(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の配列を以って行方向及び列方向に複数配列された複数の色の色画素と、
一行に並ぶ前記複数の色の色画素から読み出し動作により読み出された、一行分の複数の色の画像データを記憶する画像データ記憶手段と、
前記画像データ記憶手段から出力される前記画像データを増幅する画像データ増幅手段と、
前記画像データ増幅手段の増幅率を切換える画像データ増幅率切換手段と、
前記記憶された一行分の複数の色の画像データの並びから同一色の前記画像データを選択して順に出力させ、次いで別の同一色の前記画像データを選択して順に出力させるように前記画像データ記憶手段の出力を制御し、かつ前記同一色に応じた増幅率を選択するように前記画像データ増幅率切換手段を制御する制御手段とを備えた固体撮像素子。
【請求項２】
前記画像データ記憶手段に記憶された前記一行分の画像データに含まれるオフセットデータを記憶するオフセットデータ記憶手段と、
前記オフセットデータ記憶手段から出力される前記オフセットデータを増幅するオフセットデータ増幅手段と、
前記オフセットデータ増幅手段の増幅率を切換えるオフセットデータ増幅率切換え手段と、
前記画像データ増幅手段から出力される前記画像データと、前記オフセットデータ増幅手段から出力される前記オフセットデータとの差を取り、該オフセットデータが除かれた画像データを出力する差動増幅手段とを更に備え、
前記制御手段が、前記同一色の画像データの前記画像データ記憶手段からの出力と同タイミングで、前記オフセットデータを出力させるように前記オフセットデータ記憶手段の出力を制御し、かつ、前記画像データ増幅率切換手段と同じ増幅率を選択するように前記オフセットデータ増幅率切換手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記画像データ増幅手段が演算増幅器であり、
前記画像データ増幅率切換手段が、前記演算増幅器の入力端子と出力端子との間に並列に接続される複数の増幅率調整用コンデンサと、該増幅率調整用コンデンサの各々と前記演算増幅器との接続を切換える複数のトランジスタとを備えたことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記色画素が、光照射により光発生電荷を発生するフォトダイオードと、前記光発生電荷により閾値電圧が変調されて該閾値電圧を前記画像データとして出力する絶縁ゲート型電界効果型トランジスタとを有して成ることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子に関し、より詳細には、ＭＯＳ型固体撮像素子のスイッチングノイズ及び消費電力を低減するのに有用な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来例に係るＭＯＳ型固体撮像素子について、図９を参照しながら説明する。図９は、従来例に係るＭＯＳ型固体撮像素子の平面図である。
図９に示されるＭＯＳ型固体固体撮像素子３０は、画素領域３１を備えており、この画素領域３１には複数の色画素３１ａ、３１ａ、・・・が行方向及び列方向に複数配列されている。図中、画素領域３１内の記号Ｒ、Ｇ、Ｂは、それぞれＲ（赤）フィルタ、Ｇ（緑）フィルタ、Ｂ（青）フィルタを表し、これらは各々の色画素３１ａ、３１ａ、・・・の前面に配置される。
【０００３】
一行分の色画素３１ａ、３１ａ、・・・の画像データは、垂直出力線３２、３２、・・・を介して、ラインメモリ３３に記憶される。ラインメモリ３３内の記号Ｒ及びＧは、これらの色に対応する画像データがラインメモリ３３に記憶されていることを示すものである（同図においては、ｉ行目の画像データがラインメモリ３３に記憶されている）。
【０００４】
ラインメモリ３３に記憶された画像データは、メモリ出力線３６を介して出力回路３５に入力され、そこで増幅された後に、出力線３７から外部に出力される。なお、ラインメモリ３３と出力回路３５は、いずれも制御部３４により制御される。
ところで、自然光のダイナミックレンジは非常に大きいので、被写体の色強度を忠実に再現するのは一般に難しい。特に、被写体の色強度が大きく偏っている場合は、撮像素子側で色強度の偏りを補正しておく等の工夫をしておくのが望ましい。このように、色強度の偏りを補正することを、「ホワイトバランスを取る」と言う。
【０００５】
このホワイトバランスを取るために、出力回路３５には、それぞれ増幅率の異なるＲ（赤）用演算増幅器ＯＰＲ、Ｇ（緑）用演算増幅器ＯＰＧ、Ｂ（青）用演算増幅器ＯＰＢが設けられている。そして、これらの演算増幅器の一入力端子には、それを選択するための増幅率選択用トランジスタＴＲＲ、ＴＲＧ、及びＴＲＢが接続されている。図示のように、これらの増幅率選択用トランジスタのゲートには、それぞれ選択線３８、３９、４０が接続されている。なお、これらの選択線３８、３９、４０は、制御手段３４により制御される。
【０００６】
次に、ホワイトバランスを取る場合の固体撮像素子３０の動作について、図１０（ａ）〜（ｃ）、及び図１１を参照しながら説明する。図１０（ａ）〜（ｃ）、及び図１１は、従来例に係るＭＯＳ型固体撮像素子の動作について説明するための模式図である。
