JPS595786A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はスパイク・ノイズを除去した固体撮像・装置
に関するものである。

一般に、固体撮像装置は解像度を上げるために、５００
　Ｘ　５００個程鹿の光電変換素子とその読出回路を同
一基板上に集積している。この高密度集積のために、集
積が容易でしかも構成素子に欠陥の少ない、高度に発達
したＭＯＳ型集積回路技術を応用した固体撮像装置が有
利である。現在ＭＯＳ型集積回路を使用したＭＯＳ型固
体撮像装置は光電変換素子にフォトダイオードまたはフ
ォトトランジスタ　　　　−を用い、読出（走査）回路
にスイッチング素子としてＭＯＳ　）ランジスタ（以下
ＭＯ８ＴＲと略記する）を用いて構成されている。すな
わち、第１図は一般の光電変換素子および走査回路から
なるＭＯＳ型固体撮像部を示す構成図である。同図にお
いて、（１）は通常２〜４相のクロックパルスφＨで駆
動されろ水平走査回路、（２）は通常２〜４相のクロツ
クパルスφＶで駆動される垂直走査回路、（３）は水平
用走査回路（１）の出力信号（１ａ）がゲートに印加し
たとき、導通状態になる水平読出ＭＯ８ＴＩＲ１（４）
はこの水平読出ＭＯ８ＴＲ（３）のドレインが共通に接
続し、第２図伝）に示す出力信号Ｓが伝送される出力信
号線、（５）はマ）　ＩＪソックス状配列されだ光電変
換素子、（６）および（７）はこれらの光電変換素子（
５）に蓄積された光信号を読み出すだめの垂直走査線お
よび垂直ＭＯ８ＴＲ、（８）は垂直信号線、（９）は水
平読出ＭＯ８ＴＲ（３）の浮遊容量である。

なお、第２図（ハ））、第２図（ｂ）および第２図（ｃ
）はそれぞれ垂直走査回路（２）によって選択されるｎ
行目、ｎ＋１行目およびｎ＋２行目の垂直走査線の波形
である。また、第２図（ｄ）、第２図（ｅ）および第２
図（ｆ）はｍ列目、ｍ＋１列目およびｍ＋２列目の水平
走査回路（１）の出力信号の波形である。また、第２図
（ｇ）に示す出力信号Ｓにおいて、破線で示す部分（Ｌ
ｏｌｌ）は光信号のないときのスパイク・ノイズ波形で
あり、斜線で示す部分（１０ｂ）は光信号があるときに
読み出される波形である。

次に、上記構成によるＭＯ８型固体撮像部の動作につい
て第２図頓〜第２図（ｇ）を参照して説明する。

今、垂直走査回路（２）によってｎ行目の垂直走査線（
６）が選ばれると、第２図（、）に示す信号がそのｎ行
目の垂直走査線（６）に印加するので、そのｎ行目の垂
直走査線（６）に接続されている全ての垂直ＭＯ８ＴＲ
（７）が導通状態になり、光電変換素子（５）の光信号
が垂直信号線（８）に読出される。その後、水平走査回
路（１）によってｍ列目１ｍ＋１列目２ｍ＋２列目の水
平読出ＭＯ８ＴＲ（３）のゲートには順次第２図（ｄ）
、第２図（ｅ）および第２図（ｆ）に示す信号が印加す
るので、このｍ列目１ｍ千１列目２ｍ千２列目の水平読
出ＭＯ８ＴＲ（３）が導通状態になる。このため、垂直
信号線（８）に読み出されていた信号がこの導通状態の
水平読出ＭＯ８ＴＲ（３）を介して順次出力信号線（４
）　Ｋ読み出される。

このように、走査して得られる光電変換信号は選ばれた
垂直走査線（６）ごとに、水平走査回路（１）の出力信
号（ｌａ）に同期して読み出されるが、水平走査回路（
１）の出力信号（１ａ）の波形が水平読出ＭＯ８ＴＲ（
３）の浮遊容量（９）を通して出力信号線（４）に誘導
され、出力信号Ｓには第２図（ｇ）に示すスパイク・ノ
イズが現われる。すなわち、第２図（ｇ）ではスパイク
・ノイズと光信号の合成された波形になっており、通常
、このスパイク・ノイズは光信号に比例して非常に大き
くあられれる。このスパイク・ノイズを除去する従来の
方法としては、（Ａ）サンプリングによって光信号成分
を取り出すディレイド・サンプリング方式が提案されて
いる。しかし、このディレイド・サンプリング方式では
光信号成分がスパイク・ノイズに対して遅延している場
合のみ有効であり、第２回頭に示す出力信号Ｓを出力す
るＭＯ８型固体撮像部には適用できない。

