JP4471358B2

JP4471358B2 - 固体撮像装置

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Publication number: JP4471358B2
Application number: JP2004159835A
Authority: JP
Inventors: 正徳小倉; 文洋乾; 哲也坂野
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-05-28
Filing date: 2004-05-28
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2024-05-28
Also published as: JP2005341410A

Description

本発明は、入射光を電気信号に変換する光電変換素子を有する画素を持つ固体撮像装置及びシステムに関する。

従来、固体撮像素子として、主にＣＣＤやＭＯＳを用いたものがある。近年では、固体撮像素子の微小化や高集積化による多画素化に伴い、信号出力の読み出し速度の向上が望まれている。そのため、固体撮像装置の出力系を多チャネル化して、複数行及び／または複数列分の信号を並行に読み出し、複数チャネルから得られる複数信号を、システム側で並べ替え処理して画像を生成することで、見かけ上、固体撮像装置からの信号読み出し速度を速くしたものがある。

図６は、従来の多チャンネル読み出し方式により信号を読み出す固体撮像装置及び外部処理系の構成を示す図、また、図７はその駆動タイミング及び出力信号を示すタイミングチャートである。以下、図６及び図７を参照して、従来の技術を説明する。

図６において、１はベイヤー配列のカラーフィルタを有する画素であり、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の横の（）内の数字は、各画素の座標を表す。なお、ここでは説明の簡略化のため、６×６に画素が配列されている場合を示しているが、実際には非常に多数の画素が２次元にアレイ状に配列される。

各画素１０１は、行毎に行選択線Ｌ１〜Ｌ６にそれぞれ接続され、行選択線Ｌ１〜Ｌ６が垂直走査回路１０２から供給される行選択信号により順次Ｈｉｇｈ（以下、「Ｈ」）となることで、電荷を読み出す行が選択される。以下、図７に示す駆動例における、選択された画素からの読み出し手法と、画素信号の固体撮像装置内での伝送経路と、上記撮像装置外での信号処理システムおよび、画像処理システムについて説明する。

所定時間、固体撮像装置を露光後、各画素から信号を読み出す前にまず、φＰＣＴＲをＨにして容量ＣＴＮ、ＣＴＳをそれぞれ所定電位ＶＣＴＲにリセットする（ｔ０）。次に、行選択線Ｌ１に供給される行選択信号φＬ１がＨとなり、１行目が選択される（ｔ１）。読み出し行が選択されるのとほぼ同じタイミングで、電荷の読み出しに先立って、信号φＰＴＮ１及びφＰＴＮ２をＨとし、ＭＯＳ１０３、１０４をＯＮにして、選択された行のノイズ成分を容量ＣＴＮに読み出す。次に信号φＰＴＳ１及びφＰＴＳ２をＨとしてＭＯＳ１０５、１０６をＯＮにし（ｔ２）、選択された行の各画素１０１に蓄積された光電荷を上記ノイズ成分に重畳した形で容量ＣＴＳに読み出す。これにより、各画素１０１のノイズ成分とノイズ成分に重畳された画素信号成分が容量ＣＴＮ及びＣＴＳにそれぞれ揃うことになる。

次に、シフトレジスタなどにより構成される、第１〜第４水平走査回路１０７〜１１０から列選択線Ｈ１〜Ｈ６を介して供給される列選択信号により、容量ＣＴＮ、ＣＴＳの各組に保持されている電荷を差動アンプ１１１〜１１４に順次転送する。差動アンプ１１１〜１１４はノイズ成分をノイズ成分に重畳された画素信号成分から差し引くことで、ノイズ成分を除去した画素信号を出力する。

まず、第１及び第２水平走査回路１０７、１０８がφＨ１及びφＨ２をＨにすると、対応するＭＯＳ１１５〜１１８がＯＮとなり、Ｇ（１，１）及びＲ（１，２）から容量ＣＴＮ、ＣＴＳに読み出した電荷が、信号線１１９、１２０を介してそれぞれ差動アンプ１１１及び１１２に転送される（ｔ３）。差動アンプ１１１はノイズ成分に重畳された画素信号からノイズ成分を除去して、画素信号（画素と同じ参照記号により示す。Ｇ（１，１））を出力する（ＯＵＴ１）。差動アンプ１１２も同様にして、画素信号Ｒ（１，２）を出力する（ＯＵＴ２）。

そして、ｔ４のタイミングで、第３及び第４水平走査回路１０９、１１０はφＨ３及びφＨ４をＨにし、Ｇ（１，３）及びＲ（１，４）から容量ＣＴＮ、ＣＴＳに読み出した電荷を、信号線１２１、１２２を介してそれぞれ差動アンプ１１３及び１１４に転送する。そして、差動アンプ１１３はノイズ成分に重畳された光電荷からノイズ成分を除去して、画素信号Ｇ（１，３）を出力する（ＯＵＴ３）。差動アンプ１１４も同様にして、画素信号Ｒ（１，４）を出力する（ＯＵＴ４）。以降、このノイズ除去方式をＳ−Ｎノイズ除去方式と呼ぶ。

