JP4742666B2

JP4742666B2 - 固体撮像装置

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Publication number: JP4742666B2
Application number: JP2005133466A
Authority: JP
Inventors: 英明松田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2005-04-28
Filing date: 2005-04-28
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2025-04-28
Also published as: JP2006311374A

Description

本発明は、部分読み出しが可能な固体撮像装置とその駆動方法に関するものである。

近年、ビデオカメラや電子カメラが広く一般に普及している。これらのカメラには、ＣＣＤ方式イメージセンサを搭載した固体撮像装置、あるいは、各画素に画素アンプを配置させた増幅型やＣＭＯＳ型等のＸ−Ｙアドレス方式イメージセンサを搭載した固体撮像装置が使用されている。このようなイメージセンサは、画素がマトリクス状に複数配置され、各画素にて光電変換を行い信号電荷を生成する。生成された信号電荷、または、信号電荷に応じた電気信号は、タイミングジェネレータの指示の下に走査回路から駆動信号が出力されこの駆動信号に従って、ＣＣＤや信号線を介してイメージセンサから外部に出力される。

ところで、上記カメラは、多様な使用目的が要求されるようになり、イメージセンサの有効エリアのうち特定エリアのみを読み出す、部分読み出しが提案されている。

特許文献１には、Ｘ−Ｙアドレス方式のイメージセンサによる部分読み出しが開示されている。特許文献１には、読み出す必要が無い行は、比較的短い周期で高速に垂直シフトレジスタのパルスをシフトさせ、信号を読み出す行は、通常どおり比較的長い周期で低速に垂直シフトレジスタのパルスをシフトさせて各画素から信号を出力させる撮像装置が開示されている（特許文献１の図６参照）。

また、特許文献２には、増幅型の固体撮像装置として、各画素の信号増幅用アンプに接合型電界効果トランジスタを用いた固体撮像装置が、開示されている。
特開平９−４６６００号公報特開平８−２９３５９１号公報

しかしながら、例えば、すべての画素に同じ光量を照射して、特許文献１に記載されたように読み出す必要が無い行に関して高速にパルスをシフトした後、信号を読み出すべき行について通常通りに読み出すと、通常通りに読み出した最初の数行は、正しい画素の出力が得られず、例えばその部分が暗い画像となってしまうという問題があることが判明した。すなわち、特許文献１に開示されているように部分読み出しを行うと、選択された最初の数行（読み出される最初の数行）は、実際の信号より電位の変動した信号が出力されてしまうことが判明した。

本発明は、このような問題点を鑑みてなされたものであり、部分読み出しを行うことができ、しかも、部分的に読み出すべき領域の画素行の信号を読み出す際に最初に選択される数行においても、信号の電位の変動を低減することができ、これにより良好な画像信号が得ることができる固体撮像装置及びその駆動方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上記特許文献１に開示された従来技術において上記問題点が生ずる原因を突き止めた。この原因について、以下に説明する。

増幅型等のＸ−Ｙアドレス方式のイメージセンサにおいては、各垂直信号線に、画素内の増幅アンプ（信号増幅用トランジスタ等）の負荷として電流源が接続される。これにより、通常通り全画素を読み出す場合には、各行が比較的短い周期で各垂直信号線に読み出されるため、画素から信号が垂直信号線に読み出されるタイミングの垂直信号線の電位は、各行で等しい電位となる。

しかしながら、上記特許文献１に開示された従来技術を採用する場合において、高速で垂直シフトレジスタをシフトするときに画素から信号が垂直信号線に読み出されないようにする場合には、全画素から読み出すときと比較して、長時間の間、垂直信号線には画素からの信号が出力されない。この長時間の待機時間において、垂直信号線の電位は、変動していくのである。また、上記特許文献１に開示された従来技術を採用する場合において、高速で垂直シフトレジスタをシフトするときに画素から信号が垂直信号線に読み出されるようにする場合には、その際の画素から垂直信号線への信号読み出し周期が短くなるため、全画素から読み出すときと比較して、垂直信号線の電位は、変動していくのである。このため、いずれの場合にも、部分的に読み出すべき行に移ってその最初の数行を読み出す間、垂直信号線の電位が元の電位に戻らず、その行の画素から垂直信号線に出力される信号の電位は、その後に出力される行の画素より変動した信号となる。言い換えれば、垂直信号線における基準となる電位のレベルが、部分的に読み出すべき最初の数行を読む間は本来のレベルから変動してしまうのである。

増幅型固体撮像装置では、一般に、最初に画素からノイズ成分を読み出し、続いて当該画素から信号成分を読み出し、その差分を、ノイズの除去された当該画素の信号成分として得ている。しかしながら、上記のように基準となる電位レベルがずれてしまうと、本来の動作点からずれてしまい、線形性の保証されない領域での動作となってしまう。そのため、垂直信号線の電位が安定するまでの間は、すなわち、部分的に読み出すべき領域の最初の数行では、例えば、階調が潰れて暗い画像となってしまうのである。

