JP2007074023A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の画素部それぞれについてダイナミックレンジを拡大することができ小型化が可能で安価な固体撮像装置を提供する。
【解決手段】 固体撮像装置１は、受光部１１、第１ホールド部２１、第２ホールド部２２、出力選択部３１、ＡＤ変換部４０、バイアス部５０および制御部６１を備える。第１期間に亘る光入射に応じて受光部１１の第ｍ行の各画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値Ｖ１_ｍ,ｎが第１ホールド部２１により保持され、第１期間より短い第２期間に亘る光入射に応じて第ｍ行の各画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値Ｖ２_ｍ,ｎが第２ホールド部２２により保持される。出力選択部３１は、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎが基準電圧値Ｖsat未満であるときには電圧値Ｖ１_ｍ,ｎを選択的に出力し、そうでないときには電圧値Ｖ２_ｍ,ｎを選択的に出力する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードを各々有し２次元配列された画素部を含む受光部を備える固体撮像装置に関するものである。

固体撮像装置は、２次元配列された複数の画素部を含む受光部を備えており、各画素部は、入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードを有している。このような固体撮像装置ではダイナミックレンジの向上が求められており、そのことを意図した発明が例えば特許文献１に開示されている。

この特許文献１に記載された固体撮像装置では、或る期間に亘る光入射に応じて受光部に含まれる全ての画素部それぞれのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値が得られ、その電圧値（アナログ値）がデジタル値に変換されて、そのデジタル値がフレームメモリに記憶される。次に、上記期間を含む更に長い期間に亘る光入射に応じて受光部に含まれる全ての画素部それぞれのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値が得られる。そして、複数の画素部それぞれについて、入射光量が比較的小さく後者の電圧値が飽和していなければ、この後者の電圧値が選択され、一方、入射光量が比較的大きく後者の電圧値が飽和していれば、フレームメモリに記憶されている前者の値が選択される。このようにして複数の画素部それぞれについてダイナミックレンジが拡大される。
特許２９６６９７７号公報

しかしながら、上記文献に記載された固体撮像装置は、フレームメモリが必要であることから、装置が大型化し、高価なものとなる。本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、複数の画素部それぞれについてダイナミックレンジを拡大することができ小型化が可能で安価な固体撮像装置を提供することを目的とする。

本発明に係る固体撮像装置は、(1) 入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードを各々有しＭ行Ｎ列に２次元配列された画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎを含む受光部と、(2)受光部における何れかの第ｍ行のＮ個の画素部Ｐ_ｍ,１〜Ｐ_ｍ,Ｎそれぞれのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を電圧値Ｖ１_ｍ,１〜Ｖ１_ｍ,Ｎとして保持し出力する第１ホールド部と、(3)受光部における何れかの第ｍ行のＮ個の画素部Ｐ_ｍ,１〜Ｐ_ｍ,Ｎそれぞれのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を電圧値Ｖ２_ｍ,１〜Ｖ２_ｍ,Ｎとして保持し出力する第２ホールド部と、(4)第１ホールド部から出力されるＮ個の電圧値Ｖ１_ｍ,１〜Ｖ１_ｍ,Ｎと、第２ホールド部から出力されるＮ個の電圧値Ｖ２_ｍ,１〜Ｖ２_ｍ,Ｎとを入力し、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎと基準電圧値Ｖsatとを大小比較して、その比較結果を示す信号を出力するとともに、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎが基準電圧値Ｖsat未満であるときには電圧値Ｖ１_ｍ,ｎを選択的に出力し、そうでないときには電圧値Ｖ２_ｍ,ｎを選択的に出力する出力選択部と、(5)受光部，第１ホールド部，第２ホールド部および出力選択部それぞれの動作を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。なお、これら受光部，第１ホールド部，第２ホールド部および出力選択部は、共通の基板上にモノリシックに形成されているのが好適である。ただし、Ｍ，Ｎは２以上の整数であり、ｍは１以上Ｍ以下の任意の整数であり、ｎは１以上Ｎ以下の任意の整数である。

さらに、この発明に係る固体撮像装置に含まれる制御部は、受光部における第１行〜第Ｍ行それぞれについて順次に、第１期間に亘る光入射に応じて第ｍ行の各画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を電圧値Ｖ１_ｍ,ｎとして第１ホールド部により保持させ、この第１期間の後に第ｍ行の各画素部Ｐ_ｍ,ｎを初期化し、この初期化の後に第１期間より短い第２期間に亘る光入射に応じて第ｍ行の各画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を電圧値Ｖ２_ｍ,ｎとして第２ホールド部により保持させ、第１ホールド部により保持された電圧値Ｖ１_ｍ,ｎおよび第２ホールド部により保持された電圧値Ｖ２_ｍ,ｎを出力選択部に入力させて、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎまたは電圧値Ｖ２_ｍ,ｎを出力選択部から選択的に出力させることを特徴とする。

この発明に係る固体撮像装置では、受光部における第１行〜第Ｍ行それぞれについて順次に、以下のように動作する。第１期間に亘る光入射に応じて第ｍ行の各画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値は、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎとして第１ホールド部により保持される。この第１期間の後に第ｍ行の各画素部Ｐ_ｍ,ｎは初期化される。この初期化の後に、第１期間より短い第２期間に亘る光入射に応じて第ｍ行の各画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値は、電圧値Ｖ２_ｍ,ｎとして第２ホールド部により保持される。そして、第１ホールド部により保持された電圧値Ｖ１_ｍ,ｎおよび第２ホールド部により保持された電圧値Ｖ２_ｍ,ｎは出力選択部に入力されて、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎまたは電圧値Ｖ２_ｍ,ｎが出力選択部から選択的に出力される。この出力選択部においては、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎと基準電圧値Ｖsatとが大小比較されて、その比較結果を示す信号が出力されるとともに、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎが基準電圧値Ｖsat未満であるときには電圧値Ｖ１_ｍ,ｎが選択的に出力され、そうでないときには電圧値Ｖ２_ｍ,ｎが選択的に出力される。

また、他の本発明に係る固体撮像装置は、(1) 入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードを各々有しＭ行Ｎ列に２次元配列された画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎを含む受光部と、(2)受光部における何れかの第ｍ行のＮ個の画素部Ｐ_ｍ,１〜Ｐ_ｍ,Ｎそれぞれのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を電圧値Ｖ１_ｍ,１〜Ｖ１_ｍ,Ｎとして保持し出力する第１ホールド部と、(3)受光部における何れかの第ｍ行のＮ個の画素部Ｐ_ｍ,１〜Ｐ_ｍ,Ｎそれぞれのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を電圧値Ｖ２_ｍ,１〜Ｖ２_ｍ,Ｎとして保持し出力する第２ホールド部と、(4)受光部における何れかの第ｍ行のＮ個の画素部Ｐ_ｍ,１〜Ｐ_ｍ,Ｎそれぞれのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を電圧値Ｖ３_ｍ,１〜Ｖ３_ｍ,Ｎとして保持し出力する第３ホールド部と、(5)第１ホールド部または第２ホールド部から出力されるＮ個の電圧値Ｖ１_ｍ,１〜Ｖ１_ｍ,ＮまたはＮ個の電圧値Ｖ２_ｍ,１〜Ｖ２_ｍ,Ｎと、第３ホールド部から出力されるＮ個の電圧値Ｖ３_ｍ,１〜Ｖ３_ｍ,Ｎとを入力し、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎまたは電圧値Ｖ２_ｍ,ｎと基準電圧値Ｖsatとを大小比較して、その比較結果を示す信号を出力するとともに、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎまたは電圧値Ｖ２_ｍ,ｎが基準電圧値Ｖsat未満であるときには電圧値Ｖ１_ｍ,ｎまたは電圧値Ｖ２_ｍ,ｎを選択的に出力し、そうでないときには電圧値Ｖ３_ｍ,ｎを選択的に出力する出力選択部と、(6)受光部，第１ホールド部，第２ホールド部，第３ホールド部および出力選択部それぞれの動作を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。なお、これら受光部，第１ホールド部，第２ホールド部，第３ホールド部および出力選択部は、共通の基板上にモノリシックに形成されているのが好適である。

さらに、この発明に係る固体撮像装置に含まれる制御部は、受光部における第１行〜第Ｍ行それぞれについて順次に、第１期間に亘る光入射に応じて第ｍ行の各画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を電圧値Ｖ１_ｍ,ｎまたは電圧値Ｖ２_ｍ,ｎとして第１ホールド部または第２ホールド部により交互に保持させ、この第１期間の後に第ｍ行の各画素部Ｐ_ｍ,ｎを初期化し、この初期化の後に第１期間より短い第２期間に亘る光入射に応じて第ｍ行の各画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を電圧値Ｖ３_ｍ,ｎとして第３ホールド部により保持させ、第１ホールド部または第２ホールド部により保持された電圧値Ｖ１_ｍ,ｎまたは電圧値Ｖ２_ｍ,ｎおよび第３ホールド部により保持された電圧値Ｖ３_ｍ,ｎを出力選択部に入力させて、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎもしくは電圧値Ｖ２_ｍ,ｎまたは電圧値Ｖ３_ｍ,ｎを出力選択部から選択的に出力させることを特徴とする。

この発明に係る固体撮像装置では、受光部における第１行〜第Ｍ行それぞれについて順次に、以下のように動作する。第１期間に亘る光入射に応じて第ｍ行の各画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値は、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎまたは電圧値Ｖ２_ｍ,ｎとして第１ホールド部または第２ホールド部により交互に保持される。この第１期間の後に第ｍ行の各画素部Ｐ_ｍ,ｎは初期化される。この初期化の後に、第１期間より短い第２期間に亘る光入射に応じて第ｍ行の各画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値は、電圧値Ｖ３_ｍ,ｎとして第３ホールド部により保持される。そして、第１ホールド部または第２ホールド部により保持された電圧値Ｖ１_ｍ,ｎまたは電圧値Ｖ２_ｍ,ｎ、および、第３ホールド部により保持された電圧値Ｖ３_ｍ,ｎは、出力選択部に入力されて、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎもしくは電圧値Ｖ２_ｍ,ｎまたは電圧値Ｖ３_ｍ,ｎが出力選択部から選択的に出力される。この出力選択部においては、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎまたは電圧値Ｖ２_ｍ,ｎと基準電圧値Ｖsatとが大小比較されて、その比較結果を示す信号が出力されるとともに、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎまたは電圧値Ｖ２_ｍ,ｎが基準電圧値Ｖsat未満であるときには電圧値Ｖ１_ｍ,ｎまたは電圧値Ｖ２_ｍ,ｎが選択的に出力され、そうでないときには電圧値Ｖ３_ｍ,ｎが選択的に出力される。