また、各列の画素から信号線１１９〜１２２に信号転送した後、次の信号が転送される前に、φＳＨ１〜φＳＨ４の反転信号に合わせて、信号線１１９〜１２２を所定の電位ＶＣＨＲにリセットする。なお、図６では、図の簡略化のために信号線１１９のリセット回路のみを記しているが、信号線１２０〜１２２にも同様のリセット回路が接続されている。

このようにして固体撮像装置の差動アンプ１１１〜１１４から出力された画像信号ＯＵＴ１〜ＯＵＴ４を外部処理系であるアンプ１２３〜１２６で増幅し、駆動力を増加させてから、Ａ／Ｄコンバータ１２７〜１３０でデジタル信号に変換した後、一旦メモリ１３１に格納し、その後、画素処理部１３２にて一枚の画像に合成していた。

このように、出力チャネルを複数化して複数列及び／または複数行分の信号を並列に出力することで、見かけ上、固体撮像装置の信号読み出し及び外部画像処理系の処理を速くしていた。

しかしながら、複数チャネルを介して信号を読み出す構成では、固体撮像装置内の差動アンプ１１１〜１１４のゲインエラーと、各差動アンプ１１１〜１１４に対応して設けられている外部処理系のアンプ１２３〜１２６のゲインエラー及びＡ／Ｄコンバータ１２７〜１３０内部のアンプのゲインエラーによる各チャネルの感度ばらつきが問題になるので、Ａ／Ｄコンバータ１２７〜１３０から得られる信号のＬＳＢ(least significant bit)値を調整して、各チャネルのゲイン差を合わせ込んでいた。この調整方法を簡単に説明すると、固体撮像装置をカメラ等に組み込むときに固体撮像装置に２種類の光量の光を異なるタイミングで照射し、それぞれのタイミングで各チャネルについて同色の画素から得られる出力を選択し、光量の変化分に対する信号出力の変化分から各チャネルの感度を求め、求めた感度に基づいてチャネル間の感度ずれ（ゲインエラー）が無くなるように、Ａ／Ｄコンバータ１２７〜１３０から出力される信号のＬＳＢ値を補正する補正値を求め、調整してしていた（例えば、特許文献１参照）。

特開平５−３２７２０５号公報

しかしながら、先に述べた感度ずれの補正方法では、固体撮像装置に均一に光を照射しないと、正確に感度ずれ（ゲインエラー）を測定することができず、補正量を正確に求めることができなかった。更には、感度ずれの測定及び補正量を求める処理は、固体撮像装置及び外部処理系をカメラ等の装置に組み込む前に行うため、組み込んだ後では、例えば周囲温度の変化による各チャネルの感度の温度特性が補正できないなど、そのカメラの使用環境の違いに起因する問題に合わせて補正値を変更することができないため、使用環境によっては、良質の画像を形成できないことがあった。

本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、固体撮像装置から複数チャネルを介して信号を読み出す際に、固体撮像装置に光を照射すること無く、チャネル間の感度ずれの検知に用いる出力を簡単な構成で容易に固体撮像装置から得ることができるようにすることを目的とする。

