JP2010199710A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１列当たり複数色の画素を同時に読み出す固体撮像装置において、共通出力線の容量の低減を実現する事を課題とする。
【解決手段】行方向に配列された複数の基本セル群（１０１３）と、前記複数の基本セル群からの出力信号を伝送するｍの整数倍個の共通出力線（８）とを有し、前記複数の基本セル群の各々は、行方向に配列された複数の基本セル（１０００）を有し、前記複数の基本セルの各々は、各々が入射光を異なる色信号に変換する光電変換素子を有する列方向に配列されたｍ個の画素（１）と、前記ｍ個の画素の色信号を保持するｍ個の保持手段（５１）と、前記ｍ個の保持手段に保持されている色信号のうちの１個の色信号を選択するｍ個の色選択スイッチ（１０１０）と、前記色選択スイッチにより選択された色信号を前記ｍの整数倍個の共通出力線のうちの１個の共通出力線に出力する１個の転送スイッチ（５３）とを有する。
【選択図】図１３

Description

本発明は、複写機やスキャナ等の画像読取装置等に用いられる固体撮像装置に関するものである。

複写機やスキャナ等の画像読取装置に用いられている固体撮像装置として、例えば特許文献１の図１にあるように、複数の色成分を読み出すフォトダイオードと、それぞれのフォトダイオードに対応した保持容量を持った固体撮像装置がある。特許文献２においては、共通出力線が１本の場合を示しているが、色成分毎に信号を出力する場合は、例えば特許文献２の図１２に示すような構成の固体撮像装置もある。特許文献２の構成の場合、複数の共通出力線から並列に信号出力を行うため、読み出し時間は特許文献１の構成と比較して並列数分だけ早く読み出すことが可能である。

これらの固体撮像装置において、保持容量から信号を読み出す際は、例えば特許文献３にもあるように、共通出力線の総容量と、保持容量との容量分割比に応じたゲインに従って、転送スイッチを介して信号が読み出されていく。共通出力線の総容量値をＣＨ、保持容量値をＣＴとすると、読み出しゲインＧｃは、Ｇｃ＝ＣＴ／（ＣＴ＋ＣＨ）で表される。Ｇｃは必ず１未満の値となるため、損なわれたゲインを補償するため、後段の出力回路で1以上のゲインを掛けて出力することも行なわれる。

上記した構成に加え、さらにＳ／Ｎ比向上といった性能向上が必要な場合は、特許文献４に示された構成等を取る場合がある。これは低速動作する垂直転送部で増幅回路を設けることにより、狭帯域化で信号増幅を行う事で低ノイズ化を実現している。

特開２００６−２１１３６３号公報 特開平０６−２０４４４５号公報 特開２００３−２２４７７６号公報 特開２００８−０５４２４６号公報

近年、複写機等の画像読取装置に対する生産性の向上が求められており、これに伴い画像読取装置に搭載される固体撮像装置の高速化への要求が強まっている。固体撮像装置の動作速度を決めている要因の一つとして、上述した共通出力線容量への充放電時間がある。つまり高速化を実現するためには共通出力線容量を削減する事が必須である。特許文献３では異なる列における複数画素ずつを一単位としてブロック化し、共通出力線に接続されるトランジスタ数を減らす事で共通出力線容量を減らす方法がある。しかしながら特許文献３では１列当たり１画素を読み出す通常の固体撮像装置の場合のみ考慮されており、１列当たり複数色の画素を同時に読み出す固体撮像装置における構成は考慮されていない。

本発明はこのような課題に鑑みてなされ、１列当たり複数色の画素を同時に読み出す固体撮像装置において、共通出力線の容量の低減を実現する事を目的とする。

本発明の固体撮像装置は、行方向に配列された複数の基本セル群と、前記複数の基本セル群からの出力信号を伝送するｍの整数倍個の共通出力線とを有し、前記複数の基本セル群の各々は、行方向に配列された複数の基本セルを有し、前記複数の基本セルの各々は、各々が入射光を異なる色信号に変換する光電変換素子を有する列方向に配列されたｍ個の画素と、前記ｍ個の画素の色信号を保持するｍ個の保持手段と、前記ｍ個の保持手段に保持されている色信号のうちの１個の色信号を選択するｍ個の色選択スイッチと、前記色選択スイッチにより選択された色信号を前記ｍの整数倍個の共通出力線のうちの１個の共通出力線に出力する１個の転送スイッチとを有し、前記転送スイッチは、前記基本セル群毎に異なる前記共通出力線に接続され、前記ｍの整数倍個の共通出力線からは並列に信号が読み出されることを特徴とする。

また、本発明の固体撮像装置は、行方向に配列された複数の基本セル群と、前記複数の基本セル群からの出力信号を伝送するｍの整数倍個の共通出力線とを有し、前記複数の基本セル群の各々は、行方向に配列された複数の基本セルを有し、前記複数の基本セルの各々は、各々が入射光を異なる色信号に変換する光電変換素子を有する列方向に配列されたｍ個の画素と、色信号を保持する１個の保持手段と、前記保持手段に保持された色信号を前記共通出力線に転送する転送スイッチとを有し、前記転送スイッチは、前記基本セル群毎に異なる前記共通出力線に接続され、前記ｍの整数倍個の共通出力線からは並列に信号が読み出されることを特徴とする。

共通出力線の容量を低減することができる。また、転送スイッチを制御する走査回路の負荷を軽減することができる。これにより、高速駆動を行うことができる。また、素子数を削減し、小面積化することができる。

