JP2012175259A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電荷保持部への信号電荷の漏れ込みによるノイズの影響を低減することができる固体撮像装置を提供する。
【解決手段】所定領域内の全ての画素における露光を同時に行うグローバルシャッタ動作を行うように構成された画素において、光電変換部ＰＤは、入射した光に基づく信号電荷を生成する。電荷保持部ＦＤは、光電変換部ＰＤで生成された信号電荷を保持する。転送トランジスタＭｔは、光電変換部ＰＤから電荷保持部ＦＤに信号電荷を転送する。補正用ダミーＤＭは、光電変換部ＰＤに入射する光量に応じて発生するノイズ電荷を保持する。増幅トランジスタＭａは、電荷保持部ＦＤに保持された信号電荷に基づく信号を増幅して光信号として出力し、補正用ダミーＤＭに保持されたノイズ電荷に基づく信号を増幅してノイズ信号として出力する。光信号とノイズ信号を用いて、光信号からノイズ信号を除去する演算が行われる。
【選択図】図３

Description

本発明は、所定領域の全ての画素で同時に露光を行うグローバルシャッタ動作が可能な固体撮像装置に関する。

デジタルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置には、光学像を電気信号に変換する撮像素子（固体撮像装置）が搭載されている。この撮像素子のマーケットシェアは、近年、ＣＣＤからＣＭＯＳへと移行しつつある。撮像装置に搭載されているＣＭＯＳ等の一般的なＭＯＳ型撮像素子は、撮像面に２次元状に配列された複数の画素に蓄積された電荷を順次読み出すようになっているが、この読み出し方式では露光開始時刻および露光終了時刻が画素毎（あるいはライン毎）に異なることになり、画像に歪みが生じる。

そこで、全画素の露光開始時刻を同一にし、かつ全画素の露光終了時刻を同一にすることができるように（つまり、グローバルシャッタによる制御が可能となるように）構成されたＭＯＳ型撮像素子がある。このＭＯＳ型撮像素子は、露光量に応じた電荷を発生するフォトダイオード等の光電変換部を備えると共に、光電変換部において発生した信号電荷を一時的に保持する電荷保持部や、電荷の転送やリセットを行う際にスイッチとして機能するトランジスタ等を備えている。

図１０は、このような撮像素子の画素の構成の一例を示している。図１０に示すように、１つの画素内に５つのトランジスタ（Ｍｆ，Ｍｔ，Ｍｒ，Ｍａ，Ｍｓ）が設けられている。これらのトランジスタとして、例えばＭＯＳトランジスタが用いられる。

光電変換部ＰＤは、例えばフォトダイオードであり、入射した光に基づく信号電荷を生成する。電荷保持部ＦＤは、光電変換部ＰＤで生成された信号電荷を一時的に保持する。転送トランジスタＭｔは、図示しない垂直制御回路から与えられる転送パルスＴＸに基づいて、光電変換部ＰＤで生成された信号電荷を電荷保持部ＦＤに転送する。増幅トランジスタＭａは、電荷保持部ＦＤに保持されている信号電荷に基づく信号を増幅し、選択トランジスタＭｓを介して垂直信号線ＲｅａｄＢｕｓに出力する。ここでは、垂直信号線ＲｅａｄＢｕｓに接続されている、図示しない電流源と増幅トランジスタＭａとから構成されるソースフォロワ回路の例を示している。増幅トランジスタＭａの入力部に電荷保持部ＦＤが接続されている。

選択トランジスタＭｓは、垂直制御回路から与えられる選択パルスＳＥＬに基づいて、増幅トランジスタＭａからの信号を垂直信号線ＲｅａｄＢｕｓに出力する。選択トランジスタＭｓを選択パルスＳＥＬによりオンにすることによって、各画素を選択して各画素から信号を読み出すことが可能である。リセットトランジスタＭｒは、基準電圧ＶＡＡ＿ＰＩＸを供給する電圧源に接続されており、垂直制御回路から与えられるリセットパルスＲＳＴに基づいて電荷保持部ＦＤの電位をリセットする。ＰＤリセットトランジスタＭｆは、基準電圧ＶＡＡ＿ＧＳを供給する電圧源に接続されており、垂直制御回路から与えられるＰＤリセットパルスＦＴに基づいて光電変換部ＰＤの電位をリセットする。

図１０に示す構成により、電荷保持部ＦＤを画素内メモリとして利用して、グローバルシャッタによる制御が可能となっている。この撮像素子をデジタルカメラに用いる場合に、ＫＴＣノイズ（リセットノイズ）を抑圧するために、以下のようなシーケンスで撮像素子およびその周辺回路を駆動する技術が、例えば特許文献１に記載されている。
（１）電荷保持部ＦＤに蓄積された信号電荷をリセットし、リセット信号をライン毎に順次走査して読み出し、記憶する。
（２）全画素の光電変換部ＰＤで発生した信号電荷を一括してリセットし、所定の露光時間が経過した後に、光電変換部ＰＤの信号電荷を一括して電荷保持部ＦＤへ転送する。
（３）電荷保持部ＦＤへ転送された信号電荷に基づく光信号をライン毎に順次走査して読み出し、光信号から、（１）で記憶したリセット信号を減算する（光信号とリセット信号との差分をとる）。

