JP2011029734A - 固体撮像装置、その駆動方法及びカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】画素電源電圧を変動させる構成を有さない固体撮像装置において、高輝度黒つぶれの発生を抑制する。
【解決手段】本発明に係る固体撮像装置５００は、複数の画素部５０１と、複数の垂直信号線１０５と、複数の垂直信号線１０５に第１電流及び第２電流を選択的に供給する電流源回路５０２と、電流源回路５０２に第２電流を供給させることにより、垂直信号線１０５の電位を基準電圧Ｖｒｅｆにする制御部５０８と、列ごとに設けられた複数の列回路５０６とを備える。各列回路５０６は、リセット電圧Ｖｒｓｔと信号電圧Ｖｓｉｇとの差分に相当する差分信号を保持するＦＰＮ除去回路１００と、信号電圧Ｖｓｉｇが基準電圧Ｖｒｅｆより小さいか否かを判定する黒つぶれ判定回路３０１と、信号電圧Ｖｓｉｇが基準電圧Ｖｒｅｆより小さい場合、ＦＰＮ除去回路１００に保持される差分信号をクリップ電圧Ｖｃｌｉｐに置き換えるクリップ回路３０２とを備える。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、固体撮像装置、その駆動方法及びカメラに関し、特に、リセット電圧と信号電圧との差分に相当する差分信号を生成するノイズ除去回路を備える固体撮像装置に関する。

近年、家庭用ビデオカメラ及びデジタルスチルカメラなどの固体撮像装置を用いた撮像機器が広く普及してきた。これらの撮像機器には、固体撮像装置として増幅型のイメージセンサを備えるものがある。

図９は、一般的な固体撮像装置６００の構成を示すブロック図である。この固体撮像装置６００は、ＭＯＳイメージセンサであり、行列状に配列された複数の画素部６０１を含む撮像領域６１０と、電流源回路６０２と、行選択デコーダ５０３と、列選択デコーダ５０４と、複数の列回路６０６を含む列回路部６０５と、出力回路５０７と、制御部６０８と、列毎に設けられた複数の垂直信号線１０５（列信号線）と、水平共通信号線５１２とを備える。

制御部６０８は、電流源回路６０２と、行選択デコーダ５０３と、列選択デコーダ５０４と、列回路部６０５と、出力回路５０７とを制御する。

各垂直信号線１０５は、対応する列に接続された複数の画素部６０１により出力される画素信号のうち行選択デコーダ５０３によって選択された行の画素信号を伝達する。

列回路６０６は、垂直信号線１０５からの画素信号を保持する。
水平共通信号線５１２は、複数の列回路６０６に保持される画素信号のうち、列選択デコーダ５０４によって選択された列の画素信号を伝達する。水平共通信号線５１２に出力された画素信号は、出力回路５０７により増幅され、画像信号として出力される。

一般的に、列回路６０６は、画素フローティングディフュージョン（ＦＤ）のリセット電位のばらつき、及び画素増幅トランジスタの閾値電圧のばらつきにより発生する固定パターンノイズを除去するため、ＦＤをリセットした時の垂直信号線の出力電位と、信号読み出し時の垂直信号線の出力電位との差分を出力信号とする固定パターンノイズ除去回路（ＦＰＮ除去回路）を備える。

図１０は、一般的な固定パターンノイズ除去回路（列回路６０６）の構成を示す図である。同図に示すように、一般的な固定パターンノイズ除去回路（ＦＰＮ除去回路）において、垂直信号線１０５の一端に、容量値がＣ１のクランプ容量１０１と、容量値がＣ２のサンプリング容量１０２とが互いに直列に接続されている。クランプ容量１０１とサンプリング容量１０２との間のノード１０３は、ＦＰＮ除去回路の出力ノードであると共に、クランプトランジスタ１０４を介してクランプ電圧Ｖｃｌａｍｐを供給する基準電源が接続されている。

ＦＰＮ除去回路は、２つのフェーズを有している。まず第１フェーズにおいて、クランプトランジスタ１０４をオン状態にしてノード１０３にクランプ電圧Ｖｃｌａｍｐを印加する。この際に、画素部６０１ではＦＤがリセットされ、垂直信号線１０５の電位ＶＯはＦＤのリセット電位を増幅したリセット電圧Ｖｒｓｔとなる。従って、クランプ容量１０１に保持される電荷Ｑ１は、Ｃ１×（Ｖｒｓｔ−Ｖｃｌａｍｐ）となり、サンプリング容量１０２に保持される電荷Ｑ２はＣ２×Ｖｃｌａｍｐとなる。

次に、第２フェーズにおいて、クランプトランジスタ１０４をオフ状態にする。この際に、画素部６０１ではフォトダイオード（ＰＤ）からＦＤへ信号電荷が転送される。これにより、垂直信号線１０５の電位ＶＯは、ＰＤで生じた信号電荷が転送された状態におけるＦＤの電位を増幅した信号電圧Ｖｓｉｇとなる。よって、ノード１０３の電位をＶｓｈとすると、クランプ容量１０１に保持される電荷Ｑ１’は、Ｃ１×（Ｖｓｉｇ−Ｖｓｈ）となり、サンプリング容量１０２に保持される電荷Ｑ２’は、Ｃ２×Ｖｓｈとなる。ここで、ノード１０３における総電荷量は保存されるため、Ｑ１＋Ｑ２＝Ｑ１’＋Ｑ２’となる。つまり、ノード１０３の電位Ｖｓｈは、Ｖｃｌａｍｐ−Ｃ１（Ｖｒｓｔ−Ｖｓｉｇ）／（Ｃ１＋Ｃ２）となる。

このように、リセット電圧Ｖｒｓｔと信号電圧Ｖｓｉｇとの差に、ＦＰＮ除去回路の電圧利得Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２）を乗じた値をクランプ電圧Ｖｃｌａｍｐから差し引いた値がＦＰＮ除去回路の出力電圧となる。ここで、リセット電圧Ｖｒｓｔの電圧値がばらついたとしても、（Ｖｒｓｔ−Ｖｓｉｇ）の振幅の大きさは変動しない。よって、ＦＰＮ除去回路を用いれば、リセット電圧Ｖｒｓｔのばらつきにより発生する、固定パターンノイズを除去することができる。

しかしながら、このＦＰＮ除去回路を用いた場合は、太陽光及びスポット光など、高輝度光が入射した画素の出力が黒く沈んでしまう不具合（高輝度黒つぶれ不具合）が発生するという課題がある。

図１１Ａは、従来の固体撮像装置６００における画素部６０１及びＦＰＮ除去回路（列回路６０６）の構成を示す図である。また、図１１Ｂは、従来の固体撮像装置６００における各種制御信号と、ＦＤ、ＶＯ及びＶｓｈの電位変化とを示すタイミングチャートである。

図１１Ａ及び図１１Ｂを用いて、この高輝度光入射時の不具合について説明する。従来の固体撮像装置６００は、行列状に配置された複数の画素部６０１と、列ごとに設けられ、一列の画素部６０１に共通に接続された垂直信号線１０５と、垂直信号線１０５のそれぞれに接続された複数の列回路６０６とを備えている。

また、各列回路６０６は、固定パターンノイズ（ＦＰＮ）除去回路で構成されており、各列回路６０６から水平共通信号線５１２へ順次信号が出力される。

画素部（画素回路）６０１は、行列状に配置されたフォトダイオード（ＰＤ）２０２と、ＰＤ２０２から転送された信号電荷を蓄積するフローティングディフュージョン（ＦＤ）２０４とを有している。

ＰＤ２０２とＦＤ２０４との間には転送トランジスタ２０３が設けられる。また、ＦＤ２０４と画素電源線２０７との間にはリセットトランジスタ２０１が設けられている。また、転送トランジスタ２０３のゲート端子は、転送信号ＴＲＡＮＳが印加される転送信号線２０９に接続され、リセットトランジスタ２０１のゲート端子は、リセット信号ＲＳＣＥＬＬが印加されるリセット信号線２０８に接続されている。

また、ＦＤ２０４は、増幅トランジスタ２０５のゲートと接続されている。また、増幅トランジスタ２０５は、垂直信号線１０５と画素電源線２０７との間に接続される。この増幅トランジスタ２０５は、垂直信号線１０５に接続された負荷トランジスタ２５１と共にソースフォロア回路を形成し、ＰＤ２０２からＦＤ２０４に転送された信号電荷に応じた信号電圧を垂直信号線１０５に出力する。

画素部（画素回路）６０１の駆動方法は、リセット期間と画素信号出力期間とに分けられる。

まず、リセット期間において、リセット信号ＲＳＣＥＬＬをハイレベルにすることによりリセットトランジスタ２０１をオンする。これにより、ＦＤ２０４の電圧を画素電源線２０７の画素電源電圧ＶＤＤＣＥＬＬにリセットする。よって、この画素電源電圧ＶＤＤＣＥＬＬに応じたリセット電圧Ｖｒｓｔが垂直信号線１０５に出力される。また、制御信号線１０８の制御信号ＮＣＣＬをハイレベルにすることによりクランプトランジスタ１０４をオンする。これにより、ノード１０３にクランプ電圧Ｖｃｌａｍｐが印加される。

次に、画素信号出力期間において、制御信号ＮＣＣＬをローレベルにすることによりクランプトランジスタ１０４をオフした後、転送信号ＴＲＡＮＳをハイレベルにすることにより転送トランジスタ２０３をオンする。これにより、ＰＤ２０２に蓄積された信号電荷がＦＤ２０４に転送される。よって、この信号電荷に応じた信号電圧Ｖｓｉｇが垂直信号線１０５に出力される。また、ノード１０３にクランプ電圧Ｖｃｌａｍｐを基準として、リセット電圧Ｖｒｓｔと信号電圧Ｖｓｉｇとの差分にＦＰＮ除去回路の電圧利得Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２）を乗じた差分信号が保持される。

最後に、水平共通信号線５１２へ当該差分信号を出力するまでの間は、制御信号線１０７の制御信号ＮＣＳＨをローレベルにすることによりサンプルホールドトランジスタ１０６をオフする。これにより、上記差分信号が保持される。

ここで、高輝度光が入射した画素部６０１では、ＰＤ２０２で生成されたのち蓄積される信号電荷が飽和する。この飽和状態において更にＰＤ２０２に光が入射すると、過剰な信号電荷が生成される。この過剰な信号電荷がＰＤ２０２から転送トランジスタ２０３を超えてＦＤ２０４にオーバフローしてしまう。そのため、ＦＰＮ除去動作における画素部６０１のＦＤ２０４を所定の電位にリセットした時、又はリセットした直後からＦＤ２０４の電位は、低下する。これにより、その低下したＦＤ２０４の電位が増幅された電位（通常のリセット電圧Ｖｒｓｔより低い電位）が垂直信号線１０５に出力される。

その後、ＰＤ２０２からＦＤ２０４へ信号電荷の読み出しを行うが、ＦＤの電位は、あるレベルまでしか低下しないため、（Ｖｒｓｔ−Ｖｓｉｇ）の振幅が低下してしまう。これにより、ＰＤ２０２が飽和しているにも関わらずＦＰＮ除去回路のノード１０３の信号レベルＶｓｈは、通常の飽和時の信号レベルよりも低い値となってしまう。その結果、高輝度光が入射した画素部６０１の出力が黒く沈んでしまう不具合（高輝度黒つぶれ）が発生する。以上が、高輝度光入射時の不具合である。

これに対して、特許文献１には、高輝度光入射時の黒つぶれの発生を抑制する技術が開示されている。

特開２００８−１９９２５４号公報

しかしながら、特許文献１に開示された従来技術の固体撮像装置は、画素電源電圧を変動させる構成が前提となっている。つまり、特許文献１記載の従来技術は、この画素電源電圧を変動させる構成を有さない固体撮像装置、例えば、各画素に画素選択トランジスタを備える固体撮像装置には適用できないという課題がある。

