JP5495701B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置に関する。

複写機やスキャナ等の画像読取装置に用いられる固体撮像装置として、例えば特許文献１の図１に示されるような、異なる複数の色成分を読み出すフォトダイオードと、それぞれのフォトダイオードに対応した保持容量とを有する固体撮像装置がある。特許文献１には共通出力線が１本の固体撮像装置が示されているが、例えば特許文献２の図４に示されるような色成分毎に信号を出力可能な固体撮像装置も提案されている。特許文献２に記載の構成では、複数の共通出力線から並列に信号出力を行うために信号の読み出し時間を短縮でき、特許文献１に記載の構成と比較して並列数分だけ早く信号を読み出すことが可能である。また、前述した構成に加えてＳ／Ｎ比向上といった性能向上が必要な場合には、特許文献３、４に示されるように、低速動作する垂直転送部に増幅回路を設けて狭帯域下で信号増幅を行うことで低ノイズ化を実現する構成等を取ることもある。

特開２００６−２１１３６３号公報 特開平６−２０４４４５号公報 特開２００８−５４２４６号公報 特開２００８−６０９４９号公報

しかしながら、特許文献３、４に記載の構成では、スミアと呼ばれる入力画像の光強度に応じた偽信号が前述した増幅回路に起因して発生し得ることが知られている。前記文献で示されているメカニズムの他に、前段からの信号を保持容量にサンプルする時に生じる過渡電流が、電源インピーダンスによって電源バイアスを変動させ、その電源変動が各列の信号値をオフセットさせて偽信号を発生させる場合もある。また、画素内の増幅回路としてソースフォロワ回路が使われている場合に、ソースフォロワ回路の電流源トランジスタにかかるバイアスが信号によって圧迫されて電流変動を引き起こし、各列の信号値をオフセットさせる場合もある。ここでいうスミアは発生箇所、信号極性にもより、光量に対して白く出る（浮き成分）場合も黒く出る（沈み）場合もある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、スミア等の偽信号による画質劣化を低減できるようにすることを目的とする。

本発明の固体撮像装置は、列方向に配列された異なる分光感度を有する複数の画素と、前記画素からの信号を保持する複数の第１の保持容量と、前記第１の保持容量に保持された信号を増幅する増幅回路とを含む複数の基本セルをそれぞれ有し、行方向に配列された複数の基本セル群と、前記基本セルが接続され、前記基本セルから信号が転送される第２の保持容量とを備え、前記基本セル群の各々は、遮光されたオプティカルブラック画素からなる基本セルと、遮光されていない有効画素からなる基本セルとを有し、第１の垂直転送動作により、同時刻に蓄積されたすべての画素の信号を一括して前記第１の保持容量に転送し、前記第１の垂直転送動作の後に、前記第１の保持容量に保持された信号を第２の垂直転送動作により順次前記第２の保持容量に転送し、水平転送動作により、前記第２の垂直転送動作によって前記第２の保持容量に保持された信号を順次共通出力線に出力し、少なくとも前記第２の垂直転送動作と前記水平転送動作とを前記基本セル群の数と同じ回数繰り返し行い、前記第２の垂直転送動作の各々において前記オプティカルブラック画素からの信号を転送し、かつ、前記水平転送動作の各々において前記オプティカルブラック画素からの信号を転送し、同一の基本セル群に含まれるオプティカルブラック画素及び有効画素は、前記水平転送動作の際に同一の走査回路により順次走査され、異なる基本セル群に含まれるオプティカルブラック画素及び有効画素は、前記水平転送動作の際に異なる走査回路により走査されることを特徴とする。

