JPH0730820A - 固体撮像装置 - Google Patents
固体撮像装置Info
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Abstract
となく、ダークレベルの検出を可能にした固体撮像装置
を提供する。 【構成】 CCD固体撮像素子の信号処理系において、
電荷転送部の空送り部の信号及びセンサ部のOPB(オ
プティカルブラック)部の信号をそれぞれ一画素相当分
だけクランプするクランプパルスφCLP1,φCLP
2を生成するとともに、クランプパルスφCLP1を空
送り部の信号のうちの最初の一画素相当分の信号のクラ
ンプタイミングに、クランプパルスφCLP2をOPB
部の信号のうちの2画素目以降の信号のクランプタイミ
ングにそれぞれ設定する一方、後段のA/Dコンバータ
のA/Dタイミングを空送り部の最初の一画素相当分の
信号をクランプしないタイミングに設定する。
Description
センサと称される固体撮像素子を用いた固体撮像装置に
関し、特に固体撮像素子の出力信号を基準電位にクラン
プするクランプ回路を具備した固体撮像装置に関する。
如きリニアセンサを用いた固体撮像装置において、セン
サ列21から読み出された信号電荷を転送するCCDシ
フトレジスタ(電荷転送部)23での光透過に伴うオフ
セット分を補正したり、ダーク成分をキャンセルするた
めに、後段の信号処理部25(図3に、その具体的な回
路構成例を示す)にて、黒レベルをクランプ或いはサン
プルホールドして差動をとることが行われる。この黒レ
ベルは、センサ列21におけるオプティカルブラック
(OPB)と称される遮光部(OPB部)21aの画素
信号の信号レベルである。
像装置における各部の信号のタイミングチャートを示
す。このタイミングチャートにおいて、φROGはセン
サ列21から信号電荷を読み出すためのシフトゲート2
2に印加される読出しゲートパルス、φH1,φH2は
CCDシフトレジスタ23の転送クロック、φRSは電
荷検出部24をリセットするリセットパルス、φSHは
信号処理部25におけるサンプルホールド回路31のサ
ンプルホールドパルス、Vaはサンプルホールド回路3
1のサンプルホールド出力、φCLPはクランプ回路3
2のクランプパルス、Voutはクランプ回路32のク
ランプ出力である信号出力である。
的に処理するには、信号処理部25の後段にA/Dコン
バータ26を接続し、このA/Dコンバータ26にてク
ランプ回路32のクランプ出力をディジタル化すること
になる。この場合、クランプ回路32のクランプレベル
をA/Dコンバータ26の基準電位Vrefに設定する
ことにより、A/Dコンバータ26の入力D(ダイナミ
ック)レンジを広く使えることになる。ここで、A/D
コンバータ26の基準電位Vrefは、入力Dレンジ内
の最大レベルに設定されるのが一般的である。
固体撮像装置におけるクランプ回路32では、図5のタ
イミングチャートから明らかなように、1ライン周期で
発せられるクランプパルスφCLPにより、センサ列2
1のOPB部21aの画素信号のみをA/Dコンバータ
26の基準電位Vrefにクランプしていた。このと
き、CCDシフトレジスタ23での光透過やダーク成分
が大なる場合には、CCDシフトレジスタ23の空送り
部23aの信号レベルがOPB部21aの画素信号の信
号レベルよりもダーク等の分だけ高くなる。
aの画素信号をA/Dコンバータ26の基準電位Vre
fにクランプすることによって得られる信号出力Vou
tをそのままA/Dコンバータ26に入力すると、A/
Dコンバータ26にはDレンジ内の最大レベルに設定さ
れた基準電位Vrefよりも高い信号電圧が入力される
ことになる。その結果、A/Dコンバータ26が誤動作
したり、A/D変換後のデータが破壊されたり、或いは
最悪の場合にはA/Dコンバータ26そのものが破壊さ
れるという問題があった。
部23aの信号をA/Dコンバータ26の基準電位Vr
efにクランプすることも考えられるが、この場合に