また、上述のようにして固体撮像装置から得られた出力を用いて、チャネル間の感度ずれを補正することを別の目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、入射光を電気信号に変換する複数の光電変換素子を２次元状に配列して成る撮像手段と、複数の画素からの信号を順次出力するための複数の共通読み出し手段と、前記複数の共通読み出し手段それぞれについて設けられた、前記撮像手段により入射光を電気信号に変換して得られた画像信号を一時的に保持する複数の第１の保持手段と、前記複数の共通読み出し手段それぞれについて設けられた、ノイズ信号を一時的に保持する複数の第２の保持手段と、前記複数の共通読み出し手段それぞれについて設けられた、前記第１の保持手段に保持された画像信号から、前記第２の保持手段に保持されたノイズ信号を差分して差分信号を出力する複数の差分手段と、前記複数の共通読み出し手段それぞれについて設けられた、前記差分手段から出力された前記差分信号に予め決められた信号処理を行う複数の処理手段と、前記複数の共通読み出し手段それぞれについて設けられた、互いに異なる第１及び第２の固定電圧を選択的に出力する電圧供給手段と、前記電圧供給手段による出力タイミングを制御する供給制御手段と、前記複数の共通読み出し手段間のゲインの差を補正する補正手段とを有し、前記複数の画素からの信号読み出しを行っていない時間に、前記複数の共通読み出し手段それぞれについて、前記供給制御手段は、前記第１の固定電圧を前記第１の保持手段及び前記第２の保持手段と前記差分手段との間に供給し、前記差分手段は供給された前記第１の固定電圧間の第１の差分信号を出力し、その後、前記供給制御手段は、前記第２の固定電圧を前記第１の保持手段と前記差分手段との間に供給すると共に、前記第１の固定電圧を前記第２の保持手段と前記差分手段との間に供給し、前記差分手段は供給された前記第２の固定電圧と前記第１の固定電圧間の第２の差分信号を出力し、前記補正手段は、前記第１の差分信号を前記処理手段が処理した信号と前記第２の差分信号を前記処理手段が処理した信号との差と、前記第１の固定電圧と前記第２の固定電圧との差との比から、前記複数の共通読み出し手段毎の前記ゲインを求め、求めた該ゲインに基づいて、前記複数の共通読み出し手段間のゲインの差を補正する。
また、別の構成によれば、本発明の固体撮像装置は、入射光を電気信号に変換する複数の光電変換素子を２次元状に配列して成る撮像手段と、複数の画素からの信号を順次出力するための複数の共通読み出し手段と、前記複数の共通読み出し手段それぞれについて設けられた、前記撮像手段により入射光を電気信号に変換して得られた画像信号を一時的に保持する複数の第１の保持手段と、前記複数の共通読み出し手段それぞれについて設けられた、ノイズ信号を一時的に保持する複数の第２の保持手段と、前記複数の共通読み出し手段それぞれについて設けられた、前記第１の保持手段に保持された画像信号から、前記第２の保持手段に保持されたノイズ信号を差分して差分信号を出力する複数の差分手段と、前記複数の共通読み出し手段それぞれについて設けられた、前記差分手段から出力された前記差分信号に予め決められた信号処理を行う複数の処理手段と、前記複数の共通読み出し手段それぞれについて設けられた、互いに異なる第１及び第２の固定電圧を選択的に出力する電圧供給手段と、前記電圧供給手段による出力タイミングを制御する供給制御手段と、前記複数の共通読み出し手段間のゲインの差を補正する補正手段とを有し、前記複数の画素からの信号読み出しを行っていない時間に、前記複数の共通読み出し手段それぞれについて、前記供給制御手段は、前記第１の固定電圧を前記第１の保持手段及び前記第２の保持手段に供給し、前記差分手段は前記第１の保持手段から供給される信号と、前記第２の保持手段から供給される信号間の第１の差分信号を出力し、その後、前記供給制御手段は、前記第２の固定電圧を前記第１の保持手段に供給すると共に、前記第１の固定電圧を前記第２の保持手段に供給し、前記差分手段は前記第１の保持手段から供給される信号と、前記第２の保持手段から供給される信号間の第２の差分信号を出力し、前記補正手段は、前記第１の差分信号を前記処理手段が処理した信号と前記第２の差分信号を前記処理手段が処理した信号との差と、前記第１の固定電圧と前記第２の固定電圧との差との比から、前記複数の共通読み出し手段毎の前記ゲインを求め、求めた該ゲインに基づいて、前記複数の共通読み出し手段間のゲインの差を補正する。

また、本発明の固体撮像システムは、上記記載の固体撮像装置と、前記固体撮像装置の前記複数の共通読み出し手段にそれぞれ対応して設けられた、所定の信号処理を行う複数の信号処理手段と、前記複数の信号処理手段により処理された複数の信号間の差を検出する検出手段と、前記検出された信号間の差を減少させるように補正を行う補正手段とを有する。

上記構成によれば、固体撮像装置から複数チャネルを介して信号を読み出す際に、固体撮像装置に光を照射すること無く、チャネル間の感度ずれの検知に用いる出力を簡単な構成で容易に固体撮像装置から得ることができる。

また、上述のようにして固体撮像装置から得られた出力を用いて、チャネル間の感度ずれを補正することができる。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。

＜実施形態１＞
図１は、本発明の実施形態１における固体撮像装置及び外部処理系の回路構成を示す模式図である。なお、図１において、上記従来例において説明した図６と同様の構成には同じ参照番号を付し、説明を省略する。

本実施形態１では、図６に示す構成に加えて、固定電圧ＶＣＡＬ１、ＶＣＡＬ２を供給する構成と、固体撮像装置の外部処理系であるアンプ１２３〜１２６の入力として、固体撮像装置の差動アンプ１１１〜１１４の出力ＯＵＴ１〜ＯＵＴ４と、固定電圧ＶＣＡＬ１、ＶＣＡＬ２のいずれかを選択してアンプ１２３〜１２６に供給するスイッチ５１１〜５１４と、スイッチ５１１〜５１４を制御するキャリブレーションコントローラ５３３（図１ではスイッチ５１１に対する制御線のみを記している）とを固体撮像装置内に設けた構成を有する。ここで、固定電圧ＶＣＡＬ１、ＶＣＡＬ２の部分の具体的構成は、固体撮像装置の外部と電気的に接続を行うための端子を２つ設け、一方の端子には、ＶＣＡＬ１を入力し、もう一方の端子には、ＶＣＡＬ２を入力する構成であっても良い。また、一つの端子を設けて、その端子からは、ＶＣＡＬ１を入力し、固体撮像装置内部に降圧回路を設け、ＶＣＡＬ２を生成するような構成であっても良い。なお、図１では、図の簡略化のために、チャネル１（信号線１１９を介して出力される信号の読み出し系）についてのみ配線を図示し、チャネル２〜４に関してはスイッチ５１２〜５１４のみを示しているが、スイッチ５１２〜５１４の「０」端子にはそれぞれ差動アンプ１１２〜１１４からの出力が、「１」端子には固定電圧ＶＣＡＬ１が、「２」端子には固定電圧ＶＣＡＬ２が入力するように配線されている。また、スイッチ５１１〜５１４はキャリブレーションコントローラ５３３により一括制御されている。

