JP4082056B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各画素の感度のバラツキ補正を行う固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フォトダイオードなどの感光素子を有した固体撮像装置は、その出力信号線を介して、撮像動作を行った際の映像信号と、各画素の感度のバラツキを表すノイズ信号とを、それぞれ各画素毎に出力するとともに、映像信号からノイズ信号を差し引くことによって、各画素の感度のバラツキを補正することができる。従来の固体撮像装置においては、映像信号及びノイズ信号はそれぞれ異なるバッファを介して差動増幅回路の非反転入力端子及び反転入力端子に入力されることで、感度のバラツキが補正された映像信号が差動増幅回路より出力される。
【０００３】
しかしながら、このように映像信号とノイズ信号が異なるバッファに入力されるため、この２つのバッファ内に構成される各素子の特性のバラツキを反映して、列毎に各画素から出力される映像信号の補正される度合いにバラツキが生じる。即ち、増幅度の異なる複数のバッファから送出されるノイズ信号でそれぞれの映像信号を補正したとき、その補正の度合いにバラツキが生じ、差動増幅回路より出力される映像信号が画像として再生されたとき、このような補正度合いのバラツキが起因して、縦すじとなって現れる。
【０００４】
このような縦すじなどの固定パターンノイズを防ぐために、本出願人は、特開２００１−２２３９４８号公報における固体撮像装置を提案した。当該公報の固体撮像装置によると、各行に、図１１のような構成の選択回路１００が設けられる。この選択回路１００は、画素Ｇから出力信号線１０１に出力される電流信号が定電流源１０２によって電圧信号に変換されて入力される。このとき、映像信号が入力されるときは、スイッチＳＷａがＯＮとされてキャパシタＣａにサンプルホールドされ、又、ノイズ信号が入力されるときは、スイッチＳＷｂがＯＮとされてキャパシタＣｂにサンプルホールドされる。
【０００５】
更に、図１１のように、各行に設けられた選択回路１００からの出力が１本の信号伝送路を介して、固体撮像装置１つに対して１つだけ備えられた補正回路１０３に入力される。このとき、選択回路１００において、スイッチＳＷｒがＯＮとされてバッファＢａの入力側がリセットされた後に、スイッチＳＷ１ａがＯＮとされてキャパシタＣａにサンプルホールドされた映像信号がバッファＢａより出力される。このとき、補正回路１０３において、スイッチＳＷ２ａがＯＮとされてキャパシタＣｃに映像信号がサンプルホールドされる。
【０００６】
又、選択回路１００において、スイッチＳＷｒがＯＮとされてバッファＢａの入力側がリセットされた後に、スイッチＳＷ１ｂがＯＮとされてキャパシタＣｂにサンプルホールドされたノイズ信号がバッファＢａより出力される。このとき、補正回路１０３において、スイッチＳＷ２ｂがＯＮとされてキャパシタＣｄにノイズ信号がサンプルホールドされる。
【０００７】
このようにして補正回路１０３に映像信号及びノイズ信号がサンプルホールドされると、映像信号及びノイズ信号がそれぞれバッファＢｂ，Ｂｃを介して、差動増幅回路１０４の非反転入力端子及び反転入力端子に与えられることによって、差動増幅回路１０４よりノイズ成分が除去された映像信号が出力される。よって、映像信号及びノイズ信号は、それぞれ列毎に配された同一のバッファＢａを介して補正回路１０３に与えられるため、補正回路１０３から出力される映像信号は、このバッファＢａの特性によるバラツキが相殺された信号となり、固定パターンノイズを低減させることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特開２００１−２２３９４８号公報の固体撮像装置によると、補正回路１０３に対して映像信号とノイズ信号とが異なるタイミングで出力されるため、ノイズ成分の除去を行うことなく映像信号のみを出力する固体撮像装置と同じ速度で信号の出力を行うには、補正回路１０３に映像信号とノイズ信号を出力する選択回路１００の動作速度は、映像信号の読み出し速度の２倍の速度が必要であった。
【０００９】
しかしながら、映像信号の読み出し速度には限界があり、読み出し速度を速くすると、十分な露光時間が得られずに、その出力が不十分となる。よって、映像信号の読み出し速度に応じて選択回路１００の動作速度が遅くなってしまうため、結果的に固体撮像装置全体の駆動動作に時間がかかり、高速での動作に対応できない。
【００１０】
このような問題を鑑みて、本発明は、各列毎にノイズが除去された映像信号が出力されるとともに高速で駆動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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の固体撮像装置は、入射光量に応じた映像信号及び感度バラツキを表すノイズ信号を発生する画素を複数備えた固体撮像装置において、前記画素から出力される映像信号及びノイズ信号を互いに逆の極性で保持し、逆の極性で保持した前記映像信号と前記ノイズ信号とを結合することによって、ノイズ除去された映像信号を生成して出力する出力回路を有し、該出力回路は、前記画素から映像信号又はノイズ信号が出力される信号線に一端が接続された第１スイッチ及び第２スイッチと、前記第１スイッチの他端に一端が接続されるとともに、映像信号をサンプルホールドする第１キャパシタと、前記第２スイッチの他端に一端が接続され、他端に基準電圧が印加されるとともに、ノイズ信号をサンプルホールドする第２キャパシタと、前記第１キャパシタの他端に一端が接続されるとともに、前記第２スイッチと前記第２キャパシタとの接続ノードに他端が接続された第３スイッチと、前記第１キャパシタと前記第１スイッチとの接続ノードに一端が接続されるとともに、他端に前記基準電圧が印加された第４スイッチと、前記第１キャパシタと前記第３スイッチとの接続ノードに一端が接続されるとともに、他端に前記基準電圧が印加された第５スイッチと、前記第１キャパシタと前記第３スイッチとの接続ノードに一端が接続されるとともに、ＯＮとなることで前記ノイズ除去された映像信号を出力する第６スイッチと、を有することを特徴とする。
【００１３】
このとき、前記第１及び第５スイッチのみをＯＮとして前記映像信号を前記第１キャパシタでサンプルホールドし、前記第２スイッチのみをＯＮとして前記ノイズ信号を前記第２キャパシタでサンプルホールドし、前記第３及び第４スイッチのみをＯＮとして前記ノイズ除去した映像信号を生成した後に、更に前記第６スイッチをＯＮとして前記ノイズ除去した映像信号を出力する。
【００１４】
また上記目的を達成するために、請求項２に記載の固体撮像装置は、入射光量に応じた映像信号及び感度バラツキを表すノイズ信号を発生する画素を複数備えた固体撮像装置において、前記画素から出力される映像信号及びノイズ信号を互いに逆の極性で保持し、逆の極性で保持した前記映像信号と前記ノイズ信号とを結合することによって、ノイズ除去された映像信号を生成して出力する出力回路を有し、該出力回路は、前記画素から映像信号又はノイズ信号が出力される信号線に一端が接続された第１スイッチ及び第２スイッチと、前記第１スイッチの他端に一端が接続されるとともに、映像信号をサンプルホールドする第１キャパシタと、前記第２スイッチの他端に一端が接続され、他端に基準電圧が印加されるとともに、ノイズ信号をサンプルホールドする第２キャパシタと、前記第１キャパシタの他端に一端が接続されるとともに、前記第２スイッチと前記第２キャパシタとの接続ノードに他端が接続された第３スイッチと、前記第１キャパシタと前記第１スイッチとの接続ノードに一端が接続されるとともに、他端に前記基準電圧が印加された第４スイッチと、前記第１キャパシタと前記第３スイッチとの接続ノードに一端が接続されるとともに、他端に前記基準電圧が印加された第５スイッチと、前記第１キャパシタと前記第３スイッチとの接続ノードに入力側が接続されるとともに、ＯＮとなることで前記ノイズ除去された映像信号を出力するバッファと、を有することを特徴とする。
【００１５】
このとき、前記第１及び第５スイッチのみをＯＮとして前記映像信号を前記第１キャパシタでサンプルホールドし、前記第２スイッチのみをＯＮとして前記ノイズ信号を前記第２キャパシタでサンプルホールドし、前記第３及び第４スイッチのみをＯＮとして前記ノイズ除去した映像信号を生成した後に、更に前記バッファをＯＮとして前記ノイズ除去した映像信号を出力する。
【００１６】
更に、このとき、請求項３に記載するように、前記第１キャパシタと前記第３スイッチとの接続ノードに一端が接続されるとともに、前記バッファの入力側に他端が接続された第６スイッチを有するようにしても構わない。よって、このとき、前記第３及び第４スイッチのみをＯＮとして前記ノイズ除去した映像信号を生成した後に、更に前記第６スイッチをＯＮとして前記バッファに前記ノイズ除去した映像信号を入力し、最終的に前記バッファをＯＮとして前記ノイズ除去した映像信号を出力する。又、前記バッファの入力側をリセットするために、一端が前記バッファの入力側に接続されるとともに他端に前記基準電圧が印加された第７スイッチを有するようにしても構わない。
【００１７】
このような固体撮像装置において、前記画素がマトリクス状に配置されるとき、前記出力回路が列毎に配置され、１行毎に前記画素から前記映像信号及び前記ノイズ信号が前記出力回路に出力された後、前記出力回路毎に、ノイズ除去された映像信号が生成されて出力される。又、映像信号のノイズ除去が、水平ブランク期間に行われる。
【００１８】
請求項４に記載の固体撮像装置は、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の固体撮像装置において、入射光量に関係なく同一の映像信号及びノイズ信号が出力される補正画素と、該補正画素から出力される前記映像信号及び前記ノイズ信号に基づいて前記出力回路により生成されて出力される補正用映像信号を格納するラインメモリと、該ラインメモリに格納された前記補正用映像信号に基づいて、前記出力回路より出力される前記画素の前記ノイズ除去された映像信号に含まれるオフセットを除去する補正回路と、を有することを特徴とする。
【００１９】
このような固体撮像装置において、前記補正用画素が、前記画素の一部となる出力側の構成によって構成されるものとしても構わない。又、該補正用画素から出力される映像信号及びノイズ信号は、同一の電圧信号である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態について、以下に、図面を参照して説明する。
【００２１】
１．固体撮像装置の構成
まず、本実施形態の固体撮像装置について、図１を参照して説明する。図１は、本実施形態の固体撮像装置の構成を示すブロック図である。
【００２２】