は、信号に使えるDレンジ(A/Dコンバータ26のD
レンジ)がダーク分だけ狭くなり、さらには温度変化等
でダーク分が変化すると、撮像画素信号もダーク分だけ
レベルシフトするため、ダーク分の引き算を行う等の信
号処理が必要になり、その分回路構成が複雑になってし
まう。本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであ
り、その目的とするところは、A/Dコンバータに対し
て悪影響を及ぼすことなく、ダークレベルの検出を可能
にした固体撮像装置を提供することにある。
に、本発明による固体撮像装置においては、少なくとも
1列分のセンサ列からなりかつ複数画素分が遮光された
センサ部、このセンサ部から画素単位で読み出された信
号電荷を転送する電荷転送部及びこの電荷転送部によっ
て転送された信号電荷を検出しかつ電気信号に変換して
出力する電荷検出部を有する固体撮像素子と、この固体
撮像素子の出力信号を基準電位にクランプするクランプ
回路と、センサ部から信号電荷を読み出すための読出し
ゲートパルス、電荷転送部を駆動するための転送クロッ
ク及びクランプ回路のクランプパルスを発生するタイミ
ングジェネレータと、クランプ回路を経た固体撮像素子
の出力信号をディジタル信号に変換するA/Dコンバー
タとを具備し、タイミングジェネレータが、固体撮像素
子の出力信号中の遮光画素部分の信号及び電荷転送部の
空送り部の信号をそれぞれ少なくとも一画素相当分だけ
クランプするためのクランプパルスを発生する構成とな
っている。
装置において、クランプ回路のクランプパルスが、セン
サ出力信号中のセンサ部のOPB部の信号と電荷転送部
の空送り部の信号とをそれぞれ少なくとも一画素相当分
だけクランプするタイミングで生成されることで、クラ
ンプ回路では、OPB部の信号のみならず、電荷転送部
の空送り部の信号もクランプされる。これにより、クラ
ンプ回路のクランプレベルを後段のA/Dコンバータの
基準電位Vrefに設定した場合であっても、A/Dコ
ンバータにはその基準電位Vrefよりも高い信号電圧
が空送り期間に亘って入力されることはない。したがっ
て、A/Dコンバータがその基準電位Vrefよりも高
い信号電圧が長期間に亘って入力されることによって誤
動作したり、A/D変換後のデータが破壊されたり、或
いはA/Dコンバータそのものが破壊されたりすること
はない。
に説明する。図2は、本発明が適用される例えばリニア
センサを用いた固体撮像装置の一例を示す構成図であ
る。図2において、入射光を光電変換して信号電荷を蓄
えるフォトセンサPSが一列に複数個配列されてセンサ
列(センサ部)21を構成している。このセンサ列21
の両端部には、複数画素分が遮光されたOPB部(図に
編み目で示す部分)21aが設けられている。センサ列
21に画素単位で蓄えられた信号電荷は、シフトゲート
22を介してCCDシフトレジスタ(電荷転送部)23
に読み出される。
トレジスタ23によって水平方向に順次転送されて電荷
検出部24に供給される。なお、CCDシフトレジスタ
23には、図2から明らかなように、センサ列21の各
画素に対応した転送領域の他に、信号電荷を単に空送り
するための空送り部23aが電荷検出部24との間に設
けられている。電荷検出部24は、例えばフローティン
グ・ディフュージョン(FD)によって構成され、CC
Dシフトレジスタ23によって転送されてきた信号電荷
を検出し、これを信号電圧に変換して後段の信号処理部
25に供給する。
を図3に示す。この信号処理部25は、電荷検出部24
からバッファ33を介して供給される信号電圧をサンプ
ルホールドするサンプルホールド回路31と、このサン
プルホールド回路31からバッファ34及び交流結合コ
ンデンサCを介して供給されるサンプルホールド出力を
クランプし、このクランプレベルをバッファ35を介し
てA/Dコンバータ26に供給するクランプ回路32と
を有し、CCDチップと同一基板上に作られている。ク
