JPWO2011093225A1 - 固体撮像装置、及び固体撮像装置の画素アレイから信号を読み出す方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、画素アレイからの漏れ光や拡散電子の影響を受けることなくカラム固定パターンノイズを低減可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。固体撮像装置では、カラム信号処理部のカラム信号処理回路は、画素からの画素信号及び参照回路からの疑似信号からそれぞれ撮像信号及び参照信号を生成する。画素信号及び疑似信号は、当該カラム信号処理回路に係るカラム固定パターンノイズを含む。信号処理部が、参照信号を用いて撮像信号に差分処理を行うので、当該カラム固定パターンノイズが読出信号において低減される。疑似信号源は光電変換素子を含まないので、カラム固定パターンノイズの低減の処理は画素アレイからの漏れ光や拡散電子の影響を受けない。

Description

本発明は、固体撮像装置、及び固体撮像装置の画素アレイから信号を読み出す方法に関する。

特許文献１には、ＣＭＯＳイメージセンサが記載されている。ＣＭＯＳイメージセンサでは、撮像部は有効画素部と無効画素部を有する。有効画素部及び無効画素部は同一の画素回路を含む。無効画素部の一部に、固定パターン雑音補正用のオプティカルブラック部が設けられる。オプティカルブラック部から得られる各画素の信号量を測定すると共に、有効画素部の信号量からオプティカルブラック部の画素の信号量を引き算する。この引き算として、所定の平均化処理によってオプティカルブラック部の画素平均信号量を平均値として求め、この平均値を有効画素部の各画素の信号量から引き算する。

特開２００８−２３６７８７号公報

特許文献１に記載されたＣＭＯＳイメージセンサでは、撮像データを生成する有効画素部の周りにオプティカルブラック部を設けている。オプティカルブラック部は、遮光された光電変換素子、転送ゲート及び浮遊拡散部を含む、あるいは転送ゲート及び浮遊拡散部を含む画素である。オプティカルブラック部の画素から得られた信号と有効画素部の画素から得られた信号との差を生成して固定パターンノイズをキャンセルしている。

しかしながら、このＣＭＯＳイメージセンサといった固体撮像装置では以下の問題が生じる。無効画素内の画素は、遮光のための遮光膜で覆われた光電変換素子、転送ゲート及び浮遊拡散部を含む。撮像装置に光が入射したとき、その光は、無効画素のオプティカルブラック部における光電変換素子には直接に入射しないが、有効画素における光電変換素子には直接に入射する。発明者らの知見によれば、オプティカルブラック部は、有効画素部からの光の漏れやＣＭＯＳイメージセンサの基板を介したキャリア拡散による影響を受ける。上記のように、漏れ光や拡散電子の影響を受けた無効画素は、その基準レベルが入射光によって変化することにより、正しいオプティカルブラックの役割を果たすことができない。これ故に、オプティカルブラックを用いて安定した固定パターンノイズ除去はできない。こうした無効画素への漏れの影響は画素サイズが小さくなるほど顕著になり、特に微細化された画素を用いたイメージセンサでは深刻な問題となってくる。

一方、固定パターンノイズには、概略的には、以下のような２種類にカテゴリ分けできる。その一つは、画素内の画素回路に起因する固定パターンノイズ（以下、「画素固定パターンノイズ」として参照する）であり、もう一つは、カラム回路に起因する固定パターンノイズ（以下、「カラム固定パターンノイズ」として参照する）である。画素固定パターンノイズは、画素の光電変換素子の暗電流、画素回路のトランジスタの閾値ばらつき等に起因するものである。カラム固定パターンノイズは、画素アレイのカラムに配列されたカラム回路に起因するものである。個々のカラム回路からの撮像信号は、該撮像信号に対応する画素信号の読み出しに使われたカラム回路の特性を反映している。画素アレイのカラムに配列されたカラム回路は、カラム回路内の電子素子、例えばキャパシタ、トランジスタ、増幅器等のばらつきに起因してカラム回路毎に異なる特性を有する。これ故に、あるカラム回路からの信号は、そのカラム回路に固有のノイズを持っている。例えばばらつきの無い画素アレイに光が入射していない暗のとき、カラム回路毎に読み出し信号間に現れる差異が、カラム固定パターンノイズに起因している。

本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、画素アレイからの漏れ光や拡散電子の影響を受けることなくカラム固定パターンノイズを低減可能な固体撮像装置を提供することを目的とし、またカラム固定パターンノイズを低減可能な、固体撮像装置の画素アレイから信号を読み出す方法を提供することを目的とする。

本発明の一側面は、固体撮像装置に係る。この固体撮像装置は、（ａ）光電変換素子と該光電変換素子からの信号を提供する画素回路とを有する画素を含む画素アレイと、（ｂ）カラム固定パターンノイズを低減するための疑似信号源を含む一又は複数の参照回路を有し前記画素アレイの外側に配置された参照信号生成部と、（ｃ）前記画素アレイからの画素信号及び前記参照信号生成部からの疑似信号からそれぞれ撮像信号及び参照信号を生成するカラム信号処理回路を含むカラム信号処理部と、（ｄ）前記撮像信号及び前記参照信号を受けると共に、読出信号を生成する信号処理部とを備える。前記画素アレイは複数のカラム配列を含み、前記カラム信号処理部は、一フレーム当たり前記疑似信号のｋ回（１≦ｋ）の読み出しを行い、前記参照回路の前記疑似信号源は光電変換素子及び浮遊拡散部を含まず、前記信号処理部の前記読出信号は、前記カラム信号処理回路に係るカラム固定パターンノイズを低減する演算処理を前記参照信号を用いて前記撮像信号に行うことによって生成される。

この固体撮像装置によれば、カラム信号処理回路は画素信号及び疑似信号からそれぞれ撮像信号及び参照信号を生成する。これ故に、撮像信号及び参照信号には、当該カラム信号処理回路に係るカラム固定パターンノイズが含まれる。信号処理部が、参照信号を用いて撮像信号に上記の演算処理を行うので、当該カラム信号処理回路に係るカラム固定パターンノイズが読出信号において低減される。疑似信号源は光電変換素子及び浮遊拡散部を含まないので、カラム固定パターンノイズの低減の処理は、画素アレイからの漏れ光や拡散電子の影響を受けない。

本発明の別の側面は、カラム信号処理回路及び参照回路を含む固体撮像装置の画素アレイから信号を読み出す方法に係る。この方法は、（ａ）画素アレイ内の画素からの画素信号の読み出しを前記カラム信号処理回路を用いて行って、撮像信号を生成するステップと、（ｂ）前記画素アレイ外の前記参照回路からの、カラム固定パターンノイズを低減するための疑似信号の読み出しを前記カラム信号処理回路を用いて行って、参照信号を生成するステップと、（ｃ）前記カラム信号処理回路に係るカラム固定パターンノイズを低減する演算処理を前記参照信号を用いて前記撮像信号に行って、読出信号を生成するステップとを備える。前記画素は、光電変換素子と該光電変換素子からの信号を提供する画素回路とを有し、前記参照回路は、前記疑似信号を生成する疑似信号源を含み、前記疑似信号源は光電変換素子及び浮遊拡散部を含まず、前記カラム信号処理回路は、相関二重サンプリング、Ａ／Ｄ変換、増幅及びサンプル・ホールド動作の少なくともいずれか一つの処理を前記画素信号及び前記疑似信号に対して行う。

この方法によれば、同一のカラム信号処理回路を用いて画素信号及び疑似信号からそれぞれ撮像信号及び参照信号を生成する。これ故に、撮像信号及び参照信号には、当該カラム信号処理回路に係るカラム固定パターンノイズが含まれる。参照信号を用いて撮像信号に上記の演算処理を行うので、当該カラム信号処理回路に係るカラム固定パターンノイズが読出信号において低減される。疑似信号源は光電変換素子及び浮遊拡散部を含まないので、カラム固定パターンノイズの低減処理は、画素アレイからの漏れ光や拡散電子の影響を受けない。

本発明の上記側面に係る固体撮像装置及び方法では、各カラム配列内の前記画素はカラム線に接続される。前記参照回路は、前記カラム線に前記疑似信号を提供するためのスイッチを含むことができる。前記画素の前記画素回路は、当該画素の前記光電変換素子からの信号を前記カラム線に提供するための制御機構を含むことができる。

上記の側面によれば、参照回路はスイッチを介して疑似信号をカラム線に提供する。また、画素回路は制御機構を介して画素信号をカラム線に提供する。これ故に、参照回路は、カラム固定パターンノイズを低減するために好適な疑似信号を生成できる。

