(57)【要約】【課題】回路のトータルゲインおよびＳＮを向上させた固体撮像装置を提供する。【解決手段】光電変換素子と前記光電変換素子で発生した電荷を電圧出力する増幅器を有する複数の画素部１と、前記画素部の特性差に起因するノイズを低減するノイズキャンセル部１２とを有する固体撮像装置において、ノイズキャンセル部１２は、画素部１からの基準となる出力信号を充電する第１の容量素子Ｃ３１と、画素部１からの露光時間を経過したときの出力信号を充電する第２の容量素子Ｃ３３と、第１の容量素子Ｃ３１の正極と第２の容量素子Ｃ３３の正極との間の信号差分を検出するための第３の容量素子Ｃ３５とを有している。【選択図】図１
2005192123.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換素子と前記光電変換素子で発生した電荷を電圧出力する増幅器とを有する複数の画素部と、前記画素部の特性差に起因するノイズを低減するノイズキャンセル回路とを備える固体撮像装置であって、
前記ノイズキャンセル回路は、
画素部からの基準となる出力信号を充電する第１の容量素子と、
画素部からの露光時間を経過したときの出力信号を充電する第２の容量素子と、
前記第１の容量素子の正極と第２の容量素子の正極との間の信号差分を検出するための第３の容量素子と
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記載の固体撮像装置であって、前記基準となる出力信号は前記画素部をリセットしたときの出力信号である
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
請求項２記載の固体撮像装置であって、
蓄積電荷をリセットした時の出力信号を充電する第１の容量素子に前記画素部の信号を転送するための第１の転送スイッチと、
一定の露光時間経過後の蓄積電荷を充電する第２の容量素子に前記画素の信号を転送するための第２の転送スイッチと、
前記第１の容量素子の正極から第３の容量素子の負極に、第２の容量素子の正極から第３の容量素子の正極に、前記第１、第２の容量素子それぞれに充電された電荷を転送する差分検出用スイッチと、
前記信号差分検出用の第３の容量素子の正極側をリセット電位に保持するための第２のリセットスイッチと、
第３の容量素子の負極側をリセット電位に保持する第１のリセットスイッチと、
前記信号差分検出用の第３の容量素子の正極と水平信号線との間の読み出しスイッチと、
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項４】
請求項３記載の固体撮像装置であって、
第１に、前記各スイッチをオフにし、
第２に、前記第１および第２のリセットスイッチのみオンにすることによって前記信号差分検出用の第３の容量素子の両電極をリセット電位した後オフに戻し、
第３に、前記画素部のリセット時に前記第１の転送スイッチのみをオンにすることによって前記画素部のリセットした時の出力信号を前記第１の容量素子に充電した後オフにし、
第４に、露光時間経過後に前記第２の転送スイッチのみをオンにすることによって前記画素の一定の露光時間経過後の蓄積電荷を前記第２の容量素子に充電した後オフにし、
第５に、前記差分検出用スイッチのみをオンにすることによって前記第３の容量素子に前記第１および第２の容量素子に充電された電荷を転送して一定露光時間経過後の蓄積信号を差分検出した後オフにし、
第６に、前記第２のリセットスイッチのみ再びオンにすることによって前記第３の容量素子の負極をリセット電位に保持した後オフにし、
第７に、読み出しスイッチをオンにすることによって前記第３の容量素子の正極の電位を画素のノイズ成分を削除した蓄積信号を水平信号線に出力した後オフにする
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項５】
請求項１記載の固体撮像装置であって、
前記複数の画素部は遮光された画素部と遮光されていない画素部とを含み、
前記第１の容量素子は遮光された画素部からの出力信号を前記基準となる出力信号として充電し、
前記第２の容量素子は遮光されていない画素部からの出力信号を充電する
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項６】
請求項５記載の固体撮像装置であって、さらに
