JP4385059B2 - イメージセンサ - Google Patents

Description

本発明は、イメージセンサに関し、特に、太陽光などの局所的に明るい画像の画質向上に関するもので、ビデオカメラやディジタルカメラなどの電子式撮像装置に使用されるＣＭＯＳイメージセンサなどの画素読出し回路に適用できるものである。

図８は、従来のイメージセンサを説明する図であり、イメージセンサにおける１つの画素と、該画素から読み出した信号値を保持する回路とを示している。図９は従来のイメージセンサの動作を説明するタイミングチャートである。

従来のイメージセンサ２０を構成する画素２００は、図８に示すように、例えば、光を電子に変換する光電変換素子であるフォトダイオードＰＤと、そのカソード電位をリセット電圧（ＶＤ電圧）にリセットするリセットトランジスタＭ１と、フォトダイオードＰＤで発生した光電変換信号を増幅して画素電圧として読み出す読出トランジスタＭ２と、画素を選択する選択トランジスタＭ３とから構成されている。

イメージセンサでは、このような画素２００が行列状に複数配列されており、各画素列毎に読出し線２０２が配置されている。各読出し線２０２には、１つの画素列の画素がすべて接続され、また、各読出し線２０２は１つの定電流源２０３に接続されている。

さらに、各読出し線２０２には、サンプルホールド回路２１０が接続されており、該サンプルホールド回路２１０は、フォトダイオードのカソード電位に対応する、読出し線２０２に読み出された画素電圧を保持するものである。

ところで、上記カソード電位には、リセット時にリセットノイズが重畳される。このリセットノイズは、画素内のトランジスタ特性のバラツキや寄生容量のバラツキに依存するので、画素毎に異なる。そこで、このリセットノイズを除去するために、サンプルホールド回路２１０には、相関二重サンプリング回路が用いられている。この相関二重サンプリング回路は、各画素の基準電圧であるリセット電圧と、各画素での光電変換により発生する画素電圧とをそれぞれ保持し、これらの電圧の差電圧に基づいて各画素の画素信号を検出するものである。

次に動作について説明する。

まず、画素選択（ＳＥＬ）信号がＨレベルとなると、選択トランジスタＭ３がオンして、所定の画素２００が選択される。

その後、第１のリセット動作がリセット期間Ｔ１に行われる。つまり、リセット（ＲＳＴ）信号がＨレベルとなり、リセットトランジスタＭ１がオンすることで、読出トランジスタＭ２のゲートがリセット（ＶＤ）電圧（例えば電源電圧）で充電されて、該読出トランジスタＭ２がオンし、読出し線２０２はリセット電位ＶＤとなる。

そして、その後の積分期間Ｔ２では、ＲＳＴ信号がＬレベルとなり、リセットトランジスタがオフするので、読出トランジスタＭ２のゲート２０１の電位は、フォトダイオードＰＤで発生される電荷により徐々に低下し、読出し線２０２に読み出される画素電圧も徐々に低下する。

相関二重サンプリング回路２１０は、この積分期間Ｔ２の終了直前に、上記読出し線２０２に読み出された画素電圧Ｖｓを、信号電圧としてサンプルホールドする。

続いて、第２のリセット動作が期間Ｔ３に行われた後、上記積分期間Ｔ２に比べて短いリセットレベル読出期間Ｔ４内に、相関二重サンプリング回路２１０は、上記読出し線２０２に読み出された画素電圧ＶＤ’を、リセット電圧としてサンプルホールドする。

サンプルホールド回路は、第１のリセット動作後の積分期間Ｔ２にサンプルホールドした信号電圧Ｖｓと、第２のリセット動作後の短い期間Ｔ４内にサンプルホールドしたリセット電圧ＶＤ’との差電圧を、画素で検出された光検出信号である画素信号として出力する。

このように２つのサンプルホールド電圧の差をとることにより、画素から読み出される画素信号からリセットノイズが除去される。

しかしながら、撮像画像内に太陽光など、周囲の画像に比べて極端に高い輝度の領域が局所的に存在する場合は、それに対応する画素では、フォトダイオードが生成する光電変換電流が極端に大きくなる。そのため、図９（ｂ）に示すように、第２のリセット動作後のリセットノイズ読出期間Ｔ４において、そのカソード電位が急速に低下する。

その結果、２つのサンプルホールド電圧の差電圧が非常に小さくなる。つまり、本来は太陽光など高い輝度の領域であれば、検出される画素信号レベルは最大レベルになることが期待されるところ、リセットノイズ読出期間で読み出されるリセットノイズが大きくなりすぎて、期待通りの画素信号レベルが得られなくなる。そのため、得られる出力画像では、太陽の輝度が極端に低い画像になり、極端な場合、図１２(ａ)に示すように、太陽が真っ黒な画像Ｉｍ１になってしまう。

そこで、従来のイメージセンサでは、局所的に高輝度を有する画像の画質を向上させる手法が検討されており、例えば、特許文献１には、その一例が開示されている。

図１０は、この文献開示のイメージセンサを説明する図である。なお、図１０中、図８と同一符号は同一のものを示す。

このイメージセンサ２０ａは、図８に示す従来のイメージセンサ２０において、上記読出し線２０２と相関二重サンプリング回路２１０との間に挿入された制御回路２０４を備え、リセットノイズ読出期間Ｔ４内には、読出し線２０２から相関二重サンプルホールド回路２１０に供給される電位を、これが所定の閾値Ｖｔｈより低下しないように制御するものである。

ここで、この制御回路２０４は、イネーブル（ＥＮ）信号と読出し線２０２からの信号とを入力とする２入力ＯＲ回路２０７と、該ＯＲ回路２０７の出力を反転するインバータＩＮＶと、読出し線２０２と相関二重サンプリング回路２１０との間に接続され、該ＯＲ回路２０７の出力がゲートに入力される転送トランジスタＭ４０と、ゲートが上記インバータＩＮＶの出力に接続され、相関二重サンプリング回路２１０の入力をＶＤ電圧に固定するプルアップトランジスタＭ５０とを有している。

このイメージセンサ２０ａでは、信号読出し時（期間Ｔ２）は、上記制御回路２０４内のＯＲ回路２０７へ入力されるＥＮ信号がＨレベルに固定される。この時には、上記ＯＲ回路２０７の出力２０５は、常時Ｈレベルとなるため、読出し線２０２と上記制御回路２０４の出力信号２０６との間に接続された転送トランジスタＭ４０はオン状態となる。

またこの時、上記制御回路２０４内のインバータＩＮＶの入力信号２０５はＨレベルであるため、このインバータＩＮＶの出力信号はＬレベルとなる。このため、上記制御回路２０４の出力信号２０６に対するプルアップトランジスタＭ５０のゲートは、Ｌレベルとなり、プルアップトランジスタＭ５０はオフ状態となる。

従って、読出し線２０２の電圧レベルが、上記制御回路２０４を通り、相関二重サンプリング回路２１０へと伝送される。

次にリセットレベル読出し時（期間Ｔ４）には、イメージセンサ２０ａでは、上記制御回路２０４内のＯＲ回路２０７へ入力されるＥＮ信号がＬレベルに固定される。画像内に太陽や電球の様な局所的に高輝度の画像が含まれる場合には、上記ＯＲ回路のもう一方の入力信号である読出し線２０２の電圧が上記ＯＲ回路の閾値より低下するときがある。このときには、上記ＯＲ回路の出力２０５は、Ｌレベルとなるため、読出し線２０２と上記制御回路２０４の出力信号２０６との間に接続されている転送トランジスタＭ４はオフ状態になる。

このとき、上記制御回路２０４内のインバータＩＮＶの入力信号２０５はＬレベルであるため、このインバータＩＮＶの出力信号はＨレベルとなる。また、上記制御回路２０４の出力信号２０６に対するプルアップトランジスタＭ５０のゲートはＨレベルとなり、プルアップトランジスタＭ５０はオン状態となる。従って、上記制御回路２０４の出力信号２０６はＶＤ電圧に保持される。

図１１は、図１０に示すイメージセンサが強い光を受けているとき（高輝度時）の具体的な回路動作を説明するタイミング図であり、高輝度時の画素信号読出動作、および高輝度時のリセット信号読出動作を示している。なお、ここでは、画素２００が選択されている状態を示しており、該画素２００を選択するＳＥＬ信号はＨレベルとなっている。

まず、高輝度時の画素信号読出動作について説明する。

第１のリセット期間Ｔ１にて、ＲＳＴ信号がＨレベルになり、図１０に示すリセットトランジスタＭ１がオンすることによって、読出トランジスタＭ２のゲート２０１がＶＤ電圧となる。また、ＳＥＬ信号がＨレベルであるために、選択トランジスタＭ３はオン状態である。このため、読出し線２０２のレベルはＶＤ電圧となる。