上記課題に鑑み、本発明は、画素電源電圧を変動させる構成を有さない固体撮像装置において、高輝度黒つぶれの発生を抑制できる固体撮像装置及びその駆動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、行列状に配置され、リセット信号と、入射光の光量に応じた画素信号とを出力する複数の画素と、列ごとに１つ配置され、対応する列に配置された複数の画素により前記リセット信号又は画素信号が出力される複数の垂直信号線と、前記複数の垂直信号線に、第１電流と、前記第１電流と異なる電流値の第２電流とを選択的に供給する電流源回路と、前記画素にリセット信号を出力させ、かつ、前記電流源回路に前記第１電流を供給させることにより、前記垂直信号線の電圧をリセット電圧にし、前記画素に前記画素信号を出力させ、かつ、前記電流源回路に前記第１電流を供給させることにより、前記垂直信号線の電圧を信号電圧にし、前記電流源回路に前記第２電流を供給させることにより、前記垂直信号線の電位を基準電圧にする制御部と、列ごとに１つ設けられ、対応する列の垂直信号線に接続された複数の列回路とを備え、前記各列回路は、前記リセット電圧と前記信号電圧との差分に相当する差分信号を生成し、生成した差分信号を保持するノイズ除去回路と、前記信号電圧が前記基準電圧より小さいか否かを判定する判定回路と、前記判定回路により前記信号電圧が前記基準電圧より小さいと判定された場合、前記ノイズ除去回路に保持される前記差分信号を、予め定められたクリップ電圧に置き換えるクリップ回路とを備える。

この構成によれば、本発明に係る固体撮像装置は、信号電圧と基準電圧との比較を行うことにより、高輝度黒つぶれの発生の有無を判定し、高輝度黒つぶれが発生している場合は、ノイズ除去回路が保持する差分信号を、画素が飽和している場合に当該差分信号として出力されるべき電圧値に相当するクリップ電圧に置き換える。これにより、本発明に係る固体撮像装置は、高輝度黒つぶれの発生を抑制できる。

さらに、本発明に係る固体撮像装置は、垂直信号線に供給する電流値を変更することにより、基準電圧を生成する。よって、本発明に係る固体撮像装置は、画素電源電圧を変動させる構成を有する必要がない。このように、本発明は、画素電源電圧を変動させる構成を有さない固体撮像装置において、高輝度黒つぶれの発生を抑制できる固体撮像装置を実現できる。

また、前記各画素は、入射光を信号電荷に変換し、変換した信号電荷を蓄積するフォトダイオードと、フローティングディフュージョンと、前記フォトダイオードと前記フローティングディフュージョンとの間に接続された転送トランジスタと、前記フローティングディフュージョンにゲート端子が接続され、第１電源線と前記垂直信号線との間に接続された増幅トランジスタと、前記フローティングディフュージョンと前記第１電源線との間に接続されたリセットトランジスタと、前記第１電源線と前記垂直信号線との間に、前記増幅トランジスタと直列に接続された画素選択トランジスタとを備えてもよい。

また、前記電流源回路は、前記垂直信号線ごとに１つ設けられ、対応する垂直信号線と第２電源線との間に接続される複数の負荷トランジスタと、前記負荷トランジスタのゲート端子に、異なる電圧を供給することにより、前記各負荷トランジスタが前記対応する垂直信号線に前記第１電流を供給するか、前記第２電流を供給するかを切り換える切り替え部とを備えてもよい。

また、前記電流源回路は、前記垂直信号線ごとに１つ設けられ、対応する垂直信号線と第２電源線との間に接続される複数の第１負荷トランジスタと、前記垂直信号線ごとに１組設けられ、対応する垂直信号線と前記第２電源線との間に直列に接続される第２負荷トランジスタ及びスイッチトランジスタとを備え、前記第１負荷トランジスタと前記第２負荷トランジスタのゲート端子には、同一の電圧値が印加され、前記制御部は、前記スイッチトランジスタのオン及びオフを切り替えることにより、前記電流源回路が前記垂直信号線に前記第１電流を供給するか、前記第２電流を供給するかを切り換えてもよい。

また、前記制御部は、前記電流源回路に前記第２電流を供給させ、かつ、前記画素に前記リセット信号を出力せることにより、前記垂直信号線の電位を前記基準電圧にしてもよい。

また、前記クリップ電圧は、前記画素が飽和している場合に前記差分信号として出力されるべき電圧値に相当してもよい。

また、前記リセット信号は、前記リセットトランジスタがオンされた状態において前記画素により出力される信号であり、前記画素信号は、前記フォトダイオードに蓄積された信号電荷が、前記転送トランジスタを介して前記フローティングディフュージョンに転送された状態において前記画素により出力される信号であってもよい。

また、前記判定回路は、前記垂直信号線の電圧を反転増幅する反転増幅回路を含み、当該反転増幅回路を用いて前記信号電圧が前記基準電圧より小さいか否かを判定し、前記ノイズ除去回路は、前記反転増幅回路により反転増幅された前記リセット電圧と、前記反転増幅回路により反転増幅された前記信号電圧との差分に相当する前記差分信号を生成してもよい。

この構成によれば、本発明に係る固体撮像装置は、反転増幅回路により垂直信号線の信号を増幅することにより、高いＳ／Ｎ比を実現できる。さらに、本発明に係る固体撮像装置は、この反転増幅回路を判定回路の一部として使用することにより、高いＳ／Ｎ比を実現しつつ、回路規模を縮小できる。

また、前記基準電圧の電圧値は、前記信号電圧が正常な動作時に取り得る最小の電圧値以下であってもよい。

また、前記各画素は、光を信号電荷に変換し、変換した信号電荷を蓄積するフォトダイオードと、フローティングディフュージョンと、前記フォトダイオードと前記フローティングディフュージョンとの間に接続された転送トランジスタと、前記フローティングディフュージョンにゲート端子が接続され、第１電源線と前記垂直信号線との間に接続された増幅トランジスタと、前記フローティングディフュージョンと前記第１電源線との間に接続されたリセットトランジスタとを備え、前記固体撮像装置は、さらに、前記第１電源線に供給する電圧を第１電源電圧と第２電源電圧とで切り替える変調回路を備えてもよい。

また、本発明に係るカメラは、前記固体撮像装置を備える。
この構成によれば、本発明に係るカメラは、高輝度の光が入射した場合には、画素が飽和している場合の電圧に相当するクリップ電圧を出力することができる。これにより、本発明に係るカメラは、高輝度黒つぶれの発生を抑制できる。さらに、本発明に係るカメラは、画素電源電圧を変動させる構成を有する必要がないので、当該カメラのサイズを縮小できる。

また、本発明に係る固体撮像装置の駆動方法は、行列状に配置され、リセット信号と、入射光の光量に応じた画素信号とを出力する複数の画素と、列ごとに１つ配置され、対応する列に配置された複数の画素により前記リセット信号又は画素信号が出力される複数の垂直信号線とを備える固体撮像装置の駆動方法であって、前記画素に前記リセット信号を出力させ、かつ、前記垂直信号線に第１電流を供給することにより、当該垂直信号線にリセット電圧を出力するリセット電圧出力ステップと、前記画素に前記画素信号を出力させ、かつ、前記垂直信号線に前記第１電流を供給することにより、当該垂直信号線に信号電圧を出力する信号電圧出力ステップと、前記リセット電圧と前記信号電圧との差分に相当する差分信号を生成し、生成した差分信号を保持するノイズ除去ステップと、前記垂直信号線に前記第１電流と異なる電流値の第２電流を供給することにより、前記垂直信号線に基準電圧を出力する基準電圧出力ステップと、前記信号電圧が前記基準電圧より小さいか否かを判定する判定ステップと、前記判定ステップで前記信号電圧が前記基準電圧より小さいと判定された場合、前記ノイズ除去ステップで保持した前記差分信号を、前記画素が飽和している場合に当該差分信号として出力されるべき電圧値に相当するクリップ電圧に置き換える置き換えステップとを含む。

これによれば、本発明に係る固体撮像装置の駆動方法は、信号電圧と基準電圧との比較を行うことにより、高輝度黒つぶれの発生の有無を判定し、高輝度黒つぶれが発生している場合は、差分信号を、画素が飽和している場合に当該差分信号として出力されるべき電圧値に相当するクリップ電圧に置き換える。これにより、本発明に係る固体撮像装置の駆動方法は、高輝度黒つぶれの発生を抑制できる。

さらに、本発明に係る固体撮像装置の駆動方法は、垂直信号線に供給する電流値を変更することにより、基準電圧を生成する。よって、固体撮像装置は、画素電源電圧を変動させる構成を有する必要がない。このように、本発明は、画素電源電圧を変動させる構成を有さない固体撮像装置において、高輝度黒つぶれの発生を抑制できる固体撮像装置の駆動方法を実現できる。

なお、本発明は、このような固体撮像装置として実現できるだけでなく、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、制御方法、又は黒つぶれ判定方法として実現したり、そのような特徴的なステップの一部又は全てをコンピュータに実行させるプログラムとして実現したりすることもできる。そして、そのようなプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体及びインターネット等の伝送媒体を介して流通させることができるのは言うまでもない。

さらに、本発明は、このような固体撮像装置の機能の一部又は全てを実現する半導体集積回路（ＬＳＩ）として実現したり、このような固体撮像装置を備える撮像装置（カメラ）として実現したり、このような撮像装置を含むカメラシステムとして実現したりできる。

以上より、本発明は、画素電源電圧を変動させる構成を有さない固体撮像装置において、高輝度黒つぶれの発生を抑制できる固体撮像装置及びその駆動方法を提供できる。

本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の画素部、列回路部及び電流源回路の構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置のタイミングチャートである。 本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の画素部、列回路部及び電流源回路の構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置のタイミングチャートである。 本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置の画素部、列回路部及び電流源回路の構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置のタイミングチャートである。 本発明の実施の形態４に係る固体撮像装置の画素部、列回路部及び電流源回路の構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態５に係る固体撮像装置の画素部、列回路部及び電流源回路の構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態６に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。 本発明の比較例に係る固体撮像装置の画素部、列回路部及び電流源回路の構成を示す回路図である。 本発明の比較例に係る固体撮像装置のタイミングチャートである。 従来の固体撮像装置の構成を示すブロック図である。 従来の固定パターンノイズ除去回路の構成を示す図である。 従来の固体撮像装置の画素部、列回路部及び電流源回路の構成を示す回路図である。 従来の固体撮像装置のタイミングチャートである。

以下、本発明に係る固体撮像装置の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置５００は、信号電圧と基準電圧との比較を行うことにより、高輝度黒つぶれの発生の有無を判定する。また、固体撮像装置５００は、高輝度黒つぶれが発生している場合は、画素部５０１が飽和している場合の出力電圧に相当するクリップ電圧Ｖｃｌｉｐを出力する。これにより、固体撮像装置５００は、高輝度黒つぶれの発生を抑制できる。

さらに、固体撮像装置５００は、垂直信号線１０５に供給する電流値を変更することにより、上記基準電圧を生成する。これにより、固体撮像装置５００は、画素電源電圧ＶＤＤＣＥＬＬを変動させる構成を有さない固体撮像装置において、高輝度黒つぶれの発生を抑制できる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置５００の構成を示すブロック図である。なお、図９と同様の要素には同一の符号を付している。

図１に示す固体撮像装置５００は、撮像領域５１０と、電流源回路５０２と、行選択デコーダ５０３と、列選択デコーダ５０４と、列回路部５０５と、出力回路５０７と、制御部５０８と、複数の垂直信号線１０５（列信号線）と、水平共通信号線５１２とを備える。