露光開始前における遮光された画素部および遮光されていない画素部の両者の出力信号に基づいて、前記第３の容量素子において差分検出された出力信号を保持する第１保持部と、
露光開始後における遮光された画素部および遮光されていない画素部の両者の出力信号に基づいて、前記第３の容量素子において差分検出された出力信号を保持する第２保持部と、
第１保持部および第２保持部で保持された２つの出力信号を差動増幅する増幅部と
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項７】
遮光された画素部からの出力信号を前記第１の容量素子に転送するための第１の転送スイッチと、
遮光されていない画素部からの出力信号を前記第２の容量素子に転送するための第２の転送スイッチと、
前記第１の容量素子の正極を第３の容量素子の負極に、前記第２の容量素子の正極に第３の容量素子の正極に、前記第１と第２の容量素子にそれぞれ充電された電荷を転送する差分検出用スイッチと、
前記信号差分検出用の第３の容量素子の正極側をリセット電位に保持するための第２のリセットスイッチと前記第３の容量素子の負極側をリセット電位に保持する第１のリセットスイッチと、
前記信号差分検出用の第３の容量素子の正極と水平信号線との間に設けられた読み出しスイッチと、
前記読み出しスイッチと前記第１の保持部との間に設けられた第３の転送スイッチと、
前記読み出しスイッチと前記第２の保持部との間に設けられた第４の転送スイッチと、
前記第１および第２の保持部に保持された出力信号を前記増幅部に転送するための第５の転送スイッチと
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項８】
請求項７記載の固体撮像装置において、
第１に、前記各スイッチをオフにし、
第２に、露光開始前の状態で前記第１および第２のリセットスイッチのみオンにすることによって前記信号差分検出用の第３の容量素子の両電極をリセット電位に保持した後オフに戻し、
第３に、遮光された画素部からの出力信号を前記第１の転送スイッチのみをオンにすることによって前記第１の容量素子に充電した後オフにし、
第４に、遮光されていない画素部からの出力信号を前記第２の転送スイッチのみをオンにし、前記第２の容量素子に充電した後オフにし、
第５に、前記差分検出用スイッチのみをオンにすることによって前記第３の容量素子に前記第１および第２の容量素子に充電された電荷を転送して蓄積信号を差分検出した後オフにし、
第６に、前記第２のリセットスイッチのみ再びオンにすることによって前記第３の容量素子の負極をリセット電位に保持した後オフにし、
第７に、前記読み出しスイッチをオンにすることによって前記第３の容量素子の正極の電位をノイズ成分削除後の蓄積信号として水平信号線に読み出した後オフにし、
第８に、第３の転送スイッチをオンにして第１の保持部に保持させ、
第９に、露光開始後の状態で、前記第１から第７のスイッチ制御および第４の転送スイッチの制御を行うことによって前記第２の保持部に差分検出された出力信号を保持させ、
第１０に、第５の転送スイッチをオンにして差動増幅器に増幅させる
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項９】
請求項１から請求項８の何れかに記載の固体撮像装置であって、
前記ノイズキャンセル回路をＮＭＯＳ型トランジスタおよびＮＭＯＳ容量素子で構成している
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１０】
請求項１から請求項８の何れかに記載の固体撮像装置であって、
前記第３の容量素子の両電極のリセット電位をＧＮＤレベルに設定している
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、光電変換や熱検知によって蓄積される電荷信号からノイズ成分を除去し、特に高感度化、低ノイズ化、低消費電力化、低コスト化を達成できる固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＭＯＳ型の固体撮像装置では、トランジスタの閾値電圧Ｖｔのばらつきに起因する固定パターンノイズを除去するためにノイズキャンセル回路を備えている。
