JP2023014881A - 撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画素の信号をＡＤ変換装置のレンジに収めることが容易になるとともに、ノイズの影響を低減した信号を得ることができる撮像素子及び撮像装置を提供することを目的とする。【解決手段】フォトダイオード２３、第１のＦＤ２１、第２のＦＤ２２、ＴＲＧトランジスタ２４、増幅トランジスタ２５、電荷を画素信号に変換する際の変換ゲインを高ゲイン又は低ゲインに切替えるＤＧＣトランジスタ２８、キャパシタ２９、フォトダイオード２３から溢れた電荷を第２のＦＤ２２に転送するＯＦＧトランジスタ３０、ＲＳＴトランジスタ２７を備え、露光時間が長い撮像動作では高ゲインに切替えた状態でリセットを行った後に画素信号を読み取って高ゲインリセット信号とし、その後に、ＴＲＧトランジスタ２４を導通させた後に画素信号を読み取って高ゲイン信号とし、高ゲイン信号と高ゲインリセット信号の差である第１の信号を出力する。【選択図】図２

Description

本発明は、撮像素子及び撮像装置に関する。

従来、撮像素子を有する撮像装置では、ＬＥＤ光源を撮像するとＬＥＤフリッカーと呼ばれる現象が発生することが知られている。ＬＥＤフリッカーとは、ＬＥＤ光源は一定周波数で高速に点滅しているので、点滅のタイミングと撮像素子の露光時間によっては画像中のＬＥＤ光源がちらついたり、消灯しているように見える現象である。

撮像素子の露光時間を長くすればＬＥＤフリッカーは発生しにくいが、撮像素子のフォトダイオードの容量を超える電荷が発生してフォトダイオードが飽和してしまい、明るさに応じた信号を出力することができない。このような飽和対策のために、低照度被写体については長時間の露光で得られた画像を形成し、高照度被写体に関しては短時間の露光で得られた画像を形成し、これらの画像を合成する技術が提案されている。しかしながら、ＬＥＤ光源は高照度であることから短時間の露光で得られた画像が選択されるため、上述したようなＬＥＤフリッカーが生じてしまう。

ＬＥＤフリッカーとフォトダイオードの飽和の問題を解決するために、一般的な撮像素子に、デュアルゲインコントロールトランジスタ（以下、ＤＧＣトランジスタ）と、長時間露光で大量に発生する電荷を貯めることができる大容量のキャパシタを加えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

ここで図５を用いて、簡単に従来の撮像素子の画素について説明する。図５は、従来の撮像素子が有する画素の回路図である。

図５に示す画素１００は、一つの画素につき４個のトランジスタを備えたいわゆる４Ｔｒ画素に、ＤＧＣトランジスタ２８、及び長時間露光で大量に発生する電荷を貯めることができる大容量のキャパシタ２９が加えられた構造となっている。

フォトダイオード２３に貯められた電荷は、転送トランジスタ（以下、ＴＲＧトランジスタ）２４により第１フローティングディフュージョン（以下、第１のＦＤ）２１に転送される。ＴＲＧトランジスタ２４は、非導通状態であっても、フォトダイオード２３から溢れた電荷が第１のＦＤ２１に転送されるようになっている。

ＴＲＧトランジスタ２４が非導通状態であっても、フォトダイオード２３から溢れた電荷が第１のＦＤ２１に蓄積される。このため、第１のＦＤ２１を、電荷を信号として読み取る前に必要となるリセット動作をすることができない。

この結果、長時間露光したあとのリセットレベルが被写体や露光時間に依存し、画素１００の信号をＡＤ変換装置のレンジに収めることが難しくなる。また、長時間露光を開始する前にリセットが行われるが、電荷を信号として読み取るまでの時間が長くなるため、画素１００から得られる信号に含まれるノイズが悪化するという問題がある。

また一般的に撮像素子の画素は、特許文献２及び特許文献３で報告されているような、隣接した画素の一部を共有化する画素共有と呼ばれる技術がある。

図７にいわゆる４Ｔｒ画素のフローティングディフュージョンを共有した画素１０１を載せる。画素共有を使わない場合は４Ｔｒ×４４画素＝１６Ｔｒが必要になるところを、画素共有した画素１０１では７Ｔｒで済むため、微細化のためには必須の技術である。