図１の固体撮像装置は、画素Ｇ11〜Ｇmnと、画素Ｇ11〜Ｇmnの各列毎にその出力側に接続された信号線１−１〜１−ｍと、信号線１−１〜１−ｍのそれぞれに接続された定電流源２−１〜２−ｍと、信号線１−１〜１−ｍのそれぞれを介して与えられる画素Ｇ11〜Ｇmnから与えられる映像信号とノイズ信号をサンプルホールドするとともにノイズ除去を行う出力回路３−１〜３−ｍと、出力回路３−１〜３−ｍから送出される映像信号を外部に出力する出力信号線４とを有する。尚、定電流源２−１〜２−ｍの一端に直流電圧ＶPSが印加される。
【００２３】
このような固体撮像装置において、画素Ｇab（ａ：１≦ａ≦ｍの自然数、ｂ：１≦ｂ≦ｎの自然数）からの出力となる映像信号及びノイズ信号が、それぞれ、信号線１−ａを介して出力されるとともに、この信号線１−ａに接続された定電流源２−ａによって増幅される。そして、画素Ｇabから出力された映像信号及びノイズ信号が順番に出力回路３−ａに送出されるとともに、この出力回路３−ａにおいて、送出された映像信号及びノイズ信号がサンプルホールドされる。その後、出力回路３−ａにおいて、映像信号がノイズ信号に基づいて補正処理されて、出力信号線４を介して、ノイズ除去された映像信号が外部に出力される。
【００２４】
２．画素の構成例
図１の固体撮像装置内に設けられる画素Ｇ11〜Ｇmnの構成の１例を、以下に図２を参照して説明する。図２の画素において、カソードに直流電圧ＶPDが印加されたフォトダイオードＰＤのアノードにＭＯＳトランジスタＴ１のドレインが接続され、ＭＯＳトランジスタＴ１のソースにＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレインとＭＯＳトランジスタＴ３のゲートが接続される。
【００２５】
又、ＭＯＳトランジスタＴ３のソースにＭＯＳトランジスタＴ４のゲート及びＭＯＳトランジスタＴ５のドレインが接続され、ＭＯＳトランジスタＴ４のソースにＭＯＳトランジスタＴ６のドレインが接続される。そして、ＭＯＳトランジスタＴ６のドレインが信号線１（図１の信号線１−１〜１−ｍに相当する）に接続される。尚、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ６は、ＰチャネルのＭＯＳトランジスタである。
【００２６】
ＭＯＳトランジスタＴ２のソースには信号φＶPSが入力され、ＭＯＳトランジスタＴ３，Ｔ４のドレインに直流電圧ＶPDが印加される。又、ＭＯＳトランジスタＴ３のソースには、その一端に直流電圧ＶPSが印加されたキャパシタＣの他端が接続される。又、ＭＯＳトランジスタＴ５のソースには直流電圧ＶRGが入力され、そのゲートに信号φＲＳが入力される。更に、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ６のゲートにはそれぞれ、信号φＳ，φＶが入力される。
【００２７】
このように構成された画素において、ＭＯＳトランジスタＴ６及び信号線１を介して、一端に直流電圧ＶPSが印加された定電流源２（図１の定電流源２−１〜２−ｍに相当する）が、ＭＯＳトランジスタＴ４のソースに接続される。よって、ＭＯＳトランジスタＴ６がＯＮのとき、ＭＯＳトランジスタＴ４はソースフォロワのＭＯＳトランジスタとして動作し、定電流源２によって増幅された信号を信号線１に出力する。
【００２８】
このような構成の画素による撮像動作及び感度バラツキ検出動作について、以下に説明する。尚、信号φＶPSは２値の電圧信号で、ＭＯＳトランジスタＴ２をサブスレッショルド領域で動作させるための電圧をローとし、この電圧よりも高くＭＯＳトランジスタＴ２にローの信号φＶPSを与えた時よりも大きい電流が流れうるようにする電圧をハイとする。
【００２９】
（１）撮像動作（映像信号出力時）
まず、図２のような画素が撮像を行うときの動作を説明する。尚、信号φＳは撮像動作の間、常にローであり、ＭＯＳトランジスタＴ１がＯＮの状態である。又、信号φＲＳをハイとして、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＦＦとする。そして、ＭＯＳトランジスタＴ２がサブスレッショルド領域で動作するように、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースに与える信号φＶPSをローとする。このとき、フォトダイオードＰＤに光が入射されると、光電流が発生し、ＭＯＳトランジスタのサブスレッショルド特性により、ＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ３のゲートに光電流を自然対数的に変換した値の電圧が発生する。
【００３０】
この入射光量に対して自然対数的に比例した電圧がＭＯＳトランジスタＴ３で電流増幅されたドレイン電流がキャパシタＣから流れて、キャパシタＣが放電される。よって、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲート電圧が、入射光量の積分値に対して自然対数的に比例した電圧となる。そして、ＭＯＳトランジスタＴ６にパルス信号φＶを与えることによって、ＭＯＳトランジスタＴ４は、そのゲート電圧に応じてソース電流が、ＭＯＳトランジスタＴ６を介して信号線１から流れる。
【００３１】
このとき、ＭＯＳトランジスタＴ４がソースフォロワ型のＭＯＳトランジスタとして動作するため、信号線１には映像信号が電圧信号として現れる。その後、信号φＶをハイにしてＭＯＳトランジスタＴ６をＯＦＦにする。このように、ＭＯＳトランジスタＴ４，Ｔ６を介して出力される映像信号は、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲート電圧に比例した値となるため、フォトダイオードＰＤへの入射光量の積分値が自然対数的に変換された信号となる。
【００３２】
（２）感度バラツキ検出動作（ノイズ信号出力時）
次に、画素の感度バラツキを検出するときの動作について、図３のタイミングチャートを参照して説明する。まず、パルス信号φＶが与えられて映像信号が出力された後、信号φＳをハイにしてＭＯＳトランジスタＴ１をＯＦＦにして、リセット動作が始まる。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ２のソース側より正の電荷が流れ込み、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレイン、そしてＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに蓄積された負の電荷が再結合され、ある程度まで、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレインのポテンシャルが上がる。
【００３３】
しかし、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレインのポテンシャルがある値まで上がると、そのリセット速度が遅くなる。特に、明るい被写体が急に暗くなった場合にこの傾向が顕著となる。よって、次に、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースに与える信号φＶPSをハイにする。このように、ＭＯＳトランジスタＴ２のソース電圧を高くすることで、ＭＯＳトランジスタＴ２のソース側から流入する正の電荷の量が増加し、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレイン、そしてＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに蓄積された負の電荷が速やかに再結合される。
【００３４】
よって、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレインのポテンシャルが、更に高くなる。そして、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースに与える信号φＶPSをローにすることによって、ＭＯＳトランジスタＴ２のポテンシャル状態を基の状態に戻す。このように、ＭＯＳトランジスタＴ２のポテンシャルの状態を基の状態にリセットした後、まず、パルス信号φＲＳをＭＯＳトランジスタＴ５に与えてＭＯＳトランジスタＴ５をＯＮにして、キャパシタＣとＭＯＳトランジスタＴ４のゲートとの接続ノードの電圧を初期化する。
【００３５】
そして、キャパシタＣとＭＯＳトランジスタＴ４のゲートとの接続ノードの電圧が、リセットされたＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧に応じたものとなると、パルス信号φＶをＭＯＳトランジスタＴ６のゲートに与えてＭＯＳトランジスタＴ６をＯＮにすることによって、ＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ３の特性のバラツキに起因する各画素の感度のバラツキを表す出力電流が信号線１から流れる。
【００３６】
このとき、ＭＯＳトランジスタＴ４がソースフォロワ型のＭＯＳトランジスタとして動作するため、信号線１にはノイズ信号が電圧信号として現れる。その後、再び、パルス信号φＲＳをＭＯＳトランジスタＴ５に与えて、キャパシタＣとＭＯＳトランジスタＴ４のゲートとの接続ノードの電圧をリセットした後、信号φＳをローにしてＭＯＳトランジスタＴ１を導通させて撮像動作が行える状態にする。
【００３７】
３．出力回路の構成及び動作
図４は、図１の固体撮像装置内に設けられた出力回路の内部構成を示す回路ブロック図である。図５は、本発明の固体撮像装置内の各部の動作を示すタイミングチャートである。
【００３８】
図４に示す出力回路３（図１の出力回路３−１〜３−ｍに相当する）は、信号線１（図１の信号線１−１〜１−ｍに相当する）から与えられる映像信号をサンプルホールドするキャパシタＣｓと、信号線１から与えられるノイズ信号をサンプルホールドするキャパシタＣｎと、信号線１とキャパシタＣｓの一端との間に接続されたスイッチＳＨＳと、信号線１とキャパシタＣｎの一端との間に接続されたスイッチＳＨＮと、キャパシタＣｓの他端とキャパシタＣｎの一端との間に接続されたスイッチＭＩＸと、キャパシタＣｓの一端に一端が接続されたスイッチＲＳＰと、キャパシタＣｓの他端に一端が接続されたスイッチＲＳＭ，Ｓｘとから構成される。
【００３９】
又、スイッチＲＳＰ，ＲＳＭの他端及びキャパシタＣｎの他端には、直流電圧Ｖｒが印加されるとともに、スイッチＳｘの他端に最終的な出力信号線４が接続される。更に、スイッチＳＨＳ及びスイッチＳＨＮは、信号線１を介して定電流源２と接続される。よって、スイッチＳＨＳと信号線１との接続ノードに映像信号が現れるとともに、スイッチＳＨＮと信号線１との接続ノードにノイズ信号が現れる。
【００４０】
