JP6765805B2

JP6765805B2 - 撮像装置の駆動方法、撮像装置、撮像システム

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Publication number: JP6765805B2
Application number: JP2015229177A
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Inventors: 樋山　拓己; 拓己樋山; 弘明亀山; 泰二池田; 一博園田; 秀央小林
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Filing date: 2015-11-24
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Description

本発明は、撮像装置の駆動方法、撮像装置、撮像システムに関する。

複数行および複数列に渡って複数の画素が配された撮像装置が知られている。この複数の画素の各々は、光電変換によって光に基づく電荷を生成する光電変換部と、光電変換部が蓄積された電荷が転送される浮遊拡散部を有する。さらに複数の画素の各々は、浮遊拡散部の電位に基づく信号（光電変換部が蓄積した電荷に基づく信号）である光信号を画素の外部に出力する画素出力部と、浮遊拡散部の電位をリセットするリセットトランジスタとを有する。リセットトランジスタの一方のノードは、浮遊拡散部に接続されている。この撮像装置の一例として、特許文献１には、光信号を出力する画素として選択されるまでの期間、リセットトランジスタが浮遊拡散部の電位のリセットを行う動作が記載されている。

また、特許文献２には、浮遊拡散部に、接続トランジスタを介して容量素子が接続可能なように構成された画素を備える撮像装置が記載されている。

特開２００６−７３７３２号公報特開２０１３−１２８１３０号公報

光電変換部が蓄積した電荷を浮遊拡散部に転送するのに先立って、浮遊拡散部に接続されたトランジスタのオンが行われることがある。このトランジスタがオンの間、浮遊拡散部の電荷が、当該トランジスタにトラップされる。そして、当該トランジスタをオフにした後に、当該トランジスタにトラップされていた電荷が、所定の期間に渡って、浮遊拡散部に排出される現象が生じる。この当該トランジスタにトラップされていた電荷の浮遊拡散部への排出は、画素が出力する信号のノイズ成分を増加させていた。

本発明は上記の課題を鑑みて為されたものであり、一の態様は、複数行に配された複数の画素と、出力線とを有し、前記複数の画素の各々は、光電変換部と、浮遊拡散部と、前記光電変換部の電荷を前記浮遊拡散部に転送する転送トランジスタと、前記浮遊拡散部の電位に基づく信号を前記出力線に出力する増幅トランジスタと、前記浮遊拡散部に接続され、前記浮遊拡散部のリセットを制御するリセットトランジスタを有する撮像装置の駆動方法であって、前記複数行のうちの第１の行に配された第１の画素から前記出力線に信号を読み出す前の期間に第１の動作を行い、前記第１の画素から前記出力線に信号を読み出す期間に第２の動作を行い、前記第１の動作は、前記第１の画素の前記光電変換部による前記電荷の蓄積が開始されたタイミングから、前記第１の画素に先立って信号が読み出される前記第１の行とは別の行に配された画素からの前記出力線への信号の読み出しを開始するタイミングまでの第１の期間に渡って前記第１の画素の前記リセットトランジスタをオンの状態とした後、前記第１の画素の前記リセットトランジスタをオフの状態とする動作であり、前記第２の動作は、前記リセットトランジスタを第２の期間に渡ってオンの状態とする動作であり、前記第１の期間が前記第２の期間よりも長いことを特徴とする撮像装置の駆動方法である。

画素が出力する信号に含まれるノイズ成分を低減することができる効果を得る。

撮像装置の構成を示す図増幅回路の構成を示す図画素の構成を示す図撮像装置の動作を示す図画素の構成を示す図撮像装置の動作を示す図撮像装置の動作を示す図画素の構成を示す図撮像システムの構成を示す図

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。

（実施例１）
図１を用いて本発明の第１の実施例に係る撮像装置１００の構成を説明する。

撮像装置１００は典型的にはＣＭＯＳイメージセンサである。撮像装置１００は、被写体像を示す入射光を光電変換し、光電変換により得られた電気信号をデジタルデータとして外部に出力する。撮像装置１００は複数の画素１１１が複数行および複数列に渡って配された画素アレイ１１０を備える。以下、画素１１１の配された列を画素列、画素１１１の配された行を画素行と表記する。複数の画素１１１の各々は、入射光を光電変換することによって電荷を生成する。本実施例では簡単のため４行４列に簡略化して表現しているが、さらに多数の行列から構成されても良い。画素アレイ１１０は、典型的には、数千万の数の画素１１１を備える。

撮像装置１００はさらに垂直走査回路１４０を備える。垂直走査回路１４０は画素行ごとに配置された画素制御線１１２に駆動パルス信号を、画素行ごとに順に供給する。画素制御線１１２に駆動パルス信号が供給されると、対応する画素行に含まれる各画素１１１が、光電変換された電荷に対応する信号を、電圧信号として垂直出力線１１３に出力する。本実施例では、画素１１１のリセットレベルの信号であるノイズ信号と、光電変換により発生した電荷に対応する信号にノイズ信号が重畳した光信号とをそれぞれ、画素１１１が垂直出力線１１３に出力する。なお、以下では、画素１１１が出力するノイズ信号と光信号をまとめて表す場合には、画素信号と表記することがある。

