JP5153563B2

JP5153563B2 - 固体撮像装置及びその駆動方法

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Publication number: JP5153563B2
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Inventors: 勝久小川
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Description

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

近年、高解像度化のため、微細化プロセスを用いた光電変換素子のセルサイズ縮小が精力的に行われる一方、光電変換信号出力が低下すること等から、光電変換信号を増幅して出力することが可能な増幅型の光電変換装置が注目されている。このような増幅型光電変換装置には、ＭＯＳ型、ＡＭＩ、ＣＭＤ、ＢＡＳＩＳ等がある。

このうち、ＭＯＳ型はフォトダイオードで発生した光キャリアをＭＯＳトランジスタのゲート電極に蓄積し、走査回路からの駆動タイミングに従ってその電位変化を出力部へ電荷増幅して出力するものである。近年、このＭＯＳ型のうち光電変換部やその周辺回路部を含め全てＣＭＯＳプロセスで実現するＣＭＯＳセンサが特に注目されている。

ＣＭＯＳセンサは画素内の電荷増幅アンプで信号電荷を増幅し、電圧として、読み出す。２次元画像情報を光電変換するエリア型ＣＭＯＳセンサの場合、下記の特許文献１で提案されているように１行ずつ順次、水平方向の画素群を同時に、読み出す。しかしながら、特許文献１の方式では、光信号により生成されたフォトダイオードの蓄積電荷がソースフォロワ増幅回路の入力ノードであるフローティンディフュージョン容量に転送されると、次の信号電荷蓄積が開始される。これにより、各行毎に信号蓄積開始、終了のタイミングがずれてしまう。そのため、撮像する被写体が速い動きをしている場合には、被写体の形状が歪んで撮影されたり、蛍光灯のフリッカが画像に現れる場合があった。

この課題を解決する方式として、下記の特許文献２では、フォトダイオードに、独立制御できるリセットスイッチを設けている。エリア状に形成された全フォトダイオードを、同時に一括リセットし、所定の時間、信号電荷を蓄積し、全画素一括で、フローティングディフュージョン容量に転送後、１行ずつ順次、読み出す方式により、蓄積タイミングが、ずれてしまう問題を解消する。

特開平１１−２７４４５４号公報特開２００５−６５１８４号公報

ところが、特許文献２に記載の読み出し方式においては、フローティングディフュージョン容量に、リーク電流がある為、保持時間の長い行の信号電荷は、このリーク電流分のノイズが、時間に比例して増加し、重畳されるという問題がある。リーク電流の原因は、遮光が不充分であるために生じる光リーク及び半導体ＰＮ接合のリークである。この為、読み出しの遅い行程、ノイズ重畳量が大きくなり、出力のＳＮ比が低下し、画像が著しく劣化する。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたもので、その目的は、出力のＳＮ比が劣化することなく、全画素部の信号電荷の蓄積開始及び終了のタイミングを同時に行うことが可能な固体撮像装置及びその駆動方法を提供することにある。

本発明の固体撮像装置は、光を信号電荷に変換して蓄積する光電変換手段と、前記光電変換手段に蓄積された信号電荷をリセットする第１のリセットスイッチと、前記光電変換手段の信号電荷を転送する転送スイッチと、前記転送スイッチにより転送された信号電荷を増幅する増幅手段と、前記増幅手段の信号電荷をリセットする第２のリセットスイッチと、前記増幅手段により増幅された信号電荷を選択して信号出力線に出力する選択スイッチとを含む２次元配列された画素部とを有し、前記第２のリセットスイッチが前記増幅手段の信号電荷をリセットし、前記選択スイッチが前記リセットされた増幅手段の信号電荷を第１のノイズ成分として前記画素部の行順次で前記信号出力線に出力し、一定期間経過後、前記転送スイッチがオフの状態で、前記選択スイッチが前記増幅手段の信号電荷を第２のノイズ成分として前記画素部の行順次で前記信号出力線に出力し、さらに、前記第１のノイズ成分と前記第２のノイズ成分との差分をリーク電流成分として出力する引き算器を有し、前記第２のノイズ成分を出力後、すべての前記画素部の前記第１のリセットスイッチが前記光電変換手段の信号電荷を同時にリセットし、その後、前記第２のリセットスイッチが前記増幅手段の信号電荷をリセットし、前記選択スイッチが前記リセットされた増幅手段の信号電荷を第３のノイズ成分として前記画素部の行順次で前記信号出力線に出力し、蓄積期間経過後、すべての前記画素部の前記転送スイッチが前記光電変換手段の信号電荷を同時に転送し、前記選択スイッチが前記増幅手段の信号電荷を信号ノイズ混合成分として前記画素部の行順次で前記信号出力線に出力し、前記引き算器は、前記信号ノイズ混合成分から前記第３のノイズ成分及び前記リーク電流成分を引き算することを特徴とする。

