JP4086798B2 - 増幅型固体撮像装置 - Google Patents

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Description

この発明は、増幅型固体撮像装置に関する。
従来、増幅型固体撮像装置としては、増幅機能を持たせた画素部とその画素部の周辺に配置された走査回路を有し、その走査回路により画素部から画素データを読み出すものが提案されている。特に、画素構成を周辺の駆動回路および信号処理回路と一体化するのに有利なＣＭＯＳ(コンプリメンタリ・メタル・オキサイド・セミコンダクタ)により構成されたＡＰＳ(Active Pixel Sensor)型イメージセンサが知られている。
上記ＡＰＳ型イメージセンサは、通常１画素内に光電変換部と増幅部と画素選択部およびリセット部を形成する必要がある。このため、ＡＰＳ型イメージセンサには、通常フォトダイオード(ＰＤ)からなる光電変換部の他に３個〜４個のＭＯＳ型トランジスタ(Ｔr)が用いられている。
図８に１個のフォトダイオード(ＰＤ)と４個のＭＯＳ型トランジスタ(Ｔr)を用いて、ＰＤ＋４Ｔr方式としたＡＰＳ型イメージセンサの構成を示している。このＰＤ＋４Ｔr方式のＡＰＳ型イメージセンサは、例えば文献「I.Inoue et al., IEDM Tech.Digest, pp883 (1999)」に開示されている。
図８に示すＰＤ＋４Ｔr方式のＡＰＳ型イメージセンサは、「ＰＤ」としてフォトダイオード２０１、「４Ｔr」としては、フォトダイオード２０１に蓄積した信号電荷を転送するための転送トランジスタ２０２、リセットトランジスタ２３１、増幅用トランジスタ２３２、画素選択トランジスタ２３３によって構成されている。ここで、フォトダイオード２０１を埋め込み型とし、フォトダイオード２０１からの信号電荷転送を完全とすれば、極めて低ノイズ化でき、高画質の画像を得ることが可能となることが知られている。
上記転送トランジスタ２０２の駆動パルスはφTで表し、リセットトランジスタ２３１の駆動パルスはφRで表し、画素選択トランジスタ２３３の駆動パルスはφSで表している。また、垂直信号線２３５は、駆動パルスφLが印加される定電流負荷トランジスタ２３４を介して接地され、出力信号ＶSを得る。なお、ＶDDは電源電圧(一定電圧)である。
固体撮像装置では、静止画モードでは全ての画素を独立して読み出し高い解像度を得ると共に、動画モードでは画素間で加算を行い、解像度は犠牲になるものの読み出しフレーム速度の向上や感度の向上を図ることが有用である。
しかしながら、図８に示す増幅型固体撮像装置の場合には、次のような問題が生じる。即ち、画素毎に信号電荷を電圧信号に変換して増幅した後に読み出すため、画素間での加算動作は、読み出された電圧信号間となる。従って、加算動作のためには画素部の外にアナログないしデジタルのメモリ素子が必要となり、読み出し回路構成が複雑になる。更に、この方法によるＳ／Ｎ向上の効果も乏しい。以下にその理由を述べる。
２つの画素Ｐ１とＰ２での加算を考える。各々での信号をｓ１，ｓ２とする。また、光電変換部で発生するノイズをｎｐ１，ｎｐ２とし、画素内増幅部で発生するノイズをｎａ１，ｎａ２とする。ｎｐ１とｎｐ２，ｎａ１とｎａ２は互いに相関がなく独立であるから、全体ノイズｎ１２は次の（式１）のようになる。
ｎ１２＝√（ｎｐ１2＋ｎｐ２2＋ｎａ１2＋ｎａ２2）・・・（式１）
全体の信号ｓ１２は、ｓ１とｓ２の加算により次の（式２）のようになる。
ｓ１２＝ｓ１＋ｓ２・・・（式２）
光電変換部で発生するノイズを抑え、（ｎｐ１，ｎｐ２）＜＜（ｎａ１，ｎａ２）とし、Ｐ１とＰ２の信号が同じで発生ノイズも同等の場合を考えると、
ｓ１２＝２・ｓ１、ｎ１２＝√２・ｎａ１より、
ｓ１２／ｎ１２＝√２・（ｓ１／ｎａ１）・・・（式３）
となり、Ｓ／Ｎの向上は√２倍に止まる。
画素間での加算動作を電圧に変換して増幅する前に行って、加算後の信号を読み出す場合を考える。
この時、加算後のノイズは、次の（式４）で表され、（式１）に比べ少なくなる。
ｎ１２＝√（ｎｐ１2＋ｎｐ２2＋ｎａ１2）・・・（式４）
他方、信号は電荷加算により（式２）で表されるから、（ｎｐ１，ｎｐ２）＜＜（ｎａ１）とし、Ｐ１とＰ２の信号が同じ場合を考えると、
ｓ１２＝２・ｓ１、ｎ１２＝ｎａ１より、
ｓ１２／ｎ１２＝２・（ｓ１／ｎａ１）・・・（式５）
となり、Ｓ／Ｎの向上は２倍に達する。本動作の例を以下に示す。
図９は、複数のフォトダイオード２０１および転送トランジスタ２０２に対して、共通の信号電荷蓄積部２０８、リセットトランジスタ２３１、増幅用トランジスタ２３２および画素選択トランジスタ２３３を設けた増幅型固体撮像装置である（例えば、特開平９−４６５９６号公報（特許文献１）参照）。