第３の参考例の固体撮像装置の構成例を示す図である。 画素の構成例を示す図である。 中間保持手段の構成例を示す図である。 選択手段の構成例を示す図である。 保持手段の構成例を示す図である。 切替手段の構成及び接続例を示す図である。 第３の参考例のフローチャートである。 第３の参考例のタイミングチャートである。 第１の参考例の固体撮像装置の構成例を示す図である。 第１の参考例のタイミングチャートである。 第２の参考例の固体撮像装置の構成例を示す図である。 第２の参考例のタイミングチャートである。 第１の実施形態の固体撮像装置の構成例を示す図である。 第１の実施形態のタイミングチャートである。 第２の実施形態の固体撮像装置の構成例を示す図である。 第２の実施形態のタイミングチャートである。 第３の実施形態の固体撮像装置の構成例を示す図である。 選択手段の構成例を示す図である。 第３の実施形態のタイミングチャートである。 第４の実施形態の固体撮像装置の構成例を示す図である。 第５の実施形態のタイミングチャートである。

（第１の参考例）
図９は、第１の参考例のカラー複写機に用いられる固体撮像装置の構成例を模式的に示したものである。６ビット×３色のカラーラインセンサーを表している。１は画素であり、第１の参考例では赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の各成分を読み出し、それぞれＲ画素１−Ｒ、Ｇ画素１−Ｇ、Ｂ画素１−Ｂとする。５１は保持容量、５２はφＣＴに応じて書き込みを制御する書き込みスイッチ、５３は転送スイッチである。

６は保持容量５１の信号を順次走査していく走査回路である。７は転送スイッチ５３を走査回路６から制御し保持容量５１を走査する走査信号φＳＲである。８は保持容量５１からの信号を走査信号７に応じて出力する共通出力線である。９はゲート信号φＣＨＲに応じて共通出力線８を電圧ＶＣＨＲにリセットするリセット手段である。１０は共通出力線からの信号を増幅、出力する出力回路である。共通出力線８はそれぞれが各色成分を出力するものとして、８−Ｒ、８−Ｇ、８−Ｂとする。共通出力線８−Ｒ、Ｇ、Ｂに対応する、リセット手段９−Ｒ、Ｇ、Ｂ、出力回路１０−Ｒ、Ｇ、Ｂがある。なお、図の画素１下に振られた番号Ｒ１〜Ｒ６、Ｇ１〜Ｇ６、Ｂ１〜Ｂ６は、その画素のビット数を表すものとする。１０００は１列単位の基本セルを示しており、画素１−Ｒ、１−Ｇ、１−Ｂは横並びに並んで示されているが、実際上は縦方向に配列されている場合が一般的である。以後、スイッチ或いはスイッチ目的で使用されているトランジスタに関しては、ハイレベルで導通、ローレベルで非導通となるものとして説明する。

画素１の構成として、例えば図２がある。図において、２１は光電変換素子、２２はゲート信号φＲＥＳに応じて光電変換素子２１を電圧ＶＲＥＳにリセットするリセットトランジスタ、２３は光電変換素子２１の信号を受けるソースフォロワの入力トランジスタ、２４はソースフォロワの定電流回路である。定電流回路２４は例えばゲート電極が一定電圧に固定され、ドレイン電極がソースフォロワ入力トランジスタ２３のソース電極に接続され、ソース電極が電源に接続されたＭＯＳトランジスタで実現できる。また特許文献４で示されているような増幅回路が入っていても良い。

次に、第１の参考例の動作について図１０のタイミングチャートに基づいて説明する。最初に入射光を光電変換素子２１で蓄積する蓄積期間があり（不図示）、蓄積期間中は、光電変換素子２１で電気信号に変換された信号が、ソースフォロワの入力トランジスタ２３のソース電極より出力されている。φＣＴのハイレベル期間に、書き込みスイッチ５２がオンし、信号を保持容量５１に書き込む。次にタイミングチャートに示されたタイミングでφＣＨＲとφＳＲ（走査信号７）を駆動することで、先述した保持容量５１の容量値ＣＴと共通出力線８の容量値ＣＨに応じたゲインＧｃで出力回路１０に出力される。出力回路１０を介した出力順はＶＯＵＴ−Ｒ、Ｇ、Ｂに示したようになる。

ここで、共通出力線８の総容量値ＣＨは、共通出力線８自体の配線の寄生容量（主に対地容量と隣接配線間の容量）、リセットトランジスタ９及びビット数分の転送スイッチ５３の寄生容量、出力回路１０の入力容量の総和でおおよそ決まる。第１の参考例での転送スイッチ５３の数は６個である。つまり第１の参考例の構成では、ビット数と同数の転送スイッチ５３が共通出力線８に接続されている。

（第２の参考例）
次に、第１の参考例で示した構成に特許文献３で示した共通出力線のブロック化を適用した場合の第２の参考例の構成例を図１１に示す。先に説明した図９と共通の構成については、同一の番号を付してその説明を省略する。１００１は全画素を複数に分割したブロック領域、第２の参考例では６ビットを２ビットずつの３ブロックに分割した例を示す。１００２はブロック領域１００１内のブロック出力線、１００３はブロック出力線と共通出力線８を接続させるブロック選択スイッチ、１００４はブロック領域を選択するためのブロック選択手段、１００５はブロック選択信号である。

図１２は、第２の参考例のタイミングチャートを示す。先に説明した図１０と共通の構成については、同一の番号、記号を付してその説明を省略する。φＢＬＫ（ブロック選択信号１００５）のブロック選択スイッチ１００３が図のように走査信号７（φＳＲ）よりも低周波数（第２の参考例では１／２）でスイッチングする事で、順次ブロックを選択し、図に示すように信号が出力されている。

図にあるように、１つ目のブロック選択信号１００５−１は１，２ビット目の走査信号７−１，２（φＳＲ）のハイレベル期間においてハイレベルとなる。同２つ目のブロック選択信号１００５−２は走査信号７−３，４（φＳＲ）、同３つ目のブロック選択信号１００５−３は走査信号７−５，６（φＳＲ）のハイレベル期間においてハイレベルとなっている。ブロック選択手段１００４は、例えば走査信号７−１、３、５（φＳＲ）の各立ち上がりでブロック選択信号１００５−１、２、３を立ち上げ、走査信号７−２，４，６（φＳＲ）の各立ち下がりでブロック選択信号１００５−１、２、３を立ち下げるように制御する。

