JP3817294B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、入力した２次元光像を撮像する固体撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電荷結合素子（ＣＣＤ）に代表される固体撮像素子を使用した撮像装置は、家庭用ビデオをはじめ様々な分野で使用されている。しかし、比較的大きな受光面積を有するフォトダイオード電荷を取り扱う場合には、ＣＣＤでは電荷転送効率が低いので、電荷の転送をしきれないという問題を生じる。そこで、特定の分野では、固体撮像装置の内で、電荷転送効率の問題が生じないＭＯＳ型イメージセンサが使用される。
【０００３】
一方、従来のＭＯＳ型イメージセンサは、ＣＣＤに比べて電荷の駆動スピードが遅いという欠点を有している。そこで、電荷の駆動スピードの向上を図る提案がなされている。「N.Ricquier et al., SPIE, Vol.2172, pp.2-10」は、こうした提案の代表的な例（以後、単に従来例と呼ぶ）である。
【０００４】
図５は、従来例のＭＯＳ型イメージセンサの構成図である。図５に示すように、この装置は、（ａ）入力光信号を電流信号に変換する光電変換素子９１３と、光電変換素子９１３の信号出力端子に第１の端子が接続され、垂直走査信号に応じて第２の端子から光電変換素子９１３で発生した電流信号を流出するスイッチ素子９１４とを１組の受光素子９１２として、第１の方向（以後、垂直方向と呼ぶ）に沿ってＭ個配列されるとともに、夫々のスイッチ素子９１４の第２の端子と互いに電気的に接続された信号出力端子を有する垂直受光部９１１が、第２の方向（以後、水平方向と呼ぶ）に沿ってＮ個配列された受光部９１０と、（ｂ）夫々の垂直受光部９１１ｊから出力を夫々個別に入力し、リセット指示信号ＫＲＳに応じて垂直受光部から出力された電流信号を入出力端子間に接続された容量素子９２２に積分または非積分の動作をするＮ個の積分回路９２０と、（ｃ）夫々の積分回路から出力された信号を夫々入力し、交流成分を出力するＮ個の容量素子９３０と、（ｄ）夫々の容量素子９３０から出力された信号を入力するとともに、指示された容量素子９３０から信号を出力するＮ個のスイッチ素子９４０と、（ｅ）水平走査信号ＲＳｊに応じて択一的に容量素子９３０から出力された信号を入力して、出力データ信号を出力するとともに、初期電位設定指示信号ＧＲＳの指示に応じて、初期電位設定指示信号ＧＲＳが有意の期間にわたって入力電位値および出力電位値を夫々の初期値である基準電位Ｖｒｅｆに設定するデータ信号出力回路９５０と、（ｆ）初期電位設定指示信号ＧＲＳ、リセット指示信号ＫＲＳ、垂直走査信号ＶＳｉ、および水平走査信号ＲＳｊを出力するタイミング制御部９６０とを備える。
【０００５】
この装置では、以下のようにして、受光部９１０に入力した光が形成する光像を撮像する。図６は、図５の装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【０００６】
まず、読み出しの実行に先立って、タイミング制御部９６０が積分回路リセット指示信号ＫＲＳを有意とし、積分回路の出力を初期値である基準電位Ｖｒｅｆとする。
【０００７】
また、読み出しの実行に先立って、初期電位設定指示信号ＧＲＳを有意とする。この結果、データ出力回路の入出力端子が初期電位である基準電位Ｖｒｅｆに設定される。
【０００８】
次に、タイミング制御部９６０が積分回路リセット指示信号ＫＲＳと初期電位設定指示信号ＧＲＳとを非有意としたのち、各垂直受光部９１１ｊの垂直走査における第１番目の受光素子のスイッチ素子９１２1,jのみを「ＯＮ」とする垂直走査信号ＶＳ１を有意にして出力する。スイッチ９１４が「ＯＮ」となると、それまでの受光によって光電変換素子９１３に蓄積された電荷が電流信号となって受光部９１０から出力される。そして、積分回路９２０によって瞬時にその帰還容量素子に蓄積され電圧として出力される。積分回路９２０から出力された信号は、容量素子９３０に入力する。この結果、容量素子９３０の信号入力端子および信号出力端子は受光素子９１２1,jでの受光量に応じた電位となる。
【０００９】
次いで、水平走査信号の設定により、垂直方向の第１番目の受光素子９１２1,jに関するデータの読み出しを開始する。
【００１０】
タイミング制御部９６０が、水平方向の第１番目の受光素子９１２1,1に応じたスイッチ素子９４０のみの選択を指示する水平走査信号ＲＳ１を有意とし、第１番目の受光素子９１２1,1に応じたスイッチ素子９４０のみを「ＯＮ」とする。
【００１１】
スイッチ素子９４０を介した信号はデータ出力回路９５０に入力し、水平方向の第１番目の受光素子９１２1,1に入射した光量に応じた出力データ信号として出力される。
【００１２】
引き続き、水平方向の第１番目の受光素子９１２1,1に応じたスイッチ素子９４０のみの選択を指示する水平走査信号ＲＳ１を非有意として、水平方向の第１番目の受光素子９１２1,1に関するデータ読み出しを終了する。
【００１３】
次に、水平方向の第１番目の受光素子９１２1,1と同様にして、水平方向の第２番目以降の受光素子９１２1,jに関するデータ読み出しを実行する。
【００１４】
次いで、タイミング制御部９６０が積分回路リセット指示信号ＫＲＳおよび初期電位設定指示信号を有意とし、積分回路の出力を初期値に都度設定しながら、各垂直受光部９１１ｊの垂直走査における第２番目以降の受光素子９１２1,jに関するデータ読み出しを実行する。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
提案されている固体撮像装置は上記のように構成されるので、水平読み出し動作において、スイッチ素子９４０が「ＯＮ」となる前は、スイッチ素子９４０の一方の端子と他方の端子との電位は一般に異なるので、スイッチ素子９４０が「ＯＮ」となった瞬間、スイッチ素子９４０の他方の端子、すなわち、データ出力回路９５０の入力端子の電位は不安定な状態となる。
【００１６】
この結果、データ出力回路９５０の出力は安定せず、装置としての精度が低下する。
【００１７】
本発明は、上記を鑑みてなされたものであり、高精度かつ高速で撮像が可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。
【００１８】