図９において、図８と同じ記号は同じ内容を表す。図８との相違は、電荷検出部２０８、リセットトランジスタ２３１、増幅用トランジスタ２３２および画素選択トランジスタ２３３が、上下２画素に共通に１組で構成されている点である。これにより、（ｍ，１）行目の画素用転送トランジスタ２０２の駆動パルスφT(m,1)と、（ｍ，２）行目の画素用転送トランジスタ２０２の駆動パルスφT(m,2)とを、同時にオンすれば、上下２画素のフォトダイオード２０１の信号電荷を加算して読み出すことができる。
しかしながら、図９に示す増幅型固体撮像装置の構成および動作において、次のような問題が生じる。即ち、フォトダイオード２０１からの信号電荷Ｑsigを電圧信号Ｖsigに変換する電荷電圧変換効率ηは、共通の信号電荷蓄積部２０８の容量をＣFDとすると、
η ＝ ＧSF・Ｖsig／Ｑsig ＝ ＧSF／ＣFD・・・（式６）
となる。ここで、ＧSFは増幅用トランジスタ２３２と定電流負荷トランジスタ２３４とで構成されるソースフォロワ回路のゲインであり、１より小さい値となる。
上記（式６）から明らかなように、電荷電圧変換効率ηを大きくするには、容量ＣFDを小さくする必要がある。上記共通の信号電荷蓄積部２０８の容量ＣFDは、信号電荷蓄積部２０８に接続された転送トランジスタ２０２のドレイン側接合容量と増幅トランジスタ２３２のゲート容量との和である。従って、共通の信号電荷蓄積部に接続されるフォトダイオードおよび転送トランジスタの数が多くなる程、転送トランジスタのドレイン接合容量や配線容量が増大するために、電荷電圧変換効率ηが低下するという問題がある。
特開平９−４６５９６号公報
そこで、この発明は、このような問題を解決するものであり、その目的は、画素内で信号電荷同士の加算を行い、読み出し回路に負担をかけず加算動作が可能となると共に、加算によるＳ／Ｎ向上効果を高めることができるだけでなく、加算構造においても電荷電圧変換効率を高く保つことが可能な増幅型固体撮像装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、この発明の増幅型固体撮像装置は、
光電変換素子と上記光電変換素子の信号電荷を転送する転送トランジスタとを有する光電変換転送部が画素毎に設けられた増幅型固体撮像装置であって、
上記画素毎に設けられた光電変換転送部が少なくとも二つ以上の所定数毎に光電変換転送部群を構成し、
上記光電変換転送部群に夫々設けられ、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側に入力側が接続され、出力側が信号線に接続された複数のスイッチトキャパシタアンプ部と、
上記光電変換転送部群内の全ての上記光電変換転送部の内、複数の上記光電変換転送部を選択して、この選択された複数の光電変換転送部の転送トランジスタを介してこの選択された複数の光電変換転送部の光電変換素子の信号電荷を共に上記スイッチトキャパシタアンプ部入力側へ転送することにより上記複数の信号電荷の加算を行って、この加算された信号電荷を上記スイッチトキャパシタアンプ部により読み出す動作を繰り返すように、上記転送トランジスタと上記スイッチトキャパシタアンプ部を制御する制御部と
を備え、
上記光電変換転送部群は、マトリクス状に配列され、
上記光電変換転送部は、一つの光電変換素子と、この一つの光電変換素子の信号電荷を転送する奇数フィールド用転送トランジスタおよび偶数フィールド用転送トランジスタとを有し、上記光電変換素子の出力側に、上記奇数フィールド用転送トランジスタの入力側と上記偶数フィールド用転送トランジスタの入力側とが接続され、
上記スイッチトキャパシタアンプ部は、上記奇数フィールド用転送トランジスタの出力側に入力側が接続される奇数フィールド用スイッチトキャパシタアンプ部と、上記偶数フィールド用転送トランジスタの出力側に入力側が接続される偶数フィールド用スイッチトキャパシタアンプ部とを含み、
上記奇数フィールド用スイッチトキャパシタアンプ部は、反転増幅器と、この反転増幅器の入出力間に挿入されたリセットトランジスタおよびキャパシタンス素子と、上記反転増幅器の出力側と上記信号線との間に挿入された選択トランジスタとを有し、上記反転増幅器の入力側は、上記光電変換転送部群の各奇数フィールド用転送トランジスタの出力側に接続され、
上記偶数フィールド用スイッチトキャパシタアンプ部は、反転増幅器と、この反転増幅器の入出力間に挿入されたリセットトランジスタおよびキャパシタンス素子と、上記反転増幅器の出力側と上記信号線との間に挿入された選択トランジスタとを有し、上記反転増幅器の入力側は、上記光電変換転送部群の各偶数フィールド用転送トランジスタの出力側に接続され、
