JP2017028416A

JP2017028416A - 撮像素子

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Publication number: JP2017028416A
Application number: JP2015143599A
Authority: JP
Inventors: 結城　修; Osamu Yuki; 修結城
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2015-07-21
Filing date: 2015-07-21
Publication date: 2017-02-02
Also published as: US20170026591A1

Abstract

【課題】ダイナミックレンジの切替えの点で有利な撮像素子を提供する。【解決手段】入射光量を電荷に変換する光電変換部ＰＤと、電荷を蓄積する容量を少なくともひとつ含む電荷蓄積部と、容量に蓄積された電荷に応じた電圧を増幅して出力する増幅部Ｔｒ６と、を有する画素が配置された撮像素子において、増幅部Ｔｒ６からの出力電圧と所定の閾値電圧とを比較する比較部３〜５と、比較部３〜５による比較結果を記憶する記憶部１と、記憶部１に記憶された比較結果に基づいて、電荷蓄積部に含まれる容量のうち、光電変換部ＰＤと増幅部Ｔｒ６とに接続する容量を決定する切替え部Ｔｒ９〜Ｔｒ１１と、切替え部Ｔｒ９〜Ｔｒ１１が決定を行うか否かを制御する信号Φｓｃを切替え部Ｔｒ９〜Ｔｒ１１へ伝える信号線と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、撮像素子に関する。

撮像装置に用いられるＣＭＯＳセンサ等の撮像素子は、撮像した被写体像を画素単位で光電変換し、光の強度に応じた映像信号に変換して、画像信号処理を行う。近年の撮像素子においては、静止画撮影と動画撮影を兼用するなど、複数のダイナミックレンジへの対応が要求されている。そのような撮像素子として、ダイナミックレンジを画素単位で切替える切替え手段を有する撮像素子（特許文献１）がある。

特許第４９２１５８１号公報

特許文献１に記載された撮像素子では、対応するダイナミックレンジの数が増加すると、切替え手段を制御するための信号線が増加したり、制御処理の負荷が重くなったりすることが考えられる。例えば、信号線の増加は、画素の受光面積を狭めることにつながりうる。特許文献１には、これら課題についての記載はみられない。

本発明は、例えば、ダイナミックレンジの切替えの点で有利な撮像素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、入射光量を電荷に変換する光電変換部と、電荷を蓄積する容量を少なくともひとつ含む電荷蓄積部と、容量に蓄積された電荷に応じた電圧を増幅して出力する増幅部と、を有する画素が配置された撮像素子において、増幅部からの出力電圧と所定の閾値電圧とを比較する比較部と、比較部による比較結果を記憶する記憶部と、記憶部に記憶された比較結果に基づいて、電荷蓄積部に含まれる容量のうち、光電変換部と増幅部とに接続する容量を決定する切替え部と、切替え部が決定を行うか否かを制御する信号を切替え部へ伝える信号線と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、例えば、ダイナミックレンジの切替えの点で有利な撮像素子を提供することができる。

第１実施形態に係る撮像素子に含まれる画素の回路構成を示す図である。第１実施形態に係る撮像素子の各モードにおける各Ｔｒの状態を示す表である。第１実施形態の画素の回路における各接続点における電位を示す図である。ダイナミックレンジ切替えのフローチャートである。感度の識別情報とそれに対応する選択容量および光電変換信号の倍率を示す図である。出力信号の情報を示す図である。第１実施形態の画素により構成された撮像素子を示す図である。第１実施形態の画素の回路に含まれる各要素の動作タイミングを示すタイミングチャートである。第１実施形態の画素を複数含む撮像素子を示す図である。第２実施形態に係る撮像素子に含まれる画素の回路構成を示す図である。第２実施形態の画素の回路に含まれる各要素の動作タイミングを示すタイミングチャートである。第１実施形態の画素の回路にノイズ分離回路を追加した回路図である。ノイズ分離方法に係る回路内の各要素の動作タイミングを示す図である。第１実施形態および第２実施形態に係る撮像素子から読み出された輝度分布を元画像の輝度分布へ復調する方法を示す図である。輝度重心検出方法を示す図である。裏面照射型の撮像素子の受光構成を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。

