JP5308937B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Description
本発明は、全画素読み出しと列間引き読み出しとの切り替えが可能な固体撮像装置に関する。
近年、デジタルスチルカメラなど、光を電気信号に変換して画像信号を出力する撮像装置が実用化されている。この撮像装置に用いる撮像デバイスとして、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：金属酸化膜半導体）型固体撮像装置に関するより多くの研究開発がなされている。
以降の説明において、「固体撮像装置」という場合は、ＭＯＳ型固体撮像装置を示すこととする。
以降の説明において、「固体撮像装置」という場合は、ＭＯＳ型固体撮像装置を示すこととする。
図５は、特許文献１で開示された、全画素読み出しモードと列間引き読み出しモードとの切り替えが可能な従来の固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。図５において、固体撮像装置５００は、行方向および列方向（図５においては、２行４列）の二次元に配置された画素１１〜２４と、画素１１〜２４を読み出すための読み出しパルスを供給する垂直走査部２と、画素１１〜２４から読み出された信号を伝送する垂直信号線３と、垂直信号線３のそれぞれに一定の電流を流すための画素電流源ＭＢと、垂直信号線３のそれぞれに接続され、垂直信号線３の信号に含まれるノイズ成分を抑圧するノイズ抑圧回路４と、ノイズ抑圧回路４を列単位で接続するノイズ抑圧回路接続スイッチＭＡと、ノイズ抑圧回路４からの信号を選択的に水平信号線６に出力するための列選択トランジスタＭＨと、ノイズ抑圧回路４からの信号を選択するための選択パルスを供給する水平走査部５と、水平信号線６に出力された信号を増幅して出力チャンネルＯＵＴに出力する出力アンプ７と、水平信号線６の信号レベルをリセットするための水平信号線リセットトランジスタＭＲと、固体撮像装置５００の読み出しモードを切り替えるタイミング制御部８とから構成される。
なお、図５に示した従来の固体撮像装置５００において、各符号の後の“＿：アンダーバー”に続く数字は、固体撮像装置５００内に配置されている画素の列番号を示す。例えば、第２列の画素１２および画素２２が接続されている第２列の垂直信号線３は、「垂直信号線３＿２」と表す。また、例えば、垂直信号線３＿３と垂直信号線３＿４とを接続するノイズ抑圧回路接続スイッチＭＡは、「ノイズ抑圧回路接続スイッチＭＡ＿３４」と表す。また、画素の列番号を特定しない場合は、各符号の後の“＿：アンダーバー”およびそれに続く数字を表記しない。
垂直走査部２は、画素１１〜２４を行単位で読み出すための転送パルスφＴＸ１およびφＴＸ２、リセットパルスφＲＳＴ１およびφＲＳＴ２、行選択パルスφＲＯＷ１およびφＲＯＷ２を、画素１１〜２４に出力する。
水平走査部５は、垂直信号線３のそれぞれに接続、すなわち、画素１１〜２４の列単位に接続されたノイズ抑圧回路４の出力信号を選択するための列選択パルスφＨ１〜φＨ４を、列選択トランジスタＭＨ＿１〜ＭＨ＿４に出力する。なお、列選択パルスφＨ１〜φＨ４によって選択されたノイズ抑圧回路４の出力信号は、出力アンプ７によって増幅され、固体撮像装置５００の画素信号として出力される。
また、水平走査部５は、水平信号線６を水平信号線リセット電圧ＶＲの電位にリセットするための水平信号線リセットパルスφＲＳを、水平信号線リセットトランジスタＭＲに出力する。
また、水平走査部５は、水平信号線６を水平信号線リセット電圧ＶＲの電位にリセットするための水平信号線リセットパルスφＲＳを、水平信号線リセットトランジスタＭＲに出力する。
タイミング制御部８は、ノイズ抑圧回路４を制御するためのクランプパルスφＣＬ、サンプルホールドパルスφＳＨを、ノイズ抑圧回路４に出力する。
また、タイミング制御部８は、固体撮像装置５００の読み出しモードに応じて、ノイズ抑圧回路４の接続を制御するための混合パルスφＡＶＥを、ノイズ抑圧回路接続スイッチＭＡに出力する。
さらに、タイミング制御部８は垂直走査部２および水平走査部５を制御する制御信号を出力する。
また、タイミング制御部８は、固体撮像装置５００の読み出しモードに応じて、ノイズ抑圧回路４の接続を制御するための混合パルスφＡＶＥを、ノイズ抑圧回路接続スイッチＭＡに出力する。
さらに、タイミング制御部８は垂直走査部２および水平走査部５を制御する制御信号を出力する。
画素部１１〜２４は、それぞれ入射光を電気信号に変換し、垂直信号線３に出力する回路である。画素部１１〜２４は、それぞれ、入射した光を光電変換した電気信号を蓄積するフォトダイオードＰＤ、フォトダイオードＰＤに蓄積された電気信号を増幅トランジスタＭ３のゲート端子に転送する転送トランジスタＭ１、転送された電気信号を増幅する増幅トランジスタＭ３、増幅トランジスタＭ３のゲート端子の電位をリセットするリセットトランジスタＭ２、増幅トランジスタＭ３による増幅信号を選択的に垂直信号線３に出力する行選択トランジスタＭ４とから構成される。
また、転送トランジスタＭ１、リセットトランジスタＭ２、行選択トランジスタＭ４のゲート端子には、垂直走査部２からの転送パルスφＴＸ１またはφＴＸ２、リセットパルスφＲＳＴ１またはφＲＳＴ２、行選択パルスφＲＯＷ１またはφＲＯＷ２がそれぞれ行単位で入力される。また、リセットトランジスタＭ２と増幅トランジスタＭ３とのドレイン端子は、画素電源ＶＤＤに接続されている。
また、転送トランジスタＭ１、リセットトランジスタＭ２、行選択トランジスタＭ４のゲート端子には、垂直走査部２からの転送パルスφＴＸ１またはφＴＸ２、リセットパルスφＲＳＴ１またはφＲＳＴ２、行選択パルスφＲＯＷ１またはφＲＯＷ２がそれぞれ行単位で入力される。また、リセットトランジスタＭ２と増幅トランジスタＭ３とのドレイン端子は、画素電源ＶＤＤに接続されている。
ノイズ抑圧回路４は、画素１１〜２４から列単位で垂直信号線３に出力された信号をクランプ電圧ＶＣの電位にクランプするためのクランプ容量Ｃｃと、クランプ電圧ＶＣをクランプ容量Ｃｃに供給するクランプトランジスタＭ７と、ノイズ抑圧後の信号をサンプルホールドするサンプルホールド容量Ｃｓと、サンプルホールドトランジスタＭ６とから構成される。
また、クランプトランジスタＭ７のゲート端子には、タイミング制御部８からのクランプパルスφＣＬが入力され、サンプルホールドトランジスタＭ６のゲート端子には、タイミング制御部８からのサンプルホールドパルスφＳＨが入力される。
また、クランプトランジスタＭ７のゲート端子には、タイミング制御部８からのクランプパルスφＣＬが入力され、サンプルホールドトランジスタＭ６のゲート端子には、タイミング制御部８からのサンプルホールドパルスφＳＨが入力される。
ノイズ抑圧回路接続スイッチＭＡは、ゲート端子に入力されたタイミング制御部８からの混合パルスφＡＶＥに応じて、２つのノイズ抑圧回路４内のサンプルホールド容量Ｃｓを接続することによって画素の信号を混合するスイッチである。例えば、ノイズ抑圧回路４＿１とノイズ抑圧回路４＿２との出力を画素混合する場合は、タイミング制御部８から入力された混合パルスφＡＶＥに応じて、ノイズ抑圧回路４＿１およびノイズ抑圧回路４＿２内に備えられたサンプルホールド容量Ｃｓを接続することによって画素混合をする。
各列の列選択トランジスタＭＨのゲート端子には、水平走査部５からの列選択パルスφＨ１〜φＨ４が、それぞれ入力される。
水平信号線リセットトランジスタＭＲのゲート端子には、水平信号線リセットパルスφＲＳが入力される。また、水平信号線リセットトランジスタＭＲのドレイン端子は、水平信号リセット電圧ＶＲに接続されている。
画素電流源ＭＢのゲート端子は、画素バイアス電流制御電圧ＶＢＩＡＳに接続されている。
水平信号線リセットトランジスタＭＲのゲート端子には、水平信号線リセットパルスφＲＳが入力される。また、水平信号線リセットトランジスタＭＲのドレイン端子は、水平信号リセット電圧ＶＲに接続されている。
画素電流源ＭＢのゲート端子は、画素バイアス電流制御電圧ＶＢＩＡＳに接続されている。
