JP2007019580A - 固体撮像装置の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高速読み出し、高速リセット動作を行う固体撮像装置の駆動方法を提供する。
【解決手段】クロック信号φＣＬＫ１、クロック信号φＣＬＫ２、水平走査パルスφＨｎ、水平走査パルスφＨｎ+１、水平走査パルスφＨｎ+２、リセット信号φＲ、出力信号φＯＵＴの駆動タイミングのなかで、例えばｔ＝１からｔ＝２の期間において、φＨｎがＬで、φＲがＨとする。この駆動により固体撮像装置の列選択トランジスタ１０６ｎがＯＦＦ状態となり、信号保持容量１０５ｎのリセットが不要となる。信号線１０８のみをリセットするだけでよいため、高速リセット動作が可能となる。同様に、ｔ＝３からｔ＝４およびｔ＝５からｔ＝６の第ｎ＋１列、第ｎ＋２に関するリセット動作に関しても信号線１０８のみをリセットするだけでよく、高速リセット動作が可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体撮像装置における水平走査回路、列選択回路、リセット回路部の選択動作、リセット動作に関して、高速読み出し、高速リセット動作を可能にする水平走査の駆動方法に関する。

以下、特許文献１を参照しながら、従来技術の固体撮像装置と、その駆動方法について図面を参照しながら説明する。

図６は、従来技術の増幅型固体撮像素子を示す概略構成図である。

図６において、画素トランジスタ（本例では、ＮＭＯＳトランジスタを示す）１１が行列状に多数配列されている。この画素トランジスタ１１において、各ゲート電極が行単位で垂直選択線１２に、各ソース電極が列単位で垂直信号線１３に、各ドレイン電極が電源電圧ＶＤの電源線１４にそれぞれ接続されている。垂直選択線１２の各々は、垂直走査回路１５の各行の出力端に接続されている。垂直走査回路１５はシフトレジスタ等によって構成され、垂直走査しつつ各行ごとに画素信号を読み出すために各垂直選択線１２に垂直走査（垂直選択）パルスφＶを与える。

垂直信号線１３の各々は、水平走査回路１６に接続されている。この水平走査回路１６は、ＭＯＳトランジスタからなる動作スイッチ１７、キャパシタ１８、ＭＯＳトランジスタからなる水平スイッチ１９、水平信号線２０および水平シフトレジスタ２１によって構成されている。

水平走査回路１６において、動作スイッチ１７のゲート電極には、タイミングジェネレータ２２から出力される動作パルスφＯＰが印加される。動作スイッチ１７のドレイン電極には垂直信号線１３が接続され、ソース電極にはキャパシタ１８の一端および水平スイッチ１９のドレイン電極がそれぞれ接続されている。キャパシタ１８の他端は接地されている。水平スイッチ１９のソース電極は、水平信号線２０に接続され、そのゲート電極は水平シフトレジスタ２１の各列の出力端に接続されている。

水平シフトレジスタ２１は、水平走査しつつ各列ごとにキャパシタ１８に保持された画素信号を読み出すために、水平スイッチ１９のゲート電極に水平走査パルスφＨを与える。タイミングジェネレータ２２は、動作パルスφＯＰを含む各種のタイミングパルスを発生するとともに、各画素トランジスタ１１をリセットするための基板パルスφＶｓｕｂ．を発生する。この基板パルスφＶｓｕｂ．は基板に印加されることにより、各画素の基板側のポテンシャルバリアを崩し、画素に溜まった電荷を基板に掃き捨てることによって画素リセットを行う。

水平信号線２０は、出力回路２３を構成する演算増幅器２４の反転（−）入力端に接続されている。演算増幅器２４の非反転（＋）入力端には、水平信号線２０の動作電位を決める所定のバイアス電圧ＶＢが印加されている。出力回路２３は、この演算増幅器２４と、演算増幅器２４の反転入力端と出力端との間に接続された検出キャパシタ２５と、この検出キャパシタ２５に並列に接続されたＭＯＳトランジスタからなるリセットスイッチ２６とから構成されている。そして、リセットスイッチ２６のゲート電極には、リセットパルスφＲが印加される。

上記構成の増幅型固体撮像素子において、本実施形態では、縦筋状固定パターンノイズの補正のための基準信号を得るために、通常の撮像動作時とは異なり、入射光の有無に拘らず補正の基準信号として使う固定パターンノイズ成分のみを出力するようにした動作タイミングを特徴としている。すなわち、デバイスの電源投入初期において、画素信号を読み出す直前に画素リセットを行い、入射光による信号成分が固定パターンノイズに加算されないようにしている。

