(57)【要約】      （修正有）【課題】複数画素混合モードにおいてフルスキャンモードと同等の出力ダイナミックレンジを確保することが可能な固体撮像装置を実現できるようにする。【解決手段】ＭＯＳ型固体撮像装置は、画素の信号を増幅して基準電圧との差分を求める変換処理を行い、保持する信号処理部２３を備えている。第１の動作モードにおいては、変換処理した画素の信号を、サンプリング容量部６２に含まれる複数のサンプリング容量素子のそれぞれに同時に保持する。第２の動作モードにおいては、複数のサンプリング容量素子のそれぞれに、互いに異なる行に配置された画素に対応する信号を保持し、保持した信号を複数のサンプリング容量素子を互いに並列に接続することにより平均化する。第１の動作モードにおける信号の増幅率と、第２の動作モードにおける信号の増幅率とは等しい。【選択図】図３
2008067084.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に行列状に配列され、入射光の強度に応じた信号をそれぞれ出力する複数の画素と、
列ごとに設けられ、前記複数の画素の信号を受ける複数の垂直信号線と、
前記複数の画素から行単位に画素を選択して、選択された画素の信号を対応する前記垂直信号線に出力させる行選択部と、
それぞれが前記各垂直信号線と接続され、基準電圧を発生する基準電源及び互いに容量値が等しい複数のサンプリング容量素子を有し、対応する前記垂直信号線に出力された信号を増幅して前記基準電圧との差分を求める変換処理を行い、変換処理した信号を前記複数のサンプリング容量素子のうちの少なくとも１つに保持する複数の信号処理部と、
前記各信号処理部からの信号を受ける水平信号線とを備え、
動作モードとして、
前記行選択部により選択された画素の信号を、前記各信号処理部において変換処理して前記複数のサンプリング容量素子のそれぞれに同時に保持し、保持した信号を前記水平信号線に出力する第１の動作モードと、
前記行選択部による画素の選択と、前記各信号処理部による信号の変換処理及び保持とを繰り返し行い、前記複数のサンプリング容量素子のそれぞれに、互いに異なる行に配置された前記画素に対応する信号を保持し、保持した信号を前記複数のサンプリング容量素子を互いに並列に接続することにより平均化して前記水平信号線に出力する第２の動作モードとを有し、
前記各信号処理部は、前記第１の動作モードにおける信号の増幅率と、前記第２の動作モードにおける信号の増幅率とが等しいことを特徴とするＭＯＳ型固体撮像装置。
【請求項２】
前記各信号処理部は、前記垂直信号線の一端に接続され、容量値を設定可能なクランプ容量部と、前記クランプ容量部と直列に接続されたサンプリング容量部とを有し、
前記サンプリング容量部は、複数の第１のスイッチと、それぞれが前記第１のスイッチを介して互いに並列に接続された前記複数のサンプリング容量素子とを含み、
前記クランプ容量部は、前記第１の動作モードにおいては第１の容量値に設定され、前記第２の動作モードにおいては前記第１の容量値に前記サンプリング容量部に含まれる前記サンプリング容量素子の個数を乗じた値に設定されることを特徴とする請求項１に記載のＭＯＳ型固体撮像装置。
【請求項３】
前記クランプ容量部は、メイン容量素子と、該メイン容量素子と第２のスイッチを介して並列に接続された少なくとも１つのサブ容量素子とを含むことを特徴とする請求項２に記載のＭＯＳ型固体撮像装置。
【請求項４】
一の前記信号処理部における前記クランプ容量部と前記サンプリング容量部とが接続されたノードには、少なくとも１つの他の前記信号処理部における前記クランプ容量部と前記サンプリング容量部とが接続されたノードが第３のスイッチを介して接続されており、
前記第１の動作モードにおいては、前記第３のスイッチはオフ状態とし、
前記第２の動作モードにおいては、前記第３のスイッチをオン状態とし、前記一の信号処理部における前記複数のサンプリング容量素子のそれぞれに保持された信号と、前記一の信号処理部と前記第３のスイッチを介して接続された信号処理部における前記複数のサンプリング容量素子のそれぞれに保持された信号とを平均化することを特徴とする請求項２又は３に記載のＭＯＳ型固体撮像装置。
【請求項５】
第４のスイッチを介して前記水平信号線と接続され、前記水平信号線の容量値を切り替える水平信号線容量設定容量素子をさらに備え、
前記第１の動作モードにおいては、前記第４のスイッチをオフ状態とし、
前記第２の動作モードにおいては、前記第４のスイッチをオン状態として、２以上の信号処理部から前記水平信号線へ同時に信号を出力することにより、前記２以上の信号処理部の信号を平均化し、
前記水平信号線の寄生容量の容量値と前記水平信号容量設定容量素子の容量値との和を、前記水平信号線の寄生容量の容量値で除した値は、前記水平信号線へ同時に信号を出力する信号処理部の数と等しいことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のＭＯＳ型半導体装置。
【請求項６】
前記水平共通信号線容量設定容量素子は、前記基板に形成されたＭＯＳ容量素子であることを特徴とする請求項５に記載のＭＯＳ型固体撮像装置。
【請求項７】
基板に行列状に配置され、入射した光の強度に応じた信号を出力する複数の画素と、列ごとに設けられ前記複数の画素の信号を受ける複数の垂直信号線と、それぞれが、前記各垂直信号線と接続され、基準電圧を発生する基準電源及び容量値が互いに等しい複数のサンプリング容量素子を含むサンプリング容量部を有する複数の信号処理部と、前記各信号処理部から信号を受ける水平信号線とを備えたＭＯＳ型固体撮像装置の駆動方法であって、
動作モードとして、前記複数の画素のそれぞれから信号を読み出す第１の動作モードと、前記複数の画素のうちの所定の画素の信号を混合して読み出す第２の動作モードとを有し、
前記第１の動作モードは、
