JP5764783B2

JP5764783B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP5764783B2
Application number: JP2014511165A
Authority: JP
Inventors: 須川　成利; 成利須川; 奈々赤羽; 理足立
Original assignee: Tohoku University NUC; Olympus Corp
Current assignee: Tohoku University NUC; Olympus Corp
Priority date: 2012-04-19
Filing date: 2013-04-04
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2033-04-04
Also published as: KR20140131582A; EP2840780A4; CN104272718A; US20150029375A1; JPWO2013157407A1; CN104272718B; WO2013157407A1; US9264637B2; KR101595687B1; EP2840780A1

Description

本発明は、固体撮像装置に関するものである。

従来、ＣＭＯＳ（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）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、ＣＤＳ回路によって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、従来の固体撮像装置は、小型化のために列に備えられた容量素子を削除すると、ＣＤＳ回路によってノイズ除去を行うためには、ノイズ信号の読み出しを１ライン分行った後に信号ノイズ和信号の読み出しを行う必要があり、読み出し期間中に画素出力が変動した場合には、ノイズ除去ができなくなる。これは、特に、画素数が増加することにより顕著となる。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、読み出し期間中に画素出力が変動してもノイズ耐性の高い信号を出力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を含み２次元配列された複数の単位画素と、１以上の該単位画素を含む複数の画素グループ毎に設けられ、該画素グループ内の各前記単位画素の前記光電変換素子において光電変換された信号電荷を電圧または電流に変換する電荷変換素子、および、該電荷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つの出力端子と、複数の前記画素グループの一方の前記出力端子が共通に接続され、該出力端子から出力される前記ノイズ信号に基づく電圧を保持可能な複数の第１の転送線と、複数の前記画素グループの他方の前記出力端子が共通に接続され、該出力端子から出力される前記信号ノイズ和信号に基づく電圧を保持可能な複数の第２の転送線と、一方の前記出力端子と前記第１の転送線との間に配置された第１のスイッチと、他方の前記出力端子と前記第２の転送線との間に配置された第２のスイッチと、各前記第１の転送線に設けられた第３のスイッチと、各前記第２の転送線に設けられた第４のスイッチと、複数の前記第１の転送線が、それぞれ前記第３のスイッチを介して並列に接続された第３の転送線と、複数の前記第２の転送線が、それぞれ前記第４のスイッチを介して並列に接続された第４の転送線とを備える固体撮像装置を提供する。

本態様によれば、入射光が各画素グループに属する単位画素内の光電変換素子に入射すると、光電変換によって信号電荷が発生し光電変換素子に保持される。単位画素に設けられた電荷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、第１のスイッチをオン状態に切り替えることにより、各画素グループの出力端子から各第１の転送線へと出力され、ノイズ信号に応じた大きさの電圧の形態で各第１の転送線に保持される。

この状態で、第１のスイッチをオフ状態に切り替え、同じ単位画素の光電変換素子から信号電荷を出力させると、信号電荷は電荷変換素子により電流または電圧に変換され、第２のスイッチをオン状態に切り替えることにより、信号ノイズ和信号が画素グループの出力端子から第２の転送線へと出力され、信号ノイズ和信号に応じた大きさの電圧の形態で第２の転送線に保持される。

そして、同じ画素グループに接続された第１の転送線および第２の転送線に設けられた第３のスイッチおよび第４のスイッチをオン状態に切り替えることにより、第１の転送線の保持されていたノイズ信号を第３の転送線に、第２の転送線に保持されていた信号ノイズ和信号を第４の転送線に、同時に出力することができる。すなわち、第３の転送線および第４の転送線の後段において、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、入射光の強度に応じた信号を精度よく取得することができる。

この場合において、本態様によれば、単位画素から個別に出力されるノイズ信号と信号ノイズ和信号とを別々の第１，第２の転送線に保持させるので、各単位画素のノイズ信号を出力した直後に同じ単位画素の信号ノイズ和信号を出力することが可能となり、読み出し期間中に画素出力が変動しても、精度よくノイズを除去して、ノイズ耐性の高い信号からなる画像を構築することができる。