特開２００５−６５１８４号公報

上述したようなシーケンスで撮像素子を駆動した場合には、固定パターンノイズやリセットノイズを除去するためのリセット信号を読み出した直後から光信号を読み出すまでの少なくとも１フレーム以上の期間、電荷保持部ＦＤが信号電荷を保持したままの状態となる。そのため、その期間に光電変換部ＰＤへ強い光が照射されると、この入射した光の光量に応じた迷光による信号電荷や、光電変換部ＰＤからあふれた信号電荷が電荷保持部ＦＤに漏れ込み、信号電荷にノイズ電荷が重畳してしまい、画質が劣化する場合があった。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであって、電荷保持部への信号電荷の漏れ込みによるノイズの影響を低減することができる固体撮像装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、入射した光に基づく信号電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部で生成された信号電荷を保持する電荷保持部と、前記光電変換部から前記電荷保持部に信号電荷を転送する転送部と、前記光電変換部に入射する光量に応じて発生するノイズ電荷を保持するノイズ保持部と、前記電荷保持部に保持された信号電荷に基づく信号を増幅して光信号として出力し、前記ノイズ保持部に保持されたノイズ電荷に基づく信号を増幅してノイズ信号として出力する増幅部と、を含む画素が２次元状に配列された画素部と、所定領域内の全ての前記画素における露光を同時に行うグローバルシャッタ動作を行うように前記画素における露光を制御する制御部と、前記光信号と前記ノイズ信号を用いて、前記光信号から前記ノイズ信号を除去する演算を行う演算部と、を具備することを特徴とする固体撮像装置である。

また、本発明の固体撮像装置において、前記演算部は、前記光信号から前記ノイズ信号に対して所定の係数を乗じた信号を減算することを特徴とする。

また、本発明の固体撮像装置において、前記係数は、２次元状に配列された前記画素の位置に応じた係数であることを特徴とする。

また、本発明の固体撮像装置は、前記電荷保持部と前記転送部と前記増幅部の入力部とを接続する第１のスイッチと、前記ノイズ保持部と前記転送部と前記増幅部の入力部とを接続する第２のスイッチと、を具備することを特徴とする。

また、本発明の固体撮像装置において、前記制御部は、前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチをオンにし、前記電荷保持部および前記ノイズ保持部のリセットを行う第１のステップと、前記第２のスイッチをオフにし、前記画素からリセット信号を出力させる第２のステップと、前記所定領域内の全ての画素で一括して前記光電変換部をリセットする第３のステップと、露光期間の経過後、前記全ての画素で一括して、前記光電変換部から前記転送部を介して、前記電荷保持部に信号電荷を転送する第４のステップと、前記画素から前記光信号を出力させる第５のステップと、前記第１のスイッチをオフにすると共に前記第２のスイッチをオンにし、前記画素から前記ノイズ信号を出力させる第６のステップと、を有する制御を行うことを特徴とする。

また、本発明の固体撮像装置は、前記電荷保持部から前記ノイズ保持部に信号電荷を転送する第２の転送部を具備し、前記ノイズ保持部は、前記増幅部の入力側に接続された容量であることを特徴とする。

また、本発明の固体撮像装置において、前記制御部は、前記所定領域内の全ての画素で一括して前記光電変換部をリセットする第１のステップと、前記全ての画素で一括して前記電荷保持部および前記ノイズ保持部をリセットする第２のステップと、露光期間の経過後、前記全ての画素で一括して、前記光電変換部から前記転送部を介して、前記電荷保持部に信号電荷を転送する第３のステップと、前記画素から前記ノイズ信号を出力させる第４のステップと、前記ノイズ保持部をリセットし、前記画素からリセット信号を出力させる第５のステップと、前記電荷保持部から前記第２の転送部を介して前記ノイズ保持部に信号電荷を転送し、前記画素から前記光信号を出力させる第６のステップと、を有する制御を行い、前記演算部は、前記光信号と前記ノイズ信号と前記リセット信号を用いて、前記光信号から前記ノイズ信号を除去する演算を行うことを特徴とする。

また、本発明の固体撮像装置において、前記画素における前記光電変換部と前記電荷保持部と前記ノイズ保持部の平面的な配置が、前記画素部に光を入射させるレンズの光軸に対して軸対称であることを特徴とする。

本発明によれば、電荷保持部に保持された信号電荷に基づく光信号から、ノイズ保持部に保持されたノイズ電荷に基づくノイズ信号を除去する演算を行うことによって、電荷保持部への信号電荷の漏れ込みによるノイズの影響を低減することができる。

本発明の各実施形態による撮像装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態における撮像部の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態における画素の構成を示す回路図である。 本発明の第１の実施形態におけるグローバルシャッタ動作を示すタイミングチャートである。 本発明の第１の実施形態における画素の駆動タイミングを示すタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態における撮像部の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態における画素の構成を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態における画素の駆動タイミングを示すタイミングチャートである。 本発明の第３の実施形態における画素のレイアウトを示す参考図である。 従来の画素の構成を示す回路図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。図１は、以下の各実施形態の説明に用いる撮像装置の構成を示している。図１に示す撮像装置は、レンズ１と、撮像部２と、画像処理部３と、表示部４と、駆動制御部５と、レンズ制御部６と、カメラ制御部７と、カメラ操作部８とを備えている。図１にはメモリカード９も示されているが、このメモリカード９を撮像装置に対して着脱可能に構成することによって、メモリカード９は撮像装置に固有の構成でなくても構わない。

レンズ１は、撮像素子（固体撮像装置）を構成する撮像部２の撮像面に被写体の光学像を結像するための撮影レンズである。撮像部２は、レンズ１によって結像された被写体の光学像を光電変換によりデジタルの画像信号に変換して出力する。画像処理部３は、撮像部２から出力される画像信号に種々のデジタル的な画像処理を施す。この画像処理部３は、画像信号を記録用に処理する第１画像処理部３ａと、画像信号を表示用に処理する第２画像処理部３ｂとを備えている。

