(57)【要約】【課題】  ノイズのない高精度の信号を読み出すことが可能な固体撮像装置を提供することを課題とする。【解決手段】  同一半導体基板上に形成され、二次元に配列された光電変換素子と、前記光電変換素子の信号を順次読み出す読み出し回路と、順次読み出された信号を増幅する増幅回路と、前期増幅回路からの出力を入力とし、前記出力のオフセットを調整する手段を備えた固体撮像装置において、前記オフセット調整手段として、前記出力の任意期間の電圧と任意の第一の参照電圧との差をなくすようフィードバック補正する第一のオフセット調整手段と、第一のオフセット調整手段の出力のリセット期間と出力期間との電圧差を第二の基準電圧を基準として出力する第二のオフセット調整手段を備えたことを特徴とする固体撮像装置を提供する。【選択図】  図１
2006108888.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一半導体基板上に形成され、二次元に配列された光電変換素子と、前記光電変換素子の信号を順次読み出す読み出し回路と、順次読み出された信号を増幅する増幅回路と、前期増幅回路からの出力を入力とし、前記出力のオフセットを調整する手段を備えた固体撮像装置において、前記オフセット調整手段として、前記出力の任意期間の電圧と任意の第一の参照電圧との差をなくすようフィードバック補正する第一のオフセット調整手段と、第一のオフセット調整手段の出力のリセット期間と出力期間との電圧差を第二の基準電圧を基準として出力する第二のオフセット調整手段を備えたことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の固体撮像装置において、請求項１に記載の増幅回路が、反転入力端子に入力された電圧と非反転入力端子に入力された電圧の差に応じた電流を出力する差動増幅回路であり、かつ請求項１に記載の第一のオフセット調整手段が前記差動増幅回路の出力の任意の期間の電圧と請求項１に記載の任意の第一の参照電圧との差を無くすように電流出力のフィードバック補正をする回路であることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
請求項１に記載の固体撮像装置において、第二のオフセット調整手段の基準電圧である第二の基準電圧が、第一のオフセット調整手段のフィードバック補正量に依存した電圧を入力とした基準電圧調整手段の出力によって制御されることを特徴とした固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は特にビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、イメージスキャナ用のイメージ入力装置に広範に用いられる固体撮像装置に適用される出力オフセット除去ならびにノイズ除去に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図７は、従来一般的な固体撮像装置の概念図であり、２次元に配列された画素０１と行選択のための垂直走査回路０２、選択された一行分の画素出力を保持するためのラインメモリ回路０３、ラインメモリ回路０３に保持された一行分のデータを共通読み出し線０４に一画素ずつ順次読み出すための水平読み出し選択スイッチ０７とこれを制御する水平走査回路０５が備わっている。また、共通読み出し線０４には、読み出された信号を増幅するためのゲインアンプ１１と、アンプオフセットや暗電流オフセットを除去するためのクランプ手段１２が備わっている。また、一般には２次元に配列された画素０１の一部は、遮光された画素であり、光信号がないときの画素出力として、画像演算処理の基準となる。
【０００３】
図８は、従来の固体撮像装置におけるオフセット除去のためのクランプ回路駆動を説明するために、ラインメモリ回路０３から共通読み出し線０４への読み出しに関係する駆動パルスおよび回路各部における一般的な出力波形を示している。
【０００４】
水平シフトパルス０８によって水平走査回路０５が駆動され、ラインメモリ回路０３に保持された一行分のデータが一画素ずつ順次左端から共通読み出し線０４に読み出される。一画素読み出されるたびに、共通読み出し線０４は、リセットパルス０９で決められる期間リセットされる。共通読み出し線０４に読み出された一画素ずつのデータは、ゲインアンプ１１で増幅される。
