JP2013183191A

JP2013183191A - 固体撮像装置及びその駆動方法

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Publication number: JP2013183191A
Application number: JP2012043835A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Kobayashi; 寛和小林
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2013-09-12

Abstract

【課題】回路規模の増大を抑制しながら多重サンプリングの実行によりＳ／Ｎを向上させることができる固体撮像装置を提供する。
【解決手段】光電変換部を含む複数の画素からの信号を増幅する増幅回路と、増幅回路に対して並列に接続され、かつ帰還容量及び第１のスイッチが直列接続された複数の直列回路と、増幅された画素の信号レベル及びノイズレベルを保持する信号保持用キャパシタとを有する固体撮像素子を備えた固体撮像装置にて、固体撮像素子を一画面分走査する期間において第１のスイッチが固定される第１の駆動方法と、固体撮像素子を一画面分走査する期間中において第１のスイッチを駆動する第２の駆動方法とを必要なゲインに応じて切り替えるようにし、必要なゲインが大きい場合には増幅回路に接続される帰還容量を用いた多重サンプリングを行う。
【選択図】図５

Description

本発明は、固体撮像装置及びその駆動方法に関する。

近年、デジタルカメラやデジタルビデオカメラなどに使用される固体撮像素子は、画素セルの微細化、多画素化、撮影感度の高感度化が進んでいる。これは、撮像素子からの小信号を増幅して使用することとなるが、小信号の増幅にはノイズの発生が伴う。撮影感度（ＩＳＯ感度）が比較的低い状態でのノイズは、光ショットノイズが支配的要因であるため、ゲインが２倍になるとノイズはおよそ√２倍に増加する。一方、撮影感度が高くなってくるとソースフォロワアンプ等に起因する暗部ノイズが支配的要因になるため、ゲインが２倍になるとノイズはおよそ２倍に増加する。

ソースフォロワアンプのノイズは、その帯域特性やゲートの大きさに依存する。そのため、ソースフォロワアンプのノイズは、設計値により決定されてしまうが、撮像素子の駆動によって低ノイズ化を図ることも可能である。その一つの手法として多重サンプリングがあり、多重サンプリングにより撮像素子信号の高Ｓ／Ｎ化を達成する技術が知られている。例えば、下記特許文献１には、ノイズレベルと信号レベルのアナログ信号を多数回サンプリングする二重積分型Ａ／Ｄ変換器が開示され、多重サンプリングのＳ／Ｎ向上効果について述べられている。ソースフォロワアンプのノイズ等のランダムノイズ成分は、ノイズレベルと信号レベルのサンプリング回数をＮ回としたときに、１／√Ｎ倍に削減できることが記載されている。

また、下記特許文献２には、ダイナミックレンジ拡大とＳ／Ｎ向上のために、ラインメモリに関わる固体撮像素子の構成を変更し、単一露出から複数段の利得をかけた複数の画像信号を出力する固体撮像素子及び固体撮像装置が開示されている。図６は、特許文献２による固体撮像素子の構成例を示す図である。図６に示すように固体撮像素子は、光電変換素子Ｄ１１を含む水平方向及び垂直方向に配置された複数の画素と、増幅回路１０１と、増幅回路１０１の利得をＮ段階（ただし、Ｎは２以上の自然数）で調整可能な増幅調整部Ｇ１とを有している。増幅回路１０１は、各画素からの出力信号に利得をかけた複数の画像信号をそれぞれ出力する。

例えば、Ｎ＝２の最も単純な構成では、垂直出力線の電位がノイズレベルである期間に増幅回路のゲインを変更して２回のサンプリングを行う。そして、垂直出力線の電位が信号レベルである期間に増幅回路のゲインを変更して２回のサンプリングを行う（特許文献１の図６、図７）。Ｓ／Ｎの向上だけを考慮すればゲインを変更しないで複数回のサンプリングを行えば良いので、この技術の延長上にも多重サンプリングを見ることができる。

特開２００６−２２２７８２号公報特開２００７−１８９５３７号公報

しかしながら、図６から明らかなように特許文献２に開示された技術では、２回の多重サンプリングを行うためには、１つの垂直出力線につき４つの信号保持部が必要である。例えば、第１列の垂直出力線Ｖ１については、４つの信号保持部ＣＴＮ１１、ＣＴＳ１１、ＣＴＮ２１、ＣＴＳ２１が設けられている。一般に、同一構成でＮ回の多重サンプリングを行おうとすると、１つの垂直出力線につき（２×Ｎ）個の信号保持部が必要である。これは、ラインメモリが通常のＮ倍必要であることを意味し、ノイズ低減効果を拡大しようとすればするほどに回路規模の増大を招く。

本発明の目的は、多重サンプリングによりノイズ低減を図る固体撮像装置にて、回路規模の増大を抑制しながらＳ／Ｎを向上させることができる固体撮像装置及びその駆動方法を提供することにある。

