JP2002165225A

JP2002165225A - 固体撮像素子

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Publication number: JP2002165225A
Application number: JP2000358058A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Kawajiri; 和廣川尻
Original assignee: INNOTECH CORP
Current assignee: INNOTECH CORP
Priority date: 2000-11-24
Filing date: 2000-11-24
Publication date: 2002-06-07
Anticipated expiration: 2020-11-24
Also published as: JP4422320B2

Abstract

(57)【要約】【課題】画像データの増幅率の切換え速度を従来より
も遅くすることができる固体撮像素子を提供すること。【解決手段】複数の色の色画素６ａと、色画素６ａか
ら読み出された、一行分の複数の色の画像データを記憶
する画像データ用ラインメモリ４（画像データ記憶手
段）と、画像データ用ラインメモリ４から出力される画
像データを増幅する画像データ用演算増幅器ＯＰＳ（画
像データ増幅手段）と、画像データ用演算増幅器ＯＰＳ
の増幅率を切換える画像データ増幅率切換部１７（画像
データ増幅率切換手段）と、記憶された一行分の複数の
色の画像データの並びから同一色の画像データを選択し
て順に出力させ、次いで別の同一色の画像データを選択
して順に出力させるように画像データ用ラインメモリ４
の出力を制御し、且つこの同一色に応じた増幅率を選択
するように画像データ増幅率切換部１７を制御する制御
部２３（制御手段）とを備えた固体撮像素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像素子に関
し、より詳細には、ＭＯＳ型固体撮像素子のスイッチン
グノイズ及び消費電力を低減するのに有用な技術に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来例に係るＭＯＳ型固体撮像素子につ
いて、図９を参照しながら説明する。図９は、従来例に
係るＭＯＳ型固体撮像素子の平面図である。図９に示さ
れるＭＯＳ型固体固体撮像素子３０は、画素領域３１を
備えており、この画素領域３１には複数の色画素３１
ａ、３１ａ、・・・が行方向及び列方向に複数配列され
ている。図中、画素領域３１内の記号Ｒ、Ｇ、Ｂは、そ
れぞれＲ（赤）フィルタ、Ｇ（緑）フィルタ、Ｂ（青）
フィルタを表し、これらは各々の色画素３１ａ、３１
ａ、・・・の前面に配置される。

【０００３】一行分の色画素３１ａ、３１ａ、・・・の
画像データは、垂直出力線３２、３２、・・・を介し
て、ラインメモリ３３に記憶される。ラインメモリ３３
内の記号Ｒ及びＧは、これらの色に対応する画像データ
がラインメモリ３３に記憶されていることを示すもので
ある（同図においては、ｉ行目の画像データがラインメ
モリ３３に記憶されている）。

【０００４】ラインメモリ３３に記憶された画像データ
は、メモリ出力線３６を介して出力回路３５に入力さ
れ、そこで増幅された後に、出力線３７から外部に出力
される。なお、ラインメモリ３３と出力回路３５は、い
ずれも制御部３４により制御される。ところで、自然光
のダイナミックレンジは非常に大きいので、被写体の色
強度を忠実に再現するのは一般に難しい。特に、被写体
の色強度が大きく偏っている場合は、撮像素子側で色強
度の偏りを補正しておく等の工夫をしておくのが望まし
い。このように、色強度の偏りを補正することを、「ホ
ワイトバランスを取る」と言う。

【０００５】このホワイトバランスを取るために、出力
回路３５には、それぞれ増幅率の異なるＲ（赤）用演算
増幅器ＯＰＲ、Ｇ（緑）用演算増幅器ＯＰＧ、Ｂ（青）
用演算増幅器ＯＰＢが設けられている。そして、これら
の演算増幅器の一入力端子には、それを選択するための
増幅率選択用トランジスタＴＲＲ、ＴＲＧ、及びＴＲＢ
が接続されている。図示のように、これらの増幅率選択
用トランジスタのゲートには、それぞれ選択線３８、３
９、４０が接続されている。なお、これらの選択線３
８、３９、４０は、制御手段３４により制御される。

【０００６】次に、ホワイトバランスを取る場合の固体
撮像素子３０の動作について、図１０（ａ）〜（ｃ）、
及び図１１を参照しながら説明する。図１０（ａ）〜
（ｃ）、及び図１１は、従来例に係るＭＯＳ型固体撮像
素子の動作について説明するための模式図である。以下
では、特に、被写体の色強度がＲ（赤）＞Ｇ（緑）＞Ｂ
（青）となっている場合について説明する。この場合
は、三色の色強度を略同じにするため、上記三つの演算
増幅器ＯＰＲ、ＯＰＧ、ＯＰＢの増幅率を予め（ＯＰ
Ｒ）＜（ＯＰＧ）＜（ＯＰＢ）としておく。なお、この
（ＯＰＲ）、（ＯＰＧ）、及び（ＯＰＢ）は、演算増幅
器ＯＰＲ、ＯＰＧ、及びＯＰＢのそれぞれの増幅率を表
すものである。

【０００７】まず最初に、図１０（ａ）に示すように、
制御線３８を制御して、増幅率選択用トランジスタＴＲ
Ｒのみをオンし、Ｒ（赤）用演算増幅器ＯＰＲを選択す
る。なお、図において、Ｒ（赤）用演算増幅器ＯＰＲに
ハッチングが掛けられているが、これは現在Ｒ（赤）用
演算増幅器ＯＰＲが選択されていることを示すものであ
る。

【０００８】次いで、図１０（ｂ）に示すように、制御
手段３４（図９参照）を制御して、ラインメモリ３３の
一列目の画像データ（Ｒ（赤）の画像データ）を、出力
回路３５に入力する。これにより、このＲ（赤）の画像
データがＲ（赤）用演算増幅器ＯＰＲで増幅されて出力
される。次に、図１０（ｃ）に示すように、Ｒ（赤）用
の増幅率からＧ（緑）用の増幅率に切換えるために、制
御線３９を制御して増幅率選択用トランジスタＴＲＧの
みをオンし、Ｇ（緑）用演算増幅器ＯＰＧを選択する。
その後、二列目の画像データ（Ｇ（緑）の画像データ）
を、出力回路３５に入力する。これにより、このＧ
（緑）の画像データがＧ（緑）用演算増幅器ＯＰＧで増
幅されて出力される。

