JP2010199989A - 固体撮像素子およびそれを備えた撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＴＤＩ動作を用いることで撮像を行い、ＦＤリセットにおけるリセットノイズを除去できる固体撮像素子を提供する。
【解決手段】固体撮像素子は、互いに異なるタイミングで被写体光における同一色の読み取りを行う、複数の画素列２１−１〜２３−３と、各画素列２１−１〜２３−３の画素２０により読み取られた、それぞれ読み取りタイミングが異なる、同一被写体の露光による各信号電荷を合算して蓄積する蓄積部ＣＸと、蓄積部ＣＸから転送された合算された各信号電荷を、信号電圧に変換するために蓄積する、各画素列の画素に共通の変換用フローティングディフュージョン２５と、変換用フローティングディフュージョン２５をリセットするリセットトランジスタＲＱと、変換用フローティングディフュージョン２５に蓄積された信号電荷を増幅し、信号電圧として出力する増幅トランジスタＧＱとを備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＣＭＯＳの固体撮像素子およびその固体撮像素子を備える撮像装置に関するものである。

従来、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）色の複数の画素列、すなわち一次元画素列を複数行配列されたＣＭＯＳイメージセンサを備える原稿読取装置が知られている。このような、原稿読取装置においては、ＣＭＯＳイメージセンサ、結像光学系または原稿を機械的に移動させることでスキャン動作が行われる。このスキャン動作において、送りムラ等の動作誤差が生じると、各画素列はずれた位置の画像を読み取ることになり、再生した画像には顕著な色ずれが発生してしまうという問題があった。そこで、例えば、特許文献１には、スキャン動作により生じる送りムラ等によって発生する再生画像における色ずれを抑制するために、一次元画素列間のピッチを小さくした、シンプルな構成のＣＭＯＳイメージセンサが提案されている。

ここで、特許文献１に記載された従来のＣＭＯＳイメージセンサは、受光素子、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、フローティングディフュージョン（ＦＤ）、増幅トランジスタ、および行選択トランジスタを含む画素回路が各画素内に配置されている構成であった。そのため、各画素は、これら画素回路によって面積が専有されるため、受光素子が光を受光するための開口部の面積を十分に確保しようとすると、各画素の面積が大きくなってしまう。ＣＭＯＳイメージセンサにおいて、例えば隣接する画素列が互いに接して並んで配列されている場合は、画素の寸法が画素列のピッチとなることから、各画素の面積が大きくなると、画素列のピッチも大きくなる。したがって、上述のように、画素列のピッチを小さくすることで画素も小さくなり、光を受光するための開口部の面積が小さくなる。それにより、十分な光を取り込むことができず、ＣＭＯＳイメージセンサの感度が低下するという問題があった。

特開２００７−３３６５１９号公報

そこで、例えば特願２００８−３０８２９４号には、画素における光を受光するための開口部の面積を大きくし、画素を小さくした場合でも十分なフォトンを取り込むことができるＣＭＯＳイメージセンサが提案されている。

この特願２００８−３０８２９４号に記載の固体撮像素子は、各画素において共通とすることができる回路素子については各画素内に配置せず、各画素が共有する回路を画素の外部に設けた画素回路に配置している。これにより、各画素内における画素回路の占める面積を減少させ、その分開口部の面積を増加させることができる。したがって、開口部の面積を減少させることなく、画素の外部に設けた回路素子の分だけ各画素列の面積を減少させることができる。したがって、ＣＭＯＳイメージセンサにおいて、開口部は従来通りの大きさを維持することで十分な量の光を取り込み、かつ画素列のピッチを小さくすることができる。また、特願２００８−３０８２９４号においては、ＴＤＩ（Time Delay Integration）動作を行うＣＭＯＳイメージセンサについても記載されている。ＴＤＩ動作を行うためには、同一被写体における同一の色成分（分光特性）の光を読み取るための画素列を複数段有している、ＣＭＯＳイメージセンサを用いる。そして、それら複数段の画素列がそれぞれ時間をずらして、同一フレームについて読み取りを行う。つまり、同一色の光を読み取るための画素列は１列である、通常のＣＭＯＳイメージセンサに比べて、ＴＤＩ動作を行うＣＭＯＳイメージセンサは、その段数倍の情報を読み取ることになる。したがって、ＴＤＩ動作を行うＣＭＯＳイメージセンサは、通常のＣＭＯＳイメージセンサに比べて段数倍の感度を有する。なお、ＴＤＩ動作としては、例えば、以下に示す文献に記載されたものを採用すればよい。
“裏面入射型TDI-CCDの特長”、［online］、浜松ホトニクス株式会社、［平成２１年２月１６日検索］、インターネット＜URL：http://jp.hamamatsu.com/products/sensor-ssd/pd101/pd457/index_ja.html＞
“裏面入射型TDI-CCDの特性と使い方”、［online］、平成１９年４月、浜松ホトニクス株式会社、［平成２１年２月１６日検索］、インターネット＜URL：http://jp.hamamatsu.com/resources/products/ssd/pdf/tdi-ccd_kmpd9004j01.pdf＞
ここで、特願２００８−３０８２９４号に記載のＴＤＩ動作を用いた固体撮像素子における画素の回路図を用いて、電荷の読み出し手順について説明する。図６は固体撮像素子における画素の回路図であり、図７は固体撮像素子における画素回路の信号におけるタイミングチャートである。

図６に示すように、固体撮像素子は、Ｂ（青）の画素信号を読み取るための、３段構成である画素列１２１−１〜１２１−３を有している。なお、図６においては、簡略化のため、画素列のうち画素のみを示している。なお、固体撮像素子は、他にＧ（緑）およびＲ（赤）の画素信号を読み取るための画素列も有しているが、Ｂの画素列１２１−１〜１２１−３と同様の動作をするため、図示および説明を省略する。各画素列１２１−１〜１２１−３の画素１２０内には、受光した光量に応じた信号電荷を蓄積するフォトダイオードＰＤおよび転送トランジスタＴＱを有する画素回路Ｋ１がそれぞれ配置されている。各フォトダイオードＰＤのアノードは接地され、カソードは転送トランジスタＴＱのソースに接続されている。転送トランジスタＴＱのゲートは、図示していない垂直走査回路に接続され、転送信号φＴＸ１〜φＴＸ３が入力される。そして、画素列１２１−１〜１２１−３の外部には、画素列１２１−１〜１２１−３に対して共通に設けられた画素回路Ｋ２が設置され、画素回路Ｋ２にはリセットトランジスタＲＱ、増幅トランジスタＧＱおよび色選択トランジスタＳＱが配置されている。そして、リセットトランジスタＲＱのドレインと、増幅トランジスタＧＱのゲートは接続され、ＦＤ（フローティングディフュージョン）を形成している。リセットトランジスタＲＱは、ゲートにはリセットトランジスタＲＱをオン・オフするための信号であるφＲＸが入力され、ソースには駆動電圧であるＶＤＤが入力されている。そして、リセットトランジスタＲＱは、φＲＸによりオン・オフし、ＦＤをリセットする。

増幅トランジスタＧＱは、ゲートがＦＤを介して転送トランジスタＴＱおよびリセットトランジスタＲＱに接続され、ソースには駆動電圧であるＶＤＤが入力され、ドレインが色選択トランジスタＳＱのソースに接続されている。色選択トランジスタＳＱのゲートには色選択トランジスタＳＱをオン・オフするための信号φＳＸが入力される。そして、色選択トランジスタＳＱのドレインは、図示されていないがＣＤＳ（Correlated Double Sampling：相関二重サンプリング）回路に接続されている。なお、上述のように、実際には、他にＧおよびＲの画素信号を読み取る画素列も有していて、それら各画素列もそれぞれ色選択トランジスタＳＱを有し、各色選択トランジスタＳＱのオン・オフを制御することで、ＲＧＢいずれの色成分を有する画素信号をＣＤＳ回路に入力するかを制御している。

