(57)【要約】  【課題】  本発明は、画素から出力されるノイズ信号を通過させるフィルタを設けることで、ノイズ信号のレベル変動を抑制して白黒反転現象の発生を防ぐ固体撮像装置を提供することを目的とする。  【解決手段】  レベルシフタ１８１によって、画素から出力されるノイズ信号の信号レベルを基準レベルに近づけるようにレベルシフトした後、レベルシフタ１８２によって、レベルシフタ１８１でレベルシフトされたノイズ信号をレベルシフタ１８１でレベルシフトされた信号レベル分だけ補完する。そして、差動アンプ１８３において、レベルシフタ１８１，１８２を通過したノイズ信号と画素からの画像信号とを減算して、ノイズ除去した画像信号を出力する。【選択図】      図６
2007006453.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光量に応じた光電荷を発生して内部に蓄積する光電変換素子を有する画素と、前記画素より出力される、画素が初期化されたときのノイズ信号と入射光量に応じた画像信号とを減算してノイズ成分を除去した画像信号を出力する補正回路と、を備える固体撮像装置において、
前記補正回路が、
前記画素から入力される前記ノイズ信号における高輝度の被写体撮像時に生じる変動成分を抑制するアナログフィルタと、
前記アナログフィルタからのノイズ信号と前記画素からの画像信号とを減算する減算器と、
を備えていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記アナログフィルタが、前記変動成分となる信号レベルを除去するレベルシフタによって構成されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記アナログフィルタが、
前記ノイズ信号の信号レベルを基準レベルに近い値にレベルシフトする第１レベルシフタと、
前記第１レベルシフタでレベルシフトされた前記ノイズ信号に対して、前記第１レベルシフタでレベルシフトした値を補完する第２レベルシフタと、
によって構成されることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記画素が、
前記光電変換素子となるとともに、入射光量に応じた光電荷を発生して内部に蓄積するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードに蓄積された電荷を転送する転送ゲートと、
該転送ゲートを介して前記フォトダイオードより転送される電荷を蓄積する浮遊拡散層と、
前記浮遊拡散層と接続されて該浮遊拡散層をリセットするリセットゲートと、
前記浮遊拡散層から出力信号を読み出すための読み出し用スイッチと、
を備えることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項５】
入力側が前記浮遊拡散層に接続され、出力側が前記読み出し用スイッチに接続された増幅器を備えることを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記フォトダイオードが、埋込型フォトダイオードであることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記転送ゲートが、３値で変化する制御信号によって制御されることを特徴とする請求項４〜請求項６のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記制御信号が、前記転送ゲートを開く第１レベルと、前記転送ゲートを閉じる第２レベルと、前記第１及び第２レベルの間の値となる第３レベルとの３値で変化し、
前記制御信号を前記第３レベルとしているときに、前記読み出し用スイッチをＯＮとして前記ノイズ信号を出力し、
その後、前記制御信号を前記第１レベルにして前記転送ゲートを開いた後、前記制御信号を前記第２レベルにしたときに、前記読み出し用スイッチをＯＮとして前記画像信号を出力することを特徴とする請求項７に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射光に対する電気信号を出力する画素を備える固体撮像装置に関するもので、特に構成される各画素がトランジスタによって構成される固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
種々の用途に供されている固体撮像装置は光電変換素子で発生した光電荷を読み出す（取り出す）手段によってＣＣＤ型とＣＭＯＳ型に大きく分けられる。ＣＣＤ型は光電荷をポテンシャルの井戸に蓄積しつつ、転送するようになっており、ダイナミックレンジが狭いという欠点がある。一方、ＣＭＯＳ型はフォトダイオードのｐｎ接合容量に蓄積した電荷をＭＯＳトランジスタを通して直接読み出すようになっていた。
