(57)【要約】【課題】列回路の発光によって生じる白浮きの程度を、画面上下端の中央付近と左右端で均一にすることにより、画質の劣化を抑えた撮像素子を提供すること。【解決手段】複数の光電変換素子を備える単位画素が行列状に配置された画素アレイ部と、前記画素アレイ部の列毎に前記画素アレイ部の撮像信号を読み出す動作に関連して駆動される複数の列回路とを備え、前記複数の列回路全体の横幅は、前記画素アレイ部の横幅よりも広くなるように前記画素アレイ部と前記複数の列回路が配置されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光電変換素子を備える単位画素が行列状に配置された画素アレイ部と、
前記画素アレイ部の列毎に前記画素アレイ部の撮像信号を読み出す動作に関連して駆動される複数の列回路と、を有し、
前記複数の列回路全体の横幅は、前記画素アレイ部の横幅よりも広くなるように前記画素アレイ部と前記複数の列回路が配置されていることを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
前記単位画素とその前記単位画素の撮像信号を読み出す前記列回路までの距離が各列一定となるように、前記画素アレイ部と前記複数の列回路が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記画素アレイ部の一辺の側とその辺に対向する一辺の側の両側に前記複数の列回路が配置されていることを特徴とする請求項２に記載の撮像素子。
【請求項４】
前記撮像素子は前記画素アレイ部の撮像信号を行毎に順次読み出すような駆動を行なう垂直走査回路を有し、読み出す動作を終了する側に配置された前記複数の列回路全体の横幅は、撮像信号を読み出す動作を開始する側に配置された前記複数の列回路全体の横幅よりも大きいことを特徴とする請求項３に記載の撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、列回路を有する撮像素子に関し、特に撮像素子の列回路の配置に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像装置に用いられる撮像素子としてＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）撮像素子が知られている。このＣＭＯＳ撮像素子は、行方向及び列方向に２次元配置された画素から撮像信号を読み出すための列回路が備えられている。この列回路による撮像への影響の一例として、列回路を駆動する際に、列回路が微小ながら発光する可能性があり、列回路の近くに配置された画素の光電変換素子において、列回路が発する光に反応することで撮像信号の信号レベルが変化し、得られた画像に白浮きが生じることが挙げられる。
【０００３】
この現象に対し、特許文献１では、列回路の発光による画面の白浮きを抑制するために、上下端から中央に向かって少なくとも１行ずつ交互に画素からの撮像信号を読み出す技術が開示されている。これにより、列回路の発光の影響による画面端の白浮きを抑制することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１２１０２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された撮像信号の読み出し方法では、全行から読み出した撮像信号を用いて二次元画像を生成する場合、行を並び替える必要があり、その並び替え処理の負担が発生する。
【０００６】
並び替え処理を無くすために、画素から撮像信号を順番に読み出すと、画面上下端の中央付近と左右端では、列回路の発光によって発生する白浮きの程度が異なってしまう。画面上下端の中央付近では、周りの複数の列回路による発光の影響を受けるが、画面上下端の左右端では、左右どちらか一方は列回路が配置されていないため、列回路による白浮きの程度は、中央付近よりも小さい。したがって、画面上下端の中央付近と左右端で異なるレベルの白浮きが発生してしまう。
【０００７】
