JP2004282236A - Solid-state imaging apparatus, and driving apparatus for solid-state imaging element - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置、及び固体撮像素子の駆動装置に関する。具体的には、固体撮像装置における画素信号の基準レベルを安定化する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
ビデオカメラや電子カメラで使用されている固体撮像装置は、いくつかの種類に分類される。これらの中で、増幅型固体撮像装置は、高機能性及び低消費電力という点でCCD型のものより優れており、近年注目されている。
増幅型固体撮像装置では、2次元マトリクス状に配置された各画素は、受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換部と、この信号電荷に応じた電圧(以下、画素信号という)を出力する画素アンプとを有している。画素アンプからの画素信号は、垂直信号線及び水平信号線を介して転送され、固体撮像装置の外部に出力される。
【0003】
このような増幅型固体撮像装置は、X−Yアドレス方式であるため、スイッチングノイズが大きい。また、各画素に画素アンプを有しているので、固定パターンノイズも大きい。これらのノイズを除去するため、増幅型固体撮像装置は、各垂直信号線に接続されたノイズ除去回路を備え、画素信号に相関二重サンプリング処理を施している。ここでのノイズ除去回路とは、例えば、特許文献1における、各垂直信号線に接続されたクランプ容量及びクランプトランジスタである。
【0004】
ところで、固体撮像装置は、撮影時の温度に拘わらず画素信号の基準レベルを一定にするため、遮光された(または、フォトダイオードが形成されていない)画素を有している。本明細書では、この画素(光学的黒部、または、Optical Black)をOB画素と略記する。そして、OB画素から出力される信号(以下、ダーク信号という)は、画素信号の基準レベルを定めるために用いられる。
具体的には、ダーク信号は、固体撮像装置から出力された後、アナログ信号処理回路に入力される。アナログ信号処理回路は、ダーク信号のレベルにより、画素信号の基準レベル、即ち、黒色に相当する信号レベル(以下、ダークレベルという)を決定する。
【0005】
前記したアナログ信号処理回路は、動作状態になってから安定した信号を出力するまでにある程度の時間を要するので、撮影前においても動作状態にしておく必要がある。このため、どの行も画素信号を読み出すために選択されていない状態でも、垂直信号線及び水平信号線の各スイッチやノイズ除去回路を動作させている。これにより、アナログ信号処理回路も動作させて、画像データとは関係のない信号を出力させている(例えば、特許文献2参照)。以下、この動作を空読み動作という。
【0006】
また、ダーク信号は、温度変化により変動することがあり、高周波のノイズを含んでいる。高周波のノイズを含むダーク信号から、安定なダークレベルを得ることは困難である。このため、複数の行に亘って形成されたOB画素からの各ダーク信号を、アナログ信号処理回路内で平均化することで、安定なダークレベルを定めている。
【0007】
【特許文献1】
特開2000−77642号公報 (第7−8項、第1図)
【特許文献2】
特開2000−278616号公報 (第4−5項、第6−8図)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
増幅型固体撮像装置は、通常照度での撮影においての使用では、極めて優れている。しかし、極めて低い照度での撮影において使用する場合、外部回路での増幅率を大幅に増大させる必要があるので、ダークレベルの僅かなズレ(変動)が増幅されて、大きく表れるおそれがあった。このため、極めて低い照度での撮影においては、ダークレベルを安定化することが特に望まれていた。
【0009】
そこで、本発明は、固体撮像装置においてダークレベルをより安定化する技術を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
請求項1の固体撮像装置は、複数の受光画素と、OB画素領域と、読み出し部とを備えている。各受光画素は、受光量に応じた画素信号を出力する。OB画素領域は、画素信号の基準レベルを定めるためのダーク信号を出力する複数のオプティカルブラック画素からなる。読み出し部は、画素信号及びダーク信号を読み出し、これら読み出した信号をクランプ回路に向けて転送する。また、読み出し部は、クランプ回路が基準レベルの引き込みに要する期間、ダーク信号を複数回読み出す基準レベル安定化動作を行う。この基準レベル安定化動作の後、読み出し部は、画素信号の読み出し動作を行う。
【0011】
請求項2の固体撮像装置は、請求項1記載の発明において、以下の点を特徴とする。第1に、読み出し部は、画素信号を読み出すための第1駆動パルスを複数の受光画素に入力する第1走査回路を備えている。第2に、読み出し部は、ダーク信号を読み出すための第2駆動パルスをOB画素領域に入力する第2走査回路を備えている。第3に、読み出し部は、タイミングジェネレータを備えている。このタイミングジェネレータは、第1駆動パルスを出力するタイミングを規定するパルスを第1走査回路に入力することにより、第1走査回路に画素信号の読み出し動作を行わせる。さらに、タイミングジェネレータは、第2駆動パルスを出力するタイミングを規定するパルスを第2走査回路に入力することにより、第2走査回路に基準レベル安定化動作を行わせる。
【0012】
請求項3の固体撮像素子の駆動装置は、受光画素とOB画素領域と読み出し部とを備えた固体撮像素子を駆動するための、駆動装置である。ここで、各受光画素は、受光量に応じた画素信号を出力する。OB画素領域は、画素信号の基準レベルを定めるためのダーク信号を出力する複数のオプティカルブラック画素からなる。読み出し部は、画素信号及びダーク信号を読み出し、これら読み出した信号をクランプ回路に向けて転送する。本請求項の発明は、安定化動作指令部と、読み出し指令部とを備えていることを特徴とする。安定化動作指令部は、『クランプ回路が基準レベルの引き込みに要する期間、ダーク信号を複数回読み出す基準レベル安定化動作』を、固体撮像素子に行わせる。読み出し指令部は、基準レベル安定化動作の後、画素信号の読み出し動作を固体撮像素子に行わせる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。なお、各図において、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
<第1の実施形態の構成>
図1は、本発明の第1の実施形態における固体撮像装置のブロック図を示している。本実施形態は、請求項1及び請求項3に対応する。固体撮像装置2は、固体撮像素子4と、固体撮像素子4に駆動パルス電圧を入力する駆動パルス発生回路6(請求項3記載の、『固体撮像素子の駆動装置』に対応)と、固体撮像素子4の出力信号を処理するアナログ信号処理回路8とで構成されている。
アナログ信号処理回路8は、コンデンサCと、DC再生回路(請求項記載のクランプ回路に対応)10と、サンプルホールド回路12と、ゲインコントロールアンプ14と、A/D変換回路16とで構成されている。
【0014】
図2は、前記した固体撮像素子4の構成を示す平面模式図である。なお、図中のVSSは接地線である。固体撮像素子4は、定電流源20a〜20nと、m行n列からなる多数の画素24と、各画素24に列毎に接続されている垂直信号線26a〜26nと、各画素24を行毎に駆動する垂直走査回路28と、列バッファアンプ30a〜30nと、相関二重サンプル容量Cc1〜Ccnと、相関二重サンプルトランジスタQc1〜Qcnと、列選択トランジスタQopt1〜Qoptnと、水平リセットトランジスタQHresと、出力バッファアンプ34と、水平信号線38と、アンドゲートAG1〜AGnと、水平走査回路42とで構成されている。なお、各要素の符号の最後のa、m、n等は、どの行または列に配置されているかを示すものであるので、適宜省略する。
【0015】
アンドゲートAGは、一方の入力端子に水平ゲートパルス電圧φGHを受ける。
列選択トランジスタQoptは、水平ゲートパルス電圧φGHが高レベルのとき、アンドゲートAGを介して水平走査回路42から水平読み出しパルス電圧φHoptをゲートに受ける。列選択トランジスタQoptは、水平読み出しパルス電圧φHoptに応じて、垂直信号線26を水平信号線38に接続する。
【0016】
水平リセットトランジスタQHresは、ゲートに受ける水平リセットパルス電圧φHresに応じて、水平信号線38を一定電圧Vrefにリセットする。
画素24は、フォトダイオードPDと、Pチャネル型の転送用トランジスタQfwと、Pチャネル型のリセットトランジスタQrsgと、Nチャネル型の接合型電界効果トランジスタJFET(以下、JFETと略記)とを有している。なお、各行のn列目の画素24、及び1行目と2行目の全ての画素24は、前記したOB画素として形成されている。また、OB画素以外の画素24は、請求項記載の『受光画素』に対応するので、適宜、『受光画素』と区別して表記する。
