(57)【要約】【課題】照射光によるＦＤ電位の低下を精度よく検出することができ、微小な電荷のＦＤへの漏れも検知することができる光電変換装置及び光電変換システムを提供する。【解決手段】本発明の第１側面に係る光電変換装置は、入射光を電荷に変換する光電変換部と、前記電荷に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部の前記電荷を前記増幅部の入力部へ転送する転送部と、前記増幅部の出力信号を伝達する信号線と、前記増幅部の入力部がリセットされた状態において、前記信号線の電位を保持する保持部と、前記保持部の出力電圧をシフトするシフト部と、前記シフト部の出力電圧に応じて、前記信号線の電位をクリップするクリップ部とを備えたことを特徴とする。【選択図】図１
2008042676.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を電荷に変換する光電変換部と、
前記電荷に基づく信号を出力する増幅部と、
前記光電変換部の前記電荷を前記増幅部の入力部へ転送する転送部と、
前記増幅部の出力信号を伝達する信号線と、
前記増幅部の入力部がリセットされた状態において、前記信号線の電位を保持する保持部と、
前記保持部の出力電圧をシフトするシフト部と、
前記シフト部の出力電圧に応じて、前記信号線の電位をクリップするクリップ部と、
を備えたことを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記シフト部によるシフト量は、前記増幅部における電圧降下、及び前記クリップ部における電圧降下のいずれかに等しい
ことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記信号線は、複数あり、
シフト量に関する情報であるシフト情報を、前記信号線ごとに記憶する記憶部と、
前記シフト情報に基づいて、前記保持部の出力電圧をシフトさせるように前記シフト部を制御する制御部と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記保持部は、前記信号線の電位をサンプルするための差動増幅器を含み、
前記差動増幅器は、
バイアス電流を供給するための第１定電流源と、
前記バイアス電流を遮断するためのスイッチと、
を有し、
前記保持部は、
前記差動増幅器の出力電圧をホールドする保持容量と、
前記保持容量に保持された電圧がゲートに入力される第１トランジスタと、
前記第１トランジスタに電流を供給するための第２定電流源と、
を含み、
前記シフト部は、前記第２定電流源にソースが接続された第２トランジスタを含み、
前記シフト部が前記保持部の出力電圧をシフトする量は、前記第２トランジスタの閾値電圧に応じて決められる
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記シフト部は、
前記保持部の出力電圧が入力される第１トランジスタと、
前記第１トランジスタのソースに接続された抵抗素子と、
前記抵抗素子に接続された可変電流源と、
を含み、
前記シフト部が前記保持部の出力電圧をシフトする量は、前記抵抗素子の抵抗値と、前記可変電流源の電流値とに応じて決められる
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記シフト部は、
前記保持部と前記クリップ部とを接続する接続線と、
前記接続線に接続されたカップリング容量と、
を含み、
前記シフト部が前記保持部の出力電圧をシフトする量は、前記カップリング容量の容量値に応じて決められる
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光電変換装置。
【請求項７】
前記入力部に転送された電荷をリセットするリセット部をさらに備え、
前記保持部は、前記入力部に転送された電荷がリセットされた状態で、前記信号線の電位を保持する
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項８】
前記シフト部と前記クリップ部との間に設けられ、前記入力部に転送された電荷がリセットされた状態で、前記シフト部と前記クリップ部とを接続し、前記入力部に電荷が転送された状態で、前記シフト部と前記クリップ部との接続を遮断する切り替え部をさらに備えた
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項９】
前記切り替え部は、前記入力部に転送された電荷がリセットされた状態と、前記入力部に電荷が転送された状態とで、前記クリップ部に異なる電圧を供給する
ことを特徴とする請求項８に記載の光電変換装置。
【請求項１０】
前記切り替え部は、前記入力部に電荷が転送された状態で、グランド電位より高い電位を前記クリップ部に供給する
ことを特徴とする請求項９に記載の光電変換装置。
【請求項１１】
前記クリップ部は、ＭＯＳトランジスタを含む
ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項１２】
光学系と、
前記光学系からの光が結像される請求項１から１１のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
を備えたことを特徴とする撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置及び光電変換システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、増幅型の光電変換装置、特にＭＯＳ型の光電変換装置が注目されている。このＣＭＯＳ型光電変換装置では、太陽を撮影した場合のように非常に強い光が照射されると、強い光が照射された画素の輝度が急激に減衰し、その画素の階調が黒階調へ沈むことがある。この現象をここでは高輝度黒沈み現象と言うことにする。