ここで、固定電圧ＶＣＡＬ１をアンプ１２３〜１２６に入力した場合にチャネル毎に得られるＡ／Ｄコンバータ１２７〜１３０の出力信号のＬＳＢ値と、固定電圧ＶＣＡＬ２をアンプ１２３〜１２６に入力した場合にチャネル毎に得られるＡ／Ｄコンバータ１２７〜１３０の出力信号のＬＳＢ値出力に基づいて、差動アンプ１１１〜１１４よりも一般的にゲインのばらつきが大きい、アンプ１２３〜１２６及びＡ／Ｄコンバータ１２７〜１３０のゲインを求める。チャネル１を例にすると、次式によりアンプ１２３及びＡ／Ｄコンバータ１２７のゲインを求める。
Gain = (VOUT1*−VOUT1)／(VCAL1−VCAL2)

但し、上記式において、VOUT1*はＶＣＡＬ１をアンプ１２３に入力した場合に得られる、Ａ／Ｄコンバータ１２７の出力信号のＬＳＢ値、VOUT1はＶＣＡＬ２をアンプ１２３に入力した場合に得られる、Ａ／Ｄコンバータ１２７の出力信号のＬＳＢ値である。
同様にして、アンプ１２４〜１２６及びＡ／Ｄコンバータ１２８〜１３０のゲインも求め、チャネル間のゲインエラーを求め、Ａ／Ｄコンバータ１２７〜１３０からの出力信号のＬＳＢ値を調整することで、ゲイン補正をする。

なお、ゲイン補正の方法はＬＳＢ値の調整する方法に限るものではなく、得られた各チャネルのゲインに基づいてゲイン差を補正する方法であればよい。例えば、図２に示すように可変抵抗を用いてアンプのゲインを調整することも可能である。以下、図２に示す構成におけるゲイン補正動作を簡単に説明する。

まず、上述したようにして固定電圧ＶＣＡＬ１、ＶＣＡＬ２とをそれぞれ外部処理系のアンプ１２３〜１２６に供給した時に、メモリ１３１に一時記憶されたＡ／Ｄコンバータ１２７〜１３０の出力信号をゲインエラー検出器１３３に読み出す。ゲインエラー検出器１３３は読み出した出力信号を用いて上記式によりゲインを求め、チャネル間のゲインエラーと補正量を計算し、チャネル間のゲイン差が無くなるように差動アンプ１１１〜１１４に設けられた可変抵抗の抵抗値を変更させてゲイン補正する。なお、図２の例では、可変抵抗を差動アンプ１１１〜１１４に設ける場合を示しているが、外部処理系のアンプ１２３〜１２６に設けても良いことは言うまでもない。

このように本実施形態１の構成によれば、固体撮像装置に均一に光を照射するための構成を必要とせず、固定電圧ＶＣＡＬ１、ＶＣＡＬ２を切り換えて外部処理系のアンプに供給する簡単な構成で、容易に各チャネルのゲインを求めることが可能になり、また、求めたゲインを用いてチャネル間のゲイン補正を行うことができる。

また、上記構成によれば、任意のタイミングでゲインエラーの補正値を求めることが可能になる。例えば、固体撮像装置のスイッチオン時や、スイッチオン時から所定時間おき（温度変化が起こると考えられるため）であって撮影を行っていない時や、工場出荷時など、所望のタイミングでゲインを取得し、ゲインエラーの補正値を求めるように適宜制御することが可能である。従って、使用環境に適した補正値を用いて感度ずれの補正を行うことができる。

なお、本実施形態１では、固定電圧ＶＣＡＬ１、ＶＣＡＬ２を供給する構成と、スイッチ５１１〜５１４と、キャリブレーションコントローラ５３３とを固体撮像装置内に設けるものとして説明したが、少なくともその一部を外部処理系として構成することも勿論可能である。ただし、外部処理系として構成した場合には、固体撮像装置内（固体撮像装置の半導体チップ上）に構成する場合と比較してそのサイズが大きくなってしまい、実装面積を無駄に使ってしまうため、固体撮像装置内に構成する方がはるかに小面積で済むため、小型化の面では有利である。

＜実施形態２＞
図３は、本発明の実施形態２における固体撮像装置及び外部処理系の回路構成を示す模式図である。なお、図３においても、上記従来例において説明した図６と同様の構成には同じ参照番号を付し、説明を省略する。

