JP2007150818A - 撮像素子および該撮像素子を搭載した撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フォトダイオードの飽和電荷以上の電荷も信号電荷として利用することで、真の意味でダイナミックレンジを拡大し、もって高画質化に寄与することのできる撮像素子および該撮像素子を搭載した撮像装置を提供すること。
【解決手段】フォトダイオードの飽和電荷以上の電荷をフォトダイオードと並列に配置された容量性蓄積手段に蓄積することにより、フォトダイオードの飽和電荷以上の電荷も信号電荷として利用することで、真の意味でダイナミックレンジを拡大し、もって高画質化に寄与することのできる撮像素子および該撮像素子を搭載した撮像装置を提供することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、撮像素子および該撮像素子を搭載した撮像装置に関し、特に、広いダイナミックレンジを持つ撮像素子および該撮像素子を搭載した撮像装置に関する。

近年の撮像素子の小型化、高画素化の流れから、撮像素子の画素サイズは小型化の一途をたどり、それに伴い、撮像素子の撮像可能な照度範囲（所謂ダイナミックレンジ）が狭くなり、画質に大きな影響を与えている。そのため、撮像素子の広ダイナミックレンジ化が望まれている。

この課題を解決するために、露光量の異なる画面を複数回撮影し、それら複数の画面から適正レベルの画面部分を選択して画像合成することにより、個々の画面よりも広いダイナミックレンジの画像を合成する撮像装置（例えば、特許文献１参照）や、撮像素子の光電変換信号電荷を信号電圧に変換する電荷電圧変換部を持ち、電荷電圧変換部は異なる電圧依存性を有する複数の容量からなり、ダイナミックレンジが可変であるような撮像素子（例えば、特許文献２参照）等が提案されている。

また、フォトダイオードの信号電荷を保持する容量を複数個備え、１回の露光で得られた信号電荷を、容量値を切り換えて複数回読み出し、読み出した信号を加算することでダイナミックレンジを拡大する方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特公平７−９７８４１号公報 特開２０００−１６５７５５号公報 特開２０００−１６５７５４号公報

しかしながら、特許文献１で提案された撮像装置は、複数回の撮影が必要なために撮影時間がかかり、かつ、露光量の異なる画像から画像処理で画像を合成することから、単純な画像合成では合成の繋ぎ目が不自然で非常に見にくい画像になるため、非常に複雑な画像合成が必須で処理時間が長くなり、処理時間を短縮するためには高価な処理チップを用いる必要があり、コストが非常に高くなる。

また、特許文献２で提案された撮像素子は、素子構造が複雑で製造コストが高くなり、また容量の電圧依存性の制御も難しく、素子毎の調整等が必要でコストアップの要因となる。

また、特許文献３で提案された方法は、一見ダイナミックレンジが拡大されたかのように見えるが、実際は、フォトダイオードの飽和電荷以上の電荷は信号として取り出せず、つまり、フォトダイオードによってダイナミックレンジが律速されており、単に見かけ上ダイナミックレンジが拡大したように見えているにすぎない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、フォトダイオードの飽和電荷以上の電荷も信号電荷として利用することで、真の意味でダイナミックレンジを拡大し、もって高画質化に寄与することのできる撮像素子および該撮像素子を搭載した撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の目的は、下記構成により達成することができる。

１． 複数の画素を有する撮像素子において、
前記画素は、
被写体からの光を光電変換し、光電変換した電荷を蓄積する光電変換手段と、
前記光電変換手段での蓄積容量を超えた電荷を蓄積する容量性蓄積手段とを備えたことを特徴とする撮像素子。

２． 複数の画素を有する撮像素子において、
前記画素は、
被写体からの光を光電変換し、光電変換した電荷を蓄積する光電変換手段と、
電荷を蓄積する複数の容量性蓄積手段と、
前記光電変換手段での蓄積容量を超えた電荷を、前記複数の容量性蓄積手段の少なくとも１つに転送する転送手段とを備えたことを特徴とする撮像素子。

３． 前記容量性蓄積手段は、フローティングディフュージョンであることを特徴とする１および２に記載の撮像素子。

４． 前記容量性蓄積手段は、前記光電変換手段の蓄積容量よりも大きな蓄積容量を有することを特徴とする１乃至３の何れか１項に記載の撮像素子。

５． 前記複数の容量性蓄積手段を並列に接続する接続手段を備えたことを特徴とする２乃至４の何れか１項に記載の撮像素子。

６． １乃至５の何れか１項に記載の撮像素子を搭載したことを特徴とする撮像装置。

本発明によれば、フォトダイオードの飽和電荷以上の電荷をフォトダイオードと並列に配置された容量性蓄積手段に蓄積することにより、フォトダイオードの飽和電荷以上の電荷も信号電荷として利用することができるので、真の意味でダイナミックレンジを拡大し、もって高画質化に寄与することのできる撮像素子および該撮像素子を搭載した撮像装置を提供することができる。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。

まず最初に、本発明に係る撮像装置の一例であるデジタルカメラについて、図１および図２を用いて説明する。

図１は、デジタルカメラの外観模式図で、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は背面図である。

図１（ａ）において、デジタルカメラ１のボディ１０の正面には、交換レンズ２０が取り付けれられている。ボディ１０の上面には、撮像のための操作部材であるレリーズボタン１０１が設置されており、ボディ１０の内部でレリーズボタン１０１の下部には、レリーズボタン１０１の押し込みの１段目で動作するＡＦスイッチ１０１ａと、レリーズボタンの押し込みの２段目で動作するレリーズスイッチ１０１ｂを構成する２段スイッチが配置されている。また、ボディ１０の上部には、フラッシュ１０２が内蔵され、デジタルカメラ１の動作モードを設定するモード設定ダイアル１１２が配置されている。

図１（ｂ）で、ボディ１０の背面には、デジタルカメラ１の電源をオン／オフするための電源スイッチ１１１、カメラの各種設定条件を変更する変更ダイアル１１３、上下左右と中央の５つのスイッチから成り、デジタルカメラ１の各動作モードでの各種設定を行うためのジョグダイアル１１５、ファインダ接眼レンズ１２１ａ、記録された画像や各種情報等を表示するための画像表示手段１３１が配置されている。

図２は、図１に示したデジタルカメラ１の回路の一例を示すブロック図である。図中、図１と同じ部分には同じ番号を付与した。

デジタルカメラ１の制御を行うカメラ制御手段１５０は、ＣＰＵ（中央処理装置）１５１、ワークメモリ１５２、記憶部１５３、データメモリ１５４等から構成され、記憶部１５３に記憶されているプログラムをワークメモリ１５２に読み出し、当該プログラムに従ってデジタルカメラ１の各部を集中制御する。