垂直出力線１１３には、電流源１２５が接続されている。

撮像装置１００はさらに、増幅回路１２０を備え、垂直出力線１１３を介して画素１１１から入力された光信号を増幅してＡ／Ｄ変換器１３０へ供給する。

撮像装置１００はさらに、ランプ信号供給部１７０およびカウンタ１８０を備えている。ランプ信号供給部１７０はランプ信号Ｖｒａｍｐを、ランプ信号線１７１を通じて各Ａ／Ｄ変換器１３０に供給する。ランプ信号Ｖｒａｍｐは、電位が時間の経過に応じて単調に変化する信号である。カウンタ１８０はカウントデータ線１８１を通じてカウント値Ｃｎｔを各Ａ／Ｄ変換器１３０に供給する。

撮像装置１００はさらに、水平走査回路１５０および信号処理部１９０を備える。水平走査回路１５０はＡ／Ｄ変換器１３０が出力するデジタルデータを列ごとにデジタル信号線１９１、１９２に転送する。デジタル信号線１９１、１９２に転送されたデジタルデータは信号処理部１９０に供給される。本実施例では、デジタル信号線１９１、１９２に、それぞれノイズ信号に対応するデジタルデータと、光信号に対応するデジタルデータとが順次出力される。信号処理部１９０は光信号に対応するデジタルデータから、ノイズ信号に対応するデジタルデータを減算する、ＣＤＳ処理を行う。これにより、信号処理部１９０は、光信号に対応するデジタルデータからノイズ成分を低減したデジタルデータを得る。信号処理部１９０は、このノイズ成分を低減したデジタルデータを、撮像装置１００の外部に出力する。

撮像装置１００はさらに、上述の各構成要素にパルス信号を供給して撮像装置１００の動作を制御するタイミング制御部１９５を備える。

図２は、増幅回路１２０の構成の詳細を示した図である。増幅回路１２０は、演算増幅器１２１、容量素子Ｃ０、容量素子ＣＦ、スイッチ１２２を有する。垂直出力線１１３は、容量素子Ｃ０を介して、演算増幅器１２１の反転入力ノードに接続されている。演算増幅器１２１の反転入力ノードはさらに、容量素子ＣＦの一方のノードと、スイッチ１２２の一方のノードとに接続されている。容量素子ＣＦの他方のノードと、スイッチ１２２の他方のノードは、演算増幅器１２１の出力ノードに接続されている。演算増幅器１２１の非反転入力ノードには、電圧ＶＣ０Ｒが入力される。増幅回路１２０は、垂直出力線１１３から容量素子Ｃ０を介して反転入力ノードに入力された信号を、Ｃ０／ＣＦの比で増幅した信号を出力する。

図３は、画素１１１の構成を示した図である。図３に示した画素１１１は、図１に示した画素アレイ１１０が有する４行４列の画素１１１のうちの１つの画素１１１を示している。

画素１１１は、光電変換を行うフォトダイオード１１４および複数のトランジスタを含む。フォトダイオード１１４は、入射光を受けて電荷を生成する光電変換部である。フォトダイオード１１４は転送トランジスタ１１５を介して浮遊拡散部ＦＤに接続される。浮遊拡散部ＦＤはまた、リセットトランジスタ１１６を介して電源ＳＶＤＤに接続されるとともに、増幅トランジスタ１１７のゲート電極に接続される。増幅トランジスタ１１７の第１主電極は電源ＳＶＤＤに接続され、増幅トランジスタ１１７の第２主電極は選択トランジスタ１１８を介して垂直出力線１１３に接続される。選択トランジスタ１１８のゲート電極は画素制御線１１２の１つである、行選択線に接続される。行選択線は信号ＳＥＬを伝送する。リセットトランジスタ１１６のゲート電極は、画素制御線１１２の１つである、リセット線に接続される。リセット線は、信号ＲＥＳを伝送する。また、転送トランジスタ１１５のゲート電極は、行制御線の１つである、転送線に接続される。転送線は、信号ＴＸを伝送する。垂直走査回路１４０は、画素１１１の動作を制御する制御部である。

信号ＳＥＬがハイレベルになると増幅トランジスタ１１７には、垂直出力線１１３と、選択トランジスタ１１８を介して、電流源１２５によって電流が流れる。この増幅トランジスタ１１７に電流が流れる期間が、画素１１１から垂直出力線１１３に信号を読み出す期間である。

次に、撮像装置１００の動作を、図４を用いて説明する。図４はＮ−１行目、Ｎ行目、Ｎ＋１行目の、３行分の画素１１１に関わる撮像装置１００の動作を示している。具体的には、図４は、３行分の画素１１１の露光開始、蓄積、画素信号の読み出しの動作を示している。図４に示した時刻ｈｄ０〜時刻ｈｄ８のそれぞれは、水平走査期間の開始時刻を表している。また、時刻ｈｄ０〜時刻ｈｄ８のそれぞれは、垂直走査回路１４０による垂直走査が開始する時刻でもある。

時刻ｔ０から時刻ｔ１の期間において、信号ＲＥＳ（Ｎ）がハイレベル、信号ＴＸ（Ｎ）がハイレベルとなる。これにより、フォトダイオード１１４の電荷がリセットされる。時刻ｔ１において信号ＴＸ１がローレベルとなると、フォトダイオード１１４は光に基づく電荷の蓄積を開始する（露光開始）。

