JP5098502B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置に関するものである。

ビデオカメラや電子スチルカメラなどでは、ＣＣＤ型や増幅型の固体撮像装置が使用されている。このような固体撮像装置では、光電変換部を有する画素がマトリクス状に複数配置されており、各画素の光電変換部にて信号電荷を生成する。増幅型固体撮像装置では、画素の光電変換部にて生成・蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョン等の電荷電圧変換部に導き、電荷電圧変換部で信号電荷を電圧に変換し、その電圧に応じた信号を画素に設けられた増幅部によって画素から出力する。

このような増幅型固体撮像装置等のＸＹアドレス型などの固体撮像装置では、一般的に、複数の画素の各列に対応して設けられ対応する列の画素の出力信号が供給される垂直信号線と、前記各垂直信号線の信号に応じた信号をサンプリング制御信号に従ってサンプリングして保持するとともに、当該保持された信号を水平走査信号に従って水平信号線へ供給するサンプルホールド部と、前記サンプルホールド部に前記水平走査信号を供給する水平走査部と、前記サンプルホールド部から前記水平信号線への信号の読み出しに関与する複数種のパルス信号を供給する水平駆動制御部と、を備えている。前記サンプルホールド部は、例えば、前記各垂直信号線に対応して設けられた光信号用蓄積容量及び差分用信号用蓄積容量と、画素で光電変換された光情報を含む光信号を光信号用蓄積容量に蓄積させる光信号用サンプリングスイッチと、前記光信号から差し引くべきノイズ成分を含む差分用信号（いわゆる暗信号など）を差分用信号用蓄積容量に蓄積させる差分用信号用サンプリングスイッチと、光信号用蓄積容量に蓄積された光信号を水平走査信号に従って光信号用水平信号線に供給する光信号用水平転送スイッチと、差分用信号用蓄積容量に蓄積された差分用信号を水平走査信号に従って差分用信号用水平信号線に供給する差分用信号用水平転送スイッチと、を有している。このような固体撮像装置の例が、下記特許文献１に開示されている。

このような固体撮像素子としては、光信号用水平信号線の光信号と差分用信号用水平信号線の差分用信号との差分を、当該固体撮像素子内に設けられた差動アンプ等でとって、その差分信号を外部へ出力するものと、前記光信号と前記差分用信号とをそれぞれ並列的に当該固体撮像素子の外部へ出力して、外部回路等にて両信号の差分をとるものとが、知られている。

そして、このような従来の固体撮像装置では、前記水平走査部は、一般的に、シフトレジスタ等を用いて構成され、タイミングジェネレータ等を有する駆動制御部から供給される駆動クロック信号及びスタートパルス信号等によって前記水平走査信号を生成する。この駆動クロック信号等は、水平走査期間のみならず、水平ブランキング期間においても、水平走査部に供給されている。

このような従来の固体撮像装置によれば、光信号と差分用信号との差分を得ることができるので、いわゆる固定パターンノイズ等のノイズが除去され、撮像画像の画質が高まる。
特開平９−２８４６５８号公報

しかしながら、本発明者らの研究の結果、前記従来の固体撮像装置では、垂直信号線の信号に応じた信号がサンプルホールド部にサンプリングされる際に、前記差分によっては除去し得ないノイズの影響を受けて当該信号のレベルが変動してしまい、これにより撮像画像の画質が低下してしまうことが判明した。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、垂直信号線の信号に応じた信号がサンプルホールド部にサンプリングされる際のノイズの影響を低減することができ、これにより撮像画像の画質を更に向上させることができる固体撮像装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明の第１の態様による固体撮像装置は、２次元に配置され入射光を光電変換する複数の画素と、前記複数の画素の各列に対応して設けられ対応する列の前記画素の出力信号が供給される垂直信号線と、前記各垂直信号線の信号に応じた信号をサンプリング制御信号に従ってサンプリングして保持するとともに、当該保持された信号を水平走査信号に従って水平信号線へ供給するサンプルホールド部と、前記サンプルホールド部に前記水平走査信号を供給する水平走査部と、前記サンプルホールド部から前記水平信号線への信号の読み出しに関与する複数種のパルス信号を供給する水平駆動制御部と、を備え、前記水平駆動制御部は、前記サンプリング制御信号により定まる信号サンプリングタイミングを含む所定期間において、前記複数種のパルス信号のうちの１種以上のパルス信号を停止させるものである。ここで、パルス信号を停止させるとは、当該信号をハイレベル又はローレベルに固定することをいう。

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、前記所定期間は、水平ブランキング期間のうちの前記信号サンプリングタイミング付近の局部的な期間であるものである。

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、前記所定期間は、水平ブランキング期間の全体又は大部分の期間であるものである。

本発明の第４の態様による固体撮像装置は、前記第１乃至第３のいずれかの態様において、前記１種以上のパルス信号は、前記水平走査部に供給され前記水平走査部に前記水平走査信号を生成させるための少なくとも１種のパルス信号を含むものである。

本発明の第５の態様による固体撮像装置は、前記第４の態様において、前記水平走査部はシフトレジスタ部を含み、前記少なくとも１種のパルス信号は、前記シフトレジスタ部を駆動する駆動クロック信号を含むものである。

本発明の第６の態様による固体撮像装置は、前記第４又は第５の態様において、前記水平走査部は、シフトレジスタ部と、該シフトレジスタ部の各段の出力信号をゲート制御信号に従ってゲートすることで前記水平走査信号を生成するゲート部と、を含み、前記少なくとも１種のパルス信号は、前記ゲート制御信号を含むものである。