表示部４は、画像処理部３の第２画像処理部３ｂにより表示用に画像処理された画像信号に基づき画像を表示する。この表示部４は、静止画像を再生表示することができると共に、被撮像範囲の画像をリアルタイムに表示する動画（ライブビュー）表示を行うことができるようになっている。駆動制御部５は、カメラ制御部７からの指示に基づいて撮像部２の動作を制御する。レンズ制御部６は、カメラ制御部７からの指示に基づいて、レンズ１の絞りや焦点位置を制御する。

カメラ制御部７は、撮像装置全体を制御する。カメラ操作部８は、ユーザが撮像装置に対する各種の操作入力を行うための操作用の各種部材を有し、操作入力の結果に基づく信号をカメラ制御部７へ出力する。カメラ操作部８の具体例として、撮像装置の電源をオン・オフするための電源スイッチ、静止画撮影を指示するためのレリーズボタン、静止画撮影モードを単写モードと連写モードの間で切り替えるための静止画撮影モードスイッチなどが挙げられる。メモリカード９は、第１画像処理部３ａにより記録用に処理された画像信号を保存するための記録媒体である。

（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態を説明する。図２は、第１の実施形態における撮像部２の構成を示している。撮像部２は、ＭＯＳ型固体撮像素子である撮像素子２１と、ＡＤ変換部２２と、ノイズ除去部２３とを備えている。

撮像素子２１は、画素部２４と、列処理回路部２５と、垂直制御回路２６（制御部）と、水平走査回路２７とを備えており、列処理回路部２５はノイズ演算部２５ａ（演算部）を有する。撮像素子２１は、画素の蓄積動作（露光動作）を全画素一括に制御するグローバルシャッタモードで動作することが可能である。なお、撮像素子２１は、画素の蓄積動作を行毎に制御するローリングシャッタモードで動作することが可能であっても良い。

画素部２４は、複数の画素２８が行方向および列方向に２次元状に配列されて構成されている。垂直制御回路２６は、画素部２４の画素２８に対して、行単位で画素の動作を制御する信号を印加し、画素２８のリセット動作、蓄積動作、信号読み出し動作等を制御する。この垂直制御回路２６によって選択された行の画素２８から、列毎に設けられている垂直信号線ＲｅａｄＢｕｓ（図３参照）へ画素信号が出力されるようになっている。

列処理回路部２５は、垂直信号線ＲｅａｄＢｕｓに出力された画素信号を列毎に処理するものであり、例えば増幅動作を行うほか、撮像素子２１をローリングシャッタ動作させたときのノイズ除去のためのＣＤＳ処理を行うものである。水平走査回路２７は、列処理回路部２５から出力される画素信号を水平方向の並びの順で時系列に画像信号として出力する。

ＡＤ変換部２２は、撮像素子２１から出力されるアナログの画像信号をデジタルの画像信号に変換するＡＤ変換を行う。なお、列処理回路部２５がＡＤ変換回路を有している場合、ＡＤ変換部２２は不要である。ノイズ除去部２３は、撮像素子２１がグローバルシャッタ動作を行うときに、ＡＤ変換部２２から出力されるデジタル画像信号にノイズ除去の処理を行う。なお、ノイズ除去部２３は、画像信号を記憶するためのメモリを備えている。

図３は、第１の実施形態における画素２８の構成を示している。光電変換部ＰＤは、例えばフォトダイオードであり、入射した光に基づく信号電荷を生成する。電荷保持部ＦＤは、光電変換部ＰＤで生成された信号電荷を一時的に保持する。補正用ダミーＤＭ（ノイズ保持部）は、入射した光の光量に応じて電荷保持部ＦＤの信号電荷に重畳するノイズ成分と同等のノイズ電荷を保持する。電荷保持部ＦＤは、スイッチＳＷ１（第１のスイッチ）を介して転送トランジスタＭｔ（転送部）および増幅トランジスタＭａの入力部（ゲート端子）に接続され、補正用ダミーＤＭは、スイッチＳＷ２（第２のスイッチ）を介して転送トランジスタＭｔおよび増幅トランジスタＭａの入力部（ゲート端子）に接続される。

転送トランジスタＭｔは、垂直制御回路２６から与えられる転送パルスＴＸに基づいて、光電変換部ＰＤで生成された信号電荷を電荷保持部ＦＤに転送する。増幅トランジスタＭａは、電荷保持部ＦＤに保持されている信号電荷に基づく信号を増幅し、選択トランジスタＭｓを介してリセット信号または光信号を垂直信号線ＲｅａｄＢｕｓに出力する。また、増幅トランジスタＭａは、補正用ダミーＤＭに保持されている信号電荷に基づく信号を増幅し、選択トランジスタＭｓを介してノイズ信号を垂直信号線ＲｅａｄＢｕｓに出力する。ここでは、垂直信号線ＲｅａｄＢｕｓに接続されている、図示しない電流源と増幅トランジスタＭａとから構成されるソースフォロワ回路の例を示している。