図１１は、従来のＭＯＳ型固体撮像装置における画素部、ノイズキャンセル部および信号出力部の回路例を示す図である。同図の画素部１は行列上に配列された複数の画素部のうちの１画素分のみを、ノイズキャンセル回路２２は列（垂直信号線）毎に設けられた複数のノイズキャンセル回路２２のうちの１つのみを、信号出力部２３は列（垂直信号線）毎に設けられた複数の選択トランジスタ１０のうち１つのみを図示している。
【０００３】
画素部１において、光電変換素子２によって光電変換により生成された電荷信号は、転送トランジスタ４を介してフローティングディフュージョン３に転送される。フローティングディフュージョン３に転送された電荷信号は、ソースフォロア５によって増幅され電圧として検出され、垂直方向アドレストランジスタ６を介して垂直信号線に電圧信号として出力される。ノイズキャンセル回路２２は、固定パターンノイズのノイズ成分を除去するために設けられている。この固定パターンノイズは、ソースフォロア５の閾値電圧Ｖｔのばらつき等により生じ、画像上は縦縞状のノイズとして現れる。
信号出力部２３は、ノイズ除去後の画素信号を水平信号線を介して外部に出力する。
【０００４】
図１２は、上記の固体撮像装置におけるノイズ除去動作のタイミングを示すタイミングチャートである。同図に示すように、時刻ｔ０のタイミングで、リセットトランジスタ７をオンにすることによりフローティングディフュージョン３を電源電圧にリセットする。このときソースフォロア５によって垂直信号線に出力された信号をリセット信号とし、時刻ｔ２でサンプルホールドトランジスタ８を介して、クランプ容量Ｃ１の負極に接続して充電する。あらかじめ時刻ｔ１でクランプ容量Ｃ１の正極は、クランプトランジスタ９を介してあらかじめ一定電圧（ＣＬＤＣ）にクランプされている。
【０００５】
つぎに、時刻ｔ３で転送トランジスタ４をオンにし、光電変換素子２からフローティングディフュージョン３に電荷信号を転送し、このときソースフォロア５によって垂直信号線に出力された信号を蓄積信号Ｖsigとし、サンプルホールドトランジスタ８を介して、クランプ容量Ｃ１の負極に接続して充電する。
すると、クランプ容量Ｃ１の負極の電位はマイナス電位側に変動するが、これに連動して、フローティング状態のクランプ容量Ｃ１の正極の電位もマイナス電位側に変動する。そして変動した電位は、クランプ容量Ｃ１とサンプル容量Ｃ２との容量分配により、以下の式（１）で表される電位Ｖsig１がサンプル容量Ｃ２に充電される。
【０００６】
この一連の動作によって、リセット信号を基準にして蓄積信号Ｖsigが重畳することになるので、クランプ容量Ｃ１の変動電位は、画素の電荷信号とリセット信号との間でノイズ成分を相殺したものと等価になっている。
Ｖsig１＝Ｖsig×Ｃ１／(Ｃ１+Ｃ２)・・・式（１）
その後、時刻ｔ４で水平選択トランジスタ１０によって、水平信号線に出現する画素の蓄積信号は、以下の式（２）で表される電位Ｖsig２となる。ここで容量Ｃ３は水平信号線の寄生容量である。
Ｖsig２＝Ｖsig１×Ｃ２／(Ｃ２+Ｃ３)・・・式（２）
このように、リセット信号を基準にして蓄積信号Ｖsigを重畳することによって、クランプ容量Ｃ１の電位を変動させる従来の方法は、比較的簡単な回路で実現できる。
【特許文献１】特開２０００−４３９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来の固体撮像装置におけるノイズ除去回路には、以下の問題点がある。すなわち、画素の蓄積信号Ｖsigがノイズ成分除去回路を通ることによって、クランプ容量Ｃ１とサンプル容量Ｃ２との容量分配が生じて、以下の式中のＶsig１で表される信号に減少してしまうことである。
Ｖsig１＝Ｖsig×Ｃ１／(Ｃ１+Ｃ２)
この式中でクランプ容量Ｃ１を大きくし、サンプル容量Ｃ２を小さくすればＶsig１の減少は抑えられるが、このノイズ成分除去回路の後段には水平選択トランジスタ１０を介して、水平信号線に接続する構成になっており、水平信号線容量Ｃ３の影響が無視できなくなる。
【０００８】
すなわち、今度はサンプル容量Ｃ２と水平信号線容量Ｃ３との容量分配が生じて、水平信号線に読み出された時点で、画素の蓄積電荷Ｖsigは、さらに以下の式中のＶsig２で表される信号に減少してしまう。
Ｖsig２＝Ｖsig１×Ｃ２／(Ｃ２+Ｃ３)
＝(Ｖsig×Ｃ１／(Ｃ１+Ｃ２))×Ｃ２／(Ｃ２+Ｃ３)
