(57)【要約】  センサが出力する光電流を積分した電荷を蓄積する積分容量を有するセンサ部が行及び列からなる２次元アレー状に配置されたイメージセンサにおいて、積分容量の電圧値を走査することで読み出し信号を順次出力する信号読み出し方法は、第１〜第３の期間からなる１フレーム期間において、第１の期間では積分容量を用いた１回目の光電流の積分とサンプルホールド容量を用いた１回目のサンプルホールドを行い、第２の期間では積分容量を用いた２回目の光電流の積分を行い、第１及び第２の期間中の処理動作を全センサ部に対して共通、且つ、同時に行い、第３の期間では垂直走査を開始して第１番目から順番に行を選択し、選択された行に対して、読み出し信号が既に出力されている所定行のサンプルホールド容量のリセット、所定行のサンプルホールド容量を用いた２回目のサンプルホールド、選択された行と所定行のサンプルホールド容量の両端電圧の平均化、及び水平走査動作を開始して第１番目の列から順番に列を選択し、選択された列に対して最終出力電圧を順次読み出す。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサが出力する光電流を積分した電荷を蓄積する積分容量を有するセンサ部が行及び列からなる２次元アレー状に配置されたイメージセンサにおいて、該積分容量の電圧値を走査することで読み出し信号を順次出力する信号読み出し方法であって、
第１〜第３の期間からなる１フレーム期間において、該第１の期間では該積分容量を用いた１回目の光電流の積分とサンプルホールド容量を用いた１回目のサンプルホールドを行い、
該第２の期間では該積分容量を用いた２回目の光電流の積分を行い、該第１及び第２の期間中の処理動作を、全センサ部に対して共通、且つ、同時に行い、
該第３の期間では垂直走査を開始して第１番目から順番に行を選択し、選択された行に対して、読み出し信号が既に出力されている所定行のサンプルホールド容量のリセット、該所定行のサンプルホールド容量を用いた２回目のサンプルホールド、選択された行と該所定行のサンプルホールド容量の両端電圧の平均化、及び水平走査動作を開始して第１番目の列から順番に列を選択し、選択された列に対して最終出力電圧を順次読み出すことを特徴とする、信号読み出し方法。
【請求項２】
該第１番目の行に対する該所定行は、該イメージセンサの有効画素領域外に設けられたダミー行であり、第２番目以降の行に対する該所定行は、該選択された行に対して走査順序が先行している行であることを特徴とする、請求項１記載の信号読み出し方法。
【請求項３】
該第３の期間における該所定行のサンプルホールド容量のリセット、該所定行のサンプルホールド容量を用いた２回目のサンプルホールド、及び該選択された行と該所定行のサンプルホールド容量の両端電圧の平均化のタイミングは、該垂直走査のタイミングに基づいて制御されることを特徴とする、請求項１又は２記載の信号読み出し方法。
【請求項４】
該サンプルホールド容量は、該積分容量より小さな容量値を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項記載の信号読み出し方法。
【請求項５】
センサが出力する光電流を積分した電荷を蓄積する積分容量を有するセンサ部が行及び列からなる２次元アレー状に配置され、該積分容量の電圧値を走査することで読み出し信号を順次出力する信号読み出し回路であって、
各センサ部は、サンプルホールド容量と、該サンプルホールド容量を所定の電位に接続する第１のスイッチと、同じセンサ部内の積分容量とサンプルホールド容量との間の接続制御する第２のスイッチと、該積分容量と異なる行のセンサ部内のサンプルホールド容量との間の接続を制御する第３のスイッチと、該積分容量から該第１及び第２のスイッチを介して接続されている複数のサンプルホールド容量を相互に接続する第４のスイッチとを備えていることを特徴とする、信号読み出し回路。
【請求項６】
同じ行のセンサ部内の該第１〜第４のスイッチのオン・オフを制御する信号線は共通接続されていることを特徴とする、請求項５記載の信号読み出し回路。
【請求項７】
各センサ部において、該第１、第３及び第４のスイッチのうち少なくとも１つのスイッチのオン・オフは、該走査を行うシフトレジスタからの信号に基づいて制御されることを特徴とする、請求項５又は６記載の信号読み出し回路。
【請求項８】