上記制御部は、上記奇数フィールド用転送トランジスタと上記奇数フィールド用スイッチトキャパシタアンプ部を制御する奇数フィールド用制御部と、上記偶数フィールド用転送トランジスタと上記偶数フィールド用スイッチトキャパシタアンプ部を制御する偶数フィールド用制御部とを含み、
上記奇数フィールド用制御部と上記偶数フィールド用制御部は、上記奇数フィールド用スイッチトキャパシタアンプ部側に加算される光電変換素子の行方向の組み合わせと、上記偶数フィールド用スイッチトキャパシタアンプ部側に加算される光電変換素子の行方向の組み合わせとを、行方向に一つずらすことにより、インターレース読み出しすることを特徴としている。
この発明の増幅型固体撮像装置によれば、複数の光電変換素子の信号電荷が、転送トランジスタを介して、上記スイッチトキャパシタアンプ部の入力側にて加算される。これは、電荷による加算であり、Ｓ／Ｎ向上の効果が大きい。また、画素部での加算動作であり、読み出し回路が複雑になることはない。更に、上記増幅回路（アンプ）をスイッチトキャパシタ型とすることにより、上記スイッチトキャパシタアンプ部の入力側の信号電荷蓄積部の容量を実効的に低減することが可能となり、電荷電圧変換ゲインを高めることができる。また、上記光電変換転送部群内の全ての上記光電変換転送部の内、複数の上記光電変換転送部を選択して、この選択された光電変換転送部の光電変換素子の信号電荷を加算するので、画素（光電変換素子）の組み合わせを様々に選択できて、応用範囲の広いものになる。また、フィールド毎に加算する画素の組み合わせを１水平行ずらす（すなわち、行方向に一つずらす）ことにより、インターレース読み出ししているので、特にカラー素子において困難であったインターレース読み出しが可能となる。
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置では、上記制御部は、上記信号電荷の加算を行う加算動作モードと、上記信号電荷の加算を行わずに上記各光電変換素子の信号電荷を独立に読み出す独立動作モードと、に切り替え可能である。
この一実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、上記制御部の駆動方法を変えるのみで、加算動作をせず高い解像度を確保する独立動作モードと、加算して解像度は犠牲にするが高いフレーム読み出し速度および感度の向上を確保する加算動作モードとが選択可能となる。
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置では、上記各光電変換素子は、埋め込み型のフォトダイオードであることが望ましい。
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置では、上記各光電変換素子は、複数の色特性の何れかを有し、上記加算される光電変換素子は、各々、同一の色特性を有する。
この一実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、カラー固体撮像装置となり、カラー素子においても画素加算が可能となり、特に原色系のカラー素子において、同じ色の信号量を高めることにより、感度を増大することができる。
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置では、上記各光電変換素子は、複数の色特性の何れかを有し、上記加算される光電変換素子は、各々、特定の複数種類の組み合わせからなる異なる色特性を有する。
この一実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、カラー固体撮像装置となり、カラー素子においても画素加算が可能となり、特に補色系のカラー素子において、特定の組み合わせの色信号同士の加算により、必要なカラー信号を高めることにより、感度を増大することができる。
この発明の増幅型固体撮像装置によれば、複数の光電変換素子の信号電荷が、転送トランジスタを介して、上記スイッチトキャパシタアンプ部の入力側にて電荷加算されるので、Ｓ／Ｎ向上の効果が大きくなる。また、画素部での加算動作であり、読み出し回路が複雑になることはない。更に、上記増幅回路をスイッチトキャパシタ型とすることにより、上記スイッチトキャパシタアンプ部の入力側の信号電荷蓄積部の容量を実効的に低減することが可能となり、電荷電圧変換ゲインを高めることができる。また、駆動方法を変えるのみで、加算動作をせず高い解像度を確保する動作モードと、加算して解像度は犠牲にするが高いフレーム読み出し速度および感度の向上を確保する動作モードとが選択可能となる。
以上により、高い解像度の静止画と、高感度および高速の動画とを、切り替え可能なイメージセンサの形成に本発明は極めて有用となる。