（第1実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る撮像素子に含まれる画素の回路構成を示す図である。この画素は、フォトダイオード（光電変換部）ＰＤと、蓄積容量Ｃ１〜Ｃ３を含む電荷蓄積部と、ＭＯＳトランジスタＴｒ１〜１１と、記憶部１と、画像信号／選択信号合成部２と、電圧比較器（比較部）３〜５と、を備える。ＰＤは、画素への入射光量を電荷に変換する。蓄積容量Ｃ１〜Ｃ３は、ダイナミックレンジ（感度）切替え用の蓄積容量であり、それぞれ、ソースフォロワＴｒ６（増幅部）のゲートに設けられたフローティングディフュージョン容量Ｃ_ｆｄ（不図示）と並列に配置されている。ＰＤで変換された電荷を蓄積するフローティングディフュージョン容量Ｃ_ｆｄは、ＰＤへの入射光量が少ない場合でも、Ｔｒ６の出力電圧Ｖ_ｆｄが大きくなるような容量をもつように設定される。蓄積容量Ｃ１〜Ｃ３には、それぞれ、切替えスイッチであるＴｒ２〜４が接続される。

Ｔｒ１（リセット部）は、蓄積容量Ｃ１、Ｃ２、および、Ｃ３とフローティングディフュージョン容量Ｃ_ｆｄに蓄積された電荷を放電（掃出）するためのリセットＭＯＳトランジスタである。リセット後、ＰＤで生成された電荷は、その寄生容量Ｃ_ｐｄに蓄積される。この電荷は、Ｔｒ５（転送スイッチ）がオンになるとＣ１、Ｃ２、Ｃ３および、フローティングディフュージョン容量Ｃ_ｆｄに転送される。Ｔｒ６は、ＰＤの光電変換により発生した光信号電荷がＴｒ５を通り蓄積容量Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３および、フローティングディフュージョン容量Ｃ_ｆｄに転送され発生した電圧のソースフォロワとして機能する。Ｔｒ６によりソースフォロワされた電圧Ｖ_ｆｄは、ＰＤの寄生容量Ｃ_ｐｄ／（Ｃ１〜Ｃ３のうちの少なくとも１つの容量とＣ_ｆｄの合計容量）であらわされる。Ｔｒ６の後段には電圧比較器３、４、および、５が設けられている。この比較器の入力の一端には所定の閾値電圧Ｖ１、Ｖ２、および、Ｖ３が入力され、他端にはＴｒ６の出力電圧Ｖ_ｆｄが入力される。これにより、出力電圧Ｖ_ｆｄは、閾値電圧Ｖ１〜Ｖ３のいずれかと比較される。

本発明のダイナミックレンジの切替えは、サンプルモードと比較モードとの２つの動作モードを有し、各モードは、モード切換信号Φ_ｓｃのレベルのハイ／ローにより選択される。サンプルモードでは、Φ_ｓｃをローにすることでＴｒ９〜Ｔｒ１１をオフにしてＴｒ２〜Ｔｒ４を全てオンにする。これにより、蓄積容量Ｃ１〜Ｃ３とフローティングディフュージョン容量Ｃ_ｆｄとは加算された値で接続される（最大蓄積容量＝低感度、高輝度に対応）。この状態でＴｒ５をオフにしてＴｒ１をオンにすることで、蓄積容量Ｃ１〜Ｃ３とフローティングディフュージョン容量Ｃ_ｆｄとに蓄積された電荷を放電する。次に、露光が行われＰＤで生成された電荷は、ＰＤの寄生容量Ｃ_ｐｄに蓄積される。この電荷は、Ｔｒ５がオンになるとＣ１〜Ｃ３、および、フローティングディフュージョン容量Ｃ_ｆｄに転送される。転送された光信号電荷は、Ｔｒ６から式（１）で表わされるような電圧Ｖ_ｆｄとして出力される。

ここで、V_{ｐｈｏｔｏ}はＰＤによる生成電荷により発生する電圧、Ｃ１〜Ｃ３はそれぞれ蓄積容量Ｃ１〜Ｃ３の容量である。Ｖ_ｆｄは比較器３〜５の入力の一端に入力され、閾値電圧Ｖ１〜Ｖ３のいずれかと比較され、低感度時の撮像でどの位の閾値レベルにあるか判定される。

モード切換信号Φ_ｓｃをハイにして比較モードに切り替えると、Ｔｒ９〜Ｔｒ１１がオンになり、記憶部１に記憶された比較結果に基づいてＴｒ２〜Ｔｒ４のオンオフが制御され、接続される蓄積容量が決定される。例えば、サンプルモードにおける比較結果がＶ_ｆｄ＜Ｖ３である場合について説明する。この場合は、Ｔｒ４のみをオンにする（Ｃ３を接続）、Ｔｒ４およびＴｒ３をオンにする（Ｃ３およびＣ２を接続）、Ｔｒ２〜Ｔｒ４のすべてをオンにする（Ｃ１〜Ｃ３を接続）のいずれかが選択される。

