JP2008054357A - 固体撮像装置及びその駆動方法、並びにカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】電子シャッタ動作を行ったときの各画素の蓄積時間が一定で速いシャッタスピードを設定することが可能な固体撮像装置を提供する。
【解決手段】１画素信号期間Ｐ中に１の行の読み出しと、他の行の電子シャッタを同時に行う手段３，４，７，１１を有する固体撮像装置２０を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばマトリクス状に画素が配置された撮像素子を有して成る固体撮像装置及びその駆動方法、並びに光学系と固体撮像装置を備えたカメラに係わる。

固体撮像装置として、各単位画素がＭＯＳトランジスタを有して構成され、光電変換により画素に蓄積された信号電荷を読み出して、これを電圧に変換して出力する、いわゆるＭＯＳ型、或いはＣＭＯＳ型の撮像素子を有して成る固体撮像装置がある。

これらＭＯＳ型或いはＣＭＯＳ型の撮像素子は、例えば画素の選択を行うスイッチング素子や、信号電荷を読み出すスイッチング素子にＭＯＳトランジスタが用いられている。

また、水平走査回路や垂直走査回路にＭＯＳトランジスタ或いはＣＭＯＳトランジスタが用いられ、スイッチング素子と一連の構成で製造を行うことができる利点を有している。

従来の単位画素が行列状に２次配列された、いわゆるＸ−Ｙアドレス型のＭＯＳ型或いはＣＭＯＳ型の撮像素子においては、電子シャッタを行うために、信号電荷の読み出しが行われない水平ブランキング期間に、１行分の画素から不要な信号電荷を信号線にリセット（排出）していた。

図１１は、従来のＣＭＯＳ型の撮像素子を有する固体撮像装置の概略構成を示す図である。この固体撮像装置５０は、光電変換を行うフォトダイオード５１と画素を選択する垂直選択スイッチ５２とによって構成された単位画素６０をマトリックス状に複数配列して成る撮像領域と、各行毎に垂直選択スイッチ５２の制御電極が共通に接続された垂直選択線５４に垂直走査パルスφＶｎを出力する垂直走査回路５３と、各列毎に垂直選択スイッチ５２の主電極が共通に接続された垂直信号線５５と、垂直信号線５５と水平信号線５８に接続された水平スイッチ５６と、水平スイッチ５６の制御電極に接続された水平走査回路５７と、水平信号線５８に接続されたアンプ５９により構成されて成る。

この固体撮像装置５０の基本動作としては、まずフォトダイオード５１で光電変換された信号電荷を垂直走査回路５３により制御された垂直選択スイッチ５２を通し垂直信号線５５に読み出す。垂直信号線５５に読み出された信号電荷は、水平映像期間Ｈ_A 中に、水平走査回路５７により制御された水平スイッチ５６を通して、順次水平信号線５８に出てこれに接続されたアンプ５９により信号電圧に変換され出力される。

この従来の固体撮像装置５０において、電子シャッタ動作を行おうとすると、不要な信号電荷を排出するためには、やはり垂直信号線５５を使うことになるため、信号が出力されない水平ブランキング期間Ｈ_BLK に、不要な信号電荷の排出をすることになる。

このとき、図１２に示すようなタイミングで、ある水平走査期間Ｔ_H 中の水平ブランキング期間Ｈ_BLK にｍ＋ｋ行目の垂直選択線５４の垂直走査パルスφＶｍ＋ｋが立ち上がり、その行のフォトダイオード５１から信号電荷が排出される。一方、同じ水平走査期間Ｔ_H の水平映像期間Ｈ_A にｍ行目の垂直走査パルスφＶｍが立ち上がり、フォトダイオード５１から垂直信号線５５に信号電荷が読み出され、固体撮像装置５０から信号が出力される。

ところで、電子シャッタのシャッタスピード、即ち画素の蓄積時間に相当する時間は、信号電荷の排出時点から信号電荷の読み出し時点までで決まるため、水平走査期間をＴ_H 、水平ブランキング期間をＨ_BLK 、水平画素数をＮとすれば、水平走査パルスφＨ１で出力される水平方向の一端の画素の蓄積時間がｋ×Ｔ_Hに、水平走査パルスφＨＮで出力される水平方向の他端の画素の蓄積時間がｋ×Ｔ_H ＋（Ｔ_H −Ｈ_BLK ）になり、この結果水平方向の右と左で蓄積時間が異なってしまう。即ち、水平走査パルスφＨｍで出力される画素の蓄積時間はそれが出力されるタイミングに比例して蓄積時間が変わってくる。