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１Ａ〜図１Ｃは、本発明の一実施形態である増幅型固体撮像装置の一例として２次元増幅型固体撮像装置を示す。図１Ａは、画素加算の一例を示す説明図であり、図１Ｂは、画素加算の他の例を示す説明図であり、図１Ｃは、増幅型固体撮像装置の回路図である。
図１Ａは、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）、青（Ｂ）の３原色からなるベーヤー配列カラーフィルタにおいて、同じ色同士を上下２つの画素３０，３０で加算する方法の一例であり、１つ置きの加算動作となる。
図１Ｂは、イェロー（Ｙｅ）、シアン（Ｃｙ）、マゼンタ（Ｍａ）の補色、及び緑（Ｇ）からなるカラーフィルタにおいて、特定の色の組み合わせ同士を上下２つの画素３０，３０で加算する方法の一例であり、
［Ｙｅ＋Ｇ，Ｃｙ＋Ｍａ］行 ---> 輝度＋色差信号（２Ｂ−Ｇ）
［Ｃｙ＋Ｇ，Ｙｅ＋Ｍａ］行 ---> 輝度＋色差信号（２Ｒ−Ｇ）
を１Ｈ周期で交互に得ることができる。これにより、必要なカラー信号を得ることができる。
図１Ａおよび図１Ｂに示す画素加算を実現するための回路は、図１Ｃに示すように、全ての画素３０毎に存在する光電変換転送部１０と、この光電変換転送部１０からの信号電荷を電圧に変換して増幅するスイッチトキャパシタアンプ部２０と、上記光電変換転送部１０および上記スイッチトキャパシタアンプ部２０を制御する制御部の一例としての垂直走査回路２５とを備える。
図１Ｃでは、複数行および複数列の光電変換転送部１０のうちのｊ列目とｊ＋１列目の２列のみを示しており、各列においてｋ個の光電変換転送部１０毎に構成された光電変換転送部群にスイッチトキャパシタアンプ部２０を接続している。ここで、ｋは２以上の整数であり、図１Ｃではｋ＝４の例を示している。
上記光電変換転送部１０は、アノードがグランドに接続された光電変換素子の一例としてのフォトダイオード１と、上記フォトダイオード１のカソードにドレインが接続された転送トランジスタ２とを有する。
上記スイッチトキャパシタアンプ部２０は、反転増幅器３と、この反転増幅器３の入出力間に挿入されたリセットトランジスタ５および（キャパシタンス素子の一例としての）キャパシタ４と、上記反転増幅器３の出力側と垂直信号線７との間に挿入された選択トランジスタ６とを有する。
上記反転増幅器３の入力側は、４個の光電変換転送部１０の出力側(すなわち、転送トランジスタ２のソース)が共通接続された信号電荷蓄積部８となる。すなわち、この信号電荷蓄積部８は、スイッチトキャパシタアンプ部２０の入力端から各転送トランジスタ２の出力側まで延びている。ここで、信号電荷蓄積部８の容量をＣFD、キャパシタ４の容量をＣinで表す。
垂直走査回路２５は、転送トランジスタ駆動信号ライン２１と、選択トランジスタ駆動信号ライン２２と、リセットトランジスタ駆動信号ライン２３とを有する。
上記転送トランジスタ駆動信号ライン２１は、行方向に配列された各光電変換転送部１０の転送トランジスタ２のゲートに接続している。上記選択トランジスタ駆動信号ライン２２は、スイッチトキャパシタアンプ部２０の選択トランジスタ６のゲートに接続している。上記リセットトランジスタ駆動信号ライン２３は、スイッチトキャパシタアンプ部２０のリセットトランンジスタ５のゲートに接続している。
図１Ｃにおいて、ｎ番目のスイッチトキャパシタアンプ部２０に接続された１行目の画素を(ｎ,１)、２行目の画素を(ｎ,２)、…、４行目の画素を(ｎ,４)で表す。(ｎ,１)画素、(ｎ,２)画素、…、(ｎ,４)画素の転送トランジスタ２のゲートには、それぞれ、垂直走査回路２５からの駆動パルスφT(ｎ,１)、φT(ｎ,２)、…、φT(ｎ,４)が、転送トランジスタ駆動信号ライン２１を介して印加される。
また、ｎ番目のスイッチトキャパシタアンプ部２０のリセットトランジスタ５のゲートに、駆動パルスφR(ｎ)が、リセットトランジスタ駆動信号ライン２３を介して印加され、選択トランジスタ６の駆動パルスφS(ｎ)が、選択トランジスタ駆動信号ライン２２を介して印加される。
そうして、ｊ列目の出力信号線７からは出力信号Ｖs,jが得られ、ｊ＋１列目の出力信号線１１からは出力信号Ｖs,j+1が得られる。
なお、反転増幅器３のゲインＧAMは可能な限り大きい値とする。ゲインＧAMが十分大であれば、図１Ｃにおいて、反転増幅器３、リセットスイッチ５およびキャパシタ４はスイッチトキャパシタアンプを構成することになる。従って、信号電荷蓄積部８の信号電荷は、キャパシタ４(容量Ｃin)に転送され、蓄積される。即ち、信号電荷を電圧に変換する容量は、実効的に、ＣFDからＣinになり、ＣFD＞＞Ｃinとすることにより、電荷電圧変換効率を大きくすることが可能となる。
