JP2002320146A - 可変利得アンプ、固体撮像装置及び光信号読み出し方法 - Google Patents

可変利得アンプ、固体撮像装置及び光信号読み出し方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光電気信号をデジタル化するに際し、ダイナ
ミックレンジの向上を図りつつ、ＳＮ比の向上を図るこ
とができる固体撮像装置を提供する。 【解決手段】 光信号を電気信号に変換し、出力する、
行と列に配列された複数の光電変換素子１０１と、光信
号を電気信号に変換した信号電圧と、光電変換素子１０
１を初期化した後の第２の信号電圧とを逐次入力するこ
とにより、信号電圧及び第２の信号電圧を電荷に変換し
て、信号電圧と第２の信号電圧との差信号を生成し、か
つ該差信号の大きさに応じて利得を調整して差信号を出
力する、列毎に設けられた差信号生成回路１０５と、差
信号生成回路１０５の出力に接続されたアナログ／デジ
タル変換回路１０６とを有してなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、可変利得アンプ、
固体撮像装置及び光信号読み出し方法に関し、より詳し
くは、入力信号のレベルに応じて利得調整が可能な可変
利得アンプと、ビデオカメラ、電子カメラ、画像入力カ
メラ、スキャナ又はファクシミリ等に用いられる、光信
号をデジタル信号に変換して出力する固体撮像装置及び
光信号読み出し方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＣＣＤ型イメージセンサやＭＯＳ型イメ
ージセンサなどの半導体イメージセンサは量産性に優れ
ているため、パターンの微細化技術の進展に伴い、多く
の画像入力デバイス装置に適用されている。
【０００３】特に、近年、ＣＣＤ型イメージセンサと比
べて、消費電力が小さく、かつセンサ素子と周辺回路素
子とを同じＣＭＯＳ技術によって作成できるという利点
を有することから、ＣＭＯＳ型イメージセンサが注目さ
れている。
【０００４】そのようなＣＭＯＳ型イメージセンサが米
国特許6,128,039に記載されている。この米国特許6,12
8,039のＣＭＯＳ型イメージセンサは、所謂アクティブ
ピクセルセンサと呼ばれている。米国特許6,128,039か
ら転記した図１０に示すように、定電流源Ｍ４等の能動
負荷との組み合わせで、ソースフォロアにより信号電圧
を出力させている。
【０００５】米国特許6,128,039のＣＭＯＳ型イメージ
センサでは、信号電荷蓄積用の負荷容量Ｃ１及び読み出
しトランジスタＭ２のゲート−ソース間容量ＣｇｓがＭ
２のゲートに直列に接続される。これらの容量は、電荷
／電圧変換の固定容量に並列に入ったことになり、見か
け上の電荷／電圧変換の固定容量を変化させる。また、
Ｍ２のソースに接続されたＣ１が充電されることで信号
読み出しの間にＭ２のソース電位は大きく変化し、この
電位変化はＭ２のＣｇｓを通してＭ２のゲートに帰還さ
れるので、入力電位も変化し、伝達特性の線形性を著し
く損なう。このために、このＣＭＯＳ型イメージセンサ
では読み出しトランジスタＭ２の負荷としての定電流源
Ｍ４は不可避であった。
【０００６】また、近年、イメージセンサには積分方式
コラム型アナログ／デジタル変換器（以下、コラム型Ａ
ＤＣと称する。）が搭載されるようになっている。その
コラム型ＡＤＣにおいては、コンパレータによりアナロ
グ信号である光電気信号を所定の勾配を有する比較ラン
プ電圧と比較し、パルスカウンタにより光電気信号の大
きさに対応するパルス計数値に変換する。
【０００７】その場合、アナログ信号が小さいときには
比較ランプ電圧の勾配も小さくしてダイナミックレンジ
を確保している。
【０００８】さらに、多数の単位画素を水平方向及び垂
直方向に配列した固体撮像装置では、動画再生時にサン
プリング画素を間引きして残りの画素の検出信号のみを
出力させ、フレームレートを増加させるようにしてい
る。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、列毎に
定電流源Ｍ４を備えたイメージセンサでは、定電流源Ｍ
４が個々に特性のばらつきを持つため、列毎に利得のば
らつきを生じる。そのばらつきが列単位のオフセット差
として現れ、画面で見たときに所謂縦の固定パターンノ
イズとなって現れる。
【００１０】また、従来のイメージセンサから出力した
信号電圧をコラム型ＡＤＣに入力させる場合、小さいア
ナログ信号に対応して比較ランプ電圧の勾配を小さくす
ると、ランプ信号の線形性やコンパレータの比較精度に
より、及び光電変換素子等に生じるオフセット電圧の影
響により、ＳＮ比が制限される。
【００１１】更に、従来のイメージセンサでサンプリン
グ画素を間引きすると、ＭＴＦ（Modulation Transfer
Function：解像力）が劣化し、モアレの多い画像にな
る。また、サンプリングを間引きしたため、サンプリン
グ画素間隔の逆数に比例するサンプリング周波数の２倍
以下に低下すると、そのため折り返しノイズが発生する
虞がある。さらに、画素数に応じて高速にイメージセン
サを動作させる必要があるため、消費電力が大きくなっ
てしまう。
【００１２】本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて
発明されたものであり、光電気信号をデジタル化するに
際して、ダイナミックレンジの向上を図りつつ、ＳＮ比
の向上を図ることができる可変利得アンプ、固体撮像装
置及び光信号読み出し方法を提供し、また、固定パター
ンノイズを低減し、さらに、サンプリング画素の間引き
を行って低消費電力動作を維持しつつ、解像力の低下や
折り返しノイズの発生を抑制することができる固体撮像
装置及び光信号読み出し方法を提供するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の可変利得アンプは、図１に示すように、第
１の信号電圧と、第２の信号電圧とを逐次入力すること
により、第１の信号電圧及び第２の信号電圧を電荷に変
換して、第１の信号電圧と第２の信号電圧との差信号を
生成し、かつ差信号がデジタル符号化アナログ入力レベ
ルの範囲内に入るような利得で差信号を増幅して出力す
ることを特徴としている。
【００１４】可変利得アンプ１０５ａは、所謂チョッパ
型スイッチトキャパシタ型積分回路からなる。チョッパ
型スイッチトキャパシタ型積分回路は、例えば、図１に
示すように、参照電圧Ｖref が印加される正入力端子
（＋）、負入力端子（−）及び出力端子を有する演算増
幅器３１と、可変利得アンプ１０５ａの入力端子から演
算増幅器３１の負入力端子（−）に至る信号経路に設け
られた入力容量Ｃｉ（Ｃ１）と、演算増幅器３１の負入
力端子（−）と出力端子との間に設けられた複数の容量
素子からなる帰還容量Ｃｆ（Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、・・
等）と、可変利得アンプ１０５ａの入力端子から入力容
量Ｃｉの他端に至る信号経路を短絡し、或いは開放する
第１のスイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２と、入力容量Ｃｉの
他端への参照電圧Ｖrefの入力をオンし、或いはオフす
る第２のスイッチ素子ＳＷ３と、演算増幅器３１の負入
力端子（−）と出力端子との間を短絡し、或いは開放す
る第３のスイッチ素子ＳＷ４とを有してなる。
【００１５】演算増幅器３１の増幅利得の調整は以下の
ように行なうことができる。
【００１６】即ち、帰還容量Ｃｆを構成するＣ２、Ｃ
３、Ｃ４、・・等の容量素子は、各容量素子の演算増幅
器３１の入出力間への接続及び非接続を制御するスイッ