このように、従来の固体撮像装置において電子シャッタ動作を行う場合は、不要電荷の排出を各行毎に同時に行い、信号電荷の読み出しは走査に準じて順次行うことになり、各行の中で蓄積時間がｋ×Ｔ_H からｋ×Ｔ_H ＋（Ｔ_H −Ｈ_BLK ）まで異なってしまう。これは、シャッタスピードが速く設定されているｋの値が小さい固体撮像装置の場合に特に影響が大きくなる。

このように、従来の固体撮像装置の場合、ある水平ブランキング期間Ｈ_BLK にリセットが行われた画素行に関して、水平走査において最初に読み出される画素と最後に読み出される画素では、画素の蓄積時間が異なり、おおよそ水平走査期間分だけ蓄積時間に差が生じてしまう。

画素の蓄積時間即ちシャッタ速度が充分長い場合には、上述の蓄積時間の差は無視できるが、シャッタ速度が水平走査期間とさして変わらないほど早くなると、その蓄積時間の差がライン方向（行方向）のシェーディングとなって現れてしまっていた。

上述した問題の解決のために、本発明においては、電子シャッタ動作を行ったときの各画素の蓄積時間が一定で速いシャッタスピードを設定することが可能な固体撮像装置及びその駆動方法、並びにカメラを提供するものである。

本発明の固体撮像装置は、１画素信号期間中に１の行の読み出しと、他の行の電子シャッタを同時に行う手段を有するものである。

本発明の固体撮像装置の駆動方法は、１画素信号期間中に１の行の読み出しと、他の行の電子シャッタを同時に行う。

本発明のカメラは、光学系と、１画素信号期間中に１の行の読み出しと、他の行の電子シャッタを同時に行う手段を有する固体撮像装置とを備えたものである。

上述の本発明の固体撮像装置によれば、１画素信号期間中に１の行の読み出しと、他の行の電子シャッタを同時に行う手段を有することにより、不要電荷の排出即ちリセットから読み出しを行うまでの時間即ち信号電荷の蓄積時間を一定である固体撮像装置を構成することができる。

上述の本発明の固体撮像装置の駆動方法によれば、１画素信号期間中に１の行の読み出しと、他の行の電子シャッタを同時に行うことにより、信号電荷の蓄積時間を一定にすることができる。

上述の本発明のカメラによれば、光学系と、１画素信号期間中に１の行の読み出しと、他の行の電子シャッタを同時に行う手段を有する固体撮像装置とを備えたことにより、各画素の蓄積時間が一定であるカメラを構成することができる。

上述の本発明によれば、１画素信号期間中に１の行の読み出しと、他の行の電子シャッタが同時に行われることにより、画素毎の蓄積時間を一定になるように電子シャッタ動作を設定することが可能となり、速いシャッタスピードでもシェーディングを防止して明暗の差が生じない良好な画像を得ることができる。

また、本発明により、画素に電子シャッタの機能を追加しなくても電子シャッタを実現できるので、画素の小型化を妨げないで電子シャッタを行うことができる固体撮像装置を構成することができる。従って本発明により、画素を小型化して画素数の増加や装置全体の小型化を図った固体撮像装置及びカメラを構成することができる。

本発明は、１画素信号期間中に１の行の読み出しと、他の行の電子シャッタを同時に行う手段を有する固体撮像装置である。

本発明は、１画素信号期間中に１の行の読み出しと、他の行の電子シャッタを同時に行う固体撮像装置の駆動方法である。

本発明は、光学系と、１画素信号期間中に１の行の読み出しと、他の行の電子シャッタを同時に行う手段を有する固体撮像装置とを備えたカメラである。

図１は本発明の一実施の形態となる固体撮像装置の構成を示す。この固体撮像装置２０は、光電変換を行うフォトダイオード１と画素を選択する垂直選択スイッチ（例えばＭＯＳトランジスタ）２と読み出し制御スイッチ（例えばＭＯＳトランジスタ）１０とによって構成された単位画素１７をマトリクス状に複数配列して成る撮像領域と、各行毎に読み出し制御スイッチ１０の制御電極が共通に接続された垂直選択線４に垂直走査パルスφＶ〔φＶ１，・・・φＶｍ，・・・φＶｍ＋ｋ，・・・〕を出力する垂直走査回路３と、各列毎に垂直選択スイッチ２の主電極が共通に接続された垂直信号線５と、各列毎に読み出し制御スイッチ１０の主電極に接続された水平読み出し走査線１１と、垂直信号線５と水平信号線８に主電極が接続された水平スイッチ（例えばＭＯＳトランジスタ）６と、水平スイッチ６の制御電極と水平読み出し走査線１１に接続された水平走査回路７と、水平信号線８に接続されたアンプ９により構成されて成る。

