JP2003060990A - 固体撮像装置及びその読み出し方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来は、インターレース方式の映像信号の読
み出しの際に、組み合わせになる画素がいつも同じであ
り、解像度が半分になってしまう。画素の組み合わせを
切り替えるようにするためには、切り替え用トランジス
タが必要になる。 【解決手段】 カレントミラー回路１１を使用した固体
撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）において、インタ
ーレースの読出し時には２行ずつ画素選択を行い、得ら
れた２行の各画素の出力電流をカレントミラー回路１１
に供給し、これより２行の各画素の出力電流の合計の値
に比例した電圧をＣＤＳ回路１２に入力する。インター
レースの第１フィールドと第２フィールドの読出し時に
は、２行の組み合わせを１行ずらす。また、リセット用
トランジスタＭ１ａ、Ｍ１ｂ、Ｍ１ｃ等のリセットオフ
タイミングは、次のフィールドで同時に読出しが行われ
る隣接する２行の画素で同じになるようにする。露光時
間のずれを防止するためである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は固体撮像装置及びそ
の読み出し方法に係り、特にインターレース読み出しを
行う、蓄積転送部を画素内に持ったＣＭＯＳイメージセ
ンサと称する固体撮像装置及びその読み出し方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の固体撮像装置には、大きく分けて
ＣＣＤ方式とＣＭＯＳセンサ方式の２つがある。両者の
違いは、光を電荷に変換するフォトダイオードの電荷の
情報を各受光素子の外に如何に伝えるかというところに
ある。すなわち、ＣＣＤ方式は、発生した電荷を電荷転
送素子（ＣＣＤ：charge coupled device）により直接
外部へ転送する。一方、ＣＭＯＳセンサ方式は、フォト
ダイオードに発生した電荷による電位の情報を、各フォ
トダイオードに対応して設けられたアンプを通して素子
外部に出力する。

【０００３】これらＣＣＤ方式とＣＭＯＳセンサ方式の
得失は次の通りである。まず、作成プロセスに関して
は、ＣＣＤ方式は特殊プロセスで作成することが必要
で、専用ラインが必要になる。これに対し、ＣＭＯＳセ
ンサ方式は、通常のＣＭＯＳ−ＬＳＩプロセスとほとん
ど同じプロセスで作成できるので、ＣＭＯＳ−ＬＳＩ用
のラインをそのまま使え、また、エリアセンサと他のＣ
ＭＯＳ回路を混在できるというメリットがある。

【０００４】次に、固定パターン雑音に関しては、ＣＭ
ＯＳセンサ方式は、ＣＣＤ方式に比べて固定パターン雑
音が大きいという問題点がある。固定パターン雑音は、
主にアンプ用トランジスタのしきい値電圧のバラツキに
起因している。更に、電源の数は、ＣＣＤ方式では電荷
転送を実行するために、複数の電源が必要になるが、Ｃ
ＭＯＳセンサ方式は単一電源でよく、ＣＣＤ方式よりも
電圧が低い。従って、消費電力は、ＣＭＯＳセンサ方式
の方がＣＣＤ方式よりも少ないというメリットがある。

【０００５】次に、上記のＣＭＯＳセンサ方式の固体撮
像装置の全体の構成について説明する。図５は従来の固
体撮像装置の一例の構成図を示す。この従来の固体撮像
装置は、最も一般的なＣＭＯＳセンサ方式の固体撮像装
置、すなわちＣＭＯＳイメージセンサを示しており、画
素が２次元マトリクス状に所定の数だけ並んでいる（な
お、２次元ではなく１次元ライン状に並んでいる場合も
ある）。

【０００６】図５では図示を簡略化するため、９個の画
素Ｐ１１〜Ｐ３３が３行３列のマトリクス状に配列され
ている例を示している。画素Ｐ１１〜Ｐ３３の各々は同
一構成で、被写体からの入射光を光電変換して電荷を発
生するフォトダイオード１と、フォトダイオード１から
の電荷による電位変化を増幅するアンプ２と、アンプ２
の出力信号を通過又は遮断するスイッチ３とより構成さ
れている。

【０００７】画素Ｐ１１〜Ｐ３３のうち、垂直レジスタ
及び行コントロール回路４により、各行の（水平方向に
配置されている）複数の画素の動作が、各行毎に（通常
は上の行から下の行に向かう）制御され、各画素Ｐ１１
〜Ｐ３３からの信号は、ノイズキャンセラ５に入力さ
れ、ノイズキャンセル動作された後、水平シフトレジス
タ６により各列の信号単位で撮像信号として出力され
る。通常処理は、右の列から左の列に処理が進む。な
お、行と列は逆に配置することも可能である。

【０００８】次に、従来のインターレースの読み出し方
法について説明する。現在、ＴＶの主流になっているの
は、インターレース方式と呼ばれ、１画面を２回に分
け、走査線（ライン）１本おきに飛び越して走査してい
くという方式である。飛び越さずに順次走査していく方
式は、ノンインターレース方式またはプログレッシブ方
式という。

【０００９】インターレース方式に対応するために、Ｃ
ＣＤ方式の固体撮像装置では画素を２行単位で加算して
読み出し、１回目と２回目で画素を１行ずつずらして読
み出すという方法をとっている（インターライン）。こ
の場合、信号の加算は、単純に発生した電荷を加えると
いう方法をとっている。多くのテレビカメラの信号処理
ＩＣ（集積回路）は、このように形成された信号を処理
することを前提で作られている。従って、ＣＭＯＳイメ
ージセンサの出力信号も、従来のＣＣＤ方式の固体撮像
装置と同じ形式の信号になっていることが求められてい
る。

【００１０】ところが、ＣＭＯＳイメージセンサの場合
は、電位信号に置き換えて画素から出力しており、電位
信号は単純に加算できないため、一旦メモリに蓄積して
から加算するといった方法が必要になる。その場合、駆
動周波数は通常の２倍の速度が必要になり、消費電力が
増加する。