本発明の第７の態様による固体撮像装置は、前記第１乃至第６のいずれかの態様において、前記水平信号線を水平線リセット制御信号に従って所定電位にリセットする水平信号線リセット部を備え、前記１種以上のパルス信号は、前記水平信号線リセット制御信号を含むものである。

本発明の第８の態様による固体撮像装置は、前記第１乃至第７のいずれかの態様において、前記各画素は画素制御信号に従って作動する１つ以上のスイッチを含み、前記画素制御信号を前記１つ以上のスイッチに供給する制御手段を備え、前記制御手段は、水平ブランキング期間のうちの前記信号サンプリングタイミング付近の局部的な期間において、前記画素制御信号を停止させるものである。ここで、画素制御信号を停止させるとは、当該信号をハイレベル又はローレベルに固定することをいう。

本発明の第９の態様による固体撮像装置は、前記第１乃至第８のいずれかの態様において、前記サンプルホールド部は、前記各垂直信号線に対応して設けられ前記画素で光電変換された光情報を含む光信号が蓄積される光信号用蓄積容量、及び、前記各垂直信号線に対応して設けられ前記光信号から差し引くべきノイズ成分を含む差分用信号が蓄積される差分用信号用蓄積容量を、含むものである。

本発明によれば、垂直信号線の信号に応じた信号がサンプルホールド部にサンプリングされる際のノイズの影響を低減することができ、これにより撮像画像の画質を更に向上させることができる固体撮像装置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を示す概略ブロック図である。本実施の形態による固体撮像装置は、図１に示すように、イメージセンサ（固体撮像素子）１と、いわゆるタイミングジェネレータ（図示せず）を含みイメージセンサ１の垂直走査回路１２（図２参照）及び水平走査回路１３（図２参照）等に後述する制御信号φＧＨ，φＨＣＬＫ１，φＨＣＬＫ２，φＨＳＴＲ，φＲＳＴＨ，φＶＣＬＫ１，φＶＣＬＫ２，φＶＳＴＲ，φＴＶＳ，φＴＶＮなどを供給してイメージセンサ１を制御する外部制御部２と、イメージセンサ１から得られる信号を処理して画像信号を得る外部信号処理部３と、を備えている。

図２は、図１中のイメージセンサ１を示す回路図である。このイメージセンサ１は、ＣＭＯＳ型固体撮像素子として構成されている。

図２に示すように、このイメージセンサ１は、一般的なＣＭＯＳ型固体撮像素子と同様に、２次元状に配置された複数の単位画素１１（図２では、２×２個の画素１１のみを示す。）と、垂直走査回路（垂直走査部）１２と、水平走査回路（水平走査部）１３と、画素１１の各列に対応して設けられ対応する列の画素１１の出力信号が供給される垂直信号線１４と、各垂直信号線１４に接続された定電流源１５とを有している。なお、画素１１の数が限定されるものではないことは、言うまでもない。

各画素１１は、一般的なＣＭＯＳ型固体撮像素子と同様に、入射光に応じた信号電荷を生成し蓄積する光電変換部としてのフォトダイオードＰＤと、前記信号電荷を受け取って前記信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部としてのフローティングディフュージョンＦＤと、フローティングディフュージョンＦＤの電位に応じた信号を出力する増幅部としての増幅トランジスタＡＭＰと、フォトダイオードＰＤからフローティングディフュージョンＦＤに電荷を転送する電荷転送スイッチとしての転送トランジスタＴＸと、フローティングディフュージョンＦＤの電位をリセットするリセットスイッチとしてのリセットトランジスタＲＥＳと、当該画素１１を選択するための選択スイッチとしての選択トランジスタＳＥＬとを有し、図２に示すように接続されている。なお、本実施の形態では、画素１１のトランジスタＡＭＰ，ＴＸ，ＲＥＳ，ＳＥＬは、全てｎＭＯＳトランジスタである。図２において、Ｖｄｄは電源電圧である。

転送トランジスタＴＸのゲートは、行毎に、垂直走査回路１２からの転送トランジスタＴＸを制御する画素制御信号φＴＸを転送トランジスタＴＸに供給する制御線に、接続されている。リセットトランジスタＲＥＳのゲートは、行毎に、垂直走査回路１２からのリセットトランジスタＲＥＳを制御する画素制御信号φＲＥＳをリセットトランジスタＲＥＳに供給する制御線に、接続されている。選択トランジスタＳＥＬのゲートは、行毎に、垂直走査回路１２からの選択トランジスタＳＥＬを制御する画素制御信号φＳＥＬを選択トランジスタＳＥＬに供給する制御線に、接続されている。

フォトダイオードＰＤは、入射光の光量（被写体光）に応じて信号電荷を生成する。転送トランジスタＴＸは、転送パルス（画素制御信号）φＴＸのハイレベル期間にオンし、フォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。リセットトランジスタＲＥＳは、リセットパルス（画素制御信号）φＲＥＳのハイレベル期間にオンし、フローティングディフュージョンＦＤをリセットする。

増幅トランジスタＡＭＰは、そのドレインが電源電圧Ｖｄｄに接続され、そのゲートがフローティングディフュージョンＦＤに接続され、そのソースが選択トランジスタＳＥＬのドレインに接続され、定電流源１５を負荷とするソースフォロア回路を構成している。増幅トランジスタＡＭＰは、フローティングディフュージョンＦＤの電圧値に応じて、選択トランジスタＳＥＬを介して垂直信号線１４に読み出し電流を出力する。選択トランジスタＳＥＬは、選択パルス（画素制御信号）φＳＥＬのハイレベル期間にオンし、増幅トランジスタＡＭＰのソースを垂直信号線１４に接続する。