上記態様においては、前記第１の転送線および第２の転送線が、平行間隔をあけて第１の方向に直線状に延び、各前記画素グループが、前記第１の方向に交差する方向に隣接して配列された２つの単位画素を含むこととしてもよい。

このようにすることで、第１の転送線および第２の転送線に交差する方向に隣接する２つの単位画素が、同一の画素グループとして第１の転送線および第２の転送線を共有することができる。その結果、１列の単位画素列に対して１本の転送線を配置していた従来の固体撮像素子と対比しても単位画素以外の部分の面積を増大させることなく、ノイズ耐性の高い信号を出力可能な固体撮像装置を提供することができる。

また、上記態様においては前記第１の転送線を第１のリセット状態にリセットする第１のリセット手段と、前記第２の転送線を第２のリセット状態にリセットする第２のリセット手段とを備えていてもよい。
このようにすることで、第１のリセット手段をオン状態に切り替えて第１の転送線を第１のリセット状態にリセットした後に、第１のリセット手段をオフ状態に切り替えることで第１の転送線を浮遊電位状態に設定することができる。また、第２のリセット手段をオン状態に切り替えて第２の転送線を第２のリセット状態にリセットした後に、第２のリセット手段をオフ状態に切り替えることで第２の転送線を浮遊電位状態に設定することができる。これにより、第１の転送線および第２の転送線へのノイズ信号あるいは信号ノイズ和信号の読み出しの際に定電流を供給しない、いわゆる容量負荷型の読み出し方式においても、精度よく信号を読み出すことができる。

また、上記態様においては、前記画素グループの前記出力端子から前記第１の転送線または前記第２の転送線に信号を出力させる前記単位画素を選択する画素選択手段を備え、前記第１の転送線を、前記第１のリセット手段をオン状態にして第１のリセット状態とした後に、前記第１のリセット手段をオフ状態に切り替えて浮遊電位状態にし、前記画素選択手段によって選択された前記単位画素から出力されたノイズ信号を、浮遊電位状態の前記第１の転送線に所定時間読み出すことにより保存し、前記第２の転送線を、前記第２のリセット手段をオン状態にして第２のリセット状態とした後に、前記第２のリセット手段をオフ状態に切り替えて浮遊電位状態にし、前記画素選択手段によって選択された前記単位画素から出力された信号ノイズ和信号を、浮遊電位状態の前記第２の転送線に所定時間読み出すことにより保存し、前記第１の転送線に保存されたノイズ信号を前記第３のスイッチを介して前記第３の転送線に読み出し、前記第２の転送線に保存された信号ノイズ和信号を前記第４のスイッチを介して前記第４の転送線に読み出すことにしてもよい。

このようにすることで、いわゆる容量負荷型の読み出し方式により、第１の転送線に精度よく読み出したノイズ信号と、第２の転送線に精度よく読み出した信号ノイズ和信号とを、それぞれ、第３の転送線または第４の転送線に少ない時間差で読み出すことができ、読み出し期間中に画素出力が変動しても、精度よくノイズを除去して、ノイズ耐性の高い信号からなる画像を構築することができる。

また、上記態様においては、前記画素グループの前記出力端子から前記第１の転送線または前記第２の転送線に信号を出力させる前記単位画素を選択する画素選択手段と、前記第１の転送線への定電流の供給をオンオフする第１の定電流回路素子と、前記第２の転送線への定電流の供給をオンオフする第２の定電流回路素子とを備え、前記第１の定電流回路素子をオン状態にして前記第１の転送線に定電流を供給しながら、前記画素選択手段によって選択された前記単位画素から出力されたノイズ信号を、前記第１の転送線に所定時間読み出した後に、前記第１の定電流回路素子をオフ状態にすることにより、第１の転送線に保存し、前記第２の定電流回路素子をオン状態にして前記第２の転送線に定電流を供給しながら、前記画素選択手段によって選択された前記単位画素から出力された信号ノイズ和信号を、前記第２の転送線に所定時間読み出した後に、前記第２の定電流回路素子をオフ状態にすることにより、第２の転送線に保存し、前記第１の転送線に保存されたノイズ信号を前記第３のスイッチを介して前記第３の転送線に読み出し、前記第２の転送線に保存された信号ノイズ和信号を前記第４のスイッチを介して前記第４の転送線に読み出すことにしてもよい。

