JP2008035395A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の固体撮像装置と比較して、Ｓ／Ｎ比が高い画像信号を得ることができ、且つダイナミックレンジの広い固体撮像装置を提供する。
【解決手段】画素部１０は、フォトダイオード１１０と、第１の電荷検出部３０１と、第２の電荷検出部３０２とを含む。第２の電荷検出部３０２は、第２のコンデンサ１１４と、ゲート電極にその閾値電圧より大きな電圧が印可され、フォトダイオードから第２のコンデンサ１１４へ電荷を転送する第２の転送トランジスタ１１２とからなる。本発明に係る固体撮像装置は、第２の転送トランジスタのゲート電極に常に一定のバイアス電圧を印可することで、フォトダイオード１１０に蓄積できない過大な信号電荷を第２のコンデンサ１１４に蓄積することができる。そして、フォトダイオード１１０に蓄積されている信号電荷と、第２の電荷検出部に蓄積されている信号電荷とを加算する。
【選択図】図１

Description

本発明は固体撮像装置に関し、特にＭＯＳ型のイメージセンサの画像信号読出し部と駆動回路に関する。

図１１は、従来から知られているＭＯＳ型固体撮像装置の構成の一例を示すブロック図である。

図１１に示す固体撮像装置は、行方向及び列方向にマトリクス状に配列される複数の画素部２０１と、垂直シフトレジスタ２０２と、複数の雑音抑圧回路２０３と、複数の列選択トランジスタ２０４と、水平シフトレジスタ２０５と、出力アンプ２０６とを備える。複数の画素部２０１の各々は、複数のＭＯＳトランジスタと、フォトダイオードとを中心に構成され、電荷検出部２０７の電位に応じた信号を出力する。

垂直シフトレジスタ２０２は、同一行に配列されている画素部２０１を選択する。垂直シフトレジスタ２０２によって選択された画素部２０１は、画像信号を雑音抑圧回路２０３に出力する。雑音抑圧回路２０３は、画素部２０１から出力された画像信号に含まれる雑音を抑圧する。雑音が抑圧された画像信号は、水平シフトレジスタ２０５によって選択された列選択トランジスタ２０４と、出力アンプ２０６とを通じて外部へ出力される。

図１１に示すような従来から知られている固体撮像装置では、１つの画素部２０１は、１つの電荷検出部２０７のみを備えているためダイナミックレンジが低く、且つ、Ｓ／Ｎ比を高くできないという問題がある。

このような問題を解決するために、特許文献１には、電荷検出部２０７をリセットする前に、フォトダイオードから漏れ出る過剰な電荷を垂直信号線に読み出すための構成を備える固体撮像装置が開示されている。

図１２は、特許文献１に開示されている固体撮像装置の構成を示す図である。図１２に示す固体撮像装置は、画素２１０と、フォトダイオード２１１と、フローティングディフュージョン部２１２（以下、ＦＤ部２１２という）と、増幅トランジスタ２１３と、垂直信号線２１４と、リセットゲート２１５と、２つの雑音抑圧回路２０３ａ及び２０３ｂとを備える。

フォトダイオード２１１に蓄積されている電荷は、ＦＤ部２１２をリセットした後にＦＤ部２１２に転送される。増幅トランジスタ２１３は、ＦＤ部２１２に転送された電荷に応じた電圧を垂直信号線２１４を通じて雑音抑圧回路２０３ａに出力する。

ここで、入射光の強度が高く、入射光に応じた電荷の量が、フォトダイオード２１１が蓄積できる電荷の量に対して過大な場合、その過大な電荷はＦＤ部２１２に溢れ出る。図１２に示す固体撮像装置は、ＦＤ部２１２をリセットする前にこの溢れ出た電荷に応じた電圧を垂直信号線２１４を通じて雑音抑圧回路２０３ｂに出力する。同じ行に配列された画素２１０毎にこのような動作を行い、その後にこれらの画素２１０の各々に含まれるＦＤ部２１２の各々をリセットする。

これにより、強度の高い光が入射した場合にも、フォトダイオード２１１から溢れた電荷によってＦＤ部２１２が飽和することを防ぐことができ、且つ入射光量に対して直線的に変化する電圧を得ることができる。
特開２００３−８７６６５号公報

しかしながら、上記の従来の固体撮像装置は以下の４つの課題を有していた。
第１の課題として、各画素の各々は１つの信号電荷検出部のみを使用するため、大きなダイナミックレンジを得ることが困難であるということが挙げられる。第１の課題の主な原因として、信号電荷検出部には、電圧増幅度を高めるために小さい容量にて設計されたコンデンサが一般的に用いられることが挙げられる。そして、同一のコンデンサを用いてダイナミックレンジを拡大したとしても、図１２に示す固体撮像装置は、２つの雑音抑圧回路のみを備えているため、二倍程度のダイナミックレンジしか得られない。

第２の課題として、従来から知られている固体撮像装置が検出できる光量は、フォトダイオードが生成した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の出力が飽和するレベルまでの範囲に限られるということが挙げられる。