垂直走査回路１２は、シフトレジスタ部（図示せず）等を用いて構成され、外部制御部２からのそれぞれパルス信号からなる垂直駆動制御信号としての、２相の垂直駆動クロック信号φＶＣＬＫ１，φＶＣＬＫ２及び垂直スタートパルス信号φＶＳＴＲを受けて、画素１１の行毎に、選択パルスφＳＥＬ、リセットパルスφＲＥＳ及び転送パルスφＴＸをそれぞれ出力する。

水平走査回路１３は、外部制御部２からのそれぞれパルス信号からなる水平駆動制御信号φＧＨ，φＨＣＬＫ１，φＨＣＬＫ２，φＨＳＴＲを受けて、列毎に水平走査信号φＨを出力する。本実施の形態では、水平走査回路１３は、外部制御部２から２相の水平駆動クロック信号φＨＣＬＫ１，φＨＣＬＫ２及び水平スタートパルス信号φＨＳＴＲを受けて駆動されるシフトレジスタ部２１と、各列毎に設けられたアンドゲート２２で構成され外部制御部２からのゲート制御信号φＧＨに従ってシフトレジスタ部２１の各段の出力信号をゲートすることで、水平走査信号φＨを生成するゲート部２３と、を有している。各アンドゲート２２の一方の入力端子は共通に接続され、そこにゲート制御信号φＧＨが入力される。各アンドゲート２２の他方の入力端子には、それぞれシフトレジスタ部２１の各段の出力信号が入力される。ゲート制御信号φＧＨは、水平走査信号φＨのパルス幅等を設定するためのパルス信号である。各アンドゲート２２の出力端子から、各列の水平走査信号φＨが出力される。以上の説明からわかるように、水平駆動制御信号φＧＨ，φＨＣＬＫ１，φＨＣＬＫ２，φＨＳＴＲは、水平走査回路１３に供給され水平走査回路１３に水平走査信号φＨを生成させるためパルス信号となっている。

また、このイメージセンサ１は、各垂直信号線１４の信号に応じた信号をサンプリング制御信号φＴＶＮ，φＴＶＳに従ってサンプリングして保持するとともに、当該保持された信号を水平走査信号φＨに従って水平信号線１６Ｎ，１６Ｓへ供給するサンプルホールド部１７を、備えている。本実施の形態では、サンプルホールド部１７は、各垂直信号線１４に対応して設けられた光信号用蓄積容量ＣＳ及び暗信号用蓄積容量ＣＮと、画素１１で光電変換された光情報を含む光信号を光信号用サンプリング制御信号φＴＶＳに従って光信号用蓄積容量ＣＳに蓄積させる光信号用サンプリングスイッチＴＶＳと、前記光信号から差し引くべきノイズ成分を含む差分用信号してのいわゆる暗信号を暗信号用サンプリング制御信号φＴＶＮに従って暗信号用蓄積容量ＣＮに蓄積させる暗信号用サンプリングスイッチＴＶＮと、光信号用蓄積容量ＣＳに蓄積された光信号を水平走査信号φＨに従って光信号用水平信号線１６Ｓに供給する光信号用水平転送スイッチＴＨＳと、暗信号用蓄積容量ＣＮに蓄積された暗信号を水平走査信号φＨに従って暗信号用水平信号線１６Ｎに供給する暗信号用水平転送スイッチＴＨＮとを有している。水平信号線１６Ｓ，１６Ｎには、出力アンプＡＰＳ，ＡＰＮがそれぞれ接続されている。本実施の形態では、スイッチＴＶＳ，ＴＶＮ，ＴＨＳ，ＴＨＮは、全てｎＭＯＳトランジスタである。

各光信号用サンプリングスイッチＴＶＳのゲートは共通に接続され、そこには外部制御部２から光信号用サンプリング制御信号φＴＶＳが供給される。光信号用サンプリング制御信号φＴＶＳに応じて光信号用サンプリングスイッチＴＶＳがオンすると、垂直信号線１４の光信号が、対応する光信号用蓄積容量ＣＳに蓄積される。そして、光信号用サンプリングスイッチＴＶＳがオフする時点（すなわち、φＴＶＳの立ち下がり時点）での垂直信号線１４の信号のレベルによって、光信号用蓄積容量ＣＳに蓄積される光信号のレベルが決定される。すなわち、光信号用サンプリング制御信号φＴＶＳの立ち下がり時点が光信号のサンプリングタイミングとなる。

各暗信号用サンプリングスイッチＴＶＮのゲートは共通に接続され、そこには外部制御部２から暗信号用サンプリング制御信号φＴＶＮが供給される。暗信号用サンプリング制御信号φＴＶＮに応じて暗信号用サンプリングスイッチＴＶＮがオンすると、垂直信号線１４の暗信号が、対応する暗信号用蓄積容量ＣＮに蓄積される。そして、暗信号用サンプリングスイッチＴＶＮがオフする時点（すなわち、φＴＶＮの立ち下がり時点）での垂直信号線１４の信号のレベルによって、暗信号用蓄積容量ＣＮに蓄積される暗信号のレベルが決定される。すなわち、暗信号用サンプリング制御信号φＴＶＮの立ち下がり時点が暗信号のサンプリングタイミングとなる。