以下では、特に、被写体の色強度がＲ（赤）＞Ｇ（緑）＞Ｂ（青）となっている場合について説明する。この場合は、三色の色強度を略同じにするため、上記三つの演算増幅器ＯＰＲ、ＯＰＧ、ＯＰＢの増幅率を予め（ＯＰＲ）＜（ＯＰＧ）＜（ＯＰＢ）としておく。なお、この（ＯＰＲ）、（ＯＰＧ）、及び（ＯＰＢ）は、演算増幅器ＯＰＲ、ＯＰＧ、及びＯＰＢのそれぞれの増幅率を表すものである。
【０００７】
まず最初に、図１０（ａ）に示すように、制御線３８を制御して、増幅率選択用トランジスタＴＲＲのみをオンし、Ｒ（赤）用演算増幅器ＯＰＲを選択する。なお、図において、Ｒ（赤）用演算増幅器ＯＰＲにハッチングが掛けられているが、これは現在Ｒ（赤）用演算増幅器ＯＰＲが選択されていることを示すものである。
【０００８】
次いで、図１０（ｂ）に示すように、制御手段３４（図９参照）を制御して、ラインメモリ３３の一列目の画像データ（Ｒ（赤）の画像データ）を、出力回路３５に入力する。これにより、このＲ（赤）の画像データがＲ（赤）用演算増幅器ＯＰＲで増幅されて出力される。
次に、図１０（ｃ）に示すように、Ｒ（赤）用の増幅率からＧ（緑）用の増幅率に切換えるために、制御線３９を制御して増幅率選択用トランジスタＴＲＧのみをオンし、Ｇ（緑）用演算増幅器ＯＰＧを選択する。その後、二列目の画像データ（Ｇ（緑）の画像データ）を、出力回路３５に入力する。これにより、このＧ（緑）の画像データがＧ（緑）用演算増幅器ＯＰＧで増幅されて出力される。
【０００９】
続いて、図１１に示すように、Ｇ（緑）用の増幅率からＲ（赤）用の増幅率に再び切換えるために、増幅率選択用トランジスタＴＲＲのみをオンし、Ｒ（赤）用演算増幅器ＯＰＲを選択する。その後、三列目の画像データ（Ｒ（赤）の画像データ）を出力回路３５に入力して増幅し、出力する。
この例で分かるように、従来においては、増幅率選択用トランジスタＴＲＲ、ＴＲＧ、及びＴＲＢのオン・オフを列毎に行い、画像データの増幅率を列毎に切換えていた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように増幅率選択用トランジスタＴＲＲ、ＴＲＧ、ＴＲＢを列毎にオン・オフするには、該増幅率選択用トランジスタの動作速度を速めなければならないので、増幅率選択用トランジスタのスイッチングノイズが生じてしまう上、該増幅率選択用トランジスタの消費電力が大きくなってしまう。
【００１１】
本発明は係る従来例の問題点に鑑みて創作されたものであり、画像データの増幅率の切換え速度を従来よりも遅くすることができる固体撮像素子を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、第１の発明である、所定の配列を以って行方向及び列方向に複数配列された複数の色の色画素と、一行に並ぶ前記複数の色の色画素から読み出し動作により読み出された、一行分の複数の色の画像データを記憶する画像データ記憶手段と、前記画像データ記憶手段から出力される前記画像データを増幅する画像データ増幅手段と、前記画像データ増幅手段の増幅率を切換える画像データ増幅率切換手段と、前記記憶された一行分の複数の色の画像データの並びから同一色の前記画像データを選択して順に出力させ、次いで別の同一色の前記画像データを選択して順に出力させるように前記画像データ記憶手段の出力を制御し、かつ前記同一色に応じた増幅率を選択するように前記画像データ増幅率切換手段を制御する制御手段とを備えた固体撮像素子によって解決する。
【００１３】
又は、第２の発明である、前記画像データ記憶手段に記憶された前記一行分の画像データに含まれるオフセットデータを記憶するオフセットデータ記憶手段と、前記オフセットデータ記憶手段から出力される前記オフセットデータを増幅するオフセットデータ増幅手段と、前記オフセットデータ増幅手段の増幅率を切換えるオフセットデータ増幅率切換え手段と、前記画像データ増幅手段から出力される前記画像データと、前記オフセットデータ増幅手段から出力される前記オフセットデータとの差を取り、該オフセットデータが除かれた画像データを出力する差動増幅手段とを更に備え、前記制御手段が、前記同一色の画像データの前記画像データ記憶手段からの出力と同タイミングで、前記オフセットデータを出力させるように前記オフセットデータ記憶手段の出力を制御し、かつ、前記画像データ増幅率切換手段と同じ増幅率を選択するように前記オフセットデータ増幅率切換手段を制御することを特徴とす第１の発明に記載の固体撮像素子によって解決する。
【００１４】
又は、第３の発明である、前記画像データ増幅手段が演算増幅器であり、前記画像データ増幅率切換手段が、前記演算増幅器の入力端子と出力端子との間に並列に接続される複数の増幅率調整用コンデンサと、該増幅率調整用コンデンサの各々と前記演算増幅器との接続を切換える複数のトランジスタとを備えたことを特徴とする第１の発明に記載の固体撮像素子によって解決する。
【００１５】
又は、第４の発明である、前記色画素が、光照射により光発生電荷を発生するフォトダイオードと、前記光発生電荷により閾値電圧が変調されて該閾値電圧を前記画像データとして出力する絶縁ゲート型電界効果型トランジスタとを有して成ることを特徴とする第１の発明乃至第３の発明のいずれか一の発明に記載の固体撮像素子によって解決する。
【００１６】
次に、本発明の作用について説明する。
