JP4708849B2 - 固体撮像装置の駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、スキャナ、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等に用いられる固体撮像装置の駆動方法に関するものである。

近年、ＣＭＯＳプロセスを利用したＣＭＯＳセンサと呼ばれる固体撮像装置が注目されている。ＣＭＯＳセンサは、周辺回路混載の容易性、低電圧駆動等の理由から、とくに携帯情報機器分野の利用が期待されている。ＣＭＯＳセンサの高ＳＮ比化を目的として、画素と蓄積容量との間に増幅段を設けた光電変換装置が、特開平２−２９６４７０号公報に開示されている。

図４は、特開平２−２９６４７０号公報の代表図である。ＭＯＳトランジスタＭ１、Ｍ２によって構成されるソース接地型アンプは、Ｍ１のゲートに入力される画素信号を増幅し、蓄積容量ＣＴ１、ＣＴ２に出力信号を書き込む。蓄積容量に書き込む以前に信号を増幅することにより、出力線Ｓ１、Ｓ２以降で発生する回路ノイズの影響を受けにくくすることができ、センサのＳＮ比を向上できる。例えば、出力線Ｓ１、Ｓ２の後段に出力アンプを設けて、外部負荷をドライブできるようにした固体撮像装置はごく一般的である。この際、出力アンプは高い読み出し周波数に追従する必要があるため、広帯域であることが求められるが、それ故大きなノイズ発生源となる。しかし、このような回路形式をとることで、出力アンプで発生するノイズの影響は、格段に小さくすることができる。

なお、特開平２−２９６４７０号公報において、蓄積容量がＣＴ１、ＣＴ２と２つ設けてあり、同公報には明確には言及されていないが、例えば特公平８−４１２７号公報は、以下のことを開示している。同公報は、画素のリセット状態に対応する出力を一方の蓄積容量に保持し、光信号読み出し後に対応する出力をもう一方の蓄積容量に保持し、後段で差分することで、画素の暗時出力誤差に起因するノイズをある程度除去することが可能である。

しかし、画素と蓄積容量との間に増幅段を設けた特開平２−２９６４７０号公報の光電変換装置は、前述したように、低ノイズという優れた特徴を有しているが、次のような問題がある。

第１に、画素の暗時出力誤差に起因するノイズの除去性能があまり高くないことが挙げられる。従って、入射光が弱い場合、十分な光応答信号を外部に出力するためには、光応答信号をどこかで電圧増幅する必要があるが、ノイズの影響を受けてしまうことにより、ＩＳＯ１６００などの高ＩＳＯ感度設定は望むべくレベルにない。

第２に、Ｍ１、Ｍ２で構成されているアンプは、動作点によって消費電流が変化するため、ＶＣＣ配線及びＶＶＳ配線で発生する電圧降下が動作点によって異なる。したがって、各列のアンプに供給されるＶＣＣ及びＶＶＳは、他の列に入力される光信号レベルに影響される。これに加えて、この回路形式では電源電圧除去性能が悪いため、容易に水平方向の信号クロストークが発生する。

そこで、図２のような容量帰還クランプ回路を設けた固体撮像装置によって上記の問題を解決する。

図２は、容量帰還クランプ回路を設けた固体撮像装置の等価回路図であり、２次元的に画素を配列したうちのある２×２画素にかかわる部分を図示している。図２において、単位画素内は、光電変換素子であるフォトダイオード１０１と、フォトダイオード１０１で発生した信号を増幅する増幅ＭＯＳＦＥＴ１０４と、増幅ＭＯＳＦＥＴ１０４の入力を所定電圧にリセットするリセットスイッチ１０３、及び増幅ＭＯＳＦＥＴ１０４のソース電極と垂直出力線１０６との導通を制御する行選択スイッチ１０５から成っている。さらに、フォトダイオード１０１と増幅ＭＯＳＦＥＴ１０４のゲート電極との導通を制御する画素転送スイッチ１０２が設けられている。図３の駆動パルスタイミング図を用いて、この固体撮像装置の動作を詳細に説明する。読み出し動作にさきだって、所定の露光時間が経過し、フォトダイオード１０１には光電荷が蓄積されているものとする。垂直走査回路１２３によって選択された行について（ここでは添え字１で示す行が選択されたものとする）、まず画素リセットパルスＰＲＥＳ１がハイレベルからローレベルとなり、増幅ＭＯＳＦＥＴ１０４のゲート電極のリセットが解除される。このとき、ゲート電極を含む画素の寄生容量（以後ＣＦＤとする）に暗時に対応する電圧が保持される。つづいて行選択パルスＰＳＥＬ１がハイレベルとなると、暗時出力が垂直出力線１０６上に現れる。このとき演算増幅器１２０は電圧フォロワ状態にあり、演算増幅器１２０の出力はほぼ基準電圧ＶＣ０Ｒに等しい。この時、ＰＴＳとＰＴＮはハイレベルにあり、蓄積容量１１２、１１３には基準電圧ＶＣ０Ｒと、演算増幅器１２０自体が持つオフセット電圧を加えた電圧が暗時の出力として書き込まれる。所定の時間経過後、クランプパルスＰＣ０Ｒがハイレベルからローレベルとなり、垂直出力線１０６上の暗時出力がクランプ容量１０８にクランプされる。続いて、画素において、画素転送スイッチ１０２が一定期間ハイレベルとなり、フォトダイオード１０１に蓄積された光電荷が増幅ＭＯＳＦＥＴ１０４のゲート電極に転送される。ここで転送電荷は電子であり、転送された電荷量の絶対値をＱとすると、ゲート電位はＱ／ＣＦＤだけ低下する。これに対応して、垂直出力線１０６上には明時出力が現れるが、ソースフォロワゲインをＧｓｆとすると、垂直出力線電位Ｖｖｌの、暗時出力からの変化分ΔＶｖｌは次式で表される。