選択トランジスタＭｓは、垂直制御回路２６から与えられる選択パルスＳＥＬに基づいて、増幅トランジスタＭａからの信号を垂直信号線ＲｅａｄＢｕｓに出力する。選択トランジスタＭｓを選択パルスＳＥＬによりオンにすることによって、各画素２８を選択して各画素２８から信号を読み出すことが可能である。リセットトランジスタＭｒは、基準電圧ＶＡＡ＿ＰＩＸを供給する電圧源に接続されており、垂直制御回路２６から与えられるリセットパルスＲＳＴに基づいて電荷保持部ＦＤの電位をリセットする。ＰＤリセットトランジスタＭｆは、基準電圧ＶＡＡ＿ＧＳを供給する電圧源に接続されており、垂直制御回路２６から与えられるＰＤリセットパルスＦＴに基づいて光電変換部ＰＤの電位をリセットする。

スイッチＳＷ１は、垂直制御回路２６から与えられる制御パルスＰ１に基づいて、オン・オフが制御される。スイッチＳＷ２は、垂直制御回路２６から与えられる制御パルスＰ２に基づいて、オン・オフが制御される。スイッチＳＷ１，ＳＷ２として、例えばＭＯＳトランジスタが用いられる。

本実施形態では、撮像素子２１が有する全ての画素２８からなる領域を画素信号の読み出し対象領域とするが、撮像素子２１が有する全ての画素２８からなる領域の一部を読み出し対象領域として、以下で説明する画素信号の読み出しを行ってもよい。

次に、撮像部２の動作を説明する。撮像素子２１は、グローバルシャッタ動作が可能であり、撮像素子２１がグローバルシャッタ動作を行う場合の撮像部２の動作について説明する。

図４は、グローバルシャッタ動作を示している。図４の横軸は時間を示している。破線ＤＬ１および実線ＳＬ１は、行毎の画素信号の読み出しのタイミングを示している。また、図４には、転送パルスＴＸおよびＰＤリセットパルスＦＴについて、全画素同時に印加されるタイミングが示されている。図４には、水平走査回路２７の出力信号も示されている。

まず、リセット信号読み出し期間において、画素２８から順に行単位でリセット信号が読み出される。１行目の画素２８からリセット信号の読み出しが開始され、最終行であるｎ行目の画素２８からリセット信号が読み出されると、リセット信号読み出し期間が終了する。続いて、全ての画素２８で同時に露光（光信号蓄積）が開始され、所定の露光期間が経過した後、全ての画素２８で同時に露光（光信号蓄積）が終了する。露光（光信号蓄積）終了後の光信号読み出し期間において、画素２８から順に行単位で光信号が読み出される。１行目の画素２８から光信号の読み出しが開始され、最終行であるｎ行目の画素２８から光信号が読み出されると、光信号読み出し期間が終了する。

図５は、一例として１行目の画素２８の駆動タイミングを示している。図５には、垂直制御回路２６から出力される各信号と、垂直信号線ＲｅａｄＢｕｓの信号レベルＶ＿ＲｅａｄＢｕｓとが示されている。グローバルシャッタ動作による露光（光信号蓄積）を行う前のリセット信号読み出し期間において、電荷保持部ＦＤのリセットレベルの読み出しと補正用ダミーＤＭのリセット動作が行われる。以下では、リセット信号読み出し期間を期間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３に分けて、１行目の画素２８の動作を中心に説明する。

期間Ｔ1（第１のステップ）では、リセットトランジスタＭｒにリセットパルスＲＳＴが印加されると共に、スイッチＳＷ１、スイッチＳＷ２にそれぞれ制御パルスＰ１、制御パルスＰ２が印加される。これによって、リセットトランジスタＭｒ、スイッチＳＷ１、スイッチＳＷ２がそれぞれオンとなり、リセットトランジスタＭｒとスイッチＳＷ１を介して電荷保持部ＦＤがリセットされると共に、リセットトランジスタＭｒとスイッチＳＷ２を介して補正用ダミーＤＭがリセットされる。また、選択トランジスタＭｓに選択パルスＳＥＬが印加され、選択トランジスタＭｓがオンとなる。

期間Ｔ２（第２のステップ）では、スイッチＳＷ２への制御パルスＰ２の印加が解除されてスイッチＳＷ２がオフとなる。スイッチＳＷ１および選択トランジスタＭｓはオンであるため、電荷保持部ＦＤのリセット後の電位に基づくリセット信号が垂直信号線ＲｅａｄＢｕｓに出力される。垂直信号線ＲｅａｄＢｕｓに出力されたリセット信号は、列処理回路部２５、水平走査回路２７、ＡＤ変換部２２を介してノイズ除去部２３に出力され、ノイズ除去部２３に記憶される。

リセット信号の読み出しが終了した後、選択トランジスタＭｓへの選択パルスＳＥＬの印加が解除され、選択トランジスタＭｓがオフとなる。このような動作が画素部２４の１行目からｎ行目（最終行）まで行われる。

期間Ｔ３（第３のステップ）では、全ての画素２８のＰＤリセットトランジスタＭｆにＰＤリセットパルスＦＴが同時に印加され、ＰＤリセットトランジスタＭｆが同時にオンとなる。これによって、全ての画素２８の光電変換部ＰＤが一括してリセットされる。その後、全ての画素２８のＰＤリセットトランジスタＭｆへのＰＤリセットパルスＦＴの印加が同時に解除され、ＰＤリセットトランジスタＭｆが同時にオフとなることにより、全ての画素２８で一括して露光（蓄積）が開始される。

以下では、露光期間終了後の光信号読み出し期間を期間Ｔ５，Ｔ６，Ｔ７に分けて、１行目の画素２８の動作を中心に説明する。露光を開始してから任意の露光期間（期間Ｔ４）が経過した後、期間Ｔ５（第４のステップ）では、全ての画素２８の転送トランジスタＭｔに転送パルスＴＸが同時に印加され、転送トランジスタＭｔが同時にオンとなる。また、スイッチＳＷ１はオンのままである。これによって、露光期間中に光電変換部ＰＤに蓄積された信号電荷が電荷保持部ＦＤに一括で転送される。つまり、全ての画素２８の露光が同時に終了する。

