(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力した光信号を電流信号に変換する光電変換素子を有し、その電流信号を出力する受光部と、
前記受光部から出力された電流信号を入力する増幅器と容量素子とが並列接続され、リセット信号がハイレベルである期間に前記容量素子を放電し、前記リセット信号がローレベルである期間に前記電流信号を前記容量素子に蓄積し積分して、前記容量素子の蓄積電荷量に応じた信号を出力する積分回路と、
前記積分回路の出力端子に第１の端子が接続され、サンプル信号がハイレベルとなる第１および第２のパルスの指示に基づいて、前記積分回路における各積分動作期間中の第１および第２の時刻それぞれに、前記積分回路から出力された第１および第２の信号レベルそれぞれを第２の端子から出力するスイッチ素子と、
前記サンプル信号の第２のパルスの期間を含む一定期間だけローレベルとなるクランプ信号の指示に基づいて、前記スイッチ素子の第２の端子から出力された前記第１および前記第２の信号レベルそれぞれの互いの差に相当する信号を保持し出力するＣＤＳ回路と、
入力端子と出力端子との間に第１スイッチ素子，読出用容量素子および第２スイッチ素子がこの順に縦続接続され、前記読出用容量素子および前記第２スイッチ素子の間の接続点と接地との間に第３スイッチ素子が設けられており、ホールド信号の指示に基づいて、前記ＣＤＳ回路から出力された信号を電荷量として読み出す読出回路と、
前記読出回路により読み出された電荷量を電圧信号に変換する電流電圧変換回路と、
前記リセット信号、前記サンプル信号、前記クランプ信号および前記ホールド信号それぞれを所定のタイミングで出力するタイミング制御手段と、
を備え、
前記タイミング制御手段は、
第１のサイクルの期間に、前記受光部から出力される電流信号を前記積分回路により積分させ、当該積分結果についての前記第１および前記第２の信号レベルそれぞれの互いの差に相当する信号を前記ＣＤＳ回路により保持させて出力させ、
続く第２のサイクルの期間に、前記ＣＤＳ回路から出力された信号を前記読出回路により電荷量として読み出させ、その電荷量を前記電流電圧変換回路により電圧信号に変換させて、
１つのサイクルの期間内に、前記積分回路および前記ＣＤＳ回路それぞれにおける処理と、前記読出回路および前記電流電圧変換回路それぞれにおける処理とを、互いに並行して行わせ、
前記読出回路に対して、第１のサイクルの期間に、前記サンプル信号がハイレベルとなる第２のパルスと同じタイミングで前記ホールド信号がハイレベルとなる第２のパルスのときに前記第１スイッチ素子をオン状態とし、続く第２のサイクルの期間に、前記リセット信号がハイレベルである期間に前記第３スイッチ素子をオン状態とし、前記クランプ信号がハイレベルである期間において前記ホールド信号がハイレベルとなる第１のパルスのときに前記第１スイッチ素子および前記第２スイッチ素子を共にオン状態とする、
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記受光部は、２以上の所定数の光電変換素子を備え、前記所定数の光電変換素子それぞれからの電流信号を出力し、
前記積分回路、前記スイッチ素子、前記ＣＤＳ回路および前記読出回路は、前記所定数の光電変換素子それぞれについて設けられ、
前記読出回路は、更にスキャン信号の指示に基づいて、前記所定数の光電変換素子それぞれについて互いに異なるタイミングで、前記ＣＤＳ回路から出力された信号を電荷量として読み出し、
前記タイミング制御手段は、更に前記スキャン信号を所定のタイミングで出力する、
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記受光部は、Ｍ行Ｎ列に２次元配列された所定数の光電変換素子を備え、Ｍ行それぞれについて、第１のスキャン信号の指示に基づいて各行のＮ個の光電変換素子それぞれからの電流信号を互いに異なるタイミングで出力し、
前記積分回路、前記スイッチ素子、前記ＣＤＳ回路および前記読出回路は、前記受光部における前記Ｎ個の光電変換素子からなる各行それぞれについて設けられ、
前記読出回路は、更に第２のスキャン信号の指示に基づいて、前記受光部における前記Ｎ個の光電変換素子からなる各行それぞれについて互いに異なるタイミングで、前記ＣＤＳ回路から出力された信号を電荷量として読み出し、