また、本発明の固体撮像装置の駆動方法は、光を信号電荷に変換して蓄積する光電変換手段と、前記光電変換手段に蓄積された信号電荷をリセットする第１のリセットスイッチと、前記光電変換手段の信号電荷を転送する転送スイッチと、前記転送スイッチにより転送された信号電荷を増幅する増幅手段と、前記増幅手段の信号電荷をリセットする第２のリセットスイッチと、前記増幅手段により増幅された信号電荷を選択して信号出力線に出力する選択スイッチとを含む２次元配列された画素部とを有する固体撮像装置の駆動方法であって、前記第２のリセットスイッチが前記増幅手段の信号電荷をリセットし、前記選択スイッチが前記リセットされた増幅手段の信号電荷を第１のノイズ成分として前記画素部の行順次で前記信号出力線に出力するステップと、一定期間経過後、前記転送スイッチがオフの状態で、前記選択スイッチが前記増幅手段の信号電荷を第２のノイズ成分として前記画素部の行順次で前記信号出力線に出力するステップと、前記第１のノイズ成分と前記第２のノイズ成分との差分をリーク電流成分として出力するステップと、前記第２のノイズ成分を出力後、すべての前記画素部の前記第１のリセットスイッチが前記光電変換手段の信号電荷を同時にリセットするステップと、その後、前記第２のリセットスイッチが前記増幅手段の信号電荷をリセットし、前記選択スイッチが前記リセットされた増幅手段の信号電荷を第３のノイズ成分として前記画素部の行順次で前記信号出力線に出力するステップと、蓄積期間経過後、すべての前記画素部の前記転送スイッチが前記光電変換手段の信号電荷を同時に転送し、前記選択スイッチが前記増幅手段の信号電荷を信号ノイズ混合成分として前記画素部の行順次で前記信号出力線に出力するステップと、前記信号ノイズ混合成分から前記第３のノイズ成分及び前記リーク電流成分を引き算するステップとを有することを特徴とする。

リーク電流成分を除去し、全画素部について同時に信号電荷を蓄積開始及び終了することができ、動いている被写体を撮像しても、歪みのない高画質の画像を得ることができる。

以下、本発明について、その実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態による固体撮像装置を示す等価回路図である。４０６は水平シフトレジスタである。４０７は垂直シフトレジスタである。４０８は共通信号出力線４１５へ信号を転送するための転送スイッチである。４０８＿１、４０８＿２、４０８＿３は水平シフトレジスタ４０６から転送スイッチ４０８へ供給される駆動パルスである。４０９は定電流源である。４１０は出力アンプである。４１１は出力である。４１２はＡＤ（アナログデジタル）コンバータである。４１３は信号蓄積部である。４１４は第１のフレームメモリである。４１５は第２のフレームメモリである。４１６は第１の引き算器である。４１７は第２の引き算器である。

また、４０１はＰＤ（フォトダイオード）リセット線である。４０２は転送スイッチ線である。４０３＿１，４０３＿２，４０３＿３はリセットスイッチ線である。以下、リセットスイッチ線４０３＿１，４０３＿２，４０３＿３の個々又は総称をリセットスイッチ線４０３という。４０４＿１，４０４＿２，４０４＿３は選択スイッチ線である。以下、選択スイッチ線４０４＿１，４０４＿２，４０４＿３の個々又は総称を選択スイッチ線４０４という。４０５＿１，４０５＿２，４０５＿３は信号出力線である。以下、信号出力線４０５＿１，４０５＿２，４０５＿３の個々又は総称を信号出力線４０５という。

Ｐ１＿１，Ｐ１＿２，Ｐ１＿３は、１行目を構成する画素部である。Ｐ２＿１，Ｐ２＿２，Ｐ２＿３は、２行目を構成する画素部である。Ｐ３＿１，Ｐ３＿２，Ｐ３＿３は、３行目を構成する画素部である。なお、図１では簡単のため画素部を３行３列としているが、実際には画素部の数はもっと多い。

図２は、図１の画素部をより詳細に説明する図である。図中、ＰＤはフォトダイオード（光電変換手段）であり、光電変換により画素信号を生成及び蓄積する。Ｑ１０１はＭＯＳ電界効果トランジスタ（以下、ＭＯＳトランジスタという）から成る転送スイッチである。Ｑ１０２はフローティングディフュージョン容量をリセットするためのＭＯＳトランジスタから成るリセットスイッチ（第２のリセットスイッチ）である。Ｑ１０４は読み出し画素部を選択するためのＭＯＳトランジスタから成る選択スイッチである。Ｑ１０３はフローティングディフュージョン容量がゲートに接続され、ソースが選択スイッチＱ１０４のドレインに接続されたソースフォロワの入力ＭＯＳトランジスタ（増幅手段）である。Ｑ１０５はフォトダイオードＰＤをリセットするためのＭＯＳトランジスタから成るＰＤリセットスイッチ（第１のリセットスイッチ）である。