期間Ｔ６（第５のステップ）では、選択トランジスタＭｓに選択パルスＳＥＬが印加され、選択トランジスタＭｓがオンとなる。スイッチＳＷ１および選択トランジスタＭｓはオンであるため、光電変換部ＰＤから信号電荷が転送された後の電荷保持部ＦＤの電位に基づく光信号が垂直信号線ＲｅａｄＢｕｓに出力され、列処理回路部２５で信号Ｖ１としてサンプリングされ、記憶される。

期間Ｔ７（第６のステップ）では、スイッチＳＷ１への制御パルスＰ１の印加が解除されてスイッチＳＷ１がオフとなる一方、スイッチＳＷ２に制御パルスＰ２が印加されてスイッチＳＷ２がオンとなる。これによって、補正用ダミーＤＭの電位に基づくノイズ信号が垂直信号線ＲｅａｄＢｕｓに出力され、列処理回路部２５で信号Ｖ２としてサンプリングされ、記憶される。

ここで、列処理回路部２５で記憶していた信号Ｖ１は、信号成分ΔＶｓと、電荷保持部ＦＤに漏れ込む信号電荷によるノイズ成分ΔＶｎ１とを加算したものに相当する。また、信号Ｖ２は、補正用ダミーＤＭに蓄積されたノイズ電荷によるノイズ成分ΔＶｎ２に相当する。よって、電荷保持部に蓄積されたノイズ電荷と補正用ダミーＤＭに蓄積されたノイズ電荷が等しいとすると、ΔＶｎ１＝ΔＶｎ２となり、信号Ｖ２と信号Ｖ１との差分を演算することで、電荷保持部ＦＤに漏れ込む信号電荷によるノイズを除去した光信号が検出されることとなる。

列処理回路部２５のノイズ演算部２５ａは上記の演算を行い、演算後の光信号を出力する。なお、この光信号にはリセットノイズが重畳されている。列処理回路部２５から出力された光信号は、水平走査回路２７、ＡＤ変換部２２を介してノイズ除去部２３に出力される。ノイズ除去部２３は、記憶していたリセット信号と、列処理回路部２５のノイズ演算部２５ａで処理された光信号との差分をとることで、リセットノイズを除去した画像信号を生成する。ノイズ除去部２３で処理された画像信号は撮像部２から画像処理部３へ出力される。

光信号の読み出しが終了した後、スイッチＳＷ２への制御パルスＰ２の印加が解除されてスイッチＳＷ２がオフとなる。また、選択トランジスタＭｓへの選択パルスＳＥＬの印加が解除され、選択トランジスタＭｓがオフとなる。このような動作がリセット読み出しと同様に画素部２４の１行目から第n行目（最終行）まで行われる。

なお、本実施形態ではΔＶｎ１＝ΔＶｎ２としたが、回路レイアウトの制約から、電荷保持部ＦＤと補正用ダミーＤＭの容量が異なる場合や、製造条件のゆらぎによる電荷保持部ＦＤと補正用ダミーＤＭの容量のばらつきが発生する場合も考えられる。このため、ゲインを補正するためにノイズ成分ΔＶｎ２に所定の係数を乗じる必要がある。この場合、列処理回路部２５のノイズ演算部２５ａにおいて、ノイズ成分ΔＶｎ２に係数αを乗じたαΔＶｎ２と信号Ｖ１との差分をとることで、電荷保持部ＦＤに漏れ込む信号電荷によるノイズを除去した光信号を得ることができる。

また、レンズ１の収差によって、レンズ１の光軸から画素位置が離れるに連れて光の入射角が大きくなるため、ノイズの要因となる迷光量が増加する。これにより、光軸から遠ざかるに連れて、光軸からの距離に比例して各画素２８のノイズ係数αを増加させる必要がある。なお、レイアウト配置によってはこれに限るものではない。

上述したように、本実施形態によれば、電荷保持部ＦＤに保持された信号電荷に基づく光信号から、補正用ダミーＤＭに保持されたノイズ電荷に基づくノイズ信号を除去する演算を行うことによって、電荷保持部ＦＤへの信号電荷の漏れ込みによるノイズの影響を低減することができる。したがって、強い光を持った被写体を撮影する場合でも、光の漏れ込みによるノイズを除去することが可能となり、グローバルシャッタ方式のＭＯＳ型固体撮像装置を用いて歪みのない高画質な画像の撮影を行うことが可能となる。

また、ノイズ信号に対して所定の係数αを乗じた後に光信号から減算することによって、光信号に重畳したノイズ成分と、ノイズ信号に含まれるノイズ成分とが、電荷保持部ＦＤと補正用ダミーＤＭとの容量比などに応じて異なる場合においても、光信号からノイズ信号を正確に除去することができ、高品質な光信号を検出することができる。

また、所定の係数αを画素位置に応じた係数とすることによって、画素位置によらず、光信号からノイズ信号を正確に除去することができ、高品質な光信号を検出することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。図６は、第２の実施形態における撮像部２の構成を示している。第２の実施形態における撮像部２の構成は、第１の実施形態で示した撮像部２（図２）の構成からノイズ除去部２３を除いた構成となるので、構成についての詳細な説明を省略する。