本発明に係る固体撮像素子によれば、画像データ記憶手段と画像データ増幅率切換手段とを制御する制御手段を備えている。画像データ記憶手段は、この制御手段に制御されて、一行分の複数の色の画像データの並びから同一色の画像データを選択して順に出力する。
【００１７】
同一色の画像データが出力されている間は、この同一色の画像データの増幅率は切換える必要が無く、この同一色の画像データに応じた増幅率のままでよい。従って、画像データ増幅率切換手段は、従来のように画像データの増幅率を列毎に切換える必要がない。
また、上記同一色の画像データが画像データ記憶手段から全て出力された後、画像データ記憶手段は、制御手段に制御されて、上記一行分の複数の色の画像データの並びから今度は別の同一色の画像データを選択して出力する。この場合は、出力される色が変わるので、画像データ増幅率切換手段は、別の色に応じた増幅率に切換える。この切換えは、最初の同一色の画像データが全て出力された後であり、切換えた後は、別の同一色のデータを全て出力し終えるまで増幅率を切換える必要が無い。従って、このときも、画像データ増幅率切換手段は、従来のように画像データの増幅率を列毎に切換える必要がない。
【００１８】
上記したことにより、本発明では、画像データ増幅率切換手段の切換速度が従来よりも遅くなるので、速い切換速度に起因して従来発生したノイズが抑えられる上、画像データ増幅率切換手段の消費電力が抑えられる。
一方、本発明の他の固体撮像素子によれば、更に、オフセットデータ記憶手段、オフセットデータ増幅手段、オフセットデータ増幅率切換え手段、及び差動増幅手段を備えている。
【００１９】
このうち、オフセットデータ記憶手段には、画像データ記憶手段に記憶されている一行分の画像データに含まれるオフセットデータが記憶される。このオフセットデータは、画像データ記憶手段の出力と同タイミングでオフセットデータ記憶手段から出力される。従って、同一色の画像データが画像データ記憶手段から出力されている間は、この同一色の画像データに含まれるオフセットデータがオフセットデータ記憶手段から出力されることになる。
【００２０】
そして、オフセットデータ増幅率切換え手段により、上で出力されたオフセットデータをそれに対応する画像データと同じ増幅率で増幅し、差動増幅器において、該増幅されたオフセットデータとそれに対応する画像データとの差を取ることにより、オフセットデータが除かれた純粋な画像データが上記差動増幅器から出力される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（１）本実施形態に係る固体撮像素子の構造についての説明
次に、本実施形態に係る固体撮像素子について、図１を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る閾値電圧変調方式のＭＯＳ型固体撮像素子（以下、単に固体撮像素子と称す）の平面図である。
【００２２】
この固体撮像素子１は、画素領域６を備え、この画素領域６には色画素６ａ、６ａ、・・・が行方向及び列方向に複数配列されている。同図において、記号Ｒ、Ｇ、Ｂは、色画素６ａ、６ａ、・・・の各々の前面に配置されたＲ（赤）フィルタ、Ｇ（緑）フィルタ、Ｂ（青）フィルタを表す。そして、このＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の配列より分かるように、本実施形態ではいわゆるベイヤー方式のフィルタ配列を採用している。
【００２３】
図中、２は、垂直走査信号（ＶＳＣＡＮ）の駆動走査回路（以下、ＶＳＣＡＮ駆動走査回路と称す）を表す。図示の如く、このＶＳＣＡＮ駆動走査回路２からは、垂直走査信号供給線（ＶＳＣＡＮ供給線）７、７、・・・が行毎に一本ずつ出ているが、これは上記の垂直走査信号（ＶＳＣＡＮ）を色画素６ａ、６ａ、・・・に行単位で供給するものである。そして、７i は、この垂直走査信号供給線（ＶＳＣＡＮ供給線）７、７、・・・のうち、ｉ行目の色画素６ａ、６ａ、・・・に垂直走査信号（ＶＳＣＡＮ）を供給するものを表す。
【００２４】
また、３はドレイン電圧（ＶＤＤ）の駆動走査回路（以下、ＶＤＤ駆動走査回路と称す）を示す。このＶＤＤ駆動走査回路３からは、ドレイン電圧（ＶＤＤ）供給線８、８、・・・が行毎に一本ずつ出ているが、これはドレイン電圧（ＶＤＤ）を色画素６ａ、６ａ、・・・に行単位で供給するものである。そして、８i は、このドレイン電圧（ＶＤＤ）供給線８、８、・・・のうち、ｉ行目の色画素６ａ、６ａ、・・・にドレイン電圧（ＶＤＤ）を供給するものを表す。
【００２５】
一方、画素領域６からは、垂直出力線９、９、・・・が列ごとに一本ずつ出ており、その各々は画像データ用ラインメモリ４（画像データ記憶手段）及びオフセットデータ用ラインメモリ５（オフセットデータ記憶手段）に入力されている。図中、９j は、この垂直出力線９、９、・・・のうち、ｊ列目の色画素６ａ、６ａ、・・・がら出ているものを表す。
【００２６】
そして、１０は、これら画像データ用ラインメモリ４及びオフセットデータ用ラインメモリ５に記憶された画像データの出力を制御するシフトレジスタを表し、該シフトレジスタ１０は制御部２３の一部を成す。また、画像データ用ラインメモリ４及びオフセットデータ用ラインメモリ５から出力された画像データは、出力回路１１に入力され、その後外部に出力される。
【００２７】
次に、この固体撮像素子１の細部、及びその機能について説明する。