【０００３】
従来より、このような高輝度黒沈み現象を考慮した光電変換装置１００が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−５７６１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図８は、上記の特許文献１に示す高輝度黒沈み現象を考慮した光電変換装置を示す構成図である。図８に示すように、検出部２を備える。
【０００５】
検出部２は、検出手段と、第１の保持手段と、帰還手段と、帰還された電圧に応じて信号線ＳＩＧの電位をクリップするクリップ手段とを有する。検出手段は、信号線ＳＩＧの電位を検出する。第１の保持手段は、検出手段により検出された電位に基づく電圧を保持する。帰還手段は、第１の保持手段により保持された電圧をクリップ手段へ帰還させる。クリップ手段は、帰還された電圧に応じて、信号線ＳＩＧの電位をクリップする。
【０００６】
しかしながら、信号線ＳＩＧの電位を検出し、保持した電圧をそのまま帰還手段によってクリップ手段に帰還しているため、信号線ＳＩＧの電位と、クリップ手段への入力電位とに電位差を設定することができない。
【０００７】
通常のＭＯＳ型光電変換装置においては、画素に増幅ＭＯＳトランジスタを有していることが多い。この増幅ＭＯＳトランジスタのゲート電位（ＦＤ電位）の変化に基づく信号を信号線ＳＩＧに読み出している。信号線ＳＩＧの電位は増幅ＭＯＳトランジスタのゲート、ソース間の電位差ＶＧＳ分、更に低下した電位となっている。特許文献１の構成では、第１の保持手段により保持された電圧は既にリセット直後のＦＤ電位からＶＧＳ分低下した電位に基づく電圧を保持している。したがって特許文献１においては、強い光が照射されてＦＤ電位が低下した場合に、この電位差ＶＧＳを考慮した適正な電圧をクリップ手段に入力することは困難である。つまりＦＤ電位の微小な変化に対して追随するようなクリップ動作を行なうことは困難であった。
【０００８】
よって、このような課題をかんがみて、本発明の目的は、照射光によるＦＤ電位の低下を精度よく検出することができ、微小な電荷のＦＤへの漏れも検知することができる光電変換装置及び光電変換システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１側面に係る光電変換装置は、入射光を電荷に変換する光電変換部と、前記電荷に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部の前記電荷を前記増幅部の入力部へ転送する転送部と、前記増幅部の出力信号を伝達する信号線と、前記増幅部の入力部がリセットされた状態において、前記信号線の電位を保持する保持部と、前記保持部の出力電圧をシフトするシフト部と、前記シフト部の出力電圧に応じて、前記信号線の電位をクリップするクリップ部とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る光電変換装置では、照射光によるＦＤ電位の低下を精度よく検出することができ、微小な電荷のＦＤへの漏れも検知することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
まず、本発明の実施形態に係る光電変換装置の構成を、図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る光電変換装置の構成図である。
【００１２】
光電変換装置２００は、複数の画素部２０、複数の信号線（列信号線）Ｌ１、複数のＣＤＳ回路１０、複数のクリップ部２３０、複数の保持部２４０、複数のシフト部２５０及び複数のスイッチ部２６０を備える。複数の画素部２０は、図示しないが、二次元状に並んでいる。例えば行方向及び列方向に配することができる。複数の信号線Ｌ１は、図示しないが、画素部２０の１つの列と、画素部２０のその隣の列との間を列方向に延びている。複数のＣＤＳ回路１０、複数のクリップ部２３０、複数の保持部２４０、複数のシフト部２５０及び複数のスイッチ部２６０は、信号線Ｌ１ごとに設けられている。すなわち、各信号線Ｌ１は、列方向に並んだ複数の画素部２０と、１つのＣＤＳ回路１０とを接続している。各信号線Ｌ１には、保持部２４０、シフト部２５０、スイッチ部２６０及びクリップ部２３０を含む帰還回路が接続されている。
【００１３】
画素部２０において、光信号電荷を発生するフォトダイオードＰＤは、アノード側が接地されている。フォトダイオードＰＤのカソード側は、転送トランジスタＭ６０１を介して増幅トランジスタＭ６０３のゲート（フローティングディフュージョンＦＤ）に接続されている。また、上記増幅トランジスタＭ６０３のゲート（フローティングディフュージョンＦＤ）には、これをリセットするためのリセットトランジスタＭ６０２のソースが接続され、リセットトランジスタＭ６０２のドレインは電源電圧供給線ＶＤＤに接続されている。さらに、増幅トランジスタＭ６０３のドレインは電源電圧供給線ＶＤＤに接続され、ソースは選択トランジスタＭ６０４のドレインに接続され、選択トランジスタＭ６０４のソースが信号線Ｌ１に接続されている。
【００１４】
スイッチ部２６０は、Ｎ読み端子２６１、Ｓ読み端子２６２及び接続端子２６３を含む。
【００１５】
クリップ部２３０は、例えば、トランジスタを含む。
【００１６】
次に、光電変換装置の概略動作を、図１を参照して説明する。
【００１７】
ノイズ読み出し期間において、電荷は、フォトダイオードＰＤに蓄積される。また、フローティングディフュージョンＦＤは、リセット信号ＰＲＥＳによりリセットトランジスタＭ６０２がＯＮされるとリセットされる。フローティングディフュージョンＦＤの電位は、増幅トランジスタＭ６０３及び選択トランジスタＭ６０４を経由するとともに、増幅トランジスタＭ６０３のゲートソース間電圧ＶＧＳ３分だけ降下して信号線Ｌ１へ伝達される。