結局、容量Ｃ１,Ｃ２,Ｃ３のバランスを考えて設計しても、信号量を増加させることは困難で、回路のトータルゲインが相当小さい値になってしまうので、ＳＮ劣化に繋がっている。
【０００９】
別の問題点としては、クランプトランジスタ９を介してあらかじめ一定電圧（ＣＬＤＣ）にクランプする際に、電位の設定によっては、垂直信号線から水平選択トランジスタ１０の閾値電圧の影響を受けて、ノイズ成分を削除した蓄積信号が水平信号線に正常に読み出しできなくなり、縦方向の固定パターンノイズを発生させてしまう可能性がある。対策するには、トランジスタの特性ばらつきを加味して、クランプ電位の設定を最適化する必要がある。
【００１０】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、水平信号線容量との容量分配による減少の影響をより少なくして、回路のトータルゲインを上げ、ＳＮ向上させた固体撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記の目的を達成するため、本発明に係る固体撮像装置は、一画素内に光電変換素子とこの素子で発生した電荷を電圧出力する増幅器とを備えた画素が２次元状に並べられ、各行毎に一斉に読み出された画素の信号がそれぞれの各列毎に出力されてくるイメージセンサであって、ノイズ成分除去回路としてノイズキャンセル部を有している。図１は、このノイズキャンセル部の動作原理を示す説明図である。ノイズキャンセル部１２は、画素部からの基準となる出力信号を充電する第１の容量Ｃ３１と、画素部からの露光時間を経過したときの出力信号を充電する第２の容量Ｃ３３と、前記第１の容量の正極と第２の容量の正極との間の信号差分を検出するための第３の容量Ｃ３５とを備えている。ここで、基準となる出力信号は、画素部において蓄積電荷をリセットした時の出力信号、または露光時間経過後の遮光された画素部からの出力信号である。
【００１２】
この構成により、一定の露光時間経過後の蓄積電荷による出力信号と、基準信号となる出力信号との差分信号を検出する構成になっており、差分信号をとることによりノイズ成分を削除し、しかも、水平信号線容量との容量分配による減少の影響をより少なくして、回路のトータルゲインを上げ、ＳＮ向上させている。
上記のノイズ成分を削除した画素の蓄積信号ＶsigＳの大きさは、第１から第３の容量Ｃ３１、Ｃ３３、Ｃ３５の大きさによって左右され、次式（３）のような関係がある。ここで、ＶsigＡは一定の露光時間経過後の蓄積電荷による信号、ＶsigＢは蓄積電荷をリセットした時の信号を表す。また、第１の容量Ｃ３１と第２の容量Ｃ３３は同じ大きさで、第３の容量Ｃ３５を第１の容量Ｃ３１または第２の容量Ｃ３３のα倍の大きさであるものとする。
【００１３】
ＶsigＳ＝α(ＶsigＡ−ＶsigＢ)／(１＋２α)  ・・・  式（３）
この式（３）によれば、αが大きいほど、すなわち第３の容量Ｃ３５が大きいほど、ＶsigＳの値は大きくなる。
例えば、第１の容量Ｃ３１または第２の容量Ｃ３３に対して、第３の容量Ｃ３５が等倍であるときは、
ＶsigＳ＝(ＶsigＡ−ＶsigＢ)／３
になり、第１の容量Ｃ３１または第２の容量Ｃ３３に対して、第３の容量Ｃ３５が２倍であるときは、
ＶsigＳ＝(ＶsigＡ−ＶsigＢ)×２／５
になる。
【００１４】
本ノイズキャンセル部１２は、その後段の信号出力部１４内の水平選択スイッチ１３を介して、水平信号出力線１５に接続する構成になっている。信号差分検出用の第３の容量Ｃ３５と水平信号線容量Ｃ４０との容量分配が生じるが、第３の容量Ｃ３５が大きいほど、次式（４）に表されるように水平信号線に出力される画素の蓄積信号ＶsigＳ２の大きさも大きくなる。
【００１５】
ＶsigＳ２＝ＶsigＳ×Ｃ３５／(Ｃ３５＋Ｃ４０)・・・式（４）
＝(α(ＶsigＡ−ＶsigＢ)／(１＋２α))×Ｃ３５／(Ｃ３５＋Ｃ４０)
この式（４）によれば、第３の容量Ｃ３３が大きいほど、ＶsigＳ２の値は大きくなるので、従来のノイズキャンセル部１２で必要であった各容量のバランス設計が容易にできるとともに、回路のトータルゲインもアップするので、ＳＮ向上を実現することができる。
【００１６】