ここで、第２の参考例の共通出力線８の総容量値ＣＨは、第１の参考例と比較した場合、転送スイッチ５３の数が２個、ブロック選択スイッチ１００３が１個となった分だけ小さくなり、その分だけ共通出力線容量の低減を実現する事ができる。またゲインＧｃが向上するので、固体撮像装置全体としての感度を向上させることができる。第２の参考例のブロック化は共通出力線８の配線自体の長さ、太さ、画素数、トランジスタの寄生容量等によって、最適なブロック分割数が決まる事をここに付記する。

（第３の参考例）
次に、第３の参考例の構成例を図１に示す。図において１は画素、２は各画素１からの信号を保持する中間保持手段、３は接続された中間保持手段２のうち任意のものを選択し出力する選択手段、４は複数の画素１と前記画素１と同数の中間保持手段２と一つの選択手段３で構成される基本セルである。各基本セル４内の画素１はそれぞれ異なる色成分を読み出し、第３の参考例ではＲ、Ｇ、Ｂの各成分を読み出し、それぞれＲ画素１−Ｒ、Ｇ画素１−Ｇ、Ｂ画素１−Ｂとする。かつ各基本セル４内では各色１画素ずつの構成とする。それぞれの画素１に接続された中間保持手段を２−Ｒ、２−Ｇ、２−Ｂとする。

５は基本セル４からの出力信号を保持する保持手段、１１は全ての基本セル４を複数に分割した基本セル群である。１２は各保持手段５と接続され、各保持手段５と、制御信号φＣＨ−１、２、３に応じて各共通出力線８−Ｒ、Ｇ、Ｂから任意の共通出力線とを接続する切替手段である。走査回路６は各基本セル群１１−１〜３に対応して走査回路６−１〜３に分割される。各走査回路６−１〜３は同時に、走査信号７によって各基本セル群１１−１〜３内の保持手段５を走査する。共通出力線８はそれぞれが各色成分を出力するものとして、８−Ｒ、８−Ｇ、８−Ｂとする。

画素１の構成として、第１の参考例と同様に例えば図２がある。中間保持手段２として、例えば図３がある。図において、３１は中間保持容量、３２はゲート信号φＣＭに応じて書き込みを行う書き込みスイッチである。

１番目の基本セル群１１−１に含まれる基本セル４内の選択手段３−１、同２番目の基本セル群１１−２内の選択手段３−２、同３番目の基本セル群１１−３内の選択手段３−３としては、例えば図４がある。図において４１は選択トランジスタであり、第３の参考例ではＲ、Ｇ、Ｂの３画素分の中間保持容量３１から任意の信号を出力するため、３つの選択トランジスタ４１―Ｒ、Ｇ、Ｂから構成されている。４２は増幅手段であり、例えばソースフォロワ回路や、特許文献４等にある増幅回路が挙げられる。各選択トランジスタ４１のドレイン電極は、それぞれ別の中間保持手段２に接続されており、ソース電極はすべてショートされ、基本セル４から増幅手段４２を介して出力される。各選択トランジスタ４１のゲートには、それぞれ別の制御信号φＳＷ１〜３が配線され、この制御信号φＳＷ１〜３に従って任意の中間保持容量３１の信号が選択される。また図４では増幅手段４２を選択トランジスタ４１の後段に配置しているが、その前段に配置してもかまわない。また各選択手段３−１、２、３は制御信号φＳＷ１〜３と図に示す接続関係を持つものとする。これにより、各基本セル群１１において選択手段３が、それぞれが異なる色成分の中間保持手段２を選択することができる。

保持手段５として、例えば図５がある。構成素子はそれぞれ保持容量５１とφＣＴに応じて書き込みが行われる書き込みスイッチ５２、走査回路６からの走査信号７（φＳＲ）に応じて共通出力線８へ保持容量５１の信号を転送する転送スイッチ５３である。

切替手段１２は接続されている基本セル群１１に応じて、１２−１、２、３とし、制御信号φＣＨ１、２、３と図６に示す接続関係と構成を持つものとする。図において、６１は、各保持手段５からそれぞれの共通出力線８に接続する切替トランジスタである。これにより、保持手段５を介して接続されている基本セル群１１毎に、それぞれが異なる色成分の共通出力線８を選択することができる。

次に、動作について、図７のフローチャート、図８のタイミングチャートに従って説明する。１００は画素１の全画素の信号を中間保持手段２に転送する第１の垂直転送である。１２１は選択手段３で選択された任意の中間保持容量２に保持された信号を保持手段５に転送する第２の垂直転送である。１２２は各基本セル群１１の保持手段５に保持された信号を走査回路６の走査と切替手段１２の切替に応じて任意の各共通出力線８へ並列に転送する水平転送である。１２３は変数Ｘを仮定し、その変数Ｘが図７のフローチャートに従って変化した後、変数Ｘの値が色成分数（第３の参考例では３色）と同数（ＹＥＳ）か、否（ＮＯ）か、を判定し、次の動作を決定する第１の判定である。１２４は変数Ｚを仮定し、その変数Ｚが図７のフローチャートに従って変化した後、変数Ｚが基本セル４内の１色成分当たりの画素数（第３の参考例では１個）と同数（ＹＥＳ）か、否（ＮＯ）か、を判定し、次の動作を決定する第２の判定である。第１の判定１２３は例えば、第２の垂直転送１２１の回数を変数Ｘとしてカウントする第１のカウンタによって実現できる。また第２の判定は例えば、第１の判定１２３がＹＥＳとなった回数を変数Ｚとしてカウントする第２のカウンタとして実現できる。

第２の垂直転送１２１の期間に制御信号φＳＷ（Ｘ）をハイレベルとすることで、各基本セル群１１において、選択手段３が選択している中間保持手段２の信号を保持手段５に書き込む。水平転送１２２においては、制御信号φＣＨ（Ｘ）をハイレベルとすることで、各保持手段５を切替手段１２を介して共通出力線８へ接続し、走査回路６の走査に応じて順次出力する。