また、１０１はＰＤリセットスイッチＱ１０５を駆動するＰＤリセットスイッチ線である。１０２は転送スイッチＱ１０１を駆動する転送スイッチ線である。１０３はリセットスイッチＱ１０２を駆動するリセットスイッチ線である。１０４は選択スイッチＱ１０４を駆動する選択スイッチ線である。１０５は画素部の信号を読み出す信号出力線である。

図１のＰＤリセット線４０１は、図２のＰＤリセット線１０１に対応している。図１の転送スイッチ線４０２は、図２の転送スイッチ線１０２に対応している。図１のリセットスイッチ線４０３は、図２のリセットスイッチ線１０３に対応している。図１の選択スイッチ線４０４は、図２の選択スイッチ線１０４に対応している。図１の信号出力線４０５は、図２の信号出力線１０５に対応している。

次に、画素部の動作について説明する。まず、リセット動作と行選択を行う。リセット動作は、リセットスイッチ線１０３の駆動によりリセットスイッチＱ１０２をオンすることでソースフォロワの入力ＭＯＳトランジスタＱ１０３のゲートにリセット電圧を入力する動作である。行選択は、選択スイッチ線１０４の駆動に従い選択スイッチＱ１０４のオンによる選択である。次に、ソースフォロワの入力ＭＯＳトランジスタＱ１０３のゲートに接続されたフローティングディフュージョン容量をフローティングにする。これにより、リセットノイズ及びソースフォロワの入力ＭＯＳトランジスタＱ１０３の閾値電圧ばらつき等の固定パターンノイズからなるノイズ成分の信号の読み出しを行う。

更に、ＰＤリセットスイッチ線１０１の駆動によりＰＤリセットスイッチＱ１０５をオンすることでフォトダイオードＰＤをリセットし、フォトダイオードＰＤの電荷蓄積を開始する。所望の蓄積時間が経過すると、転送スイッチＱ１０１をオンし、光信号により生成されたフォトダイオードＰＤの蓄積電荷をソースフォロワの入力ＭＯＳトランジスタＱ１０３のゲートに転送し、前述のノイズ成分と光信号成分の和の信号を読み出す。その後、和の信号とノイズ成分の信号との差分をとることでリセットノイズ及び固定パターンノイズを除去して、光信号成分を取り出すことでＳＮ比の高い画像信号が得られる。

本実施形態の構成によれば、フォトダイオードＰＤへの信号電荷の蓄積開始と、フォトダイオードＰＤからソースフォロワの入力ＭＯＳトランジスタＱ１０３のゲートへの蓄積電荷の転送とを独立に制御できる。

次に、本実施形態の固体撮像装置の駆動方法を図３及び図４のタイミング図を用いて説明する。本実施形態では、全画素部のフォトダイオードＰＤを、同じタイミングで、リセット後、入射光を光電変換し、全画素部一括して、フローティングディフュージョン容量に転送し、保持する。そして、１行目から順次、読み出して行く。図３は、フローティングディフュージョン容量で信号電荷を保持している間に、混入するリーク電流成分を事前に計測する方式を説明するタイミング図である。

まず、読み出しに先立ち、全行のＰＤリセットスイッチ線４０１をハイレベル、全行の転送スイッチ線４０２をロウレベル、全行のリセットスイッチ線４０３をハイレベルとする。そして、ＰＤリセットスイッチＱ１０５及びリセットスイッチＱ１０２をオンし、転送スイッチＱ１０１をオフする。これにより、全画素部のフォトダイオードＰＤとソースフォロワの入力ＭＯＳトランジスタＱ１０３のゲートのフローティングディフュージョン容量をリセット状態とする。ＰＤリセットスイッチ線４０１、転送スイッチ線４０２、リセットスイッチ線４０３、選択スイッチ線４０４は垂直シフトレジスタ４０７によって駆動される。

次に、図３に示すように１行目のリセットスイッチ線４０３＿１（４０３＿２は２行目、４０３＿３は３行目のリセットスイッチ線）をロウレベルとし、１行目のリセットスイッチＱ１０２をオフする。これにより、ソースフォロワの入力ＭＯＳトランジスタＱ１０３のゲートのフローティングディフュージョン容量をフローティングにする。その後、１行目の選択スイッチ線４０４＿１（図３の４０４＿２は２行目、４０４＿３は３行目の選択スイッチ線）をハイレベルとし、１行目の選択スイッチＱ１０４をオンして行選択を行う。これにより、リセットノイズ及びソースフォロワ入力ＭＯＳトランジスタＱ１０３の閾値電圧ばらつき等の固定パターンノイズからなる第１のノイズ成分を信号蓄積部４１３に読み出す。