また、カメラ制御手段１５０は、電源スイッチ１１１、モード設定ダイアル１１２、変更ダイアル１１３、ジョグダイアル１１５、ＡＦスイッチ１０１ａ、レリーズスイッチ１０１ｂ等からの入力を受信し、光学ファインダ１２１上の測光モジュール１２２と交信することで測光動作を制御し、ＡＦモジュール１４４と交信することでＡＦ動作を制御し、ミラー駆動手段１４３を介してレフレックスミラー１４１及びサブミラー１４２を駆動し、シャッタ駆動手段１４６を介してシャッタ１４５を制御し、フラッシュ１０２を制御し、撮像制御手段１６１と交信することで撮像動作を制御すると共に、撮像された画像や各種情報を画像表示手段１３１に表示し、インファインダ表示手段１３２に各種情報を表示する。

また、カメラ制御手段１５０は、外部インターフェース（Ｉ／Ｆ）１８５を介して、デジタルカメラ１の外部に設けられたパーソナルコンピュータや携帯情報端末と、撮像された画像データやデジタルカメラ１の制御信号等をやり取りする。

さらに、カメラ制御手段１５０は、ボディ１０と交換レンズ２０の間の交信を行う、マウント（ボディ側）１７１上に設けられたＢＬ交信手段（ボディ側）１７２と、マウント（レンズ側）２７１上に設けられたＢＬ交信手段（レンズ側）２７２を介して、交換レンズ２０のレンズインターフェース２５１経由で、レンズ２１１のフォーカスとズームの制御を行うレンズ制御手段２４１、絞り２２１の制御を行う絞り制御手段２２２、交換レンズ２０の固有情報を格納しているレンズ情報記憶手段２３１と交信を行うことで、交換レンズ２０全体を制御する。

交換レンズ２０のレンズ２１１によって撮像素子１６２の図３で後述する撮像面１６２ａ上に結像される画像は、撮像素子１６２で光電変換された後、アンプ１６３で増幅され、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換手段１６４でデジタルデータに変換され、画像処理手段１６５で既定の画像処理を施したデジタル撮像データに変換され、一旦画像メモリ１８１に記録された後、最終的にはメモリカード１８２に記録される。これらの動作は、カメラ制御手段１５０の制御下で、撮像制御手段１６１によって制御される。撮像制御手段１６１、アンプ１６３、Ａ／Ｄ変換器１６４および画像処理部１６５は、撮像回路１６０を構成する。

次に、本発明における撮像素子の実施の形態と、その撮像動作について、図３乃至図２０を用いて説明する。

図３は、撮像素子１６２を構成する各構成要素の配置の一例を示す模式図である。

撮像素子１６２は、撮像面１６２ａ上に、水平と垂直に配列された複数の画素１６２ｂと、垂直走査回路１６２ｃ、サンプルホールド回路１６２ｄ、出力回路１６２ｅ、水平走査回路１６２ｆ、出力アンプ１６２ｇ、タイミングジェネレータ１６２ｈ等の構成要素を備え、画素１６２ｂの各水平行毎の並びと垂直走査回路１６２ｃとは行選択線１６２ｉで結ばれ、画素１６２ｂの各垂直列毎の並びとサンプルホールド回路１６２ｄとは垂直信号線１６２ｊで結ばれている。

撮像素子１６２の撮像動作は、撮像制御手段１６１からの撮像制御信号１６１ａに従って、タイミングジェネレータ１６２ｈによって制御され、撮像素子１６２の出力である撮像データ１６２ｋは、アンプ１６３に入力される。

図４は、撮像素子１６２を構成する画素１６２ｂの回路の第１の実施の形態を示す回路図である。画素１６２ｂは、埋め込み型フォトダイオードＰＤ（以下、ＰＤという）、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ：以下、トランジスタという）Ｑ１乃至Ｑ８から構成されている。トランジスタＱ１のドレインとトランジスタＱ２のソースの接続部およびトランジスタＱ３のドレインとトランジスタＱ４のソースの接続部は、フローティングディフュージョン（以下、ＦＤ１およびＦＤ２という）で構成されている。

リセット電位ＲＳＢ、リセット信号ＲＸ１およびＲＸ２、転送信号ＴＸ１およびＴＸ２、切換信号ＳＷ１およびＳＷ２、読み出し信号ＳＸは、各トランジスタに対する信号（電位）を示し、ＶＤＤは電源、ＧＮＤは接地を示している。

ＰＤは本発明における光電変換手段として機能し、被写体からの入射光量に応じた光電流Ｉｐｄを発生し、光電流Ｉｐｄは、信号電荷ＱｐｄとしてＰＤの寄生容量Ｃｐｄに蓄積される。ＰＤは、ノイズ低減のために埋め込み型構造となっており、光電変換された光電流Ｉｐｄを直接取り出せないため、本発明における転送手段として機能する転送ゲートと呼ばれるトランジスタＱ１およびＱ３（以下、ＴＧ１およびＴＧ２と言う）を介してＦＤ１およびＦＤ２に接続されている。

ＦＤ１は、ＰＤに蓄積された信号電荷を、ＴＧ１を介して完全転送して読み出すための容量性の読み出し部であり、その容量値をＣｆｄ１とする。同じくＦＤ２は、ＰＤに蓄積可能な飽和電荷以上の溢れた信号電荷を、ＴＧ２を介して蓄積するための蓄積部および読み出し部であり、その容量値をＣｆｄ２とする。ここに、ＦＤ１およびＦＤ２は、本発明における容量性蓄積手段として機能する。

このような構成とすることによって、ＰＤの飽和電荷以上の電荷をＰＤと並列に配置された容量性蓄積手段に蓄積でき、信号電荷として利用することができるので、撮像素子のダイナミックレンジを拡大することができる。

ＦＤ１およびＦＤ２の容量Ｃｆｄ１およびＣｆｄ２は、その構造から、小さな表面積でＰＤの容量Ｃｐｄに比べて大きな容量にすることが容易である。また、ＰＤから信号電荷が溢れる場合は、入射光量が多い場合、すなわち光電流Ｉｐｄが大きい場合であるので、特にＦＤ２の容量は大きくする必要がある。そのため、ここではＣｆｄ２＞Ｃｆｄ１＞Ｃｐｄとする。

トランジスタＱ２およびＱ４はリセットゲートと呼ばれ（以下、ＲＧ１およびＲＧ２と言う）、オンすることによってＦＤ１およびＦＤ２を既定のリセット電位ＲＳＢにリセットする。

トランジスタＱ５およびＱ６は、本発明における接続手段として機能し、ＦＤ１およびＦＤ２をトランジスタＱ７のゲートに接続するための切換スイッチであり、各々切換信号ＳＷ１およびＳＷ２によって制御される。

トランジスタＱ７は、ソースフォロワ増幅回路を構成するものであり、切換信号ＳＷ１またはＳＷ２を介してゲートに接続されるＦＤ１またはＦＤ２の電位に対する電流増幅を行うことで、出力インピーダンスを下げる働きをする。

トランジスタＱ８は、信号読み出し用のトランジスタであり、ゲートは、行選択線１６２ｉに接続されており、垂直走査回路１６２ｃによって印加される読み出し信号ＳＸに応じてオン、オフされるスイッチとして動作する。トランジスタＱ８のソースは、垂直信号線１６２ｊに接続されており、トランジスタＱ８がオンされると、トランジスタＱ７で低インピーダンス化されたＦＤ１またはＦＤ２の電位が、画素出力ＶＯＵＴとして、垂直信号線１６２ｊへ導出される。

