JP2009278148A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低照度被写体のコントラストを大きく保つことができるとともに、連続的にフレームサイズやフレーム位置を変更しても、鮮明な画像が得られるようにする。
【解決手段】入射光に応じた電流を対数変換した電圧を出力する画素が行列状に配置された撮像部１０と、撮像部１０の画素の出力電圧を初期値にリセットするリセット回路２１とを備えた固体撮像装置１０１において、撮像部１０の全画素の電圧を出力する場合は、リセットを行なった後に各画素の電圧を出力する第１モードを実行し、撮像部１０の一部の画素の電圧を出力する場合は、リセットを行なわずに各画素の電圧を出力する第２モードを実行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、動作モードを連続的に切り換える固体撮像装置に関する。

固体撮像装置における画素（ピクセル）には、対数変換型と線形変換型の２種類が存在する。

線形変換型画素は、フォトダイオードを流れるフォト電流を、フォトダイオードに並列に接続したキャパシタに蓄積し、その結果発生する電位を読み出すという原理で動作する。この場合、電位は時間に対し線形的に変化する。すなわち、読み出す電位は常に非定常状態にあり、少なくとも１フレーム内での電位の初期値と読み出し時間（フォトチャージ蓄積時間）とを画素間で同じにしないと、画素間の基準電位レベルが一致しなくなり、正常な画像の再生ができない。このため、初期値として一定の電圧（リセット電圧）を与えるリセット動作が必須となる。

一方、対数変換型画素は、フォトダイオードを流れるフォト電流と、フォトダイオードと直列に接続したＭＯＳトランジスタに流れるサブスレショールド電流とが平衡する時の電位を読み出すという原理で動作する。したがって、初期値やフォトチャージ蓄積時間の概念はない。すなわち、読み出し電位は時間的に変化しない。このため、線形変換型画素のようなリセット動作は必須ではない。

ただ、現実的には対数変換型画素にも浮遊容量としてのキャパシタが存在する。そのため被写体が移動したような場合、一定期間は線形変換型ピクセルと同じように読み出し電位は時間的に変化する非定常状態にあり、その後定常状態に入る。定常状態に至るまでの時間は、フォトダイオードの入射光の照度によって変化し、照度が大きいほど定常状態に至るまでの時間は短くなる。

このように、線形変換型画素の場合は、初期状態を与えないと画素から正しい電位を読み出せないので、リセットをかける使い方しかできない。一方、対数変換型画素の場合は、照度がある値より高い被写体ではリセットをかけなくても画素から正しい電位を読み出せるので、リセットをかけないで使うことも可能であり、リセットをかけて使うことも可能である。以下では、リセットをかける使い方を「リセットモード」と呼び、リセットをかけない使い方を「コンティニュアスモード」と呼ぶ。

特許文献１に記載の固体撮像装置では、画素のＭＯＳトランジスタのゲート電圧を閾値電圧以下に設定することにより、サブスレショールド電流と呼ばれる微少電流が流れるようにする。そして、このときのドレイン電流がゲート・ソース間電圧の指数関数であることを利用し、画素の光電流を対数変換することによって、広いダイナミックレンジを実現している。

さらに、特許文献１には、ＭＯＳトランジスタのゲート部分に浮遊容量があることが記載されている。画素を高速動作させるためには、浮遊容量が積分時間に対して十分短い時間で充放電し、光電流の変化に追従させる必要がある。これを実現するために、特許文献１の第６図に示されるように、積分開始前に、ＭＯＳトランジスタのゲート電位を高くしておくことにより、積分開始とともにＭＯＳトランジスタは放電状態となり、光電流に対応したゲート電圧を短時間で得ることができる。

また、特許文献２に記載の光センサ回路では、光信号を検出した後、ｎチャネルＭＯＳトランジスタのゲート電圧を所定時間だけ高い値に設定し、あるいはｐチャネルＭＯＳトランジスタのゲート電圧を所定時間だけ低い値に設定して、ドレイン・ソース間のインピーダンスを低下させ、検出端子に接続されたコンデンサの充電または放電を制御することにより、残像現象の発生を防止し、高感度で広いダイナミックレンジを得るようにしている。

しかしながら、線形変換型画素を用いたときは、撮像可能な輝度範囲が狭いため、被写体が直射日光などの要因で明るくなり、明るい部分が撮像素子で扱えるレベルを超えると、このレベルを超えた明部の情報を取り込むことができず、俗に「白トビ」と呼ばれる現象が発生する。一方、対数変換型画素を用いたときは、出力特性が対数関数となるため、明るい被写体に対しては明部と暗部の情報を共に取り込むことができるが、暗い被写体に対しては、明部の階調性が乏しくなるという問題がある。

そこで、特許文献３に記載の固体撮像装置では、入射光に対し電気信号を対数変換するか線形変換するかを、被写体の明るさに応じて切り換えるようにしている。そして、明るい被写体を撮像するときは、広い輝度範囲を撮像できるように対数変換動作を行い、暗い被写体を撮像するときは、良好な階調性で撮像できるように線形変換動作を行うことで、被写体の明暗にかかわらず常に良好な撮像を行うことを可能としている。

