JP2009044462A

JP2009044462A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2009044462A
Application number: JP2007207212A
Authority: JP
Inventors: Toru Shima; 徹島
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2007-08-08
Filing date: 2007-08-08
Publication date: 2009-02-26

Abstract

【課題】白浮きの横スミアを低減する。
【解決手段】定電流源１５は、２次元に配置された画素１１の各列に対応して設けられた垂直信号線１４へ画素１１の出力信号が供給されるときに、垂直信号線１４に電流を流す。クリップ部１８は、画素１１で光電変換された光情報を含む画素１１の出力信号が垂直信号線１４に供給されるときに、垂直信号線１４の電位を所定のクリップ電位よりも所定方向へ変動させないように制限する。前記所定方向は、垂直信号線１４の電位が、定電流源１５が垂直信号線１４に定電流を流す電位範囲を逸脱して、定電流源１５がより低い電流を垂直信号線１４に流す電位に向かう方向である。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体撮像装置に関するものである。

ビデオカメラや電子スチルカメラなどでは、ＣＣＤ型や増幅型の固体撮像装置が使用されている。このような固体撮像装置では、光電変換部を有する画素がマトリクス状に複数配置されており、各画素の光電変換部にて信号電荷を生成する。増幅型固体撮像装置では、画素の光電変換部にて生成・蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョン等の電荷電圧変換部に導き、電荷電圧変換部で信号電荷を電圧に変換し、その電圧に応じた信号を画素に設けられた増幅部によって画素から出力する。

増幅型固体撮像装置では、一般的に、各画素は、入射光に応じた信号電荷を生成し蓄積する光電変換部、前記信号電荷を受け取って前記信号電荷を電圧に変換する等の電荷電圧変換部、該電荷電圧変換部の電位に応じた信号を出力する増幅部、前記光電変換部から前記電荷電圧変換部に電荷を転送する電荷転送部、前記電荷電圧変換部の電位をリセットするリセット部、及び、当該画素を選択する選択部を、有している（例えば、下記特許文献１）。
特開１１−１２２５３２号公報

固体撮像装置では、有効画素領域のうちの一部の画素領域に局所的に強い光が入射しても、その強い光が入射した画素領域に相当する画像領域（以下、「高輝度領域」という。）のみが高い輝度を示す一方、他の画素領域に相当する画像領域では輝度が黒の基準レベル（ゼロのレベル）を示すことが、画質を向上させる上で理想的である。

しかしながら、前述したような従来の固体撮像装置では、有効画素領域のうちの一部の画素領域に局所的に強い光が入射すると、高輝度領域に対して横方向（水平走査方向）に位置する画像領域が、対応する画素領域にあたかも弱い光が入射したかのように、わずかながら所定の輝度値を示してしまう現象（本願明細書では、この現象を「白浮きの横スミア」と呼ぶ。）が生じていた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、白浮きの横スミアを低減することができる固体撮像装置を提供することを第１の目的とする。

後に詳述するが、本発明者は、研究の結果として、白浮きの横スミアの原因を究明し、その対策を施したところ、白浮きの横スミアを解消することができた。しかしながら、白浮きの横スミアを解消した結果、本願明細書で「黒沈みの横スミア」と呼ぶ現象が顕在化してしまった。この黒沈みの横スミアは、有効画素領域のうちの一部の画素領域に局所的に強い光が入射したときに、高輝度領域に対して横方向に位置する画像領域が、高輝度領域以外の画像領域のうち高輝度領域に対して横方向には位置しない画像領域が示す黒の基準レベル（ゼロのレベル）よりも更に低い値を示してしまう現象である。黒沈みの横スミアが生ずると、例えば、有効画素領域のうちの一部の画素領域に局所的に強い光が入射するとともにその画素領域に対して横方向に位置する画素領域に弱い光が入射すると、当該弱い光が感知されなくなってしまう。

