JP2006191397A - 固体撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】高ダイナミックレンジの固体撮像装置を提供する。
【解決手段】光を信号電荷に変換して蓄積し、信号電荷に対応する信号電圧を出力する行列状に配置された複数の単位セル５００と、単位セル５００に信号電荷を蓄積させる蓄積期間を異なる第１の期間及び第２の期間に設定する行選択回路１１０及び読み出しトランジスタ５０２と、行を選択する行選択回路１１０及び垂直選択トランジスタ５０５と、各列毎の単位セル５００に接続されたサンプリング容量と、サンプリング容量から任意のサンプリング容量を選択するパルス発生回路及びサンプリングトランジスタとを備え、パルス発生回路及びサンプリングトランジスタは、第１の期間及び第２の期間で蓄積された信号電荷に対応する信号電圧を、それぞれサンプリング容量に蓄積するように選択する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置に関し、特にダイナミックレンジの広い映像信号を得ることのできる固体撮像装置に関する。
近年、携帯電話機等の移動端末の分野においては、カメラ機能を備えたものが普及してきた。移動端末が備えるカメラ機能については、高画素化（メガピクセル化）による静止画像の高画質化が要求され、ローコストのＤＳＣ（Digital Still Camera）に置き換わることが期待されている。また一方で、移動端末が備えるカメラ機能に対して、動画や通信を考慮に入れたＱＶＧＡ（８万画素程度）以下の画像に対応することも要求されている。
これらの要求に対応するために、例えばメガピクセルといわれるような高画素のＣＣＤ固体撮像装置においては、間引きとよばれる画像の一部抜き取りによる画素の削除がおこなわれている。また、増幅型固体撮像装置においては、撮像装置内で垂直方向の画素信号の加算がおこなわれている。
図１８は、「固体撮像装置」（特許文献１参照）の構成を示す図であり、撮像装置内で垂直方向の画素信号の加算をおこなう固体撮像装置の一例である。
従来の固体撮像装置は、単位セル５００と、ｎ×ｍ個の単位セル５００が行列に配置されたイメージエリア５１０と、信号処理部５５０に単位セル５００の信号電圧を列単位で伝達する第１の垂直信号線５２０と、単位セル５００を行単位で選択する行選択回路５３０と、負荷トランジスタ群５４０と、第１の垂直信号線５２０を介して伝達された信号電圧を保持し、ノイズをカットする信号処理部５５０と、単位セル５００を列単位で選択する列選択回路５６０と、信号処理部５５０から出力された信号電圧を出力アンプ５８０に伝達する水平信号線５７０と、出力アンプ５８０とから構成される。なお、図１８では、説明を簡略化するために、ｎ行、ｍ列の単位セル５００が示されている。
ここで、単位セル５００は、光を信号電荷に変換して蓄積するフォトダイオード５０１と、フォトダイオード５０１の信号を読み出す読み出しトランジスタ５０２と、フォトダイオード５０１の信号電圧を増幅する増幅トランジスタ５０３と、フォトダイオード５０１の信号電圧をリセットするリセットトランジスタ５０４と、増幅された信号電圧を読み出す行を選択する垂直選択トランジスタ５０５と、フォトダイオード５０１の信号電圧を検出するＦＤ（フローティングディフュージョン）部５０６とから構成される。
図１９は、信号処理部５５０の回路構成を示す図である。
信号処理部５５０は、第１の垂直信号線５２０と接続されたサンプルホールドトランジスタ６００と、サンプルホールドトランジスタ６００を介して第１の垂直信号線５２０に接続されたクランプ容量６１０と、クランプ容量６１０を介して第１の垂直信号線５２０に接続された第２の垂直信号線６２０と、第２の垂直信号線６２０と接続されたサンプリングトランジスタ６３０ａ、６３０ｂ、６３０ｃと、クランプトランジスタ６４０と、第２の垂直信号線６２０に接続された列選択トランジスタ６５０と、サンプリングトランジスタ６３０ａを介して第２の垂直信号線６２０と接続されたサンプリング容量６６０ａと、サンプリングトランジスタ６３０ｂを介して第２の垂直信号線６２０と接続されたサンプリング容量６６０ｂと、サンプリングトランジスタ６３０ｃを介して第２の垂直信号線６２０と接続されたサンプリング容量６６０ｃとから構成される。
サンプルホールドトランジスタ６００は、ＳＰ線をハイレベルにするサンプリングパルスの印加に対応して、ＯＮ状態となり、第１の垂直信号線５２０により伝達された信号電圧をクランプ容量６１０に伝達する。
また、ＣＰ線をハイレベルにするクランプパルスの印加により、クランプトランジスタ６４０がＯＮ状態となり、クランプ容量６１０の端子ＢにはＣＰＤＣ電圧が与えられる。クランプ容量６１０はリセット時の端子Ａ−Ｂ間の電圧を保持することで、単位セル５００毎で異なる固定パターンノイズを除去する。
第２の垂直信号線６２０は、第１の垂直信号線５２０からクランプ容量６１０を介して伝達された信号電圧を伝達する。
サンプリングトランジスタ６３０ａは、ＳＷＡ線をハイレベルにする容量選択パルスＡの印加に対応して、ＯＮ状態となり、第２の垂直信号線６２０により伝達された信号電圧をサンプリング容量６６０ａに転送するか、あるいはサンプリング容量６６０ａの信号電圧を第２の垂直信号線６２０に転送する。また、サンプリングトランジスタ６３０ｂは、ＳＷＢ線をハイレベルにする容量選択パルスＢの印加に対応して、ＯＮ状態となり、第２の垂直信号線６２０により伝達された信号電圧をサンプリング容量６６０ｂに転送するか、あるいはサンプリング容量６６０ｂの信号電圧を第２の垂直信号線６２０に転送する。そして、サンプリングトランジスタ６３０ｃは、ＳＷＣ線をハイレベルにする容量選択パルスＣの印加に対応して、ＯＮ状態となり、第２の垂直信号線６２０により伝達された信号電圧をサンプリング容量６６０ｃに転送するか、あるいはサンプリング容量６６０ｃの信号電圧を第２の垂直信号線６２０に転送する。
クランプトランジスタ６４０は、ＣＰ線をハイレベルにするクランプパルスの印加に対応して、ＯＮ状態となり、第２の垂直信号線６２０と、クランプ容量６１０と、サンプリング容量６６０ａ、６６０ｂ、６６０ｃとをＣＰＤＣ線の電位にリセットする。
列選択トランジスタ６５０は、ＣＳＥＬ線をハイレベルにする列選択パルスの印加に対応して、順次ＯＮ状態となり、サンプリング容量６６０ａ、６６０ｂ、６６０ｃに蓄積された電荷を水平信号線５７０に転送する。
サンプリング容量６６０ａ、６６０ｂ、６６０ｃは、それぞれ各行毎に読み出された信号電圧を蓄積する。例えば、サンプリング容量６６０ａは、ｎ行目にある単位セル５００から読み出された信号電圧を蓄積し、サンプリング容量６６０ｂは、ｎ−１行目にある単位セル５００から読み出された信号電圧を蓄積し、サンプリング容量６６０ｃは、ｎ−２行目にある単位セル５００から読み出された信号電圧を蓄積する。
以上のような従来の固体撮像装置の動作について、図２０に示す駆動タイミングチャートに沿って説明する。
ｎ行目の単位セル５００が選択されると、ＬＳＥＴ（ｎ）線をハイレベルにする行選択パルスｎがｎ行目の単位セル５００の垂直選択トランジスタ５０５に印加される。垂直選択トランジスタ５０５はＯＮ状態となり、増幅トランジスタ５０３と負荷トランジスタ群５４０とでソースフォロア回路が形成され、単位セル５００の電源電圧に追従した電圧がそのソースフォロア回路から第１の垂直信号線５２０に出力される。
次に、ＳＰ線をハイレベルにするサンプリングパルスがサンプルホールドトランジスタ６００に印加される。サンプルホールドトランジスタ６００は、ＯＮ状態となり、ソースフォロア回路から第１の垂直信号線５２０に出力された電圧をクランプ容量６１０に保持する。このとき、ＣＰ線をハイレベルにするクランプパルスがクランプトランジスタ６４０に印加される。クランプトランジスタ６４０はＯＮ状態となり、クランプ容量６１０の第２の垂直信号線６２０側がＣＰＤＣ線の電位にリセットされる。また、同時にＳＷＡ線をハイレベルにする容量選択パルスＡが印加されているので、サンプリングトランジスタ６３０ａはＯＮ状態となり、サンプリング容量６６０ａがＣＰＤＣ線の電位にリセットされる。
次に、ＲＥＳＥＴ（ｎ）線をハイレベルにするリセットパルスｎがリセットトランジスタ５０４に印加される。リセットトランジスタ５０４はＯＮ状態となり、ＦＤ部５０６の電位がリセットされる。ＦＤ部５０６に接続している増幅トランジスタ５０３のゲート電圧はＦＤ部５０６の電位となり、この電圧に応じた電圧、具体的には（ＦＤ部の電位−Ｖｔ）×αで与えられる電圧が第１の垂直信号線５２０に出力される。ここで、Ｖｔは、増幅トランジスタ５０３の閾値電圧であり、αは電圧増幅率である。
次に、ＣＰ線をローレベルにするクランプパルスがクランプトランジスタ６４０に印加され、クランプトランジスタ６４０がＯＦＦ状態となり、第２の垂直信号線６２０はフローティング状態となる。
次に、ＲＥＡＤ（ｎ）線をハイレベルにする読み出しパルスｎが読み出しトランジスタ５０２に印加される。読み出しトランジスタ５０２はＯＮ状態となり、フォトダイオード５０１に蓄積した信号電荷がＦＤ部５０６に転送される。ＦＤ部５０６に接続している増幅トランジスタ５０３のゲート電圧はＦＤ部５０６の電位となり、この電圧に応じた電圧、具体的には（ＦＤ部の電位−Ｖｔ）×αで与えられる電圧が第１の垂直信号線５２０に出力される。このとき、ＣＰ線をローレベルにするクランプパルスがクランプトランジスタ６４０に印加されているので、クランプトランジスタ６４０はＯＦＦ状態となり、サンプリング容量６６０ａには、ＦＤ部５０６の電位がリセットされたときに第１の垂直信号線５２０に出力された電圧と、フォトダイオード５０１に蓄積した信号電荷がＦＤ部５０６に転送されたときに第１の垂直信号線５２０に出力された電圧との差に応じた電圧変化がｎ行目の単位セル５００の信号電圧として蓄積される。そして、ＳＷＡ線をローレベルにする容量選択パルスＡが印加され、サンプリングトランジスタ６３０ａはＯＦＦ状態となる。
次に、ｎ−１行目の単位セル５００が選択され、ＳＷＢ線をハイレベルにする容量選択パルスＢが印加され、同様の動作が繰り返されることで、サンプリング容量６６０ｂには、ｎ−１行目の単位セル５００の信号電圧が蓄積される。そして、ＳＷＢ線をローレベルにする容量選択パルスＢが印加され、サンプリングトランジスタ６３０ｂはＯＦＦ状態となる。
次に、ｎ−２行目の単位セル５００が選択され、ＳＷＣ線をハイレベルにする容量選択パルスＣが印加され、同様の動作が繰り返されることで、サンプリング容量６６０ｃには、ｎ−２行目の単位セル５００の信号電圧が蓄積される。そして、ＳＷＣ線をローレベルにする容量選択パルスＣが印加され、サンプリングトランジスタ６３０ｃはＯＦＦ状態となる。