本発明によれば、出力毎に異なるオフセットが発生したとしても、それぞれのオフセットを適切に除去することができ、偽信号による画質劣化を低減することができる。

本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の一部構成例を示す図である。 本実施形態に係る画素の構成例を示す図である。 本実施形態に係る中間保持手段の構成例を示す図である。 本実施形態に係る選択手段の構成例を示す図である。 本実施形態に係る保持手段の構成例を示す図である。 本実施形態に係る切替手段の構成例を示す図である。 図１に示す固体撮像装置の動作例を示すフローチャートである。 図１に示す固体撮像装置の動作例を示すタイミングチャートである。 一般的な固体撮像装置の動作例を示すタイミングフロー図である。 図９に示す駆動を実現するための構成を示す模式図である。 図９に示す駆動でのＯＢクランプ後の出力例を示す図である。 本実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示す模式図である。 図１２に示す固体撮像装置の動作例を示すタイミングフロー図である。 図１２に示す駆動でのＯＢクランプ後の出力例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
まず、固体撮像装置の構成と駆動、及び固体撮像装置におけるスミアによる画質劣化のメカニズムについて説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の一部構成例を示す図である。図１においては、６ビット×３色のカラーラインセンサーを一例として図示している。
図１において、１は画素、２は各画素１からの信号を保持する中間保持手段、３は接続された中間保持手段の出力信号を選択して出力する選択手段、４は複数かつ同数の画素１及び中間保持手段２と１つの選択手段３とで構成される基本セルである。各基本セル４では、異なる分光感度を有する画素１が列方向に配列されており、基本セル４内の画素１は、それぞれ異なる色成分を読み出す。本例では、画素１の各々からＲ、Ｇ、Ｂの各成分が読み出され、それぞれをＲ画素１−Ｒ、Ｇ画素１−Ｇ、Ｂ画素１−Ｂとする。また、各基本セル４内では各色１画素ずつの構成とする。Ｒ画素１−Ｒ、Ｇ画素１−Ｇ、Ｂ画素１−Ｂのそれぞれに接続された中間保持手段を２−Ｒ、２−Ｇ、２−Ｂとする。

５は基本セル４が接続されて基本セル４からの出力信号を保持する保持手段、６は保持手段５の信号を順次走査していく走査回路、７は各保持手段５を走査するために走査回路６から出力される走査信号である。８は各保持手段５からの信号を走査信号７に応じて出力する共通出力線、９はゲート信号φＣＨＲに応じて共通出力線８を電圧ＶＣＨＲにリセットするリセット手段、１０は共通出力線８からの信号を増幅し出力する出力回路である。１１は行方向に配列されたすべての基本セル４を複数に分割した基本セル群であり、基本セル群１１も行方向に配列された構成となる。１２は各保持手段５と接続される切替手段であり、制御信号φＣＨ１、φＣＨ２、φＣＨ３に応じて、保持手段５と共通出力線８とを接続する。

ここで、本実施形態では、走査回路６は各基本セル群１１−１〜３に対応して６−１〜３に分割される。各走査回路６−１〜３は同時に、走査信号７によって各基本セル群１１−１〜３に対応する保持手段５を走査する。共通出力線８は、それぞれが各色成分（Ｒ、Ｇ、Ｂ）を出力するものとし、８−Ｒ、８−Ｇ、８−Ｂとする。共通出力線８−Ｒ、８−Ｇ、８−Ｂに対応して、リセット手段９−Ｒ、９−Ｇ、９−Ｂ、及び出力回路１０−Ｒ、１０−Ｇ、１０−Ｂが設けられている。なお、図１において、画素１内に振られた番号Ｒ１〜Ｒ６、Ｇ１〜Ｇ６、Ｂ１〜Ｂ６は、その画素の色及びビット数を表すものとする。以後、スイッチ又はスイッチとして機能するトランジスタに関しては、制御信号（ゲート信号）がハイレベルで導通し、ローレベルで非導通になるものとして説明する。

以下、図１に示した固体撮像装置の各部について説明する。
＜画素１＞
図２は、画素１の構成例を示す図である。図２において、２１は光電変換素子（例えばフォトダイオード）、２２はゲート信号φＲＥＳに応じて光電変換素子２１を電圧ＶＲＥＳにリセットするリセットトランジスタである。２３は光電変換素子２１の信号を受けるソースフォロワ回路の入力トランジスタ、２４はソースフォロワ回路の定電流回路である。定電流回路２４は、例えばゲート電極が一定電圧に固定され、ドレイン電極がソースフォロワ回路の入力トランジスタ２３のソース電極に接続され、ソース電極が電源に接続されたＭＯＳトランジスタで実現できる。画素１にて光電変換して得られた出力信号は、ノードＮ２１より出力される。

＜中間保持手段２＞
図３は、中間保持手段２の構成例を示す図である。図３において、３１は中間保持容量、３２はゲート信号φＣＭに応じて書き込みを行う第１の書き込みスイッチである。中間保持手段２は、ノードＮ３１が対応する画素１のノードＮ２１に接続され、ノードＮ３２が選択手段３に接続される。中間保持手段２は、ゲート信号φＣＭがハイレベルとなることで第１の書き込みスイッチ３２が導通状態となり、対応する画素１からの信号が中間保持容量３１に書き込まれる。