▲１▼画素領域
画素領域６の要部拡大図を図２に示す。同図に示される点線四角は、色画素６ａ、６ａ、・・・の境界を示す。これに示されるように、色画素６ａは、フォトダイオードＰＤと、光信号検出用トランジスタＴＲＰとで構成される。そして、ｉ行目に配列された光信号検出用トランジスタＴＲＰ、ＴＲＰ、・・・には、共通の垂直走査信号供給線（ＶＳＣＡＮ供給線）７i がそのゲートに接続され、共通のドレイン電圧（ＶＤＤ）供給線８i がそのドレインに接続されている。また、ｊ列目に配列された光検出用トランジスタＴＲＰ、ＴＲＰ、・・・に着目すると、それらに共通の垂直出力線９j がそのソースに接続されている。
【００２８】
このうち、光検出用トランジスタＴＲＰは、ディプレッション型のＮＭＯＳトランジスタ（絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）である。そして、特に明示はしないが、このＮＭＯＳトランジスタのｐウェル内であって、ｎチャネル領域の下方には、キャリアポケットと呼ばれる高濃度不純物層（ｐ+ 半導体層）が形成されている。電子−ホール対生成によりフォトダイオードＰＤで発生した光発生ホール（光発生電荷）は、ＮＭＯＳトランジスタのｐウェル内を通り、このキャリアポケットに捕獲される。
【００２９】
そして、キャリアポケットに捕獲された光発生ホールにより、その上方のｎチャネル内にこの光発生ホールの量に比例する電荷量をもつ反転層が形成され、光検出用トランジスタＴＲＰの閾値電圧が変調される。この閾値電圧の変調は、キャリアポケット内の光発生ホールの量に依存し、当該光発生ホールの数はフォトダイオードＰＤに照射された光の強さに依存する。従って、この閾値電圧を読めば、フォトダイオードＰＤに照射された光の強さを検出することができる。これが閾値電圧変調方式のＭＯＳ型固体撮像素子の原理である。
【００３０】
▲２▼画像データ用ラインメモリ４、オフセットデータ用ラインメモリ５、及びシフトレジスタ１０
画像データ用ラインメモリ４及びオフセットデータ用ラインメモリ５の回路図を図３に示す。同図においてＣＥj はｊ列目のセルを示し、画像データ用ラインメモリ４及びオフセットデータ用ラインメモリ５のいずれにおいても、このセルＣＥj が行方向に複数配列されている。
【００３１】
画像データ用ラインメモリ４のｊ列目のセルＣＥj に着目すると、それはトランジスタＴＲ、ＴＲj 、及びコンデンサＣＳj で構成されている。そして、このコンデンサＣＳj には、トランジスタＴＲを介して、ｊ列目の垂直出力線９j が接続されている。この垂直出力線９j は、色画素６ａ内の光検出用トランジスタＴＲＰのソースと接続されているので、該光検出用トランジスタＴＲＰのゲートとドレインとにそれぞれ所定の電圧を印加してトランジスタＴＲをオンにしておけば、コンデンサＣＳj の両極の電位差（以下、単に電圧と言う）が光検出用トランジスタＴＲＰの閾値電圧と一致するまで該コンデンサＣＳj に電荷が充電される。このようにして、光検出用トランジスタＴＲＰの閾値電圧が画像データ用ラインメモリ４に記憶される。なお、以下では、光検出用トランジスタＴＲＰの閾値電圧を画像データ用ラインメモリ４に記憶することを、読み出し動作と称する。
【００３２】
そして、行方向に配列された全てのコンデンサＣＳj は、画像データ用メモリ出力線１４に接続され、コンデンサＣＳj の電圧がトランジスタＴＲj を介してこの画像データ用メモリ出力線１４から出力回路１１に出力される。なお、コンデンサＣＳj の電圧のことを、以下では画像データと言う場合もある。
また、この読み出し動作は、実際には行単位でまとめて行われる。すなわち、ｉ行目の垂直走査信号供給線（ＶＳＣＡＮ供給線）７i に上記所定の電圧（約２Ｖ）を印加し、ｉ行目のドレイン電圧（ＶＤＤ）供給線８i に上記所定の電圧（約０．５Ｖ）を印加し、そして第１の制御線１６を介して画像データ用ラインメモリ４内の全てのトランジスタＴＲをオンにする。このようにすると、ｉ行目の光検出用トランジスタＴＲ、ＴＲ、・・・の全てのゲートに上記所定の電圧（約２Ｖ）が印加され、またそれらのドレインに上記所定の電圧（約０．５Ｖ）が印加される。これにより、ｉ行目の光検出用トランジスタＴＲＰ、ＴＲＰ、・・・の全ての閾値電圧が画像データ用ラインメモリ４に記憶され、ｉ行目の読み出し動作が完了する。
【００３３】
ところで、コンデンサＣＳj の電圧は、実際には光検出用トランジスタＴＲＰの閾値電圧とはならず、該閾値電圧と、光検出用トランジスタＴＲＰのオフセット電圧（以下、オフセットデータとも称す）との和となる。ここで、オフセット電圧とは、キャリアポケットに光発生ホールが存在しない場合の光検出用トランジスタＴＲＰの各々の閾値電圧を意味する。そして、このオフセット電圧は、何らかの形で除去するのが好ましい。
【００３４】
これを行うために、オフセット電圧を記憶するのがオフセットデータ用ラインメモリ５である。このオフセットデータ用ラインメモリ５のｊ列目のセルＣＥj は、トランジスタＴＲ、ＴＲj 、及びコンデンサＣＯj で構成される。そして、図示の如く、このセルＣＥj 内のトランジスタＴＲは、画像データ用ラインメモリ４の同列（ｊ列目）のセルＣＥj 内のトランジスタと垂直出力線９j を介して接続されている。
【００３５】
