JP2014060658A - 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】高照度の状態においても適切なダイナミックレンジの画像を撮像できるようにする。
【解決手段】状態Ｓａ乃至Ｓｆで示されるように、ドレインの電圧を一旦下げて光電変換部５１、および電荷電圧変換部５５に電荷を注入してから、リセットドレイン５７の電位を上げて、リセットドレイン５７から電荷を排出させることで、光電変換部５１および電荷電圧変換部５５を飽和レベルまで蓄積した後、露光を開始する。もしくはさらに、リセットゲート５３に中間電位を印可することにより適正量だけ電荷電圧変換部５５に蓄積させ、転送ゲート５２をオンにして光電変換部５１の飽和電荷量を電荷電圧変換部５５に蓄積させる。この処理の後、露光を開始する。本技術は、固体撮像装置に適用することができる。
【選択図】図８

Description

本技術は、固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、及び電子機器に関し、特に、固体撮像装置の飽和レベルを超える高照度における信号のばらつきを抑制した固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、及び電子機器に関する。

光電変換部（PD：Photo Diode）において入射光量に応じて生成・蓄積した電荷を、MOS（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタを介して読み出す一般的なMOS型イメージセンサでは、その飽和レベルは光電変換部に蓄積可能な電荷量によって制限される。すなわち、光電変換部の飽和レベルを超えるような範囲の光量については正しく検出することができなかった。

したがって、たとえば被写体の暗い部分に絞りやシャッタ速度を合わせた場合には、被写体の明るい部分は、光電変換部が飽和してしまうことから、画像を得ることはできなかった。逆に、被写体の明るい部分に絞りやシャッタ速度を合わせた場合には、被写体の暗い部分は、電荷が十分に蓄積されないことから、画像が得られない、もしくはS/N(シグナル／ノイズ)比が十分に得られず画質の劣化を引き起こしていた。

このような問題に対応するには、シャッタ速度、所謂、光電変換部における露光時間を変え、光電変換部に蓄積される電荷量が飽和しないような短い時間で撮像する画像と、電荷量が短時間では蓄積しない暗さでも電荷を蓄積することができるような充分に長い時間で撮像する画像とを両方撮像して、それぞれの画像を合成することでダイナミックレンジを拡大するといった手法が知られている。

しかしながらこの方法では、フレームメモリが必要なために装置が大型化し、またコスト高となってしまう。そして、感光期間の異なる２つの信号を合成するので、動く被写体への適用が困難である。

また、画素領域の隣接行間で露光時間を変えることにより、メモリを不要にする技術も知られている。しかしながら、この技術では２画素で１つの信号を生成するので解像度が劣化する。

そこで、光電変換部と電荷電圧変換部（FD：Floating Diffusion）に接続された電荷転送部のチャネル電圧と、一方を電荷電圧変換部、他方を所定の電圧に接続された電荷リセット部のチャネル電圧を、いずれも導通状態になる極性へと異ならせるようにする技術が提案されている（特許文献１参照）。

このようにすることにより、光電変換部から電荷電圧変換部、更には電荷電圧変換部から所定の電源へと電荷をオーバーフローさせて、その際の電荷電圧変換部の電圧を第１の光検出電圧とし、電荷リセット部によって電荷電圧変換部の電荷をリセットし、電荷転送部によって光電変換部に蓄積した電荷を転送した後の電荷電圧変換部の電圧を第２の光検出電圧としている。

ここで、第１の光検出電圧は照度の対数に対応した信号となり、第２の光検出電圧は光電変換部で蓄積された雑音の少ない信号となる。このため、必要に応じて両者を用いることによって、低照度の場合には光電変換部で蓄積された雑音の少ない信号を、高照度の場合にはダイナミックレンジの広い、照度の対数に対応した信号を使用することができる。

また、電荷転送部に中間電位を印可することにより光電変換部から電荷電圧変換部へと電荷をオーバーフローさせて、低照度の場合には感度の高いリニアな信号を利用し、高照度である入射光が多い場合にはダイナミックレンジの広い、照度の対数に対応した信号を得るようにする技術も提案されている（特許文献２参照）。尚、以降において、この照度の対数に応じた信号を、照度に応じた信号の対数圧縮とも称するものとする。

特許第３８２７１４５号(特開２００３−１８４７１号)公報 特開２００６−３０３７６８号公報

しかしながら、光電変換部で蓄積できる電荷量にはバラツキがあるため、特許文献１，２のいずれの技術においても、この影響を顕著に受けてしまう恐れがある。すなわち、いずれの場合においても光電変換部が飽和して、蓄積しきれない電荷がオーバーフローしはじめてから信号の対数圧縮が開始されることになるが、光電変換部の飽和レベルが画素ごとにばらつくと、画素ごとに対数圧縮が始まる光量が変わってしまう。一般的に、光電変換部の飽和レベルはバラツキが大きいため、いずれの方式も原理的に実用には供さない恐れがあった。

本技術はこのような状況に鑑みてなされたものであり、特に、高照度において、光電変換部や電荷電圧変換部に蓄積される電荷量が飽和レベルを超えるようなとき、光電変換部や電荷電圧変換部の飽和レベルのばらつきを抑制するものである。

本技術の第１の側面の固体撮像装置は、入射光を電荷に光電変換して蓄積する光電変換部と、前記光電変換部により光電変換された電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部と、前記電荷電圧変換部に電荷を転送する電荷転送部と、前記電荷電圧変換部の電荷をリセットする電荷リセット部と、前記電荷リセット部のドレインの電位を可変として、前記光電変換部および前記電荷電圧変換部に、前記電荷を飽和レベルまで蓄積させた後、前記光電変換部を露光させるように駆動する駆動部とを含む。

前記駆動部は、前記電荷リセット部のドレインの電位を制御して、前記光電変換部および前記電荷電圧変換部に、前記電荷を飽和レベルまで蓄積させてから、前記電荷リセット部に中間電位を印可して、前記電荷電圧変換部に所定の電荷を蓄積させ、さらに、前記電荷リセット部を非導通状態にしてから、前記光電変換部に蓄積された前記電荷を前記電位電荷電圧変換部に転送させた後、前記光電変換部を露光させるように駆動する。

