JP2010109902A - 固体撮像装置及びその駆動方法 - Google Patents

固体撮像装置及びその駆動方法 Download PDF

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剛久 加藤
Shigetaka Kasuga
繁孝 春日
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隆彦 村田
Takayoshi Yamada
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Abstract

【課題】広いダイナミックレンジを有する固体撮像装置の画素出力信号が容易に補正され、画素間の輝度ばらつきやカラー信号の偽色の発生が抑止された固体撮像装置及びその調整方法を提供する。
【解決手段】受光強度及び露光時間に応じた光信号電荷を発生する受光素子を有する複数のＦＤＡ型画素２１が二次元状に配置されたカラー固体撮像装置２０であって、駆動部２５は、受光素子での光信号電荷の飽和量を制限し、受光素子に蓄積された光信号電荷の一部を残留電荷量として読み残すようにＦＤＡ型画素２１を駆動する。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体撮像装置及びその駆動方法に関し、特にデジタルカメラに用いられる固体撮像装置及びその駆動方法に関する。
従来の固体撮像装置のダイナミックレンジは、６０ｄＢから８０ｄＢ程度であり、肉眼や銀塩フィルムに匹敵する１００ｄＢから１２０ｄＢ程度、あるいは車載カメラや監視カメラ等の用途によってはそれ以上のレベルにまで向上させることが望まれている。
特許文献１では、露光期間の長さを異ならせて複数のフレームを撮像し、撮像された複数のフレームを合成する技術が開示されている。１フレームで撮影可能な輝度域は、露光期間の長さに応じて変化するが、特許文献１では、露光時間が異なることにより輝度域が異なる複数のフレームが合成されることにより、ダイナミックレンジが拡大される。
図２６は特許文献１記載の固体撮像素子のブロック図である。
同図における固体撮像素子は、画素部１７１と、フォトダイオード１７２と、ノイズキャンセラ１７３と、アンプ１７４とを備える。フォトダイオード１７２は受光素子である。
図中に記載されているタイミングコントローラは、上記構成要素を制御し、動作させる画素行や画素列の選択などを実行させる。タイミングコントローラの指示により端子Ｒｉの電圧レベルがＨＩＧＨになると、フォトダイオード１７２のカソードが高い電圧（初期値）に設定される。次に、端子Ｒｉの電圧レベルがＬＯＷになるとフォトダイオード１７２に入射した光によりカソード電位が低下する積分モードに移る。
端子Ｓｉの電圧レベルがＨＩＧＨになった行においては、フォトダイオード１７２のカソード電位が、ノイズキャンセラ１７３及びアンプ１７４を介して出力端子に出力される。
そして、再び端子Ｒｉの電圧レベルがＨＩＧＨになると、フォトダイオード１７２のカソードが高い電圧（初期値）に設定され、新たな積分モードへと移る。
図２７は、特許文献１記載の固体撮像素子における露光時間および出力のタイミングを示す図である。同図は、露光時間を、長（ＬＡｉ：ｉは自然数）、短（ＳＡｉ：ｉは自然数）、極短（ＶＳＡｉ：ｉは自然数）の３種に分けて、それぞれ積分モードにて得られた信号をそれぞれＬＲｉ（ｉは自然数）、ＳＲｉ（ｉは自然数）、ＶＳＲｉ（ｉは自然数）にて出力するタイミングを示す。ＬＡｉは通常光、ＳＡｉは強い光、ＶＳＡｉは大変強い光を受光して電圧変換する場合に対応できるため、広いダイナミックレンジをもった光応答が可能となる。
しかし、上述した特許文献１の技術では、複数の信号（ＬＡｉ、ＳＡｉ、ＶＳＡｉ）を別々に記憶する必要があるため、処理時間がかかる。また、それらを記憶するための記憶部や、合成するための信号合成部を固体撮像素子の外部に設置して後処理を実行しなければならない。
上記問題を解決するため、固体撮像素子の外部に記憶部や信号合成部を必要とせず、複数回の露光で得られた信号を画素内で合成することによりダイナミックレンジを拡大した固体撮像素子が、非特許文献１に提案されている。
図２８は、非特許文献１に記載された固体撮像素子の画素内における回路構成図である。また、図２９は、非特許文献１に記載された固体撮像素子の画素回路に印加される電気信号のタイミングチャートである。この多重露光・画素内合成型の固体撮像素子は、図２８に示される構成の画素回路を有する。図２８に記載された画素回路は、ＶＲＳＴ及びＬＧ端子にＤＣ電圧が、また、他の端子に図２９に記載された電圧パルスが印加されることにより、３回の露光と２回の信号合成が行われる。
その動作は、リセット（図２９中の期間ｔ５０〜ｔ５１）、第一の露光（図２９中の期間ｔ５１〜ｔ５２）、第一の露光で光電変換された第一信号のメモリ格納（図２９中の期間ｔ５２〜ｔ５３）、第二の露光（図２９中の期間ｔ５３〜ｔ５４）、メモリから第一信号の読み出し（図２９中の期間ｔ５４〜ｔ５５）、第一信号と第二の露光で光電変換された第二信号との第一合成および第一合成信号のメモリ格納（図２９中の期間ｔ５５〜ｔ５６）、第三の露光（図２９中の期間ｔ５６〜ｔ５７）、メモリから第一合成信号の読み出し（図２９中の期間ｔ５７〜ｔ５８）、及び第三の露光で光電変換された第三信号と第一合成信号との第二合成（図２９中の期間ｔ５８〜ｔ５９）から成る。
図３０（ａ）、図３０（ｂ）及び図３０（ｃ）は、それぞれ、非特許文献１に記載された固体撮像素子の有する受光素子の第一の露光期間、第二の露光期間及び第三の露光期間における光電変換特性を表すグラフである。第一、第二及び第三の露光期間である期間ｔ５１〜ｔ５２、期間ｔ５３〜ｔ５４、期間ｔ５６〜ｔ５７は、順に長くなるように設定されているので、３つの露光時間における画素に内蔵された受光素子２０１の光電変換特性は、それぞれ、図３０（ａ）、図３０（ｂ）及び図３０（ｃ）のようになる。ここで、第一の露光において光電変換される照射光の最低強度Ｌ１と、第二の露光で飽和電荷量Ｑ１に達する照射光の強度Ｌ２０が等しくなるようにし、かつ第二の露光において光電変換される照射光の最低強度Ｌ２と、第三の露光で飽和電荷量Ｑ１に達する照射光の強度Ｌ３０を等しくなるようにする。
上述した一連の動作において、光電変換された電荷を蓄積容量２０８（Ｃ2）に格納し、フィードバック容量２０９（Ｃ1）を介して浮遊容量ＣFDに読み出す動作が２度（期間ｔ５４〜ｔ５５及び期間ｔ５７〜ｔ５８）行われる。このとき、合成容量Ｃ1×Ｃ2／（Ｃ1＋Ｃ2）と浮遊容量ＣFDの比に従って信号は圧縮される。
図３０（ｄ）及び図３０（ｅ）は、それぞれ、第一の合成動作期間及び第二の合成動作期間における光電変換特性を表すグラフである。第一の合成動作（期間ｔ５５〜ｔ５６）において、飽和レベルが圧縮された第一信号と第二信号が浮遊容量ＣFDにて合成され、第一合成信号は図３０（ｄ）のような光強度−電荷量特性となる。同様に、第二の合成動作（期間ｔ５８〜ｔ５９）において、飽和レベルが圧縮された第一合成信号と第三信号とが浮遊容量ＣFDにて合成され、第二合成信号は図３０（ｅ）のような光強度−電荷量特性となる。３回の露光を合成した第二合成信号は、光強度Ｌ３〜Ｌ３０、Ｌ３０〜Ｌ２０、Ｌ２０〜Ｌ１０という３つの領域で異なった感度（すなわち、図３０に記載されたグラフの傾き）を示すことになる。言い換えれば、図３０（ｅ）の光強度−電荷量特性において、２つのニーポイント２５１（Ｌ３０，Ｑ１）及びニーポイント２５２（Ｌ２０，Ｑ３）を有する。
上記構成および動作により、異なる露光時間における複数の光信号電荷の短時間合成が画素内で可能となるので、固体撮像素子外部に信号合成部を配置せずとも、ダイナミックレンジの拡張が実現される。
特開２００４−３６３６６６号公報 ISSCC2008 (International Solid-State Circuits Conference), 2008年, Digest of Technical Papers, p.50
しかしながら、このような多重露光・画素内合成型の固体撮像素子の受光素子２０１に３原色のカラーフィルタを配置してカラー固体撮像素子を形成すると、各色で光電変換特性が異なるためにニーポイントとなる照射光強度が色毎にずれる。さらに、受光素子２０１の飽和電荷量Ｑ１は画素毎にばらつくため、ニーポイントの電荷量も画素毎にずれる。図３１（ａ）は、異なる種類のカラーフィルタが配置された画素の有する従来の光強度−電荷量特性を示すグラフである。３原色のＲ，Ｇ，Ｂに対応する光強度−電荷量特性は、それぞれ、光電変換特性２６１、２６２及び２６３である。このような特性を有するＲ，Ｇ，Ｂ画素からの出力信号を、各色で固有の率で増幅してホワイトバランス調整を行った場合、照射光強度領域の一部しかホワイトバランス状態にならない。図３１（ｂ）は、Ｒ，Ｇ，Ｂ画素の有する従来の光強度−電荷量特性を各色固有の増幅率によりホワイトバランス調整を行った場合の光強度−電荷量特性を示すグラフである。同図に記載されたグラフには、Ｒ，Ｇ，Ｂ画素からの出力信号に対して、それぞれ、ゲイン１．０、０．９及び１．０５の調整を行った結果として得られた光電変換特性２７１、２７２及び２７３が記載されている。このとき、照射光強度ＬＬ以下ではＲ，Ｇ，Ｂ出力信号強度を一致させることができるが、ＬＬ以上ではずれてしまう。つまり、強い光を受光した状態では、合成画像の輝度ばらつきが発生する。さらに、色ごとの補正がとりにくいため、偽色が発生するなど綺麗なカラー信号が得られない。
上記問題に鑑み、本発明は、広いダイナミックレンジを有する固体撮像装置の画素出力信号が容易に補正され、画素間の輝度ばらつきやカラー信号の偽色の発生が抑止された固体撮像装置及びその調整方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置は、受光強度及び露光時間に応じた光信号電荷を発生する光電変換素子を有する複数の画素部が二次元状に配置された固体撮像装置であって、前記光電変換素子での前記光信号電荷の飽和量を制限し、前記光電変換素子に蓄積された前記光信号電荷の一部を残留電荷として読み残すように前記画素部を駆動する駆動部を備えることを特徴とする。
画素ごとに配置された光電変換素子は、製造時における光電変換素子への不純物注入濃度や光信号電荷を読み出すためのトランジスタのゲート絶縁膜厚などのばらつきにより、光信号電荷の飽和量にばらつきを有する。よって、各光電変換素子に固有の飽和量を最大に利用して光信号電荷の蓄積及び読み出しを実行すると、同じ入射光量の光信号が各画素に入射されても、各光電変換素子から読み出される光信号電荷量にばらつきが発生する。よって、各画素から出力される画素出力信号にばらつきが生じ、結果的に輝度信号にばらつきが生じてしまう。
本発明の構成によれば、個々の光電変換素子やトランジスタによって規定される光信号電荷の飽和量が一部制限され、また電荷読み出し量の一部が残留電荷として読み残されることにより、個々の光電変換素子や読み出しトランジスタの構造ばらつきに影響されない任意の基準量に基づいた電荷読み出しが実現される。よって、画素間での光信号電荷量のばらつきを抑制することが可能となる。
また、前記画素部は、前記光電変換素子で発生した前記光信号電荷を転送する転送トランジスタを備え、前記駆動部は、前記光信号電荷の蓄積時には前記転送トランジスタが不完全なオフ状態となるように第１のゲート電圧を設定することにより前記光信号電荷の飽和量を制限し、前記光信号電荷の読み出し時には前記転送トランジスタが不完全なオン状態となるように第２のゲート電圧を設定することにより前記残留電荷を読み残すように前記画素部を駆動してもよい。
これにより、受光素子から光信号電荷を読み出す転送トランジスタを備えた画素、いわゆるＦＤＡ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）型画素の受光素子に蓄積される、または、受光素子から読み出される光信号電荷量は、転送トランジスタのゲート下ポテンシャルの高さで決まることになる。つまり、光電変換素子や転送トランジスタの構造ばらつきに影響されない、不完全状態におけるゲート電圧に設定することによって、画素間での光信号電荷量を均一化することが可能となる。