該サンプルホールド容量は、該積分容量よりも小さい容量値を有することを特徴とする、請求項５〜７のいずれか１項記載の信号読み出し回路。
【請求項９】
該第１番目の行のセンサ部に対する該異なる行のセンサ部内のサンプルホールド容量は、該２次元アレー状の配置外に設けられたダミー行のダミーサンプルホールド容量であり、第２番目以降の行のセンサ部に対する該異なる行のセンサ部内のサンプルホールド容量は、該２番目以降の行に対して走査順序が先行している行のセンサ部内のサンプルホールド容量であることを特徴とする、請求項５〜８のいずれか１項記載の信号読み出し回路。
【請求項１０】
第２番目以降の行のセンサ部に対する該異なる行のセンサ部内のサンプルホールド容量は、夫々の直前の該１番目以降の行のセンサ部内のサンプルホールド容量であることを特徴とする、請求項９記載の信号読み出し回路。
【請求項１１】
該ダミーサンプルホールド容量は、該積分容量よりも小さい容量値を有することを特徴とする、請求項９記載の信号読み出し回路。
【請求項１２】
センサが出力する光電流を積分した電荷を蓄積する積分容量を有するセンサ部が行及び列からなる２次元アレー状に配置され、該積分容量の電圧値を走査することで読み出し信号を順次出力する信号読み出し回路を備えたイメージセンサであって、
各センサ部は、サンプルホールド容量と、該サンプルホールド容量を所定の電位に接続する第１のスイッチと、同じセンサ部内の積分容量とサンプルホールド容量との間の接続制御する第２のスイッチと、該積分容量と異なる行のセンサ部内のサンプルホールド容量との間の接続を制御する第３のスイッチと、該積分容量から該第１及び第２のスイッチを介して接続されている複数のサンプルホールド容量を相互に接続する第４のスイッチとを備え、
該積分容量の電圧値を走査することで読み出し信号を順次出力する１フレーム期間中の処理を繰返すことで、動画像を表す出力電圧を出力することを特徴とする、イメージセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信号読み出し方法、信号読み出し回路及びイメージセンサ（又は、撮像装置）に係り、特に複数のセンサからの電流信号を電圧信号に変換してセンサの検出情報を読み出す信号読み出し方法及び信号読み出し回路、並びにそのような信号読み出し回路を備えたイメージセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のイメージセンサは、入射光量に応じて光電流信号を発生するセンサが２次元アレー状に配置された構成を有する。各センサは、電流変化を信号成分として発生し、信号読み出し回路は、各センサからの電流信号の電荷を蓄積して電圧に変換すると共に、その電圧値を走査することで読み出し信号を順次出力する。【０００３】
図１は、従来のイメージセンサの一例の要部を示す回路図である。図１は、イメージセンサの信号読み出し回路を示す。図１において、各センサ部１は同じ構成を有し、センサ２、入力ゲート３、容量リセットスイッチ４及び積分容量５を備える。入力部１１は、センサ部１、出力アンプ１２及び行選択スイッチ１３を有する。入力ゲート３のゲートには外部からゲート制御信号PIGが入力され、容量リセットスイッチ４のゲートには外部からリセット信号Rstが入力される。行選択スイッチ１３のゲートは、垂直走査シフトレジスタ２１に接続されている。出力アンプ１２には、電源電圧VDが印加される。スイッチ１５のゲートには外部からバイアス電圧VBが印加され、出力アンプ１２及び行選択スイッチ１３は列選択スイッチ１６を介して出力線に接続されている。列選択スイッチ１６のゲートは水平シフトレジスタ２２に接続されている。図１において、GNDは接地電圧を示し、出力電圧V(out)は出力端子２５から出力される。又、信号読み出し回路は、センサ２を含む構成であってもセンサ２を除く構成であっても良い。【０００４】