請求項１の固体撮像装置は、入力した２次元光像を撮像する固体撮像装置であって、（ａ）入力光信号を電流信号に変換する光電変換素子と、光電変換素子の信号出力端子に第１の端子が接続され、垂直走査信号に応じて第２の端子から光電変換素子で発生した電流信号を流出する第１のスイッチ素子とを１組の受光素子として、第１の方向に沿って第１の数だけ配列されるとともに、夫々の第１のスイッチ素子の第２の端子と互いに電気的に接続された信号出力端子を有する垂直受光部が、第２の方向に沿って第２の数だけ配列された受光部と、（ｂ）夫々の垂直受光部から出力を夫々個別に入力し、リセット指示信号に応じて垂直受光部から出力された電流信号を入出力端子間に接続された第１の容量素子に積分または非積分の動作をする第２の数の積分回路と、（ｃ）夫々の積分回路から出力された信号を夫々入力し、クランプ指示信号に応じてクランプ処理する第２の数のクランプ回路と、（ｄ）夫々のクランプ回路から出力された信号を夫々入力し、サンプル指示信号に応じてサンプル動作またはホールド動作を行う第２の数のサンプルホールド回路と、（ｅ）夫々のサンプルホールド回路から出力された信号を入力し、交流成分を出力する第２の数の第２の容量素子と、（ｆ）夫々の第２の容量素子から出力された信号を入力するとともに、指示された第２の容量素子から信号を出力する第２の数の第２のスイッチ素子と、（ｇ）水平走査信号に応じて択一的に第２の容量素子から出力された信号を入力して、出力データ信号を出力するとともに、初期電位設定指示信号の指示に応じて、初期電位設定指示信号が有意の期間にわたって入力電位値および出力電位値を夫々の初期値に設定するデータ信号出力回路と、（ｈ）垂直走査信号、全クランプ指示信号と個別クランプ指示信号との論理和であるクランプ指示信号、リセット指示信号、全サンプル指示信号と個別サンプル指示信号との論理和であるサンプル指示信号、水平指示信号、および初期電位設定指示信号を出力するとともに、垂直走査信号の出力に先立って、リセット指示信号、および、全クランプ指示信号を一時的に有意とするとともに、垂直走査信号が有意の期間にわたって全サンプル指示信号と全ての信号出力ラインに応じた水平走査信号と初期電位設定指示信号とを有意とし、かつ、垂直走査信号が非有意の場合の夫々の信号出力ラインに応じた水平走査信号の有意期間の後半でクランプ指示信号および個別サンプル指示信号を一時的に有意とするタイミング制御部とを備えることを特徴とする。
【００１９】
請求項１の固体撮像装置では、受光部が入射した光が形成する光像を入力し、受光部の光電変換素子に受光量に応じた電荷が蓄積される。そして、所定の受光期間の経過後に各受光素子に蓄積された電荷量を以下のようにして読み出す。
【００２０】
まず、読み出しの実行に先立って、タイミング制御部が全クランプ指示信号と積分回路リセット指示信号を有意とし、クランプ回路の出力と積分回路の出力を初期値とする。
【００２１】
また、読み出しの実行に先立って、全ての信号出力ラインに応じた水平走査信号および初期電位設定指示信号を有意とする。この結果、全ての第２のスイッチ素子がＯＮとなり、第２の容量素子の出力がデータ出力回路の初期電位に設定される。
【００２２】
次に、タイミング制御部が全クランプ指示信号と積分回路リセット指示信号を非有意とするとともに、全ての信号出力ラインに応じた水平走査信号および初期電位設定指示信号を有意としたままで、各垂直受光部の垂直走査における第１番目の受光素子のスイッチ素子のみを「ＯＮ」とする垂直走査信号および全ての信号出力ラインに応じたサンプル指示信号を有意にして出力する。スイッチ素子が「ＯＮ」となると、それまでの受光によって光電変換素子に蓄積された電荷が電流信号となって受光部から出力される。そして、積分回路によって瞬時にその帰還容量である第１の容量素子に蓄積され電圧として出力される。積分回路から出力された信号は、クランプ回路、サンプルホールド回路を介して第２の容量素子に入力する。この結果、第２の容量素子の信号入力端子は受光素子での受光量に応じた電圧が印加される。
【００２３】
次いで、全ての信号出力ラインに応じた水平走査信号および初期電位設定指示信号を非有意とした後、水平走査信号の設定により、水平方向の第１番目の受光素子に関するデータの読み出しを開始する。
【００２４】
タイミング制御部が、水平方向の第１番目の受光素子に応じた第２のスイッチ素子のみの選択を指示する水平走査信号が有意とし、第１番目の受光素子に応じた第２のスイッチ素子のみを「ＯＮ」とするとともに、初期電位設定指示信号が一時的に有意となり、データ出力回路の入力電位が初期値に設定される。
【００２５】
第１番目の受光素子に応じた第２のスイッチ素子が「ＯＮ」となることにより、第２の容量素子の出力端子とデータ出力回路の入力端子とが接続されるが、第２の容量素子の出力端子の電位は、前回の第２のスイッチの開放時の電位、すなわち、データ出力回路の入力端子の初期電位のままなので、データ出力回路の入力端子の電位は変動せず安定したままである。
【００２６】
次に、水平方向の第１番目の受光素子に応じたクランプ指示信号とサンプル指示信号とを有意とする。この結果、クランプ回路の出力はクランプ電位に変化し、この変化がサンプルホールド回路、第２の容量素子、およびデータ出力回路を介して、水平方向の第１番目の受光素子に入射した光量に応じた出力データ信号として出力される。
【００２７】
引き続き、水平方向の第１番目の受光素子に応じた第２のスイッチ素子のみの選択を指示する水平走査信号、水平方向の第１番目の受光素子に応じたクランプ指示信号、およびサンプル指示信号を非有意として、水平方向の第１番目の受光素子に関するデータ読み出しを終了する。
【００２８】
次に、水平方向の第１番目の受光素子と同様にして、水平方向の第２番目以降の受光素子に関するデータ読み出しを実行する。
【００２９】
次いで、タイミング制御部が全クランプ指示信号と積分回路リセット指示信号を有意とし、クランプ回路の出力と積分回路の出力を初期値に都度設定しながら、各垂直受光部の垂直走査における第２番目以降の受光素子に関するデータ読み出しを実行する。
【００３０】
請求項２の固体撮像装置は、請求項１の固体撮像装置において、データ信号出力回路が、（i）水平走査信号に応じて択一的に第２の容量素子から出力された信号を入力して増幅する増幅器と、（ii）電荷増幅器の入出力端子間に接続された第３の容量素子と、（iii）第３の容量素子と並列に電荷増幅器の入出力端子間に接続され、初期電位設定指示信号が有意な期間に閉塞する第３のスイッチ素子とを備えることを特徴とする。
【００３１】
請求項２の固体撮像装置では、初期電位設定指示信号を有意し、第３のスイッチ素子を「ＯＮ」とすることにより、データ信号出力回路の入力端子と出力端子とを同一の初期電位に設定する。
【００３２】
請求項３の固体撮像装置は、請求項２の固体撮像装置において、データ信号出力回路が、（i）増幅器の入力端子に第１の端子が接続され、第２の端子が基準電位に設定され、初期電位設定指示信号が有意な期間に閉塞する第４のスイッチ素子と、（ii）増幅器の出力端子に第１の端子が接続され、第２の端子が前記基準電位に設定され、初期電位設定指示信号が有意な期間に閉塞する第５のスイッチ素子とを更に備えることを特徴とする。
【００３３】
請求項３の固体撮像装置では、初期電位設定指示信号を有意することにより、第３のスイッチ素子に加えて、第４のスイッチ素子および第５のスイッチ素子も「ＯＮ」となり、迅速に初期電位である基準電位に設定される。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の固体撮像装置の実施形態を説明する。なお、図面の説明にあたって同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００３５】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態の固体撮像装置の構成図である。図１に示すように、この装置は、（ａ）入力光信号を電流信号に変換する光電変換素子１３０と、光電変換素子１３０の信号出力端子に接続され、垂直走査信号ＶＳｉ（ｉ＝１〜Ｍ）に応じて光電変換素子１３０で発生した電流信号を流出するスイッチ素子１４０とを１組の受光素子１２０として、第１の方向（以後、垂直方向と呼ぶ）に沿ってＭ個配列され、夫々のスイッチ素子１４０の信号出力端子が電気的に接続された垂直受光部１１０が、第２の方向（以後、水平方向と呼ぶ）に沿ってＮ個配列された受光部１００と、（ｂ）垂直受光部１１０j（ｊ＝１〜Ｎ）からの出力信号を夫々個別に入力し、信号処理後に水平走査信号（ＲＳｊ）に応じて択一的に信号を出力する水平信号処理部２１０jと、水平信号処理部２１０jから出力された信号を入力し、装置としての出力データ信号を出力するデータ信号出力回路２８０とを備える信号処理部２００と、（ｃ）受光部１００および信号処理部２００に動作タイミングの指示信号を通知するタイミング制御部３００とを備える。
