JP3680458B2 - 固体撮像装置およびその駆動方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置およびその駆動方法に関し、特に画素そのものが増幅機能を持ち、かつ画素の信号を電圧又は電流で出力する増幅型固体撮像装置およびその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
増幅型固体撮像装置としては、ＣＭＤ(Charge Modulation Device)、ＢＡＳＩＳ(Base Stored Image Senser)、ＢＣＭＤ(Bulk Charge Modulation Device) などが知られている。この増幅型固体撮像装置では、画素そのものに増幅機能を持たせるために、ＭＯＳ構造等の能動素子を用いて画素を構成していることから、能動素子の特性（しきい値電圧Ｖｔｈ等）のバラツキがそのまま画像信号に乗ってきてしまう。この特性のバラツキは、画素それぞれに固定の値を持つため、画面上に固定パターンノイズ（ＦＰＮ;Fixed Patern Noise)として現れる。
【０００３】
この画素の特性バラツキに起因する固定パターンノイズを除去すべくなされた増幅型固体撮像装置の従来例を図２に示す。同図において、画素１０１が行列状に多数配列されており、各画素１０１の制御入力端が行単位で垂直選択線１０２の各々に接続され、各出力端が列単位で垂直信号線１０３の各々に接続されている。垂直選択線１０２の各一端は、垂直走査回路１０４の各行の出力端に接続されている。垂直走査回路１０４は、シフトレジスタなどによって構成され、垂直走査パルスφＶ（…，φＶｍ，φＶｍ＋１，…）を順に出力する。
【０００４】
垂直信号線１０３の各々には、ＮｃｈＭＯＳトランジスタからなる２つのサンプリングスイッチ１０５ｓ，１０５ｎの各ドレインが接続されている。サンプリングスイッチ１０５ｓのゲートには、画素１０１から出力される画素リセット前の明時の信号電圧をサンプリングするための動作パルスφＯＰＳが印加される。また、サンプリングスイッチ１０５ｎのゲートには、画素１０１から出力される画素リセット後の暗時の信号電圧をサンプリングするための動作パルスφＯＰＮが印加される。
【０００５】
サンプリングスイッチ１０５ｓ，１０５ｎの各ソースは、２つのキャパシタ１０６ｓ，１０６ｎの各一端にそれぞれ接続されている。これらキャパシタ１０６ｓ，１０６ｎは、明時の信号電圧と暗時の信号電圧とをそれぞれホールドするために設けられたものであり、各他端が共に接地されている。サンプリングスイッチ１０５ｓ，１０５ｎの各ソースはさらに、ＮｃｈＭＯＳトランジスタからなる２つの水平選択スイッチ１０７ｓ，１０７ｎの各ドレインにそれぞれ接続されている。
【０００６】
水平選択スイッチ１０７ｓ，１０７ｎの各ソースは水平信号線１０８に接続され、各ゲートは水平走査回路１０９の各列の出力端に接続されている。水平走査回路１０９は、シフトレジスタなどによって構成され、各列ごとに水平選択スイッチ１０７ｓおよび水平選択スイッチ１０７ｎを順にオンさせるための水平走査パルスφＨ（…，φＨｎ，φＨｎ＋１，…）を出力する。水平信号線１０８は水平出力回路１１０の入力端に接続されている。水平出力回路１１０の出力端はＣＤＳ（相関二重サンプリング）回路１１１の入力端に接続されている。
【０００７】
次に、上記構成の従来装置における固定パターンノイズの除去のための回路動作について説明する。
【０００８】
水平ブランキング期間において、垂直走査回路１０４による垂直走査によってある行が選択されると、その選択された行の画素１０１の画素リセット前の明時の信号電圧と画素リセット後の暗時の信号電圧とが順にサンプリングスイッチ１０５ｓ，１０５ｎによってサンプリングされ、かつキャパシタ１０６ｓ，１０６ｎにホールドされる。
【０００９】
