JP5390051B1 - 固体撮像装置用信号処理装置および固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

ノイズ耐性の高い信号を維持しつつチップ上の容量素子の数を低減してチップサイズを縮小する。複数の画素（３）が接続された複数の第１の転送線（５）が並列に接続された第２の転送線（７）に並列に接続された単位読出し数より多い容量素子（Ｃ）を備え、一の画素（３）から出力されたノイズ信号を第２の転送線（７）を介して一の容量素子（Ｃ）に転送して保持させる動作を画素（３）および容量素子（Ｃ）を切り替えて単位読出し数回繰り返すステップと、一の画素（３）から出力された信号ノイズ和信号を第２の転送線（７）を介して一の容量素子（Ｃ）に転送して保持させた後に同一の画素（３）から出力され別個の容量素子（Ｃ）に保持されているノイズ信号と信号ノイズ和信号とを同時に出力させる動作を画素（３）および容量素子（Ｃ）を切り替えて単位読出し数回繰り返すステップとを行う固体撮像装置（１）を提供する。

Description

本発明は、固体撮像装置用信号処理装置および固体撮像装置に関するものである。

従来、ＣＭＯＳ（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサに代表されるような、光電変換素子が蓄積した信号電荷を画素内において信号電圧に変換してから信号線に出力する増幅型固体撮像装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この固体撮像装置は、画素内の電荷電圧変換素子をリセットする際に発生する電圧（以下、ノイズ電圧という。）と、該ノイズ電圧に、光電変換により発生した信号電荷を加えた電圧（以下、信号ノイズ和電圧という。）とを画素内の電荷電圧変換素子から出力させて、別々に保持させる２つの容量素子を全ての垂直信号線に備えている。

そして、この固体撮像装置は、垂直シフトレジスタにより選択された行の全ての画素からのノイズ電圧と信号ノイズ和電圧とを容量素子に保持した後に、水平シフトレジスタにより選択された列に備えられた２つの容量素子から、ノイズ電圧と信号ノイズ和電圧とを出力し、これらの電圧の差分を算出することでノイズ除去を行う構成となっている。

特開２０００−４３９９号公報

しかしながら、特許文献１の固体撮像装置は、垂直信号線の本数の２倍の数の容量素子をＣＭＯＳイメージセンサのチップ上に備えているために、画素アレイに対して容量素子部の面積比率が大きくなるという不都合がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、ノイズ耐性の高い信号を維持しつつ、チップ上の容量素子の数を低減してチップサイズを縮小することができる固体撮像装置用信号処理装置および固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、入射光を光電変換する光電変換素子と光電変換された信号電荷を電圧変換する電荷電圧変換素子とを含み、該電荷電圧変換素子をリセットする際に発生するノイズ信号と、該ノイズ信号に光電変換により発生した信号を加えた信号ノイズ和信号とを個別に出力可能な、２次元的に配列された複数の単位画素の内、１以上の前記単位画素からなる複数の画素グループがそれぞれ共通に接続された複数の第１の転送線の各々が、第１のスイッチを介して第２の転送線に並列に接続され、該第２の転送線を介して、前記ノイズ信号と前記信号ノイズ和信号とが単位読み出し数ずつ交互に出力される画素アレイ部に接続される固体撮像装置用信号処理装置であって、前記第２の転送線に並列に接続された、単位読出し数より多い容量素子と、各該容量素子と前記第２の転送線との間に設けられた第２のスイッチと、各該容量素子の内の２つの該容量素子に保持された信号を同時に選択的に出力させる第３のスイッチと、前記第２および第３のスイッチを制御する制御部とを備え、該制御部が、前記単位読出し数個の前記画素グループからなる指定された読み出しグループにおいて、前記画素グループ内の一の前記単位画素から前記第２の転送線に出力されたノイズ信号を、前記第２のスイッチを制御して、一の前記容量素子に転送して保持させる動作を、前記画素グループおよび前記容量素子を切り替えて単位読出し数回繰り返して実施する第１のステップと、前記画素グループ内の一の前記単位画素から前記第２の転送線に出力された信号ノイズ和信号を、第２のスイッチを制御して、他の一の前記容量素子に転送して保持させた後、前記第３のスイッチを制御して、同一の前記単位画素から出力され別個の前記容量素子に保持されている１つのノイズ信号と１つの信号ノイズ和信号とを同時に出力させる動作を前記画素グループおよび前記容量素子を切り替えて単位読出し数回繰り返して実施する第２のステップとを行う固体撮像装置用信号処理装置を提供する。

