JP2012044337A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】水平信号線に関する複数段の階層的な接続構造を採用しつつ、水平信号線上で水平方向の画素加算を行うことにより得られる画像の画質を向上させる。
【解決手段】固体撮像素子１は、複数の画素１０と、複数の垂直信号線１１と、複数のサンプルホールド部１５Ｓ，１５Ｎと、水平出力部と、水平走査回路１８とを備える。水平出力部は、少なくとも２つ以上の垂直信号線１１と接続される複数の第１の水平信号線３１Ｓ，３１Ｎと、複数の第１の水平信号線３１Ｓ，３１Ｎと選択スイッチＨＧＳ，ＨＧＮを介して接続される第２の水平信号線３２Ｎ，３２Ｓからなる。水平走査回路１８は、サンプルホールド部１５Ｓ，１５Ｎに保持された画素信号が第１の水平信号線３１Ｓ，３１Ｎに出力されたときに、複数の選択スイッチＨＧＳ，ＨＧＮのうち、少なくとも２つをオンに制御して第２の水平信号線３２Ｎ，３２Ｓに出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子に関するものである。

固体撮像素子では、２次元に配置された画素を有している。列方向に配置される画素は、前記列方向に配置される垂直信号線に共通に接続され、画素から出力される信号は、垂直信号線に読み出される。垂直信号線に読み出された信号は、垂直信号線に対応して配置された水平選択スイッチを介して水平信号線に出力され、水平信号線の端部に設けられた出力アンプ等の出力部を介して固体撮像素子の外部に出力される。

このような固体撮像素子において、垂直信号線と出力部との間の水平信号線に関する接続構造として、複数段の階層的な接続構造を採用した固体撮像素子が提案されている（例えば、下記特許文献１）。すなわち、この固体撮像素子では、垂直信号線と出力部との間の接続構造は、２段の水平信号線（すなわち、複数本の下位段の水平信号線と、１本の上位段の水平信号線）と、複数の水平選択スイッチとから構成されている。そして、下位段の水平信号線の各１本に対して垂直信号線が複数本ずつ対応付けられ、対応する１本の下位段の水平信号線と複数本の垂直信号線との間がそれぞれ、垂直信号線に対して１対１に設けた水平選択スイッチで接続されている。また、各下位段の水平信号線は、下位段の水平信号線に対して１対１に設けた水平選択スイッチで上位段の水平信号線に接続されている。上位段の水平信号線の一方端部には、固体撮像素子の外部へ信号を出力するための出力部が設けられている。

特開昭６３−１４２７８１号公報

前述したような水平信号線に関する複数段の階層的な接続構造を採用した固体撮像素子において、水平信号線上で水平方向の画素加算（電荷加算）を行うと、本来は撮像画像に現れるはずのない縦筋がノイズとして現れてしまい、画質が低下してしまう。この点については、後に、本発明と比較される比較例の説明において詳述する。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、水平信号線に関する複数段の階層的な接続構造を採用しつつ、水平信号線上で水平方向の画素加算を行うことにより得られる画像の画質を向上させることができる固体撮像素子を提供することを目的とする。

前記課題を解決するための手段として、以下の各態様を提示する。第１の態様による固体撮像素子は、２次元行列状に配置され、入射光に応じた画素信号を出力する複数の画素と、前記画素の各列に対応して設けられる複数の垂直信号線と、を有する画素部と、前記複数の垂直信号線にそれぞれ対応して設けられ、前記画素信号を保持する複数のサンプルホールド部と、前記複数の垂直信号線のうち、少なくとも２つ以上の前記垂直信号線と接続される複数の第１の水平信号線と、前記複数の第１の水平信号線と選択スイッチを介して接続される第２の水平信号線からなる水平出力部と、前記サンプルホールド部に保持された前記画素信号が前記第１の水平信号線に出力されたときに、複数の前記選択スイッチのうち、少なくとも２つをオンに制御して前記第２の水平信号線に出力する制御部と、を備えるものである。

第２の態様による固体撮像素子は、前記第１の態様において、前記制御部は、前記サンプルホールド部に保持された前記画素信号が前記第１の水平信号線に出力されたときに、複数の前記選択スイッチのうち、同数の前記選択スイッチがオンになるように制御して前記第２の水平信号線に出力するものである。

第３の態様による固体撮像素子は、前記第１又は第２の態様において、前記制御部は、前記サンプルホールド部に保持された前記画素信号が前記複数の第１の水平信号線のうち、少なくとも１つの前記第１の水平信号線に出力されたときに、出力されていない前記第１の水平信号線と前記第２の水平信号線とを接続する前記選択スイッチをオンに制御するものである。

第４の態様による固体撮像素子は、２次元行列状に配置され、入射光に応じた画素信号を出力する複数の画素と、前記画素の各列に対応して設けられる複数の垂直信号線と、を有する画素部と、前記複数の垂直信号線にそれぞれ対応して設けられ、前記画素信号を保持する複数のサンプルホールド部と、前記複数の垂直信号線のうち、少なくとも２つ以上の前記垂直信号線と第１の選択スイッチを介して接続される複数の第１の水平信号線と、前記複数の第１の水平信号線と第２の選択スイッチを介して接続される第２の水平信号線からなる水平出力部と、前記第１の選択スイッチの少なくとも２つをオンに制御して、前記複数のサンプルホールド部に保持された前記画素信号を前記第１の水平信号線に出力させたときに、複数の前記第２の選択スイッチのうち、少なくとも２つをオンに制御して前記第２の水平信号線に出力する加算読み出し制御と、前記第１の選択スイッチを１つずつオンに制御して、前記サンプルホールド部に保持された前記画素信号を前記第１の水平信号線に出力させたときに、前記画素信号が出力された前記第１の水平信号線と前記第２の水平信号線を接続する前記第２の選択スイッチをオンに制御する全画素読み出し制御と、を切り替えて制御する制御部と、を備えるものである。