＜選択手段３＞
図４は、１番目の基本セル群１１−１が有する選択手段３−１、２番目の基本セル群１１−２が有する選択手段３−２、３番目の基本セル群１１−３が有する選択手段３−３の構成例を示す図である。図４において、４１は選択トランジスタであり、４２は増幅回路である。選択トランジスタ４１は、本実施形態では選択手段３の各々がＲ、Ｇ、Ｂの３画素分の中間保持手段２（中間保持容量３１）に保持された信号を出力するため、３つの選択トランジスタ４１−Ｒ、４１−Ｇ、４１−Ｂから構成されている。増幅回路４２は、例えばソースフォロワ回路や特許文献３、４等に記載されている増幅回路が挙げられる。各選択トランジスタ４１のドレイン電極は、対応するノードＮ４１を介してそれぞれ別の中間保持手段２（中間保持手段２のノードＮ３２）に接続されており、ソース電極はすべてショートされ増幅回路４２の入力端に接続されている。すなわち、基本セル４からの信号は増幅回路４２を介してノードＮ４７より出力される。各選択トランジスタ４１のゲートには、それぞれ別の制御信号φＳＷ１、φＳＷ２、φＳＷ３が供給され、この制御信号に従って任意の中間保持手段２の信号が選択されて増幅回路４２を介し出力される。なお、図４において選択トランジスタ４１の後段に増幅回路４２を配置している、すなわち１列あたりに１個の増幅回路４２を配置しているが、選択トランジスタ４１の前段に増幅回路４２を配置しても良い。また、各選択手段３−１、３−２、３−３は制御信号φＳＷ１、φＳＷ２、φＳＷ３と図に示す接続関係を持つものとし、各制御信号φＳＷはノードＮ４４、Ｎ４５、Ｎ４６を介して選択トランジスタ４１に供給される。これにより、各基本セル群１１において選択手段３が、それぞれが異なる色成分の中間保持手段２を選択することができる。

＜保持手段５＞
図５は、保持手段５の構成例を示す図である。図５において、５１は保持容量、５２はゲート信号φＣＴに応じて書き込みを行う第２の書き込みスイッチ、５３は走査回路６からの走査信号７（φＳＲ）に応じて共通出力線８へ保持容量５１の信号を転送する転送スイッチである。保持手段５は、ノードＮ５１が対応する選択手段３のノードＮ４７に接続され、ノードＮ５２が切替手段１２に接続される。保持手段５は、ゲート信号φＣＴがハイレベルとなることで第２の書き込みスイッチ５２が導通状態となり、対応する選択手段３からの信号が保持容量５１に書き込まれる。

＜切替手段１２＞
図６は、切替手段１２の構成例を示す図である。図６において、切替手段１２−１が基本セル群１１−１に対応する切替手段１２であり、切替手段１２−２が基本セル群１１−２に対応する切替手段１２であり、切替手段１２−３が基本セル群１１−３に対応する切替手段１２である。図６において、６１は、各保持手段５からそれぞれの共通出力線８に接続する切替トランジスタであり、ノードＮ６１を介して入力される信号を共通出力線８に対して出力する。また、各切替手段１２−１、１２−２、１２−３は制御信号φＣＨ１、φＣＨ２、φＣＨ３と図に示す接続関係を持つものとし、各制御信号φＣＨはノードＮ６２、Ｎ６３、Ｎ６４を介して切替トランジスタ６１に供給される。これにより、保持手段５を介して接続されている基本セル群１１毎に、それぞれが異なる色成分の共通出力線８を選択することができる。

次に、動作について、図７及び図８を参照し説明する。図７は、図１に示した固体撮像装置の動作例を示すフローチャートであり、図８は、図１に示した固体撮像装置の動作例を示すタイミングチャートである。
最初に、画素１において入射光を光電変換素子２１で蓄積する蓄積時間がある（不図示）。蓄積時間中は、光電変換素子２１で電気信号に変換された信号が、ソースフォロワ回路の入力トランジスタ２３のソース電極より増幅されて出力されている。

