JP3882702B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各画素の感度のバラツキ補正を行う固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、フォトダイオードなどの光電変換素子を有した固体撮像装置において、そのダイナミックレンジを大きくするために、入射光量に対して自然対数的に変換された電気信号を出力する固体撮像装置が提案されている。本出願人も、このような対数変換動作を行う固体撮像装置を、特開平１１−３１３２５７号公報などにおいて、提案している。しかしながら、このような固体撮像装置において、光電変換動作を行うＭＯＳトランジスタの閾値電圧の違いより、各画素間で感度のバラツキが生じる。
【０００３】
そこで、差動増幅器などを備えることによって、撮像動作を行った際の映像信号と、各画素の感度のバラツキを表すノイズ信号とを、それぞれ各画素毎に出力するとともに、映像信号からノイズ信号を差動増幅器で差し引くことで、各画素の感度のバラツキ補正を行うようにする。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、バラツキ補正を行う固体撮像装置において、特開平１１−３１３２５７号公報における構成としたとき、光電変換されて得た電気信号を積分するキャパシタに対して与えられる電圧が一定であるため、得られる映像信号及びノイズ信号が図８のようになる。尚、図８は、映像信号及びノイズ信号それぞれの積分時及び読み出し時におけるキャパシタＣの電圧値の変化を表すタイミングチャートである。又、図８における映像信号は、画素への入射光量が最低であるときのものであるとともに、固体撮像装置を構成するＭＯＳトランジスタがＰチャネルのＭＯＳトランジスタであるものとする。
【０００５】
図８より、画素への入射光量が最低のときの映像信号であるため、映像信号出力時のの電圧値Ｖｃs1とノイズ信号出力時の電圧値Ｖｃn1との差分となる電圧値Ｖｃs1−Ｖｃn1が、ノイズ除去した映像信号のオフセット電圧の元となる電圧値となる。しかしながら、近年、半導体チップの微細化に伴い、固体撮像装置に与える電源電圧が低下し、固体撮像装置内の出力バッファやＡＤ変換器における有効動作範囲となる電圧が狭くなってきている。又、映像信号の積分時間がノイズ信号の積分時間より１００００倍近く長いため、図８より、映像信号の電圧値がノイズ信号に比べて低く、オフセット電圧が大きくなることがわかる。
【０００６】
よって、従来の固体撮像装置において、狭い有効動作範囲の電圧において、オフセット電圧の占める割合が大きくなるため、映像信号Ｖｓとノイズ信号Ｖｎとの差分値Ｖｓ−Ｖｎよりオフセット電圧Ｖｋを差し引いた値Ｖｓ−Ｖｎ−Ｖｋが低くなり、信号に利用する電圧値の割合が小さくなるとともに、その階調性が悪くなる恐れがある。
【０００７】
このような問題を鑑みて、本発明は、ノイズ信号が除去された映像信号におけるオフセット電圧を低くした固体撮像装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、入射光量に応じた電気信号を出力する光電変換回路と、該光電変換回路からの電気信号を積分する積分回路と、入射光量を積分した値に比例した電気信号を出力する出力回路と、を有し、前記光電変換回路が入射光量に応じた電気信号を線形変換して出力する第１状態と対数変換して出力する第２状態とを任意に切り換え可能な固体撮像装置において、前記第１状態と前記第２状態とを切り換えるための切り換え動作とは独立し、前記積分回路において積分された電気信号のオフセット量を調整する参照電圧を映像信号読み出し時とノイズ信号読み出し時とで切り換える切り換え動作を行うことを特徴とする。
【０００９】
このような構成において、前記積分回路で積分されて得られた前記映像信号及び前記ノイズ信号それぞれを前記出力回路に導出する際に、前記参照電圧の電位を一時的に変化させるようにしても構わない。
【００１０】
更に、前記光電変換回路は、入射した光量に応じた電気信号を発生する光電変換素子と、所定のバイアス電圧が印加されるとともに前記光電変換素子から出力される電気信号を入射光量の対数値に比例した電気信号に変換して出力するＭＯＳトランジスタとからなり、前記積分回路は、一端に前記ＭＯＳトランジスタより出力された電気信号が与えられて積分を行うとともに他端に前記参照電圧が与えられるキャパシタからなるものとしても構わない。
【００１１】
又、本発明の固体撮像装置は、入射光量に応じた電気信号を出力する光電変換回路と、該光電変換回路からの電気信号を積分する積分回路と、入射光量を積分した値に比例した電気信号を出力する出力回路と、を有し、前記光電変換回路が入射光量に応じた電気信号を線形変換して出力する第 1 状態と対数変換して出力する第２状態とを任意に切り換え可能な固体撮像装置において、前記光電変換回路は、入射した光量に応じた電気信号を発生する光電変換素子と、所定のバイアス電圧が印加されるとともに前記光電変換素子から出力される電気信号を入射光量の対数値に比例した電気信号に変換して出力するＭＯＳトランジスタとからなり、前記積分回路は、一端に前記ＭＯＳトランジスタより出力された電気信号が与えられて積分を行うとともに他端に前記積分回路において積分された電気信号のオフセット量を調整する参照電圧が与えられるキャパシタからなるものであって、さらに、前記光電変換素子と前記ＭＯＳトランジスタとの間の電気的な接離を行う第１スイッチと、前記キャパシタと前記出力回路との間の電気的な接離を行う第２スイッチと、を備えるとともに、撮像動作を行うとき、前記第１スイッチをＯＮとして前記光電変換素子からの電気信号を前記キャパシタで積分することによって映像信号を生成した後、前記第２スイッチをＯＮとして前記出力回路から出力し、前記積分回路の感度のバラツキを検出するとき、前記第１スイッチをＯＦＦとして前記ＭＯＳトランジスタの閾値特性に従った電気信号を前記キャパシタで積分することによってノイズ信号を生成した後、前記第２スイッチをＯＮとして前記出力回路から出力し、前記第２スイッチの動作に同期させ、前記第１状態と前記第２状態とを切り換えるための切り換え動作とは独立し、前記参照電圧を映像信号読み出し時とノイズ信号読み出し時とで切り換える切り換え動作を行うことを特徴とする。
【００１２】
このような構成において、前記キャパシタで積分されて得られた電気信号が出力される出力信号線と、前記キャパシタと前記出力信号線との間の電気的な接離を行う第１スイッチとを備え、当該第１スイッチのＯＮ／ＯＦＦ動作に同期して前記参照電圧の電位を変化させる。
【００１３】
このとき、前記光電変換素子と前記ＭＯＳトランジスタとの電気的な接離を行う第２スイッチを備え、前記ＭＯＳトランジスタの閾値特性による感度の違いを検出するとき、前記第２スイッチをＯＦＦとした状態で前記ＭＯＳトランジスタから出力される電気信号を前記キャパシタに蓄積させて得られた電気信号を、ノイズ信号として前記出力信号線に導出する際に、前記キャパシタに与える前記参照電圧の電位を変化させるようにしても構わない。
【００１４】
又、前記光電変換素子と前記ＭＯＳトランジスタとの電気的な接離を行う第２スイッチを備え、撮像動作を行うとき、前記第２スイッチをＯＮとした状態で前記ＭＯＳトランジスタから出力される電気信号を前記キャパシタに蓄積させて得られた電気信号を映像信号として前記出力信号線に導出する際に、前記キャパシタに与える前記参照電圧の電位を変化させるようにしても構わない。
【００１５】
又、前記光電変換素子と前記ＭＯＳトランジスタとの電気的な接離を行う第２スイッチを備え、撮像動作を行うとき、前記第２スイッチをＯＮとした状態で前記ＭＯＳトランジスタから出力される電気信号を前記キャパシタに蓄積させて得られた電気信号を映像信号として前記出力信号線に導出する際に、前記キャパシタに与える前記参照電圧の電位を変化させるとともに、前記ＭＯＳトランジスタの閾値特性による感度の違いを検出するとき、前記第２スイッチをＯＦＦとした状態で前記ＭＯＳトランジスタから出力される電気信号を前記キャパシタに蓄積させて得られた電気信号を、ノイズ信号として前記出力信号線に導出する際に、前記キャパシタに与える前記参照電圧の電位を変化させるようにしても構わない。