信号ＴＸ（Ｎ）が時刻ｔ１にローレベルとなってから、次にハイレベルとなる時刻ｔ５まで、Ｎ行目の画素１１１のフォトダイオード１１４において電荷が蓄積されている状態にある。この時刻ｔ１から時刻ｔ５までの期間は、Ｎ行目の画素１１１の信号蓄積期間である。この間、信号ＲＥＳ（Ｎ）はハイレベルに保たれている。これにより、Ｎ行目の画素１１１のフォトダイオード１１４からオーバーフローした電荷は浮遊拡散部ＦＤと、リセットトランジスタ１１６とを介して、電源ＳＶＤＤへと排出される。これにより、フォトダイオード１１４がオーバーフローした画素１１１から、隣接する画素１１１への電荷の漏れこみ（ブルーミング）は低減される。一方、この信号蓄積期間に渡って、リセットトランジスタ１１６がオンし続けるため、リセットトランジスタ１１６に電荷がトラップされる。典型的には、リセットトランジスタ１１６のゲート絶縁膜に、電荷がトラップされる。

時刻ｔ２に、信号ＲＥＳ（Ｎ）がハイレベルからローレベルに遷移する。この動作は、Ｎ行目の画素１１１の前に走査されるＮ−１行目の画素１１１の光信号の読み出しが行われている期間に行われる。この動作が行われる時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間は、Ｎ行目の画素１１１の予備選択期間である。すなわち、第１の画素である、Ｎ−１行目の画素１１１の増幅トランジスタ１１７に、電流源１２５によって電流が流れる期間に、第２の画素である、Ｎ行目の画素１１１の浮遊拡散部ＦＤの電位のリセットを解除する。

時刻ｔ２においてＲＥＳ（Ｎ）がハイレベルからローレベルに遷移することによって、リセットトランジスタ１１６がオフする。これにより、リセットトランジスタ１１６にトラップされていた電荷が浮遊拡散部ＦＤに排出される。

時刻ｔ３に、Ｎ行目の信号ＳＥＬ（Ｎ）がハイレベルとなり、対応する増幅トランジスタ１１７が垂直出力線１１３に接続される。これにより、増幅トランジスタ１１７には、電流源１２５によって電流が流れる。増幅トランジスタ１１７は、垂直出力線１１３に接続された電流源１２５とともに、ソースフォロワ回路を構成する。同じく時刻ｔ３にリセット信号ＲＥＳ（Ｎ）がハイレベルとなり、１行目の画素１１１の浮遊拡散部ＦＤは、リセットトランジスタ１１６を介して、電源ＳＶＤＤにリセットされる。これにより、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間に、リセットトランジスタ１１６から浮遊拡散部ＦＤに排出された、リセットトランジスタ１１６にトラップされていた電荷がリセットされる。この時刻ｔ３から時刻ｔ４までの、リセットトランジスタ１１６がオンしている期間は、信号蓄積期間中にリセットトランジスタ１１６がオンしている、時刻ｈｄ０以前の時刻から時刻ｔ２までの期間よりも短い。このため、時刻ｔ３から時刻ｔ４までのリセットトランジスタ１１６がオンしている期間に、リセットトランジスタ１１６にトラップされる電荷の量は、信号蓄積期間中にリセットトランジスタ１１６にトラップされる電荷の量に比べて少ない。したがって、時刻ｔ４にリセットトランジスタ１１６がオフすることによる、浮遊拡散部ＦＤの電位の変動は、時刻ｔ２にリセットトランジスタ１１６がオフすることによる浮遊拡散部ＦＤの電位の変動に比べて小さなものとなる。

時刻ｔ４に、リセットトランジスタ１１６がオフになった後、浮遊拡散部ＦＤがリセットされた電圧に基づき、増幅トランジスタ１１７がノイズ信号を出力する。これをＮ信号とする。Ｎ信号は増幅回路１２０で増幅されたのち、Ａ／Ｄ変換器１３０でデジタル信号に変換される。

時刻ｔ５から時刻ｔ６の期間に渡って、転送信号ＴＸ（Ｎ）がハイレベルとなる。これにより、Ｎ行目のフォトダイオード１１４の電荷が転送トランジスタ１１５を介して浮遊拡散部ＦＤに転送される。増幅トランジスタ１１７は、フォトダイオード１１４の電荷が転送された浮遊拡散部ＦＤの電位に基づく信号を垂直出力線１１３に出力する。この増幅トランジスタ１１７が出力する信号は、さきのＮ信号に、フォトダイオード１１４が蓄積した電荷に対応する信号が重畳された信号である、光信号である。この光信号を、Ｎ＋Ｓ信号と表記する。Ｎ＋Ｓ信号も、Ｎ信号と同様に、増幅回路１２０で増幅されたのち、Ａ／Ｄ変換器１３０でデジタル信号に変換される。

時刻ｔ７に、信号ＳＥＬ（Ｎ）がローレベルとなり、Ｎ行目の画素１１１の信号の読み出し動作が終了する。引き続き、Ｎ行目の画素１１１の信号読み出し動作と同じ動作が、（Ｎ＋１）行目の画素１１１において、繰り返される。

上述したように、Ｎ行目の画素１１１の増幅トランジスタ１１７に、電流源１２５によって電流が流れる前にリセットトランジスタ１１６がオフすることによって、リセットトランジスタ１１６のゲート絶縁膜にトラップされた電荷が排出される。これにより、Ｎ行目の画素１１１のＮ信号およびＮ＋Ｓ信号への、リセットトランジスタ１１６にトラップされた電荷の影響を低減することができる。