このうち、コンデンサＣＯj は、上記したオフセット電圧を記憶するためのものである。オフセット電圧を記憶するには、まず、光検出トランジスタＴＲＰのゲートに約７Ｖの電圧を印加し、該光検出トランジスタＴＲのドレイン又はソースに約５Ｖの電圧を印加する。このようにすると、キャリアポケット内に捕獲された光発生ホールが全て排出される。従って、このように光発生ホールを排出した後、光検出用トランジスタＴＲＰの閾値電圧を記憶すれば、該閾値電圧は光発生ホールによらないオフセット電圧となる。
【００３６】
このオフセット電圧を記憶する動作を以下に具体的に説明する。まず、上のようにしてｉ行目の読み出し動作が完了した後、ｉ行目の垂直走査信号供給線（ＶＳＣＡＮ供給線）７i を介して、光検出用トランジスタＴＲＰのゲートに高電圧（約７Ｖ）を印加する。同時に、ｉ行目のドレイン電圧（ＶＤＤ）供給線８i を介して、光検出用トランジスタＴＲＰのドレインに高電圧（約５Ｖ）を印加する。このようにすると、上で説明したように、光発生ホールが排出される。
【００３７】
次いで、ｉ行目の垂直走査信号供給線（ＶＳＣＡＮ供給線）７i を介して、光検出用トランジスタＴＲＰのゲートに所定の電圧（約２Ｖ）を印加する。同時に、ｉ行目のドレイン電圧（ＶＤＤ）供給線８i を介して、光検出用トランジスタＴＲＰのドレインに所定の電圧（約０．５Ｖ）を印加する。
その後、第２の制御線１５を介して、オフセットデータ用ラインメモリ５内の全てのトランジスタＴＲをオンにする。このようにすると、オフセットデータ用ラインメモリ５内のコンデンサＣＯj が充電されていく。充電が完了した状態におけるコンデンサＣＯj の電圧は、ｉ行ｊ列目の光検出用トランジスタＴＲＰのオフセット電圧である。このように、オフセット電圧の記憶は行単位で行われる。そして、このようにオフセット電圧が記憶された後においては、画像データ用ラインメモリ４及びオフセットデータ用ラインメモリ５には、それぞれｉ行目の画像データ（オフセットデータも含む）と、オフセットデータとが記憶されている。
【００３８】
このオフセットデータ用ラインメモリ５の下側には、シフトレジスタ１０が配置されており、該シフトレジスタ１０からは水平出力線１２、１２、・・・が行方向に複数出ている。図中、１２j は、水平出力線１２、１２、・・・のうち、ｊ列目のものを表す。このｊ列目の水平出力線１２j は、画像データ用ラインメモリ４及びオフセットデータ用ラインメモリ５の各々のｊ列目のトランジスタＴＲj に接続され、該トランジスタＴＲj のオン・オフを制御する。
【００３９】
これより分かるように、ｊ列目の水平出力線１２j を制御すると、画像データ用ラインメモリ４及びオフセットデータ用ラインメモリ５の各々のｊ列目にあるコンデンサＣＳj 、ＣＯj の電圧が、それぞれ画像データ用メモリ出力線１４及びオフセットデータ用メモリ出力線１３に同タイミングで出力される。
なお、水平出力線１２、１２、・・・の制御はシフトレジスタ１０が制御し、該シフトレジスタ１０の制御は制御部２３により行われる。また、第１の制御線１６及び第２の制御線１５も、制御部２３により制御される。
【００４０】
▲３▼出力回路１１
出力回路１１の回路構成を図４に示す。同図において、ＯＰＳは、画像データ用演算増幅器（画像データ増幅手段）であり、画像データ用メモリ出力線１４から出力される画像データ（オフセットデータを含む）を増幅するように機能する。また、ＯＰＯは、オフセットデータ用演算増幅器（オフセットデータ増幅手段）であり、オフセットデータ用メモリ出力線１３から出力されるオフセットデータを増幅するように機能する。そして、ＤＩは、増幅された画像データ（オフセットデータを含む）とオフセットデータとの差を取り、画像データのみを取り出す差動増幅器である。
【００４１】
また、同図において、１７は、画像データ増幅率切換部（画像データ増幅率切換手段）であり、画像データ用演算増幅器ＯＰＳの増幅率を切換える機能を有する。この画像データ増幅率切換え部１７は、３個の増幅率調整用コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３と、これらのコンデンサを選択するための増幅率選択用トランジスタＴＲＣ１、ＴＲＣ２、ＴＲＣ３とを備えている。なお、ＴＲＲＳは、増幅率調整用コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３に充電された電荷を放電させるためのリセットトランジスタを表す。
【００４２】
そして、図示の如く、これらの増幅率選択用トランジスタＴＲＣ１、ＴＲＣ２、ＴＲＣ３のゲートには第１乃至第３の選択線２２、２１、２０が接続されているが、これら第１乃至第３の選択線２２、２１、２０は制御部により制御される。また、リセットトランジスタＴＲＲＳのゲートにはリセット線１９が接続され、該リセット線２２も制御部２３により制御される。
【００４３】
制御部２３は、上記リセット線１９を制御することによりリセットトランジスタＴＲＲＳをオフにした状態で、上記第１乃至第３の選択線２２、２１、２０を制御することにより、増幅率選択用トランジスタＴＲＣ１、ＴＲＣ２、ＴＲＣ３の中のいずれか一つを選択してオンにする。これにより、選択されたトランジスタに接続されている増幅率調整用コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）の容量に応じた増幅率を得ることができる。具体的には、画像データ用演算増幅器ＯＰＳからの出力電圧Ｖout は、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３の容量をそれぞれＣamp １、Ｃamp ２、Ｃamp ３とする場合、次のようになる。