【００１６】
このとき、前記参照電圧を３値とするとともに、前記映像信号導出時における前記参照電圧の電位の変化幅を、前記ノイズ信号導出時における前記参照電圧の電位の変化幅よりも大きくすることで、映像信号とノイズ信号との差分をとることによりノイズ除去した映像信号に発生するオフセットを低減することできる。
【００１７】
又、本発明の固体撮像装置は、入射した光量に応じた電気信号を発生する光電変換素子と、所定のバイアス電圧が印加されるとともに該光電変換素子から出力される電気信号を入射光量の対数値に比例した電気信号に変換して出力するＭＯＳトランジスタと、該ＭＯＳトランジスタより出力された電気信号が一端に与えられて積分するキャパシタとを有する複数の画素と、該各画素から出力される出力信号を導出する出力信号線と、を備えた固体撮像装置において、前記各画素が、前記光電変換素子と前記ＭＯＳトランジスタとの間の電気的な接離を行う第１スイッチと、前記積分コンデンサと前記出力信号線との間の電気的な接離を行う第２スイッチと、を備えるとともに、前記キャパシタの他端に、その電位が可変である参照電圧を与え、撮像動作を行うとき、前記第１スイッチをＯＮとして前記光電変換素子からの電気信号を前記ＭＯＳトランジスタで対数変換して得られた電気信号を前記キャパシタで積分することによって映像信号を生成した後、前記第２スイッチをＯＮとして前記出力信号線に出力し、前記各画素の感度のバラツキを検出するとき、前記第１スイッチをＯＦＦとして前記ＭＯＳトランジスタの閾値特性に従った電気信号を前記キャパシタで積分することによってノイズ信号を生成した後、前記第２スイッチをＯＮとして前記出力信号線に出力し、前記第２スイッチの動作に同期させて前記参照電圧の電位を変化させることを特徴とする。
【００１８】
このような構成において、前記ノイズ信号を前記出力信号線に出力する際に、前記参照電圧の電位を変化させても構わないし、前記映像信号を前記出力信号に出力する際に、前記参照電圧の電位を変化させても構わない。
【００１９】
又、前記ノイズ信号及び前記映像信号それぞれを前記出力信号に出力する際に、前記参照電圧の電位を変化させても構わない。このとき、前記映像信号出力時における前記参照電圧の電位の変化幅が大きくなるようにする。
【００２０】
又、前記ＭＯＳトランジスタをＰチャネルのＭＯＳトランジスタとしても構わない。このとき、前記ノイズ信号及び前記映像信号それぞれを前記出力信号に出力する際に、前記参照電圧の電位を負の方向に変化させる。
【００２１】
又、前記ＭＯＳトランジスタをＮチャネルのＭＯＳトランジスタとしても構わない。このとき、前記ノイズ信号及び前記映像信号それぞれを前記出力信号に出力する際に、前記参照電圧の電位を正の方向に変化させる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について、以下に、図面を参照して説明する。
【００２３】
１．固体撮像装置の構成
まず、本実施形態の固体撮像装置について、図１を参照して説明する。図１は、本実施形態の固体撮像装置の構成を示すブロック図である。
【００２４】
同１において、Ｇ11〜Ｇmnは行列配置（マトリクス配置）された画素を示している。１は垂直走査回路であり、各画素に信号φＶを与える行（ライン）３−１、３−２、・・・、３−ｎを順次走査していくとともに、ライン４−１、４−２を介して各画素に信号φＶＤを与える、・・・、４−ｎ。２は水平走査回路であり、画素から出力信号線６−１、６−２、・・・、６−ｍに導出された光電変換信号を画素ごとに水平方向に順次読み出す。５は電源ラインである。各画素に対し、上記ライン３−１〜３−ｎ，４−１〜４−ｎや出力信号線６−１〜６−ｍ、電源ライン５だけでなく、他のライン（例えば、クロックラインやバイアス供給ライン等）も接続されるが、図１ではこれらについて省略する。
【００２５】
又、出力信号線６−１〜６−ｍのそれぞれには、定電流源７−１〜７−ｍが接続されるとともに、信号線６−１〜６−ｍのそれぞれを介して与えられる画素Ｇ11〜Ｇmnから与えられる映像信号とノイズ信号をサンプルホールドする選択回路８−１〜８−ｍが設けられる。そして、補正回路９に選択回路８−１〜８−ｍから映像信号及びノイズ信号が順に送出されると、この補正回路９で補正処理が行われて、ノイズ除去された映像信号が外部に出力される。尚、定電流源７−１〜７−ｍの一端に直流電圧ＶPSが印加される。
【００２６】
このような固体撮像装置において、画素Ｇab（ａ：１≦ａ≦ｍの自然数、ｂ：１≦ｂ≦ｎの自然数）からの出力となる映像信号及びノイズ信号が、それぞれ、出力信号線６−ａを介して出力されるとともに、この出力信号線６−ａに接続された定電流源７−ａによって増幅される。そして、画素Ｇabから出力された映像信号及びノイズ信号が順番に選択回路８−ａに送出されるとともに、この選択回路８−ａにおいて、送出された映像信号及びノイズ信号がサンプルホールドされる。
【００２７】
その後、選択回路８−ａより、サンプルホールドされた映像信号が補正回路９に送出された後、同じくサンプルホールドされたノイズ信号が補正回路９に送出される。補正回路９では、選択回路８−ａより与えられた映像信号を、同じく選択回路８−ａより与えられたノイズ信号に基づいて補正処理して、ノイズ除去した映像信号を外部に出力する。尚、選択回路８−１〜８−ｎ及び補正回路９それぞれの構成の一例として、本出願人が特開平２００１−２２３９４８号公報において提示した構成などが挙げられる。又、選択回路８−１〜８−ｎの構成位置に、補正回路を設けるようにしても構わない。
【００２８】
２．画素の構成例
図１の固体撮像装置内に設けられる画素Ｇ11〜Ｇmnの構成の１例を、以下に図２を参照して説明する。図２の画素において、カソードに直流電圧ＶPDが印加されたフォトダイオードＰＤのアノードにＭＯＳトランジスタＴ１のドレインが接続され、ＭＯＳトランジスタＴ１のソースにＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレインとＭＯＳトランジスタＴ３のゲートが接続される。
【００２９】
又、ＭＯＳトランジスタＴ３のソースにＭＯＳトランジスタＴ４のゲート及びＭＯＳトランジスタＴ５のドレインが接続され、ＭＯＳトランジスタＴ４のソースにＭＯＳトランジスタＴ６のドレインが接続される。そして、ＭＯＳトランジスタＴ６のドレインが出力信号線６（図１の出力信号線６−１〜６−ｍに相当する）に接続される。尚、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ６は、ＰチャネルのＭＯＳトランジスタである。
【００３０】
ＭＯＳトランジスタＴ２のソースには信号φＶPSが入力され、ＭＯＳトランジスタＴ３，Ｔ４のドレインに直流電圧ＶPDが印加される。又、ＭＯＳトランジスタＴ３のソースには、その一端に信号φＶＤが与えられるキャパシタＣの他端が接続される。又、ＭＯＳトランジスタＴ５のソースには直流電圧ＶRGが入力され、そのゲートに信号φＲＳが入力される。更に、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ６のゲートにはそれぞれ、信号φＳ，φＶが入力される。
【００３１】
このように構成された画素において、ＭＯＳトランジスタＴ６及び出力信号線６を介して、一端に直流電圧ＶPSが印加された定電流源７（図１の定電流源７−１〜７−ｍに相当する）が、ＭＯＳトランジスタＴ４のソースに接続される。よって、ＭＯＳトランジスタＴ６がＯＮのとき、ＭＯＳトランジスタＴ４はソースフォロワのＭＯＳトランジスタとして動作し、定電流源７によって増幅された電圧信号を出力信号線６に出力する。
【００３２】