なお、本発明に係る固体撮像装置の動作において、或る行についての第１期間と他の或る行についての第１期間とは互いに一部が重複していてもよい。また、或る行についての第１期間と他の或る行についての第２期間とは互いに一部が重複していてもよい。更に、或る行についての第２期間は、他の或る行についての第１期間の一部になっていてもよい。寧ろ、フレームレート高速化の為には、これらは互いに一部または全てが重複しているのが好ましい。また、本発明は、ＡＰＳ（Active Pixel Sensor）方式およびＰＰＳ（Passive Pixel Sensor）方式の何れの場合にも適用可能である。

本発明に係る固体撮像装置は、小型化が可能で、安価なものとすることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
先ず、本発明に係る固体撮像装置の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る固体撮像装置１の概略構成図である。この図に示される固体撮像装置１は、ＡＰＳ方式のものであって、受光部１１、第１ホールド部２１、第２ホールド部２２、出力選択部３１、ＡＤ変換部４０、バイアス部５０および制御部６１を備える。これらは共通の基板上にモノリシックに形成されているのが好適であり、その場合の基板上の配置の一例は図示のとおりである。

受光部１１は、Ｍ行Ｎ列に２次元配列されたＡＰＳ方式の画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎを含む。各画素部Ｐ_ｍ,ｎは、入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードを有している。ここで、Ｍ，Ｎは２以上の整数であり、ｍは１以上Ｍ以下の任意の整数であり、ｎは１以上Ｎ以下の任意の整数である。

第１ホールド部２１は、受光部１１における何れかの第ｍ行のＮ個の画素部Ｐ_ｍ,１〜Ｐ_ｍ,Ｎそれぞれのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を入力し、これらを電圧値Ｖ１_ｍ,１〜Ｖ１_ｍ,Ｎとして保持し出力する。同様に、第２ホールド部２２は、受光部１１における何れかの第ｍ行のＮ個の画素部Ｐ_ｍ,１〜Ｐ_ｍ,Ｎそれぞれのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を入力し、これらを電圧値Ｖ２_ｍ,１〜Ｖ２_ｍ,Ｎとして保持し出力する。

出力選択部３１は、第１ホールド部２１から出力されるＮ個の電圧値Ｖ１_ｍ,１〜Ｖ１_ｍ,Ｎを入力するとともに、第２ホールド部２２から出力されるＮ個の電圧値Ｖ２_ｍ,１〜Ｖ２_ｍ,Ｎをも入力する。そして、出力選択部３１は、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎと基準電圧値Ｖsatとを大小比較して、その比較結果を示すmode_out信号を出力するとともに、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎが基準電圧値Ｖsat未満であるときには電圧値Ｖ１_ｍ,ｎを選択的に出力し、そうでないときには電圧値Ｖ２_ｍ,ｎを選択的に出力する。

ＡＤ変換部４０は、出力選択部３１から出力された電圧値を入力し、この電圧値（アナログ値）をデジタル値に変換して、このデジタル値video_dataを出力する。バイアス部５０は、受光部１１、出力選択部３１およびＡＤ変換部４０それぞれに対して、基準電圧を供給する。制御部６１は、外部から入力されるCLK信号およびST信号に基づいて、受光部１１，第１ホールド部２１，第２ホールド部２２，出力選択部３１およびＡＤ変換部４０それぞれの動作を制御するための制御信号を生成して出力するものであり、シフトレジスタ等の論理回路を含む。

図２は、第１実施形態に係る固体撮像装置１に含まれる受光部１１，第１ホールド部２１および第２ホールド部２２の構成図である。受光部１１には、共通の構成を有するＭ×Ｎ個の画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎが２次元配列されており、第ｍ行第ｎ列に画素部Ｐ_ｍ,ｎが位置している。第１ホールド部２１はＮ個のホールド回路Ｈ_１,１〜Ｈ_１,Ｎを含む。また、第２ホールド部２２はＮ個のホールド回路Ｈ_２,１〜Ｈ_２,Ｎを含む。Ｎ個のホールド回路Ｈ_１,１〜Ｈ_１,ＮおよびＮ個のホールド回路Ｈ_２,１〜Ｈ_２,Ｎは共通の構成を有する。

受光部１１に含まれる第ｎ列のＭ個の画素部Ｐ_１,ｎ〜Ｐ_Ｍ,ｎそれぞれの出力端、第１ホールド部２１に含まれるホールド回路Ｈ_１,ｎの入力端、および、第２ホールド部２２に含まれるホールド回路Ｈ_２,ｎの入力端は、共通の配線Ｖline(n)により接続されている。第１ホールド部２１に含まれるＮ個のホールド回路Ｈ_１,１〜Ｈ_１,Ｎそれぞれの出力端は共通の配線により接続されている。また、第２ホールド部２２に含まれるＮ個のホールド回路Ｈ_２,１〜Ｈ_２,Ｎそれぞれの出力端は共通の配線により接続されている。

図３は、第１実施形態に係る固体撮像装置１に含まれる画素部Ｐ_ｍ,ｎ，ホールド回路Ｈ_１,ｎおよびホールド回路Ｈ_２,ｎの回路図である。ＡＰＳ方式の各画素部Ｐ_ｍ,ｎは、フォトダイオードＰＤおよび４つのトランジスタＴ１〜Ｔ４を含む。この図に示されるように、トランジスタＴ１，トランジスタＴ２およびフォトダイオードＰＤは順に直列的に接続されていて、バイアス部５０から供給される基準電圧Ｖb1がトランジスタＴ１のドレイン端子に入力され、フォトダイオードＰＤのアノ−ド端子が接地されている。トランジスタＴ３およびトランジスタＴ４は直列的に接続されていて、バイアス部５０から供給される基準電圧Ｖb2がトランジスタＴ３のドレイン端子に入力され、トランジスタＴ４のソース端子が配線Ｖline(n)に接続されている。トランジスタＴ１とトランジスタＴ２との接続点がトランジスタＴ３のゲート端子に接続されている。また、配線Ｖline(n)には定電流源が接続されている。

制御部６１から供給されるＶreset(m)信号がトランジスタＴ１のゲート端子に入力され、制御部６１から供給されるＶtrans(m)信号がトランジスタＴ２のゲート端子に入力され、制御部６１から供給されるＶaddress(m)信号がトランジスタＴ４のゲート端子に入力される。これらＶreset(m)信号，Ｖtrans(m)信号およびＶaddress(m)信号は、第ｍ行のＮ個の画素部Ｐ_ｍ,１〜Ｐ_ｍ,Ｎに対して共通に入力される。Ｖreset(m)信号およびＶtrans(m)信号がハイレベルであるとき、フォトダイオードＰＤの接合容量部が放電される。放電された状態において、更にＶaddress(m)信号をハイレベルにすると、画素部Ｐ_ｍ,ｎから配線Ｖline(n)へノイズ成分が出力される。Ｖreset(m)信号がローレベルであって、Ｖtrans(m)信号およびＶaddress(m)信号がハイレベルであるとき、フォトダイオードＰＤの接合容量部に蓄積されている電荷の量に応じた電圧値が配線Ｖline(n)へ信号成分として出力される。

第１ホールド部２１に含まれる各ホールド回路Ｈ_１,ｎは、２つの容量素子Ｃ１，Ｃ２、および、４つのスイッチＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ２１，ＳＷ２２、を含む。このホールド回路Ｈ_１,ｎでは、スイッチＳＷ１１およびスイッチＳＷ１２は、直列的に接続されて配線Ｖline(n)と配線Ｈline_s1との間に設けられ、容量素子Ｃ１の一端は、スイッチＳＷ１１とスイッチＳＷ１２との間の接続点に接続され、容量素子Ｃ１の他端は接地されている。また、スイッチＳＷ２１およびスイッチＳＷ２２は、直列的に接続されて配線Ｖline(n)と配線Ｈline_n1との間に設けられ、容量素子Ｃ２の一端は、スイッチＳＷ２１とスイッチＳＷ２２との間の接続点に接続され、容量素子Ｃ２の他端は接地されている。

このホールド回路Ｈ_１,ｎでは、スイッチＳＷ１１は、制御部６１から供給されるset_s1信号のレベルに応じて開閉する。スイッチＳＷ２１は、制御部６１から供給されるset_n1信号のレベルに応じて開閉する。set_s1信号およびset_n1信号は、第１ホールド部２１に含まれるＮ個のホールド回路Ｈ_１,１〜Ｈ_１,Ｎに対して共通に入力される。スイッチＳＷ１２，ＳＷ２２は、制御部６１から供給されるhshiht(n)信号のレベルに応じて開閉する。

このホールド回路Ｈ_１,ｎでは、set_n1信号がハイレベルからローレベルに転じるときに画素部Ｐ_ｍ,ｎから配線Ｖline(n)へ出力されていたノイズ成分が、それ以降、容量素子Ｃ２により電圧値out_n1(n)として保持される。set_s1信号がハイレベルからローレベルに転じるときに画素部Ｐ_ｍ,ｎから配線Ｖline(n)へ出力されていた信号成分が、それ以降、容量素子Ｃ１により電圧値out_s1(n)として保持される。そして、hshiht(n)信号がハイレベルになると、容量素子Ｃ１により保持されていた電圧値out_s1(n)が配線Ｈline_s1へ出力され、容量素子Ｃ２により保持されていた電圧値out_n1(n)が配線Ｈline_n1へ出力される。これら電圧値out_s1(n)と電圧値out_n1(n)との差が、画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードＰＤで発生した電荷の量に応じた電圧値Ｖ１_ｍ,ｎを表す。

第２ホールド部２２に含まれる各ホールド回路Ｈ_２,ｎは、２つの容量素子Ｃ１，Ｃ２、および、４つのスイッチＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ２１，ＳＷ２２、を含む。このホールド回路Ｈ_２,ｎでは、スイッチＳＷ１１およびスイッチＳＷ１２は、直列的に接続されて配線Ｖline(n)と配線Ｈline_s2との間に設けられ、容量素子Ｃ１の一端は、スイッチＳＷ１１とスイッチＳＷ１２との間の接続点に接続され、容量素子Ｃ１の他端は接地されている。また、スイッチＳＷ２１およびスイッチＳＷ２２は、直列的に接続されて配線Ｖline(n)と配線Ｈline_n2との間に設けられ、容量素子Ｃ２の一端は、スイッチＳＷ２１とスイッチＳＷ２２との間の接続点に接続され、容量素子Ｃ２の他端は接地されている。