このような構成の出力回路３の動作について、以下に説明する。画素Ｇabに与えられる信号φＳがローとされてＭＯＳトランジスタＴ１がＯＮとされた状態で撮像動作が行われているとき、まず、スイッチＲＳＰがＯＮの状態でスイッチＲＳＭがＯＮとなって、キャパシタＣｓの両端に直流電圧Ｖｒが印加されるため、キャパシタＣｓがリセットされる。このとき、スイッチＳＨＳ，ＳＨＮ，ＭＩＸ，ＳｘはＯＦＦである。その後、スイッチＲＳＰをＯＦＦとした後、スイッチＳＨＳをＯＮとする。
【００４１】
このとき、信号φＶがローとされてＭＯＳトランジスタＴ６がＯＮとされ、映像信号が信号線１に現れると、スイッチＳＨＳがＯＮであるため、キャパシタＣｓに映像信号の電圧信号がサンプルホールドされる。よって、映像信号による電圧信号の値をＶｓとすると、キャパシタＣｓには、電荷Ｃｓ×（Ｖｓ−Ｖｒ）が蓄電される。そして、スイッチＳＨＳがＯＦＦされるとともに信号φＶがハイとされた後、スイッチＲＳＭがＯＦＦとされる。
【００４２】
このように、スイッチＲＳＭがＯＦＦとされると、キャパシタＣｓの負の電極側には、電荷−Ｃｓ×（Ｖｓ−Ｖｒ）が保持された状態となる。この状態で、スイッチＲＳＰをＯＮとする。又、画素Ｇabでは、信号φＳがハイとされてＭＯＳトランジスタＴ１がＯＦＦとされてリセット動作が行われる。そして、信号φＶがローとされてＭＯＳトランジスタＴ６がＯＮとされるとともにスイッチＳＨＮがＯＮとされて、信号線１に現れるノイズ信号がキャパシタＣｎにサンプルホールドされる。よって、ノイズ信号による電圧信号の値をＶｎとすると、キャパシタＣｎには、電荷Ｃｎ×（Ｖｎ−Ｖｒ）が蓄電される。
【００４３】
そして、スイッチＳＨＮがＯＦＦされるとともに信号φＶがハイとされる。よって、キャパシタＣｎの正の電極には、電荷Ｃｎ×（Ｖｎ−Ｖｒ）が保持されている。即ち、ノイズ信号はキャパシタＣｎによって、キャパシタＣｓに保持される映像信号とは逆極性の信号として保持される。その後、スイッチＭＩＸがＯＮとされることによって、キャパシタＣｓ，Ｃｎの接続ノードに電荷Ｃｎ×（Ｖｎ−Ｖｒ）−Ｃｓ×（Ｖｓ−Ｖｒ）が保持された状態となる。ここで、キャパシタＣｓ，Ｃｎの容量がともにＣｘであるとすると、電荷Ｃｘ×（Ｖｎ−Ｖｓ）がキャパシタＣｓ，Ｃｎの接続ノードに保持されることとなる。
【００４４】
このとき、キャパシタＣｓの正の電極にスイッチＲＳＰを介して直流電圧Ｖｒが印加されるとともに、キャパシタＣｎの負の電極に直流電圧Ｖｒが印加されるため、キャパシタＣｓ，Ｃｎには、Ｃｘ×（Ｖｎ−Ｖｓ）／２Ｃｘ＝（Ｖｎ−Ｖｓ）／２の電圧がかかった状態となる。よって、キャパシタＣｓ，Ｃｎの接続ノードに現れる電圧値が、（Ｖｎ−Ｖｓ）／２＋Ｖｒとなる。このように、ノイズ信号と映像信号との差分値となる電圧値がキャパシタＣｓ，Ｃｎの接続ノードに現れると、スイッチＳｘをＯＮとすることで、この電圧信号を出力する。即ち、ノイズ除去された映像信号が出力信号線４に出力されることとなる。
【００４５】
このようにして出力回路３が動作しているとき、画素Ｇabにおいては、ノイズ信号を出力した後、信号φＳをローとしてＭＯＳトランジスタＴ１をＯＮとして、次回の撮像動作に備える。又、出力回路３は、ノイズ除去した映像信号を出力すると、スイッチＳｘをＯＦＦとする。そして、１行分の画素から映像信号が出力信号線４に出力されると、スイッチＭＩＸがＯＦＦとされ、次の映像信号のサンプルホールド動作に備える。
【００４６】
このように、出力回路３が動作するとき、まず、画素Ｇ1k〜Ｇmk（ｋ：１≦ｋ≦ｎの自然数）が撮像動作を行い、映像信号が同時に出力されると、出力回路３−１〜３−ｍのキャパシタＣｎにサンプルホールドされる。次に、画素Ｇ1k〜Ｇmkがリセット動作を行い、ノイズ信号が同時に出力されると、出力回路３−１〜３−ｍのキャパシタＣｓにサンプルホールドされる。そして、スイッチＭＩＸがＯＮされて、ノイズ除去された映像信号となる電圧信号がキャパシタＣｓ，Ｃｎの接続ノードに現れる。
【００４７】
このようにノイズ除去された映像信号が出力回路３−１〜３−ｍで生成されると、まず、出力回路３−１のスイッチＳｘがＯＮとされて、画素Ｇ1kのノイズ除去された映像信号が出力信号線４に出力される。その後、出力回路３−２，３−３，…，３−ｍの順に、その内部に設けられたスイッチＳｘがＯＮとされることで、画素Ｇ2k，Ｇ3k，…，Ｇmkの順に、ノイズ除去された映像信号が出力信号線４に出力される。
【００４８】
このように、ノイズ除去された画素Ｇ1k〜Ｇmkの映像信号が出力回路３−１〜３−ｍから出力信号線４に順次出力されると、次に、画素Ｇ1(k+1)〜Ｇm(k+1)の映像信号及びノイズ信号が、それぞれ、出力回路３−１〜３−ｍ内にサンプルホールドされる。そして、出力信号線４に、ノイズ除去された画素Ｇ1(k+1)〜Ｇm(k+1)の映像信号が順次出力される。このようにして、画素Ｇ11〜Ｇmnからの映像信号がそれぞれ、画素Ｇ11〜Ｇmnからのノイズ信号によって、感度のバラツキ補正が施されて、ノイズ除去された映像信号として出力される。
【００４９】
このように、本実施形態の固体撮像装置では、画素から映像信号が読み出されて出力される水平ブランク期間に、各列に配された出力回路において、ノイズ信号を用いて映像信号よりノイズ除去を行うことができる。こうして、十分な露光時間を確保しつつ固体撮像装置の駆動速度の低下を防止でき、高速な動作が可能な固体撮像装置とすることができる。又、水平ブランク期間中にノイズ除去を行うため、クロックノイズの影響を低減することができる。
【００５０】
尚、本実施形態において、出力回路内に設けられた各スイッチがＭＯＳトランジスタで構成されるとき、出力回路より出力信号線に対して映像信号を出力する際、出力動作を行っていない出力回路内に備えられるスイッチＳｘと出力信号線を介して並列接続され、その寄生容量の影響を受ける。よって、このスイッチＳｘの寄生容量の影響を防ぐように、キャパシタＣｓ，Ｃｎの容量値を十分に大きなものとする必要がある。
【００５１】
＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態について、以下に、図面を参照して説明する。図６は、本実施形態の固体撮像装置に備えられた出力回路の構成を示すブロック回路図である。尚、本実施形態において、固体撮像装置の構成及び画素の構成は、第１の実施形態と同様、図１及び図２のような構成となるので、第１の実施形態を参照するものとして、説明を省略する。又、図６において、図４と同一の目的で使用する素子及び部品については、同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００５２】
本実施形態の出力回路３ａ（図１の出力回路３−１〜３−ｍに相当する）は、図６のように、図４の出力回路３におけるスイッチＳｘの代わりに、バッファ１０が備えられる。即ち、キャパシタＣｓとスイッチＭＩＸとの接続ノードにバッファ１０の入力側が接続されるとともに、バッファ１０の出力側に出力信号線４が接続される。よって、バッファ１０がＯＮとされるとき、バッファ１０の入力側に現れるノイズ除去された映像信号に基づく電圧信号がバッファ１０の出力側に現れて、映像信号として出力信号線４に出力される。
【００５３】
このように構成される出力回路３ａの動作は、第１の実施形態の出力回路３と同様、図５のようなタイミングチャートに従って動作する。尚、このとき、スイッチＳｘがＯＮとなるタイミングにおいて、バッファ１０がＯＮとなる。よって、この出力回路３ａの動作も第１の実施形態と同様となるため、その説明を省略する。
【００５４】
このように、本実施形態において、出力回路３ａにおいて、スイッチＳｘの代わりにバッファ１０を設けることによって、バッファ１０の入力側に現れるノイズ除去された映像信号に対して、他の出力回路３ａの素子による影響が与えられることがない。よって、第１の実施形態のようなスイッチＳｘの寄生容量による影響を防ぐことができるため、キャパシタＣｓ，Ｃｎの容量を第１の実施形態のように、大きくする必要がない。
【００５５】
尚、本実施形態において、キャパシタＣｓ，Ｃｎの接続ノードが直接バッファ１０の入力側に接続されるため、キャパシタＣｓ，Ｃｎに対して、バッファ１０の入力側の静電容量が影響を与える。特に、キャパシタＣｓに映像信号がサンプルホールドされるときに、このバッファ１０の静電容量による影響を大きく受ける。よって、このバッファ１０の静電容量が十分に小さくなるように、バッファ１０を設計する必要がある。
【００５６】
＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態について、以下に、図面を参照して説明する。図７は、本実施形態の固体撮像装置に備えられた出力回路の構成を示すブロック回路図である。尚、本実施形態において、固体撮像装置の構成及び画素の構成は、第１の実施形態と同様、図１及び図２のような構成となるので、第１の実施形態を参照するものとして、説明を省略する。又、図７において、図６と同一の目的で使用する素子及び部品については、同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００５７】
本実施形態の出力回路３ｂ（図１の出力回路３−１〜３−ｍに相当する）は、図７のように、図６の出力回路３ａに、バッファ１０の入力側とキャパシタＣｓとスイッチＭＩＸとの接続ノードとの間に接続されたスイッチＳＳＷと、バッファ１０の入力側に一端が接続されるとともに他端に直流電圧Ｖｒが印加されたスイッチＲＳＤとが加えられた構成となる。
【００５８】
この出力回路３ｂは、図８のようなタイミングチャートに従って動作する。以下に、この出力回路３ｂの動作について説明する。まず、画素Ｇabに与えられる信号φＳをローとして撮像動作が行われているとき、スイッチＭＩＸがＯＦＦとされるとともにスイッチＲＳＤがＯＮとされる。このとき、スイッチＲＳＰ，ＳＳＷがＯＮ、スイッチＳＨＳ，ＳＨＮ，ＲＳＭがＯＦＦである。よって、キャパシタＣｓは、その一端がスイッチＲＳＰを介して、又、その他端がスイッチＳＳＷ，ＲＳＤを介して、それぞれ、直流電圧Ｖｒが印加された状態となり、リセットされる。
【００５９】
その後、スイッチＳＳＷがＯＦＦとされて、キャパシタＣｓとバッファ１０との間の電気的な接続が切断された後、スイッチＲＳＰをＯＦＦとするとともにスイッチＲＳＭをＯＮとする。この状態で、スイッチＳＨＳをＯＮとするとともに画素Ｇabにおいて信号φＶがローとされると、信号線１に現れる映像信号の電圧信号がキャパシタＣｓにサンプルホールドされる。そして、信号φＶがハイとされるとともにスイッチＳＨＳがＯＦＦとされる。
【００６０】
その後、信号φＳがハイとされてリセット動作が開始されると、スイッチＲＳＭがＯＦＦとされた後、スイッチＲＳＰがＯＮとされる。次に、信号φＶがローとされてノイズ信号が信号線１に現れるとき、スイッチＳＨＮがＯＮとされて、キャパシタＣｎにノイズ信号がサンプルホールドされる。そして、スイッチＳＨＮがＯＦＦされるとともに信号φＶがハイとされた後、スイッチＭＩＸがＯＮとされる。
【００６１】