次に、水平有効期間において、水平走査回路１０９による水平走査によってある列が選択され、その選択された列の水平選択スイッチ１０７ｓ，１０７ｎが順にオンすることにより、キャパシタ１０６ｓ，１０６ｎにホールドされた明時の信号電圧と暗時の信号電圧とが順次水平信号線１０８に読み出される。これにより、明時の信号電圧と暗時の信号電圧とが、時間軸上において列単位で相前後して水平信号線１０８によって伝送され、水平出力回路１１０を経てＣＤＳ回路１１１に供給される。
【００１０】
そして、このＣＤＳ回路１１１において、時間軸上で相前後する明時の信号電圧と暗時の信号電圧との相関二重サンプリングが行われ、その差分がとられることによってノイズ成分が相殺される。その結果、画素１０１のしきい値電圧Ｖｔｈなどの特性バラツキに起因する固定パターンノイズの除去された信号が得られることになる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の増幅型固体撮像装置では、画素１０１の特性バラツキに起因する固定パターンノイズについては除去できるものの、垂直信号線１０３と水平信号線１０８との間の垂直出力回路（サンプルホールド回路）において明時と暗時の信号の流れが異なっていることから、この垂直出力回路で信号に乗ってくる成分があった場合には、ＣＤＳ回路１１１での相関二重サンプリング後もこの成分が残る。
【００１２】
この垂直出力回路から乗ってくる成分として存在するのは、サンプリングスイッチ１０５ｓ，１０５ｎの分配ノイズなどがある。この成分が回路の特性バラツキによって列間で異なる場合には、相関二重サンプリング後に残る成分も列間においてばらつくことになり、これが画面上に縦筋状の固定パターンノイズとして現れることになる。
【００１３】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、画素の特性バラツキに起因する固定パターンノイズのみならず、回路の特性バラツキに起因する縦筋状の固定パターンノイズをも抑圧することが可能な固体撮像装置およびその駆動方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明による固体撮像装置は、行列状に配列された複数の画素と、これら画素の各出力端が列単位で接続された垂直信号線の一端とリファレンス信号を与えるリファレンス線との間に接続されたスイッチ手段と、垂直信号線の一端にスイッチ手段のオフ時に、選択された行の画素から出力される明時の画素信号と暗時の画素信号とをサンプルホールドして水平信号線に出力するとともに、スイッチ手段のオン時に導出されるリファレンス信号を水平信号線に出力する垂直出力手段と、水平信号線を介して出力されるリファレンス信号を１行分の画素の信号に対応して記憶する記憶手段と、水平信号線を介して出力される画素信号から記憶手段に記憶されたリファレンス信号をライン単位で減算する減算手段とを備えた構成となっている。
【００１５】
本発明による駆動方法は、行列状に配列された複数の画素と、これら画素のうち選択された行の画素から垂直信号線を介して導出される明時の画素信号と暗時の画素信号とをサンプルホールドして水平信号線に出力する垂直出力手段とを具備する固体撮像装置において、先ず、複数の画素の全てをカットオフし、かつ垂直出力手段に対してリファレンス信号を供給し、この状態において垂直出力手段を介して水平信号線に出力されるリファレンス信号を１行分の画素の信号に対応して記憶して保持し、次いで水平有効期間においてこの記憶保持した１行分の画素の信号に対応するリファレンス信号を垂直出力手段を介して水平信号線に出力される画素信号からライン単位で減算するようにする。
【００１６】
上記構成の固体撮像装置およびその駆動方法において、先ず、複数の画素の全てをカットオフ状態にする。このとき、複数の画素からは垂直信号線に対して画素信号は出力されない。この状態において、垂直出力手段に対してリファレンス信号を与える。これにより、水平信号線には垂直出力手段からその回路の特性バラツキに起因するノイズ成分が乗ったリファレンス信号が出力される。こうして得られるリファレンス信号を１行分の画素の信号に対応して記憶して保持する。