最初に、入射光を光電変換素子２１で蓄積する蓄積時間があり（不図示）、蓄積時間中は、光電変換素子２１で電気信号に変換された信号が、ソースフォロワの入力トランジスタ２３のソース電極より増幅されて出力されている。第１の垂直転送１００において、φＣＭのハイレベル期間に各画素１からの信号を、それぞれ接続されている中間保持手段２に書き込み、φＣＭの立下りに時に信号値をホールドする。

次に、第１、２のカウンタ初期値を１と設定する（Ｘ＝Ｚ＝１）。１番目の第２の垂直転送１２１−１の期間にφＳＷ１をハイレベルとすることで、各基本セル群１１において以下の関係で選択手段３が中間保持手段２を選択し、それぞれの保持手段５に各色成分の信号を書き込む。

１番目の基本セル群１１−１ → Ｒ成分の中間保持手段２−Ｒ
２番目の基本セル群１１−２ → Ｂ成分の中間保持手段２−Ｂ
３番目の基本セル群１１−３ → Ｇ成分の中間保持手段２−Ｇ

またφＣＨ１をハイレベルとすることで、各基本セル群１１に接続された保持手段５と各共通出力線８が、切替手段１２を介して以下の関係で接続される。この切替動作は少なくとも次の水平転送より前に完了している必要がある。

１番目の基本セル群１１−１に接続された保持手段５ → Ｒ成分の共通出力線８−Ｒ
２番目の基本セル群１１−２に接続された保持手段５ → Ｂ成分の共通出力線８−Ｂ
３番目の基本セル群１１−３に接続された保持手段５ → Ｇ成分の共通出力線８−Ｇ

１番目の第２の垂直転送１２１−１終了後、１番目の水平転送１２２として、各走査回路６−１、２、３の走査に応じて、順次各保持手段５に保持された信号が、各共通出力線８へ出力される。

次に、１番目の第１の判定１２３−１として、Ｘ＝１で「ＮＯ」なので、第１のカウンタをカウントアップ（Ｘ＝Ｘ＋１＝２）し、２番目の第２の垂直転送１２１−２を行う。この時の選択手段３の選択は、φＳＷ２がハイレベルであるため、以下のようになる。

１番目の基本セル群１１−１ → Ｇ成分の中間保持手段２−Ｇ
２番目の基本セル群１１−２ → Ｒ成分の中間保持手段２−Ｒ
３番目の基本セル群１１−３ → Ｂ成分の中間保持手段２−Ｂ

次に、下記の接続関係で、２番目の水平転送１２２−２の期間に共通出力線８から信号が読み出される。

１番目の基本セル群１１−１に接続された保持手段５ → Ｇ成分の共通出力線８−Ｇ
２番目の基本セル群１１−２に接続された保持手段５ → Ｒ成分の共通出力線８−Ｒ
３番目の基本セル群１１−３に接続された保持手段５ → Ｂ成分の共通出力線８−Ｂ

以下、２番目の第１の判定１２３−２（ＮＯ）、カウントアップ（Ｘ＝Ｘ＋１＝３）、３番目の第２の垂直転送１２１−３、３番目の水平転送１２２−３が行われる。

次に、第２の判定１２４−１として、Ｚ＝１で「ＹＥＳ」となり蓄積から読み出しまでの１周期が終了する。この時点で全画素の信号が読み出されたことになり、図８のＶＯＵＴ−Ｒ、Ｇ、Ｂに示されているような読み出し順となる。このように一つの共通出力線８から１色成分のみが出力され、また全ての共通出力線８に着目すると、同時刻に異なる色の異なる領域の信号が並列で読み出される。

第３の参考例の構成を用いる事で、構成素子数を削減する事で固体撮像装置の小面積化を図ることができる。また本構成における共通出力線８の総容量値ＣＨは第１の参考例と同様となる。また説明は省略するが第２の参考例のブロック化を適用する事で、第２の参考例と同様の容量値となることも明らかである。

以下に、本発明の実施形態にかかる固体撮像装置を図面に基づいて説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図１３は、本発明の第１の実施形態による固体撮像装置の構成例を示す図である。先に示した図９と共通の構成については、同一の番号を付してその説明を省略する。１０１０は保持容量５１と転送スイッチ５３の間に挿入されている色選択スイッチ、１０１１は色選択手段、１０１２はＲ、Ｇ、Ｂの各色を選択する色選択信号、１０１３は全画素を色数と同数に分割した３つの基本セル群である。ここで色選択手段１０１１からの色選択信号１０１２−Ｒ、Ｇ、Ｂは全列共通で接続されているが、例えば基本セル群１０１３毎に色選択手段を設け、個別に制御しても構わない。画素１は、第１の参考例で述べたのと同様、増幅回路を有する構成であっても構わない。また走査回路６は基本セル群１０１３毎に分割されており、それぞれの領域内で走査を行う。また本実施形態では、基本セル群１０１３内の走査回路６の最終ビット信号を色選択手段１０１１に入力し色選択信号１０１２を作っており、例えば最終ビット信号をカウントするカウンタの出力信号を基に色選択信号を作っても良い。転送スイッチ５３は基本セル群１０１３毎に異なる共通出力線８に接続されている。１番目の基本セル群１０１３−１の転送スイッチ５３は共通出力線８−１に、２番目の基本セル群１０１３−２では共通出力線８−２に、３番目の基本セル群１０１３−３では共通出力線８−３に接続されている。