本発明の上記側面に係る固体撮像装置及び方法では、前記カラム信号処理部は、前記カラム信号処理回路の配列を含み、前記カラム信号処理回路の各々は、前記カラム配列にそれぞれ接続され、前記参照信号生成部は、前記参照回路の配列を含み、前記参照回路の各々は前記カラム信号処理回路にそれぞれ接続されており、前記信号処理部は前記演算処理を行う演算回路を含み、前記信号処理部は前記カラム信号処理回路毎に前記演算処理として前記参照信号と前記撮像信号との差分を生成する処理を行い、前記読出信号は、前記演算回路を用いて生成されることができる。

上記の側面によれば、カラム信号処理回路の各々はカラム配列にそれぞれ電気的に接続されると共に、参照回路の各々はカラム信号処理回路にそれぞれ電気的に接続される。カラム配列毎に、カラム信号処理回路及び参照回路が設けられる。この形態は、カラム配列毎に読み出される撮像信号及び参照信号は、当該カラム配列のためのカラム信号処理回路に係るカラム固定パターンノイズを含む。信号処理部は、カラム配列毎に、参照信号を用いて撮像信号に上記の演算処理を行うことができる。

本発明の上記側面に係る固体撮像装置及び方法では、前記参照信号生成部は、前記カラム信号処理回路に接続された追加の参照回路を含むことができる。前記参照信号生成部は、前記参照回路及び前記追加の参照回路から前記疑似信号の読み出しを行うことができる。上記の側面によれば、参照回路及び追加の参照回路からの疑似信号を組み合わせて参照信号を生成することが良い。また、参照回路の位置は追加の参照回路の位置と異なるので、これらの参照回路のばらつきを平均化できる。参照回路からの疑似信号の読み出しは追加の参照回路からの疑似信号の読み出しと異なる時刻に行われるので、ランダムノイズの低減に役だつ。

本発明の上記側面に係る固体撮像装置及び方法では、前記カラム信号処理部は相関二重サンプリング（ＣＤＳ）回路を含むことができる。前記相関二重サンプリング回路は、前記画素信号を読み出し、前記画素信号は、ノイズ成分を含む第１の信号レベルと該ノイズ成分に重畳した信号成分を含む第２の信号レベルとを含み、前記撮像信号は前記第１の信号及び前記第２の信号との差分を示す。

上記の側面によれば、ＣＤＳ回路に起因するカラム固定パターンノイズを低減できる。ＣＤＳ回路により、画素回路におけるリセットノイズ、及びトランジスタの閾値ばらつきを除去できる。

本発明の上記側面に係る固体撮像装置及び方法では、前記カラム信号処理部は、前記相関二重サンプリング回路からの出力信号を受けるＡ／Ｄ変換回路を含むことができる。

上記の側面によれば、Ａ／Ｄ変換回路に起因するカラム固定パターンノイズを低減できる。Ａ／Ｄ変換回路はデジタル形式の参照信号及び撮像信号を提供する。

本発明の上記側面に係る固体撮像装置及び方法では、前記Ａ／Ｄ変換回路におけるＡ／Ｄ変換の方式は、例えば、積分型変換、巡回型変換、逐次比較型変換およびそれらを組み合せた変換方式の少なくともいずれかであることができる。上記の側面によれば、固体撮像装置に上記の変換方式を適用できる。

本発明の上記側面に係る固体撮像装置及び方法では、前記カラム信号処理回路は、第１及び第２のキャパシタ、演算増幅回路、並びに前記第１のキャパシタ、前記第２のキャパシタ及び前記演算増幅回路の接続を変更するためのスイッチ回路を含むことができる。前記スイッチ回路は、前記第１及び第２のキャパシタ並びに前記演算増幅回路に相関二重サンプリングを可能にする第１の接続と、前記第１及び第２のキャパシタ並びに前記演算増幅回路に巡回型Ａ／Ｄ変換を可能にする第２の接続とを提供することができる。前記カラム信号処理回路は、前記第１の接続により前記相関二重サンプリングを行うと共に、前記第２の接続により前記巡回型Ａ／Ｄ変換を行うことができる。

上記の側面によれば、演算増幅回路、第１のキャパシタ、第２のキャパシタ及びスイッチ回路に起因するカラム固定パターンノイズを低減できる。

本発明の上記側面に係る固体撮像装置及び方法では、前記画素アレイ、前記参照信号生成部及び前記カラム信号処理部は、単一の半導体チップに集積されることができる。上記の側面によれば、信号処理部は半導体チップの外部に設けられている。単一の半導体チップに集積することによる限定なく、信号処理部を様々な形態で提供できる。

或いは、本発明の上記側面に係る固体撮像装置及び方法では、前記画素アレイ、前記参照信号生成部、前記カラム信号処理部及び信号処理部は、単一の半導体チップに集積されることができる。上記の側面によれば、カラム固定パターンノイズが低減された読出信号が固体撮像装置のための集積回路から提供される。

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。

以上説明したように、本発明によれば、画素アレイからの漏れ光や拡散電子の影響を受けることなくカラム固定パターンノイズを低減可能な固体撮像装置が提供される。また、本発明によれば、固体撮像装置の画素アレイから信号を読み出す方法が提供され、この方法によれば、カラム固定パターンノイズを低減可能となる。

図１は、２次元イメージセンサといった固体撮像装置のブロック構成を示す図面である。 図２は、参照電圧生成部の参照回路の構成を示す図面である。 図３は、参照回路の配列を示す図面である。 図４は、本実施の形態に係る固体撮像装置のためのカラム信号処理回路の一例を示す図面である。 図５は、本実施の形態に係る固体撮像装置のためのカラム信号処理回路の別の例を示す図面である。 図６は、本実施の形態に係る固体撮像装置のためのカラム信号処理回路の更なる別の例を示す図面である。 図７は、固体撮像装置及びその読み出し方法のための一例を示す図面である。 図８は、固体撮像装置及びその読み出し方法のための別の例を示す図面である。 図９は、信号処理部の回路構成の例を示す図面である。 図１０は、固体撮像装置及びその読み出し方法のための更なる別の例を示す図面である。 図１１は、信号処理部の回路構成の例を示す図面である。 図１２は、固体撮像装置及びその読み出し方法のための更なる別の例を示す図面である。 図１３は、信号処理部の回路構成の例を示す図面である。 図１４は、ＩＩＲフィルタ特性の一例を示す図面である。 図１５は、固体撮像装置の画素アレイから信号を読み出す方法における主要なステップを示す図面である。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の固体撮像装置、及び画素アレイから信号を読み出す方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

引き続き、画素に増幅回路を用いる増幅型固体撮像装置、およびその固定パターンノイズ除去方法を説明する。増幅型固体撮像装置は、増幅機能を持つ画素とその画素の周辺に配置された走査回路とを有し、その走査回路により画素から画素データを読み出す。増幅型固体撮像装置の一例は、画素を周辺の駆動回路および信号処理回路との集積化に有利なＣＭＯＳ(コンプリメンタリ・メタル・オキサイド・セミコンダクタ)により構成されたＡＰＳ(Active Pixel Sensor)型イメージセンサである。ＡＰＳ型イメージセンサにおける画素の一例は、高画質が得られる４トランジスタ型画素である。トランジスタは例えばＭＩＳ型、ＭＯＳ型であることができる。また、本実施形態に係る固体撮像装置はカメラ装置機器に適用可能である。カメラ装置機器は本実施形態に係る固体撮像装置を含む。

図１は、２次元イメージセンサといった固体撮像装置のブロック構成を示す図面である。固体撮像装置１は、画素アレイ３、カラム信号処理部５、参照信号生成部７、及び信号処理部９を含む。固体撮像装置１では、画素１１はマトリクス状に配置されて画素アレイ３を構成している。画素１１はカラム信号線Ｃに接続されており、これらの画素はカラム配列を構成する。行デコーダ回路１３ａにより各画素の行から特定の行が選択される。行駆動回路１４ａは、駆動線１２へ駆動信号を提供する。駆動線１２は、転送トランジスタ駆動線、リセットトランジスタ駆動線および行選択トランジスタ駆動線を表している。参照行選択回路１３ｂにより参照信号生成部７が選択される。行駆動回路１４ｂは、参照信号生成部への駆動線２５へ駆動信号を提供する。駆動線２５は、参照行選択トランジスタ駆動線を表す。固体撮像装置１は、当該装置１に含まれる回路の動作タイミングを制御するための制御信号、クロック信号等を生成するタイミング生成回路１０を含むことができる。