【００１７】
そして、水平有効期間において、選択された行の画素から垂直信号線を介して導出される明時の画素信号と暗時の画素信号が、垂直出力手段でサンプルホールドされた後水平信号線に出力されることで、明時の画素信号と暗時の画素信号の各々にも垂直出力手段の回路の特性バラツキに起因するノイズ成分が乗る。そこで、予め記憶してある１行分の画素の信号に対応した１ライン分のリファレンス信号を、画素信号の各々からライン単位で減算する。これにより、画素信号に重畳されていたノイズ成分が、リファレンス信号に重畳されていたノイズ成分と相殺され、回路の特性バラツキに起因する縦筋状の固定パターンノイズが除去された画素信号が得られる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態を示す概略構成図である。図１において、画素１１が行列状に多数配列されており、各画素１１の制御入力端が行単位で垂直選択線１２の各々に接続され、各出力端が列単位で垂直信号線１３の各々に接続されている。画素１１からは、画素信号が例えば電圧として垂直信号線１３に出力される。垂直選択線１２の各一端は、垂直走査回路１４の各行の出力端に接続されている。垂直走査回路１４は、シフトレジスタなどによって構成され、垂直走査パルスφＶ（…，φＶｍ，φＶｍ＋１，…）を順に出力する。
【００２０】
垂直信号線１３の各一端とリファレンス線１５との間には、ＮｃｈＭＯＳトランジスタからなるリファレンススイッチ１６が接続されている。リファレンス線１５には、リファレンス電位が印加されている。ここで、リファレンス電位としたのは、画素１１が画素信号を電圧として出力する電圧出力型に適用したからである。したがって、画素１１が画素信号を電流として出力する電流出力型に適用した場合には、リファレンス電流をリファレンス線１５に供給するようにすれば良い。リファレンススイッチ１６の各ゲートには、リファレンスパルスφＲが印加される。
【００２１】
また、垂直信号線１３の各一端には、ＮｃｈＭＯＳトランジスタからなる２つのサンプリングスイッチ１７ｓ，１７ｎの各ドレインが接続されている。サンプリングスイッチ１７ｓのゲートには、画素１１から出力される画素リセット前の明時の信号電圧をサンプリングするための動作パルスφＯＰＳが印加される。また、サンプリングスイッチ１７ｎのゲートには、画素１１から出力される画素リセット後の暗時の信号電圧をサンプリングするための動作パルスφＯＰＮが印加される。サンプリングスイッチ１７ｓ，１７ｎの各ソースは、２つのキャパシタ１８ｓ，１８ｎの各一端にそれぞれ接続されている。
【００２２】
これらキャパシタ１８ｓ，１８ｎは、明時の信号電圧と暗時の信号電圧とをそれぞれホールドするために設けられた蓄電手段であり、各他端が共に接地されている。サンプリングスイッチ１７ｓ，１７ｎの各ソースはさらに、ＮｃｈＭＯＳトランジスタからなる２つの水平選択スイッチ１９ｓ，１９ｎの各ドレインにそれぞれ接続されている。水平選択スイッチ１９ｓ，１９ｎの各ソースは水平信号線２０に接続され、各ゲートは水平走査回路２１の各列の出力端に接続されている。サンプリングスイッチ１７ｓ，１７ｎ、キャパシタ１８ｓ，１８ｎおよび水平選択スイッチ１９ｓ，１９ｎにより、垂直出力回路２２が構成されている。
【００２３】
水平走査回路２１はシフトレジスタなどによって構成され、各列ごとに水平選択スイッチ１９ｓおよび水平選択スイッチ１９ｎを順にオンさせるための水平走査パルスφＨ（…，φＨｎ，φＨｎ＋１，…）を出力する。水平信号線２０は、水平選択スイッチ１９ｓおよび水平選択スイッチ１９ｎのオン動作によって順次読み出される明時の信号電圧と暗時の信号電圧とを、時間軸上において列単位で相前後して伝送する。
【００２４】