白浮きの程度が異なる場合、画面内に二次元状のシェーディングが発生し、画質を劣化させる。そのため、二次元シェーディングを補正する必要があり、その補正処理は簡易に行えるものではない。一方、白浮きの程度を均一にした場合、画面内に一次元のシェーディングが発生する。この一次元のシェーディングを補正する処理は、二次元のシェーディングを補正する処理よりも簡易に行うことができる。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、画素から順番に撮像信号を読み出す際、列回路の発光によって生じる白浮きの程度を、画面上下端の中央付近と左右端で均一にすることにより、画質の劣化を抑えた撮像素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の撮像素子は、複数の光電変換素子を備える単位画素が行列状に配置された画素アレイ部と、前記画素アレイ部の列毎に前記画素アレイ部の撮像信号を読み出す動作に関連して駆動される複数の列回路とを備え、前記複数の列回路全体の横幅は、前記画素アレイ部の横幅よりも広くなるように前記画素アレイ部と前記複数の列回路が配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、列回路を備える撮像素子において、列回路の発光によって生じる白浮きの程度を、画面上下端の中央付近と左右端で均一にすることにより、画質の劣化を抑えた撮像素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係わる撮像素子の構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係わる撮像素子の簡易回路図である。
【図３】本発明の実施形態に係わる画素部から撮像信号を読み出す場合の１水平期間における一例の駆動タイミングを示すタイミングチャートである。
【図４】本発明の実施形態に係わる全画素リセットにおける撮像信号を読み出す場合の一例の駆動タイミングを示すタイミングチャートである。
【図５】第２の実施形態に係わる撮像素子の構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。なお、列回路の発光源は、後述する列アンプとして各実施形態を説明する。
【００１３】
＜第１の実施形態＞
図１は本発明の実施形態に係わる撮像素子の一例を示すブロック図である。本発明に係わる撮像素子１００は複数の画素部１０１から構成される画素アレイ部１０２、垂直出力線１０３、列回路１０４としての負荷電流源１０５及び読み出し回路１０６、列選択スイッチ１０７、１０８、垂直走査回路１０９、水平走査回路１１０、水平出力線１１１、１１２、出力アンプ１１３、リセットスイッチ１１４、１１５を有する。
【００１４】
なお、図１はノイズ除去回路を備えた構成となっている。詳細は後述するが、水平出力線１１２には、撮像信号が出力され、水平出力線１１１にはノイズ信号が出力される。出力アンプ１１３は水平出力線１１２から入力される撮像信号から、水平出力線１１１から入力されるノイズ信号を減算し、撮像素子１００の外部に出力する。ここで、撮像信号とは光信号とノイズ信号を含む信号である。画素アレイ部１０２は、光電変換素子を含む複数の画素部１０１が行方向及び列方向に２次元配置されている。垂直出力線１０３は、画素１０１からの撮像信号を列毎に出力する信号線である。
【００１５】
負荷電流源１０５は、画素１０１からの撮像信号を読み出すために垂直出力線１０３を介して駆動する。読み出し回路１０６は、対応する列の複数の画素１０１に垂直出力線１０３を介して共通に接続され、画素１０１からの撮像信号を増幅し記録する。列選択スイッチ１０７、１０８は、列回路１０４の出力端子と水平出力線１１１、１１２との接続を制御する。垂直走査回路１０９は、各行の画素１０１に対して、信号φＴＸｎ、φＲＥＳｎ及び信号φＳＥＬｎを供給し、信号電荷の読み出しを制御する。水平走査回路１１０は、読み出し回路１０６から水平出力線１１１、１１２への信号の出力を順次行わせる。
【００１６】
出力アンプ１１３は、水平出力線１１１、１１２の信号を撮像素子１００の外部に出力する。リセットスイッチ１１４、１１５は信号φＣＨＲによりＯＮ／ＯＦＦ制御され、水平出力線１１１、１１２を、１水平走査信号ごと（１つの信号φＨ）にリセット電源ＶＣＨＲでリセットする。
【００１７】
図２は撮像素子１００の簡易回路図である。画素部１０１は、フォトダイオード２００、転送スイッチ２０１、リセットスイッチ２０２、蓄積容量２０３、ソースフォロワ２０４及び行選択スイッチ２０５を有する。光電変換素子としてのフォトダイオード２００は、照射された光に応じた信号電荷を発生して蓄積する。
【００１８】