本発明に係る固体撮像装置は、入射光に応じた電荷を生成する光電変換部を含む複数の画素と、前記複数の画素からの信号を列毎に出力する列出力線と、前記列出力線を介して入力される信号を増幅する増幅回路と、第１の容量及び第１のスイッチが直列に接続された直列回路であって、前記増幅回路に対して並列に接続された複数の直列回路と、前記増幅回路により増幅された画素の信号レベル及びノイズレベルを保持する信号保持手段と、前記信号保持手段に直列に接続され、前記信号保持手段への前記信号レベル及び前記ノイズレベルの入力を制御する第２のスイッチとを有する固体撮像素子と、前記固体撮像素子が有する前記第１のスイッチを制御する第１の制御手段と、前記固体撮像素子が有する前記第２のスイッチの制御を含む前記固体撮像素子の動作タイミングを制御する第２の制御手段と、前記第２の制御手段が前記固体撮像素子を一画面分走査する期間に、前記第１の制御手段により前記第１のスイッチが固定される第１の駆動方法と、前記第２の制御手段が前記固体撮像素子を一画面分走査する期間中に、前記第１の制御手段が前記第１のスイッチを駆動する第２の駆動方法と、を切り替える切り替え手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、回路規模の増大を抑制しながらもＳ／Ｎを向上させることができる固体撮像装置及びその駆動方法を提供することができる。

本発明の実施形態による固体撮像装置の全体構成の例を示す図である。本実施形態による固体撮像装置の動作例を示すフローチャートである。本実施形態における固体撮像素子の構成例を示す図である。本実施形態における固体撮像素子の第１の駆動方法の一例を示すタイミングチャートである。本実施形態における固体撮像素子の第２の駆動方法の一例を示すタイミングチャートである。従来の固体撮像素子の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態による固体撮像装置の全体構成の例を示すブロック図である。

図１において、光学系１は、絞り及びレンズを有し、メカニカルシャッター２は、露光時間を決定する機械的なシャッターである。固体撮像素子３は、例えばＣＭＯＳイメージセンサであり、光学系１で結像された被写体像（被写体像に係る入射光）を光電変換し電気信号として取り出す。相関二重サンプリング（ＣＤＳ）回路４は、固体撮像素子３から出力されたアナログ電気信号をサンプリングする。Ａ／Ｄ変換器５は、ＣＤＳ回路４によってサンプリングされたアナログ信号をアナログ−デジタル変換処理しデジタル信号に変換する。

Ａ／Ｄ変換器５によりデジタル化された画像信号は、画像メモリ９を介して信号処理回路８により各種信号処理が行われて、記録回路１０を介して記録媒体１１に記録される。信号処理回路８により行われる信号処理には、例えばホワイトバランス補正、ガンマ補正、ノイズ除去、及び画像圧縮などの処理がある。記録回路１０は、記録媒体１１とのインターフェイス回路である。また、信号処理回路８による信号処理が施された画像信号は、インターフェイス回路である表示回路１２を通して液晶ディスプレイなどの表示装置１３に表示することも可能である。

タイミング信号発生回路６は、駆動回路７を通して、光学系１におけるレンズの絞り、メカニカルシャッター２、及び固体撮像素子３の動作タイミングの制御を行うなどして撮像系を駆動する。また、タイミング信号発生回路６は、撮像系の駆動ひいては固体撮像素子３の出力信号に同期して、ＣＤＳ回路４及びＡ／Ｄ変換器５を駆動・制御する。タイミング信号発生回路６及び駆動回路７により、第１の制御手段及び第２の制御手段としての機能が実現される。

システム制御部１４は、揮発性メモリ１５に一時記憶されたプログラムを読み出して実行することにより固体撮像装置全体を制御する。本実施形態における固体撮像素子３の第１の駆動方法と第２の駆動方法との切り替え信号も、システム制御部１４で生成されてタイミング信号発生回路６に出力される。ＲＯＭ１６は、システム制御部１４による制御実行時に転送されるべきプログラムや各種データを格納した不揮発性メモリである。

次に、本実施形態による固体撮像装置の撮影時の動作について説明する。
図２は、本実施形態による固体撮像装置の動作例を示すフローチャートである。

図１に図示しないスイッチにより固体撮像装置のメイン電源がオンされると、次に、システム制御部１４を含むシステム制御系の電源がオンされる（ステップＳ２０１）。さらに、光学系１、メカニカルシャッター２、固体撮像素子３、ＣＤＳ回路４、及びＡ／Ｄ変換器５を含む撮像系の電源がオンされる（ステップＳ２０２）。次に、システム制御部１４による制御によってメカニカルシャッター２が開かれ（ステップＳ２０３）、システム制御部１４が固体撮像素子３に駆動設定信号を与える（ステップＳ２０４）ことにより、ライブビュー表示が可能となる（ステップＳ２０５）。