水平信号線２０の伝送先側の端部には、水平出力回路２３の入力端が接続されている。水平出力回路２３の出力端にはＣＤＳ（相関二重サンプリング）回路２４の入力端が接続されている。ＣＤＳ回路２４は、時間軸上で相前後する明時の信号電圧と暗時の信号電圧との相関二重サンプリングを行う。ＣＤＳ回路２４から出力されるアナログ信号は、Ａ（アナログ）／Ｄ（デジタル）変換器２５でデジタル信号に変換され、ラインメモリ２６に供給されるとともに、減算器２７の被減算入力になる。
【００２５】
ラインメモリ２５は、リファレンススイッチ１６のオン時にリファレンス線１５から垂直出力回路２２に与えられるリファレンス信号（リファレンス電圧）を１ライン（１行）分だけ記憶し、水平有効期間（リファレンススイッチ１６がオフ状態）ではその記憶したリファレンス信号をライン単位で繰り返して読み出すように、メモリ制御回路（図示せず）によって制御されるようになっている。減算器２７は、ラインメモリ２６から読み出されたリファレンス信号を減算入力とし、水平有効期間において、各画素１１から出力される画素信号からリファレンス信号を減算する処理を行う。
【００２６】
次に、上記構成の本発明に係る増幅型固体撮像装置において、画素１１の特性バラツキに起因する固定パターンノイズと共に、回路の特性バラツキに起因する縦筋状の固定パターンノイズを除去するための駆動方法について説明する。
【００２７】
先ず、水平ブランキング期間において、全ての画素１１をカットオフ状態にする。このとき、各画素１１からは垂直信号線１３に対して画素信号は出力されない。この状態において、リファレンスパルスφＲを印加することによってリファレンススイッチ１６をオン状態にする。これにより、垂直出力回路２２にはリファレンス線１５からリファレンススイッチ１６を介してリファレンス信号（リファレンス電圧）が供給される。
【００２８】
ここで、リファレンススイッチ１６をオンさせるとき、そのＭＯＳトランジスタを線形領域で動作させ、そのしきい値電圧Ｖｔｈのバラツキを無視し得るような状態とする。特に、電流出力型に適用し、リファレンス信号としてリファレンス電流を用いる場合には、垂直出力回路２２中の抵抗分よりもリファレンススイッチ１６の抵抗分が十分に低くなるように注意する必要がある。これにより、リファレンススイッチ１６のしきい値電圧Ｖｔｈのバラツキに起因するノイズ成分を抑えることができる。
【００２９】
リファレンス線１５から与えられるリファレンス信号は、垂直出力回路２２を介して水平信号線２０に出力される。このとき、水平信号線２０には垂直出力回路２２からその回路の特性バラツキに起因するノイズ成分が乗ったリファレンス信号が出力される。こうして得られたリファレンス信号は、水平出力回路２３、ＣＤＳ回路２４およびＡ／Ｄ変換器２５を経てラインメモリ２６に供給され、このラインメモリ２６に１ライン分記憶される。
【００３０】
続いて、リファレンススイッチ１６をオフ状態にした後、垂直走査回路１４による垂直走査によってある行が選択されると、その選択された行の画素１１の画素リセット前の明時の信号電圧と画素リセット後の暗時の信号電圧とが順にサンプリングスイッチ１７ｓ，１７ｎによってサンプリングされ、かつキャパシタ１８ｓ，１８ｎにホールドされる。ここに、明時の信号電圧は画素１１の特性バラツキに起因するノイズ成分を含んだ信号成分であり、暗時の信号電圧は画素１１の特性バラツキに起因するノイズ成分である。
【００３１】
次に、水平有効期間において、水平走査回路２１による水平走査によってある列が選択され、その選択された列の水平選択スイッチ１９ｓ，１９ｎが順にオン状態となることにより、キャパシタ１８ｓ，１８ｎにホールドされた明時の信号電圧と暗時の信号電圧とが順次水平信号線２０に読み出される。これにより、明時の信号電圧と暗時の信号電圧とが、時間軸上において列単位で相前後して水平信号線２０によって伝送され、水平出力回路２３を経てＣＤＳ回路２４に供給される。
【００３２】