更に、図１Ｃにおいて、フォトダイオード１を埋め込み型とし、フォトダイオード１から転送トランジスタ２を介して信号電荷蓄積部８への電荷転送を完全とすれば、光電変換転送部１０で発生するノイズを大幅に抑えることができる。
図２Ａ〜図２Ｃは、図１Ａ〜図１Ｃで示した２次元増幅型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り、図２Ａは図１Ａに対応し、図２Ｂは図１Ｂに対応し、図２Ｃは画素加算を行わない場合のタイミングを示す。画素加算動作が行われるのは期間Ｔ3Aであり、図２Ａ〜図２Ｃでは、それぞれの期間Ｔ3Aの動作のみが異なる。
図２Ａ〜図２Ｃに共通して、期間Ｔ1では、ｎ番目のスイッチトキャパシタアンプ部２０のリセットトランジスタ５に印加される駆動パルスφR(ｎ)がハイレベルとなり、リセットトランジスタ５がオン状態となって反転増幅器３の入出力間が短絡され、信号電荷蓄積部８の電位が一定電圧にリセットされる。
次の期間Ｔ2では、図２Ａ〜図２Ｃに共通して、駆動パルスφR(ｎ)がローレベルとなってリセットトランジスタ５はオフ状態となるが、駆動パルスφS(ｎ)がハイレベルのため、選択トランジスタ６はオン状態となる。また、反転増幅器３は信号電荷蓄積部８の電位を反転増幅し、選択トランジスタ６を介してリセットレベルが垂直信号線７に読み出される。
次の期間Ｔ3Bでは、駆動パルスφS(ｎ)がローレベルとなり、選択トランジスタ６はオフとなる。
図２Ａの場合において、期間Ｔ3Aの最初の１Ｈでは、 (ｎ,１)行目の画素に印加される駆動パルスφT(ｎ,１)、および、(ｎ,３)行目の画素に印加される駆動パルスφT(ｎ,３)が、ハイレベルとなり、ゲートのポテンシャル電位が上がるため、(ｎ,１)行目および(ｎ,３)行目の画素のフォトダイオード１に蓄積された信号電荷が信号電荷蓄積部８に転送される。即ち、 (ｎ,１)行目および(ｎ,３)行目の画素信号電荷が加算される。次の１Ｈでは、(ｎ,２)行目の画素に印加される駆動パルスφT(ｎ,２)、および、(ｎ,４)行目の画素に印加される駆動パルスφT(ｎ,４)が、ハイレベルとなり、ゲートのポテンシャル電位が上がるため、(ｎ,２)行目および(ｎ,４)行目の画素のフォトダイオード１に蓄積された信号電荷が信号電荷蓄積部８に転送される。即ち、(ｎ,２)行目および(ｎ,４)行目の画素信号電荷が加算される。このように、図２Ａに示す動作は、図１Ａに対応する。
図２Ｂの場合において、期間Ｔ3Aの最初の１Ｈでは、 (ｎ,１)行目の画素に印加される駆動パルスφT(ｎ,１)、および、(ｎ,２)行目の画素に印加される駆動パルスφT(ｎ,２)が、ハイレベルとなり、ゲートのポテンシャル電位が上がるため、(ｎ,１)行目および(ｎ,２)行目の画素のフォトダイオード１に蓄積された信号電荷が信号電荷蓄積部８に転送される。即ち、(ｎ,１)行目および(ｎ,２)行目の画素信号電荷が加算される。次の１Ｈでは、(ｎ,３)行目の画素に印加される駆動パルスφT(ｎ,３)、および、(ｎ,４)行目の画素に印加される駆動パルスφT(ｎ,４)が、ハイレベルとなり、ゲートのポテンシャル電位が上がるため、(ｎ,３)行目および(ｎ,４)行目の画素のフォトダイオード１に蓄積された信号電荷が信号電荷蓄積部８に転送される。即ち、(ｎ,３)行目および(ｎ,４)行目の画素信号電荷が加算される。このように、図２Ｂに示す動作は、図１Ｂに対応する。
図２Ｃの場合において、期間Ｔ3Aの動作では、 (ｎ,ｉ)行目の画素に印加される駆動パルスφT(ｎ,ｉ)がハイレベルとなり、ゲートのポテンシャル電位が上がるため、(ｎ,ｉ)行目の画素のフォトダイオード１に蓄積された信号電荷が信号電荷蓄積部８に転送される。即ち、(ｎ,ｉ)行目の画素信号電荷が単独で読み出される。ここで、ｉは、１から４まで、１Ｈ毎に、順次シフトするため、(ｎ,１)行目の画素から(ｎ,４)行目の画素までが、１Ｈ毎に、順次独立に読み出される。
次の期間Ｔ4では、図２Ａ〜図２Ｃに共通して、駆動パルスφT(ｎ,１)がローレベルとなって転送トランジスタ２はオフ状態となり、信号電荷蓄積部８では、期間Ｔ2での電位から信号電荷転送による変化分ずれた電位が保持され、駆動パルスφS(ｎ)がハイレベルでオン状態のため、信号レベルが、反転増幅器３で増幅されて、選択トランジスタ６を介して垂直信号線７に読み出される。
上記画素信号の加算動作は、スイッチトキャパシタアンプ部２０の入力側で信号電荷を加算するため、加算後のノイズは、上記（式４）で表され、上記（式１）に比べて少なくなる。
本発明の加算動作では、信号は電荷加算により上記（式２）で表されるから、（ｎｐ１，ｎｐ２）＜＜（ｎａ１）とし、Ｐ１とＰ２の信号が同じ場合を考えると、
ｓ１２＝２・ｓ１、ｎ１２＝ｎａ１より、Ｓ／Ｎは上記（式５）のようになって、Ｓ／Ｎの向上は２倍に拡大する。
