JP2008271228A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】
従来は、光信号と差分用信号とを読み出すタイミング差によって、その差信号に誤差が生じ、横縞状のパターンが撮影画像に現れてしまうという問題があった。
【解決手段】
本発明では、２次元状に配置された複数の単位画素と列方向に接続され、単位画素から、光情報を含む光信号とノイズ成分を含む差分用信号とを受け取る複数の垂直信号線と、垂直信号線に読み出された光信号および差分用信号をそれぞれ保持する保持部とを有し、行単位で光信号および差分用信号を保持部に読み出す固体撮像素子であって、読み出される一行の光信号および差分用信号の少なくとも一方は、複数のグループに分けられてグループ毎に異なるタイミングで保持部に読み出すようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、相関二重サンプル回路を有する固体撮像素子に関する。

一般に、Ｘ−Ｙアドレス型固体撮像素子の一つとしてビデオカメラや電子カメラなどに
広く用いられているＣＭＯＳ型固体撮像素子は、２次元アレイ状に配置された各単位画素に画素アンプを有する増幅型の固体撮像素子で、受光した光を信号電荷に変換するフォトダイオード（ＰＤ）、ＰＤで発生した信号電荷を転送するための転送用トランジスタ、転送された信号電荷を蓄えるフローティングディフュージョン（ＦＤ：浮遊拡散領域）部、増幅用トランジスタ、画素を選択する選択用トランジスタ、ＦＤ部に蓄積された電荷をリセットするリセット用トランジスタなどにより構成されている。

また、各単位画素が出力する電気信号を垂直読み出し線を通じて蓄積容量に保持する垂直転送期間と、蓄積容量に保持された信号を順に水平読み出し線へ出力する水平走査期間とによって、２次元の単位画素の画像信号を外部に出力するようになっている。

特に、出力される画像信号からノイズ成分を除去するために、画像撮影時の光情報を含む光信号と、ＦＤ部に蓄積された電荷をリセットした時のノイズ成分を含む差分用信号（暗信号とも呼ばれる）を読み出し、その両信号の差分を取ることにより、ノイズ成分を除去した画像信号を得る相関二重サンプル回路を有している（例えば、特許文献１参照）。
特開平０９−４６５９６号公報

ところが、従来の相関二重サンプル回路では、電源電圧の変動など時間的な揺らぎによって、各単位画素からの読み出される光信号と差分用信号との時間差に応じて、その差信号には誤差が生じてしまう。この誤差は各行間での相関はないが、同一行内においてはほぼ一定となるため、横縞状のパターンが撮影画像に現れてしまうという問題がある。

本発明の目的は、固体撮像素子の相関二重サンプル回路において、光信号と差分用信号の非同時性に起因する差分誤差が生じた場合でも、撮影画像に現れる横縞状のパターンを抑制することが可能な固体撮像素子を提供することである。

本発明に係る固体撮像素子は、２次元（マトリクス）状に配置され、光を電気信号に変換する光電変換部を有する単位画素と、複数の前記単位画素と列方向に接続され、前記単位画素から、光情報を含む光信号とノイズ成分を含む差分用信号とを受け取る複数の垂直信号線と、前記垂直信号線に読み出された前記光信号および前記差分用信号をそれぞれ保持する保持部とを有し、行単位で前記光信号および差分用信号を前記保持部に読み出す固体撮像素子であって、前記読み出される一行の光信号および差分用信号の少なくとも一方は、複数のグループに分けられてグループ毎に異なるタイミングで前記保持部に読み出されることを特徴とする。

或いは、前記光信号および前記差分用信号の両者は、複数のグループに分けられてグループ毎に異なるタイミングで前記保持部に読み出されることを特徴とする。

さらに、前記グループ毎に設けられ、前記グループ毎に含まれる前記垂直信号線と読み出しスイッチを介して接続される複数の光信号垂直駆動配線または複数の差分用信号垂直駆動配線と、前記光信号垂直駆動配線および前記差分用信号垂直駆動配線に駆動信号を出力する垂直走査回路とを有することを特徴とする。

