたダイオード電圧Ｖｔがサンプリングされ、これらのダイオード電圧Ｖｔの差分がとられることで温度センサ８の信号成分がＣＤＳにてデジタル化され、センスアンプ１０を介して温度計測値Ｓｔとして出力される。

ここで、ダイオード電流を変化させた時のダイオード電圧Ｖｔの差分から温度計測値Ｓｔを求めることにより、ダイオードの電流電圧特性の温度依存性を打ち消すことが可能となり、温度測定精度を向上させることが可能となる。

なお、図２の実施形態では、温度用カラムＣＤＳ処理部３−２を画像用カラムＣＤＳ処理部３−１と別個に設ける方法について説明したが、温度用カラムＣＤＳ処理部３−２を画像用カラムＣＤＳ処理部３−１と共有化するようにしてもよい。この場合、画素ＰＣと温度センサ８との間で画像用カラムＣＤＳ処理部３−１を切り替えて用いることができる。例えば、有効画素期間では画像用カラムＣＤＳ処理部３−１を画素ＰＣ側に切り替え、垂直ブランク期間では画像用カラムＣＤＳ処理部３−１を温度センサ８側に切り替えることにより、画素信号Ｓｇの欠落を引き起こすことなく、１フレーム期間中に少なくとも１回は温度計測値Ｓｔを得ることができる。

また、図２の実施形態では、固体撮像装置に温度センサ８を搭載する方法について説明したが、温度センサ８を温度計測装置として単独で用いるようにしてもよい。この場合、温度計測装置には、温度センサ８とともに温度用カラムＣＤＳ処理部３−２を搭載するようにしてもよい。

また、図２の実施形態では、温度用カラムＣＤＳ処理部３−２および画像用カラムＣＤＳ処理部３−１において、画素信号Ｓｇおよび温度計測値Ｓｔをデジタル化する方法について説明したが、画素信号Ｓｇおよび温度計測値Ｓｔをアナログ信号のまま出力し、必要に応じて外部でデジタル化するようにしてもよい。

図３は、図２の画素ＰＣの構成例を示す回路図である。
図３において、画素ＰＣには、フォトダイオードＰＤ、行選択トランジスタＴａ、増幅トランジスタＴｂ、リセットトランジスタＴｃおよび読み出しトランジスタＴｄがそれぞれ設けられている。また、増幅トランジスタＴｂとリセットトランジスタＴｃと読み出しトランジスタＴｄとの接続点には検出ノードとしてフローティングディフュージョンＦＤが形成されている。

そして、画素ＰＣにおいて、読み出しトランジスタＴｄのソースは、フォトダイオードＰＤに接続され、読み出しトランジスタＴｄのゲートには、読み出し信号ＲＥＡＤが入力される。また、リセットトランジスタＴｃのソースは、読み出しトランジスタＴｄのドレインに接続され、リセットトランジスタＴｃのゲートには、リセット信号ＲＥＳＥＴが入力され、リセットトランジスタＴｃのドレインは、電源電位ＶＤＤに接続されている。また、行選択トランジスタＴａのゲートには、行選択信号ＡＤＲＥＳが入力され、行選択トランジスタＴａのドレインは、電源電位ＶＤＤに接続されている。また、増幅トランジスタＴｂのソースは、垂直信号線Ｖｌｉｎに接続され、増幅トランジスタＴｂのゲートは、読み出しトランジスタＴｄのドレインに接続され、増幅トランジスタＴｂのドレインは、行選択トランジスタＴａのソースに接続されている。なお、図２の水平制御線Ｈｌｉｎは、読み出し信号ＲＥＡＤ、リセット信号ＲＥＳＥＴおよび行選択信号ＡＤＲＥＳをロウごとに画素ＰＣに伝送することができる。

