JP2004112474A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高輝度物体からの光による影響や、Ｈシェーディングの発生、垂直ブランク期間中の放電による画像の乱れを防止する固体撮像装置を提供すること。
【解決手段】固体撮像装置１０は、入射する撮像光を光電変換して出力する。固体撮像装置１０は、入射する撮像光を電気信号に変換する有効画素１１と、光が入射しないように遮蔽されおり、暗電流レベルの基準となる電気信号を出力するＯＢ部１３と、映像信号としては用いられない電気信号を出力するダミー画素１２と、有効画素１１、ＯＢ部１３およびダミー画素１２が出力する電気信号を読み出して出力するセレクタ１４とを備える。セレクタ１４は、水平スキャナからの制御信号に基づいて、水平ブランク期間中に、ダミー画素１２からの電気信号を読み出して、Ｈシェーディングを終了させる。
【選択図】　　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置に関し、より特定的には、ランダムアクセス可能な固体撮像素子を用いた固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、固体撮像装置は、被写体からの光（撮像光）を受光する固体撮像素子として、チャージ・カップルド・デバイス（以下、ＣＣＤという）（例えば、特許文献１参照）やＣＭＯＳセンサ（特許文献２参照）等を用いる。これらのデバイスには、画素の一部を遮光することによって、光電変換が行われないオプティカルブラック部（以下、ＯＢ部という）が設けられている。一般的なＯＢ部は、有効画素の後半に配置されることが多い。
【０００３】
図１１は、ＣＭＯＳセンサによる従来の固体撮像装置の構成を示す図である。図１１において、ＣＭＯＳセンサによる従来の固体撮像装置は、有効画素５１と、ＯＢ部５３と、セレクタ５４と、水平スキャナ５５と、アンプ５６と、垂直スキャナ５７とを含む（特許文献２参照）。
【０００４】
有効画素５１は、複数の画素を有し、撮像光を信号電荷に変換して、その電荷を一定期間だけ画素上に蓄積しておく。垂直スキャナ５７は、タイミング発生回路（図示せず）からの制御信号に基づいて、有効画素５１およびＯＢ部５３の横１ライン分を選択する。横１ライン分が選択されると、有効画素５１およびＯＢ部５３に含まれる横１ライン上の各画素が有するフローティング・ディフュージョン・アンプ（図示せず）は、信号電荷を信号電圧に変換する。
【０００５】
水平スキャナ５５は、タイミング発生回路からの制御信号に応じて、セレクタ５４をオンオフするための制御信号を出力し、セレクタ５４の動作を制御する。垂直スキャナ５７による横１ライン分の選択と同時に、水平スキャナ５５は、セレクタ５４が有効画素５１およびＯＢ部５３の信号電圧を水平方向に順次選択するように制御する。セレクタ５４は、水平スキャナ５５からの制御信号に応じて、有効画素５１およびＯＢ部５３の信号電圧を水平方向に順次読み出し、アンプ５６に入力する。アンプ５６は、セレクタ５４からの信号を低インピーダンス化して出力し、ＯＢクランプ回路に入力する。
【０００６】
ＯＢ部５３は、有効画素５１と同一の画素からなるが、光が入射しないように遮光されている。しかし、有効画素５１およびＯＢ部５３の出力（ＯＢレベルという）には、互いに等しい暗電流が含まれている。ＯＢクランプ回路は、ＯＢレベルに基づいて暗電流をキャンセルし、映像信号の黒レベルを調整するクランプ処理を行い、黒レベル位置が調整された映像信号を出力する。すなわち、ＯＢレベルは、暗電流の基準となる。
【０００７】
なお、一般的なＣＭＯＳセンサでは、有効画素５１およびＯＢ部５３とセレクタ５４との間には、ＦＰＮ（Ｆｉｘｅｄ　Ｐａｔｔｅｒｎ　Ｎｏｉｓｅ：固定パターンノイズ）抑圧を目的とするノイズキャンセラが配置されている。固定パターンノイズは、フォトダイオードに接続されるトランジスタの特性のばらつきに起因して発生するノイズである。
【０００８】
図１２は、従来の固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。図１２（ａ）は、水平タイミングチャートである。一水平期間は、映像期間、ＯＢ期間および水平ブランク期間からなる。映像期間における信号は、映像信号として扱われる。ＯＢ期間における信号は、暗電流であって、黒レベルを調整するための信号として扱われる。水平ブランク期間は、ＦＰＮの抑圧を図るために設けられた期間である。ＯＢ期間において、ＯＢクランプ回路に入力されるクランプパルスはハイレベルとなる。ＯＢクランプ回路は、クランプパルスがハイレベルの間、ＯＢ期間の出力をコンデンサに保持し、一水平期間全体の信号レベルをシフトさせたものを出力する。すなわち、ＯＢクランプ回路は、ＯＢ期間をクランプ処理することにより、暗電流をキャンセルして、黒レベルを決め、映像信号全体の電圧レベルを調整することにより、きれいな映像を出力することとなる。従来のＯＢクランプ回路としては、例えば、特許文献１や特許文献３に掲載のものが知られている。
【０００９】
図１２（ｂ）は、垂直タイミングを示すタイミングチャートである。図１２（ｂ）に示すように、一垂直期間の内、有効ライン期間中は出力信号があるものの、垂直ブランク期間（２０〜５０水平期間）には、信号出力がなく、かつクランプパルスも出力されない。垂直ブランク期間は、固体撮像装置が周辺の機器と同期するために設けられた期間である。
【００１０】
【特許文献１】
特開２０００−１２５２１１号公報（図７）
【特許文献２】
特開平１１−１９６３３２号公報
【特許文献３】
