(57)【要約】【課題】  固体撮像素子において、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分を各画素から同時に取得可能にするために、深さ方向に積層した複数のフォトダイオードを利用しただけでは、一般的な原色Ｒ、Ｇ、Ｂの分光特性を得ることはできない。【解決手段】  電荷変換係数の異なる光電変換部を深さ方向に有する単位画素を複数配列した固体撮像装置は、前記光電変換部の電荷変換係数に応じて前記光電変換部の各々の出力信号に対して利得を調節して信号を出力する利得調節手段と、前記単位画素の異なる光電変換部に基づく利得を調節された異なる前記信号を用いて演算を行う演算処理手段と、を有する。【選択図】図１１
2007068203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電荷変換係数の異なる光電変換部を深さ方向に有する単位画素を複数配列した固体撮像装置であって、
前記光電変換部の電荷変換係数に応じて前記光電変換部の各々の出力信号に対して利得を調節して信号を出力する利得調節手段と、
前記単位画素の異なる光電変換部に基づく利得を調節された異なる前記信号を用いて演算を行う演算処理手段と、
を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
更に、
前記光電変換部の信号電荷に対応した出力信号とリセット状態に対応した出力信号を差分処理して、差信号を前記利得調節手段に出力する差分処理手段を有す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】
前記複数の光電変換部が、表面から深さ方向に対し、少なくとも第１、第２及び第３の光電変換部で構成され、
前記演算処理手段は、
前記第１の光電変換部からの第１の出力信号をそのまま出力し、前記第２の光電変換部からの第２の出力信号から前記第１の出力信号を減算して出力し、前記第３の光電変換部からの第３の出力信号から前記第２の出力信号を減算し、かつ、第１の出力信号を加算して出力する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
電荷変換係数の異なる光電変換部を深さ方向に複数形成した単位画素を複数配列した固体撮像装置であって、
前記光電変換部の信号電荷に対応した出力信号とリセット状態に対応した出力信号を差分処理する差分処理手段と、
前記単位画素の光電変換部に基づく、前記差分手段によって得られた差信号に対して利得を調節して信号を出力する利得調節手段と、
前記単位画素の異なる光電変換部に基づく異なる利得を調節された前記信号を用いて演算を行う演算処理手段と、
を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
前記固体撮像装置からの信号をディジタル信号に変換するA/D変換器と、
前記A/D変換器の信号を信号処理する信号処理回路と、
前記固体撮像装置に光を結像するレンズと
を有する撮影システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は撮像装置に関し、特にビデオカメラやデジタルスチルカメラ等の撮影システムに広範に用いられる固体撮像装置の出力系の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、デジタルカメラ等の撮像装置で用いられる固体撮像素子において、解像度の向上及び撮像装置の小型化を実現するために様々な提案がされている。そのような固体撮像素子の一つとして、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分を各画素から同時に取得可能なＭＯＳ型の撮像素子の構成が特許文献１に開示されている。以下、当該撮像装置の概略を説明する。
【０００３】
図１は、特許文献１に開示された固体撮像素子の構成を示す図であり、各画素のフォトダイオードをトリプルウエル構造で形成した、３層構造のフォトダイオードを示している。同図において、１００はｐ形のシリコン基板、１０２はシリコン基板１００上に形成されたｎウェル、１０４はｎウェル１０２上に形成されたｐウェル、１０６はｎ形領域である。１０８は光電流センサで、赤（Ｒ）成分の電流を検出する電流計１１０と、緑（Ｇ）成分の電流を検出する電流計１１２と、青（Ｂ）成分の電流を検出する電流計１１４とを有する。
