JP6265694B2 - 固体撮像装置及び撮像システム - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置及び撮像システムに関する。

近年、複写機業界のコスト競争により、原稿を読み取るリーダーユニット部にも低コスト化が要求されてきている。リーダーユニット部内に設けられたイメージセンサの低コスト化策として、特許文献１に開示される手法が存在する。特許文献１では、１本の共通出力線に対して複数の色信号を色毎に順次出力することで、選択スイッチなどの素子数を減らし、チップサイズを縮小化させている。また、色毎のゲイン切り替え機能との組み合わせによって、後段のゲイン調整回路を削除してシステムレベルでの低コスト化を実現する手法についても開示されている。

特開２０１０−１９９７１０号公報

さらなる低コスト化策として、光源であるＬＥＤアレイの個数を削減する必要性が出てきている。しかし、ＬＥＤ個数を減らせば、センサに入射されてくる光量そのものが減ってしまい、画質を低下させる要因となってしまう課題がある。

本発明の目的は、コストアップを抑制しつつ、高感度な固体撮像装置及び撮像システムを提供することである。

本発明の固体撮像装置は、行列状に配列され、光電変換により信号を生成する複数の画素を有し、同一行の画素は同一色の光学フィルタを有し、異なる行の画素は相互に異なる色の光学フィルタを有する画素アレイと、前記複数の画素の信号を保持する複数の保持部と、前記複数の保持部に保持された信号を色毎に順に選択して出力する色選択部とを有し、同一行の画素の間隔をｘとし、同一列の画素の間隔をｙとし、第１の係数をａとし、隣接する行の画素間の電荷蓄積期間のずれをｂとし、前記複数の画素が生成した信号を前記色選択部が出力する周期をｃとし、第２の係数をｄとすると、ｙ＝ａｘ＋（ｂ／ｃ−ｄ）ｘの関係を有し、前記第１の係数ａは１以上の整数であり、前記第２の係数ｄは０以上かつ０．１５以下の値であることを特徴とする。

画素のサイズを拡大できるので、感度を向上させることができる。これにより、光源のＬＥＤの数を減らしてコストを低減できるとともに、良質な画像を得ることができる。

本実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示す図である。 図１の画素の構成例を示す図である。 図１の固体撮像装置の各色の画素アレイの配置例を示す図である。 図１の保持部の構成例を示す図である。 図１の色選択部の構成例を示す図である。 図１の固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。 本実施形態に係る固体撮像装置のシステム構成例を示す図である。 本実施形態に係る固体撮像装置の他の構成例を示す図である。 本実施形態に係る固体撮像装置の他の構成例を示す図である。 図９の画素の構成例を示す図である。 図９の固体撮像装置の各色の画素アレイの配置例を示す図である。 図９の固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。

図１は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示す図である。画素アレイ１００は、２次元行列状に配置された複数の画素１０１を有する。図２は、画素１０１の構成例を示す回路図である。フォトダイオードＰＤは、光を電荷に変換して蓄積する光電変換部である。画素１０１は、パルスｐｒｅｓ及びｐｔｘにより制御される。パルスｐｒｅｓは、リセットトランジスタＭ１のゲートに印加される。パルスｐｒｅｓがハイレベルになると、リセットトランジスタＭ１がオンし、フォトダイオードＰＤ及び／又はフローティングディフュージョンＦＤが電源電圧にリセットされる。これにより、フォトダイオードＰＤ及び／又はフローティングディフュージョンＦＤの電荷は、リセットされる。また、パルスｐｔｘは、転送トランジスタＭ２のゲートに印加される。パルスｐｔｘがハイレベルになると、転送トランジスタＭ２がオンし、フォトダイオードＰＤの電荷はフローティングディフュージョンＦＤに転送される。フローティングディフュージョンＦＤは、電荷を電圧に変換する。増幅トランジスタＭ３は、フローティングディフュージョンＦＤの電圧に応じた電圧を出力端子ｏｕｔから後段回路へ出力するためのソースフォロワ回路の入力部である。

図１において、画素アレイ１００は、第１行のＲ画素行１１０、第２行のＧ画素行１２０及び第３行のＢ画素行１３０を有する。Ｒ画素行１１０は、第１行の複数の画素１０１で構成され、赤色波長領域の光を透過する光学フィルタを上面に配した画素行である。Ｇ画素行１２０は、第２行の複数の画素１０１で構成され、緑色波長領域の光を透過する光学フィルタを上面に配した画素行である。Ｂ画素行１３０は、第３行の複数の画素１０１で構成され、青色波長領域の光を透過する光学フィルタを上面に配した画素行である。画素アレイ１００は、行列状に配列され、光電変換により信号を生成する複数の画素１０１を有する。同一行の画素１０１は、同一色の光学フィルタを有する。異なる行の画素１０１は、相互に異なる色の光学フィルタを有する。

図３に示すように、Ｒ画素行１１０、Ｇ画素行１２０及びＢ画素行１３０は、並行に配置される。なお、以降では、図３のＲ画素行１１０、Ｇ画素行１２０及びＢ画素行１３０の画素１０１が並ぶ方向を主走査方向とし、主走査方向と垂直な方向を副走査方向とする。副走査方向は、原稿の読み取り走査方向と合致している。固体撮像装置は、原稿に対して、相対的に副走査方向に移動することにより走査する。また、図３の通り、主走査方向の画素１０１の間隔（ピッチ）をｘ、副走査方向の画素１０１の間隔（ピッチ）をｙと定義する。複数の画素１０１は、行列状に配列されている。画素１０１の間隔ｘは、同一行の画素１０１の間隔である。画素１０１の間隔ｙは、同一列の画素１０１の間隔である。