図４は、図２の温度センサ８の構成例を示す回路図である。
図４において、温度センサ８にはダイオードＤおよび電流源Ｇが設けられ、電流源ＧはダイオードＤに直列に接続されている。ダイオードＤとしては、例えば、コレクタとベースが共通に接続されたバイポーラトランジスタを用いることができる。電流源Ｇは電流Ｉ１と電流Ｉ２とを切り替えて出力することができる。なお、電流Ｉ２は電流Ｉ１より大きくすることができる。そして、図２のタイミングジェネレータ５は、画素ＰＣのリセット期間に電流Ｉ１に切り替え、画素ＰＣの信号読み出し期間に電流Ｉ２に切り替えることができる。

ここで、ダイオードＤを温度センサ８として使用する場合、ダイオードＤの電流電圧特性からダイオード電流Ｉ１に対してのダイオード電圧Ｖｔを測定する。そして、ダイオード電圧Ｖｔが温度に比例すると仮定し、ダイオード電圧Ｖｔから温度を読み取ることができる。

この時、ダイオード電流Ｉ１は以下の（１）式で与えることができる。
Ｉ１＝Ｉｓ＊ｅｘｐ（ｑＶｔ／ｋＢＴ） ・・・（１）
ただし、Ｉｓは逆方向電流、Ｔは温度（単位＝ケルビン）、ｋＢはボルツマン定数（＝８．６２＊１０^−５ｅＶ／Ｋ、ｑは電荷量（＝１．６０２＊１０^−１９クーロンである。

（１）式を展開すると、以下の（２）式が得られる。
Ｖｔ＝ｋＢＴ／ｑ・ｌｎ（Ｉ１／Ｉｓ） ・・・（２）

仮にＴ＝３００Ｋ（２７℃）とした場合は、ｋＢＴ／ｑ＝０．０２５９（Ｖ）の定数となる。つまり、ｋＢ、ｑおよびＩｓが定数であれば、（２）式のＶｔとＩ１の関係である電流電圧特性から温度Ｔを求めることができる。

ただし、厳密には逆方向電流Ｉｓには温度依存があり、正確にはダイオードＤの電流電圧特性は温度Ｔに対し非線形性となる。ここで、ダイオード電流をＩ１からＩ２に切り替えた時のダイオード電圧Ｖｔの差分から温度計測値Ｓｔを求めることにより、ダイオードの電流電圧特性の温度依存性を打ち消すことが可能となり、温度測定精度を向上させることが可能となる。

図５は、図２の画像用カラムＣＤＳ処理部３−１の構成例を示す回路図である。
図５において、画像用カラムＡＤＣ３ａには、コンデンサＣ１、コンパレータＰＡ、スイッチトランジスタＴｃｐ、インバータＶ、アップダウンカウンタＵＤがカラムごとに設けられている。アップダウンカウンタＵＤには論理積回路Ｎ１が設けられている。

そして、コンパレータＰＡの反転入力端子にはコンデンサＣ１を介して垂直信号線Ｖｌｉｎが接続され、コンパレータＰＡの非反転入力端子には基準電圧ＶＦが入力される。コンパレータＰＡの反転入力端子と出力端子との間にはスイッチトランジスタＴｃｐが接続されている。コンパレータＰＡの出力端子はインバータＶを介して論理積回路Ｎ１の一方の入力端子に接続され、論理積回路Ｎ１の他方の入力端子には基準クロックＣＫＣが入力される。

そして、行選択信号ＡＤＲＥＳがロウレベルの場合、行選択トランジスタＴａがオフ状態となりソースフォロワ動作しないため、垂直信号線Ｖｌｉｎに信号は出力されない。この時、読み出し信号ＲＥＡＤとリセット信号ＲＥＳＥＴがハイレベルになると、読み出しトランジスタＴｄがオンし、フォトダイオードＰＤに蓄積されていた電荷がフローティングディフュージョンＦＤに排出される。そして、リセットトランジスタＴｃを介して電源電位ＶＤＤに排出される。

フォトダイオードＰＤに蓄積されていた電荷が電源電位ＶＤＤに排出された後、読み出し信号ＲＥＡＤがロウレベルになると、フォトダイオードＰＤでは、有効な信号電荷の蓄積が開始される。