なお、カウンタ１８０は、種々の形式のカウンタを用いることができる。カウンタ１８０は、例えばグレイカウンタやバイナリカウンタであってもよい。

また、本実施例では１つのカウンタ１８０が、複数のＡ／Ｄ変換器１３０に共通のカウント信号を供給していた。他の例として、複数のＡ／Ｄ変換器１３０のそれぞれがカウンタを備えていてもよい。この場合には、カウンタ１８０はアップカウントとダウンカウントとを切り替え可能であってもよい。Ｎ信号のＡＤ変換はアップカウントとダウンカウントの一方で行い、Ｎ＋Ｓ信号のＡＤ変換はアップカウントとダウンカウントの他方で行うようにする。これにより、Ｎ＋Ｓ信号のＡＤ変換の終了時に、Ｎ＋Ｓ信号からＮ信号を差し引いた信号に対応するデジタル信号を得ることができる。

なお、本実施例では、Ｎ行目の画素１１１の浮遊拡散部ＦＤのリセットの解除を、Ｎ−１行目の画素１１１の増幅トランジスタ１１７に電流を流す期間に行っていた。他の例として、Ｎ行目の画素１１１の浮遊拡散部ＦＤのリセットの解除のタイミングを、Ｎ−１行目の画素１１１よりも前に画素信号を読み出す画素１１１の増幅トランジスタ１１７に電流を流す期間に行ってもよい。このＮ行目の画素１１１の浮遊拡散部ＦＤのリセットの解除のタイミングを、どの行の画素１１１の増幅トランジスタ１１７に電流を流す期間に設けるかは、ブルーミングを許容できる範囲に応じて設定することができる。

また、図８に示すように、画素１１１は、接続トランジスタ１１９と、容量素子１３５とをさらに備える構成としてもよい。容量素子１３５は、接続トランジスタ１１９を介して、浮遊拡散部ＦＤに接続されている。接続トランジスタ１１９は、容量素子１３５と浮遊拡散部ＦＤとの接続と非接続とを切り替えるトランジスタである。接続トランジスタ１１９のゲート電極には、信号ＡＤＤが画素制御線１１２の一つから入力される。信号ＡＤＤはハイレベルの場合、容量素子１３５が浮遊拡散部ＦＤに接続される。これにより、フォトダイオード１１４の電荷を電圧に変換する電荷電圧変換係数が小さくなる。よって、信号ＡＤＤの信号レベルを切り替えることによって、フォトダイオード１１４の電荷に対応する信号の信号レベルを切り替えることができる。

信号ＡＤＤ（Ｎ）を信号蓄積期間中にハイレベルとする場合には、信号ＲＥＳ（Ｎ）をローレベルとする時刻ｔ２から時刻ｔ３の期間に、信号ＡＤＤ（Ｎ）もまたローレベルとする。信号ＡＤＤ（Ｎ）を時刻ハイレベルのままとすると、リセットトランジスタ１１６にトラップされていた電荷が、接続トランジスタ１１９および容量素子１３５に排出される。よって、時刻ｔ３から時刻ｔ４に信号ＲＥＳ（Ｎ）をハイレベルとしても、接続トランジスタ１１９、容量素子１３５に排出された電荷をリセットしきれない場合がある。よって、信号ＲＥＳ（Ｎ）をローレベルとする時刻ｔ２から時刻ｔ３に、信号ＡＤＤ（Ｎ）もまたローレベルとする。信号ＡＤＤ（Ｎ）をローレベルとするタイミングは、信号ＲＥＳ（Ｎ）をローレベルとするタイミング以前であればよい。つまり、信号ＲＥＳ（Ｎ）がローレベルである期間に、信号ＡＤＤ（Ｎ）がローレベルであれば良い。さらに言えば、Ｎ行目の画素１１１の増幅トランジスタ１１７に電流が流れる期間に先立って、浮遊拡散部ＦＤに接続されたトランジスタがオンの状態からオフとなり、Ｎ行目の画素１１１の増幅トランジスタ１１７に電流が流れる期間に再びオンとなれば良い。このトランジスタは、本実施例で述べたリセットトランジスタ１１６であってもよいし、接続トランジスタ１１９であってもよい。接続トランジスタ１１９においても、信号蓄積期間中にオンの状態となっていることによって、接続トランジスタ１１９に、フォトダイオード１１４の電荷がトラップされる。この接続トランジスタ１１９にトラップされた電荷が浮遊拡散部ＦＤに排出されるのは、リセットトランジスタ１１６の場合と同じである。

また、本実施例では、画素１１１が選択トランジスタ１１８を有する構成を説明した。本実施例は、この例に限定されるものではなく、画素１１１が選択トランジスタ１１８を有しない構成とすることができる。この場合、複数の画素１１１の中から、垂直出力線１１３に画素信号を出力させる画素１１１の選択は、浮遊拡散部ＦＤのリセットの電位によって制御される。つまり、複数の画素１１１のうち、垂直出力線１１３に信号を出力させない画素１１１に対しては、リセットトランジスタ１１６に与えられる電源ＳＶＤＤを、増幅トランジスタ１１７がオフの状態となる電圧とする。そして、垂直走査回路１４０が信号ＲＥＳをハイレベルとして、浮遊拡散部ＦＤに増幅トランジスタ１１７がオフの状態となる電圧を与える。これにより、複数の画素１１１のうち、垂直出力線１１３に信号を出力させない画素１１１の増幅トランジスタ１１７はオフの状態となる。つまり、電流源１２５は、オフの状態の増幅トランジスタ１１７には電流を流さない。

