JP2012015919A - 固体撮像装置及びそれを用いた撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズによる影響を精度良く抑制できる固体撮像装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る固体撮像装置１００は、行列状に配置された複数の画素３と、複数の画素３の列ごとに対応して設けられ、対応する列の画素３からの画素信号を垂直方向に伝達する垂直転送線４と、垂直転送線４により伝達された画素信号を保持する保持回路５と、保持回路５で保持された画素信号を水平方向に伝達する水平転送線８と、水平転送線８とほぼ平行に水平転送線８に隣り合って配置され、かつ、水平転送線８とほぼ同じ長さを有し、ノイズを検知するダミー水平線９と、デジタル信号を処理する信号処理回路１６とを有し、信号処理回路１６は、ダミー水平線９により検知されたノイズに基づき、水平転送線８により伝達された画素信号のノイズキャンセルを行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像装置に関し、特にカラム方式の固体撮像装置及びそれを用いた撮像装置に関する。

図１１は、従来の固体撮像装置の構成を示す図である。
同図に示す固体撮像装置８００は、行選択回路８０１、画素アレイ８０２、垂直転送線８０４、列選択回路８０６、水平転送線８０８、出力アンプ８０９及び列選択線８１１等を有する。この画素アレイ８０２は、行列状に配置された複数の画素を有し、各画素は、ホトダイオード（以降ＰＤ）８１０を有する。

固体撮像装置８００は、ＰＤ８１０に光電変換で蓄積された電荷を、転送トランジスタＭ８００をＯＮさせて増幅トランジスタＭ８０２のゲートに伝え、選択トランジスタＭ８０３を通じて垂直転送線８０４に出力し、コンデンサＣ８０１で相関２重サンプリングを行い、コンデンサＣ８０２に画素信号を蓄える。この動作を水平方向の画素分行う。言い換えると、同一行に属する複数の画素は同様に動作する。次に、水平方向の画素に対応して設けられ、画素信号が蓄えられたコンデンサＣ８０２の信号を列選択回路８０６により、水平転送線８０８に順次出力し、出力アンプ８０９より出力する。これらの動作を、更に、行選択回路８０１で画素の選択行を変更して行う。

図１１に示した従来の技術において、固体撮像装置８００をチップ上に配置する場合の一般的なレイアウト例を図１２に示す。なお、図１２には、固体撮像装置８００のうち、主に、列選択トランジスタＭ８１１、列選択回路８０６及び出力アンプ８０９のレイアウト例が示されている。

同図に示すように、列選択トランジスタＭ８１１は、一端が列選択回路８０６に接続された列選択線８１１の他端に接続され、列選択回路８０６から出力される列選択信号に応じて画素信号を水平転送線８０８に出力する。ところで、図１２に示すように、列選択線８１１と水平転送線８０８とはレイアウト上で交差しているので、列選択線８１１と水平転送線８０８との間には配線間容量が生じる。その結果、この配線間容量により、列選択線８１１と水平転送線８０８との間でクロストークが発生する問題がある。

この問題を解決する方法として、例えば、図１３に示した特許文献１のような技術がある。

同図に示す特許文献１記載の固体撮像装置９００は、水平転送線８０８に平行隣接に配置された第２の水平転送線９０１を有する。この第２の水平転送線９０１は、列選択線８１１からのクロストークを同様に受けるようにレイアウト配置され、出力アンプ８０９の反転端子に接続されている。これにより、列選択線８１１と水平転送線８０８との間のクロストークにより発生する画素信号のクロストークノイズを、出力アンプ８０９で差動増幅することでキャンセルする。

特許第３８７００８８号公報

ところが、近年、高周波のノイズを発生する機器が増え、周波数の高い外来のノイズ妨害を受ける場合が増えている。周波数の高いノイズなどに対しては、出力アンプの非反転及び反転の両入力からの応答性能が異なることなどにより、出力アンプの差動増幅ではノイズキャンセルすることができない。その結果、出力アンプからの出力信号にノイズが残るという課題がある。

そこで、本発明は、ノイズによる影響を精度良く抑制できる固体撮像装置及びそれを有する撮像装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、行列状に配置された複数の画素と、前記複数の画素の列ごとに対応して設けられ、対応する列の前記画素からの出力信号を垂直方向に伝達する垂直信号線と、前記垂直信号線により伝達された出力信号を保持する保持回路と、前記保持回路で保持された出力信号を水平方向に伝達する第１の水平信号線と、前記第１の水平信号線とほぼ平行に前記第１の水平信号線に隣り合って配置され、かつ、前記第１の水平信号線とほぼ同じ長さを有し、ノイズを検知する第２の水平信号線と、デジタル信号を処理する信号処理回路とを有し、前記信号処理回路は、前記第２の水平信号線により検知された前記ノイズに基づき、前記第１の水平信号線により伝達された出力信号のノイズキャンセルを行う。

これにより、固体撮像装置の内部及び外部から第１の水平信号線に飛び込むノイズを、信号処理回路で出力信号からノイズを取り除いた後のデータを確認しながら、除去することができる。例えば、信号処理回路は、第２の水平信号線で検知されたノイズをＦＦＴ等で分析し、出力信号からノイズを正確に取り除くための信号を作成できる。また、ノイズのキャンセルレベルの調整が容易になる。よって、精度良くノイズキャンセルできる。言い換えると、精密なノイズキャンセル処理が可能となり、より高画質な画像を得ることができる。

また、さらに、前記第１の水平信号線及び前記第２の水平信号線の少なくとも一方に対応して設けられた、アナログ値をデジタル値に変換するＡ／Ｄコンバータを有し、前記第１の水平信号線及び前記第２の水平信号線の前記少なくとも一方は、前記Ａ／Ｄコンバータを介して前記信号処理回路に接続されていてもよい。