次に、ＳＷＡ線、ＳＷＢ線、およびＳＷＣ線をハイレベルにする容量選択パルスＡ、容量選択パルスＢ、および容量選択パルスＣが同時に印加され、サンプリングトランジスタ６３０ａ、６３０ｂ、６３０ｃはＯＮ状態となる。なお、加算を行わない場合には、容量選択パルスＡ、容量選択パルスＢ、および容量選択パルスＣのいずれか１つが印加され、サンプリングトランジスタ６３０ａ、６３０ｂ、６３０ｃのいずれか１つのみをＯＮ状態とする。
次に、ＣＳＥＬ（ｍ）線をハイレベルにする列選択パルスｍ、ＣＳＥＬ（ｍ−１）線をハイレベルにする列選択パルスｍ−１、・・・を列選択トランジスタ６５０に順次印加され、各列選択トランジスタ６５０は順次ＯＮ状態となり、サンプリング容量６６０ａとサンプリング容量６６０ｂとサンプリング容量６６０ｃとに蓄積された信号電圧が加算されて水平信号線５７０に順次出力される。
特開２０００−２６０７８３号公報
しかしながら、従来の固体撮像装置では、フォトダイオード５０１が生成した信号電荷がオーバーフローするまでの範囲、すなわちフォトダイオード５０１の飽和レベルまでの範囲の光量しか検出することができず、光量が飽和レベルを越えた場合には、ＦＤ部５０６には一定量の信号電荷しか転送されないため、ＦＤ部５０６の電位は一定となり、飽和状態となってしまう。従って、室内から室外を撮影する場合等、極めて明るい（高輝度）被写体と比較的暗い（低輝度）被写体とが混在する場合には、高輝度部分が白とびしたり、低輝度部分が黒つぶれしたりするという問題がある。すなわち、従来の固体撮像装置では、ダイナミックレンジが狭いという問題がある。
ここで、上記問題の解決を図るべく、特開平１１−３１３２５７号公報には、入射光量の対数に対応した信号を出力するようにしてダイナミックレンジを拡大した固体撮影装置が開示されている。しかし、この固体撮影装置では、画素回路の構成要素が多いため、小型化が困難であるという問題がある。
また、ダイナミックレンジを拡大したＣＣＤ型固体撮像装置としては、特許２９８８５５７号公報に記載のものがある。これは、フォトダイオードにおける電荷蓄積時間を変えて撮影し、つまりフォトダイオードが飽和しないような短い時間と充分に長い時間とで撮影し、それらを垂直ＣＣＤで加算することでダイナミックレンジを拡大している。しかし、増幅型固体撮像装置では、短い時間と長い時間とで撮影し、それらを加算することでダイナミックレンジを拡大するものは無い。
そこで、本発明は、かかる問題点に鑑み、高ダイナミックレンジの固体撮像装置を実現することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、増幅型固体撮像装置であって、光を信号電荷に変換して蓄積する光電変換手段と、前記光電変換手段の信号電荷を読み出す読み出し手段とを有し、信号電荷に対応する増幅信号を出力する行列状に配置された複数の単位セルと、第１の期間及び第２の期間の異なる蓄積期間で蓄積された信号電荷が読み出されるように、前記読み出し手段を制御する読み出し制御手段とを備えることを特徴とする。ここで、前記固体撮像装置は、さらに、行を選択する行選択手段と、各列毎の前記単位セルに接続された第１の容量素子及び第２の容量素子と、前記第１の容量素子及び第２の容量素子の一方を選択する容量選択手段とを備え、前記容量選択手段は、前記第１の期間及び第２の期間で蓄積された信号電荷に対応する増幅信号を、それぞれ前記第１の容量素子及び第２の容量素子に蓄積するように選択してもよいし、前記第１の期間及び第２の期間は、１垂直走査期間よりも短くてもよいし、前記第１の期間及び第２の期間のいずれか短い方の期間は、１水平走査期間よりも短くてもよい。また、前記第１の容量素子及び第２の容量素子は、異なる容量値を有してもよい。
これによって、異なる蓄積期間で単位セルに信号電荷が蓄積され、それら信号電荷に対応する増幅信号はそれぞれ異なる容量素子に蓄積されるので、単位セルのフォトダイオードが飽和しないような短い時間と充分に長い時間とで撮影することができ、ダイナミックレンジを拡大することができる。
ここで、前記固体撮像装置は、さらに、前記第１の容量素子及び第２の容量素子と接続された水平信号線を備え、前記容量選択手段は、前記第１の容量素子及び第２の容量素子の増幅信号が前記水平信号線に同時に読み出されるように選択してもよい。
これによって、異なる容量素子に蓄積された増幅信号は水平信号線で加算されるので、フレームメモリ等を新たに設けること無くダイナミックレンジを拡大することができ、チップ面積を増大させること無くダイナミックレンジを拡大することができる。
また、前記行選択手段は、２行以上離れた２つの行を順次選択し、前記読み出し制御手段は、前記２つの行の一方の行の単位セルの信号電荷が読み出される際には、前記第１の期間で蓄積された信号電荷が読み出されるように制御し、他方の行の単位セルの信号電荷が読み出される際には、前記第２の期間で蓄積された信号電荷が読み出されるように制御してもよい。ここで、前記固体撮像装置は、さらに、前記第１の容量素子及び第２の容量素子と接続された水平信号線を備え、前記容量選択手段は、前記第１の容量素子及び第２の容量素子の増幅信号が前記水平信号線に別々に読み出されるように選択してもよいし、前記固体撮像装置は、さらに、前記第１の容量素子及び第２の容量素子のそれぞれと接続された第１の水平信号線及び第２の水平信号線を備えてもよい。
これによって、第１の蓄積期間及び第２の蓄積期間のいずれか短い方の期間を１水平期間よりも長い期間に設定することができるので、蓄積期間を高い自由度を持って設定することができる。
また、前記行選択手段は、前記２行以上離れた２つの行の選択を制御する選択回路を有してもよい。
これによって、論理回路等の選択回路で異なる行の増幅信号の読み出しを実現することができ、複数の読み出し信号を発生させるシフトレジスタを設ける必要が無くなるので、チップ面積を増大させること無くダイナミックレンジを拡大することができる。
また、前記容量選択手段は、前記第１の期間及び第２の期間の比に基づいて選択してもよいし、前記容量選択手段は、前記第１の容量素子及び第２の容量素子に蓄積される増幅信号でＳ／Ｎ比が近くなるように選択してもよい。
これによって、第１の蓄積期間及び第２の蓄積期間の増幅信号を蓄積する容量素子の容量値を最適化することができる。
また、前記容量素子、期間設定手段、容量選択手段及び行選択手段は、ＮＭＯＳ型トランジスタにより構成されてもよい。
これによって、容量はＮ型ＭＯＳトランジスタから構成されるので、応答特性を速くすることができる。更に、２層のポリシリコンではなく、１層のポリシリコンにより容量を形成することが可能となり、製造工程を簡略化することができる。
また、本発明は、増幅型固体撮像装置であって、光を信号電荷に変換して蓄積する光電変換手段と、前記光電変換手段の信号電荷を読み出す読み出し手段とを有し、信号電荷に対応する増幅信号を出力する行列状に配置された複数の単位セルと、第１の期間及び第２の期間の異なる蓄積期間で蓄積された信号電荷が読み出されるように、前記読み出し手段を制御する読み出し制御手段とを備え、前記読み出し制御手段は、前記複数行の前記単位セルの増幅信号の加算をおこなわない場合には、第１の期間及び第２の期間の異なる蓄積期間で蓄積された信号電荷が読み出されるように前記読み出し手段を制御し、記複数行の前記単位セルの増幅信号の加算をおこなう場合には、第３の期間の蓄積期間で蓄積された異なる行の信号電荷が加算して読み出されるように前記読み出し手段を制御することを特徴とする固体撮像装置とすることもできる。ここで、前記固体撮像装置は、さらに、行を選択する行選択手段と、各列毎の前記単位セルに接続された第１の容量素子及び第２の容量素子と、前記第１の容量素子及び第２の容量素子から任意の容量素子を選択する容量選択手段とを備え、前記容量選択手段は、前記複数行の前記単位セルの増幅信号の加算をおこなわない場合には、前記第１の期間及び第２の期間で蓄積された信号電荷に対応する増幅信号を、それぞれ前記第１の容量素子及び第２の容量素子に蓄積するように選択し、前記複数行の前記単位セルの増幅信号の加算をおこなう場合には、前記第３の期間で蓄積された信号電荷に対応する異なる単位セルからの増幅信号を、前記第１の容量素子あるいは第２の容量素子のいずれかに蓄積するように選択してもよい。
これによって、低照度時には加算するモードを用いて感度を向上させ、高照度時には加算しないモードを用いてダイナミックレンジを拡大することができるので、様々な撮像状況に対応可能な増幅型固体撮像装置を実現することができる。
本発明に係る固体撮像装置によれば、チップ面積を増大させること無くダイナミックレンジを拡大することが可能な固体撮像装置を実現することができる。また、高い自由度を持って蓄積期間を設定することが可能な固体撮像装置を実現することができる。また、様々な撮像状況に対応可能な増幅型固体撮像装置を実現することができる。
よって、本発明により、高ダイナミックレンジの固体撮像装置を提供することが可能となり、実用的価値は極めて高い。
以下、本発明の実施の形態おける増幅型固体撮像装置について、図面を参照しながら説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態の増幅型固体撮像装置の構成図である。図１において、図１８と同一の要素には同一の符号が付されており、それらに関する詳しい説明はここでは省略する。
本実施の形態の増幅型固体撮像装置は、従来の固体撮像装置とは異なる信号処理部及び行選択回路を有し、異なる行の単位セルの信号電圧を加算しない第１モードと加算する第２モードとを備える。同増幅型固体撮像装置は、信号処理部１００と、行選択回路１１０と、単位セル５００と、イメージエリア５１０と、第１の垂直信号線５２０と、負荷トランジスタ群５４０と、列選択回路５６０と、水平信号線５７０と、出力アンプ５８０とから構成される。図１では、説明を簡略化するために、ｎ行、ｍ列の単位セル５００が示されている。
単位セル５００は、フォトダイオード５０１と、読み出しトランジスタ５０２と、増幅トランジスタ５０３と、リセットトランジスタ５０４と、垂直選択トランジスタ５０５と、ＦＤ部５０６とから構成される。
行選択回路１１０は、垂直選択トランジスタ５０５と共に行選択手段を構成し、単位セル５００を行単位で選択する。また、行選択回路１１０は、読み出し制御手段を構成し、フォトダイオード５０１に信号電荷を蓄積させる期間を制御する。すなわち、第１モードでは、１垂直走査期間よりも短い第１の期間と、第１の期間よりも短い第２の期間とに蓄積期間を設定し、第２モードでは、１垂直走査期間である第３の期間に蓄積期間を設定する。例えば、第２の期間は１水平期間よりも短い期間とされ、第１の期間は１垂直走査期間から第２の期間を差し引いた期間とされる。
ここで、信号処理部１００の回路構成図を図２に示す。図２において、図１９と同一の要素には同一の符号が付されており、それらに関する詳しい説明はここでは省略する。