なお、トランジスタＱ１からＱ８は、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴとして説明したが、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴで回路を構成することも可能である。

図５は、撮像素子を構成するサンプルホールド回路１６２ｄの１例を示す回路図である。図５に示した回路は画素の垂直１列分であり、水平画素数分同じ回路が並べられてサンプルホールド回路１６２ｄが構成される。

各画素１６２ｂの画素出力ＶＯＵＴは、垂直信号線１６２ｊに出力される。垂直信号線１６２ｊは、定電流駆動型として例示している。画素出力ＶＯＵＴは、４つのサンプルホールドスイッチ（Ｓｓｈ１、Ｓｓｈ２、Ｓｓｈ３、Ｓｓｈ４）を介して、各タイミングで４つのサンプルホールド容量（Ｃｓｈ１、Ｃｓｈ２、Ｃｓｈ３、Ｃｓｈ４）に接続されて、４つの信号（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４）として保持される。

４つのサンプルホールド容量（Ｃｓｈ１、Ｃｓｈ２、Ｃｓｈ３、Ｃｓｈ４）に保持された４つの信号（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４）は、４つのバッファアンプ（ＢＡ１、ＢＡ２、ＢＡ３、ＢＡ４）と４つの列選択スイッチ（Ｓｃ１、Ｓｃ２、Ｓｃ３、Ｓｃ４）を介して出力され、Ｖ１とＶ２は差動アンプＬｎＡＭＰに、Ｖ３とＶ４は差動アンプＫｎｅｅＡＭＰに入力されて差分がとられ、差動アンプＬｎＡＭＰの出力ＶＬｎと差動アンプＫｎｅｅＡＭＰの出力ＶＫｎｅｅが出力される。

差動アンプＬｎＡＭＰの出力ＶＬｎと差動アンプＫｎｅｅＡＭＰの出力ＶＫｎｅｅとは、加算器ＡＤＤで加算され、出力アンプ１６２ｇを介して、撮像素子１６２から撮像データ１６２ｋとして出力される。

４つのサンプルホールドスイッチ（Ｓｓｈ１、Ｓｓｈ２、Ｓｓｈ３、Ｓｓｈ４）は、各々制御信号（ＳＨＮ−Ｌｎ、ＳＨＳ−Ｌｎ、ＳＨＮ−Ｋｎｅｅ、ＳＨＳ−Ｋｎｅｅ）により制御され、４つの列選択スイッチ（Ｓｃ１、Ｓｃ２、Ｓｃ３、Ｓｃ４）は、列選択信号ＨＳＲにより制御される。各制御動作については、図６で説明する。

図６は、図４に示した画素から成る撮像素子１６２の撮像時の動作を示すタイミングチャートであり、図６（ａ）は全画素同時に行われる撮像動作のタイミングチャート、図６（ｂ）は水平各行毎に順次行われるノイズデータと撮像データとの垂直および水平転送動作のタイミングチャートである。本実施の形態では、撮像素子１６２の露光量制御は、絞り２２１とシャッタ１４５で行われる。

図６（ａ）において、シャッタ１４５が閉じられた状態で、タイミングＴ１（初期リセット）で、リセット信号ＲＸ１およびＲＸ２、転送信号ＴＸ１およびＴＸ２、切換信号ＳＷ１およびＳＷ２が高電位（Ｈ）にされることで、ＲＧ１およびＲＧ２、ＴＧ１およびＴＧ２、切換スイッチＱ５およびＱ６がオンされ、ＦＤ１、ＦＤ２およびトランジスタＱ７のゲートが既定のリセット電位ＲＳＢにリセット（初期化）されるとともに、ＰＤの残存電荷が排出されてリセットされる。図７で、この状態を後述する。

タイミングＴ１の最後でリセット信号ＲＸ１およびＲＸ２、切換信号ＳＷ１およびＳＷ２が低電位（Ｌ）に戻されることでＲＧ１およびＲＧ２、切換スイッチＱ５およびＱ６がオフされ、転送信号ＴＸ１およびＴＸ２が中間電位ＶＭ１およびＶＭ２に設定されることで撮像が可能となる。図８で、この状態を後述する。本例ではＶＭ１＝ＶＭ２＝ＶＭとして説明し、中間電位ＶＭ１とＶＭ２の値が異なる場合については、図２２から図３６で説明する。この時、ＦＤ１およびＦＤ２にはリセットノイズによる電荷Ｑ（Ｎ−Ｌｎ１）およびＱ（Ｎ−Ｋｎｅｅ１）が発生する。

以後、撮像による信号成分をＳ、ノイズ成分をＮで示し、図２１および図３６で後述する光電変換特性の入射光量の少ない側の線形特性（以下、Ｌｎ特性と呼ぶ）部分をＬｎ、入射光量の多い側の線形特性（以下、Ｋｎｅｅ（膝）特性と呼ぶ）をＫｎｅｅで示す。例えば（Ｎ−Ｋｎｅｅ１）は、Ｋｎｅｅ特性部の１番目のノイズ成分という意味である。

タイミングＴ１終了後、絞り２２１が測光モジュール１２２による測光結果から決定される所定の絞り値に絞り込まれ、タイミングＴ２（撮像）の初めでシャッタ１４５が開かれて撮像が開始され、被写体からの光がＰＤで光電変換されて、ＰＤに信号電荷Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）が蓄積される。図９で、この状態を後述する。

タイミングＴ２で、入射光量が多く、信号電荷Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）がＰＤに蓄積可能な最大電荷量Ｑｐｄｍａｘを超えると、信号電荷はオーバーフローしてＦＤ１およびＦＤ２に流れ込み、前述したリセットノイズによる電荷Ｑ（Ｎ−Ｌｎ１）およびＱ（Ｎ−Ｋｎｅｅ１）に重畳されて蓄積される。オーバーフローしてＦＤ１およびＦＤ２に流れ込む信号電荷をＱ（Ｓ−Ｋｎｅｅ１）およびＱ（Ｓ−Ｋｎｅｅ２）とすると、ＦＤ１に蓄積される電荷は（Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ１）＋Ｑ（Ｎ−Ｌｎ１））、ＦＤ２に蓄積される電荷は（Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ２）＋Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ１））となる。図１０で、この状態を後述する。

転送信号ＴＸ１およびＴＸ２の中間電位ＶＭの設定を変える、すなわちＴＧ１およびＴＧ２のポテンシャルを変えることで、ＰＤに蓄積可能な最大電荷量Ｑｐｄｍａｘを変えることが可能である。これは、上述したＬｎ特性とＫｎｅｅ特性の切り替わり点（以下、変曲点と言う）を変更することであり、それによって撮像素子１６２のダイナミックレンジを可変にすることができる。

タイミングＴ２の終わりでシャッタ１４５が閉じられることで撮像が終了され、転送信号ＴＸ１およびＴＸ２が低電位（Ｌ）に設定されて、ＴＧ１およびＴＧ２がオフされる。その後、絞り２２１が開放に戻される。以上が全画素同時に行われる撮像動作である。