【００４４】
・コンデンサＣ１を選択した場合
Ｖout ＝（Ｃm ／Ｃamp １）・Ｖs         ・・・増幅率：Ｃm ／Ｃamp １
・コンデンサＣ２を選択した場合
Ｖout ＝（Ｃm ／Ｃamp ２）・Ｖs         ・・・増幅率：Ｃm ／Ｃamp ２
・コンデンサＣ３を選択した場合
Ｖout ＝（Ｃm ／Ｃamp ３）・Ｖs         ・・・増幅率：Ｃm ／Ｃamp ３
上において、Ｃm は、画像データ用ラインメモリ４内のコンデンサＣＳj の容量を表し、この値は全てのコンデンサＣＳj （ｊ＝１、２、・・・）について同じ値を取る。また、Ｖs は、コンデンサＣＳj の各々の電圧を表す（先に説明したように、この電圧は、光検出用トランジスタＴＲＰの変調された閾値電圧（オフセットデータを含む画像データ）なので、普通は各々のコンデンサＣＳj により異なる）。
【００４５】
一方、図４において、１８は、オフセットデータ増幅率切換部であり、オフセットデータ増幅器ＯＰＯの増幅率を切換える機能を有する。このオフセットデータ切換え部１８の構成は、上で説明した画像データ増幅率切換部の構成と全く同じであるので、その説明は省略する。そして、オフセットデータ増幅器１８の増幅率は、上の３式において、上記Ｃm をオフセットデータ用ラインメモリ５内のコンデンサＣＯj の容量にし、Ｖs をコンデンサＣＯj の電圧（オフセット電圧）にすれば計算できる。このうち、コンデンサＣＯj の容量Ｃm は、全てのコンデンサＣＯj （ｊ＝１、２、・・・）について同じ値を取る。
【００４６】
（２）固体撮像素子１の動作についての説明
次に、ホワイトバランスを調整する場合の固体撮像素子１の動作について、図５、図６（ａ）〜（ｂ）、図７（ａ）〜（ｂ）、及び図８を参照しながら説明する。図５、図６（ａ）〜（ｂ）、図７（ａ）〜（ｂ）、及び図８は、固体撮像素子１の動作について説明するための模式図である。
【００４７】
以下では、特に、被写体の色強度がＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の順に弱くなっている（Ｒ＞Ｇ＞Ｂ）の場合について説明する。この場合では、Ｂ（青）の強度が弱いので、Ｂ（青）の増幅率を上げる必要がある。
図５は、画像データ用ラインメモリ４にｉ行目の画像データ（オフセットデータも含む）が読み出し動作により記憶され、オフセットデータ用ラインメモリ５にｉ行目のオフセットデータが記憶された状態を示す。そして、同図において、画像データ用ラインメモリ４及びオフセットデータ用ラインメモリ５に記されている記号Ｒ、Ｇ、Ｒ、Ｇ、・・・は、これらの色に対応する画像データ及びオフセットデータが記憶されていることを表すものである。
【００４８】
次いで、シフトレジスタ１０を制御することにより、画像データ用ラインメモリ４内の同一色の画像データ（オフセットデータも含む）と、オフセットデータ用ラインメモリ５内の同一色のオフセットデータとを選択し、それらを列毎に順に出力回路１１に入力し、図６（ａ）に示される状態にする。この例では、Ｒ（赤）が出力回路１１に入力され、増幅された画像データが該出力回路１１から出力されている。これを行うには、具体的には次のようにする。
【００４９】
まず、１列目の水平出力線１２1 を制御することにより、画像データ用ラインメモリ４とオフセットデータ用ラインメモリ５の各々の１列目にあるトランジスタＴＲ1 をオンにする。このようにすると、画像データ用ラインメモリ４の１列目に記憶されていた画像データ（オフセットデータも含む）と、オフセットデータ用ラインメモリ５の１列目に記憶されていたオフセットデータとが選択され、それらが同じタイミングで画像データ用メモリ出力線１４及びオフセットデータ用メモリ出力線１３に出力されて、出力回路１１に入力される。
【００５０】
次いで、３列目の水平出力線１２3 を制御することにより、画像データ用ラインメモリ４とオフセットデータ用ラインメモリ５の各々の３列目にあるトランジスタＴＲ3 をオンにする。これにより、画像データ用ラインメモリ４の３列目に記憶されていた画像データ（オフセットデータも含む）と、オフセットデータ用ラインメモリ５の３列目に記憶されていたオフセットデータとが選択され、それぞれ同じタイミングで画像データ用メモリ出力線１４及びオフセットデータ用メモリ出力線１３に出力されて、出力回路１１に入力される。
【００５１】
以下、５列目、７列目、・・・の順に上と同じ動作を繰り返せば、図６（ａ）に示される状態となる。
先に説明したように、出力回路１１では、オフセットデータが除去された純粋な画像データのみが増幅されて出力される。今の場合、画像データは全てＲ（赤）であり、被写体の色強度がＲ＞Ｇ＞ＢでＲ（赤）の強度が最も強いので、画像データ用像演算増幅器ＯＰＳ及びオフセットデータ用演算増幅器ＯＰＳのＲ（赤）に対する増幅率は低くて良い。従って、増幅率調整用コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３の容量を、例えばＣamp １＞Ｃamp ２＞Ｃamp ３にしておき、この中で一番大きい容量を有する増幅率調整用コンデンサＣ１を選択すれば、Ｒ（赤）の増幅率が低くなる（先に説明した増幅率を得る３式を参照）。