前記タイミング制御手段は、更に前記第１および前記第２のスキャン信号それぞれを所定のタイミングで出力する、
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入力した光信号をその光量に応じた電気信号に変換する固体撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像素子を用いた撮像装置は、家庭用ビデオや非破壊検査など種々の分野で使用されている。この固体撮像装置には、電荷結合素子（ＣＣＤ）を用いたものや、シリコンフォトダイオードアレイを用いたものが知られている。このうち、フォトダイオードアレイを用いた固体撮像装置は、比較的大きな電荷を取り扱う場合であっても電荷転送効率が優れているので、各種民生品の製造分野においても用いられている。
【０００３】
例えば、ＵＳＰ５２８１８６０には、図４に示すような、フォトダイオードを用いた固体撮像装置の回路構成図が示されている。この図に示す固体撮像装置では、フォトダイオードから出力された信号ＶINは、増幅器２５、容量素子Ｃ３ならびにスイッチＳ５およびＳ６からなる積分回路により一定時間積分され、その積分結果は、容量素子Ｃ３に蓄えられた電荷に応じた電圧信号Ｖ1 として出力される。なお、フォトダイオードがアレイ状のものである場合、この積分回路はフォトダイオード毎に設けられる。
【０００４】
この積分回路から出力された電圧信号Ｖ1 は、容量素子Ｃ２を介して、増幅器２７、容量素子Ｃ１およびスイッチ素子Ｓ２乃至Ｓ４からなる読出回路により、順次読み出され、その読出結果は、容量素子Ｃ１に蓄えられた電荷に応じた電圧信号Ｖ2 として出力される。そして、この読出回路の容量素子Ｃ１に蓄積された電荷は、増幅器２９、容量素子Ｃ０およびスイッチ素子Ｓ１からなる電流電圧変換回路により電圧信号ＶOUT に変換され、その電圧信号ＶOUT が出力される。すなわち、この電圧信号ＶOUT が、フォトダイオードが受光した光の光量を示すものとなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の固体撮像装置では以下のような問題点がある。すなわち、一般に、増幅器２５等は、ＣＭＯＳ技術を用いて製造されるため、オフセットばらつきの発生が避けられないという問題点がある。ここで、増幅器２５のオフセットばらつきとは、無入力時（つまり、フォトダイオードが無受光時）における増幅器２５の出力レベルがばらつくこと、および、無入力時においてスイッチ素子Ｓ６のオン時およびオフ時とで増幅器２５の出力レベルが異なることを意味する。このように増幅器２５においてオフセットばらつきがあると、電流電圧変換回路から出力される電圧信号ＶOUT は、そのオフセットばらつきの成分が重畳されたものとなる。したがって、フォトダイオードが受光した光の光量を正確に測定することができず、フォトダイオードアレイにより得られた光像も不正確になる。
【０００６】
また、この従来の固体撮像装置では、フォトダイオードから出力された信号ＶINが積分回路（増幅器２５等）、読出回路（増幅器２７等）および電流電圧変換回路（増幅器２９等）を経て電圧信号ＶOUT として出力されるという一連の処理が、フォトダイオードによる１回の受光毎に行われるため、上記一連の処理に時間を要するという問題点がある。特に、フォトダイオードアレイにおける素子数が多いほど、上記一連の処理に要する時間が長い。
【０００７】
ところで、近年、ＰＬ法（製造物責任法）の施行に伴い、食料品をはじめとして各種民生品製造分野において、ベルトコンベヤ上を流れる製品に対してＸ線非破壊検査を行うことが必須となってきており、多くの場合、非破壊検査装置において１次元長尺シリコンフォトダイオードアレイが使用されている。また、ベルトコンベヤを速く動かせて更に多くの製品を短時間に検査したいとの製造者の要求が高まりつつある。しかし、上述したように、従来の固体撮像装置では、高速化には限界がある。
【０００８】
