(57)【要約】【課題】  信号を読み出す動作を高速化しながら、ジャギーを低減できる固体撮像装置、撮像システム、及び固体撮像装置の駆動方法を提供する。【解決手段】  複数の前記第１の保持部の各々に一または複数の前記画素からの信号を保持させる第１の工程と、複数の前記第１の保持部に保持された複数の前記画素からの信号を加算する第２の工程と、前記第２の保持部に保持された信号を出力する第３の工程と、のうち、前記第１および第３の工程の少なくとも一部を時間的に重複して行わせる【選択図】  図２
2010068123.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素と、
前記複数の画素が共通に接続された第１の信号線と、
前記第１の信号線に接続された読み出し部と、
前記複数の画素および読み出し部の動作を制御する制御部と、を有する固体撮像装置であって、
前記読み出し部は、
互いに並列に設けられた複数の第１の保持部と、
第２の保持部と、を有し、
前記制御部は、第１の駆動モードにおいて
複数の前記第１の保持部の各々に一または複数の前記画素からの信号を保持する第１の工程と、
複数の前記第１の保持部に保持された複数の前記画素からの信号を加算する第２の工程と、
前記第２の保持部に保持された信号を出力する第３の工程と、のうち、
前記第１および第３の工程の少なくとも一部を時間的に重複して行わせること
を特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記読み出し部は少なくとも２つの第２の保持部を有し、
前記固体撮像装置は、少なくとも２の前記第２の保持部から出力された信号の差分を出力する出力部を有し、
前記制御部は、
前記第１の工程において前記画素に基づくノイズ成分を主とする信号と、該ノイズ成分に前記画素に基づく信号成分が重畳された信号と、を異なる前記第１の保持部に保持させ、
前記第２の工程において複数の前記ノイズ成分を主とする信号と、複数の前記重畳された信号とをそれぞれ加算させ、
前記第３の工程において第２の工程で加算されたノイズ成分を主とする信号と、前記重畳された信号とを前記出力部に出力させること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記制御部は、
前記第１の工程において、一または複数の前記画素からの信号を第１の保持部に保持させる動作を順次行わせ、
前記第２の工程において、複数の前記第１の保持部に保持された複数の前記画素からの信号を加算させるとともに、該加算された信号を前記第２の保持部に保持させること、
を特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記読み出し部はさらに列増幅部を備え、
前記列増幅部は
差動増幅器と、
一方の端子が前記第１の信号線と接続され、他方の端子が前記差動増幅器の反転入力端子と接続されたクランプ容量と、
一方の端子が前記差動増幅器の反転入力端子と接続され、他方の端子が前記差動増幅器の出力端子と接続された帰還容量と、
前記差動増幅器の反転入力端子と出力端子との導通または非導通を切り替えるスイッチと、を含むこと
を特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記制御部は、第２の駆動モードにおいて、
前記画素からの信号を前記第１の保持部に保持させる第４の工程と、
前記第１の保持部に保持された信号を前記第２の保持部に保持させる工程と、
前記第２の保持部に保持された信号を出力させる第６の工程と、のうち、
前記第４および第６の工程の少なくとも一部を時間的に重複して行わせ、
前記第１の駆動モードと前記第２の駆動モードとを切り替え可能であること
を特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記第４の工程において、前記画素からの信号を複数の前記第１の保持部に保持させることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記読み出し部はさらに、前記複数の第１の保持部と並列に設けられた第３の保持部を備え、
前記制御部は
前記第１の工程において前記第３の保持部と前記第１の保持部とを電気的に接続させ、
前記第２の工程において前記第３の保持部と複数の前記第１の保持部とを電気的に接続させること
を特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記読み出し部はさらに、前記複数の第１の保持部からの信号を前記第２の保持部に伝達するインピーダンス変換部を備えることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記インピーダンス変換部は差動増幅器であり、
前記複数の第１の保持部は、一方の端子が互いに短絡されるとともに前記インピーダンス変換部の反転入力端子に接続され、他方の端子が第１のスイッチを介して接続されるとともに第２のスイッチを介して前記インピーダンス変換部の出力端子と接続されること
を特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記第１の保持部の容量値は、前記第２の保持部の容量値よりも小さいことを特徴とする請求項８または９に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記複数の画素は行列状に配列されて、
同一の列に配置された複数の前記画素のみが同一の前記第１の信号線に接続され、
前記読み出し部は行列状に配列された前記複数の画素の各列に設けられたたこと
を特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記読み出し部は隣接する列の第２の保持部を接続するスイッチを備え、
前記制御部は前記第３の工程において、前記スイッチを導通させることを特徴とする請求項１１に記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
前記読み出し部は前記第２の保持部と並列に設けられた第４の保持部を備えることを特徴とする請求項１２に記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
前記行列状に配列された複数の前記画素には、
ベイヤー配列のカラーフィルタが設けられたことを特徴とする請求項１１ないし１３のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項１５】
前記第２の工程において加算される信号は、同色の前記カラーフィルタが設けられた画素に基づく信号であることを特徴とする請求項１４に記載の固体撮像装置。
【請求項１６】
複数の画素と、
前記複数の画素が共通に接続された第１の信号線と、
前記第１の信号線に接続された読み出し部と、
前記複数の画素および読み出し部の動作を制御する制御部と、を有する固体撮像装置であって、
前記読み出し部は、
各々が独立して選択可能なスイッチを介して前記第１の信号線と接続された複数の第１の保持部と、
複数の前記第１の保持部に保持された信号を加算した加算信号を保持する第２の保持部と、を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１７】
前記複数の第１の保持部と前記第２の保持部とは、インピーダンス変換部を介して接続されることを特徴とする請求項１６に記載の固体撮像装置。
【請求項１８】
前記第１の保持部の容量値は、前記第２の保持部の容量値よりも小さいことを特徴とする請求項１７に記載の固体撮像装置。
【請求項１９】
前記第２の保持部はスイッチを介して第２の信号線と接続されることを特徴とする請求項１８に記載の固体撮像装置。
【請求項２０】
前記インピーダンス変換部は差動増幅器であり、
前記複数の第１の保持部は、一方の端子が互いに短絡されるとともに前記インピーダンス変換部の反転入力端子に接続され、他方の端子が第１のスイッチを介して接続されるとともに第２のスイッチを介して前記インピーダンス変換部の出力端子と接続されること
を特徴とする請求項１７ないし１９のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項２１】
請求項１から１０のいずれかに記載の固体撮像装置と、
前記固体撮像装置の画素部に像を形成する光学系と、
前記固体撮像装置から出力された信号を処理して画像データを生成する信号処理部と、を備えたこと
を特徴とする撮像システム。
【請求項２２】
複数の画素と、
前記複数の画素が共通に接続された第１の信号線と、
前記第１の信号線に接続された読み出し部と、
