JP3275579B2

JP3275579B2 - イメージセンサ

Info

Publication number: JP3275579B2
Application number: JP25828794A
Authority: JP
Inventors: トロンナムチャイクライソン; 千典農宗
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1994-10-24
Filing date: 1994-10-24
Publication date: 2002-04-15
Anticipated expiration: 2017-04-15
Also published as: JPH08122149A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、信号の時間・空間微積
分を各画素でできるようにしたイメージセンサに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のイメージセンサとしては、例えば
図２９に示すようなものがある（「増幅型固体撮像素
子」ＡＭＩ（Amplified MOS Intelligent Imager）、安
藤文彦、竹歳和久、中村一彦、今井正晴、テレビ学会
誌、Vol.41,No.11,pp.1075〜1082,1987)。同図は、ＡＭ
Ｉと呼ばれるイメージセンサの一画素の構成を示してい
る。その構成及び動作を説明する。フォトダイオードＰ
Ｄによって光が光電流に変換され、変換された光電流に
対応した電荷が増幅用ＭＯＳトランジスタＴＡによって
増幅されてから出力されるようになっている。このよう
に光電変換された電荷を直接読み出さずに増幅用ＭＯＳ
トランジスタＴＡを介して読み出すようにした結果、信
号を非破壊で読み出すことが可能となる。スイッチＳＲ
は蓄積された信号電荷をリセットし、増幅用ＭＯＳトラ
ンジスタＴＡのゲート電位を初期値Ｖ_bにセットするた
めのものであり、例えばＰ型、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴやアナ
ログスイッチが用いられる。Ｖ_dは電源、ＯＵＴは出力
である。

【０００３】実際のイメージセンサは、図３０に示すよ
うに、図２９に示した１画素分のＡＭＩを１ないし２次
元上に配置し、画素選択用スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ１
１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２などで各画素１と読み出し
用増幅器２とを結ぶことで構成されている。ＣＳは読み
出された信号を保持するための静電容量であり、それ用
に静電容量を形成する以外にも読み出し線及び読み出し
用増幅器２の入力の寄生容量で代用することができる。

【０００４】例えばＸ１，Ｙ１の交点にある画素１を選
択するには、まず行選択線Ｙ１を選択する。その結果、
Ｓ１１，Ｓ２１が導通状態となり、Ｙ１行に配置されて
いる全ての画素１の出力が垂直信号線に出力される。次
に列選択線Ｘ１を選択するとＳ１が導通状態となり、Ｘ
１列の垂直信号線のみが読み出し線及び読み出し用増幅
器２に接続される。従って画素（Ｘ１，Ｙ１）の信号が
読み出され、静電容量ＣＳに保持される。このようなＸ
Ｙアドレス方式はＣＣＤなどで用いられている電荷転送
方式に比べて任意の画素を容易に選択することができ
て、特に画像処理に適している。

【０００５】図３１に、フォトダイオードＰＤの等価回
路を示す。光照射によってフォトダイオードＰＤが光電
流Ｉ_phを生成する。フォトダイオードＰＤは光電流生成
以外にもダイオードとして動作する。フォトダイオード
ＰＤのダイオード動作を表わすために、光電流を生成し
ないダイオードＤを用いる。ＣはダイオードＤの接合静
電容量や増幅用ＭＯＳトランジスタＴＡのゲート静電容
量などの合計を表わしている。まずスイッチＳＲによっ
て静電容量Ｃがリセットされる。スイッチＳＲを開放に
すると光電流Ｉ_phによって静電容量Ｃが充電される。そ
の結果、静電容量Ｃの両端の電圧Ｖが上昇し、ダイオー
ドＤが順バイアスされる。露光時間が長くなるか又は光
が強い場合には静電容量Ｃに多くの電荷が蓄積し、電圧
Ｖが大きくなる。電圧ＶがついにはダイオードＤの順方
向ターンオン電圧Ｖ_f（Ｓｉの場合室温で大体０．７
Ｖ）を超えると電流ＩがダイオードＤを流れる。その結
果、静電容量ＣにはＣ・Ｖ_fで決まる一定以上の電荷を
蓄積することができない。このことは各画素１の出力は
ある一定値を超えることができずに飽和することを意味
する。

【０００６】図３２に従来のイメージセンサの応用例を
示す。その構成及び作用を説明する。発光手段５を用い
て光を被写体７に照射し、その反射光又は透過光を図示
しないレンズ等の光学系を介してイメージセンサ３で撮
像する。被写体７には発光手段５からの光以外にも例え
ば太陽光などの外来光で照射されている。野外撮像など
の場合には外来光を制御することができないので外来光
が雑音となる。そこで外来光よりも発光手段５の発光量
を十分強くして撮像する方法があるが、特に太陽光のよ
うな非常に強い外来光の場合には、この方法は使えな
い。それは発光手段５の発光量が強すぎると被写体７や
環境に影響を与えてしまうからである。そこで、発光手
段５を断続的に発光させるなどして、発光手段５の光が
照射している場合と外来光だけの場合の差をとることで
外来光の影響を打消す方法が考えられている。まず発光
手段５を点灯し、イメージセンサ３で撮像する。撮像し
た画像をスイッチＳＡ１を介して画像メモリ４へ転送す
る。次に発光手段５を消灯し、イメージセンサ３で再び
撮像する。但し今度はスイッチＳＡ２及びＳＡ３を導通
させ、画像メモリ４内の信号と撮像信号のそれぞれを差
動増幅器６の非反転入力端子（＋）、反転入力端子
（−）へ転送する。従って差動増幅器６は外来光の影響
のない画像信号を出力する。

【０００７】ここで実時間で動画像を撮像するには、差
動増幅器６の１フレーム当りの出力時間は、おおよそ３
０ｍｓ以下にしなければならない。即ちイメージセンサ
３の１フレーム当りの出力時間は、おおよそ１５ｍｓ以
下でなければならない。イメージセンサの画素数は例え
ば５１２×１２８画素とする。イメージセンサ３をＸ，
Ｙ方向順に走査する場合には１行当りの行選択線が選択
される時間はおおよそ１２０μｓ（８．５ｋＨｚ）以
下、また１画素当りが選択される時間はおおよそ２３０
ｎｓ（４．４ＭＨｚ）以下となる。イメージセンサ３の
ある画素、例えば（Ｘ１，Ｙ１）が選択されてから次に
選択されるまでの時間間隔はおおよそ１５ｍｓである。
この時間を全部電荷の蓄積に使ったとしたときのイメー
ジセンサ３の出力信号が図３３中の実線（Ａ）のように
なるとする。ここでは外来光が強く、外来光による出力
をＶ_o、信号光の出力をＶ₁とする。同図から分るよう
に出力が飽和値よりも大きくなってしまっているために
実際の出力は飽和し、信号を取り出すことができない。
そこで例えばフレーム転送速度を上げるなどの処理によ
って露光時間（＝電荷の蓄積時間）を短かくして出力が
飽和しないようにしたとする。そのときのイメージセン
サ３の出力を図３３中の一点鎖線（Ｂ）に示す。この場
合、信号光による出力分Ｖ₃も小さくなってしまい（Ｖ
₃≪Ｖ₁）、信号の検出が困難になる。そこで、出力
（Ｂ）から外来光の影響を消去した信号Ｖ₃を取り出
し、信号Ｖ₃を別の画像メモリに蓄積することで信号を
Ｖ₄のように増幅できれば大きな出力を得ることができ
検出が容易になる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来のイメージセンサにあっては、信号成分Ｖ₃を
取り出すには、イメージセンサから画像メモリ４へ２フ
レーム分の画像信号を転送するようになっていたため、
信号成分Ｖ₃を蓄積増幅するにはフレーム転送速度を上
げなければならず、例えば信号成分Ｖ₃を１００回分蓄
積するには、イメージセンサのフレーム転送時間をおお
よそ１５０μｓ以下にしなければならず、１画素当りの
選択時間はおおよそ２．３ｎｓ（４４０ＭＨｚ）と非常
に小さくなってしまい、このような超高速スイッチング
は実現が困難であるという問題点があった。

【０００９】本発明は、このような従来の問題点に着目
してなされたもので、超高速スイッチングをしなくても
出力が飽和しにくく容易制御性を有し、かつ画素を微細
化することができるイメージセンサを提供することを目
的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明は、各画素に、入射光を光電流
に光電変換する光電変換部と、前記光電流に対応した電
荷を一時的に蓄積する蓄積用静電容量と、該蓄積用静電
容量に蓄積された電荷から雑音光に対応した雑音電荷成
分を減じた信号電荷成分を、発光手段による複数の点消
灯に相当する所定時間の間、加算蓄積する保持用静電容
量と、前記信号電荷成分を前記点消灯毎に前記保持用静
電容量に転送する転送手段と、前記所定時間毎に前記保
持用静電容量に保持された電荷を読み出す読み出し手段
とを設けてなることを要旨とする。