ここで、重要なことは、第１のノイズ成分の読み出しが終了しても、リセットスイッチＱ１０２は、オフ状態のまま、次に、この行が読み出されるまで、ソースフォロワの入力ＭＯＳトランジスタＱ１０３のゲートをフローティングにしておく事である。こうする事で、フローティングディフュージョン容量が、信号電荷を保持する信号保持時間と同じ時間、フローティングになる為、信号保持時間に発生するリーク電流からなるノイズ成分を、事前に、計測でき、第１のノイズ成分の除去が可能となる。

次いで、図３に示すように水平シフトレジスタ４０６からの駆動パルス４０８＿１〜４０８＿３を順次ハイレベルとし、ＭＯＳトランジスタの転送スイッチ４０８を順次オンすることでアンプ４１０を介して出力４１１に１行目の第１のノイズ成分を順次読み出す。読み出されたノイズ成分はＡＤ（Analog to Digital）コンバータ４１２によりＡＤ変換され、データバス４１８を介して、第１のフレームメモリ４１４に保持される。２行目以降についても図３に示すように同様に読み出され、全画素部の第１のノイズ成分が第１のフレームメモリ４１４に保持される。

最終行である３行目の読み出し動作が終了した時点（図３のＡ点）で、再度、１行目から３行目まで、読み出す。１行目の読み出し動作について、説明する。１行目の選択スイッチ線４０４＿１をハイレベルとし、１行目の選択スイッチＱ１０４をオンして行選択を行い、第１のノイズ成分とフローティングディフュージョン容量のリーク電流の和からなる第２のノイズ成分を、信号蓄積部４１３に読み出す。

次いで、図３に示すように水平シフトレジスタ４０６からの駆動パルス４０８＿１〜４０８＿３を順次ハイレベルとし、ＭＯＳトランジスタの転送スイッチ４０８を順次オンすることでアンプ４１０を介して出力４１１に１行目の第２のノイズ成分を順次読み出す。読み出されたノイズ成分はＡＤコンバータ４１２によりＡＤ変換され、データバス４１８を介して、第２のフレームメモリ４１５に保持される。２行目以降についても図３に示すように同様に読み出され、全画素部の第２のノイズ成分が第２のフレームメモリ４１５に保持される。

次に、第２のフレームメモリ４１５に記録された第２のノイズ成分から、第１のフレームメモリ４１４に記録された第１のノイズ成分を引く事で、上記のフローティングディフュージョン容量のリーク電流成分のみを算出し、第２のフレームメモリ４１５に記憶する。この演算の具体的な方式を以下に説明する。まず、図２の画素部Ｐ１＿１のリーク電流成分を算出する方式について説明する。

画素部Ｐ１＿１の第１のノイズ成分が記録されている第１のフレームメモリ４１４のアドレスにアクセスし、画素部Ｐ１＿１の第１のノイズ成分データを、データバス４１８を介して読み出し、引き算器４１６の−入力端子にセットする。次に、画素部Ｐ１＿１の第２のノイズ成分が記録されている第２のフレームメモリ４１５のアドレスにアクセスし、画素部Ｐ１＿１の第２のノイズ成分を、データバス４１８を介して読み出し、引き算器４１６の＋入力端子にセットする。次に、引き算器４１６を動作させ、＋入力端子にセットされた第２のノイズ成分から、−入力端子にセットされた第１のノイズ成分を引き、フローティングディフュージョン容量のリーク電流成分を計算し、第２のフレームメモリ４１５に記録する。この演算を、図２の画素部Ｐ１＿２〜Ｐ１＿３，Ｐ２＿１〜Ｐ２＿３，Ｐ３＿１〜Ｐ３＿３に対して行い、全画素部のフローティングディフュージョン容量のリーク電流成分を計算し、第２のフレームメモリ４１５に記録する。

この処理により、全画素部のフォトダイオードＰＤで、発生した信号電荷を、一括してフローティングディフュージョン容量に転送し、保持した場合に混入するリーク電流成分を、事前に計測し、第２のフレームメモリ４１５に記録しておく事が出来る。

次に、図４を用いて、蓄積された信号電荷を全画素部一括でフローティングディフュージョン容量に転送し、その後順次読み出すと同時に、事前に計測されたリーク電流成分を、読み出された信号成分から差し引く動作を説明する。