また、前記駆動部は、前記第１のゲート電圧として、接地電位よりも高くなるよう電圧を設定し、前記第２のゲート電圧として、前記転送トランジスタの導通状態におけるゲート下ポテンシャルが前記光電変換素子の最高ポテンシャルよりも低くなるような電圧を設定することが好ましい。
光信号電荷の蓄積時に、転送トランジスタのゲート電位が接地電位に設定されると、光電変換素子の飽和量は転送トランジスタの閾値電圧に影響される。また、光信号電荷の読み出し時に、転送トランジスタのゲート電位が前記光電変換素子の最高ポテンシャル以上に設定されると、光電変換素子からの電荷読み出し量は当該光電変換素子の最高ポテンシャルのレベルに影響される。上記転送トランジスタの閾値電圧及び上記光電変換素子の最高ポテンシャルレベルは、製造時における光電変換素子への不純物注入濃度や光信号電荷を読み出すためのトランジスタのゲート絶縁膜厚に依存して変化する。本発明のようにゲート電圧が設定されることにより、光電変換素子や転送トランジスタの構造ばらつきに影響されずに画素間での光信号電荷量を均一化することが可能となる。
また、前記画素部は、前記光電変換素子にリセット電圧を印加するリセットトランジスタを備え、前記駆動部は、前記光信号電荷の蓄積時には前記リセットトランジスタが不完全なオフ状態となるように第１のゲート電圧を設定することにより前記光信号電荷の飽和量を制限し、前記光信号電荷のリセット時には前記リセットトランジスタが不完全なオン状態となるように第２のゲート電圧を設定することにより前記残留電荷を読み残すように前記画素部を駆動してもよい。
これにより、リセットトランジスタが接続された受光素子から光信号電荷を直接読み出す画素、いわゆるＡＭＩ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ ＭＯＳ Ｉｍａｇｅｒ）型画素の受光素子に蓄積される、または、受光素子から読み出される光信号電荷量は、リセットトランジスタのゲート下ポテンシャルの高さで決まることになる。つまり、光電変換素子やリセットトランジスタの構造ばらつきに影響されない、不完全状態におけるゲート電圧に設定することによって、画素間での光信号電荷量を均一化することが可能となる。
また、前記駆動部は、前記第１のゲート電圧として、接地電位よりも高くなるよう電圧を設定し、前記第２のゲート電圧として、前記リセットトランジスタの導通状態におけるゲート下ポテンシャルが前記光電変換素子の最高ポテンシャルよりも低くなるような電圧を設定することが好ましい。
光信号電荷の蓄積時に、リセットトランジスタのゲート電位が接地電位に設定されると、光電変換素子の飽和量はリセットトランジスタの閾値電圧に影響される。また、光信号電荷の読み出し時に、リセットトランジスタのゲート電位が前記光電変換素子の最高ポテンシャル以上に設定されると、光電変換素子からの電荷読み出し量は当該光電変換素子の最高ポテンシャルのレベルに影響される。上記リセットトランジスタの閾値電圧及び上記光電変換素子の最高ポテンシャルレベルは、製造時における光電変換素子への不純物注入濃度や光信号電荷を読み出すためのトランジスタのゲート絶縁膜厚に依存して変化する。本発明のようにゲート電圧が設定されることにより、光電変換素子やリセットトランジスタの構造ばらつきに影響されずに画素間での光信号電荷量を均一化することが可能となる。
また、前記複数の画素部のそれぞれは、前記光信号と前記光電変換素子との間に配置されたカラーフィルタを備え、前記駆動部は、制限された前記飽和量と前記残留電荷量との差である信号電荷容量が同一色の画素部では同一となるよう、前記第１のゲート電圧及び前記第２のゲート電圧を設定してもよい。
これにより、同一色のカラーフィルタを備える画素間での光信号電荷量のばらつきが抑制される。
また、前記画素部は、異なる露光時間ごとに前記光電変換素子で発生した複数の光信号電荷に応じた信号電圧を合成する合成部を備えてもよい。
これにより、異なる露光時間で発生した光信号電荷が画素部内で短時間合成されるので、画素間での光信号電荷量のばらつきが抑制された固体撮像素子のダイナミックレンジを拡張することが可能となる。
また、前記合成部は、前記画素部外に形成されていてもよい。
これにより、固体撮像素子の有する画素ごとに信号合成部を必要としないので、回路素子数が削減され、素子の省面積化が実現される。
また、前記複数の光信号電荷がそれぞれ制限された前記飽和量に達するときの入射光強度である飽和入射光強度が、同一の露光時間においては全ての前記画素部で同一となるように、前記第１のゲート電圧及び前記第２のゲート電圧を調整する調整部を備えることが好ましい。
これにより、多重露光における合成信号の光強度−電荷量特性におけるニーポイントとなる入射光強度を、全色で共通とすることが可能となる。このような光強度−電荷量特性とすることで、ホワイトバランス調整を容易にすることが可能となる。すなわち、全入射光強度領域にわたって同一の増幅率でホワイトバランス調整することが可能となる。
また、前記調整部は、前記画素部の入射光強度−合成信号電圧の特性を、異色のカラーフィルタを有する画素部間で調整するため、前記入射光強度の全範囲において同一の割合で前記合成信号電圧を補正するための一の補正係数を設定する設定部と、前記画素部ごとに出力される前記合成信号電圧を、前記補正係数を用いて補正する補正部とを備えてもよい。
これにより、多重露光・画素内合成型の固体撮像素子から出力される信号のホワイトバランス回路を簡便に構成することが可能となる。
また、さらに、前記画素部の有する前記転送トランジスタのゲート端子に接続され、前記転送トランジスタのオンオフ状態を制御する制御信号電圧を前記ゲート端子に与えるゲート制御線を複数備え、異なるカラーフィルタを有する同行の画素部には、異なる前記ゲート制御線が接続されていてもよい。
これにより、ＦＤＡ型画素を有する固体撮像装置において、転送トランジスタのゲート電圧を色毎に設定することができる。
また、さらに、前記画素部の有する前記リセットトランジスタのゲート端子に接続され、前記リセットトランジスタのオンオフ状態を制御する制御信号電圧を前記ゲート端子に与えるゲート制御線を複数備え、異なるカラーフィルタを有する同行の画素部には、異なる前記ゲート制御線が接続されていてもよい。
これにより、ＡＭＩ型画素を有する固体撮像装置において、リセットトランジスタのゲート電圧を色毎に設定することができる。
また、前記複数の画素部のそれぞれは、前記光信号と前記光電変換素子との間に配置されたカラーフィルタを備え、前記駆動部は、全画素部の有する前記光電変換素子において、制限された前記飽和量と前記残留電荷量との差である信号電荷容量が同一となるよう、全画素部に共通の前記第１のゲート電圧及び前記第２のゲート電圧を設定してもよい。
これにより、同一露光期間における画素ごとの最大電圧（読み出し電荷容量）が等しくなり、画素間での光信号電荷量のばらつきが抑制される。
また、前記画素部ごとに出力される、前記合成部で合成された前記信号電圧を調整する調整部とを備え、前記調整部は、前記画素部の入射光強度−合成信号電圧の特性を、異色のカラーフィルタを有する画素部間で調整するため、前記入射光強度の所定の領域ごとに前記合成信号電圧を増幅する一以上の補正係数を設定する設定部と、前記画素部ごとに出力される前記合成信号電圧を、前記補正係数を用いて補正する補正部とを備えてもよい。
これにより、広ダイナミックレンジを有し、偽色の生じないカラー画像信号を生成することが可能となる。
また、本発明は、上記のような特徴を有する固体撮像装置として実現することができるだけでなく、このような固体撮像装置を備えるカメラとしても、上記と同様の構成と効果がある。
また、本発明は、このような特徴的な手段を備える固体撮像装置として実現することができるだけでなく、固体撮像装置に含まれる特徴的な手段をステップとする固体撮像装置の駆動方法として実現することができる。
本発明の固体撮像装置及びその調整方法によれば、画素ごとに異なる最大出力電圧（読み出し電荷容量）が均一化される。さらには、各色の画素部で実行される多重露光の入射光強度−合成信号電圧が容易に補正されるので、広いダイナミックレンジが確保された状態でカラー画像信号の輝度バラツキを抑制することができる。
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施の形態１における固体撮像装置の有するＦＤＡ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）型画素の回路図である。同図に記載されたＦＤＡ型画素２１は、画素部であり、受光素子１と、転送トランジスタ２と、浮遊拡散（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ、以下ＦＤと記す）ノード３と、リセットトランジスタ４と、出力トランジスタ５と、負荷トランジスタ６と、読み出しトランジスタ７と、蓄積容量８と、フィードバック容量９と、書き込みトランジスタ１０と、蓄積ノード１１と、選択トランジスタ１２と、負極ノード１３、電極ノード１４とを備える。
受光素子１は、転送トランジスタ２を介してＦＤノード３に接続された光電変換素子である。ＦＤノード３には、出力トランジスタ５のゲートが接続される。出力トランジスタ５は、負荷トランジスタ６とともにソースフォロワ構成の増幅器を構成しており、その出力は読み出しトランジスタ７を介して蓄積ノード１１に接続される。
蓄積ノード１１と接地線との間には蓄積容量８が挿入され、蓄積ノード１１とＦＤノード３の間にはフィードバック容量９および書き込みトランジスタ１０が挿入されるとともに、蓄積ノード１１は選択トランジスタ１２を介して出力ＯＵＴに接続される。
さらに、ＦＤノード３は、リセットトランジスタ４を介してリセット線ＶＲＳＴが接続される。ＦＤＡ型画素２１を構成する転送トランジスタ２、出力トランジスタ５、負荷トランジスタ６、読み出しトランジスタ７、書き込みトランジスタ１０、選択トランジスタ１２、リセットトランジスタ４は、全てＮチャネル型のＭＯＳトランジスタである。なお、転送トランジスタ２、読み出しトランジスタ７、書き込みトランジスタ１０、選択トランジスタ１２、リセットトランジスタ４のゲート電極であるＴＲＡＮ（Ｒ，Ｇ，Ｂ）、ＲＤ、ＷＲＴ、ＳＥＬ及びＲＳＴには外部より制御信号が入力され、負荷トランジスタ６のゲート電極ＬＧおよびリセット線ＶＲＳＴにはＤＣ電圧ＶLGおよびＶRSTが印加される。
ＦＤＡ型画素２１を構成する受光素子１には３原色のカラーフィルタのいずれかが配置され、Ｒ，ＧまたはＢの入射光強度が電気信号に変換され信号が出力される。このＦＤＡ型画素２１が二次元マトリクス状に構成され、これに周辺回路が接続されてカラー固体撮像装置が構成される。
なお、読み出しトランジスタ７、蓄積容量８、フィードバック容量９、書き込みトランジスタ１０、蓄積ノード１１、選択トランジスタ１２及び電極ノード１４は、異なる露光時間ごとに受光素子１で発生した複数の光信号電荷に応じた信号電圧を合成する合成部を構成する。
図２は、本発明の実施の形態１に係るｍ行ｎ列の画素アレイを有するカラー固体撮像装置の構成図である。同図におけるカラー固体撮像装置２０は、ｍ×ｎ個のＦＤＡ型画素２１と、垂直シフトレジスタ２２と、水平シフトレジスタ２３と、画素電源部２４と、駆動部２５と、カラムアンプ２６と、出力アンプ２７と、制御線ＴＲＡＮＲｙ、ＴＲＡＮＧｙ、ＴＲＡＮＢｙ、ＲＳＴｙ、ＲＤｙ、ＷＲＴｙ及びＳＥＬｙ（１≦ｙ≦ｍ）と、配線ＬＧｘ及びＶＲＳＴｘと、垂直信号線ＶＳＬｘ（１≦ｘ≦ｎ）とを備える。