チ素子（ＳＷ５、ＳＷ６・・等）に接続されているの
で、スイッチ素子（ＳＷ５、ＳＷ６・・等）を選択的に
オン、オフして適当な容量素子を選択して演算増幅器３
１の入出力間に接続することができる。これにより、帰
還容量Ｃｆの容量値を加減して、帰還容量Ｃｆに対する
入力容量Ｃｉの比（Ｃｉ／Ｃｆ）を調整する。これによ
り、演算増幅器３１の増幅利得の調整が可能となる。
【００１７】また、固体撮像装置は、行と列に配列され
た光電変換素子と、列毎に設けられ、列毎の光電変換素
子の出力と接続する上記の可変利得アンプと、可変利得
アンプの出力側に繋がって差信号をデジタル信号に変換
するアナログ／デジタル変換回路を有している。この場
合、可変利得アンプに入力する第１の信号電圧として光
信号を電気信号に変換して得られた信号電圧を用い、ま
た、第２の信号電圧として光電変換素子を初期化したと
きの第２の信号電圧を用いる。
【００１８】また、光信号読み出し方法によれば、第１
の信号電圧を電荷に変換して蓄積し、第２の信号電圧を
出力し、電荷に変換するとともに、蓄積された第１の信
号電圧と電荷に変換された第２の信号電圧との差信号が
デジタル符号化アナログ入力レベルの範囲内に入るよう
な利得で差信号を増幅することを特徴としている。
【００１９】このように、本発明によれば、アナログ信
号電圧の振幅がデジタル符号化アナログ入力レベルの範
囲よりも小さいときでも、アナログ信号電圧を増幅して
デジタル符号化アナログ入力レベルの範囲に適合させる
ことができる。これにより、アナログ信号電圧のデジタ
ル化に際して、ダイナミックレンジを確保し、かつＳＮ
比を向上させることができる。
【００２０】また、上記した固体撮像装置は、光信号検
出用ＭＯＳトランジスタのチャネル下、ソース領域の周
囲に光発生電荷を蓄積する高濃度埋込層を有し、画素１
０１の出力端であるソースに定電流源などの能動負荷を
接続しなくても光信号を読み出し得ることを特徴として
いる。上記した固体撮像装置では、外部電源によりゲー
ト電位は一定電位に保たれているので、表面電位は高濃
度埋込層に蓄積された光発生ホールにより一意的に決ま
る。高濃度埋込層に蓄積された光発生ホールの状態はソ
ース電位の影響を受けないので、信号読み出しの間にソ
ース電位が変化しても高濃度埋込層に不要な帰還作用を
及ぼさない。従って、ソースフォロワの負荷として、特
性を揃えにくい定電流源を用いず、特性を揃えることが
容易な容量のみを用いても表面電位を正確にソースに伝
えることができる。これにより、固定パターンノイズを
抑制しつつ信号読み出しが可能となる。
【００２１】また、別の本発明によれば、図６に例示す
るように、少なくとも２つの列のアンプ１０５ａ、１０
５ｂ間、より詳しくは少なくとも２つの列のアンプ１０
５ａ、１０５ｂの演算増幅器３１同士の負入力端子間に
これらの間を接続し、或いは非接続とする画素混合スイ
ッチ素子ＳＭを設けている。この構成は、動画を扱う固
体撮像装置の場合に最適である。
【００２２】そして、上記構成で、画素混合スイッチ素
子ＳＭをオンにして少なくとも２つの列の画素１０１か
らの信号を混合し、平均化することにより、間引き動作
を行なうことができる。
【００２３】この場合に、走査上間引きを行なっても、
走査上間引きされた画素１０１位置における信号として
平均化された信号が出力されるので、サンプリング周波
数は低下しない。従って、解像力の低下を防止し、折り
返しノイズの発生を防止することができ、良質な画像が
得られる。また、間引きに応じて信号処理回数が減るの
で、消費電力が低減される。
【００２４】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて図面を参照して説明する。
【００２５】（第１の実施の形態） （ｉ）可変利得アンプの構成 図１を参照して、この発明の第１の実施の形態である可
変利得アンプ１０５ａの詳細な構成について説明する。
この可変利得アンプ１０５ａは２つの信号についての差
信号を生成することができる増幅回路であり、特に差信
号の大きさに応じて増幅率を変化させることができると
いう特徴を有する。
【００２６】可変利得アンプ１０５ａは、図１に示すよ
うに、正入力端子（＋）、負入力端子（−）及び出力端
子を有する演算増幅器３１を備えている。正入力端子
（＋）には参照電圧（Vref）が入力され、負入力端子
（−）には、例えば、光センサアレイ１００の光電変換
素子１０１の出力である第１の信号電圧Ｖｔ及び第２の
信号電圧Ｖｎが入力される。出力端子からは、第２の信
号電圧Ｖｎを第１の信号電圧Ｖｔから除いた差信号Ｖｓ
（＝Ｖｔ−Ｖｎ）が出力される。
【００２７】また、可変利得アンプ１０５ａの入力端子
から演算増幅器３１の負入力端子に至る信号経路にスイ
ッチ素子ＳＷ１及びＳＷ２と、コンデンサＣ１からなる
入力容量Ｃｉとが直列接続されている。入力容量Ｃｉの
一端がスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２を介して可変利得ア
ンプ１０５ａの入力端子と接続され、入力容量Ｃｉの他
端が演算増幅器３１の負入力端子と接続されている。ス
イッチ素子ＳＷ１及びＳＷ２が第１のスイッチ素子を構
成する。
【００２８】スイッチ素子ＳＷ１は単体のｎチャネルＭ
ＯＳトランジスタからなり、スイッチ素子ＳＷ２は１以
上のＭＯＳトランジスタで構成された伝達ゲートからな
る。ともに入力容量Ｃｉの一端への入力信号の入力をオ
ン／オフする。可変利得アンプ１０５ａの入力端子に、
例えば光電変換素子１０１の出力端が接続され、光電変
換素子１０１を初期化するためにその出力端を通して大
きな正の電圧を印加する場合に、第１のスイッチ素子の
うちスイッチ素子ＳＷ１が有効に働き、可変利得アンプ
１０５ａへの高電圧の入力を阻止する。
【００２９】入力容量Ｃｉの一端には、スイッチ素子
（第２のスイッチ素子）ＳＷ３を介して参照電圧（Vre
f）が接続されている。また、演算増幅器３１の負入力
端子（−）と出力端子との間には、帰還容量Ｃｆと、ス
イッチ素子（第３のスイッチ素子）ＳＷ４とが並列接続
されている。
【００３０】帰還容量Ｃｆは複数のコンデンサＣ２、Ｃ
３、Ｃ４から構成されている。さらに、コンデンサＣ
２、Ｃ３、Ｃ４のうちコンデンサＣ３、Ｃ４を任意に選
択して帰還容量Ｃｆの容量値を調整可能なように、各コ
ンデンサＣ３、Ｃ４を演算増幅器３１の負入力端子
（−）と出力端子の間に接続し、或いは非接続とする第
５及び第６のスイッチ素子ＳＷ５、ＳＷ６が設けられて
いる。
【００３１】なお、帰還容量Ｃｆを、接続が固定された
コンデンサＣ２のほかに、接続／非接続が選択可能な３
つ以上のコンデンサから構成して、接続／非接続が選択
可能な各コンデンサＣ３、Ｃ４、・・を演算増幅器３１
の負入力端子（−）と出力端子の間に接続し、或いは非
接続とする３つ以上の対応するスイッチ素子ＳＷ５、Ｓ
Ｗ６、・・を設けることも可能である。
【００３２】演算増幅器３１の出力端子は、列毎にコラ
ム型ＡＤＣ１０６の入力に接続される。このとき、演算
増幅器３１から出力された差信号が次段のコラム型ＡＤ
Ｃ１０６へのデジタル符号化アナログ入力レベルの範囲
から外れている場合に、差信号がアナログ入力レベルの
範囲内に入るように増幅利得を調整する必要がある。こ
のため、外部から自動的に或いは手動で、第５及び第６
のスイッチ素子ＳＷ５、ＳＷ６のうち少なくとも何れか
一を選択し、それらのオン／オフを制御する信号（Gsel
1，Gsel2）を供給する。即ち、演算増幅器３１の増幅利
得の調整は、演算増幅器３１の負入力端子（−）と出力
端子との間に接続された帰還容量Ｃｆに対する入力容量
Ｃｉの比（Ｃｉ／Ｃｆ）を調整することにより行なうこ
とができる。この実施の形態では、帰還容量Ｃｆはコン
デンサＣ２、Ｃ３、Ｃ４の複数の容量素子から構成さ
