(57)【要約】【課題】相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）型アクティブ画素センサ（ＡＰＳ）撮像方式において低周波数ノイズを著しく低減する回路を提供する。【解決手段】  画素のフォトダイオードをリセットするリセットトランジスタのドレイン電流に読み出し電流と同じ画像情報が含まれる点を利用する。ノイズ低減のために、ＡＰＳ撮像システムにおけるソースフォロワ型出力トランジスタからの多重化出力電圧をハイパスフィルタに通すことでソースフォロワからの低周波数ノイズを低減する。一方、ＡＰＳをリセットするのに用いたリセットトランジスタドレイン電流はローパスフィルタに通す。ローパスフィルタ出力とハイパスフィルタ出力を組合せる。ドレイン電流は出力トランジスタの電圧出力と同じ画像情報を含むので、ローパスフィルタ出力とハイパスフィルタ出力を組み合わすことで画像情報が得られる。【選択図】  図１
2004260828.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードを有するフォトダイオードと、
ドレインが第１のノードに、ソースが上記フォトダイオードの上記アノードに接続される電界効果トランジスタであるリセットトランジスタと、
ゲートが上記フォトダイオードの上記アノードに接続されるとともにソースを有する電界効果トランジスタである第１の出力トランジスタと、
サンプルホールド回路と、
上記第１の出力トランジスタの上記ソースを上記サンプルホールド回路に電気的に接続するか、あるいは上記第１の出力トランジスタの上記ソースを上記サンプルホールド回路から電気的に分離する手段と、
ドレインが上記サンプルホールド回路に、ゲートが列選択入力に、ソースが第２のノードに接続される電界効果トランジスタである第２の出力トランジスタと、
上記第２のノードと出力ノード間に接続される第１のコンデンサと、
上記第１のノードと上記出力ノード間に接続される抵抗と、
上記出力ノードとグランド電位間に接続される第２のコンデンサと、
を備えることを特徴とする画素回路。
【請求項２】
上記フォトダイオードの上記アノード電位は電荷集積期間において上記フォトダイオードに入射する光量に関係することを特徴とする、請求項１記載の画素回路。
【請求項３】
上記サンプルホールド回路は第３のコンデンサと当該第３のコンデンサに蓄積される電荷をリセットする電荷リセット手段により構成されることを特徴とする、請求項１記載の画素回路。
【請求項４】
上記電荷リセット手段はソースとドレインを上記第３のコンデンサに並列接続した電界効果トランジスタであるサンプルホールドトランジスタを含むことを特徴とする、請求項３記載の画素回路。
【請求項５】
上記第１の出力トランジスタの上記ソースを上記サンプルホールド回路に電気的に接続するか、あるいは上記第１の出力トランジスタの上記ソースを上記サンプルホールド回路から電気的に分離する手段は、上記第１の出力トランジスタの上記ソースと上記サンプルホールド回路間に直列接続した行選択トランジスタとサンプルトランジスタを含み、当該行選択トランジスタと当該サンプルトランジスタは電界効果トランジスタであることを特徴とする、請求項１記載の画素回路。
【請求項６】
リセット期間において上記フォトダイオードをリセットするために上記第１の出力ノードにリセット電位を供給することを特徴とする、請求項１記載の画素回路。
【請求項７】
上記出力ノードは水平出力バスに接続されることを特徴とする、請求項１記載の画素回路。
【請求項８】
上記リセットトランジスタはオンになり、上記第１の出力トランジスタの上記ソースを上記サンプルホールド回路に電気的に接続するか、あるいは上記第１の出力トランジスタの上記ソースを上記サンプルホールド回路から電気的に分離する手段は、上記第１の出力トランジスタの上記ソースを上記サンプルホールド回路から電気的に分離し、リセット期間に上記フォトダイオードの上記アノード電位をリセットすることを特徴とする、請求項１記載の画素回路。
【請求項９】