【0017】
リセットトランジスタQrsgのソースは一定電圧Vrsdを印加され、JFETのドレインは一定電圧VDを印加される。転送用トランジスタQfwは、垂直走査回路28により、ゲートに駆動パルス電圧φTG1〜φTGmを印加される。また、リセットトランジスタQrsgは、垂直走査回路28により、ゲートに駆動パルス電圧φRSG1〜φRSGmを印加される。
【0018】
<第1の実施形態の動作説明>
図3は、本実施形態の固体撮像装置2の動作の一例を示すタイミング図である。図において、『固体撮像素子の出力信号』は、n列目以外の列のいずれかにおける、各行の画素信号である(即ち、3行目以降に受光画素を有する列。図2参照)。『クランプ出力』は、アナログ信号処理回路8のDC再生回路10の出力信号の波形である(図1参照)。『クランプパルス』は、DC再生回路10に入力されるパルス信号、即ち、クランプタイミングを規定するパルス信号の波形である。以下、図2及び図3を用いて、固体撮像装置2の動作を説明する。
【0019】
まず、駆動パルス発生回路6は、従来と同様の空読み動作を固体撮像素子4に行わせる。この空読み動作が行われている期間(後述するクロック信号CLKV2が高レベルに切り替わるまで)を『空読み期間TV』とする。
次に、駆動パルス発生回路6は、垂直走査回路28における不図示の垂直シフトレジスタを駆動するために、スタートパルスSTVを垂直走査回路28に入力する。これにほぼ同期して、駆動パルス発生回路6は、クロック信号CLKV1、CLKV2を垂直走査回路28に順次入力する。これにより、固体撮像素子4の1行(この例では、図2の1行目)が選択される。但し、ここで選択される行は、OB画素のみで構成されている行にする。また、このクロック信号CLKV2が高レベルに切り替わった後、2行目が選択されるまでを『1行目選択期間T1』とする。
【0020】
なお、クロック信号CLKV2が高レベルに切り替わった直後において、駆動パルス発生回路6は、垂直走査回路28に入力するパルス電圧RSGを低レベルにしておくことで、全行の駆動パルス電圧φRSG1〜φRSGmを低レベルにしている。このため、1行目が選択された直後において、リセットトランジスタQrsgがオンしているので、全行のJFETのゲート電圧はVrsdにリセットされている。
【0021】
次に、駆動パルス発生回路6は、パルス電圧RSGを高レベルに切り替える。これにより、垂直シフトレジスタにより選択されている1行目の各画素24に出力される駆動パルス電圧φRSG1は、高レベルに切り替わる。このため、1行目の各リセットトランジスタQrsgがオフするので、1行目の各JFETのゲートはフローティング状態に切り替わる。この結果、1行目の各JFETは、そのソースから垂直信号線26に、固定パターンノイズ成分に相当する電圧または信号電圧を出力可能な状態になる。
【0022】
次に、駆動パルス発生回路6は、ノイズ成分蓄積パルスφCを高レベルに切り替えて、相関二重サンプルトランジスタQc1〜Qcnをオンさせる。これにより、1行目の各画素24が有する固定パターンノイズ成分を相関二重サンプル容量Cc1〜Ccnにそれぞれ蓄積させる。この後、駆動パルス発生回路6は、ノイズ成分蓄積パルスφCを低レベルに切り替える。
【0023】
次に、駆動パルス発生回路6は、垂直走査回路28に入力するパルス電圧TGを低レベルに切り替える。これにより、垂直シフトレジスタにより選択されている1行目の各画素24に出力される駆動パルス電圧φTG1は、低レベルに切り替わる。このため、1行目の各転送用トランジスタQfwはオンする。従って、フォトダイオードPDの信号電荷はJFETのゲートに転送される。この後、1行目の各JFETは、転送された信号電荷の量に応じた信号電圧(固定パターンノイズ成分を含む)をソースから垂直信号腺26に出力する。
【0024】
なお、ここでの信号電圧は、OB画素からなる1行目のものであるので、ダーク信号である。このダーク信号に含まれる固定パターンノイズ成分は、φCが高レベルの期間中に相関二重サンプル容量Cc1〜Ccnに蓄積させた固定パターンノイズ成分により、相殺される(相関二重サンプリング処理)。
この後、駆動パルス発生回路6は、パルス電圧TGを高レベルに戻して、垂直走査回路28に駆動パルス電圧φTG1を高レベルに切り替えさせる。
【0025】
次に、駆動パルス発生回路6は、水平ゲートパルス電圧φGH及び水平読み出しパルス電圧φHoptを高レベルにする。これにより、水平走査回路42内の不図示の水平シフトレジスタが1つずつ順送りにオンしていく。このため、アンドゲートAG1〜AGnの一方の入力端子に、高レベルの電圧が1つずつ順送りに入力されていく。従って、列選択トランジスタQopt1〜Qoptnは、1つずつ順送りにオンしていく(但し、2つ以上が同時にオンすることはない)。この結果、1行目の各ダーク信号から各固定パターンノイズ成分を除いた信号が、出力バッファアンプ34から順次出力される。
【0026】
なお、水平信号線38は、水平リセットトランジスタQHres及び水平リセットパルス電圧φHresにより、1つの画素信号ごとに一定電圧Vrefにリセットされる。
次に、駆動パルス発生回路6は、1行目が選択されたままの状態で(クロック信号CLKV1、CLKV2を入力せず、垂直シフトレジスタが先へ進まないようにして)、1行目のダーク信号の読み出し動作を繰り返す。ここで繰り返す動作(以下、繰り返し動作という)は、『駆動パルス電圧φRSGを低レベルにしてから、1行目のダーク信号を出力バッファアンプ34から出力させるまでの動作』、即ち、『図3における縦の破線で区切られた期間の動作』である。この繰り返し動作は、請求項記載の基準レベル安定化動作に対応する。
【0027】
繰り返し動作は、DC再生回路10が1行目のダーク信号に基づいて基準レベル(ダークレベル)を安定に定めるまで行われる。即ち、図3で、クランプパルスが高レベルの期間のクランプ出力が、破線で示した基準レベルに一致するまでの期間である。
そして、繰り返し動作の後、画像データを生成するための画素信号の読み出し動作を行う。即ち、図3の例では、3回の読み出しを行っている1行目選択期間T1において、始めの2回は繰り返し動作であり、最後の1回はダーク信号の読み出し動作である。そして、1行目選択期間T1の後、2行目以降が順次選択されて、各行の受光画素から画素信号が読み出される。
【0028】
なお、繰り返し動作を何回行うかは、例えば、予め設定しておけばよい。この回数は、測定結果により決めてもよいし、計算により決定してもよい。具体的には、ダーク信号のレベルがとり得る範囲を推定し、DC再生回路10の回路構成から、DC再生回路10の引き込みに要する期間(ダーク信号を受け始めてから、ダーク信号のレベルに基づいてダークレベルを決定するまでの期間)を算出すればよい。
或いは、アナログ信号処理回路8内にDC再生回路10の引き込み動作が安定したことを検出する検出回路を設け、引き込みが完了した時点で、繰り返し動作を終了させるようにしてもよい。
【0029】
<従来課題の原因解析>
本発明者は、従来の固体撮像装置におけるダークレベルのズレの原因を解明した。本実施形態の作用効果の説明の前に、この原因解析について図4及び図5を用いて説明する。
【0030】
ここで、図4は、固体撮像素子4における画素24内の信号電荷が固体撮像素子4外に出力されるまでの経路を示す回路図である。図中のVSSは接地線を示し、VCCは電源線を示している(各電源線は同じ電圧とは限らない)。
また、図5は、従来の駆動パルス発生回路により、固体撮像素子4を動作させる場合のタイミング図の一例である。図において、TVは空読み動作が行われている期間である。また、T1、T2、T3、T4、T5は、それぞれ1行目(OB画素のみの行)、2行目(OB画素のみの行)、3行目、4行目、5行目が選択されている期間である。
【0031】
空読み動作を十分にしていれば、アナログ信号処理回路8のDC再生回路10は、安定した状態で動作する。このため、TVの期間とT1の期間の『クランプ出力』は、同じレベルになるはずである。
【0032】
しかし、従来の駆動方法では、図5のように、TVの期間とT1の期間とで、クランプ出力に差が生じてしまう。この結果、(3行目以降の)受光画素からの画素信号が出力される時になっても、ダークレベルに差が生じて出力画像に影響を与えることを、本発明者は見出した。この差の原因としては、以下のことが考えられる。
【0033】
空読み動作時では、駆動パルス電圧φRSG1〜φRSGmが常に低レベルであるので、各JFETのゲートは、一定電圧Vrsdにされている。このとき、垂直信号線26に出力される全てのJFETのソース電圧は、『通常動作時(駆動パルス電圧φRSG1〜φRSGmが順次高レベルにされる場合)』よりも低い。このため、垂直信号線26に接続されている電流源20の正極側端子の電圧は、電流源20が動作できる限界近くの値まで下がっている。従って、列バッファアンプ30は、入力電圧が低いため、出力電圧も非常に低い。即ち、空読み動作時の列バッファアンプ30の出力インピーダンスは、『通常動作時』よりも高いと考えられる。
【0034】