このとき、図１１に示すＥＮ信号はＨレベルであるために、制御回路２０４内のＯＲ回路出力２０５はＨレベルとなり、転送トランジスタＭ４０がオン状態になる。このため、読出し線２０２のＶＤ電圧は、上記制御回路２０４の出力２０６に伝送される。従って、図１１に示すように、上記制御回路２０４の出力２０６はＶＤ電圧となる。

次に積分期間Ｔ２では、ＲＳＴ信号がＬレベルとなるので、リセットトランジスタＭ１がオフし、その結果、リセットノイズ、およびフォトダイオードＰＤが発生する電流により、読出トランジスタＭ２のゲート２０１は電圧低下する。高輝度時には、読出トランジスタＭ２のゲート２０１は、読出トランジスタＭ２の閾値電圧以下となり、読出トランジスタＭ２はオフする。

このとき、画素２００から定電流源２０３に供給される電流が無くなるため、読出し線２０２は最低電圧となり、上記制御回路２０４の出力２０６も最低電圧となる。この最低電位が積分期間Ｔ２に、信号電位として相関二重サンプルホールド回路２１０にて保持される。

次に、高輝度時リセット動作について説明する。

第２のリセット期間Ｔ３では、再度ＲＳＴ信号がＨレベルとなって、第１のリセット期間Ｔ１と同様に、上記読出トランジスタＭ２のゲート２０１がＶＤ電圧になる。

次に、ＲＳＴ信号がＬレベルとなると、リセット読出し期間Ｔ４が開始し、この期間には、リセットノイズ、および輝度信号、つまり図１０に示すフォトダイオードＰＤが発生する電流の影響により、図１０に示す画素２００内の読出トランジスタＭ２のゲート２０１は電圧低下する。高輝度時には、積分期間Ｔ２と同様に、読出トランジスタＭ２のゲート２０１は、急速に読出トランジスタＭ２の閾値以下となり、読出トランジスタＭ２はオフする。よって、読出し線２０２は最低電圧に低下する。

そして、リセット信号を検知するこのタイミングでは、上記制御回路２０４に入力されるＥＮ信号はＬレベルである。従って、上記読出し線２０２の電圧が上記制御回路２０４内のＯＲ回路の閾値電圧Ｖｔｈ以下となったとき、もう他方の入力信号ＥＮはＬレベルであることから、上記制御回路２０４内のＯＲ回路出力２０５はＬレベルとなる。このＯＲ回路出力２０５は転送トランジスタＭ４０のゲート信号であるため、転送トランジスタＭ４はオフとなる。また、このＯＲ回路出力２０５を入力とするインバータＩＮＶの出力はＨレベルとなり、プルアップトランジスタＭ５０がオンすることによって、上記制御回路２０４の出力信号２０６はＶＤ電圧となる。

このＶＤ電圧が、リセット読出期間Ｔ４内に、ＥＮ信号がＨレベルになる前に、該制御回路２０４後段の相関二重サンプリング回路２１０により保持される。

このように、期間Ｔ２にて作成された出力信号２０６である信号電圧（最低電圧）と、期間Ｔ４にて作成された出力信号２０６であるリセット電圧（ＶＤ電圧）との差分が、相関二重サンプリング回路２１０にて検出され、高輝度時の画素信号が出力される。
特開２００４−１１２７４０号公報

以上説明したように、太陽や電球などの高輝度被写体をイメージセンサで撮像したときに白くなるべき被写体が黒くなるときがあるが、これは、リセット電圧と信号電圧との差分を光検出信号（画素信号）として出力する相関二重サンプリング回路を持つイメージセンサで生ずる特有の課題である。

この原因は、強烈な光が、画素を構成するトランジスタに入射してしまい、リセット電圧がその読出し中に急激に低下するからである。

このようなリセット電圧の読出し途中での急激な低下によって、信号電圧とリセット電圧との差分が小さくなり、図１２（ａ）に示すように、高輝度被写体が黒化する現象が発生する。

また、上記文献記載の技術は、この不具合を改善するためになされたものであるが、この文献の技術では、各読出し線毎に追加される制御回路２０４は、トランジスタ素子数で１０ヶであり、各読出し線毎に該制御回路を追加する場合、チップサイズの増加につながる。つまり、該制御回路は、ＯＲ回路２０７を構成する６個のトランジスタと、インバータＩＮＶを構成する２個のトランジスタと、トランジスタＭ４０及びＭ５０とを含むこととなる。

また、上記制御回路２０４が、高輝度黒化現象によりリセット電圧が低下する不具合を検出しているが、上記制御回路２０４内のＯＲ回路を構成するトランジスタの特性等の製造バラツキによって、リセット電圧の低下を検出する際の閾値がバラツクこととなる。例えば、太陽の１部が灰色、また、同じ太陽の１部は赤色と不自然な色のバラツキが現れるという不具合等が発生することがあった。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、高輝度被写体が黒化する現象を、チップサイズの増加、および高輝度被写体における不自然な色のばらつきを抑えつつ、回避することができるイメージセンサを得ることを目的とする。

本発明にかかるイメージセンサは、行列状に配列してなる複数の画素を備え、各画素の基準電圧であるリセット電圧と、各画素での光電変換により発生する信号電圧との差電圧に基づいて、各画素の画素信号を検出するイメージセンサであって、画素列毎に配置され、対応する画素列の画素からリセット電圧と信号電圧とが読み出される複数の読出し線と、該読出し線毎に設けられ、該読出し線に接続された定電流源を有し、該リセット電圧を画素から読み出す際、該画素から第１のリセット電流が該読出し線に供給されるのと同時に、第２のリセット電流を、該第１のリセット電流と第２のリセット電流との和が該読出し線に接続された定電流源を流れる電流となって、該第１のリセット電流の減少及び増大が該第２のリセット電流の増加及び減少により補われるよう該読出し線に供給するリセット電流供給手段とを備えた、ものであり、そのことにより上記目的が達成される。

好ましくは、本発明のイメージセンサにおいて、前記画素は、前記リセット電圧を読み出す期間には、該リセット電圧のゲートへの印加により、前記第１のリセット電流を前記読出し線に供給し、前記信号電圧を読み出す期間には、該信号電圧のゲートへの印加により、該信号電圧に対応する画素電流を該読出し線に供給する第１の読出トランジスタを含み、前記リセット電流供給手段は、該リセット電圧を読み出す期間には、該リセット電圧のゲートへの印加により、前記第２のリセット電流を該読出し線に供給する第２読出しトランジスタを含む。

好ましくは、本発明のイメージセンサにおいて、前記リセット電流供給手段を構成する第２の読出トランジスタのゲート長は、前記画素を構成する第１の読出トランジスタのゲート長より長い。

好ましくは、本発明のイメージセンサにおいて、前記リセット電流供給手段は、前記リセット電圧と前記読出し線との間に接続された直列接続の複数のトランジスタを含み、該直列接続の複数のトランジスタのうちの少なくとも１つが、前記リセット電圧を読み出す期間には導通状態となるよう制御されるリセット電流供給回路とを有し、前記定電流源は前記読出し線と接地電位との間に接続されている。

好ましくは、本発明のイメージセンサにおいて、前記リセット電流供給回路は、前記リセット電圧と前記読出し線との間に接続された直列接続の２つのトランジスタからなり、該直列接続の２つのトランジスタのうちのリセット電圧側トランジスタは常に導通状態に保持されるよう、そのゲートにリセット電圧が供給され、該直列接続の２つのトランジスタのうちの読出し線側トランジスタは前記リセット電圧を読み出す期間に導通状態となるよう、そのゲートに制御信号が供給される。

好ましくは、本発明のイメージセンサにおいて、前記リセット電流供給回路は、前記リセット電圧と前記読出し線との間に接続された直列接続の２つのトランジスタからなり、該直列接続の２つのトランジスタは該リセット電圧を読み出す期間に導通状態となるよう、そのゲートに制御信号が供給される。

好ましくは、本発明のイメージセンサにおいて、前記リセット電流供給回路は、前記リセット電圧と前記読出し線との間に接続された直列接続の２つのトランジスタからなり、該直列接続の２つのトランジスタのうちの読出し線側トランジスタは常に導通状態に保持されるよう、そのゲートにリセット電圧が供給され、該直列接続の２つのトランジスタのうちのリセット電圧側トランジスタは、該リセット電圧を読み出す期間に導通状態となるよう、そのゲートに制御信号が供給される。

好ましくは、本発明のイメージセンサにおいて、前記リセット電流供給回路は、前記リセット電圧と前記読出し線との間に接続された単一のトランジスタからなり、該リセット電圧を読み出す期間に導通状態となるよう、そのゲートに制御信号が供給される。