前記複数の画素および読み出し部の動作を制御する制御部と、を有する固体撮像装置であって、
前記読み出し部は、
第１の保持部と第１接続スイッチの組を複数と、第２の保持部と、を有し、
各前記第１の保持部の一方の端子は前記第１接続スイッチを介して前記第１の信号線と接続されるとともに第２接続スイッチを介して他の組の前記第１の保持部の一方の端子と接続され、さらに、第３接続スイッチを介して前記第２の保持部と接続され、
各前記第１の保持部の他方の端子は接地されること
を特徴とする固体撮像装置。
【請求項２３】
前記第１の保持部の一方の端子はインピーダンス変換部を介して前記第３接続スイッチと接続されることを特徴とする請求項２２に記載の固体撮像装置。
【請求項２４】
複数の画素と、
前記複数の画素が共通に接続された第１の信号線と、
前記第１の信号線に接続された読み出し部と、
前記複数の画素および読み出し部の動作を制御する制御部と、を有する固体撮像装置であって、
前記読み出し部は、
第１の保持部と第１接続スイッチの組を複数と、第２の保持部と、を有し、
前記第１の保持部の一方の端子は第１接続スイッチおよび第４接続スイッチを介して前記第１の信号線と接続されるとともに、第３接続スイッチを介して前記第２の保持部と接続され、さらに、前記第１接続スイッチを介して別の組の前記第１の保持部の一方の端子と接続され、
各前記第１の保持部の他方の端子は接地されること
を特徴とする固体撮像装置。
【請求項２５】
前記第１接続スイッチと第４接続スイッチとが接続されるノードは、インピーダンス変換部を介して前記第３接続スイッチと接続されることを特徴とする請求項２４に記載の固体撮像装置。
【請求項２６】
複数の画素と、
前記複数の画素が共通に接続された第１の信号線と、
前記第１の信号線に接続された読み出し部と、を有する固体撮像装置の駆動方法であって、
前記読み出し部は、
互いに並列に設けられた複数の第１の保持部と、
第２の保持部と、を有し、
複数の前記第１の保持部の各々に一または複数の前記画素からの信号を保持させる第１の工程と、
複数の前記第１の保持部に保持された複数の前記画素からの信号を加算する第２の工程と、
前記第２の保持部に保持された信号を出力する第３の工程と、のうち、
前記第１および第３の工程の少なくとも一部を時間的に重複して行わせること
を特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項２７】
前記読み出し部は少なくとも２つの第２の保持部を有し、
前記固体撮像装置は、少なくとも２の前記第２の保持部から出力された信号の差分を出力する出力部を有し、
前記第１の工程において前記画素に基づくノイズ成分を主とする信号と、該ノイズ成分に前記画素に基づく信号成分が重畳された信号と、を異なる前記第１の保持部に保持させ、
前記第２の工程において複数の前記ノイズ成分を主とする信号と、複数の前記重畳された信号とをそれぞれ加算させ、
前記第３の工程において第２の工程で加算されたノイズ成分を主とする信号と、前記重畳された信号とを前記出力部に出力させること
を特徴とする請求項２６に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項２８】
前記第１の工程において、一または複数の前記画素からの信号を第１の保持部に保持させる動作を順次行わせ、
前記第２の工程において、複数の前記第１の保持部に保持された複数の前記画素からの信号を加算させるとともに、該加算された信号を前記第２の保持部に保持させること、
を特徴とする請求項２６または２７に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項２９】
前記読み出し部はさらに、前記複数の第１の保持部と並列に設けられた第３の保持部を備え、
前記第１の工程において前記第３の保持部と前記第１の保持部とを電気的に接続させ、
前記第２の工程において前記第３の保持部と複数の前記第１の保持部とを電気的に接続させること
を特徴とする請求項２６ないし２８のいずれかに記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項３０】
前記複数の画素は行列状に配列されて、
同一の列に配置された複数の前記画素のみが同一の前記第１の信号線に接続され、
前記読み出し部は行列状に配列された前記複数の画素の各列に設けられ、
前記読み出し部は隣接する列の第２の保持部を接続するスイッチを備え、
前記第３の工程において、前記スイッチを導通させることを特徴とする請求項２６ないし２９のいずれかに記載の固体撮像装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、イメージスキャナなどのイメージ入力装置に用いられる固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置においては、読み出しの高速化が求められている。この要求に対して特許文献１に開示される技術がある。特許文献１の技術では複数の画素が行列状に配列された画素配列において、画素を駆動するための信号が同一行の各画素に供給され、列に沿った方向に延びた複数の列信号線を介して各画素の信号が読み出される。各列信号線の一端と他端とには画素からの信号を保持するための蓄積部がそれぞれ接続されており、一の列信号線に接続された２つの蓄積部の一方に保持された信号が読み出される動作と並行して、画素から出力された信号を他方の蓄積部に保持する動作が行われる。これにより、センサ出力のない期間であるブランキング期間を低減でき、読み出し期間を短縮できる。
【０００３】
読み出しの高速化を実現する別の手法として、間引きや加算あるいは平均化と呼ばれる技術が知られており、静止画像ほどには解像度が求められない動画のような用途に用いられることが多い。間引きとは、画素配列の一部の画素からの信号のみを用いて画像を形成する技術である。これに対し、加算あるいは平均化とは、複数の画素からの信号を加算あるいは平均化する技術である。間引きによって高速化を図ると、信号が欠落して解像度が低下するために、画素配列の行列に対して斜めの被写体を撮影した場合にジャギーと呼ばれる階段状の画像になってしまうことがある。一方、加算あるいは平均化を行うと信号が欠落しないのでジャギーを低減できる。特許文献２では、同一の列信号線に接続された複数の画素からの信号を平均化している。
【特許文献１】特開２００１−４５３７８号公報
【特許文献２】特開２００４−３０４７７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１では、信号を加算すると解像度が低下するとして、加算或いは平均化を行うことは検討されていない。
【０００５】
特許文献２では、平均化の対象となる画素の信号をそれぞれ異なる容量に保持させた後に、それらの容量を電気的に接続することで平均化された信号を読み出すことが記載されている。読み出しの高速化については検討がなされていない。
【０００６】
本発明の目的は、信号を読み出す動作を高速化しながらジャギーを低減することのできる固体撮像装置、撮像システム、及び固体撮像装置の駆動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明の一の側面は、複数の画素と、前記複数の画素が共通に接続された第１の信号線と、前記第１の信号線に接続された読み出し部と、前記複数の画素および読み出し部の動作を制御する制御部と、を有する固体撮像装置であって、前記読み出し部は、互いに並列に設けられた複数の第１の保持部と、第２の保持部と、を有し、前記制御部は、第１の駆動モードにおいて複数の前記第１の保持部の各々に一または複数の前記画素からの信号を保持させる第１の工程と、複数の前記第１の保持部に保持された複数の前記画素からの信号を加算する第２の工程と、前記第２の保持部に保持された信号を出力する第３の工程と、のうち、前記第１および第３の工程の少なくとも一部を時間的に重複して行わせることを特徴とする固体撮像装置である。
【０００８】
上記目的を解決するための本発明の別の一の側面は、複数の画素と、前記複数の画素が共通に接続された第１の信号線と、前記第１の信号線に接続された読み出し部と、前記複数の画素および読み出し部の動作を制御する制御部と、を有する固体撮像装置であって、前記読み出し部は、各々が独立して選択可能なスイッチを介して前記第１の信号線と接続された複数の第１の保持部と、複数の前記第１の保持部に保持された信号を加算した加算信号を保持する第２の保持部と、を有することを特徴とする固体撮像装置である。
【０００９】