特開２０００−０１０１０３号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の構成では、水平ブランク後の信号読み出し時に、いわゆるＨシェーディングの問題が発生する。図１３は、水平ブランク後の信号読み出し時のＨシェーディングの問題を説明するための図である。
【００１２】
ここで、Ｈシェーディングについて簡単に説明しておく。ＣＭＯＳセンサは、半導体基板にＮ型、Ｐ型イオンを注入することで製作される。しかし、半導体基板内のＧＮＤもイオン注入等で形成されるので、半導体基板内のＧＮＤは、高抵抗になってしまう。また、ＰＮ接合等による寄生容量が発生し、ＧＮＤが高抵抗であるので、ＬＰＦが構成されることとなる。つまり、理想的には、ＧＮＤ＝０Ｖであるが、実際には、ＧＮＤレベルが時間と共に変化する。つまり、水平ブランク直後にスキャナが動き出すとＧＮＤレベルが変動するため、信号レベルも変動することとなる。このように、Ｈシェーディングは、水平ブランクの間に停止していた垂直スキャナ５７や水平スキャナ５５が、水平ブランク終了後に急激に動き出すことによって発生するものである。ただし、Ｈシェーディングは、一定時間が経過すれば安定し、定常状態になる。
【００１３】
たとえば、ある一定光量があった場合、Ｈシェーディングによって、映像信号の先頭部が影響を受け、本来平坦であるべき部分が、図１３に示すように、傾きを持つようになる。従来の固体撮像装置において、この現象は、大なり小なり発生する。Ｈシェーディングが発生すると、画面の左端部が他の部分よりも黒くなったり、白くなったりするため画質が著しく低下する。したがって、画質上問題となる。また、Ｈシェーディングによる影響を回避するために何らかの補正回路が必要となり、電力増加等を招いてしまう。
【００１４】
また、従来の構成では、高輝度物体を撮影する場合にも問題が発生する。図１４は、高輝度物体撮像時の問題を説明するための図である。図１４（ａ）は、有効画素５１およびＯＢ部５３の断面拡大模式図であり、かつ高輝度物体６０からの光（図上、点線矢印で示す）がＯＢ部５３に侵入する様子を示す図である。図１４（ｂ）は、ＯＢ部５３への光の侵入があるときのアンプ５６の出力およびＯＢクランプ回路に入力されるクランプパルスを示す図である。
【００１５】
図１４（ａ）に示すように、ＯＢ部５３は、アルミ板で遮光されている。しかし、高輝度物体６０からの強い光は、乱反射を繰り返しながら横方向からＯＢ部５３に侵入する。これにより、本来、アルミ板によって光が侵入しないよう構成されたＯＢ部５３であっても、図１４（ｂ）に示すように、ＯＢ期間中に光の漏れ込みによって生じる光漏れ期間が発生してしまう。なお、ＯＢ期間直前におけるアンプ５６の出力レベルが高くなっているのは、高輝度物体６０からの強い光の影響を受けているためである。
【００１６】
光漏れによって発生する信号のレベルは、当然、高輝度物体６０からの光が入射する境界部ほど高く、境界部から離れるほど低くなる。この状態で、ＯＢクランプ回路がクランプすると、黒レベルの位置が大きくずれてしまい、実際の被写体は明るいにも関わらず、映像としては薄暗くなっていまうという画像破錠を招いてしまうという問題がある。
【００１７】
さらに、従来の構成では、垂直動作時にも問題が発生する。図１５は、垂直動作時の問題を説明するための図である。先述したように、垂直ブランク期間中において、クランプパルスは、出力されない。これは、垂直ブランク期間には信号が出力されないか、もしくは意味のない信号が出力されるため、垂直ブランク期間中にクランプパルスを出力すると誤動作してしまうからである。しかし、ＯＢクランプ回路では、コンデンサに信号電圧を蓄積してクランプ動作を行う。したがって、垂直ブランク期間中に、信号電圧が漏電等によって放電してしまい、クランプレベルがずれるため、画像破錠を招いてしまうという問題がある。
【００１８】
それゆえ、本発明の目的は、高輝度物体からの光による影響や、Ｈシェーディングの発生、垂直ブランク期間中の放電による画像の乱れを防止する固体撮像装置を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
第１の発明は、入射する撮像光を光電変換して出力するランダムアクセス可能な固体撮像素子からなる固体撮像装置であって、
入射する撮像光を電気信号に変換する有効画素部と、
光が入射しないように遮蔽されおり、暗電流レベルの基準となる電気信号を出力するオプティカルブラック部と、
映像信号としては用いられない電気信号を出力するダミー画素部と、
有効画素部、オプティカルブラック部およびダミー画素部が出力する電気信号を読み出して出力する画素読み出し出力手段とを備え、
画素読み出し出力手段は、水平ブランク期間中にダミー画素部からの電気信号を読み出した後、有効画素およびオプティカルブラック部からの電気信号を読み出すことを特徴とする。
【００２０】
上記第１の発明によれば、水平ブランク期間中にダミー画素部からの電気信号を読み出すことによって、Ｈシェーディングを終了させることができる。水平ブランク期間後は、従来と同様に、有効画素部およびオプティカルブラック部からの電気信号を読み出すこととなる。したがって、Ｈシェーディングの影響による画像の乱れを防止する固体撮像装置を提供することが可能となる。
また、水平ブランク期間中にダミー画素の読み出しが終了するので、固体撮像装置の後段に接続されるＯＢクランプ回路や信号処理回路等を何ら変更する必要がない。したがって、Ｈシェーディングによる影響を補正するような特別の回路を必要としないので、回路の追加による電力増加等を回避することが可能となる。
さらに、第１の発明のような構成は、極めて簡単であるので、実用上大変有効である。
【００２１】