『通常動作時』では、ノイズ成分蓄積パルスφCを高レベルに切り替えて、相関二重サンプルトランジスタQcをオンさせると、相関二重サンプル容量Ccにおける列バッファアンプ30側の電極の充電電圧は、
(固定パターンノイズ成分−Vref)
となる。次に、ノイズ成分蓄積パルスφCが低レベルに切り替わる。このとき、列バッファアンプ30の出力インピーダンスが十分低いので、相関二重サンプルトランジスタQcは、速くオフに切り替わる。オフに切り替わった後、信号電圧が読み出される。このとき、相関二重サンプル容量Ccにおける列選択トランジスタQopt側の電極の充電電圧は、
[信号電圧−(固定パターンノイズ成分−Vref)]
となる。
【0035】
しかし、列バッファアンプ30の出力インピーダンスが高いと、ノイズ成分蓄積パルスφCを高レベルに切り替えても、相関二重サンプルトランジスタQcは、そのゲート−ドレイン間の寄生容量に蓄積された電荷の放電に時間を要する。このため、空読み動作時では、相関二重サンプルトランジスタQcは、オンからオフに十分速く切り替わらないと考えられる。
【0036】
従って、空読み動作時では、相関二重サンプルトランジスタQcが完全にオフする前に、相関二重サンプル容量Ccは、後から読み出される電圧により、さらに少し充電される。即ち、空読み動作時では、信号電圧に含まれる固定パターンノイズ成分を相殺するために予め相関二重サンプル容量Ccに充電させる電圧は、『通常動作時』より高くなる。この結果、空読み動作時の出力信号はOB画素から直接読み出されるダーク信号よりも僅かに低いレベルになることを、本発明者は解明した。
【0037】
このような空読み動作時の出力信号とダーク信号のレベル差は、撮像感度が高い程、即ち、ゲインコントロールアンプ14のゲインが高い程、増幅されて大きく表れる。さらに、本発明者は、OB画素からなる行を従来よりも多数回選択して読み出した後、通常の画素信号の読み出しを行えば、上述の不具合が低減されることを見出した。
【0038】
<第1の実施形態の効果>
本実施形態と従来の駆動方法との主な違いは、『本実施形態では、1行目の選択期間を他の行の選択期間より長くすることにより、DC再生回路10の引き込みに必要な期間中、1行目を繰り返して読み出す”繰り返し動作”を追加した』ことである。この場合、1行目の選択期間中、垂直信号線26の電位はダーク信号の読み出し電位となるので、列バッファアンプ30の出力インピーダンスは、通常に走査したときと変わらない。
【0039】
このため、DC再生回路10によるダークレベルの決定が完了してから、2行目以降が順次選択されて、画像データを生成するための画素信号の読み出しが行われる。従って、画素信号の読み出しを開始する前に、ダークレベルを十分に安定させることができる。
即ち、画素信号の読み出し中にダークレベルが変動することはないので、外部回路(この例では、ゲインコントロールアンプ14)での増幅率を大幅に増大させても、ダークレベルのズレが増幅されて大きく表れることはない。この結果、極めて低い照度での撮影においても、良好な画像信号を得ることができる。
【0040】
<第1の実施形態の補足事項>
[1] なお、第1の実施形態では、1行目に対して繰り返し動作を行い、ダークレベルの安定化を図る例を述べた。本発明は、かかる実施形態に限定されるものではない。繰り返し動作の対象となる行は、OB画素のみを有する行であれば、1行目以外でもよい。
但し、繰り返し動作の対象となる行は、本実施形態で用いた1行目のように、走査の時間的順番が始めの行であることが望ましい。
また、1行のみを繰り返し動作の対象としなくてもよい。例えば、1行目と2行目を交互に選択して、1行目と2行目に対して繰り返し動作を行ってもよい。但し、繰り返し動作の対象となる行は、OB画素のみを有することが条件になる。
【0041】
[2] 垂直シフトレジスタは、スタティックのシフトレジスタでも、ダイナミックのシフトレジスタでもよい。
ダイナミックのシフトレジスタを使用する場合、1つの行に対する繰り返し動作の期間を、レジスタの保持期間より短くする必要がある。この場合、上述のように複数行に対して繰り返し動作を行うことで、DC再生回路10の安定化時間(DC再生回路10が引き込みに要する時間)を稼げばよい。
【0042】
具体的には、1つの行に対する繰り返し動作を開始後、レジスタ保持時間よりも短い所定時間を経過したとき、クロック信号CLKV1、CLKV2を入力して別の行を選択し、新たに選択した行に対して繰り返し動作を行えばよい。
このように複数行に対して繰り返し動作を行う形態は、DC再生回路10の安定化時間が長い場合に有効である。
【0043】
[3] 垂直シフトレジスタにスタティックの素子を使用する場合、1行を選択後、時間的にほぼ無制限に繰り返し動作を行うことができる。この場合、繰り返し動作の時間を、アナログ信号処理回路8の出力信号が安定する程度に十分長くすれば、空読み動作を省略してもよい。この場合も、1行のみを繰り返し動作の対象とする必要はなく、OB画素のみからなる複数の行のいずれかを常時選択することで、繰り返し動作を行ってもよい。
【0044】
[4] 各行のn列目の画素24、及び1行目と2行目の全ての画素24がOB画素として形成されている例を述べた。本発明は、かかる実施形態に限定されるものではない。OB画素にする領域は他の部分でもよい。但し、前記した理由から、1行目を全てOB画素にして繰り返し動作の対象にすることが望ましい。
【0045】
[5] 固体撮像素子4と、駆動パルス発生回路6と、アナログ信号処理回路8とで固体撮像装置2が構成されている例を述べた。本発明は、かかる実施形態に限定されるものではない。固体撮像素子4と駆動パルス発生回路6のみで固体撮像装置を構成してもよい。この場合、外部のアナログ信号処理回路を固体撮像装置に接続する構成となる。即ち、請求項記載のクランプ回路は、固体撮像装置の外部のものであっても、内部のものであってもよい。
【0046】
[6] 最後に、請求項と本実施形態との対応関係を説明する。なお、以下に示す対応関係は、参考のための一解釈であり、本発明を限定するものではない。
請求項記載のオプティカルブラック画素は、OB画素に対応する。
請求項記載のOB画素領域は、1行目の画素24に対応する。
請求項記載の安定化動作指令部は、『繰り返し動作(基準レベル安定化動作)を固体撮像素子4に行わせる駆動パルス発生回路6の機能』に対応する。
【0047】
請求項記載の読み出し指令部は、『繰り返し動作の後、画像データを生成するための画素信号の読み出し動作を固体撮像素子4に行わせる駆動パルス発生回路6の機能』に対応する。
請求項記載の読み出し部は、『上述した繰り返し動作、及び画素信号の読み出し動作を固体撮像素子4に行わせる駆動パルス発生回路6の機能』に対応する。
【0048】
<第2の実施形態>
図6は、本発明の第2の実施形態における固体撮像素子の構成を示す平面模式図である。本実施形態は、請求項1〜請求項3に対応する。本実施形態の構成は、以下の2点を除いて第1の実施形態と同じであるため、重複する説明(図1に相当する構成図、画素信号の読み出し動作等)を省略する。
【0049】
第1に、固体撮像素子は、OB画素のみで構成された専用OB画素行(0行目とする)と、専用OB画素行のみを走査する専用走査回路60とをさらに有している。専用OB画素行の各OB画素は、垂直走査回路28に接続されてはおらず、専用走査回路60に接続されていることを除き、第1の実施形態のOB画素と同じである。専用走査回路60は、駆動パルス電圧φRSG0、φTG0を出力して、専用OB画素行から垂直信号線26にダーク信号を読み出す。
【0050】
第2に、駆動パルス発生回路は、専用走査回路60もさらに駆動するため、後述するように第1の実施形態と機能が異なる。
このため、本実施形態では、固体撮像装置を62、固体撮像素子を64、駆動パルス発生回路を66と区別して表記する。
【0051】
<第2の実施形態の動作説明>
図7は、本実施形態の固体撮像装置62の動作の一例を示すタイミング図である。以下、図6及び図7を用いて、固体撮像装置62の動作を説明する。
まず、駆動パルス発生回路60は、第1の実施形態と同様の空読み動作を固体撮像素子64に行わせる。第1の実施形態と同様に、この期間を「空読み期間TV」とする。
【0052】
次に、駆動パルス発生回路66は、専用走査回路60に入力する専用行選択パルスOPTを高レベルに切り替えて、専用走査回路60に0行目の走査を開始させる。また、駆動パルス発生回路66は、クロック信号CLKV1、CLKV2を垂直走査回路28に入力する。なお、この時点ではスタートパルスSTVがまだ入力されていないので、垂直走査回路28はいずれの行も選択しない。クロック信号CLKV2が高レベルに切り替わった後、1行目が選択されるまでを「0行目選択期間T0」とする。
【0053】
また、第1の実施形態と同様に、クロック信号CLKV2が高レベルに切り替わった直後、全行のJFETのゲート電圧はVrsdにリセットされている。
次に、専用走査回路60は、駆動パルス電圧φRSG0を高レベルにして、0行目のOB画素のJFETのゲートをフローティング状態に切り替える。