また、さらに、前記第２の水平信号線に接続されたバッファーアンプを有し、前記第２の水平信号線は、前記バッファーアンプを介して前記信号処理回路に接続されていてもよい。

これにより、第２の水平信号線により検知されるノイズを、第１の水平信号線に飛び込むノイズと一層同等にできる。つまり、より精密にノイズキャンセルをできる。

また、前記バッファーアンプは、入力された前記ノイズの極性を反転して出力する反転バッファーアンプであり、前記固体撮像装置は、さらに、前記第１の水平信号線により伝達された出力信号に前記反転バッファーアンプから出力された極性の反転した前記ノイズを加算することにより、前記信号処理回路の代わりに前記出力信号のノイズキャンセルを行う加算器を有してもよい。

これにより、簡易的ノイズキャンセルとデジタルノイズキャンセルとを選択的に切り替えることが可能になるので、利便性が向上する。つまり、デジタルカメラなどにおいて、動画撮影など、高速動作が求められる場合は簡易的ノイズキャンセルを行い、静止画撮影など比較的低速処理での対応が可能な場合にはデジタルノイズキャンセルを行うように切り替えて、カメラとしての利便性を向上させることができる。

また、さらに、前記第１の水平信号線および前記第２の水平信号線のそれぞれに対応して設けられた、アナログ値をデジタル値に変換するＡ／Ｄコンバータを有し、前記信号処理回路は、前記第２の水平信号線に対応するＡ／Ｄコンバータを介して入力されたノイズを用いて、前記第１の水平信号線に対応するＡ／Ｄコンバータを介して入力された前記出力信号を補正することにより、ノイズキャンセルを行ってもよい。

また、本発明はこのような固体撮像装置として実現できるだけでなく、上記の固体撮像装置を有する撮像装置としても実現できる。

本発明によれば、ノイズによる影響を精度良く抑制できる固体撮像装置及びそれを有する撮像装置を提供できる。

第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成の一例を示す回路図である。 固体撮像装置の一部のレイアウトの一例を模式的に示す図である。 固体撮像装置の一部のレイアウトの他の例を模式的に示す図である。 固体撮像装置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装置の構成の他の一例の一部を示す回路図である。 ダミー水平線をバイアスする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装置の構成のさらに他の一例の一部を示す回路図である。 第２の実施形態に係る固体撮像装置の構成の一例を示す回路図である。 第３の実施形態に係る撮像装置の構成の一例を模式的に示す図である。 撮像装置の一例を示す外観図である。 撮像装置の他の一例を示す外観図である。 従来の固体撮像装置の構成を示す図である。 従来の固体撮像装置をチップ上に配置する場合の一般的なレイアウト例を示す図である。 特許文献１記載の固体撮像装置の構成を示す回路図である。

以下、本発明に係る固体撮像装置及び撮像装置の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成の一例を示す回路図である。なお、一部の構成要素はブロックで示している。

同図に示す固体撮像装置１００は、行列状に配置された複数の画素３と、複数の画素３の列ごとに対応して設けられ、対応する列の画素３からの画素信号を垂直方向に伝達する垂直転送線４と、複数の垂直転送線４により伝達された画素信号を保持する保持回路５と、保持回路５で保持された画素信号を水平方向に伝達する水平転送線８と、水平転送線８とほぼ平行に水平転送線８に隣り合って配置され、かつ、水平転送線８とほぼ同じ長さを有し、ノイズを検知するダミー水平線９と、デジタル信号を処理する信号処理回路１６とを有し、信号処理回路１６は、ダミー水平線９により検知されたノイズに基づき、水平転送線８により伝達された画素信号のノイズキャンセルを行う。

具体的には、固体撮像装置１００は、タテヨコ複数列に配置された複数の画素３の縦方向の制御を行う行選択回路１と、タテヨコ複数配置された画素３からなる画素アレイ２と、垂直転送線４と、相関２重サンプリング及び画素信号の保持を行う保持回路５と、水平方向の画素信号を制御する列選択回路６と、行選択回路１から画素３の制御を行う制御信号を伝える制御信号線７と、保持回路５に保持された画素信号を順次セレクトし送る水平転送線８と、水平転送線８にほぼ平行して近接して配置され、ほぼ同じ長さを持ち、実際に画素信号の転送には使用せず、周辺ノイズを検出する（検知する）ダミー水平線９と、画素信号を蓄積したコンデンサを順次セレクトする列選択信号を伝える列選択信号線１１と、バッファーアンプ１２及び１３と、Ａ／Ｄコンバータ１４及び１５と、画素信号をデジタル的に処理する信号処理回路１６と、画像信号出力線１７とを備える。

これにより、固体撮像装置１００の内部及び外部から水平転送線８に飛び込むノイズを、信号処理回路１６で画素信号からノイズを取り除いた後のデータを確認しながら、除去することができる。例えば、信号処理回路１６は、ダミー水平線９で検知されたノイズをＦＦＴ等で分析し、画素信号からノイズを正確に取り除くための信号を作成できる。また、ノイズのキャンセルレベルの調整が容易になる。よって、精度良くノイズキャンセルできる。言い換えると、精密なノイズキャンセル処理が可能となり、より高画質な画像を得ることができる。

次に、固体撮像装置１００が備える各構成要素について説明する。
行選択回路１は、複数の画素３の行ごとに対応して設けられた制御信号線７を介して画素アレイ２に接続され、制御信号線７を介して制御信号ｓｅｌｅｃｔ、ｒｅｓｅｔ及びｔｒａｎｓを出力することにより、複数の画素３を行単位で走査する。

