JP5268389B2 - 固体撮像装置、その駆動方法及び撮像システム - Google Patents

Description

本発明は、デジタルカメラ等の固体撮像装置、その駆動方法及び撮像システムに関するものである。

下記の特許文献１では、ＣＭＯＳ撮像素子を用いた場合に、画素から一行分の信号を一時的な記憶手段である読み出し容量まで読み出す動作（以下、ＢＬＫ動作という）を行う。ＢＬＫ動作期間と、読み出し容量から撮像素子外部に信号を出力する水平走査期間を時間的に重複させることで、撮像素子からの読み出し時間を短縮させる。

特開２００１−４５３７５号公報

特許文献１において、ＢＬＫ動作期間と水平走査期間を時間的に重複させることにより、ＢＬＫ動作期間の画素信号転送動作が水平走査期間に走査される信号に対してＢＬＫ動作によるノイズを重畳してしまうという問題がある。

このノイズ発生のメカニズムを説明する。図１３は、特許文献１による動作方法を行った場合の、消費電流、電源電圧変動を示している。水平走査回路の水平走査信号ＨＳＲＣのパルスや画素信号読み出し信号パルスが固体撮像装置に入力されると、水平走査信号ＨＳＲＣの波形整形するためのクロックバッファや、水平走査信号ＨＳＲＣにより動作する回路等で電流が消費される。消費電流の発生する詳細な時刻は、水平走査信号ＨＳＲＣの立ち上がり・立ち下がりの遷移期間付近である。ここでは電源電圧を例に挙げているが、グラウンド電位や、その他の電圧入力経路のインピーダンスは有限の値を持つことから、インピーダンスと消費電流を掛けたものがインピーダンスでの電源電圧降下となり、図１３に示す電源電圧の変動が生ずることになる。水平走査信号ＨＳＲＣのパルスが周期的に入力された場合、それに同期した消費電流・電源電圧の変動が生ずる。一般的に電源電圧変動が信号出力に及ぼす影響を抑制する性能の指標として、ＰＳＲＲ（Power Supply Rejection Ratio:電源変動除去率）がある。電源電圧変動がそのまま信号出力にノイズとして現れることはないが、ＰＳＲＲを無限大にしない限り、電源電圧変動を完全に除去することはできない。また、ＰＳＲＲを無限大にすることは不可能である。しかしながら、水平走査信号ＨＳＲＣのみが周期的に入力されている場合、水平走査による信号には電源電圧変動によるノイズが生じるが、水平走査信号ＨＳＲＣに同期したノイズの為、いずれの信号にも均等なノイズが生じることになり、ノイズとして目立たない。しかし、図１３のように駆動信号φＴＸ１が入力された場合、時刻ＡとＢにおいて、水平走査信号ＨＳＲＣの周期とは無関係な消費電流・電源電圧変動が生じる。そのため時刻ＡとＢに出力される信号出力には特異的なノイズが生じることになり、これが画像劣化の原因になる。

また画素信号転送クロックバッファの消費電流以外に、特許文献１では、保持容量への信号転送動作により、定電流負荷が一時的な記憶手段である容量を充放電する。そのため、水平走査信号ＨＳＲＣと異なる駆動信号によりもたらされる電源電圧変動により水平走査される画像信号にノイズが重畳される課題がある。

本発明の目的は、ＢＬＫ動作期間と水平走査期間とを時間的に重複しながらもノイズの混入を防止することができる固体撮像装置、その駆動方法及び撮像システムを提供することである。

本発明の固体撮像装置は、光を電荷に変換する光電変換素子を含み、前記光電変換素子により変換された電荷に基づく信号を読み出し信号により出力する２次元状に配列された複数の画素と、前記複数の画素の列に対応して設けられ、前記複数の画素のうちの第１の行の画素のリセットされたノイズ信号を保持する複数の第１の容量と、前記複数の画素の列に対応して設けられ、前記複数の画素のうちの第１の行の画素のリセットされていない画素信号を保持する複数の第２の容量と、前記複数の画素の列に対応して設けられ、前記複数の画素のうちの第２の行の画素のリセットされたノイズ信号を保持する複数の第３の容量と、前記複数の画素の列に対応して設けられ、前記複数の画素のうちの第２の行の画素のリセットされていない画素信号を保持する複数の第４の容量と、入力されるクロックパルスに応じてデータパルスを順次転送することにより、前記複数の第１の容量及び前記複数の第２の容量に保持された信号を第１の水平共通線及び第２の水平共通線に順次読み出し、前記複数の第３の容量及び前記複数の第４の容量に保持された信号を前記第１の水平共通線及び前記第２の水平共通線に順次読み出すための水平走査回路と、前記第１の水平共通線及び前記第２の水平共通線の信号の差分信号を出力する差分処理回路とを有し、前記水平走査回路は、マスク信号が入力されるマスク信号入力部を有し、前記水平走査回路が前記第１の行の画素の信号を前記複数の第１の容量及び前記複数の第２の容量から前記第１の水平共通線及び前記第２の水平共通線に読み出す水平走査期間において、前記第２の行の画素から出力された信号を前記複数の第３の容量及び前記複数の第４の容量に読み出しているとき、前記第２の行に対応する前記読み出し信号の変化時には、前記マスク信号入力部に前記マスク信号が入力され、前記クロックパルスが入力されても前記データパルスの転送が行われないことを特徴とする。