第３の課題として、信号電荷検出部で検出した電荷がオーバーフローするまでの範囲までしかダイナミックレンジを拡大することができないということが挙げられる。

第４の課題として、例えば、絞りやシャッター速度を被写体の暗い部分に合わせた場合、被写体の明るい部分の光を受光するフォトダイオードが飽和するため、撮影された映像の一部が真っ白になることが挙げられる。このような場合、従来の固体撮像装置は、被写体に忠実な映像を得ることができない。

それ故に、本発明は、被写体に明度の低い部分が含まれる場合でも、高いＳ／Ｎ比を有する画像信号を得ることでき、且つ従来の固体撮像装置と比較した場合、広いダイナミックレンジを有する固体撮像装置を提供することを目的とする。また、本発明は、カラー画像を出力する固体撮像装置において容易に白バランスを調整することができる固体撮像装置を提供することも目的とする。

上記課題を解決するために、第１の発明は、固体撮像装置であって、行方向及び列方向にマトリクス状に配列される複数の画素と、画素の各々に電気的に接続される複数の垂直信号線と、水平信号線と、垂直信号線の各々に出力された信号を順に水平信号線に出力する水平選択回路とを備え、画素の各々は、入射光の強度に応じた電荷を蓄積するフォトダイオードと、フォトダイオードに蓄積された電荷を検出する第１の電荷検出部と、フォトダイオードの蓄積容量を超えて生成された電荷を検出する第２の電荷検出部と、第１の電荷検出部によって検出された電荷に応じて第１の画素信号を出力し、第２の電荷検出部によって検出された電荷に応じて第２の画素信号を出力する増幅部とを含むものである。

第２の発明は、第１の発明において、第１の電荷検出部は、第１の電荷蓄積部と、フォトダイオードから第１の電荷蓄積部へ電荷を転送する第１の転送トランジスタとを含み、第２の電荷検出部は、第２の電荷蓄積部と、ゲート電極にその閾値電圧より大きな電圧が印可され、フォトダイオードから第２の電荷蓄積部へと電荷を転送する第２の転送トランジスタと、第２の電荷蓄積部と増幅トランジスタとに接続される過大信号読み出しトランジスタとを含むものである。

第３の発明は、第２の発明において、ある行に整列する画素の各々から出力される第１の画素信号と、他の行に整列する画素の各々から出力される第２の画素信号とを加算し、加算された画素信号を出力する加算部を更に備えるものである。

第４の発明は、第２の発明において、ある行に整列する画素の各々から出力される第１の画素信号を保持する第１の信号保持部と、ある行に整列する画素の各々から出力される第２の画素信号を保持する第２の信号保持部とを含む雑音抑圧回路を更に備えるものである。

第５の発明は、第４の発明において、第１の信号保持部は、第１の電荷検出部によって検出された電荷に応じた電荷を蓄積する第１の信号保持キャパシタと、第１の信号保持キャパシタに蓄積されている電荷を出力する第１のスイッチとを含み、第２の信号保持部は、第２の電荷検出部によって検出された電荷に応じた電荷を蓄積する第２の信号保持キャパシタと、第２の信号保持キャパシタに蓄積されている電荷を出力する第２のスイッチとを含むものである。

第６の発明は、第５の発明において、第１及び第２のスイッチの各々は、第１及び第２の信号保持キャパシタに蓄積されている電荷の各々を同時に出力するように制御されることを特徴とするものである。

第７の発明は、第２の発明において、第１及び第２の転送トランジスタの各々に個別にパルスを供給する垂直シフトレジスタと、第１及び第２の転送トランジスタの各々に個別にパルスを供給する電子シャッター用垂直シフトレジスタとを更に備えるものである。

第８の発明は、第１〜７の発明において、画素の各々は、赤、青及び緑色のいずれか１つのカラーフィルタを更に含み、同じ色のカラーフィルタを含む画素毎に、第２の転送トランジスタのゲート電極に印可する電圧を制御するバイアス制御部を更に備えるものである。

本発明によれば、Ｓ／Ｎ比が高く、且つダイナミックレンジが広い固体撮像装置を実現することができる。

また、本発明によれば、赤、緑及び青色の光を検出する画素毎に、それらの画素の各々が備える複数の電荷検出部へ出力する電荷の分配基準レベルを変化させることができる。これにより、赤、緑及び青色の各々の光を検出する画素の各々の出力信号特性を均一にすることができる。

（第１の実施形態）
以下、図面を参照しながら、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置とその駆動方法について説明する。

図１は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成を説明する図である。図１に示す固体撮像装置は、行方向及び列方向のマトリクス状に配列される複数の画素部１０と、画素の各々に電気的に接続される複数の垂直信号線１１と、水平信号線１２と、雑音抑圧回路１３と、出力アンプ１４と、加算回路１５と、画素列を順に選択する水平選択回路（図示せず）とを備える。尚、図１では、１つの画素部１０のみが示されているが、実際の本発明の固体撮像装置は、行方向及び列方向のマトリクス状に複数の画素部１０が配列されている。

画素部１０は、入射光の強度に応じた電荷を蓄積するフォトダイオード１１０と、フォトダイオード１１０に蓄積された電荷を検出する第１の電荷検出部３０１と、フォトダイオード１１０の蓄積容量を超えて生成された電荷を検出する第２の電荷検出部３０２と、リセットトランジスタ１１６と、第１の電荷検出部３０１の検出電荷に応じた信号と、第２の電荷検出部３０２の検出電荷に応じた信号とのそれぞれを垂直信号線１１上に出力する増幅トランジスタ１１７と、バイアストランジスタ１１８と、アドレストランジスタ１１９とを含む。