【００１１】請求項２記載の発明は、各画素に、入射光
を光電流に光電変換する光電変換部と、前記光電流に対
応した電荷を一時的に蓄積する蓄積用静電容量と、該蓄
積用静電容量に蓄積された電荷から雑音光に対応した雑
音電荷成分を減じた信号電荷成分を、発光手段による複
数の点消灯に相当する所定時間の間、加算蓄積する保持
用静電容量と、信号光を含む入射光に対応して前記蓄積
用静電容量に蓄積された電荷を前記点消灯毎に当該蓄積
用静電容量の一方の電極から取り出して前記保持用静電
容量に転送し雑音光に対応して前記蓄積用静電容量に蓄
積された雑音に相当する負電荷を前記点消灯毎に当該蓄
積用静電容量の反対の電極から取り出して前記保持用静
電容量に転送する転送手段と、前記所定時間毎に前記保
持用静電容量に保持された電荷を読み出す読み出し手段
とを設けてなることを要旨とする。

【００１２】請求項３記載の発明は、各画素に、入射光
を光電流に光電変換する光電変換部と、信号光を含む入
射光による光電流に対応した電荷から雑音光に対応した
雑音電荷成分を減じた信号電荷成分を加算蓄積する保持
用静電容量と、前記光電変換部からの前記信号光を含む
入射光に対応した電荷出力と前記雑音電荷成分出力とを
前記保持用静電容量の正電極と負電極との間に互いに逆
極性となるように転送する転送手段とを設けてなること
を要旨とする。

【００１３】請求項４記載の発明は、上記請求項２又は
３記載のイメージセンサにおいて、前記転送手段は、オ
ペレーションアンプ又はボルテージフォロワ及びソース
フォロワを含む単位利得バッファの何れかとＭＯＳＦＥ
Ｔなどからなるスイッチで構成してなることを要旨とす
る。

【００１４】請求項５記載の発明は、上記請求項１，２
又は３記載のイメージセンサにおいて、前記蓄積用静電
容量の少なくとも一部は、前記光電変換部の接合容量又
は配線容量の寄生容量で形成してなることを要旨とす
る。

【００１５】請求項６記載の発明は、上記請求項１，２
又は３記載のイメージセンサにおいて、前記保持用静電
容量の少なくとも一部は、前記オペレーションアンプな
いしは前記単位利得バッファの入力容量又は配線容量の
寄生容量で形成してなることを要旨とする。

【００１６】請求項７記載の発明は、上記請求項１，２
又は３記載のイメージセンサにおいて、前記蓄積用静電
容量に蓄積された電荷又は負電荷を前記保持用静電容量
へ転送するタイミングは、被写体への投光のタイミング
と同期するように構成してなることを要旨とする。

【００１７】請求項８記載の発明は、上記請求項１，２
又は３記載のイメージセンサにおいて、前記保持用静電
容量へ電荷又は負電荷を転送する周波数は当該保持用静
電容量から信号を読み出す周波数より大なるように構成
してなることを要旨とする。

【００１８】請求項９記載の発明は、上記請求項１，２
又は３記載のイメージセンサにおいて、前記転送手段が
前記蓄積用静電容量に蓄積された正又は負電荷を転送す
る先の保持用静電容量は、当該蓄積用静電容量の属する
画素の保持用静電容量に代えて他の画素に属する保持用
静電容量であることを要旨とする。

【００１９】

【００２０】

【００２１】

【００２２】

【００２３】

【作用】請求項１記載の発明では、被写体からの反射光
又は透過光等の入射光が光電変換部で光電流に変換さ
れ、その光電流に対応した電荷が蓄積用静電容量に一時
的に蓄積される。この蓄積用静電容量に蓄積された電荷
のうち外来光等の雑音光に対応した雑音電荷成分が減じ
られ、信号電荷成分のみが保持用静電容量に転送されて
保持される。保持用静電容量への信号電荷成分の加算蓄
積は１フレーム中行なわれ、１フレームに１回の読み出
しが行われる。蓄積用静電容量への電荷蓄積時間は、画
素読み出し、即ち保持用静電容量からの電荷読み出しの
タイミングから独立して設定することができるので、超
高速スイッチングをしなくても蓄積電荷の飽和を抑える
ことが可能となる。したがって蓄積用静電容量の容量値
及びその寸法を従来よりも小さくすることが可能とな
る。また保持用静電容量には、信号電荷成分のみが１フ
レーム中に加算蓄積されるので飽和を抑えることができ
て上記と同様に容量値及び寸法を小さくすることが可能
になるとともに、大きな出力が得られる。

【００２４】請求項２記載の発明では、まず信号光を含
む入射光に対応した電荷が蓄積用静電容量に一時的に蓄
積され、この電荷が一方の電極から取り出されて保持用
静電容量に転送される。次いで雑音光に対応した雑音電
荷成分が蓄積用静電容量に一時的に蓄積され、相当する
負電荷が反対の電極から取り出されて保持用静電容量に
転送される。したがって保持用静電容量には、各周期毎
に、上記の正、負の電荷の和である信号電荷成分のみが
蓄積される。蓄積用静電容量は１個のみで済み、画素の
微細化が可能となる。

【００２５】請求項３記載の発明では、光電変換部から
の信号光を含む入射光に対応した電荷出力と雑音電荷成
分出力とが保持用静電容量の正電極と負電極との間に互
いに逆極性となるように転送される。これにより、保持
用静電容量で雑音電荷成分の減算が直接行われて蓄積用
静電容量の配設が不要となる。

【００２６】請求項４記載の発明では、上記請求項２又
は３記載の発明において、転送手段としてオペレーショ
ンアンプ又は単位利得バッファとＭＯＳＦＥＴなどから
なるスイッチを用いることにより、蓄積用静電容量に蓄
積された正、負の電荷を、保持用静電容量の容量の大き
さに関係なく、全て保持用静電容量に転送することが可
能となる。したがって残像による画像の劣化が防止され
る。

【００２７】請求項５記載の発明において、蓄積用静電
容量の少なくとも一部は、フォトダイオード等で構成さ
れた光電変換部の接合容量又は配線容量の寄生容量で形
成することが可能である。これにより画素の微細化が可
能となる。

【００２８】請求項６記載の発明において、保持用静電
容量の少なくとも一部は、転送手段として用いられるオ
ペレーションアンプ等の入力容量又は配線容量の寄生容
量で形成することが可能である。これにより上記と同様
に画素の微細化が可能となる。

【００２９】請求項７記載の発明において、蓄積用静電
容量に蓄積された電荷を保持用静電容量へ転送するタイ
ミングを、被写体への投光のタイミングと同期させるこ
とにより、各周期毎に信号電荷成分を保持用静電容量に
蓄積させることが可能となる。

【００３０】請求項８記載の発明において、画素内にお
ける電荷転送の周波数は、画素読み出しの周波数から独
立して設定することが可能である。保持用静電容量への
電荷転送の周波数を画素読み出しの周波数より大きく設
定することにより、画素出力が飽和せず、かつ大きな出
力を得ることが可能となる。

【００３１】請求項９記載の発明では、蓄積用静電容量
に蓄積された電荷が他の画素の保持用静電容量に転送さ
れて空間微分作用が行われる。空間微分適用の場合に
は、転送のタイミングを被写体への投光のタイミングと
同期をとる必要がなく、容易制御性が得られる。

【００３２】

【００３３】

【００３４】

【００３５】

【００３６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は、本発明の第１実施例を示す図である。ま
ず構成を説明する。入射光を光電変換するための光電変
換部としてＰＩＮフォトダイオードＰＤＢが用いられ、
その出力側がスイッチＳＢ１，ＳＢ２を介して電荷を一
時的に蓄積するための蓄積用静電容量ＣＢ₁，ＣＢ₂に
それぞれ接続されている。蓄積用静電容量ＣＢ₁，ＣＢ
₂それぞれの負電極は両方とも接地され、蓄積用静電容
量ＣＢ₁の正電極はスイッチＳＢ３を介してオペレーシ
ョンアンプ８の反転入力端子（−）に接続され、他の蓄
積用静電容量ＣＢ₂の正電極はスイッチＳＢ４を介して
オペレーションアンプ８の非反転入力端子（＋）に接続
されている。オペレーションアンプ８の出力端子は、演
算結果を蓄積するための保持用静電容量ＣＢ₃の負電極
に接続され、この接続点がそのまま出力端子ＯＵＴとな
る。保持用静電容量ＣＢ₃の正電極はオペレーションア
ンプ８の反転入力端子（−）に接続されている。スイッ
チＳＢ５，ＳＢ６，ＳＢ７はそれぞれ静電容量ＣＢ₁，
ＣＢ₂，ＣＢ₃のリセット用スイッチ、Ｖ_dは電源であ
る。