【００１１】この問題を解決するために、例えば特開平
９ー４６５９６号公報には、アンプの前に切り替えスイ
ッチを設け、２つのフォトダイオードの電荷のどちら
か、もしくは両方のフォトダイオードの電荷を加算し
て、電位変化を起こすフローティングディフュージョン
に送れるようにした固体撮像装置が開示されている。

【００１２】また、カレントミラー回路を使って読み出
しを行う固体撮像装置も従来より知られている。通常、
ＣＭＯＳイメージセンサは電圧読み出しを行うが、一方
において、電流読み出しのとき、信号を読み出す方法も
ある（例えば、米国特許明細書第６０８４２２９号）。

【００１３】図６は上記の米国特許明細書記載の固体撮
像装置を分かりやすく書き直した回路図、図７はそのタ
イムチャートを示す。この固体撮像装置の特徴は、読み
出し回路に電圧源ではなく、電流源が設けられている点
にある。図６において、各画素は同一構成で、同図には
同じ列の隣接する３つの画素を示しており、一つのフォ
トダイオードＰＤａ、ＰＤｂ、ＰＤｃと、フォトダイオ
ードＰＤａ、ＰＤｂ、ＰＤｃのＮ型層にソースが接続さ
れたリセット用Ｐチャネル型電界効果トランジスタ（Ｆ
ＥＴ）Ｍ１ａ、Ｍ１ｂ、Ｍ１ｃと、フォトダイオードＰ
Ｄａ、ＰＤｂ、ＰＤｃのＮ型層にゲートが接続されたＰ
チャネル型電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）Ｍ２ａ、Ｍ
２ｂ、Ｍ２ｃと、Ｐチャネル型電界効果トランジスタ
（ＦＥＴ）Ｍ２ａ、Ｍ２ｂ、Ｍ２ｃのソースにドレイン
が接続され、ソースが出力ライン８に共通に接続された
出力用電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）Ｍ３ａ、Ｍ３
ｂ、Ｍ３ｃとからなる。

【００１４】また、電源電圧Ｖｄｄの入力端子（電源端
子）は、一定のゲート電圧によりバイアスされている電
流源用Ｐチャネル型電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）Ｍ
４のドレイン、ソースを介して各画素の同じ列の電源ラ
イン９に接続されると共に電界効果トランジスタ（ＦＥ
Ｔ）Ｍ５のドレイン、ソースを介してカレントミラー回
路１１及びＣＤＳ回路１２にそれぞれ接続されている。

【００１５】カレントミラー回路１１はゲート同士が接
続され、かつ、ソース同士がグランド端子に接続された
２つの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）Ｍ６及びＭ７か
らなり、更にトランジスタＭ７のゲートはそのドレイン
と出力ライン８に接続されている。また、トランジスタ
Ｍ６のドレインは、トランジスタＭ５のソースに接続さ
れている。なお、カレントミラー回路１１は各列毎に設
けられている。

【００１６】一方、ＣＤＳ回路１２は、画素からの信号
電圧と信号電圧が乗っていないバックグランドノイズの
みの状態の２つをサンプリングして、その差をとること
により、バックグランドノイズを除去する、ノイズキャ
ンセラ（図５のノイズキャンセラ５）として機能する２
重相関サンプリング回路である。

【００１７】次に、この従来の固体撮像装置の読み出し
方法について説明する。図７（Ｂ）に示すように、時刻
ｔ１で行選択選択ライン＃１の信号がローレベルにな
り、図６の画素Ｐｉ１が選択され、トランジスタＭ３ａ
がオンとされ、フォトダイオードＰＤａの電荷による電
位変化に応じた電流がトランジスタＭ２ａ及びトランジ
スタＭ３ａを通して出力ライン８へ出力される。

【００１８】この状態で、図７（Ａ）に示すリセット信
号が時刻ｔ２でローレベルになると、Ｍ１ａがオンとさ
れ、トランジスタＭ１ａのドレイン、ソースを通して所
定レベルのリセット電圧がフォトダイオードＰＤａに印
加されて、これをリセットする。このときのリセット電
位に応じた電流も、上記のトランジスタＭ２ａ、Ｍ３ａ
を通して出力ライン８へ出力される。

【００１９】上記の出力ライン８への出力信号は、カレ
ントミラー回路１１のトランジスタＭ７に電流ｉとして
流れ、これにより、この電流ｉと等しい電流ｉがトラン
ジスタＭ６にも流れる。トランジスタＭ６の電流ｉは電
位に変換されてＣＤＳ回路１２に入力される。ＣＤＳ回
路１２は図７（Ｇ）に示す時刻ｔ１からｔ２までの入力
電圧を、時刻ｔ２のリセット時の入力電圧との差をとっ
て、画素Ｐｉ１からの撮像信号として出力する。その
後、時刻ｔ３で図７（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、リ
セット信号及び行選択信号がいずれもハイレベルにな
り、トランジスタＭ１ａ及びＭ３ａが共にオフとされ、
画素Ｐｉ１からの出力はなくなる。

【００２０】以下、同様にして、トランジスタＭ１ｂ、
Ｍ３ｂの各ゲートに図７（Ｃ）、（Ｄ）に示す信号が印
加されることにより、画素Ｐｉ２からの信号が読み出さ
れ、続いてトランジスタＭ１ｃ、Ｍ３ｃの各ゲートに図
７（Ｅ）、（Ｆ）に示す信号が印加されることにより、
画素Ｐｉ３からの信号が読み出されるというように動作
が行われる結果、図７（Ｇ）に示すように画素単位で信
号が読み出される。

【００２１】ここで、出力側トランジスタのサイズを画
素部と合わせておくことにより、画素部のフォトダイオ
ードＰＤａ、ＰＤｂ、ＰＤｃと同じ電位がＣＤＳ回路１
２に入力される。このように、この従来の固体撮像装置
では、電荷→電位→電流→電位の順で信号の形態が変化
してＣＤＳ回路１２から撮像された信号が画素単位で読
み出される。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記特
開平９ー４６５９６号公報記載の従来の固体撮像装置の
読み出し方法では、インターレース方式の映像信号の読
み出しの際に、第１フィールドと第２フィールドとで組
み合わせになる画素を１行ずらすことができず、いつも
同じであり、解像度が半分になってしまう。解像度の低
下を防止するため、画素の組み合わせを切り替えるよう
にするためには、その切り替えのためのトランジスタが
必要になり、開口率が減少する。