次に、露光量演算から露出決定までを行うＡＥ（ＡｕｔｏＥｘｐｏｓｕｒｅ）処理が行われる（ステップＳ２０６）。撮影に先立って露光量を制御するために、システム制御部１４は、撮像系からデジタル化された画像信号を画像メモリ９に取得して信号処理回路８に露出演算を行わせる。露出演算では、例えば画像信号から抽出した輝度情報Ｙ＝ａＲ＋ｂＧ＋ｃＢ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１）を画面のエリア別に重み付け演算して、現在の状態よりも何段明るくすればよいか又は暗くすればよいかを演算する。システム制御部１４は、露出演算の演算結果を受けて光学系１における絞りを駆動制御し、次のフレームから適切な明るさの画像を得る。なお、固体撮像素子３が電子シャッター機能を有する場合には、同時に電子シャッターに係るシャッター速度を変更するようにしても良い。また、露出演算は、前述したようなフィードバック形式でも良いし、撮像系とは別に露出計測用センサーを設けて、露出計測用センサーの信号から直接適正な絞り値とシャッター速を得て制御するフィードフォワード形式を使用しても良い。

次に、２段階のストロークを有する固体撮像装置のシャッターレリーズボタン（図示せず）が操作され、その第１ストロークが行われたことを契機として（ステップＳ２０７のＹ）、自動焦点検出処理が行われる（ステップＳ２０８）。システム制御部１４は、光学系１のフォーカスレンズを複数ステップ駆動して複数の画像信号を得て信号処理回路８に自動焦点検出に係る演算を行わせる。信号処理回路８は、それぞれの画像信号から、最も焦点の合ったフォーカスレンズの位置を決定する。システム制御部１４は、自動焦点検出の検出結果を受けて、光学系１におけるフォーカスレンズを駆動制御し、次のフレームから最適なピントの画像を得る。なお、自動焦点検出処理についても、撮像系とは別に測距用センサーを設けて、測距用センサーの信号から直接被写体距離を計測し、フォーカスレンズを駆動する方式を使用しても良い。

以上のようにして適正な露出と合焦が確認された後、固体撮像装置のシャッターレリーズボタンが操作され、その第２ストロークが行われたことを契機として本撮影が開始される（ステップＳ２０９のＹ）。

本撮影に伴う露光（ステップＳ２１０）が完了すると、システム制御部１４は、固体撮像素子３の出力信号読み出しに際して必要なゲインが所定のしきい値より大きいか否かを判断する（ステップＳ２１１）。判断の結果、必要なゲインが所定のしきい値より大きくないと判断した場合には（ステップＳ２１１のＮ）、システム制御部１４は、固体撮像素子３の駆動方法として第１の駆動方法を設定する（ステップＳ２１２）。一方、必要なゲインが所定のしきい値より大きいと判断した場合には（ステップＳ２１１のＹ）、システム制御部１４は、固体撮像素子３の駆動方法として第２の駆動方法を設定する（ステップＳ２１３）。固体撮像素子３の出力信号読み出しに際して必要なゲインは、例えばＩＳＯ感度設定ダイヤルの状態に基づく撮影感度の設定に応じて取得することが可能である。また、例えば撮影するシーンに合わせて撮影感度を決定する自動ＩＳＯ感度設定モードに設定されている場合でも、決定された撮影感度を基に必要なゲインを取得し、そのゲインに応じて駆動方法を選択し設定することが可能である。

設定された駆動方法により固体撮像素子３を駆動制御することによって固体撮像素子３から出力された画像信号は、ＣＤＳ回路４でサンプリングされた後に、Ａ／Ｄ変換器５でＡ／Ｄ変換され画像メモリ９に一時格納される（ステップＳ２１４、Ｓ２１５）。いずれの駆動方法においても、画像メモリ９に一時格納された画像信号は、信号処理回路８により各種信号処理が行われた（ステップＳ２１６）後、記録回路１０を通して記録媒体１１に記録され、一連の撮影動作が完了する。

次に、固体撮像素子３について説明する。
図３は、本実施形態における固体撮像素子３の構成例を示す図である。なお、図３においては、説明の便宜上、行方向及び列方向に複数の画素が配置される画素アレイは、３行×３列の画素アレイを図示しているが、これに限定されるものではない。

図３において、固体撮像素子３の各画素は、入射光に応じた信号電荷を生成する光電変換部としてのフォトダイオードＤｍｎ、及びフォトダイオードＤｍｎからの信号電荷を電圧信号に変換するフローティングディフュージョン部を有する。ここで、添え字ｍは、それがｍ行目の構成要素であることを示し、添え字ｎは、それがｎ列目の構成要素であることを示す。例えば、フォトダイオードＤ２３は、第２行第３列のフォトダイオードであることを示す。