以上のように、固体撮像装置の高速化と高精度化とが共に望まれているところであるが、固体撮像装置を含むアナログ装置は、一般に、高速化と高精度化とを両立させることが困難であるとされていた。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、オフセットばらつきの問題を解消し、かつ、高速な測定を可能とする固体撮像装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る固体撮像装置は、(1) 入力した光信号を電流信号に変換する光電変換素子を有し、その電流信号を出力する受光部と、(2) 受光部から出力された電流信号を入力する増幅器と容量素子とが並列接続され、リセット信号がハイレベルである期間に容量素子を放電し、リセット信号がローレベルである期間に電流信号を容量素子に蓄積し積分して、容量素子の蓄積電荷量に応じた信号を出力する積分回路と、(3) 積分回路の出力端子に第１の端子が接続され、サンプル信号がハイレベルとなる第１および第２のパルスの指示に基づいて、積分回路における各積分動作期間中の第１および第２の時刻それぞれに、積分回路から出力された第１および第２の信号レベルそれぞれを第２の端子から出力するスイッチ素子と、(4) サンプル信号の第２のパルスの期間を含む一定期間だけローレベルとなるクランプ信号の指示に基づいて、スイッチ素子の第２の端子から出力された第１および第２の信号レベルそれぞれの互いの差に相当する信号を保持し出力するＣＤＳ回路と、(5) 入力端子と出力端子との間に第１スイッチ素子，読出用容量素子および第２スイッチ素子がこの順に縦続接続され、読出用容量素子および第２スイッチ素子の間の接続点と接地との間に第３スイッチ素子が設けられており、ホールド信号の指示に基づいて、ＣＤＳ回路から出力された信号を電荷量として読み出す読出回路と、(6) 読出回路により読み出された電荷量を電圧信号に変換する電流電圧変換回路と、(7) リセット信号、サンプル信号、クランプ信号およびホールド信号それぞれを所定のタイミングで出力するタイミング制御手段と、を備えることを特徴とする。
さらに、タイミング制御手段は、第１のサイクルの期間に、受光部から出力される電流信号を積分回路により積分させ、当該積分結果についての第１および第２の信号レベルそれぞれの互いの差に相当する信号をＣＤＳ回路により保持させて出力させ、続く第２のサイクルの期間に、ＣＤＳ回路から出力された信号を読出回路により電荷量として読み出させ、その電荷量を電流電圧変換回路により電圧信号に変換させて、１つのサイクルの期間内に、積分回路およびＣＤＳ回路それぞれにおける処理と、読出回路および電流電圧変換回路それぞれにおける処理とを、互いに並行して行わせることを特徴とする。
また、タイミング制御手段は、読出回路に対して、第１のサイクルの期間に、サンプル信号がハイレベルとなる第２のパルスと同じタイミングでホールド信号がハイレベルとなる第２のパルスのときに第１スイッチ素子をオン状態とし、続く第２のサイクルの期間に、リセット信号がハイレベルである期間に第３スイッチ素子をオン状態とし、クランプ信号がハイレベルである期間においてホールド信号がハイレベルとなる第１のパルスのときに第１スイッチ素子および第２スイッチ素子を共にオン状態とすることを特徴とする。
【００１１】
この固体撮像装置によれば、入力した信号光は、受光部の光電変換素子により電流信号に変換され出力され、その電流信号は、増幅器と容量素子とが並列接続された積分回路により、リセット信号の指示に基づいて該容量素子に蓄積され積分される。積分回路における各積分動作期間中の第１および第２の時刻それぞれに積分回路から出力された第１および第２の信号レベルそれぞれは、サンプル信号の指示に基づいて動作するスイッチ素子を介してＣＤＳ回路に入力し、クランプ信号の指示に基づいて両者の差に相当する信号がＣＤＳ回路に保持され出力される。そして、このＣＤＳ回路から出力された信号は、ホールド信号の指示に基づいて動作する読出回路により電荷量として読み出され、その電荷量は、電流電圧変換回路により電圧信号に変換され出力される。この電流電圧変換回路から出力される信号は、光電変換素子に入力した信号光の光量を示すものである。
【００１２】
また、さらに、(1) 受光部は、２以上の所定数の光電変換素子を備え、所定数の光電変換素子それぞれからの電流信号を出力し、(2) 積分回路、スイッチ素子、ＣＤＳ回路および読出回路は、所定数の光電変換素子それぞれについて設けられ、(3) 読出回路は、更にスキャン信号の指示に基づいて、所定数の光電変換素子それぞれについて互いに異なるタイミングで、ＣＤＳ回路から出力された信号を電荷量として読み出し、(4) タイミング制御手段は、更にスキャン信号を所定のタイミングで出力する、ことを特徴とする。
【００１３】
