JP3037993B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

固体撮像装置

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JP3037993B2 JP2289197A JP28919790A JP3037993B2 JP 3037993 B2 JP3037993 B2 JP 3037993B2 JP 2289197 A JP2289197 A JP 2289197A JP 28919790 A JP28919790 A JP 28919790A JP 3037993 B2 JP3037993 B2 JP 3037993B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、各画素間に蓄積時間差が生じないように
した、電荷変調素子(Charge Modulation Device:以下C
MDと略称する)を画素として用いたシャッター機能付の
固体撮像装置に関する。
[従来の技術] 従来、MIS型受光・蓄積部を有する撮像素子からなる
固体撮像装置は種々のものが知られているが、その中、
MIS型受光・蓄積部を有し、且つ内部増幅機能を有する
撮像素子を用いた固体撮像装置がある。
その一例として、本件出願人が提案したCMD撮像素子
を用いた固体撮像装置があり、特開昭61−84059号公
報、及び1986年に開催されたInternational Electron D
evice Meeting(IEDM)の予稿集の第353〜356頁の“A N
EW MOS IMAGE SENSOR OPERATING IN A NON−DESTRUCTIV
E READOUT MODE"という題名の論文で、その内容につい
て開示がなされている。
次に、かかるCMD撮像素子を用いた従来の固体撮像装
置を第2図の回路構成図に基づいて説明する。まず、各
画素を構成するCMD1−11,1−12,…1−mnをマトリクス
状に配列し、その各ドレインには共通にビデオバイアス
VDD(>0)を印加する。X方向に配列されたCMD群のゲ
ート端子は行ライン2−1,2−2,…2−mにそれぞれ接
続し、Y方向に配列されたCMD群のソース端子は、列ラ
イン3−1,3−2,…3−nにそれぞれ接続する。上記列
ライン3−1,3−2,…3−nは、それぞれ列選択用トラ
ンジスタ4−1,4−2,…4−n及び反選択用トランジス
タ5−1,5−2,…5−nを介して、信号線6及びGNDに接
地されたレファレンス・ライン7にそれぞれ共通に接続
する。信号線6は入力が仮想接地された電流−電圧変換
型のプリアンプ12に接続され、プリアンプ12の出力端9
には負極性の映像信号が時系列で読み出される。また、
行ライン2−1,2−2,…2−mは垂直走査回路10に接続
して、それぞれ信号φG1G2,…φGmを印加し、列選択
用トランジスタ4−1,4−2,…4−n及び反選択用トラ
ンジスタ5−1,5−2,…5−nのゲート端子は、水平走
査回路11に接続して、それぞれ信号φS1S2,…φSn
び各々の反転信号を印加する。
なお、各CMDは同一基板上に形成し、その基板には基
板電圧VSUBを印加するようになっている。
第3図は、第2図に示したCMD撮像素子を用いた固体
撮像装置の動作を説明するための信号波形図である。行
ライン2−1,2−2,…2−mに印加する信号φG1G2,
…φGmは、読出しゲート電圧VRDとリセット電圧VRST,オ
ーバーフロー電圧VOF,蓄積電圧VINTよりなり、非選択行
においては映像信号の水平有効期間中は蓄積電圧VINT
水平帰線期間中はオーバーフロー電圧VOFとなり(前記
オーバーフロー電圧VOFについては特開昭61−136388号
公報を参照のこと)、選択行においては映像信号の水平
有効期間中は読み出しゲート電圧VRD、水平帰線期間中
はリセット電圧VRSTとなる。また、列選択用トランジス
タ4−1,4−2,…4−nのゲート端子に印加する信号φ
S1S2,…φSnは、列ライン3−1,3−2,…3−nを選
択するための信号で、低レベルは列選択用トランジスタ
4−1,4−2,…4−nをオフ、反選択用トランジスタ5