さらに、本発明では、前述のように反転増幅器３のゲインＧAMが十分大であれば、スイッチトキャパシタアンプ部２０の入力容量ＣFDは無視することができ、画素電荷加算構造でありながら電荷電圧変換効率を大きくすることができるという、大きな利点を有する。
なお、図２Ａおよび図２Ｂにおいては、２つの画素信号電荷の加算期間Ｔ3Aは２行間で同時の場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、Ｔ3AがＴ3B期間内であれば、２行間でＴ3Aが一致しなくても良い。即ち、読み出し動作に時間差があっても正しく加算される。
（第２の実施形態）
図３は、本発明の他の実施形態である増幅型固体撮像装置の一例として２次元増幅型固体撮像装置の画素加算の例を示す。図４は、図３に示す画素加算を実現する回路図を示し、図５Ａと図５Ｂは、図４に示す回路の動作を説明するタイミングチャートを示す。
図３は、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）、青（Ｂ）の３原色からなるベーヤー配列カラーフィルタにおいて、同じ色同士を、上下２つの画素３０，３０および左右２つの画素３０，３０の合計４つの画素３０で加算する方法の一例であり、水平方向および垂直方向共に１つ置きの加算動作となる。
図４において、図１Ｃと共通する記号は同じ内容を表す。図１Ｃとの相違点は、ｊ列の第１の信号電荷蓄積部８１とｊ＋２列の第３の信号電荷蓄積部８３とが結線され、ｊ＋１列の第２の信号電荷蓄積部８２とｊ＋３列の第４の信号電荷蓄積部８４とが結線されていること、および、４列単位の１列目と２列目の転送トランジスタ２は水平方向にφT(ｎ,Ａｉ)に接続され、４列単位の３列目と４列目の転送トランジスタ２は水平方向にφT(ｎ,Ｂｉ)に接続されていることである。
図５Ａおよび図５Ｂにおいて、図２Ａと同じ記号は同じ内容を表す。
図５Ａは、図３の動作のタイミングチャートを示す。図５Ａにおいて、最初の１Ｈにおける期間Ｔ3Aでは、φT(ｎ,Ａ１)とφT(ｎ,Ｂ１)、および、φT(ｎ,Ａ３)とφT(ｎ,Ｂ３)が同時にオンとなり、１行目の１列目と３列目の画素信号、および、３行目の１列目と３列目の画素信号の合計４画素が、加算されて、ｊ列目信号線７へ導かれ、１行目の２列目と４列目の画素信号、および、３行目の２列目と４列目の画素信号の合計４画素が、加算されて、ｊ＋１列目信号線１１へ導かれる。
次の１Ｈにおける期間Ｔ3Aでは、φT(ｎ,Ａ２)とφT(ｎ,Ｂ２)、および、φT(ｎ,Ａ４)とφT(ｎ,Ｂ４)が同時にオンとなり、２行目の１列目と３列目の画素信号、および、４行目の１列目と３列目の画素信号の合計４画素が、加算されて、ｊ列目信号線７へ導かれ、２行目の２列目と４列目の画素信号、および、４行目の２列目と４列目の画素信号の合計４画素が、加算されて、ｊ＋１列目信号線１１へ導かれる。
図５Ｂにおいて、期間Ｔ3Aの動作では、 (ｎ,ｉ)行目の画素に印加される駆動パルスφT(ｎ,Ａｉ)及びφT(ｎ,Ｂｉ)が、１Ｈ期間ずれてハイレベルとなって、ゲートのポテンシャル電位が上がるため、(ｎ,ｉ)行目の画素のフォトダイオード１に蓄積された信号電荷が、第１と第３の信号電荷蓄積部８１，８３、および、第２と第４の信号電荷蓄積部８２，８４に、１Ｈ期間ずれて転送される。即ち、(ｎ,ｉ)行目で４列単位の１列目と３列目画素信号が、各々、１Ｈ期間ずれて、ｊ列目信号線７へ導かれ、(ｎ,ｉ)行目で４列単位の２列目と４列目画素信号が、各々、１Ｈ期間ずれて、ｊ＋１列目信号線１１へ導かれる。ここで、ｉは、１から４まで、２Ｈ毎に、順次シフトするため、(ｎ,１)行目の画素から(ｎ,４)行目のすべての画素が、１Ｈ毎に、順次独立に読み出される。
（第３の実施形態）
図６Ａと図６Ｂは、本発明の更に他の実施形態である増幅型固体撮像装置の一例として２次元増幅型固体撮像装置の画素加算の例を示す。また、図７は、図６Ａと図６Ｂに示す画素加算を実現する回路図を示す。
図６Ａと図６Ｂは、図１Ｂと同様に、イェロー（Ｙｅ）、シアン（Ｃｙ）、マゼンタ（Ｍａ）の補色、及び緑（Ｇ）からなるカラーフィルタにおいて、特定の色の組み合わせ同士を上下２つの画素３０，３０で加算する方法の一例であり、
［Ｙｅ＋Ｇ，Ｃｙ＋Ｍａ］行 ---> 輝度＋色差信号（２Ｂ−Ｇ）
［Ｃｙ＋Ｇ，Ｙｅ＋Ｍａ］行 ---> 輝度＋色差信号（２Ｒ−Ｇ）
を１Ｈ周期で交互に得ることができる。図１Ｂとの相違は、フィールド毎に加算する画素３０の組み合わせを１水平行ずらすことにより、インターレース読み出しを可能にする点である。即ち、図６Ａに示す奇数フィールドでは、奇数行と偶数行との加算により上記信号が得られ、図６Ｂに示す偶数フィールドでは、偶数行と奇数行との加算により上記信号が得られる。