画素３は、光電変換により電荷を生成するＰＤ１０と、行選択回路１から出力される制御信号ｔｒａｎｓに応じてＰＤ１０で生成された電荷を転送する転送トランジスタ（以降ＴＲＮＴｒ）Ｍ１００と、行選択回路１から出力される制御信号ｒｅｓｅｔに応じて転送された電荷をリセットするリセットトランジスタ（以降ＲＳＴｒ）Ｍ１０１と、転送された電荷に応じた電圧である画素信号を出力する出力トランジスタ（以降出力Ｔｒ）Ｍ１０２と、行選択回路１から出力される制御信号ｓｅｌｅｃｔに応じて画素信号を垂直転送線４に出力する選択トランジスタ（以降ＳＥＬＴｒ）Ｍ１０３とを含む。この画素３の構成は、画素アレイ２に含まれる、縦横に複数配置されている複数の画素３において同一である。なお、画素信号は本発明の出力信号に相当する。

垂直転送線４は、本発明の垂直信号線に相当し、同じ列の画素３に接続され、画素３から出力される画素信号を保持回路５に伝達する。言い換えると、垂直転送線４は、画素アレイ２の各行に対して垂直方向に画素信号を伝達する。以降、第ｋ列の画素３に接続された垂直転送線４を垂直転送線Ｖｋ（ｋは１〜ｎ）として記載する場合がある。

保持回路５は、画素信号のオフセットのバラつきをキャンセルし、保持する回路である。具体的には、この保持回路５は、複数の垂直転送線４のそれぞれに対応して設けられた、一端が対応する垂直転送線４に接続された相関サンプリング用コンデンサＣｋ（ｋは１〜ｎのいずれか）と、相関サンプリング用コンデンサＣｋの他端と接地電位との間に挿入された画素信号を保持する信号保持用コンデンサＣｈｋと、相関サンプリング用コンデンサＣｋと信号保持用コンデンサＣｈｋとを接続している配線の電圧を制御信号ＣＤＳに応じて電圧Ｖｂ１とするトランジスタＭ１０４と、制御信号Ｈｓに応じて信号保持用コンデンサＣｈｋに画素信号を保持させるトランジスタＭ１０５と、列選択回路６から出力される列選択信号Ｈｋに応じて保持された画素信号を水平転送線８に出力するトランジスタＭ１０６とを有する。なお、信号保持用コンデンサＣｈｋ、トランジスタＭ１０６及び水平転送線８とは、信号保持用コンデンサＣｈｋに保持された画素信号を水平方向に順次転送する水平転送部２０である。

列選択回路６は、複数の画素３の列ごとに対応して設けられた列選択信号線１１を介して保持回路５に接続され、列選択信号線１１を介して列選択信号Ｈｋを出力することにより、保持回路５で保持された画素信号を、水平転送線８を経由してバッファーアンプ１２から出力される。

ダミー水平線９は、本発明の第２の水平信号線に相当し、水平転送線８に近接し、水平転送線８にほぼ平行かつほぼ同じ長さを有し、水平転送線８が周辺から受ける、強度、周波数成分及び時間的タイミングがほぼ同等なノイズであるノイズ信号を検出し、バッファーアンプ１３へ伝達する。なお、このダミー水平線９は本発明の第２の水平信号線に相当し、水平転送線８は本発明の第１の水平信号線に相当する。ここで、水平転送線８にほぼ平行とは、ダミー水平線９と水平転送線８との成す角が１０°以下であり、特定的には５°以下であり、さらに特定的には１°以下である。また、水平転送線８にほぼ同じ長さとは、ダミー水平線９の長さと水平転送線８の長さの差分が、１０％以下であり、特定的には５％以下であり、さらに特定的には１％以下である。

バッファーアンプ１２及び１３は、出力側の負荷変動の影響を入力側に伝達しないバッファとして機能するアンプであり、入力側が高インピーダンスかつ出力側が低インピーダンスとなっている。バッファーアンプ１２は、水平転送線８により伝達された画素信号をＡ／Ｄコンバータ１４へ出力する。一方、バッファーアンプ１３は、ダミー水平線９により伝達されたノイズ信号をＡ／Ｄコンバータ１５へ出力する。このように、ダミー水平線９を伝達するノイズ信号はバッファーアンプ１３を通して出力される。

一般的には水平転送線８の信号はバッファーアンプ等の高インピーダンス入力で受け、その後出力されるか、次の回路に送られる、もしくはバッファーアンプを内蔵の高入力インピーダンスのＡ／Ｄコンバータに直接入力される。また、外来ノイズの飛び込みが最小限になるように、水平転送線８の配線長はできる限り短く配置される。さて、ダミー水平線９を伝達するノイズ信号についてはバッファーアンプ等の高入力インピーダンスの回路で受けずにそのまま出力しても良いが、ダミー水平線９の受けるノイズを水平転送線８が受けるノイズとできる限り等価なものにするために、あえてダミー水平線９を伝達するノイズ信号をバッファーアンプ等の高入力インピーダンス回路で受けて、ノイズ信号を伝えるように構成している。

水平転送線８を伝達した画素信号とダミー水平線９を伝達したノイズ信号の両方は、それぞれＡ／Ｄコンバータ１４、１５によりデジタルデータに変換され、変換後のデジタルデータは後段の信号処理回路１６に入力される。