【０００５】
このときの波形が図８出力Ａに示されている。図には例として７画素分の出力波形を記した。うち左４画素は遮光画素の出力を、残り３画素は非遮光画素の出力を示してある。左４画素の遮光画素の出力には、画素への光照射に無関係な暗電流によるオフセットおよび回路オフセットのみが足されて出力され、光信号成分は出力されない。残り３画素の非遮光画素の出力には、上記、光照射に無関係なオフセット成分に加え、光照射量に応じた光信号成分が重畳される。
【０００６】
上記のような光照射とは無関係に発生する無駄なオフセット成分を除去するために、従来から、オフセット除去回路が使用される。これについて以下に説明する。
【０００７】
説明に先立ち、まず、固体撮像装置の出力波形に一般的に現れる不要なオフセット成分や、ノイズ成分について、図９を用いて説明する。固体撮像装置の一般的な出力波形は、図９（１）に示すように、波形の形状から三種類の成分に分解できる。図中〔１〕の成分は、画素出力期間であるか、リセット期間であるか、に関わり無く常にゲインアンプ回路の基準電圧であるＶＲＥＦ電圧に対し一定に重畳するオフセット成分を示しており、その発生原因としては、ゲインアンプの回路オフセットが挙げられる。
【０００８】
図中〔２〕の成分は、画素出力期間のみに重畳するオフセットを示しており、また画素への光照射の有無に関わらず発生する成分である。その発生原因としては、水平読み出し選択スイッチまたは共通読み出し線のリセットスイッチ開閉時に発生するフィードスルー電圧と、暗電圧によるオフセットが挙げられる。フィードスルー電圧とは、例えば、ＭＯＳスイッチのＯＮ時にゲート下に集まっていたチャネル電荷が、ＯＦＦ時にソース／ドレイン側に流れ出すことによって発生するオフセット電圧である。暗電圧とは、画素への光照射が無い状態でも発生する電流、例えば、フォトダイオードにおける逆方向電流や、フォトゲートにおけるリーク電流、結晶欠陥からの発生電流など、によるオフセット電圧である。これらのオフセットは、遮光、非遮光にも関わり無く、全画素においておおよそ同じ大きさで発生する。例外として、結晶欠陥による暗電圧の場合、大きな結晶欠陥が存在する画素の暗電圧がとりわけ大きなオフセットとなる。また、暗電圧成分は、蓄積時間や温度によって異なるため、固体撮像装置の使用環境によって変動するオフセット成分である。
【０００９】
図中〔３〕の成分は、画素への光照射量に比例する光信号成分であり固体撮像装置として本来必要とする信号成分を示している。
【００１０】
また、より精密に議論するならば、図９（２）に示すように、〔４〕の成分のようにリセット期間および画素出力期間共通に発生し、各画素期間で大きさが異なる成分が存在する。発生原因としては、共通読み出し線リセット解除時に発生する熱雑音によるランダムノイズ成分があげられる。リセット解除時に発生するため、リセット期間の電圧及びその直後に出力される画素出力期間の電圧に共通の大きさのオフセットとなる。
【００１１】
また図中〔５〕で示したのは、リセット期間、画素出力期間といったタイミングに関わり無く、常にランダムに発生するオフセットである。発生原因としては、ゲインアンプが発生する１／ｆノイズによるランダムノイズ成分が挙げられる。１／ｆノイズとは、周波数が低くなるにしたがって発生エネルギーが大きくなるノイズであり、その発生周期はランダムで、複数画素にわたり同じオフセットとなって発生することもあれば、一画素期間以下の周期で変化する場合もある。
【００１２】
上記のような光照射とは無関係に発生する様々なオフセット成分を除去するために従来から行なわれている、オフセット除去回路の動作について、図８の従来クランプパルス〔１〕、従来クランプパルス〔２〕を用いて説明する。両パルスとも、クランプ回路におけるクランプのタイミングを示しており、ハイレベルのとき、出力波形Ａをサンプリングし、そのレベルを一定の基準電圧に合わせこむように動作するものとする。
【００１３】
従来の固体撮像装置では、クランプ方法のひとつとして、図８の従来クランプ期間〔１〕に示すように、出力波形のリセット期間をクランプする方法を採用している。この場合、図９で説明した成分〔１〕のゲインアンプ等の回路がもつＤＣオフセット成分（画素出力期間、リセット期間に共通、さらに全画素共通の大きさで発生する成分）を除去することができる。しかし、画素出力期間のみに発生するがリセット期間には発生しないような、〔２〕の成分は除去することができない。