第１の電荷検出部３０１は、増幅トランジスタ１１７のゲートに接続される第１のコンデンサ１１３と、フォトダイオード１１０から第１のコンデンサ１１３へと電荷を転送する第１の転送トランジスタ１１１とを含む。

また、第２の電荷検出部３０２は、第２のコンデンサ１１４と、フォトダイオード１１０から第２のコンデンサ１１４へと電荷を転送する第２の転送トランジスタ１１２と、第２の転送トランジスタ１１２のドレインと、増幅トランジスタ１１７のゲートとの間に接続される過大信号読み出しトランジスタ１１５とを含む。第２の転送トランジスタ１１２のゲートには、その閾値電圧より大きな電圧が印加されており、フォトダイオード１１０の蓄積容量を超えて生成された電荷は、第２の転送トランジスタ１１２を通じて、逐次、第２のコンデンサ１１４に蓄積される。尚、フォトダイオード１１０による蓄積電荷と、第１の電荷検出部３０１及び第２の電荷検出部３０２との関係の詳細については後述する。

雑音抑圧回路１３は、サンプルコンデンサ１２０と、サンプルトランジスタ１２１と、クランプトランジスタ１２２と、信号レベル保持コンデンサ１２３とを含む。雑音抑圧回路１３は、画素部１０から出力された信号に雑音抑圧処理を施し、処理済みの信号を一時的に保持する。そして、雑音抑圧回路１３は、水平選択回路（図示せず）による水平選択トランジスタ１２４の選択に従い、一時的に保持する信号を水平信号線１２を介して出力アンプ１４に出力する。

加算回路１５は、１行分の画素信号を保持するラインメモリを含み、出力アンプ１４から出力されるｎ行目の画素信号の各々をラインメモリに一時的に保持する。次に、加算回路１５は、一時的に保持するｎ行目の画素信号の各々と、出力アンプ１４から出力される（ｎ＋１）行目の画素信号との各々とを加算し、加算した信号を後段の回路等へ出力する。

ここで、フォトダイオード１１０の蓄積電荷と、第１の電荷検出部３０１及び第２の電荷検出部３０２との関係について、更なる詳細を説明する。

図２は、フォトダイオードと、第１及び第２の電荷検出部との電位の関係を示す模式図である。

フォトダイオード１１０は、第１の転送トランジスタ１１１のローレベル電位Ｖｂによって規定される電位深さまで信号電荷を蓄積する。ただし、本実施形態においては、第２の転送トランジスタ１１２のゲート電極には、第２の転送トランジスタ１１２の閾値電圧より大きな電圧が印加されているので、第２の転送トランジスタ１１２のローレベル電位Ｖａは、第１の転送トランジスタ１１１のローレベル電位Ｖｂより高い電位に保持されている。

したがって、フォトダイオード１１０には、第２の転送トランジスタ１１２のローレベル電位Ｖａによって規定される蓄積量の信号電荷Ｑ１が蓄積され、当該蓄積量を超えて生成された電荷は、導通状態の第２の転送トランジスタ１１２を通じて、第２のコンデンサ１１４に蓄積される（電荷Ｑ２）。尚、フォトダイオード１１０の蓄積容量（すなわち、Ｑ１の大きさ）は、第２の転送トランジスタ１１２のゲートに印加される電圧に応じて可変である。この点については後述する。

図３は、図１に示される固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。より詳細には、図３には、図１の矢印で示される各部に供給されるパルスａ〜ｉが並べて図示されている。以下、図３と図１とを併せて参照しながら、本実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法を説明する。

初めに、ｎＨラインに接続されている端子の各々にパルスａ〜ｉの各々を加えるタイミングを説明する。

まず、アドレストランジスタ１１９にアドレスパルスａが供給されることによって、ｎ行目の画素部１０が選択される。ｎ行目の画素部が選択された状態で、サンプルトランジスタ１２１のゲートと、クランプトランジスタ１２２のゲートと、リセットトランジスタ１１６のゲートとに、図３に示されるパルスｂ〜ｄのそれぞれを供給する。これにより、増幅トランジスタ１１７の雑音レベルが、クランプトランジスタ１２２に記憶される。

次に、第１の転送トランジスタ１１１のゲートにパルスｆが供給されることによって、フォトダイオード１１０に蓄えられた信号電荷Ｑ１は、第１のコンデンサ１１３に転送される。第１のコンデンサ１１３の電位変化に応じて、増幅トランジスタ１１７は、信号電荷Ｑ１に対応する第１の画素信号を雑音抑圧回路１３へ出力する。第１の画素信号は、雑音抑圧回路１３内において、電荷として信号レベル保持コンデンサ１２３に蓄積される。

信号レベル保持コンデンサ１２３に電荷として蓄えられた第１の画素信号は、水平シフトレジスタ（図示せず）によって選択された水平選択トランジスタ１２４を通じて、出力アンプ１４に出力される（図３の出力信号ｊ）。