図６（ｂ）において、タイミングＴ３（ＦＤ１リセット）で、水平ｎ行目のリセット信号ＲＸ１（ＲＸ１ｎ）と切換信号ＳＷ１（ＳＷ１ｎ）が高電位（Ｈ）にされることで、ＲＧ１と切換スイッチＱ５がオンされてＦＤ１とトランジスタＱ７のゲートが既定のリセット電位ＲＳＢにリセットされる。従って、入射光量が多くてＰＤからＦＤ１およびＦＤ２に流れ込む信号電荷があった場合でも、ＦＤ１に蓄積された電荷（Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ１）＋Ｑ（Ｎ−Ｌｎ１））はタイミングＴ３でリセットされる。図１１で、この状態を後述する。

切換信号ＳＷ１（ＳＷ１ｎ）は、タイミングＴ７の終わりまで高電位（Ｈ）のまま保持される。タイミングＴ３の終了時点で、ＦＤ１にはリセットノイズによる電荷Ｑ（Ｎ−Ｌｎ２）が発生する。

タイミングＴ４（Ｌｎ部ノイズ読み出し）で、水平ｎ行目の読み出し信号ＳＸ（ＳＸｎ）とサンプルホールド回路１６２ｄの制御信号（ＳＨＮ−Ｌｎ）が高電位（Ｈ）にされることで、ＦＤ１に残存するリセットノイズによる電荷Ｑ（Ｎ−Ｌｎ２）がノイズ電位Ｖ１として垂直信号線１６２ｊに導出され、サンプルホールドスイッチＳｓｈ１を介して、ノイズ電位Ｖ１としてサンプルホールド容量Ｃｓｈ１に保持される。図１２で、この状態を後述する。

タイミングＴ５（Ｌｎ部信号転送）で、水平ｎ行目の転送信号ＴＸ１（ＴＸ１ｎ）が高電位（Ｈ）にされることで水平ｎ行目の全画素のＴＧ１がオンされ、ＰＤに蓄積された信号電荷Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）がＦＤ１に完全転送され、ＦＤ１に残存するリセットノイズによる電荷Ｑ（Ｎ−Ｌｎ２）に重畳されて保持される（Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）＋Ｑ（Ｎ−Ｌｎ２））。図１３で、この状態を後述する。

タイミングＴ６（Ｌｎ部信号読み出し）で、水平ｎ行目の読み出し信号ＳＸ（ＳＸｎ）とサンプルホールド回路１６２ｄの制御信号（ＳＨＳ−Ｌｎ）が高電位（Ｈ）にされることで、ＦＤ１に保持された電荷（Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）＋Ｑ（Ｎ−Ｌｎ２））が信号電位Ｖ２として垂直信号線１６２ｊに導出され、サンプルホールドスイッチＳｓｈ２を介して、信号Ｖ２としてサンプルホールド容量Ｃｓｈ２に保持される。図１４で、この状態を後述する。

タイミングＴ７（ＦＤ１リセット）で、水平ｎ行目のリセット信号ＲＸ１（ＲＸ１ｎ）が高電位（Ｈ）にされることで、ＲＧ１がオンされてＦＤ１とトランジスタＱ７のゲートが既定のリセット電位ＲＳＢにリセットされる。図１５で、この状態を後述する。

図６（ｂ）に戻って、タイミングＴ７の終わりで切換信号ＳＷ１（ＳＷ１ｎ）が低電位（Ｌ）にされることで切換スイッチＱ５がオフされて、ＦＤ１とトランジスタＱ７のゲートが切り離される。また、タイミングＴ７の終了時点で、ＦＤ１にはリセットノイズによる電荷Ｑ（Ｎ−Ｌｎ３）が発生する。

タイミングＴ８（Ｋｎｅｅ部信号読み出し）で、水平ｎ行目の切換信号ＳＷ２（ＳＷ２ｎ）、読み出し信号ＳＸ（ＳＸｎ）およびサンプルホールド回路１６２ｄの制御信号（ＳＨＳ−Ｋｎｅｅ）が高電位（Ｈ）にされることで、切換スイッチＱ６がオンされてＦＤ２とトランジスタＱ７のゲートが接続され、ＦＤ２に蓄積された電荷（Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ２）＋Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ１））が信号電位Ｖ４として垂直信号線１６２ｊに導出され、サンプルホールドスイッチＳｓｈ４を介して、信号電位Ｖ４としてサンプルホールド容量Ｃｓｈ４に保持される。切換信号ＳＷ２（ＳＷ２ｎ）は、タイミングＴ１０の終わりまで高電位（Ｈ）のまま保持される。図１６で、この状態を後述する。

タイミングＴ９（ＦＤ２リセット）で、水平ｎ行目のリセット信号ＲＸ２（ＲＸ２ｎ）が高電位（Ｈ）にされることで、ＲＧ２がオンされてＦＤ２とトランジスタＱ７のゲートが既定のリセット電位ＲＳＢにリセットされる。図１７で、この状態を後述する。

タイミングＴ９の終了時点で、ＦＤ２にはリセットノイズによる電荷Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ２）が発生する。タイミングＴ１０（Ｋｎｅｅ部ノイズ読み出し）で、水平ｎ行目の読み出し信号ＳＸ（ＳＸｎ）およびサンプルホールド回路１６２ｄの制御信号（ＳＨＮ−Ｋｎｅｅ）が高電位（Ｈ）にされることで、ＦＤ２に残存するリセットノイズによる電荷Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ２）がノイズ電位Ｖ３として垂直信号線１６２ｊに導出され、サンプルホールドスイッチＳｓｈ３を介して、信号電位Ｖ３としてサンプルホールド容量Ｃｓｈ３に保持される。図１８で、この状態を後述する。

タイミングＴ１０の終わりで切換信号ＳＷ２（ＳＷ２ｎ）が低電位（Ｌ）にされることで切換スイッチＱ６がオフされて、ＦＤ２とトランジスタＱ７のゲートが切り離される。タイミングＴ１１（撮像データ出力）で、水平ｎ行目の各列の列選択信号ＨＳＲが高電位（Ｈ）にされることで４つの列選択スイッチ（Ｓｃ１、Ｓｃ２、Ｓｃ３、Ｓｃ４）がオンされ、４つのサンプルホールド容量（Ｃｓｈ１、Ｃｓｈ２、Ｃｓｈ３、Ｃｓｈ４）に保持された４つの信号（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４）が後段に出力され、信号Ｖ１とＶ２は差動アンプＬｎＡＭＰに、信号Ｖ３とＶ４は差動アンプＫｎｅｅＡＭＰに入力されて差分がとられる。所謂ノイズ除去のためのＣＤＳ（相関二重サンプリング）動作である。

よって、差動アンプＬｎＡＭＰの出力ＶＬｎは、
ＶＬｎ＝Ｖ２−Ｖ１
＝（（Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）＋Ｑ（Ｎ−Ｌｎ２））／Ｃｆｄ１）−（Ｑ（Ｎ−Ｌｎ２）／Ｃｆｄ１）
＝Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）／Ｃｆｄ１ ・・・（式１）
となって、リセットノイズによる電荷Ｑ（Ｎ−Ｌｎ２）が完全に除去されて、ＰＤに蓄積された信号電荷Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）のみからなる撮像データとなる。