具体的には、タイミングジェネレータ２２において、後述の図７のタイミングチャートに示すように、水平ブランキング期間の前半に先ず基板パルスφＶｓｕｂ．を発生することにより、選択された行の画素トランジスタ１１をリセットし、次に光入射による信号の無い状態で直ぐに動作パルスφＯＰを発生することにより、その選択された行の信号を読み出すようにしている。

次に、図７のタイミングチャートを用いて、従来技術の固体撮像素子の駆動方法、具体的には、デバイスの電源投入初期において、縦筋状固定パターンノイズの補正用の基準信号を得るための回路動作について説明する。

水平ブランキング期間にｍ行の画素トランジスタ１１が、そのゲート電極に共通に接続された垂直選択線１２に垂直走査回路１５から垂直走査パルスφＶｍが与えられることによって選択される。そして、水平ブランキング期間の前半にタイミングジェネレータ２２から基板パルスφＶｓｕｂ．が出力されることで、その選択されたｍ行の画素トランジスタ１１がリセットされ、続いて光入射による信号の無い状態で直ぐに、タイミングジェネレータ２２から動作パルスφＯＰが出力されることで、その選択されたｍ行の画素トランジスタ１１の信号が動作スイッチ１７を介してキャパシタ１８に出力される。

その後水平映像期間に入ると、画素トランジスタ１１から読み出されてキャパシタ１８に保持された信号は、水平スイッチ１９が水平シフトレジスタ２１から出力される水平走査パルスφＨに応答して順次導通することにより、水平スイッチ１９を介して水平信号線２０から出力回路２３に送られる。これにより、図２のタイミングチャートに示すような出力波形を持つ、撮像素子の縦筋状の固定パターンノイズ成分のみを含む出力信号が得られる。

上述したように、デバイスの電源投入初期において、画素信号を読み出す直前に画素リセットの動作を行い、しかる後光入射による信号が無い状態で直ぐに画素信号を読み出すようにしたことにより、光入射の有無に拘らず、撮像素子の水平走査回路１６から発生する縦筋状の固定パターンノイズを補正するための基準信号を容易に得ることができる。したがって、当該基準信号を生成するに際し、カメラを操作する人に対して手動操作を強いたり、あるいはメカニカルシャッタを用いたりする必要がなくなる。
特開平１０−１２６６９７号公報

特許文献１に示された固体撮像装置のように、水平走査の駆動時に列選択のトランジスタのＯＮ期間中にリセットを行うためには、図６における水平信号線２０およびキャパシタ１８の両方をリセットする必要がある。

このため、従来技術の固体撮像装置およびその駆動方法では、リセットに要する期間が長くなり、固体撮像装置の高速化読み出しを阻害する、という課題を有していた。

特に、従来技術に示された固体撮像装置およびその駆動方法は、リセットする信号保持容量が列数分増えるため、画素加算を目的として等複数の列を同時に選択する駆動を行うと、画素加算を行わない場合よりもリセットに要する期間が長くなる、という課題も有している。

前記課題に鑑み、本発明では、水平走査に関するリセットに要する期間を短くし、高速読み出し可能な駆動方法を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の第１の固体撮像装置の駆動方法は、入射する光を信号電荷に変換する複数の受光素子と、受光素子の各列の間に配置された複数の列選択線と、列選択線に接続し、列選択制御を行う複数の列選択トランジスタと、列選択制御線と接続しデータを出力する水平信号線と、水平信号線と接続し、リセット制御を行うリセットトランジスタを備えた固体撮像装置を、リセット制御のクロックパルスを、列選択トランジスタのＯＦＦ期間中に印加することを特徴とするものである。

さらに、本発明の第２の固体撮像装置の駆動方法は、入射する光を信号電荷に変換する複数の受光素子と、受光素子の各列の間に配置された複数の列選択線と、列選択線に接続し、列選択制御を行う複数の列選択トランジスタと、列選択制御線と接続しデータを出力する水平信号線と、水平信号線と接続し、リセット制御を行うリセットトランジスタを備えた固体撮像装置を、同時に選択される列選択トランジスタの数に対応して、列選択制御のクロックパルス幅と、リセット制御のクロックパルス幅との比を変えることを特徴とするものである。