選択された一の行に配置された画素の信号を前記各垂直信号線にそれぞれ出力させ、前記各信号処理部において、前記垂直信号線に出力された信号を増幅し且つ前記基準電圧との電圧差に変換する共に、変換した信号を前記複数のサンプリング容量素子のそれぞれに同時に保持するステップ（ａ）と、
前記ステップ（ａ）よりも後に、前記各信号処理部から前記水平信号線に信号を出力するステップ（ｂ）とを含み、
前記第２の動作モードは、
選択された一の行に配置された画素の信号を前記各垂直信号線にそれぞれ出力させ、前記各信号処理部において、前記垂直信号線に出力された信号を増幅し且つ前記基準電圧との電圧差に変換する共に、変換した信号を前記複数のサンプリング容量素子のうちの一つに保持するステップ（ｃ）と、
前記ステップ（ｃ）を各行に対して順次繰り返すことにより、前記各信号処理部において、前記複数のサンプリング容量素子のそれぞれに、互いに異なる行に配置された前記画素の信号を保持するステップ（ｄ）と、
前記各信号処理部において、前記複数のサンプリング容量素子に保持された信号を平均化するステップ（ｅ）と、
前記ステップ（ｅ）よりも後に、前記各信号処理部から前記水平信号線に信号を出力するステップ（ｆ）とを含み、
前記ステップ（ａ）において信号を増幅する増幅率と、前記ステップ（ｃ）において信号を増幅する増幅率とは、互いに等しいことを特徴とするＭＯＳ型固体撮像装置の駆動方法。
【請求項８】
前記各信号処理部は、容量値を設定可能なクランプ容量部を有し、
前記ステップ（ａ）において、前記クランプ容量部の容量値を第１の容量値に設定し、前記複数のサンプリング容量素子を互いに並列に且つそれぞれが前記クランプ容量部と直列に接続した状態とし、
前記ステップ（ｃ）において、前記クランプ容量部の容量値を、前記第１の容量値に前記サンプリング容量部に含まれる前記サンプリング容量素子の個数の逆数を乗じた値に設定し、前記複数のサンプリング容量素子のうち信号を保持するサンプリング容量素子のみを前記クランプ容量部と直列に接続した状態とし、
前記ステップ（ｅ）において、前記複数のサンプリング容量素子を互いに並列に接続された状態とすることを特徴とする請求項７に記載のＭＯＳ型固体撮像装置の駆動方法。
【請求項９】
前記ステップ（ｄ）は、２以上の前記信号処理部について、前記クランプ容量部と前記サンプリング容量部とが接続されたノード同士を接続することにより、前記各サンプリング容量部に含まれる前記複数のサンプリング容量素子に保持された信号を平均化するステップを含むことを特徴とする請求項８に記載のＭＯＳ型固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１０】
前記ステップ（ｆ）は、２以上の前記信号処理部から、前記水平信号線に同時に信号を出力し、
前記ステップ（ｆ）よりも前に、前記水平信号線の容量値を、前記水平信号線の寄生容量値に、前記ステップ（ｆ）において同時に信号を出力する前記信号処理部の数を乗じた値に設定するステップ（ｇ）とを含むことを特徴とする請求項７又は８に記載のＭＯＳ型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、ＭＯＳ型固体撮像装置及びその駆動方法に関し、特に、フルスキャンモードと複数画素混合モードとを備えたＭＯＳ型固体撮像装置及びその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、金属−酸化膜−半導体（ＭＯＳ）型固体撮像装置において、フレーム信号の読み出しには、全画素の信号を順次読み出すフルスキャンモードと、水平方向及び垂直方向の複数画素の信号を平均化して読み出す複数画素混合モードとが採用されている。複数画素混合モードは、隣接する複数画素の信号を平均化して読み出すため、各画素の信号情報を失うことなくデータ量の圧縮を行うことができる。従って、複数画素混合モードを用いることにより、各画素の信号情報を失うことなく高フレームレートの画像を得ることができる。
【０００３】
通常、ＭＯＳ型固体撮像装置における各画素の信号の読み出しは、まず、画素内のリセットトランジスタによってフローティングディフュージョン（ＦＤ）を一旦所定の電位にリセットする。続いて、画素内のフォトダイオード（ＰＤ）において光電変換によって生成され蓄積された信号電荷をＦＤに転送する。この後、ＦＤの電位を画素増幅トランジスタを介して読み出すという手順で行われる。
【０００４】
しかし、各画素のリセットトランジスタの閾値電圧のばらつき及びｋＴＣノイズ（熱ノイズ）により、各画素におけるＦＤのリセット電位がばらついてしまう。このため、各画素において各ＰＤに互いに等しい電荷が蓄積され、同量の信号電荷が各ＦＤにそれぞれ転送されたとしても、各ＦＤの電位が互いに異なった値となってしまう。その結果、各画素増幅トランジスタの出力電圧がばらつき、固定パターンノイズが発生する。
【０００５】
一般的なＭＯＳ型固体撮像装置は、ＦＤのリセット電位のばらつきにより発生する固定パターンノイズを除去するため、ＦＤのリセット電位と信号読み出し電位との差分を出力信号とする固定パターンノイズ除去回路（ＦＰＮ除去回路）を備えている。
【０００６】
ＦＰＮ除去回路は、例えば図８に示すように垂直信号線の一端に容量値がＣ1のクランプ容量素子１０１と容量値がＣ2のサンプリング容量素子１０２とが直列に接続されている。クランプ容量素子１０１とサンプリング容量素子１０２とが接続されたノード１０３は出力ノードであると共に、トランジスタからなるスイッチ１０４を介して基準電圧Ｖclampを供給する基準電源が接続されている。
【０００７】
ＦＰＮ除去回路は、２つのフェーズを有している。まず第１フェーズにおいて、スイッチ１０４をオン状態としてノード１０３に基準電圧Ｖclampを印加する。この際に、画素ではＦＤがリセットされ、垂直信号線の電位はＦＤのリセット電位であるＶrstとなっている。従って、クランプ容量素子１０１に保持される電荷Ｑ1は、Ｃ1×（Ｖrst−Ｖclamp）となり、サンプリング容量素子１０２に保持される電荷Ｑ2はＣ2×Ｖclampとなる。
