JPH0313079A - 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】 ［産業上の利用分野］ この発明はテレビカメラなどに適用される固体撮像装置
に関し、詳しくは、信号読出し回路に関するものである
。

〔従来の技術］ 第９図は例えば特公昭６２−５５３４９号公報に開示さ
れた従来の固体撮像装置における信号読出し回路の構成
を示すブロック図である。同図において、（１００）は
固体撮像素子、＜１０１）　、　（１０２）（１０３）
はそれぞれサンプルホールド回路（以下、５７８回路と
称す）　、　（１０４）は差動アンプである。

つぎに、上記構成の動作について説明する。

固体撮像素子（１００）の出力は２つの５７８回路（１
０１）　、　（１０２，）　ニそれぞれ入力され、一方
（７）５７８回路（１０１）はサンプルパルス（ｓｌ）
により固体撮像素子（１００）の出力のうち、雑音を含
む有効な信号部分をサンプルする。他方の５７８回路（
１０２）はサンプルパルス（Ｓ２）により固体撮像素子
（１００）の出力のうち、有効でない雑音部分をサンプ
ルする。

ついで、上記Ｓ／Ｈ回路（１（１２）の出力はＳ／Ｈ回
路（ｔｏ３）に人力され、このＳ／Ｈ回路（１０３）は
上記サンプルパルス（Ｓｌ）により制御されて上記Ｓ／
Ｈ回路（１０１）の出力、すなわち、雑音を含む有効な
信号と、Ｓ／Ｈ回路（１（１３）の出力、すなわち雑音
成分とが同時化されのち、差動アンプ（１０４）により
雑音成分だけが除去される。このような低雑音信号の読
出し方法は相関２重サンプリング法として良く知られて
いるものである。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の固体撮像装置は以上のように構成されているので
、上記したような低雑音信号の読出し回路を複数個の水
平方向電荷転送部を有する固体撮像素子に適用する場合
、多くの高速のＳ／Ｈ回路を必要とするため、装置コス
トが上昇する。また、固体撮像素子の水平方向電荷転送
部の転送周波数が高い場合、サンプル期間が短いため、
誤動作を起こしやすいという問題があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、複数個の水平方向電荷転送部をもつ固体撮像
素子からの出力信号のうちの有効な信号のみを、Ｓ／Ｈ
回路を用いない簡単な回路により読出すことができる固
体撮像装置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る固体撮像装置は、２つの水平方向電荷転
送部を有する固体撮像素子から取り出された１８０度の
位相差をもつ２つの電荷信号のうち、有効な信号が含ま
れている部分および含まれていない部分をそれぞれ抽出
して合成する第１および第２の信号合成手段と、これら
第１および第２の合成信号間で演算する演算手段とを備
えたことを特徴とする。

［作用］ この発明によれば、固体撮像素子から取り出された２つ
の電荷信号の中から、雑音部分を含む有効な信号と雑音
部分だけの信号とを第１および第２の信号合成手段によ
りそれぞれ抽出して合成して出力するとともに、その２
つの合成信号間で演算をおこなうことにより、雑音部分
を除去して有効な信号のみを出力させることができる。

［発明の実施例］ 以下、この発明の一実施例を図面もとづいて説明する。

第１図はこの発明の一実施例による固体撮像装置におけ
る信号読出し回路の構成を示すブロック図である。同図
において、（１）は複数の垂直方向電荷転送部および２
つの水平方向電荷転送部を有する固体撮像素子、（２）
は上記固体撮像素子（１）の駆動回路で、上記２つの水
平方向電荷転送部から１８０度の位相差をもつ２つの電
荷信号を取り出すように駆動する。

（３）　、　（４）は上記駆動回路（２）において発生
される固体撮像素子（１）を駆動するための水平転送パ
ルス（Ｈ）にしたがって固体撮像素子（１）から取り出
される２つの電荷信号（ＳＬ）　、　（Ｓ２）を切り換
えて合成する第１および第２の信号切換合成回路、（５
）　、　（Ｓ）は上記第１および第２の信号切換合成回
路（３）　、　（４）にそれぞれ対応する第１および第
２の平均化回路、（７）は第２の平均化回路（６）から
の出力信号の利得を制御するための増幅器、（８）は遅
延回路、（９）は減算回路である。