【００２３】一方、従来のＣＭＯＳイメージセンサで
は、インターレース読み出しを行う場合、メモリで貯え
て加算する方法だと、クロック数を増やすことになり消
費電力が上がる。また、画素内に切り替えスイッチを設
ける方法だと、選択できる行の組み合わせが固定する、
あるいは切り替えのための新たなトランジスタが必要に
なるという問題点がある。

【００２４】本発明は以上の点に鑑みなされたもので、
トランジスタ数を増やすことなく、インターレースとノ
ンインターレースの読み出しを行い得るカレントミラー
を使った固体撮像装置及びその読み出し方法を提供する
ことを目的とする。

【００２５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の固体撮像装置は、フォトダイオードと、画
素選択用トランジスタと、フォトダイオードで発生した
電荷量に応じた電流を出力ラインに出力する出力用トラ
ンジスタとから少なくとも構成される画素が、二次元マ
トリクス状に又は一次元ライン状に複数配列されてお
り、同じ行又は同じ列の複数の画素の各出力用トランジ
スタが接続された出力ラインの一端にはカレントミラー
回路が接続され、そのカレントミラー回路に流れる電流
を電圧に変換してノイズキャンセラへ出力する出力手段
とを有する固体撮像装置において、カレントミラー回路
に接続されているＮ個（Ｎは２以上の整数）の画素に共
通接続されると共に、カレントミラー回路に電流を供給
するための電圧源と、カレントミラー回路に接続されて
いるＮ個の画素のうち、隣接するＭ個（ＭはＮより小な
る２以上の整数）の画素ずつ、それらの画素選択用トラ
ンジスタを制御して同時に選択することを一定方向に、
かつ、一定周期で順次にＮ個の画素のすべてについて繰
り返した後、続けてカレントミラー回路に接続されてい
るＮ個の画素のうち、１個ずらした隣接するＭ個の画素
ずつ、それらの画素選択用トランジスタを制御して同時
に選択することを一定方向に、かつ、一定周期で順次に
Ｎ個の画素のすべてについて繰り返す画素選択手段と、
画素選択手段により選択されたＭ個の画素のフォトダイ
オードにより発生した電荷量に応じた電流を、出力ライ
ンを介してカレントミラー回路にそれぞれ供給するよう
に、Ｍ個の画素の出力用トランジスタを同時に制御する
出力制御手段とを有する構成としたものである。

【００２６】本発明では、隣接するＭ個の画素を一組と
してそれぞれの画素から出力される電流を出力ラインを
介してカレントミラー回路に供給し、そのカレントミラ
ー回路にＭ個の画素の出力電流の合計の電流を流し、こ
のカレントミラー回路に流れる電流に比例した電圧を出
力手段により出力させることをＭ個の画素単位ですべて
の画素について繰り返した後、画素を１行又は１列ずら
した隣接するＭ個の画素を一組として上記と同様の読み
出しを行うようにしたため、インターレース方式の読み
出しを行うことができる。

【００２７】また、本発明の固体撮像装置の読み出し方
法は、上記の目的を達成するため、フォトダイオード
と、画素選択用トランジスタと、フォトダイオードで発
生した電荷量に応じた電流を出力ラインに出力する出力
用トランジスタとから少なくとも構成される画素が、二
次元マトリクス状に又は一次元ライン状に複数配列され
ており、同じ行又は同じ列の複数の画素の各出力用トラ
ンジスタが接続された出力ラインの一端にはカレントミ
ラー回路が接続され、そのカレントミラー回路に流れる
電流を電圧に変換してノイズキャンセラへ出力する出力
手段とを有する固体撮像装置の読み出し方法において、
カレントミラー回路に接続されているＮ個（Ｎは２以上
の整数）の画素のうち、隣接するＭ個（ＭはＮより小な
る２以上の整数）の画素ずつ、それらの画素選択用トラ
ンジスタを制御して同時に選択することを一定方向に、
かつ、一定周期で順次に繰り返す第１のステップと、第
１のステップにより選択されたＭ個の画素のフォトダイ
オードにより発生した電荷量に応じた電流を、出力ライ
ンを介してカレントミラー回路にそれぞれ供給するよう
に、Ｍ個の画素の出力用トランジスタを同時に制御する
第２のステップと、第１のステップによりＮ個の画素の
すべてについて画素選択が終了した後、続けてカレント
ミラー回路に接続されているＮ個の画素のうち、第１の
ステップとは１個ずらした隣接するＭ個の画素ずつ、そ
れらの画素選択用トランジスタを制御して同時に選択す
ることを一定方向に、かつ、一定周期で順次に繰り返す
第３のステップと、第３のステップにより選択されたＭ
個の画素のフォトダイオードにより発生した電荷量に応
じた電流を、出力ラインを介してカレントミラー回路に
それぞれ供給するように、Ｍ個の画素の出力用トランジ
スタを同時に制御する第４のステップとを含み、第１乃
至第４のステップを巡回的に繰り返してインターレース
方式の読み出しを行うことを特徴とする。

【００２８】この発明では、第１及び第２のステップに
より、隣接するＭ個の画素を一組としてそれぞれの画素
から出力される電流を出力ラインを介してカレントミラ
ー回路に供給し、そのカレントミラー回路にＭ個の画素
の出力電流の合計の電流を流し、このカレントミラー回
路に流れる電流に比例した電圧を出力手段により出力さ
せることをＭ個の画素単位ですべての画素について繰り
返し、続く第３及び第４のステップにより、第１のステ
ップとは１個ずらした隣接するＭ個の画素を一組として
それぞれの画素から出力される電流を出力ラインを介し
てカレントミラー回路に供給し、そのカレントミラー回
路にＭ個の画素の出力電流の合計の電流を流し、このカ
レントミラー回路に流れる電流に比例した電圧を出力手
段により出力させることをＭ個の画素単位ですべての画
素について繰り返すようにしたため、インターレースの
信号を出力手段から得ることができる。