撮像領域５１０は、行列状に配置された複数の画素部５０１（画素）を備える。
各画素部５０１は、リセット信号と、入射光の光量に応じた画素信号とを出力する。

行選択デコーダ５０３は、行ごとに複数の画素部５０１を選択する。
各垂直信号線１０５は、列ごとに設けられ、一列の画素部５０１に共通に接続される。また、各垂直信号線１０５には、対応する列の画素部５０１により、リセット信号又は画素信号が出力される。

電流源回路５０２は、複数の垂直信号線１０５に、第１電流と、当該第１電流と異なる電流値の第２電流とを選択的に供給する。この第２電流は、第１電流より電流値が大きい。

列回路部５０５は、列ごとに１つ設けられた複数の列回路５０６を備える。各列回路５０６は、対応する列の垂直信号線１０５に接続される。複数の列回路５０６は、水平共通信号線５１２へ順次信号を出力する。

列選択デコーダ５０４は、列回路５０６から水平共通信号線５１２への信号の出力を制御する。

出力回路５０７は、水平共通信号線５１２に出力された信号を増幅することにより画像信号を生成し、生成した画像信号を出力端子に出力する。

制御部５０８は、電流源回路５０２と、行選択デコーダ５０３と、列選択デコーダ５０４と、列回路部５０５と、出力回路５０７とを制御する。

具体的には、制御部５０８は、画素部５０１にリセット信号を出力させ、かつ、電流源回路５０２に第１電流を供給させることにより、垂直信号線１０５の電圧をリセット電圧Ｖｒｓｔにする。また、制御部５０８は、画素部５０１に画素信号を出力させ、かつ、電流源回路５０２に第１電流を供給させることにより、垂直信号線１０５の電圧を信号電圧Ｖｓｉｇにする。また、制御部５０８は、電流源回路５０２に第２電流を供給させ、かつ、画素部５０１にリセット信号を出力せることにより、垂直信号線１０５の電位を基準電圧Ｖｒｅｆにする。

ここで、リセット電圧Ｖｒｓｔの電圧値は、信号電圧Ｖｓｉｇが正常な動作時に取り得る最大の電圧値である。また、基準電圧Ｖｒｅｆの電圧値は、信号電圧Ｖｓｉｇが正常な動作時に取り得る最小の電圧値以下である。

次に、画素部５０１、電流源回路５０２及び列回路５０６の詳細な構成を説明する。
図２Ａは、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置５００の画素部５０１、電流源回路５０２及び列回路５０６の回路図である。

図２Ａに示すように、画素部５０１（画素回路）は、リセットトランジスタ２０１と、フォトダイオード（ＰＤ）２０２と、転送トランジスタ２０３と、フローティングディフュージョン（ＦＤ）２０４と、増幅トランジスタ２０５と、画素選択トランジスタ２０６とを備える。

リセットトランジスタ２０１は、ＦＤ２０４と画素電源線２０７（第１電源線）との間に接続されている。このリセットトランジスタ２０１のゲート端子は、リセット信号ＲＳＣＥＬＬが印加されるリセット信号線２０８に接続されている。画素電源線２０７には、画素電源電圧ＶＤＤＣＥＬＬが印加される。

ＰＤ２０２は、入射光を信号電荷に光電変換し、光電変換した信号電荷を蓄積する。
転送トランジスタ２０３は、ＰＤ２０２とＦＤ２０４との間に接続されている。この転送トランジスタ２０３のゲート端子は、転送信号ＴＲＡＮＳが印加される転送信号線２０９に接続されている。

ＦＤ２０４は、ＰＤ２０２から転送された信号電荷を蓄積する。このＦＤ２０４は、増幅トランジスタ２０５のゲート端子に接続されている。

増幅トランジスタ２０５は、垂直信号線１０５と画素電源線２０７との間に接続され、フローティングディフュージョン２０４の電圧を読み出すために用いられる。

画素選択トランジスタ２０６は、垂直信号線１０５と画素電源線２０７との間に、増幅トランジスタ２０５と直列に接続され、ＦＤ２０４の電圧を行選択して出力するために用いられる。この画素選択トランジスタ２０６のゲート端子は、選択信号ＳＥＬＥＣＴが印加される選択信号線２１０に接続されている。

以上の構成により、画素部５０１は、画素選択トランジスタ２０６が選択された時（オン状態の時）、ＦＤ２０４の電位に応じた信号を垂直信号線１０５に出力する。具体的には、画素部５０１は、リセットトランジスタ２０１がオンされた状態においてリセット信号を垂直信号線１０５に出力する。つまり、画素部５０１は、ＦＤ２０４の電位が画素電源電圧ＶＤＤＣＥＬＬの場合に、リセット信号を出力する。また、画素部５０１は、ＰＤ２０２に蓄積された信号電荷が、転送トランジスタ２０３を介してＦＤ２０４に転送された状態において画素信号を垂直信号線１０５に出力する。

また、増幅トランジスタ２０５は、垂直信号線１０５に接続された負荷トランジスタ２５１と共にソースフォロア回路を形成する。つまり、画素部５０１が出力するリセット信号及び画素信号は、ＦＤ２０４の電位に応じた電圧信号である。

列回路５０６は、ＦＰＮ（固定パターンノイズ）除去回路１００と、黒つぶれ判定回路３０１と、クリップ回路３０２とを備える。

ＦＰＮ除去回路１００は、本発明のノイズ除去回路に相当し、リセット電圧Ｖｒｓｔと信号電圧Ｖｓｉｇとの差分に相当する差分信号を生成し、生成した差分信号を保持する。

このＦＰＮ除去回路１００は、クランプ容量１０１と、サンプリング容量１０２と、クランプトランジスタ１０４と、サンプルホールドトランジスタ１０６とを備える。

クランプ容量１０１は、一端が垂直信号線１０５に接続されており、他端がサンプルホールドトランジスタ１０６の一端に接続されている。また、クランプ容量１０１の容量値はＣ１であるとする。

サンプリング容量１０２は、一端がサンプルホールドトランジスタ１０６の他端（ノード１０３）に接続されており、他端が接地されている。

つまり、クランプ容量１０１とサンプルホールドトランジスタ１０６とは、垂直信号線１０５とから接地に至る経路上に、直列に配置されている。

クランプトランジスタ１０４は、一端がノード１０３に接続されており、多端が一定のクランプ電圧Ｖｃｌａｍｐを供給する基準電源に接続されている。このクランプトランジスタ１０４のゲート端子は、制御信号ＮＣＣＬが印加される制御信号線１０８に接続されている。

サンプルホールドトランジスタ１０６のゲート端子は、制御信号ＮＣＳＨが印加される制御信号線１０７に接続されている。

黒つぶれ判定回路３０１は、垂直信号線１０５に接続されている。この黒つぶれ判定回路３０１は、本発明の判定回路に相当し、信号電圧Ｖｓｉｇと基準電圧Ｖｒｅｆとを比較し、信号電圧Ｖｓｉｇが基準電圧Ｖｒｅｆより小さいか否かを判定することにより、高輝度黒つぶれが発生しているか否かを判定する。具体的には、黒つぶれ判定回路３０１は、信号電圧Ｖｓｉｇが基準電圧Ｖｒｅｆ以下の場合、高輝度黒つぶれが発生していると判定し、信号電圧Ｖｓｉｇが基準電圧Ｖｒｅｆより大きい場合、高輝度黒つぶれが発生していないと判定する。

また、黒つぶれ判定回路３０１は、判定結果を示す判定結果信号３１８をクリップ回路３０２に出力する。

この黒つぶれ判定回路３０１は、クランプ容量３１０と、コンパレータ３１１と、リセットトランジスタ３１２とを含む。

クランプ容量３１０は、一端が垂直信号線１０５に接続されており、他端がコンパレータ３１１の入力端子に接続されている。

リセットトランジスタ３１２は、コンパレータ３１１の入力端子と出力端子との間に接続されている。このリセットトランジスタ３１２のゲート端子は、クランプ信号ＣＭＰＣＬが印加されるクランプ信号線３１６に接続されている。

クリップ回路３０２は、黒つぶれ判定回路３０１により出力される判定結果信号３１８に応じてサンプリング容量１０２にクリップ電圧Ｖｃｌｉｐを出力する。具体的には、クリップ回路３０２は、黒つぶれ判定回路３０１により高輝度黒つぶれが発生していると判定された場合、ＦＰＮ除去回路１００が保持する差分信号（ノード１０３の電位Ｖｓｈ）をクリップ電圧Ｖｃｌｉｐに置き換える。

このクリップ回路３０２は、オフトランジスタ３１３と、判定トランジスタ３１４と、クリップトランジスタ３１５とを備える。

オフトランジスタ３１３は、一端が電源電圧が印加されている電源電圧線に接続されており、他端がクリップトランジスタのゲート端子に接続されている。このオフトランジスタ３１３のゲート端子は、判定信号ＪＵＤＧＥが印加される判定信号線３１７に接続されている。

判定トランジスタ３１４は、一端がコンパレータ３１１の出力端子に接続されており、他端がクリップトランジスタのゲート端子に接続されている。この判定トランジスタ３１４のゲート端子は、判定信号線３１７に接続されている。

クリップトランジスタ３１５の一端には、一定電圧であるクリップ電圧Ｖｃｌｉｐが印加され、他端にはノード１０３が接続されている。ここで、クリップ電圧Ｖｃｌｉｐは、画素部５０１（ＰＤ２０２）が飽和しており、かつ正常に読み出しが行われた場合（高輝度黒つぶれ不具合が発生していない場合）にノード１０３の電位Ｖｓｈとして出力されるべき電圧値に相当する。

また、黒つぶれ判定回路３０１及びクリップ回路３０２は、垂直信号線１０５ごとに設けられている。

電流源回路５０２は、列ごとに設けられた負荷トランジスタ２５１と、切り替え部５１１とを備えている。

負荷トランジスタ２５１は、対応する垂直信号線１０５と接地電位が印加されている接地電位線（第２電源線）との間に接続されている。この負荷トランジスタ２５１は、画素選択トランジスタ２０６を介して増幅トランジスタ２０５と共にソースフォロア回路を構成する。

切り替え部５１１は、負荷トランジスタ２５１のゲート端子に、異なる電圧を供給することにより、負荷トランジスタ２５１が、対応する垂直信号線１０５に第１電流を供給するか、第２電流を供給するかを切り換える。具体的には、切り替え部５１１は、負荷トランジスタ２５１のゲート電位を電位ＶＬＧ電位と電位ＶＬＧ＋ΔＶＬＧとに切り替える。

この切り替え部５１１は、スイッチトランジスタ２５２及びスイッチトランジスタ２５４と、切り替えを制御するための切り替え用インバータ２５３とを備えている。

極性を切り替え用インバータ２５３は、入力端子が、切り替え信号ＳＷが印加される切り替え信号線２５５に接続されており、出力端子がスイッチトランジスタ２５２のゲート端子に接続されている。

スイッチトランジスタ２５２の一端には電位ＶＬＧが供給されており、他端は負荷トランジスタ２５１のゲート端子に接続されている。

スイッチトランジスタ２５４の一端には電位ＶＬＧ＋ΔＶＬＧが供給されており、他端は負荷トランジスタ２５１のゲート端子に接続されている。このスイッチトランジスタ２５２のゲート端子には、切り替え信号線２５５が接続されている。

以上の構成により、切り替え信号ＳＷに応じて、スイッチトランジスタ２５２とスイッチトランジスタ２５４とのうち一方のみがオンする。よって、負荷トランジスタ２５１のゲート電位は、電位ＶＬＧと電位ＶＬＧ＋ΔＶＬＧとで切り替えられる。これにより、負荷トランジスタ２５１のドレイン電流値を切り替えることができる。