Ｔｒ４のみをオンにした場合を考える。Ｖ_ｆｄがＶ３より小さい場合は、接続される蓄積容量はＣ３のみで変わらない。Ｖ２より小さい場合は、Ｔｒ３がオンになり、蓄積容量Ｃ２がさらに接続される。そして、Ｖ_ｆｄがＶ１より小さい場合は、Ｔｒ２がオンになり、さらに蓄積容量Ｃ１が接続される。

Ｔｒ４およびＴｒ３をオンにした場合は、Ｖ_ｆｄがＶ２以上でありＶ１より小さい場合にＴｒ２をオンにしてさらに蓄積容量Ｃ１を接続する。Ｔｒ２〜Ｔｒ４のすべてをオンにした場合は、Ｖ_ｆｄの大きさによらず、蓄積容量が追加されて接続されることはない。

Ｔｒ２〜４のオンオフの状態は、記憶部１に感度の識別情報として記憶される。Ｔｒ６からの出力電圧Ｖ_ｆｄは、Ｔｒ７が信号Φ_ｓｅｌによりオンにされると、Ｔｒ８を経て、画像信号／選択信号合成部２で、記憶部１に記憶された比較結果（感度の識別情報）と重畳されて外部に出力される。

図２に、各モードにおける各Ｔｒの状態をまとめる。サンプルモードでは、Ｔｒ９〜Ｔｒ１１はオフにされており、Ｔｒ２〜Ｔｒ４は全てオンにされている。比較モードではＴｒ９〜Ｔｒ１１がオンされており、比較器３〜５における比較結果に基づいてＴｒ２〜Ｔｒ４のオンオフが行われ、接続される蓄積容量が決定される。なお、本実施形態では、Ｃ１〜Ｃ３が順次加算されるように選択されているが、個別にＣ１、Ｃ２およびＣ３が選択されるように構成してもよい。

フローティングディフュージョン容量Ｃ_ｆｄが十分小さいとすると、各接続点における電位は図３のようになる。ＰＤで生成した電荷Ｑ_ｐｄは、Ｃ１〜Ｃ３へそれぞれＱ_ｐｄ１、Ｑ_ｐｄ２およびＱ_ｐｄ３で分配される。サンプルモードではＣ１の関与が３桁レベルで大きいため、Ｃ１〜Ｃ３を全部接続した場合でも、Ｖ１、Ｖ２、およびＶ３の電位を微調整することにより、ダイナミックレンジ切替えの判定は可能である。例えば、Ｃ１：Ｃ２：Ｃ３の容量比を１，０００，０００：１，０００：１とすれば、約１２０ｄＢ程度の幅で切替えが可能となる。

図３の構成でＰＤにより発生する光電変換電流をＩ_ｄとし、Ｃ１、Ｃ２、および、Ｃ３の接続条件によるＶ_ｆｄを試算した結果を以下に述べる。高輝度、中輝度および低輝度の電流比は、高輝度電流：中輝度電流：低輝度電流＝１，０００，０００：１，０００：１と設定する。また、Ｃ１〜Ｃ３の容量比は上述の通りである。Ｃ１〜Ｃ３をすべて接続したサンプルモードでは、Ｉ_ｄと蓄積時間ｔと電圧Ｖ_ｆｄの関係は、式（２）の様になる。

比較モードで、Ｃ３だけが選択接続された場合は、光電変換電流Ｉ_ｄと時間ｔと電圧Ｖ_ｆｄの関係は、式（３）の様になる。

同様に、比較モードで、Ｃ３およびＣ２が選択接続された場合は、光電変換電流Ｉ_ｄと時間ｔと電圧Ｖ_ｆｄの関係は、式（４）の様になる。

同様に、比較モードで、Ｃ３〜Ｃ１が選択接続された場合は、光電変換電流Ｉ_ｄと時間ｔと電圧Ｖ_ｆｄの関係は、式（５）の様になる。

高輝度電流：中輝度電流：低輝度電流＝１，０００，０００：１，０００：１に対して、高輝度電流時（低感度時）選択容量：中輝度電流時選択容量：低輝度電流時（高感度時）選択容量＝１００１００１：１００１：１である。したがって、出力電圧特性は３ケースともに略同じとなる。つまり、高輝度時、中輝度時、低輝度時で出力電圧が飽和せず、各選択感度に応じて電圧を出力できる。