図４は、図１の保持部２００の構成例を示す回路図である。複数の保持部２００は、それぞれ、複数の画素１０１の出力信号を入力端子ｉｎに入力して保持する。各保持部２００は、電流源回路４０１と、スイッチ４０２と、容量ＣＭと、バッファ回路４０３とを有する。電流源回路４０１は、図２の増幅トランジスタＭ３と共にソースフォロワ回路を構成する。スイッチ４０２及び容量ＣＭは、サンプルホールド回路を構成する。バッファ回路４０３は、容量ＣＭに保持された電圧を後段回路へ出力する。スイッチ４０２は、制御パルスｐｃｍによりオン／オフ動作が制御される。容量ＣＭは、画素１０１のリセット信号及び光信号を保持する。バッファ回路４０３は、出力端子ｏｕｔに対して信号を出力する。

図１において、パルス制御部３００は、画素１０１及び保持部２００を制御するためのパルスｐｒｅｓ＿ｒ、ｐｒｅｓ＿ｇ、ｐｒｅｓ＿ｂ、ｐｔｘ＿ｒ、ｐｔｘ＿ｇ、ｐｔｘ＿ｂ、ｐｃｍ＿ｒ、ｐｃｍ＿ｇ、ｐｃｍ＿ｂを生成する。パルスｐｒｅｓ＿ｒは、Ｒ画素行１１０の画素１０１のパルスｐｒｅｓである。パルスｐｒｅｓ＿ｇは、Ｇ画素行１２０の画素１０１のパルスｐｒｅｓである。パルスｐｒｅｓ＿ｂは、Ｂ画素行１３０の画素１０１のパルスｐｒｅｓである。パルスｐｔｘ＿ｒは、Ｒ画素行１１０の画素１０１のパルスｐｒｘである。パルスｐｔｘ＿ｇは、Ｇ画素行１２０の画素１０１のパルスｐｒｘである。パルスｐｔｘ＿ｂは、Ｂ画素行１３０の画素１０１のパルスｐｒｘである。パルスｐｃｍ＿ｒは、Ｒ画素行１１０の画素１０１の出力信号を保持する保持部２００のパルスｐｃｍである。パルスｐｃｍ＿ｇは、Ｇ画素行１２０の画素１０１の出力信号を保持する保持部２００のパルスｐｃｍである。パルスｐｃｍ＿ｂは、Ｂ画素行１３０の画素１０１の出力信号を保持する保持部２００のパルスｐｃｍである。パルス制御部３００は、外部制御パルスに応じて、Ｒ画素行１１０及びそれに対応する保持部２００、Ｇ画素行１２０及びそれに対応する保持部２００、Ｂ画素行１３０及びそれに対応する保持部２００のそれぞれの制御パルスのパルス発生時刻を設定する。なお、以降では、Ｒ画素行１１０及びそれに対応する保持部２００の制御パルスｐｒｅｓ＿ｒ，ｐｔｘ＿ｒ，ｐｃｍ＿ｒをＲ制御パルスという。また、Ｇ画素行１２０及びそれに対応する保持部２００の制御パルスｐｒｅｓ＿ｇ，ｐｔｘ＿ｇ，ｐｃｍ＿ｇをＧ制御パルスという。同様に、Ｂ画素行１３０及びそれに対応する保持部２００の制御パルスｐｒｅｓ＿ｂ，ｐｔｘ＿ｂ，ｐｃｍ＿ｂをＢ制御パルスという。

図５は、図１の色選択部４００の構成例を示す回路図である。色選択部４００は、行列状の画素１０１の列毎に設けられる。色選択部４００は、同一列の画素１０１に対応する保持部２００に保持された各色の信号を選択的に増幅し、保持する。入力端子ｉｎ＿ｒは、Ｒ画素行１１０の画素１０１の出力信号を保持部２００を介して入力する。入力端子ｉｎ＿ｇは、Ｇ画素行１２０の画素１０１の出力信号を保持部２００を介して入力する。入力端子ｉｎ＿ｂは、Ｂ画素行１３０の画素１０１の出力信号を保持部２００を介して入力する。スイッチ５０１ｒは、制御パルスｐｓｗ＿ｒに応じて、入力端子ｉｎ＿ｒを入力容量Ｃｉｎｒに接続する。スイッチ５０１ｇは、制御パルスｐｓｗ＿ｇに応じて、入力端子ｉｎ＿ｇを入力容量Ｃｉｎｇに接続する。スイッチ５０１ｂは、制御パルスｐｓｗ＿ｂに応じて、入力端子ｉｎ＿ｂを入力容量Ｃｉｎｂに接続する。差動アンプ５０３は、負入力端子が入力容量Ｃｉｎｒ，Ｃｉｎｇ，Ｃｉｎｂに接続され、正入力端子がグランド電位ノードに接続される。色選択部４００は、入力容量Ｃｉｎｒ，Ｃｉｎｇ，Ｃｉｎｂとフィーバック容量Ｃｆとの比で示される増幅率によって信号を増幅するスイッチトキャパシタアンプを有する。Ｃｉｎ＝Ｃｉｎｒ＝Ｃｉｎｇ＝Ｃｉｎｂとすれば、増幅率はＣｉｎ／Ｃｆとなる。入力容量ＣｉｎｒはＲ画素行１１０からの画素信号を入力とし、入力容量ＣｉｎｇはＧ画素行１２０からの画素信号を入力とし、ＣｉｎｂはＢ画素行１３０からの画素信号を入力とする。また、各入力容量Ｃｉｎｒ，Ｃｉｎｇ，Ｃｉｎｂへの画素信号のサンプリングは、制御パルスｐｓｗ＿ｒ，ｐｓｗ＿ｇ，ｐｓｗ＿ｂによって制御される色選択スイッチ５０１ｒ，５０１ｇ，５０１ｂによって選択的に行われる。このスイッチトキャパシタアンプの出力は、保持容量Ｃｔｎ又はＣｔｓに保持される。保持容量Ｃｔｎ又はＣｔｓのサンプルホールド動作は、制御パルスｐｔｎ，ｐｔｓによって制御されるスイッチ５０４ｎ，５０４ｓにより制御される。また、保持容量Ｃｔｎ及びＣｔｓに保持された信号は、制御パルスｐｈｓｒによって制御される水平転送スイッチ５０５ｎ，５０５ｓによって、出力端子ｏｕｔ＿ｎ，ｏｕｔ＿ｓを介して図１の出力アンプ６００へ出力される。