上記目的を達成するための本発明の別の一の側面は、複数の画素と、前記複数の画素が共通に接続された第１の信号線と、前記第１の信号線に接続された読み出し部と、を有する固体撮像装置の駆動方法であって、前記読み出し部は、互いに並列に設けられた複数の第１の保持部と、第２の保持部と、を有し、複数の前記第１の保持部の各々に一または複数の前記画素からの信号を保持させる第１の工程と、複数の前記第１の保持部に保持された複数の前記画素からの信号を加算する第２の工程と、前記第２の保持部に保持された信号を出力する第３の工程と、のうち、前記第１および第３の工程の少なくとも一部を時間的に重複して行わせることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、信号を読み出す動作を高速化しながら、ジャギーを低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下では、本発明に係る実施形態を例示して説明する。
【００１２】
一般に、信号の平均化と信号の加算とは同義に扱うことができる。以下の実施形態では、平均化と電荷加算とを区別して説明しているが、これらを総称して加算とする。
【００１３】
（第１の実施形態）
図面を参照しながら本発明の第１の実施形態を説明する。
【００１４】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成のうち、ｎ行目からｎ＋２行目であって、ｍ列目からｍ＋５列目の部分を抜き出して模式的に示したものである。説明を簡単にするために、モノクロームの固体撮像装置であるとする。
【００１５】
固体撮像装置１０００は、画素配列１００と、読み出し部である読み出し回路１０１と、出力部１１１とを備える。画素配列１００に含まれる各画素１０２は、フォトダイオード１０３、転送トランジスタ１０４、リセットトランジスタ１０５、増幅トランジスタ１０６、および選択トランジスタ１０７を含む。光電変換部であるフォトダイオード１０３は、入射する光量に応じた電荷を生成および蓄積する。転送部である転送トランジスタ１０４は、フォトダイオード１０３と画素出力部である増幅トランジスタ１０６のゲート電極との間の導通または非導通を切り替える。リセット部であるリセットトランジスタ１０５は、電源ＶＤＤと増幅トランジスタ１０６のゲート端子との間の導通または非導通を切り替える。転送トランジスタ１０４とリセットトランジスタ１０６とが同時に導通している時には、フォトダイオード１０３が電源ＶＤＤによってリセットされる。増幅トランジスタ１０６は、選択部である選択トランジスタ１０７が導通している期間には定電流源１０８とでソースフォロワ回路を形成し、その時の増幅トランジスタ１０６のゲート電位に応じたレベルが第１の信号線である垂直出力線ＶＬ（ｍ）に現れる。転送トランジスタ１０４、リセットトランジスタ１０６、選択トランジスタ１０７をそれぞれ制御するための信号ＲＥＡＤ（ｎ）、ＲＥＳＥＴ（ｎ）、ＬＳＥＴ（ｎ）は制御部である垂直走査回路ＶＳＲから供給される。
【００１６】
読み出し回路１０１は、後で詳しく説明するが、垂直出力線ＶＬ（ｍ）に現れたレベルを信号として保持する蓄積部を含む。
【００１７】
読み出し回路１０１に含まれる蓄積部に保持された信号は制御部である水平走査回路ＨＳＲから与えられる制御信号ＣＳＥＬ（ｍ）、ＣＳＥＬ（ｍ＋１）、・・・によって第２の信号線である水平出力線１０９、１１０を介して出力部１１１へと順次伝達される。
【００１８】
出力部１１１は、例えば差動増幅器であり、水平出力線１０９、１１０に出力された信号の差分を出力端子ＯＵＴから出力する。
【００１９】
次に、図２を参照しながら読み出し部１０１の詳細を説明する。図１に示したｍ列目の垂直出力線ＶＬ（ｍ）に接続された読み出し回路に着目して説明する。
【００２０】
垂直出力線ＶＬ（ｍ）には、読み出し回路１０１の入力端子であるノードＡが接続されている。第１の保持部である第１の保持容量２０１〜２０３は互いに並列に設けられており、独立して選択可能なスイッチ２０９〜２１１のいずれかとスイッチ２０７とを介してノードＡに接続されている。第１の保持部である第１の保持容量２０４〜２０６は互いに並列に設けられており、独立して選択可能なスイッチ２１２〜２１４のいずれかとスイッチ２０８とを介してノードＢに接続されている。ノードＢはスイッチ２０７およびスイッチ２０９〜２１１の共通ノードであり、インピーダンス変換部であるインピーダンス変換器２４０の入力端子に接続される。なお、ここで第１の保持容量が互いに並列に設けられているとは、物理的に並列にレイアウトしていることではなく、電気的に並列な関係にあることを意味している。つまり、スイッチ２０９〜２１１が導通すると、第１の保持容量２０１〜２０３の一方の端子が共通のノードＢに電気的に接続される。第１の保持容量２０１〜２０３の他方の端子はそれぞれ接地されているので、スイッチ２０９〜２１１が導通すると第１の保持容量２０１〜２０３は並列接続された状態になる。実際のレイアウトは問わない。第１の保持容量２０４〜２０６も同様である。また、第１の保持容量２０１〜２０６は容量値が等しいものとする。インピーダンス変換器２４０の出力端子はスイッチ２４２を介して第２の保持部である保持容量２１７に接続される。また、ノードＣはスイッチ２０８およびスイッチ２１２〜２１４の共通ノードであり、インピーダンス変換器２４１の入力端子に接続される。インピーダンス変換器２４１の出力端子はスイッチ２４３を介して第２の保持部である保持容量２１８に接続されている。インピーダンス変換器２４０、２４１の具体的な構成としては、例えばソースフォロワ回路、電圧フォロワ回路や、後述する差動増幅器などが考えられる。
【００２１】
信号ＣＳＥＬ（ｍ）によってスイッチ２１９および２２０がオンされると、保持容量２１７、２１８に保持された信号は、読み出し回路の出力端子であるノードＤまたはＥを介してそれぞれ水平出力線１０９、１１０に伝達される。
【００２２】
図２に示したように、信号ＣＳＥＬ（ｍ）が供給されると、保持容量２１７は水平出力線１０９と、保持容量２１８は水平出力線１１０と電気的に接続される。
【００２３】
仮に保持容量２１７の容量値をＣＴ、水平出力線１０９の容量値をＣＨとすると、保持容量２１７に保持された信号に対しては容量分割比と呼ばれるＣＴ／（ＣＴ＋ＣＨ）のゲインがかかる。つまり、水平出力線１０９の容量値が大きいほど信号レベルが低下して出力部１１１へと伝達される。そこで、信号レベルが低下することを抑制するために保持容量２１７および２１８はある程度大きい値に設定する必要がある。これに対して、保持容量２０１〜２０６に保持された信号は、インピーダンス変換器２４０または２４１を介して保持容量２１７または２１８に伝達される。そのため、保持容量２１７および２１８よりは容量分割比による信号レベルの低下を考慮する必要がなく、保持容量２０１〜２０６の容量値は保持容量２１７および２１８よりも小さい値に設計することができる。
【００２４】
図２において、スイッチ２０９〜２１４を第１接続スイッチ、スイッチ２４２、２４３を第３接続スイッチ、スイッチ２０７、２０８を第４接続スイッチとすると、読み出し回路内の接続関係を次のようにも表せる。第１の保持容量２０１〜２０６の一方の端子は第１接続スイッチ２０９〜２１４および第４接続スイッチ２０７、２０８を介して第１の信号線ＶＬと接続される。さらに、第１の保持容量２０１〜２０６の一方の端子は第３接続スイッチ２４２、２４３を介して第２の保持部２１７、２１８と接続され、さらに、第１接続スイッチ２０９〜２１４を介して別の組の第１の保持容量の一方の端子と接続される。
【００２５】
次に、図３を参照しながら本実施形態に係る平均化動作を説明する。図３は、平均化動作を行うための駆動パターン例を示す図である。
【００２６】
まず、期間「ｎ行」に着目すると、時刻ｔ１に信号ＬＳＥＴ（ｎ）がハイレベルになることでｎ行目の画素の選択トランジスタ１０７が導通状態になり、増幅トランジスタ１０６のゲート電位に応じたレベルが対応する垂直出力線ＶＬに現れる。時刻ｔ１においては信号ＲＥＳＥＴ（ｎ）がハイレベルであり、増幅トランジスタ１０６のゲート電位は電源ＶＤＤから供給される電圧に応じてリセットされた状態にある。
【００２７】
時刻ｔ２に信号ＲＥＳＥＴ（ｎ）がローレベルになると、増幅トランジスタ１０６のゲート電極のリセット状態が解除される。これにより、増幅トランジスタ１０６のゲート電極はフローティング状態になる。
【００２８】
時刻ｔ３から信号ＴＮ１と信号ＡＤＤ１とがパルス状にハイレベルになることで、増幅トランジスタ１０６のゲート電極をリセットした直後に垂直出力線ＶＬに現れるレベルが保持容量２０４に保持される。このとき保持容量２０４に保持される信号は、画素のノイズ信号として扱われる。
【００２９】