このような固定撮像素子における回路の動作について、図７に示す各信号のタイミングチャートを用いて説明する。まず、各画素に光が入力されることで、その光量に応じた電荷が各ＰＤに蓄積される。そして、図７に示すように、まず、時刻Ｔ１１において、φＴ１がオンされると、画素列１２１−１の画素１２０のＰＤに蓄積された電荷がＦＤに転送され、蓄積される。そして、時刻Ｔ１２、Ｔ１３において、順次φＴ２、φＴ３がオンされると、画素列１２１−１〜１２１−３の画素１２０におけるＰＤに蓄積された電荷がＦＤに転送され、ＦＤに蓄積される。すなわち、ＦＤに画素列１２１−１〜１２１−３において生じた電荷のすべてが蓄積されることになる。そして、時刻Ｔ１４においてφＳＸがオンされると、ＦＤに蓄積されていた電荷は、増幅トランジスタＧＱを介して信号電圧としてＣＤＳ回路へと出力される。この際、出力される信号電圧には、ＦＤのリセットノイズ（ｋＴＣノイズ）による成分および画素から転送されてきた信号電荷の成分が含まれる。そして、φＳＸがオンされた状態で、時刻Ｔ１５においてφＲＸ信号がオンされることで、ＦＤがリセットされ、ＦＤにはリセットノイズのみが蓄積されていることとなり、そのリセットノイズによる信号電圧のみが、ＣＤＳ回路へと出力される。そして、ＣＤＳ回路では、先に出力された、リセットノイズによる成分および画素１２０から転送されてきた信号電荷の成分を含む信号電圧から、リセットノイズによる信号電圧を差分することで、画素信号を求める。図示していない、他の色成分における画素列における画素信号については、各色選択トランジスタＳＱにより、ＣＤＳ回路に出力されるタイミングを異なることとしておけば、Ｒ、Ｇ、Ｂの各画素信号が混信することはない。このように、上記ＴＤＩ動作を用いることで、通常の固体撮像素子に比べて３倍の感度を実現できる。

しかし、特願２００８−３０８２９４号に記載の固体撮像素子は、以下に示す問題を有する。特願２００８−３０８２９４号に記載の固体撮像素子において、ＣＤＳ回路においてなされる差分は、上述したようにリセットノイズによる成分および画素１２０から転送されてきた信号電荷の成分を含む信号電圧およびリセットノイズによる信号電圧によって行われる。しかし、ＣＤＳ回路に先に出力されたリセットノイズによる成分および画素１２０から転送されてきた信号電荷の成分を含む信号電圧におけるリセットノイズと、後に出力されたリセットノイズとは、同一の値とは限らない。すなわち、先に出力された信号電圧はＦＤをリセットする前のものであり、後に出力される信号電圧はＦＤをリセットした後のものである。したがって、先に出力された信号電圧に含まれるリセットノイズ成分は、後に出力されたリセットノイズである信号電圧とは、異なる値となる場合がある。そのため、これらの信号電圧を用いて行う差分では、リセットノイズを完全に除去できているとは限られず、ＣＤＳ回路から出力される画素信号にノイズが含まれる可能性があり、高精度とはいえないという問題がある。なお、特願２００８−３０８２９４号に記載の固体撮像素子は、ＴＤＩ動作を用いていることから、３つの画素列１２１−１〜１２１−３の各画素１２０の信号電荷を合算して、すべてＦＤにおいて蓄積する必要があるため、画素１２０から転送されてきた信号電荷の成分を含む信号電圧をＣＤＳ回路に出力する前に、ＦＤをリセットすることができない。

本発明は、上述の問題に鑑みて為されたものであり、その目的は、ＴＤＩ動作を用いることで撮像を行い、ＦＤリセットにおけるリセットノイズを除去できる固体撮像素子およびそれを用いた撮像装置を提供することである。

本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様に係る固体撮像素子は、複数の画素が一次元に配列された構成を有し、それぞれ互いに異なるタイミングで被写体光における同一色の読み取りを行う、複数の画素列と、前記各画素列の画素により読み取られた、それぞれ読み取りタイミングが異なる、同一被写体の露光による各信号電荷を蓄積する蓄積部と、前記蓄積部から転送された、合算された前記各信号電荷を、信号電圧に変換するために蓄積する、前記各画素列の画素に共通の変換用フローティングディフュージョンと、前記変換用フローティングディフュージョンをリセットするリセットトランジスタと、前記変換用フローティングディフュージョンに蓄積された信号電荷を増幅し、信号電圧として出力する増幅トランジスタとを備えている。なお、フローティングディフュージョンをリセットするとは、具体的には、フローティングディフュージョンにリセットバイアスを印加することをいう。

このように、各画素列の画素により読み取られた、それぞれ読み取りタイミングが異なる、同一色である光における同一被写体の露光による各信号電荷を合算して蓄積する蓄積部を備えたことで、リセットした後の変換用フローティングディフュージョンのリセットノイズを出力し、その後、そのリセットノイズに蓄積部に蓄積された信号電荷を加算して出力することができる。それにより、増幅トランジスタからの先の出力であるリセットノイズと、後の出力に含まれるリセットノイズとの値が同一となる。したがって、後の出力と先の出力との差分を求めることで、正確な画素信号を得ることができる。

また、上述の固体撮像素子において、前記蓄積部は、容量性素子であることが好ましい。

それにより、蓄積部は、転送されてくる信号電荷を随時合算して蓄積していくことが可能であるため、各画素列の画素により読み取られた、それぞれ読み取りタイミングが異なる、同一被写体の露光による各信号電荷を合算して蓄積することが可能である。また蓄積部は、蓄積された信号電荷を容易に転送することができるため、変換用フローティングディフュージョンに、蓄積された信号電荷を転送することができる。

また、上述の固体撮像素子において、前記蓄積部は、各画素に設けられた蓄積用フローティングディフュージョンであることが好ましい。

これにより、蓄積部は、転送されてくる信号電荷を随時合算して蓄積していくことが可能であるため、各画素列の画素により読み取られた、それぞれ読み取りタイミングが異なる、同一被写体の露光による各信号電荷が、を合算して蓄積することが可能である。また蓄積部は、蓄積された信号電荷を容易に転送することができるため、変換用フローティングディフュージョンに、蓄積された信号電荷を転送することができる。

また、上述の固体撮像素子において、前記蓄積部は、前記各画素列の画素に共通であって、当該各画素の外部に配置されていることが好ましい。

これにより、画素内における回路が大きくなることはない。そのため、画素の面積を広くせずとも、開口率が低下することがない。

また、上述の固体撮像素子において、前記各画素列の画素は、同一色について、それぞれ互いに異なるタイミングで同一被写体の露光による各信号電荷を読み取り、前記蓄積部は、前記読み取られた各信号電荷を蓄積し、前記蓄積部が各信号電荷を蓄積している間に、前記リセットトランジスタは、前記変換用フローティングディフュージョンをリセットし、前記増幅トランジスタは、リセットされた前記変換用フローティングディフュージョンに蓄積されたノイズ成分を信号電圧として出力し、前記増幅トランジスタが前記ノイズ成分を信号電圧として出力した後に、前記蓄積部は合算された前記各信号電荷を前記変換用フローティングディフュージョンに転送し、前記増幅トランジスタは、前記変換用フローティングディフュージョンに蓄積されたノイズ成分および前記ノイズ成分に加算された前記合算された前記各信号電荷を信号電圧として出力することが好ましい。

これにより、増幅トランジスタからの先の出力は、変換用フローティングディフュージョンのリセットノイズであり、これは、後の出力に含まれるリセットノイズと同一の値となる。したがって、後の出力と先の出力との差分を求めることで、正確な画素信号を得ることができる。