第５の態様による固体撮像素子は、前記第１乃至第４のいずれかの態様において、前記複数のサンプルホールド部及び前記複数の第１の水平信号線からなる組を２組備えたものである。

本発明によれば、水平信号線に関する複数段の階層的な接続構造を採用しつつ、水平信号線上で水平方向の画素加算を行うことにより得られる画像の画質を向上させることができる固体撮像素子を提供することができる。

本発明の一実施の形態による固体撮像素子の概略構成を示す回路図である。 図１中の画素を示す回路図である。 図１に示す固体撮像素子の全画素読み出しモード時の水平走査期間を示すタイミングチャートである。 図１に示す固体撮像素子の水平画素加算読み出しモード時の水平走査期間を示すタイミングチャートである。 比較例による固体撮像素子の水平画素加算読み出しモード時の水平走査期間を示すタイミングチャートである。

以下、本発明による固体撮像素子について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施の形態による固体撮像素子１の概略構成を示す回路図である。本実施の形態による固体撮像素子１は、ＣＭＯＳ型固体撮像素子として構成されている。

固体撮像素子１は、２次元行列状に配置され入射光に応じた画素信号を出力する複数の画素１０と、それぞれが画素１０の各列に対応して設けられ対応する列の画素１０の出力信号が供給される複数の垂直信号線１１とを有する画素部と、垂直信号線１１と接続されたカラムアンプ１２及び定電流源１３と、入力された信号に応じた信号を外部に出力する出力部としての差動アンプ１４と、各カラムアンプ１２の出力部に接続されたデータレベル用サンプルホールド部１５Ｓ及びノイズレベル用サンプルホールド部１５Ｎと、接続部１６と、垂直走査回路１７と、接続部１６の接続状態を制御する制御部としての水平走査回路１８とを備えている。図１において、水平方向に６列で垂直方向に２行の１２個の画素を示している。しかし、画素数はこれに限られない。

各画素１０は、垂直走査回路１７から出力される駆動信号を所定の駆動信号線２０から受け取って駆動され、信号を垂直信号線１１に出力する。垂直走査回路１７から出力される駆動信号は複数あり、それに伴い駆動信号線２０も複数ある。これらについては後述する。

図２は、図１中の画素１０を示す回路図である。各画素１０は、一般的なＣＭＯＳ型固体撮像素子と同様に、入射光に応じた電荷を生成し蓄積する光電変換部としてのフォトダイオードＰＤと、前記電荷を受け取って前記電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部としてのフローティング容量部ＦＤと、フローティング容量部ＦＤの電位に応じた信号を出力する増幅部としての増幅トランジスタＡＭＰと、フォトダイオードＰＤからフローティング容量部ＦＤに電荷を転送する電荷転送部としての転送トランジスタＴＸと、フローティング容量部ＦＤの電位をリセットするリセット部としてのリセットトランジスタＲＥＳと、当該画素１０を選択するための選択部としての選択トランジスタＳＥＬとを有し、図２に示すように接続されている。なお、本実施の形態では、画素１０のトランジスタＡＭＰ，ＴＸ，ＲＥＳ，ＳＥＬは、全てｎＭＯＳトランジスタである。図２において、ＶＤＤは電源である。

転送トランジスタＴＸのゲートは、行毎に、垂直走査回路１７からの転送駆動信号φＴＸを導く駆動配線（駆動配線２０のうちの配線）に、接続されている。リセットトランジスタＲＥＳのゲートは、行毎に、垂直走査回路１７からの駆動信号φＲＥＳを導く駆動配線（駆動配線２０のうちの配線）に、接続されている。選択トランジスタＳＥＬのゲートは、行毎に、垂直走査回路１７からの駆動信号φＳＥＬを導く駆動配線（駆動配線１８のうちの配線）に、接続されている。

垂直走査回路１７は、素子外からの駆動パルス（図示せず）を受けて、画素１０の行毎に、選択パルスφＳＥＬ、リセットパルスφＲＳＴ及び転送パルスφＴＸをそれぞれ出力する。

データレベル用サンプルホールド部１５Ｓ及びノイズレベル用サンプルホールド部１５Ｎは、各垂直信号線１１の信号に応じた信号（本実施の形態では、カラムアンプ１２で増幅した信号であるが、カラムアンプ１２を設けずに垂直信号線１１の信号としてもよい。）をサンプリング制御信号φＭＮ，φＭＳに従ってサンプリングして保持する。なお、カラムアンプとして、いわゆるスイッチトキャパシタアンプを用いてもよい。

各データレベル用サンプルホールド部１５Ｓは、垂直信号線１１に対応して設けられたデータレベル用保持容量ＣＳと、画素１０からのデータレベル（本来の信号レベルとノイズレベルとを含んだレベルであり、いわゆる光信号）をデータレベル用サンプリング制御信号φＭＳに従ってデータレベル用保持容量ＣＳに蓄積させるデータレベル用サンプリングスイッチＭＳとを有している。各ノイズレベル用サンプルホールド部１５Ｎは、垂直信号線１１に対応して設けられたノイズレベル用保持容量ＣＮと、ノイズレベル（いわゆる暗信号）をノイズレベル用サンプリング制御信号φＭＮに従ってノイズレベル用保持容量ＣＮに蓄積させるノイズレベル用サンプリングスイッチＭＮとを有している。スイッチＭＳ，ＭＮは、全てｎＭＯＳトランジスタである。