【００２９】また、上記の目的を達成するため、本発明
は上記の固体撮像装置を、画素が二次元マトリクス状に
複数配列されており、各列のＮ個の画素の各出力用トラ
ンジスタが接続された出力ラインの一端には、それぞれ
カレントミラー回路が接続されており、第１のステップ
は、カレントミラー回路に接続されている各列のＮ個
（Ｎは２以上の整数）の画素のうち、隣接する２行の各
画素単位で、それらの画素選択用トランジスタを制御し
て同時に選択して、列方向に、かつ、一定周期で順次に
繰り返し、第３のステップは、第１のステップで選択し
た２行の各画素よりも１行下にずらした２行の各画素単
位で、それらの画素選択用トランジスタを制御して同時
に選択して、列方向に、かつ、一定周期で順次に繰り返
すことを特徴とする。

【００３０】ここで、上記の複数の画素は、フォトダイ
オードをリセットするリセット用トランジスタをそれぞ
れ有しており、第１及び第３のステップは、隣接する２
行の各画素を選択している期間内で、選択している各画
素内のリセット用トランジスタをオフから同時にオンと
し、下の行の各画素内のリセット用トランジスタと次に
選択する２行の各画素のうち上の行の各画素内のリセッ
ト用トランジスタを同時にオフとすることを特徴とす
る。この発明では、次のフィールドで同時に読出しされ
る画素の組を構成する２行の各画素のフォトダイオード
のリセットオフのタイミングを合わせることができる。

【００３１】また、本発明は上記の目的を達成するた
め、インターレースかプログレッシブかを判定し、イン
ターレースと判定したときには第１乃至第４のステップ
を行わせる第５のステップと、第５のステップによりプ
ログレッシブと判定したときには、カレントミラー回路
に接続されているＮ個（Ｎは２以上の整数）の画素選択
用トランジスタを制御して、各画素を上から順に選択す
ることを一定周期で繰り返す第６のステップとを更に有
し、インターレースの読み出しとプログレッシブの読み
出しを同一画素で可能とすることを特徴とする。

【００３２】

【発明の実施の形態】図１は本発明になる固体撮像装置
の一実施の形態の要部の回路図を示す。同図中、図６と
同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略す
る。この実施の形態では、電流源の代わりに電圧源１３
を用いた点に特徴がある。ここで、図６に示した電流源
用トランジスタＭ４が存在すると、全電流がこの電流源
により規制されるため、２つ以上の画素を同時に選択す
る本発明では、電流の分配が各画素のフォトダイオード
の電位に比例するとは限らなくなり、本発明の目的を達
成することができない。

【００３３】そこで、本実施の形態では、上記の電流源
用トランジスタＭ４を削除し、電圧源１３を設けて列方
向の各画素に接続すると共に、トランジスタＭ５に接続
することで、電流の規制を無くし、複数の画素の各フォ
トダイオードに発生した電位に比例する電流を各画素に
流すようにしたものである。

【００３４】ただし、上記の電流源用トランジスタＭ４
は、素子特性のばらつきに起因する、オペアンプ（図６
の回路はオペアンプの回路そのものになっている）のオ
フセットを低減するという役目を果たしているので、上
記の電流源用トランジスタＭ４を削除すると上記のオフ
セット低減の役目がなくなり、オフセットのばらつきが
増えるが、そのオフセットのばらつきは実際には次段の
ＣＤＳ回路１２により除去されるので、固体撮像装置全
体の動作としては問題は無い。

【００３５】図２は本発明になる固体撮像装置の読み出
し方法の一実施の形態のフローチャートを示す。本実施
の形態は、図５に示す構成の固体撮像装置の垂直シフト
レジスタ及び行コントロール回路４における行コントロ
ール回路による読み出し制御方法を図２のフローチャー
トのようにした点に特徴があり、固体撮像装置の回路は
図１に示した回路を使用する。

【００３６】まず、本実施の形態の原理について説明す
る。図５の固体撮像装置では、一旦電流として画素から
信号を取り出し、カレントミラー回路１１を通して、電
位信号に変換しているところに特徴がある。このとき、
画素１つではなく、隣接する２行の行選択ラインを同時
にローレベルとし、隣接する２行の画素を同時に選択し
たとする。

【００３７】すると、これら隣接する２行の画素からカ
レントミラー回路１１に流れる電流ｉは、１つの画素
（例えばＰｉ１）に流れる電流ｉ１ともう一方の画素
（例えばＰｉ２）に流れる電流ｉ２の合計になる。出力
電位は単純にカレントミラー回路１１に流れる電流に比
例するので、一方の画素（例えばＰｉ１）だけで出力し
た場合と、もう一方の画素（例えばＰｉ２）だけを出力
した場合の合計になる。

【００３８】従って、行選択で２行選択するようにコン
トロールし、選択する行を１行ずつずらせば、インター
レースの信号を作ることが可能となる。また、単にイン
ターレースの読み出しではなく、インターレースとノン
インターレース（プログレッシブ）の両方を一つのイメ
ージャで切り替えて使えるようになる。

【００３９】次に、上記の原理に基づく本実施の形態の
動作について、図２のフローチャートと図３及び図４の
タイムチャートと図１の回路図を併せ参照して説明す
る。読出開始信号がＣＭＯＳイメージセンサ外部又は内
部の回路から発信されてこれを制御回路（図５の垂直シ
フトレジスタ及び行コントロール回路４の行コントロー
ル回路）が受信すると（図２のステップＳ１）、制御回
路は、読み出した方がインターライン（インターレー
ス）であるかどうか判定する（図２のステップＳ２）。
インターラインであるかプログレッシブ読み出しである
かは、予めＣＭＯＳイメージセンサを使う装置、あるい
はその装置の使用者（例えば、カメラマン）が、スイッ
チ等で指定しておく。