さらに、本発明の第３の固体撮像装置の駆動方法は、入射する光を信号電荷に変換する複数の受光素子と、受光素子の各列の間に配置された複数の列選択線と、列選択線に接続し、列選択制御を行う複数の列選択トランジスタと、列選択線と接続しデータを出力する水平信号線と、水平信号線と接続し、リセット制御を行うリセットトランジスタを備えた固体撮像装置を、同時に選択される列選択トランジスタの数に対応して、リセット制御のクロックパルスを列選択トランジスタのＯＦＦ期間中に印加する第１の動作、あるいはリセット制御のクロックパルスを列選択トランジスタのＯＮ期間中に印加する第２の動作を切り替えて行うことを特徴とするものである。

なお、本発明の第３の固体撮像装置の駆動方法は、第１および第２の動作の切り替えは、固体撮像装置に備えたタイミングジェネレータの信号、あるいは外部機器からの信号により行うことがより好ましい。

なお、本発明の第２、第３の固体撮像装置の駆動方法は、リセット制御のクロックパルス幅は、列選択制御のクロックパルス幅よりも狭いことがより好ましい。

本発明では、リセットトランジスタの制御信号を選択トランジスタがＯＦＦしている期間に印加することから、選択トランジスタの一端に接続される信号線の容量のみをリセットするだけでよい。

選択トランジスタの他端に接続される信号保持容量部をリセットする必要がなくなり、その分高速にリセット動作を完了することができる。

また、本発明では、同時に選択される列選択トランジスタの数に対応して、列選択制御のクロックパルスの幅と、リセット制御のクロックパルスの幅を変えることで、時間的に最適な読み動作が可能となる。

例えば、画素加算等で同時に複数の列を選択する場合には、選択トランジスタの実行のＷが大きくなり、高速選択が可能となる。

一方、負荷は大きくなるため、リセット動作に時間がかかる。

この場合、列選択制御のクロックの幅を狭くとり、リセット制御のクロックの幅を広くとることで時間的に最適な読み出し動作が可能となる。

また、本発明では、選択トランジスタのＯＦＦ期間中にリセット制御を行うため、選択クロック幅よりもリセットクロック幅を狭くすることができる。

また、本発明では、同時に選択される列選択トランジスタの数に対応して、リセット制御のクロックパルスを列選択トランジスタのＯＦＦ期間中に印加するか、リセット制御のクロックパルスを列選択トランジスタのＯＮ期間中に印加するか、を切り替えることで、時間的に最適な読み出し動作が可能となる。

例えば画素加算等で同時に複数の列を選択する場合には、列選択トランジスタの一端に接続される信号保持容量の負荷が大きくなるため、リセット制御のクロックパルスを列選択トランジスタのＯＦＦ期間中に印加することにより、リセット動作に関して、信号保持容量部の影響をなくすことができる。

また、本発明では、静止画取得機能と動画取得機能とを単一のカメラで実現することを容易にする。静止画取得は全列の信号出力を読み出す。一方動画取得は、画素加算等により同時に複数の列を選択することで実現する。

（第１の実施形態）
以下に、本発明の第１の実施形態に係る水平走査回路の駆動タイミングについて図面を参照しながら説明を行う。

図１は、本発明の実施形態に係るＭＯＳセンサーを示した装置概略図である。

図中は、画素領域１００、垂直走査回路１０１、ノイズキャンセラ回路１０３、水平走査回路１０４、容量素子１０５、列選択トランジスタ１０６、リセットトランジスタ１０７、信号線１０８である。

次に、本発明の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法について説明する。

図２は、本実施形態の水平走査パルスφＨｎ、水平走査パルスφＨｎ+１、水平走査パルスφＨｎ+２、リセット信号φＲ、出力信号φＯＵＴの駆動タイミングを示したタイミングチャートである。

本実施形態に係る駆動方法では、リセット信号のφＲが列選択の水平駆動信号である制御信号φＨｎ、φＨｎ＋１、φＨｎ＋２のＬ期間中に印加されていることであり、その他の駆動方法は図７で示した従来技術の駆動方法と、ほぼ同じである。

その本発明の駆動の特徴を具体的に説明すると、例えばｔ＝１からｔ＝２の期間において、φＨｎがＬで、φＲがＨとなることである。

この駆動により、図１の固体撮像装置の列選択トランジスタ１０６ｎがＯＦＦ状態となり、信号保持容量１０５ｎのリセットが不要となる。

したがって、本実施形態では、信号線１０８のみをリセットするだけでよいため、高速リセット動作が可能となる。

同様に、ｔ＝３からｔ＝４およびｔ＝５からｔ＝６の第ｎ＋１列、第ｎ＋２に関するリセット動作に関しても信号線１０８のみをリセットするだけでよく、高速リセット動作が可能となる。