各データレベル用サンプリングスイッチＭＳのゲートは共通に接続され、そこにはデータレベル用サンプリング制御信号φＭＳが供給される。データレベル用サンプリング制御信号φＭＳに応じてデータレベル用サンプリングスイッチＭＳがオンすると、垂直信号線の信号に応じてカラムアンプ１２から出力される信号のデータレベルが、対応するデータレベル用保持容量ＣＳに蓄積される。各ノイズレベル用サンプリングスイッチＭＮのゲートは共通に接続され、そこにはノイズレベル用サンプリング制御信号φＭＮが供給される。ノイズレベル用サンプリング制御信号φＭＮに応じてノイズレベル用サンプリングスイッチＭＮがオンすると、垂直信号線のノイズレベルに応じてカラムアンプ１２から出力されるノイズレベルが、対応するノイズレベル用保持容量ＣＮに蓄積される。

本実施の形態では、接続部１６は、データレベル用接続部とノイズレベル用接続部の２組の接続部から構成されている。データレベル用接続部は、２段のデータレベル用水平信号線（すなわち、複数本の下位段のデータレベル用水平信号線３１Ｓ及び１本の上位段のデータレベル用水平信号線３２Ｓ）と、全ての下位段のデータレベル用水平信号線３１Ｓと全てのデータレベル用サンプルホールド部１５Ｓの保持容量ＣＳとの間をそれぞれ接続する複数の下位段のデータレベル用水平選択スイッチＨＳと、全ての下位段のデータレベル用水平信号線３１Ｓと上位段のデータレベル用水平信号線３２Ｓとの間を接続する複数の上位段のデータレベル用水平選択スイッチＨＧＳと、を有している。水平信号線３１Ｓ，３２Ｓによって、データレベル用水平出力部が構成されている。本実施の形態では、水平選択スイッチＨＳ，ＨＧＳとしてｎＭＯＳトランジスタが用いられている。下位段のデータレベル用水平選択スイッチＨＳは、垂直信号線１１、カラムアンプ１２及びデータレベル用サンプルホールド部１５Ｓの保持容量ＣＳに対して１対１に設けられている。連続して並んだ複数本ずつの垂直信号線１１に対応して、下位段のデータレベル用水平信号線３２Ｓが１本ずつ設けられている。複数本の垂直信号線１１にそれぞれ接続されている同数のデータレベル用サンプルホールド部１５Ｓの保持容量ＣＳが、それぞれ同数の下位段のデータレベル用水平選択スイッチＨＳを介して、対応する同一の下位段の水平信号線３２Ｓに接続されている。このような接続関係にある複数本の垂直信号線１１とそれに対応した１本の下位段のデータレベル用水平信号線３２Ｓが、１つのグループを成している。ここでは、前述したような接続関係にある３本の垂直信号線１１とそれに対応した１本の下位段のデータレベル用水平信号線３２Ｓが、１つのグループを成している。しかし、１つのグループをなす垂直信号線１１の本数は、これに限らず、２本以上であればよく、例えば、１０本でもよい。そして、このようなグループが複数設けられている。なお、図１においては、紙面の都合上、２つのグループのみ図示されている。しかし、垂直信号線１１は、例えば１０００本近く設けられるので、その他のグループは省略されている。ただし、後述するタイミングチャートでは、説明の便宜上、そのグループ数は２つであるものとして、水平走査期間を記載している。

上位段のデータレベル用水平選択スイッチＨＧＳは、下位段のデータレベル用水平信号線３１Ｓに対して１対１に設けられている。各下位段のデータレベル用水平信号線３１Ｓは、上位段の水平選択スイッチＨＧＳを介して、上位段の水平信号線３２Ｓと接続されている。上位段の水平信号線３２Ｓは、所定の部位としての差動アンプ１４の一方の入力端子に接続されている。

ノイズレベル用接続部は、データレベル用接続部と同様に構成されている。すなわち、ノイズレベル用接続部は、２段のノイズレベル用水平信号線（すなわち、複数本の下位段のノイズレベル用水平信号線３１Ｎ及び１本の上位段のノイズレベル用水平信号線３２Ｎ）と、全ての下位段のノイズレベル用水平信号線３１Ｎと全てのノイズレベル用サンプルホールド部１５Ｎの保持容量ＣＮとの間をそれぞれ接続する複数の下位段のノイズレベル用水平選択スイッチＨＮと、全ての下位段のノイズレベル用水平信号線３１Ｎと上位段のノイズレベル用水平信号線３２Ｎとの間を接続する複数の上位段のノイズレベル用水平選択スイッチＨＧＮと、を有している。水平信号線３１Ｎ，３２Ｎによって、ノイズレベル用水平出力部が構成されている。本実施の形態では、水平選択スイッチＨＮ，ＨＧＮとしてｎＭＯＳトランジスタが用いられている。下位段のノイズレベル用水平選択スイッチＨＮは、垂直信号線１１、カラムアンプ１２及びノイズレベル用サンプルホールド部１５Ｎの保持容量ＣＮに対して１対１に設けられている。連続して並んだ複数本ずつの垂直信号線１１に対応して、下位段のノイズレベル用水平信号線３２Ｎが１本ずつ設けられている。複数本の垂直信号線１１にそれぞれ接続されている同数のノイズレベル用サンプルホールド部１５Ｎの保持容量ＣＮが、それぞれ同数の下位段のノイズレベル用水平選択スイッチＨＮを介して、対応する同一の下位段の水平信号線３２Ｎに接続されている。このような接続関係にある複数本の垂直信号線１１とそれに対応した１本の下位段のノイズレベル用水平信号線３２Ｎが、１つのグループを成している。