また、制御部５０８は、クランプ信号ＣＭＰＣＬを生成することにより黒つぶれ判定回路３０１を制御し、判定信号ＪＵＤＧＥを生成することによりクリップ回路３０２を制御し、制御信号ＮＣＳＨ及びＮＣＣＬを生成することによりＦＰＮ除去回路１００を制御する。また、制御部５０８は、行選択デコーダ５０３を介して、切り替え信号ＳＷを生成することにより電流源回路５０２を制御し、行選択デコーダ５０３を介して、リセット信号ＲＳＣＥＬＬ、転送信号ＴＲＡＮＳ及び選択信号ＳＥＬＥＣＴを生成することにより画素部５０１を制御する。

また、リセット信号ＲＳＣＥＬＬは、画素部５０１のＦＤ２０４を画素電源電圧ＶＤＤＣＥＬＬにリセットするための信号である。転送信号ＴＲＡＮＳは、画素部５０１のＰＤ２０２からＦＤ２０４に信号電荷を転送するための信号である。選択信号ＳＥＬＥＣＴは、画素部５０１を選択し、選択した画素部５０１から増幅トランジスタ２０５を介して信号電圧を垂直信号線１０５へ出力するための信号である。切り替え信号ＳＷは、負荷トランジスタ２５１のドレイン電流を可変するための信号である。制御信号ＮＣＳＨは、画素部５０１からの出力信号をＦＰＮ除去回路１００のサンプリング容量１０２に保持するための信号である。制御信号ＮＣＣＬは、ＦＰＮ除去回路１００のサンプリング容量１０２をクランプ電圧Ｖｃｌａｍｐにリセットするための信号である。クランプ信号ＣＭＰＣＬは、黒つぶれ判定回路３０１をリセットするための信号である。判定信号ＪＵＤＧＥは、高輝度光による黒つぶれ不具合が発生しているか否かの判定を行わせるための信号である。

なお、これらの信号は、複数の列回路５０６、複数の負荷トランジスタ２５１、同一行に配置された複数の画素部５０１で共通に用いられる。言い換えると、これらの信号を供給するための配線である制御信号線１０７、制御信号線１０８、画素電源線２０７、リセット信号線２０８、転送信号線２０９、選択信号線２１０、切り替え信号線２５５、クランプ信号線３１６及び判定信号線３１７は、複数の列回路５０６、複数の負荷トランジスタ２５１、同一行に配置された複数の画素部５０１で共通に接続されている。

なお、図２Ａでは、クランプトランジスタ１０４、サンプルホールドトランジスタ１０６、リセットトランジスタ２０１、転送トランジスタ２０３、増幅トランジスタ２０５、画素選択トランジスタ２０６、負荷トランジスタ２５１、スイッチトランジスタ２５２、スイッチトランジスタ２５４、リセットトランジスタ３１２及び判定トランジスタ３１４がｎチャネル型ＭＯＳトランジスタであり、オフトランジスタ３１３及びクリップトランジスタ３１５がｐチャネル型ＭＯＳトランジスタである例を示しているが、同じ機能を有する構成であればトランジスタの導電型を変更してもよい。

次に、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置５００の駆動方法について説明する。
図２Ｂは、固体撮像装置５００を駆動するための各種信号の電位変化と、ＦＤ２０４と垂直信号線１０５とノード１０３の電位変化とを示すタイミングチャートである。また、ＦＤ２０４と垂直信号線１０５とノード１０３との電位は、それぞれＦＤ、ＶＯ、Ｖｓｈで示されている。

図２Ｂに示すように、まず、期間ｔ０〜ｔ１において、制御部５０８は、リセット信号ＲＳＣＥＬＬをハイレベルにすることにより画素部５０１内のリセットトランジスタ２０１をオン状態にする。これにより、ＦＤ２０４の電位が画素電源電圧ＶＤＤＣＥＬＬにリセットされる。また、期間ｔ０〜ｔ２において、制御部５０８は、制御信号ＮＣＣＬをハイレベルにすることによりＦＰＮ除去回路１００内のクランプトランジスタ１０４をオン状態にする。これにより、時刻ｔ２時点で、垂直信号線１０５を介して読み出されたＦＤ２０４の電圧がＦＰＮ除去回路１００のクランプ電圧Ｖｃｌａｍｐに置き換られる。

その後、時刻ｔ３の時点で、制御部５０８は、転送信号ＴＲＡＮＳをハイレベルにすることにより、画素部５０１内の転送トランジスタ２０３をオン状態にする。これにより、ＰＤ２０２に蓄積された信号電荷がＦＤ２０４に転送される。

次に、時刻ｔ４の時点で、制御部５０８は、制御信号ＮＣＳＨをローレベルにすることによりＦＰＮ除去回路１００内のサンプルホールドトランジスタ１０６をオフ状態にする。これにより、ＦＰＮ除去回路１００内のノード１０３に、クランプ電圧ＶｃｌａｍｐからＰＤ２０２の信号電荷分の電圧振幅Ｖｐｄを引いた電圧（差分信号）が保持される。つまり、ノード１０３の電位Ｖｓｈは、Ｖｃｌａｍｐ−Ｖｐｄ×Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２）となる。ここで、Ｖｐｄ＝Ｖｒｓｔ−Ｖｓｉｇである。

このように、画素部５０１から出力された電圧信号をＦＰＮ除去回路１００内のサンプリング容量１０２にサンプリングした後、期間ｔ５〜ｔ６において、制御部５０８は、クランプ信号ＣＭＰＣＬをハイレベルにすることにより垂直信号線１０５に接続されている黒つぶれ判定回路３０１のスイッチであるリセットトランジスタ３１２をオン状態にする。これにより、時刻ｔ６の時点での垂直信号線１０５の電圧が黒つぶれ判定回路３０１の比較電圧に設定される。

次に、時刻ｔ７の時点で、制御部５０８は、リセット信号ＲＳＣＥＬＬをハイレベルにすることにより再度画素部５０１内のリセットトランジスタ２０１をオン状態にする。これにより、ＦＤ２０４の電位を画素電源電圧ＶＤＤＣＥＬＬにリセットする。

また、時刻ｔ７より前では、切り替え信号ＳＷはローレベルであるので、スイッチトランジスタ２５２がオンし、かつ、スイッチトランジスタ２５４がオフしている。よって、負荷トランジスタ２５１のゲート電位は、電位ＶＬＧとなっている。これにより、電流源回路５０２は、垂直信号線１０５に第１電流を供給している。

一方、時刻ｔ７において、制御部５０８は、切り替え信号ＳＷをハイレベルにすることで、スイッチトランジスタ２５２がオフし、かつ、スイッチトランジスタ２５４がオンする。これにより、負荷トランジスタ２５１のゲート電位が電位ＶＬＧ＋ΔＶＬＧに変更される。よって、負荷トランジスタ２５１のドレイン電流が増加する。つまり、電流源回路５０２は、垂直信号線１０５に第２電流を供給する。これにより、垂直信号線１０５の電位が基準電圧Ｖｒｅｆまで下がる。

その後、時刻ｔ９の時点において判定信号ＪＵＤＧＥをハイレベルにすることにより、時刻ｔ６時点での垂直信号線１０５の電圧である比較電圧と、時刻ｔ９時点での垂直信号線１０５の電圧である基準電圧Ｖｒｅｆとの比較動作を行う。

このとき、図２Ｂに示すように、正常画素（高輝度黒つぶれが発生していない画素）では、時刻ｔ６の時点の比較電圧（信号電圧Ｖｓｉｇ）は、時刻ｔ９の時点の基準電圧Ｖｒｅｆより高くなる。よって、黒つぶれ判定回路３０１はハイレベルの判定結果信号３１８を出力する。これにより、クリップトランジスタ３１５はオフ状態となるので、時刻ｔ９時点でのノード１０３の電位Ｖｓｈ（差分信号）は、Ｖｃｌａｍｐ−Ｖｐｄ×Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２）となる。

一方、高輝度黒つぶれが発生している画素では、時刻ｔ６の時点の比較電圧（信号電圧Ｖｅｒｒ）は、時刻ｔ９の時点の基準電圧Ｖｒｅｆより同じ又は低くなる。よって、黒つぶれ判定回路３０１はローレベルの判定結果信号３１８を出力する。これにより、クリップトランジスタ３１５がオン状態となるので、時刻ｔ９の時点でのノード１０３の電位Ｖｓｈ（差分信号）はクリップ電圧Ｖｃｌｉｐとなる。

ここで、負荷トランジスタ２５１のドレイン電流を増加させるための電位ΔＶＬＧは、下記式（１）〜式（３）を用いることにより、ΔＶｆｄから最適化できる。ここで電位ΔＶｆｄは、変調させたいＦＤ２０４の電位を示す。

ΔＶＬＧ＝Ｇｓｆ×ΔＶｆｄ／ｓｑｒｔ（ｂ／ａ）・・・（１）
ａ＝（１／２）×（Ｗ１／Ｌ１）×μｅｆｆ１×Ｃｏｘ１・・・（２）
ｂ＝（１／２）×（Ｗ２／Ｌ２）×μｅｆｆ２×Ｃｏｘ２・・・（３）

なお、上記式（１）〜式（３）において、Ｇｓｆは、増幅トランジスタ２０５と負荷トランジスタ２５１とにより構成される画素ソースフォロア回路のゲインであり、Ｗ１、Ｌ１、μｅｆｆ１及びＣｏｘ１は、それぞれ増幅トランジスタ２０５のチャネル幅、チャネル長、移動度及び酸化膜容量であり、Ｗ２、Ｌ２、μｅｆｆ２及びＣｏｘ２は、負荷トランジスタ２５１のチャネル幅、チャネル長、移動度及び酸化膜容量である。例えば、μｅｆｆ１＝μｅｆｆ２であり、Ｃｏｘ１＝Ｃｏｘ２である。

以上のように、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置５００は、各画素部５０１の信号電圧Ｖｓｉｇと、ＦＤ２０４の電位を画素電源電圧ＶＤＤＣＥＬＬにリセットした時の垂直信号線１０５の電圧であるリセット電圧Ｖｒｓｔとの差分を用いることにより、各画素部５０１のトランジスタの特性ばらつきの影響を低減できる。これにより、固体撮像装置５００は、トランジスタの特性ばらつきに対してマージンを設定する必要がなくなる。

さらに、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置５００は、第１電流を供給するとともに画素部５０１から信号を読み出した時の垂直信号線１０５の比較電圧と、第２電流を供給するとともにＦＤ２０４をリセット電圧（画素電源電圧ＶＤＤＣＥＬＬ）にした時の垂直信号線１０５の基準電圧Ｖｒｅｆとの比較を行うことにより、高輝度黒つぶれの発生の有無を判定できる。

さらに、固体撮像装置５００は、高輝度黒つぶれが発生している場合は、サンプリング容量１０２にＰＤ２０２が飽和している場合の電圧に相当するクリップ電圧Ｖｃｌｉｐを出力する。これにより、固体撮像装置５００は、高輝度黒つぶれの発生時に、ノード１０３の信号レベルＶｓｈが、通常の飽和時の信号レベルよりも低い値となってしまう不具合の発生を抑えることができる。

さらに、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置５００は、負荷トランジスタ２５１の電流を増加させて垂直信号線１０５の電圧を下げることによって、垂直信号線１０５に基準電圧Ｖｒｅｆを生成する。よって、固体撮像装置５００は、画素電源電圧ＶＤＤＣＥＬＬを変動させる構成を有さない固体撮像装置において、高輝度黒つぶれの発生を抑制できる。

さらに、固体撮像装置５００は、列毎に設けられた黒つぶれ判定回路３０１を備える。これにより、周波数特性の改善を図ることができるので、時間応答性を向上できる。よって、固体撮像装置５００は、迅速な処理により黒つぶれを抑制できる。