そこで、本発明は、白浮きの横スミアのみならず黒沈みの横スミアも低減することができる固体撮像装置を提供することを第２の目的とする。

前記課題を解決するため、本発明の第１の態様による固体撮像装置は、２次元に配置され入射光を光電変換する複数の画素と、前記複数の画素の各列に対応して設けられ対応する列の前記画素の出力信号が供給される垂直信号線と、前記画素の出力信号が前記垂直信号線へ供給されるときに前記垂直信号線に電流を流す定電流源と、前記画素で光電変換された光情報を含む前記画素の出力信号が前記垂直信号線に供給されるときに、前記垂直信号線の電位を所定電位よりも所定方向へ変動させないように制限する制限手段と、を備え、前記所定方向は、前記垂直信号線の電位が、前記定電流源が前記垂直信号線に定電流を流す電位範囲を逸脱して、前記定電流源がより低い電流を前記垂直信号線に流す電位に向かう方向であるものである。

本発明の第２の態様による固体撮像装置は、前記第１の態様において、前記所定電位を、前記定電流源が前記垂直信号線に前記定電流を流す電位範囲内の電位に設定する設定手段を、備えたものである。

本発明の第３の態様による固体撮像装置は、前記第１の態様において、前記所定電位を、前記定電流源が前記垂直信号線に前記定電流よりも低い電流を流す電位に設定する設定手段を、備えたものである。

本発明の第４の態様による固体撮像装置は、前記第１乃至第３のいずれかの態様において、前記制限手段はトランジスタを含むものである。

本発明の第５の態様による固体撮像装置は、前記第１乃至第４のいずれかの態様において、前記各垂直信号線の信号に応じた信号をサンプリング制御信号に従ってサンプリングして保持するとともに、当該保持された信号を水平走査信号に従って水平信号線へ供給するサンプルホールド部を、備え、前記サンプルホールド部は、前記各垂直信号線に対応して設けられ前記画素で光電変換された光情報を含む光信号が蓄積される光信号用蓄積容量、及び、前記各垂直信号線に対応して設けられ前記光信号から差し引くべきノイズ成分を含む差分用信号が蓄積される差分用信号用蓄積容量を、含むものである。

本発明の第６の態様による固体撮像装置は、前記第１乃至第５のいずれかの態様において、前記各画素は、入射光に応じた信号電荷を生成し蓄積する光電変換部、前記信号電荷を受け取って前記信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部、該電荷電圧変換部の電位に応じた信号を出力する増幅部、前記光電変換部から前記電荷電圧変換部に電荷を転送する電荷転送部、前記電荷電圧変換部の電位をリセットするリセット部、及び、当該画素を選択する選択部を有するものである。

本発明によれば、白浮きの横スミアを低減することができる固体撮像装置を提供することができる。

また、本発明によれば、白浮きの横スミアのみならず黒沈みの横スミアも低減することができる固体撮像装置を提供することができる。

以下、本発明による固体撮像装置について、図面を参照して説明する。

［第１の実施の形態］

図１は、本発明の第１の実施の形態による固体撮像装置を示す概略ブロック図である。本実施の形態による固体撮像装置は、図１に示すように、イメージセンサ（固体撮像素子）１と、いわゆるタイミングジェネレータ（図示せず）を含みイメージセンサ１の垂直走査回路１２（図２参照）及び水平走査回路１３（図２参照）等に駆動パルス等を供給してイメージセンサ１を制御する外部制御部２と、イメージセンサ１から得られる信号を処理して画像信号を得る外部信号処理部３と、を備えている。

本実施の形態では、外部制御部２は、後述する設定信号Ｖｄｃｌｉｐをイメージセンサ１に供給するクリップ電位設定部２ａを有している。クリップ電位設定部２ａは、当該固体撮像装置の出荷時等において、製造者等が設定信号Ｖｄｃｌｉｐの大きさ（ひいては、後述するクリップ電位）を調整して設定することができるように構成されている。本実施の形態では、クリップ電位設定部２ａは、調整が終了すると、当該固体撮像装置の作動時に、一定の大きさの設定信号Ｖｄｃｌｉｐを継続してイメージセンサ１に供給するように構成されている。

図２は、図１中のイメージセンサ１を示す回路図である。このイメージセンサ１は、ＣＭＯＳ型固体撮像素子として構成されている。

図２に示すように、このイメージセンサ１は、一般的なＣＭＯＳ型固体撮像素子と同様に、２次元状に配置された複数の単位画素１１（図２では、２×２個の画素１１のみを示す。）と、垂直走査回路（垂直走査部）１２と、水平走査回路（水平走査部）１３と、画素１１の各列に対応して設けられ対応する列の画素１１の出力信号が供給される垂直信号線１４と、各垂直信号線１４に接続された定電流源１５とを有している。なお、画素１１の数が限定されるものではないことは、言うまでもない。