【０００９】続いて、図１１に示すように、Ｇ（緑）用
の増幅率からＲ（赤）用の増幅率に再び切換えるため
に、増幅率選択用トランジスタＴＲＲのみをオンし、Ｒ
（赤）用演算増幅器ＯＰＲを選択する。その後、三列目
の画像データ（Ｒ（赤）の画像データ）を出力回路３５
に入力して増幅し、出力する。この例で分かるように、
従来においては、増幅率選択用トランジスタＴＲＲ、Ｔ
ＲＧ、及びＴＲＢのオン・オフを列毎に行い、画像デー
タの増幅率を列毎に切換えていた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに増幅率選択用トランジスタＴＲＲ、ＴＲＧ、ＴＲＢ
を列毎にオン・オフするには、該増幅率選択用トランジ
スタの動作速度を速めなければならないので、増幅率選
択用トランジスタのスイッチングノイズが生じてしまう
上、該増幅率選択用トランジスタの消費電力が大きくな
ってしまう。

【００１１】本発明は係る従来例の問題点に鑑みて創作
されたものであり、画像データの増幅率の切換え速度を
従来よりも遅くすることができる固体撮像素子を提供す
ることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記した課題は、第１の
発明である、所定の配列を以って行方向及び列方向に複
数配列された複数の色の色画素と、一行に並ぶ前記複数
の色の色画素から読み出し動作により読み出された、一
行分の複数の色の画像データを記憶する画像データ記憶
手段と、前記画像データ記憶手段から出力される前記画
像データを増幅する画像データ増幅手段と、前記画像デ
ータ増幅手段の増幅率を切換える画像データ増幅率切換
手段と、前記記憶された一行分の複数の色の画像データ
の並びから同一色の前記画像データを選択して順に出力
させ、次いで別の同一色の前記画像データを選択して順
に出力させるように前記画像データ記憶手段の出力を制
御し、かつ前記同一色に応じた増幅率を選択するように
前記画像データ増幅率切換手段を制御する制御手段とを
備えた固体撮像素子によって解決する。

【００１３】又は、第２の発明である、前記画像データ
記憶手段に記憶された前記一行分の画像データに含まれ
るオフセットデータを記憶するオフセットデータ記憶手
段と、前記オフセットデータ記憶手段から出力される前
記オフセットデータを増幅するオフセットデータ増幅手
段と、前記オフセットデータ増幅手段の増幅率を切換え
るオフセットデータ増幅率切換え手段と、前記画像デー
タ増幅手段から出力される前記画像データと、前記オフ
セットデータ増幅手段から出力される前記オフセットデ
ータとの差を取り、該オフセットデータが除かれた画像
データを出力する差動増幅手段とを更に備え、前記制御
手段が、前記同一色の画像データの前記画像データ記憶
手段からの出力と同タイミングで、前記オフセットデー
タを出力させるように前記オフセットデータ記憶手段の
出力を制御し、かつ、前記画像データ増幅率切換手段と
同じ増幅率を選択するように前記オフセットデータ増幅
率切換手段を制御することを特徴とす第１の発明に記載
の固体撮像素子によって解決する。

【００１４】又は、第３の発明である、前記画像データ
増幅手段が演算増幅器であり、前記画像データ増幅率切
換手段が、前記演算増幅器の入力端子と出力端子との間
に並列に接続される複数の増幅率調整用コンデンサと、
該増幅率調整用コンデンサの各々と前記演算増幅器との
接続を切換える複数のトランジスタとを備えたことを特
徴とする第１の発明に記載の固体撮像素子によって解決
する。

【００１５】又は、第４の発明である、前記色画素が、
光照射により光発生電荷を発生するフォトダイオード
と、前記光発生電荷により閾値電圧が変調されて該閾値
電圧を前記画像データとして出力する絶縁ゲート型電界
効果型トランジスタとを有して成ることを特徴とする第
１の発明乃至第３の発明のいずれか一の発明に記載の固
体撮像素子によって解決する。

【００１６】次に、本発明の作用について説明する。本
発明に係る固体撮像素子によれば、画像データ記憶手段
と画像データ増幅率切換手段とを制御する制御手段を備
えている。画像データ記憶手段は、この制御手段に制御
されて、一行分の複数の色の画像データの並びから同一
色の画像データを選択して順に出力する。

【００１７】同一色の画像データが出力されている間
は、この同一色の画像データの増幅率は切換える必要が
無く、この同一色の画像データに応じた増幅率のままで
よい。従って、画像データ増幅率切換手段は、従来のよ
うに画像データの増幅率を列毎に切換える必要がない。
また、上記同一色の画像データが画像データ記憶手段か
ら全て出力された後、画像データ記憶手段は、制御手段
に制御されて、上記一行分の複数の色の画像データの並
びから今度は別の同一色の画像データを選択して出力す
る。この場合は、出力される色が変わるので、画像デー
タ増幅率切換手段は、別の色に応じた増幅率に切換え
る。この切換えは、最初の同一色の画像データが全て出
力された後であり、切換えた後は、別の同一色のデータ
を全て出力し終えるまで増幅率を切換える必要が無い。
従って、このときも、画像データ増幅率切換手段は、従
来のように画像データの増幅率を列毎に切換える必要が
ない。

【００１８】上記したことにより、本発明では、画像デ
ータ増幅率切換手段の切換速度が従来よりも遅くなるの
で、速い切換速度に起因して従来発生したノイズが抑え
られる上、画像データ増幅率切換手段の消費電力が抑え
られる。一方、本発明の他の固体撮像素子によれば、更
に、オフセットデータ記憶手段、オフセットデータ増幅
手段、オフセットデータ増幅率切換え手段、及び差動増
幅手段を備えている。