上記リセットトランジスタはオフになり、上記第１の出力トランジスタの上記ソースを上記サンプルホールド回路に電気的に接続するか、あるいは上記第１の出力トランジスタの上記ソースを上記サンプルホールド回路から電気的に分離する手段は、上記第１の出力トランジスタの上記ソースを上記サンプルホールド回路から電気的に分離し、電荷集積期間に上記フォトダイオードに電荷を蓄積することを特徴とする請求項１記載の画素回路。
【請求項１０】
上記リセットトランジスタはオフになり、上記上記第１の出力トランジスタの上記ソースを上記サンプルホールド回路に電気的に接続するか、あるいは上記第１の出力トランジスタの上記ソースを上記サンプルホールド回路から電気的に分離する手段は、上記第１の出力トランジスタの上記ソースを上記サンプルホールド回路に電気的に接続し、読み出し期間に上記フォトダイオードの上記アノード電位を上記サンプルホールド回路に記憶することを特徴とする、請求項１記載の画素回路。
【請求項１１】
上記第２の出力トランジスタの上記列選択入力に与えられる列選択信号は、当該第２のトランジスタをオンにして上記サンプルホールド回路を上記第２のノードに電気的に接続するか、あるいは当該第２のトランジスタをオフにして上記サンプルホールド回路を上記第２のノードから電気的に分離することを特徴とする、請求項１記載の画素回路。
【請求項１２】
各センサ回路を、アノードを有するフォトダイオード、ソースが上記フォトダイオードの上記アノードに接続されるとともにドレインを有するリセットトランジスタ、ゲートが上記フォトダイオードの上記アノードに接続されるとともにソースを有する出力トランジスタ、サンプルホールド回路、上記出力トランジスタの上記ソースと上記サンプルホールド回路間に直列接続される行選択トランジスタ及びサンプルトランジスタ、及びドレインが上記サンプルホールド回路に接続されるとともにソースを有する列選択トランジスタで構成した複数のセンサ回路と、
水平バスに接続される第１のノードと、
上記各センサ回路における上記各リセットトランジスタの上記各ドレインに接続される第２のノードと、
上記各センサ回路における上記各列選択トランジスタの上記各ソースと上記第１のノード間に接続されるフィルタコンデンサと、
上記第１のノードとグランド電位間に接続される出力コンデンサを備えることを特徴とする画素回路。
【請求項１３】
上記リセットトランジスタ、上記サンプルトランジスタ、上記行選択トランジスタ、上記出力トランジスタ、及び上記列選択トランジスタは電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項１２記載の画素回路。
【請求項１４】
上記複数のセンサ回路は４つのセンサ回路であることを特徴とする請求項１２記載の画素回路。
【請求項１５】
電荷集積期間終了時において上記各フォトダイオードの上記アノード電位は当該電荷集積期間中に当該フォトダイオードに入射した光量に関係することを特徴とする請求項１２記載の画素回路。
【請求項１６】
上記各サンプルホールド回路はサンプルホールドコンデンサ及び当該サンプルホールドコンデンサに蓄積された電荷量をリセットする電荷リセット手段から成ることを特徴とする請求項１２記載の画素回路。
【請求項１７】
上記電荷リセット手段はソースとドレインが上記サンプルホールドコンデンサに並列接続される電界効果トランジスタで構成したサンプルホールドトランジスタであることを特徴とする請求項１６記載の画素回路。
【請求項１８】
リセット期間において、上記第２のノードにリセット電位が与えられ上記各リセットトランジスタがオンになって上記各フォトダイオードをリセットすることを特徴とする請求項１２記載の画素回路。
【請求項１９】
電荷集積期間の終了後に、上記各行選択トランジスタと上記各サンプルトランジスタはオンになって、当該集積期間中に上記各センサ回路の上記各フォトダイオードに蓄積された電荷に対応する電位が上記各センサ回路の上記サンプルホールド回路に取り込まれることを特徴とする請求項１２記載の画素回路。
【請求項２０】