また、本発明の固体撮像装置の駆動方法は、光を電荷に変換する光電変換素子を含み、前記光電変換素子により変換された電荷に基づく信号を読み出し信号により出力する２次元状に配列された複数の画素と、前記複数の画素の列に対応して設けられ、前記複数の画素のうちの第１の行の画素のリセットされたノイズ信号を保持する複数の第１の容量と、前記複数の画素の列に対応して設けられ、前記複数の画素のうちの第１の行の画素のリセットされていない画素信号を保持する複数の第２の容量と、前記複数の画素の列に対応して設けられ、前記複数の画素のうちの第２の行の画素のリセットされたノイズ信号を保持する複数の第３の容量と、前記複数の画素の列に対応して設けられ、前記複数の画素のうちの第２の行の画素のリセットされていない画素信号を保持する複数の第４の容量と、入力されるクロックパルスに応じてデータパルスを順次転送することにより、前記複数の第１の容量及び前記複数の第２の容量に保持された信号を第１の水平共通線及び第２の水平共通線に順次読み出し、前記複数の第３の容量及び前記複数の第４の容量に保持された信号を前記第１の水平共通線及び前記第２の水平共通線に順次読み出すための水平走査回路と、前記第１の水平共通線及び前記第２の水平共通線の信号の差分信号を出力する差分処理回路とを有する固体撮像装置の駆動方法であって、前記水平走査回路は、マスク信号が入力されるマスク信号入力部を有し、前記水平走査回路が前記第１の行の画素の信号を前記複数の第１の容量及び前記複数の第２の容量から前記第１の水平共通線及び前記第２の水平共通線に読み出す水平走査期間において、前記第２の行の画素から出力された信号を前記複数の第３の容量及び前記複数の第４の容量に読み出しているとき、前記第２の行に対応する前記読み出し信号の変化時には、前記マスク信号入力部に前記マスク信号が入力され、前記クロックパルスが入力されても前記データパルスの転送が行われないステップを有することを特徴とする。

クロックパルスの周期と無関係な読み出し信号により電源電圧変動等が生じても、画素信号にノイズが重畳されることを回避することができ、良質な画像を得ることができる。

（第１の実施形態）
上記の課題を解決する方法として、水平走査信号ＨＳＲＣの周期性と同期しない消費電流・電源電圧変動が生ずる時刻の前後において、水平走査信号ＨＳＲＣをハイレベルもしくはローレベルに固定し、水平走査信号ＨＳＲＣのパルスを停止する手法が考えられる。その手法により水平走査信号ＨＳＲＣ以外の駆動信号による特異的な消費電流・電源電圧変動を回避することができる。しかしその場合、水平走査信号ＨＳＲＣのパルスによる消費電流・電源電圧変動の周期性が保たれなくなる為にノイズを生じることを新たに見出した。

固体撮像装置の駆動方法を図１を用いて説明する。クロックパルスである水平走査信号ＨＳＲＣのパルスを停止することで、時刻Ａ、Ｂの特異的な消費電流・電源電圧変動によるノイズが信号出力に重畳しないようにしている。しかしながら、水平走査信号ＨＳＲＣのパルスを停止することにより、クロックバッファや、それにまつわる回路による消費電流の周期性がみだれる為、時刻Ｃ、Ｄ、Ｅで信号出力前の電圧差が生じ、信号出力にノイズが載るという新たな課題が生じてしまう。出力信号は通常水平走査信号ＨＳＲＣの水平走査回路と電源を同じくする増幅器の出力であるため、水平走査信号ＨＳＲＣの水平走査回路の消費電力の大小により増幅器の電源電位が変動する。電源変動により出力信号が少なからず変動する。また、増幅器の電源と水平走査信号ＨＳＲＣの水平走査回路の電源が異なるものであっても、水平走査信号ＨＳＲＣを供給する水平走査回路が形成されている半導体領域と、増幅器が形成されている半導体領域とは半導体基板を介して容量結合しているのが通例である。消費電力の大小により半導体領域の電位変動を生じると、容量結合により増幅器の半導体領域に電位変動を引き起こし、出力信号を変動させる。

そこで、本発明の第１の実施形態による固体撮像装置では、水平走査信号ＨＳＲＣに関連する動作の消費電流・電源電圧変動の周期性を保ったまま、時刻Ａ、Ｂでの特異的な消費電流・電源電圧変動・ノイズを回避する。具体的な形態を図２に示す。