このようにすることで、いわゆる定電流負荷型の読み出し方式により、第１の転送線に精度よく読み出したノイズ信号と、第２の転送線に精度よく読み出した信号ノイズ和信号とを、それぞれ、第３の転送線または第４の転送線に少ない時間差で読み出すことができ、読み出し期間中に画素出力が変動しても、精度よくノイズを除去して、ノイズ耐性の高い信号からなる画像を構築することができる。

本発明によれば、読み出し期間中に画素出力が変動してもノイズ耐性の高い信号を出力することができるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す回路図である。図１の固体撮像装置が備える画素を含む列回路の構成を示す回路図である。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。本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す回路図である。図４の固体撮像装置が備える画素を含む列回路の構成を示す回路図である。図４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。図４の固体撮像装置の変形例を示す回路図である。図７の固体撮像装置が備える画素を含む列回路の構成を示す回路図である。図７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。図１の固体撮像装置の変形例であって、容量負荷型の固体撮像装置の構成を示す回路図である。図１０の固体撮像装置が備える画素を含む列回路の構成を示す回路図である。図１０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。

（第１の実施形態）
以下に、本発明の第１の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。
図１に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置１は、複数の画素Ｐを備える画素アレイ２、垂直シフトレジスタ３、水平シフトレジスタ４およびこれらのシフトレジスタ３，４を制御する制御回路５を備えている。

画素アレイ２は、行列状、すなわち行方向と列方向に所定数配列された複数の画素Ｐと、同一の列に属する複数の画素Ｐが共通に接続された複数対の垂直信号線（第１の転送線、第２の転送線）６ａ，６ｂと、複数対の垂直信号線６ａ，６ｂが共通に接続された一対の水平信号線（第３の転送線、第４の転送線）７ａ，７ｂとを備えている。本実施形態においては、１つの画素Ｐが１つの画素グループを構成している。

各画素Ｐは、図２に示されるように、単位画素９と、該単位画素９から出力された信号電荷を電圧に変換するフローティングディフュージョン（ＦＤ、電荷変換素子）１３と、ＦＤ１３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１４と、該増幅トランジスタ１４と転送トランジスタ１２との間に接続されＦＤ１３の電圧をリセットするＦＤリセットトランジスタ１５と、前記増幅トランジスタ１４の２つの出力線（出力端子）８ａ，８ｂと一対の垂直信号線６ａ，６ｂとの間にそれぞれ配置された２つの選択トランジスタ（第１のスイッチ、第２のスイッチ）１０ａ，１０ｂとを備えている。

各単位画素９は、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、光電変換素子）１１と、該ＰＤ１１に蓄積された信号電荷を転送する転送トランジスタ１２とを備えている。

増幅トランジスタ１４のソースは２つの出力線８ａ，８ｂに分岐されている。増幅トランジスタ１４は、ゲートに接続されたＦＤ１３の信号電圧を増幅し、その信号を出力線に出力するようになっている。具体的には、垂直シフトレジスタ３からＦＤリセットトランジスタ１５のゲートにＦＤリセットパルスφＲが入力されることにより、増幅トランジスタ１４のゲートがアクティブ状態となり、読み出し可能な状態となる。同時に、ＦＤ１３に転送された信号電荷は、ＦＤリセットトランジスタ１５のドレイン側に排出される。これによりＦＤ１３の電圧がリセットされるようになっている。

転送トランジスタ１２は、ゲートに転送パルスφＴが入力されることにより、ソース側のＰＤ１１からドレイン側のＦＤ１３へ、ＰＤ１１が蓄積した信号電荷を転送するようになっている。転送トランジスタ１２へのφＴ信号は列毎に入力される。この転送動作によりＰＤ１１が蓄積していた信号電荷量はゼロにリセットされる。ＦＤ１３は、転送トランジスタ１２を介してＰＤ１１から転送されてきた信号電荷に応じた信号電圧を生成するようになっている。