第２図は固体撮像素子（１）の具体的な構成を示す図で
、同図において、（１ｏ）は受光画素、（１１）は垂直
方向電荷転送部、（１２）　、　（１３）は２つの水平
方向電荷転送部、（１４）　、　（１５）はフローティ
ング型の電荷検出部、（１６）　、　（１７）は電荷検
出部（１４）　、　（１５）をリセットするリセット部
、（１８）　、　（１９）は出力バッファである。

つぎに、上記第２図で示す構成の固体撮像素子（１）の
動作について説明する。

受光画素（ｌＯ）で光電変換されて発生した電荷は垂直
方向電荷転送部（１１）により２つの水平方向電荷転送
部（１２）　、　（１３）へ転送される。この垂直方向
電荷転送部（１１）から水平方向電荷転送部、（１２）
　、　（１３）への電荷の受は渡しは、第２図の矢印（
ｘ）　、　（ｙ）で示したように、隣接する垂直方向電
荷転送部（１１）により転送されてきた電荷を、互いに
異なる水平方向電荷転送部（１２）　、　（１３）に送
る。

つづいて、２つの水平方向電荷転送部（１２）。

（１３）により運び出された電荷は電荷検出部（１４）
。

（１５）によりそれぞれ検出され、出力バッファ（ｌａ
）　、　（１９）により固体撮像素子（１）の出力信号
（５１）　、　（Ｓ２）　となる。

上記２つの水平方向電荷転送部（１２）　、　（１３）
は１８０度の位相差をもって電荷を転送するので、固体
撮像素子（１）の２つの出力信号（Ｓｌ）　、　（Ｓ２
）は第３図（ａ）　、　（ｂ）に示した波形となる。第
３図中、斜線で示した部分が各受光画素（１０）で光電
変換されて発生した電荷に対応した有効な信号部分であ
り、２つの出力信号（Ｓｌ）　、　（５２）のこの有効
な信号部分は互いに補間する波形で出現する。

つぎに、上記構成の実施例の動作について、第４図の信
号波形図を参照しながら説明する。

Ｎ３図に示した固体撮像素子（１）の出力信号（Ｓｌ）
　、　（３２）は雑音が含まれていない波形であるけれ
ども、実際には電荷検出部（１４）　、　（１５）のリ
セット動作にともなうリセット雑音や出力バッファ（１
８）　、　（１９）での１７ｆ雑音などの付加により、
例えば第４図−（＾）、（Ｂ）のような波形となる。

固体撮像素子（１）の水平方向電荷転送部（１２）。

（１３）は通常１８０度の位相差をもつ２つの水平転送
パルスにより駆動されているため、固体撮像素子（１）
の出力信号（ＳＬ）　、　（Ｓ２）　と水平転送パルス
（Ｈ）　とのタイミングは、例えば第４図（Ｃ）に示し
たように一致している。

第１および第２の信号切換合成回路（３）　、　（４）
は、上記水平転送パルス（ｌ（）により制御されており
、水平転送パルス（）Ｉ）が高電位”Ｈ”のときにそれ
ぞれ（ＡＩ）　、　（Ａ２）を選択し、低電位”Ｌ”の
ときにそれぞれ（Ｂｔ）　、　（Ｂ２）を選択する。し
たがって、第１の信号切換合成回路（３）の出力は、固
体撮像素子（１）の２つの出力信号（Ｓｔ）　、　（Ｓ
２）から有効な信号の部分のみを交互に選択して出力し
、第４図（Ｄ）のような出力波形となる。

他方、第２の信号切換合成回路（４）は固体撮像素子（
１）の２つの出力信号（５１）　、　（Ｓ２）のうち、
有効な信号以外の部分のみを交互に選択して出力し、第
４図（Ｅ）のような出力波形となる。

つづいて、第１の信号切換合成回路（３）の出力は第１
の平均化回路（５）により切り換え時の雑音が除去され
、その出力は第４図（Ｆ）に示したように、有効な信号
成分にリセット雑音と１／ｆ雑音が重畳されたものとな
る。