上位段のノイズレベル用水平選択スイッチＨＧＮは、下位段のノイズレベル用水平信号線３１Ｎに対して１対１に設けられている。各下位段のノイズレベル用水平信号線３１Ｎは、上位段の水平選択スイッチＨＧＮを介して、上位段の水平信号線３２Ｎと接続されている。上位段の水平信号線３２Ｎは、他の所定の部位としての差動アンプ１４の他方の入力端子に接続されている。

各列毎に、下位段のデータレベル用水平選択スイッチＨＳ及び下位段のノイズレベル用水平選択スイッチＨＮのゲートが共通に接続され、そこには水平走査回路１８から対応する列の下位段の水平制御信号φＨＬｍ（ｍはｍ列目の信号であることを示す。）が供給される。同じ垂直信号線１１のグループに対応するもの毎に、上位段のデータレベル用水平選択スイッチＨＧＳ及び上位段のノイズレベル用水平選択スイッチＨＧＮのゲートが共通に接続され、そこには水平走査回路１８から上位段の水平制御信号φＨＬｋ（ｋはｋ番目の上位段の信号であることを示す。）が供給される。

以上説明したように、本実施の形態では、接続部１６が複数段の階層的な接続構造を有しているので、前述した従来の固体撮像素子と同様に、信号読み出しに関わる寄生容量を低減させて高速読み出しを行うことができる。

図３は、本実施の形態による固体撮像素子１の全画素読み出しモード時の水平走査期間を示すタイミングチャートである。本実施の形態による固体撮像素子１では、全画素読み出しモード時には、公知の水平ブランキング期間の動作により、選択された行の各画素１０のデータレベル及びノイズレベルがサンプリングされて対応する列の保持容量ＣＳ，ＣＮに蓄積された後に、図３に示す水平走査期間の動作が行われる。そして、各行について、水平ブランキング期間及び水平走査期間が繰り返される。

本実施の形態では、水平走査期間ｔ１１−ｔ２５において、下位段の各水平制御信号φＨＬ１〜φＨＬ６が順次ハイレベルにされていき、下位段の各列の水平選択スイッチＨＳ，ＨＮが順次オンされていく。そして、下位段の水平制御信号φＨＬ１〜φＨＬ３が順次オンされていく期間（下位段の１列目乃至３列目の水平選択スイッチＨＳ，ＨＮが順次オンされていく期間）を含む期間ｔ１１−ｔ１８においては、対応する上位段の水平制御信号φＨＧ１がハイレベルにされ、対応する上位段の水平選択スイッチＨＧＳ，ＨＧＮがオンされ、１列目乃至３列目に対応する下段の水平選択線３１Ｓ，３１Ｎが上位段の水平信号線３２Ｓ，３２Ｎに接続される。また、下位段の水平制御信号φＨＬ４〜φＨＬ６が順次オンされていく期間（下位段の４列目乃至６列目の水平選択スイッチＨＳ，ＨＮが順次オンされていく期間）を含む期間ｔ１８−ｔ２５においては、対応する上位段の水平制御信号φＨＧ２がハイレベルにされ、対応する上位段の水平選択スイッチＨＧＳ，ＨＧＮがオンされ、４列目乃至６列目に対応する下段の水平選択線３１Ｓ，３１Ｎが上位段の水平信号線３２Ｓ，３２Ｎに接続される。

その結果、水平走査期間ｔ１１−ｔ２５において、１列目乃至６列目のデータレベル用保持容量ＣＳ及びノイズレベル用保持容量ＣＮにそれぞれ蓄積されていた各電荷によるデータレベル及びノイズレベルが、各列毎に順次、上位段のデータレベル用水平信号線３２Ｓ及び上位段のノイズレベル用水平信号線３２Ｎにそれぞれ出力され、差動アンプ１４によりデータレベルとノイズレベルとの間の差分が取得され、その差分信号が出力端子から出力される。これにより相関２重サンプリングが実現され、この差動アンプ１４から、画像信号として、固定パターンノイズ等が除去された本来の信号が得られる。なお、差動アンプ１４の代わりに、水平信号線３２Ｓ，３２Ｎの信号をそれぞれ増幅する２つの出力アンプを設け、素子外に設けた差動アンプ等によって、２つの出力アンプの出力信号の差分を取得するようにしてもよい。

なお、本実施の形態では、上位段の水平制御信号φＨＧ１がハイレベルにされている期間ｔ１−Ｔ１８においては、上位段の水平制御信号φＨＧ２がローレベルにされている。また、上位段の水平制御信号φＨＧ２がハイレベルにされている期間ｔ１８−Ｔ２５においては、上位段の水平制御信号φＨＧ１がローレベルにされている。これにより、信号読み出し経路（保持容量ＣＳ，ＣＮと上位段の水平信号線３２Ｓ，３２Ｎとの間の接続経路）を構成しない下位段の水平信号線３１Ｓ，３１Ｎは、上位段の水平信号線３２Ｓ，３２Ｎに電気的に接続されないようになっている。

図４は、本実施の形態による固体撮像素子１の水平画素加算読み出しモード時の水平走査期間を示すタイミングチャートである。本実施の形態による固体撮像素子１では、水平画素加算読み出しモード時には、公知の水平ブランキング期間の動作により、選択された行の各画素１０のデータレベル及びノイズレベルがサンプリングされて対応する列の保持容量ＣＳ，ＣＮに蓄積された後に、図４に示す水平走査期間の動作が行われる。そして、各行について、水平ブランキング期間及び水平走査期間が繰り返される。本実施の形態では、水平方向の隣り合う２つの画素が順次加算されていくが、本発明では、水平方向に連続していない複数の画素を加算してもよいし、加算する画素の数も２つに限定されるものではない。カラー画像用の固体撮像素子として構成する場合には、各画素の色配列等を考慮して、加算する画素を設定すればよい。