各単位画素１７では、垂直選択スイッチ２の一方の主電極がフォトダイオード１に接続され、その他方の主電極が垂直信号線５に接続される。また、読み出し制御スイッチ１０の一方の主電極が垂直選択スイッチ２の制御電極に接続され、その他方の主電極が水平読み出し走査線１１に接続され、その制御電極が垂直選択線４に接続される。水平走査回路７から各水平スイッチ６の制御電極に水平走査パルスφＨ〔φＨ１，・・・φＨｎ，φＨｎ＋１，・・・〕が供給されると共に、各水平読み出し走査線１１に水平読み出し走査パルスφＨ^R 〔φＨ^R １，・・・φＨ^R ｎ，φＨ^R ｎ＋１，・・・〕が供給される。

この固体撮像装置２０の基本動作は次のようになる。垂直走査回路３から垂直走査パルスφＶｎが、水平走査回路７から水平読み出しパルスφＨｍがそれぞれ印加され、これらのパルスφＶｎ，φＨｍを受けた読み出し制御スイッチ１０が、これらのパルスφＶｎ，φＨｍの積のパルスを作り、この積のパルスで垂直選択スイッチ２を制御して、フォトダイオード１で光電変換された信号電荷を垂直信号線５に読み出す。この信号電荷は、水平映像期間中に、水平走査回路７からの水平走査パルスφＨｍにより制御された水平スイッチ６を通して水平信号線８に出て、これに接続されたアンプ９により信号電圧に変換され出力される。

この固体撮像装置２０における、電子シャッタ動作を行うときのタイミングチャートを図２及び図３に示す。

図２は垂直選択線５の垂直走査パルスφＶを示したタイミングチャートで、電子シャッタ動作のために同一の水平走査期間に、ｍ行目とｍ＋ｋ行目の垂直走査パルスφＶｍとφＶｍ＋ｋが立ち上がり、電子シャッタのシャッタスピードが水平走査期間をＴ_H とするなら、ｋ×Ｔ_H になることを示している。尚、図２中交差する斜線で示した部分は、多数のオンオフパルスを含んでいることを示す。

図３はフォトダイオード１から不要な信号電荷を排出するタイミングと信号電荷を読み出すタイミングが分かるように、垂直走査パルスφＶと水平走査パルスφＨ及び水平読み出し走査パルスφＨ^R を詳しく示したタイミングチャートである。

今、ｍ行目の読み出しが行われる水平走査期間中で、ｎ列目の画素の信号が出力されるときの１画素期間Ｐについて、その１画素期間Ｐの前半Ｐ_A にｍ行目の垂直走査パルス（読み出し走査パルス）φＶｍ（パルスＲ₁ 参照）が立ち上がり、それと同期してｎ列目の水平読み出し走査パルスφＨ^R ｎ（パルスＱ₁ 参照）が立ち上がり、ｍ行目ｎ列目の画素の信号電荷が垂直信号線５に読み出される。

このとき、水平走査パルスφＨｎが立ち上がっているので、垂直信号線５に読み出された信号電荷は水平スイッチ６を通して水平信号線８の端に接続されたアンプ９で電圧に増幅され、固体撮像装置２０から映像信号として出力される。

一方、同じｎ列目の画素の信号が出力されるときの１画素期間Ｐの後半Ｐ_B では、垂直走査パルス（電子シャッタ走査パルス）φＶｍ＋ｋ（パルスＲ₂ 参照）が立ち上がり、この垂直走査パルスφＶｍ＋ｋと同期して水平読み出し走査パルスφＨ^R ｎ（電子シャッタに使われるパルスＱ₂ 参照）が立ち上がり、ｍ＋ｋ行目ｎ列目の画素の不要電荷が垂直信号線５に排出される。この不要電荷は水平信号線８を通じてアンプ９で吸収される。

このように、垂直走査パルスφＶに関して、信号電荷を読み出すための読み出し走査パルスφＶｍの位相と、不要電荷を排出するための電子シャッタ走査パルスφＶｍ＋ｋの位相とをずらすことにより、画素から読み出す信号電荷には何ら悪影響を及ぼさずに不要電荷の排出を行うことができる。

また、画素の蓄積時間は、ｋ×Ｔ_H に１画素期間Ｐの１／２の時間を加えた時間となり、全ての画素で一定の蓄積時間とすることができる。

従って、蓄積時間のばらつきに起因する画像の明暗の差を生じないで電子シャッタを実現することができる。

電子シャッタを動作する場合は、上述のように駆動を行うが、電子シャッタを行わない通常の動作に切り替えるためには、垂直走査パルスφＶの電子シャッタ走査パルスφＶｍ＋ｋ（パルスＲ₂ 参照）を立ち上げないようにすればよい。