リセット期間において、第２のノードにリセット電位が与えられ、上記各リセットトランジスタはオンになってリセット電流が上記第２のノードから上記各リセットトランジスタに流れるともに、上記各列選択トランジスタは順次オンになって上記各センサ回路の上記サンプルホールド回路に保持された電位に対応する信号電流が上記列選択トランジスタのソースから上記第１のノードに流れることを特徴とする請求項１２記載の画素回路。
【請求項２１】
各センサ回路を、アノードを有するフォトダイオード、ソースが上記フォトダイオードの上記アノードに接続されるとともにドレインを有するリセットトランジスタ、ゲートが上記フォトダイオードの上記アノードに接続されるとともにソースを有する出力トランジスタ、サンプルホールド回路、上記出力トランジスタの上記ソースと上記サンプルホールド回路間に直列接続される行選択トランジスタ及びサンプルトランジスタ、及びドレインが上記サンプルホールド回路に接続されるとともにソースを有する列選択トランジスタで構成した複数のセンサ回路を用意し、
水平バスに接続される第１のノードを用意し、
上記各センサ回路における上記各リセットトランジスタの上記各ドレインに接続される第２のノードを用意し、
上記各センサ回路における上記各列選択トランジスタの上記各ソースと上記第１のノード間に接続されるフィルタコンデンサを用意し、
上記第１のノードとグランド電位間に接続される出力コンデンサを用意し、
電荷集積期間中、上記各センサ回路において上記リセットトランジスタ及び上記サンプルトランジスタをオフにするとともに上記フォトダイオードに電荷を蓄積し、
上記電荷集積期間の完了後、上記各センサ回路において上記リセットトランジスタはオフに、上記サンプルトランジスタ及び上記行選択トランジスタはオンにして、当該電荷集積期間完了後における当該センサ回路の上記フォトダイオードに蓄積された電荷に対応する信号を上記サンプルホールド回路に取り込み、
上記各センサ回路の上記各サンプルホールド回路に上記信号を取り込んだ後、上記各リセットトランジスタをオンに、上記各サンプルトランジスタをオフに、上記各列選択トランジスタを順次オンにすることにより、上記第２のノードから上記各リセットトランジスタの上記ドレインにリセット電流を流すとともに、上記各サンプルホールド回路から上記第１のノードに信号電流を流して、上記信号電流の高周波数成分に上記リセット電流の低周波数成分が混入した出力信号を上記水平バスに出力することを特徴とするアクティブ画素センサ読み出し方法。
【請求項２２】
上記リセットトランジスタ、上記サンプルトランジスタ、上記行選択トランジスタ、上記出力トランジスタ、及び上記列選択トランジスタは電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項２１記載のアクティブ画素センサ読み出し方法。
【請求項２３】
上記複数のセンサ回路は４つのセンサ回路であることを特徴とする請求項２１記載のアクティブ画素センサ読み出し方法。
【請求項２４】
電荷集積期間終了時において上記各フォトダイオードの上記アノード電位は当該電荷集積期間中に当該フォトダイオードに入射した光量に関係することを特徴とする請求項２１記載のアクティブ画素センサ読み出し方法。
【請求項２５】
上記各サンプルホールド回路はサンプルホールドコンデンサ及び当該サンプルホールドコンデンサに蓄積された電荷量をリセットする電荷リセット手段から成ることを特徴とする請求項２１記載のアクティブ画素センサ読み出し方法。
【請求項２６】
上記電荷リセット手段はソースとドレインが上記サンプルホールドコンデンサに並列接続される電界効果トランジスタで構成したサンプルホールドトランジスタであることを特徴とする請求項２５記載のアクティブ画素センサ読み出し方法。
【請求項２７】