特許文献４に記載の固体撮像装置は、撮像対象の明るさの変化に応じて、リセットモードとコンティニュアスモードとを切り換える。コンティニュアスモード時には、選択される画素から連続的に画像情報の読み出しを行うことができ、読み出し間隔が短くなる。つまり実効的に高い読み出し速度が得られ、画像情報を高速に読み出すことができる。また、リセットモード時には、制御信号により画素をリセットすることにより、画素に発生する残像が次に読出される画像情報に影響するのを防ぐことができる。

特許文献５に記載の固体撮像装置は、撮像領域を分割し、撮像領域内に含まれる撮像対象の内容に応じた露光時間で撮像対象を撮像する。これにより、撮像対象に輝度差や動きがあったとしても、鮮明な画像を得ることができる。

特開平３−１９２７６４号公報 特開平１０−９００５８号公報 特開２００１−８１１０号公報 特開２００７―２１５０３０号公報 特開２００７−１８４８１４号公報

前述のように、固体撮像装置に線形変換型画素を用いる場合は、リセットをかけることが必須であり、同一フレーム内でのフォトチャージ蓄積時間はすべての画素で同じという条件を満たす必要がある。この場合、連続的にフレームサイズやフレーム位置を変更して正常な画像を得ることはできないという問題点がある。その理由を以下に説明する。

画素の電位を読み出すためには、フォトチャージの蓄積がすでにされていなければならない。すなわち、読み出し時点よりフォトチャージ蓄積時間だけさかのぼった時点で、画素のリセットがなされて電圧の初期値が設定されている必要がある。アレイ状に配置された画素は、予め決められたアドレスシーケンスに従って順次読み出されるため、リセットもそれに先がけて、画素毎に（実際は行毎に）順次行われてゆく。

ここで、現在のフレームにおいて、今まさに読み出されようとしている画素に注目する。この画素は、次のフレームで読み出されるためにリセットされる必要があるが、読み出しが完了する前に次のフレームのための準備としてのリセットをかけることはできない。例えば、図８に示すようなフレームの切り換えを考える。注目している画素が、現在のフレームでは最後尾になり、次のフレームでは先頭になるようなフレーム位置を設定した場合、この画素についてフォトチャージ蓄積時間を十分長くとって次のフレームで読み出すことはできない（ただし、フレーム切り換え時間を０とする）。つまり、リセットする時間がない。もちろん、このような極端な場合でなくとも、同じような状況は、ほとんどの場合に発生する。

一方、対数変換型画素を用いた固体撮像装置では、コンティニュアスモードで動作させることで、連続的にフレームサイズやフレーム位置を変更しても正常な画像を得ることができる。その理由は、先に述べたとおり、フォトチャージ蓄積時間が必要ないからである。ただし、コンティニュアスモードの場合、低照度の被写体に対する感度が低く、被写体が移動しているような場合は、被写体のコントラストを十分大きくできないという欠点がある。

そこで、本発明は、低照度被写体のコントラストを大きく保つことができるとともに、連続的にフレームサイズやフレーム位置を変更しても、鮮明な画像を得ることのできる固体撮像装置を提供することを目的としている。

本発明に係る固体撮像装置は、撮像部と、リセット回路とを備えている。撮像部においては、複数の画素が行列状に配置され、各画素は、入射光を電流に変換する受光素子と、閾値電圧以下のゲート電圧の印加によりサブスレショールド領域で動作して、受光素子の電流を対数変換した電圧を出力するＭＯＳトランジスタとを有する。リセット回路は、ＭＯＳトランジスタに閾値電圧を超えるゲート電圧を印加することにより、画素の出力電圧を初期値にリセットする。本発明では、このような固体撮像装置において、撮像部の全画素の電圧を出力する場合は、リセットを行なった後に各画素の電圧を出力する第１モードを実行する。また、撮像部の一部の画素の電圧を出力する場合は、リセットを行なわずに各画素の電圧を出力する第２モードを実行する。

このようにすることで、各画素の電圧を出力する場合に、２つのモードを連続的に切り換えて動作させることができる。このため、フレームの全領域を読み出す場合は、リセットをかける第１のモードで動作させることで、低照度被写体に対する感度を高くして、コントラストを大きく保つことができる。一方、フレームの一部の領域を読み出す場合は、リセットをかけない第２のモードで動作させることで、連続的にフレームサイズやフレーム位置を変更しても、任意の位置にある画素の電圧を高速に読み出すことができるので、鮮明な画像を得ることができる。

本発明では、上述した固体撮像装置において、第１モードから第２モードへ切り換わる場合に、第２モードの直前の第１モードではリセットを行わないようにすることで、第１モードから速やかに第２モードへ移行することが可能になる。また、第２モードから第１モードへ切り換わる場合に、第１モードの直前の第２モードではリセットを行うことで、第２モードから速やかに第１モードへ移行することが可能になる。

また、本発明では、上述した固体撮像装置において、フレームの読み出しに要する処理の度合いに応じて、第１モードと第２モードとを切り換えるようにしてもよい。

このようにすることで、フレームの読み出しに要する演算量や処理時間等に応じて、第１モードと第２モードが切り換わるため、より高速に鮮明な画像を得ることができる。

本発明によれば、低照度被写体のコントラストを大きく保つことができるとともに、連続的にフレームサイズやフレーム位置を変更しても、任意の位置の画素の電圧を高速に出力して、鮮明な画像を得ることができる。