信号処理部１００は、サンプリングトランジスタ２００ａ、２００ｂと、サンプリングトランジスタ２００ａを介して第２の垂直信号線６２０と接続されたサンプリング容量２１０ａと、サンプリングトランジスタ２００ｂを介して第２の垂直信号線６２０と接続されたサンプリング容量２１０ｂと、パルス発生回路２２０と、サンプルホールドトランジスタ６００と、クランプ容量６１０と、第２の垂直信号線６２０と、クランプトランジスタ６４０と、列選択トランジスタ６５０と、水平信号線５７０と接続された水平信号線容量２３０とから構成される。このとき、クランプ容量６１０の容量値をＣｃｐとする。
サンプリングトランジスタ２００ａは、ＳＷＡ線をハイレベルにする容量選択パルスＡの印加に対応して、ＯＮ状態となり、第２の垂直信号線６２０により伝達された信号電圧をサンプリング容量２１０ａに転送するか、あるいはサンプリング容量２１０ａの信号電圧を第２の垂直信号線６２０に転送する。また、サンプリングトランジスタ２００ｂは、ＳＷＢ線をハイレベルにする容量選択パルスＢの印加に対応してＯＮ状態となり、第２の垂直信号線６２０により伝達された信号電圧をサンプリング容量２１０ｂに転送するか、あるいはサンプリング容量２１０ｂの信号電圧を第２の垂直信号線６２０に転送する。
サンプリング容量２１０ａ、２１０ｂは、第１モードでは、それぞれ第１の期間及び第２の期間で同一行のフォトダイオード５０１に蓄積された信号電荷に対応する信号電圧を蓄積し、第２モードでは、第３の期間でそれぞれ異なる行のフォトダイオード５０１に蓄積された信号電荷に対応する信号電圧を蓄積する。このとき、サンプリング容量２１０ａの容量値をＣｓｐ、サンプリング容量２１０ｂの容量値をＣｓｐとする。
水平信号線容量２３０は、列選択トランジスタ６５０と水平信号線５７０とによる浮遊容量を表したものである。このとき、水平信号線容量２３０の容量値をＣｃｏｍとする。
パルス発生回路２２０は、サンプリングトランジスタ２００ａ、２００ｂと共に容量選択手段を構成し、サンプリング容量２１０ａ、２１０ｂから信号電圧を蓄積する任意のサンプリング容量を選択する。つまり、第１モードでは、第１の期間で蓄積された信号電荷に対応する信号電圧がサンプリング容量２１０ａに蓄積され、第２の期間で蓄積された信号電荷に対応する信号電圧がサンプリング容量２１０ｂに蓄積されるようにサンプリング容量を選択し、第２モードでは、第３の期間で蓄積された異なる単位セルからの信号電荷に対応する信号電圧がサンプリング容量２１０ａ、２１０ｂのいずれか一方に蓄積されるようにサンプリング容量を選択する。また、パルス発生回路２２０は、サンプリング容量２１０ａ、２１０ｂに蓄積された信号電圧が同時に水平信号線５７０に読み出されるようにサンプリング容量を選択する。
以下で上記構成を有する増幅型固体撮像装置の動作（第１モードの動作）について、図３に示す駆動タイミングチャートに沿って説明する。
まず、ｎ行目の単位セル５００が選択されると、ＬＳＥＴ（ｎ）線をハイレベルにする行選択パルス（ｎ）がｎ行目の単位セル５００の垂直選択トランジスタ５０５に印加される。垂直選択トランジスタ５０５はＯＮ状態となり、増幅トランジスタ５０３と負荷トランジスタ群５４０とでソースフォロア回路が形成され、単位セル５００の電源電圧に追従した電圧がそのソースフォロア回路から第１の垂直信号線５２０に出力される。
次に、ＳＰ線をハイレベルにするサンプリングパルスがサンプルホールドトランジスタ６００に印加される。サンプルホールドトランジスタ６００は、ＯＮ状態となり、ソースフォロア回路から第１の垂直信号線５２０に出力された電圧がクランプ容量６１０に保持される。このとき、ＣＰ線をハイレベルにするクランプパルスがクランプトランジスタ６４０に印加されているので、クランプトランジスタ６４０はＯＮ状態となり、クランプ容量６１０の第２の垂直信号線６２０側がＣＰＤＣ線の電位にリセットされる。また、同時にＳＷＡ線をハイレベルにする容量選択パルスＡがサンプリングトランジスタ２００ａに印加されているので、サンプリングトランジスタ２００ａはＯＮ状態となり、サンプリング容量２１０ａがＣＰＤＣ線の電位にリセットされる。
次に、ＲＥＳＥＴ（ｎ）線をハイレベルにするリセットパルス（ｎ）がｎ行目の単位セル５００のリセットトランジスタ５０４に印加される。リセットトランジスタ５０４はＯＮ状態となり、ＦＤ部５０６の電位がリセットされる。ＦＤ部５０６に接続している増幅トランジスタ５０３のゲート電圧はＦＤ部５０６の電位となり、この電圧に応じた電圧、具体的には（ＦＤ部の電位−Ｖｔ）×αで与えられる電圧が第１の垂直信号線５２０に出力される。
次に、ＣＰ線をローレベルにするクランプパルスが印加され、クランプトランジスタ６４０がＯＦＦ状態となり、第２の垂直信号線６２０はフローティング状態となる。
次に、ＲＥＡＤ（ｎ）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｎ）がｎ行目の単位セル５００の読み出しトランジスタ５０２に印加される。読み出しトランジスタ５０２はＯＮ状態となり、フォトダイオード５０１に蓄積された信号電荷がＦＤ部５０６に転送される。ＦＤ部５０６に接続している増幅トランジスタ５０３のゲート電圧はＦＤ部５０６の電位となり、この電圧とほぼ同等の電圧が第１の垂直信号線５２０に出力される。このとき、ＣＰ線をローレベルにするクランプパルスがクランプトランジスタ６４０に印加されているので、クランプトランジスタ６４０はＯＦＦ状態となり、サンプリング容量２１０ａには、ＦＤ部５０６の電位がリセットされたときに第１の垂直信号線５２０に出力された電圧と、フォトダイオード５０１に蓄積した信号電荷がＦＤ部５０６に転送されたときに第１の垂直信号線５２０に出力された電圧との差がｎ行目の単位セル５００の第１の期間の信号電圧として蓄積される。そして、ＳＷＡ線をローレベルにする容量選択パルスＡ、及びＲＥＡＤ（ｎ）線をローレベルにする読み出しパルス（ｎ）が印加され、サンプリングトランジスタ２００ａ及びｎ行目の単位セル５００の読み出しトランジスタ５０２はそれぞれＯＦＦ状態となる。
ここで、サンプリング容量２１０ａに蓄積される第１の期間の信号電圧は、第２の期間の信号電圧の読み出しのためにＲＥＡＤ（ｎ）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｎ）が前回印加されてから、第１の期間の信号電圧の読み出しのためにＲＥＡＤ（ｎ）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｎ）が再び今回印加されるまでにフォトダイオード５０１に蓄積された信号電荷に対応する。
次に、ＳＰ線をハイレベルにするサンプリングパルス、及びＣＰ線をハイレベルにするクランプパルスが印加される。このとき、同時にＳＷＢ線をハイレベルにする容量選択パルスＢが印加されているので、サンプリングトランジスタ２００ｂはＯＮ状態となり、サンプリング容量２１０ｂがＣＰＤＣ線の電位にリセットされる。
次に、ＲＥＳＥＴ（ｎ）線をハイレベルにするリセットパルス（ｎ）が印加され、ＦＤ部５０６の電位がリセットされる。
次に、ＣＰ線をローレベルにするクランプパルスがクランプトランジスタ６４０に印加され、第２の垂直信号線６２０はフローティング状態となる。
次に、ＲＥＡＤ（ｎ）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｎ）が再びｎ行目の単位セル５００の読み出しトランジスタ５０２に印加され、フォトダイオード５０１に蓄積された信号電荷がＦＤ部５０６に転送される。ＦＤ部５０６に接続している増幅トランジスタ５０３のゲート電圧はＦＤ部５０６の電位となり、この電圧とほぼ同等の電圧が第１の垂直信号線５２０に出力される。このとき、ＣＰ線をローレベルにするクランプパルスが印加されているので、サンプリング容量２１０ｂには、ｎ行目の単位セル５００の第２の期間の信号電圧が蓄積される。そして、ＳＷＢ線をローレベルにする容量選択パルスＢが印加され、サンプリングトランジスタ２００ｂはＯＦＦ状態となる。
ここで、サンプリング容量２１０ｂに蓄積される第２の期間の信号電圧は、第１の期間の信号電圧の読み出しのためにＲＥＡＤ（ｎ）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｎ）が前回印加されてから、第２の期間の信号電圧の読み出しのためにＲＥＡＤ（ｎ）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｎ）が再び今回印加されるまでにフォトダイオード５０１に蓄積された信号電荷に対応する。
次に、ＳＷＡ線及びＳＷＢ線をハイレベルにする容量選択パルスＡ及び容量選択パルスＢが同時に印加される。
次に、ＣＳＥＬ（ｋ）線をハイレベルにする列選択パルス（ｋ）、ＣＳＥＬ（ｋ＋１）線をハイレベルにする列選択パルス（ｋ＋１）、・・・が列選択トランジスタ６５０に順次印加される。各列選択トランジスタ６５０は順次ＯＮ状態となり、サンプリング容量２１０ａ及びサンプリング容量２１０ｂに蓄積された信号電圧が加算されて水平信号線５７０に順次出力される。
以下で、本発明の実施の形態における増幅型固体撮像装置の動作（第２モードの動作）について、図４に示す駆動タイミングチャートに沿って説明する。
まず、ｎ行目の単位セル５００が選択されると、ＬＳＥＴ（ｎ）線をハイレベルにする行選択パルス（ｎ）がｎ行目の単位セル５００の垂直選択トランジスタ５０５に印加される。垂直選択トランジスタ５０５はＯＮ状態となり、増幅トランジスタ５０３と負荷トランジスタ群５４０とでソースフォロア回路が形成され、単位セル５００の電源電圧に追従した電圧がそのソースフォロア回路から第１の垂直信号線５２０に出力される。
次に、ＳＰ線をハイレベルにするサンプリングパルスがサンプルホールドトランジスタ６００に印加され、ソースフォロア回路から第１の垂直信号線５２０に出力された電圧がクランプ容量６１０に保持される。このとき、ＣＰ線をハイレベルにするクランプパルスがクランプトランジスタ６４０に印加されているので、クランプ容量６１０の第２の垂直信号線６２０側がＣＰＤＣ線の電位にリセットされる。また、同時にＳＷＡ線をハイレベルにする容量選択パルスＡがサンプリングトランジスタ２００ａに印加されているので、サンプリング容量２１０ａがＣＰＤＣ線の電位にリセットされる。
次に、ＲＥＳＥＴ（ｎ）線をハイレベルにするリセットパルス（ｎ）がｎ行目の単位セル５００のリセットトランジスタ５０４に印加される。リセットトランジスタ５０４はＯＮ状態となり、ＦＤ部５０６の電位がリセットされる。ＦＤ部５０６に接続している増幅トランジスタ５０３のゲート電圧はＦＤ部５０６の電位となり、この電圧に応じた電圧が第１の垂直信号線５２０に出力される。
次に、ＣＰ線をローレベルにするクランプパルスが印加され、クランプトランジスタ６４０がＯＦＦ状態となり、第２の垂直信号線６２０はフローティング状態となる。