【０００３】
又、従来のＣＭＯＳ型の固体撮像素子として、入射光量に対して対数変換する対数変換動作を行うものがある（特許文献１参照）。この固体撮像素子においては、そのダイナミックレンジが５〜６桁と広いため、少々広い輝度範囲の輝度分布を構成する被写体を撮像しても、輝度分布内の全輝度情報を電気信号に変換して出力することができる。しかしながら、被写体の輝度分布に対してその撮像可能領域が広くなるので、撮像可能領域内の低輝度領域又は高輝度領域において、輝度データの無い領域ができてしまう。
【０００４】
これらに対して、本出願人は、上述の線形変換動作と対数変換動作とを切り換えることが可能なＣＭＯＳ型の固体撮像装置を提案している（特許文献２参照）。又、本出願人は、このような線形変換動作と対数変換動作とを自動的に切り換えるために、光電変換動作を行うフォトダイオードに接続されたトランジスタのポテンシャル状態を適当な状態に設定するＣＭＯＳ型の固体撮像装置を提案している（特許文献３参照）。この特許文献３による固体撮像装置は、トランジスタのポテンシャル状態を変更することにより、その光電変換動作が線形変換動作から対数変換動作に切りかわる変極点を切り換えることができる。
【０００５】
又、従来の固体撮像装置として、図８に示すようなフローティングノードを有する画素を備える固体撮像装置が提供されている（特許文献４参照）。この固体撮像装置は、感光素子として働くフォトダイオードＰＤと、フォトダイオードＰＤのアノードにソースが接続されるＭＯＳトランジスタＴ１と、ＭＯＳトランジスタＴ１のドレインにソースが接続されたＭＯＳトランジスタＴ２と、ＭＯＳトランジスタＴ１のドレイン及びＭＯＳトランジスタＴ２のソースの接続ノードにゲートが接続されるＭＯＳトランジスタＴ３と、ＭＯＳトランジスタＴ３のソースにドレインが接続されたＭＯＳトランジスタＴ４と、を備える。
【０００６】
そして、フォトダイオードＰＤのカソード及びＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ４のバックゲートに直流電圧ＶPSが印加され、ＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ３それぞれのドレインに直流電圧ＶRS、ＶPDが印加される。又、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ４のゲートに信号φＴＸ，φＲＳ，φＶが入力され、ＭＯＳトランジスタＴ４のソースに出力信号線１４が接続される。そして、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ４は、ＮチャネルのＭＯＳトランジスタである。
【０００７】
図１０に示すように、フォトダイオードＰＤに光が入射されると、光電荷が発生するために、発生した光電荷に応じてフォトダイオードＰＤのポテンシャルが下がる（図１０では上側に行くほどポテンシャルが低くなる）。このとき、フォトダイオードＰＤに現れるポテンシャルが、入射光量の積分値に対して線形的に比例した値となる。そして、フォトダイオードＰＤのポテンシャルによる電圧が、転送ゲートＴＧを通じて、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤに転送されるとともに、この転送された電圧による電気信号が画像信号として出力される。
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−３１３２５７号公報
【特許文献２】特開２００２−７７７３３号公報
【特許文献３】特開２００２−３００４７６号公報
【特許文献４】特開２００２−５２１２６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
この固体撮像装置は、図１１（ａ）のようなタイミングで信号φＶ、φＲＳ、φＴＸが与えられることで、リセット後のノイズ信号と画像信号とが順番に出力される。即ち、信号φＲＳをハイとしてＮ型浮遊拡散層ＦＤを直流電圧ＶRSによるポテンシャルにリセットした後に信号φＲＳをローとし、ハイとなるパルス信号φＶを与えることで、リセット電圧に応じたノイズ信号を出力する。そして、信号φＴＸをハイとして埋込型フォトダイオードＰＤに蓄積された光電荷をＮ型浮遊拡散層ＦＤに転送した後に信号φＴＸをローとし、ハイとなるパルス信号φＶを与えることで、入射光に応じた画像信号を出力する。
【００１０】