図２では、３原色に対応してＦＤＡ型画素２１をＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）と記載している。ＦＤＡ型画素２１のＴＲＡＮ（Ｒ，Ｇ，Ｂ）端子には、Ｒ，Ｇ，Ｂの色毎に異なる制御線ＴＲＡＮＲｙ、ＴＲＡＮＧｙ、ＴＲＡＮＢｙが接続され、ＲＳＴ、ＲＤ、ＷＲＴ、ＳＥＬ端子には色の区別なく共通の制御線ＲＳＴｙ、ＲＤｙ、ＷＲＴｙ、ＳＥＬｙが接続される。ＴＲＡＮＲｙ、ＴＲＡＮＧｙ、ＴＲＡＮＢｙ、ＲＳＴｙ、ＲＤｙ、ＷＲＴｙ、ＳＥＬｙは水平方向に配置された制御線群であり、垂直シフトレジスタ２２から制御パルスが印加される。なお、添字ｙは垂直アドレスを示す。
一方、ＬＧおよびＶＲＳＴ端子には、垂直方向に配置された配線ＬＧｘおよびＶＲＳＴｘが接続され、画素電源部２４からＤＣ電圧ＶLGおよびＶRSTが印加される。なお、添字ｘは水平アドレスを示す。
ＦＤＡ型画素２１の出力端子ＯＵＴには垂直信号線ＶＳＬｘが接続され、その端部にはカラムアンプ２６を介して水平シフトレジスタ２３が接続される。水平シフトレジスタ２３は、ＦＤＡ型画素２１の出力端子ＯＵＴから垂直信号線ＶＳＬｘを介して伝達された信号を水平方向に転送し、出力アンプ２７で増幅した後にチップ出力端子ＳＩＧＯＵＴからシリアルに出力する。なお、垂直シフトレジスタ２２および水平シフトレジスタ２３は、駆動部２５により制御されている。
図３及び図４は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の有する制御線群に印加する制御パルスのタイミングチャートである。図３に記載されたタイミングチャートには、垂直シフトレジスタ２２から制御線群ＴＲＡＮＲ、ＴＲＡＮＧ、ＴＲＡＮＢ、ＲＳＴ、ＲＤ、ＷＲＴ及びＳＥＬに印加する制御パルス信号電圧と、受光素子１の負極ノード１３の典型的なポテンシャルＶＰＤと、ＦＤノード３の典型的なポテンシャルＶＦＤと、蓄積ノード１１の典型的なポテンシャルＶＳＣとの時間経過が示されている。また、図４に記載されたタイミングチャートには、駆動部２５から垂直シフトレジスタ２２へ印加される垂直転送クロックＶＣＬＫと、垂直シフトレジスタ２２から制御線群ＴＲＡＮＲ、ＴＲＡＮＧ、ＴＲＡＮＢ、ＲＳＴ、ＲＤ、ＷＲＴ及びＳＥＬに印加する制御パルス信号電圧と、ＦＤノード３の典型的なポテンシャルＶＦＤと、蓄積ノード１１の典型的なポテンシャルＶＳＣとの時間経過が示されている。
図３に示された期間は、３回の露光と２回の信号合成動作期間であり、図４に示された期間は、ＦＤＡ型画素２１から水平シフトレジスタ２３への出力期間である。
最初に、３回の露光期間における過剰電荷の排出を伴った電荷蓄積動作および受光素子１へ電荷を残した読み出し動作について、図５及び図６を用いて説明する。
図５（ａ）、図５（ｂ）及び図５（ｃ）は、それぞれ、本発明のＲ画素、Ｇ画素及びＢ画素の有する受光素子の電荷蓄積時におけるポテンシャルを表す図である。また、図６（ａ）、図６（ｂ）及び図６（ｃ）は、それぞれ、本発明のＲ画素、Ｇ画素及びＢ画素の有する受光素子の電荷読み出し時におけるポテンシャルを表す図である。なお、図５及び図６に記載されたポテンシャル図において、縦軸方向は電子から見たエネルギー準位を基準としているので、上方にいくにつれポテンシャルが低いことを表している。
図３に示された第一、第二及び第三の露光期間ｔ１〜ｔ２、ｔ３〜ｔ４、ｔ６〜ｔ７において、ＴＲＡＮＲ、ＴＲＡＮＧ及びＴＲＡＮＢには、それぞれ、接地電位ＧＮＤよりも高い電位ＶLR、ＶLG及びＶLBが第１のゲート電圧として印加されており、転送トランジスタ２は弱反転状態となっている。
このような状態における転送トランジスタ２のゲート下ポテンシャルは、図５に示されるように、Ｒ，Ｇ，Ｂ画素について、ゲート電極に接地電位を印加してオフ状態とした場合のポテンシャルＰ０に対して、それぞれ高い値であるＰ１ｒ、Ｐ１ｇ、Ｐ１ｂに設定されている。つまり、図５に示された状態では、転送トランジスタ２は不完全なオフ状態となっている。従って、露光期間中に受光素子１が蓄積可能な電荷量（図５のＰＤと表記した部分の斜線領域）は、Ｒ，Ｇ，Ｂ画素について、それぞれ、Ｑｓｒ、Ｑｓｇ、Ｑｓｂとなる。入射光強度が強く、受光素子１の蓄積可能な電荷量を超えて電荷が生成された場合、過剰な電荷は高いポテンシャル状態Ｐ３にあるＦＤノード３（図５のＦＤと表記した部分）へと排出される。露光期間中（ｔ１〜ｔ２、ｔ３〜ｔ４、ｔ６〜ｔ７）、ＲＳＴには電源電圧ＶＤＤが印加されてリセットトランジスタ４はオン状態となっているので、過剰電荷は画素外のＶＲＳＴ線へとさらに排出される。これにより、全画素で飽和量を均一化する作用を有する。
しかし、一般的に、転送トランジスタ２のしきい値Ｖt及び受光素子１の最高ポテンシャルＰ２は、製造時における受光素子１への不純物注入濃度や転送トランジスタ２のゲート絶縁膜厚などのばらつきにより、画素間でばらつくので、本動作を実行しても飽和電荷量Ｑｓ（Ｒ，Ｇ，Ｂ画素における飽和電荷量Ｑｓｒ、Ｑｓｇ、Ｑｓｂを表す）にある一定のばらつきΔＱｓ（Ｖt）は残ることとなる。
Ｖtばらつきに起因した飽和電荷量ばらつきΔＱｓ（Ｖt）を抑制するため、３回の露光中に光電変換された電荷は、露光後の期間ｔ２〜ｔ３、ｔ５〜ｔ６、ｔ８〜ｔ９にＴＲＡＮＲ、ＴＲＡＮＧ、ＴＲＡＮＢへ電源電圧ＶＤＤよりも低い電位ＶHR、ＶHG、ＶHBである第２のゲート電圧を印加してＦＤノード３に読み出す。このとき、転送トランジスタ２のゲート下ポテンシャルは、図６に示されるように、Ｒ，Ｇ，Ｂ画素について、受光素子１の最高ポテンシャルＰ２に対して、それぞれ低い値であるＰ４ｒ、Ｐ４ｇ、Ｐ４ｂに設定されている。つまり、図６に示された状態では、転送トランジスタ２は不完全なオン状態となっている。従って、受光素子１に蓄積されていた電荷（図５のＰＤと表記した部分の点線で囲った領域）をＦＤノード３へと読み出した後、Ｒ，Ｇ，Ｂ画素についてそれぞれＱｒｒ、Ｑｒｇ、Ｑｒｂだけの電荷量（図５のＰＤと表記した部分の斜線領域）が受光素子１に残ることとなる。この残留電荷量Ｑｒ（Ｒ，Ｇ，Ｂ画素における残留電荷量Ｑｒｒ、Ｑｒｇ、Ｑｒｂを表す）もまた転送トランジスタのしきい値Ｖt及び受光素子１の最高ポテンシャルＰ２の影響を受け、ある一定のばらつきΔＱｒ（Ｖt）が含まれる。
従って、転送トランジスタ２のゲート下ポテンシャル制御による過剰電荷を排出した蓄積で得られた飽和電荷量Ｑｓ±ΔＱｓ（Ｖt）は、残留電荷量Ｑｒ±ΔＱｒ（Ｖt）を残して読み出すことにより、転送トランジスタ２のしきい値Ｖt及び受光素子１の最高ポテンシャルＰ２のばらつきを取り除くことが可能である。
これにより、受光素子１や転送トランジスタ２によって規定される光信号電荷の蓄積飽和量が一部制限され、また電荷読み出し量の一部が残留電荷として読み残されることにより、各受光素子１や各転送トランジスタ２の構造ばらつきに影響されない任意の基準量に基づいた電荷読み出しが実現される。よって、画素間での光信号電荷量のばらつきを抑制することが可能となる。
以下、受光素子１に蓄積される総電荷量から残留電荷量Ｑｒを引いた量を信号電荷量と呼ぶこととする。
このような電荷蓄積動作および読み出し動作を基本として、多重露光・信号合成動作を行う。この動作は画素アレイ全体で同時に実行され、いわゆるグローバルシャッター動作を行う。多重露光における第一、第二、第三の露光期間であるｔ１〜ｔ２、ｔ３〜ｔ４、ｔ６〜ｔ７は順に長く設定されている。以下、画素内における電荷および電圧の様子を示した図１２を参照しながら、図３のタイミングチャートを説明する。図１２は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の画素回路における電荷及び電圧状態を表す図である。
まず、期間（ｔ０〜ｔ１）において、垂直シフトレジスタ２２は駆動部２５の指示により、ＴＲＡＮＲ、ＴＲＡＮＧ及びＴＲＡＮＢに、それぞれ、ＨＩＧＨ電位ＶHR、ＶHG及びＶHB（図１２中では、Ｒ，Ｇ，Ｂ画素への印加電位をまとめてＶH(R,G,B)と表記）を印加する。また、ＲＳＴ、ＲＤ、ＷＲＴに電源電圧を印加して、転送トランジスタ２、リセットトランジスタ４、読み出しトランジスタ７及び書き込みトランジスタ１０をオン状態にする。この動作により、図１２（ａ）に示されるように、受光素子１の負極ノード１３のポテンシャルＶＰＤは高レベルのＶPDHに、ＦＤノード３のポテンシャルＶＦＤはＶRSTに、フィードバック容量９の上側に位置する電極ノード１４のポテンシャルはＶRSTに、蓄積ノード１１のポテンシャルＶＳＣはＶRST−Ｖtにリセットされる。ここで、ＨＩＧＨ電位ＶHR、ＶHG及びＶHBが印加された転送トランジスタのゲート下ポテンシャルは、それぞれ、図６に記載されたＰ４ｒ、Ｐ４ｇ、Ｐ４ｂに相当する。また、ＶPDHは受光素子１に残留電荷Ｑｒが存在する状態のポテンシャル値であり、ＶRSTは画素電源部２４からＶＲＳＴ線に給電されるＤＣ電位であり、Ｖtは出力トランジスタ５のしきい値電圧である。
次に、期間（ｔ１〜ｔ２）において、垂直シフトレジスタ２２は駆動部２５の指示により、ＴＲＡＮＲ、ＴＲＡＮＧ及びＴＲＡＮＢに、それぞれ、ＬＯＷ電位ＶLR、ＶLG及びＶLB（図１２中では、Ｒ，Ｇ，Ｂ画素への印加電位をまとめてＶL(R,G,B)と表記）を印加して転送トランジスタ２を弱反転状態にする。また、ＲＤおよびＷＲＴに接地電位を印加し、読み出しトランジスタ７及び書き込みトランジスタ１０をオフ状態にする。この状態で、第一の露光（期間ｔ１〜ｔ２）を行い、受光素子１に第一の信号電荷Ｑｓｉｇ１を蓄積する。電荷蓄積の結果、図１２（ｂ）に示されるように、受光素子１の負極ノード１３のポテンシャルＶＰＤはＶPDHからＶPD1だけ低下する。ここで、ＬＯＷ電位ＶLR、ＶLG及びＶLBが印加された転送トランジスタのゲート下ポテンシャルは、それぞれ、図５に記載されたＰ１ｒ、Ｐ１ｇ、Ｐ１ｂに相当する。
図７（ａ）、図７（ｂ）及び図７（ｃ）は、それぞれ、本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子の有するＲ画素、Ｇ画素及びＢ画素の第一の露光期間における光電変換特性を表すグラフである。ＴＲＡＮＲ、ＴＲＡＮＧ、ＴＲＡＮＢに接地電位を印加した場合には、第一の露光時間においてＲ，Ｇ，Ｂ画素の受光素子１が示す光電変換特性は、それぞれ、図７（ａ）の光電変換特性６０ｒ、図７（ｂ）の光電変換特性６０ｇ及び図７（ｃ）の光電変換特性６０ｂのようになる。しかし、第一の露光期間中に転送トランジスタ２を弱反転状態にしているため、蓄積電荷量は、それぞれ、図７（ａ）の光電変換特性６１ｒ、図７（ｂ）の光電変換特性６１ｇ及び図７（ｃ）の光電変換特性６１ｂのように電荷量Ｑｓｒ、Ｑｓｂ、Ｑｓｇで飽和する。ここで、後述する調整部により、Ｒ，Ｇ，Ｂ画素間において飽和電荷量に達する照射光強度が等しくＬ１０となるようにＶLR、ＶLG、ＶLBを調整する。
次に、期間（ｔ２〜ｔ３）において、垂直シフトレジスタ２２は駆動部２５の指示により、ＲＳＴに接地電位を印加してリセットトランジスタ４をオフにした状態で、ＴＲＡＮＲ、ＴＲＡＮＧ、ＴＲＡＮＢにＨＩＧＨ電位ＶHR、ＶHG、ＶHBを印加し、転送トランジスタ２をオンにする。この動作により、Ｒ，Ｇ，Ｂ画素の受光素子１にそれぞれＱｒｒ、Ｑｒｇ、Ｑｒｂだけの電荷を残して、受光素子１からＦＤノード３へと第一の信号電荷Ｑｓｉｇ１を読み出す。このとき、図１２（ｃ）に示されるように、ＦＤノード３のポテンシャルＶＦＤはＶRST−ＶFD1へと低下し、受光素子１の負極ノード１３のポテンシャルＶＰＤはＶPDH−ＶPD1からＶPDHへ復帰する。同時に、ソースフォロワはＶＦＤよりもＶtだけ低い電位ＶRST−ＶFD1−Ｖtを出力する。このとき、ＲＤには電源電位が印加されて読み出しトランジスタ７はオンとなっているので、蓄積ノード１１のポテンシャルＶＳＣはＶRST−ＶFD1−Ｖtとなる。すなわち、蓄積ノード１１には第一の信号電荷Ｑｓｉｇ１に対応した第一の蓄積電荷Ｑｓｉｇ１０（＝ＶFD1×Ｃ2、ただしＣ2は蓄積容量８の容量値）が格納される。
次に、期間（ｔ３〜ｔ４）において、垂直シフトレジスタ２２は駆動部２５の指示により、ＴＲＡＮＲ、ＴＲＡＮＧ、ＴＲＡＮＢにＬＯＷ電位ＶLR、ＶLG、ＶLBを印加して転送トランジスタ２を弱反転状態にする。また、ＲＤに接地電位を印加して読み出しトランジスタ７をオフ状態に、ＲＳＴに電源電圧を印加してリセットトランジスタ４をオン状態にする。この状態で第二の露光（期間ｔ３〜ｔ４）を行い、受光素子１に第二の信号電荷Ｑｓｉｇ２を蓄積する。電荷蓄積の結果、受光素子１の負極ノード１３のポテンシャルＶＰＤはＶPDHからＶPD2だけ低下する。