図１において、水平シフトレジスタ５００は、色選択部４００内の水平転送スイッチ５０５ｎ，５０５ｓに制御パルスｐｈｓｒを出力することにより、色選択部４００の出力端子ｏｕｔ＿ｎ，ｏｕｔ＿ｓから出力アンプ６００に信号を出力させる。出力アンプ６００は、色選択部４００の出力端子ｏｕｔ＿ｎ及びｏｕｔ＿ｓの差分信号を出力する。

本実施形態は、図３に示した副走査方向の画素間隔ｙを、読み出し方式によって決まる各色の蓄積期間の最大ずらし時間に応じた寸法だけ拡大して、受光領域を主走査方向よりも副走査方向に広げることで感度を向上させる。以下に、その詳細について説明する。

まず、副走査方向の画素間隔ｙと画像読み取りサンプリング位置が時間的に異なることによるサンプリング色ずれと呼ばれる現象について説明する。固体撮像装置のラインセンサを用いた画像読み取り特性としては、Ｒ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の各画素１０１の原画像上の撮像位置の物理的なずれ（一定間隔ｙ）によって、ラインセンサのＲ，Ｇ，Ｂの画素１０１の各出力間でサンプリング色ずれを発生する。したがって、この種の固体撮像装置では、ラインセンサのＲＧＢの画素１０１の各出力間で色ずれ補正を行うことは必須の技術である。ラインセンサ又は原稿の副走査方向の移動中には、Ｒ，Ｇ，Ｂの各画素１０１の位置関係は常に一定に維持されているため、同一時刻における各色の撮像位置は、画素間隔ｙに対応した分だけずれることになる。すなわち、感度向上のために画素ピットｙを広げるということは、その広げた分だけ副走査方向の色ずれが大きくなるということである。画素間隔ｙが、主走査方向の画素間隔ｘの等倍（ｙ＝ａ×ｘ、ａは１以上の整数）であれば、後段の信号処理部３（図７）による色ずれ補正で、ａ×ｘ分だけ隣接する色の行をずらした上で画像を合成すれば、理想的には色ずれを補正できる。副走査方向の画素間隔ｙは、許容される副走査方向の解像度によって大きくできる限界があり、この画素間隔ｙの限界値が画素間隔ｘの等倍であれば問題ない。しかし、副走査方向の画素間隔ｙは、画素間隔ｘの非等倍であった場合、後段の信号処理部３（図７）の色ずれ補正では取りきれない色ずれ成分が残ってしまう。そのため、画素間隔ｙの拡大による感度向上の効果を最大限に得るためには、画素間隔ｙが画素間隔ｘの非等倍の場合にも対応できる必要がある。この課題を解決した本実施形態の構成と動作を以下に説明する。

図６は、図１の固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。時刻ｔ０では、パルスｔｒｇがハイレベルになることにより、画素信号の読み出し動作が開始される。時刻ｔ１〜ｔ２の期間では、制御パルスｐｒｅｓ＿ｒ，ｐｒｅｓ＿ｇ，ｐｒｅｓ＿ｂがハイレベルからローレベルとなり、Ｒ，Ｇ，Ｂの画素１０１のリセットトランジスタＭ１がオンからオフになる。これにより、Ｒ画素行１１０、Ｇ画素行１２０、Ｂ画素行１３０の各画素１０１のフローティングディフュージョンＦＤのリセット電位（電源電位）が決定する。各画素１０１は、フローティングディフュージョンＦＤがリセット電位に応じた電圧を出力する。制御パルスｐｃｍ＿ｒ，ｐｃｍ＿ｇ，ｐｃｍ＿ｂがハイレベルになると、図４の各色の保持部２００内のスイッチ４０２がオンし、容量ＣＭには画素１０１の出力電圧が書き込まれる。同時に、リセットパルスｐｃ０ｒがハイレベルとなり、図５の色選択部４００内のリセットスイッチ５０２がオンし、スイッチトキャパシタアンプがリセット状態（バッファ状態）になり、容量Ｃｆの電荷がリセットされる。

次に、時刻ｔ２〜ｔ３の期間では、制御パルスｐｓｗ＿ｒ１，ｐｓｗ＿ｒ２，ｐｓｗ＿ｇ１，ｐｓｗ＿ｇ２，ｐｓｗ＿ｂ１，ｐｓｗ＿ｂ２を順次ハイレベルにしていく。制御パルスｐｓｗ＿ｒ１がハイレベルになると、左半分の色選択部４００の制御パルスｐｓｗ＿ｒがハイレベルになり、図５のスイッチ５０１ｒがオンし、入力容量ＣｉｎｒにＲ画素行１１０の画素１０１のリセット信号が書き込まれる。制御パルスｐｓｗ＿ｒ２がハイレベルになると、右半分の色選択部４００の制御パルスｐｓｗ＿ｒがハイレベルになり、図５のスイッチ５０１ｒがオンし、入力容量ＣｉｎｒにＲ画素行１１０の画素１０１のリセット信号が書き込まれる。制御パルスｐｓｗ＿ｇ１がハイレベルになると、左半分の色選択部４００の制御パルスｐｓｗ＿ｇがハイレベルになり、図５のスイッチ５０１ｇがオンし、入力容量ＣｉｎｇにＧ画素行１２０の画素１０１のリセット信号が書き込まれる。制御パルスｐｓｗ＿ｇ２がハイレベルになると、右半分の色選択部４００の制御パルスｐｓｗ＿ｇがハイレベルになり、図５のスイッチ５０１ｇがオンし、入力容量ＣｉｎｇにＧ画素行１２０の画素１０１のリセット信号が書き込まれる。制御パルスｐｓｗ＿ｂ１がハイレベルになると、左半分の色選択部４００の制御パルスｐｓｗ＿ｂがハイレベルになり、図５のスイッチ５０１ｂがオンし、入力容量ＣｉｎｂにＢ画素行１３０の画素１０１のリセット信号が書き込まれる。制御パルスｐｓｗ＿ｂ２がハイレベルになると、右半分の色選択部４００の制御パルスｐｓｗ＿ｂがハイレベルになり、図５のスイッチ５０１ｂがオンし、入力容量ＣｉｎｂにＢ画素行１３０の画素１０１のリセット信号が書き込まれる。その後、リセットパルスｐｃ０ｒをローレベルにし、リセットスイッチ５０２がオフし、スイッチトキャパシタアンプのリセット状態（バッファ状態）を解除する。