このようにして得られた画像信号及びノイズ信号が減算回路に与えられて、ノイズ信号から画像信号を減算してノイズ除去した画像信号が得られる。しかしながら、高輝度の被写体を撮像している場合、信号φＲＳをローとしてリセットしてから信号φＶをハイとするまでの時間ｔ１に、フォトダイオードＰＤからあふれた電荷がＮ型浮遊拡散層ＦＤに流入してしまう。そのため、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤの電位が下がるので、通常はノイズ信号の電圧が画像信号の電圧よりも高くなるが、逆にノイズ信号の電圧が画像信号の電圧よりも低くなり、差動アンプより得られる画像信号が小さくなる。よって、高輝度領域においては、白黒反転現象が起きてしまう。
【００１１】
それに対して、図１１（ｂ）に示すタイミングのように、ノイズ信号を出力するためにパルス信号φＶを与える期間まで、信号φＲＳをハイのままとすることで、フォトダイオードＰＤからの光電荷があふれることを防ぐものがある。しかしながら、このようなタイミングで駆動した場合においても、超高輝度となる被写体を撮像する場合は、リセット電圧となる直流電圧ＶRSによるＮ型浮遊拡散層ＦＤをリセットするよりも、フォトダイオードＰＤから流入する光電荷量が大きくなり、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤの電位が下がってしまう。そのため、結果的に、超高輝度領域においては、白黒反転現象が起きてしまう。
【００１２】
このように白黒反転現象が発生しているときの信号の状態を、図１２に示す。水平同期信号に応じて、各行のノイズ信号及び画像信号が出力されるが、白黒反転現象が生じている画素においてノイズ信号の電圧が低くなり、その電圧レベルが大きく変化する。このように電圧レベルが大きく変化したノイズ信号が出力される画素では、画像信号よりもノイズ信号が大きくなるために、白黒反転した画像信号が差動アンプより出力されることとなる。特に、先に挙げたような対数変換動作を行う固体撮像素子では、著しく高い輝度領域が含まれる被写体を撮像する機会が増すため、このような白黒反転の問題が顕著に現れることとなる。
【００１３】
このような問題を鑑みて、本発明は、画素から出力されるノイズ信号を通過させるフィルタを設けることで、ノイズ信号のレベル変動を抑制して白黒反転現象の発生を防ぐ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】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、入射光量に応じた光電荷を発生して内部に蓄積する光電変換素子を有する画素と、前記画素より出力される、画素が初期化されたときのノイズ信号と入射光量に応じた画像信号とを減算してノイズ成分を除去した画像信号を出力する補正回路と、を備える固体撮像装置において、前記補正回路が、前記画素から入力される前記ノイズ信号における高輝度の被写体撮像時に生じる変動成分を抑制するアナログフィルタと、前記アナログフィルタからのノイズ信号と前記画素からの画像信号とを減算する減算器と、を備えていることを特徴とする固体撮像装置。
【００１５】
前記アナログフィルタが、前記変動成分となる信号レベルを除去するレベルシフタによって構成されることを特徴とする。
【００１６】
このように構成されるとき、前記アナログフィルタが、前記変動成分となる信号レベルを除去するレベルシフタによって構成され、更に、前記アナログフィルタが、前記ノイズ信号の信号レベルを基準レベルに近い値にレベルシフトする第１レベルシフタと、前記第１レベルシフタでレベルシフトされた前記ノイズ信号に対して、前記第１レベルシフタでレベルシフトした値を補完する第２レベルシフタと、によって構成されるものとしても構わない。又、前記減算器を、アナログ信号が入力されて減算処理を行う差動アンプによって構成するものとしても構わない。
【００１７】
このような撮像装置において、前記画素が、前記光電変換素子となるとともに、入射光量に応じた光電荷を発生して内部に蓄積するフォトダイオードと、前記フォトダイオードに蓄積された電荷を転送する転送ゲートと、該転送ゲートを介して前記埋込型フォトダイオードより転送される電荷を蓄積する浮遊拡散層と、前記浮遊拡散層と接続されて該浮遊拡散層をリセットするリセットゲートと、前記浮遊拡散層から出力信号を読み出すための読み出し用スイッチと、を備えるものとしても構わない。
【００１８】
更に、入力側が前記浮遊拡散層に接続され、出力側が前記読み出し用スイッチに接続された増幅器を備えるものとしても構わない。又、前記フォトダイオードを埋込型フォトダイオードとしても構わない。
【００１９】
