JP2924155B2 - 固体撮像装置及び固体撮像素子の出力信号処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、例えば、ビデオカメラに適用して好適な固
体撮像装置及び固体撮像素子の出力信号処理方法に関す
る。

［発明の概要］ 本発明は、例えば、ビデオカメラに適用して好適な固
体撮像装置において、方形波パルス状の電子シャッタパ
ルスが印加される固体撮像素子と、この固体撮像素子の
出力信号をサンプリングパルスによりサンプリングして
雑音を除去する相関二重サンプリング回路とを備えた固
体撮像装置において、この電子シャッタパルスの非印加
期間にこのサンプリングパルスをこの相関二重サンプリ
ング回路に供給するようにしたことにより当該固体撮像
装置の誤動作および相関二重サンプリング回路の出力信
号へのノイズの混入を排除するようにしたものである。

また、本発明はそのような固体撮像装置において、方
形波パルス状の電子シャッタパルスが印加される固体撮
像素子と、この固体撮像素子の出力信号をサンプリング
パルスによりサンプリングして雑音を除去する相関二重
サンプリング回路とを備えた固体撮像装置において、非
水平ブランキング期間にこのサンプリングパルスをこの
相関二重サンプリング回路に供給するようにしたことに
より当該固体撮像装置の誤動作および相関二重サンプリ
ング回路の出力信号へのノイズの混入を排除するように
したものである。

［従来の技術］ 従来の固体撮像装置においては、電子シャッタ機能が
付加されており、この電子シャッタ機能は、固体撮像装
置、例えば、CCD撮像素子における半導体基体、いわゆ
るサブストレートに比較的高電圧パルス（以下、電子シ
ャッタパルスという）を印加することにより、電荷蓄積
部に蓄積されている不要となった電荷を排出するように
したものである。この電子シャッタパルスの印加タイミ
ングは、ビデオ信号における、例えば、水平ブランキン
グ期間内に設定されており、可変電子シャッタ機能が可
能にされている。

一方、この電荷蓄積部に蓄積された信号電荷は、電荷
転送部を経て、フローティングディフュージョン等の電
荷検出部に供給される。そして、この電荷検出部に同一
の半導体基体に形成されたMOSアンプが接続されて、こ
のMOSアンプから、蓄積された信号電荷に対応する出力
信号が取り出されるようにされている。

取り出された出力信号は相関二重サンプリング回路に
供給され、この相関二重サンプリング回路においてサン
プリングパルスにより出力信号のレベルがサンプルされ
ホールドされる。そして、サンプルホールドされた後に
この電荷検出部に接続形成されている、いわゆるリセッ
トゲートにリセット信号が供給されることで、上記電荷
検出部に蓄積されている信号電荷がリセットドレインに
接続されている電源に吸収されるようにされている。こ
の場合、良く知られているように、フローティングディ
フュージョンに起因するコンデンサ等による、いわゆる
KTC雑音（Ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、Ｃはコ
ンデンサ）が電荷検出部に存在するので、そのKTC雑音
（リセット雑音）による電圧と信号電荷にかかる電圧と
から真の信号電圧を抽出するために、相関二重サンプリ
ング回路が採用されている。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、上述の従来の固体撮像装置では、第５図Ａ
に示すように、ビデオ信号における有効水平出力期間
（１）以外の水平ブランキング期間（２）にCCD撮像素
子を構成する半導体基体に電子シャッタパルスＳPを印
加しているとはいうものの、その振幅が10V程度あるこ
とから、第５図Ｂに示すように、この固体撮像素子を構
成する電荷検出部への、いわゆる漏れ込み（ノイズ電荷
の蓄積等）あるいは次段の相関二重サンプリング回路の
入力側への漏れ込みを原因として相関二重サンプリング
回路の入力信号ＳIに漏れ込みが発生する。この漏れ込
みは、波形歪的には、オーバーシュート（３）、レベル
変動（４）およびアンダーシュート（５）として現れ
る。

この場合、第５図C,Dに示すように、リセット雑音検
出用の第１サンプリングパルスＳHPと信号検出用の第２
サンプリングパルスＳHDとは、位相が180゜ずれて連続
的に相関二重サンプリング回路に供給されているので、
この相関二重サンプリング回路の出力信号ＳOは第５図
Ｅに示すようになり、オーバーシュート（３）、レベル
変動（４）およびアンダーシュート（５）による波形歪
が現れた波形となる。