特に、前記光信号のグループに設けられる前記光信号垂直駆動配線と、前記差分用信号のグループに設けられる前記差分用信号垂直駆動配線とが互いに異なる列の垂直信号線と接続されることを特徴とする。

さらに、前記光信号垂直駆動配線の数と前記差分用信号垂直駆動配線の数とが異なることを特徴とする。

また、前記光信号および前記差分用信号はそれぞれ第１グループと第２グループの２つのグループに分けられ、前記保持部には、前記第１グループの列の差分用信号，前記第２グループの列の差分用信号，前記第１グループの列の光信号，前記第２グループの列の光信号の順に各信号が読み出されることを特徴とする。

本発明によれば、光信号または差分用信号を列方向に複数のグループに分けてタイミングをずらして読み出すので、光信号と差分用信号の非同時性に起因する誤差が生じた場合でも、撮影画像に現れる横縞状のパターンを抑制することができる。

以下、図面を参照して本発明の各実施形態について詳しく説明する。
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態に係る固体撮像素子１０１を示す回路図である。固体撮像素子１０１は、１６個の単位画素ＰＸ（１，１）からＰＸ（４，４）と、垂直信号線Ｈ１からＨ４と、垂直読み出し回路１０２と、垂直走査回路１０３と、保持回路１０４と、水平読み出し回路１０５と、水平走査回路１０６と、出力回路１０７とで構成される。

単位画素ＰＸ（１，１）からＰＸ（４，４）は、４行４列の２次元（マトリクス）状に配置され、各列毎に垂直信号線に接続されている。１列目の単位画素ＰＸ（１，１），ＰＸ（１，２），ＰＸ（１，３），ＰＸ（１，４）は垂直信号線Ｈ１に、２列目の単位画素ＰＸ（２，１），ＰＸ（２，２），ＰＸ（２，３），ＰＸ（２，４）は垂直信号線Ｈ２に、３列目の単位画素ＰＸ（３，１），ＰＸ（３，２），ＰＸ（３，３），ＰＸ（３，４）は垂直信号線Ｈ３に、４列目の単位画素ＰＸ（４，１），ＰＸ（４，２），ＰＸ（４，３），ＰＸ（４，４）は垂直信号線Ｈ４にそれぞれ接続されている。尚、本固体撮像素子１０１は、４行４列の合計１６個の単位画素を有するが、本発明はこれに限らない。

次に、単位画素の回路について説明するが、各単位画素は同じ回路構成なので、単位画素ＰＸ（１，１）についてのみ説明する。図１において、単位画素ＰＸ（１，１）は、光電変換部としてのフォトダイオードＤ１と、光電変換された電荷をフローティングディフュージョン（ＦＤ）部へ転送する転送用トランジスタＱ１と、ＦＤ部に蓄積された電荷をリセットするリセット用トランジスタＱ２と、ＦＤ部に蓄積された電荷を増幅する増幅用トランジスタＱ３と、増幅用トランジスタＱ３の出力信号を垂直信号線Ｈ１に読み出す選択用トランジスタＱ４とで構成される。尚、本実施形態では、リセット後のＦＤ部の電荷を各垂直信号線に読み出した信号を暗信号、フォトダイオードＤ１に蓄積された電荷をＦＤ部に転送後に各垂直信号線に読み出した信号を光信号と称する。一般的な固体撮像素子のノイズを除去する相関二重サンプル回路は、固体撮像素子の内部または外部で光信号から暗信号を減算することによって、光信号からノイズ成分を除去するようになっている。このため、暗信号は差分用信号とも呼ばれる。本実施形態に係る固体撮像素子１０１は、外部に光信号と暗信号とを出力する構成になっている。

垂直信号線Ｈ１からＨ４に読み出された信号は、垂直読み出し回路１０２に出力される。垂直読み出し回路１０２は、各列毎にそれぞれアンプＣＬ１からＣＬ４と、暗信号垂直読み出しスイッチＱＴ１ＮからＱＴ４Ｎと、光信号垂直読み出しスイッチＱＴ１ＳからＱＴ４Ｓとで構成されている。