画素アレイ３は画素１１の配列を含む。各画素１１は、図１を参照すると、光電変換素子１１ａと画素回路１１ｂとを有する。光電変換素子１１ａは例えばフォトダイオードを含むことができる。光電変換素子１１ａは、受けた光Ｌを電気信号に変換する。画素回路１１ｂは、該光電変換素子１１ａからの信号Ｓ（ｐｈ）に増幅を施して画素信号Ｓ（ｐｉｘｅｌ）を提供する。画素回路１１ｂは、転送信号に応答する転送トランジスタＴＲ（ＴＦ）、リセット信号に応答するリセットトランジスタＴＲ（ＲＳ）、増幅トランジスタＴＲ（ＡＭ）、及び、行選択信号に応答するスイッチトランジスタＴＲ（ＳＷ）を含む。画素回路１１ｂは、浮遊拡散部ＦＤを含む。転送トランジスタＴＲ（ＴＦ）は、転送信号をゲートに受けており、光電変換素子１１ａと浮遊拡散部ＦＤとの間に接続されている。転送トランジスタＴＲ（ＴＦ）は、光電変換素子１１ａからの電荷を浮遊拡散部ＦＤに転送することを制御する。リセットトランジスタＴＲ（ＲＳ）は浮遊拡散部ＦＤに接続されており、浮遊拡散部ＦＤをリセットする。増幅トランジスタＴＲ（ＡＭ）は、浮遊拡散部ＦＤからの信号をゲートに受けており、電源線といった基準電位線Ｖｄｄとカラム線Ｃとの間に接続されている。スイッチトランジスタＴＲ（ＳＷ）は、増幅トランジスタＴＲ（ＡＭ）に直列に接続されており、また基準電位線Ｖｄｄとカラム線Ｃとの間に接続されている。画素回路１１ｂは、画素信号Ｓ（ｐｉｘｅｌ）をカラム線Ｃに提供する。

参照信号生成部７は、画素アレイ３とは別に配置されている。参照信号生成部７は、一又は複数の参照回路７ａを有する。図２は、参照電圧生成部の参照回路の構成を示す図面である。図２（ａ）を参照すると、参照回路７ａは、カラム固定パターンノイズを低減するための疑似信号源ＰＳＤ、及び疑似信号源ＰＳＤからの疑似信号Ｓ（ｐｓｄ）を提供するスイッチ、例えばスイッチトランジスタＴＲ（ＳＷ０）を含む。参照回路７ａの疑似信号源ＰＳＤは光電変換素子１１ａ及び浮遊拡散部ＦＤを含まず、光電変換素子１１ａと違い素子であるトランジスタから構成される。参照回路７ａは、増幅トランジスタに対応するようなトランジスタＴＲ（ＰＳＤ）を含み、トランジスタＴＲ（ＰＳＤ）のゲートは電源線Ｖｄｄといった電圧源に接続されており、トランジスタＴＲ（ＰＳＤ）は電源線Ｖｄｄといった基準電位線とカラム線Ｃとの間に接続されている。トランジスタＴＲ（ＰＳＤ）とトランジスタＴＲ（ＳＷ０）とは直列に接続されており、トランジスタＴＲ（ＰＳＤ）とトランジスタＴＲ（ＳＷ０）とが共に接続されるノードは、トランジスタＴＲ（ＰＳＤ）を介してバイアスされる。各トランジスタＴＲ（ＳＷ０）、ＴＲ（ＰＳＤ）は、それぞれ画素１１内のトランジスタＴＲ（ＳＷ）、ＴＲ（ＡＭ）と同じ構造のものを用いることができる。これら対応するトランジスタのサイズ、パターン形状や向き等のトランジスタ属性を互いに合わせておくことによって、精度のよいカラム固定パターンノイズ除去を行うことができる。カラム信号処理部５は、例えば一フレーム当たり疑似信号Ｓ（ｐｓｄ）のｋ回（１≦ｋ）の読み出しを行うことができる。

再び図１を参照すると、カラム信号処理部５は、画素アレイ３内の画素１１からの画素信号Ｓ（ｐｉｘｅｌ）及び参照信号生成部７からの疑似信号Ｓ（ｐｓｄ）を受けると共に、画素信号Ｓ（ｐｉｘｅｌ）及び疑似信号Ｓ（ｐｓｄ）からそれぞれ撮像信号Ｓ（ｉｍｇ）及び参照信号Ｓ（ｒｅｆ）を生成する。

また、カラム線Ｃ上の信号は、カラム信号処理部５へ導かれる。カラム信号処理部５は、例えば相関二重サンプリング、Ａ／Ｄ変換、増幅及びサンプル・ホールド動作の少なくともいずれか一つの処理を画素信号Ｓ（ｐｉｘｅｌ）及び疑似信号Ｓ（ｐｓｄ）に対して行う。これらの処理は、アナログ又はデジタルの信号処理であることができる。

信号処理部９は、撮像信号Ｓ（ｉｍｇ）及び参照信号Ｓ（ｒｅｆ）を受けると共に、読出信号Ｓ（ＯＵＴ）を生成する。信号処理部９の読出信号Ｓ（ＯＵＴ）は、カラム信号処理回路１５に係るカラム固定パターンノイズを低減する演算処理を参照信号Ｓ（ｒｅｆ）を用いて撮像信号Ｓ（ｉｍｇ）に行うことによって生成される。好適な実施例では、カラム信号処理部５の撮像信号Ｓ（ｉｍｇ）及び参照信号Ｓ（ｒｅｆ）は、所定のデジタル形成のデジタル信号であることができる。これらの撮像信号Ｓ（ｉｍｇ）及び参照信号Ｓ（ｒｅｆ）といったカラム毎の信号が、信号処理部９に提供される。固体撮像装置１の一例では、カラム毎の信号は、例えば、カラムデコーダ回路１６により水平信号線１７に提供され、半導体素子またはセンサブロック外部へ出力される。必要な場合には、カラム信号処理部５は、カラムデコーダ回路１６及び水平信号線１７を含むことができる。

この固体撮像装置１によれば、カラム信号処理回路１５は、画素信号Ｓ（ｐｉｘｅｌ）及び疑似信号Ｓ（ｐｓｄ）からそれぞれ撮像信号Ｓ（ｉｍｇ）及び参照信号Ｓ（ｒｅｆ）を生成する。これ故に、画素信号Ｓ（ｐｉｘｅｌ）及び疑似信号Ｓ（ｐｓｄ）には、当該カラム信号処理回路１５に係るカラム固定パターンノイズが含まれる。信号処理部９が、参照信号Ｓ（ｒｅｆ）を用いて撮像信号Ｓ（ｉｍｇ）に上記の演算処理を行うので、当該カラム固定パターンノイズが読出信号Ｓ（ＯＵＴ）において低減される。疑似信号源ＰＳＤは光電変換素子１１ａ及び浮遊拡散部ＦＤを含まないので、遮光する必要がなく、カラム固定パターンノイズの低減の処理は、画素アレイ３からの漏れ光や拡散電子の影響を受けない。概略的な説明は、以下のものである。
撮像信号：Ｓ（ｉｍｇ）＝Ｓ１＋Ｎ１；
参照信号：Ｓ（ｒｅｆ）＝Ｒ１＋Ｎ１；
参照信号：Ｓ（ｒｅｆ＿ＯＢ）＝Ｒ＿ＯＢ＋Ｎ１＋Ｎ＿ＯＢ；
とするとき、読出信号Ｓ（ＯＵＴ）を撮像信号Ｓ（ｉｍｇ）と参照信号Ｓ（ｒｅｆ）との差分を示す信号から生成するとき、
Ｓ１：カラム信号処理回路が画素信号Ｓ（ｐｉｘｅｌ）から生成される部分；
Ｒ１：カラム信号処理回路が疑似信号Ｓ（ｐｓｄ）から生成される部分；
Ｎ１：カラム信号処理回路に固有のカラム固定パターンノイズ；
Ｎ１＿ＯＢ：漏れ光や拡散電子等に起因するノイズ。
Ｓ（ＯＵＴ）＝Ｓ（ｉｍｇ）−Ｓ（ｒｅｆ）
＝Ｓ１−Ｒ１
としてカラム固定パターンノイズが除去される。
オプティカルブラックによる参照信号Ｓ（ｒｅｆ＿ＯＢ）を用いるとき
Ｓ（ＯＵＴ）＝Ｓ（ｉｍｇ）−Ｓ（ｒｅｆ＿ＯＢ）
＝Ｓ１−Ｒ＿ＯＢ＋Ｎ＿ＯＢ；
としてカラム固定パターンノイズが除去されるけれども、オプティカルブラックに固有の漏れ光や拡散電子等に起因するノイズが重畳される。

参照回路７ａは、図２（ａ）に示された特定の回路に限定されるものではなく、画素１１内のトランジスタＴＲ（ＳＷ）、ＴＲ（ＡＭ）に対応するようにそのサイズ、パターン等のトランジスタ特性を互いに合わせた他の回路７ｂ、７ｃも使用できる。