しかしながら、図５に示す画素１００は、露光時間中にフォトダイオード２３から溢れ出た電荷が共通のフローティングディフュージョン２１に流れ込むため、画素共有を行うと共有されたフローティングディフュージョン２１で隣接する画素１００の電荷が混ざってしまうため、画素共有が不可能であり、微細化に限界がある。

米国２０１７／００９９４２３号公報 特開平１０－２５６５２１号公報 特開２００６－５４２７６号公報

本発明は、このような事情に鑑み、ＬＥＤフリッカーとフォトダイオードの飽和の問題を解決しつつ、画素共有が可能であり、画素の信号をＡＤ変換装置のレンジに収めることが容易になるとともに、ノイズの影響を低減した信号を得ることができる撮像素子及び撮像装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の態様は、光電変換により電荷を生成するフォトダイオードと、前記電荷を当該電荷の量に応じた電位に変換する第１のフローティングディフュージョン、及び第２の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の電荷を前記第１のフローティングディフュージョンに転送する転送トランジスタと、前記第１のフローティングディフュージョンで変換された電位に応じた画素信号を生成する増幅トランジスタと、前記第１のフローティングディフュージョン及び前記第２のフローティングディフュージョンの間に配置され、電荷を画素信号に変換する際の変換ゲインを高ゲイン又は低ゲインに切替えるためのデュアルゲインコントロールトランジスタと、前記第２のフローティングディフュージョンに接続されたキャパシタと、前記フォトダイオードと前記第２のフローティングディフュージョンの間に配置されたオーバーフローゲートトランジスタと、前記第１のフローティングディフュージョン、前記第２のフローティングディフュージョン、前記フォトダイオード、及び前記キャパシタの電圧をリセットするリセットトランジスタと、を備え、シャッター動作、露光、画素信号の読み取りからなる一連の撮像動作が可能であり、前記転送トランジスタ、及び前記オーバーフローゲートトランジスタは、非導通状態において、露光中に前記フォトダイオードから溢れた電荷が前記第２のフローティングディフュージョン及び前記キャパシタに流れ込むように設定されており、前記撮像動作の読み取り動作においては、前記デュアルゲインコントロールトランジスタにより高ゲインに切替えた状態で、前記リセットトランジスタによりリセットを行った後に前記画素信号を読み取って高ゲインリセット信号とし、さらにその後に、前記転送トランジスタを導通させた後に前記画素信号を読み取って高ゲイン信号とし、前記高ゲイン信号と前記高ゲインリセット信号の差である第１の信号を出力することを特徴とする撮像素子にある。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する撮像素子において、撮像素子において、前記撮像動作の読み取り動作においては、前記第１の信号を読み取った後に、前記デュアルゲインコントロールトランジスタにより低いゲインに切替えた状態で、前記転送トランジスタを導通させた後に前記画素信号を読み取って低ゲイン信号とし、さらにその後に、前記リセットトランジスタによりリセットを行った後に画素信号を読み取って低ゲインリセット信号とし、前記低ゲイン信号と前記低ゲインリセット信号の差である第２の信号を出力することを特徴とする撮像素子にある。

本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様に記載する撮像素子において、撮像素子において、前記撮像動作よりも露光に掛かる時間が短い撮像動作における読み取り動作においては、前記デュアルゲインコントロールトランジスタにより高いゲインに切替えた状態で、前記リセットトランジスタによりリセットを行った後に画素信号を読み取って短時間リセット信号とし、さらにその後に、前記転送トランジスタを導通させた後に前記画素信号を読み取って短時間信号とし、前記短時間信号と前記短時間リセット信号の差である第３の信号を出力することを特徴とする撮像素子にある。

本発明の第４の態様は、第１から第３の何れか一つの態様に記載する撮像素子において、
前記キャパシタは、行選択信号に接続され、前記行選択信号は、露光中に第１の電位、読み出し時に第２の電位を異なった設定にできることを特徴とする撮像素子にある。

本発明の第５の態様は、第１から第４の何れか一つの態様に記載する撮像素子において、前記オーバーフローゲートトランジスタをリセット時のみＯＮ、又は常時非導通状態のまま撮像動作を行うことを特徴とする撮像素子にある。

本発明の第６の態様は、第１から第５の何れか一つの態様に記載する撮像素子において、前記フォトダイオード、前記転送トランジスタ、前記オーバーフローゲートトランジスタ、前記デュアルゲインコントロールトランジスタ、前記第２のフローティングディフュージョンを画素ごとに持ち、前記第１のフローティングディフュージョン、前記リセットトランジスタ、前記増幅トランジスタ、行選択するための行選択トランジスタを複数の隣接画素で共有させたことを特徴とする撮像素子にある。