そして、前記転送ゲートが、３値で変化する制御信号によって制御される。このとき、前記制御信号が、前記転送ゲートを開く第１レベルと、前記転送ゲートを閉じる第２レベルと、前記第１及び第２レベルの間の値となる第３レベルとの３値で変化し、前記制御信号を前記第３レベルとしているときに、前記読み出し用スイッチをＯＮとして前記ノイズ信号を出力し、その後、前記制御信号を前記第１レベルにして前記転送ゲートを開いた後、前記制御信号を前記第２レベルにしたときに、前記読み出し用スイッチをＯＮとして前記画像信号を出力する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によると、補正回路にアナログフィルタを設けることによって、高輝度の被写体撮像時にノイズ信号に発生するレベル変動を抑制することができる。よって、高輝度の被写体撮像時に、ノイズ信号が大きくなって補正後の画像信号が黒レベルに近い値となることを防ぎ、白黒反転現象の発生を抑制することができる。又、このアナログフィルタを２つのシフトレジスタによって構成するため、固体撮像装置の小型化を妨げることがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の実施形態について、以下に、図面を参照して説明する。
【００２２】
＜撮像装置の構成＞
本実施形態の撮像装置は、図１に示すように、複数のレンズから構成される光学系１と、光学系１を通じて入射される光の入射光量を電気信号に変換して画像信号として出力する固体撮像装置２と、固体撮像装置２から出力される画像信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部３と、Ａ／Ｄ変換部３でデジタル信号に変換された画像信号に対して各種画像処理を施す画像処理部４と、固体撮像装置２における各信号の電圧値の制御を行う信号制御部５と、を備える。
【００２３】
このように構成される撮像装置において、光学系１を通じて固体撮像装置２に被写体からの光が入射されて、固体撮像装置２が撮像動作を行う。そして、固体撮像装置２より出力される画像信号がＡ／Ｄ変換部３に出力されて、デジタル信号に変換される。このように動作するとき、固体撮像装置２には、信号制御部５より各信号が与えられることで、固体撮像装置２内の水平走査回路及び垂直走査回路が動作することで、各画素の画像信号が順にＡ／Ｄ変換部３に出力される。このＡ／Ｄ変換部３でデジタル信号に変換された画像信号が画像処理部４に与えられて、エッジ強調処理やホワイトバランス処理などの画像処理が施される。
【００２４】
＜固体撮像装置の構成＞
まず、本実施形態の固体撮像装置について、図２を参照して説明する。図２は、本発明の実施形態である二次元のＭＯＳ型固体撮像装置の一部の構成を概略的に示している。
【００２５】
図２において、Ｇ11〜Ｇmnは行列配置（マトリクス配置）された画素を示している。１１は垂直走査回路であり、各画素に信号φＶを与える行（ライン）１３−１、１３−２、・・・、１３−ｎを順次走査していく。１２は水平走査回路であり、画素から出力信号線１４−１、１４−２、・・・、１４−ｍに導出された光電変換信号を画素ごとに水平方向に順次読み出す。１５は電源ラインである。各画素に対し、上記ライン１３−１〜１３−ｎや出力信号線１４−１〜１４−ｍ、電源ライン１５だけでなく、他のライン（例えば、クロックラインやバイアス供給ライン等）も接続されるが、図２ではこれらについて省略する。
【００２６】
又、出力信号線１４−１〜１４−ｍのそれぞれには、定電流源１６−１〜１６−ｍが接続されるとともに、出力信号線１４−１〜１４−ｍのそれぞれを介して与えられる画素Ｇ11〜Ｇmnから与えられる画像信号とノイズ信号をサンプルホールドする選択回路１７−１〜１７−ｍが設けられる。そして、補正回路１８に選択回路１７−１〜１７−ｍから画像信号及びノイズ信号が順に送出されると、この補正回路１８で補正処理が行われて、ノイズ除去された画像信号が外部に出力される。尚、定電流源１６−１〜１６−ｍの一端に直流電圧ＶPSが印加される。
【００２７】
このような固体撮像装置２において、画素Ｇab（ａ：１≦ａ≦ｍの自然数、ｂ：１≦ｂ≦ｎの自然数）からの出力となる画像信号及びノイズ信号が、それぞれ、出力信号線１４−ａを介して出力されるとともに、この出力信号線１４−ａに接続された定電流源１６−ａによって増幅される。そして、画素Ｇabから出力された画像信号及びノイズ信号が順番に選択回路１７−ａに送出されるとともに、この選択回路１７−ａにおいて、送出された画像信号及びノイズ信号がサンプルホールドされる。
【００２８】