図８（ａ）、図８（ｂ）及び図８（ｃ）は、それぞれ、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の有するＲ画素、Ｇ画素及びＢ画素の第二の露光期間における光電変換特性を表すグラフである。ＴＲＡＮＲ、ＴＲＡＮＧ、ＴＲＡＮＢに接地電位を印加した場合には、第二の露光時間においてＲ，Ｇ，Ｂ画素の受光素子１が示す光電変換特性は、それぞれ、図８（ａ）の６２ｒ、図８（ｂ）の６２ｇ及び図８（ｃ）の６２ｂのようになる。しかし、第二の露光期間中に転送トランジスタ２を弱反転状態にしているため、蓄積電荷量は、それぞれ、図８（ａ）の６３ｒ、図８（ｂ）の６３ｇ及び図８（ｃ）の６３ｂのように電荷量Ｑｓｒ、Ｑｓｂ、Ｑｓｇで飽和する。ここで、後述する調整部により、Ｒ，Ｇ，Ｂ画素間において飽和電荷量に達する照射光強度が等しくＬ２０となるようにＶLR、ＶLG、ＶLBを調整する。さらに、第一の露光条件下で受光素子１が残留電荷量Ｑｒｒ、Ｑｒｇ、Ｑｒｂだけの電荷を生成する照射光強度Ｌ１とＬ２０が一致するように調整することが、後述するＲ，Ｇ，Ｂのニーポイントがより一致するので望ましい。
次に、期間（ｔ４〜ｔ５）において、垂直シフトレジスタ２２は駆動部２５の指示により、ＲＳＴに接地電位を印加してリセットトランジスタ４をオフに、ＷＲＴに電源電圧を印加して書き込みトランジスタ１０をオンにする。このとき、図１２（ｄ）に示されるように、フィードバック容量９を介して、ＦＤノード３と蓄積ノード１１は結合し、第一の蓄積電荷の一部α・Ｑｓｉｇ１０がＦＤノード３へと移動する。蓄積容量８、フィードバック容量９、ＦＤノード３が有する浮遊容量の容量値をそれぞれＣ2、Ｃ1、ＣFDとしたとき、移動する電荷の割合αは合成容量Ｃ1×Ｃ2／（Ｃ1＋Ｃ2）と浮遊容量ＣFDの比で決まる。これらの容量値を適当に選ぶことにより、αは任意に設定できる。ＦＤノード３へ電荷が移動した結果、そのポテンシャルＶＦＤはＶRST−ＶFD10へと低下する。
次に、期間（ｔ５〜ｔ６）において、垂直シフトレジスタ２２は駆動部２５の指示により、ＷＲＴに接地電位を印加して書き込みトランジスタ１０をオフにし、ＴＲＡＮＲ、ＴＲＡＮＧ、ＴＲＡＮＢに、それぞれ、ＨＩＧＨ電位ＶHR、ＶHG、ＶHBを印加して転送トランジスタ２をオンにする。この動作により、Ｒ，Ｇ，Ｂ画素の受光素子１に、それぞれ、Ｑｒｒ、Ｑｒｇ、Ｑｒｂだけの電荷を残して、受光素子１からＦＤノード３へと第二の信号電荷Ｑｓｉｇ２が読み出される。このとき、図１２（ｅ）に示されるように、ＦＤノード３には先に読み出された第一の蓄積電荷の一部α・Ｑｓｉｇ１０がすでにあり、ＦＤノード３にてこれらの電荷は合成される。
図９（ａ）、図９（ｂ）及び図９（ｃ）は、それぞれ、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の有するＲ画素、Ｇ画素及びＢ画素の第一合成信号の光電変換特性を表すグラフである。第一の合成電荷量はＱｓｉｇ２＋α・Ｑｓｉｇ１０となるので、Ｒ画素、Ｇ画素及びＢ画素の光強度−電荷量特性は、それぞれ、図９（ａ）、図９（ｂ）及び図９（ｃ）に示されるような形状となる。これらの図より、Ｒ，Ｇ，Ｂ画素の特性６４ｒ、６４ｇ、６４ｂは、それぞれ、同じ照射光強度Ｌ２０でニーポイント６８ｒ、６８ｇ、６８ｂを有し、これより強い光強度では感度（すなわち傾き）がα倍だけ低下する。このとき、図１２（ｅ）に示されるように、第二の読み出し電荷によるポテンシャルＶＦＤの低下はＶFD2であり、受光素子１の負極ノード１３のポテンシャルＶＰＤはＶPDH−ＶPD1からＶPDHへ復帰する。同時に、ソースフォロワはＶＦＤよりもＶtだけ低い電位ＶRST−ＶFD10−ＶFD2−Ｖtを出力する。このとき、ＲＤには電源電位が印加されて読み出しトランジスタ７はオンとなっているので、蓄積ノード１１のポテンシャルＶＳＣはＶRST−ＶFD10−ＶFD2−Ｖtとなる。すなわち、蓄積ノード１１には第一の合成電荷に対応した第二の蓄積電荷Ｑｓｉｇ２０（＝（ＶFD10＋ＶFD2）×Ｃ2）が格納される。
次に、期間ｔ６〜ｔ７において、垂直シフトレジスタ２２は駆動部２５の指示により、ＴＲＡＮＲ、ＴＲＡＮＧ、ＴＲＡＮＢにＬＯＷ電位ＶLR、ＶLG、ＶLBを印加して転送トランジスタ２を弱反転状態にする。また、ＲＤに接地電位を印加して読み出しトランジスタ７をオフ状態にし、ＲＳＴに電源電圧を印加してリセットトランジスタ４をオン状態にする。この状態で、第三の露光（ｔ６〜ｔ７）を行い、受光素子１に第三の信号電荷Ｑｓｉｇ３を蓄積する。電荷蓄積の結果、受光素子１の負極ノード１３のポテンシャルＶＰＤはＶPDHからＶPD3だけ低下する。
図１０（ａ）、図１０（ｂ）及び図１０（ｃ）は、それぞれ、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の有するＲ画素、Ｇ画素及びＢ画素の第三の露光期間における光電変換特性を表すグラフである。ＴＲＡＮＲ、ＴＲＡＮＧ、ＴＲＡＮＢに接地電位を印加した場合には、第三の露光時間においてＲ，Ｇ，Ｂ画素の受光素子１が示す光電変換特性は、それぞれ、図１０（ａ）の６５ｒ、図１０（ｂ）の６５ｇ及び図１０（ｃ）の６５ｂのようになる。しかし、第三の露光期間中に転送トランジスタ２を弱反転状態にしているため、蓄積電荷量は、それぞれ、図１０（ａ）の６６ｒ、図１０（ｂ）の６６ｇ及び図１０（ｃ）の６６ｂのように電荷量Ｑｓｒ、Ｑｓｂ、Ｑｓｇで飽和する。ここで、後述する調整部により、Ｒ，Ｇ，Ｂ画素間において飽和電荷量に達する照射光強度が等しくＬ３０となるようにＶLR、ＶLG、ＶLBを調整する。さらに、第二の露光条件下で受光素子１が残留電荷Ｑｒｒ、Ｑｒｇ、Ｑｒｂだけの電荷を生成する照射光強度Ｌ２とＬ３０が一致するように調整することが、後述するＲ，Ｇ，Ｂのニーポイントがより一致するので望ましい。
次に、期間（ｔ７〜ｔ８）において、垂直シフトレジスタ２２は駆動部２５の指示により、ＲＳＴに接地電位を印加してリセットトランジスタ４をオフに、ＷＲＴに電源電圧を印加して書き込みトランジスタ１０をオンにする。このとき、図１２（ｆ）に示されるように、フィードバック容量９を介して、ＦＤノード３と蓄積ノード１１は結合し、第二の蓄積電荷の一部β・Ｑｓｉｇ２０がＦＤノード３へと移動する。移動する電荷の割合βは、Ｃ1、Ｃ2、ＣFDの比により任意である。ＦＤノード３へ電荷が移動した結果、そのポテンシャルＶＦＤはＶRST−ＶFD20へと低下する。
次に、期間（ｔ８〜ｔ９）において、垂直シフトレジスタ２２は駆動部２５の指示により、ＷＲＴに接地電位を印加して書き込みトランジスタ１０をオフにし、ＴＲＡＮＲ、ＴＲＡＮＧ、ＴＲＡＮＢにＨＩＧＨ電位ＶHR、ＶHG、ＶHBを印加して転送トランジスタ２をオンにする。この動作により、Ｒ，Ｇ，Ｂ画素の受光素子１にそれぞれＱｒｒ、Ｑｒｇ、Ｑｒｂだけの電荷を残して、受光素子１からＦＤノード３へと第三の信号電荷Ｑｓｉｇ３を読み出す。このとき、図１２(ｇ)に示されるように、ＦＤノード３には先に読み出された第一の合成電荷の一部であるβ・Ｑｓｉｇ２０がすでに存在し、ＦＤノード３にてこれらの電荷は合成される。
図１１（ａ）、図１１（ｂ）及び図１１（ｃ）は、それぞれ、本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子の有するＲ画素、Ｇ画素及びＢ画素の第二合成信号の光電変換特性を表すグラフである。第二の合成電荷量はＱｓｉｇ３＋β・Ｑｓｉｇ２０となるので、Ｒ画素、Ｇ画素及びＢ画素の光強度−電荷量特性は、それぞれ、図１１（ａ）、図１１（ｂ）及び図１１（ｃ）に示されるような形状となる。これらの図より、Ｒ，Ｇ，Ｂ画素の特性６７ｒ、６７ｇ、６７ｂは、それぞれ、２つの照射光強度Ｌ２０およびＬ３０でニーポイント６９ｒ、６９ｇ、６９ｂ及び７０ｒ、７０ｇ、７０ｂを有する。感度は、照射光強度がＬ１０〜Ｌ２０の範囲ではα・β倍だけ低下し、Ｌ２０〜Ｌ３０の範囲ではβ倍だけ低下する。ここで、Ｒ，Ｇ，Ｂの特性を比較すると、ニーポイントの照射光強度は一致しており、ニーポイントを境界とする３つの照射光強度領域（Ｌ１０以下、Ｌ１０〜Ｌ２０、Ｌ２０〜Ｌ３０）におけるＲ，Ｇ，Ｂの感度（傾き）の比は同じである。このとき、図１２（ｇ）に示されるように、第三の信号電荷によるポテンシャルＶＦＤの低下はＶFD3であり、受光素子１の負極ノード１３のポテンシャルＶＰＤはＶPDH−ＶPD3からＶPDHへ復帰する。同時に、ソースフォロワはＶＦＤよりもＶtだけ低い電位ＶRST−ＶFD20−ＶFD3−Ｖtを出力する。このとき、ＲＤには電源電位が印加されて読み出しトランジスタ７はオンとなっているので、蓄積ノード１１のポテンシャルＶＳＣはＶRST−ＶFD20−ＶFD3−Ｖtとなる。すなわち、蓄積ノード１１には第二の合成電荷に対応した第三の蓄積電荷Ｑｓｉｇ３０（＝（ＶFD20＋ＶFD3）×Ｃ2）が格納される。
以上の動作により、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置は、多重露光における合成信号の光強度−電荷量特性におけるニーポイントとなる入射光強度を、全色で共通とすることが可能となる。このような光強度−電荷量特性とすることで、ホワイトバランス調整を容易にすることが可能となる。すなわち、全入射光強度領域にわたって同一の補正係数でホワイトバランス調整することが可能となる。
固体撮像素子内での多重露光・信号合成動作は、以上の動作により完了する。次に、図４に記載されたタイミングチャートに従って、ＦＤＡ型画素２１から水平シフトレジスタ２３への出力動作を説明する。
出力動作は時刻ｔ１０から開始され、駆動部２５から垂直シフトレジスタ２２へ印加される垂直転送クロックＶＣＬＫに同期して行毎に順次行われる。
所定の行においてＶＣＬＫがＨＩＧＨ期間（ｔ１１〜ｔ１２）に、垂直シフトレジスタ２２は駆動部２５の指示により、ＲＳＴに接地電位を印加してリセットトランジスタ４をオフに、ＷＲＴに電源電圧を印加して書き込みトランジスタ１０をオンにする。このとき、図１２（ｈ）に示されるように、フィードバック容量９を介して、ＦＤノード３と蓄積ノード１１は結合し、第三の蓄積電荷の一部γ・Ｑｓｉｇ３０がＦＤノード３へと移動する。移動する電荷の割合γは、Ｃ1、Ｃ2、ＣFDの比により任意である。ＦＤノード３へ電荷が移動した結果、そのポテンシャルＶＦＤはＶRST−ＶFD30へと低下する。
次に、所定の行においてＶＣＬＫがロー期間（ｔ１２〜ｔ１３）に、垂直シフトレジスタ２２は駆動部２５の指示により、ＷＲＴに接地電位を印加して書き込みトランジスタ１０をオフにし、ＲＤおよびＳＥＬに電源電圧を印加して読み出しトランジスタ７および選択トランジスタ１２をオンにする。この動作により、図１２（ｉ）に示されるように、ソースフォロワから出力端子ＯＵＴを通して垂直信号線ＶＳＬへ、ＶRST−ＶFD30―Ｖtなる信号線圧が出力される。垂直信号線ＶＳＬへと出力された信号はカラムアンプ２６で増幅された後、水平シフトレジスタ２３から列順次に出力アンプ２７を通してチップ出力端子ＳＩＧＯＵＴへと出力される。
図１３は、本発明の実施の形態１に係る、調整部を備えたカラー固体撮像装置の構成図である。同図に記載されたカラー固体撮像装置３０は、図２に記載されたカラー固体撮像装置２０に対し、調整部８１と、マルチプレクサ８２とが付加されている。また調整部８１は、プログラマブル増幅器である増幅部８３と、設定部８４とを備える。
カラー固体撮像装置３０のＳＩＧＯＵＴにはマルチプレクサ８２が接続され、シリアル出力されたＲ，Ｇ，Ｂ信号をそれぞれＲｏｕｔ、Ｇｏｕｔ、Ｂｏｕｔ端子に振り分けて出力する。これら３つの出力端子には、補正部である増幅部８３が接続されている。この増幅部８３により、Ｒ，Ｇ，Ｂ信号を任意の割合（ゲイン）で増幅することで色調整を行う。