また、図３のタイミングチャートでは、水平読み出し走査パルスφＨ^R ｎと水平走査パルスφＨｎとが別々のタイミングで作られていたが、駆動を単純化するために、読み出し走査パルスφＨ^R ｎを水平走査パルスφＨｎと同じタイミングとしても良い。

図１に示した固体撮像装置２０において、図３とは異なる動作タイミングのタイミングチャートを図４に示す。この図４の場合は、１画素期間Ｐ中に信号電荷の読み出し前のレベル即ちノイズ信号Ｎと信号を読み出すレベル即ちノイズ信号Ｎと正味の信号が加算された画素信号Ｓの両方の信号Ｎ，Ｓを固体撮像装置２０から出力する場合に適用する動作タイミングである。

この動作タイミングでは、１画素期間Ｐを１／４ずつ４つの期間Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４に区分する。

まず、最初の１／４の期間Ｐ１にノイズ信号Ｎを出力するために、垂直走査パルスφＶを立てずに水平走査パルスφＨｎを立てる。この時点ではフォトダイオード１からの信号電荷が読み出されていないので、垂直信号線５と水平信号線８に存在するノイズ信号Ｎがアンプ９から出力される。

次の第２の１／４の期間Ｐ２には、垂直走査パルスφＶｍに読み出し走査パルスＲ₁ が立ち上がり、それに同期して水平読み出し走査パルスφＨ^R ｎ（読み出しに使われるパルスＱ₁ 参照）が立ち上がり、これらのパルスφＶｍ，φＨ^R ｎを受けたｍ行目ｎ列目の読み出し制御スイッチ１０が、これに接続された垂直選択スイッチ２を導通状態にし、フォトダイオード１で光電変換した信号電荷が垂直信号線５に読み出される。

次の第３の１／４の期間Ｐ３には、先の読み出し走査パルスＲ₁ と水平読み出し走査パルスφＨ^R ｎ（パルスＱ₁ 参照）が立ち下がり、各スイッチ２，１０がノイズ信号Ｎが出力された状態と同じになり、この期間Ｐ３に読み出された信号電荷が水平信号線８に接続されたアンプ９で電圧に増幅され、ノイズ信号Ｎと正味の信号が加算された画素信号Ｓとして出力される。これらノイズ信号Ｎと画素信号Ｓの差が正味の映像信号になる。

そして、第４の１／４の期間Ｐ４には、垂直走査パルスφＶｍ＋ｋに電子シャッタ走査パルスＲ₂ が立ち上がり、それに合わせて水平読み出し走査パルスφＨ^R ｎ（電子シャッタに使われるパルスＱ₂ 参照）が立ち上がり、ｍ＋ｋ行目ｎ列目の読み出し制御スイッチ１０がこれに接続された垂直選択スイッチ２を導通状態にし、ｍ＋ｋ行目ｎ列目のフォトダイオード１から不要電荷が垂直信号線５に排出され、画素の蓄積時間を制御する。

このように、１画素期間Ｐ中に電子シャッタのための期間Ｐ４を設け、垂直走査パルスに読み出し走査パルスＲ₁ とは位相が異なり、電子シャッタのための期間に合わせた電子シャッタ走査パルスＲ₂ を立てることで、電子シャッタを実現することができる。

また、画素の蓄積時間は、前述の図３のタイミングチャートと同様に、ｋ×Ｔ_H に１画素期間Ｐの１／２の時間（Ｐ１＋Ｐ２）を加えた時間となり、全ての画素で一定の蓄積時間とすることができる。

上述の実施の形態の固体撮像装置２０によれば、１画素期間中にｍ行の読み出しとｍ＋ｋ行のリセットを同時に行うことにより、各画素の蓄積時間を一定にすることができるので、前述のシェーディングを防止することができる。さらに、画素に電子シャッタの機能を追加しなくても電子シャッタを実現できるので、画素の小型化を妨げない。

次に、本発明の他の実施の形態の固体撮像装置を図５に示す。この固体撮像装置３０は、フォトダイオード１と垂直選択スイッチ（例えばＭＯＳトランジスタ）２と読み出し制御スイッチ（例えばＭＯＳトランジスタ）１０で構成された単位画素１７をマトリックス状に複数配列して成る撮像領域と、各行毎に読み出し制御スイッチ１０の制御電極が共通に接続された垂直選択線４に垂直走査パルスφＶ〔φＶ１，・・・φＶｍ，・・・φＶｍ＋ｋ，・・・〕を出力する垂直走査回路３と、各列毎に垂直選択スイッチ２の主電極が共通に接続された垂直信号線５と、各列毎に読み出し制御スイッチ１０の主電極に接続された水平読み出し走査線１１と、撮像領域の外に配置され垂直信号線５に接続された、反転増幅器１２と検出キャパシタ１３とリセットスイッチ１４で構成された電荷検出回路１５と、電荷検出回路１５からの信号を選択して水平信号線に出力する水平スイッチ（例えばＭＯＳトランジスタ）６と、水平スイッチ６を制御する水平走査回路７と、信号を出力する水平信号線８により構成されている。