本実施の形態では、水平走査期間ｔ１−ｔ１０中の期間ｔ２−ｔ３において、下位段の水平制御信号φＨＬ１，φＨＬ２が同時にハイレベルにされ、１列目及び２列目の下位段の水平選択スイッチＨＳ，ＨＮが同時にオンされる。この期間ｔ２−ｔ３では、上位段の水平制御信号φＨＧ１のみならず上位段の水平制御信号φＨＧ２もハイレベルにされ、２つの上位段のデータレベル用水平選択スイッチＨＧＳ及び２つの上位段のノイズレベル用水平選択スイッチＨＧＮがオンする。その結果、この期間における信号読み出し経路を構成する１列目乃至３列目に対応する下位段の水平選択線３１Ｓ，３１Ｎのみならず、この期間における信号読み出し経路を構成しない４列目乃至６列目に対応する下位段の水平選択線３１Ｓ，３１Ｎも、上位段の水平信号線３２Ｓ，３２Ｎに接続される。したがって、期間ｔ２−ｔ３では、２本の下位段のデータレベル用水平信号線３１Ｓが上位段のデータレベル用水平信号線３２Ｓに接続されるとともに、２本の下位段のノイズレベル用水平信号線３１Ｎが上位段のノイズレベル用水平信号線３２Ｎに接続される。

この期間ｔ２−ｔ３では、この接続状態によって、上位段の水平信号線３２Ｓ，３３Ｎ及びこれに接続されている下位段の水平信号線３１Ｓ，３１Ｎ上で、１列目及び２列目の保持容量ＣＳ，ＣＮに蓄積されていた電荷が加算される（この電荷加算を画素加算と呼ぶ。）ことで、１列目及び２列目の保持容量ＣＳ，ＣＮに蓄積されていた電荷を加算してなる電荷によるデータレベル及びノイズレベルが差動アンプ１４に入力され、その差分信号が出力端子から出力される。これにより１列目の画素と２列目の画素の加算及び相関２重サンプリングが実現される。

次に、水平走査期間ｔ１−ｔ１０中の期間ｔ５−ｔ６において、下位段の水平制御信号φＨＬ３，φＨＬ４が同時にハイレベルにされ、３列目及び４列目の下位段の水平選択スイッチＨＳ，ＨＮが同時にオンされる。この期間ｔ５−ｔ６では、上位段の水平制御信号φＨＧ１，φＨＧ２がハイレベルにされ、２つの上位段のデータレベル用水平選択スイッチＨＧＳ及び２つの上位段のノイズレベル用水平選択スイッチＨＧＮがオンする。その結果、この期間における一方の信号読み出し経路（３列目の保持容量ＣＳ，ＣＮの信号読み出し経路）を構成する１列目乃至３列目に対応する下位段の水平選択線３１Ｓ，３１Ｎ、及び、この期間における他方の信号読み出し経路（４列目の保持容量ＣＳ，ＣＮの信号読み出し経路）を構成する下位段の４列目乃至６列目に対応する水平選択線３１Ｓ，３１Ｎが、上位段の水平信号線３２Ｓ，３２Ｎに接続される。したがって、期間ｔ５−ｔ６では、２本の下位段のデータレベル用水平信号線３１Ｓが上位段のデータレベル用水平信号線３２Ｓに接続されるとともに、２本の下位段のノイズレベル用水平信号線３１Ｎが上位段のノイズレベル用水平信号線３２Ｎに接続される。

この期間ｔ５−ｔ６では、この接続状態によって、上位段の水平信号線３２Ｓ，３３Ｎ及びこれに接続されている下位段の水平信号線３１Ｓ，３１Ｎ上で、３列目及び４列目の保持容量ＣＳ，ＣＮに蓄積されていた電荷が加算されることで、３列目及び４列目の保持容量ＣＳ，ＣＮに蓄積されていた電荷を加算してなる電荷によるデータレベル及びノイズレベルが差動アンプ１４に入力され、その差分信号が出力端子から出力される。これにより３列目の画素と４列目の画素の加算及び相関２重サンプリングが実現される。

その後、水平走査期間ｔ１−ｔ１０中の期間ｔ８−ｔ９において、下位段の水平制御信号φＨＬ５，φＨＬ６が同時にハイレベルにされ、５列目及び６列目の下位段の水平選択スイッチＨＳ，ＨＮが同時にオンされる。この期間ｔ８−ｔ９では、上位段の水平制御信号φＨＧ２のみならず上位段の水平制御信号φＨＧ１もハイレベルにされ、２つの上位段のデータレベル用水平選択スイッチＨＧＳ及び２つの上位段のノイズレベル用水平選択スイッチＨＧＮがオンする。その結果、この期間における信号読み出し経路を構成する４列目乃至６列目に対応する下位段の水平選択線３１Ｓ，３１Ｎのみならず、この期間における信号読み出し経路を構成しない１列目乃至３列目に対応する下位段の水平選択線３１Ｓ，３１Ｎも、上位段の水平信号線３２Ｓ，３２Ｎに接続される。したがって、期間ｔ８−ｔ９では、２本の下位段のデータレベル用水平信号線３１Ｓが上位段のデータレベル用水平信号線３２Ｓに接続されるとともに、２本の下位段のノイズレベル用水平信号線３１Ｎが上位段のノイズレベル用水平信号線３２Ｎに接続される。

この期間ｔ８−ｔ９では、この接続状態によって、上位段の水平信号線３２Ｓ，３３Ｎ及びこれに接続されている下位段の水平信号線３１Ｓ，３１Ｎ上で、５列目及び６列目の保持容量ＣＳ，ＣＮに蓄積されていた電荷が加算されることで、５列目及び６列目の保持容量ＣＳ，ＣＮに蓄積されていた電荷を加算してなる電荷によるデータレベル及びノイズレベルが差動アンプ１４に入力され、その差分信号が出力端子から出力される。これにより５列目の画素と６列目の画素の加算及び相関２重サンプリングが実現される。