このホールド回路Ｈ_２,ｎでは、スイッチＳＷ１１は、制御部６１から供給されるset_s2信号のレベルに応じて開閉する。スイッチＳＷ２１は、制御部６１から供給されるset_n2信号のレベルに応じて開閉する。set_s2信号およびset_n2信号は、第２ホールド部２２に含まれるＮ個のホールド回路Ｈ_２,１〜Ｈ_２,Ｎに対して共通に入力される。スイッチＳＷ１２，ＳＷ２２は、制御部６１から供給されるhshiht(n)信号のレベルに応じて開閉する。

このホールド回路Ｈ_２,ｎでは、set_n2信号がハイレベルからローレベルに転じるときに画素部Ｐ_ｍ,ｎから配線Ｖline(n)へ出力されていたノイズ成分が、それ以降、容量素子Ｃ２により電圧値out_n2(n)として保持される。set_s2信号がハイレベルからローレベルに転じるときに画素部Ｐ_ｍ,ｎから配線Ｖline(n)へ出力されていた信号成分が、それ以降、容量素子Ｃ１により電圧値out_s2(n)として保持される。そして、hshiht(n)信号がハイレベルになると、容量素子Ｃ１により保持されていた電圧値out_s2(n)が配線Ｈline_s2へ出力され、容量素子Ｃ２により保持されていた電圧値out_n2(n)が配線Ｈline_n2へ出力される。これら電圧値out_s2(n)と電圧値out_n2(n)との差が、画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードＰＤで発生した電荷の量に応じた電圧値Ｖ２_ｍ,ｎを表す。

図４は、第１実施形態に係る固体撮像装置１に含まれる出力選択部３１の構成図である。この出力選択部３１は、差演算回路３１１、差演算回路３１２、比較回路３１３、ラッチ回路３１４、論理反転回路３１５、スイッチＳＷ３０〜ＳＷ３２およびスイッチＳＷ４０〜ＳＷ４２を含む。

差演算回路３１１の第１入力端子は、バッファアンプを介して配線Ｈline_s1と接続されていて、ホールド回路Ｈ_１,ｎから配線Ｈline_s1へ出力される電圧値out_s1(n)を入力する。差演算回路３１１の第２入力端子は、バッファアンプを介して配線Ｈline_n1と接続されていて、ホールド回路Ｈ_１,ｎから配線Ｈline_n1へ出力される電圧値out_n1(n)を入力する。そして、差演算回路３１１は、これら電圧値out_s1(n)と電圧値out_n1(n)との差を表す電圧値Ｖ１_ｍ,ｎを出力する。

差演算回路３１２の第１入力端子は、バッファアンプを介して配線Ｈline_s2と接続されていて、ホールド回路Ｈ_２,ｎから配線Ｈline_s2へ出力される電圧値out_s2(n)を入力する。差演算回路３１２の第２入力端子は、バッファアンプを介して配線Ｈline_n2と接続されていて、ホールド回路Ｈ_２,ｎから配線Ｈline_n2へ出力される電圧値out_n2(n)を入力する。そして、差演算回路３１２は、これら電圧値out_s2(n)と電圧値out_n2(n)との差を表す電圧値Ｖ２_ｍ,ｎを出力する。

配線Ｈline_s1はスイッチＳＷ３１を介して接地され、このスイッチＳＷ３１が閉じることで差演算回路３１１の第１入力端子への入力電圧値が初期化される。配線Ｈline_n1はスイッチＳＷ３２を介して接地され、このスイッチＳＷ３２が閉じることで差演算回路３１１の第２入力端子への入力電圧値が初期化される。配線Ｈline_s2はスイッチＳＷ４１を介して接地され、このスイッチＳＷ４１が閉じることで差演算回路３１２の第１入力端子への入力電圧値が初期化される。配線Ｈline_n2はスイッチＳＷ４２を介して接地され、このスイッチＳＷ４２が閉じることで差演算回路３１２の第２入力端子への入力電圧値が初期化される。これらのスイッチＳＷ３１，ＳＷ３２，ＳＷ４１，ＳＷ４２それぞれの開閉動作は、制御部６１から供給されるhreset信号により制御される。

比較回路３１３は、差演算回路３１１から出力される電圧値Ｖ１_ｍ,ｎと基準電圧値Ｖsatとを大小比較して、その比較結果を示すmode_out信号を出力する。ラッチ回路３１４は、比較回路３１３から出力されるmode_out信号を入力し、そのmode_out信号を一定期間に亘って保持して出力する。論理反転回路３１５は、ラッチ回路３１４から出力されるmode_out信号を入力して論理反転し、その反転後の信号を出力する。

スイッチＳＷ３０は、一端が差演算回路３１１の出力端に接続されていて、ラッチ回路３１４から出力されるmode_out信号に基づいて開閉動作する。スイッチＳＷ４０は、一端が差演算回路３１２の出力端に接続されていて、論理反転回路３１５から出力される信号（mode_out信号の反転信号）に基づいて開閉動作する。スイッチＳＷ３０およびスイッチＳＷ４０のうち一方が開状態であるときには他方が閉状態であり、スイッチＳＷ３０の他端とスイッチＳＷ４０の他端とは互いに接続されていて、その接続点から出力されるvideo_a信号は、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎおよび電圧値Ｖ２_ｍ,ｎの何れか一方となる。

したがって、この出力選択部３１から出力されるvideo_a信号は、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎが基準電圧値Ｖsat未満であるときには電圧値Ｖ１_ｍ,ｎとなり、そうでないときには電圧値Ｖ２_ｍ,ｎとなる。ここで、基準電圧値Ｖsatは、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎが飽和しているか否かを比較回路３１３において判定できるよう適切な値に設定される。ＡＤ変換部４０は、出力選択部３１から出力されるvideo_a信号を入力して、この信号の電圧値（アナログ値）をデジタル値に変換して、このデジタル値video_dataを出力する。

図５は、出力選択部３１に含まれる差演算回路３１１，３１２の回路図である。差演算回路３１１，３１２は、共通の構成を有しており、差動アンプＡおよび抵抗器Ｒ１〜Ｒ４を含む。差動アンプＡの反転入力端子は、抵抗器Ｒ１を介して電圧値ｖ１を入力し、抵抗器Ｒ２を介して差動アンプＡの出力端子と接続されている。差動アンプＡの非反転入力端子は、抵抗器Ｒ３を介して電圧値ｖ２を入力し、抵抗器Ｒ４を介して接地されている。抵抗器Ｒ１〜Ｒ４それぞれの抵抗値が等しいとき、差動アンプＡの出力端子から出力される電圧値ｖｄは、入力した２つの電圧値ｖ１と電圧値ｖ２との差となる。

次に、第１実施形態に係る固体撮像装置１の動作について説明する。図６は、第１実施形態に係る固体撮像装置１における各信号のレベル変化を説明するタイミングチャートである。このタイミングチャートに示される各信号を上から順に説明すると以下のとおりである。

CLK信号は、外部から制御部６１に入力される信号であって、固体撮像装置１全体を動作させるマスタークロック信号である。ST信号は、外部から制御部６１に入力される信号であって、読み出し開始を指示するマスタースタート信号である。Ｖst信号は、制御部６１で作成される信号であって、受光部１１の第１行〜第Ｍ行を順次に選択する動作の開始を指示するスタート信号である。Ｖclk信号は、制御部６１で作成される信号であって、受光部１１の各行を順次に選択することを指示するクロック信号であり、これに基づいてＶshift信号が変化する。

Ｖreset信号は、制御部６１で作成される信号であって、Ｖshift信号で選択された行の画素部のリセットを指示する信号である。Ｖtrans信号は、制御部６１で作成される信号であって、Ｖshift信号で選択された行の画素部の画素データ転送を指示する信号である。Ｖaddress信号は、制御部６１で作成される信号であって、Ｖshift信号で選択された行の画素部の画素データ読み出しを指示する信号である。Ｖshift信号は、Ｖclk信号およびＶst信号に基づいて制御部６１で作成される信号であって、受光部１１の行の選択を指示する信号である。

set_n1信号は、制御部６１で作成される信号であって、画素部から出力される長期間蓄積データ（ノイズ成分）を第１ホールド回路２１に保持することを指示する信号である。set_s1信号は、制御部６１で作成される信号であって、画素部から出力される長期間蓄積データ（信号成分）を第１ホールド回路２１に保持することを指示する信号である。set_n2信号は、制御部６１で作成される信号であって、画素部から出力される短期間蓄積データ（ノイズ成分）を第２ホールド回路２２に保持することを指示する信号である。set_s2信号は、制御部６１で作成される信号であって、画素部から出力される短期間蓄積データ（信号成分）を第２ホールド回路２２に保持することを指示する信号である。

Ｈst信号は、制御部６１で作成される信号であって、第１ホールド回路２１および第２ホールド回路２２それぞれからのデータ読出の開始を指示するスタート信号である。Ｈclk信号は、制御部６１で作成される信号であって、第１ホールド回路２１および第２ホールド回路２２それぞれからのデータの順次読出を指示するクロック信号である。Ｈshift信号は、Ｈclk信号およびＨst信号に基づいて制御部６１で作成される信号であって、第１ホールド回路２１および第２ホールド回路２２それぞれからのデータ読出を指示する信号である。video_a信号は、出力選択部３１から出力される信号であって、画素部に含まれるフォトダイオードへの入射光量に応じた値である。

図７は、第１実施形態に係る固体撮像装置１の動作を説明するタイミングチャートである。この図は、受光部１１の各画素部のフォトダイオードにおける電荷蓄積のタイミング、受光部１１から出力される電圧値が第１ホールド部２１および第２ホールド部２２それぞれにより保持されるタイミング、および、第１ホールド部２１および第２ホールド部２２それぞれにより保持された電圧値が出力選択部３１へ出力されるタイミング、を示している。なお、この動作は、図６に示したような制御部６１から出力される各制御信号に基づいて行われる。また、ここでは、図示の簡便の為に、Ｍ値を４とし、Ｎ値を４としている。

このタイミングチャートには、上から順に、第１行の画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_１,４それぞれのフォトダイオードにおける電荷蓄積動作、第２行の画素部Ｐ_２,１〜Ｐ_２,４それぞれのフォトダイオードにおける電荷蓄積動作、第３行の画素部Ｐ_３,１〜Ｐ_３,４それぞれのフォトダイオードにおける電荷蓄積動作、第４行の画素部Ｐ_４,１〜Ｐ_４,４それぞれのフォトダイオードにおける電荷蓄積動作、第１ホールド部２１に含まれるホールド回路Ｈ_１,１〜Ｈ_１,４それぞれによる電圧値保持動作、第２ホールド部２２に含まれるホールド回路Ｈ_２,１〜Ｈ_２,４それぞれによる電圧値保持動作、ならびに、出力選択部３１からのvideo_a信号出力動作、が示されている。