センサ２で発生した光電流は、制御信号PIGにより入力ゲート３を一定期間オンとすることで、電流量を積分容量５に蓄積された電荷量へ変換し、その結果生じた積分容量５の両端の電圧を読み出し信号としている。２次元アレー状に配置された各センサ部１で発生した出力電圧（読み出し信号）は、垂直走査シフトレジスタ２１及び水平走査シフトレジスタ２２を用いて行選択スイッチ１２及び列選択スイッチ１６が夫々順番に選択されることで時系列に走査され、出力電圧V(out)として出力端子２５から順次外部へ出力される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１に示す信号読み出し回路では、センサ２からの光電流を電荷量として積分しており、信号は電荷の１乗に比例し、雑音は電荷の１／２乗に比例する。このため、各センサ部１の出力の信号対雑音比（SNR：Signal-to-Noise Ratio）は、積分容量５に蓄えることが可能な電荷量が大きい程大きくなる。従って、センサ部１に設けられた積分容量５が大きい程SNRが向上するが、センサ部１が２次元アレー状に配置された場合には、イメージセンサの設計条件に応じてセンサ部１内の回路部分の実装面積が制限されるので、センサ部１内に形成する積分容量５の大きさも制限されることになり、信号読み出し回路から得られる出力のSNRにも限界がある。つまり、信号読み出し回路から得られる出力のSNRを向上するには積分容量５を大きくすることが望ましいが、センサ部１内の回路部分の実装面積は小さくすることが望ましく、SNRの向上と実装面積の縮小とはトレードオフの関係にある。【０００６】
本発明は、上記の問題を抑制することが可能な信号読み出し方法、信号読み出し回路及びイメージセンサを提供することを概括的目的とする。【０００７】
本発明のより具体的な目的は、比較的簡単な構成により、信号読み出し回路の実装面積を増大させることなく、且つ、信号読み出し回路から得られる出力のSNRを向上可能な信号読み出し方法、信号読み出し回路及びイメージセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題は、センサが出力する光電流を積分した電荷を蓄積する積分容量を有するセンサ部が行及び列からなる２次元アレー状に配置されたイメージセンサにおいて、該積分容量の電圧値を走査することで読み出し信号を順次出力する信号読み出し方法であって、第１〜第３の期間からなる１フレーム期間において、該第１の期間では該積分容量を用いた１回目の光電流の積分とサンプルホールド容量を用いた１回目のサンプルホールドを行い、該第２の期間では該積分容量を用いた２回目の光電流の積分を行い、該第１及び第２の期間中の処理動作を、全センサ部に対して共通、且つ、同時に行い、該第３の期間では垂直走査を開始して第１番目から順番に行を選択し、選択された行に対して、読み出し信号が既に出力されている所定行のサンプルホールド容量のリセット、該所定行のサンプルホールド容量を用いた２回目のサンプルホールド、選択された行と該所定行のサンプルホールド容量の両端電圧の平均化、及び水平走査動作を開始して第１番目の列から順番に列を選択し、選択された列に対して最終出力電圧を順次読み出すことを特徴とする信号読み出し方法によって達成できる。【０００９】
上記の課題は、センサが出力する光電流を積分した電荷を蓄積する積分容量を有するセンサ部が行及び列からなる２次元アレー状に配置され、該積分容量の電圧値を走査することで読み出し信号を順次出力する信号読み出し回路であって、各センサ部は、サンプルホールド容量と、該サンプルホールド容量を所定の電位に接続する第１のスイッチと、同じセンサ部内の積分容量とサンプルホールド容量との間の接続制御する第２のスイッチと、該積分容量と異なる行のセンサ部内のサンプルホールド容量との間の接続を制御する第３のスイッチと、該積分容量から該第１及び第２のスイッチを介して接続されている複数のサンプルホールド容量を相互に接続する第４のスイッチとを備えていることを特徴とする信号読み出し回路によって達成できる。【００１０】
上記の課題は、上記の信号読み出し回路を備えたイメージセンサであって、該積分容量の電圧値を走査することで読み出し信号を順次出力する１フレーム期間中の処理を繰返すことで、動画像を表す出力電圧を出力することを特徴とするイメージセンサによって達成できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、比較的簡単な構成により、信号読み出し回路の実装面積を増大させることなく、且つ、信号読み出し回路から得られる出力のSNRを向上可能な信号読み出し方法、信号読み出し回路及びイメージセンサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】従来のイメージセンサの一例の要部を示す回路図である。
【図２】本発明のイメージセンサの第１実施例の要部を示す回路図である。