このとき、キャパシタＣｎの負の電極に保持された電荷とキャパシタＣｓの正の電極に保持された電荷が混合されることで、ノイズ信号と映像信号との差分値となる電圧値（Ｖｎ−Ｖｓ）／２＋ＶｒがキャパシタＣｓ，Ｃｎの接続ノードに現れる。その後、スイッチＲＳＤがＯＦＦとされる。尚、スイッチＲＳＤがＯＮとされていたことにより、バッファ１０の入力側がリセットされる。そして、スイッチＳＳＷがＯＮとされることによって、ノイズ信号と映像信号の差分値となる電圧信号が、バッファ１０に入力される。
【００６２】
このような動作を各列に配された出力回路３−１〜３−ｍが行うことで、１行分の画素Ｇ1k〜Ｇmkからの映像信号及びノイズ信号がそれぞれ、出力回路３−１〜３−ｍに保持された後、ノイズ信号と映像信号の差分値となる電圧信号が生成されて、出力回路３−１〜３−ｍそれぞれに備えられたバッファ１０に入力される。このように、各列の出力回路３−１〜３−ｍ内のバッファ１０にノイズ信号と映像信号の差分値となる電圧信号が入力されると、出力回路３−１，３−２，…，３−ｍの順に、バッファ１０がＯＮとされることによって、画素Ｇ1k，Ｇ2k，…，Ｇmkの順に、ノイズ除去された映像信号が出力信号線４に出力される。
【００６３】
このように、本実施形態によると、出力回路３ｂにおいて、映像信号及びノイズ信号をキャパシタＣｓ，Ｃｎにサンプルホールドした後に、その差分値となる電圧信号を生成するまで、スイッチＳＳＷをＯＦＦとするため、バッファ１０の入力側の静電容量の影響を受けることなく、ノイズ除去された映像信号を生成することができる。
【００６４】
＜第４の実施形態＞
本発明の第４の実施形態について、図９は、本実施形態における固体撮像装置の構成を示すブロック図である。尚、図９において、図１と同一の目的で使用する部分については、同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００６５】
図９の固体撮像装置は、図１の固体撮像装置において、画素Ｇ11〜Ｇm1の下の行に、画素Ｇ11〜Ｇmnから出力される映像信号を補正するためのダミーとなる補正画素Ｇ10〜Ｇm0が付加された構成となる。又、出力信号線４を通じて出力される映像信号が出力切換回路５に与えられて、この出力切換回路５によって、ラインメモリ６又は差動増幅回路７の非反転入力端子のいずれに映像信号が入力されるか決定される。更に、ラインメモリ６の出力側が差動増幅回路７の反転入力端子に接続されるとともに、ラインメモリ６の入力側と出力側の間にスイッチＳｙが接続される。
【００６６】
このような構成の固体撮像装置において、画素Ｇ11〜Ｇmnを、第１〜第３の実施形態と同様、図２のような構成の画素とし、出力回路３−１〜３−ｍを、第３の実施形態と同様、図７のような構成の出力回路３ｂとする。又、このとき、補正画素Ｇ10〜Ｇm0が、図１０のような構成、即ち、ドレインに直流電圧ＶPDが印加されたＭＯＳトランジスタＴ４とゲートに信号φＶが与えられるＭＯＳトランジスタＴ６によって構成される。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲートには、直流電圧Ｖｒが印加される。
【００６７】
補正画素Ｇ10〜Ｇm0が図１０のように構成されるため、補正画素Ｇ10〜Ｇm0において、画素Ｇ11〜Ｇmnと同一のタイミングで各信号が与えられると、パルス信号φＶが与えられるときに、同一の電圧信号となる映像信号及びノイズ信号が出力される。よって、出力回路３−１〜３−ｍにおいて、スイッチＭＩＸがＯＮとされるとき、キャパシタＣｓ，Ｃｎの接続ノードに現れる電圧値がＶｒとなる。
【００６８】
そして、出力回路３−１〜３−ｍ内のバッファ１０が順にＯＮとなって、補正画素Ｇ10，Ｇ20，…，Ｇm0の順に、補正用映像信号が出力信号線４を介して出力切換回路５に出力される。このとき、出力切換回路５は入力された信号をラインメモリ６に出力するように、その出力切換が成される。よって、入力されたｍ個の補正用映像信号が、補正画素Ｇ10，Ｇ20，…，Ｇm0の順に、ラインメモリ６に入力される。
【００６９】
その後、画素Ｇ11〜Ｇmnの映像信号が、画素Ｇ11から順に出力信号線４を通じて出力切換回路５に出力される。このとき、画素Ｇ1k〜Ｇmkの映像信号及びノイズ信号それぞれが、出力回路３−１〜３−ｍに同時にサンプルホールドされて、ノイズ除去された映像信号が生成されると、出力回路３−１，３−２，…，３−ｍの順に、バッファ１０がＯＮされて、画素Ｇ1k，Ｇ2k，…，Ｇmkの順に、映像信号が出力切換回路５に出力される。
【００７０】
今、出力切換回路５によって出力信号線４と差動増幅回路７の非反転入力端子とが接続されるとともに、スイッチＳｙがＯＮとされる。よって、画素Ｇ1k，Ｇ2k，…，Ｇmkの順に映像信号が差動増幅回路７の非反転入力端子に入力される。このとき、補正画素Ｇ10，Ｇ20，…，Ｇm0の順にラインメモリ６に格納された補正用映像信号が差動増幅回路７の反転入力端子に入力される。又、このラインメモリ６より出力される補正画素Ｇ10〜Ｇm0の補正用映像信号は、スイッチＳｙを介して再び補正画素Ｇ10，Ｇ20，…，Ｇm0の順にラインメモリ６に入力される。
【００７１】
尚、出力回路３ｂに備えられたバッファ１０は、入力側の電圧値Ｖｉｎに対して、出力側の電圧値が、Ａ×Ｖｉｎ＋Ｖのようにオフセット電圧を有する。よって、画素Ｇabより映像信号Ｖｓ及びノイズ信号Ｖｎが出力回路３ｂに入力されると、出力回路３ｂからは、Ａ×（（Ｖｎ−Ｖｓ）／２＋Ｖｒ）＋Ｖの映像信号が出力される。この画素Ｇabの映像信号が差動増幅回路７の非反転入力端子に入力されるとき、補正画素Ｇa0のＡ×Ｖｒ＋Ｖとなる補正用映像信号が差動増幅回路７の反転入力端子に入力されるため、差動増幅回路７からＢ×（Ｖｎ−Ｖｓ）となるオフセット電圧が除去された映像信号が出力される。
【００７２】
このように差動増幅回路７が動作することで、画素Ｇ1k，Ｇ2k，…，Ｇmkの順に入力された映像信号が、補正画素Ｇ10，Ｇ20，…，Ｇm0の順に入力される補正用映像信号によってオフセット電圧が除去される。そして、オフセット電圧が除去された画素Ｇ1k〜Ｇmkの映像信号が差動増幅回路７から出力されると、画素Ｇ1k+1〜Ｇmk+1に対して同一の動作が繰り返し行われることで、オフセット電圧が除去された画素Ｇ11〜Ｇmnの映像信号が差動増幅回路７から出力される。こうして、列毎の出力回路３ｂに配置されたバッファ１０に起因する固定パターンノイズの発生が防止される。
【００７３】
尚、本実施形態において、出力回路を、第３の実施形態と同様の構成となる図７のような構成の出力回路としたが、その条件を満たすのであれば、第１又は第２の実施形態と同様の構成となる図４又は図６のような構成の出力回路としても構わない。
【００７４】
又、ダミーとなる補正画素の構成を図１０のような構成としたが、それ以外の構成でも良く、図２の光電変換を行う部分を有するような構成としても構わない。但し、このとき、図１０と同様、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲートには一定の電圧が常に印加された状態とされる。又、１行分を補正画素としたが複数行分とし、各列毎に平均化した映像信号を補正用映像信号としても構わない。更に、補正画素の映像信号を複数フレーム毎に読み出してラインメモリに格納するようにしても構わない。
【００７５】
又、上述の第１〜第４の各実施形態において、固体撮像装置内の各画素の構成を、図２のような構成としたが、それ以外の構成でも良く、例えば、線形変換動作を行うような構成の画素や、ＮチャネルのＭＯＳトランジスタによる構成の画素としても構わない。
【００７６】
【発明の効果】
本実施形態によると、映像信号及びノイズ信号を互いに逆極性の信号として保持するため、映像信号及びノイズ信号を結合することによって容易にノイズ除去された映像信号が生成される。よって、従来のように、サンプルホールドした映像信号とノイズ信号を別々に出力した後にノイズ除去を行うという動作を施すことなく、出力回路で生成されたノイズ除去された映像信号を出力するのみで構わないため、その駆動速度を速くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体撮像装置の内部構成の一例を示すブロック図。
【図２】画素の構成を示す回路図。
【図３】図２の画素の感度バラツキ検出時の各信号の動作を示すタイミングチャート。
【図４】第１の実施形態の固体撮像装置内に設けられた出力回路の内部構成を示すブロック回路図。
【図５】図４の出力回路内の各素子の動作を示すタイミングチャート。
【図６】第２の実施形態の固体撮像装置内に設けられた出力回路の内部構成を示すブロック回路図。
【図７】第３の実施形態の固体撮像装置内に設けられた出力回路の内部構成を示すブロック回路図。
【図８】図７の出力回路内の各素子の動作を示すタイミングチャート。
【図９】本発明の固体撮像装置の内部構成の別例を示すブロック図。
【図１０】補正画素の構成を示す回路図。
【図１１】従来の固体撮像装置の要部を示すブロック図。
【符号の説明】
Ｇ11〜Ｇmn 画素
Ｇ10〜Ｇm0 補正画素
１−１〜１−ｍ 信号線
２−１〜２−ｍ 定電流源
３ 出力回路
４ 出力信号線
５ 出力切換回路
６ ラインメモリ
７ 差動増幅回路
１０ バッファ
【発明の属する技術分野】
本発明は、各画素の感度のバラツキ補正を行う固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フォトダイオードなどの感光素子を有した固体撮像装置は、その出力信号線を介して、撮像動作を行った際の映像信号と、各画素の感度のバラツキを表すノイズ信号とを、それぞれ各画素毎に出力するとともに、映像信号からノイズ信号を差し引くことによって、各画素の感度のバラツキを補正することができる。従来の固体撮像装置においては、映像信号及びノイズ信号はそれぞれ異なるバッファを介して差動増幅回路の非反転入力端子及び反転入力端子に入力されることで、感度のバラツキが補正された映像信号が差動増幅回路より出力される。
【０００３】
しかしながら、このように映像信号とノイズ信号が異なるバッファに入力されるため、この２つのバッファ内に構成される各素子の特性のバラツキを反映して、列毎に各画素から出力される映像信号の補正される度合いにバラツキが生じる。即ち、増幅度の異なる複数のバッファから送出されるノイズ信号でそれぞれの映像信号を補正したとき、その補正の度合いにバラツキが生じ、差動増幅回路より出力される映像信号が画像として再生されたとき、このような補正度合いのバラツキが起因して、縦すじとなって現れる。
【０００４】
このような縦すじなどの固定パターンノイズを防ぐために、本出願人は、特開２００１−２２３９４８号公報における固体撮像装置を提案した。当該公報の固体撮像装置によると、各行に、図１１のような構成の選択回路１００が設けられる。この選択回路１００は、画素Ｇから出力信号線１０１に出力される電流信号が定電流源１０２によって電圧信号に変換されて入力される。このとき、映像信号が入力されるときは、スイッチＳＷａがＯＮとされてキャパシタＣａにサンプルホールドされ、又、ノイズ信号が入力されるときは、スイッチＳＷｂがＯＮとされてキャパシタＣｂにサンプルホールドされる。