次に、ステップＳ１１にて、同時刻に蓄積されたすべての画素１の信号を中間保持手段２に転送する第１の垂直転送動作が行われる。第１の垂直転送動作では、ゲート信号φＣＭのハイレベル期間に各画素１からの信号が、それぞれ接続されている中間保持手段２の中間保持容量３１に書き込まれ、ゲート信号φＣＭの立下り時に信号値がホールドされる（Ｐ１１）。

次に、ステップＳ１２にて、第１のカウンター及び第２のカウンターの初期値を設定する。本実施形態では、第１のカウンターのカウント値Ｘ及び第２のカウンターのカウント値Ｚが、ともに１に設定される（Ｘ＝Ｚ＝１）。

続いて、ステップＳ１３にて、選択手段３で選択された任意の中間保持手段２の中間保持容量３１に保持されている信号を保持手段５に転送する第２の垂直転送動作が行われる。第２の垂直転送動作では、制御信号φＳＷ（Ｘ）をハイレベルとすることで、各基本セル群１１において、選択手段３により選択されている中間保持手段２の信号が保持手段５の保持容量５１に書き込まれる。

次に、ステップＳ１４にて、各基本セル群１１の保持手段５の保持容量５１に保持されている信号を、走査回路６の走査及び切替手段１２の切替に応じて任意の共通出力線８へ並列に転送する水平転送動作が行われる。水平転送動作では、制御信号φＣＨ（Ｘ）をハイレベルとすることで、切替手段１２を介して各保持手段５が共通出力線８に接続され、走査回路６の走査に応じて保持手段５の信号が順次出力される。これにより、垂直転送動作により保持手段５に転送された信号が順次読み出されて出力される。

次に、ステップＳ１５にて、第１のカウンターのカウント値Ｘに基づいて第１の判定動作が行われる。第１の判定動作では、第１のカウンターのカウント値Ｘが、色成分数（本例では３色）と同数であるか否かが判定される。第１のカウンターは、例えば第２の垂直転送動作（Ｓ１３）の実行回数をカウントしている。第１の判定動作における判定の結果、カウント値Ｘが色成分数と同数である場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ１７に進み、そうでない場合には（ＮＯ）、ステップＳ１６にてカウント値Ｘを１だけ増加させステップＳ１３に戻る。

ステップＳ１７にて、第２のカウンターのカウント値Ｚに基づいて第２の判定動作が行われる。第２の判定動作では、第２のカウンターのカウント値Ｚが、基本セル４内の１色成分あたりの画素数（本例では１個）と同数であるか否かが判定される。第２のカウンターは、例えば第１の判定動作（Ｓ１５）でＹＥＳと判定された回数をカウントしている。第２の判定動作における判定の結果、カウント値Ｚが基本セル４内の１色成分あたりの画素数と同数でない場合には（ＮＯ）、ステップＳ１８にてカウント値Ｚを１だけ増加させるとともに、カウント値Ｘを１に設定して、ステップＳ１３に戻る。一方、第２の判定動作における判定の結果、カウント値Ｚが基本セル４内の１色成分あたりの画素数と同数である場合には（ＹＥＳ）、１周期分の処理を終了する。

以下、図７に示したフローチャートにおけるステップＳ１３以降の動作について、図８を参照し具体的に説明する。
ステップＳ１２の動作後に行われる１回目の第２の垂直転送動作（Ｐ１２−１）の期間に、制御信号φＳＷ１をハイレベルとする。これにより、各基本セル群１１において選択手段３が中間保持手段２を選択し、選択された中間保持手段２の中間保持容量３１に保持されている信号が保持手段５の保持容量５１に書き込まれる。ここで、制御信号φＳＷ１をハイレベルにした場合には、基本セル群１１−１の選択手段３−１はＲ成分の中間保持手段２−Ｒを選択する。また、基本セル群１１−２の選択手段３−２はＢ成分の中間保持手段２−Ｂを選択し、基本セル群１１−３の選択手段３−３はＧ成分の中間保持手段２−Ｇを選択する。