本実施形態２では、図６に示すリセット電圧ＶＣＨＲを供給する構成の代わりに、リセット電圧ＶＣＨＲＮと、可変電圧ＶＣＨＲＳを供給する構成と、可変電圧ＶＣＨＲＳを制御するＤＡＣ２３３（ディジタル信号を与えてアナログ的に電位を変化させる）と、リセット電圧ＶＣＨＲＮ及び可変電圧ＶＣＨＲＳの供給のＯＮ／ＯＦＦを制御するＭＯＳスイッチ２３４、２３５とを有する。ＭＯＳスイッチ２３４、２３５は、ゲートに供給される信号φＣＡＬがＨの時にＯＮ、Ｌの時にＯＦＦとなる。なお、ここでは図の簡略化のためにチャネル３についてのみ図示するが、実際には、チャネル１、２、４にも同様の機能をそれぞれ設けるか、または、ＭＯＳスイッチ２３４、２３５の出力を各信号線１１９、１２０、１２２に供給するように配線する。

次に、本実施形態２においてゲイン差を取得する方法について説明する。

まず、ＤＡＣ２３３は、電圧ＶＣＨＲＳがリセット電圧ＶＣＨＲとほぼ同じ電圧となるように制御する。そして、信号φＣＡＬをＨにしてＭＯＳスイッチ２３４、２３５を開き、例えばチャンネル３の場合、容量ＣＴＳからの光電荷（ノイズ成分を含む）を転送するための信号線１２１ＳにＶＣＨＲＳを、容量ＣＴＮからのノイズ成分を転送するための信号線１２１Ｎにリセット電源ＶＣＨＲＮを供給する。この状態で、この状態でＡ／Ｄコンバータ１２９の出力信号を取得する。

その後、電圧ＶＣＨＲＳを変化させてから、Ａ／Ｄコンバータ１２９の出力信号を取得する。このように、異なる電圧ＶＣＨＲＳを信号線１２１Ｓに与えた時のＡ／Ｄコンバータ１２９の出力信号のＬＳＢ値から、次式により、チャネル３のゲイン（Gain）を求める。本実施形態２では、差動アンプ１１３、アンプ１２５、およびＡ／Ｄコンバータ１２９内のアンプのゲインをまとめて求めることができる。
Gain = (VOUT3*−VOUT3)／(VCHRS*−VCHRS)

但し、上記式において、VOUT3*はＶＣＨＲＳの電位変化後に得られる、Ａ／Ｄコンバータ１２７の出力信号のＬＳＢ値、また、VOUT3はＶＣＨＲＳの電位変化前に得られる、Ａ／Ｄコンバータ１２７の出力信号のＬＳＢ値である。即ち、電圧ＶＣＨＲＳを少なくとも２種類の電位に変えて、ＬＳＢ値を取得する必要がある。
同様にして、他チャネルのゲインもそれぞれ求める。このようにして求めたチャネル１〜４のゲインから、チャネル間のゲインエラーを求め、例えば、Ａ／Ｄコンバータ１２７〜１３０の入力レンジを調整してＬＳＢ値を調整することで、チャネル間のゲイン補正を行う。

このように本実施形態２の構成によれば、固体撮像装置に均一に光を照射するための構成を必要とせず、可変電圧ＶＣＨＲＳの電位を変化させて差動アンプに供給するのみで、簡単な構成で容易に各チャネルのゲインを求めることが可能になり、また、求めたゲインを用いてチャネル間のゲイン補正を行うことができる。

なお、図３に示した可変電圧ＶＣＨＲＳを供給する構成と、可変電圧ＶＣＨＲＳを制御するＤＡＣ２３３とを、上記実施形態１で説明した固定電圧ＶＣＡＬ１及びＶＣＡＬ２を供給する構成の代わりに用いることも勿論可能である。

＜実施形態３＞
図４は、本発明の実施形態３における固体撮像装置及び外部処理系の回路構成を示す模式図である。なお、図４においても、上記従来例において説明した図６と同様の構成には同じ参照番号を付し、説明を省略する。

読み出し回路にＳ−Ｎノイズ除去方式を用いる場合、上記実施形態２のように信号線２２１Ｓと２２１Ｎへ異なる電圧ＶＣＨＲＳとＶＣＨＲＮを供給する構成では、信号線１２１Ｒをリセットしようとして可変電圧ＶＣＨＲＳをリセット電圧ＶＣＨＲＮと同じ電位に制御したとしても、全く同一の電位にならないことがあり、その場合、信号出力にオフセットが発生してしまう。その結果、信号出力オフセットが発生して、読み出し系のＣＭＲＲ（同窓除去率）が劣ってしまうという欠点がある。