第２の発明は、第１の発明において、画素読み出し出力手段は、Ｈシェーディングが終了するまでダミー画素部からの電気信号を複数回読み出すことを特徴とする。
【００２２】
上記第２の発明によれば、Ｈシェーディングが終了するまで、ダミー画素部からの電気信号を複数回読み出すこととなるので、ダミー画素として追加する画素数の低減を図ることが可能となる。
【００２３】
第３の発明は、第２の発明において、ダミー画素部は、固体撮像素子に設けられている無駄画素であることを特徴とする。
【００２４】
上記第３の発明によれば、固体撮像素子に通常存在する無駄画素をダミー画素として用いることとなるので、画素の有効活用を図ることができ、その結果、画素数の低減を図ることが可能となる。
【００２５】
第４の発明は、第１の発明において、ダミー画素部は、Ｈシェーディング期間に相当するだけの画素数を有することを特徴とする。
【００２６】
上記第４の発明によれば、ダミー画素の読み出し中に、Ｈシェーディングを終了させることが期待できる。
【００２７】
第５の発明は、第１の発明において、有効画素部、オプティカルブラック部およびダミー画素部は、ＣＭＯＳセンサからなることを特徴とする。
【００２８】
第６の発明は、入射する撮像光を光電変換して出力するランダムアクセス可能な固体撮像素子からなる固体撮像装置であって、
入射する撮像光を電気信号に変換する有効画素部と、
光が入射しないように遮蔽されおり、暗電流レベルの基準となる電気信号を出力する第１のオプティカルブラック部と、
有効画素部と第１のオプティカルブラック部との間に配置され、かつ光が入射しないように遮蔽されている第２のオプティカルブラック部と、
有効画素部および第１のオプティカルブラック部が出力する電気信号を読み出して、映像信号として出力する画素読み出し出力手段とを備える。
【００２９】
上記第６の発明によれば、第１のオプティカルブラック部は、有効画素から離れて配置されるので、高輝度物体からの光の影響を受けにくい。このように、二つのオプティカルブラック部を設けて、高輝度物体からの光の影響を受けている第２のオプティカルブラック部からの電気信号を出力せず、高輝度物体からの光の影響を受けない第１のオプティカルブラック部からの信号電圧を暗電流レベルの基準として出力することとなるので、高輝度物体からの光によって映像が乱れることのない固体撮像装置を提供することが可能となる。また、第６の発明に係る固体撮像装置の構成は、極めて簡単であるので、実用上大変有効である。
【００３０】
第７の発明は、第６の発明において、画素読み出し出力手段は、垂直ブランク期間中に、第１のオプティカルブラック部の一部を垂直方向に読み出すことを特徴とする。
【００３１】
上記第７の発明によれば、垂直ブランク期間中、第１のオプティカルブラック部から垂直方向の出力信号を得ることができるので、ＯＢクランプ回路で垂直ブランク期間中もクランプ処理を行うことが可能となる。したがって、コンデンサの放電等によって、垂直ブランク期間中にＯＢクランプレベルがずれてしまうという問題が回避できる。それゆえ、垂直ブランク期間のクランプレベルのずれ、および高輝度物体からの光による映像破錠を防止する固体撮像装置を提供することが可能となる。
【００３２】
第８の発明は、第７の発明において、第１のオプティカルブラック部の一部を垂直方向に読み出すことによって出力される電気信号は、通常のＯＢクランプ期間とは異なる長さのＯＢクランプ期間によってクランプ処理されることを特徴とする。
【００３３】
上記第８の発明によれば、通常のＯＢクランプ期間よりも長い間クランプ処理されることとなるので、水平ブランク期間より長い垂直ブランク期間においても、放電によるクランプレベルのずれを防止することが可能となる。
【００３４】
第９の発明は、第６の発明において、第２のオプティカルブラック部は、映像信号には用いられない電気信号を出力し、
画素読み出し出力手段は、水平ブランク期間中に第２のオプティカルブラック部からの電気信号を読み出した後、有効画素および第１のオプティカルブラック部からの電気信号を読み出すことを特徴とする。
【００３５】
上記第９の発明によれば、水平ブランク期間中に第２のオプティカルブラック部からの電気信号を読み出すので、後段の回路を従来と同様のものとすることができ、さらに、第２のオプティカルブラック部からの電気信号の読み出しの間に、Ｈシェーディングが終了していることとなるので、高輝度物体からの光、およびＨシェーディングの影響による映像の乱れを防止する固体撮像装置を提供することが可能となる。
【００３６】
第１０の発明は、第６の発明において、有効画素部、第１のオプティカルブラック部および第２のオプティカルブラック部は、ＣＭＯＳセンサからなることを特徴とする。
【００３７】
第１１の発明は、入射する撮像光を光電変換して出力するランダムアクセス可能な固体撮像素子からなる固体撮像装置であって、
入射する撮像光を電気信号に変換する有効画素部と、
有効画素部との間に間隔が空くように配置されており、暗電流レベルの基準となる電気信号を出力するオプティカルブラック部と、
オプティカルブラック部における画素部分を一定の余裕を持たせて覆い隠して、オプティカルブラック部を遮光するための遮光板と、
有効画素部およびオプティカルブラック部が出力する電気信号を読み出して、映像信号として出力する画素読み出し出力手段とを備える。
【００３８】
上記第１１の発明によれば、高輝度物体からの光が、乱反射によってオプティカルブラック部に入射するのを防止することができるので、高輝度物体からの光による画像の乱れを防止する固体撮像装置を提供することが可能となる。また、極めて簡単な構成となるので、実用上大変有効である。
【００３９】
第１２の発明は、第１１の発明において、有効画素部およびオプティカルブラック部は、ＣＭＯＳセンサからなることを特徴とする。