次に、駆動パルス発生回路66は、ノイズ成分蓄積パルスφCを高レベルに切り替えて、0行目のOB画素の固定パターンノイズ成分を相関二重サンプル容量Ccに蓄積させる。この後、駆動パルス発生回路66は、ノイズ成分蓄積パルスφCを低レベルに戻す。
【0054】
次に、専用走査回路60は、駆動パルス電圧φTG0を低レベルに切り替える。これにより、0行目の各OB画素のJFETは、ダーク信号を出力する。この後、信号電圧から固定パターンノイズ成分を除いた信号が、出力バッファアンプ34から順次出力される。この後、専用走査回路60は、駆動パルス電圧φTG0を高レベルに戻す。
【0055】
次に、専用行選択パルスOPTを高レベルにした状態で、0行目からのダーク信号の読み出し動作を繰り返す(以下、ここで繰り返す動作を、第1の実施形態と同様に、繰り返し動作という)。このとき、クロック信号CLKV1、CLKV2も入力されるが、垂直走査回路28はどの行も選択しない。繰り返し動作は、DC再生回路10の引き込みに要する期間中(0行目のダーク信号によりダークレベルが定められるまで)行われる。
【0056】
そして、繰り返し動作の後、駆動パルス発生回路66は、専用行選択パルスOPTを低レベルに切り替えて、0行目からの読み出しを停止する。
次に、駆動パルス発生回路66は、スタートパルスSTVを垂直走査回路28に入力する。この後、垂直走査回路28は、1行目以降を順次選択して、1行目以降の画素信号を順次読み出す。
【0057】
<第2の実施形態の効果>
以上、第2の実施形態においても、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、本実施形態では、ダークレベルを安定化するための専用OB画素行、及び専用OB画素行を走査する専用走査回路60を設けた。専用走査回路60は、専用OB画素行のみを選択するので、シフトレジスタでなくてもよいため、スタティックな素子で簡単に構成できる。従って、DC再生回路10の安定化時間が長くても、OB画素からなる別の行を選択して繰り返し動作を続けるなどの特別な走査をすることなく、ダークレベルを安定化できる。
【0058】
<第2の実施形態の補足事項>
[1] なお、第2の実施形態では、駆動パルス発生回路66が専用走査回路60に専用行選択パルスOPTを入力することで、専用OB画素行を走査する例を述べた。本発明は、かかる実施形態に限定されるものではない。例えば、専用走査回路60と垂直走査回路28とを連動させて、駆動パルス発生回路66が専用走査回路60を直接駆動しないようにしてもよい。
【0059】
具体的には、垂直シフトレジスタが動作していない期間、即ち、垂直シフトレジスタが最終行を選択してからスタートパルスSTVが入力されるまでの期間、専用走査回路60が専用OB画素行を走査するようにして、専用行選択パルスOPTを省略してもよい。
【0060】
[2] 空読み動作を行う例を述べた。本発明は、かかる実施形態に限定されるものではない。例えば、繰り返し動作の時間を、アナログ信号処理回路8の出力信号が安定する程度に十分長くすれば、空読み動作を省略できる。
【0061】
[3] 最後に、請求項と本実施形態との対応関係を説明する。なお、以下に示す対応関係は、参考のための一解釈であり、本発明を限定するものではない。
請求項記載のOB画素領域は、専用OB画素行(0行目)に対応する。
請求項記載の『タイミングジェネレータ』及び『固体撮像素子の駆動装置』は、駆動パルス発生回路66に対応する。
請求項記載の第1駆動パルスは、駆動パルス電圧φRSG3〜φRSGmと、駆動パルス電圧φTG3〜φTGmと、水平読み出しパルス電圧φHoptに応じて水平走査回路42がアンドゲートに入力する電圧とに対応する。なお、これに対応する動作説明の一部は、重複するため、第1の実施形態のみに記載した。
【0062】
請求項記載の第1走査回路は、垂直走査回路28及び水平走査回路42に対応する。
請求項記載の第2駆動パルスは、駆動パルス電圧φRSG0及び駆動パルス電圧φTG0に対応する。
請求項記載の第2走査回路は、専用走査回路60に対応する。
【0063】
請求項記載の『第1駆動パルスを出力するタイミングを規定するパルス』は、『駆動パルス発生回路66が垂直走査回路28に入力するパルス電圧RSG、パルス電圧TG、スタートパルスSTV、クロック信号CLKV1、CLKV2』に対応する。なお、これに対応する動作説明の一部は、重複するため、第1の実施形態のみに記載した。
【0064】
請求項記載の『第2駆動パルスを出力するタイミングを規定するパルス』は、『駆動パルス発生回路66が専用走査回路60に入力する専用行選択パルスOPT、クロック信号CLKV1、CLKV2』に対応する。
【0065】
【発明の効果】
本発明では、クランプ回路が基準レベルの引き込みに要する期間、OB画素領域からダーク信号を複数回読み出す動作を行い、この期間の後、画素信号の読み出し動作を行う。このため、基準レベルの引き込み(即ち、ダークレベルの決定)が完了した状態で、画素信号の読み出し動作を実行できる。従って、外部回路での増幅率を増大させた場合に、ダークレベルのズレが増幅されて大きく表れるという従来課題を解消できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態における固体撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図2】図1における固体撮像素子の構成を示す平面模式図である。
【図3】第1の実施形態の固体撮像装置の動作の一例を示すタイミング図である。
【図4】図2の固体撮像素子における画素内の信号電荷が画素信号として出力されるまでの経路を示す回路図である。
【図5】従来の駆動パルス発生回路により、固体撮像素子を動作させる場合のタイミング図の一例である。
【図6】本発明の第2の実施形態における固体撮像素子の構成を示す平面模式図である。
【図7】第2の実施形態の固体撮像装置の動作の一例を示すタイミング図である。
【符号の説明】
2 固体撮像装置
4 固体撮像素子
6 駆動パルス発生回路
8 アナログ信号処理回路
10 DC再生回路
12 サンプルホールド回路
14 ゲインコントロールアンプ
16 A/D変換回路
20 定電流源
24 画素
26a〜26n 垂直信号線
28 垂直走査回路
30a〜30n 列バッファアンプ
34 出力バッファアンプ
38 水平信号線
42 水平走査回路
60 専用走査回路
62 固体撮像装置
64 固体撮像素子
66 駆動パルス発生回路
AG1〜AGn アンドゲート
C コンデンサ
Cc1〜Ccn 相関二重サンプル容量
QHres 水平リセットトランジスタ
Qc1〜Qcn 相関二重サンプルトランジスタ
Qopt1〜Qoptn 列選択トランジスタ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid-state imaging device and a driving device for a solid-state imaging device. Specifically, the present invention relates to a technique for stabilizing a reference level of a pixel signal in a solid-state imaging device.
[0002]
[Prior art]
Solid-state imaging devices used in video cameras and electronic cameras are classified into several types. Among these, the amplification type solid-state imaging device is superior to the CCD type in terms of high functionality and low power consumption, and has attracted attention in recent years.
In the amplification type solid-state imaging device, each pixel arranged in a two-dimensional matrix outputs a photoelectric conversion unit that generates a signal charge according to the amount of received light, and outputs a voltage (hereinafter, referred to as a pixel signal) according to the signal charge. Pixel amplifier. The pixel signal from the pixel amplifier is transferred via a vertical signal line and a horizontal signal line, and is output outside the solid-state imaging device.
[0003]