また、このオーバーシュート（３）、レベル変動
（４）およびアンダーシュート（５）による波形歪はサ
ンプルホールド回路のダイナミックレンジを超えてしま
う場合があり、その場合においては、当該固体撮像装置
に誤動作を引き起こすという問題があった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、電子
シャッタパルスの半導体基体への印加に起因する当該固
体撮像装置の誤動作および相関二重サンプリング回路の
出力信号へのノイズの混入を排除することのできる固体
撮像装置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明固体撮像装置は、例えば、第１図および第２図
に示すように、方形波パルス状の電子シャッタパルスＳ
Pが印加される固体撮像素子（11）と、この固体撮像素
子（11）の出力信号S1をサンプリングパルスSHP,SHDに
よりサンプリングして雑音を除去する相関二重サンプリ
ング回路（20）とを備えた固体撮像装置において、この
電子シャッタパルスSPの非印加期間にこのサンプリング
パルスSHP2,SHD2をこの相関二重サンプリング回路（2
0）に供給するようにしたものである。

また、本発明固体撮像装置は、例えば、第３図および
第４図に示すように、方形波パルス状の電子シャッタパ
ルスＳPが印加される固体撮像素子（11）と、この固体
撮像素子（11）の出力信号をサンプリングパルスSHP,SH
Dによりサンプリングして雑音を除去する相関二重サン
プリング回路（20）とを備えた固体撮像装置において、
非水平ブランキング期間にこのサンプリングパルスSHP
2,SHD2をこの相関二重サンプリング回路（20）に供給す
るようにしたものである。

また、本発明固体撮像素子の出力信号処理方法は、方
形波パルス状の電子シャッタパルスが印加される固体撮
像素子の出力信号処理方法において、固体撮像素子（1
1）の出力信号S1を相関二重サンプリングするためのこ
の出力信号S1のサンプリングをこの電子シャッタパルス
SPの非印加期間に行うようにしたものである。

［作用］ 請求項１及び３記載の発明によれば電子シャッタパル
スＳPの非印加期間にサンプリングパルスＳHP1,SHD1を
相関二重サンプリング回路（20）に供給するようにして
いるので、電子シャッタパルスＳPの印加期間Ｔ0にはサ
ンプルホールド処理が行われることがなくなり、相関二
重サンプリング回路（20）の出力には電子シャッタパル
スＳPの発生を原因とする漏れ込み波形が現れることが
ない。

請求項２記載の発明によれば、非水平ブランキング期
間、言い換えれば、有効水平出力期間（１）にサンプリ
ングパルスＳHP2,SHD2を相関二重サンプリング回路（2
0）に供給するようにしているので、水平ブランキング
期間（２）内にはサンプルホールド処理が行われること
がなくなり、相関二重サンプリング回路（20）の出力に
は電子シャッタパルスＳPの発生を原因とする漏れ込み
波形が現れることがない。

［実施例］ 以下、本発明固体撮像装置の一実施例について図面を
参照して説明する。なお、以下の図面において、上記第
５図に示したものと対応するものには同一の符号を付け
その詳細な説明は省略する。

第１図において、（11）は固体撮像素子としてのCCD
撮像素子であり、このCCD撮像素子（11）は、方形波パ
ルス状の電子シャッタパルスＳPが印加される半導体基
体（12）を有し、この半導体基体（12）は浮遊コンデン
サ（図示せず）を介してこの半導体基体（１）に形成さ
れるフローティングディフュージョン等の電荷検出部
（13）に接続されている。この電荷検出部（13）の入力
側は電荷転送部（14）に接続され、出力側はFETである
ゲート回路（15）を介して電源ＶDDに接続されている。
また、電荷検出部（13）にはMOSアンプ（16）が接続さ
れ、このMOSアンプ（16）の図示しないソース側からは
出力信号、言い換えれば相関二重サンプリング回路（2
0）への入力信号S1が出力される。なお、上記電荷転送
部（14）の入力側には信号電荷を検出して蓄積する電荷
蓄積部（17）が接続されている。