一方の選択トランジスタ１０ａは、ゲートにノイズ読出パルスφＮＳが入力されることにより、ソース側の増幅トランジスタ１４からドレイン側の一方の垂直信号線６ａにＦＤ１３に生成された信号電圧を出力するようになっている。また、他方の選択トランジスタ１０ｂは、ゲートに信号読出パルスφＳＳが入力されることにより、ドレイン側の増幅トランジスタ１４からソース側の他方の垂直信号線６ｂにＦＤ１３に生成された信号電圧を出力するようになっている。

各垂直信号線６ａ，６ｂには、これらの電位をリセットするリセット手段が設けられている。リセット手段は、それぞれゲートへのリセットパルスφＶＣＬ_Ｓ、φＶＣＬ_Ｎが入力されることにより、各垂直信号線６ａ，６ｂをＶＲＥＦにリセットする信号線リセットトランジスタ１６ａ，１６ｂにより構成されている。
また、各垂直信号線６ａ，６ｂには、該各垂直信号線６ａ，６ｂと定電流源１７との間に配置され、各垂直信号線６ａ，６ｂと定電流源１７との導通および切断を切り替える定電流源接続スイッチ１８ａ，１８ｂと、各垂直信号線６ａ，６ｂと水平信号線７ａ，７ｂとの導通および切断を切り替える垂直信号線選択スイッチ（第３のスイッチ、第４のスイッチ）１９ａ，１９ｂとが設けられている。

垂直シフトレジスタ３は、画素アレイ２の中から一の行を選択し、選択した行に属する画素ＰにパルスφＲ，φＴ，φＮＳ，φＳＳを入力することにより、各画素Ｐから垂直信号線６ａ，６ｂへ信号を出力させるようになっている。

水平シフトレジスタ４は、垂直信号線選択スイッチ１９ａ，１９ｂに対して垂直信号線選択パルスφＨＣＬＫを入力することにより、垂直信号線選択パルスφＨＣＬＫが入力された垂直信号線６ａ，６ｂから水平信号線７ａ，７ｂへ信号を出力させるようになっている。

制御回路５は、予め設定されたパルスシーケンスに従い、上述した各パルスを出力させる制御信号を垂直シフトレジスタ３および水平シフトレジスタ４に出力することにより、画素アレイ２からの信号の読み出し動作を制御するようになっている。
図１および図２において、符号Ｃ_ＶＳ，Ｃ_ＶＮは、各垂直信号線６ａ，６ｂの寄生容量を表している。

次に、このように構成された固体撮像装置１の駆動方法について図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Ｐが受光した光信号に係る電圧と、ＦＤ１２のリセットの際に生じたノイズに係る電圧（以下、「ノイズ電圧（ノイズ信号）」という。）とを読み出す。ここで、画素Ｐが受光した光信号に係る電圧には、上記したＦＤ１２のリセットの際に生じたノイズ電圧が含まれている。すなわち、本実施形態に係る固体撮像装置１においては、ノイズ電圧と、該ノイズ電圧に画素Ｐが受光した光信号に係る電圧を加えた電圧（以下、「信号ノイズ和電圧（信号ノイズ和信号）」という。）とを個別に読み出すようになっている。

ノイズ電圧および信号ノイズ和電圧の読出し動作は、ノイズ電圧を一方の垂直信号線６ａに出力して該垂直信号線６ａの寄生容量に一旦保持させる動作、信号ノイズ和電圧を他方の垂直信号線６ｂに出力して該垂直信号線６ｂの寄生容量に一旦保持させる動作、および、一対の垂直信号線６ａ，６ｂにそれぞれ保持されたノイズ電圧と信号ノイズ和電圧とを一対の水平信号線７ａ，７ｂに読み出す動作の概ね３つの動作に分類することができる。