受光部１１において、各行のＮ個の画素部は同一タイミングで動作するが、行間では一定時間づつ異なるタイミングで動作する。そして、受光部１１における第１行〜第Ｍ行それぞれについて順次に以下のような動作が行われる。

第ｍ行の各画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードは、第１期間Ｔ１に亘る光入射に応じた電荷蓄積動作、第１期間Ｔ１の後の初期化動作、第２期間Ｔ２に亘る光入射に応じた電荷蓄積動作、および、第２期間Ｔ２の後の初期化動作、を繰り返し行う。ただし、第１期間Ｔ１より第２期間Ｔ２が短い。図７の上方に示したＴ１，Ｔ２は第１行の各画素部Ｐ_１,ｎ（ｎ＝１〜４）のものを示している。

第１期間Ｔ１に亘る光入射に応じて第ｍ行の各画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値は、配線Ｖline(n)を経て第１ホールド部２１に入力されて、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎとして第１ホールド部２１のホールド回路Ｈ_１,ｎにより保持される。このとき、ホールド回路Ｈ_１,ｎには信号成分out_s1(n)およびノイズ成分out_n1(n)が保持されて、これら信号成分out_s1(n)とノイズ成分out_n1(n)との差が電圧値Ｖ１_ｍ,ｎを表す。この第１期間Ｔ１の後に第ｍ行の各画素部Ｐ_ｍ,ｎは初期化される、
この初期化の後に、第１期間Ｔ１より短い第２期間Ｔ２に亘る光入射に応じて第ｍ行の各画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値は、配線Ｖline(n)を経て第２ホールド部２２に入力されて、電圧値Ｖ２_ｍ,ｎとして第２ホールド部２２のホールド回路Ｈ_２,ｎにより保持される。このとき、ホールド回路Ｈ_２,ｎには信号成分out_s2(n)およびノイズ成分out_n2(n)が保持されて、これら信号成分out_s2(n)とノイズ成分out_n2(n)との差が電圧値Ｖ２_ｍ,ｎを表す。この第２期間Ｔ２の後に第ｍ行の各画素部Ｐ_ｍ,ｎは初期化される、
第１ホールド部２１により保持された電圧値Ｖ１_ｍ,ｎは、配線Ｈline_s1，Ｈline_n1を経て出力選択部３１に入力される。第２ホールド部２２により保持された電圧値Ｖ２_ｍ,ｎは、配線Ｈline_s2，Ｈline_n2を経て出力選択部３１に入力される。出力選択部３１には、先ず電圧値Ｖ１_ｍ,１および電圧値Ｖ２_ｍ,１が入力され、次に電圧値Ｖ１_ｍ,２および電圧値Ｖ２_ｍ,２が入力され、更に次に電圧値Ｖ１_ｍ,３および電圧値Ｖ２_ｍ,３が入力され、・・・というように、第１列から第Ｎ列へ順に電圧値Ｖ１_ｍ,ｎ，Ｖ２_ｍ,ｎが入力される。そして、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎまたは電圧値Ｖ２_ｍ,ｎが出力選択部３１から選択的に出力される。

出力選択部３１から出力されるvideo_a信号の値は、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎが基準電圧値Ｖsat未満であるとき（すなわち、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎが飽和していないとき）電圧値Ｖ１_ｍ,ｎとなり、そうでないときには電圧値Ｖ２_ｍ,ｎとなる。前述したように、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎは、比較的長い第１期間Ｔ１に亘る光入射に応じて画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値であり、電圧値Ｖ２_ｍ,ｎは、比較的短い第２期間Ｔ２に亘る光入射に応じて画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値である。

光入射強度が比較的小さい場合には、電荷蓄積時間が比較的長くても、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎが飽和しないので、この電圧値Ｖ１_ｍ,ｎが選択される。光入射強度が比較的大きい場合には、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎが飽和するので、電圧値Ｖ２_ｍ,ｎが選択される。したがって、この固体撮像装置１は、複数の画素部それぞれについてダイナミックレンジが拡大される。また、この固体撮像装置１は、フレームメモリを必要とせず、小規模の回路を追加しただけであるので、小型化が可能で安価なものとすることができる。

また、この固体撮像装置１では、比較的長い第１期間Ｔ１に亘って電荷蓄積をした後に比較的短い第２期間Ｔ２に亘って電荷蓄積をすることにより、第１ホールド部２１および第２ホールド部２２それぞれの電圧値保持タイミングの差が小さい。また、その後、出力選択部３１による処理が完了するまでに、第１ホールド部２１および第２ホールド部２２それぞれが電圧値を保持しておく時間が短い。したがって、この点でも、追加回路の規模が小さくて済む。

（第２実施形態）
次に、本発明に係る固体撮像装置の第２実施形態について説明する。図８は、第２実施形態に係る固体撮像装置２の概略構成図である。この図に示される固体撮像装置２は、ＡＰＳ方式のものであって、受光部１１、第１ホールド部２１、第２ホールド部２２、第３ホールド部２３、出力選択部３２、ＡＤ変換部４０、バイアス部５０および制御部６２を備える。これらは共通の基板上にモノリシックに形成されているのが好適であり、その場合の基板上の配置の一例は図示のとおりである。

前の第１実施形態に係る固体撮像装置１の構成と比較すると、この第２実施形態に係る固体撮像装置２は、第３ホールド部２３を更に備える点、出力選択部３１に替えて出力選択部３２を備える点、および、制御部６１に替えて制御部６２を備える点、で相違する。

第３ホールド部２３は、第１ホールド部２１および第２ホールド部２２それぞれと同様の構成を有しており、受光部１１における何れかの第ｍ行のＮ個の画素部Ｐ_ｍ,１〜Ｐ_ｍ,Ｎそれぞれのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を入力し、これらを電圧値Ｖ３_ｍ,１〜Ｖ３_ｍ,Ｎとして保持し出力する。

出力選択部３２は、第１ホールド部２１から出力されるＮ個の電圧値Ｖ１_ｍ,１〜Ｖ１_ｍ,Ｎを入力し、第２ホールド部２２から出力されるＮ個の電圧値Ｖ２_ｍ,１〜Ｖ２_ｍ,Ｎを入力し、また、第３ホールド部２３から出力されるＮ個の電圧値Ｖ３_ｍ,１〜Ｖ３_ｍ,Ｎをも入力する。そして、出力選択部３２は、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎまたは電圧値Ｖ２_ｍ,ｎと基準電圧値Ｖsatとを大小比較して、その比較結果を示すmode_out信号を出力するとともに、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎまたは電圧値Ｖ２_ｍ,ｎが基準電圧値Ｖsat未満であるときには電圧値Ｖ１_ｍ,ｎまたは電圧値Ｖ２_ｍ,ｎを選択的に出力し、そうでないときには電圧値Ｖ３_ｍ,ｎを選択的に出力する。

ＡＤ変換部４０は、出力選択部３２から出力された電圧値を入力し、この電圧値（アナログ値）をデジタル値に変換して、このデジタル値video_dataを出力する。バイアス部５０は、受光部１１、出力選択部３２およびＡＤ変換部４０それぞれに対して、基準電圧を供給する。制御部６２は、外部から入力されるCLK信号およびST信号に基づいて、受光部１１，第１ホールド部２１，第２ホールド部２２，第３ホールド部２３，出力選択部３２およびＡＤ変換部４０それぞれの動作を制御するための制御信号を生成して出力するものであり、シフトレジスタ等の論理回路を含む。

図９は、第２実施形態に係る固体撮像装置２に含まれる受光部１１，第１ホールド部２１，第２ホールド部２２および第３ホールド部２３の構成図である。受光部１１には、共通の構成を有するＭ×Ｎ個の画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎが２次元配列されており、第ｍ行第ｎ列に画素部Ｐ_ｍ,ｎが位置している。第１ホールド部２１はＮ個のホールド回路Ｈ_１,１〜Ｈ_１,Ｎを含む。第２ホールド部２２はＮ個のホールド回路Ｈ_２,１〜Ｈ_２,Ｎを含む。また、第３ホールド部２３はＮ個のホールド回路Ｈ_３,１〜Ｈ_３,Ｎを含む。Ｎ個のホールド回路Ｈ_１,１〜Ｈ_１,Ｎ，Ｎ個のホールド回路Ｈ_２,１〜Ｈ_２,ＮおよびＮ個のホールド回路Ｈ_３,１〜Ｈ_３,Ｎは共通の構成を有する。

受光部１１に含まれる第ｎ列のＭ個の画素部Ｐ_１,ｎ〜Ｐ_Ｍ,ｎそれぞれの出力端、第１ホールド部２１に含まれるホールド回路Ｈ_１,ｎの入力端、第２ホールド部２２に含まれるホールド回路Ｈ_２,ｎの入力端、および、第３ホールド部２３に含まれるホールド回路Ｈ_３,ｎの入力端は、共通の配線Ｖline(n)により接続されている。第１ホールド部２１に含まれるＮ個のホールド回路Ｈ_１,１〜Ｈ_１,Ｎそれぞれの出力端は共通の配線により接続されている。第２ホールド部２２に含まれるＮ個のホールド回路Ｈ_２,１〜Ｈ_２,Ｎそれぞれの出力端は共通の配線により接続されている。また、第３ホールド部２３に含まれるＮ個のホールド回路Ｈ_３,１〜Ｈ_３,Ｎそれぞれの出力端は共通の配線により接続されている。

図１０は、第２実施形態に係る固体撮像装置２に含まれる画素部Ｐ_ｍ,ｎ，ホールド回路Ｈ_１,ｎ，ホールド回路Ｈ_２,ｎおよびホールド回路Ｈ_３,ｎの回路図である。各画素部Ｐ_ｍ,ｎ，第１ホールド部２１に含まれる各ホールド回路Ｈ_１,ｎ，および、第２ホールド部２２に含まれる各ホールド回路Ｈ_２,ｎそれぞれは、図３中に示された構成と同様のものである。

第３ホールド部２３に含まれる各ホールド回路Ｈ_３,ｎは、２つの容量素子Ｃ１，Ｃ２、および、４つのスイッチＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ２１，ＳＷ２２、を含む。このホールド回路Ｈ_３,ｎでは、スイッチＳＷ１１およびスイッチＳＷ１２は、直列的に接続されて配線Ｖline(n)と配線Ｈline_s3との間に設けられ、容量素子Ｃ１の一端は、スイッチＳＷ１１とスイッチＳＷ１２との間の接続点に接続され、容量素子Ｃ１の他端は接地されている。また、スイッチＳＷ２１およびスイッチＳＷ２２は、直列的に接続されて配線Ｖline(n)と配線Ｈline_n3との間に設けられ、容量素子Ｃ２の一端は、スイッチＳＷ２１とスイッチＳＷ２２との間の接続点に接続され、容量素子Ｃ２の他端は接地されている。