【００１９】このうち、オフセットデータ記憶手段に
は、画像データ記憶手段に記憶されている一行分の画像
データに含まれるオフセットデータが記憶される。この
オフセットデータは、画像データ記憶手段の出力と同タ
イミングでオフセットデータ記憶手段から出力される。
従って、同一色の画像データが画像データ記憶手段から
出力されている間は、この同一色の画像データに含まれ
るオフセットデータがオフセットデータ記憶手段から出
力されることになる。

【００２０】そして、オフセットデータ増幅率切換え手
段により、上で出力されたオフセットデータをそれに対
応する画像データと同じ増幅率で増幅し、差動増幅器に
おいて、該増幅されたオフセットデータとそれに対応す
る画像データとの差を取ることにより、オフセットデー
タが除かれた純粋な画像データが上記差動増幅器から出
力される。

【００２１】

【発明の実施の形態】（１）本実施形態に係る固体撮像
素子の構造についての説明次に、本実施形態に係る固体撮像素子について、図１を
参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る閾値
電圧変調方式のＭＯＳ型固体撮像素子（以下、単に固体
撮像素子と称す）の平面図である。

【００２２】この固体撮像素子１は、画素領域６を備
え、この画素領域６には色画素６ａ、６ａ、・・・が行
方向及び列方向に複数配列されている。同図において、
記号Ｒ、Ｇ、Ｂは、色画素６ａ、６ａ、・・・の各々の
前面に配置されたＲ（赤）フィルタ、Ｇ（緑）フィル
タ、Ｂ（青）フィルタを表す。そして、このＲ（赤）、
Ｇ（緑）、Ｂ（青）の配列より分かるように、本実施形
態ではいわゆるベイヤー方式のフィルタ配列を採用して
いる。

【００２３】図中、２は、垂直走査信号（ＶＳＣＡＮ）
の駆動走査回路（以下、ＶＳＣＡＮ駆動走査回路と称
す）を表す。図示の如く、このＶＳＣＡＮ駆動走査回路
２からは、垂直走査信号供給線（ＶＳＣＡＮ供給線）
７、７、・・・が行毎に一本ずつ出ているが、これは上
記の垂直走査信号（ＶＳＣＡＮ）を色画素６ａ、６ａ、
・・・に行単位で供給するものである。そして、７
_iは、この垂直走査信号供給線（ＶＳＣＡＮ供給線）
７、７、・・・のうち、ｉ行目の色画素６ａ、６ａ、・
・・に垂直走査信号（ＶＳＣＡＮ）を供給するものを表
す。

【００２４】また、３はドレイン電圧（ＶＤＤ）の駆動
走査回路（以下、ＶＤＤ駆動走査回路と称す）を示す。
このＶＤＤ駆動走査回路３からは、ドレイン電圧（ＶＤ
Ｄ）供給線８、８、・・・が行毎に一本ずつ出ている
が、これはドレイン電圧（ＶＤＤ）を色画素６ａ、６
ａ、・・・に行単位で供給するものである。そして、８
_iは、このドレイン電圧（ＶＤＤ）供給線８、８、・・
・のうち、ｉ行目の色画素６ａ、６ａ、・・・にドレイ
ン電圧（ＶＤＤ）を供給するものを表す。

【００２５】一方、画素領域６からは、垂直出力線９、
９、・・・が列ごとに一本ずつ出ており、その各々は画
像データ用ラインメモリ４（画像データ記憶手段）及び
オフセットデータ用ラインメモリ５（オフセットデータ
記憶手段）に入力されている。図中、９_jは、この垂直
出力線９、９、・・・のうち、ｊ列目の色画素６ａ、６
ａ、・・・がら出ているものを表す。

【００２６】そして、１０は、これら画像データ用ライ
ンメモリ４及びオフセットデータ用ラインメモリ５に記
憶された画像データの出力を制御するシフトレジスタを
表し、該シフトレジスタ１０は制御部２３の一部を成
す。また、画像データ用ラインメモリ４及びオフセット
データ用ラインメモリ５から出力された画像データは、
出力回路１１に入力され、その後外部に出力される。

【００２７】次に、この固体撮像素子１の細部、及びそ
の機能について説明する。画素領域画素領域６の要部拡大図を図２に示す。同図に示される
点線四角は、色画素６ａ、６ａ、・・・の境界を示す。
これに示されるように、色画素６ａは、フォトダイオー
ドＰＤと、光信号検出用トランジスタＴＲＰとで構成さ
れる。そして、ｉ行目に配列された光信号検出用トラン
ジスタＴＲＰ、ＴＲＰ、・・・には、共通の垂直走査信
号供給線（ＶＳＣＡＮ供給線）７_iがそのゲートに接続
され、共通のドレイン電圧（ＶＤＤ）供給線８_iがその
ドレインに接続されている。また、ｊ列目に配列された
光検出用トランジスタＴＲＰ、ＴＲＰ、・・・に着目す
ると、それらに共通の垂直出力線９_j がそのソースに接
続されている。

【００２８】このうち、光検出用トランジスタＴＲＰ
は、ディプレッション型のＮＭＯＳトランジスタ（絶縁
ゲート型電界効果トランジスタ）である。そして、特に
明示はしないが、このＮＭＯＳトランジスタのｐウェル
内であって、ｎチャネル領域の下方には、キャリアポケ
ットと呼ばれる高濃度不純物層（ｐ+ 半導体層）が形成
されている。電子−ホール対生成によりフォトダイオー
ドＰＤで発生した光発生ホール（光発生電荷）は、ＮＭ
ＯＳトランジスタのｐウェル内を通り、このキャリアポ
ケットに捕獲される。