上記各センサ回路の上記各サンプルホールド回路に上記信号を取り込んだ後、リセット電位を上記第２のノードに与え、各リセットトランジスタをオンにすることにより上記リセット電流が上記第２のノードから上記リセットトランジスタの上記各ドレインに流れることを特徴とする請求項２１記載のアクティブ画素センサ読み出し方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は１／ｆノイズや低周波数の固定パターンノイズを低減するＣＭＯＳ型アクティブ画素センサ（ＡＰＳ）読み出し方式に関する。
【背景技術】
【０００２】
Hynecekの米国特許第4,831,451号には複数の回路段を備えた水平スキャナが記載されている。このスキャナにより電子的なズーミング（映像拡大）とパン撮影が行える。
Endo等の米国特許第4,764,814号には固定撮像装置が記載される。
【０００３】
Levineの米国特許第4,677,490号には、ＣＣＤ撮像装置において低周波数ビデオ応答と高周波数ビデオ応答を別々の回路手段で取り出すようにしたＣＣＤ出力レジスタが記載される。低周波数応答はＣＣＤ出力ラインレジスタのドレイン電流を検出することで取り出す。一方、高周波数応答は相関二重サンプリングを行った後、又はＣＣＤ出力ラインレジスタの動作クロック速度の調波で同期復調した後に、電位計の出力信号から取り出す。
【０００４】
Bendell等の米国特許第4,435,730号にはＣＣＤ撮像装置の２つの部分から出力される出力信号を利用する技術が記載される。第１の出力信号はドレイン拡散から信号電流として取り出す。第２の出力信号はフローティング拡散又はフローティングゲートからチップ搭載ＭＯＳＦＥＴ増幅器を介して取り出す。第１と第２の出力信号はそれぞれ、相補的なローパスフィルタとハイパスフィルタでフィルタリングされた後、合成されて低ノイズ出力になる。
【特許文献１】米国特許第4,831,451号
【特許文献２】米国特許第4,764,814号
【特許文献３】米国特許第4,677,490号
【特許文献４】米国特許第4,435,730号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
撮像装置（イメージャ）で使用されるＣＭＯＳ型アクティブ画素センサ（ＡＰＳ）から発生する低周波数ノイズは取り組まなければならない問題である。この種のノイズは撮像装置から取り出した視覚画像にも目に見える形で現れることが少なくなく、深刻な問題である。チップ上で撮像装置の全ての行をサンプリングすると、ノイズが問題化し、水平線となって現れ、後処理を行っても容易に消すことができない。
【０００６】
本書にリファレンスとして組み入れるLevinの米国特許第4,677,490号、及びBendell等の米国特許第4,435,730号にはＣＣＤ撮像装置におけるノイズ抑制方法が記載される。このノイズ抑制方法ではＣＣＤリセットトランジスタのドレイン電流をローパスフィルタ（ＬＰＦ）に通し、ソースフォロワ型出力トランジスタの出力電圧信号をハイパスフィルタ（ＨＰＦ）に通す。ＬＰＦとＨＰＦからの出力を組み合わせることでローパスソースフォロワからの低周波数ノイズ成分を抑制する。ＣＭＯＳ型アクティブ画素センサ撮像方式に利用できる低周波数ノイズ抑制方法を提供することへの関心は非常に高いものがある。
【０００７】
本発明の主目的は、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）型アクティブ画素センサ（ＡＰＳ）撮像方式において低周波数ノイズを著しく低減する回路を提供することである。
本発明の他の目的は、撮像出力の低周波数ノイズを著しく低減する、相補型金属酸化膜半導体アクティブ画素センサ撮像システムを読み出し方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上の目的を達成するために、画素のフォトダイオードをリセットするリセットトランジスタのドレイン電流に読み出し電流と同じ画像情報が含まれる点を活用する。ノイズを低減するために、ＡＰＳ撮像システムにおけるソースフォロワ型出力トランジスタからの多重化出力電圧をハイパスフィルタに通すことでソースフォロワからの低周波数ノイズを低減する。一方、ＡＰＳをリセットするのに用いたリセットトランジスタドレイン電流はローパスフィルタに通す。