【００４０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０が適用される全体回路の構成を示すブロック図である。図１において、全体回路は、固体撮像装置１０と、ＯＢクランプ回路２０と、タイミング発生回路３０と、信号処理回路４０とを備える。タイミング発生回路３０は、クランプパルスをＯＢクランプ回路２０に供給すると共に、制御信号を固体撮像装置１０に供給する。固体撮像装置１０は、ＣＭＯＳセンサであって、タイミング発生回路３０から出力される制御信号に基づいて、画素上の信号電荷を信号電圧に変換して読み出し、出力信号としてＯＢクランプ回路２０に供給する。ＣＭＯＳセンサは、ランダムアクセス可能な固体撮像素子である。
【００４１】
ＯＢクランプ回路２０は、タイミング発生回路３０から供給されるクランプパルスおよび固体撮像装置１０から出力されるＯＢレベルに基づいて、固体撮像装置１０からの出力信号の電圧レベルを調整し、信号処理回路４０に入力する。信号処理回路４０は、ＯＢクランプ回路２０からの信号に基づいて、ガンマ、ニー処理等を施す。
【００４２】
図２は、図１におけるＯＢクランプ回路２０の構成を示す回路図である。図２において、ＯＢクランプ回路２０は、スイッチ２１と、目標値設定回路２２と、第１のＯＰアンプ２３と、コンデンサＣ１と、第２のＯＰアンプ２４とを含む。固体撮像装置１０の出力信号は、第２のＯＰアンプ２４の＋側に入力される。第２のＯＰアンプ２４の出力信号は、信号処理回路４０およびスイッチ２１に供給される。
【００４３】
スイッチ２１は、タイミング発生回路３０から入力されるクランプパルスに基づいて、クランプパルスがハイレベルの期間（ＯＢ期間に相当する期間）だけオン状態となる。コンデンサＣ１は、スイッチ２１がオン状態のとき、固体撮像装置１０出力のＯＢ部相当の電荷を保持する。目標値設定回路２２は、ボリュームやマイコンを介したＤ／Ａコンバータであって、ＯＢクランプレベルを調整するための黒レベルを示す目標値電圧を出力する。第１のＯＰアンプ２３は、比較器であって、コンデンサＣ１に充電された電荷による電圧と目標値設定回路２２が出力する目標値電圧とを比較して、その差を増幅し、第２のＯＰアンプ２４の−側に供給する。
【００４４】
すなわち、第１のＯＰアンプ２３は、固体撮像装置１０からの出力信号のＯＢレベルと、目標値設定回路２２からの目標値電位とを比較し、ＯＢレベルと目標値電圧との誤差を増幅したものを第２のＯＰアンプ２４に供給する。第２のＯＰアンプ２４は、減算回路であって、固体撮像装置１０からの出力信号から第１のＯＰアンプ２３からの出力信号を減算して、出力する。すなわち、第２のＯＰアンプ２４は、固体撮像装置１０からの出力信号の暗電流をキャンセルしつつ、ＯＢレベルと目標値黒レベルとの誤差を抑圧するように動作する。なお、固体撮像装置１０の出力信号のＤＣ電位が大である場合、固体撮像装置１０の出力信号をコンデンサを介して特定電位に接地した後、ＯＢクランプ回路２０は、ＯＢクランプ動作をするようにしてもよい。
【００４５】
図３は、図１における固体撮像装置１０の構成を示す図である。図３において、固体撮像装置１０は、有効画素１１と、ダミー画素１２と、ＯＢ部１３と、セレクタ１４と、水平スキャナ１５と、アンプ１６と、垂直スキャナ１７とを含む。有効画素１１は、入射する撮像光を信号電荷に変換し、その電荷を一定期間だけ画素上に蓄積する。ＯＢ部１３は、有効画素５１と同一の画素からなるが、撮像光が入射しないように遮光されている。
【００４６】
ダミー画素１２は、有効画素５１と同一の画素からなり、その画素数は、Ｈシェーディング期間に相当するだけの画素数（たとえば、約２０画素）である。なお、Ｈシェーディング期間に相当するだけの画素数よりも少ない構成にすることも可能であるが、この点については、後述する。ダミー画素１２の信号電圧は、垂直スキャナ１７、水平スキャナ１５およびセレクタ１４によって、水平ブランク期間内に読み出される。固体撮像装置１０の後段に接続される回路（ＯＢクランプ回路２０や信号処理回路４０）において、水平ブランク期間中の信号は、映像信号としては用いられない。したがって、水平ブランク期間中に読み出されるダミー画素１２からの出力信号は、後段の回路において、映像信号としては用いられない。
【００４７】
垂直スキャナ１７は、タイミング発生回路３０からの制御信号（垂直ラインを指定するパルス信号）に基づいて、選択すべき横１ラインの垂直選択線１７ａにハイパルスを出力するような論理回路の組み合わせで構成される。垂直スキャナ１７は、タイミング発生回路３０からの制御信号に基づいて、ダミー画素１２、有効画素１１およびＯＢ部１３の横１ライン分を選択する（当該横１ラインに対応する垂直選択線１７ａにハイパルスを出力する）。垂直スキャナ１７によって横１ライン分選択されると、各画素に含まれるフローティング・ディフュージョン・アンプ（ＦＤＡ）（図示せず）は、信号電荷を信号電圧に変換する。
【００４８】
水平スキャナ１５は、タイミング発生回路３０からの制御信号（縦ラインを指定するパルス信号）に基づいて、選択すべき縦１ラインの水平選択線１５ａにハイパルスを出力するような論理回路の組み合わせで構成される。水平スキャナ１５は、タイミング発生回路３０からの制御信号に応じて、水平選択線１５ａにハイパルスを出力し、セレクタ１４の動作を制御する。垂直スキャナ１７による横１ライン分の選択の後、水平スキャナ１５は、ダミー画素１２、有効画素１１およびＯＢ部１３の信号電圧を水平方向に順次選択するようにセレクタ１４を制御する。
【００４９】