各画素１１は、一般的なＣＭＯＳ型固体撮像素子と同様に、入射光に応じた信号電荷を生成し蓄積する光電変換部としてのフォトダイオードＰＤと、前記信号電荷を受け取って前記信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部としてのフローティングディフュージョンＦＤと、フローティングディフュージョンＦＤの電位に応じた信号を出力する増幅部としての増幅トランジスタＡＭＰと、フォトダイオードＰＤからフローティングディフュージョンＦＤに電荷を転送する電荷転送部としての転送トランジスタＴＸと、フローティングディフュージョンＦＤの電位をリセットするリセット部としてのリセットトランジスタＲＥＳと、当該画素１１を選択するための選択部としての選択トランジスタＳＥＬとを有し、図２に示すように接続されている。なお、本実施の形態では、画素１１のトランジスタＡＭＰ，ＴＸ，ＲＥＳ，ＳＥＬは、全てｎＭＯＳトランジスタである。図２において、Ｖｄｄは電源電圧である。

転送トランジスタＴＸのゲートは、行毎に、垂直走査回路１２からの転送トランジスタＴＸを制御する制御信号φＴＸを転送トランジスタＴＸに供給する制御線に、接続されている。リセットトランジスタＲＥＳのゲートは、行毎に、垂直走査回路１２からのリセットトランジスタＲＥＳを制御する制御信号φＲＥＳをリセットトランジスタＲＥＳに供給する制御線に、接続されている。選択トランジスタＳＥＬのゲートは、行毎に、垂直走査回路１２からの選択トランジスタＳＥＬを制御する制御信号φＳＥＬを選択トランジスタＳＥＬに供給する制御線に、接続されている。

フォトダイオードＰＤは、入射光の光量（被写体光）に応じて信号電荷を生成する。転送トランジスタＴＸは、転送パルス（制御信号）φＴＸのハイレベル期間にオンし、フォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。リセットトランジスタＲＥＳは、リセットパルス（制御信号）φＲＥＳのハイレベル期間にオンし、フローティングディフュージョンＦＤをリセットする。

増幅トランジスタＡＭＰは、そのドレインが電源電圧Ｖｄｄに接続され、そのゲートがフローティングディフュージョンＦＤに接続され、そのソースが選択トランジスタＳＥＬのドレインに接続され、定電流源１５を構成し各垂直信号線１４に対応して設けられたトランジスタＴＤを負荷とするソースフォロア回路を構成している。各トランジスタＴＤのドレインは各垂直信号線１４に接続され、各トランジスタＴＤのソースは接地されている。各トランジスタＴＤのゲートは共通に接続され、そこには、抵抗ＲＬ及びトランジスタＴＳからなる定電流設定回路１５ａによって得た一定電圧が与えられている。これにより、定電流源１５は、垂直信号線１４に対応する画素１１の選択トランジスタＳＥＬがオンされたときに、当該垂直信号線１４に電流を流す。この電流は、当該画素１１の増幅トランジスタＡＭＰのソースフォロアバイアス電流である。このとき、定電流源１５は、図５に示すように、垂直信号線１４の電位が所定の電位Ｖ_０以上であれば、当該垂直信号線１４に定電流Ｉ_０を流すが、垂直信号線１４の電位が電位Ｖ_０よりも低い電位であれば、当該電位に応じた低い電流を当該垂直信号線１４に流す。図５は、垂直信号線１４の電位と定電流源１５が垂直信号線１４に流す電流との関係を示す図である。

増幅トランジスタＡＭＰは、フローティングディフュージョンＦＤの電圧値に応じて、選択トランジスタＳＥＬを介して垂直信号線１４に読み出し電流を出力する。選択トランジスタＳＥＬは、選択パルス（画素制御信号）φＳＥＬのハイレベル期間にオンし、増幅トランジスタＡＭＰのソースを垂直信号線１４に接続する。