次に、ＲＥＡＤ（ｎ）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｎ）がｎ行目の単位セル５００の読み出しトランジスタ５０２に印加され、フォトダイオード５０１に蓄積された信号電荷がＦＤ部５０６に転送される。ＦＤ部５０６に接続している増幅トランジスタ５０３のゲート電圧はＦＤ部５０６の電位となり、この電圧とほぼ同等の電圧が第１の垂直信号線５２０に出力される。このとき、ＣＰ線をローレベルにするクランプパルスがクランプトランジスタ６４０に印加されているので、サンプリング容量２１０ａには、ｎ行目の単位セル５００の第３の期間の信号電圧が蓄積される。そして、ＳＷＡ線をローレベルにする容量選択パルスＡ、及びＲＥＡＤ（ｎ）線をローレベルにする読み出しパルス（ｎ）が印加される。
次に、ｎ＋１行目の単位セル５００が選択され、ＳＷＢ線をハイレベルにする容量選択パルスＢが印加され、同様の動作が繰り返されることで、サンプリング容量２１０ｂには、ｎ＋１行目の単位セル５００の第３の期間の信号電圧が蓄積される。そして、ＳＷＢ線をローレベルにする容量選択パルスＢが印加され、サンプリングトランジスタ２００ｂはＯＦＦ状態となる。
ここで、サンプリング容量２１０ａ、２１０ｂにそれぞれ蓄積される第３の期間の信号電圧は、第３の期間の信号電圧の読み出しのためにＲＥＡＤ（ｎ）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｎ）が前回印加されてから、第３の期間の信号電圧の読み出しのためにＲＥＡＤ（ｎ）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｎ）が再び今回印加されるまでにフォトダイオード５０１に蓄積された信号電荷に対応する。
次に、ＳＷＡ線及びＳＷＢ線をハイレベルにする容量選択パルスＡ及び容量選択パルスＢが同時に印加される。
次に、ＣＳＥＬ（ｋ）線をハイレベルにする列選択パルス（ｋ）、ＣＳＥＬ（ｋ＋１）線をハイレベルにする列選択パルス（ｋ＋１）、・・・が列選択トランジスタ６５０に順次印加される。各列選択トランジスタ６５０は順次ＯＮ状態となり、サンプリング容量２１０ａ及びサンプリング容量２１０ｂに蓄積された信号電圧が加算されて水平信号線５７０に順次出力される。
図５は、本実施の形態の増幅型固体撮像装置における信号出力−入射光強度特性を示す図である。
図５から、第１の期間で蓄積された信号電荷に対応する信号出力は、入射光強度Ａで飽和し、入射光強度が入射光強度Ａより大きい領域では増大しないことがわかる。また一方、第２の期間で蓄積された信号電荷に対応する信号出力は、入射光強度Ａで飽和せず、入射光強度が入射光強度Ａより大きい領域でも増大することがわかる。よって、加算された第１の期間及び第２の期間で蓄積された信号電荷に対応する信号出力は、入射光強度が大きい領域でも飽和しないことがわかる。すなわち、ダイナミックレンジが拡大していることがわかる。
以上のように、本実施の形態の増幅型固体撮像装置によれば、異なる蓄積時間でフォトダイオード５０１に信号電荷が蓄積され、それら信号電荷に対応する信号電圧はそれぞれ異なるサンプリング容量に蓄積される。よって、フォトダイオードが飽和しないような短い時間と充分に長い時間とで撮影することができるので、本実施の形態の増幅型固体撮像装置は、ダイナミックレンジを拡大することができる。
また、本実施の形態の増幅型固体撮像装置によれば、異なるサンプリング容量に蓄積された信号電圧は水平信号線５７０に同時に読み出されて加算される。よって、フレームメモリ等を新たに設けること無くダイナミックレンジを拡大することができるので、本実施の形態の増幅型固体撮像装置は、チップ面積を増大させること無くダイナミックレンジを拡大することができる。
また、本実施の形態の増幅型固体撮像装置によれば、異なる行の単位セル５００の信号電圧を加算する第２モードと、加算しない第１モードの両モードを実現することができる。よって、低照度時には加算する第２モードを用いて感度を向上させ、高照度時には加算しない第１モードを用いてダイナミックレンジを拡大することができるので、本実施の形態の増幅型固体撮像装置は、様々な撮像状況に対応可能な増幅型固体撮像装置を実現することができる。
（第２の実施の形態）
図６は、本実施の形態の増幅型固体撮像装置の構成図である。図６において、図１と同一の要素には同一の符号が付されており、それらに関する詳しい説明はここでは省略する。
本実施の形態の増幅型固体撮像装置は、第１の実施の形態の固体撮像装置とは異なる信号処理部及び行選択回路を有し、信号処理部７００と、行選択回路７１０、７２０と、単位セル５００と、イメージエリア５１０と、第１の垂直信号線５２０と、負荷トランジスタ群５４０及び列選択回路５６０と、水平信号線５７０と、出力アンプ５８０とから構成される。
行選択回路７１０、７２０は、それぞれ垂直選択トランジスタ５０５と共に行選択手段を構成し、２行以上離れた単位セル５００を行単位で選択する。また、行選択回路７１０、７２０は、読み出し制御手段を構成し、フォトダイオード５０１に信号電荷を蓄積させる期間を制御する。すなわち、第１モードでは、１垂直走査期間よりも短い第１の期間と、第１の期間よりも短い第２の期間とに蓄積期間を設定し、第２モードでは、１垂直走査期間である第３の期間に蓄積期間を設定する。例えば、第２の期間は１水平期間よりも長い期間とされ、第１の期間は１垂直走査期間から第２の期間を差し引いた期間とされる。
ここで、信号処理部７００の回路構成図を図７に示す。図７において、図２と同一の要素には同一の符号が付されており、それらに関する詳しい説明はここでは省略する。
信号処理部７００は、サンプリングトランジスタ８００ａ、８００ｂと、サンプリングトランジスタ８００ａを介して第２の垂直信号線６２０と接続されたサンプリング容量８１０ａと、サンプリングトランジスタ８００ｂを介して第２の垂直信号線６２０と接続されたサンプリング容量８１０ｂと、パルス発生回路８２０と、サンプルホールドトランジスタ６００と、クランプ容量６１０と、第２の垂直信号線６２０と、クランプトランジスタ６４０と、列選択トランジスタ６５０と、水平信号線容量２３０とから構成される。
サンプリングトランジスタ８００ａは、ＳＷＡ線をハイレベルにする容量選択パルスＡの印加に対応して、ＯＮ状態となり、第２の垂直信号線６２０により伝達された信号電圧をサンプリング容量８１０ａに転送するか、あるいはサンプリング容量８１０ａの信号電圧を第２の垂直信号線６２０に転送する。また、サンプリングトランジスタ８００ｂは、ＳＷＢ線をハイレベルにする容量選択パルスＢの印加に対応してＯＮ状態となり、第２の垂直信号線６２０により伝達された信号電圧をサンプリング容量８１０ｂに転送するか、あるいはサンプリング容量８１０ｂの信号電圧を第２の垂直信号線６２０に転送する。
サンプリング容量８１０ａ、８１０ｂは、第１モードでは、それぞれ第１の期間及び第２の期間でフォトダイオード５０１に蓄積された信号電荷に対応する信号電圧を蓄積し、第２モードでは、第３の期間でそれぞれ異なる行のフォトダイオード５０１に蓄積された信号電荷に対応する信号電圧を蓄積する。このとき、サンプリング容量８１０ａの容量値をＣｓｐ、サンプリング容量８１０ｂの容量値をＣｓｐとする。
パルス発生回路８２０は、サンプリングトランジスタ８００ａ、８００ｂと共に容量選択手段を構成し、サンプリング容量８１０ａ、８１０ｂから信号電圧を蓄積する任意のサンプリング容量を選択する。つまり、第１モードでは、第１の期間で蓄積された信号電荷に対応する信号電圧がサンプリング容量８１０ａに蓄積され、第２の期間で蓄積された信号電荷に対応する信号電圧がサンプリング容量８１０ｂに蓄積されるようにサンプリング容量を選択し、第２モードでは、第３の期間で蓄積された信号電荷に対応する信号電圧がサンプリング容量８１０ａ、８１０ｂのいずれか一方に蓄積されるようにサンプリング容量を選択する。また、パルス発生回路８２０は、サンプリング容量８１０ａ、８１０ｂに蓄積された信号電圧が別々に水平信号線５７０に読み出されるようにサンプリング容量を選択する。
以下で上記構成を有する増幅型固体撮像装置の動作（第１モードの動作）について、図８に示す駆動タイミングチャートに沿って説明する。なお、第２モードの動作は、第１の実施の形態の増幅型固体撮像装置と同様であるため、説明を省略する。
まず、ｎ行目の単位セル５００が選択されると、ＬＳＥＴ（ｎ）線をハイレベルにする行選択パルス（ｎ１）が行選択回路７１０からｎ行目の単位セル５００の垂直選択トランジスタ５０５に印加される。垂直選択トランジスタ５０５はＯＮ状態となり、増幅トランジスタ５０３と負荷トランジスタ群５４０とでソースフォロア回路が形成され、単位セル５００の電源電圧に追従した電圧がそのソースフォロア回路から第１の垂直信号線５２０に出力される。
次に、ＳＰ線をハイレベルにするサンプリングパルスが印加され、ソースフォロア回路から第１の垂直信号線５２０に出力された電圧がクランプ容量６１０に保持される。このとき、ＣＰ線をハイレベルにするクランプパルスが印加されているので、クランプ容量６１０の第２の垂直信号線６２０側がＣＰＤＣ線の電位にリセットされる。また、同時にＳＷＡ線をハイレベルにする容量選択パルスＡが印加されているので、サンプリングトランジスタ８００ａはＯＮ状態となり、サンプリング容量８１０ａがＣＰＤＣ線の電位にリセットされる。
次に、ＲＥＳＥＴ（ｎ）線をハイレベルにするリセットパルス（ｎ１）が行選択回路７１０からｎ行目の単位セル５００のリセットトランジスタ５０４に印加され、ＦＤ部５０６の電位がリセットされる。
次に、ＣＰ線をローレベルにするクランプパルスが印加され、第２の垂直信号線６２０はフローティング状態となる。
次に、ＲＥＡＤ（ｎ）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｎ１）が行選択回路７１０からｎ行目の単位セル５００の読み出しトランジスタ５０２に印加され、フォトダイオード５０１に蓄積した信号電荷がＦＤ部５０６に転送される。ＦＤ部５０６に接続している増幅トランジスタ５０３のゲート電圧はＦＤ部５０６の電位となり、この電圧とほぼ同等の電圧が第１の垂直信号線５２０に出力される。このとき、ＣＰ線をローレベルにするクランプパルスが印加されているので、サンプリング容量８１０ａにはｎ行目の単位セル５００の第１の期間の信号電圧が蓄積される。そして、ＳＷＡ線をローレベルにする容量選択パルスＡ、及びＲＥＡＤ（ｎ）線をローレベルにする読み出しパルス（ｎ１）が印加される。