好ましくは、本発明のイメージセンサにおいて、前記画素は、光電変換を行うフォトダイオードと、画素を選択する選択トランジスタと、該選択トランジスタとリセット電圧との間に接続され、該フォトダイオードでの光電変換により発生した電荷のレベルを増幅して読み出す読出トランジスタと、該読出トランジスタが前記リセット電圧を出力するよう該読出トランジスタを制御するリセットトランジスタと、該フォトダイオードでの光電変換により発生した電荷レベルを該読出トランジスタに転送する転送トランジスタとから構成されており、選択された画素では、前記リセット電圧が読み出された後に、光電変換により発生した信号電圧が読み出される。

好ましくは、本発明のイメージセンサにおいて、前記リセット電流供給回路は、遮光領域に配置されたダミー画素であり、該ダミー画素は、光電変換を行うフォトダイオードと、前記リセット電圧を読み出す期間に該ダミー画素を選択する選択トランジスタと、該選択トランジスタと該リセット電圧との間に接続され、該ダミー画素で発生した電荷のレベルを増幅して読み出す読出トランジスタと、該読出トランジスタのゲートに常に該リセット電圧を供給するリセットトランジスタと、該フォトダイオードと該読出トランジスタとの間に接続され、ゲート電圧がトランジスタのオフ電圧に固定された転送トランジスタとから構成されている。

好ましくは、本発明のイメージセンサにおいて、前記リセット電流供給回路は、遮光領域に配置されたダミー画素であり、該ダミー画素は、前記リセット電圧を読み出す期間に該ダミー画素を選択する選択トランジスタと、該選択トランジスタと該リセット電圧との間に接続され、該ダミー画素で発生した電荷レベルを増幅して読み出す読出トランジスタと、該読出トランジスタのゲートに常に該リセット電圧を供給するリセットトランジスタとから構成されている。

好ましくは、本発明のイメージセンサにおいて、前記画素は、光電変換を行うフォトダイオードと、画素を選択する選択トランジスタと、該選択トランジスタとリセット電圧との間に接続され、該フォトダイオードでの光電変換により発生した電荷のレベルを増幅して読み出す読出トランジスタと、該読出トランジスタが前記リセット電圧を出力するよう該読出トランジスタを制御するリセットトランジスタとから構成されており、選択された画素では、光電変換により発生した信号電圧が読み出された後、前記リセット電圧が読み出される。

好ましくは、本発明のイメージセンサにおいて、前記リセット電流供給回路は、遮光領域に配置されたダミー画素であり、該ダミー画素は、光電変換を行うフォトダイオードと、前記リセット電圧を読み出す期間に該ダミー画素を選択する選択トランジスタと、該選択トランジスタと該リセット電圧との間に接続され、該ダミー画素で発生した電荷のレベルを増幅して読み出す読出トランジスタと、該読出トランジスタのゲートに常に該リセット電圧を供給するリセットトランジスタとから構成されている。

好ましくは、本発明のイメージセンサにおいて、前記リセット電流供給回路は、遮光領域に配置されたダミー画素であり、該ダミー画素は、前記リセット電圧を読み出す期間に該ダミー画素を選択する選択トランジスタと、該選択トランジスタと該リセット電圧との間に接続され、該ダミー画素で発生した電荷のレベルを増幅して読み出す読出トランジスタと、該読出トランジスタのゲートに常に該リセット電圧を供給するリセットトランジスタとから構成されている。

好ましくは、本発明にかかる電子情報機器は、前記イメージセンサを撮像部に用いたものである。

上記構成により、以下に、本発明の作用について説明する。

本発明においては、対応する画素列の画素からリセット電圧と信号電圧とが読み出される複数の読出し線毎に、該読出し線に接続された定電流源を有するリセット電流供給手段を設け、該リセット電圧を画素から読み出す際、該画素から第１のリセット電流が該読出し線に供給されるのと同時に、第２のリセット電流を、該第１および第２リセット電流の和が該読出し線に接続された定電流源を流れる電流となって、該第１のリセット電流の減少及び増大が該第２のリセット電流の増加及び減少により補われるよう該読出し線に供給するようにしたから、リセット電圧の読出し中に、画素からの第１のリセット電流が急激に低下しても、リセット電流供給手段からは、該第１のリセット電流の減少が該第２のリセット電流の増加により補われるよう、第２のリセット電流が読出し線に供給されることとなる。このため、リセット電流供給手段では、読出し線におけるリセット電圧のレベルを検出する必要はない。従って、リセット電流供給手段を構成するトランジスタなどの特性が複数の読出し線間でばらついても、リセット電圧の低下を検出する閾値の誤差に起因する、表示画像における高輝度被写体における不自然な色のばらつきを回避することができる。その結果、表示画像における高輝度被写体における不自然な色のばらつきを低減することができる。

また、読出し線におけるリセット電圧のレベルを検出する必要がないことから、リセット電流供給手段には、論理回路などの多くの素子を必要とする回路を用いる必要はない。

また、読出し線と接地との間に定電流源を接続し、画素およびリセット電流供給手段から読出し線に供給されるリセット電流の総和が、定電流源を流れる電流となるようにすることにより、リセット電流供給手段は、リセット電圧と読出し線との間に接続された、リセット電圧の読出し期間のみ導通するよう制御される単一のトランジスタのみで構成することも可能であり、リセット電流供給手段を構成する回路の占有面積を大きく低減することができ、チップサイズの増加を抑えることができる。

また、本発明においては、前記リセット電流供給手段を構成する、第２のリセット電流を読出し線に供給する第２の読出トランジスタのゲート長は、前記画素を構成する、第１のリセット電流を読出し線に供給する第１の読出トランジスタのゲート長より長くしているので、リセット電圧の読出し時には、画素から読み出される第１のリセット電流が、リセット電圧供給手段から読み出される第２のリセット電流より支配的となる。このため、リセット電流供給手段を構成する回路の製造ばらつきにより第２のリセット電流にばらつきがあっても、そのリセット電圧への影響を低減することができる。その結果、表示画像における高輝度被写体における不自然な色のばらつきをより一層低減することができる。

また、本発明においては、リセット電流供給手段を、遮光領域に配置されたダミー画素により構成しているので、リセット電流供給手段を構成する新たな回路スペースは不要であり、画素を構成する回路と、リセット電流供給手段を構成する回路との特性などの整合性をより高めることができ、リセット電流供給手段のリセット電流供給能力が、画素のリセット電流供給能力と大きく異なってしまうといった不具合を回避できる。

以上により、本発明によれば、リセット電圧を画素から読み出す際、該画素から第１のリセット電流が読出し線に供給されるのと同時に、第２のリセット電流を、該第１のリセット電流と第２リセット電流との和が、該読出し線に接続された定電流源を流れる電流となって、該第１のリセット電流の減少及び増大が該第２のリセット電流の増加及び減少により補われるよう該読出し線に供給するリセット電流供給手段を設け、高輝度黒化を抑制するようにしたので、高輝度黒化抑制のための回路を、画素で用いられる小さなトランジスタで構成することができ、高輝度黒化抑制をチップサイズの増大を招くことなく行うことができる。

また、上記リセット電流供給手段は、読出し線のリセット電圧が、定電流源を流れる第１及び第２のリセット電流の和に相等する電位となるように、第２のリセット電流を読出し線に供給するため、従来技術でみられるような検出回路が不要であり、検出閾値誤差に起因する、表示画像上での高輝度被写体の不自然な色のばらつきを回避することができる。

さらに、リセット電流供給手段を構成する、第２のリセット電流を供給する読出トランジスタのゲート長を、画素を構成する、第１のリセット電流を供給する読出トランジスタのゲート長より大きくすることによって、リセット電流供給手段におけるトランジスタ閾値の製造ばらつきによる高輝度被写体での色のばらつきをより一層緩和することができる。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１によるイメージセンサを説明する図であり、図（ａ）は該イメージセンサにおける画素の回路構成、及びリセット電流供給手段の回路構成を示し、図（ｂ）は画素を構成する読出トランジスタのゲート長を示し、図（ｃ）はリセット電流供給手段における読出トランジスタのゲート長を示している。

本実施形態１のイメージセンサ１０を構成する画素１００は、４トランジスタ構成である。つまり、該画素１００は、光を電子に変換するフォトダイオードＰＤと、該フォトダイオードＰＤで発生した電荷を転送する、ゲートにＴＸ信号が入力される転送トランジスタＭ４と、上記電荷のレベルを増幅して、これに対応する信号電圧を発生する読出しトランジスタＭ２と、上記読出しトランジスタＭ２のゲート１０１をＶＤ電圧、つまりイメージセンサにおける高電位電圧（例えば電源電圧）にリセットする、ゲートにＲＳＴ信号が入力されるリセットトランジスタＭ１と、上記読出トランジスタＭ２の出力を読出し線１０２に転送する、ゲートにＳＥＬ信号が入力される選択トランジスタＭ３とから構成されている。