図７は、第２の実施形態における画素２８の構成を示している。第２の実施形態における画素２８の構成を第１の実施形態における画素２８の構成と比較すると、補正用ダミーＤＭの代わりに電荷保持部ＦＤ１が設けられている。また、転送トランジスタＭｔおよび増幅トランジスタＭａの入力部に接続される転送トランジスタＭｔ１（第２の転送部）が設けられている。電荷保持部ＦＤは転送トランジスタＭｔおよび転送トランジスタＭｔ１に直接接続され、電荷保持部ＦＤ１は転送トランジスタＭｔ１および増幅トランジスタＭａに直接接続されている。

本実施形態における撮像素子２１もグローバルシャッタ動作が可能であり、図８を用いて、その動作について説明する。図８は、本実施形態における画素２８の駆動タイミングを示している。図８には、垂直制御回路２６から出力される各信号と、電荷保持部ＦＤの電位Ｖｆｄと、電荷保持部ＦＤ１の電位Ｖｆｄ１とが示されている。

第１の実施形態と同様に、ＰＤリセットパルスＦＴと転送パルスＴＸの印加は全ての画素２８で一括して行われる。全ての画素２８で一括して印加されるＰＤリセットパルスＦＴをＦＴ（１・・・ｎ）と表し、全ての画素２８で一括して印加される転送パルスＴＸをＴＸ(１・・・ｎ）と表す。なお、任意のｍ行目の画素２８に印加されるリセットパルスＲＳＴ、転送パルスＴＸ１、選択パルスＳＥＬをそれぞれＲＳＴ（ｍ）、ＴＸ１（ｍ）、ＳＥＬ（ｍ）と表し、任意のｍ＋１行目の画素２８に印加されるリセットパルスＲＳＴ、転送パルスＴＸ１、選択パルスＳＥＬをそれぞれＲＳＴ（ｍ＋１）、ＴＸ１（ｍ＋１）、ＳＥＬ（ｍ＋１）と表す。

露光期間前の期間Ｔ１（第１のステップ）では、全ての画素２８のＰＤリセットトランジスタＭｆにＰＤリセットパルスＦＴが同時に印加され、ＰＤリセットトランジスタＭｆが同時にオンとなる。これによって、全ての画素２８の光電変換部ＰＤが一括してリセットされる。その後、全ての画素２８のＰＤリセットトランジスタＭｆへのＰＤリセットパルスＦＴの印加が同時に解除され、ＰＤリセットトランジスタＭｆが同時にオフとなることにより、全ての画素２８で一括して露光（蓄積）が開始される。

以下では、露光期間を期間Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４に分けて、画素２８の動作を説明する。露光が開始されてから所定の期間が経過した後の期間Ｔ２（第２のステップ）では、全ての画素２８のリセットトランジスタＭｒにリセットパルスＲＳＴが印加されると共に転送トランジスタＭｔ１に転送パルスＴＸ１が印加される。これによって、リセットトランジスタＭｒおよび転送トランジスタＭｔ１がオンとなり、リセットトランジスタＭｒを介して電荷保持部ＦＤ１がリセットされると共に、リセットトランジスタＭｒと転送トランジスタＭｔ１を介して電荷保持部ＦＤがリセットされる。

その後の期間Ｔ３では全ての画素２８の転送トランジスタＭｔ１への印加が解除されて転送トランジスタＭｔ１がオフとなり、期間Ｔ４では全ての画素２８のリセットトランジスタＭｒへのリセットパルスＲＳＴの印加が解除されてリセットトランジスタＭｒがオフとなる。

以下では、露光期間終了後の光信号読み出し期間を期間Ｔ５，Ｔ６，Ｔ７，Ｔ８に分けて、画素２８の動作を説明する。期間Ｔ５（第３のステップ）では、全ての画素２８の転送トランジスタＭｔに転送パルスＴＸが同時に印加され、転送トランジスタＭｔが同時にオンとなる。これによって、露光期間中に光電変換部ＰＤに蓄積された信号電荷が電荷保持部ＦＤに一括で転送される。つまり、全ての画素２８の露光が同時に終了する。

露光期間が終了してから、行位置に応じた期間Ｔ５が経過した後の期間Ｔ６（第４のステップ）では、ｍ行目の画素２８の選択トランジスタＭｓに選択パルスＳＥＬが印加され、選択トランジスタＭｓがオンとなる。これによって、ｍ行目の画素２８の電荷保持部ＦＤ１の電位に基づくノイズ信号が垂直信号線ＲｅａｄＢｕｓに出力され、列処理回路部２５で信号Ｖ１としてサンプリングされ、記憶される。

期間Ｔ７（第５のステップ）では、ｍ行目の画素２８のリセットトランジスタＭｒにリセットパルスが印加され、リセットトランジスタＭｒがオンとなる。これによって、ｍ行目の画素２８の電荷保持部ＦＤ１がリセットされ、リセット後の電荷保持部ＦＤ１の電位に基づくリセット信号が垂直信号線ＲｅａｄＢｕｓに出力され、列処理回路部２５で信号Ｖ２としてサンプリングされ、記憶される。続いて、ｍ行目の画素２８のリセットトランジスタＭｒへのリセットパルスＲＳＴの印加が解除され、リセットトランジスタＲＳＴがオフとなる。

期間Ｔ８（第６のステップ）では、ｍ行目の画素２８の転送トランジスタＭｔ１に転送パルスＴＸ１が印加され、転送トランジスタＭｔ１がオンとなる。これによって、電荷保持部ＦＤに保持されている信号電荷が電荷保持部ＦＤ１に転送される。選択トランジスタＭｓはオンであるため、電荷保持部ＦＤ１の電位に基づく光信号が垂直信号線ＲｅａｄＢｕｓに出力され、列処理回路部２５で信号Ｖ３としてサンプリングされ、記憶される。