また、上記のノイズキャンセル部１２では、信号差分検出用の第３の容量Ｃ３５の正極の電位を水平信号線に読み出すだけでよく、従来のノイズ成分除去回路で必要であった垂直信号線から水平選択トランジスタの閾値電圧の影響を受けて発生する縦方向の固定パターンノイズを対策するためのクランプ電位の設定を最適化する必要がなくなり、設計が容易になる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の固体撮像装置は、上記ノイズ成分除去回路を有し、差分検出用容量を他の容量よりも大きく設計するだけでノイズを除去した画素信号のゲインアップを実現することができる。しかも、差分検出用容量の正極の電位を水平信号線に読み出すだけでよいので、垂直信号線から水平選択トランジスタの閾値電圧の影響を受けて発生する縦方向の固定パターンノイズを対策するためのクランプ電位の最適化も必要なくなり、容易にノイズ成分除去を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図２は、本発明の実施の形態１における固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。この固体撮像装置は、行列状に配列された複数の画素部１と、列毎に設けられた複数のノイズキャンセル部１２と、信号出力部１４とを備える。
【００１９】
各画素部１は、図１１に示した画素部１と同様の構成であり、垂直信号線上に基準となる出力信号としてのリセット信号と、露光時間経過後の電荷信号とを出力する。一行分の画素部１は一斉に読み出され、読み出されたリセット信号および電荷信号をノイズキャンセル部１２に出力する。各ノイズキャンセル部１２は、図１と同様に第１から第３の容量を含むノイズ成分除去回路である。信号出力部１４は、列毎に設けられ１つずつ順にオンにする水平選択スイッチ１３を備え、ノイズキャンセル部１２からのノイズ除去後の出力信号を水平出力信号線１５を介して外部に出力する。
【００２０】
図３は、ノイズキャンセル部１２と信号出力部１４内の水平選択スイッチ１３とを示す回路例である。同図のようにノイズキャンセル部１２は、蓄積電荷をリセットした時の画素部１の出力信号を充電する第１の容量Ｃ３１と、その信号を画素部１から第１の容量Ｃ３１に転送する第１の転送スイッチＴ３２と、一定の露光時間経過後の蓄積電荷を充電する第２の容量Ｃ３３と、その信号を画素部１から第２の容量Ｃ３３に転送する第２の転送スイッチＴ３４と、前記第１の容量Ｃ３１の正極に負極が接続し、第２の容量Ｃ３３の正極に正極が接続する信号差分検出用の第３の容量Ｃ３５と、前記第１と第２の容量に充電された電荷を転送する２つの差分検出用スイッチＴ３６と、前記信号差分検出用の第３の容量Ｃ３５の正極側をリセット電位に保持するための第１のリセットスイッチＴ３７と第３の容量Ｃ３５の負極側をリセット電位に保持する第２のリセットスイッチＴ３８と、前記信号差分検出用の第３の容量Ｃ３５の正極と水平信号線との間に水平選択スイッチＴ３９とを備えている。
【００２１】
図４は、本ノイズキャンセル部１２の駆動タイミングを示すタイムチャートである。時刻ｔ０ですべてのスイッチをオフにして、時刻ｔ１で前記第１と第２のリセットスイッチＴ３７、Ｔ３８のみオンにし、前記信号差分検出用の第３の容量Ｃ３５の両電極をリセット電位に保持した後オフに戻す。時刻ｔ２で前記画素の蓄積電荷をリセットした時の出力信号を前記第１の転送スイッチＴ３２のみをオンにし、前記第１の容量Ｃ３１に充電した後オフにする。時刻ｔ３で前記画素の一定の露光時間経過後の蓄積電荷を前記第２の転送スイッチＴ３４のみをオンにし、前記第２の容量Ｃ３３に充電した後オフにする。時刻ｔ４で前記差分検出用スイッチＴ３６のみをオンにし、前記第３の容量Ｃ３５に前記第１および第２の容量Ｃ３１、Ｃ３３に充電された電荷を転送する。これによって、画素部の蓄積電荷をリセットした時の出力信号と画素部の一定露光時間経過後の蓄積信号の差分電圧が前記信号差分検出用の第３の容量Ｃ３５の両極に現れる。このときの差分信号ＶsigＳは、一定の露光時間経過後の蓄積電荷による信号をＶsigＡ、蓄積電荷をリセットした時の信号をＶsigＢ、第１の容量Ｃ３１と第２の容量Ｃ３３が同じ大きさで、第３の容量Ｃ３５が容量Ｃ３１のα倍の大きさとすると、次式で表される大きさになる。
【００２２】
ＶsigＳ＝α（ＶsigＡ−ＶsigＢ）／（１＋２α）