【００３６】
水平信号処理部２１０jは、（i）垂直受光部１１０jからの出力信号を入力し、リセット指示信号ＫＲＳに応じて垂直受光部１１０jから出力された電流信号を入出力端子間に接続された容量素子２２２に積分（リセット指示信号ＫＲＳが非有意の場合）、または非積分（リセット指示信号ＫＲＳが有意の場合）の動作をする積分回路２２０と、（ii）積分回路２２０から出力された信号を入力し、クランプ指示信号ＣＰｊに応じて入力信号をクランプするクランプ回路２３０と、（iii）クランプ回路２３０から出力された信号を入力し、サンプル指示信号ＳＰｊに応じてサンプルホールド動作を行うサンプルホールド回路２４０と、（iv）サンプルホールド回路２４０から出力された信号を入力し、交流成分を出力する容量素子２５０と、（v）容量素子２５０から出力された信号を入力し、水平走査信号ＲＳｊに応じて開閉するスイッチ素子２６０と、（vi）スイッチ素子２６０を介した信号を入力し、装置としての出力データ信号を出力するデータ信号出力回路２８０とを備える。
【００３７】
積分回路２２０は、（i）垂直受光部１１０jからの出力信号を入力し、入力した電流信号の電荷を増幅する電荷増幅器２２１と、（ii）電荷増幅器２２１の入力端子に一方の端子が接続され、電荷増幅器２２１の出力端子に他方の端子が接続された容量素子２２２と、（iii）電荷増幅器２２１の入力端子に一方の端子が接続され、電荷増幅器２２１の出力端子に他方の端子が接続され、リセット指示信号ＫＲＳが有意の場合には「ＯＮ」状態となり、リセット指示信号ＫＲＳが非有意の場合には「ＯＦＦ」状態となるスイッチ素子２２３とを備える。
【００３８】
クランプ回路２３０は、（i）積分回路２２０から出力された信号を入力し、交流成分を出力する容量素子２３１と、（ii）容量素子２３１を介した信号を入力し、増幅して出力する増幅器２３２と、（iii）増幅器２３２の入力端子に一方の端子が接続され、増幅器２３２の出力端子に他方の端子が接続された容量素子２３３と、（iv）増幅器２３２の入力端子に一方の端子が接続され、増幅器２３２の出力端子に他方の端子が接続され、クランプ指示信号ＣＰｊが有意の場合には「ＯＮ」状態となり、クランプ指示信号ＣＰｊが非有意の場合には「ＯＦＦ」状態となるスイッチ素子２３４とを備える。
【００３９】
サンプルホールド回路２４０は、（i）クランプ回路２３０から出力された信号を一方の端子に入力するとともに、サンプル指示信号ＳＰｊが非有意の場合には「ＯＦＦ」のホールド状態となり、サンプル指示信号ＳＰｊが有意の場合には「ＯＮ」のサンプル状態となるスイッチ素子２４１と、（ii）スイッチ素子２４１を介した信号電荷を蓄積する容量素子２４２と、（iii）スイッチ素子２４１の他方の端子から出力された電圧信号を入力し、インピーダンス変換して出力するバッファ増幅器２４３とを備える。
【００４０】
データ信号出力回路２８０は、（i）水平信号処理部２１０jから出力された信号を入力し、入力した電流信号の電荷を増幅する電荷増幅器２８１と、（ii）電荷増幅器２８１の入力端子に一方の端子が接続され、電荷増幅器２８１の出力端子に他方の端子が接続された容量素子２８２と、（iii）電荷増幅器２８１の入力端子に一方の端子が接続され、電荷増幅器２８１の出力端子に他方の端子が接続され、初期電位設定指示信号ＧＲＳが有意の場合には「ＯＮ」状態となり、初期電位設定指示信号ＧＲＳが非有意の場合には「ＯＦＦ」状態となるスイッチ素子２８３とを備える。
【００４１】
図２は、タイミング制御部３００の回路構成図である。図２に示すように、タイミング制御部３００は、（i）データの読み出し動作の基本タイミングを発生する基本タイミング生成部３１０と、（ii）基本タイミング生成部３１０から出力された基本タイミング信号に同期して、垂直走査信号ＶＳｉを出力する垂直シフトレジスタ３２０と、（iii）基本タイミング生成部３１０から出力された基本タイミング信号に同期して、水平選択信号ＨＳｊを出力する水平シフトレジスタ３３０と、（iv）基本タイミング生成部３１０から出力された基本タイミング信号に同期して、リセット指示信号ＫＲＳ、初期電位設定指示信号ＧＲＳ、全水平ライン選択指示信号ＡＨＳ、個別クランプ／サンプル指示信号ＩＣＳ、全サンプル指示信号ＡＳＰ、および全クランプ指示信号を生成する制御信号生成部３４０と、（v）全水平ライン選択指示信号ＡＨＳ、個別クランプ／サンプル指示信号ＩＣＳ、全サンプル指示信号ＡＳＰ、全クランプ指示信号、および水平選択信号ＨＳｊを入力して、水平走査信号ＲＳｊ、サンプル指示信号ＳＰｊ、およびクランプ指示信号ＣＰｊを生成する制御信号部３５０とを備える。
【００４２】
本実施形態の装置は、以下のようにして、受光部１００に入力した光像データを収集する。図３は、本実施形態の装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【００４３】
本実施形態の固体撮像装置では、受光部１００が入射した光が形成する光像を入力し、受光部１００の光電変換素子１３０に受光量に応じた電荷が蓄積される。そして、所定の受光期間の経過後に夫々の光電変換素子１３０に蓄積された電荷量を以下のようにして読み出す。
【００４４】
まず、読み出しの実行に先立って、タイミング制御部３００が全クランプ指示信号ＡＣＰを有意とすることにより全てのクランプ指示信号ＣＰｊを有意するとともに、積分回路リセット指示信号ＫＲＳを有意とし、クランプ回路２３０の出力と積分回路２２０の出力を基準電位Ｖｒｅｆとする。
【００４５】
また、読み出しの実行に先立って、全水平ライン選択指示信号ＡＨＳを有意とすることにより全ての信号出力ラインに応じた水平走査信号ＲＳｊおよび初期電位設定指示信号ＧＲＳを有意とする。この結果、全ての第２のスイッチ素子２６０がＯＮとなり、全ての容量素子２５０の出力がデータ出力回路２８０の初期電位である基準電位Ｖｒｅｆに設定される。
【００４６】
次に、タイミング制御部３００が全クランプ指示信号ＡＣＰを非有意にして全てのクランプ指示信号ＣＰｊを非有意とし、積分回路リセット指示信号ＫＲＳを非有意とするとともに、全ての信号出力ラインに応じた水平走査信号ＲＳｊおよび初期電位設定指示信号ＧＲＳを有意としたままで、各垂直受光部１１０ｊの垂直走査における第１番目の受光素子１２０1,jのスイッチ素子１４０のみを「ＯＮ」とする垂直走査信号ＶＳｉを有意とするとともに、全サンプル指示信号ＡＳＰを有意とすることにより全ての信号出力ラインに応じたサンプル指示信号ＳＰｊを有意にする。スイッチ素子１４０が「ＯＮ」となると、それまでの受光によって光電変換素子１３０に蓄積された電荷が電流信号となって受光部１００から出力される。そして、積分回路２２０によって瞬時にその帰還容量である容量素子２２２に蓄積され電圧として出力される。積分回路２２０から出力された信号は、クランプ回路２３０、サンプルホールド回路２４０を介して容量素子２５０に入力する。この結果、容量素子２５０の信号入力端子は受光素子１３０での受光量に応じた電圧が印加される。
【００４７】