図２（ｂ）は、参照回路の別の例を示す図である。参照回路７ｂは、カラム固定パターンノイズを低減するための疑似信号源ＰＳＤ、及び疑似信号源ＰＳＤからの疑似信号Ｓ（ｐｓｄ）を提供するスイッチトランジスタＴＲ（ＳＷ０）を含む。参照回路７ｂは、２つのトランジスタ２４、ＴＲ（ＰＳＤ）を用いて疑似信号Ｓ（ｐｓｄ）を生成する。各トランジスタＴＲ（ＳＷ０）、２４、ＴＲ（ＰＳＤ）は、それぞれ、画素回路１１内のトランジスタＴＲ（ＳＷ）、ＴＲ（ＲＳ）、ＴＲ（ＡＭ）と同じ構造であることができる。対応するトランジスタの電流−電圧特性を合わせるように、幾何学的な寸法及び向きを一致させることが望ましい。この回路７ｂでは、トランジスタ２４のゲート２７を固定電位（たとえばＶｄｄ線）に接続されている。トランジスタＴＲ（ＰＳＤ）のゲートは、常に導通しているトランジスタ２４からバイアスされている。

図２（ｃ）は、参照回路の更なる別の例を示す図である。参照回路７ｃでは、トランジスタＴＲ（ＰＳＤ）のゲートは、電圧源２９に接続されている。疑似信号源ＰＳＤは、電圧源２９及びトランジスタＴＲ（ＰＳＤ）を含む。電圧源２９が参照回路７ｃに配置されることができる。電圧源２９の設定電位は、ノイズの傾向に応じて、参照回路７ｃ毎に個別に参照電圧レベルを設定できるので、参照電圧レベルは、カラム固有の特性に合わせて設定される。

図３は、参照回路の配列を示す図面である。参照信号生成部７は、参照回路の配列２１を含むことができる。参照回路７ｄは、トランジスタＴＲ（ＳＷ０）、ＴＲ（ＰＳＤ）を含む。トランジスタＴＲ（ＰＳＤ）のゲート３３は、行方向に共通に基準電圧を給電する電圧源３２に接続される。電圧源３２を固体撮像装置１内に設けることができる。必要な場合には、固体撮像装置１の外部から供給することもできる。電圧源３２の設定電位は、カラム線Ｃにおける参照電圧のレベルを設定する。これまで参照回路７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄもカラム毎に配置することができる。

参照回路７ａ〜７ｄをカラム毎に配置できることを示したが、これらの参照回路を複数行にわたって配置することができる。或いは、固体撮像装置１内に単一の参照回路を設けて、全てのカラム信号処理回路で共有してもよい。また、参照回路７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの物理的な位置は、特段の制限を受けない。必要に応じて、参照回路７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄをカラム信号処理回路の内側及び外側に設けることができる。参照回路７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ内のノードは、電圧源により直接に、或いは導通しているトランジスタによってバイアスされている。

本実施の形態に係る固体撮像装置１のための画素は、図１に示された画素１１に限定されない。画素１１における転送トランジスタＴＲ（ＴＦ）を省略して、光電変換素子１１ａを直接に増幅トランジスタＴＲ（ＡＭ）のゲートに接続することができる。このような配置の画素は、３トランジスタ型の画素構成を有する。光電変換素子１１ａは、例えばフォトダイオードで構成され、フォトダイオードは、固体撮像装置１内の回路素子として使用されるトランジスタと同じシリコン製造プロセスで作製される。しかしながら、固体撮像装置１の製造には、別の製造プロセス（例えばＧａＡｓ等の化合物半導体）を適用することができる。また、光電変換素子１１ａは、固体撮像装置１における画素読み出し回路上に積層されたａ−Ｓｉや有機膜といった光導電膜を用いて作製可能である。３トランジスタ型の画素では、まずリセットトランジスタにより浮遊拡散部ＦＤがリセット電位に設定される。その後、光電変換により得られた信号電荷が浮遊拡散部ＦＤに蓄積される。この蓄積の後に、浮遊拡散部ＦＤの電位は増幅トランジスタＴＲ（ＡＭ）により増幅され、スイッチＴＲ（ＳＷ）を介して信号電位としてカラム線Ｃへ提供される。さらに、その直後に、リセットトランジスタＴＲ（ＲＳ）の導通／非導通の動作により、浮遊拡散部ＦＤがリセットされる。このリセットの時、浮遊拡散部ＦＤの電位は、信号電位と同様に増幅トランジスタＴＲ（ＡＭ）により増幅され、選択スイッチＴＲ（ＳＷ０）を介してリセット電位としてカラム線Ｃへ提供される。４トランジスタ型及び３トランジスタ型の画素においては、画素信号Ｓ（ｐｉｘｅｌ）は、ノイズ成分を含む第１の信号レベルと該ノイズ成分に重畳した信号成分を含む第２の信号レベルとを含む。４トランジスタ型画素や３トランジスタ型画素以外にも５トランジスタ型画素等の他の増幅型画素を本実施の形態に係るイメージセンサに適用可能である。

図４は、本実施の形態に係る固体撮像装置のためのカラム信号処理回路の一例を示す図面である。カラム信号処理回路１５は、相関二重サンプリング（「ＣＤＳ」として参照する）回路３１を含むことができる。相関二重サンプリング回路３１は、画素信号Ｓ（ｐｉｘｅｌ）及び擬似信号Ｓ（ｐｓｄ）を読み出す。画素信号Ｓ（ｐｉｘｅｌ）は、ノイズ成分を含む第１の信号レベルＳ１と該ノイズ成分に重畳した信号成分を含む第２の信号レベルＳ２とを含む。撮像信号Ｓ（ｉｍｇ）は第１の信号及び第２の信号との差分を含む。相関二重サンプリングによって、例えば画素回路のリセットノイズやトランジスタの閾値ばらつきを除去できる。

相関二重サンプリング回路３１は、スイッチ３３ａ、３３ｂ、キャパシタ３５ａ、３５ｂ、及び演算増幅回路３７を含む。演算増幅回路３７の一入力（負入力）３７ａは、直列に接続されたスイッチ３３ａ及びキャパシタ３５ａを介して入力Ｖ_ＩＮからの信号を受け、演算増幅回路３７の他入力（正入力）３７ｂは共通参照信号（Ｖ_ＣＯＭ）を受ける。演算増幅回路３７の一入力３７ａと演算増幅回路３７の出力３７ｃとの間には、スイッチ３３ｂ及びキャパシタ３５ｂが並列に接続されている。出力Ｖ_ＯＵＴは、演算増幅回路３７の出力３７ｃからの信号を受ける。スイッチ３３ａは信号の入力動作を制御し、スイッチ３３ｂはリセット動作を制御する。画素１１からリセット電位が出力される時は、スイッチ３３ａ、３３ｂを閉じ、キャパシタ３５ａにリセットレベルＳ１を取り込む。次に、スイッチ３３ａを閉じたままスイッチ３３ｂを開き、画素１１からの信号レベルＳ２をキャパシタ３５ａに取り込む。スイッチ３３ｂが開かれているので、演算増幅回路３７の出力３７ｃには、リセットレベルＳ１と信号レベルＳ２との差（例えばＳ１−Ｓ２）、即ちアナログＣＤＳ結果が生成される。固体撮像装置１では、カラム配列の各々のためにカラムに配列されたＣＤＳ回路３１を含むことができる。

カラム配列の各画素からの信号が一定であっても、このアナログＣＤＳの結果には、容量３５ａ、３５ｂや演算増幅回路３７の特性のばらつきにより、カラム毎にわずかの差が生じ、これがカラム固定パターンノイズとなる。この実施例によれば、アナログＣＤＳ回路に起因するカラム固定パターンノイズを低減できる。

図５は、本実施の形態に係る固体撮像装置のためのカラム信号処理回路の別の例を示す図面である。カラム信号処理回路１５は、ＣＤＳ回路３１及びＡ／Ｄ変換回路４１を含むことができる。Ａ／Ｄ変換回路４１は、ＣＤＳ回路３１からの信号を受ける。Ａ／Ｄ変換回路４１は、アナログＣＤＳ結果をＡ／Ｄ変換して、第１のデジタル信号（デジタル撮像信号）Ｓ（ＡＤＣ１）を生成する。