この式から明らかなように、信号差分検出用の第３の容量Ｃ３５が大きいほど、ＶsigＳは大きくなる。差分検出動作が完了した後、前記差分検出用スイッチＴ３６のみをオフにする。時刻ｔ５で前記第２のリセットスイッチＴ３８のみ再びオンにし、前記第３の容量Ｃ３５の負極をリセット電位に保持した後オフにすることで、前記第３の容量Ｃ３５の正極の電位は、リセット電位を基準に差分信号ＶsigＳが充電された状態になる。すなわち画素のノイズ成分を削除した一定露光時間経過後の蓄積信号として、時刻ｔ６で水平選択スイッチＴ３９をオンにするのみで水平信号線に読み出せる。従来のノイズ成分除去回路で必要であった垂直信号線から水平選択トランジスタの閾値電圧の影響を受けて発生する縦方向の固定パターンノイズを対策するためのクランプ電位の設定を最適化は不要になった。また、このとき水平信号線容量Ｃ４０との容量分配が生じるが、前記第３の容量Ｃ３５を大きくすることで、ゲインアップを図ることができる。これを式で表すと水平信号線に出力される画素の蓄積信号  ＶsigＳ２は、次式で表される大きさになる。
【００２３】
ＶsigＳ２＝ＶsigＳ×Ｃ３５／（Ｃ３５＋Ｃ４０）
＝α（ＶsigＡ−ＶsigＢ）／（１＋２α）×Ｃ３５／（Ｃ３５＋Ｃ４０）
上記の式によれば、容量Ｃ３５が大きいほど、ＶsigＳ２の値は大きくなるので、従来のノイズ成分除去回路で必要であった各容量のバランス設計が容易にできるとともに、回路のトータルゲインもアップするので、ＳＮ向上を実現することができる。また、上記のノイズ成分除去回路であれば、信号差分検出用の容量Ｃ３３の正極の電位を水平信号線に読み出すだけでよく、従来のノイズ成分除去回路で必要であった垂直信号線から水平選択トランジスタの閾値電圧の影響を受けて発生する縦方向の固定パターンノイズを対策するためのクランプ電位の設定を最適化する必要がなくなり、設計が容易になる。
【００２４】
図５は、図４に示したノイズキャンセル部１２の構成素子をすべてＮ型ＭＯＳトランジスタを使った回路例であり、Ｐ型ＭＯＳトランジスタの製造工程が省略でき、短ＴＡＴ（Turn Around Time）化、低コスト化につながる。
図６は、図５に示したノイズキャンセル部１２において、差分検出回路（第３の容量Ｃ３５）のリセット電位をＤＣ電位ではなくＧＮＤ化した場合を示す。差分検出回路の正極の電位がＧＮＤ基準になることにより、水平選択トランジスタの閾値電圧のばらつきによる縦方向の固定パターンノイズを発生させにくい状態に保つことができる。
【００２５】
なお、図４に示したノイズキャンセル部１２は、図５と異なり、Ｐ型ＭＯＳトランジスタで構成してもよいし、Ｃ型ＭＯＳで構成してもよい。
【００２６】
（実施の形態２）
実施の形態１では通常の可視光線に好適な固体撮像装置について説明した。本実施の形態では、微小信号を検出するイメージセンサ、赤外線センサ、熱センサ（遠赤外線センサ）など微少信号を撮像する場合においてもノイズ除去として好適な固体撮像装置について説明する。
【００２７】
図７は、本発明の実施の形態２における固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。同図の固体撮像装置は、図２に示した固体撮像装置と比べて、画素部１の代わりに画素部１ａを備える点と、新たに外部にフレームメモリ６３および６４、オペアンプ６５、メカニカルシャッターを備える点とが異なっている。同じ点は説明を省略して、異なる点を中心に説明する。
【００２８】
図８は、画素部１ａの１つと、ノイズキャンセル部１２の１つと、信号出力部１４中の水平選択スイッチ１３の１つと、フレームメモリ６３、６４と、オペアンプ６５とを示す図である。
画素部１ａは、光および熱などの外来信号に対して検出機能を持つ第１の画素部６１と、光電変換素子の上に遮光膜を有することにより光および熱などの外来信号に対して検出機能を持たない第２の画素部６２とを有する。第１の画素部６１および第２の画素部６２は、メカニカルシャッターを閉じた時と、メカニカルシャッターを開けて露光時間を経過した時とに出力信号を出力する。第１の画素部６１は第２の容量Ｃ３３に接続され、第２の画素部６２は第１の容量Ｃ３１に接続される。
【００２９】
フレームメモリ６３は、メカニカルシャッターを閉じた時の全画素部１ａの出力信号を保持する。フレームメモリ６４は、メカニカルシャッターを開けて露光時間を経過した時の全画素部１ａの出力信号を保持する。
オペアンプ６５は、フレームメモリ６３および６４の対応する２つの画素信号を入力し増幅する差動増幅器である。