セレクタ１４は、水平スキャナ１５からのハイパルスに応じて、オン状態となる各水平選択線１５ａに接続された水平転送スイッチＭＯＳトランジスタで構成される。セレクタ１４は、垂直選択線１７ａおよび水平選択線１５ａが共にハイパルスとなっている画素上の信号電圧を読み出し、アンプ１６に入力する。アンプ１６は、セレクタからの信号を低インピーダンス化し、信号極性を反転させて出力する。
【００５０】
タイミング発生回路３０は、水平ブランク期間中にダミー画素１２を読み出し、その後、従来通り、有効画素１１およびＯＢ部１３を読み出すような制御信号を垂直スキャナ１７および水平スキャナ１５に入力する。通常、水平ブランク期間には、固定パターンノイズの抑圧のための時間以外に、ある程度の余裕時間が設けられている。タイミング発生回路３０は、その余裕時間の間に、ダミー画素１２を読み出すような制御信号を垂直スキャナ１７および水平スキャナ１５に入力する。
【００５１】
上記のように、タイミング発生回路３０、水平スキャナ１５、垂直スキャナ１７およびセレクタ１４によって、画素の読み出しが行われる。
【００５２】
図４は、固体撮像装置１０の出力およびクランプパルスを示す図である。以下、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の動作について説明する。Ｈシェーディングの発生期間は予め調べておくことができる。したがって、先述したように、ダミー画素１２は、Ｈシェーディングの発生期間に相当するだけの画素数を持っているものとする。
【００５３】
水平スキャナ１５は、タイミング発生回路３０からの制御信号に基づいて、水平ブランク期間中に、横１列分のダミー画素１２を順次読み出すよう、セレクタ１４を制御する。セレクタ１４は、水平スキャナ１５の制御信号に従い、Ｈシェーディングが終了するまで、横１列分のダミー画素１２を順次読み出す。その後、水平スキャナ１５は、タイミング発生回路３０からの制御信号に基づいて、従来通り、有効画素１１およびＯＢ部１３を順次読み出すようセレクタ１４を制御する。
【００５４】
このように、第１の実施形態では、水平ブランク期間中にダミー画素１２を読み出し、Ｈシェーディングを終了させる。その後は、従来と同様に、有効画素１１およびＯＢ部１３からの電気信号を読み出すこととなる。したがって、Ｈシェーディングの影響による画像の乱れを防止する固体撮像装置を提供することが可能となる。
【００５５】
また、水平ブランク期間中にダミー画素の読み出しが終了するので、固体撮像装置の後段に接続されるＯＢクランプ回路や信号処理回路を何ら変更する必要がない。したがって、Ｈシェーディングによる影響を補正するような特別の回路を必要としないので、回路の追加による電力増加等を回避することが可能となる。
【００５６】
さらに、第１の実施形態のような構成は、極めて簡単であるので、実用上大変有効である。
【００５７】
なお、上記実施形態では、一水平期間において、ダミー画素１２の横１列を一回だけ読み出している間にＨシェーディングを終了させる構成とするために、ダミー画素１２が、Ｈシェーディング期間に相当するだけの画素数を有することとした。しかし、Ｈシェーディングが終了するまでダミー画素を複数回読み出すような制御信号をタイミング発生回路３０が出力するようにして、ダミー画素の読み出しの間にＨシェーディングを終了させるようにしてもよい。これにより、画素数の低減を図ることが可能となる。
【００５８】
なお、製造上、端の画素におけるフォトダイオードの特性にバラツキが生じるので、通常のＣＭＯＳセンサには、有効画素の周辺端に余分な画素（無駄画素）が設けられている。ダミー画素として、この無駄画素を利用して、Ｈシェーディングが終了するまで、複数回このダミー画素を読み出すようにすれば、さらに画素数の低減を図ることが可能となる。
【００５９】
（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す図である。固体撮像装置が適用される全体回路は、第１の実施形態の場合と同様であるので、図１を援用することとする。図５において、固体撮像装置は、有効画素１１と、第１のＯＢ部１２３と、第２のＯＢ部１２２と、セレクタ１２４と、水平スキャナ１２５と、アンプ１６と、垂直スキャナ１７とを含む。図５において、第１の実施形態と同様の機能を有する部分については、同一の参照符号を付し、説明を省略することとする。
【００６０】
第１のＯＢ部１２３および第２のＯＢ部１２２は、遮光されている。第２の実施形態の特徴は、第１のＯＢ部１２３以外に、新たに第２のＯＢ部を設けたことである。有効画素１１と第２のＯＢ部１２２との境界に高輝度物体１８からの光が入射した場合、第２のＯＢ部１２２には、図１５（ａ）に示したように、乱反射によって光が入射する。しかし、第１のＯＢ部１２３は高輝度物体１８からの光の入射位置から離れた位置に配置されているため、第１のＯＢ部１２３には、光がほとんど入射することはない。
【００６１】
タイミング発生回路３０は、有効画素１１および第１のＯＢ部１２３のみの出力信号を選択するような制御信号を出力する。セレクタ１２４は、水平スキャナ１２５からの制御信号に応じて、第２のＯＢ部１２２からの信号が欠けた信号をアンプ１６に供給する。
【００６２】
図６は、第２の実施形態に係る固体撮像装置の出力およびクランプパルスを示す図である。セレクタ１２４は第２のＯＢ部１２２の出力信号を欠くようにして出力信号をアンプ１６に供給するので、図６におけるＯＢ期間に示すように、固体撮像装置は、高輝度物体１８からの光の影響を受けることのない映像信号を出力することとなる。なお、図６において、ＯＢ期間の直前の出力が高いレベルであるのは、高輝度物体１８からの強い光が原因である。したがって、図６に示すように、従来通り、ＯＢクランプ回路２０は、ＯＢ期間のみクランプすればよい。
【００６３】