画素１１から信号Ｓ１、Ｓ２を取り込んでアナログＣＤＳ結果を生成した後に、画素１１の選択スイッチＴＲ（ＳＷ）を開いて、画素アレイ３のカラム配列をカラム線Ｃから切り離す。この後に、図２及び図３における参照回路７ａ〜７ｄ内の選択スイッチＴＲ（ＳＷ０）を導通させて、参照回路７ａ〜７ｄをカラム線Ｃに接続する。ＣＤＳ回路３１は、スイッチ３３ａ、３３ｂを閉じて、キャパシタ３５ａに擬似信号Ｓ（ｐｓｄ）を取り込む。その後に、スイッチ３３ａを閉じたままスイッチ３３ｂを開く。これによって、ＣＤＳ回路３１は、擬似信号Ｓ（ｐｓｄ）に関連づけられており参照信号Ｓ（ｒｅｆ）のための信号を生成する。Ａ／Ｄ変換回路４１は、ＣＤＳ回路３１を介して擬似信号Ｓ（ｐｓｄ）を受ける。ＣＤＳ回路３１が擬似信号Ｓ（ｐｓｄ）を読み出すとき、Ａ／Ｄ変換回路４１は、演算増幅回路３７の出力３７ｃ上の信号を擬似信号レベルとして取り込む。Ａ／Ｄ変換回路４１は、擬似信号レベルをＡ／Ｄ変換して、第２のデジタル信号（デジタル撮像信号）Ｓ（ＡＤＣ２）を生成する。このようにして生成された第１と第２のＡＤ変換結果を信号処理部９においてデジタル領域で減算するときカラム毎のわずかの差がキャンセルされ、カラム固定パターンノイズの無い良好な撮像信号Ｓ（ＯＵＴ）が生成される。図５に示されたＡ／Ｄ変換回路には、積分型、巡回型、逐次比較型、およびその組み合わせ型といった各種方式が適用されることができる。なお上記では、参照回路７ａ〜７ｄをカラム線Ｃに接続する動作について、アナログＣＤＳ結果を生成した後に行っているが、これはアナログＣＤＳ結果を生成する前でもよい。

上記の実施例によれば、ＣＤＳ回路３１及びＡ／Ｄ変換回路４１に起因するカラム固定パターンノイズを低減できる。Ａ／Ｄ変換回路４１はデジタル形式の参照信号及び撮像信号を提供する。なお、カラム信号処理回路１５は、ＣＤＳ回路３１を含むことなく、Ａ／Ｄ変換回路４１を含むことができる。

具体的には、カラム信号処理回路１５は、Ａ／Ｄ変換回路を含むことができる。画素アレイ３のカラムにＡ／Ｄ変換回路の配列が設けられるとき、例えば巡回型Ａ／Ｄ変換器であれば、より効率のよい回路構成を提供できる。巡回型Ａ／Ｄ変換器は、Ａ／Ｄ変換動作を提供でき、必要に応じてＣＤＳ動作も提供できる。

図６は、本実施の形態に係る固体撮像装置のためのカラム信号処理回路の更なる別の例を示す図面である。図６に示されたカラム信号処理回路は、単一のアンプを用いてＣＤＳ動作・増幅動作・Ａ／Ｄ変換動作を行う回路を構成することができる。カラム信号処理回路５は、巡回型Ａ／Ｄ変換回路５１を含む。巡回型Ａ／Ｄ変換回路５１は、第１及び第２のキャパシタ４３ａ、４３ｂ、演算増幅回路４５、スイッチ回路４７、Ｄ／Ａ変換回路４８並びにコンパレータ４９（４９ａ、４９ｂ）を含むことができる。演算増幅回路４５の一入力４５ａと出力４５ｃとの間には、スイッチ回路４７のリセットスイッチ２３８及びキャパシタ４３ｂが接続される。演算増幅回路４５の一入力４５ａと出力４５ｃとの間には、直列に接続されたキャパシタ４３ａ及びスイッチ回路４７のスイッチ２３４、２３５が接続されている。演算増幅回路４５の他入力４５ｂは、共有参照信号Ｖ_ＣＯＭ線に接続されている。キャパシタ４３ａの一端は、スイッチ２３６を介して参照信号Ｖ_ＣＯＭ線に接続されると共に、スイッチ回路４７のスイッチ２３５を介して演算増幅回路４５の一入力４５ａに接続される。キャパシタ４３ａの他端は、Ｄ／Ａ変換回路４８に接続され、スイッチ回路４７のスイッチ２３２を介して入力Ｖ_ＩＮ線に接続されると共に、スイッチ回路４７のスイッチ２３４を介して演算増幅回路４５の出力４５ｃに接続される。Ｄ／Ａ変換回路４８はスイッチ２４０、２４１、２４２を含み、スイッチ回路４７のスイッチ２４０、２４１、２４２は、コンパレータ４９からの信号φ_Ｍ１、φ_０１、φ_Ｐ１に応答して、Ｄ／Ａ変換信号として電圧信号Ｖ_ＲＭ、Ｖ_ＣＯＭ、Ｖ_ＲＰを切り替える。

スイッチ回路４７（スイッチ２３２、２３４、２３５、２３６、２３８）は、第１のキャパシタ４３ａ、第２のキャパシタ４３ｂ及び演算増幅回路４５の接続を変更する。スイッチ回路４７は、第１及び第２のキャパシタ４３ａ、４３ｂ並びに演算増幅回路４５との間の接続に相関二重サンプリング動作を可能にする第１の接続を成すことができ、第１及び第２のキャパシタ４３ａ、４３ｂ並びに演算増幅回路４５の間の接続に巡回型Ａ／Ｄ変換動作を可能にする第２の接続を成すことができる。カラム信号処理回路５は、第１の接続により相関二重サンプリングを行うと共に、第２の接続により巡回型Ａ／Ｄ変換を行うことができる。この実施例によれば、第１のキャパシタ４３ａ、第２のキャパシタ４３ｂ、演算増幅回路４５及びスイッチ回路４７に起因するカラム固定パターンノイズを低減できる。

図６に示す回路におけるＣＤＳ動作は、スイッチ回路４７により図４におけるＣＤＳ回路と同じ素子接続を成すことによって可能である。スイッチ回路４７におけるＣＤＳ動作のための接続の仕方は、具体的には以下のものである。画素１１からリセット電位レベルＳ１が出力される時は、スイッチ２３２、２３５、２３８を閉じると共に、キャパシタ４３ａにリセットレベルを取り込む。次に、スイッチ２３２、２３５を閉じたままスイッチ２３８を開いて、画素１１から信号電位レベルＳ２をキャパシタ４３ａに取り込むことにより、演算増幅回路４５の出力４５ｃには、リセットレベルＳ１と信号レベルＳ２との差、即ちアナログＣＤＳ結果が得られる。ただし、この動作の時には常にスイッチ２３４、２３６を開けた状態にしておく。

演算増幅回路４５の出力４５ｃ上の信号に対して２つの比較器４９ａ、４９ｂで１．５ビットＡ／Ｄ変換（サブＡ／Ｄ変換）を行う。その結果を用いて次の桁のＡ／Ｄ変換を行うための演算を行う。この演算のために、スイッチ２３４、２３６を閉じてキャパシタ４３ａ（Ｃ１）を演算増幅回路４５の出力４５ｃに接続すると共に、それ以外のスイッチはすべて開く。その後に、スイッチ２３４、２３６を開きキャパシタ４３ａ（Ｃ１）の一端がＤ／Ａ変換回路４８に接続されると共にキャパシタ４３ａ（Ｃ１）の他端がスイッチ２３５を介して演算増幅回路４５の入力４５ａに接続されているとき、スイッチ２４０、２４１、２４２のいずれかがオンにして１．５ビットＡ／Ｄ変換の残差信号を生成する。この残差信号はキャパシタ４３ａ、４３ｂに格納される。残差信号に対して、次の桁のＡ／Ｄ変換を行うための演算を行う。必要な回数だけ、残差生成及びＡ／Ｄ変換を繰り返す。

図６に示されるＡ／Ｄ変換回路５１をカラム信号処理回路１５に用いることによって、ＣＤＳ回路とＡ／Ｄ変換器を一体化することができ、図５に示された回路と等価な動作をすることができる。なお、Ａ／Ｄ変換動作時は、キャパシタンスの関係（Ｃ１＝Ｃ２）が求められる。一方、カラム信号処理回路５は、Ａ／Ｄ変換の前に行われるＣＤＳ動作の際には、キャパシタンスの比率（Ｃ１／Ｃ２）に応じてＣＤＳ機能と共に増幅機能を提供できる。

固体撮像装置１では、画素アレイ３、カラム信号処理部５及び参照信号生成部７が、単一の半導体チップに集積されることができる。このとき、信号処理部９は半導体チップの外部に設けられるので、単一の半導体チップに集積することによる限定がなく、信号処理部を様々な形態で提供できる。或いは、固体撮像装置１では、画素アレイ３、カラム信号処理部５、参照信号生成部７及び信号処理部９が、単一の半導体チップに集積されることができる。このとき、カラム固定パターンノイズが低減された読出信号が固体撮像装置のための集積回路から提供される。