Since such an amplification type solid-state imaging device uses the XY address system, switching noise is large. In addition, since each pixel has a pixel amplifier, fixed pattern noise is large. In order to remove these noises, the amplification type solid-state imaging device includes a noise removal circuit connected to each vertical signal line, and performs a correlated double sampling process on the pixel signals. The noise removing circuit here is, for example, a clamp capacitor and a clamp transistor connected to each vertical signal line in Patent Document 1.
[0004]
By the way, the solid-state imaging device has pixels that are shielded (or have no photodiode) in order to keep the reference level of the pixel signal constant regardless of the temperature at the time of shooting. In this specification, this pixel (optical black portion or optical black) is abbreviated as an OB pixel. Then, a signal output from the OB pixel (hereinafter, referred to as a dark signal) is used to determine a reference level of the pixel signal.
Specifically, after the dark signal is output from the solid-state imaging device, it is input to the analog signal processing circuit. The analog signal processing circuit determines a reference level of the pixel signal, that is, a signal level corresponding to black (hereinafter, referred to as a dark level) based on the level of the dark signal.
[0005]
The above-described analog signal processing circuit requires a certain amount of time from the time of operation to the time when a stable signal is output. For this reason, even in a state where none of the rows is selected to read the pixel signal, the switches and the noise removal circuit of the vertical signal line and the horizontal signal line are operated. Thereby, the analog signal processing circuit is also operated to output a signal irrelevant to the image data (for example, see Patent Document 2). Hereinafter, this operation is referred to as a blank reading operation.
[0006]
The dark signal may fluctuate due to a change in temperature, and includes high-frequency noise. It is difficult to obtain a stable dark level from a dark signal containing high frequency noise. For this reason, a stable dark level is determined by averaging each dark signal from OB pixels formed over a plurality of rows in an analog signal processing circuit.
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-77642 (Section 7-8, FIG. 1)
[Patent Document 2]
JP-A-2000-278616 (Section 4-5, FIG. 6-8)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The amplification type solid-state imaging device is extremely excellent for use in photographing with normal illuminance. However, when used in photographing with extremely low illuminance, it is necessary to greatly increase the amplification factor in an external circuit, so that a slight shift (fluctuation) in the dark level may be amplified and appear large. For this reason, in photographing with extremely low illuminance, it has been particularly desired to stabilize the dark level.
[0009]
Therefore, an object of the present invention is to provide a technique for further stabilizing a dark level in a solid-state imaging device.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The solid-state imaging device according to claim 1 includes a plurality of light receiving pixels, an OB pixel region, and a readout unit. Each light receiving pixel outputs a pixel signal corresponding to the amount of received light. The OB pixel area includes a plurality of optical black pixels that output a dark signal for determining a reference level of a pixel signal. The reading unit reads the pixel signal and the dark signal, and transfers the read signals to the clamp circuit. The reading unit performs a reference level stabilizing operation of reading a dark signal a plurality of times during a period required for the clamp circuit to pull in the reference level. After this reference level stabilizing operation, the reading section performs a pixel signal reading operation.