また、制御信号φＣＨ１をハイレベルとすることで、各基本セル群１１に接続された保持手段５と各共通出力線８が、切替手段１２を介して接続される。ここで、制御信号φＣＨ１をハイレベルにした場合には、基本セル群１１−１に接続された保持手段５はＲ成分の共通出力線８−Ｒに接続される。また、基本セル群１１−２に接続された保持手段５はＢ成分の共通出力線８−Ｂに接続され、基本セル群１１−３に接続された保持手段５はＧ成分の共通出力線８−Ｇに接続される。なお、この切替動作は少なくとも次の水平転送動作が開始される前に完了している必要がある。
１回目の第２の垂直転送動作（Ｐ１２−１）が終了した後、１回目の水平転送動作（Ｐ１３−１）として、各走査回路６からの信号φＳＲによる走査に応じて、保持手段５に保持されている信号が順次読み出され、各共通出力線８へ出力される。

次に、１回目の第１の判定動作（Ｐ１４−１）が行われる。このとき、第１のカウンターのカウント値Ｘは１であるので、判定結果は「ＮＯ」となり、カウント値Ｘをカウントアップ（Ｘ＝Ｘ＋１＝２）し、２回目の第２の垂直転送動作（Ｐ１２−２）を行う。２回目の第２の垂直転送動作（Ｐ１２−２）では、制御信号φＳＷ２をハイレベルとする。これにより、基本セル群１１−１の選択手段３−１はＧ成分の中間保持手段２−Ｇを選択し、基本セル群１１−２の選択手段３−２はＲ成分の中間保持手段２−Ｒを選択し、基本セル群１１−３の選択手段３−３はＢ成分の中間保持手段２−Ｂを選択する。そして、選択された中間保持手段２の中間保持容量３１に保持されている信号が保持手段５の保持容量５１に書き込まれる。

また、制御信号φＣＨ２をハイレベルとすることで、基本セル群１１−１に接続された保持手段５が切替手段１２を介してＧ成分の共通出力線８−Ｇに接続される。同様に、基本セル群１１−２に接続された保持手段５が切替手段１２を介してＲ成分の共通出力線８−Ｒに接続され、基本セル群１１−３に接続された保持手段５が切替手段１２を介してＢ成分の共通出力線８−Ｂに接続される。そして、２回目の水平転送動作（Ｐ１３−２）が行われ、保持手段５に保持されている信号が順次読み出されて各共通出力線８へ出力される。

次に、２回目の第１の判定動作（Ｐ１４−２）が行われる。このとき、第１のカウンターのカウント値Ｘは２であるので、判定結果は「ＮＯ」となり、カウント値Ｘをカウントアップ（Ｘ＝Ｘ＋１＝３）する。そして、前述の動作と同様にして、３回目の第２の垂直転送動作（Ｐ１２−３）及び３回目の水平転送動作（Ｐ１３−３）を行う。この３回目の第２の垂直転送動作及び３回目の水平転送動作においては、制御信号φＳＷ３及び制御信号φＣＨ３が適宜ハイレベルとされる。

次に、３回目の第１の判定動作（Ｐ１４−３）が行われる。このとき、第１のカウンターのカウント値Ｘは３であるので、判定結果は「ＹＥＳ」となり、第２の判定動作（Ｐ１５−１）を行う。このとき、第２のカウンターのカウント値Ｚは１であるので、判定結果は「ＹＥＳ」となり、蓄積から読み出しまでの１周期が終了する。この時点で全画素からの信号が読み出されたことになる。以上の動作では、画素１からの信号は、図８における信号ＶＯＵＴ−Ｒ、ＶＯＵＴ−Ｇ、ＶＯＵＴ−Ｂに示されているような読み出し順となる。このように一つの共通出力線から１色成分のみが出力され、またすべての共通出力線に着目すると、同時刻に異なる色の異なる領域の信号が並列で読み出される。

ここで、一般的に固体撮像装置からの信号を後段で受ける際、１行分の信号を読み出す毎に、遮光された画素（以後、オプティカルブラック画素とも呼ぶ）からの出力をクランプして、クランプした信号レベルによりその行の黒基準値を設定している。このクランプ動作（以後、ＯＢクランプとも呼ぶ）によって行単位で発生するオフセット成分を除去することが可能となる。ＯＢクランプをアナログ的に行う場合には、図９のタイミングフローに示すように、行の先頭においてオプティカルブラック画素からの信号を出力し、後続の遮光されていない有効画素のための黒基準値を決定する必要がある。図９において、７１は第１の垂直転送動作、７２−１、７２−２、７２−３は第２の垂直転送動作、７４−１、７４−２、７４−３は水平転送動作である。また、各転送動作を示す囲みの下の番号（Ｒ１，Ｒ２等）は、その転送動作で信号が転送されている画素を示している。前述した構成において行の先頭においてオプティカルブラック画素からの信号を出力する場合には、１回目の第２の垂直転送動作７２−１で信号の転送を行い、１回目の水平転送動作７４−１で各共通出力線８より信号を出力する。なお、７３−１、７３−２、７３−３は各走査回路６−１、６−２、６−３による走査を開始するためのスタートパルスφＳＰである。各第２の垂直転送動作７２−１、７２−２、７２−３が行われた後に、スタートパルスφＳＰが走査回路６に出力されることで走査が開始され、各水平転送動作７４−１、７４−２、７４−３が行われる。