一方、垂直出力線１１３に信号を出力させる画素１１１に対しては、リセットトランジスタ１１６に与える電源ＳＶＤＤを、増幅トランジスタ１１７がオンの状態となる電圧とする。そして、垂直走査回路１４０が信号ＲＥＳをハイレベルとして、浮遊拡散部ＦＤに増幅トランジスタ１１７がオンの状態となる電圧を与える。これにより、複数の画素１１１のうち、垂直出力線１１３に信号を出力させる画素１１１の増幅トランジスタ１１７はオンの状態となる。つまり、電流源１２５は、オンの状態の増幅トランジスタ１１７に電流を流す。このように、画素１１１が選択トランジスタ１１８を有しない場合においても、複数の画素１１１の中から、垂直出力線１１３に信号を出力させる画素１１１を選択することができる。

（実施例２）
本実施例の撮像装置について、以下、図面を参照しながら説明する。

画素１１１の構成および撮像装置の駆動タイミングが実施例１と異なるため、これらの点を中心に説明する。

本実施例の撮像装置は、図１に示した画素１１１の代わりに、図５に示した画素１１１０を備える。

図５の画素１１１０は、各々が光電変換を行う２つのフォトダイオード１１４Ａと１１４Ｂを有する。また、画素１１１０は、転送トランジスタ１１５Ａ、１１５Ｂを有する。浮遊拡散部ＦＤは、転送トランジスタ１１５Ａを介してフォトダイオード１１４Ａと接続される。また、浮遊拡散部ＦＤは、転送トランジスタ１１５Ｂを介してフォトダイオード１１４Ｂと接続される。

転送トランジスタ１１５Ａのゲート電極は、画素制御線１１２のうち、転送線ＴＸＡに接続される。また、転送トランジスタ１１５Ｂのゲート電極は、画素制御線１１２のうち、転送線ＴＸＢに接続される。

図５の画素１１１０は、２つのフォトダイオード１１４Ａ、１１４Ｂが、１つの増幅トランジスタ１１７と、１つのリセットトランジスタ１１６、１つの選択トランジスタ１１８を共有する。これにより、１つのフォトダイオードあたりのトランジスタ数を少なくすることができる。

図６は、本実施例の撮像装置の動作を示した図である。図６では、Ｎ−１行目の画素１１１０と、Ｎ行目の画素１１１０に関わる動作を示している。

図６に示した動作のように、時刻ｔ７に、信号ＳＥＬ（Ｎ）がハイレベルになる。これに先立って、時刻ｔ４に、信号ＲＥＳ（Ｎ）がハイレベルからローレベルになることによってリセットトランジスタ１１６がオフする。この時刻ｔ４は、Ｎ−１行目の画素１１１０の増幅トランジスタ１１７に、電流源１２５によって電流が流れている期間である。このＮ−１行目の画素１１１０の増幅トランジスタ１１７に電流が流れる期間にＮ行目の画素１１１０の浮遊拡散部ＦＤのリセットが解除される、これにより、本実施例の撮像装置は、実施例１で述べた効果と同じ効果を得ることができる。

さらに、本実施例の撮像装置が得る効果について説明する。予備選択期間を設けない場合、信号ＲＥＳ（Ｎ）は、時刻ｔ４から時刻ｔ７の期間においてもハイレベルのままとなる。時刻ｔ８に信号ＲＥＳ（Ｎ）がローレベルとなって、リセットトランジスタ１１６がオフする。これにより、リセットトランジスタ１１６にトラップされていた電荷が、浮遊拡散部ＦＤに排出される。したがって、フォトダイオード１１４Ａの電荷は、このリセットトランジスタ１１６にトラップされていた電荷が排出された状態にある浮遊拡散部ＦＤに転送されることとなる。よって、フォトダイオード１１４Ａの電荷に基づくＮ＋Ｓ信号は、リセットトランジスタ１１６にトラップされていた電荷に基づく信号を含む信号である。

時刻ｔ９から時刻ｔ１０に、信号ＲＥＳ（Ｎ）はハイレベルとなる。これにより、浮遊拡散部ＦＤの電位がリセットされる。このリセットによって、リセットトランジスタ１１６にトラップされた後、浮遊拡散部ＦＤに排出されていた電荷は電源ＳＶＤＤに排出される。したがって、浮遊拡散部ＦＤに排出されたリセットトランジスタ１１６の電荷がリセットされた状態の浮遊拡散部ＦＤに、フォトダイオード１１４Ｂの電荷が転送される。よって、Ｎ＋Ｓ信号に含まれるリセットトランジスタ１１６にトラップされていた電荷に基づく信号の成分は、フォトダイオード１１４Ｂの電荷に基づくＮ＋Ｓ信号の方が、フォトダイオード１１４Ａの電荷に基づくＮ＋Ｓ信号よりも少ない。これにより、撮像装置が出力する信号を用いて生成した画像において、同一光量の光がフォトダイオード１１４Ａ、１１４Ｂに入射した場合でも、フォトダイオード１１４Ａに対応する箇所と、フォトダイオード１１４Ｂに対応する箇所とで輝度差が生じる。