フォトダイオードＤｍｎとフローティングディフュージョン部とは、転送ゲートＭ１ｍｎを介して接続される。転送ゲートＭ１ｍｎは、ゲートに接続された転送パルスＰＴＸｍによりオン／オフ（導通／非導通）が制御される。また、フローティングディフュージョン部は、フローティングディフュージョン部の電位を電源電位にリセットするためのリセットトランジスタＭ２ｍｎを介して電源電位に接続される。リセットトランジスタＭ２ｍｎは、ゲートに接続されたリセットパルスＰＲＥＳｍによりオン／オフ（導通／非導通）が制御される。増幅ＭＯＳトランジスタＭ３ｍｎは、フローティングディフュージョン部の電位がゲートに入力される。増幅ＭＯＳトランジスタＭ３ｍｎは、垂直出力線（列出力線）Ｖｎに接続された定電流源Ｉｎによってソースフォロワアンプを形成している。行選択トランジスタＭ４ｍｎは、増幅ＭＯＳトランジスタＭ３ｍｎの出力と垂直出力線Ｖｎとの接続を制御する。行選択トランジスタＭ４ｍｎは、ゲートに接続された行選択パルスＰＳＥＬｍによりオン／オフ（導通／非導通）が制御される。

固体撮像素子３の各画素からは列方向に共通の垂直出力線（列出力線）Ｖｎが延伸されていて、行選択パルスＰＳＥＬｍにより任意の行に存在する画素から出力電圧信号を読み出すことができる。例えば、図３に示した構成の場合には、リセットパルスＰＲＥＳｍも同期駆動することで、フォトダイオードＤｍｎでの光電変換により得られた信号電荷をフローティングディフュージョン部に読み出す前のリセット電位をノイズレベルとして読み出す。そして、信号電荷をフローティングディフュージョン部に読み出した後の電位を光信号レベルとして読み出して、ノイズレベルと光信号レベルの差分を出力する読み出し方法が可能であり、固体撮像素子の低ノイズ化に寄与している。

より具体的には、各列の垂直出力線Ｖｎに、第２のスイッチとしての転送用スイッチング素子Ｍ５ｎ、Ｍ７ｎ（それぞれの制御線をＰＴＳ，ＰＴＮとする。）を介して信号保持用キャパシタＣＴＳｎ，ＣＴＮｎが接続されている。また、信号保持用キャパシタＣＴＳｎ，ＣＴＮｎは、転送用スイッチング素子Ｍ６ｎ、Ｍ８ｎを介して水平出力線に接続されている。信号保持用キャパシタＣＴＳｎ，ＣＴＮｎには、それぞれに一行分の光信号レベル、ノイズレベルが格納される。信号保持用キャパシタＣＴＳｎ，ＣＴＮｎは、いわばラインメモリとしての役割を果たす。信号保持用キャパシタＣＴＳｎ，ＣＴＮｎに格納された光信号レベル及びノイズレベルの各々は、水平走査回路ブロック１２１の制御に従って水平出力線に順次読み出され、それらの差分を差動回路１３１で演算して出力する。

信号保持用キャパシタＣＴＳｎ，ＣＴＮｎに、光信号レベル及びノイズレベルを格納する前に、増幅回路１０ｎによる信号電圧の増幅が可能となっている。増幅回路１０ｎの反転入力端子にはクランプ容量Ｃ０ｎでカップリングされた垂直出力線Ｖｎの電位が、非反転入力端子には基準電位となるＶＣ０Ｒが接続されている。また、増幅回路１０ｎを電圧フォロワ状態とするためのスイッチがあり、その制御線をＰＣ０Ｒとしている。増幅回路１０ｎの出力ノードを電気的に遮断するための第３のスイッチとしてのスイッチング素子があり、その制御線をＰＭ０としている。

さらに、各増幅回路１０ｎに対してゲイン調整部Ｇｎを有する。ゲイン調整部Ｇｎは、第１の容量としての帰還容量Ｃｉｎ（ｉは２以上の自然数）と制御線ＰＣｉによってオン／オフ制御される第１のスイッチとが直列に接続された直列回路をｉ個有する。ゲイン調整部Ｇｎが有するｉ個の直列回路は、増幅回路１０ｎの反転入力端子と出力端子との間に並列に接続されている。本実施形態における第１の駆動方法では、一画面分走査する期間において、第１のスイッチのオン／オフ状態を固定してゲイン設定する。また、本実施形態における第２の駆動方法では、一画面分走査する期間中において、第１のスイッチをノイズレベル及び光信号レベルのサンプリングに合わせて適宜駆動することによって帰還容量Ｃｎｉを信号保持用キャパシタとして活用する。