図４にダイナミックレンジ切替えのフローを示す。上述したように、本発明の切替え制御ではサンプルモードと比較モードの２モードが存在する。サンプルモードは、Ｓ１〜Ｓ３のフローで動作し、比較モードでは、Ｓ４〜Ｓ６で動作する。まず、上述したように、モード切換信号Φ_ｓｃをローレベルにしてＴｒ２〜Ｔｒ４をオンにすることで蓄積容量Ｃ１〜Ｃ３、および、フローティングディフュージョン容量Ｃ_ｆｄを接続する。続いて、Ｓ１では、Ｔｒ１が蓄積容量Ｃ１〜Ｃ３、および、フローティングディフュージョン容量Ｃ_ｆｄのリセットを行う。リセット後、Ｓ２では最大蓄積容量により撮像を行う（高輝度、低感度）。ＰＤで生成された電荷がＰＤの寄生容量Ｃ_ｐｄに蓄積される。この電荷は、Ｔｒ５がオンになると蓄積容量Ｃ１〜Ｃ３、および、Ｔｒ６のゲートのフローティングディフュージョン容量Ｃ_ｆｄへ転送される。Ｓ３では、Ｔｒ６により増幅されて出力された電圧Ｖ_ｆｄが閾値電位Ｖ１〜Ｖ３のいずれかと比較され、低感度時の撮像でどの位の閾値レベルにあるか判定される。Ｖ_ｆｄがＶ１よりも大きい場合は、輝度によっては出力電圧が飽和してしまう可能性があるため、たとえば、Ｃ１の容量をより大きいものにして対応する。

モード切換信号Φ_ｓｃをハイレベルにして比較モードに切替えると、Ｔｒ９〜Ｔｒ１１がオンになり、比較器３〜５による比較結果に基づいてＴｒ２〜Ｔｒ４のオンオフが制御される。Ｓ４では、Ｔｒ１が蓄積容量Ｃ１〜Ｃ３、および、フローティングディフュージョン容量Ｃ_ｆｄのリセットを行う。リセット後、蓄積容量Ｃ１〜Ｃ３を接続しない状態で出力した電圧Ｖ_ｆｄが比較器３〜５の入力の一端に入力され、閾値電圧Ｖ１〜Ｖ３のいずれかと比較される。比較結果は記憶部１に記憶される。Ｓ５では、記憶部１に記憶された比較結果に基づいて選択された蓄積容量により撮像を行う。ＰＤで生成され、ＰＤの寄生容量Ｃ_ｐｄに蓄積された電荷は、Ｔｒ５がオンになると蓄積容量Ｃ１〜Ｃ３の内の選択容量、および、Ｔｒ６のゲートのフローティングディフュージョン容量Ｃ_ｆｄへ転送される。Ｓ６において、Ｔｒ６により増幅された電圧Ｖ_ｆｄは、Ｔｒ７がオンにされて、Ｔｒ８を経て、画像信号／選択信号合成部２で、記憶部１に記憶された比較結果（感度の識別情報）と重畳されて外部に出力される（出力電圧の読み出し）。

図５に感度の識別情報とそれに対応する選択容量および光電変換信号の倍率を示す。また、画像信号／選択信号合成部２で重畳され出力された信号の情報を図６に示す。図６中、期間Ｔ１の信号はＰＤがリセットされた状態を示す。この信号は外部には直接出力されないので点線で示している。Ｔ２の期間が感度選択後の光信号の出力レベルになる。この信号をＴ２の期間出力した後に、Ｔ３の期間で３つの感度切換えタイミング（選択容量選択切替えのタイミング）の情報をＶ_ｓ、Ｖ_ｒｅｓの信号レベルで２進数出力する。例えば、Ｔ３の期間の“１０”の信号で２番目の閾位置のＣ２＋Ｃ３の選択である事を示す。