図１４のタイミングチャートを参照しながら、本実施形態の動作について説明する。先に示した図１０、１２と共通の構成については、同一の番号、記号を付してその説明を省略する。色選択信号１０１２は図に示すように、走査信号７（φＳＲ）の１周目の１、２ビットの期間に赤色を選択するＣＳＥＬ−Ｒをハイレベルとし、同２周目にＣＳＥＬ−Ｇを、同３周目はＣＳＥＬ−Ｂをハイレベルとするように動作する。この時、出力順は図のようになり、同時刻には各出力から同色信号が出ていることが分かる。本実施形態では同時刻に同色を出しているが、基本セル群１０１３毎に色選択手段１０１１を持ち、それぞれの色選択信号１０１２が同時刻に異なる色を選択するようにして出力する事も可能である。以後の実施形態では同時刻に同色信号が出てくる場合についてのみ説明するが、同様に色選択を変えることで異なる色を出力する事も可能である。

本実施形態での共通出力線８の総容量値ＣＨは、第１の参考例と比較して転送スイッチ５３の数が２個、色選択スイッチ１０１０が３個となっている分だけ小さくなり、その分だけ共通出力線容量の低減を実現する事ができる。またゲインＧｃが向上するので、固体撮像装置トータル感度を向上させることができる。６ビットの固体撮像装置として考えた場合効果は小さく見えるが、ビット数をＮ、色数を３とすると以下の差分として表す事ができ、多画素の固体撮像装置においてはその効果が大きくなる事が分かる。

（第１の参考例）スイッチ数：転送スイッチＮ個
（第１の実施形態）スイッチ数：（転送スイッチＮ／３個）＋（色選択スイッチ３個）
（差分１）Ｎ−Ｎ／３−３＝２Ｎ／３−３個

また、本実施形態では１列内の全ての色選択スイッチ１０１０を転送スイッチ５３に接続しているが、２列分など複数列の色選択スイッチ１０１０を一つの転送スイッチ５３に接続しても良い。また例えば１列の画素数が偶数個の場合（例えばＲ、Ｇ、Ｂ、モノクロ等）、列内の色選択スイッチ１０１０を適当な数ずつをそれぞれ転送スイッチ５３に接続しても良い。これらの構成とする場合、必要に応じて走査信号や選択信号の動作を変更する必要がある。

また、第１の参考例の構成と比較して、特に高速駆動する固体撮像装置においては、最も高速駆動する走査信号７が１本当たり接続される転送スイッチ５３の数が削減できるため、走査回路６の負荷を小さく出来、高速動作に有利な構成となる事が分かる。

以上説明したように、本発明の第１の実施形態は、複数の色成分毎に出力する固体撮像装置である。本実施形態は、１列或いは複数列の色選択スイッチ１０１０を１個の転送スイッチ５３に接続し、転送スイッチ５３を分割された基本セル群１０１３毎に異なる共通出力線８に接続し、基本セル群１０１３毎に走査回路６を持ち、各走査回路６を色数と同数回走査する。これにより、従来の固体撮像装置と比較して共通出力線容量を低減した固体撮像装置を実現できる。また走査回路６の負荷を軽減する事が可能となり、従来の固体撮像装置と比較して高速駆動に有利な構成を実現できる。

（第２の実施形態）
図１５は、本発明の第２の実施形態による固体撮像装置の構成例を示す図である。先に説明した図１１、１３と共通の構成については、同一の番号を付してその説明を省略する。本実施形態は、第１の実施形態の構成に第２の参考例で示したブロック化を適用したものであり、１２ビット×３色の固体撮像装置として説明する。４列ずつ３個の基本セル群１０１３に分割されており各基本セル群１０１３内では、２列ずつ２個のブロック領域１００１に分割されている。各ブロック領域１００１においては、転送スイッチ５３がブロック出力線１００２に接続されている。ブロック出力線１００２はブロック選択スイッチ１００３を介して共通出力線８に接続されている。また各列内では色選択スイッチ１０１０が１個の転送スイッチ５３に接続されている。基本セル群１０１３によって、ブロック選択スイッチ１００３は異なる共通出力線８に接続されている。１番目の基本セル群１０１３−１では共通出力線８−１に、２番目の基本セル群１０１３−２では共通出力線８−２に、３番目の基本セル群１０１３−３では共通出力線８−３に接続されている。また走査回路６が基本セル群１０１３毎に分割されているのは図１３の構成と同様である。また色選択手段１０１１は基本セル群１０１３毎、或いはブロック領域１００１毎等、任意の単位で設けても構わない。

次に、動作について図１６のタイミングチャートを参照しながら説明する。先に説明した図１４と共通の構成については、同一の番号、記号を付してその説明を省略する。基本セル群１０１３が４ビット構成のため、色選択信号１０１２（ＣＳＥＬ−Ｒ，Ｇ，Ｂ）の周期は４画素周期、ブロック領域１００１が２ビット構成のため、ブロック選択信号１００５（φＢＬＫ）の周期は２画素周期である。詳細説明についてはこれまで説明した動作の組み合わせのため省略する。

本実施形態における共通出力線８の総容量値ＣＨについて考察する。ビット数Ｎ、色数３、ブロック数Ｍの固体撮像装置同士における比較を第２の参考例に対して行う。

（第２の参考例）スイッチ数：（転送スイッチＮ／Ｍ個）＋（ブロック選択スイッチＭ個）
（第２の実施形態）スイッチ数：（転送スイッチＮ／Ｍ個）＋（ブロック選択スイッチＭ／３個）＋（色選択スイッチ３個）
（差分２）Ｍ−Ｍ／３−３＝２Ｍ／３−３個

第２の参考例で述べたように、画素数や配線条件等で最適なブロック分割数が決まるが、上述したように本実施形態を適用する事で、さらに（差分２）だけ共通出力線８の総容量値ＣＨを軽減する事ができる事が分かる。また第１の実施形態と同様に、１本当たりの走査信号７に接続される転送スイッチ５３の数を削減する事ができる。