この場合、受光部の所定数の光電変換素子それぞれから出力された電流信号は、所定数の光電変換素子それぞれに対応して設けられた積分回路、スイッチ素子、ＣＤＳ回路および読出回路により順次処理される。ただし、各ＣＤＳ回路から出力される信号は、更にスキャン信号の指示にも基づいて、互いに異なるタイミングで各読出回路により電荷量として読み出され、各読出回路により順次に読み出された電荷量は、電流電圧変換回路により電圧信号に順次に変換され出力される。この電流電圧変換回路から出力される信号は、所定数の光電変換素子それぞれに入力した信号光の光量それぞれを時系列に示すものである。
【００１４】
また、さらに、(1) 受光部は、Ｍ行Ｎ列に２次元配列された所定数の光電変換素子を備え、Ｍ行それぞれについて、第１のスキャン信号の指示に基づいて各行のＮ個の光電変換素子それぞれからの電流信号を互いに異なるタイミングで出力し、(2) 積分回路、スイッチ素子、ＣＤＳ回路および読出回路は、受光部におけるＮ個の光電変換素子からなる各行それぞれについて設けられ、(3) 読出回路は、更に第２のスキャン信号の指示に基づいて、受光部におけるＮ個の光電変換素子からなる各行それぞれについて互いに異なるタイミングで、ＣＤＳ回路から出力された信号を電荷量として読み出し、(4) タイミング制御手段は、更に第１および第２のスキャン信号それぞれを所定のタイミングで出力する、ことを特徴とする。
【００１５】
この場合、Ｍ行Ｎ列に２次元配列された所定数の光電変換素子からなる受光部におけるＭ行それぞれについて、各行のＮ個の光電変換素子それぞれからの電流信号は、第１のスキャン信号の指示に基づいて互いに異なるタイミングで出力され、積分回路、スイッチ素子、ＣＤＳ回路および読出回路により順次処理される。ただし、各ＣＤＳ回路から出力される信号は、更に第２のスキャン信号の指示にも基づいて、受光部におけるＮ個の光電変換素子からなる各行それぞれについて互いに異なるタイミングで各読出回路により電荷量として読み出され、各読出回路により順次に読み出された電荷量は、電流電圧変換回路により電圧信号に順次に変換され出力される。この電流電圧変換回路から出力される信号は、Ｍ×Ｎ個の光電変換素子それぞれに入力した信号光の光量それぞれを時系列に示すものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１７】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の回路構成図である。この図は、フォトダイオード（光電変換素子）ＰＤが１次元アレイ状に配列された受光部を有する固体撮像装置の回路構成を示すものであり、図に示す各ユニット１００1 〜１００M それぞれは、フォトダイオードＰＤ、積分回路１０、スイッチ素子Ｓ２、ＣＤＳ（correlated double sampling）回路２０および読出回路３０それぞれを１式づつ含む。各ユニット１００1 〜１００M それぞれは、互いに同一の構成であって、それらの出力端子は共に電流電圧変換回路４０の入力端子に接続されている。また、ユニット１００1 〜１００M および電流電圧変換回路４０それぞれの動作タイミングを指示する各制御信号は、タイミング制御回路５０から出力される。
【００１８】
フォトダイオードＰＤは、そのアノード端子が接地され、カソード端子が積分回路１０の入力端子に接続されている。このフォトダイオードＰＤから出力される電流信号を入力する積分回路１０は、その入力端子と出力端子との間に増幅器Ａ１、容量素子Ｃ１およびスイッチ素子Ｓ１が並列接続されて構成されている。このスイッチ素子Ｓ１は、タイミング制御回路５０から出力される Reset信号によりオン／オフ制御される。
【００１９】
スイッチ素子Ｓ２は、その一方の端子が積分回路１０の出力端子に接続され、他方の端子がＣＤＳ回路２０の入力端子に接続され、タイミング制御回路５０から出力されるSample信号によりオン／オフ制御される。
【００２０】
ＣＤＳ回路２０は、その入力端子と出力端子との間に容量素子Ｃ２と増幅器Ａ２とがこの順に縦続接続され、また、その増幅器Ａ２、容量素子Ｃ３およびスイッチ素子Ｓ３が並列接続されて構成されている。このスイッチ素子Ｓ３は、タイミング制御回路５０から出力される Clamp信号によりオン／オフ制御される。
【００２１】