【図３】イメージセンサの第１実施例の動作を説明する回路図である。
【図４】本発明の信号読み出し方法の第１実施例を説明するフローチャートである。
【図５】本発明のイメージセンサの第２実施例の要部を示す回路図である。
【図６】イメージセンサの第２実施例の動作を説明するタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００１３】
５１      センサ部
５２      センサ
５３      入力ゲート
５４      容量リセットスイッチ
５５      積分容量
５６，５７      サンプルホールドスイッチ
５８      サンプルホールドリセットスイッチ
５９      接続スイッチ
６０      サンプルホールド容量
６１      入力部
６２      出力アンプ
６３      行選択スイッチ
６６      列選択スイッチ
７１      垂直走査シフトレジスタ
７２      水平走査シフトレジスタ
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明の信号読み出し方法、信号読み出し回路及びイメージセンサの各実施例を図２以降と共に説明する。
【実施例１】
【００１５】
図２は、本発明のイメージセンサの第１実施例の要部、即ち、本発明の信号読み出し回路の第１実施例を示す回路図である。図２において、各センサ部５１は同じ構成を有し、センサ５２、入力ゲート５３、容量リセットスイッチ５４、積分容量（コンデンサ）５５、サンプルホールドスイッチ５６，５７、サンプルホールドリセットスイッチ５８、接続スイッチ５９及びサンプルホールド容量６０を備える。入力部６１は、センサ部５１、出力アンプ６２及び行選択スイッチ６３を有する。水平方向に延びる各行に設けられたセンサ部５１の数は２個以上であれば良く、垂直方向に延びる各列に設けられたセンサ部５１の数も２個以上であれば良い。又、各行に設けられたセンサ部５１の数と各列に設けられたセンサ部５１の数は、同じであっても異なっても良い。【００１６】
入力ゲート５３のゲートには外部からゲート制御信号PIGが入力され、容量リセットスイッチ５４のゲートには外部からリセット信号Rstが入力される。行選択スイッチ６３のゲートは、垂直走査シフトレジスタ７１に接続されている。同じ行に設けられた行選択スイッチ６３のゲート、即ち、制御用信号線は、共通接続されている。出力アンプ６２には、電源電圧VDが印加される。スイッチ６５のゲートには外部からバイアス電圧VBが印加され、出力アンプ６２及び行選択スイッチ６３は列選択スイッチ６６を介して水平走査シフトレジスタ７２に接続されている。サンプルホールドスイッチ５６のゲートには、外部からサンプルホールド信号S/H-1が入力される。同じ行に設けられたセンサ部５１内のサンプルホールドスイッチ５６のゲート、即ち、制御用信号線は、共通接続されている。サンプルホールドスイッチ５７、サンプルホールドリセットスイッチ５８及び接続スイッチ５９のゲートには、夫々垂直走査シフトレジスタ７１から選択回路６８を介してサンプルホールド信号S/H-2、サンプルホールドリセット信号Rst-S/H及び接続制御信号Avrが入力される。図２において、GNDは接地電圧を示し、VRstはリセット電源電圧を示し、出力電圧V(out)は出力端子７５から出力される。信号読み出し回路は、センサ５２を含む構成であってもセンサ５２を除く構成であっても良い。
積分容量５５とサンプルホールド容量６０間は、サンプルホールドスイッチ５６，５７により接続され、サンプルホールドスイッチ５６，５７はサンプルホールドリセットスイッチ５８を介してリセット電源電圧VRstに接続されている。サンプルホールドスイッチ５６は、積分容量５５と同じセンサ部５１内のサンプルホールド容量６０との接続を行うために設けられ、サンプルホールドスイッチ５７は、積分容量５５と別のセンサ部５１内のサンプルホールド容量６０との接続を行うために設けられている。接続スイッチ５９は、１つの積分容量５５から一対のサンプルホールドスイッチ５６，５７を介して接続される複数対のサンプルホールド容量６０同士を接続するために設けられている。尚、図２において第１行目（最上行）に配置されたセンサ部５１の更に上のダミー行に対して１つのダミーサンプルホールド容量（コンデンサ）６０Ｄが設けられている。各行はイメージセンサが画像を検出可能な有効画素領域内に設けられているが、ダミー行は有効画素領域外に設けられている。サンプルホールド容量６０，６０Ｄは、積分容量５５よりも容量値が十分小さく、例えば積分容量５５の容量値の約１／１０である。本実施例では、サンプルホールド容量６０，６０Ｄは同じ容量値を有する。【００１７】