各列毎に、光信号用水平転送スイッチＴＨＳ及び暗信号用水平転送スイッチＴＨＮのゲートが共通に接続され、そこには水平走査回路１３から対応する列の水平走査信号φＨが供給される。各列の水平走査信号φＨに応じて、各列の水平転送スイッチＴＨＳ，ＴＨＮがオンすると、対応する列の光信号用蓄積容量ＣＳ及び暗信号用蓄積容量ＣＮにそれぞれ蓄積されていた光信号及び暗信号が、光信号用水平信号線１６Ｓ及び暗信号用水平信号線１６Ｎにそれぞれ出力され、それぞれ出力アンプＡＰＳ，ＡＰＮを介して、図１中の外部信号処理部３へ出力される。

さらに、このイメージセンサ１は、水平信号線１６Ｓ，１６Ｎをそれぞれ水平線リセット制御信号φＲＳＴＨに従って所定電位ＶＲＥＦにリセットするための水平線リセットトランジスタＲＳＴＳ，ＲＳＴＮを、有している。本実施の形態では、水平線リセットトランジスタＲＳＴＳ，ＲＳＴＮは、全てｎＭＯＳトランジスタである。水平線リセットトランジスタＲＳＴＳ，ＲＳＴＮのゲートが共通に接続され、そこには外部制御部２から水平線リセット制御信号φＲＳＴＨが供給される。水平線リセット制御信号φＲＳＴＨに応じて、水平線リセットトランジスタＲＳＴＳ，ＲＳＴＮがオンすると、水平信号線１６Ｓ，１６Ｎがそれぞれ所定電位ＶＲＥＦにリセットされる。水平線リセット制御信号φＲＳＴＨは、水平駆動制御信号φＧＨ，φＨＣＬＫ１，φＨＣＬＫ２，φＨＳＴＲと同様に、サンプルホールド部１７から水平信号線１６Ｓ，１６Ｎへの信号の読み出しに関与するパルス信号となっている。

図面には示していないが、外部信号処理部３は、出力アンプＡＰＳ，ＡＰＮの出力間の差分を、差動アンプ等によって得る。これにより相関２重サンプリングが実現され、外部信号処理部３から、画像信号として、固定パターンノイズ等が除去された光情報信号が得られる。

本実施の形態では、外部制御部２における、サンプルホールド部１７から水平信号線１６Ｓ，１６Ｎへの信号の読み出しに関与するパルス信号φＧＨ，φＨＣＬＫ１，φＨＣＬＫ２，φＨＳＴＲ，φＲＳＴＨを供給する機能をなす部分が、水平駆動制御部を構成している。本実施の形態では、この水平駆動制御部（すなわち、外部制御部２）は、サンプリング制御信号φＴＶＮ，φＴＶＳにより定まる信号サンプリングタイミング（φＴＶＮの立ち下がり時点及びφＴＶＳの立ち下がり時点）を含む所定期間において、パルス信号φＧＨ，φＨＣＬＫ１，φＨＣＬＫ２，φＲＳＴＨを停止させる（すなわち、ハイレベル又はローレベルに固定させる）ように、構成されている。この点は、図３を参照して後に詳述する。

また、本実施の形態では、外部制御部２における、パルス信号φＶＣＬＫ１，φＶＣＬＫ２，φＶＳＴＲを供給する機能をなす部分と、垂直走査回路１２が、画素制御信号φＴＸ，φＲＥＳ，φＳＥＬをそれぞれ対応するトランジスタ（スイッチ）ＴＸ，ＲＥＳ，ＳＥＬに供給する制御手段を構成している。本実施の形態では、垂直走査回路１２（すなわち、前記制御手段）は、水平ブランキング期間のうちの前記信号サンプリングタイミング（φＴＶＮの立ち下がり時点及びφＴＶＳの立ち下がり時点）付近の局部的な期間において、画素制御信号φＴＸ，φＲＥＳ，φＳＥＬを停止させる（すなわち、ハイレベル又はローレベルに固定させる）。この点も、図３を参照して後に詳述する。

図３は、本実施の形態による固体撮像装置の読み出し動作の一例を示すタイミングチャートである。図３において、内部に×を付した四角で示す期間は、制御信号φＧＨ，φＨＣＬＫ１，φＨＣＬＫ２，φＲＳＴＨが、高い周波数で繰り返してパルス信号として発生している期間を示している。その期間中は、これらの制御信号φＧＨ，φＨＣＬＫ１，φＨＣＬＫ２，φＲＳＴＨは、その期間の一部の期間を時間的に拡大して示すと、後述する図５に示す波形と同一となっている。図５から理解できるように、これらの制御信号φＧＨ，φＨＣＬＫ１，φＨＣＬＫ２，φＲＳＴＨは、同じ周波数を持っているが、パルス幅や位相は図５に示すように設定されている。図３において、内部に×を付した四角で示す期間以外の期間は、図面には明示していないが、制御信号φＧＨ，φＨＣＬＫ１，φＨＣＬＫ２，φＲＳＴＨは、それぞれ停止されて、ハイレベル又はローレベルに固定されている。

本実施の形態では、メカニカルシャッタ（図示せず）が所定の露光期間だけ開かれて各画素１１のフォトダイオードＰＤの電荷蓄積層に電荷が蓄積された後、１行ずつ順次選択され、各１行について順次同じ動作が行われていく。図３は、主として、ｎ行目の画素１１が選択され、引き続いてｎ＋１行目の画素１１が選択された場合の動作を示している。