図１４（ａ）、図１４（ｂ）及び図１４（ｃ）は、それぞれ、ゲイン調整されたＲ，Ｇ，Ｂ信号の光電変換特性を表すグラフである。例えば、図１４に示されるように、Ｒ，Ｇ，Ｂの入射光強度−合成信号電圧特性である光電変換特性９０ｒ、９０ｇ及び９０ｂの形状を一致させて出力端子ＳＩＧｒ、ＳＩＧｇ、ＳＩＧｂに出力することができる。すなわち、ニーポイント９１ｒ、９１ｇ、９１ｂおよび９２ｒ、９２ｇ、９２ｂの照射光強度と電圧値を、それぞれ、（Ｌ３０，Ｖｎ１）および（Ｌ２０，Ｖｎ２）と一致させる。
上記一致は、図１１に記載された、ニーポイントにおける入射光強度の一致した入射光強度−合成信号電圧特性を有するＲ，Ｇ，Ｂ信号がＳＩＧＯＵＴから出力されることにより、全入射光強度領域にわたって同一の補正係数を用いて実現される。
これにより、３つの光強度範囲Ｌ３〜Ｌ３０、Ｌ３０〜Ｌ２０、Ｌ２０〜Ｌ１０における感度を一致させ、飽和電圧値をＶｎ３で一致させることが可能である。ゲインは被写体の色温度によって変更するパラメータであり、本実施の形態によれば広い照射光強度範囲（Ｌ３〜Ｌ１０）にわたって破綻することなく色調整が可能である。
また、設定部８４は、ＦＤＡ型画素２１の有する転送トランジスタ２のゲートに印加するＨＩＧＨ電位ＶHR、ＶHG、ＶHB及びＬＯＷ電位ＶLR、ＶLG、ＶLBを調整し、調整されたＨＩＧＨ電位及びＬＯＷ電位情報を駆動部２５に与える。以下、設定部８４における、転送トランジスタ２のゲート電圧調整方法について説明する。
図１５は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の有する転送トランジスタのゲート電圧を調整する動作フローチャートである。
まず、設定部８４は、各露光期間において出力電圧が飽和しない入射光を与えながら（Ｓ１０）、駆動部２５に対し、出力電圧Ｒｏｕｔ、Ｇｏｕｔ及びＢｏｕｔを測定させる。この間、増幅部８３に対し、Ｒ，Ｇ，Ｂ間のゲイン調整、つまりホワイトバランス調整を行わせる（Ｓ２０）。ここで、出力電圧が飽和しない入射光強度とは、具体的には、図１４に記載されたＬ１ａ、Ｌ２ａ及びＬ３ａである。
次に、設定部８４は、Ｒ，Ｇ，Ｂの入射光強度−合成信号電圧特性におけるニーポイント付近での入射光を与えながら（Ｓ３０）、駆動部２５に対し、出力電圧Ｒｏｕｔ，Ｇｏｕｔ及びＢｏｕｔを測定させる。この間、プログラマブル増幅器である増幅部８３に対しニーポイント付近でのＲ，Ｇ，Ｂ間のゲイン調整を行わせる。同時に、駆動部２５に対し、ＨＩＧＨ電位ＶHR、ＶHG、ＶHB及びＬＯＷ電位ＶLR、ＶLG、ＶLB値を指示し、それによる出力電圧Ｒｏｕｔ，Ｇｏｕｔ及びＢｏｕｔの変化をみて上記ニーポイントを調整する（Ｓ４０）。ここで、入射光強度−合成信号電圧特性におけるニーポイントとは、具体的には、図１４に記載された９１ｒ、９１ｇ、９１ｂ、９２ｒ、９２ｇ及び９２ｂである。
以上の動作により、多重露光における合成信号の光強度−合成信号電圧特性におけるニーポイントとなる入射光強度を、全色で共通とすることが可能となる。このような光強度−電荷量特性とすることで、ホワイトバランス調整を容易にすることが可能となる。すなわち、全入射光強度領域にわたって同一の補正係数でホワイトバランス調整することが可能となる。
なお、上記転送トランジスタ２のゲート電圧の調整は、本固体撮像装置を含む製品の出荷時に調整されていてもよい。さらに、上記製品出荷後、定期的に調整されてもよい。
また、設定部８４は、駆動部２５に含まれていてもよい。
また、本実施の形態では、画素部はＦＤＡ型回路構成をとったが、ＡＭＩ型回路構成をとってもよい。
図１６（ａ）は、ＦＤＡ型回路で構成された画素部の回路構成図を、また、図１６（ｂ）は、ＡＭＩ型回路で構成された画素部の回路構成図である。図１６（ａ）に示されたＦＤＡ型回路は、すでに本実施の形態で説明したように、受光素子から光信号電荷を読み出す転送トランジスタを備えたものである。この画素の光信号電荷の飽和量は転送トランジスタのゲート端子（ＴＲＡＮ）のゲート下ポテンシャルの高さによって決定される。よって、蓄積できる光信号電荷量を上記ゲート下ポテンシャルの開閉幅を制御することにより、ＯＦＦ状態におけるゲート電圧と導通状態におけるゲート電圧を同色のカラーフィルタを有する画素部ごとに設定することによって、飽和を均一化できる。
一方、図１６（ｂ）に示されたＡＭＩ型回路は、上記転送トランジスタなるものはなく、受光素子で発生した光信号電荷を出力する出力ノードにリセット電圧を印加するリセットトランジスタが配置されている。この画素の光信号電荷の飽和量はリセットトランジスタのゲート端子（ＲＳＴ）のゲート下ポテンシャルの高さによって決定される。一般的に、リセットトランジスタにおいても、画素ごとにリセットトランジスタのゲート端子（ＲＳＴ）のＶｔはばらつきを有するので、ゲート下ポテンシャルの高さもばらつく。よって、画素ごとの光信号電荷の飽和量も異なる。よって、リセットトランジスタが弱反転状態となるようにＯＦＦ状態におけるゲート電圧を印加することにより飽和量を制御する。さらに、受光素子で変換された光信号電荷の一部を残して上記出力ノードをリセットするために、リセットトランジスタの導通状態におけるゲート下ポテンシャルが受光素子ポテンシャルよりも高くなるようにゲート電圧を印加する。これにより、いわゆるＡＭＩ型画素の受光素子においても、蓄積できる光信号電荷量はリセットトランジスタのゲート下ポテンシャルの開閉幅で決まることになり、ＯＦＦ状態におけるゲート電圧と導通状態におけるゲート電圧を同色のカラーフィルタを有する画素部ごとに設定することによって、飽和を均一化できる。
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置について、図面を参照しながら説明する。
図１７は、本発明の実施の形態２における固体撮像装置の有するＦＤＡ型画素の回路図である。同図に記載されたＦＤＡ型画素３１は、画素部であり、受光素子１と、転送トランジスタ２と、ＦＤノード３と、リセットトランジスタ４と、出力トランジスタ５と、負荷トランジスタ６と、読み出しトランジスタ７と、蓄積容量８と、フィードバック容量９と、書き込みトランジスタ１０と、蓄積ノード１１と、選択トランジスタ１２と、負極ノード１３、電極ノード１４とを備える。図１７に記載されたＦＤＡ型画素３１は、図１に記載されたＦＤＡ型画素２１と比較して回路構成は同じであるが、転送トランジスタ２のゲート端子に印加されるゲート電圧が、全画素にわたって共通している点が実施の形態１と異なる。
以下、実施の形態１と同じ点は説明を省略し、異なる点のみ説明する。
図１８は、本発明の実施の形態２に係るｍ行ｎ列の画素アレイを有するカラー固体撮像装置の構成図である。同図におけるカラー固体撮像装置４０は、ｍ×ｎ個のＦＤＡ型画素３１と、垂直シフトレジスタ２２と、水平シフトレジスタ２３と、画素電源部２４と、駆動部２５と、カラムアンプ２６と、出力アンプ２７と、制御線ＴＲＡＮ０ｙ、ＲＳＴｙ、ＲＤｙ、ＷＲＴｙ及びＳＥＬｙ（１≦ｙ≦ｍ）と、配線ＬＧｘ及びＶＲＳＴｘと、垂直信号線ＶＳＬｘ（１≦ｘ≦ｎ）とを備える。
図１８では、３原色に対応してＦＤＡ型画素３１をＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）と記載している。ＦＤＡ型画素３１のＴＲＡＮ０端子には、Ｒ，Ｇ，Ｂ画素に共通して制御線ＴＲＡＮ０ｙが接続され、ＲＳＴ、ＲＤ、ＷＲＴ、ＳＥＬ端子には色の区別なく共通の制御線ＲＳＴｙ、ＲＤｙ、ＷＲＴｙ、ＳＥＬｙが接続される。ＴＲＡＮ０ｙ、ＲＳＴｙ、ＲＤｙ、ＷＲＴｙ、ＳＥＬｙは水平方向に配置された制御線群であり、垂直シフトレジスタ２２から制御パルスが印加される。
図１９は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の有する制御線群に印加する制御パルスのタイミングチャートである。図１９に記載されたタイミングチャートには、垂直シフトレジスタ２２から制御線群ＴＲＡＮ０、ＲＳＴ、ＲＤ、ＷＲＴ及びＳＥＬに印加する制御パルス信号電圧と、受光素子１の負極ノード１３の典型的なポテンシャルＶＰＤと、ＦＤノード３の典型的なポテンシャルＶＦＤと、蓄積ノード１１の典型的なポテンシャルＶＳＣとの時間経過が示されている。図１９に記載されたタイミングチャートは、実施の形態１に係る図３に記載されたタイミングチャートと比較して、色毎の区別なく、共通した制御パルスが、転送トランジスタ２のゲートに印加されている点のみが異なる。以下、実施の形態１と異なる点のみ説明する。
まず、期間（ｔ２０〜ｔ２１）において、垂直シフトレジスタ２２は駆動部２５の指示により、ＴＲＡＮ０にＨＩＧＨ電位ＶHを印加する。また、ＲＳＴ、ＲＤ、ＷＲＴに電源電圧を印加して、転送トランジスタ２、リセットトランジスタ４、読み出しトランジスタ７及び書き込みトランジスタ１０をオン状態にする。このＨＩＧＨ電位ＶHは、転送トランジスタのゲート下ポテンシャルが受光素子１の最高ポテンシャルレベルよりも低くなるような値に設定されている。つまり、転送トランジスタ２は不完全なオン状態となっている。
次に、期間（ｔ２１〜ｔ２２）において、垂直シフトレジスタ２２は駆動部２５の指示により、ＴＲＡＮ０にＬＯＷ電位ＶLを印加して転送トランジスタ２を弱反転状態にする。また、ＲＤおよびＷＲＴに接地電位を印加し、読み出しトランジスタ７及び書き込みトランジスタ１０をオフ状態にする。このＬＯＷ電位ＶLは、接地電位ＧＮＤよりも高い電位に設定されている。つまり、転送トランジスタ２は弱反転状態であり不完全がオフ状態となっている。
次に、期間（ｔ２２〜ｔ２３）において、垂直シフトレジスタ２２は駆動部２５の指示により、ＲＳＴに接地電位を印加してリセットトランジスタ４をオフにした状態で、ＴＲＡＮ０にＨＩＧＨ電位ＶHを印加し、転送トランジスタ２をオンにする。
次に、期間（ｔ２３〜ｔ２４）において、垂直シフトレジスタ２２は駆動部２５の指示により、ＴＲＡＮ０にＬＯＷ電位ＶLを印加して転送トランジスタ２を弱反転状態にする。また、ＲＤに接地電位を印加して読み出しトランジスタ７をオフ状態に、ＲＳＴに電源電圧を印加してリセットトランジスタ４をオン状態にする。
次に、期間（ｔ２４〜ｔ２５）において、垂直シフトレジスタ２２は駆動部２５の指示により、ＲＳＴに接地電位を印加してリセットトランジスタ４をオフに、ＷＲＴに電源電圧を印加して書き込みトランジスタ１０をオンにする。
次に、期間（ｔ２５〜ｔ２６）において、垂直シフトレジスタ２２は駆動部２５の指示により、ＷＲＴに接地電位を印加して書き込みトランジスタ１０をオフにし、ＴＲＡＮ０にＨＩＧＨ電位ＶHを印加して転送トランジスタ２をオンにする。
次に、期間（ｔ２６〜ｔ２７）において、垂直シフトレジスタ２２は駆動部２５の指示により、ＴＲＡＮ０にＬＯＷ電位ＶLを印加して転送トランジスタ２を弱反転状態にする。また、ＲＤに接地電位を印加して読み出しトランジスタ７をオフ状態にし、ＲＳＴに電源電圧を印加してリセットトランジスタ４をオン状態にする。
次に、期間（ｔ２７〜ｔ２８）において、垂直シフトレジスタ２２は駆動部２５の指示により、ＲＳＴに接地電位を印加してリセットトランジスタ４をオフに、ＷＲＴに電源電圧を印加して書き込みトランジスタ１０をオンにする。
次に、期間（ｔ２８〜ｔ２９）において、垂直シフトレジスタ２２は駆動部２５の指示により、ＷＲＴに接地電位を印加して書き込みトランジスタ１０をオフにし、ＴＲＡＮ０にＨＩＧＨ電位ＶHを印加して転送トランジスタ２をオンにする。
固体撮像装置内での多重露光・信号合成動作は、以上の動作により完了する。
図２０（ａ）、図２０（ｂ）及び図２０（ｃ）は、それぞれ、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の有する画素部の長時間露光、短時間露光及び超短時間露光における光電変換特性を表すグラフである。横軸は、入射光量が対数表示されており、縦軸は各露光期間において転送トランジスタ２から転送された光信号電荷に対応する出力電圧である。図１９に記載されたタイミングチャートと比較すると、期間（ｔ２１〜ｔ２２）における光電変換特性は、図２０（ｃ）に記載された光電変換特性に対応する。また、期間（ｔ２３〜ｔ２４）における光電変換特性は、図２０（ｂ）に記載された光電変換特性に対応する。また、期間（ｔ２６〜ｔ２７）における光電変換特性は、図２０（ａ）に記載された光電変換特性に対応する。
