JP2008017100A

JP2008017100A - 固体撮像装置

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Publication number: JP2008017100A
Application number: JP2006185302A
Authority: JP
Inventors: Jun Aoki; 潤青木
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2006-07-05
Filing date: 2006-07-05
Publication date: 2008-01-24

Abstract

【課題】撮像素子の遮光手段を要せずに、縦スジノイズと水平方向のシェーディングの補正可能な固体撮像装置を提供する。
【解決手段】フォトダイオード101 と入力部に供給される撮像信号を増幅する増幅トランジスタ102 と増幅トランジスタの入力部をリセットするリセットトランジスタ104 とを有する単位画素を２次元に配列した画素部と、列方向の画素に共通接続された列信号線12と、列信号線に出力された画素信号からノイズを抑圧するノイズ抑圧部30と、画素を駆動制御する垂直走査部と、ノイズ抑圧後の信号を水平信号線19に出力する水平走査部を備え、撮像信号を読み出す撮像信号読み出しモードとノイズ抑圧部に起因するノイズを抑圧するための補正信号を取得する補正信号読み出しモードを有し、補正信号読み出しモード時には、リセットトランジスタがオンの期間中又はオフとした直後の、少なくとも一方のタイミングで複数回信号を取得する駆動制御を行う。
【選択図】図１

Description

この発明は、デジタルカメラ等の映像信号を出力する固体撮像装置、特に縦スジノイズ及び水平方向のシェーディングを補正することの可能な固体撮像装置に関する。

ＣＣＤイメージセンサや、ＭＯＳ型イメージセンサ等の固体撮像素子は、光を電気信号に変換する装置であり、デジタルカメラ等に広く用いられている。図12は、従来のＭＯＳ型イメージセンサの構成例を示す回路構成図である。この構成例に係るＭＯＳ型イメージセンサは、光電変換部であるフォトダイオードＰＤ１と該フォトダイオードＰＤ１の検出信号を増幅する増幅トランジスタＭ１と前記フォトダイオードＰＤ１の検出信号をリセットするリセットトランジスタＭ２と各行を選択するための行選択トランジスタＭ３と画素電源ＶＤＤとからなる単位画素2011と、該単位画素2011を駆動する垂直走査部2012と、列方向に配列された単位画素2011に共通に接続され、単位画素2011からの信号を出力する列信号線2013と、列信号線2013に定電流を流すバイアス用トランジスタＭ５と、バイアス用トランジスタＭ５の電流値を決めるバイアス電流調整電圧線ＶＢＩＡＳと、列信号線2013に接続されたクランプ容量Ｃ11と、列信号線2013の電圧変化分を保持するホールド容量Ｃ12と、クランプ容量Ｃ11とホールド容量Ｃ12を接続するサンプルホールドトランジスタＭ12と、クランプ容量Ｃ11とホールド容量Ｃ12を所定の電圧にクランプするためのクランプトランジスタＭ11と、各列のホールド容量Ｃ12から信号を読み出すための一方の端子をホールド容量Ｃ12に接続した列選択トランジスタＭ13と、列選択トランジスタＭ13の他方の端子が接続された水平信号線2015と、出力アンプ2016と、列選択トランジスタＭ13を駆動する水平走査部2014とから構成されている。なお、クランプ容量Ｃ11とホールド容量Ｃ12とクランプトランジスタＭ11とサンプルホールドトランジスタＭ12とで、ノイズ抑圧部2017を構成している。

このように構成されたイメージセンサにおいては、列毎に備えた相関二重サンプリングを行うノイズ抑圧部2017により、単位画素の増幅トランジスタＭ１のばらつきを抑圧することは可能であるが、ノイズ抑圧部2017自体にばらつきがあると、そのばらつきにより、得られた画素信号に縦スジ状のノイズや、水平方向のシェーディングが重畳されてしまうという問題点がある。

そこで、従来は、この縦スジノイズや水平方向のシェーディングを補正するために、以下のような手法を用いている。図13，図14は、例えば特開２０００−２６１７３０号公報に示されている縦スジノイズ及び水平方向のシェーディングの補正可能なイメージセンサの概略構成を示す図、及びそのイメージセンサを搭載した固体撮像装置の構成を示すブロック図である。

図13は、図12に示したＭＯＳ型イメージセンサの構成を簡略化して示したもので、図12に示したイメージセンサと共通の構成要素については同一の符号を付して示している。行列状に配列された複数個の単位画素によって構成される画素部の全画素領域2001a 内には、表面を遮光膜で覆ったＯＢ領域2001c と、実際の撮像に使用する有効画素領域2001b を備えており、ＯＢ領域2001c の上側を垂直ＯＢ領域2001d とする。

図14に示す固体撮像装置は、イメージセンサ3010と、イメージセンサ3010からの信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部3020と、Ａ／Ｄ変換部3020から出力されるデジタル信号からイメージセンサ3010の垂直ＯＢ領域2001d 分抜き出して、列方向に加算平均する垂直ＯＢ領域加算平均部3030と、垂直ＯＢ領域加算平均部3030からの信号を保持するラインメモリ3040と、Ａ／Ｄ変換部3020から出力される撮像信号からラインメモリ3040に保持された信号（補正データ）を減算する減算部3050と、減算部からの信号を画像処理し画像信号を出力する画像処理部3060とから構成されている。