また、システム側では、可変電圧ＶＣＨＲＳを変化させるためにＤＡＣ２３３を設ける必要があるなど、システムが複雑化するなどの欠点もあった。

これに対し、本実施形態３では、リセット電圧ＶＣＨＲと、リセット電圧ＶＣＨＲと異なる固定電圧ＶＣＡＬを供給する構成と、リセット電圧ＶＣＨＲ及び固定電圧ＶＣＡＬのいずれかを選択するスイッチ３１１と、スイッチ３１１を制御するキャリブレーションコントローラ３３３と、リセット電圧ＶＣＨＲ及び固定電圧ＶＣＡＬの供給のＯＮ／ＯＦＦを制御するＭＯＳスイッチ３１２、３１３とを設け、スイッチ３１１がリセット電圧ＶＣＨＲに接続されているときには、信号線１２１Ｎ及び信号線１２１Ｓには共にリセット電圧ＶＣＨＲが供給され、スイッチ３１１が固定電圧ＶＣＡＬに接続されているときには、信号線１２１Ｎにはリセット電圧ＶＣＨＲが、信号線１２１Ｓには固定電圧ＶＣＡＬが供給される構成となっている。ＭＯＳスイッチ３１２、３１３は、ゲートに供給される信号φＣＡＬがＨの時にＯＮ、Ｌの時にＯＦＦとなる。なお、ここでは、図の簡略化のためにチャネル３についてのみ図示するが、実際には、チャネル１、２、４にも同様の機能をそれぞれ設けるか、または、ＭＯＳスイッチ３１２、３１３の出力を各信号線１１９、１２０、１２２に供給するように配線する。

次に、本実施形態３においてゲイン差を取得する方法について説明する。

まず、キャリブレーションコントローラ３３３は、スイッチ３１１によりリセット電圧ＶＣＨＲを選択する。そして、信号φＣＡＬをＨにしてＭＯＳスイッチ３１２、３１３を開き、例えばチャンネル３の場合、信号線１２１Ｎ、１２１Ｓ共に、リセット電圧φＶＣＨＲを供給する。この状態で、Ａ／Ｄコンバータ１２９の出力信号を取得する。

次に、スイッチ３１１により固定電圧ＶＣＡＬを選択し、信号φＣＡＬをＨにした状態で、Ａ／Ｄコンバータ１２９からの出力信号を取得する。このようにして得た２種類の出力信号のＬＳＢ値から、次式によりチャネル３のゲイン（Gain）を求める。本実施形態３においても、実施形態２と同様に、差動アンプ１１３、アンプ１２５、およびＡ／Ｄコンバータ１２９内のアンプのゲインをまとめて求めることができる。
Gain = (VOUT3*−VOUT3)／(VCAL−VCHR)

但し、上記式において、VOUT3*はＶＣＡＬが信号線１２１Ｓに供給されている場合のＡ／Ｄコンバータ１２７の出力信号のＬＳＢ値、また、VOUT3はＶＣＨＲが信号線１２１Ｓに供給されている場合のＡ／Ｄコンバータ１２７の出力信号のＬＳＢ値である。
同様にして、他チャネルのゲインもそれぞれ求める。このようにして求めたチャネル１〜４のゲインから、チャネル間のゲインエラーを求め、例えば、Ａ／Ｄコンバータ１２７〜１３０の出力信号のＬＳＢ値を調整することで、チャネル間のゲイン補正を行う。

上記の通り、本実施形態３によれば、固体撮像装置に均一に光を照射するための構成を必要とせず、可変電圧ＶＣＨＲＳの電位を変化させて差動アンプに供給するのみで、簡単な構成で容易且つ正確に各チャネルのゲインを求めることが可能になり、また、求めたゲインを用いてチャネル間のゲイン補正を行うことができる。

また、実際に画素信号を読み出すとき、信号線１２１Ｓ、１２１Ｎのリセット電位は同一電源からの電位ＶＣＨＲにリセットされるので、実施形態２のように出力のオフセットが発生しない。

＜実施形態４＞
図５は、本発明の実施形態４における固体撮像装置及び外部処理系の回路構成を示す模式図である。なお、図５においても、上記従来例において説明した図６と同様の構成には同じ参照番号を付し、説明を省略する。

本実施形態４では、リセット電位ＶＣＴＲと、リセット電位ＶＣＴＲとは異なる固定電位ＶＣＡＬを供給する構成と、リセット電位ＶＣＴＲ及び固定電位ＶＣＡＬのいずれかを選択するスイッチ４１１、４１２と、スイッチを制御するキャリブレーションコントローラ４３３と、リセット電位ＶＣＴＲ及び固定電位ＶＣＡＬの供給のＯＮ／ＯＦＦを制御するＭＯＳスイッチ４１３〜４１６とを設け、スイッチ４１１、４１２がリセット電位ＶＣＴＲに接続されているときには、容量ＣＴＮ、ＣＴＳには共にリセット電位ＶＣＴＲが供給され、スイッチ４１１、４１２が固定電位ＶＣＡＬに接続されているときには、容量ＣＴＮにはリセット電位ＶＣＴＲが、容量ＣＴＳには固定電位ＶＣＡＬが供給される構成となっている。ＭＯＳスイッチ４１３〜４１６は、ゲートに供給される信号φＰＣＴＲがＨの時にＯＮ、Ｌの時にＯＦＦとなる。なお、図５では、リセット電位ＶＣＴＲ、固定電位ＶＣＡＬ、φＰＣＴＲを２系統示しているが、共通の構成にすることも勿論可能である。