【００１４】
これを改善した従来の固体撮像装置では、図８で従来のクランプ期間〔２〕として示すように、出力波形のうち遮光画素の画素出力期間をクランプする方法がある。この場合、図９中の、〔１〕のゲインアンプ等の回路がもつＤＣオフセット（画素出力期間、リセット期間に共通、さらに全画素共通の大きさで発生する成分）に加え、リセット期間には発生せず、画素出力期間のみに発生する、〔２〕のオフセット成分も除去することができる。また、複数画素の遮光画素出力の平均値をとるようなクランプを行うのが好ましい。なぜなら、暗電圧が非常に大きい欠陥画素が存在した場合、欠陥画素の出力をクランプしてしまい、誤クランプとなってしまうためである。一画素ごとのクランプへの影響度を低くし、複数画素の平均をとるには、クランプ回路の応答特性を一画素の出力時間に対して十分遅く設計すればよい。
【００１５】
全体の駆動シーケンスとしては、遮光画素の出力でクランプを行ない調整したオフセット調整量を、容量等を用いて保持しておき、非遮光画素の出力時には、クランプ動作を行なわず、保持されたオフセット調整量をもとにオフセット調整を行なう。このようにすれば、非遮光画素出力時にも図９の〔１〕及び〔２〕の成分を除去し、〔３〕の光信号成分のみを出力として取り出すことができる（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開平２００１−２４５２２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上記従来例では以下のような問題点がある。固体撮像装置の出力波形に乗るノイズ成分を精密に議論する場合、図９（２）を用いて説明したように、各画素出力で異なるノイズ成分が存在する。例えば、共通読出し線のリセットの度に発生するノイズ（図９中〔４〕）がそのひとつである。従来固体撮像装置のクランプでは、複数画素の平均をクランプするため一画素ごとに発生するノイズを除去できない。また、遮光画素出力のみを使ってのクランプであるため、非遮光画素出力時に新たに発生するこのノイズ成分を、除去することができない。したがって、出力画像にノイズが残ることになる。また、同様にゲインアンプの１／ｆノイズ（図９中〔５〕）も除去することができない。このノイズはリセット期間／画素出力期間を問わず、アンプ出力に乗る成分であり、その周期は不定である。一画素の出力期間に対してノイズ周期が十分大きかった場合、複数画素に連続的にまたがった出力変動となるため、画像上でスジ状のノイズが発生してしまう。
【００１７】
また、これらのノイズを除去するために、一画素ごとにリセット期間をクランプしようとした場合、暗電圧成分をクランプすることができずに、蓄積時間や環境温度に依存性をもつオフセット成分が残ってしまう。
【００１８】
本発明では、固体撮像装置の出力波形にのる、〔１〕ゲインアンプ等の回路オフセット、〔２〕暗電圧によるオフセット、〔４〕共通読出し線リセットノイズ、〔５〕ゲインアンプの１／ｆノイズの全てのノイズ、オフセットを除去し、ノイズのない高精度の信号を読み出すことが可能な固体撮像装置を提供することを目的をする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記の問題を解決するために、本発明の撮像装置では、同一半導体基板上に形成され、二次元に配列された光電変換素子と、前記光電変換素子の信号を順次読み出す読み出し回路と、順次読み出された信号を増幅する増幅回路と、前期増幅回路からの出力を入力とし、前記出力のオフセットを調整する手段を備えた固体撮像装置において、前記オフセット調整手段として、前記出力の任意の期間の電圧と任意の第一の参照電圧との差をなくすようフィードバック補正する第一のオフセット調整手段と、第一のオフセット調整手段の出力のリセット期間と出力期間との電圧差を第二の基準電圧を基準として出力する第二のオフセット調整手段を備えたことを特徴とする固体撮像装置を用いることにより解決する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の固体撮像装置によれば、出力波形にのる不要な回路オフセット、暗電圧オフセットをすることにより、後段の信号処理回路の入力ダイナミックレンジを圧迫することもなく、共通読出し線リセットノイズ、ゲインアンプによる１／ｆノイズを高精度に除去することができ、ノイズの少ない画像を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