読出回路３０は、入力端子がＣＤＳ回路２０の出力端子に接続され、その入力端子と出力端子との間に、スイッチ素子Ｓ４、容量素子Ｃ４およびスイッチ素子Ｓ５がこの順に縦続接続されており、また、容量素子Ｃ４およびスイッチ素子Ｓ５の間の接続点と接地との間にスイッチ素子Ｓ６が設けられている。スイッチ素子Ｓ４は、Hold信号によりオン／オフ制御され、スイッチ素子Ｓ５は、Scan信号によりオン／オフ制御され、スイッチ素子Ｓ６は、 Reset信号によりオン／オフ制御される。ここで、Hold信号は、Hold_1信号およびScan信号の論理積とHold_0信号との論理和で表される信号であり、Hold_0信号、Hold_1信号およびScan信号それぞれは、タイミング制御回路５０から出力される。また、Scan信号は、各ユニット１００1 〜１００M それぞれに依って異なるタイミングで発生するパルス信号である。
【００２２】
電流電圧変換回路４０は、その入力端子が各ユニット１００1 〜１００M それぞれの読出回路３０の出力端子に接続され、その入力端子と出力端子との間にスイッチ素子Ｓ８および増幅器Ａ３がこの順に縦続接続され、また、その増幅器Ａ３、容量素子Ｃ５およびスイッチ素子Ｓ９が並列接続されている。さらに、入力端子と接地との間にスイッチ素子Ｓ７が設けられている。ここで、スイッチ素子Ｓ７およびＳ９それぞれは、Freset信号によりオン／オフ制御され、スイッチ素子Ｓ８は、Hold_1信号によりオン／オフ制御される。
【００２３】
タイミング制御回路５０は、 Reset信号、Sample信号、 Clamp信号、Hold_0信号、Hold_1信号、Scan信号およびFreset信号それぞれを、基準となるクロック信号等に基づいて、後述する図２に示す所定のタイミングで出力する回路である。
【００２４】
なお、この図において、タイミング制御回路５０から各ユニット１００1 〜１００M および電流電圧変換回路４０に到るまでの上記各制御信号のラインを省略している。また、この図において、積分回路１０の出力端子を点Ａと、ＣＤＳ回路２０の入力端子を点Ｂと、ＣＤＳ回路２０の出力端子を点Ｃと、読出回路３０の出力端子を点Ｄと、電流電圧変換回路４０の出力端子を点Ｅと、それぞれ記している。以下では、点Ａ、点Ｂ、点Ｃ、点Ｄおよび点Ｅそれぞれの電位をＶA ，ＶB ，ＶC ，ＶD およびＶE で表す。また、符号Ｃｐは、各ユニット１００1 〜１００M それぞれと電流電圧変換回路４０との間の寄生容量を表している。
【００２５】
次に、この固体撮像装置の動作を、図２に示すタイミングチャートをも参照しながら説明する。図２は、本実施形態に係る固体撮像装置の動作を説明するタイミングチャートである。なお、この図２（ａ）に示すように或る Reset信号パルスの立ち上がり時刻と次の Reset信号パルスの立ち上がり時刻との間が１サイクルであって、各制御信号それぞれは、この１サイクルを周期として繰り返される信号である。図２は、２サイクル分の期間における各制御信号および各点の電位それぞれを示している。
【００２６】
本実施形態に係る固体撮像装置では、第１のサイクルの期間に、フォトダイオードＰＤからの信号が積分回路１０により積分され、さらに、その積分結果がＣＤＳ回路２０により処理され、続く第２のサイクルの期間に、ＣＤＳ回路２０からの出力が読出回路３０により読み出され、電流電圧変換回路４０により電圧信号に変換される。そして、１つのサイクルの期間内に、積分回路１０およびＣＤＳ回路２０それぞれにおける処理と、読出回路３０および電流電圧変換回路４０それぞれにおける処理とが、互いに独立に行われる。以下、詳細に説明する。
【００２７】
積分回路１０のスイッチ素子Ｓ１を制御する Reset信号（図２（ａ））がハイレベルである期間は、スイッチ素子Ｓ１はオン状態となり、増幅器Ａ１の入力端子と出力端子との間は短絡状態となって、容量素子Ｃ１は放電される。一方、 Reset信号がローレベルである期間は、スイッチ素子Ｓ１はオフ状態となって、フォトダイオードＰＤから出力された電流信号は容量素子Ｃ１に蓄えられる。すなわち、積分回路１０は、 Reset信号がローレベルである期間だけ、フォトダイオードＰＤから出力された電流信号を容量素子Ｃ１に電荷として蓄積し、その蓄積された電荷に応じた電圧信号を出力端子（点Ａ）に出力する。したがって、点Ａの電位ＶA は、図２（ｂ）に示すように、 Reset信号がローレベルである期間だけ変化し、 Reset信号がハイレベルである期間にはオフセットレベルに維持される。
【００２８】