本実施形態による固体撮像装置を、図２を用いて説明する。撮像システムは、固体撮像装置及び信号処理回路２２０を有する。図２において、信号処理回路２２０以外の部分が固体撮像装置である。まず、固体撮像装置について説明する。２０１は水平走査回路を構成するフリップフロップである。水平走査回路は、さらにクロックバッファ２０２や、マスク信号入力部である端子ＨＳＲＳＴＯＰ、ＡＮＤゲートなどを備える。クロックバッファ２０２は水平走査信号ＨＳＲＣを波形整形する。２０３は画素である。２０５は定電流負荷である。２０６は画素信号を一時保存する容量である。２０７は容量２０６を水平共通線２０８及び２０９に接続して信号を読み出すためのスイッチである。２０８及び２０９は水平共通線である。アンプ２１１は差分処理回路であり、水平共通線２０８に出力された信号と水平共通線２０９に出力された信号との差分信号を出力する。２１２は水平共通線２０８及び２０９を電源電圧２１３にリセットするためのスイッチである。２１３は水平共通線２０８及び２０９のリセット電源電圧である。２１４はＣＴＳ１及びＣＴＮ１、又はＣＴＳ２及びＣＴＮ２のいずれかの対となる容量を水平共通線２０８、２０９に読み出すか否かを選択する回路である。画素２０３から容量２０６までの信号読み出しの方法を説明する。

画素２０３の等価回路図を図３に示す。３０１は光電変換により電荷を生成する光電変換素子（フォトダイオード）である。３０２は光電変換素子３０１の電荷を読み出すためのＭＯＳ電界効果トランジスタである。３０３は光電変換素子３０１をリセットするためのＭＯＳ電界効果トランジスタである。３０４は、光電変換素子３０１の信号電荷を増幅する画素内アンプである。３０５は２次元配列された画素を行選択する行選択スイッチである。φＴＸ１は画素の光電変換素子３０１の電荷を読み出すための駆動信号である。

垂直走査回路は、２次元状に配列された画素２０３のうちのＮ行目の画素を選択する。具体的には、まず、ＭＯＳトランジスタ３０５をオンにすることでＮ行目の画素を選択する。次に、画素を選択した状態でＭＯＳトランジスタ３０３をオンすることにより、ＭＯＳトランジスタ３０４のゲートをリセットする。ＭＯＳトランジスタ３０４のソース電位はそのゲート電位に応じた電位が現れるので、信号φＴＮ１のスイッチをオンし、信号φＴＳ１，φＴＮ２，φＴＳ２のスイッチをオフすると、リセットを行った後のノイズ信号（リセットレベル）が容量ＣＴＮ１に保持される。次に、信号φＴＸ１によりＭＯＳトランジスタ３０２をオンすることにより、光電変換素子３０１により生成された電荷をＭＯＳトランジスタ３０４のゲートに転送する。これにより、ＭＯＳトランジスタ３０４のゲート電位は転送された電荷量に応じて変動するので、ＭＯＳトランジスタ３０４のソース電位も変動する。信号φＴＳ１のスイッチをオンし、信号φＴＮ１，φＴＳ２，φＴＮ２のスイッチをオフすると、画素信号が容量ＣＴＳ１に保持される。

次に、垂直走査回路は、２次元状に配列された画素２０３のうちのＮ＋１行目の画素を選択する。具体的には、まず、ＭＯＳトランジスタ３０５をオンにすることでＮ＋１行目の画素を選択する。次に、画素を選択した状態でＭＯＳトランジスタ３０３をオンすることにより、ＭＯＳトランジスタ３０４のゲートをリセットする。ＭＯＳトランジスタ３０４のソース電位はそのゲート電位に応じた電位が現れるので、信号φＴＮ２のスイッチをオンし、信号φＴＳ２，φＴＮ１，φＴＳ１のスイッチをオフすると、リセットを行った後のノイズ信号（リセットレベル）が容量ＣＴＮ２に保持される。次に、信号φＴＸ２によりＭＯＳトランジスタ３０２をオンすることにより、光電変換素子３０１により生成された電荷をＭＯＳトランジスタ３０４のゲートに転送する。これにより、ＭＯＳトランジスタ３０４のゲート電位は転送された電荷量に応じて変動するので、ＭＯＳトランジスタ３０４のソース電位も変動する。信号φＴＳ２のスイッチをオンし、信号φＴＮ２，φＴＳ１，φＴＮ１のスイッチをオフすると、画素信号が容量ＣＴＳ２に保持される。ここで、ＣＴＳ１及びＣＴＮ１に保持された信号のそれぞれを水平共通線２０８及び２０９に出力する動作と、Ｎ＋１行目の画素からの信号をＣＴＳ２及びＣＴＮ２に保持させる動作とは時間的に重複して行われる。以後、Ｎ＋２行目以降の画素についても上述の動作を行う。