【００２９】そして、キャリアポケットに捕獲された光
発生ホールにより、その上方のｎチャネル内にこの光発
生ホールの量に比例する電荷量をもつ反転層が形成さ
れ、光検出用トランジスタＴＲＰの閾値電圧が変調され
る。この閾値電圧の変調は、キャリアポケット内の光発
生ホールの量に依存し、当該光発生ホールの数はフォト
ダイオードＰＤに照射された光の強さに依存する。従っ
て、この閾値電圧を読めば、フォトダイオードＰＤに照
射された光の強さを検出することができる。これが閾値
電圧変調方式のＭＯＳ型固体撮像素子の原理である。

【００３０】画像データ用ラインメモリ４、オフセッ
トデータ用ラインメモリ５、及びシフトレジスタ１０画像データ用ラインメモリ４及びオフセットデータ用ラ
インメモリ５の回路図を図３に示す。同図においてＣＥ
_jはｊ列目のセルを示し、画像データ用ラインメモリ４
及びオフセットデータ用ラインメモリ５のいずれにおい
ても、このセルＣＥ_jが行方向に複数配列されている。

【００３１】画像データ用ラインメモリ４のｊ列目のセ
ルＣＥ_jに着目すると、それはトランジスタＴＲ、ＴＲ
_j、及びコンデンサＣＳ_jで構成されている。そして、
このコンデンサＣＳ_jには、トランジスタＴＲを介し
て、ｊ列目の垂直出力線９_jが接続されている。この垂
直出力線９_jは、色画素６ａ内の光検出用トランジスタ
ＴＲＰのソースと接続されているので、該光検出用トラ
ンジスタＴＲＰのゲートとドレインとにそれぞれ所定の
電圧を印加してトランジスタＴＲをオンにしておけば、
コンデンサＣＳ_jの両極の電位差（以下、単に電圧と言
う）が光検出用トランジスタＴＲＰの閾値電圧と一致す
るまで該コンデンサＣＳ_jに電荷が充電される。このよ
うにして、光検出用トランジスタＴＲＰの閾値電圧が画
像データ用ラインメモリ４に記憶される。なお、以下で
は、光検出用トランジスタＴＲＰの閾値電圧を画像デー
タ用ラインメモリ４に記憶することを、読み出し動作と
称する。

【００３２】そして、行方向に配列された全てのコンデ
ンサＣＳ_jは、画像データ用メモリ出力線１４に接続さ
れ、コンデンサＣＳ_jの電圧がトランジスタＴＲ_jを介
してこの画像データ用メモリ出力線１４から出力回路１
１に出力される。なお、コンデンサＣＳ_jの電圧のこと
を、以下では画像データと言う場合もある。また、この
読み出し動作は、実際には行単位でまとめて行われる。
すなわち、ｉ行目の垂直走査信号供給線（ＶＳＣＡＮ供
給線）７_iに上記所定の電圧（約２Ｖ）を印加し、ｉ行
目のドレイン電圧（ＶＤＤ）供給線８_iに上記所定の電
圧（約０．５Ｖ）を印加し、そして第１の制御線１６を
介して画像データ用ラインメモリ４内の全てのトランジ
スタＴＲをオンにする。このようにすると、ｉ行目の光
検出用トランジスタＴＲ、ＴＲ、・・・の全てのゲート
に上記所定の電圧（約２Ｖ）が印加され、またそれらの
ドレインに上記所定の電圧（約０．５Ｖ）が印加され
る。これにより、ｉ行目の光検出用トランジスタＴＲ
Ｐ、ＴＲＰ、・・・の全ての閾値電圧が画像データ用ラ
インメモリ４に記憶され、ｉ行目の読み出し動作が完了
する。

【００３３】ところで、コンデンサＣＳ_jの電圧は、実
際には光検出用トランジスタＴＲＰの閾値電圧とはなら
ず、該閾値電圧と、光検出用トランジスタＴＲＰのオフ
セット電圧（以下、オフセットデータとも称す）との和
となる。ここで、オフセット電圧とは、キャリアポケッ
トに光発生ホールが存在しない場合の光検出用トランジ
スタＴＲＰの各々の閾値電圧を意味する。そして、この
オフセット電圧は、何らかの形で除去するのが好まし
い。

【００３４】これを行うために、オフセット電圧を記憶
するのがオフセットデータ用ラインメモリ５である。こ
のオフセットデータ用ラインメモリ５のｊ列目のセルＣ
Ｅ_jは、トランジスタＴＲ、ＴＲ_j、及びコンデンサＣ
Ｏ_jで構成される。そして、図示の如く、このセルＣＥ
_j内のトランジスタＴＲは、画像データ用ラインメモリ
４の同列（ｊ列目）のセルＣＥ_j内のトランジスタと垂
直出力線９_jを介して接続されている。

【００３５】このうち、コンデンサＣＯ_jは、上記した
オフセット電圧を記憶するためのものである。オフセッ
ト電圧を記憶するには、まず、光検出トランジスタＴＲ
Ｐのゲートに約７Ｖの電圧を印加し、該光検出トランジ
スタＴＲのドレイン又はソースに約５Ｖの電圧を印加す
る。このようにすると、キャリアポケット内に捕獲され
た光発生ホールが全て排出される。従って、このように
光発生ホールを排出した後、光検出用トランジスタＴＲ
Ｐの閾値電圧を記憶すれば、該閾値電圧は光発生ホール
によらないオフセット電圧となる。

【００３６】このオフセット電圧を記憶する動作を以下
に具体的に説明する。まず、上のようにしてｉ行目の読
み出し動作が完了した後、ｉ行目の垂直走査信号供給線
（ＶＳＣＡＮ供給線）７_iを介して、光検出用トランジ
スタＴＲＰのゲートに高電圧（約７Ｖ）を印加する。同
時に、ｉ行目のドレイン電圧（ＶＤＤ）供給線８_iを介
して、光検出用トランジスタＴＲＰのドレインに高電圧
（約５Ｖ）を印加する。このようにすると、上で説明し
たように、光発生ホールが排出される。