信号処理回路１６は、デジタル信号を処理する回路であり、ダミー水平線９により検知されたノイズに基づき、水平転送線８により伝達された画素信号のノイズキャンセルを行う、例えばＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）である。言い換えると、信号処理回路１６ではＡ／Ｄコンバータ１５から入力されるノイズ信号をもとに、Ａ／Ｄコンバータ１４から入力される画素信号のノイズキャンセル処理を行うことが可能である。このように、デジタル値に変換されたノイズ信号に基づき、デジタル値に変換された画素信号のノイズキャンセルを行うことにより、次のような効果を奏する。

従来技術に示すような出力アンプを用いた差動回路での減算処理では、検出したノイズ信号を画素信号から直接減算するため、ダミー水平線９が受けるノイズの強度が水平転送線８の受けるノイズの強度より大きい場合、減算しすぎることにより精度よくノイズキャンセルを行うことができない。つまり、ノイズキャンセルの効果は出力アンプのばらつきやレイアウト上のアンバランスなどにより変動してしまう。しかし、本実施形態では、ダミー水平線９により検知されたノイズ信号をＡ／Ｄコンバータ１５によるＡ／Ｄ変換後に信号処理回路１６で分析し、画素信号から減算するノイズ量を可変にして効果を確認しながらノイズキャンセル処理を行うことが可能となる。

したがって、本実施形態に係る固体撮像装置１００は、精密なノイズキャンセル処理が可能となり、より高画質な画像を得ることができる。なお、Ａ／Ｄ変換後のノイズ信号および画素信号を、メモリー等に一端保管し、保管したノイズ信号データを信号処理回路１６へと出力してもよい。

ところで、水平転送線８に飛び込むノイズは、水平転送線８のレイアウト、つまり固体撮像装置１００の構造により影響される。この様に、水平転送線８にノイズが飛び込む要因が構造上存在する場合は、同様にダミー水平線９にもノイズが飛び込むように構成することが望ましい。

図２及び図３は、固体撮像装置１００の一部のレイアウトの一例を模式的に示す図であり、同図には水平転送線８及びダミー水平線９を中心としたレイアウトが示されている。

図２に示す様に、列選択信号線１１と水平転送線８との間には、列選択信号線１１が形成された配線層及び水平転送線８が形成された配線層との間の配線層に形成されたシールド層１１０が形成されている。このように、列選択信号線１１と水平転送線８との間にシールド層１１０を設けることにより、列選択信号線１１と水平転送線８の交差部の間をシールドする事が可能である。この方法を用いれば、列選択信号線１１を伝達する列選択信号から水平転送線８を伝達する画素信号へのクロストークをほぼ防ぐことができ、列選択信号によるノイズの影響を無くす意味ではより好ましい。ただし、水平転送線８の寄生容量が若干増加するので、適時採用すればよい。

また、例えば、図３に示す、水平転送線８及びダミー水平線９の網掛け部分１２０の様に、特に他の素子に接続されない開放終端部であっても、ここでは、列選択信号線１１が水平転送線８及びダミー水平線９の両方と交差するようにレイアウトを行い、列選択信号線１１から水平転送線８を伝達する画素信号及びダミー水平線９を伝達するノイズ信号の両方に配線間クロストークが発生するように構成することが望ましい。言い換えると、列選択信号線１１と水平転送線８とが交差する箇所は、その近傍にて、当該列選択信号線１１とダミー水平線９とが交差するように構成することが望ましい。これにより、当該列選択信号線１１を伝達する列選択信号により画素信号が受けるノイズと、当該列選択信号線１１を伝達する列選択信号によりダミー水平線９に検知されるノイズとを、ほぼ同等とできる。

このように、水平転送線８が受けるノイズ信号と同等のノイズ信号をダミー水平線９が受け、出力し使用することで、水平転送線８で転送されてくる画素信号に混入するノイズを後続の信号処理回路１６により後処理で除去することを可能にする。

図１３で示した従来技術では、ダミー水平線のノイズをチップ上に設けた差動アンプで直接差し引きし、画素信号のノイズキャンセルを行うので、水平転送線８が受けるノイズの強度とダミー水平線９が受けるノイズの強度とが一致しない場合には完全にノイズが取り除けない。また、従来技術では、後処理での、直接のノイズ除去処理は不可能であるので、ノイズが除去されていない画素信号が出力されてしまい、画像品位が低下する。これに対し、本実施形態に係る固体撮像装置１００は、水平転送線８が受けるであろうノイズをダミー水平線９で検出し、ノイズキャンセル処理を後段処理で行えるように構成していることを特徴とする。

以上のように、本実施形態に係る固体撮像装置１００は、行列状に配置された複数の画素３と、複数の画素３の列ごとに対応して設けられ、対応する列の画素３からの画素信号を垂直方向に伝達する垂直転送線４と、複数の垂直転送線４により伝達された画素信号を保持する保持回路５と、保持回路５で保持された画素信号を水平方向に伝達する水平転送線８と、水平転送線８とほぼ平行に水平転送線８に隣り合って配置され、かつ、水平転送線８とほぼ同じ長さを有し、ノイズを検知するダミー水平線９と、デジタル信号を処理する信号処理回路１６とを有し、信号処理回路１６は、ダミー水平線９により検知されたノイズに基づき、水平転送線８により伝達された画素信号のノイズキャンセルを行う。