本態様によれば、全ての単位画素の電荷電圧変換素子をリセットすることにより発生したノイズ信号は、制御部が、第１のステップにおいて、単位画素および第１のスイッチを制御することにより、指定された読み出しグループ内の単位読出し数個分が第１の転送線を介して１つずつ第２の転送線に読み出され、第２のスイッチの操作によって第２の転送線から容量素子に１つずつ転送されて保持される。容量素子は単位読出し数より多く用意されているので、単位読出し数個分のノイズ信号が全て容量素子に転送されて保持された後においても、ノイズ信号を保持していない１以上の容量素子が残る。

この状態で、制御部が、第２のステップにおいて、単位画素および第１のスイッチを制御することにより、いずれかの単位画素から第１の転送線を介して信号ノイズ和信号を第２の転送線に読み出し、第２のスイッチの操作によって第２の転送線から残っている容量素子に転送して保持させる。この後に、制御部が第３のスイッチを操作することによって、容量素子に保持されている信号ノイズ和信号と、該信号ノイズ和信号を出力した単位画素に対応して他の容量素子に保持されているノイズ信号とが出力される。そして、これを繰り返すことにより、単位読出し数個分の信号ノイズ和信号およびノイズ信号が出力されるので、その後段において、信号ノイズ和信号からノイズ信号を減算することにより、Ｓ／Ｎ比の高い信号を得ることができる。

この場合において、本態様によれば、従来のように単位画素数の２倍の容量素子を用意する必要がなく、単位読出し数に１以上の数を加えた数だけ用意すれば足り、部品点数を削減することができるとともに、その部品の占める割合を抑えて、チップサイズを縮小することができる。

上記態様においては、前記容量素子が、前記単位読出し数個のノイズ用容量素子と、２個以上の信号用容量素子とを備え、前記制御部が、前記第１のステップにおいて、前記単位画素から出力されたノイズ信号を前記ノイズ用容量素子に転送して保持させるとともに、前記第２のステップにおいて、前記信号用容量素子と同数の異なる前記単位画素から出力された信号ノイズ和信号を異なる前記信号用容量素子に転送して保持させてもよい。

このようにすることで、第２のステップにおいて一の単位画素の信号ノイズ和信号を一の信号用容量素子から出力している時間帯に、他の単位画素の信号ノイズ和信号を他の信号用容量素子に出力して保持させることができ、処理の高速化を図ることができる。

また、上記態様においては、前記容量素子が、前記単位読出し数個のノイズ用容量素子と、３個以上の信号用容量素子とを備え、前記制御部が、前記第１のステップにおいて、前記単位画素から出力されたノイズ信号を前記ノイズ用容量素子に転送して保持させるとともに、前記第２のステップにおいて、前記信号用容量素子と同数の異なる前記単位画素から出力された信号ノイズ和信号を異なる前記信号用容量素子にランダムに転送して保持させてもよい。

このようにすることで、第２のステップにおいて一の単位画素の信号ノイズ和信号を一の信号用容量素子から出力している時間帯に、他の単位画素の信号ノイズ和信号を他の信号用容量素子に出力して保持させることができ、処理の高速化を図ることができる。この場合に、３以上の信号用容量素子は一定の順序で使用されるのではなくランダムに使用されるので、信号用容量素子を含む列毎のばらつきにより発生する固定パターンノイズを見え難くすることができる。

また、上記態様においては、前記容量素子が、前記単位読出し数個の共用容量素子と、１個以上の信号用容量素子とを備え、前記制御部が、前記第１のステップにおいて、前記単位画素から出力されたノイズ信号を前記共用容量素子に転送して保持させるとともに、前記第２のステップにおいて、前記信号用容量素子より１つ多い数の異なる前記単位画素から出力された信号ノイズ和信号をいずれかの前記信号用容量素子または直前の第３のスイッチの操作によりノイズ信号を出力した前記共用容量素子に交互に転送して保持させてもよい。

このようにすることで、第２のステップにおいて一の単位画素の信号ノイズ和信号を一の信号用容量素子から出力している時間帯に、他の単位画素の信号ノイズ和信号を他の信号用容量素子または共用容量素子に出力して保持させることができ、処理の高速化を図ることができる。この場合に、信号用容量素子または特定の共用容量素子が交互に使用されるのではなく、使用される共用容量素子が順次入れ替わるので、信号用容量素子を含む列毎のばらつきにより発生する固定パターンノイズを見え難くすることができる。