次に、図４及び図５を参照して、本実施形態における固体撮像素子の第１の駆動方法及び第２の駆動方法について説明する。なお、以下の説明では、固体撮像素子における第１行の画素に係る駆動を一例として説明するが、他の行に係る駆動も同様にして順に実行される。また、以下では、信号のハイレベルを“Ｈ”と記し、ローレベルを“Ｌ”と記す。

まず、本実施形態における第１の駆動方法について説明する。
図４は、本実施形態における固体撮像素子の第１の駆動方法の一例を示すタイミングチャートである。図２に示したフローチャートのステップＳ２１２において第１の駆動方法が設定された場合に、図４に示すように固体撮像素子３が駆動される。なお、固体撮像素子の第１の駆動方法においては、一画面分走査する期間において制御線ＰＭ０は常に“Ｈ”である。

まず、垂直走査回路ブロック１１１により行選択パルスＰＳＥＬ１が“Ｌ”から“Ｈ”になり、第１行の画素についての出力信号読み出しが開始される。行選択パルスＰＳＥＬ１が“Ｈ”である間、行選択トランジスタＭ４１ｎがオンし、フローティングディフュージョン部の電位が垂直出力線Ｖｎに現れる。

まず、フォトダイオードＤ１ｎからの信号電荷の読み出しに先立って、垂直走査回路ブロック１１１によりリセットパルスＰＲＥＳ１が“Ｈ”となって、リセットトランジスタＭ２１ｎがオンし、フローティングディフュージョン部が電源電位にリセットされる。以下、これをリセット電位と呼ぶ。リセットパルスＰＲＥＳ１が“Ｌ”になって、リセットトランジスタＭ２１ｎがオフしフローティングディフュージョン部が電源と遮断された後、制御線ＰＣ０Ｒが“Ｈ”となり、リセット電位がクランプ容量Ｃ０ｎの基準となる。

制御線ＰＣ０Ｒが“Ｌ”になると、制御線ＰＣ０Ｒで制御したゲートの下に蓄積されていた電荷の一部が増幅回路１０ｎの入力に注入される。この電荷によって増幅回路１０ｎの入力電位は一時的に低下するが、やがてイマジナリーショートによって基準電圧ＶＣ０Ｒに戻り、増幅回路１０ｎの出力ノードには前記低下電位をゲイン倍した電位に基準電圧ＶＣ０Ｒを加えたノイズレベルが出力される。このノイズレベルには、増幅回路１０ｎの列毎のオフセット等が含まれる。また、ゲインとは、制御線ＰＣｉによって制御される、ゲイン調整部Ｇｎにある第１のスイッチのオン／オフ状態により決定されたゲインである。

次に、制御線ＰＴＮが“Ｈ”になり、ノイズレベルの転送用スイッチング素子Ｍ７ｎがオンして、増幅回路１０ｎの出力ノードに出力されたノイズレベルが、信号保持用キャパシタＣＴＮｎに保持される。

その後、転送パルスＰＴＸ１が“Ｈ”となり、固体撮像素子３の露光期間中にフォトダイオードＤ１ｎに蓄積された信号電荷がフローティングディフュージョン部に転送される。フローティングディフュージョン部の電位は、フォトダイオードＤ１ｎからの信号電荷分変動（低下）し、その変動分が増幅ＭＯＳトランジスタＭ３１ｎ及び定電流負荷Ｉｎにより形成されるソースフォロワアンプによって電流増幅される。これにより、変動分の電位とリセット電位とを合算した電位が垂直出力線Ｖｎに出力される。前述したようにリセット電位でクランプされているため、増幅回路１０ｎの入力電位は、基準電圧ＶＣ０Ｒから前述の変動分の電位だけ一時的に低下する。その後、増幅回路１０ｎの入力電位は、イマジナリーショートによって基準電圧ＶＣ０Ｒに戻り、増幅回路１０ｎの出力ノードには前記変動分の電位をゲイン倍した電位に基準電圧ＶＣ０Ｒを加えた光信号レベルが出力される。

次に、制御線ＰＴＳが“Ｈ”になり、光信号レベルの転送用スイッチング素子Ｍ５ｎがオンして、増幅回路１０ｎの出力ノードに出力された光信号レベルが、信号保持用キャパシタＣＴＳｎに保持される。信号保持用キャパシタＣＴＳｎへの光信号レベルの保持が完了した時点で、行選択パルスＰＳＥＬ１を“Ｌ”にする。

ここまでの動作で、第１行に配置された各画素からのノイズレベルと信号レベルが、それぞれの列に接続された信号保持用キャパシタＣＴＮｎとＣＴＳｎに保持される。その後、水平走査回路ブロック１２１の動作開始により各列の転送用スイッチング素子Ｍ６ｎ、Ｍ８ｎが順次オンし、水平出力線を介して光信号レベルとノイズレベルが読み出され、差動回路１３１にてそれらの差分を出力する。