[0011]
A solid-state imaging device according to a second aspect is the invention according to the first aspect, and is characterized by the following points. First, the reading unit includes a first scanning circuit that inputs a first drive pulse for reading a pixel signal to a plurality of light receiving pixels. Second, the reading unit includes a second scanning circuit that inputs a second drive pulse for reading a dark signal to the OB pixel area. Third, the reading unit includes a timing generator. The timing generator causes the first scanning circuit to perform a pixel signal reading operation by inputting a pulse defining a timing for outputting the first driving pulse to the first scanning circuit. Further, the timing generator causes the second scanning circuit to perform the reference level stabilizing operation by inputting a pulse defining the timing for outputting the second driving pulse to the second scanning circuit.
[0012]
A driving device for a solid-state imaging device according to a third aspect is a driving device for driving a solid-state imaging device including a light receiving pixel, an OB pixel region, and a reading unit. Here, each light receiving pixel outputs a pixel signal corresponding to the amount of received light. The OB pixel area includes a plurality of optical black pixels that output a dark signal for determining a reference level of a pixel signal. The reading unit reads the pixel signal and the dark signal, and transfers the read signals to the clamp circuit. The invention according to the present invention is characterized in that it comprises a stabilizing operation command section and a read command section. The stabilization operation command unit causes the solid-state imaging device to perform a “reference level stabilization operation of reading a dark signal a plurality of times during a period required for the clamp circuit to pull in the reference level”. After the reference level stabilizing operation, the read command unit causes the solid-state imaging device to perform a pixel signal reading operation.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each of the drawings, the same elements will be denoted by the same reference symbols, without redundant description.
<Configuration of First Embodiment>
FIG. 1 is a block diagram of a solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. This embodiment corresponds to
The analog signal processing circuit 8 includes a capacitor C, a DC regeneration circuit (corresponding to a clamp circuit described in the claims) 10, a sample and hold
[0014]
FIG. 2 is a schematic plan view showing the configuration of the solid-state imaging device 4 described above. Note that VSS in the figure is a ground line. The solid-state imaging device 4 includes constant
[0015]
AND gate AG receives horizontal gate pulse voltage φGH at one input terminal.
When the horizontal gate pulse voltage φGH is at a high level, the column selection transistor Qopt receives a horizontal read pulse voltage φHopt from the
[0016]
The horizontal reset transistor QHres resets the horizontal signal line 38 to a constant voltage Vref according to the horizontal reset pulse voltage φHres received at the gate.
The
[0017]
A constant voltage Vrsd is applied to the source of the reset transistor Qrsg, and a constant voltage VD is applied to the drain of the JFET. The drive pulse voltages φTG1 to φTGm are applied to the gate of the transfer transistor Qfw by the
[0018]
<Description of Operation of First Embodiment>
FIG. 3 is a timing chart showing an example of the operation of the solid-state imaging device 2 of the present embodiment. In the figure, the “output signal of the solid-state imaging device” is a pixel signal of each row in one of the columns other than the n-th column (that is, a column having light receiving pixels in the third and subsequent rows; see FIG. 2). “Clamp output” is the waveform of the output signal of the
[0019]
First, the drive pulse generation circuit 6 causes the solid-state imaging device 4 to perform the same idle reading operation as in the related art. A period during which the idle reading operation is performed (until a clock signal CLKV2 described later is switched to a high level) is referred to as an “idle reading period TV”.
Next, the drive pulse generation circuit 6 inputs a start pulse STV to the
[0020]
Immediately after the clock signal CLKV2 is switched to the high level, the drive pulse generation circuit 6 sets the pulse voltage RSG to be input to the
[0021]
Next, the drive pulse generation circuit 6 switches the pulse voltage RSG to a high level. As a result, the drive pulse voltage φRSG1 output to each
[0022]
Next, the drive pulse generation circuit 6 switches the noise component accumulation pulse φC to a high level to turn on the correlated double sample transistors Qc1 to Qcn. As a result, the fixed pattern noise component of each
[0023]
Next, the drive pulse generation circuit 6 switches the pulse voltage TG input to the
[0024]
Note that the signal voltage here is a dark signal because it is for the first row of OB pixels. The fixed pattern noise component included in the dark signal is canceled by the fixed pattern noise component accumulated in the correlated double sample capacitors Cc1 to Ccn during the period when φC is at a high level (correlated double sampling processing).
Thereafter, the drive pulse generation circuit 6 returns the pulse voltage TG to the high level, and causes the
[0025]
Next, the drive pulse generation circuit 6 sets the horizontal gate pulse voltage φGH and the horizontal read pulse voltage φHopt to a high level. Thereby, the horizontal shift registers (not shown) in the
[0026]
The horizontal signal line 38 is reset to a constant voltage Vref for each pixel signal by the horizontal reset transistor QHres and the horizontal reset pulse voltage φHres.
Next, the drive pulse generation circuit 6 keeps the first row selected (by not inputting the clock signals CLKV1 and CLKV2 and preventing the vertical shift register from proceeding forward) while keeping the first row selected. The signal reading operation is repeated. The operation repeated here (hereinafter referred to as a repetition operation) is “an operation from the time when the driving pulse voltage φRSG is set to a low level to the time when the dark signal of the first row is output from the output buffer amplifier 34”, that is, “the operation in FIG. Operation during a period separated by a vertical broken line ”. This repetitive operation corresponds to the reference level stabilizing operation described in the claims.
[0027]
The repetitive operation is performed until the
Then, after the repetition operation, an operation of reading a pixel signal for generating image data is performed. That is, in the example of FIG. 3, in the first row selection period T1 in which three readings are performed, the first two operations are repetitive operations, and the last one is a dark signal reading operation. After the first row selection period T1, the second and subsequent rows are sequentially selected, and pixel signals are read from the light receiving pixels of each row.
[0028]
The number of times the repetitive operation is performed may be set in advance, for example. The number of times may be determined based on a measurement result or may be determined by calculation. Specifically, the range in which the level of the dark signal can be estimated is estimated, and the period required for the pull-in of the DC regeneration circuit 10 (based on the level of the dark signal after starting to receive the dark signal) is determined from the circuit configuration of the
Alternatively, a detection circuit for detecting that the pull-in operation of the
[0029]
<Cause analysis of conventional issues>
The inventor has clarified the cause of the dark level shift in the conventional solid-state imaging device. Before describing the operation and effect of the present embodiment, this cause analysis will be described with reference to FIGS. 4 and 5.
[0030]
Here, FIG. 4 is a circuit diagram showing a path until signal charges in the
FIG. 5 is an example of a timing chart in the case where the solid-state imaging device 4 is operated by the conventional driving pulse generation circuit. In the figure, TV is a period during which a blank reading operation is performed. T1, T2, T3, T4, and T5 are the first row (rows containing only OB pixels), the second row (rows containing only OB pixels), the third row, the fourth row, and the fifth row, respectively. It is a period that is.
[0031]
If the idle reading operation is sufficiently performed, the
[0032]
However, in the conventional driving method, as shown in FIG. 5, a difference occurs in the clamp output between the period of TV and the period of T1. As a result, the present inventor has found that even when a pixel signal is output from a light receiving pixel (after the third row), a difference occurs in the dark level and affects the output image. The following are considered as causes of this difference.
[0033]
During the idle reading operation, the drive pulse voltages φRSG1 to φRSGm are always at a low level, and thus the gate of each JFET is kept at a constant voltage Vrsd. At this time, the source voltages of all the JFETs output to the vertical signal line 26 are lower than in “normal operation (when the drive pulse voltages φRSG1 to φRSGm are sequentially set to a high level)”. Therefore, the voltage at the positive terminal of the current source 20 connected to the vertical signal line 26 has dropped to a value near the limit at which the current source 20 can operate. Therefore, since the column buffer amplifier 30 has a low input voltage, the output voltage is also very low. That is, it is considered that the output impedance of the column buffer amplifier 30 during the idle reading operation is higher than that during the "normal operation".