ランプ回路32のクランプレベルは、A/Dコンバータ
26の基準レベルVrefに設定されている。なお、本
例では、クランプ回路32をサンプルホールド回路31
の後段に配置してサンプルホールド出力をクランプする
回路構成となっているが、クランプ回路32をサンプル
ホールド回路31の前段に配置して電荷検出部24の検
出出力を直接クランプする回路構成であっても良い。
のタイミング信号を発生するタイミングジェネレータ2
7が作られている。このタイミングジェネレータ27
は、センサ列21からCCDシフトレジスタ23に信号
電荷を読み出すためのシフトゲート22に印加する読出
しゲートパルスφROG、CCDシフトレジスタ23を
2相駆動する転送クロックφH1,φH2、電荷検出部
24のFDをリセットするリセットパルスφRS、信号
処理部25におけるサンプルホールド回路31のサンプ
ルホールドパルスφSH、クランプ回路32のクランプ
パルスφCLPを、外部から入力されるマスタークロッ
クφclk及び読出しゲートパルスφrogに基づいて
生成する。
て、本発明では、クランプパルスφCLPの生成タイミ
ングを特徴としている。以下、本発明の特徴部分につ
き、本発明の動作説明のための図1のタイミングチャー
トに基づいて説明する。なお、図1のタイミングチャー
トは、一例として、読出しパルスφROGの立下がり時
点から考えると、空送り部23aが3画素相当分、OP
B部21aが4画素、撮像画素が例えば2048画素、
OPB部21aが2画素、空送り部23aが3画素相当
分の画素シーケンスの場合を示している。また、このタ
イミングチャートには、上記の各種タイミング信号(φ
ROG,φH1,φH2,φRS,φSH,φCLP)
に加え、サンプルホールド回路31のサンプルホールド
出力Va、クランプ回路32のクランプ出力である信号
出力Vout及びA/Dコンバータ26のA/Dタイミ
ングパルスがそれぞれ示されている。
7において、リニアセンサの出力信号のうち、センサ列
21のOPB部21aの信号と、CCDシフトレジスタ
23の空送り部23aの信号とをそれぞれ一画素相当分
だけクランプするためのクランプパルスφCLPが生成
される。特に、CCDシフトレジスタ23の空送り部2
3aの信号をクランプするためのクランプパルスφCL
P1は、空送り部23aの信号のうちの最初の一画素相
当分の信号をクランプするタイミングで生成される。一
方、センサ列21のOPB部21aの信号をクランプす
るためのクランプパルスφCLP2は、OPB部21a
の信号のうちの2画素目以降の信号をクランプするタイ
ミングで生成される。
路32では、クランプパルスφCLP1に応答して空送
り部23aの最初の一画素相当分のサンプルホールド出
力VaがクランプレベルVrefにクランプされ、さら
にクランプパルスφCLP2に応答してOPB部21a
の2画素目以降のサンプルホールド出力Vaがクランプ
レベルVrefにクランプされる。このように、OPB
部21aのサンプルホールド出力Vaのみならず、空送
り部23aのサンプルホールド出力Vaをもクランプレ
ベルVrefにクランプすることにより、A/Dコンバ
ータ26にその基準電位Vrefよりも高い信号電圧が
空送り部23aの最初の一画素相当の短い期間でしか入
力されなくなる。
/Dタイミングパルスはマスタークロックφclkに基
づいて生成されるが、その生成タイミングが空送り部2
3aの最初の一画素相当分のサンプルホールド出力Va
をクランプしないタイミングに設定されている。これに
より、空送り部23aの最初の一画素相当期間では、A
/Dコンバータ26にその基準電位Vrefよりも高い
信号電圧が入力されるものの、その高い信号電圧に対し
てはサンプリングが行われないことになる。
6にはその基準電圧Vrefよりも高い信号電圧が全く
入力されないことになるため、A/Dコンバータ26が
誤動作したり、A/D変換後のデータが破壊されたり、
或いはA/Dコンバータ26そのものが破壊されるのを