【０００８】
次に、第２フェーズにおいて、スイッチ１０４をオフ状態とする。この際に、画素ではＰＤからＦＤへ信号電荷を転送する。これにより、垂直信号線の電位は画素増幅トランジスタの出力電位であるＶsigとなる。クランプ容量素子１０１に保持される電荷Ｑ1'は、ノード１０３の電位をＶshとするとＣ1×（Ｖsig−Ｖsh）となり、サンプリング容量素子１０２に保持される電荷Ｑ2'はＣ2×Ｖshとなる。ここでノード１０３における信号電荷は保存されるため、−Ｑ1＋Ｑ2＝−Ｑ1'＋Ｑ2'となる。つまり、ノード１０３の電圧Ｖshは、Ｖclamp−Ｃ1／（Ｃ1＋Ｃ2）×（Ｖrst−Ｖsig）となる。
【０００９】
このように、ＦＤのリセット電圧Ｖrstと信号電圧Ｖsigとの差に、ＦＰＮ除去回路の電圧利得（増幅率）Ｃ1／（Ｃ1＋Ｃ2）を乗じた値を基準電圧Ｖclampから差し引いた値が出力電圧となる。Ｖrstの値がばらついたとしても、（Ｖrst−Ｖsig）の振幅の大きさは変動しないため、Ｖrstのばらつきにより発生する固定パターンノイズを除去することが可能となる。
【００１０】
フルスキャンモードと複数画素混合モードとを備えた固体撮像装置においては、サンプリング容量素子１０２を混合する画素の数だけ設けることにより、複数画素混合モードの場合に固定パターンノイズの除去と信号の平均化とを行うことができる（例えば、特許文献１を参照。）。複数画素混合モードの場合には、各サンプリング容量素子１０２に混合を行う各画素の信号電荷をそれぞれ保持させた後、すべてのサンプリング容量素子１０２の信号電荷をまとめて読み出すことにより平均化を行うことができる。また、フルスキャンモードの場合には、すべてのサンプリング容量素子１０２に１つの画素の信号電荷を保持させた後、すべてのサンプリング容量素子の電荷をまとめて読み出せば、通常のＦＰＮ除去回路と同じ動作を行わせることが可能である。
【特許文献１】特開２００４−３０４７７１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、従来のフルスキャンモードと複数画素混合モードとを備えた固体撮像装置においては、フルスキャンモードの場合には、ＦＰＮ除去回路の電圧利得が、Ｃ1／（Ｃ1＋Ｃ2×ｎ）（ｎは、サンプリング容量素子の個数）であるのに対し、複数画素混合モードの場合には、電圧利得がＣ1／（Ｃ1＋Ｃ2）となる。このため、フルスキャンモードの場合と比べて複数画素混合モードの場合における出力ダイナミックレンジが狭くなり良好な画像を得ることができないという問題が発生する。
【００１２】
本発明は、複数画素混合モードにおいてフルスキャンモードと同等の出力ダイナミックレンジを確保することが可能な固体撮像装置及びその駆動方法を実現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記の目的を達成するために、本発明はＭＯＳ型固体撮像装置を、異なる動作モードにおいても増幅率が変化しない構成とする。
【００１４】
本発明に係るＭＯＳ型固体撮像装置は、基板に行列状に配列され、入射光の強度に応じた信号をそれぞれ出力する複数の画素と、列ごとに設けられ、複数の画素の信号を受ける複数の垂直信号線と、複数の画素から行単位で画素を選択して、選択した画素の信号を対応する垂直信号線に出力させる行選択部と、それぞれが各垂直信号線と接続され、基準電圧を発生する基準電源及び互いに容量値が等しい複数のサンプリング容量素子を有し、対応する垂直信号線に出力された信号を増幅して基準電圧との差分を求める変換処理を行い、変換処理した信号を複数のサンプリング容量素子のうちの少なくとも１つに保持する複数の信号処理部と、各信号処理部からの信号を受ける水平信号線とを備え、動作モードとして、行選択部により選択された画素の信号を、各信号処理部において変換処理して複数のサンプリング容量素子のそれぞれに同時に保持し、保持した信号を水平信号線に出力する第１の動作モードと、行選択部による画素の選択と、各信号処理部による信号の変換処理及び保持とを繰り返し行い、複数のサンプリング容量素子のそれぞれに、互いに異なる行に配置された画素に対応する信号を保持し、保持した信号を複数のサンプリング容量素子を互いに並列に接続することにより平均化して水平信号線に出力する第２の動作モードとを有し、各信号処理部は、第１の動作モードにおける信号の増幅率と、第２の動作モードにおける信号の増幅率とが等しいことを特徴とする。
【００１５】
本発明のＭＯＳ型固体撮像装置によれば、信号処理部は、第１の動作モードにおける信号の増幅率と、第２の動作モードにおける信号の増幅率とが等しいため、フルスキャンモードである第１の動作モードと、複数画素混合モードである第２の動作モードとにおいて、出力ダイナミックレンジをそろえることができる。従って、複数画素混合モードにおいても、出力信号が飽和することがないので、階調の再現性に優れた良好な画像を得ることが可能となる。
【００１６】
本発明のＭＯＳ型固体撮像装置において、各信号処理部は、垂直信号線の一端に接続され、容量値を設定可能なクランプ容量部と、クランプ容量部と直列に接続されたサンプリング容量部とを有し、サンプリング容量部は、複数の第１のスイッチと、それぞれが第１のスイッチを介して、互いに並列に接続された複数のサンプリング容量素子を含み、クランプ容量部は、第１の動作モードにおいては第１の容量値に設定され、第２の動作モードにおいては第１の容量値にサンプリング容量部に含まれるサンプリング容量素子の数を乗じた値に設定されることが好ましい。このような構成とすることにより、クランプ容量素子の容量値とサンプリング容量素子の容量値とにより決定される信号処理部の増幅率を、第１の動作モードと第２の動作モードとにおいて等しくすることができる。