各単位画素１７は、前述と同様に、垂直選択スイッチ２の一方の主電極がフォトダイオード１に接続され、その他方の主電極が垂直信号線５に接続される。また、読み出し制御スイッチ１０の一方の主電極が垂直選択スイッチ２の制御電極に接続され、その他方の主電極が水平読み出し走査線１１に接続される。電荷検出回路１５では、その反転増幅器（例えば差動増幅器等を用いた演算増幅器）１２の反転入力端子に垂直信号線５が接続され、その非反転入力端子に図示しないが所定のバイアス電圧が与えられ、反転増幅器１２の出力端子が水平スイッチ６の一方の主電極に接続される。そして、この反転増幅器１２に並列に、すなわち反転増幅器１２の反転入力端子と出力端子間に検出キャパシタ１３が接続され、この検出キャパシタ１３に検出キャパシタ１３をリセットするリセットスイッチ１４が並列接続される。さらに、各電荷検出回路１５のリセットスイッチ１４の制御電極が、夫々１つ前の列の垂直信号線に接続される。

そして、水平走査回路７からの水平走査パルスφＨ〔φＨ１，・・・φＨｎ−１，φＨｎ，・・・〕が各対応する列の水平スイッチ６の制御電極に供給されると共に、水平読み出し走査パルスφＨ^R 〔φＨ^R １，・・・φＨ^R ｎ−１，φＨ^R ｎ，・・・〕が各対応する列の水平読み出し走査線１１と次の列の水平読み出し走査線１１に接続された電荷検出回路におけるリセットスイッチ１４の制御電極に同時に供給されるようになされている。

図６は、この図５の固体撮像装置３０のタイミングチャートを示す。このタイミングチャートに従って基本動作の説明をする。この動作タイミングでは、１画素期間Ｐを４つの期間Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４に分割して動作を行っている。

まず、ｍ行ｎ列目のフォトダイオード１から信号電荷を読み出す前に、１つ前のｎ−１列目の１画素期間Ｐの第４の期間Ｐ４で立ち上がる水平走査読み出しパルスφＨ^R ｎ−１（リセットパルスに使われるＱ₃ 参照）により、ｎ列目の電荷検出回路１５と垂直信号線５をリセットしておく。

次に、読み出されるｍ行ｎ列目のフォトダイオード１に対応した１画素期間Ｐの最初の期間Ｐ１に、読み出しを行う垂直選択スイッチ２を導通せずにフォトダイオード１から信号電荷を読み出す前の状態の信号（ノイズ信号Ｎ）を電荷検出回路１５で電圧に変換する。このノイズ信号Ｎは、水平走査パルスφＨｎにより制御された水平スイッチ６を通して水平信号線８からこの最初期間Ｐ１に出力される。

次に、１画素期間Ｐの第２の期間Ｐ２では、垂直走査パルスφＶｍの読み出し走査パルスＲ₁ と水平読み出し走査パルスφＨ^R ｎ（読み出しに使われるパルスＱ₁ 参照）が立ち上がり、それらのパルスを受けたｍ行ｎ列目の読み出し制御スイッチ１０が、これに接続された垂直選択スイッチ２を導通状態にし、フォトダイオード１で光電変換した信号電荷が垂直信号線５に読み出される。

次に、１画素期間Ｐの第３の期間Ｐ３では、先の読み出し走査パルスφＶｍ（パルスＲ₁ 参照）と水平読み出し走査パルスφＨ^R ｎ（パルスＱ₁ 参照）が立ち下がり、垂直選択スイッチがノイズ信号Ｎを読み出していた状態と同じになり、電荷検出回路１５にノイズ信号Ｎ＋正味の映像信号としての画素信号Ｓが得られる。このとき、画素信号Ｓは水平走査パルスφＨｎにより制御された水平スイッチ６を通して水平信号線８から１画素期間中の第３の期間Ｐ３に出力される。

このようにして出力されたノイズ信号Ｎと画素信号Ｓとを、相関二重サンプリング等の方法により、画素信号Ｓとノイズ信号Ｎとの差分を取れば、ノイズの除去された正味の映像信号が得られる。