【０００５】
更に、図１１のように、各行に設けられた選択回路１００からの出力が１本の信号伝送路を介して、固体撮像装置１つに対して１つだけ備えられた補正回路１０３に入力される。このとき、選択回路１００において、スイッチＳＷｒがＯＮとされてバッファＢａの入力側がリセットされた後に、スイッチＳＷ１ａがＯＮとされてキャパシタＣａにサンプルホールドされた映像信号がバッファＢａより出力される。このとき、補正回路１０３において、スイッチＳＷ２ａがＯＮとされてキャパシタＣｃに映像信号がサンプルホールドされる。
【０００６】
又、選択回路１００において、スイッチＳＷｒがＯＮとされてバッファＢａの入力側がリセットされた後に、スイッチＳＷ１ｂがＯＮとされてキャパシタＣｂにサンプルホールドされたノイズ信号がバッファＢａより出力される。このとき、補正回路１０３において、スイッチＳＷ２ｂがＯＮとされてキャパシタＣｄにノイズ信号がサンプルホールドされる。
【０００７】
このようにして補正回路１０３に映像信号及びノイズ信号がサンプルホールドされると、映像信号及びノイズ信号がそれぞれバッファＢｂ，Ｂｃを介して、差動増幅回路１０４の非反転入力端子及び反転入力端子に与えられることによって、差動増幅回路１０４よりノイズ成分が除去された映像信号が出力される。よって、映像信号及びノイズ信号は、それぞれ列毎に配された同一のバッファＢａを介して補正回路１０３に与えられるため、補正回路１０３から出力される映像信号は、このバッファＢａの特性によるバラツキが相殺された信号となり、固定パターンノイズを低減させることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特開２００１−２２３９４８号公報の固体撮像装置によると、補正回路１０３に対して映像信号とノイズ信号とが異なるタイミングで出力されるため、ノイズ成分の除去を行うことなく映像信号のみを出力する固体撮像装置と同じ速度で信号の出力を行うには、補正回路１０３に映像信号とノイズ信号を出力する選択回路１００の動作速度は、映像信号の読み出し速度の２倍の速度が必要であった。
【０００９】
しかしながら、映像信号の読み出し速度には限界があり、読み出し速度を速くすると、十分な露光時間が得られずに、その出力が不十分となる。よって、映像信号の読み出し速度に応じて選択回路１００の動作速度が遅くなってしまうため、結果的に固体撮像装置全体の駆動動作に時間がかかり、高速での動作に対応できない。
【００１０】
このような問題を鑑みて、本発明は、各列毎にノイズが除去された映像信号が出力されるとともに高速で駆動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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の固体撮像装置は、入射光量に応じた映像信号及び感度バラツキを表すノイズ信号を発生する画素を複数備えた固体撮像装置において、前記画素から出力される映像信号及びノイズ信号を互いに逆の極性で保持し、逆の極性で保持した前記映像信号と前記ノイズ信号とを結合することによって、ノイズ除去された映像信号を生成して出力する出力回路を有し、該出力回路は、前記画素から映像信号又はノイズ信号が出力される信号線に一端が接続された第１スイッチ及び第２スイッチと、前記第１スイッチの他端に一端が接続されるとともに、映像信号をサンプルホールドする第１キャパシタと、前記第２スイッチの他端に一端が接続され、他端に基準電圧が印加されるとともに、ノイズ信号をサンプルホールドする第２キャパシタと、前記第１キャパシタの他端に一端が接続されるとともに、前記第２スイッチと前記第２キャパシタとの接続ノードに他端が接続された第３スイッチと、前記第１キャパシタと前記第１スイッチとの接続ノードに一端が接続されるとともに、他端に前記基準電圧が印加された第４スイッチと、前記第１キャパシタと前記第３スイッチとの接続ノードに一端が接続されるとともに、他端に前記基準電圧が印加された第５スイッチと、前記第１キャパシタと前記第３スイッチとの接続ノードに一端が接続されるとともに、ＯＮとなることで前記ノイズ除去された映像信号を出力する第６スイッチと、を有することを特徴とする。
【００１３】
このとき、前記第１及び第５スイッチのみをＯＮとして前記映像信号を前記第１キャパシタでサンプルホールドし、前記第２スイッチのみをＯＮとして前記ノイズ信号を前記第２キャパシタでサンプルホールドし、前記第３及び第４スイッチのみをＯＮとして前記ノイズ除去した映像信号を生成した後に、更に前記第６スイッチをＯＮとして前記ノイズ除去した映像信号を出力する。
【００１４】
また上記目的を達成するために、請求項２に記載の固体撮像装置は、入射光量に応じた映像信号及び感度バラツキを表すノイズ信号を発生する画素を複数備えた固体撮像装置において、前記画素から出力される映像信号及びノイズ信号を互いに逆の極性で保持し、逆の極性で保持した前記映像信号と前記ノイズ信号とを結合することによって、ノイズ除去された映像信号を生成して出力する出力回路を有し、該出力回路は、前記画素から映像信号又はノイズ信号が出力される信号線に一端が接続された第１スイッチ及び第２スイッチと、前記第１スイッチの他端に一端が接続されるとともに、映像信号をサンプルホールドする第１キャパシタと、前記第２スイッチの他端に一端が接続され、他端に基準電圧が印加されるとともに、ノイズ信号をサンプルホールドする第２キャパシタと、前記第１キャパシタの他端に一端が接続されるとともに、前記第２スイッチと前記第２キャパシタとの接続ノードに他端が接続された第３スイッチと、前記第１キャパシタと前記第１スイッチとの接続ノードに一端が接続されるとともに、他端に前記基準電圧が印加された第４スイッチと、前記第１キャパシタと前記第３スイッチとの接続ノードに一端が接続されるとともに、他端に前記基準電圧が印加された第５スイッチと、前記第１キャパシタと前記第３スイッチとの接続ノードに入力側が接続されるとともに、ＯＮとなることで前記ノイズ除去された映像信号を出力するバッファと、を有することを特徴とする。
【００１５】
このとき、前記第１及び第５スイッチのみをＯＮとして前記映像信号を前記第１キャパシタでサンプルホールドし、前記第２スイッチのみをＯＮとして前記ノイズ信号を前記第２キャパシタでサンプルホールドし、前記第３及び第４スイッチのみをＯＮとして前記ノイズ除去した映像信号を生成した後に、更に前記バッファをＯＮとして前記ノイズ除去した映像信号を出力する。
【００１６】
更に、このとき、請求項３に記載するように、前記第１キャパシタと前記第３スイッチとの接続ノードに一端が接続されるとともに、前記バッファの入力側に他端が接続された第６スイッチを有するようにしても構わない。よって、このとき、前記第３及び第４スイッチのみをＯＮとして前記ノイズ除去した映像信号を生成した後に、更に前記第６スイッチをＯＮとして前記バッファに前記ノイズ除去した映像信号を入力し、最終的に前記バッファをＯＮとして前記ノイズ除去した映像信号を出力する。又、前記バッファの入力側をリセットするために、一端が前記バッファの入力側に接続されるとともに他端に前記基準電圧が印加された第７スイッチを有するようにしても構わない。
【００１７】
このような固体撮像装置において、前記画素がマトリクス状に配置されるとき、前記出力回路が列毎に配置され、１行毎に前記画素から前記映像信号及び前記ノイズ信号が前記出力回路に出力された後、前記出力回路毎に、ノイズ除去された映像信号が生成されて出力される。又、映像信号のノイズ除去が、水平ブランク期間に行われる。
【００１８】
請求項４に記載の固体撮像装置は、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の固体撮像装置において、入射光量に関係なく同一の映像信号及びノイズ信号が出力される補正画素と、該補正画素から出力される前記映像信号及び前記ノイズ信号に基づいて前記出力回路により生成されて出力される補正用映像信号を格納するラインメモリと、該ラインメモリに格納された前記補正用映像信号に基づいて、前記出力回路より出力される前記画素の前記ノイズ除去された映像信号に含まれるオフセットを除去する補正回路と、を有することを特徴とする。
【００１９】
このような固体撮像装置において、前記補正用画素が、前記画素の一部となる出力側の構成によって構成されるものとしても構わない。又、該補正用画素から出力される映像信号及びノイズ信号は、同一の電圧信号である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態について、以下に、図面を参照して説明する。
【００２１】
１．固体撮像装置の構成
まず、本実施形態の固体撮像装置について、図１を参照して説明する。図１は、本実施形態の固体撮像装置の構成を示すブロック図である。
【００２２】
図１の固体撮像装置は、画素Ｇ11〜Ｇmnと、画素Ｇ11〜Ｇmnの各列毎にその出力側に接続された信号線１−１〜１−ｍと、信号線１−１〜１−ｍのそれぞれに接続された定電流源２−１〜２−ｍと、信号線１−１〜１−ｍのそれぞれを介して与えられる画素Ｇ11〜Ｇmnから与えられる映像信号とノイズ信号をサンプルホールドするとともにノイズ除去を行う出力回路３−１〜３−ｍと、出力回路３−１〜３−ｍから送出される映像信号を外部に出力する出力信号線４とを有する。尚、定電流源２−１〜２−ｍの一端に直流電圧ＶPSが印加される。
【００２３】
このような固体撮像装置において、画素Ｇab（ａ：１≦ａ≦ｍの自然数、ｂ：１≦ｂ≦ｎの自然数）からの出力となる映像信号及びノイズ信号が、それぞれ、信号線１−ａを介して出力されるとともに、この信号線１−ａに接続された定電流源２−ａによって増幅される。そして、画素Ｇabから出力された映像信号及びノイズ信号が順番に出力回路３−ａに送出されるとともに、この出力回路３−ａにおいて、送出された映像信号及びノイズ信号がサンプルホールドされる。その後、出力回路３−ａにおいて、映像信号がノイズ信号に基づいて補正処理されて、出力信号線４を介して、ノイズ除去された映像信号が外部に出力される。
【００２４】
２．画素の構成例
図１の固体撮像装置内に設けられる画素Ｇ11〜Ｇmnの構成の１例を、以下に図２を参照して説明する。図２の画素において、カソードに直流電圧ＶPDが印加されたフォトダイオードＰＤのアノードにＭＯＳトランジスタＴ１のドレインが接続され、ＭＯＳトランジスタＴ１のソースにＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレインとＭＯＳトランジスタＴ３のゲートが接続される。
【００２５】
又、ＭＯＳトランジスタＴ３のソースにＭＯＳトランジスタＴ４のゲート及びＭＯＳトランジスタＴ５のドレインが接続され、ＭＯＳトランジスタＴ４のソースにＭＯＳトランジスタＴ６のドレインが接続される。そして、ＭＯＳトランジスタＴ６のドレインが信号線１（図１の信号線１−１〜１−ｍに相当する）に接続される。尚、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ６は、ＰチャネルのＭＯＳトランジスタである。