この実施形態１のイメージセンサ１０では、このような回路構成を有する画素１００が行列状に複数配列されており、各画素列毎に読出し線１０２が配置されている。各読出し線１０２には、１つの画素列の画素がすべて接続され、また、各読出し線１０２は、対応する１つの定電流源１０３に接続されている。また、各読出し線１０２には、画素からの光検出信号（画素信号）を検出する相関二重サンプルホールド回路１１０が接続されており、これは、例えば、図８および図１０に示す従来のイメージセンサにおける相関二重サンプルホールド回路２１０と同一の構成である。

さらに、各読出し線１０２には、局所的に高輝度を有する画像の画質を改善するためのリセット電流供給回路１０４が接続されている。このリセット電流供給回路１０４は、ドレインとゲートが電源電圧ＶＤに接続された読出トランジスタＭ５と、該読出トランジスタＭ５のソースと読出し線１０２との間に接続され、ゲートにＥＮ信号が入力される選択トランジスタＭ６とから構成されている。なお、該リセット電流供給回路１０４を構成するトランジスタＭ５およびＭ６は遮光されている。

ここで、リセット電流供給回路は、リセット電圧を画素から読出し線に読み出す際、該画素から第１のリセット電流が読出し線に供給されるのと同時に、第２のリセット電流を、該第１のリセット電流と第２リセット電流との和が、該読出し線に接続された定電流源を流れる電流となって、該第１のリセット電流の減少及び増大が該第２のリセット電流の増加及び減少により補われるよう該読出し線に供給するものであり、画素で用いられる小さなトランジスタを用いることができ、チップサイズの増大を回避することが可能である。

また、この実施形態では、リセット電流供給回路における読出トランジスタＭ５のゲート長Ｌｍ５（図１（ｃ）参照）は、画素における読出トランジスタＭ２のゲート長Ｌｍ２（図１（ｂ）参照）よりも大きくしている。なお、図１（ｂ）中、Ｒｍ２は画素を構成する読出トランジスタＭ２の拡散領域であり、Ｇｍ２は、該拡散領域Ｒｍ２上にゲート絶縁膜（図示せず）を介して配置されたゲート電極である。図１（ｃ）中、Ｒｍ５は画素を構成する読出トランジスタＭ５の拡散領域であり、Ｇｍ５は、該拡散領域Ｒｍ５上にゲート絶縁膜（図示せず）を介して配置されたゲート電極である。

このような構成では、リセット電圧の読出し時には、上記読出し線１０２に、上記画素１００からは第１のリセット電流Ｉ１が、上記リセット電流供給回路１０４からは第２のリセット電流Ｉ２が供給される。また、上記読出し線１０２には定電流源１０３が接続されているため、上記第１のリセット電流Ｉ１とリセット電流Ｉ２との和は、常に定電流源１０３を流れる電流となる。

次に動作について説明する。

図２は、画素及び高輝度黒化抑制回路の動作を説明するタイミング図であり、図２（ａ）は、通常輝度時の動作を、図２（ｂ）は高輝度時の動作を示している。

まず、図２（ａ）を用いて通常輝度時の動作を説明する。

期間Ｔａ１にて、ＲＳＴ信号がＨレベルとなって、リセットトランジスタＭ１がオンすると、読出トランジスタＭ２のゲート１０１がＶＤ電圧となる。この場合には、ＴＸ信号はＬレベルに保持されており、電荷を転送する転送トランジスタＭ４はオフしている。

期間Ｔａ２にて、画素を選択するためのＳＥＬ信号がＨレベルになると、上記選択トランジスタＭ３はオンし、該読出トランジスタＭ２および選択トランジスタＭ３を通ってＶＤ電圧から第１のリセット電流Ｉ１が読出し線１０２に供給される。

また、期間Ｔａ２には、ＥＮ信号がＨレベルになり、図１（ａ）に示すリセット電流供給回路１０４からは、読出トランジスタＭ５と選択トランジスタＭ６を介して、第２のリセット電流Ｉ２が読出し線１０２に供給される。読出トランジスタＭ２と読出トランジスタＭ５のゲートは共にＶＤ電圧であるために、読出し線１０２の電圧レベルはＶＤ電圧となる。

また、上記リセット電流供給回路１０４内の読出トランジスタＭ５のゲート長Ｌｍ５は、画素１００内の読出トランジスタＭ２のゲート長Ｌｍ２と比較して大きくなっているので、画素から供給される第１のリセット電流Ｉ１は、リセット電流供給回路１０４から供給される第２のリセット電流Ｉ２に対して支配的となる。これにより、リセット電流供給回路１０４の特性ばらつきによるリセット電流全体のばらつきを抑えることができる。

続いて、期間Ｔａ３では、図１中のフォトダイオードＰＤにて作成された電荷を読出すために、ＴＸ信号がＨレベルになり、転送トランジスタＭ４がオンする。すると、読出トランジスタＭ２のゲート１０１はＶＤ電圧から、フォトダイオードで発生した電荷に比例した分だけ電圧低下する。このときＥＮ信号はＬレベルであり、リセット電流供給回路１０４からの第２のリセット電流Ｉ２は０であるために、読出し線１０２の電圧レベルは読出しトランジスタＭ２のゲート１０１の電圧に追従する。

続いて、期間Ｔａ４では、ＴＸ信号はＬレベルとなり、転送トランジスタＭ４がオフする。読出しトランジスタＭ２のゲートは信号電圧であるために、読出し線１０２の電圧レベルは信号電圧を示す。

上記に示した期間Ｔａ２にて、読出し線１０２に読み出されたリセット電圧（ＶＤ電圧）と、期間Ｔａ４にて、読出し線１０２に読み出された信号電圧との差分が、相関二重サンプリング回路１１０にて検出されることによって、光検出信号として、画素信号、つまり通常は輝度信号が出力される。

次に、図２（ｂ）を用いて高輝度時の動作について説明する。

高輝度時の動作が、通常輝度時の動作と異なる点は以下のＴａ２期間の動作である。

つまり、高輝度時には、期間Ｔａ２にて、転送トランジスタＭ４がオフであるにも拘わらず、読出トランジスタＭ２のゲート１０１に、Ｐ型半導体基板（Ｐ−ＳＵＢ）と該基板に形成されたＮ＋型半導体領域とにより形成されたＰＮダイオードを通して電子が注入される。このために、読出トランジスタＭ２のゲート１０１のレベルは急激にＶＤ電圧から低下する。従って、読出トランジスタＭ２がオフ状態になり、画素１００からの第１のリセット電流Ｉ１は発生しなくなる。しかし、リセット電流供給回路１０４からは、画素からの第１のリセット電流Ｉ１を補うように、第２のリセット電流Ｉ２が読出し線に出力され、これが定電流源１０３に供給されるため、読出し線１０２の電圧レベルはＶＤ電圧に保持される。

このように本実施の形態では、リセット電圧が低下しないようにリセット電流供給回路１０４が動作するため、従来技術でみられるような、リセット電圧低下を検出する回路が不要であり、検出閾値誤差による、高輝度被写体における色のばらつきを抑制することができる。

例えば、本発明のリセット電流供給回路による高輝度黒化の効果を、太陽画像を例示して示すと、リセット電流供給回路１０４による高輝度黒化抑制を無効にしたときは、太陽の画像は図１２（ａ）に示すように太陽が黒く写った画像Ｉｍ１となるが、リセット電流供給回路１０４による高輝度黒化抑制を有効にしたときは、太陽の画像は図１２（ｂ）に示すように、太陽が白く写った画像Ｉｍ２となる。

次に、期間Ｔａ３では、図１に示す上記リセット電流供給回路１０４内の選択トランジスタＭ６のＥＮ信号がＬレベルとなる。このため、上記リセット電流供給回路１０４からの出力電流、つまり第２のリセット電流Ｉ２は発生しなくなり、読出し線１０２に対して、ＶＤ電圧を保持していた経路がなくなり、読出し線１０２の電圧レベルは、最低電圧となる。

そして、期間Ｔａ４では、ＴＸ信号はＬレベルとなり、転送トランジスタＭ４がオフする。読出トランジスタＭ２のゲートは最低電圧であるために、読出し線１０２の電圧レベルは最低電圧を示す。

上記に示した期間Ｔａ２にて、読出し線１０２に読み出されたリセット電圧（ＶＤ電圧）と、期間Ｔａ４にて、読出し線１０２に読み出された信号電圧（最低電圧）との差分が、相関二重サンプリング回路１１０により検出されることによって、高輝度信号が出力される。