まず、信号電荷蓄積動作に先立ち、全行のＰＤリセットスイッチ線４０１をハイレベル、全行の転送スイッチ線４０２をロウレベル、全行のリセットスイッチ線４０３をハイレベルとする。そして、ＰＤリセットスイッチＱ１０５及びリセットスイッチＱ１０２をオンし、転送スイッチＱ１０１をオフする。これにより、全画素部のフォトダイオードＰＤとソースフォロワの入力ＭＯＳトランジスタＱ１０３のゲートのフローティングディフュージョン容量をリセット状態とする。ＰＤリセットスイッチ線４０１、転送スイッチ線４０２、リセットスイッチ線４０３、選択スイッチ線４０４は垂直シフトレジスタ４０７によって駆動される。

次に、図４に示すように全行のＰＤリセットスイッチ線４０１をロウレベルとし、ＰＤリセットスイッチＱ１０５をオフすることでフォトダイオードＰＤにより光電変換された信号電荷の蓄積を開始する（図４のＡ点）。所望の蓄積時間が経過すると、全行の転送スイッチ線４０２のハイレベル駆動により転送スイッチＱ１０１をオンにする。これにより、フォトダイオードＰＤの蓄積電荷をソースフォロワの入力ＭＯＳトランジスタＱ１０３のゲートのフローティングディフュージョン容量に転送する（図４のＢ点）。図４の矢印で示す範囲が、蓄積期間となる。

次に、信号電荷のフローティングディフュージョン容量転送（図４のＢ点）前に、前述したリセットノイズ及びソースフォロワ入力ＭＯＳトランジスタＱ１０３の閾値電圧ばらつき等の固定パターンノイズからなる第１のノイズ成分を読み出す。そして、第１のノイズ成分を第１のフレームメモリ４１４に記録する。

図４に示すように１行目のリセットスイッチ線４０３＿１（４０３＿２は２行目、４０３＿３は３行目のリセットスイッチ線）をロウレベルとし、１行目のリセットスイッチＱ１０２をオフする。これにより、ソースフォロワの入力ＭＯＳトランジスタＱ１０３のゲートのフローティングディフュージョン容量をフローティングにする。その後、１行目の選択スイッチ線４０４＿１（図３の４０４＿２は２行目、４０４＿３は３行目の選択スイッチ線）をハイレベルとし、１行目の選択スイッチＱ１０４をオンして行選択を行う。これにより、リセットノイズ及びソースフォロワ入力ＭＯＳトランジスタＱ１０３の閾値電圧ばらつき等の固定パターンノイズからなる第１のノイズ成分を信号蓄積部４１３に読み出す。

次いで、図４に示すように水平シフトレジスタ４０６からの駆動パルス４０８＿１〜４０８＿３を順次ハイレベルとし、ＭＯＳトランジスタの転送スイッチ４０８を順次オンすることでアンプ４１０を介して出力４１１に１行目の第１のノイズ成分を順次読み出す。読み出されたノイズ成分はＡＤコンバータ４１２によりＡＤ変換され、データバス４１８を介して、第１のフレームメモリ４１４に記録される。２行目以降についても図４に示すように同様に読み出され、全画素部の第１のノイズ成分が第１のフレームメモリ４１４に保持される。

最終行である３行目の読み出し動作が終了した時点で、全行の転送スイッチ線４０２のハイレベル駆動により転送スイッチＱ１０１をオンする。これにより、フォトダイオードＰＤの蓄積電荷をソースフォロワの入力ＭＯＳトランジスタＱ１０３のゲートのフローティングディフュージョン容量に転送する。転送が終了した時点で、ＰＤリセットスイッチ線４０１をハイレベルにすることによりＰＤリセットスイッチＱ１０５をオンにすることでフォトダイオードＰＤをリセットする。このリセット動作により、フォトダイオードの受光面に入射光があった場合でも、光電変換により発生した電子はフローティングディフュージョン容量に混入する事がなくシリコン基板に排出される。

次に、フローティングディフュージョン容量に保持された全画素部の信号電荷の読み出し動作について説明する。

１行目の選択スイッチ線４０４＿１をハイレベルとし、１行目の選択スイッチＱ１０４をオンして行選択を行う。これにより、信号保持時のフローティングディフュージョン容量のリーク電流等からなる第２のノイズ成分及び保持されている信号電荷の和である信号ノイズ混合成分を、信号蓄積部４１３に読み出す。

次いで、図４に示すように水平シフトレジスタ４０６からの駆動パルス４０８＿１をハイレベルとし、ＭＯＳトランジスタの転送スイッチ４０８をオンすることでアンプ４１０を介して出力４１１に１行目の画素部Ｐ１＿１の信号ノイズ混合成分を読み出す。読み出された信号ノイズ混合成分はＡＤコンバータ４１２によりＡＤ変換され、データバス４１８を介して、第１の引き算器４１６の＋入力端子にセットされる。同時に第１のフレームメモリ４１４に記録されている１行目の画素部Ｐ１＿１の第１のノイズ成分を、データバス４１８を介して、読み出し、引き算器４１６の−入力端子にセットする。