時刻ｔ４に信号ＲＥＡＤ（ｎ）がハイレベルになることで、フォトダイオード１０３に蓄積された電荷が増幅トランジスタ１０６のゲート電極に転送される。転送された電荷によって増幅トランジスタ１０６のゲート電位が変動し、これにより垂直出力線ＶＬに現れるレベルも変化する。このとき垂直出力線ＶＬに現れるのは、時刻ｔ３で述べたノイズ成分に、フォトダイオード１０３が光電変換したことによる信号成分が重畳されたレベルである。
【００３０】
時刻ｔ５から信号ＴＳ１がパルス状にハイレベルになることで、増幅トランジスタ１０６のゲート電位が変動したことに対応する垂直出力線ＶＬのレベルが保持容量２０１に保持される。このとき保持容量２０１に保持される信号は、保持容量２０４に保持された画素のノイズ信号に加えて、フォトダイオードで光電変換したことによる光信号が重畳されたものである。
【００３１】
期間「ｎ＋１行」および期間「ｎ＋２行」についても同様の動作が順次行われる。ただし、期間「ｎ＋１行」では信号ＬＳＥＴ（ｎ）および信号ＲＥＳＥＴ（ｎ）に代えて信号ＬＳＥＴ（ｎ＋１）および信号ＲＥＳＥＴ（ｎ＋１）が供給され、信号ＡＤＤ１に代えて信号ＡＤＤ２が供給される。また、期間「ｎ＋２行」では信号ＬＳＥＴ（ｎ）および信号ＲＥＳＥＴ（ｎ）に代えて信号ＬＳＥＴ（ｎ＋２）および信号ＲＥＳＥＴ（ｎ＋２）が供給され、信号ＡＤＤ１に代えて信号ＡＤＤ３が供給される。
【００３２】
期間「ｎ＋２行」が終了した後の時刻ｔ６において、信号ＡＤＤ１〜３、信号ＴＳ２、および信号ＴＮ２がハイレベルになる。信号ＡＤＤ１〜３がハイレベルになることで、保持容量２０１〜２０３に保持された３行分の画素に基づく信号が平均化される。同時に、保持容量２０４〜２０６に保持された３行分の画素に基づく信号も平均化される。信号ＴＳ２および信号ＴＮ２もハイレベルになるので、平均化された信号がインピーダンス変換器２４０または２４１を介して保持容量２１７または２１８に伝達され、信号ＴＳ２および信号ＴＮ２がローレベルになることで保持容量２１７または２１８に保持される。
【００３３】
次に、期間「ｎ＋３行」から期間「ｎ＋５行」における動作は、期間「ｎ＋１行」から期間「ｎ＋２行」における動作と同様である。期間「ｎ＋３行」から期間「ｎ＋５行」においては、ｎ＋３〜ｎ＋５行目の画素から信号を保持容量２０１〜２０６に読み出す動作と並行して、制御部である水平走査回路ＨＳＲから信号ＣＳＥＬ（ｍ）、ＣＳＥＬ（ｍ＋１）、・・・・が順次供給される。これによって、画素からの信号を第１の保持部に保持する動作と、第２の保持部からの信号を水平出力線１０９または１１０に出力する動作とが並行して行われる。水平出力線１０９または１１０に読み出された信号は、出力部１１０で減算処理が施されて端子ＯＵＴから出力されるので、ノイズ成分が低減される。従って固体撮像装置から得られる信号のＳ／Ｎ比が向上する。出力部１１１に含まれる差動増幅器はゲインを可変に調整できるものであってもよい。
【００３４】
これ以降も同様の動作が行われる。すなわち、例えば期間「ｎ＋６」から期間「ｎ＋８」においては、ｎ＋６〜ｎ＋８行目の画素から信号を保持容量２０１〜２０６に読み出す動作が行われる。そしてこの動作と並行して第２の保持部に保持されたｎ＋３〜ｎ＋５行目までの画素からの信号を平均化したことに対応する信号が水平出力線に読み出される。
【００３５】
上述の動作は主に三つの工程に分類することができる。第１の工程は、画素からの信号を第１の保持容量に保持する工程である。第２の工程は、複数の第１の保持容量に保持された信号を平均化した信号、すなわち加算信号を第２の保持容量に伝達する工程である。そして、第３の工程は、第２の保持容量に保持された加算信号を水平出力線に出力する工程である。このうち、第１の工程および第３の工程の少なくとも一部が重複して行われる。
【００３６】
以上で説明したように、本実施形態によれば画素からの信号を第１の保持部に読み出す動作と、第２の保持部に保持された信号を水平出力線に読み出す動作とを並行して行うことでブランキング期間を低減できる。しかも、複数行に渡る複数の画素からの信号を平均化するので、フレームレートを高めることに加えて前述したジャギーを低減することが可能となる。ここで説明した実施形態は、動画の撮影に好適に利用することができる。
【００３７】
次に、図２に示した回路を用いて複数の画素からの信号を平均化せずに、１画素ずつ順次読み出す、いわゆる全画素読み出しにおける駆動パターン例を図４に示す。
【００３８】
図３に示した駆動パターン例と大きく異なるのは、信号ＡＤＤ１〜３がハイレベルに固定されている点である。これにより保持容量２０１〜２０３が互いに並列接続されるとともに保持容量２０４〜２０６が互いに並列接続される。これにより、画素からの信号をサンプル／ホールドするための第１の保持容量の容量を大きくすることができる。
【００３９】
一般に容量に信号を保持したり、容量に保持された信号を読み出すためにスイッチング動作を行うと、ｋＴＣノイズと呼ばれるノイズが発生して信号に影響を及ぼす。ｋＴＣノイズの大きさは、ｋをボルツマン定数、Ｔを温度、Ｃを静電容量値として、√（ｋＴ／Ｃ）と表される。つまり、ｋＴＣノイズの大きさは容量Ｃの２乗根に反比例するので、複数の第１の保持容量を並列接続してその容量値を大きくすることで、ｋＴＣノイズの影響を低減することができる。本実施形態においては複数の画素からの信号を平均化するために複数の第１の保持容量が設けられているので、１画素ずつ順次信号を読み出す場合には複数の第１の容量を並列接続することが好ましい。１画素ずつ信号を順次読み出す動作は、フレームレートはさほど要求されないものの、高い画質を要求される静止画撮影のような用途に利用されるので、ｋＴＣノイズによる影響を低減することによるメリットは大きい。
【００４０】
図４に示す駆動パターン例では、ｎ行目の画素からの信号を第１の保持容量２０１〜２０６に読み出した後、ｎ＋１行目の画素からの信号を第１の保持容量２０１〜２０６に読み出す前に信号ＴＳ２および信号ＴＮ２がハイレベルになる。また、期間「ｎ＋１行」においてｎ＋１行目の画素からの信号を第１の保持容量２０１〜２０６に読み出す動作と並行して、第２の保持容量２１７および２１８に保持された信号を水平出力線に読み出す動作を行う。期間「ｎ＋２行」以降も同様の動作が繰り返される。
【００４１】
上述の平均化動作を第１の駆動モード、全画素読み出し動作を第２の駆動モードとして、制御部である垂直走査回路ＶＳＲおよび水平走査回路ＨＳＲによって駆動モードを相互に切り替えることが可能である。
【００４２】
ここまでは、モノクロームの固体撮像装置として本実施形態の説明をしてきたが、カラーフィルタを備えた固体撮像装置にも適用できる。カラーフィルタの配列として代表的なものにベイヤー配列がある。図４は、ベイヤー配列のカラーフィルタの配列を示したものである。２行×２列の４画素を単位として、各単位内でＧ（Ｇｒｅｅｎ）画素（Ｇｒ、Ｇｂ）が対角に配置され、Ｒ（Ｒｅｄ）画素（Ｒ）とＢ（Ｂｌｕｅ）画素（Ｂ）とが対角に配置される。図中、Ｇｒ１、Ｇｂ１、Ｒ１、Ｂ１のように同じ添え字が付されているものを単位とする。
【００４３】
ベイヤー配列のカラーフィルタを備える固体撮像装置において信号を加算あるいは平均化する場合は同色のフィルタが配された画素同士の信号を加算あるいは平均化するのが通例である。図４から明らかなように、ベイヤー配列において同色の画素は１画素置きに配置されているので、同一列であって異なる行の画素からの信号を加算するためには１行おきに画素を選択する必要がある。従って、図３に示したタイミングではｎ行目から順次選択していたが、カラーフィルタを備える固体撮像装置においては１行おきに、つまりｎ行、ｎ＋２行、ｎ＋４行、・・・のように選択することになる。あるいは、図３の期間「ｎ行」〜「ｎ＋２行」の動作はモノクロームの固体撮像装置と同様に行い、同色の画素からの信号だけが平均化されるように時刻ｔ６で信号ＡＤＤ１〜ＡＤＤ３を選択的に供給することも可能である。
【００４４】
本実施形態によれば垂直方向の平均化を第１の保持容量で行っており、ジャギーを抑制することができる。画素からの信号を第１の保持容量に保持させる第１の工程および、第２の保持容量に保持された信号を水平出力線に出力する第３の工程の少なくとも一部が重複して行われる。これにより同一列の複数の画素からの信号を加算しつつ信号を高速に読み出すことができるので、ジャギーを抑制しながらフレームレートを向上させることが可能となる。
【００４５】
（第１の実施形態の変形例）
第１の実施形態において示した読み出し回路の構成は、図２のものに限定されるものではなく、多様なバリエーションが考えられる。
【００４６】
図１８を参照しながら第１の実施形態の変形例を説明する。図２の回路構成と異なるのは、垂直出力線ＶＬからインピーダンス変換器の入力端子までの構成である。