次いで、全ての信号出力ラインに応じた水平走査信号ＲＳｊおよび初期電位設定指示信号ＧＲＳを非有意とした後、水平走査信号ＲＳｊの設定により、垂直方向の第１番目の受光素子１２０1,jに関するデータの読み出しを開始する。
【００４８】
タイミング制御部３００が、水平選択信号ＨＳ１を有意とすることにより水平方向の第１番目の受光素子１２０1,1に応じたスイッチ素子２６０のみの「ＯＮ」を指示する水平走査信号ＲＳ１を有意とし、第１番目の受光素子１２０1,1に応じたスイッチ素子２６０のみを「ＯＮ」とするとともに、初期電位設定指示信号ＧＲＳが一時的に有意となり、データ出力回路２８０の入力電位が基準電位Ｖｒｅｆに設定される。
【００４９】
第１番目の受光素子１２０1,1に応じたスイッチ素子２６０が「ＯＮ」となることにより、容量素子２５０の出力端子とデータ出力回路２８０の入力端子とが接続されるが、容量素子２５０の出力端子の電位は、前回のスイッチ素子２６０の開放時の電位、すなわち、データ出力回路２８０の入力端子の初期電位である基準電位Ｖｒｅｆのままなので、データ出力回路２８０の入力端子の電位は変動せず安定したままである。
【００５０】
次に、水平方向の第１番目の受光素子１２０1,1に応じたクランプ指示信号ＣＰ１とサンプル指示信号ＳＰ１とを有意とする。この結果、クランプ回路２３０の出力はクランプ電位である基準電位Ｖｒｅｆに変化し、この変化がサンプルホールド回路２４０、容量素子２５０、およびデータ出力回路２８０を介して、水平方向の第１番目の受光素子１２０1,1に入射した光量に応じた出力データ信号Ｖｏとして出力される。
【００５１】
引き続き、水平方向の第１番目の受光素子１２０1,1に応じたスイッチ素子２６０のみの選択を指示する水平走査信号ＲＳ１、水平方向の第１番目の受光素子１２０1,1に応じたクランプ指示信号ＣＰ１、およびサンプル指示信号ＳＰ１を非有意として、水平方向の第１番目の受光素子１２０1,1に関するデータ読み出しを終了する。
【００５２】
次に、水平方向の第１番目の受光素子１２０1,1と同様にして、水平方向の第２番目以降の受光素子１２０1,jに関するデータ読み出しを実行する。
【００５３】
次いで、タイミング制御部３００が全クランプ指示信号ＡＣＰと積分回路リセット指示信号ＫＲＳを有意とし、クランプ回路２３０の出力と積分回路２２０の出力を基準電位Ｖｒｅｆに都度設定しながら、各垂直受光部１１０jの垂直走査における第２番目以降の受光素子１２０i,jに関するデータ読み出しを実行する。
【００５４】
こうして、受光部１００に入力した光の形成する光像を撮像し、撮像データを得る。
【００５５】
（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態の固体撮像装置の構成図である。図４に示すように、本実施形態の装置は、第１実施形態の装置と比べて、データ出力回路２９０が上記のデータ出力回路２８０に対して、（i）電荷増幅器２８１の入力端子に第１の端子が接続され、第２の端子が基準電位Ｖｒｅｆに設定され、初期電位設定指示信号ＧＲＳが有意な期間に閉塞するスイッチ素子２９４と、（ii）電荷増幅器２８１の出力端子に第１の端子が接続され、第２の端子が基準電位Ｖｒｅｆに設定され、初期電位設定指示信号ＧＲＳが有意な期間に閉塞するスイッチ素子２９５とを更に備える点のみが異なる。
【００５６】
本実施形態の装置は、第１実施形態の装置と同様のタイミングで動作するが、本実施形態の装置によれば、初期電位設定指示信号ＧＲＳの有意設定により、スイッチ素子２８３と入力端子間でのイマジナリショートによる入出力端子の基準電位Ｖｒｅｆへの設定のみならず、スイッチ素子２９４およびスイッチ素子２９５を介しても強制的に入出力端子の基準電位Ｖｒｅｆへの設定が行われるので、初期電位設定指示信号ＧＲＳの有意設定によるデータ出力回路２９０の入出力端子の基準電位Ｖｒｅｆへの設定が迅速に行われ、精度の向上が可能となる。
【００５７】
【発明の効果】
以上、詳細に説明した通り、本発明の固体撮像装置によれば、受光素子での受光量に応じた信号の読み出しにあたって、各受光素子の選択時に、データ出力回路の入力端子が変動しない構成としたので、高精度かつ高速で撮像が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の固体撮像装置の回路構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態の固体撮像装置のタイミング制御部の回路構成図である。
【図３】本発明の実施例の固体撮像装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【図４】本発明の第２実施形態の固体撮像装置の回路構成図である。
【図５】従来の固体撮像装置の回路構成図である。
【図６】従来の固体撮像装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【符号の説明】
１００…受光部、１１０…垂直受光部、１２０…受光素子、１３０…光電変換素子、１４０…スイッチ素子、２００…信号処理部、２１０…水平信号処理部、２２０…積分回路、２２１…電荷増幅器、２２２…容量素子、２２３…スイッチ素子、２３０…クランプ回路、２３１…容量素子、２３２…増幅器、２３３…容量素子、２３４…スイッチ素子、２４０…サンプルホールド回路、２４１…スイッチ素子、２４２…容量素子、２４３…バッファ増幅器、２５０…容量素子、２６０…スイッチ素子、２８０，２９０…データ出力回路、２８１…電荷増幅器、２８２…容量素子、２８３，２９４，２９５…スイッチ素子、３００…タイミング制御部、３１０…基本タイミング部、３２０…垂直シフトレジスタ、３３０…水平シフトレジスタ、３４０…制御信号部。
【産業上の利用分野】
本発明は、入力した２次元光像を撮像する固体撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電荷結合素子（ＣＣＤ）に代表される固体撮像素子を使用した撮像装置は、家庭用ビデオをはじめ様々な分野で使用されている。しかし、比較的大きな受光面積を有するフォトダイオード電荷を取り扱う場合には、ＣＣＤでは電荷転送効率が低いので、電荷の転送をしきれないという問題を生じる。そこで、特定の分野では、固体撮像装置の内で、電荷転送効率の問題が生じないＭＯＳ型イメージセンサが使用される。
【０００３】
一方、従来のＭＯＳ型イメージセンサは、ＣＣＤに比べて電荷の駆動スピードが遅いという欠点を有している。そこで、電荷の駆動スピードの向上を図る提案がなされている。「N.Ricquier et al., SPIE, Vol.2172, pp.2-10」は、こうした提案の代表的な例（以後、単に従来例と呼ぶ）である。
【０００４】