図７、図８を参照しながら、固体撮像装置の駆動方法のいくつかの例を説明する。これらの例では、信号処理部９は、デジタル参照信号及びデジタル撮像信号を受ける。

図７は、固体撮像装置及びその読み出し方法の一例を示す図面である。画素アレイ３の一フレームの１H期間は、第１期間６１ａ及び第２期間６１ｂを含むことができる。第１期間６１ａでは、１Ｈ分の画素信号Ｓ（ｐｉｘｅｌ）を画素アレイ３の画素１１から読み出す。第２期間６１ｂでは、参照信号生成部７から疑似信号Ｓ（ｐｓｄ）を読み出す。

個々の１Ｈ期間中に、画素アレイ３の一行分の画素１１からの画素信号Ｓ（ｐｉｘｅｌ）が読み出される。また、この１Ｈ期間中に、全てのカラム配列において擬似信号Ｓ（ｐｓｄ）を読み出す。画素アレイ３の一フレームにおいて、１行分の画素信号Ｓ（ｐｉｘｅｌ）の読み出しと擬似信号Ｓ（ｐｓｄ）の読み出しが交互に行われる。これ故に、１Ｈ期間毎に擬似信号Ｓ（ｐｓｄ）を読み出すので、ＩＨ期間毎に更新された擬似信号Ｓ（ｐｓｄ）の値を用いて画素アレイ３の一行毎の撮像信号Ｓ（ｉｍｇ）に演算処理を行うことができる。擬似信号Ｓ（ｐｓｄ）のランダムノイズが一行毎の撮像信号Ｓ（ｉｍｇ）に対して異なるので、ランダムノイズに起因する固定パターンノイズの生成を避けることができる。

画素アレイ３から読み出された画素信号Ｓ（ｐｉｘｅｌ）は擬似信号Ｓ（ｐｓｄ）の読み出し中においては、ラインメモリといった記憶回路（図９（ａ）の回路５５ａ）に格納されている。当該１Ｈ期間において撮像信号Ｓ（ｉｍｇ）及び参照信号Ｓ（ｒｅｆ）の読み出しが完了した後に、撮像信号Ｓ（ｉｍｇ）を信号処理部９内の記憶回路（図９の回路５５ａ）から読み出して、撮像信号Ｓ（ｉｍｇ）と参照信号Ｓ（ｒｅｆ）との差分に対応する信号を生成する。信号処理部９は、このための演算処理を行う演算回路（図９（ａ）の回路５５ｂ）を含む。これ故に、差分を示す信号を生成するためにラインメモリといった記憶回路（例えば、回路５５ａ）を用いる。通常は参照信号Ｓ（ｒｅｆ）の平均化処理を行わないことが、処理のスムーズな進行を可能にするが、１画面のみを得る静止画撮像などの場合には、参照信号Ｓ（ｒｅｆ）の平均化処理を行うことが望ましい。

この形態では、１H期間において第１期間６１ａが第２期間６１ｂの後にあるとき、記憶回路５５ａ）に格納するのは疑似信号Ｓ（ｐｓｄ）であり、他方、１H期間において第２期間６１ｂが第１期間６１ａの後にあるとき、記憶回路５５ａ）に格納するのは画素信号Ｓ（ｐｉｘｅｌ）となる。従って、画素信号Ｓ（ｐｉｘｅｌ）と疑似信号Ｓ（ｐｓｄ）を同じ扱いにする場合には両者は等価となる。また、画素信号Ｓ（ｐｉｘｅｌ）に比べ疑似信号Ｓ（ｐｓｄ）の許容信号振幅を小さくできる場合には、前者の方が記憶回路５５ａ）の容量（デジタルの場合ビット数）を小さくできる。

図８は、固体撮像装置及び読み出し方法の別の例を示す図面である。画素アレイ３の一フレームは、複数の第１の１H期間６３ａと単一の第２の１H期間６３ｂとを含む。第１の１H期間６３ａには、画素アレイ３の画素１１からの画素信号Ｓ（ｐｉｘｅｌ）を読み出す。第２の１H期間６３ｂでは、参照回路７ａからの疑似信号Ｓ（ｐｓｄ）を読み出す。参照回路７ａからの疑似信号Ｓ（ｐｓｄ）の読み出しを単一の１H期間６３ｂで行うので、フレームレートを高めることができる。必要があるときを除いて、参照信号Ｓ（ｐｓｄ）の平均化処理を行わないことが、処理のスムーズな進行を可能にする。

図８（ａ）を参照すると、第２の１H期間６３ｂは当該一フレームにおける末尾に位置する。当該一フレームにおける撮像信号Ｓ（ｉｍｇ）への演算処理を直前のフレームにおける参照信号Ｓ（ｒｅｆ）を用いて行うことができる。この形態は、ラインメモリといった記憶回路（図９（ｂ）の回路５６ａ）を用いて行われる。この記憶回路（図９（ｂ）の回路５６ａ）は、共通の参照信号Ｓ（ｒｅｆ）を格納すると共に、順次に入力されて来る撮像信号Ｓ（ｉｍｇ）を共通の参照信号Ｓ（ｒｅｆ）を用いて演算回路（図９（ｂ）の回路５６ｂ）で処理する。

或いは、当該一フレームにおける撮像信号Ｓ（ｉｍｇ）への演算処理を当該のフレームにおける参照信号Ｓ（ｒｅｆ）を用いて行うことができる。この形態は、フレームメモリといった記憶回路（図９（ｃ）の回路５７ａ）を用いて行われる。記憶回路（図９（ｃ）の回路５７ａ）は、先に読み出された一画素アレイ分の撮像信号Ｓ（ｉｍｇ）を格納すると共に、後に読み出される共通の参照信号Ｓ（ｒｅｆ）を用いて、格納されている撮像信号を順次に演算回路（図９（ｃ）の回路５７ｂ）で処理する。

図８（ｂ）を参照すると、第２の１H期間は当該一フレームにおける先頭に位置する。当該一フレームにおける撮像信号への演算処理を最初の１Ｈ期間に読み出された参照信号を用いて行うことができる。この形態は、ラインメモリといった記憶回路（図９（ａ）の回路５５ａ）を用いて行われる。本実施例では、参照信号は、一フレームにわたって変更されず、共通の値である。この記憶回路は、この共通の参照信号を格納すると共に、順次に入力される撮像信号を共通の参照信号を用いて演算回路（図９（ａ）の回路５５ｂ）処理する。

第２の１H期間は当該一フレームの先頭及び末尾から離れて位置していてもよい。特段の必要があるときを除いて、参照信号Ｓ（ｒｅｆ）の平均化処理を行わないことが、処理のスムーズな進行を可能にする。

必要な場合には、カラム信号処理回路７は、参照回路７ａの疑似信号Ｓ（ｐｓｄ）の複数回の読み出しを行うことができる。上記の側面によれば、参照回路７ａからの疑似信号Ｓ（ｐｓｄ）の複数回の読み出しは異なる時刻に行われるので、ランダムノイズの低減に役だつ。また、必要な場合には、参照信号生成部７は、参照回路７ａと同じ構成を有する追加の参照回路（「追加の参照回路７ａ」として参照する）を含むことができる。この追加の参照回路７ａは、カラム信号処理回路５に接続されている。参照信号生成部７は、これら複数の参照回路７ａから疑似信号Ｓ（ｐｓｄ）の読み出しを行うことができる。参照回路７ａ及び追加の参照回路７ａからの疑似信号Ｓ（ｐｓｄ）の組み合わせ（例えば平均化）を行って参照信号Ｓ（ｒｅｆ）を生成することができる。また、参照回路７ａの位置は追加の参照回路７ａの位置と異なるので、これらの参照回路７ａのばらつきを平均化できる。参照回路７ａからの疑似信号Ｓ（ｐｓｄ）の読み出しは追加の参照回路からの疑似信号Ｓ（ｐｓｄ）の読み出しと異なる時刻に行われるので、ランダムノイズの低減に役だつ。

図１０は、固体撮像装置及び読み出し方法の更なる別の例を示す図面である。固体撮像装置１及び読み出し方法では、画素アレイ３の一フレームは、ｍ個の第１の１H期間６７ａと、ｋ個の第２の１H期間６７ｂとを含むことができる。第１の１H期間６７ａの各々では、画素アレイ３の画素１１からの画素信号Ｓ（ｐｉｘｅｌ）を読み出す。第２の１H期間６７ｂでは、参照回路７ａからの疑似信号Ｓ（ｐｓｄ）を読み出す。ｍ個の第１の１H期間６７ａは連続して配列される。ｋ個の第２の１H期間６７ｂは連続して配列される。ｋ個の第２の１H期間６７ｂにおける参照信号Ｓ（ｒｅｆ）は平均化される。この平均値のランダムノイズは１／ｓｑｒｔ（ｋ）で低減される。ここで、ｓｑｒｔは平方根の演算を示す。