（実施の形態２）
上記実施の形態１では各画素部５０１が画素選択トランジスタ２０６を備える固体撮像装置５００について説明した。本発明の実施の形態２では、各画素部５０１が画素選択トランジスタ２０６を備えない場合について説明する。

図３Ａは、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置５００Ａにおける画素部５０１Ａ、電流源回路５０２及び列回路５０６の詳細を示した回路図である。なお、実施の形態２に係る固体撮像装置５００Ａは、図２Ａに示す実施の形態１に係る固体撮像装置５００に対して、画素部５０１Ａの構成が異なる。なお、図１に示す基本構成など、画素部５０１Ａ以外の部分については、実施の形態１と同様であるので、以下では画素部５０１Ａの特徴を主に説明する。

また、固体撮像装置５００Ａは、固体撮像装置５００の構成に加えて、さらに、非選択電位を設定するための変調回路５０９を備える点が異なっている。

変調回路５０９は、画素部５０１ＡのＦＤ２０４の電位を制御するため、画素電源線２０７に供給する画素電源電圧ＶＤＤＣＥＬＬを選択電位（ハイ電位）と非選択電位（ロー電位）とで切り替える機能を有する。この変調回路５０９は、選択する行の画素電源線２０７に選択電位を供給し、それ以外の行（選択しない行）の画素電源線２０７に非選択電位を供給する。言い換えると、変調回路５０９は、リセット期間、画素信号出力期間及び比較期間に画素電源電圧ＶＤＤＣＥＬＬを選択電位にし、比較期間の後に画素電源電圧ＶＤＤＣＥＬＬを非選択電位にする。

画素電源線２０７に選択電位が供給されている場合、増幅トランジスタ２０５のドレイン端子及びゲート端子（ＦＤ２０４）に電圧が供給されるので、画素部５０１Ａは、画素信号又はリセット信号を垂直信号線１０５に出力する。一方、画素電源線２０７に非選択電位が供給されている場合、増幅トランジスタ２０５のゲート端子（ＦＤ２０４）がロー電位になるので、画素部５０１は、垂直信号線１０５への信号出力を行わない。

図３Ｂは、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置５００Ａのタイミングチャートである。

また、図３Ｂに示すタイミングチャートでは、画素電源線２０７の画素電源電圧ＶＤＤＣＥＬＬを変調させることを追加した点が異なっている。また、時刻ｔ０〜時刻ｔ１０までは図２Ｂに示すタイミングチャートと同じであり説明を省略して、異なる点を中心に説明する。

まず、時刻ｔ０〜時刻ｔ１０まで、変調回路５０９は、画素電源線２０７に選択電位を供給する。また、前述のように、固体撮像装置５００Ａは、高輝度黒つぶれを判定した時刻ｔ１０の時点の前後の期間ｔ７〜ｔ１１にリセットトランジスタ２０１をオン状態にするとともに、時刻ｔ１１の時点で画素電源電圧ＶＤＤＣＥＬＬを非選択電位にする。これにより、ＦＤ２０４の電圧がロー電位になる。よって、画素部５０１Ａの信号出力が遮断される。

以上より、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置５００Ａは、上述した実施の形態１に係る固体撮像装置５００と同様に、高輝度黒つぶれの発生を抑制できる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３では、上述した実施の形態１に係る固体撮像装置５００の変形例である固体撮像装置５００Ｂについて説明する。

図４Ａは、本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置５００Ｂにおける画素部５０１、電流源回路５０２及び列回路５０６Ａの詳細を示した回路図である。なお、実施の形態３に係る固体撮像装置５００Ｂは、図２Ａに示す実施の形態１に係る固体撮像装置５００に対して、列回路５０６Ａが、黒つぶれ判定回路３０１の代わりにカラムアンプ回路３０３を備える点が異なる。なお、図１に示す基本構成など、列回路５０６Ａ以外の部分については実施の形態１と同様であるので、以下では列回路５０６Ａの特徴を主に説明する。

図４Ａに示すように、列回路５０６Ａは、カラムアンプ回路３０３を備える。このカラムアンプ回路３０３は、垂直信号線１０５に接続され、画素部５０１から出力された信号を増幅することにより、出力信号のＳ／Ｎ比を向上させる。さらに、カラムアンプ回路３０３は、実施の形態１の黒つぶれ判定回路３０１と同様の機能を有し、本発明の判定回路に相当する。

このカラムアンプ回路３０３は、カラムアンプ用クランプ容量３２３と、反転増幅回路３２０と、リセットトランジスタ３１２と、フィードバック容量３２１と、スイッチトランジスタ３２２とを備える。

カラムアンプ用クランプ容量３２３は、一端が垂直信号線１０５に接続される。
反転増幅回路３２０は、垂直信号線１０５の電位ＶＯを増幅率Ａで反転増幅する。反転増幅回路３２０は、入力端子がカラムアンプ用クランプ容量３２３の他端に接続され、出力端子がクランプ容量１０１の一端に接続されている。

リセットトランジスタ３１２は、反転増幅回路３２０の入力端子と出力端子との間に接続されている。このリセットトランジスタ３１２のゲート端子は、クランプ信号ＣＭＰＣＬが印加されるクランプ信号線３１６に接続されている。

スイッチトランジスタ３２２及びフィードバック容量３２１は、反転増幅回路３２０の入力端子と出力端子との間に接続され、互いに直列に接続される。また、スイッチトランジスタ３２２のゲート端子は、制御信号ＮＣＳＨが印加される制御信号線１０７に接続されている。

以上の構成により、カラムアンプ回路３０３は、反転増幅回路３２０を用いて信号電圧Ｖｓｉｇが基準電圧Ｖｒｅｆより小さいか否かを判定する。

また、カラムアンプ回路３０３の出力端子は、クランプ容量１０１の一端に接続されている。よって、ＦＰＮ除去回路１００は、反転増幅回路３２０により反転増幅されたリセット電圧Ｖｒｓｔと、反転増幅回路３２０により反転増幅された信号電圧Ｖｓｉｇとの差分に相当する差分信号を生成する。

また、カラムアンプ回路３０３の出力端子は、クリップ回路３０２に接続されている。なお、クリップ回路３０２の構成は、実施の形態１と同じである。

また、カラムアンプ用クランプ容量３２３とクランプ容量１０１とサンプルホールドトランジスタ１０６とは、垂直信号線１０５から接地に至る経路上で直列に配置されている。

以下、実施の形態３に係る固体撮像装置５００Ｂの駆動方法について説明する。
図４Ｂは、固体撮像装置５００Ｂを駆動するための各種信号の電位変化、ＦＤ２０４の電位（ＦＤ）及び垂直信号線１０５の電位（ＶＯ）とノード１０３の電位（Ｖｓｈ）変化を示すタイミングチャートである。

図４Ｂに示すように、まず、期間ｔ０〜ｔ１においては、実施の形態１と同様に、制御部５０８は、リセット信号ＲＳＣＥＬＬをハイレベルにすることにより画素部５０１内のリセットトランジスタ２０１をオン状態にする。これにより、ＦＤ２０４の電位が画素電源電圧ＶＤＤＣＥＬＬにリセットされる。また、期間ｔ０〜ｔ２において、制御部５０８は、制御信号ＣＭＰＣＬをハイレベルにすることによりカラムアンプ回路３０３内のリセットトランジスタ３１２をオン状態にし、制御信号ＮＣＣＬをハイレベルにすることによりＦＰＮ除去回路１００内のクランプトランジスタ１０４をオン状態にする。これにより、時刻ｔ２時点で、カラムアンプ回路３０３が閉ループ構成になることにより当該カラムアンプ回路３０３がリセットされ、垂直信号線１０５を介して読み出されたＦＤ２０４の電圧がＦＰＮ除去回路１００のクランプ電圧Ｖｃｌａｍｐに置き換えられる。

次に、時刻ｔ３の時点で、制御部５０８は、転送信号ＴＲＡＮＳをハイレベルにすることにより、画素部５０１内の転送トランジスタ２０３をオン状態にする。これにより、ＰＤ２０２に蓄積された電荷がＦＤ２０４に転送される。次に、時刻ｔ４の時点で、制御部５０８は、制御信号ＮＣＳＨをローレベルにすることによりＦＰＮ除去回路１００内のサンプルホールドトランジスタ１０６をオフ状態にする。これにより、ＦＰＮ除去回路１００内のノード１０３に、クランプ電圧Ｖｃｌａｍｐに、ＰＤ２０２の信号電荷分の電圧振幅Ｖｐｄをカラムアンプ回路３０３の増幅率であるＡ倍で増幅した信号Ａ×Ｖｐｄを足した電圧が保持される。つまり、ノード１０３の電位Ｖｓｈ（差分信号）は、Ｖｃｌａｍｐ＋Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２）×Ａ×Ｖｐｄとなる。

また、時刻ｔ４の時点で画素部５０１から出力された信号をＦＰＮ除去回路１００内のサンプリング容量１０２にサンプリングするとともに、制御信号ＮＣＣＬがローレベルになることにより、スイッチトランジスタ３２２がオフ状態となる。これにより、閉ループで構成されていたカラムアンプ回路３０３が開ループ構成になる。よって、カラムアンプ回路３０３は、高ゲインの比較回路として機能する。

その後、期間ｔ５〜ｔ６において、制御部５０８は、カラムアンプ回路３０３（比較回路）をリセットすることで、時刻ｔ６の時点での垂直信号線１０５の電圧を比較回路の比較電圧にしている。

次に、時刻ｔ７（図４Ｂの例では時刻ｔ７〜ｔ１０時刻）の期間に、制御部５０８は、リセット信号ＲＳＣＥＬＬをハイレベルにすることによりリセットトランジスタ２０１のゲートをオン状態にする。さらに、制御部５０８は、切り替え信号ＳＷをハイレベルにすることで、スイッチトランジスタ２５２がオフし、かつ、スイッチトランジスタ２５４がオンする。これにより、負荷トランジスタ２５１のゲート電位が電位ＶＬＧから電位ＶＬＧ＋ΔＶＬＧに変更される。よって、負荷トランジスタ２５１のドレイン電流が増加する。これにより、垂直信号線１０５の電位が比較回路の基準電圧Ｖｒｅｆまで下がる。

その後、時刻ｔ９の時点において、制御部５０８は、判定信号ＪＵＤＧＥをハイレベルにすることにより、時刻ｔ６時点での垂直信号線１０５の電圧である比較電圧と、時刻ｔ９時点での垂直信号線１０５の電圧である基準電圧Ｖｒｅｆとの比較動作を行う。

この時、正常画素（高輝度黒つぶれが発生していない画素）では、時刻ｔ６の時点の比較電圧（信号電圧Ｖｓｉｇ）は、時刻ｔ９の時点の基準電圧Ｖｒｅｆより垂直信号線１０５の電圧が高くなる。よって、カラムアンプ回路３０３はハイレベルの判定結果信号３１８を出力する。これにより、クリップトランジスタ３１５はオフ状態となるので、時刻ｔ９でのノード１０３の電位Ｖｓｈ（差分信号）は（Ｖｃｌａｍｐ＋Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２）×Ａ×Ｖｐｄ）となる。

これに対し、高輝度黒つぶれが発生している画素では、時刻ｔ６の時点の比較電圧（信号電圧Ｖｅｒｒ）は、時刻ｔ９の時点の基準電圧Ｖｒｅｆより等しい又は低くなる。よって、カラムアンプ回路３０３はローレベルの判定結果信号３１８を出力する。これにより、クリップトランジスタ３１５がオン状態となるので、ノード１０３の電位Ｖｓｈはクリップ電圧Ｖｃｌｉｐとなる。