上述の相関二重サンプリングは、アンプ９の後段、即ち水平信号線８の出力端側に、例えば相関二重サンプリング回路（以下ＣＤＳ(Correlated Double Sampling)回路と称する；図１０参照）を設け、単位画素の各々から水平信号線８を経由して順次供給されるノイズ信号Ｎと画素信号Ｓとの差分をとることによって行うことができる。

図１０に、ＣＤＳ回路の回路構成の一例を示す。このＣＤＳ回路３１は、入力端子３２に一端が接続されたクランプキャパシタ３３と、このクランプキャパシタ３３の他端に一方の主電極が接続されたクランプＭＯＳトランジスタ３４と、クランプキャパシタ３３の他端に一方の主電極が接続されたサンプルホールドＭＯＳトランジスタ３５と、このサンプルホールドＭＯＳトランジスタ３５の他方の主電極と接地部との間に接続されたサンプルホールドキャパシタ３６と、サンプルホールドＭＯＳトランジスタ３５の他方の主電極と出力端子３８との間に接続されたバッファアンプ３７とから構成されている。

このＣＤＳ回路３１において、クランプＭＯＳトランジスタ３４の他方の主電極にはクランプ電圧Ｖｃｌが、そのゲート電極にはクランプパルスφＣＬがそれぞれ印加される。また、サンプルホールドＭＯＳトランジスタ３４のゲート電極には、サンプルホールドパルスφＳＨが印加される。

上述の構成のＣＤＳ回路３１を用いることにより、順次供給されるノイズ信号と画素信号を使って相関二重サンプリングを行うことにより、画素信号成分に含まれるノイズ成分を除去し正味の映像信号を得ることができる。

一方、上述の固体撮像装置３０の電子シャッタ動作は、１画素期間Ｐ中の第４の期間Ｐ４において、ｍ＋ｋ行目の垂直走査パルスφＶｍ＋ｋに電子シャッタ走査パルスＲ₂ が立ち上がり、それと同時に水平読み出し走査パルスφＨ^R ｎ＋１（電子シャッタに使われるパルスＱ₂ 参照）が立ち上がり、ｍ行ｎ列目のフォトダイオード１の信号電荷の読み出しをしている間に、ｍ＋ｋ行ｎ＋１列目のフォトダイオード１の不要電荷をｎ＋１列目の垂直信号線５に排出する。

このとき、同時にそのｎ＋１列目に接続された電荷検出回路１５は第４の期間Ｐ４で立ち上がったｎ列目の水平読み出し走査パルスφＨ^R ｎ（パルスＱ₃ 参照）によりリセットが掛かり、ｍ＋ｋ行ｎ＋１列目のフォトダイオード１の不要電荷もリセットされる。

このように、垂直走査パルスφＶの読み出し走査パルスＲ₁ と電子シャッタ走査パルスＲ₂ の位相と、水平読み出し走査パルスφＨ^R の読み出しに使われるパルスＱ₁ と電子シャッタに使われるパルスＱ₂ の位相とを、それぞれ上述のように対応させて設定することにより、ｍ行ｎ列目のフォトダイオード１から信号が出力されている一方で、ｍ＋ｋ行ｎ＋１列目のフォトダイオード１の不要電荷が排出され、画素の蓄積時間が制限されることにより電子シャッタ動作が行われる。

このように電子シャッタ動作を行って、上述の実施の形態の固体撮像装置３０においても、前述の実施の形態の固体撮像装置２０と同様に、各画素の蓄積時間を一定にすることができるので、前述のシェーディングを防止することができる。さらに、この場合も画素に電子シャッタの機能を追加しなくても電子シャッタを実現できるので、画素の小型化を妨げない。

上述の図５に示した実施の形態の固体撮像装置３０においては、電荷検出回路１５のリセットスイッチ１４のリセットを前の列の水平読み出し走査パルスφＨ^R ｎによって行っていたが、読み出し走査パルスφＨ^R ｎとは別のリセットスイッチ１４のリセット専用のパルスを印加して行うこともできる。その場合の固体撮像装置の構成を図７に示す。

図７に示す固体撮像装置４０は、電荷検出回路１５のリセットスイッチ１４のリセットを行うリセットパルスφＨ^RST 〔φＨ^RST １，・・・φＨ^RST ｎ，・・・〕を印加する導線４１を各列に対応して設けている。そして、このリセットパルスφＨ^RST は、同じ列に読み出しを行う１画素期間Ｐ、即ち水平走査パルスφＨｎが印加される１画素期間Ｐの１つ前の１画素期間Ｐに立ち上がり、リセットスイッチ１４のリセットを行う。その他の構成は、図５に示した固体撮像装置３０と同様であるので、同一符号を付して説明を省略する。

この固体撮像装置４０の動作タイミングのタイミングチャートを図８に示す。この動作タイミングでは、１画素期間Ｐを３つの期間Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に分割して動作を行っている。