次に、（ｎ＋１）行目の画素部から画素信号を読み出すために、図３に示されるように、パルスａ〜ｄが供給される。尚、（ｎ＋１）Ｈ行目の画素信号の読み出し動作においても、増幅トランジスタ１１７の雑音レベルをクランプトランジスタ１２２に記憶させるまでの処理（以下、暗時雑音抑圧処理という）は、上述したｎＨラインと同様であるので繰り返しの説明を省略する。

既に説明したように、第２の転送トランジスタ１１２のゲートには、所定のバイアス電圧（ＤＣ電圧）が常時印加されている。したがって、フォトダイオード１１０の蓄積容量を超える過大な信号電荷は、第２の転送トランジスタ１１２によって転送され、第２のコンデンサ１１４に蓄えられている。

（ｎ＋１）行目の画素部に含まれる過大信号読み出しトランジスタ１１５のゲートにパルスｈを供給することによって、第２のコンデンサ１１４と増幅トランジスタ１１７のゲートとが導通する。したがって、増幅トランジスタ１１７は、第２のコンデンサ１１４の電位に応じた第２の画素信号を雑音抑圧回路１３に出力する。第２の画素信号は、雑音抑圧回路１３内において、信号電荷として信号レベル保持コンデンサ１２３に保持される。

信号レベル保持コンデンサ１２３に電荷として蓄えられた第２の画素信号は、水平シフトレジスタ（図示せず）によって選択された水平選択トランジスタ１２４を通じて出力アンプ１４に出力される（図３の出力信号ｉ）。

そして、加算回路１５は、ｎ行目の画素部から出力され、ラインメモリに一時的に保持される第１の画素信号と、（ｎ＋１）行目の画素部から出力された第２の画素信号とを加算し、加算した信号を後段の回路に出力する（図３の加算信号ｋ）。

以上より、第１の実施形態に係る固体撮像装置は、図３に示すタイミングチャートに示される駆動方法に従って、フォトダイオード１１０内に蓄えられている信号電荷Ｑ１と、フォトダイオード１１０の蓄積容量を超えて生成された信号電荷Ｑ２とを、それぞれ異なるタイミングで独立して読み出すことができる。そして、加算回路１５は、異なるタイミングで読み出された信号電荷Ｑ１と、信号電荷Ｑ２との各々に対応する画像信号を加算することができる。これにより、第１の実施形態に係る固体撮像装置は、１つのフォトダイオード及び１つの電荷検出部（すなわち、フローティングディフュージョンに相当する構成）によって規定されるダイナミックレンジよりも広いダイナミックレンジを得ることができる。

更に、図４を参照しながら、第１の実施形態に係る固体撮像装置の入射光量ー出力信号特性を制御する方法を説明する。

図４は、入射光量と出力信号との関係を示す図である。図４に示されるように、入射光量−出力信号特性は、折れ点を有する折れ線によって表される。ここで、折れ点は、フォトダイオードの蓄積容量によって規定される。図２で説明したように、本実施形態において、フォトダイオードの蓄積容量は、第２の転送トランジスタ１１２のローレベル電位、すなわち、第２の転送トランジスタ１１２のゲートに印可されている電圧の大きさ（図３のパルスｉのレベル）によって変化する。

そして、第２の転送トランジスタ１１２のゲートに印加される電圧（パルスｉのレベル）は、外部から任意の値に制御自在である。例えば、図２の例において、第２の転送トランジスタ１１２のゲート電位をＶａからＶｃへと大きくすると、入射光量−出力信号特性は、図４の破線から実線へと変化する。すなわち、第２の転送トランジスタ１１２のゲート電位（パルスｉのレベル）が大きくなるにつれて、折れ点によって示されるフォトダイオードの蓄積容量が低下する。

このように、第１の実施形態に係る固体撮像装置は、第２の転送トランジスタ１１２のゲート電位によって、フォトダイオード１１０の蓄積容量を調整することができるので、受光量に応じて、出力信号のダイナミックレンジを制御することが可能となる。

以上説明したように、第１の実施形態に係る固体撮像装置では、フォトダイオード内に蓄積されている電荷を検出する第１の電荷検出部３０１と、フォトダイオードの蓄積容量を超えた過大な電荷を検出する第２の電荷検出部３０２とを備える。これにより、第１の実施形態に係る固体撮像装置は、フォトダイオードの蓄積電荷に応じた第１の画素信号に加えて、フォトダイオードから溢れ出した電荷に応じた第２の画素信号を出力することができるので、従来の固体撮像装置と比較して広いダイナミックレンジを得ることができる。

また、第１の実施形態に係る固体撮像装置は、フォトダイオード１１０から溢れた信号電荷を蓄積する第２のコンデンサ１１４を設けることにより、フォトダイオード１１０の受光量の飽和レベルよりも高い光量を検出できる。これにより、第１の実施形態に係る固体撮像装置は、強度の強い光を受光した場合でも、画素部１０の出力が飽和することなく被写体に忠実な画像を得ることができる。

尚、第１の実施形態に係る固体撮像装置における第２の転送トランジスタ１１２は、必ずしもゲート電極を有する必要はなく、必要な電位を有するチャネルを形成することによっても同様の効果を得ることができる。これは、フォトダイオード１１０の周囲を囲んでいるチャネルストッパの一部の電位を他のチャネルストッパの電位よりも高くすることで容易に実現できる。