【００３７】次に、上述のように構成されたイメージセ
ンサの作用を説明する。リセット用スイッチＳＢ５，Ｓ
Ｂ６を導通させて蓄積用静電容量ＣＢ₁，ＣＢ₂をリセ
ットする。リセット用スイッチＳＢ５，ＳＢ６をオフ
し、スイッチＳＢ１を導通させる。スイッチＳＢ１がオ
ンしている期間中のフォトダイオードＰＤＢで光電変換
された光電流に対応した電荷Ｑ₁が蓄積用静電容量ＣＢ
₁に蓄積される。スイッチＳＢ１をオフし、続いてスイ
ッチＳＢ２をオンする。スイッチＳＢ２がオンしている
間のフォトダイオードＰＤＢで光電変換された光電流に
対応した電荷Ｑ₂が蓄積用静電容量ＣＢ₂に蓄積され
る。スイッチＳＢ２をオフし、スイッチＳＢ３及びＳＢ
４をオンする。オペレーションアンプ８の反転入力端子
（−）の電位が仮想接地によって非反転入力端子（＋）
の電位、即ち蓄積用静電容量ＣＢ₂の電位（＝Ｑ₂／Ｃ
Ｂ₂）に等しくなる。その結果蓄積用静電容量ＣＢ₁の
電位が、Ｑ₁／ＣＢ₁からＱ₂／ＣＢ₂に変らなければ
ならない。ここで説明を簡単にするために、ＣＢ₁＝Ｃ
Ｂ₂＝ＣＢとする。すると蓄積用静電容量ＣＢ₁に蓄積
されている（Ｑ₁−Ｑ₂）分だけの電荷が蓄積用静電容
量ＣＢ₁から流れ出す必要がある。オペレーションアン
プ８の入力インピーダンスは理想的には無限大であるの
で、（Ｑ₁−Ｑ₂）分の電荷は保持用静電容量ＣＢ₃の
正電極に流れ込む。その結果、保持用静電容量ＣＢ₃の
電荷がＱ₃から（Ｑ₃＋Ｑ₁−Ｑ₂）に変る。このよう
にして保持用静電容量ＣＢ₃にＱ₁とＱ₂の差を積分し
た電荷が蓄積される。上記のように、スイッチＳＢ３，
ＳＢ４及びオペレーションアンプ８は、蓄積用静電容量
ＣＢ₁とＣＢ₂に蓄積された電荷を減算して保持用静電
容量ＣＢ₃に転送する減算転送手段を構成している。

【００３８】ここで、例えば前記の発光手段５が点灯し
ているときにスイッチＳＢ１をオンし、発光手段５が消
灯しているときにスイッチＳＢ２をオンするように同期
をとれば、外来光の影響を消去して発光手段５から発し
た光のみの信号を保持用静電容量ＣＢ₃に加算蓄積する
ことが可能となる。このときスイッチＳＢ１，ＳＢ２，
ＳＢ３，ＳＢ４のタイミングを画素読み出しのタイミン
グから完全に独立に設定できるので、例えばスイッチＳ
Ｂ１，ＳＢ２，ＳＢ３，ＳＢ４のオン時間を１５０μｓ
（６．７ｋＨｚ）にする。蓄積用静電容量ＣＢ₁，ＣＢ
₂に蓄積される電荷はこの時間に比例するので、従来の
１５ｍｓ蓄積に比べて１／１００と小さくなる。従って
蓄積用静電容量ＣＢ₁，ＣＢ₂によって出力が飽和する
ことがなく、ＣＢ₁，ＣＢ₂の大きさを従来よりも小さ
くできる。また保持用静電容量ＣＢ₃に蓄積される電荷
は発光手段から発した光による信号のみとなるので少な
い。保持用静電容量ＣＢ₃には微分電荷がおおよそ３０
０μｓごとに転送、蓄積され、１フレーム（３０ｍｓ）
中に１００回分だけ加算増幅される。従って保持用静電
容量ＣＢ₃によっても出力が飽和せず、保持用静電容量
ＣＢ₃の大きさを従来の画素におけるものよりも小さく
できる。保持用静電容量ＣＢ₃の蓄積電荷は１フレーム
に１回読み出されるので、読み出された後にリセット閉
スイッチＳＢ７を介してリセットすることができる。な
お、オペレーションアンプ８は、前記図２９のＡＭＩの
増幅用ＭＯＳトランジスタＴＡと同様に出力電荷を増幅
する機能を合わせ持っている。

【００３９】このように、本実施例によれば、高速スイ
ッチングをしなくても各画素の出力が飽和せず、また微
分して得られた信号電荷を１フレーム中積分することが
できるので、大きな出力を得ることができる。さらに出
力が飽和しにくいので各蓄積用静電容量ＣＢ₁，Ｃ
Ｂ₂，ＣＢ₃の大きさを小さくでき、従来よりも画素を
微細化できる。そしてスイッチＳＢ１，ＳＢ２，ＳＢ
３，ＳＢ４のスイッチング周波数が大きければ大きいほ
ど出力が飽和しにくくなるので、画素のレイアウトパタ
ーンを設計する際にそれらのスイッチング周波数を大き
くできるようにするとよい。例えば、それらのスイッチ
を制御する制御信号線をアルミニウムなどの金属を使っ
て配線することで配線抵抗を下げ、スイッチング周波数
を上げるようにするとよい。それに対して読み出しの周
波数が低いので前記のスイッチＳ１１，Ｓ２１，Ｓ１
２，Ｓ２２やＳ１，Ｓ２などの制御信号線として配線抵
抗が多少大きくなるが微細化が容易な多結晶Ｓｉを使っ
て配線してもよい。

【００４０】但し、本実施例には、なお以下のような改
良すべき点を持っている。正相、逆相それぞれの場合
に、異なる蓄積用静電容量を用いているので、２個の蓄
積用静電容量ＣＢ₁，ＣＢ₂を必要とする。一方の蓄積
用静電容量ＣＢ₁が蓄積している間に他方の蓄積用静電
容量ＣＢ₂は待期しているだけで働かず、これと逆にＣ
Ｂ₂が蓄積している間はＣＢ₁は働かない。両蓄積用静
電容量ＣＢ₁とＣＢ₂を１つにまとめることができれば
画素をさらに微細化することができる。オペレーショ
ンアンプ８を各画素内に形成する必要がある。一般にオ
ペレーションアンプはサイズが大きいので、画素の微細
化の妨げとなる。蓄積用静電容量ＣＢ₁，ＣＢ₂をリ
セットする必要があって、その結果、リセット用のスイ
ッチが多くなり、画素を微細化しにくくなる。

【００４１】図２には、本発明の第２実施例を示す。本
実施例は、上記第１実施例の改良すべき点の１つである
蓄積用静電容量を２個必要としているのを改善したもの
である。その構成を説明すると、光電変換部としてＰＩ
ＮフォトダイオードＰＤＣが用いられ、その出力端子が
スイッチＳＣ１を介して蓄積用静電容量ＣＣ₁の正電極
に接続されている。蓄積用静電容量ＣＣ₁の負電極はス
イッチＳＣ２を介して接地され、またスイッチＳＣ４を
介して保持用静電容量ＣＣ₂の正電極に接続され、その
接続点がそのまま出力端子となっている。保持用静電容
量ＣＣ₂の負電極は接地され、また蓄積用静電容量ＣＣ
₁の正電極は、さらにスイッチＳＣ５を介して接地され
ている。蓄積用静電容量ＣＣ₁の正電極と保持用静電容
量ＣＣ₂の正電極とは、スイッチＳＣ３を介して接続さ
れている。