ところで、接続部１６では、接続される保持容量の容量値（保持容量値）と、接続される水平信号線の負荷容量値（水平信号線負荷容量値）との容量分配で決まる増幅度（以下、「分配ゲイン」と呼ぶ。）が生ずる。分配ゲインは、下記の式１で表される。

式１：分配ゲイン＝（保持容量値）／（水平信号線負荷容量値＋保持容量値）
仮に、保持容量ＣＳ，ＣＮの一個分の容量値を１ｐＦ、水平信号線負荷容量値を１ｐＦであるとすると、前記水平画素加算読み出しモードの場合は、分配ゲイン＝１／（１＋１）＝０．５となり、前記水平画素加算読み出しモード（２画素加算）の場合は、分配ゲイン＝（２×１）／（１＋２×１）＝２／３＝０．６７となる。

図５は、本実施の形態による固体撮像素子１と比較される比較例による固体撮像素子の水平画素加算読み出しモード時の水平走査期間を示すタイミングチャートであり、図４に対応している。

この比較例による固体撮像素子が本実施の形態による固体撮像素子１と異なる所は、水平画素加算読み出しモード時の動作のみである。そして、この比較例の動作が本実施の形態の動作と異なる所は、本実施の形態では、期間ｔ１−ｔ４において水平制御信号φＨＧ２がハイレベルであるとともに、期間ｔ６−ｔ１０において、水平制御信号φＨＧ２がハイレベルであるのに対し、この比較例では、期間ｔ１−ｔ４において水平制御信号φＨＧ２がローレベルであるとともに、期間ｔ６−ｔ１０において、水平制御信号φＨＧ１がローレベルである点のみである。

この比較例では、期間ｔ１−ｔ４において水平制御信号φＨＧ２がローレベルであり、期間ｔ２−ｔ３において上位段の水平制御信号φＨＧ２がローレベルであるため、期間ｔ２−ｔ３において、４列目乃至６列目に対応する上位段の水平選択スイッチＨＧＳ，ＨＧＮがオフする。したがって、期間ｔ２−ｔ３において、上位段のデータレベル用水平選択スイッチＨＧＳ，ＨＧＮのうち、１つの上位段のデータレベル用水平選択スイッチＨＧＳ及び１つの上位段のノイズレベル用水平選択スイッチＨＧＮのみがオンする。その結果、この期間ｔ２−ｔ３における信号読み出し経路を構成しない４列目乃至６列目に対応する下位段の水平選択線３１Ｓ，３１Ｎは、上位段の水平信号線３２Ｓ，３２Ｎに接続されない。このため、この比較例では、期間ｔ２−ｔ３においては、この期間において信号読み出し経路を構成する下位段の１列目乃至３列目に対応する水平選択線３１Ｓ，３１Ｎのみが、上位段の水平信号線３２Ｓ，３２Ｎに接続される。したがって、期間ｔ２−ｔ３では、１本の下位段のデータレベル用水平信号線３１Ｓのみが上位段のデータレベル用水平信号線３２Ｓに接続されるとともに、１本の下位段のノイズレベル用水平信号線３１Ｎのみが上位段のノイズレベル用水平信号線３２Ｎに接続される。

また、この比較例では、期間ｔ７−ｔ１０において水平制御信号φＨＧ１がローレベルであり、期間ｔ８−ｔ９において上位段の水平制御信号φＨＧ１がローレベルであるため、期間ｔ８−ｔ９において、１列目乃至３列目に対応する上位段の水平選択スイッチＨＧＳ，ＨＧＮがオフする。したがって、期間ｔ８−ｔ９において、上位段のデータレベル用水平選択スイッチＨＧＳ，ＨＧＮのうち、１つの上位段のデータレベル用水平選択スイッチＨＧＳ及び１つの上位段のノイズレベル用水平選択スイッチＨＧＮのみがオンする。その結果、この期間ｔ８−ｔ９における信号読み出し経路を構成しない１列目乃至３列目に対応する下位段の水平選択線３１Ｓ，３１Ｎは、上位段の水平信号線３２Ｓ，３２Ｎに接続されない。このため、この比較例では、期間ｔ８−ｔ９においては、この期間において信号読み出し経路を構成する下位段の４列目乃至６列目に対応する水平選択線３１Ｓ，３１Ｎのみが、上位段の水平信号線３２Ｓ，３２Ｎに接続される。したがって、期間ｔ８−ｔ９では、１本の下位段のデータレベル用水平信号線３１Ｓのみが上位段のデータレベル用水平信号線３２Ｓに接続されるとともに、１本の下位段のノイズレベル用水平信号線３１Ｎのみが上位段のノイズレベル用水平信号線３２Ｎに接続される。

なお、期間ｔ５−ｔ６は、３列目及び４列目の信号読み出し期間であり、３列目の信号読み出し経路と４列目の信号読み出し経路とでは、それらの経路をなす下位段の水平信号線３１Ｓ，３１Ｎが互いに異なる。よって、本実施の形態の場合も比較例の場合も、期間ｔ５−ｔ６において上位段の水平制御信号φＨＧ１，φＨＧ２の両方をハイレベルにして、２つの上位段のデータレベル用水平選択スイッチＨＧＳ及び２つの上位段のノイズレベル用水平選択スイッチＨＧＮがオンし、２本の下位段のデータレベル用水平信号線３１Ｓが上位段のデータレベル用水平信号線３２Ｓに接続されるとともに、２本の下位段のノイズレベル用水平信号線３１Ｎが上位段のノイズレベル用水平信号線３２Ｎに接続される。