【００１７】
本発明のＭＯＳ型固体撮像装置において、クランプ容量部は、メイン容量素子と、該メイン容量素子と第２のスイッチを介して並列に接続された少なくとも１つのサブ容量素子とを含むことが好ましい。このような構成とすることにより、クランプ容量部の容量値を所定の値に設定することが可能となる。
【００１８】
本発明のＭＯＳ型固体撮像装置において、一の信号処理部におけるクランプ容量部とサンプリング容量部とが接続されたノードは、少なくとも１つの他の信号処理部におけるクランプ容量部とサンプリング容量部とが接続されたノードと第３のスイッチを介して接続されており、第１の動作モードにおいては、第３のスイッチはオフ状態とし、第２の動作モードにおいては、第３のスイッチをオン状態とし、一の信号処理部における複数のサンプリング容量素子のそれぞれに保持された信号と、一の信号処理部と第３のスイッチを介して接続された信号処理部における複数のサンプリング容量素子のそれぞれに保持された信号とを平均化することが好ましい。このような構成とすることにより、列方向における画素の信号の混合を確実に行うことができる。
【００１９】
本発明のＭＯＳ型半導体装置において、第４のスイッチを介して水平信号線と接続され、水平信号線の容量値を切り替える水平信号線容量設定容量素子をさらに備え、第１の動作モードにおいては、第４のスイッチをオフ状態とし、第２の動作モードにおいては、第４のスイッチをオン状態として、２以上の信号処理部から水平信号線へ同時に信号を出力することにより、２以上の信号処理部の信号を平均化し、水平信号線の寄生容量の容量値と水平信号線容量設定容量素子の容量値との和を、水平信号線の寄生容量の容量値で除した値は、水平信号線へ同時に信号を出力する信号処理部の数と等しいことが好ましい。このような構成であっても、列方向における画素の信号の混合を、出力ダイナミックレンジを変動させることなく行うことができる。
【００２０】
本発明のＭＯＳ型固体撮像装置において、水平共通信号線切り替え容量素子は、基板に形成されたＭＯＳ容量素子であることが好ましい。
【００２１】
本発明に係るＭＯＳ型固体撮像装置の駆動方法は、基板に行列状に配置され、入射した光の強度に応じた信号を出力する複数の画素と、列ごとに設けられ複数の画素の信号を受ける複数の垂直信号線と、それぞれが、各垂直信号線と接続され、基準電圧を発生する基準電源及び容量値が互いに等しい複数のサンプリング容量素子を含むサンプリング容量部を有する複数の信号処理部と、各信号処理部から信号を受ける水平信号線とを備えたＭＯＳ型固体撮像装置の駆動方法を対象とし、動作モードとして複数の画素のそれぞれから信号を読み出す第１の動作モードと、複数の画素のうちの所定の画素の信号を混合して読み出す第２の動作モードとを有し、第１の動作モードは、選択された一の行に配置された画素の信号を各垂直信号線にそれぞれ出力させ、各信号処理部において、垂直信号線に出力された信号を増幅し且つ基準電圧との電圧差に変換する共に、変換した信号を複数のサンプリング容量素子のそれぞれに同時に保持するステップ（ａ）と、ステップ（ａ）よりも後に、各信号処理部から水平信号線に信号を出力するステップ（ｂ）とを含み、第２の動作モードは、選択された一の行に配置された画素の信号を各垂直信号線にそれぞれ出力させ、各信号処理部において、垂直信号線に出力された信号を増幅し且つ基準電圧との電圧差に変換する共に、変換した信号を複数のサンプリング容量素子のうちの一つに保持するステップ（ｃ）と、ステップ（ｃ）を各行に対して順次繰り返すことにより、各信号処理部において、複数のサンプリング容量素子のそれぞれに、互いに異なる行に配置された画素の信号を保持するステップ（ｄ）と、各信号処理部において、複数のサンプリング容量素子に保持された信号を平均化するステップ（ｅ）と、ステップ（ｅ）よりも後に、各信号処理部から水平信号線に信号を出力するステップ（ｆ）とを含み、ステップ（ａ）において信号を増幅する増幅率と、ステップ（ｃ）において信号を増幅する増幅率とは、互いに等しいことを特徴とする。
【００２２】
本発明のＭＯＳ型固体撮像装置の駆動方法によれば、ステップ（ａ）において信号を増幅する増幅率と、ステップ（ｃ）において信号を増幅する増幅率とは、互いに等しいため、フルスキャンモードである第１の動作モードと、複数画素混合モードである第２の動作モードとにおいて、出力ダイナミックレンジをそろえることができる。従って、複数画素混合モードにおいても、出力信号が飽和することがないので、階調の再現性に優れた良好な画像を得ることが可能となる。
【００２３】
本発明のＭＯＳ型固体撮像装置の駆動方法において、各信号処理部は、容量値を設定可能なクランプ容量部を有し、ステップ（ａ）において、クランプ容量部の容量値を第１の容量値に設定し、複数のサンプリング容量素子を互いに並列に且つそれぞれがクランプ容量部と直列に接続した状態とし、ステップ（ｃ）において、クランプ容量部の容量値を、第１の容量値にサンプリング容量部に含まれるサンプリング容量素子の個数の逆数を乗じた値に設定し、複数のサンプリング容量素子のうち信号を保持するサンプリング容量素子のみをクランプ容量部と直列に接続した状態とし、ステップ（ｅ）において、複数のサンプリング容量素子を互いに並列に接続された状態とすることが好ましい。このような構成とすることにより、第１の動作モードと第２の動作モードとにおける信号処理部の増幅率を確実に等しくすることができる。
【００２４】
本発明のＭＯＳ型固体撮像装置の駆動方法において、ステップ（ｄ）は、２以上の信号処理部について、クランプ容量部とサンプリング容量部とが接続されたノード同士を接続することにより、各サンプリング容量部に含まれる複数のサンプリング容量素子に保持された信号を平均化するステップを含むことが好ましい。このような構成とすることにより、出力ダイナミックレンジを変動させることなく、列方向の画素の信号を容易に平均化することができる。