また、本発明の他の一態様に係る撮像装置は、上述の固体撮像素子を備えている。

それにより、増幅トランジスタからの先の出力であるリセットノイズと、後の出力に含まれるリセットノイズとの値が同一となる。したがって、後の出力と先の出力との差分を求めることで、正確な画素信号を得ることができる。

本発明によれば、ＴＤＩ動作を用いることで撮像を行い、ＦＤリセットにおけるリセットノイズを除去できる固体撮像素子およびそれを用いた撮像装置を提供することができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係る撮像装置の全体構成図である。 本発明の実施の形態１に係る撮像装置の画素の回路図である。 本発明の実施の形態１に係る撮像装置における信号のタイミングチャートである。 本発明の実施の形態２に係る撮像装置の画素の回路図である。 本発明の実施の形態２に係る撮像装置における信号のタイミングチャートである。 固体撮像素子における画素の回路図である。 固体撮像素子における画素回路の信号におけるタイミングチャートである。

以下、本発明に係る実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る撮像装置の構成について図１を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態１に係る撮像装置の全体構成図である。図１に示すように撮像装置１は、画素アレイ２、垂直走査回路３、水平走査回路４、読出回路５、制御部６および差動アンプ７を備えている。なお、読出回路５および差動アンプ７によりＣＤＳ（Correlated Double Sampling：相関二重サンプリング）回路を構成している。そして、撮像装置１は、例えば副走査方向に相対的に移動する原稿等の被写体をスキャンする又は画素アレイ２が静止している被写体に対して副走査方向に相対的に移動することで被写体をスキャンする。

なお、固体撮像素子は、図１において制御部６を省いたもの、すなわち、画素アレイ２、垂直走査回路３、水平走査回路４、読出回路５および差動アンプ７により構成される。ただし、制御部６を含んで図１の撮像装置がワンチップ化された場合は、図１に示された構成を固体撮像素子としてもよい。

画素アレイ２は、画素列２１−１〜２１−３、２２−１〜２２−３、２３−１〜２３−３を備えるＣＭＯＳの画素アレイである。画素列２１−１〜２１−３、２２−１〜２２−３、２３−１〜２３−３は、それぞれ、主走査方向（列方向）に複数個の画素２０が直線状に配列されたセンサである。また、画素列２１−１〜２１−３、２２−１〜２２−３、２３−１〜２３−３は、それぞれ、各画素２０の開口部にＢ（青）、Ｇ（緑）、Ｒ（赤）のカラーフィルタが取り付けられ、Ｂ、Ｇ、Ｒの画素信号を読み取る。つまり、実施の形態１に係る撮像装置１は、各色Ｂ、Ｇ、Ｒの画素信号の読み取りにおいて、ＴＤＩ動作を用いて、各色に対してそれぞれ３段分の画素列により読み取りを行う。具体的には、同一フレームにおける同一色の光について、読み取り時間をずらして各画素列により読み取りを行う。なお、実施の形態１においては、各色に対応する画素列が３行なので、３回読み取りを行う。

画素列２１−３および２２−１間には、画素列２１−１〜２１−３の画素２０において、それぞれ列ごとに共有する回路素子が配置された共通回路ＫＢが配置されている。また、画素列２２−３および２３−１間には、画素列２２−１〜２２−３の画素２０において、それぞれ列ごとに共有する回路素子が配置された共通回路ＫＧが配置されている。また、画素列２３−３と隣接して、画素列２３−１〜２３−３の画素２０において、それぞれ列ごとに共有する回路素子が配置された共通回路ＫＲが配置されている。

垂直走査回路３は、画素列２１−１〜２１−３、２２−１〜２２−３、２３−１〜２３−３のそれぞれと行選択信号線Ｌ１を介して接続され、制御部６から出力されるクロック信号ＣＬＫに従って、画素アレイ２の各行を選択するための行選択信号を副走査方向の上側から下側に向けて、又は下側から上側に向けて画素列２１−１〜２１−３、２２−１〜２２−３、２３−１〜２３−３に循環的に出力し、画素アレイ２の各行を走査する。また、垂直走査回路３は共通回路ＫＢ、ＫＧ、ＫＲのそれぞれと色選択信号線Ｌ３を介して接続されている。そして、制御部６は色選択信号線Ｌ３を介して、Ｂ、Ｇ、Ｒの内いずれかの画素信号を選択するための色選択信号を共通回路ＫＢ、ＫＧ、ＫＲに循環的に出力し、画素アレイ２の各行を走査する。実施の形態１では、垂直走査回路３は、シフトレジスタにより構成されているが、これに限定されず、ランダムアクセス回路により構成してもよい。

水平走査回路４は、例えばシフトレジスタから構成され、制御部６から出力されるクロック信号ＣＬＫに従って、画素アレイ２の各列を選択するための列選択信号を各読出回路５に循環的に出力し、各読出回路５を例えば、左側から右側に向けて、又は右側から左側に向けて走査する。垂直信号線Ｌ２は、画素アレイ２の各列に対応して複数本存在する。また、各垂直信号線Ｌ２は、対応する列の９つの画素２０のそれぞれと、共通回路ＫＢ、ＫＧ、ＫＲを介して接続されている。

読出回路５は、画素アレイ２の各列の画素２０に対して共通に設けられ、画素列２１−１〜２１−３、２２−１〜２２−３、２３−１〜２３−３から垂直信号線Ｌ２を介して画素信号を読み出す。ここで、読出回路５は、負荷トランジスタＱａ、シグナルサンプルホールド用スイッチＳ１、ノイズサンプルホールド用スイッチＳ２、シグナルサンプルホールドコンデンサＣ１、ノイズサンプルホールドコンデンサＣ２およびアンプＡ１、Ａ２を備えている。

負荷トランジスタＱａは、例えば電界効果型トランジスタから構成され、制御部６によりゲートに負荷電圧信号ＶＤが印加され、負荷として機能する。

ノイズサンプルホールド用スイッチＳ２は、制御部６の制御の下、オン・オフし、オンしたときに垂直走査回路３により選択された色に対応する画素２０の画素信号のノイズ成分を読み出し、ノイズサンプルホールドコンデンサＣ２にサンプルホールドさせる。このノイズ成分は、具体的には、選択された画素２０の共通回路ＫＢ、ＫＧ、ＫＲにおけるフローティングディフュージョンのリセットノイズ（ｋＴＣノイズ）である。アンプＡ２は、水平走査回路４から出力される列選択信号に従って、ノイズサンプルホールドコンデンサＣ２にサンプルホールドされたノイズ成分を差動アンプ７に出力する。

シグナルサンプルホールド用スイッチＳ１は、制御部６の制御の下、オン・オフし、オンしたときに垂直走査回路３により選択された色に対応する画素２０から画素信号のノイズ成分＋シグナル成分を読み出し、シグナルサンプルホールドコンデンサＣ１にサンプルホールドさせる。このノイズ成分は、具体的には、選択された画素２０の共通回路ＫＢ、ＫＧ、ＫＲにおけるフローティングディフュージョンのリセットノイズであり、シグナル成分は選択された色に対応する３段分の画素２０により読み取られた画素信号である。アンプＡ１は、水平走査回路４から出力される列選択信号に従って、シグナルサンプルホールドコンデンサＣ１にサンプルホールドされたノイズ成分＋シグナル成分を差動アンプ７に出力する。差動アンプ７は、アンプＡ２から出力されたノイズ成分とアンプＡ１から出力されたノイズ成分＋シグナル成分との差分をとり、画素信号からノイズ成分を除去し、例えば後段に設けられた図略のＡ／Ｄ変換部に出力する。

制御部６は、例えば専用のハードウエア回路やＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリーメモリ）およびＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等からなるマイコン等から構成され、撮像装置１の全体制御を司っている。

