(57)【要約】【課題】  固定パターンノイズを効果的に抑制できる固体撮像装置を提供すること。【解決手段】  画素Ａに蓄積された電荷に基づく信号と、画素Ａに蓄積された電荷を消去する信号が、サンプル容量ＣＳＳ１，ＣＳＮ１に保持される。このサンプル容量ＣＳＳ１，ＣＳＮ１の平均電位を、演算増幅器２１，２２、信号線３３、演算増幅器３４およびスイッチφ７を介して非破壊状態で読み出して、演算増幅器４１の入力端子に入力して、この演算増幅器４１をリセットする。サンプル容量ＣＳＳ１，ＣＳＮ１の電位を、スイッチφ４および入力信号線３１，３２を介して破壊状態で読み出して、帰還容量ＣＦＳ，ＣＦＮに転送し、演算増幅器４１から映像信号を出力する。サンプル容量ＣＳＳ１，ＣＳＮ１の平均電位によって演算増幅器４１のリセットを行うので、サンプル容量ＣＳＳ１，ＣＳＮ１のバラツキの影響を低減できて、映像信号の固定パターンノイズを効果的に抑制できる。【選択図】図１
2006042242.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素からの信号を保持するサンプル容量と、
上記サンプル容量に保持された信号を非破壊状態で読み出す非破壊読み出し回路と、
上記サンプル容量に保持された信号を破壊状態で読み出す破壊読み出し回路と、
上記非破壊読み出し回路からの信号に基づいてリセットを行う一方、上記破壊読み出し回路からの信号に基づいて映像信号を出力する増幅回路と
を備える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、
上記非破壊読み出し回路は、上記画素に蓄積された電荷に基づく電位と、上記画素に蓄積された電荷を消去する信号に基づく電位との平均電位を出力することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
請求項２に記載の固体撮像装置において、
上記増幅回路は、上記平均電位でリセットを行う一方、上記平均電位を直流動作点とする交流信号処理を行うことを特徴とする固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関し、詳しくは、ビデオカメラ、電子カメラ、画像入力カメラ、スキャナ又はファクシミリ等に用いられるＭＯＳ型イメージセンサを用いた固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤイメージセンサやＭＯＳ型イメージセンサなどの半導体イメージセンサは、量産性に優れているため、パターンの微細化技術の発展に伴い、多くの画像入力装置に適用されている。
【０００３】
特に近年、ＣＣＤイメージセンサに比べて消費電力が小さく、かつ、イメージセンサ素子と周辺回路素子との両方をＣＭＯＳ技術によって作成できるという利点を生かして、ＭＯＳ型イメージセンサが見直されている。
【０００４】
しかしながら、上記ＭＯＳ型イメージセンサは、入射光量に無関係に発生する固定パターンノイズが比較的多いという問題がある。
【０００５】
そこで、このような問題を解決するため、従来、図４に示すような固体撮像装置が提案されている（例えば、特許文献１：特開２００４−１５８３０号公報参照）。
【０００６】
上記従来の固体撮像素子は、図４に示すように、画素Ａからの電荷を記憶するサンプル容量ＣＳＳ１と、このサンプル容量ＣＳＳ１を入力端子３１に接続するスイッチφ１，φ９と、上記入力端子３１に正入力端子が接続された演算増幅器４１と、この演算増幅器４１の正入力端子と負出力端子との間に並列接続された帰還キャパシタＣＦＳと、この帰還キャパシタＣＦＳに並列接続されたスイッチＳＷ４４とで第１のスイッチトキャパシタ回路を構成している。また、画素Ａからの電荷を記憶するサンプル容量ＣＳＮ１と、このサンプル容量ＣＳＮ１を入力端子３２に接続するスイッチφ２，φ９と、上記入力端子３２に負入力端子が接続された上記演算増幅器４１と、この演算増幅器４１の負入力端子と正出力端子との間に並列接続された帰還キャパシタＣＦＮと、この帰還キャパシタＣＦＮに並列接続されたスイッチＳＷ４５とで第２のスイッチトキャパシタ回路を構成している。上記第１および第２スイッチトキャパシタ回路で演算増幅器４１を共用することにより、コモンモードノイズを低減するようにしている。
【０００７】