このように、第２の実施形態では、二つのＯＢ部を設けて、高輝度物体からの光の影響を受けている第２のＯＢ部１２２からの信号電圧を出力せず、高輝度物体からの光の影響を受けない第１のＯＢ部１２３からの信号電圧をＯＢレベルとして出力することとなるので、高輝度物体からの光によって映像が乱れることのない固体撮像装置を提供することが可能となる。また、第２の実施形態に係る固体撮像装置の構成は、極めて簡単であるので、実用上大変有効である。
【００６４】
なお、上記実施形態において、タイミング発生回路３０は、セレクタ１２４が第２のＯＢ部１２２からの出力を選択しないような制御信号を水平スキャナ１２５に入力することとしたが、水平スキャナ１２５とセレクタ１２４と第２のＯＢ部１２２とが物理的に切断されている構成であれば、タイミング発生回路３０がこのような制御信号を出力しなくてもよい。すなわち、セレクタ１２４が第２のＯＢ部１２２からの出力を選択しないのであれば、上記実施形態のような構成に限られるものではない。
【００６５】
なお、上記実施形態では、高輝度物体からの光の影響をなくすために第２のＯＢ部１２２からの出力を選択しないこととしたが、セレクタ１２４による読み出し順を、第２のＯＢ部１２２、有効画素１１、第１のＯＢ部１２３の順にし、第２のＯＢ部１２２の読み出しの間にＨシェーディングを終了させるよう、タイミング発生回路３０が制御信号を出力するようにしてもよい。図７は、第２のＯＢ部１２２、有効画素１１、第１のＯＢ部１２３の順で読み出したときのアンプ１６の出力を示す図である。
【００６６】
この場合、タイミング発生回路３０は、水平ブランク期間中に、光漏れが発生する第２のＯＢ部１２２を読み出すような（必要であれば、Ｈシェーディングが終了するまで、複数回読み出すような）制御信号を出力する。光漏れ期間は水平ブランク期間に含まれているので、従来通り、信号処理回路４０は、光漏れ期間を無視して、有効画素１１からの信号のみを抜き出すように動作する。したがって、信号処理回路４０は、新たに特別な処理を行わなくても、光漏れ期間を除外することとなる。このように、この読み出し順に従えば、有効画素１１を読み出す時には、Ｈシェーディングが終了していることとなるので、高輝度物体からの光、およびＨシェーディングの影響による映像の乱れを防止する固体撮像装置を提供することが可能となる。
【００６７】
（第３の実施形態）
図８は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す図である。第３の実施形態においても、第２の実施形態と同様、図１を援用する。図８において、固体撮像装置は、有効画素１１と、第１のＯＢ部１２３と、第２のＯＢ部１２２と、セレクタ１３４と、水平スキャナ１３５と、アンプ１６と、第１の垂直スキャナ１３７と、第２の垂直スキャナ１３８とを含む。図８において、第１および第２の実施形態と同様の機能を有する部分については、同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００６８】
第３の実施形態に係る固体撮像装置の特徴は、第１のＯＢ部１２３を第２の垂直スキャナ１３８によって制御することである。第１の垂直スキャナ１３７は、タイミング発生回路３０からの制御信号に基づいて、有効画素１１および第１のＯＢ部１２３のみを選択する。第２の垂直スキャナ１３８は、第１のＯＢ部１２３上の画素のみに接続された垂直選択線１３８ａにハイパルスを出力するような論理回路の組み合わせで構成される。第２の垂直スキャナ１３８は、タイミング発生回路３０からの制御信号に基づいて、第１の垂直スキャナ１３７の動作とは別に、第１のＯＢ部１２３における垂直Ａ−Ａ’方向の画素を選択する。
【００６９】
図９は、第３の実施形態に係る固体撮像装置の出力信号およびクランプパルスを示す図である。以下、図８および図９を参照しながら、固体撮像装置の動作について説明する。
【００７０】
第２の垂直スキャナ１３８は、タイミング発生回路３０からの制御信号に応じて、第１のＯＢ部１２３を、垂直Ａ−Ａ’方向に一水平期間分順次読み出すよう、セレクタ１３４を制御する。すなわち、第２の垂直スキャナ１３８は、タイミング発生回路３０からの制御信号に応じて、垂直Ａ−Ａ’方向の一画素を選択し、その画素を読み出すようにセレクタ１３４を制御する。セレクタ１３４は、第２の垂直スキャナ１３８からの制御信号に応じて、垂直Ａ−Ａ’方向の画素を順次読み出し、アンプ１６に供給する。これにより、図９に示すように、アンプ１６は、垂直ブランク期間において、一水平期間分だけＯＢレベルを出力することとなる（一水平期間には、水平ブランク期間が含まれるので、実際は、ＯＢレベルが出力されるのは、一水平期間の内、水平ブランク期間を除いた期間である）。
【００７１】
通常、セレクタ１３４は、水平スキャナ１３５によって選択される画素を一画素毎に切り換えられることとなる。しかし、この垂直Ａ−Ａ’方向部分におけるセレクタ１３４の駆動に関しては、第２の垂直スキャナ１３８によって一画素毎に切り換えられることになる。水平スキャナ１３５およびセレクタ１３４は、垂直Ａ−Ａ’方向の一ライン分を読み出すまでは固定である。つまり、垂直Ａ−Ａ’方向部分の制御に関しては、垂直スキャナと水平スキャナが入れ替わったような動作をする。
【００７２】
垂直ブランク期間経過後における固体撮像装置の動作は、第２の実施形態の場合と同様である。すなわち、タイミング発生回路３０からの制御信号に基づいて、水平スキャナ１３５は、有効ライン期間において、セレクタ１３４が、一水平方向ずつ、有効画素１１および第１のＯＢ部１２３の残りの画素を選択し、アンプ１６に供給するように制御する。
【００７３】