また、第１の実施形態では、信号電荷を蓄積するコンデンサが２個（第１のコンデンサ１１３及び第２のコンデンサ１１４）の場合について説明した。しかし、信号電荷を蓄積するコンデンサの数は、必ずしも２個でなくともよく、２以上の数のコンデンサを備えてもよい。これにより、本発明に係る固体撮像装置は、コンデンサの数に応じてダイナミックレンジを拡大することが可能である。

更に、第１の実施形態では、１つの増幅トランジスタを有する構成について説明したが、増幅トランジスタの数は必ずしも１つでなくともよく、信号電荷を蓄積するコンデンサの数にあわせて増幅トランジスタを設けても良い。

更に、本発明に係る固体撮像装置は、第１のコンデンサ１１３の容量と、第２のコンデンサ１１４の容量との比を変化させることによってダイナミックレンジを拡大することが可能である。一例として、第１のコンデンサ１１３の容量をより小さくし、第２のコンデンサ１１４の容量をより大きくすることが考えられる。

更に、本発明に係る固体撮像装置を３板式のカラーカメラに適応する場合、各色毎（赤、緑及び青）の画素の感度に応じて、各色毎の画素の第２の転送トランジスタ１１２の端子に印可するバイアス電圧を変化させることにより、白バランス処理後の色ずれを防ぐことができる。白バランス処理後の色ずれを防ぐ方法の詳細については、後述する。

更に、サンプルコンデンサ１２０の前段にカラムアンプを設けることにより信号電荷Ｑ１と、信号電荷Ｑ２との出力を切り替えてもよい。あるいは、ゲインの異なるカラムアンプをサンプルコンデンサ１２０の前段に設け、それらのカラムアンプをスイッチによって切り替えて使い分けてもよい。この方法を用いても、ダイナミックレンジを拡大することが可能である。

（第２の実施形態）
図５を参照しながら、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置とその駆動方法について説明する。図５は、第２の実施形態に係る固体撮像装置の構成を説明する図である。

図５に示す第２の実施形態に係る固体撮像装置の構成と、図１に示す第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成との相違点は、図１の加算回路１５に代えて雑音抑圧回路内に加算回路に相当する構成を有している点である。

より具体的には、第２の実施形態に係る固体撮像装置は、第１の電荷検出部３０１による検出電荷に応じた信号レベルを保持する第１の信号レベル保持コンデンサ１２８と、第２の電荷検出部３０２による検出電荷に応じた信号レベルを保持する第２の信号レベル保持コンデンサ１２９と、第１の信号レベル保持コンデンサ１２８に蓄積されている電荷を出力する第１のクランプトランジスタ１３０と、第２の信号レベル保持コンデンサ１２９に蓄積されている電荷を出力する第２のクランプトランジスタ１３１とを備えている。これらの構成を備えている点が、第１の実施形態に係る固体撮像装置との相違点である。したがって、第２の実施形態に係る固体撮像装置の説明において、図１に示す固体撮像装置と同一の構成要素については、同一の参照符号を付し、説明を省略する。

第２の実施形態に係る固体撮像装置の動作と、第１の実施形態に係る固体撮像装置の動作との相違点は、次の通りである。第１の実施形態に係る固体撮像装置は、ｎ行目と、（ｎ＋１）行目との２つの行の各々から出力される画素信号の各々を用いて広いダイナミックレンジを有する画像信号を生成していた。これに対し、第２の実施形態に係る固体撮像装置は、１つの行のみを用いて、広いダイナミックレンジを有する画像信号を生成する点である。

より詳細には、第２の実施形態に係る固体撮像装置は、第１のクランプトランジスタ１３０のゲートと、第２のクランプトランジスタ１３１のゲートとに同時にパルスを供給することによって、第１の信号レベル保持コンデンサ１２８と、第２の信号レベル保持コンデンサ１２９との各々に蓄積されている信号電荷を同時に出力することができる。これにより、第２の実施形態に係る固体撮像装置は、第１の画素信号と、第２の画素信号とを加算することができる。

図６は、図５に示される固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。より詳細には、図６には、図５の矢印で示される各部に供給されるパルスａ〜ｉが、並べて図示されている。以下、図６と図５とを併せて参照しながら、本実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法を説明する。尚、本実施形態に係る固体撮像装置の増幅トランジスタ１１７の暗時雑音抑圧処理は、第１の実施形態に係る固体撮像装置と同様であるので繰り返しの説明を省略する。

図６に示すパルスａは、図５に示すアドレストランジスタ１１９のゲートに供給される。また、図６に示すパルスｂは、サンプルトランジスタ１２１のゲートに供給される。アドレストランジスタ１１９と、サンプルトランジスタ１２１との各々のゲートに同時にパルスが供給されている期間に画素部１０から第１又は第２の画素信号が読み出される。

図６に示す期間ｔａにおいて、第１のクランプトランジスタ１３０のゲートにパルスｅを供給した状態で、第１の転送トランジスタ１１１のゲートにパルスｆを供給する。これにより、フォトダイオード１１０に蓄積されている信号電荷Ｑ１が、第１の信号レベル保持コンデンサ１２８に読み出される。