【００４２】次に、本実施例の動作を説明する。スイッ
チＳＣ１，ＳＣ２をオンするとフォトダイオードＰＤＣ
の出力光電流に対応した電荷が蓄積用静電容量ＣＣ₁に
蓄積される。スイッチＳＣ１，ＳＣ２をオフし、スイッ
チＳＣ２，ＳＣ３をオンすると、蓄積用静電容量ＣＣ₁
の正電極にある電荷Ｑ₁が保持用静電容量ＣＣ₂へ移動
し、保持用静電容量ＣＣ₂に蓄積される。このとき保持
用静電容量ＣＣ₂の容量を蓄積用静電容量ＣＣ₁の容量
よりもずっと大きく設計しておけば蓄積用静電容量ＣＣ
₁の殆んどの電荷が保持用静電容量ＣＣ₂へ移動し、蓄
積用静電容量ＣＣ₁は電荷が空になる。スイッチＳＣ
２，ＳＣ３をオフし、再びスイッチＳＣ１，ＳＣ２をオ
ンし、光生成された電荷を蓄積用静電容量ＣＣ₁に蓄積
する。スイッチＳＣ１，ＳＣ２をオフし、スイッチＳＣ
４，ＳＣ５をオンする。すると今度は蓄積用静電容量Ｃ
Ｃ₁の負電極にある電荷−Ｑ₂が保持用静電容量ＣＣ₂
の正電極へ移動する。その結果、１周期中に合計して
（Ｑ₁−Ｑ₂）の電荷が保持用静電容量ＣＣ₂へ移動し
て蓄積される。ここで、例えば前記の発光手段５が点灯
しているときに蓄積用静電容量ＣＣ₁に蓄積される電荷
Ｑ₁を正相とし、発光手段５が消灯しているときに蓄積
用静電容量ＣＣ₁に蓄積される電荷Ｑ₂を逆相とすれ
ば、１個の蓄積用静電容量ＣＣ₁のみで正相、逆相それ
ぞれの電荷の蓄積を行うことができ、画素を微細化する
ことができる。また、この場合、蓄積用静電容量ＣＣ₁
に蓄積された電荷は、その殆んどが保持用静電容量ＣＣ
₂へ転送されるので蓄積用静電容量ＣＣ₁をリセットす
る必要がなく、スイッチの数が少なくなる。本実施例で
は、スイッチＳＣ３、ＳＣ４が蓄積用静電容量ＣＣ₁に
蓄積された電荷を保持用静電容量ＣＣ₂へ転送させる転
送手段となる。

【００４３】但し、本実施例には、なお以下のような改
良すべき点を持っている。保持用静電容量ＣＣ₂の容
量を大きくする必要があるので、画素を微細化しにく
い。蓄積用静電容量ＣＣ₁に蓄積された電荷を完全に
保持用静電容量ＣＣ₂へ移すことはできないので、残像
により画像が劣化するおそれがある。

【００４４】図３には、本発明の第３実施例を示す。本
実施例は上記第２実施例の改良すべき点を解決したもの
である。本実施例では、保持用静電容量ＣＣ₂の負電極
を接地せず、オペレーションアンプ９の出力端子に接続
し、その接続点を出力端子ＯＵＴとしている。オペレー
ションアンプ９の反転入力端子（−）と保持用静電容量
ＣＣ₂の正電極を接続し、非反転入力端子（＋）を接地
している。このような構成にすると、蓄積用静電容量Ｃ
Ｃ₁の正電極又は負電極から保持用静電容量ＣＣ₂へ電
荷を移す場合、オペレーションアンプ９の反転入力端子
（−）が仮想接地され、またオペレーションアンプ９の
入力インピーダンスが高いことによって蓄積用静電容量
ＣＣ₁の電荷は、保持用静電容量ＣＣ₂の大きさに関係
なく全てこの保持用静電容量ＣＣ₂へ移る。その結果、
保持用静電容量ＣＣ₂の容量を小さくでき、また残像に
よる画像の劣化も防げる。オペレーションアンプ９は、
上記のように転送手段としての機能とともに出力電荷を
増幅する機能を合わせ持っている。

【００４５】図４には、本発明の第４実施例を示す。本
実施例は上記第１実施例のオペレーションアンプの代り
に単位利得バッファ１０を用いたものである。単位利得
バッファ１０は、入力インピーダンスが大きく、入力電
位と等しい電位を出力する。図４の構成を説明する。Ｐ
ＩＮフォトダイオードＰＤＢの出力端子がスイッチＳＢ
１，ＳＢ２を介して蓄積用静電容量ＣＢ₁，ＣＢ₂のそ
れぞれの正電極に接続され、その負電極はそれぞれスイ
ッチＳＥ３，ＳＥ４を介して接地されている。また蓄積
用静電容量ＣＢ₁の正電極と蓄積用静電容量ＣＢ₂の正
電極がそれぞれスイッチＳＢ３，ＳＢ４を介して単位利
得バッファ１０の入力端子と出力端子に接続され、蓄積
用静電容量ＣＢ₁の負電極と蓄積用静電容量ＣＢ₂の負
電極がそれぞれスイッチＳＥ１，ＳＥ２を介して単位利
得バッファ１０の出力端子と入力端子に接続されてい
る。保持用静電容量ＣＢ₃の正電極は単位利得バッファ
１０の入力端子に接続され、負電極は接地されている。
蓄積用静電容量ＣＢ₁，ＣＢ₂への電荷の蓄積は、それ
ぞれスイッチＳＢ１，ＳＥ３及びスイッチＳＢ２，ＳＥ
４を介して行われる。蓄積用静電容量ＣＢ₁の正電極に
蓄積されている電荷Ｑ₁を保持用静電容量ＣＢ₃に移す
には、スイッチＳＢ３，ＳＥ１をオンにする。単位利得
バッファ１０の入、出力電位が等しいために、スイッチ
ＳＢ３，ＳＥ１をオンにすると蓄積用静電容量ＣＢ₁の
両電極間の電圧がゼロになり、蓄積用静電容量ＣＢ₁に
蓄積されていた全電荷が保持用静電容量ＣＢ₃に移動し
て蓄積される。蓄積用静電容量ＣＢ₂の負電極に蓄積さ
れている電荷−Ｑ₂を保持用静電容量ＣＢ₃へ移すこと
も、上記と同様に、スイッチＳＢ４，ＳＥ２をオンにす
ればよい。保持用静電容量ＣＢ₃のリセットは、例えば
スイッチＳＥ２，ＳＥ４を介してできる。また保持用静
電容量ＣＢ₃として専用の静電容量を形成しなくても配
線の寄生容量や単位利得バッファ１０の入力寄生容量を
用いることができる。

【００４６】図５は、上記第４実施例において、単位利
得バッファ１０をボルテージフォロワ１０ａで構成した
例を示す。単位利得バッファ１０は理論的にはオペレー
ションアンプで構成することができるが、その反転入力
端子（−）と非反転入力端子（＋）に入力される電位が
ほぼ等しく、入力レンジが極めて小さいために、単位利
得バッファ１０を構成するためのオペレーションアンプ
は、一般のオペレーションアンプ（例えば図１の８）よ
りも容易に構成することができ、その大きさを一般のも
のよりも半分以下にできる。ボルテージフォロワ１０ａ
は前記のオペレーションアンプ８と同様に出力電荷を増
幅する。

【００４７】図６には、本発明の第５実施例を示す。本
実施例は、前記第３実施例（図３）のオペレーションア
ンプの代りに単位利得バッファ１０を用いたものであ
る。蓄積用静電容量ＣＣ₁への電荷の蓄積はスイッチＳ
Ｃ１，ＳＣ２を介して行われる。蓄積用静電容量ＣＣ₁
の正電荷、負電荷を保持用静電容量ＣＣ₂の正電極へ移
すには、それぞれスイッチＳＣ３，ＳＦ１及びＳＣ４，
ＳＣ５を介して行う。

【００４８】図７には、本発明の第６実施例を示す。本
実施例は、上記第５実施例（図６）の単位利得バッファ
の代りにソースフォロワ形式のＭＯＳトランジスタＴＧ
を用いたものである。図７（ａ）中、Ｒは負荷抵抗を示
し、抵抗の他にエンハンスメント型又はディプリーショ
ン型のＭＯＳトランジスタ等を負荷にすることもでき
る。また負荷抵抗Ｒを特別に形成しなくても例えば図７
（ｂ）に示すように、配線の寄生容量ＣＣ₃等を負荷と
して用いることができる。ＳＦ２はＣＣ₃のリセット用
スイッチである。ＳＲは保持用コンデンサＣＣ₂のリセ
ット用スイッチであり、ＭＯＳトランジスタＴＧのゲー
ト電圧を初期値Ｖ_bに設定するために用いられている。
但しリセット用スイッチＳＲは必ずしも必要ではなく、
スイッチＳＣ４，ＳＣ２を介してもリセットができる。
ＭＯＳトランジスタＴＧのソース電位（＝出力電位）Ｖ
_outは保持用静電容量ＣＣ₂の正電極での電位Ｖ_c−Ｔ
Ｇの閾値電圧Ｖ_tと等しいために、ＭＯＳトランジスタ
ＴＧは単位利得バッファとして動作する。このようにソ
ースフォロワを用いることで単位利得バッファの機能を
１つのトランジスタだけで実現することができ、画素を
小さくすることができる。なお、図７（ａ）において、
同図（ｂ）に示すように配線の寄生容量ＣＣ₃を負荷Ｒ
の代用として使用できることを述べたが、保持用静電容
量ＣＣ₂の代用として配線の寄生容量及びＭＯＳトラン
ジスタＴＧのゲート容量を用いることができる。ＭＯＳ
トランジスタＴＧはアナログ動作する必要があるので、
一般にはスイッチＳＣ１等よりも大きく設計されている
のでゲート容量も大きく、十分に保持用静電容量ＣＣ₂
の代用になる。