図７は、図１で示した画素により構成された撮像素子を示す図である。簡単のため全体回路の内の３×３画素構成で示している。本撮像素子では、行毎に走査し読み出す方法が採られている。本撮像素子は、行走査のための垂直走査回路１１と、列走査のための水平走査回路１２と、画素１０と、列選択ＭＯＳトランジスタ１３と、電流負荷１４と、アンプ１５を有する。画素１０は、図１で示した撮像素子の画素と同様のものである。垂直走査回路１１からのΦ_ｔｘ、Φ_ｒｅｓおよびΦ_ｓｅｌは、それぞれ図１で示す同符号の信号線と接続している。また、サンプルモードおよび比較モードの切替えの為に、上述のようにモード切替え信号Φ_ｓｃを流す信号線が全画素に直接接続されている。簡略化のため、信号線はこの４本のみを示している。各画素からの光信号は電流負荷１４が接続された１本の信号出力線で水平走査回路１２（不図示の水平シフトレジスタ、マルチプレクサ）と列選択ＭＯＳトランジスタ１３を介してアンプ１５に出力される。列選択ＭＯＳトランジスタ１３は水平走査回路１２からの信号によって動作し、列方向の信号線を選択するためのスイッチである。

図８は本実施形態における画素の回路に含まれる各要素の動作タイミングを示すタイミングチャートである。サンプルモードは、Ｔ３〜Ｔ９であり、比較モードは、Ｔ１０〜Ｔ１６である。Ｔ３では、Φ_ｓｃをオフにし、サンプルモードに設定する。さらに、Φ_ｒｅｓをオンにして、Ｔｒ１により蓄積容量Ｃ１〜Ｃ３、および、フローティングディフュージョン容量Ｃ_ｆｄのリセットを行う。露光は一括露光であり、図７のような撮像素子における全画素で同一のタイミングで行なわれる。依って、撮像素子間、走査線間での画像の時間的ズレは生じない。光電荷の蓄積期間Ｔ４〜Ｔ７中は転送スイッチＴｒ５がオフ状態（Φ_ｔｘがローレベル）であり、Ｔ４〜Ｔ７の期間に発生した光電荷は寄生容量Ｃ_ｐｄに蓄積される。蓄積容量Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、および、ソースフォロワＴｒ６のゲート部に形成されたフローティングディフュージョンＣ_ｆｄには、この間に光電荷は転送されない。ＰＤの蓄積が終了すると、Ｔ８において全画素一括で信号Φ_ｔｘをハイレベルとして、Ｔｒ５をオンにすることで、寄生容量Ｃ_ｐｄに蓄積されていた電荷が蓄積容量Ｃ１〜Ｃ３、および、Ｔｒ６のゲートのフローティングディフュージョン容量Ｃ_ｆｄへ転送される。その後、Ｔ９において全画素一括で信号Φ_ｔｘをローレベルとし、Ｔｒ５をオフする。

次に、Ｔ１０でΦ_ｓｃをオンにし、比較モードに設定する。さらに、Φ_ｒｅｓをオンにして、Ｔｒ１により蓄積容量Ｃ１〜Ｃ３、および、フローティングディフュージョン容量Ｃ_ｆｄのリセットを行う。光電荷の蓄積期間Ｔ１１〜Ｔ１４中は転送スイッチＴｒ５がオフ状態であり、Ｔ１１〜Ｔ１４の期間に発生した光電荷は寄生容量Ｃ_ｐｄに蓄積される。Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の内の選択容量、および、ソースフォロワＴｒ６のゲート部に形成されたフローティングディフュージョンＣ_ｆｄには、この間、光電荷は転送されない。ＰＤの蓄積を終了すると、Ｔ１５において、全画素一括で信号Φ_ｔｘをハイレベルとして、Ｔｒ５をオンにすることで、寄生容量Ｃ_ｐｄに蓄積されていた電荷が蓄積容量Ｃ１〜Ｃ３、および、Ｔｒ６のフローティングディフュージョン容量Ｃ_ｆｄへ転送される。続いて、Ｔ１６において、全画素一括で垂直走査回路１１からの信号Φ_ｓｅｌをハイレベルとする。これによりＴｒ７がオンになり、負荷電流源Ｉ_ｓ２とＴｒ８で構成された回路を動作状態とする。同時に、全画素一括で信号Φ_ｔｘをローレベルとすることで、ＰＤは次のフレームの露光が可能な状態となる。

図９は、本実施形態の画素を複数含む撮像素子を示す図である。ダイナミックレンジの切替えのための信号Φ_ｓｃを送るのに要する信号線は、各画素１０に対して１本だけである。切替え制御は、Φ_ｓｃのレベルの設定だけで行うことができる。つまり、感度ごとに信号線を配線する必要がなく、その制御処理の負荷も重くなることがない。