−1,5−2,…5−nをオン、高レベルは列選択用トラン
ジスタ4−1,4−2,…4−nをオン、反選択用トランジ
スタ5−1,5−2,…5−nをオフする電圧値になるよう
に設定され、各CMD画素の光信号を信号線6により順次
読み出し、プリアンプ12で増幅して出力するようになっ
ている。
なお、第2図中φHSTH1H2は、水平走査回路11
を駆動するためのスタート信号及びクロック信号を示し
ている。φVSTV1V2は、垂直走査回路10を駆動す
るためのスタート信号及びクロック信号を示している。
V1,V2,V3はそれぞれ画素のゲートに与える前記読出し電
圧VRD、リセット電圧VRST、オーバーフロー電圧VOFを与
える端子を示している。
しかし、本固体撮像素子においては、画素毎の特性ば
らつきが、信号出力に現れる、いわゆる固定パターンノ
イズ(Fixed Pattern Noise:以下FPNと称す)が大き
く、本固体撮像素子の主たるノイズ源となっている。こ
のFPNの要因は、画素のトランジスタ特性のばらつきと
光電荷蓄積部に発生する暗電荷量のばらつきが考えられ
るが、前者の方が支配的で、これは出力電圧のオフセッ
ト補正で、かなり改善されることが最近わかってきた。
(参考文献:“CMD撮像素子のFPN抑圧駆動法”テレビジ
ョン学会全国大会予稿,3−7,1990) 前記オフセット補正機能を有する固体撮像装置とし
て、第4図のような構成の固体撮像装置がある。すなわ
ち、固体撮像素子20とその光学系の中に配置された機械
的な遮光手段23と前記固体撮像素子20の全画素信号出力
を保持することのできるフレームメモリ25と、前記固体
撮像素子20の出力と前記フレームメモリ25の出力の差動
をとる差動増幅器26と、前記固体撮像素子20、前記遮光
手段23及び前記フレームメモリ25の動作タイミングを与
えるタイミング信号発生器(タイミング信号発生手段)
24を備えた固体撮像装置において、前記遮光手段23、タ
イミング信号発生器24及びフレームメモリ25の差動によ
り、少なくとも1フレーム期間は遮光してこの期間の前
記固体撮像素子20の出力を暗時FPN信号として前記フレ
ームメモリ25に保持し、遮光しない期間は前記固体撮像
素子20から各画素の信号を順次読み出し、同時に同画素
の暗時FPN信号が前記フレームメモリ25から出力される
ようにし、前記差動増幅器26によって前記固体撮像素子
20の出力と前記暗時FPN信号出力の差動をとることによ
って暗時FPN補正された映像信号を得るものである。
[発明が解決しようとする課題] しかしながら、従来のFPN補正機能を有する固体撮像
装置においては、機械的な遮光手段23が必要であり、こ
れはシステムの規模、重量、コストを増大させる。
本発明は、上記問題点を解消するためになされたもの
で、機械的な遮光手段を必要としないCMD撮像素子、及
びこれに類似した固体撮像素子のFPN補正機能を有する
固体撮像装置を提供することを目的とするものである。
[課題を解決するための手段] 上記課題を解決し目的を達成するために、本発明の固
体撮像装置は以下の如く構成されている。
本発明の固体撮像装置は、光照射により生成され蓄積
された電荷量によりソース・ドレイン電流が変調される
トランジスタを画素として行列状に配列した撮像素子
と、前記撮像素子の周辺部に前記画素の蓄積電荷に対応
する前記ソース・ドレイン電流を読み出すための読み出
し信号と、前記画素の蓄積電荷をすべて排出するための
リセット信号と、前記画素についてリセット後次の読み
出しの前に蓄積電荷の一部を排出するためのオーバーフ
ロー信号とを選択的に前記画素のゲートに印加する駆動
手段と、前記撮像素子から暗時固定パターンノイズ信号
を読み出して保持する保持手段と、前記撮像素子からの
画素信号と前記保持手段に保持された前記暗時固定パタ
ーンノイズ信号との差動をとる補正手段と、前記各信号
と前記保持手段の動作タイミングを与えるタイミング信
号発生手段と、を備えた固定撮像装置において、前記撮
像素子のオーバーフロー信号電圧を制御するオーバーフ
ロー信号電圧制御手段を備え、少なくとも1フレーム期
間は、前記オーバーフロー信号電圧制御手段によりオー