前記電荷転送部、および前記電荷リセット部は、オーバーフローパスを形成するように構成される。

前記オーバーフローパスは、前記電荷転送部、および前記電荷リセット部をデプレッション型トランジスタで構成することにより形成される。

前記電荷転送部、および前記電荷リセット部に形成されるオーバーフローパスの両方、またはそのいずれかは、シリコン基板中に形成される。

前記光電変換部に接続され、前記光電変換部に蓄積された電荷を排出する電荷排出部をさらに具備することができる。

本技術の第１の側面の固体撮像装置の駆動方法は、入射光を光電変換して電荷を蓄積する光電変換部と、前記光電変換部により光電変換された電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部と、前記電荷電圧変換部に電荷を転送する電荷転送部と、前記電荷電圧変換部の電荷をリセットする電荷リセット部と、前記電荷リセット部のドレインの電位を制御して、前記光電変換部および前記電荷電圧変換部に、前記電荷を飽和レベルまで蓄積させた後、前記光電変換部を露光させるように駆動する駆動部とを含む固体撮像装置の駆動方法であって、前記駆動部が、前記電荷リセット部のドレインの電位を可変として、前記光電変換部および前記電荷電圧変換部に、前記電荷を飽和レベルまで蓄積させた後、前記光電変換部を露光させるように駆動する。

本技術の第２の側面の電子機器は、入射光を光電変換して電荷を蓄積する光電変換部と、前記光電変換部により光電変換された電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部と、前記電荷電圧変換部に電荷を転送する電荷転送部と、前記電荷電圧変換部の電荷をリセットする電荷リセット部と、前記電荷リセット部のドレインの電位を可変として、前記光電変換部および前記電荷電圧変換部に、前記電荷を飽和レベルまで蓄積させた後、前記光電変換部を露光させるように駆動する駆動部とを含む。

本技術の第１および第２の側面においては、光電変換部により、入射光が光電変換されて電荷蓄積され、電荷電圧変換部により、前記光電変換部により光電変換された電荷が電圧に変換され、電荷転送部により、前記電荷電圧変換部に電荷が転送され、電荷リセット部により、前記電荷電圧変換部の電荷がリセットされ、駆動部により、前記電荷リセット部のドレインの電位が制御されて、前記光電変換部および前記電荷電圧変換部に、前記電荷が飽和レベルまで蓄積された後、前記光電変換部が露光されるように駆動される。

本技術の固体撮像装置および電子機器は、独立した装置または機器であっても良いし、撮像処理を行うブロックであっても良い。

本技術の第１および第２の側面によれば、固体撮像装置の飽和レベルを超える高照度における画素単位の信号のばらつきを抑制し、適切なダイナミックレンジを設定して撮像することが可能となる。

本技術を適用した個体撮像装置の一実施の形態の構成例を示すブロック図である。 図１の画素の構成例を説明する図である。 図２の画素構成例における、高照度時および低照度時で露光期間を時分割にした場合の画素信号読出処理を説明するタイミングチャートである。 図３の画素信号読出処理のタイミングチャートに対応する高照度時のポテンシャルを示す図である。 図３の画素信号読出処理のタイミングチャートに対応する低照度時のポテンシャルを示す図である。 図３の画素信号読出処理のタイミングチャートにおける入力光量に対する低照度用信号出力および高照度用信号出力の特性を示す図である。 図２の画素構成例における、高照度時および低照度時で露光期間を同時にした場合の画素信号読出処理を説明するタイミングチャートである。 図７の画素信号読出処理のタイミングチャートに対応する高照度時のポテンシャルを示す図である。 図７の画素信号読出処理のタイミングチャートに対応する低照度時のポテンシャルを示す図である。 図７の画素信号読出処理のタイミングチャートにおける入力光量に対する低照度用信号出力および高照度用信号出力の特性を示す図である。 図１のその他の画素の構成例を説明する図である。 図１１の画素の構成例における、画素信号読出処理を説明するタイミングチャートである。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施の形態という）について説明する。な
お、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（高照度時および低照度時で露光期間を時分割にした固体撮像装置の例）
２．第２の実施の形態（高照度時および低照度時で露光期間を同時にした固体撮像装置の例）
３．第３の実施の形態（電荷排出部を利用する場合の固体撮像装置の例）

＜１．第１の実施の形態＞
［固体撮像装置の構成例］
まず、本技術を適用した固体撮像装置の構成例について説明する。図１は、本技術を適用した固体撮像装置の一実施の形態の構成例を示す図である。

固体撮像装置１１は、例えばMOS型イメージセンサなどからなり、入射光を光電変換し、画像信号を生成することで画像を撮像する。この際、固体撮像装置１１は、読み出した画素信号に基づいて、高照度用画像、および低照度用画像の２枚の画像を生成し、それぞれに生成された２枚の画像を利用して、最適な画像を生成する。

固体撮像装置１１は、画素アレイ部２１、垂直駆動部２２、カラム処理部２３、水平駆動部２４、システム制御部２５、画素駆動線２６、垂直信号線２７、信号処理部２８、およびデータ格納部２９から構成される。

固体撮像装置１１では、図示せぬ半導体基板（チップ）上に画素アレイ部２１が形成され、さらに半導体基板上に垂直駆動部２２乃至システム制御部２５が集積されている。

画素アレイ部２１は、被写体から入射した光量に応じた電荷を生成して蓄積する光電変換部を有する画素からなり、画素アレイ部２１を構成する画素は、図中、横方向（行方向）および縦方向（列方向）に２次元配置されている。

例えば、画素アレイ部２１では、行方向に配列された画素からなる画素行ごとに、画素駆動線２６が行方向に沿って配線され、列方向に配列された画素からなる画素列ごとに、垂直信号線２７が列方向に沿って配線されている。