以下、本発明の実施形態につき、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置のブロック図である。固体撮像装置１０１は、撮像部１０と、１列のダミー画素アレイ２０とを備える。撮像部１０のリセット信号線Ｒ１、Ｒ２、…にリセット回路２１が接続されている。撮像部１０の読み出し信号線Ｙ１、Ｙ２、…、および、ダミー画素アレイ２０の読み出し信号線ＤＹに、デコーダ２２が接続されている。また、撮像部１０とダミー画素アレイ２０には、出力信号線Ｏ１、Ｏ２が接続されている。詳細は、図２〜図４を用いて説明を行う。

制御部５０は、ＲＳＴＬＩＮアドレス発生回路２３、読み出しアドレス発生回路２４、ＲＳＴＣＤＳアドレス発生回路２５、ＲＳＴＣＮＴアドレス発生回路２６、モード対応信号発生回路２７、および選択器２８、２９からなる。ＲＳＴＬＩＮアドレス発生回路２３とＲＳＴＣＤＳアドレス発生回路２５の出力は、それぞれ選択器２８に入力され、選択器２８の出力は、リセット回路２１に入力される。また、読み出しアドレス発生回路２４とＲＳＴＣＮＴアドレス発生回路２６の出力は、それぞれ選択器２９に入力され、選択器２９の出力は、デコーダ２２に入力される。選択器２８、２９の制御は、モード対応信号発生回路２７が行う。制御部５０の動作の詳細については、タイミングチャートを用いて後述する。

図２は、本発明に係る固体撮像装置の撮像部およびダミー画素アレイの回路図である。撮像部１０においては、入射光を電流に変換するフォトダイオード（後述）、および、その電流を電圧に変換するＭＯＳトランジスタ（後述）を有する複数の画素２〜５が行列状に配置される。また、コンティニュアスモード時にリファレンス電圧を出力するための１行のダミー画素６、７からなるダミー画素アレイ２０が、撮像部１０に隣接して配置されている。なお、ここでは説明を簡略にするため、撮像部１０は２×２の行列としている。

撮像部１０を構成する各画素２〜５には、行方向の電源供給線Ｄ１、Ｄ２、読み出し信号線Ｙ１、Ｙ２、リセット信号線Ｒ１、Ｒ２と、列方向の出力信号線Ｏ１、Ｏ２とが接続されている。ダミー画素アレイ２０を構成するダミー画素６、７には、行方向の電源供給線ＤＤ、読み出し信号線ＤＹと、列方向の出力信号線Ｏ１、Ｏ２とが接続されている。

図３は、１画素（単位画素）の回路図である。ここでは、画素２の構成を述べるが、他の画素３〜５の構成も同様である。画素２は、ＭＯＳトランジスタ（以下、単にトランジスタという）Ｔｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３と、フォトダイオードＰＤとを備えている。トランジスタＴｒ１のドレインは図１の電源供給線Ｄ１に接続され、ゲートはリセット信号線Ｒ１に接続される。トランジスタＴｒ１のソースは、フォトダイオードＰＤのカソードに接続されている。フォトダイオードＰＤのアノードは、グランドに接続されている。トランジスタＴｒ２のゲートはフォトダイオードＰＤのカソードに接続されており、ソースはトランジスタＴｒ３のドレインに接続されている。トランジスタＴｒ２のドレインには、電源ＶＤＤが供給される。トランジスタＴｒ３のソースは出力信号線Ｏ１に接続され、ゲートは読み出し信号線Ｙ１に接続される。

画素２は対数変換型画素であり、線形変換型画素に比べてダイナミックレンジが広い。受光素子であるフォトダイオードＰＤには、入射光の光量に応じたフォト電流が流れる。このとき、電圧変換素子であるトランジスタＴｒ１のゲート電圧を閾値電圧以下としておくと、トランジスタＴｒ１は、ドレイン・ソース間が高インピーダンスとなるサブスレショールド領域で動作し、トランジスタＴｒ１にはフォト電流と同量のサブスレショールド電流が流れる。これにより、フォトダイオードＰＤのカソードの電位Ｖｐは、フォト電流に応じた電位に安定する。このカソード電位Ｖｐは、フォト電流を対数変換した電位となる。カソード電位Ｖｐは、トランジスタＴｒ２により増幅される。そして、読み出し信号線Ｙ１に与えた読み出し信号によりトランジスタＴｒ３をオンさせると、入射光量に応じた電圧が出力信号線Ｏ１に出力される。

一方、トランジスタＴｒ１のゲートに閾値電圧を超える電圧、すなわちリセット信号を与えると、トランジスタＴｒ１は、ドレイン・ソース間が低インピーダンスとなる飽和領域で動作する。このため、フォトダイオードＰＤの入射光量に関係なく、フォトダイオードＰＤのカソードの電位ＶｐはほぼＤ１と等しくなり、この値に固定される。したがって、このとき出力信号線Ｏ１に出力される電圧は一定値となり、この電圧が１フレームにおける画素の初期電圧、すなわちリセット電圧となる。