次に、時刻ｔ３〜ｔ６の期間では、パルスｐｔｎ１がハイレベルになり、図１の左半分の色選択部４００のスイッチ５０４ｎがオンし、容量Ｃｔｎにはスイッチキャパシタアンプのオフセットのノイズ信号が書き込まれる。

また、時刻ｔ３〜ｔ４の期間では、制御パルスｐｔｘ＿ｒがハイレベルになり、Ｒ画素行１１０の各画素１０１において、転送トランジスタＭ２がオンし、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷が、フローティングディフュージョンＦＤに転送される。なお、時刻ｔ４は、Ｒ画素行１１０の電荷蓄積期間の終了位置となる。また、同期間に、パルスｐｃｍ＿ｒがハイレベルになり、図４のＲの保持部２００のスイッチ４０２がオンし、容量ＣＭにはＲ画素行１１０からの光信号が書き込まれる。

次に、時刻ｔ４〜ｔ５の期間では、パルスｐｒｅｓ＿ｒ及びｐｔｘ＿ｒがハイレベルになり、Ｒ画素行１１０のリセットトランジスタＭ１及び転送トランジスタＭ２がオンする。これにより、Ｒ画素行１１０のフォトダイオードＰＤ及びフローティングディフュージョンＦＤがリセット電位（電源電位）にリセットされる。その後、パルスｐｔｘ＿ｒがローレベルになった時に、Ｒ画素行１１０の次の電荷蓄積が開始される。

時刻ｔ６では、パルスｐｔｎ１をローレベルにすると、図１の左半分の色選択部４００のスイッチ５０４ｎがオフし、容量Ｃｔｎはスイッチキャパシタアンプのオフセットのノイズ信号を保持する。

時刻ｔ６〜ｔ７の期間では、パルスｐｓｗ＿ｒ１がハイレベルとなり、図１の左半分の色選択部４００のスイッチ５０１ｒがオンし、差動アンプ５０３により、Ｒ画素行１１０の光信号が増幅される。この時、入力容量Ｃｉｎｒにはリセット信号が保持されていたので、差動アンプ５０３は、リセット信号と光信号の差分を増幅する。これにより、光信号に重畳されたリセット信号を除去できる。

次に、時刻ｔ７〜ｔ８の期間では、制御パルスｐｔｓ１がハイレベルになり、図１の左半分の色選択部４００のスイッチ５０４ｓがオンし、容量Ｃｔｓには差動アンプ５０３により増幅された光信号が書き込まれる。

次に、時刻ｔ８〜ｔ９の期間では、制御パルスｐｈｓｒ［１］〜ｐｈｓｒ［ｎ］が順にハイレベルパルスになる。これにより、図１の左半分の色選択部４００のスイッチ５０５ｎ及び５０５ｓが順にオンし、各列の容量Ｃｔｎのノイズ信号及び容量Ｃｔｓの光信号は、出力アンプ６００に順に出力される。出力アンプ６００は、光信号及びノイズ信号の差分を出力する。これにより、光信号に重畳されたノイズ信号を除去できる。

また、リセットパルスｐｃ０ｒがハイレベルとなり、図５の色選択部４００内のリセットスイッチ５０２がオンし、スイッチトキャパシタアンプがリセット状態（バッファ状態）になり、容量Ｃｆの電荷がリセットされる。その後、パルスｐｔｎ２がハイレベルになり、図１の右半分の色選択部４００のスイッチ５０４ｎがオンし、容量Ｃｔｎにはスイッチキャパシタアンプのオフセットのノイズ信号が書き込まれる。

その後、パルスｐｓｗ＿ｒ２がハイレベルとなり、図１の右半分の色選択部４００のスイッチ５０１ｒがオンし、差動アンプ５０３により、Ｒ画素行１１０の光信号が増幅される。この時、入力容量Ｃｉｎｒにはリセット信号が保持されていたので、差動アンプ５０３は、リセット信号と光信号の差分を増幅する。これにより、光信号に重畳されたリセット信号を除去できる。その後、制御パルスｐｔｓ２がハイレベルになり、図１の右半分の色選択部４００のスイッチ５０４ｓがオンし、容量Ｃｔｓには差動アンプ５０３により増幅された光信号が書き込まれる。

また、制御パルスｐｔｘ＿ｇがハイレベルになり、Ｇ画素行１２０において、転送トランジスタＭ２がオンし、フォトダイオードＰＤの電荷は、フローティングディフュージョンＦＤに転送される。また、パルスｐｃｍ＿ｇがハイレベルになり、図４のＧの保持部２００のスイッチ４０２がオンし、容量ＣＭにはＧ画素行１２０からの光信号が書き込まれる。