（Ｂ）差動増幅器を用いて、ダミー光電変換素子からの
スパイク・ノイズあるいは水平走査回路（１）の出力信
号（１ａ）をＣＲ微分回路に入力し、得られたスパイク
・ノイズに似た微分波形を用いて出力信号中のスパイク
・ノイズを除去する差動増幅方式が提案されている。し
かしこの差動増幅方式は出力信号Ｓに含まれるスパイク
・ノイズが水平読出ＭＯ８ＴＲなどのばらつきを反映す
るため、ダミー光電変換素子あるいはＯＲ微分器から得
られる類似のスパイク・ノイズで完全に除去することが
できない。（Ｃ）−水平走査期間の出力波形を記憶装置
に記憶しておき、再度、同一垂直走査条件で水平走査を
行ない、光信号のない場合のスパイク・ノイズを得て、
光信号からスパイク・ノイズを相殺する相関方式が提案
されている。しかし、この相関方式は一水平走査期間分
のスパイク・ノイズを含む複雑かつ高速な出力波形を記
憶しておく必要があり、技術的に難かしい。争）一つの
光電変換素子からの出力時に生ずるスパイク・ノイズの
正負方向の一周期にわたり光信号を積分してスパイク・
ノイズを消去して、光信号成分のみを抽出する積分方式
が提案されている。しかし、この積分方式は現在量も有
力なものと考えられているが、ＭＯ８ＴＲにおいて、そ
のゲートに印加される電位によって、浮遊容量が変化す
ることが知られており、スノくイク・ノイズが発生する
直前のゲート電位に依存して誘起するスパイク・ノイズ
の大きさが異なるため、水平読出ＭＯ８ＴＲを通して誘
起される正、負方向のスパイク・ノイズを一周期にわた
って積分しても、読出ＭＯＢＴＲのばらつきを反映して
、完全にはスパイク・ノイズの影響を除去できない。

このように、従来のＭＯ８型固体撮像装置は読出し時に
発生するスパイク・ノイズにより、撮像で得られる画質
の劣下をひき起こし、画像の５ｚ４Ｊ比が悪く、高画質
化することができない欠点があった。

したがって、この発明の目的は読出し時に発生するスパ
イク・ノイズの影響をより低減して、高画質化すること
ができるＭＯＳ型の固体撮像装置を提供するものである
。

このような目的を達成するため、この発明は半導体基板
上に一次元あるいは二次元的に設けた複数個の光電変換
素子、ＭＯＳスイッチ、水平および垂直走査回路からな
るＭＯ８型固体撮像部と、同一光電変換素子を少なくと
も２回連続して読出し、得られた出力信号中の光信号成
分とスパイク・ノイズを含む第１の波形とスパイク・ノ
イズのみからなる第２の波形からスパイク・ノイズを除
去する手段とを備えるものであり、以下実施例を用いて
詳細に説明する。

第３図はこの発明に係る固体撮像装置の一実施例を示す
ブロック図である。同図において、（１１）は第４図（
ｄ）に示す出力信号Ｓを出力端子（ｌｌａ）から出力す
るＭＯ８型固体撮像部、（１２）は第４図（ｅ）に示す
制御信号（１３ａ）、第４図（ｆ）に示す制御信号（１
３ｂ　）、第４図（ｊ）に示す制御信号（１３ｃ）およ
び第４図（１）に示すリセット信号（１４）を出力する
駆動回路、（１５）はこの駆動回路（１２）から出力す
る制御信号（１３ａ）の入力によって付勢されて閉成す
る切換スイッチ、（１６）はこの駆動回路（１２）から
出力する制御信号（１３１：＋）の入力によって付勢さ
れて閉成する切換スイッチ、（１７）は前記切換スイッ
チ（１５）が閉成したとき、この切換スイッチ（１６）
を介して入力する出力信号Ｓを積分し、第４図（ｇ）に
示す積分出力信号（１９ａ　）を出力し、リセット信号
（１４）によってリセットする積分回路、（１８）は前
記切換スイッチ（１６）が閉成したとき、この切換スイ
ッチ（１６）を介して入力する出力信号Ｓを積分し、第
４図軸）に示す積分出力信号（１９ｂ）を出力し、リセ
ット信号（１４）によってリセットする積分回路、（２
０）は前記積分出力信号（１９ａ）および（１９ｂ）を
差動的に増幅する差動増幅器、（２１）は前記駆動回路
（１２）から出力する制御信号（１３ｃ）の入力に同期
して動作し、との差動増幅器（２０）の出力信号を波形
整形し、第４図（ｋ）の出力信号（２２）を出力するサ
ンプル・ホールド回路、（２３）は出力端子である。