【００２５】
本発明のＭＯＳ型固体撮像装置の駆動方法において、ステップ（ｆ）は、２以上の信号処理部から、水平信号線に同時に信号を出力し、ステップ（ｆ）よりも前に、水平信号線の容量値を、水平信号線の寄生容量値に、ステップ（ｆ）において同時に信号を出力する信号処理部の数を乗じた値に設定するステップ（ｇ）とを含むことが好ましい。このような構成であっても、出力ダイナミックレンジを変動させることなく、列方向の画素の信号を容易に平均化することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明のＭＯＳ型固体撮像装置及びその駆動方法によれば、複数画素混合モードにおいてフルスキャンモードと同等の出力ダイナミックレンジを確保することが可能な固体撮像装置及びその駆動方法を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
（一実施形態）
本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は本実施形態に係るＭＯＳ型固体撮像装置のブロック構成を示している。図１に示すように本実施形態のＭＯＳ型固体撮像装置は、行列状に配置された複数の画素２１と、行ごとに画素２１を選択する垂直走査部２２と、列ごとに設けられた垂直信号線３１のそれぞれと接続された複数の信号処理部２３とを備えている。各信号処理部２３は固定パターンノイズ（ＦＰＮ）除去回路であり、各信号処理部２３から水平信号線３２へ順次信号が出力される。信号処理部２３から水平信号線３２への信号の出力は、水平走査部２４によって制御される。水平信号線３２へ出力された信号は信号増幅部２５により増幅され画像信号として出力される。
【００２８】
図２は本実施形態の画素２１の一例を示している。画素２１は、フォトダイオード（ＰＤ）４１と、ＰＤ４１の信号電荷を蓄積するフローティングディフュージョン（ＦＤ）４２とを有している。ＰＤ４１とＦＤ４２との間には転送トランジスタ４３が設けられ、ＦＤ４２と電源信号線３３との間にはリセットトランジスタ４４が設けられている。転送トランジスタ４３のゲートには、転送信号線３４と接続され、リセットトランジスタ４４のゲートには、リセット信号線３５と接続されている。ＦＤ４２は、垂直信号線３１と電源信号線３３との間に接続された増幅トランジスタ４５のゲートと接続されている。増幅トランジスタ４５は、垂直信号線３１と接続された負荷トランジスタ５１と共にソースフォロア回路を形成し、ＦＤ４２の電荷に応じた信号電位を垂直信号線３１に出力する。
【００２９】
図３は本実施形態の信号処理部２３の一例を示している。本実施形態においては、３行３列の画素を混合して読み出す複数画素混合モードの場合を例に説明を行う。
【００３０】
図３に示すように本実施形態の信号処理部の基本構成は、垂直信号線３１と直列に接続されたクランプ容量部６１と、クランプ容量部６１と直列に接続されたサンプリング容量部６２と、クランプ容量部６１とサンプリング容量部６２とが接続されたノード７０にトランジスタからなるクランプスイッチ６７を介して接続された基準電源６８とからなる。
【００３１】
複数行の画素の信号を平均化して読み出すために、サンプリング容量部６２は、サンプリングスイッチを介して互いに並列に接続された複数のサンプリング容量素子からなる。図３は３行分の画素の信号を平均化して読み出す例を示しており、サンプリング容量部６２は、第１のサンプリング容量素子６２Ａ、第２のサンプリング容量素子６２Ｂ及び第３のサンプリング容量素子６２Ｃを有している。第１のサンプリング容量素子６２Ａ、第２のサンプリング容量素子６２Ｂ及び第３のサンプリング容量素子６２Ｃの容量値はＣ2であり、誤差の範囲内で互いに等しい。
【００３２】
第１のサンプリング容量素子６２Ａとクランプ容量部６１との間にはトランジスタからなる第１のサンプリングスイッチ６３Ａが接続され、第２のサンプリング容量素子６２Ｂとクランプ容量部６１との間には第２のサンプリングスイッチ６３Ｂが接続され、第３のサンプリング容量素子６２Ｃとクランプ容量部６１との間には第３のサンプリングスイッチ６３Ｃが接続されている。第１のサンプリングスイッチ６３Ａ、第２のサンプリングスイッチ６３Ｂ及び第３のサンプリングスイッチ６３Ｃは、それぞれのゲートと接続された第１のサンプリング信号線７３Ａ、第２のサンプリング信号線７３Ｂ及び第３のサンプリング信号線７３Ｃによって供給されるサンプリング信号によって制御される。
【００３３】
さらに、すべての画素の信号を読み出すフルスキャンモードである第１の動作モードと、複数の画素の信号を平均化して読み出す複数画素混合モードである第２の動作モードとにおいて、信号処理部２３の電圧利得（増幅率）を等しくするために、クランプ容量部６１は容量値を可変できるように構成されている。
【００３４】
本実施形態においてクランプ容量部６１は、メイン容量素子６１Ａとサブ容量素子６１Ｂとが並列に接続されている。また、サブ容量素子６１Ｂは、ゲイン切り替え回路６４によりメイン容量素子６１Ａから切り離すことができる。ゲイン切り替え回路６４は、メイン容量素子６１Ａとサブ容量素子６１Ｂとの間に設けられたトランジスタからなる第１のゲイン切り替えスイッチ６４Ａとサブ容量素子６１Ｂの両端に接続されたトランジスタからなる第２のゲイン切り替えスイッチ６４Ｂとを有している。第１のゲイン切り替えスイッチ６４Ａのゲートは、ゲイン切り替え信号線７２と接続され、第２のゲイン切り替えスイッチ６４Ｂのゲートは、インバータ素子６４Ｃを介してゲイン切り替え信号線７２と接続されている。
【００３５】
ゲイン切り替え信号線７２の電圧がハイレベルの場合には、第１のゲイン切り替えスイッチ６４Ａがオン状態となると共に、第２のゲイン切り替えスイッチ６４Ｂがオフ状態となり、サブ容量素子６１Ｂは、メイン容量素子６１Ａと並列に接続される。ゲイン切り替え信号線７２の電圧がローレベルの場合には、第１のゲイン切り替えスイッチ６４Ａがオフ状態となると共に、第２のゲイン切り替えスイッチ６４Ｂがオン状態となり、サブ容量素子６１Ｂは、メイン容量素子６１Ａから切り離される。