次に、図を用いて実施の形態１に係る撮像装置１の画素の回路構成について説明する。図２は本発明の実施の形態１に係る撮像装置の画素の回路図である。図２において、各画素列２１−１〜２１−３、２２−１〜２２−３、２３−１〜２３−３に含まれる各画素２０は、光電変換素子ＰＤおよび転送トランジスタＴＱを備えている。光電変換素子ＰＤはアノードが接地され、カソードが転送トランジスタＴＱのソースに接続されている。なお、ＰＤのアノードの電位はＶＳＳとされているが、ＶＳＳは接地電位である。転送トランジスタＴＱのゲートは、行選択信号線Ｌ１を介して、垂直走査回路３に接続されている。光電変換素子ＰＤは被写体からの光を受光し、受光した光量に応じた信号電荷を蓄積する。転送トランジスタＴＱは、光電変換素子ＰＤにより蓄積された信号電荷を転送する。

画素列２１−１〜２１−３における各画素２０の転送トランジスタＴＱのドレインは、共通回路ＫＢに接続されている。また、画素列２２−１〜２２−３における各画素２０の転送トランジスタＴＱのドレインは、共通回路ＫＧに接続されている。また、画素列２３−１〜２３−３における各画素２０の転送トランジスタＴＱのドレインは、共通回路ＫＲに接続されている。

そして、Ｂの画素信号を読み出す各画素列２１−１〜２１−３における各画素２０の転送トランジスタＴＱのゲートには、行選択信号であり、転送トランジスタＴＱのオン・オフを制御するφＴＸＢ１〜φＴＸＢ３がそれぞれ入力される。また、Ｇの画素信号を読み出す各画素列２２−１〜２２−３における各画素２０の転送トランジスタＴＱのゲートには、行選択信号であり、転送トランジスタＴＱのオン・オフを制御するφＴＸＧ１〜φＴＸＧ３がそれぞれ入力される。また、Ｒの画素信号を読み出す各画素列２３−１〜２３−３における各画素２０の転送トランジスタＴＱのゲートには、行選択信号であり、転送トランジスタＴＱのオン・オフを制御するφＴＸＲ１〜φＴＸＲ３がそれぞれ入力される。

共通回路ＫＢ、ＫＧ、ＫＲには、それぞれ、例えばＮＭＯＳにより構成される蓄積用トランジスタＨＱ、容量部であるコンデンサ（容量性素子）ＣＸ、リセットトランジスタＲＱ、増幅トランジスタＧＱおよび色選択トランジスタＳＱが配置されている。そして、リセットトランジスタＲＱのドレインと、増幅トランジスタＧＱのゲートは接続され、ＦＤ（フローティングディフュージョン）２５を形成している。上記、各画素列２１−１〜２１−３、２２−１〜２２−３、２３−１〜２３−３は、このＦＤ２５に接続されている。さらに、ＦＤ２５は蓄積用トランジスタＨＱのソースと接続されている。蓄積用トランジスタＨＱのドレインは、一端を接地されたコンデンサＣＸの他端と接続されている。なお、コンデンサＣＸの一端の電位はＶＳＳとされるが、ＶＳＳは接地電位である。蓄積用トランジスタＨＱのゲートは色選択信号線Ｌ３を介して制御部６と接続され、制御部６から出力され、蓄積用トランジスタＨＱをオン・オフするための信号であるφＳＨＢ、φＳＨＧ、φＳＨＲが入力される。

リセットトランジスタＲＱのゲートは色選択信号線Ｌ３を介して制御部６と接続され、制御部６から出力され、リセットトランジスタＲＱをオン・オフするための信号であるφＲＸＢ、φＲＸＧ、φＲＸＲが入力されている。また、リセットトランジスタＲＱのソースには駆動電圧であるＶＤＤが入力されている。なお、ＶＤＤは図略の電圧源から出力され、この信号φＲＸＢ、φＲＸＧ、φＲＸＲは、例えば制御部６から出力されることとすればよい。そして、リセットトランジスタＲＱが動作することで、ＦＤ２５がリセットされる。

増幅トランジスタＧＱは、ゲートがＦＤ２５を介して転送トランジスタＴＱおよびリセットトランジスタＲＱに接続され、ソースには駆動電圧であるＶＤＤが入力され、ドレインが色選択トランジスタＳＱのソースに接続されている。色選択トランジスタＳＱのゲートは色選択信号線Ｌ３を介して制御部６と接続され、制御部６から出力され、色選択トランジスタＳＱをオン・オフするための信号φＳＸＢ、φＳＸＧ、φＳＸＲが入力される。そして、色選択トランジスタＳＱのドレインは垂直信号線Ｌ２に接続され、読出回路５および差動アンプ７を有するＣＤＳ回路に接続されている。

このような回路の動作について、図を用いて説明する。図３は本発明の実施の形態１に係る撮像装置における信号のタイミングチャートである。まず、Ｂの画素信号の読み取りについて説明する。Ｂの画素信号を読み取る画素列２１−１〜２１−３の内、一段目の画素列２１−１が光信号を読み取る。具体的には、画素列２１−１の光電変換素子ＰＤが光信号を受けて、光電変換を行い信号電荷として蓄積する。時刻Ｔ１において、制御部６により信号φＴＸＢ１およびφＳＨＢがオンになると、光電変換素子ＰＤに蓄積された信号電荷が転送トランジスタＴＱを介してＦＤ２５に蓄積され、かつ蓄積用トランジスタＨＱを介してコンデンサＣＸに蓄積される。その後、画素列２１−１における光信号の読み取りとは時間がずれて、二段目の画素列２１−２が、画素列２１−１が読み取ったフレームと同一フレームについて光信号を読み取る。具体的には、画素列２１−２の光電変換素子ＰＤが光信号を受けて、光電変換を行い信号電荷として蓄積する。そして、時刻Ｔ４において、制御部６により信号φＴＸＢ２およびφＳＨＢがオンになると、光電変換素子ＰＤに蓄積された信号電荷が転送トランジスタＴＱを介してＦＤ２５に蓄積され、かつ蓄積用トランジスタＨＱを介してコンデンサＣＸに蓄積される。その後、画素列２１−１および２１−２における光信号の読み取りとは時間がずれて、三段目の画素列２１−３が、画素列２１−１および２１−２が読み取ったフレームと同一フレームについて光信号を読み取る。具体的には、画素列２１−３の光電変換素子ＰＤが光信号を受けて、光電変換を行い信号電荷として蓄積する。そして、時刻Ｔ７において、制御部６により信号φＴＸＢ３およびφＳＨＢがオンになると、光電変換素子ＰＤに蓄積された電荷が転送トランジスタＴＱを介してＦＤ２５に蓄積され、かつ蓄積用トランジスタＨＱを介してコンデンサＣＸに蓄積される。

上述の処理により、同一フレームについて三段の画素列２１−１〜２１−３のそれぞれで読み取った画素信号がすべて合算されてコンデンサＣＸおよびＦＤ２５に蓄積されている。そして、時刻Ｔ８において、制御部６により信号φＲＸＢがオンになると、ＦＤ２５がリセットされ、ＦＤ２５にはノイズ（リセットノイズ）成分が蓄積された状態となる。そして、制御部６により信号φＲＸＢのオンと同時、すなわち時刻Ｔ８において信号φＳＸＢがオンになると、ＦＤ２５がリセットされた後のノイズ（リセットノイズ）成分の信号電荷が増幅トランジスタＧＱにより信号電圧となり、色選択トランジスタＳＱを介して垂直信号線Ｌ２に出力される。そして、出力された、このノイズ成分はノイズサンプルホールドコンデンサＣ２にサンプルホールドされる。さらに、時刻Ｔ９において、信号φＳＸＢがオンの状態で、制御部６により信号φＳＨＢがオンになる。それにより、コンデンサＣＸに蓄積されていた信号電荷が、蓄積用トランジスタＨＱを介してＦＤ２５に流入する。さらに、ＦＤ２５に蓄積されているノイズ成分とコンデンサＣＸに蓄積されていた信号電荷であるシグナル成分とが合算され、増幅トランジスタＧＱにより信号電圧となり、色選択トランジスタＳＱを介して垂直信号線Ｌ２に出力される。そして、出力された、このノイズ成分＋シグナル成分はシグナルサンプルホールドコンデンサＣ１にサンプルホールドされる。