このようにソースフォロワ回路を構成することにより、信号を大きく出力する増幅回路が構成される。従って、本増幅回路により充分大きな信号に増幅されるため、後続の信号処理回路（図示せず）での処理が容易になる。又、増幅回路の負荷抵抗部分を構成する定電流源７−１〜７−ｍを画素内に設けずに、列方向に配置された複数の画素が接続される出力信号線６−１〜６−ｍ毎に設けることにより、負荷抵抗又は定電流源の数を低減でき、半導体チップ上で増幅回路が占める面積を少なくできる。
【００３３】
このような構成の画素による撮像動作及び感度バラツキ検出動作について、以下に説明する。尚、信号φＶPSは２値の電圧信号で、ＭＯＳトランジスタＴ２をサブスレッショルド領域で動作させるための電圧をローとし、この電圧よりも高くＭＯＳトランジスタＴ２にローの信号φＶPSを与えた時よりも大きい電流が流れうるようにする電圧をハイとする。又、信号φＶＤは、３値の電圧信号であり、キャパシタＣを積分動作させる際の電圧値を最も高いＶｈとし、映像信号読み出し時の電圧値をＶｈよりも低いＶｍとし、ノイズ信号読み出し時の電圧値をＶｍよりも低いＶｌとする。
【００３４】
（１）撮像動作（映像信号出力時）
まず、図２のような画素が撮像を行うときの動作を説明する。尚、信号φＳは撮像動作の間、常にローであり、ＭＯＳトランジスタＴ１がＯＮの状態である。又、信号φＲＳをハイとして、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＦＦとする。そして、ＭＯＳトランジスタＴ２がサブスレッショルド領域で動作するように、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースに与える信号φＶPSをローとするとともに、キャパシタＣに与える信号φＶＤの電圧値をＶｈとして、積分動作を行うようにする。このとき、フォトダイオードＰＤに光が入射されると、光電流が発生し、ＭＯＳトランジスタのサブスレッショルド特性により、ＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ３のゲートに光電流を自然対数的に変換した値の電圧が発生する。
【００３５】
この入射光量に対して自然対数的に比例した電圧がＭＯＳトランジスタＴ３で電流増幅されたドレイン電流がキャパシタＣから流れて、キャパシタＣが放電される。よって、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲート電圧が、入射光量の積分値に対して自然対数的に比例した電圧となる。そして、このキャパシタＣが積分動作を行うことで現れる映像信号を読み出すために、信号φＶＤの電圧値をＶｍとするとともに、ＭＯＳトランジスタＴ６にパルス信号φＶを与える。よって、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲート電圧に応じたソース電流が、ＭＯＳトランジスタＴ６を介して出力信号線６へ流れる。
【００３６】
このとき、ＭＯＳトランジスタＴ４がソースフォロワ型のＭＯＳトランジスタとして動作するため、出力信号線６には映像信号が電圧信号として現れる。その後、信号φＶをハイにしてＭＯＳトランジスタＴ６をＯＦＦにするとともに、信号φＶＤの電圧値をＶｈとする。このように、ＭＯＳトランジスタＴ４，Ｔ６を介して出力される映像信号は、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲート電圧に比例した値となるため、フォトダイオードＰＤへの入射光量の積分値が自然対数的に変換された信号となる。
【００３７】
（２）感度バラツキ検出動作（ノイズ信号出力時）
次に、画素の感度バラツキを検出するときの動作について、図３のタイミングチャートを参照して説明する。まず、電圧値Ｖｍのパルス信号φＶＤとパルス信号φＶが与えられて映像信号が出力されると、信号φＶＤをＶｈとした後、信号φＳをハイにしてＭＯＳトランジスタＴ１をＯＦＦにして、リセット動作が始まる。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ２のソース側より正の電荷が流れ込み、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレイン、そしてＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに蓄積された負の電荷が再結合され、ある程度まで、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレインのポテンシャルが上がる。
【００３８】
しかし、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレインのポテンシャルがある値まで上がると、そのリセット速度が遅くなる。特に、明るい被写体が急に暗くなった場合にこの傾向が顕著となる。よって、次に、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースに与える信号φＶPSをハイにする。このように、ＭＯＳトランジスタＴ２のソース電圧を高くすることで、ＭＯＳトランジスタＴ２のソース側から流入する正の電荷の量が増加し、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレイン、そしてＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに蓄積された負の電荷が速やかに再結合される。このとき、信号φＲＳをローとして、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＮにして、キャパシタＣとＭＯＳトランジスタＴ４のゲートとの接続ノードの電圧を初期化する。
【００３９】
そして、信号φＶPSをハイにすることで、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレインのポテンシャルが、更に高くなると、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースに与える信号φＶPSをローにして、ＭＯＳトランジスタＴ２のポテンシャル状態を基の状態に戻す。このように、ＭＯＳトランジスタＴ２のポテンシャルの状態を基の状態にリセットすると、信号φＲＳをハイにして、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＦＦにする。
【００４０】
そして、キャパシタＣが積分動作を行って、キャパシタＣとＭＯＳトランジスタＴ４のゲートとの接続ノードの電圧が、リセットされたＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧に応じたものとなる。そして、パルス信号φＶをＭＯＳトランジスタＴ６のゲートに与えてＭＯＳトランジスタＴ６をＯＮにするとともに信号φＶＤの電圧値をＶｌにすることによって、ＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ３の特性のバラツキに起因する各画素の感度のバラツキを表す出力電流が出力信号線６から流れる。
【００４１】
このとき、ＭＯＳトランジスタＴ４がソースフォロワ型のＭＯＳトランジスタとして動作するため、出力信号線６にはノイズ信号が電圧信号として現れる。その後、再び、パルス信号φＲＳをＭＯＳトランジスタＴ５に与えて、キャパシタＣとＭＯＳトランジスタＴ４のゲートとの接続ノードの電圧をリセットした後、信号φＳをローにしてＭＯＳトランジスタＴ１を導通させて撮像動作が行える状態にする。
【００４２】
（３）各動作時に出力される信号の状態
上述のように撮像動作及び感動バラツキ検出動作を行う際のキャパシタＣの状態遷移について、図４を参照して説明する。図４は、映像信号及びノイズ信号それぞれの積分時及び読み出し時におけるキャパシタＣの電圧値の変化を表すタイミングチャートである。
【００４３】