【００４９】図８には、本発明の第７実施例を示す。こ
こまでは、蓄積用静電容量ＣＢ₁，ＣＢ₂，ＣＣ₁など
の正電極に正電荷が蓄積し、負電極に負電荷が蓄積する
ような実施例を示してきたが、本実施例のように静電容
量ＣＨの正電極、負電極を交互に光電変換部の出力端子
に接続するようにしても微分を行うことができる。ま
ず、スイッチＳＨ１，ＳＨ２をオンにすると、静電容量
ＣＨの正電極に正電荷が蓄積され、次にＳＨ１，ＳＨ２
をオフし、スイッチＳＨ３，ＳＨ４をオンにすると今度
は負電荷−Ｑ′が静電容量ＣＨの正電極に蓄積される。
その結果、１周期中に電荷（Ｑ−Ｑ′）だけが静電容量
ＣＨに蓄積される。このような構成にすると、蓄積用静
電容量が保持用静電容量としても機能するので、保持用
静電容量を省くことが可能となる。

【００５０】図９には、本発明の第８実施例を示す。上
記第７実施例（図８）の出力部にソースフォロワ型のバ
ッファを設けたものである。本実施例では、ＭＯＳトラ
ンジスタＴＧの比較的大きなゲート容量を保持用静電容
量ＣＩとして用いることができるので、第７実施例の場
合よりも蓄積用静電容量ＣＨを小さくすることができ
る。本実施例の構成では、次の３通りの動かし方があ
る。即ち、まずスイッチＳＨ１，ＳＨ２をオンし、正
相の電荷Ｑを蓄積用静電容量ＣＨに蓄積する。続いてＳ
Ｈ１，ＳＨ２をオフし、スイッチＳＨ３，ＳＨ４をオン
し−Ｑ′を蓄積用静電容量ＣＨに蓄積する。その結果、
１周期当り蓄積用静電容量ＣＨに（Ｑ−Ｑ′）だけの電
荷が蓄積される。この動作を繰り返し行い、一定の周期
で蓄積用コンデンサＣＨに蓄積した微積分電荷をスイッ
チＳＨ５，ＳＨ６を介して保持用静電容量ＣＩに転送
し、積分保持する。まずスイッチＳＨ１，ＳＨ２をオ
ンし、電荷Ｑを蓄積用静電容量ＣＨに蓄積する。続いて
スイッチＳＨ１，ＳＨ２オフし、スイッチＳＨ５，ＳＨ
６をオンし電荷Ｑを保持用静電容量ＣＩへ移す。スイッ
チＳＨ５，ＳＨ６をオフ後、スイッチＳＨ３，ＳＨ４を
オンし、−Ｑ′を蓄積用静電容量ＣＨに蓄積する。続い
てスイッチＳＨ５，ＳＨ６を再びオンし、−Ｑ′を保持
用静電容量ＣＩに移す。まずスイッチＳＨ１，ＳＨ５
をオンし、電荷Ｑを保持用静電容量ＣＩに直接送り込
む。スイッチＳＨ１，ＳＨ５をオフ後、スイッチＳＨ
３，ＳＨ４をオンし、蓄積用静電容量ＣＨに−Ｑ′を蓄
積する。スイッチＳＨ３，ＳＨ４をオフ後、スイッチＳ
Ｈ５，ＳＨ６をオンし、−Ｑ′を保持用静電容量ＣＩへ
移す。上記３通りの動かし方で、何れも同じ結果の電荷
が保持用静電容量ＣＩに保持される。

【００５１】図１０には、本発明の第９実施例を示す。
本実施例は、第７実施例（図８）の出力端子をスイッチ
ＳＪ１を介してＣＣＤ１１の注入ゲートＩＧに接続した
ものである。スイッチＳＪ１をオンにすると静電容量Ｃ
Ｈの電荷の大部分が注入ゲートＩＧへ移動する。注入ゲ
ートＩＧの電荷を読み出すにはスイッチＳＪ２を一定期
間だけオンする。すると注入ゲートＩＧの電荷に比例し
た電荷が電源Ｖ_jからＣＣＤ１１のゲートφ₁へ注入さ
れる。注入された電荷はクロックによってφ₁，φ₂，
φ₃へ次々と移動していき、ついには出力される。本実
施例の場合も、第７実施例と同じように静電容量ＣＨの
電荷を全て注入ゲートへ移すにはオペレーションアンプ
又は単位利得バッファ、ソースフォロワを静電容量ＣＨ
と注入ゲートＩＧ間に挿入すればよい。

【００５２】図１１には、本発明の第１０実施例を示
す。本実施例は前記第６実施例（図７）のスイッチ数を
減らし、画素をさらに微細化し易くしたものである。ス
イッチの数を減らすのに正電荷を直接スイッチＳＫを介
して保持用静電容量ＣＣ₂に蓄積するようにし、図７の
スイッチＳＣ３及びＳＦ１を不要にしている。逆相につ
いては、第６実施例と同様に、まずスイッチＳＣ１，Ｓ
Ｃ２をオンして電荷を蓄積用静電容量ＣＣ₁に蓄積し、
次にスイッチＳＣ１，ＳＣ２をオフ後、スイッチＳＣ
４，ＳＣ５をオンして負電荷を保持用静電容量ＣＣ₂へ
移し、蓄積する。

【００５３】図１２には、本発明の第１１実施例を示
す。本実施例は、上記第１０実施例と同様に、スイッチ
数の減少を図ったものである。本実施例では、図１１の
スイッチＳＫを省く代りに次のようにして正相の蓄積を
行う。即ち、スイッチＳＣ１，ＳＣ４をオンにすると、
蓄積用静電容量ＣＣ₁と保持用静電容量ＣＣ₂が直列に
接続される。従ってフォトダイオードＰＤＣの電荷Ｑが
蓄積用静電容量ＣＣ₁の正電極に蓄積され、そのイメー
ジ電荷−Ｑが負電極にできる。−Ｑのイメージ電荷はフ
ォトダイオードＰＤＣの出力電荷Ｑと等しく、この−Ｑ
のイメージ電荷は保持用静電容量ＣＣ₂の正電極にでき
る。逆相の蓄積は、前記第６実施例や第１０実施例にお
ける説明と同じようにできる。スイッチＳＬは蓄積用静
電容量ＣＣ₁に蓄積された電荷をリセットするために用
いられ、スイッチＳＬをオンにすると蓄積用静電容量Ｃ
Ｃ₁の電荷がリセットされる。

【００５４】図１３には、本発明の第１２実施例を示
す。本実施例は、第１１実施例（図１２）における各ス
イッチをＰ型ＭＯＳＦＥＴで実現し、ソースフォロワに
もＰ型ＭＯＳＦＥＴを用いたものである。Ｎ型ＭＯＳＦ
ＥＴを形成しなければならない場合には、図１４（ａ）
に示すように、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴを形成するためのＰ型
ウェル１２とＰＩＮフォトダイオードＰＤＣを分離する
ためにＮ型分離領域１３が必要となり、画素のサイズが
大きくなる。この問題を解決するには、図１４（ａ）に
示すのと反対のＰ型基板を用いるか又はＰ型ＭＯＳＦＥ
Ｔを用いればよい。図１４（ｂ）にＰ型ＭＯＳＦＥＴ１
４を用いた場合の断面概略図を示す。Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ
１４を用いれば分離領域が不要になり、またフォトダイ
オードＰＤＣの出力端子をそのままＰ型ＭＯＳＦＥＴ１
４のソースに用いることができるので画素のサイズを小
さくすることができる。

【００５５】図１５には、本発明の第１３実施例を示
す。本実施例は、第１２実施例（図１３）のＰＩＮフォ
トダイオードＰＤＣの代りに太陽電池モードで動作して
いるフォトダイオードＰＤＮを用いたものである。図１
６には、そのフォトダイオードＰＤＮの断面概略図を示
す。本実施例の場合は、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴよりもＮ型Ｍ
ＯＳＦＥＴを用いた方が分離領域が不要になって画素を
微細化することができる。