このように本実施形態１では、行列状に配列してなる複数の画素１００と、画素列毎に配置され、各画素列の画素から信号電圧を読み出すための読出し線１０２とを備えたイメージセンサにおいて、読出し線１０２毎に、第２のリセット電流Ｉ２を供給するリセット電流供給回路１０４を備え、画素におけるリセット電圧を読み出す際、画素から読出し線１０２に供給される第１のリセット電流Ｉ１と、該リセット電流供給回路１０４から読出し線１０２に供給される第２のリセット電流Ｉ２との和が、読出し線に接続された定電流源を流れる電流となるようにしたので、画素からの第１のリセット電流Ｉ１が変動しても、その変動が第２のリセット電流により補われることとなる。これにより、高輝度時に、画素を構成するトランジスタへの強い光の入射により、画素からの第１のリセット電流が急激に低下しても、リセット電流供給回路１０４から第２のリセット電流が読出し線に供給されることとなり、リセット電圧読出し期間に、リセット電位が低下するのを回避することができる。この結果、高輝度時に、信号電圧とリセット電圧との差分が小さくなって、高輝度被写体が黒化する現象を防止することができる。

また、本実施形態１では、リセット電圧が低下しないようにリセット電流供給回路１０４が動作するため、従来技術でみられるような、リセット電圧低下を検出する回路が不要であり、検出閾値誤差による、高輝度被写体における色のばらつきを抑制することができる。

また、本実施の形態１では、リセット電流供給回路における読出トランジスタＭ５のゲート長Ｌｍ５を、画素内読出トランジスタＭ２のゲート長Ｌｍ２と比較して大きくしているので、リセット電流供給回路１０４内の読出トランジスタＭ５のチャンネル抵抗および閾値はともに、画素内読出トランジスタＭ２のものより大きくなる。このため、通常輝度時のリセット期間には、画素からの第１のリセット電流Ｉ１がリセット電流供給回路からの第２のリセット電流Ｉ２に対して支配的となり、リセット電流供給回路の特性ばらつきによるリセット電圧のばらつきを抑えることができる。その結果、リセット電流供給回路におけるトランジスタ閾値の製造ばらつきによる高輝度被写体での色のばらつきをより一層緩和することができる。

なお、上記実施の形態１では、リセット電流供給回路１０４は、読出トランジスタＭ５のゲートおよびドレインをＶＤ電圧に接続し、選択トランジスタＭ６のゲートにＥＮ信号が入力されるよう構成したものであるが、リセット電流供給回路１０４の回路構成はこれに限るものではない。

例えば、図３（ａ）は、実施形態１のリセット電流供給回路１０４とは回路構成が異なるリセット電流供給回路１０４ａを示している。

このリセット電流供給回路１０４ａは、実施形態１と同様、読出トランジスタＭ５と選択トランジスタＭ６とを有するものであるが、この回路１０４ａでは、ＶＤレベルはトランジスタＭ５のドレインにのみ接続し、トランジスタＭ５及びＭ６のゲートにはＥＮ信号が入力されようしている。

従って、ＥＮ信号のＨレベルをＶＤ電圧と等しくすると、リセット電流供給回路１０４ａは、実施の形態１のリセット電流供給回路１０４と全く同一の機能を果たす。

つまり、このような構成のリセット電流供給回路１０４ａにおいても、ＥＮ信号がＨレベルとなるリセット電圧の読出し期間Ｔａ２（図２（ａ）および（ｂ）参照）のみ、第２のリセット電流Ｉ２が、該第２のリセット電流Ｉ２と画素から出力される第１のリセット電流Ｉ１との和が、読出し線１０２に接続された定電流源を流れる電流となるよう、読出し線１０２に供給される。これにより、高輝度時に、画素からの第１のリセット電流Ｉ１が急激に低下しても、その低下が第２のリセット電流Ｉ２により補われることとなり、読出し線１０２に供給されるリセット電流の全体量の変動を抑えることができる。その結果、高輝度被写体を撮影したときに、白くなるべき被写体が黒くなる黒化現象を回避することができる。

また、図３（ｂ）は、実施形態１のリセット電流供給回路１０４とは回路構成が異なる、その他の例としてリセット電流供給回路１０４ｂを示している。

このリセット電流供給回路１０４ｂも、実施形態１と同様、読出トランジスタＭ５と選択トランジスタＭ６とを有するものであるが、この回路１０４ｂは、ＶＤレベルを読出トランジスタＭ５のドレイン及び選択トランジスタＭ６のゲートに接続し、トランジスタＭ５のゲートにはＥＮ信号が入力されるように構成したものである。

ここで、ＥＮ信号のＨレベルをＶＤ電圧と等しくすると、リセット電流供給回路１０４ｂは、実施の形態１のリセット電流供給回路１０４と全く同一の機能を果たす。

このような構成のリセット電流供給回路１０４ｂにおいても、ＥＮ信号がＨレベルとなるリセット電圧の読出し期間Ｔ２（図２（ａ）および（ｂ）参照）のみ、第２のリセット電流Ｉ２が、該第２のリセット電流Ｉ２と画素から出力される第１のリセット電流Ｉ１との和が、読出し線１０２に接続された定電流源を流れる電流となるよう読出し線１０２に供給される。これにより、高輝度時に、画素からの第１のリセット電流Ｉ１が急激に低下しても、その低下が第２のリセット電流Ｉ２により補われることとなり、読出し線１０２に供給されるリセット電流の全体量の変動を抑えることができる。その結果、高輝度被写体を撮影したときに、白くなるべき被写体が黒くなる黒化現象を回避することができる。

また、図３（ｃ）は、実施形態１のリセット電流供給回路１０４とは回路構成が異なる、さらなるその他の例としてリセット電流供給回路１０４ｃを示している。

このリセット電流供給回路１０４ｃは、実施形態１とは異なり、ＶＤレベルと読出し線１０２との間に接続され、ゲートにはＥＮ信号が入力される読出トランジスタＭ５のみから構成したものである。

ここで、ＥＮ信号のＨレベルをＶＤ電圧と等しくすると、リセット電流供給回路１０４ｃは、実施の形態１のリセット電流供給回路１０４と同様、ＥＮ信号がＨレベルとなるリセット電圧の読出し期間Ｔ２（図２（ａ）および（ｂ）参照）のみ、第２のリセット電流を、該第２のリセット電流と画素から出力される第１のリセット電流Ｉ１との和が、読出し線１０２に接続された定電流源を流れる電流となるよう読出し線１０２に供給する。

このように、本発明の、リセット電圧が低下しないように電流を供給するリセット電流供給回路は、さまざまな回路構成により実現できるが、どのようなトランジスタの組み合わせにおいても、リセット電圧がゲートに接続された読出トランジスタが必要である。

さらに、上記実施の形態１では、各読出し線毎に、画素とは異なる回路構成のリセット電流供給回路を備えたイメージセンサを示しているが、リセット電流供給回路は、画素と同じ回路素子を有するダミー画素、部分的に同じ回路素子を有するダミー画素で構成してもよく、以下このような構成のイメージセンサについて説明する。
（実施形態２）
図４は、本発明の実施形態２によるイメージセンサを説明する図であり、図（ａ）は、該イメージセンサにおける画素およびリセット電流供給回路の構成を示し、図（ｂ）は、該イメージセンサの画素アレイにおける遮光領域を概略的に示している。

この実施形態２のイメージセンサ１０ａは、実施形態１のイメージセンサ１０におけるリセット電流供給回路１０４に代えて、ダミー画素１００ａを用いたものである。

つまり、この実施形態２のイメージセンサでは、図４（ｂ）に示すように、複数の画素を行列状に配列してなる画素アレイ１１のうちの、紙面上部あるいは紙面下部の遮光された領域１１ａに配置された一行分の画素を、各読出し線にリセット電流を供給するリセット電流供給回路として用いている。なお、図中１１ｂは、遮光されていない画素配列領域で、イメージセンサの受光部となっている。

このダミー画素１００ａは、画素１００と同様、フォトダイオードＰＤａと、リセットトランジスタＭ１ａと、読出トランジスタＭ２ａと、選択トランジスタＭ３ａと、転送トランジスタＭ４ａとから構成されている。ただし、このダミー画素１００ａでは、リセットトランジスタＭ１ａのゲートはＶＤ電圧に接続され、選択トランジスタＭ３ａのゲートには、画素を選択するＳＥＬ信号に代えて、リセット電圧の読出し期間のみＨレベルとなる制御信号であるＥＮ信号が入力されるようになっている。また、転送トランジスタＭ４ａのゲートは、Ｌレベル（例えば接地電位）に固定されている。