【００５２】
このとき、画像データ用像演算増幅器ＯＰＳにはＲ（赤）の画像データ（オフセットデータも含む）のみが列毎に順に入力され、他の色のデータは入力されない。同様に、オフセットデータ用演算増幅器ＯＰＳにおいても、Ｒ（赤）のオフセットデータのみが列毎に順に入力され、他の色のオフセットデータは入力されない。従って、画像データ増幅率切換え部１７及びオフセットデータ増幅率切換え部１８においては、増幅率選択用トランジスタＴＲＣ１をオンにして増幅率調整用Ｃ１を選択したままにしておけば良く、他の増幅率選択用トランジスタ（ＴＲＣ２、ＴＲＣ３）を個々の画像データに応じてオン・オフする必要が無い。
【００５３】
次いで、残りのＧ（緑）についてもＲ（赤）の場合と同様にして、出力回路１１に入力し、図６（ｂ）に示される状態にする。上で説明したように、今の例では被写体の色強度がＲ＞Ｇ＞Ｂとなっているので、Ｇ（緑）の増幅率はＲ（赤）の増幅率とＢ（青）の増幅率の中間で良い。従って、出力回路１１でＧ（緑）を増幅する場合、３つの増幅率調整用コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３の中で容量が中間であるＣ２を選択すれば良い。この場合においても、出力回路１１に入力されるのはＧ（緑）のデータのみであり、他の色のデータは入力されない。
【００５４】
従って、Ｒ（赤）の場合と同様に、画像データ増幅率切換え部１７及びオフセットデータ増幅率切換え部１８においては、増幅率選択用トランジスタＴＲＣ２をオンにして増幅率調整用コンデンサＣ２を選択したままにしておけば良く、他の増幅率選択用トランジスタ（ＴＲＣ１、ＴＲＣ３）を各列の画像データに応じてオン・オフする必要が無い。
【００５５】
次いで、図７（ａ）に示すように、ｉ＋１行目の画像データ（オフセットデータも含む）を画像データ用ラインメモリ４に読み出し動作により読み出し、また、ｉ＋１行目のオフセットデータをオフセットデータ用ラインメモリ５に読み出す。
続いて、図７（ｂ）に示すように、画像データ用ラインメモリ４及びオフセットデータ用ラインメモリ５内のＧ（緑）のデータのみを順に出力回路１１に入力する。ここで、図６（ｂ）に示されるステップにおいて、Ｇ（緑）に応じた増幅率調整用コンデンサＣ２が既に選択されているので、図７（ｂ）に示されるステップでは増幅率選択用トランジスタ（ＴＲＣ１、ＴＲＣ２、ＴＲＣ３）を制御して別の増幅率調整用コンデンサ（Ｃ１、Ｃ３）を選択する必要が無い。
【００５６】
次に、図８に示されるように、Ｂ（青）のデータを出力回路１１に列毎に順に入力する。今の例では、被写体のＢ（青）の色強度が最も弱いので、Ｂ（青）の増幅率を他の色の増幅率よりも大きくしなければならない。これを行うには、増幅率選択用トランジスタＴＲＣ１、ＴＲＣ２、ＴＲＣ３を制御することにより、３つの増幅率調整用コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３の中で容量が最も小さいＣ３を選択すれば良い。
【００５７】
このステップにおいても、Ｒ（赤）やＧ（緑）の場合と同様に、一つの増幅率選択用トランジスタＴＲＣ３をオンにして増幅率調整用Ｃ３を選択したままにしておけば良く、他の増幅率選択用トランジスタ（ＴＲＣ１、ＴＲＣ２）を各列の画像データに応じてオン・オフする必要が無い。
以上説明したように、本実施形態に係る固体撮像素子では、画像データ用ラインメモリ４及びオフセットデータ用ラインメモリ５の各々に記憶された一行分の画像データ（オフセットデータも含む）及びオフセットデータを増幅する場合、まず、上記一行の中で同一色のデータのみを選択して列毎に順に画像データ用像演算増幅器ＯＰＳ及びオフセットデータ用演算増幅器ＯＰＯに入力する。同一色のデータなので、画像データ用像演算増幅器ＯＰＳ及びオフセットデータ用演算増幅器ＯＰＳでは色に応じて増幅率を変える必要が無く、増幅率選択用トランジスタＴＲＣ１、ＴＲＣ２、ＴＲＣ３のオン・オフを従来のように列毎に切換える必要が無い。
【００５８】
また、画像データ用像演算増幅器ＯＰＳ及びオフセットデータ用演算増幅器ＯＰＯから上記同一色のデータが全て出力された後は、次に、それとは別の色の同一色のデータが選択され、画像データ用像演算増幅器ＯＰＳ及びオフセットデータ用演算増幅器ＯＰＯに列毎に順に入力される。このように、先に入力された色とは別の色が入力される場合は、画像データ用像演算増幅器ＯＰＳ及びオフセットデータ用演算増幅器ＯＰＳの増幅率を当該色に応じて変えなければならない。しかし、これを行うには、増幅率選択用トランジスタＴＲＣ１、ＴＲＣ２、ＴＲＣ３のオン・オフを、色が変わった時点で一度だけ行えば良く、この場合でもやはり従来のように列毎に繰り返しオン・オフする必要が無い。
【００５９】
これにより、本実施形態では、トランジスタを高速でオン・オフすることに起因して従来見られたスイッチングノイズが発生しないばかりか、増幅率選択用トランジスタＴＲＣ１、ＴＲＣ２、ＴＲＣ３のスイッチング速度を従来よりも遅くすることができるので、この増幅率選択用トランジスタＴＲＣ１、ＴＲＣ２、ＴＲＣ３の消費電力を抑えることができる。
【００６０】