ここで、サンプリング容量８１０ａに蓄積される第１の期間の信号電圧は、ｎ行目の単位セル５００の第２の期間の信号電圧の読み出しのためにＲＥＡＤ（ｎ）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｎ２）が行選択回路７２０から印加されてから、ｎ行目の単位セル５００の第１の期間の信号電圧の読み出しのためにＲＥＡＤ（ｎ）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｎ１）が行選択回路７１０から今回印加されるまでにフォトダイオード５０１に蓄積された信号電荷に対応する。
次に、ｍ行目の単位セル５００が選択されると、ＬＳＥＴ（ｍ）線をハイレベルにする行選択パルス（ｍ２）が行選択回路７２０からｍ行目の単位セル５００の垂直選択トランジスタ５０５に印加される。垂直選択トランジスタ５０５はＯＮ状態となり、増幅トランジスタ５０３と負荷トランジスタ群５４０とでソースフォロア回路が形成され、単位セル５００の電源電圧に追従した電圧がそのソースフォロア回路から第１の垂直信号線５２０に出力される。
次に、ＳＰ線をハイレベルにするサンプリングパルス、及びＣＰ線をハイレベルにするクランプパルスが印加される。このとき、同時にＳＷＢ線をハイレベルにする容量選択パルスＢが印加されているので、サンプリングトランジスタ８００ｂはＯＮ状態となり、サンプリング容量８１０ｂがＣＰＤＣ線の電位にリセットされる。
次に、ｍ行目の単位セル５００のリセットトランジスタ５０４とつながれたＲＥＳＥＴ（ｍ）線をハイレベルにするリセットパルス（ｍ２）が行選択回路７２０から印加され、ＦＤ部５０６の電位がリセットされる。
次に、ＣＰ線をローレベルにするクランプパルスが印加され、第２の垂直信号線６２０はフローティング状態となる。
次に、ｍ行目の単位セル５００の読み出しトランジスタ５０２とつながれたＲＥＡＤ（ｍ）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｍ２）が行選択回路７２０から印加され、フォトダイオード５０１に蓄積した信号電荷がＦＤ部５０６に転送される。ＦＤ部５０６に接続している増幅トランジスタ５０３のゲート電圧はＦＤ部５０６の電位となり、この電圧とほぼ同等の電圧が第１の垂直信号線５２０に出力される。このとき、ＣＰ線をローレベルにするクランプパルスが印加されているので、サンプリング容量８１０ｂにはｍ行目の単位セル５００の第２の期間の信号電圧が蓄積される。そして、ＳＷＢ線をローレベルにする容量選択パルスＢが印加される。
ここで、サンプリング容量８１０ｂに蓄積される第２の期間の信号電圧は、ｍ行目の単位セル５００の第１の期間の信号電圧の蓄積のためにＲＥＡＤ（ｍ）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｍ１）が行選択回路７１０から印加されてから、ｍ行目の単位セル５００の第２の期間の信号電圧の読み出しのためにＲＥＡＤ（ｍ）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｍ２）が行選択回路７２０から今回印加されるまでにフォトダイオード５０１に蓄積された信号電荷に対応する。
次に、ＣＳＥＬ（ｋ）線をハイレベルにする列選択パルス（ｋ）が印加され、ｋ列目の列選択トランジスタ６５０はＯＮ状態となる。その後、ＳＷＡ線をハイレベルにする容量選択パルスＡが印加され、サンプリング容量８１０ａに蓄積された信号電圧が水平信号線５７０に出力される。さらにその後、ＳＷＢ線をハイレベルにする容量選択パルスＢが印加され、サンプリング容量８１０ｂに蓄積された信号電圧が水平信号線５７０に出力される。
次に、列選択パルスの印加、容量選択パルスＡの印加、及び容量選択パルスＢの印加を全ての列選択トランジスタ６５０に対して行う。
以上のように、本実施の形態の増幅型固体撮像装置によれば、第１の実施の形態の増幅型固体撮像装置と同様に、ダイナミックレンジを拡大するこが可能な固体撮像装置を実現することができる。
また、本実施の形態の増幅型固体撮像装置によれば、第１の実施の形態の増幅型固体撮像装置と同様に、様々な撮像状況に対応可能な増幅型固体撮像装置を実現することができる。
また、本実施の形態の増幅型固体撮像装置によれば、第１の実施の形態の増幅型固体撮像装置と異なり、第１の期間及び第２の期間のいずれか短い方の期間を１水平期間よりも長い期間に設定することができるので、高い自由度を持って蓄積期間を設定することが可能な固体撮像装置を実現することができる。
なお、本実施の形態の増幅型固体撮像装置において、第２の垂直信号線６２０にはサンプリングトランジスタ８００ａ、８００ｂを介して２つのサンプリング容量８１０ａ、８１０ｂが接続され、第１の期間の信号電圧及び第２の期間の信号電圧の蓄積には、それぞれ１つのサンプリング容量が使用されるとした。しかし、第２の垂直信号線６２０には複数のサンプリング容量が接続され、第１の期間の信号電圧及び第２の期間の信号電圧の蓄積には、それぞれ複数のサンプリング容量が使用されてもよい。例えば図９に示されるように、第２の垂直信号線６２０にはサンプリングトランジスタ８００ａ、８００ｂ、８００ｃを介して３つのサンプリング容量８１０ａ、８１０ｂ、８１０ｃが接続され、第１の期間の信号電圧及び第２の期間の信号電圧の蓄積には、それぞれ１つ又は２つのサンプリング容量が使用されてもよい。
このとき、第１の期間の信号電圧の蓄積に使用されるサンプリング容量の数、及び第２の期間の信号電圧の蓄積に使用されるサンプリング容量の数は以下のように最適化される。
第１の期間（ｔ１）及び第２の期間（ｔ２）でフォトダイオード５０１に蓄積された信号電荷に対応する信号電圧をそれぞれＳＩＧ１及びＳＩＧ２とすると、信号比はＳＩＧ１：ＳＩＧ２＝ｔ１：ｔ２となり、出力アンプ５８０を含む後段回路にてＮという一定のノイズが存在するとすれば、第２の期間の信号のＳ／Ｎ比（信号対雑音比）は第１の期間の信号に対してｔ２／ｔ１に比例して劣化する。従って、第１の期間の信号と第２の期間の信号とのＳ／Ｎ比を同等にするために、各期間の信号電圧を蓄積するサンプリング容量の容量値を最適化することが好ましい。
以上で述べたことに基づいて、第１の期間の信号電圧の蓄積に使用されるサンプリング容量の容量値Ｃｓｐ１、及び第２の期間の信号電圧の蓄積に使用されるサンプリング容量の容量値Ｃｓｐ２の最適化をおこなうための（１）式が導出される。（１）式において、左辺は第１の期間の信号に対するゲインに第１の期間を積算したものであり、右辺は第２の期間の信号に対するゲインに第２の期間を積算したものである。式（１）は、前述のようにＳ／Ｎ比が同等となるために信号出力が同一となることを示している。
ｔ１×（Ｃｃｐ／（Ｃｃｐ＋Ｃｓｐ１））／（Ｃｓｐ１／（Ｃｓｐ１＋Ｃｃｏｍ））＝
ｔ２×（Ｃｃｐ／（Ｃｃｐ＋Ｃｓｐ２））／（Ｃｓｐ２／（Ｃｓｐ２＋Ｃｃｏｍ））
・・・（１）
第１の期間の信号電圧の蓄積に使用されるサンプリング容量の最適な数、及び第２の期間の信号電圧の蓄積に使用されるサンプリング容量の最適な数は、（１）式を用いて算出される。例えばＣｃｐ及びＣｃｏｍがそれぞれ５ｐＦである場合には、（１）式からｔ１／ｔ２＝Ｃｓｐ１／Ｃｓｐ２となり、例えばｔ１：ｔ２＝２：１であればＣｓｐ１＝２Ｃｓｐ２となる。従って、図９に示される信号処理部７００においては、第１の期間の信号電圧の蓄積及び第２の期間の信号電圧の蓄積に使用されるサンプリング容量の最適な数は、それぞれ２個及び１個となり、図１０に示されるような駆動タイミングチャートに沿って動作することとなる。すなわち、パルス発生回路１０２０は、第１の期間で蓄積された信号電荷に対応する信号電圧がサンプリング容量８１０ａ、８１０ｂに蓄積され、第２の期間で蓄積された信号電荷に対応する信号電圧がサンプリング容量８１０ｃに蓄積されるようにサンプリング容量を選択し、サンプリング容量８１０ａ、８１０ｂとサンプリング容量８１０ｃとに蓄積された信号電圧が別々に水平信号線５７０に読み出されるようにサンプリング容量を選択する。このとき第１の期間及び第２の期間の各信号及び加算された信号は、図１１に示されるような出力となる。
ここで、例えばｔ１：ｔ２＝５：１であればＣｓｐ１＝５Ｃｓｐ２となり、３つのサンプリング容量しか含まない図９に示される信号処理部７００においては、Ｓ／Ｎ比が同一となるように最適分配することが不可能になる。しかし、この場合には、異なる蓄積期間の信号電圧の蓄積にそれぞれ最低１個以上のサンプリング容量を使用することを前提とした上で、信号電圧の大きい蓄積期間の長い信号が標準となるので、蓄積期間の長い信号のゲインが、蓄積期間の短い信号のゲインより高くなるようにサンプリング容量が分配される。
また、本実施の形態の増幅型固体撮像装置において、複数の第２の垂直信号線６２０は列選択トランジスタ６５０を介して１本の水平信号線５７０にそれぞれ接続されるとした。しかし、複数の第２の垂直信号線は、列選択トランジスタを介して複数本の水平信号線にそれぞれ接続されてもよい。例えば、図１２に示すように、複数の第２の垂直信号線６２０は列選択トランジスタ６５０を介して２本の第１の水平信号線５７０ａ及び第２の水平信号線５７０ｂにそれぞれ接続されてもよい。このとき、増幅型固体撮像装置は図１３に示されるような駆動タイミングチャートに沿って動作し、ＣＳＥＬ１（ｋ）をハイレベルにする列選択パルス（ｋ１）の印加に応じて、サンプリング容量８１０ａは第１の水平信号線５７０ａと接続され、ＣＳＥＬ２（ｋ）をハイレベルにする列選択パルス（ｋ２）の印加に応じて、サンプリング容量８１０ｂは第２の水平信号線５７０ｂと接続される。すなわち、サンプリング容量８１０ａ、８１０ｂに蓄積された信号電圧は、水平信号線で加算されること無く別々に出力される。
（第３の実施の形態）
図１４は、本実施の形態の増幅型固体撮像装置の構成図である。図１４において、図６と同一の要素には同一の符号が付されており、それらに関する詳しい説明はここでは省略する。
本実施の形態の増幅型固体撮像装置は、第２の実施の形態の固体撮像装置とは異なる信号処理部及び行選択回路を有し、信号処理部１５００と、行選択回路１５１０と、各行の単位セル５００につながれたＡＮＤゲートを複数有する論理回路１５２０と、単位セル５００と、イメージエリア５１０と、第１の垂直信号線５２０と、負荷トランジスタ群５４０及び列選択回路５６０と、水平信号線５７０と、出力アンプ５８０とから構成される。
行選択回路１５１０及び論理回路１５２０は、垂直選択トランジスタ５０５と共に行選択手段を構成し、２行以上離れた単位セル５００を行単位で選択する。また、行選択回路１５１０及び論理回路１５２０は、読み出し制御手段を構成し、フォトダイオード５０１に信号電荷を蓄積させる期間を制御する。すなわち、第１モードでは、１垂直走査期間よりも短い第１の期間と、第１の期間よりも短い第２の期間とに蓄積期間を設定し、第２モードでは、１垂直走査期間である第３の期間に蓄積期間を設定する。例えば、第２の期間は１水平期間よりも長い期間とされ、第１の期間は１垂直走査期間から第２の期間を差し引いた期間とされる。
ここで、信号処理部１５００の回路構成図を図１５に示す。図１５において、図７と同一の要素には同一の符号が付されており、それらに関する詳しい説明はここでは省略する。