転送トランジスタ２のゲート電圧が完全オフ状態及び完全オン状態で電荷蓄積及び電荷読み出しがなされた場合には、少なくともＲ画素、Ｇ画素及びＢ画素の光電変換特性における飽和出力電圧は一致しない。これに対し、全画素の転送トランジスタ２のゲート電圧が図１９に記載されたＴＲＡＮ０の制御信号のように、不完全オフ状態及び不完全オン状態に設定された場合には、図２０に示されたように、Ｒ画素、Ｇ画素及びＢ画素の飽和出力電圧が一致していることが解る。これらを単純に合成すると、図２１（ａ）の光電変換特性のように、当該特性にあらわれるニーポイントも同じ出力電圧で出現する。
図２１（ａ）は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の有する画素の合成信号の光電変換特性を表すグラフである。同図に記載された光電変換特性は、Ｒ，Ｇ，Ｂ画素間でニーポイントにおける出力電圧が一致している。本実施の形態に係るカラー固体撮像装置４０が、実施の形態１で説明したカラー固体撮像装置３０のように調整部８１とマルチプレクサ８２とを有することにより、増幅部８３でのＲ，Ｇ，Ｂゲイン調整、つまり、ホワイトバランスを容易に実行することができる。図２１（ｂ）は、ゲイン調整前後での光電変換特性を表すグラフである。同図では、例えば、Ｒ画素の光電変換特性をＧ画素の光電変換特性に一致させる場合を示している。つまり、Ｒ画素及びＧ画素の各光電変換特性に現れるニーポイントを境界として、入射光量を各区間Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤに分割する。各区間でＲ画素の出力電圧をＧ画素の出力電圧に一致させる補正係数を設定する。設定部８４または増幅部８３で、各区間の補正係数を格納しておき、増幅部８３にて当該補正係数により補正することにより、合成信号のホワイトバランスが実現される。この結果、強い光を受光した状態でも合成画像に輝度ばらつきが見えなくなり、カラー化信号処理のためにホワイトバランスを取る場合、色ごとの補正も容易になるので、偽色が抑止された綺麗なカラー信号を得ることができる。
（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置について図面を参照しながら詳細に説明する。
図２２は、本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置の回路構成図である。
同図における固体撮像装置は、ＦＤＡ型画素５０内に、受光素子１と、転送トランジスタ２と、ＦＤノード３と、リセットトランジスタ４と、出力トランジスタ５と、負荷トランジスタ６と、画素行選択トランジスタ４１と、ソースフォロワ出力点４７とを備え、列信号線毎に、読み出しトランジスタ４２と、容量４３、４４及び１２６と、スイッチングトランジスタ４５、１２１、１２２、１２４及び１２５と、バッファ回路１２３とを備える。
図２２に記載された回路構成は、実施の形態２の図１７に記載された回路構成と比較して、受光素子１で発生した光信号電荷を合成する合成部が、ＦＤＡ型画素内になく、列信号線毎に設けられている点が異なる。以下、実施の形態２と同じ点は説明を省略し、異なる点のみ説明する。
転送トランジスタ２は、実施の形態１及び２で説明したように、電荷蓄積時には弱反転状態となるようにＯＦＦ状態におけるゲート電圧が印加される。また、電荷読み出し時には導通状態におけるゲート下ポテンシャルが受光素子ポテンシャルよりも高くなるようにゲート電圧が印加される。これにより、全画素で飽和電荷量を均一化する動作を行う。
リセットトランジスタ４は、リセット部を構成し、ＦＤノード３の電圧をリセットする機能を有する。
読み出しトランジスタ４２、スイッチングトランジスタ４５、容量４３及び４４は、差分回路部を構成し、ＦＤノード３の信号電圧とリセット電圧との差分電圧と、電圧設定部により設定された基準電圧とを合成する機能を有する。なお、基準電圧の初期値はＶNCDCである。
スイッチングトランジスタ１２１、１２４、バッファ回路１２３、及び容量１２６は、記憶部を構成し、差分回路部で合成された電圧を記憶する機能を有する。
スイッチングトランジスタ１２２、１２５、及びバッファ回路１２３は、電圧設定部を構成し、記憶部で保持された電圧を基準電圧として差分回路部に設定する機能を有する。
出力トランジスタ５及び負荷トランジスタ６は、回路部を構成し、ＦＤノード３の電圧を読み出す機能を有する。
本実施の形態においては、差分回路部、記憶部及び電圧設定部が機能分担して１つの合成部を構成しており、光信号電荷に応じた電圧を合成する機能を有する。なお、この合成部は、画素ごとには配置されておらず、列信号線毎に設けられている。
本回路構成の機能について、各回路素子の駆動動作を例示して説明する。
図２３は、本発明の実施の形態３における固体撮像装置の動作タイミングチャートである。図２３に記載されたタイミングチャートには、垂直シフトレジスタ２２から制御線群ＴＲＡＮ０、ＲＳＴ、Ｃ１２１、Ｃ１２２、Ｃ１２４、Ｃ１２５、ＳＨ及びＣＬに印加する制御パルス信号電圧と、ＦＤノード３の典型的なポテンシャルＶＦＤと、出力ＯＵＴの典型的なポテンシャルＶＳＣとの時間経過が示されている。また、実施の形態１及び２では、露光期間を、超短時間露光、短時間露光、長時間露光の順で多重露光動作を実施したが、本実施の形態では、露光期間を、長時間露光、短時間露光、超短時間露光の順で重露光動作を実施している。
最初に、時刻ｔ１３１では、駆動部２５は、ＲＳＴ、Ｃ１２１、Ｃ１２４、ＳＨ、及びＣＬの電圧レベルをＨＩＧＨにし、リセットトランジスタ４、スイッチングトランジスタ４５、１２１及び１２４、読み出しトランジスタ４２を導通させる。電圧ＶRSTがＦＤノード３に与えられ、電圧ＶNCDCが出力ＯＵＴに与えられる。また、ＶNCDCは、スイッチングトランジスタ１２１及び１２４、及びバッファ回路１２３を介して容量１２６に保存される。
次に、時刻ｔ１３２では、駆動部２５は、ＴＲＡＮ０の電圧レベルをＨＩＧＨにし、転送トランジスタ２を介して期間ＬＡ１において受光素子１に発生した電荷がＦＤノード３に転送される。発生した電荷は負の特性のためＦＤノード３はＶRSTより電位が下がる。この電圧降下分を“ＬＲ１”とするとＦＤノード３の電圧は（ＶRST−ＬＲ１）である。
次に、時刻ｔ１３３では、駆動部２５は、Ｃ１２１、Ｃ１２４、ＳＨの電圧レベルをＨＩＧＨにし、スイッチングトランジスタ１２１、１２４、及び読み出しトランジスタ４２を導通させる。この時、出力ＯＵＴにおいて、ＶNCDCからの電圧変化は｛ｋ×（−ＬＲ１）｝であり、これが期間ＬＡ１に受光素子１が受光した信号出力である。ここで、ｋは、ソースフォロワのゲイン×（容量４３の容量と容量４４の容量との比）である。この電圧値［ＶNCDC−｛ｋ×（ＶRST−ＬＲ１）｝］が容量１２６に保持される。
次に、時刻ｔ１３４では、駆動部２５は、ＲＳＴ、Ｃ１２２、Ｃ１２５、ＳＨの電圧レベルをＨＩＧＨにし、リセットトランジスタ４、スイッチングトランジスタ１２２及び１２５、及び読み出しトランジスタ４２を導通させる。ＦＤノード３では、再び、リセット電圧であるＶRSTに設定される。しかし、出力ＯＵＴは容量１２６で保持されていた電圧値［ＶNCDC−｛ｋ×（ＶRST−ＬＲ１）｝］が設定される。即ち、初期（時刻ｔ１３１）では、出力ＯＵＴはＶNCDCが設定されたが、時刻ｔ１３４では期間ＬＡ１の信号出力を含んだ電圧値が設定されることで各期間の信号出力の加算が実現されている。
上述した時刻ｔ１３２から時刻１３４までの動作と同様に、時刻１３５から時刻ｔ１３７までの動作が実行される。その後、時刻ｔ１３８においてＴＲＡＮ０の電圧レベルをＨＩＧＨとし転送トランジスタ２が導通すれば、ＦＤノード３には、連続して期間ＶＳＡ１において受光素子１で発生した電荷が転送される。
最後に、時点ｔ１３９では、ＳＨの電圧レベルをＨＩＧＨとし、読み出しトランジスタ４２を導通させる。これにより、出力ＯＵＴにはＶNCDCに対して期間ＬＡ１、ＳＡ１、ＶＳＡ１の合成信号の変化分が出力される。
なお、本実施の形態３における固体撮像素子の回路構成では、期間ＬＡ１、ＳＡ１、ＶＳＡ１で発生したそれぞれの信号電圧を合成するため合成部の核となる差分回路部が、画素毎に設けられていない。
本実施例では、差分回路部、記憶部、及び電圧設定部が、画素毎ではなく列信号線毎に設けられているので、回路素子数が削減され、素子の省面積化が実現される。
ここで、列信号線毎に電荷合成部が設けられた場合の出力電圧の読み出し動作について、説明する。
例えば、所望のダイナミックレンジを得る場合のケースとして、期間ＬＡ１、ＳＡ１、ＶＳＡ１をそれぞれ３０ｍｓｅｃ、３００μｓｅｃ、３μｓｅｃとする。この条件に対し、列信号線が１行を読み取るのに与えられる時間Ｈは、６０μｓｅｃである。ここで、期間ＬＡ１として最長露光時間である３０ｍｓｅｃが先頭で実行されることにより、期間ＬＡ１による露光動作は、他の複数の画素行の出力動作中になされることが可能となり、上記読み取り時間Ｈには影響しない。また、最短露光時間である３μｓｅｃについては、上記読み取り時間Ｈに対し、無視できる値であるため、上記読み取り時間Ｈには影響しない。
しかし、露光時間３００μｓｅｃである期間ＳＡ１に関しては、期間ＬＡ１の最後に期間ＶＳＡ１に相当する信号電圧が差分回路部に読み込まれて以来、差分回路部は本画素部の信号処理で占有される。しかしながら、期間ＳＡ１に相当する３００μｓｅｃについては、その間に画素行の選択が保持されず、６０μｓｅｃで読み出し行が変更されてしまうことになる。この問題を解消する手段として、例えば、図２２に記載された回路構成図において、容量１２６が１素子ではなく、５素子が並列接続され、各々の容量の切り替えがスイッチにて実現される構成とする。そして、このスイッチによりこの５つのキャパシタが６０μｓｅｃごとに切り替えられ、各画素行での受光動作も６０μｓｅｃずらせて実行されれば、１行目の画素の信号電圧が１つ目のキャパシタに記憶され、２行目の画素の信号電圧が２つ目のキャパシタに記憶され、同様にして３行目、４行目、５行目が記憶されると、１行目の画素が読み込まれて以来合計３００μｓｅｃが経過し、１行目の画素の露光時間３００μｓｅｃ及び３μｓｅｃの信号電圧が合成され読み出されるので、その直後に１つ目のキャパシタに６行目の画素の信号電圧の読み込みが開始される。
このようにして、スムーズなローリングシャッタ動作が実現される。
以上のように、本実施の形態３における固体撮像装置によれば、受光素子で発生した光信号電荷を蓄積するＦＤノードと、ＦＤノードの電圧をリセットするリセット部と、ＦＤノードの信号電圧とリセット電圧との差分電圧を加算する差分回路部と、差分回路部の電圧を記憶する記憶部と、当該記憶部の電圧を差分回路部に設定する電圧設定部とを素子内に備えることにより、例えば、複数回の露光時間により発生したそれぞれの光信号電荷に対応した電圧を素子内で短時間に加算することができるため、外部回路を必要とせずにダイナミックレンジの拡張が達成される。
また、本実施の形態の固体撮像装置は、素子外部に記憶部、画像合成部を必要としないため、ダイナミックレンジの仕様および設計変更が生じた場合においても、外部システムに大きな影響を及ぼすことなく、固体撮像素子であるチップのみが設計変更されることで対応できるという大きな効果を奏する。
固体撮像素子内で実行された多重露光・信号合成動作は、以上の動作により完了する。そして、得られた各画素の合成信号は、実施の形態２と同様にして、図２１（ｂ）に記載された光電変換特性のゲイン調整によりホワイトバランスを容易に実行することができる。
この結果、強い光を受光した状態でも合成画像に輝度ばらつきが見えなくなり、カラー化信号処理のためにホワイトバランスを取る場合、色ごとの補正も容易になるので、偽色が抑止された綺麗なカラー信号を得ることができる。