【００３７】次いで、ｉ行目の垂直走査信号供給線（Ｖ
ＳＣＡＮ供給線）７_iを介して、光検出用トランジスタ
ＴＲＰのゲートに所定の電圧（約２Ｖ）を印加する。同
時に、ｉ行目のドレイン電圧（ＶＤＤ）供給線８_iを介
して、光検出用トランジスタＴＲＰのドレインに所定の
電圧（約０．５Ｖ）を印加する。その後、第２の制御線
１５を介して、オフセットデータ用ラインメモリ５内の
全てのトランジスタＴＲをオンにする。このようにする
と、オフセットデータ用ラインメモリ５内のコンデンサ
ＣＯ_jが充電されていく。充電が完了した状態における
コンデンサＣＯ_jの電圧は、ｉ行ｊ列目の光検出用トラ
ンジスタＴＲＰのオフセット電圧である。このように、
オフセット電圧の記憶は行単位で行われる。そして、こ
のようにオフセット電圧が記憶された後においては、画
像データ用ラインメモリ４及びオフセットデータ用ライ
ンメモリ５には、それぞれｉ行目の画像データ（オフセ
ットデータも含む）と、オフセットデータとが記憶され
ている。

【００３８】このオフセットデータ用ラインメモリ５の
下側には、シフトレジスタ１０が配置されており、該シ
フトレジスタ１０からは水平出力線１２、１２、・・・
が行方向に複数出ている。図中、１２_jは、水平出力線
１２、１２、・・・のうち、ｊ列目のものを表す。この
ｊ列目の水平出力線１２_jは、画像データ用ラインメモ
リ４及びオフセットデータ用ラインメモリ５の各々のｊ
列目のトランジスタＴＲ_jに接続され、該トランジスタ
ＴＲ_jのオン・オフを制御する。

【００３９】これより分かるように、ｊ列目の水平出力
線１２_jを制御すると、画像データ用ラインメモリ４及
びオフセットデータ用ラインメモリ５の各々のｊ列目に
あるコンデンサＣＳ_j、ＣＯ_jの電圧が、それぞれ画像
データ用メモリ出力線１４及びオフセットデータ用メモ
リ出力線１３に同タイミングで出力される。なお、水平
出力線１２、１２、・・・の制御はシフトレジスタ１０
が制御し、該シフトレジスタ１０の制御は制御部２３に
より行われる。また、第１の制御線１６及び第２の制御
線１５も、制御部２３により制御される。

【００４０】出力回路１１出力回路１１の回路構成を図４に示す。同図において、
ＯＰＳは、画像データ用演算増幅器（画像データ増幅手
段）であり、画像データ用メモリ出力線１４から出力さ
れる画像データ（オフセットデータを含む）を増幅する
ように機能する。また、ＯＰＯは、オフセットデータ用
演算増幅器（オフセットデータ増幅手段）であり、オフ
セットデータ用メモリ出力線１３から出力されるオフセ
ットデータを増幅するように機能する。そして、ＤＩ
は、増幅された画像データ（オフセットデータを含む）
とオフセットデータとの差を取り、画像データのみを取
り出す差動増幅器である。

【００４１】また、同図において、１７は、画像データ
増幅率切換部（画像データ増幅率切換手段）であり、画
像データ用演算増幅器ＯＰＳの増幅率を切換える機能を
有する。この画像データ増幅率切換え部１７は、３個の
増幅率調整用コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３と、これらの
コンデンサを選択するための増幅率選択用トランジスタ
ＴＲＣ１、ＴＲＣ２、ＴＲＣ３とを備えている。なお、
ＴＲＲＳは、増幅率調整用コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３
に充電された電荷を放電させるためのリセットトランジ
スタを表す。

【００４２】そして、図示の如く、これらの増幅率選択
用トランジスタＴＲＣ１、ＴＲＣ２、ＴＲＣ３のゲート
には第１乃至第３の選択線２２、２１、２０が接続され
ているが、これら第１乃至第３の選択線２２、２１、２
０は制御部により制御される。また、リセットトランジ
スタＴＲＲＳのゲートにはリセット線１９が接続され、
該リセット線２２も制御部２３により制御される。

【００４３】制御部２３は、上記リセット線１９を制御
することによりリセットトランジスタＴＲＲＳをオフに
した状態で、上記第１乃至第３の選択線２２、２１、２
０を制御することにより、増幅率選択用トランジスタＴ
ＲＣ１、ＴＲＣ２、ＴＲＣ３の中のいずれか一つを選択
してオンにする。これにより、選択されたトランジスタ
に接続されている増幅率調整用コンデンサ（Ｃ１、Ｃ
２、Ｃ３）の容量に応じた増幅率を得ることができる。
具体的には、画像データ用演算増幅器ＯＰＳからの出力
電圧Ｖ_outは、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３の容量をそ
れぞれＣ_amp１、Ｃ_amp２、Ｃ_amp３とする場合、次の
ようになる。

【００４４】・コンデンサＣ１を選択した場合Ｖ_out＝（Ｃ_m／Ｃ_amp１）・Ｖ_s ・・・増幅率：Ｃ_m／Ｃ_amp１・コンデンサＣ２を選択した場合Ｖ_out＝（Ｃ_m／Ｃ_amp２）・Ｖ_s ・・・増幅率：Ｃ_m／Ｃ_amp２・コンデンサＣ３を選択した場合Ｖ_out＝（Ｃ_m／Ｃ_amp３）・Ｖ_s ・・・増幅率：Ｃ_m／Ｃ_amp３上において、Ｃ_mは、画像データ用ラインメモリ４内の
コンデンサＣＳ_jの容量を表し、この値は全てのコンデ
ンサＣＳ_j（ｊ＝１、２、・・・）について同じ値を取
る。また、Ｖ_sは、コンデンサＣＳ_jの各々の電圧を表
す（先に説明したように、この電圧は、光検出用トラン
ジスタＴＲＰの変調された閾値電圧（オフセットデータ
を含む画像データ）なので、普通は各々のコンデンサＣ
Ｓ_jにより異なる）。