図５は、従来例のＭＯＳ型イメージセンサの構成図である。図５に示すように、この装置は、（ａ）入力光信号を電流信号に変換する光電変換素子９１３と、光電変換素子９１３の信号出力端子に第１の端子が接続され、垂直走査信号に応じて第２の端子から光電変換素子９１３で発生した電流信号を流出するスイッチ素子９１４とを１組の受光素子９１２として、第１の方向（以後、垂直方向と呼ぶ）に沿ってＭ個配列されるとともに、夫々のスイッチ素子９１４の第２の端子と互いに電気的に接続された信号出力端子を有する垂直受光部９１１が、第２の方向（以後、水平方向と呼ぶ）に沿ってＮ個配列された受光部９１０と、（ｂ）夫々の垂直受光部９１１ｊから出力を夫々個別に入力し、リセット指示信号ＫＲＳに応じて垂直受光部から出力された電流信号を入出力端子間に接続された容量素子９２２に積分または非積分の動作をするＮ個の積分回路９２０と、（ｃ）夫々の積分回路から出力された信号を夫々入力し、交流成分を出力するＮ個の容量素子９３０と、（ｄ）夫々の容量素子９３０から出力された信号を入力するとともに、指示された容量素子９３０から信号を出力するＮ個のスイッチ素子９４０と、（ｅ）水平走査信号ＲＳｊに応じて択一的に容量素子９３０から出力された信号を入力して、出力データ信号を出力するとともに、初期電位設定指示信号ＧＲＳの指示に応じて、初期電位設定指示信号ＧＲＳが有意の期間にわたって入力電位値および出力電位値を夫々の初期値である基準電位Ｖｒｅｆに設定するデータ信号出力回路９５０と、（ｆ）初期電位設定指示信号ＧＲＳ、リセット指示信号ＫＲＳ、垂直走査信号ＶＳｉ、および水平走査信号ＲＳｊを出力するタイミング制御部９６０とを備える。
【０００５】
この装置では、以下のようにして、受光部９１０に入力した光が形成する光像を撮像する。図６は、図５の装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【０００６】
まず、読み出しの実行に先立って、タイミング制御部９６０が積分回路リセット指示信号ＫＲＳを有意とし、積分回路の出力を初期値である基準電位Ｖｒｅｆとする。
【０００７】
また、読み出しの実行に先立って、初期電位設定指示信号ＧＲＳを有意とする。この結果、データ出力回路の入出力端子が初期電位である基準電位Ｖｒｅｆに設定される。
【０００８】
次に、タイミング制御部９６０が積分回路リセット指示信号ＫＲＳと初期電位設定指示信号ＧＲＳとを非有意としたのち、各垂直受光部９１１ｊの垂直走査における第１番目の受光素子のスイッチ素子９１２1,jのみを「ＯＮ」とする垂直走査信号ＶＳ１を有意にして出力する。スイッチ９１４が「ＯＮ」となると、それまでの受光によって光電変換素子９１３に蓄積された電荷が電流信号となって受光部９１０から出力される。そして、積分回路９２０によって瞬時にその帰還容量素子に蓄積され電圧として出力される。積分回路９２０から出力された信号は、容量素子９３０に入力する。この結果、容量素子９３０の信号入力端子および信号出力端子は受光素子９１２1,jでの受光量に応じた電位となる。
【０００９】
次いで、水平走査信号の設定により、垂直方向の第１番目の受光素子９１２1,jに関するデータの読み出しを開始する。
【００１０】
タイミング制御部９６０が、水平方向の第１番目の受光素子９１２1,1に応じたスイッチ素子９４０のみの選択を指示する水平走査信号ＲＳ１を有意とし、第１番目の受光素子９１２1,1に応じたスイッチ素子９４０のみを「ＯＮ」とする。
【００１１】
スイッチ素子９４０を介した信号はデータ出力回路９５０に入力し、水平方向の第１番目の受光素子９１２1,1に入射した光量に応じた出力データ信号として出力される。
【００１２】
引き続き、水平方向の第１番目の受光素子９１２1,1に応じたスイッチ素子９４０のみの選択を指示する水平走査信号ＲＳ１を非有意として、水平方向の第１番目の受光素子９１２1,1に関するデータ読み出しを終了する。
【００１３】
次に、水平方向の第１番目の受光素子９１２1,1と同様にして、水平方向の第２番目以降の受光素子９１２1,jに関するデータ読み出しを実行する。
【００１４】
次いで、タイミング制御部９６０が積分回路リセット指示信号ＫＲＳおよび初期電位設定指示信号を有意とし、積分回路の出力を初期値に都度設定しながら、各垂直受光部９１１ｊの垂直走査における第２番目以降の受光素子９１２1,jに関するデータ読み出しを実行する。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
提案されている固体撮像装置は上記のように構成されるので、水平読み出し動作において、スイッチ素子９４０が「ＯＮ」となる前は、スイッチ素子９４０の一方の端子と他方の端子との電位は一般に異なるので、スイッチ素子９４０が「ＯＮ」となった瞬間、スイッチ素子９４０の他方の端子、すなわち、データ出力回路９５０の入力端子の電位は不安定な状態となる。
【００１６】
この結果、データ出力回路９５０の出力は安定せず、装置としての精度が低下する。
【００１７】
本発明は、上記を鑑みてなされたものであり、高精度かつ高速で撮像が可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。
【００１８】
請求項１の固体撮像装置は、入力した２次元光像を撮像する固体撮像装置であって、（ａ）入力光信号を電流信号に変換する光電変換素子と、光電変換素子の信号出力端子に第１の端子が接続され、垂直走査信号に応じて第２の端子から光電変換素子で発生した電流信号を流出する第１のスイッチ素子とを１組の受光素子として、第１の方向に沿って第１の数だけ配列されるとともに、夫々の第１のスイッチ素子の第２の端子と互いに電気的に接続された信号出力端子を有する垂直受光部が、第２の方向に沿って第２の数だけ配列された受光部と、（ｂ）夫々の垂直受光部から出力を夫々個別に入力し、リセット指示信号に応じて垂直受光部から出力された電流信号を入出力端子間に接続された第１の容量素子に積分または非積分の動作をする第２の数の積分回路と、（ｃ）夫々の積分回路から出力された信号を夫々入力し、クランプ指示信号に応じてクランプ処理する第２の数のクランプ回路と、（ｄ）夫々のクランプ回路から出力された信号を夫々入力し、サンプル指示信号に応じてサンプル動作またはホールド動作を行う第２の数のサンプルホールド回路と、（ｅ）夫々のサンプルホールド回路から出力された信号を入力し、交流成分を出力する第２の数の第２の容量素子と、（ｆ）夫々の第２の容量素子から出力された信号を入力するとともに、指示された第２の容量素子から信号を出力する第２の数の第２のスイッチ素子と、（ｇ）水平走査信号に応じて択一的に第２の容量素子から出力された信号を入力して、出力データ信号を出力するとともに、初期電位設定指示信号の指示に応じて、初期電位設定指示信号が有意の期間にわたって入力電位値および出力電位値を夫々の初期値に設定するデータ信号出力回路と、（ｈ）垂直走査信号、全クランプ指示信号と個別クランプ指示信号との論理和であるクランプ指示信号、リセット指示信号、全サンプル指示信号と個別サンプル指示信号との論理和であるサンプル指示信号、水平指示信号、および初期電位設定指示信号を出力するとともに、垂直走査信号の出力に先立って、リセット指示信号、および、全クランプ指示信号を一時的に有意とするとともに、垂直走査信号が有意の期間にわたって全サンプル指示信号と全ての信号出力ラインに応じた水平走査信号と初期電位設定指示信号とを有意とし、かつ、垂直走査信号が非有意の場合の夫々の信号出力ラインに応じた水平走査信号の有意期間の後半でクランプ指示信号および個別サンプル指示信号を一時的に有意とするタイミング制御部とを備えることを特徴とする。
【００１９】
請求項１の固体撮像装置では、受光部が入射した光が形成する光像を入力し、受光部の光電変換素子に受光量に応じた電荷が蓄積される。そして、所定の受光期間の経過後に各受光素子に蓄積された電荷量を以下のようにして読み出す。
【００２０】
まず、読み出しの実行に先立って、タイミング制御部が全クランプ指示信号と積分回路リセット指示信号を有意とし、クランプ回路の出力と積分回路の出力を初期値とする。
【００２１】