他方、第２の信号切換合成回路（４）の出力は第２の平
均化回路（６）によりリセット動作のリセットパルスの
誘導によるパルス状の成分が除去され、その出力は、第
４図（Ｇ）に示したように、リセット雑音と１／ｆ雑音
になる。

上記第２の平均化回路（６）から得られる雑音成分は増
幅器（７）を通したのちに遅延回路（８）に人力され、
この遅延回路（８）において、第４図（）Ｉ）に示した
ように、第１の平均化回路（５）からの出力と同時化さ
れる。つづいて、減算回路（９）に入力されて有効な信
号成分と雑音成分とが重畳している第１の平均化回路（
５）の出力と、雑音成分のみからなる遅延回路（８）の
出力との差分がとられて、第４図（Ｉ）に示したように
、雑音成分が除去され有効な信号成分のみとなって出力
される。

なお、上記増幅器（７）は減算回路（９）　に入力され
る２つの信号の雑音成分を同じ大きさにするために設け
られている。したがって、増幅器（７）を第２の平均化
回路（６）と遅延回路（８）との間でなく、第１の平均
化回路（５）と減算回路（９）との間に設けても良い。

また、上記実施例においては、２つの平均化回路（５）
　、（８）から出力される雑音成分を同時化するために
遅延回路（８）を設けたが、画面上で横引きノイズとな
り視覚的に目立つ１／ｆ雑音の低減については、その１
／ｆ雑音が低周波領域で大きなパワーをもつので、遅延
回路（８）を省いても十分な効果を奏する。

また、第１および第２の平均化回路（５）　、（８）あ
るいは増幅器（７）において、遅延を調整するようにす
れば、遅延回路（８）を省略してもよい。

さらに、上記実施例では、４３号の流れ方向に沿って、
第２の平均化回路（６）、増幅器（７）、遅延回路（８
）の順に配設したが、その配設順を入れ換えても、同様
の効果を奏する。

第５図はこの発明の他の実施例による固体撮像装置にお
ける信号読出し回路の構成を示すブロック図である。同
図において、（２０）　、　（２１）　、　（２２）　
。

（２３）はそれぞれレベルシフト回路、（２４）　、　
（２５）は４象限掛算器、（２６）　、　（２Ｂ）は所
定の基準電圧より下側をクリップする負クリップ回路、
（２７）　、　（２９）は所定の基準電圧より上側をク
リップする正クリップ回路、（３０）　、　（３１）　
、　（３２）はそれぞれ加算回路であり、その他の構成
は第１図と同一であるため、該当部分に同一の符号を付
して、それらの説明を省略する。

つぎに、上記第５図の構成の動作について説明する。

まず、レベルシフト回路（２０）　、　（２２）　　　
４象限掛算器（２４）、クリップ回路（２８）、　　（
２７）の動作につし）で、第６図の係号波形図を参照し
ながら説明する。

固体撮像素子（１）の出力信号（Ｓｌ）はレベルシフト
回路（２０）により、第６図（Ａ）に示すように、所定
の基準電位（Ｖ　ｒｅｆ、）より高い電位に設定される
とともに、駆動回路（２）において発生されろ水平転送
パルス（Ｈｌ）はレベルシフト回路（２２）により、第
６図（８）に示すように、基準電位（Ｖ　ｒｅｆ、）を
中心に上下に変位するように設定される。

ついで、４象限掛算器（２４）は上記基準電位（Ｖ　ｒ
ｅｆ、）を越える電位を正の電位、基準電位（Ｖ　ｒｅ
ｆ、）より低い電位を負の電位として動作するよう構成
されており、レベルシフト回路（２０）の出力とレベル
シフト回路（２２）の出力との掛算をおこなって、第６
図（Ｃ１に示すような波形を出力する。この第６図（Ｃ
）よりわかるように、雑音を含む有効な信号部分は基準
電位（Ｖ　ｒｅｆ、）の上側に、他の部分は基準電位（
Ｖ　ｒｅｆ、）の下側にそれぞれ位置することになる。