一方差動アンプＫｎｅｅＡＭＰの出力ＶＫｎｅｅは、
ＶＫｎｅｅ＝Ｖ４−Ｖ３
＝（（Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ２）＋Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ１））／Ｃｆｄ２）−（Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ２）／Ｃｆｄ２）
＝（Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ２）＋（Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ１）−Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ２）））／Ｃｆｄ２ ・・・（式２）
となって、ＰＤからオーバーフローした信号電荷Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ２）に、タイミングＴ１（初期リセット）とタイミングＴ９（ＦＤ２リセット）のリセットノイズの差分（Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ１）−Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ２））が重畳された電荷からなる撮像データとなり、リセットノイズを完全に除去することはできない。

ただし、出力ＶＫｎｅｅに出力が発生するのは、入射光量が多く、信号電荷がＰＤに蓄積可能な量を超える非常に明るい場合であり、この場合はリセットノイズはあまり問題とはならない。また、図４で説明したように、ＦＤ２の容量Ｃｆｄ２＞ＦＤ１の容量Ｃｆｄ１＞ＰＤの容量Ｃｐｄであるので、ＦＤ２はリセットノイズの影響を受けにくくなっている。

撮像データ１６２ｋはＶＬｎ＋ＶＫｎｅｅであるから、
１６２ｋ＝Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）／Ｃｆｄ１＋（Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ２）＋（Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ１）−Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ２）））／Ｃｆｄ２ ・・・（式３）
となる。

さらに、上述した例では、切換信号ＳＷ１はタイミングＴ７の最後で低電位（Ｌ）に戻されたが、これをタイミングＴ１０の最後まで高電位（Ｈ）に保つと（図６のＳＷ１に細かい破線で示した部分）切換スイッチＱ５がオンのままとなり、タイミングＴ８で切換信号ＳＷ２（ＳＷ２ｎ）が高電位（Ｈ）にされて切換スイッチＱ６がオンされた時点で、切換スイッチＱ５とＱ６とを介してＦＤ１とＦＤ２とが接続されるので、ＦＤ２に蓄積された電荷（Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ２）＋Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ１））がＦＤ１とＦＤ２の容量比に比例して按分され、タイミングＴ８で出力される信号出力Ｖ４がさらに低く、つまり、Ｋｎｅｅ特性の傾きが小さくなる。ここに、信号電位Ｖ４は、以下の（式４）で表される。

Ｖ４＝（Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ２）＋Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ１）＋Ｑ（Ｎ−Ｌｎ３））／（Ｃｆｄ１＋Ｃｆｄ２） ・・・（式４）
これによって、ＰＤの飽和電荷以上の信号電荷をＰＤと並列に配置された容量性蓄積手段に蓄積して信号電荷として利用することができるので、撮像素子のダイナミックレンジを拡大することができる。図１９で、この状態を後述する。

次に、タイミングＴ９（ＦＤ２リセット）で、水平ｎ行目のリセット信号ＲＸ２（ＲＸ２ｎ）が高電位（Ｈ）にされることで、ＲＧ２がオンされて、ＦＤ１、ＦＤ２とトランジスタＱ７のゲートが既定のリセット電位ＲＳＢにリセットされる。タイミングＴ９の終了時点で、ＦＤ１とＦＤ２にはリセットノイズによる電荷Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ２）が発生し、ＦＤ１とＦＤ２の容量比に従って按分される。

タイミングＴ１０（Ｋｎｅｅ部ノイズ読み出し）で、水平ｎ行目の読み出し信号ＳＸ（ＳＸｎ）およびサンプルホールド回路１６２ｄの制御信号（ＳＨＮ−Ｋｎｅｅ）が高電位（Ｈ）にされることで、ＦＤ１とＦＤ２に残存するリセットノイズによる電荷Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ２）がノイズ電位Ｖ３として垂直信号線１６２ｊに導出され、サンプルホールドスイッチＳｓｈ３を介して、信号電位Ｖ３としてサンプルホールド容量Ｃｓｈ３に保持される。図２０で、この状態を後述する。

よって、差動アンプＫｎｅｅＡＭＰの出力ＶＫｎｅｅは、
ＶＫｎｅｅ＝Ｖ４−Ｖ３
＝（（Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ２）＋Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ１）＋Ｑ（Ｎ−Ｌｎ３））／（Ｃｆｄ１＋Ｃｆｄ２））−（Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ２）／（Ｃｆｄ１＋Ｃｆｄ２））
＝（Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ２）＋（Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ１）＋Ｑ（Ｎ−Ｌｎ３）−Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ２）））／（Ｃｆｄ１＋Ｃｆｄ２） ・・・（式５）
となり、ＰＤからオーバーフローした信号電荷Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ２）に、タイミングＴ１（初期リセット）とタイミングＴ７（ＦＤ１リセット）のリセットノイズによる電荷（Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ１）＋（Ｎ−Ｌｎ３））と、タイミングＴ９（ＦＤ２リセット）のリセットノイズによる電荷Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ２）の差分が重畳されたものとなり、リセットノイズを完全に除去することはできない。また、分母にＦＤ１の容量値Ｃｆｄ１が加算されているので、（式２）に比べて出力の傾きが低くなる。

撮像データ１６２ｋはＶＬｎ＋ＶＫｎｅｅであるから、
１６２ｋ＝Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）／Ｃｆｄ１＋（Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ２）＋（Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ１）＋Ｑ（Ｎ−Ｌｎ３）−Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ２）））／（Ｃｆｄ１＋Ｃｆｄ２） ・・・（式６）
となる。

次に、図６で示した各タイミングでの画素１６２ｂ内部の動作を、図７から図２０のポテンシャル図で説明する。図７から図３５は、図６のタイミングＴ１からＴ１０の各タイミングでの、フォトダイオードＰＤ、転送ゲートＴＧ１およびＴＧ２、フローティングディフュージョンＦＤ１およびＦＤ２、リセットゲートＲＧ１およびＲＧ２、リセット電位ＲＳＢの各部のポテンシャルと切換スイッチＱ５およびＱ６のオン／オフ状態を示す模式図である。

図７は、図６（ａ）のタイミングＴ１の状態を示し、リセット信号ＲＸ１およびＲＸ２、転送信号ＴＸ１およびＴＸ２、切換信号ＳＷ１およびＳＷ２が高電位（Ｈ）にされることで、ＲＧ１、ＲＧ２、ＴＧ１およびＴＧ２、切換スイッチＱ５およびＱ６がオンされて、ＦＤ１、ＦＤ２およびトランジスタＱ７のゲートがリセット電位ＲＳＢにリセット（初期化）されるとともに、ＰＤの残存電荷がＦＤ１およびＦＤ２に完全転送されて排出され、リセットされる。

埋め込み型フォトダイオードであるＰＤのポテンシャルは、ＰＤとその周辺の不純物の濃度プロファイル等から決まる。ＰＤのポテンシャルは、完全転送を実現するために、転送信号ＴＸ１およびＴＸ２が高電位（Ｈ）に設定された時の転送ゲートＴＧのポテンシャル＜ＰＤの空乏層化された状態でのポテンシャル（Ｖｐｔとする）となるように設定される。