【００２６】
ＭＯＳトランジスタＴ２のソースには信号φＶPSが入力され、ＭＯＳトランジスタＴ３，Ｔ４のドレインに直流電圧ＶPDが印加される。又、ＭＯＳトランジスタＴ３のソースには、その一端に直流電圧ＶPSが印加されたキャパシタＣの他端が接続される。又、ＭＯＳトランジスタＴ５のソースには直流電圧ＶRGが入力され、そのゲートに信号φＲＳが入力される。更に、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ６のゲートにはそれぞれ、信号φＳ，φＶが入力される。
【００２７】
このように構成された画素において、ＭＯＳトランジスタＴ６及び信号線１を介して、一端に直流電圧ＶPSが印加された定電流源２（図１の定電流源２−１〜２−ｍに相当する）が、ＭＯＳトランジスタＴ４のソースに接続される。よって、ＭＯＳトランジスタＴ６がＯＮのとき、ＭＯＳトランジスタＴ４はソースフォロワのＭＯＳトランジスタとして動作し、定電流源２によって増幅された信号を信号線１に出力する。
【００２８】
このような構成の画素による撮像動作及び感度バラツキ検出動作について、以下に説明する。尚、信号φＶPSは２値の電圧信号で、ＭＯＳトランジスタＴ２をサブスレッショルド領域で動作させるための電圧をローとし、この電圧よりも高くＭＯＳトランジスタＴ２にローの信号φＶPSを与えた時よりも大きい電流が流れうるようにする電圧をハイとする。
【００２９】
（１）撮像動作（映像信号出力時）
まず、図２のような画素が撮像を行うときの動作を説明する。尚、信号φＳは撮像動作の間、常にローであり、ＭＯＳトランジスタＴ１がＯＮの状態である。又、信号φＲＳをハイとして、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＦＦとする。そして、ＭＯＳトランジスタＴ２がサブスレッショルド領域で動作するように、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースに与える信号φＶPSをローとする。このとき、フォトダイオードＰＤに光が入射されると、光電流が発生し、ＭＯＳトランジスタのサブスレッショルド特性により、ＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ３のゲートに光電流を自然対数的に変換した値の電圧が発生する。
【００３０】
この入射光量に対して自然対数的に比例した電圧がＭＯＳトランジスタＴ３で電流増幅されたドレイン電流がキャパシタＣから流れて、キャパシタＣが放電される。よって、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲート電圧が、入射光量の積分値に対して自然対数的に比例した電圧となる。そして、ＭＯＳトランジスタＴ６にパルス信号φＶを与えることによって、ＭＯＳトランジスタＴ４は、そのゲート電圧に応じてソース電流が、ＭＯＳトランジスタＴ６を介して信号線１から流れる。
【００３１】
このとき、ＭＯＳトランジスタＴ４がソースフォロワ型のＭＯＳトランジスタとして動作するため、信号線１には映像信号が電圧信号として現れる。その後、信号φＶをハイにしてＭＯＳトランジスタＴ６をＯＦＦにする。このように、ＭＯＳトランジスタＴ４，Ｔ６を介して出力される映像信号は、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲート電圧に比例した値となるため、フォトダイオードＰＤへの入射光量の積分値が自然対数的に変換された信号となる。
【００３２】
（２）感度バラツキ検出動作（ノイズ信号出力時）
次に、画素の感度バラツキを検出するときの動作について、図３のタイミングチャートを参照して説明する。まず、パルス信号φＶが与えられて映像信号が出力された後、信号φＳをハイにしてＭＯＳトランジスタＴ１をＯＦＦにして、リセット動作が始まる。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ２のソース側より正の電荷が流れ込み、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレイン、そしてＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに蓄積された負の電荷が再結合され、ある程度まで、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレインのポテンシャルが上がる。
【００３３】
しかし、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレインのポテンシャルがある値まで上がると、そのリセット速度が遅くなる。特に、明るい被写体が急に暗くなった場合にこの傾向が顕著となる。よって、次に、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースに与える信号φＶPSをハイにする。このように、ＭＯＳトランジスタＴ２のソース電圧を高くすることで、ＭＯＳトランジスタＴ２のソース側から流入する正の電荷の量が増加し、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレイン、そしてＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに蓄積された負の電荷が速やかに再結合される。
【００３４】
よって、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレインのポテンシャルが、更に高くなる。そして、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースに与える信号φＶPSをローにすることによって、ＭＯＳトランジスタＴ２のポテンシャル状態を基の状態に戻す。このように、ＭＯＳトランジスタＴ２のポテンシャルの状態を基の状態にリセットした後、まず、パルス信号φＲＳをＭＯＳトランジスタＴ５に与えてＭＯＳトランジスタＴ５をＯＮにして、キャパシタＣとＭＯＳトランジスタＴ４のゲートとの接続ノードの電圧を初期化する。
【００３５】
そして、キャパシタＣとＭＯＳトランジスタＴ４のゲートとの接続ノードの電圧が、リセットされたＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧に応じたものとなると、パルス信号φＶをＭＯＳトランジスタＴ６のゲートに与えてＭＯＳトランジスタＴ６をＯＮにすることによって、ＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ３の特性のバラツキに起因する各画素の感度のバラツキを表す出力電流が信号線１から流れる。
【００３６】
このとき、ＭＯＳトランジスタＴ４がソースフォロワ型のＭＯＳトランジスタとして動作するため、信号線１にはノイズ信号が電圧信号として現れる。その後、再び、パルス信号φＲＳをＭＯＳトランジスタＴ５に与えて、キャパシタＣとＭＯＳトランジスタＴ４のゲートとの接続ノードの電圧をリセットした後、信号φＳをローにしてＭＯＳトランジスタＴ１を導通させて撮像動作が行える状態にする。
【００３７】
３．出力回路の構成及び動作
図４は、図１の固体撮像装置内に設けられた出力回路の内部構成を示す回路ブロック図である。図５は、本発明の固体撮像装置内の各部の動作を示すタイミングチャートである。
【００３８】
図４に示す出力回路３（図１の出力回路３−１〜３−ｍに相当する）は、信号線１（図１の信号線１−１〜１−ｍに相当する）から与えられる映像信号をサンプルホールドするキャパシタＣｓと、信号線１から与えられるノイズ信号をサンプルホールドするキャパシタＣｎと、信号線１とキャパシタＣｓの一端との間に接続されたスイッチＳＨＳと、信号線１とキャパシタＣｎの一端との間に接続されたスイッチＳＨＮと、キャパシタＣｓの他端とキャパシタＣｎの一端との間に接続されたスイッチＭＩＸと、キャパシタＣｓの一端に一端が接続されたスイッチＲＳＰと、キャパシタＣｓの他端に一端が接続されたスイッチＲＳＭ，Ｓｘとから構成される。
【００３９】
又、スイッチＲＳＰ，ＲＳＭの他端及びキャパシタＣｎの他端には、直流電圧Ｖｒが印加されるとともに、スイッチＳｘの他端に最終的な出力信号線４が接続される。更に、スイッチＳＨＳ及びスイッチＳＨＮは、信号線１を介して定電流源２と接続される。よって、スイッチＳＨＳと信号線１との接続ノードに映像信号が現れるとともに、スイッチＳＨＮと信号線１との接続ノードにノイズ信号が現れる。
【００４０】
このような構成の出力回路３の動作について、以下に説明する。画素Ｇabに与えられる信号φＳがローとされてＭＯＳトランジスタＴ１がＯＮとされた状態で撮像動作が行われているとき、まず、スイッチＲＳＰがＯＮの状態でスイッチＲＳＭがＯＮとなって、キャパシタＣｓの両端に直流電圧Ｖｒが印加されるため、キャパシタＣｓがリセットされる。このとき、スイッチＳＨＳ，ＳＨＮ，ＭＩＸ，ＳｘはＯＦＦである。その後、スイッチＲＳＰをＯＦＦとした後、スイッチＳＨＳをＯＮとする。
【００４１】
このとき、信号φＶがローとされてＭＯＳトランジスタＴ６がＯＮとされ、映像信号が信号線１に現れると、スイッチＳＨＳがＯＮであるため、キャパシタＣｓに映像信号の電圧信号がサンプルホールドされる。よって、映像信号による電圧信号の値をＶｓとすると、キャパシタＣｓには、電荷Ｃｓ×（Ｖｓ−Ｖｒ）が蓄電される。そして、スイッチＳＨＳがＯＦＦされるとともに信号φＶがハイとされた後、スイッチＲＳＭがＯＦＦとされる。
【００４２】
このように、スイッチＲＳＭがＯＦＦとされると、キャパシタＣｓの負の電極側には、電荷−Ｃｓ×（Ｖｓ−Ｖｒ）が保持された状態となる。この状態で、スイッチＲＳＰをＯＮとする。又、画素Ｇabでは、信号φＳがハイとされてＭＯＳトランジスタＴ１がＯＦＦとされてリセット動作が行われる。そして、信号φＶがローとされてＭＯＳトランジスタＴ６がＯＮとされるとともにスイッチＳＨＮがＯＮとされて、信号線１に現れるノイズ信号がキャパシタＣｎにサンプルホールドされる。よって、ノイズ信号による電圧信号の値をＶｎとすると、キャパシタＣｎには、電荷Ｃｎ×（Ｖｎ−Ｖｒ）が蓄電される。
【００４３】
そして、スイッチＳＨＮがＯＦＦされるとともに信号φＶがハイとされる。よって、キャパシタＣｎの正の電極には、電荷Ｃｎ×（Ｖｎ−Ｖｒ）が保持されている。即ち、ノイズ信号はキャパシタＣｎによって、キャパシタＣｓに保持される映像信号とは逆極性の信号として保持される。その後、スイッチＭＩＸがＯＮとされることによって、キャパシタＣｓ，Ｃｎの接続ノードに電荷Ｃｎ×（Ｖｎ−Ｖｒ）−Ｃｓ×（Ｖｓ−Ｖｒ）が保持された状態となる。ここで、キャパシタＣｓ，Ｃｎの容量がともにＣｘであるとすると、電荷Ｃｘ×（Ｖｎ−Ｖｓ）がキャパシタＣｓ，Ｃｎの接続ノードに保持されることとなる。