このような構成の実施形態２のイメージセンサ１０ａにおいても、ダミー画素からなるリセット電流供給回路１００ａは、ＥＮ信号がＨレベルとなるリセット電圧の読出し期間Ｔａ２（図２（ａ）および（ｂ）参照）のみ、第２のリセット電流Ｉ２ａを、該第２のリセット電流Ｉａ２と画素から出力される第１のリセット電流Ｉ１との和が、読出し線１０２に接続された定電流源を流れる電流となるよう読出し線１０２に供給する。これにより、高輝度時に、画素からのリセット電流Ｉ１が急激に低下しても、読出し線１０２に供給されるリセット電流の全体量の変動を抑えることができる。その結果、高輝度被写体を撮影したときに、白くなるべき被写体が黒くなる黒化現象を回避することができる。
（実施形態３）
図５は、本発明の実施形態３によるイメージセンサを説明する図であり、該イメージセンサにおける画素およびリセット電流供給回路の構成を示している。

この実施形態３のイメージセンサ１０ｂは、実施形態２のイメージセンサ１０ａと同様、実施の形態１のイメージセンサ１０におけるリセット電流供給回路１０４に代えて、画素アレイの遮光部分に配置されたダミー画素１００ｂを用いたものであるが、この実施の形態３におけるダミー画素１００ｂでは、画素におけるフォトダイオードＰＤおよび転送トランジスタＭ４が形成されるべき領域には、これらの素子は形成されていない。

つまり、このダミー画素１００ｂは、リセットトランジスタＭ１ｂと、読出トランジスタＭ２ｂと、転送トランジスタＭ３ｂとから構成されている。そして、このダミー画素１００ｂでは、実施形態２のダミー画素１００ａと同様、リセットトランジスタＭ１ｂのゲートはＶＤ電源に接続され、選択トランジスタＭ３ｂのゲートには、画素を選択するＳＥＬ信号に代えて、リセット電圧の読出し期間のみＨレベルとなる制御信号であるＥＮ信号が入力されるようになっている。

このような構成の実施形態３のイメージセンサ１０ｂにおいても、ダミー画素１００ｂからなるリセット電流供給回路は、ＥＮ信号がＨレベルとなるリセット電圧の読出し期間Ｔａ２（図２（ａ）および（ｂ）参照）のみ、第２のリセット電流Ｉ２ｂを、該第２のリセット電流Ｉｂ２と画素から出力される第１のリセット電流Ｉ１との和が、読出し線１０２に接続された定電流源１０３を流れる電流となるよう読出し線１０２に供給する。これにより、高輝度時に、画素からのリセット電流Ｉ１が急激に低下しても、読出し線１０２に供給されるリセット電流の全体量の変動を抑制することができる。その結果、高輝度被写体を撮影したときに、白くなるべき被写体が黒くなる黒化現象を回避することができる。
（実施形態４）
図６は、本発明の実施形態４によるイメージセンサを説明する図であり、該イメージセンサにおける画素の回路構成、およびリセット電流供給回路の構成を示している。また、図７は、該イメージセンサの動作を説明するタイミング図である。

この実施形態４のイメージセンサ１０ｃは、実施形態１のイメージセンサ１０における４トランジスタ構成の画素を、３トランジスタ構成としたものである。

つまり、この実施形態４のイメージセンサを構成する画素１１０ｃは、図８に示す従来のイメージセンサ２０を構成する画素２００と同一であり、フォトダイオードＰＤと、リセットトランジスタＭ１と、読出トランジスタＭ２と、選択トランジスタＭ３とから構成されており、該リセットトランジスタＭ１のゲートには、フォトダイオードＰＤのカソード電位をリセットするＲＳＴ信号が入力され、選択トランジスタＭ３のゲートには、画素を選択するＳＥＬ信号が入力されるようになっている。

また、リセット電流供給回路１１４ｃは、実施の形態１におけるものと同様、ドレインとゲートが電源電圧ＶＤに接続された読出トランジスタＭ５と、該読出トランジスタＭ５のソースと読出し線１０２との間に接続され選択トランジスタＭ６とから構成されており、この実施形態４では、選択トランジスタＭ６のゲートには、リセット電圧を画素から読出し線に読み出す期間のみ、該選択トランジスタＭ６を導通させる制御信号ＥＮｃが入力されるようになっている。

また、この実施形態４においても、リセット電流供給回路１１４ｃにおける読出トランジスタＭ５のゲート長Ｌｍ５（図１（ｃ）参照）は、画素１１０ｃにおける読出しトランジスタＭ２のゲート長Ｌｍ２（図１（ｂ）参照）よりも大きくしている。

なお、この実施の形態４のイメージセンサ１０ｃにおけるその他の構成は、実施形態１におけるイメージセンサ１０と同様である。

このような構成のイメージセンサ１０ｃでは、リセット電圧の読出し時には、上記読出し線１０２に、上記画素１１０ｃからは第１のリセット電流Ｉ１ｃが、上記リセット電流供給回路１１４ｃからは第２のリセット電流Ｉ２が供給される。また、上記読出し線１０２には定電流源１０３が接続されているため、上記電流Ｉ１ｃと電流Ｉ２との和は、該定電流源を流れる電流となる。

次に動作について説明する。

図７は、画素及び高輝度黒化抑制回路の動作を説明するタイミング図であり、図７（ａ）は通常輝度時の動作を、図７（ｂ）は高輝度時の動作を示している。

まず、図７（ａ）を用いて通常輝度時の動作を説明する。

ＳＥＬ信号がＨレベルとなり、選択トランジスタＭ３が導通すると、画素が選択される。その後、第１のリセット期間Ｔ１にて、ＲＳＴ信号がＨレベルになり、図６に示すリセットトランジスタＭ１がオンすることによって、読出トランジスタＭ２のゲート２０１がＶＤ電圧となる。また、ＳＥＬ信号がＨレベルであるために、選択トランジスタＭ３はオン状態である。このため、読出し線１０２のレベルはＶＤ電圧となる。

次に積分期間Ｔ２では、ＲＳＴ信号がＬレベルとなるので、リセットトランジスタＭ１がオフする。このため、フォトダイオードＰＤが発生する電荷により、読出トランジスタＭ２のゲート２０１は電圧低下し、読出し線１０２に読み出される画素電圧も徐々に低下する。

相関二重サンプリング回路１１０は、この積分期間Ｔ２の終了直前に、上記読出し線１０２に読み出された画素電圧を、信号電圧としてサンプルホールドする。

続いて、第２のリセット動作が期間Ｔ３に行われた後、上記積分期間Ｔ２に比べて短い期間Ｔ４内には、ＥＮｃ信号がＨレベルとなり、リセット電流供給回路１１４ｃからは第２のリセット電流が読出し線１０２に供給され、読出し線１０２はＶＤレベルに保持される。相関二重サンプリング回路１１０は、この期間Ｔ４内に上記読出し線１０２に読み出された画素電圧を、リセット電圧としてサンプルホールドする。

サンプルホールド回路は、第１のリセット動作後の積分期間Ｔ２にサンプルホールドした信号電圧と、第２のリセット動作後の短いリセット電圧読出期間Ｔ４内にサンプルホールドしたリセット電圧との差電圧を、画素で検出された光検出信号（画素信号）として出力する。

このように２つのサンプルホールド電圧の差をとることにより、画素から読み出される画素信号からリセットノイズが除去される。

次に、図７（ｂ）を用いて高輝度時の動作について説明する。

ＳＥＬ信号がＨレベルとなり、選択トランジスタＭ３が導通すると、画素が選択される。その後、第１のリセット期間Ｔ１にて、ＲＳＴ信号がＨレベルになり、リセットトランジスタＭ１がオンすることによって、読出トランジスタＭ２のゲート２０１がＶＤ電圧となる。また、ＳＥＬ信号がＨレベルであるために、選択トランジスタＭ３はオン状態である。このため、読出し線１０２のレベルはＶＤ電圧となる。

次に積分期間Ｔ２では、ＲＳＴ信号がＬレベルとなるので、リセットトランジスタＭ１がオフする。すると、高輝度時には、フォトダイオードＰＤが発生する電流により、読出トランジスタＭ２のゲート２０１は急激に電圧低下する。

そして、相関二重サンプリング回路１１０は、この積分期間Ｔ２の終了直前に、上記読出し線１０２に読み出された画素電圧、つまり最低電位を、信号電圧としてサンプルホールドする。