（実施例１）
図１は本発明による固体撮像装置の回路ブロック図を表している。二次元に配列された画素０１をもち、行選択をするための垂直走査回路０２、選択された一行分の信号を保持するためのラインメモリ回路０３、ラインメモリのデータを一画素ずつ共通読出し線０４に読み出すための水平走査回路０５を備えている。また、共通読出し線０４に転送された信号を増幅するためのゲインアンプ１１と不要なオフセット除去するための第一のクランプ手段１２と第二のクランプ手段１３を介して出力端子１０へと繋がっている。本発明による固体撮像装置の構成の特徴は、基準電圧とゲインアンプ出力波形の一部とを比較し、ゲインアンプにフィードバックすることによりオフセット補正を行う第一のクランプ手段１０と、一画素ごとに、相関のあるリセットレベル期間と画素出力期間との差分を出力するＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｓａｍｐｌｉｎｇ：相関二重サンプリング）機能を有する第二のクランプ手段１１を備えている点である。
【００２２】
図２は、図１の第一のクランプ回路及び第二のクランプ回路の具体的な回路を示している。ゲインアンプ２０１は、オペアンプによるゲイン回路である。第一のクランプ手段２０３では、ゲインアンプ２０１の出力Ｂ２０４と第一の基準電圧２０７とをコンパレータ２１１で比較し、その差分を補正するようにコンパレータ２１１の電流が出力される。さらに、第一のクランプスイッチ２１４で決定されるクランプ期間にのみ、コンパレータによる比較結果が、クランプ容量２１２へ書き込まれる。クランプ容量２１２の電圧は、バッファ回路２１３を介してゲインアンプ２０１の参照電圧側にフィードバックされる。この回路動作により、ゲインアンプの波形のうちクランプ期間にあたる出力電圧と基準電圧との電圧差がなくなるようにフィードバッククランプ動作が行われる。第二のクランプ手段２０５では、第二のクランプスイッチ２１０が閉じる期間の出力Ｂ２０４の電圧をクランプし、このときの電圧と、第二のクランプスイッチ２１０が開いたときの出力との差分がカップリング容量２０９を介して、出力Ｃ２０６に現れる。
【００２３】
図３は、本実施例の駆動パルスと各回路部分での電圧波形を示している。入力Ａ３０１、出力Ｂ３０４、出力Ｃ３０５は、それぞれ図２における入力Ａ２０２、出力Ｂ２０４、出力Ｃ２０６における電圧波形を示しており、第一のクランプパルス３０２、第二のクランプパルス３０３は、それぞれ図２における第一のクランプスイッチ２１４、第二のクランプスイッチ２１０、の開閉パルスであり、ｈｉｇｈレベルのときにスイッチが閉じる。
【００２４】
第一のクランプパルス２１４は、入力Ａ３０１の波形のうち、回路オフセットと暗電圧によるオフセットが出力されている遮光画素の出力期間をクランプする。このオフセットは、全画素にほぼ共通な電圧であるため、複数画素の出力の平均となることがクランプ特性上望ましい。なぜなら異常出力をもつ欠陥画素が存在した場合、全画素共通の電圧からずれた値をクランプすることになり、不正確なクランプとなる。したがって、第一のクランプ手段のフィードバックゲインは低めに設定し、一画素の影響を小さくし、複数画素の平均となるようにする。出力Ｂ３０４は、入力Ａ３０１の電圧を、第一のクランプ手段２０３によってクランプしたときの出力にあたる。複数画素の出力をクランプすることにより、徐々に第一の基準電圧に収束している。第一のクランプ期間が終了した時点での適切な補正電圧は、第一のクランプスイッチが開いたままの状態になることで、クランプ容量２１２に保持された状態となり、非遮光画素の出力期間においても、この補正電圧が維持されるため、第一のクランプ手段の駆動を止めても、全画素共通のオフセット成分は、遮光画素でのクランプ結果をもとに除去され続けることになる。
【００２５】