そして、このように構成された固体撮像装置においては、撮像信号を取得する際に、垂直ＯＢ領域2001d の信号を列方向に加算平均したものを、縦スジノイズ及び水平方向のシェーディングの補正データとしてラインメモリ3040に保持しておき、通常の撮像時に、撮像信号からラインメモリ3040に保持されている補正データを減算することで、縦スジノイズ及び水平方向のシェーディングを補正している。ここで、列方向に加算平均を行うのは、ランダムノイズ成分の影響を受けにくくするためである。

また、特開平１０−３１３４２８号公報に開示されているように、イメージセンサに光が入射しない状態を作り、その状態における出力から列方向に加算平均した補正データを取得することにより、縦スジノイズ及び水平方向のシェーディングを補正する手法も知られている。
特開２０００−２６１７３０号公報特開平１０−３１３４２８号公報

しかしながら、上記特開２０００−２６１７３０号公報に開示されている方法では、遮光膜で覆われている垂直ＯＢ領域2001d により補正データを取得するように構成されているため、実際の撮像信号を取得する有効画素領域2001b とは画素特性に差があるという問題がある。また、特開平１０−３１３４２８号公報に開示されている手法では、有効画素領域において補正データを取得するために、遮光手段が必要になるという問題がある。

このように、従来は、縦スジノイズ及び水平方向のシェーディング補正用の補正データを取得するに際して、遮光手段を用いずに遮光状態と同等の信号を得ることが課題となっていた。本発明は、従来の固体撮像装置における上記課題を解決するためになされたもので、固体撮像素子の遮光手段を必要とせずに、縦スジノイズ及び水平方向のシェーディングの補正可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、光電変換手段、その入力部に供給される前記光電変換手段からの撮像信号を増幅する増幅手段、及び前記増幅手段の入力部をリセットするリセット手段を有する画素が複数、２次元状に配列され、且つ各列に配列された各画素の前記増幅手段の出力部が列毎に設けられた共通信号線に接続された画素部と、前記共通信号線に出力された前記画素からの信号のノイズを抑圧する列処理回路と、前記画素の増幅手段、及び前記リセット手段を行単位で制御する垂直走査回路と、前記列処理回路から水平信号線へのノイズ抑圧後の信号の出力を列を単位として制御する水平走査回路と、前記撮像信号を前記水平信号線に読み出す第１の読み出しモードと、前記リセット手段がオンの期間中又は前記リセット手段をオフとした直後の、少なくとも一方のタイミングで複数回取得された前記列処理回路に係る信号に基づき、前記列処理回路に起因するノイズを抑圧するための補正データを取得する第２の読み出しモードとを設定可能に有し、設定された読み出しモードに応じた駆動制御を行うモード設定制御回路とを具備する固体撮像素子と、前記補正データを保持するメモリと、前記メモリに保持された補正データに基づき、前記第１の読み出しモードにおいて読み出された前記撮像信号を補正する補正手段とを備えて固体撮像装置を構成するものである。

このように構成された固体撮像装置においては、第２の読み出しモードにおいて、リセット手段がオンの期間中又はリセット手段をオフとした直後の、少なくとも一方のタイミングで複数回、列処理回路に係る信号が取得され、取得された信号に基づき列処理回路に起因するノイズを抑圧するための補正データが生成される。この補正データはメモリに保持され、そして、このメモリに保持された補正データに基づき、第１の読み出しモードにおいて読み出された前記撮像信号が補正される。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る固体撮像装置において、前記画素は、前記光電変換手段にて生成された撮像信号を前記増幅手段の入力部に転送する転送手段を更に有し、前記モード設定制御回路は、前記第２の読み出しモードにおいて少なくとも前記転送手段がオンとなる期間は前記リセット手段をオンとする駆動制御を行うことを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に係る固体撮像装置において、前記固体撮像素子と同一の半導体チップ上に、前記メモリ又は前記補正手段の少なくとも一方が形成されていることを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか１項に係る固体撮像装置において、前記モード設定制御回路は任意のタイミングで前記第２の読み出しモードを設定し、前記メモリは前記任意のタイミングで取得された前記補正データを格納することを特徴とするものである。

請求項１に係る発明によれば、シャッタ等の遮光手段により遮光された状態と同等又は略同等の状態における列処理回路に係る信号が得られるので、遮光手段を別途設けることなく、簡易な構成にて、遮光手段により遮光された状態と同等又は略同等の状態で、列処理回路に起因するノイズを抑圧するための補正データを取得することが可能となる。更に、リセット手段は、その機能上占有する面積は小さくて済み、そのため駆動するための消費電力も小さく、その駆動制御も容易となるので、製造、消費電力及び制御の点からも有利となる。

請求項２に係る発明によれば、転送手段をオンとする制御を変更することなく、その機能上占有する面積は小さくて済み、そのため駆動するための消費電力も小さく、その駆動制御も容易なリセット手段により、遮光手段を別途設けることなく、簡易な構成にて、遮光手段により遮光された状態と同等又は略同等の状態で、列処理回路に起因するノイズを抑圧するための補正データを取得することが可能となる。

請求項３に係る発明によれば、メモリもしくは補正手段の少なくとも一方がを撮像素子と同一チップ上に構成されているため、外部ラインメモリもしくは外部補正手段が不要となり、撮像装置の小型化が可能となる。