【００１８】
そして、保持部２４０は、信号線Ｌ１の電位を保持する。シフト部２５０は、保持部２４０の出力電圧をシフトさせてスイッチ部２６０へ出力する。すなわち、シフト部２５０は、保持部２４０の出力電圧を上昇シフトさせる。シフト部２５０は、例えば、増幅トランジスタＭ６０３のゲートソース間電位差ＶＧＳ３分だけ上昇させる。ここで、ＶＧＳ３は、増幅トランジスタＭ６０３における電圧降下に相当する。しかし、電圧のシフト分はこれに限られるものではない。少なくとも電圧を上昇させることにより、上昇させない場合に比べて、ＦＤへの少量の電荷の漏れこみに対してもクリップ動作を正確に行なうことが可能となる。
【００１９】
スイッチ部２６０は、Ｎ読み端子２６１と接続端子２６３とを接続している。これにより、シフト部２５０によりシフトされた出力電圧は、クリップ部２３０に入力される。クリップ部２３０は、その出力電圧に応じて、信号線Ｌ１の電位をクリップ電圧Ｖｃｌ２０１にクリップする。
【００２０】
例えば、クリップ部２３０では、シフト部によりシフトされた出力電圧がトランジスタのゲートに入力される。そして、クリップ部２３０は、ゲートに供給された電圧から閾値電圧を引いた電位（クリップ電位）がソースに現れるように動作する。これにより、クリップ部２３０は、信号線Ｌ１の電位をクリップする。
【００２１】
ここで、クリップ部２３０は、信号線Ｌ１の電位より高い電位が入力される。これにより、光電変換装置にシフト部２５０が設けられていない場合に比べて、クリップ電圧Ｖｃｌ２０１を高いものとすることができる。クリップ部２３０は、例えば、信号線Ｌ１の電位より電位差ＶＧＳ３分だけ高い電位が入力される。これにより、光電変換装置にシフト部２５０が設けられていない場合に比べて、クリップ電圧Ｖｃｌ２０１を電位差ＶＧＳ３分だけ高いものとすることができる。これにより、ＦＤへの電荷の少量の漏れこみも精度よく検知してクリップ動作を行なうことが可能となる。
【００２２】
信号読み出し期間において、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷は、転送信号ＰＴＸにより転送トランジスタＭ６０１がＯＮされると、フローティングディフュージョンＦＤへ転送される。フローティングディフュージョンＦＤへ転送された電荷による信号は、増幅トランジスタＭ６０３で増幅される。増幅トランジスタＭ６０３で増幅された信号は、選択トランジスタＭ６０４を介して信号線Ｌ１へ伝達される。信号線Ｌ１の電位は、フローティングディフュージョンＦＤの電位に対して、増幅トランジスタＭ６０３のゲートソース間電圧ＶＧＳ３分だけ低下している。
【００２３】
このとき、スイッチ部２６０は、Ｓ読み端子２６２と接続端子２６３とを接続することになる。これにより、クリップ電圧ＶＣＬＩＰＳが、スイッチ部２６０からクリップ部２３０へ入力される。
【００２４】
次に、光電変換装置の詳細動作を、図２を用いて説明する。
【００２５】
図２は、光電変換装置における高輝度黒沈み現象発生時の動作を示す波形図である。タイミングＴ１〜Ｔ５ｂの期間をリセット期間ＲＰと呼ぶ。タイミングＴ３ａ〜Ｔ５ｂの期間をノイズ読み出し期間ＮＰと呼ぶ。タイミングＴ５ｂ以降の期間を信号読み出し期間ＳＰと呼ぶ。クリップ部２３０は、その電位に応じて、信号線Ｌ１の電位をクリップする。通常、クリップ電圧ＶＣＬＩＰＳの電圧値は、グランド電位よりも高く、Ｖｃｌ２０１よりも低い値に設定される。また、信号線Ｌ１の電位をクリップする必要がない場合、クリップ電圧ＶＣＬＩＰＳの電圧値は、グランド電位ＧＮＤの値に設定される。
【００２６】
タイミングＴ１より前のタイミングにおいて、リセットトランジスタＭ６０２のゲートに印加されたリセット信号ＰＲＥＳが活性化されている。その結果、増幅トランジスタＭ６０３のゲート（フローティングディフュージョンＦＤ）が電位ＶＤＤ−Ｖｔにリセットされる。ＶｔはリセットＭＯＳトランジスタＭ６０２のしきい値電圧である。タイミングＴ１において、選択トランジスタＭ６０４のゲートに印加された選択信号ＰＳＥＬが活性化される。その結果、タイミングＴ２において、増幅トランジスタＭ６０３のゲート（フローティングディフュージョンＦＤ）の電位が容量カップリングにより振り上げられる。フローティングディフュージョンＦＤの電位は、増幅トランジスタＭ６０３及び選択トランジスタＭ６０４を経由するとともに、増幅トランジスタＭ６０３のゲートソース間電圧ＶＧＳ３分だけ降下して信号線Ｌ１へ伝達される。
【００２７】
また、タイミングＴ１〜Ｔ３ａの期間において、信号線Ｌ１の電位をサンプルホールドするために保持部２４０に印加されたサンプルホールドパルス（保持信号）ＳＨＰが活性化される。その結果、保持部２４０は、サンプルホールドパルスＳＨＰに従って、信号線Ｌ１の電位を保持する。
【００２８】
タイミングＴ３ａにおいて、リセット信号ＰＲＥＳは非活性化状態となるが、増幅トランジスタＭ６０３のゲート（フローティングディフュージョンＦＤ）の電位はリセットされた状態を保っている。
【００２９】
ここで、フォトダイオードＰＤに太陽光のように非常に強い光が照射されると、フォトダイオードＰＤに多量の電子（−）と正孔（＋）との対が誘起される。その結果、光電変換された過剰の電荷がフォトダイオードＰＤから溢れ出す。そのため、転送トランジスタＭ６０１のゲートに印加された転送信号ＰＴＸが活性化されていないにもかかわらず、過剰電子は増幅トランジスタＭ６０３のゲート（フローティングディフュージョンＦＤ）へ到達する。このため、増幅トランジスタＭ６０３のゲート（フローティングディフュージョンＦＤ）の電位が低下し始める。
【００３０】