スイッチ素子Ｓ２を制御するSample信号は、図２（ｃ）に示すように、１サイクルの間に互いにパルス幅が相等しい２つのパルスが存在する信号であって、第１のパルスは、 Reset信号パルスの立ち下がり後に立ち上がるパルスであり、第２のパルスは、次の Reset信号パルスの立ち上がり前に立ち下がるパルスである。
【００２９】
１サイクルの間に、先ず、Sample信号の第１のパルスによりスイッチ素子Ｓ２がオン状態になると、ＣＤＳ回路２０の入力端子（点Ｂ）の電位ＶB は、その時の積分回路１０の出力端子の電位ＶA の値Ｖ1 となる。その後、Sample信号がローレベルである期間は、ＣＤＳ回路２０の入力端子（点Ｂ）の電位ＶB は、値Ｖ1 に維持される。そして、次に、Sample信号の第２のパルスによりスイッチ素子Ｓ２がオン状態になると、ＣＤＳ回路２０の入力端子（点Ｂ）の電位ＶB は、その時の積分回路１０の出力端子の電位ＶA の値Ｖ2 となる。すなわち、ＣＤＳ回路２０の入力端子（点Ｂ）の電位ＶB は、図２（ｄ）に示すように、Sample信号の第２のパルスにより、値Ｖ1 から値Ｖ2 へ急激に変化する。
【００３０】
ＣＤＳ回路２０のスイッチ素子Ｓ３を制御する Clamp信号は、図２（ｅ）に示すように、Sample信号の第２のパルスの立ち上がり前に立ち下がり、Sample信号の第２のパルスの立ち下がり後に立ち上がる信号である。すなわち、 Clamp信号は、Sample信号の第２のパルスがハイレベルである期間を含む一定期間だけローレベルとなる。 Clamp信号がローレベルになってスイッチ素子Ｓ３がオフ状態なっている期間に、Sample信号の第２のパルスが発生して、ＣＤＳ回路２０の入力端子（点Ｂ）の電位ＶB が値Ｖ1 から値Ｖ2 へ変化すると、その変化量に応じた電荷が容量素子Ｃ３に蓄積され、図２（ｆ）に示すように、その電荷量に応じた電位ＶC がＣＤＳ回路２０の出力端子（点Ｃ）に現れる。この電位ＶC の値Ｖ3は、
Ｖ3＝（Ｖ2−Ｖ1）・Ｃ2／Ｃ3    …(1)
で表される。このとき、Sample信号の第２のパルスと同時にHold_0信号がハイレベルとなってHold信号がハイレベルとなり、読出回路３０のスイッチ素子Ｓ４がオン状態となり、ＣＤＳ回路２０の出力電位ＶCが読出回路３０の容量素子Ｃ４に電荷として蓄えられる。
【００３１】
読出回路３０のスイッチ素子Ｓ４を制御するHold信号は、Hold_1信号およびScan信号の論理積とHold_0信号との論理和の信号である。また、Scan信号は、スイッチ素子Ｓ５をオン／オフ制御する。既述の Reset信号は、スイッチ素子Ｓ６をオン／オフ制御する。
【００３２】
Hold_0信号は、図２（ｇ）に示すように、Sample信号の第２のパルス（ Clamp信号がローレベルである期間に発生するSample信号パルス）と同一のタイミングで発生するパルス信号である。Hold_1信号は、図２（ｈ）に示すように、１サイクルの期間内にＭ個のパルスを有する信号である。ここで、Ｍは、ユニット１００1 〜１００M の個数を示す。Scan信号は、図２（ｉ）に示すように、１サイクルの期間内に１個のパルスを有する信号であって、そのパルス幅は、Hold_1信号のパルス幅と同程度であり、そのパルス発生タイミングは、１サイクル期間中のHold_1信号のＭ個のパルスのうちの何れかのパルスの発生タイミングと略一致しているが、各ユニット１００1 〜１００M それぞれに依って異なる。したがって、Hold信号は、図２（ｊ）に示すように、１サイクルの期間内に２パルスを有する信号であって、その第１のパルスは、各ユニット１００1 〜１００M それぞれに依って異なるタイミングで発生し、第２のパルスは、Hold_0信号のパルスと同じタイミングで発生する。
【００３３】
このような制御信号によりタイミング制御された読出回路３０は、１サイクルの期間中において、 Reset信号がハイレベルのときに、スイッチ素子Ｓ６がオン状態になって、容量素子Ｃ４とスイッチ素子Ｓ６との接続点が接地電位とされ、その後、 Reset信号がローレベルとなってスイッチ素子Ｓ６がオフ状態になる。そして、Hold信号の第１のパルス時には、Scan信号もハイレベルであり、スイッチ素子Ｓ４およびＳ５が共にオン状態になって、ＣＤＳ回路２０の出力信号は、容量素子Ｃ４に蓄えられた電荷として読出回路３０から出力される。したがって、読出回路３０の出力端子（点Ｄ）から出力される電位ＶD は、図２（ｋ）に示すようになる。なお、点Ｄの実際の電位は、各ユニット１００1 〜１００M それぞれから順次に出力された電位が総合されたものとなるが、図２（ｋ）は、１つのユニット１００m の読出回路３０から読み出された電位のみを示している。