図４は、ダミー画素の回路図である。ここでは、ダミー画素６の構成を述べるが、ダミー画素７の構成も同様である。トランジスタＴｒ４のドレインには電源ＶＤＤが供給される。トランジスタＴｒ４のゲートは電源供給線ＤＤに接続される。トランジスタＴｒ４のソースは、トランジスタＴｒ５のドレインに接続されている。トランジスタＴｒ５のゲートは読み出し信号線ＤＹに接続され、ソースは出力信号線Ｏ１に接続される。

トランジスタＴｒ４のゲートに電源供給線ＤＤよりハイレベル信号が印加されている状態で、トランジスタＴｒ５のゲートに読み出し信号線ＤＹより読み出し信号が与えられると、トランジスタＴｒ４およびＴｒ５を介して出力信号線Ｏ１に、ＶＤＤとほぼ等しい電圧が出力される。この電圧は、出力信号線Ｏ１に接続されている相関二重サンプリング回路（図示省略）に、リファレンス電圧として与えられる。

図１の固体撮像装置１０１の動作を説明するにあたり、本明細書では便宜上、各動作状態の表現を次のように定義する。
（ａ）次のフレームもコンティニュアスモードで読み出すときのコンティニュアスモードフレームを「ＣＣＦ」（Continuous-Continuous Frame）とする。
（ｂ）次のフレームをリセットモードで読み出すときのコンティニュアスモードフレームは「ＣＲＦ」（Continuous-Reset Frame）とする。
（ｃ）次のフレームもリセットモードで読み出すときのリセットモードフレームは「ＲＲＦ」（Reset-Reset Frame）とする。
（ｄ）次のフレームをコンティニュアスモードで読み出すときのリセットモードフレームは「ＲＣＦ」（Reset-Continuous Frame）とする。

モード対応信号発生回路２７は、プログラムにより決められたシーケンスに基づいて、上記４つの動作状態を決定し、現在の動作状態に応じた制御信号を選択器２８、２９に出力する。

読み出しアドレス発生回路２４は、出力電圧を読み出す画素に対するアドレス信号を出力する。ＲＳＴＬＩＮアドレス発生回路２３は、次のフレームをリセットモードで読み出す場合、これに先がけて行うリセットのためのアドレス信号を出力する。ＲＳＴＣＤＳアドレス発生回路２５は、リセットモードの場合、相関二重サンプリングに必要なリセットのためのアドレス信号を出力する。ＲＳＴＣＮＴアドレス発生回路２６は、コンティニュアスモードの場合、相関二重サンプリングに必要なリファレンス電圧をダミー画素から読み出すためのアドレス信号を出力する。

相関二重サンプリングを行うにあたり、リセットモードで動作している場合は、１フレームの間に同一画素からの出力信号の読み出しは２回行われる。１回目はフォトチャージ蓄積に基づく電圧の読み出しであり、２回目は画素をリセットしたときのリファレンス電圧の読み出しである。一方、コンティニュアスモードで動作している場合は、１フレームの間に同一画素からの出力信号の読み出しは１回のみ行われ、その後に、対象としている画素と同じ列に配置されているダミー画素からのリファレンス電圧の読み出しが行われる。なお、相関二重サンプリングは、本発明にとって本質的なものではない。

図５は、上述した（ａ）〜（ｄ）の各動作状態における主要信号のタイミングチャートである。ここでは、リセット信号線Ｒｉ（ｉ＝１，２，…）、読み出し信号線Ｙｉ（ｉ＝１，２，…）、および読み出し信号線ＤＹに出力される信号を示してある。以下、図１および図５を参照しながら、固体撮像装置１０１の動作を説明する。

（１）ＣＣＦの動作
現在のフレームがコンティニュアスモードで、次のフレームもコンティニュアスモードの場合、すなわちＣＣＦの場合は、モード対応信号発生回路２７は、第１の制御信号を選択器２８に出力する。これにより、ＲＳＴＬＩＮアドレス発生回路２３からのＲＳＴＬＩＮアドレス信号、および、ＲＳＴＣＤＳアドレス発生回路２５からのＲＳＴＣＤＳアドレス信号は、リセット回路２１に出力されなくなる。また、モード対応信号発生回路２７は、第２の制御信号を選択器２９に出力する。これにより、読み出しアドレス発生回路２４からの読み出しアドレス信号と、ＲＳＴＣＮＴアドレス発生回路２６からのＲＳＴＣＮＴアドレス信号とが、デコーダ２２へ出力される。デコーダ２２は、これらのアドレス信号に基づき、読み出しアドレスに対応する画素への読み出し信号線Ｙｉ、および、その画素と同じ列のダミー画素への読み出し信号線ＤＹに、読み出し信号（パルス）を出力する。