請求項４に係る発明によれば、システムの安定性や環境に対する特性に応じて、適宜補正信号が取得されてメモリに格納されるので、温度変化などによる縦スジや水平方向のシェーディングの変化に対応した補正が可能となる。

次に、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

（実施例１）
まず、本発明に係る固体撮像装置の実施例１について説明する。図１は実施例１に係る固体撮像装置における固体撮像素子の１画素及びそれに対応するノイズ抑圧部並びに各駆動制御信号生成部の構成を示す回路構成図である。この実施例に係る固体撮像素子は、光電変換部であるフォトダイオード101 と、該フォトダイオード101 に蓄積された電荷に対応した信号を受け取る浮遊拡散領域106 と、前記信号を増幅して読み出すための増幅トランジスタ102 と、前記フォトダイオード101 に蓄積された電荷を浮遊拡散領域106 へ転送する手段である転送トランジスタ103 と、増幅トランジスタ102 の入力部となる浮遊拡散領域106 をリセットするためのリセットトランジスタ104 と、各行を選択するための行選択トランジスタ105 と、画素電源ＶＤＤとからなる単位画素11を備えている。なお、図１において、107 は浮遊拡散領域106 を形成する浮遊容量であり、そして上記単位画素11は行列状に複数個配列されている。

また、この固体撮像素子は、列方向に配列された単位画素11に共通に接続され、単位画素11の信号を出力する列信号線12と、列信号線12に定電流を流すバイアス用トランジスタ13と、バイアス用トランジスタ13の電流値を決めるバイアス電流調整電圧線ＶＢＩＡＳとを備え、更に、列信号線12に接続されたクランプ容量14と、列信号線12の電圧変化分を保持するホールド容量15と、クランプ容量14とホールド容量15を接続するサンプルホールドトランジスタ16と、クランプ容量14とホールド容量15を所定の電圧にクランプするためのクランプトランジスタ17とからなる、相関二重サンプリングを行い単位画素11からの信号のノイズを抑圧するノイズ抑圧部30と、各列のノイズ抑圧部30のホールド容量15から信号を読み出すため一方の端子をホールド容量15に接続した列選択トランジスタ18と、列選択トランジスタ18の他方の端子が接続された水平信号線19と、出力アンプ20とを備えて構成されている。そして、更に、外部からのモード切換信号の入力により、次に述べる撮像信号読み出しモードと補正信号読み出しモードとを切り換えて設定し、設定されたモードに応じて駆動制御用の信号を出力するモード設定制御回路40と、該モード設定制御回路40から出力された駆動制御用の信号に応じて画素駆動用の信号を出力する垂直走査回路41と、列選択パルスを出力する水平走査回路42とを備えている。なお、モード設定制御回路40は、垂直走査回路41，水平走査回路42，及び他の回路に対する駆動用の信号を生成するタイミング信号生成回路402 と、外部からのモード切換信号を受け、タイミング信号生成回路402 にモードに応じた設定を行うモード設定回路401 とから構成されている。

次に、図２に示した撮像信号読み出しモードのタイミングチャートに基づいて、図１に示した実施例１に係る固体撮像素子の撮像信号読み出しモード時の画像データ取得動作について説明する。図２におけるφＲＯＷ，φＲＳＴ，φＴＲは、画素駆動用の行選択パルス、リセット制御パルス、転送パルス信号であり、垂直走査回路41から出力され、φＣＬ，φＳＨはノイズ抑圧部30を駆動するクランプ制御パルス、サンプルホールド制御パルスであり、モード設定制御回路40から出力されるようになっている。

まず、水平ブランキング期間において、行選択パルスφＲＯＷ＝Ｈにすると、行選択トランジスタ105 がオン状態となり、列信号線12に浮遊拡散領域106 の信号電圧が出力されるようになる。次に、クランプ制御パルスφＣＬ＝Ｈ，及びサンプルホールド制御パルスφＳＨ＝Ｈとして、サンプルホールドトランジスタ16とクランプトランジスタ17をオン状態にし、クランプ容量14の一方の端子とホールド容量15を基準電位ＶＲＥＦに固定する。

また、リセット制御パルスφＲＳＴ＝Ｈとしてリセットトランジスタ104 をオンとし、浮遊拡散領域106 の電圧をリセットする。ここで、余分な充放電をしないために、通常はリセット制御パルスφＲＳＴをＨとしてからクランプ制御パルスφＣＬをＨにする。その後、リセット制御パルスφＲＳＴ＝Ｌとしてリセットトランジスタ104 をオフとする。そして、クランプ制御パルスφＣＬ＝Ｌとしてクランプトランジスタ17をオフ状態とすることで、リセットした後の浮遊拡散領域106 のレベルをクランプ容量14にクランプする。その後、転送パルスφＴＲ＝Ｈとして転送トランジスタ103 をオンとし、フォトダイオード101 に蓄積された電荷を浮遊拡散領域106 に転送する。このとき、電荷量に応じた撮像信号レベルが列信号線12に現れ、クランプ容量14及びサンプルホールドトランジスタ16を介してホールド容量15に蓄積される。