この電位変化は演算増幅器１２０、クランプ容量１０８及び帰還容量１２１によって構成される反転増幅回路によって増幅され、出力Ｖｃｔは式（１）と合わせて、次式であらわされる。

ここでＣ０はクランプ容量、Ｃｆは帰還容量を示している。式（２）において、第２項が光信号成分をあらわしており、画素ごとの暗時出力誤差は、クランプ動作によってＶｃｔには反映されない。画素と蓄積容量との間に増幅段を設けた特開平２−２９６４７０号公報の固体撮像装置では、暗時出力誤差に起因するノイズの除去率は制限されていたが、容量帰還クランプ回路を設けた固体撮像装置では、クランプ動作によって暗時出力誤差が反映されず、また、画素ごとの増幅ＭＯＳＦＥＴ１０４の閾値ばらつきによって発生する固体パターンノイズも容量帰還クランプ回路によって除去されるために非常に高いノイズの除去率が得られる。また、動作点によらず消費電流が一定であることと、演算増幅器の帰還作用で電源電圧除去率が高いことにより、特開平２−２９６４７０号公報の固体撮像装置で問題であった水平方向に発生する信号クロストークは解決される。明時出力Ｖｃｔは蓄積容量１１３に保持され、基準電圧ＶＣ０Ｒと、演算増幅器１２０自体が持つオフセット電圧を加えた電圧を含んだ信号としてＰＴＳがローレベルになる瞬間にサンプリングされる。しかるのち、水平走査回路１１９によって走査パルスＨ１、Ｈ２が出力され、水平転送スイッチ１１４、１１５が順番に開閉され、蓄積容量１１２、１１３に保持された明時出力信号と暗時出力信号が水平出力線１１６、１１７に読み出され差分演算をすることで、光応答信号が取得される。このとき、演算増幅器１２０自体が持つオフセット電圧も、差分演算で除去される。また、差分演算される２つの信号が、クランプパルスＰＣ０Ｒ及び、画素リセットパルスＰＲＥＳの同一ローレベル期間内でサンプリングされ、クランプスイッチ１０９及びリセットスイッチ１０３のリセット動作に関して、それぞれ同一事象であることから、ランダムノイズ成分も除去されることになる。