サンプルホールドパルスＳＨＰが非活性状態になると、シフト部２５０は、保持部２４０の出力電圧をシフトさせる。シフト部２５０は、シフトさせた電圧をスイッチ部２６０経由でクリップ部２３０へ供給する。クリップ部２３０は、クリップ電位Ｖｃｌ２０ｌで信号線Ｌ１の電位をクリップする。図２では、タイミングＴ４ｂにおいて、クリップ部２３０がクリップ動作している。これにより、信号線Ｌ１の電位がクリップ電位Ｖｃｌ２０ｌ以下に低下することを防ぐことができる。
【００３１】
ここで、ノイズ読み出し期間ＮＰにおける信号線Ｌ１の電位は、ノイズ信号ＶＮとしてＣＤＳ回路１０へ出力される。
【００３２】
タイミングＴ５ｂにおいて、選択信号ＰＳＥＬは活性化されたままで、転送トランジスタＭ６０１のゲートに転送信号ＰＴＸが活性化される。その結果、タイミングＴ５ｂ〜Ｔ６ｂの期間に、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷が増幅トランジスタＭ６０３のゲート（フローティングディフュージョンＦＤ）に転送される。そして、増幅トランジスタＭ６０３によって増幅された信号が選択トランジスタＭ６０４を介して信号線Ｌ１に出力される。
【００３３】
ここで、タイミングＴ５ｂにおいて、スイッチ部２６０は、Ｎ読み端子２６１からＳ読み端子２６２へ切り替える。これにより、スイッチ部２６０は、Ｓ読み端子２６２と接続端子２６３とを接続するようになる。そして、クリップ電圧ＶＣＬＩＰＳが、スイッチ部２６０からクリップ部２３０へ入力される。クリップ部２３０は、その電位に応じて、信号線Ｌ１の電位をクリップする。
【００３４】
タイミングＴ５ｂ〜Ｔ６ｂにおいて、フローティングディフュージョンＦＤの電位が低下するのに応じて、信号線Ｌ１の電位も低下する。タイミングＴ７ｂにおいて、信号線Ｌ１の電位がクリップ電圧ＶＣＬＩＰＳに応じた電位に達するとクリップがかかり一定レベル（Ｓ読みクリップレベル）に保たれる。なお、タイミングＴ８において、転送トランジスタＭ６０１のゲートに印加される転送信号ＰＴＸが非活性化状態となる。そして、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷が増幅トランジスタＭ６０３のゲート（フローティングディフュージョンＦＤ）に転送されなくなる。この状態においても、信号線Ｌ１の電位は一定レベルに保たれている。
【００３５】
ここで、信号読み出し期間ＳＰにおける信号線Ｌ１の電位は、光信号ＶＳとしてＣＤＳ回路１０へ出力される。
【００３６】
ＣＤＳ回路１０は、相関二重サンプリングを行い、光信号ＶＳとノイズ信号ＶＮとの電位差ΔＶＯＵＴを画像信号として出力する。
【００３７】
ここで、タイミングＴ４ｂ〜Ｔ５ｂにおいて、信号線Ｌ１の電位はクリップ電位Ｖｃｌ２０ｌにクリップされている。ノイズ信号ＶＮは、画素のリセット信号に近いものとなっている。そのため、光信号電位ＶＳとノイズ信号電位ＶＮとの差分処理により、電荷の漏れこみによりＦＤ電位が低下している場合に比べて、正確な光信号を得ることが可能となる。この結果、光電変換された画像において、その信号線Ｌ１の電位に対応した画素の階調が黒階調へ沈むことを十分に回避でき、ＦＤへの少量の電荷の漏れこみに対しても対応することができる。
【００３８】
上記構成によれば、保持部２４０が信号線Ｌ１の電位を保持した後に、その電位をシフト部２５０が（例えば、ＶＧＳ３分だけ）上昇シフトさせてスイッチ部２６０経由でクリップ部２３０にフィードバックしている。これにより、信号線Ｌ１の電位がフローティングディフュージョンＦＤの電位より（例えば、ＶＧＳ３分だけ）低下したとしても、（例えば、ＶＧＳ３分の）低下の影響を抑制したクリップ動作が可能となる。これを詳細に説明する。
【００３９】
ノイズ読み出し期間において、太陽光などの強い光があったっていない場合であってフローティングディフュージョンＦＤの電位がリセットトランジスタＭ６０２によりリセットされた場合を考える。リセットトランジスタＭ６０２の閾値電圧をＶＧＳ２とする。このとき、リセットされたフローティングディフュージョンＦＤの電位は、電源電圧ＶＤＤからリセットトランジスタＭ６０２の閾値電圧分だけ低下した値である。すなわち、フローティングディフュージョンＦＤの電位は、
ＶＦＤ＝ＶＤＤ−ＶＧＳ２・・・数式１
となる。ただし、数式１のＶＦＤは、リセットトランジスタＭ６０２のゲート電圧の影響も受ける。そして、増幅トランジスタＭ６０３のゲートソース間電圧をＶＧＳ３とすると、信号線Ｌ１の電位は、フローティングディフュージョンＦＤの電位ＶＦＤから増幅トランジスタＭ６０３のゲートソース間電圧ＶＧＳ３分だけ低下した値である。すなわち、信号線Ｌ１の電位は、
ＶＬ１＝ＶＦＤ−ＶＧＳ３＝ＶＤＤ−ＶＧＳ２−ＶＧＳ３・・・数式２
となる。
【００４０】
ここで、光電変換装置において、本発明の特徴となるシフト部２５０が設けられていなかった場合を考える。この場合、保持部２４０の出力電圧は、信号線Ｌ１の電位ＶＬ１とほぼ同じになる。その保持部２４０の出力電圧がクリップ部２３０に入力される。クリップ部２３０は、その入力電圧に応じて、クリップ電圧Ｖｃｌ１ａでクリップ動作をする。ここで、クリップ部２３０が、ゲート電位に応じてクリップ電位が決まるトランジスタで構成されているとする。クリップ部のゲートに数式２のＶＬ１とほぼ同じ入力電圧が入力されるので、クリップ電圧Ｖｃｌ１ａがＦＤ電位からＶＧＳ３低下した電圧に固定されてしまう。すなわち、
Ｖｃｌ１ａ≒ＶＬ１＝ＶＦＤ−ＶＧＳ３＝ＶＤＤ−ＶＧＳ２−ＶＧＳ３・・・数式３
となる。
【００４１】
これに対して、本発明の特徴となるシフト部２５０が設けられている場合を考える。この場合、保持部２４０の出力電圧は、信号線Ｌ１の電位とほぼ同じになる。しかし、シフト部２５０は、例えば、保持部２４０の出力電圧をＶＧＳ３分だけ上昇シフトさせる。シフト部２５０の出力電圧は、
ＶＬ１＋ＶＧＳ３＝ＶＦＤ＝ＶＤＤ−ＶＧＳ２・・・数式４