【００３０】
ノイズの除去については、初期にメカニカルシャッターを閉じて、外来信号を遮断しておき、その時点で外来信号に対して検出機能を持つ第１の画素部６１からの信号を第２の容量Ｃ３３に充電し、外来信号に対して検出機能を持たない第２の画素部６２を第１の容量Ｃ３１に充電しておく。そして前記第３の容量Ｃ３５で信号差分検出を行い、水平信号線に読み出して、一旦第１のフレームメモリ６３に記憶させる。つぎにメカニカルシャッターを開いて、外来信号を入力しておき、外来信号に対して検出機能を持つ第１の画素部６１からの信号を第２の容量Ｃ３３に充電し、外来信号に対して検出機能を持たない第２の画素部６２を第１の容量Ｃ３１に充電しておく。そして前記第３の容量Ｃ３５で信号差分検出を行い、水平信号線に読み出して、一旦フレームメモリ６４に記憶させる。そしてフレームメモリ６３と６４からそれぞれの相対するアドレスに取り込まれたデータを外部のオペアンプ６５に入力して差動増幅するしくみになっている。この一連の動作によって、リファレンスの役目をはたす外来信号に対して検出機能を持たない第２の画素部６２と検出機能を持つ第１の画素部６１の出力信号を同じ時刻に同じ周囲条件で比較することができ、純粋に画素部６１のリセットレベルと信号蓄積レベルをそれぞれフレームメモリ６３と６４に取り込むことができる。そのため、一般に、光電変換素子は周囲の温度に依存して暗電流の特性が大きく異なるが、本実施の形態の固体撮像装置は、温度などの周囲条件によらないで精度良い画素の蓄積信号を抽出することが可能になる。
【００３１】
図９は、図８に示した画素部１ａ、ノイズキャンセル部１２をより詳細に示す回路例である。図１０は、図９の駆動タイミングを示すタイムチャートである。
時刻ｔ０にてすべてのスイッチをオフにし、時刻ｔ１にて前記第１および第２のリセットスイッチＴ３７、Ｔ３８をオンにし、前記第３の容量Ｃ３５の両極をリセット電位に設定してからオフにする。時刻ｔ２でメカニカルシャッターを閉じるとともに、前記外来信号に対して検出機能を持たない第２の画素部６２と前記外来信号に対して検出機能を持つ第１の画素部６１に対して、各々の蓄積電荷を第３のリセットスイッチＴ４５、第４のリセットスイッチでリセットレベルに設定する。その後、時刻ｔ３にて前記第１の転送スイッチＴ３２と前記第２の転送スイッチＴ３４をオンにして、前記外来信号に対して検出機能を持たない第２の画素部６２の信号を前記第１の容量Ｃ３１に、前記外来信号に対して検出機能を持つ第１の画素部６１の信号を前記第２の容量Ｃ３３に充電してからオフにする。その後、時刻ｔ４にて前記差分検出用スイッチＴ３６をオンにして前記差分検出用の第３の容量Ｃ３５で信号差分検出を行ったあとオフにする。時刻ｔ５で水平選択スイッチＴ３９をオンにして水平信号線に読み出し、第３の転送スイッチＴ４１をオンにして一旦第１のフレームメモリ６３に記憶させてオフにする。フレームメモリ６３に記憶されたフレームデータは、メカニカルシャッターを閉じた時の第１の画素部６１と第２の画素部６３における特性差（基準状態における暗電流の発生量の差など）を含むことになる。
【００３２】
つぎに時刻ｔ６でメカニカルシャッターを開いて、外来信号を入力しておき、時刻ｔ７まで一定の露光時間を経過した後、時刻ｔ８で前記第１および第２のリセットスイッチＴ３７、Ｔ３８をオンにし、前記第３の容量Ｃ３５の両極をリセット電位に設定してからオフにする。時刻ｔ９にて前記第１の転送スイッチＴ３２と前記第２の転送スイッチＴ３４をオンにして、前記外来信号に対して検出機能を持たない第２の画素部６２の信号を前記第１の容量Ｃ３１に、前記外来信号に対して検出機能を持つ第１の画素部６１の信号を前記第２の容量Ｃ３３に充電してからオフにする。その後、時刻ｔ１０にて前記差分検出用スイッチＴ３６をオンにして前記差分検出用の第３の容量Ｃ３５で信号差分検出を行ったあとオフにし、時刻ｔ１１で水平選択スイッチＴ３９をオンにして水平信号線に読み出し、第４の転送スイッチＴ４２をオンにして一旦第２のフレームメモリ６４に記憶させてオフにする。フレームメモリ６４に記憶されたフレームデータは、メカニカルシャッターを開けて露光時間を経過した時の第１の画素部６１と第２の画素部６２における特性差（基準状態における暗電流の発生量の差など）を含むことになる。
【００３３】