垂直走査回路１０３は、行毎の各単位画素に駆動タイミングを与えると共に、垂直読み出し回路１０２に対して列毎に信号を読み出すタイミングを与える。

保持回路１０４は、コンデンサで構成され、各列毎に読み出した光信号を保持するコンデンサＣＴ１ＳからＣＴ４Ｓと、暗信号を保持するコンデンサＣＴ１ＮからＣＴ４Ｎとで構成される。

水平読み出し回路１０５は、保持回路１０４に保持された各信号を読み出すためのスイッチで構成され、暗信号水平読み出しスイッチＱＨ１ＮからＱＨ４Ｎと、光信号水平読み出しスイッチＱＨ１ＳからＱＨ４Ｓとで構成されている。

水平走査回路１０６は、水平読み出し回路１０５から各列毎に水平方向に順番に出力回路１０７に出力するタイミングを与える。

出力回路１０７は、信号出力前に出力信号をリセットする光信号用リセットスイッチＭＲＳＴＨ＿Ｓと、暗信号用リセットスイッチＭＲＳＴＨ＿Ｎと、光信号用出力アンプＡＭＰ＿Ｓと、暗信号用出力アンプＡＭＰ＿Ｎとで構成される。

次に、固体撮像素子１０１の動作について、図２のタイミングチャートを用いて説明する。図２において、選択信号Ｌ１からＬ４は１行目から４行目の各単位画素の選択用トランジスタＱ４を駆動するための信号、リセット信号Ｒ１からＲ４は１行目から４行目の各単位画素のリセット用トランジスタＱ２を駆動するための信号、転送信号Ｔ１からＴ４は１行目から４行目の各単位画素の転送用トランジスタＱ１を駆動するための信号で、それぞれ垂直走査回路１０３から出力される。また、ＣＮ１およびＣＮ２は暗信号垂直読み出しスイッチＱＴ１ＮからＱＴ４Ｎを駆動して、暗信号を読み出して保持回路１０４に出力する暗信号垂直駆動信号、ＣＳ１およびＣＳ２は光信号垂直読み出しスイッチＱＴ１ＳからＱＴ４Ｓを駆動して、光信号を読み出して保持回路１０４に出力する光信号垂直駆動信号で、それぞれ垂直走査回路１０３から出力される。さらに、Ｃ１からＣ４は水平読み出し回路１０５の各列毎に設けられた暗信号水平読み出しスイッチＱＨ１ＮからＱＨ４Ｎと、光信号水平読み出しスイッチＱＨ１ＳからＱＨ４Ｓとに読み出しタイミングを与える水平駆動信号で、水平走査回路１０６から出力される。尚、上記の各トランジスタはＮＭＯＳトランジスタであり、図２のタイミングチャートに描かれた各駆動用信号は、その波形がハイレベルの時に各トランジスタが駆動され、ローレベルの時は非駆動状態になるものとする。

先ず、図２のタイミングｔ１で、リセット信号Ｒ１が駆動状態から非駆動状態になると同時に選択信号Ｌ１が駆動状態になり、ＦＤ部のリセット後の暗信号が増幅用トランジスタＱ３および選択用トランジスタＱ４を介して垂直信号線Ｈ１に読み出される。この時、単位画素ＰＸ（１，１）と同じ行の単位画素ＰＸ（２，１）からＰＸ（４，１）についても同様に動作し、垂直信号線Ｈ２からＨ４に読み出される。

次のタイミングｔ２では、暗信号垂直駆動信号ＣＮ１が駆動状態となり、保持回路１０４の１列目の暗信号垂直読み出しスイッチＱＴ１Ｎと４列目の暗信号垂直読み出しスイッチＱＴ４Ｎとが同時に駆動され、垂直信号線Ｈ１およびＨ４に読み出された暗信号がコンデンサＣＴ１ＮとＣＴ４Ｎとにそれぞれ保持される。

次のタイミングｔ３では、暗信号垂直駆動信号ＣＮ２が駆動状態となり、保持回路１０４の２列目の暗信号垂直読み出しスイッチＱＴ２Ｎと３列目の暗信号垂直読み出しスイッチＱＴ３Ｎとが同時に駆動され、垂直信号線Ｈ２およびＨ３に読み出された暗信号がコンデンサＣＴ２ＮとＣＴ３Ｎとにそれぞれ保持される。