その後、パルスｐｒｅｓ＿ｇ及びｐｔｘ＿ｇがハイレベルになり、Ｇ画素行１２０のリセットトランジスタＭ１及び転送トランジスタＭ２がオンする。これにより、Ｇ画素行１２０のフォトダイオードＰＤ及びフローティングディフュージョンＦＤがリセット電位（電源電位）にリセットされる。その後、パルスｐｔｘ＿ｇがローレベルになった時に、Ｇ画素行１２０の次の電荷蓄積が開始される。

次に、時刻ｔ９〜ｔ１１の期間では、制御パルスｐｈｓｒ［ｎ＋１］〜ｐｈｓｒ［２ｎ］が順にハイレベルパルスになる。これにより、図１の右半分の色選択部４００のスイッチ５０５ｎ及び５０５ｓが順にオンし、各列の容量Ｃｔｎのノイズ信号及び容量Ｃｔｓの光信号は、出力アンプ６００に順に出力される。出力アンプ６００は、光信号及びノイズ信号の差分を出力する。これにより、光信号に重畳されたノイズ信号を除去できる。

また、リセットパルスｐｃ０ｒがハイレベルとなり、図５の色選択部４００内のリセットスイッチ５０２がオンし、スイッチトキャパシタアンプがリセット状態（バッファ状態）になり、容量Ｃｆの電荷がリセットされる。その後、パルスｐｔｎ１がハイレベルになり、図１の左半分の色選択部４００のスイッチ５０４ｎがオンし、容量Ｃｔｎにはスイッチキャパシタアンプのオフセットのノイズ信号が書き込まれる。

次に、パルスｐｓｗ＿ｇ１がハイレベルとなり、図１の左半分の色選択部４００のスイッチ５０１ｇ（図５）がオンし、差動アンプ５０３により、Ｇ画素行１２０の光信号が増幅される。この時、入力容量Ｃｉｎｒにはリセット信号が保持されていたので、差動アンプ５０３は、リセット信号と光信号の差分を増幅する。これにより、光信号に重畳されたリセット信号を除去できる。その後、制御パルスｐｔｓ１がハイレベルになり、図１の左半分の色選択部４００のスイッチ５０４ｓがオンし、容量Ｃｔｓには差動アンプ５０３により増幅された光信号が書き込まれる。

次に、制御パルスｐｈｓｒ［１］〜ｐｈｓｒ［ｎ］が順にハイレベルパルスになる。これにより、図１の左半分の色選択部４００のスイッチ５０５ｎ及び５０５ｓが順にオンし、各列の容量Ｃｔｎのノイズ信号及び容量Ｃｔｓの光信号は、出力アンプ６００に順に出力される。出力アンプ６００は、光信号及びノイズ信号の差分を出力する。これにより、光信号に重畳されたノイズ信号を除去できる。

また、リセットパルスｐｃ０ｒがハイレベルとなり、図５の色選択部４００内のリセットスイッチ５０２がオンし、スイッチトキャパシタアンプがリセット状態（バッファ状態）になり、容量Ｃｆの電荷がリセットされる。その後、パルスｐｔｎ２がハイレベルになり、図１の右半分の色選択部４００のスイッチ５０４ｎがオンし、容量Ｃｔｎにはスイッチキャパシタアンプのオフセットのノイズ信号が書き込まれる。

その後、パルスｐｓｗ＿ｇ２がハイレベルとなり、図１の右半分の色選択部４００のスイッチ５０１ｇがオンし、差動アンプ５０３により、Ｇ画素行１２０の光信号が増幅される。この時、入力容量Ｃｉｎｒにはリセット信号が保持されていたので、差動アンプ５０３は、リセット信号と光信号の差分を増幅する。これにより、光信号に重畳されたリセット信号を除去できる。その後、制御パルスｐｔｓ２がハイレベルになり、図１の右半分の色選択部４００のスイッチ５０４ｓがオンし、容量Ｃｔｓには差動アンプ５０３により増幅された光信号が書き込まれる。

また、制御パルスｐｔｘ＿ｂがハイレベルになり、Ｂ画素行１３０において、転送トランジスタＭ２がオンし、フォトダイオードＰＤの電荷は、フローティングディフュージョンＦＤに転送される。また、パルスｐｃｍ＿ｂがハイレベルになり、図４のＢの保持部２００のスイッチ４０２がオンし、容量ＣＭにはＢ画素行１３０からの光信号が書き込まれる。

その後、パルスｐｒｅｓ＿ｂ及びｐｔｘ＿ｂがハイレベルになり、Ｂ画素行１３０のリセットトランジスタＭ１及び転送トランジスタＭ２がオンする。これにより、Ｂ画素行１３０のフォトダイオードＰＤ及びフローティングディフュージョンＦＤがリセット電位（電源電位）にリセットされる。その後、パルスｐｔｘ＿ｂがローレベルになった時に、Ｂ画素行１３０の次の電荷蓄積が開始される。

次に、制御パルスｐｈｓｒ［ｎ＋１］〜ｐｈｓｒ［２ｎ］が順にハイレベルパルスになる。これにより、図１の右半分の色選択部４００のスイッチ５０５ｎ及び５０５ｓが順にオンし、各列の容量Ｃｔｎのノイズ信号及び容量Ｃｔｓの光信号は、出力アンプ６００に順に出力される。出力アンプ６００は、光信号及びノイズ信号の差分を出力する。これにより、光信号に重畳されたノイズ信号を除去できる。

また、リセットパルスｐｃ０ｒがハイレベルとなり、図５の色選択部４００内のリセットスイッチ５０２がオンし、スイッチトキャパシタアンプがリセット状態（バッファ状態）になり、容量Ｃｆの電荷がリセットされる。その後、パルスｐｔｎ１がハイレベルになり、図１の左半分の色選択部４００のスイッチ５０４ｎがオンし、容量Ｃｔｎにはスイッチキャパシタアンプのオフセットのノイズ信号が書き込まれる。