このような構成のセンサ部５１を含む入力部６１が２次元アレー状に配置され、複数のサンプルホールドスイッチ５６で構成されるスイッチ群、複数のサンプルホールドスイッチ５７で構成されるスイッチ群、複数のサンプルホールドリセットスイッチ５８で構成されるスイッチ群、及び複数の接続スイッチ５９で構成されるスイッチ群は、夫々垂直走査シフトレジスタ７１から選択回路６８を介して例えば行単位で一括してオン・オフ動作が制御される。【００１８】
次に、信号読み出し回路の動作について、イメージセンサが検出した画像中のある特定の画素に対応するセンサ５２に着目して図３及び図４と共に説明する。図３は、イメージセンサの第１実施例の動作を説明する回路図であり、図４は、本発明の信号読み出し方法の第１実施例を説明するフローチャートである。【００１９】
先ず、図４のステップS1は、外部からのリセット信号Rstによりリセットスイッチ５４をオンにして積分容量５５を所定のリセット電圧VRstに設定すると共に、外部からのサンプルホールド信号S/H-1によりサンプルホールドスイッチ５６をオンにして全てのサンプルホールド容量６０及びダミーサンプルホールド容量６０Ｄをリセット電圧VRstに設定するリセット動作を行う。【００２０】
ステップS2は、外部からのリセット信号Rstによりリセットスイッチ５４をオフ、外部からのサンプルホールド信号S/H-1によりサンプルホールドスイッチ５６をオフにすると共に、外部からの制御信号PIGにより入力ゲート５３を一定期間オンにしてセンサ５２からの光電流を積分した電荷を積分容量５５に蓄積する。これにより、１回目の積分出力電圧が得られる。【００２１】
ステップS3は、上記一定期間後、外部からの制御信号PIGにより入力ゲート５３をオフにすると共に、外部からのサンプルホールド信号S/H-1によりサンプルホールドスイッチ５６をオンにして積分容量５５の両端の電圧（１回目の積分出力電圧）をサンプルホールド容量６０へ転送する。サンプルホールド容量６０は積分容量５５よりも充分小さいため、サンプルホールド容量６０の両端の電圧は積分容量５５の両端の電圧と略同じであり、積分容量５５に保持されていた電荷を部分的にサンプルホールド容量６０に移しただけなので、サンプルホールド容量６０でのSNRは積分動作終了時の積分容量５５でのSNRに等しい。以上で１回目の積分及びサンプルホールド動作を終了する。【００２２】
ステップS4は、外部からのリセット信号Rstによりリセットスイッチ５４をオンとすると共に、外部からのサンプルホールド信号S/H-1によりサンプルホールドスイッチ５６をオフとすることで、積分容量５５をリセット電圧VRstにリセットすると共にサンプルホールド容量６０に１回目の積分出力電圧を保存しておく。【００２３】
ステップS5は、外部からのリセット信号Rstによりリセットスイッチ５４をオフにすると共に、外部からの制御信号PIGにより入力ゲート５３を上記一定期間と同じ期間オンにしてセンサ５２からの光電流を積分した電荷を積分容量５５に蓄積する。これにより、２回目の積分出力電圧が得られる。【００２４】
ステップS1〜S５の処理は、イメージセンサの全画素、即ち、全センサ部５１に対して同時に行われる。【００２５】
ステップS6は、上記一定期間と同じ期間の後、外部からの制御信号PIGにより入力ゲート５３をオフにすると共に、垂直走査シフトレジスタ７１から選択回路６８を介して得られるリセット信号Rst-S/Hによりサンプルホールドリセットスイッチ５８をオンにして、ダミーサンプルホールド容量６０Ｄをリセット電圧VRstにリセットする。【００２６】
ステップS7は、垂直走査シフトレジスタ７１から選択回路６８を介して得られるリセット信号Rst-S/Hによりサンプルホールドリセットスイッチ５８をオフとすると共に、垂直走査シフトレジスタ７１から選択回路６８を介して得られるサンプルホールド信号S/H-2によりサンプルホールドスイッチ５７をオンにして積分容量５５の両端の電圧（２回目の積分出力電圧）をサンプルホールド容量６０Ｄへ転送する。１回目の積分動作と２回目の積分動作そのものは同じであるので、サンプルホールド容量６０及びダミーサンプルホールド容量６０Ｄに転送された積分出力電圧は平均的には同じ値であり、各々に対してランダムな雑音が重畳された状態となっている。【００２７】