シグナルサンプルホールドコンデンサＣ１およびノイズサンプルホールドコンデンサＣ２にサンプルホールドされたノイズ成分＋シグナル成分およびノイズ成分を用いて、具体的には、以下の処理により画素信号を得ることができる。アンプＡ２は、水平走査回路４から出力される列選択信号に従って、ノイズサンプルホールドコンデンサＣ２にサンプルホールドされたノイズ成分を差動アンプ７に出力する。アンプＡ１は、水平走査回路４から出力される列選択信号に従って、シグナルサンプルホールドコンデンサＣ１にサンプルホールドされたノイズ成分＋シグナル成分を差動アンプ７に出力する。差動アンプ７は、アンプＡ２から出力されたノイズ成分とアンプＡ１から出力されたノイズ成分＋シグナル成分との差分をとり、画素信号からノイズ成分を除去し、例えば後段に設けられた図略のＡ／Ｄ変換部に出力する。

本発明の実施の形態１に係る撮像装置１は、上述のように、ＦＤ２５をリセットした後にノイズ成分を検出し、再度リセットすることなくノイズ成分にシグナル成分を加える処理を行っているので、シグナルサンプルホールドコンデンサＣ１にサンプルホールドされているノイズ成分＋シグナル成分の内のノイズ成分は、ノイズサンプルホールドコンデンサＣ２にサンプルホールドされているノイズ成分と同一の値である。したがって、これら、ノイズ成分＋シグナル成分とノイズ成分との差分を求めることで、正しいシグナル成分を求めることができる。

次に、Ｇの画素信号の読み取りについて説明する。Ｇの画素信号を読み取る画素列２２−１〜２２−３の内、一段目の画素列２２−１が光信号を読み取る。具体的には、画素列２２−１の光電変換素子ＰＤが光信号を受けて、光電変換を行い信号電荷として蓄積する。時刻Ｔ７において、制御部６により信号φＴＸＧ１およびφＳＨＧがオンになると、光電変換素子ＰＤに蓄積された電荷が転送トランジスタＴＱを介してＦＤ２５に蓄積され、かつ蓄積用トランジスタＨＱを介してコンデンサＣＸに蓄積される。その後、画素列２２−１における光信号の読み取りとは時間がずれて、二段目の画素列２２−２が、画素列２２−１が読み取ったフレームと同一フレームについて光信号を読み取る。具体的には、画素列２２−２の光電変換素子ＰＤが光信号を受けて、光電変換を行い信号電荷として蓄積する。そして、時刻Ｔ１において、制御部６により信号φＴＸＧ２およびφＳＨＧがオンになると、光電変換素子ＰＤに蓄積された電荷が転送トランジスタＴＱを介してＦＤ２５に蓄積され、かつ蓄積用トランジスタＨＱを介してコンデンサＣＸに蓄積される。その後、画素列２２−１および２２−２における光信号の読み取りとは時間がずれて、三段目の画素列２２−３が、画素列２２−１および２２−２が読み取ったフレームと同一フレームについて光信号を読み取る。具体的には、画素列２２−３の光電変換素子ＰＤが光信号を受けて、光電変換を行い信号電荷として蓄積する。そして、時刻Ｔ４において、制御部６により信号φＴＸＧ３およびφＳＨＧがオンになると、光電変換素子ＰＤに蓄積された電荷が転送トランジスタＴＱを介してＦＤ２５に蓄積され、かつ蓄積用トランジスタＨＱを介してコンデンサＣＸに蓄積される。

上述の処理により、同一フレームについて三段の画素列２２−１〜２２−３で読み取った画素信号がすべてコンデンサＣＸおよびＦＤ２５に蓄積されている。そして、時刻Ｔ５において、制御部６により信号φＲＸＧがオンになると、ＦＤ２５がリセットされ、ＦＤ２５にはノイズ（リセットノイズ）成分が蓄積された状態となる。そして、制御部６により信号φＲＸＧのオンと同時、すなわち時刻Ｔ５において信号φＳＸＧがオンになると、ＦＤ２５がリセットされた後のノイズ（リセットノイズ）成分の信号電荷が増幅トランジスタＧＱにより信号電圧となり、色選択トランジスタＳＱを介して垂直信号線Ｌ２に出力される。そして、出力された、このノイズ成分はノイズサンプルホールドコンデンサＣ２にサンプルホールドされる。さらに、時刻Ｔ６において、信号φＳＸＧがオンの状態で、制御部６により信号φＳＨＧがオンになる。それにより、コンデンサＣＸに蓄積されていた信号電荷が、蓄積用トランジスタＨＱを介してＦＤ２５に流入する。さらに、ＦＤ２５に蓄積されているノイズ成分とコンデンサＣＸに蓄積されていた信号電荷であるシグナル成分とが合算され、増幅トランジスタＧＱにより信号電圧となり、色選択トランジスタＳＱを介して垂直信号線Ｌ２に出力される。そして、出力された、このノイズ成分＋シグナル成分はシグナルサンプルホールドコンデンサＣ１にサンプルホールドされる。

上記Ｂの画素信号の読み取りと同様に、シグナルサンプルホールドコンデンサＣ１およびノイズサンプルホールドコンデンサＣ２にサンプルホールドされたノイズ成分＋シグナル成分およびノイズ成分を用いて、ノイズ成分が除去された画素信号を得ることができ、例えば後段に設けられた図略のＡ／Ｄ変換部に出力される。

次に、Ｒの画素信号を読み取りについて説明する。Ｒの画素信号を読み取る画素列２３−１〜２３−３の内、一段目の画素列２３−１が光信号を読み取る。具体的には、画素列２３−１の光電変換素子ＰＤが光信号を受けて、光電変換を行い信号電荷として蓄積する。時刻Ｔ４において、制御部６により信号φＴＸＲ１およびφＳＨＲがオンになると、光電変換素子ＰＤに蓄積された電荷が転送トランジスタＴＱを介してＦＤ２５に蓄積され、かつ蓄積用トランジスタＨＱを介してコンデンサＣＸに蓄積される。その後、画素列２３−１における光信号の読み取りとは時間がずれて、二段目の画素列２３−２が、画素列２３−１が読み取ったフレームと同一フレームについて光信号を読み取る。具体的には、画素列２３−２の光電変換素子ＰＤが光信号を受けて、光電変換を行い信号電荷として蓄積する。そして、時刻Ｔ７において、制御部６により信号φＴＸＲ２およびφＳＨＲがオンになると、光電変換素子ＰＤに蓄積された電荷が転送トランジスタＴＱを介してＦＤ２５に蓄積され、かつ蓄積用トランジスタＨＱを介してコンデンサＣＸに蓄積される。その後、画素列２３−１および２３−２における光信号の読み取りとは時間がずれて、三段目の画素列２３−３が、画素列２３−１および２３−２が読み取ったフレームと同一フレームについて光信号を読み取る。具体的には、画素列２３−３の光電変換素子ＰＤが光信号を受けて、光電変換を行い信号電荷として蓄積する。そして、時刻Ｔ１において、制御部６により信号φＴＸＲ３およびφＳＨＲがオンになると、光電変換素子ＰＤに蓄積された電荷が転送トランジスタＴＱを介してＦＤ２５に蓄積され、かつ蓄積用トランジスタＨＱを介してコンデンサＣＸに蓄積される。