期間Ｔ１は、ｎ−１行目の画素１１の出力の水平走査期間であり、後述する期間Ｔ３に対応している。期間Ｔ１後の期間Ｔ２は、ｎ行目の画素１１の出力の水平ブランキング期間である。

期間Ｔ２において、垂直走査回路１２によりｎ行目の画素１１が選択され、ｎ行目のリセットパルスφＲＥＳ（ｎ）がローレベルに変化し、ｎ行目のリセットトランジスタＲＥＳがオフする。また、期間Ｔ２において、ｎ行目の選択パルスφＳＥＬ（ｎ）がハイレベルに変化し、ｎ行目の選択トランジスタＳＥＬがオンする。ｎ行目の選択トランジスタＳＥＬのオンにより、ｎ行目の増幅トランジスタＡＭＰのソースは垂直信号線１４に接続される。そして、ｎ行目の増幅トランジスタＡＭＰは、定電流源１５によってソースフォロア回路として動作する。

期間Ｔ２が開始した後、期間Ｔ１２が開始するまでの期間においては、ｎ行目の選択トランジスタＳＥＬがオンし、同時にｎ行目のリセットトランジスタＲＥＳがオフすることで、ｎ行目の画素１１の増幅トランジスタＡＭＰのゲート電圧が、フローティング状態となり、ｎ行目の画素１１のリセットレベルが垂直信号線１４に現れる。このとき、期間Ｔ２が開始した後の期間Ｔ１１において、暗信号用サンプリングパルス（制御信号）φＴＶＮがハイレベルに変化し、暗信号用サンプリングスイッチＴＶＮがオンする。これにより、ｎ行目の画素１１の暗信号が、暗信号用蓄積容量ＣＮに蓄積される。この動作は、ｎ行目の各列の画素１１に対して同時並列に実行される。そして、暗信号用サンプリングスイッチＴＶＮがオフする時点（すなわち、期間Ｔ１１の終了時点であって、φＴＶＮの立ち下がり時点）での垂直信号線１４の信号のレベルによって、暗信号用蓄積容量ＣＮに蓄積される暗信号のレベルが決定される。すなわち、暗信号用サンプリング制御信号φＴＶＮの立ち下がり時点（期間Ｔ１１の終了時点）が暗信号のサンプリングタイミングｔ１となる。

次に、期間Ｔ２中の期間Ｔ１２において、ｎ行目の転送パルスφＴＸ（ｎ）がハイレベルに変化し、ｎ行目の転送トランジスタＴＸがオンする。ｎ行目の転送トランジスタＴＸのオンにより、ｎ行目の画素１１のフォトダイオードＰＤで光電変換され蓄積されていた信号電荷が、対応するフローティングディフュージョンＦＤに転送される。これによって、フローティングディフュージョンＦＤの電圧は転送されてきた電荷量に応じた電圧となり、この電圧が増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加される。その結果、ｎ行目の画素１１の光情報を含んだレベルが、垂直信号線１４に現れる。このとき、期間Ｔ１２の後の期間Ｔ１３において、光信号用サンプリングパルス（制御信号）φＴＶＳがハイレベルに変化し、光信号用サンプリングスイッチＴＶＳがオンする。これにより、ｎ行目の画素１１の光信号が、光信号用蓄積容量ＣＳに蓄積される。この動作は、ｎ行目の各列の画素１１に対して同時並列に実行される。そして、光信号用サンプリングスイッチＴＶＳがオフする時点（すなわち、期間Ｔ１３の終了時点であって、φＴＶＳの立ち下がり時点）での垂直信号線１４の信号のレベルによって、光信号用蓄積容量ＣＳに蓄積される光信号のレベルが決定される。すなわち、光信号用サンプリング制御信号φＴＶＳの立ち下がり時点（期間Ｔ１３の終了時点）が光信号のサンプリングタイミングｔ２となる。

このようにして、期間Ｔ２において、ｎ行目の画素１１の出力信号のサンプリングが行われ、各列毎に、暗信号用蓄積容量ＣＮにはｎ行目の画素１１の暗信号が蓄積され、光信号用蓄積容量ＣＳにはｎ行目の画素１１の光信号が蓄積される。

期間Ｔ２後の期間Ｔ３は、ｎ行目の画素１１の出力の水平走査期間である。期間Ｔ３において、水平走査回路１３からの水平走査信号φＨによる水平走査によって暗信号用水平転送スイッチＴＨＮ及び光信号用水平転送スイッチＴＨＳが各垂直信号線１４に対応するもの毎に順次オンされ、蓄積容量ＣＮ，ＣＳにそれぞれ蓄積されていた暗信号及び光信号が各垂直信号線１４に対応するもの毎に順次暗信号用水平信号線１６Ｎ及び光信号用水平信号線１６Ｓにそれぞれ読み出され、出力アンプＡＰＮ，ＡＰＳをそれぞれ介して外部信号処理部３へ出力される。外部信号処理部３は、出力アンプＡＰＳ，ＡＰＮの出力間の差分を、差動アンプ等によって得る。これにより、外部信号処理部３から、画像信号として、固定パターンノイズ等が除去された光情報信号が得られる。