このように、第３の実施形態に係る固体撮像装置は、垂直ブランク期間中、一水平期間相当分のＯＢレベルを出力する。この場合、図９に示すように、タイミング発生回路３０が出力するクランプパルスは、垂直ブランク期間中において、通常のクランプパルスよりも長い間隔のクランプパルスとなる。このクランプパルスに基づいて、ＯＢクランプ回路２０は、垂直ブランク期間中でもクランプ処理を行う。先述したように、垂直ブランク期間中は、ＯＢクランプが実施されないため、コンデンサの放電等によって、クランプレベルがずれる場合が多い。また、特開平４−３０１９８２号公報のような長時間露光を実施しても、ＯＢクランプレベルは大きくずれる場合がある。
【００７４】
ところが、第３の実施形態に係る固体撮像装置は、垂直ブランク期間中もＯＢレベルを出力することとなるので、ＯＢクランプ回路で垂直ブランク期間中もクランプ処理を行うことができ、漏電等の原因によって生じるコンデンサの放電等によって、垂直ブランク期間中にＯＢクランプレベルがずれてしまうという問題が回避できる。したがって、垂直ブランク期間のクランプレベルのずれ、および高輝度物体からの光による映像破錠を防止する固体撮像装置を提供することが可能となる。
【００７５】
また、第３の実施形態では、第２の実施形態と同様に第２のＯＢ部１２２を設けているので、高輝度物体からの光のＯＢ部への侵入による問題も解消される。
【００７６】
また、第３の実施形態では、通常のＯＢクランプ期間よりも長い間クランプ処理されることとなるので、水平ブランク期間より長い垂直ブランク期間においても、放電によるクランプレベルのずれを防止することが可能となる。
【００７７】
なお、垂直Ａ−Ａ’方向の画素数が一水平期間分に満たない場合、垂直ブランク期間中のＯＢクランプパルスを短くすればよい。また、第２の垂直スキャナ１３８が、垂直Ａ−Ａ’方向について複数回読み出すような制御信号をタイミング発生回路３０が出力するようにしてもよい。
【００７８】
なお、第３の実施形態では、垂直ブランク期間中に、第１のＯＢ部１２３の信号の一部を読み出してしまうため、第２の実施形態の場合よりも第１のＯＢ部１２３の画素数を多くする必要がある。
【００７９】
（第４の実施形態）
図１０は、第４の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す図である。図１０（ａ）は、第４の実施形態に固体撮像装置の構成の概念図であり、図１０（ｂ）は、半導体チップ１４０上に配置される有効画素１１およびＯＢ部１４３の断面拡大模式図である。なお、図１０（ａ）は、構成の概念図であるので、図１０（ｂ）の断面拡大図とは、配置が若干異なっている。特に、遮光板１４９の物理的な配置に関しては、図１０（ｂ）の方が正しい。図１０において、第１の実施形態と同様の部分については、同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００８０】
図１０において、固体撮像装置は、有効画素１１と、ＯＢ部１４３と、セレクタ１４４と、水平スキャナ１４５と、アンプ１６と、第１の垂直スキャナ１４７と、第２の垂直スキャナ１４８と、遮光板１４９とを含む。
【００８１】
第１の垂直スキャナ１４７は、タイミング発生回路３０からの制御信号に応じて、有効画素１１を横一ライン分選択する。第２の垂直スキャナ１４８は、タイミング発生回路３０からの制御信号に応じて、ＯＢ部１４３を横一ライン分選択する。ＯＢ部１４３は、有効画素１１からｄだけ離れた位置に形成されている。さらに、図１０（ｂ）に示すように、遮光板１４９は、ＯＢ部１４３よりも大きく、一定の余裕を持たせて、ＯＢ部１４３を覆い隠す。
【００８２】
水平スキャナ１４５は、タイミング発生回路３０からの制御信号に基づいて、セレクタ１４４に制御信号を入力する。セレクタ１４４は、水平スキャナ１４５からの制御信号に応じて、有効画素１１およびＯＢ部１４３からの出力信号を水平方向に切り換えながらアンプ１６へ入力する。
【００８３】
このように、第４の実施形態に係る固体撮像装置では、有効画素１１と同一画素からなるＯＢ部１４３が遮光板１４９で覆い隠され、乱反射による影響を受けない位置にＯＢ部１４３が配置されている。ＯＢ部１４３と有効画素１１とは画素としては同じものであるので、ＯＢ部１４３および有効画素１１は、暗電流量に関しても同じ値を示すこととなる。また、ＯＢ部１４３を有効画素１１から離すことによって、何らかの問題が生じることもない。したがって、遮光板１４９によって高輝度物体からの光が完全にカットされ、かつ乱反射による影響を受けることを防止することが可能となるので、高輝度光の入射があっても画像が乱れることのない固体撮像装置を提供することが可能となる。また、第４の実施形態に係る固体撮像装置の構成は、極めて簡単であるので、実用上大変有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る固体撮像装置１０が適用される全体回路の構成を示すブロック図である。
【図２】図１におけるＯＢクランプ回路２０の構成を示す回路図である。
【図３】図１における固体撮像装置１０の構成を示す図である。
【図４】第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の出力およびクランプパルスを示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す図である。
【図６】第２の実施形態に係る固体撮像装置の出力およびクランプパルスを示す図である。
【図７】第２のＯＢ部１２２、有効画素１１、第１のＯＢ部１２３の順で読み出したときのアンプ１６の出力を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す図である。