さらに、この容量帰還クランプ回路を設けた固体撮像装置は被写体の明るさに応じて撮像装置の感度を切り替えることにより、広ダイナミックレンジが実現できる。具体的には感度切り替えスイッチ１２２ａ、１２２ｂによって、列ごとに設けられた増幅段の帰還容量値を変える事により、異なる増幅率を設定する。容量帰還クランプ回路を設けた固体撮像装置では、帰還容量１２１ａ（Ｃｆａ）、１２１ｂ（Ｃｆｂ）、１２１ｃ（Ｃｆｃ）の容量値を、Ｃｆａ＝Ｃ０／２、Ｃｆｂ＝Ｃｆｃ＝Ｃ０／４に設定している。また、感度切り替えスイッチ１２２ａ、１２２ｂはそれぞれ感度制御パルスＰＧＣ１、ＰＧＣ２によって制御されている。これらによって、電圧増幅率を１倍、２倍、４倍に精度よく設定可能であり、容量値を増やした組み合わせによって、さらなる増幅率を設定する事が出来る。電圧増幅率が上がるにつれて、後段の広帯域な出力アンプ１１８で発生するノイズの影響を相対的に軽減することができ、被写体が暗い時のＳＮ比悪化を抑制することが可能である。その一方で増幅段の電圧増幅率が上がるにつれて、演算増幅器１２０に対して高い開ループゲインが要求される。このため、容量帰還クランプ回路を設けた固体撮像装置の演算増幅器はテレスコピック・カスコード型となっているが、電源電圧が低い場合はフォールデッド・カスコード型にする選択肢もありえる。この固体撮像装置を、例えばデジタルカメラの撮像系に適用した場合、デジタルカメラのＩＳＯ感度設定と連動して、感度制御パルスＰＧＣ１、ＰＧＣ２を供給することにより、感度調整手段として利用することが好適である。この際ゲイン設定ステップを、フィルム式カメラで一般的な２の累乗を少なくとも含むように設定すると、操作性が近くなる効果がある。なお、この固体撮像装置では帰還容量値を切り替えているが、クランプ容量値を切り替えてもよく、また両者を併用してもよい。

よって、容量帰還クランプ回路を設けた固体撮像装置及びその駆動方法によれば、リセットスイッチ１０３及びクランプスイッチ１０９で発生する固定パターンノイズ及びランダムノイズを同時に除去することができる。また、リセットスイッチ１０３及びクランプスイッチ１０９で発生する固定パターンノイズ及びランダムノイズが、演算増幅器１２０で電圧増幅されたのちでも除去できることにより、これらの副作用をおこすことなく、狭帯域な回路部で電圧増幅することによるランダムノイズ低減効果を享受することができる。これらの効果により、低ノイズの高品位な画像信号が得られる。

特開平２−２９６４７０号公報 特公平８−４１２７号公報 特開２００１-２３０９７４号公報

容量帰還クランプ回路を設けた図２の固体撮像装置及びその図３の駆動方法によれば、前述した効果により低ノイズの高品位な画像信号が得られる。

しかし、演算増幅器１２０の電圧増幅率を開ループゲインに近づけた時に、垂直走査回路１２３に近い画素部の出力と、水平方向に離れた画素部の出力が異なってしまうといった問題が発生した。これは、図３の駆動パルスタイミング図で駆動したときに転送パルスＰＴＸ１がオンからオフになった時にＣＦＤの電位が振らされ、その影響が信号出力線に伝播するからである。ＰＴＸ１がオンからオフになった瞬間はＰＴＳがハイレベルであるので、振られた電圧が容量帰還クランプ回路を通して蓄積容量１１２に書き込まれるので出力に大きく影響する。垂直走査回路１２３に近い画素部のＰＴＸは急峻で振られのレベルも大きく、水平方向に離れた画素部でのＰＴＸは寄生容量や配線抵抗によって滑らかになっているために振られのレベルも小さい。よって、出力としては垂直走査回路１２３に近い画素部の出力と、水平方向に離れた画素部の出力が異なってしまう、といった現象になる。また、ＰＴＳのハイレベル時間をあまり短くすると、特開２００１-２３０９７４号公報のような、強いスポット光が入射した画像で、スポットの左右に白っぽい帯が発生するといった問題がある。

本発明の目的は、演算増幅器の電圧増幅率を開ループゲインに近づけた時に、垂直走査回路に近い画素部の出力と、その水平方向に離れた画素部の出力が異なってしまうことを防止することである。

本発明の固体撮像装置の駆動方法は、光電変換により電荷が生じる光電変換素子と、前記光電変換素子で生じた電荷に基づく信号を増幅する増幅ＭＯＳトランジスタと、導通状態において、前記光電変換素子の電荷を前記増幅ＭＯＳトランジスタのゲート電極へ転送する転送スイッチと、を有する画素と、前記増幅ＭＯＳトランジスタにより増幅された信号を転送する信号線と、前記信号線に接続される演算増幅器と、前記演算増幅器から出力される信号を蓄積する第１の信号蓄積手段と、前記演算増幅器の反転入力端子及び出力端子間に接続される第１の容量と、前記演算増幅器の前記反転入力端子及び前記信号線間に接続される第２の容量と、を有する列が複数設けられた固体撮像装置の駆動方法であって、前記第１の容量と前記第２の容量との容量比が可変であり、設定された感度に応じて前記容量比を切り替えて、前記演算増幅器の増幅率を切り替え、前記転送スイッチへ供給する第１のパルスを、前記光電変換素子と前記増幅ＭＯＳトランジスタの前記ゲート電極との間が導通する第１の状態から、前記光電変換素子と前記増幅ＭＯＳトランジスタの前記ゲート電極との間が非導通となる第２の状態へ変化させた後、前記演算増幅器の前記出力端子と前記第１の信号蓄積手段とを導通させることを特徴とする。