【００４７】
図１８において、第１の保持容量２０１〜２０６の各々はスイッチ２０９〜２１４のいずれかを介して垂直出力線ＶＬ（ｍ）と接続されている。スイッチ２０９〜２１４はそれぞれ別個の信号ＴＳ１ａ〜ＴＳ１ｃ、ＴＮ１ａ〜ＴＮ１ｃによって制御される。さらに第１の保持容量２０１と２０２とは信号ＡＤＤ１によって制御されるスイッチ２５２を介して接続されている。さらに第１の保持容量２０２と２０３とは信号ＡＤＤ２によって制御されるスイッチ２５３を介して接続されている。さらに第１の保持容量２０４と２０５とは信号ＡＤＤ１によって制御されるスイッチ２５３を介して接続されている。さらに第１の保持容量２０５と２０６とは信号ＡＤＤ２によって制御されるスイッチ２５４を介して接続されている。
【００４８】
図１８において、スイッチ２０９〜２１４を第１接続スイッチ、スイッチ２５２〜２５５を第２接続スイッチ、スイッチ２４２、２４３を第３接続スイッチとして考えると、読み出し回路内の接続関係を次のようにも表せる。各第１の保持容量２０１〜２０６の一方の端子は第１接続スイッチ２０９〜２１４を介して第１の信号線ＶＬと接続されるとともに第２接続スイッチ２５２〜２５５を介して他の組の第１の保持容量２０１〜２０６の一方の端子と接続される。さらに、各第１の保持容量２０１〜２０６の一方の端子は、第３接続スイッチ２４２、２４３を介して第２の保持容量２１７、２１８と接続される。
【００４９】
図１８に示した読み出し回路を用いて平均化動作を行う場合の駆動パターン例を図１９に示す。
【００５０】
まず、期間「ｎ行」に着目すると、時刻ｔ１に信号ＬＳＥＴ（ｎ）がハイレベルになることでｎ行目の画素の選択トランジスタ１０７が導通状態になり、増幅トランジスタ１０６のゲート電位に応じたレベルが対応する垂直出力線ＶＬに現れる。時刻ｔ１においては信号ＲＥＳＥＴ（ｎ）がハイレベルであり、増幅トランジスタ１０６のゲート電位は電源ＶＤＤから供給される電圧に応じてリセットされた状態にある。
【００５１】
時刻ｔ２に信号ＲＥＳＥＴ（ｎ）がローレベルになると、増幅トランジスタ１０６のゲート電極のリセット状態が解除される。これにより、増幅トランジスタ１０６のゲート電極はフローティング状態になる。
【００５２】
時刻ｔ３から信号ＴＮ１ａがパルス状にハイレベルになることで、増幅トランジスタ１０６のゲート電極をリセットした直後に垂直出力線ＶＬに現れるレベルが保持容量２０４に保持される。このとき保持容量２０４に保持される信号は、画素のノイズ信号として扱われる。
【００５３】
時刻ｔ４に信号ＲＥＡＤ（ｎ）がハイレベルになることで、フォトダイオード１０３に蓄積された電荷が増幅トランジスタ１０６のゲート電極に転送される。転送された電荷によって増幅トランジスタ１０６のゲート電位が変動し、これにより垂直出力線ＶＬに現れるレベルも変化する。
【００５４】
時刻ｔ５から信号ＴＳ１ａがパルス状にハイレベルになることで、増幅トランジスタ１０６のゲート電位が変動したことに対応する垂直出力線ＶＬのレベルが保持容量２０１に保持される。このとき保持容量２０１に保持される信号は、保持容量２０４に保持された画素のノイズ信号に加えて、フォトダイオードで光電変換したことによる光信号が重畳されたものである。
【００５５】
期間「ｎ＋１行」および期間「ｎ＋２行」についても同様の動作が繰り返される。ただし、期間「ｎ＋１行」では信号ＬＳＥＴ（ｎ）および信号ＲＥＳＥＴ（ｎ）に代えて信号ＬＳＥＴ（ｎ＋１）および信号ＲＥＳＥＴ（ｎ＋１）が供給され、信号ＴＮ１ａおよびＴＳ１ａに代えて信号ＴＮ１ｂおよびＴＳ１ｂが供給される。また、期間「ｎ＋２行」では信号ＬＳＥＴ（ｎ）および信号ＲＥＳＥＴ（ｎ）に代えて信号ＬＳＥＴ（ｎ＋２）および信号ＲＥＳＥＴ（ｎ＋２）が供給され、信号ＴＮ１ａおよびＴＳ１ａに代えて信号ＴＮ１ｃおよびＴＳ１ｃが供給される。
【００５６】
期間「ｎ＋２行」が終了した後の時刻ｔ６において、信号ＡＤＤ１およびＡＤＤ２、信号ＴＳ２、および信号ＴＮ２がハイレベルになる。信号ＡＤＤ１およびＡＤＤ２がハイレベルになることで、保持容量２０１〜２０３に保持された３行分の画素に基づく信号が平均化される。同時に、保持容量２０４〜２０６に保持された３行分の画素に基づく信号も平均化される。信号ＴＳ２および信号ＴＮ２もハイレベルになるので、平均化された信号がインピーダンス変換器２４０または２４１を介して保持容量２１７または２１８に伝達され、信号ＴＳ２および信号ＴＮ２がローレベルになることで保持容量２１７または２１８に保持される。
【００５７】
次に、期間「ｎ＋３行」から期間「ｎ＋５行」における動作は、期間「ｎ＋１行」から期間「ｎ＋２行」における動作と同様である。期間「ｎ＋３行」から期間「ｎ＋５行」においては、ｎ＋３〜ｎ＋５行目の画素から信号を保持容量２０１〜２０６に読み出す動作と並行して、制御部である水平走査回路ＨＳＲから信号ＣＳＥＬ（ｍ）、ＣＳＥＬ（ｍ＋１）、・・・・が順次供給される。これによって、画素からの信号を第１の保持部に保持する動作と、第２の保持部からの信号を水平出力線１０９または１１０に出力する動作とが並行して行われる。水平出力線１０９または１１０に読み出された信号は、出力部１１０で減算処理が施されて端子ＯＵＴから出力されるので、ノイズ成分が低減される。従って固体撮像装置から得られる信号のＳ／Ｎ比が向上する。出力部１１１に含まれる差動増幅器はゲインを可変に調整できるものであってもよい。
【００５８】
以上で説明したように第１の実施形態の変形例によれば垂直方向の平均化を第１の保持容量で行っており、ジャギーを抑制することができる。画素からの信号を第１の保持容量に保持させる第１の工程および、第２の保持容量に保持された信号を水平出力線に出力する第３の工程の少なくとも一部が重複して行われる。これにより同一列の複数の画素からの信号を加算しつつ信号を高速に読み出すことができるので、ジャギーを抑制しながらフレームレートを向上させることが可能となる。
【００５９】
また、図１８に示した読み出し回路を用いて全画素読み出しを行う駆動パターン例を図２０に示す。
【００６０】
図２０の動作は図４に示した駆動パターン例と類似した動作となるので詳しい説明は省略するが、図１８に示した読み出し回路を用いても平均化動作と全画素読み出しとを切り替えることができる。
【００６１】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。第１の実施例においては、第１の保持容量２０１〜２０６の容量値は等しいものであるとした。そのため、平均化される３つの画素は同じ比重で扱われる。第２の実施形態においては重み付けを加味した平均化を行うための構成を説明する。
【００６２】
図６は、本実施形態に係る読み出し回路の構成を模式的に表したもので、図２に示した読み出し回路との違いは、第３の保持部として第３の保持容量２０２’および２０５’が追加されている点である。ここで、保持容量２０２’および２０５’を除く第１の保持容量２０１〜２０６の容量値は等しいものとする。保持容量２０２’および２０５’の容量値は、保持容量２０１〜２０６の容量値と等しくてもよいし、異なっていてもよい。保持容量２０２はスイッチ２１０を介してノードＢと接続され、保持容量２０５はスイッチ２１２を介してノードＣと接続される。スイッチ２１０および２１２は、信号ＡＤＤ２−１によって制御される。保持容量２０２’はスイッチ２１０’を介してノードＢと接続され、保持容量２０５’はスイッチ２１２’を介してノードＣと接続される。スイッチ２１０’および２１２’は、信号ＡＤＤ２−２によって制御される。
【００６３】
動作としては、第１の実施形態において図３で示したものと同様の動作を行う。ただし、図３における信号ＡＤＤ２を、本実施形態においては信号ＡＤＤ２−１と読み替える。さらに、信号ＡＤＤ２−２は、平均化処理を行う際に重視する画素からの信号を保持するタイミングでハイレベルにする。例えば、３行の画素のうち、２行目の画素の情報を他の２画素よりも重視する場合には、図３の信号ＡＤＤ２と同じタイミングで駆動する。仮に保持容量２０２’および２０５’の容量値が保持容量２０１〜２０６の容量値と等しいとすると、１ないし３行目の画素からの信号は１：２：１の重み付けが加味された形で合成される。
【００６４】