これにより、本実施形態に係る固体撮像装置１００によれば、センサー（固体撮像装置１００）内、外から水平転送線８に飛び込むノイズを、取り除いた後のデータを確認しながら、除去することができる。センサーチップ上で、ダミー水平線９が検出したノイズ信号を画素信号から差し引いてノイズキャンセルする場合は、変算するアンプの特性によりノイズの除去レベルが変動する。言い換えると、アナログ値のノイズ信号を用いてノイズキャンセルする場合には精度よくノイズを取り除くことができない。これに対し、本実施形態に係る固体撮像装置１００では、ダミー水平線９が検出したノイズ信号をＦＦＴ等で分析し、正確に画素信号からノイズを取り除くための信号を作成でき、又、キャンセルレベルの調整が容易になるので、精度良くノイズキャンセルできる。言い換えると、ノイズによる影響を精度良く抑制できる。特に、高周波電界等のビートノイズを直接ノイズ信号の周波数を分析し、求めることで、容易に除去できるようになる。

次に、以上のように構成された固体撮像装置１００の一般的な動作を説明する。
まず、ＰＤ１０は入射光を光電変換し電荷として蓄え、出力ＴｒＭ１０２のゲートはＰＤ１０が光電変換中にＲＳＴｒＭ１０１がＯＮされる事で、ＶＤＤにリセットされる。

その後、ＲＳＴｒＭ１０１がＯＦＦし、ＴＲＮＴｒＭ１００がＯＮすることで、ＰＤ１０の電荷が出力ＴｒＭ１０２のゲート（一般的にはゲート、配線容量などで構成されるフローティングディフュージョン：以降ＦＤ）に電気的に接続される。これにより、ＰＤ１０で生成された電荷が電圧に変換され、さらにＳＥＬＴｒＭ１０３がＯＮする事でＦＤの電圧が各画素列に対応する垂直転送線４（Ｖ１からＶｎ）に伝達される。この時、事前にＲＳＴｒＭ１０１がＯＮ、ＴＲＮＴｒＭ１００がＯＦＦ、ＰＤ１０が電荷蓄積状態にあるとき制御信号ＣＤＳによりトランジスタＭ１０４がＯＮ、制御信号ＨＳによりトランジスタＭ１０５がＯＮすることで、相関サンプリング用コンデンサＣ１の他端はＶｂ１、一端は画素３から出力された電圧に遷移する。ここで、画素３から出力された電圧は、出力ＴｒＭ１０２のゲート（ＦＤ）がＶｄｄにリセットされたことにより垂直転送線Ｖ１に出力される、Ｖｄｄから出力ＴｒＭ１０２の閾値電圧分降下した電圧である。出力ＴｒＭ１０２の閾値電圧をＶｔｈとすると、相関サンプリング用コンデンサＣ１の両端の電位差がＶｄｄ−Ｖｔｈとなる。

次に、ＲＳＴｒがＯＦＦし、同時にＭ１０４もＯＦＦし、先に説明のＴＲＮＴｒＭ１００がＯＮすると、ＦＤでＰＤ１０の電荷が電圧に変換され、その分垂直転送線Ｖ１の電位が変化し、その変化は信号保持用コンデンサＣｈ１に伝わる。

その後、トランジスタＭ１０５がＯＦＦすると、信号保持用コンデンサＣｈ１にはＶｄｄ−Ｖｔｈ−ΔＶが保持される。なお、ΔＶはＦＤの電位変化分である。

この時、垂直転送線４の１列目の画素３の出力のリセット時の出力ＴｒＭ１０２及びＳＥＬＴｒＭ１０３のオフセットは相関サンプリング用コンデンサＣ１に吸収される。

この様に、各列（横方向）の画素３の信号が各列に対応した信号保持用コンデンサＣｈ１〜Ｃｈｎに保持され、次に列選択回路６から出力される列選択信号Ｈ１〜Ｈｎにより順次コンデンサＣｈ１からＣｈｎが水平転送線８に電気的に接続されることにより、水平転送線８に画素信号が出力される。更に、同様な動作で行選択回路１により、順次行を変え、次の行の画素３の画素信号を信号保持コンデンサＣｈ１からＣｈｎに保持し、列選択回路６により信号保持用コンデンサＣｈ１からＣｈｎを水平転送線８に順次電気的に接続して信号を出力する動作を行う。

これらの、光電変換から信号転送、出力を行う、動作、タイミングは任意で、本発明はこれらのタイミングを限定したものではない。

図４は、本実施形態に係る固体撮像装置１００の動作を示すタイミングチャートである。同図には、上から順に、制御信号ｓｅｌｅｃｔ、ｔｒａｎｓ、ｒｅｓｅｔ、ＣＤＳ及びＨＳと、列選択信号Ｈ１、Ｈ２及びＨｎと、水平リセット信号Ｈｒｓｔとの波形が示されている。

各タイミング（時刻）での動作を説明する。

（i）時刻ｔ１
制御信号ＲｅｓｅｔをＬＯＷ（以下、Ｌ）に切り替えることによりＲＳＴｒＭ１０１をＯＦＦする。また、制御信号ｓｅｌｅｃｔをＨＩＧＨ（以下、Ｈ）に切り替えることによりＳＥＬＴｒＭ１０３をＯＮさせ画素アレイの１行目（図１ 画素部２の最上段）を選択する。また、制御信号ＣＤＳをＨにすることによりトランジスタＭ１０４をＯＮし、相関サンプリング用コンデンサＣ１〜Ｃｎに電圧Ｖｂ１を供給し、制御信号ＨＳをＨにすることによりトランジスタＭ１０５をＯＮし、信号保持用コンデンサＣｈ１〜ＣｈｎをＶｂ１にリセットする。