図６は、特許文献１で開示された従来の固体撮像装置の概略動作を示すタイミングチャートである。なお、図６（ａ）は、従来の固体撮像装置５００において、全画素の信号を読み出す全画素読み出しモードのタイミングチャートを示す。また、図６（ｂ）は、画素の各列の信号を間引いて読み出す１／２列間引きモードのタイミングチャートを示す。なお、図６（ａ）および図６（ｂ）に示したタイミングチャートでは、第１行目の画素１１〜１４を、全画素読み出しモードおよび１／２列間引きモードで読み出す場合の例を示している。
最初に図６（ａ）に示した全画素読み出しモードにおける動作について説明する。全画素読み出しモードでは、第１行の画素１１〜１４の読み出し動作が可能となると、垂直走査部２は、まず、タイミングｔ１から、行選択パルスφＲＯＷ１を“Ｈ”レベルとして、行選択トランジスタＭ４をＯＮ状態とし、増幅トランジスタＭ３の出力を、垂直信号線３＿１〜３＿４にそれぞれ読み出す状態とする。そして、垂直走査部２は、リセットパルスφＲＳＴ１を“Ｈ”レベルとして、リセットトランジスタＭ２をＯＮ状態とし、増幅トランジスタＭ３のゲート端子を画素電源ＶＤＤの電位（以下、「リセット電位」という）にリセットする。このことにより、画素１１〜１４のリセット電位に応じた出力が、垂直信号線３＿１〜３＿４にそれぞれ読み出される。また、このとき、タイミング制御部８は、クランプパルスφＣＬおよびサンプルホールドパルスφＳＨを“Ｈ”レベルとし、クランプ容量Ｃｃおよびサンプルホールド容量Ｃｓをクランプ電圧ＶＣの電位にクランプする。
続いて、タイミングｔ２において、垂直走査部２がリセットパルスφＲＳＴ１を“Ｌ”レベルとした後、タイミング制御部８は、タイミングｔ３において、クランプパルスφＣＬを“Ｌ”レベルとし、クランプ容量Ｃｃおよびサンプルホールド容量Ｃｓのクランプを終了する。
続いて、垂直走査部２は、タイミングｔ４において、転送パルスφＴＸ１を“Ｈ”レベルとして、転送トランジスタＭ１をＯＮ状態とし、フォトダイオードＰＤで発生した光信号に伴う電気信号を、増幅トランジスタＭ３のゲート端子へ転送する。このことにより、第１行の画素１１〜１４の各画素の光信号に伴う電気信号が、増幅トランジスタＭ３によって増幅され、その増幅された増幅信号が、垂直信号線３＿１〜３＿４にそれぞれ出力される。ここで、画素１１〜１４のリセット電位から光信号に伴う電気信号の電位への変化分をΔＳｉｇとすると、クランプ容量Ｃｃとサンプルホールド容量Ｃｓとの間の電位は、クランプ容量Ｃｃとサンプルホールド容量Ｃｓとの容量値に応じて、ＶＣ−（Ｃｃ／（Ｃｃ＋Ｃｓ））ΔＳｉｇの電位に変化する。このことによって、第１行の画素１１〜１４の各画素のリセット電位に含まれるノイズ成分が除去される。
続いて、タイミングｔ５において、垂直走査部２が転送パルスφＴＸ１を“Ｌ”レベルとした後、タイミング制御部８は、タイミングｔ６において、サンプルホールドパルスφＳＨを“Ｌ”レベルとする。このことにより、変化したクランプ容量Ｃｃとサンプルホールド容量Ｃｓとの間の電位が、それぞれのノイズ抑圧回路４内のサンプルホールド容量Ｃｓに保持される。なお、ここでサンプルホールド容量Ｃｓに保持された電位が、ノイズ抑圧後の画素信号となる。そして、垂直走査部２が行選択パルスφＲＯＷ１を“Ｌ”レベルにすることによって、第１行の画素１１〜１４の読み出し動作を完了する。
その後、タイミングｔ７から、水平走査部５が水平信号線リセットパルスφＲＳを“Ｌ”レベルにすることによって、水平信号線６の水平信号線リセット電圧ＶＲへのリセットを解除し、列選択パルスφＨ１を“Ｈ”レベルにすることによって、ノイズ抑圧回路４＿１内のサンプルホールド容量Ｃｓに保持された画素１１のノイズ抑圧後の画素信号を水平信号線６に読み出す。このことによって、水平信号線６に読み出だされたノイズ抑圧後の画素１１の画素信号が、出力アンプ７を通じて出力チャンネルＯＵＴから出力される。そして、水平走査部５が列選択パルスφＨ１を“Ｌ”レベルとして、画素１１のノイズ抑圧後の画素信号の読み出しを終了し、水平信号線リセットパルスφＲＳを“Ｈ”レベルとして、水平信号線６を水平信号線リセット電圧ＶＲにリセットする。
タイミングｔ８以降、同様に水平走査部５からの水平信号線リセットパルスφＲＳおよび列選択パルスφＨ３〜φＨ４によって、ノイズ抑圧後の画素信号の水平信号線６への読み出しと水平信号線６のリセットとを繰り返すことによって、画素１３〜１４の画素信号が出力チャンネルＯＵＴから出力される。
なお、図６（ａ）においては、第１行の画素１１〜１４の画素信号の読み出し動作について説明したが、固体撮像装置５００が、さらに第１行の他の画素を備えた構成である場合は、続けて第１行の他の画素の画素信号の読み出し動作を繰り返す。また、１行分の画素信号を全て出力チャンネルＯＵＴに出力した後に、次の行の画素信号の読み出しを行う場合は、上述したタイミングｔ１〜ｔ１０の場合と同様にして、以降の行の画素信号を読み出す。
従来の固体撮像装置５００における全画素読み出しモードでは、このようにして複数行の画素、すなわち、全画素の読み出しを行っている。
次に図６（ｂ）に示した１／２列間引きモードにおける動作について説明する。１／２列間引きモードでは、第１行の画素１１〜１４の読み出し動作が可能となると、図６（ａ）に示した全画素読み出しモードのタイミングチャートのタイミングｔ１〜ｔ３と同様に、画素１１〜１４のリセット電位に応じた出力を垂直信号線３＿１〜３＿４へ読み出し、クランプ容量Ｃｃおよびサンプルホールド容量Ｃｓをクランプ電圧ＶＣの電位にクランプする。
続いて、垂直走査部２は、タイミングｔ４において、転送パルスφＴＸ１を“Ｈ”レベルとして、転送トランジスタＭ１をＯＮ状態とし、フォトダイオードＰＤで発生した光信号に伴う電気信号を、増幅トランジスタＭ３のゲート端子へ転送する。このことにより、第１行の画素１１〜１４の各画素の光信号に伴う電気信号が、増幅トランジスタＭ３によって増幅され、その増幅された増幅信号が、垂直信号線３＿１〜３＿４にそれぞれ出力される。ここで、画素１１〜１４のリセット電位から光信号に伴う電気信号の電位への変化分をΔＳｉｇとすると、クランプ容量Ｃｃとサンプルホールド容量Ｃｓとの間の電位は、クランプ容量Ｃｃとサンプルホールド容量Ｃｓとの容量値に応じて、ＶＣ−（Ｃｃ／（Ｃｃ＋Ｃｓ））ΔＳｉｇの電位に変化する。このことによって、第１行の画素１１〜１４の各画素のリセット電位に含まれるノイズ成分が除去される。
続いて、タイミング制御部８は、タイミングｔ５において、混合パルスφＡＶＥを“Ｈ”レベルとして、ノイズ抑圧回路接続スイッチＭＡをＯＮ状態とする。このことにより、２つのノイズ抑圧回路４（ノイズ抑圧回路４＿１と４＿２およびノイズ抑圧回路４＿３と４＿４）内のサンプルホールド容量Ｃｓが接続される。また、このことによって、２列分の信号の電位、例えば、ノイズ抑圧回路４＿１内のサンプルホールド容量Ｃｓの電位とノイズ抑圧回路４＿２内のサンプルホールド容量Ｃｓの電位とが混合される。
続いて、タイミングｔ６において、垂直走査部２が転送パルスφＴＸ１を“Ｌ”レベルとした後、タイミング制御部８は、タイミングｔ７において、サンプルホールドパルスφＳＨおよび混合パルスφＡＶＥを“Ｌ”レベルとする。このことにより、ノイズ成分が除去された２画素の混合画素信号の電位が、それぞれのノイズ抑圧回路４内のサンプルホールド容量Ｃｓに保持される。そして、垂直走査部２が行選択パルスφＲＯＷ１を“Ｌ”レベルにすることによって、第１行の画素１１〜１４の読み出し動作を完了する。
その後、タイミングｔ８から、水平走査部５が水平信号線リセットパルスφＲＳを“Ｌ”レベルにすることによって、水平信号線６の水平信号線リセット電圧ＶＲへのリセットを解除し、列選択パルスφＨ１を“Ｈ”レベルにすることによって、ノイズ抑圧回路４＿１内のサンプルホールド容量Ｃｓに保持されたノイズ抑圧後の混合画素信号を水平信号線６に読み出す。このことによって、水平信号線６に読み出されたノイズ抑圧後の画素１１と画素１２との混合画素信号が、出力アンプ７を通じて出力チャンネルＯＵＴから出力される。そして、水平走査部５が列選択パルスφＨ１を“Ｌ”レベルとして、ノイズ抑圧後の画素１１と画素１２との混合画素信号の読み出しを終了し、水平信号線リセットパルスφＲＳを“Ｈ”レベルとして、水平信号線６を水平信号線リセット電圧ＶＲにリセットする。
タイミングｔ９以降、同様に水平走査部５が再び水平信号線リセットパルスφＲＳおよび列選択パルスφＨ３によって、画素１３と画素１４との２画素が混合されたノイズ抑圧後の混合画素信号を水平信号線６に読み出し、出力チャンネルＯＵＴから出力する。