続いて、第２のリセット動作が期間Ｔ３に行われ、その後の期間Ｔ４には、ＲＳＴ信号がＬレベルとなるので、リセットトランジスタＭ１がオフする。すると、高輝度時には、フォトダイオードＰＤが発生する電流により、読出トランジスタＭ２のゲート２０１は急激に電圧低下し、読出し線１０２に供給される電流Ｉ１ｃも、リセット期間Ｔ３における最大レベルから急激にする。ところが、第２のリセット動作後の期間Ｔ４には、第１のリセット動作後の期間Ｔ２とは異なり、ＥＮ信号はＨレベルとなり、リセット電流供給回路１１４ｃからは、第２のリセット電流Ｉ２が、この第２のリセット電流Ｉ２と上記第１のリセット電流Ｉ１ｃとの和が、読出し線に接続された定電流源に流れる電流となるよう読出し線１０２に供給される。このため、読出し線１０２のレベルはＶＤ電圧に保持される。

従って、相関二重サンプリング回路１１０は、上記読出し線１０２に読み出されたＶＤ電圧を、リセット電圧としてサンプルホールドする。

このように、積分期間Ｔ２にて作成された出力信号２０６である信号電圧（最低電圧）と、期間Ｔ４にて作成された出力信号２０６であるリセット電圧（ＶＤ電圧）との差分が、相関二重サンプリング回路２１０にて検出され、高輝度時の正しい画素信号が出力される。

このように本実施形態４では、行列状に配列してなる複数の画素１００ｃと、画素列毎に配置され、各画素列の画素から信号電圧を読み出すための読出し線１０２とを備えたイメージセンサにおいて、読出し線１０２毎に、リセット電流Ｉ２を供給するリセット電流供給回路１１４ｃを備え、画素におけるリセット電圧を読み出す際、画素から読出し線１０２に供給される第１のリセット電流Ｉ１と、リセット電流供給回路１１４ｃから読出し線１０２に供給される第２のリセット電流Ｉ２との和が、定電流源に流れる電流となるようにしたので、画素からの第１のリセット電流Ｉ１が変動しても、読出し線１０２に供給されるリセット電流の全体量（Ｉ１＋Ｉ２）の変動が抑制されることとなる。これにより、高輝度時に、画素を構成するトランジスタへの強い光の入射により、画素からのリセット電流が急激に低下しても、リセット電流供給回路１０４からリセット電流が読出し線に供給されることとなり、リセット電圧読出し期間に、リセット電位が低下するのを回避することができる。この結果、高輝度時に、信号電圧とリセット電圧との差分が小さくなって高輝度被写体が黒化する現象を防止することができる。

また本実施形態４では、実施形態１と同様、リセット電圧を読み出す期間には、リセット電圧が低下しないようにリセット電流供給回路１１４ｃが第２のリセット電流Ｉ２を読出し線１０２に供給するため、従来技術でみられるような、リセット電圧低下を検出する回路は不要であり、検出閾値誤差による、高輝度被写体における色のばらつきを抑制することができる。

また、本実施形態４においても、リセット電流供給回路における読出しトランジスタＭ５のゲート長を、画素内読出しトランジスタＭ２のゲート長と比較して大きくしているので、実施形態１と同様に、通常輝度時のリセット期間には、画素からのリセット電流Ｉ１がリセット電流供給回路からのリセット電流Ｉ２に対して支配的となり、リセット電流供給回路の特性ばらつきによるリセット電圧のばらつきを抑えることができる。その結果、リセット電流供給回路におけるトランジスタ閾値の製造ばらつきによる高輝度被写体での色のばらつきをより一層緩和することができる。

なお、上記実施形態４では、リセット電流供給回路１１４ｃは、読出トランジスタＭ５のゲートおよびドレインをＶＤ電圧に接続し、選択トランジスタＭ６のゲートにＥＮ信号が入力されるよう構成したものであるが、該リセット電流供給回路１１４ｃの回路構成はこれに限るものではなく、その代わりに、図３（ａ）に示すリセット電流供給回路１０４ａ、図３（ｂ）に示すリセット電流供給回路１０４ｂ、図３（ｃ）に示すリセット電流供給回路１０４ｃなどを用いることができる。

また、上記実施形態４では、各読出し線毎に、画素とは異なる回路構成のリセット電流供給回路を備えたイメージセンサを示しているが、リセット電流供給回路は、実施形態１で説明したように、画素と同じ回路素子を含むダミー画素、または、部分的に同じ回路素子を有するダミー画素で構成してもよい。

例えば、実施形態４におけるリセット電流供給回路は、画素１１０ｃと同様、フォトダイオードＰＤと、リセットトランジスタＭ１と、読出トランジスタＭ２と、選択トランジスタＭ３とから構成され、リセットトランジスタＭ１のゲートはＶＤ電圧に接続され、選択トランジスタＭ３のゲートには、画素を選択するＳＥＬ信号に代えて、リセット電圧の読出し期間のみＨレベルとなるＥＮｃ信号が入力されるようにしたダミー画素でもよい。

なお、このダミー画素で、読出トランジスタＭ２および選択トランジスタＭ３がＶＤ電圧と読出し線との間に直列に接続され、ＶＤ電圧側読出トランジスタＭ２のゲートがフォトダイオードＰＤのカソードに接続され、リセットトランジスタＭ１が読出トランジスタＭ２のゲートとフォトダイオードＰＤのカソードとの間に接続されていることは言うまでもない。

また、実施形態４におけるリセット電流供給回路は、このようなダミー画素におけるフォトダイオードを排除したもの、つまり、画素を構成する３つのトランジスタ、つまり、リセットトランジスタＭ１と、読出トランジスタＭ２と、選択トランジスタＭ３とから構成され、リセットトランジスタＭ１のゲートはＶＤ電圧に接続され、選択トランジスタＭ３のゲートには、画素を選択するＳＥＬ信号に代えて、リセット電圧の読出し期間のみＨレベルとなるＥＮｃ信号が入力されるようにしたダミー画素でもよい。なお、このダミー画素で、読出トランジスタＭ２および選択トランジスタＭ３がＶＤ電圧と読出し線との間に直列に接続され、リセットトランジスタＭ１がＶＤ電源と読出トランジスタＭ２のゲートとの間に接続されていることは言うまでもない。

さらに、上記実施形態１〜４では、特に説明しなかったが、上記実施形態１〜４のイメージセンサの少なくともいずれかを撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの画像入力デバイスを有した電子情報機器について説明する。

本発明の電子情報機器は、本発明の上記実施形態１〜４のイメージセンサの少なくともいずれかを撮像部に用いて得た高品位な画像データを記録用に所定の信号処理した後にデータ記録する記録メディアなどのメモリ部と、この画像データを表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示する液晶表示装置などの表示手段と、この画像データを通信用に所定の信号処理をした後に通信処理する送受信装置などの通信手段と、この画像データを印刷（印字）して出力（プリントアウト）する画像出力手段とのうちの少なくともいずれかを有している。

以上のように、本発明の好ましい実施形態を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。

本発明は、カメラ付き携帯電話やディジタルスチルカメラ、あるいは監視カメラ等に用いるイメージセンサであって、特に、行列状に配列してなる複数の画素と、画素列毎に配置され、各画素列の画素から画素信号を読み出すための読出し線とを備えたイメージセンサの分野において、チップサイズの増大を招くことなく、高輝度被写体が黒化する現象を防止することが可能となり、高輝度被写体の撮影時の画質を向上したイメージセンサを提供できるものである。

図１は、本発明の実施形態１によるイメージセンサを説明する図であり、図（ａ）は該イメージセンサにおける画素及びリセット電流供給回路の構成例を示し、図（ｂ）は画素を構成する読出トランジスタのゲート長を示し、図（ｃ）はリセット電流供給回路を構成する読出トランジスタのゲート長を示している。 図２は、実施形態１のイメージセンサの動作を説明するタイミング図であり、図２（ａ）は、通常輝度時の動作を、図２（ｂ）は高輝度時の動作を示している。 図３は上記実施形態３のイメージセンサにおけるリセット電流供給回路の３つの変形例（図（ａ）、図（ｂ）、図（ｃ））を示す図である。 図４は、本発明の実施形態２によるイメージセンサを説明する図であり、図（ａ）は、該イメージセンサにおける画素およびリセット電流供給回路の構成を示し、図（ｂ）は、該イメージセンサの画素アレイにおける遮光領域を概略的に示している。 図５は、本発明の実施形態３によるイメージセンサを説明する図であり、該イメージセンサにおける画素およびリセット電流供給回路の構成を示している。 図６は、本発明の実施形態４によるイメージセンサを説明する図であり、該イメージセンサにおける画素およびリセット電流供給回路の構成を示している。 図７は、実施形態４のイメージセンサの動作を説明するタイミング図であり、図（ａ）は、通常輝度時の動作を、図（ｂ）は高輝度時の動作を示している。 図８は、従来のイメージセンサを説明する図であり、イメージセンサにおける画素の構成を示している。 図９は、従来のイメージセンサの動作を説明する図であり、タイミングチャートであり、図（ａ）は、通常輝度時の動作を、図（ｂ）は高輝度時の動作を示している。 図１０は、特許文献１に開示のイメージセンサを説明する図である。 図１１は、上記特許文献１に開示のイメージセンサの動作を説明するタイミング図である。 図１２は、本発明の効果を説明する図であり、リセット電流供給回路を動作させたときの太陽の画像（図（ｂ））を、該リセット電流供給回路を動作させない場合の太陽の画像（図（ａ））と対比して示す図である。