上述の処理により、同一フレームについて三段の画素列２３−１〜２３−３で読み取った画素信号がすべてコンデンサＣＸおよびＦＤ２５に蓄積されている。そして、時刻Ｔ２において、制御部６により信号φＲＸＲがオンになると、ＦＤ２５がリセットされ、ＦＤ２５にはノイズ（リセットノイズ）成分が蓄積された状態となる。そして、制御部６により信号φＲＸＲのオンと同時、すなわち時刻Ｔ２において信号φＳＸＲがオンになると、ＦＤ２５がリセットされた後のノイズ（リセットノイズ）成分の信号電荷が増幅トランジスタＧＱにより信号電圧となり、色選択トランジスタＳＱを介して垂直信号線Ｌ２に出力される。そして、出力された、このノイズ成分はノイズサンプルホールドコンデンサＣ２にサンプルホールドされる。さらに、時刻Ｔ３において、信号φＳＸＲがオンの状態で、制御部６により信号φＳＨＲがオンになる。それにより、コンデンサＣＸに蓄積されていた信号電荷が、蓄積用トランジスタＨＱを介してＦＤ２５に流入する。さらに、ＦＤ２５に蓄積されているノイズ成分とコンデンサＣＸに蓄積されていた信号電荷であるシグナル成分とが合算され、増幅トランジスタＧＱにより信号電圧となり、色選択トランジスタＳＱを介して垂直信号線Ｌ２に出力される。そして、出力された、このノイズ成分＋シグナル成分はシグナルサンプルホールドコンデンサＣ１にサンプルホールドされる。

上記Ｂの画素信号の読み取りと同様に、シグナルサンプルホールドコンデンサＣ１およびノイズサンプルホールドコンデンサＣ２にサンプルホールドされたノイズ成分＋シグナル成分およびノイズ成分を用いて、ノイズ成分が除去された画素信号を得ることができ、例えば後段に設けられた図略のＡ／Ｄ変換部に出力される。

本発明の実施の形態１に係る撮像装置１は、上述したように、色成分ＲＧＢごとに、さらに三段ずつ画素列を有する構成である。つまり、撮像装置１は９個の画素列２１−１〜２１−３、２２−１〜２２−３、２３−１〜２３−３を有している。そして、それぞれの色成分の画素信号を読み取る場合に、各段における読み取りタイミングをずらすことで、同一フレームにつき３個の画素信号を得ることができるため、通常の撮像装置に比べて３倍の感度を有する。また、各段の光電変換素子ＰＤにおいて読み取った電荷を、一旦蓄積することができるコンデンサＣＸを有することから、ＦＤ２５をリセットした後のノイズ成分と、そのノイズ成分にコンデンサＣＸに蓄積しておいたシグナル成分を加えた、ノイズ成分＋シグナル成分を検出できる。そのため、実施の形態１に係る撮像装置１は、正確なシグナル成分を求めることができ、高精度の撮像を行うことができる。また、コンデンサＣＸおよび蓄積用トランジスタＨＱは、共通回路ＫＢ、ＫＧ、ＫＲに配置することができるため、各画素の開口部を縮小させることなしに、これらを配置できるため、画素の縮小化も可能である。なお、コンデンサＣＸおよび蓄積用トランジスタＨＱの少なくとも一つを共通回路ＫＢ、ＫＧ、ＫＲ以外の箇所、例えば各画素内に配置する構成としてもよい。それにより、レイアウトの自由度が増す。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る撮像装置について説明する。なお、本発明の実施の形態２に係る撮像装置の全体構成は、図１に示した本発明の実施の形態１に係る撮像装置とは略同一の構成であり、画素の回路構成が互いに異なる。そこで、実施の形態２に係る撮像装置の全体構成の説明は省略し、実施の形態２に係る撮像装置の全体構成を示す図として図１を参照する。

本発明の実施の形態２に係る撮像装置の画素の回路について、図を用いて説明する。図４は本発明の実施の形態２に係る撮像装置の画素の回路図である。図４において、各画素列２１−１〜２１−３、２２−１〜２２−３、２３−１〜２３−３に含まれる各画素２０は、光電変換素子ＰＤ、転送トランジスタＴＱおよび色選択トランジスタＳＱを備えている。光電変換素子ＰＤはアノードが接地され、カソードが転送トランジスタＴＱのソースに接続されている。転送トランジスタＴＱのゲートは、行選択信号線Ｌ１を介して、垂直走査回路３に接続されている。転送トランジスタＴＱのドレインは、色選択トランジスタＳＱのソースに接続され、容量部であるＦＤ（フローティングディフュージョン）２６を形成している。光電変換素子ＰＤは被写体からの光を受光し、受光した光量に応じた信号電荷を蓄積する。転送トランジスタＴＱにより転送された、光電変換素子ＰＤにより蓄積された信号電荷は、ＦＤ２６において蓄積することができる。なお、色選択トランジスタＳＱのゲートは、行選択信号線Ｌ１を介して、垂直走査回路３に接続されている。

画素列２１−１〜２１−３における各画素２０の色選択トランジスタＳＱのドレインは、共通回路ＫＢに接続されている。また、画素列２２−１〜２２−３における各画素２０の色選択トランジスタＳＱのドレインは、共通回路ＫＧに接続されている。また、画素列２３−１〜２３−３における各画素２０の色選択トランジスタＳＱのドレインは、共通回路ＫＲに接続されている。

そして、Ｂの画素信号を読み出す各画素列２１−１〜２１−３における各画素２０の転送トランジスタＴＱのゲートには、行選択信号であり、転送トランジスタＴＱのオン・オフを制御するφＴＸＢ１〜φＴＸＢ３がそれぞれ入力される。また、Ｇの画素信号を読み出す各画素列２２−１〜２２−３における各画素２０の転送トランジスタＴＱのゲートには、行選択信号であり、転送トランジスタＴＱのオン・オフを制御するφＴＸＧ１〜φＴＸＧ３がそれぞれ入力される。また、Ｒの画素信号を読み出す各画素列２３−１〜２３−３における各画素２０の転送トランジスタＴＱのゲートには、行選択信号であり、転送トランジスタＴＱのオン・オフを制御するφＴＸＲ１〜φＴＸＲ３がそれぞれ入力される。

また、Ｂの画素信号を読み出す各画素列２１−１〜２１−３における各画素２０の色選択トランジスタＳＱのゲートには、色選択トランジスタＳＱのオン・オフを制御するφＳＸＢが入力される。また、Ｇの画素信号を読み出す各画素列２２−１〜２２−３における各画素２０の色選択トランジスタＳＱのゲートには、色選択トランジスタＳＱのオン・オフを制御するφＳＸＧが入力される。また、Ｒの画素信号を読み出す各画素列２３−１〜２３−３における各画素２０の色選択トランジスタＳＱのゲートには、色選択トランジスタＳＱのオン・オフを制御するφＳＸＢが入力される。

共通回路ＫＢ、ＫＧ、ＫＲには、それぞれ、リセットトランジスタＲＱおよび増幅トランジスタＧＱが配置されている。そして、リセットトランジスタＲＱのドレインと、増幅トランジスタＧＱのゲートは接続され、ＦＤ２５を形成している。上記、各画素列２１−１〜２１−３、２２−１〜２２−３、２３−１〜２３−３は、このＦＤ２５に接続されている。

リセットトランジスタＲＱのゲートは色選択信号線Ｌ３を介して制御部６と接続され、制御部６から出力され、リセットトランジスタＲＱをオン・オフするための信号であるφＲＸＢ、φＲＸＧ、φＲＸＲが入力されている。また、リセットトランジスタＲＱのソースには駆動電圧であるＶＤＤが入力されている。なお、ＶＤＤは図略の電圧源から出力され、この信号φＲＸＢ、φＲＸＧ、φＲＸＲは、例えば制御部６から出力されることとすればよい。そして、リセットトランジスタＲＱが動作することで、ＦＤ２５がリセットされる。