【０００４】
図１に示すように、フォトダイオードはｐ型シリコン基板表面から順次拡散される、ｎ型層、ｐ型層、ｎ型層をこの順に深く形成することで、ｐｎ接合ダイオードがシリコンの深さ方向に３層形成される。ダイオードに表面側から入射した光は波長の長いものほど深く侵入し、入射波長と減衰係数はシリコン固有の値を示すので、３層構造のフォトダイオードを可視光の各波長帯域（Ｒ、Ｇ、Ｂ）をカバーするようにｐｎ接合の深さを設計し、上記３層のフォトダイオードから別々に電流を検出することで、異なる波長帯の光信号を検出することができる。
【０００５】
更に、得られた３つの信号を演算処理し、色信号分離することにより、画像を再生することができる。
【０００６】
また、図２は、図１に示すフォトダイオードを利用した画素部の等価回路である。この等価回路によれば、各フォトダイオードからの電気信号は３つのソースフォロアで出力される構成となっている。
【特許文献１】米国特許第５,９６５,８７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図２に示す従来の画素部等価回路では、３つのフォトダイオードは直列に接続されているので、ＧＮＤに接続されているＲ以外は各フォトダイードの電圧により影響を受けることになる。また、３つのソースフォロアは各画素ごとに閾値がばらつくため、固定パターンノイズが発生する。さらに、図１に記載の深さ方向に重ねて形成されたフォトダイオードの構成と各層の濃度から計算して得られる分光特性は図３に示すようなものであって、単にフォトダイオードの構造を図１のようにしただけでは一般的な原色Ｒ、Ｇ、Ｂの分光特性を得ることはできないと言う問題点があった。また、深さ方向に重ねて形成された各フォトダイオードでは接合面積が異なるため、各信号電荷が電圧に変換される際の電荷変換係数が異なり、これにより分光特性を精度良く得ることができなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、電荷変換係数の異なる光電変換部を深さ方向に有する単位画素を複数配列した固体撮像装置であって、前記光電変換部の電荷変換係数に応じて前記光電変換部の各々の出力信号に対して利得を調節して信号を出力する利得調節手段と、前記単位画素の異なる光電変換部に基づく利得を調節された異なる前記信号を用いて演算を行う演算処理手段と、を有することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、電荷変換係数の異なる光電変換部を深さ方向に複数形成した単位画素を複数配列した固体撮像装置であって、前記光電変換部の信号電荷に対応した出力信号とリセット状態に対応した出力信号を差分処理する差分処理手段と、前記単位画素の光電変換部に基づく、前記差分手段によって得られた差信号に対して利得を調節して信号を出力する利得調節手段と、前記単位画素の異なる光電変換部に基づく異なる利得を調節された前記信号を用いて演算を行う演算処理手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、良好な画像信号を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図５は、本発明における固体撮像装置としてのＣＭＯＳセンサの概略図である。ここで、５０１は画素回路であり、図１に示す構造を有する光電変換部であるフォトダイオ−ドや読み出しやリセット用のトランジスタを有し、画素回路５０１は水平方向及び垂直方向に２次元アレイ状に配列している。５０２は画素からの信号が出力される垂直出力線であり、５０３は画素内のトランジスタに電圧を伝えるための信号線である。５０４は信号線３に垂直方向に順次パルスを出力する垂直走査回路であり、５０５は画素内のトランジスタ（図２のＭ４、Ｍ６、Ｍ８のいずれか）とソ−スフォロワ回路を構成する負荷トランジスタである。５０６は画素からのノイズ信号と光電変換信号を読み出す読み出し回路であり、出力端５０７においてＲ、Ｇ、Ｂの各色について電圧出力が得られる。
【００１２】