このホールド回路Ｈ_３,ｎでは、スイッチＳＷ１１は、制御部６２から供給されるset_s3信号のレベルに応じて開閉する。スイッチＳＷ２１は、制御部６２から供給されるset_n3信号のレベルに応じて開閉する。set_s3信号およびset_n3信号は、第３ホールド部２３に含まれるＮ個のホールド回路Ｈ_３,１〜Ｈ_３,Ｎに対して共通に入力される。スイッチＳＷ１２，ＳＷ２２は、制御部６２から供給されるhshiht(n)信号のレベルに応じて開閉する。

このホールド回路Ｈ_３,ｎでは、set_n3信号がハイレベルからローレベルに転じるときに画素部Ｐ_ｍ,ｎから配線Ｖline(n)へ出力されていたノイズ成分が、それ以降、容量素子Ｃ２により電圧値out_n3(n)として保持される。set_s3信号がハイレベルからローレベルに転じるときに画素部Ｐ_ｍ,ｎから配線Ｖline(n)へ出力されていた信号成分が、それ以降、容量素子Ｃ１により電圧値out_s3(n)として保持される。そして、hshiht(n)信号がハイレベルになると、容量素子Ｃ１により保持されていた電圧値out_s3(n)が配線Ｈline_s3へ出力され、容量素子Ｃ２により保持されていた電圧値out_n3(n)が配線Ｈline_n3へ出力される。これら電圧値out_s3(n)と電圧値out_n3(n)との差が、画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードＰＤで発生した電荷の量に応じた電圧値Ｖ３_ｍ,ｎを表す。

図１１は、第２実施形態に係る固体撮像装置２に含まれる出力選択部３２の構成図である。この出力選択部３２は、差演算回路３１１、差演算回路３１２、比較回路３１３、ラッチ回路３１４、論理反転回路３１５、スイッチＳＷ３０〜ＳＷ３４、スイッチＳＷ４１〜ＳＷ４４およびスイッチＳＷ５０〜ＳＷ５２を含む。

差演算回路３１１の第１入力端子は、スイッチＳＷ３３およびバッファアンプを介して配線Ｈline_s1と接続されており、また、スイッチＳＷ４３およびバッファアンプを介して配線Ｈline_s2と接続されていて、この第１入力端子は、スイッチＳＷ３３が閉じているときには、ホールド回路Ｈ_１,ｎから配線Ｈline_s1へ出力される電圧値out_s1(n)を入力し、一方、スイッチＳＷ４３が閉じているときには、ホールド回路Ｈ_２,ｎから配線Ｈline_s2へ出力される電圧値out_s2(n)を入力する。

差演算回路３１１の第２入力端子は、スイッチＳＷ３４およびバッファアンプを介して配線Ｈline_n1と接続されており、また、スイッチＳＷ４４およびバッファアンプを介して配線Ｈline_n2と接続されている。この第２入力端子は、スイッチＳＷ３４が閉じているときには、ホールド回路Ｈ_１,ｎから配線Ｈline_n1へ出力される電圧値out_n1(n)を入力し、一方、スイッチＳＷ４４が閉じているときには、ホールド回路Ｈ_２,ｎから配線Ｈline_n2へ出力される電圧値out_n2(n)を入力する。

スイッチＳＷ３３およびスイッチＳＷ３４は同一タイミングで開閉動作する。また、スイッチＳＷ４３およびスイッチＳＷ４４も同一タイミングで開閉動作する。そして、スイッチＳＷ３３およびスイッチＳＷ３４の組と、スイッチＳＷ４３およびスイッチＳＷ４４の組とは、一方が開状態であるときには他方が閉状態となる。したがって、差演算回路３１１は、スイッチＳＷ３３およびスイッチＳＷ３４が閉じているときには、電圧値out_s1(n)と電圧値out_n1(n)との差を表す電圧値Ｖ１_ｍ,ｎを出力し、一方、スイッチＳＷ４３およびスイッチＳＷ４４が閉じているときには、電圧値out_s2(n)と電圧値out_n2(n)との差を表す電圧値Ｖ２_ｍ,ｎを出力する。

差演算回路３１２の第１入力端子は、バッファアンプを介して配線Ｈline_s3と接続されていて、ホールド回路Ｈ_３,ｎから配線Ｈline_s3へ出力される電圧値out_s3(n)を入力する。差演算回路３１２の第２入力端子は、バッファアンプを介して配線Ｈline_n3と接続されていて、ホールド回路Ｈ_３,ｎから配線Ｈline_n3へ出力される電圧値out_n3(n)を入力する。そして、差演算回路３１２は、これら電圧値out_s3(n)と電圧値out_n3(n)との差を表す電圧値Ｖ３_ｍ,ｎを出力する。

配線Ｈline_s1はスイッチＳＷ３１を介して接地され、このスイッチＳＷ３１が閉じることで差演算回路３１１の第１入力端子への入力電圧値が初期化される。配線Ｈline_n1はスイッチＳＷ３２を介して接地され、このスイッチＳＷ３２が閉じることで差演算回路３１１の第２入力端子への入力電圧値が初期化される。配線Ｈline_s2はスイッチＳＷ４１を介して接地され、このスイッチＳＷ４１が閉じることで差演算回路３１２の第１入力端子への入力電圧値が初期化される。配線Ｈline_n2はスイッチＳＷ４２を介して接地され、このスイッチＳＷ４２が閉じることで差演算回路３１２の第２入力端子への入力電圧値が初期化される。配線Ｈline_s3はスイッチＳＷ５１を介して接地され、このスイッチＳＷ５１が閉じることで差演算回路３１２の第１入力端子への入力電圧値が初期化される。配線Ｈline_n3はスイッチＳＷ５２を介して接地され、このスイッチＳＷ５２が閉じることで差演算回路３１２の第２入力端子への入力電圧値が初期化される。これらのスイッチＳＷ３１，ＳＷ３２，ＳＷ４１，ＳＷ４２，ＳＷ５１，ＳＷ５２それぞれの開閉動作は、制御部６２から供給されるhreset信号により制御される。

比較回路３１３は、差演算回路３１１から出力される電圧値Ｖ１_ｍ,ｎまたはＶ２_ｍ,ｎと基準電圧値Ｖsatとを大小比較して、その比較結果を示すmode_out信号を出力する。ラッチ回路３１４は、比較回路３１３から出力されるmode_out信号を入力し、そのmode_out信号を一定期間に亘って保持して出力する。論理反転回路３１５は、ラッチ回路３１４から出力されるmode_out信号を入力して論理反転し、その反転後の信号を出力する。

スイッチＳＷ３０は、一端が差演算回路３１１の出力端に接続されていて、ラッチ回路３１４から出力されるmode_out信号に基づいて開閉動作する。スイッチＳＷ５０は、一端が差演算回路３１２の出力端に接続されていて、論理反転回路３１５から出力される信号（mode_out信号の反転信号）に基づいて開閉動作する。スイッチＳＷ３０およびスイッチＳＷ５０のうち一方が開状態であるときには他方が閉状態であり、スイッチＳＷ３０の他端とスイッチＳＷ５０の他端とは互いに接続されていて、その接続点から出力されるvideo_a信号は、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎもしくは電圧値Ｖ２_ｍ,ｎまたは電圧値Ｖ３_ｍ,ｎとなる。

したがって、この出力選択部３２から出力されるvideo_a信号は、スイッチＳＷ３３およびスイッチＳＷ３４が閉じていて電圧値Ｖ１_ｍ,ｎが基準電圧値Ｖsat未満であるときには電圧値Ｖ１_ｍ,ｎとなり、スイッチＳＷ４３およびスイッチＳＷ４４が閉じていて電圧値Ｖ２_ｍ,ｎが基準電圧値Ｖsat未満であるときには電圧値Ｖ２_ｍ,ｎとなり、これらの何れでもないときには電圧値Ｖ３_ｍ,ｎとなる。ここで、基準電圧値Ｖsatは、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎまたは電圧値Ｖ２_ｍ,ｎが飽和しているか否かを比較回路３１３において判定できるよう適切な値に設定される。ＡＤ変換部４０は、出力選択部３２から出力されるvideo_a信号を入力して、この信号の電圧値（アナログ値）をデジタル値に変換して、このデジタル値video_dataを出力する。

次に、第２実施形態に係る固体撮像装置２の動作について説明する。図１２は、第２実施形態に係る固体撮像装置２の動作を説明するタイミングチャートである。この図は、受光部１１の各画素部のフォトダイオードにおける電荷蓄積のタイミング、受光部１１から出力される電圧値が第１ホールド部２１，第２ホールド部２２および第３ホールド部２３それぞれにより保持されるタイミング、および、第１ホールド部２１，第２ホールド部２２および第３ホールド部２３それぞれにより保持された電圧値が出力選択部３２へ出力されるタイミング、を示している。なお、この動作は、制御部６２から出力される各制御信号に基づいて行われる。また、ここでは、図示の簡便の為に、Ｍ値を４とし、Ｎ値を４としている。

このタイミングチャートには、上から順に、第１行の画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_１,４それぞれのフォトダイオードにおける電荷蓄積動作、第２行の画素部Ｐ_２,１〜Ｐ_２,４それぞれのフォトダイオードにおける電荷蓄積動作、第３行の画素部Ｐ_３,１〜Ｐ_３,４それぞれのフォトダイオードにおける電荷蓄積動作、第４行の画素部Ｐ_４,１〜Ｐ_４,４それぞれのフォトダイオードにおける電荷蓄積動作、第１ホールド部２１に含まれるホールド回路Ｈ_１,１〜Ｈ_１,４それぞれによる電圧値保持動作、第２ホールド部２２に含まれるホールド回路Ｈ_２,１〜Ｈ_２,４それぞれによる電圧値保持動作、第３ホールド部２３に含まれるホールド回路Ｈ_３,１〜Ｈ_３,４それぞれによる電圧値保持動作、ならびに、出力選択部３２からのvideo_a信号出力動作、が示されている。

受光部１１において、各行のＮ個の画素部は同一タイミングで動作するが、行間では一定時間づつ異なるタイミングで動作する。そして、受光部１１における第１行〜第Ｍ行それぞれについて順次に以下のような動作が行われる。