なお、図４Ｂでは、黒つぶれ判定回路としてカラムアンプ回路３０３を用いる例を示しているが、同様の機能を有する回路であればカラムアンプ回路以外の回路を用いてもよい。

以上のように、本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置５００Ｂは、各画素部５０１の信号電圧Ｖｓｉｇと、ＦＤ２０４の電位を画素電源電圧ＶＤＤＣＥＬＬにリセットした時の垂直信号線１０５の電圧であるリセット電圧Ｖｒｓｔとの差分を用いることにより、各画素部５０１のトランジスタの特性ばらつきの影響を低減できる。これにより、固体撮像装置５００Ｂは、トランジスタの特性ばらつきに対してマージンを設定する必要がなくなる。

さらに、本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置５００Ｂは、第１電流を供給するとともに画素部５０１から信号を読み出した時の垂直信号線１０５の比較電圧と、第２電流を供給するとともにＦＤ２０４をリセット電圧（画素電源電圧ＶＤＤＣＥＬＬ）にした時の垂直信号線１０５の基準電圧Ｖｒｅｆとの比較を行うことにより、高輝度黒つぶれの発生の有無を判定できる。

さらに、固体撮像装置５００Ｂは、高輝度黒つぶれが発生している場合は、サンプリング容量１０２にＰＤ２０２が飽和している場合の電圧に相当するクリップ電圧Ｖｃｌｉｐを出力する。これにより、固体撮像装置５００Ｂは、高輝度黒つぶれの発生時に、ノード１０３の信号レベルＶｓｈが、通常の飽和時の信号レベルよりも低い値となってしまう不具合の発生を抑えることができる。

さらに、本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置５００Ｂは、負荷トランジスタ２５１の電流を増加させて垂直信号線１０５の電圧を下げることによって、垂直信号線１０５に基準電圧Ｖｒｅｆを生成する。よって、固体撮像装置５００は、画素電源電圧ＶＤＤＣＥＬＬを変動させる構成を有さない固体撮像装置において、高輝度黒つぶれの発生を抑制できる。

さらに、固体撮像装置５００Ｂは、列毎に設けられたカラムアンプ回路３０３を備える。これにより、周波数特性の改善を図ることができるので、時間応答性を向上できる。よって、固体撮像装置５００Ｂは、迅速な処理により黒つぶれを抑制できる。

また、高いＳ／Ｎ比を実現するなどの目的でカラムアンプ回路３０３を搭載する場合があるが、固体撮像装置５００Ｂでは、カラムアンプ回路３０３を黒つぶれ判定回路（比較回路）として使用できるため、高いＳ／Ｎ比を実現しつつ、回路規模を縮小することが可能になる。

なお、ここでは、上述した実施の形態１に係る固体撮像装置５００に対して、列回路５０６Ａの構成を変更した例を述べたが、上述した実施の形態２に係る固体撮像装置５００Ａに対して同様の変更を適用してもよい。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４では、画素部５０１の変形例について説明する。

図５は、本発明の実施の形態４に係る固体撮像装置５００Ｃにおける画素部５０１Ｂ及び電流源回路５０２の回路図である。なお、実施の形態４に係る固体撮像装置５００Ｃは、図２Ａに示す実施の形態１に係る固体撮像装置５００に対して、画素部５０１Ｂの構成が異なる。なお、図１に示す基本構成など、画素部５０１Ｂ以外の部分については実施の形態１と同様であるので、以下では画素部５０１Ｂの特徴を主に説明する。

図５に示すように、画素部５０１Ｂは、リセットトランジスタ２０１と、ＰＤ２０２Ａ及びＰＤ２０２Ｂと、転送トランジスタ２０３Ａ及び２０３Ｂと、ＦＤ２０４と、増幅トランジスタ２０５と、画素選択トランジスタ２０６とを備える。

本発明の実施の形態４に係る固体撮像装置５００Ｃは、複数のフォトダイオード（ＰＤ２０２ＡとＰＤ２０２Ｂ）と、転送トランジスタ（転送トランジスタ２０３Ａと２０３Ｂ）とを共有する、所謂「多画素１セル」構造を有する。

具体的には、ＰＤ２０２Ａ及びＰＤ２０２Ｂは、入射した光を信号電荷に光電変換し、光電変換した信号電荷を蓄積する。

転送トランジスタ２０３Ａは、ＰＤ２０２ＡとＦＤ２０４との間に接続されている。この転送トランジスタ２０３Ａのゲート端子は、転送信号ＴＲＡＮＳ１が印加される転送信号線２０９Ａに接続されている。

転送トランジスタ２０３Ｂは、ＰＤ２０２ＢとＦＤ２０４との間に接続されている。この転送トランジスタ２０３Ｂのゲート端子は、転送信号ＴＲＡＮＳ２が印加される転送信号線２０９Ｂに接続されている。

転送信号ＴＲＡＮＳ１は、ＰＤ２０２ＡからＦＤ２０４に信号電荷を転送するための信号であり、転送信号ＴＲＡＮＳ２は、ＰＤ２０２ＢからＦＤ２０４に信号電荷を転送するための信号である。

このように、複数のフォトダイオード（ＰＤ２０２ＡとＰＤ２０２Ｂ）と転送トランジスタ（転送トランジスタ２０３と２０８）とを共有する場合でも、上述した実施の形態１に係る固体撮像装置５００と同様の効果を得ることができる。

なお、ここでは、上述した実施の形態１に係る固体撮像装置５００に対して、多画素１セル構造を適用した例を述べたが、上述した実施の形態２に係る固体撮像装置５００Ａ、実施の形態３に係る固体撮像装置５００Ｂ、又はそれらの変形例に対して同様の変更を適用してもよい。

また、ここでは、２画素１セル構造を例に説明したが、１セルに含まれるフォトダイオードの数は、３以上であってもよい。

（実施の形態５）
本発明の実施の形態５では、電流源回路５０２の変形例について説明する。

図６は、本発明の実施の形態５に係る固体撮像装置５００Ｄにおける画素部５０１及び電流源回路５０２Ａの回路図である。なお、実施の形態５に係る固体撮像装置５００Ｄは、図２Ａに示す実施の形態１に係る固体撮像装置５００に対して、電流源回路５０２Ａの構成が異なる。なお、図１に示す基本構成など、電流源回路５０２Ａ以外の部分については、実施の形態１と同様であるので、以下では電流源回路５０２Ａの特徴を主に説明する。

また、固体撮像装置５００Ｄでは、図６に示す電流源回路５０２Ａの回路構成が列ごとに設けられている。

図６に示すように、電流源回路５０２Ａは、負荷トランジスタ２５１と、電流可変トランジスタ２７１と、電流可変負荷トランジスタ２６１とを備えている。

上述した実施の形態１に係る電流源回路５０２は、負荷トランジスタ２５１のゲート電位を変更することにより、垂直信号線１０５に供給する電流値を変更していた。一方、図６に示すように、電流源回路５０２Ａは、負荷トランジスタ２５１と電流可変負荷トランジスタ２６１とを並列接続することによる電流加算を用いて、垂直信号線１０５に供給する電流値を変更する。

具体的には、負荷トランジスタ２５１は、対応する列の垂直信号線１０５と接地電位線との間に接続されている。この負荷トランジスタ２５１は、画素選択トランジスタ２０６を介して増幅トランジスタ２０５と共にソースフォロア回路を構成する。また、負荷トランジスタ２５１のゲート端子には、電位ＶＬＧが印加される。

電流可変負荷トランジスタ２６１と電流可変トランジスタ２７１とは直列に接続されている。また、直列に接続された電流可変負荷トランジスタ２６１と電流可変トランジスタ２７１との組が、対応する列の垂直信号線１０５と接地電位線との間に接続されている。つまり、当該組は、負荷トランジスタ２５１と並列に接続されている。

また、電流可変負荷トランジスタ２６１のゲート端子には、負荷トランジスタ２５１のゲート端子に印加される電位と同じ電位ＶＬＧが印加されている。また、電流可変負荷トランジスタ２６１の駆動能力（チャネル幅Ｗ／チャネル長Ｌ）は、負荷トランジスタ２５１の駆動能力のＭ倍である。例えば、電流可変負荷トランジスタ２６１は、並列にＭ個接続された負荷トランジスタ２５１と同じサイズ（駆動能力）のトランジスタを含む。

また、電流可変トランジスタ２７１のゲート端子は、切り替え信号ＳＷが印加される切り替え信号線２５５に接続されている。

また、制御部５０８は、この電流可変トランジスタ２７１のオン及びオフを切り替えることにより、電流源回路５０２Ａが垂直信号線１０５に第１電流を供給するか、第２電流を供給するかを切り換える。

以下に、実施の形態５に係る固体撮像装置５００Ｄの駆動方法について説明する。
なお、固体撮像装置５００Ｄのタイミングチャートは、例えば、図２Ｂと同様である。

図２Ｂに示すように、まず、期間ｔ０〜ｔ１においては、実施の形態１と同様に、制御部５０８は、画素部５０１内のリセットトランジスタ２０１をオン状態にすることで、ＦＤ２０４の電位を画素電源電圧ＶＤＤＣＥＬＬにリセットする。次に、時刻ｔ３の時点で、制御部５０８は、画素部５０１内の転送トランジスタ２０３をオン状態にすることにより、ＰＤ２０２に蓄積した電荷をＦＤ２０４に転送する。

その後、期間ｔ５〜ｔ６において、制御部５０８は、黒つぶれ判定回路３０１をリセットすることで、時刻ｔ６の時点での垂直信号線１０５の電圧を黒つぶれ判定回路３０１の比較電圧に設定する。

次に、制御部５０８は、期間ｔ７〜ｔ１０においてリセットトランジスタ２０１をオン状態にする。

また、時刻ｔ７より前では、切り替え信号ＳＷはローレベルであるので、電流可変トランジスタ２７１がオフしている。よって、負荷トランジスタ２５１のみが、垂直信号線１０５に電流を供給する。

一方、時刻ｔ７において、切り替え信号ＳＷをハイレベルにすることにより、電流可変トランジスタ２７１をオン状態にする。これにより、負荷トランジスタ２５１と電流可変負荷トランジスタ２６１とにより、垂直信号線１０５に電流が供給される。よって、垂直信号線１０５に流れる電流が増加する。これにより、垂直信号線１０５の電位ＶＯが、基準電圧Ｖｒｅｆまで低下する。

その後、時刻ｔ９の時点において、制御部５０８は、判定信号ＪＵＤＧＥをハイレベルにすることにより、時刻ｔ６時点での垂直信号線１０５の電圧である比較電圧と、時刻ｔ９時点での垂直信号線１０５の電圧である基準電圧Ｖｒｅｆとの比較動作を行う。

この時、正常画素（高輝度黒つぶれが発生していない画素）では、時刻ｔ６の時点の比較電圧（信号電圧Ｖｓｉｇ）は、時刻ｔ９の時点の基準電圧Ｖｒｅｆより垂直信号線１０５の電圧が高くなる。よって、カラムアンプ回路３０３はハイレベルの判定結果信号３１８を出力する。これにより、クリップトランジスタ３１５はオフ状態となるので、時刻ｔ９でのノード１０３の電位Ｖｓｈ（差分信号）は（Ｖｃｌａｍｐ＋Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２）×Ａ×Ｖｐｄ）となる。

これに対し、高輝度黒つぶれが発生している画素では、時刻ｔ６の時点の比較電圧（信号電圧Ｖｅｒｒ）は、時刻ｔ９の時点の基準電圧Ｖｒｅｆより等しい又は低くなる。よって、カラムアンプ回路３０３はローレベルの判定結果信号３１８を出力する。これにより、クリップトランジスタ３１５がオン状態となるので、ノード１０３の電位Ｖｓｈはクリップ電圧Ｖｃｌｉｐとなる。