【００４４】
このとき、キャパシタＣｓの正の電極にスイッチＲＳＰを介して直流電圧Ｖｒが印加されるとともに、キャパシタＣｎの負の電極に直流電圧Ｖｒが印加されるため、キャパシタＣｓ，Ｃｎには、Ｃｘ×（Ｖｎ−Ｖｓ）／２Ｃｘ＝（Ｖｎ−Ｖｓ）／２の電圧がかかった状態となる。よって、キャパシタＣｓ，Ｃｎの接続ノードに現れる電圧値が、（Ｖｎ−Ｖｓ）／２＋Ｖｒとなる。このように、ノイズ信号と映像信号との差分値となる電圧値がキャパシタＣｓ，Ｃｎの接続ノードに現れると、スイッチＳｘをＯＮとすることで、この電圧信号を出力する。即ち、ノイズ除去された映像信号が出力信号線４に出力されることとなる。
【００４５】
このようにして出力回路３が動作しているとき、画素Ｇabにおいては、ノイズ信号を出力した後、信号φＳをローとしてＭＯＳトランジスタＴ１をＯＮとして、次回の撮像動作に備える。又、出力回路３は、ノイズ除去した映像信号を出力すると、スイッチＳｘをＯＦＦとする。そして、１行分の画素から映像信号が出力信号線４に出力されると、スイッチＭＩＸがＯＦＦとされ、次の映像信号のサンプルホールド動作に備える。
【００４６】
このように、出力回路３が動作するとき、まず、画素Ｇ1k〜Ｇmk（ｋ：１≦ｋ≦ｎの自然数）が撮像動作を行い、映像信号が同時に出力されると、出力回路３−１〜３−ｍのキャパシタＣｎにサンプルホールドされる。次に、画素Ｇ1k〜Ｇmkがリセット動作を行い、ノイズ信号が同時に出力されると、出力回路３−１〜３−ｍのキャパシタＣｓにサンプルホールドされる。そして、スイッチＭＩＸがＯＮされて、ノイズ除去された映像信号となる電圧信号がキャパシタＣｓ，Ｃｎの接続ノードに現れる。
【００４７】
このようにノイズ除去された映像信号が出力回路３−１〜３−ｍで生成されると、まず、出力回路３−１のスイッチＳｘがＯＮとされて、画素Ｇ1kのノイズ除去された映像信号が出力信号線４に出力される。その後、出力回路３−２，３−３，…，３−ｍの順に、その内部に設けられたスイッチＳｘがＯＮとされることで、画素Ｇ2k，Ｇ3k，…，Ｇmkの順に、ノイズ除去された映像信号が出力信号線４に出力される。
【００４８】
このように、ノイズ除去された画素Ｇ1k〜Ｇmkの映像信号が出力回路３−１〜３−ｍから出力信号線４に順次出力されると、次に、画素Ｇ1(k+1)〜Ｇm(k+1)の映像信号及びノイズ信号が、それぞれ、出力回路３−１〜３−ｍ内にサンプルホールドされる。そして、出力信号線４に、ノイズ除去された画素Ｇ1(k+1)〜Ｇm(k+1)の映像信号が順次出力される。このようにして、画素Ｇ11〜Ｇmnからの映像信号がそれぞれ、画素Ｇ11〜Ｇmnからのノイズ信号によって、感度のバラツキ補正が施されて、ノイズ除去された映像信号として出力される。
【００４９】
このように、本実施形態の固体撮像装置では、画素から映像信号が読み出されて出力される水平ブランク期間に、各列に配された出力回路において、ノイズ信号を用いて映像信号よりノイズ除去を行うことができる。こうして、十分な露光時間を確保しつつ固体撮像装置の駆動速度の低下を防止でき、高速な動作が可能な固体撮像装置とすることができる。又、水平ブランク期間中にノイズ除去を行うため、クロックノイズの影響を低減することができる。
【００５０】
尚、本実施形態において、出力回路内に設けられた各スイッチがＭＯＳトランジスタで構成されるとき、出力回路より出力信号線に対して映像信号を出力する際、出力動作を行っていない出力回路内に備えられるスイッチＳｘと出力信号線を介して並列接続され、その寄生容量の影響を受ける。よって、このスイッチＳｘの寄生容量の影響を防ぐように、キャパシタＣｓ，Ｃｎの容量値を十分に大きなものとする必要がある。
【００５１】
＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態について、以下に、図面を参照して説明する。図６は、本実施形態の固体撮像装置に備えられた出力回路の構成を示すブロック回路図である。尚、本実施形態において、固体撮像装置の構成及び画素の構成は、第１の実施形態と同様、図１及び図２のような構成となるので、第１の実施形態を参照するものとして、説明を省略する。又、図６において、図４と同一の目的で使用する素子及び部品については、同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００５２】
本実施形態の出力回路３ａ（図１の出力回路３−１〜３−ｍに相当する）は、図６のように、図４の出力回路３におけるスイッチＳｘの代わりに、バッファ１０が備えられる。即ち、キャパシタＣｓとスイッチＭＩＸとの接続ノードにバッファ１０の入力側が接続されるとともに、バッファ１０の出力側に出力信号線４が接続される。よって、バッファ１０がＯＮとされるとき、バッファ１０の入力側に現れるノイズ除去された映像信号に基づく電圧信号がバッファ１０の出力側に現れて、映像信号として出力信号線４に出力される。
【００５３】
このように構成される出力回路３ａの動作は、第１の実施形態の出力回路３と同様、図５のようなタイミングチャートに従って動作する。尚、このとき、スイッチＳｘがＯＮとなるタイミングにおいて、バッファ１０がＯＮとなる。よって、この出力回路３ａの動作も第１の実施形態と同様となるため、その説明を省略する。
【００５４】
このように、本実施形態において、出力回路３ａにおいて、スイッチＳｘの代わりにバッファ１０を設けることによって、バッファ１０の入力側に現れるノイズ除去された映像信号に対して、他の出力回路３ａの素子による影響が与えられることがない。よって、第１の実施形態のようなスイッチＳｘの寄生容量による影響を防ぐことができるため、キャパシタＣｓ，Ｃｎの容量を第１の実施形態のように、大きくする必要がない。
【００５５】
尚、本実施形態において、キャパシタＣｓ，Ｃｎの接続ノードが直接バッファ１０の入力側に接続されるため、キャパシタＣｓ，Ｃｎに対して、バッファ１０の入力側の静電容量が影響を与える。特に、キャパシタＣｓに映像信号がサンプルホールドされるときに、このバッファ１０の静電容量による影響を大きく受ける。よって、このバッファ１０の静電容量が十分に小さくなるように、バッファ１０を設計する必要がある。
【００５６】
＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態について、以下に、図面を参照して説明する。図７は、本実施形態の固体撮像装置に備えられた出力回路の構成を示すブロック回路図である。尚、本実施形態において、固体撮像装置の構成及び画素の構成は、第１の実施形態と同様、図１及び図２のような構成となるので、第１の実施形態を参照するものとして、説明を省略する。又、図７において、図６と同一の目的で使用する素子及び部品については、同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００５７】
本実施形態の出力回路３ｂ（図１の出力回路３−１〜３−ｍに相当する）は、図７のように、図６の出力回路３ａに、バッファ１０の入力側とキャパシタＣｓとスイッチＭＩＸとの接続ノードとの間に接続されたスイッチＳＳＷと、バッファ１０の入力側に一端が接続されるとともに他端に直流電圧Ｖｒが印加されたスイッチＲＳＤとが加えられた構成となる。
【００５８】
この出力回路３ｂは、図８のようなタイミングチャートに従って動作する。以下に、この出力回路３ｂの動作について説明する。まず、画素Ｇabに与えられる信号φＳをローとして撮像動作が行われているとき、スイッチＭＩＸがＯＦＦとされるとともにスイッチＲＳＤがＯＮとされる。このとき、スイッチＲＳＰ，ＳＳＷがＯＮ、スイッチＳＨＳ，ＳＨＮ，ＲＳＭがＯＦＦである。よって、キャパシタＣｓは、その一端がスイッチＲＳＰを介して、又、その他端がスイッチＳＳＷ，ＲＳＤを介して、それぞれ、直流電圧Ｖｒが印加された状態となり、リセットされる。
【００５９】
その後、スイッチＳＳＷがＯＦＦとされて、キャパシタＣｓとバッファ１０との間の電気的な接続が切断された後、スイッチＲＳＰをＯＦＦとするとともにスイッチＲＳＭをＯＮとする。この状態で、スイッチＳＨＳをＯＮとするとともに画素Ｇabにおいて信号φＶがローとされると、信号線１に現れる映像信号の電圧信号がキャパシタＣｓにサンプルホールドされる。そして、信号φＶがハイとされるとともにスイッチＳＨＳがＯＦＦとされる。
【００６０】
その後、信号φＳがハイとされてリセット動作が開始されると、スイッチＲＳＭがＯＦＦとされた後、スイッチＲＳＰがＯＮとされる。次に、信号φＶがローとされてノイズ信号が信号線１に現れるとき、スイッチＳＨＮがＯＮとされて、キャパシタＣｎにノイズ信号がサンプルホールドされる。そして、スイッチＳＨＮがＯＦＦされるとともに信号φＶがハイとされた後、スイッチＭＩＸがＯＮとされる。
【００６１】
このとき、キャパシタＣｎの負の電極に保持された電荷とキャパシタＣｓの正の電極に保持された電荷が混合されることで、ノイズ信号と映像信号との差分値となる電圧値（Ｖｎ−Ｖｓ）／２＋ＶｒがキャパシタＣｓ，Ｃｎの接続ノードに現れる。その後、スイッチＲＳＤがＯＦＦとされる。尚、スイッチＲＳＤがＯＮとされていたことにより、バッファ１０の入力側がリセットされる。そして、スイッチＳＳＷがＯＮとされることによって、ノイズ信号と映像信号の差分値となる電圧信号が、バッファ１０に入力される。
【００６２】
このような動作を各列に配された出力回路３−１〜３−ｍが行うことで、１行分の画素Ｇ1k〜Ｇmkからの映像信号及びノイズ信号がそれぞれ、出力回路３−１〜３−ｍに保持された後、ノイズ信号と映像信号の差分値となる電圧信号が生成されて、出力回路３−１〜３−ｍそれぞれに備えられたバッファ１０に入力される。このように、各列の出力回路３−１〜３−ｍ内のバッファ１０にノイズ信号と映像信号の差分値となる電圧信号が入力されると、出力回路３−１，３−２，…，３−ｍの順に、バッファ１０がＯＮとされることによって、画素Ｇ1k，Ｇ2k，…，Ｇmkの順に、ノイズ除去された映像信号が出力信号線４に出力される。
【００６３】
このように、本実施形態によると、出力回路３ｂにおいて、映像信号及びノイズ信号をキャパシタＣｓ，Ｃｎにサンプルホールドした後に、その差分値となる電圧信号を生成するまで、スイッチＳＳＷをＯＦＦとするため、バッファ１０の入力側の静電容量の影響を受けることなく、ノイズ除去された映像信号を生成することができる。
【００６４】
＜第４の実施形態＞
本発明の第４の実施形態について、図９は、本実施形態における固体撮像装置の構成を示すブロック図である。尚、図９において、図１と同一の目的で使用する部分については、同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００６５】