本発明のもう１つの態様は、上記いずれかに記載の固体撮像装置用信号処理装置と、該固体撮像装置用信号処理装置と接続される前記画素アレイ部とを備え、該画素アレイ部が、入射光を光電変換する前記光電変換素子と、光電変換された信号電荷を電圧変換する前記電荷電圧変換素子とを含み、該電荷電圧変換素子をリセットする際に発生するノイズ信号と、該ノイズ信号に光電変換により発生した信号を加えた信号ノイズ和信号とを個別に出力可能な２次元的に配列された複数の単位画素と、１以上の前記単位画素からなる複数の画素グループがそれぞれ共通に接続された複数の前記第１の転送線と、各該第１の転送線に設けられた前記第１のスイッチと、前記第１の転送線がそれぞれ前記第１のスイッチを介して並列に接続された前記第２の転送線とを備える固体撮像装置を提供する。

上記態様においては、前記画素アレイ部と、前記容量素子、前記第２のスイッチおよび前記第３のスイッチを含むノイズ除去回路部とがそれぞれ異なるチップに搭載され、これらチップが、前記第２の転送線により接続されていてもよい。

このようにすることで、画素アレイを含むチップからは、大きな面積を占める容量素子が取り除かれるので、画素アレイを含むチップ上から光電変換に寄与しない部分を極力少なくすることができる。容量素子を搭載するノイズ除去回路を含むチップは、画素アレイを含むチップの裏側に配置でき、全体として正面から見た投影面積の縮小を図ることができる。

本発明によれば、ノイズ耐性の高い信号を維持しつつ、チップ上の容量素子の数を低減してチップサイズを縮小することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す平面図である。 図１の固体撮像装置が備える画素の構成を示す平面図である。 図１の固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。 ノイズ出力トランジスタおよび信号出力トランジスがソースフォロアを形成している図１の固体撮像装置の変形例の部分的な構成を示す平面図である。 図４の変形例に係る固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。 ３つの信号用容量素子を備える図１の固体撮像装置の変形例の部分的な構成を示す平面図である。 図６の変形例に係る固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。 信号用容量素子とノイズ用容量素子とを共用とした図１の固体撮像装置の変形例の部分的な構成を示す平面図である。 図８の変形例に係る固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。 図８の変形例に係る固体撮像装置のもう１つの動作を示すタイミングチャートである。 （ａ）〜（ｄ）図１０のタイミングチャートの時刻ｔ_１〜ｔ_４における容量素子へのノイズ電圧および信号ノイズ和電圧の入出力を説明する図である。

以下、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置１について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る固体撮像装置１は、内視鏡やデジタルカメラなどの撮影装置に搭載されるものであり、図１に示されるように、固体撮像装置１が備える回路は２つの回路ブロック２ａ，２ｂから構成される。

一方の回路ブロック２ａは、画素アレイおよび走査部からなる。すなわち、一方の回路ブロック２ａは、正方配列されたｍ行ｎ列の画素（単位画素、画素グループ）３と、同一の列に属する画素３が共通に接続された垂直信号線（第１の転送線）５と、各該垂直信号線５に設けられた列選択トランジスタ（第１のスイッチ）６と、該列選択トランジスタ６を介して垂直信号線５が並列に共通に接続された水平信号線（第２の転送線）７とを含む画素アレイ４を備えている。また、一方の回路ブロック２ａは、画素アレイ４から一の行を選択し、選択した行の画素３の電圧を垂直信号線５に出力させる第１の走査手段８と、一の垂直信号線５を選択し、選択した垂直信号線５から水平信号線７に電圧を出力させる第２の走査手段９とを含む走査部を備えている。この回路ブロック２ａは、画素３から水平信号線７に電流を出力し、該電流を水平信号線７に設けられた図示しない電流電圧変換素子により電圧に変換して出力するように構成されていてもよい。

他方の回路ブロック２ｂは、ノイズ除去回路からなる。すなわち、他方の回路ブロック２ｂは、水平信号線７に並列に接続された複数の容量素子ＣＳｅｖｅｎ，ＣＳｏｄｄ，ＣＮ１〜ＣＮｎ（以下、これらの容量素子をまとめて容量素子Ｃともいう。）と、該各容量素子Ｃと水平信号線７との間に設けられた入力トランジスタ（第２のスイッチ）１０，１１と、各容量素子Ｃと出力端子１２，１３との間に設けられた出力トランジスタ（第３のスイッチ）１４，１５とを備えている。また、他方の回路ブロック２ｂは、水平信号線７からの電圧を入力させる容量素子Ｃを選択する第３の走査手段１６と、電圧を出力させる容量素子Ｃを選択する第４の走査手段１７と、第１〜第４の走査手段８，９，１６，１７の動作を制御する制御回路（制御部）１８とを備えている。本発明に係る固体撮像装置用信号処理装置は、回路ブロック２ｂに相当する。