また、第２の参考例の構成と比較して、ブロック出力線１００２の本数が少なく済むため、固体撮像装置の小面積を図る事ができる。

以上説明したように、本発明の第２の実施形態は、複数の色成分毎に出力する固体撮像装置である。本実施形態は、１列或いは複数列の色選択スイッチ１０１０を１個の転送スイッチ５３に接続し、各基本セル群１０１３において複数列の転送スイッチ５３を１個のブロック選択スイッチ１００３に接続する。そして、各ブロック選択スイッチ１００３を分割された基本セル群１０１３毎に異なる共通出力線８に接続し、基本セル群１０１３毎に走査回路６を持ち、各走査回路６を色数と同数回走査する。これにより、従来の固体撮像装置と比較して共通出力線容量を低減した固体撮像装置を実現できる。また走査回路の負荷を軽減する事が可能となり、従来の固体撮像装置と比較して高速駆動に有利な構成を実現できる。さらにはブロック出力線１００２の本数を減らす事が可能となるため、従来の固体撮像装置と比較して小面積化を実現できる。

（第３の実施形態）
図１７は、本発明の第３の実施形態による固体撮像装置の構成例を示す図である。先に説明した図１、１３と共通の構成については、同一の番号を付してその説明を省略する。第３の参考例の構成（図１）では、保持手段５内の転送スイッチ５３と共通出力線８の間に切替手段１２が挿入されているが、本実施形態では転送スイッチ５３が直接共通出力線８に接続されている。転送スイッチ５３と共通出力線８の接続は第１の実施形態と同様である。すなわち、１番目の基本セル群１０１３−１の転送スイッチ５３は共通出力線８−１に、２番目の基本セル群１０１３−２は共通出力線８−２に、３番目の基本セル群１０１３−３は共通出力線８−３に接続されている。

選択手段３は図１８のように構成できる。ここで、φＳＷ−１が接続されている選択トランジスタ４１−ＲはＲ画素１−Ｒからの信号を選択する。φＳＷ−２が接続されている選択トランジスタ４１−ＧはＧ画素１−Ｇからの信号を、φＳＷ−３が接続されている選択トランジスタ４１−ＢはＢ画素１−Ｂからの信号を選択する。全ての基本セル群１０１３で選択手段３の接続関係が同一であれば、φＳＷの制御に対して、選択手段３から出力される信号の色成分は、全画素に渡って同じになる。基本セル群１０１３毎に異なる色を出力する場合は、図４に示したように基本セル群１０１３毎に異なる接続関係とすればよい。

図１９のタイミングチャートを参照しながら、本実施形態の動作について説明する。先に示した図８、１４と共通の構成については、同一の番号、記号を付してその説明を省略する。中間保持手段２に全画素一括で保持された信号は、φＳＷ−１とφＣＴをハイレベルとする事で、全ての基本セル群１０１３のＲ画素１−Ｒが保持容量５１に保持される。次に走査信号７（φＳＲ）に従って各共通出力線８から出力される。以降の動作はこれまでの説明と同様であり、省略する。

本実施形態での共通出力線８の総容量値ＣＨは、第１の実施形態と同様となり、第３の参考例との差分も（差分１）となり、共通出力線容量の低減を実現する事ができる。また第３の参考例と比較して切替手段１２を必要としないため、また第１の実施形態と比較して色選択手段１０１１及び色選択信号１０１２を必要としないため、素子数削減による小面積化を実現できる。

本発明の第３の実施形態は、１列当たり複数色の画素１を有し、１個の保持手段５１を共有して読み出す固体撮像装置である。本実施形態は、転送スイッチ５３を分割された基本セル群１０１３毎に異なる共通出力線８に接続し、基本セル群１０１３毎に走査回路６を持ち、各走査回路６を色数と同数回走査する。これにより、従来の固体撮像装置と比較して共通出力線容量を低減した固体撮像装置を実現できる。また素子数の削減による小面積化を実現できる。

（第４の実施形態）
図２０は、本発明の第４の実施形態による固体撮像装置の構成例を示す図である。先に説明した図１１、１８と共通の構成については同一の番号を付してその説明を省略する。本実施形態は、第３の実施形態の構成に第２の参考例で示したブロック化を適用したものであり、１２ビット×３色の固体撮像装置として説明する。動作については、図１２、図１９で説明した内容の組合わせであり、その説明を省略する。

まず、本実施形態における共通出力線８の総容量値ＣＨについて考察する。ビット数Ｎ、色数３、ブロック数Ｍの固体撮像装置同士における比較を第３の参考例のブロック化された構成に対して行う。ここで第３の参考例で述べたように、この時の総容量値は第２の参考例と同様である。５３が転送スイッチ、１００３がブロック選択スイッチである。

（第２の参考例）スイッチ数：（転送スイッチＮ／Ｍ個）＋（ブロック選択スイッチＭ個）
（第４の実施形態）スイッチ数：（転送スイッチＮ／Ｍ個）＋（ブロック選択スイッチＭ／３個）
（差分４）２Ｍ／３個

第２の参考例で述べたように、画素数や配線条件等で最適なブロック分割数が決まるが、上述したように本実施形態を適用する事で、さらに（差分４）だけ共通出力線８の総容量値ＣＨを低減する事ができる事が分かる。

第３の参考例と比較して切替手段１２を必要としないため、また第２の実施形態と比較して色選択手段１０１１及び色選択信号１０１２を必要としないため、さらに第２の実施形態と比較してブロック選択スイッチ１００３の数を削減できる。これにより、素子数削減による小面積化を実現できる。

以上説明したように、本発明の第４の実施形態は、１列当たり複数色の画素１を有し、１個の保持手段５１を共有して読み出す固体撮像装置である。本実施形態は、各基本セル群１０１３において複数列の転送スイッチ５３を１個のブロック選択スイッチ１００３に接続し、各ブロック選択スイッチ１００３を分割された基本セル群１０１３毎に異なる共通出力線８に接続する。また、基本セル群１０１３毎に走査回路６を持ち、各走査回路６を色数と同数回走査する。これにより、従来の固体撮像装置と比較して共通出力線容量を低減した固体撮像装置を実現できる。また素子数の削減による小面積化を実現できる。