図７において、図１Ｃと共通する記号は同じ内容を表す。図１Ｃとの相違点は、フォトダイオード１から電荷を転送する転送トランジスタが、奇数フィールド用転送トランジスタ２ａおよび偶数フィールド用転送トランジスタ２ｂを含み、奇数フィールド用転送トランジスタ２ａが奇数フィールド用信号電荷蓄積部８ａへ接続され、偶数フィールド用転送トランジスタ２ｂが偶数フィールド用信号電荷蓄積部８ｂへ接続されており、奇数フィールド用信号電荷蓄積部８ａが奇数フィールド用スイッチトキャパシタアンプ部２０ａに接続され、偶数フィールド用信号電荷蓄積部８ｂが偶数フィールド用スイッチトキャパシタアンプ部２０ｂに接続されていることである。
奇数フィールドでは、上記奇数フィールド用転送トランジスタ２ａと上記奇数フィールド用スイッチトキャパシタアンプ部２０ａに対して、奇数フィールド用駆動系（奇数フィールド用垂直走査回路）２５ａから駆動パルスが印加される。即ち、ｉ行目の転送トランジスタ２ａは、水平方向に駆動パルスφT(Ｏｎ,ｉ)に接続され、リセットトランジスタ５は、駆動パルスφR(Ｏｎ)に接続され、選択トランジスタ６は、駆動パルスφS(Ｏｎ)に接続される。
同様に、偶数フィールドでは、上記偶数フィールド用転送トランジスタ２ｂと上記偶数フィールド用スイッチトキャパシタアンプ部２０ｂに対して、偶数フィールド用駆動系（偶数フィールド用垂直走査回路）２５ｂから駆動パルスが印加される。即ち、ｉ行目の転送トランジスタ２ｂは、水平方向に駆動パルスφT(Ｅｎ,ｉ)に接続され、リセットトランジスタ５は、駆動パルスφR(Ｅｎ)に接続され、選択トランジスタ６は、駆動パルスφS(Ｅｎ)に接続される。
つまり、奇数フィールドと偶数フィールドでは、スイッチトキャパシタアンプ部２０ａ，２０ｂに接続されるフォトダイオード１の（行方向の）組み合わせが、１水平行ずれている（行方向に一つずれている）。従って、駆動パルスが、奇数フィールド用駆動系２５ａから印加された場合と、偶数フィールド用駆動系２５ｂから印加された場合とでは、加算される画素の組み合わせが１水平行ずれることになる。即ち、インターレース読み出しが可能となる。これにより、ＡＰＳ型イメージセンサのカラー素子において困難であったインターレース読み出しが可能となる。
図１Ａは本発明の一実施形態による２次元増幅型固体撮像装置の動作説明図である。 図１Ｂは本発明の一実施形態による２次元増幅型固体撮像装置の他の動作説明図である。 図１Ｃは本発明の一実施形態による２次元増幅型固体撮像装置の回路図である。 図２Ａは図１Ａに対応すると共に図１Ｃに示す２次元増幅型固体撮像装置における駆動パルスのタイミングチャートである。 図２Ｂは図１Ｂに対応すると共に図１Ｃに示す２次元増幅型固体撮像装置における駆動パルスのタイミングチャートである。 図２Ｃは図１Ｃに示す２次元増幅型固体撮像装置における駆動パルスのタイミングチャートである。 図３は本発明の他の実施形態による２次元増幅型固体撮像装置の動作説明図である。 図４は図３に示す２次元増幅型固体撮像装置における回路図である。 図５Ａは図３に対応すると共に図４に示す２次元増幅型固体撮像装置における駆動パルスのタイミングチャートである。 図５Ｂは図４に示す２次元増幅型固体撮像装置における駆動パルスのタイミングチャートである。 図６Ａは本発明の更に他の実施形態による２次元増幅型固体撮像装置の奇数フィールドでの動作説明図である。 図６Ｂは本発明の更に他の実施形態による２次元増幅型固体撮像装置の偶数フィールドでの動作説明図である。 図７は図６Ａと図６Ｂに示す２次元増幅型固体撮像装置における回路図である。 図８は従来の増幅型固体撮像装置における複数画素の回路図である。 図９は従来の他の増幅型固体撮像装置における複数画素の回路図である。
符号の説明
１…フォトダイオード
２…転送トランジスタ
２ａ…奇数フィールド用転送トランジスタ
２ｂ…偶数フィールド用転送トランジスタ
３…反転増幅器
４…キャパシタ
５…リセットトランジスタ
６…選択トランジスタ
７，１１…垂直信号線
８…信号電荷蓄積部
８ａ…奇数フィールド用信号電荷蓄積部
８ｂ…偶数フィールド用信号電荷蓄積部
８１…第１の信号電荷蓄積部
８２…第２の信号電荷蓄積部
８３…第３の信号電荷蓄積部
８４…第４の信号電荷蓄積部
１０…光電変換転送部
２０…スイッチトキャパシタアンプ部
２０ａ…奇数フィールド用スイッチトキャパシタアンプ部
２０ｂ…偶数フィールド用スイッチトキャパシタアンプ部
２１…転送トランジスタ駆動信号ライン
２２…選択トランジスタ駆動信号ライン
２３…リセットトランジスタ駆動信号ライン
２５…垂直走査回路
２５ａ…奇数フィールド用垂直走査回路
２５ｂ…偶数フィールド用垂直走査回路
３０…画素

Claims (5)