次のタイミングｔ４では、１行目の各単位画素のフォトダイオードＤ１に蓄積された電荷を転送用トランジスタＱ１によってＦＤ部に転送するタイミングを与える駆動信号Ｔ１が１行目の各単位画素の転送用トランジスタＱ１に与えられ、１行目の各単位画素のフォトダイオードＤ１に蓄積された電荷がＦＤ部に転送される。尚、この時、選択用トランジスタＱ４の駆動信号Ｌ１はハイレベルの状態にあるので、ＦＤ部に転送された電荷は、増幅用トランジスタＱ３で増幅され、選択用トランジスタＱ４を介して垂直信号線Ｈ１に出力される。同様に、１行目の各単位画素の選択用トランジスタＱ４を介して垂直信号線Ｈ２からＨ４に光信号が出力される。

次のタイミングｔ５では、光信号垂直駆動信号ＣＳ１が駆動状態となり、保持回路１０４の１列目の光信号垂直読み出しスイッチＱＴ１Ｓと３列目の光信号垂直読み出しスイッチＱＴ３Ｓとが同時に駆動され、垂直信号線Ｈ１およびＨ３に読み出された光信号がコンデンサＣＴ１ＳとＣＴ３Ｓとにそれぞれ保持される。

次のタイミングｔ６では、光信号垂直駆動信号ＣＳ２が駆動状態となり、保持回路１０４の２列目の光信号垂直読み出しスイッチＱＴ２Ｓと４列目の光信号垂直読み出しスイッチＱＴ４Ｓとが同時に駆動され、垂直信号線Ｈ２およびＨ４に読み出された光信号がコンデンサＣＴ２ＳとＣＴ４Ｓとにそれぞれ保持される。

このように、タイミングｔ２からｔ６の動作によって、一行目の各列の単位画素の暗信号と光信号とが全て読み出されて、それぞれコンデンサＣＴ１ＮからＣＴ４Ｎと、コンデンサＣＴ１ＳからＣＴ４Ｓとに保持された状態になっている。

次のタイミングｔ７では、水平走査回路１０６から出力される水平駆動信号Ｃ１が駆動状態となり、１列目のコンデンサＣＴ１ＮとＣＴ１Ｓとに保持された暗信号と光信号とをそれぞれ暗信号水平読み出し線ＨＬＩＮＥ＿Ｎと光信号水平読み出し線ＨＬＩＮＥ＿Ｓとに読み出し、出力回路１０７を介して暗信号の画像出力Ｎと光信号の画像出力Ｓとして固体撮像素子１０１の外部に出力する。

同様に、次のタイミングｔ８では、水平駆動信号Ｃ２が駆動状態となり、２列目のコンデンサＣＴ２ＮとＣＴ２Ｓとに保持された暗信号と光信号とを読み出し、タイミングｔ９では、水平駆動信号Ｃ３が駆動状態となり、３列目のコンデンサＣＴ３ＮとＣＴ３Ｓとに保持された暗信号と光信号とを読み出し、タイミングｔ１０では、水平駆動信号Ｃ４が駆動状態となり、４列目のコンデンサＣＴ４ＮとＣＴ４Ｓとに保持された暗信号と光信号とを読み出し、それぞれ暗信号水平読み出し線ＨＬＩＮＥ＿Ｎと光信号水平読み出し線ＨＬＩＮＥ＿Ｓおよび出力回路１０７を介して暗信号の画像出力Ｎと光信号の画像出力Ｓとして固体撮像素子１０１の外部に出力する。

尚、図２のフローチャートでは、選択信号Ｌ１が駆動状態になった１行目の各単位画素の暗信号と光信号との読み出し動作について説明したが、２行目の選択信号Ｌ２が駆動状態になった場合や、３行目の選択信号Ｌ３および４行目の選択信号Ｌ４が駆動状態になった場合の各行毎の各単位画素の暗信号と光信号との読み出し動作は同じなので、説明を省略する。