つづいて、負クリップ回路（２６）は基準電位（Ｖ　ｒ
ｅｆ、）より下側をクリップするので、この負クリップ
回路（２６）からは第６図（［））で示すように、雑音
を含む有効な信号部分だけが出力される。一方、正クリ
ップ回路（２７）は基準電位（Ｖ　ｒｅｆ、）　より上
側をクリップするので、この正クリップ回路（２９）か
らは第６図（Ｅ）に示すように、雑音成分の部分だけが
出力される。

また、他方のレベルシフト回路（２１）、（２３）　、
４象限掛算器（２５）、負クリップ回路（２８）、正ク
リップ回路（２９）の動作も上記と同様であり、各部の
信号波形は第７図に示す通りである。

これを簡単に説明すると、固体撮像素子（１）の出力信
号（Ｓｌ）をレベルシフト回路（２１）により、第７図
（八）に示すように、基準電位（Ｖ　ｒｅｆ、）より高
い電位に設定するとともに、水平転送パルス（Ｈｌ）は
レベルシフト回路（２３）により、第７図（Ｂ）に示す
ように、基準電位（Ｖ　ｒｅｆ、）を中心に上下に変位
するように設定されており、これら両川力を４象限掛算
器（２５）において掛算することにより、第７図（Ｃ）
に示すように、雑音を含む有効な信号成分とそれ以外の
部分とを基準電位（Ｖ　ｒｅｆ、）の上側と下側に分離
させる。

つづいて、負クリップ回路（２８）により、第７図（Ｄ
）に示すように、雑音を含む有効な信号成分だけを抽出
する一方、正クリップ回路（２９）のクリップにより、
第７図（Ｅ）に示すように、雑音成分の部分だけを抽出
する。なお、固体撮像素子（１）の２つの出力信号、（
Ｓｌ）と（Ｓｌ）は１８０度の位相差を有しているので
、レベルシフト回路（２３）に入カスる水平転送パルス
（Ｈｌ）は、レベルシフト回路（２２）に入力する水平
転送パルス（Ｈｌ）と１８０度の位相差を有するものを
用いる。

以上のようにして抽出された２つの負クリップ回路（２
６）　、　（２８）からの出力信号は加算器（３０）に
入力されて加算され、第８図（Ａ）に示すように、雑音
を含む有効な信号部分だけが合成されて出力されるとと
もに、２つの正クリップ回路（２７）　、　（２９）か
らの出力信号は加算器（３１）に入力されて加算され、
第８図（８）　に示すように、雑音成分の部分だけが合
成された信号が出力される。

ついで、上記各加算器（３０）　、　（３１）の出力は
それぞれ第１および第２の平均化回路（５）　、（６）
により平滑化されて、第８図（Ｃ）およびＣＤ）に示す
ような波形となる。第２の平均化回路（６）からの出力
は増幅器（７）を通ったのちに遅延回路（８）に入力さ
れ、ここで第１の平均化回路（５）からの出力と同時化
される。

なお、上記増幅器（７）は、第１図で示す実施例と同様
に、第１の平均化回路（５）の出力に含まれる雑音成分
と遅延回路（８）の出力に含まれる雑音成分の大きさが
等しくなるように設定されている。

上記遅延回路（８）の出力の雑音成分は反転しているの
で、第１の平均化回路（５）の出力と遅延回路（８）の
出力とを加算器（３２）において加算することにより、
雑音成分を互いに打ち消し合って、第８図（Ｆ）に示す
ように、有効な信号成分のみが出力される。

なお、第５図に示す実施例においても、第２の平均化回
路（６）、増幅器（７）、遅延回路（８）の配設類を入
れ換えても良い。また、増幅器（７）を第２の平均化回
路（６）と遅延回路（８）　の間でなく、第１の平均化
回路（５）と加算器（３２）との間に設けても良い。

また、１／ｆ雑音の低減については、遅延回路（８）を
省いても十分な効果が得られ、第１および第２の平均化
回路（５）　、（６）あるいは増幅器（７）において遅
延を調整するように構成すれば、遅延回路（８）を省略
することもできる。

さらに、上記各実施例では、固体撮像素子（１）を駆動
するために水平転送パルスを用いているが、特にこのパ
ルスである必要はなく、固体撮像素子（１）の出力信号
に同期しているパルスであれば他のパルスを使用しても
良い。