そして、次にサンプルホールド制御パルスφＳＨ＝Ｌとしてサンプルホールドトランジスタ16をオフ状態にすることで、ホールド容量15にフォトダイオード101 の信号成分が保持される。その後、水平映像期間に、水平走査回路42より出力される列選択パルスを“Ｈ”として列選択トランジスタ18をオンすることによって、ホールド容量15に保持された信号成分が水平信号線19に現れ、出力アンプ20からノイズが抑圧された画素信号が出力される。この動作を繰り返し各行毎に行うことで、一画面分の撮像信号が得られる。

次に、図３に示した補正信号読み出しモードのタイミングチャートに基づいて、図１に示した固体撮像素子の補正信号取得動作について説明する。図３における行選択パルスφＲＯＷ，リセット制御パルスφＲＳＴ，転送バルスφＴＲは画素の動作を制御する信号であり、同様に垂直走査回路41から出力され、φＣＬ，φＳＨはノイズ抑圧部30を駆動するクランプ制御パルス、サンプルホールド制御パルスであり、モード設定制御回路40から出力されるようになっている。

また、リセット制御パルスφＲＳＴ＝Ｈとしてリセットトランジスタ104 をオンとし、浮遊拡散領域106 の電圧をリセットする。そして、クランプ制御パルスφＣＬ＝Ｌとしてクランプトランジスタ17をオフ状態とすることで、浮遊拡散領域106 をリセットしたときのレベルをクランプ容量14にクランプする。その後、転送パルスφＴＲ＝Ｈとして転送トランジスタ103 をオンとし、フォトダイオード101 に蓄積された電荷を浮遊拡散領域106 に転送する。このとき、リセットトランジスタ104 はオンのままであるので、フォトダイオード101 に光による電荷が蓄積されていたとしても浮遊拡散領域106 のレベルは変化しない。その後、リセットトランジスタ104 をオフにすると、浮遊拡散領域106 は、リセットトランジスタ104 によるフィードスルーレベル分変化する。そして、次にサンプルホールド制御パルスφＳＨ＝Ｌとしてサンプルホールドトランジスタ16をオフ状態にすることで、ホールド容量15にフィードスルーレベルが保持される。このときホールド容量15に保持される信号は、入射光量によらないものなので、画素領域を遮光したときと同様の信号が得られる。

その後、水平映像期間に、水平走査回路42から出力される列選択パルスをＨとして列選択トランジスタ18をオンすることによって、ホールド容量15に保持された信号成分が水平信号線19に現れ、出力アンプ20からノイズが抑圧された画素信号が出力される。この動作を繰り返し各行毎に行うことで、画素領域を遮光状態とすることなく、遮光状態と同等の信号が得られるので、それを列毎のノイズ抑圧部30に起因するノイズを抑圧するための補正信号として用いることが可能となる。

（実施例２）
次に、実施例２について説明する。実施例２に係る固体撮像素子の構成は、図１に示した実施例１の固体撮像素子の構成と同じであり、また固体撮像素子の撮像信号読み出しモードの動作も同じであり、補正信号取得動作のみ異なるので、ここでは補正信号取得動作のみについて説明する。

図４は、実施例２に係る固体撮像素子の補正信号読み出しモードのタイミングチャートであり、このタイミングチャートに基づいて、補正信号取得動作について説明する。図４における行選択パルスφＲＯＷ，リセット制御パルスφＲＳＴ，転送パルスφＴＲは画素の動作を制御する信号であり、同様に垂直走査回路41から出力され、φＣＬ，φＳＨはノイズ抑圧部30を駆動するクランプ制御パルス、サンプルホールド制御パルスであり、モード設定制御回路40から出力されるようになっている。

また、リセット制御パルスφＲＳＴ＝Ｈとしてリセットトランジスタ104 をオンとし、浮遊拡散領域106 の電圧をリセットする。その後、リセット制御パルスφＲＳＴ＝Ｌとしてリセットトランジスタ104 をオフする。そして、クランプ制御パルスφＣＬ＝Ｌとしてクランプトランジスタ17をオフ状態とすることで、リセットした後の浮遊拡散領域106 のフィードスルーレベルをクランプ容量14にクランプする。その後、再度、リセット制御パルスφＲＳＴ＝Ｈとしてリセットトランジスタ104 をオンとし、また転送パルスφＴＲ＝Ｈとして転送トランジスタ103 をオンとする。このとき、実施例１と同様にフォトダイオード101 に電荷が蓄積されていたとしても、浮遊拡散領域106 のレベルは変化しない。そして、転送パルスφＴＲ＝Ｌとして転送トランジスタ103 をオフしたあと、リセット制御パルスφＲＳＴ＝Ｌとしてリセットトランジスタ104 をオフし、その後、サンプルホールド制御パルスφＳＨ＝Ｌとしてサンプルホールドトランジスタ16をオフ状態にすることで、ホールド容量15に補正信号成分が保持される。このとき、ホールド容量15に保持される信号は、入射光量によらないものなので、遮光状態のときと同等の信号となる。

その後、水平映像期間に、水平走査回路42から出力される列選択パルスをＨとして列選択トランジスタ18をオンすることによって、ホールド容量15に保持された信号成分が水平信号線19に現れ、出力アンプ20からノイズが抑圧された画素信号が出力される。この動作を繰り返し各行毎に行うことで、実施例１と同様に画素領域を遮光状態とすることなく、遮光状態と同等の信号が得られるので、それを補正データとして用いることができる。