信号の転送完了から所定時間経過後に、演算増幅器により出力される信号を第１の信号蓄積手段に蓄積開始することにより、定常状態になった信号を第１の信号蓄積手段に蓄積することができる。これにより、垂直走査回路に近い光電変換素子の出力と、垂直走査回路から離れた光電変換素子の出力が異なってしまうことを防止できる。

本発明の実施形態について以下に詳細に説明する。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態の固体撮像装置について説明する。図１は第１の実施形態の固体撮像装置の駆動タイミングパルスであり、図２は第１の実施形態の固体撮像装置の等価回路図であり、２次元的に画素を配列したうちのある２×２画素にかかわる部分を図示している。図１の駆動タイミングパルス図を用いてこの固体撮像装置の動作を詳細に説明する。図１と従来技術の駆動タイミングパルスである図３と異なるところは、信号ＰＴＸ１、ＰＴＳ、ＰＴＮのタイミングの違いにある。その他の基本動作は従来技術と同様であるので説明は省略する。前記問題であるＣＦＤの電位の振られによる出力への影響を無くすために、信号ＰＴＸ１がローレベル（オフ）になった瞬間から、所定時間経過後にＣＦＤの電位が定常状態になってから信号ＰＴＳをハイレベル（オン）にすることにより、蓄積容量１１２にＣＦＤの電位の振られによる影響を受けないレベルの電圧を書き込むことができる。信号ＰＴＸ１のローレベル（オフ）から信号ＰＴＳのハイレベル（オン）までの時間は長ければ長いほど良いが、画像信号の読出し時間を考えなければならないので、固体撮像装置の動作周波数を考慮して設定することが望ましい。よって、本発明の第１の実施形態の固体撮像装置及び駆動方法によって、前記問題であった垂直走査回路１２３に近い画素部の出力と、水平方向に離れた画素部の出力が異なってしまうという問題が解決する。

光電変換素子であるフォトダイオード１０１は、光電変換により画素信号を生成する光電変換素子である。増幅ＭＯＳＦＥＴ１０４は、フォトダイオード１０１で発生した信号を増幅する。リセットスイッチ１０３は、増幅ＭＯＳＦＥＴ１０４の入力を所定電圧にリセットする。行選択スイッチ１０５は、増幅ＭＯＳＦＥＴ１０４のソース電極と垂直出力線１０６との導通を制御する。画素転送スイッチ１０２は、フォトダイオード１０１と増幅ＭＯＳＦＥＴ１０４のゲート電極との導通を制御する。出力信号線１０６には、フォトダイオード１０１により生成される画素信号がＭＯＳＦＥＴ１０２及び１０５を介して転送される。演算増幅器１２０は、出力信号線１０６に接続される。蓄積容量（信号蓄積手段）１１２及び１１３は、それぞれＭＯＳＦＥＴ（スイッチ）１１０及び１１１を介して演算増幅器１２０により出力される信号を蓄積する。ＭＯＳＦＥＴ１１０は、演算増幅器１２０の出力端子及び蓄積容量１１２間の導通を制御する。ＭＯＳＦＥＴ１１１は、演算増幅器１２０の出力端子及び蓄積容量１１３間の導通を制御する。

図１の駆動パルスタイミング図を用いて、この固体撮像装置の動作を詳細に説明する。読み出し動作にさきだって、所定の露光時間が経過し、フォトダイオード１０１には光電荷が蓄積されているものとする。垂直走査回路１２３によって選択された行について（ここでは添え字１で示す行が選択されたものとする）、まず画素リセットパルスＰＲＥＳ１がハイレベルからローレベルとなり、増幅ＭＯＳＦＥＴ１０４のゲート電極のリセットが解除される。このとき、ゲート電極を含む画素の寄生容量（以後ＣＦＤとする）に暗時に対応する電圧が保持される。つづいて行選択パルスＰＳＥＬ１がハイレベルとなると、暗時出力が垂直出力線１０６上に現れる。このとき演算増幅器１２０は電圧フォロワ状態にあり、演算増幅器１２０の出力はほぼ基準電圧ＶＣ０Ｒに等しい。この時、ＰＴＳとＰＴＮはハイレベルにあり、蓄積容量１１２、１１３には基準電圧ＶＣ０Ｒと、演算増幅器１２０自体が持つオフセット電圧を加えた電圧が暗時の出力として書き込まれる。所定の時間経過後、クランプパルスＰＣ０Ｒがハイレベルからローレベルとなり、垂直出力線１０６上の暗時出力がクランプ容量１０８にクランプされる。