[0034]
In “normal operation”, when the noise component accumulation pulse φC is switched to a high level to turn on the correlated double sample transistor Qc, the charging voltage of the electrode on the column buffer amplifier 30 side in the correlated double sample capacitance Cc becomes
(Fixed pattern noise component-Vref)
It becomes. Next, the noise component accumulation pulse φC switches to a low level. At this time, since the output impedance of the column buffer amplifier 30 is sufficiently low, the correlated double sample transistor Qc switches off quickly. After switching off, the signal voltage is read. At this time, the charging voltage of the electrode on the column selection transistor Qopt side in the correlated double sample capacitance Cc is:
[Signal voltage- (fixed pattern noise component-Vref)]
It becomes.
[0035]
However, if the output impedance of the column buffer amplifier 30 is high, even if the noise component accumulation pulse φC is switched to a high level, the correlated double sample transistor Qc discharges the electric charge accumulated in the parasitic capacitance between its gate and drain. Takes time. For this reason, it is considered that the correlated double sample transistor Qc does not switch from ON to OFF sufficiently quickly during the idle reading operation.
[0036]
Therefore, during the idle reading operation, before the correlated double sample transistor Qc is completely turned off, the correlated double sample capacitance Cc is further charged a little by the voltage read later. That is, at the time of the idle reading operation, the voltage charged in the correlated double sample capacitance Cc in advance to cancel the fixed pattern noise component included in the signal voltage is higher than that in the “normal operation”. As a result, the inventor has clarified that the output signal at the time of the idle reading operation has a slightly lower level than the dark signal read directly from the OB pixel.
[0037]
The level difference between the output signal and the dark signal at the time of the idle reading operation is amplified and increases as the imaging sensitivity increases, that is, as the gain of the
[0038]
<Effects of First Embodiment>
The main difference between the present embodiment and the conventional driving method is that, in the present embodiment, by setting the selection period of the first row longer than the selection period of the other rows, the period required for pulling in the
[0039]
For this reason, after the determination of the dark level by the
That is, since the dark level does not fluctuate during the reading of the pixel signal, even if the amplification factor in the external circuit (the
[0040]
<Supplementary items of the first embodiment>
[1] In the first embodiment, an example has been described in which the operation is repeatedly performed on the first row to stabilize the dark level. The present invention is not limited to such an embodiment. The row to be subjected to the repetitive operation may be a row other than the first row as long as it has only OB pixels.
However, it is desirable that the row to be subjected to the repetitive operation is the row in which the temporal order of scanning is the first row as in the first row used in the present embodiment.
Also, only one row need not be the target of the repeated operation. For example, the first row and the second row may be alternately selected, and the operation may be repeatedly performed on the first row and the second row. However, the condition is that the row to be subjected to the repetitive operation has only OB pixels.
[0041]
[2] The vertical shift register may be a static shift register or a dynamic shift register.
In the case of using a dynamic shift register, the period of the repetitive operation for one row needs to be shorter than the holding period of the register. In this case, the stabilization time of the DC regeneration circuit 10 (the time required for the
[0042]
Specifically, when a predetermined time shorter than the register holding time has elapsed after the start of the repetitive operation for one row, the clock signals CLKV1 and CLKV2 are input to select another row, and a new row is selected. What is necessary is just to perform repetitive operation | movement with respect to it.
Such a mode of repeatedly performing the operation on a plurality of rows is effective when the stabilization time of the
[0043]
[3] When a static element is used for the vertical shift register, the operation can be repeated almost indefinitely after selecting one row. In this case, if the time of the repetitive operation is made long enough to stabilize the output signal of the analog signal processing circuit 8, the idle reading operation may be omitted. Also in this case, it is not necessary to set only one row as a target of the repetition operation, and the repetition operation may be performed by always selecting one of a plurality of rows including only OB pixels.
[0044]
[4] The example has been described in which the
[0045]
[5] The example in which the solid-state imaging device 2, the driving pulse generation circuit 6, and the analog signal processing circuit 8 constitute the solid-state imaging device 2 has been described. The present invention is not limited to such an embodiment. A solid-state imaging device may be configured with only the solid-state imaging device 4 and the driving pulse generation circuit 6. In this case, an external analog signal processing circuit is connected to the solid-state imaging device. That is, the clamp circuit described in the claims may be external or internal to the solid-state imaging device.
[0046]
[6] Finally, the correspondence between the claims and the present embodiment will be described. Note that the correspondence shown below is an interpretation for reference, and does not limit the present invention.
The optical black pixels described in the claims correspond to OB pixels.
The OB pixel region described in the claims corresponds to the
The stabilizing operation command section described in claims corresponds to “the function of the drive pulse generating circuit 6 that causes the solid-state imaging device 4 to perform the repetitive operation (reference level stabilizing operation)”.
[0047]
The read command unit described in claims corresponds to “the function of the drive pulse generation circuit 6 that causes the solid-state imaging device 4 to perform a read operation of a pixel signal for generating image data after the repetition operation”.
The reading unit described in claims corresponds to “the function of the drive pulse generation circuit 6 that causes the solid-state imaging device 4 to perform the above-described repetitive operation and the pixel signal readout operation”.
[0048]
<Second embodiment>
FIG. 6 is a schematic plan view illustrating the configuration of the solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention. This embodiment corresponds to claims 1 to 3. The configuration of the present embodiment is the same as that of the first embodiment except for the following two points, and duplicate description (a configuration diagram corresponding to FIG. 1, a pixel signal reading operation, and the like) is omitted.
[0049]
First, the solid-state imaging device further includes a dedicated OB pixel row (only the 0th row) composed of only OB pixels, and a
[0050]
Second, the drive pulse generation circuit further drives the
For this reason, in the present embodiment, the solid-state imaging device is denoted by 62, the solid-state imaging device is denoted by 64, and the drive pulse generation circuit is denoted by 66.
[0051]
<Description of Operation of Second Embodiment>
FIG. 7 is a timing chart showing an example of the operation of the solid-state imaging device 62 of the present embodiment. Hereinafter, the operation of the solid-state imaging device 62 will be described with reference to FIGS.
First, the drive
[0052]
Next, the drive pulse generation circuit 66 switches the dedicated row selection pulse OPT input to the
[0053]
Further, as in the first embodiment, immediately after the clock signal CLKV2 is switched to the high level, the gate voltages of the JFETs in all rows are reset to Vrsd.
Next, the
Next, the drive pulse generation circuit 66 switches the noise component accumulation pulse φC to a high level, and accumulates the fixed pattern noise component of the OB pixel in the 0th row in the correlated double sample capacitance Cc. Thereafter, the drive pulse generation circuit 66 returns the noise component accumulation pulse φC to a low level.
[0054]
Next, the
[0055]
Next, while the dedicated row selection pulse OPT is at a high level, the operation of reading the dark signal from the 0th row is repeated (hereinafter, the repeated operation is referred to as a repetitive operation as in the first embodiment). . At this time, the clock signals CLKV1 and CLKV2 are also input, but the
[0056]
Then, after the repetition operation, the drive pulse generation circuit 66 switches the dedicated row selection pulse OPT to a low level, and stops reading from the 0th row.