まず、ｍ行ｎ列目のフォトダイオード１から信号電荷を読み出す前に、１つ前のｎ−１列目の１画素期間Ｐの終わりの期間Ｐ３で立ち上がるｎ列目のリセットパルスφＨ^RST ｎにより、ｎ列目の電荷検出回路１５と垂直信号線５をリセットしておく。

次に、読み出されるｍ行ｎ列目のフォトダイオード１に対応した１画素期間Ｐの最初の期間Ｐ１に、読み出しを行う垂直選択スイッチ２を導通せずにフォトダイオード１から信号電荷を読み出す前の状態の信号（ノイズ信号Ｎ）を電荷検出回路１５で電圧に変換する。このノイズ信号Ｎは、水平走査パルスφＨｎにより制御された水平スイッチ６を通して水平信号線８からこの最初期間Ｐ１に出力される。

次に、１画素期間Ｐの中間の期間Ｐ２では、垂直走査パルスφＶｍの読み出し走査パルスＲ₁ と水平読み出し走査パルスφＨ^R ｎ（読み出しに使われるパルスＱ₁ 参照）が立ち上がり、それらのパルスを受けたｍ行ｎ列目の読み出し制御スイッチ１０が、これに接続された垂直選択スイッチ２を導通状態にし、フォトダイオード１で光電変換した信号電荷が垂直信号線５に読み出される。

次に、１画素期間Ｐの終わりの期間Ｐ３では、先の読み出し走査パルスφＶｍ（パルスＲ₁ 参照）と水平読み出し走査パルスφＨ^R ｎ（パルスＱ₁ 参照）が立ち下がり、垂直選択スイッチがノイズ信号Ｎを読み出していた状態と同じになり、電荷検出回路１５にノイズ信号Ｎ＋正味の映像信号としての画素信号Ｓが得られる。このとき、画素信号Ｓは水平走査パルスφＨｎにより制御された水平スイッチ６を通して水平信号線８から１画素期間中の終わりの期間Ｐ３に出力される。

このようにして出力されたノイズ信号Ｎと画素信号Ｓとを、相関二重サンプリング等の方法により、画素信号Ｓとノイズ信号Ｎとの差分を取れば、ノイズの除去された正味の映像信号が得られる。

一方、上述の固体撮像装置４０の電子シャッタ動作は、１画素期間Ｐ中の終わりの期間Ｐ３において、ｍ＋ｋ行目の垂直走査パルスφＶｍ＋ｋに電子シャッタ走査パルスＲ₂ が立ち上がり、それと同時に水平読み出し走査パルスφＨ^R ｎ＋１（電子シャッタに使われるパルスＱ₂ 参照）が立ち上がり、ｍ行ｎ列目のフォトダイオード１の信号電荷の読み出しをしている間に、ｍ＋ｋ行ｎ＋１列目のフォトダイオード１の不要電荷をｎ＋１列目の垂直信号線５に排出する。

このとき、同時にそのｎ＋１列目に接続された電荷検出回路１５は終わりの期間Ｐ３で立ち上がったｎ＋１列目のリセットパルスφＨ^RST ｎ＋１によりリセットが掛かり、ｍ＋ｋ行ｎ＋１列目のフォトダイオード１の不要電荷もリセットされる。

このように、垂直走査パルスφＶの読み出し走査パルスＲ₁ と電子シャッタ走査パルスＲ₂ の位相と、水平読み出し走査パルスφＨ^R の読み出しに使われるパルスＱ₁ と電子シャッタに使われるパルスＱ₂ の位相とを、それぞれ上述のように対応させて設定することにより、ｍ行ｎ列目のフォトダイオード１から信号が出力されている一方で、ｍ＋ｋ行ｎ＋１列目のフォトダイオード１の不要電荷が排出され、画素の蓄積時間が制限されることにより電子シャッタ動作が行われる。

尚、１画素期間Ｐの終わりの期間Ｐ３では、同じｎ＋１列の水平読み出し走査パルスφＨ^R ｎ＋１とリセットパルスφＨ^RST ｎ＋１が、共に立ち上がっている。ただし、水平読み出し走査パルスφＨ^R ｎ＋１は１画素期間Ｐが終了する前にオフになるのに対して、リセットパルスφＨ^RST ｎ＋１は１画素期間Ｐの終了までオンの状態であり、位相をずらしてある。

信号電荷がいわゆるダイナミックレンジを越えて飽和したときには、垂直信号線の信号電荷が充分にリセットされない場合があり得る。上述のように、リセットパルスφＨ^RST によって電荷検出回路１５のリセットを行うことにより、前の列の読み出し時に使われていない線を用いてリセットが行われ、信号電荷の飽和が抑制されるため、信号電荷のリセットを充分に行うことができる。