れ、スイッチ素子（ＳＷ５、ＳＷ６）をオン、オフして
適当な容量素子を任意選択できるようにしている。
【００３３】なお、図面では、上記のスイッチ素子ＳＷ
１乃至ＳＷ６を模式的に記載しているが、上で説明した
スイッチ素子ＳＷ１及びＳＷ２と同様に実際には１つ以
上のトランジスタなどを用いて同じ機能を得ることがで
きる。
【００３４】（ｉｉ）固体撮像装置の構成 次に、図１の可変利得アンプ１０５ａを適用した固体撮
像装置について説明する。
【００３５】図２は、この発明の第１の実施の形態であ
る固体撮像装置の回路構成図である。この固体撮像装置
は、図２に示すように、光センサアレイ１００と、信号
出力回路１０７とを備えている。信号出力回路１０７
は、図１の可変利得アンプ１０５ａを列毎に配置した差
信号生成回路１０５と、コラム型アナログ／デジタル変
換器（以下、コラム型ＡＤＣと称する。）１０６とを備
えている。行に並ぶ画素（光電変換素子）１０１のＭＯ
Ｓトランジスタを駆動して光の入射量に比例し、第２の
信号電圧Ｖｎ成分を含まないデジタル化された映像信号
（Ｖout1、・・・Ｖoutn）が行毎に信号出力回路１０７
から出力される。
【００３６】まず、光センサアレイ１００について説明
する。この光センサアレイ１００は、２次元の構成を採
っており、画素１０１が行方向及び列方向にマトリクス
状に配列されている。
【００３７】次いで、画素１０１内の素子構造について
説明する。図８は、画素１０１内における素子レイアウ
トについて示す平面図である。また、図９は、図８のＩ
−Ｉ線に沿う断面図に相当する、画素内の素子断面の構
造について示す断面図である。
【００３８】画素１０１は、受光ダイオード１１１と光
信号検出用ＭＯＳトランジスタ１１２とが隣接して設け
られている。
【００３９】これら受光ダイオード１１１とＭＯＳトラ
ンジスタ１１２は、それぞれ異なるウエル領域、即ち第
１のウエル領域１５ａと第２のウエル領域１５ｂに形成
され、それらのウエル領域１５ａ、１５ｂは互いに接続
されている。受光ダイオード１１１が形成された第１の
ウエル領域１５ａは光照射による電荷の発生領域の一部
を構成している。ＭＯＳトランジスタ１１２が形成され
た第２のウエル領域１５ｂはこの領域１５ｂに付与する
ポテンシャルによってチャネルの閾値電圧を変化させる
ことができるゲート領域を構成している。
【００４０】ＭＯＳトランジスタ１１２のドレイン領域
１７ａはリング状のゲート電極１９の外周部を取り囲む
ように形成され、ソース領域１６はリング状のゲート電
極１９の内周に囲まれるように形成されている。
【００４１】ドレイン領域１７ａが延在して受光ダイオ
ード１１１の不純物領域１７が形成されている。即ち、
不純物領域１７と低濃度のドレイン領域１７ａとは互い
に接続した第１及び第２のウエル領域１５ａ，１５ｂの
表層に大部分の領域がかかるように一体的に形成されて
いる。
【００４２】さらに、この固体撮像素子の特徴であるキ
ャリアポケット（高濃度埋込層）２５は、ゲート電極１
９下の第２のウエル領域１５ｂ内であって、ソース領域
１６の周辺部に、ソース領域１６を取り囲むように形成
されている。
【００４３】ドレイン領域１７ａはコンタクト領域１７
ｂを通してドレイン電圧（ＶＤＤ）供給線（又はドレイ
ン電極）２２と接続され、ゲート電極１９は垂直走査信
号（ＶＳＣＡＮ）供給線２１に接続され、ソース領域１
６は垂直出力線（又はソース電極）２０に接続されてい
る。
【００４４】また、上記画素１０１の構成要素は光透過
性の絶縁膜により被覆されており、受光ダイオード１１
１の受光窓２４以外の領域は絶縁膜の上に形成された金
属層（遮光膜）２３により遮光されている。
【００４５】次に、図１、図２、図８、図９を参照して
行と列に配列された画素１０１を駆動する周辺回路につ
いて説明する。図示していないが、センサアレイ１００
の周辺には画素１０１を走査する信号を供給する、垂直
走査信号（ＶＳＣＡＮ）の駆動走査回路及びドレイン電
圧（ＶＤＤ）の駆動走査回路が配置されている。
【００４６】垂直走査信号（ＶＳＣＡＮ）の駆動走査回
路から垂直走査信号供給線２１が行毎に一つずつ接続さ
れ、各垂直走査信号供給線２１は行方向に並ぶ全ての画
素１０１内のＭＯＳトランジスタ１１２のゲート１９に
接続されている。
【００４７】また、ドレイン電圧供給線（ＶＤＤ供給
線）２２はドレイン電圧（ＶＤＤ）の駆動走査回路から
行毎に一つずつ接続され、各ドレイン電圧供給線（ＶＤ
Ｄ供給線）２２は、行方向に並ぶ全ての画素１０１内の
ＭＯＳトランジスタ１１２のドレイン１７ａに接続され
ている。
【００４８】また、列毎に異なる垂直出力線２０ａ，・
・，２０ｎが設けられて、各垂直出力線２０ａ，・・，
２０ｎは列方向に並ぶ全ての画素１０１内のＭＯＳトラ
ンジスタ１１２のソース１６にそれぞれ接続されてい
る。また、各垂直出力線２０ａ，・・，２０ｎには画素
１０１を初期化するための大きな正の電圧を供給する図
示しない昇圧回路が接続されている。即ち、列毎に各画
素１０１のＭＯＳトランジスタ１１２のソース１６に昇
圧された電圧が印加される。昇圧された電圧はさらにＭ
ＯＳトランジスタ１１２のゲート−ソース間の容量を通
して結果的にゲート１９にかかる。これにより、ウエル
領域１５ａ、１５ｂにかかる電界強度を増して、キャリ
アの掃き出しを促進することができる。
【００４９】さらに、ＭＯＳトランジスタ１１２のソー
ス１６は垂直出力線２０ａ，・・，２０ｎを通して信号
出力回路１０７の入力端と接続している。言い換えれ
ば、ソース１６は列毎に上記の差信号生成回路１０５内
の可変利得アンプ１０５ａの入力端に接続し、信号読み
出しのとき図１に示す入力容量Ｃｉに直結することにな
る。なお、図２では省略しているが、実際には垂直出力
線２０ａ，・・，２０ｎの途中にはスイッチ素子等が設
けられて信号の流れを制御している。
【００５０】差信号生成回路１０５の入力端に第１の信
号電圧Ｖｔ及び第２の信号電圧Ｖｎが入力され、差信号
生成回路１０５の出力端子からは、画素１０１を初期化
したときに発生する第２の信号電圧Ｖｎを第１の信号電
圧Ｖｔから除いた差信号Ｖｓ（＝Ｖｔ−Ｖｎ）が出力さ
れる。さらに、差信号生成回路１０５の出力は列毎にコ
ラム型ＡＤＣ１０６の入力端に接続している。
【００５１】差信号生成回路１０５においては、外部か
らの信号Gsel1，Gsel2により帰還容量Ｃｆの容量値を選
択して差信号Ｖｓの大きさがデジタル符号化アナログ入
力レベルの範囲内に適合するように利得調整することが
でき、出力端子からはアナログ出力レベルが調整された
差信号Ｖｓ又はＶｓampが出力される。
【００５２】コラム型ＡＤＣ１０６は、図３（ａ）、
（ｂ）に示すように、不図示のコンパレータによりアナ
ログ信号である差信号Ｖｓ又はＶｓampを所定の勾配を
有する比較ランプ電圧ＶＬと比較し、不図示のパルスカ
ウンタにより差信号Ｖｓ又はＶｓampの大きさに対応す
るパルス計数値Ｎｃ又はＮcaに変換する。なお、パルス
計数値Ｎcaは、増幅利得を考慮した係数を乗じて実際の
差信号Ｖｓに対応するパルス計数値Ｎｃに変換される。
【００５３】デジタル化された映像信号は、行毎の画素
並びに対応して、コラム型ＡＤＣ１０６の出力端子から
出力される。
【００５４】以上のように、この発明の実施の形態の固
体撮像装置によれば、光信号に対応する差信号をデジタ
ル符号化アナログ入力レベルの範囲内に適合するような
利得で増幅することができる。
【００５５】また、上記した固体撮像装置は、画素１０
１の出力端であるソース１６に定電流源などの能動負荷
を接続しなくても光信号を読み出し得ることを特徴とし
ている。これは、信号検出用ＭＯＳトランジスタ１１２
がチャネル下、ソース領域１６を囲むように光発生電荷
（ホール）を蓄積する高濃度埋込層２５を備えているこ
とによる。この理由は、以下の通りである。