このような加重平均処理は、カラーフィルタが設けられた画素構成において特に有効である。例えば図４に示したようなベイヤー配列のカラーフィルタが設けられているときに、Ｇｒ１、Ｇｒ２、およびＧｒ３からの信号を１：１：１の割合で平均化すると、平均化後の重心はＧｒ２の位置となる。ところが、これらの３画素分の情報は１画素の信号として読み出されるので、得られる画像の解像感が低下する。これに対し、図６に示す読み出し回路を利用してＧｒ１、Ｇｒ２、およびＧｒ３の重み付けを１：２：１として平均化することができる。これにより、平均化後の重心はＧｒ２の位置でありながら、解像感の低下を抑制することができる。この手法は一般的に「ローパスフィルタリング」と呼ばれる手法である。本実施形態においては、ローパスフィルタリングの手法を利用することで画質を向上させるとともに、高速で信号を読み出すことが可能となる。
【００６５】
また、先述のとおり第３の保持容量２０２’および２０５’の容量値は、保持容量２０１〜２０６の容量値と等しくてもよいし、異なっていてもよい。従って、用途や目的に応じて保持容量２０２’および２０５’の容量値を設計することで重み付けの割合を決定することができる。
【００６６】
また、図６に示した回路を用いて、１画素ずつの信号を順次読み出す動作を行う場合には、図４に示したタイミングで駆動してもよい。ただし、図４におけるＡＤＤ２を信号ＡＤＤ２−１と読み替える。信号ＡＤＤ２−２は、信号ＡＤＤ１、２−１、３と同じタイミングで供給しても良いし、常にオフにしてもよいが、先述したｋＴＣノイズを低減する上では信号ＡＤＤ１、２−１、３と同じタイミングで供給することが有利である。
【００６７】
本実施形態によれば垂直方向の平均化を第１の保持容量で行っており、ジャギーを抑制することができる。画素からの信号を第１の保持容量に保持させる第１の工程および、第２の保持容量に保持された信号を水平出力線に出力する第３の工程の少なくとも一部が重複して行われる。これにより同一列の複数の画素からの信号を加算しつつ信号を高速に読み出すことができるので、ジャギーを抑制しながらフレームレートを向上させることが可能となる。
【００６８】
（第３の実施形態）
図７を参照しながら本発明に係る第３の実施形態を説明する。
【００６９】
図７は、本実施形態に係る固体撮像装置の構成を概略的に示した図であり、図５に示したベイヤー配列のカラーフィルタが設けられているものとする。図１に示した構成と異なるのは、ｎ行目の画素１０２およびｎ＋２行目の画素１０２’の増幅トランジスタ１０６および１０６’のゲート端子が電気的に短絡されている点である。図示はしていないが、ｎ＋１行目とｎ＋３行目についても同様に接続されている。以降、不図示のｎ＋４行目以降も同じ構成が繰り返されている。読み出し回路は図２に示したものである。
【００７０】
図８は、本実施形態に係る平均化動作の駆動タイミング例を示す図である。図３に示した駆動タイミングと異なる点を中心に説明する。図８に示す期間Ａにおいて、信号ＲＥＳＥＴ（ｎ）とＲＥＳＥＴ（ｎ＋２）、信号ＲＥＡＤ（ｎ）とＲＥＡＤ（ｎ＋２）を同じタイミングで供給する。これによって、フォトダイオード１０３および１０３’にそれぞれ蓄積された電荷は共通のノードである増幅トランジスタ１０６および１０６’のゲート端子が電気的に短絡されたノードにて電荷加算される。そして信号ＴＮ１およびＴＳ１が期間Ａにおいてそれぞれパルス状にハイレベルになることでｎ行目とｎ＋２行目の２画素分のノイズ信号と光信号とがそれぞれ第１の保持容量２１１および２０９に保持される。
【００７１】
続く期間ＢおよびＣでも同様に２画素分の信号が電荷加算されて第１の保持容量に保持される。そして期間Ｄにおいて信号ＡＤＤ１〜３、ＴＳ２、ＴＮ２が供給されると、期間Ｃの終了までに第１の保持容量に保持されていた合計６行分の画素からの信号が平均化された上で第２の保持容量に伝達される。
【００７２】
期間Ｅ〜Ｇでは、ｎ＋５〜ｎ＋１１行目の画素に対して期間Ａ〜Ｃの動作と同様の動作が行われるとともに、第２の保持部に保持された信号を水平出力線に出力する動作が並行して行われる。
【００７３】
このように画素部において２行分の画素の信号を電荷加算し、第１の保持部において２×３行分の画素からの信号を平均化することで、合計６行分の画素からの信号を加算することができる。さらに、画素からの信号を第１の保持容量に保持させる第１の工程および、第２の保持容量に保持された信号を水平出力線に出力する第３の工程の少なくとも一部が重複して行われる。これにより同一列の複数の画素からの信号を加算しつつ信号を高速に読み出すことができるので、ジャギーを抑制しながらフレームレートを向上させることが可能となる。
【００７４】
また、１画素ずつの信号を順次読み出す動作を行う場合には、図４に示したタイミングで駆動してもよい。
【００７５】
画素で２行分の画素の信号を電荷加算し、第１の保持部で平均化する場合を例にとって説明してきたが、信号を加算する画素の数を限定するものではない。用途や目的に応じてその数を任意に設計することができる。また、バリエーションとしては、同一行の異なる列にある画素の増幅トランジスタのゲート端子を電気的に短絡することにより、画素では水平方向の電荷加算を行い、第１の保持部では垂直方向の平均化を行うという構成も可能である。
【００７６】
本実施形態によれば垂直方向の平均化を第１の保持容量で行っており、ジャギーを抑制することができる。画素からの信号を第１の保持容量に保持させる第１の工程および、第２の保持容量に保持された信号を水平出力線に出力する第３の工程の少なくとも一部が重複して行われる。これにより同一列の複数の画素からの信号を加算しつつ信号を高速に読み出すことができるので、ジャギーを抑制しながらフレームレートを向上させることが可能となる。
【００７７】
（第４の実施形態）
図９および１０を参照しながら本発明に係る第４の実施形態を説明する。本実施形態では、第２の保持容量に保持された信号を水平方向で平均化することが可能となる。
【００７８】
図９は本実施形態に係る読み出し回路を模式的に表した図である。各垂直出力線ＶＬに接続される画素は、図１に示したものであり、モノクロームの固体撮像装置であるとする。図２に示した構成と異なるのは、異なる列に設けられた第２の保持容量を並列に短絡するためのスイッチ２２１および２２２が追加されたである。スイッチ２２１はそれぞれ２つのトランジスタを含み、その一方は第２の保持容量２１７および２１７’を、もう一方は第２の保持容量２１８および２１８’を短絡し得るように設けられている。スイッチ２２２はそれぞれ２つのトランジスタを含み、その一方は第２の保持容量２１７’および２１７’’を、もう一方は第２の保持容量２１８’および２１８’’を短絡し得るように設けられている。スイッチ２２１および２２２に含まれるトランジスタは共通の信号ＡＤＤＨによってその導通または非導通が切り替えられる。
【００７９】
図９に示す読み出し回路の駆動タイミングの一例を図１０に示す。図１０において図３に示したタイミングと異なるのは、期間Ｂとして示した期間中に信号ＡＤＤＨがハイレベルに維持される点である。これにより、第２の保持容量２１７、２１７’、２１７’’に保持された信号を平均化するとともに、第２の保持容量２１８、２１８’、２１８’’に保持された信号を平均化することができる。図３に示した駆動タイミングでは信号ＣＳＥＬ（ｍ）、ＣＳＥＬ（ｍ＋１）、・・・を順次供給していたが、本実施形態では隣接する３列の第２の保持容量を短絡しているので、信号ＣＳＥＬ（ｍ）〜ＣＳＥＬ（ｍ＋２）のうちいずれか１つを供給すればよい。図１０では信号ＣＳＥＬ（ｍ＋１）を供給する例を示したが、信号ＣＳＥＬ（ｍ＋１）に代えて信号ＣＳＥＬ（ｍ）や信号ＣＳＥＬ（ｍ＋２）を供給しても良い。信号ＣＳＥＬ（ｍ＋３）〜ＣＳＥＬ（ｍ＋５）についても同様である。
【００８０】
また、図４に示したベイヤー配列のカラーフィルタを設けたカラーの固体撮像装置においては、同色の画素からの信号を加算することが通例なので、隣接する列の第２の保持容量を接続するのではなく、１列おきに接続するのが適切である。
【００８１】
本実施形態によれば、垂直方向の平均化を第１の保持容量で行い、水平方向の平均化を第２の保持容量で行っており、ジャギーを抑制することができる。画素からの信号を第１の保持容量に保持させる第１の工程および、第２の保持容量に保持された信号を水平出力線に出力する第３の工程の少なくとも一部が重複して行われる。これにより同一列の複数の画素からの信号を加算しつつ信号を高速に読み出すことができるので、ジャギーを抑制しながらフレームレートを向上させることが可能となる。
【００８２】
（第５の実施形態）
図１１および１２を参照しながら本発明に係る第５の実施形態を説明する。
【００８３】
図１１は本実施形態に係る読み出し回路の構成を示した図である。各垂直出力線に接続される画素の構成は図１に示したものであるとして説明を進める。図１１に示す構成で、図９に示した構成からの変更点は、第２の保持容量２１７、２１８と並列に設けられた第４の保持部である第４の保持容量２２３と、第２および３の保持容量の接続状態を切り替えるためのスイッチ２２４が追加された点である。各列に設けられたスイッチ２２４は、それぞれ異なる信号ＡＤＤＨ１〜ＡＤＤＨ３によって制御される。信号ＡＤＤＨ１〜ＡＤＤＨ３を選択的に制御することによって、水平方向の平均化を行う際に重み付けを加味することが可能となる。