入力信号S1はコンデンサ（21），（22）を介して２個
のサンプルホールド回路（23），（24）からなる第１の
サンプルホールド回路群（25）と３個のサンプルホール
ド回路（26）〜（28）からなる第２のサンプルホールド
回路群（29）に供給されている。この第１および第２サ
ンプルホールド回路群（25），（29）の出力信号は、非
反転入力端子に直流電圧源（30），（31）が接続されて
いる帰還増幅器（32），（33）を通じて、第１および第
２サンプルホールド回路群（25），（29）の入力側に帰
還されるとともに、差動増幅器（34）に供給される。こ
の差動増幅器（34）から出力信号S2が出力され、この出
力信号S2は図示しない映像信号処理回路に供給される。

上記CCD撮像素子（11）を構成する半導体基体（12）
には、直流的には、例えば、＋10Vの電圧が印加されて
おり、交流的には、例えば、＋10Vから＋20Vに変化する
振幅を有する電子シャッタパルスＳPがタイミングジェ
ネレータ（36）から供給される。タイミングジェネレー
タ（36）は図示しない高周波のクロック信号源を有し、
この高周波のクロック信号を分周して得られる水平同期
信号（図示せず）をタイミング基準として上記電子シャ
ッタパルスＳPを出力するものである。。また、タイミ
ングジェネレータ（36）からは上記水平同期信号および
上記高周波のクロック信号を分周等して得られるリセッ
トパルスＳRが出力され、上記ゲート回路（15）のリセ
ットゲートに供給される。同様に、タイミングジェネレ
ータ（36）から位相の異なる元の第１および第２サンプ
リングパルスＳHP,SHD、および水平ブランキングパルス
ＨBPが出力され、このうち、元の第１および第２サンプ
リングパルスＳHP,SHDは論理回路（37）を構成するアン
ド回路（38），（39）の一方の入力端子に供給される。
一方、水平ブランキングパルスＨBPは信号処理回路（4
0）を経てパルス幅の狭い制御パルスＮBPに変換されて
アンド回路（38），（39）の他方の入力端子に供給され
る。

アンド回路（38）の出力信号である第１サンプリング
パルスＳHP2はサンプルホールド回路（23），（27）に
供給され、アンド回路（39）の出力信号である第２サン
プリングパルスＳHD2はサンプルホールド回路（24），
（26），（28）に供給されている。

なお、タイミングジェネレータ（36）はカウンタおよ
びタイマ用IC等の論理ICから容易に構成することが可能
であり、信号処理回路（40）はフリップフロップおよび
モノステーブルマルチバイブレータ用IC等の論理ICから
容易に構成することが可能である。マイクロコンピュー
タを用いて構成してもよい。

次に上記実施例の動作について第２図の波形図を参照
しながら説明する。

先ず、タイミングジェネレータ（36）からは、第２図
Ａに示すように、水平ブランキング期間（２）内にパル
ス幅T0である電子シャッタパルスＳPが出力され、この
電子シャッタパルスＳPがCCD撮像素子（11）の半導体基
体（12）に供給されることで、電荷蓄積部（17）におけ
る余分の電荷が排出される。そして、有効水平出力期間
（１）（第２図Ａ参照）において、電荷蓄積部（17）に
蓄積された信号電荷は電荷転送部（14）、電荷検出部
（13）およびMOSアンプ（16）を通じて相関二重サンプ
リング回路（20）へ入力信号S1として供給される（第２
図Ｈ参照）。この入力信号S1には上述のようにオーバー
シュート（３）、レベル変動（４）およびアンダーシュ
ート（５）等の波形歪が存在する。

ここで、サンプルホールド用の元の第１および第２サ
ンプリングパルスＳHP,SHDは、第２図B,Cに示すよう
に、連続したパルス信号としてアンド回路（38），（3
9）の一方の入力端子に供給されている。また、第２図
Ｄに示す水平ブランキング期間（２）の間ハイレベルに
なる水平ブランキングパルスＨBPが信号処理回路（40）
に供給され、信号処理回路（40）は、この水平ブランキ
ングパルスＨBPに基づき、水平ブランキングパルスＨBP
のパルス幅T1（水平ブランキング期間（２）と同一であ
る）より狭く、かつ電子シャッタパルスＳPのパルス幅T
0より広いローレベルのパルス幅T2を有する制御パルス
ＮBP（第２図Ｅ参照）を発生し、アンド回路（38），
（39）の他方の入力端子に供給する。