次に、図６に示す期間ｔｂにおいて、第２のクランプトランジスタ１３１のゲートにパルスｇを供給した状態で、過大信号読み出しトランジスタ１１５のゲートにパルスｈを供給する。これにより、第２のコンデンサ１１４に蓄積されている信号電荷Ｑ２が、第２の信号レベル保持コンデンサ１２９に読み出される。

第１の信号レベル保持コンデンサ１２８と、第２の信号レベル保持コンデンサとのそれぞれに信号電荷Ｑ１と、信号電荷Ｑ２とが読み出された状態で、期間ｔｂにおける時刻ｔで第１のクランプトランジスタ１３０と、第２のクランプトランジスタ１３１とのそれぞれのゲートにパルスｅと、パルスｇとのそれぞれのパルスを供給する。

これにより、図６に示す期間ｔｃにおいて、第１の信号レベル保持コンデンサ１２８に蓄積されている第１の画素信号に対応する電荷と、第２の信号レベル保持コンデンサ１２９に蓄積されてい第２の画素信号に対応する電荷とを加算した信号電荷に対応する画素信号が、水平選択トランジスタ１２４を通じて出力アンプ１４に出力される。出力アンプ１２６は、水平選択トランジスタ１２４を通じて出力された画素信号を出力する。

以上より、第２の実施形態に係る固体撮像装置は、図６に示すタイミングチャートに示される駆動方法に従って駆動されることにより、第１の画素信号と、第２の画素信号とのそれぞれを第１の信号レベル保持コンデンサ１２８と、第２の信号レベル保持コンデンサ１２９とに独立して蓄積することができる。そして、本実施形態に係る固体撮像装置は、第１の信号レベル保持コンデンサ１２８に蓄積されている第１の画素信号に対応する電荷と、第２の信号レベル保持コンデンサに蓄積されている第２の画素信号に対応する電荷とを同一列毎に加算することができる。これにより、第２の実施形態に係る固体撮像装置は、１つの行のみを用いて高いダイナミックレンジを有する信号を作成することができる。

更に、図７を参照しながら、第２の実施形態に係る固体撮像装置の入射光量―出力信号特性を制御する方法を説明する。

図７は、電子シャッター用垂直シフトレジスタを用いて、フォトダイオードの入射光量―出力信号特性の内、折れ点位置よりも高い領域の入射光量―出力信号特性を制御する方法を説明する図である。

第２の実施形態に係る固体撮像装置は、第２のコンデンサ１１４の容量を変化させることで、図７に示す入射光量―出力信号特性の内、折れ点より高いレベルの入射光量―出力信号特性を変えることができる。この理由は、第２のコンデンサ１１４の容量を変えると、第１のコンデンサ１１３の容量と、第２のコンデンサ１１４の容量との比が変化する。そして、第１のコンデンサ１１３と、第２のコンデンサ１１４との容量の比が変化すると、第１のコンデンサ１１３から出力される電圧と、第２のコンデンサ１１４から出力される電圧との増幅トランジスタ１１７におけるゲインの比が変化するためである。

以上説明したように、第２の実施形態に係る固体撮像装置では、フォトダイオード内に蓄積されている電荷を検出する第１の電荷検出部３０１と、フォトダイオードの蓄積容量を超えた過大な電荷を検出する第２の電荷検出部３０２とを備える。これにより、第２の実施形態に係る固体撮像装置は、フォトダイオードの蓄積電荷に応じた第１の画素信号に加えて、フォトダイオードから溢れ出した電荷に応じた第２の画素信号を出力することができるので、従来の固体撮像装置と比較して広いダイナミックレンジを得ることができる。

また、第２の実施形態に係る固体撮像装置は、フォトダイオード１１０から溢れた信号電荷を蓄積する第２のコンデンサ１１４を設けることにより、フォトダイオード１１０の受光量の飽和レベルよりも高い光量を検出できる。これにより、第２の実施形態に係る固体撮像装置は、強度の強い光を受光した場合でも、画素部１０の出力が飽和することなく被写体に忠実な画像を得ることができる。

（第３の実施形態）
図８を参照しながら、第３の実施形態に係る固体撮像装置の入射光量―出力信号特性を制御する方法を説明する。

図８は、入射光量―出力信号特性の内、入射光量と、第１の画素信号及び第２の画素信号との各々の関係を独立して制御する方法を示す図である。

図９は、図８に示すように入射光量―出力信号特性を制御するためのタイミングチャートである。図９は、一例として、第１のフレーム（ｎフレーム）と、第２のフレーム（ｎ＋１）との２つのフレームを示している。

図９において、パルスａは、第１の転送トランジスタ１１１のゲートに供給される。パルスｂは、第１の転送トランジスタ１１１のゲートと、リセットトランジスタ１１６のゲートとに供給される。パルスｃは、過大信号読み出しトランジスタ１１５のゲートに供給される。パルスｄは、過大信号読み出しトランジスタ１１５のゲートと、リセットトランジスタ１１６のゲートとに供給される。