なお、図６（ｂ）においては、第１行の画素１１と画素１２との混合画素信号および画素１３と画素１４との混合画素信号の読み出し動作について説明したが、固体撮像装置５００が、さらに第１行の他の画素を備えた構成である場合は、続けて第１行の他の画素の混合画素信号の読み出し動作を繰り返す。また、１行分の画素信号を全て出力チャンネルＯＵＴに出力した後に、次の行の画素信号の読み出しを行う場合は、上述したタイミングｔ１〜ｔ９の場合と同様にして、以降の行の画素信号を読み出す。
従来の固体撮像装置５００における１／２列間引きモードでは、このようにして各列の画素からの信号を混合するという、列の画素を間引いて読み出すことと等価の動作をすることにより、高速の読み出しを行うことを可能としている。また、ノイズ抑圧回路内のサンプルホールド容量を列単位で混合する列信号混合機能を設け、列間引き読み出し時に、読み出す画素の信号と読み出さない画素の信号とを混合して読み出している。このことによって、列を間引いた画素信号に基づいて信号処理した場合に発生する、例えば、モアレ等の擬似信号の発生を抑圧し、列間引き読み出し時の信号品質を向上している。
しかしながら、特許文献１に記載されている従来の固体撮像装置では、上記の列信号混合機能によって、列間引き読み出し時に読み出される画素の信号と読み出されない画素の信号とを混合しているため、列間引き読み出しを行う場合であっても、間引きされる画素の列に対応したノイズ抑圧回路を動作させる必要がある。このため、列間引き読み出し時におけるノイズ抑圧回路の消費電力は、全画素読み出し時の消費電力と変わらず、低消費電力化ができないという問題がある。
本発明は、上記の課題認識に基づいてなされたものであり、全画素読み出しと列間引き読み出しとの切り替えが可能な固体撮像装置において、列間引き読み出し時に間引きされる画素の列に対応したアナログ処理回路の動作を停止させることができ、列間引き読み出し時における消費電力を低減することができる固体撮像装置を提供することを目的としている。
上記の課題を解決するため、本発明の固体撮像装置は、入射光を信号電荷に変換する光電変換手段（例えば、実施形態におけるフォトダイオードＰＤ）と、前記光電変換手段で発生した前記信号電荷を増幅して画素信号成分として出力する増幅手段（例えば、実施形態における増幅トランジスタＭ３）と、前記信号電荷をリセットするリセット手段（例えば、実施形態におけるリセットトランジスタＭ２）と、前記増幅手段が出力する前記画素信号成分を選択的に出力信号線に出力する選択手段（例えば、実施形態における行選択トランジスタＭ４）と、を有する画素（例えば、実施形態における画素部１１）を、２次元の行列状に複数配列した画素部（例えば、実施形態における画素部１１〜２４）と、前記画素部の列単位の前記出力信号線（例えば、実施形態における垂直信号線３）に設けられ、該列単位の出力信号線に流れる電流を一定にする負荷手段（例えば、実施形態における画素電流源ＭＢ）と、前記列単位の出力信号線を複数本単位で接続する第１のスイッチ素子（例えば、実施形態における垂直信号線接続スイッチＭＣ）と、前記負荷手段と前記列単位の出力信号線とを接続する第２のスイッチ素子（例えば、実施形態における画素電流源制御トランジスタＭ５）と、前記列単位の出力信号線のそれぞれに設けられ、前記列単位の出力信号線に出力された前記画素信号成分をアナログ信号処理して画素信号として出力するアナログ処理回路（例えば、実施形態におけるノイズ抑圧回路４）と、前記アナログ処理回路によってアナログ信号処理された画素信号を順次、水平信号線に出力するよう制御する水平走査部（例えば、実施形態における水平走査部５）と、前記第１のスイッチ素子と前記第２のスイッチ素子とを制御するモード設定部（例えば、実施形態におけるタイミング制御部１０８）と、を備え、前記モード設定部は、前記列単位の出力信号線に出力された前記画素信号成分を、前記列単位の出力信号線の列に対応した前記アナログ処理回路に入力する第１のモード（例えば、実施形態における全画素読み出しモード）と、前記列単位の出力信号線をフローティング状態にして、前記列単位の出力信号線に出力された前記画素信号成分を、前記列単位の出力信号線の列単位で複数本混合して前記アナログ処理回路に入力する第２のモード（例えば、実施形態における１／２列間引きモード）と、を選択的に切り替える、ことを特徴とする。
また、本発明の前記モード設定部は、前記第２のモードの時に、前記選択手段によって前記画素と前記列単位の出力信号線との接続を電気的に切り離し、前記第２のスイッチ素子によって前記負荷手段と前記列単位の出力信号線との接続を切り離した状態で、前記第１のスイッチ素子によって前記列単位の出力信号線を複数本単位で接続する、ことを特徴とする。
また、本発明の前記アナログ処理回路（例えば、実施形態におけるノイズ抑圧回路４）は、前記リセット手段によるリセットレベルと、前記信号電荷による前記画素信号成分の信号レベルとの差分に基づいて、前記画素信号成分のノイズを抑圧し、該ノイズ抑圧した画素信号成分を画素信号として出力するノイズ抑圧機能を有する、ことを特徴とする。
また、本発明の前記アナログ処理回路（例えば、実施形態における列信号増幅回路９）は、前記リセット手段によるリセットレベルと、前記信号電荷による前記画素信号成分の信号レベルとの差分に基づいて、前記画素信号成分のノイズを抑圧するノイズ抑圧機能と、前記ノイズ抑圧機能によってノイズ抑圧された画素信号成分を増幅し、該増幅したノイズ抑圧後の画素信号成分を画素信号として出力する増幅機能を有する、ことを特徴とする。
本発明によれば、全画素読み出しと列間引き読み出しとの切り替えが可能な固体撮像装置において、列間引き読み出し時の画素混合を垂直信号線上で行うことによって、間引きされる画素の列に対応したアナログ処理回路の動作を停止させることができるので、列間引き読み出し時における消費電力を低減することができるという効果が得られる。
＜第１実施形態＞
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態による、全画素読み出しモードと列間引き読み出しモードとの切り替えが可能な固体撮像装置１００の概略構成を示したブロック図である。図１において、固体撮像装置１００は、行方向および列方向（図１においては、２行４列）の二次元に配置された画素１１〜２４と、画素１１〜２４を読み出すための読み出しパルスを供給する垂直走査部２と、画素１１〜２４から読み出された信号を伝送する垂直信号線３と、垂直信号線３のそれぞれに一定の電流を流すための画素電流源ＭＢと、画素電流源ＭＢと垂直信号線３とを接続する画素電流源制御トランジスタＭ５と、垂直信号線３を列単位で接続する垂直信号線接続スイッチＭＣと、垂直信号線３のそれぞれに接続され、垂直信号線３の信号に含まれるノイズ成分を抑圧するノイズ抑圧回路４と、ノイズ抑圧回路４からの信号を選択的に水平信号線６に信号を出力するための列選択トランジスタＭＨと、ノイズ抑圧回路４からの信号を選択するための選択パルスを供給する水平走査部５と、水平信号線６に出力された信号を増幅して出力チャンネルＯＵＴに出力する出力アンプ７と、水平信号線６の信号レベルをリセットするための水平信号線リセットトランジスタＭＲと、固体撮像装置１００の読み出しモードを切り替えるタイミング制御部１０８とから構成される。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態による、全画素読み出しモードと列間引き読み出しモードとの切り替えが可能な固体撮像装置１００の概略構成を示したブロック図である。図１において、固体撮像装置１００は、行方向および列方向（図１においては、２行４列）の二次元に配置された画素１１〜２４と、画素１１〜２４を読み出すための読み出しパルスを供給する垂直走査部２と、画素１１〜２４から読み出された信号を伝送する垂直信号線３と、垂直信号線３のそれぞれに一定の電流を流すための画素電流源ＭＢと、画素電流源ＭＢと垂直信号線３とを接続する画素電流源制御トランジスタＭ５と、垂直信号線３を列単位で接続する垂直信号線接続スイッチＭＣと、垂直信号線３のそれぞれに接続され、垂直信号線３の信号に含まれるノイズ成分を抑圧するノイズ抑圧回路４と、ノイズ抑圧回路４からの信号を選択的に水平信号線６に信号を出力するための列選択トランジスタＭＨと、ノイズ抑圧回路４からの信号を選択するための選択パルスを供給する水平走査部５と、水平信号線６に出力された信号を増幅して出力チャンネルＯＵＴに出力する出力アンプ７と、水平信号線６の信号レベルをリセットするための水平信号線リセットトランジスタＭＲと、固体撮像装置１００の読み出しモードを切り替えるタイミング制御部１０８とから構成される。