垂直駆動部２２は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどからなり、複数の画素駆動線２６を介して各画素に信号等を供給することで、画素アレイ部２１の各画素を全画素同時に、または行単位等で駆動する。より詳細には、垂直駆動部２２は、選択制御部２２ａ、リセット制御部２２ｂ、転送制御部２２ｃ、リセットドレイン制御部２２ｄ、および電荷排出制御部２２ｅを備えている。選択制御部２２ａは、画素選択部に印可される選択信号ＳＥＬを制御する。リセット制御部２２ｂは、電荷リセット部のリセットゲート５３に印可されるリセット信号ＲＳＴを制御する。転送制御部２２ｃは、電荷転送部の転送ゲート５２に印可される転送信号TRGを制御する。リセットドレイン制御部２２ｄは、画素リセット部のリセットドレインの電位を制御する。電荷排出制御部２２ｅは、後述する電荷排出部印可される排出信号ABGを制御する。

カラム処理部２３は、画素アレイ部２１の画素列ごとに垂直信号線２７を介して各画素から信号を読み出して、ノイズ除去処理、相関二重サンプリング処理、A/D（Analog to Digital）変換処理などを行なって画素信号を生成する。より詳細には、カラム処理部２３は、低照度読出部２３ａおよび高照度読出部２３ｂを備えており、それぞれが低照度用の画素信号の読み出し、および、高照度用の画素信号の読み出しを制御する。

水平駆動部２４は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどからなり、カラム処理部２３の画素列に対応する単位回路を順番に選択する。この水平駆動部２４による選択走査により、カラム処理部２３において単位回路ごとに信号処理された画素信号が順番に信号処理部２８に出力される。

システム制御部２５は、各種の駆動信号を生成するタイミングジェネレータなどからなり、タイミングジェネレータで生成された駆動信号に基づいて、垂直駆動部２２、カラム処理部２３、および水平駆動部２４の駆動制御を行なう。

信号処理部２８は、必要に応じてデータ格納部２９にデータを一時的に格納しながら、カラム処理部２３から供給された画素信号に対して演算処理等の信号処理を行ない、各画素信号からなる画像信号を出力する。

［画素の構成例］
次に、図２を参照して、上述した画素アレイ部２１の各画素の構成例について説明する。

画素アレイ部２１の各画素は、光電変換部５１、転送ゲート５２、リセットゲート５３、オーバーフローパス５４、電荷電圧変換部５５、およびオーバーフローパス５６を備えている。さらに、画素アレイ部２１の各画素は、リセットドレイン５７、ドレイン電圧（DRN）５８、信号増幅部（AMP）５９、画素選択部６０、垂直信号線（VSL）６１、および定電流源６２を備えている。

光電変換部５１は、ＰＮ接合のフォトダイオードであり、入射光量に応じた電荷を生成し、蓄積する。

転送ゲート５２に印可される転送信号TRGがHレベルになると、転送ゲート５２は導通状態となり、光電変換部５１に蓄積されている電荷が、電荷電圧変換部５５に転送される。ただし、電荷転送部は、例えば、デプレッショントランジスタなどから構成されており、転送ゲート５２が非導通状態であっても、一部の電荷を転送するオーバーフローパス５４を構成している。このため、光電変換部５１が飽和すると、オーバーフローパス５４が、光電変換部５１からオーバーフローした電荷を電荷電圧変換部５５に転送する。オーバーフローパス５４は、図中においては、表層付近のp-により構成されているが、表層よりも深い層に構成される方がノイズを低減することが可能となるので、必要に応じてオーバーフローパス５４を構成できる範囲で深層部に構成するようにしても良い。また、電荷転送部がデプレッショントランジスタであることにより構成される例について説明してきたが、オーバーフローパス５４が構成できれば、その他の構成であってもよい。

リセットゲート５３に印可されるリセット信号RSTがHレベルになると、リセットゲート５３は導通状態となり、電荷電圧変換部５５に蓄積された電荷をリセットする。また、リセットゲート５３は、デプレッショントランジスタなどから構成されており、リセットゲート５３が非導通状態であっても一部の電荷を転送するオーバーフローパス５６を構成している。このため、電荷電圧変換部５５が飽和すると、オーバーフローパス５６が、電荷電圧変換部５５からオーバーフローした電荷をリセットドレイン５７に転送する。さらに、オーバーフローパス５６は、図中においては、表層付近のn-により構成されているが、表層よりも深い層に構成される方がノイズを低減することが可能となるので、必要に応じてオーバーフローパス５６を構成できる範囲で深層部に構成するようにしても良い。また、電荷リセット部がデプレッショントランジスタであることにより構成される例について説明してきたが、オーバーフローパス５６が構成できれば、その他の構成であってもよい。

増幅部（AMP）５９は、ゲート電極が電荷電圧変換部５５に接続され、ドレインが電源電圧Vddに接続されており、光電変換部５１での光電変換によって得られる電荷を読み出す読出し回路、すなわち、いわゆるソースフォロワ回路の入力部となる。つまり、AMP５９は、ソースが選択部（SEL）６０を介して垂直信号線（VSL）６１に接続されることにより、VSL６１の一端に接続される定電流源６２とソースフォロワ回路を構成する。

画素選択部６０は、AMP５９のソースとVSL６１との間に接続されており、画素選択部６０のゲート電極には、選択信号SELが供給される。選択信号SELがHレベルになると、画素選択部６０は導通状態となって、いわゆる画素が選択状態となる。画素が選択状態とされると、増幅部（AMP）５９から出力される信号が垂直信号線（VSL）６１を介してカラム処理部２３に読み出される。

また、各画素では、図１の画素駆動線２６として、複数の駆動線が例えば画素行ごとに配線される。そして、図１の垂直駆動部２２から画素駆動線２６としての複数の駆動線を通して画素内に駆動信号TRG，DRN，RST，SELが供給される。

尚、図中においては、p-well層にn型トランジスタを形成する構造例が示されているが、P及びNの導電型が逆でもよく、このような場合は電圧やポテンシャルの上下関係は逆となる。

［高照度時および低照度時で露光期間を時分割にした画素信号読出処理］
次に、図３のタイミングチャートを参照して、画素信号読出処理における図２で示される画素構成のポテンシャルについて、高照度時、および低照度時の状態をそれぞれ図４，図５を参照して説明する。尚、図４，図５は、図中の状態Ｓａ乃至Ｓｎのそれぞれについて、状態Ｓａで示されるように、左から光電変換部５１、転送ゲート５２、電荷電圧変換部５５、リセットゲート５３、およびリセットドレイン５７におけるポテンシャルを示している。また、図中の方形状の転送ゲート５２、およびリセットゲート５３においては、駆動信号にHレベルが印可された状態であるとき黒色で示され、駆動信号にLレベルが印可された状態であるとき白色で示され、中間電位が印可された状態であるとき、灰色で示されている。