【００５６】図１７には、本発明の第１４実施例を示
す。本実施例は、太陽電池モードで動作しているフォト
ダイオードＰＤＯが用いられ、そのフォトダイオードＰ
ＤＯに並列に蓄積用静電容量ＣＯ₁が接続されている。
またフォトダイオードＰＤＯのアノード、カソードがそ
れぞれスイッチＳＯ１，ＳＯ３を介してソースフォロワ
用ＭＯＳＦＥＴＴＧのゲートに接続され、スイッチＳＯ
４，ＳＯ２を介してＭＯＳＦＥＴＴＧのソースに接続さ
れている。ＣＯ₂は保持用静電容量である。なお、蓄積
用静電容量ＣＯ₁は特別に設ける必要がなく、フォトダ
イオードＰＤＯの接合容量を用いることができる。動作
を説明すると、まずスイッチＳＯ１，ＳＯ２，ＳＯ３，
ＳＯ４をオフし、光電荷を蓄積用静電容量ＣＯ₁に蓄積
する。次に、正相の場合ならスイッチＳＯ１，ＳＯ２、
逆相ならスイッチＳＯ３，ＳＯ４をオンし、それぞれ
正、負の電荷を保持用静電容量ＣＯ₂へ転送する。

【００５７】図１８は、図１７の構成を実現するための
基板構造の一例を示す概略断面図である。この構造例で
は、Ｎ型基板が用いられ、フローティングのＰ型ウェル
１５をフォトダイオードＰＤＯのアノードとＮ型ＭＯＳ
ＦＥＴ１６を形成するためのウェルとして併用してい
る。Ｐ型ウェル１５がフローティングしているのでＮ型
基板、Ｐ型ウェル１５及びＮ⁺型ダイオードのカソード
によって形成されるバーチクルＮＰＮバイポーラトラン
ジスタがターンオンする可能性がある。但し、バイポー
ラトランジスタの立ち上り時間が数ｍｓと長いため、そ
れより速く電荷を保持用静電容量ＣＯ₂へ転送すれば寄
生バイポーラトランジスタのターンオンを防ぐことがで
きる。Ｐ型ウェル１５をフォトダイオードＰＤＯのアノ
ードとＮ型ＭＯＳＦＥＴ１６のウェルとして併用するこ
とで画素の寸法を小さくできるが、ＭＯＳＦＥＴのウェ
ル電位が動くことによって直線性を悪くすることがあ
る。但し、この場合、Ｐ型ウェルの電位は０〜０．７Ｖ
の範囲にあって、その動きが小さいので直線性を大きく
悪化させることはない。図１９に示すように、ＳＯＩ基
板を用いれば寄生バイポーラトランジスタをなくした
り、ＭＯＳＦＥＴのウェルとフォトダイオードのアノー
ドを分離し、ウェル電位を固定したりすることが容易に
できる。

【００５８】図２０には、本発明の第１５実施例を示
す。本実施例は、アナログ的に動作し、寸法を比較的大
きく設計する必要のあるソースフォロワ用のＭＯＳＦＥ
ＴＴＧを複数の画素間で共用するようにして画素の微細
化を図ったものである。図２０の例では、前記第１１実
施例（図１２）のような構成をしている２つの画素が１
つのソースフォロワを共用している構成例を示してい
る。スイッチＳＰ及びＳＱは画素を選択してソースフォ
ロワにつなぐために用いられている。このような構成に
するとソースフォロワ用ＭＯＳＦＥＴの数を減らすこと
ができ、画素をさらに微細化することができる。また、
例えば、１行中の画素に対して１個のソースフォロワを
設けるようにすれば、列選択線Ｘ１，Ｘ２（図３０参
照）を選択するタイミングと同期してスイッチＳＰ，Ｓ
Ｑを選択するようにできるのでタイミングの制御を簡略
化することができる。

【００５９】なおここまでは正電荷を光電変換部から取
り出すようにしていたが、負電荷を取り出すようにして
もかまわない。その場合ここまで述べた正と負の電荷を
それぞれ負、正に読み換えれば良い。

【００６０】ここまでは、投光と同期して微分を行うよ
うにした各実施例を述べてきたが、同期式の場合は、こ
のような微分のタイミングを投光と同期するように制御
することが必要である。以下に非同期式の実施例を説明
する。

【００６１】図２１及び図２２には、本発明の第１６実
施例を示す。図２１は、イメージセンサに到達する光の
周波数成分を示している。同図中、ｆ_sを投光周波数と
する。外来光による雑音は低周波側に集中している。信
号光については投光が周波数ｆ_sでチョッパされている
ために、信号光はｆ_sを中心とする高い周波数の方に集
中している。ｆ_sを高くすれば外来光と信号光のスペク
トラムを図２１に示すように分離することが可能であ
る。図２２に信号光のみを取り出すための構成例を示
す。各画素の光電変換部１７の出力端子にハイパスフィ
ルタ又はバンドパスフィルタ１８を接続することによっ
て外来光を遮断し、信号光のみを取り出すことが可能と
なる。フィルタ１８の周波数特性は、例えば図２１中の
点線のように設定すればよい。

【００６２】図２３乃至図２５には、本発明の第１７実
施例を示す。本実施例は、上記第１６実施例（図２２）
のフィルタ出力部に積分器を設けたものである。投光強
度には上限があるのでフィルタ１８から出力される信号
が弱く、その検出が難しい。積分器１９を設けると、信
号が加算増幅されるので十分な大きさになるまで増幅す
ることができ、検出が容易になる。但し、積分器１９を
設ける場合には、フィルタ１８を２次以上にする必要が
ある。このことを説明するために、図２４に１次フィル
タの出力に積分器を設けた例を示し、その動作を解析す
る。ＰＩＮフォトダイオードの光電流をＩ_phとし、抵抗
Ｒを用いて光電流Ｉ_phを電圧に変換する。その出力を静
電容量Ｃによって構成される微分回路（＝１次ハイパス
フィルタ）で受けて、さらにオペレーションアンプ２０
と静電容量Ｃ_oで構成される積分器で加算増幅する。出
力電圧をＶとする。周波数解析した結果を次式に示す。

【００６３】

【数１】Ｖ／Ｉ_ph＝−Ｃ・Ｒ／［Ｃ_o（１＋ｊωＣＲ）］ …（１）但し、ｊ＝√（−１），ω（＝２πｆ）は角周波数であ
る。

【００６４】ここで周波数が高とすると、Ｖ／Ｉ_phを−
１／ｊωＣ_oで近似でき、積分器として動作する。しか
し周波数が低いときにはＶ／Ｉ_phは−Ｃ・Ｒ／Ｃ_oに近
づき、周波数の低い極限でもゼロとならない。このこと
は、図２４の構成を用いても外来光を除去できないこと
を意味する。その理由は、１次フィルタの遮断特性の急
峻さが不十分で、低周波数入力の一部が漏れて出力さ
れ、その漏れた低周波数成分が積分器１９によって積分
増幅され、出力されるためである。フィルタを２次以上
にすればこの問題の解決が可能である。

【００６５】図２５には、２次フィルタを用いた構成例
を示す。この構成例ではＣ₁，Ｃ₂，Ｒ₁によって２次
フィルタが構成されている。前記と同様に周波数解析す
ると次のようになる。

【００６６】

【数２】Ｖ／Ｉ_ph＝（−ｊωＣ₁・Ｃ₂・Ｒ₁・Ｒ）／[(Ｃ_o（１＋ｊωＣ₁・Ｒ₁＋ｊωＣ₂・Ｒ₁ ＋ｊωＣ₁・Ｒ−ω²Ｃ₁・Ｃ₂・Ｒ₁・Ｒ)] …（２）高周波の極限ではＶ／Ｉ_phを−１／ｊωＣ_oで近似でき
るので信号光による信号を加算増幅する積分器として動
作する。低周波の極限ではＶ／Ｉ_phを−ｊωＣ₁・Ｃ₂
・Ｒ₁・Ｒ／Ｃ_oで近似でき、ω→０の極限ではＶも０
に近づく。従って外来光による雑音を十分遮断できる。
図２５の構成では、さらにＰＩＮフォトダイオードの代
りにフォトトランジスタが用いられている。フォトトラ
ンジスタを用いることにより、光電流を初期増幅するこ
とができ、大きな信号電流を得ることが可能となる。但
し、フォトトランジスタの立ち上り時間が一般的には数
ｍｓと長いために投光の周波数をそれ以下にする必要が
ある。フィルタの次数を３，４，・・と上げていけばさ
らに遮断特性を急峻にすることができるが、構成要素が
増えてしまう難点がある。投光周波数ｆ_sを上げればフ
ィルタの次数を下げても信号を十分に分離することがで
きる。