垂直走査回路１２は、外部制御部２からの駆動パルス（図示せず）を受けて、画素１１の行毎に、選択パルスφＳＥＬ、リセットパルスφＲＥＳ及び転送パルスφＴＸをそれぞれ出力する。また、水平走査回路１３は、外部制御部２からの駆動パルス（図示せず）を受けて、列毎に水平走査信号φＨを出力する。

また、このイメージセンサ１は、各垂直信号線１４の信号に応じた信号をサンプリング制御信号φＴＶＮ，φＴＶＳに従ってサンプリングして保持するとともに、当該保持された信号を水平走査信号φＨに従って水平信号線１６Ｎ，１６Ｓへ供給するサンプルホールド部１７を、備えている。本実施の形態では、サンプルホールド部１７は、各垂直信号線１４に対応して設けられた光信号用蓄積容量ＣＳ及び暗信号用蓄積容量ＣＮと、画素１１で光電変換された光情報を含む光信号を光信号用サンプリング制御信号φＴＶＳに従って光信号用蓄積容量ＣＳに蓄積させる光信号用サンプリングスイッチＴＶＳと、前記光信号から差し引くべきノイズ成分を含む差分用信号してのいわゆる暗信号を暗信号用サンプリング制御信号φＴＶＮに従って暗信号用蓄積容量ＣＮに蓄積させる暗信号用サンプリングスイッチＴＶＮと、光信号用蓄積容量ＣＳに蓄積された光信号を水平走査信号φＨに従って光信号用水平信号線１６Ｓに供給する光信号用水平転送スイッチＴＨＳと、暗信号用蓄積容量ＣＮに蓄積された暗信号を水平走査信号φＨに従って暗信号用水平信号線１６Ｎに供給する暗信号用水平転送スイッチＴＨＮとを有している。なお、実際には、水平信号線１６Ｎ，１６Ｓをそれぞれ所定タイミングで所定の電位にリセットするための各トランジスタが設けられるが、それらのトランジスタの図示は省略している。水平信号線１６Ｎ，１６Ｓには、出力アンプＡＰＮ，ＡＰＳがそれぞれ接続されている。本実施の形態では、スイッチＴＶＳ，ＴＶＮ，ＴＨＳ，ＴＨＮは、全てｎＭＯＳトランジスタである。

各光信号用サンプリングスイッチＴＶＳのゲートは共通に接続され、そこには外部制御部２から光信号用サンプリング制御信号φＴＶＳが供給される。光信号用サンプリング制御信号φＴＶＳに応じて光信号用サンプリングスイッチＴＶＳがオンすると、垂直信号線１４の光信号が、対応する光信号用蓄積容量ＣＳに蓄積される。各暗信号用サンプリングスイッチＴＶＮのゲートは共通に接続され、そこには外部制御部２から暗信号用サンプリング制御信号φＴＶＮが供給される。暗信号用サンプリング制御信号φＴＶＮに応じて暗信号用サンプリングスイッチＴＶＮがオンすると、垂直信号線１４の暗信号が、対応する暗信号用蓄積容量ＣＮに蓄積される。

各列毎に、光信号用水平転送スイッチＴＨＳ及び暗信号用水平転送スイッチＴＨＮのゲートが共通に接続され、そこには水平走査回路１３から対応する列の水平走査信号φＨが供給される。各列の水平走査信号φＨに応じて、各列の水平転送スイッチＴＨＳ，ＴＨＮがオンすると、対応する列の光信号用蓄積容量ＣＳ及び暗信号用蓄積容量ＣＮにそれぞれ蓄積されていた光信号及び暗信号が、光信号用水平信号線１６Ｓ及び暗信号用水平信号線１６Ｎにそれぞれ出力され、それぞれ出力アンプＡＰＳ，ＡＰＮを介して、図１中の外部信号処理部３へ出力される。

図面には示していないが、外部信号処理部３は、出力アンプＡＰＳ，ＡＰＮの出力間の差分を、差動アンプ等によって得る。これにより相関２重サンプリングが実現され、外部信号処理部３から、画像信号として、固定パターンノイズ等が除去された光情報信号が得られる。