第ｍ行の各画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードは、第１期間Ｔ１に亘る光入射に応じた電荷蓄積動作、第１期間Ｔ１の後の初期化動作、第２期間Ｔ２に亘る光入射に応じた電荷蓄積動作、および、第２期間Ｔ２の後の初期化動作、を繰り返し行う。ただし、第１期間Ｔ１より第２期間Ｔ２が短い。図１２の上方に示したＴ１，Ｔ２は第１行の各画素部Ｐ_１,ｎ（ｎ＝１〜４）のものを示している。

第１期間Ｔ１に亘る光入射に応じて第ｍ行の各画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値は、配線Ｖline(n)を経て、ｍ値が奇数のときには第１ホールド部２１に入力されて電圧値Ｖ１_ｍ,ｎとしてホールド回路Ｈ_１,ｎにより保持され、ｍ値が偶数のときには第２ホールド部２２に入力されて電圧値Ｖ２_ｍ,ｎとしてホールド回路Ｈ_２,ｎにより保持される。このとき、ホールド回路Ｈ_１,ｎには信号成分out_s1(n)およびノイズ成分out_n1(n)が保持されて、これら信号成分out_s1(n)とノイズ成分out_n1(n)との差が電圧値Ｖ１_ｍ,ｎを表す。ホールド回路Ｈ_２,ｎには信号成分out_s2(n)およびノイズ成分out_n2(n)が保持されて、これら信号成分out_s2(n)とノイズ成分out_n2(n)との差が電圧値Ｖ２_ｍ,ｎを表す。この第１期間Ｔ１の後に第ｍ行の各画素部Ｐ_ｍ,ｎは初期化される。

この初期化の後に、第１期間Ｔ１より短い第２期間Ｔ２に亘る光入射に応じて第ｍ行の各画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値は、配線Ｖline(n)を経て第３ホールド部２３に入力されて、電圧値Ｖ３_ｍ,ｎとして第３ホールド部２３のホールド回路Ｈ_３,ｎにより保持される。このとき、ホールド回路Ｈ_３,ｎには信号成分out_s3(n)およびノイズ成分out_n3(n)が保持されて、これら信号成分out_s3(n)とノイズ成分out_n3(n)との差が電圧値Ｖ３_ｍ,ｎを表す。この第２期間Ｔ２の後に第ｍ行の各画素部Ｐ_ｍ,ｎは初期化される、
出力選択部３２には、ｍ値が奇数のときには、第１ホールド部２１により保持された電圧値Ｖ１_ｍ,ｎが配線Ｈline_s1，Ｈline_n1を経て入力され、ｍ値が偶数のときには、第２ホールド部２２により保持された電圧値Ｖ２_ｍ,ｎが配線Ｈline_s2，Ｈline_n2を経て入力され、また、ｍ値に拘らず、第３ホールド部２３により保持された電圧値Ｖ３_ｍ,ｎが配線Ｈline_s3，Ｈline_n3を経て入力される。

ｍ値が奇数のときには、出力選択部３２には、先ず電圧値Ｖ１_ｍ,１および電圧値Ｖ３_ｍ,１が入力され、次に電圧値Ｖ１_ｍ,２および電圧値Ｖ３_ｍ,２が入力され、更に次に電圧値Ｖ１_ｍ,３および電圧値Ｖ３_ｍ,３が入力され、・・・というように、第１列から第Ｎ列へ順に電圧値Ｖ１_ｍ,ｎおよび電圧値Ｖ３_ｍ,ｎが入力される。ｍ値が偶数のときには、出力選択部３２には、先ず電圧値Ｖ２_ｍ,１および電圧値Ｖ３_ｍ,１が入力され、次に電圧値Ｖ２_ｍ,２および電圧値Ｖ３_ｍ,２が入力され、更に次に電圧値Ｖ２_ｍ,３および電圧値Ｖ３_ｍ,３が入力され、・・・というように、第１列から第Ｎ列へ順に電圧値Ｖ２_ｍ,ｎおよび電圧値Ｖ３_ｍ,ｎが入力される。そして、ｍ値が奇数のときには、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎまたは電圧値Ｖ３_ｍ,ｎが出力選択部３２から選択的に出力され、ｍ値が偶数のときには、電圧値Ｖ２_ｍ,ｎまたは電圧値Ｖ３_ｍ,ｎが出力選択部３２から選択的に出力される。

出力選択部３２から出力されるvideo_a信号の値は、ｍ値が奇数であって電圧値Ｖ１_ｍ,ｎが基準電圧値Ｖsat未満であるとき（すなわち、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎが飽和していないとき）電圧値Ｖ１_ｍ,ｎとなり、ｍ値が偶数であって電圧値Ｖ２_ｍ,ｎが基準電圧値Ｖsat未満であるとき（すなわち、電圧値Ｖ２_ｍ,ｎが飽和していないとき）電圧値Ｖ２_ｍ,ｎとなり、これらの何れでもないときには電圧値Ｖ３_ｍ,ｎとなる。前述したように、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎおよび電圧値Ｖ２_ｍ,ｎそれぞれは、比較的長い第１期間Ｔ１に亘る光入射に応じて画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値であり、電圧値Ｖ３_ｍ,ｎは、比較的短い第２期間Ｔ２に亘る光入射に応じて画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値である。

光入射強度が比較的小さい場合には、電荷蓄積時間が比較的長くても、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎまたは電圧値Ｖ２_ｍ,ｎが飽和しないので、この電圧値Ｖ１_ｍ,ｎまたは電圧値Ｖ２_ｍ,ｎが選択される。光入射強度が比較的大きい場合には、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎまたは電圧値Ｖ２_ｍ,ｎが飽和するので、電圧値Ｖ３_ｍ,ｎが選択される。したがって、この固体撮像装置２は、複数の画素部それぞれについてダイナミックレンジが拡大される。また、この固体撮像装置２は、フレームメモリを必要とせず、小規模の回路を追加しただけであるので、小型化が可能で安価なものとすることができる。

また、この固体撮像装置２では、比較的長い第１期間Ｔ１に亘って電荷蓄積をした後に比較的短い第２期間Ｔ２に亘って電荷蓄積をすることにより、第１ホールド部２１および第２ホールド部２２それぞれの電圧値保持タイミングの差が小さい。また、その後、出力選択部３２による処理が完了するまでに、第１ホールド部２１および第２ホールド部２２それぞれが電圧値を保持しておく時間が短い。したがって、この点でも、追加回路の規模が小さくて済む。

さらに、この固体撮像装置２は、第１ホールド回路２１と第２ホールド回路２２とを交互に使用することから、例えば、第１ホールド回路２１から或る行について電圧値を読み出している期間に、第２ホールド回路２２により次の行について電圧値を保持することができる。これにより、或る行について出力選択部３２による処理が行われている間に、次の行の第２期間の電荷蓄積が可能になる。したがって、第２実施形態の固体撮像装置２では、第１期間Ｔ１および第２期間Ｔ２それぞれの設定の自由度が高く、第１実施形態の固体撮像装置１よりも更に、フレームレートを高速にすることが可能である。

（第３実施形態）
次に、本発明に係る固体撮像装置の第３実施形態について説明する。図１３は、第３実施形態に係る固体撮像装置３の概略構成図である。この図に示される固体撮像装置３は、ＰＰＳ方式のものであって、受光部１３、積分部２０、第１ホールド部２４、第２ホールド部２５、出力選択部３３、ＡＤ変換部４０、バイアス部５０および制御部６３を備える。これらは共通の基板上にモノリシックに形成されているのが好適であり、その場合の基板上の配置の一例は図示のとおりである。

受光部１３は、Ｍ行Ｎ列に２次元配列されたＰＰＳ方式の画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎを含む。各画素部Ｐ_ｍ,ｎは、入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードを有している。ここで、Ｍ，Ｎは２以上の整数であり、ｍは１以上Ｍ以下の任意の整数であり、ｎは１以上Ｎ以下の任意の整数である。

積分部２０は、受光部１３における何れかの第ｍ行のＮ個の画素部Ｐ_ｍ,１〜Ｐ_ｍ,Ｎそれぞれのフォトダイオードで発生した電荷を入力し、その電荷の量に応じた電圧値を出力する。第１ホールド部２４は、積分部２０から出力された電圧値を入力し、これらを電圧値Ｖ１_ｍ,１〜Ｖ１_ｍ,Ｎとして保持し出力する。同様に、第２ホールド部２５は、積分部２０から出力された電圧値を入力し、これらを電圧値Ｖ２_ｍ,１〜Ｖ２_ｍ,Ｎとして保持し出力する。

出力選択部３３は、第１ホールド部２４から出力されるＮ個の電圧値Ｖ１_ｍ,１〜Ｖ１_ｍ,Ｎを入力するとともに、第２ホールド部２５から出力されるＮ個の電圧値Ｖ２_ｍ,１〜Ｖ２_ｍ,Ｎをも入力する。そして、出力選択部３３は、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎと基準電圧値Ｖsatとを大小比較して、その比較結果を示すmode_out信号を出力するとともに、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎが基準電圧値Ｖsat未満であるときには電圧値Ｖ１_ｍ,ｎを選択的に出力し、そうでないときには電圧値Ｖ２_ｍ,ｎを選択的に出力する。

ＡＤ変換部４０は、出力選択部３３から出力された電圧値を入力し、この電圧値（アナログ値）をデジタル値に変換して、このデジタル値video_dataを出力する。バイアス部５０は、積分部２０、出力選択部３３およびＡＤ変換部４０それぞれに対して、基準電圧を供給する。制御部６３は、外部から入力されるCLK信号およびST信号に基づいて、受光部１３，積分部２０，第１ホールド部２４，第２ホールド部２５，出力選択部３３およびＡＤ変換部４０それぞれの動作を制御するための制御信号を生成して出力するものであり、シフトレジスタ等の論理回路を含む。

図１４は、第３実施形態に係る固体撮像装置３に含まれる受光部１３，積分部２０，第１ホールド部２４および第２ホールド部２５の構成図である。受光部１３には、共通の構成を有するＭ×Ｎ個の画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎが２次元配列されており、第ｍ行第ｎ列に画素部Ｐ_ｍ,ｎが位置している。積分部２０は、共通の構成を有するＮ個の積分回路Ｉ_１〜Ｉ_Ｎを含む。第１ホールド部２４はＮ個のホールド回路Ｈ_１,１〜Ｈ_１,Ｎを含む。また、第２ホールド部２５はＮ個のホールド回路Ｈ_２,１〜Ｈ_２,Ｎを含む。Ｎ個のホールド回路Ｈ_１,１〜Ｈ_１,ＮおよびＮ個のホールド回路Ｈ_２,１〜Ｈ_２,Ｎは共通の構成を有する。