次に、画素回路における動作を簡単に説明する。画素回路５０１の構成は図２に示すようになり、Ｒ、Ｇ、Ｂの各信号を読み出す。ここで基本的な制御動作は共通するため、Ｒ信号の場合について説明する。Ｒ信号を出力するためのフォトダイオードの電荷蓄積ノードは、トランジスタＭ３がＲＥＳＥＴ信号によりオンされることにより、所定の電位にリセットされる。この時、ＲＥＳＥＴ信号は、Ｂ信号及びＧ信号のリセット用のトランジスタＭ１及びＭ２にもかかっているので、Ｂ，Ｇ信号のフォトダイオードもリセットされる。
【００１３】
リセット用のトランジスタＭ１からＭ３が閉じられてリセットが終了すると、その後、各フォトダイオ−ドで光電荷の蓄積が始まる。この蓄積開始から一定期間が経過したら、トランジスタＭ５、Ｍ９、Ｍ６の順に光電変換信号電位を、読み出し回路側に転送する。当該転送が終了したら、再度、リセット用のトランジスタＭ１乃至Ｍ３をＨｉｇｈにしてフォトダイオ−ドをリセットするとともに、リセット電位をノイズ信号として読み出し回路側に読み出すようにする。
【００１４】
上記のように、米国特許第５,９６５,８７５号における図１に示す深さ方向に積層されたフォトダイオードの構造では、図３に示すような分光特性しか得ることができず一般的な原色Ｒ、Ｇ、Ｂの分光特性とはほど遠いものである。図３は、図１に示す３層構造のフォトダイオードを光照射した場合に得られる信号値のシミュレーションを示す図であり、出力回路から直接得られる出力を示す。なお、Ｂは最上層のフォトダイオードからの出力を、Ｇ出力は中央のフォトダイオードからの出力を、Ｒ出力は最下層のフォトダイオードからの出力を示している。
【００１５】
分光特性を改善するために、以下に説明する本発明の実施形態では、読み出し回路６において、積層されたフォトダイオードのうち、最も表面に近い位置に形成された第１のフォトダイオードからの第１の出力信号（Ｂ）、次に表面に近い位置に形成された第２のフォトダイオードからの第２の出力信号（Ｇ）から第１の出力信号（Ｂ）を減算した信号（Ｇ-Ｂ）、最も深い（最も表面から遠い）位置に形成された第３のフォトダイオードからの第３の出力信号（Ｒ）から第２の出力信号（Ｇ）を減算し第１の出力信号（Ｂ）を加算した信号（Ｒ-Ｇ+Ｂ）を得ることによって、図４に示すような分光特性を得ることができる。このような演算を行うのは、フォトダイオードＧからの出力にはＧ成分にＢ成分が混ざっているため、Ｇ成分を分離する必要があるからである。このとき、フォトダイオードＧの蓄積電荷は正孔であり、フォトダイオードＢの蓄積電荷は電子であるため、両方の出力を足しあわせることで実質的には引き算となる。同様に、フォトダイオードＲの出力をそのままＲ成分信号とするにはやはり色分離が悪いため、Ｇ成分を分離する。
【００１６】
［第１の実施形態］
図６は、図５における読み出し回路５０６の詳細な構成を示す図である。読み出し回路５０６は、１画素列毎に配置される回路ブロック６０１が画素アレイの列数分だけ配置された構成となっており、図５における垂直走査回路５０４によって１行選択されると、選択された画素の信号が当該回路ブロック６０１の列に並列に読み出され処理される。当該回路ブロック６０１からの出力は、差動アンプ６０３から６０５へ入力される。回路ブロック６０１は、Ｒ信号用の回路６０１Ｒ、Ｇ信号用の回路６０１Ｇ及びＢ信号用の回路６０１Ｂで構成されている。回路６０１Ｒ等のそれぞれは、同一の構成を採用している。そこで、回路６０１Ｒを例に説明すると、光電変換信号を蓄積するための保持容量ＣＴＳＲと、ノイズ信号を蓄積するための保持容量ＣＴＮＲとを備え、当該信号の蓄積は、トランジスタＮ８５及びＮ８６がＰＴＳＲ信号及びＰＴＮＲ信号のＬｏｗからＨｉｇｈへの変化に応じてオンされることにより行われる。
【００１７】
また、当該各容量ＣＴＳＲ、ＣＴＮＲは、信号値を蓄積する前処理として、トランジスタＮ８２３、Ｎ８２４及びＰＣＴＲ信号によりリセットされる。また、各容量ＣＴＳＲ、ＣＴＮＲの電位は、水平走査回路６０８からの出力信号Ｈ１によりトランジスタＮ８１７、Ｎ８１８が解放されることにより、差動アンプ６０３に入力されて差動処理により光電変換信号からノイズ成分が除去される。
【００１８】