映像信号の積分時は、上述したように、信号φＶＤの電圧値をＶｈとするため、時間経過とともに画素への入射光量に応じて、初期値となる電圧値Ｖ０から低くなる。そして、所定時間Ｔｓが経過した後、信号φＶＤの電圧値をＶｍとして映像信号を読み出す。このとき、従来のように、信号φＶＤの電圧値をＶｈで一定とした場合における映像信号出力時の電圧値（図４中の点線で示した部分）がＶ１となるとすると、キャパシタＣの電圧値はＶ１−（Ｖｈ−Ｖｍ）となるため、映像信号の値は、ａ×（Ｖ１＋Ｖｍ−Ｖｈ）となる。
【００４４】
同様に、ノイズ信号の積分時においても、上述したように、信号φＶＤの電圧値をＶｈとするため、時間経過とともに画素への入射光量に応じて、初期値となる電圧値Ｖ０から低くなる。そして、所定時間Ｔｎが経過した後、信号φＶＤの電圧値をＶｌとしてノイズ信号を読み出す。このとき、従来のように、信号φＶＤの電圧値をＶｈで一定とした場合における映像信号出力時の電圧値（図４中の点線で示した部分）がＶ２となるとすると、キャパシタＣの電圧値はＶ２−（Ｖｈ−Ｖｌ）となるため、ノイズ信号の値は、ａ×（Ｖ２＋Ｖｌ−Ｖｈ）となる。
【００４５】
このことより、映像信号からノイズ信号が差し引くことによって、映像信号のノイズが除去されると、このノイズ除去された映像信号の値は、
ａ×（（Ｖ１＋Ｖｍ−Ｖｈ）−（Ｖ２＋Ｖｌ−Ｖｈ））
＝ａ×（（Ｖ１−Ｖ２）−（Ｖｌ−Ｖｍ））
となる。
【００４６】
又、ａ×Ｖ１＝Ｖｎ、ａ×Ｖ２＝Ｖｓとなるので、ノイズ除去された映像信号の値は、（Ｖｓ−Ｖｎ）−ａ×（Ｖｌ−Ｖｍ）と表すことができる。Ｖｓ−Ｖｎについては、上述したように、従来では、オフセット電圧Ｖｋを含むため、従来において映像信号として利用される部分は、Ｖｏ＝Ｖｓ−Ｖｎ−Ｖｋである。よって、本実施形態でのノイズ除去された映像信号の値が、Ｖｏ＋Ｖｋ−ａ×（Ｖｌ−Ｖｍ）となるため、オフセット値がＶｋ−ａ×（Ｖｌ−Ｖｍ）となり、従来に比べて占める割合を低くすることができる。
【００４７】
尚、本実施形態において、キャパシタＣに与える信号φＶＤの電圧値を、映像信号読み出し時に低くするとともに、ノイズ信号読み出し時に更に低くなるようにしたが、映像信号読み出し時に与える信号φＶＤの電圧値を、積分時に与える電圧値より高くするようにしても構わない。即ち、映像信号読み出し時にキャパシタＣに与えられる電圧値を、ノイズ信号読み出し時にキャパシタＣに与えられる電圧値より高くすることによって、ノイズ除去後の映像信号におけるオフセット電圧を抑えることができる。
【００４８】
又、本実施形態において、ＰチャネルのＭＯＳトランジスタを用いて各画素が構成されるようにしたが、ＮチャネルのＭＯＳトランジスタを用いて構成されるようにしても構わない。このとき、各素子の極性が逆になるため、固体撮像装置に設けられる定電流源７−１〜７−ｍについても、図５のように、図１と逆の極性となる。このように各ブロック内の素子が極性が逆となること以外、ラインや各ブロックの関係については、図１の固体撮像装置と同様となる。
【００４９】
又、このときの各画素を構成するＭＯＳトランジスタはＮチャネルとなり、図６のように表される。そして、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ６及びキャパシタＣの接続関係及び各素子の役割が、図２と同一であるとともに、各素子が、図２の場合と逆の極性に応じた動作を行う。即ち、信号φＶＤの電圧値を、映像信号及びノイズ信号の積分時において最も低いＶａとし、映像信号読み出し時において中間値となるＶｂとし、ノイズ信号読み出し時において最も高いＶｃとする。
【００５０】
このように、各画素を構成するＭＯＳトランジスタをＮチャネルとしたときに各画素に与えられる信号φＶPS，φＶＤ，φＳ，φＲＳ，φＶを変化させるタイミングが、図７のように表される。即ち、信号φＶPS,φＳ，φＲＳ，φＶにおけるハイ、ローの関係が、図３と逆とすることによって、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ５，Ｔ６の動作タイミングを同一のタイミングとすることができる。又、図３における信号φＶＤの電圧値Ｖｈ，Ｖｍ，Ｖｌそれぞれを与えるタイミングと、図７における信号φＶＤの電圧値Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃそれぞれ与えるタイミングとを同一とすることによって、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ６を逆極性としたときのキャパシタＣの動作状態を、各タイミングにおいて本実施形態の場合と同様の状態にすることができる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によると、映像信号又はノイズ信号を出力する積分回路又はキャパシタに与える参照電圧の電位を可変とすることによって、積分動作時及び信号読み出し時それぞれにおいて与える参照電圧の電位を変化させることができる。このように、積分動作時と信号読み出し時それぞれにおいて与える参照電圧の電位を異なるようにすることで、出力される電気信号のオフセットを調節することができる。
【００５２】
又、映像信号及びノイズ信号のオフセットを調節することで、ノイズ信号と映像信号の差分をとることによってノイズ除去された映像信号のオフセットを低減させることができる。よって、後段に接続される出力バッファやＡＤ変換器の動作範囲に応じて映像信号のオフセットを調節できるため、その動作範囲を有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】固体撮像装置の構成を示すブロック回路図。
【図２】図１の固体撮像装置内の画素の構成を示す回路図。
【図３】図２の画素の動作を示すタイミングチャート。
【図４】図２の画素内のキャパシタの電圧値の変化を示すタイミングチャート。
【図５】固体撮像装置の構成を示すブロック回路図。
【図６】図５の固体撮像装置内の画素の構成を示す回路図。
【図７】図６の画素の動作を示すタイミングチャート。
【図８】従来の画素内のキャパシタの電圧値の変化を示すタイミングチャート。
【符号の説明】
１ 垂直走査回路
２ 水平走査回路
３−１〜３−ｎ ライン
４−１〜４−ｎ ライン
５ 電源ライン
６−１〜６−ｍ 出力信号線
７−１〜７−ｍ 定電流源
８−１〜８−ｍ 選択回路
９ 補正回路
Ｇ11〜Ｇmn 画素
ＰＤ フォトダイオード
Ｔ１〜Ｔ６ ＭＯＳトランジスタ
Ｃ キャパシタ
【発明の属する技術分野】
本発明は、各画素の感度のバラツキ補正を行う固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、フォトダイオードなどの光電変換素子を有した固体撮像装置において、そのダイナミックレンジを大きくするために、入射光量に対して自然対数的に変換された電気信号を出力する固体撮像装置が提案されている。本出願人も、このような対数変換動作を行う固体撮像装置を、特開平１１−３１３２５７号公報などにおいて、提案している。しかしながら、このような固体撮像装置において、光電変換動作を行うＭＯＳトランジスタの閾値電圧の違いより、各画素間で感度のバラツキが生じる。
【０００３】
そこで、差動増幅器などを備えることによって、撮像動作を行った際の映像信号と、各画素の感度のバラツキを表すノイズ信号とを、それぞれ各画素毎に出力するとともに、映像信号からノイズ信号を差動増幅器で差し引くことで、各画素の感度のバラツキ補正を行うようにする。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、バラツキ補正を行う固体撮像装置において、特開平１１−３１３２５７号公報における構成としたとき、光電変換されて得た電気信号を積分するキャパシタに対して与えられる電圧が一定であるため、得られる映像信号及びノイズ信号が図８のようになる。尚、図８は、映像信号及びノイズ信号それぞれの積分時及び読み出し時におけるキャパシタＣの電圧値の変化を表すタイミングチャートである。又、図８における映像信号は、画素への入射光量が最低であるときのものであるとともに、固体撮像装置を構成するＭＯＳトランジスタがＰチャネルのＭＯＳトランジスタであるものとする。