なお、従来技術（特許文献１）に記載された固体撮像装置の駆動方法は、撮像素子の水平走査回路１６から発生する縦筋状の固定パターンノイズを補正する、という課題を解決するために用いられた駆動方法である。

すなわち、従来技術では縦筋状の固定パターンノイズを補正するためには、画素リセット時の縦筋状の固定パターンノイズデータを保持する第１の手段と、その保持データと信号データとの差分をとる第２の手段とが必要であった。

しかし、本発明に係る本実施形態では、第１、第２の手段を用いることなく固定パターンノイズを補正することが出来る。

したがって、本発明に係る本実施形態では、従来技術よりも縦筋状の固定パターンノイズに対して、従来技術以上に精度良く補正をすることが出来る。

（第２の実施形態）
以下に、本発明の第２の実施形態に係る水平走査回路の駆動タイミングについて図面を参照しながら説明を行う。

図３は、本実施形態のφＣＬＫ１、φＣＬＫ２、φＨｎ、φＨｎ+１、φＨｎ+２、φＨｎ+３、φＨｎ+４、φＨｎ+５、φＨｎ+６、φＨｎ+７、φＨｎ+８、φＨｎ+９、φＨｎ+１０、φＲ、φＯＵＴの駆動タイミングを示したタイミングチャートであり、画素加算等を目的として複数の列を同時に選択するタイミングを示している。

本実施形態の駆動方法の第１の特徴は、ＭＯＳダイナミック回路で構成されるシフトレジスタを備える固体撮像装置において、列選択が単一の場合、リセット動作を列選択トランジスタがＯＮ期間中に行うこと、すなわちリセット制御信号φＲはシフトレジスタのクロック信号ＣＬＫおよび列選択制御信号φＨｎがＬ期間中に印加することである。

さらに、第２の特徴は、シフトレジスタのクロック信号ＣＬＫおよび列選択制御信号φＨｎのＨ期間とリセット制御信号φＲのＨ期間の比が異なること、である。

まず、第１の特徴を具体的に説明する。

例えば、ｔ＝０からｔ＝１の期間において第ｎ列、第ｎ＋２列、第ｎ＋４列の選択トランジスタが選択されている。

このとき、列信号の読み出し時の負荷容量は各列の信号保持容量をＣ１、信号線１０８の容量をＣ２とすると、３Ｃ１＋Ｃ２となる。

一方、選択トランジスタのＯＮ抵抗をＲとすると、ｔ＝０からｔ＝１の期間において３つのトランジスタが並列に接続されることから抵抗値はＲ／３となる。

つまり、読み出し動作に関する時は、定数（式１）となる。

（３Ｃ１＋Ｃ２）×Ｒ／３＝（Ｃ１＋Ｃ２／３）Ｒ＜（Ｃ１＋Ｃ２）Ｒ （式１）
したがって、本実施形態は、第１の実施形態で説明した、単一のトランジスタを選択する図４の駆動タイミングよりも、読み出しに必要な時間を短くすることができる。

さらに、本実施形態では、リセット動作に関しては列選択トランジスタのＯＦＦ時に行っているため、リセット時の負荷はＣ２のみとなり、高速リセット動作が可能となる。

例えば、図４に示すように、選択トランジスタのＯＮ時にリセット動作を行うと、負荷は（式２）となる。

Ｃ２＋３Ｃ１＞＞Ｃ２ （式２）
したがって、（式２）で示された関係では、高速リセット動作が困難である。

しかし、本実施形態では、リセット動作を列選択トランジスタのＯＦＦ時に行うことを特徴としている。

したがって、リセット時の負荷はＣ２のみとなり、高速リセット動作が可能である。

次に、第２の特徴について説明する。

図５に示すように、リセット動作を列選択トランジスタがＯＦＦ期間中に行うときに、複数の列選択トランジスタが同時に選択される第１の場合と、単一の列選択トランジスタが選択される第２の場合、がある。

第２の特徴は、その第１の場合と、第２の場合で、列選択信号のパルス幅とリセット信号のパルス幅の比を変えても良いことであり、その好ましい条件（条件１）は、リセット信号のパルス幅は選択信号のパルスよりも狭いこと、である。