次に、期間Ｔ４，Ｔ５において、ｎ行目に関して期間Ｔ２，Ｔ３で行われたのと同様の動作が、ｎ＋１行目について行われ、それ以降においても同様の動作を繰り返す。

本実施の形態では、外部制御部２は、図３に示すように、サンプリング制御信号φＴＶＮ，φＴＶＳにより定まる信号サンプリングタイミングｔ１，ｔ２（φＴＶＮの立ち下がり時点及びφＴＶＳの立ち下がり時点）を含む所定期間Ｔ２１，Ｔ２２において、パルス信号φＧＨ，φＨＣＬＫ１，φＨＣＬＫ２，φＲＳＴＨを停止させ（すなわち、ハイレベル又はローレベルに固定させ）、かつ、その他の期間においてはそれぞれ高い周波数で繰り返してパルス信号として発生するように、構成されている。本実施の形態では、所定期間Ｔ２１は、水平ブランキング期間のうちの信号サンプリングタイミングｔ１を含む局部的な期間であり、所定期間Ｔ２２は、水平ブランキング期間のうちの信号サンプリングタイミングｔ２を含む局部的な期間である。

本実施の形態によれば、期間Ｔ２１，Ｔ２２においてパルス信号φＧＨ，φＨＣＬＫ１，φＨＣＬＫ２，φＲＳＴＨが停止されるので、垂直信号線１４の信号に応じた信号（本実施の形態では、光信号及び暗信号）がサンプルホールド部１７にサンプリングされる際のノイズの影響を低減することができ、これにより撮像画像の画質を更に向上させることができる。

ここで、本実施の形態と比較される比較例を参照して説明する。図４は、この比較例による固体撮像装置の読み出し動作を示すタイミングチャートである。図４において、図３中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。図５は、図４中のＡ部付近を時間的に拡大して示すタイミングチャートである。

この比較例が本実施の形態と異なる所は、この比較例では、外部制御部２が、全期間においてパルス信号φＧＨ，φＨＣＬＫ１，φＨＣＬＫ２，φＲＳＴＨがそれぞれ高い周波数で繰り返してパルス信号として発生するように、構成されている点のみである。

この比較例や本実施の形態において、パルス信号φＧＨ，φＨＣＬＫ１，φＨＣＬＫ２，φＲＳＴＨがそれぞれ繰り返してパルス信号として発生していると、これらの信号の立ち上がり付近及び立ち下がり付近で垂直信号線１４等にはノイズ成分が乗る。図５には、理解を容易にするため、パルス信号φＨＣＬＫ１，φＨＣＬＫ２の立ち上がり付近及び立ち下がり付近で垂直信号線１４等に乗るノイズ成分を模式的に示している。

したがって、この比較例では、信号サンプリングタイミングｔ１，ｔ２においてもパルス信号φＧＨ，φＨＣＬＫ１，φＨＣＬＫ２，φＲＳＴＨがそれぞれ繰り返してパルス信号として発生しているので、信号サンプリングタイミングｔ１でサンプリングされ暗信号用蓄積容量ＣＮに蓄積された暗信号のレベルには、パルス信号φＧＨ，φＨＣＬＫ１，φＨＣＬＫ２，φＲＳＴＨに起因するノイズ成分が乗ってしまうとともに、信号サンプリングタイミングｔ２でサンプリングされ光信号用蓄積容量ＣＳに蓄積された光信号のレベルには、パルス信号φＧＨ，φＨＣＬＫ１，φＨＣＬＫ２，φＲＳＴＨに起因するノイズ成分が乗ってしまう。

そして、信号サンプリングタイミングｔ１と信号サンプリングタイミングｔ２との間には時間差があるので、信号サンプリングタイミングｔ１で生ずるノイズ成分の量と信号サンプリングタイミングｔ２で生ずるノイズ成分の量とは同一にならない。したがって、この比較例では、暗信号と光信号との差分を得ても、パルス信号φＧＨ，φＨＣＬＫ１，φＨＣＬＫ２，φＲＳＴＨに起因するノイズ成分が残ってしまい、その分によって真の光情報信号からずれてしまい、撮像画像の画質が低下してしまう。よって、光が入射しない状態で撮影したとき理想的には暗信号と光信号との差はゼロであるが、この比較例によれば、光が入射しない状態で撮影しても、その差はゼロにならず比較的大きくなってしまう。

ところで、本実施の形態やこの比較例において、図２に示す例では、外部制御部２からのサンプリング制御信号φＴＶＮ，φＴＶＳを図２中の左側から入力している。したがって、サンプリング制御信号φＴＶＮ，φＴＶＳに関して、左側の列のサンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳまでの信号伝送距離は相対的に短くなるとともに右側の列のサンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳまでの信号伝送距離は相対的に長くなる。よって、サンプリング制御信号φＴＶＮ，φＴＶＳは、左側の列のサンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳほどそれ対して早く到達する一方、右側の列のサンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳほどそれに対して遅く到達する。このため、左側の列のサンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳほど早くオフするとともに右側の列のサンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳほど遅くオフすることになる。その結果、左側の列のサンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳと右側の列のサンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳとの間で、信号サンプリングタイミングｔ１，ｔ２に時間差が生ずる。したがって、この比較例では、そのような時間差がなければ、左側の列の光信号と暗信号との差分に残るノイズ成分の量と、右側の列の光信号と暗信号との差分に残るノイズ成分の量とが同一となり、左側の列と右側の列との間でノイズによる影響が同じになるはずであるのに対し、実際には、左側の列の光信号と暗信号との差分に残るノイズ成分の量と、右側の列の光信号と暗信号との差分に残るノイズ成分の量との間に差が生じ、左側の列と右側の列との間でノイズによる影響が異なることになる。この比較例では、これに起因して、撮像画素の画質がより一層低下してしまう。