図３の時刻ｔａにおいて、垂直駆動部２２のリセット制御部２２ｂおよび転送制御部２２ｃは、リセット信号RSTおよび転送信号TRGをHレベルにして、リセットゲート５３および転送ゲート５２を導通状態にする。このとき、リセットドレイン制御部２２ｄは、リセットドレイン電圧（DRN）５８をVrstにする。この結果、図４，図５の状態Ｓａで示されるように、光電変換部５１は空乏化状態となり、電荷電圧変換部５５はリセットされた状態となる。

時刻ｔｂにおいて、転送制御部２２ｃは、転送信号TRGをLレベルにする。この結果、図４，図５の状態Ｓｂで示されるように、転送ゲート５２が非導通状態となる。

時刻ｔｃにおいて、リセット制御部２２ｂは、リセット信号RSTをLレベルにする。この結果、図４，図５の状態Ｓｃで示されるように、リセットゲート５３が非導通状態となる。

そして、時刻ｔｃ乃至ｔｄにおいて、露光状態となり、光電変換部５１において露光時間に応じた電荷が蓄積される。尚、露光時間は、時刻ｔｃ乃至ｔｄ間の長さを自由に設定することができる。

露光時間が経過すると、高照度時においては、図４の状態Ｓｄで示されるように、光電変換部５１が飽和レベルとなる。一方、低照度時においては、図５の状態Ｓｄで示されるように、露光時間に応じた電荷が光電変換部５１に蓄積される。尚、図中の斜線部は、ポテンシャルに対して、電荷が満たされた状態を示している。時刻ｔｄにおいて、選択制御部２２ａおよびリセット制御部２２ｂは、それぞれ選択信号SEL、およびリセット信号RSTをHレベルにする。この結果、画素選択部６０は導通状態となって、いわゆる画素が選択状態となり、リセットゲート５３は導通状態となる。

時刻ｔｅにおいて、電荷リセット制御部２２ｂは、リセット信号RSTをLレベルにする。これに応じてリセットゲート５３は、非導通状態となる。

時刻ｔ（Ｎ１）において、カラム処理部２３の低照度読出部２３ａは、電荷電圧変換部５５の電位を、低照度におけるノイズ信号Ｎ１として読み出す。

時刻ｔｆにおいて、転送制御部２２ｃが、転送信号TRGをHレベルにすると、転送ゲート５２は、導通状態となる。この結果、図４，図５の状態Ｓｆで示されるように、光電変換部５１に蓄積されている電荷が電荷電圧変換部５５に転送される。

時刻ｔｇにおいて、転送制御部２２ｃが、転送信号TRGをLレベルにすると、転送ゲート５２は、非導通状態となる。この結果、図４，図５の状態Ｓｇで示されるように、電荷電圧変換部５５には、光電変換部５１により光電変換および蓄積された電荷が蓄えられた状態となる。

時刻ｔ（Ｓ１）において、電荷電圧変換部５５には、光電変換部５１により光電変換および蓄積された電荷が蓄えられた状態となっているので、カラム処理部２３の低照度読出部２３ａは、電荷電圧変換部５５の電位を、低照度における信号Ｓ１として読み出す。

すなわち、この信号Ｓ１，Ｎ１の差分（Ｓ１−Ｎ１）が低照度時における画素信号となる。

また、時刻ｔｈにおいて、リセットドレイン制御部２２ｄは、ドレイン電圧DRN５８の電位をリセット電位Vrstから、光電変換部５１において電荷が飽和する際の電圧Vmidに変更する。この結果、図４，図５の状態Ｓｈで示されるように、光電変換部５１、電荷電圧変換部５５、およびリセットドレイン５７がいずれも電位Vmidになり、電荷で満たされる状態となる。

さらに、時刻ｔｉにおいて、リセットドレイン制御部２２ｄは、ドレイン電圧DRN５８の電位をリセット電位Vrstに戻す。このとき、転送ゲート５２およびリセットゲート５３は、非導通状態のままである。この結果、図４，図５の状態Ｓｉで示されるように、光電変換部５１、および電荷電圧変換部５５は、それぞれの飽和レベルとなる。それぞれの飽和レベルとは、光電変換部５１と電荷電圧変換部５５のそれぞれの蓄積容量に蓄えられる電荷量が飽和した状態、つまり、溢れた状態を示す。そして、この状態のまま露光が開始される。転送ゲート５２およびリセットゲート５３は、非導通状態であっても電荷を転送するオーバーフローパス５４，５６が形成されており、電荷電圧変換部５５には入射光量に比例した電流が流れることになる。このような電荷電圧変換部５５における電圧は、入射光量の対数に応じた値となることが知られている。

時刻ｔ（Ｓ２）において、高照度読出部２３ｂは、電荷電圧変換部５５の電位を、高照度における信号Ｓ２として読み出す。

露光が終了すると、時刻ｔｊにおいて、リセットドレイン制御部２２ｄは、ドレイン電圧DRN５８をリセット電位Vrstから、光電変換部５１において電荷が飽和する際の電位Vmidに再び変更する。この結果、図４，図５の状態Ｓｊで示されるように、状態Ｓｈにおけるときと同様に、光電変換部５１、電荷電圧変換部５５、およびリセットドレイン５７がいずれもVmidになり、電荷で満たされる状態となる。

さらに、時刻ｔｋにおいて、リセットドレイン制御部２２ｄは、ドレイン電圧DRN５８をリセット電圧Vrstに戻す。このとき、転送ゲート５２およびリセットゲート５３は、非導通状態のままである。この結果、図４，図５の状態Ｓｋで示されるように、光電変換部５１、および電荷電圧変換部５５は、それぞれの飽和レベルとなる。