【００４０】読み出し方がインターライン（インターレ
ース）である場合は、制御回路は第１フィールドの読み
出しと第２フィールドの読み出しとがフィールド単位で
交互に行われるように制御し（図２のステップＳ３）、
第１フィールドの読み出しか第２フィールドの読み出し
かを、前回の読み出し時の状態を記憶しておき、制御回
路が判定する（図２のステップＳ４）。

【００４１】第１フィールドのときには、第１フィール
ドのコントロール信号を発生し（図２のステップＳ
５）、第２フィールドのときには第２フィールドのコン
トロール信号を発生する（図２のステップＳ６）。ま
ず、第１フィールドのコントロール信号の発生に基づく
読み出し動作について図３と共に説明する。インターレ
ースのうち、第１フィールドの画面が行選択ライン＃１
と＃２の各画素の信号、行選択ライン＃３と＃４の各画
素の信号、行選択ライン＃５と＃６の各画素の信号、・
・・といった組み合わせで作られるものとする。なお、
以下の説明では行選択ライン＃１の各画素の代表として
画素Ｐｉ１、行選択ライン＃２の各画素の代表として画
素Ｐｉ２、行選択ライン＃３の各画素の代表として画素
Ｐｉ３の動作について説明する。

【００４２】まず、行選択ライン＃１と＃２の各信号が
図３（Ｂ）及び（Ｄ）に示すように、時刻ｔ１で同時に
ローレベルとなると、図１の画素Ｐｉ１の出力用Ｐチャ
ネル型トランジスタＭ３ａ及び画素Ｐｉ２の出力用Ｐチ
ャネル型トランジスタＭ３ｂの各ゲートにローレベルの
信号が印加され、これらのトランジスタＭ３ａ及びＭ３
ｂがオンする。すると、画素Ｐｉ１のフォトダイオード
ＰＤａで被写体からの入射光を光電変換して得られる電
荷量に応じた電位変化が起こり、その電位に応じた電流
がトランジスタＭ２ａ、オン状態のトランジスタＭ３ａ
を通して出力ライン８へ出力され、フォトダイオードＰ
Ｄａで発生した電荷量に応じた電流がカレントミラー回
路１１に流れる。

【００４３】また、これと同時に、画素Ｐｉ２のフォト
ダイオードＰＤｂで被写体からの入射光を光電変換して
得られる電荷量に応じた電位変化が起こり、その電位に
応じた電流がＰチャネル型トランジスタＭ２ｂ、オン状
態のトランジスタＭ３ｂを通して出力ライン８へ出力さ
れ、フォトダイオードＰＤｂで発生した電荷量に応じた
電流がカレントミラー回路１１に流れる。

【００４４】従って、カレントミラー回路１１のトラン
ジスタＭ７には、フォトダイオードＰＤａとＰＤｂでそ
れぞれ発生した電荷量に応じた２つの電流の合計の電流
が流れ、トランジスタＭ６にもトランジスタＭ７に流れ
る電流と同じ電流が流れ、更にトランジスタＭ６とトラ
ンジスタＭ５の接続点にはトランジスタＭ６に流れる電
流に比例した出力電位が発生してＣＤＳ回路１２に入力
される。

【００４５】次に、図１の画素Ｐｉ１のリセット用Ｐチ
ャネル型トランジスタＭ１ａ及び画素Ｐｉ２のリセット
用Ｐチャネル型トランジスタＭ１ｂの各ゲートに印加さ
れるリセット信号が、図３（Ａ）、（Ｃ）に示すように
時刻ｔ２でそれぞれローレベルになると、Ｍ１ａ及びＭ
１ｂがそれぞれオンとされ、トランジスタＭ１ａ、Ｍ１
ｂのドレイン、ソースを通して所定レベルのリセット電
圧がフォトダイオードＰＤａ、ＰＤｂに印加されて、こ
れをリセットする。このときのリセット電位に応じた電
流も、上記のトランジスタＭ３ａ、Ｍ３ｂを通して出力
ライン８へ出力される。これにより、フォトダイオード
ＰＤａ、ＰＤｂのリセット電位に応じた電流量がカレン
トミラー回路１１に流れ、電流量に比例した出力電位が
出力される。

【００４６】その後の時刻ｔ３で、図３（Ｂ）及び
（Ｄ）に示すように行選択ライン＃１、＃２の各信号が
ハイレベルとなり、トランジスタＭ３ａ及びＭ３ｂがそ
れぞれオフされるため、画素Ｐｉ１、Ｐｉ２からの出力
信号はなくなる。この時、画素Ｐｉ１のリセット信号も
図３（Ａ）に示すようにハイレベルとなり、トランジス
タＭ１ａもオフになるが、画素Ｐｉ２のリセット信号は
図３（Ｃ）に示すようにローレベルのままであり、トラ
ンジスタＭ１ｂは引き続きオン状態を維持する（理由は
後述）。このようにして、時刻ｔ１からｔ２までの期間
ではカレントミラー回路１１から図３（Ｉ）に示すよう
に画素Ｐｉ１とＰｉ２の合成信号が出力され、時刻ｔ２
からｔ３までの期間ではカレントミラー回路１１から画
素Ｐｉ１とＰｉ２の合成リセット電位が出力される。

【００４７】続いて、画素Ｐｉ３、Ｐｉ４についても、
上記と同様な読み出しが行われる。図３（Ｆ）、（Ｈ）
は行選択ライン＃３、＃４の各信号、図３（Ｅ）、
（Ｇ）はそれぞれ画素Ｐｉ３、Ｐｉ４内のリセット用ト
ランジスタのリセット信号を示す。なお、図３（Ｅ）、
（Ｇ）に示すように、リセット信号は時刻ｔ５で同時に
ローレベルとなり、画素Ｐｉ３、Ｐｉ４内のリセット用
トランジスタが同時にオンされてリセットが同時に行わ
れる。その後画素Ｐｉ３のリセット信号が図３（Ｅ）に
示すように時刻ｔ６でハイレベルとなり、画素Ｐｉ３内
のリセット用トランジスタＭ１ｃがオフになるが、画素
Ｐｉ４のリセット信号は図３（Ｇ）に示すようにローレ
ベルのままであり、画素Ｐｉ４内のリセット用トランジ
スタは引き続きオン状態を維持する。