これに対し、本実施の形態では、サンプリング制御信号φＴＶＮ，φＴＶＳにより定まる信号サンプリングタイミングｔ１，ｔ２を含む所定期間Ｔ２１，Ｔ２２において、パルス信号φＧＨ，φＨＣＬＫ１，φＨＣＬＫ２，φＲＳＴＨが停止されるので、信号サンプリングタイミングｔ１でサンプリングされ暗信号用蓄積容量ＣＮに蓄積された暗信号のレベルには、パルス信号φＧＨ，φＨＣＬＫ１，φＨＣＬＫ２，φＲＳＴＨに起因するノイズ成分は乗らないとともに、信号サンプリングタイミングｔ２でサンプリングされ光信号用蓄積容量ＣＳに蓄積された光信号のレベルには、パルス信号φＧＨ，φＨＣＬＫ１，φＨＣＬＫ２，φＲＳＴＨに起因するノイズ成分が乗らない。したがって、本実施の形態では、暗信号と光信号との差分には、パルス信号φＧＨ，φＨＣＬＫ１，φＨＣＬＫ２，φＲＳＴＨに起因するノイズ成分が残こらず、撮像画像の画質が向上する。よって、光が入射しない状態で撮影したとき理想的には暗信号と光信号との差はゼロであるが、本実施の形態によれば、その理想的な状況に近づく。

また、本実施の形態においても、前述したように、左側の列のサンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳと右側の列のサンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳとの間で、信号サンプリングタイミングｔ１，ｔ２に時間差が生ずる。しかし、本実施の形態では、暗信号と光信号との差分には、パルス信号φＧＨ，φＨＣＬＫ１，φＨＣＬＫ２，φＲＳＴＨに起因するノイズ成分が残こらないので、左側の列の光信号と暗信号との差分に残るノイズ成分の量と、右側の列の光信号と暗信号との差分に残るノイズ成分の量との間の差が生ずるという状況が回避され、この点からも、撮像画素の画質が向上する。

なお、左側の列のサンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳと右側の列のサンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳとの間で生ずる信号サンプリングタイミングｔ１，ｔ２に時間差を考慮して、期間Ｔ２１，Ｔ２２、特に、期間Ｔ１１の終了時点から期間Ｔ２１の終了時点までの間の期間の長さと、期間Ｔ１３の終了時点から期間Ｔ２２の終了時点までの間の期間の長さを設定することが好ましい。すなわち、期間Ｔ１１の終了時点から期間Ｔ２１の終了時点までの間の期間の長さ、及び、期間Ｔ１３の終了時点から期間Ｔ２２の終了時点までの間の期間の長さは、いずれか最も早くオフとなる列のサンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳがオフとなった時点から、いずれか最も遅くオフとなる列のサンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳがオフとなる時点までの期間よりも、長く設定することが好ましい。このように設定すれば、いずれの列に関しても、暗信号と光信号との差分に、パルス信号φＧＨ，φＨＣＬＫ１，φＨＣＬＫ２，φＲＳＴＨに起因するノイズ成分が残こらなくなるので、好ましい。

また、本実施の形態では、前述した期間Ｔ２１，Ｔ２２において、いずれの画素制御信号φＴＸ，φＲＥＳ，φＳＥＬも停止されている。したがって、本実施の形態によれば、信号サンプリングタイミングｔ１でサンプリングされ暗信号用蓄積容量ＣＮに蓄積された暗信号のレベルには、画素制御信号φＴＸ，φＲＥＳ，φＳＥＬに起因するノイズ成分は乗らないとともに、信号サンプリングタイミングｔ２でサンプリングされ光信号用蓄積容量ＣＳに蓄積された光信号のレベルには、画素制御信号φＴＸ，φＲＥＳ，φＳＥＬに起因するノイズ成分は乗らない。したがって、本実施の形態では、この点からも、撮像画像の画質が向上する。

［第２の実施の形態］

図６は、本発明の第２の実施の形態による固体撮像装置の読み出し動作を示すタイミングチャートである。図６において、図３中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、本実施の形態では、外部制御部２が、水平ブランキング期間の全体において、パルス信号φＧＨ，φＨＣＬＫ１，φＨＣＬＫ２，φＲＳＴＨを停止させ（すなわち、ハイレベル又はローレベルに固定させ）、かつ、その他の期間においてはそれぞれ高い周波数で繰り返してパルス信号として発生するように、構成されている。

本実施の形態によっても、前記第１の実施の形態と同様の利点が得られる。なお、本実施の形態のように、水平ブランキング期間の全体において、パルス信号φＧＨ，φＨＣＬＫ１，φＨＣＬＫ２，φＲＳＴＨを停止させても、水平走査に関する動作に全く支障がないことは、言うまでもない。

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。

例えば、前記第１及び第２の実施の形態では、期間Ｔ２１，Ｔ２２において又は水平ブランキング期間の全体において、パルス信号φＧＨ，φＨＣＬＫ１，φＨＣＬＫ２，φＲＳＴＨの全てを停止させているが、それらのパルス信号のうちの任意の１種、２種又は３種のパルス信号のみをさせてもよい。もっとも、パルス信号φＧＨ，φＨＣＬＫ１，φＨＣＬＫ２，φＲＳＴＨの全てを停止させることが、画質を極力向上させるためには好ましい。