【００５６】ｐ型の高濃度埋込層２５のポテンシャル井
戸に光発生ホールを蓄積して、空乏化したウエル領域１
５ｂ内の負の空間電荷を変化させることにより、閾値が
変調されて、ＭＯＳトランジスタ１１２の表面電位が決
定される。このとき、外部電源によりゲート電位は一定
電位に保たれているので、表面電位はポテンシャル井戸
に蓄積された光発生ホールにより一意的に決まる。高濃
度埋込層２５に蓄積された光発生ホールの状態はソース
電位の影響を受けないので、信号電荷蓄積容量を負荷と
するソースフォロワを形成して信号を読み出す場合、た
とえ信号読み出しの間にソース電位が変化しても高濃度
埋込層２５に不要な帰還作用を及ぼさない。従って、Ｍ
ＯＳトランジスタ１１２のソース領域１６に定電流源を
接続してソース−ゲート間の電位差を一定に保つ必要が
ないため、特性を揃えることが容易な容量のみをソース
フォロワの負荷としても表面電位をソースに伝えること
ができる。
【００５７】これにより、固定パターンノイズを抑制し
つつ信号読み出しが可能となる。
【００５８】（ｉｖ）光信号の検出動作及び読み出し動
作 次に、図３乃至図５を参照して、本発明の第１の実施の
形態に係る光信号の検出動作及び読み出し動作を説明す
る。
【００５９】図３（ａ）、（ｂ）は、コラム型ＡＤＣ１
０６の動作を示す図である。図４は、画素１０１に着目
して、光信号の検出動作及び読み出し動作を説明するタ
イミングチャートである。上記した光信号検出用ＭＯＳ
トランジスタがｎＭＯＳの場合に適用する。
【００６０】図５は差信号生成回路１０５を動作させる
ためのタイミングチャートを示す。Ｖout1、・・・、Ｖ
outnは信号出力回路１０７から出力されるデジタル化さ
れた映像信号を示す。
【００６１】光信号の検出動作及び読み出し動作は、図
４に示すように、蓄積期間−読出期間−掃出期間（初期
化期間）−ノイズ読出期間からなる一連の過程を繰り返
し行う。
【００６２】まず、図４を参照して一連の動作を説明す
る。都合上、蓄積期間から説明を始める。また、必要に
より、図１、図２、図８及び図９も適宜参照する。
【００６３】蓄積期間では、受光ダイオード１１１に光
照射を行って光発生ホールを発生させ、ＭＯＳトランジ
スタ１１２のチャネル領域下に転送し、高濃度埋込層２
５に蓄積させる。これにより、ＭＯＳトランジスタ１１
２の閾値電圧が変化するので、次の読出期間においてそ
の閾値電圧の変化をソース電圧Ｖｐｓとして出力させ
る。
【００６４】読出期間では、ＭＯＳトランジスタ１１２
を動作させて光発生ホールの蓄積量に比例した光信号と
してソース電圧Ｖｐｓを出力し、入力容量Ｃｉに記憶さ
せる。このソース電圧Ｖｐｓは光信号より電気信号に変
換した信号電圧Ｖｔを構成し、光の強度に応じた真の信
号電圧成分Ｖｓの他に第２の信号電圧成分Ｖｎを含んで
いる。
【００６５】初期化期間では、スイッチ素子ＳＷ１を開
放し、ＭＯＳトランジスタ１１２のソース領域１６を通
してゲート電極１９及びドレイン領域１７ａに高電圧を
印加し、受光ダイオード１１１及び光信号検出用ＭＯＳ
トランジスタ１１２から蓄積ホールを排出して画素１０
１を初期化する。
【００６６】ノイズ読出期間では、初期化された状態で
のソース電圧Ｖｐｓを第２の信号電圧Ｖｎとして画素１
０１から出力し、信号出力回路１０７に入力させて第２
の信号電圧Ｖｎを除去した差信号Ｖｓ（＝Ｖｔ−Ｖｎ）
を取り出す。
【００６７】ノイズ読出期間終了後に再び上記した蓄積
期間に戻る。
【００６８】次に、図５を参照し、差信号生成回路１０
５、特に図１の可変利得アンプ１０５ａに着目して、蓄
積期間−読出期間−掃出期間（初期化期間）−ノイズ読
出期間からなる一連の過程に対応させながら、デジタル
化された差信号Ｖｓの生成動作について詳細に説明す
る。
【００６９】蓄積期間では、信号ＳＣＭ，ＣＬＭをいず
れもHighレベル（以下、Ｈレベルと称する。）として、
スイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ４をオン状態とし、かつ信号
Load，ＲＳＭをいずれもLowレベル(以下、Ｌレベルと称
する。)として、スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ３をオフ状
態とする。
【００７０】蓄積期間の終了時の期間（入力容量初期化
期間）に、信号Load，ＳＣＭ，ＲＳＭ，ＣＬＭ，Ｇsel
1，Ｇsel2をいずれもＨレベルとして、スイッチ素子Ｓ
Ｗ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４，ＳＷ５，ＳＷ６をオン
状態とし、入力容量ＣｉであるコンデンサＣ１、帰還容
量ＣｆであるコンデンサＣ２、Ｃ３、Ｃ４の電荷を初期
化する。
【００７１】その後、センサ信号読込み期間（読出期
間）では、信号ＲＳＭをＬレベルとして、スイッチ素子
ＳＷ３をオフ状態とする。他のスイッチ素子ＳＷ１，Ｓ
Ｗ２，ＳＷ４は前の状態のまま保持する。これにより、
可変利得アンプ１０５ａの入力容量Ｃｉに、それぞれ画
素１０１からの第１の信号電圧Ｖｔが供給される。但
し、この第１の信号電圧Ｖｔには、光信号成分Ｖｓと第
２の信号電圧成分Ｖｎが含まれている。
【００７２】このとき、可変利得アンプ１０５ａの入力
容量Ｃｉの両側の電位差はＶｔ−Ｖrefとなる。そし
て、スイッチ素子ＳＷ４がオン状態であるので、可変利
得アンプ１０５ａの演算増幅器３１の出力はＶref とな
る。
【００７３】画素初期化期間（初期化期間）では、信号
Load，ＳＣＭをＬレベルとして、スイッチ素子ＳＷ１，
ＳＷ２をオフ状態とする。他のスイッチ素子ＳＷ３，Ｓ
Ｗ４は前の状態のまま保持する。この間に、画素１０１
の出力端に高い電圧を供給し、画素を初期化する。即
ち、受光ダイオード１１１及びＭＯＳトランジスタ１１
２内の蓄積電荷を空にする。
【００７４】その後、ノイズ読出期間では、立ち上がり
時の期間（信号線初期化期間）に、図示しないスイッチ
素子を介して垂直出力線２０ａ，・・，２０ｎを接地電
位とし、信号ＳＣＭをＬレベルとして、スイッチ素子Ｓ
Ｗ２をオフ状態のまま保持する。さらに、信号ＣＬＭを
Ｌレベルとして、スイッチ素子ＳＷ４をオフ状態にする
とともに、信号Ｇsel1をＨレベルとして、スイッチ素子
ＳＷ５をオン状態にして容量素子Ｃ３を選択し、帰還容
量Ｃｆを入力容量Ｃｉと等しくなるように設定する。こ
こでは、入力容量Ｃｉの容量値と等しい容量値をＣ２＋
Ｃ３とする。さらに、信号Load，ＲＳＭをＨレベルとし
て、スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ３をオンにする。これに
より、可変利得アンプ１０５ａ内の信号線に蓄積されて
いる電荷を初期化する。また、入力容量Ｃｉの一端側が
Ｖrefとなるため入力容量Ｃｉに蓄積されていた電荷Ｃ
ｉ・（Ｖｔ−Ｖref）が帰還容量Ｃｆ（＝Ｃ２＋Ｃ３）
に転送される。入力容量Ｃｉの両端の電位差は０とな
る。
【００７５】信号線初期化期間の経過後、信号ＳＣＭを
Ｈレベルとして、スイッチＳＷ２をオン状態にするとと
もに、信号ＲＳＭ，ＣＬＭをＬレベルとして、スイッチ
ＳＷ３，ＳＷ４をオフ状態にする。また、信号Ｇsel1を
Ｈレベルとして、ＳＷ５をオン状態にして容量素子Ｃ３
を選択する。これにより、可変利得アンプ１０５ａの入
力容量Ｃｉの両端の電位差が０からＶｎ−Ｖrefに変化
する。これに対応する電荷Ｃｉ・（Ｖｔ−Ｖｎ）／Ｃｆ
（＝Ｖｓ）が帰還容量Ｃｆにも蓄積され、演算増幅器３
１の出力は差信号Ｖｓを含む信号電圧（Ｖref−Ｖｓ）
となる。
【００７６】次いで、差信号Ｖｓとデジタル符号化アナ
ログ入力レベルの範囲と比較する。差信号Ｖｓの大きさ
がデジタル符号化アナログ入力レベルの範囲のときに
は、コラム型ＡＤＣ１０６にそのまま出力する。