未然に防止できる。また、クランプパルスφCLP2に
応答してOPB部21aの2画素目以降のサンプルホー
ルド出力Vaをクランプするようにしたことにより、O
PB部21aの1画素目のサンプルホールド出力Vaに
基づいてダーク等のレベルを検出することができる。
子としてリニアセンサを用いた固体撮像装置に適用した
場合について説明したが、図4に示す如きエリアセンサ
を用いた固体撮像装置にも適用し得る。図4において、
マトリクス状に2次元配列された多数のフォトセンサP
Sと、これらフォトセンサPSの垂直列毎に配されかつ
読出しゲート41を介して読み出された信号電荷を垂直
方向に転送する垂直CCDシフトレジスタ42とによっ
て撮像部43が構成されている。この撮像部43におい
て、その両端部には複数列分の画素が遮光されたOPB
部(図に編み目で示す部分)43aが設けられている。
れた信号電荷は、1走査線に相当する部分ずつ順にシフ
トゲート44を介して水平CCDシフトレジスタ45へ
転送される。この1走査線分の信号電荷は、水平CCD
シフトレジスタ45によって水平方向に順次転送されて
電荷検出部46に供給される。なお、水平CCDシフト
レジスタ45には、図4から明らかなように、撮像部4
3の各画素に対応した転送領域の他に、信号電荷を単に
空送りするための空送り部45aが電荷検出部46との
間に設けられている。
・ディフュージョンによって構成され、CCDシフトレ
ジスタ23によって転送されてきた信号電荷を検出し、
これを信号電圧に変換して後段の信号処理部47に供給
する。信号処理部47としては、図3と同じ回路構成の
ものが用いられる。この信号処理部47はCCDチップ
と同一基板上に作られている。同様に、各種のタイミン
グを発生するタイミングジェネレータ48もCCDチッ
プと同一基板上に作られている。
述したリセットパルスφRS、サンプルホールドパルス
φSH、クランプパルスφCLPに加え、フォトセンサ
PSから垂直CCDシフトレジスタ42に信号電荷を読
み出すための読出しゲート41に印加する読出しゲート
パルスφROG1、垂直CCDシフトレジスタ42を4
相駆動する垂直転送クロックφV1〜φV4、垂直CC
Dシフトレジスタ42から水平CCDシフトレジスタ4
5に信号電荷を読み出すためのシフトゲート44に印加
する読出しゲートパルスφROG2、水平CCDシフト
レジスタ45を2相駆動する水平転送クロックφH1,
φH2が生成される。
装置でも、水平CCDシフトレジスタ45、電荷検出部
46及び信号処理部47における動作は、先述したリニ
アセンサを用いた固体撮像装置でのCCDシフトレジス
タ23、電荷検出部24及び信号処理部25における動
作と同じである。よって、タイミングジェネレータ48
において、クランプパルスφCLPとして、エリアセン
サの出力信号のうち、撮像部43のOPB部43aの信
号と、水平CCDシフトレジスタ45の空送り部45a
の信号とをそれぞれ一画素相当分だけクランプするため
のクランプパルスを生成することで、上記実施例の場合
と同様の効果を得ることができる。
32(図3を参照)において、撮像部43のOPB部4
3aの信号のみならず、水平CCDシフトレジスタ45
の空送り部45aの信号をも、信号処理部47の後段に
接続されるA/Dコンバータ(図示せず)の基準電位V
refにクランプする一方、A/DコンバータのA/D
タイミングを空送り部45aの最初の一画素相当分の信
号をクランプしないタイミングに設定することにより、
空送り部45aの最初の一画素相当期間では、A/Dコ
ンバータ26にその基準電位Vrefよりも高い信号電
圧が入力されるものの、その高い信号電圧に対してはサ
ンプリングが行われないので、A/Dコンバータの誤動
作、A/D変換後のデータの破壊、或いはA/Dコンバ
ータそのものの破壊などを未然に防止できる。
リニアセンサやエリアセンサを用いた固体撮像装置にお
いて、信号処理系のクランプ回路のクランプパルスを、
センサ出力信号中のOPB部の信号と電荷転送部の空送