図５（ａ）は、ＣＣＦのタイミングチャートを表している。ＣＣＦでは、上記のように、ＲＳＴＬＩＮアドレス発生回路２３およびＲＳＴＣＤＳアドレス発生回路２５からアドレス信号が出力されないので、リセット回路２１は動作しない。したがって、リセット信号線Ｒｉは常にローレベル（例えば３Ｖ）である。このとき、図３のトランジスタＴｒ１は、ゲート電圧が閾値電圧を超えず、サブスレショールド領域で動作する。一方、読み出しアドレス発生回路２４からアドレス信号が出力されるため、読み出し信号線Ｙｉは、デコーダ２２から出力されるパルスにより、画素電圧の読み出しのタイミングでローレベル（例えば０Ｖ）からハイレベル（例えば３Ｖ）となる。また、ＲＳＴＣＮＴアドレス発生回路２６からアドレス信号が出力されるため、ダミー画素の読み出し信号線ＤＹは、デコーダ２２から出力されるパルスにより、上述した画素の読み出しタイミングの直後の、相関二重サンプリングのためのダミー画素の読み出しタイミングでローレベル（例えば０Ｖ）からハイレベル（例えば３Ｖ）となる。以上は、通常のコンティニュアスモードの動作である。

（２）ＣＲＦの動作
現在のフレームがコンティニュアスモードで、次のフレームがリセットモードの場合、すなわちＣＲＦの場合は、モード対応信号発生回路２７は、第２の制御信号を選択器２９に出力する。これにより、読み出しアドレス発生回路２４からの読み出しアドレス信号と、ＲＳＴＣＮＴアドレス発生回路２６からのＲＳＴＣＮＴアドレス信号とが、デコーダ２２へ出力される。デコーダ２２は、これらのアドレス信号に基づき、読み出しアドレスに対応する画素への読み出し信号線Ｙｉ、および、その画素と同じ列のダミー画素への読み出し信号線ＤＹに、読み出し信号を出力する。

また、モード対応信号発生回路２７は、第３の制御信号を選択器２８に出力する。これにより、ＲＳＴＬＩＮアドレス発生回路２３からのＲＳＴＬＩＮアドレス信号が、リセット回路２１に与えられる。リセット回路２１は、ＲＳＴＬＩＮアドレス信号に基づき、リセットモードに入る直前の、最後のコンティニュアスモードのフレーム（ＣＲＦ）におけるフォトチャージ蓄積のためのリセット信号を、リセット信号線Ｒｉに出力する。ここで、ＲＳＴＬＩＮアドレスも発生させるのは、次のフレームの読み出しがリセットモードでの読み出しなので、次のフレームの読み出しに先がけて画素をリセットして、画素のフォトチャージ蓄積時間を設定するためである。一方、第３の制御信号が選択器２８に与えられた場合は、ＲＳＴＣＤＳアドレス発生回路２５からのＲＳＴＣＤＳアドレス信号は、リセット回路２１に出力されない。

図５（ｂ）は、ＣＲＦのタイミングチャートを表している。ＣＲＦでは、上記のように、読み出しアドレス発生回路２４からアドレス信号が出力されるため、読み出し信号線Ｙｉは、デコーダ２２から出力されるパルスにより、画素の読み出しのタイミングでハイレベルとなる。また、ＲＳＴＣＮＴアドレス発生回路２６からアドレス信号が出力されるため、ダミー画素の読み出し信号線ＤＹは、デコーダ２２から出力されるパルスにより、上述した画素の読み出しタイミングの直後の、相関二重サンプリングのためのダミー画素の読み出しタイミングでハイレベルとなる。読み出し信号線ＤＹがハイレベルになるのは、リセットモードに入る直前の最後のコンティニュアスモードまでであり、その後のリセットモードにおいては、読み出し信号線ＤＹは常にローレベルとなる。一方、ＲＳＴＬＩＮアドレス発生回路２３からＲＳＴＬＩＮアドレス信号が出力されるため、リセット回路２１は、リセットモードに入る直前の、最後のコンティニュアスモードのフレーム（ＣＲＦ）におけるフォトチャージ蓄積のためのリセット信号ａ（パルス）を、リセット信号線Ｒｉに出力する。これによって、リセット信号線Ｒｉはハイレベル（例えば５Ｖ）となり、図３のトランジスタＴｒ１は、ゲート電圧が閾値電圧を超えて飽和領域で動作するため、リセットがかかる。

コンティニュアスモードであれば、本来は図５（ａ）のようにリセットが不要であるが、本実施形態では、リセットモードへ移る直前のモードがコンティニュアスモードである場合は、そのコンティニュアスモードに限り、リセット信号ａを出力して、リセットを行うようにしている（図５（ｂ）の破線で囲んだ部分）。これによって、コンティニュアスモードから速やかにリセットモードへ移行することが可能になる。

リセット信号線Ｒｉにおけるリセット信号ａの立下りから、読み出し信号線Ｙｉにおける最初の読み出し信号ｂの立下りまでの時間が、フォトチャージ蓄積時間となる。読み出し信号線Ｙｉにおける２回目の読み出し信号ｃは、相関二重サンプリングのための読み出し信号である。以下の図５（ｃ）、図５（ｄ）においても同様である。

（３）ＲＲＦの動作
現在のフレームがリセットモードで、次のフレームもリセットモードの場合、すなわちＲＲＦの場合は、モード対応信号発生回路２７は、第４の制御信号を選択器２８に出力する。これにより、ＲＳＴＬＩＮアドレス発生回路２３からのＲＳＴＬＩＮアドレス信号、および、ＲＳＴＣＤＳアドレス発生回路２５からのＲＳＴＣＤＳアドレス信号が、リセット回路２１に出力される。リセット回路２１は、ＲＳＴＬＩＮアドレス信号に基づき、フォトチャージ蓄積のためのリセット信号を、リセット信号線Ｒｉに出力する。また、これより遅れて、リセット回路２１は、ＲＳＴＣＤＳアドレス信号に基づき、相関二重サンプリングのためのリセット信号を、リセット信号線Ｒｉに出力する。