図２は、各画素３の回路構成の一例を示している。画素３は、図２に示されるように、受光した光信号を光電変換して信号電荷を蓄積するフォトダイオード(ＰＤ、光電荷変換素子)３１と、該ＰＤ３１に蓄積された信号電荷を転送する転送トランジスタ（転送手段）３２と、該転送トランジスタ３２によって転送されてきた信号電荷を蓄積するフローティングディフュージョン（ＦＤ、電荷電圧変換素子）３３と、該ＦＤ３３に蓄積された信号電荷を電圧として読み出す増幅トランジスタ３４と、該増幅トランジスタ３４と垂直信号線５との間に接続された画素選択トランジスタ３５と、ＦＤ３３の電圧をリセット電圧Ｖｒｓｔにリセットするリセットトランジスタ３６とを備えている。

画素３は、第１の走査手段８からスイッチとして作動する各トランジスタ３２，３５，３６にパルスφｔ，φｘ，φｒが入力されることにより駆動する。すなわち、まず、転送トランジスタ３２にパルスφｔが入力されることにより、ＰＤ３１がそれまで蓄積した信号電荷がＦＤ３３に転送される。ＦＤ３３は、転送されてきた信号電荷を蓄積することにより該信号電荷の量に応じた信号電圧を生成する。次に、画素選択トランジスタ３５にパルスφｘが入力されることにより、ＦＤ３３の生成した信号電圧が増幅トランジスタ３４を介して垂直信号線５に出力される。ＦＤ３３の電圧は、リセットトランジスタ３６にパルスφｒが入力されることにより、リセット電圧Ｖｒｓｔにリセットされる。

ここで、画素３は、リセットトランジスタ３６にパルスΦｒが入力された後に、続けて画素選択トランジスタ３５にパルスΦｘが入力される。これにより、画素３は、ＰＤ３１の信号電圧を含まない電圧、すなわち、リセットトランジスタ３６のリセット動作に伴ってＦＤ３３に保持されたノイズ電圧（ノイズ信号）を垂直信号線５に出力する。その後、画素３においては、転送トランジスタ３２および画素選択トランジスタ３５にパルスφｔ，φｘが入力される。これにより、画素３は、ノイズ電圧に信号電圧が重畳された信号ノイズ和電圧（信号ノイズ和信号）を垂直信号線５に出力する。

符号１９は、垂直信号線５に定電流を供給する定電流回路素子である。定電流回路素子１９により各垂直信号線５に定電流が供給されている状態で、１列目の列選択トランジスタ６からｎ列目の列選択トランジスタ６に順番に第２の走査手段９によってパルスが入力されることにより、各垂直信号線５から水平信号線７に電圧が出力される。水平信号線７に出力された電圧は信号増幅出力回路２０を介して第２の回路ブロック２ｂに転送される。

容量素子としては、画素アレイ４の列の数（単位読出し数）のノイズ用容量素子ＣＮ１〜ＣＮｎと、２つの信号用容量素子ＣＳｅｖｅｎ，ＣＳｏｄｄとが備えられている。以下、ノイズ用容量素子ＣＮ１〜ＣＮｎに接続されている入力トランジスタ１０および出力トランジスタ１４をそれぞれノイズ入力トランジスタおよびノイズ出力トランジスタといい、信号用容量素子ＣＳｅｖｅｎ，ＣＳｏｄｄに接続されている入力トランジスタ１１および出力トランジスタ１５をそれぞれ信号入力トランジスタおよび信号出力トランジスタという。ノイズ用容量素子ＣＮ１〜ＣＮｎは、ノイズ出力トランジスタ１４を介して第１の出力端子１２に並列に接続されている。信号用容量素子ＣＳｅｖｅｎ，ＣＳｏｄｄは、信号出力トランジスタ１５を介して第２の出力端子１３に並列に接続されている。

制御回路１８は、予め設定されたパルスシーケンスに従い、各パルスを出力させる制御信号を第１〜第４の走査手段８，９，１６，１７に出力することにより、画素アレイ４からの電圧の読み出し動作を制御する。

次に、この制御回路１８による固体撮像装置１の動作について、図３のタイミングチャートを参照して説明する。
本実施形態に係る固体撮像装置１は、画素３からノイズ電圧を読み出す第１のステップと、画素３から信号ノイズ和電圧を読み出す第２のステップとを順番に実行する。