【００４５】一方、図４において、１８は、オフセット
データ増幅率切換部であり、オフセットデータ増幅器Ｏ
ＰＯの増幅率を切換える機能を有する。このオフセット
データ切換え部１８の構成は、上で説明した画像データ
増幅率切換部の構成と全く同じであるので、その説明は
省略する。そして、オフセットデータ増幅器１８の増幅
率は、上の３式において、上記Ｃ_mをオフセットデータ
用ラインメモリ５内のコンデンサＣＯ_jの容量にし、Ｖ
_sをコンデンサＣＯ_jの電圧（オフセット電圧）にすれ
ば計算できる。このうち、コンデンサＣＯ_jの容量Ｃ_m
は、全てのコンデンサＣＯ_j（ｊ＝１、２、・・・）に
ついて同じ値を取る。

【００４６】（２）固体撮像素子１の動作についての説
明次に、ホワイトバランスを調整する場合の固体撮像素子
１の動作について、図５、図６（ａ）〜（ｂ）、図７
（ａ）〜（ｂ）、及び図８を参照しながら説明する。図
５、図６（ａ）〜（ｂ）、図７（ａ）〜（ｂ）、及び図
８は、固体撮像素子１の動作について説明するための模
式図である。

【００４７】以下では、特に、被写体の色強度がＲ
（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の順に弱くなっている（Ｒ
＞Ｇ＞Ｂ）の場合について説明する。この場合では、Ｂ
（青）の強度が弱いので、Ｂ（青）の増幅率を上げる必
要がある。図５は、画像データ用ラインメモリ４にｉ行
目の画像データ（オフセットデータも含む）が読み出し
動作により記憶され、オフセットデータ用ラインメモリ
５にｉ行目のオフセットデータが記憶された状態を示
す。そして、同図において、画像データ用ラインメモリ
４及びオフセットデータ用ラインメモリ５に記されてい
る記号Ｒ、Ｇ、Ｒ、Ｇ、・・・は、これらの色に対応す
る画像データ及びオフセットデータが記憶されているこ
とを表すものである。

【００４８】次いで、シフトレジスタ１０を制御するこ
とにより、画像データ用ラインメモリ４内の同一色の画
像データ（オフセットデータも含む）と、オフセットデ
ータ用ラインメモリ５内の同一色のオフセットデータと
を選択し、それらを列毎に順に出力回路１１に入力し、
図６（ａ）に示される状態にする。この例では、Ｒ
（赤）が出力回路１１に入力され、増幅された画像デー
タが該出力回路１１から出力されている。これを行うに
は、具体的には次のようにする。

【００４９】まず、１列目の水平出力線１２₁を制御す
ることにより、画像データ用ラインメモリ４とオフセッ
トデータ用ラインメモリ５の各々の１列目にあるトラン
ジスタＴＲ₁をオンにする。このようにすると、画像デ
ータ用ラインメモリ４の１列目に記憶されていた画像デ
ータ（オフセットデータも含む）と、オフセットデータ
用ラインメモリ５の１列目に記憶されていたオフセット
データとが選択され、それらが同じタイミングで画像デ
ータ用メモリ出力線１４及びオフセットデータ用メモリ
出力線１３に出力されて、出力回路１１に入力される。

【００５０】次いで、３列目の水平出力線１２₃を制御
することにより、画像データ用ラインメモリ４とオフセ
ットデータ用ラインメモリ５の各々の３列目にあるトラ
ンジスタＴＲ₃をオンにする。これにより、画像データ
用ラインメモリ４の３列目に記憶されていた画像データ
（オフセットデータも含む）と、オフセットデータ用ラ
インメモリ５の３列目に記憶されていたオフセットデー
タとが選択され、それぞれ同じタイミングで画像データ
用メモリ出力線１４及びオフセットデータ用メモリ出力
線１３に出力されて、出力回路１１に入力される。

【００５１】以下、５列目、７列目、・・・の順に上と
同じ動作を繰り返せば、図６（ａ）に示される状態とな
る。先に説明したように、出力回路１１では、オフセッ
トデータが除去された純粋な画像データのみが増幅され
て出力される。今の場合、画像データは全てＲ（赤）で
あり、被写体の色強度がＲ＞Ｇ＞ＢでＲ（赤）の強度が
最も強いので、画像データ用像演算増幅器ＯＰＳ及びオ
フセットデータ用演算増幅器ＯＰＳのＲ（赤）に対する
増幅率は低くて良い。従って、増幅率調整用コンデンサ
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の容量を、例えばＣ_amp１＞Ｃ_amp２
＞Ｃ_amp３にしておき、この中で一番大きい容量を有す
る増幅率調整用コンデンサＣ１を選択すれば、Ｒ（赤）
の増幅率が低くなる（先に説明した増幅率を得る３式を
参照）。

【００５２】このとき、画像データ用像演算増幅器ＯＰ
ＳにはＲ（赤）の画像データ（オフセットデータも含
む）のみが列毎に順に入力され、他の色のデータは入力
されない。同様に、オフセットデータ用演算増幅器ＯＰ
Ｓにおいても、Ｒ（赤）のオフセットデータのみが列毎
に順に入力され、他の色のオフセットデータは入力され
ない。従って、画像データ増幅率切換え部１７及びオフ
セットデータ増幅率切換え部１８においては、増幅率選
択用トランジスタＴＲＣ１をオンにして増幅率調整用Ｃ
１を選択したままにしておけば良く、他の増幅率選択用
トランジスタ（ＴＲＣ２、ＴＲＣ３）を個々の画像デー
タに応じてオン・オフする必要が無い。