受光部１３に含まれる第ｎ列のＭ個の画素部Ｐ_１,ｎ〜Ｐ_Ｍ,ｎそれぞれの出力端、および、積分部２０に含まれる積分回路Ｉ_ｎの入力端は、共通の配線Ｖline(n)により接続されている。積分部２０に含まれる積分回路Ｉ_ｎの出力端は、第１ホールド部２４に含まれるホールド回路Ｈ_１,ｎの入力端、および、第２ホールド部２５に含まれるホールド回路Ｈ_２,ｎの入力端は、共通の配線により接続されている。第１ホールド部２４に含まれるＮ個のホールド回路Ｈ_１,１〜Ｈ_１,Ｎそれぞれの出力端は共通の配線により接続されている。また、第２ホールド部２５に含まれるＮ個のホールド回路Ｈ_２,１〜Ｈ_２,Ｎそれぞれの出力端は共通の配線により接続されている。

図１５は、第３実施形態に係る固体撮像装置３に含まれる画素部Ｐ_ｍ,ｎ，積分回路Ｉ_ｎ，ホールド回路Ｈ_１,ｎおよびホールド回路Ｈ_２,ｎの回路図である。ＰＰＳ方式の各画素部Ｐ_ｍ,ｎは、フォトダイオードＰＤおよびスイッチＳＷを含む。フォトダイオードＰＤのアノード端子は接地され、フォトダイオードＰＤのカソード端子はスイッチＳＷを介して配線Ｖline(n)に接続されている。このスイッチＳＷは、制御部６３から供給されるＶaddress(m)信号のレベルに応じて開閉して、閉じているときに、フォトダイオードＰＤの接合容量部に蓄積されていた電荷を配線Ｖline(n)に出力させる。

積分部２０に含まれる各積分回路Ｉ_ｎは、その入力端子と出力端子との間に並列的にアンプＡ，容量素子ＣおよびスイッチＳＷが設けられている。各積分回路Ｉ_ｎの入力端子は、配線Ｖline(n)と接続されており、何れかの行の画素部Ｐ_ｍ,ｎから出力される電荷を入力する。このスイッチＳＷは、制御部６３から供給されるReset1信号のレベルに応じて開閉する。積分回路Ｉ_ｎは、スイッチＳＷが閉じているときには、容量素子Ｃを放電して、出力端子から出力される電圧値を初期化する。一方、積分回路Ｉ_ｎは、スイッチＳＷが開いているときには、入力端子に入力した電荷を容量素子Ｃに蓄積して、その蓄積した電荷の量に応じた電圧値を出力端子から出力する。

第１ホールド部２４に含まれる各ホールド回路Ｈ_１,ｎは、容量素子Ｃおよび２つのスイッチＳＷ１，ＳＷ２を含む。このホールド回路Ｈ_１,ｎでは、スイッチＳＷ１およびスイッチＳＷ２は、直列的に接続されて積分回路Ｉ_ｎの出力端子と配線Ｈline_s1との間に設けられ、容量素子Ｃの一端は、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２との間の接続点に接続され、容量素子Ｃの他端は接地されている。スイッチＳＷ１は、制御部６３から供給されるset_s1信号のレベルに応じて開閉する。set_s1信号は、第１ホールド部２４に含まれるＮ個のホールド回路Ｈ_１,１〜Ｈ_１,Ｎに対して共通に入力される。スイッチＳＷ２は、制御部６３から供給されるhshiht(n)信号のレベルに応じて開閉する。set_s1信号がハイレベルからローレベルに転じるときに積分回路Ｉ_ｎから出力されていた電圧値が、それ以降、容量素子Ｃにより電圧値out_s1(n)として保持される。そして、hshiht(n)信号がハイレベルになると、容量素子Ｃにより保持されていた電圧値out_s1(n)が配線Ｈline_s1へ出力される。この電圧値out_s1(n)が、画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードＰＤで発生した電荷の量に応じた電圧値Ｖ１_ｍ,ｎを表す。

第２ホールド部２５に含まれる各ホールド回路Ｈ_２,ｎは、容量素子Ｃおよび２つのスイッチＳＷ１，ＳＷ２を含む。このホールド回路Ｈ_２,ｎでは、スイッチＳＷ１およびスイッチＳＷ２は、直列的に接続されて積分回路Ｉ_ｎの出力端子と配線Ｈline_s2との間に設けられ、容量素子Ｃの一端は、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２との間の接続点に接続され、容量素子Ｃの他端は接地されている。スイッチＳＷ１は、制御部６３から供給されるset_s2信号のレベルに応じて開閉する。set_s2信号は、第２ホールド部２５に含まれるＮ個のホールド回路Ｈ_２,１〜Ｈ_２,Ｎに対して共通に入力される。スイッチＳＷ２は、制御部６３から供給されるhshiht(n)信号のレベルに応じて開閉する。set_s2信号がハイレベルからローレベルに転じるときに積分回路Ｉ_ｎから出力されていた電圧値が、それ以降、容量素子Ｃにより電圧値out_s2(n)として保持される。そして、hshiht(n)信号がハイレベルになると、容量素子Ｃにより保持されていた電圧値out_s2(n)が配線Ｈline_s2へ出力される。この電圧値out_s2(n)が、画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードＰＤで発生した電荷の量に応じた電圧値Ｖ２_ｍ,ｎを表す。

図１６は、第３実施形態に係る固体撮像装置３に含まれる出力選択部３３の構成図である。この出力選択部３３は、積分回路３３１、積分回路３３２、比較回路３３３、ラッチ回路３３４、論理反転回路３３５、スイッチＳＷ３０およびスイッチＳＷ４０を含む。

積分回路３３１および積分回路３３２それぞれは、図１５中の積分回路Ｉ_ｎと同様の回路構成を有している。積分回路３３１の入力端子は、配線Ｈline_s1と接続されていて、ホールド回路Ｈ_１,ｎから配線Ｈline_s1へ出力される電圧値out_s1(n)を入力して、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎを出力する。積分回路３３２の入力端子は、配線Ｈline_s2と接続されていて、ホールド回路Ｈ_２,ｎから配線Ｈline_s2へ出力される電圧値out_s2(n)を入力して、電圧値Ｖ２_ｍ,ｎを出力する。

比較回路３３３は、積分回路３３１から出力される電圧値Ｖ１_ｍ,ｎと基準電圧値Ｖsatとを大小比較して、その比較結果を示すmode_out信号を出力する。ラッチ回路３３４は、比較回路３３３から出力されるmode_out信号を入力し、そのmode_out信号を一定期間に亘って保持して出力する。論理反転回路３３５は、ラッチ回路３３４から出力されるmode_out信号を入力して論理反転し、その反転後の信号を出力する。

スイッチＳＷ３０は、一端が積分回路３３１の出力端に接続されていて、ラッチ回路３３４から出力されるmode_out信号に基づいて開閉動作する。スイッチＳＷ４０は、一端が積分回路３３２の出力端に接続されていて、論理反転回路３３５から出力される信号（mode_out信号の反転信号）に基づいて開閉動作する。スイッチＳＷ３０およびスイッチＳＷ４０のうち一方が開状態であるときには他方が閉状態であり、スイッチＳＷ３０の他端とスイッチＳＷ４０の他端とは互いに接続されていて、その接続点から出力されるvideo_a信号は、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎおよび電圧値Ｖ２_ｍ,ｎの何れか一方となる。

したがって、この出力選択部３３から出力されるvideo_a信号は、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎが基準電圧値Ｖsat未満であるときには電圧値Ｖ１_ｍ,ｎとなり、そうでないときには電圧値Ｖ２_ｍ,ｎとなる。ここで、基準電圧値Ｖsatは、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎが飽和しているか否かを比較回路３３３において判定できるよう適切な値に設定される。ＡＤ変換部４０は、出力選択部３３から出力されるvideo_a信号を入力して、この信号の電圧値（アナログ値）をデジタル値に変換して、このデジタル値video_dataを出力する。

次に、第３実施形態に係る固体撮像装置３の動作について説明する。第３実施形態に係る固体撮像装置３の動作を説明するタイミングチャートは、図７に示されたタイミングチャートと同様である。

受光部１３において、各行のＮ個の画素部は同一タイミングで動作するが、行間では一定時間づつ異なるタイミングで動作する。そして、受光部１３における第１行〜第Ｍ行それぞれについて順次に以下のような動作が行われる。

第ｍ行の各画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードは、第１期間Ｔ１に亘る光入射に応じた電荷蓄積動作、第１期間Ｔ１の後の初期化動作、第２期間Ｔ２に亘る光入射に応じた電荷蓄積動作、および、第２期間Ｔ２の後の初期化動作、を繰り返し行う。ただし、第１期間Ｔ１より第２期間Ｔ２が短い。

第１期間Ｔ１に亘る光入射に応じて第ｍ行の各画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードで発生した電荷は配線Ｖline(n)を経て積分回路Ｉ_ｎに入力されて、この電荷量に応じた電圧値が積分回路Ｉ_ｎから出力される。積分回路Ｉ_ｎから出力された電圧値は、第１ホールド部２４に入力されて、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎ（out_s1(n)）として第１ホールド部２４のホールド回路Ｈ_１,ｎにより保持される。この第１期間Ｔ１の後に第ｍ行の各画素部Ｐ_ｍ,ｎは初期化される、
この初期化の後に、第１期間Ｔ１より短い第２期間Ｔ２に亘る光入射に応じて第ｍ行の各画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードで発生した電荷は配線Ｖline(n)を経て積分回路Ｉ_ｎに入力されて、この電荷量に応じた電圧値が積分回路Ｉ_ｎから出力される。積分回路Ｉ_ｎから出力された電圧値は、第２ホールド部２５に入力されて、電圧値Ｖ２_ｍ,ｎ（out_s2(n)）として第２ホールド部２５のホールド回路Ｈ_２,ｎにより保持される。この第２期間Ｔ２の後に第ｍ行の各画素部Ｐ_ｍ,ｎは初期化される、
第１ホールド部２４により保持された電圧値Ｖ１_ｍ,ｎは、配線Ｈline_s1を経て出力選択部３３に入力される。第２ホールド部２５により保持された電圧値Ｖ２_ｍ,ｎは、配線Ｈline_s2を経て出力選択部３３に入力される。出力選択部３３には、先ず電圧値Ｖ１_ｍ,１および電圧値Ｖ２_ｍ,１が入力され、次に電圧値Ｖ１_ｍ,２および電圧値Ｖ２_ｍ,２が入力され、更に次に電圧値Ｖ１_ｍ,３および電圧値Ｖ２_ｍ,３が入力され、・・・というように、第１列から第Ｎ列へ順に電圧値Ｖ１_ｍ,ｎ，Ｖ２_ｍ,ｎが入力される。そして、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎまたは電圧値Ｖ２_ｍ,ｎが出力選択部３３から選択的に出力される。