次に、本実施形態４においてゲイン差を取得する方法について説明する。

まず、φＰＴＳ、φＰＴＮをＬとした状態で、キャリブレーションコントローラ４３３は、スイッチ４１１、４１２によりリセット電位ＶＣＴＲを選択する。そして、信号φＰＣＴＲをＨにしてＭＯＳスイッチ４１３〜４１６を開き、容量ＣＴＮ、ＣＴＳ共に、リセット電位ＶＣＴＲを供給する。この状態で、従来例で説明した駆動方法により、第１〜第４水平走査回路１０７〜１１０によりＨ１〜Ｈ４を介して容量ＣＴＮ、ＣＴＳの電荷を順次読み出し、Ａ／Ｄコンバータ１２９の出力信号を取得する。

次に、スイッチ４１１、４１２により固定電位ＶＣＡＬを選択し、信号φＰＣＴＲをＨにした状態で、容量ＣＴＮにはリセット電位ＶＣＴＲを、容量ＣＴＳには固定電位ＶＣＡＬを供給する。この状態で、従来例で説明した駆動方法により、第１〜第４水平走査回路１０７〜１１０によりＨ１〜Ｈ４を介して容量ＣＴＮ、ＣＴＳの電荷を順次読み出し、Ａ／Ｄコンバータ１２９の出力信号を取得する。このようにして得た２種類の出力信号のＬＳＢ値から、次式により各チャネルのゲイン（Gain）を求める。本実施形態４においても、実施形態２及び３と同様に、差動アンプ１１３、アンプ１２５、およびＡ／Ｄコンバータ１２９内のアンプのゲインをまとめて求めることができる。
Gain = (VOUT*−VOUT)／(VCAL−VCTR)

但し、上記式において、VOUT*は固定電位ＶＣＡＬが容量ＣＴＳに供給されている場合のＡ／Ｄコンバータ１２７の出力信号のＬＳＢ値、また、VOUTはリセット電位ＶＣＴＲが容量ＣＴＳに供給されている場合のＡ／Ｄコンバータ１２７の出力信号のＬＳＢ値である。
このようにして、全チャネルのゲインを測定し、チャネル間のゲインエラーを求め、Ａ／Ｄコンバータ１２７〜１３０の入力レンジを調整してＬＳＢ値を調整することで、チャネル間のゲイン補正を行う。

上記の通り、本実施形態４によれば、固体撮像装置に均一に光を照射するための構成を必要とせず、簡単な構成で、容易且つ正確に各チャネルのゲインを求めることが可能になり、また、求めたゲインを用いてチャネル間のゲイン補正を行うことができる。

なお、本実施形態４では、リセット電圧ＶＣＴＲと、リセット電圧ＶＣＴＲと異なる固定電圧ＶＣＡＬを供給する構成を設けたが、固定電圧ＶＣＡＬの代わりに、実施形態２で説明した可変電圧ＶＣＨＲＳを供給する構成と、可変電圧ＶＣＨＲＳを制御するＤＡＣ２３３とを用いることも勿論可能である。

また、上記実施形態１〜４では、１列目及び５列目をチャネル１を介して、２列目及び５列目をチャネル２を介して、といったように、列毎に異なるチャネルを介して出力する場合について説明したが、読み出しチャネルの割り当て方はこれに限るものではなく、例えば、上下及び／または左右領域毎に異なる読み出し系により読み出す構成や、２行ずつ読み出す構成など、様々な割り当て方が考えられる。いずれの場合であっても、複数の読み出し系により画素信号を読み出す構成であれば、本発明を適用することが可能である。

本発明の実施形態１における固体撮像装置及び外部処理系の回路構成を示す模式図である。本発明の実施形態１における固体撮像装置及び外部処理系の別の回路構成を示す模式図である。本発明の実施形態２における固体撮像装置及び外部処理系の回路構成を示す模式図である。本発明の実施形態３における固体撮像装置及び外部処理系の回路構成を示す模式図である。本発明の実施形態４における固体撮像装置及び外部処理系の回路構成を示す模式図である。従来の固体撮像装置及び外部処理系の回路構成を示す模式図である。従来の撮像装置の駆動タイミング及び出力信号を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１０１画素
１０２垂直走査回路
１０７〜１１０水平走査回路
１１１〜１１４差動アンプ
１１９〜１２２信号線
１２３〜１２６アンプ
１２７〜１３０Ａ／Ｄコンバータ
１３１メモリ
１３２画像処理部
１３３ゲインエラー検出器
２３３ＤＡＣ
３３３、４３３、５３３キャリブレーションコントローラ