【００３４】
以上のようにして各ユニット１００1 〜１００M それぞれの読出回路３０から順次出力された信号は、電流電圧変換回路４０に入力する。電流電圧変換回路４０のスイッチ素子Ｓ７およびＳ９をオン／オフ制御するFreset信号は、図２（ｌ）に示すように、Hold_1信号のハイレベルとローレベルを反転した信号である。このFreset信号によりオン／オフ制御されたスイッチ素子Ｓ７は、各ユニット１００1 〜１００M それぞれから信号が到達していない期間に寄生容量Ｃｐを放電する。また、Freset信号によりオン／オフ制御されたスイッチ素子Ｓ９は、各ユニット１００1 〜１００M それぞれから信号が到達していない期間に容量素子Ｃ５を放電する。また、Hold_1信号によりオン／オフ制御されたスイッチ素子Ｓ８は、各ユニット１００1 〜１００M それぞれから信号が到達している期間にオン状態となり、その信号を電圧信号として電流電圧変換回路４０の出力端子（点Ｅ）に出力する。
【００３５】
したがって、電流電圧変換回路４０の出力端子（点Ｅ）の電位ＶE は、図２（ｍ）に示すように、１サイクルの期間内にＭ個のパルスを有する信号であって、そのＭ個のパルスそれぞれは、各ユニット１００1 〜１００M それぞれの読出回路３０から出力される信号に対応しており、Ｍ個のパルスそれぞれのレベルは、それぞれのフォトダイオードＰＤが受光した光信号の光量に対応している。
【００３６】
以上のように、第１のサイクルの期間中に、フォトダイオードＰＤから出力された信号が積分回路１０により積分され（図２（ｂ））、Sample信号の第１および第２のパルスそれぞれのときの積分回路１０の出力信号のレベルの差に応じた信号がＣＤＳ回路２０により保持され出力される（図２（ｆ））。そして、第２のサイクルの期間中に、ＣＤＳ回路２０に保持された信号が読出回路３０により各ユニット１００1 〜１００M 毎に異なるタイミングで読み出され（図２（ｋ））、各ユニット１００1 〜１００M それぞれからの信号が電流電圧変換回路４０により電圧信号に変換されて時系列で出力される（図２（ｍ））。
【００３７】
そして、この第２のサイクルの期間中にも、積分回路１０およびＣＤＳ回路２０それぞれは動作しており、第２のサイクル期間中にＣＤＳ回路２０に保持された信号は、続く第３のサイクルで、読出回路３０および電流電圧変換回路４０それぞれにより処理される。したがって、１サイクルに必要な時間は、積分回路１０およびＣＤＳ回路２０それぞれによる処理に要する時間と、読出回路３０および電流電圧変換回路４０それぞれによる処理に要する時間との、何れか長い時間であるので、従来の固体撮像素子に比べて高速な測定が可能である。
【００３８】
また、積分回路１０の積分動作中においてSample信号の第１および第２のパルスそれぞれの時点の積分回路１０の出力信号それぞれの差分に相当する電荷がＣＤＳ回路２０により保持される。したがって、積分回路１０の増幅器Ａ１のオフセットばらつきの影響は除去され、これにより、正確な光量測定が可能となり、フォトダイオードアレイの場合には正確な光像の獲得が可能となる。
【００３９】
（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態に係る固体撮像装置の回路構成図である。この図は、フォトダイオード（光電変換素子）ＰＤがＭ行×Ｎ列に２次元配列された受光部を有する固体撮像装置の回路構成図を示すものである。
【００４０】
この場合、Ｎ個のフォトダイオードＰＤと積分回路１０とスイッチ素子Ｓ２とＣＤＳ回路２０と読出回路３０とを１ユニットとして、これをＭユニット設ける。Ｍ個のユニット２００1 〜２００M それぞれにおいて、Ｎ個のフォトダイオードＰＤそれぞれからの出力信号を、タイミング制御回路１５０から出力されたScan_1信号に基づいて順次に積分回路１０およびＣＤＳ回路２０により処理するとともに、ＣＤＳ回路２０の出力信号をScan_0信号に基づいて順次に読出回路３０により読み出す。また、Ｍ個のユニット２００1 〜２００M から順次に到達した信号を電流電圧変換回路１４０により順次に電圧信号に変換する。このようにすることで、Ｍ×Ｎ個のフォトダイオードそれぞれが受光した光量に応じた信号それぞれは、電流電圧変換回路１４０により順次に電圧信号として出力される。この場合にも、測定の高速化とオフセットばらつきの影響の除去が同時に達成される。