なお、本実施例の補正信号取得動作においては、リセット直後のフィードスルーレベルをクランプしホールドするようにしているので、暗時の画素信号に、より近いレベルの信号が得られることとなる。

（実施例３）
次に、実施例３について説明する。図５は、実施例３に係る固体撮像装置における固体撮像素子の１画素とそれに対応するノイズ抑圧部並びに各駆動制御信号生成部の構成を示す回路構成図である。実施例３に係る固体撮像素子の構成は、実施例１に係る固体撮像素子における相関二重サンプリングを行うノイズ抑圧部を、クランプ型から差動型に変えた構成となっている。

図５に示すように、実施例３に係る固体撮像素子は、光電変換部であるフォトダイオード501 と、該フォトダイオード501 に蓄積された電荷に対応した信号を受け取る浮遊拡散領域506 と、浮遊拡散領域を形成する浮遊容量507 と、前記信号を増幅して読み出すための増幅トランジスタ502 と、前記フォトダイオード501 に蓄積された電荷を浮遊拡散領域506 へ転送する手段である転送トランジスタ503 と、増幅トランジスタ502 の入力部である浮遊拡散領域506 をリセットするためのリセットトランジスタ504 と、各行を選択するための行選択トランジスタ505 と、画素電源ＶＤＤとからなる単位画素51を備え、また列方向に配列された単位画素51に共通に接続され、単位画素51の信号を出力する列信号線52と、列信号線52に定電流を流すバイアス用トランジスタ53と、バイアス用トランジスタ53の電流値を決めるバイアス電流調整電圧線ＶＢＩＡＳと、第１の選択パルスφＳにより動作する第１の選択トランジスタ54と、第２の選択パルスφＲにより動作する第２の選択トランジスタ55と、列信号線52に出力されるフォトダイオードの信号を保持する第１の容量56と、同じく列信号線52に出力されるフォトダイオードの信号を保持する第２の容量57と、第１の容量56に保持された信号を出力する第１の水平信号線58と、第２の容量57に保持された信号を出力する第２の水平信号線59と、第１の容量56と第１の水平信号線58とを接続する第１の列選択トランジスタ60と、第２の容量57と第２の水平信号線59とを接続する第２の列選択トランジスタ61と、列リセットパルスにより動作し水平信号線リセット電圧を第１の水平信号線58に接続する第１の水平信号線リセットトランジスタ62と、列リセットパルスにより動作し水平信号線リセット電圧を第２の水平信号線59に接続する第２の水平信号線リセットトランジスタ63と、第１及び第２の水平信号線58，59に接続された差動出力アンプ64とを備えて構成されている。更に、図１に示す実施例１と同様に、モード設定制御回路40と、垂直走査回路41と、水平走査回路42とを備えている。

次に、図６に示した撮像信号読み出しモードのタイミングチャートに基づいて、図５に示した実施例３に係る固体撮像素子の撮像信号読み出しモード時の画像データ取得動作について説明する。図６における行選択パルスφＲＯＷ、リセット制御パルスφＲＳＴ、転送パルスφＴＲは画素駆動用の信号であり、垂直走査回路41から出力され、第１及び第２の選択パルスφＳ，φＲはモード設定制御回路40から出力されるようになっている。

まず、水平ブランキング期間において、行選択パルスφＲＯＷ＝Ｈにすると、行選択トランジスタ505 がオン状態となり、列信号線52に浮遊拡散領域506 の信号電圧が出力されるようになる。次に、リセット制御パルスφＲＳＴ＝Ｈとしてリセットトランジスタ504 をオンにして、浮遊拡散領域506 をリセットする。その後、リセット制御パルスφＲＳＴ＝Ｌとしてリセットトランジスタ504 をオフにする。そして、次いで第２の選択パルスφＲ＝Ｈとして第２の選択トランジスタ55をオンにし、浮遊拡散領域506 のリセット電位を第２の容量57に保持する。その後、第２の選択パルスφＲ＝Ｌとして第２の選択トランジスタ55をオフとする。

次に、転送パルスφＴＲ＝Ｈとして転送トランジスタ503 をオンにして、フォトダイオード501 に蓄積された電荷を浮遊拡散領域506 に転送する。次いで、転送パルスφＴＲ＝Ｌとして転送トランジスタ503 をオフとした後、第１の選択パルスφＳ＝Ｈとして第１の選択トランジスタ54をオンとし、これにより浮遊拡散領域506 の電位（光電変換信号）が第１の容量56に保持される。その後、第１の選択パルスφＳ＝Ｌとして第１の選択トランジスタ54をオフとする。

その後、水平映像期間において、水平走査回路42より出力される列選択パルスを“Ｈ”として、第２の列選択トランジスタ61と第１の列選択トランジスタ60をオンとすることで、上記第２の容量57と第１の容量56に保持された信号は、第２の水平信号線59と第１の水平信号線58にそれぞれ出力され、差動出力アンプ64に入力されて光電変換信号に含まれるノイズが抑圧された画素信号が出力される。なお、各列の列選択パルスをＨにする前に、列リセットパルスをＨにして第１及び第２の水平信号線58，59をリセットするようになっている。