なお、上で説明した固体撮像素子１は、オフセットデータ用ラインメモリ５とオフセットデータ増幅器ＯＰＯとを備えているが、光検出用トランジスタＴＲＰのオフセット電圧が問題とならない場合は、これらを省いても良い。この場合は、差動増幅器ＤＩは不要となる。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る固体撮像素子では、画像データ記憶手段と画像データ増幅率切換手段とを制御する制御手段を備えている。画像データ記憶手段は、この制御手段に制御されて、一行分の複数の色の画像データの並びから同一色の画像データを選択して順に出力する。
同一色の画像データが出力されている間は、この同一色の画像データの増幅率は切換える必要が無く、この同一色の画像データに応じた増幅率のままでよい。従って、画像データ増幅率切換手段は、従来のように画像データの増幅率を列毎に切換える必要がない。そのため画像データ増幅率切換手段の切換速度を従来よりも遅くすることができるので、速い切換速度に起因して従来発生したスイッチングノイズを抑えることができ、更に、画像データ増幅率切換手段の消費電力を抑えることができる。
【００６２】
また、オフセットデータ記憶手段、オフセットデータ増幅手段、オフセットデータ増幅率切換え手段、及び差動増幅手段を備えたことにより、本発明に係る固体撮像素子ではオフセットが除かれた画像データを出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の平面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の画素領域の要部拡大図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る固体撮像素子が備える画像データ用ラインメモリ及びオフセットデータ用ラインメモリの回路図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る固体撮像素子が備える出力回路の回路構成図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の動作について説明するための模式図（その１）である。
【図６】本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の動作について説明するための模式図（その２）である。
【図７】本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の動作について説明するための模式図（その３）である。
【図８】本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の動作について説明するための模式図（その４）である。
【図９】従来例に係るＭＯＳ型固体撮像素子の平面図である。
【図１０】従来例に係るＭＯＳ型固体撮像素子の動作について説明するための模式図（その１）である。
【図１１】従来例に係るＭＯＳ型固体撮像素子の動作について説明するための模式図（その２）である。
【符号の説明】
１・・・閾値電圧変調方式のＭＯＳ型固体撮像素子、
２・・・ＶＳＣＡＮ駆動走査回路、
３・・・ＶＤＤ駆動走査回路、
４・・・画像データ用ラインメモリ、
５・・・オフセットデータ用ラインメモリ、
６、３１・・・画素領域、
６ａ、３１ａ・・・色画素、
７・・・ＶＳＣＡＮ供給線、
８・・・ドレイン電圧（ＶＤＤ）供給線、
９、３２・・・垂直出力線、
１０・・・シフトレジスタ、
１１、３５・・・出力回路、
１２・・・水平出力線、
１３・・・オフセットデータ用メモリ出力線、
１４・・・画像データ用メモリ出力線１４、
１５・・・第２の制御線、
１６・・・第１の制御線、
１７・・・画像データ増幅率切換部、
１８・・・オフセットデータ増幅率切換え部、
１９・・・リセット線、
２０・・・第３の選択線、
２１・・・第２の選択線、
２２・・・第１の選択線、
２３、３４・・・制御部、
３０・・・ＭＯＳ型固体撮像素子、
３３・・・ラインメモリ、
３６・・・メモリ出力線、
３７・・・出力線、
ＰＤ・・・フォトダイオード、
ＴＲＰ・・・光検出用トランジスタ、
ＴＲ、ＴＲj ・・・トランジスタ、
ＣＥj ・・・セル、
ＣＳj 、ＣＯj ・・・コンデンサ、
ＯＰＳ・・・画像データ用演算増幅器、
ＯＰＯ・・・オフセットデータ用演算増幅器、
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３・・・増幅率調整用コンデンサ、
ＴＲＲ、ＴＲＧ、ＴＲＢ、ＴＲＣ１、ＴＲＣ２、ＴＲＣ３・・・増幅率選択用トランジスタ、
ＴＲＲＳ・・・リセットトランジスタ、
ＤＩ・・・差動増幅器、
ＯＰＲ・・・Ｒ（赤）用演算増幅器、
ＯＰＧ・・・Ｇ（緑）用演算増幅器、
ＯＰＢ・・・Ｂ（青）用演算増幅器。
【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】
0004422320.tif 000008
【図８】
0004422320.tif 000009
【図９】
0004422320.tif 000010
【図１０】
0004422320.tif 000011
【図１１】
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