本発明は、このような原因究明に基づいてなされたものである。すなわち、本発明の第１の態様による固体撮像装置は、（ａ）２次元に配置された複数の画素と、該複数の画素とは別に設けられた少なくとも１行のダミー画素と、前記複数の画素の列毎に設けられた複数の垂直信号線と、前記複数の画素の行の１つを順次選択しつつ、その選択された行の各画素に、当該画素に対応する垂直信号線への信号読み出し動作を行わせるための画素行駆動パルスを出力する垂直走査回路と、前記複数の画素の列を順次選択するための画素列選択パルスを出力する水平走査回路と、ダミー画素駆動手段と、を有するイメージセンサ部と、（ｂ）前記垂直走査回路及び前記水平走査回路を駆動するための駆動パルスを出力するタイミングジェネレータと、（ｃ）状態設定手段と、を備えたものである。前記複数の画素の各々が入射光を光電変換して入射光に応じた信号を生成する有効画素であるか、あるいは、前記複数の画素のうちの一部の画素が前記有効画素であるとともに前記複数の画素のうちの残りの画素が黒レベルの信号を生成するオプチカルブラック画素である。前記垂直走査回路は、前記複数の画素の行を選択するための垂直シフトパルスを生成し出力する垂直シフトレジスタと、前記垂直シフトパルスに従って前記選択された行の各画素に前記画素行駆動パルスを出力する垂直駆動回路とを有する。前記タイミングジェネレータは、前記複数の画素の行のうちの部分的に読み出すべき行が前記垂直シフトパルスにより選択されるときには、前記垂直シフトパルスが第１の周期でシフトするように当該垂直シフトパルスを垂直シフトレジスタに生成させる一方、前記複数の画素の行のうちの他の行が前記垂直シフトパルスにより選択されるときには、前記垂直シフトパルスが前記第１の周期より短い第２の周期でシフトするように当該垂直シフトパルスを垂直シフトレジスタに生成させる。前記状態設定手段は、前記複数の画素の行のうちの部分的に読み出すべき行が前記垂直シフトパルスにより選択されるときには、前記選択された行の各画素への前記画素行駆動パルスの供給が行われる状態に設定する一方、前記複数の画素の行のうちの他の行が前記垂直シフトパルスにより選択されるときには、前記選択した行の各画素への前記画素行駆動パルスの供給が行われない状態に設定する。前記ダミー画素駆動手段は、前記複数の画素の行のうちの前記他の行が前記垂直シフトパルスにより選択されるときに、前記ダミー画素の行の各ダミー画素に、当該ダミー画素に対応する垂直信号線への擬似的な信号読み出し動作を行わせる。

本発明の第２の態様による固体撮像装置は、前記第１の態様において、前記状態設定手段は、前記複数の画素の行のうちの部分的に読み出すべき行が前記垂直シフトパルスにより選択されるときには、前記垂直シフトパルスを前記垂直駆動回路へ供給する一方、前記複数の画素の行のうちの他の行が前記垂直シフトパルスにより選択されるときには、前記垂直シフトパルスの前記垂直駆動回路への供給を阻止するものである。

本発明の第３の態様による固体撮像装置は、前記第１の態様において、前記状態設定手段は、前記画素行駆動パルスの元になる駆動パルスを、前記垂直駆動回路及び前記ダミー画素駆動手段のいずれか一方に選択的に供給する選択供給手段を含み、前記選択供給手段は、前記複数の画素の行のうちの部分的に読み出すべき行が前記垂直シフトパルスにより選択されるときには、前記画素行駆動パルスの元になる前記駆動パルスを、前記垂直駆動回路に選択的に供給する一方、前記複数の画素の行のうちの他の行が前記垂直シフトパルスにより選択されるときには、前記画素行駆動パルスの元になる前記駆動パルスを、前記ダミー画素駆動手段に選択的に供給するものである。

本発明の第４の態様による固体撮像装置は、前記第１の態様において、前記状態設定手段は、前記複数の画素の行のうちの部分的に読み出すべき行が前記垂直シフトパルスにより選択されるときには、前記画素行駆動パルスの元になる駆動パルスを前記垂直駆動回路へ供給する一方、前記複数の画素の行のうちの他の行が前記垂直シフトパルスにより選択されるときには、前記画素行駆動パルスの元になる前記駆動パルスの前記垂直駆動回路への供給を阻止するものである。

本発明の第５の態様による固体撮像装置の駆動方法は、２次元に配置された複数の画素と、該複数の画素とは別に設けられた少なくとも１行のダミー画素と、前記複数の画素の列毎に設けられた複数の垂直信号線と、前記複数の画素の行の１つを順次選択しつつ、その選択された行の各画素に、当該画素に対応する垂直信号線への信号読み出し動作を行わせるための画素行駆動パルスを出力する垂直走査回路と、を備え、前記複数の画素の各々が入射光を光電変換して入射光に応じた信号を生成する有効画素であるか、あるいは、前記複数の画素のうちの一部の画素が前記有効画素であるとともに前記複数の画素のうちの残りの画素が黒レベルの信号を生成する複数のオプチカルブラック画素であり、前記垂直走査回路は、前記複数の画素の行を選択するための垂直シフトパルスを生成し出力する垂直シフトレジスタと、前記垂直シフトパルスに従って前記選択された行の各画素に前記画素行駆動パルスを出力する垂直駆動回路とを有する固体撮像装置の駆動方法であって、（ａ）前記複数の画素の行のうちの部分的に読み出すべき行が前記垂直シフトパルスにより選択されるときには、前記垂直シフトパルスを第１の周期でシフトさせる一方、前記複数の画素の行のうちの他の行が前記垂直シフトパルスにより選択されるときには、前記垂直シフトパルスを前記第１の周期より短い第２の周期でシフトさせ、（ｂ）前記複数の画素の行のうちの部分的に読み出すべき行が前記垂直シフトパルスにより選択されるときには、前記選択された行の各画素への前記画素行駆動パルスの供給が行われる状態に設定する一方、前記複数の画素の行のうちの他の行が前記垂直シフトパルスにより選択されるときには、前記選択した行の各画素への前記画素行駆動パルスの供給が行われない状態に設定し、（ｃ）前記複数の画素の行のうちの前記他の行が前記垂直シフトパルスにより選択されるときに、前記ダミー画素の行の各ダミー画素に、当該ダミー画素に対応する垂直信号線への擬似的な信号読み出し動作を行わせるものである。

なお、前記第１乃至第５の態様において、前記複数の画素の各々は、信号増幅用のトランジスタ等の増幅器を有していてもよい。また、前記各垂直信号線には、電流源が接続されていてもよい。

また、前記第１乃至第５の態様において、前記ダミー画素は、垂直信号線の電位に対する影響が前記複数の画素と同様となるものであればよいので、前記ダミー画素は、必ずしも、有効画素又はオプチカルブラック画素と同一の構成に限定されるものではなく、例えば、フォトダイオード等の光電変換部を有してもいてもいなくてもよいし、光電変換部が遮光されていてもいなくてもよい。