そして、このイメージセンサ１は、図２に示すように、画素１１で光電変換された光情報を含む画素１１の出力信号（光信号）が垂直信号線１４に供給されるときに、垂直信号線１４の電位を所定電位（以下、「クリップ電位」と呼ぶ。）よりも所定方向へ変動させないように制限する制限手段としての、クリップ部１８を、有している。前記所定方向は、垂直信号線１４の電位が、定電流源１５が垂直信号線１４に定電流Ｉ_０を流す電位範囲（本実施の形態では、図５中の電位Ｖ_０以上の電位範囲）を逸脱して、定電流源１５がより低い電流を垂直信号線１４に流す電位に向かう方向である。本実施の形態では、前記所定方向は、具体的には、垂直信号線１４の電位が下がる方向である。

本実施の形態では、クリップ部１８は、各垂直信号線１４に対応して設けられたトランジスタ（以下、「クリップトランジスタ」と呼ぶ。）ＴＣで構成されている。各クリップトランジスタＴＣのドレインは電源電圧Ｖｄｄに接続され、各クリップトランジスタＴＣのソースは対応する垂直信号線１４に接続されている。各クリップトランジスタＴＣのゲートは共通に接続され、そこには、外部制御部２のクリップ電位設定部２ａから、調整された大きさの電圧値を持つ設定信号Ｖｄｃｌｉｐが供給される。設定信号Ｖｄｃｌｉｐの大きさに応じて垂直信号線１４のクリップ電位が定まる。クリップ部１８の意義とクリップ電位の調整に関しては、後に詳述する。なお、本実施の形態では、クリップトランジスタＴＣは、ｎＭＯＳトランジスタである。

図３は、本実施の形態による固体撮像装置の読み出し動作の一例を示すタイミングチャートである。

本実施の形態では、メカニカルシャッタ（図示せず）が所定の露光期間だけ開かれて各画素１１のフォトダイオードＰＤの電荷蓄積層に電荷が蓄積された後、１行ずつ順次選択され、各１行について順次同じ動作が行われていく。図３は、主として、ｎ行目の画素１１が選択され、引き続いてｎ＋１行目の画素１１が選択された場合の動作を示している。

期間Ｔ１は、ｎ−１行目の画素１１の出力の水平走査期間であり、後述する期間Ｔ３に対応している。期間Ｔ１後の期間Ｔ２は、ｎ行目の画素１１の出力の水平ブランキング期間である。

期間Ｔ２において、垂直走査回路１２によりｎ行目の画素１１が選択され、ｎ行目のリセットパルスφＲＥＳ（ｎ）がローレベルに変化し、ｎ行目のリセットトランジスタＲＥＳがオフする。また、期間Ｔ２において、ｎ行目の選択パルスφＳＥＬ（ｎ）がハイレベルに変化し、ｎ行目の選択トランジスタＳＥＬがオンする。ｎ行目の選択トランジスタＳＥＬのオンにより、ｎ行目の増幅トランジスタＡＭＰのソースは垂直信号線１４に接続される。そして、ｎ行目の増幅トランジスタＡＭＰは、定電流源１５によってソースフォロア回路として動作する。

期間Ｔ２が開始した後、期間Ｔ１２が開始するまでの期間においては、ｎ行目の選択トランジスタＳＥＬがオンし、同時にｎ行目のリセットトランジスタＲＥＳがオフすることで、ｎ行目の画素１１の増幅トランジスタＡＭＰのゲート電圧が、フローティング状態となり、ｎ行目の画素１１のリセットレベルが垂直信号線１４に現れる。このとき、期間Ｔ２が開始した後の期間Ｔ１１において、暗信号用サンプリングパルス（制御信号）φＴＶＮがハイレベルに変化し、暗信号用サンプリングスイッチＴＶＮがオンする。これにより、ｎ行目の画素１１の暗信号が、暗信号用蓄積容量ＣＮに蓄積される。この動作は、ｎ行目の各列の画素１１に対して同時並列に実行される。