図９の固体撮像装置は、図１の固体撮像装置において、画素Ｇ11〜Ｇm1の下の行に、画素Ｇ11〜Ｇmnから出力される映像信号を補正するためのダミーとなる補正画素Ｇ10〜Ｇm0が付加された構成となる。又、出力信号線４を通じて出力される映像信号が出力切換回路５に与えられて、この出力切換回路５によって、ラインメモリ６又は差動増幅回路７の非反転入力端子のいずれに映像信号が入力されるか決定される。更に、ラインメモリ６の出力側が差動増幅回路７の反転入力端子に接続されるとともに、ラインメモリ６の入力側と出力側の間にスイッチＳｙが接続される。
【００６６】
このような構成の固体撮像装置において、画素Ｇ11〜Ｇmnを、第１〜第３の実施形態と同様、図２のような構成の画素とし、出力回路３−１〜３−ｍを、第３の実施形態と同様、図７のような構成の出力回路３ｂとする。又、このとき、補正画素Ｇ10〜Ｇm0が、図１０のような構成、即ち、ドレインに直流電圧ＶPDが印加されたＭＯＳトランジスタＴ４とゲートに信号φＶが与えられるＭＯＳトランジスタＴ６によって構成される。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲートには、直流電圧Ｖｒが印加される。
【００６７】
補正画素Ｇ10〜Ｇm0が図１０のように構成されるため、補正画素Ｇ10〜Ｇm0において、画素Ｇ11〜Ｇmnと同一のタイミングで各信号が与えられると、パルス信号φＶが与えられるときに、同一の電圧信号となる映像信号及びノイズ信号が出力される。よって、出力回路３−１〜３−ｍにおいて、スイッチＭＩＸがＯＮとされるとき、キャパシタＣｓ，Ｃｎの接続ノードに現れる電圧値がＶｒとなる。
【００６８】
そして、出力回路３−１〜３−ｍ内のバッファ１０が順にＯＮとなって、補正画素Ｇ10，Ｇ20，…，Ｇm0の順に、補正用映像信号が出力信号線４を介して出力切換回路５に出力される。このとき、出力切換回路５は入力された信号をラインメモリ６に出力するように、その出力切換が成される。よって、入力されたｍ個の補正用映像信号が、補正画素Ｇ10，Ｇ20，…，Ｇm0の順に、ラインメモリ６に入力される。
【００６９】
その後、画素Ｇ11〜Ｇmnの映像信号が、画素Ｇ11から順に出力信号線４を通じて出力切換回路５に出力される。このとき、画素Ｇ1k〜Ｇmkの映像信号及びノイズ信号それぞれが、出力回路３−１〜３−ｍに同時にサンプルホールドされて、ノイズ除去された映像信号が生成されると、出力回路３−１，３−２，…，３−ｍの順に、バッファ１０がＯＮされて、画素Ｇ1k，Ｇ2k，…，Ｇmkの順に、映像信号が出力切換回路５に出力される。
【００７０】
今、出力切換回路５によって出力信号線４と差動増幅回路７の非反転入力端子とが接続されるとともに、スイッチＳｙがＯＮとされる。よって、画素Ｇ1k，Ｇ2k，…，Ｇmkの順に映像信号が差動増幅回路７の非反転入力端子に入力される。このとき、補正画素Ｇ10，Ｇ20，…，Ｇm0の順にラインメモリ６に格納された補正用映像信号が差動増幅回路７の反転入力端子に入力される。又、このラインメモリ６より出力される補正画素Ｇ10〜Ｇm0の補正用映像信号は、スイッチＳｙを介して再び補正画素Ｇ10，Ｇ20，…，Ｇm0の順にラインメモリ６に入力される。
【００７１】
尚、出力回路３ｂに備えられたバッファ１０は、入力側の電圧値Ｖｉｎに対して、出力側の電圧値が、Ａ×Ｖｉｎ＋Ｖのようにオフセット電圧を有する。よって、画素Ｇabより映像信号Ｖｓ及びノイズ信号Ｖｎが出力回路３ｂに入力されると、出力回路３ｂからは、Ａ×（（Ｖｎ−Ｖｓ）／２＋Ｖｒ）＋Ｖの映像信号が出力される。この画素Ｇabの映像信号が差動増幅回路７の非反転入力端子に入力されるとき、補正画素Ｇa0のＡ×Ｖｒ＋Ｖとなる補正用映像信号が差動増幅回路７の反転入力端子に入力されるため、差動増幅回路７からＢ×（Ｖｎ−Ｖｓ）となるオフセット電圧が除去された映像信号が出力される。
【００７２】
このように差動増幅回路７が動作することで、画素Ｇ1k，Ｇ2k，…，Ｇmkの順に入力された映像信号が、補正画素Ｇ10，Ｇ20，…，Ｇm0の順に入力される補正用映像信号によってオフセット電圧が除去される。そして、オフセット電圧が除去された画素Ｇ1k〜Ｇmkの映像信号が差動増幅回路７から出力されると、画素Ｇ1k+1〜Ｇmk+1に対して同一の動作が繰り返し行われることで、オフセット電圧が除去された画素Ｇ11〜Ｇmnの映像信号が差動増幅回路７から出力される。こうして、列毎の出力回路３ｂに配置されたバッファ１０に起因する固定パターンノイズの発生が防止される。
【００７３】
尚、本実施形態において、出力回路を、第３の実施形態と同様の構成となる図７のような構成の出力回路としたが、その条件を満たすのであれば、第１又は第２の実施形態と同様の構成となる図４又は図６のような構成の出力回路としても構わない。
【００７４】
又、ダミーとなる補正画素の構成を図１０のような構成としたが、それ以外の構成でも良く、図２の光電変換を行う部分を有するような構成としても構わない。但し、このとき、図１０と同様、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲートには一定の電圧が常に印加された状態とされる。又、１行分を補正画素としたが複数行分とし、各列毎に平均化した映像信号を補正用映像信号としても構わない。更に、補正画素の映像信号を複数フレーム毎に読み出してラインメモリに格納するようにしても構わない。
【００７５】
又、上述の第１〜第４の各実施形態において、固体撮像装置内の各画素の構成を、図２のような構成としたが、それ以外の構成でも良く、例えば、線形変換動作を行うような構成の画素や、ＮチャネルのＭＯＳトランジスタによる構成の画素としても構わない。
【００７６】
【発明の効果】
本実施形態によると、映像信号及びノイズ信号を互いに逆極性の信号として保持するため、映像信号及びノイズ信号を結合することによって容易にノイズ除去された映像信号が生成される。よって、従来のように、サンプルホールドした映像信号とノイズ信号を別々に出力した後にノイズ除去を行うという動作を施すことなく、出力回路で生成されたノイズ除去された映像信号を出力するのみで構わないため、その駆動速度を速くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体撮像装置の内部構成の一例を示すブロック図。
【図２】画素の構成を示す回路図。
【図３】図２の画素の感度バラツキ検出時の各信号の動作を示すタイミングチャート。
【図４】第１の実施形態の固体撮像装置内に設けられた出力回路の内部構成を示すブロック回路図。
【図５】図４の出力回路内の各素子の動作を示すタイミングチャート。
【図６】第２の実施形態の固体撮像装置内に設けられた出力回路の内部構成を示すブロック回路図。
【図７】第３の実施形態の固体撮像装置内に設けられた出力回路の内部構成を示すブロック回路図。
【図８】図７の出力回路内の各素子の動作を示すタイミングチャート。
【図９】本発明の固体撮像装置の内部構成の別例を示すブロック図。
【図１０】補正画素の構成を示す回路図。
【図１１】従来の固体撮像装置の要部を示すブロック図。
【符号の説明】
Ｇ11〜Ｇmn 画素
Ｇ10〜Ｇm0 補正画素
１−１〜１−ｍ 信号線
２−１〜２−ｍ 定電流源
３ 出力回路
４ 出力信号線
５ 出力切換回路
６ ラインメモリ
７ 差動増幅回路
１０ バッファ
Claims (4)
- 入射光量に応じた映像信号及び感度バラツキを表すノイズ信号を発生する画素を複数備えた固体撮像装置において、
前記画素から出力される映像信号及びノイズ信号を互いに逆の極性で保持し、逆の極性で保持した前記映像信号と前記ノイズ信号とを結合することによって、ノイズ除去された映像信号を生成して出力する出力回路を有し、
該出力回路は、
前記画素から映像信号又はノイズ信号が出力される信号線に一端が接続された第１スイッチ及び第２スイッチと、
前記第１スイッチの他端に一端が接続されるとともに、映像信号をサンプルホールドする第１キャパシタと、
前記第２スイッチの他端に一端が接続され、他端に基準電圧が印加されるとともに、ノイズ信号をサンプルホールドする第２キャパシタと、
前記第１キャパシタの他端に一端が接続されるとともに、前記第２スイッチと前記第２キャパシタとの接続ノードに他端が接続された第３スイッチと、
前記第１キャパシタと前記第１スイッチとの接続ノードに一端が接続されるとともに、他端に前記基準電圧が印加された第４スイッチと、
前記第１キャパシタと前記第３スイッチとの接続ノードに一端が接続されるとともに、他端に前記基準電圧が印加された第５スイッチと、
前記第１キャパシタと前記第３スイッチとの接続ノードに一端が接続されるとともに、ＯＮとなることで前記ノイズ除去された映像信号を出力する第６スイッチと、
を有することを特徴とする固体撮像装置。 - 入射光量に応じた映像信号及び感度バラツキを表すノイズ信号を発生する画素を複数備えた固体撮像装置において、
前記画素から出力される映像信号及びノイズ信号を互いに逆の極性で保持し、逆の極性で保持した前記映像信号と前記ノイズ信号とを結合することによって、ノイズ除去された映像信号を生成して出力する出力回路を有し、
該出力回路は、
前記画素から映像信号又はノイズ信号が出力される信号線に一端が接続された第１スイッチ及び第２スイッチと、
前記第１スイッチの他端に一端が接続されるとともに、映像信号をサンプルホールドする第１キャパシタと、
前記第２スイッチの他端に一端が接続され、他端に基準電圧が印加されるとともに、ノイズ信号をサンプルホールドする第２キャパシタと、
前記第１キャパシタの他端に一端が接続されるとともに、前記第２スイッチと前記第２キャパシタとの接続ノードに他端が接続された第３スイッチと、
前記第１キャパシタと前記第１スイッチとの接続ノードに一端が接続されるとともに、他端に前記基準電圧が印加された第４スイッチと、
前記第１キャパシタと前記第３スイッチとの接続ノードに一端が接続されるとともに、他端に前記基準電圧が印加された第５スイッチと、
前記第１キャパシタと前記第３スイッチとの接続ノードに入力側が接続されるとともに、ＯＮとなることで前記ノイズ除去された映像信号を出力するバッファと、
を有することを特徴とする固体撮像装置。 - 前記第１キャパシタと前記第３スイッチとの接続ノードに一端が接続されるとともに、前記バッファの入力側に他端が接続された第６スイッチを有することを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
- 入射光量に関係なく同一の映像信号及びノイズ信号が出力される補正画素と、
該補正画素から出力される前記映像信号及び前記ノイズ信号に基づいて前記出力回路により生成されて出力される補正用映像信号を格納するラインメモリと、
該ラインメモリに格納された前記補正用映像信号に基づいて、前記出力回路より出力される前記画素の前記ノイズ除去された映像信号に含まれるオフセットを除去する補正回路と、
を有することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の固体撮像装置。
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