次に、信号ＰＴＮをハイレベルにすると、ＭＯＳＦＥＴ１１１がオンし、演算増幅器１２０の出力が蓄積容量１１３に蓄積される。蓄積容量１１３に蓄積される信号は、暗時出力のノイズである。

次に、信号ＰＴＸ１がハイレベルになると、画素転送スイッチ１０２がオンになる。フォトダイオード１０１に蓄積された光電荷が増幅ＭＯＳＦＥＴ１０４のゲート電極に転送される。信号ＰＳＥＬ１はハイレベルであるので、行選択スイッチ１０５はオンである。増幅ＭＯＳＦＥＴ１０４の出力は、行選択スイッチ１０５を介して出力信号線１０６に出力される。

信号ＰＴＸ１がローレベルになると、フォトダイオード１０１から出力信号線１０６への画素信号の転送が完了する。その転送完了から所定時間経過後に、信号ＰＴＳをハイレベルにすることにより、ＭＯＳＦＥＴ１１０をオンにし、演算増幅器１２０により出力される信号を蓄積容量１１２に蓄積開始する。信号ＰＴＸ１がローレベルになった後、所定時間経過後にＣＦＤの電位が定常状態になってから信号ＰＴＳをハイレベルにすることにより、蓄積容量１１２にＣＦＤの電位の振られによる影響を受けないレベルの電圧を書き込むことができる。蓄積容量１１２に蓄積される信号は、定常状態の明時出力の画素信号である。

蓄積容量１１２は、ＭＯＳＦＥＴ１１４を介して出力線１１６に接続される。蓄積容量１１３は、ＭＯＳＦＥＴ１１５を介して出力線１１７に接続される。出力アンプ（出力バッファ）１１８は、非反転入力端子が出力線１１６に接続され、反転入力端子が出力線１１７に接続される。信号Ｈ１がハイレベルになると、ＭＯＳＦＥＴ１１４及び１１５がオンになり、蓄積容量１１２及び１１３の蓄積電荷がそれぞれ出力線１１６及び１１７に転送される。出力アンプ１１８は、蓄積容量１１２の画素信号と蓄積容量１１３のノイズとの差分演算を行って出力する。

演算増幅器１２０は、差動増幅器である。帰還容量１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃは、差動増幅器１２０の反転入力端子と出力端子間に接続される。ＭＯＳＦＥＴ（スイッチ）１２２ａ，１２２ｂは、差動増幅器１２０の反転入力端子と出力端子間の導通を制御する。クランプ容量１０８は、差動増幅器の反転入力端子及び出力信号線１０６間に接続される。差動増幅器１２０は１段の差動増幅回路から成る。

ＭＯＳＦＥＴ１２２ａ，１２２ｂにより、クランプ容量１０８と帰還容量１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃとの容量比は可変である。クランプ容量１０８と帰還容量１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃとの設定可能な複数の容量比は、少なくとも互いに２の累乗倍の関係にある組が一つ以上含まれる。例えば、クランプ容量１０８をＣ０とすると、帰還容量１２１ａ（Ｃｆａ）、１２１ｂ（Ｃｆｂ）、１２１ｃ（Ｃｆｃ）の容量値は、Ｃｆａ＝Ｃ０／２、Ｃｆｂ＝Ｃｆｃ＝Ｃ０／４である。また、感度切り替えスイッチ１２２ａ、１２２ｂはそれぞれ感度制御パルスＰＧＣ１、ＰＧＣ２によって制御されている。これらによって、電圧増幅率を１倍、２倍、４倍に精度よく設定可能であり、容量値を増やした組み合わせによって、さらなる増幅率を設定する事が出来る。電圧増幅率が上がるにつれて、後段の広帯域な出力アンプ１１８で発生するノイズの影響を相対的に軽減することができ、被写体が暗い時のＳＮ比悪化を抑制することが可能である。

信号ＰＴＸ１がローレベルになってから信号ＰＴＳがハイレベルになるまでの所定時間は、クランプ容量１０８と帰還容量１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃとの容量比に応じて異ならせることができる。