また、上述の実施の形態の固体撮像装置４０においても、前述の実施の形態の固体撮像装置２０と同様に、各画素の蓄積時間を一定にすることができるので、前述のシェーディングを防止することができる。さらに、この場合も画素に電子シャッタの機能を追加しなくても電子シャッタを実現できるので、画素の小型化を妨げない。

尚、上述の各実施の形態の固体撮像装置２０，３０，４０においては、画素をフォトダイオード１、垂直選択スイッチ２、読み出し制御スイッチ１０から成る構成としたが、その他の画素構成の場合についても、同様に画素の蓄積時間を一定にした電子シャッタ動作を行うことができる。

次に、上述の構成の固体撮像装置及びその駆動方法を用いた本発明に係るカメラの概略構成図を図９に示す。

図９において、被写体からの入射光は、レンズ２１を含む光学系によって固体撮像素子２２の撮像面上に結像される。固体撮像素子２２としては、図１、図５又は図７に示した構成の固体撮像装置２０，３０，４０に用いられる固体撮像素子と同様の構成の固体撮像素子が用いられる。

この固体撮像素子２２は、駆動系２３によって、前述した駆動方法を基に駆動される。即ち、１画素信号期間Ｐ中に１の行の読み出しと、他の行の電子シャッタ動作が同時に行われる。そして、固体撮像素子２２の出力信号は、信号処理系２４で種々の信号処理が施されて映像信号となる。

上述の構成のカメラにおいては、固体撮像素子２２から電子シャッタ動作時の画素毎の蓄積時間を一定とされた信号が直接出力される。この出力信号を、従来と同じ構成の信号処理系２４に入力することで、速いシャッタスピードでもシェーディングを抑制して明暗の差が生じない良好な画像を得ることができ、かつ従来システムとの整合性も高いカメラを実現することができる。

本発明の固体撮像装置及びその駆動方法、並びにカメラは、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。

本発明に係る固体撮像装置の回路の概略構成図である。 図１の固体撮像装置における垂直走査パルスのタイミングチャートである。 図１の固体撮像装置における動作タイミングのタイミングチャートである。 図１の固体撮像装置における他の動作タイミングのタイミングチャートである。 本発明に係る他の固体撮像装置の回路の概略構成図である。 図５の固体撮像装置における動作タイミングのタイミングチャートである。 本発明に係るさらに他の固体撮像装置の回路の概略構成図である。 図７の固体撮像装置における動作タイミングのタイミングチャートである。 本発明に係るカメラの概略構成図である。 ＣＤＳ回路の構成の一例を示す回路図である。 従来のＭＯＳ型の固体撮像装置の回路の概略構成図である。 図１１の固体撮像装置における動作タイミングのタイミングチャートである。

符号の説明

１ フォトダイオード、２ 垂直選択スイッチ、３ 垂直走査回路、４ 垂直選択線、５ 垂直信号線、６ 水平スイッチ、７ 水平走査回路、８ 水平信号線、９ アンプ、１０ 読み出し制御スイッチ、１１ 水平読み出し走査線、１２ 反転増幅器、１３ 検出キャパシタ、１４ リセットスイッチ、１５ 電荷検出回路、１７ 単位画素、２０，３０，４０ 固体撮像装置、２１ レンズ、２２ 固体撮像素子、２３ 駆動処理系、２４ 信号処理系、３１ ＣＤＳ回路、３２ 入力端子、３３ クランプキャパシタ、３４ クランプＭＯＳトランジスタ、３５ サンプルホールドＭＯＳトランジスタ、３６ サンプルホールドキャパシタ、３７ バッファアンプ、３８ 出力端子、４１ 導線、５０ 固体撮像装置、５１ フォトダイオード、５２ 垂直選択スイッチ、５３ 垂直走査回路、５４ 垂直選択線、５５ 垂直信号線、５６ 水平スイッチ、５７ 水平走査回路、５８ 水平信号線、５９ アンプ、６０ 単位画素、Ｔ_H 水平走査期間、Ｐ １画素期間、Ｈ_A 水平映像期間、Ｈ_BLK 水平ブランキング期間

Claims (3)

1. １画素期間中に１の行の読み出しと、他の行の電子シャッタを同時に行う手段を有することを特徴とする固体撮像装置。
2. １画素期間中に１の行の読み出しと、他の行の電子シャッタを同時に行うことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
3. 光学系と、１画素期間中に１の行の読み出しと、他の行の電子シャッタを同時に行う手段を有する固体撮像装置とを備えたことを特徴とするカメラ。
   

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