なお、本第１の実施形態の固体撮像装置１００と図５に示した従来の固体撮像装置５００との構成の違いは、従来の固体撮像装置５００からノイズ抑圧回路接続スイッチＭＡが削除され、本第１の実施形態の固体撮像装置１００に画素電流源制御トランジスタＭ５と垂直信号線接続スイッチＭＣとが追加されたことである。また、タイミング制御部８に代わり、タイミング制御部１０８を備えたことである。また、上記構成の違いにより、画素電流源ＭＢの接続が異なる。
なお、本第１の実施形態の固体撮像装置１００と従来の固体撮像装置５００とにおいて、同様の動作をする構成要素については、同一の符号を付与して説明を省略する。また、以下の説明において、各符号の後の“＿：アンダーバー”に続く数字の表す意味も同様である。
タイミング制御部１０８は、ノイズ抑圧回路４を制御するためのクランプパルスφＣＬ、サンプルホールドパルスφＳＨを、ノイズ抑圧回路４に出力する。
なお、タイミング制御部１０８は、ノイズ抑圧回路４に出力するクランプパルスφＣＬ、サンプルホールドパルスφＳＨによって、ノイズ抑圧回路４の動作と停止とを、個別に制御することができる。なお、本発明においては、タイミング制御部１０８によってノイズ抑圧回路４の動作と停止とを個別に制御する方法、例えば、それぞれのノイズ抑圧回路４に出力するクランプパルスφＣＬ、サンプルホールドパルスφＳＨの出力を切り替える方法等に関しての規定はしない。
なお、タイミング制御部１０８は、ノイズ抑圧回路４に出力するクランプパルスφＣＬ、サンプルホールドパルスφＳＨによって、ノイズ抑圧回路４の動作と停止とを、個別に制御することができる。なお、本発明においては、タイミング制御部１０８によってノイズ抑圧回路４の動作と停止とを個別に制御する方法、例えば、それぞれのノイズ抑圧回路４に出力するクランプパルスφＣＬ、サンプルホールドパルスφＳＨの出力を切り替える方法等に関しての規定はしない。
また、タイミング制御部１０８は、固体撮像装置１００の読み出しモードに応じて、垂直信号線３の列単位の接続を制御するための混合パルスφＡＶＥを、垂直信号線接続スイッチＭＣに出力する。また、タイミング制御部１０８は、画素電流源ＭＢと垂直信号線３との接続を制御するための画素電流源制御パルスφＶＢＩＡＳを、画素電流源制御トランジスタＭ５に出力する。
さらに、タイミング制御部８は垂直走査部２および水平走査部５を制御する制御信号を出力する。
さらに、タイミング制御部８は垂直走査部２および水平走査部５を制御する制御信号を出力する。
画素電流源ＭＢのゲート端子には、画素バイアス電流制御電圧ＶＢＩＡＳが入力され、画素電流源ＭＢのドレイン端子は、画素電流源制御トランジスタＭ５のソース端子に接続される。
画素電流源制御トランジスタＭ５は、ゲート端子に入力されたタイミング制御部１０８からの画素電流源制御パルスφＶＢＩＡＳに応じて、画素電流源ＭＢと垂直信号線３との接続を切り替えるスイッチである。
画素電流源制御トランジスタＭ５は、ゲート端子に入力されたタイミング制御部１０８からの画素電流源制御パルスφＶＢＩＡＳに応じて、画素電流源ＭＢと垂直信号線３との接続を切り替えるスイッチである。
垂直信号線接続スイッチＭＣは、ゲート端子に入力されたタイミング制御部１０８からの混合パルスφＡＶＥに応じて、垂直信号線３を列単位で接続するスイッチである。
次に、本実施形態の固体撮像装置の動作タイミングについて説明する。図２は、本第１の実施形態の固体撮像装置１００の概略動作のタイミングを示したタイミングチャートである。なお、図２（ａ）は、固体撮像装置１００において、全画素の信号を読み出す全画素読み出しモードのタイミングチャートを示す。また、図２（ｂ）は、画素の各列の信号を間引いて読み出す１／２列間引きモードのタイミングチャートを示す。なお、図２（ａ）および図２（ｂ）に示したタイミングチャートでは、図６（ａ）および図６（ｂ）に示した従来の固体撮像装置５００のタイミングチャートと同様に、第１行目の画素１１〜１４を、全画素読み出しモードおよび１／２列間引きモードで読み出す場合の例を示している。
最初に図２（ａ）に示した全画素読み出しモードにおける動作について説明する。全画素読み出しモードでは、第１行の画素１１〜１４の読み出し動作が可能となると、タイミング制御部１０８は、まず、タイミングｔ１から、画素電流源制御パルスφＶＢＩＡＳを“Ｈ”レベルとして、画素電流源制御トランジスタＭ５をＯＮ状態とし、画素バイアス電流制御電圧ＶＢＩＡＳにより垂直信号線３＿１〜３＿４に一定の電流を流す。そして、垂直走査部２は、行選択パルスφＲＯＷ１を“Ｈ”レベルとして、行選択トランジスタＭ４をＯＮ状態とし、増幅トランジスタＭ３の出力を、垂直信号線３＿１〜３＿４にそれぞれ読み出す状態とする。そして、垂直走査部２は、リセットパルスφＲＳＴ１を“Ｈ”レベルとして、リセットトランジスタＭ２をＯＮ状態とし、増幅トランジスタＭ３のゲート端子をリセット電位にリセットする。このことにより、画素１１〜１４のリセット電位に応じた出力が、垂直信号線３＿１〜３＿４にそれぞれ読み出される。また、このとき、タイミング制御部１０８は、クランプパルスφＣＬおよびサンプルホールドパルスφＳＨを“Ｈ”レベルとし、クランプ容量Ｃｃおよびサンプルホールド容量Ｃｓをクランプ電圧ＶＣの電位にクランプする。
続いて、タイミングｔ２において、垂直走査部２がリセットパルスφＲＳＴ１を“Ｌ”レベルとした後、タイミング制御部１０８は、タイミングｔ３において、クランプパルスφＣＬを“Ｌ”レベルとし、クランプ容量Ｃｃおよびサンプルホールド容量Ｃｓのクランプを終了する。
続いて、垂直走査部２は、タイミングｔ４において、転送パルスφＴＸ１を“Ｈ”レベルとして、転送トランジスタＭ１をＯＮ状態とし、フォトダイオードＰＤで発生した光信号に伴う電気信号を、増幅トランジスタＭ３のゲート端子へ転送する。このことにより、第１行の画素１１〜１４の各画素の光信号に伴う電気信号が、増幅トランジスタＭ３によって増幅され、その増幅された増幅信号が、垂直信号線３＿１〜３＿４にそれぞれ出力される。ここで、画素１１〜１４のリセット電位から光信号に伴う電気信号の電位への変化分をΔＳｉｇとすると、クランプ容量Ｃｃとサンプルホールド容量Ｃｓとの間の電位は、クランプ容量Ｃｃとサンプルホールド容量Ｃｓとの容量値に応じて、ＶＣ−（Ｃｃ／（Ｃｃ＋Ｃｓ））ΔＳｉｇの電位に変化する。このことによって、第１行の画素１１〜１４の各画素のリセット電位に含まれるノイズ成分が除去される。
続いて、タイミングｔ５において、垂直走査部２が転送パルスφＴＸ１を“Ｌ”レベルとした後、タイミング制御部１０８は、タイミングｔ６において、サンプルホールドパルスφＳＨを“Ｌ”レベルとする。このことにより、変化したクランプ容量Ｃｃとサンプルホールド容量Ｃｓとの間の電位が、それぞれのノイズ抑圧回路４内のサンプルホールド容量Ｃｓに保持される。なお、ここでサンプルホールド容量Ｃｓに保持された電位が、ノイズ抑圧後の画素信号となる。そして、垂直走査部２が行選択パルスφＲＯＷ１を“Ｌ”レベルとし、タイミング制御部１０８が画素電流源制御パルスφＶＢＩＡＳを“Ｌ”レベルとすることによって、第１行の画素１１〜１４の読み出し動作を完了する。
その後、タイミングｔ７から、ノイズ抑圧回路４＿１内のサンプルホールド容量Ｃｓに保持されたノイズ抑圧後の画素１１の画素信号が水平信号線６に読み出され、出力アンプ７を通じて出力チャンネルＯＵＴから出力される。
なお、タイミングｔ７以降の画素信号の読み出し動作は、図６（ａ）に示した従来の固体撮像装置５００における、全画素読み出しモードのタイミングと同様であるため、詳細な説明は省略する。
また、図２（ａ）において、第１行の画素１１〜１４の画素信号の読み出し動作以降、続けて第１行の他の画素の画素信号の読み出す場合や、１行分の画素信号を全て出力チャンネルＯＵＴに出力した後に、次の行の画素信号の読み出す場合に関しても、図６（ａ）に示した従来の固体撮像装置５００における、全画素読み出しモードのタイミングと同様である。