そしてローパスフィルタ出力とハイパスフィルタ出力を組み合わされる。リセットトランジスタのドレイン電流はソースフォロワ型出力トランジスタの電圧出力と同じ画像情報を含むので、ローパスフィルタとハイパスフィルタの出力を組み合わすことで画像情報が得られる。また、ソースフォロワ型出力トランジスタからの低周波数ノイズ成分は抑制されるため、ローパスフィルタとハイパスフィルタの組合せ出力により低周波数ノイズが大幅に抑制された画像情報が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の回路を図１と２に示す。図１は撮像装置（イメージャ）のひとつのセンサ回路を示したものである。実際には図１に示すのと同じセンサ回路が複数あり、インデクス（ｉ）を付けてそれぞれの回路を表す。ｉの値を１、２、３、４として代表的に４つのセンサ回路があるが、これより多くても少なくてもよい。各センサ回路において、フォトダイオード２４（ｉ）により入力信号、例えば光信号により発生した電荷を集積して出力信号を得る。代表的にいうと、図１に示すようなセンサ回路において、各センサ回路は例えば色別に相異なる出力信号を発生する。ソースフォロワ構成の出力トランジスタ３６（ｉ）の出力によりフォトダイオード２４（ｉ）からの出力信号を検出し、行選択トランジスタ２８（ｉ）とサンプルトランジスタ３０（ｉ）によってサンプルホールドコンデンサ３２（ｉ）に供給される。行選択トランジスタ２８（ｉ）のゲートには行選択端子２６（ｉ）が、サンプルトランジスタ３８（ｉ）のゲートにはサンプル端子２２（ｉ）が接続される。行選択端子２６（ｉ）とサンプル端子２２（ｉ）に与える信号により行選択トランジスタ２８（ｉ）とサンプルトランジスタ３８（ｉ）をオン又はオフにする。各センサ回路においてサンプルホールドコンデンサ３２（ｉ）の一端は列選択トランジスタ３０（ｉ）のドレインに接続される。各列選択トランジスタ３０（ｉ）のソースは第１の端子１２（ｉ）に接続される。各列選択トランジスタ３０（ｉ）のゲートには列選択端子１８（ｉ）が接続され、その信号により列選択トランジスタ３０（ｉ）はオン又はオンになる。
【００１０】
撮像装置の電荷集積期間が終了したとき、フォトダイオード２４（ｉ）のアノード２５（ｉ）電位は、それまで各センサ回路のフォトダイオード２４（ｉ）が受けた入力信号量、例えば受光量に関係する値になる。集積期間の終了時に、行選択端子２６（ｉ）、サンプル端子２２（ｉ）及び列選択端子１８（ｉ）の信号により、行選択トランジスタ２８（ｉ）とサンプルトランジスタ３８（ｉ）はオンに、列選択トランジスタ３０（ｉ）はオフになる。したがって、フォトダイオード２４（ｉ）のアノード２５（ｉ）電位に対応する信号がサンプルホールドコンデンサ３２（ｉ）に取り込まれる。サンプルホールドコンデンサ３２（ｉ）は信号を取り込むより前に、サンプルホールドリセット端子２０（ｉ）にゲートが接続されたサンプルホールドトランジスタ３４（ｉ）によりリセットされている。サンプルホールドトランジスタ３４（ｉ）はサンプルホールドコンデンサ３２（ｉ）を放電することでリセットを行う。
【００１１】
各センサ回路のサンプルホールドコンデンサ３２（ｉ）に信号を取り込んだ後、各センサ回路のリセットトランジスタ４０（ｉ）をオンにし、第２の端子１０（ｉ）から各リセットトランジスタ４０（ｉ）のドレインに電流を注入することにより各センサ回路のフォトダイオード２４（ｉ）をリセットする。フォトダイオード２４（ｉ）をリセットするのに必要な電流の量は、フォトダイオード２４（ｉ）のアノード２５（ｉ）電位に関係するため、サンプルホールドコンデンサ３２（ｉ）に取り込んだのと同じ画像情報を持つという事実に本発明の特徴は基づいている。
【００１２】