このように、２次元状に配置された単位画素から各行毎に暗信号と光信号とを読み出す場合に、暗信号と光信号とのそれぞれにおいて、同じ行の４つの単位画素を異なる列の２つのグループに分けて異なるタイミングで保持回路１０４に読み出すので、ノイズパターンが２つのグループに分散され、目立たなくする効果が得られる。

ここで、本実施形態の効果が分かり易いように、従来の固体撮像素子１５１の回路図を図３に、そのタイミングチャートを図４に示す。尚、図３および図４において、図１および図２と同符号のものは同じものを示す。図３において、図１と異なるのは、垂直読み出し回路１５２および垂直走査回路１５３で、垂直走査回路１５３が出力する垂直駆動信号は、暗信号垂直駆動信号ＣＮと光信号垂直駆動信号ＣＳの２つだけである。このため、垂直読み出し回路１５２は、図４に示すように、同じ行の暗信号または光信号を同じタイミングで一度に保持回路１０４に読み出すことになり、読み出し時点の同じノイズが各信号に乗ってしまい、画像に横縞状のパターンが現れる。

次に、本実施形態の効果について図５を用いて説明する。図５は、光信号と暗信号との差信号の変動によって画像に現れるノイズパターンをシミュレーションしたものである。尚、違いが分かり易いように、シミュレーションでは差信号の変動を強調して行っている。図５（ａ）は、行毎の全列から光信号および暗信号をそれぞれ同時に読み出した場合のシミュレーション結果を示しており、行毎に同じノイズが乗るため、横縞状のパターンが画像に現れる。図５（ｂ）は、本実施形態のように、各行毎に暗信号と光信号とを異なる列の２つのグループに分けて異なるタイミングでそれぞれのグループを読み出した場合のシミュレーション結果を示しており、横縞状のパターンが同図（ａ）に比べて４列毎に分散されており、目立ちにくくなる。

ここで、本実施形態の場合は、図２のフローチャートで説明したように、暗信号は、１列目と４列目とを同時に読み出し、２列目と３列目とを同時に読み出している。また、光信号は、１列目と３列目とを同時に読み出し、２列目と４列目とを同時に読み出している。従って、同時に読み出す信号の列の組み合わせにおいて、例えばａ列目とｂ列目との組み合わせを（ａ，ｂ）のように表記すると、本実施形態では、暗信号の（１，４）と（２，３）および光信号の（１，３）と（２，４）の４種類の組み合わせが存在するので、４種類のノイズパターンが４列毎に現れ、図５（ｂ）に示したようなノイズパターンになる。

尚、本実施形態では、暗信号と光信号とをそれぞれ２つのグループに分けたが、２つである必要はなく、複数に分けることで同様の効果が得られる。また、より好ましくは、同じ行の全列を異なるタイミングで読み出すようにすれば、図５（ｃ）に示すように、ノイズパターンがランダムに分散されるため、横縞状のパターンが画像に現れにくくなり、ノイズパターンが目立たなくなる。

また、分割するグループの数は、光信号の場合は光信号垂直駆動配線の数あるいは暗信号垂直駆動配線の数に相当し、本実施形態の場合は、分割するグループの数は２つなので、図１に示したように、必要な光信号垂直駆動配線の数は２つ、暗信号垂直駆動配線の数も２つとなる。

さらに、本実施形態のように、暗信号と光信号とをそれぞれ複数のグループに分けずに、暗信号と光信号とのいずれか一方の信号を複数のグループに分けても同様の効果が得られる。例えば、暗信号を１回で全ての列から読み出し、４つのグループに分けた光信号を４回に分けて読み出すようにしても構わない。

以上、説明してきたように、本実施形態に係る固体撮像素子１０１は、光信号または暗信号を列方向に複数のグループに分けてタイミングをずらして読み出すので、光信号と暗信号の非同時性に起因する誤差が生じた場合でも、相関二重サンプル処理をして出力される画像に現れる横縞状のパターンを抑制することができる。