本発明によれば、部分読み出しを行うことができ、しかも、部分的に読み出すべき領域の画素行の信号を読み出す際に最初に選択される数行においても、信号の電位の変動を低減することができ、これにより良好な画像信号が得ることができる固体撮像装置及びその駆動方法を提供することができる。

以下、本発明による固体撮像装置及びその駆動方法について、図面を参照して説明する。

［第１の実施の形態］

図１は、本発明の第１の実施の形態による固体撮像装置１を示す概略構成図である。図２は、図１中のイメージセンサ２を示す概略構成図である。図３は、図２中の有効画素１１を示す回路図である。図４は、図１及び図２中の垂直駆動回路１６、ゲート回路１５及びダミー画素駆動回路１７を示す回路図である。図５は、図１及び図２中の読み出し回路１９を示す回路図である。

本実施の形態による固体撮像装置１は、図１に示すように、ＣＭＯＳ型のイメージセンサ２と、タイミングジェネレータ３とを備えている。タイミングジェネレータ３は、後述する波形及びタイミングで、イメージセンサ２の各部に、駆動パルス等として後述するパルスを供給する。

イメージセンサ２は、図１及び図２に示すように、２次元マトリクス状に配置された有効画素１１、オプチカルブラック画素（以下、「ＯＢ画素」と称す。）１２及びダミー画素１３からなる画素マトリクス１０と、垂直走査回路を構成している垂直シフトレジスタ１４及び垂直駆動回路１６と、ゲート回路１５と、水平走査回路を構成している水平シフトレジスタ１８と、読み出し回路１９と、ダミー画素駆動回路１７とを備えている。

本実施の形態では、図２に示すように、有効画素１１、ＯＢ画素１２及びダミー画素１３がそれぞれ行毎に配置されている。本実施の形態では、ダミー画素１３を１行、ＯＢ画素１２を２行ずつ２箇所とし、有効画素１１をｎ−４行とし、全体の行数をｎ＋１とし、画素１１〜１３の列数を３としたが、これに限定されるものではない。また、本発明では、本実施の形態のように有効画素１１及びＯＢ画素１２を行毎に配置する場合に限定されるものではなく、例えば、列方向の両側だけでなく行方向の両側にもＯＢ画素１２を配置して、有効画素１１の領域の四周をＯＢ画素１２の領域で取り囲むようにしてもよい。この場合、有効画素を含む行においては、その行方向両側にＯＢ画素１２を含むことになる。

各有効画素１１は、入射光を光電変換して入射光に応じた信号を生成するように構成されている。本実施の形態では、各有効画素１１は、図３に示すように、選択トランジスタＴａと、ソースフォロアの増幅トランジスタＴｂと、リセットトランジスタＴｃと、転送トランジスタＴｄと、フォトダイオードＰＤとから構成されている。これらのトランジスタＴａ〜Ｔｄは、Ｎ−ＭＯＳトランジスタであるものとする。よって、トランジスタＴａ，Ｔｃ，Ｔｄは、そのゲートがＨレベルとなると、オンする。なお、図３において、Ｖｃｃは電源である。

本実施の形態では、ＯＢ画素１２及びダミー画素１３の回路構成は、有効画素１１の回路構成と同一である。ただし、ＯＢ画素１２では、フォトダイオードＰＤは、遮光膜で遮光されている。また、本実施の形態では、ダミー画素１３では、ＯＢ画素１２と同じく、フォトダイオードＰＤが遮光膜で遮光されている。ダミー画素１３は、対応する垂直信号線３２ａ，３２ｂ，３３ｃの電位に対する影響が有効画素１１と同様となるものであればよいので、ダミー画素１３は、必ずしも、有効画素１１と同一の回路構成に限定されるものではなく、例えば、フォトダイオードＰＤが遮光されていなくてもよいし、フォトダイオードＰＤを有していなくてもよい。

図２及び図３に示すように、画素１１〜１３の選択トランジスタＴａのゲートは、行毎に選択線２０に共通に接続されている。画素１１〜１３のリセットトランジスタＴｃのゲートは、行毎にリセット線２１に共通に接続されている。画素１１〜１３の転送トランジスタＴｄのゲートは、行毎に転送線２２に共通に接続されている。画素１１〜１３の増幅トランジスタＴｂのソースは、列毎に垂直信号線３２ａ，３２ｂ，３２ｃに共通に接続されている。図２に示すように、垂直信号線３２ａ，３２ｂ，３２ｃには、ソースフォロワ読み出し用定電流源３３ａ，３４ｂ，３４ｃが接続されている。なお、図３に示す画素１１は、３行目でかつ１列目の画素１１を示している。

画素１１，１２の各行の選択線２０には選択パルスφｓｅｌ１〜φｓｅｌｎが、画素１１，１２の各行のリセット線２１にはリセットパルスφｒｓｔ１〜φｒｓｔｎが、画素１１，１２の各行の転送線２２には転送パルスφｔｘ１〜φｔｘｎが、それぞれ画素行駆動パルスとして、垂直駆動回路１６から供給される。画素行駆動パルスが供給された行の各画素１１（又は１２）は、対応する垂直信号線３２ａ，３２ｂ，３２ｃへの信号読み出し動作を行う。

ダミー画素１３の行の選択線２０には選択パルスφｓｅｌｄが、ダミー画素１３の行のリセット線２１にはリセットパルスφｒｓｔｄが、ダミー画素１３の行の転送線２２には転送パルスφｔｘｄが、それぞれダミー画素駆動パルスとして、ダミー画素駆動回路１７から供給される。ダミー画素駆動パルスが供給された行の各ダミー画素１３は、対応する垂直信号線３２ａ，３２ｂ，３２ｃへの擬似的な信号読み出し動作を行う。

垂直シフトレジスタ１４は、タイミングジェネレータ３から垂直スタートパルスφＳＴＶ及び２種のクロックパルスφＶ１、φＶ２を駆動パルスとして受け取り、これらに従って、行を選択する期間及びタイミングをＨレベルによって規定する信号として、画素１１，１２の行毎に、垂直シフトパルスφＳＶ１〜φＳＶｎを出力する。