（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態による固体撮像装置について説明する。本実施形態では、第３の実施形態、及び第４の実施形態の構成において、図１８で示した選択手段３内の増幅手段４２として特許文献４等で挙げられるスイッチトキャパシタアンプで構成されているものとする。また容量比を切り替えることで増幅手段４２のゲインを切り替えられるゲイン切替手段を有しているものとする。

動作について説明するが、固体撮像装置としては図１７で示した構成にゲイン切替手段、及びゲイン切替手段を制御するゲイン切替信号ＧＳＥＬを加えたものとして説明する。図２１のタイミングチャートを参照しながら説明する。図１８と共通の構成については、同一の番号、記号を付してその説明を省略する。φＳＷ−１とφＣＴをハイレベルとしている期間に、増幅手段４２が第１のゲイン（Ｇａｉｎ−Ｒ）となるようにゲイン切替手段を制御する。同様に、φＳＷ−２とφＣＴがハイレベルの期間に第２のゲイン（Ｇａｉｎ−Ｇ）、φＳＷ−３とφＣＴがハイレベルの期間に第３のゲイン（Ｇａｉｎ−Ｂ）となるように制御する。このようにゲインを切り替えることで、各色成分に固有のゲインを加えて増幅手段４２から読み出す事ができる。分割された基本セル群１０１３毎に異なる色を同時刻に読み出す場合は、読み出す色成分に応じたゲインを基本セル群１０１３毎に設定するよう制御すればよい。なお、ゲイン切替信号ＧＳＥＬの切替タイミングは図のタイミングに限られるものではなく、各φＳＷ及びφＣＴがハイレベル期間に適切なゲインを選択していれば良い。

固体撮像装置が適用される画像読取装置等の光学系と固体撮像装置自身の分光特性の組み合わせで決まるホワイトバランスが最適となるよう、第１〜第３のゲインを設定することが望ましい。この時例えばＧ画素１−ＧとＢ画素１−Ｂのゲインを共用できるようであれば、２つのゲイン設定で実現しても良い。通常複写機等の画像読取装置においては、固体撮像装置の後段に、増幅回路とＡ／Ｄ変換回路を有し、増幅回路で色毎に固有のゲインを設定する事でホワイトバランスを最適化している。通常この増幅回路は専用のＩＣチップ、或いはＡ／Ｄ変換回路を含めた形での専用のＩＣチップとして構成されていることが多い。従ってこの色毎に固有のゲイン設定を固体撮像装置に組み入れることで、画像読取装置等のシステム全体としての構成を単純化でき、低コスト化に貢献する事ができる。

本実施形態の構成において、各色固有のゲイン設定を出力回路で行う事も可能ではあるが、固体撮像装置としてのＳ／Ｎを考慮した場合、極力前段で行う事が望ましく、本構成では増幅手段４２で行う事が最適である。

以上説明したように、本発明の第５の実施形態は、増幅手段４２にゲイン切替手段を加え、かつ読み出す色毎に固有のゲインを設定する。これにより、後段の増幅回路を削減する事が可能となり、画像読取装置等のシステム全体としての構成を単純化でき、低コスト化に貢献する事ができる。

以上のように、第１及び第２の実施形態の固体撮像装置は、行方向に配列された複数の基本セル群１０１３と、複数の基本セル群１０１３からの出力信号を伝送するｍの整数倍個の共通出力線８とを有する。ｍは１以上の整数である。複数の基本セル群１０１３の各々は、行方向に配列された複数の基本セル１０００を有する。複数の基本セル１００の各々は、ｍ個の画素１と、ｍ個の保持手段（容量）５１と、ｍ個の色選択スイッチ１０１０と、１個の転送スイッチ５３とを有する。ｍ個の画素１は、各々が入射光を異なる色信号に変換する光電変換素子２１を有し、列方向に配列されている。ｍ個の保持手段（容量）５１は、ｍ個の画素１の色信号を保持する。ｍ個の色選択スイッチ１０１０は、ｍ個の保持手段５１に保持されている色信号のうちの１個の色信号を選択する。１個の転送スイッチ５３は、色選択スイッチ１０１０により選択された色信号をｍの整数倍個の共通出力線８のうちの１個の共通出力線８に出力する。転送スイッチ５３は、基本セル群１０１３毎に異なる共通出力線８に接続される。ｍの整数倍個の共通出力線８からは並列に信号が読み出される。

１個の転送スイッチ５３は、ｍ個の色選択スイッチ１０１０を介してｍ個の保持手段５１に接続される。図１４及び図１６に示すように、共通出力線８からは、同色の色信号が並列に読み出される。

第２の実施形態では、複数の基本セル群１０１３の各々は、複数のブロック領域１００１に分割される。複数のブロック領域１００１の各々は、複数の基本セル１０００を有する。複数のブロック領域１００１の各々は、内部の複数の基本セル１０００内の複数の転送スイッチ５３とｍの整数倍個の共通出力線８のうちの１個の共通出力線８との間に設けられる１個のブロック選択スイッチ１００３を有する。ブロック選択スイッチ１００３は、基本セル群１０１３毎に異なる共通出力線８に接続されている。

第３〜第５の実施形態の固体撮像装置は、行方向に配列された複数の基本セル群１０１３と、複数の基本セル群１０１３からの出力信号を伝送するｍの整数倍個の共通出力線８とを有する。複数の基本セル群１０１３の各々は、行方向に配列された複数の基本セル１０００を有する。基本セル１０００の各々は、各々が入射光を異なる色信号に変換する光電変換素子２１を有する列方向に配列されたｍ個の画素１と、色信号を保持する１個の保持手段５１と、保持手段５１に保持された色信号を共通出力線８に転送する転送スイッチ５３とを有する。転送スイッチ５３は、基本セル群１０１３毎に異なる共通出力線８に接続される。ｍの整数倍個の共通出力線８からは並列に信号が読み出される。