この駆動を実現するための構成の模式図を図１０に示す。なお、図１０においては、単純化するためＲ画素のみに着目して図示している。また、図１０において、図１及び図５に示した構成要素と同一の機能を有する構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図１及び図９から明らかなようにＲ、Ｇ、Ｂ画素のすべてを考慮した場合、スタートパルスφＳＰは各走査回路６−１、６−２、６−３に３回ずつ入力されることになる。Ｒ画素のみに着目して考慮した場合には、図１０に示すようにスタートパルスφＳＰは各走査回路６−１、６−２、６−３に１回ずつ入力されることになる。また、Ｒ成分のオプティカルブラック画素（図中ＯＢＲ１）が基本セル群１１−１に含まれ、走査回路６−１の走査信号７によってオプティカルブラック画素からの信号が水平転送動作において読み出される。また、Ｇ画素、Ｂ画素にもそれぞれオプティカルブラック画素を持つ。

次に、オプティカルブラック画素を含めた前述した固体撮像装置の駆動におけるスミアによる画像劣化の影響について説明する。ここでは、前提として６ビットの有効画素構成において、１〜２ビット目に黒、３〜４ビット目に暗い緑、５〜６ビット目に明るい緑の画像が入力されているとする。また、Ｒ成分及びＢ成分はなく、信号ＶＯＵＴ−Ｒ、ＶＯＵＴ−Ｂは黒を出力している場合を考える。なお、ここで発生するスミアは光量に対して「浮き」のオフセットを生じさせ、前述したように増幅回路４２が光信号を出力する際に発生するものとする。

このとき、例えば信号ＶＯＵＴ−Ｒの出力は図１１（Ａ）に示すようになる。なお、図１１（Ａ）においては、縦軸の正方向が光振幅方向と一致しているものとする。１回目の第２の垂直転送７２−１では、オプティカルブラック画素ＯＢＲ１、Ｒ画素Ｒ１、及びＲ画素Ｒ２からの信号２が、明るい緑領域に相当するＧ画素Ｇ５、Ｇ画素Ｇ６からの信号と同時に転送されている。そのため、２回目の第２の垂直転送７２−２、及び３回目の第２の垂直転送７２−３と比較して、スミアによるオフセットが「浮き」方向に最も大きく出る。また、２回目の第２の垂直転送７２−２ではＲ画素Ｒ３、Ｒ画素Ｒ４からの信号と、黒領域に相当するＧ画素Ｇ１、Ｇ画素Ｇ２からの信号が同時に転送されているため、スミアによるオフセットはなく、最も低いレベルとなっている。

このような出力において、前述したＯＢクランプを行うと、信号ＶＯＵＴ−Ｒは黒基準値に対してＲ画素Ｒ１、Ｒ画素Ｒ２からの信号が一致し、Ｒ画素Ｒ３〜Ｒ６からの信号は図１１（Ａ）に示すようにオフセット成分として残る。この例では緑以外の色成分はないので、信号ＶＯＵＴ−Ｒは一定の黒を出力するはずであるが、除去されないオフセット成分があるために、Ｒ画素Ｒ２とＲ画素Ｒ３、Ｒ画素Ｒ４とＲ画素Ｒ５の間に段差が生じることとなる。同様に、信号ＶＯＵＴ−Ｂに着目した場合の出力も図１１（Ｂ）に示すように、Ｂ画素Ｂ２とＢ画素Ｂ３、Ｂ画素Ｂ４とＢ画素Ｂ５の間に段差が生じる。以上説明したメカニズムにより、本来であれば段差が生じない場所に段差が生じ、取得した画像の画質を劣化させてしまう。