以上は、垂直走査回路１２３によって信号ＰＲＥＳ１、ＰＴＸ１、ＰＳＥＬ１が選択された場合を例に説明したが、信号ＰＲＥＳ２、ＰＴＸ２、ＰＳＥＬ２等の場合も同様である。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態の固体撮像装置について説明する。第２の実施形態の固体撮像装置の等価回路図は図２であり、基本的な動作は従来技術と同様であるので説明は省略する。前記問題である、垂直走査回路１２３に近い画素部の出力と、水平方向に離れた画素部の出力が異なってしまうといった現象は、演算増幅器１２０の電圧増幅率を開ループゲインに近づけた時に発生し易いので、電圧増幅率によって駆動タイミングを変えることとする。本固体撮像装置では感度切り替えスイッチ１２２ａ，１２２ｂによって帰還容量１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃの容量値を変えることにより、電圧増幅率を設定している。よって、開ループゲインに近い電圧増幅率に設定する時のモードでは図１の駆動タイミングパルスで動作し、それ以下の電圧増幅率を設定した時のモードでは図３の駆動タイミングパルスで動作する。すなわち、入射光の弱い被写体を想定していて高ＩＳＯ感度設定にする場合で開ループゲイン限界の時には図１の駆動タイミングパルスで動作させ、それ以外のＩＳＯ感度設定の場合には図３の駆動タイミングパルスで動作させる。よって、高ＩＳＯ感度設定以外の動作においては高速な動作が可能である。図３の駆動タイミングパルスでは、画素転送スイッチ１０２のオン時間はＭＯＳＦＥＴ１１０のオン時間内にありかつＭＯＳＦＥＴ１１０のオン時間よりも短い。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態の固体撮像装置について説明する。本発明の第３の実施形態の固体撮像装置は、図１の駆動タイミングパルス図において、信号ＰＴＳのハイレベル（オン状態）と信号ＰＴＮのハイレベル（オン状態）の時間が同一である駆動タイミングパルスであることを特徴としている。第３の実施形態の固体撮像装置の等価回路図は図２であり、基本的な動作は従来技術と同様であるので説明は省略する。寄生容量や配線抵抗などによって垂直出力線に流れる電流が垂直走査回路１２３に近いところと、水平方向に離れたところで異なるために演算増幅器１２０の動作速度も異なる。そして、信号ＰＴＳとＰＴＮのハイレベル時間が異なると、サンプリングのタイミングが異なるので垂直走査回路１２３に近い蓄積容量１１２、１１３と、水平方向に離れたそれらに書き込まれる電圧が異なってしまう。本発明の第３の実施形態の固体撮像装置は、図１の駆動タイミングパルス図において、信号ＰＴＳのハイレベルと信号ＰＴＮのハイレベルの時間が同一である駆動タイミングパルスであることを特徴としている。すなわち、ＭＯＳＦＥＴ１１０のオン時間とＭＯＳＦＥＴ１１１のオン時間が等しい。この信号ＰＴＳとＰＴＮのハイレベル時間を同一にすることは明時出力信号と暗時出力信号のサンプリング間隔を同一にして差分演算するので精度良く光応答信号を出力することができる。よって、本発明の第３の実施形態の駆動タイミングパルスを使用することにより、垂直走査回路１２３に近い画素部の出力と、水平方向に離れた画素部の出力を均一にすることが可能となる。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態の固体撮像装置について説明する。本発明の第４の実施形態の固体撮像装置は、図１の駆動タイミングパルス図において、信号ＰＴＸ１のローレベル（オフ）から信号ＰＴＳのハイレベル（オン）までの所定時間は信号ＰＴＸ１のハイレベル時間（画素転送スイッチ１０２のオン時間）の１．５倍以上の時間であり、また、信号ＰＴＳのハイレベル時間（ＭＯＳＦＥＴ１１０のオン時間）は信号ＰＴＸ１のハイレベル時間の２倍から５倍の時間であることを特徴とする固体撮像装置である。第４の実施形態の固体撮像装置の等価回路図は図２であり、基本的な動作は従来技術と同様であるので説明は省略する。第１の実施形態で説明したように信号ＰＴＸ１のローレベル（オフ）から所定時間経過後にＣＦＤの電位が定常状態になってから信号ＰＴＳをハイレベル（オン）にすることにより、蓄積容量１１２に所望のレベルの電圧を書き込むことができる。このＣＦＤの電位が定常状態になる設定時間は寄生容量と配線抵抗などから時定数を考慮して信号ＰＴＸ１のハイレベル時間の１．５倍以上とすることで定常状態にすることができる。この前記設定時間を設けることでＣＦＤの電位揺られによる影響を受けることが無くなるので垂直走査回路１２３に近い画素部の出力と、水平方向に離れた画素部の出力が異なってしまうという問題が解決する。また、信号ＰＴＳのハイレベル時間をあまり短くすると、特開２００１−２３０９７４号公報のような、強いスポット光が入射した画像で、スポットの左右に白っぽい帯が発生するといった問題があるが、これは信号ＰＴＳのハイレベル時間を短くすると、寄生容量や配線抵抗などによるリンギングやオーバーシュートをサンプリングしてしまうために強いスポット光が入射した画像で、スポットの左右に白っぽい帯が発生してしまう。よって、信号ＰＴＳのハイレベル時間は信号ＰＴＸ１のハイレベル時間の２倍から５倍の時間にすることで、前記問題は解決する。