り部の信号とをそれぞれ少なくとも一画素相当分だけク
ランプするタイミングで生成し、OPB部の信号のみな
らず、電荷転送部の空送り部の信号をもクランプするよ
うにしたことにより、クランプ回路のクランプレベルを
後段のA/Dコンバータの基準電位Vrefに設定した
場合であっても、A/Dコンバータにはその基準電位V
refよりも高い信号電圧が空送り全期間に亘って入力
されることはないので、A/Dコンバータの誤動作、A
/D変換後のデータの破壊、或いはA/Dコンバータそ
のものの破壊を未然に防止できることになる。
素相当分の信号をクランプするようにしたことにより、
A/Dコンバータにその基準電位Vrefよりも高い信
号電圧が入力されるのを、空送り期間のうちの最小単位
期間だけで抑えることができることになる。さらに、A
/DコンバータのA/Dタイミングを、空送り部の信号
中の最初の一画素相当分の信号をクランプしないタイミ
ングに設定するようにしたことにより、空送り期間のう
ち最小単位期間だけ入力される信号電圧がサンプリング
されることはないため、等価的に、A/Dコンバータに
は基準電位Vrefよりも高い信号電圧が全く入力され
ないことになり、上記の効果はより確実なものとなる。
またさらに、OPB部の2画素目以降の信号をクランプ
するようにしたことにより、OPB部の1画素目の信号
レベルに基づいてダーク等のレベルを検出することがで
きることにもなる。
ングチャートである。
撮像装置の一例を示す構成図である。
である。
撮像装置の一例を示す構成図である。
る。
Claims (4)
- 【請求項1】 少なくとも1列分のセンサ列からなりか
つ複数画素分が遮光されたセンサ部、このセンサ部から
画素単位で読み出された信号電荷を転送する電荷転送部
及びこの電荷転送部によって転送された信号電荷を検出
しかつ電気信号に変換して出力する電荷検出部を有する
固体撮像素子と、 前記固体撮像素子の出力信号を基準電位にクランプする
クランプ回路と、 前記センサ部から信号電荷を読み出すための読出しゲー
トパルス、前記電荷転送部を駆動するための転送クロッ
ク及び前記クランプ回路のクランプパルスを発生するタ
イミングジェネレータと、 前記クランプ回路を経た前記固体撮像素子の出力信号を
ディジタル信号に変換するA/Dコンバータとを具備
し、 前記タイミングジェネレータは、前記固体撮像素子の出
力信号中の遮光画素部分の信号及び前記電荷転送部の空
送り部の信号をそれぞれ少なくとも一画素相当分だけク
ランプするためのクランプパルスを発生することを特徴
とする固体撮像装置。 - 【請求項2】 前記タイミングジェネレータは、前記空
送り部の信号のうちの最初の一画素相当分の信号をクラ
ンプするタイミングでクランプパルスを発生することを
特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 - 【請求項3】 前記A/DコンバータのA/Dタイミン
グは、前記空送り部の信号をクランプするクランプパル
ス発生以前の前記空送り部の信号をサンプリングしない
タイミングに設定されていることを特徴とする請求項1
又は2記載の固体撮像装置。 - 【請求項4】 前記タイミングジェネレータは、前記遮
光画素部分の信号のうちの2画素目以降の信号をクラン
プするタイミングでクランプパルスを発生することを特
徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
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JP19431693A JP3241882B2 (ja) | 1993-07-08 | 1993-07-08 | 固体撮像装置 |
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Country | Link |
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