第１のステップにおいて、固体撮像装置１は、第１の走査手段８によって１行目の画素３を選択し、選択した１行目のｎ個の画素３（読み出しグループ）から垂直信号線５にノイズ電圧を読み出す。
次に、読み出したノイズ電圧を垂直信号線５からノイズ用容量素子ＣＮ１〜ＣＮｎに転送する。具体的には、第２の走査手段９が１列目の列選択トランジスタ６にパルスφＨ１を入力し、これと同時に第３の走査手段１６が１列目のノイズ入力トランジスタ１０にパルスφＮ１＿ｉｎを入力する。これにより、１列目の画素３のノイズ電圧が１列目のノイズ用容量素子ＣＮ１に保持される。同様にして、固体撮像装置１は、２列目〜ｎ列目の画素３のノイズ電圧を２列目〜ｎ列目のノイズ用容量素子ＣＮ２〜ＣＮｎにそれぞれ保持する。

続いて、第２のステップにおいて、固体撮像装置１は、１行目のｎ個の画素３から垂直信号線５に信号ノイズ和電圧を読み出す。
次に、読み出した信号ノイズ和電圧を垂直信号線５から信号用容量素子ＣＳｅｖｅｎ，ＣＳｏｄｄの一方に転送し、この転送と同期して信号用容量素子ＣＳｅｖｅｎ，ＣＳｏｄｄの他方から信号ノイズ和電圧を出力する。具体的には、まず、第２の走査手段９が１列目の列選択トランジスタ６にパルスφＨ１を入力し、これと同時に第３の走査手段１６が一方の信号入力トランジスタ１１にパルスφＳｅｖｅｎ＿ｉｎを入力する。これにより、１列目の垂直信号線５から水平信号線７に読み出した信号ノイズ和電圧を一方の信号用容量素子ＣＳｅｖｅｎに転送する。

次に、第２の走査手段９が２列目の列選択トランジスタ６にパルスφＨ２を入力し、これと同時に第３の走査手段１６が他方の信号入力トランジスタ１１にパルスφＳｏｄｄ＿ｉｎを入力する。これにより、２列目の垂直信号線５から水平信号線７に読み出した信号ノイズ和電圧を他方の信号用容量素子ＣＳｏｄｄに転送する。これらパルスφＨ２，φＳｏｄｄ＿ｉｎの入力と同時に、第４の走査手段１７が、１列目のノイズ出力トランジスタ１４にパルスφＳｅｖｅｎ＿ｏｕｔを入力するとともに一方の信号出力トランジスタ１５にパルスφＮ１＿ｏｕｔを入力する。これにより、１行目１列目の画素３から読み出したノイズ電圧および信号ノイズ和電圧を第１の出力端子１２および第２の出力端子１３から同時に出力する。

同様にして、固体撮像装置１は、ｊ（ｊ＝３，４，…，ｎ）列目の画素３の信号ノイズ和電圧を一方の信号用容量素子ＣＳｅｖｅｎ／ＣＳｏｄｄに保持し、直前に他方の信号用容量素子ＣＳｏｄｄ／ＣＳｅｖｅｎに保持したｊ−１列目の画素３の信号ノイズ和電圧を当該画素３のノイズ電圧と同時に出力する動作を繰り返す。

容量素子ＣＳｏｄｄ，ＣＳｅｖｅｎ，ＣＮ１〜ＣＮｎから１行目の全ての列の画素３のノイズ電圧と信号ノイズ和電圧とを出力した後、固体撮像装置１は、２行目〜ｍ行目についても同じ動作を繰り返す。これにより、全ての画素３のノイズ電圧と信号ノイズ和電圧とを出力する。出力された同一画素３のノイズ電圧と信号ノイズ和電圧とは、図示しない外部の信号処理部によって処理され、信号ノイズ和電圧からノイズ電圧が減算されることにより、各画素３の正味の信号電圧が算出される。

なお、図３において、ＩＮは、水平信号線７からの電圧が入力される第２の回路ブロック２ｂの入力端子２３における電圧を示し、ＯＵＴ（Ｎ）およびＯＵＴ（Ｓ）はそれぞれ、第１の出力端子１２および第２の出力端子１３の電圧を示している。

このように、本実施形態によれば、各画素３のノイズ電圧と信号ノイズ和電圧とを得るのに容量素子Ｃの数が画素３の列数に２を足した数で足りる。これにより、画素３の列数の２倍の数の容量素子が備えられていた従来の固体撮像装置に比べて回路の面積を縮小することができる。特に、従来の固体撮像装置において容量素子が回路全体に占める面積が大きいため、この容量素子の数を削減することは固体撮像装置１全体の小型化に有効である。

さらに、画素アレイおよび走査部からなる第１の回路ブロック２ａとノイズ除去回路からなる第２の回路ブロック２ｂとを異なるチップ上に構成し、第２の回路ブロック２ｂを含むチップを第１の回路ブロック２ａを含むチップの裏側に配置することにより、全体として正面から見た投影面積を縮小することができる。