以上の動作により、相関２重サンプリング（ＣＤＳ）の準備動作を行う。

（ii）時刻ｔ２
制御信号ＣＤＳをＬに切り替えることによりトランジスタＭ１０４をＯＦＦし、ＣＤＳの１回目のサンプリングを終了する。

（iii）時刻ｔ３
制御信号ｔｒａｎｓをＨに切り替えることによりＴＲＮＴｒＭ１００をＯＮし、ＰＤ１０の電荷を出力ＴｒＭ１０２のゲートに転送し、信号電圧を生成する。このとき、ＳＥＬＴｒＭ１０３がＯＮしているので、各列の画素信号が出力ＴｒＭ１０２から各列に対応した垂直転送線Ｖ１〜Ｖｎを通じて、各列に対応した信号保持用コンデンサＣｈ１〜Ｃｈｎに伝えられる。

（iv）時刻ｔ４
制御信号ｔｒａｎｓをＬに切り替えることによりＴＲＮＴｒＭ１００をＯＦＦし、転送動作を終了する。

（v）時刻ｔ５
制御信号ＨＳをＬに切り替えることによりトランジスタＭ１０５をＯＦＦし、信号保持用コンデンサＣｈ１〜Ｃｈｎでの電荷の移動を固定する。

（vi）時刻ｔ６
制御信号ｒｅｓｅｔをＨに切り替えることによりＲＳＴｒＭ１０１をＯＮし、ＦＤ（出力ＴｒＭ１０２のゲート）をリセットする。

（vii）時刻ｔ７
制御信号ｔｒａｎｓをＨに切り替えることによりＴＲＮＴｒＭ１００をＯＮし、ＰＤ１０をリセットする。

（viii）時刻ｔ８
水平リセット信号ＨｒｓｔをＨに切り替えることによりリセットトランジスタＭ１０７をＯＮし、水平転送線８の電位をＶｂ１にリセットする。その後、時刻ｔ８〜ｔ９において、水平リセット信号ＨｒｓｔをＬに切り替えることによりリセットトランジスタＭ１０７をＯＦＦする。

（ix）時刻ｔ９
第１列に対応する列選択信号Ｈ１をＨに切り替えることにより対応するトランジスタＭ１０６をＯＮし、第１列の画素信号を保持している信号保持用コンデンサＣｈ１を水平転送線８に接続し、第１行、第１列の画素信号を出力する。

（x）時刻ｔ１０以降
水平リセット信号Ｈｒｓｔを一端Ｈに切り替えた後にＬに切り替えることにより水平転送線８の電位をリセットし、列選択信号をＨにする動作を、列選択信号Ｈ２〜Ｈｎを順次変更しながら繰り返す事で、信号保持用コンデンサＣｈ２〜Ｃｈｎを順次切り替えて、画素信号を出力する。

これらの、（i）から（x）の動作を、行選択回路１の制御を第２行（図１に示す画素アレイ２の２段目）に対し行い、更に順次行を変えて行う。

このように出力された画素信号は、水平転送線８、バッファーアンプ１２及びＡ／Ｄコンバータ１４を介して、信号処理回路１６へ順次入力される。そして、信号処理回路１６へ入力された画素信号は、信号処理回路１６によりノイズキャンセルされる。

なお、本実施形態に係る固体撮像装置１００の特徴は、ダミー水平線９により、水平転送線８に飛び込むノイズと同等な外来ノイズを受信し、水平転送線８に飛び込むノイズを後処理で取り除くことを目的としているので、固体撮像装置１００の構成は上記の構成に限らない。

図５は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成の他の一例の一部を示す回路図である。

同図に示す固体撮像装置は、図１に示す固体撮像装置１００と比較して、さらに、水平転送線８の電位をＶｂ１にリセットするタイミングと同時にダミー水平線９の電位をＶｂ２にリセットするリセットトランジスタＭ１０８を有し、水平転送部２０に代わり水平転送部２１を有する点が異なる。水平転送部２１は、水平転送部２０と比較して、列選択信号Ｈ１〜Ｈｎによる信号保持用コンデンサＣｈ１〜Ｃｈｎに保持された画素電圧の転送タイミングと同時にダミー水平線９の電位をＶｂ１とするトランジスタＭＤ１〜ＭＤｎを有する。

このように、トランジスタＭＤ１〜ＭＤｎを設けることにより、ダミー水平線９は、水平転送線８に混入する列選択トランジスタＭ１０６のゲート駆動ノイズと同等のノイズの影響を受ける。また、リセットトランジスタＭ１０８を設けることにより、水平転送線８のリセットトランジスタＭ１０７と同様なリセットを行うように構成している。これにより、より精度の良いノイズキャンセル処理を行うことができる。

また、図６に示すように、ダミー水平線９をバイアスする構成でもよい。
同図に示すように、ダミー水平線９は、電流源となる高インピーダンス素子２５、及び、ＤＣ電圧を生成するためのＮ−ｃｈトランジスタ２６に接続されることによりバイアスされてもよい。なお、Ｎ−ｃｈトランジスタ２６に限らず、Ｎ−ｃｈ以外のもの、例えばバイポーラトランジスタ、抵抗、ｐ−ｃｈＦＥＴなどでも良く、この図６で示すバイアス方法を図１のダミー水平線９のバイアスに用いても良い。

また、本実施形態で説明した、相関２重サンプリング（ＣＤＳ）の方法や実現するための回路構成は一例であり、他の方法及び回路構成も存在する。

また、画素３から信号保持用コンデンサＣｈ１〜Ｃｈｎまでの間にカラムアンプ等の増幅機能を持たせたものや、保持回路にカラムアンプの機能を持たせた固体撮像装置の技術も知られており、本発明はそれらの固体撮像装置に適用することも可能である。

また、本実施形態では、水平転送線８が１つで、出力が１チャンネルである固体撮像装置を例として示したが、１画素アレイ当たりの画素信号出力が複数存在する多チャンネル出力の場合で、水平転送線が複数存在するような場合は、各水平転送線に対応してダミー水平線を設け、ノイズ検出してもよい。