第２の１H期間６７ｂは当該一フレームにおける先頭において連続して配列されることができる。この場合、ｋ個の１H期間６７ｂに読み出された参照信号Ｓ（ｒｅｆ）の平均値を用いて撮像信号Ｓ（ｉｍｇ）の演算処理を演算回路（図１１（ａ）の回路５８ａ）で行うことができる。参照信号Ｓ（ｒｅｆ）の平均値生成は、平均値回路（図１１（ａ）の回路５８ｂ）で行うことができる。

第２の１H期間６７ｂは当該一フレームにおける末尾において連続して配列される。この場合、直前のフレームにおけるｋ個の１H期間６７ｂに読み出された参照信号Ｓ（ｒｅｆ）の平均値を用いて、当該フレームおける撮像信号Ｓ（ｉｍｇ）の演算処理を演算回路（図１１（ａ）の回路５８ａ）で行うことができる。参照信号Ｓ（ｒｅｆ）の平均値生成は、平均値回路（図１１（ａ）の回路５８ｂ）で行うことができる。この平均値は、フレームを跨って保存される。

或いは、当該フレームにおける撮像信号Ｓ（ｉｍｇ）をフレームメモリといった記憶回路（図１１（ｂ）の回路５９ｂ）に格納した後に、当該フレームにおけるｋ個の１H期間に読み出された参照信号の平均値を生成する。この平均値を用いて、記憶回路（例えば、図１１（ｂ）の回路５９ｂ）に格納された撮像信号の演算処理を演算回路（図１１（ｂ）の回路５９ａ）で行うことができる。参照信号Ｓ（ｒｅｆ）の平均値生成は、平均値回路（図１１（ｂ）の回路５９ｃ）で行うことができる。

平均値を生成する回路を用いるとき、平均値では参照信号に含まれるランダムノイズが低減される。また、疑似信号Ｓ（ｐｓｄ）の読み出し回数ｋが行数ｎより小さいときは、フレームレートを高めることができる。ｋ回の読み出しには以下の形態がある：（ａ）同一の参照回路を繰り返し読み出すこと；（ｂ）異なる参照回路を順に読み出すこと；（ｃ）これらの所望の組み合わせにより疑似信号を読み出すこと。

以上説明したように、固体撮像装置１及び読み出し方法では、カラム信号処理部５は、一フレーム当たり前記疑似信号のｋ回（１＜ｋ）の読み出しを行うことができる。信号処理部９は、参照信号Ｓ（ｒｅｆ）の平均化処理を行って平均値を生成する平均値生成回路を含んでもよい。読出信号Ｓ（ＯＵＴ）は、撮像信号Ｓ（ｉｍｇ）と参照信号Ｓ（ｒｅｆ）の平均値との差分を示す。

図１２は、固体撮像装置及び読み出し方法の更なる別の例を示す図面である。図１２に示されるように、固体撮像装置１及び読み出し方法では、信号処理部９は、カラム信号処理部５における全カラムの参照信号Ｓ（ｒｅｆ）の各々をｍフレームにわたって処理してカラム毎の平均値を生成するデジタルフィルタを含むことができる。デジタルフィルタ処理を用いた平均化によれば、フレームレートを損なうことなくカラム固定パターンノイズを低減できる。

平均化処理の一例では、信号処理部９は、第ｎのフレーム（ｎ＞ｍ）以前の直近の連続ｍフレームにわたって平均化処理を行って平均値を生成することができる。直近のｍフレームにわたって平均化処理を行うことで、時間的にゆっくりと変動するノイズの影響を抑えることができる。参照信号Ｓ（ｒｅｆ）を複数のフレームにわたって平均化するとき、平均値のランダムノイズは、参照信号Ｓ（ｒｅｆ）に含まれるランダムノイズより１／ｓｑｒｔ（ｍ）で低減される。第ｎのフレームにおいては、読出信号Ｓ（ＯＵＴ）は直近のｍフレームにわたる平均値を用いて生成される。

また、平均化処理の別の例では、信号処理部９は、第１フレームからｍフレームまでの連続した当初ｍフレームにわたって平均化処理を行って平均値を生成することができる。参照信号Ｓ（ｒｅｆ）を複数のフレームにわたって平均化するとき、平均値のランダムノイズは、参照信号Ｓ（ｒｅｆ）に含まれるランダムノイズより１／ｓｑｒｔ（ｍ）で低減される。第ｎ（ｎ＞ｍ＋１）のフレームにおいては、読出信号Ｓ（ＯＵＴ）は固定の平均値を用いて生成される。

複数のフレームわたる平均化処理は、例えば以下のように行われる。第１〜第ｍフレームにおける参照信号ＲＦ（１）〜ＲＦ（ｍ）に対して、
ＲＦ（１）→ＡＶ（１）
（ＡＶ（ｉ−１）＋ＲＦ（ｉ））／２→ＡＶ（ｉ）
（２＜ｉ≦ｍ）
の処理を行う。必要な場合には、（ｍ＋１）番目以降においても、同様の処理を行うことができる。この処理は、図１３に示される信号処理部を用いて提供される。図１３（ａ）は、デジタルフィルタのハードウェアによるシステムの一例を示す。固体撮像装置１の信号処理部９は、デジタル参照信号Ｓ（ｒｅｆ）に適用されるデジタルフィルタ６０と、デジタルフィルタ６０ａからの平均値ＡＶを用いてデジタル撮像信号Ｓ（ｉｍｇ）に減算処理を施す演算回路６０ｂとを含む。図１３（ｂ）は、デジタルフィルタ回路の接続の一例を示す。デジタルフィルタ回路は、フィルタ出力ｙ_ｎを遅延回路Ｄで遅延した信号ｙ_ｎ−１を演算器ＡＬＵの出力に加算器ＡＤＤ１で加算して次のフィルタ出力を生成すると共に、信号ｙ_ｎ−１を演算器ＡＬＵの入力側においてフィルタ入力ｘ_ｎからフィルタ出力ｙ_ｎ−１を差し引いて（フィルタ出力ｙ_ｎ−１の補数をフィルタ入力ｘ_ｎに加算器ＡＤＤ２で加算して）、演算器ａへの入力信号を生成する。このフィルタ演算の開始の時に適切な初期値ｘ（ｉｎｉｔ）をマルチプレクサＭＵＸを介してフィルタ回路に入力することによって、この低域通過フィルタを用いて平均値を求める際の演算速度を大幅に高めることができる。さらに、係数ａを２のべき乗（例えば２^−６＝０．０１５６２５）として選ぶことによって、ハードウェア上の実現が容易になり、またバレルシフタ等を用いたハードウェア上での係数変更も可能になる。これ故に、小規模、高速でかつシステムに応じた柔軟なハードウェアを実現することができる。

デジタルフィルタ回路のフィルタ特性を示す伝達関数Ｈ（ｚ）は、例えば以下のもの
Ｈ（ｚ）＝ａ／（１−（１−ａ）×ｚ^−１）
を使用できる。デジタルフィルタを用いてフィードバックをかけることで平均値を求めることができる。この伝達関数はＩＩＲフィルタを示す。これは入力を比率ａだけ混ぜ合わせていく低域通過フィルタであり、図１４は、ＩＩＲフィルタ特性の一例を示す図面である。例えば、ａ＝０．０１のような小さな値を用いることで入力に対する平均値を精度よく得ることができる。上記の伝達関数によるＬＰＦの時定数は、フレームを単位として
τ＝−１／ｌｎ（１−ａ）
で表わされる。ａ＝０．０１ではτ＝９９となり、フィルタ出力は、１００フレーム以降において安定する。

図１５は、固体撮像装置の画素アレイから信号を読み出す方法における主要なステップを示す図面である。ステップＳ１０１では、画素アレイ３内の画素１１からの画素信号Ｓ（ｐｉｘｅｌ）の読み出しをカラム信号処理回路１５を用いて行って、撮像信号Ｓ（ｉｍｇ）を生成する。ステップＳ１０２では、カラム固定パターンノイズを低減するための疑似信号Ｓ（ｐｓｄ）の読み出しをカラム信号処理回路１５を用いて行って、参照信号Ｓ（ｒｅｆ）を生成する。ステップ１０３では、カラム信号処理回路１５に係るカラム固定パターンノイズを低減する演算処理を参照信号Ｓ（ｒｅｆ）を用いて撮像信号Ｓ（ｉｍｇ）に行って、読出信号Ｓ（ＯＵＴ）を生成する。