なお、本実施形態においては、画素３から読み出されたノイズ電圧が、当該画素３の列と対応する列のノイズ用容量素子ＣＮ１〜ＣＮｎに保持されることとしたが、これに代えて、任意の列のノイズ用容量素子ＣＮ１〜ＣＮｎに保持されることとしてもよい。この場合、どの列の画素３のノイズ電圧がどの列のノイズ用容量素子ＣＮ１〜ＣＮｎに保持されているかを、例えば、制御回路１８が対応付けて記憶しておけばよい。

また、本実施形態においては、２つの信号用容量素子ＣＳｅｖｅｎ，ＣＳｏｄｄを備えることとしたが、信号用容量素子は少なくとも１つ備えられていればよい。信号用容量素子が１つのみ備えられる場合は、各ステップにおいて、信号ノイズ和電圧の容量素子への入力と、容量素子からの信号ノイズ和電圧の出力とを時分割で順番に実行しなければならないため、上述した実施形態に比べて動作速度は遅くなるが、上述した固体撮像装置１に比べてさらなる小型化を図ることができる。

また、本実施形態においては、各出力トランジスタ１４，１５がソースフォロアを形成するように構成されていてもよい。具体的には、図４に示されるように、各出力トランジスタ１４，１５と各容量素子Ｃとの間に接続される電流増幅トランジスタ２１を備える。この電流増幅トランジスタ２１のドレインは電源電圧に接続されている。各出力トランジスタ１４，１５にパルスφＳｅｖｅｎ＿ｏｕｔ，φＳｏｄｄ，ｏｕｔ，φＮｊ＿ｏｕｔが入力されると、電流増幅トランジスタ２１のゲート電圧である各容量素子Ｃの保持している電圧が容量分割されること無く各出力トランジスタ１４，１５のドレインを通して出力される。なお、図４において、制御回路１８は図示が省略されている。

図４に示される変形例においては、第１の出力端子１２および第２の出力端子１３に相当する端子が差動アンプ２２の入力端子となっている。差動アンプ２２は、信号ノイズ和電圧からノイズ電圧を減算した差分を増幅して出力する。図５は、本変形例に係る固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。図５において、ＯＵＴは、出力端子２４の電圧であり、差動アンプ２２の出力を示す。
このようにすることで、各容量素子Ｃの保持する電圧が容量分割により利得が下がることなく差動アンプ２２に入力され、チップ内２ｂでノイズ減算が行われた状態で出力される。これにより、Ｓ／Ｎ比の高い信号を得ることができる。

また、本実施形態においては、２つの信号用容量素子ＣＳｅｖｅｎ，ＣＳｏｄｄを備えることとしたが、これに代えて、３つ以上の信号用容量素子を備えることとしてもよい。図６には、３つの信号用容量素子ＣＳ１〜ＣＳ３を備えた構成が示されている。このように構成された本変形例に係る固体撮像装置は、図７に示されるように動作することができる。すなわち、画素３から読み出された信号ノイズ和電圧を、規則的な順番で信号用容量素子ＣＳ１〜ＣＳ３に保持するのではなく、不規則的な順番でランダムに信号用容量素子ＣＳ１〜ＣＳ３に保持する。なお、図６において、制御回路１８は図示が省略されている。

信号用容量素子ＣＳ１〜ＣＳ３を規則的な順番で使用した場合、信号用容量素子ＣＳ１〜ＣＳ３を含む列毎の保持回路のばらつきに起因した縦縞の固定パターンノイズが画像に出現する。一方、本変形例によれば、信号用容量素子ＣＳ１〜ＣＳ３を不規則的な順番で使用することにより、固定パターンノイズを見え難くすることができる。

また、本実施形態においては、容量素子Ｃをノイズ電圧用と信号ノイズ和電圧用とに区別して使用することとしたが、これに代えて、図８に示されるように、ノイズ電圧用と信号ノイズ和電圧用とに共用の共用容量素子Ｃ１〜Ｃｎ＋２とすることとしてもよい。この構成において、各共用容量素子Ｃ１〜Ｃｎ＋２は、ノイズ出力トランジスタ１４を介して第１の出力端子（図示する例では、差動アンプ２２の反転端子（−））に接続され、信号出力トランジスタ１５を介して第２の出力端子（図示する例では、差動アンプ２２の非反転端子（＋））に接続される。なお、図８において、制御回路１８は図示が省略されている。

このように構成された本変形例に係る固体撮像装置は、図９に示されるように動作することができる。すなわち、第１のステップにおいて、各画素３から読み出したノイズ電圧を任意の互いに異なる容量素子に入力する。固体撮像装置は、いずれの列の画素３のノイズ電圧をいずれの列の容量素子に保持したかを記憶しておく。第１のステップが終了した時点において、ノイズ電圧を保持していない容量素子（信号用容量素子）が２つ存在する。