【００４８】また、図３（Ｃ）に示す画素Ｐｉ２のリセ
ット信号は、同図（Ｅ）に示す画素Ｐｉ３のリセット信
号と同時刻ｔ６でハイレベルとなり、画素Ｐｉ２内のリ
セット用トランジスタＭ１ｂのオフは、画素Ｐｉ３内の
リセット用トランジスタＭ１ｃのオフと同時に行われる
ように制御される。以下、上記と同様の動作が、最終行
まで続く。

【００４９】次に、図２のステップＳ６による第２フィ
ールドのコントロール信号発生に基づく第２フィールド
の読み出し動作について図４と共に説明する。インター
レースのうち、第２フィールドの画面は、第１フィール
ドに比し１行ずれて行選択ライン＃２と＃３の各画素の
信号、行選択ライン＃４と＃５の各画素の信号、行選択
ライン＃６と＃７の各画素の信号、・・・といった組み
合わせで作られるものとする。

【００５０】まず、行選択ライン＃２と＃３の各信号が
図４（Ｄ）及び（Ｆ）に示すように、時刻ｔ１１で同時
にローレベルとなると、図１の画素Ｐｉ２の出力用トラ
ンジスタＭ３ｂ及び画素Ｐｉ３の出力用トランジスタＭ
３ｃの各ゲートにローレベルの信号が印加され、これら
のトランジスタＭ３ｂ及びＭ３ｃがオンする。すると、
画素Ｐｉ２のフォトダイオードＰＤｂで発生した電荷量
に応じた電流が、前記第１フィールドで説明したと同様
の経路を経てカレントミラー回路１１に流れる。また、
これと同時に、画素Ｐｉ３のフォトダイオードＰＤｃで
発生した電荷量に応じた電流も上記と同様の経路でカレ
ントミラー回路１１に流れる。

【００５１】従って、カレントミラー回路１１のトラン
ジスタＭ７には、フォトダイオードＰＤｂとＰＤｃでそ
れぞれ発生した電荷量に応じた２つの電流の合計の電流
が流れ、トランジスタＭ６にもトランジスタＭ７に流れ
る電流と同じ電流が流れ、更にトランジスタＭ５が負荷
となりトランジスタＭ６に流れる電流に比例した出力電
位が、トランジスタＭ６とトランジスタＭ５の接続点に
発生してＣＤＳ回路１２に入力される。

【００５２】次に、図１の画素Ｐｉ２のリセット用トラ
ンジスタＭ１ｂ及び画素Ｐｉ３のリセット用トランジス
タＭ１ｃの各ゲートに印加されるリセット信号が、図４
（Ｃ）、（Ｅ）に示すように時刻ｔ１２でそれぞれロー
レベルになると、Ｍ１ｂ及びＭ１ｃがそれぞれオンとさ
れ、トランジスタＭ１ｂ、Ｍ１ｃのドレイン、ソースを
通して所定レベルのリセット電圧がフォトダイオードＰ
Ｄｂ、ＰＤｃに印加されて、これをリセットする。この
ときのリセット電位に応じて発生する電流も、上記のト
ランジスタＭ３ｂ、Ｍ３ｃを通して出力ライン８へ出力
される。これにより、フォトダイオードＰＤｂ、ＰＤｃ
のリセット電位に応じた電流量がカレントミラー回路１
１に流れ、電流量に比例した出力電位がＣＤＳ回路１２
へ出力される。

【００５３】その後の時刻ｔ１３で、図４（Ｄ）及び
（Ｆ）に示すように行選択ライン＃２、＃３の各信号が
ハイレベルとなり、トランジスタＭ３ｂ及びＭ３ｃがそ
れぞれオフされるため、画素Ｐｉ２、Ｐｉ３からの出力
信号はなくなる。この時、画素Ｐｉ２のリセット信号も
図４（Ｃ）に示すようにハイレベルとなり、トランジス
タＭ１ｂもオフになるが、画素Ｐｉ３のリセット信号は
図４（Ｅ）に示すようにローレベルのままであり、トラ
ンジスタＭ１ｃは引き続きオン状態を維持する（理由は
後述）。

【００５４】このようにして、時刻ｔ１１からｔ１２ま
での期間ではカレントミラー回路１１から図４（Ｋ）に
示すように画素Ｐｉ２とＰｉ３の合成信号が出力され、
時刻ｔ１２からｔ１３までの期間ではカレントミラー回
路１１から画素Ｐｉ２とＰｉ３の合成リセット電位がＣ
ＤＳ回路１２へ出力される。

【００５５】また、図４（Ｅ）に示す画素Ｐｉ３のリセ
ット信号は、同図（Ｇ）に示す画素Ｐｉ４のリセット信
号と同時刻ｔ１６でハイレベルとなり、画素Ｐｉ３内の
リセット用トランジスタＭ１ｃのオフは、画素Ｐｉ４内
のリセット用トランジスタのオフと同時に行われるよう
に制御される。以下、上記と同様の動作が、最終行まで
続く。

【００５６】なお、図４（Ａ）、（Ｉ）はそれぞれ画素
Ｐｉ１と画素Ｐｉ５（図１では図示せず）の各リセット
信号、図４（Ｂ）、（Ｈ）、（Ｊ）はそれぞれ画素Ｐｉ
１、Ｐｉ４、Ｐｉ５の行選択信号である。

【００５７】ここで、第２フィールドでは、第１フィー
ルドとは読み出す２行の組み合わせが１行ずれているの
で、１行目の各画素の信号は使われず、読み出されない
ので、行選択ライン＃１の信号は図４（Ｂ）に示すよう
にハイレベルのままであるが、リセットコントロールは
働いており、１行目の画素Ｐｉ１のリセット信号は、図
４（Ａ）に示すように、同図（Ｃ）に示す２行目の画素
Ｐｉ２のリセット信号と同じ位相で変化し、画素Ｐｉ２
がオフになる時刻ｔ１３で、画素Ｐｉ１も一緒にオフに
なるようにコントロールされている。