バーフロー信号電圧をリセット信号電圧とし、水平ブラ
ンキング期間毎にリセット動作を行なうとともに、前記
少なくとも1フレーム期間における前記撮像素子の出力
を暗時固定パターンノイズ信号とする。
[作 用] 上記手段を講じた結果、以下のような作用を奏する。
本発明の固体撮像装置によれば、オーバーフロー信号
電圧制御手段を設け、少なくとも1フレーム期間にわた
ってオーバーフロー信号電圧をリセット信号電圧に切換
え、オーバーフロー動作の換わりに水平ブランキング期
間毎に全画素のリセット動作を行うことにより、この期
間の前記撮像素子の各画素の露光時間は1水平走査時間
以下の極めて短いものとなり、実質的に暗状態と等価と
みなすことができる。したがって、この期間に読み出さ
れる出力信号は全画素分の暗時固定パターンノイズとな
り、機械的な遮光手段を必要とせずに暗時固定パターン
ノイズを読み出すことができるとともに、読み出した固
定パターンノイズを補正する機能を簡単に実現できる。
[実施例] 第1図は本発明に係る固体撮像装置の一実施例を示す
構成図である。
CMD撮像素子20は第2図に示したものと同一のもので
あるのでその構成の説明は省略する。前記CMD撮像素子2
0の出力はプリアンプ12に接続し、その出力は差動増幅
器26の一方の入力端及びフレームメモリ25の入力端に印
加されるように接続する。このフレームメモリ25の出力
は、前記差動増幅器26のもう一方の入力端に印加される
ように接続する。前記撮像素子20の読み出し信号電圧電
源端子V1,リセット信号電圧電源端子V2及びオーバーフ
ロー信号電圧電源端子V3のうち、電源端子V1および電源
端子V2は電源21に接続し、それぞれ読み出し信号電圧V
RD及びリセット信号電圧VRSTを印加するようにし、電源
端子V3は電源切り換え用スイッチ回路27を介して前記電
源に接続し、リセット信号電圧VRSTとオーバーフロー信
号電圧VOFのどちらかが電源端子V3に印加されるように
する。また、前記スイッチ回路27の切り換え制御、前記
撮像素子20の動作及び前記フレームメモリ25の動作は、
タイミング信号発生器24からの信号により行われるよう
に構成する。
次に、本固体撮像装置の動作について説明する。
タイミング信号発生器24からの制御信号により、電源
切り換え用スイッチ回路27が作動し、撮像素子のオーバ
ーフロー信号電圧電源端子V3にリセット電圧VRSTが印加
される。
この場合、撮像素子20の各画素にオーバーフロー信号
を印加する期間は、画素信号を読み出さない期間、即
ち、水平ブランキングタイムであるから、撮像素子20の
各画素のゲートは、水平ブランキングタイム毎にリセッ
ト信号電圧となり、各画素の露光時間は1水平有効走査
期間以下となる。
従って、入射光による信号出力は(1フィールドの走
査線数)分の1となるから、NTSC規格で撮像素子20を動
作させた場合、0.4%以下となり、暗時出力とみなすこ
とができる。
前記電源端子V3を1フレーム期間以上リセット信号電
圧VRSTとすることにより、全画素分の暗時出力信号を撮
像素子20から読み出し、プリアンプ12により増幅してフ
レームメモリ25に暗時FPN信号として保持する。
続いて、タイミング信号発生器24からの制御信号によ
り電源切り換え用スイッチ回路27が作動し、撮像素子20
のオーバーフロー信号電圧電源端子V3に読み出し信号電
圧近傍のオーバーフロー信号電圧VOFが印加されると、
撮像素子20は従来例と全く同様に動作して各画素の信号
出力が読み出され、プリアンプ12の出力より映像信号を
得ることができる。
このとき、タイミング信号発生器24からの基準信号に
より、フレームメモリ25は撮像素子20から読み出される
画素信号と同画素の暗時FPN信号を逐次に読み出し、撮
像素子20からの映像信号とともに、差動増幅器26に入力
する。差動増幅器26により、これら信号の差動をとるこ
とによって、暗時FPN信号が除去された映像信号をその
出力端より得ることができる。本固体撮像装置は暗電荷
量のばらつき補正はおこなわれないが、前述したように
暗電荷量をばらつきは撮像素子20のFPNの主要因ではな
いので、従来例で示した固体撮像装置と同等のFPN除去