次に、行選択信号ＡＤＲＥＳがハイレベルになると、画素ＰＣの行選択トランジスタＴａがオンし、増幅トランジスタＴｂのドレインに電源電位ＶＤＤが印加されることで、増幅トランジスタＴｂと負荷回路１１とでソースフォロアが構成される。

次に、リセット信号ＲＥＳＥＴが立ち上がると、リセットトランジスタＴｃがオンし、フローティングディフュージョンＦＤにリーク電流などで発生した余分な電荷がリセットされる。そして、フローティングディフュージョンＦＤのリセットレベルに応じた電圧が増幅トランジスタＴｂのゲートにかかる。

そして、リセットレベルに応じた画素電圧Ｖｓが垂直信号線Ｖｌｉｎに出力されている時に、リセットパルスＰｃｐがスイッチトランジスタＴｃｐのゲートに印加されると、コンパレータＰＡの反転入力端子の入力電圧が出力電圧でクランプされ、動作点が設定される。この時、垂直信号線Ｖｌｉｎからの画素電圧Ｖｓとの差分は、コンデンサＣ１に保持され、コンパレータＰＡの入力電圧がゼロ設定される。

スイッチトランジスタＴｃｐがオフした後、リセットレベルの画素電圧ＶｓがコンデンサＣ１を介してコンパレータＰＡに入力された状態で、基準電圧ＶＦとしてランプ波Ｖｆ１が与えられ、リセットレベルの画素電圧Ｖｓとランプ波Ｖｆ１とが比較される。そして、コンパレータＰＡの出力電圧はインバータＶにて反転された後、出力電圧Ｖｃｏｍｐとして論理積回路Ｎ１の一方の入力端子に入力される。

また、論理積回路Ｎ１の他方の入力端子には基準クロックＣＫＣが入力される。そして、リセットレベルの画素電圧Ｖｓがランプ波Ｖｆ１のレベルより小さい場合は、出力電圧Ｖｃｏｍｐがハイレベルとなる。このため、基準クロックＣＫＣが論理積回路Ｎ１を通過し、通過後の基準クロックＣＫＣｉがアップダウンカウンタＵＤにてダウンカウントされる。

そして、リセットレベルの画素電圧Ｖｓがランプ波Ｖｆ１のレベルと一致すると、コンパレータＰＡの出力電圧が立ち下がり、出力電圧Ｖｃｏｍｐがロウレベルとなる。このため、基準クロックＣＫＣが論理積回路Ｎ１にて遮断され、アップダウンカウンタＵＤ１にてダウンカウントが停止されることで、リセットレベルの画素電圧Ｖｓがデジタル化される。

次に、読み出し信号ＲＥＡＤが立ち上がると、読み出しトランジスタＴｄがオンし、フォトダイオードＰＤに蓄積されていた電荷がフローティングディフュージョンＦＤに転送され、フローティングディフュージョンＦＤの信号レベルに応じた電圧が増幅トランジスタＴｂのゲートにかかる。

そして、信号レベルの画素電圧ＶｓがコンデンサＣ１を介してコンパレータＰＡに入力された状態で、基準電圧ＶＦとしてランプ波Ｖｆ２が与えられ、信号レベルの画素電圧Ｖｓとランプ波Ｖｆ２とが比較される。そして、コンパレータＰＡの出力電圧はインバータＶにて反転された後、出力電圧Ｖｃｏｍｐとして論理積回路Ｎ１の一方の入力端子に入力される。

そして、信号レベルの画素電圧Ｖｓがランプ波Ｖｆ２のレベルより小さい場合は、出力電圧Ｖｃｏｍｐがハイレベルとなる。このため、基準クロックＣＫＣが論理積回路Ｎ１を通過し、通過後の基準クロックＣＫＣｉがアップダウンカウンタＵＤにて今度はアップカウントされる。そして、信号レベルの画素電圧Ｖｓがランプ波Ｖｆ２のレベルと一致すると、コンパレータＰＡの出力電圧が立ち下がり、出力電圧Ｖｃｏｍｐがロウレベルとなる。このため、基準クロックＣＫＣが論理積回路Ｎ１にて遮断され、アップダウンカウンタＵＤにてアップカウントが停止されることで、信号レベルの画素電圧Ｖｓとリセットレベルの画素電圧Ｖｓとの差分がデジタル化される。