図４は、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法を示す図である。本実施形態では、駆動信号φＴＸ１により特異的な消費電流が発生する時刻Ａ，Ｂ付近において信号ＨＳＲＳＴＯＰをハイレベルにして水平走査回路の水平走査を一旦停止し、且つ、特異的な消費電流・電源電圧変動を回避して信号出力にノイズがのらないようする。具体的な動作を、以下に説明する。クロックバッファ２０２は、クロックパルスである水平走査信号ＨＳＲＣを波形整形して出力する。クロックバッファ２０２の出力信号と信号ＨＳＲＳＴＯＰの論理反転信号は論理積（ＡＮＤ）演算され、フリップフロップ２０１のクロック入力端子Ｃに入力される。フリップフロップ２０１は、クロック入力端子Ｃに入力された信号の立ち上がりに同期して、データＤａｔａをＤ１’→ Ｄ２’ → Ｄ３’ →Ｄ４’ →・・の順に出力する。すなわち、フリップフロップ２０１は、信号ＨＳＲＳＴＯＰがローレベルの期間において水平走査信号ＨＳＲＣの立ち上がりに応じて、ハイレベル出力をＤ１’〜Ｄ６’として順次シフトする。クロックバッファ２０２の出力信号と、データＤ１’、Ｄ２’、Ｄ３’、Ｄ４’・・が論理積演算され、データＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４・・が出力される。スイッチ２０７は、データＤ１〜Ｄ６のハイレベルに応じて閉じ、容量２０６の信号は水平共通線２０８及び２０９に読み出される。差分処理回路であるアンプ２１は、水平共通線２０９の画素信号から水平共通線２０８のノイズ信号を減算し、ノイズを除去した画素信号を出力する。

本実施形態では、図４に示すように、時刻Ａ、Ｂにおいて、駆動信号φＴＸ１が変化している。その時刻Ａ、Ｂ付近で信号ＨＳＲＳＴＯＰをハイレベルにしている。信号ＨＳＲＳＴＯＰを用いることにより、水平走査信号ＨＳＲＣを停止させず、例えば水平走査回路のＤ２’→Ｄ３’のデータ出力を停止させることができる。そうすることにより、水平走査信号ＨＳＲＣを停止させることによる新たなノイズを回避することができる。水平走査信号ＨＳＲＣは周期性を保ったまま入力することができ、クロックバッファ２０２において周期的な消費電流が発生し続けることになる。一方、水平走査信号ＨＳＲＣは信号ＨＳＲＳＴＯＰによりマスクされ、フリップフロップ２０１には入力されないため、時刻Ａには、Ｄ２’→Ｄ３’へデータが転送されず、その結果、データＤ２に対応する容量２０６からの信号が２度読み出されることになる。同じ容量２０６を何回でも読み出すことが可能である。同じ容量２０６から２度目に読み出された信号、すなわち時刻Ａにおける符号２１の出力は駆動信号φＴＸ１の立ち上がりによる特異的なノイズが重畳しているが、画像形成には使用しないダミー信号であるので、画像に影響を及ぼさない。このダミー信号は、当該固体撮像装置から出力された後に、ＤＦＥ（Digital Front End）と呼ばれるデジタル信号処理回路２２０により除去される。除去する方法としては、予めわかっているアドレスの信号を間引くのがもっとも簡便である。時刻Ｂの駆動信号φＴＸ１の立ち下がりのノイズについても信号ＨＳＲＳＴＯＰのハイレベルパルスを同様に入力することで特異的なノイズを回避できる。このように、駆動信号φＴＸ１の立ち上がり及び立ち下がり時又はその直後の水平走査信号ＨＳＲＣのパルス期間だけ、少なくとも信号ＨＳＲＳＴＯＰをハイレベルにし、画像形成に使用する信号を読み出さずダミー信号を読み出す。そして、駆動信号φＴＸ１の遷移していない時刻ＡとＢの間の期間では、画像形成に使用する信号読み出しを行い且つ水平走査信号ＨＳＲＣのクロックバッファ２０２の消費電流による電源電圧変動の連続性を保つことができる。この手法により、ＢＬＫ動作と水平走査を時間的に重ねて読み出し高速化をすると共に、電源電圧変動をもたらす水平走査信号ＨＳＲＣは入力しつつ水平走査と無関係な信号φＴＸ１の遷移期間のみ水平走査を停止することで、特異的なノイズも回避することができる。