最初に、ノイズ電圧を一方の垂直信号線６ａに出力して一旦保持させる動作は以下のようにして行われる。
まず、全ての一方の垂直信号線６ａの定電流源接続スイッチ１８ａを遮断した状態で、当該垂直信号線６ａのリセット手段を構成している信号線リセットトランジスタ１６ａにリセットパルスφＶＣＬ_Ｎが印加され、当該垂直信号線６ａが電位ＶＲＥＦにリセットされる。また、これと同時に、垂直シフトレジスタ３から出力対象となる行に属する各画素ＰにＦＤリセットパルスφＲが印加されることで、ＦＤ１２の電位がリセットされ、選択された画素Ｐの増幅トランジスタ１４がアクティブ状態となる。

この状態で、垂直信号線６ａに設けられている定電流源接続スイッチ１８ａのゲートにパルスφＣＯＬ_Ｎを入力することにより、定電流源接続スイッチ１８ａがオン状態となり、垂直信号線６ａに定電流が流れる。そして、これと同時に、当該垂直信号線６ａに接続されている一方の出力線８ａの選択トランジスタ１０ａのゲートにノイズ読出パルスφＮＳが入力されることにより、該選択トランジスタ１０ａが導通し、リセットされていたＦＤ１２のノイズ電圧が垂直信号線６ａに出力される。そして、パルスφＣＯＬ_Ｎの入力を所定時間保持した後に停止して、定電流源接続スイッチ１８ａがオフ状態に切り替えられることにより、垂直信号線６ａは浮遊電位状態となり、ノイズ電圧が当該垂直信号線６ａの寄生容量に一旦保持される。

次に、全ての他方の垂直信号線６ｂのリセット手段を構成している信号線リセットトランジスタ１６ｂにリセットパルスφＶＣＬ_Ｓが印加され、当該垂直信号線６ｂが電位ＶＲＥＦにリセットされる。また、これと同時に、垂直シフトレジスタ３から出力対象となる行に属する各画素Ｐの転送トランジスタ１２のゲートに転送パルスφＴが印加されることで、ＰＤ１１からＦＤ１２へ、ＰＤ１１が蓄積した信号電荷が転送され、ＦＤ１２の電位が、信号ノイズ和電圧に設定される。

この状態で、増幅トランジスタ１４は導通状態にあるので、他方の垂直信号線６ｂに設けられている定電流源接続スイッチ１８ｂのゲートにパルスφＣＯＬ_Ｓを入力することにより、定電流源接続スイッチ１８ｂがオン状態となり、垂直信号線６ｂに定電流が流れる。そして、これと同時に、垂直信号線６ｂに接続されている他方の出力線８ｂの選択トランジスタ１０ｂのゲートにノイズ読出パルスφＳＳが入力されることにより、該選択トランジスタ１０ｂが導通し、ＦＤ１２に設定されていた信号ノイズ和電圧が垂直信号線６ｂに出力される。そして、パルスφＣＯＬ_Ｓの入力を所定時間保持した後に停止して、定電流源接続スイッチ１８ｂがオフ状態に切り替えられることにより、垂直信号線６ｂは浮遊電位状態となり、出力された信号ノイズ和電圧が当該垂直信号線６ｂの寄生容量に一旦保持される。

そして、ノイズ電圧を保持した垂直信号線６ａおよび信号ノイズ和電圧を保持した垂直信号線６ｂから、ノイズ電圧および信号ノイズ和電圧を読み出す動作は以下のように行われる。
すなわち、同一行内の全ての画素Ｐからのノイズ電圧および信号ノイズ和電圧が複数対の垂直信号線６ａ，６ｂに保持された状態で、水平シフトレジスタ４から垂直信号線選択パルスφＨＣＬＫを垂直信号線選択スイッチ１９ａに印加する。

これにより、一方の垂直信号線６ａに保持されていたノイズ電圧が一方の水平信号線７ａに読み出され、他方の垂直信号線６ｂに保持されていた信号ノイズ和電圧が他方の水平信号線７ｂに読み出される。各水平信号線７ａ，７ｂには信号増幅手段２０ａ，２０ｂが設けられており、読み出されたノイズ電圧および信号ノイズ和電圧は信号増幅手段２０ａ，２０ｂによって増幅された後に、後段に配される図示しない差動アンプに入力され、そこで差分演算が行われることにより、信号電圧が演算される。