ゲート回路１５は、図１、図２及び図４に示すように、タイミングジェネレータ３から、ダミー画素選択パルスφＶｄｍを受ける。ダミー画素選択パルスφＶｄｍは、ここではＨレベルによって、画素１１，１２の行を駆動せずにダミー画素１３の行を選択的に駆動することを示す信号である。ゲート回路１５は、図４に示すように、１つのインバータ５１と、画素１１，１２の行毎に１つずつ設けられたアンドゲート５２とから構成されている。インバータ５１によってダミー画素選択パルスφＶｄｍの反転信号が得られ、この反転信号が各アンドゲート５２の一方の入力部に入力される。各アンドゲート５２の他方の入力部には、垂直シフトレジスタ１４から垂直シフトパルスφＳＶ１〜φＳＶｎが、画素１１，１２の行毎に供給される。各アンドゲート５２の出力部は、垂直駆動回路１６に接続されている。したがって、ダミー画素選択パルスφＶｄｍがＬレベルであれば、垂直シフトパルスφＳＶ１〜φＳＶｎが、対応する行のアンドゲート５２を介して、垂直駆動回路１６に供給される。一方、ダミー画素選択パルスφＶｄｍがＨレベルであれば、垂直シフトパルスφＳＶ１〜φＳＶｎがＨレベルとなっても、各アンドゲート５２の出力はＬレベルのままとなり、垂直シフトパルスφＳＶ１〜φＳＶｎの垂直駆動回路１６への供給が阻止される。

垂直駆動回路１６は、図４に示すように、画素１１，１２の行毎に設けられた単位回路６０で構成されている。各単位回路６０は、アンドゲート６１と、レベルシフト回路６２と、ナンドゲート６３と、アンドゲート６４とから構成されている。各単位回路６０は、前述した選択パルスφｓｅｌ１〜φｓｅｌｎの元になる選択パルスφＳＥＬ、前述したリセットパルスφｒｓｔ１〜φｒｓｔｎの元になるリセットパルスφＲＳＴ、及び、転送パルスφｔｘ１〜φｔｘｎの元になる転送パルスφＴＸを、駆動パルスとしてタイミングジェネレータ３から受ける。

各単位回路６０は、アンドゲート６１によって同一行のアンドゲート５２の出力と転送パルスφＴＸとのアンドを取って、その出力のレベルをレベルシフト回路６２で必要なレベルに変えることで、その行の画素行駆動パルスを構成する転送パルス（例えば、その行が２行目ならば、φｔｘ２）を作成し、これをその行の転送線２２に供給する。また、各単位回路６０は、ナンドゲート６３によって同一行のアンドゲート５２の出力とリセットパルスφＲＳＴとのナンドを取ることで、その行の画素行駆動パルスを構成するリセットパルス（例えば、その行が２行目ならば、φｒｓｔ２）を作成し、これをその行のリセット線２１に供給する。また、各単位回路６０は、アンドゲート６４によって同一行のアンドゲート５２の出力と選択パルスφＳＥＬとのアンドを取ることで、その行の画素行駆動パルスを構成する選択パルス（例えば、その行が２行目ならば、φｓｅｌ２）を作成し、これをその行の選択線２０に供給する。

したがって、ダミー画素選択パルスφＶｄｍがＬレベルであれば、ゲート回路１５によって、垂直シフトパルスφＳＶ１〜φＳＶｎが、対応する行のアンドゲート５２を介して、垂直駆動回路１６に供給されることから、画素１１，１２の行の各画素への画素行駆動パルス（選択パルスφｓｅｌ１〜φｓｅｌｎ、リセットパルスφｒｓｔ１〜φｒｓｔｎ、及び、転送パルスφｔｘ１〜φｔｘｎ）の供給が行われる状態に設定されることになる。一方、ダミー画素選択パルスφＶｄｍがＨレベルであれば、ゲート回路１５によって、垂直シフトパルスφＳＶ１〜φＳＶｎがＨレベルとなっても、各アンドゲート５２の出力はＬレベルのままとなり、垂直シフトパルスφＳＶ１〜φＳＶｎの垂直駆動回路１６への供給が阻止されることから、画素１１，１２の行の各画素への画素行駆動パルスの供給が行われない状態に設定されることになる。本実施の形態では、ゲート回路１５が、このような状態に設定する状態設定手段を構成している。

ダミー画素駆動回路１７は、図４に示すように、垂直駆動回路１６の単位回路６０と同様に、アンドゲート７１と、レベルシフト回路７２と、ナンドゲート７３と、アンドゲート７４とから構成されている。ダミー画素駆動回路１７は、アンドゲート７１によってダミー画素選択パルスφＶｄｍと転送パルスφＴＸとのアンドを取って、その出力のレベルをレベルシフト回路７２で必要なレベルに変えることで、ダミー画素駆動パルスを構成する転送パルスφｔｘｄを作成し、これをダミー画素１３の行の転送線２２に供給する。また、ダミー画素駆動回路１７は、ナンドゲート７３によってφＶｄｍとリセットパルスφＲＳＴとのナンドを取ることで、ダミー画素駆動パルスを構成するリセットパルスφｒｓｔｄを作成し、これをダミー画素１３の行のリセット線２１に供給する。また、ダミー画素駆動回路１７は、アンドゲート７４によってダミー画素選択パルスφＶｄｍと選択パルスφＳＥＬとのアンドを取ることで、ダミー画素駆動パルスを構成する選択パルスφｓｅｌｄを作成し、これをダミー画素１３の行の選択線２０に供給する。

したがって、ダミー画素選択パルスφＶｄｍがＨレベルとなるとき、ダミー画素１３の行の選択線２０には選択パルスφｓｅｌｄが、ダミー画素１３の行のリセット線２１にはリセットパルスφｒｓｔｄが、ダミー画素１３の行の転送線２２には転送パルスφｔｘｄが、それぞれダミー画素駆動パルスとして、ダミー画素駆動回路１７から供給される。よって、ダミー画素選択パルスφＶｄｍがＨレベルとなるとき、ダミー画素駆動パルスが供給された行の各ダミー画素１３は、対応する垂直信号線３２ａ，３２ｂ，３２ｃへの擬似的な信号読み出し動作を行う。