そこで、本実施形態に係る固体撮像装置では、本来存在しない段差が生じることを防止し、前述のようなスミア等の偽信号による画質劣化を低減する。
図１２は、本実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示す模式図である。なお、図１２においても、単純化するためＲ画素のみに着目して図示している。また、図１２において、図１、図５、図１０に示した構成要素と同一の機能を有する構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図１０に示した構成とは、オプティカルブラック画素が３画素となっている点（ＯＢＲ１、ＯＢＲ２、ＯＢＲ３）、及び有効画素領域とオプティカルブラック画素領域をそれぞれ３つの領域に分割している点が異なる。基本セル群１１−１は、オプティカルブラック画素ＯＢＲ１、Ｒ画素（有効画素）Ｒ１、Ｒ２を有し、基本セル群１１−２は、オプティカルブラック画素ＯＢＲ２、Ｒ画素（有効画素）Ｒ３、Ｒ４を有する。また、基本セル群１１−３は、オプティカルブラック画素ＯＢＲ３、Ｒ画素（有効画素）Ｒ５、Ｒ６を有する。また、各走査回路６−１、６−２、６−３からの走査信号７も、基本セル群１１の組み合わせに従って該当する列の転送スイッチ５３に供給される。なお、ここでは示さないが、同様にＧ画素及びＢ画素についてもオプティカルブラック画素と有効画素との組が各基本セル群１１−１〜３としてまとめられる。

図１３は、図１２に一部構成例を示した本実施形態に係る固体撮像装置のタイミングフローを示す図である。図１３において、８１は第１の垂直転送動作、８２−１、８２−２、８２−３は第２の垂直転送動作、８４−１、８４−２、８４−３は水平転送動作である。また、８３−１、８３−２、８３−３は各走査回路６−１、６−２、６−３による走査を開始するためのスタートパルスφＳＰである。また、各転送動作を示す囲みの下の番号（ＯＢＲ１、Ｒ１，Ｒ２等）は、その転送動作で信号が転送されている画素を示している。
本実施形態においては、図１３に示すように、３つのオプティカルブラック画素ＯＢＲ１、ＯＢＲ２、ＯＢＲ３からの信号を第２の垂直転送８２−１、８２−２、８２−３、及び水平転送８４−１、８４−２、８４−３に分けてそれぞれ転送する。すなわち、１回目の第２の垂直転送８２−１及び水平転送８４−１によりオプティカルブラック画素ＯＢＲ１、Ｒ画素Ｒ１、及びＲ画素Ｒ２からの信号が転送され信号ＶＯＵＴ−Ｒとして出力される。また、２回目の第２の垂直転送８２−２及び水平転送８４−２によりオプティカルブラック画素ＯＢＲ２、Ｒ画素Ｒ３、及びＲ画素Ｒ４からの信号が転送され信号ＶＯＵＴ−Ｒとして出力される。同様に、３回目の第２の垂直転送８２−３及び水平転送８４−３によりオプティカルブラック画素ＯＢＲ３、Ｒ画素Ｒ５、及びＲ画素Ｒ６からの信号が転送され信号ＶＯＵＴ−Ｒとして出力される。

このとき、固体撮像装置の後段でのＯＢクランプを３回の水平転送８４−１、８４−２、８４−３の出力時において各々行い、それぞれの出力毎にオプティカルブラック画素からの出力を基に黒基準値を決定する。このように動作させることで、出力毎に異なるオフセットが発生したとしても、図１４に示すように各々の黒基準値によって各オフセットが適切に除去される。そのため、最終的に得られる画像としてはスミア等による段差が発生せず、画質の劣化を低減することができる。なお、図１４においても、６ビットの有効画素構成において、１〜２ビット目に黒、３〜４ビット目に暗い緑、５〜６ビット目に明るい緑の画像が入力されていると仮定した場合を一例として図示している。