次に、図７に示した補正信号読み出しモードのタイミングチャートに基づいて、図５に示した実施例３に係る固体撮像素子の補正信号取得動作について説明する。図７における行選択パルスφＲＯＷ，リセット制御パルスφＲＳＴ，転送パルスφＴＲは画素の動作を制御する信号であり、同様に垂直走査回路41から出力され、第１及び第２の選択パルスφＳ，φＲはモード設定制御回路40から出力されるようになっている。

まず、水平ブランキング期間において、行選択パルスφＲＯＷ＝Ｈにすると行選択トランジスタ504 がオン状態となり、列信号線52に浮遊拡散領域506 の信号電圧が出力されるようになる。次いで、リセット制御パルスφＲＳＴ＝Ｈとしリセットトランジスタ504 をオンにして、浮遊拡散領域506 をリセットする。その後、リセット制御パルスφＲＳＴ＝Ｌとしてリセットトランジスタ504 をオフにする。その後、第２の選択パルスφＲ＝Ｈとして第２の選択トランジスタ55をオンにし、浮遊拡散領域のフィードスルーレベルを第２の容量61に保持する。その後、第２の選択パルスφＲ＝Ｌとして第２の選択トランジスタ55をオフとする。

次に、リセット制御パルスφＲＳＴ＝Ｈとしリセットトランジスタ504 をオンにして、浮遊拡散領域506 をリセットする。その後、リセット制御パルスφＲＳＴ＝Ｌとしてリセットトランジスタ504 をオフにする。この間に、転送パルスφＴＲにより転送トランジスタ503 がオン、オフされ、フォトダイオード501 がリセットされる。次いで、第１の選択パルスφＳ＝Ｈとし第１の選択トランジスタ54をオンにして、浮遊拡散領域506 のフィードスルーレベルを第１の容量56に保持する。その後、第１の選択パルスφＳ＝Ｌとして第１の選択トランジスタ54をオフとする。

その後、水平映像期間に、水平走査回路42から出力される列選択パルスをＨとして、第２の列選択トランジスタ61と第１の列選択トランジスタ60をオンとすることで、上記第２の容量57と第１の容量56に保持された信号は、第２の水平信号線59と第１の水平信号線58にそれぞれ現れ、差動出力アンプ64に入力されて第２の容量57と第１の容量56の差分信号が出力される。この差分信号は入射光量にはよらないものなので、遮光状態と同等の信号となる。

このように、ノイズ抑圧部に差動型を用いた場合でも、画素領域を遮光することなく第２の容量57と第１の容量56のばらつきに対応する補正データを取得することが可能である。また、ノイズ抑圧部が差動型であっても、実施例１のように増幅トランジスタの入力部である浮遊拡散領域のリセットレベル、及びフィードスルーレベルを得て補正信号を取得するようにしてもよいことは言うまでもない。

（実施例４）
次に実施例４について説明する。図８は、実施例４に係る固体撮像装置における固体撮像素子の１画素及びそれに対応するノイズ抑圧部並びに各駆動制御信号生成部の構成を示す回路構成図である。実施例４に係る固体撮像素子の構成は、実施例１に係る固体撮像素子の単位画素11の構成に、第２の転送トランジスタ108 と光電荷に対応した信号を保持するメモリ領域109 とを加えた構成となっている点で相違するのみで、他の構成は実施例１と同じである。なお、図８において、110 はメモリ領域109 を形成するメモリ領域形成用浮遊容量である。

次に、図８に示した構成の固体撮像素子の動作について説明する。画素部においては、まず、全画素同時にリセット制御パルスφＲＳＴ＝Ｈ、及び第１転送パルスφＴＲ１＝Ｈとして、浮遊拡散領域106 及びメモリ領域109 を一括リセットする。次に、任意の時間後に全画素同時に第２の転送パルスφＴＲ２＝Ｈとし、各画素のフォトダイオード101 に蓄積された電荷をメモリ領域109 に一括転送する。このとき、一括リセットから一括転送までの時間がフォトダイオード101 の電荷蓄積時間となる。以降引き続き行われる画素信号の読出しについては、メモリ領域109 を図１に示した実施例１のフォトダイオード101 とみなすことにより同じ動作で行うことができる。

このように、単位画素内にメモリ領域を有する場合においても、実施例１と同様に、撮像信号読み出しモードと補正信号読み出しモードの動作が行え、補正信号読出しモードにおいては、画素領域を遮光することなく、遮光状態と同等の信号が得られるので、それを補正データとして用いることが可能となる。

また、この実施例４では、補正データ取得のタイミングは実施例２と同じでもよいし、ノイズ抑圧部に実施例３に示したような差動型のものを用いてもよいことはいうまでもない。また、実施例１〜４では、列処理回路として相関二重サンプリングを行うノイズ抑圧部のみを示しているが、列毎に増幅を行う回路や、Ａ／Ｄ変換を行う回路を付加してもよいことはいうまでもない。

（実施例５）
次に、上記の実施例１〜実施例４に示した固体撮像素子を搭載した固体撮像装置の構成例を、実施例５として説明する。図９の（Ａ）に固体撮像素子1010の簡略図を示し、図９の（Ｂ）に固体撮像装置のブロック構成図を示す。図９の（Ａ）に示す固体撮像素子1010は、行列状に配列された複数個の単位画素によって構成される画素部を備え、該画素部の全画素領域1001ａ内には、表面を遮光膜で覆ったＯＢ領域1001ｃと、実際の撮像に使用する有効画素領域1001ｂとを備えており、ＯＢ領域1001ｃの上側を垂直ＯＢ領域1001ｄとし、有効画素領域1001ｂの一部を選択画素領域1001ｅとしている。ここで、選択画素領域1001ｅは、補正信号読み出しモード時に選択される画素領域であり、有効画素を含む任意の複数行領域からなり、後述するモード設定制御回路40により補正データを取得するために最適な領域に設定されるようになっている。