その後、選択回路１７−ａより、サンプルホールドされた画像信号が補正回路１８に送出された後、同じくサンプルホールドされたノイズ信号が補正回路１８に送出される。補正回路１８では、選択回路１７−ａより与えられた画像信号を、同じく選択回路１７−ａより与えられたノイズ信号に基づいて補正処理して、ノイズ除去した画像信号を外部に出力する。尚、選択回路１７−１〜１７−ｍ及び補正回路１８それぞれの構成の一例として、本出願人が特開平２００１−２２３９４８号公報において提示した構成などが挙げられる。又、選択回路１７−１〜１７−ｍの構成位置に、補正回路を設けるようにしても構わない。
【００２９】
又、このような固体撮像装置２に対して、信号制御部５より垂直走査回路１１に信号が与えられることにより、各行の画素の転送ゲートを閉じるタイミングが設定される信号、及び、画素Ｇ11〜Ｇmnが撮像動作を開始するタイミングと画像信号及びノイズ信号の出力タイミングとを設定するための信号が垂直走査回路１１より出力される。更に、信号制御部５から水平走査回路１２に信号が与えられることにより、選択回路１７−１〜１７−ｍから画像信号及びノイズ信号が補正回路１８に出力されるタイミングを設定するための信号が水平走査回路１２より出力される。
【００３０】
＜画素の構成及び動作＞
図２に示した構成の固体撮像装置内に設けられる各画素の構成は、［背景技術］で説明した図８で示すものと同様の構成となる。より詳しくは、図９に示すように、Ｐ型基板３０上に形成されたＰ型ウェル層３１とＰ型ウェル層３１の表面に形成された高濃度のＰ型層２０とＮ型埋込層２１とから構成される埋込型フォトダイオードＰＤと、埋込型フォトダイオードＰＤが構成される領域に隣接する領域表面に絶縁層２２を介して構成されたゲート電極２３を備える転送ゲートＴＧとＮ型埋込層２１とＮ型浮遊拡散層ＦＤとから構成されるＭＯＳトランジスタＴ１と、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤに隣接する領域表面に絶縁膜２４を介して構成されたゲート電極２５を備えるリセットゲートＲＧとＮ型浮遊拡散層ＦＤとＮ型拡散層Ｄとから構成されるＭＯＳトランジスタＴ２と、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤにゲートが接続されるＭＯＳトランジスタＴ３と、ＭＯＳトランジスタＴ３のソースにドレインが接続されたＭＯＳトランジスタＴ４と、を備える。このように埋込型フォトダイオードＰＤを画素内に構成することで、Ｐ型層２０の表面における電位が、この埋込型フォトダイオードＰＤ周囲のＰ難そうよりなるチャンネルストッパ層と同一の電位に固定される。
【００３１】
そして、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ４がＮチャネルのＭＯＳトランジスタであり、フォトダイオードＰＤのカソード及びＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ４のバックゲートに直流電圧ＶPSが印加されるとともに、ＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ３それぞれのドレインに直流電圧ＶRS、ＶPDが印加される。又、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ４のゲートに信号φＴＸ，φＲＳ，φＶが入力される。更に、ＭＯＳトランジスタＴ４のソースに出力信号線１４（図１の出力信号線１４−１〜１４−ｍに相当する）が接続される。
【００３２】
本実施形態における固体撮像装置２を構成する各画素において、転送ゲートＴＧに与える信号φＴＸが、３値の電圧値ＶＨ，ＶＭ，ＶＬ（ＶＨ＞ＶＭ＞ＶＬ）の間で変化させる信号である。このとき、信号φＴＸの電圧値ＶＭを適切な値に設定することで、ＭＯＳトランジスタＴ１に、埋込型フォトダイオードＰＤにより発生する光電荷量がある値より大きくなるときに、サブスレッショルド領域で動作させることができ、入射光量に応じて光電変換動作を線形変換動作と対数変換動作とに切りかわるようにすることができる。又、信号φＴＸの電圧値ＶＭを変化させることで、埋込型フォトダイオードＰＤとＭＯＳトランジスタＴ１とによる光電変換動作が線形変換動作から対数変換動作に切りかわる変極点を切り換えることができる。以下に、本実施形態の固体撮像装置における画素の動作を説明する。
【００３３】
このような構成の画素の動作について、図３のタイミングチャートを参照して説明する。まず、信号φＶがローとされてＭＯＳトランジスタＴ４がＯＦＦとされた後、信号φＴＸの電圧値をＶＭとし、更に、信号φＲＳをハイとしてＭＯＳトランジスタＴ２をＯＮとする。このようにすることで、転送ゲートＴＧのポテンシャルを埋込型フォトダイオードＰＤにおけるポテンシャルよりも低い値とするとともに、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルをリセットゲートＲＧを通じて直流電圧ＶRSと同等のポテンシャルとする。尚、転送ゲートＴＧに現れるポテンシャルは、埋込型フォトダイオードＰＤのポテンシャルとリセットゲートＲＧのポテンシャルの間の値となる。