また、読み出しの実行に先立って、全ての信号出力ラインに応じた水平走査信号および初期電位設定指示信号を有意とする。この結果、全ての第２のスイッチ素子がＯＮとなり、第２の容量素子の出力がデータ出力回路の初期電位に設定される。
【００２２】
次に、タイミング制御部が全クランプ指示信号と積分回路リセット指示信号を非有意とするとともに、全ての信号出力ラインに応じた水平走査信号および初期電位設定指示信号を有意としたままで、各垂直受光部の垂直走査における第１番目の受光素子のスイッチ素子のみを「ＯＮ」とする垂直走査信号および全ての信号出力ラインに応じたサンプル指示信号を有意にして出力する。スイッチ素子が「ＯＮ」となると、それまでの受光によって光電変換素子に蓄積された電荷が電流信号となって受光部から出力される。そして、積分回路によって瞬時にその帰還容量である第１の容量素子に蓄積され電圧として出力される。積分回路から出力された信号は、クランプ回路、サンプルホールド回路を介して第２の容量素子に入力する。この結果、第２の容量素子の信号入力端子は受光素子での受光量に応じた電圧が印加される。
【００２３】
次いで、全ての信号出力ラインに応じた水平走査信号および初期電位設定指示信号を非有意とした後、水平走査信号の設定により、水平方向の第１番目の受光素子に関するデータの読み出しを開始する。
【００２４】
タイミング制御部が、水平方向の第１番目の受光素子に応じた第２のスイッチ素子のみの選択を指示する水平走査信号が有意とし、第１番目の受光素子に応じた第２のスイッチ素子のみを「ＯＮ」とするとともに、初期電位設定指示信号が一時的に有意となり、データ出力回路の入力電位が初期値に設定される。
【００２５】
第１番目の受光素子に応じた第２のスイッチ素子が「ＯＮ」となることにより、第２の容量素子の出力端子とデータ出力回路の入力端子とが接続されるが、第２の容量素子の出力端子の電位は、前回の第２のスイッチの開放時の電位、すなわち、データ出力回路の入力端子の初期電位のままなので、データ出力回路の入力端子の電位は変動せず安定したままである。
【００２６】
次に、水平方向の第１番目の受光素子に応じたクランプ指示信号とサンプル指示信号とを有意とする。この結果、クランプ回路の出力はクランプ電位に変化し、この変化がサンプルホールド回路、第２の容量素子、およびデータ出力回路を介して、水平方向の第１番目の受光素子に入射した光量に応じた出力データ信号として出力される。
【００２７】
引き続き、水平方向の第１番目の受光素子に応じた第２のスイッチ素子のみの選択を指示する水平走査信号、水平方向の第１番目の受光素子に応じたクランプ指示信号、およびサンプル指示信号を非有意として、水平方向の第１番目の受光素子に関するデータ読み出しを終了する。
【００２８】
次に、水平方向の第１番目の受光素子と同様にして、水平方向の第２番目以降の受光素子に関するデータ読み出しを実行する。
【００２９】
次いで、タイミング制御部が全クランプ指示信号と積分回路リセット指示信号を有意とし、クランプ回路の出力と積分回路の出力を初期値に都度設定しながら、各垂直受光部の垂直走査における第２番目以降の受光素子に関するデータ読み出しを実行する。
【００３０】
請求項２の固体撮像装置は、請求項１の固体撮像装置において、データ信号出力回路が、（i）水平走査信号に応じて択一的に第２の容量素子から出力された信号を入力して増幅する増幅器と、（ii）電荷増幅器の入出力端子間に接続された第３の容量素子と、（iii）第３の容量素子と並列に電荷増幅器の入出力端子間に接続され、初期電位設定指示信号が有意な期間に閉塞する第３のスイッチ素子とを備えることを特徴とする。
【００３１】
請求項２の固体撮像装置では、初期電位設定指示信号を有意し、第３のスイッチ素子を「ＯＮ」とすることにより、データ信号出力回路の入力端子と出力端子とを同一の初期電位に設定する。
【００３２】
請求項３の固体撮像装置は、請求項２の固体撮像装置において、データ信号出力回路が、（i）増幅器の入力端子に第１の端子が接続され、第２の端子が基準電位に設定され、初期電位設定指示信号が有意な期間に閉塞する第４のスイッチ素子と、（ii）増幅器の出力端子に第１の端子が接続され、第２の端子が前記基準電位に設定され、初期電位設定指示信号が有意な期間に閉塞する第５のスイッチ素子とを更に備えることを特徴とする。
【００３３】
請求項３の固体撮像装置では、初期電位設定指示信号を有意することにより、第３のスイッチ素子に加えて、第４のスイッチ素子および第５のスイッチ素子も「ＯＮ」となり、迅速に初期電位である基準電位に設定される。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の固体撮像装置の実施形態を説明する。なお、図面の説明にあたって同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００３５】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態の固体撮像装置の構成図である。図１に示すように、この装置は、（ａ）入力光信号を電流信号に変換する光電変換素子１３０と、光電変換素子１３０の信号出力端子に接続され、垂直走査信号ＶＳｉ（ｉ＝１〜Ｍ）に応じて光電変換素子１３０で発生した電流信号を流出するスイッチ素子１４０とを１組の受光素子１２０として、第１の方向（以後、垂直方向と呼ぶ）に沿ってＭ個配列され、夫々のスイッチ素子１４０の信号出力端子が電気的に接続された垂直受光部１１０が、第２の方向（以後、水平方向と呼ぶ）に沿ってＮ個配列された受光部１００と、（ｂ）垂直受光部１１０j（ｊ＝１〜Ｎ）からの出力信号を夫々個別に入力し、信号処理後に水平走査信号（ＲＳｊ）に応じて択一的に信号を出力する水平信号処理部２１０jと、水平信号処理部２１０jから出力された信号を入力し、装置としての出力データ信号を出力するデータ信号出力回路２８０とを備える信号処理部２００と、（ｃ）受光部１００および信号処理部２００に動作タイミングの指示信号を通知するタイミング制御部３００とを備える。
【００３６】
水平信号処理部２１０jは、（i）垂直受光部１１０jからの出力信号を入力し、リセット指示信号ＫＲＳに応じて垂直受光部１１０jから出力された電流信号を入出力端子間に接続された容量素子２２２に積分（リセット指示信号ＫＲＳが非有意の場合）、または非積分（リセット指示信号ＫＲＳが有意の場合）の動作をする積分回路２２０と、（ii）積分回路２２０から出力された信号を入力し、クランプ指示信号ＣＰｊに応じて入力信号をクランプするクランプ回路２３０と、（iii）クランプ回路２３０から出力された信号を入力し、サンプル指示信号ＳＰｊに応じてサンプルホールド動作を行うサンプルホールド回路２４０と、（iv）サンプルホールド回路２４０から出力された信号を入力し、交流成分を出力する容量素子２５０と、（v）容量素子２５０から出力された信号を入力し、水平走査信号ＲＳｊに応じて開閉するスイッチ素子２６０と、（vi）スイッチ素子２６０を介した信号を入力し、装置としての出力データ信号を出力するデータ信号出力回路２８０とを備える。
【００３７】
積分回路２２０は、（i）垂直受光部１１０jからの出力信号を入力し、入力した電流信号の電荷を増幅する電荷増幅器２２１と、（ii）電荷増幅器２２１の入力端子に一方の端子が接続され、電荷増幅器２２１の出力端子に他方の端子が接続された容量素子２２２と、（iii）電荷増幅器２２１の入力端子に一方の端子が接続され、電荷増幅器２２１の出力端子に他方の端子が接続され、リセット指示信号ＫＲＳが有意の場合には「ＯＮ」状態となり、リセット指示信号ＫＲＳが非有意の場合には「ＯＦＦ」状態となるスイッチ素子２２３とを備える。