しかしながら、上記従来の固体撮像素子は、上記演算増幅器４１のリセット動作を、入力端子３１，３２と出力端子４２，４３とをスイッチＳＷ４４，ＳＷ４５を介して各々接続して、任意のＤＣ電位に固定することによって行っている。したがって、上記ＤＣ電位と、バラツキを有する上記画素Ａの出力電位との電位差に加えて、上記サンプル容量ＣＳＳ１，ＣＳＮ１の静電容量のバラツキが加わることにより、このサンプル容量ＣＳＳ１，ＣＳＮ１に蓄積される電荷にバラツキが生じることになる。したがって、このバラツキを有する電荷が帰還容量ＣＦＮ，ＣＦＳに転送されるので、映像信号の固定パターンノイズは、依然として発生するという問題がある。
【特許文献１】特開２００４−１５８３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明の課題は、固定パターンノイズを効果的に抑制できる固体撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の固体撮像装置は、
画素からの信号を保持するサンプル容量と、
上記サンプル容量に保持された信号を非破壊状態で読み出す非破壊読み出し回路と、
上記サンプル容量に保持された信号を破壊状態で読み出す破壊読み出し回路と、
上記非破壊読み出し回路からの信号に基づいてリセットを行う一方、上記破壊読み出し回路からの信号に基づいて映像信号を出力する増幅回路と
を備えることを特徴している。
【００１０】
上記構成によれば、上記増幅回路は、上記サンプル容量に保持された信号を非破壊状態で読み出す非破壊読み出し回路からの信号に基づいて、リセットを行う。一方、上記増幅回路は、上記サンプル容量に保持された信号を破壊状態で読み出す破壊読み出し回路からの信号に基づいて、映像信号を出力する。したがって、上記サンプル容量等にバラツキが生じていても、このサンプル容量に保持された信号を用いて増幅回路のリセットが行われるので、この増幅回路が出力する映像信号は、上記サンプル容量等のバラツキの影響を受けない。したがって、この固体撮像装置は、映像信号の固定パターンノイズを効果的に抑制することができる。
【００１１】
なお、上記非破壊状態とは、サンプル容量から信号を読み出した後にも上記サンプル容量に信号（電荷）が残る状態をいい、上記破壊状態とは、サンプル容量から信号を読み出した後には信号（電荷）が残らない状態をいう。
【００１２】
一実施形態の固体撮像装置は、上記非破壊読み出し回路は、上記画素に蓄積された電荷に基づく電位と、上記画素に蓄積された電荷を消去する信号に基づく電位との平均電位を出力する。
【００１３】
上記実施形態によれば、上記非破壊読み出し回路によって、上記画素に蓄積された電荷に基づく電位と、上記画素に蓄積された電荷を消去する信号に基づく電位との平均電位が出力される。したがって、この平均電位に基づいて、上記増幅回路のリセットを行うことができる。
【００１４】
一実施形態の固体撮像装置は、上記増幅回路は、上記平均電位でリセットを行うと共に、上記平均電位を直流動作点とする交流信号処理を行って、上記映像信号を出力する。
【００１５】
上記実施形態によれば、上記増幅回路は、上記平均電位でリセットを行うので、この増幅回路が出力する映像信号は、画素に蓄積される電荷に関して生じるバラツキや、上記サンプル容量のバラツキ等による影響が少なくなる。したがって、映像信号の固定パターンノイズが効果的に抑制される。また、上記平均電位を直流動作点とする交流信号処理を行うので、上記リセットを行う信号の値が、リセットを行う毎に異なっても、固定パターンノイズを安定して削減することができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように、本発明の固体撮像装置は、画素からの信号を保持するサンプル容量と、上記サンプル容量に保持された信号を非破壊状態で読み出す非破壊読み出し回路と、上記サンプル容量に保持された信号を破壊状態で読み出す破壊読み出し回路と、上記非破壊読み出し回路からの信号に基づいてリセットを行う一方、上記破壊読み出し回路からの信号に基づいて映像信号を出力する増幅回路とを備えるので、上記サンプル容量等にバラツキが生じていても、このバラツキが含まれた信号で増幅回路のリセットが行われるので、この増幅回路が出力する映像信号は、上記サンプル容量等のバラツキの影響を受けない。したがって、映像信号の固定パターンノイズを効果的に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を図示の実施形態により詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施形態の固体撮像装置としてのＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）型イメージセンサが備える信号出力部を示す回路図である。