一方、本実施例の撮像装置では、時刻ｔ４から時刻ｔ６に、信号ＲＥＳ（Ｎ）をローレベルとしている。そして、時刻ｔ７から時刻ｔ８に信号ＲＥＳ（Ｎ）をハイレベルとする。これにより、浮遊拡散部ＦＤに排出されたリセットトランジスタ１１６の電荷がリセットされた状態の浮遊拡散部ＦＤに、フォトダイオード１１４Ａの電荷が転送される。よって、Ｎ＋Ｓ信号に含まれるリセットトランジスタ１１６にトラップされていた電荷に基づく信号の成分は、フォトダイオード１１４Ｂの電荷に基づくＮ＋Ｓ信号と、フォトダイオード１１４Ａの電荷に基づくＮ＋Ｓ信号とが略等しい。よって、撮像装置が出力する信号を用いて生成した画像において、同一光量の光がフォトダイオード１１４Ａ、１１４Ｂに入射した場合、フォトダイオード１１４Ａに対応する箇所と、フォトダイオード１１４Ｂに対応する箇所とで輝度差が生じにくい。この効果を好適に得るには、時刻ｔ４から時刻ｔ７までの期間が、時刻ｔ８から時刻ｔ９までの期間と同じ長さになるように、時刻ｔ４の信号ＲＥＳ（Ｎ）をローレベルとするタイミングを設定すると良い。また、さらに効果を好適に得るためには、信号ＲＥＳ（Ｎ）がハイレベルの期間である、時刻ｔ７から時刻ｔ８までの期間と、時刻ｔ９から時刻ｔ１０までの期間とが同じ長さになるようにすると良い。これにより、浮遊拡散部ＦＤの、フォトダイオード１１４Ａの電荷が転送される状態と、フォトダイオード１１４Ｂの電荷が転送される状態とを揃えやすくすることができる。

（実施例３）
本実施例の撮像装置について、実施例２と異なる点を中心に説明する。

本実施例の撮像装置の構成は、実施例２で説明した構成と同じである。

本実施例の撮像装置の動作について、図７を参照しながら説明する。

図７は、Ｎ−１行目、Ｎ行目、Ｎ＋１行目の、３行分の画素１１１０に関わる撮像装置１００の動作を示している。具体的には、図７は、３行分の画素１１１０の露光開始、蓄積、画素信号の読み出しの動作を示している。

全ての画素行に供給する、信号ＲＥＳ、信号ＴＸＡ，信号ＴＸＢが、時刻ｔ０から時刻ｔ１の期間にハイレベルとなる。これにより、全ての画素１１１０のフォトダイオード１１４Ａ、１１４Ｂの電荷がリセットされる。また、全ての画素行に供給する信号ＴＸＡ、信号ＴＸＢがローレベルとなる時刻ｔ１から、全ての画素１１１０のフォトダイオード１１４Ａ、１１４Ｂの電荷の蓄積が開始される。このように、全ての画素１１１０で露光開始のタイミングを揃えた場合、時刻ｈｄ１から時刻ｈｄ２の期間に、不図示のメカニカルシャッタを用いて、全ての画素１１１０で露光終了することが好ましい。これにより、全ての画素１１１０の露光開始と露光終了のタイミングを揃えることができる。

本実施例の撮像装置では、信号ＲＥＳ（Ｎ）を、時刻ｔ２にローレベルにし、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間にハイレベルとする。また、信号ＲＥＳ（Ｎ）を時刻ｔ５から時刻ｔ６までの期間と、時刻ｔ９から時刻ｔ１０までの期間、ハイレベルとする。

本実施例の撮像装置においても、Ｎ−１行目の画素１１１０の増幅トランジスタ１１７に電流を流している期間に、信号ＲＥＳ（Ｎ）をローレベルとして、Ｎ行目の画素１１１０の浮遊拡散部ＦＤの電位のリセットを解除している。これにより、実施例２で述べた効果を得ることができる。

また、信号ＲＥＳ（Ｎ）がローレベルである期間が、時刻ｔ４から時刻ｔ５までの期間と、時刻ｔ６から時刻ｔ９までの期間とが同じになるように、時刻ｔ４のタイミングを設定している。これにより、Ｎ＋Ｓ信号に含まれるリセットトランジスタ１１６にトラップされていた電荷に基づく信号の成分は、フォトダイオード１１４Ｂの電荷に基づくＮ＋Ｓ信号と、フォトダイオード１１４Ａの電荷に基づくＮ＋Ｓ信号とで略等しくなる。よって、よって、撮像装置が出力する信号を用いて生成した画像において、同一光量の光がフォトダイオード１１４Ａ、１１４Ｂに入射した場合、フォトダイオード１１４Ａに対応する箇所と、フォトダイオード１１４Ｂに対応する箇所との輝度差が生じにくい。

また、本実施例では、実施例２の動作に対し、Ｎ行目の画素１１１０の増幅トランジスタ１１７に電流を流す期間に先立って、浮遊拡散部ＦＤをリセットする回数を多くしている。これにより、時刻ｔ２に浮遊拡散部ＦＤのリセットを解除することによって、リセットトランジスタ１１６から浮遊拡散部ＦＤに排出された電荷を、より好適に浮遊拡散部ＦＤから排出することができる。

（実施例４）
本実施例は、上述した各実施例の撮像装置を有する撮像システムに関する。

撮像システムとして、デジタルスチルカメラやデジタルカムコーダーや監視カメラなどがあげられる。図９に、撮像システムの例としてデジタルスチルカメラに撮像装置を適用した場合の模式図を示す。

図９に例示した撮像システムは、レンズの保護のためのバリア１５０１、被写体の光学像を撮像装置１５０４に結像させるレンズ１５０２、レンズ１５０２を通過する光量を可変にするための絞り１５０３を有する。レンズ１５０２、絞り１５０３は撮像装置１５０４に光を集光する光学系である。また、図９に例示した撮像システムは撮像装置１５０４より出力される出力信号の処理を行う出力信号処理部１５０５を有する。出力信号処理部１５０５は必要に応じて各種の補正、圧縮を行って信号を出力する動作を行う。