複数の基本セル１０００の各々は、ｍ個の画素の色信号のうちの１個の色信号を選択して１個の保持手段５１に保持させる選択手段３を有する。

選択手段３は、色信号を増幅する増幅手段４２を有する。第５の実施形態では、増幅手段４２は、入力される色信号によってゲインを変える。

図１９及び図２１に示すように、基本セル群１０１３内の転送スイッチ５３は、ｍの整数倍個の共通出力線８のうちの１個の共通出力線８に対して複数の色信号を色毎に順次出力する。

第４の実施形態では、複数の基本セル群１０１３の各々は、複数のブロック領域１００１に分割される。複数のブロック領域１００１の各々は、複数の基本セル１０００を有する。複数のブロック領域１００１の各々は、内部の複数の基本セル１０００内の複数の転送スイッチ５３とｍの整数倍個の共通出力線８のうちの１個の共通出力線８との間に設けられる１個のブロック選択スイッチ１００３を有する。ブロック選択スイッチ１００３は、基本セル群１０１３毎に異なる共通出力線８に接続されている。

図１９及び図２１に示すように、共通出力線８からは、同色の色信号が並列に読み出される。

第１〜第５の実施形態によれば、共通出力線の容量を低減することができる。また、転送スイッチを制御する走査回路の負荷を軽減することができる。これにより、高速駆動を行うことができる。また、素子数を削減し、小面積化することができる。

なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１ 画素
２ 中間保持手段
３ 選択手段
４ 基本セル
５ 保持手段
６ 走査回路
７ 走査信号
８ 共通出力線
９ リセット手段
１０ 出力回路
１１ 基本セル群
１２ 切替手段
１３ 小基本セル群
１６ 垂直走査回路
２１ 光電変換素子
２２ リセットトランジスタ
２３ ソースフォロワ入力トランジスタ
２４ 定電流源
３１ 中間保持容量
３２ 第１の書き込みスイッチ
４１ 選択トランジスタ
４２ 増幅手段
５１ 保持容量
５２ 第２の書き込みスイッチ
５３ 転送スイッチ
１００ 第１の垂直転送
１２１ 第２の垂直転送
１２２ 第１の水平転送
１２３ 第１の判定
１２４ 第２の判定
１０００ 基本セル
１００１ ブロック領域
１００２ ブロック出力線
１００３ ブロック選択スイッチ
１００４ ブロック選択手段
１００５ ブロック選択信号
１０１０ 色選択スイッチ
１０１１ 色選択手段
１０１２ 色選択信号
１０１３ 基本セル群

Claims (11)

1. 行方向に配列された複数の基本セル群と、
   前記複数の基本セル群からの出力信号を伝送するｍの整数倍個の共通出力線とを有し、
   前記複数の基本セル群の各々は、行方向に配列された複数の基本セルを有し、
   前記複数の基本セルの各々は、
   各々が入射光を異なる色信号に変換する光電変換素子を有する列方向に配列されたｍ個の画素と、
   前記ｍ個の画素の色信号を保持するｍ個の保持手段と、
   前記ｍ個の保持手段に保持されている色信号のうちの１個の色信号を選択するｍ個の色選択スイッチと、
   前記色選択スイッチにより選択された色信号を前記ｍの整数倍個の共通出力線のうちの１個の共通出力線に出力する１個の転送スイッチとを有し、
   前記転送スイッチは、前記基本セル群毎に異なる前記共通出力線に接続され、
   前記ｍの整数倍個の共通出力線からは並列に信号が読み出されることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記１個の転送スイッチは、前記ｍ個の色選択スイッチを介して前記ｍ個の保持手段に接続されることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記複数の基本セル群の各々は、複数のブロック領域に分割され、
   前記複数のブロック領域の各々は、複数の前記基本セルを有し、
   前記複数のブロック領域の各々は、内部の前記複数の基本セル内の複数の転送スイッチと前記ｍの整数倍個の共通出力線のうちの１個の共通出力線との間に設けられる１個のブロック選択スイッチを有し、
   前記ブロック選択スイッチは、前記基本セル群毎に異なる前記共通出力線に接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
4. 前記共通出力線からは、同色の前記色信号が並列に読み出されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
5. 行方向に配列された複数の基本セル群と、
   前記複数の基本セル群からの出力信号を伝送するｍの整数倍個の共通出力線とを有し、
   前記複数の基本セル群の各々は、行方向に配列された複数の基本セルを有し、
   前記複数の基本セルの各々は、
   各々が入射光を異なる色信号に変換する光電変換素子を有する列方向に配列されたｍ個の画素と、
   色信号を保持する１個の保持手段と、
   前記保持手段に保持された色信号を前記共通出力線に転送する転送スイッチとを有し、
   前記転送スイッチは、前記基本セル群毎に異なる前記共通出力線に接続され、
   前記ｍの整数倍個の共通出力線からは並列に信号が読み出されることを特徴とする固体撮像装置。
6. 前記複数の基本セルの各々は、前記ｍ個の画素の色信号のうちの１個の色信号を選択して前記１個の保持手段に保持させる選択手段を有することを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置。
7. 前記選択手段は、色信号を増幅する増幅手段を有することを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
8. 前記増幅手段は、入力される色信号によってゲインを変えることを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置。
9. 前記基本セル群内の転送スイッチは、前記ｍの整数倍個の共通出力線のうちの１個の共通出力線に対して複数の色信号を色毎に順次出力することを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
10. 前記複数の基本セル群の各々は、複数のブロック領域に分割され、
    前記複数のブロック領域の各々は、複数の前記基本セルを有し、
    前記複数のブロック領域の各々は、内部の前記複数の基本セル内の複数の転送スイッチと前記ｍの整数倍個の共通出力線のうちの１個の共通出力線との間に設けられる１個のブロック選択スイッチを有し、
    前記ブロック選択スイッチは、前記基本セル群毎に異なる前記共通出力線に接続されていることを特徴とする請求項５〜９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
11. 前記共通出力線からは、同色の前記色信号が並列に読み出されることを特徴とする請求項５〜１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置。

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