また、読み出しの高速化が進むと、図５のように、電源電圧変動は安定する期間が無くなり、理想的な電源電圧から多少ずれた電圧で動作することになる。この場合、水平走査信号ＨＳＲＣを停止すると、電源電圧が安定してしまい、これも水平走査信号ＨＳＲＣ入力再開後の信号ａを読み出すときのみ他とは違った電源電圧となり、信号レベルが他とは異なってしまう。すなわちノイズとして見えてしまう。そこで、本実施形態をさらに高速読み出しした場合を図６に示す。信号ＨＳＲＳＴＯＰを用いて、水平走査信号ＨＳＲＣは連続的に入力することで、ノイズの原因となる電源電圧変動を連続的とする。これにより、信号ａ、ｂにはともに、その他の信号出力と同様の電源電圧変動の影響を受けるので、ノイズとして見えることを低減することができる。また図７のように水平走査信号ＨＳＲＣを停止させても、水平走査信号ＨＳＲＣ入力再開後の１ビット目は信号ＨＳＲＳＴＯＰのハイレベルパルスを入力して信号ｃをダミー信号とすることで、それ以降の信号には影響を与えない方法もある。本実施形態の始めに述べた水平走査信号ＨＳＲＣを停止する図１の例は低速で信号読み出しをする場合においては効果が期待できるが、高速な信号読み出しでの効果は薄い。しかし、本実施形態の図２、４、６、７では、低速読み出しではもちろんのこと高速読み出しにおいても効果がある。以上、本実施形態では、高速読み出し、且つ、良質な画像信号を取得することができる。なお、この効果は電源電圧変動について述べたが、グラウンド電位変動についても同様な効果がある。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態による固体撮像装置を、図８、９を用いて説明する。図８は、図２の水平走査回路に対応する等価回路を記したものであり、それ以外の画素から容量までの読み出しは第１の実施形態と同じである。図９は駆動タイミング図である。

クロックバッファ８０２は、水平走査信号ＨＳＲを波形整形して出力する。クロックバッファ８０２の出力信号と信号ＨＳＲＳＴＯＰの論理反転信号は論理積演算され、フリップフロップ８０１のクロック入力端子Ｃに入力される。フリップフロップ８０１は、クロック入力端子Ｃに入力された信号の立ち上がりに同期して、データＤａｔａをＤ１’→ Ｄ２’ → Ｄ３’ →Ｄ４’ →・・の順に出力する。すなわち、フリップフロップ８０１は、信号ＨＳＲＳＴＯＰがローレベルの期間において水平走査信号ＨＳＲＣの立ち上がりに応じて、ハイレベル出力をＤ１’〜Ｄ６’として順次シフトする。クロックバッファ８０２の出力信号と信号ＨＳＲＳＴＯＰの論理反転信号は論理積演算され、その論理積信号とデータＤ１’、Ｄ２’、Ｄ３’、Ｄ４’・・とが論理積演算され、データＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４・・が出力される。

図９に示すように、フリップフロップ８０１間でデータが転送されない時刻Ａの水平走査信号ＨＳＲＣのパルス及び時刻Ｂの直後の水平走査信号ＨＳＲＣのパルスでは、信号ＨＳＲＳＴＯＰがハイレベルになる。そのため、データＤ１〜Ｄ６のいずれからも容量２０６から信号を読み出すための信号が出力されない。本実施形態により、ＢＬＫ動作と水平走査を時間的に重ねて行うことで高速化に読み出し動作を行うことができる。それと共に、水平走査信号ＨＳＲＣと無関係な信号φＴＸ１の遷移期間のみ水平走査信号ＨＳＲＣのパルス供給を信号ＨＳＲＳＴＯＰにより停止することで、特異的なノイズも回避することができる。また、本実施形態では、第１の実施形態では必要であった信号ＨＳＲＳＴＯＰによりマスクする為のフリップフロップ毎のＡＮＤ回路が不要となるため、チップ面積を小さくすることができる。本実施形態では、高速読み出しにおいて特に効果がでる。以上、本実施形態では、高速読み出し、且つ、良質な画像信号を取得することができる。なお、この効果は電源電圧変動について述べたが、グラウンド電位変動についても同様な効果がある。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態による固体撮像装置を、図１０を用いて説明する。図１１は、図１０の固体撮像装置の動作を説明するための波形図である。１００１は水平走査回路を構成するフリップフロップである。水平走査回路は、さらにクロックバッファ１００２や、マスク信号入力部である端子ＨＳＲＳＴＯＰ、ＡＮＤゲートなどを備える。クロックバッファ１００２は水平走査信号ＨＳＲＣを波形整形する。１００３は画素である。１００５は定電流負荷である。１００６は画素信号を一時保存する容量である。１００７は容量１００６を水平共通線１００８及び１００９に接続して信号を読み出すためのスイッチである。１００８及び１００９は水平共通線である。アンプ１０１１は差分処理回路であり、水平共通線１００８に出力された信号と及び１００９に出力された信号との差分信号を出力する。１０１２は水平共通線１００８及び１００９を電源電圧１０１３にリセットするためのスイッチである。１０１３は水平共通線１００８及び１００９のリセット電源電圧である。１０１４はＣＴＳ１及びＣＴＮ１、又はＣＴＳ２及びＣＴＮ２のいずれかの対となる容量を水平共通線１００８、１００９に読み出すか否かを選択する回路である。画素１００３から容量１００６までの読み出しの方法は、第１の実施形態と同様である。特異的な消費電流が発生する時刻Ａ及びＢ付近において信号ＨＳＲＳＴＯＰにて水平走査信号ＨＳＲＣのパルス供給を一旦停止し、ノイズを回避する手法も第１の実施形態と同様である。