ステップS8は、垂直走査シフトレジスタ７１から選択回路６８を介して得られる接続制御信号Avrにより接続スイッチ５９をオンにして、サンプルホールド容量６０及びダミーサンプルホールド容量６０Ｄを接続することで、両者にサンプルホールドされた積分出力電圧（どちらのSNRも積分動作終了時の積分容量５５でのSNRに等しい）が平均化された電圧が発生する。これは同じSNRを有する電圧信号を２回積算したことを意味するので、平均的な電圧信号の絶対値（S）を維持したまま、雑音を(１／２)０．５倍に減らした電圧信号がサンプルホールド容量６０に残る。【００２８】
ステップS9は、選択されている行のサンプルホールド容量６０の出力電圧を順次読み出すことで、信号読み出し回路の最終的な出力のSNRを改善することができる。このようにして、２次元アレー状に配置された各センサ部５１で発生した出力電圧（読み出し信号）は、垂直走査パターンに応じたデータが外部から入力される垂直走査シフトレジスタ７１及び水平走査パターンに応じたデータが外部から入力される水平走査シフトレジスタ７２を用いて行選択スイッチ６２及び列選択スイッチ６６が夫々順番に選択されることで時系列に走査され、出力電圧V(out)として出力端子７５から順次外部へ出力される。垂直走査パターン及び水平走査パターンに応じたデータを垂直及び水平走査シフトレジスタ７１，７２に入力して行及び列を選択してセンサ部５１の出力電圧（即ち、イメージセンサの画素データ）を走査する動作自体は周知であるため、その説明は省略する。【００２９】
ステップS6〜S9の処理は、イメージセンサの行単位の画素、即ち、全センサ部５１の各行に対して行われる。言うまでもないが、第１行目についてはダミーサンプルホールド容量６０Ｄを使用するが、Nを２以上の整数とすると、第N行目以降については第N-1行目等の使用していない行のサンプルホールド容量６０をダミーサンプルホールド容量として使用すれば良い。【００３０】
尚、２回目のサンプルホールド動作を行う直前のリセット信号Rst-S/Hに応答したサンプルホールドリセットスイッチ５８によるリセット動作により、ダミーサンプルホールド容量６０Ｄ内の信号情報（第１行目のセンサ部５１における１回目の積分出力電圧をサンプルホールドした出力）は失われる。従って、「サンプルホールドリセットスイッチ５８をオン」→「サンプルホールドスイッチ５７をオン」→「接続スイッチ５９をオン」→「センサ部５１の出力電圧の読み出し」からなる一連の動作は、垂直走査シフトレジスタ７１により選択された行単位で順番に行われる。このため、各スイッチ５７〜５９は行単位で一括してオン・オフできるように、同じ行に設けられたサンプルホールドスイッチ５７のゲート、即ち、制御用信号線は、共通接続され、同じ行に設けられたサンプルホールドリセットスイッチ５８のゲート、即ち、制御用信号線は、共通接続され、同じ行に設けられた接続スイッチ５９のゲート、即ち、制御用信号線は、共通接続されている。従って、SNRの改善が図られた出力電圧の走査及び読み出しが既に終了している行のセンサ部５１内のサンプルホールド容量６０を利用することで、２回目の積分出力電圧をサンプルホールドすることが可能となる。どのセンサ部５１についても、最終出力電圧が読み出された後でサンプルホールド容量６０内の信号情報が失われるので、イメージセンサ内の全センサ部５１（即ち、全画素）についてSNRの向上を図ることができる。
【実施例２】
【００３１】
図５は、本発明のイメージセンサの第２実施例の要部、即ち、本発明の信号読み出し回路の第２実施例を示す回路図であり、図６は、イメージセンサの第２実施例の動作を説明するタイミングチャートである。イメージセンサ及び信号読み出し回路の第２実施例は、本発明の信号読み出し方法の第２実施例を用いる。【００３２】
図５中、図２と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。本実施例では、図５に示すように、選択回路６８の代わりに遅延回路６９が設けられている。遅延回路６９は、垂直走査シフトレジスタ７１に入力されるデータを遅延することによりスイッチ５８，５７，５９のオン・オフを制御するでサンプルホールドリセット信号Rst-S/H、サンプルホールド信号S/H-2及び接続制御信号Avrを生成する。各スイッチ５３，５４，５６〜５９，６２，６３，６５，６６は、CMOSで構成されている。【００３３】