なお、タイミングｔ７以降の画素信号の読み出し動作は、図６（ａ）に示した従来の固体撮像装置５００における、全画素読み出しモードのタイミングと同様であるため、詳細な説明は省略する。
また、図２（ａ）において、第１行の画素１１〜１４の画素信号の読み出し動作以降、続けて第１行の他の画素の画素信号の読み出す場合や、１行分の画素信号を全て出力チャンネルＯＵＴに出力した後に、次の行の画素信号の読み出す場合に関しても、図６（ａ）に示した従来の固体撮像装置５００における、全画素読み出しモードのタイミングと同様である。
固体撮像装置１００における全画素読み出しモードでは、このようにして複数行の画素、すなわち、全画素の読み出しを行っている。
次に図２（ｂ）に示した１／２列間引きモードにおける動作について説明する。１／２列間引きモードでは、第１行の画素１１〜１４の読み出し動作が可能となると、図２（ａ）に示した全画素読み出しモードのタイミングチャートのタイミングｔ１と同様に、画素１１〜１４のリセット電位に応じた出力を垂直信号線３＿１〜３＿４へ読み出し、クランプ容量Ｃｃおよびサンプルホールド容量Ｃｓをクランプ電圧ＶＣの電位にクランプする。
なお、図２（ｂ）に示した１／２列間引きモードでは、タイミング制御部１０８は、垂直信号線３＿１に接続されたノイズ抑圧回路４＿１および垂直信号線３＿３に接続されたノイズ抑圧回路４＿３のクランプパルスφＣＬおよびサンプルホールドパルスφＳＨのみを制御する。また、１／２列間引きモードの全期間において、垂直信号線３＿２に接続されたノイズ抑圧回路４＿２および垂直信号線３＿４に接続されたノイズ抑圧回路４＿４のクランプパルスφＣＬおよびサンプルホールドパルスφＳＨは、常に“Ｌ”レベルであり、ノイズ抑圧回路４＿２およびノイズ抑圧回路４＿４は、停止状態である。
続いて、タイミングｔ２において、垂直走査部２がリセットパルスφＲＳＴ１を“Ｌ”レベルとした後、タイミングｔ３から、タイミング制御部１０８は、画素電流源制御パルスφＶＢＩＡＳを“Ｌ”レベルとし、垂直走査部２は、行選択パルスφＲＯＷ１を“Ｌ”レベルとして、垂直信号線３＿１〜３＿４をフローティング状態とする。そして、タイミング制御部１０８は、混合パルスφＡＶＥを“Ｈ”レベルとして、垂直信号線接続スイッチＭＣをＯＮ状態とする。このことにより、画素を混合する２つの垂直信号線３（垂直信号線３＿１と３＿２および垂直信号線３＿３と３＿４）が接続される。また、このことによって、接続しているそれぞれの垂直信号線３に出力されているリセット電位に応じた出力（画素リセット信号）が混合され、ノイズ抑圧回路４＿１およびノイズ抑圧回路４＿３内のクランプ容量Ｃｃの電位が、２つの垂直信号線３の画素リセット信号が混合された電位となる。
続いて、垂直走査部２は、タイミングｔ４から、転送パルスφＴＸ１を“Ｈ”レベルとして、転送トランジスタＭ１をＯＮ状態とし、フォトダイオードＰＤで発生した光信号に伴う電気信号を、増幅トランジスタＭ３のゲート端子へ転送する。そして、タイミング制御部１０８は、混合パルスφＡＶＥを“Ｌ”レベルとした後、クランプパルスφＣＬを“Ｌ”レベルとし、クランプ容量Ｃｃおよびサンプルホールド容量Ｃｓのクランプを終了する。
続いて、タイミングｔ５において、垂直走査部２が転送パルスφＴＸ１を“Ｌ”レベルとした後、タイミング制御部１０８は、タイミングｔ６において、画素電流源制御パルスφＶＢＩＡＳを“Ｈ”レベルとし、垂直走査部２は、行選択パルスφＲＯＷ１を“Ｈ”レベルにする。このことによって、タイミングｔ４からタイミングｔ５の期間の転送パルスφＴＸ１の“Ｈ”レベルによって増幅トランジスタＭ３のゲート端子に転送された第１行の画素１１〜１４の各画素の光信号に伴う電気信号が、増幅トランジスタＭ３によって増幅され、その増幅された増幅信号が、垂直信号線３＿１〜３＿４に出力される。
続いて、タイミングｔ７において、タイミング制御部１０８は、画素電流源制御パルスφＶＢＩＡＳを“Ｌ”レベルとし、垂直走査部２は、行選択パルスφＲＯＷ１を“Ｌ”レベルとして、垂直信号線３＿１〜３＿４を再びフローティング状態とする。
続いて、タイミング制御部１０８は、タイミングｔ８において、混合パルスφＡＶＥを“Ｈ”レベルとして、垂直信号線接続スイッチＭＣをＯＮ状態とする。このことにより、画素を混合する２つの垂直信号線３（垂直信号線３＿１と３＿２および垂直信号線３＿３と３＿４）が接続され、接続している垂直信号線３のそれぞれに出力されている各画素の光信号に伴う電気信号が混合される。ここで、２つの垂直信号線３が混合されたリセット電位から、２つの垂直信号線３が混合された光信号に伴う電気信号の電位への変化分をΔＳｉｇとすると、ノイズ抑圧回路４＿１およびノイズ抑圧回路４＿３内のクランプ容量Ｃｃとサンプルホールド容量Ｃｓとの間の電位は、クランプ容量Ｃｃとサンプルホールド容量Ｃｓとの容量値に応じて、ＶＣ−（Ｃｃ／（Ｃｃ＋Ｃｓ））ΔＳｉｇの電位に変化する。このことによって、第１行の混合された各画素のリセット電位に含まれるノイズ成分が除去される。
続いて、タイミング制御部１０８は、タイミングｔ９から、サンプルホールドパルスφＳＨおよび混合パルスφＡＶＥを“Ｌ”レベルとする。このことにより、ノイズ成分が除去された２列分の混合画素信号の電位が、ノイズ抑圧回路４＿１およびノイズ抑圧回路４＿３内のサンプルホールド容量Ｃｓに保持される。
その後、ノイズ抑圧回路４＿１内のサンプルホールド容量Ｃｓに保持された画素１１と画素１２との２画素が混合されたノイズ抑圧後の混合画素信号が、水平信号線６に読み出され、出力アンプ７を通じて画素１１と画素１２との混合画素信号として出力チャンネルＯＵＴから出力される。
なお、タイミングｔ９以降の画素信号の読み出し動作は、図６（ｂ）に示した従来の固体撮像装置５００における、１／２列間引きモードのタイミングと同様であるため、詳細な説明は省略する。
また、図２（ｂ）において、第１行の画素１１〜１４の画素信号の読み出し動作以降、続けて第１行の他の画素の画素信号の読み出す場合や、１行分の画素信号を全て出力チャンネルＯＵＴに出力した後に、次の行の画素信号の読み出す場合に関しても、図６（ｂ）に示した従来の固体撮像装置５００における、１／２列間引きモードのタイミングと同様である。
なお、タイミングｔ９以降の画素信号の読み出し動作は、図６（ｂ）に示した従来の固体撮像装置５００における、１／２列間引きモードのタイミングと同様であるため、詳細な説明は省略する。
また、図２（ｂ）において、第１行の画素１１〜１４の画素信号の読み出し動作以降、続けて第１行の他の画素の画素信号の読み出す場合や、１行分の画素信号を全て出力チャンネルＯＵＴに出力した後に、次の行の画素信号の読み出す場合に関しても、図６（ｂ）に示した従来の固体撮像装置５００における、１／２列間引きモードのタイミングと同様である。
固体撮像装置１００における１／２列間引きモードでは、このようにして各列の画素からの信号を混合するという、列の画素を間引いて読み出すことと等価の動作をすることにより、高速の読み出しを行うことを可能としている。
また、垂直信号線３上で列信号混合を行うことによって、読み出す画素の信号と読み出さない画素の信号とを混合して読み出している。このことによって、列を間引いた画素信号に基づいて信号処理した場合の擬似信号の発生を抑圧し、列間引き読み出し時の信号品質を向上させている。
また、垂直信号線３上で列信号混合を行うことによって、読み出す画素の信号と読み出さない画素の信号とを混合して読み出している。このことによって、列を間引いた画素信号に基づいて信号処理した場合の擬似信号の発生を抑圧し、列間引き読み出し時の信号品質を向上させている。
上記に述べたとおり、本発明の第１の実施形態によれば、従来の固体撮像装置と同様に列間引き読み出しを行うことができる。また、本発明の第１の実施形態の固体撮像装置１００においては、列間引き読み出し時の列信号混合を、垂直信号線３上で行うことによって、間引きされる画素の列のノイズ抑圧回路の動作を停止させた状態で、列間引き読み出しによる画素信号の混合を行うことができる。このことによって、列間引き読み出し時における固体撮像装置のノイズ抑圧回路による電力の消費を低減することができる。