また、図７に示すように、水平転送線が複数存在する場合には、例えば、２本の水平転送線８及び８ｂの両方に飛び込むノイズをおおよそ共通に、同時に検出するために、２本の水平転送線８及び８ｂの中間にダミー水平線９を配置するように構成しても良い。これにより、レイアウト面積の削減が可能となり、さらに水平転送線が３本以上存在する場合でも、実際に信号を転送する水平転送線２本にダミー水平線１本で共通でノイズ検出を行うものと、実際に信号を転送する水平転送線１本に対しダミー水平線１本でノイズを検出するものとを組み合わせればよい。なお、図７に示す固体撮像装置は、５に示す固体撮像装置と比較して、さらにバッファーアンプ１２ｂ及びＡ／Ｄコンバータ１４ｂを有し、水平転送部２１に代わり、信号保持用コンデンサＣｈ１ｂ〜Ｃｈｎｂ及びトランジスタＭ１０６ｂを有する水平転送部２１ｂを有する。

（第２の実施形態）
本実施形態に係る固体撮像装置は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１００と比較して、ダミー水平線９に接続されたバッファーアンプが、入力されたノイズ信号の極性を反転して出力する反転バッファーアンプであり、本実施形態に係る固体撮像装置は、さらに、水平転送線８により伝達された画素信号に反転バッファーアンプから出力された極性の反転したノイズを加算することにより画素信号のノイズキャンセルを行う加算器を有する点が異なる。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の構成の一例を示す回路図である。なお、一部の構成要素はブロックで示している。

同図に示す固体撮像装置２００は、図１に示す固体撮像装置１００と比較して、バッファーアンプ１３に代わり反転バッファーアンプ２１３を有し、さらに、加算器２２２及びスイッチ２２３を備える。このように、水平転送線８とダミー水平線９とにそれぞれバッファーアンプを設ける場合、ダミー水平線９の信号を出力する反転バッファーアンプ２１３の極性を水平転送線８の信号を出力するバッファーアンプ１２の極性と逆極性にする。さらに、水平転送線８の信号を出力するバッファーアンプ１２の出力に、例えば抵抗２２２ａにコンデンサ２２２ｂでＣ結合により信号を加算する、加算器２２２を儲ける。この構成により、簡易的にノイズキャンセルを行うことができる。更に、前記加算器２２２を電気的にパスするスイッチ２２３を設ける。

具体的には、加算器２２２は、水平転送線８に直列に接続された抵抗２２２ａと、抵抗２２２ａの後段に反転バッファーアンプ２１３の出力との間に挿入されたコンデンサ２２２ｂとを有する。また、スイッチ２２３は、バッファーアンプ１２の出力とＡ／Ｄコンバータ１４の入力とを接続する、及び、加算器２２２の出力とＡ／Ｄコンバータ１４の入力とを接続する、を選択的に切り替える。

この構成により、簡易的ノイズキャンセルと信号処理回路１６によるデジタル的なノイズキャンセルとを切り替えることができ、デジタルカメラなどにおいて、動画撮影など、高速動作が求められる場合は簡易的ノイズキャンセルを行い、静止画撮影など比較的低速処理での対応が可能な場合にはデジタルノイズキャンセルを行うように切り替えて、カメラとしての利便性を向上させることができる。

言い換えると、簡易的ノイズキャンセルを行う場合には、スイッチ２２３にバッファーアンプ１２の出力とＡ／Ｄコンバータ１４の入力とを接続させる。これにより、信号処理回路１６でのノイズキャンセル処理が不要となるので、高速動作に対応できる。一方、デジタルノイズキャンセルを行う場合には、スイッチ２２３に加算器２２２の出力とＡ／Ｄコンバータ１４の入力とを接続させる。これにより、第１の実施形態で説明したように、信号処理回路１６でデジタル信号を処理することでノイズキャンセル処理を行うので、精度良くノイズキャンセルできる。

以上のように、本実施形態に係る固体撮像装置２００は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１００と比較して、ダミー水平線９に接続され、入力されたノイズ信号の極性を反転して出力する反転バッファーアンプ２１３を有し、水平転送線８により伝達された画素信号に反転バッファーアンプ２１３から出力された極性の反転したノイズ信号を加算することにより信号処理回路１６の代わりに画素信号のノイズキャンセルを行う加算器２２２を有する。

これにより、簡易的ノイズキャンセルとデジタルノイズキャンセルとを選択的に切り替えることができるので、ユーザの利便性が向上する。

（第３の実施形態）
本実施形態に係る撮像装置は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１００を有する。

図９は、本発明の第３の実施形態に係る撮像装置の構成の一例を模式的に示す図である。

同図に示す撮像装置３００は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１００を有する。具体的には、同図には、固体撮像装置１００が利用可能な多様なシステムの代表例として、デジタルカメラの構造図を示した。

この撮像装置３００は、固体撮像装置１００、カメラ筐体３０１及びレンズ３０２等を有し、撮像装置３００の前面からレンズ３０２を通過して入射する撮像光３０３を固体撮像装置１００で光電変換することにより電気信号に変換し、図には記載していないが、撮像装置３００に搭載、もしくは外部に準備された信号処理回路により、画像データとして加工され、メモリー等に保存及びモニターに出力されるなどされる。

以上のように、本実施形態に係る撮像装置３００は、図１に示す固体撮像装置１００を用いることで、精度の良いノイズキャンセルを行うことができ、高画質な画像を得ることが出来る。