【０００５】
図８より、画素への入射光量が最低のときの映像信号であるため、映像信号出力時のの電圧値Ｖｃs1とノイズ信号出力時の電圧値Ｖｃn1との差分となる電圧値Ｖｃs1−Ｖｃn1が、ノイズ除去した映像信号のオフセット電圧の元となる電圧値となる。しかしながら、近年、半導体チップの微細化に伴い、固体撮像装置に与える電源電圧が低下し、固体撮像装置内の出力バッファやＡＤ変換器における有効動作範囲となる電圧が狭くなってきている。又、映像信号の積分時間がノイズ信号の積分時間より１００００倍近く長いため、図８より、映像信号の電圧値がノイズ信号に比べて低く、オフセット電圧が大きくなることがわかる。
【０００６】
よって、従来の固体撮像装置において、狭い有効動作範囲の電圧において、オフセット電圧の占める割合が大きくなるため、映像信号Ｖｓとノイズ信号Ｖｎとの差分値Ｖｓ−Ｖｎよりオフセット電圧Ｖｋを差し引いた値Ｖｓ−Ｖｎ−Ｖｋが低くなり、信号に利用する電圧値の割合が小さくなるとともに、その階調性が悪くなる恐れがある。
【０００７】
このような問題を鑑みて、本発明は、ノイズ信号が除去された映像信号におけるオフセット電圧を低くした固体撮像装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、入射光量に応じた電気信号を出力する光電変換回路と、該光電変換回路からの電気信号を積分する積分回路と、入射光量を積分した値に比例した電気信号を出力する出力回路と、を有し、前記光電変換回路が入射光量に応じた電気信号を線形変換して出力する第１状態と対数変換して出力する第２状態とを任意に切り換え可能な固体撮像装置において、前記第１状態と前記第２状態とを切り換えるための切り換え動作とは独立し、前記積分回路において積分された電気信号のオフセット量を調整する参照電圧を映像信号読み出し時とノイズ信号読み出し時とで切り換える切り換え動作を行うことを特徴とする。
【０００９】
このような構成において、前記積分回路で積分されて得られた前記映像信号及び前記ノイズ信号それぞれを前記出力回路に導出する際に、前記参照電圧の電位を一時的に変化させるようにしても構わない。
【００１０】
更に、前記光電変換回路は、入射した光量に応じた電気信号を発生する光電変換素子と、所定のバイアス電圧が印加されるとともに前記光電変換素子から出力される電気信号を入射光量の対数値に比例した電気信号に変換して出力するＭＯＳトランジスタとからなり、前記積分回路は、一端に前記ＭＯＳトランジスタより出力された電気信号が与えられて積分を行うとともに他端に前記参照電圧が与えられるキャパシタからなるものとしても構わない。
【００１１】
又、本発明の固体撮像装置は、入射光量に応じた電気信号を出力する光電変換回路と、該光電変換回路からの電気信号を積分する積分回路と、入射光量を積分した値に比例した電気信号を出力する出力回路と、を有し、前記光電変換回路が入射光量に応じた電気信号を線形変換して出力する第 1 状態と対数変換して出力する第２状態とを任意に切り換え可能な固体撮像装置において、前記光電変換回路は、入射した光量に応じた電気信号を発生する光電変換素子と、所定のバイアス電圧が印加されるとともに前記光電変換素子から出力される電気信号を入射光量の対数値に比例した電気信号に変換して出力するＭＯＳトランジスタとからなり、前記積分回路は、一端に前記ＭＯＳトランジスタより出力された電気信号が与えられて積分を行うとともに他端に前記積分回路において積分された電気信号のオフセット量を調整する参照電圧が与えられるキャパシタからなるものであって、さらに、前記光電変換素子と前記ＭＯＳトランジスタとの間の電気的な接離を行う第１スイッチと、前記キャパシタと前記出力回路との間の電気的な接離を行う第２スイッチと、を備えるとともに、撮像動作を行うとき、前記第１スイッチをＯＮとして前記光電変換素子からの電気信号を前記キャパシタで積分することによって映像信号を生成した後、前記第２スイッチをＯＮとして前記出力回路から出力し、前記積分回路の感度のバラツキを検出するとき、前記第１スイッチをＯＦＦとして前記ＭＯＳトランジスタの閾値特性に従った電気信号を前記キャパシタで積分することによってノイズ信号を生成した後、前記第２スイッチをＯＮとして前記出力回路から出力し、前記第２スイッチの動作に同期させ、前記第１状態と前記第２状態とを切り換えるための切り換え動作とは独立し、前記参照電圧を映像信号読み出し時とノイズ信号読み出し時とで切り換える切り換え動作を行うことを特徴とする。
【００１２】
このような構成において、前記キャパシタで積分されて得られた電気信号が出力される出力信号線と、前記キャパシタと前記出力信号線との間の電気的な接離を行う第１スイッチとを備え、当該第１スイッチのＯＮ／ＯＦＦ動作に同期して前記参照電圧の電位を変化させる。
【００１３】
このとき、前記光電変換素子と前記ＭＯＳトランジスタとの電気的な接離を行う第２スイッチを備え、前記ＭＯＳトランジスタの閾値特性による感度の違いを検出するとき、前記第２スイッチをＯＦＦとした状態で前記ＭＯＳトランジスタから出力される電気信号を前記キャパシタに蓄積させて得られた電気信号を、ノイズ信号として前記出力信号線に導出する際に、前記キャパシタに与える前記参照電圧の電位を変化させるようにしても構わない。
【００１４】
又、前記光電変換素子と前記ＭＯＳトランジスタとの電気的な接離を行う第２スイッチを備え、撮像動作を行うとき、前記第２スイッチをＯＮとした状態で前記ＭＯＳトランジスタから出力される電気信号を前記キャパシタに蓄積させて得られた電気信号を映像信号として前記出力信号線に導出する際に、前記キャパシタに与える前記参照電圧の電位を変化させるようにしても構わない。
【００１５】
又、前記光電変換素子と前記ＭＯＳトランジスタとの電気的な接離を行う第２スイッチを備え、撮像動作を行うとき、前記第２スイッチをＯＮとした状態で前記ＭＯＳトランジスタから出力される電気信号を前記キャパシタに蓄積させて得られた電気信号を映像信号として前記出力信号線に導出する際に、前記キャパシタに与える前記参照電圧の電位を変化させるとともに、前記ＭＯＳトランジスタの閾値特性による感度の違いを検出するとき、前記第２スイッチをＯＦＦとした状態で前記ＭＯＳトランジスタから出力される電気信号を前記キャパシタに蓄積させて得られた電気信号を、ノイズ信号として前記出力信号線に導出する際に、前記キャパシタに与える前記参照電圧の電位を変化させるようにしても構わない。
【００１６】
このとき、前記参照電圧を３値とするとともに、前記映像信号導出時における前記参照電圧の電位の変化幅を、前記ノイズ信号導出時における前記参照電圧の電位の変化幅よりも大きくすることで、映像信号とノイズ信号との差分をとることによりノイズ除去した映像信号に発生するオフセットを低減することできる。
【００１７】
又、本発明の固体撮像装置は、入射した光量に応じた電気信号を発生する光電変換素子と、所定のバイアス電圧が印加されるとともに該光電変換素子から出力される電気信号を入射光量の対数値に比例した電気信号に変換して出力するＭＯＳトランジスタと、該ＭＯＳトランジスタより出力された電気信号が一端に与えられて積分するキャパシタとを有する複数の画素と、該各画素から出力される出力信号を導出する出力信号線と、を備えた固体撮像装置において、前記各画素が、前記光電変換素子と前記ＭＯＳトランジスタとの間の電気的な接離を行う第１スイッチと、前記積分コンデンサと前記出力信号線との間の電気的な接離を行う第２スイッチと、を備えるとともに、前記キャパシタの他端に、その電位が可変である参照電圧を与え、撮像動作を行うとき、前記第１スイッチをＯＮとして前記光電変換素子からの電気信号を前記ＭＯＳトランジスタで対数変換して得られた電気信号を前記キャパシタで積分することによって映像信号を生成した後、前記第２スイッチをＯＮとして前記出力信号線に出力し、前記各画素の感度のバラツキを検出するとき、前記第１スイッチをＯＦＦとして前記ＭＯＳトランジスタの閾値特性に従った電気信号を前記キャパシタで積分することによってノイズ信号を生成した後、前記第２スイッチをＯＮとして前記出力信号線に出力し、前記第２スイッチの動作に同期させて前記参照電圧の電位を変化させることを特徴とする。