すなわち、複数対の垂直信号線６ａ，６ｂ全てについてノイズ電圧と信号ノイズ和電圧とを順次、水平信号線７ａ，７ｂに読み出すことにより、１行分の画素信号を得ることができる。したがって、垂直シフトレジスタ３によって選択する行を順次切り替えて同一処理を行うことにより、全ての画素Ｐの画素信号を出力し、１枚の画像を取得することができる。

この場合において、本実施形態に係る固体撮像装置１によれば、同一画素Ｐから別個に出力されたノイズ電圧と信号ノイズ和電圧とが一対の垂直信号線６ａ，６ｂに別々に保持されるので、ノイズ電圧を保持した直後に、短時間の内に信号ノイズ和電圧を保持することができる。その結果、読み出し期間中に画素Ｐの出力が変動してもノイズ耐性の高い信号を出力することができるという利点がある。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置３０について図面を参照して説明する。本実施形態の説明において、上述した第１の実施形態に係る固体撮像装置１と構成を共通とする箇所には同一符号を付して、その説明を省略する。
本実施形態に係る固体撮像装置３０は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１が、全ての画素Ｐに、増幅トランジスタ１４と、ＦＤリセットトランジスタ１５と、２つの選択トランジスタ１０ａ，１０ｂとを備えていたのに対し、図４に示すように、２×２＝４画素Ｐで、これら増幅トランジスタ１４、ＦＤリセットトランジスタ１５および２つの選択トランジスタ１０ａ，１０ｂを共有している点で相違している。

すなわち、本実施形態に係る固体撮像装置３０においては、図５に示されるように、２×２の正方配列された４つの単位画素９からなる画素グループ３１において、各単位画素９が、ＰＤ１１と転送トランジスタ１２とを備え、全ての転送トランジスタ１２のドレイン側が共通のＦＤ１３に接続されるとともに、該ＦＤ１３をリセットする単一のＦＤリセットトランジスタ１５、ＦＤ１３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１４、および、該増幅トランジスタ１４のソース側において分岐した２つの出力線８ａ，８ｂにそれぞれ設けられた２つの選択トランジスタ１０ａ，１０ｂが各画素グループ３１によって共有されている。

このように構成された本実施形態に係る固体撮像装置３０の動作について、図６を参照して説明する。
本実施形態において、各画素グループ３１の４つの単位画素９からのノイズ電圧および信号ノイズ和電圧の読出し動作は、１つの単位画素９のノイズ電圧を一方の垂直信号線６ａに出力して該垂直信号線６ａの寄生容量に一旦保持させる動作、信号ノイズ和電圧を他方の垂直信号線６ｂに出力して該垂直信号線６ｂの寄生容量に一旦保持させる動作、および、一対の垂直信号線６ａ，６ｂにそれぞれ保持されたノイズ電圧と信号ノイズ和電圧とを一対の水平信号線７ａ，７ｂに読み出す動作の概ね３つの動作を、単位画素９を切り替えながら４回繰り返すことにより行われるものである。

すなわち、本実施形態においては、垂直シフトレジスタ（画素選択手段）３は、４つの単位画素９の転送トランジスタ１２に対して４つの転送パルスφＴ１〜φＴ４を出力する。垂直シフトレジスタ３からの各転送パルスφＴ１〜φＴ４の異なる時刻における出力により、各単位画素９からの信号ノイズ和電圧が他方の垂直信号線６ｂに異なる時刻に出力されて保持される。

そして、一方の垂直信号線６ａに保持されたノイズ電圧および他方の垂直信号線６ｂに保持された一の単位画素９からの信号ノイズ和電圧が、選択された行内の全ての画素グループ３１に対して２つの水平信号線７ａ，７ｂに読み出された後に、単位画素９を切り替えて同じ動作が４回繰り返されることにより、全ての単位画素９からの信号電圧を得ることができる。