第１及び第２の実施形態（図２）では、スイッチ２１２は信号φＣＨＲにより制御される。これに対し、本実施形態（図１０）では、クロックバッファ１００２の出力信号の論理反転信号を信号φＣＨＲとし、信号φＣＨＲによりスイッチ１０１２を制御する。

本実施形態では、容量１００６から水平共通線１００８及び１００９に信号を読み出す度に、スイッチ１０１２により水平共通線１００８及び１００９を電源１０１３の電位にリセットする動作に特徴をもつ。図１１の動作で示すように、第１及び第２の実施形態と同様に、水平走査信号ＨＳＲＣのパルス供給を信号ＨＳＲＳＴＯＰにより一旦停止して、リセット電源１０１３及び水平共通線１００８，１００９の電位の周期性を保ったままリセットし続けることができる。これにより、リセット電源１０１３で消費する電流においても周期性を保つことができる。

この手法により、ＢＬＫ動作期間と水平走査を重ねることにより読み出しを高速化すると共に、水平走査信号ＨＳＲＣとは無関係な信号φＴＸ１の遷移期間のみ、水平走査信号ＨＳＲＣのパルス供給を停止することで、特異的なノイズも回避することができる。これにより、高速読み出し、且つ、良質な画像信号を取得することができる。

第１〜第３の実施形態において、駆動信号φＴＸ１の遷移において生ずる特異的な消費電流によるノイズを例に挙げて本発明の効果を説明したが、水平走査動作の周期と無関係な信号に置き換えても、同様な効果を得ることができる。また、水平走査信号ＨＳＲＣによるクロックバッファの特異的な消費電流をノイズの原因としたが、これに限定されない。図１０においてφＴＳ１、φＴＮ１、φＴＳ２、φＴＮ２により容量１００６を定電流負荷１００５で充電する場合においても、過渡的な消費電流が発生し、水平走査中の信号にノイズを与える原因となる。その場合においても、第１〜第３の実施形態の手段は効果的である。また、状況に応じて信号ＨＳＲＳＴＯＰを入力する時刻や、同じ容量を繰り返す読み出し回数や時間の幅を調節すればよい。第３の実施形態では、高速読み出しにおいて特に効果が得られ、高速読み出し、且つ、良質な画像信号を取得することができる。なお、この効果は電源電圧変動について述べたが、グラウンド電位変動についても同様な効果がある。

第１〜第３の実施形態により、水平走査動作の周期と無関係な信号による電源電圧変動により読み出し信号に重畳されるノイズを回避することで、良質な画像を得ることができる。

本発明に係る固体撮像装置を適用した撮像システム２００の概略構成を、図１２を用いて説明する。図１２は、本実施形態に係る撮像システム２００の構成図である。

撮像システム２００は、光学系１１０、固体撮像装置１２０、及び、信号処理部１８０を備える。信号処理部１８０は、信号処理回路１３０、記録／通信部１４０、タイミング制御回路部１５０、システムコントロール回路部１６０、及び、再生／表示部１７０を含む。

光学系１１０は、固体撮像装置１２０の撮像面である画素配列へ被写体の像を形成する。
固体撮像装置１２０は、例えば第１の実施形態に係る固体撮像装置である。固体撮像装置１２０は、画素配列に形成された被写体の像を電気信号に変換する。固体撮像装置１２０は、その電気信号を画素配列から読み出して信号処理回路１３０へ出力する。

信号処理回路１３０は、予め決められた方法にしたがって、固体撮像装置１２０から供給された電気信号に対して、例えば、画像データの圧縮処理のような信号処理を行う。固体撮像装置がＡ／Ｄ変換器を有していないものであれば、Ａ／Ｄ変換機能を担っても良い。さらに、信号処理回路１３０は、固体撮像装置の内部に設けても良い。信号処理回路１３０は、信号処理された画像データを記録／通信部１４０及び再生／表示部１７０へ供給する。

記録／通信部１４０は、信号処理回路１３０から供給された画像データを、不図示の記録媒体に記録したり、同じく不図示の外部装置へ送信したりする。あるいは、記録／通信部１４０は、記録媒体から画像データを読み出して再生／表示部１７０へ供給したり、不図示の入力部から所定の指示を受け取ってシステムコントロール回路部１６０へ供給したりする。