【００１８】
このような構成において、前記ノイズ信号を前記出力信号線に出力する際に、前記参照電圧の電位を変化させても構わないし、前記映像信号を前記出力信号に出力する際に、前記参照電圧の電位を変化させても構わない。
【００１９】
又、前記ノイズ信号及び前記映像信号それぞれを前記出力信号に出力する際に、前記参照電圧の電位を変化させても構わない。このとき、前記映像信号出力時における前記参照電圧の電位の変化幅が大きくなるようにする。
【００２０】
又、前記ＭＯＳトランジスタをＰチャネルのＭＯＳトランジスタとしても構わない。このとき、前記ノイズ信号及び前記映像信号それぞれを前記出力信号に出力する際に、前記参照電圧の電位を負の方向に変化させる。
【００２１】
又、前記ＭＯＳトランジスタをＮチャネルのＭＯＳトランジスタとしても構わない。このとき、前記ノイズ信号及び前記映像信号それぞれを前記出力信号に出力する際に、前記参照電圧の電位を正の方向に変化させる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について、以下に、図面を参照して説明する。
【００２３】
１．固体撮像装置の構成
まず、本実施形態の固体撮像装置について、図１を参照して説明する。図１は、本実施形態の固体撮像装置の構成を示すブロック図である。
【００２４】
同１において、Ｇ11〜Ｇmnは行列配置（マトリクス配置）された画素を示している。１は垂直走査回路であり、各画素に信号φＶを与える行（ライン）３−１、３−２、・・・、３−ｎを順次走査していくとともに、ライン４−１、４−２を介して各画素に信号φＶＤを与える、・・・、４−ｎ。２は水平走査回路であり、画素から出力信号線６−１、６−２、・・・、６−ｍに導出された光電変換信号を画素ごとに水平方向に順次読み出す。５は電源ラインである。各画素に対し、上記ライン３−１〜３−ｎ，４−１〜４−ｎや出力信号線６−１〜６−ｍ、電源ライン５だけでなく、他のライン（例えば、クロックラインやバイアス供給ライン等）も接続されるが、図１ではこれらについて省略する。
【００２５】
又、出力信号線６−１〜６−ｍのそれぞれには、定電流源７−１〜７−ｍが接続されるとともに、信号線６−１〜６−ｍのそれぞれを介して与えられる画素Ｇ11〜Ｇmnから与えられる映像信号とノイズ信号をサンプルホールドする選択回路８−１〜８−ｍが設けられる。そして、補正回路９に選択回路８−１〜８−ｍから映像信号及びノイズ信号が順に送出されると、この補正回路９で補正処理が行われて、ノイズ除去された映像信号が外部に出力される。尚、定電流源７−１〜７−ｍの一端に直流電圧ＶPSが印加される。
【００２６】
このような固体撮像装置において、画素Ｇab（ａ：１≦ａ≦ｍの自然数、ｂ：１≦ｂ≦ｎの自然数）からの出力となる映像信号及びノイズ信号が、それぞれ、出力信号線６−ａを介して出力されるとともに、この出力信号線６−ａに接続された定電流源７−ａによって増幅される。そして、画素Ｇabから出力された映像信号及びノイズ信号が順番に選択回路８−ａに送出されるとともに、この選択回路８−ａにおいて、送出された映像信号及びノイズ信号がサンプルホールドされる。
【００２７】
その後、選択回路８−ａより、サンプルホールドされた映像信号が補正回路９に送出された後、同じくサンプルホールドされたノイズ信号が補正回路９に送出される。補正回路９では、選択回路８−ａより与えられた映像信号を、同じく選択回路８−ａより与えられたノイズ信号に基づいて補正処理して、ノイズ除去した映像信号を外部に出力する。尚、選択回路８−１〜８−ｎ及び補正回路９それぞれの構成の一例として、本出願人が特開平２００１−２２３９４８号公報において提示した構成などが挙げられる。又、選択回路８−１〜８−ｎの構成位置に、補正回路を設けるようにしても構わない。
【００２８】
２．画素の構成例
図１の固体撮像装置内に設けられる画素Ｇ11〜Ｇmnの構成の１例を、以下に図２を参照して説明する。図２の画素において、カソードに直流電圧ＶPDが印加されたフォトダイオードＰＤのアノードにＭＯＳトランジスタＴ１のドレインが接続され、ＭＯＳトランジスタＴ１のソースにＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレインとＭＯＳトランジスタＴ３のゲートが接続される。
【００２９】
又、ＭＯＳトランジスタＴ３のソースにＭＯＳトランジスタＴ４のゲート及びＭＯＳトランジスタＴ５のドレインが接続され、ＭＯＳトランジスタＴ４のソースにＭＯＳトランジスタＴ６のドレインが接続される。そして、ＭＯＳトランジスタＴ６のドレインが出力信号線６（図１の出力信号線６−１〜６−ｍに相当する）に接続される。尚、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ６は、ＰチャネルのＭＯＳトランジスタである。
【００３０】
ＭＯＳトランジスタＴ２のソースには信号φＶPSが入力され、ＭＯＳトランジスタＴ３，Ｔ４のドレインに直流電圧ＶPDが印加される。又、ＭＯＳトランジスタＴ３のソースには、その一端に信号φＶＤが与えられるキャパシタＣの他端が接続される。又、ＭＯＳトランジスタＴ５のソースには直流電圧ＶRGが入力され、そのゲートに信号φＲＳが入力される。更に、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ６のゲートにはそれぞれ、信号φＳ，φＶが入力される。
【００３１】
このように構成された画素において、ＭＯＳトランジスタＴ６及び出力信号線６を介して、一端に直流電圧ＶPSが印加された定電流源７（図１の定電流源７−１〜７−ｍに相当する）が、ＭＯＳトランジスタＴ４のソースに接続される。よって、ＭＯＳトランジスタＴ６がＯＮのとき、ＭＯＳトランジスタＴ４はソースフォロワのＭＯＳトランジスタとして動作し、定電流源７によって増幅された電圧信号を出力信号線６に出力する。
【００３２】
このようにソースフォロワ回路を構成することにより、信号を大きく出力する増幅回路が構成される。従って、本増幅回路により充分大きな信号に増幅されるため、後続の信号処理回路（図示せず）での処理が容易になる。又、増幅回路の負荷抵抗部分を構成する定電流源７−１〜７−ｍを画素内に設けずに、列方向に配置された複数の画素が接続される出力信号線６−１〜６−ｍ毎に設けることにより、負荷抵抗又は定電流源の数を低減でき、半導体チップ上で増幅回路が占める面積を少なくできる。
【００３３】
このような構成の画素による撮像動作及び感度バラツキ検出動作について、以下に説明する。尚、信号φＶPSは２値の電圧信号で、ＭＯＳトランジスタＴ２をサブスレッショルド領域で動作させるための電圧をローとし、この電圧よりも高くＭＯＳトランジスタＴ２にローの信号φＶPSを与えた時よりも大きい電流が流れうるようにする電圧をハイとする。又、信号φＶＤは、３値の電圧信号であり、キャパシタＣを積分動作させる際の電圧値を最も高いＶｈとし、映像信号読み出し時の電圧値をＶｈよりも低いＶｍとし、ノイズ信号読み出し時の電圧値をＶｍよりも低いＶｌとする。
【００３４】
（１）撮像動作（映像信号出力時）
まず、図２のような画素が撮像を行うときの動作を説明する。尚、信号φＳは撮像動作の間、常にローであり、ＭＯＳトランジスタＴ１がＯＮの状態である。又、信号φＲＳをハイとして、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＦＦとする。そして、ＭＯＳトランジスタＴ２がサブスレッショルド領域で動作するように、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースに与える信号φＶPSをローとするとともに、キャパシタＣに与える信号φＶＤの電圧値をＶｈとして、積分動作を行うようにする。このとき、フォトダイオードＰＤに光が入射されると、光電流が発生し、ＭＯＳトランジスタのサブスレッショルド特性により、ＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ３のゲートに光電流を自然対数的に変換した値の電圧が発生する。