第２のステップにおいて、固体撮像装置は、最初に読み出す２つの画素３の信号ノイズ和電圧を、ノイズ電圧を保持していない容量素子にそれぞれ入力する。そして、同一画素３のノイズ電圧と信号ノイズ和電圧とを容量素子から同時に差動アンプ２２に出力する。信号ノイズ和電圧の読み出しが進むに従って、ノイズ電圧を保持しない空の容量素子が増える。したがって、３番目以降に画素３から読み出す信号ノイズ和電圧については、空の容量素子のうち任意の容量素子に保持することができる。

このように構成された本変形例によっても、ノイズ電圧と信号ノイズ和電圧とを保持する容量素子を不規則に選択することにより、画像に出現する固定パターンノイズを見え難くすることができる。
なお、図８には、ｎ＋２個の容量素子を備える構成が示されているが、本変形例においても、容量素子は、一度の第１のステップで読み出す信号電圧の数に少なくとも１つ加えた数が備えられていればよく、少なくともｎ＋１個の容量素子が備えられていればよい。

また、本実施形態においては、複数の画素が一部の構成を共有する画素共有型が採用されてもよい。具体的には、図２に示される画素３の構造において、増幅トランジスタ３４、画素選択トランジスタ３５およびリセットトランジスタ３６が複数の画素によって共有される。この構成において、同一の増幅トランジスタ３４、画素選択トランジスタ３５およびリセットトランジスタ３６を共有する複数の画素からなる画素グループ単位で垂直信号線５に接続されることとなる。

また、図８に示される構成においては、図１０に示されるように動作することもできる。すなわち、図１１（ａ）〜（ｄ）に示されるように、ノイズ電圧の読み出しと信号ノイズ和電圧の読み出しとに、２つ隣りの容量素子を用いることとしてもよい。
容量素子と電流増幅トランジスタを含む列毎の保持回路の製造のばらつきには、素子間の距離が離れることによる半導体製造工程上（フォトリソグラフィ、エッチング等）のグローバルなばらつきが含まれる。すなわち、図１０および図１１に示されるように、近接した位置に配置された列毎の保持回路を順番に用いてノイズ電圧と信号ノイズ和電圧との読み出しを行うことにより、ノイズ電圧の読み出しに用いられる列毎の保持回路と信号ノイズ和電圧の読み出しに用いられる列毎の保持回路との製造ばらつきを極小化し、固定パターンノイズをさらに小さくすることができる。

また、本実施形態においては、行列状に正方配列された画素３からなる画素アレイ４について説明したが、画素３の配列はこの配列に限定されるものではなく、適宜変更可能である。例えば、画素３がハニカム状に配列されてなる画素アレイについても、本実施形態は適用可能である。

１ 固体撮像装置
２ａ 回路ブロック、画素アレイおよび走査部
２ｂ 回路ブロック、ノイズ除去回路部
３ 画素
４ 画素アレイ
５ 垂直信号線（第１の転送線）
６ 列選択トランジスタ（第１のスイッチ）
７ 水平信号線（第２の転送線）
８ 第１の走査手段
９ 第２の走査手段
１０ ノイズ入力トランジスタ（第２のスイッチ）
１１ 信号入力トランジスタ（第２のスイッチ）
１２ 第１の出力端子
１３ 第２の出力端子
１４ ノイズ出力トランジスタ（第３のスイッチ）
１５ 信号出力トランジスタ（第３のスイッチ）
１６ 第３の走査手段
１７ 第４の走査手段
１８ 制御回路
１９ 定電流回路素子
２０ 信号増幅出力回路
２１ 電流増幅トランジスタ
２２ 差動アンプ
２３ 入力端子
２４ 出力端子
３１ フォトダイオード（光電荷変換素子）
３２ 転送トランジスタ
３３ フローティングディフュージョン（電荷電圧変換素子）
３４ 増幅トランジスタ
３５ 画素選択トランジスタ
３６ リセットトランジスタ
ＣＳｅｖｅｎ，ＣＳｏｄｄ，ＣＳ１〜ＣＳ３ 容量素子、信号用容量素子
ＣＮ１〜ＣＮｎ 容量素子、ノイズ用容量素子
Ｃ１〜Ｃｎ＋２ 容量素子、共用容量素子

Claims (6)