次に、期間Ｔ２中の期間Ｔ１２において、ｎ行目の転送パルスφＴＸ（ｎ）がハイレベルに変化し、ｎ行目の転送トランジスタＴＸがオンする。ｎ行目の転送トランジスタＴＸのオンにより、ｎ行目の画素１１のフォトダイオードＰＤで光電変換され蓄積されていた信号電荷が、対応するフローティングディフュージョンＦＤに転送される。これによって、フローティングディフュージョンＦＤの電圧は転送されてきた電荷量に応じた電圧となり、この電圧が増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加される。その結果、ｎ行目の画素１１の光情報を含んだレベルが、垂直信号線１４に現れる。このとき、期間Ｔ１２の後の期間Ｔ１３において、光信号用サンプリングパルス（制御信号）φＴＶＳがハイレベルに変化し、光信号用サンプリングスイッチＴＶＳがオンする。これにより、ｎ行目の画素１１の光信号が、光信号用蓄積容量ＣＳに蓄積される。この動作は、ｎ行目の各列の画素１１に対して同時並列に実行される。

このようにして、期間Ｔ２において、ｎ行目の画素１１の出力信号のサンプリングが行われ、各列毎に、暗信号用蓄積容量ＣＮにはｎ行目の画素１１の暗信号が蓄積され、光信号用蓄積容量ＣＳにはｎ行目の画素１１の光信号が蓄積される。

期間Ｔ２後の期間Ｔ３は、ｎ行目の画素１１の出力の水平走査期間である。期間Ｔ３において、水平走査回路１３からの水平走査信号φＨによる水平走査によって暗信号用水平転送スイッチＴＨＮ及び光信号用水平転送スイッチＴＨＳが各垂直信号線１４に対応するもの毎に順次オンされ、蓄積容量ＣＮ，ＣＳにそれぞれ蓄積されていた暗信号及び光信号が各垂直信号線１４に対応するもの毎に順次暗信号用水平信号線１６Ｎ及び光信号用水平信号線１６Ｓにそれぞれ読み出され、出力アンプＡＰＮ，ＡＰＳをそれぞれ介して外部信号処理部３へ出力される。外部信号処理部３は、出力アンプＡＰＳ，ＡＰＮの出力間の差分を、差動アンプ等によって得る。これにより、外部信号処理部３から、画像信号として、固定パターンノイズ等が除去された光情報信号が得られる。

次に、期間Ｔ４，Ｔ５において、ｎ行目に関して期間Ｔ２，Ｔ３で行われたのと同様の動作が、ｎ＋１行目について行われ、それ以降においても同様の動作を繰り返す。

ここで、本実施の形態と比較される比較例について説明する。この比較例による固体撮像装置が本実施の形態による固体撮像装置と異なる所は、クリップ部１８及びクリップ電位設定部２ａが除去されている点のみである。この比較例は従来技術に相当している。

この比較例では、イメージセンサ１の有効画素領域２１（図４参照）のうちの一部の画素領域２１ａに局所的に強い光が入射すると、その強い光が入射した画素領域２１ａに相当する画像領域（以下、「高輝度領域」という。）に対して横方向に位置する画像領域（画素領域２１ｂに相当する画像領域）が、対応する画素領域２１ｂにあたかも弱い光が入射したかのように、わずかながら所定の輝度値を示してしまう現象（白浮きの横スミア）が生ずる。図４は、イメージセンサ１の有効画素領域２１を模式的に示す図である。

本発明者の研究の結果、白浮きの横スミアの原因が次の通りであることが判明した。すなわち、画素領域２１ａに局所的に強い光が入射すると、画素領域２１ａの画素１１の列の垂直信号線１４の電位が低下する。これにより、画素領域２１ａの画素１１の列の垂直信号線１４に設けられた定電流源１５のトランジスタＴＤのソースドレイン間電圧が低下し、当該垂直信号線１４の電位が図５中の電位Ｖ_０を下回って例えば電位Ｖ_１に低下する。このため、当該トランジスタＴＤに流れる電流が定電流Ｉ_０よりも低下する。その結果、トランジスタＴＤのグランドのラインの電流減少により、イメージセンサ１内部のグランド電位が低下する。イメージセンサ１内部のグランド電位が低下することに伴い、画素領域２１ｂの画素１１のフローティングディフュージョンＦＤの電位（増幅トランジスタＡＭＰのゲート電位）が低下する。これにより、画素領域２１ｂの画素１１の列の垂直信号線１４の電位が低下する。よって、画素領域２１ｂの画素１１の列の垂直信号線１４の電位は、本来の黒レベルよりも低い電位となって所定の輝度値を示してしまい、これが光信号用蓄積容量ＣＳに蓄積される。これが、白浮きの横スミアの原因である。