水平シフトレジスタ１８は、タイミングジェネレータ３から水平スタートパルスφＳＴＨ及び２種のクロックパルスφＨ１、φＨ２を駆動パルスとして受け取り、これらに従って、列を選択する期間及びタイミングを規定する信号として、水平シフトパルスφＳＨ１〜φＳＨ３を出力する。

読み出し回路１９は、前記特許文献２の図５に開示された固体撮像装置で採用されている読み出し回路と同一である。簡単に説明すると、読み出し回路１９は、図５に示すように、信号出力線３８、暗出力線３９、バッファアンプ３８ａ，３９ａ、光信号用クロックライン４１ａ、暗出力用クロックライン４２ａ、水平読出し選択用ＭＯＳトランジスタＴ_ＨＳ１，Ｔ_ＨＳ２，Ｔ_ＨＳ３，Ｔ_ＨＤ１，Ｔ_ＨＤ２，Ｔ_ＨＤ３、暗光信号転送用ＭＯＳトランジスタＴ_Ｓ１，Ｔ_Ｓ２，Ｔ_Ｓ３、暗出力転送用ＭＯＳトランジスタＴ_Ｄ１，Ｔ_Ｄ２，Ｔ_Ｄ３、光信号出力蓄積用コンデンサＣ_Ｓ１，Ｃ_Ｓ２，Ｃ_Ｓ３、暗出力蓄積用コンデンサＣ_Ｄ１，Ｃ_Ｄ２，Ｃ_Ｄ３などを有している。Ｃ_ＨＳ，Ｃ_ＨＤ，は、それぞれ信号出力線３８，暗出力線３９の寄生容量を示している。読み出し回路１９は、タイミングジェネレータ３から供給される駆動パルスφＲＨ，φＴＳ，φＴＤに従って作動する。

図６は、本実施の形態による固体撮像装置の動作例を示すタイミングチャートである。

図６に示す動作例は、３行目からｍ−１行目までの有効画素１１の行を読み出さずに読み飛ばして、ｍ行目からｎ−２行目までの有効画素１１の行を部分的に読み出す例である。なお、１行目及び２行目並びにｎ−１行目及びｎ行目のＯＢ画素１２は読み出される。

このような有効画素１１の部分的に読み出すべき行の指定は、使用者が図示しない操作器により指定した情報に従って、図示しないシステムコントローラがタイミングジェネレータ３に指示することで、行われる。

タイミングジェネレータ３は、読み飛ばす有効画素１１の行に対応する垂直シフトパルス（図６の例では、垂直シフトパルスφＳＶ３〜φＳＶｍ−１）が比較的短い所定周期（第２の周期）でシフトするように、それに対応する期間Ｐ２１（読み飛ばし期間）において、クロックパルスφＶ１、φＶ２の周波数を高めている。一方、他の行に対応する垂直シフトパルス（図６の例では、垂直シフトパルスφＳＶ１，φＳＶ２，φＳＶｍ〜φＳＶｎ）は、比較的長い所定周期（第１の周期）でシフトするように、それに対応する期間において、クロックパルスφＶ１、φＶ２の周波数を低くしている。なお、本実施の形態では、クロックパルスφＶ２の立ち上がりで次の垂直シフトパルスに移るようになっている。

読み飛ばし期間Ｐ２１は、読み飛ばすべき有効画素１１の行と、前記第１の周期とによって、定まる。本実施の形態では、タイミングジェネレータ３は、読み飛ばし期間Ｐ２１より長いという条件を満たす水平期間の１倍以上の倍数のうち、最も短い期間を、ダミー画素選択パルスφＶｄｍのＨレベルの期間（期間Ｐ２）として定める。このように、ダミー画素選択パルスφＶｄｍのパルス幅を水平期間の倍数とすることが好ましいが、本実施の形態では、例えば、ダミー画素選択パルスφＶｄｍのＨレベルの期間を読み飛ばし期間Ｐ２１と一致させてもよい。

図６に示す例では、読み飛ばし期間Ｐ２１が１水平期間より長くかつ２水平期間より短いので、ダミー画素選択パルスφＶｄｍのＨレベルの期間を２水平期間としている。本実施の形態では、タイミングジェネレータ３は、期間Ｐ２１が経過しても期間Ｐが終了するまでは、次の垂直シフトパルスφＳＶｍを発生させないようになっている。

図６中の期間Ｐ１は、１行目及び２行目のＯＢ画素１２の読み出しの期間である。垂直シフトレジスタは、タイミングジェネレータ３から垂直スタートパルスφＳＴＶ及びクロックパルスφＶ１，φＶ２を受け取って、読み出し動作を開始する。まず、期間Ｐ１において、１行目のＯＢ画素１２、２行目のＯＢ画素１２を読み出す。このときの動作は、後述する期間Ｐ１０の動作と同様である。

本実施の形態では、このように、ＯＢ画素１２から黒レベルの信号が出力される。この信号は、後の期間に出力される画像信号の黒レベル補正に使用される。このため、部分読み出しでありながら、黒レベルが補正された良好な画像を得ることができる。もっとも、本発明では、必ずしも、ＯＢ画素１２を設けなくてもよい。また、

期間Ｐ１における垂直シフトレジスタ１４の垂直シフトパルスをシフトする周期は、前述したように、比較的長い第１の周期である。

図６中の期間Ｐ２は、前述したように、読み飛ばし期間Ｐ２１から求めたダミー画素選択パルスφＶｄｍのＨレベルの期間であり、ダミー画素１３の擬似的な読み出し期間である。前述したように、この期間Ｐ２中の読み飛ばし期間Ｐ２１では、垂直シフトレジスタ１４の垂直シフトパルスをシフトする周期は、前述したように、比較的短い第２の周期である。なお、本発明では、前記第２の周期は、前記第１の周期より短く設定しており、高速で読み飛ばしを行っている。