本発明の第７の態様は、第１から第６の何れか一つの態様に記載する撮像素子を備えることを特徴とする撮像装置にある。

本発明は、ＬＥＤフリッカーとフォトダイオードの飽和の問題を解決しつつ、画素共有が可能であり、画素の信号をＡＤ変換装置のレンジに収めることが容易になるとともに、ノイズの影響を低減した信号を得ることができる、撮像素子及び撮像装置が提供される。

実施形態１に係る撮像素子の構成を示すブロック図である。 実施形態１に係る画素の構成を示す回路図である。 実施形態１に係る撮像素子のタイミングチャートである。 実施形態１に係る画素共有した画素の構成を示す回路図である。 従来技術に係る画素の構成を示す回路図である。 従来技術に係る撮像素子のタイミングチャートである。 従来技術に係る画素共有した画素の構成を示す回路図である。

〈実施形態１〉
図１に示すように、本実施形態に係る撮像素子１０は、画素２０ごとに画素信号を読み出し可能なＸＹアドレス方式のＣＭＯＳセンサーである。具体的には、撮像素子１０は、画素アレイ部１１、行走査部１２、カラム処理部１３、列走査部１４、タイミング制御部１５、行制御線１６、列信号線１７、及び信号処理部１８を備えている。本実施形態では撮像素子１０の各部は同じ基板上に搭載されていてもよいし、信号処理部１８など一部は別基板上に搭載されていてもよい。

画素アレイ部１１は、画素２０が行列状（マトリックス状）に多数二次元配置された構成となっている。画素２０から出力されたアナログ信号を画素信号と称する。画素２０の詳細な構成については後述する。

画素アレイ部１１は、行列配置された複数の画素２０に対して、行毎に行制御線１６が配線され、列毎に列信号線１７が配線されている。行制御線１６は、画素２０から画素信号を読み出す際の駆動を行うための駆動信号を伝送する。

行走査部１２は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成され、各画素を行単位で駆動する。行走査部１２によって選択された行の各画素２０から出力される画素信号は、列ごとに各列信号線１７を通してカラム処理部１３に入力される。

カラム処理部１３は、画素信号について相関二重サンプリング処理（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ；ＣＤＳ）やＤｏｕｂｌｅ Ｄａｔａ Ｓａｍｐｌｉｎｇ；ＤＤＳ処理などの各種処理を行う。また、カラム処理部１３は、アナログ－デジタル変換機能を持たせ、アナログの画素信号をデジタルの画素信号に変換する。

列走査部１４は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成され、カラム処理部１３の画素２０の列に対応する単位回路を順番に選択する。列走査部１４による選択走査により、カラム処理部１３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出力される。

タイミング制御部１５は、行走査部１２、カラム処理部１３及び列走査部１４などの動作の基準となるクロック信号や制御信号などを生成し、行走査部１２、カラム処理部１３及び列走査部１４などに対して与えて制御を行う。

信号処理部１８は、カラム処理部１３から出力される画素信号に対して信号処理を行う。信号処理としては、例えば、黒レベルの補正、デジタルの画素信号のバッファリング、ばらつき補正、色調補正などの各種の画像処理が挙げられる。また、信号処理部１８は、Ｎビットのパラレルの画素信号をシリアルの画素信号に変換して外部に出力してもよい。

図２を用いて、画素２０について説明する。画素２０は、フォトダイオード２３、転送トランジスタ（以下、ＴＲＧトランジスタ）２４、第１フローティングディフュージョン２１（以下、第１のＦＤ２１）、第２フローティングディフュージョン２２（以下、第２のＦＤ２２）、増幅トランジスタ２５、行選択トランジスタ（以下、ＳＥＬトランジスタ）２６、リセットトランジスタ（以下、ＲＳＴトランジスタ）２７、ＤＧＣトランジスタ２８、キャパシタ２９、オーバーフローゲートトランジスタ（以下、ＯＦＧトランジスタ）３０を備えている。

フォトダイオード２３は、光量に応じた電子を蓄積する素子である。フォトダイオード２３に蓄積された電荷は、ＴＲＧトランジスタ２４により第１のＦＤ２１に転送される。また、フォトダイオード２３において電荷が飽和して溢れた際には、その溢れた電荷がＯＦＧトランジスタ３０が非導通状態であっても第２のＦＤ２２に転送されるようになっている。