一方、モード対応信号発生回路２７は、第５の制御信号を選択器２９に出力する。これにより、読み出しアドレス発生回路２４からの読み出しアドレス信号がデコーダ２２へ出力される。デコーダ２２は、このアドレス信号に基づき、読み出しアドレスに対応する画素への読み出し信号線Ｙｉに、読み出し信号を出力する。一方、第５の制御信号が選択器２９に与えられた場合は、ＲＳＴＣＮＴアドレス発生回路２６からのＲＳＴＣＮＴアドレス信号は、デコーダ２２に出力されない。

図５（ｃ）は、ＲＲＦのタイミングチャートを表している。ＲＲＦでは、上記のように、ＲＳＴＬＩＮアドレス発生回路２３およびＲＳＴＣＤＳアドレス発生回路２５からアドレス信号が出力されるので、リセット回路２１が動作する。このため、リセット信号線Ｒｉには、ＲＳＴＬＩＮアドレス信号に基づくフォトチャージ蓄積のためのリセット信号ｄが出力され、その後に、ＲＳＴＣＤＳアドレス信号に基づく相関二重サンプリングのためのリセット信号ｅが出力される。読み出し信号線Ｙｉは、デコーダ２２から出力されるパルスにより、画素電圧の読み出しタイミング、およびリファレンス電圧の読み出しタイミングで、それぞれハイレベルとなる。一方、ＲＳＴＣＮＴアドレス発生回路２６からＲＳＴＣＮＴアドレス信号は出力されないので、ダミー画素の読み出し信号線ＤＹは、常にローレベルとなる。以上は、通常のリセットモードの動作である。

（４）ＲＣＦの動作
現在のフレームがリセットモードで、次のフレームがコンティニュアスモードの場合、すなわちＲＣＦの場合は、モード対応信号発生回路２７は、第６の制御信号を選択器２８に出力する。これにより、ＲＳＴＣＤＳアドレス発生回路２５からのＲＳＴＣＤＳアドレス信号がリセット回路２１に出力される。リセット回路２１は、このアドレス信号に基づき、コンティニュアスモード入る直前の、最後のリセットモードのフレーム（ＲＣＦ）における相関二重サンプリングのためのリセット信号を、リセット信号線Ｒｉに出力する。

また、モード対応信号発生回路２７から選択器２８に第６の制御信号が与えられることにより、ＲＳＴＬＩＮアドレス発生回路２３からのＲＳＴＬＩＮアドレス信号は、リセット回路２１に出力されない。ＲＳＴＬＩＮアドレス信号を出力しないのは、次のフレームの読み出しがコンティニュアスモードでの読み出しなので、次のフレームの読み出しに先がけてリセットを行う必要がないからである。

一方、モード対応信号発生回路２７は、第５の出力信号を選択器２９に出力する。これにより、読み出しアドレス発生回路２４からの読み出しアドレス信号がデコーダ２２へ出力される。デコーダ２２は、このアドレス信号に基づき、読み出しアドレスに対応する画素への読み出し信号線Ｙｉに、読み出し信号を出力する。一方、第５の制御信号が選択器２９に与えられた場合は、ＲＳＴＣＮＴアドレス発生回路２６からのＲＳＴＣＮＴアドレス信号は、デコーダ２２に出力されない。

図５（ｄ）は、ＲＣＦのタイミングチャートを表している。ＲＣＦでは、コンティニュアスモードに入る直前の、最後のリセットモードにおいて、ＲＳＴＣＤＳアドレス発生回路２５からＲＳＴＣＤＳアドレス信号が出力されるため、リセット信号線Ｒｉに、リファレンス電圧読み出しのためのリセット信号ｅが出力されるが、その後はリセット信号ｄ、リセット信号ｅとも出力されず、リセット信号線Ｒｉはローレベルを継続する。

リセットモードであれば、本来は図５（ｃ）のように、次のフレームへ移る前に必ずフォトチャージ蓄積のためのリセット信号ｄが出力されるが、本実施形態では、コンティニュアスモードへ移る直前のモードがリセットモードである場合は、そのリセットモードに限り、リセット信号ｄを出力しない（リセットを行わない）ようにしている（図５（ｄ）の破線で囲んだ部分）。これによって、リセットモードから速やかにコンティニュアスモードへ移行することが可能になる。

一方、最後のリセットモードにおいては、読み出しアドレス発生回路２４からアドレス信号が出力されるため、読み出し信号線Ｙｉは、デコーダ２２から出力されるパルスにより、画素電圧の読み出しのタイミング、およびリファレンス電圧の読み出しのタイミングでハイレベルとなる。次のコンティニュアスモードにおいては、読み出し信号線Ｙｉは、画素電圧読み出しのタイミングでのみハイレベルとなる。また、ダミー画素の読み出し信号線ＤＹは、最後のリセットモードにおいては常にローレベルであるが、次のコンティニュアスモードにおいては、相関二重サンプリングに必要なダミー画素からのリファレンス電圧の読み出しのタイミングでハイレベルとなる。