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図３は、本発明の第２の実施形態による全画素読み出しモードと、列間引き読み出しモードとの切り替えが可能な、固体撮像装置２００の概略構成を示したブロック図である。図３において、固体撮像装置２００は、行方向および列方向（図３においては、２行４列）の二次元に配置された画素１１〜２４と、画素１１〜２４を読み出すための読み出しパルスを供給する垂直走査部２と、画素１１〜２４から読み出された信号を伝送する垂直信号線３と、垂直信号線３のそれぞれに一定の電流を流すための画素電流源ＭＢと、画素電流源ＭＢと垂直信号線３とを接続する画素電流源制御トランジスタＭ５と、垂直信号線３を列単位で接続する垂直信号線接続スイッチＭＣと、垂直信号線３のそれぞれに接続され、垂直信号線３の信号成分を増幅する列信号増幅回路９と、列信号増幅回路９からの信号を選択的に水平信号線６に信号を出力するための列選択トランジスタＭＨと、列信号増幅回路９からの信号を選択するための選択パルスを供給する水平走査部５と、水平信号線６に出力された信号を増幅して出力チャンネルＯＵＴに出力する出力アンプ７と、水平信号線６の信号レベルをリセットするための水平信号線リセットトランジスタＭＲと、固体撮像装置２００の読み出しモードを切り替えるタイミング制御部１０８とから構成される。
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図３は、本発明の第２の実施形態による全画素読み出しモードと、列間引き読み出しモードとの切り替えが可能な、固体撮像装置２００の概略構成を示したブロック図である。図３において、固体撮像装置２００は、行方向および列方向（図３においては、２行４列）の二次元に配置された画素１１〜２４と、画素１１〜２４を読み出すための読み出しパルスを供給する垂直走査部２と、画素１１〜２４から読み出された信号を伝送する垂直信号線３と、垂直信号線３のそれぞれに一定の電流を流すための画素電流源ＭＢと、画素電流源ＭＢと垂直信号線３とを接続する画素電流源制御トランジスタＭ５と、垂直信号線３を列単位で接続する垂直信号線接続スイッチＭＣと、垂直信号線３のそれぞれに接続され、垂直信号線３の信号成分を増幅する列信号増幅回路９と、列信号増幅回路９からの信号を選択的に水平信号線６に信号を出力するための列選択トランジスタＭＨと、列信号増幅回路９からの信号を選択するための選択パルスを供給する水平走査部５と、水平信号線６に出力された信号を増幅して出力チャンネルＯＵＴに出力する出力アンプ７と、水平信号線６の信号レベルをリセットするための水平信号線リセットトランジスタＭＲと、固体撮像装置２００の読み出しモードを切り替えるタイミング制御部１０８とから構成される。
なお、本第２の実施形態の固体撮像装置２００と第１の実施形態の固体撮像装置１００との構成の違いは、第１の実施形態の固体撮像装置１００に備えたノイズ抑圧回路４に代わり、列信号増幅回路９を備えたことである。また、上記構成の違いにより、タイミング制御部１０８は、列信号増幅回路９を制御することが異なる。
なお、本第２の実施形態の固体撮像装置２００と第１の実施形態の固体撮像装置１００とにおいて、同様の動作をする構成要素については、同一の符号を付与して説明を省略する。また、以下の説明において、各符号の後の“＿：アンダーバー”に続く数字の表す意味も同様である。
列信号増幅回路９は、垂直信号線３の信号、すなわち、画素１１〜２４から列単位で出力された信号をクランプ電圧ＶＣの電位にクランプするためのクランプ容量Ｃｃと、クランプ電圧ＶＣをクランプ容量Ｃｃに供給するクランプトランジスタＭ７と、増幅後の信号をサンプルホールドするサンプルホールド容量Ｃｓと、サンプルホールドトランジスタＭ６と、入力された信号を増幅するための列アンプ９１と、列アンプ９１をリセットするアンプリセットトランジスタＭ９と、列信号増幅回路９のゲインを決定する増幅用容量Ｃｇおよび帰還容量Ｃｆとから構成される。
また、クランプトランジスタＭ７およびアンプリセットトランジスタＭ９のゲート端子には、タイミング制御部１０８からのクランプパルスφＣＬが入力され、サンプルホールドトランジスタＭ６のゲート端子には、タイミング制御部１０８からのサンプルホールドパルスφＳＨが入力される。
また、クランプトランジスタＭ７およびアンプリセットトランジスタＭ９のゲート端子には、タイミング制御部１０８からのクランプパルスφＣＬが入力され、サンプルホールドトランジスタＭ６のゲート端子には、タイミング制御部１０８からのサンプルホールドパルスφＳＨが入力される。
次に、本実施形態の固体撮像装置の動作タイミングについて説明する。図４は、本第２の実施形態の固体撮像装置２００の概略動作のタイミングを示したタイミングチャートである。なお、図４（ａ）は、固体撮像装置２００において、全画素の信号を読み出す全画素読み出しモードのタイミングチャートを示す。また、図４（ｂ）は、画素の各列の信号を間引いて読み出す１／２列間引きモードのタイミングチャートを示す。なお、図４（ａ）および図４（ｂ）に示したタイミングチャートでは、図２（ａ）および図２（ｂ）に示した第１の実施形態の固体撮像装置１００のタイミングチャートと同様に、第１行目の画素１１〜１４を、全画素読み出しモードおよび１／２列間引きモードで読み出す場合の例を示している。
最初に図４（ａ）に示した全画素読み出しモードにおける動作について説明する。全画素読み出しモードでは、第１行の画素１１〜１４の読み出し動作が可能となると、タイミング制御部１０８は、まず、タイミングｔ１から、画素電流源制御パルスφＶＢＩＡＳを“Ｈ”レベルとして、画素電流源制御トランジスタＭ５をＯＮ状態とし、画素バイアス電流制御電圧ＶＢＩＡＳにより垂直信号線３＿１〜３＿４に一定の電流を流す。そして、垂直走査部２は、行選択パルスφＲＯＷ１を“Ｈ”レベルとして、行選択トランジスタＭ４をＯＮ状態とし、増幅トランジスタＭ３の出力を、垂直信号線３＿１〜３＿４にそれぞれ読み出す状態とする。そして、垂直走査部２は、リセットパルスφＲＳＴ１を“Ｈ”レベルとして、リセットトランジスタＭ２をＯＮ状態とし、増幅トランジスタＭ３のゲート端子をリセット電位にリセットする。このことにより、画素１１〜１４のリセット電位に応じた出力が、垂直信号線３＿１〜３＿４にそれぞれ読み出される。また、このとき、タイミング制御部１０８は、クランプパルスφＣＬを“Ｈ”レベルとし、クランプ容量Ｃｃをクランプ電圧ＶＣの電位にクランプするとともに、列アンプ９１をリセット状態とする。
続いて、タイミングｔ２において、垂直走査部２がリセットパルスφＲＳＴ１を“Ｌ”レベルとした後、タイミング制御部１０８は、タイミングｔ３において、クランプパルスφＣＬを“Ｌ”レベルとし、クランプ容量Ｃｃのクランプおよび列アンプ９１のリセットを終了する。
続いて、垂直走査部２は、タイミングｔ４において、転送パルスφＴＸ１を“Ｈ”レベルとして、転送トランジスタＭ１をＯＮ状態とし、フォトダイオードＰＤで発生した光信号に伴う電気信号を、増幅トランジスタＭ３のゲート端子へ転送する。このことにより、第１行の画素１１〜１４の各画素の光信号に伴う電気信号が、増幅トランジスタＭ３によって増幅され、その増幅された増幅信号が、垂直信号線３＿１〜３＿４にそれぞれ出力される。ここで、画素１１〜１４のリセット電位から光信号に伴う電気信号の電位への変化分をΔＳｉｇとすると、列アンプ９１の入力は、クランプ容量Ｃｃの電位に応じて、ＶＣ−ΔＳｉｇの電位に変化する。これにより、列アンプ９１の出力は、Ｖｃ−（１＋Ｃｇ／Ｃｆ）ΔＳｉｇとなり、第１行の画素１１〜１４の各画素のリセット電位に含まれるノイズ成分が除去されるとともに、列アンプ９１によって信号増幅される。
続いて、タイミングｔ５において、垂直走査部２が転送パルスφＴＸ１を“Ｌ”レベルとする。
続いて、タイミング制御部１０８は、タイミングｔ６において、サンプルホールドパルスφＳＨを“Ｈ”レベルとした後、タイミングｔ７において、サンプルホールドパルスφＳＨを“Ｌ”レベルとする。このことにより、列アンプ９１が出力した電位が、それぞれの列信号増幅回路９内のサンプルホールド容量Ｃｓに保持される。なお、ここでサンプルホールド容量Ｃｓに保持された列アンプ９１の出力した電位が、ノイズ抑圧され、増幅された後の画素信号となる。そして、垂直走査部２が行選択パルスφＲＯＷ１を“Ｌ”レベルとし、タイミング制御部１０８が画素電流源制御パルスφＶＢＩＡＳを“Ｌ”レベルとすることによって、第１行の画素１１〜１４の読み出し動作を完了する。