【００７７】一方、差信号Ｖｓの大きさが、例えばデジ
タル符号化アナログ入力レベルの範囲の下限値よりも小
さいときには、外部からの信号により、差信号Ｖｓの大
きさがその下限値よりも大きくなるような利得で差信号
Ｖｓが増幅されるように、帰還容量Ｃｆの容量値を選択
する。ここでは、必要な増幅利得が得られる容量値をＣ
２＋Ｃ４（＜Ｃ２＋Ｃ３）とすると、Ｇsel1をＬレベル
としてＳＷ５をオフ状態にするとともに、Ｇsel2をＨレ
ベルとしてＳＷ６をオン状態にし、帰還容量Ｃｆとして
容量素子Ｃ２＋Ｃ４を選択する。
【００７８】そして、入力容量Ｃｉ及び帰還容量Ｃｆを
初期化した後、新たに第１の信号電圧Ｖｔを入力容量Ｃ
ｉに入力して電荷に変換し、続いて、帰還容量Ｃｆに転
送する。続いて、第２の信号電圧Ｖｎを入力容量Ｃｉ及
び帰還容量Ｃｆに入力して電荷に変換する。即ち、可変
利得アンプ１０５ａの入力容量Ｃｉである容量素子Ｃ１
の両側の電位差がＶｔ−Ｖrefから０を経てＶｎ−Ｖref
に変化する。これに対応する電荷Ｃｉ・（Ｖｔ−Ｖｎ）
／Ｃｆ（＝Ｖｓamp）が帰還容量Ｃｆである容量素子
（Ｃ２＋Ｃ４）にも蓄積され、演算増幅器３１の出力か
ら増幅された差信号Ｖｓampを含む信号電圧（Ｖref−Ｖ
ｓamp） が出力される。
【００７９】そして、差信号Ｖｓ又はＶｓampを図２に
示すコラム型ＡＤＣ１０６に入力させて、デジタル信号
に変換させる。さらに、このデジタル信号を映像信号と
してコラム型ＡＤＣ１０６の出力端子から出力する。
【００８０】ここで、本発明においては、各列毎にアン
プを有することから、このアンプ毎に固有のオフセット
値を持ち、このためコラム型ＡＤＣ１０６出力が各列毎
にオフセット成分を含むことが予想されるが、このオフ
セット成分は予めデジタル化してメモリしておき、帰線
消去期間におけるオプチカルブラック信号検出において
補正信号として加算し、差信号のデジタル信号との間で
デジタル演算することにより容易に除去することができ
る。
【００８１】以上、第１の実施の形態によりこの発明を
詳細に説明したが、この発明の範囲は上記実施の形態に
具体的に示した例に限られるものではなく、この発明の
要旨を逸脱しない範囲の上記実施の形態の変更はこの発
明の範囲に含まれる。
【００８２】また、差信号を比較する基準として、デジ
タル符号化アナログ入力レベルの範囲を用いているが、
これに限られない。 （第２の実施の形態） （ｉ）固体撮像装置の構成 図６を参照して本発明の第２の実施の形態における固体
撮像装置の構成について説明する。図６は、本発明の第
２の実施の形態における固体撮像装置の回路構成図であ
る。
【００８３】この固体撮像装置において、第１の実施の
形態と異なるところは、図６に示すように、差信号生成
回路１０５内に列毎に設けられた可変利得アンプ１０５
ａ、１０５ｂ、・・のうち、一つの列の可変利得アンプ
１０５ａの演算増幅器３１の負入力端子（−）と、隣の
列の可変利得アンプ１０５ｂの演算増幅器３１の負入力
端子（−）とが、スイッチ素子（画素混合スイッチ素
子）ＳＭを介して接続されていることである。
【００８４】この実施の形態の光センサアレイ１００の
画素１０１の配列は、ベイヤ方式の基本形の色フィルタ
アレイ配列となっている。この色フィルタアレイ配列で
は、隣接する４つの領域にＲ，Ｇ，Ｂが配列され、かつ
同一色のＧが斜めに配列されている。上記した可変利得
アンプ１０５ａ、１０５ｂにはこれらのＧの画素１０１
の垂直出力線２０ａ、２０ｂが接続されている。
【００８５】この回路構成では、スイッチ素子ＳＭを非
接続状態にすることで第１の実施の形態と同じ回路構成
となり、その回路を第１の実施の形態と同じように動作
させることができる。また、切り替え信号MODEによりス
イッチ素子ＳＭを接続することで、２つの列の隣接する
前記Ｇの差信号を混合し、それらの列の出力に平均化さ
れた映像信号を出力させることができる。
【００８６】なお、上記では、画素１０１から出力され
た信号電圧のアンプとして可変利得アンプ１０５ａ、１
０５ｂを用いているが、利得調整が不要な場合には可変
利得アンプ１０５ａ、１０５ｂから容量素子Ｃ３、Ｃ
４、及びスイッチ素子ＳＷ５、ＳＷ６を取り除いたもの
を用いることができる。
【００８７】（ｉｉ）光検出動作 次に、図面を参照して第２の実施の形態である固体撮像
装置の光検出動作を説明する。
【００８８】この実施の形態の固体撮像装置において
は、第１の実施の形態と同じ通常の動作と間引き動作に
おける画素混合とを行うことが可能である。通常の動作
を行うには、上記したように、スイッチ素子ＳＭを非接
続状態として、第１の実施の形態の回路構成と同じに
し、第１の実施の形態と同様に動作させる。これによ
り、レベル調整された映像信号を出力させることができ
る。
【００８９】次に、画素混合の動作について説明する。
図７は図６の差信号生成回路１０５を用いて画素混合を
行なうためのタイミングチャートを示す。説明において
は、必要により、図６も参照する。この場合、帰還容量
Ｃｆとして容量素子Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４のうちＣ２のみを
用いるものする。
【００９０】この実施の形態の画素混合の動作を含む光
信号読出し動作においては、光発生ホールの蓄積動作、
入力容量Ｃｉの初期化動作、センサ信号（第１の信号電
圧）Ｖta、Ｖtbの読込み動作、画素のリセット動作、信
号線の初期化動作及びノイズ読出し動作を順に繰り返し
行う。画素混合の動作はノイズ読出し動作のときに同時
に行う。
【００９１】まず、光発生ホールの蓄積動作から信号線
の初期化動作までは、画素混合スイッチ素子ＳＭが非接
続とされて、第１の実施の形態の図５で説明した動作と
同様な動作を行う。これにより、可変利得アンプ１０５
ａの帰還容量Ｃｆに電荷Ｃｉ・（Ｖta−Ｖref）が蓄積
され、可変利得アンプ１０５ｂの帰還容量Ｃｆに電荷Ｃ
ｉ・（Ｖtb−Ｖref）が蓄積されるとともに、入力容量
Ｃｉを含む信号線が初期化された状態となる。
【００９２】次いで、ノイズ読出し動作に移行し、信号
ＭＯＤＥをＨレベルとしてスイッチ素子ＳＭを接続し、
２つの列の可変利得アンプ１０５ａ、１０５ｂに係る演
算増幅器３１の負入力端子同士を接続する。これによ
り、画素混合が可能な状態となる。このとき、同時に、
スイッチ素子ＳＷ１を接続し、かつスイッチ素子ＳＷ４
を開放状態に保持したまま、信号ＳＣＭをＨレベルとし
てスイッチ素子ＳＷ２を接続し、信号ＲＳＭをＬレベル
としてスイッチ素子ＳＷ３を開放する。これにより、画
素１０１からの第２の信号電圧Ｖna、Ｖnbが入力可能な
状態となる。
【００９３】可変利得アンプ１０５ａにおいては、画素
１０１からの第２の信号電圧Ｖnaの入力により、コンデ
ンサＣ１の両端の電位差が０からＶna−Ｖrefに変化
し、Ｃ２の両端の電位差がＣ１・（Ｖta−Ｖna）／Ｃ２
に変化するはずである。また、可変利得アンプ１０５ｂ
においては、画素１０１からの第２の信号電圧Ｖnbの入
力により、コンデンサＣ１の両端の電位差が０からＶnb
−Ｖrefに変化し、Ｃ２の両端の電位差がＣ１・（Ｖtb
−Ｖnb）／Ｃ２に変化するはずである。この場合、スイ
ッチ素子ＳＭにより可変利得アンプ１０５ａ、１０５ｂ
相互のＣ２の入力端が接続されているので、各々のＣ２
に別々に蓄積されるはずの電荷が混合され、平均化され
るので、各々のＣ２の両端の電位差ΔＶ０は略Ｃ１／Ｃ
２・（（Ｖta−Ｖna）＋（Ｖtb−Ｖnb））／２となる。
また、各演算増幅器３１の出力はＶref−ΔＶ０とな
る。この後、適宜信号処理してＧの映像信号を映像信号
出力端子から出力する。
【００９４】ところで、従来の一般的な固体撮像装置で
は、サンプリング画素を間引きするため、ＭＴＦが劣化
してモアレの多い画像になったり、折り返しノイズが発