  1. 光電変換素子と上記光電変換素子の信号電荷を転送する転送トランジスタとを有する光電変換転送部が画素毎に設けられた増幅型固体撮像装置であって、
    上記画素毎に設けられた光電変換転送部が少なくとも二つ以上の所定数毎に光電変換転送部群を構成し、
    上記光電変換転送部群に夫々設けられ、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側に入力側が接続され、出力側が信号線に接続された複数のスイッチトキャパシタアンプ部と、
    上記光電変換転送部群内の全ての上記光電変換転送部の内、複数の上記光電変換転送部を選択して、この選択された複数の光電変換転送部の転送トランジスタを介してこの選択された複数の光電変換転送部の光電変換素子の信号電荷を共に上記スイッチトキャパシタアンプ部入力側へ転送することにより上記複数の信号電荷の加算を行って、この加算された信号電荷を上記スイッチトキャパシタアンプ部により読み出す動作を繰り返すように、上記転送トランジスタと上記スイッチトキャパシタアンプ部を制御する制御部と
    を備え、
    上記光電変換転送部群は、マトリクス状に配列され、
    上記光電変換転送部は、一つの光電変換素子と、この一つの光電変換素子の信号電荷を転送する奇数フィールド用転送トランジスタおよび偶数フィールド用転送トランジスタとを有し、上記光電変換素子の出力側に、上記奇数フィールド用転送トランジスタの入力側と上記偶数フィールド用転送トランジスタの入力側とが接続され、
    上記スイッチトキャパシタアンプ部は、上記奇数フィールド用転送トランジスタの出力側に入力側が接続される奇数フィールド用スイッチトキャパシタアンプ部と、上記偶数フィールド用転送トランジスタの出力側に入力側が接続される偶数フィールド用スイッチトキャパシタアンプ部とを含み、
    上記奇数フィールド用スイッチトキャパシタアンプ部は、反転増幅器と、この反転増幅器の入出力間に挿入されたリセットトランジスタおよびキャパシタンス素子と、上記反転増幅器の出力側と上記信号線との間に挿入された選択トランジスタとを有し、上記反転増幅器の入力側は、上記光電変換転送部群の各奇数フィールド用転送トランジスタの出力側に接続され、
    上記偶数フィールド用スイッチトキャパシタアンプ部は、反転増幅器と、この反転増幅器の入出力間に挿入されたリセットトランジスタおよびキャパシタンス素子と、上記反転増幅器の出力側と上記信号線との間に挿入された選択トランジスタとを有し、上記反転増幅器の入力側は、上記光電変換転送部群の各偶数フィールド用転送トランジスタの出力側に接続され、
    上記制御部は、上記奇数フィールド用転送トランジスタと上記奇数フィールド用スイッチトキャパシタアンプ部を制御する奇数フィールド用制御部と、上記偶数フィールド用転送トランジスタと上記偶数フィールド用スイッチトキャパシタアンプ部を制御する偶数フィールド用制御部とを含み、
    上記奇数フィールド用制御部と上記偶数フィールド用制御部は、上記奇数フィールド用スイッチトキャパシタアンプ部側に加算される光電変換素子の行方向の組み合わせと、上記偶数フィールド用スイッチトキャパシタアンプ部側に加算される光電変換素子の行方向の組み合わせとを、行方向に一つずらすことにより、インターレース読み出しすることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
  2. 請求項１に記載の増幅型固体撮像装置において、
    上記制御部は、上記信号電荷の加算を行う加算動作モードと、上記信号電荷の加算を行わずに上記各光電変換素子の信号電荷を独立に読み出す独立動作モードと、に切り替え可能であることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
  3. 請求項１に記載の増幅型固体撮像装置において、
    上記各光電変換素子は、埋め込み型のフォトダイオードであることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
  4. 請求項１に記載の増幅型固体撮像装置において、
    上記各光電変換素子は、複数の色特性の何れかを有し、
    上記加算される光電変換素子は、各々、同一の色特性を有することを特徴とする増幅型固体撮像装置。
  5. 請求項１に記載の増幅型固体撮像装置において、
    上記各光電変換素子は、複数の色特性の何れかを有し、
    上記加算される光電変換素子は、各々、特定の複数種類の組み合わせからなる異なる色特性を有することを特徴とする増幅型固体撮像装置。
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