この方法によれば、同一のカラム信号処理回路１５を用いて画素信号Ｓ（ｐｉｘｅｌ）及び疑似信号Ｓ（ｐｓｄ）からそれぞれ撮像信号Ｓ（ｉｍｇ）及び参照信号Ｓ（ｒｅｆ）を生成する。これ故に、撮像信号Ｓ（ｉｍｇ）及び参照信号Ｓ（ｒｅｆ）には、当該カラム信号処理回路１５に係るカラム固定パターンノイズが含まれる。参照信号Ｓ（ｒｅｆ）を用いて撮像信号Ｓ（ｉｍｇ）に上記の演算処理を行うので、当該カラム信号処理回路１５に係るカラム固定パターンノイズが読出信号Ｓ（ＯＵＴ）において低減される。疑似信号源Ｓ（ｐｓｄ）は光電変換素子を含まないので、カラム固定パターンノイズの低減処理は、画素アレイ３からの漏れ光や拡散電子の影響を受けない。

固体撮像装置１における信号処理フローは、より具体的には、画素アレイ３内にある画素１１からの画素信号Ｓ（ｐｉｘｅｌ）を読み出した後に、Ａ／Ｄ変換したデジタル撮像信号Ｓ（ｉｍｇ）、つまり第１のデジタルデータＳ（ＡＤＣ１）を生成する工程を行う。また、参照回路７ａからの参照信号Ｓ（ｐｓｄ）を読み出した後に、Ａ／Ｄ変換したデジタル参照信号Ｓ（ｒｅｆ）、つまり第２のデジタルデータＳ（ＡＤＣ２）を生成する工程を行う。第１のデジタルデータＳ（ＡＤＣ１）を直接に演算処理回路６０ｂへ提供する工程を行う。一方、第２のデジタルデータＳ（ＡＤＣ２）を平均化処理のためのデジタルフィルタ６０ａを介して演算処理回路６０ｂに提供する工程（例えばＳ１０４）を行う。デジタルフィルタ６０ａでは、フレーム毎に順に入力されるｍフレーム分のデジタルデータＳ（ＡＤＣ２）について加算平均する工程を行う。そのフィルタ済みの値＜Ｓ（ＡＤＣ２）＞を演算処理回路６０ｂへ提供する工程を行う。演算処理回路６０ｂでは、動作開始からｍフレーム以降において、デジタルデータＳ（ＡＤＣ１）)と平均値＜Ｓ（ＡＤＣ２）＞との差分を示す信号を生成する演算処理する工程（例えばＳ１０５）を行う。この工程により、固定パターンノイズのない良好な画像信号を得ることができる。

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。例えば、シングルエンド回路を用いて構成された回路に全差動構成の回路を用いることができる。また、全差動構成の回路を用いて構成された回路にシングルエンド回路を使用できる。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

本発明によれば、画素アレイからの漏れ光や拡散電子の影響を受けることなくカラム固定パターンノイズを低減可能な固体撮像装置が提供される。また、本発明によれば、固体撮像装置の画素アレイから信号を読み出す方法が提供され、この方法によれば、カラム固定パターンノイズを低減可能となる。

１…固体撮像装置、３…画素アレイ、１１…画素、１１ａ…光電変換素子、１１ｂ…画素回路、Ｓ（ｐｉｘｅｌ）…画素信号、Ｃ…カラム線、７…参照信号生成部、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ…参照回路、ＰＳＤ…疑似信号源、Ｓ（ｐｓｄ）…疑似信号、５…カラム信号処理部、１５…カラム信号処理回路、９…信号処理部、Ｓ（ｒｅｆ）…Ｓ（ｉｍｇ）…撮像信号、参照信号、Ｓ（ＯＵＴ）…読出信号。

Claims (10)

1. 光電変換素子と該光電変換素子からの信号を提供する画素回路とを有する画素を含む画素アレイと、
   カラム固定パターンノイズを低減するための疑似信号源を含む一又は複数の参照回路を有し前記画素アレイの外側に配置された参照信号生成部と、
   前記画素アレイからの画素信号及び前記参照信号生成部からの疑似信号からそれぞれ撮像信号及び参照信号を生成するカラム信号処理回路を含むカラム信号処理部と、
   前記撮像信号及び前記参照信号を受けると共に、読出信号を生成する信号処理部とを備え、
   前記画素アレイは複数のカラム配列を含み、
   前記カラム信号処理部は、一フレーム当たり前記疑似信号のｋ回（１≦ｋ）の読み出しを行い、
   前記参照回路の前記疑似信号源は光電変換素子及び浮遊拡散部を含まず、
   前記信号処理部の前記読出信号は、前記カラム信号処理回路に係るカラム固定パターンノイズを低減する演算処理を前記参照信号を用いて前記撮像信号に施すことによって生成される、ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 各カラム配列内の前記画素はカラム線に接続されており、
   前記参照回路は、前記カラム線に前記疑似信号を提供するためのスイッチを含み、
   前記画素の前記画素回路は、当該画素の前記光電変換素子からの信号を前記カラム線に提供するための制御機構を含む、ことを特徴とする請求項１に記載された固体撮像装置。
3. 前記カラム信号処理部は、前記カラム信号処理回路の配列を含み、前記カラム信号処理回路の各々は、前記カラム配列にそれぞれ接続され、
   前記参照信号生成部は、前記参照回路の配列を含み、前記参照回路の各々は前記カラム信号処理回路にそれぞれ接続されており、
   前記信号処理部は前記演算処理を行う演算回路を含み、前記信号処理部は前記カラム信号処理回路毎に前記演算処理として前記参照信号と前記撮像信号との差分を生成する処理を行い、
   前記読出信号は、前記演算回路を用いて生成される、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載された固体撮像装置。
4. 前記カラム信号処理部は、一フレーム当たり前記疑似信号のｋ回（１＜ｋ）の読み出しを行い、
   前記信号処理部は、前記参照信号の平均化処理を行って平均値を生成する平均値生成回路を含み、
   前記読出信号は、前記撮像信号と前記平均値との差分を示す、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された固体撮像装置。
5. 前記カラム信号処理部は相関二重サンプリング回路を含み、
   前記相関二重サンプリング回路は、前記画素信号を読み出し、
   前記画素信号は、ノイズ成分を含む第１の信号レベルと該ノイズ成分に重畳した信号成分を含む第２の信号レベルとを含み、
   前記撮像信号は前記第１の信号及び前記第２の信号との差分を示す、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された固体撮像装置。
6. 前記カラム信号処理部は、前記相関二重サンプリング回路からの出力信号を受けるＡ／Ｄ変換回路を含む、ことを特徴とする請求項５に記載された固体撮像装置。
7. 前記Ａ／Ｄ変換回路におけるＡ／Ｄ変換は、積分型変換、巡回型変換、逐次比較型変換およびそれらを組み合せた変換方式の少なくともいずれかである、ことを特徴とする請求項６に記載された固体撮像装置。
8. 前記カラム信号処理回路は、第１及び第２のキャパシタ、演算増幅回路、並びに前記第１のキャパシタ、前記第２のキャパシタ及び前記演算増幅回路の接続を変更するためのスイッチ回路を含み、
   前記スイッチ回路は、前記第１及び第２のキャパシタ並びに前記演算増幅回路に相関二重サンプリングを可能する第１の接続と、前記第１及び第２のキャパシタ並びに前記演算増幅回路に巡回型Ａ／Ｄ変換を可能する第２の接続とを提供し、
   前記カラム信号処理回路は、前記第１の接続により前記相関二重サンプリングを行うと共に、前記第２の接続により前記巡回型Ａ／Ｄ変換を行う、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された固体撮像装置。
9. 前記画素アレイ、前記参照信号生成部及び前記カラム信号処理部は、単一の半導体チップに集積されている、ことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載された固体撮像装置。
10. カラム信号処理回路及び参照回路を含む固体撮像装置の画素アレイから信号を読み出す方法であって、
    前記画素アレイ内の画素からの画素信号の読み出しを前記カラム信号処理回路を用いて行って、撮像信号を生成するステップと、
    前記画素アレイ外の参照回路からの、カラム固定パターンノイズを低減するための疑似信号の読み出しを前記カラム信号処理回路を用いて行って、参照信号を生成するステップと、
    前記カラム信号処理回路に係るカラム固定パターンノイズを低減する演算処理を前記参照信号を用いて前記撮像信号に行って、読出信号を生成するステップとを備え、
    前記画素は、光電変換素子と該光電変換素子からの信号を提供する画素回路とを有し、
    前記参照回路は、前記疑似信号を生成する疑似信号源を含み、
    前記疑似信号源は光電変換素子及び浮遊拡散部を含まず、
    前記カラム信号処理回路は、相関二重サンプリング、Ａ／Ｄ変換、増幅及びサンプル・ホールド動作の少なくともいずれか一つの処理を前記画素信号及び前記疑似信号に対して行う、ことを特徴する方法。

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