生したりする。また、イメージセンサを高速で動作させ
る必要があるため、消費電力が大きくなってしまう。
【００９５】これに対して、本実施の形態では、スイッ
チ素子ＳＭを接続することにより、少なくとも２つの列
の同一色の画素信号を混合し、平均化して間引きに係る
映像信号を生成している。従って、間引きを行なって
も、サンプリングに伴うＭＴＦの劣化を防ぐことができ
る。また、走査上間引きされた画素１０１位置における
平均化された映像信号が出力されるので、サンプリング
周波数は低下しない。これにより、折り返しノイズの発
生を防止することができる。
【００９６】また、間引きに応じて信号処理回数が減る
ので、消費電力の増大が回避される。
【００９７】さらに、内部スイッチ素子ＳＭの切り替え
のみで通常の動作と間引き動作を行うことができるとい
うように、簡単な手段で信号出力回路の多機能化を図る
ことができる。
【００９８】以上、第２の実施の形態によりこの発明を
詳細に説明したが、この発明の範囲は上記実施の形態に
具体的に示した例に限られるものではなく、この発明の
要旨を逸脱しない範囲の上記実施の形態の変更はこの発
明の範囲に含まれる。
【００９９】例えば、上記の第２の実施の形態では、画
素の色配列としてベイヤ方式の基本形の色フィルタアレ
イ配列を用いているが、他の方式の色フィルタアレイ配
列を用いることも可能である。
【０１００】また、この発明が適用される固体撮像装置
に用いる光電変換素子として種々の変形例を適用可能で
ある。これは、第１の実施の形態でも同様である。それ
らの実施の形態では、特に、特許（特許登録番号２９３
５４９２号）に記載の光電変換素子と同じ構造の光電変
換素子を用いているが、出力に容量を直結しても正確な
信号電圧が得られるような他の構造の光電変換素子を用
いることができる。
【０１０１】また、ｐ型の基板１１上のｎ型のエピタキ
シャル層１２内に第１及び第２のウエル領域１５ａ、１
５ｂを形成しているが、ｎ型のエピタキシャル層１２の
代わりに、ｐ型のエピタキシャル層にｎ型不純物を導入
してｎ型ウエル層を形成し、このｎ型ウエル層内に第１
及び第２のウエル領域１５ａ、１５ｂを形成してもよ
い。
【０１０２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
アナログ差信号の振幅が適度なデジタル符号化アナログ
入力レベルの範囲よりも小さいときでも、アナログ差信
号を増幅してデジタル符号化アナログ入力レベルの範囲
に適合させることができる。
【０１０３】これにより、アナログ差信号のデジタル化
に際して、ダイナミックレンジを確保し、かつＳＮ比を
向上させることができる。
【０１０４】また、上記した固体撮像装置は、光信号検
出用ＭＯＳトランジスタのチャネル下、ソース領域の周
囲に光発生電荷を蓄積する高濃度埋込層を有し、画素の
出力端であるソースに定電流源などの能動負荷を接続し
なくても光信号を読み出し得ることを特徴としている。
従って、ソースフォロワの負荷として、特性を揃えにく
い定電流源を用いず、特性を揃えることが容易な容量の
みを用いても表面電位を正確にソースに伝えることがで
きる。これにより、固定パターンノイズを抑制しつつ信
号読み出しが可能となる。
【０１０５】さらに、本発明の１つの態様によれば、行
及び列に配列された画素と、画素からの出力信号を処理
する、列毎に設けられたアンプとを有し、かつ少なくと
も２つ列のアンプの演算増幅器の入力端子間に画素混合
スイッチ素子を設けており、間引き動作時にこのスイッ
チ素子を接続して少なくとも２つの列の画素信号を混合
し、平均化して各画素の映像信号として出力しているの
で、折り返しノイズのない画像、即ちモアレのない画像
を得ることができ、消費電力も低減させることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態に係る可変利得ア
ンプを示す回路図である。
【図２】この発明の第１の実施の形態に係る可変利得ア
ンプを備えた固体撮像装置の回路構成を示す図である。
【図３】図２の固体撮像装置の回路構成のうち信号処理
回路（コラム型ＡＤＣ）の動作を示す図である。
【図４】この発明の第１の実施の形態の固体撮像装置を
動作させる際のタイミングチャートである。
【図５】この発明の第１の実施の形態に係る固体撮像装
置の差信号生成動作のタイミングチャートである。
【図６】この発明の第２の実施の形態に係る信号出力回
路を備えた固体撮像装置の回路の構成を示す図である。
【図７】この発明の第２の実施の形態に係る固体撮像装
置の画素混合動作のタイミングチャートである。
【図８】この発明の第１及び第２の実施の形態に係る固
体撮像装置を構成する光センサアレイの画素内の素子構
造を示す平面図である。
【図９】同じく、図８のＩ−Ｉ線に沿う断面図である。
【図１０】従来例に係る固体撮像装置の回路の構成を示
す図である。
【符号の説明】
２０ａ、・・・２０ｎ 垂直出力線 ３１ 演算増幅器 １００ 光センサアレイ １０１ 単位画素 １０５ 差信号生成回路 １０５ａ、１０５ｂ 可変利得アンプ １０６ コラム型ＡＤＣ １０７ 信号出力回路 Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４ 容量素子 Ｃｉ 入力容量 Ｃｆ 帰還容量 ＳＭ 画素混合スイッチ素子 ＳＷ１、ＳＷ２ スイッチ素子（第１のスイッチ素子） ＳＷ３ スイッチ素子（第２のスイッチ素子） ＳＷ４ スイッチ素子（第３のスイッチ素子） ＳＷ５、ＳＷ６ スイッチ素子 Ｖｔ 信号電圧（第１の信号電圧） Ｖｎ 第２の信号電圧（第２の信号電圧） Ｖout1、・・・Ｖoutn デジタル化された映像信号
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4M118 AA02 AA05 AB01 BA14 CA04 DB09 DD09 FA06 5C024 CX04 CX43 CY42 GX02 GY31 GZ01 HX18 HX28 HX29 HX35 HX40 HX50 5J022 AA01 BA08 CA07 CB01 CC01 CF02 CF07 CF10

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１の信号電圧と第２の信号電圧とを逐
    次入力する可変利得アンプの入力端子と、 前記第１の信号電圧と第２の信号電圧との差信号を出力
    する可変利得アンプの出力端子と、 参照電圧が入力される正入力端子、前記可変利得アンプ
    の入力端子と信号経路を介して接続される負入力端子及
    び前記可変利得アンプの出力端子と接続される出力端子
    を有する演算増幅器と、 前記可変利得アンプの入力端子から前記演算増幅器の負
    入力端子に至る信号経路に設けられ、一端が前記信号経
    路を介して前記可変利得アンプの入力端子と接続され、
    他端が前記信号経路を介して前記演算増幅器の負入力端
    子と接続される入力容量と、 前記演算増幅器の負入力端子と前記演算増幅器の出力端
    子との間に設けられた容量値可変の帰還容量と、 前記可変利得アンプの入力端子から前記入力容量の一端
    に至る信号経路を接続し、或いは開放する第１のスイッ
    チ素子と、 前記入力容量の一端への前記参照電圧の入力端子を接続
    し、或いは開放する第２のスイッチ素子と、 前記演算増幅器の負入力端子と前記演算増幅器の出力端
    子との間を接続し、或いは開放する第３のスイッチ素子
    とを有してなることを特徴とする可変利得アンプ。
  2. 【請求項２】 前記帰還容量は、複数の容量素子からな
    り、１以上のスイッチ素子により前記複数の容量素子の
    うちから前記帰還容量の容量値の設定に必要な容量素子