【００４１】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。上記実施形態の固体撮像装置では、受光部が１次元フォトダイオードアレイであるとし、そのフォトダイオードそれぞれにつき積分回路、ＣＤＳ回路および読出回路が備えられるものであったが、これに限られるものではない。
【００４２】
例えば、フォトダイオード、積分回路、スイッチ素子、ＣＤＳ回路、読出回路および電流電圧変換回路それぞれを１式づつ備えて構成される固体撮像装置でもよい。この場合にも、積分回路およびＣＤＳ回路による処理と読出回路および電流電圧変換回路による処理とを並列的に行うことができるので、高速な測定が可能である。また、積分回路の増幅器のオフセットばらつきの影響も除去される。
【００４３】
また、第２の実施形態において特にＭ＝１としてもよい。この場合、Ｎ個のフォトダイオードと積分回路とスイッチ素子とＣＤＳ回路と読出回路とからなるユニットが１つ備えられて構成される。なお、この場合、Scan_0信号は不要である。
【００４４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本発明によれば、入力した信号光は、受光部の光電変換素子により電流信号に変換され出力され、その電流信号は、増幅器と容量素子とが並列接続された積分回路により、リセット信号の指示に基づいて該容量素子に蓄積され積分される。積分回路における各積分動作期間中の第１および第２の時刻それぞれに積分回路から出力された第１および第２の信号レベルそれぞれは、サンプル信号の指示に基づいて動作するスイッチ素子を介してＣＤＳ回路に入力し、クランプ信号の指示に基づいて両者の差に相当する信号がＣＤＳ回路に保持され出力される。そして、このＣＤＳ回路から出力された信号は、ホールド信号の指示に基づいて動作する読出回路により電荷量として読み出され、その電荷量は、電流電圧変換回路により電圧信号に変換され出力される。この電流電圧変換回路から出力される信号は、光電変換素子に入力した信号光の光量を示すものである。
【００４５】
このような構成としたことにより、リセット信号が示す１サイクルの期間中に、積分回路およびＣＤＳ回路それぞれによる処理と、読出回路および電流電圧変換回路それぞれによる処理とは、並列的に行われる。したがって、１サイクルに必要な時間は、積分回路およびＣＤＳ回路それぞれによる処理に要する時間と、読出回路および電流電圧変換回路それぞれによる処理に要する時間との、何れか長い時間であり、従来の固体撮像素子に比べて高速な測定が可能である。
【００４６】
また、積分回路の積分動作中においてサンプル信号が示す第１および第２の時刻それぞれの時点の積分回路の出力信号それぞれの差分に相当する電荷がＣＤＳ回路により保持されるので、積分回路の増幅器のオフセットばらつきの影響は除去され、これにより、正確な光量測定が可能となる。
【００４７】
また、本発明は、受光部が１つの光電変換素子からなる場合だけでなく、１次元または２次元のアレイ状に配置された複数の光電変換素子からなる場合にも適用可能である。何れの場合にも、測定の高速化とオフセットばらつきの影響の除去が同時に達成され、特に後者の場合には、正確な光像の獲得が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る固体撮像装置の回路構成図である。
【図２】第１の実施形態に係る固体撮像装置の動作を説明するタイミングチャート図である。
【図３】第２の実施形態に係る固体撮像装置の回路構成図である。
【図４】従来の固体撮像装置の回路構成図である。
【符号の説明】
１０…積分回路、２０…ＣＤＳ回路、３０…読出回路、４０…電流電圧変換回路、５０…タイミング制御回路、１００1 〜１００M …ユニット、Ａ１〜Ａ３…増幅器、Ｃ１〜Ｃ５…容量素子、Ｃｐ…寄生容量、ＰＤ…フォトダイオード、Ｓ１〜Ｓ９…スイッチ素子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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