時刻ｔｌにおいて、リセット制御部２２ｂは、リセット信号RSTに中間電位を印可する。また、転送制御部２２ｃは、転送信号TRGをHレベルにする。この結果、図４，図５の状態Ｓｌで示されるように、光電変換部５１に蓄積されていた電荷、および電荷電圧変換部５５に蓄積されていた電荷は、大部分がリセットドレイン５７に排出されるとともに、電荷電圧変換部５５に、リセットゲート５３の中間電位により保持される電荷が残される。

時刻ｔｍにおいて、転送制御部２２ｃは、転送信号TRGをLレベルにする。これに応じて転送ゲート５２は、非導通状態となる。

時刻ｔｎにおいて、リセット制御部２２ｂは、リセット信号RSTをLレベルにする。これに応じて、リセットゲート５３は非導通状態となる。

時刻ｔ（Ｎ２）において、高照度読出部２３ｂは、電荷電圧変換部５５に蓄積された電荷をノイズ信号Ｎ２として読み出す。さらに、カラム処理部２３は、画素信号のＳ２よりノイズ信号Ｎ２を減算することで、各画素について、リセットゲート５３の閾値Vthばらつきにより生じる画素毎の特性ばらつきを抑制することができる。

すなわち、カラム処理部２３は、低照度時の画像信号を（Ｓ１−Ｎ１）として出力し、高照度時の画像信号を（Ｓ２−Ｎ２）として出力する。ここで、低照度時の画像信号（Ｓ１−Ｎ１）、および高照度時の画像信号（Ｓ２−Ｎ２）は、それぞれ図６で示されるような光応答特性を示す。尚、図６においては、上段の光応答波形が、低照度時の画像信号（Ｓ１−Ｎ１）の光応答特性を、下段の応答波形が、高照度時の画像信号（Ｓ２−Ｎ２）の光応答特性を、それぞれ表している。また、波形図における点線は、入射光量に対する線形処理できる範囲と、非線形に対数に対応した値とする範囲との境界を示している。

すなわち、低照度時の画像信号（Ｓ１−Ｎ１）は、入射光量が飽和レベルを超える境界までの範囲において、線形的に得られる信号である。このため、境界までの範囲、すなわち、低照度の範囲における信号として適切に得られる。尚、低照度時の画像信号（Ｓ１−Ｎ１）は、境界を超えると、光電変換部５１毎に境界が異なるため、複数の波形が示されている。すなわち、低照度時の画像信号（Ｓ１−Ｎ１）は、境界を超えると、適切な信号として利用することができない。

一方、高照度用の信号（Ｓ２−Ｎ２）は、光電変換部５１の飽和レベル以上の、入射光量に比例した電流をモニターしているため、極めて高照度まで信号を得ることが出来る。但し、低照度に関しては電荷を時間積分していないため入射光量に対する信号が小さくノイズも大きい。また、ノイズ信号Ｎ２については、電荷電圧変換部５５を一旦埋め戻してからリセットゲート５３に中間電位を印可することによって電荷を擦切って得られるので、閾値Vthのばらつきは補正されているが、実際のノイズ信号と比較してオフセットが生じている。そこで、この点を考慮して、オフセットを補正する必要がある。

信号処理部２８は、これらの高照度時の画像信号と、低照度時の画像信号とを合成して、高照度領域および低照度領域のそれぞれについて、適切なダイナミックレンジを設定した画像信号からなる画像を生成する。

以上によれば、オーバーフローポテンシャルのばらつきにより生じる画素毎の特性ばらつきを抑制して高照度時の画像信号を適切に取得することが可能となる。結果として、適切な高照度画像および低照度画像を抽出することが可能となるので、高照度領域および低照度領域のそれぞれについて、適切なダイナミックレンジを設定した画像信号からなる画像を生成することが可能となる。

＜２．第２の実施の形態＞
［高照度時および低照度時で露光期間を同時にした画素信号読出処理］
以上においては、高照度時および低照度時で露光期間を時分割にする例について説明してきたが、高照度時および低照度時で露光期間を同時にして画像信号を読み出すようにしてもよい。

そこで、次に、図７のタイミングチャートを参照して、図２で示される画素構成におけるポテンシャルについて、高照度時および低照度時の状態をそれぞれ図８，図９を参照して説明する。尚、図８，図９における表記は、図４，図５における表記に対応するものである。また、光電変換部５１の飽和レベルを考慮した画素信号読出処理にあたって、固体撮像装置、および画素の構成については図１，図２を参照して説明した構成と同様であるので、その説明は省略するものとする。すなわち、各構成の駆動が異なるものとなる。

時刻ｔａにおいて、リセットドレイン制御部２２ｄは、ドレイン電圧DRN５８をリセット電位Vrstから、光電変換部５１において電荷が飽和する際の電圧Vmidに変更する。この結果、図８，図９の状態Ｓａで示されるように、光電変換部５１、転送ゲート５２、電荷電圧変換部５５、リセットゲート５３、およびリセットドレイン５７が電荷で満たされる状態となる。

時刻ｔｂにおいて、リセットドレイン制御部２２ｄは、ドレイン電圧DRN５８をリセット電圧Vrstに戻す。このとき、転送ゲート５２およびリセットゲート５３は、非導通状態のままである。この結果、図８，図９の状態Ｓｂで示されるように、光電変換部５１、および電荷電圧変換部５５は、それぞれの飽和レベルとなる。

時刻ｔｃにおいて、リセット制御部２２ｂは、リセット信号RSTに中間電位を印可する。これに応じて、リセットゲート５３は、中間電位となる状態でオンの状態となる。この結果、図８，図９の状態Ｓｃで示されるように、電荷電圧変換部５５にリセットゲート５３の中間電位により保持される電荷が残される。

時刻ｔｄにおいて、リセット制御部２２ｂは、リセット信号RSTをLレベルにする。これに応じて、リセットゲート５３は非導通状態となる。この結果、図８，図９の状態Ｓｄで示されるように、電荷電圧変換部５５には、リセットゲート５３の中間電位により保持される電荷が蓄積された状態となる。