信号処理部１５００は、サンプリングトランジスタ８００ａ、８００ｂと、サンプリング容量８１０ａ、８１０ｂと、サンプルホールドトランジスタ６００と、クランプ容量６１０と、第２の垂直信号線６２０と、クランプトランジスタ６４０と、列選択トランジスタ６５０と、パルス発生回路１６２０と、水平信号線容量２３０とから構成される。
パルス発生回路１６２０は、サンプリングトランジスタ８００ａ、８００ｂと共に容量選択手段を構成し、サンプリング容量８１０ａ、８１０ｂから信号電圧を蓄積する任意のサンプリング容量を選択する。つまり、第１モードでは、第１の期間で蓄積された信号電荷に対応する信号電圧がサンプリング容量８１０ａに蓄積され、第２の期間で蓄積された信号電荷に対応する信号電圧がサンプリング容量８１０ｂに蓄積されるようにサンプリング容量を選択し、第２モードでは、第３の期間で蓄積された信号電荷に対応する信号電圧がサンプリング容量８１０ａ、８１０ｂのいずれか1方に蓄積されるようにサンプリング容量を選択する。また、パルス発生回路１６２０は、サンプリング容量８１０ａ、８１０ｂに蓄積された信号電圧が別々に水平信号線５７０に読み出されるようにサンプリング容量を選択する。
以下で上記構成を有する増幅型固体撮像装置の動作（第１モードの動作）について、図１６に示す駆動タイミングチャートに沿って説明する。なお、第２モードの動作は、第１の実施の形態の増幅型固体撮像装置と同様であるため、説明を省略する。
まず、ｎ行目及びｍ行目の単位セル５００が選択されると、ＬＳＥＴ（ｎ）線及びＬＳＥＴ（ｍ）をハイレベルにする行選択パルス（ｎ１、ｍ２）が、ｎ行目及びｍ行目の単位セル５００とそれぞれつながれたＡＮＤゲートの一方の入力端子に行選択回路１５１０から供給される。このとき、ｎ行は奇数行であり、ｍ行は偶数行である。
次に、奇数行の単位セル５００とつながれたＡＮＤゲートの他方の入力端子に信号を伝達するＯＤＤ線をハイレベルにする出力信号制御パルスＯＤＤが論理回路１５２０に供給される。ｎ行目の単位セル５００とつながれたＡＮＤゲートの論理積は１となり、ＡＮＤゲートの一方の入力端子に供給されたパルス、つまりＬＳＥＴ（ｎ）線をハイレベルにする行選択パルス（ｎ１、ｍ２）がｎ行目の単位セル５００の垂直選択トランジスタ５０５に印加される。垂直選択トランジスタ５０５はＯＮ状態となり、増幅トランジスタ５０３と負荷トランジスタ群５４０とでソースフォロア回路が形成され、単位セル５００の電源電圧に追従した電圧がそのソースフォロア回路から第１の垂直信号線５２０に出力される。
次に、ＳＰ線をハイレベルにするサンプリングパルスが印加され、ソースフォロア回路から第１の垂直信号線５２０に出力された電圧をクランプ容量６１０に保持する。このとき、ＣＰ線をハイレベルにするクランプパルスが印加されているので、クランプ容量６１０の第２の垂直信号線６２０側がＣＰＤＣ線の電位にリセットされる。また、同時にＳＷＡ線をハイレベルにする容量選択パルスＡが印加されているので、サンプリング容量８１０ａがＣＰＤＣ線の電位にリセットされる。
次に、ＲＥＳＥＴ（ｎ）線及びＲＥＳＥＴ（ｍ）線をハイレベルにするリセットパルス（ｎ１、ｍ２）がｎ行目及びｍ行目の単位セル５００とそれぞれつながれたＡＮＤゲートの一方の入力端子に行選択回路１５１０から供給される。このとき、ＯＤＤ線をハイレベルにする出力信号制御パルスＯＤＤがＡＮＤゲートの他方の入力端子に供給されているので、ｎ行目の単位セル５００とつながれたＡＮＤゲートの論理積は１となり、ＲＥＳＥＴ（ｎ）線をハイレベルにするリセットパルス（ｎ１、ｍ２）がｎ行目の単位セル５００のリセットトランジスタ５０４に印加される。リセットトランジスタ５０４はＯＮ状態となり、ＦＤ部５０６の電位がリセットされる。
次に、ＣＰ線をローレベルにするクランプパルスが印加され、第２の垂直信号線６２０はフローティング状態となる。
次に、ＲＥＡＤ（ｎ）線及びＲＥＡＤ（ｍ）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｎ１、ｍ２）がｎ行目及びｍ行目の単位セル５００とそれぞれつながれたＡＮＤゲートの一方の入力端子に行選択回路１５１０から供給される。このとき、ＯＤＤ線をハイレベルにする出力信号制御パルスＯＤＤがＡＮＤゲートの他方の入力端子に供給されているので、ｎ行目の単位セル５００とつながれたＡＮＤゲートの論理積は１となり、ＲＥＡＤ（ｎ）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｎ１、ｍ２）がｎ行目の単位セル５００の読み出しトランジスタ５０２に印加される。読み出しトランジスタ５０２はＯＮ状態となり、フォトダイオード５０１に蓄積した信号電荷がＦＤ部５０６に転送される。ＦＤ部５０６に接続している増幅トランジスタ５０３のゲート電圧はＦＤ部５０６の電位となり、この電圧とほぼ同等の電圧が第１の垂直信号線５２０に出力される。このとき、ＣＰ線をローレベルにするクランプパルスが印加されているので、サンプリング容量８１０ａには、ｎ行目の単位セル５００の第１の期間の信号電圧が蓄積される。そして、ＳＷＡ線をローレベルにする容量選択パルスＡ、及びＲＥＡＤ（ｎ）線をローレベルにする読み出しパルス（ｎ１、ｍ２）が印加される。さらに、ＯＤＤ線をローレベルにする出力信号制御パルスＯＤＤが印加される。
ここで、サンプリング容量８１０ａに蓄積される第１の期間の信号電圧は、ｎ行目の単位セル５００の第２の期間の信号電圧の読み出しのためにＲＥＡＤ（ｎ）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｎ２、ｍ１）が印加されてから、ｎ行目の単位セル５００の第１の期間の信号電圧の読み出しのためにＲＥＡＤ（ｎ）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｎ１、ｍ２）が今回印加されるまでにフォトダイオード５０１に蓄積された信号電荷に対応する。
次に、偶数行の単位セル５００とつながれたＡＮＤゲートの他方の入力端子に信号を伝達するＥＶＥＮ線をハイレベルにする出力信号制御パルスＥＶＥＮが論理回路１５２０に供給される。ｍ行目の単位セル５００とつながれたＡＮＤゲートの論理積は１となり、ＡＮＤゲートの一方の入力端子に供給されたパルス、つまりＬＳＥＴ（ｍ）線をハイレベルにする行選択パルス（ｎ１、ｍ２）がｍ行目の単位セル５００の垂直選択トランジスタ５０５に印加される。垂直選択トランジスタ５０５はＯＮ状態となり、増幅トランジスタ５０３と負荷トランジスタ群５４０とでソースフォロア回路が形成され、単位セル５００の電源電圧に追従した電圧がそのソースフォロア回路から第１の垂直信号線５２０に出力される。
次に、ＳＰ線をハイレベルにするサンプリングパルスが印加され、ソースフォロア回路から第１の垂直信号線５２０に出力された電圧をクランプ容量６１０に保持する。このとき、ＣＰ線をハイレベルにするクランプパルスが印加されているので、クランプ容量６１０の第２の垂直信号線６２０側がＣＰＤＣ線の電位にリセットされる。また、同時にＳＷＢ線をハイレベルにする容量選択パルスＢが印加されているので、サンプリング容量８１０ｂがＣＰＤＣ線の電位にリセットされる。
次に、ＲＥＳＥＴ（ｎ）線及びＲＥＳＥＴ（ｍ）線をハイレベルにするリセットパルス（ｎ１、ｍ２）がｎ行目及びｍ行目の単位セル５００とそれぞれつながれたＡＮＤゲートの一方の入力端子に行選択回路１５１０から供給される。このとき、ＥＶＥＮ線をハイレベルにする出力信号制御パルスＥＶＥＮがＡＮＤゲートの他方の入力端子に供給されているので、ｍ行目の単位セル５００とつながれたＡＮＤゲートの論理積は１となり、ＲＥＳＥＴ（ｍ）線をハイレベルにするリセットパルス（ｎ１、ｍ２）がｍ行目の単位セル５００のリセットトランジスタ５０４に印加される。リセットトランジスタ５０４はＯＮ状態となり、ＦＤ部５０６の電位がリセットされる。
次に、ＣＰ線をローレベルにするクランプパルスが印加され、第２の垂直信号線６２０はフローティング状態となる。
次に、ＲＥＡＤ（ｎ）線及びＲＥＡＤ（ｍ）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｎ１、ｍ２）がｎ行目及びｍ行目の単位セル５００とそれぞれつながれたＡＮＤゲートの一方の入力端子に供給される。このとき、ＥＶＥＮ線をハイレベルにする出力信号制御パルスＥＶＥＮがＡＮＤゲートの他方の入力端子に供給されているので、ｍ行目の単位セル５００とつながれたＡＮＤゲートの論理積は１となり、ＲＥＡＤ（ｍ）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｎ１、ｍ２）がｍ行目の単位セル５００の読み出しトランジスタ５０２に印加される。読み出しトランジスタ５０２はＯＮ状態となり、フォトダイオード５０１に蓄積した信号電荷がＦＤ部５０６に転送される。ＦＤ部５０６に接続している増幅トランジスタ５０３のゲート電圧はＦＤ部５０６の電位となり、この電圧とほぼ同等の電圧が第１の垂直信号線５２０に出力される。このとき、ＣＰ線をローレベルにするクランプパルスが印加されているので、クランプトランジスタ６４０はＯＦＦ状態となり、サンプリング容量８１０ｂには、ｍ行目の単位セル５００の第２の期間の信号電圧が蓄積される。そして、ＳＷＢ線をローレベルにする容量選択パルスＢ、及びＲＥＡＤ（ｍ）線をローレベルにする読み出しパルス（ｎ１、ｍ２）が印加される。さらに、ＥＶＥＮ線をローレベルにする出力信号制御パルスＥＶＥＮが印加される。
ここで、サンプリング容量８１０ｂに蓄積される第２の期間の信号電圧は、ｍ行目の単位セル５００の第１の期間の信号電圧の読み出しのためにＲＥＡＤ（ｍ）をハイレベルにする読み出しパルス（ｎ２、ｍ１）が印加されてから、ｍ行目の単位セル５００の第２の期間の信号電圧の読み出しのためにＲＥＡＤ（ｍ）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｎ１、ｍ２）が今回印加されるまでにフォトダイオード５０１に蓄積された信号電荷に対応する。
次に、ＣＳＥＬ（ｋ）線をハイレベルにする列選択パルス（ｋ）が印加され、ｋ列目の列選択トランジスタ６５０はＯＮ状態となる。その後、ＳＷＡ線をハイレベルにする容量選択パルスＡが印加され、サンプリング容量８１０ａに蓄積された信号電圧が水平信号線５７０に出力される。さらにその後、ＳＷＢ線をハイレベルにする容量選択パルスＢが印加され、サンプリング容量８１０ｂに蓄積された信号電圧が水平信号線５７０に出力される。
次に、列選択パルス、容量選択パルスＡ及び容量選択パルスＢの印加を全ての列選択トランジスタ６５０に対して行う。