【００３６】
本実施形態においては、サブ容量素子６１Ｂの容量値Ｃｂは、メイン容量素子６１Ａの容量値Ｃａの２倍となっている。従って、クランプ容量部６１の容量値は、サブ容量素子６１Ｂが切り離されている場合にはＣ1となり、サブ容量素子６１Ｂが接続されている場合には３×Ｃ1となる。
【００３７】
クランプ容量部６１とサンプリング容量部６２とが接続されたノード７０と水平信号線３２との間には、水平選択トランジスタ６５が接続されている。水平選択トランジスタ６５のゲートは水平選択信号線７４と接続され、水平走査部２４において発生させた水平選択信号により水平選択トランジスタ６５は駆動される。
【００３８】
ノード７０には、２列目の信号処理部２３及び３列目の信号処理部２３におけるクランプ容量部６１とサンプリング容量部６２とが接続されたノードが、トランジスタからなる混合スイッチ６６を介してそれぞれ接続されている。混合スイッチ６６は、それぞれのゲートに接続された混合信号線７５を介して供給される混合信号により制御される。混合スイッチ６６をオン状態とすることにより３列分の画素の信号を平均化して読み出すことができる。
【００３９】
基準電源６８は、基準電圧Ｖclampを供給する電源であり、すべての信号処理部２３に共通に設けられている。クランプスイッチ６７は、ゲートに接続されたクランプ信号線７６を介して供給されるクランプ信号によって制御される。
【００４０】
以下に、本実施形態のＭＯＳ型撮像装置の駆動方法について図面を参照して説明する。図４はフルスキャンモードである第１の動作モードの場合におけるタイミングチャートを示している。ここでは、ｎ行目の画素の信号を読み出す場合を例に説明を行う。
【００４１】
フルスキャンモードにおいては、ゲイン切り替え信号線７２の電圧はハイレベルであり、サブ容量素子６１Ｂがメイン容量素子６１Ａと接続されている。このため、クランプ容量部６１の容量値は３×Ｃ1となる。
【００４２】
第１のサンプリング信号線７３Ａ、第２のサンプリング信号線７３Ｂ及び第３のサンプリング信号線７３Ｃの電圧はハイレベルであり、第１のサンプリング容量素子６２Ａ、第２のサンプリング容量素子６２Ｂ及び第３のサンプリング容量素子６２Ｃは、互いに並列にノード７０と接続された状態となっている。また、混合スイッチ６６は常にオフ状態であり、列間の信号の混合は行われない。
【００４３】
まず、タイミングｔ１において、読み出し信号線３６の電圧及びクランプ信号線７６の電圧をハイレベルとする。次に、タイミングｔ２において、ｎ行目のリセット信号線３５nの電圧をハイレベルとする。これにより、ｎ行目の画素２１のＦＤ４２nの電圧は、電源信号線３３の電圧にリセットされ、垂直信号線３１の電圧はＶrstとなる。同時に、クランプ容量部６１には、垂直信号線３１の電圧Ｖrstと基準電圧Ｖclampとの差である（Ｖrst−Ｖclamp）が印加される。また、第１のサンプリング容量素子６２Ａ、第２のサンプリング容量素子６２Ｂ及び第３のサンプリング容量素子６２Ｃにはいずれも、基準電圧Ｖclampが印加される。
【００４４】
次に、リセット信号線及びクランプ信号線の電圧をローレベルとした後、タイミングｔ３において、転送信号線３４の電圧をハイレベルとする。これにより、ｎ行目の画素２１のＰＤ４１nの信号電荷がＦＤ４２nに転送され、垂直信号線３１の電圧は信号電荷の量に応じて低下し、Ｖsigとなる。これにより、第１のサンプリング容量素子６２Ａ、第２のサンプリング容量素子６２Ｂ及び第３のサンプリング容量素子６２Ｃに、ｎ行目の画素２１の信号に対応する信号電荷が同時に保持される。
【００４５】
次に、転送信号線３４n及び読み出し信号線３６の電圧をローレベルとした後、タイミングｔ４において水平選択信号線７４の電圧をハイレベルとすることにより、水平信号線３２に電圧Ｖshと対応した信号が出力される。
【００４６】
図５は３行３列の９個の画素２１の信号を混合して読み出す複数画素混合モードの場合におけるタイミングチャートを示している。ここでは、１列目、２列目及び３列目についてｎ行目、ｎ＋１行目及びｎ＋２行目の画素の信号を混合して読み出す場合を例に説明する。
【００４７】
複数画素混合モードの場合、ゲイン切り替え信号線７２の電圧はローレベルであり、サブ容量素子６１Ｂはメイン容量素子６１Ａから切り離されている。従ってクランプ容量部６１の容量値はＣ1である。
【００４８】
まず、タイミングｔ１において、第１のサンプリング信号線７３Ａの電圧をハイレベルとする。これにより、第１のサンプリング容量素子６２Ａがノード７０と接続された状態となる。次に、タイミングｔ２において、読み出し信号線３６及びクランプ信号線７６の電圧をハイレベルとした後、タイミングｔ３において、ｎ行目のリセット信号線３５nの電圧をハイレベルとしてｎ行目の画素のＦＤ４２nをリセットする。これにより垂直信号線３１にＶrstが出力される。
【００４９】
次に、リセット信号線３５n及びクランプ信号線７６の電圧をローレベルとした後、タイミングｔ４において、ｎ行目の転送信号線３４の電圧をハイレベルとする。これにより、ｎ行目の画素のＰＤ４１nからＦＤ４２nへ信号電荷が転送され、垂直信号線３１にＶsigが出力される。これにより、第１のサンプリング容量素子６２Ａに、ｎ行目の画素の信号に対応する信号電荷が保持される。
【００５０】
次に、読み出し信号線３６及び第１のサンプリング信号線７３Ａの電圧をローレベルとして、第１のサンプリング容量素子６２Ａをノード７０から切り離す。
【００５１】