したがって、アンド回路（38），（39）の出力側に
は、第２図F,Gに示すように、制御パルスＮBPのローレ
ベルの期間にはサンプリングパルスがマスクされた第１
および第２サンプリングパルスＳHP2,SHD2が現れ、それ
ぞれ相関二重サンプリング回路（20）に供給されること
になる。

この場合、第１のサンプリングパルスＳHP2は、周知
のように、リセットパルスＳRがゲート回路（15）に供
給された後にCCD撮像素子（11）の上述したKTC雑音（リ
セット雑音）による電圧をサンプルホールドするタイミ
ングで第１のサンプルホールド回路群（25）を構成する
サンプルホールド回路（23）に供給されるとともに、第
２のサンプルホールド回路群（29）を構成するサンプル
ホールド回路（27）に供給されている。一方、第２のサ
ンプリングパルスＳHD2は電荷検出部（13）における信
号電荷による電圧をサンプルホールドするタイミングで
第１のサンプルホールド回路群（25）を構成するサンプ
ルホールド回路（24）と第２のサンプルホールド回路群
（29）を構成するサンプルホールド回路（26），（28）
に供給されている。したがって、第１のサンプルホール
ド回路群（25）ではKTC雑音（リセット雑音）等を含む
電圧をサンプルホールドして差動増幅器（34）の反転入
力端子に供給し、第２のサンプルホールド回路群（29）
はKTC雑音（リセット雑音）等を含んだ信号電荷による
電圧を差動増幅器（34）の非反転入力端子に供給するこ
とになる。

そこで、差動増幅器（34）において、KTC雑音（リセ
ット雑音）等を含んだ信号電荷による電圧からKTC雑音
（リセット雑音）等による電圧が差し引かれて真の信号
電圧が出力信号S2として出力される。この出力信号S2に
は、電子シャッタパルスＳPのパルス幅T0間におけるサ
ンプリング値が混入していないので、第２図Ｉに示すよ
うに、オーバーシュート（３）、レベル変動（４）およ
びアンダーシュート（５）の波形歪のない高品質の信号
波形が得られることになる。

なお、サンプルホールド回路（24）はサンプルホール
ド回路（23）の出力値、言い換えれば直流信号となった
サンプル値をサンプルホールドするためのものであり、
サンプルホールド回路（28）は、このサンプルホールド
回路（24）に伴う時間遅れを合わせるために挿入された
ものである。また、帰還増幅器（32），（33）はそれぞ
れ第１および第２のサンプルホールド回路群（25），
（29）の入力側における電圧を直流電圧源（30），（3
1）の電圧に保持するように動作し、第１および第２の
サンプルホールド回路群（25），（29）ダイナミックレ
ンジを広く有効に使用するためのものである。

このように本実施例によれば、電子シャッタパルスの
印加期間、すなわち、パルス幅T0の期間にはサンプルホ
ールド処理が行われることがなくなり、相関二重サンプ
リング回路（20）の出力には電子シャッタパルスＳPの
発生を原因とする漏れ込み波形（雑音電圧）が現れるこ
とがないので、この相関二重サンプリング回路（20）以
降の回路の誤動作を起こさせることがないという効果が
得られる。

第３図は本発明の他の実施例の構成を示すブロック図
であり、第４図はこの第３図例の動作説明に供される波
形図である。なお、この第３図および第４図において、
第１図および第２図に示したものに対応するものには同
一の符号を付けている。