次に、ｎ＋１行目及びｍ＋１行目の単位セル５００が選択されると、ＬＳＥＴ（ｎ＋１）線及びＬＳＥＴ（ｍ＋１）線をハイレベルにする行選択パルス（ｎ１＋１、ｍ２＋１）がｎ＋１行目及びｍ＋１行目の単位セル５００とそれぞれつながれたＡＮＤゲートの一方の入力端子に行選択回路１５１０から供給される。このとき、ｎ＋１行は偶数行となり、ｍ＋１行を奇数行となる。
次に、ＥＶＥＮ線をハイレベルにする出力信号制御パルスＥＶＥＮがＡＮＤゲートの他方の入力端子に供給される。ｎ＋１行目の単位セル５００とつながれたＡＮＤゲートの論理積は１となり、ＬＳＥＴ（ｎ＋１）線をハイレベルにする行選択パルス（ｎ１＋１、ｍ２＋１）がｎ＋１行目の単位セル５００の垂直選択トランジスタ５０５に印加される。垂直選択トランジスタ５０５はＯＮ状態となり、増幅トランジスタ５０３と負荷トランジスタ群５４０とでソースフォロア回路が形成され、単位セル５００の電源電圧に追従した電圧がそのソースフォロア回路から第１の垂直信号線５２０に出力される。
次に、ＳＰ線をハイレベルにするサンプリングパルスがサンプルホールドトランジスタ６００に印加され、ソースフォロア回路から第１の垂直信号線５２０に出力された電圧がクランプ容量６１０に保持される。このとき、ＣＰ線をハイレベルにするクランプパルスが印加されているので、クランプ容量６１０の第２の垂直信号線６２０側がＣＰＤＣ線の電位にリセットされる。また、同時にＳＷＡ線をハイレベルにする容量選択パルスＡが印加されているので、サンプリング容量８１０ａがＣＰＤＣ線の電位にリセットされる。
次に、ＲＥＳＥＴ（ｎ＋１）線及びＲＥＳＥＴ（ｍ＋１）線をハイレベルにするリセットパルス（ｎ１＋１、ｍ２＋１）がｎ＋１行目及びｍ＋１行目の単位セル５００とつながれたＡＮＤゲートの一方の入力端子に供給される。このとき、ＥＶＥＮ線をハイレベルにする出力信号制御パルスＥＶＥＮがＡＮＤゲートの他方の入力端子に供給されているので、ｎ＋１行目の単位セル５００とつながれたＡＮＤゲートの論理積は１となり、ＲＥＳＥＴ（ｎ＋１）線をハイレベルにするリセットパルス（ｎ１＋１、ｍ２＋１）がｎ＋１行目の単位セル５００のリセットトランジスタ５０４に印加される。リセットトランジスタ５０４はＯＮ状態となり、ＦＤ部５０６の電位がリセットされる。
次に、ＣＰ線をローレベルにするクランプパルスがクランプトランジスタ６４０に印加され、第２の垂直信号線６２０はフローティング状態となる。
次に、ＲＥＡＤ（ｎ＋１）線及びＲＥＡＤ（ｍ＋１）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｎ１＋１、ｍ２＋１）がｎ＋１行目及びｍ＋１行目の単位セル５００とつながれたＡＮＤゲートの一方の入力端子に行選択回路１５１０から供給される。このとき、ＥＶＥＮ線をハイレベルにする出力信号制御パルスＥＶＥＮがＡＮＤゲートの他方の入力端子に供給されているので、ｎ＋１行目の単位セル５００とつながれたＡＮＤゲートの論理積は１となり、ＲＥＡＤ（ｎ＋１）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｎ１＋１、ｍ２＋１）がｎ＋１行目の単位セル５００の読み出しトランジスタ５０２に印加される。読み出しトランジスタ５０２はＯＮ状態となり、フォトダイオード５０１に蓄積した信号電荷がＦＤ部５０６に転送される。ＦＤ部５０６に接続している増幅トランジスタ５０３のゲート電圧はＦＤ部５０６の電位となり、この電圧とほぼ同等の電圧が第１の垂直信号線５２０に出力される。このとき、ＣＰ線をローレベルにするクランプパルスがクランプトランジスタ６４０に印加されているので、サンプリング容量８１０ａには、ｎ＋１行目の単位セル５００の第１の期間の信号電圧が蓄積される。そして、ＳＷＡ線をローレベルにする容量選択パルスＡ、及びＲＥＡＤ（ｎ＋１）線をローレベルにする読み出しパルス（ｎ１＋１、ｍ２＋１）が印加される。さらに、ＥＶＥＮ線をローレベルにする出力信号制御パルスＥＶＥＮが印加される。
ここで、サンプリング容量８１０ａに蓄積される第１の期間の信号電圧は、ｎ＋１行目の単位セル５００の第２の期間の信号電圧の読み出しのためにＲＥＡＤ（ｎ＋１）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｎ２＋１、ｍ１＋１）が印加されてから、ｎ＋１行目の単位セル５００の第１の期間の信号電圧の読み出しのためにＲＥＡＤ（ｎ＋１）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｎ１＋１、ｍ２＋１）が今回印加されるまでにフォトダイオード５０１に蓄積された信号電荷に対応する。
次に、ＯＤＤ線をハイレベルにする出力信号制御パルスＯＤＤがＡＮＤゲートの他方の入力端子に供給される。ｍ＋１行目の単位セル５００とつながれたＡＮＤゲートの論理積は１となり、ＬＳＥＴ（ｍ＋１）線をハイレベルにする行選択パルス（ｎ１＋１、ｍ２＋１）がｍ＋１行目の単位セル５００の垂直選択トランジスタ５０５に印加される。垂直選択トランジスタ５０５はＯＮ状態となり、増幅トランジスタ５０３と負荷トランジスタ群５４０とでソースフォロア回路が形成され、単位セル５００の電源電圧に追従した電圧がそのソースフォロア回路から第１の垂直信号線５２０に出力される。
次に、ＳＰ線をハイレベルにするサンプリングパルスがサンプルホールドトランジスタ６００に印加され、ソースフォロア回路から第１の垂直信号線５２０に出力された電圧をクランプ容量６１０に保持する。このとき、ＣＰ線をハイレベルにするクランプパルスがクランプトランジスタ６４０に印加されているので、クランプ容量６１０の第２の垂直信号線６２０側がＣＰＤＣ線の電位にリセットされる。また、同時にＳＷＢ線をハイレベルにする容量選択パルスＢが印加されているので、サンプリング容量８１０ｂがＣＰＤＣ線の電位にリセットされる。
次に、ＲＥＳＥＴ（ｎ＋１）及びＲＥＳＥＴ（ｍ＋１）線をハイレベルにするリセットパルス（ｎ１＋１、ｍ２＋１）がｎ＋１行目及びｍ＋１行目の単位セル５００とそれぞれつながれたＡＮＤゲートの一方の入力端子に供給される。このとき、ＯＤＤ線をハイレベルにする出力信号制御パルスＯＤＤが論理ゲートの他方の入力端子に供給されているので、ｍ＋１行目の単位セル５００とつながれたＡＮＤゲートの論理積は１となり、ＲＥＳＥＴ（ｍ＋１）線をハイレベルにするリセットパルス（ｎ１＋１、ｍ２＋１）がｍ＋１行目の単位セル５００のリセットトランジスタ５０４に印加される。リセットトランジスタ５０４はＯＮ状態となり、ＦＤ部５０６の電位がリセットされる。
次に、ＣＰ線をローレベルにするクランプパルスがクランプトランジスタ６４０に印加され、第２の垂直信号線６２０はフローティング状態となる。
次に、ＲＥＡＤ（ｎ＋１）及びＲＥＡＤ（ｍ＋１）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｎ１＋１、ｍ２＋１）がｎ＋１行目及びｍ＋１行目の単位セル５００とそれぞれつながれたＡＮＤゲートの一方の入力端子に行選択回路１５１０から供給される。このとき、ＯＤＤ線をハイレベルにする出力信号制御パルスＯＤＤが論理ゲートの他方の入力端子に供給されているので、ｍ＋１行目の単位セル５００とつながれたＡＮＤゲートの論理積は１となり、ＲＥＡＤ（ｍ＋１）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｎ１＋１、ｍ２＋１）がｍ＋１行目の単位セル５００の読み出しトランジスタ５０２に印加される。読み出しトランジスタ５０２はＯＮ状態となり、フォトダイオード５０１に蓄積した信号電荷がＦＤ部５０６に転送される。ＦＤ部５０６に接続している増幅トランジスタ５０３のゲート電圧はＦＤ部５０６の電位となり、この電圧とほぼ同等の電圧が第１の垂直信号線５２０に出力される。このとき、ＣＰ線をローレベルにするクランプパルスがクランプトランジスタ６４０に印加されているので、サンプリング容量８１０ｂには、ｍ＋１行目の単位セル５００の第２の期間の信号電圧が蓄積される。そして、ＳＷＢ線をローレベルにする容量選択パルスＢ、及びＲＥＡＤ（ｍ＋１）線をローレベルにする読み出しパルス（ｎ１＋１、ｍ２＋１）が印加される。さらに、ＯＤＤ線をローレベルにする出力信号制御パルスＯＤＤが印加される。
ここで、サンプリング容量８１０ｂに蓄積される第２の期間の信号電圧は、ｍ＋１行目の単位セル５００の第１の期間の信号電圧の読み出しのためにＲＥＡＤ（ｍ＋１）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｎ２＋１、ｍ１＋１）が印加されてから、ｍ＋１行目の単位セル５００の第２の期間の信号電圧の読み出しのためにＲＥＡＤ（ｍ＋１）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｎ１＋１、ｍ２＋１）が今回印加されるまでにフォトダイオード５０１に蓄積された信号電荷に対応する。
次に、ＣＳＥＬ（ｋ）線をハイレベルにする列選択パルス（ｋ）が印加され、ｋ列目の列選択トランジスタ６５０はＯＮ状態となる。その後、ＳＷＡ線をハイレベルにする容量選択パルスＡが印加され、サンプリング容量８１０ａに蓄積された信号電圧が水平信号線５７０に出力される。さらにその後、ＳＷＢ線をハイレベルにする容量選択パルスＢが印加され、サンプリング容量８１０ｂに蓄積された信号電圧が水平信号線５７０に出力される。
次に、列選択パルス、容量選択パルスＡ及び容量選択パルスＢの印加を全ての列選択トランジスタ６５０に対して行う。
以上のように、本実施の形態の増幅型固体撮像装置によれば、第２の実施の形態の増幅型固体撮像装置と同様に、ダイナミックレンジを拡大するこが可能な固体撮像装置を実現することができる。
また、本実施の形態の増幅型固体撮像装置によれば、第２の実施の形態の増幅型固体撮像装置と同様に、高い自由度を持って蓄積期間を設定することが可能な固体撮像装置を実現することができる。
また、本実施の形態の増幅型固体撮像装置によれば、行選択回路１５１０と単位セル５００との間に論理回路１５２０を設けることで異なる行の信号電圧の読み出しを行う。よって、複数の読み出し信号を発生させるシフトレジスタを設ける必要が無くなるので、本実施の形態の増幅型固体撮像装置は、チップ面積を増大させること無くダイナミックレンジを拡大することができる。
以上、本発明に係る増幅型固体撮像装置について実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形または修正が可能であることはいうまでもない。
例えば、上記実施の形態では、図１７のタイミングチャートの６１１に示されるように、第１モードにおいて読み出しパルスを印加するタイミングを制御することにより第１の期間と第２の期間とを設定した。しかし、行選択回路は電子シャッターパルスを任意のタイミングで印加し、電子シャッターパルスを印加するタイミングにより第１の期間及び第２の期間を設定してもよい。このとき、第１の期間あるいは第２の期間は、電子シャッターパルスが印加されてから第１の期間あるいは第２の期間の信号電圧の蓄積のために読み出しパルスが印加されるまでの期間となる。例えば、第１の期間は、図１７のタイミングチャートの６１２に示されるように、電子シャッターパルスが印加されてから第１の期間の信号電圧の蓄積のために読み出しパルス（ｎ）が印加されるまでの期間となる。また同様に、第２モードにおける第３の期間についても電子シャッターパルスを使用することで１垂直走査期間以下となることは言うまでもない。