転送スイッチ２０１は、信号φＴＸｎによりＯＮ／ＯＦＦが制御され、フォトダイオード２００で発生及び蓄積した信号電荷を蓄積容量２０３へ転送する。蓄積容量２０３は、転送スイッチ２０１により転送された信号電荷を蓄積する。リセットスイッチ２０２は、信号φＲＥＳｎによりＯＮ／ＯＦＦが制御され、フォトダイオード２００および蓄積容量２０３に蓄積されている不要信号電荷をリセットする。
【００１９】
ソースフォロワ２０４は、蓄積容量２０３に蓄積された信号電荷を増幅し電圧に変換する。リセットスイッチ２０２と、蓄積容量２０３と、ソースフォロワ２０４とでフローディングディフュージョンアンプを構成している。行選択スイッチ２０５は、信号φＳＥＬｎによりＯＮ／ＯＦＦが制御され、ソースフォロワ２０４の出力と垂直出力線１０３の接続を制御する。読み出し回路１０６は、クランプ容量２０６、帰還容量２０７、クランプスイッチ２０８、列アンプ２０９、転送スイッチ２１０、２１１、転送容量２１２、２１３を有する。クランプ容量２０６は、垂直出力線１０３からの信号をクランプする。
【００２０】
列アンプ２０９の反転入力端は、帰還容量２０７を介して列アンプ２０９の出力端に接続される。列アンプ２０９はクランプ容量２０６の出力を増幅する。列アンプ２０９の増幅率は、クランプ容量２０６と帰還容量２０７との比によって決定される。列アンプ２０９の非反転入力端は、電源Ｖｒｅｆが入力される。クランプスイッチ２０８は、信号φＣＬＡＭＰによりＯＮ／ＯＦＦが制御され、列アンプ２０９の反転入力端及び出力端の間に配置されている。
【００２１】
列アンプ２０９により増幅された信号は、転送スイッチ２１０、２１１を介して転送容量２１２、２１３に記憶される。転送容量２１２、２１３に記憶された信号は、水平走査回路１１０からの信号φＨに応じてＯＮ／ＯＦＦを制御される列選択スイッチ１０７、１０８をＯＮすることにより、水平出力線１１１、１１２へ出力される。出力アンプ１１３は、水平出力線１１１、１１２のうち一方から入力される撮像信号と、水平出力線１１２、１１１のうちもう一方から入力されるノイズ信号との差分信号（以降、画像信号という）を撮像素子１００の外部へ出力する。
【００２２】
ところで、撮像信号を読み出す際、列アンプ２０９を駆動することで、列アンプ２０９が微小ながら発光する可能性がある。これにより、少なくとも読み出し回路１０６の近くに配置された画素部１０１は、列回路１０４が発する光に反応し撮像信号の信号レベルが変化してしまうおそれがある。
【００２３】
画面上下端における中央付近と左右端では、列アンプ２０９の発光による影響の程度が異なる。画面上下端の中央付近では、周りの列アンプ２０９による発光の影響を受けるが、画面上下端の左右端では、左右どちらか一方は列回路１０４が配置されていないため、列アンプ２０９による発光の影響は、中央付近よりも小さい。したがって、画面上下端の中央付近と左右端で異なるレベルの白浮きが発生してしまう。
【００２４】
そこで、本実施形態では、図１に示すように画素アレイ部１０２の横幅よりも列回路１０４の全体の横幅の方が大きくなるように列回路１０４を配置する。ここで、画素アレイ部１０２の上下端に配置された各列の画素部１０１から、上下端に配置された発光源である列アンプ２０９までの距離が一定となるように、列回路１０４を配置する。したがって、列回路１０４を前述した位置に配置することで、列回路１０４の発光によって生じる白浮きの程度を、画面上下端の中央付近と左右端で均一にすることが可能である。
【００２５】
図３は画素部１０１から撮像信号を読み出す場合の１水平期間駆動タイミングの一例を示すタイミングチャートである。図中の各信号は、Ｈｉｇｈ（以下、「Ｈ」という）またはＬｏｗ（以下、「Ｌ」という）の状態のいずれかをとるものとする。
【００２６】
以下では、２次元状に配置された複数の撮像素子１００において、ｎ行目に配置された画素部１０１に対する読み出し動作について説明する。説明の便宜上、「ｎ行目の信号φＳＥＬ」を「信号φＳＥＬｎ」という。これは信号φＲＥＳ、φＴＸについても同様とする。また、「ｎ行目の画素部１０１」を適宜、「画素部１０１」という。時刻ｔ１において、信号φＳＥＬｎが「Ｈ」となり行選択スイッチ２０５がＯＮにされ、画素部１０１の回路が垂直出力線１０３に接続される。また、同時刻に信号φＲＥＳｎが「Ｈ」となりリセットスイッチ２０２がＯＮにされ、蓄積容量２０３に蓄積された不要電荷がリセットされる。
【００２７】