【００１９】
この固体撮像装置は、画素を行方向および列方向にマトリクス状に配置してなる２次元の画素アレイを備える（図示せず）。この画素アレイを構成する各画素には、受光ダイオードとＭＯＳトランジスタが設けられている。
【００２０】
また、この固体撮像装置は、上記画素アレイを駆動する図示しないドレイン電圧駆動操作回路と、昇圧走査回路と、垂直走査信号回路を備える。
【００２１】
図１は、上記各回路で駆動された画素から信号を受けて、画像信号を出力する信号出力部の一部を示す図である。図１には、画素アレイのうちの単位画素Ａ，Ｂのみを示しているが、この単位画素Ａ，Ｂに接続された信号出力線１１，１２には、上記単位画素Ａ，Ｂが属する列の図示しない他の画素が各々接続されている。また、上記信号出力部の入力信号線には、図示しない他の画素列の出力信号線が接続されている。
【００２２】
図２は、図１の信号出力部を動作させる際のタイミングチャートであり、固体撮像装置の動作に伴って、信号出力部の各スイッチφ１，φ２、φ３・・・がオンオフ駆動される様子を示している。
【００２３】
図１の回路構成において、単位画素Ａ，Ｂ内で光電変換によって発生した電荷が画素内に蓄積され、この蓄積された電荷に応じた信号が、信号出力線１１，１２およびスイッチφ１を経て、第１の入力サンプル容量ＣＳＳｉ（ｉは、画素が属する列の番号を示す）に保持される。
【００２４】
一方、単位画素Ａ，Ｂ内の電荷を消去した信号は、出力信号線１１，１２およびスイッチφ２を経て、第２の入力サンプル容量ＣＳＮ１ｉ（ｉは、画素が属する列の番号を示す）に保持される。
【００２５】
この信号出力部は、増幅回路としての一つの演算増幅器４１と、この演算増幅器４１の正入力端子と負出力端子との間に並列接続された帰還容量ＣＦＳと、この演算増幅器４１の負入力端子と正出力端子との間に並列接続された帰還容量ＣＦＮを備える。上記演算増幅器４１の正入力端子および負入力端子には入力信号線３１，３２が接続されており、この入力信号線３１，３２に、上記画素Ａ，Ｂに対応する入力サンプル容量ＣＳＳｉ，ＣＳＮｉが、スイッチφ４，φ６を介して各々接続されて、スイッチトキャパシタ回路が構成されている。
【００２６】
この信号出力部は、各画素Ａ，Ｂが接続された出力信号線１１，１２について、入力サンプル容量ＣＳＳｉ，ＣＳＮｉにスイッチφ１，φ２を介して各々接続される２つの演算増幅器２１，２２，２３，２４を各々備える。
【００２７】
画素Ａの出力信号線１１に関して、上記演算増幅器２１，２２からの出力信号線は１つの信号線３３に接続されて、演算増幅器３４の入力端子に接続されている。この演算増幅器３４の出力信号線は、スイッチφ７を介して上記演算増幅器４１の正入力端子と負入力端子とに接続可能になっている。
【００２８】
上記演算増幅器２１，２２，３４、信号線３３，３５およびスイッチφ７で、本発明の非破壊読み出し回路を構成している。また、画素Ｂの出力信号線１２に関して、演算増幅器２３，２４，３４、信号線３３，３５およびスイッチφ７で、本発明の非破壊読み出し回路を構成している。
【００２９】
上記入力サンプル容量ＣＳＳｉ，ＣＳＮｉに保持された信号の読み出しは、信号出力部の初期化（リセット）動作と、信号出力動作とで行われる。
【００３０】
画素Ａの読み出しについて、上記信号出力部のリセット動作では、上記スイッチφ７と、上記演算増幅器４１の正出力端子および負出力端子を接続するスイッチφ８がオンされる。上記スイッチφ７がオンされることにより、サンプル容量ＣＳＳ１、ＣＳＮ１に保持された信号が非破壊状態で読み出される。この読み出された信号の平均電位が、信号線３３、演算増幅器３４、出力信号線３５およびスイッチφ７を介して、入力信号線３１，３２に設定される。すなわち、上記平均電位が、演算増幅器４１の正入力端子と負入力端子に入力される。一方、上記演算増幅器４１の正出力端子および負出力端子には、出力信号線４２，４３を介して所定のＤＣ電位Ｖｒｅｆが入力される。
【００３１】