期間Ｐ２では、ダミー画素選択パルスφＶｄｍがＨレベルであるため、前述したように、ゲート回路１５によって垂直シフトパルスの垂直駆動回路１６への供給が阻止されて、画素１１，１２の行の各画素への画素行駆動パルスの供給が行われない状態に設定されているため、画素１１，１２の読み出し動作が行われない。

一方、期間Ｐ２では、ダミー画素選択パルスφＶｄｍがＨレベルであるため、前述したように、ダミー画素１３の行の各ダミー画素１３にダミー画素駆動パルス（選択パルスφｓｅｌｄ、リセットパルスφｒｓｔｄ及び転送パルスφｔｘｄ）が供給されるので、画素１３の擬似的な読み出し動作が、１水平期間について１回（したがって、期間Ｐ２が２水平期間であるので、期間Ｐ２において２回）、行われる。よって、期間Ｐ２において、１水平期間ごとに、ダミー画素１３からの信号が垂直信号線３２ａ，３２ｂ，３２ｃに出力される。このため、垂直信号線３２ａ，３２ｂ，３２ｃの電位が変動することはなく、基準のレベルが保持される。

なお、期間Ｐ２で読み出されたダミー画素１３の信号は、有効な信号としては用いられない。

図６中の期間Ｐ３は、部分読み出し期間（すなわち、部分的に読み出すべき行の有効画素１１の読み出し期間）である。期間Ｐ３における最初の１水平期間である期間Ｐ１０でｍ行目の有効画素１１を読み出し、次の１水平期間でｍ＋１行目の有効画素１１を読み出し、順次、ｎ行目のＯＢ画素１２まで読み出す。

別な方法として、例えば画像の中央部を部分読み出しする場合は、必要な有効画素１１を読み出した後、再び読み飛ばしを行って、最後にｎ−１行目とｎ行目のＯＢ画素１２を読み出しても良い。

なお、最後のｎ−１行目とｎ行目のＯＢ画素１２は、信号処理上必ずしも必要という訳ではない。そのため、更に別な方法としては、画像の中央部を部分読み出しする場合、必要な有効画素１１を読み出した時点で、画像の読み出しを終了しても良い。

期間Ｐ３における垂直シフトレジスタ１４の垂直シフトパルスをシフトする周期は、前述したように、比較的長い第１の周期である。

ここで、図７に、図６中の期間Ｐ１０におけるｍ行目の有効画素１１の読み出しの様子及び垂直信号線３２ａ，３２ｂ，３２ｃの電位の様子を示すタイムチャートを示す。また、図８に、図６中の期間Ｐ２におけるダミー画素１３の行の読み出しの様子及び垂直信号線３２ａ，３２ｂ，３２ｃの電位の様子を示すタイムチャートを示す。なお、図７及び図８において、φＴＤがＨレベルの期間は、垂直信号線３２ａ，３２ｂ，３２ｃの電位を暗出力蓄積用コンデンサＣ_Ｄ１，Ｃ_Ｄ２，Ｃ_Ｄ３に蓄積するための期間である。また、φＴＳがＨレベルの期間は、垂直信号線３２ａ，３２ｂ，３２ｃの電位を光信号出力蓄積用コンデンサＣ_Ｓ１，Ｃ_Ｓ２，Ｃ_Ｓ３に蓄積するための期間である。

なお、図７及び図８からもわかるように、本実施の形態では、読み出し対象の行が、部分的に読み出すべき行（ＯＢ画素１２の行、部分的に読み出すべき有効画素１１の行）、及び、ダミー画素１３の行のいずれであっても、各水平期間における水平シフトレジスタ１８及び読み出し回路１９の動作は同一である。

図９に、本実施の形態における図６中の期間Ｐ２と期間Ｐ３との境界付近での、垂直信号線３２ａ，３２ｂ，３２ｃの電位を模式的に示す波形図を示す。図１０に、比較例における図６中の期間Ｐ２と期間Ｐ３との境界付近での、垂直信号線３２ａ，３２ｂ，３２ｃの電位を模式的に示す波形図を示す。この比較例は、本実施の形態において、ダミー画素１３及びダミー画素駆動回路１７を取り除き、期間Ｐ２において画素の読み出し動作が行われないようにしたものであり、従来技術に近いものである。

なお、図９において、例えば、ダークノイズレベルは２．７Ｖ、信号出力レベルは２．７Ｖ（暗）〜２．０Ｖ（明）である。

比較例に係る図１０の場合は、期間Ｐ２において画素読み出し動作が全くおこなわれないため、時刻ｔ１で垂直信号線３２ａ，３２ｂ，３２ｃの電位はかなり下がっており、期間Ｐ２が長い場合には、最悪０Ｖ近くまで下がってしまう。このため、時刻ｔ１の後のダークノイズレベル信号出力レベルが十分には立ち上がらなくなってしまう。

一方、本実施の形態に係る図９の場合は、時刻ｔ１の直前の１水平周期でダミー画素１３が読み出されているため、時刻ｔ１で垂直信号線３２ａ，３２ｂ，３２ｃの電位は、ほとんど下がらず、垂直信号線３２ａ，３２ｂ，３２ｃの電位が変動することはなく、基準のレベルが保持される。

したがって、本実施の形態によれば、部分的に読み出すべき領域の画素行の信号を読み出す際に最初に選択される数行においても、信号の電位の変動を低減することができ、これにより良好な画像信号が得ることができることが、わかる。

［第２の実施の形態］

図１１は、本発明の第２の実施の形態による固体撮像装置１０１を示す概略構成図である。図１２は、図１１中の選択供給回路８０を示す回路図である。図１３は、図１１中のイメージセンサ２を示す概略構成図である。図１４は、図１１及び図１３中の垂直駆動回路１６及びダミー画素駆動回路１７を示す回路図である。図１１、図１３及び図１４は、図１、図２及び図４にそれぞれ対応している。図１１、図１３及び図１４において、図１、図２及び図４の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。