図１の構造のフォトダイオードでは、ＲはＧＮＤに接続されており、他のフォトダイオードの電圧の影響を受けないので、差動アンプ６０３からはＲ信号はそのまま出力される。しかし、フォトダイオードＧは、Ｒから電圧の影響を受けるので差動アンプ６０４からは、Ｇ-Ｒ信号が出力される。そこで、演算回路６０６において差動出力６０４からの出力信号にＲ信号を足してＲ信号の影響を除去したＧ信号の値を出力端Ｇｏｕｔへ出力する。また、差動アンプ６０５からの出力は、同様にして、フォトダイオードＧからの電圧の影響を受けてＢ-Ｇ+Ｒとなるので、差動アンプ６０４からの出力を演算回路６０７を利用して加算ことによってＢ信号を出力する。なお、Ｇ信号はＲ、Ｂ信号に対して極性が逆になるので、差動アンプからの出力を単純に足しあわせるだけでよい。
【００１９】
図７は、図６に示す読み出し回路を用いて容量差分方式により光電変換信号からノイズ成分を除去する場合の制御のタイミングチャートである。
【００２０】
まず、T１において、ＰＣＴＲ信号をＨｉｇｈにして保持容量ＣＴＳＲ、ＣＴＮＲをリセットする。次に、T２において、行選択信号ＲＯＷＲと、ＰＴＳＲ信号をＨｉｇｈにしてフォトダイオードＲの光電変換信号電位を保持容量ＣＴＳＲへ蓄積する。Ｔ３、Ｔ４でも、同様にしてそれぞれフォトダイオードＧ及びフォトダイオードＢの光電変換信号電位を保持容量ＣＴＳＧ及びＣＴＳＢへ蓄積する。
【００２１】
次に、ＲＥＳＥＴ信号をＨｉｇｈにした状態で、Ｔ５においてフォトダイオードＲをリセットするとともに、フォトダイオードＲのノイズ信号の電位を保持容量ＣＴＮＲへ蓄積する。同様にして、Ｔ６、Ｔ７においてフォトダイオードＧ及びフォトダイオードＢのノイズ信号の電位を保持容量ＣＴＮＧ及びＣＴＮＢへ蓄積する。
【００２２】
次に、読み出し動作に移行して、Ｔ８で水平走査回路５０６からの出力Ｈ１がＨｉｇｈになり、保持容量ＣＴＳＲとＣＴＮＲ、ＣＴＳＧとＣＴＮＧ、ＣＴＳＢとＣＴＮＢの電荷を対応する差動アンプ６０３、６０４、６０５にそれぞれ転送して差分処理を行う。また、Ｈ１がＬｏｗになった時に、ＰＣＨＲをＨｉｇｈにして、差動アンプへの水平出力線をリセットする。Ｔ９以降は、水平走査回路からの出力に対応する列についてＴ８と同様の処理を行って画像信号を出力する。また、１行分の処理を所定行数分繰り返すことにより、１フレーム分の画像信号を読み出すことができる。
【００２３】
［第２の実施形態］
図８は、図５における読み出し回路５０６の別の構成を示す図である。読み出し回路５０６は、１画素列毎に配置される回路ブロック８０１が画素アレイの列数分だけ配置された構成となっており、図５における垂直走査回路５０４によって１行選択されると、選択された画素の信号が当該回路ブロック６０１の列に並列に読み出され処理される。当該回路ブロック８０１からの出力は、差動アンプ８０３から８０５へ入力される。回路ブロック８０１は、Ｒ信号用の回路８０１Ｒ、Ｇ信号用の回路８０１Ｇ及びＢ信号用の回路８０１Ｂで構成されている。回路８０１Ｒ等のそれぞれは、同一の構成を採用している。この回路構成について８０１Ｒを例に説明すると、Ｃ０Ｒは画素出力をクランプするためのクランプ容量、Ｎ１０１はクランプ動作用のＭＯＳスイッチ、ＶＣ０Ｒはクランプ電位、ＣＴＲは信号電圧を蓄積するための容量、Ｎ１０４はクランプ容量Ｃ０Ｒと蓄積容量ＣＴＲとを導通させるためのスイッチ用ＭＯＳトランジスタ、ＰＴＲはトランジスタＮ１０４のゲートにパルスを印加するための端子、Ｎ１０７は水平走査回路８０８の出力をそのゲートに受けて、蓄積容量ＣＴＲに蓄積された信号を転送するためのＭＯＳトランジスタである。
【００２４】
図８の読み出し回路の動作は、図９に示すタイミングチャートを参照して以下のように説明できる。画素回路５０１からの出力は、第１の実施形態と同じように、リセットレベルに転送された信号電荷が上乗せされた光電変換信号、ノイズ信号の順になされる。まずＴ１において、行選択信号ＲＯＷＲがＨｉｇｈになると、画素回路５０１からはフォトダイオードＲについての信号出力がなされるので、ＰＣ０Ｒ及びＰＴＲをＨｉｇｈレベルの電位を加えてトランジスタＮ１０１及びＮ１０４をオンし、クランプ部Ｃ０Ｒと蓄積容量ＣＴＲの電位をクランプ電位とする。画素回路５０１からの出力がある状態で、ＰＣ０ＲをＬｏｗとすることにより、クランプ容量Ｃ０ＲにはＲ信号がクランプされる。フォトダイオードＧ及びフォトダイオードＢについても同様の動作をＴ２，Ｔ３で行う。
【００２５】