【００５３】次いで、残りのＧ（緑）についてもＲ
（赤）の場合と同様にして、出力回路１１に入力し、図
６（ｂ）に示される状態にする。上で説明したように、
今の例では被写体の色強度がＲ＞Ｇ＞Ｂとなっているの
で、Ｇ（緑）の増幅率はＲ（赤）の増幅率とＢ（青）の
増幅率の中間で良い。従って、出力回路１１でＧ（緑）
を増幅する場合、３つの増幅率調整用コンデンサＣ１、
Ｃ２、Ｃ３の中で容量が中間であるＣ２を選択すれば良
い。この場合においても、出力回路１１に入力されるの
はＧ（緑）のデータのみであり、他の色のデータは入力
されない。

【００５４】従って、Ｒ（赤）の場合と同様に、画像デ
ータ増幅率切換え部１７及びオフセットデータ増幅率切
換え部１８においては、増幅率選択用トランジスタＴＲ
Ｃ２をオンにして増幅率調整用コンデンサＣ２を選択し
たままにしておけば良く、他の増幅率選択用トランジス
タ（ＴＲＣ１、ＴＲＣ３）を各列の画像データに応じて
オン・オフする必要が無い。

【００５５】次いで、図７（ａ）に示すように、ｉ＋１
行目の画像データ（オフセットデータも含む）を画像デ
ータ用ラインメモリ４に読み出し動作により読み出し、
また、ｉ＋１行目のオフセットデータをオフセットデー
タ用ラインメモリ５に読み出す。続いて、図７（ｂ）に
示すように、画像データ用ラインメモリ４及びオフセッ
トデータ用ラインメモリ５内のＧ（緑）のデータのみを
順に出力回路１１に入力する。ここで、図６（ｂ）に示
されるステップにおいて、Ｇ（緑）に応じた増幅率調整
用コンデンサＣ２が既に選択されているので、図７
（ｂ）に示されるステップでは増幅率選択用トランジス
タ（ＴＲＣ１、ＴＲＣ２、ＴＲＣ３）を制御して別の増
幅率調整用コンデンサ（Ｃ１、Ｃ３）を選択する必要が
無い。

【００５６】次に、図８に示されるように、Ｂ（青）の
データを出力回路１１に列毎に順に入力する。今の例で
は、被写体のＢ（青）の色強度が最も弱いので、Ｂ
（青）の増幅率を他の色の増幅率よりも大きくしなけれ
ばならない。これを行うには、増幅率選択用トランジス
タＴＲＣ１、ＴＲＣ２、ＴＲＣ３を制御することによ
り、３つの増幅率調整用コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３の
中で容量が最も小さいＣ３を選択すれば良い。

【００５７】このステップにおいても、Ｒ（赤）やＧ
（緑）の場合と同様に、一つの増幅率選択用トランジス
タＴＲＣ３をオンにして増幅率調整用Ｃ３を選択したま
まにしておけば良く、他の増幅率選択用トランジスタ
（ＴＲＣ１、ＴＲＣ２）を各列の画像データに応じてオ
ン・オフする必要が無い。以上説明したように、本実施
形態に係る固体撮像素子では、画像データ用ラインメモ
リ４及びオフセットデータ用ラインメモリ５の各々に記
憶された一行分の画像データ（オフセットデータも含
む）及びオフセットデータを増幅する場合、まず、上記
一行の中で同一色のデータのみを選択して列毎に順に画
像データ用像演算増幅器ＯＰＳ及びオフセットデータ用
演算増幅器ＯＰＯに入力する。同一色のデータなので、
画像データ用像演算増幅器ＯＰＳ及びオフセットデータ
用演算増幅器ＯＰＳでは色に応じて増幅率を変える必要
が無く、増幅率選択用トランジスタＴＲＣ１、ＴＲＣ
２、ＴＲＣ３のオン・オフを従来のように列毎に切換え
る必要が無い。

【００５８】また、画像データ用像演算増幅器ＯＰＳ及
びオフセットデータ用演算増幅器ＯＰＯから上記同一色
のデータが全て出力された後は、次に、それとは別の色
の同一色のデータが選択され、画像データ用像演算増幅
器ＯＰＳ及びオフセットデータ用演算増幅器ＯＰＯに列
毎に順に入力される。このように、先に入力された色と
は別の色が入力される場合は、画像データ用像演算増幅
器ＯＰＳ及びオフセットデータ用演算増幅器ＯＰＳの増
幅率を当該色に応じて変えなければならない。しかし、
これを行うには、増幅率選択用トランジスタＴＲＣ１、
ＴＲＣ２、ＴＲＣ３のオン・オフを、色が変わった時点
で一度だけ行えば良く、この場合でもやはり従来のよう
に列毎に繰り返しオン・オフする必要が無い。

【００５９】これにより、本実施形態では、トランジス
タを高速でオン・オフすることに起因して従来見られた
スイッチングノイズが発生しないばかりか、増幅率選択
用トランジスタＴＲＣ１、ＴＲＣ２、ＴＲＣ３のスイッ
チング速度を従来よりも遅くすることができるので、こ
の増幅率選択用トランジスタＴＲＣ１、ＴＲＣ２、ＴＲ
Ｃ３の消費電力を抑えることができる。

【００６０】なお、上で説明した固体撮像素子１は、オ
フセットデータ用ラインメモリ５とオフセットデータ増
幅器ＯＰＯとを備えているが、光検出用トランジスタＴ
ＲＰのオフセット電圧が問題とならない場合は、これら
を省いても良い。この場合は、差動増幅器ＤＩは不要と
なる。

【００６１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る固体
撮像素子では、画像データ記憶手段と画像データ増幅率
切換手段とを制御する制御手段を備えている。画像デー
タ記憶手段は、この制御手段に制御されて、一行分の複
数の色の画像データの並びから同一色の画像データを選
択して順に出力する。同一色の画像データが出力されて
いる間は、この同一色の画像データの増幅率は切換える
必要が無く、この同一色の画像データに応じた増幅率の
ままでよい。従って、画像データ増幅率切換手段は、従
来のように画像データの増幅率を列毎に切換える必要が
ない。そのため画像データ増幅率切換手段の切換速度を
従来よりも遅くすることができるので、速い切換速度に
起因して従来発生したスイッチングノイズを抑えること
ができ、更に、画像データ増幅率切換手段の消費電力を
抑えることができる。