また、上記実施の形態では、容量選択パルスＡ及び容量選択パルスＢを印加し、次に列選択パルス（ｋ）、列選択パルス（ｋ＋１）線を順次印加するとしたが、各容量に蓄積された信号を加算するためには、列選択パルス（ｋ）を印可した後、容量選択パルスＡ及び容量選択パルスＢを順次印加するような方法でも良い。
また、上記実施の形態において、トランジスタおよび容量は、例えばＮ型ＭＯＳトランジスタから構成されてもよい。これによって、列選択トランジスタはＰＭＯＳ型トランジスタと比較して列選択時のオン抵抗が低いＮ型ＭＯＳトランジスタから構成されるので、列選択トランジスタのゲートサイズを小さくすることが可能となり、列選択トランジスタによる飛び込みノイズの影響を低減することができる。また、容量はＮ型ＭＯＳトランジスタから構成されるので、応答特性を速くすることができる。更に、２層のポリシリコンではなく、１層のポリシリコンにより容量を形成することが可能となり、製造工程を簡略化することができる。
本発明は、固体撮像装置に利用でき、特にデジタルスチルカメラ等の携帯機器の画像入力素子等に利用することができる。
本発明の第１の実施の形態の増幅型固体撮像装置の構成図である。 同実施の形態の増幅型固体撮像装置の信号処理部の回路構成図である。 同実施の形態の増幅型固体撮像装置の動作（第１モードの動作）を示す駆動タイミングチャートである。 同実施の形態の増幅型固体撮像装置の動作（第２モードの動作）を示す駆動タイミングチャートである。 同実施の形態の増幅型固体撮像装置における信号出力−入射光強度特性を示す図である。 本発明の第２の実施の形態の増幅型固体撮像装置の構成図である。 同実施の形態の増幅型固体撮像装置の信号処理部の回路構成図である。 同実施の形態の増幅型固体撮像装置の動作（第１モードの動作）を示す駆動タイミングチャートである。 同実施の形態の増幅型固体撮像装置の変形例の信号処理部の回路構成図である。 同実施の形態の増幅型固体撮像装置の変形例の動作（第１モードの動作）を示す駆動タイミングチャートである。 同実施の形態の増幅型固体撮像装置の変形例における信号出力−入射光強度特性を示す図である。 同実施の形態の増幅型固体撮像装置の変形例の信号処理部の回路構成図である。 同実施の形態の増幅型固体撮像装置の変形例の動作（第１モードの動作）を示す駆動タイミングチャートである。 本発明の第３の実施の形態の増幅型固体撮像装置の構成図である。 同実施の形態の増幅型固体撮像装置の信号処理部の回路構成図である。 同実施の形態の増幅型固体撮像装置の動作（第１モードの動作）を示す駆動タイミングチャートである。 同実施の形態の増幅型固体撮像装置において第１の期間及び第２の期間を任意に設定する方法を説明するための図である。 従来の固体撮像装置の構成図である。 従来の固体撮像装置の信号処理部の回路構成図である。 従来の固体撮像装置の動作を示す駆動タイミングチャートである。
符号の説明
１００、５５０、７００、１５００ 信号処理部
１１０、５３０、７１０、７２０、１５１０ 行選択回路
２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、６３０ａ、６３０ｂ、６３０ｃ、８００ａ、８００ｂ、８００ｃ サンプリングトランジスタ
２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ、６６０ａ、６６０ｂ、６６０ｃ、８１０ａ、８１０ｂ、８１０ｃ サンプリング容量
２２０、８２０、１０２０、１６２０ パルス発生回路
２３０ 水平信号線容量
５００ 単位セル
５０１ フォトダイオード
５０２ 読み出しトランジスタ
５０３ 増幅トランジスタ
５０４ リセットトランジスタ
５０５ 垂直選択トランジスタ
５０６ ＦＤ部
５１０ イメージエリア
５２０ 第１の垂直信号線
５４０ 負荷トランジスタ群
５６０ 列選択回路
５７０ 水平信号線
５７０ａ 第１の水平信号線
５７０ｂ 第２の水平信号線
５８０ 出力アンプ
６００ サンプルホールドトランジスタ
６１０ クランプ容量
６２０ 第２の垂直信号線
６４０ クランプトランジスタ
６５０ 列選択トランジスタ
１５２０ 論理回路

Claims (15)

  1. 増幅型固体撮像装置であって、
    光を信号電荷に変換して蓄積する光電変換手段と、前記光電変換手段の信号電荷を読み出す読み出し手段とを有し、信号電荷に対応する増幅信号を出力する行列状に配置された複数の単位セルと、
    第１の期間及び第２の期間の異なる蓄積期間で蓄積された信号電荷が読み出されるように、前記読み出し手段を制御する読み出し制御手段とを備える
    ことを特徴とする固体撮像装置。
  2. 前記固体撮像装置は、さらに、
    行を選択する行選択手段と、
    各列毎の前記単位セルに接続された第１の容量素子及び第２の容量素子と、
    前記第１の容量素子及び第２の容量素子の一方を選択する容量選択手段とを備え、
    前記容量選択手段は、前記第１の期間及び第２の期間で蓄積された信号電荷に対応する増幅信号を、それぞれ前記第１の容量素子及び第２の容量素子に蓄積するように選択する
    ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 前記第１の期間及び第２の期間は、１垂直走査期間よりも短い
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
  4. 前記第１の期間及び第２の期間のいずれか短い方の期間は、１水平走査期間よりも短い
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
  5. 前記固体撮像装置は、さらに、前記第１の容量素子及び第２の容量素子と接続された水平信号線を備え、
    前記容量選択手段は、前記第１の容量素子及び第２の容量素子の増幅信号が前記水平信号線に同時に読み出されるように選択する
    ことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
  6. 前記行選択手段は、２行以上離れた２つの行を順次選択し、
    前記読み出し制御手段は、前記２つの行の一方の行の単位セルの信号電荷が読み出される際には、前記第１の期間で蓄積された信号電荷が読み出されるように制御し、他方の行の単位セルの信号電荷が読み出される際には、前記第２の期間で蓄積された信号電荷が読み出されるように制御する
    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。
  7. 前記行選択手段は、前記２行以上離れた２つの行の選択を制御する選択回路を有する
    ことを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。
  8. 前記固体撮像装置は、さらに、前記第１の容量素子及び第２の容量素子と接続された水平信号線を備え、
    前記容量選択手段は、前記第１の容量素子及び第２の容量素子の増幅信号が前記水平信号線に別々に読み出されるように選択する
    ことを特徴とする請求項６又は７に記載の固体撮像装置。
  9. 前記固体撮像装置は、さらに、前記第１の容量素子及び第２の容量素子のそれぞれと接続された第１の水平信号線及び第２の水平信号線を備える
    ことを特徴とする請求項６又は７に記載の固体撮像装置。
  10. 前記第１の容量素子及び第２の容量素子は、異なる容量値を有する
    ことを特徴とする請求項２〜９のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  11. 前記容量選択手段は、前記第１の期間及び第２の期間の比に基づいて選択する
    ことを特徴とする請求項２〜１０のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  12. 前記容量選択手段は、前記第１の容量素子及び第２の容量素子に蓄積される増幅信号でＳ／Ｎ比が近くなるように選択する
    ことを特徴とする請求項２〜１１のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  13. 前記容量素子、期間設定手段、容量選択手段及び行選択手段は、ＮＭＯＳ型トランジスタにより構成される
    ことを特徴とする請求項２〜１２のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  14. 増幅型固体撮像装置であって、
    光を信号電荷に変換して蓄積する光電変換手段と、前記光電変換手段の信号電荷を読み出す読み出し手段とを有し、信号電荷に対応する増幅信号を出力する行列状に配置された複数の単位セルと、
    第１の期間及び第２の期間の異なる蓄積期間で蓄積された信号電荷が読み出されるように、前記読み出し手段を制御する読み出し制御手段とを備え、
    前記読み出し制御手段は、前記複数行の前記単位セルの増幅信号の加算をおこなわない場合には、第１の期間及び第２の期間の異なる蓄積期間で蓄積された信号電荷が読み出されるように前記読み出し手段を制御し、記複数行の前記単位セルの増幅信号の加算をおこなう場合には、第３の期間の蓄積期間で蓄積された異なる行の信号電荷が加算して読み出されるように前記読み出し手段を制御する
    ことを特徴とする固体撮像装置。
  15. 前記固体撮像装置は、さらに、
    行を選択する行選択手段と、
    各列毎の前記単位セルに接続された第１の容量素子及び第２の容量素子と、
    前記第１の容量素子及び第２の容量素子から任意の容量素子を選択する容量選択手段とを備え、
    前記容量選択手段は、前記複数行の前記単位セルの増幅信号の加算をおこなわない場合には、前記第１の期間及び第２の期間で蓄積された信号電荷に対応する増幅信号を、それぞれ前記第１の容量素子及び第２の容量素子に蓄積するように選択し、前記複数行の前記単位セルの増幅信号の加算をおこなう場合には、前記第３の期間で蓄積された信号電荷に対応する異なる単位セルからの増幅信号を、前記第１の容量素子あるいは第２の容量素子のいずれかに蓄積するように選択する
    ことを特徴とする請求項１４に記載の固体撮像装置。
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