【００８４】
図１１に示す読み出し回路の駆動タイミングの一例を図１２に示す。図１２に示す駆動タイミングで、図１０に示した駆動タイミングと異なるのは、信号ＡＤＤＨ１〜ＡＤＤＨ３が加わった点である。ここでは、ｍ〜ｍ＋２列目のうち、２列目の信号の比率を高くする例を示している。信号ＡＤＤＨ１およびＡＤＤＨ３がローレベルに維持される一方で信号ＡＤＤＨ２はハイレベルに維持されており、ｍ＋１列目の第２の保持容量２１７’および２１８’には第４の保持容量２２３がそれぞれ付加された状態になる。仮に第２の保持容量と第４の保持容量とで容量値が互いに等しいとすると、ｍ〜ｍ＋２列目の信号が１：２：１の比率で加重平均された信号が水平出力線に出力されることになる。
【００８５】
本実施形態によれば、水平方向の重み付けを加味した平均化を第２の保持容量で行っており、ジャギーを抑制することができる。画素からの信号を第１の保持容量に保持させる第１の工程および、第２の保持容量に保持された信号を水平出力線に出力する第３の工程の少なくとも一部が重複して行われる。これにより同一列の複数の画素からの信号を加算しつつ信号を高速に読み出すことができるので、ジャギーを抑制しながらフレームレートを向上させることが可能となる。
【００８６】
また、水平方向の重み付けを加味した平均化を第２の容量で行わない場合、信号ＡＤＤＨ１、ＡＤＤＨ２、ＡＤＤＨ３は常時ハイレベルとして、スイッチ２２４を導通させてもよい。例えば第２の保持容量２１７について考えると、第２の保持容量２１７に対応する第４の保持容量２２３とを接続することにより、第２の保持容量を１つの大容量として取り扱うことができる。そうすることで、第１の実施形態で説明した理由からｋＴＣノイズが低減できる。
【００８７】
このように水平方向の平均化を行わず、１列ずつ信号を順次読み出す動作は、フレームレートはさほど要求されないものの、高い画質を要求される静止画撮影のような用途に利用されるので、ｋＴＣノイズによる影響を低減することによるメリットは大きい。
【００８８】
（第６の実施形態）
図１３および１４を参照しながら本発明に係る第６の実施形態を説明する。
【００８９】
図１３は本実施形態に係る読み出し回路の１列分の構成を示した図である。図２に示した読み出し回路の構成からの変更点は、垂直出力線ＶＬ（ｍ）に接続される列増幅部である増幅器Ａｍｐが追加されたことと、図２では合計６個設けられていた第１の保持容量が４個に変更された点である。第１の保持容量２０１〜２０４の容量値は等しいものとする。
【００９０】
増幅器Ａｍｐは、差動増幅器２２５と、一方の端子が垂直出力線ＶＬ（ｍ）に接続され、もう一方の端子が差動増幅器２２５の反転入力端子に接続されたクランプ容量Ｃ０を含む。増幅器Ａｍｐはさらに差動増幅器２２５の反転入力端子と出力端子との間に設けられた帰還容量ＣｆとスイッチＰＣ０Ｒとを含む。差動増幅器２２５の非反転入力端子には参照電圧ＶＲＥＦが供給される。
【００９１】
図２の構成では各画素に対してノイズ用の第１の保持容量２０４〜２０６を設けていたが、この構成によれば、画素で発生したノイズ成分をクランプ容量Ｃ０によって除去できるため、ノイズ用の第１の保持容量は保持容量２０５の１つだけでよい。なお、本実施形態におけるノイズ用の第１の保持容量２０５に保持されるのは増幅器Ａｍｐによって生じる出力オフセットである。この構成による利点は、第１の保持容量のためのレイアウト面積を低減できる点である。さらに、画素からの信号に対してクランプ容量Ｃ０と帰還容量Ｃｆとの容量値の比Ｃ０／Ｃｆのゲインをかけることができることも利点の一つとして挙げられる。
【００９２】
図１３に示す読み出し回路の駆動タイミングの一例を図１４に示す。図３に示した駆動タイミングと異なる点を中心に説明する。
【００９３】
画素に起因するノイズ成分を低減する動作を説明する。期間Ｂに着目すると時刻ｔ１において、信号ＰＣ０Ｒをハイレベルにすることで差動増幅器２２５がボルテージフォロワの状態となる。このとき、クランプ容量Ｃ０には画素からのノイズ成分が入力されている。その後、信号ＲＥＡＤ（ｎ＋１）をハイレベルにすると、画素からはノイズ成分に光信号が重畳された信号が出力される。このとき、信号ＰＣ０Ｒがローレベルであるので、信号ＰＣ０Ｒがハイレベルであった期間にクランプ容量Ｃ０に保持されたノイズ成分との差分、すなわち、（ノイズ信号）−（ノイズ信号＋光信号）＝（光信号）が差動増幅器２２５の反転入力端子に現れる。先述したように、この形式においてはＣ０／Ｃｆのゲインがかかるので、増幅器Ａｍｐの出力としては、Ｃ０／Ｃｆのゲインがかかった光信号と増幅器Ａｍｐの出力オフセットが重畳されたものとなる。
【００９４】
図１４においては、増幅器Ａｍｐの出力オフセットを第１の保持容量２０５に保持する動作は期間Ｂ中に信号ＴＮ１に応じて行っているが、この動作は期間Ｂに代えて期間Ａや期間Ｃで行っても構わない。
【００９５】
上述した、画素のノイズを増幅器Ａｍｐにて除去する動作を除いては、期間Ｃより後の動作は図３に示した動作と同様なので説明を省略する。
【００９６】
本実施形態によれば、各列に設けられた増幅器Ａｍｐによって画素に起因するノイズ成分を除去することが可能となり、第１の保持容量のレイアウトに必要な面積が低減できるとともに、信号にゲインをかけることができる。また、垂直方向の平均化を第１の保持容量で行っており、ジャギーを抑制することができる。画素からの信号を第１の保持容量に保持させる第１の工程および、第２の保持容量に保持された信号を水平出力線に出力する第３の工程の少なくとも一部が重複して行われる。これにより同一列の複数の画素からの信号を加算しつつ信号を高速に読み出すことができるので、ジャギーを抑制しながらフレームレートを向上させることが可能となる。
【００９７】
（第７の実施形態）
図１５および１６を参照しながら本発明に係る第７の実施形態を説明する。
【００９８】
図１５は本実施形態に係る読み出し回路の１列分の構成を示した図である。これまでに説明してきた読み出し回路との大きな違いは、垂直出力線ＶＬとインピーダンス変換器との間に第１の保持容量が直列に接続されている点である。また、インピーダンス変換器として差動増幅器を用いている。
【００９９】
第１の保持容量２０１〜２０３は一方の端子が互いに短絡されるとともに差動増幅器２５０の反転入力端子に接続される。第１の保持容量２０１〜２０３の他方の端子は、第１のスイッチであるスイッチ２３０および２３１を介して接続されており、第２のスイッチであるスイッチ２２６を介して作動増幅器の出力端子と接続される。
【０１００】
図１５に示す読み出し回路を用いて３行分の画素からの信号を加算する駆動タイミングの一例を図１６に示す。
【０１０１】
まず、期間「ｎ行」の時刻ｔ１において、信号ＬＳＥＴ（ｎ）がハイレベルになり、ｎ行目の画素に含まれる選択トランジスタ１０７が導通する。これによって、ｎ行目の画素に含まれる増幅トランジスタ１０６のゲート電位に応じたレベルが垂直出力線ＶＬ（ｍ）に現れる。同じく時刻ｔ１には信号ＦＢがハイレベルになるので読み出し回路中のスイッチ２２８および２２９が導通状態になる。これにより差動増幅器２５０および２５１の反転入力端子と接続された第１の保持容量の電極の電位はＶＲＥＦに差動増幅器２５０および２５１の出力オフセットが重畳されたレベルとなる。
【０１０２】
次に、信号ＴＮ１ａがパルス状にハイレベルになることで、第１の保持容量２０１にサンプル／ホールドされる。このとき第１の保持容量２０１にサンプル／ホールドされる信号は、画素に起因するノイズ成分である。
【０１０３】
次に、信号ＲＥＡＤ（ｎ）がパルス状にハイレベルになると、フォトダイオード１００に蓄積された電荷が増幅トランジスタ１０６のゲート電極のノードに転送される。これによって増幅トランジスタ１０６のゲート電位が変動し、これに応じたレベルが垂直出力線ＶＬ（ｍ）に現れる。
【０１０４】
次に、次に、信号ＴＳ１ａがパルス状にハイレベルになることで、第１の保持容量２０４にサンプル／ホールドされる。このとき第１の保持容量２０４にサンプル／ホールドされる信号は、画素に起因するノイズ成分にフォトダイオード１００に蓄積された光信号が重畳された信号である。
【０１０５】
期間「ｎ＋１行」および「ｎ＋２行」についても同様の動作が繰り返される。
【０１０６】