なお、温度用カラムＣＤＳ処理部３−２についても図５の画像用カラムＣＤＳ処理部３−１と同様に構成することができる。この場合、図４のダイオードＤのダイオード電流が電流Ｉ１に設定された時のダイオード電圧Ｖｔがリセットレベルの画素電圧Ｖｓの代わりに入力される。そして、ダイオード電流が電流Ｉ１に設定された時のダイオード電圧Ｖｔがランプ波Ｖｆ１と比較される。また、図４のダイオードＤのダイオード電流が電流Ｉ２に設定された時のダイオード電圧Ｖｔが信号レベルの画素電圧Ｖｓの代わりに入力される。そして、ダイオード電流が電流Ｉ２に設定された時のダイオード電圧Ｖｔがランプ波Ｖｆ２と比較される。

図６は、図２の固体撮像装置の温度測定動作を示すタイミングチャートである。

図５において、１水平期間には、リセット期間、信号読み出し期間およびデータ転送期間が設けられている。そして、リセット期間ではダイオード電流がＩ１に設定され、信号読み出し期間ではダイオード電流がＩ２に設定される。そして、図２の温度用カラムＣＤＳ処理部３−２において、ダイオード電流がＩ１に設定された時のダイオード電圧Ｖｔがサンプリングされた後、ダイオード電流がＩ２に設定された時のダイオード電圧Ｖｔがサンプリングされる。そして、これらのダイオード電圧Ｖｔの差分に基づいて温度計測値Ｓｔが算出され、データ転送期間において、画素信号Ｓｇが出力されるデータ転送バスを解して温度計測値Ｓｔが出力される。

ここで、電流Ｉ２を電流Ｉ１のＫ（Ｋは１以上の実数）倍に変化させるものとすると、と、電流Ｉ２は以下の（３）式で与えることができる。
Ｉ２＝Ｉ１＊Ｋ ・・・（３）

そして、ダイオード電流がＩ１からＩ２に切り替えられた時のダイオード電圧Ｖｔの電圧差分値ΔＶｔは、（２）式から以下の（４）式で与えることができる。
ΔＶｔ＝ｋＢＴ／ｑ・ｌｎ（Ｉ１／Ｉｓ）−ｋＢＴ／ｑ・ｌｎ（Ｉ２／Ｉｓ）
＝ｋＢＴ／ｑ・ｌｎ（Ｉ１／Ｉ２）
＝ｋＢＴ／ｑ・ｌｎ（Ｉ２＊Ｋ／Ｉ２）
＝ｋＢＴ／ｑ・ｌｎ（Ｋ） ・・・（４）

（４）式から、電圧差分値ΔＶｔを求めると、温度に依存する逆方向電流Ｉｓがキャンセルされるので、ダイオードＤの電流電圧特性の温度依存性を打ち消すことが可能となり、温度測定精度を向上させることが可能となる。

例えば、Ｋ＝８に設定した場合、下の（５）式に示すように、電圧差分値ΔＶｔは温度Ｔの一次近似式となり、１℃あたりの電圧変化率は０．１８ｍＶ／℃となる。
ΔＶｔ＝ｋＢ／ｑ・ｌｎ（Ｋ）・Ｔ＝０．０２５９＊ｌｎ（８）＊（Ｔ／３００）＝０．０２５９＊２．０７９＊（Ｔ／３００）＝０．０００１８＊Ｔ（Ｖ） ・・・（５）

図７は、電圧差分値ΔＶｔと温度との関係を示す図である。
図７において、（５）式の温度Ｔに対する電圧差分値ΔＶｔをグラフ化した。（５）式から明らかなように、温度Ｔと電圧差分値ΔＶｔとの関係は線形になる。

よって、ダイオードＤの電流電圧特性から温度を精度よく計測することができ、予め温度テーブルコード値を計算しておけば、温度計測値Ｓｔから温度を読み取ることができる。また、１水平期間内にダイオード電圧Ｖｔの差分処理を行い、温度計測値Ｓｔを出力することができるので、１垂直期間（１フレーム期間とも言う）中に必ず１回は温度計測を行うことができる。