次に、パルスｐｓｗ＿ｂ１がハイレベルとなり、図１の左半分の色選択部４００のスイッチ５０１ｂ（図５）がオンし、差動アンプ５０３により、Ｂ画素行１３０の光信号が増幅される。この時、入力容量Ｃｉｎｒにはリセット信号が保持されていたので、差動アンプ５０３は、リセット信号と光信号の差分を増幅する。これにより、光信号に重畳されたリセット信号を除去できる。その後、制御パルスｐｔｓ１がハイレベルになり、図１の左半分の色選択部４００のスイッチ５０４ｓがオンし、容量Ｃｔｓには差動アンプ５０３により増幅された光信号が書き込まれる。

次に、制御パルスｐｈｓｒ［１］〜ｐｈｓｒ［ｎ］が順にハイレベルパルスになる。これにより、図１の左半分の色選択部４００のスイッチ５０５ｎ及び５０５ｓが順にオンし、各列の容量Ｃｔｎのノイズ信号及び容量Ｃｔｓの光信号は、出力アンプ６００に順に出力される。出力アンプ６００は、光信号及びノイズ信号の差分を出力する。これにより、光信号に重畳されたノイズ信号を除去できる。

また、リセットパルスｐｃ０ｒがハイレベルとなり、図５の色選択部４００内のリセットスイッチ５０２がオンし、スイッチトキャパシタアンプがリセット状態（バッファ状態）になり、容量Ｃｆの電荷がリセットされる。その後、パルスｐｔｎ２がハイレベルになり、図１の右半分の色選択部４００のスイッチ５０４ｎがオンし、容量Ｃｔｎにはスイッチキャパシタアンプのオフセットのノイズ信号が書き込まれる。

その後、パルスｐｓｗ＿ｂ２がハイレベルとなり、図１の右半分の色選択部４００のスイッチ５０１ｂがオンし、差動アンプ５０３により、Ｂ画素行１３０の光信号が増幅される。この時、入力容量Ｃｉｎｒにはリセット信号が保持されていたので、差動アンプ５０３は、リセット信号と光信号の差分を増幅する。これにより、光信号に重畳されたリセット信号を除去できる。その後、制御パルスｐｔｓ２がハイレベルになり、図１の右半分の色選択部４００のスイッチ５０４ｓがオンし、容量Ｃｔｓには差動アンプ５０３により増幅された光信号が書き込まれる。

次に、制御パルスｐｈｓｒ［ｎ＋１］〜ｐｈｓｒ［２ｎ］が順にハイレベルパルスになる。これにより、図１の右半分の色選択部４００のスイッチ５０５ｎ及び５０５ｓが順にオンし、各列の容量Ｃｔｎのノイズ信号及び容量Ｃｔｓの光信号は、出力アンプ６００に順に出力される。出力アンプ６００は、光信号及びノイズ信号の差分を出力する。これにより、光信号に重畳されたノイズ信号を除去できる。

以降、固体撮像装置が原稿に対して相対的に移動し、次の行について上記の動作を繰り返す。色選択部４００は、複数の保持部２００に保持された信号を色毎に順に選択して出力する。Ｒ画素行１１０の電荷蓄積開始時刻ｔ５とＧ画素行１２０の電荷蓄積開始時刻ｔ９との時間差がＲとＧの蓄積時間ずれｂである。また、Ｇ画素行１２０の電荷蓄積開始時刻ｔ９とＢ画素行１３０の電荷蓄積開始時刻ｔ１２との時間差がＧとＢの蓄積時間ずれｂである。すなわち、蓄積時間ずれｂは、隣接する行の画素間の電荷蓄積期間（電荷蓄積開始時刻）のずれである。電荷蓄積開始時刻は、リセットトランジスタＭ１及び転送トランジスタＭ２によるフォトダイオードＰＤの電荷のリセットが終了した時刻である。

ここで、Ｇ画素行１２０の色選択部４００での増幅処理を行うためには、それまでにＧ画素行１２０から保持部２００への光信号の読み出しが完了している必要がある。つまり、Ｇ画素行１２０の信号の色選択部４００での信号増幅処理を行うまでであれば、Ｇ画素行１２０の蓄積動作をずらすことが可能となる。図６においては、Ｇ画素行１２０の色選択部４００での一連の読み出し動作が開始される前の時刻ｔ９までに、Ｇ画素行１２０の蓄積動作制御が行われている。なお、正確には、Ｇ画素行１２０の蓄積終了の限界は、時刻ｔ１０のタイミングだが、ここでは色選択部４００のパルスｐｃ０ｒによるリセット動作を信号読み出し動作のスタートとして、そこを読み出しの境界と定義した。同様のことがＢ画素行１３０に対しても当てはまる。ここで、図３の画素配列における、物理的に隣接した色の光信号の蓄積期間の可変範囲の差をｂとして、図６に示すように定義する。この時、副走査方向の走査周期となるパルスｔｒｇとパルスｔｒｇの間隔をｃと置いた時に、隣接する色の光信号の蓄積期間をｂだけずらしたとすると、ｂ／ｃに相当する色ずれが色間で生じることとなる。ｃは、複数の画素１０１が生成した信号を色選択部４００が出力する周期である。

副走査方向の画素間隔ｙに応じた色ずれが発生することは上述した通りだが、この画素の物理的な配置による色ずれ成分と、ｂ／ｃの色ずれとが、極性が反対で大きさが等しくなった時、それぞれの色ずれ成分が互いに打ち消し合い、色ずれを低減することができる。すなわち、蓄積時間ずれｂの許容範囲において、副走査方向の画素間隔ｙは拡大することが可能となり、上述したような後段の信号処理部３（図７）での色ずれ補正の都合で画素間隔ｙを画素間隔ｘの等倍に限定する必要はなくなる。したがって、画素間隔ｙを最大限に拡大することが可能となり、画素間隔ｙを拡大した分だけ受光領域が拡大して、感度を向上させることが可能となる。ここで、画素間隔ｙを式で表わすと次式（１）のように表わすことができる。
ｙ＝ａｘ＋（ｂ／ｃ−ｄ）ｘ （１）