また、固体撮像素子には、画素部を駆動する垂直走査部1013と、各列毎に設けられたノイズ抑圧部1017と、列選択トランジスタＭ13と、列選択トランジスタＭ13を駆動する水平走査部1014と、水平信号線1015と、出力アンプ1016とを備えている。更に、図１の実施例１に示すモード設定制御回路40を備え、モード切換信号に応じて、垂直走査部1013，ノイズ抑圧部1017，及び水平走査部1014に対して駆動用信号を出力する。

図９の（Ｂ）に示すように固体撮像装置は、上記構成の固体撮像素子1010と、固体撮像素子1010からの信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部1020と、補正信号読み出しモード時のＡ／Ｄ変換部1020からの信号を列方向に加算平均する選択画素垂直加算平均部1030と、選択画素垂直加算平均部1030からの信号を保持するラインメモリ1040と、撮像信号読み出しモード時にＡ／Ｄ変換部1020から出力される撮像信号からラインメモリ1040に保持された信号（補正データ）を減算する減算部1050と、減算部1050からの信号を画像処理し画像信号を出力する画像処理部1060とから構成されている。なお、固体撮像素子にＡ／Ｄ変換回路が搭載されている場合は、Ａ／Ｄ変換部1020が不要となる。なお、モード設定制御回路40は固体撮像素子1010と別体に設けられていてもよい。

次に、このように構成されている固体撮像装置の動作について説明する。図10は、縦スジノイズ及び水平方向のシェーディングを補正するための、補正信号読み出しモード時の動作を示すフローチャートである。以下、このフローチャートを参照しながら、補正信号読み出しモードの動作について説明する。まず、モード切換信号により補正信号読み出しモードが設定されると、モード設定制御回路40は、任意の複数行領域を選択するための駆動用の信号を垂直走査部1013に出力して選択画素領域1001ｅを走査し、選択画素領域1001ｅ内の画素信号を水平走査部1014により水平信号線1015に読み出し、出力アンプ1016から出力する。このとき補正信号となる選択画素領域1001ｅ内の画素信号は、実施例１〜実施例４で示した手法で取得できる。

垂直走査部1013は、選択画素領域1001ｅの走査を終えると、そこで走査を終了し、固体撮像素子1010からは選択画素領域1001ｅ分のみの画素信号（補正信号）を出力する。Ａ／Ｄ変換部1020で、この選択画素領域1001ｅの補正信号をデジタル信号に変換する。そして、選択画素垂直加算平均部1030で選択画素領域1001ｅの補正デジタル信号を列方向に加算平均したものを、補正データとしてラインメモリ1040に保持する。

図11は、縦スジノイズ及び水平方向のシェーディングを補正するための、撮像信号読み出しモード時の動作を示すフローチャートである。以下、このフローチャートを参照しながら、撮像信号読み出しモード時の動作を説明する。固体撮像素子1010からは、実施例１〜実施例４で示した手法により全画素領域1001a の撮像信号が行毎に出力される。この撮像信号をＡ／Ｄ変換部1020でデジタル信号に変換する。そのデジタル信号からラインメモリ1040に保持された補正データを減算部1050で減算し、縦スジノイズ及び水平方向のシェーディングが補正された信号が画像処理部1060に入力される。以上の処理を毎行の撮像信号について行う。そして画像処理部1060で補正後の撮像信号を画像処理し画像信号が出力される。このように本実施例に示した固体撮像装置においては、固体撮像素子を遮光状態とすることなく、縦スジノイズ及び水平方向のシェーディングが補正された撮像信号が得られる。

ここで、固体撮像装置の駆動においては、撮像信号読み出しモードと補正信号読み出しモードとでは、リセット制御パルスφＲＳＴの駆動タイミングが異なるのみである。画素リセット制御パルスφＲＳＴが印加されるリセットトランジスタは、画素内で占有する面積が小さく、リセット制御パルスが駆動する負荷は軽く、駆動するための消費電力も小さい。このように、駆動の制御が容易な制御パルスのタイミング変更のみで、補正された撮像信号が得られる。なお、画素部の有効画素領域1001b 中の選択画素領域1001e の行数は、１〜有効画素領域の行数の間で任意に設定可能である。例えば、行数が多いほどランダムノイズの低減が可能となり、行数が少ないほど補正データの取得時間を短縮することができるので、適宜設定すればよい。

また、補正データの取得は、システムの安定性や固体撮像素子の環境に対する特性に応じて、適宜実施し、補正データの変更を行えば、温度変化などによる、縦スジや水平方向のシェーディングの変化に対応した補正が可能となる。更に、補正データの取得を、毎撮像時に行えば、常に最適な縦スジや水平方向のシェーディングの補正が可能となる。そして、図９の（Ｂ）に示す固体撮像装置の固体撮像素子を除く各構成要素の少なくとも１つを、固体撮像素子と同一の半導体チップ上に構成すれば、固体撮像装置の小型化を図ることが可能となる。