Claims

入射光を電気信号に変換する複数の光電変換素子を２次元状に配列して成る撮像手段と、
複数の画素からの信号を順次出力するための複数の共通読み出し手段と、
前記複数の共通読み出し手段それぞれについて設けられた、前記撮像手段により入射光を電気信号に変換して得られた画像信号を一時的に保持する複数の第１の保持手段と、
前記複数の共通読み出し手段それぞれについて設けられた、ノイズ信号を一時的に保持する複数の第２の保持手段と、
前記複数の共通読み出し手段それぞれについて設けられた、前記第１の保持手段に保持された画像信号から、前記第２の保持手段に保持されたノイズ信号を差分して差分信号を出力する複数の差分手段と、
前記複数の共通読み出し手段それぞれについて設けられた、前記差分手段から出力された前記差分信号に予め決められた信号処理を行う複数の処理手段と、
前記複数の共通読み出し手段それぞれについて設けられた、互いに異なる第１及び第２の固定電圧を選択的に出力する電圧供給手段と、
前記電圧供給手段による出力タイミングを制御する供給制御手段と、
前記複数の共通読み出し手段間のゲインの差を補正する補正手段とを有し、
前記複数の画素からの信号読み出しを行っていない時間に、前記複数の共通読み出し手段それぞれについて、前記供給制御手段は、前記第１の固定電圧を前記第１の保持手段及び前記第２の保持手段と前記差分手段との間に供給し、前記差分手段は供給された前記第１の固定電圧間の第１の差分信号を出力し、その後、前記供給制御手段は、前記第２の固定電圧を前記第１の保持手段と前記差分手段との間に供給すると共に、前記第１の固定電圧を前記第２の保持手段と前記差分手段との間に供給し、前記差分手段は供給された前記第２の固定電圧と前記第１の固定電圧間の第２の差分信号を出力し、
前記補正手段は、前記第１の差分信号を前記処理手段が処理した信号と前記第２の差分信号を前記処理手段が処理した信号との差と、前記第１の固定電圧と前記第２の固定電圧との差との比から、前記複数の共通読み出し手段毎の前記ゲインを求め、求めた該ゲインに基づいて、前記複数の共通読み出し手段間のゲインの差を補正することを特徴とする固体撮像装置。
入射光を電気信号に変換する複数の光電変換素子を２次元状に配列して成る撮像手段と、
複数の画素からの信号を順次出力するための複数の共通読み出し手段と、
前記複数の共通読み出し手段それぞれについて設けられた、前記撮像手段により入射光を電気信号に変換して得られた画像信号を一時的に保持する複数の第１の保持手段と、
前記複数の共通読み出し手段それぞれについて設けられた、ノイズ信号を一時的に保持する複数の第２の保持手段と、
前記複数の共通読み出し手段それぞれについて設けられた、前記第１の保持手段に保持された画像信号から、前記第２の保持手段に保持されたノイズ信号を差分して差分信号を出力する複数の差分手段と、
前記複数の共通読み出し手段それぞれについて設けられた、前記差分手段から出力された前記差分信号に予め決められた信号処理を行う複数の処理手段と、
前記複数の共通読み出し手段それぞれについて設けられた、互いに異なる第１及び第２の固定電圧を選択的に出力する電圧供給手段と、
前記電圧供給手段による出力タイミングを制御する供給制御手段と、
前記複数の共通読み出し手段間のゲインの差を補正する補正手段とを有し、
前記複数の画素からの信号読み出しを行っていない時間に、前記複数の共通読み出し手段それぞれについて、前記供給制御手段は、前記第１の固定電圧を前記第１の保持手段及び前記第２の保持手段に供給し、前記差分手段は前記第１の保持手段から供給される信号と、前記第２の保持手段から供給される信号間の第１の差分信号を出力し、その後、前記供給制御手段は、前記第２の固定電圧を前記第１の保持手段に供給すると共に、前記第１の固定電圧を前記第２の保持手段に供給し、前記差分手段は前記第１の保持手段から供給される信号と、前記第２の保持手段から供給される信号間の第２の差分信号を出力し、
前記補正手段は、前記第１の差分信号を前記処理手段が処理した信号と前記第２の差分信号を前記処理手段が処理した信号との差と、前記第１の固定電圧と前記第２の固定電圧との差との比から、前記複数の共通読み出し手段毎の前記ゲインを求め、求めた該ゲインに基づいて、前記複数の共通読み出し手段間のゲインの差を補正することを特徴とする固体撮像装置。
前記第１及び第２の固定電圧を固体撮像装置内で生成することを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
前記第１及び第２の固定電圧は、固体撮像装置外から供給されることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
前記補正手段は、前記ゲインの差を補正するための補正値を演算し、前記補正値を用いて前記撮像手段から読み出された画像信号を補正することを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
前記複数の共通読み出し手段は、ゲインを変更可能な増幅手段を有し、
前記補正手段は、前記ゲインの差が無くなるように前記増幅手段のゲインを変更する補正信号を前記増幅手段に出力することを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。