すなわち、本発明はリセット動作を選択トランジスタがＯＦＦ期間中に行うために、条件１にすることにより、リセット動作に関して、信号保持容量の影響をなくすことができる。

さらに、本発明では、図１に示すように、リセットトランジスタは信号線に対して単一に設けられており、トランジスタサイズを、選択トランジスタに対しては比較的大きくとることが可能であるため、水平信号線のリセット動作を高速化させることが出来る。

なお、従来技術（特許文献１）に記載された固体撮像装置の駆動方法は、撮像素子の水平走査回路１６から発生する縦筋状の固定パターンノイズを補正する、という課題を解決するために用いられた駆動方法である。

すなわち、従来技術では縦筋状の固定パターンノイズを補正するためには、画素リセット時の縦筋状の固定パターンノイズデータを保持する第１の手段と、その保持データと信号データとの差分をとる第２の手段とが必要であった。

しかし、本発明に係る本実施形態では、第１、第２の手段を用いることなく固定パターンノイズを補正することが出来る。

したがって、本発明に係る本実施形態では、従来技術よりも縦筋状の固定パターンノイズに対して、従来技術以上に精度良く補正をすることが出来る。

本発明の固体撮像装置の駆動方法は、水平走査に関するクロックノイズを抑圧することができ、高速読み出し、高速リセット動作を必要とする固体撮像装置に有用である。

本発明の実施形態に係る固体撮像装置を示した構造、回路構成図 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法であり、水平走査を示した駆動タイミング図 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法であり、水平走査を示した駆動タイミング図 本発明の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法であり、選択トランジスタのＯＮ時にリセット動作を行う水平走査の駆動タイミング図 本発明の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法であり、水平走査回路のクロックパルスの立上りとリセット制御のクロックパルスの立下りとが重複し、水平走査回路のクロックパルスの立下りとリセット制御のクロックパルスの立上りとが重複しないときの駆動タイミング図 従来技術の固体撮像装置を示した概略構成図 従来技術の固体撮像装置のタイミング図

符号の説明

１００ 画素領域
１０１ 垂直走査回路
１０３ ノイズキャンセラ回路
１０４ 水平走査回路
１０５ 容量素子
１０６ トランジスタ
１０７ トランジスタ
１０８ 信号線

Claims (5)

1. 入射する光を信号電荷に変換する複数の受光素子と、
   前記受光素子の各列の間に配置された複数の列選択線と
   前記列選択線に接続し、列選択制御を行う複数の列選択トランジスタと、
   前記列選択線と接続しデータを出力する水平信号線と、
   前記水平信号線と接続し、リセット制御を行うリセットトランジスタを備えた固体撮像装置を、
   前記リセット制御のクロックパルスを、前記列選択トランジスタのＯＦＦ期間中に印加することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
2. 入射する光を信号電荷に変換する複数の受光素子と、
   前記受光素子の各列の間に配置された複数の列選択線と
   前記列選択線に接続し、列選択制御を行う複数の列選択トランジスタと、
   前記列選択線と接続しデータを出力する水平信号線と、
   前記水平信号線と接続し、リセット制御を行うリセットトランジスタを備えた固体撮像装置を、
   同時に選択される前記列選択トランジスタの数に対応して、前記列選択制御のクロックパルス幅と、前記リセット制御のクロックパルス幅との比を変えることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
3. 入射する光を信号電荷に変換する複数の受光素子と、
   前記受光素子の各列の間に配置された複数の列選択線と
   前記列選択線に接続し、列選択制御を行う複数の列選択トランジスタと、
   前記列選択線と接続しデータを出力する水平信号線と、
   前記水平信号線と接続し、リセット制御を行うリセットトランジスタを備えた固体撮像装置を、
   同時に選択される前記列選択トランジスタの数に対応して、前記リセット制御のクロックパルスを列選択トランジスタのＯＦＦ期間中に印加する第１の動作、あるいは前記リセット制御のクロックパルスを前記列選択トランジスタのＯＮ期間中に印加する第２の動作を切り替えて行うことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
4. 前記第１および第２の動作の切り替えは、前記固体撮像装置に備えたタイミングジェネレータの信号、あるいは外部機器からの信号により行うことを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置の駆動方法。
5. 前記リセット制御のクロックパルス幅は、前記列選択制御の前記クロックパルス幅よりも狭いことを特徴とする請求項２あるいは３記載の固体撮像装置の駆動方法。

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