となる。シフト部２５０の出力電圧がクリップ部２３０に入力される。クリップ部２３０は、その入力電位に応じて、クリップ電圧Ｖｃｌ２０１ａでクリップ動作をする。ここで、クリップ部２３０がトランジスタを含んでいるとする。クリップ部２３０のゲートに数式４のＶＬ１＋ＶＧＳ３とほぼ同じ入力電圧が入力されるので、クリップ電圧Ｖｃｌ２０１ａは、
Ｖｃｌ２０１ａ≒ＶＬ１＋ＶＧＳ３＝ＶＦＤ＝ＶＤＤ−ＶＧＳ２・・・数式５
となる。したがって、ＦＤ電位ＶＦＤの変化が少量の電荷の漏れこみによるものであり、その変化分が小さい場合でも、その変化分に追随してクリップ動作を行なうことができる。
【００４２】
さらに、シフト部２５０による電位のシフト量を、列ごとのばらつきを考慮した値に制御することによって、クリップ部２３０の列ごとの特性ばらつきを抑制することができる。従って、そのような値にシフト量を設定した場合には、光電変換された画像に縦スジが発生することを抑制できる。また、クリップ部２３０の特性ばらつきを考慮して、クリップされる電圧の設定値に余裕をもたせる必要性を低減できる。これにより、相関二重サンプリングによって画素部２０のリセットノイズを除去する際に、除去率が小さくなることを低減でき、画像のＳＮの劣化を抑制できる。
【００４３】
なお、シフト部２５０は、信号線Ｌ１の電位をＶＧＳ１分だけ上昇シフトさせても良い。ＶＧＳ１は、クリップ部２３０にＭＯＳトランジスタを含む場合における電圧降下（ゲートソース間電圧）に相当する。
【００４４】
画素部２０における基板や拡散領域の極性を反転させた場合、シフト部２５０は、信号線Ｌ１の電位を下降シフトさせても良い。
【００４５】
また、信号読み出し期間ＳＰにおいて、スイッチ部２６０は、Ｓ読み端子２６２と接続端子２６３とを接続している。これにより、信号読み出し期間ＳＰ用のクリップ電圧Ｖｃｌ２０２（＜Ｖｃｌ２０１）がクリップ部２３０に入力されるようになっていてもよい。クリップ電圧Ｖｃｌ２０２は、接地電位（ＧＮＤ）より高い電位である。この場合、クリップ部２３０は、信号線Ｌ１の電位を、Ｖｃｌ２０２−ＶＧＳ１の電位にクリップする。これにより、例えば、信号出力ノードに接続される定電流源の回路構成により、信号線Ｌ１の電位が所定のレベル以下に下がるとカットオフしてしまうような場合であっても、カットオフしてしまうことを防止することができる。
【００４６】
次に、本発明の光電変換装置を適用した撮像システムの一例を図３に示す。
【００４７】
撮像システム９０は、図３に示すように、主として、光学系、撮像装置８６及び信号処理部を備える。光学系は、主として、シャッター９１、撮影レンズ９２及び絞り９３を備える。撮像装置８６は、光電変換装置２００を含む。信号処理部は、主として、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６、画像信号処理部９７、メモリ部８７、外部Ｉ／Ｆ部８９、タイミング発生部９８、全体制御・演算部９９、記録媒体８８及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４を備える。なお、信号処理部は、記録媒体８８を備えなくても良い。
【００４８】
シャッター９１は、光路上において撮影レンズ９２の手前に設けられ、露出を制御する。
【００４９】
撮影レンズ９２は、入射した光を屈折させて、撮像装置８６の光電変換装置２００へ被写体の像を結像させる。
【００５０】
絞り９３は、光路上において撮影レンズ９２と光電変換装置２００との間に設けられ、撮影レンズ９２を通過後に光電変換装置２００へ導かれる光の量を調節する。
【００５１】
撮像装置８６の光電変換装置２００は、光電変換装置２００に結像された被写体の像を画像信号に変換する。撮像装置８６は、その画像信号を光電変換装置２００から読み出して出力する。
【００５２】
撮像信号処理回路９５は、撮像装置８６に接続されており、撮像装置８６から出力された画像信号を処理する。
【００５３】
Ａ／Ｄ変換器９６は、撮像信号処理回路９５に接続されており、撮像信号処理回路９５から出力された処理後の画像信号（アナログ信号）をデジタル信号へ変換する。
【００５４】
画像信号処理部９７は、Ａ／Ｄ変換器９６に接続されており、Ａ／Ｄ変換器９６から出力された画像信号（デジタル信号）に各種の補正等の演算処理を行い、画像データを生成する。この画像データは、メモリ部８７、外部Ｉ／Ｆ部８９、全体制御・演算部９９及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４などへ供給される。
【００５５】
メモリ部８７は、画像信号処理部９７に接続されており、画像信号処理部９７から出力された画像データを記憶する。
【００５６】
外部Ｉ／Ｆ部８９は、画像信号処理部９７に接続されている。これにより、画像信号処理部９７から出力された画像データを、外部Ｉ／Ｆ部８９を介して外部の機器（パソコン等）へ転送する。
【００５７】
タイミング発生部９８は、撮像装置８６、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６及び画像信号処理部９７に接続されている。これにより、撮像装置８６、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６及び画像信号処理部９７へタイミング信号を供給する。そして、撮像装置８６、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６及び画像信号処理部９７がタイミング信号に同期して動作する。
【００５８】
全体制御・演算部９９は、タイミング発生部９８、画像信号処理部９７及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４に接続されており、タイミング発生部９８、画像信号処理部９７及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４を全体的に制御する。