次に、Ｔ４では、ＲＥＳＥＴ信号がＨｉｇｈとなり、画素回路５０１からはフォトダイオードＲについてのノイズ信号が出力される。これにより、クランプ容量Ｃ０Ｒを通して、容量結合によりＣＴＲにクランプされた電位からリセット電位への変化分が現れる。この状態でＰＴＢをＬｏｗにしてＣＴＲの電圧を保持する。フォトダイオードＧ及びフォトダイオードＢについての出力においても、Ｔ５、Ｔ６で同様の動作を行う。その後、Ｔ７以降では、第１の実施形態と同様に読み出し動作に移行する。
【００２６】
但し、差動アンプ８０３、８０４、８０５へ入力される信号は、ＣＴＲ、ＣＴＧ、ＣＴＢに蓄積された各信号であって、すでにノイズ信号は除去されているので、第１の実施形態とは異なり、差動アンプ８０３、８０５は正相入力端へ、差動アンプ８０４は逆相入力端へのみ入力され、他方の入力端には所定の参照電圧が入力され、差動処理が行われる。
【００２７】
［第３の実施形態］
図１０は、図６及び図８における点線で囲まれた信号処理部６０２及び８０２の構成の一例を示す図である。
【００２８】
Ａｍｐ１に対する入力Ｒｉｎｐは、図６及び図８における差動アンプ６０３の正相に対応し、Ｒｉｎｎは、同逆相に対応する。すなわち、ＲｉｎｐにはフォトダイオードＲのノイズ信号が入力され、Ｒｉｎｎには光電変換信号が入力される。フォトダイオードＢについてもフォトダイオードＲと同様であるが、フォトダイオードＧについては、極性が逆になるので、Ｇｉｎｐに光電変換信号が入力され、Ｇｉｎｎにノイズ信号が入力される。
【００２９】
ここでＡｍｐ１乃至Ａｍｐ８はｇｍアンプであり、Ａｍｐ１及びＡｍｐ２についてみると、トランジスタＮ１及びＮ２と定電流源Ｉ１およびＩ２により構成されるソースフォロワ回路とともに電圧フォロア回路を構成するので、抵抗Ｒ１にかかる電位差は、Ａｍｐ１及びＡｍｐ２の入力Ｒｉｎｐ及びＲｉｎｎの電圧差に対応し、Ｒ１には当該電位差に応じた電流が流れる。これにより、トランジスタＮ１及びＮ２のドレイン電流が決まり、当該電流はトランジスタＰ３とＰ４で構成されるカレントミラー回路を介して電流差動アンプＡｍｐ３の入力となり、電圧に変換され出力端Ｒｏｕｔにおいて出力信号を得る。
【００３０】
フォトダイオードＲは、上記のようにＧＮＤに接続されているのでカレントミラーからのソース電流がそのまま電圧に変換されるが、フォトダイオードＧ、フォトダイオードＢについては、上記のように他の色成分からの影響を除去するためにカレントミラーからのソース電流を利用して電流加算を行ってから電圧に変換する。
【００３１】
このように差電圧を電流に変換し差分処理の出力を電流出力とし、上記演算処理は電流の加減算によって行った後に電圧に変換して出力することにより、通常の演算増幅器を用いた差動増幅器と比較して同相信号除去比（ＣＭＲＲ）を高くすることができ、ノイズ除去率を高くすることができる。
【００３２】
［第４の実施形態］
上記実施形態において実行される演算処理は、フォトダイオードＧおよびフォトダイオードＢの信号からフォトダイオードＲの信号電圧の影響を除去するために行われる演算処理であり、電圧として演算処理をすれば良かった。これに対して、前記の分光特性を改善するための演算処理は、各フォトダイオードから得られる信号電荷の状態で演算する必要があるが、深さ方向に重ねて形成された各フォトダイオードでは接合面積が異なるため、各信号電荷が電圧に変換される際の電荷変換係数が異なる。そこで、本実施形態では、各フォトダイードから出力までの電荷変換係数をあらかじめ記憶手段に記憶しておき、この記憶された値からＧＣＡ（Gain Control Amp）によってゲインをコントロールした後に上記演算処理を行うことによって、図１２に示すような分光特性を精度良く得ることができる。
【００３３】
図１１は、本実施形態に対応した図６及び図８における信号処理回路６０２及び８０２の構成の一例を示す図である。ここでは、各信号に対応する差動アンプ１１０１、１１０２及び１１０３の出力を加算演算した結果をＧＣＡ１１０４、１１０５及び１１０６に入力して利得を調節している。ゲインを調節した後、フォトダイオードＢについては、調節後の電圧値をそのままＢｏｕｔに出力する。一方、フォトダイオードＧについては、差動アンプ１１０８の逆相にＧＣＡ１１０６からの出力信号を入力、すなわちＧ信号からＢ信号成分を除去してＧｏｕｔ端の信号出力を得る。さらに、差動アンプ１１０８の出力を差動アンプ１１０７の逆相に入力して、Ｒ信号からＧ信号成分を除去して出力端Ｒｏｕｔより信号出力する。
【００３４】