このように、本実施形態に係る固体撮像装置３０によれば、４つの単位画素９毎に、ＦＤ１２、増幅トランジスタ１４、および２つの選択トランジスタ１０ａ，１０ｂを共有するので、画素アレイ２内のＰＤ１１以外の素子を少なくして、小型化あるいは高解像度化を図ることができるという利点がある。

また、本実施形態においては、一方向に延びる垂直信号線６ａ，６ｂに交差する行方向に隣接する２つの単位画素９が、同一の画素グループ３１として、これらの垂直信号線６ａ，６ｂを共有しているので、１列の単位画素９列に対して１本の垂直信号線を配置していた従来の固体撮像素子と対比しても単位画素９以外の部分の面積を増大させることなく、ノイズ耐性の高い信号を出力することができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、画素グループ３１が４つの単位画素９からなる場合を例示して説明したが、これに限定されるものではなく、１以上の任意の数の単位画素９を含むことにしてもよい。例えば、図７〜図９に示されるように画素グループ３２が８つの単位画素９を含むこととしてもよい。

また、本実施形態においては、ノイズ電圧および信号ノイズ和電圧を一対の垂直信号線６ａ，６ｂに読み出す際に、垂直信号線６ａ，６ｂを定電流源１７に接続して定電流を流しつつ所定時間読み出す、いわゆる定電流負荷方式の読み出し方法を例示して説明したが、これに代えて、定電流源１７に接続することなく読み出す容量負荷方式の読み出し方法を採用してもよい。

容量負荷方式の読み出し方法を採用した場合のブロック図およびタイミングチャートをそれぞれ、図１０〜図１２に示す。また、容量負荷方式の場合についても、複数の画素Ｐからなる画素グループ３１に適用することができる。

この容量負荷方式によっても、定電流負荷方式と同様の効果を奏することができる。さらに、定電流源１７、定電流源接続トランジスタ１８ａ，１８ｂおよびこれらの制御信号を不要とすることができ、さらに、簡易に構成および制御することができるという利点がある。
また、定電流負荷方式の場合には、垂直信号線６ａ，６ｂをリセット電圧ＶＲＥＦにリセットする信号線リセットトランジスタ１６ａ，１６ｂはなくてもよい。

また、本実施形態においては、画素が行列状に配列された画素アレイ２に適用した場合を例示したが、これに代えて、画素がハニカム状に配列された画素アレイに適用することにしてもよい。
また、本実施形態においては、電荷変換素子１３が、電荷を電圧に変換して出力することとしたが、これに代えて、電流に変換して出力するものを採用してもよい。

また、本実施形態においては、垂直信号線６ａ，６ｂの寄生容量を利用してノイズ電圧および信号ノイズ和電圧を垂直信号線６ａ，６ｂに保持させることとした。これにより、特別な容量素子を不要として、固体撮像装置１，３０の小型化を図ることができる。

しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、各垂直信号線６ａ，６ｂに容量素子（図示略）を接続することにしてもよい。これによっても、ノイズ電圧および信号ノイズ和電圧の時間差低減による、読み出し期間中に画素出力が変動してもノイズ耐性の高い信号を出力することができるという効果を奏することができる。

１，３０固体撮像装置
３垂直シフトレジスタ（画素選択手段）
６ａ垂直信号線（第１の転送線）
６ｂ垂直信号線（第２の転送線）
７ａ水平信号線（第３の転送線）
７ｂ水平信号線（第４の転送線）
８ａ，８ｂ出力端子
９単位画素
１０ａ選択トランジスタ（第１のスイッチ）
１０ｂ選択トランジスタ（第２のスイッチ）
１１光電変換素子、ＰＤ
１３電荷変換素子、ＦＤ
１６ａ信号線リセットトランジスタ（第１のリセット手段）
１６ｂ信号線リセットトランジスタ（第２のリセット手段）
１８ａ定電流源接続トランジスタ（第１の定電流回路素子）
１８ｂ定電流源接続トランジスタ（第２の定電流回路素子）
１９ａ垂直信号線選択スイッチ（第３のスイッチ）
１９ｂ垂直信号線選択スイッチ（第４のスイッチ）
３１，３２画素グループ