時刻ｔｅにおいて、転送制御部２２ｃは転送信号TRGをHレベルにする。これに応じて、転送ゲート５２は、導通状態となる。

時刻ｔｆにおいて、転送制御部２２ｃは、転送信号TRGをLレベルにする。この結果、図８，図９の状態Ｓｆで示されるように、電荷電圧変換部５５には、光電変換部５１の飽和レベルの電荷と、リセットゲート５３の中間電位により保持される電荷とが加算された状態の電荷が蓄積される。すなわち、光電変換部５１の飽和電荷量に対応する電荷が電荷電圧変換部５５に蓄積された状態となる。

そして、時刻ｔｆ乃至ｔｇにおいて露光状態となり、光電変換部５１において露光時間に応じた電荷が蓄積される。尚、露光時間は、時刻ｔｃ乃至ｔｄ間の長さを自由に設定することができる。

露光時間が経過すると、高照度時においては、図８の状態Ｓｇで示されるように、光電変換部５１、および電荷電圧変換部５５は、それぞれ飽和レベルとなる。転送ゲート５２およびリセットゲート５３は、非導通状態であっても電荷を転送するオーバーフローパス５４，５６が形成されており、電荷電圧変換部５５には入射光量に比例した電流が流れることになる。このような電荷電圧変換部５５における電圧は、入射光量の対数に応じた値となることが知られている。時刻ｔｇにおいて、選択制御部２２ａおよびリセット制御部２２ｂは、それぞれ選択信号SEL、およびリセット信号RSTをHレベルにする。この結果、画素選択部６０は導通状態となって、いわゆる画素が選択状態となり、リセットゲート５３は導通状態となる。

時刻ｔ（Ｓ２）において、高照度読出部２３ｂは、このときの電荷電圧変換部５５の電位を高照度における信号Ｓ２として読み出す。

一方、低照度時においては、時刻ｔｇにおいて、図９の状態Ｓｇで示されるように、露光時間に応じた電荷が光電変換部５１に蓄積されているが、低照度時においては、光電変換部５１に蓄積された電荷が飽和することはない。そこで、時刻ｔ（Ｓ２）において、高照度読出部２３ｂは、このときの電荷電圧変換部５５の電位を高照度における信号Ｓ２として読み出す。すなわち、低照度の場合、状態Ｓｆにおいて、電荷電圧変換部５５に蓄積された電荷がそのまま信号Ｓ２として読み出される。

時刻ｔｈにおいて、リセット制御部２２ｂが、リセット信号RSTをHレベルにするとリセットゲート５３は、導通状態となる。この結果、図８，図９の状態Ｓｈで示されるように、電荷電圧変換部５５に蓄積されていた電荷が、リセットゲート５３を経由してリセットドレイン５７に排出される。

時刻ｔｉにおいて、リセット制御部２２ｂが、リセット信号RSTをLレベルにすると、リセットゲート５３は、非導通状態となる。

時刻ｔ（Ｎ１）において、低照度読出部２３ｂは、電荷電圧変換部５５の電位を低照度におけるノイズ信号Ｎ１として読み出す。

時刻ｔｊにおいて、転送制御部２２ｃは、転送信号TRGをHレベルにすると、転送ゲート５２導通状態となる。この結果、図８，図９の状態Ｓｊで示されるように、光電変換部５１に蓄積されている電荷が電荷電圧変換部５５に転送される。

時刻ｔｋにおいて、転送制御部２２ｃは、転送信号TRGの発生を停止する。転送ゲート５２は、オフの状態となり光電変換部５１に蓄積された電荷が転送できない状態となる。この結果、図８，図９の状態Ｓｋで示されるように、電荷電圧変換部５５には、光電変換部５１より読み出された電荷が蓄積された状態となる。

そこで、時刻ｔ（Ｓ１）において、低照度読出部２３ａは、このときの電荷電圧変換部５５の電位を低照度における信号Ｓ１として読み出す。

時刻ｔｌにおいて、リセットドレイン制御部２２ｄは、ドレイン電圧DRN５８をリセット電位Vrstから、光電変換部５１において電荷が飽和する際の電圧Vmidに再び変更する。この結果、図８，図９の状態Ｓｌで示されるように、状態Ｓａにおけるときと同様に、光電変換部５１、電荷電圧変換部５５、およびリセットドレイン５７がいずれもVmidになり、電荷で満たされる状態となる。

さらに、時刻ｔｍにおいて、リセットドレイン制御部２２ｄは、リセットドレイン電圧DRN５８をリセット電圧Vrstに戻す。このとき、転送ゲート５２およびリセットゲート５３は、非導通状態のままである。この結果、図８，図９の状態Ｓｍで示されるように、光電変換部５１、および電荷電圧変換部５５は、それぞれの飽和レベルとなる。

時刻ｔｎにおいて、リセット制御部２２ｂは、リセット信号RSTに中間電位を印可する。また、転送制御部２２ｃは、転送信号TRGをHレベルにする。この結果、図８，図９の状態Ｓｎで示されるように、電荷電圧変換部５５に、リセットゲート５３の中間電位により保持される電荷が残される。

時刻ｔｏにおいて、転送制御部２２ｃは、転送信号TRGをLレベルにする。これに応じて転送ゲート５２は、非導通状態となる。

時刻ｔｐにおいて、リセット制御部２２ｂは、リセット信号RSTをLレベルにする。これに応じて、リセットゲート５３は非導通状態となる。

時刻ｔ（Ｎ２）において、低照度読出部２３ａは、電荷電圧変換部５５の電位をノイズ信号Ｎ２として読み出す。これにより、画素信号のＳ２よりノイズ信号Ｎ２が減算されることにより、各画素について、リセットゲート５３の閾値Vthのばらつきにより生じる影響を抑制することができる。

すなわち、カラム処理部２３は、低照度時の画像信号を（Ｓ１−Ｎ１）として出力し、高照度時の画像信号を（Ｓ２−Ｎ２）として出力する。ここで、低照度時の画像信号（Ｓ１−Ｎ１）、および高照度時の画像信号（Ｓ２−Ｎ２）は、それぞれ図１０で示されるような応答特性を示す。尚、図１０においては、上段の応答波形が、低照度時の画像信号（Ｓ１−Ｎ１）の入射光量に対する応答特性を、下段の応答波形が、高照度時の画像信号（Ｓ２−Ｎ２）の入射光量に対する応答特性を、それぞれ表している。また、波形図における点線は、入射光量に対する線形処理できる範囲と、非線形に対数に対応した値とする範囲との境界を示している。尚、図１０の上段の応答波形は、図６の上段の応答波形と同様である。