次に、上記構成による固体撮像装置の動作について第４
図（ａ）〜第４図（ｋ）を参照して説明する。まず、駆
動回路（１２）によってＭＯ８型固体撮像部（１１）が
駆動されると、垂直走査回路によって、ｎ行目の垂直走
査線が選択されて、第４図（ａ）に示す垂直走査信号Ｖ
ｎが出力する。したがって、このｎ行目の垂直走査線に
接続されている全ての乗値ＭＯ８ＴＲ（７）のゲートに
この垂直走査信号Ｖｎが印加する。

一方、水平走査回路によってｍ列目およびｍ＋１列目の
水平走査線を２度ずつ選択すると、それぞれ第４図（ｂ
）および第４図（Ｃ）に示すダブルパルスの出力信号ｈ
ｒｌＬおよびｈＦＩｔ＋１が出力する。したがって、こ
のダブルパルスの出力信号ｈｍおよびｈｍ＋１が対応す
る水平読出ＭＯ８ＴＲ（３）のゲートに印加するため、
この水平読出ＭＯ８ＴＲ（３）が導通状態になる。この
ため、ｎ行ｍ列目およびｎ打針１到目の垂直ＭＯ８ＴＲ
（７）がそれぞれ２度導通状態になるので、ｎ行ｍ列目
およびｎ行ｍ＋１列目の光電変換素子（５）がそれぞれ
２度読出される。このため、出力信号線（４）には第４
図（ｄ）に示すように、光信号とスパイクノイズを含ん
だａ波形の信号とスパイク・ノイズのみからなるｂ波形
の信号が交互に含む出力信号Ｓが読出される。一方、駆
動回路（１２）から第４図（ｅ）に示す制御信号（１３
ａ　）が出力するため、切換スイッチ回路（１５）が付
勢されて閉成する。この切換スイッチ（１５）の閉成に
より、ＭＯ８型固体撮像部（１１）から出力する出力信
号Ｓのうちの光信号とスパイク・ノイズを含むａ波形の
信号が選択され、積分回路（１７）に入力する。同様に
、駆動回路（１２）から出力する第４図（ｆ）に示す制
御信号（１３ｂ）により、切換スイッチ回路（１６）が
付勢きれて閉成する。この切換スイッチ回路（１６）の
閉成により、ＭＯ８型固体撮像部（１１）から出力する
出力信号Ｓのうちのスパイク・ノイズのみからなる波形
すの出力が選択され、積分回路（１８）に入力する。し
たがって、前記積分回路（１７）は出力信号Ｓのうちの
ａ波形の信号を積分し、第４図（ｇ）に示す積分出力信
号（１９ａ）を出力する。このだめ、この積分出力信号
（１９ａ）におけるＳｍおよびＳｍ＋１は光信号とスパ
イク・ノイズを含んだａ波形の信号の積分した値である
。

一方、積分回路（１８）は出力信号Ｓのうちのスパイク
・ノイズのみからなるし波形の出力を積分し、第４図（
ｈ）に示す積分出力信号（１９ｂ）を出力する。

ここで、通常、光電変換素子（５）は蓄積モードで動作
しており、光信号成分を含んだ１度目の読出しにほとん
ど連続する２度目の読出しにおいては光信号が未だ蓄積
されていない１．シたがって、第４図（ｈ）に示す積分
出力信号（１９ｂ）において、ＤｍおよびＩｂｘ＋１は
垂直ＭＯ８ＴＲや垂直走査線浮遊容量のばらつき、ある
いは前述したＭＯ８ＴＲのゲート電位に依存する浮遊容
量の変化に起因したスパイク・ノイズの非対称性を反映
した信号成分に対する誤差成分を与える。そして、差動
増幅器（２０）はこの積分出力信号（１９ａ）と積分出
力信号（１９ｂ）とを差動的に増幅するので光信号成分
を含む波形の積分値から信号の誤差成分を引き去った形
で出力する。

そして、このサンプルホールド回路（２１）はこの差動
増幅器（２０）の出力信号を波形整形し、第４図（ｋ）
に示すように理想的な光信号成分を出力するが、その出
力信号の大きさは（１）式で与えられる。

Ｖｏｉ　＝　Ｓｉ　−Ｄｉ　　　　　　　（１）（ただ
し、１＝１，２．・・・ｍ２ｍ＋１．・・・）なお、前
記積分回路（１７）および（１８）は第４図（ｊ）に示
すリセット信号（１３ｃ）によりリセットされる。