以上の説明からわかるように、第１実施形態においては、リセット信号の制御をする場合、モードの切り換え時のみ通常とは逆の制御、すなわち、コンティニュアスモードからリセットモードへ切り換わる際はコンティニュアスモードでリセットをかけ、リセットモードからコンティニュアスモードへ切り換わる際はリセットモードでリセットをかけないという制御が行われる。

図６は、本発明によるモード切換の例を説明する概念図である。この例では、撮像部１０のすべての画素の電圧をリセットモードで読み出す第１モードを実行した後、撮像部１０の領域をいくつかに分割し、分割された各々の領域に含まれる画素の電圧を順次コンティニュアスモードで読み出す第２モードを何回か連続して実行する。そして、すべての分割領域がコンティニュアスモードで読み出された後に、再び、撮像部１０のすべての画素の電圧をリセットモードで読み出す第１モードに戻り、以降これが繰り返される。この場合、第１モードでは、図５（ｄ）で示した動作が行われる。第２モードでは、最後のフレーム以外は図５（ａ）で示した動作が行われ、最後のフレームでは図５（ｂ）で示した動作が行われる。

すなわち、本発明では、フレームの全領域を読み出す場合には、リセットモードでリセットを行ってから、フォトチャージ蓄積時間経過後の各画素の電圧を出力し、フレームの一部の領域を読み出す場合には、リセットを行わずコンティニュアスモードで、その時点の各画素の電圧をそのまま出力する。

このように、上述した固体撮像装置１０１は、リセットモードとコンティニュアスモードを連続的に切り換えて、各画素の電圧を読み出す。このため、低照度被写体に対する感度が高く、コントラストを大きくでき、残像も発生しないというリセットモードの長所と、ダイナミックレンジが広く、高速動作が可能であるというコンティニュアスモードの長所とを両立させることができる。また、連続的にフレームサイズやフレーム位置を変更しても、コンティニュアスモードにより任意の位置にある画素の電圧を高速に読み出すことができるので、鮮明な画像を得ることができる。

図７は、本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置のブロック図である。固体撮像装置１０２は、図１と同様の撮像部１０を備えているが、ダミー画素アレイ２０は備えていない。撮像部１０のリセット信号線Ｒ１、Ｒ２、…にリセット回路３１が接続されている。撮像部１０の読み出し信号線Ｙ１、Ｙ２…、にデコーダ３２が接続されている。また、撮像部１０には出力信号線Ｏ１、Ｏ２が接続されている。撮像部１０の構成は、図２および図３で示したものと同じであるので説明を省略する。

制御部６０は、リセットアドレス発生回路３３、読み出しアドレス発生回路３４、モード検出部３５、反転器３６、モード対応信号発生回路３７、選択器３８およびゲート回路３９からなる。読み出しアドレス発生回路３４の出力は、デコーダ３２に入力される。モード検出部３５からの出力と、その出力を反転器３６で反転した反転出力とは、選択器３８に入力される。選択器３８の出力Ａは、リセットアドレス発生回路３３の出力とともに、ゲート回路３９に入力される。ゲート回路３９の出力は、リセット回路３１に入力される。

選択器３８の制御は、モード対応信号発生回路３７が行う。モード対応信号発生回路３７は、モード切り換え発生フレームの有無を検出し、モード検出部３５からの出力と、その反転出力のいずれをゲート回路３９に出力するかを決定する。

モード検出部３５は、リセットモードの場合にはハイレベル信号を出力し、コンティニュアスモードの場合にはローレベル信号を出力する。通常のリセットモード時には、モード対応信号発生回路３７は、モード検出部３５の出力（このときはハイレベル信号）を選択するように選択器３８を制御する。これにより、リセットアドレス発生回路３３からのリセット用のアドレス信号が、ゲート回路３９を介してリセット回路３１に出力される。また、通常のコンティニュアスモード時にも、モード対応信号発生回路３７は、モード検出部３５の出力（このときはローレベル信号）を選択するように選択器３８を制御する。このため、リセットアドレス発生回路３３からのアドレス信号は、ゲート回路３９を介してリセット回路３１に出力されない。

モード切換時の動作は、以下のとおりである。最初に、コンティニュアスモードからリセットモードへの切り換えに際して行う制御について説明する。第２実施形態に係る固体撮像装置１０２では、モード対応信号発生回路３７が次のフレームの読み出しモードがリセットモードであると判断した場合、リセットモード直前のコンティニュアスモードでは、画素電圧の読み出しに加えて、画素にリセットをかける動作も行う。この点に関しては、図５（ｂ）の場合と同じである。すなわち、モード対応信号発生回路３７は、モード検出部３５の反転出力である反転器３６の出力（コンティニュアスモードなのでハイレベル）を選択するように選択器３８を制御する。そうすると、実際にはコンティニュアスモードであるが、リセットモードと同じように、リセットアドレス発生回路３３からのアドレス信号がゲート回路３９を通してリセット回路３１に出力される。このため、リセットシーケンスに従い、リセット信号線Ｒ１、Ｒ２、…にリセット信号が順次出力され、画素にリセットがかけられる。リセットシーケンスは従来のリセットモードで使用されているものと同じであるから、リセットアドレス発生回路３３として、従来の回路と同じものを使用できる。