なお、本発明に係る固体撮像装置は、上記実施の形態に限定されるものではない。実施の形態１〜３における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施形態や、実施の形態１〜３に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る固体撮像装置を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。
例えば、実施の形態１及び２に係る固体撮像装置の画素内の回路においても、実施の形態３と同様に、光信号電荷に対応した信号電圧の合成機能を画素外である列信号線毎に設けてもよい。例えば、図１に記載された画素内の回路において、読み出しトランジスタ７、蓄積容量８、フィードバック容量９、書き込みトランジスタ１０、蓄積ノード１１、選択トランジスタ１２及び電極ノード１４を画素外の列信号線毎に配置することが可能である。この場合には、実施の形態３と同様に、光信号電荷に対応した信号電圧を合成する合成部が、画素毎ではなく列信号線毎に設けられているので、回路素子数が削減され、素子の省面積化が実現される。
また、さらに、上述した合成部を、画素内または列信号線毎に配置された回路構成として実現するのではなく、素子外部の信号処理素子で生成されてもよい。図２４は、合成部を素子内に有しない場合の本発明の固体撮像装置の機能構成図である。固体撮像素子で得られたＬＡ１（長時間露光）の信号ｓｉｇ１、ＳＡ１（短時間露光）の信号ｓｉｇ２、及びＶＳＡ１（極短時間露光）の信号ｓｉｇ３は素子外部の信号処理素子ＤＳＰで合成され、合成画像である多重露光信号を出力する。この構成においても、信号処理素子ＤＳＰで合成された合成画像である多重露光信号を、実施の形態１〜３で述べた色間でのゲイン調整を用いて簡便に行うことが可能である。
また、例えば、図２５（ａ）に示されるように、本発明に係る固体撮像装置１５２が内蔵されたカメラも本発明に含まれる。同図に記載されたカメラは、レンズ１５１と、固体撮像装置１５２と、外部インターフェイス部１５５とを備える。レンズ１５１を通過した光は、固体撮像装置１５２に入射する。固体撮像装置１５２からの出力信号は、外部インターフェイス部１５５を介して外部に出力される。ここで、固体撮像装置１５２は、画素ごとに異なる最大出力電圧（読み出し電荷容量）が均一化され、各色の画素部で実行される多重露光の入射光強度−合成信号電圧が簡便に補正されるので、輝度バラツキが抑制され広いダイナミックレンジを有する輝度信号を有する。このようなカメラは、強い光が入射したときであっても、あるいは微弱な光が入射されても、鮮明な画像を撮影することができる利点を有し、例えば、図２５（ｂ）に示されるデジタルスチルカメラや図２５（ｃ）に示されるビデオカメラとして実現される。
本発明は、特に固体撮像素子を内蔵するデジタルスチルカメラやビデオカメラに有用であり、特に広いダイナミックレンジのカラー画像が必要な固体撮像装置に用いるのに最適である。
本発明の実施の形態１における固体撮像素子の有するＦＤＡ型画素の回路図である。 本発明の実施の形態１に係るｍ行ｎ列の画素アレイを有するカラー固体撮像装置の構成図である。 本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の有する制御線群に印加する制御パルスのタイミングチャートである。 本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の有する制御線群に印加する制御パルスのタイミングチャートである。 （ａ）は、本発明のＲ画素の有する受光素子の電荷蓄積時におけるポテンシャルを表す図である。（ｂ）は、本発明のＧ画素の有する受光素子の電荷蓄積時におけるポテンシャルを表す図である。（ｃ）は、本発明のＢ画素の有する受光素子の電荷蓄積時におけるポテンシャルを表す図である。 （ａ）は、本発明のＲ画素の有する受光素子の電荷読み出し時におけるポテンシャルを表す図である。（ｂ）は、本発明のＧ画素の有する受光素子の電荷読み出し時におけるポテンシャルを表す図である。（ｃ）は、本発明のＢ画素の有する受光素子の電荷読み出し時におけるポテンシャルを表す図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の有するＲ画素の第一の露光期間における光電変換特性を表すグラフである。（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の有するＧ画素の第一の露光期間における光電変換特性を表すグラフである。（ｃ）は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の有するＢ画素の第一の露光期間における光電変換特性を表すグラフである。 （ａ）は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の有するＲ画素の第二の露光期間における光電変換特性を表すグラフである。（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の有するＧ画素の第二の露光期間における光電変換特性を表すグラフである。（ｃ）は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の有するＢ画素の第二の露光期間における光電変換特性を表すグラフである。 （ａ）は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の有するＲ画素の第一合成信号の光電変換特性を表すグラフである。（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の有するＧ画素の第一合成信号の光電変換特性を表すグラフである。（ｃ）は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の有するＢ画素の第一合成信号の光電変換特性を表すグラフである。 （ａ）は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の有するＲ画素の第三の露光期間における光電変換特性を表すグラフである。（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の有するＧ画素の第三の露光期間における光電変換特性を表すグラフである。（ｃ）は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の有するＢ画素の第三の露光期間における光電変換特性を表すグラフである。 （ａ）は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の有するＲ画素の第二合成信号の光電変換特性を表すグラフである。（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の有するＧ画素の第二合成信号の光電変換特性を表すグラフである。（ｃ）は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の有するＢ画素の第二合成信号の光電変換特性を表すグラフである。 （ａ）〜（ｉ）は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の画素回路における電荷及び電圧状態を表す図である。 本発明の実施の形態１に係る、調整部を備えた固体撮像装置の構成図である。 （ａ）は、ゲイン調整されたＲ信号の光電変換特性を表すグラフである。（ｂ）は、ゲイン調整されたＧ信号の光電変換特性を表すグラフである。（ｃ）は、ゲイン調整されたＢ信号の光電変換特性を表すグラフである。 本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の有する転送トランジスタのゲート電圧を調整する動作フローチャートである。 （ａ）は、ＦＤＡ型回路で構成された画素部の回路構成図である。（ｂ）は、ＡＭＩ型回路で構成された画素部の回路構成図である。 本発明の実施の形態２における固体撮像装置の有するＦＤＡ型画素の回路図である。 本発明の実施の形態２に係るｍ行ｎ列の画素アレイを有するカラー固体撮像装置の構成図である。 本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の有する制御線群に印加する制御パルスのタイミングチャートである。 （ａ）は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の有する画素部の長時間露光における光電変換特性を表すグラフである。（ｂ）は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の有する画素部の短時間露光における光電変換特性を表すグラフである。（ｃ）は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の有する画素部の超短時間露光における光電変換特性を表すグラフである。 （ａ）は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の有する画素の合成信号の光電変換特性を表すグラフである。（ｂ）は、ゲイン調整前後での光電変換特性を表すグラフである。 本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置の回路構成図である。 本発明の実施の形態３における固体撮像装置の動作タイミングチャートである。 合成部を素子内に有しない場合の本発明の固体撮像装置の機能構成図である。 （ａ）は、本発明の固体撮像装置が内蔵されたカメラの機能構成図である。（ｂ）は、本発明の固体撮像装置が内蔵されたデジタルスチルカメラの外観図である。（ｃ）は、本発明の固体撮像装置が内蔵されたビデオカメラの外観図である。 特許文献１記載の固体撮像素子のブロック図である。 特許文献１記載の固体撮像素子における露光時間および出力のタイミングを示す図である。 非特許文献１に記載された固体撮像素子の画素内における回路構成図である。 非特許文献１に記載された固体撮像素子の画素回路に印加される電気信号のタイミングチャートである。 （ａ）は、非特許文献１に記載された固体撮像素子の有する受光素子の第一の露光期間における光電変換特性を表すグラフである。（ｂ）は、非特許文献１に記載された固体撮像素子の有する受光素子の第二の露光期間における光電変換特性を表すグラフである。（ｃ）は、非特許文献１に記載された固体撮像素子の有する受光素子の第三の露光期間における光電変換特性を表すグラフである。（ｄ）は、非特許文献１に記載された固体撮像素子の有する受光素子の第一の合成動作期間における光電変換特性を表すグラフである。（ｅ）は、非特許文献１に記載された固体撮像素子の有する受光素子の第二の合成動作期間における光電変換特性を表すグラフである。 （ａ）は、異なる種類のカラーフィルタが配置された画素の有する従来の光強度−電荷量特性を示すグラフである。（ｂ）は、Ｒ，Ｇ，Ｂ画素の有する従来の光強度−電荷量特性を各色固有の増幅率によりホワイトバランス調整を行った場合の光強度−電荷量特性を示すグラフである。
符号の説明
１、２０１ 受光素子
２、２０２ 転送トランジスタ
３、２０３ ＦＤノード
４、２０４ リセットトランジスタ
５、２０５ 出力トランジスタ
６、２０６ 負荷トランジスタ
７、２０７ 読み出しトランジスタ
８、２０８ 蓄積容量
９、２０９ フィードバック容量
１０、２１０ 書き込みトランジスタ
１１、２１１ 蓄積ノード
１２、２１２ 選択トランジスタ
１３、２１３ 負極ノード
１４、２１４ 電極ノード
２０、３０、４０ カラー固体撮像装置
２１、３１、５０ ＦＤＡ型画素
２２ 垂直シフトレジスタ
２３ 水平シフトレジスタ
２４ 画素電源部
２５ 駆動部
２６ カラムアンプ
２７ 出力アンプ
４１ 画素行選択トランジスタ
４２ 読み出しトランジスタ
４３、４４、１２６ 容量
４５、１２１、１２２、１２４、１２５ スイッチングトランジスタ