図６において、上部は１フレーム期間における垂直走査のタイミングを示し、下部は１行が選択されている期間中の水平走査のタイミングを上部に比べて時間軸を拡大して示す。図６中、上部はリセットスイッチ５４ゲートに入力されるリセット信号Rst、入力ゲート５３に入力されるゲート制御信号PIG、サンプルホールドスイッチ５６のゲートに入力されるサンプルホールド信号S/H-1、垂直走査シフトレジスタ７１へ入力される垂直走査パターンのデータV-Data、及び垂直走査シフトレジスタ７１の垂直走査（行選択）期間を示す。他方、図６中、下部は行選択スイッチ６３のゲートに入力される行選択信号Row、サンプルホールドリセットスイッチ５８のゲートに入力されるサンプルホールドリセット信号Rst-S/H、サンプルホールドスイッチ５７のゲートに入力されるサンプルホールド信号S/H-2、接続制御スイッチ５９のゲートに入力される接続制御信号Avr、水平走査シフトレジスタ７２へ入力される水平走査パターンのデータH-Data、及び水平走査シフトレジスタ７２の水平走査（列選択）期間を示す。【００３４】
図６に示す期間（１）において、１回目の光電流信号の積分と１回目のサンプルホールドを行う。次の期間（２）において、２回目の光電流信号の積分を行う。これらの期間（１），（２）中の処理は、全センサ部５１（即ち、全画素）に対して共通、且つ、同時に行われる。続く期間（３）において、垂直走査シフトレジスタ７１の走査動作を開始して第１番目の行（最上行）から順番に行を選択し、選択された行に対して次の処理ST1〜ST4を順次行う。
ST1：  選択された行に対して走査順序が先行している行（例えば、直前の行）のセンサ部５１等の、既に出力電圧が出力端子７５から出力されている所定行のセンサ部５１内のサンプルホールド容量６０のリセット、
ST2：  上記所定行のセンサ部５１内のサンプルホールド容量６０を用いた２回目のサンプルホールド、
ST3：  選択された行のセンサ部５１内と上記所定行のセンサ部５１内のサンプルホールド容量６０の両端電圧の平均化、及び
ST4：  水平走査シフトレジスタ７２の走査動作を開始して第１番目の列（最左列）から順番に列を選択、選択された列に対する最終出力電圧を順次読み出し。【００３５】
最終行（最下行）に対する上記処理ST1〜ST4が完了すると、全センサ部５１（全画素）に対する出力電圧の読み出しが終了したことになる。以上の１フレーム期間中の処理を繰返すことで、イメージセンサが検出した動画像を表す出力電圧（画像データ）を得ることができる。【００３６】
このようにして得られた信号読み出し回路の出力電圧のSNRは、図１に示す従来の読み出し回路のSNRと比較すると、約２０．５倍改善された値になる。又、従来の信号読み出し回路で同様に改善されたSNRを得るためには、積分容量の大きさを倍増させる必要があり、センサ部内の回路部分の実装面積、更には信号読み出し回路全体の実装面積がかなり大きくなってしまう。これに対し、本実施例では、センサ部５１内の回路部分の実装面積、及び信号読み出し回路の実装面積を増大させずにSNR改善の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、CCDイメージセンサや赤外線イメージセンサ等を含む各種イメージセンサに適用可能である。【００３８】
以上、本発明を実施例により説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能であることは言うまでもない。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成21年7月31日(2009.7.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサが出力する光電流を積分した電荷を蓄積する積分容量を有するセンサ部が行及び列からなる２次元アレー状に配置されたイメージセンサにおいて、該積分容量の電圧値を走査することで読み出し信号を順次出力する信号読み出し方法であって、
第１〜第３の期間からなる１フレーム期間において、該第１の期間では該積分容量を用いた１回目の光電流の積分とサンプルホールド容量を用いた１回目のサンプルホールドを行い、