以上のように、本実施形態によれば、ダイナミックレンジの切替えの点で有利な撮像素子を提供することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る撮像素子について説明する。図１０は、本実施形態に係る撮像素子に含まれる画素の回路構成を示す図である。本実施形態の画素は、モード切換信号Φ_ｓｃを画素外から画素内へ入力するための配線の代わりに、Φ_ｒｅｓが入力される２進カウンタ６が配置されている。Φ_ｒｅｓに基づいて、２進カウンタ６により切替え制御が行われる。すなわち、画素が自律して切替え制御を行う。これにより、第１実施形態と比べ、信号線の数および制御処理の負荷を少なくすることができる。図１１は、本実施形態の画素回路に含まれる各要素の動作タイミングを示す。この図によると、Φ_ｒｅｓが立ち上がるＴ３で２進カウンタのレベルがローレベルとなり、次にΦ_ｒｅｓが立ち上がる期間Ｔ１０でハイレベルとなる。第１実施形態の動作タイミングを示す図７と比較すると、Φ_ｓｃと２進カウンタの動作タイミングは同じとなる。以上のように、本実施形態の撮像素子も、第１実施形態と同様の効果を奏する。

（ノイズ分離）
第１実施形態および第２実施形態に適用可能な、撮像素子のノイズ分離方法について説明する。図１２は、第１実施形態の画素の回路にノイズ分離回路を追加した回路図である。ノイズ分離回路は、トランジスタＴｒ１２〜１７と、信号保持容量Ｃ４およびＣ５とを有する。図１３は、ノイズ分離方法に係る回路内の各要素の動作タイミングを示す図である。期間Ｔ３〜Ｔ８はサンプルモードで、期間Ｔ９〜Ｔ１６は比較モードである。比較モードに切替えるタイミングＴ９で、Φ_ｓｈ２をハイレベルとし、Ｔｒ１３をオンすることでリセット信号を信号保持容量Ｃ５に転送する。この信号は、サンプルモードにおいてＰＤで生成され、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の内の選択容量、および、Ｔｒ６のゲートのフローティングディフュージョン容量Ｃ_FDへ転送された電荷を示す信号であり、熱雑音、１／ｆノイズおよび固定パターンノイズが含まれる。Ｔ１０の期間でΦ_ｓｈ２をローレベルとし、転送を終了する。

Ｔ１１〜Ｔ１４の期間の撮像では、ＰＤで生成された電荷が寄生容量Ｃ_ｐｄに蓄積される。これらの電荷は、Ｔ１５の期間にＴｒ５（転送スイッチ）がオンになるとＣ１、Ｃ２、Ｃ３の内の選択容量、および、Ｔｒ６のゲートのフローティングディフュージョン容量Ｃ_ｆｄへ転送される。転送された電荷は、期間Ｔ１６でさらに信号Φ_ｓｈ１をハイレベルとし、Ｔｒ１２をオンにすることでＴｒ８を介して信号保持容量Ｃ４に転送される。この電荷にも、上記ノイズが含まれる。期間Ｔ１７で信号Φ_ｓｈ１をローレベルとし、転送を終了する。同時に、信号Φ_ｓｅｌ１をハイレベルとし、Ｔｒ１６およびＴｒ１７をオンすることで負荷電流源Ｉ_ｓ３およびＩ_ｓ４で構成されたソースフォロワ回路を動作状態とする。これにより、信号保持容量Ｃ４およびＣ５に保持された光信号とノイズ信号とがＴｒ１４およびＴｒ１５を通してノイズ信号出力線Ｌ２および光信号出力線Ｌ１に転送される。転送された信号は、ノイズ信号出力線Ｌ２と光信号出力線Ｌ１とに接続された減算出力アンプ（不図示）により、（信号−ノイズ）の減算処理が行われ、熱雑音、１／ｆノイズ、ＦＰＮが除去された光データ信号が出力される。

この際に、光信号出力線Ｌ１には、２進数化された、記憶部１に記憶された感度の識別情報が画像信号／選択信号合成部２で重畳されて外部に出力される。従って、ノイズ信号出力線Ｌ２と光信号出力線Ｌ１とに接続された減算出力アンプ（不図示）で減算処理を行った後も、感度の識別情報は信号上に保持される。光データ信号はこの識別情報で補正され用いられる。