【００３５】
この入射光量に対して自然対数的に比例した電圧がＭＯＳトランジスタＴ３で電流増幅されたドレイン電流がキャパシタＣから流れて、キャパシタＣが放電される。よって、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲート電圧が、入射光量の積分値に対して自然対数的に比例した電圧となる。そして、このキャパシタＣが積分動作を行うことで現れる映像信号を読み出すために、信号φＶＤの電圧値をＶｍとするとともに、ＭＯＳトランジスタＴ６にパルス信号φＶを与える。よって、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲート電圧に応じたソース電流が、ＭＯＳトランジスタＴ６を介して出力信号線６へ流れる。
【００３６】
このとき、ＭＯＳトランジスタＴ４がソースフォロワ型のＭＯＳトランジスタとして動作するため、出力信号線６には映像信号が電圧信号として現れる。その後、信号φＶをハイにしてＭＯＳトランジスタＴ６をＯＦＦにするとともに、信号φＶＤの電圧値をＶｈとする。このように、ＭＯＳトランジスタＴ４，Ｔ６を介して出力される映像信号は、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲート電圧に比例した値となるため、フォトダイオードＰＤへの入射光量の積分値が自然対数的に変換された信号となる。
【００３７】
（２）感度バラツキ検出動作（ノイズ信号出力時）
次に、画素の感度バラツキを検出するときの動作について、図３のタイミングチャートを参照して説明する。まず、電圧値Ｖｍのパルス信号φＶＤとパルス信号φＶが与えられて映像信号が出力されると、信号φＶＤをＶｈとした後、信号φＳをハイにしてＭＯＳトランジスタＴ１をＯＦＦにして、リセット動作が始まる。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ２のソース側より正の電荷が流れ込み、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレイン、そしてＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに蓄積された負の電荷が再結合され、ある程度まで、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレインのポテンシャルが上がる。
【００３８】
しかし、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレインのポテンシャルがある値まで上がると、そのリセット速度が遅くなる。特に、明るい被写体が急に暗くなった場合にこの傾向が顕著となる。よって、次に、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースに与える信号φＶPSをハイにする。このように、ＭＯＳトランジスタＴ２のソース電圧を高くすることで、ＭＯＳトランジスタＴ２のソース側から流入する正の電荷の量が増加し、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレイン、そしてＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに蓄積された負の電荷が速やかに再結合される。このとき、信号φＲＳをローとして、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＮにして、キャパシタＣとＭＯＳトランジスタＴ４のゲートとの接続ノードの電圧を初期化する。
【００３９】
そして、信号φＶPSをハイにすることで、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレインのポテンシャルが、更に高くなると、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースに与える信号φＶPSをローにして、ＭＯＳトランジスタＴ２のポテンシャル状態を基の状態に戻す。このように、ＭＯＳトランジスタＴ２のポテンシャルの状態を基の状態にリセットすると、信号φＲＳをハイにして、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＦＦにする。
【００４０】
そして、キャパシタＣが積分動作を行って、キャパシタＣとＭＯＳトランジスタＴ４のゲートとの接続ノードの電圧が、リセットされたＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧に応じたものとなる。そして、パルス信号φＶをＭＯＳトランジスタＴ６のゲートに与えてＭＯＳトランジスタＴ６をＯＮにするとともに信号φＶＤの電圧値をＶｌにすることによって、ＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ３の特性のバラツキに起因する各画素の感度のバラツキを表す出力電流が出力信号線６から流れる。
【００４１】
このとき、ＭＯＳトランジスタＴ４がソースフォロワ型のＭＯＳトランジスタとして動作するため、出力信号線６にはノイズ信号が電圧信号として現れる。その後、再び、パルス信号φＲＳをＭＯＳトランジスタＴ５に与えて、キャパシタＣとＭＯＳトランジスタＴ４のゲートとの接続ノードの電圧をリセットした後、信号φＳをローにしてＭＯＳトランジスタＴ１を導通させて撮像動作が行える状態にする。
【００４２】
（３）各動作時に出力される信号の状態
上述のように撮像動作及び感動バラツキ検出動作を行う際のキャパシタＣの状態遷移について、図４を参照して説明する。図４は、映像信号及びノイズ信号それぞれの積分時及び読み出し時におけるキャパシタＣの電圧値の変化を表すタイミングチャートである。
【００４３】
映像信号の積分時は、上述したように、信号φＶＤの電圧値をＶｈとするため、時間経過とともに画素への入射光量に応じて、初期値となる電圧値Ｖ０から低くなる。そして、所定時間Ｔｓが経過した後、信号φＶＤの電圧値をＶｍとして映像信号を読み出す。このとき、従来のように、信号φＶＤの電圧値をＶｈで一定とした場合における映像信号出力時の電圧値（図４中の点線で示した部分）がＶ１となるとすると、キャパシタＣの電圧値はＶ１−（Ｖｈ−Ｖｍ）となるため、映像信号の値は、ａ×（Ｖ１＋Ｖｍ−Ｖｈ）となる。
【００４４】
同様に、ノイズ信号の積分時においても、上述したように、信号φＶＤの電圧値をＶｈとするため、時間経過とともに画素への入射光量に応じて、初期値となる電圧値Ｖ０から低くなる。そして、所定時間Ｔｎが経過した後、信号φＶＤの電圧値をＶｌとしてノイズ信号を読み出す。このとき、従来のように、信号φＶＤの電圧値をＶｈで一定とした場合における映像信号出力時の電圧値（図４中の点線で示した部分）がＶ２となるとすると、キャパシタＣの電圧値はＶ２−（Ｖｈ−Ｖｌ）となるため、ノイズ信号の値は、ａ×（Ｖ２＋Ｖｌ−Ｖｈ）となる。
【００４５】
このことより、映像信号からノイズ信号が差し引くことによって、映像信号のノイズが除去されると、このノイズ除去された映像信号の値は、
ａ×（（Ｖ１＋Ｖｍ−Ｖｈ）−（Ｖ２＋Ｖｌ−Ｖｈ））
＝ａ×（（Ｖ１−Ｖ２）−（Ｖｌ−Ｖｍ））
となる。
【００４６】
又、ａ×Ｖ１＝Ｖｎ、ａ×Ｖ２＝Ｖｓとなるので、ノイズ除去された映像信号の値は、（Ｖｓ−Ｖｎ）−ａ×（Ｖｌ−Ｖｍ）と表すことができる。Ｖｓ−Ｖｎについては、上述したように、従来では、オフセット電圧Ｖｋを含むため、従来において映像信号として利用される部分は、Ｖｏ＝Ｖｓ−Ｖｎ−Ｖｋである。よって、本実施形態でのノイズ除去された映像信号の値が、Ｖｏ＋Ｖｋ−ａ×（Ｖｌ−Ｖｍ）となるため、オフセット値がＶｋ−ａ×（Ｖｌ−Ｖｍ）となり、従来に比べて占める割合を低くすることができる。