また、前記各実施の形態では、画素１１から垂直信号線１４に得られる光信号及び暗信号が直接的に蓄積容量ＣＳ，ＣＮにそれぞれ蓄積されているが、画素１から垂直信号線１４に得られる光信号及び暗信号を所定の信号処理回路（例えば増幅と相関二重サンプリング処理を行う回路）で適宜処理し、その処理した後に得られる２つの信号（光情報を含む信号と、その信号から差し引かれるべきノイズ成分を含む信号。）を蓄積容量ＣＳ，ＣＮにそれぞれ蓄積するように構成してもよい。このような信号処理回路の例としては、特開平７−２０３３１９号公報の図４に開示されている信号処理回路（２つのコンデンサと１つのオペアンプと１つのリセット用トランジスタからなる回路）を挙げることができる。この信号処理回路を用いる場合、垂直信号線１４が前記２つのコンデンサのうちの一方を介して前記オペアンプの反転入力端子に接続され、前記オペアンプの非反転入力端子に基準電位が印加され、前記オペアンプの出力端子と前記オペアンプの非反転入力端子との間に前記２つのコンデンサのうちの他方が接続され、更に、前記オペアンプの出力端子と前記オペアンプの非反転入力端子との間にリセット用トランジスタが接続される。前記リセット用トランジスタのゲートには、外部制御部２から、所定のタイミングでリセット制御信号を与えられる。このとき、リセット制御信号は、前記期間Ｔ２１，Ｔ２２において停止させることが好ましい。

また、前記各実施の形態では、暗信号と光信号との差分を外部信号処理部３で行うように構成されているが、本発明では、例えば、出力アンプＡＰＳ，ＡＰＮの代わりに差動アンプを設け、該差動アンプによって、光信号用水平信号線１６Ｓの光信号と暗信号用水平信号線１６Ｎの暗信号との差分を当該イメージセンサ１から出力するように構成してもよい。

さらに、前記各実施の形態において、外部制御部２をイメージセンサ１上に搭載してもよい。

本発明の第１の実施の形態による固体撮像装置を示す概略ブロック図である。 図１中のイメージセンサ１を示す回路図である。 本実施の形態の第１の実施の形態による固体撮像装置の読み出し動作の一例を示すタイミングチャートである。 比較例による固体撮像装置の読み出し動作を示すタイミングチャートである。 図５は、図４中のＡ部付近を時間的に拡大して示すタイミングチャートである。 本発明の第２の実施の形態による固体撮像装置の読み出し動作を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１ イメージセンサ（固体撮像素子）
２ 外部制御部
１１ 画素
１２ 垂直走査回路
１３ 水平走査回路
１４ 垂直信号線
１６Ｓ，１６Ｎ 水平信号線
１７ サンプルホールド部
２１ シフトレジスタ部
２３ ゲート部

Claims (9)

1. ２次元に配置され入射光を光電変換する複数の画素と、
   前記複数の画素の各列に対応して設けられ対応する列の前記画素の出力信号が供給される垂直信号線と、
   前記各垂直信号線の信号に応じた信号をサンプリング制御信号に従ってサンプリングして保持するとともに、当該保持された信号を水平走査信号に従って水平信号線へ供給するサンプルホールド部と、
   前記サンプルホールド部に前記水平走査信号を供給する水平走査部と、
   前記サンプルホールド部から前記水平信号線への信号の読み出しに関与する複数種のパルス信号を供給する水平駆動制御部と、
   を備え、
   前記水平駆動制御部は、前記サンプリング制御信号により定まる信号サンプリングタイミングを含む所定期間において、前記複数種のパルス信号のうちの１種以上のパルス信号を停止させることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記所定期間は、水平ブランキング期間のうちの前記信号サンプリングタイミング付近の局部的な期間であることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記所定期間は、水平ブランキング期間の全体又は大部分の期間であることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
4. 前記１種以上のパルス信号は、前記水平走査部に供給され前記水平走査部に前記水平走査信号を生成させるための少なくとも１種のパルス信号を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の固体撮像装置。
5. 前記水平走査部はシフトレジスタ部を含み、
   前記少なくとも１種のパルス信号は、前記シフトレジスタ部を駆動する駆動クロック信号を含むことを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。
6. 前記水平走査部は、シフトレジスタ部と、該シフトレジスタ部の各段の出力信号をゲート制御信号に従ってゲートすることで前記水平走査信号を生成するゲート部と、を含み、
   前記少なくとも１種のパルス信号は、前記ゲート制御信号を含むことを特徴とする請求項４又は５記載の固体撮像装置。
7. 前記水平信号線を水平線リセット制御信号に従って所定電位にリセットする水平信号線リセット部を備え、
   前記１種以上のパルス信号は、前記水平信号線リセット制御信号を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の固体撮像装置。
8. 前記各画素は画素制御信号に従って作動する１つ以上のスイッチを含み、
   前記画素制御信号を前記１つ以上のスイッチに供給する制御手段を備え、
   前記制御手段は、水平ブランキング期間のうちの前記信号サンプリングタイミング付近の局部的な期間において、前記画素制御信号を停止させることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の固体撮像装置。
9. 前記サンプルホールド部は、前記各垂直信号線に対応して設けられ前記画素で光電変換された光情報を含む光信号が蓄積される光信号用蓄積容量、及び、前記各垂直信号線に対応して設けられ前記光信号から差し引くべきノイズ成分を含む差分用信号が蓄積される差分用信号用蓄積容量を、含むことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の固体撮像装置。

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