以上のように、本発明の実施の形態５に係る固体撮像装置５００Ｄは、各画素部５０１の信号電圧Ｖｓｉｇと、ＦＤ２０４の電位を画素電源電圧ＶＤＤＣＥＬＬにリセットした時の垂直信号線１０５の電圧であるリセット電圧Ｖｒｓｔとの差分を用いることにより、各画素部５０１のトランジスタの特性ばらつきの影響を低減できる。これにより、固体撮像装置５００Ｄは、トランジスタの特性ばらつきに対してマージンを設定する必要がなくなる。

さらに、本発明の実施の形態５に係る固体撮像装置５００Ｄは、第１電流を供給するとともに画素部５０１から信号を読み出した時の垂直信号線１０５の比較電圧と、第２電流を供給するとともにＦＤ２０４をリセット電圧（画素電源電圧ＶＤＤＣＥＬＬ）にした時の垂直信号線１０５の基準電圧Ｖｒｅｆとの比較を行うことにより、高輝度黒つぶれの発生の有無を判定できる。

さらに、固体撮像装置５００Ｄは、高輝度黒つぶれが発生している場合は、サンプリング容量１０２にＰＤ２０２が飽和している場合の電圧に相当するクリップ電圧Ｖｃｌｉｐを出力する。これにより、固体撮像装置５００Ｄは、高輝度黒つぶれの発生時に、ノード１０３の信号レベルＶｓｈが、通常の飽和時の信号レベルよりも低い値となってしまう不具合の発生を抑えることができる。

さらに、本発明の実施の形態５に係る固体撮像装置５００Ｄは、電流源回路５０２Ａが供給する電流を増加させて垂直信号線１０５の電圧を下げることによって、垂直信号線１０５に基準電圧Ｖｒｅｆを生成する。よって、固体撮像装置５００Ｄは、画素電源電圧ＶＤＤＣＥＬＬを変動させる構成を有さない固体撮像装置において、高輝度黒つぶれの発生を抑制できる。

さらに、固体撮像装置５００Ｄは、列毎に設けられた黒つぶれ判定回路３０１を備える。これにより、周波数特性の改善を図ることができるので、時間応答性を向上できる。よって、固体撮像装置５００は、迅速な処理により黒つぶれを抑制できる。

なお、ここでは、上述した実施の形態１に係る固体撮像装置５００に対して、電流源回路５０２Ａの構成を変更した例を述べたが、上述した実施の形態２〜４に係る固体撮像装置５００Ａ、５００Ｂ及び５００Ｃ、又はそれらの変形例に対して同様の変更を適用してもよい。

（実施の形態６）
本発明の実施の形態６では、上述した実施の形態１に係る固体撮像装置５００を備える撮像装置９１０（カメラ）について説明する。

図７は、本発明の実施の形態６に係る撮像装置９１０の構成を示すブロック図である。
撮像装置９１０は、デジタルスチルカメラ又はデジタルビデオカメラ等のカメラである。図７に示すように、この撮像装置９１０は、外光を集光する光学部材９９５（レンズ）及び光学系９９６と、上述した本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置５００と、固体撮像装置５００内の回路の動作タイミングを制御するタイミング制御部９９３と、画像信号処理部９９４とを備えている。

なお、固体撮像装置５００、タイミング制御部９９３及び画像信号処理部９９４は、個別に１チップ化されてもよいし、２以上を含むように１チップ化されてもよい。例えば、固体撮像装置５００と画像信号処理部９９４とは、同一半導体チップ上に形成され、タイミング制御部９９３は１つの半導体チップ上に形成される。

固体撮像装置５００は、光学部材９９５を通って入射した光を画像信号に変換して出力する。

画像信号処理部９９４は、固体撮像装置５００から出力された画像信号を処理し、表示装置などの外部機器に処理した信号を出力する。

固体撮像装置５００は、上述したように、入射した光を電圧信号に変換する撮像領域５１０と、撮像領域５１０から出力された信号を処理する列回路部５０５と、撮像領域５１０からの信号を受けて、撮像領域５１０に高輝度光が入射したか否かを判定する黒つぶれ判定回路３０１（列回路部５０５に含まれる）と、列回路部５０５から出力された信号を画像信号として出力する出力回路５０７とを備えている。

また、固体撮像装置５００内の各回路は、実施の形態１に係る固体撮像装置５００内の各回路と同一であり、黒つぶれ判定回路３０１が列回路部５０５の内部に設けられている例を示している。また、図７では、画像信号処理部９９４が固体撮像装置５００と別個に設けられている例を示しているが、固体撮像装置５００内に画像信号処理部９９４が設けられていてもよい。

また、撮像装置９１０は、固体撮像装置５００の代わりに、実施の形態２〜５に係る固体撮像装置５００Ａ、５００Ｂ、５００Ｃ及び５００Ｄ、又はそれらの変形例を備えてもよい。

画像信号処理部９９４は、出力回路５０７からの画像信号を受ける相関二重サンプリング回路（ＣＤＳ）５５１と、ＯＢＣ（Ｏｐｔｉｃｌ Ｂｌａｃｋ Ｃｌａｍｐ）５５２と、ＡＧＣ（Ａｕｔｏ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）５５３と、ＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）５５４と、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）５５５とを備えている。また、画像信号処理部９９４は、タイミング制御部９９３との間で信号の受け渡しを行う。すなわち、タイミング制御部９９３は、固体撮像装置５００及び画像信号処理部９９４との間で信号の受け渡し（移動）を行う。

以上より、本発明の実施の形態６に係る撮像装置９１０は、高輝度の光が撮像領域５１０に入射したことを黒つぶれ判定回路３０１が検出し、画素部５０１が飽和している場合の電圧に相当する電圧を出力することができる。このため、撮像装置９１０は、高輝度黒つぶれの発生を効果的に抑えることができる。

また、撮像装置９１０は、画素電源電圧ＶＤＤＣＥＬＬを変更するための変調回路５０９を備えなくてもよいので、当該撮像装置９１０のサイズを縮小できる。

さらに、撮像装置９１０では、固体撮像装置５００と画像信号処理部９９４とが、共通のタイミング制御部９９３と信号の受け渡しを行うことにより、当該撮像装置９１０のサイズの縮小を図ることができる。

なお、本発明は、上記撮像装置９１０を含むカメラシステムとして実現してもよい。

（比較例）
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態の比較例である固体撮像装置７００について説明する。

図８Ａは、固体撮像装置７００における画素部５０１Ａ、電流源回路６０２及び列回路５０６の回路図である。

図８Ａに示すように、固体撮像装置７００は、画素部５０１Ａと、電流源回路６０２と、列回路５０６と、変調回路５０９とを備えている。なお、電流源回路６０２以外の構成は、図３Ａに示す実施の形態２に係る固体撮像装置５００Ａと同様である。また、電流源回路６０２の構成は、図１１Ａに示す従来の固体撮像装置６００と同様である。

なお、上述した説明と同じ点は説明を省略して、異なる点を中心に説明する。
この固体撮像装置７００では、画素電源電圧ＶＤＤＣＥＬＬを非選択電位に切り替えることで、上述した基準電圧Ｖｒｅｆを生成する。

変調回路５０９は、画素部５０１のＦＤ２０４を制御するため、画素電源電圧ＶＤＤＣＥＬＬを選択電位と非選択電位とに切替える機能を有している。この変調回路５０９は、リセット期間及び画素信号出力期間に画素電源電圧ＶＤＤＣＥＬＬを選択電位にし、比較期間に画素電源電圧ＶＤＤＣＥＬＬを非選択電位にする。

図８Ｂは、固体撮像装置７００のタイミングチャートである。
まず前述のように、時刻ｔ４の時点で画素部５０１Ａから出力されたリセット電圧Ｖｒｓｔと信号電圧Ｖｓｉｇとの差分に相当する差分信号をＦＰＮ除去回路内のサンプリング容量１０２にサンプリングする。

次に、期間ｔ５〜ｔ６において、制御部５０８は、垂直信号線１０５に接続されている黒つぶれ判定回路３０１のリセットトランジスタ３１２をオン状態にすることで、時刻ｔ６の時点でのＦＤ２０４の電圧をコンパレータ３１１の比較電圧に設定する。

次に、固体撮像装置７００は、時刻ｔ７の時点で画素電源電圧ＶＤＤＣＥＬＬを非選択電位にするとともに、リセットトランジスタ２０１をオン状態にすることでＦＤ２０４の電位を非選択電位にする。

その後、時刻ｔ８の時点において、固体撮像装置７００は、時刻ｔ６時点でのＦＤ２０４の比較電圧（すなわち、時刻ｔ６時点での垂直信号線１０５の電圧）と、時刻ｔ８時点でのＦＤ２０４の電圧（すなわち、時刻ｔ８時点での垂直信号線１０５の電圧）との比較動作を行う。

この時、正常画素（高輝度黒つぶれが発生していない画素）では、時刻ｔ６の時点の比較電圧（信号電圧Ｖｓｉｇ）は、時刻ｔ９の時点の基準電圧Ｖｒｅｆより高くなる。よって、黒つぶれ判定回路３０１はハイレベルの判定結果信号３１８を出力する。これにより、クリップトランジスタ３１５はオフ状態となるので、時刻ｔ９時点でのノード１０３の電位Ｖｓｈは、Ｖｃｌａｍｐ−Ｖｐｄ×Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２）となる。

一方、高輝度黒つぶれが発生している画素では、時刻ｔ６の時点の比較電圧（信号電圧Ｖｅｒｒ）は、時刻ｔ９の時点の基準電圧Ｖｒｅｆより同じ又は低くなる。よって、黒つぶれ判定回路３０１はローレベルの判定結果信号３１８を出力する。これにより、クリップトランジスタ３１５がオン状態となるので、時刻ｔ９の時点でのノード１０３の電位Ｖｓｈはクリップ電圧Ｖｃｌｉｐとなる。

このように、固体撮像装置７００は、黒つぶれ判定回路３０１とクリップ回路３０２とを備えることにより、リセット電圧Ｖｒｓｔと信号電圧Ｖｓｉｇとの差分に相当する差分信号をノード１０３に保持した後、画素信号読み出し時のＦＤ２０４の電位に相当する信号電圧Ｖｓｉｇと、非選択電位に相当する基準電圧Ｖｒｅｆとを比較する。これにより、黒つぶれ判定回路３０１は、（画素信号読み出し時のＦＤ２０４の電位≦非選択電位）の時に高輝度黒つぶれが発生していると判断できる。そして、高輝度黒つぶれが発生している場合には、クリップ回路３０２がノード１０３にクリップ電圧Ｖｃｌｉｐを書き込む。これにより、固体撮像装置７００は、高輝度光入射時の黒つぶれの発生を抑制できる。

しかしながら、図８Ａに示す固体撮像装置７００は、画素電源電圧ＶＤＤＣＥＬＬを非選択電位に切り替えることで、基準電圧Ｖｒｅｆを生成している。つまり、固体撮像装置７００は、画素電源電圧ＶＤＤＣＥＬＬを変更する変調回路５０９を備える必要がある。つまり、図２Ａに示すような画素選択トランジスタ２０６を備えた画素構成では、非選択電位が得られないために、この構成を適用することができないという課題を有する。

または、新たに比較用の電位発生回路を設けることで、上記構成を適用できるが、この場合には、回路面積が増加するという問題が生じる。

一方で、上述した本発明の実施の形態１〜５に係る固体撮像装置５００、５００Ａ、５００Ｂ、５００Ｃ及び５００Ｄでは、電流源回路５０２が垂直信号線１０５に供給する電流値を切り替えることにより、基準電圧Ｖｒｅｆを生成しているので、変調回路５０９を備える必要がない。

このように、本発明は、画素電源電圧を変動させる構成を有さない固体撮像装置において、高輝度黒つぶれの発生を抑制できる固体撮像装置及びその駆動方法を実現できる。

また、上記実施の形態１〜６に係る固体撮像装置５００、５００Ａ、５００Ｂ、５００Ｃ、５００Ｄ及び撮像装置９１０に含まれる各処理部は典型的には集積回路であるＬＳＩとして実現される。これらは個別に１チップ化されてもよいし、一部又はすべてを含むように１チップ化されてもよい。