本発明に係る固体撮像装置の実施例１における固体撮像素子の１画素及びそれに対応するノイズ抑圧部並びに各駆動制御信号生成部の構成を示す回路構成図である。図１に示した実施例１における撮像信号読み出しモード時の動作を説明するためのタイミングチャートである。図１に示した実施例１における補正信号読み出しモード時の動作を説明するためのタイミングチャートである。本発明の実施例２における補正信号読み出しモード時の動作を説明するためのタイミングチャートである。本発明の実施例３における固体撮像素子の１画素及びそれに対応するノイズ抑圧部並びに各駆動制御信号生成部の構成を示す回路構成図である。図５に示した実施例３における撮像信号読み出しモード時の動作を説明するためのタイミングチャートである。図５に示した実施例３における補正信号読み出しモード時の動作を説明するためのタイミングチャートである。本発明の実施例４における固体撮像素子の１画素及びそれに対応するノイズ抑圧部並びに各駆動制御信号生成部の構成を示す回路構成図である。本発明に係る固体撮像装置の構成例における固体撮像素子の構成、及び全体の構成を示すブロック図である。図９に示した固体撮像装置における補正信号読み出しモード時の動作を説明するためのフローチャートである。図９に示した固体撮像装置における撮像信号読み出しモード時の動作を説明するためのフローチャートである。従来のＭＯＳ型イメージセンサの構成例を示す回路構成図である。図12に示したＭＯＳ型イメージセンサを簡略化して示す図である。図13に示したＭＯＳ型イメージセンサを搭載した固体撮像装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

11，51 単位画素
12，52 列信号線
13，53 バイアス用トランジスタ
14 クランプ容量
15 ホールド容量
16 サンプルホールドトランジスタ
17 クランプトランジスタ
18 列選択トランジスタ
19 水平信号線
20 出力アンプ
30 ノイズ抑圧部
40 モード設定制御回路
401 モード設定回路
402 タイミング信号生成回路
41 垂直走査回路
42 水平走査回路
54 第１の選択トランジスタ
55 第２の選択トランジスタ
56 第１の容量
57 第２の容量
58 第１の水平信号線
59 第２の水平信号線
60 第１の列選択トランジスタ
61 第２の列選択トランジスタ
62 第１の水平信号線リセットトランジスタ
63 第２の水平信号線リセットトランジスタ
64 差動出力アンプ
101,501 フォトダイオード
102,502 増幅トランジスタ
103,503 転送トランジスタ
104,504 リセットトランジスタ
105,505 行選択トランジスタ
106,506 浮遊拡散領域
107,507 浮遊容量
108 第２の転送トランジスタ
109 メモリ領域
110 メモリ領域形成用浮遊容量
1001ａ全画素領域
1001ｂ有効画素領域
1001ｃＯＢ領域
1001ｄ垂直ＯＢ領域
1001ｅ選択画素領域
1010 固体撮像素子
1013 垂直走査部
1014 水平走査部
1015 水平信号線
1016 出力アンプ
1017 ノイズ抑圧部
1020 Ａ／Ｄ変換部
1030 選択画素垂直加算平均部
1040 ラインメモリ
1050 減算部
1060 画像処理部

Claims

光電変換手段、その入力部に供給される前記光電変換手段からの撮像信号を増幅する増幅手段、及び前記増幅手段の入力部をリセットするリセット手段を有する画素が複数、２次元状に配列され、且つ各列に配列された各画素の前記増幅手段の出力部が列毎に設けられた共通信号線に接続された画素部と、
前記共通信号線に出力された前記画素からの信号のノイズを抑圧する列処理回路と、
前記画素の増幅手段、及び前記リセット手段を行単位で制御する垂直走査回路と、
前記列処理回路から水平信号線へのノイズ抑圧後の信号の出力を列を単位として制御する水平走査回路と、
前記撮像信号を前記水平信号線に読み出す第１の読み出しモードと、前記リセット手段がオンの期間中又は前記リセット手段をオフとした直後の、少なくとも一方のタイミングで複数回取得された前記列処理回路に係る信号に基づき、前記列処理回路に起因するノイズを抑圧するための補正データを取得する第２の読み出しモードとを設定可能に有し、設定された読み出しモードに応じた駆動制御を行うモード設定制御回路とを具備する固体撮像素子と、
前記補正データを保持するメモリと、
前記メモリに保持された補正データに基づき、前記第１の読み出しモードにおいて読み出された前記撮像信号を補正する補正手段とを備えたことを特徴とする固体撮像装置。
前記画素は、前記光電変換手段にて生成された撮像信号を前記増幅手段の入力部に転送する転送手段を更に有し、前記モード設定制御回路は、前記第２の読み出しモードにおいて少なくとも前記転送手段がオンとなる期間は前記リセット手段をオンとする駆動制御を行うことを特徴とする請求項１に係る固体撮像装置。
前記固体撮像素子と同一の半導体チップ上に、前記メモリ又は前記補正手段の少なくとも一方が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に係る固体撮像装置。
前記モード設定制御回路は任意のタイミングで前記第２の読み出しモードを設定し、前記メモリは前記任意のタイミングで取得された前記補正データを格納することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に係る固体撮像装置。