図８は図６（ａ）のタイミングＴ１直後の状態を示し、転送信号ＴＸ１＝ＴＸ２＝中間電位ＶＭに設定されているため、ＴＧ１およびＴＧ２のポテンシャルがＲＧ１およびＲＧ２よりも少し低い状態になっている。また、ＦＤ１にはリセットノイズによる電荷Ｑ（Ｎ−Ｌｎ１）が発生し、ＦＤ２にはリセットノイズによる電荷Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ１）が発生している。

図９は、図６（ａ）のタイミングＴ２の状態を示し、被写体からの光がＰＤで光電変換されて、ＰＤに信号電荷Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）が蓄積されている。

図１０は、図６（ａ）のタイミングＴ２の状態を示し、特に入射光量が多い状態を示す。ＰＤには信号電荷Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）が、その蓄積可能な最大電荷量Ｑｐｄｍａｘまで蓄積されており、オーバーフローした信号電荷が、ＦＤ１およびＦＤ２に、リセットノイズによる電荷に重畳されて蓄積されている。

図１１は、図６（ｂ）のタイミングＴ３の状態を示し、ＲＧ１がオンされており、ＦＤ１とトランジスタＱ７のゲートがリセット電位ＲＳＢにリセットされている。また、ＴＧ１およびＴＧ２がオフされて、そのポテンシャルが高くなることで、ＰＤに蓄積された信号電荷Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）を保持している。

図１２は、図６（ｂ）のタイミングＴ４の状態を示し、ＦＤ１に残存するリセットノイズによる電荷Ｑ（Ｎ−Ｌｎ２）が、切換スイッチＱ５を介してノイズ電位Ｖ１（＝Ｑ（Ｎ−Ｌｎ２）／Ｃｆｄ１）として出力される。

図１３は、図６（ｂ）のタイミングＴ５の状態を示し、転送信号ＴＸ１が高電位（Ｈ）にされることでＴＧ１がオンされ、ＰＤに保持されていた信号電荷Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）がＦＤ１に完全転送されている。

図１４は、図６（ｂ）のタイミングＴ６の状態を示し、ＦＤ１に保持された電荷（Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）＋Ｑ（Ｎ−Ｌｎ２））が、切換スイッチＱ５を介して信号電位Ｖ２（＝（Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）＋Ｑ（Ｎ−Ｌｎ２））／Ｃｆｄ１）として出力される。

図１５は、図６（ｂ）のタイミングＴ７の状態を示し、ＲＧ１がオンされており、ＦＤ１とトランジスタＱ７のゲートがリセット電位ＲＳＢにリセットされている。

図１６は、図６（ｂ）のタイミングＴ８の状態を示す。本例では、切換スイッチＱ５はタイミングＴ７の終わりでオフされている。ＦＤ１にはリセットノイズによる電荷Ｑ（Ｎ−Ｌｎ３）が発生しており、切換スイッチＱ６がオンされて信号電位Ｖ４（＝（Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ２）＋Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ１））／Ｃｆｄ２）として出力される。

図１７は、図６（ｂ）のタイミングＴ９の状態を示し、ＲＧ２がオンされており、ＦＤ２とトランジスタＱ７のゲートがリセット電位ＲＳＢにリセットされている。

図１８は、図６（ｂ）のタイミングＴ１０の状態を示す。ＦＤ２にはリセットノイズによる電荷Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ２）が発生しており、切換スイッチＱ６を介して信号電位Ｖ３（＝Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ２）／Ｃｆｄ２）として出力される。

図１９は、図６（ｂ）のタイミングＴ８の第２の例の状態を示す。ＦＤ２に蓄積された電荷（Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ２）＋Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ１））と、タイミングＴ７の最後でＦＤ１に発生したリセットノイズによる電荷Ｑ（Ｎ−Ｌｎ３）が加算されて、ＦＤ１とＦＤ２の容量比に比例して按分されている。

図２０は、図６（ｂ）のタイミングＴ１０の第２の例の状態を示し、ＦＤ１とＦＤ２にはリセットノイズによる電荷Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ２）が発生しており、切換スイッチＱ６を介して信号電位Ｖ３（＝Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ２）／（Ｃｆｄ１＋Ｃｆｄ２））として出力される。

図２１に、上述した撮像素子１６２の光電変換特性を示す。図２１は、横軸に撮像素子１６２への入射光量を、縦軸に撮像データ１６２ｋ（＝ＶＬｎ＋ＶＫｎｅｅ）をとった光電変換特性のグラフである。入射光量の少ない側の線形特性がＬｎ特性、入射光量の多い側の線形特性がＫｎｅｅ特性で、フォトダイオードＰＤの飽和出力まではＬｎ特性、それ以上の光量ではＬｎ特性よりも傾きが低いＫｎｅｅ特性となる。これは、図４で説明したように、ＦＤ２の容量Ｃｆｄ２＞ＦＤ１の容量Ｃｆｄ１となっているために、ＦＤ１での電荷−電圧変換よりもＦＤ２の電荷−電圧変換の方が出力の傾きが低くなるからである。

図６（ａ）で説明したように、ＰＤの飽和出力、つまりＰＤに蓄積可能な最大電荷量Ｑｐｄｍａｘは、転送信号ＴＸ１およびＴＸ２の中間電位ＶＭ１およびＶＭ２（本例では、ＶＭ１＝ＶＭ２＝ＶＭ）を制御することで可変であり、中間電位ＶＭ１およびＶＭ２を制御することで、光電変換特性の変曲点を自由に設定することができる。それによって、撮像素子１６２のダイナミックレンジを可変にすることができる。

図２１には、ＰＤの飽和出力を、例えばＰＤ飽和出力１〜３のように制御して、ダイナミックレンジを可変にした例を３通り示した。特に、ＰＤの飽和出力を高く設定すると（例えばＰＤ飽和出力１）、ダイナミックレンジは狭くなり（例えばＤレンジ１）、ＰＤの飽和出力を低く設定すると（例えばＰＤ飽和出力３）、ダイナミックレンジは広くなる（例えばＤレンジ３）。

また、切換スイッチＱ５のオン／オフによるＫｎｅｅ特性の違いを、Ｋｎｅｅ（Ｑ５オン）特性とＫｎｅｅ（Ｑ５オフ）特性として示す。Ｋｎｅｅ（Ｑ５オン）特性の方が傾きが低く、つまりダイナミックレンジが広くなっているのが分かる。

次に、撮像素子１６２を構成する画素１６２ｂの回路の第２の実施の形態を、図２２を用いて説明する。図２２は、画素１６２ｂの回路の第２の実施の形態を示す回路図で、図４に示した第１の実施の形態を示す回路図から、トランジスタＱ４（リセットゲートＲＧ２）とトランジスタＱ５（切換スイッチＱ５）を省略したものである。

ＲＧ２が省略されているため、ＦＤ２のリセット時は、トランジスタＱ６（切換スイッチＱ６）とトランジスタＱ２（リセットゲートＲＧ１）を両方オンさせて、ＦＤ１と同時にリセットする。また、切換スイッチＱ５が省略されているため、ＦＤ１は常にトランジスタＱ７のゲートに接続されている。その他の素子の構成と機能については図４と同じであるので、説明は省略する。図２２に示す画素１６２ｂの回路の後段に接続されるサンプルホールド回路１６２ｄは、図５に示す回路と同じでよい。