【００６７】図２６には、本発明の第１８実施例を示
す。本実施例は、フィルタをＣＲ型のものに代えてスイ
ッチトキャパシタ型のものを用いたものである。図２６
に示すように、上記第１７実施例（図２５）における抵
抗Ｒの代りに静電容量ＣＲとスイッチＳＲ１，ＳＲ２、
抵抗Ｒ₁の代りに静電容量ＣＲ₁とスイッチＳＲ３，Ｓ
Ｒ４が用いられている。例えば静電容量ＣＲとスイッチ
ＳＲ１，ＳＲ２の動作を説明する。まずスイッチＳＲ１
をオンにすると、光電流Ｉ_phの一部によって静電容量Ｃ
Ｒが充電される。次にスイッチＳＲ１をオフ、ＳＲ２を
オンにすると静電容量ＣＲが放電する。スイッチＳＲ
１，ＳＲ２のスイッチング周波数をｆとする。またフォ
トトランジスタの出力端子での電位をＶ₁とする。する
と１周期中に平均ｆ・Ｃ・Ｖ₁だけの電流が静電容量Ｃ
Ｒを流れる。但し、Ｃは静電容量ＣＲの容量である。従
ってｆを十分大きくすれば静電容量ＣＲをＲ＝１／（ｆ
・Ｃ）なる抵抗と見なすことができる。また本実施例で
はオペレーションアンプを使わずにソースフォロワ形式
のＭＯＳＦＥＴＴＧで出力するようにしている。そのた
めに、まずスイッチＳＲ５，ＳＲ８を介して信号電荷を
静電容量ＣＲ₃に一時的に蓄積する。このとき静電容量
ＣＲ₃の電位Ｖ₂が余り大きくならないように、静電容
量ＣＲ₃の容量やオン時間を調整する。次にスイッチＳ
Ｒ５，ＳＲ８をオフし、スイッチＳＲ９，ＳＲ６，ＳＲ
７をオンする。従って、静電容量Ｃ₂の右端は全期間で
ほぼ接地電位にあって、仮想接地が成り立っていると見
なすことができる。また静電容量ＣＲ₃に一時的に蓄積
されている電荷はソースフォロワによって全て保持用静
電容量ＣＲ₄へ転送され、蓄積される。従って保持用静
電容量ＣＲ₄が積分器として動作し、信号電荷を加算増
幅する。

【００６８】図２７には、本発明の第１９実施例を示
す。本実施例では、上記第１８実施例（図２６）におけ
るフォトトランジスタの代りに太陽電池モードで動作し
ているフォトダイオードＰＤＷを用いている。ＣＷはそ
の寄生容量である。

【００６９】図２８には、本発明の第２０実施例を示
す。上述した非同期式は同期式に比べて制御が簡単であ
るという特徴を持っている。その反面、回路規模が大き
くなるという難点がある。また同期式は時間に対する微
積分以外に空間に対する微積分を行う場合にも応用でき
る。本実施例は、その応用の一例に相当する。図２８
は、前記第１１実施例（図１２）の同期式の画素が２画
素隣接して配置されている。但し、図の左側にある画素
Ｔの蓄積用静電容量ＣＴ₁の正電極は画素Ｔのソースフ
ォロワＴＴとは接続されず、スイッチＳＴ５を介して右
側にある画素ＵのソースフォロワＴＵのソースに接続さ
れている。また蓄積用静電容量ＣＴ₁の負電極はスイッ
チＳＵを介して画素Ｕの保持用静電容量ＣＵ₂に接続さ
れている。

【００７０】次に動作を説明する。まずスイッチＳＵ
１，ＳＵ４をオンすると、静電容量ＣＵ₁を介して正相
の画素Ｕでの光電荷が保持用静電容量ＣＵ₂に蓄積され
る。次にスイッチＳＵ１，ＳＵ４をオフし、スイッチＳ
Ｔ１，ＳＴ２をオンすると、画素Ｔでの光電荷が蓄積用
静電容量ＣＴ₁に蓄積される。スイッチＳＴ１，ＳＴ２
をオフし、スイッチＳＵとＳＴ５をオンにすると、蓄積
用静電容量ＣＴ₁に蓄積していた電荷に対するイメージ
電荷が保持用静電容量ＣＵ₂に転送される。従って、画
素Ｕ，Ｔでの光の強度をそれぞれＵ，Ｔとすると、保持
用静電容量ＣＵ₂には合計（Ｕ−ａＴ）だけの電荷が積
分される。但し、ａは任意の定数で、画素Ｕでの正相の
露光時間と画素Ｔでの逆相の露光時間との比によって決
る。一般に隣接している画素の光強度は強い相関を持っ
ているので、（Ｕ−ａＴ）の値が小さい。従って、時間
微分の実施例と同様に、本実施例を空間微分に応用する
ことにより、超高速のスイッチングをしなくてもイメー
ジセンサの出力が飽和しにくく、画素寸法を小さくでき
るという効果が得られる。また配線を増やすことによっ
て、例えば両隣接画素や四方の隣接画素など１つ以上の
画素との微積分を行うこともできる。その結果、画像処
理の際の前処理として使われている局所フィルタリング
をイメージセンサ内で容易に実現することができる。空
間微積分応用の場合では投光と同期をとる必要はないの
で、例えば投光をせずに外来光のみで撮像することがで
きる。

【００７１】

【発明の効果】以上説明したように請求項１記載の発明
によれば、各画素に、入射光を光電流に光電変換する光
電変換部と、前記光電流に対応した電荷を一時的に蓄積
する蓄積用静電容量と、該蓄積用静電容量に蓄積された
電荷から雑音光に対応した雑音電荷成分を減じた信号電
荷成分を、発光手段による複数の点消灯に相当する所定
時間の間、加算蓄積する保持用静電容量と、前記信号電
荷成分を前記点消灯毎に前記保持用静電容量に転送する
転送手段と、前記所定時間毎に前記保持用静電容量に保
持された電荷を読み出す読み出し手段とを設けたため、
蓄積用静電容量への電荷蓄積時間は画素読み出しのタイ
ミングから独立して設定することができるので、超高速
スイッチングをしなくても蓄積電荷の飽和を抑えること
ができる。また保持用静電容量には、信号電荷成分のみ
が１フレーム中に加算蓄積されるので、飽和を抑えるこ
とができるとともに信号出力を大きくすることができ
る。蓄積用静電容量及び保持用静電容量は、それぞれそ
の容量値及び寸法を従来よりも小さくすることができて
画素を微細化することができる。

【００７２】請求項２〜９記載の発明によれば、それぞ
れ上記請求項１記載の発明の効果に加えて、さらに以下
のような効果がある。

【００７３】請求項２記載の発明によれば、各画素に、
入射光を光電流に光電変換する光電変換部と、前記光電
流に対応した電荷を一時的に蓄積する蓄積用静電容量
と、該蓄積用静電容量に蓄積された電荷から雑音光に対
応した雑音電荷成分を減じた信号電荷成分を、発光手段
による複数の点消灯に相当する所定時間の間、加算蓄積
する保持用静電容量と、信号光を含む入射光に対応して
前記蓄積用静電容量に蓄積された電荷を前記点消灯毎に
当該蓄積用静電容量の一方の電極から取り出して前記保
持用静電容量に転送し雑音光に対応して前記蓄積用静電
容量に蓄積された雑音に相当する負電荷を前記点消灯毎
に当該蓄積用静電容量の反対の電極から取り出して前記
保持用静電容量に転送する転送手段と、前記所定時間毎
に前記保持用静電容量に保持された電荷を読み出す読み
出し手段とを設けたため、蓄積用静電容量は１個のみで
済むので一層画素を微細化することができる。

【００７４】請求項３記載の発明によれば、各画素に、
入射光を光電流に光電変換する光電変換部と、信号光を
含む入射光による光電流に対応した電荷から雑音光に対
応した雑音電荷成分を減じた信号電荷成分を加算蓄積す
る保持用静電容量と、前記光電変換部からの前記信号光
を含む入射光に対応した電荷出力と前記雑音電荷成分出
力とを前記保持用静電容量の正電極と負電極との間に互
いに逆極性となるように転送する転送手段とを設けたた
め、保持用静電容量で雑音電荷成分の減算が直接行われ
て蓄積用静電容量の配設が不要となり、画素を一層微細
化することができる。

【００７５】請求項４記載の発明によれば、上記請求項
２又は３記載の発明において、前記転送手段は、オペレ
ーションアンプ又はボルテージフォロワ及びソースフォ
ロワを含む単位利得バッファの何れかとＭＯＳＦＥＴな
どからなるスイッチで構成したため、蓄積用静電容量に
蓄積された正、負の電荷を、保持用静電容量の容量値に
関係なく、全て保持用静電容量に転送することができ、
残像による画像の劣化を防止することができる。