【図９】第３の実施形態に係る固体撮像装置の出力信号およびクランプパルスを示す図である。
【図１０】第４の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す図である。
【図１１】ＣＭＯＳセンサによる従来の固体撮像装置の構成を示す図である。
【図１２】従来の固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図１３】水平ブランク後の信号読み出し時のＨシェーディングの問題を説明するための図である。
【図１４】高輝度物体撮像時の問題を説明するための図である。
【図１５】垂直動作時の問題を説明するための図である。
【符号の説明】
１０　固体撮像装置
２０　ＯＢクランプ回路
３０　タイミング発生回路
４０　信号処理回路
１１　有効画素
１２　ダミー画素
１３，１４３　ＯＢ部
１２３　第１のＯＢ部
１２２　第２のＯＢ部
１４，１２４，１３４，１４４　セレクタ
１５，１２５，１３５，１４５　水平スキャナ
１６　アンプ
１７　垂直スキャナ
１３７，１４７　第１の垂直スキャナ
１３８，１４８　第２の垂直スキャナ
１４０　半導体チップ
１４９　遮光板
２１　スイッチ
２２　目標値設定回路
２３　第１のＯＰアンプ
２４　第２のＯＰアンプ
Ｃ１　コンデンサ

Claims (12)

1. 入射する撮像光を光電変換して出力するランダムアクセス可能な固体撮像素子からなる固体撮像装置であって、
   入射する撮像光を電気信号に変換する有効画素部と、
   光が入射しないように遮蔽されおり、暗電流レベルの基準となる電気信号を出力するオプティカルブラック部と、
   映像信号としては用いられない電気信号を出力するダミー画素部と、
   前記有効画素部、前記オプティカルブラック部および前記ダミー画素部が出力する電気信号を読み出して出力する画素読み出し出力手段とを備え、
   前記画素読み出し出力手段は、水平ブランク期間中に前記ダミー画素部からの電気信号を読み出した後、前記有効画素および前記オプティカルブラック部からの電気信号を読み出すことを特徴とする、固体撮像装置。
2. 前記画素読み出し出力手段は、Ｈシェーディングが終了するまで前記ダミー画素部からの電気信号を複数回読み出すことを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記ダミー画素部は、前記固体撮像素子に設けられている無駄画素であることを特徴とする、請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記ダミー画素部は、Ｈシェーディング期間に相当するだけの画素数を有することを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置。
5. 前記有効画素部、前記オプティカルブラック部および前記ダミー画素部は、ＣＭＯＳセンサからなることを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置。
6. 入射する撮像光を光電変換して出力するランダムアクセス可能な固体撮像素子からなる固体撮像装置であって、
   入射する撮像光を電気信号に変換する有効画素部と、
   光が入射しないように遮蔽されおり、暗電流レベルの基準となる電気信号を出力する第１のオプティカルブラック部と、
   前記有効画素部と前記第１のオプティカルブラック部との間に配置され、かつ光が入射しないように遮蔽されている第２のオプティカルブラック部と、
   前記有効画素部および前記第１のオプティカルブラック部が出力する電気信号を読み出して、映像信号として出力する画素読み出し出力手段とを備える、固体撮像装置。
7. 前記画素読み出し出力手段は、垂直ブランク期間中に、前記第１のオプティカルブラック部の一部を垂直方向に読み出すことを特徴とする、請求項６に記載の固体撮像装置。
8. 前記第１のオプティカルブラック部の一部を垂直方向に読み出すことによって出力される電気信号は、通常のＯＢクランプ期間とは異なる長さのＯＢクランプ期間によってクランプ処理されることを特徴とする、請求項７に記載の固体撮像装置。
9. 前記第２のオプティカルブラック部は、映像信号には用いられない電気信号を出力し、
   前記画素読み出し出力手段は、水平ブランク期間中に前記第２のオプティカルブラック部からの電気信号を読み出した後、前記有効画素および前記第１のオプティカルブラック部からの電気信号を読み出すことを特徴とする、請求項６に記載の固体撮像装置。
10. 前記有効画素部、前記第１のオプティカルブラック部および前記前記第２のオプティカルブラック部は、ＣＭＯＳセンサからなることを特徴とする、請求項６に記載の固体撮像装置。
11. 入射する撮像光を光電変換して出力するランダムアクセス可能な固体撮像素子からなる固体撮像装置であって、
    入射する撮像光を電気信号に変換する有効画素部と、
    前記有効画素部との間に間隔が空くように配置されており、暗電流レベルの基準となる電気信号を出力するオプティカルブラック部と、
    前記オプティカルブラック部における画素部分を一定の余裕を持たせて覆い隠して、前記オプティカルブラック部を遮光するための遮光板と、
    前記有効画素部および前記オプティカルブラック部が出力する電気信号を読み出して、映像信号として出力する画素読み出し出力手段とを備える、固体撮像装置。
12. 前記有効画素部およびオプティカルブラック部は、ＣＭＯＳセンサからなることを特徴とする、請求項１１に記載の固体撮像装置。

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