【００５８】次に、第１フィールドで画素Ｐｉ２のリセ
ットのオフが画素Ｐｉ３のリセットのオフと同時になる
ようにする理由について説明する。画素Ｐｉ２と画素Ｐ
ｉ３は、次の第２フィールドでは同時に読み出しが行わ
れる組み合わせになる。そのときに、画素Ｐｉ２と画素
Ｐｉ３の露光時間が異なっていると、露光時間がずれた
分だけ正しい画像情報が得られなくなる。

【００５９】露光はリセットがオフになったときから始
まるので、画素Ｐｉ２と画素Ｐｉ３のリセットオフのタ
イミングを合わせるために、図３のようなタイミングチ
ャートになっている。これは画素Ｐｉ２と画素Ｐｉ３だ
けでなく、その他第２フィールドで組み合わせられる２
行の下の行の各画素のリセットはすべて上記のような関
係とされている。

【００６０】また、第２フィールドの１行目の画素のリ
セットを行うのも、同様に次に行われる第１フィールド
の読み出し時に組み合わせとなる２行目の画素と露光開
始のタイミングを合わせるためである。また、第２フィ
ールドにおける３行目の画素と４行目の画素等のリセッ
ト信号のタイミングも同様である。このように、第１フ
ィールドと第２フィールドでは異なった制御信号を生成
しなくてはならない。

【００６１】このように、本実施の形態によれば、第１
フィールドと第２フィールドとで組み合わせになる画素
を１行ずらすことができ、解像度の低下を防止すること
ができ、また、解像度の低下を防止するための画素の組
み合わせを切り替えるためのトランジスタが不要であ
り、以上よりトランジスタ数を増やすことなく、インタ
ーレースの読み出しを行うことができる。

【００６２】ところで、本実施の形態では、制御回路
が、図２のステップＳ２でインターライン読み出しでは
ない、すなわちプログレッシブの読み出しであると判定
したときには、プログレッシブモードのコントロールが
行われる（図２のステップＳ７）。このプログレッシブ
モードのコントロールの際には、図７に示すように１行
目から順に各行に制御信号を印加する。これにより、ノ
ンインターレース（プログレッシブ）の読み出しができ
る。

【００６３】なお、本発明は以上の実施の形態に限定さ
れるものではなく、例えば、インターレース読み出しの
ための２つの画素だけでなく、同じカレントミラー回路
につながった複数の画素の信号の合成にも有効である。
また、回路の構成として、列と行を入れ替えることも可
能である。更に、回路の構成は、ＮＭＯＳとＰＭＯＳ、
ＶｄｄとＧＮＤ、Ｐ型とＮ型、などを入れ替えて、電流
の方向等を変えても、同じ効果が得られる。

【００６４】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれ
ば、あるフィールドではカレントミラー回路にＭ個の画
素の出力電流の合計の電流を流し、このカレントミラー
回路に流れる電流に比例した電圧を出力手段により出力
させることをＭ個の画素単位ですべての画素について繰
り返し、次のフィールドでは１行画素をずらしてＭ個の
画素単位で上記と同様の読み出しを行うようにしたた
め、第１フィールドと第２フィールドとで組み合わせに
なる画素を１行ずらすことができ、インターレースの信
号を解像度を落とすことなく得ることができる。

【００６５】また、本発明によれば、プログレッシブと
判定したときには、カレントミラー回路に接続されてい
るＮ個の画素選択用トランジスタを制御して、各画素を
上から順に選択することを一定周期で繰り返すことによ
り、インターレースの読み出しとプログレッシブの読み
出しを同一画素で可能としたため、トランジスタ数を増
やすことなく、インターレースとプログレッシブの読み
出しを任意の切り替えて行うことができる。

【００６６】更に、本発明によれば、インターレース読
み出し時において、次のフィールドで同時に読出しされ
る画素の組を構成する２行の各画素のフォトダイオード
のリセットオフのタイミングを合わせるようにしたた
め、次のフィールドで同時に読出しされる２行の各画素
の露光時間のずれを防止し、正しい画像情報を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になる固体撮像装置の一実施の形態の要
部の回路図である。

【図２】本発明方法の一実施の形態のフローチャートで
ある。

【図３】本発明方法におけるインターレースの第１フィ
ールドの読み出し動作説明用タイムチャートである。

【図４】本発明方法におけるインターレースの第２フィ
ールドの読み出し動作説明用タイムチャートである。

【図５】一般的なＣＭＯＳイメージセンサの一例の全体
構成図である。

【図６】カレントミラーの回路を用いたＣＭＯＳイメー
ジセンサの要部の一例の回路図である。

【図７】従来の読み出し方法のタイミングチャート（プ
ログレッシブ）である。

【符号の説明】

１、ＰＤａ、ＰＤｂ、ＰＤｃ フォトダイオード ２ アンプ ３ スイッチ ４ 垂直シフトレジスタ及び行コントロール回路 ５ ノイズキャンセラ ６ 水平シフトレジスタ １１ カレントミラー回路 １２ ＣＤＳ回路 １３ 電圧源 Ｍ１ａ、Ｍ１ｂ、Ｍ１ｃ リセット用Ｐチャネル型電界
効果トランジスタ Ｍ２ａ、Ｍ２ｂ、Ｍ２ｃ Ｐチャネル型電界効果トラン
ジスタ Ｍ３ａ、Ｍ３ｂ、Ｍ３ｃ 出力用Ｐチャネル型電界効果
トランジスタ Ｍ４ 電流源用Ｐチャネル型電界効果トランジスタ Ｍ５ Ｐチャネル型電界効果トランジスタ Ｍ６、Ｍ７ カレントミラー回路用Ｎチャネル型電界効
果トランジスタ Ｐ１１〜Ｐ３３、ＰＩ１〜Ｐｉ３ 画素

フロントページの続き Ｆターム(参考） 4M118 AA05 AB01 BA14 CA02 DD12 FA06 5C024 AX01 CX06 CX37 GX03 GX16 GY38 GZ24 HX28 HX29 HX40 JX12 JX14