【００３４】
そして、埋込型フォトダイオードＰＤにおいて光が入射されると、その入射光量に応じた光電荷が発生して、埋込型フォトダイオードＰＤに蓄積されて、埋込型フォトダイオードＰＤのポテンシャルが変化する。ここで、被写体の輝度が低いとき、埋込型フォトダイオードＰＤに光電荷が蓄積されて、図４（ａ）のように、埋込型フォトダイオードＰＤのポテンシャルが入射光量の積分値に対して線形的に変化する。又、被写体の輝度が高いとき、埋込型フォトダイオードＰＤのポテンシャルが低くなって転送ゲートＴＧのポテンシャルとの差が閾値に近づくと、図４（ｂ）のように、転送ゲートＴＧを含むＭＯＳトランジスタＴ１がサブスレッショルド領域で動作し、電流が流れる。よって、埋込型フォトダイオードＰＤに現れるポテンシャルが光電変換で発生する電流の対数値に比例するように変化する。
【００３５】
このようにして埋込型フォトダイオードＰＤにおいて光電変換動作が行われている一方で、信号φＲＳがハイとされて浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルがリセット電圧である直流電圧ＶRSによるポテンシャルに初期化される。そして、信号φＲＳがローとされてＭＯＳトランジスタＴ２をＯＦＦとして、図４（ｃ）のように、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルを浮遊状態とした後、ハイとなるパルス信号φＶがＭＯＳトランジスタＴ４のゲートに与えられて、ＭＯＳトランジスタＴ４がＯＮとされる。よって、初期化されたＮ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルに応じた電圧信号をノイズ信号として出力信号線１４に出力する。
【００３６】
その後、信号φＴＸの電圧値をＶＨに切り換えることによって、図５（ａ）のように、転送ゲートＴＧのポテンシャルを高くして、埋込型フォトダイオードＰＤに蓄積された光電荷をＮ型浮遊拡散層ＦＤに転移させる。よって、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルが、埋込型フォトダイオードＰＤにおけるポテンシャルに応じた値に変化する。そして、信号φＴＸの電圧値をＶＬに切り換えることによって、図５（ｂ）のように、転送ゲートＴＧのポテンシャルを低くして、埋込型フォトダイオードＰＤからの光電荷の転移を禁止することで、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤに埋込型フォトダイオードＰＤにおけるポテンシャルを保持させる。その後、ハイとなるパルス信号φＶをＭＯＳトランジスタＴ４のゲートに与えることで、入射光量に応じた電圧信号を画像信号として出力信号線１４に出力する。
【００３７】
このように画像信号を出力した後、信号φＶをローとする。そして、信号φＴＸの電圧値をＶＭに切り換えた後に、信号φＲＳをハイとしてＭＯＳトランジスタＴ２をＯＮとする。このようにして、埋込型フォトダイオードＰＤ及び転送ゲートＴＧ及びＮ型浮遊拡散層ＦＤそれぞれのポテンシャル状態を図４（ａ）のような関係とすることで、次の撮像動作を開始する。
【００３８】
このようにして、固体撮像装置２における画素Ｇ11〜Ｇmnが、Ｇ11〜Ｇm1、Ｇ12〜Ｇm2、…、Ｇ1n〜Ｇmnの順に、１行ごとに順次撮像動作（露光動作）を行うローリングシャッター方式を行い、各行の画素のノイズ信号及び画像信号が順に出力されて、選択回路１７−１〜１７−ｍにサンプルホールドされる。そして、選択回路１７−１〜１７−ｍにサンプルホールドされたノイズ信号及び画像信号が１画素毎に順番に補正回路１８に与えられて、ノイズ除去された画像信号が出力される。即ち、画素Ｇ1k〜Ｇmk（ｋは、１≦ｋ≦ｎの自然数）のノイズ信号及び画像信号が選択回路１７−１〜１７−ｍにサンプルホールドされているとき、補正回路１８より画素Ｇ1k，Ｇ2k，…，Ｇmkの画像信号が順番に出力される。
【００３９】
＜補正回路の構成及び動作＞
この補正回路について、図面を参照して説明する。図６は、補正回路の内部構成を示すブロック図である。又、図７は、補正回路内の各部におけるノイズ信号の状態を示す図である。
【００４０】