また、基準電位（Ｖ　ｒｅｆ、）を、固体撮像素子（１
）の出力信号（ＳＬ）　、　（５２）の電位より下側に
設定すれば、レベルシフト回路（２０）　、　（２１）
を省略でき、基準電位（Ｖ　ｒｅｆ、）を水平転送パル
スの中央に設定すれば、レベルシフト回路（２２）　、
　（２３）を省略できる。

また、レベルシフト回路（２２）　、　（２３）　に入
力する水平転送パルス（）１２）　、　（Ｈｌ）を入れ
換えるか、もしくはレベルシフト回路（２０）　、　（
２１）で固体撮像素子（１）の出力信号（５１）　、　
（Ｓ２）を基準電位の下側に設定する場合には、負クリ
ップ回路（２Ｂ）　、　（２８）から非反転の雑音成分
だけの部分が得られるとともに、正クリップ回路（２７
）　、　（２９）から反転した雑音を含む有効な信号成
分の部分が得られ、その結果、加算器（３２）から雑音
が除去され反転した良好な信号が得られる。

［発明の効果〕 以上のように、この発明によれば、２つの水平方向電荷
転送部を有する固体撮像素子から得られる２つの出力信
号の中から、有効な信号成分および雑音成分が含まれる
信号と、雑音成分だけの信号とを抽出して合成し、それ
ら合成信号間での演算により雑音成分を除去するように
構成したので、従来の相関２重サンプリング形式のもの
において必要としていた多数の高速Ｓ／Ｈ回路を不要で
き、装置全体を安価に構成することができる。

しかも、水平転送周波数が高くなっても、Ｓ／Ｈ回路を
用いた従来例のような誤動作を起こすことがなく、低雑
音の信号を安定して読み出させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による固体撮像装置におけ
る信号読出し回路の構成を示すブロック図、第２図は固
体撮像素子の具体的な構成を示すブロック図、第３図は
第２図に示す固体撮像素子の出力波形図、第４図は第１
図に示す実施例の各部の信号波形図、第５図はこの発明
の他の実施例の構成を示すブロック図、第６図、第７図
、第８図はそれぞれ第５図に示す実施例の各部の信号波
形図、第９図は従来の固体撮像装置における信号読出し
回路の構成を示すブロック図である。 （１）・・・固体撮像素子、（３）　、　（４）・・・
信号切換合成回路、（５）　、　（５）・・・平均化回
路、（７）・・・増幅器、（８）・・・遅延回路、（９
）・・・減算回路、（１１）・・・垂直方向電荷転送部
、（１２）　、　（１３）・・・水平方向電荷転送部、
（２０）　、　（２１）　、　（２２）　、　（２３）
・・・レベルシフト回路、（２４）　、　（２５）・・
・４象限掛算器、（２Ｂ）　、　（２８）・・・負クリ
ップ回路、（２７３、（２９）・・・正クリップ回路、
（３０）。 （３１）　、　（３２）・・・加算器。 なお、各図中の同一符号は同一または相当部分を示す。 第 ４ 図 の出η 第 図 第 図 第 ６ 図 第 図 ｒｅｆ −−−−−−−−−−−−−−−−−−Ｖｒｅｆ第 図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数の垂直方向電荷転送部およびこの垂直方向電
   荷転送部からの電荷信号を１つ置きに受けとる２つの水
   平方向電荷転送部を有する固体撮像素子と、この固体撮
   像素子の上記２つの水平方向電荷転送部から１８０度の
   位相差をもつ２つの電荷信号を取り出す駆動回路と、そ
   の取り出した２つの電荷信号のうち有効な信号が含まれ
   ている部分を抽出して合成した第１の合成信号を出力す
   る第１の信号合成手段と、上記２つの電荷信号のうち有
   効な信号が含まれていない部分を抽出して合成した第２
   の合成信号を出力する第２の信号合成手段と、上記第１
   および第２の合成信号間で演算して有効な信号のみを出
   力する演算手段とを具備したことを特徴とする固体撮像
   装置。