【００５９】
記録媒体８８は、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４に取り外し可能に接続されている。これにより、画像信号処理部９７から出力された画像データを、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４を介して記録媒体８８へ記録する。
【００６０】
以上の構成により、光電変換装置２００において良好な画像信号が得られれば、良好な画像（画像データ）を得ることができる。
【００６１】
以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する
（実施例１）
本発明の実施例１に係る光電変換装置を、図４を参照して説明する。図４は、実施例１に係る光電変換装置の構成図である。以下では、実施例１に特有の部分を中心に説明し、上記の実施形態と同様の説明は省略する。
【００６２】
まず、光電変換装置２００ｉに特有な構成を、図４を用いて説明する。
【００６３】
図４において、光電変換装置２００ｉは、複数の画素部２０、複数の信号線（列信号線）Ｌ１、複数のＣＤＳ回路１０、複数のクリップ部２３０ｉ、複数の保持部２４０ｉ、複数のシフト部２５０ｉ及び複数のスイッチ部２６０を備える。
【００６４】
保持部は、Ｍ３０２〜Ｍ３０５及びスイッチ３１１、定電流源３０９、電源ＶＤＤにより構成される差動増幅器を含んでいる。さらに、この差動増幅器の出力を保持する保持容量３０８、保持容量に保持された電圧がゲートに入力されるトランジスタＭ３０６、トランジスタＭ３０６に電流を流すための定電流源３１０を有する。これらで演算増幅器（オペアンプ）を構成している。通常であれば、トランジスタＭ３０６の出力ノードが反転出力にフィードバックする構成となるが、本実施例においては、この出力ノードの電圧をレベルシフトさせるためにトランジスタＭ３０７を有している。トランジスタＭ３０７はトランジスタＭ３０６のソースと定電流源３１０の間に配されている。
【００６５】
保持部２４０ｉは、トランジスタＭ３０２〜Ｍ３０６、定電流源３０９，３１０、スイッチ３１１及び保持容量３０８を備える。
【００６６】
トランジスタＭ３０４，Ｍ３０５は、ＰＭＯＳトランジスタである。トランジスタＭ３０４とトランジスタＭ３０５とは、ゲート電位が共通になるように接続されており、カレントミラー回路を構成している。それに対して、トランジスタＭ３０２，Ｍ３０３は、ＮＭＯＳトランジスタである。トランジスタＭ３０２，Ｍ３０３は、それぞれ、トランジスタＭ３０４，Ｍ３０５に直列に接続されており、差動段に対する能動負荷として機能する。また、トランジスタＭ３０２，Ｍ３０３と定電流源３０９との間には、スイッチ３１１が設けられている。スイッチ３１１には、サンプルホールドパルスＳＨＰが入力されるようになっている。トランジスタＭ３０２〜Ｍ３０６、定電流源３０９，３１０及びスイッチ３１１は、オペアンプＯＰ２０１ｉとして機能する。
【００６７】
トランジスタＭ３０５とトランジスタＭ３０３との間のノードＮ１には、保持容量３０８が接続されている。トランジスタＭ３０３のゲートには、定電流源３１０及びシフト部２５０ｉが接続され、オペアンプの帰還経路を構成している。
【００６８】
シフト部２５０ｉは、ゲートとドレインとがショートされたトランジスタＭ３０７を備える。トランジスタＭ３０７は、ＮＭＯＳトランジスタである。
【００６９】
トランジスタＭ３０６とトランジスタＭ３０７とは、電源電圧ＶＤＤと、定電流源３１０及びＧＮＤとの間に、直列に接続されている。トランジスタＭ３０６のゲートは、保持容量３０８に接続されている。トランジスタＭ３０６とトランジスタＭ３０７との間のノードＮ２はシフト部２５０ｉの出力端子であり、スイッチ部２６０に接続されている。
【００７０】
クリップ部２３０ｉは、トランジスタＭ３０１を備える。トランジスタＭ３０１は、ＮＭＯＳトランジスタである。
【００７１】
トランジスタＭ３０１のゲートは、スイッチ部２６０に接続されている。トランジスタＭ３０１のソースは、信号線Ｌ１に接続されている。トランジスタＭ３０１のドレインは、電源電圧ＶＤＤに接続されている。
【００７２】
次に、光電変換装置２００ｉの詳細動作を、図４を参照して説明する。
【００７３】
保持部２４０ｉに入力されるサンプルホールドパルスＳＨＰが活性化状態である場合、スイッチ３１１がＯＮされ、オペアンプＯＰ２０１ｉはサンプリング状態の動作を行う。
【００７４】
次に、保持部２４０ｉに入力されるサンプルホールドパルスＳＨＰが非活性化状態になると、スイッチ３１１がＯＦＦされ、オペアンプＯＰ２０１ｉはホールド状態の動作を行うようになる。すなわち、オペアンプＯＰ２０１ｉは、帰還経路を切る。これにより、保持容量３０８は、信号線Ｌ１の電位を保持する。このとき、トランジスタＭ３０２のゲートとトランジスタＭ３０３のゲートとはバーチャルショートの状態になり、シフト部２５０ｉのトランジスタＭ３０７のソースと、信号線Ｌ１とは、同電位になる。これにより、シフト部２５０ｉの出力端子であるノードＮ２の電位は、信号線Ｌ１の電位よりもトランジスタＭ３０７の閾値電圧分だけ高くなる。例えば、シフト部２５０ｉは、保持容量３０８に保持された信号線Ｌ１の電位を、増幅トランジスタＭ６０３のゲートソース間電圧ＶＧＳ３分だけ上昇シフトさせて、
（ノードＮ２の電位）＝（信号線Ｌ１の電位）＋ＶＧＳ３・・・数式６
となるようにする。そして、クリップ部２３０ｉのトランジスタＭ３０１のゲートには、数式６で示される電圧がスイッチ部２６０経由で入力される。そして、トランジスタＭ３０１は、信号線Ｌ１の電位を、フローティングディフュージョンＦＤの電位と同程度のクリップ電位Ｖｃｌ２０１ｉからＶＧＳ１分低下した電位でクリップする。ＶＧＳ１は、トランジスタＭ３０１のゲートソース間電圧である。これにより、フローティングディフージョンＦＤの電位の変化が少量の電荷の漏れ込みによるもので、その変化分が小さい場合でも、その変化分に追随したクリップ動作が可能となる。