効果を有する。また、本固体撮像装置には、機械的な遮
光手段を必要としないので、軽量でコンパクトで安い固
体撮像装置を提供することができる。
尚、本実施例においては、電源切り換え用スイッチ回
路27は、CMD撮像素子20とは別に構成したが、もちろん
前記CMD撮像素子20に内蔵させてもよい。
また、本実施例において暗時FPN信号をフレームメモ
リ25に保持する際に、同画素の信号を複数回平均してか
ら保持するようにすれば、前記CMD固体撮像素子20の信
号出力に重畳されているランダムノイズが低減されなお
一層FPN除去効果は向上する。
さらに、上記実施例においては、CMD撮像素子20を用
いた撮像システムを示したが、例えば特開昭60−105272
号公報に開示されているSIT撮像素子のように、光照射
により生成され蓄積された電荷のうち過剰に蓄積された
電荷を、CMD撮像素子20と同様に画素からの信号を取り
出さない期間にオーバーフロー動作を行う固体撮像素子
を用いても、前記実施例と同様の機能を有する固体撮像
装置を得ることができることは言うまでもない。
[発明の効果] 本発明によれば、CMD撮像素子及びこれに類似した固
体撮像素子を用いて、機械的遮光手段を必要とせず、シ
ステムの規模、重量、コストを従来より低減させること
ができる固体撮像装置を提供することができる。
【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を示す構
成図、第2図は従来のCMD撮像素子を用いた固体撮像装
置の一例を示す回路図、第3図は第2図の動作を説明す
るためのタイミングチャート、第4図は第2図の問題点
を解決する従来の固体撮像装置の一例を示す構成図であ
る。 12……プリアンプ、21……電源、22……レンズ、24……
タイミング信号発生器、25……フレームメモリ、26……
差動増幅器、27……電源切り換え用スイッチ回路。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光照射により生成され蓄積された電荷量に
    よりソース・ドレイン電流が変調されるトランジスタを
    画素として行列状に配列した撮像素子と、 前記撮像素子の周辺部に前記画素の蓄積電荷に対応する
    前記ソース・ドレイン電流を読み出すための読み出し信
    号と、前記画素の蓄積電荷をすべて排出するためのリセ
    ット信号と、前記画素についてリセット後次の読み出し
    の前に蓄積電荷の一部を排出するためのオーバーフロー
    信号とを選択的に前記画素のゲートに印加する駆動手段
    と、 前記撮像素子から暗時固定パターンノイズ信号を読み出
    して保持する保持手段と、 前記撮像素子からの画素信号と前記保持手段に保持され
    た前記暗時固定パターンノイズ信号との差動をとる補正
    手段と、 前記各信号と前記保持手段の動作タイミングを与えるタ
    イミング信号発生手段と、を備えた固定撮像装置におい
    て、 前記撮像素子のオーバーフロー信号電圧を制御するオー
    バーフロー信号電圧制御手段を備え、 少なくとも1フレーム期間は、前記オーバーフロー信号
    電圧制御手段によりオーバーフロー信号電圧をリセット
    信号電圧とし、水平ブランキング期間毎にリセット動作
    を行なうとともに、前記少なくとも1フレーム期間にお
    ける前記撮像素子の出力を暗時固定パターンノイズ信号
    とすることを特徴とする固体撮像素子。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011114733A (ja) * 2009-11-30 2011-06-09 Hoya Corp 撮像装置、電子スコープ、及び電子内視鏡システム

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JP2011114733A (ja) * 2009-11-30 2011-06-09 Hoya Corp 撮像装置、電子スコープ、及び電子内視鏡システム

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