次に、引き算器４１６を動作させ、＋入力端子にセットされた信号ノイズ混合成分から、−入力端子にセットされた第１のノイズ成分を引く。

次に、信号ノイズ混合成分から第１のノイズ成分が除去された引き算器４１６の出力結果を、第２の引き算器４１７の＋入力端子にセットする。同時に第２のフレームメモリ４１５に記録されている１行目の画素部Ｐ１＿１のリーク電流成分を、データバス４１８を介して、読み出し、引き算器４１７の−入力端子にセットする。

次に、引き算器４１７を動作させ、＋入力端子にセットされた信号ノイズ混合成分から、−入力端子にセットされたリーク電流成分を引く。この一連の処理の結果、信号ノイズ混合成分から第１のノイズ成分とリーク電流成分（信号保持時のフローティングディフュージョン容量のリーク電流）は除去される。ここで、第１のノイズ成分は、リセットノイズ及びソースフォロワの入力ＭＯＳトランジスタＱ１０３の閾値電圧ばらつき等の固定パターンノイズである。これにより、フォトダイオードＰＤで光電変換された信号成分だけが、引き算器４１７の出力結果となる。

以下、同様に、駆動パルス４０８＿２及び４０８＿３を順次ハイレベルとしＭＯＳトランジスタの転送スイッチ４０８をオンし、１行目の残りの画素部Ｐ１＿２及びＰ１＿３の信号ノイズ混合成分を読み出し、同様の処理をして、信号成分だけを算出する。２行目以降についても同様に読み出され、高いＳＮ比の画像信号が得られる。

上記動作によれば、全行の信号蓄積開始及び終了のタイミングは同時であるので、被写体が速い動きをしている場合でも被写体の形状が歪んで撮影されたり、蛍光灯のフリッカが画像に現れることがなく、良質の画像を撮像することが可能である。

また、蓄積期間以外は全行のＰＤリセットスイッチ線４０１がハイレベルにあり全画素部のＰＤリセットスイッチＱ１０５がオン状態である。そのため、蓄積期間以外の期間に光が入射し蓄積電荷がフォトダイオードＰＤの飽和電荷量を超えたとしても、溢れ出て隣接するフローティングディフュージョン容量やフォトダイオードＰＤに混入してしまうブルーミング現象を防止できる。

更に、各行のフローティングディフュージョン容量がフローティングとなっている時間に、発生するリーク電流によるノイズ成分を事前に計測し信号読み出し時に差し引く為、これまで問題であったリーク電流による画質劣化を防止できる。なお、本実施形態では、簡易的に画素部が３行３列の場合を説明したが、これに限るものではない。

なお、図１の実施形態では全画素部のノイズ成分を保持するためのフレームメモリ４１４，４１５及び信号蓄積部４１３が必要となる。一方で、全行の信号蓄積開始及び終了のタイミングを同時とすることが必要なモードは、動画を撮像するモードである場合が多い。この場合には、全行を読み出さずに不要な行を間引くことにより、読み出す画素部数を削減しフレームレートを向上させることが可能である。また、不要な行を間引いて読み出す場合には、必要な画素部数分のフレームメモリ４１４，４１５及び信号蓄積部４１３があれば良い。

また、間引き動作において、読み出さない行のＰＤリセットスイッチ線４０１やリセットスイッチ線４０３を常にハイレベルとする。これにより、不要な行のフォトダイオードＰＤに蓄積された電荷が飽和電荷量を超えたとしても溢れ出て隣接するフローティングディフュージョン容量やフォトダイオードに混入してしまうブルーミング現象を防止できる。

以上、説明したように、本実施形態によれば、フローティングディフュージョン容量のリーク電流の影響を受けない同時刻、蓄積動作可能なＣＭＯＳセンサが実現でき、動いている被写体を撮像しても、歪のない高画質のＣＭＯＳセンサを実現出来る。

本実施形態の固体撮像装置において、光電変換手段（フォトダイオード）ＰＤは、光を信号電荷に変換して蓄積する。第１のリセットスイッチ（ＰＤリセットスイッチ）Ｑ１０５は、光電変換手段ＰＤに蓄積された信号電荷をリセットする。転送スイッチＱ１０１は、光電変換手段ＰＤの信号電荷を転送する。増幅手段（ソースフォロワの入力ＭＯＳトランジスタ）Ｑ１０３は、転送スイッチＱ１０１により転送された信号電荷を増幅する。第２のリセットスイッチＱ１０２は、増幅手段Ｑ１０３の信号電荷をリセットする。選択スイッチＱ１０４は、増幅手段Ｑ１０３により増幅された信号電荷を選択して信号出力線１０５に出力する。画素部Ｐ１＿１〜Ｐ１＿３，Ｐ２＿１〜Ｐ２＿３，Ｐ３＿１〜Ｐ３＿３は、それぞれ光電変換手段ＰＤ、第１のリセットスイッチＱ１０５、転送スイッチＱ１０１、増幅手段Ｑ１０３、第２のリセットスイッチＱ１０２及び選択スイッチＱ１０４を含む。画素部Ｐ１＿１〜Ｐ１＿３，Ｐ２＿１〜Ｐ２＿３，Ｐ３＿１〜Ｐ３＿３は、２次元配列される。