【００７５】
なお、シフト部２５０ｉは、信号線Ｌ１の電位をＶＧＳ１分だけ上昇シフトさせてもよい。
【００７６】
また、シフト部２５０ｉのシフト量は、ＶＧＳ３そのものでなくても、ＶＧＳ３に応じてトランジスタＭ３０１の閾値ばらつき等の各素子ばらつきを考慮に入れた値により、入力された電位を上昇シフトさせてもよい。
【００７７】
一行分のリセット信号の読み出しが終わった後、不図示のリセット手段により保持容量３０８のリセットを行なってもよい。
【００７８】
この回路構成において、クリップ部２３０ｉ（トランジスタＭ３０１）とシフト部２５０ｉ（トランジスタＭ３０７）とを同じＭＯＳトランジスタで構成し、近接する場所に配置してもよい。この場合、トランジスタＭ３０１の温度による閾値電圧の変化をトランジスタＭ３０７との間でキャンセルすることができるので、クリップ部２３０ｉがクリップするクリップ電圧Ｖｃｌ２０１ｉの温度による変化を抑制できる。
【００７９】
（実施例２）
本発明の実施例２に係る光電変換装置を、図５及び図６を参照して説明する。図５は、実施例２に係る光電変換装置の構成図である。図６は、複数の信号線に接続された保持部における可変電流源の制御を示す図である。以下では、実施例１と異なる部分を中心に説明し、同様の部分については説明を省略する。
【００８０】
光電変換装置２００ｊは、保持部２４０ｉの代わりに保持部２４０ｊを備え、シフト部２５０ｉの代わりにシフト部２５０ｊを備える。
【００８１】
保持部２４０ｊは、定電流源３１０の代わりに可変電流源４０２ｊを備える。可変電流源４０２ｊには、電流値を制御するための信号である調整データＩＣＮＴ＿ＤＡＴが入力されるようになっている。可変電流源４０２ｊは、調整データＩＣＮＴ＿ＤＡＴが一定の状態であれば、定電流を供給する。
【００８２】
シフト部２５０ｊは、トランジスタＭ３０７の代わりに抵抗４０１ｊを備える。抵抗４０１ｊは、トランジスタＭ３０６のソース及びスイッチ部２６０と、保持部２４０ｊとの間に接続されている。
【００８３】
ここで、抵抗４０１ｊのＧＮＤ側のノードの電位が信号線Ｌ１の電位とほぼ同電位となる点は、実施例１と同様である。したがって、可変電流源４０２ｊが供給する電流値と抵抗４０１ｊの抵抗値とにより、シフト部２５０ｊがシフトする電位の値が決まることになる。可変電流源４０２ｊが供給する電流値をＩ２ｊとし、抵抗４０１ｊの抵抗値をＲ４０１ｊとする。例えば、
Ｉ２ｊ×Ｒ４０１ｊ＝ＶＧＳ３・・・数式７
となるように、可変電流源４０２ｊの電流値と抵抗４０１ｊの抵抗値とが決められる。このとき、シフト部２５０ｊは、保持容量３０８に保持された信号線Ｌ１の電位を、増幅トランジスタＭ６０３のゲートソース間電圧ＶＧＳ３分だけ上昇シフトさせる。
【００８４】
図６には、隣接する複数の信号線Ｌ１に接続された保持部における可変電流源の例として、可変電流源４０２ｊ，４０３ｊ，４０４ｊ，４０５ｊが示されている。制御部５０３ｊは、各可変電流源４０２ｊ，４０３ｊ，４０４ｊ，４０５ｊ及びメモリ（記憶部）５０４ｊが接続されている。
【００８５】
各可変電流源４０３ｊ，４０４ｊ，４０５ｊは、図５に示す可変電流源４０２ｊと同様の構成をしている。
【００８６】
制御部５０３ｊには、各可変電流源４０２ｊ，４０３ｊ，４０４ｊ，４０５ｊを制御する調整データＩＣＮＴ＿ＤＡＴを生成するためのプログラムが組み込まれている。制御部５０３ｊは、例えば、マイコンである。
【００８７】
メモリ５０４ｊは、各列に配されているクリップ部２３０ｉ（トランジスタＭ３０１）のゲートソース間電圧（閾値電圧により決まる電圧）が工場出荷時に記憶されている。各ゲートソース間電圧は、予め工場出荷前に測定されたものである。メモリ５０４ｊは、例えば、Ｅ２ＰＲＯＭである。
【００８８】
制御部５０３ｊは、メモリ５０４ｊを参照して、列ごとのゲートソース間電圧を取得する。そして、制御部５０３ｊは、ゲートソース間電圧に基づいて、列ごとに設けられたクリップ部２３０ｉ（トランジスタＭ３０１）のゲートソース間電圧のばらつきを低減するように、調整データＩＣＮＴ＿ＤＡＴを生成する。
【００８９】
各可変電流源４０２ｊ，４０３ｊ，４０４ｊ，４０５ｊのそれぞれは、列ごとのばらつきを低減するように調整された調整データＩＣＮＴ＿ＤＡＴを受け取り、調整データＩＣＮＴ＿ＤＡＴに応じた定電流を発生させる。これにより、各列のシフト部の抵抗により上昇シフトされる電位の量が、列ごとのばらつきを低減する値となるので、各列の電位差ΔＶＯＵＴのばらつきも抑えることができる。このため、各列の電位差ΔＶＯＵＴに対応して得られた画像における列に平行な方向に現れる画像ノイズ（縦キズ）を抑制することができる。
【００９０】
（実施例３）
本発明の実施例３に係る光電変換装置を、図７を参照して説明する。図７は、実施例３に係る光電変換装置の構成図である。以下では、実施例１と異なる部分を中心に説明し、同様の部分については説明を省略する。
【００９１】
光電変換装置２００ｋは、保持部２４０ｉの代わりに保持部２４０ｋを備え、シフト部２５０ｉの代わりにシフト部２５０ｋを備え、スイッチ部２６０ｉの代わりにスイッチ部２６０ｋを備える。
【００９２】
保持部２４０ｋは、トランジスタＭ５０１と保持容量５０４とを備える。トランジスタＭ５０１は、そのソースが信号線Ｌ１に接続され、そのドレインがノードＮ３経由でシフト部２５０ｋに接続されノードＮ３，Ｎ４経由で保持容量５０４に接続されている。トランジスタＭ５０１のゲートには、サンプルホールドパルスＳＨＰが入力されるようになっている。サンプルホールドパルスＳＨＰのタイミングは図２に示したものと同様である。
【００９３】
シフト部２５０ｋは、ディレイ部５０６、インバータ５０７及びカップリング容量５０５を備える。