【００６２】また、オフセットデータ記憶手段、オフセ
ットデータ増幅手段、オフセットデータ増幅率切換え手
段、及び差動増幅手段を備えたことにより、本発明に係
る固体撮像素子ではオフセットが除かれた画像データを
出力することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の平面
図である。

【図２】本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の画素
領域の要部拡大図である。

【図３】本発明の実施の形態に係る固体撮像素子が備え
る画像データ用ラインメモリ及びオフセットデータ用ラ
インメモリの回路図である。

【図４】本発明の実施の形態に係る固体撮像素子が備え
る出力回路の回路構成図である。

【図５】本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の動作
について説明するための模式図（その１）である。

【図６】本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の動作
について説明するための模式図（その２）である。

【図７】本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の動作
について説明するための模式図（その３）である。

【図８】本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の動作
について説明するための模式図（その４）である。

【図９】従来例に係るＭＯＳ型固体撮像素子の平面図で
ある。

【図１０】従来例に係るＭＯＳ型固体撮像素子の動作に
ついて説明するための模式図（その１）である。

【図１１】従来例に係るＭＯＳ型固体撮像素子の動作に
ついて説明するための模式図（その２）である。

【符号の説明】

１・・・閾値電圧変調方式のＭＯＳ型固体撮像素子、２・・・ＶＳＣＡＮ駆動走査回路、３・・・ＶＤＤ駆動走査回路、４・・・画像データ用ラインメモリ、５・・・オフセットデータ用ラインメモリ、６、３１・・・画素領域、６ａ、３１ａ・・・色画素、７・・・ＶＳＣＡＮ供給線、８・・・ドレイン電圧（ＶＤＤ）供給線、９、３２・・・垂直出力線、１０・・・シフトレジスタ、１１、３５・・・出力回路、１２・・・水平出力線、１３・・・オフセットデータ用メモリ出力線、１４・・・画像データ用メモリ出力線１４、１５・・・第２の制御線、１６・・・第１の制御線、１７・・・画像データ増幅率切換部、１８・・・オフセットデータ増幅率切換え部、１９・・・リセット線、２０・・・第３の選択線、２１・・・第２の選択線、２２・・・第１の選択線、２３、３４・・・制御部、３０・・・ＭＯＳ型固体撮像素子、３３・・・ラインメモリ、３６・・・メモリ出力線、３７・・・出力線、ＰＤ・・・フォトダイオード、ＴＲＰ・・・光検出用トランジスタ、ＴＲ、ＴＲ_j・・・トランジスタ、ＣＥ_j・・・セル、ＣＳ_j、ＣＯ_j・・・コンデンサ、ＯＰＳ・・・画像データ用演算増幅器、ＯＰＯ・・・オフセットデータ用演算増幅器、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３・・・増幅率調整用コンデンサ、ＴＲＲ、ＴＲＧ、ＴＲＢ、ＴＲＣ１、ＴＲＣ２、ＴＲＣ
３・・・増幅率選択用トランジスタ、ＴＲＲＳ・・・リセットトランジスタ、ＤＩ・・・差動増幅器、ＯＰＲ・・・Ｒ（赤）用演算増幅器、ＯＰＧ・・・Ｇ（緑）用演算増幅器、ＯＰＢ・・・Ｂ（青）用演算増幅器。

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の配列を以って行方向及び列方向に
複数配列された複数の色の色画素と、一行に並ぶ前記複数の色の色画素から読み出し動作によ
り読み出された、一行分の複数の色の画像データを記憶
する画像データ記憶手段と、前記画像データ記憶手段から出力される前記画像データ
を増幅する画像データ増幅手段と、前記画像データ増幅手段の増幅率を切換える画像データ
増幅率切換手段と、前記記憶された一行分の複数の色の画像データの並びか
ら同一色の前記画像データを選択して順に出力させ、次
いで別の同一色の前記画像データを選択して順に出力さ
せるように前記画像データ記憶手段の出力を制御し、か
つ前記同一色に応じた増幅率を選択するように前記画像
データ増幅率切換手段を制御する制御手段とを備えた固
体撮像素子。
【請求項２】前記画像データ記憶手段に記憶された前
記一行分の画像データに含まれるオフセットデータを記
憶するオフセットデータ記憶手段と、前記オフセットデータ記憶手段から出力される前記オフ
セットデータを増幅するオフセットデータ増幅手段と、前記オフセットデータ増幅手段の増幅率を切換えるオフ
セットデータ増幅率切換え手段と、前記画像データ増幅手段から出力される前記画像データ
と、前記オフセットデータ増幅手段から出力される前記
オフセットデータとの差を取り、該オフセットデータが
除かれた画像データを出力する差動増幅手段とを更に備
え、前記制御手段が、前記同一色の画像データの前記画像デ
ータ記憶手段からの出力と同タイミングで、前記オフセ
ットデータを出力させるように前記オフセットデータ記
憶手段の出力を制御し、かつ、前記画像データ増幅率切
換手段と同じ増幅率を選択するように前記オフセットデ
ータ増幅率切換手段を制御することを特徴とする請求項
１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】前記画像データ増幅手段が演算増幅器で
あり、前記画像データ増幅率切換手段が、前記演算増幅器の入
力端子と出力端子との間に並列に接続される複数の増幅
率調整用コンデンサと、該増幅率調整用コンデンサの各
々と前記演算増幅器との接続を切換える複数のトランジ
スタとを備えたことを特徴とする請求項１に記載の固体
撮像素子。
【請求項４】前記色画素が、光照射により光発生電荷
を発生するフォトダイオードと、前記光発生電荷により
閾値電圧が変調されて該閾値電圧を前記画像データとし
て出力する絶縁ゲート型電界効果型トランジスタとを有
して成ることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいず
れか一項に記載の固体撮像素子。