図２３は、図２２に示した画素１６２ｂの回路の駆動方法を示すタイミングチャートである。上述したトランジスタＱ４とＱ５の省略に対応して、図６に示したタイミングチャートから、リセット信号ＲＸ２と切換信号ＳＷ１が削除されている。ここでは、図６に示した動作と異なる部分のみ説明する。

シャッタ１４５が閉じられた状態で、タイミングＴ１（初期リセット）で、リセット信号ＲＸ１、転送信号ＴＸ１およびＴＸ２、切換信号ＳＷ２が高電位（Ｈ）にされることで、ＲＧ１、ＴＧ１およびＴＧ２、切換スイッチＱ６がオンされ、ＦＤ１、ＦＤ２およびトランジスタＱ７のゲートが既定のリセット電位ＲＳＢにリセット（初期化）されるとともに、ＰＤの残存電荷が排出されてリセットされる。図２４で、この状態を後述する。

タイミングＴ１の終わりで、リセット信号ＲＸ１、転送信号ＴＸ１が低電位（Ｌ）に設定され、転送信号ＴＸ２が中間電位ＶＭ２に設定されることで、ＰＤの両側にあるＴＧ１とＴＧ２のポテンシャルに差がつけられた状態で撮像が可能となる。この時、ＦＤ１およびＦＤ２にはリセットノイズによる電荷Ｑ（Ｎ−Ｌｎ１）およびＱ（Ｎ−Ｋｎｅｅ１）が発生する。図２５で、この状態を後述する。

タイミングＴ１終了後、絞り２２１が測光モジュール１２２による測光結果から決定される所定の絞り値に絞り込まれ、タイミングＴ２（撮像）の初めでシャッタ１４５が開かれて撮像が開始され、被写体からの光がＰＤで光電変換されて、ＰＤに信号電荷Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）が蓄積される。図２６で、この状態を後述する。

タイミングＴ２で、入射光量が多く、信号電荷Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）がＰＤに蓄積可能な最大電荷量Ｑｐｄｍａｘを超えると、オーバーフローした信号電荷はＦＤ２に流れ込み、前述したリセットノイズによる電荷Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ１）に重畳されて蓄積される。オーバーフローしてＦＤ２に流れ込む信号電荷をＱ（Ｓ−Ｋｎｅｅ２）とすると、ＦＤ２に蓄積される電荷は（Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ２）＋Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ１））となる。図２７で、この状態を後述する。ＰＤに蓄積可能な最大電荷量Ｑｐｄｍａｘは、転送信号ＴＸ２の中間電位ＶＭ２の設定によって変化させることが可能である。

タイミングＴ２の終わりでシャッタ１４５が閉じられることで撮像が終了され、ＴＸ２が低電位（Ｌ）に設定されて、ＴＧ２がオフされる。その後、絞り２２１が開放に戻される。以上が全画素同時に行われる撮像動作である。

図２３（ｂ）において、タイミングＴ３（ＦＤ１リセット）からタイミングＴ７（ＦＤ１リセット）までの動作は図６と同じである。タイミングＴ３の動作を図２８に、タイミングＴ４の動作を図２９に、タイミングＴ５の動作を図３０に、タイミングＴ６の動作を図３１に、タイミングＴ７の動作を図３２に、それぞれポテンシャル図として示す。

図２３（ｂ）において、タイミングＴ７の終了時点で、ＦＤ１にはリセットノイズによる電荷（Ｎ−Ｌｎ３）が発生する。

タイミングＴ８（Ｋｎｅｅ部信号読み出し）で、水平ｎ行目の切換信号ＳＷ２（ＳＷ２ｎ）、読み出し信号ＳＸ（ＳＸｎ）およびサンプルホールド回路１６２ｄの制御信号（ＳＨＳ−Ｋｎｅｅ）が高電位（Ｈ）にされることで、切換スイッチＱ６がオンされてＦＤ２とＦＤ１およびトランジスタＱ７のゲートが接続され、ＦＤ２に蓄積された電荷（Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ２）＋Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ１））と、タイミングＴ７の最後でＦＤ１に発生したリセットノイズによる電荷（Ｎ−Ｌｎ３）が加算されて、ＦＤ１とＦＤ２の容量比に比例して按分された信号電位Ｖ４として垂直信号線１６２ｊに導出され、サンプルホールドスイッチＳｓｈ４を介して、信号電位Ｖ４としてサンプルホールド容量Ｃｓｈ４に保持される図３３で、この状態を後述する。切換信号ＳＷ２（ＳＷ２ｎ）は、タイミングＴ１０の終わりまで高電位（Ｈ）のまま保持される。

タイミングＴ９（ＦＤ２リセット）で、水平ｎ行目のリセット信号ＲＸ１（ＲＸ１ｎ）が高電位（Ｈ）にされることで、ＲＧ１がオンされてＦＤ２とＦＤ１およびトランジスタＱ７のゲートが既定のリセット電位ＲＳＢにリセットされる。図３４で、この状態を後述する。

タイミングＴ９の終了時点で、ＦＤ１およびＦＤ２にはリセットノイズによる電荷Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ２）が発生する。ＦＤ１とＦＤ２とは切換スイッチＱ６を介して接続されているので、発生するノイズはＦＤ１とＦＤ２の容量比に比例して按分される。

タイミングＴ１０（Ｋｎｅｅ部ノイズ読み出し）で、水平ｎ行目の読み出し信号ＳＸ（ＳＸｎ）およびサンプルホールド回路１６２ｄの制御信号（ＳＨＮ−Ｋｎｅｅ）が高電位（Ｈ）にされることで、ＦＤ１およびＦＤ２に残存するリセットノイズによる電荷Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ２）がノイズ電位Ｖ３として垂直信号線１６２ｊに導出され、サンプルホールドスイッチＳｓｈ３を介して、信号電位Ｖ３としてサンプルホールド容量Ｃｓｈ３に保持される。図３５で、この状態を後述する。

タイミングＴ１１（撮像データ出力）での動作は、図６と同じである。撮像データ１６２ｋも上述した（式６）と同じである。

次に、図２３で示した各タイミングでの画素１６２ｂ内部の動作を、図２４から図３５のポテンシャル図で説明する。図２４から図３５は、図２３のタイミングＴ１からＴ１０の各タイミングでの、フォトダイオードＰＤ、転送ゲートＴＧ１およびＴＧ２、フローティングディフュージョンＦＤ１およびＦＤ２、リセットゲートＲＧ１、リセット電位ＲＳＢの各部のポテンシャルと切換スイッチＱ６のオン／オフ状態を示す模式図である。

図２４は、図２３（ａ）のタイミングＴ１の状態を示し、ＦＤ１およびＦＤ２がリセット電位ＲＳＢにリセットされ、ＰＤの残存電荷が排出されてＰＤがリセットされている。

図２５は、図２３（ａ）のタイミングＴ１直後の状態を示し、ＴＧ１とＴＧ２のポテンシャルに差ΔＶｐｄがつけられて、撮像可能な状態となっている。また、ＦＤ１およびＦＤ２にはリセットノイズによる電荷Ｑ（Ｎ−Ｌｎ１）およびＱ（Ｎ−Ｋｎｅｅ１）が発生している。