Claims

入射光を光電変換する光電変換素子を含み２次元配列された複数の単位画素と、
１以上の該単位画素を含む複数の画素グループ毎に設けられ、該画素グループ内の各前記単位画素の前記光電変換素子において光電変換された信号電荷を電圧または電流に変換する電荷変換素子、および、該電荷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つの出力端子と、
複数の前記画素グループの一方の前記出力端子が共通に接続され、該出力端子から出力される前記ノイズ信号に基づく電圧を保持可能な複数の第１の転送線と、
複数の前記画素グループの他方の前記出力端子が共通に接続され、該出力端子から出力される前記信号ノイズ和信号に基づく電圧を保持可能な複数の第２の転送線と、
一方の前記出力端子と前記第１の転送線との間に配置された第１のスイッチと、
他方の前記出力端子と前記第２の転送線との間に配置された第２のスイッチと、
各前記第１の転送線に設けられた第３のスイッチと、
各前記第２の転送線に設けられた第４のスイッチと、
複数の前記第１の転送線が、それぞれ前記第３のスイッチを介して並列に接続された第３の転送線と、
複数の前記第２の転送線が、それぞれ前記第４のスイッチを介して並列に接続された第４の転送線とを備える固体撮像装置。
前記第１の転送線および第２の転送線が、平行間隔をあけて第１の方向に直線状に延び、
各前記画素グループが、前記第１の方向に交差する方向に隣接して配列された２つの単位画素を含む請求項１に記載の固体撮像装置。
前記第１の転送線を第１のリセット状態にリセットする第１のリセット手段と、
前記第２の転送線を第２のリセット状態にリセットする第２のリセット手段とを備える請求項１または請求項２に記載の固体撮像装置。
前記画素グループの前記出力端子から前記第１の転送線または前記第２の転送線に信号を出力させる前記単位画素を選択する画素選択手段を備え、
前記第１の転送線を、前記第１のリセット手段をオン状態にして第１のリセット状態とした後に、前記第１のリセット手段をオフ状態に切り替えて浮遊電位状態にし、
前記画素選択手段によって選択された前記単位画素から出力されたノイズ信号を、浮遊電位状態の前記第１の転送線に所定時間読み出すことにより保存し、
前記第２の転送線を、前記第２のリセット手段をオン状態にして第２のリセット状態とした後に、前記第２のリセット手段をオフ状態に切り替えて浮遊電位状態にし、
前記画素選択手段によって選択された前記単位画素から出力された信号ノイズ和信号を、浮遊電位状態の前記第２の転送線に所定時間読み出すことにより保存し、
前記第１の転送線に保存されたノイズ信号を前記第３のスイッチを介して前記第３の転送線に読み出し、
前記第２の転送線に保存された信号ノイズ和信号を前記第４のスイッチを介して前記第４の転送線に読み出す請求項３に記載の固体撮像装置。
前記画素グループの前記出力端子から前記第１の転送線または前記第２の転送線に信号を出力させる前記単位画素を選択する画素選択手段と、
前記第１の転送線への定電流の供給をオンオフする第１の定電流回路素子と、
前記第２の転送線への定電流の供給をオンオフする第２の定電流回路素子とを備え、
前記第１の定電流回路素子をオン状態にして前記第１の転送線に定電流を供給しながら、前記画素選択手段によって選択された前記単位画素から出力されたノイズ信号を、前記第１の転送線に所定時間読み出した後に、前記第１の定電流回路素子をオフ状態にすることにより、第１の転送線に保存し、
前記第２の定電流回路素子をオン状態にして前記第２の転送線に定電流を供給しながら、前記画素選択手段によって選択された前記単位画素から出力された信号ノイズ和信号を、前記第２の転送線に所定時間読み出した後に、前記第２の定電流回路素子をオフ状態にすることにより、第２の転送線に保存し、
前記第１の転送線に保存されたノイズ信号を前記第３のスイッチを介して前記第３の転送線に読み出し、
前記第２の転送線に保存された信号ノイズ和信号を前記第４のスイッチを介して前記第４の転送線に読み出す請求項１から請求項３のいずれかに記載の固体撮像装置。