これにより、図１２に示すような分光特性が得られる。これは、図４に示す分光特性に対してピークが同じになるようにゲインをかけ、赤外カットフィルタを通したあとの分光特性であり、一般的な原色Ｒ、Ｇ、Ｂの分光特性に近いものである。
【００３５】
［第５の実施形態］
次に、図１３を参照して、上記第１乃至第４の実施形態で説明した固体撮像装置を用いた画像入力装置について説明する。当該画像入力装置には、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、スキャナ等が含まれる。以下では、主にスチルカメラの例について説明する。以下の説明は、画像入力装置の一例として説明するものであって、ここに記載する技術を本発明の精神から逸脱することなく、他の画像入力装置に適用することは当業者の通常の技術活動に過ぎず、当該他の装置は本発明の技術的範囲に属するものである。
【００３６】
図１３において、１３０１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、１３０２は被写体の光学像を撮像装置１３０４に結像させるレンズ、１３０３はレンズ１３０２を通った光量を可変制御するための絞り、１３０４はレンズ１３０２により結像された被写体光学像を画像信号として取り込むための固体撮像素子（上記第１〜第３実施形態で説明した撮像装置に対応する）、１３０５は、撮像装置１３０４から出力される画像信号を増幅するゲイン可変アンプ部及びゲイン値を補正するためのゲイン補正回路部等を含む撮像信号処理回路、１３０６は撮像装置１３０４より出力される画像信号のアナログーディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器である。
【００３７】
また、１３０７はＡ／Ｄ変換器１３０６より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、１３０８は撮像装置１３０４、撮像信号処理回路１３０５、Ａ／Ｄ変換器１３０６、信号処理部１３０７に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、１３０９は各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部、１３１０は画像データを一時的に記憶する為のメモリ部、１３１１は記録媒体に記録または読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部、１３１２は画像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、１３１３は外部コンピュータ等と通信する為のインターフェース部である。
【００３８】
次に、前述の構成における撮影時のスチルビデオカメラの動作について説明する。バリア１３０１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、更にＡ／Ｄ変換器１３０６などの撮像系回路の電源がオンされる。
【００３９】
その後、露光量を制御する為に、全体制御・演算部１３０９は絞り１３０３を開放にし、固体撮像素子１３０４から出力された信号はＡ／Ｄ変換器１３０６で変換された後、信号処理部１３０７に入力される。全体制御・演算部１３０９は、信号処理部１３０７により所定の信号処理がされたデータを基に測光を行い、その結果により明るさを判断し、露出の演算を行う。そして得られた露出に応じて絞り１３０３を制御する。
【００４０】
次に、撮像装置１３０４から出力された信号を基に、全体制御・演算部１３０９は高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を行う。その後、レンズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は、再びレンズを駆動し測距を行う。そして、合焦が確認された後に本露光を始める。
【００４１】
露光が終了すると、撮像装置１３０４から出力された画像信号はＡ／Ｄ変換器１３０６でＡ／Ｄ変換され、信号処理部１３０７を通り全体制御・演算部１３０９によりメモリ部１３１０に書き込まれる。
【００４２】