これに対し、本実施の形態では、クリップ部１８のトランジスタＴＣによって、垂直信号線１４の電位が、設定信号Ｖｄｃｌｉｐの大きさに応じて定まるクリップ電位よりも下がろうとしても当該クリップ電位に制限されて、クリップ電位より下がらなくなる。前述した白浮きの横スミアの原因に鑑みて、本実施の形態では、クリップ電位設定部２ａによって、クリップ電位を電位Ｖ_０以上の電位Ｖ_２に設定しておく。したがって、本実施の形態によれば、画素領域２１ａに局所的に強い光が入射しても、画素領域２１ａの画素１１の列の垂直信号線１４の電位はクリップ部１８によりクリップされて電位Ｖ_０よりも低下しなくなる。よって、本実施の形態によれば、前述した白浮きの横スミアの原因が除去され、白浮きの横スミアを解消することができる。本発明者は、実際に、本実施の形態と同様の固体撮像装置を作製し、白浮きの横スミアが解消されることを確認した。

［第２の実施の形態］

本発明者は、前記第１の実施の形態と同様の実際に作製した固体撮像装置において、前述したように白浮きの横スミアは解消されるが、これに伴い、黒沈みの横スミアが顕在化してしまうことを確認した。この黒沈みの横スミアは、有効画素領域２１（図４参照）のうちの一部の画素領域２１ａに局所的に強い光が入射したときに、その強い光が入射した画素領域２１ａに相当する画像領域（以下、「高輝度領域」という。）に対して横方向に位置する画像領域（画素領域２１ｂに相当する画像領域）が、高輝度領域以外の画像領域のうち高輝度領域に対して横方向には位置しない画像領域（画素領域２１ｃに相当する画像領域）が示す黒の基準レベル（ゼロのレベル）よりも更に低い値を示してしまう現象である。現状では、黒沈みの横スミアの原因は必ずしも定かではない。

本発明の第２の実施の形態による固体撮像装置が前記第１の実施の形態による固体撮像装置と異なる所は、クリップ電位設定部２ａによるクリップ電位の設定のみである。本実施の形態では、前述した比較例のようにクリップ部１８を設けない場合において、画素領域２１ａに局所的に強い光が入射したときに画素領域２１ａの画素１１の列の垂直信号線１４の電位が電位Ｖ_１に低下するとすれば、クリップ電位設定部２ａによって、クリップ電位が電位Ｖ_１と電位Ｖ_０との中間の電位Ｖ３（図５参照）に設定しておく。

このため、白浮きの横スミアを生ずる原因が完全に除去されるのではなく、その原因がある程度残されることになる。その結果、白浮きの横スミアがある程度発生しようとすることよって、黒沈みの横スミアが相殺され、全体として、白浮きの横スミア及び黒沈みの横スミアの両方を低減することができる。実際には、例えば、クリップ電位設定部２ａにより設定信号Ｖｄｃｌｉｐの大きさを変えながら、イメージセンサ１の有効画素領域２１のうちの一部の画素領域２１ａに局所的に強い光を入射させた状態で撮像し、その画像から、白浮きの横スミア及び黒沈みの横スミアの両方が極力低減される調整状態を見出し、その状態に設定すればよい。本発明者は、実際にこのような調整を行うことで、白浮きの横スミア及び黒沈みの横スミアの両方を低減することができることを確認した。