    を選択可能としたことを特徴とする請求項１記載の可変
    利得アンプ。
  3. 【請求項３】 第１の信号電圧と第２の信号電圧との差
    信号を出力する可変利得アンプであって、 前記第１の信号電圧と前記第２の信号電圧とを逐次入力
    し、前記第１の信号電圧及び前記第２の信号電圧を電荷
    に変換して前記第１の信号電圧と第２の信号電圧との差
    信号を生成し、該差信号の大きさに応じて利得調整し
    て、出力レベルが調整された差信号を出力することを特
    徴とする可変利得アンプ。
  4. 【請求項４】 光信号を電気信号に変換し、さらにデジ
    タル信号に変換して出力する固体撮像装置において、 前記光信号を電気信号に変換し出力する、行と列に配列
    された複数の光電変換素子と、 前記光信号を電気信号に変換した第１の信号電圧と前記
    光電変換素子を初期化したときの第２の信号電圧とを逐
    次入力する可変利得アンプの入力端子と、前記第１の信
    号電圧と前記第２信号電圧との差信号を出力する可変利
    得アンプの出力端子と、参照電圧が入力される正入力端
    子、前記可変利得アンプの入力端子と信号経路を介して
    接続される負入力端子及び前記可変利得アンプの出力端
    子と接続される出力端子を有する演算増幅器と、前記可
    変利得アンプの入力端子から前記演算増幅器の負入力端
    子に至る信号経路に設けられ、一端が前記信号経路を介
    して前記可変利得アンプの入力端子と接続され、他端が
    前記信号経路を介して前記演算増幅器の負入力端子と接
    続される入力容量と、前記演算増幅器の負入力端子と前
    記演算増幅器の出力端子との間に設けられた容量値可変
    の帰還容量と、前記可変利得アンプの入力端子から前記
    入力容量の一端に至る信号経路を接続し、或いは開放す
    る第１のスイッチ素子と、前記入力容量の一端への前記
    参照電圧の入力端子を接続し、或いは開放する第２のス
    イッチ素子と、前記演算増幅器の負入力端子と前記演算
    増幅器の出力端子との間を接続し、或いは開放する第３
    のスイッチ素子とを有し、出力レベルが調整された差信
    号を出力する前記列毎に設けられた可変利得アンプと、 前記可変利得アンプから出力された差信号をデジタル信
    号に変換するアナログ／デジタル変換回路とを有してな
    ることを特徴とする固体撮像装置。
  5. 【請求項５】 前記帰還容量は複数の容量素子からな
    り、１以上のスイッチ素子により前記複数の容量素子の
    うちから前記帰還容量の容量値の設定に必要な容量素子
    を選択可能としたことを特徴とする請求項４記載の固体
    撮像装置。
  6. 【請求項６】 光信号を電気信号に変換し、さらにデジ
    タル信号に変換して出力する固体撮像装置において、 前記光信号を電気信号に変換し出力する、行と列に配列
    された複数の光電変換素子と、 前記光信号を電気信号に変換した第１の信号電圧と前記
    光電変換素子を初期化したときの第２の信号電圧とを逐
    次入力し、前記第１の信号電圧及び前記第２の信号電圧
    を電荷に変換して前記第１の信号電圧と前記第２の信号
    電圧の差信号を生成し、該差信号の大きさに応じて利得
    調整して、出力レベルが調整された前記差信号を出力す
    る、前記列毎に設けられた可変利得アンプと、 前記可変利得アンプから出力された差信号をデジタル信
    号に変換するアナログ／デジタル変換回路とを有してな
    ることを特徴とする固体撮像装置。
  7. 【請求項７】 前記光電変換素子は、受光素子と該受光
    素子に隣接する光信号検出用絶縁ゲート型電界効果トラ
    ンジスタとを備え、前記光信号検出用絶縁ゲート型電界
    効果トランジスタは、ゲート電極下方のチャネル領域下
    であって、ソース領域の周囲に前記受光素子で発生した
    光発生電荷を蓄積する高濃度埋込層を備えてなり、 前記第１の信号電圧及び第２の信号電圧は前記光信号検
    出用絶縁ゲート型電界効果トランジスタのソース領域か
    ら出力されることを特徴とする請求項４乃至６の何れか
    一に記載の固体撮像装置。
  8. 【請求項８】 光信号を電気信号に変換し、さらにデジ
    タル信号に変換して出力する光信号読み出し方法におい
    て、 光電変換素子に光信号を照射し、該光信号を電気信号に
    変換した第１の信号電圧を出力し、 前記第１の信号電圧を電荷に変換して蓄積し、 前記光電変換素子を初期化したときの第２の信号電圧を
    出力し、 前記第２の信号電圧を電荷に変換し、 前記電荷に変換して蓄積された第１の信号電圧と前記電
    荷に変換された第２の信号電圧との差信号を生成し、該
    差信号を利得調整して、出力レベルが調整された差信号
    を生成し、 前記出力レベルが調整された差信号をデジタル信号に変
    換することを特徴とする光信号読み出し方法。
  9. 【請求項９】 前記光信号読み出し方法は、さらに、行
    と列に配列された前記光電変換素子について、前記列毎
    に前記出力レベルが調整された差信号を生成することを
    特徴とする請求項８記載の光信号読み出し方法。
  10. 【請求項１０】 前記光電変換素子は、受光素子と該受
    光素子に隣接する光信号検出用絶縁ゲート型電界効果ト
    ランジスタとを備え、前記光信号検出用絶縁ゲート型電
    界効果トランジスタは、ゲート電極下方のチャネル領域
    下であって、ソース領域の周囲に前記受光素子で発生し
    た光発生電荷を蓄積する高濃度埋込層を備えてなり、 前記第１の信号電圧及び第２の信号電圧を前記光信号検
    出用絶縁ゲート型電界効果トランジスタのソース領域か
    ら出力することを特徴とする請求項８又は９記載の光信
    号読み出し方法。
  11. 【請求項１１】 前記光信号読み出し方法において、前
    記第１の信号電圧と第２の信号電圧とを逐次入力する可
    変利得アンプの入力端子と、前記第１の信号電圧と第２
    の信号電圧との差信号を出力する可変利得アンプの出力
    端子と、参照電圧が入力される正入力端子、前記可変利
    得アンプの入力端子と信号経路を介して接続される負入
    力端子及び前記可変利得アンプの出力端子と接続される
    出力端子を有する演算増幅器と、前記可変利得アンプの
    入力端子から前記演算増幅器の負入力端子に至る信号経
    路に設けられ、一端が前記信号経路を介して前記可変利
    得アンプの入力端子と接続され、他端が前記信号経路を
    介して前記演算増幅器の負入力端子と接続される入力容
    量と、前記演算増幅器の負入力端子と前記演算増幅器の
    出力端子との間に設けられた容量値可変の帰還容量と、
    前記可変利得アンプの入力端子から前記入力容量の一端
    に至る信号経路をし、或いは開放する第１のスイッチ素
    子と、前記入力容量の一端への前記参照電圧の入力端子
    を接続し、或いは開放する第２のスイッチ素子と、前記
    演算増幅器の負入力端子と前記演算増幅器の出力端子と
    の間を接続し、或いは開放する第３のスイッチ素子とを
    有する可変利得アンプが前記列毎に設けられ、 前記差信号が前記デジタル信号に変換する際のアナログ
    信号の入力電圧の範囲に適合するように前記入力容量と
    前記帰還容量の比を調整することにより利得調整し、 前記受光素子で発生した光発生電荷を前記光信号検出用
    絶縁ゲート型電界効果トランジスタの高濃度埋込層に転
    送して蓄積するとともに、前記第２のスイッチ素子及び