このように、この比較例では、各信号読み出し期間ｔ２−ｔ３，ｔ８−ｔ９において、オンする上位段のデータレベル用水平選択スイッチＨＧＳの数及びオンする上位段のノイズレベル用水平選択スイッチＨＧＮの数はそれぞれ１であるとともに、上位段のデータレベル用水平信号線３２Ｓに対して接続される下位段のデータレベル用水平信号線３１Ｓの本数、及び、上位段のデータレベル用水平信号線３２Ｓに対して接続される下位段のデータレベル用水平信号線３１Ｓの本数は、それぞれ１本である。一方で、信号読み出し期間ｔ５−ｔ６において、オンする上位段のデータレベル用水平選択スイッチＨＧＳの数及びオンする上位段のノイズレベル用水平選択スイッチＨＧＮの数はそれぞれ２であるとともに、上位段のデータレベル用水平信号線３２Ｓに対して接続される下位段のデータレベル用水平信号線３１Ｓの本数、及び、上位段のデータレベル用水平信号線３２Ｓに対して接続される下位段のデータレベル用水平信号線３１Ｓの本数は、それぞれ２本である。

したがって、この比較例では、信号読み出し期間ｔ５−ｔ６での接続部１６における水平線負荷容量は、各信号読み出し期間ｔ２−ｔ３，ｔ８−ｔ９での水平線負荷容量よりも、上位段の水平選択スイッチ１個と下位段の水平信号線１本の分だけ増える。

このため、信号読み出し期間ｔ５−ｔ６（２本の下位段の水平信号線３１Ｓ，３１Ｎを跨いでいる３列目及び４列目の画素加算を行う場合）での分配ゲインが、信号読み出し期間ｔ２−ｔ３（２本の下位段の水平信号線３１Ｓ，３１Ｎを跨いでいない１列目及び２列目の画素加算を行う場合）での分配ゲインや、信号読み出し期間ｔ８−ｔ９（２本の下位段の水平信号線３１Ｓ，３１Ｎを跨いでいない５列目及び６列目の画素加算を行う場合）での分配ゲインと異なる。

その結果、受光領域全面に均一光量が当たったとしても、分配ゲインに差が生じてしまうことで、水平画素加算読み出しモード時に取得される画像に、本来は無いはずの縦筋が発生し、画質劣化が引き起こされる。

これに対し、本実施の形態では、期間ｔ１−ｔ４において水平制御信号φＨＧ２がハイレベルであるとともに、期間ｔ６−ｔ１０において、水平制御信号φＨＧ２がハイレベルである。したがって、本実施の形態では、先の説明からわかるように、各信号読み出し期間ｔ２−ｔ３，ｔ８−ｔ９においても、信号読み出し期間ｔ５−ｔ６と同じく、オンする上位段のデータレベル用水平選択スイッチＨＧＳの数及びオンする上位段のノイズレベル用水平選択スイッチＨＧＮの数はそれぞれ１であるとともに、上位段のデータレベル用水平信号線３２Ｓに対して接続される下位段のデータレベル用水平信号線３１Ｓの本数、及び、上位段のデータレベル用水平信号線３２Ｓに対して接続される下位段のデータレベル用水平信号線３１Ｓの本数は、それぞれ２本である。

したがって、本実施の形態によれば、各信号読み出し期間ｔ５−ｔ６，ｔ２−ｔ３，ｔ８−ｔ９での水平線負荷容量は同一となり、それらの信号読み出し期間で分配ゲインが同一となる。水平画素加算読み出しモード時に取得される画像に、前記比較例で生ずるような縦筋が発生せず、画質が向上する。

ところで、先の分配ゲインの計算例からもわかるように、本実施の形態においても、前記比較例においても、基本的に、水平画素加算読み出しモードの場合の分配ゲインは、分配ゲイン前記全画素読み出しモードの場合の分配ゲインよりも高くなる傾向にある。これは、画素加算時には加算画素数に応じて保持容量値（（水平信号線につながる保持容量の総容量値）が大きくなるためである。

しかし、水平画素加算読み出しモードの場合の分配ゲインと全画素読み出しモードの場合の分配ゲインとの差が大くなればなるほど、水平信号線以降の後段回路でダイナミックレンジ確保するための処理（一方モードのトータルゲインを他方モードのトータルゲインに近づける処理）を行わない限り、ダイナミックレンジが狭まってしまう。逆に言えば、水平画素加算読み出しモードの場合の分配ゲインが全画素読み出しモードの場合の分配ゲインに近づくほど、特別な後段回路を用いなくても、ダイナミックレンジを拡大することができる。

前記比較例では、先の説明からわかるように、水平画素加算読み出しモード時の各信号読み出し期間ｔ２−ｔ３，ｔ８−ｔ９における水平線負荷容量は、信号読み出し期間ｔ５−ｔ６における水平線負荷容量よりも低い。したがって、各信号読み出し期間ｔ２−ｔ３，ｔ８−ｔ９における分配ゲインは、信号読み出し期間ｔ５−ｔ６における分配ゲインよりも高い。このため、前記比較例では、水平画素加算読み出しモード時の最も高い分配ゲイン（信号読み出し期間ｔ２−ｔ３，ｔ８−ｔ９における分配ゲイン）と全画素読み出しモードの場合の分配ゲインとの差が大きいので、特別な後段回路を用いない限り、ダイナミックレンジが狭い。