パルスａ及びパルスｃは、垂直シフトレジスタ（図示せず）から出力される。パルスｂ及びパルスｄは、電子シャッター用垂直シフトレジスタから出力される。

尚、電子シャッター用垂直シフトレジスタは必ずしもパルスｂと、パルスｄとの両方を出力する必要はなく、パルスｂと、パルスｄとの各々を異なる電子シャッター用垂直シフトレジスタが出力しても良い。

図９において、フォトダイオードが電荷を蓄積する時間は、第１の転送トランジスタ１１１のゲートと、リセットトランジスタ１１６のゲートとにパルスｂが供給されてから、第１の転送トランジスタ１１１のゲートにパルスａが供給されるまでの時間ｔ１となる。また、第２のコンデンサ１１４が電荷を蓄積する時間は、過大信号読み出しトランジスタ１１５のゲートと、リセットトランジスタ１１６のゲートとにパルスｄが供給されてから、過大信号読み出しトランジスタ１１５のゲートにパルスｃが供給されるまでの時間ｔ２となる。

第３の実施形態に係る固体撮像装置は、電子シャッター用垂直シフトレジスタを用いて時間ｔ１を制御することにより、図８に示す入射光量−出力信号特性の内、入射光量と第１の画素信号との関係を制御することができる。また、本発明に係る固体撮像装置は、電子シャッター用垂直シフトレジスタを用いて時間ｔ２を制御することにより、図８に示す入射光量―出力信号特性の内、入射光量と第２の画素信号との関係を制御することができる。尚、入射光量と第１の画素信号との関係とは、入射光量に対するフォトダイオードの感度のことである。また、入射光量と第２の画素信号との関係とは、入射光量に対する第２のコンデンサ１１４の感度のことである。

ダイナミックレンジを制御する方法の一例として、例えば被写体の全体が暗い場合には、時間ｔ１及びｔ２を長くすることで感度を高くすることができる。また、他の一例として、例えば被写体の全体が明るい場合には、時間ｔ１及びｔ２を短くすることで被写体に忠実な画像を得ることができる。更に、他の一例として、暗い被写体の内、一部が明るい場合には、時間ｔ１を長くし、時間ｔ２を短くすることで被写体に忠実な画像を得ることができる。

より簡潔に説明すると、第３の実施形態に係る固体撮像装置は、フォトダイオードが受光した光に対して、フォトダイオード１１０の感度と、第２のコンデンサ１１４の感度とを独立して制御でき、且つ入射光量−出力信号特性の折れ点位置をも制御することができる。これにより、第３の実施形態に係る固体撮像装置は、広いダイナミックレンジを有することができ、コントラストの高い画像を撮影する場合でも、撮影した画像が白く飛ぶことを防ぐことができる。

（第４の実施形態）
次に、図１０を参照しながら、第４の実施形態として、上記第１〜第３の実施形態に係る固体撮像装置にベイヤー配列のカラーフィルタを組み合わせた場合について説明する。図１０は、各画素の各々にＲＧＢ（赤、緑及び青）の各々のカラーフィルタを組み合わせた固体撮像装置の一例を示す図である。

図１０に示す固体撮像装置では、各画素の各々に色の異なるカラーフィルタが取り付けられているため、各画素の感度が異なる。そのため、各画素の後段に設けられている信号処理回路で各色の画素毎のゲインを制御して白バランスを調節する方法が、一般的に用いられている。

しかし、各色毎の画素の各々の入射光量―出力信号特性の折れ点が互いに同じ場合、一般的に用いられている方法を用いて白バランスを調節すると、色ずれが生じてしまう。

本発明に係る固体撮像装置は、図１及び４に示す第２の転送トランジスタ１１２に印可するパルスｉのレベルを各色の画素毎に制御することにより、色ずれを生じさせることなく白バランスを調節することができる。

パルスｉのレベルを制御する方法の一例として、例えば、色温度が３２００Ｋの場合における白バランスの調節の方法を説明する。色温度が３２００Ｋの場合、赤色の感度が一番高く、青色の感度が一番低くなる。したがって、赤色のフィルタを備える画素部１０の第２の転送トランジスタ１１２に印可するパルスｉのレベルを低く設定し、青色のフィルタを備える画素部１０の第２の転送トランジスタ１１２の端子に印可するパルスｉのレベルを高く設定すると、色ずれを生じさせることなく白バランスを調節することができる。

以下、各色の画素毎の第２の転送トランジスタ１１２の各々のゲートに供給するパルスｉをそれぞれ、ｉＲ制御信号、ｉＧ制御信号及びｉＢ制御信号と呼ぶこととする。

ｉＲ制御信号、ｉＧ制御信号及びｉＢ制御信号は、被写体の色温度によって、自由に制御することができる。例えば、色温度検出トランジスタからのフィードバック信号によって制御しても良いし、画素部１０の外部に接続されている信号処理回路から出力される赤色、緑色及び青色の各々に対応する信号の各々のレベルの差をフィードバックして制御しても良い。

本発明に係る固体撮像装置によれば、高いＳ／Ｎ比を有する画像信号を得ることができ、且つ広いダイナミックレンジを得ることができる。したがって、本発明に係る固体撮像装置は、特にデジタルカメラやデジタルスチルカメラなどの撮影機器の分野に有用である。