Next, the drive pulse generation circuit 66 inputs the start pulse STV to the
[0057]
<Effect of Second Embodiment>
As described above, also in the second embodiment, the same effects as in the first embodiment can be obtained. Further, in the present embodiment, the dedicated OB pixel row for stabilizing the dark level and the
[0058]
<Supplementary items of the second embodiment>
[1] In the second embodiment, the example in which the drive pulse generation circuit 66 scans the dedicated OB pixel row by inputting the dedicated row selection pulse OPT to the
[0059]
Specifically, the
[0060]
[2] The example of performing the blank reading operation has been described. The present invention is not limited to such an embodiment. For example, if the time of the repetitive operation is set long enough to stabilize the output signal of the analog signal processing circuit 8, the idle reading operation can be omitted.
[0061]
[3] Finally, the correspondence between the claims and the present embodiment will be described. Note that the correspondence shown below is an interpretation for reference, and does not limit the present invention.
The OB pixel area described in the claims corresponds to a dedicated OB pixel row (0th row).
The “timing generator” and “solid-state imaging device driving device” described in claims correspond to the driving pulse generation circuit 66.
The first driving pulse described in the claims corresponds to the driving pulse voltages φRSG3 to φRSGm, the driving pulse voltages φTG3 to φTGm, and the voltage input to the AND gate by the
[0062]
The first scanning circuit described in claims corresponds to the
The second driving pulse described in the claims corresponds to the driving pulse voltage φRSG0 and the driving pulse voltage φTG0.
The second scanning circuit described in the claims corresponds to the
[0063]
The “pulse defining the timing for outputting the first drive pulse” in the claims is “a pulse voltage RSG, a pulse voltage TG, a start pulse STV, a clock signal CLKV1, which are input to the
[0064]
The “pulse that defines the timing of outputting the second drive pulse” in the claims corresponds to “the dedicated row selection pulse OPT and the clock signals CLKV1 and CLKV2 input to the
[0065]
【The invention's effect】
In the present invention, the operation of reading the dark signal from the OB pixel region a plurality of times is performed during the period required for the clamp circuit to pull in the reference level, and after this period, the operation of reading the pixel signal is performed. For this reason, the pixel signal readout operation can be executed in a state where the reference level is pulled in (that is, the dark level is determined). Therefore, when the amplification factor in the external circuit is increased, the conventional problem that the deviation of the dark level is amplified and greatly appears can be solved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic plan view illustrating a configuration of a solid-state imaging device in FIG. 1;
FIG. 3 is a timing chart illustrating an example of an operation of the solid-state imaging device according to the first embodiment.
4 is a circuit diagram showing a path until signal charges in a pixel in the solid-state imaging device in FIG. 2 are output as a pixel signal.
FIG. 5 is an example of a timing chart when a solid-state imaging device is operated by a conventional driving pulse generation circuit.
FIG. 6 is a schematic plan view illustrating a configuration of a solid-state imaging device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a timing chart illustrating an example of an operation of the solid-state imaging device according to the second embodiment.
[Explanation of symbols]
2 Solid-state imaging device
4 Solid-state imaging device
6. Drive pulse generation circuit
8 Analog signal processing circuit
10 DC regeneration circuit
12 Sample hold circuit
14 Gain control amplifier
16 A / D conversion circuit
20 constant current source
24 pixels
26a-26n vertical signal line
28 vertical scanning circuit
30a-30n column buffer amplifier
34 output buffer amplifier
38 horizontal signal line
42 horizontal scanning circuit
60 Dedicated scanning circuit
62 Solid-state imaging device
64 solid-state image sensor
66 Drive pulse generation circuit
AG1 to AGn AND gate
C capacitor
Cc1-Ccn Correlated double sample capacity
QHres horizontal reset transistor
Qc1-Qcn Correlated double sample transistor
Qopt1 to Qoptn column select transistor
Claims (3)
前記画素信号の基準レベルを定めるためのダーク信号を出力する複数のオプティカルブラック画素からなるOB画素領域と、
前記画素信号及び前記ダーク信号を読み出し、これら読み出した信号をクランプ回路に向けて転送する読み出し部と
を備えた固体撮像装置であって、
前記読み出し部は、
前記クランプ回路が前記基準レベルの引き込みに要する期間、前記ダーク信号を複数回読み出す基準レベル安定化動作を行い、
前記基準レベル安定化動作の後、前記画素信号の読み出し動作を行う
ことを特徴とする固体撮像装置。A plurality of light-receiving pixels that output pixel signals according to the amount of received light,
An OB pixel area including a plurality of optical black pixels that output a dark signal for determining a reference level of the pixel signal;
A solid-state imaging device comprising: a read unit that reads the pixel signal and the dark signal and transfers the read signals toward a clamp circuit;
The reading unit,
During the period required for the clamp circuit to pull in the reference level, a reference level stabilizing operation for reading the dark signal a plurality of times is performed.
After the reference level stabilizing operation, the pixel signal reading operation is performed.
前記読み出し部は、
前記画素信号を読み出すための第1駆動パルスを、前記複数の受光画素に入力する第1走査回路と、
前記ダーク信号を読み出すための第2駆動パルスを、前記OB画素領域に入力する第2走査回路と、
前記第1駆動パルスを出力するタイミングを規定するパルスを前記第1走査回路に入力することにより、前記第1走査回路に前記画素信号の読み出し動作を行わせ、前記第2駆動パルスを出力するタイミングを規定するパルスを前記第2走査回路に入力することにより、前記第2走査回路に前記基準レベル安定化動作を行わせるタイミングジェネレータと
を備えていることを特徴とする固体撮像装置。The solid-state imaging device according to claim 1,
The reading unit,
A first scanning circuit for inputting a first drive pulse for reading the pixel signal to the plurality of light receiving pixels;
A second scanning circuit for inputting a second driving pulse for reading the dark signal to the OB pixel area;
A timing for outputting the pixel signal by causing the first scanning circuit to perform a read operation of the pixel signal by inputting a pulse defining a timing for outputting the first driving pulse to the first scanning circuit. A timing generator that causes the second scanning circuit to perform the reference level stabilizing operation by inputting a pulse defining the following to the second scanning circuit:
前記画素信号の基準レベルを定めるためのダーク信号を出力する複数のオプティカルブラック画素からなるOB画素領域と、
前記画素信号及び前記ダーク信号を読み出し、これら読み出した信号をクランプ回路に向けて転送する読み出し部と
を備えた固体撮像素子を駆動するための、駆動装置であって、
『前記クランプ回路が前記基準レベルの引き込みに要する期間、前記ダーク信号を複数回読み出す基準レベル安定化動作』を、前記固体撮像素子に行わせる安定化動作指令部と、
前記基準レベル安定化動作の後、前記画素信号の読み出し動作を前記固体撮像素子に行わせる読み出し指令部と
を備えていることを特徴とする固体撮像素子の駆動装置。A plurality of light-receiving pixels that output pixel signals according to the amount of received light,
An OB pixel area including a plurality of optical black pixels that output a dark signal for determining a reference level of the pixel signal;
A drive device for reading the pixel signal and the dark signal, and for driving a solid-state imaging device including a readout unit that transfers the readout signal to a clamp circuit,
A stabilizing operation command unit that causes the solid-state imaging device to perform a “reference level stabilizing operation of reading the dark signal a plurality of times during a period required for the clamp circuit to pull in the reference level”;
A driving unit for driving the solid-state imaging device, comprising: a read-out instruction unit that causes the solid-state imaging device to perform the pixel signal reading operation after the reference level stabilizing operation.
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