本実施の形態が前記第１の実施の形態と異なる所は、以下に説明する点のみである。

本実施の形態では、タイミングジェネレータ３には、図１１に示すように、選択供給回路８０が追加されている。選択供給回路８０は、図１１及び図１２に示すように、ダミー画素選択パルスφＶｄｍ、選択パルスφｓｅｌ１〜φｓｅｌｎの元になる選択パルスφＳＥＬ、前述したリセットパルスφｒｓｔ１〜φｒｓｔｎの元になるリセットパルスφＲＳＴ、及び、転送パルスφｔｘ１〜φｔｘｎの元になる転送パルスφＴＸに基づいて、パルスφＴＸＮ，φＲＳＴＮ，φＳＥＬＮ，φＴＸＤ，φＲＳＴＤ，φＳＥＬＤを生成する。

選択供給回路８０は、図１２に示すように、アンドゲート８１〜８６と、インバータ８７とから構成されている。パルスφＴＸＮは、ダミー画素選択パルスφＶｄｍの反転信号と転送パルスφＴＸとのアンドを取ったパルスである。パルスφＲＳＴＮは、ダミー画素選択パルスφＶｄｍの反転信号とリセットパルスφＲＳＴとのアンドを取ったパルスである。パルスφＳＥＬＮは、ダミー画素選択パルスφＶｄｍの反転信号と選択パルスφＳＥＬとのアンドを取ったパルスである。パルスφＴＸＤは、ダミー画素選択パルスφＶｄｍと転送パルスφＴＸとのアンドを取ったパルスである。パルスφＲＳＴＤは、ダミー画素選択パルスφＶｄｍとリセットパルスφＲＳＴとのアンドを取ったパルスである。パルスφＳＥＬＤは、ダミー画素選択パルスφＶｄｍと選択パルスφＳＥＬとのアンドを取ったパルスである。

本実施の形態では、タイミングジェネレータ３は、ダミー画素選択パルスφＶｄｍ、転送パルスφＴＸ、リセットパルスφＲＳＴ及び選択パルスφＳＥＬをイメージセンサ２に供給せずに、その代わりに、図１４に示すように、パルスφＴＸＮ，φＲＳＴＮ，φＳＥＬＮを垂直駆動回路１６に供給するとともに、パルスφＴＸＤ，φＲＳＴＤ，φＳＥＬＤをダミー画素駆動回路１７に供給している。ダミー画素駆動回路１７において、アンドゲート７１，７３，７４の一方の入力部は電源Ｖｃｃにプルアップされている。ダミー画素１３を他の画素と同条件に極力近い条件で駆動するため、ダミー画素駆動回路１７の回路構成として、垂直駆動回路１６の単位回路６０の回路構成に極力近い回路構成が採用されている。

選択供給回路８０は、ダミー画素選択パルスφＶｄｍのＨ，Ｌに応じて、パルスφＴＸＮ，φＲＳＴＮ，φＳＥＬＮの組とパルスφＴＸＤ，φＲＳＴＤ，φＳＥＬＤの組のうちのいずれか一方組をそれぞれＬレベルとしたまま他方組をそれぞれ転送パルスφＴＸ、リセットパルスφＲＳＴ及び選択パルスφＳＥＬと同じにすることになる。よって、選択供給回路８０は、ダミー画素選択パルスφＶｄｍのＨ，Ｌに応じて、転送パルスφＴＸ、リセットパルスφＲＳＴ及び選択パルスφＳＥＬを、垂直駆動回路１６及びダミー画素駆動回路１７のいずれか一方に選択的に供給することになる。

また、本実施の形態では、前記第１の実施の形態で設けられていたゲート回路１５が除去され、図１４に示すように、垂直シフトレジスタ１４からの垂直シフトパルスφＳＶ１〜φＳＶｎが垂直駆動回路１６の各単位回路６０に直接に供給されている。

選択パルスφｓｅｌ１〜φｓｅｌｎ、リセットパルスφｒｓｔ１〜φｒｓｔｎ、転送パルスφｔｘ１〜φｔｘｎは、本実施の形態においても、前記第１の実施の形態と同一となる。

よって、本実施の形態によれば、前記第１の実施の形態と同様の利点が得られる。また、本実施の形態によれば、ゲート回路１５がないので、イメージセンサ２の面積を低減することができるという利点も得られる。

なお、本発明では、選択供給回路８０は、タイミングジェネレータ３に搭載するのではなく、イメージセンサ２に搭載してもよい。

［第３の実施の形態］

図１５は、本発明の第３の実施の形態による固体撮像装置２０１を示す概略構成図である。図１６は、図１５中のイメージセンサ２を示す概略構成図である。図１７は、図１５及び図１６中の垂直駆動回路１６及びダミー画素駆動回路１７を示す回路図である。図１５乃至図１７は、図１、図２及び図４にそれぞれ対応している。図１５乃至図１７において、図１、図２及び図４の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。

本実施の形態では、前記第１の実施の形態で設けられていたゲート回路１５が除去され、図１７に示すように、垂直シフトレジスタ１４からの垂直シフトパルスφＳＶ１〜φＳＶｎが垂直駆動回路１６の各単位回路６０に直接に供給されている。

また、前記第１の実施の形態では、転送パルスφＴＸ、リセットパルスφＲＳＴ及び選択パルスφＳＥＬが、直接に垂直駆動回路１６に供給されていたのに対し、本実施の形態では、図１７に示すように、転送パルスφＴＸ、リセットパルスφＲＳＴ及び選択パルスφＳＥＬが、ゲート回路９０を介して垂直駆動回路１６に供給されている。