また、集積回路化はＬＳＩに限るものではなく、専用回路又は汎用プロセッサで実現してもよい。ＬＳＩ製造後にプログラムすることが可能なＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、又はＬＳＩ内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサを利用してもよい。

また、上記実施の形態１〜６に係る固体撮像装置５００、５００Ａ、５００Ｂ、５００Ｃ、５００Ｄ及び撮像装置９１０の機能の一部を、ＣＰＵ等のプロセッサがプログラムを実行することにより実現してもよい。

さらに、本発明は上記プログラムであってもよいし、上記プログラムが記録された記録媒体であってもよい。また、上記プログラムは、インターネット等の伝送媒体を介して流通させることができるのは言うまでもない。

また、上記実施の形態１〜６に係る、固体撮像装置５００、５００Ａ、５００Ｂ、５００Ｃ、５００Ｄ及び撮像装置９１０、及びその変形例の機能のうち少なくとも一部を組み合わせてもよい。

また、上記で用いた数字は、すべて本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された数字に制限されない。さらに、ハイ／ローにより表される論理レベル又はオン／オフにより表されるスイッチング状態は、本発明を具体的に説明するために例示するものであり、例示された論理レベル又はスイッチング状態の異なる組み合わせにより、同等な結果を得ることも可能である。また、トランジスタ等のｎ型及びｐ型等は、本発明を具体的に説明するために例示するものであり、これらを反転させることで、同等の結果を得ることも可能である。また、構成要素間の接続関係は、本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明の機能を実現する接続関係はこれに限定されない。

更に、本発明の主旨を逸脱しない限り、本実施の形態に対して当業者が思いつく範囲内の変更を施した各種変形例も本発明に含まれる。

本発明は、固体撮像装置に適用できる。また、本発明は、固体撮像装置を備えるデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ及び携帯電話機器等に適用できる。

１００ ＦＰＮ除去回路
１０１ クランプ容量
１０２ サンプリング容量
１０３ ノード
１０４ クランプトランジスタ
１０５ 垂直信号線
１０６ サンプルホールドトランジスタ
１０７、１０８ 制御信号線
２０１ リセットトランジスタ
２０２、２０２Ａ、２０２Ｂ フォトダイオード（ＰＤ）
２０３、２０３Ａ、２０３Ｂ 転送トランジスタ
２０４ フローティングディフュージョン（ＦＤ）
２０５ 増幅トランジスタ
２０６ 画素選択トランジスタ
２０７ 画素電源線
２０８ リセット信号線
２０９、２０９Ａ、２０９Ｂ 転送信号線
２１０ 選択信号線
２５１ 負荷トランジスタ
２５２ スイッチトランジスタ
２５３ 切り替え用インバータ
２５４ スイッチトランジスタ
２５５ 切り替え信号線
２６１ 電流可変負荷トランジスタ
２７１ 電流可変トランジスタ
３０１ 黒つぶれ判定回路
３０２ クリップ回路
３０３ カラムアンプ回路
３１０ クランプ容量
３１１ コンパレータ
３１２ リセットトランジスタ
３１３ オフトランジスタ
３１４ 判定トランジスタ
３１５ クリップトランジスタ
３１６ クランプ信号線
３１７ 判定信号線
３２０ 反転増幅回路
３２１ フィードバック容量
３２２ スイッチトランジスタ
３２３ カラムアンプ用クランプ容量
５００、５００Ａ、５００Ｂ、５００Ｃ、５００Ｄ、６００、７００ 固体撮像装置
５０１、５０１Ａ、５０１Ｂ、６０１ 画素部
５０２、５０２Ａ、６０２ 電流源回路
５０３ 行選択デコーダ
５０４ 列選択デコーダ
５０５、６０５ 列回路部
５０６、５０６Ａ、６０６ 列回路
５０７ 出力回路
５０８、６０８ 制御部
５０９ 変調回路
５１０、６１０ 撮像領域
５１１ 切り替え部
５１２ 水平共通信号線
５５１ 相関二重サンプリング回路（ＣＤＳ）
５５２ ＯＢＣ（Ｏｐｔｉｃｌ Ｂｌａｃｋ Ｃｌａｍｐ）
５５３ ＡＧＣ（Ａｕｔｏ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）
５５４ ＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）
５５５ ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）
９１０ 撮像装置
９９３ タイミング制御部
９９４ 画像信号処理部
９９５ 光学部材
９９６ 光学系
ＣＭＰＣＬ クランプ信号
ＪＵＤＧＥ 判定信号
ＮＣＣＬ、ＮＣＳＨ 制御信号
ＲＳＣＥＬＬ リセット信号
ＳＥＬＥＣＴ 選択信号
ＳＷ 切り替え信号
ＴＲＡＮＳ、ＴＲＡＮＳ１、ＴＲＡＮＳ２ 転送信号
Ｖｃｌａｍｐ クランプ電圧
Ｖｃｌｉｐ クリップ電圧
ＶＤＤＣＥＬＬ 画素電源電圧
Ｖｅｒｒ、Ｖｓｉｇ 信号電圧
ＶＬＧ、ＶＯ、Ｖｓｈ 電位
Ｖｒｓｔ リセット電圧

Claims (12)

1. 行列状に配置され、リセット信号と、入射光の光量に応じた画素信号とを出力する複数の画素と、
   列ごとに１つ配置され、対応する列に配置された複数の画素により前記リセット信号又は画素信号が出力される複数の垂直信号線と、
   前記複数の垂直信号線に、第１電流と、前記第１電流と異なる電流値の第２電流とを選択的に供給する電流源回路と、
   前記画素にリセット信号を出力させ、かつ、前記電流源回路に前記第１電流を供給させることにより、前記垂直信号線の電圧をリセット電圧にし、前記画素に前記画素信号を出力させ、かつ、前記電流源回路に前記第１電流を供給させることにより、前記垂直信号線の電圧を信号電圧にし、前記電流源回路に前記第２電流を供給させることにより、前記垂直信号線の電位を基準電圧にする制御部と、
   列ごとに１つ設けられ、対応する列の垂直信号線に接続された複数の列回路とを備え、
   前記各列回路は、
   前記リセット電圧と前記信号電圧との差分に相当する差分信号を生成し、生成した差分信号を保持するノイズ除去回路と、
   前記信号電圧が前記基準電圧より小さいか否かを判定する判定回路と、
   前記判定回路により前記信号電圧が前記基準電圧より小さいと判定された場合、前記ノイズ除去回路に保持される前記差分信号を、予め定められたクリップ電圧に置き換えるクリップ回路とを備える
   固体撮像装置。
2. 前記各画素は、
   入射光を信号電荷に変換し、変換した信号電荷を蓄積するフォトダイオードと、
   フローティングディフュージョンと、
   前記フォトダイオードと前記フローティングディフュージョンとの間に接続された転送トランジスタと、
   前記フローティングディフュージョンにゲート端子が接続され、第１電源線と前記垂直信号線との間に接続された増幅トランジスタと、
   前記フローティングディフュージョンと前記第１電源線との間に接続されたリセットトランジスタと、
   前記第１電源線と前記垂直信号線との間に、前記増幅トランジスタと直列に接続された画素選択トランジスタとを備える
   請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記電流源回路は、
   前記垂直信号線ごとに１つ設けられ、対応する垂直信号線と第２電源線との間に接続される複数の負荷トランジスタと、
   前記負荷トランジスタのゲート端子に、異なる電圧を供給することにより、前記各負荷トランジスタが前記対応する垂直信号線に前記第１電流を供給するか、前記第２電流を供給するかを切り換える切り替え部とを備える
   請求項１又は２記載の固体撮像装置。
4. 前記電流源回路は、
   前記垂直信号線ごとに１つ設けられ、対応する垂直信号線と第２電源線との間に接続される複数の第１負荷トランジスタと、
   前記垂直信号線ごとに１組設けられ、対応する垂直信号線と前記第２電源線との間に直列に接続される第２負荷トランジスタ及びスイッチトランジスタとを備え、
   前記第１負荷トランジスタと前記第２負荷トランジスタのゲート端子には、同一の電圧値が印加され、
   前記制御部は、前記スイッチトランジスタのオン及びオフを切り替えることにより、前記電流源回路が前記垂直信号線に前記第１電流を供給するか、前記第２電流を供給するかを切り換える
   請求項１又は２記載の固体撮像装置。
5. 前記制御部は、前記電流源回路に前記第２電流を供給させ、かつ、前記画素に前記リセット信号を出力せることにより、前記垂直信号線の電位を前記基準電圧にする
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
6. 前記クリップ電圧は、前記画素が飽和している場合に前記差分信号として出力されるべき電圧値に相当する
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
7. 前記リセット信号は、前記リセットトランジスタがオンされた状態において前記画素により出力される信号であり、
   前記画素信号は、前記フォトダイオードに蓄積された信号電荷が、前記転送トランジスタを介して前記フローティングディフュージョンに転送された状態において前記画素により出力される信号である
   請求項２記載の固体撮像装置。
8. 前記判定回路は、前記垂直信号線の電圧を反転増幅する反転増幅回路を含み、当該反転増幅回路を用いて前記信号電圧が前記基準電圧より小さいか否かを判定し、
   前記ノイズ除去回路は、前記反転増幅回路により反転増幅された前記リセット電圧と、前記反転増幅回路により反転増幅された前記信号電圧との差分に相当する前記差分信号を生成する
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
9. 前記基準電圧の電圧値は、前記信号電圧が正常な動作時に取り得る最小の電圧値以下である
   請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
10. 前記各画素は、
    光を信号電荷に変換し、変換した信号電荷を蓄積するフォトダイオードと、
    フローティングディフュージョンと、
    前記フォトダイオードと前記フローティングディフュージョンとの間に接続された転送トランジスタと、
    前記フローティングディフュージョンにゲート端子が接続され、第１電源線と前記垂直信号線との間に接続された増幅トランジスタと、
    前記フローティングディフュージョンと前記第１電源線との間に接続されたリセットトランジスタとを備え、
    前記固体撮像装置は、さらに、
    前記第１電源線に供給する電圧を第１電源電圧と第２電源電圧とで切り替える変調回路を備える
    請求項１記載の固体撮像装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置を備える
    カメラ。
12. 行列状に配置され、リセット信号と、入射光の光量に応じた画素信号とを出力する複数の画素と、
    列ごとに１つ配置され、対応する列に配置された複数の画素により前記リセット信号又は画素信号が出力される複数の垂直信号線とを備える固体撮像装置の駆動方法であって、
    前記画素に前記リセット信号を出力させ、かつ、前記垂直信号線に第１電流を供給することにより、当該垂直信号線にリセット電圧を出力するリセット電圧出力ステップと、
    前記画素に前記画素信号を出力させ、かつ、前記垂直信号線に前記第１電流を供給することにより、当該垂直信号線に信号電圧を出力する信号電圧出力ステップと、
    前記リセット電圧と前記信号電圧との差分に相当する差分信号を生成し、生成した差分信号を保持するノイズ除去ステップと、
    前記垂直信号線に前記第１電流と異なる電流値の第２電流を供給することにより、前記垂直信号線に基準電圧を出力する基準電圧出力ステップと、
    前記信号電圧が前記基準電圧より小さいか否かを判定する判定ステップと、
    前記判定ステップで前記信号電圧が前記基準電圧より小さいと判定された場合、前記ノイズ除去ステップで保持した前記差分信号を、前記画素が飽和している場合に当該差分信号として出力されるべき電圧値に相当するクリップ電圧に置き換える置き換えステップとを含む
    固体撮像装置の駆動方法。

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