このようにして、第１行に配置された画素からの出力信号読み出しが完了する。以下、同様に第２行から第ｍ行に配置された画素からの出力信号読み出しが１行ずつ順次行われ、全画素の読み出しが完了する。なお、一連の読み出し動作の間、設定されたゲイン、例えば撮影感度により決定されたゲインに応じて制御された制御線ＰＣｉに従って、帰還容量Ｃｉｎが増幅回路１０ｎに対して並列に接続される。図４に示した例では、制御線ＰＣ１〜ＰＣ４のすべてが“Ｈ”であるので、ゲインはＣ０／（Ｃ１ｎ＋Ｃ２ｎ＋Ｃ３ｎ＋Ｃ４ｎ）に固定されている。

次に、本実施形態における第２の駆動方法について説明する。
図５は、本実施形態における固体撮像素子の第２の駆動方法の一例を示すタイミングチャートである。第２の駆動方法を実現するためには、固体撮像素子３に対して増幅回路１０ｎの出力ノードを後段と切断可能なスイッチがあることが望ましい。図２に示したフローチャートのステップＳ２１３において第２の駆動方法が設定された場合に、図５に示すように固体撮像素子３が駆動される。

まず、フォトダイオードＤ１ｎからの信号電荷の読み出しに先立って、垂直走査回路ブロック１１１によりリセットパルスＰＲＥＳ１が“Ｈ”となって、リセットトランジスタＭ２１ｎがオンし、フローティングディフュージョン部が電源電位にリセットされる。リセットパルスＰＲＥＳ１が“Ｌ”になって、リセットトランジスタＭ２１ｎがオフしフローティングディフュージョン部が電源と遮断された後、制御線ＰＣ０Ｒが“Ｈ”となり、リセット電位がクランプ容量Ｃ０ｎの基準となる。

制御線ＰＣ０Ｒが“Ｌ”になると、制御線ＰＣ０Ｒで制御したゲートの下に蓄積されていた電荷の一部が増幅回路１０ｎの入力に注入される。この電荷によって増幅回路１０ｎの入力電位は一時的に低下するが、やがてイマジナリーショートによって基準電圧ＶＣ０Ｒに戻り、増幅回路１０ｎの出力ノードには前記低下電位をゲイン倍した電位に基準電圧ＶＣ０Ｒを加えたノイズレベルが出力される。このノイズレベルには、増幅回路１０ｎの列毎のオフセット等が含まれる。

また、ゲインとは、制御線ＰＣｉによって制御される、ゲイン調整部Ｇｎにある第１のスイッチのオン／オフ状態により決定されたゲインである。図５に示す例では、このとき決定されたゲインに応じて制御線ＰＣ１〜ＰＣ４のうち制御線ＰＣ１だけが“Ｈ”であるので、増幅回路１０ｎに対しては帰還容量Ｃ１のみが並列接続されていることとなる。したがって、図４に示した例でのゲインＣ０／（Ｃ１ｎ＋Ｃ２ｎ＋Ｃ３ｎ＋Ｃ４ｎ）の４倍であるゲイン（Ｃ０／Ｃ１ｎ）に設定されている。なお、簡略化のため、Ｃ１ｎ＝Ｃ２ｎ＝Ｃ３ｎ＝Ｃ４ｎとする（以下同じ。）。

次に、制御線ＰＣ１を“Ｌ”にすると、帰還容量Ｃ１の両端電位差はノイズレベルに等しくなり、増幅回路１０ｎの出力ノードに出力されたノイズレベルが帰還容量Ｃ１に保持されたことになる。

次に、制御信号ＰＣ２のみを“Ｈ”としてゲインを（Ｃ０／Ｃ２ｎ）とする。このとき、増幅回路１０ｎの出力は、リセットレベルが（Ｃ０／Ｃ２ｎ）倍された第２のノイズレベルとなる。制御線ＰＣ２を“Ｌ”にすると、帰還容量Ｃ２の両端電位差はノイズレベルに等しくなり、増幅回路１０ｎの出力ノードに出力されたノイズレベルが帰還容量Ｃ２に保持されたことになる。

ノイズレベルの読み出し時と同様に、ここでは、決定されたゲインに応じて制御線ＰＣ３だけが“Ｈ”になっているものとすると、増幅回路１０ｎに対しては帰還容量Ｃ３のみが並列接続されていることとなる。したがって、ゲインは（Ｃ０／Ｃ３）に設定されている。次に、制御線ＰＣ３を“Ｌ”にすると、帰還容量Ｃ３の両端電位差は光信号レベルに等しくなり、増幅回路１０ｎの出力ノードに出力された光信号レベルが帰還容量Ｃ３に保持されたことになる。