このように、本実施の形態によれば、白浮きの横スミアのみならず黒沈みの横スミアも低減することができる。

以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。

例えば、前記各実施の形態では、画素１１から垂直信号線１４に得られる光信号及び暗信号が直接的に蓄積容量ＣＳ，ＣＮにそれぞれ蓄積されているが、画素１から垂直信号線１４に得られる光信号及び暗信号を所定の信号処理回路（例えば増幅と相関二重サンプリング処理を行う回路）で適宜処理し、その処理した後に得られる２つの信号（光情報を含む信号と、その信号から差し引かれるべきノイズ成分を含む信号。）を蓄積容量ＣＳ，ＣＮにそれぞれ蓄積するように構成してもよい。このような信号処理回路の例としては、特開平７−２０３３１９号公報の図４に開示されている信号処理回路（２つのコンデンサと１つのオペアンプと１つのリセット用トランジスタからなる回路）を挙げることができる。この信号処理回路を用いる場合、垂直信号線１４が前記２つのコンデンサのうちの一方を介して前記オペアンプの反転入力端子に接続され、前記オペアンプの非反転入力端子に基準電位が印加され、前記オペアンプの出力端子と前記オペアンプの非反転入力端子との間に前記２つのコンデンサのうちの他方が接続され、更に、前記オペアンプの出力端子と前記オペアンプの非反転入力端子との間にリセット用トランジスタが接続される。前記リセット用トランジスタのゲートには、外部制御部２から、所定のタイミングでリセット制御信号を与えられる。

また、前記各実施の形態では、暗信号と光信号との差分を外部信号処理部３で行うように構成されているが、本発明では、例えば、出力アンプＡＰＳ，ＡＰＮの代わりに差動アンプを設け、該差動アンプによって、光信号用水平信号線１６Ｓの光信号と暗信号用水平信号線１６Ｎの暗信号との差分を当該イメージセンサ１から出力するように構成してもよい。

本発明の第１の実施の形態による固体撮像装置を示す概略ブロック図である。図１中のイメージセンサを示す回路図である。本発明の第１の実施の形態による固体撮像装置の読み出し動作の一例を示すタイミングチャートである。イメージセンサの有効画素領域を模式的に示す図である。垂直信号線の電位と定電流源が垂直信号線１４に流す電流との関係を示す図である。

符号の説明

１イメージセンサ（固体撮像素子）
２外部制御部
１１画素
１２垂直走査回路
１３水平走査回路
１４垂直信号線
１５定電流源
１６Ｓ，１６Ｎ水平信号線
１７サンプルホールド部
１８クリップ部（制限手段）

Claims

２次元に配置され入射光を光電変換する複数の画素と、
前記複数の画素の各列に対応して設けられ対応する列の前記画素の出力信号が供給される垂直信号線と、
前記画素の出力信号が前記垂直信号線へ供給されるときに前記垂直信号線に電流を流す定電流源と、
前記画素で光電変換された光情報を含む前記画素の出力信号が前記垂直信号線に供給されるときに、前記垂直信号線の電位を所定電位よりも所定方向へ変動させないように制限する制限手段と、
を備え、
前記所定方向は、前記垂直信号線の電位が、前記定電流源が前記垂直信号線に定電流を流す電位範囲を逸脱して、前記定電流源がより低い電流を前記垂直信号線に流す電位に向かう方向である、ことを特徴とする固体撮像装置。
前記所定電位を、前記定電流源が前記垂直信号線に前記定電流を流す電位範囲内の電位に設定する設定手段を、備えたことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記所定電位を、前記定電流源が前記垂直信号線に前記定電流よりも低い電流を流す電位に設定する設定手段を、備えたことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記制限手段はトランジスタを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の固体撮像装置。
前記各垂直信号線の信号に応じた信号をサンプリング制御信号に従ってサンプリングして保持するとともに、当該保持された信号を水平走査信号に従って水平信号線へ供給するサンプルホールド部を、備え、
前記サンプルホールド部は、前記各垂直信号線に対応して設けられ前記画素で光電変換された光情報を含む光信号が蓄積される光信号用蓄積容量、及び、前記各垂直信号線に対応して設けられ前記光信号から差し引くべきノイズ成分を含む差分用信号が蓄積される差分用信号用蓄積容量を、含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の固体撮像装置。
前記各画素は、入射光に応じた信号電荷を生成し蓄積する光電変換部、前記信号電荷を受け取って前記信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部、該電荷電圧変換部の電位に応じた信号を出力する増幅部、前記光電変換部から前記電荷電圧変換部に電荷を転送する電荷転送部、前記電荷電圧変換部の電位をリセットするリセット部、及び、当該画素を選択する選択部を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の固体撮像装置。