第二のクランプパルス３０３は、出力Ｂ３０４の電圧波形のうちリセット期間の電圧を第二のスイッチ２１０を閉じてカップリング容量２０９にクランプし、その後、第二のスイッチ２１０が開いたときの光信号を含む出力電圧との差分だけが、第二の基準電圧を基準にして、出力Ｃに出力される。共通読み出し線をリセットした際に発生するノイズ成分（〔４〕の成分）は、次に共通読出し線がリセットされるまで、同じ大きさの電圧として重畳されるため、リセット期間とその直後の出力期間はノイズ成分関して相関のある出力となる。したがって、上記動作により除去することができる。ゲインアンプの１／ｆノイズも同様に、もっとも時間的に近い二点の差分、つまりリセット期間とその直後の出力期間の差分、をとることで、最も効果的に除去することができる。
【００２６】
以上に述べたように、本発明による固体撮像装置では、出力波形における不要なオフセットやノイズを高精度に除去することが可能となる。
【００２７】
（実施例２）
図４に本発明の第二の実施例を示す。図１における、ゲインアンプ１１と第一のクランプ手段１２の具体的な回路の別構成である。ゲインアンプ４０１は、前段で二つの入力４０２，４０３の入力の差に応じた電流を発生し、後段で電圧に変換する差動増幅回路であり、第一のクランプ手段４０５は、ゲインアンプ４０１の出力と第一の基準電圧４０６の比較結果を電流帰還することによりオフセット補正を行う構成となっている。このような構成にすれば、フィードバッククランプ部の、回路構成を簡略化することが可能になる。
【００２８】
（実施例３）
図５に本発明の第三の実施例を示す。
【００２９】
本実施例の構成の特徴は、第二のクランプ手段における第二の基準電圧を第一のクランプ手段による電圧補正量に依存した電圧となるよう基準電圧調整手段１４を設けた点である。図６は基準電圧調整手段の具体的な回路例を示している。図３の出力Ｃ３０５の波形において、第二の基準電圧が適切な電圧に設定されていない場合、例えば、第一の基準電圧と同じ電圧であった場合、第二のクランプにより、リセット期間の電圧が第一の基準レベルと同じ電圧に合わせこまれるため、暗電圧によるオフセットが残ってしまい、第一のクランプ手段によるオフセットの調整が、一部無効となってしまう。本実施例では、第一のクランプ手段によってクランプ容量６１３に保持されている補正量をバッファし、オペアンプによるゲイン回路を経て、第二の基準電圧として用いている。本実施例の固体撮像装置によれば、第二の基準電圧は第一のクランプ手段による補正量に応じて変化するため、第一のクランプ手段の効果を最大限に発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第一実施例に係るブロック図である。
【図２】本発明の第一実施例に係る回路図である。
【図３】本発明の第一実施例に係る駆動タイミングおよび出力波形図である。
【図４】本発明の第二実施例に係る回路図である。
【図５】本発明の第二実施例に係るブロック図である。
【図６】本発明の第三実施例に係る回路図である。
【図７】従来例に係るブロック図である。
【図８】従来例に係る駆動タイミング及び出力波形図である。
【図９】従来例を説明するための出力波形図である。
【符号の説明】
【００３１】
０１  画素
０２  垂直走査回路
０３  ラインメモリ回路
０４  共通読み出し線
０５  水平走査回路
０６  読み出し回路
０７  水平読み出し選択スイッチ
０８  水平シフトパルス入力端子
０９  リセットパルス入力端子
１０  出力端子
１１，２０１，４０１，６０１  ゲインアンプ
１２，２０３，４０５，６０３  第一のクランプ手段
１３，２０５，６０５  第二のクランプ手段
１４，６１５  基準電圧調整手段
２０２，４０２，４０３  入力端子
２０４，２０６，４０４  出力端子
２０７，４０６，６０７  第一の基準電圧
２０８，６０８  第二の基準電圧
２０９  カップリング容量
２１０，４０５  第一のクランプスイッチ
２１１  コンパレータ
２１２  クランプ容量
２１３  バッファ回路
２１４  第二のクランプスイッチ
【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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