すなわち、図１０で示されるように、低照度時の画像信号（Ｓ１−Ｎ１）は、図６の上段における場合と同様に、入射光量が境界までの範囲において、線形的に得られる信号である。このため、境界までの範囲、すなわち、低照度の範囲における信号として適切に得られる。

一方、高照度用の信号（Ｓ２−Ｎ２）は、時刻ｔａ乃至ｔｆの処理により、光電変換部５１の飽和レベルに応じて電荷電圧変換部５５に予め蓄積される電荷が異なるため、低照度においてはばらつきが生じている。ここで、予め電荷電圧変換部５５に蓄積される電荷は、それぞれの光電変換部５１の飽和レベルに応じて蓄積される電荷である。従って、光電変換部５１の飽和電荷量が多ければ、電荷電圧変換部５５に蓄積される電荷量も多いため、光電変換部５１が飽和してオーバーフローパス５４より供給されてくる電荷が少量でもオーバーフローパス５６からリセットドレイン５７に排出される。逆に、光電変換部５１の飽和電荷量が少なければ、電荷電圧変換部５５に蓄積される電荷量も少ないため、光電変換部５１が飽和してオーバーフローパス５４より供給されてくる電荷が大量でなければオーバーフローパス５６からリセットドレイン５７に排出されない。結果として、オーバーフローパス５６を介してリセットドレイン５７に排出されるまでの必要とされる光電変換部５１からオーバーフローパス５４を介して供給される電荷量に応じて、電荷電圧変換部５５に予め電荷が蓄積されることで、飽和レベルに達してからの電荷量の変化を、全ての画素に対して共通に設定することが可能となる。

また、図３のタイミングチャートを参照して説明した処理においては、露光時間が時分割であったのに対して、図７のタイミングチャートを参照して説明した処理においては、露光時間が同時となる。すなわち、図７のタイミングチャートを参照して説明した処理は、より高速に高照度時のリセットゲート５３の閾値Vthばらつき、および、光電変換部５１の飽和レベルのばらつきを考慮した、適切なダイナミックレンジを設定することができる撮像を実現することが可能となる。

以上の処理により、リセットゲート５３の閾値Vthばらつき、および、光電変換部５１の飽和レベルのばらつきを、いずれも考慮して、高照度用の信号を読み出すことが可能となり、低照度用の画像信号、および高照度用の画像信号とから、画像における低照度領域、および高照度領域のそれぞれについて、適切にダイナミックレンジを設定した画像を生成することが可能となる。

＜３．第３の実施の形態＞
［電荷排出部を利用した場合の画素の構成例］
以上においては、高照度時に問題とされる、リセットゲート５３の閾値Vthばらつき、および、光電変換部５１の飽和レベルのばらつきを考慮した画素信号読出処理について説明してきたが、例えば、太陽を直接撮像するような場合、光電変換部５１が一瞬にして飽和レベルに達してしまうようなことがあるが、このような場合、光電変換部５１に蓄積される電荷を電荷排出部（電荷排出部）を設けることで、飽和レベルに達し難い構成として、高照度時での撮像においても、適切なダイナミックレンジで画像信号を取得できるようにしても良い。

図１１は、電荷排出部電荷排出部を設けるようにした画素の構成例を示している。尚、図２の画素の構成例における構成と同一の機能を備えた構成については、同一の名称、および同一の符号を付すものとし、その説明は適宜省略するものとする。すなわち、図１１における画素の構成例において、図２の画素の構成例と異なるのは、新たに電荷排出部７１、および電極部７２を設けた点である。電荷排出部７１は、電源Vddに接続されたｎ＋層からなる電極７２を介して、光電変換部５１に蓄積された電荷を強制的に排出する。

［電荷排出部を用いた画素信号読出処理］
次に、図１２のタイミングチャートを参照して、図１１の画素の構成例における画素信号読出処理について説明する。尚、基本的な駆動については、図３，図７のタイミングチャートを参照して説明した処理と同様であるので、異なる処理についてのみ説明する。

すなわち、図１２において、図３，図７のそれぞれにおける時刻ｔｋ，ｔｍに対応するタイミングにおいて、電荷排出制御部２２ｅは、排出信号を発生する。電荷排出部７１は、排出信号に基づいて、光電変換部５１に蓄積されている電荷を順次排出する。そして、この間の時刻ｔ（Ｎ２）において、高照度読出部２３ｂは、このときの電荷電圧変換部５５の電圧を高照度画像用のノイズ信号Ｎ２として読み出す。

すなわち、ここでは、太陽などを被写体とした極端に高照度の画像を撮像する場合であるので、光電変換部５１においては、高速に、大量の電荷が発生していることが考えられる。そこで、ダイナミックレンジの確保が可能なレベルまで、電荷排出部７１により光電変換部５１の蓄積された電荷を排出する。結果として、高照度においても、適切なダイナミックレンジを確保することが可能となる。

このため、高照度用の画像信号と、低照度用の画像信号とから、高照度領域においても、低照度領域においても適切なダイナミックレンジを設定して、画像を構成することが可能となる。

以上の処理により、高照度用の画像信号、および低照度用の画像信号を適切なダイナミックレンジで取得することが可能となるので、これらの高照度用の画像信号、および低照度用の画像信号を利用することで、リセットゲート５３の閾値Vthばらつきや、光電変換部５１における飽和レベルのばらつきにより生じる影響を抑制しつつ、適切なダイナミックレンジの画像信号を取得することが可能となる。