これに対し、本実施の形態では、水平画素加算読み出しモード時の各信号読み出し期間ｔ２−ｔ３，ｔ８−ｔ９において、信号読み出し経路を構成しない下位段の水平信号線３１Ｓ，３１Ｎを上位段の水平信号線３２Ｓ，３２Ｎに接続することで、各信号読み出し期間ｔ２−ｔ３，ｔ８−ｔ９における水平線負荷容量が高められて、信号読み出し期間ｔ５−ｔ６における水平信号線負荷容量と同じにされている。したがって、本実施の形態では、各信号読み出し期間ｔ２−ｔ３，ｔ８−ｔ９における分配ゲインが低められて、信号読み出し期間ｔ５−ｔ６における分配ゲインと同じにされている。よって、本実施の形態によれば、比較例において最も高かった分配ゲインが低められる結果、水平画素加算読み出しモードの場合の分配ゲインが全画素読み出しモードの場合の分配ゲインに近づけられている。

したがって、本実施の形態によれば、特別な後段回路を用いなくても、前記比較例に比べて、ダイナミックレンジを拡大することができる。

本実施の形態の説明では、理解を容易にするため、画素数が少なくて下位段の水平信号線３１Ｓ，３１Ｎがそれぞれ２本しかないものとした。しかしながら、実際には、画素数が多くてそれらの水平信号線３１Ｓ，３１Ｎの数も多い。そこで、実際には、水平画素加算読み出しモードにおいて、その分配ゲインが全画素読み出しモードの場合の分配ゲインにより近づくように、３個以上の下位段の水平信号線３１Ｓ，３１Ｎを同時にオンしてもよい。

なお、接続部１６の水平信号線の構造が２階層の場合、前述した縦筋をより完全に防止するためには、いずれの画素を加算する際にも、２以上の同数の上位段の水平選択スイッチＨＧＳ，ＨＧＮを同時にオンすることが好ましい。しかしながら、縦筋の低減効果に重きを置かずに、前述したダイナミックレンジ拡大効果を得る場合には、必ずしも、２以上の異なる数の上位段の水平選択スイッチＨＧＳ，ＨＧＮを同時にオンしてもよい。例えば、加算画素によって、４個の上位段の水平選択スイッチＨＧＳ，ＨＧＮを同時にオンする場合と、５個の上位段の水平選択スイッチＨＧＳ，ＨＧＮを同時にオンする場合とがあってもよい。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。

例えば、前記実施の形態は、接続部１６における水平信号線に関する接続構造として、２段の階層的な接続構造を採用した場合の例であったが、３段以上の階層的な接続構造を採用した場合であっても、本発明を適用することができる。

また、本発明は、読み出し列を選択するいわゆるラインセレクトスイッチを持った固体撮像素子にも適用することができる。さらに、接続部１６が有効画素領域の上下に振り分けられているような固体撮像素子にも適用することができる。

１ 固体撮像素子
１０ 画素
１１ 垂直信号線
１５Ｓ，１５Ｎ サンプルホールド部
１８ 水平走査回路
３１Ｓ，３１Ｎ 下位段の水平信号線
３２Ｓ，３２Ｎ 上位段の水平信号線
ＨＳ，ＨＮ 下位段の水平選択スイッチ
ＨＧＳ，ＨＧＮ 上位段の水平選択スイッチ

Claims (5)

1. ２次元行列状に配置され、入射光に応じた画素信号を出力する複数の画素と、前記画素の各列に対応して設けられる複数の垂直信号線と、を有する画素部と、
   前記複数の垂直信号線にそれぞれ対応して設けられ、前記画素信号を保持する複数のサンプルホールド部と、
   前記複数の垂直信号線のうち、少なくとも２つ以上の前記垂直信号線と接続される複数の第１の水平信号線と、前記複数の第１の水平信号線と選択スイッチを介して接続される第２の水平信号線からなる水平出力部と、
   前記サンプルホールド部に保持された前記画素信号が前記第１の水平信号線に出力されたときに、複数の前記選択スイッチのうち、少なくとも２つをオンに制御して前記第２の水平信号線に出力する制御部と、を備えることを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記制御部は、前記サンプルホールド部に保持された前記画素信号が前記第１の水平信号線に出力されたときに、複数の前記選択スイッチのうち、同数の前記選択スイッチがオンになるように制御して前記第２の水平信号線に出力することを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 前記制御部は、前記サンプルホールド部に保持された前記画素信号が前記複数の第１の水平信号線のうち、少なくとも１つの前記第１の水平信号線に出力されたときに、出力されていない前記第１の水平信号線と前記第２の水平信号線とを接続する前記選択スイッチをオンに制御することを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像素子。
4. ２次元行列状に配置され、入射光に応じた画素信号を出力する複数の画素と、前記画素の各列に対応して設けられる複数の垂直信号線と、を有する画素部と、
   前記複数の垂直信号線にそれぞれ対応して設けられ、前記画素信号を保持する複数のサンプルホールド部と、
   前記複数の垂直信号線のうち、少なくとも２つ以上の前記垂直信号線と第１の選択スイッチを介して接続される複数の第１の水平信号線と、前記複数の第１の水平信号線と第２の選択スイッチを介して接続される第２の水平信号線からなる水平出力部と、
   前記第１の選択スイッチの少なくとも２つをオンに制御して、前記複数のサンプルホールド部に保持された前記画素信号を前記第１の水平信号線に出力させたときに、複数の前記第２の選択スイッチのうち、少なくとも２つをオンに制御して前記第２の水平信号線に出力する加算読み出し制御と、前記第１の選択スイッチを１つずつオンに制御して、前記サンプルホールド部に保持された前記画素信号を前記第１の水平信号線に出力させたときに、前記画素信号が出力された前記第１の水平信号線と前記第２の水平信号線を接続する前記第２の選択スイッチをオンに制御する全画素読み出し制御と、を切り替えて制御する制御部と、を備えることを特徴とする固体撮像素子。
5. 前記複数のサンプルホールド部及び前記複数の第１の水平信号線からなる組を２組備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の固体撮像素子。

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