なお、図１２においては、遮光されたオプティカルブラック画素を遮光されていない有効画素列の左側に配置した構成を一例として示しているが、有効画素列の右側にオプティカルブラック画素を配置するようにしても良い。その場合でも、走査回路６が走査することで信号が読み出される画素の順番（走査順）は、前述した順番に合わせることが好ましい。また、前述した説明では、アナログ的にＯＢクランプを行う場合を前提としているが、Ａ／Ｄ（アナログ−デジタル）変換後のデジタル値でＯＢクランプを行う場合には、必ずしもオプティカルブラック画素からの信号が各水平転送での先頭にある必要はない。また、行方向に配列されたオプティカルブラック画素、有効画素の画素数がそれぞれ３画素、６画素の固体撮像装置を一例として示しているが、画素数に制限はない。例えば、オプティカルブラック画素数（オプティカルブラック画素からなる基本セルの総数）及び有効画素数（有効画素からなる基本セルの総数）がともに基本セル群１１の数の倍数であることが望ましい（本例では３の倍数）。また、例えば、基本セル群１１内のオプティカルブラック画素からなる基本セルの総数と有効画素からなる基本セルの総数との和が基本セル群１１の数と同じであることが望ましい。また、各水平転送時のオプティカルブラック画素数は、後段におけるＯＢクランプ動作を行うに十分な数を用意することが望ましい。

なお、本実施形態では列毎に配置された増幅回路に起因するスミア等の偽信号による画質劣化を低減できることを説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば他の読み出し回路に起因し、かつその読み出し回路が複数回に分けて読み出し動作を行う場合においても、分割後の読み出し動作の各々においてオプティカルブラック画素及び有効画素からの信号を併せて読み出すことで同様の効果が得られる。他の読み出し回路としては、例えば課題で挙げたスミアを引き起こす画素内のソースフォロワ回路や、保持容量等が挙げられる。

本実施形態によれば、垂直転送と水平転送とを複数回に分割して行い、画素からの信号を読み出して出力する場合に、各回毎に遮光されたオプティカルブラック画素からの信号と遮光されていない有効画素からの信号を出力する。これにより、各回の出力毎に異なるオフセットが発生したとしても、それぞれのオフセットを適切に除去することができ、スミア等の偽信号による画質劣化を低減することができる。

なお、前記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化のほんの一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。

１…画素、３…選択手段、４…基本セル、５…保持手段、６…走査回路、８…共通出力線、１１…基本セル群、２３…ソースフォロワ回路の入力トランジスタ、２４…ソースフォロワ回路の定電流回路、４２…増幅回路、５１…保持容量

Claims (8)

1. 列方向に配列された異なる分光感度を有する複数の画素と、前記画素からの信号を保持する複数の第１の保持容量と、前記第１の保持容量に保持された信号を増幅する増幅回路とを含む複数の基本セルをそれぞれ有し、行方向に配列された複数の基本セル群と、
   前記基本セルが接続され、前記基本セルから信号が転送される第２の保持容量とを備え、
   前記基本セル群の各々は、遮光されたオプティカルブラック画素からなる基本セルと、遮光されていない有効画素からなる基本セルとを有し、
   第１の垂直転送動作により、同時刻に蓄積されたすべての画素の信号を一括して前記第１の保持容量に転送し、
   前記第１の垂直転送動作の後に、前記第１の保持容量に保持された信号を第２の垂直転送動作により順次前記第２の保持容量に転送し、
   水平転送動作により、前記第２の垂直転送動作によって前記第２の保持容量に保持された信号を順次共通出力線に出力し、
   少なくとも前記第２の垂直転送動作と前記水平転送動作とを前記基本セル群の数と同じ回数繰り返し行い、
   前記第２の垂直転送動作の各々において前記オプティカルブラック画素からの信号を転送し、かつ、前記水平転送動作の各々において前記オプティカルブラック画素からの信号を転送し、
   同一の基本セル群に含まれるオプティカルブラック画素及び有効画素は、前記水平転送動作の際に同一の走査回路により順次走査され、異なる基本セル群に含まれるオプティカルブラック画素及び有効画素は、前記水平転送動作の際に異なる走査回路により走査されることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記画素は、ソースフォロワ回路を含むことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記第２の垂直転送動作は、前記増幅回路による信号の転送を含む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. 前記第１の垂直転送動作は、前記ソースフォロワ回路による信号の転送を含むことを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
5. 前記第２の垂直転送動作は、前記第２の保持容量への信号の転送を含むことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の固体撮像装置。
6. 前記増幅回路は、１列あたり１個が配置されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の固体撮像装置。
7. 前記水平転送動作では、前記オプティカルブラック画素から転送された信号を、前記有効画素から転送された信号より先に読み出すことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の固体撮像装置。
8. 前記基本セル群の中の前記オプティカルブラック画素からなる基本セルの総数と前記有効画素からなる基本セルの総数との和が、前記基本セル群の数と同じであることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の固体撮像装置。

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