【００３８】
クランプ回路２３０は、（i）積分回路２２０から出力された信号を入力し、交流成分を出力する容量素子２３１と、（ii）容量素子２３１を介した信号を入力し、増幅して出力する増幅器２３２と、（iii）増幅器２３２の入力端子に一方の端子が接続され、増幅器２３２の出力端子に他方の端子が接続された容量素子２３３と、（iv）増幅器２３２の入力端子に一方の端子が接続され、増幅器２３２の出力端子に他方の端子が接続され、クランプ指示信号ＣＰｊが有意の場合には「ＯＮ」状態となり、クランプ指示信号ＣＰｊが非有意の場合には「ＯＦＦ」状態となるスイッチ素子２３４とを備える。
【００３９】
サンプルホールド回路２４０は、（i）クランプ回路２３０から出力された信号を一方の端子に入力するとともに、サンプル指示信号ＳＰｊが非有意の場合には「ＯＦＦ」のホールド状態となり、サンプル指示信号ＳＰｊが有意の場合には「ＯＮ」のサンプル状態となるスイッチ素子２４１と、（ii）スイッチ素子２４１を介した信号電荷を蓄積する容量素子２４２と、（iii）スイッチ素子２４１の他方の端子から出力された電圧信号を入力し、インピーダンス変換して出力するバッファ増幅器２４３とを備える。
【００４０】
データ信号出力回路２８０は、（i）水平信号処理部２１０jから出力された信号を入力し、入力した電流信号の電荷を増幅する電荷増幅器２８１と、（ii）電荷増幅器２８１の入力端子に一方の端子が接続され、電荷増幅器２８１の出力端子に他方の端子が接続された容量素子２８２と、（iii）電荷増幅器２８１の入力端子に一方の端子が接続され、電荷増幅器２８１の出力端子に他方の端子が接続され、初期電位設定指示信号ＧＲＳが有意の場合には「ＯＮ」状態となり、初期電位設定指示信号ＧＲＳが非有意の場合には「ＯＦＦ」状態となるスイッチ素子２８３とを備える。
【００４１】
図２は、タイミング制御部３００の回路構成図である。図２に示すように、タイミング制御部３００は、（i）データの読み出し動作の基本タイミングを発生する基本タイミング生成部３１０と、（ii）基本タイミング生成部３１０から出力された基本タイミング信号に同期して、垂直走査信号ＶＳｉを出力する垂直シフトレジスタ３２０と、（iii）基本タイミング生成部３１０から出力された基本タイミング信号に同期して、水平選択信号ＨＳｊを出力する水平シフトレジスタ３３０と、（iv）基本タイミング生成部３１０から出力された基本タイミング信号に同期して、リセット指示信号ＫＲＳ、初期電位設定指示信号ＧＲＳ、全水平ライン選択指示信号ＡＨＳ、個別クランプ／サンプル指示信号ＩＣＳ、全サンプル指示信号ＡＳＰ、および全クランプ指示信号を生成する制御信号生成部３４０と、（v）全水平ライン選択指示信号ＡＨＳ、個別クランプ／サンプル指示信号ＩＣＳ、全サンプル指示信号ＡＳＰ、全クランプ指示信号、および水平選択信号ＨＳｊを入力して、水平走査信号ＲＳｊ、サンプル指示信号ＳＰｊ、およびクランプ指示信号ＣＰｊを生成する制御信号部３５０とを備える。
【００４２】
本実施形態の装置は、以下のようにして、受光部１００に入力した光像データを収集する。図３は、本実施形態の装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【００４３】
本実施形態の固体撮像装置では、受光部１００が入射した光が形成する光像を入力し、受光部１００の光電変換素子１３０に受光量に応じた電荷が蓄積される。そして、所定の受光期間の経過後に夫々の光電変換素子１３０に蓄積された電荷量を以下のようにして読み出す。
【００４４】
まず、読み出しの実行に先立って、タイミング制御部３００が全クランプ指示信号ＡＣＰを有意とすることにより全てのクランプ指示信号ＣＰｊを有意するとともに、積分回路リセット指示信号ＫＲＳを有意とし、クランプ回路２３０の出力と積分回路２２０の出力を基準電位Ｖｒｅｆとする。
【００４５】
また、読み出しの実行に先立って、全水平ライン選択指示信号ＡＨＳを有意とすることにより全ての信号出力ラインに応じた水平走査信号ＲＳｊおよび初期電位設定指示信号ＧＲＳを有意とする。この結果、全ての第２のスイッチ素子２６０がＯＮとなり、全ての容量素子２５０の出力がデータ出力回路２８０の初期電位である基準電位Ｖｒｅｆに設定される。
【００４６】
次に、タイミング制御部３００が全クランプ指示信号ＡＣＰを非有意にして全てのクランプ指示信号ＣＰｊを非有意とし、積分回路リセット指示信号ＫＲＳを非有意とするとともに、全ての信号出力ラインに応じた水平走査信号ＲＳｊおよび初期電位設定指示信号ＧＲＳを有意としたままで、各垂直受光部１１０ｊの垂直走査における第１番目の受光素子１２０1,jのスイッチ素子１４０のみを「ＯＮ」とする垂直走査信号ＶＳｉを有意とするとともに、全サンプル指示信号ＡＳＰを有意とすることにより全ての信号出力ラインに応じたサンプル指示信号ＳＰｊを有意にする。スイッチ素子１４０が「ＯＮ」となると、それまでの受光によって光電変換素子１３０に蓄積された電荷が電流信号となって受光部１００から出力される。そして、積分回路２２０によって瞬時にその帰還容量である容量素子２２２に蓄積され電圧として出力される。積分回路２２０から出力された信号は、クランプ回路２３０、サンプルホールド回路２４０を介して容量素子２５０に入力する。この結果、容量素子２５０の信号入力端子は受光素子１３０での受光量に応じた電圧が印加される。
【００４７】
次いで、全ての信号出力ラインに応じた水平走査信号ＲＳｊおよび初期電位設定指示信号ＧＲＳを非有意とした後、水平走査信号ＲＳｊの設定により、垂直方向の第１番目の受光素子１２０1,jに関するデータの読み出しを開始する。
【００４８】
タイミング制御部３００が、水平選択信号ＨＳ１を有意とすることにより水平方向の第１番目の受光素子１２０1,1に応じたスイッチ素子２６０のみの「ＯＮ」を指示する水平走査信号ＲＳ１を有意とし、第１番目の受光素子１２０1,1に応じたスイッチ素子２６０のみを「ＯＮ」とするとともに、初期電位設定指示信号ＧＲＳが一時的に有意となり、データ出力回路２８０の入力電位が基準電位Ｖｒｅｆに設定される。
【００４９】
第１番目の受光素子１２０1,1に応じたスイッチ素子２６０が「ＯＮ」となることにより、容量素子２５０の出力端子とデータ出力回路２８０の入力端子とが接続されるが、容量素子２５０の出力端子の電位は、前回のスイッチ素子２６０の開放時の電位、すなわち、データ出力回路２８０の入力端子の初期電位である基準電位Ｖｒｅｆのままなので、データ出力回路２８０の入力端子の電位は変動せず安定したままである。
【００５０】
次に、水平方向の第１番目の受光素子１２０1,1に応じたクランプ指示信号ＣＰ１とサンプル指示信号ＳＰ１とを有意とする。この結果、クランプ回路２３０の出力はクランプ電位である基準電位Ｖｒｅｆに変化し、この変化がサンプルホールド回路２４０、容量素子２５０、およびデータ出力回路２８０を介して、水平方向の第１番目の受光素子１２０1,1に入射した光量に応じた出力データ信号Ｖｏとして出力される。
【００５１】
引き続き、水平方向の第１番目の受光素子１２０1,1に応じたスイッチ素子２６０のみの選択を指示する水平走査信号ＲＳ１、水平方向の第１番目の受光素子１２０1,1に応じたクランプ指示信号ＣＰ１、およびサンプル指示信号ＳＰ１を非有意として、水平方向の第１番目の受光素子１２０1,1に関するデータ読み出しを終了する。
【００５２】