再生／表示部１７０は、信号処理回路１３０又は記録／通信部１４０から供給された画像データを、表示デバイスに表示する。

タイミング制御回路部１５０は、固体撮像装置１２０を駆動するタイミングを制御するための信号を供給するもので、固体撮像装置１２０の水平走査回路に対してクロックパルスである信号ＨＳＲＣや、マスク信号である信号ＨＳＲＳＴＯＰも供給する。

システムコントロール回路部１６０は、所定の指示の情報を記録／通信部１４０から受け取る。システムコントロール回路部１６０は、所定の指示に応じて、光学系１１０、記録／通信部１４０、再生／表示部１７０、及びタイミング制御回路部１５０を制御する。例えば、全画素読み出しモードや間引き読み出しモードで、光学系１１０、記録／通信部１４０、再生／表示部１７０、及びタイミング制御回路部１５０をそれぞれのモードに応じて制御する。

第１〜第３の実施形態の固体撮像装置は、以下の構成を有する。複数の画素２０３，１００３は、光を電荷に変換する光電変換素子３０１を含み、前記光電変換素子３０１により変換された電荷に基づく信号を読み出し信号φＴＸ１により出力する。複数の画素２０３，１００３は、一行以上配列されている。複数の容量２０６，１００６は、前記複数の画素２０３，１００３の列に対応して設けられ、複数の画素２０３，１００３から出力された信号を保持する。水平走査回路は、フリップフロップ２０１，１００１及びＡＮＤ回路を含み、クロックパルス（水平走査信号）ＨＳＲＣに応じてデータパルスＤａｔａを順次転送することにより、前記複数の容量２０６，１００６に保持された信号を順次読み出す。

前記水平走査回路は、マスク信号が入力されるマスク信号入力部である端子ＨＳＲＳＴＯＰを有する。前記水平走査回路が一行分の画素の信号を読み出す水平走査期間中に前記複数の画素から前記複数の容量に信号が出力される場合に、前記読み出し信号φＴＸ１の変化時には、前記マスク信号入力部である端子ＨＳＲＳＴＯＰに前記マスク信号が入力される。その場合、前記クロックパルスＨＳＲＣが入力されても前記データパルスＤａｔａの転送が行われない。前記クロックパルスＨＳＲＣは、周期性を保った信号である。

前記複数の画素２０３，１００３から前記複数の容量２０６，１００６に信号が出力される期間（ＢＬＫ動作期間）と前記水平走査回路が一行分の画素の信号を読み出す水平走査期間とが時間的に重複している。

前記複数の容量２０６，１００６は、複数の第１の容量ＣＴＳ１，ＣＴＮ１及び複数の第２の容量ＣＴＳ２，ＣＴＮ２を有する。前記水平走査回路が一行分の画素の信号を前記複数の第１の容量ＣＴＳ１，ＣＴＮ１から読み出す水平走査期間において、前記複数の第１の容量から読み出す一行と異なる行の画素から出力された信号を前記複数の第２の容量ＣＴＳ２，ＣＴＮ２に読み出している。そのとき、前記読み出し信号φＴＸ１の変化時には、前記マスク信号入力部である端子ＨＳＲＳＴＯＰに前記マスク信号が入力され、前記クロックパルスＨＳＲＣが入力されても前記データパルスＤａｔａの転送が行われない。

前記水平走査回路は、前記読み出し信号φＴＸ１の変化時に前記クロックパルスＨＳＲＣが入力されると前記データパルスＤａｔａの転送を停止し、前回読み出した容量２０６，１００６と同じ容量から信号を読み出す。

撮像システムは、上記の固体撮像装置と、前記前回読み出した容量２０６，１００６と同じ容量から読み出した信号を除去する信号処理回路２２０（図２）とを有する。

前記水平走査回路は、前記読み出し信号であるφＴＸ１の変化時に前記クロックパルスＨＳＲＣが入力されると前記データパルスＤａｔａの転送を停止し、前記容量２０６，１００６からの信号読み出しを停止する。

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。

従来の技術において発生する課題の模式図である。 本発明の実施形態を説明する等価回路図である。 本発明の実施形態を説明する等価回路図である。 本発明の実施形態を説明する模式図である。 本発明の実施形態を説明する模式図である。 本発明の実施形態を説明する模式図である。 本発明の実施形態を説明する模式図である。 本発明の実施形態を説明する等価回路図である。 本発明の実施形態を説明する模式図である。 本発明の実施形態を説明する等価回路図である。 本発明の実施形態を説明する模式図である。 撮像システムの構成図である。 従来の技術を説明する模式図である。