図８は、固体撮像装置の画素信号Ｓｇおよび温度計測値Ｓｔの転送方法を示すブロック図である。
図８において、この固体撮像装置では、図２の固体撮像装置に対し画素信号Ｓｇおよび温度計測値Ｓｔを転送する水平転送バスＢＳが複数本設けられている。なお、図８の例では、水平転送バスＢＳが４本設けられている場合を示した。そして、水平転送バスＢＳを介して画素信号Ｓｇおよび温度計測値Ｓｔを４個ずつ並列に転送することができる。なお、水平転送バスＢＳが４個の場合、温度用カラムＣＤＳ処理部３−２および画像用カラムＣＤＳ処理部３−１の個数の合計は４の倍数になるように設定することが好ましい。

ここで、水平転送バスＢＳを複数本設けることにより、画素信号Ｓｇおよび温度計測値Ｓｔの転送時間を短くすることができ、温度計測値Ｓｔを用いた画素信号Ｓｇの補正処理を高速化することができる。

（第２実施形態）
図９は、第２実施形態に係る固体撮像装置の画素ＰＣの画素電圧Ｖｓの読み出し時および温度センサ８のダイオード電圧Ｖｔの読み出し時におけるアナログゲインの変更方法を示すタイミングチャートである。
図９において、例えば、２５℃では電圧差分値ΔＶｔは０．０５３（Ｖ）となり、ダイオード電圧Ｖｔよりも小さくなる。また、１℃あたりの電圧変化率は０．１８ｍＶ／℃であるが、これをデジタル化した時の１ＬＳＢ当たりの電圧変化率を大きくするには、ランプ波Ｖｆ１、ＶＦ２の傾きを緩くし、アナログゲインを高くする必要がある。例えば１０ビット出力で基準電圧ＶＦの振幅が４０ｍＶの場合、１ＬＳＢあたりの電圧変化率は（４０ｍｖ）／（（０．１８ｍｖ）＊１０２３）＝０．２１７℃／ＬＳＢとなり、１ＬＳＢにつき０．２１７℃分となる。

一方、画像用カラムＣＤＳ処理部３−１では、フォトダイオードＰＤへの入射光量によりアナログゲインが設定される。例えば、入射光量が大きい場合はアナログゲインが低下され、ランプ波Ｖｆ１、Ｖｆ２の傾きが急になる。

このため、温度計測時の電圧変化率を大きくするには、温度計測処理時と撮像処理時とでランプ波Ｖｆ１、Ｖｆ２の傾きを異ならせる必要があり、温度用カラムＣＤＳ処理部３−２を画像用カラムＣＤＳ処理部３−１と共有化した場合には、１水平期間内において温度計測と撮像とを行うことができなくなる。

このため、１垂直期間内の垂直ブランク期間に温度計測処理を行わせ、この温度計測処理時のアナログゲインを高くするとともに、１垂直期間内の残りの垂直ブランク期間および有効画素期間に撮像処理を行わせ、この撮像処理時のアナログゲインを入射光量に応じて変化させることができる。

これにより、温度用カラムＣＤＳ処理部３−２を画像用カラムＣＤＳ処理部３−１と共有化した場合においても、入射光量に応じて画素信号Ｓｇのレベルを適正化することが可能となるとともに、ダイオードＤの電流電圧特性に基づく温度測定精度を向上させることができる。

また、１回の温度計測処理は１水平期間内に行わせることができるので、１垂直ブランク期間に１水平期間が複数含まれている場合には１垂直期間内に複数回の温度計測処理を行わせることができる。