また、上記実施例ではｎ行ｍ列および９行ｍ＋１列の読
出し動作について説明したが、これに限定せず、任意の
位置の光電変換素子を読出すことができることはもちろ
んである。また、上記実施例では差動増幅器からの出力
信号をサンプルホールド回路に入力し、波形整形をおこ
なっているが、差動増幅器に同期アンプの機能をもたせ
波形整形をおこなう回路や、サンプルホールド回路のか
わりに、他の波形整形をおこなう回路を含んだ構成とし
てもよいことはもちろんである。また、上記実施例では
機械的に動作する切換スイッチを示したが、電子回路で
構成してもよく、一般的な切換スイッチ回路を用いるこ
とができることはもちろんである。

以上詳細に説明したように、この発明に係る固体撮像装
置によればスパイク・ノイズを精度よく除去することが
でき、しかも、除去するだめの構成も簡単になり、実用
化が容易になるなどの効果がある。

【図面の簡単な説明】

＠１図は一般的な光電変換素子および走査回路からなる
ＭＯ８型固体撮像部を示す構成図、第２図（ａ）〜第２
図（ｇ）は第１図の各部の波形を示すタイムチャート、
第３図はこの発明に係る固体撮像装置の一実施例を示す
ブロック図、第４図（ａ）〜第４図（ｋ）は第３図の各
部の波形を示すタイムチャートである。 （１）・・・・水平走査回路、（１ａ）・・・・出力信
号、（２）・・・・垂直走査回路、（３）・・・・水平
読出ＭＯ８ＴＲ，（４）・・・・出力信号線、（５）・
・・・光電変換素子、（６）・・・・垂直走査線、（７
）・・・・垂直ＭＯ８ＴＲ１（８）・・・・垂直信号線
、（９）・・・・浮遊容量、（１０ａ）　　・・・・破
線で示す部分、（ｉｏｂ）・・・・斜線で示す部分、（
１１）・・・・ＭＯ８型固体撮像部、（１２）・・・・
駆動回路、（１３ａ）〜（１３Ｃ）・・・・制御信号、
（１４）　・・・・リセット信号、（１５）および（１
６）・・・・切換スイッチ、（１７）および（１８）・
・・・積分回路、（１９ａ　）および（１９ｂ）・・・
・積分出力信号、（２０）・・・・差動増幅器、（２１
）・・・・サンプル・ホールド回路、（２２）・・・・
出力信号、（２３）・・・・出力端子。 なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。 代　理　人　　葛　　野　　信　　− 第１図 １ ；　　　な 〉〉〉　　　　ノ　！　　Ｊ！　　　”＾　＾　＾　　
　　ハ　　＾　　へ ０　　　（３ｕ　　　　　　ＯΦ　　−ひＮ′　　　Ｎ
）　　＋＋／　　　　　　　ζノ　　　　Ｎノ　　　　
ν　　　　　　（）第４図 ■Ｕｍｅｌ 手続補正書 特許庁長官殿 １、事件の表示　　　　特願昭　５７−１１５９７１号
２、発明の名称 固体撮像装置 ３、補正をする者 代表台片山仁へ部 ４、代理人 ５、補正の対象 （１）明細書の発明の詳細な説明の相 （２）図　面 ６、補正の内容 （１１明細書第５頁第７行の「比例して」を「比較して
」と補正する。 （２１図面の第２図（ｇ）を別紙のとおシ補正する。 以　　上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ＋１）半導体基板上に一次元あるいは二次元的に設けた
   複数個の光電変換素子、　ＭＯＳスイッチ、水平および
   垂直走査回路からなるＭＯＳ型固体撮像部と、同一光電
   変換素子を少なくとも２回連続して読出し、得られた出
   力信号中の光信号成分とスパイク・ノイズを含む第１の
   波形とスパイク・ノイズのみからなる第２の波形から、
   このスパイク・ノイズを除去する手段とを備えだことを
   特徴とする固体撮像装置。 （２）前記スパイク・ノイズを除去する手段は第１の波
   形のみを通すように閉成する第１の切換スイッチ回路と
   、第２の波形のみを通すように閉成する第２の切換スイ
   ッチ回路と、第１の切換スイッチ回路の出力を積分する
   第１の積分回路と、第２の切換スイッチ回路の出力を積
   分する第２の積分回路と、第１の積分回路の出力と第２
   の積分回路の出力とを差動的に増幅する差動増幅器とを
   備えたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の固
   体撮像装置。