増幅トランジスタＧＱは、ゲートがＦＤ２５を介して色選択トランジスタＳＱのドレインおよびリセットトランジスタＲＱのドレインに接続され、ソースには駆動電圧であるＶＤＤが入力され、ドレインは垂直信号線Ｌ２に接続され、読出回路５および差動アンプ７を有するＣＤＳ回路に接続されている。

このような回路の動作について、図を用いて説明する。図５は本発明の実施の形態２に係る撮像装置における信号のタイミングチャートである。まず、Ｂの画素信号の読み取りについて説明する。Ｂの画素信号を読み取る画素列２１−１〜２１−３の内、一段目の画素列２１−１が光信号を読み取る。具体的には、画素列２１−１の光電変換素子ＰＤが光信号を受けて、光電変換を行い信号電荷として蓄積する。時刻Ｔ１において、制御部６により信号φＴＸＢ１がオンになると、光電変換素子ＰＤに蓄積された信号電荷が転送トランジスタＴＱを介してＦＤ２６に蓄積される。その後、画素列２１−１における光信号の読み取りとは時間がずれて、二段目の画素列２１−２が、画素列２１−１が読み取ったフレームと同一フレームについて光信号を読み取る。具体的には、画素列２１−２の光電変換素子ＰＤが光信号を受けて、光電変換を行い信号電荷として蓄積する。そして、時刻Ｔ４において、制御部６により信号φＴＸＢ２がオンになると、光電変換素子ＰＤに蓄積された信号電荷が転送トランジスタＴＱを介してＦＤ２６に蓄積される。その後、画素列２１−１および２１−２における光信号の読み取りとは時間がずれて、三段目の画素列２１−３が、画素列２１−１および２１−２が読み取ったフレームと同一フレームについて光信号を読み取る。具体的には、画素列２１−３の光電変換素子ＰＤが光信号を受けて、光電変換を行い信号電荷として蓄積する。そして、時刻Ｔ７において、制御部６により信号φＴＸＢ３がオンになると、光電変換素子ＰＤに蓄積された信号電荷が転送トランジスタＴＱを介してＦＤ２６に蓄積される。

上述の処理により、同一フレームについて三段の画素列２１−１〜２１−３で読み取った画素信号がそれぞれ各画素２０のＦＤ２６に蓄積される。そして、時刻Ｔ８において、制御部６により信号φＲＸＢがオンになり、共通回路ＫＢのＦＤ２５がリセットされ、ＦＤ２５がリセットされた後のノイズ（リセットノイズ）成分の信号電荷が増幅トランジスタＧＱにより信号電圧となり、垂直信号線Ｌ２に出力される。そして、出力された、このノイズ成分はノイズサンプルホールドコンデンサＣ２にサンプルホールドされる。さらに、時刻Ｔ９において、制御部６により信号φＳＸＢがオンになり、三段の画素列２１−１〜２１−３の各ＦＤ２６に蓄積されていた信号電荷であるシグナル成分がすべてＦＤ２５に流入する。ＦＤ２６に蓄積されていた信号電荷とは、具体的には、同一フレームについて三段の画素列２１−１〜２１−３のそれぞれで読み取った画素信号がすべて合算された信号電荷である。シグナル成分がＦＤ２５に流入すると、ＦＤ２５に蓄積されているノイズ成分と、このシグナル成分とが合算され、増幅トランジスタＧＱにより信号電圧となり、垂直信号線Ｌ２に出力される。そして、出力された、このノイズ成分＋シグナル成分はシグナルサンプルホールドコンデンサＣ１にサンプルホールドされる。

シグナルサンプルホールドコンデンサＣ１およびノイズサンプルホールドコンデンサＣ２にサンプルホールドされたノイズ成分＋シグナル成分およびノイズ成分を用いて、具体的には、以下の処理により画素信号を得ることができる。アンプＡ２は、水平走査回路４から出力される列選択信号に従って、ノイズサンプルホールドコンデンサＣ２にサンプルホールドされたノイズ成分を差動アンプ７に出力する。アンプＡ１は、水平走査回路４から出力される列選択信号に従って、シグナルサンプルホールドコンデンサＣ１にサンプルホールドされたノイズ成分＋シグナル成分を差動アンプ７に出力する。差動アンプ７は、アンプＡ２から出力されたノイズ成分とアンプＡ１から出力されたノイズ成分＋シグナル成分との差分をとり、画素信号からノイズ成分を除去し、例えば後段に設けられた図略のＡ／Ｄ変換部に出力する。

本発明の実施の形態２に係る撮像装置１は、上述のように、ＦＤ２５をリセットした後にノイズ成分を検出し、再度リセットすることなくノイズ成分にシグナル成分を加える処理を行っているので、シグナルサンプルホールドコンデンサＣ１にサンプルホールドされているノイズ成分＋シグナル成分の内のノイズ成分は、ノイズサンプルホールドコンデンサＣ２にサンプルホールドされているノイズ成分と同一の値である。したがって、これら、ノイズ成分＋シグナル成分とノイズ成分との差分を求めることで、正しいシグナル成分を求めることができる。

次に、Ｇの画素信号の読み取りについて説明する。Ｇの画素信号を読み取る画素列２２−１〜２２−３の内、一段目の画素列２２−１が光信号を読み取る。具体的には、画素列２２−１の光電変換素子ＰＤが光信号を受けて、光電変換を行い信号電荷として蓄積する。時刻Ｔ７において、制御部６により信号φＴＸＧ１がオンになると、光電変換素子ＰＤに蓄積された電荷が転送トランジスタＴＱを介してＦＤ２６に蓄積される。その後、画素列２２−１における光信号の読み取りとは時間がずれて、二段目の画素列２２−２が、画素列２２−１が読み取ったフレームと同一フレームについて光信号を読み取る。具体的には、画素列２２−２の光電変換素子ＰＤが光信号を受けて、光電変換を行い信号電荷として蓄積する。そして、時刻Ｔ１において、制御部６により信号φＴＸＧ２がオンになると、光電変換素子ＰＤに蓄積された電荷が転送トランジスタＴＱを介してＦＤ２６に蓄積される。その後、画素列２２−１および２２−２における光信号の読み取りとは時間がずれて、三段目の画素列２２−３が、画素列２２−１および２２−２が読み取ったフレームと同一フレームについて光信号を読み取る。具体的には、画素列２２−３の光電変換素子ＰＤが光信号を受けて、光電変換を行い信号電荷として蓄積する。そして、時刻Ｔ４において、制御部６により信号φＴＸＧ３がオンになると、光電変換素子ＰＤに蓄積された電荷が転送トランジスタＴＱを介してＦＤ２６に蓄積される。

上述の処理により、同一フレームについて三段の画素列２２−１〜２２−３で読み取った画素信号がそれぞれ各画素２０のＦＤ２６に蓄積される。そして、時刻Ｔ５において、制御部６により信号φＲＸＧがオンになり、共通回路ＫＧのＦＤ２５がリセットされ、ＦＤ２５がリセットされた後のノイズ（リセットノイズ）成分の信号電荷が増幅トランジスタＧＱにより信号電圧となり、垂直信号線Ｌ２に出力される。そして、出力された、このノイズ成分はノイズサンプルホールドコンデンサＣ２にサンプルホールドされる。さらに、時刻Ｔ６において、制御部６により信号φＳＸＧがオンになり、三段の画素列２２−１〜２２−３の各ＦＤ２６に蓄積されていた信号電荷であるシグナル成分がすべてＦＤ２５に流入する。ＦＤ２６に蓄積されていた信号電荷とは、具体的には、同一フレームについて三段の画素列２２−１〜２２−３のそれぞれで読み取った画素信号がすべて合算された信号電荷である。シグナル成分がＦＤ２５に流入すると、ＦＤ２５に蓄積されているノイズ成分と、このシグナル成分とが合算され、増幅トランジスタＧＱにより信号電圧となり、垂直信号線Ｌ２に出力される。そして、出力された、このノイズ成分＋シグナル成分はシグナルサンプルホールドコンデンサＣ１にサンプルホールドされる。