４７ ソースフォロワ出力点
６０ｒ、６０ｇ、６０ｂ、６１ｒ、６１ｇ、６１ｂ、６２ｒ、６２ｇ、６２ｂ、６３ｒ、６３ｇ、６３ｂ、６４ｒ、６４ｇ、６４ｂ、６５ｒ、６５ｇ、６５ｂ、６６ｒ、６６ｇ、６６ｂ、６７ｒ、６７ｇ、６７ｂ、９０ｒ、９０ｇ、９０ｂ、２６１、２６２、２６３、２７１、２７２、２７３ 光電変換特性
６８ｒ、６８ｇ、６８ｂ、６９ｒ、６９ｇ、６９ｂ、７０ｒ、７０ｇ、７０ｂ、９１ｒ、９１ｇ、９１ｂ、９２ｒ、９２ｇ、９２ｂ、２５１、２５２ ニーポイント
８１ 調整部
８２ マルチプレクサ
８３ 増幅部
８４ 設定部
１２３ バッファ回路
１５１ レンズ
１５２ 固体撮像装置
１５５ 外部インターフェイス部
１７１ 画素部
１７２ フォトダイオード
１７３ ノイズキャンセラ
１７４ アンプ

Claims (22)

  1. 受光強度及び露光時間に応じた光信号電荷を発生する光電変換素子を有する複数の画素部が二次元状に配置された固体撮像装置であって、
    前記光電変換素子での前記光信号電荷の飽和量を制限し、前記光電変換素子に蓄積された前記光信号電荷の一部を残留電荷として読み残すように前記画素部を駆動する駆動部を備える
    固体撮像装置。
  2. 前記画素部は、
    前記光電変換素子で発生した前記光信号電荷を転送する転送トランジスタを備え、
    前記駆動部は、
    前記光信号電荷の蓄積時には前記転送トランジスタが不完全なオフ状態となるように第１のゲート電圧を設定することにより前記光信号電荷の飽和量を制限し、前記光信号電荷の読み出し時には前記転送トランジスタが不完全なオン状態となるように第２のゲート電圧を設定することにより前記残留電荷を読み残すように前記画素部を駆動する
    請求項１記載の固体撮像装置。
  3. 前記駆動部は、
    前記第１のゲート電圧として、接地電位よりも高くなるよう電圧を設定し、
    前記第２のゲート電圧として、前記転送トランジスタの導通状態におけるゲート下ポテンシャルが前記光電変換素子の最高ポテンシャルよりも低くなるような電圧を設定する
    請求項２記載の固体撮像装置。
  4. 前記画素部は、
    前記光電変換素子にリセット電圧を印加するリセットトランジスタを備え、
    前記駆動部は、
    前記光信号電荷の蓄積時には前記リセットトランジスタが不完全なオフ状態となるように第１のゲート電圧を設定することにより前記光信号電荷の飽和量を制限し、前記光信号電荷のリセット時には前記リセットトランジスタが不完全なオン状態となるように第２のゲート電圧を設定することにより前記残留電荷を読み残すように前記画素部を駆動する
    請求項１記載の固体撮像装置。
  5. 前記駆動部は、
    前記第１のゲート電圧として、接地電位よりも高くなるよう電圧を設定し、
    前記第２のゲート電圧として、前記リセットトランジスタの導通状態におけるゲート下ポテンシャルが前記光電変換素子の最高ポテンシャルよりも低くなるような電圧を設定する
    請求項４記載の固体撮像装置。
  6. 前記複数の画素部のそれぞれは、前記光信号と前記光電変換素子との間に配置されたカラーフィルタを備え、
    前記駆動部は、
    制限された前記飽和量と前記残留電荷量との差である信号電荷容量が同一色の画素部では同一となるよう、前記第１のゲート電圧及び前記第２のゲート電圧を設定する
    請求項２〜５のうちいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  7. 前記画素部は、異なる露光時間ごとに前記光電変換素子で発生した複数の光信号電荷に応じた信号電圧を合成する合成部を備える
    請求項６記載の固体撮像装置。
  8. 前記合成部は、前記画素部外に形成されている
    請求項７記載の固体撮像装置。
  9. 前記複数の光信号電荷がそれぞれ制限された前記飽和量に達するときの入射光強度である飽和入射光強度が、同一の露光時間においては全ての前記画素部で同一となるように、前記第１のゲート電圧及び前記第２のゲート電圧を調整する調整部を備える
    請求項６〜８のうちいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  10. 前記調整部は、
    前記画素部の入射光強度−合成信号電圧の特性を、異色のカラーフィルタを有する画素部間で調整するため、前記入射光強度の全範囲において同一の割合で前記合成信号電圧を補正するための一の補正係数を設定する設定部と、
    前記画素部ごとに出力される前記合成信号電圧を、前記補正係数を用いて補正する補正部とを備える
    請求項９記載の固体撮像装置。
  11. さらに、
    前記画素部の有する前記転送トランジスタのゲート端子に接続され、前記転送トランジスタのオンオフ状態を制御する制御信号電圧を前記ゲート端子に与えるゲート制御線を複数備え、
    異なるカラーフィルタを有する同行の画素部には、異なる前記ゲート制御線が接続されている
    請求項６〜１０のうちいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  12. さらに、
    前記画素部の有する前記リセットトランジスタのゲート端子に接続され、前記リセットトランジスタのオンオフ状態を制御する制御信号電圧を前記ゲート端子に与えるゲート制御線を複数備え、
    異なるカラーフィルタを有する同行の画素部には、異なる前記ゲート制御線が接続されている
    請求項６〜１０のうちいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  13. 前記複数の画素部のそれぞれは、前記光信号と前記光電変換素子との間に配置されたカラーフィルタを備え、
    前記駆動部は、
    全画素部の有する前記光電変換素子において、制限された前記飽和量と前記残留電荷量との差である信号電荷容量が同一となるよう、全画素部に共通の前記第１のゲート電圧及び前記第２のゲート電圧を設定する
    請求項２〜５のうちいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  14. 異なる露光時間ごとに前記光電変換素子で発生した複数の光信号電荷に応じた信号電圧を合成する合成部を備える
    請求項１３記載の固体撮像装置。
  15. 前記合成部は、前記画素部外に形成されている
    請求項１４記載の固体撮像装置。
  16. 前記画素部ごとに出力される、前記合成部で合成された前記信号電圧を調整する調整部とを備え、
    前記調整部は、
    前記画素部の入射光強度−合成信号電圧の特性を、異色のカラーフィルタを有する画素部間で調整するため、前記入射光強度の所定の領域ごとに前記合成信号電圧を増幅する一以上の補正係数を設定する設定部と、
    前記画素部ごとに出力される前記合成信号電圧を、前記補正係数を用いて補正する補正部とを備える
    請求項１３〜１５のうちいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  17. 請求項１から１６のうちいずれか１項に記載の固体撮像装置を備えたカメラ。
  18. 異なる露光期間ごとに光信号電荷を発生する光電変換素子と前記光電変換素子で得られた前記光信号電荷を転送する転送トランジスタとを備え、前記光信号電荷に応じた信号電圧を合成することにより得られた合成信号電圧を出力する複数の画素部が二次元状に配置された固体撮像装置の駆動方法であって、
    第１の露光期間において、前記光電変換素子で発生した光信号電荷の飽和量を制限するよう、前記転送トランジスタのゲート電圧を接地電位よりも高い第１のゲート電圧に設定する第１電圧設定ステップと、
    前記第１電圧設定ステップの後、前記光電変換素子で蓄積された光信号電荷を一部残して読み出すよう、前記転送トランジスタのゲート電圧を前記転送トランジスタの導通状態におけるゲート下ポテンシャルが前記光電変換素子の最高ポテンシャルよりも低くなるような第２の電圧に設定する第２電圧設定ステップと、
    前記第２電圧設定ステップの後、第１の露光期間と異なる時間を有する第２の露光期間において、前記光電変換素子で発生した光信号電荷の飽和量を制限するよう、前記転送トランジスタのゲート電圧を前記第１のゲート電圧に設定する第３電圧設定ステップと、
    前記第３電圧設定ステップの後、前記光電変換素子で蓄積された光信号電荷を一部残して読み出すよう、前記転送トランジスタのゲート電圧を前記第２のゲート電圧に設定する第４電圧設定ステップとを含む
    固体撮像装置の駆動方法。
  19. 異なる露光期間ごとに光信号電荷を発生する光電変換素子と前記光信号電荷を出力する出力ノードにリセット電圧を印加するリセットトランジスタとを備え、前記光信号電荷に応じた信号電圧を合成することにより得られた合成信号電圧を出力する複数の画素部が二次元状に配置された固体撮像装置の駆動方法であって、
    第１の露光期間において、前記光電変換素子で発生した光信号電荷の飽和量を制限するよう、前記リセットトランジスタのゲート電圧を接地電位よりも高い第１のゲート電圧に設定する第１電圧設定ステップと、
    前記第１電圧設定ステップの後、前記光電変換素子で蓄積された光信号電荷を一部残してリセットするよう、前記リセットトランジスタのゲート電圧を前記リセットトランジスタの導通状態におけるゲート下ポテンシャルが前記光電変換素子の最高ポテンシャルよりも低くなるような第２の電圧に設定する第２電圧設定ステップと、
    前記第２電圧設定ステップの後、第１の露光期間と異なる時間を有する第２の露光期間において、前記光電変換素子で発生した光信号電荷の飽和量を制限するよう、前記リセットトランジスタのゲート電圧を前記第１のゲート電圧に設定する第３電圧設定ステップと、
    前記第３電圧設定ステップの後、前記光電変換素子で蓄積された光信号電荷を一部残して読み出すよう、前記リセットトランジスタのゲート電圧を前記第２のゲート電圧に設定する第４電圧設定ステップとを含む
    固体撮像装置の駆動方法。
  20. 前記第１のゲート電圧は、同色のカラーフィルタを有する画素部では同一の電圧値を有し、
    前記第２のゲート電圧は、同色のカラーフィルタを有する画素部では同一の電圧値を有する
    請求項１８または１９に記載の固体撮像装置の駆動方法。
  21. 前記第１のゲート電圧は、全ての画素部で同一の電圧値を有し、
    前記第２のゲート電圧は、全ての画素部で同一の電圧値を有する
    請求項１８または１９に記載の固体撮像装置の駆動方法。
  22. さらに、
    前記第１の露光期間及び前記第２の露光期間において前記光電変換素子で発生した光信号電荷が飽和しないような入射光を入射させる第１入射ステップと、
    前記第１入射ステップの間に、各画素部からの前記合成信号電圧を測定する第１電圧測定ステップと、
    前記第１入射ステップの間に、前記第１電圧測定ステップにて測定された前記合成信号電圧のうち、異色のカラーフィルタを有する画素部間で前記合成信号電圧を比較してゲイン調整をする第１調整ステップと、
    前記第１調整ステップの後、前記第１の露光期間及び前記第２の露光期間において前記光電変換素子で発生した光信号電荷を飽和させるような入射光を入射させる第２入射ステップと、
    前記第２入射ステップの間に、各画素部からの前記合成信号電圧を測定する第２電圧測定ステップと、
    前記第２入射ステップの間に、前記第２電圧測定ステップにて測定された前記合成信号電圧のうち、異色のカラーフィルタを有する画素部間で前記合成信号電圧を比較してゲイン調整し、前記光信号電荷を飽和させるような入射光の強度が異色のカラーフィルタを有する画素部間で同一となるよう前記第１のゲート電圧及び前記第２のゲート電圧とを調整する
    請求項１８記載の固体撮像装置の駆動方法。
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