図９に例示した撮像システムはさらに、画像データを一時的に記憶する為のバッファメモリ部１５０６、外部コンピュータ等と通信する為の外部インターフェース部１５０７を有する。さらに撮像システムは、撮像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１５０９、記録媒体１５０９に記録または読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部１５０８を有する。さらに撮像システムは、各種演算とデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部１５１０、撮像装置１５０４と出力信号処理部１５０５に各種タイミング信号を出力するタイミング供給部１５１１を有する。ここで、タイミング信号などは外部から入力されてもよく、撮像システムは少なくとも撮像装置１５０４と、撮像装置１５０４から出力された出力信号を処理する出力信号処理部１５０５とを有すればよい。

以上のように、本実施例の撮像システムは、撮像装置１５０４を適用して撮像動作を行うことが可能である。

なお、上記実施例は、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。また、これまで述べた各実施例を種々組み合わせて実施することができる。

１００撮像装置
１１０画素アレイ
１１１画素
１１３垂直出力線
１１４フォトダイオード
１１６リセットトランジスタ
１１７増幅トランジスタ
１１８選択トランジスタ
１２０増幅回路
１２５電流源
１４０垂直走査回路

Claims

複数行に配された複数の画素と、出力線とを有し、
前記複数の画素の各々は、光電変換部と、浮遊拡散部と、前記光電変換部の電荷を前記浮遊拡散部に転送する転送トランジスタと、前記浮遊拡散部の電位に基づく信号を前記出力線に出力する増幅トランジスタと、前記浮遊拡散部に接続され、前記浮遊拡散部のリセットを制御するリセットトランジスタを有する撮像装置の駆動方法であって、
前記複数行のうちの第１の行に配された第１の画素から前記出力線に信号を読み出す前の期間に第１の動作を行い、
前記第１の画素から前記出力線に信号を読み出す期間に第２の動作を行い、
前記第１の動作は、前記第１の画素の前記光電変換部による前記電荷の蓄積が開始されたタイミングから、前記第１の画素に先立って信号が読み出される前記第１の行とは別の行に配された画素からの前記出力線への信号の読み出しを開始するタイミングまでの第１の期間に渡って前記第１の画素の前記リセットトランジスタをオンの状態とした後、前記第１の画素の前記リセットトランジスタをオフの状態とする動作であり、
前記第２の動作は、前記リセットトランジスタを第２の期間に渡ってオンの状態とする動作であり、
前記第１の期間が前記第２の期間よりも長いことを特徴とする撮像装置の駆動方法。
前記第１の期間に、前記第１の画素の前記光電変換部のリセットを行うことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置の駆動方法。
前記第１の画素の前記光電変換部のリセットが解除されてから、前記光電変換部は少なくとも前記第１の動作を終了するまでの期間、入射光によって電荷を生成することを特徴とする請求項２に記載の撮像装置の駆動方法。
前記撮像装置は前記複数の画素を行単位で走査する走査回路をさらに有し、
少なくとも、前記走査回路による前記複数行に渡る走査の開始から前記第１の期間の終了までの期間に渡って、前記第１の画素の前記リセットトランジスタはオンの状態にあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の撮像装置の駆動方法。
前記第１の画素が、前記複数行のうち、前記走査回路が最後に走査する行であることを特徴とする請求項４に記載の撮像装置の駆動方法。
前記第１の画素が、前記複数行のうち、前記走査回路が最初に走査する行であることを特徴とする請求項４に記載の撮像装置の駆動方法。
前記第２の動作の後、前記第１の画素において、前記転送トランジスタがオンすることによって前記光電変換部の電荷が前記浮遊拡散部に転送されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の撮像装置の駆動方法。
前記第１の画素は、前記増幅トランジスタと前記出力線との接続を制御する選択トランジスタをさらに有し、
前記第１の画素から前記出力線に信号を読み出す前の期間は、前記選択トランジスタがオフの状態にある期間であって、
前記第１の画素から前記出力線に信号を読み出す期間は、前記選択トランジスタがオンの状態にある期間であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の撮像装置の駆動方法。
前記第１の画素から前記出力線に信号を読み出す前の期間は、前記第１の画素から前記出力線に信号を読み出す期間に比べて、前記増幅トランジスタに流れる電流量が少ない期間であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の撮像装置の駆動方法。
前記第１の画素から前記出力線に信号を読み出す前の期間は、前記増幅トランジスタがオフの状態にある期間であって、
前記第１の画素から前記出力線に信号を読み出す期間は、前記増幅トランジスタがオンの状態にある期間であることを特徴とする請求項９に記載の撮像装置の駆動方法。
前記複数の画素の各々は、容量素子と接続トランジスタとを有し、
前記接続トランジスタが、前記容量素子と前記浮遊拡散部との接続と非接続とを切り替える接続トランジスタであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の撮像装置の駆動方法。
前記第１の画素から前記出力線に信号を読み出した後、前記複数の画素のうちの第２の画素から前記出力線に信号を読み出し、
前記第１の画素から前記出力線に信号を読み出す期間に、前記第２の画素の前記リセットトランジスタをオンの状態とし、