この第３図例において、第１図例と構成上異なる点は
論理回路（37）を構成する信号処理回路（40）がインバ
ータ回路（43）に変更されたことであり、したがって、
この新しい論理回路（42）のインバータ回路（43）から
は、第４図Ｅに示すように、入力される水平ブランキン
グパルスＨBPの反転信号であり、水平ブランキング期間
（２）（パルス幅T1に対応する期間）がローレベルとな
る制御パルス（/HBP）が出力される。これにより、アン
ド回路（38），（39）からはパルス幅T1の期間にサンプ
リングパルスの存在しない第１および第２のサンプリン
グパルスＳHP2,SHD2（第４図F,G参照）が出力され、相
関二重サンプリング回路（20）でパルス幅T1に対応する
水平ブランキング期間（２）ではサンプリング処理がな
されることがないので、相関二重サンプリング回路（2
0）の出力信号としては第２図Ｉに示した信号と同一の
出力信号S2（第４図Ｉ参照）が得られることになる。

このように第３図例によれば、第１図例と同様に、電
子シャッタパルスＳPの印加期間、すなわち、パルス幅T
0を含んだ水平ブランキング期間（２）（パルス幅T1）
にはサンプルホールド処理が行われることがなくなり、
相関二重サンプリング回路（20）の出力には電子シャッ
タパルスＳPの発生を原因とする漏れ込み波形が現れる
ことがないので、この相関二重サンプリング回路（20）
以降の回路の誤動作を起こさせることもないという効果
が得られる。

なお、本発明は上記の実施例に限らず本発明の要旨を
逸脱することなく種々の構成を採り得ることはもちろん
である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、電子シャッタ
パルスの非印加期間にサンプリングパルスを相関二重サ
ンプリング回路に供給するようにしているので、電子シ
ャッタパルスの印加期間には相関二重サンプリング処理
が行われることがなくなり、相関二重サンプリング回路
の出力には電子シャッタパルスの発生を原因とする漏れ
込み波形が現れることのない高品質の信号が得られると
いう効果を奏する。また、相関二重サンプリング処理以
降の信号処理回路の誤動作を引き起こすこともなく、信
頼性の高い固体撮像装置を得ることができるという利点
が得られる。

また、本発明によれば、非水平ブランキング期間、言
い換えれば、有効水平出力期間にサンプリングパルスを
相関二重サンプリング回路に供給するようにしているの
で、水平ブランキング期間内には相関二重サンプリング
処理が行われることがなくなり、相関二重サンプリング
回路の出力には電子シャッタパルスの発生を原因とする
漏れ込み波形が現れることのない高品質の信号が得られ
るという効果を奏する。また、相関二重サンプリング処
理以降の信号処理回路の誤動作を引き起こすこともなく
信頼性の高い固体撮像装置を得ることができるという利
点が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による固体撮像装置の一実施例の構成を
示す回路図、第２図は第１図例の動作説明に供される波
形図、第３図は本発明による固体撮像装置の他の実施例
の構成を示す回路図、第４図は第３図例の動作説明に供
される波形図、第５図は電子シャッタパルスの影響を説
明する従来の技術による波形図である。 （11）は固体撮像素子、（20）は相関二重サンプリング
回路、（37），（42）は論理回路、ＨBPは水平ブランキ
ングパルス、ＳPは電子シャッタパルス、ＳHP,SHD,SHP
1,SHD1,SHP2,SHD2はサンプリングパルスである。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】方形波パルス状の電子シャッタパルスが印
   加される固体撮像素子と、 この固体撮像素子の出力信号をサンプリングパルスによ
   りサンプリングして雑音を除去する相関二重サンプリン
   グ回路とを備えた固体撮像装置において、 前記電子シャッタパルスの非印加期間に前記サンプリン
   グパルスを前記相関二重サンプリング回路に供給するよ
   うにしたことを特徴とする固体撮像装置。
2. 【請求項２】方形波パルス状の電子シャッタパルスが印
   加される固体撮像素子と、 この固体撮像素子の出力信号をサンプリングパルスによ
   りサンプリングして雑音を除去する相関二重サンプリン
   グ回路とを備えた固体撮像装置において、非水平ブラン
   キング期間に前記サンプリングパルスを前記相関二重サ
   ンプリング回路に供給するようにしたことを特徴とする
   固体撮像装置。
3. 【請求項３】方形波パルス状の電子シャッタパルスが印
   加される固体撮像素子の出力信号処理方法において、固
   体撮像素子の出力信号を相関二重サンプリングするため
   の前記出力信号のサンプリングを前記電子シャッタパル
   スの非印加期間に行うようにしたことを特徴とする固体
   撮像素子の出力信号処理方法。