次に、制御信号ＰＣ４のみを“Ｈ”としてゲインを（Ｃ０／Ｃ４ｎ）とする。このとき、増幅回路１０ｎの出力は、光信号レベルが（Ｃ０／Ｃ４ｎ）倍された第２の光信号レベルとなる。制御線ＰＣ４を“Ｌ”にすると、帰還容量Ｃ４の両端電位差は光信号レベルに等しくなり、増幅回路１０ｎの出力ノードに出力された光信号レベルが帰還容量Ｃ４に保持されたことになる。

このようにして、複数のノイズレベルと複数の光信号レベルが、帰還容量に保持された後、制御線ＰＭ０が“Ｌ”になることで増幅回路１０ｎの出力ノードが切断される。その後、制御線ＰＣ１、ＰＣ２、及びＰＴＮが“Ｈ”になり、帰還容量Ｃ１ｎ、Ｃ２ｎに保持されたノイズレベルが、ノイズレベルの転送用スイッチング素子Ｍ７ｎを介して、信号保持用キャパシタＣＴＮｎに保持される。また、制御線ＰＣ３、ＰＣ４、及びＰＴＳが“Ｈ”になり、帰還容量Ｃ３ｎ、Ｃ４ｎに保持された光信号レベルが、光信号レベルの転送用スイッチング素子Ｍ５ｎを介して、信号保持用キャパシタＣＴＳｎに保持される。制御線ＰＭ０により第３のスイッチをオフとすることで、制御線ＰＣ１〜ＰＣ４を順次“Ｈ”にし第１のスイッチをオンしても増幅回路１０ｎからの出力変化に影響されずに信号保持用キャパシタＣＴＮｎ，ＣＴＳｎに信号を移すことが可能となる。

なお、帰還容量Ｃ１ｎとＣ２ｎは、信号保持用キャパシタＣＴＮｎに対して並列に接続されているので、帰還容量Ｃ１ｎとＣ２ｎに保持された電圧レベルの平均値に比例した電圧レベルが、信号保持用キャパシタＣＴＮｎに出力される。また、帰還容量Ｃ３ｎとＣ４ｎは、信号保持用キャパシタＣＴＳｎに対して並列に接続されているので、帰還容量Ｃ３ｎとＣ４ｎに保持された電圧レベルの平均値に比例した電圧レベルが、信号保持用キャパシタＣＴＳｎに出力される。したがって、図５に示した例では、ノイズレベル及び光信号レベルについて、Ｎ＝２である２回の多重サンプリングが実行されたことになる。

その後、水平走査回路ブロック１２１の動作開始により各列の転送用スイッチング素子Ｍ６ｎ、Ｍ８ｎが順次オンし、水平出力線を介して光信号レベルとノイズレベルが読み出され、差動回路１３１にてそれらの差分を出力する。このようにして、第１行に配置された画素からの出力信号読み出しが完了する。以下、同様に第２行から第ｍ行に配置された画素からの出力信号読み出しが１行ずつ順次行われ、全画素の読み出しが完了する。

なお、帰還容量へのノイズレベルの保持及び光信号レベルの保持の回数や順序は、前述した例に限定されない。すなわち本実施形態では、制御線ＰＣ１、ＰＣ２を制御して第１のスイッチを順次駆動することによって、ノイズレベルを２回、帰還容量Ｃ１ｎとＣ２ｎに保持した。また、制御線ＰＣ３、ＰＣ２を制御して第１のスイッチを順次駆動することによって、光信号レベルを２回、帰還容量Ｃ３ｎとＣ４ｎに保持した。その後に、ノイズレベルの加算平均を信号保持用キャパシタＣＴＮｎに移し、光信号レベルの加算平均を信号保持用キャパシタＣＴＳｎに移す構成を採用した。しかし、これに限らず、ノイズレベルを複数回、帰還容量に保持した後、すぐにその加算平均を信号保持用キャパシタＣＴＮｎに移し、信号レベルを複数回、帰還容量に保持した後、すぐにその加算平均を信号保持用キャパシタＣＴＳｎに移すという構成でもよい。

また、帰還容量Ｃ１，Ｃ２に保持されたノイズレベル及び帰還容量Ｃ３，Ｃ４に保持された光信号レベルを、固体撮像素子３内で平均化加算することなく個別に読み出す。そして、固体撮像素子３外の画像メモリ９上で加算した後、信号処理回路８にて２で除算するように構成しても構わない。

また、増幅回路１０ｎの出力ノード切断後、信号保持用キャパシタＣＴＮｎ，ＣＴＳｎへ信号を移すのに先立って、事前に信号保持用キャパシタＣＴＳ，ＣＴＮをリセットするステップがあってもよい。また、制御線ＰＣ０Ｒによって基準電圧ＶＣ０Ｒにリセットするステップがあってもよい。