続いて、ｍ＋１行目の画素２８について、期間Ｔ６，Ｔ７，Ｔ８における上記と同様の動作が行われる。すなわち、期間Ｔ６，Ｔ７，Ｔ８では、１行目の画素２８からｎ行（最終行）目の画素２８まで順次、信号Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が読み出される。

次に、本実施形態における列処理回路部２５のノイズ演算部２５ａで行われる、ノイズ除去に関する信号処理を説明する。本実施形態の列処理回路部２５では、画素信号のサンプリングを信号Ｖ１（ノイズ信号）、信号Ｖ２（リセット信号）、信号Ｖ３（光信号）について３回行う。演算式を以下に示す。
（Ｖ２−Ｖ３）−α（Ｖ２−Ｖ１） ・・・（Ａ）
α：電荷保持部ＦＤと電荷保持部ＦＤに蓄積されるノイズ成分の比

電荷保持部ＦＤの信号電荷に基づく信号を読み出すまでの間に発生するノイズ成分は電荷保持部ＦＤと電荷保持部ＦＤ１の両方に蓄積される。電荷保持部ＦＤに蓄積されるノイズ成分をΔＶｎ１とし、電荷保持部ＦＤ１に蓄積されるノイズ成分をΔＶ２とすると、ΔＶｎ１＝αΔＶｎ２となる。

（Ａ）式の（Ｖ２−Ｖ３）は、電荷保持部ＦＤに蓄積されるノイズ成分ΔＶｎ１と、光電変換部ＰＤで生成された信号電荷との和に相当し、（Ａ）式の（Ｖ２−Ｖ１）は、電荷保持部ＦＤ１に蓄積されるノイズ成分ΔＶｎ２に相当する。したがって、（Ａ）式によって、ノイズ成分を除去した光信号が得られる。なお、電荷保持部ＦＤと電荷保持部ＦＤ１に蓄積されるノイズ成分が同等である場合はα=１となり、（Ａ）式は簡単化されてＶ１−Ｖ３となる。

ノイズ演算部２５ａは、（Ａ）式による演算を行い、演算後の光信号を出力する。列処理回路部２５から出力された光信号は、水平走査回路２７、ＡＤ変換部２２を介して、画像信号として画像処理部３へ出力される。

上述したように、本実施形態によれば、電荷保持部ＦＤに保持され、その後、電荷保持部ＦＤ１に保持された信号電荷に基づく光信号から、電荷保持部ＦＤ１に保持されたノイズ電荷に基づくノイズ信号を除去する演算を行うことによって、電荷保持部ＦＤへの信号電荷の漏れ込みによるノイズの影響を低減することができる。したがって、強い光を持った被写体を撮影する場合でも、光の漏れ込みによるノイズを除去することが可能となり、グローバルシャッタ方式のＭＯＳ型固体撮像装置を用いて歪みのない高画質な画像の撮影を行うことが可能となる。

また、第１の実施形態における画素２８では７つのトランジスタが使用されているが、第２の実施形態における画素２８では６つのトランジスタが使用されているので、第２の実施形態における画素２８によれば、第１の実施形態における画素２８よりも回路規模を削減することができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態を説明する。従来の撮像素子では、画素部のレイアウトは、位置に関係なく同じレイアウトとなっている。本実施形態では、第１の実施形態の画素２８を用い、画素部２４の端部に位置する４つの画素２８のレイアウトを、それぞれの位置によって最適化する方法を示す。

図９は本実施形態における画素２８の平面的なレイアウトの概略を示している。ここでは、例として画素２８が４×４の行列状に配置された画素部２４の（ａ）左上端画素、（ｂ）左下端画素、（ｃ）右上端画素、（ｄ）右下端画素のレイアウトを抽出して示している。

（ａ）左上端画素における補正用ダミーＤＭは、光電変換部ＰＤの下に配置されている電荷保持部ＦＤの左隣に配置されている。（ｂ）左下端画素における補正用ダミーＤＭは、光電変換部ＰＤの上に配置されている電荷保持部ＦＤの左隣に配置されている。（ｃ）右上端画素における補正用ダミーＤＭは、光電変換部ＰＤの下に配置されている電荷保持部ＦＤの右隣に配置されている。（ｄ）右下端画素における補正用ダミーＤＭは、光電変換部ＰＤの上に配置されている電荷保持部ＦＤの右隣に配置されている。それぞれの４つの端部の画素２８内の各構成の配置は、画素部２４に光を入射させるレンズ１の光軸Ｌに対して軸対象となっている。光軸Ｌは、図９において紙面に垂直な方向（すなわち、画素２８が配置された撮像面に垂直な方向）に平行であるものとする。

レンズ１の収差によって、光軸Ｌからの距離に応じて、画素２８に入射する光の入射角度が異なり、光の入射角度に応じて光量が異なる。第１の実施形態で説明した係数αを光軸Ｌからの画素２８の距離に応じた係数に設定する場合、画素２８のレイアウト配置を本実施形態のレイアウト配置とすることにより、光軸Ｌからの距離が等しい複数の画素２８間で、光軸Ｌからの光電変換部ＰＤの距離が等しくなり、光軸Ｌからの電荷保持部ＦＤの距離が等しくなり、光軸Ｌからの補正用ダミーＤＭの距離が等しくなる。このため、光軸Ｌからの距離が等しい複数の画素２８間で同一の係数αを設定する場合でも、画素位置に応じて異なる入射光の影響を低減することが可能となる。