その後、タイミングｔ８から、列信号増幅回路９＿１内のサンプルホールド容量Ｃｓに保持されたノイズ抑圧および増幅後の画素１１の画素信号が水平信号線６に読み出され、出力アンプ７を通じて出力チャンネルＯＵＴから出力される。
なお、タイミングｔ８以降の画素信号の読み出し動作は、図２（ａ）に示した第１の実施形態の固体撮像装置１００における、全画素読み出しモードのタイミングと同様であるため、詳細な説明は省略する。
また、図４（ａ）において、第１行の画素１１〜１４の画素信号の読み出し動作以降、続けて第１行の他の画素の画素信号の読み出す場合や、１行分の画素信号を全て出力チャンネルＯＵＴに出力した後に、次の行の画素信号の読み出す場合に関しても、図２（ａ）に示した第１の実施形態の固体撮像装置１００における、全画素読み出しモードのタイミングと同様である。
なお、タイミングｔ８以降の画素信号の読み出し動作は、図２（ａ）に示した第１の実施形態の固体撮像装置１００における、全画素読み出しモードのタイミングと同様であるため、詳細な説明は省略する。
また、図４（ａ）において、第１行の画素１１〜１４の画素信号の読み出し動作以降、続けて第１行の他の画素の画素信号の読み出す場合や、１行分の画素信号を全て出力チャンネルＯＵＴに出力した後に、次の行の画素信号の読み出す場合に関しても、図２（ａ）に示した第１の実施形態の固体撮像装置１００における、全画素読み出しモードのタイミングと同様である。
固体撮像装置２００における全画素読み出しモードでは、このようにして複数行の画素、すなわち、全画素の読み出しを行っている。
次に図４（ｂ）に示した１／２列間引きモードにおける動作について説明する。１／２列間引きモードでは、第１行の画素１１〜１４の読み出し動作が可能となると、図４（ａ）に示した全画素読み出しモードのタイミングチャートのタイミングｔ１と同様に、画素１１〜１４のリセット電位に応じた出力を垂直信号線３＿１〜３＿４へ読み出し、クランプ容量Ｃｃをクランプ電圧ＶＣの電位にクランプし、列アンプ９１のリセットを行う。
なお、図４（ｂ）に示した１／２列間引きモードでは、タイミング制御部１０８は、垂直信号線３＿１に接続された列信号増幅回路９＿１および垂直信号線３＿３に接続された列信号増幅回路９＿３のクランプパルスφＣＬのみを制御する。また、１／２列間引きモードの全期間において、垂直信号線３＿２に接続された列信号増幅回路９＿２および垂直信号線３＿４に接続された列信号増幅回路９＿４のクランプパルスφＣＬおよびサンプルホールドパルスφＳＨは、常に“Ｌ”レベルであり、さらに、列アンプ９１に流れるバイアス電流もＯＦＦ状態とし、列信号増幅回路９＿２および列信号増幅回路９＿４は、停止状態である。
続いて、タイミングｔ２において、垂直走査部２がリセットパルスφＲＳＴ１を“Ｌ”レベルとした後、タイミングｔ３から、タイミング制御部１０８は、画素電流源制御パルスφＶＢＩＡＳを“Ｌ”レベルとし、垂直走査部２は、行選択パルスφＲＯＷ１を“Ｌ”レベルとして、垂直信号線３＿１〜３＿４をフローティング状態とする。そして、タイミング制御部１０８は、混合パルスφＡＶＥを“Ｈ”レベルとして、垂直信号線接続スイッチＭＣをＯＮ状態とする。このことにより、画素を混合する２つの垂直信号線３（垂直信号線３＿１と３＿２および垂直信号線３＿３と３＿４）が接続される。また、このことによって、接続しているそれぞれの垂直信号線３に出力されているリセット電位に応じた出力（画素リセット信号）が混合され、列信号増幅回路９＿１および列信号増幅回路９＿３内のクランプ容量Ｃｃの電位が、２つの垂直信号線３の画素リセット信号が混合された電位となる。
続いて、垂直走査部２は、タイミングｔ４から、転送パルスφＴＸ１を“Ｈ”レベルとして、転送トランジスタＭ１をＯＮ状態とし、フォトダイオードＰＤで発生した光信号に伴う電気信号を、増幅トランジスタＭ３のゲート端子へ転送する。そして、タイミング制御部１０８は、混合パルスφＡＶＥを“Ｌ”レベルした後、クランプパルスφＣＬを“Ｌ”レベルとし、クランプ容量Ｃｃのクランプおよび列アンプ９１のリセットを終了する。
続いて、タイミングｔ５において、垂直走査部２が転送パルスφＴＸ１を“Ｌ”レベルとした後、タイミング制御部１０８は、タイミングｔ６において、画素電流源制御パルスφＶＢＩＡＳを“Ｈ”レベルとし、垂直走査部２は、行選択パルスφＲＯＷ１を“Ｈ”レベルにする。このことによって、タイミングｔ４からタイミングｔ５の期間の転送パルスφＴＸ１の“Ｈ”レベルによって増幅トランジスタＭ３のゲート端子に転送された第１行の画素１１〜１４の各画素の光信号に伴う電気信号が、増幅トランジスタＭ３によって増幅され、その増幅された増幅信号が、垂直信号線３＿１〜３＿４に出力される。
続いて、タイミングｔ７において、タイミング制御部１０８は、画素電流源制御パルスφＶＢＩＡＳを“Ｌ”レベルとし、垂直走査部２は、行選択パルスφＲＯＷ１を“Ｌ”レベルとして、垂直信号線３＿１〜３＿４を再びフローティング状態とする。
続いて、タイミング制御部１０８は、タイミングｔ８において、混合パルスφＡＶＥを“Ｈ”レベルとして、垂直信号線接続スイッチＭＣをＯＮ状態とする。このことにより、画素を混合する２つの垂直信号線３（垂直信号線３＿１と３＿２および垂直信号線３＿３と３＿４）が接続され、接続している垂直信号線３のそれぞれに出力されている各画素の光信号に伴う電気信号が混合される。ここで、２つの垂直信号線３が混合されたリセット電位から、２つの垂直信号線３が混合された光信号に伴う電気信号の電位への変化分をΔＳｉｇとすると、列アンプ９１の入力は、クランプ容量Ｃｃの電位に応じて、ＶＣ−ΔＳｉｇの電位に変化する。これにより、列アンプ９１の出力は、Ｖｃ−（１＋Ｃｇ／Ｃｆ）ΔＳｉｇとなり、第１行の画素１１〜１４の各画素のリセット電位に含まれるノイズ成分が除去されるとともに、列アンプ９１によって信号増幅される。また、タイミング制御部１０８は、サンプルホールドパルスφＳＨを“Ｈ”レベルとする。
続いて、タイミング制御部１０８は、タイミングｔ９から、サンプルホールドパルスφＳＨおよび混合パルスφＡＶＥを“Ｌ”レベルとする。このことにより、列アンプ９１が出力した２列分の混合画素信号の電位が、列信号増幅回路９＿１および列信号増幅回路９＿３内のサンプルホールド容量Ｃｓに、それぞれ保持される。
その後、列信号増幅回路９＿１内のサンプルホールド容量Ｃｓに保持された画素１１と画素１２との２画素が混合され、増幅された増幅後の混合画素信号が、水平信号線６に読み出され、出力アンプ７を通じて画素１１と画素１２との混合画素信号として出力チャンネルＯＵＴから出力される。
なお、タイミングｔ９以降の画素信号の読み出し動作は、図２（ｂ）に示した第１の実施形態の固体撮像装置１００における、１／２列間引きモードのタイミングと同様であるため、詳細な説明は省略する。
また、図４（ｂ）において、第１行の画素１１〜１４の画素信号の読み出し動作以降、続けて第１行の他の画素の画素信号の読み出す場合や、１行分の画素信号を全て出力チャンネルＯＵＴに出力した後に、次の行の画素信号の読み出す場合に関しても、図２（ｂ）に示した第１の実施形態の固体撮像装置１００における、１／２列間引きモードのタイミングと同様である。
なお、タイミングｔ９以降の画素信号の読み出し動作は、図２（ｂ）に示した第１の実施形態の固体撮像装置１００における、１／２列間引きモードのタイミングと同様であるため、詳細な説明は省略する。
また、図４（ｂ）において、第１行の画素１１〜１４の画素信号の読み出し動作以降、続けて第１行の他の画素の画素信号の読み出す場合や、１行分の画素信号を全て出力チャンネルＯＵＴに出力した後に、次の行の画素信号の読み出す場合に関しても、図２（ｂ）に示した第１の実施形態の固体撮像装置１００における、１／２列間引きモードのタイミングと同様である。
固体撮像装置２００における１／２列間引きモードでは、このようにして各列の画素からの信号を混合するという、列の画素を間引いて読み出すことと等価の動作をすることにより、高速の読み出しを行うことを可能としている。