なお、本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

尚、本技術は、以下のような構成も取ることができる。
（１） 入射光を電荷に光電変換して蓄積する光電変換部と、
前記光電変換部により光電変換された電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部と、
前記電荷電圧変換部に電荷を転送する電荷転送部と、
前記電荷電圧変換部の電荷をリセットする電荷リセット部と、
前記電荷リセット部のドレインの電位を制御して、前記光電変換部および前記電荷電圧変換部に、前記電荷を飽和レベルまで蓄積させた後、前記光電変換部を露光させるように駆動する駆動部と
を含む固体撮像装置。
（２） 前記駆動部は、前記電荷リセット部のドレインの電位を制御して、前記光電変換部および前記電荷電圧変換部に、前記電荷を飽和レベルまで蓄積させてから、前記電荷リセット部に中間電位を印可して、前記電荷電圧変換部に所定の電荷を蓄積させ、さらに、前記電荷リセット部を非導通状態にしてから、前記光電変換部に蓄積された前記電荷を前記電位電荷電圧変換部に転送させた後、前記光電変換部を露光させるように駆動する
（１）に記載の固体撮像装置。
（３） 前記電荷転送部、および前記電荷リセット部は、オーバーフローパスを形成する
（１）または（２）に記載の固体撮像装置。
（４） 前記オーバーフローパスは、前記電荷転送部、および前記電荷リセット部がデプレッション型トランジスタであることにより形成される
（３）に記載の固体撮像装置。
（５） 前記電荷転送部、および前記電荷リセット部により形成されるオーバーフローパスの両方、またはそのいずれかは、シリコン基板中に形成される
（３）に記載の固体撮像装置。
（６） 前記光電変換部に接続され、前記光電変換部に蓄積された電荷を排出する電荷排出部をさらに含む
（１）乃至（５）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（７） 入射光を電荷に光電変換して蓄積する光電変換部と、
前記光電変換部により光電変換された電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部と、
前記電荷電圧変換部に電荷を転送する電荷転送部と、
前記電荷電圧変換部の電荷をリセットする電荷リセット部と、
前記電荷リセット部のドレインの電位を制御して、前記光電変換部および前記電荷電圧変換部に、前記電荷を飽和レベルまで蓄積させた後、前記光電変換部を露光させるように駆動する駆動部と
を含む固体撮像装置の駆動方法であって、
前記駆動部が、前記電荷リセット部のドレインの電位を制御して、前記光電変換部および前記電荷電圧変換部に、前記電荷を飽和レベルまで蓄積させた後、前記光電変換部を露光させるように駆動する
駆動方法。
（８） 入射光を電荷に光電変換して蓄積する光電変換部と、
前記光電変換部により光電変換された電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部と、
前記電荷電圧変換部に電荷を転送する電荷転送部と、
前記電荷電圧変換部の電荷をリセットする電荷リセット部と、
前記電荷リセット部のドレインの電位を制御して、前記光電変換部および前記電荷電圧変換部に、前記電荷を飽和レベルまで蓄積させた後、前記光電変換部を露光させるように駆動する駆動部と
を含む電子機器。

１１ 固体撮像装置， ２１ 画素アレイ， ２２ 垂直駆動部， ２２ａ 選択制御部， ２２ｂ リセット制御部， ２２ｃ 転送制御部， ２２ｄ リセットドレイン制御部， ２２ｅ 電荷排出制御部， ２３ カラム処理部， ２３ａ 低照度読出部， ２３ｂ 高照度読出部， ５１ 光電変換部， ５２ 転送ゲート， ５３ リセットゲート， ５４ オーバーフローパス， ５５ 電荷電圧変換部， ５６ オーバーフローパス， ５７ リセットドレイン， ５８ ドレイン電圧

Claims (8)

1. 入射光を電荷に光電変換して蓄積する光電変換部と、
   前記光電変換部により光電変換された電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部と、
   前記電荷電圧変換部に電荷を転送する電荷転送部と、
   前記電荷電圧変換部の電荷をリセットする電荷リセット部と、
   前記電荷リセット部のドレインの電位を制御して、前記光電変換部および前記電荷電圧変換部に、前記電荷を飽和レベルまで蓄積させた後、前記光電変換部を露光させるように駆動する駆動部と
   を含む固体撮像装置。
2. 前記駆動部は、前記電荷リセット部のドレインの電位を制御して、前記光電変換部および前記電荷電圧変換部に、前記電荷を飽和レベルまで蓄積させてから、前記電荷リセット部に中間電位を印可して、前記電荷電圧変換部に所定の電荷を蓄積させ、さらに、前記電荷リセット部を非導通状態にしてから、前記光電変換部に蓄積された前記電荷を前記電位電荷電圧変換部に転送させた後、前記光電変換部を露光させるように駆動する
   請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記電荷転送部、および前記電荷リセット部は、オーバーフローパスを形成する
   請求項１に記載の固体撮像装置。
4. 前記オーバーフローパスは、前記電荷転送部、および前記電荷リセット部がデプレッション型トランジスタであることにより形成される
   請求項３に記載の固体撮像装置。
5. 前記電荷転送部、および前記電荷リセット部により形成されるオーバーフローパスの両方、またはそのいずれかは、シリコン基板中に形成される
   請求項３に記載の固体撮像装置。
6. 前記光電変換部に接続され、前記光電変換部に蓄積された電荷を排出する電荷排出部をさらに含む
   請求項１に記載の固体撮像装置。
7. 入射光を電荷に光電変換して蓄積する光電変換部と、
   前記光電変換部により光電変換された電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部と、
   前記電荷電圧変換部に電荷を転送する電荷転送部と、
   前記電荷電圧変換部の電荷をリセットする電荷リセット部と、
   前記電荷リセット部のドレインの電位を制御して、前記光電変換部および前記電荷電圧変換部に、前記電荷を飽和レベルまで蓄積させた後、前記光電変換部を露光させるように駆動する駆動部と
   を含む固体撮像装置の駆動方法であって、
   前記駆動部が、前記電荷リセット部のドレインの電位を制御して、前記光電変換部および前記電荷電圧変換部に、前記電荷を飽和レベルまで蓄積させた後、前記光電変換部を露光させるように駆動する
   駆動方法。
8. 入射光を電荷に光電変換して蓄積する光電変換部と、
   前記光電変換部により光電変換された電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部と、
   前記電荷電圧変換部に電荷を転送する電荷転送部と、
   前記電荷電圧変換部の電荷をリセットする電荷リセット部と、
   前記電荷リセット部のドレインの電位を制御して、前記光電変換部および前記電荷電圧変換部に、前記電荷を飽和レベルまで蓄積させた後、前記光電変換部を露光させるように駆動する駆動部と
   を含む電子機器。

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