次に、リセットモードからコンティニュアスモードへの切り換えに際して行う制御について説明する。第２実施形態に係る固体撮像装置１０２では、モード対応信号発生回路３７が次のフレームの読み出しモードがコンティニュアスモードであると判断した場合、コンティニュアスモード直前のリセットモードでは、次のフレームのためのリセット信号を発生させないように制御する。この点に関しては、図５（ｄ）の場合と同じである。すなわち、モード対応信号発生回路３７は、モード検出部３５の反転出力である反転器３６の出力（リセットモードなのでローレベル）を選択するように選択器３８を制御する。そうすると、実際にはリセットモードであるが、コンティニュアスモードと同じように、リセットアドレス発生回路３３からのアドレス信号がゲート回路３９を通してリセット回路３１に出力されなくなる。このため、リセット信号線Ｒ１、Ｒ２、…にリセット信号が出力されず、画素にリセットはかかからない。

以上の説明からわかるように、第２実施形態においても、リセット信号の制御をする場合は、モードの切り換え時のみ、通常とは逆の制御を行えばよい。

本発明の他の実施形態として、上述した固体撮像装置１０１、１０２において、フレームの読み出しに要する処理の度合いに応じて、モードを切り換えることが考えられる。例えば、１フレームにおける各画素の電圧の読み出しに要する演算量または処理時間が一定基準を超える場合に、モード対応信号発生回路２７、３７が、リセットモードからコンティニュアスモードへ切り換えるように制御を行い、逆に、１フレームにおける各画素の電圧の読み出しに要する演算量または処理時間が一定基準以下である場合に、モード対応信号発生回路２７、３７が、コンティニュアスモードからリセットモードへ切り換えるように制御を行ってもよい。このようにすることで、より高速に鮮明な画像を得ることができる。

本発明では、以上述べた以外にも種々の実施形態を採用することができる。例えば、図６では、第１モード（リセットモード）を１回実行した後に第２モード（コンティニュアスモード）へ移行しているが、第１モードを複数回実行した後に第２モードへ移行してもよい。また、図６では、第２モードを複数回実行しているが、第２モードは１回実行するだけでもよい。また、図６では、撮像領域を分割して第２モードを実行しているが、撮像領域を分割しないで第２モードを実行してもよく、あるいは、撮像領域を分割した第２モードと、撮像領域を分割しない第２モードとが混在していてもよい。

また、上記第１実施形態では、ダミー画素は１行で構成したが、ダミー画素の行数は複数にしてもよい。これにより、各画素を構成する素子の特性のばらつきによる影響を小さくできる。また、ダミー画素の構成としては、通常の画素と同じ回路を用いて、受光部を遮光しておく構成にしてもよい。

さらに、上記実施形態以外の処理を追加してもよく、固体撮像装置のブロック構成や回路構成も上記実施形態に限定されるものではない。

本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置のブロック図である。 固体撮像装置の撮像部およびダミー画素アレイの回路図である。 １画素（単位画素）の回路図である。 ダミー画素の回路図である。 各動作状態における主要信号のタイミングチャートである。 モード切換の例を説明する概念図である。 本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置のブロック図である。 フレームの切り換えを説明する図である。

符号の説明

２〜５ 画素
６、７ ダミー画素
１０ 撮像部
２０ ダミー画素アレイ
２１、３１ リセット回路
２２、３２ デコーダ
２３ ＲＳＴＬＩＮアドレス発生回路
２４、３４ 読み出しアドレス発生回路
２５ ＲＳＴＣＤＳアドレス発生回路
２６ ＲＳＴＣＮＴアドレス発生回路
２７、３７ モード対応信号発生回路
３３ リセットアドレス発生回路
３５ モード検出部
３６ 反転器
５０、６０ 制御部
１０１、１０２ 固体撮像装置
Ｔｒ１ ＭＯＳトランジスタ
ＰＤ フォトダイオード

Claims (3)

1. 入射光を電流に変換する受光素子、および、閾値電圧以下のゲート電圧の印加によりサブスレショールド領域で動作して、前記受光素子の電流を対数変換した電圧を出力するＭＯＳトランジスタを有する画素を複数備え、これらの画素が行列状に配置された撮像部と、
   前記ＭＯＳトランジスタに前記閾値電圧を超えるゲート電圧を印加することにより、前記画素の出力電圧を初期値にリセットするリセット回路と、を備えた固体撮像装置において、
   前記撮像部の全画素の電圧を出力する場合は、前記リセットを行なった後に各画素の電圧を出力する第１モードを実行し、
   前記撮像部の一部の画素の電圧を出力する場合は、前記リセットを行なわずに各画素の電圧を出力する第２モードを実行することを特徴とする固体撮像装置。
2. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   第１モードから第２モードへ切り換わる場合に、第２モードの直前の第１モードでは、前記リセットを行わず、
   第２モードから第１モードへ切り換わる場合に、第１モードの直前の第２モードでは、前記リセットを行うことを特徴とする固体撮像装置。
3. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   フレームの読み出しに要する処理の度合いに応じて、前記第１モードと第２モードとを切り換えることを特徴とする固体撮像装置。

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