次に、信号出力動作では、スイッチφ４がオンになり、サンプル容量ＣＳＳ１，ＣＳＮ１に一旦保持された信号が帰還容量ＣＦＳ，ＣＦＮに転送され、演算増幅器４１で増幅してなる映像信号が、出力信号線４２，４３から出力される。すなわち、画素Ａの出力信号線１１に関して、スイッチφ４および入力信号線３１，３２で、本発明の破壊読み出し回路を構成している。上記演算増幅器４１では、上記平均電位を直流動作点とする交流信号処理により、映像信号が生成される。この演算増幅器４１のリセットを行った上記平均電位を直流動作点とするので、画素Ａ，Ｂおよびサンプル容量ＣＳＳｉ，ＣＳＮｉ毎のバラツキに起因する固定パターンノイズが安定して削減される。
【００３２】
上記映像信号は、出力信号線４２，４３のいずれか一方の電位を基準として、他方の信号電位との電圧差により出力される。
【００３３】
従来のスイッチドキャパシタ回路は、図４に示すように、信号出力部の演算増幅器４１のリセット動作は、信号入力線３１，３２と信号出力線４２，４３とをスイッチＳＷ４４，ＳＷ４５を介して接続し、所定のＤＣ電位に固定することによって行う。所定のＤＣ電位に固定した場合、このＤＣ電位と画素の出力電位のバラツキとの電位差が、バラツキを有する各サンプル容量ＣＳＳｉ，ＣＳＮｉに積算されることになる。その結果、上記各サンプル容量ＣＳＳｉ，ＣＳＮｉに発生する電荷は、バラツキが重畳された電荷となる。この電荷が帰還容量ＣＦＳ，ＣＦＮに転送されることにより、映像信号に固定パターンノイズが生じるのである。
【００３４】
上記従来の固定パターンノイズの発生原理を、詳細に説明する。すなわち、演算増幅器のＤＣ電位をＶｄｃとした場合、画素を遮光した時のサンプル容量ＣＳＳｉ，ＣＳＮｉの蓄積電位は、上記Ｖｄｃと同電位のＶｉｎとなり、スイッチφ９またはφ１０をオンしたとき、信号出力線４２，４３の電位Ｖ４２、Ｖ４３は、下記の式１，２から分かるように、いずれもＶｄｃになるはずである。しかしながら、サンプル容量ＣＳＳｉ，ＣＳＮｉの特性のバラツキ等に起因して、ＶｉｎとＶｄｃに電位差がある場合は、以下の式１，２から分かるように、信号出力線４２，４３の電位Ｖ４２、Ｖ４３は、Ｖｄｃにはならない。
【数１】
2006042242.tif 000003
【数２】
2006042242.tif 000004
【００３５】
そこで、本発明の固体撮像装置は、演算増幅器４１の入力端子側のリセット電位を、Ｖｉｎと同電位に設定することにすることにより、ＣＳＳｉ−ＣＳＮｉ≠０が成立するような容量値にバラツキが有る場合であっても、固定パターンノイズの発生を防止することができる。
【００３６】
本願発明者は、このような発生機構の固定パターンノイズを見出し、本発明の固体撮像装置を発明するに至ったのである。
【００３７】
図３は、上記演算増幅器２１，２２，２３，２４を詳細に示した回路図である。図３において、図１の構成部分と同一の部分には、図１と同一の参照番号を付している。
【００３８】
本実施形態では、演算増幅器４１の正入力端子および負入力端子を任意のＤＣ電位にリセットするのでは無く、１組のサンプル容量ＣＳＳｉ，ＣＳＮｉに保持された電位の平均値でリセットする。これにより、サンプル容量ＣＳＳｉ，ＣＳＮｉのバラツキと、リセット電位とサンプル容量の電位との電位差の重畳によって発生した電荷バラツキを、効果的に無くすることができる。その結果、上記電荷バラツキは帰還容量ＣＦＳ，ＣＦＮに転送されないので、固定パターンノイズを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態の固体撮像装置としてのＭＯＳ型イメージセンサが備える信号出力部を示す図である。
【図２】信号出力部を動作させる際のタイミングチャートである。
【図３】演算増幅器を詳細に示した回路図である。
【図４】従来の固体撮像装置を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１１，１２  出力信号線
２１，２２  演算増幅器
３１，３２  入力信号線
３３  信号線
３４  演算増幅器
３５  出力信号線
４２，４３  出力信号線
ＣＳＳ１，ＣＳＳ２，ＣＳＮ１，ＣＳＮ２  サンプル容量
ＣＦＳ，ＣＦＮ  帰還容量
φ１，φ２，φ３，φ４，φ５，φ６，φ７，φ８  スイッチ
【図１】
2006042242.tif 000005
【図２】
2006042242.tif 000006
【図３】
2006042242.tif 000007
【図４】
2006042242.tif 000008