なお、このような撮像装置３００は、図１０Ａに示すようなデジタルカメラだけでなく、図１０Ｂに示すようなビデオカメラとして実現することもできる。

具体的には、固体撮像装置１００に代わり、図８に示す固体撮像装置２００を用いることで、動画撮影など、高速動作が求められる場合は簡易的ノイズキャンセルを行い、静止画撮影など比較的低速処理での対応が可能な場合にはデジタルノイズキャンセルを行うように切り替えて、撮像装置としての利便性を向上させることができる。

以上、本発明の第１〜３の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施形態に施したものや、異なる実施形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。

例えば、上記説明では、固体撮像装置は、水平転送線８に対応して設けられたＡ／Ｄコンバータ１４と、ダミー水平線９に対応して設けられたＡ／Ｄコンバータ１５とを備えるが、本発明に係る固体撮像装置はこの構成に限らない。例えば、Ａ／Ｄコンバータを内蔵する信号処理回路を用いて、当該信号処理回路によりデジタル変換してもよい。

本発明に係る固体撮像装置は、デジタル一眼レフカメラ及び高級コンパクトカメラや、高画質、高機能が求められる撮像機器として有用である。

１、８０１、Ｖ１〜Ｖｎ 行選択回路
２、８０２ 画素アレイ
３ 画素
４ 垂直転送線
５ 保持回路
６、８０６ 列選択回路
７ 制御信号線
８、８０８ 水平転送線
９ ダミー水平線
１０、８１０ ホトダイオード（ＰＤ）
１１ 列選択信号線
１２、１２ｂ、１３ バッファーアンプ
１４、１４ｂ、１５ Ａ／Ｄコンバータ
１６ 信号処理回路
１７ 画素信号出力線
２０、２１、２１ｂ 水平転送部
１００、２００、８００、９００ 固体撮像装置
１１０ シールド層
１２０ 網掛け部分
２１３ 反転バッファーアンプ
２２２ 加算器
２２２ａ 抵抗
２２２ｂ、Ｃ８０１、Ｃ８０２ コンデンサ
２２３ スイッチ
３００ 撮像装置
３０１ カメラ筐体
３０２ レンズ
３０３ 撮像光
８０４ 垂直転送線
８０９ 出力アンプ
８１１ 列選択線
９０１ 第２の水平転送線
Ｃ１〜Ｃｎ 相関サンプリング用コンデンサ
Ｃｈ１〜Ｃｈｎ、Ｃｈ１ｂ〜Ｃｈｎｂ 信号保持用コンデンサ
Ｍ１００、Ｍ８００ 転送トランジスタ（ＴＲＮＴｒ）
Ｍ１０１ リセットトランジスタ（ＲＳＴｒ）
Ｍ１０２ 出力トランジスタ（出力Ｔｒ）
Ｍ１０３、Ｍ８０３ 選択トランジスタ（ＳＥＬＴｒ）
Ｍ１０４、Ｍ１０５、Ｍ１０６、Ｍ１０６ｂ トランジスタ
Ｍ１０７、Ｍ１０８ リセットトランジスタ
Ｍ８０２ 増幅トランジスタ
Ｍ８１１ 列選択トランジスタ
ＭＤ１〜ＭＤｎ トランジスタ

Claims (6)

1. 行列状に配置された複数の画素と、
   前記複数の画素の列ごとに対応して設けられ、対応する列の前記画素からの出力信号を垂直方向に伝達する垂直信号線と、
   前記垂直信号線により伝達された出力信号を保持する保持回路と、
   前記保持回路で保持された出力信号を水平方向に伝達する第１の水平信号線と、
   前記第１の水平信号線とほぼ平行に前記第１の水平信号線に隣り合って配置され、かつ、前記第１の水平信号線とほぼ同じ長さを有し、ノイズを検知する第２の水平信号線と、
   デジタル信号を処理する信号処理回路とを有し、
   前記信号処理回路は、前記第２の水平信号線により検知された前記ノイズに基づき、前記第１の水平信号線により伝達された出力信号のノイズキャンセルを行う
   固体撮像装置。
2. さらに、前記第１の水平信号線及び前記第２の水平信号線の少なくとも一方に対応して設けられた、アナログ値をデジタル値に変換するＡ／Ｄコンバータを有し、
   前記第１の水平信号線及び前記第２の水平信号線の前記少なくとも一方は、前記Ａ／Ｄコンバータを介して前記信号処理回路に接続されている
   請求項１に記載の固体撮像装置。
3. さらに、前記第２の水平信号線に接続されたバッファーアンプを有し、
   前記第２の水平信号線は、前記バッファーアンプを介して前記信号処理回路に接続されている
   請求項１に記載の固体撮像装置。
4. 前記バッファーアンプは、入力された前記ノイズの極性を反転して出力する反転バッファーアンプであり、
   前記固体撮像装置は、さらに、前記第１の水平信号線により伝達された出力信号に前記反転バッファーアンプから出力された極性の反転した前記ノイズを加算することにより、前記信号処理回路の代わりに前記出力信号のノイズキャンセルを行う加算器を有する
   請求項３に記載の固体撮像装置。
5. さらに、前記第１の水平信号線および前記第２の水平信号線のそれぞれに対応して設けられた、アナログ値をデジタル値に変換するＡ／Ｄコンバータを有し、
   前記信号処理回路は、前記第２の水平信号線に対応するＡ／Ｄコンバータを介して入力されたノイズを用いて、前記第１の水平信号線に対応するＡ／Ｄコンバータを介して入力された前記出力信号を補正することにより、ノイズキャンセルを行う
   請求項１に記載の固体撮像装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置を用いた、撮像装置。

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