その後、時刻ｔ１２にて第五の転送スイッチをオンにして、フレームメモリ６３と６４からそれぞれの相対するアドレスに取り込まれたデータをオペアンプ６５に入力して差動増幅して出力するしくみになっている。オペアンプ６５の差動入力は、第１の画素部６１と第２の画素部６２における露光時の特性差を相殺し、しかも増幅により微少信号をノイズの影響を受けることなく信号出力を大きくしかつＳＮ比を向上させることができる。
【００３４】
以上説明してきたように、本実施の形態における固体撮像装置によれば、光電変換素子から微少信号しか得られない場合でも、第１の画素部６１および第２の画素部６２の差分信号検出と差動増幅とによってＳＮ比を向上させた信号出力を得ることができる。例えば、赤外線センサや、遠赤外線を検出する熱センサなど微小信号を検出するセンサであっても、ノイズを除去し、かつ高いゲインを得ることができ、しかも周囲条件に依存して生じる暗電流の影響を除去することができる。
【００３５】
なお、実施の形態２では、画素部１ａは、遮光膜を有することによって検出機能を持たない第２の画素部６２を備えているが、複数の画素部１ａに兼用するように備える構成としてもよい。例えば、列毎に１つの第２の画素部６２を設ける構成としてもよい。
また、実施の形態２では、メカニカルシャッターを閉じた時と、メカニカルシャッターを開けた時との２回画素信号を出力しているが、メカニカルシャッターを閉じる代わりに画素部をリセットし、メカニカルシャッターを開ける代わりに画素部のリセットを解除するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明のノイズ除去回路は、簡単な回路構成で差分検出ができるため、回路の小面積化が望まれている半導体集積回路に組み込むと有用であり、例えば、デジタルカメラ、携帯電話機に内蔵するカメラ、微小信号を検出する必要のあるイメージセンサ、赤外線センサなどの固体撮像装置に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明のノイズキャンセル部の動作原理を示す説明図である。
【図２】本発明の実施の形態１における固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
【図３】ノイズキャンセル部１２と信号出力部１４内の水平選択スイッチ１３とを示す回路例である。
【図４】駆動タイミングを示すタイムチャートである。
【図５】ノイズキャンセル部１２の構成素子をすべてＮ型ＭＯＳトランジスタを使った回路例である。
【図６】差分検出回路（第３の容量Ｃ３５）のリセット電位をＤＣ電位ではなくＧＮＤ化した場合を示す。
【図７】本発明の実施の形態２における固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
【図８】ノイズキャンセル部１２の１つと、外部の周辺回路とを示す図である。
【図９】画素部１ａ、ノイズキャンセル部１２をより詳細に示す回路例である。
【図１０】駆動タイミングを示すタイムチャートである。
【図１１】従来のＭＯＳ型固体撮像装置における画素部、ノイズキャンセル部および信号出力部の回路例を示す図である。
【図１２】従来の固体撮像装置におけるノイズ除去動作のタイミングを示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００３８】
１２    ノイズキャンセル部
１３    水平選択スイッチ
１４    信号出力部
１５    水平出力信号線
１５    水平信号出力線
Ｃ３１    第１の容量
Ｃ３３    第２の容量
Ｃ３５    第３の容量
Ｔ３２    第１の転送スイッチ
Ｔ３４    第２の転送スイッチ
Ｔ３６    差分検出用スイッチ
Ｔ３７    第１のリセットスイッチ
Ｔ３８    第２のリセットスイッチ
Ｔ３９    水平選択スイッチ
Ｃ４０    水平信号線容量
Ｔ４１    第３の転送スイッチ
Ｔ４２    第４の転送スイッチ
Ｔ４５    第３のリセットスイッチ
６１    第１の画素部
６２    第２の画素部
６３    フレームメモリ
６４    フレームメモリ
６５    オペアンプ
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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