次に、タイミングｔ５において、第２のサンプリング信号線７３Ｂの電圧をハイレベルとする。これにより、第２のサンプリング容量素子６２Ｂがノード７０と接続された状態となる。次に、タイミングｔ６において、読み出し信号線３６及びクランプ信号線７６の電圧をハイレベルとした後、タイミングｔ７において、ｎ＋１行目の画素のリセット信号線３５n+1の電圧をハイレベルとしてｎ＋１行目の画素のＦＤ４２n+1をリセットする。これにより垂直信号線３１にＶrstが出力される。
【００５２】
次に、リセット信号線３５n+1及びクランプ信号線７６の電圧をローレベルとした後、タイミングｔ８において、ｎ＋１行目の転送信号線３４の電圧をハイレベルとする。これにより、ｎ＋１行目の画素のＰＤ４１n+1からＦＤ４２n+1へ信号電荷が転送され、垂直信号線３１にＶsigが出力される。これにより、第２のサンプリング容量素子６２Ｂに、ｎ＋１行目の画素の信号に対応する信号電荷が保持される。
【００５３】
次に、読み出し信号線３６及び第２のサンプリング信号線７３Ｂの電圧をローレベルとして、第２のサンプリング容量素子６２Ｂをノード７０から切り離す。
【００５４】
次に、タイミングｔ９において、第３のサンプリング信号線７３Ｃの電圧をハイレベルとする。これにより、第３のサンプリング容量素子６２Ｃがノード７０と接続された状態となる。次に、タイミングｔ１０において、読み出し信号線３６及びクランプ信号線７６の電圧をハイレベルとした後、タイミングｔ１１において、ｎ＋２行目の画素のリセット信号線３５n+2の電圧をハイレベルとしてｎ＋２行目の画素のＦＤ４２n+2をリセットする。これにより垂直信号線３１にＶrstが出力される。
【００５５】
次に、リセット信号線３５n+2及びクランプ信号線７６の電圧をローレベルとした後、タイミングｔ１２において、ｎ＋２行目の転送信号線３４n+2の電圧をハイレベルとする。これにより、ｎ＋２行目の画素のＰＤ４１n+2からＦＤ４２n+2へ信号電荷が転送され、垂直信号線３１にＶsigが出力される。これにより、第３のサンプリング容量素子６２Ｃに、ｎ＋２行目の画素の信号に対応する信号電荷が保持される。
【００５６】
同時に、２列目及び３列目の信号処理部２３においても同様の動作が行われており、２列目及び３列目の信号処理部２３においても、第１のサンプリング容量素子６２Ａには、ｎ行目の画素の信号が保持され、第２のサンプリング容量素子６２Ｂには、ｎ＋１行目の画素の信号が保持され、第３のサンプリング容量素子６２Ｃには、ｎ＋２行目の画素の信号が保持される。
【００５７】
次に、読み出し信号線３６の電圧をローレベルとした後、タイミングｔ１３において、第１のサンプリング信号線７３Ａ及び第２のサンプリング信号線７３Ｂ並びに混合信号線７５の電圧をハイレベルとする。これにより、１列目、２列目及び３列目のそれぞれに設けられた、第１のサンプリング容量素子６２Ａ、第２のサンプリング容量素子６２Ｂ及び第３のサンプリング容量素子６２Ｃが並列に接続される。これにより、各容量素子に保持された電荷が混合されて、平均化される。
【００５８】
次に、混合信号線７５の電圧をローレベルとした後、タイミングｔ１４において水平選択信号線７４の電圧をハイレベルとして、１列目、２列目及び３列目のそれぞれのｎ行目、ｎ＋１行目及びｎ＋３行目の画素の信号を平均化した信号が、水平信号線３２に出力される。
【００５９】
本実施形態のＭＯＳ型固体撮像装置において、フルスキャンモードの場合における信号処理部２３の電圧利得は、クランプ容量部６１の容量値が３×Ｃ1であり、サンプリング容量部６２の容量値は、３個のサンプリング容量素子が並列に接続されており３×Ｃ2であり、（３×Ｃ1）／（３×Ｃ1＋３×Ｃ2）＝Ｃ1／（Ｃ1＋Ｃ2）となる。
【００６０】
一方、複数画素混合モードの場合における信号処理部２３の電圧利得は、クランプ容量部６１の容量値がＣ1であり、サンプリング容量部６２は、１個のサンプリング容量素子だけが接続されているためＣ2であり、Ｃ1／（Ｃ1＋Ｃ2）となり、フルスキャンモードの場合と等しくなる。
【００６１】
このため、フルスキャンモードと複数画素混合モードとにおける出力ダイナミックレンジを合わせることができるため、複数画素混合モードにおいても良好な画像を得ることが可能となる。
【００６２】
（一実施形態の第１変形例）
以下に、本発明の一実施形態の第１変形例について図面を参照して説明する。図６は本変形例に係るＭＯＳ型固体撮像装置の信号処理部を示している。図６において図２と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
【００６３】
図６に示すように本変形例のＭＯＳ型固体撮像装置の信号処理部２３は、混合スイッチを有していない。一方、水平信号線３２に容量切り替えスイッチ８１を介して水平信号線容量設定容量素子８２が接続されている。
【００６４】
フルスキャンモードにおいては、容量切り替えスイッチ８１は常にオフ状態とする。これにより、一実施形態のＭＯＳ型固体撮像装置と同様に動作させることができる。
【００６５】
一方、複数画素混合モードにおいては、容量切り替えスイッチ８１は常にオン状態とする。これにより、水平信号線３２の容量値は、水平信号線３２の寄生容量の値Ｃpと水平信号線容量設定容量素子８２の容量値Ｃdとの和となる。（Ｃp＋Ｃd）／Ｃpが、混合する列の数と等しくなるようにＣpは設定されている。
【００６６】
図７は画素混合モードの場合の動作を示している。タイミングｔ１２までの動作は、一実施形態のＭＯＳ型固体撮像装置と同じである。タイミングｔ１３において、第１のサンプリング信号線７３Ａ及び第２のサンプリング信号線７３Ｂの電圧を再びハイレベルとして、第１のサンプリング容量素子６２Ａ、第２のサンプリング容量素子６２Ｂ及び第３のサンプリング容量素子６２Ｃを互いに並列に接続し、第１のサンプリング容量素子６２Ａ、第２のサンプリング容量素子６２Ｂ及び第３のサンプリング容量素子６２Ｃの電荷を混合して平均化する。
【００６７】