本実施形態によれば、例えば撮影感度が低い場合など必要なゲインが小さい場合には、増幅回路１０ｎの帰還容量を利用してゲインを下げて信号を読み出す。一方、撮影感度が高い場合など必要なゲインが大きい場合には、増幅回路１０ｎの帰還容量を利用した多重サンプリングを行うのでＳ／Ｎを向上させることができる。したがって、必要なゲインが大きい場合に対しても大きな機能付加をせずに高Ｓ／Ｎ化が達成できるので、回路規模を維持しながら高Ｓ／Ｎ信号を得ることが可能となる。

なお、前記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化のほんの一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。

３固体撮像素子、６タイミング信号発生回路、７駆動回路、１４システム制御部、Ｄｍｎフォトダイオード、Ｖｎ垂直出力線（列出線）、１０１増幅回路、ＣＴＳ信号保持用キャパシタ（光信号レベル）、ＣＴＮ信号保持用キャパシタ（ノイズレベル）

Claims

入射光に応じた電荷を生成する光電変換部を含む複数の画素と、
前記複数の画素からの信号を列毎に出力する列出力線と、
前記列出力線を介して入力される信号を増幅する増幅回路と、
第１の容量及び第１のスイッチが直列に接続された直列回路であって、前記増幅回路に対して並列に接続された複数の直列回路と、
前記増幅回路により増幅された画素の信号レベル及びノイズレベルを保持する信号保持手段と、
前記信号保持手段に直列に接続され、前記信号保持手段への前記信号レベル及び前記ノイズレベルの入力を制御する第２のスイッチとを有する固体撮像素子と、
前記固体撮像素子が有する前記第１のスイッチを制御する第１の制御手段と、
前記固体撮像素子が有する前記第２のスイッチの制御を含む前記固体撮像素子の動作タイミングを制御する第２の制御手段と、
前記第２の制御手段が前記固体撮像素子を一画面分走査する期間に、前記第１の制御手段により前記第１のスイッチが固定される第１の駆動方法と、前記第２の制御手段が前記固体撮像素子を一画面分走査する期間中に、前記第１の制御手段が前記第１のスイッチを駆動する第２の駆動方法と、を切り替える切り替え手段とを備えることを特徴とする固体撮像装置。
前記画素は、前記光電変換部により生成された電荷を転送するための転送ゲートを有し、
前記第２の駆動方法では、
前記転送ゲートを閉じた状態で前記第１のスイッチを順次駆動して前記ノイズレベルを前記第１の容量に保持し、
前記転送ゲートを開いた状態で前記第１のスイッチを順次駆動して前記信号レベルを前記第１の容量に保持することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記固体撮像素子は、前記増幅回路の出力ノードに直列に接続された第３のスイッチを有し、
第２の駆動方法では、
前記第３のスイッチにより前記増幅回路の出力ノードを電気的に遮断した後に前記第１の容量に保持した前記ノイズレベルを前記信号保持手段にて加算するとともに、
前記第３のスイッチにより前記増幅回路の出力ノードを電気的に遮断した後に前記第１の容量に保持した前記信号レベルを前記信号保持手段にて加算することを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
前記切り替え手段は、前記増幅回路に対して設定するゲインに基づいて、前記第１の駆動方法と前記第２の駆動方法との切り替えを行うことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の固体撮像装置。
前記切り替え手段は、設定するゲインがしきい値より大きい場合には前記第２の駆動方法を選択し、設定するゲインが前記しきい値より大きくない場合には前記第１の駆動方法を選択することを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。
入射光に応じた電荷を生成する光電変換部を含む複数の画素と、前記複数の画素からの信号を列毎に出力する列出力線と、前記列出力線を介して入力される信号を増幅する増幅回路と、第１の容量及び第１のスイッチが直列に接続された直列回路であって、前記増幅回路に対して並列に接続された複数の直列回路と、前記増幅回路により増幅された画素の信号レベル及びノイズレベルを保持する信号保持手段と、前記信号保持手段に直列に接続され、前記信号保持手段への前記信号レベル及び前記ノイズレベルの入力を制御する第２のスイッチとを有する固体撮像素子を備えた固体撮像装置の駆動方法であって、
前記固体撮像素子の第１の駆動方法と、前記固体撮像素子の第２の駆動方法と、を切り替える切り替え工程を有し、
前記第１の駆動方法では、前記固体撮像素子が有する前記第２のスイッチの制御を含む前記固体撮像素子の動作タイミングを制御する制御手段が前記固体撮像素子を一画面分走査する期間において、前記第１のスイッチを固定し、
前記第２の駆動方法では、前記第２の制御手段が前記固体撮像素子を一画面分走査する期間中において、前記第１のスイッチを駆動することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。