時刻ｔ２において、信号φＲＥＳｎが「Ｌ」となりリセットスイッチ２０２がＯＦＦにされ、不要電荷のリセットが終了される。また、同時刻に、信号φＣＬＡＭＰが「Ｈ」とされてクランプスイッチ２０８がＯＮされる。これにより、画素１０１で発生するノイズ信号が、垂直出力線１０３を介して接続されたクランプ容量２０６でクランプされる。時刻ｔ３において、信号φＣＬＡＭＰが「Ｌ」となりクランプスイッチ２０８がＯＦＦされる。これにより、画素部１０１で発生するノイズ信号を垂直出力線１０３で接続されたクランプ容量２０６へのクランプが終了される。また、同時刻に信号φＴＮが「Ｈ」となり、転送スイッチ２１０がＯＮされてノイズ信号が転送容量２１２に転送される。
【００２８】
時刻ｔ４において、信号φＴＮが「Ｌ」となり、転送スイッチ２１０がＯＦＦされて転送容量２１２におけるノイズ信号の転送が終了される。時刻ｔ５において、信号φＴＸｎが「Ｈ」となり、転送スイッチ２０１がＯＮされる。これにより、フォトダイオード２００に蓄積された信号電荷が蓄積容量２０３に転送される。蓄積容量２０３に転送された信号電荷はソースフォロワ２０４により増幅されて、かつ、信号電荷が電圧に変換されて垂直出力線１０３に出力される。
【００２９】
時刻ｔ６において、信号φＴＸｎが「Ｌ」となり、転送スイッチ２０１がＯＦＦされて蓄積容量２０３への信号電荷の転送を終了する。また、同時刻に信号φＴＳが「Ｈ」となり、転送スイッチ２１１がＯＮされる。垂直出力線１０３に出力された撮像信号は、クランプ容量２０６及び列アンプ２０９を介して転送容量２１３に転送される。
【００３０】
時刻ｔ７において、信号φＴＳが「Ｌ」となり、転送スイッチ２１１がＯＦＦされて転送容量２１３における撮像信号の転送を終了する。時刻ｔ８において、信号φＳＥＬｎが「Ｌ」となり、行選択スイッチ２０５がＯＦＦされて画素部１０１からの撮像信号の読み出しが終了される。時刻ｔ９において、信号φＨＳＴが「Ｌ」となり、画素部１０１の信号に対して水平走査期間が開始される。水平走査回路１１０に信号φＨの入力が開始される。水平走査回路１１０は、信号φＨに応じて列選択スイッチ１０７、１０８を順次ＯＮにする。
【００３１】
列選択スイッチ１０７、１０８がＯＮされることで、転送容量２１２、２１３に記憶された信号が、それぞれ水平出力線１１１、１１２に出力される。そして、出力アンプ１１３で、水平出力線１１２により入力された撮像信号から、水平出力線１１１に入力されたノイズ信号が減ぜられ、１行分の画像信号として出力される。
【００３２】
撮像信号を読み出す場合、少なくとも時刻ｔ２からｔ９までの期間は列回路を駆動させる必要がある。このとき、列アンプ２０９を駆動することで、列アンプ２０９が微小ながら発光する可能性がある。したがって、少なくとも列アンプ２０９の近くに配置された画素部１０１のフォトダイオード２００は、列回路が発する光に反応し撮像信号の信号レベルが変化してしまうおそれがある。
【００３３】
前述したが、画面上下端における中央付近と左右端では、列アンプ２０９の発光による影響の程度が異なる。そのため、画面上下端における中央付近と左右端で発生する白浮きの程度も異なる。そこで、本実施形態では、画素アレイ部１０２と列回路１０４を図１に示すように、画素アレイ部１０２の横幅よりも列回路１０４の全体の横幅が大きくなるように配置にすることで、列回路１０４の発光によって生じる白浮きの程度を画面上下端の中央付近と左右端で均一にすることが可能である。
【００３４】
＜第２の実施形態＞
以下、本発明の第２の実施形態について説明する。本発明の撮像素子をデジタルカメラ等の撮像装置で使用する場合、全ての画素の露光時刻を合わせるために、信号電荷の蓄積前に全ての画素の信号電荷を同時刻でリセットを行った後、メカシャッターで露光時刻を均一にして順次行ごとに撮像信号を読み出すような駆動方法が考えられる。このような駆動タイミングについて図４を用いて説明する。
【００３５】
図４は全画素リセットにおける撮像信号を読み出す場合の一例の駆動タイミングを示すタイミングチャートである。時刻ｔ１０において、信号φＲＥＳが「Ｈ」となりリセットスイッチ２０２がＯＮにされ、蓄積容量２０３に蓄積された不要電荷のリセットを開始する。時刻ｔ１１において、信号φＲＥＳが「Ｌ」となりリセットスイッチ２０２がＯＦＦにされ、不要電荷のリセットが終了される。また、同時刻にフォトダイオード２００において信号電荷の蓄積を開始する。
【００３６】