時刻ｔ２において信号ＦＢがローレベルになり、信号ＦＢＯがハイレベルになる。その後、信号ＡＤＤがハイレベルになると、第１の保持容量２０１〜２０３の垂直出力線ＶＬ（ｍ）側の電極が電気的に接続されるので、第１の保持容量２０１〜２０３に保持された信号が平均化される。さらに、２０１〜２０３の垂直出力線ＶＬ（ｍ）側の電極が差動増幅器２５０の出力端子と電気的に接続された状態になる。この動作によって、差動増幅器２５０の出力オフセットが除去された信号が差動増幅器２５０の出力端子に現れる。  差動増幅器２５０の出力オフセットが除去されるメカニズムを説明する。信号ＦＢがハイレベルの状態において差動増幅器２５０の出力オフセットが反転入力端子にも入力され、第１の保持容量に出力オフセットが保持される。その後信号ＦＢがローレベルになり、信号ＦＢＯがハイレベルになると、垂直信号線ＶＬ（ｍ）と接続された第１の保持容量の端子が差動増幅器２５０の出力端子と電気的に接続されるので、第１の保持容量に保持された出力オフセットが打ち消される。この動作によって、差動増幅器２５０の出力オフセットが除去された信号が差動増幅器２５０の出力端子に現れる。
【０１０７】
差動増幅器２５１側の経路についても差動増幅器２５０側の経路と同様の動作が行われる。信号ＡＤＤと同時に信号ＴＳ２およびＴＮ２がハイレベルになるので、差動増幅器２５０および２５１の出力オフセットが除去された信号が対応する第２の保持容量２１７または２１８に保持される。
【０１０８】
期間「ｎ＋３行」〜「ｎ＋５行」でも、期間「ｎ行」〜「ｎ＋２行」と同様の動作が行われる。ただし、期間「ｎ行」〜「ｎ＋２行」と異なるのは、信号ＣＳＥＬが供給される点である。つまり、ｎ＋３〜ｎ＋５行目の画素に基づく信号を第１の保持容量に保持させる工程と、ｎ〜ｎ＋２行目の画素に基づく信号を水平出力線に出力する工程との少なくとも一部が時間的に重複している。
【０１０９】
本実施形態によれば、垂直方向の平均化を第１の保持容量で行っており、ジャギーを抑制することができる。画素からの信号を第１の保持容量に保持させる第１の工程および、第２の保持容量に保持された信号を水平出力線に出力する第３の工程の少なくとも一部が重複して行われる。これにより同一列の複数の画素からの信号を加算しつつ信号を高速に読み出すことができるので、ジャギーを抑制しながらフレームレートを向上させることが可能となる。
【０１１０】
（第８の実施形態）
次に、本実施形態に係る撮像システムの概略を図１７を用いて説明する。
【０１１１】
撮像システム８００は、例えば、光学部８１０、固体撮像装置１０００、信号処理回路部８３０、記録・通信部８４０、タイミング制御回路部８５０、システムコントロール回路部８６０、及び再生・表示部８７０を含む。
【０１１２】
レンズなどの光学系である光学部は８１０、被写体からの光を固体撮像装置１０００の、複数の画素が２次元状に配列された画素部に結像させ、被写体の像を形成する。画素部には先述の有効画素領域が含まれる。固体撮像装置１０００は、タイミング制御回路部８５０からの信号に基づくタイミングで、画素部に結像された光に応じた信号を出力する。
【０１１３】
固体撮像装置８００から出力された信号は、信号処理部である信号処理回路部８３０に入力され、信号処理回路部８３０が、プログラムなどによって定められた方法に従って、入力された電気信号に対してＡＤ変換などの処理を行う。信号処理回路部での処理によって得られた信号は画像データとして記録・通信部８４０に送られる。記録・通信部８４０は、画像を形成するための信号を再生・表示部８７０に送り、再生・表示部８７０に動画や静止画像が再生・表示させる。記録通信部は、また、信号処理回路部８３０からの信号を受けて、システムコントロール回路部８６０とも通信を行うほか、不図示の記録媒体に、画像を形成するための信号を記録する動作も行う。
【０１１４】
システムコントロール回路部８６０は、撮像システムの動作を統括的に制御するものであり、光学部８１０、タイミング制御回路部８５０、記録・通信部８４０、及び再生・表示部８７０の駆動を制御する。また、システムコントロール回路部８６０は、例えば記録媒体である不図示の記憶装置を備え、ここに撮像システムの動作を制御するのに必要なプログラムなどが記録される。また、システムコントロール回路部８６０は、例えばユーザの操作に応じて駆動モードを切り替える信号を撮像システム内で供給する。
【０１１５】
タイミング制御回路部８５０は、制御手段であるシステムコントロール回路部８６０による制御に基づいて固体撮像装置１０００及び信号処理回路部８３０の駆動タイミングを制御する。
【０１１６】
（その他）
以上で説明した本発明に係る各実施形態においては、３行分あるいは６行分の画素からの信号を平均化または電荷加算と平均化するものを例にとって説明したが、加算または平均化を行う画素の数を限定するものではなく、任意に設定することができる。
【０１１７】
また、読み出し回路に含まれるインピーダンス変換器は必須の構成ではなく、省略しても構わない。ただし、先述したとおりインピーダンス変換器を備えることによって、第２の保持容量と比べて第１の保持容量の容量値を小さく設計することが可能となるという利点がある。
【０１１８】
また、以上で説明した各実施形態を２つ以上組み合わせても良い。
【図面の簡単な説明】
【０１１９】
【図１】本発明の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成例を示す図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る読み出し回路の構成例を示す図。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る平均化動作における駆動パターン例を示す図。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る全画素読み出しにおける駆動パターン例を示す図。
【図５】本発明の実施形態に係るカラーフィルタの概略構成例を示す図。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る読み出し回路の概略構成例を示す図。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成例を示す図。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る平均化動作における駆動パターン例を示す図。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る読み出し回路の概略構成例を示す図。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係る平均化動作における駆動パターン例を示す図。
【図１１】本発明の第５の実施形態に係る読み出し回路の概略構成例を示す図。
【図１２】本発明の第５の実施形態に係る平均化動作における駆動パターン例を示す図。
【図１３】本発明の第６の実施形態に係る読み出し回路の概略構成例を示す図。
【図１４】本発明の第６の実施形態に係る平均化動作における駆動パターン例を示す図。
【図１５】本発明の第７の実施形態に係る読み出し回路の概略構成例を示す図。
【図１６】本発明の第７の実施形態に係る平均化動作における駆動パターン例を示す図。
【図１７】本発明の第８の実施形態に係る撮像システムの概略構成例を示す図。
【図１８】本発明の第１の実施形態の変形例に係る読み出し回路の構成例を示す図。
【図１９】本発明の第１の実施形態の変形例に係る平均化動作における駆動パターン例を示す図。
【図２０】本発明の第１の実施形態の変形例に係る全画素読み出しにおける駆動パターンを示す図。
【符号の説明】
【０１２０】
１０００  固体撮像装置
１００  画素配列
１０１  読み出し回路
１０２  画素
１０３  フォトダイオード
１０４  転送トランジスタ
１０５  リセットトランジスタ
１０６  増幅トランジスタ
１０７  選択トランジスタ
１０８  定電流源
１０９、１１０  水平出力線
１１１  出力部
２０１〜２０６、２１７、２１８、  保持容量
２１９、２２０  スイッチ
２２５  差動増幅器
２４０、２４１  インピーダンス変換器
２５０  差動増幅器
８００  撮像システム
８１０  光学部
８３０  信号処理回路部
８４０  記録・通信部
８５０  タイミング制御回路部
８６０  システムコントロール回路部
８７０  再生・表示部
Ａｍｐ  増幅器
Ｃ０  クランプ容量
Ｃｆ  帰還容量
ＨＳＲ  水平走査回路
ＶＬ  垂直出力線
ＶＳＲ  垂直走査回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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