その後、メモリ部１３１０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部１３０９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部１３１１を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１３１２に記録される。
【００４３】
また、外部Ｉ／Ｆ部１３１３を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
【００４４】
以上に説明したように、信号電荷に対応した出力信号とリセット状態に対応した出力信号を差分処理して出力することによって、各画素のフォトダイオードの信号電荷を読み出すために各画素に形成されたソースフォロアの閾値ばらつきに起因する固定パターンノイズを除去することができる。
【００４５】
また、信号電荷に対応した出力信号とリセット状態に対応した出力信号をそれぞれ保持するための１行分の保持容量を、深さ方向に重ねて形成された各フォトダイオードごとに設け、複数の共通出力線に並列に時系列に順次出力することによって、複数のフォトダイオードの出力を同時に出力することができ、複数フレームを順次読み出す方式に比べスピードを上げることができるとともに、各画素の複数種類の波長帯域に反応した信号（例えば原色Ｒ、Ｇ、Ｂ信号）を同時に得ることができるため、画像処理が容易になる。
【００４６】
さらに、深さ方向に重ねて形成され直列に配置された複数のフォトダイオードからの出力信号は、片方の端子が絶対電位（例えばGND）に固定されているフォトダイオード以外は隣り合うフォトダイオードの電位の影響を受ける。本発明のように同一チップ内でこの影響を除去するための演算を行うことによってSNを向上することができる。
【００４７】
また、画素信号の読み出し回路において、差電圧を電流に変換し差分処理の出力を電流出力とし、上記演算処理は電流の加減算によって行った後に電圧に変換して出力することにより、通常の演算増幅器を用いた差動増幅器と比較して同相信号除去比（ＣＭＲＲ）を高くすることができ、ノイズ除去率を高くすることができる。
【００４８】
さらに、深さ方向に重ねて形成された各フォトダイオードにおいて、接合面積が異なるため、各信号電荷が電圧に変換される際の電荷変換係数が異なる場合であっても、各フォトダイードから出力までの電荷変換係数をあらかじめ記憶手段に記憶しておき、この記憶された値からGCA（Gain Control Amp）によってゲインをコントロールした後に所定の演算処理を行うことによって、一般的な原色Ｒ、Ｇ、Ｂの分光特性に近い分光特性を精度良く得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】米国特許第５,９６５,８７５号に開示された固体撮像素子の構成を示す図である。
【図２】図１の個体撮像素子を利用した画素の等価回路である。
【図３】従来の画素回路構成における分光特性を示す図である。
【図４】本発明の固体撮像装置の分光特性の一例を示す図である。
【図５】本発明の固体撮像装置の構成の一例を示す図である
【図６】本発明の第１の実施形態における読み出し回路５０６の詳細な構成を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施形態における制御のタイミングチャートである。
【図８】本発明の第２の実施形態における読み出し回路５０６の詳細な構成を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施形態における制御のタイミングチャートである。
【図１０】本発明の第３の実施形態における信号処理回路の構成の一例を示す図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態における信号処理回路の構成の一例を示す図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態に対応する回路構成により得られる分光特性を示す図である。
【図１３】本発明の第５の実施形態における撮像システムの構成を示すブロック図である。
【図１】
2007068203.tif 000003