時刻ｔ１２において、フォトダイオード２００の信号電荷の蓄積を終了する。フォトダイオード２００の信号蓄積を蓄積する時刻ｔ１１から時刻ｔ１２までの間に、メカシャッターを開閉し、フォトダイオード２００の露光時間を制御する。また、時刻ｔ１２において列回路１０４を駆動させる。時刻ｔ１３から時刻ｔ１４において、画面端の下端の行の撮像信号の読み出しを行う。撮像信号を読み出す際の駆動タイミングは、前述した画素部１０１から撮像信号を読み出す場合の１水平期間駆動タイミングチャート（図３）と同様であるため、説明は省略する。時刻ｔ１５において、画面端の上端の行の撮像信号の読み出しを終了する。
【００３７】
画面端の下端の画素部１０１が列アンプ２０９の発光の影響を受ける期間は時刻ｔ１２から時刻ｔ１４となる。一方、画面端の上端の画素部１０１が列アンプ２０９の発光の影響を受ける期間は時刻ｔ１２から時刻ｔ１５となる。よって、画面端の下端よりも上端の画素部１０１の方が、列アンプ２０９の発光の影響を受ける時間が長い。このことから、画面端の上端で生じる白浮きの程度は下端よりも大きくなる。
【００３８】
図５は第２の実施形態に係わる撮像素子の一例を示すブロック図である。図１を用いて説明した第１の実施形態とは異なり、第２の実施形態では、画面端の上下部に配置されている列回路１０４の全体の横幅を上部と下部で異ならせる。全画素リセットの後に順次全画素読み出しを行う際に、画素部１０１から撮像信号を下端から上端に向かって読み出すことで、上端の読み出し終了位置に配置されている画素部１０１は、下端に配置されている画素部１０１よりも撮像信号の読み出しまでに時間がかかる。
【００３９】
そこで、上部の読み出し終了位置の列回路１０４ａ全体の横幅を下部の列回路１０４ｂ全体の横幅よりも広くする。また、本実施形態は第１の実施形態と同様に、画素アレイ部１０２の上下端に配置された画素部１０１から、上下端に配置された発光源である列アンプ２０９までの距離が一定となるように、列回路１０４を配置する。したがって、列回路の発光によって生じる白浮きの程度を、画面上下端の中央付近と左右端で均一にすることができる。
【００４０】
以上に述べたとおり、上記各実施形態では列アンプ２０９の発光の影響を一様にすることで、画面上下端における中央付近と左右端での白浮きの程度を均一にすることが可能となる。白浮きの程度を均一にすることで、画面内に一次元のシェーディングが発生する。しかし、前述したように一次元のシェーディングを補正する処理は、二次元のシェーディングを補正する処理時間よりも簡易に行うことができる。この補正処理により、画質の低下を抑えた撮像素子を提供することができる。
【００４１】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々な変形及び変更が可能である。
【００４２】
本実施例において、発光源を列アンプ２０９として実施例を説明したが、列回路１０４内の他の回路が発光源であってもよい。
【００４３】
本実施例ではアナログ回路で構成される読み出し回路１０６を用いて各実施形態を説明したが、読み出し回路は列毎にアナログ―デジタル変換を行う列並列Ａ／Ｄ回路を備えた構成としてもよい。第１の実施形態において、列回路１０４が画面端の上下部に配置されている構成について述べたが、画面端の一方のみに配置されていてもよい。この場合でも、画面端の一方において前述した第１の実施形態の効果と同等の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００４４】
１００  撮像素子、１０１ 画素部、１０２  画素アレイ部、１０３  垂直出力線、
１０４  列回路、１０５  負荷電流源、１０６  読み出し回路、
１０７  列選択スイッチ、１０８  列選択スイッチ、１０９  垂直走査回路、
１１０  水平走査回路、１１１  水平出力線、１１２  水平出力線、
１１３  出力アンプ、１１４  リセットスイッチ、１１５  リセットスイッチ
【図２】
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【図３】
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【図１】
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【図４】
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【図５】
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