ここで、第１の係数ａは１以上の整数を示す。また、第２の係数ｄは、レンズ等の光学系の色収差などによって生じる外的な要因による色ずれの予測値を示す係数であり、０以上かつ０．１５以下の値である。なお、式（１）の第１項の係数ａによる色ずれ成分は、後段の信号処理部３（図７）での色ずれ補正で低減する。

また、ｂ／ｃで発生する色ずれの極性は、原稿の読み取り方向によって変わるので、読み取り方向に応じて、各色の蓄積期間の相対的な関係と読み出しの順序を変える必要がある。例えば、図６において、Ｒ、Ｇ、Ｂの順で蓄積期間がずれているが、読み取り方向が逆になった場合は、Ｂ、Ｇ、Ｒの順で蓄積期間とセンサ外部への読み出し順序を変更する必要がある。

また、式（１）の係数ｄに応じた残りの蓄積期間の可変範囲は、光学部品のばらつき等によって生じる色ずれの調整用として使用することができる。その内容を、図７を用いて説明する。図７は、撮像システムの構成例を示す図である。撮像システムは、図１の固体撮像装置１、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）２、信号処理部３及び色ずれ量算出部４を有する。図７において、出荷検査時やキャリブレーションの際に、固体撮像装置１は、特定の画像チャートを、光学部品を介して読み込み、Ｒ信号、Ｇ信号及びＢ信号を出力する。ＡＤＣ２は、固体撮像装置１の出力信号をアナログからデジタルに変換する。信号処理部３は、ＡＤＣ２の出力信号に対して、必要な画像処理（色ずれ補正又はシェーディング補正等）を行う。具体的には、信号処理部３は、ＡＤＣ２の出力信号を基に、ａ×ｘ分だけ隣接する色の行をずらした上で画像を合成することにより、色ずれ補正を行う。色ずれ量算出部４は、信号処理部３から出力された画像データを入力し、発生している色ずれ量を求め、固体撮像装置１に外部制御パルスを出力する。ここでは、例えば、０．１画素分（ｘ＝1画素と定義）の色ずれが発生していたとする。この時、式（１）のｄの値を０．１５として設定してあれば、各色の蓄積期間を０．１５画素分に相当する時間だけ更にずらすことができる。そのため、部品ばらつきによって発生した０．１画素分の色ずれに相当する時間である０．１×ｃだけ、更に色毎の蓄積期間ずれを修正して（ｂ＋０．１×ｃ）にすれば、色収差によって発生した色ずれも合わせて低減することが可能となる。色ずれ量算出部４は、外部制御パルスにより、蓄積時間ずれｂを制御することができる。色ずれ量算出部４は、信号処理部３の出力信号を基に、同一列の画素１０１が並ぶ方向の色ずれ量を算出し、固体撮像装置１の電荷蓄積期間（電荷蓄積開始時刻）のずれｂを制御する。

以上のように、読み出しフォーマットに応じて決まる各色の蓄積期間の可変範囲に基づいて、副走査方向の画素間隔ｙを広げることで、画素間隔ｙを拡大させたことで生じる色ずれを抑制しながら、感度を向上させることが可能となる。

なお、制御パルスｐｒｅｓ、ｐｔｘ及びｐｃｍの位置関係は、必ずしも図６に示されるような関係に限定する必要はない。ただし、色によるノイズ量の差が生じないように、色によって制御パルスｐｒｅｓ，ｐｔｘ，ｐｃｍのパルス位置の関係を崩すことなく、色単位ですべてのパルスに対して一律のずれ量を設定するような制御の仕方が好ましい。

また、本実施形態では、外部への読み出しを単一出力で構成したが、これに限定されるものではなく、例えば、図８に示されるように、複数の出力によって並列読み出しをするようにしてもよい。図８の回路は、色選択部４００の複数の信号出力を３分割し、３個の出力アンプ６００から３チャンネル並列出力の例を示した回路であり、図６と同じタイミングチャートで動作可能である。

また、本実施形態では、色選択部４００をスイッチトキャパシタアンプの構成で説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、スイッチと容量で構成されるシンプルなサンプルホールド回路でもよい。また、本実施形態では、Ｒ，Ｇ，Ｂの３原色のセンサが搭載された例について述べたが、これに限定されるものではなく、２色や４色以上のセンサに対しても適用可能である。

図９は、他の実施形態による固体撮像装置の構成例を示す図である。図９に示されるように、モノクロ画素であるＢＷ画素行１４０が追加され、カラー読み出しモードとモノクロ読み出しモードの両方に対応できる実施形態にも適用可能である。図９において、ＢＷ画素行１４０、Ｒ画素行１１０、Ｇ画素行１２０及びＢ画素行１３０は、それぞれ複数の画素１０２を有する。ＢＷ画素行１４０は、赤色、緑色及び青色の光を受光可能な画素１０２の行である。

図１０は、図９の画素１０２の構成例を示す回路図である。図１０の画素１０２は、図２の画素１０１に対して、選択トランジスタＭ４を追加したものである。選択トランジスタＭ４は、パルス制御ｐｓｅｌがハイレベルになるとオンし、増幅トランジスタＭ３の出力端子を出力端子ｏｕｔに接続する。すなわち、選択トランジスタＭ４は、増幅トランジスタＭ３の出力を選択的に出力する。

図１１は、図９のＢＷ画素行１４０、Ｒ画素行１１０、Ｇ画素行１２０及びＢ画素行１３０の画素配列を示す図である。ＢＷ画素行１４０の主走査方向の画素間隔はｘである。また、ＢＷ画素行１４０とＲ画素行１１０の副走査方向の画素間隔はｙ＿ＢＷである。その他の点は、図３と同じである。