【００９４】
ディレイ部５０６には、サンプルホールドパルスＳＨＰが入力されるようになっている。インバータ５０７は、ディレイ部５０６とカップリング容量５０５とに接続されている。カップリング容量５０５は、インバータ５０７、トランジスタＭ５０２のドレイン及び保持部２４０ｋに接続されている。
【００９５】
スイッチ部２６０ｋは、トランジスタＭ５０２を備える。
【００９６】
トランジスタＭ５０２は、そのゲートに信号読み出しパルスＳＲＰが入力され、そのソースがＧＮＤに接続され、そのドレインが保持部２４０ｋのノードＮ３に接続されている。
【００９７】
次に、図７の回路の動作について説明する。
【００９８】
保持部２４０ｋに入力されるサンプルホールドパルスＳＨＰが活性化状態である場合、
トランジスタＭ５０１は、ＯＮされ、サンプリング状態の動作を行う。すなわち、トランジスタＭ５０１は、ソースとドレインとを導通させて、信号線Ｌ１の電位を検出するとともに保持容量５０４へ出力する。
【００９９】
次に、保持部２４０ｋに入力されるサンプルホールドパルスＳＨＰが非活性化状態になると、トランジスタＭ５０１は、ＯＦＦされ、ホールド状態の動作を行う。すなわち、トランジスタＭ５０１は、ソースとドレインとの導通を遮断する。これにより、保持容量５０４は、信号線Ｌ１の電位を保持する。
【０１００】
ここで、ノイズ読み出し期間ＮＰにおいて、信号読み出しパルスＳＲＰが非活性化状態に保たれており、トランジスタＭ５０２は、ＯＦＦされ、ソースとドレインとの導通を遮断している。これにより、ノードＮ３の電位とグランド電位ＧＮＤとの接続が切れている。
【０１０１】
一方、ディレイ部５０６は、サンプルホールドパルスＳＨＰ（図２参照）を所定の時間だけ遅延させインバータ５０７へ伝達させる。インバータ５０７は、遅延したサンプルホールドパルスＳＨＰを論理的に反転して、カップリング容量５０５の図面における上側の電極に供給する。これにより、シフト部２５０ｋは、ノードＮ３，Ｎ４の電位を、信号線Ｌ１の電位よりも上昇シフトさせる。ここで、シフト部２５０ｋがノードＮ３，Ｎ４の電位をシフトする量は、カップリング容量５０５の容量値に応じて決められる。カップリング容量５０５の容量値は、例えば、ノードＮ３，Ｎ４の電位を増幅トランジスタＭ６０３のゲートソース間電圧ＶＧＳ３分だけ上昇シフトさせるような値に決められる。このとき、例えば、シフト部２５０ｋは、保持容量５０４に保持された信号線Ｌ１の電位を、増幅トランジスタＭ６０３のゲートソース間電圧ＶＧＳ３分だけ上昇シフトさせて、
（ノードＮ３の電位）＝（ノードＮ４の電位）
＝（信号線Ｌ１の電位）＋ＶＧＳ３・・・数式８
となるようにする。
【０１０２】
そして、クリップ部２３０ｉのトランジスタＭ３０１のゲートには、数式８で示されるような電位がスイッチ部２６０ｋ経由で入力される。トランジスタＭ３０１は、信号線Ｌ１の電位を、元の電位と同程度のクリップ電位Ｖｃｌ２０１ｉでクリップする。これにより、信号線Ｌ１の電位がフローティングディフュージョンＦＤの電位よりＶＧＳ３分の低下したとしても、ＶＧＳ３分の低下の影響を抑制したクリップ動作が可能となる。
【０１０３】
次に、信号読み出し期間ＳＰになると、信号読み出しパルスＳＲＰが活性化状態になり、トランジスタＭ５０２は、ＯＮされ、ソースとドレインとを導通させるようになる。これにより、ノードＮ３，Ｎ４の電位がグランド電位ＧＮＤになる。そして、グランド電位ＧＮＤは、クリップ部２３０ｉに入力される。クリップ部２３０ｉは、ＯＦＦされて、信号線Ｌ１の電位をクリップしなくなる。
【０１０４】
なお、信号読み出し期間ＳＰに、スイッチ部２６０ｋのトランジスタＭ５０２がソースとドレインとを導通させることにより、信号読み出し期間ＳＰ用のクリップ電圧Ｖｃｌ２０２ｋ（＜Ｖｃｌ２０１）がクリップ部２３０に入力されるようになっていてもよい。この場合、ノードＮ３，Ｎ４の電位がＶｃｌ２０２ｋになり、クリップ部２３０ｉのトランジスタＭ３０１のゲートにＶｃｌ２０２ｋが入力される。クリップ部２３０ｉは、信号線Ｌ１の電位を、Ｖｃｌ２０２ｋ−ＶＧＳ１ｉの電位にクリップする（ＧＳ１ｉは、トランジスタＭ３０１のゲートソース間電圧である。）。これにより、例えば、信号出力ノードに接続される定電流源の回路構成により、信号線Ｌ１の電位が所定のレベル以下に下がるとカットオフしてしまうような場合であっても、カットオフしてしまうことを防止することができる。
【０１０５】
シフト部２５０ｋは、信号線Ｌ１の電位をＶＧＳ１分だけ上昇シフトさせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明の実施形態に係る光電変換装置の構成図。
【図２】本発明の実施形態に係るにおける高輝度黒沈み現象発生時の動作を示す波形図。
【図３】本発明の実施形態に係る光電変換装置を適用した撮像システムの構成図。
【図４】実施例１に係る光電変換装置の構成図。
【図５】実施例２に係る光電変換装置の構成図。
【図６】複数の信号線に接続された保持部における可変電流源の制御を示す図。
【図７】実施例３に係る光電変換装置の構成図。
【図８】特許文献１に示す高輝度黒沈み現象を考慮した光電変換装置を示す構成図。
【符号の説明】
【０１０７】
１００，２００，２００ｉ，２００ｊ，２００ｋ  光電変換装置
２０  画素部
９０  光電変換システム
２３０，２３０ｉ  クリップ部
２４０，２４０ｉ，２４０ｊ，２４０ｋ  クリップ部
２５０，２５０ｉ，２５０ｊ，２５０ｋ  シフト部
【図１】
2008042676.tif 000003
【図２】
2008042676.tif 000004
【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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