第１のＦＤ２１及び第２のＦＤ２２は、フォトダイオード２３から転送された電荷を電圧信号に変換して出力する。第１のＦＤ２１は、ＴＲＧトランジスタ２４と増幅トランジスタ２５の間に配置されている。また、第１のＦＤ２１には、ＲＳＴトランジスタ２７及びＤＧＣトランジスタ２８が接続されている。第２のＦＤ２２は、ＤＧＣトランジスタ２８とキャパシタ２９との間に配置されている。また、第２のＦＤ２２には、ＯＦＧトランジスタ３０が接続されている。

ＴＲＧトランジスタ２４は、フォトダイオード２３と第１のＦＤ２１との間に配置されている。ＴＲＧトランジスタ２４は、ゲートがＯＮとされたときにフォトダイオード２３の電子を第１のＦＤ２１に転送する。

ＲＳＴトランジスタ２７は、電源電圧ＶＤＤと第１のＦＤ２１との間に配置されている。ＲＳＴトランジスタ２７は、リセット信号ＲＳＴがＯＮにされることで導通し、第１のＦＤ２１の電位が電源電圧ＶＤＤにリセットする。

増幅トランジスタ２５のゲートには第１のＦＤ２１が接続され、ドレイン及びソースには電源電圧ＶＤＤ及びＳＥＬトランジスタ２６が接続されている。増幅トランジスタ２５は、第１のＦＤ２１に転送された電荷の量に応じた画素信号をＳＥＬトランジスタ２６に出力する。

ＳＥＬトランジスタ２６は、行の画素２０を選択状態にするためのトランジスタである。ＳＥＬトランジスタ２６は、行走査部１２から入力される行選択信号ＳＥＬによってＯＮ（導通状態）となり、増幅トランジスタ２５から出力された画素信号を列信号線１７に伝達する。

ＤＧＣトランジスタ２８は、第１のＦＤ２１と第２のＦＤ２２との間に接続されている。ＤＧＣトランジスタ２８は、第１のＦＤ２１において電荷を電圧信号に変換する際の変換ゲインを高ゲイン又は低ゲインに切替える。ＤＧＣトランジスタ２８がＯＮにされたときは、第１のＦＤ２１とキャパシタ２９とが導通し、低ゲイン（Ｌｏｗ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｇａｉｎ、以下ＬＣＧ）と呼ばれる状態となる。ＬＣＧ状態では、第１のＦＤ２１のみならずキャパシタ２９にも電荷が蓄積されるので、画素２０は大容量の電荷を扱うことができる。

一方、ＤＧＣトランジスタ２８がＯＦＦにされたときは、キャパシタ２９には電荷が蓄積されないので、ＬＣＧ状態のときよりも大容量の電荷を扱うことができない。ただし、電荷から電位への変換効率が高い高ゲイン（Ｈｉｇｈ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｇａｉｎ、以下、ＨＣＧ）と呼ばれる状態となり、一般的にはＨＣＧの方が低照度被写体に対する性能がよい。

キャパシタ２９は、第２のＦＤ２２と、行選択信号ＳＥＬ（図２ではＦｌｏａｔｉｎｇ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ；ＦＤＣと表記している）とに接続されている。キャパシタ２９の容量は、後述するような長時間露光によってフォトダイオード２３に大量に発生する電荷を貯めることができる程度に設定されている。なお、ＦＤＣの電位Ｖ２は、後述する画素信号の読み出し時以外は、第２のＦＤ２２とグランド（ＧＮＤ）との電位差がなるべく小さくなるように設定することが好ましい。当該電位差は調整可能としてもよいし、固定としてもよい。

ＯＦＧトランジスタ３０は、フォトダイオード２３とＴＲＧトランジスタ２４との間から分岐し、第２のＦＤ２２に接続されている。ＯＦＧトランジスタ３０は、ＯＦＧトランジスタ３０が非導通状態であり、かつＴＲＧトランジスタ２４が非導通状態である場合でも、フォトダイオード２３から溢れ出た電荷がＯＦＧトランジスタ３０を経由して第２のＦＤ２２に流れ込むようになっている。ＯＦＧトランジスタ３０の非導通状態とは、上述したようなフォトダイオード２３から溢れ出た電荷がＯＦＧトランジスタ３０を経由して第２のＦＤ２２に流れ込むことが可能となるようにゲートに掛る電位Ｖ１が設定された状態をいう。ＯＦＧトランジスタのゲートは電位Ｖ１に固定しても良い。