補正回路１８は、図６に示すように、選択回路１７−１〜１７−ｍからのノイズ信号に対してその信号レベルとなる電圧値を電圧Ｖｓ（例えば、１．８Ｖ）だけ低くするレベルシフタ１８１と、レベルシフタ１８１から出力されるノイズ信号に対してその信号レベルを電圧Ｖｓ（例えば、１．８Ｖ）だけ高くするレベルシフタ１８２と、レベルシフタ１８２から出力されるノイズ信号が非反転入力端子に入力されるとともに画像信号が反転入力端子に入力される差動アンプ１８３と、を備える。
【００４１】
又、図７（ａ）に示すように、通常状態でリセットされた画素から得られたノイズ信号の信号レベル（フラット領域ｔａの信号レベル）がリセット電圧である直流電圧ＶRSに応じた電圧値Ｖ１（例えば、２．０Ｖ）となり、高輝度が入射された状態でリセットされた画素から得られたノイズ信号の信号レベル（レベル変動領域ｔｂの信号レベル）が電圧値Ｖ１よりも低い電圧値Ｖ２（例えば、０．５Ｖ）となる。このとき、電圧値Ｖ２が、電圧値Ｖ１より電圧−Ｖｓだけレベルシフトした電圧値Ｖ１−Ｖｓ（０＜Ｖ１−Ｖｓ＜Ｖ２）よりも高い電圧となる。
【００４２】
このとき、図７（ａ）のようなノイズ信号がレベルシフタ１８１に入力されると、図７（ｂ）のように、フラット領域ｔａの信号レベルが電圧値Ｖ１−Ｖｓとなり、又、レベル変動領域ｔｂの信号レベルが電圧値０となる。よって、レベルシフタ１８１に入力されるときの図７（ａ）のようなノイズ信号において、フラット領域ｔａの信号レベルとレベル変動領域ｔｂの信号レベルの差がＶ１−Ｖ２と大きいが、レベルシフタ１８１でレベルシフトされた図７（ｂ）のようなノイズ信号においては、フラット領域ｔａの信号レベルとレベル変動領域ｔｂの信号レベルの差をＶ１−Ｖｓと小さくすることができる。
【００４３】
そして、電圧値Ｖｓだけレベルシフトされて信号レベルが低くされたノイズ信号がレベルシフタ１８１からレベルシフタ１８２に与えられると、電圧値Ｖｓだけレベルシフトされて信号レベルが高くされることで、図７（ｃ）のように、フラット領域ｔａの信号レベルの元の信号レベルＶ１とされる。このとき、図７（ｃ）のように、レベル変動領域ｔｂの信号レベルが電圧値０から電圧値Ｖｓにレベルシフトされる。このように、レベルシフタ１８１，１８２をノイズ信号が通過することによって、レベル変動領域ｔｂの信号レベルが電圧値Ｖ２から電圧値Ｖｓに高くなって、高輝度入射によるノイズ信号の電圧変動を抑制することができる。
【００４４】
そして、レベルシフタ１８２から出力される電圧変動が抑制されたノイズ信号が差動アンプ１８３の非反転入力端子に入力されるとともに、図７（ｄ）のように変化する画像信号が差動アンプ１８３の反転入力端子に入力される。このとき、図７（ａ）〜（ｃ）それぞれのノイズ信号及び図７（ｄ）の画像信号は、同一行の画素から連続して出力されるノイズ信号及び画像信号それぞれのアナログ信号である。よって、レベルシフタ１８１，１８２によって、レベル変動領域ｔｂによるレベル変動成分が低減されるアナログフィルタが構成されることとなる。又、差動アンプ１８３では、同一画素の画像信号とノイズ信号とが入力されて演算処理されるように、画像信号とノイズ信号の入力タイミングを同期させる。
【００４５】
尚、このような補正回路１８において、レベルシフタ１８１，１８２でレベルシフトする電圧Ｖｓが、リセット電圧ＶRSと各画素の閾値バラツキによるバラツキ量とに基づいて設定されるものとしても構わない。即ち、電圧値Ｖ１−Ｖｓが、各画素の閾値バラツキによるバラツキ量よりも大きい値であるとともに、電圧値Ｖｓが電圧値Ｖ１に近い値と設定されるようにしても構わない。又、本実施形態とは逆に、ノイズ信号の信号レベルが電圧値０に近い値となり、高輝度の被写体の撮像時におけるノイズ信号の信号レベルが電圧値Ｖ２に近い値となる場合、レベルシフタ１８１で電圧Ｖｓだけ高くなるようにレベルシフトされた後、レベルシフタ１８２で電圧Ｖｓだけ低くなるようにレベルシフトされる。
【００４６】
上述の実施形態において、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ４それぞれをＮチャネルのＭＯＳトランジスタによって構成されるものとした。このように、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ４それぞれがＮチャネルのＭＯＳトランジスタで構成されるとき、Ｐ型ウェル層又はＰ型サブストレートに構成される。又、ＭＯＳトランジスタＴ１、Ｔ２をＮチャネルのＭＯＳトランジスタに構成するとともに、ＭＯＳトランジスタＴ３、Ｔ４をＰチャネルのＭＯＳトランジスタに構成するものとしても構わない。更に、画素が図８の構成以外の回路構成となる固体撮像装置であっても構わない。
【００４７】