    第３のスイッチ素子を接続して前記入力容量及び帰還容
    量を初期化し、 次いで、前記第１のスイッチ素子及び第３のスイッチ素
    子を接続し、かつ前記第２のスイッチ素子を開放して、
    前記高濃度埋込層に蓄積された前記光発生電荷に応じた
    信号電圧を前記光信号検出用絶縁ゲート型電界効果トラ
    ンジスタから出力し、さらに前記信号電圧を電荷に変換
    して前記入力容量に蓄積し、 次いで、前記第２のスイッチ素子を接続し、前記第３の
    スイッチ素子を開放して前記入力容量に蓄積されている
    信号電圧に係る電荷を前記帰還容量に転送し、 次いで、前記高濃度埋込層に残留する前記光発生電荷を
    排出して前記光電変換素子を初期化した後に、前記第１
    のスイッチ素子を接続し、かつ前記第２のスイッチ素子
    及び第３のスイッチ素子を開放して、前記光電変換素子
    が初期化された状態における第２の信号電圧を前記光信
    号検出用絶縁ゲート型電界効果トランジスタから出力
    し、さらに前記第２の信号電圧を電荷に変換して前記信
    号電圧に係る電荷と前記第２の信号電圧に係る電荷との
    差を前記帰還容量に蓄積して前記差信号を生成し、 前記出力レベルが調整された差信号を前記演算増幅器か
    ら前記列毎に出力することを特徴とする請求項１０記載
    の光信号読み出し方法。
  12. 【請求項１２】 光信号を電気信号に変換して出力す
    る、行と列に配列された複数の光電変換素子と、前記列
    毎に設けられた前記光信号を電気信号に変換した第１の
    信号電圧と、前記光電変換素子を初期化したときの第２
    の信号電圧とを逐次入力し、前記第１の信号電圧及び前
    記第２の信号電圧を電荷に変換して前記第１の信号電圧
    と前記第２の信号電圧との差信号を出力するアンプと、
    前記アンプから出力された差信号を前記光信号に対応す
    る映像信号として出力する映像信号出力端子とを有し、 少なくとも２列のアンプ間に前記差信号出力を混合して
    出力するためのスイッチ手段を設けたことを特徴とする
    固体撮像装置。
  13. 【請求項１３】 前記アンプは、前記第１の信号電圧と
    前記第２の信号電圧とを逐次入力し、前記第１の信号電
    圧及び前記第２の信号電圧を電荷に変換して前記第１の
    信号電圧と第２の信号電圧との差信号を生成し、該差信
    号の大きさに応じて利得調整して、出力レベルが調整さ
    れた差信号を出力する可変利得アンプであることを特徴
    とする請求項１２記載の固体撮像装置。
  14. 【請求項１４】 前記光電変換素子は、受光素子と該受
    光素子に隣接する光信号検出用絶縁ゲート型電界効果ト
    ランジスタとを備え、前記光信号検出用絶縁ゲート型電
    界効果トランジスタは、ゲート電極下方のチャネル領域
    下であって、ソース領域の周囲に前記受光素子で発生し
    た光発生電荷を蓄積する高濃度埋込層を備えてなり、 前記信号電圧及び第２の信号電圧は前記光信号検出用絶
    縁ゲート型電界効果トランジスタのソース領域から出力
    されることを特徴とする請求項１３記載の固体撮像装
    置。
  15. 【請求項１５】 光信号を電気信号に変換して出力す
    る、行と列に配列された複数の光電変換素子と、前記光
    信号を電気信号に変換した第１の信号電圧と、前記光電
    変換素子を初期化したときの第２の信号電圧とを逐次入
    力し、前記第１の信号電圧及び前記第２の信号電圧を電
    荷に変換して前記第１の信号電圧と前記第２の信号電圧
    との差信号を出力する、前記列毎に設けられた複数のア
    ンプと、前記アンプから出力された差信号を前記光信号
    に対応する映像信号として出力する映像信号出力端子と
    を有する固体撮像装置の光信号読み出し方法において、 少なくとも２列のアンプ間の前記差信号出力を混合して
    出力することを特徴とする光信号読み出し方法。
  16. 【請求項１６】 前記光電変換素子は、受光素子と該受
    光素子に隣接する光信号検出用絶縁ゲート型電界効果ト
    ランジスタとを備え、前記光信号検出用絶縁ゲート型電
    界効果トランジスタは、ゲート電極下方のチャネル領域
    下であって、ソース領域の周囲に前記受光素子で発生し
    た光発生電荷を蓄積する高濃度埋込層を備えてなり、 前記第１の信号電圧及び第２の信号電圧を前記光信号検
    出用絶縁ゲート型電界効果トランジスタのソース領域か
    ら出力することを特徴とする請求項１５記載の光信号読
    み出し方法。
  17. 【請求項１７】 前記アンプが、前記第１の信号電圧と
    第２の信号電圧とを逐次入力する入力端子と、前記第１
    の信号電圧と第２の信号電圧との差信号を出力する出力
    端子と、参照電圧を入力する正入力端子、前記アンプの
    入力端子と接続される負入力端子及び前記アンプの出力
    端子と接続される出力端子を有する演算増幅器と、前記
    アンプの入力端子から前記演算増幅器の負入力端子に至
    る信号経路に設けられ、一端が前記信号経路を介して前
    記アンプの入力端子と接続され、他端が前記信号経路を
    介して前記演算増幅器の負入力端子に接続される入力容
    量と、前記演算増幅器の負入力端子と前記演算増幅器の
    出力端子との間に設けられた帰還容量と、前記アンプの
    入力端子から前記入力容量の一端に至る信号経路を接続
    し、或いは開放する第１のスイッチ素子と、前記入力容
    量の一端への前記参照電圧の入力端子を接続し、或いは
    開放する第２のスイッチ素子と、前記演算増幅器の負入
    力端子と前記演算増幅器の出力端子との間を接続し、或
    いは開放する第３のスイッチ素子とを有し、前記画素混
    合スイッチ素子が少なくとも２つの列の前記演算増幅器
    の負入力端子間に接続されてなり、 前記受光素子で発生した光発生電荷を前記光信号検出用
    絶縁ゲート型電界効果トランジスタの高濃度埋込層に転
    送して蓄積するとともに、前記第２のスイッチ素子及び
    第３のスイッチ素子を接続して前記入力容量及び帰還容
    量を初期化し、 次いで、前記第１のスイッチ素子及び第３のスイッチ素
    子を接続し、かつ前記第２のスイッチ素子及び前記画素
    混合スイッチ素子を開放し、前記高濃度埋込層に蓄積さ
    れた前記光発生電荷に応じた第１の信号電圧を前記光信
    号検出用絶縁ゲート型電界効果トランジスタから出力し
    て、前記第１の信号電圧を電荷に変換して前記入力容量
    に蓄積し、 次いで、前記第２のスイッチ素子を接続し、前記第３の
    スイッチ素子を開放して前記入力容量に蓄積されている
    信号電圧に係る電荷を前記帰還容量に転送し、 次いで、前記高濃度埋込層に残留する前記光発生電荷を
    排出して前記光電変換素子を初期化した後に、前記第１
    のスイッチ素子及び前記画素混合スイッチ素子を接続
    し、かつ前記第２のスイッチ素子及び第３のスイッチ素
    子を開放し、前記光電変換素子が初期化された状態にお
    ける第２の信号電圧を前記光信号検出用絶縁ゲート型電
    界効果トランジスタから出力して前記第２の信号電圧を
    電荷に変換して前記入力容量に蓄積するとともに、少な
    くとも２列のアンプ間の前記差信号出力を混合して出力
    することを特徴とすることを特徴とする請求項１６記載
    の光信号読み出し方法。
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