出力選択部３３から出力されるvideo_a信号の値は、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎが基準電圧値Ｖsat未満であるとき（すなわち、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎが飽和していないとき）電圧値Ｖ１_ｍ,ｎとなり、そうでないときには電圧値Ｖ２_ｍ,ｎとなる。前述したように、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎは、比較的長い第１期間Ｔ１に亘る光入射に応じて画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値であり、電圧値Ｖ２_ｍ,ｎは、比較的短い第２期間Ｔ２に亘る光入射に応じて画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値である。

光入射強度が比較的小さい場合には、電荷蓄積時間が比較的長くでも、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎが飽和しないので、この電圧値Ｖ１_ｍ,ｎが選択される。光入射強度が比較的大きい場合には、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎが飽和するので、電圧値Ｖ２_ｍ,ｎが選択される。したがって、この固体撮像装置３は、複数の画素部それぞれについてダイナミックレンジが拡大される。また、この固体撮像装置３は、フレームメモリを必要とせず、小規模の回路を追加しただけであるので、小型化が可能で安価なものとすることができる。

また、この固体撮像装置３では、比較的長い第１期間Ｔ１に亘って電荷蓄積をした後に比較的短い第２期間Ｔ２に亘って電荷蓄積をすることにより、第１ホールド部２４および第２ホールド部２５それぞれの電圧値保持タイミングの差が小さい。また、その後、出力選択部３３による処理が完了するまでに、第１ホールド部２４および第２ホールド部２５それぞれが電圧値を保持しておく時間が短い。したがって、この点でも、追加回路の規模が小さくて済む。

（変形例）
上記の第１実施形態に係る固体撮像装置１は２つのホールド部を備えるＡＰＳ方式のものであり、第２実施形態に係る固体撮像装置２は３つのホールド部を備えるＡＰＳ方式のものであり、第３実施形態に係る固体撮像装置３は２つのホールド部を備えるＰＰＳ方式のものであった。本発明に係る固体撮像装置は３つのホールド部を備えるＰＰＳ方式のものであってもよい。

第１実施形態に係る固体撮像装置１の概略構成図である。 第１実施形態に係る固体撮像装置１に含まれる受光部１１，第１ホールド部２１および第２ホールド部２２の構成図である。 第１実施形態に係る固体撮像装置１に含まれる画素部Ｐ_ｍ,ｎ，ホールド回路Ｈ_１,ｎおよびホールド回路Ｈ_２,ｎの回路図である。 第１実施形態に係る固体撮像装置１に含まれる出力選択部３１の構成図である。 出力選択部３１に含まれる差演算回路３１１，３１２の回路図である。 第１実施形態に係る固体撮像装置１における各信号のレベル変化を説明するタイミングチャートである。 第１実施形態に係る固体撮像装置１の動作を説明するタイミングチャートである。 第２実施形態に係る固体撮像装置２の概略構成図である。 第２実施形態に係る固体撮像装置２に含まれる受光部１１，第１ホールド部２１，第２ホールド部２２および第３ホールド部２３の構成図である。 第２実施形態に係る固体撮像装置２に含まれる画素部Ｐ_ｍ,ｎ，ホールド回路Ｈ_１,ｎ，ホールド回路Ｈ_２,ｎおよびホールド回路Ｈ_３,ｎの回路図である。 第２実施形態に係る固体撮像装置２に含まれる出力選択部３２の構成図である。 第２実施形態に係る固体撮像装置２の動作を説明するタイミングチャートである。 第３実施形態に係る固体撮像装置３の概略構成図である。 第３実施形態に係る固体撮像装置３に含まれる受光部１３，積分部２０，第１ホールド部２４および第２ホールド部２５の構成図である。 第３実施形態に係る固体撮像装置３に含まれる画素部Ｐ_ｍ,ｎ，積分回路Ｉ_ｎ，ホールド回路Ｈ_１,ｎおよびホールド回路Ｈ_２,ｎの回路図である。 第３実施形態に係る固体撮像装置３に含まれる出力選択部３３の構成図である。

符号の説明

１〜３…固体撮像装置、１１，１３…受光部、２０…積分部、２１…第１ホールド部、２２…第２ホールド部、２３…第３ホールド部、２４…第１ホールド部、２５…第２ホールド部、３１〜３３…出力選択部、４０…ＡＤ変換部、５０…バイアス部、６１〜６３…制御部。

Claims (4)

1. 入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードを各々有しＭ行Ｎ列に２次元配列された画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎを含む受光部と、
   前記受光部における何れかの第ｍ行のＮ個の画素部Ｐ_ｍ,１〜Ｐ_ｍ,Ｎそれぞれのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を電圧値Ｖ１_ｍ,１〜Ｖ１_ｍ,Ｎとして保持し出力する第１ホールド部と、
   前記受光部における何れかの第ｍ行のＮ個の画素部Ｐ_ｍ,１〜Ｐ_ｍ,Ｎそれぞれのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を電圧値Ｖ２_ｍ,１〜Ｖ２_ｍ,Ｎとして保持し出力する第２ホールド部と、
   前記第１ホールド部から出力されるＮ個の電圧値Ｖ１_ｍ,１〜Ｖ１_ｍ,Ｎと、前記第２ホールド部から出力されるＮ個の電圧値Ｖ２_ｍ,１〜Ｖ２_ｍ,Ｎとを入力し、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎと基準電圧値Ｖsatとを大小比較して、その比較結果を示す信号を出力するとともに、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎが基準電圧値Ｖsat未満であるときには電圧値Ｖ１_ｍ,ｎを選択的に出力し、そうでないときには電圧値Ｖ２_ｍ,ｎを選択的に出力する出力選択部と、
   前記受光部，前記第１ホールド部，前記第２ホールド部および前記出力選択部それぞれの動作を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部が、前記受光部における第１行〜第Ｍ行それぞれについて順次に、
   第１期間に亘る光入射に応じて第ｍ行の各画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を電圧値Ｖ１_ｍ,ｎとして前記第１ホールド部により保持させ、
   この第１期間の後に第ｍ行の各画素部Ｐ_ｍ,ｎを初期化し、
   この初期化の後に前記第１期間より短い第２期間に亘る光入射に応じて第ｍ行の各画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を電圧値Ｖ２_ｍ,ｎとして前記第２ホールド部により保持させ、
   前記第１ホールド部により保持された電圧値Ｖ１_ｍ,ｎおよび前記第２ホールド部により保持された電圧値Ｖ２_ｍ,ｎを前記出力選択部に入力させて、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎまたは電圧値Ｖ２_ｍ,ｎを前記出力選択部から選択的に出力させる、
   ことを特徴とする固体撮像装置（Ｍ，Ｎは２以上の整数、ｍは１以上Ｍ以下の任意の整数、ｎは１以上Ｎ以下の任意の整数）。
2. 前記受光部，前記第１ホールド部，前記第２ホールド部および前記出力選択部が、共通の基板上にモノリシックに形成されている、ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードを各々有しＭ行Ｎ列に２次元配列された画素部Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎを含む受光部と、
   前記受光部における何れかの第ｍ行のＮ個の画素部Ｐ_ｍ,１〜Ｐ_ｍ,Ｎそれぞれのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を電圧値Ｖ１_ｍ,１〜Ｖ１_ｍ,Ｎとして保持し出力する第１ホールド部と、
   前記受光部における何れかの第ｍ行のＮ個の画素部Ｐ_ｍ,１〜Ｐ_ｍ,Ｎそれぞれのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を電圧値Ｖ２_ｍ,１〜Ｖ２_ｍ,Ｎとして保持し出力する第２ホールド部と、
   前記受光部における何れかの第ｍ行のＮ個の画素部Ｐ_ｍ,１〜Ｐ_ｍ,Ｎそれぞれのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を電圧値Ｖ３_ｍ,１〜Ｖ３_ｍ,Ｎとして保持し出力する第３ホールド部と、
   前記第１ホールド部または前記第２ホールド部から出力されるＮ個の電圧値Ｖ１_ｍ,１〜Ｖ１_ｍ,ＮまたはＮ個の電圧値Ｖ２_ｍ,１〜Ｖ２_ｍ,Ｎと、前記第３ホールド部から出力されるＮ個の電圧値Ｖ３_ｍ,１〜Ｖ３_ｍ,Ｎとを入力し、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎまたは電圧値Ｖ２_ｍ,ｎと基準電圧値Ｖsatとを大小比較して、その比較結果を示す信号を出力するとともに、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎまたは電圧値Ｖ２_ｍ,ｎが基準電圧値Ｖsat未満であるときには電圧値Ｖ１_ｍ,ｎまたは電圧値Ｖ２_ｍ,ｎを選択的に出力し、そうでないときには電圧値Ｖ３_ｍ,ｎを選択的に出力する出力選択部と、
   前記受光部，前記第１ホールド部，前記第２ホールド部，前記第３ホールド部および前記出力選択部それぞれの動作を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部が、前記受光部における第１行〜第Ｍ行それぞれについて順次に、
   第１期間に亘る光入射に応じて第ｍ行の各画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を電圧値Ｖ１_ｍ,ｎまたは電圧値Ｖ２_ｍ,ｎとして前記第１ホールド部または前記第２ホールド部により交互に保持させ、
   この第１期間の後に第ｍ行の各画素部Ｐ_ｍ,ｎを初期化し、
   この初期化の後に前記第１期間より短い第２期間に亘る光入射に応じて第ｍ行の各画素部Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を電圧値Ｖ３_ｍ,ｎとして前記第３ホールド部により保持させ、
   前記第１ホールド部または前記第２ホールド部により保持された電圧値Ｖ１_ｍ,ｎまたは電圧値Ｖ２_ｍ,ｎおよび前記第３ホールド部により保持された電圧値Ｖ３_ｍ,ｎを前記出力選択部に入力させて、電圧値Ｖ１_ｍ,ｎもしくは電圧値Ｖ２_ｍ,ｎまたは電圧値Ｖ３_ｍ,ｎを前記出力選択部から選択的に出力させる、
   ことを特徴とする固体撮像装置（Ｍ，Ｎは２以上の整数、ｍは１以上Ｍ以下の任意の整数、ｎは１以上Ｎ以下の任意の整数）。
4. 前記受光部，前記第１ホールド部，前記第２ホールド部，前記第３ホールド部および前記出力選択部が、共通の基板上にモノリシックに形成されている、ことを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
   
   

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