１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ イメージセンサ
１００，１１０ｃ，２００ 画素
１００ａ，１００ｂ ダミー画素
１０１ 読出トランジスタのゲートノード
１０２ 読出し線
１０３ 定電流源
１０４，１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ，１１４ｃ リセット電流供給回路
１１０ 相関二重サンプルホールド回路
Ｇｍ２ 第１の読出トランジスタのゲート
Ｇｍ５ 第２の読出トランジスタのゲート
Ｉ１ 画素電流
Ｉ２，Ｉ２ａ，Ｉ２ｂ リセット電流
Ｍ１ リセットトランジスタ
Ｍ２ 第１の読出トランジスタ
Ｍ３ 第１の選択トランジスタ
Ｍ４ 転送トランジスタ
Ｍ５ 第２の読出トランジスタ
Ｍ６ 第２の選択トランジスタ
ＰＤ フォトダイオード

Claims (15)

1. 行列状に配列してなる複数の画素を備え、各画素の基準電圧であるリセット電圧と、各画素での光電変換により発生する信号電圧との差電圧に基づいて、各画素の画素信号を検出するイメージセンサであって、
   画素列毎に配置され、対応する画素列の画素からリセット電圧と信号電圧とが読み出される複数の読出し線と、
   該読出し線毎に設けられ、該読出し線に接続された定電流源を有し、該リセット電圧を画素から読み出す際、該画素から第１のリセット電流が該読出し線に供給されるのと同時に、第２のリセット電流を、該第１のリセット電流と該第２のリセット電流との和が該読出し線に接続された定電流源を流れる電流となって、該第１のリセット電流の減少及び増大が該第２のリセット電流の増加及び減少により補われるよう該読出し線に供給するリセット電流供給手段とを備えた、
   イメージセンサ。
2. 前記画素は、前記リセット電圧を読み出す期間には、該リセット電圧のゲートへの印加により、前記第１のリセット電流を前記読出し線に供給し、前記信号電圧を読み出す期間には、該信号電圧のゲートへの印加により、該信号電圧に対応する画素電流を該読出し線に供給する第１の読出トランジスタを含み、
   前記リセット電流供給手段は、該リセット電圧を読み出す期間には、該リセット電圧のゲートへの印加により、前記第２のリセット電流を該読出し線に供給する第２の読出しトランジスタを含む、
   請求項１記載のイメージセンサ。
3. 前記リセット電流供給手段を構成する第２の読出トランジスタのゲート長は、前記画素を構成する第１の読出トランジスタのゲート長より長い、請求項２記載のイメージセンサ。
4. 前記リセット電流供給手段は、
   前記リセット電圧と前記読出し線との間に接続された直列接続の複数のトランジスタを含み、該直列接続の複数のトランジスタのうちの少なくとも１つが、前記リセット電圧を読み出す期間には導通状態となるよう制御されるリセット電流供給回路とを有し、
   前記定電流源は前記読出し線と接地電位との間に接続されている、
   請求項１記載のイメージセンサ。
5. 前記リセット電流供給回路は、
   前記リセット電圧と前記読出し線との間に接続された直列接続の２つのトランジスタからなり、
   該直列接続の２つのトランジスタのうちのリセット電圧側トランジスタは常に導通状態に保持されるよう、そのゲートにリセット電圧が供給され、
   該直列接続の２つのトランジスタのうちの読出し線側トランジスタは前記リセット電圧を読み出す期間に導通状態となるよう、そのゲートに制御信号が供給される、
   請求項４記載のイメージセンサ。
6. 前記リセット電流供給回路は、
   前記リセット電圧と前記読出し線との間に接続された直列接続の２つのトランジスタからなり、
   該直列接続の２つのトランジスタは該リセット電圧を読み出す期間に導通状態となるよう、そのゲートに制御信号が供給される、
   請求項４記載のイメージセンサ。
7. 前記リセット電流供給回路は、
   前記リセット電圧と前記読出し線との間に接続された直列接続の２つのトランジスタからなり、
   該直列接続の２つのトランジスタのうちの読出し線側トランジスタは常に導通状態に保持されるよう、そのゲートにリセット電圧が供給され、
   該直列接続の２つのトランジスタのうちのリセット電圧側トランジスタは、該リセット電圧を読み出す期間に導通状態となるよう、そのゲートに制御信号が供給される、
   請求項４記載のイメージセンサ。
8. 前記リセット電流供給回路は、
   前記リセット電圧と前記読出し線との間に接続された単一のトランジスタからなり、該リセット電圧を読み出す期間に導通状態となるよう、そのゲートに制御信号が供給される、
   請求項４記載のイメージセンサ。
9. 前記画素は、
   光電変換を行うフォトダイオードと、
   画素を選択する選択トランジスタと、
   該選択トランジスタとリセット電圧との間に接続され、該フォトダイオードでの光電変換により発生した電荷のレベルを増幅して読み出す読出トランジスタと、
   該読出トランジスタが前記リセット電圧を出力するよう該読出トランジスタと制御するするリセットトランジスタと、
   該フォトダイオードでの光電変換により発生した電荷レベルを該読出トランジスタに転送する転送トランジスタとから構成されており、
   選択された画素では、前記リセット電圧が読み出された後に、光電変換により発生した信号電圧が読み出される、
   請求項４記載のイメージセンサ。
10. 前記リセット電流供給回路は、遮光領域に配置されたダミー画素であり、
    該ダミー画素は、
    光電変換を行うフォトダイオードと、
    前記リセット電圧を読み出す期間に該ダミー画素を選択する選択トランジスタと、
    該選択トランジスタと該リセット電圧との間に接続され、該ダミー画素で発生した電荷のレベルを増幅して読み出す読出トランジスタと、
    該読出トランジスタのゲートに常に該リセット電圧を供給するリセットトランジスタと、
    該フォトダイオードと該読出トランジスタとの間に接続され、ゲート電圧がトランジスタのオフ電圧に固定された転送トランジスタとから構成されている、
    請求項９記載のイメージセンサ。
11. 前記リセット電流供給回路は、遮光領域に配置されたダミー画素であり、
    該ダミー画素は、
    前記リセット電圧を読み出す期間に該ダミー画素を選択する選択トランジスタと、
    該選択トランジスタと該リセット電圧との間に接続され、該ダミー画素で発生した電荷レベルを増幅して読み出す読出トランジスタと、
    該読出トランジスタのゲートに常に該リセット電圧を供給するリセットトランジスタとから構成されている、
    請求項９記載のイメージセンサ。
12. 前記画素は、
    光電変換を行うフォトダイオードと、
    画素を選択する選択トランジスタと、
    該選択トランジスタとリセット電圧との間に接続され、該フォトダイオードでの光電変換により発生した電荷のレベルを増幅して読み出す読出トランジスタと、
    該読出トランジスタが前記リセット電圧を出力するよう該読出トランジスタを制御するリセットトランジスタとから構成されており、
    選択された画素では、光電変換により発生した信号電圧が読み出された後、前記リセット電圧が読み出される、
    請求項４記載のイメージセンサ。
13. 前記リセット電流供給回路は、遮光領域に配置されたダミー画素であり、
    該ダミー画素は、
    光電変換を行うフォトダイオードと、
    前記リセット電圧を読み出す期間に該ダミー画素を選択する選択トランジスタと、
    該選択トランジスタと該リセット電圧との間に接続され、該ダミー画素で発生した電荷のレベルを増幅して読み出す読出トランジスタと、
    該読出トランジスタのゲートに常に該リセット電圧を供給するリセットトランジスタとから構成されている、
    請求項１２記載のイメージセンサ。
14. 前記リセット電流供給回路は、遮光領域に配置されたダミー画素であり、
    該ダミー画素は、
    前記リセット電圧を読み出す期間に該ダミー画素を選択する選択トランジスタと、
    該選択トランジスタと該リセット電圧との間に接続され、該ダミー画素で発生した電荷のレベルを増幅して読み出す読出トランジスタと、
    該読出トランジスタのゲートに常に該リセット電圧を供給するリセットトランジスタとから構成されている、
    請求項１２記載のイメージセンサ。
15. 請求項１〜１４のいずれかに記載のイメージセンサを撮像部に用いた電子情報機器。