（第５の実施形態）
図５は、本発明の第５の実施形態の撮像装置として、前述した各実施形態の固体撮像装置を用いた撮像システム（スチルビデオカメラ）の構成図である。撮像装置は、レンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア１、被写体の光学像を固体撮像素子４に結像させるレンズ２、レンズ２を通った光量を可変するための絞り３、レンズ２で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子４（上記の各実施形態で説明した固体撮像装置に相当する）、固体撮像素子４から出力される画像信号に各種の補正、クランプ等の処理を行う撮像信号処理回路５、固体撮像素子４より出力される画像信号のアナログ−ディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器６、Ａ／Ｄ変換器６より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する信号処理部７、固体撮像素子４及び撮像信号処理回路５及びＡ／Ｄ変換器６及び信号処理部７に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部８で構成される。なお、５〜８の各回路は固体撮像素子４と同一チップ上に形成しても良い。また、各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部９、画像データを一時的に記憶するためのメモリ部１０、記録媒体に記録又は読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部１１、画像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１２、外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース（Ｉ／Ｆ）部１３で固体撮像システムは構成される。

次に、図５の動作について説明する。バリア１がオープンされるとメイン電源がオンし、次にコントロール系の電源がオンする。さらに、Ａ／Ｄ変換器６などの撮像系回路の電源がオンされる。それから、露光量を制御するために、全体制御・演算部９は絞り３を開放する。固体撮像素子４から出力された信号は、撮像信号処理回路５をスルーしてＡ／Ｄ変換器６へ出力される。Ａ／Ｄ変換器６は、その信号をＡ／Ｄ変換して、信号処理部７に出力する。信号処理部７は、そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部９で行う。

この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部９は絞りを制御する。次に、固体撮像素子４から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し、被写体までの距離の演算を全体制御・演算部９で行う。その後、レンズ２を駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断したときは、再びレンズ２を駆動し測距を行う。

そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像素子４から出力された画像信号は、撮像信号処理回路５において補正等がされ、さらにＡ／Ｄ変換器６でＡ／Ｄ変換され、信号処理部７を通り全体制御・演算９によりメモリ部１０に蓄積される。その後、メモリ部１０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１２に記録される。また外部Ｉ／Ｆ部１３を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。

以上述べたように、第１〜第５の実施形態の固体撮像装置によれば、信号ＰＴＸ１がローレベルになった瞬間から、所定時間経ってＣＦＤの電位が落ち着いてから信号ＰＴＳをハイレベルにすることにより、垂直走査回路１２３に近い画素部の出力と、水平方向に離れた画素部の出力が異なってしまうという問題が発生することが無くなる。また、ＩＳＯ感度設定ごとに駆動パルスタイミングを変えることにより、動作速度を速くすることができる。また、信号ＰＴＳとＰＴＮのハイレベル時間を同一にすることにより、垂直走査回路１２３に近い画素部の出力と、水平方向に離れた画素部の出力を更に均一な出力にすることが可能である。また、信号ＰＴＸ２のローレベル（オフ）から信号ＰＴＳのハイレベル（オン）までの所定時間を信号ＰＴＸ１のハイレベル時間の１．５倍以上の時間とすることにより、垂直走査回路１２３に近い画素部の出力と、水平方向に離れた画素部の出力が異なってしまうという問題が解決する。また、信号ＰＴＳをあまり短いサンプリング区間にすると、強いスポット光が入射した画像で、スポットの左右に白っぽい帯が発生するといった問題があるが、信号ＰＴＳのハイレベル時間は信号ＰＴＸ１のハイレベル時間の２倍から５倍の時間にすることで、前記問題は解決する。

なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本発明の第１、２、３、４の実施形態の固体撮像装置における駆動パルスタイミング図である。 本発明の第１、２、３、４の実施形態の固体撮像装置を示す等価回路図である。 従来技術による固体撮像装置における駆動パルスタイミング図である。 従来技術による固体撮像装置を示す等価回路図である。 本発明の第５の実施形態の撮像システムを示す概念図である。