（第３実施形態）
図１０は、第３実施形態に係る温度センサ８に流す電流の切替方法を示すブロック図である。
図１０において、この温度センサ８には、複数のダイオードＤ１〜Ｄ６が設けられるとともに、これらのダイオードＤ１〜Ｄ６のダイオード電流をそれぞれ設定する複数の電流源Ｇ１〜Ｇ６が設けられている。なお、図１０の例では、ダイオードＤ１〜Ｄ６および電流源Ｇ１〜Ｇ６が６個ずつ設けられている場合を示した。ここで、各電流源Ｇ１〜Ｇ６から出力される電流はＩ１に設定し、各ダイオードＤ１〜Ｄ６のダイオード電流は互いに等しくすることができる。

また、これらのダイオードＤ１〜Ｄ６は、自段のダイオード電圧が次段のダイオードに受け継がれるように接続されている。例えば、バイポーラトランジスタにてダイオードＤ１〜Ｄ６を構成した場合、各バイポーラトランジスタのエミッタに各電流源Ｇ１〜Ｇ６を接続し、各バイポーラトランジスタのコレクタにグランド電位を接続することができる。各バイポーラトランジスタのベースは次段のバイポーラトランジスタのエミッタに接続することができる。だだし、最終段のバイポーラトランジスタのエミッタにはグランド電位を接続することができる。

この温度センサ８には、セレクタＫ１が設けられている。このセレクタＫ１は、切り替え信号ＳＬ１に基づいて、初段のダイオードＤ１のエミッタ電位と最終段のダイオードＤ６のエミッタ電位とを切り替えて出力することができる。

ここで、ダイオードＤ１のエミッタ電位は、ダイオードＤ６に電流Ｉ１の６倍の電流を流した時のダイオードＤ６のエミッタ電位となる。このため、電流Ｉ１の６倍の電流をＩ２とすると、セレクタＫ１を切り替えることで図５と同様のタイミングで電流Ｉ１と電流Ｉ２とを切り替えることが可能となる。このため、各電流源Ｇ１〜Ｇ６から出力される電流はＩ１に固定したままで、温度センサ８のダイオード電流を変化させることができ、電流源Ｇから出力される電流を変化させる場合に比べて回路構成を簡単化することができる。

（第４実施形態）
図１１は、第４実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
図１１において、この固体撮像装置では、図２の固体撮像装置にアンプ１２が追加されている。ここで、アンプ１２は、温度センサ８と温度用カラムＣＤＳ処理部３−２との間に挿入されている。

ここで、アンプ１２のゲインは、電圧差分値ΔＶｔがリセット期間の画素電圧Ｖｓと同等程度になるように予め設定することができる。例えば、２５℃の場合、ΔＶｔ＝０．０５４（Ｖ）であるのに対し、リセット期間の画素電圧Ｖｓは常温時には約１．０Ｖ位である。このため、１．０／０．０５４≒１８．５１なので、アンプ１２のゲインを約１６倍に設定することができる。

これにより、電圧差分値ΔＶｔを増幅するために、温度用カラムＣＤＳ処理部３−２のアナログゲインを高める必要がなくなり、画像用カラムＣＤＳ処理部３−１と温度用カラムＣＤＳ処理部３−２とに対してランプ波Ｖｆ１、ＶＦ２の傾きを異ならせる必要がなくなる。このため、１水平期間内に温度計測処理および撮像処理を行わせることが可能となり、画素信号Ｓｇの欠落を発生させることなく、１水平期間ごとに温度計測値Ｓｔを出力させることができる。

なお、アンプ１２としてＰＧＡ（プログラマブル・ゲイン・アンプ）を用い、アンプ１２のゲインを画像用カラムＣＤＳ処理部３−１のアナログゲインに連動させてもよい。これにより、どのようなアナログゲインが設定されても、温度測定時のＡ／Ｄ変換処理に対応させることができる。

（第５実施形態）
図１２は、第６実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
図１２において、この固体撮像装置では、図１の固体撮像装置において複数の温度センサ８およびセレクタＫ２が追加されている。セレクタＫ２は、切り替え信号ＳＬ２に基づいて、複数の温度センサ８のダイオード電圧を切り替えて出力することができる。