次に、タイミングｔ１４において、水平選択信号線７４の電圧をハイレベルとして水平トランジスタ６５をオン状態とする。この際に、２列目及び３列目についても水平トランジスタ６５をオン状態とする。これにより、１列目、２列目及び３列目の信号が同時に水平信号線３２に読み出され混合される。しかし、水平信号線３２の容量値は、１列目の信号だけを読み出す場合の３倍となっているため、水平信号線３２の電圧は、１列目の信号だけを読み出す場合とほぼ同じレベルとなる。このため、複数画素混合モードとフルスキャンモードとの出力ダイナミックレンジをそろえることができる。
【００６８】
なお、本実施形態及び変形例においては、３行３列の９個の画素を混合する例を示しているため、サンプリング容量部に含まれるサンプリング容量素子を３個とし且つ３列分の信号処理部の出力を混合しているが、混合する行数及び列数は任意に変更してかまわない。また、行方向の混合だけを行う場合には、混合スイッチ又は水平信号線容量設定容量素子を設ける必要はない。
【００６９】
また、クランプ容量部の容量値は、サンプリング容量素子の個数に応じて、電圧利得が一定となるように設定すればよい。また、本実施形態ではメイン容量素子にサブ容量素子を並列に付加することにより、クランプ容量部の容量値を変化させる構成としたが、クランプ容量部の容量値を所定の値に設定できればどのような構成としてもかまわない。
【００７０】
本実施形態及び変形例においては、複数画素混合モードの場合には、１個のサンプリング容量素子に１行の信号を保持する構成とした。しかし、２個以上のサンプリング容量素子に１行の信号を保持する構成としてもよい。例えば、サンプリング容量部を６個のサンプリング容量素子により構成し、６行分の信号を平均化する際には、１行の信号を１個のサンプリング容量素子に保持し、３行分の信号を平均化する際には、１行の信号を２個のサンプリング容量素子に保持する。この場合に、クランプ容量部の容量値を６×Ｃ1、２×Ｃ1及びＣ1の３段階に切り替えられるようにすれば、フルスキャンモードと、３行混合モードと、６行混合モードとの出力ダイナミックレンジをそろえることができる。
【００７１】
また、画素を３個のトランジスタを含む構成としたが、これに限らず他の構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明に係る固体撮像装置及びその駆動方法は、複数画素混合モードにおいてフルスキャンモードと同等の出力ダイナミックレンジを確保することが可能であり、フルスキャンモードと複数画素混合モードとを備えたＭＯＳ型固体撮像装置及びその駆動方法等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の画素の構成を示す回路図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の信号処理部の構成を示す回路図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る固体撮像装置のフルスキャンモードの動作を示すタイミングチャートである。
【図５】本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の複数画素混合モードの動作を示すタイミングチャートである。
【図６】本発明の一実施形態の第１変形例に係る固体撮像装置の信号処理部の構成を示す回路図である。
【図７】本発明の一実施形態の第１変形例に係る固体撮像装置の複数画素混合モードの動作を示すタイミングチャートである。
【図８】従来の固定パターンノイズ除去回路の基本構成を示す回路図である。
【符号の説明】
【００７４】
２１      画素
２２      垂直走査部
２３      信号処理部
２４      水平走査部
２５      信号増幅部
３１      垂直信号線
３２      水平信号線
３３      電源信号線
３４      転送信号線
３５      リセット信号線
３６      読み出し信号線
４１      フォトダイオード
４２      フローティングディフュージョン
４３      転送トランジスタ
４４      リセットトランジスタ
４５      増幅トランジスタ
５１      負荷トランジスタ
５２      読み出しトランジスタ
６１      クランプ容量部
６１Ａ    メイン容量素子
６１Ｂ    サブ容量素子
６２      サンプリング容量部
６２Ａ    第１のサンプリング容量素子
６２Ｂ    第２のサンプリング容量素子
６２Ｃ    第３のサンプリング容量素子
６３Ａ    第１のサンプリングスイッチ
６３Ｂ    第２のサンプリングスイッチ
６３Ｃ    第３のサンプリングスイッチ
６４      ゲイン切り替え回路
６４Ａ    第１のゲイン切り替えスイッチ
６４Ｂ    第２のゲイン切り替えスイッチ
６４Ｃ    インバータ
６５      水平トランジスタ
６５      水平選択トランジスタ
６６      混合スイッチ
６７      クランプスイッチ
６８      基準電源
７０      ノード
７２      ゲイン切り替え信号線
７３Ａ    第１のサンプリング信号線
７３Ｂ    第２のサンプリング信号線
７３Ｃ    第３のサンプリング信号線
７４      水平選択信号線
７５      混合信号線
７６      クランプ信号線
８１      容量切り替えトランジスタ
８２      水平信号線容量設定容量素子
【図１】
2008067084.tif 000003
【図２】
2008067084.tif 000004
【図３】
2008067084.tif 000005
【図４】
2008067084.tif 000006
【図５】
2008067084.tif 000007
【図６】
2008067084.tif 000008
【図７】
2008067084.tif 000009
【図８】
2008067084.tif 000010