符号の説明

１ バリア
２ レンズ
３ 絞り
４ 固体撮像素子
５ 撮像信号処理回路
６ Ａ／Ｄ変換器
７ 信号処理部
８ タイミング発生部
９ 全体制御・演算部
１０ メモリ部
１１ 記録媒体制御インターフェース（Ｉ／Ｆ）部
１２ 記録媒体
１３ 外部インターフェース（Ｉ／Ｆ）部
１０1 フォトダイオード
１０２ 画素転送スイッチ
１０３ リセットスイッチ
１０４ ドライバＭＯＳＦＥＴ
１０５ 行選択スイッチ
１０６ 垂直出力線
１０７ 負荷ＭＯＳＦＥＴ
１０８ クランプ容量
１０９ クランプスイッチ
１１０、１１１ 転送ゲート
１１２、１１３ 蓄積容量
１１４、１１５ 水平転送スイッチ
１１６、１１７ 水平出力線
１１８ 出力アンプ
１１９ 水平走査回路
１２０ 演算増幅器
１２１ 帰還容量
１２２ 感度切り替えスイッチ
１２３ 垂直走査回路

Claims (7)

1. 光電変換により電荷が生じる光電変換素子と、
   前記光電変換素子で生じた電荷に基づく信号を増幅する増幅ＭＯＳトランジスタと、
   導通状態において、前記光電変換素子の電荷を前記増幅ＭＯＳトランジスタのゲート電極へ転送する転送スイッチと、
   を有する画素と、
   前記増幅ＭＯＳトランジスタにより増幅された信号を転送する信号線と、
   前記信号線に接続される演算増幅器と、
   前記演算増幅器から出力される信号を蓄積する第１の信号蓄積手段と、
   前記演算増幅器の反転入力端子及び出力端子間に接続される第１の容量と、
   前記演算増幅器の前記反転入力端子及び前記信号線間に接続される第２の容量と、
   を有する列が複数設けられた固体撮像装置の駆動方法であって、
   前記第１の容量と前記第２の容量との容量比が可変であり、設定された感度に応じて前記容量比を切り替えて、前記演算増幅器の増幅率を切り替え、
   前記転送スイッチへ供給する第１のパルスを、前記光電変換素子と前記増幅ＭＯＳトランジスタの前記ゲート電極との間が導通する第１の状態から、前記光電変換素子と前記増幅ＭＯＳトランジスタの前記ゲート電極との間が非導通となる第２の状態へ変化させた後、前記演算増幅器の前記出力端子と前記第１の信号蓄積手段とを導通させることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
2. 前記増幅ＭＯＳトランジスタの前記ゲート電極の電位が定常状態になった後に、前記演算増幅器の前記出力端子と前記第１の信号蓄積手段とを導通させることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
3. 前記第１のパルスを前記第２の状態としてから、前記演算増幅器の前記出力端子と前記第１の信号蓄積手段とを導通させるまでの時間が、前記第１のパルスが前記第１の状態である期間の１．５倍以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置の駆動方法。
4. 前記固体撮像装置は、前記第１の信号蓄積手段と並列に設けられ、前記演算増幅器により出力される信号を蓄積する第２の信号蓄積手段と、
   をさらに有し、前記演算増幅器の前記出力端子と前記第１の信号蓄積手段とが導通している期間と、前記演算増幅器の前記出力端子と前記第２の信号蓄積手段とが導通している期間とが等しいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
5. 前記演算増幅器の前記容量比に応じて、前記第１のパルスを前記第２の状態としてから、前記演算増幅器の前記出力端子と前記第１の信号蓄積手段とを導通させるまでの時間を異ならせることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
6. 前記演算増幅器は、第１の増幅率と、該第１の増幅率よりも増幅率が高い第２の増幅率とを切り替えて動作する少なくとも２つのモードを有し、
   前記第１の増幅率で動作する場合には、前記第１のパルスが前記第１の状態である期間は、前記演算増幅器の前記出力端子と前記第１の信号蓄積手段とを導通させている期間よりも短く、且つ前記第１のパルスを前記第１の状態から前記第２の状態に変化させるよりも先に、前記演算増幅器の前記出力端子と前記第１の信号蓄積手段とを導通させ、
   前記第２の増幅率で動作する場合には、前記第１のパルスを前記第１の状態から前記第２の状態に変化させた後に、前記演算増幅器の前記出力端子と前記第１の信号蓄積手段とを導通させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
7. 前記演算増幅器の前記出力端子と前記第１の信号蓄積手段とが導通している期間は、前記第１のパルスが前記第１の状態である期間の２倍から５倍の時間であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。

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