符号の説明

２０１，１００１ フリップフロップ
２０２，１００２ クロックバッファ
２０３，１００３ 画素
２０５，１００５ 定電流負荷
２０６，１００６ 容量
２０７，２１２ スイッチ
２１３ 電源電圧
３０２，３０３ ＭＯＳトランジスタ
３０４ 画素内アンプ
３０５ 行選択スイッチ
１００７，１０１２，１０１３ スイッチ
２０８，２０９，１００８，１００９ 水平共通線
２１１，１０１１ アンプ
２１４，１０１４ 選択回路
２２０ 信号処理回路
３０１ フォトダイオード

Claims (6)

1. 光を電荷に変換する光電変換素子を含み、前記光電変換素子により変換された電荷に基づく信号を読み出し信号により出力する２次元状に配列された複数の画素と、
   前記複数の画素の列に対応して設けられ、前記複数の画素のうちの第１の行の画素のリセットされたノイズ信号を保持する複数の第１の容量と、
   前記複数の画素の列に対応して設けられ、前記複数の画素のうちの第１の行の画素のリセットされていない画素信号を保持する複数の第２の容量と、
   前記複数の画素の列に対応して設けられ、前記複数の画素のうちの第２の行の画素のリセットされたノイズ信号を保持する複数の第３の容量と、
   前記複数の画素の列に対応して設けられ、前記複数の画素のうちの第２の行の画素のリセットされていない画素信号を保持する複数の第４の容量と、
   入力されるクロックパルスに応じてデータパルスを順次転送することにより、前記複数の第１の容量及び前記複数の第２の容量に保持された信号を第１の水平共通線及び第２の水平共通線に順次読み出し、前記複数の第３の容量及び前記複数の第４の容量に保持された信号を前記第１の水平共通線及び前記第２の水平共通線に順次読み出すための水平走査回路と、
   前記第１の水平共通線及び前記第２の水平共通線の信号の差分信号を出力する差分処理回路とを有し、
   前記水平走査回路は、マスク信号が入力されるマスク信号入力部を有し、
   前記水平走査回路が前記第１の行の画素の信号を前記複数の第１の容量及び前記複数の第２の容量から前記第１の水平共通線及び前記第２の水平共通線に読み出す水平走査期間において、前記第２の行の画素から出力された信号を前記複数の第３の容量及び前記複数の第４の容量に読み出しているとき、前記第２の行に対応する前記読み出し信号の変化時には、前記マスク信号入力部に前記マスク信号が入力され、前記クロックパルスが入力されても前記データパルスの転送が行われないことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記クロックパルスは、周期性を保った信号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. 前記水平走査回路は、前記読み出し信号の変化時に前記クロックパルスが入力されると前記データパルスの転送を停止し、前回読み出した容量と同じ容量から信号を読み出すことを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
4. 前記水平走査回路は、前記読み出し信号の変化時に前記クロックパルスが入力されると前記データパルスの転送を停止し、前記容量からの信号読み出しを停止することを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
5. 請求項３記載の固体撮像装置と、
   前記前回読み出した容量と同じ容量から読み出した信号を除去する信号処理回路と
   を有することを特徴とする撮像システム。
6. 光を電荷に変換する光電変換素子を含み、前記光電変換素子により変換された電荷に基づく信号を読み出し信号により出力する２次元状に配列された複数の画素と、
   前記複数の画素の列に対応して設けられ、前記複数の画素のうちの第１の行の画素のリセットされたノイズ信号を保持する複数の第１の容量と、
   前記複数の画素の列に対応して設けられ、前記複数の画素のうちの第１の行の画素のリセットされていない画素信号を保持する複数の第２の容量と、
   前記複数の画素の列に対応して設けられ、前記複数の画素のうちの第２の行の画素のリセットされたノイズ信号を保持する複数の第３の容量と、
   前記複数の画素の列に対応して設けられ、前記複数の画素のうちの第２の行の画素のリセットされていない画素信号を保持する複数の第４の容量と、
   入力されるクロックパルスに応じてデータパルスを順次転送することにより、前記複数の第１の容量及び前記複数の第２の容量に保持された信号を第１の水平共通線及び第２の水平共通線に順次読み出し、前記複数の第３の容量及び前記複数の第４の容量に保持された信号を前記第１の水平共通線及び前記第２の水平共通線に順次読み出すための水平走査回路と、
   前記第１の水平共通線及び前記第２の水平共通線の信号の差分信号を出力する差分処理回路とを有する固体撮像装置の駆動方法であって、
   前記水平走査回路は、マスク信号が入力されるマスク信号入力部を有し、
   前記水平走査回路が前記第１の行の画素の信号を前記複数の第１の容量及び前記複数の第２の容量から前記第１の水平共通線及び前記第２の水平共通線に読み出す水平走査期間において、前記第２の行の画素から出力された信号を前記複数の第３の容量及び前記複数の第４の容量に読み出しているとき、前記第２の行に対応する前記読み出し信号の変化時には、前記マスク信号入力部に前記マスク信号が入力され、前記クロックパルスが入力されても前記データパルスの転送が行われないステップを有することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。

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