そして、このＣＤＳ回路２４において、時間軸上で相前後する明時の信号電圧と暗時の信号電圧との相関二重サンプリングが行われ、その差分がとられることによって両信号電圧に重畳されていたノイズ成分が相殺される。その結果、画素１１の特性バラツキに起因する固定パターンノイズの除去された画素信号が得られることになる。
【００３３】
その後、この画素信号はＡ／Ｄ変換器２５でデジタル化されて減算器２７の被減算入力となり、この減算器２７において、ラインメモリ２６に予め記憶されているリファレンス信号との差分がとられる。ここで、画素信号には垂直出力回路２２を通過する際にその回路の特性バラツキに起因するノイズ成分が乗り、同様に、リファレンス信号にも垂直出力回路２２を通過する際にその回路の特性バラツキに起因するノイズ成分が乗っていることから、画素信号とリファレンス信号との差分をとることで、両信号に重畳されていたノイズ成分が相殺され、縦筋状の固定パターンノイズの要因となる垂直出力回路２２の列間における特性バラツキを除くことができる。
【００３４】
以上により、画素１１のしきい値電圧Ｖｔｈなどの特性バラツキに起因する固定パターンノイズのみならず、垂直出力回路２２におけるサンプリングスイッチ１７ｓ，１７ｎや水平選択スイッチ１９ｓ，１９ｎのスイッチングに伴うノイズ成分など、垂直出力回路２２の列間における特性バラツキに起因する縦筋状の固定パターンノイズをも抑圧した画素信号が得られる。
【００３５】
ところで、垂直出力回路２２の列間における特性バラツキに起因する縦筋状の固定パターンノイズを抑圧するために、固体撮像装置の光学系におけるレンズのアイリスをクローズし、暗時のノイズ成分（画素１１の特性バラツキに起因するノイズ成分＋垂直出力回路２２の特性バラツキに起因するノイズ成分）をフィールドメモリに記憶しておき、明時の信号成分からこのノイズ成分を差し引く方法も考えられる。しかしながら、この方法の場合には、レンズのアイリスを操作するというメカニカルな動作が入るため、手動で行った場合には煩雑であるし、また自動化した場合には機構が複雑になる。
【００３６】
これに対し、上述したように、画素信号とは別に、リファレンス信号（リファレンス電圧あるいはリファレンス電流）を選択的に垂直出力回路２２に与え、この垂直出力回路２２を通過する際にリファレンス信号に乗る回路の特性バラツキに起因するノイズ成分を記憶するようにしたことで、電子的な操作のみにより、縦筋状の固定パターンノイズの要因となるノイズ成分の外部メモリ（ラインメモリ２６）への取り込みが可能となり、システムを簡素化できる。しかも、このノイズ成分を１ライン分だけ記憶するだけで良いため、外部メモリの容量も少なくて済む。
【００３７】
なお、垂直出力回路２２としては、上記実施形態に係る回路構成のものに限定されるものではなく、画素１１のしきい値電圧Ｖｔｈなどの特性バラツキに起因する固定パターンノイズを除去する機能を持った垂直出力回路２２としては種々の構成のものが考えられる。また、垂直出力回路２２の列間における特性バラツキに起因する縦筋状の固定パターンノイズの抑圧のみを考慮する場合には、垂直出力回路２２は必ずしも画素１１の特性バラツキに起因する固定パターンノイズを除去する機能を持つ必要はない。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、リファレンス信号を選択的に垂直出力回路に与え、この垂直出力回路を通過する際にリファレンス信号に乗る回路の特性バラツキに起因するノイズ成分を１行分の画素の信号に対応して１ライン分記憶しておき、このノイズ成分を用いて画素信号に乗るノイズ成分をキャンセルするようにしたことにより、電子的な操作のみによって回路の特性バラツキに起因する縦筋状の固定パターンノイズを抑圧することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】従来例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１１ 画素 １３ 垂直信号線 １４ 垂直走査回路