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 フォトダイオードと、画素選択用トラン
   ジスタと、前記フォトダイオードで発生した電荷量に応
   じた電流を出力ラインに出力する出力用トランジスタと
   から少なくとも構成される画素が、二次元マトリクス状
   に又は一次元ライン状に複数配列されており、同じ行又
   は同じ列の複数の画素の各出力用トランジスタが接続さ
   れた前記出力ラインの一端にはカレントミラー回路が接
   続され、そのカレントミラー回路に流れる電流を電圧に
   変換してノイズキャンセラへ出力する出力手段とを有す
   る固体撮像装置において、 前記カレントミラー回路に接続されているＮ個（Ｎは２
   以上の整数）の画素に共通接続されると共に、前記カレ
   ントミラー回路に電流を供給するための電圧源と、 前記カレントミラー回路に接続されているＮ個の画素の
   うち、隣接するＭ個（ＭはＮより小なる２以上の整数）
   の画素ずつ、それらの前記画素選択用トランジスタを制
   御して同時に選択することを一定方向に、かつ、一定周
   期で順次に前記Ｎ個の画素のすべてについて繰り返した
   後、続けて前記カレントミラー回路に接続されているＮ
   個の画素のうち、１個ずらした隣接するＭ個の画素ず
   つ、それらの前記画素選択用トランジスタを制御して同
   時に選択することを一定方向に、かつ、一定周期で順次
   に前記Ｎ個の画素のすべてについて繰り返す画素選択手
   段と、 前記画素選択手段により選択された前記Ｍ個の画素の前
   記フォトダイオードにより発生した電荷量に応じた電流
   を、前記出力ラインを介して前記カレントミラー回路に
   それぞれ供給するように、前記Ｍ個の画素の前記出力用
   トランジスタを同時に制御する出力制御手段とを有し、
   インターレース方式の読み出しを行うことを特徴とする
   固体撮像装置。
2. 【請求項２】 フォトダイオードと、画素選択用トラン
   ジスタと、前記フォトダイオードで発生した電荷量に応
   じた電流を出力ラインに出力する出力用トランジスタと
   から少なくとも構成される画素が、二次元マトリクス状
   に又は一次元ライン状に複数配列されており、同じ行又
   は同じ列の複数の画素の各出力用トランジスタが接続さ
   れた前記出力ラインの一端にはカレントミラー回路が接
   続され、そのカレントミラー回路に流れる電流を電圧に
   変換してノイズキャンセラへ出力する出力手段とを有す
   る固体撮像装置の読み出し方法において、 前記カレントミラー回路に接続されているＮ個（Ｎは２
   以上の整数）の画素のうち、隣接するＭ個（ＭはＮより
   小なる２以上の整数）の画素ずつ、それらの前記画素選
   択用トランジスタを制御して同時に選択することを一定
   方向に、かつ、一定周期で順次に繰り返す第１のステッ
   プと、 前記第１のステップにより選択された前記Ｍ個の画素の
   前記フォトダイオードにより発生した電荷量に応じた電
   流を、前記出力ラインを介して前記カレントミラー回路
   にそれぞれ供給するように、前記Ｍ個の画素の前記出力
   用トランジスタを同時に制御する第２のステップと、 前記第１のステップにより前記Ｎ個の画素のすべてにつ
   いて画素選択が終了した後、続けて前記カレントミラー
   回路に接続されているＮ個の画素のうち、前記第１のス
   テップとは１個ずらした隣接するＭ個の画素ずつ、それ
   らの前記画素選択用トランジスタを制御して同時に選択
   することを一定方向に、かつ、一定周期で順次に繰り返
   す第３のステップと、 前記第３のステップにより選択された前記Ｍ個の画素の
   前記フォトダイオードにより発生した電荷量に応じた電
   流を、前記出力ラインを介して前記カレントミラー回路
   にそれぞれ供給するように、前記Ｍ個の画素の前記出力
   用トランジスタを同時に制御する第４のステップとを含
   み、前記第１乃至第４のステップを巡回的に繰り返して
   インターレース方式の読み出しを行うことを特徴とする
   固体撮像装置の読み出し方法。
3. 【請求項３】 前記固体撮像装置は、前記画素が二次元
   マトリクス状に複数配列されており、各列のＮ個の画素
   の各出力用トランジスタが接続された前記出力ラインの
   一端には、それぞれカレントミラー回路が接続されてお
   り、前記第１のステップは、前記カレントミラー回路に
   接続されている各列のＮ個（Ｎは２以上の整数）の画素
   のうち、隣接する２行の各画素単位で、それらの前記画
   素選択用トランジスタを制御して同時に選択して、列方
   向に、かつ、一定周期で順次に繰り返し、前記第３のス
   テップは、前記第１のステップで選択した２行の各画素
   よりも１行下にずらした２行の各画素単位で、それらの
   前記画素選択用トランジスタを制御して同時に選択し
   て、列方向に、かつ、一定周期で順次に繰り返すことを
   特徴とする請求項２記載の固体撮像装置の読み出し方
   法。
4. 【請求項４】 前記複数の画素は、前記フォトダイオー
   ドをリセットするリセット用トランジスタをそれぞれ有
   しており、前記第１及び第３のステップは、前記隣接す
   る２行の各画素を選択している期間内で、選択している
   各画素内の前記リセット用トランジスタをオフから同時
   にオンとし、下の行の各画素内の前記リセット用トラン
   ジスタと次に選択する２行の各画素のうち上の行の各画
   素内の前記リセット用トランジスタを同時にオフとする
   ことを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置の読み出
   し方法。
5. 【請求項５】 インターレースかプログレッシブかを判
   定し、インターレースと判定したときには前記第１乃至
   第４のステップを行わせる第５のステップと、前記第５
   のステップによりプログレッシブと判定したときには、
   前記カレントミラー回路に接続されているＮ個（Ｎは２
   以上の整数）の前記画素選択用トランジスタを制御し
   て、各画素を上から順に選択することを一定周期で繰り
   返す第６のステップとを更に有し、前記インターレース
   の読み出しと前記プログレッシブの読み出しを同一画素
   で可能とすることを特徴とした請求項２記載の固体撮像
   装置の読み出し方法。