又、各画素に与える信号の状態を図３のタイミングチャートのように、ローリングシャッター方式であり、且つ、信号φＲＳをローとした後にパルス信号φＶが与えられてノイズ信号が出力されるものとしたが、信号φＲＳをローとするまでにパルス信号φＶが与えられてノイズ信号が出力されるものとしても構わない。又、全画素の転送ゲートＴＧを同時に駆動させることで１フレーム全ての画素を同時に露光動作させる電子シャッター機能を利用したグローバルシャッター方式によるタイミングで画像信号及びノイズ信号が出力されるものとしても構わない。
【００４８】
更に、補正回路１８において、ノイズ除去のために画像信号とノイズ信号とによる減算処理を行う減算器として、差動アンプ１８３を用いて、信号をアナログ信号のまま処理するものとしたが、このアナログ信号をデジタル信号に変換して減算処理するものであっても構わない。即ち、図６に示す補正回路１８において、差動アンプ１８３の代わりにデジタル処理を行う減算器を設けるとともに、レベルシフタ１８２から出力されるノイズ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、選択回路１７−１〜１７−ｍからの画像信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部を設ける。これにより、Ａ／Ｄ変換部でデジタル変換された画像信号とノイズ信号が減算器に与えられることで、減算器でデジタル処理を行うことができる。
【００４９】
又、このデジタル処理を行う補正回路１８内に設置された減算器を、固体撮像装置２の外部においてＡ／Ｄ変換部３の後段に設置するものとしても構わない。更に、補正回路１８のレベルシフタ１８１，１８２及び差動アンプ１８３の動作がデジタル処理によって成されるものであっても構わない。
【００５０】
このように、本実施形態によると、補正回路１８におけるレベルシフタ１８１，１８２により、ノイズ信号の信号レベルを切り換えることによって、白黒反転させるようなノイズ信号の信号レベルを通常のノイズ信号の信号レベルに近い状態に変換することができる。尚、ノイズ信号の白黒反転をより確実に防ぐために、メカニカルなシャッターを用いて、画素出力を読み出す走査期間やリセット期間といった、撮像期間以外の期間でシャッターを閉じて、画素への露光を防ぐ制御を追加しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】は、本発明の実施形態における撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図２】は、図１の撮像装置に備えられる固体撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図３】は、図２の固体撮像装置における動作例を説明するための各信号の状態を示すタイミングチャートである。
【図４】は、図２の固体撮像装置内の画素における各チャンネルのポテンシャル状態を示す図である。
【図５】は、図２の固体撮像装置内の画素における各チャンネルのポテンシャル状態を示す図である。
【図６】は、図２の固体撮像装置に設けられる補正回路の構成を示すブロック図である。
【図７】は、図６の補正回路内の各部の信号の状態を示す図である。
【図８】は、固体撮像装置に設けられる画素の構成を示す回路図である。
【図９】は、図８の画素の構成を示す概略構成図である。
【図１０】は、図８の画素における各チャンネルのポテンシャル状態を示す図である。
【図１１】は、図８の画素における動作例を示すための各信号の状態を示すタイミングチャートである。
【図１２】は、従来の固体撮像装置における白黒反転状態が発生時の出力を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１    光学系
２    固体撮像装置
３    Ａ／Ｄ変換部
４    画像処理部
５    信号制御部
１３−１〜１３−ｎ    ライン
１４−１〜１４−ｍ    出力信号線
１５    電源ライン
１６−１〜１６−ｍ    定電流源
１７−１〜１７−ｍ    選択回路
１８    補正回路
１８１，１８２    レベルシフタ
１８３    差動アンプ
２０    Ｐ型層
２１    Ｎ型埋込層
２２，２４    絶縁膜
２３，２５    ゲート電極
３０    Ｐ型基板
３１    Ｐ型ウェル層
ＦＤ    Ｎ型浮遊拡散層
Ｄ    Ｎ型拡散層
ＰＤ    フォトダイオード
Ｔ１〜Ｔ４    ＭＯＳトランジスタ
ＴＧ    転送ゲート
ＲＧ    リセットゲート
【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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