ここで、固体撮像装置に複数の温度センサ８を設けることにより、固体撮像装置で温度のバラツキがある場合においても、温度測定精度を向上させることが可能となる。

例えば、温度センサ８を１フレームの始めの無効画素の傍および１フレームの終わりの無効画素の傍に配置することができる。そして、１フレームの始めの垂直ブランク期間中の温度測定時と、１フレームの終わりの垂直ブランク期間中の温度測定時とで温度センサ８を切り替えることができる。これにより、温度に依存して垂直方向にシェーディングが発生した場合などにおける画像補正精度を向上させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

ＰＣ 画素、Ｔａ 行選択トランジスタ、Ｔｂ 増幅トランジスタ、Ｔｃ リセットトランジスタ、Ｔｄ 読み出しトランジスタ、ＰＤ フォトダイオード、ＦＤ フローティングディフュージョン、１ 画素アレイ部、２ 垂直レジスタ、３−１ 画像用カラムＣＤＳ処理部、３−２ 温度用カラムＣＤＳ処理部、４ 水平レジスタ、５、３３ タイミングジェネレータ、６ 基準電圧発生部、７ 参照電圧発生部、８、３１ 温度センサ、９ ドライバ、１０ センスアンプ、１１ 負荷回路、１２ アンプ、Ｄ ダイオード、Ｇ 電流源、ＢＳ 水平転送バス、Ｋ１、Ｋ２ セレクタ、２１ レンズ光学系、２２ イメージセンサ、２３ 温度センサ、２４ 画像処理部、２５ 補正処理部、ＰＡ コンパレータ、Ｃ１ コンデンサ、Ｖ インバータ、ＵＤ アップダウンカウンタ、Ｎ１ 論理積回路、３２ 温度算出部、３４ ＡＤＣ回路

Claims (10)

1. 光電変換した電荷を蓄積する画素がマトリックス状に配置された画素アレイ部と、
   前記画素からリセット期間に読み出された画素電圧と信号読み出し期間に読み出された画素電圧との差分に基づいて画素信号を出力する画像用ＣＤＳ処理部と、
   ダイオード電流を変化させた時のダイオード電圧を出力する温度センサと、
   前記ダイオード電流を変化させた時の前記ダイオード電圧の差分に基づいて温度計測値を出力する温度用ＣＤＳ処理部と、
   前記リセット期間、前記信号読み出し期間および前記温度センサのダイオード電流を変化させるタイミングを制御するタイミングジェネレータとを備えることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記ダイオード電流は１水平期間ごとに変化されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記タイミングジェネレータは、前記リセット期間から前記信号読み出し期間に変化させるのと同じタイミングで前記温度センサのダイオード電流を変化させることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
4. 前記画像用ＣＤＳ処理部と前記温度用ＣＤＳ処理部とは共有化されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
5. 前記画像用ＣＤＳ処理部と前記温度用ＣＤＳ処理部とは同一の構成であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
6. 前記画像用ＣＤＳ処理部は、前記リセット期間に読み出された画素電圧に基づいて第１のカウント動作を行い、前記信号読み出し期間に読み出された画素電圧に基づいて第２のカウント動作を行うことにより、前記画素信号をデジタル化する画像用ＡＤＣ回路を備え、
   前記温度用ＣＤＳ処理部は、前記ダイオード電流を変化させる前に出力されたダイオード電圧に基づいて第１のカウント動作を行い、前記ダイオード電流を変化させた後に出力されたダイオード電圧に基づいて第２のカウント動作を行うことにより、前記温度計測値をデジタル化する温度用ＡＤＣ回路を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
7. 前記温度用ＣＤＳ処理部による動作は垂直ブランク期間に行われることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
8. 前記温度センサと前記温度用ＣＤＳ処理部との間に挿入され、前記ダイオード電圧を増幅するアンプをさらに備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
9. 前記画像用ＣＤＳ処理部のアナログゲインに前記アンプのゲインを連動させることを特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置。
10. 前記温度センサには、ダイオード電流が互いに等しく、自段のダイオード電圧が次段のダイオードに受け継がれるように接続された複数のダイオードが設けられ、
    前記ダイオード電圧を取り出すダイオードを切り替えることにより、前記ダイオード電圧を出力する時の前記ダイオード電流を変化させることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。

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