ゲート回路９０は、３つのアンドゲート９１〜９３と、１つのインバータ９４とから構成されている。インバータ９４によってダミー画素選択パルスφＶｄｍの反転信号が得られ、この反転信号が各アンドゲート９１〜９３の一方の入力部に入力される。各アンドゲート９１〜９３の他方の入力部には、転送パルスφＴＸ、リセットパルスφＲＳＴ及び選択パルスφＳＥＬがそれぞれ入力される。各アンドゲート９１〜９３の出力部が、図１７に示すように、垂直駆動回路１６に接続されている。したがって、ダミー画素選択パルスφＶｄｍがＬレベルであれば、転送パルスφＴＸ、リセットパルスφＲＳＴ及び選択パルスφＳＥＬが垂直駆動回路１６に供給される。一方、ダミー画素選択パルスφＶｄｍがＨレベルであれば、転送パルスφＴＸ、リセットパルスφＲＳＴ及び選択パルスφＳＥＬがＨレベルとなっても、各アンドゲート９１〜９３の出力はＬレベルのままとなり、転送パルスφＴＸ、リセットパルスφＲＳＴ及び選択パルスφＳＥＬの垂直駆動回路１６への供給が阻止される。

よって、本実施の形態によれば、前記第１の実施の形態と同様の利点が得られる。また、本実施の形態では、画素１１，１２の行数だけアンドゲート５を要するゲート回路１５の代わりに、アンドゲート９１〜９３の数が３つで済むゲート回路９０が採用されている。したがって、本実施の形態によれば、イメージセンサ２の面積を低減することができるという利点も得られる。

以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。

前記各実施の形態では、画素が図３に示す構成を有していたが、画素の構成はこれに限定されるものではなく、本発明は、例えば、特許文献２の図５に開示されているような各画素の信号増幅用アンプに接合型電界効果トランジスタを用いた固体撮像装置にも、適用することができる。

本発明の第１の実施の形態による固体撮像装置の概略構成図である。図１中のイメージセンサを示す概略構成図である。図２中の有効画素を示す回路図である。図１及び図２中の垂直駆動回路、ゲート回路及びダミー画素駆動回路を示す回路図である。図１及び図２中の読み出し回路を示す回路図である。本発明の第１の実施の形態による固体撮像装置の動作例を示すタイミングチャートである。図６中の期間Ｐ１０におけるｍ行目の有効画素の読み出しの様子及び垂直信号線の電位の様子を示すタイムチャートである。図６中の期間Ｐ２におけるダミー画素の行の読み出しの様子及び垂直信号線の電位の様子を示すタイムチャートである。本発明の第１の実施の形態における図６中の期間Ｐ２と期間Ｐ３との境界付近での、垂直信号線の電位を模式的に示す波形図である。比較例における図６中の期間Ｐ２と期間Ｐ３との境界付近での、垂直信号線の電位を模式的に示す波形図である。本発明の第２の実施の形態による固体撮像装置を示す概略構成図である。図１１中の選択供給回路を示す回路図である。図１１中のイメージセンサを示す概略構成図である。図１１及び図１３中の垂直駆動回路及びダミー画素駆動回路を示す回路図である。本発明の第３の実施の形態による固体撮像装置２０１を示す概略構成図である。図１５中のイメージセンサを示す概略構成図である。図１５及び図１６中の垂直駆動回路及びダミー画素駆動回路を示す回路図である。

符号の説明

１固体撮像装置
２イメージセンサ
３タイミングジェネレータ
１１有効画素
１２オプチカルブラック画素
１４垂直シフトレジスタ
１５ゲート回路
１７ダミー画素駆動回路

Claims

２次元に配置された複数の画素と、該複数の画素とは別に設けられた少なくとも１行のダミー画素と、前記複数の画素の列毎に設けられた複数の垂直信号線と、前記複数の画素の行の１つを順次選択しつつ、その選択された行の各画素に、当該画素に対応する垂直信号線への信号読み出し動作を行わせるための画素行駆動パルスを出力する垂直走査回路と、前記複数の画素の列を順次選択するための画素列選択パルスを出力する水平走査回路と、ダミー画素駆動手段と、を有するイメージセンサ部と、
前記垂直走査回路及び前記水平走査回路を駆動するための駆動パルスを出力するタイミングジェネレータと、
状態設定手段と、
を備え、
前記複数の画素の各々が入射光を光電変換して入射光に応じた信号を生成する有効画素であるか、あるいは、前記複数の画素のうちの一部の画素が前記有効画素であるとともに前記複数の画素のうちの残りの画素が黒レベルの信号を生成するオプチカルブラック画素であり、
前記垂直走査回路は、前記複数の画素の行を選択するための垂直シフトパルスを生成し出力する垂直シフトレジスタと、前記垂直シフトパルスに従って前記選択された行の各画素に前記画素行駆動パルスを出力する垂直駆動回路とを有し、
前記タイミングジェネレータは、前記複数の画素の行のうちの部分的に読み出すべき行が前記垂直シフトパルスにより選択されるときには、前記垂直シフトパルスが第１の周期でシフトするように当該垂直シフトパルスを垂直シフトレジスタに生成させる一方、前記複数の画素の行のうちの他の行が前記垂直シフトパルスにより選択されるときには、前記垂直シフトパルスが前記第１の周期より短い第２の周期でシフトするように当該垂直シフトパルスを垂直シフトレジスタに生成させ、
前記状態設定手段は、前記複数の画素の行のうちの部分的に読み出すべき行が前記垂直シフトパルスにより選択されるときには、前記選択された行の各画素への前記画素行駆動パルスの供給が行われる状態に設定する一方、前記複数の画素の行のうちの他の行が前記垂直シフトパルスにより選択されるときには、前記選択した行の各画素への前記画素行駆動パルスの供給が行われない状態に設定し、
前記ダミー画素駆動手段は、前記複数の画素の行のうちの前記他の行が前記垂直シフトパルスにより選択されるときに、前記ダミー画素の行の各ダミー画素に、当該ダミー画素に対応する垂直信号線への擬似的な信号読み出し動作を行わせ、
前記状態設定手段は、前記複数の画素の行のうちの部分的に読み出すべき行が前記垂直シフトパルスにより選択されるときには、前記画素行駆動パルスの元になる駆動パルスを前記垂直駆動回路へ供給する一方、前記複数の画素の行のうちの他の行が前記垂直シフトパルスにより選択されるときには、前記画素行駆動パルスの元になる前記駆動パルスの前記垂直駆動回路への供給を阻止する、
ことを特徴とする固体撮像装置。