また、垂直信号線３上で列信号混合を行うことによって、読み出す画素の信号と読み出さない画素の信号とを混合して読み出している。このことによって、列を間引いた画素信号に基づいて信号処理した場合の擬似信号の発生を抑圧し、列間引き読み出し時の信号品質を向上させている。
また、垂直信号線３上で列信号混合を行うことによって、読み出す画素の信号と読み出さない画素の信号とを混合して読み出している。このことによって、列を間引いた画素信号に基づいて信号処理した場合の擬似信号の発生を抑圧し、列間引き読み出し時の信号品質を向上させている。
上記に述べたとおり、本発明の第２の実施形態によれば、従来の固体撮像装置と同様に列間引き読み出しを行うことができる。また、本発明の第２の実施形態の固体撮像装置２００においては、列間引き読み出し時の列信号混合を、垂直信号線３上で行うことによって、間引きされる画素の列の列信号増幅回路の動作を停止させた状態で、列間引き読み出しによる画素信号の混合と増幅とを行うことができる。このことによって、列間引き読み出し時における固体撮像装置の列信号増幅回路による電力の消費を低減することができる。
上記に述べたとおり、本発明を実施するための形態によれば、従来の固体撮像装置と同様に、全画素読み出しモードと、列間引き読み出しモードとの切り替えが可能であり、さらに、間引きされる画素の列の処理回路を停止させることができるので、列間引き読み出し時における固体撮像装置の消費電力を低減することができる。
また、本実施形態においては、垂直信号線以降に接続される列回路として、ノイズ抑圧回路または列信号増幅回路を備えた場合について説明したが、本発明では、固体撮像装置の列間引き読み出しにおける列信号混合を垂直信号線上で行うため、垂直信号線以降に接続する列回路は、本発明を実施するための形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において様々な列回路に適用することができる。このことによって、混合画素信号の信号品質をさらに向上することや、固体撮像装置の多機能化が可能となる。
また、本発明の固体撮像装置に適用する列回路は、アナログ処理回路に限定されるものではなく、例えば、垂直信号線上の画素信号に応じたデジタルデータを出力する列ＡＤ変換回路等を適用することもできる。
なお、本実施形態においては、列間引き読み出しモードとして、１／２列間引きモードの場合について説明したが、本発明における列間引き読み出しモードは、本発明を実施するための形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において様々な列間引き読み出しモードに変更することができる。例えば、１／４列間引きモードや１／８列間引きモード等にも適用することができる。
また、本実施形態においては、単位画素の行方向および列方向の配置に関して、２行４列の例を示したが、単位画素の行方向および列方向の配置は、本発明を実施するための形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において単位画素を配置する行方向および列方向の数を変更することができる。
以上、本発明の実施形態について、図面を参照して説明してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲においての種々の変更も含まれる。
１００，２００，５００・・・固体撮像装置、１１，１２，１３，１４，２１，２２，２３，２４・・・画素、２・・・垂直走査部、３，３＿１，３＿２，３＿３，３＿４・・・垂直信号線、４，４＿１，４＿２，４＿３，４＿４・・・ノイズ抑圧回路、５・・・水平走査部、６・・・水平信号線、７・・・出力アンプ、８，１０８・・・タイミング制御部、９，９＿１，９＿２，９＿３，９＿４・・・列信号増幅回路、ＭＢ，ＭＢ＿１，ＭＢ＿２，ＭＢ＿３，ＭＢ＿４・・・画素電流源、Ｍ５，Ｍ５＿１，Ｍ５＿２，Ｍ５＿３，Ｍ５＿４・・・画素電流源制御トランジスタ、ＭＡ，ＭＡ＿１２，ＭＡ＿３４・・・ノイズ抑圧回路接続スイッチ、ＭＣ，ＭＣ＿１２，ＭＣ＿３４・・・垂直信号線接続スイッチ、ＭＨ，ＭＨ＿１，ＭＨ＿２，ＭＨ＿３，ＭＨ＿４・・・列選択トランジスタ、ＭＲ・・・水平信号線リセットトランジスタ、ＰＤ・・・フォトダイオード、Ｍ１・・・転送トランジスタ、Ｍ２・・・リセットトランジスタ、Ｍ３・・・増幅トランジスタ、Ｍ４・・・行選択トランジスタ、Ｃｃ・・・クランプ容量、Ｍ７・・・クランプトランジスタ、Ｃｓ・・・サンプルホールド容量、Ｍ６・・・サンプルホールドトランジスタ、Ｃｇ・・・増幅用容量、Ｃｆ・・・帰還容量、Ｍ９・・・アンプリセットトランジスタ、９１・・・列アンプ、φＲＳＴ１，φＲＳＴ２・・・リセットパルス、φＴＸ１，φＴＸ２・・・転送パルス、φＲＯＷ１，φＲＯＷ２・・・行選択パルス、φＨ１，φＨ２，φＨ３，φＨ４・・・列選択パルス、φＡＶＥ・・・混合パルス、φＶＢＩＡＳ・・・画素電流源制御パルス、φＣＬ・・・クランプパルス、φＳＨ・・・サンプルホールドパルス、φＲＳ・・・水平信号線リセットパルス、ＶＤＤ・・・画素電源、ＶＢＩＡＳ・・・画素バイアス電流制御電圧、ＶＣ・・・クランプ電圧、ＶＲ・・・水平信号リセット電圧、ＯＵＴ・・・出力チャンネル
Claims (4)
- 入射光を信号電荷に変換する光電変換手段と、前記光電変換手段で発生した前記信号電荷を増幅して画素信号成分として出力する増幅手段と、前記信号電荷をリセットするリセット手段と、前記増幅手段が出力する前記画素信号成分を選択的に出力信号線に出力する選択手段と、を有する画素を、２次元の行列状に複数配列した画素部と、
前記画素部の列単位の前記出力信号線に設けられ、該列単位の出力信号線に流れる電流を一定にする負荷手段と、
前記列単位の出力信号線を複数本単位で接続する第１のスイッチ素子と、
前記負荷手段と前記列単位の出力信号線とを接続する第２のスイッチ素子と、
前記列単位の出力信号線のそれぞれに設けられ、前記列単位の出力信号線に出力された前記画素信号成分をアナログ信号処理して画素信号として出力するアナログ処理回路と、
前記アナログ処理回路によってアナログ信号処理された画素信号を順次、水平信号線に出力するよう制御する水平走査部と、
前記第１のスイッチ素子と前記第２のスイッチ素子とを制御するモード設定部と、
を備え、
前記モード設定部は、
前記列単位の出力信号線に出力された前記画素信号成分を、前記列単位の出力信号線の列に対応した前記アナログ処理回路に入力する第１のモードと、
前記列単位の出力信号線をフローティング状態にして、前記列単位の出力信号線に出力された前記画素信号成分を、前記列単位の出力信号線の列単位で複数本混合して前記アナログ処理回路に入力する第２のモードと、
を選択的に切り替える、
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 前記モード設定部は、
前記第２のモードの時に、前記選択手段によって前記画素と前記列単位の出力信号線との接続を電気的に切り離し、前記第２のスイッチ素子によって前記負荷手段と前記列単位の出力信号線との接続を切り離した状態で、前記第１のスイッチ素子によって前記列単位の出力信号線を複数本単位で接続する、
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。 - 前記アナログ処理回路は、
前記リセット手段によるリセットレベルと、前記信号電荷による前記画素信号成分の信号レベルとの差分に基づいて、前記画素信号成分のノイズを抑圧し、該ノイズ抑圧した画素信号成分を画素信号として出力するノイズ抑圧機能を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。 - 前記アナログ処理回路は、
前記リセット手段によるリセットレベルと、前記信号電荷による前記画素信号成分の信号レベルとの差分に基づいて、前記画素信号成分のノイズを抑圧するノイズ抑圧機能と、
前記ノイズ抑圧機能によってノイズ抑圧された画素信号成分を増幅し、該増幅したノイズ抑圧後の画素信号成分を画素信号として出力する増幅機能を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
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