第１の実施形態に係る固体撮像素子１０１の構成を示す回路図である。 第１の実施形態に係る固体撮像素子１０１の動作を示すタイミングチャートである。 従来の固体撮像素子１５１の構成を示す回路図である。 従来の固体撮像素子１５１の動作を示すタイミングチャートである。 第１の実施形態に係る固体撮像素子１０１の効果を示す説明図である。

符号の説明

１０１・・・固体撮像素子 １０２・・・垂直読み出し回路
１０３・・・垂直走査回路 １０４・・・保持回路
１０５・・・水平読み出し回路 １０６・・・水平走査回路
ＰＸ（１，１）からＰＸ（４，４）・・・単位画素
Ｄ１・・・フォトダイオード Ｑ１・・・転送用トランジスタ
Ｑ２・・・リセット用トランジスタ Ｑ３・・・増幅用トランジスタ
Ｑ４・・・選択用トランジスタ Ｈ１からＨ４・・・垂直信号線
ＱＴ１ＮからＱＴ４Ｎ・・・暗信号垂直読み出しスイッチ
ＱＴ１ＳからＱＴ４Ｓ・・・光信号垂直読み出しスイッチ
ＣＴ１ＳからＣＴ４Ｓ，ＣＴ１ＮからＣＴ４Ｎ・・・コンデンサ
ＱＨ１ＮからＱＨ４Ｎ・・・暗信号水平読み出しスイッチ
ＱＨ１ＳからＱＨ４Ｓ・・・光信号水平読み出しスイッチ
Ｌ１からＬ４・・・選択信号 Ｒ１からＲ４・・・リセット信号
Ｔ１からＴ４・・・転送信号 Ｃ１からＣ４・・・水平駆動信号
ＣＮ１およびＣＮ２・・・暗信号垂直駆動信号
ＣＳ１およびＣＳ２・・・光信号垂直駆動信号

Claims (6)

1. ２次元（マトリクス）状に配置され、光を電気信号に変換する光電変換部を有する単位画素と、
   複数の前記単位画素と列方向に接続され、前記単位画素から、光情報を含む光信号とノイズ成分を含む差分用信号とを受け取る複数の垂直信号線と、
   前記垂直信号線に読み出された前記光信号および前記差分用信号をそれぞれ保持する保持部とを有し、行単位で前記光信号および差分用信号を前記保持部に読み出す固体撮像素子であって、
   前記読み出される一行の光信号および差分用信号の少なくとも一方は、複数のグループに分けられてグループ毎に異なるタイミングで前記保持部に読み出されることを特徴とする固体撮像素子。
2. 請求項１に記載の固体撮像素子において、
   前記光信号および前記差分用信号の両者は、複数のグループに分けられてグループ毎に異なるタイミングで前記保持部に読み出されることを特徴とする固体撮像素子。
3. 請求項１または２に記載の固体撮像素子において、
   前記グループ毎に設けられ、前記グループ毎に含まれる前記垂直信号線と読み出しスイッチを介して接続される複数の光信号垂直駆動配線または複数の差分用信号垂直駆動配線と、
   前記光信号垂直駆動配線および前記差分用信号垂直駆動配線に駆動信号を出力する垂直走査回路と
   を有することを特徴とする固体撮像素子。
4. 請求項３に記載の固体撮像素子において、
   前記光信号のグループに設けられる前記光信号垂直駆動配線と、前記差分用信号のグループに設けられる前記差分用信号垂直駆動配線とが互いに異なる列の垂直信号線と接続されることを特徴とする固体撮像素子。
5. 請求項３または４に記載の固体撮像素子において、
   前記光信号垂直駆動配線の数と前記差分用信号垂直駆動配線の数とが異なることを特徴とする固体撮像素子。
6. 請求項２に記載の固体撮像素子において、
   前記光信号および前記差分用信号はそれぞれ第１グループと第２グループの２つのグループに分けられ、
   前記保持部には、前記第１グループの列の差分用信号，前記第２グループの列の差分用信号，前記第１グループの列の光信号，前記第２グループの列の光信号の順に各信号が読み出されることを特徴とする固体撮像素子。
   

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