図２は、画素のリセットに使用したドレイン電流の低周波数成分とサンプルホールドコンデンサ３２（ｉ）に蓄えた画素信号の高周波成分を混合するＲＣ回路の回路図を示したものである。図２から分かるように、１つのＲＣ回路を図１に示すような全てのセンサ回路に適用する。図２は４つのセンサ回路に適用した場合の回路構成である。第１の端子１２（１）、１２（２）、１２（３）、１２（４）はそれぞれ、各センサ回路毎に入力コンデンサ１００（１）、１００（２）、１００（３）、１００（４）の一端に接続される。各入力コンデンサ１００（１）、１００（２）、１００（３）、１００（４）の他端には第１のノード１１２が接続される。第２の端子１０（１）、１０（２）、１０（３）、１０（４）はいずれも第２の端子１１４に接続される。図２は図１の延長部分であり、第１の端子１２（ｉ）と第２の端子１０（ｉ）は両図において同じものである。第１のノード１１２と第２のノード１１４間に抵抗１２２が接続される。また、第１のノード１１２とグランド電位間には出力コンデンサ１１０が接続される。第１のノード１１２には通常、水平バスに接続される出力端子１４が接続される。
【００１３】
図１と図２において、サンプルホールドコンデンサ３２（ｉ）への信号取り込み完了後、行選択トランジスタ２８（ｉ）とサンプルトランジスタ３８（ｉ）をオフに、リセットトランジスタ４０（ｉ）はオンにして図１の各フォトダイオード２４（ｉ）をリセットする。このリセットと同時に、各列選択トランジスタ３０（ｉ）を順次オンにする。例えば、４回路の場合、まず、３０（２）、３０（３）、３０（４）をオフにした状態で３０（１）をオンにし、次に３０（１）、３０（３）、３０（４）をオフにした状態で３０（２）をオンにし、次に３０（１）、３０（２）、３０（４）をオフにした状態で３０（３）をオンにし、最後に３０（１）、３０（２）、３０（３）をオフにした状態で３０（４）をオンにする。これにより、抵抗１０２と出力コンデンサ１１０で構成されるローパスフィルタを通って組合せリセット電流が供給されるとともに、入力コンデンサ１００（ｉ）、出力コンデンサ１１０及び抵抗１０２で構成されるハイパスフィルタを通って列選択トランジスタ３０（ｉ）のソースからの信号が順次供給される。
【００１４】
列選択トランジスタ３０（ｉ）の出力はハイパスフィルタを通るため、その低周波数ノイズは抑制される。また、上述したように、ローパスフィルタを通る組合せリセット電流は列選択トランジスタ３０（ｉ）の出力と同じ画像情報を含むが、列選択トランジスタ３０（ｉ）のソースフォロワ型出力から発生する低周波数ノイズを除去したものになっている。ハイパスフィルタ出力とローパスフィルタ出力は図２のＲＣ回路で合成されて、ソースフォロワ型出力に起因する低周波数ノイズが抑制された画像情報になる。ハイパスフィルタ出力とローパスフィルタ出力の混合比が適切になるように入力コンデンサ１００（ｉ）、出力コンデンサ１１０、及び抵抗１０２の値を選定する。入力コンデンサ１００（ｉ）と出力コンデンサ１１０は直列構成のコンデンサとして機能するのでｋＴＣノイズ（熱雑音）も抑制される。
【００１５】
また、出力信号の一部としてリセットトランジスタ４０（ｉ）のドレイン電流を利用することで撮像システムの全体効率が上がり、低い電力需要となる。。
以上、好ましい実施形態について本発明を詳細に図示して説明したが、当業者には明らかなように本発明の趣旨、範囲から逸脱することなく形態及び詳細について様々な変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る信号サンプルホールド回路の回路図を示す。
【図２】リセット電流の低周波数成分とソースフォロワ多重化出力の高周波成分を混合するＲＣ回路の回路図を示す。
【符号の説明】
【００１７】
１８        列選択端子
２２        サンプル端子
２４        フォトダイオード
２６        行選択端子
２８        行選択トランジスタ
３０        列選択トランジスタ
３４        サンプルホールドトランジスタ
３８        サンプルトランジスタ
４０        リセットトランジスタ
【図１】
2004260828.tif 000003
【図２】
2004260828.tif 000004
【外国語明細書】
2004260828000001.pdf