（復調）
第１実施形態および第２実施形態に適用可能な、本発明の撮像素子から読み出される信号（輝度分布）の元画像の輝度分布への復調方法について図１４（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。図１４(ａ)は、読み出された輝度分布であり、図１４（ｂ）は、元画像の輝度分布である。図１４（ａ）で示すｂ〜ｆは、感度ごとの撮像期間を示している。図１４（ｃ）は、各期間の感度の識別情報と、そのときに選択された容量、容量に基づいて求められた復調に必要な倍率を示している。期間ｂおよびｆの信号には、倍率１を、期間ｃおよびｅの信号には、倍率１，０００を、期間ｄの信号には、倍率１，０００，０００をそれぞれ乗じて、つなぎ合わせると図１４（ｂ）のように復調することができる。

（輝度重心検出〕
画像処理演算では、画像の輝度重心を必要とする場合が多くある。この場合、上述の復調方法により、感度の識別情報に基づいて読み出し信号を復調して輝度重心を求めることが考えられる。しかしながら、本発明の撮像素子によれば感度の識別情報による復調をせずに輝度重心を求めることができる。具体的な方法について、図１５（ａ）および（ｂ）を用いて説明する。図１５（ａ）は、通常の撮像素子でダイナミックレンジ内の物体からの反射光を撮像した輝度分布を表わす。画像輝度重心はＣａとして示されている。図１５（ｂ）は、同じ画像を本発明の撮像素子で撮像した場合の輝度分布を示している。この輝度分布から画像輝度重心Ｃｂを求めるには、以下の５つの方法がある。すなわち、（１）ｄの期間の分布から求める。（２）ｃとeの期間期間の分布から求める。（３）bとfの期間期間の分布から求める。（４）ｃとe、および、bとfの期間期間の分布から求める。（５）b乃至f、全ての期間期間の分布から求めるといった方法である。対象物の形状や反射特性、センサのノイズ特性などにより方法を選択する事により、通常の撮像素子で撮像した画像から輝度重心を求める場合に比べ、より撮像条件に即した輝度重心検出が可能となる。

本実施形態における撮像素子は、図１６に示すようないわゆる裏面照射型の撮像素子を用いてもよい。裏面照射型の撮像素子は、入射光２１が撮像素子の裏面から照射される構造を示している。この撮像素子は、フォトダイオード２０と、基板２２と、トランジスタ２３および２４と、蓄積容量２５乃至２７と、配線２８乃至３３を有する。この構造によれば、画素に多くの回路や大きな容量を作りこむことが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

ＰＤフォトダイオード（光電変換部）
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３蓄積容量（容量）
３、４、５電圧比較器（比較部）
Ｔｒ６ソースフォロワ（増幅部）
Ｔｒ９、Ｔｒ１０、Ｔｒ１１ＭＯＳトランジスタ（切替え部）
１記憶部
Φ_ｓｃモード切換信号

Claims

入射光量を電荷に変換する光電変換部と、前記電荷を蓄積する容量を少なくともひとつ含む電荷蓄積部と、前記容量に蓄積された電荷に応じた電圧を増幅して出力する増幅部と、を有する画素が配置された撮像素子において、
前記増幅部からの出力電圧と所定の閾値電圧とを比較する比較部と、
前記比較部による比較結果を記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された比較結果に基づいて、前記電荷蓄積部に含まれる前記容量のうち、前記光電変換部と前記増幅部とに接続する前記容量を決定する切替え部と、
前記切替え部が前記決定を行うか否かを制御する信号を前記切替え部へ伝える信号線と、
を有することを特徴とする撮像素子。
前記信号線は、前記比較部が、前記電荷蓄積部に含まれるすべての容量に蓄積された電荷に応じた、前記増幅部により出力された電圧と前記閾値電圧とを比較した後に、前記切替え部が前記決定を行うように制御する信号を前記切替え部へ伝えることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
前記容量に蓄積された電荷をすべて掃出して前記電荷蓄積部をリセットするリセット部をさらに有し、
前記信号線は、前記リセット部が前記リセットを行うタイミングで前記信号を前記切替え部へ伝えることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像素子。
前記容量に蓄積された電荷に応じた、前記増幅部により出力された電圧と、前記切替え部により決定された、前記電荷蓄積部に含まれる前記容量のうち、前記光電変換部と前記増幅部とに接続した前記容量と、とに基づいて前記光電変換部で変換された電荷を復調する復調手段を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像素子。