前記第２の画素から前記出力線に信号を読み出す期間に先立って、前記第２の画素の前記リセットトランジスタをオフの状態とし、
前記第２の画素から前記出力線に信号を読み出す期間に、前記第２の画素の前記リセットトランジスタを再びオンの状態とすることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の撮像装置の駆動方法。
前記第２の画素において、前記リセットトランジスタがオンしていることによって前記浮遊拡散部の電位をリセットしている期間に、前記転送トランジスタがオンすることによって前記光電変換部がリセットされ、前記転送トランジスタがオフすることによって、前記光電変換部の前記電荷の蓄積が行われ、
前記転送トランジスタが前記オフしたタイミングから、前記第２の画素から前記出力線に信号を読み出す期間に先だって、前記リセットトランジスタがオフすることによって前記第２の画素の前記浮遊拡散部の電位のリセットが解除されるタイミングまでに渡って、前記リセットトランジスタがオンし続けることによって、第２の画素の前記浮遊拡散部がリセットされ続けていることを特徴とする請求項１２に記載の撮像装置の駆動方法。
前記複数の画素の各々は、第２の光電変換部と、前記第２の光電変換部の電荷を前記浮遊拡散部に転送する第２の転送トランジスタとをさらに有し、
前記第２の画素から前記出力線に信号を読み出す期間に先だって、前記第２の画素の前記リセットトランジスタをオフする第１動作の後、前記第２の画素において、
前記リセットトランジスタをオンし、さらに前記リセットトランジスタをオフする第２動作と、
前記転送トランジスタが、前記光電変換部の前記電荷を前記浮遊拡散部に転送する第３動作と、
前記リセットトランジスタをオンし、さらに前記リセットトランジスタをオフする第４動作と、
前記第２の転送トランジスタが、前記第２の光電変換部の前記電荷を前記浮遊拡散部に転送する第５動作とが順に行われ、
前記第２動作の終了から前記第３動作の開始までの期間の長さと、前記第４動作の終了から前記第５動作の開始までの期間の長さとが略等しいことを特徴とする請求項１２または１３に記載の撮像装置の駆動方法。
前記第１の画素から前記出力線に信号を読み出す期間は、前記第１の画素の前記増幅トランジスタの方が、前記第２の画素の前記増幅トランジスタよりも多く電流が流れる期間であり、
前記第２の画素から前記出力線に信号を読み出す期間は、前記第２の画素の前記増幅トランジスタの方が、前記第１の画素の前記増幅トランジスタよりも多く電流が流れる期間であることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の撮像装置の駆動方法。
前記第１の画素から前記出力線に信号を読み出す期間の終了から、前記第２の画素から前記出力線に信号を読み出す期間の開始までの間に、他のすべての画素の前記増幅トランジスタに流れる電流が、前記第１の画素から前記出力線に信号を読み出す期間における前記第１の画素の前記増幅トランジスタと、前記第２の画素から前記出力線に信号を読み出す期間における前記第２の画素の前記増幅トランジスタの両方よりも少ないことを特徴とする請求項１５に記載の撮像装置の駆動方法。
複数行に配された複数の画素と、出力線とを有し、
前記複数の画素の各々は、光電変換部と、浮遊拡散部と、前記光電変換部の電荷を前記浮遊拡散部に転送する転送トランジスタと、前記浮遊拡散部の電位に基づく信号を前記出力線に出力する増幅トランジスタと、前記浮遊拡散部に接続され、前記浮遊拡散部のリセットを制御するリセットトランジスタを有し、
さらに、前記出力線を介して、前記増幅トランジスタに電流を流す電流源を有する撮像装置の駆動方法であって、
前記複数行の画素のうちの第１の行に配された第１の画素の前記増幅トランジスタに流れる電流量が相対的に少ない期間において第１の動作を行い、
前記複数の画素のうちの第１の画素の前記増幅トランジスタに流れる電流量が相対的に多い期間において第２の動作を行い、
前記第１の動作は、前記第１の画素の前記光電変換部による前記電荷の蓄積が開始されたタイミングから、前記第１の画素に先立って信号が読み出される前記第１の行とは別の行に配された画素からの前記出力線への信号の読み出しを開始するタイミングまでの第１の期間に渡って前記第１の画素の前記リセットトランジスタをオンの状態とした後、前記第１の画素の前記リセットトランジスタをオフの状態とする動作であり、
前記第２の動作は、前記リセットトランジスタを第２の期間に渡ってオンの状態とする動作であり、
前記第１の期間が前記第２の期間よりも長いことを特徴とする撮像装置の駆動方法。
複数行に配された複数の画素と、出力線と、制御部とを有し、
前記複数の画素の各々は、光電変換部と、浮遊拡散部と、前記光電変換部の電荷を前記浮遊拡散部に転送する転送トランジスタと、前記浮遊拡散部の電位に基づく信号を前記出力線に出力する増幅トランジスタと、前記浮遊拡散部に接続されたリセットトランジスタとを有し、前記リセットトランジスタが、前記浮遊拡散部のリセットを制御するリセットトランジスタである撮像装置であって、
前記制御部は、
前記複数行の画素のうちの第１の行に配された第１の画素から前記出力線に信号を読み出す前に第１の制御を行い、
前記第１の画素から前記出力線に信号を読み出す期間に第２の制御を行い、
前記第１の制御は、前記第１の画素の前記光電変換部による前記電荷の蓄積が開始されたタイミングから、前記第１の画素に先立って信号が読み出される前記第１の行とは別の行に配された画素からの前記出力線への信号の読み出しを開始するタイミングまでの第１の期間に渡って前記第１の画素の前記リセットトランジスタをオンの状態とした後、前記第１の画素の前記リセットトランジスタをオフの状態にする制御であり、
前記第２の制御は、前記リセットトランジスタを第２の期間に渡ってオンの状態にする制御であり、
前記第１の期間が前記第２の期間よりも長いことを特徴とする撮像装置。
請求項１８に記載の撮像装置と、
前記撮像装置が出力する信号を用いて画像を生成する信号処理部とを有することを特徴とする撮像システム。