次に、水平方向の第１番目の受光素子１２０1,1と同様にして、水平方向の第２番目以降の受光素子１２０1,jに関するデータ読み出しを実行する。
【００５３】
次いで、タイミング制御部３００が全クランプ指示信号ＡＣＰと積分回路リセット指示信号ＫＲＳを有意とし、クランプ回路２３０の出力と積分回路２２０の出力を基準電位Ｖｒｅｆに都度設定しながら、各垂直受光部１１０jの垂直走査における第２番目以降の受光素子１２０i,jに関するデータ読み出しを実行する。
【００５４】
こうして、受光部１００に入力した光の形成する光像を撮像し、撮像データを得る。
【００５５】
（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態の固体撮像装置の構成図である。図４に示すように、本実施形態の装置は、第１実施形態の装置と比べて、データ出力回路２９０が上記のデータ出力回路２８０に対して、（i）電荷増幅器２８１の入力端子に第１の端子が接続され、第２の端子が基準電位Ｖｒｅｆに設定され、初期電位設定指示信号ＧＲＳが有意な期間に閉塞するスイッチ素子２９４と、（ii）電荷増幅器２８１の出力端子に第１の端子が接続され、第２の端子が基準電位Ｖｒｅｆに設定され、初期電位設定指示信号ＧＲＳが有意な期間に閉塞するスイッチ素子２９５とを更に備える点のみが異なる。
【００５６】
本実施形態の装置は、第１実施形態の装置と同様のタイミングで動作するが、本実施形態の装置によれば、初期電位設定指示信号ＧＲＳの有意設定により、スイッチ素子２８３と入力端子間でのイマジナリショートによる入出力端子の基準電位Ｖｒｅｆへの設定のみならず、スイッチ素子２９４およびスイッチ素子２９５を介しても強制的に入出力端子の基準電位Ｖｒｅｆへの設定が行われるので、初期電位設定指示信号ＧＲＳの有意設定によるデータ出力回路２９０の入出力端子の基準電位Ｖｒｅｆへの設定が迅速に行われ、精度の向上が可能となる。
【００５７】
【発明の効果】
以上、詳細に説明した通り、本発明の固体撮像装置によれば、受光素子での受光量に応じた信号の読み出しにあたって、各受光素子の選択時に、データ出力回路の入力端子が変動しない構成としたので、高精度かつ高速で撮像が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の固体撮像装置の回路構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態の固体撮像装置のタイミング制御部の回路構成図である。
【図３】本発明の実施例の固体撮像装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【図４】本発明の第２実施形態の固体撮像装置の回路構成図である。
【図５】従来の固体撮像装置の回路構成図である。
【図６】従来の固体撮像装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【符号の説明】
１００…受光部、１１０…垂直受光部、１２０…受光素子、１３０…光電変換素子、１４０…スイッチ素子、２００…信号処理部、２１０…水平信号処理部、２２０…積分回路、２２１…電荷増幅器、２２２…容量素子、２２３…スイッチ素子、２３０…クランプ回路、２３１…容量素子、２３２…増幅器、２３３…容量素子、２３４…スイッチ素子、２４０…サンプルホールド回路、２４１…スイッチ素子、２４２…容量素子、２４３…バッファ増幅器、２５０…容量素子、２６０…スイッチ素子、２８０，２９０…データ出力回路、２８１…電荷増幅器、２８２…容量素子、２８３，２９４，２９５…スイッチ素子、３００…タイミング制御部、３１０…基本タイミング部、３２０…垂直シフトレジスタ、３３０…水平シフトレジスタ、３４０…制御信号部。
Claims (3)
- 入力した２次元光像を撮像する固体撮像装置であって、
入力光信号を電流信号に変換する光電変換素子と、前記光電変換素子の信号出力端子に第１の端子が接続され、垂直走査信号に応じて第２の端子から前記光電変換素子で発生した電流信号を流出する第１のスイッチ素子とを１組の受光素子として、第１の方向に沿って第１の数だけ配列されるとともに、夫々の前記第１のスイッチ素子の第２の端子と互いに電気的に接続された信号出力端子を有する垂直受光部が、第２の方向に沿って第２の数だけ配列された受光部と、
夫々の前記垂直受光部から出力を夫々個別に入力し、リセット指示信号に応じて前記垂直受光部から出力された電流信号を入出力端子間に接続された第１の容量素子に積分または非積分の動作をする前記第２の数の積分回路と、
夫々の前記積分回路から出力された信号を夫々入力し、クランプ指示信号に応じてクランプ処理する第２の数のクランプ回路と、
夫々の前記クランプ回路から出力された信号を夫々入力し、サンプル指示信号に応じてサンプル動作またはホールド動作を行う第２の数のサンプルホールド回路と、
夫々の前記サンプルホールド回路から出力された信号を入力し、交流成分を出力する前記第２の数の第２の容量素子と、
夫々の前記第２の容量素子から出力された信号を入力するとともに、指示された前記第２の容量素子から信号を出力する前記第２の数の第２のスイッチ素子と、
水平走査信号に応じて択一的に前記第２の容量素子から出力された信号を入力して、出力データ信号を出力するとともに、初期電位設定指示信号の指示に応じて、初期電位設定指示信号が有意の期間にわたって入力電位値および出力電位値を夫々の初期値に設定するデータ信号出力回路と、
前記垂直走査信号、全クランプ指示信号と個別クランプ指示信号との論理和である前記クランプ指示信号、前記リセット指示信号、全サンプル指示信号と個別サンプル指示信号との論理和である前記サンプル指示信号、前記水平走査信号、および初期電位設定指示信号を出力するとともに、前記垂直走査信号の出力に先立って、前記リセット指示信号、および、全クランプ指示信号を一時的に有意とするとともに、前記垂直走査信号が有意の期間にわたって前記全サンプル指示信号と全ての信号出力ラインに応じた前記水平走査信号と初期電位設定指示信号とを有意とし、かつ、前記垂直走査信号が非有意の場合の夫々の信号出力ラインに応じた前記水平走査信号の有意期間の後半で前記個別クランプ指示信号、および、前記個別サンプル指示信号を一時的に有意とするタイミング制御部と、
を備えることを特徴とする固体撮像装置。 - 前記データ信号出力回路は、
前記水平走査信号に応じて択一的に前記第２の容量素子から出力された信号を入力して増幅する増幅器と、
前記電荷増幅器の入出力端子間に接続された第３の容量素子と、
前記第３の容量素子と並列に前記電荷増幅器の入出力端子間に接続され、前記初期電位設定指示信号が有意な期間に閉塞する第３のスイッチ素子と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。 - 前記データ信号出力回路は、
前記第３の容量の第１の端子に第１の端子が接続され、第２の端子が基準電位に設定され、前記初期電位設定指示信号が有意な期間に閉塞する第４のスイッチ素子と、
前記第３の容量の第２の端子に第１の端子が接続され、第２の端子が前記基準電位に設定され、前記初期電位設定指示信号が有意な期間に閉塞する第５のスイッチ素子と、
を更に備えることを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
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