1. 入射光を光電変換する光電変換素子と光電変換された信号電荷を電圧変換する電荷電圧変換素子とを含み、該電荷電圧変換素子をリセットする際に発生するノイズ信号と、該ノイズ信号に光電変換により発生した信号を加えた信号ノイズ和信号とを個別に出力可能な、２次元的に配列された複数の単位画素の内、１以上の前記単位画素からなる複数の画素グループがそれぞれ共通に接続された複数の第１の転送線の各々が、第１のスイッチを介して第２の転送線に並列に接続され、該第２の転送線を介して、前記ノイズ信号と前記信号ノイズ和信号とが単位読み出し数ずつ交互に出力される画素アレイ部に接続される固体撮像装置用信号処理装置であって、
   前記第２の転送線に並列に接続された、単位読出し数より多い容量素子と、
   各該容量素子と前記第２の転送線との間に設けられた第２のスイッチと、
   各該容量素子の内の２つの該容量素子に保持された信号を同時に選択的に出力させる第３のスイッチと、
   前記第２および第３のスイッチを制御する制御部とを備え、
   該制御部が、前記単位読出し数個の前記画素グループからなる指定された読み出しグループにおいて、前記画素グループ内の一の前記単位画素から前記第２の転送線に出力されたノイズ信号を、前記第２のスイッチを制御して、一の前記容量素子に転送して保持させる動作を、前記画素グループおよび前記容量素子を切り替えて単位読出し数回繰り返して実施する第１のステップと、前記画素グループ内の一の前記単位画素から前記第２の転送線に出力された信号ノイズ和信号を、第２のスイッチを制御して、他の一の前記容量素子に転送して保持させた後、前記第３のスイッチを制御して、同一の前記単位画素から出力され別個の前記容量素子に保持されている１つのノイズ信号と１つの信号ノイズ和信号とを同時に出力させる動作を前記画素グループおよび前記容量素子を切り替えて単位読出し数回繰り返して実施する第２のステップとを行う固体撮像装置用信号処理装置。
2. 前記容量素子が、前記単位読出し数個のノイズ用容量素子と、２個以上の信号用容量素子とを備え、
   前記制御部が、前記第１のステップにおいて、前記単位画素から出力されたノイズ信号を前記ノイズ用容量素子に転送して保持させるとともに、前記第２のステップにおいて、前記信号用容量素子と同数の異なる前記単位画素から出力された信号ノイズ和信号を異なる前記信号用容量素子に転送して保持させる請求項１に記載の固体撮像装置用信号処理装置。
3. 前記容量素子が、前記単位読出し数個のノイズ用容量素子と、３個以上の信号用容量素子とを備え、
   前記制御部が、前記第１のステップにおいて、前記単位画素から出力されたノイズ信号を前記ノイズ用容量素子に転送して保持させるとともに、前記第２のステップにおいて、前記信号用容量素子と同数の異なる前記単位画素から出力された信号ノイズ和信号を異なる前記信号用容量素子にランダムに転送して保持させる請求項１に記載の固体撮像装置用信号処理装置。
4. 前記容量素子が、前記単位読出し数個の共用容量素子と、１個以上の信号用容量素子とを備え、
   前記制御部が、前記第１のステップにおいて、前記単位画素から出力されたノイズ信号を前記共用容量素子に転送して保持させるとともに、前記第２のステップにおいて、前記信号用容量素子より１つ多い数の異なる前記単位画素から出力された信号ノイズ和信号をいずれかの前記信号用容量素子または直前の第３のスイッチの操作によりノイズ信号を出力した前記共用容量素子に交互に転送して保持させる請求項１に記載の固体撮像装置用信号処理装置。
5. 請求項１に記載の固体撮像装置用信号処理装置と、
   該固体撮像装置用信号処理装置と接続される前記画素アレイ部とを備え、
   該画素アレイ部が、
   入射光を光電変換する前記光電変換素子と、光電変換された信号電荷を電圧変換する前記電荷電圧変換素子とを含み、該電荷電圧変換素子をリセットする際に発生するノイズ信号と、該ノイズ信号に光電変換により発生した信号を加えた信号ノイズ和信号とを個別に出力可能な２次元的に配列された複数の単位画素と、
   １以上の前記単位画素からなる複数の画素グループがそれぞれ共通に接続された複数の前記第１の転送線と、
   各該第１の転送線に設けられた前記第１のスイッチと、
   前記第１の転送線がそれぞれ前記第１のスイッチを介して並列に接続された前記第２の転送線とを備える固体撮像装置。
6. 前記画素アレイ部と、前記容量素子、前記第２のスイッチおよび前記第３のスイッチを含むノイズ除去回路部とがそれぞれ異なるチップに搭載され、
   これらチップが、前記第２の転送線により接続されている請求項５に記載の固体撮像装置。
   

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