【００７６】請求項５記載の発明によれば、前記蓄積用
静電容量の少なくとも一部は、前記光電変換部の接合容
量又は配線容量の寄生容量で形成したため、画素を一層
微細化することができる。

【００７７】請求項６記載の発明によれば、前記保持用
静電容量の少なくとも一部は、前記オペレーションアン
プないしは前記単位利得バッファの入力容量又は配線容
量の寄生容量で形成したため、画素を一層微細化するこ
とができる。

【００７８】請求項７記載の発明によれば、前記蓄積用
静電容量に蓄積された電荷又は負電荷を前記保持用静電
容量へ転送するタイミングは、被写体への投光のタイミ
ングと同期するように構成したため、各周期毎に信号電
荷成分を保持用静電容量に蓄積することができて画素出
力を大きくすることができる。

【００７９】請求項８記載の発明によれば、前記保持用
静電容量へ電荷又は負電荷を転送する周波数は当該保持
用静電容量から信号を読み出す周波数より大なるように
構成したため、画素出力を飽和させずに、画素出力を大
きくすることができる。

【００８０】請求項９記載の発明によれば、前記転送手
段が前記蓄積用静電容量に蓄積された正又は負電荷を転
送する先の保持用静電容量は、当該蓄積用静電容量の属
する画素の保持用静電容量に代えて他の画素に属する保
持用静電容量としたため、転送のタイミングを被写体へ
の投光のタイミングと同期をとる必要がなく容易制御性
を得ることができる。

【００８１】

【００８２】

【００８３】

【００８４】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るイメージセンサの第１実施例を示
す回路図である。

【図２】本発明の第２実施例を示す回路図である。

【図３】本発明の第３実施例を示す回路図である。

【図４】本発明の第４実施例を示す回路図である。

【図５】上記第４実施例において単位利得バッファをボ
ルテージフォロワで構成した例を示す図である。

【図６】本発明の第５実施例を示す回路図である。

【図７】本発明の第６実施例を示す回路図である。

【図８】本発明の第７実施例を示す回路図である。

【図９】本発明の第８実施例を示す回路図である。

【図１０】本発明の第９実施例を示す回路図である。

【図１１】本発明の第１０実施例を示す回路図である。

【図１２】本発明の第１１実施例を示す回路図である。

【図１３】本発明の第１２実施例を示す回路図である。

【図１４】上記第１２実施例において各スイッチをＰ型
ＭＯＳＦＥＴで実現した場合の基板部の構成例を示す断
面図である。

【図１５】本発明の第１３実施例を示す回路図である。

【図１６】上記第１３実施例に適用するフォトダイオー
ド等の構成例を示す断面図である。

【図１７】本発明の第１４実施例を示す回路図である。

【図１８】上記第１４実施例に適用するフォトダイオー
ド等部分の構成例を示す断面図である。

【図１９】上記第１４実施例に適用するフォトダイオー
ド等部分の他の構成例を示す断面図である。

【図２０】本発明の第１５実施例を示す回路図である。

【図２１】本発明の第１６実施例においてイメージセン
サに到達する光の周波数成分を示す図である。

【図２２】本発明の第１６実施例を示すブロック図であ
る。

【図２３】本発明の第１７実施例を示すブロック図であ
る。

【図２４】上記第１７実施例の回路構成例を示す図であ
る。

【図２５】上記第１７実施例の他の回路構成例を示す図
である。

【図２６】本発明の第１８実施例を示す回路図である。

【図２７】本発明の第１９実施例を示す回路図である。

【図２８】本発明の第２０実施例を示す回路図である。

【図２９】従来の増幅型固体撮像素子（ＡＭＩ）を示す
回路図である。

【図３０】上記ＡＭＩで構成した従来のイメージセンサ
を示す回路図である。

【図３１】上記ＡＭＩにおけるフォトダイオードの等価
回路を示す図である。

【図３２】従来のイメージセンサの応用例を示す図であ
る。

【図３３】上記従来のイメージセンサの動作を説明する
ための図である。

【符号の説明】

８，９オペレーションアンプ（転送手段）１０単位利得バッファ（転送手段）１８ハイパスフィルタ又はバンドパスフィルタ１９積分器２０積分器を構成するオペレーションアンプＰＤＢ，ＰＤＣ，ＰＤＨ，ＰＤＮ，ＰＤＰフォトダイ
オード（光電変換部）ＣＢ₁，ＣＢ₂，ＣＣ₁ 蓄積用静電容量ＣＢ₃，ＣＣ₂ 保持用静電容量ＳＣ３，ＳＣ４転送手段となるスイッチＴＧソースフォロワ形式のＭＯＳトランジスタＣＲ，ＳＲ１，ＳＲ２スイッチトキャパシタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01J 1/00 - 1/60 H01L 27/14 H01L 31/00 - 31/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】各画素に、入射光を光電流に光電変換す
る光電変換部と、前記光電流に対応した電荷を一時的に
蓄積する蓄積用静電容量と、該蓄積用静電容量に蓄積さ
れた電荷から雑音光に対応した雑音電荷成分を減じた信
号電荷成分を、発光手段による複数の点消灯に相当する
所定時間の間、加算蓄積する保持用静電容量と、前記信
号電荷成分を前記点消灯毎に前記保持用静電容量に転送
する転送手段と、前記所定時間毎に前記保持用静電容量
に保持された電荷を読み出す読み出し手段とを設けてな
ることを特徴とするイメージセンサ。
【請求項２】各画素に、入射光を光電流に光電変換す
る光電変換部と、前記光電流に対応した電荷を一時的に
蓄積する蓄積用静電容量と、該蓄積用静電容量に蓄積さ
れた電荷から雑音光に対応した雑音電荷成分を減じた信
号電荷成分を、発光手段による複数の点消灯に相当する
所定時間の間、加算蓄積する保持用静電容量と、信号光
を含む入射光に対応して前記蓄積用静電容量に蓄積され
た電荷を前記点消灯毎に当該蓄積用静電容量の一方の電
極から取り出して前記保持用静電容量に転送し雑音光に
対応して前記蓄積用静電容量に蓄積された雑音に相当す
る負電荷を前記点消灯毎に当該蓄積用静電容量の反対の
電極から取り出して前記保持用静電容量に転送する転送
手段と、前記所定時間毎に前記保持用静電容量に保持さ
れた電荷を読み出す読み出し手段とを設けてなることを
特徴とするイメージセンサ。
【請求項３】各画素に、入射光を光電流に光電変換す
る光電変換部と、信号光を含む入射光による光電流に対
応した電荷から雑音光に対応した雑音電荷成分を減じた
信号電荷成分を加算蓄積する保持用静電容量と、前記光
電変換部からの前記信号光を含む入射光に対応した電荷
出力と前記雑音電荷成分出力とを前記保持用静電容量の
正電極と負電極との間に互いに逆極性となるように転送
する転送手段とを設けてなることを特徴とするイメージ
センサ。
【請求項４】前記転送手段は、オペレーションアンプ
又はボルテージフォロワ及びソースフォロワを含む単位
利得バッファの何れかとＭＯＳＦＥＴなどからなるスイ
ッチで構成してなることを特徴とする請求項２又は３記
載のイメージセンサ。
【請求項５】前記蓄積用静電容量の少なくとも一部
は、前記光電変換部の接合容量又は配線容量の寄生容量
で形成してなることを特徴とする請求項１，２又は３記
載のイメージセンサ。
【請求項６】前記保持用静電容量の少なくとも一部
は、前記オペレーションアンプないしは前記単位利得バ
ッファの入力容量又は配線容量の寄生容量で形成してな
ることを特徴とする請求項１，２又は３記載のイメージ
センサ。
【請求項７】前記蓄積用静電容量に蓄積された電荷又
は負電荷を前記保持用静電容量へ転送するタイミング
は、被写体への投光のタイミングと同期するように構成
してなることを特徴とする請求項１，２又は３記載のイ
メージセンサ。
【請求項８】前記保持用静電容量へ電荷又は負電荷を
転送する周波数は当該保持用静電容量から信号を読み出
す周波数より大なるように構成してなることを特徴とす
る請求項１，２又は３記載のイメージセンサ。
【請求項９】前記転送手段が前記蓄積用静電容量に蓄
積された正又は負電荷を転送する先の保持用静電容量
は、当該蓄積用静電容量の属する画素の保持用静電容量
に代えて他の画素に属する保持用静電容量であることを
特徴とする請求項１，２又は３記載のイメージセンサ。