【００４７】
尚、本実施形態において、キャパシタＣに与える信号φＶＤの電圧値を、映像信号読み出し時に低くするとともに、ノイズ信号読み出し時に更に低くなるようにしたが、映像信号読み出し時に与える信号φＶＤの電圧値を、積分時に与える電圧値より高くするようにしても構わない。即ち、映像信号読み出し時にキャパシタＣに与えられる電圧値を、ノイズ信号読み出し時にキャパシタＣに与えられる電圧値より高くすることによって、ノイズ除去後の映像信号におけるオフセット電圧を抑えることができる。
【００４８】
又、本実施形態において、ＰチャネルのＭＯＳトランジスタを用いて各画素が構成されるようにしたが、ＮチャネルのＭＯＳトランジスタを用いて構成されるようにしても構わない。このとき、各素子の極性が逆になるため、固体撮像装置に設けられる定電流源７−１〜７−ｍについても、図５のように、図１と逆の極性となる。このように各ブロック内の素子が極性が逆となること以外、ラインや各ブロックの関係については、図１の固体撮像装置と同様となる。
【００４９】
又、このときの各画素を構成するＭＯＳトランジスタはＮチャネルとなり、図６のように表される。そして、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ６及びキャパシタＣの接続関係及び各素子の役割が、図２と同一であるとともに、各素子が、図２の場合と逆の極性に応じた動作を行う。即ち、信号φＶＤの電圧値を、映像信号及びノイズ信号の積分時において最も低いＶａとし、映像信号読み出し時において中間値となるＶｂとし、ノイズ信号読み出し時において最も高いＶｃとする。
【００５０】
このように、各画素を構成するＭＯＳトランジスタをＮチャネルとしたときに各画素に与えられる信号φＶPS，φＶＤ，φＳ，φＲＳ，φＶを変化させるタイミングが、図７のように表される。即ち、信号φＶPS,φＳ，φＲＳ，φＶにおけるハイ、ローの関係が、図３と逆とすることによって、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ５，Ｔ６の動作タイミングを同一のタイミングとすることができる。又、図３における信号φＶＤの電圧値Ｖｈ，Ｖｍ，Ｖｌそれぞれを与えるタイミングと、図７における信号φＶＤの電圧値Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃそれぞれ与えるタイミングとを同一とすることによって、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ６を逆極性としたときのキャパシタＣの動作状態を、各タイミングにおいて本実施形態の場合と同様の状態にすることができる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によると、映像信号又はノイズ信号を出力する積分回路又はキャパシタに与える参照電圧の電位を可変とすることによって、積分動作時及び信号読み出し時それぞれにおいて与える参照電圧の電位を変化させることができる。このように、積分動作時と信号読み出し時それぞれにおいて与える参照電圧の電位を異なるようにすることで、出力される電気信号のオフセットを調節することができる。
【００５２】
又、映像信号及びノイズ信号のオフセットを調節することで、ノイズ信号と映像信号の差分をとることによってノイズ除去された映像信号のオフセットを低減させることができる。よって、後段に接続される出力バッファやＡＤ変換器の動作範囲に応じて映像信号のオフセットを調節できるため、その動作範囲を有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】固体撮像装置の構成を示すブロック回路図。
【図２】図１の固体撮像装置内の画素の構成を示す回路図。
【図３】図２の画素の動作を示すタイミングチャート。
【図４】図２の画素内のキャパシタの電圧値の変化を示すタイミングチャート。
【図５】固体撮像装置の構成を示すブロック回路図。
【図６】図５の固体撮像装置内の画素の構成を示す回路図。
【図７】図６の画素の動作を示すタイミングチャート。
【図８】従来の画素内のキャパシタの電圧値の変化を示すタイミングチャート。
【符号の説明】
１ 垂直走査回路
２ 水平走査回路
３−１〜３−ｎ ライン
４−１〜４−ｎ ライン
５ 電源ライン
６−１〜６−ｍ 出力信号線
７−１〜７−ｍ 定電流源
８−１〜８−ｍ 選択回路
９ 補正回路
Ｇ11〜Ｇmn 画素
ＰＤ フォトダイオード
Ｔ１〜Ｔ６ ＭＯＳトランジスタ
Ｃ キャパシタ
Claims (4)
- 入射光量に応じた電気信号を出力する光電変換回路と、該光電変換回路からの電気信号を積分する積分回路と、入射光量を積分した値に比例した電気信号を出力する出力回路と、を有し、前記光電変換回路が入射光量に応じた電気信号を線形変換して出力する第１状態と対数変換して出力する第２状態とを任意に切り換え可能な固体撮像装置において、
前記第１状態と前記第２状態とを切り換えるための切り換え動作とは独立し、前記積分回路において積分された電気信号のオフセット量を調整する参照電圧を映像信号読み出し時とノイズ信号読み出し時とで切り換える切り換え動作を行うことを特徴とする固体撮像装置。 - 前記積分回路で積分されて得られた前記映像信号及び前記ノイズ信号それぞれを前記出力回路に導出する際に、前記参照電圧の電位を一時的に変化させることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
- 前記光電変換回路は、入射した光量に応じた電気信号を発生する光電変換素子と、所定のバイアス電圧が印加されるとともに前記光電変換素子から出力される電気信号を入射光量の対数値に比例した電気信号に変換して出力するＭＯＳトランジスタとからなり、前記積分回路は、一端に前記ＭＯＳトランジスタより出力された電気信号が与えられて積分を行うとともに他端に前記参照電圧が与えられるキャパシタからなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の固体撮像装置。
- 入射光量に応じた電気信号を出力する光電変換回路と、該光電変換回路からの電気信号を積分する積分回路と、入射光量を積分した値に比例した電気信号を出力する出力回路と、を有し、前記光電変換回路が入射光量に応じた電気信号を線形変換して出力する第 1 状態と対数変換して出力する第２状態とを任意に切り換え可能な固体撮像装置において、
前記光電変換回路は、入射した光量に応じた電気信号を発生する光電変換素子と、所定のバイアス電圧が印加されるとともに前記光電変換素子から出力される電気信号を入射光量の対数値に比例した電気信号に変換して出力するＭＯＳトランジスタとからなり、前記積分回路は、一端に前記ＭＯＳトランジスタより出力された電気信号が与えられて積分を行うとともに他端に前記積分回路において積分された電気信号のオフセット量を調整する参照電圧が与えられるキャパシタからなるものであって、さらに、
前記光電変換素子と前記ＭＯＳトランジスタとの間の電気的な接離を行う第１スイッチと、
前記キャパシタと前記出力回路との間の電気的な接離を行う第２スイッチと、
を備えるとともに、
撮像動作を行うとき、前記第１スイッチをＯＮとして前記光電変換素子からの電気信号を前記キャパシタで積分することによって映像信号を生成した後、前記第２スイッチをＯＮとして前記出力回路から出力し、
前記積分回路の感度のバラツキを検出するとき、前記第１スイッチをＯＦＦとして前記ＭＯＳトランジスタの閾値特性に従った電気信号を前記キャパシタで積分することによってノイズ信号を生成した後、前記第２スイッチをＯＮとして前記出力回路から出力し、
前記第２スイッチの動作に同期させ、前記第１状態と前記第２状態とを切り換えるための切り換え動作とは独立し、前記参照電圧を映像信号読み出し時とノイズ信号読み出し時とで切り換える切り換え動作を行うことを特徴とする固体撮像装置。
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