図２６は、図２３（ａ）のタイミングＴ２の状態を示し、被写体からの光がＰＤで光電変換されて、ＰＤに信号電荷Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）が蓄積されている。信号電荷Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）のＰＤでの蓄積動作は、信号電荷Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）がＴＧ２のポテンシャルを超えるまで続く。

図２７は、図２３（ａ）のタイミングＴ２の状態を示し、特に入射光量が多い状態を示す。ＰＤには信号電荷Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）がその蓄積可能な最大電荷量Ｑｐｄｍａｘまで蓄積されており、オーバーフローした信号電荷が、ＦＤ２に、リセットノイズによる電荷に重畳されて蓄積されている。

図２８から図３２までの各部のポテンシャルの状態は、図１１から図１５と同じである。

図３３は、図２３（ｂ）のタイミングＴ８の状態を示す。本第２の実施の形態では切換スイッチＱ５が省略されているので、図３３の状態は図１９と同じで、ＦＤ２に蓄積された電荷（Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ２）＋Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ１））と、タイミングＴ７の最後でＦＤ１に発生したリセットノイズによる電荷Ｑ（Ｎ−Ｌｎ３）が加算されて、ＦＤ１とＦＤ２の容量比に比例して按分されている。ここに、信号電位Ｖ４は、上述した（式４）と同じある。

図３４は図２３（ｂ）のタイミングＴ９の状態を示し、ＲＧ１がオンされており、ＦＤ２とＦＤ１およびトランジスタＱ７のゲートがリセット電位ＲＳＢにリセットされている。

図３５は、図２３（ｂ）のタイミングＴ１０の状態を示し、ＦＤ１およびＦＤ２にはリセットノイズによる電荷Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ２）が発生しており、切換スイッチＱ６を介して信号電位Ｖ３（＝Ｑ（Ｎ−Ｋｎｅｅ２）／（Ｃｆｄ１＋Ｃｆｄ２））として出力される。

次に、図２２および図２３で示した撮像素子１６２の光電変換特性を図３６に示す。図３６は、図２１と同じく、横軸に撮像素子１６２への入射光量を、縦軸に撮像データ１６２ｋをとった光電変換特性のグラフである。Ｋｎｅｅ特性は、図２１のＫｎｅｅ（Ｑ５オン）特性と同じである。

以上に述べたように、本発明によれば、フォトダイオードの飽和電荷以上の電荷をフォトダイオードと並列に配置された容量性蓄積手段に蓄積することにより、フォトダイオードの飽和電荷以上の電荷も信号電荷として利用することで、真の意味でダイナミックレンジを拡大し、もって高画質化に寄与することのできる撮像素子および該撮像素子を搭載した撮像装置を提供することができる。

尚、本発明に係る撮像素子および該撮像素子を搭載した撮像装置を構成する各構成の細部構成および細部動作に関しては、本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。

本発明に係る撮像装置の一例であるデジタルカメラの外観模式図である。 図１に示したデジタルカメラの回路の一例を示すブロック図である。 撮像素子を構成する各構成要素の配置の一例を示す模式図である。 撮像素子を構成する画素の回路の第１の実施の形態を示す回路図である。 撮像素子を構成するサンプルホールド回路の１例を示す回路図である。 図４に示した画素から成る撮像素子の撮像時の動作を示すタイミングチャートである。 図６のタイミングＴ１での画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図６のタイミングＴ１直後の画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図６のタイミングＴ２の第１の例での画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図６のタイミングＴ２の第２の例での画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図６のタイミングＴ３での画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図６のタイミングＴ４での画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図６のタイミングＴ５での画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図６のタイミングＴ６での画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図６のタイミングＴ７での画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図６のタイミングＴ８の第１の例での画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図６のタイミングＴ９での画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図６のタイミングＴ１０の第１の例での画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図６のタイミングＴ８の第２の例での画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図６のタイミングＴ１０の第２の例での画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図４に示した画素から成る撮像素子の光電変換特性を示すグラフである。 撮像素子を構成する画素の回路の第２の実施の形態を示す回路図である。 図２２に示した画素から成る撮像素子の撮像時の動作を示すタイミングチャートである。 図２３のタイミングＴ１での画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図２３のタイミングＴ１直後の画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図２３のタイミングＴ２の第１の例での画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図２３のタイミングＴ２の第２の例での画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図２３のタイミングＴ３での画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図２３のタイミングＴ４での画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図２３のタイミングＴ５での画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図２３のタイミングＴ６での画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図２３のタイミングＴ７での画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図２３のタイミングＴ８での画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図２３のタイミングＴ９での画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図２３のタイミングＴ１０での画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図２２に示した画素から成る撮像素子の光電変換特性を示すグラフである。

符号の説明

１ デジタルカメラ
１０ ボディ
１０１ レリーズボタン
１０１ａ ＡＦスイッチ
１０１ｂ レリーズスイッチ
１１１ 電源スイッチ
１１２ モード設定ダイアル
１１３ 変更ダイアル
１１５ ジョグダイアル
１２１ ファインダ
１２２ 測光モジュール
１３１ 画像表示手段
１４４ ＡＦモジュール
１４５ シャッタ
１５０ カメラ制御手段
１５１ ＣＰＵ（中央処理装置）
１５２ ワークメモリ
１５３ 記憶部
１６０ 撮像回路
１６１ 撮像制御手段
１６２ 撮像素子
１６２ｂ 画素
１６２ｋ 撮像データ
１６３ アンプ
１６４ アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換手段
１６５ 画像処理手段
１８１ 画像メモリ
１８２ メモリカード
２０ 交換レンズ
２１１ レンズ
２２１ 絞り

Claims (6)

1. 複数の画素を有する撮像素子において、
   前記画素は、
   被写体からの光を光電変換し、光電変換した電荷を蓄積する光電変換手段と、
   前記光電変換手段での蓄積容量を超えた電荷を蓄積する容量性蓄積手段とを備えたことを特徴とする撮像素子。
2. 複数の画素を有する撮像素子において、
   前記画素は、
   被写体からの光を光電変換し、光電変換した電荷を蓄積する光電変換手段と、
   電荷を蓄積する複数の容量性蓄積手段と、
   前記光電変換手段での蓄積容量を超えた電荷を、前記複数の容量性蓄積手段の少なくとも１つに転送する転送手段とを備えたことを特徴とする撮像素子。
3. 前記容量性蓄積手段は、フローティングディフュージョンであることを特徴とする請求項１および２に記載の撮像素子。
4. 前記容量性蓄積手段は、前記光電変換手段の蓄積容量よりも大きな蓄積容量を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の撮像素子。
5. 前記複数の容量性蓄積手段を並列に接続する接続手段を備えたことを特徴とする請求項２乃至４の何れか１項に記載の撮像素子。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の撮像素子を搭載したことを特徴とする撮像装置。

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