図３において、第２のリセットスイッチＱ１０２が増幅手段Ｑ１０３の信号電荷をリセットし、選択スイッチＱ１０４が前記リセットされた増幅手段Ｑ１０３の信号電荷を第１のノイズ成分として画素部の行順次で信号出力線１０５に出力する。

一定期間経過後、転送スイッチＱ１０１がオフの状態で、選択スイッチＱ１０４が増幅手段Ｑ１０３の信号電荷を第２のノイズ成分として画素部の行順次で信号出力線１０５に出力する。

引き算器４１６は、第１のノイズ成分と第２のノイズ成分との差分をリーク電流成分として出力する。

図４において、第２のノイズ成分を出力後、すべての画素部の第１のリセットスイッチＱ１０５が光電変換手段ＰＤの信号電荷を同時にリセットする。

その後、第２のリセットスイッチＱ１０２が増幅手段Ｑ１０３の信号電荷をリセットし、選択スイッチＱ１０４が前記リセットされた増幅手段Ｑ１０３の信号電荷を第３のノイズ成分として画素部の行順次で信号出力線１０５に出力する。

蓄積期間経過後、すべての画素部の転送スイッチＱ１０１が光電変換手段ＰＤの信号電荷を同時に転送し、選択スイッチＱ１０４が増幅手段Ｑ１０３の信号電荷を信号ノイズ混合成分として画素部の行順次で信号出力線１０５に出力する。

引き算器４１６及び４１７は、信号ノイズ混合成分から第３のノイズ成分及びリーク電流成分を引き算する。

第１のフレームメモリ４１４は、信号出力線１０５に出力された第１のノイズ成分がアナログデジタル変換された成分を記憶する。第２のフレームメモリ４１５は、信号出力線１０５に出力された第２のノイズ成分がアナログデジタル変換された成分を記憶する。引き算器４１６は、第１のフレームメモリ４１４の第１のノイズ成分と第２のフレームメモリ４１５の第２のノイズ成分との差分をリーク電流成分として出力する。

第１のフレームメモリ４１４は、第３のノイズ成分を記憶する。第２のフレームメモリ４１５は、引き算器４１６が出力するリーク電流成分を記憶する。第１の引き算器４１６は、信号ノイズ混合成分から第１のフレームメモリ４１４の第３のノイズ成分を引き算する。第２の引き算器４１７は、第１の引き算器４１６の出力から第２のフレームメモリ４１５のリーク電流成分を引き算する。

本実施形態によれば、リーク電流成分を除去し、全画素部について同時に信号電荷を蓄積開始及び終了することができ、動いている被写体を撮像しても、歪みのない高画質の画像を得ることができる。

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。

本発明の実施形態による固体撮像装置を示す等価回路図である。本実施形態の固体撮像装置の画素部を示す等価回路図である。固体撮像装置の動作を示すタイミング図である。固体撮像装置の動作を示すタイミング図である。

符号の説明

１０１ＰＤリセット線
１０２転送スイッチ線
１０３リセットスイッチ線
１０４選択スイッチ線
１０５信号出力線
４０１ＰＤリセット線
４０２転送スイッチ線
４０３＿１，４０３＿２，４０３＿３リセットスイッチ線
４０４＿１，４０４＿２，４０４＿３選択スイッチ線
４０５＿１，４０５＿２，４０５＿３信号出力線
４０６水平シフトレジスタ
４０７垂直シフトレジスタ
４０８転送スイッチ
４０９定電流源
４１０出力アンプ
４１１出力
４１２ＡＤコンバータ
４１３信号蓄積部
４１４第１のフレームメモリ
４１５第２のフレームメモリ
４１６第１の引き算器
４１７第２の引き算器
ＰＤフォトダイオード
Ｑ１０１転送スイッチ
Ｑ１０２リセットスイッチ
Ｑ１０３ソースフォロワの入力ＭＯＳトランジスタ
Ｑ１０４選択スイッチ
Ｑ１０５ＰＤリセットスイッチ