該第２の期間では該積分容量を用いた２回目の光電流の積分を行い、該第１及び第２の期間中の処理動作を、全センサ部に対して共通、且つ、同時に行い、
該第３の期間では垂直走査を開始して第１番目から順番に行を選択し、選択された行に対して、読み出し信号が既に出力されている所定行のサンプルホールド容量のリセット、該所定行のサンプルホールド容量を用いた２回目のサンプルホールド、選択された行と該所定行のサンプルホールド容量の両端電圧の平均化、及び水平走査動作を開始して第１番目の列から順番に列を選択し、選択された列に対して最終出力電圧を順次読み出すことを特徴とする、信号読み出し方法。
【請求項２】
該第１番目の行に対する該所定行は、該イメージセンサの有効画素領域外に設けられたダミー行であり、第２番目以降の行に対する該所定行は、該選択された行に対して走査順序が先行している行であることを特徴とする、請求項１記載の信号読み出し方法。
【請求項３】
該第３の期間における該所定行のサンプルホールド容量のリセット、該所定行のサンプルホールド容量を用いた２回目のサンプルホールド、及び該選択された行と該所定行のサンプルホールド容量の両端電圧の平均化のタイミングは、該垂直走査のタイミングに基づいて制御されることを特徴とする、請求項１又は２記載の信号読み出し方法。
【請求項４】
該サンプルホールド容量は、該積分容量より小さな容量値を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項記載の信号読み出し方法。
【請求項５】
センサが出力する光電流を積分した電荷を蓄積する積分容量を有するセンサ部が行及び列からなる２次元アレー状に配置され、該積分容量の電圧値を走査することで読み出し信号を順次出力する信号読み出し回路であって、
各センサ部は、サンプルホールド容量と、該サンプルホールド容量を所定の電位に接続する第１のスイッチと、同じセンサ部内の積分容量とサンプルホールド容量との間の接続制御する第２のスイッチと、該積分容量と異なる行のセンサ部内のサンプルホールド容量との間の接続を制御する第３のスイッチと、該積分容量から該第１及び第２のスイッチを介して接続されている複数のサンプルホールド容量を相互に接続する第４のスイッチとを備えていることを特徴とする、信号読み出し回路。
【請求項６】
同じ行のセンサ部内の該第１〜第４のスイッチのオン・オフを制御する信号線は共通接続されていることを特徴とする、請求項５記載の信号読み出し回路。
【請求項７】
各センサ部において、該第１、第３及び第４のスイッチのうち少なくとも１つのスイッチのオン・オフは、該走査を行うシフトレジスタからの信号に基づいて制御されることを特徴とする、請求項５又は６記載の信号読み出し回路。
【請求項８】
該サンプルホールド容量は、該積分容量よりも小さい容量値を有することを特徴とする、請求項５〜７のいずれか１項記載の信号読み出し回路。
【請求項９】
第１番目の行のセンサ部に対する該異なる行のセンサ部内のサンプルホールド容量は、該２次元アレー状の配置外に設けられたダミー行のダミーサンプルホールド容量であり、第２番目以降の行のセンサ部に対する該異なる行のセンサ部内のサンプルホールド容量は、該２番目以降の行に対して走査順序が先行している行のセンサ部内のサンプルホールド容量であることを特徴とする、請求項５〜８のいずれか１項記載の信号読み出し回路。
【請求項１０】
センサが出力する光電流を積分した電荷を蓄積する積分容量を有するセンサ部が行及び列からなる２次元アレー状に配置され、該積分容量の電圧値を走査することで読み出し信号を順次出力する信号読み出し回路を備えたイメージセンサであって、
各センサ部は、サンプルホールド容量と、該サンプルホールド容量を所定の電位に接続する第１のスイッチと、同じセンサ部内の積分容量とサンプルホールド容量との間の接続制御する第２のスイッチと、該積分容量と異なる行のセンサ部内のサンプルホールド容量との間の接続を制御する第３のスイッチと、該積分容量から該第１及び第２のスイッチを介して接続されている複数のサンプルホールド容量を相互に接続する第４のスイッチとを備え、
該積分容量の電圧値を走査することで読み出し信号を順次出力する１フレーム期間中の処理を繰返すことで、動画像を表す出力電圧を出力することを特徴とする、イメージセンサ。
【国際調査報告】
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