図１２は、図９の固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。以下、図９の固体撮像装置が図１の固体撮像装置と異なる点を説明する。パルス生成部３００は、制御パルスｐｓｅｌ＿ｍ，ｐｓｅｌ＿ｒ，ｐｓｅｌ＿ｇ，ｐｓｅｌ＿ｂを出力する。制御パルスｐｓｅｌ＿ｍは、ＢＷ画素行１４０の画素１０２の制御パルスｐｓｅｌである。制御パルスｐｓｅｌ＿ｒは、Ｒ画素行１１０の画素１０２の制御パルスｐｓｅｌである。制御パルスｐｓｅｌ＿ｇは、Ｇ画素行１２０の画素１０２の制御パルスｐｓｅｌである。制御パルスｐｓｅｌ＿ｂは、Ｂ画素行１３０の画素１０２の制御パルスｐｓｅｌである。ＢＷ画素行１４０の画素１０２の制御パルスｐｒｅｓは、制御パルスｐｒｅｓ＿ｒと同じである。ＢＷ画素行１４０の画素１０２の制御パルスｐｔｘは、制御パルスｐｔｘ＿ｒと同じである。ＢＷ画素行１４０の画素１０２の出力端子ｏｕｔは、Ｒ画素行１１０の画素１０２の出力端子ｏｕｔに接続される。

図１２は、カラー読み出しモードの駆動タイミングを示す。Ｒ画素行１１０、Ｇ画素行１２０及びＢ画素行１３０の信号のみを読み出すカラー読み出しモードにおいては、駆動パルスｐｓｅｌ＿ｍをローレベル固定にし、駆動パルスｐｓｅｌ＿ｒ，ｐｓｅｌ＿ｇ，ｐｓｅｌ＿ｂをハイレベル固定にする。これにより、Ｒ画素行１１０、Ｇ画素行１２０及びＢ画素行１３０のみが信号を出力する。

これに対し、ＢＷ画素行１４０の信号のみを読み出すモノクロ読み出しモードにおいては、駆動パルスｐｓｅｌ＿ｍをハイレベル固定にし、駆動パルスｐｓｅｌ＿ｒ，ｐｓｅｌ＿ｇ，ｐｓｅｌ＿ｂをローレベル固定にする。これにより、ＢＷ画素行１４０のみが信号を出力する。

なお、ＢＷ画素行１４０は、単色で読まれ、色ずれが発生しないことから、ＢＷ画素行１４０とＲ画素行１１０の副走査方向画素間隔ｙ＿ＢＷは、他の色間の副走査方向画素間隔ｙと異なっていてもよい。

上記の実施形態によれば、複数色の画素信号を時分割で読み出すことによりチップサイズ縮小効果を得ながら、画素サイズ拡大によって、感度を向上させることが可能となる。これにより、光源のＬＥＤの数を減らしてコストを低減できるとともに、良質な画像を得ることができる。

上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１００ 画素アレイ、１０１ 画素、１１０ Ｒ画素行、１２０ Ｇ画素行、１３０ Ｂ画素行、２００ 保持部、４００ 色選択部

Claims (8)

1. 行列状に配列され、光電変換により信号を生成する複数の画素を有し、同一行の画素は同一色の光学フィルタを有し、異なる行の画素は相互に異なる色の光学フィルタを有する画素アレイと、
   前記複数の画素の信号を保持する複数の保持部と、
   前記複数の保持部に保持された信号を色毎に順に選択して出力する色選択部とを有し、
   同一行の画素の間隔をｘとし、同一列の画素の間隔をｙとし、第１の係数をａとし、隣接する行の画素間の電荷蓄積期間のずれをｂとし、前記複数の画素が生成した信号を前記色選択部が出力する周期をｃとし、第２の係数をｄとすると、ｙ＝ａｘ＋（ｂ／ｃ−ｄ）ｘの関係を有し、
   前記第１の係数ａは１以上の整数であり、前記第２の係数ｄは０以上かつ０．１５以下の値であることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記画素アレイは、
   赤色の光を透過する光学フィルタを有する画素の行と、
   緑色の光を透過する光学フィルタを有する画素の行と、
   青色の光を透過する光学フィルタを有する画素の行とを有することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記画素アレイは、さらに、赤色、緑色及び青色の光を受光可能な画素の行を有し、
   カラー読み出しモードでは、前記赤色の光を透過する光学フィルタを有する画素の行と、前記緑色の光を透過する光学フィルタを有する画素の行と、前記青色の光を透過する光学フィルタを有する画素の行が信号を出力し、
   モノクロ読み出しモードでは、前記赤色、緑色及び青色の光を受光可能な画素の行が信号を出力することを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
4. 前記画素は、
   光を電荷に変換して蓄積する光電変換部と、
   電荷を電圧に変換するフローティングディフュージョンと、
   前記光電変換部の電荷を前記フローティングディフュージョンに転送する転送トランジスタと、
   前記フローティングディフュージョンの電圧に応じた電圧を出力する増幅トランジスタと、
   前記フローティングディフュージョン及び前記光電変換部の電荷をリセットするリセットトランジスタとを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
5. 前記画素は、さらに、前記増幅トランジスタの出力を選択的に出力する選択トランジスタを有することを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。
6. 前記電荷蓄積期間の電荷蓄積開始時刻は、前記リセットトランジスタ及び前記転送トランジスタによる前記光電変換部の電荷のリセットが終了した時刻であることを特徴とする請求項４又は５記載の固体撮像装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
   前記固体撮像装置の出力信号を基に色ずれ補正を行う信号処理部と
   を有することを特徴とする撮像システム。
8. さらに、前記信号処理部の出力信号を基に、同一列の画素が並ぶ方向の色ずれ量を算出し、前記固体撮像装置の前記電荷蓄積期間のずれｂを制御する色ずれ量算出部を有することを特徴とする請求項７記載の撮像システム。

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