Claims

光を信号電荷に変換して蓄積する光電変換手段と、
前記光電変換手段に蓄積された信号電荷をリセットする第１のリセットスイッチと、
前記光電変換手段の信号電荷を転送する転送スイッチと、
前記転送スイッチにより転送された信号電荷を増幅する増幅手段と、
前記増幅手段の信号電荷をリセットする第２のリセットスイッチと、
前記増幅手段により増幅された信号電荷を選択して信号出力線に出力する選択スイッチとを含む２次元配列された画素部とを有し、
前記第２のリセットスイッチが前記増幅手段の信号電荷をリセットし、前記選択スイッチが前記リセットされた増幅手段の信号電荷を第１のノイズ成分として前記画素部の行順次で前記信号出力線に出力し、
一定期間経過後、前記転送スイッチがオフの状態で、前記選択スイッチが前記増幅手段の信号電荷を第２のノイズ成分として前記画素部の行順次で前記信号出力線に出力し、
さらに、前記第１のノイズ成分と前記第２のノイズ成分との差分をリーク電流成分として出力する引き算器を有し、
前記第２のノイズ成分を出力後、すべての前記画素部の前記第１のリセットスイッチが前記光電変換手段の信号電荷を同時にリセットし、
その後、前記第２のリセットスイッチが前記増幅手段の信号電荷をリセットし、前記選択スイッチが前記リセットされた増幅手段の信号電荷を第３のノイズ成分として前記画素部の行順次で前記信号出力線に出力し、
蓄積期間経過後、すべての前記画素部の前記転送スイッチが前記光電変換手段の信号電荷を同時に転送し、前記選択スイッチが前記増幅手段の信号電荷を信号ノイズ混合成分として前記画素部の行順次で前記信号出力線に出力し、
前記引き算器は、前記信号ノイズ混合成分から前記第３のノイズ成分及び前記リーク電流成分を引き算することを特徴とする固体撮像装置。
さらに、前記信号出力線に出力された前記第１のノイズ成分がアナログデジタル変換された成分を記憶する第１のフレームメモリと、
前記信号出力線に出力された前記第２のノイズ成分がアナログデジタル変換された成分を記憶する第２のフレームメモリとを有し、
前記引き算器は、前記第１のフレームメモリの前記第１のノイズ成分と前記第２のフレームメモリの前記第２のノイズ成分との差分をリーク電流成分として出力することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記第１のフレームメモリは、前記第３のノイズ成分を記憶し、
前記第２のフレームメモリは、前記引き算器が出力するリーク電流成分を記憶し、
前記引き算器は、第１の引き算器及び第２の引き算器を有し、
前記第１の引き算器は、前記信号ノイズ混合成分から前記第１のフレームメモリの前記第３のノイズ成分を引き算し、
前記第２の引き算器は、前記第１の引き算器の出力から前記第２のフレームメモリのリーク電流成分を引き算することを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
光を信号電荷に変換して蓄積する光電変換手段と、
前記光電変換手段に蓄積された信号電荷をリセットする第１のリセットスイッチと、
前記光電変換手段の信号電荷を転送する転送スイッチと、
前記転送スイッチにより転送された信号電荷を増幅する増幅手段と、
前記増幅手段の信号電荷をリセットする第２のリセットスイッチと、
前記増幅手段により増幅された信号電荷を選択して信号出力線に出力する選択スイッチとを含む２次元配列された画素部とを有する固体撮像装置の駆動方法であって、
前記第２のリセットスイッチが前記増幅手段の信号電荷をリセットし、前記選択スイッチが前記リセットされた増幅手段の信号電荷を第１のノイズ成分として前記画素部の行順次で前記信号出力線に出力するステップと、
一定期間経過後、前記転送スイッチがオフの状態で、前記選択スイッチが前記増幅手段の信号電荷を第２のノイズ成分として前記画素部の行順次で前記信号出力線に出力するステップと、
前記第１のノイズ成分と前記第２のノイズ成分との差分をリーク電流成分として出力するステップと、
前記第２のノイズ成分を出力後、すべての前記画素部の前記第１のリセットスイッチが前記光電変換手段の信号電荷を同時にリセットするステップと、
その後、前記第２のリセットスイッチが前記増幅手段の信号電荷をリセットし、前記選択スイッチが前記リセットされた増幅手段の信号電荷を第３のノイズ成分として前記画素部の行順次で前記信号出力線に出力するステップと、
蓄積期間経過後、すべての前記画素部の前記転送スイッチが前記光電変換手段の信号電荷を同時に転送し、前記選択スイッチが前記増幅手段の信号電荷を信号ノイズ混合成分として前記画素部の行順次で前記信号出力線に出力するステップと、
前記信号ノイズ混合成分から前記第３のノイズ成分及び前記リーク電流成分を引き算するステップと
を有することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。