【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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【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年1月16日(2007.1.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電荷変換係数の異なる複数の光電変換部を深さ方向にそれぞれ有する単位画素を、複数配列した固体撮像装置であって、
前記光電変換部の電荷変換係数に応じて前記光電変換部の各々からの第１の信号に対する利得を調節して第２の信号を出力する利得調節手段と、
前記単位画素の第１の光電変換部に基づく前記第２の信号から、当該単位画素の第２の光電変換部に基づく前記第２の信号を減算する、減算処理を行う演算処理手段と、
を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
電荷変換係数の異なる複数の光電変換部を深さ方向にそれぞれ有する単位画素を、複数配列した固体撮像装置であって、
前記単位画素の光電変換部の各々からの複数の第１の信号を用いて、該複数の第１の信号のうちで重複する信号の成分を低減して複数の第２の信号を出力する第１の演算処理手段と、
前記単位画素の前記光電変換部の電荷変換係数に応じて前記複数の第２の信号に対する利得を調節して複数の第３の信号を出力する利得調節手段と、
前記単位画素の第１の光電変換部に基づく前記第３の信号から、当該単位画素の第２の光電変換部に基づく前記第３の信号を減算する、減算処理を行って出力する第２の演算処理手段と、
を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
前記第１の信号は、前記光電変換部の信号電荷に対応した出力信号とリセット状態に対応した出力信号とを差分処理して得られた差信号であることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
電荷変換係数の異なる複数の光電変換部を深さ方向にそれぞれ有する単位画素を、複数配列した固体撮像装置であって、
前記単位画素に含まれる複数の光電変換部は、表面から深さ方向に対し、少なくとも第１、第２及び第３の光電変換部で構成され、
前記光電変換部の電荷変換係数に応じて、前記光電変換部の各々の出力信号に対する利得を調節して信号を出力する利得調節手段と、
前記単位画素の異なる光電変換部に基づく、利得を調節された異なる前記信号を用いて演算を行う演算処理手段と、
を有し、
前記演算処理手段は、
利得を調節された前記第１の光電変換部からの第１の出力信号を出力し、
利得を調節された前記第２の光電変換部からの第２の出力信号から前記利得を調節された第１の出力信号を減算して出力し、
利得を調節された前記第３の光電変換部からの第３の出力信号から前記利得を調節された第２の出力信号を減算し、かつ、前記利得を調節された第１の出力信号を加算して出力する
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項５】
電荷変換係数の異なる複数の光電変換部を深さ方向にそれぞれ有する単位画素を複数配列した固体撮像装置であって、
前記単位画素に含まれる複数の光電変換部は、表面から深さ方向に対し、少なくとも第１、第２及び第３の光電変換部で構成され、
前記光電変換部の信号電荷に対応した出力信号とリセット状態に対応した出力信号を差分処理することで差信号を出力する差分処理手段と、
前記差信号に対する利得を調節して信号を出力する利得調節手段と、
前記単位画素の異なる光電変換部に基づく、利得を調節された前記信号を用いて演算を行う演算処理手段と、
を有し、
前記演算処理手段は、
利得を調節された前記第１の光電変換部からの第１の出力信号を出力し、
利得を調節された前記第２の光電変換部からの第２の出力信号から前記利得を調節された第１の出力信号を減算して出力し、
利得を調節された前記第３の光電変換部からの第３の出力信号から前記利得を調節された第２の出力信号を減算し、かつ、前記利得を調節された第１の出力信号を加算して出力する
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
前記固体撮像装置からの信号をディジタル信号に変換するA/D変換器と、
前記A/D変換器の信号を信号処理する信号処理回路と、
前記固体撮像装置に光を結像するレンズと
を有する撮影システム。