なお、本実施形態では画素部２４における端部の画素を例として示しているが、実際には、光軸Ｌからの各画素２８の距離に応じて徐々にレイアウトを変えたり、画素部２４を複数のブロックに分割し、各ブロックの光軸Ｌからの距離に応じてブロック単位でレイアウトを変更したりしても良い。また、本実施形態では第１の実施形態の画素２８への適用について説明したが、同様に第２の実施形態の画素２８へ適用しても良い。

上述したように、本実施形態によれば、光が入射する光電変換部ＰＤと光信号が蓄積される電荷保持部ＦＤとノイズ成分が蓄積される補正用ダミーＤＭとの位置関係を最適化することによって、画素部２４内の画素２８の位置に応じて異なる入射光の影響を低減することができる。このため、ノイズ演算部２５ａでの演算を軽減することが可能となり、結果としてカメラシステム全体としてユーザに快適な撮影を提供することが可能となる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について詳述してきたが、具体的な構成は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

１・・・レンズ、２・・・撮像部、３・・・画像処理部、３ａ・・・第１画像処理部、３ｂ・・・第２画像処理部、４・・・表示部、５・・・駆動制御部、６・・・レンズ制御部、７・・・カメラ制御部、８・・・カメラ操作部、２１・・・撮像素子、２２・・・ＡＤ変換部、２３・・・ノイズ除去部、２４・・・画素部、２５・・・列処理回路部、２５ａ・・・ノイズ演算部、２６・・・垂直制御回路、２７・・・水平走査回路、ＰＤ・・・光電変換部、ＦＤ，ＦＤ１・・・電荷保持部、ＤＭ・・・補正用ダミー、Ｍｆ・・・ＰＤリセットトランジスタ、Ｍｔ，Ｍｔ１・・・転送トランジスタ、Ｍｒ・・・リセットトランジスタ、Ｍａ・・・増幅トランジスタ、Ｍｓ・・・選択トランジスタ、ＳＷ１，ＳＷ２・・・スイッチ

Claims (8)

1. 入射した光に基づく信号電荷を生成する光電変換部と、
   前記光電変換部で生成された信号電荷を保持する電荷保持部と、
   前記光電変換部から前記電荷保持部に信号電荷を転送する転送部と、
   前記光電変換部に入射する光量に応じて発生するノイズ電荷を保持するノイズ保持部と、
   前記電荷保持部に保持された信号電荷に基づく信号を増幅して光信号として出力し、前記ノイズ保持部に保持されたノイズ電荷に基づく信号を増幅してノイズ信号として出力する増幅部と、
   を含む画素が２次元状に配列された画素部と、
   所定領域内の全ての前記画素における露光を同時に行うグローバルシャッタ動作を行うように前記画素における露光を制御する制御部と、
   前記光信号と前記ノイズ信号を用いて、前記光信号から前記ノイズ信号を除去する演算を行う演算部と、
   を具備することを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記演算部は、前記光信号から前記ノイズ信号に対して所定の係数を乗じた信号を減算することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記係数は、２次元状に配列された前記画素の位置に応じた係数であることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記電荷保持部と前記転送部と前記増幅部の入力部とを接続する第１のスイッチと、
   前記ノイズ保持部と前記転送部と前記増幅部の入力部とを接続する第２のスイッチと、
   を具備することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体撮像装置。
5. 前記制御部は、
   前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチをオンにし、前記電荷保持部および前記ノイズ保持部のリセットを行う第１のステップと、
   前記第２のスイッチをオフにし、前記画素からリセット信号を出力させる第２のステップと、
   前記所定領域内の全ての画素で一括して前記光電変換部をリセットする第３のステップと、
   露光期間の経過後、前記全ての画素で一括して、前記光電変換部から前記転送部を介して、前記電荷保持部に信号電荷を転送する第４のステップと、
   前記画素から前記光信号を出力させる第５のステップと、
   前記第１のスイッチをオフにすると共に前記第２のスイッチをオンにし、前記画素から前記ノイズ信号を出力させる第６のステップと、
   を有する制御を行うことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
6. 前記電荷保持部から前記ノイズ保持部に信号電荷を転送する第２の転送部を具備し、
   前記ノイズ保持部は、前記増幅部の入力側に接続された容量であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体撮像装置。
7. 前記制御部は、
   前記所定領域内の全ての画素で一括して前記光電変換部をリセットする第１のステップと、
   前記全ての画素で一括して前記電荷保持部および前記ノイズ保持部をリセットする第２のステップと、
   露光期間の経過後、前記全ての画素で一括して、前記光電変換部から前記転送部を介して、前記電荷保持部に信号電荷を転送する第３のステップと、
   前記画素から前記ノイズ信号を出力させる第４のステップと、
   前記ノイズ保持部をリセットし、前記画素からリセット信号を出力させる第５のステップと、
   前記電荷保持部から前記第２の転送部を介して前記ノイズ保持部に信号電荷を転送し、前記画素から前記光信号を出力させる第６のステップと、
   を有する制御を行い、
   前記演算部は、前記光信号と前記ノイズ信号と前記リセット信号を用いて、前記光信号から前記ノイズ信号を除去する演算を行う
   ことを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。
8. 前記画素における前記光電変換部と前記電荷保持部と前記ノイズ保持部の平面的な配置が、前記画素部に光を入射させるレンズの光軸に対して軸対称であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体撮像装置。

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