第１の実施形態に係る固体撮像装置を説明する図 フォトダイオード、第１及び第２の転送トランジスタの詳細な構成を説明する図 第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャート 第１の実施形態に係る固体撮像装置の入射光量ー出力信号特性を制御する方法を説明する図 第２の実施形態に係る固体撮像装置を説明する図 第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャート 第２の実施形態に係る固体撮像装置の入射光量ー出力信号特性を制御する方法を説明する図 第３の実施形態に係る固体撮像装置の入射光量ー出力信号特性を制御する方法を説明する図 第３の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャート 白バランスを適切に調節するための構成を示すブロック図 従来の固体撮像装置を説明する図 従来の固体撮像装置を説明する図

符号の説明

１０ 画素部
１１ 垂直信号線
１２ 水平信号線
１３ 雑音抑圧回路
１４ 出力アンプ
１５ 加算回路
２１ 雑音抑圧回路
１１０ フォトダイオード
１１１ 第１の転送トランジスタ
１１２ 第２の転送トランジスタ
１１３ 第１のコンデンサ
１１４ 第２のコンデンサ
１１５ 過大信号読み出しトランジスタ
１１６ リセットトランジスタ
１１７ 増幅トランジスタ
１１８ バイアストランジスタ
１１９ アドレストランジスタ
１２０ サンプルコンデンサ
１２１ サンプルトランジスタ
１２２ クランプトランジスタ
１２３ 信号レベル保持コンデンサ
１２４ 水平選択トランジスタ
１２５ 水平信号線
１２８ 第１の信号レベル保持コンデンサ
１２９ 第２の信号レベル保持コンデンサ
１３０ 第１のクランプトランジスタ
１３１ 第２のクランプトランジスタ
３０１ 第１の電荷検出部
３０２ 第２の電荷検出部

Claims (8)

1. 固体撮像装置であって、
   行方向及び列方向にマトリクス状に配列される複数の画素と、
   画素の各々に電気的に接続される複数の垂直信号線と、
   水平信号線と、
   前記垂直信号線の各々に出力された信号を順に前記水平信号線に出力する水平選択回路とを備え、
   前記画素の各々は、
   入射光の強度に応じた電荷を蓄積するフォトダイオードと、
   前記フォトダイオードに蓄積された電荷を検出する第１の電荷検出部と、
   前記フォトダイオードの蓄積容量を超えて生成された電荷を検出する第２の電荷検出部と、
   前記第１の電荷検出部によって検出された電荷に応じて第１の画素信号を出力し、前記第２の電荷検出部によって検出された電荷に応じて第２の画素信号を出力する増幅部とを含む、固体撮像装置。
2. 前記第１の電荷検出部は、
   第１の電荷蓄積部と、
   前記フォトダイオードから前記第１の電荷蓄積部へ電荷を転送する第１の転送トランジスタとを含み、
   前記第２の電荷検出部は、
   第２の電荷蓄積部と、
   ゲート電極にその閾値電圧より大きな電圧が印可され、前記フォトダイオードから前記第２の電荷蓄積部へと電荷を転送する第２の転送トランジスタと、
   前記第２の電荷蓄積部と前記増幅トランジスタとに接続される過大信号読み出しトランジスタとを含む、請求項１に記載の固体撮像装置。
3. ある行に整列する画素の各々から出力される第１の画素信号と、他の行に整列する画素の各々から出力される第２の画素信号とを加算し、加算された画素信号を出力する加算部を更に備える、請求項２に記載の固体撮像装置。
4. ある行に整列する画素の各々から出力される第１の画素信号を保持する第１の信号保持部と、
   前記ある行に整列する画素の各々から出力される第２の画素信号を保持する第２の信号保持部とを含む雑音抑圧回路を更に備える、請求項２に記載の固体撮像装置。
5. 前記第１の信号保持部は、
   前記第１の電荷検出部によって検出された電荷に応じた電荷を蓄積する第１の信号保持キャパシタと、
   前記第１の信号保持キャパシタに蓄積されている電荷を出力する第１のスイッチとを含み、
   前記第２の信号保持部は、
   前記第２の電荷検出部によって検出された電荷に応じた電荷を蓄積する第２の信号保持キャパシタと、
   前記第２の信号保持キャパシタに蓄積されている電荷を出力する第２のスイッチとを含む、請求項４に記載の固体撮像装置。
6. 前記第１及び第２のスイッチの各々は、前記第１及び第２の信号保持キャパシタに蓄積されている電荷の各々を同時に出力するように制御されることを特徴とする、請求項５に記載の固体撮像装置。
7. 前記第１及び第２の転送トランジスタの各々に個別にパルスを供給する垂直シフトレジスタと、
   前記第１及び第２の転送トランジスタの各々に個別にパルスを供給する電子シャッター用垂直シフトレジスタとを更に備える、請求項２に記載の固体撮像装置。
8. 前記画素の各々は、赤、青及び緑色のいずれか１つのカラーフィルタを更に含み、
   同じ色のカラーフィルタを含む前記画素毎に、前記第２の転送トランジスタのゲート電極に印可する電圧を制御するバイアス制御部を更に備える、請求項１〜７に記載の固体撮像装置。
   
   

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