上記Ｂの画素信号の読み取りと同様に、シグナルサンプルホールドコンデンサＣ１およびノイズサンプルホールドコンデンサＣ２にサンプルホールドされたノイズ成分＋シグナル成分およびノイズ成分を用いて、ノイズ成分が除去された画素信号を得ることができ、例えば後段に設けられた図略のＡ／Ｄ変換部に出力される。

次に、Ｒの画素信号の読み取りについて説明する。Ｒの画素信号を読み取る画素列２３−１〜２３−３の内、一段目の画素列２３−１が光信号を読み取る。具体的には、画素列２３−１の光電変換素子ＰＤが光信号を受けて、光電変換を行い信号電荷として蓄積する。時刻Ｔ４において、制御部６により信号φＴＸＲ１がオンになると、光電変換素子ＰＤに蓄積された電荷が転送トランジスタＴＱを介してＦＤ２６に蓄積される。その後、画素列２３−１における光信号の読み取りとは時間がずれて、二段目の画素列２３−２が、画素列２３−１が読み取ったフレームと同一フレームについて光信号を読み取る。具体的には、画素列２３−２の光電変換素子ＰＤが光信号を受けて、光電変換を行い信号電荷として蓄積する。そして、時刻Ｔ７において、制御部６により信号φＴＸＲ２がオンになると、光電変換素子ＰＤに蓄積された電荷が転送トランジスタＴＱを介してＦＤ２６に蓄積される。その後、画素列２３−１および２３−２における光信号の読み取りとは時間がずれて、三段目の画素列２３−３が、画素列２３−１および２３−２が読み取ったフレームと同一フレームについて光信号を読み取る。具体的には、画素列２３−３の光電変換素子ＰＤが光信号を受けて、光電変換を行い信号電荷として蓄積する。そして、時刻Ｔ１において、制御部６により信号φＴＸＲ３がオンになると、光電変換素子ＰＤに蓄積された電荷が転送トランジスタＴＱを介してＦＤ２６に蓄積される。

上述の処理により、同一フレームについて三段の画素列２３−１〜２３−３で読み取った画素信号がそれぞれ各画素２０のＦＤ２６に蓄積される。そして、時刻Ｔ２において、制御部６により信号φＲＸＲがオンになり、共通回路ＫＲのＦＤ２５がリセットされ、ＦＤ２５がリセットされた後のノイズ（リセットノイズ）成分の信号電荷が増幅トランジスタＧＱにより信号電圧となり、垂直信号線Ｌ２に出力される。そして、出力された、このノイズ成分はノイズサンプルホールドコンデンサＣ２にサンプルホールドされる。さらに、時刻Ｔ３において、制御部６により信号φＳＸＲがオンになり、三段の画素列２３−１〜２３−３の各ＦＤ２６に蓄積されていた信号電荷であるシグナル成分がすべてＦＤ２５に流入する。ＦＤ２６に蓄積されていた信号電荷とは、具体的には、同一フレームについて三段の画素列２３−１〜２３−３のそれぞれで読み取った画素信号がすべて合算された信号電荷である。シグナル成分がＦＤ２５に流入すると、ＦＤ２５に蓄積されているノイズ成分と、このシグナル成分とが合算され、増幅トランジスタＧＱにより信号電圧となり、垂直信号線Ｌ２に出力される。そして、出力された、このノイズ成分＋シグナル成分はシグナルサンプルホールドコンデンサＣ１にサンプルホールドされる。

上記Ｂの画素信号の読み取りと同様に、シグナルサンプルホールドコンデンサＣ１およびノイズサンプルホールドコンデンサＣ２にサンプルホールドされたノイズ成分＋シグナル成分およびノイズ成分を用いて、ノイズ成分が除去された画素信号を得ることができ、例えば後段に設けられた図略のＡ／Ｄ変換部に出力される。

本発明の実施の形態２に係る撮像装置１は、上述したように、色成分ＲＧＢごとに、さらに三段ずつ画素列を有する構成である。つまり、撮像装置１は９個の画素列２１−１〜２１−３、２２−１〜２２−３、２３−１〜２３−３を有している。そして、それぞれの色成分の画素信号を読み取る場合に、各段における読み取りタイミングをずらすことで、同一フレームにつき３個の画素信号を得ることができるため、通常の撮像装置に比べて３倍の感度を有する。また、各段の光電変換素子ＰＤにおいて読み取った信号電荷を、一旦蓄積することができるＦＤ２６を各画素２０に有することから、共通回路ＫＢ、ＫＧ、ＫＲにおけるＦＤ２５をリセットした後のノイズ成分と、そのノイズ成分にＦＤ２６に蓄積しておいたシグナル成分を加えた、ノイズ成分＋シグナル成分を検出できる。そのため、実施の形態２に係る撮像装置１は、正確なシグナル成分を求めることができ、高精度の撮像を行うことができる。

本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。

１ 撮像装置
２ 画素アレイ
３ 垂直走査回路
４ 水平走査回路
５ 読出回路
６ 制御部
７ 差動アンプ
２０ 画素
２１−１〜２１−３、２２−１〜２２−３、２３−１〜２３−３ 画素列
２５、２６ ＦＤ
ＫＢ、ＫＧ、ＫＲ 共通回路
Ｌ１ 行選択信号線
Ｌ２ 垂直信号線
Ｌ３ 色選択信号線
ＰＤ 光電変換素子
ＲＱ リセットトランジスタ
ＴＱ 転送トランジスタ
ＧＱ 増幅トランジスタ
ＳＱ 色選択トランジスタ
ＨＱ 蓄積用トランジスタ
ＣＸ コンデンサ
１２０ 画素
１２１−１〜１２１−３ 画素列
Ｋ１、Ｋ２ 画素回路

Claims (6)

1. 複数の画素が一次元に配列された構成を有し、それぞれ互いに異なるタイミングで被写体光における同一色の読み取りを行う、複数の画素列と、
   前記各画素列の画素により読み取られた、それぞれ読み取りタイミングが異なる、同一被写体の露光による各信号電荷を蓄積する蓄積部と、
   前記蓄積部から転送された、合算された前記各信号電荷を、信号電圧に変換するために蓄積する、前記各画素列の画素に共通の変換用フローティングディフュージョンと、
   前記変換用フローティングディフュージョンをリセットするリセットトランジスタと、
   前記変換用フローティングディフュージョンに蓄積された信号電荷を増幅し、信号電圧として出力する増幅トランジスタとを備えた、固体撮像素子。
2. 前記蓄積部は、容量性素子である、請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記蓄積部は、各画素に設けられた蓄積用フローティングディフュージョンである、請求項１に記載の固体撮像素子。
4. 前記蓄積部は、前記各画素列の画素に共通であって、当該各画素の外部に配置されている、請求項２に記載の固体撮像素子。
5. 前記各画素列の画素は、同一色について、それぞれ互いに異なるタイミングで同一被写体の露光による各信号電荷を読み取り、
   前記蓄積部は、前記読み取られた各信号電荷を蓄積し、
   前記蓄積部が各信号電荷を蓄積している間に、前記リセットトランジスタは、前記変換用フローティングディフュージョンをリセットし、
   前記増幅トランジスタは、リセットされた前記変換用フローティングディフュージョンに蓄積されたノイズ成分を信号電圧として出力し、
   前記増幅トランジスタが前記ノイズ成分を信号電圧として出力した後に、前記蓄積部は合算された前記各信号電荷を前記変換用フローティングディフュージョンに転送し、
   前記増幅トランジスタは、前記変換用フローティングディフュージョンに蓄積されたノイズ成分および前記ノイズ成分に加算された前記合算された前記各信号電荷を信号電圧として出力する、請求項１に記載の固体撮像素子。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載された固体撮像素子を備えた、撮像装置。

Images