１６ リファレンススイッチ １７ｓ，１７ｎ サンプリングスイッチ
１８ｓ，１８ｎ キャパシタ １９ｓ，１９ｎ 水平選択スイッチ
２０ 水平信号線 ２１ 水平走査回路 ２２ 垂直出力回路
２３ 水平出力回路 ２４ ＣＤＳ回路 ２５ Ａ／Ｄ変換器
２６ ラインメモリ ２７ 減算器

Claims (5)

1. 行列状に配列された複数の画素と、
   前記複数の画素の各出力端が列単位で接続された垂直信号線の一端とリファレンス信号を与えるリファレンス線との間に接続されたスイッチ手段と、
   前記垂直信号線の一端に前記スイッチ手段のオフ時に、選択された行の画素から出力される明時の画素信号と暗時の画素信号とをサンプルホールドして水平信号線に出力するとともに、前記スイッチ手段のオン時に導出されるリファレンス信号を前記水平信号線に出力する垂直出力手段と、
   前記水平信号線を介して出力される前記リファレンス信号を１行分の画素の信号に対応して記憶する記憶手段と、
   前記水平信号線を介して出力される前記画素信号から前記記憶手段に記憶された前記リファレンス信号をライン単位で減算する減算手段と
   を備えたことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記スイッチ手段はトランジスタによって構成され、線形領域で動作する
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記垂直出力手段は、
   一端が前記垂直信号線の一端に接続され、前記明時の画素信号をサンプリングする第１のスイッチ手段と、
   一端が前記垂直信号線の一端に接続され、前記暗時の画素信号をサンプリングする第２のスイッチ手段と、
   前記第１のスイッチ手段の他端と基準電位点との間に接続され、前記明時の画素信号を前記第１のスイッチ手段を介して蓄積する第１の蓄電手段と、
   前記第２のスイッチ手段の他端と基準電位点との間に接続され、前記暗時の画素信号を前記第２のスイッチ手段を介して蓄積する第２の蓄電手段と、
   前記第１のスイッチ手段の他端と前記水平信号線との間に接続され、前記第１の蓄積手段から前記明時の画素信号を読み出す第３のスイッチ手段と、
   前記第２のスイッチ手段の他端と前記水平信号線との間に接続され、前記第２の蓄積手段から前記暗時の画素信号を読み出す第４のスイッチ手段とを各列ごとに有する
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
4. 前記垂直出力手段から前記水平信号線に出力される前記第３のスイッチ手段のオン時の前記明時の画素信号と前記第４のスイッチ手段のオン時の前記暗時の画素信号との差分をとる手段
   を備えたことを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
5. 行列状に配列された複数の画素と、前記複数の画素のうち選択された行の画素から垂直信号線を介して導出される明時の画素信号と暗時の画素信号とをサンプルホールドして水平信号線に出力する垂直出力手段とを具備する固体撮像装置において、
   先ず、前記複数の画素の全てをカットオフし、かつ前記垂直出力手段に対してリファレンス信号を供給し、
   この状態において前記垂直出力手段を介して前記水平信号線に出力される前記リファレンス信号を１行分の画素の信号に対応して記憶して保持し、
   次いで水平有効期間においてこの記憶保持した１行分の画素の信号に対応する前記リファレンス信号を前記垂直出力手段を介して前記水平信号線に出力される前記画素信号からライン単位で減算する
   ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。

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