図３を用いて画素２０の動作について説明する。図３は画素の動作を説明するためのタイミングチャートである。同図の上部のＬＥＤタイミングは、白抜き部分がＬＥＤ光源のＯＮ（点灯）、灰色部分がＯＦＦ（消滅）となっている時間を表している。同図の例では、ＬＥＤ光源は、１／１００秒ごとに一定時間ＯＮになり、その後ＯＦＦになっている。

また、ＳＥＬは、ＳＥＬトランジスタ２６に印加される行選択信号である。ＴＲＧは、ＴＲＧトランジスタ２４に印加される信号である。ＤＧＣは、ＤＧＣトランジスタ２８に印加される信号である。ＲＳＴは、ＲＳＴトランジスタ２７に印加される信号である。ＯＦＧは、ＯＦＧトランジスタ３０に印加される信号である。何れの信号についてもＯＮは導通状態、ＯＦＦは非導通状態を表している。これらの信号は、タイミング制御部１５により各トランジスタに入力されるものである。また、ＦＤＣは、その電位を表している。

本実施形態の撮像装置は、シャッター動作、露光、画素信号の読み取りからなる一連の動作を撮像動作と称し、露光時間の長短によって第１の撮像動作と、第２の撮像動作とが実行可能となっている。第１の撮像動作では露光時間が相対的に長く、第２の撮像動作では露光時間が相対的に短い。

第１の撮像動作について説明する。まず、シャッター動作が行われる（時刻Ｔ０）。具体的には、シャッター動作では、ＴＲＧトランジスタ２４、ＤＧＣトランジスタ２８、ＲＳＴトランジスタ２７、ＯＦＧトランジスタ３０をすべてＯＮとする。シャッター動作により、フォトダイオード２３、第１のＦＤ２１、第２のＦＤ２２、キャパシタ２９に溜まっていた全ての電荷がリセットされる。

シャッター動作の終了後にＴＲＧトランジスタ２４、ＤＧＣトランジスタ２８、ＲＳＴトランジスタ２７、ＯＦＧトランジスタ３０をすべてＯＦＦにし、露光を開始する。この露光は読み取り動作においてＴＲＧトランジスタ２４がＯＮになるまで行われる。露光中では、光量に応じた電荷がフォトダイオード２３に溜まる。

また、ＦＤＣは、露光中、すなわち、リセット動作から読み取り動作が始まるまでの間において、ＯＦＦとされる。ＦＤＣがＯＦＦであるときの電位Ｖ２は、第２のＦＤ２２とＧＮＤとの電位差ができるだけ小さくなるように設定される。少なくとも、電位Ｖ２は、行選択信号ＳＥＬがＯＮのときの電位よりも低い。このように露光中においては、ＦＤＣの電位Ｖ２を小さくすることで第２のＦＤ２２とＧＮＤとの電位差を小さくすることができる。この結果、リーク電流を低減し、画素信号に白点が発生することを抑制することができる。

露光は、ＬＥＤフリッカーの影響を減らすために、例えば１／１００ｓ以上の長時間露光（Ｌｏｎｇ Ｅｘｐｏｓｕｒｅ）が設定されている。このような長時間露光を採用すると、通常のフォトダイオード２３では容易に飽和してしまう。上述したようにＯＦＧトランジスタ３０は非選択の状態でもフォトダイオード２３から溢れ出た電荷は、第２のＦＤ２２を介してキャパシタ２９に流れ込むように設計されている。

次に、フォトダイオード２３の電荷の読み出し動作が行われる（時刻Ｔ１－Ｔ５）。具体的には、まず時刻Ｔ１においてＳＥＬトランジスタ２６、及びＲＳＴトランジスタ２７をＯＮとする。また、読み出し動作中はＦＤＣをＯＮとする。ＲＳＴトランジスタ２７のＯＮにより、第１のＦＤ２１がリセットされる。

上記リセット後、ＲＳＴトランジスタ２７がＯＦＦとなった後の時刻Ｔ２において、画素信号を読み取る。この画素信号は、ＤＧＣトランジスタ２８がＯＦＦ状態、すなわちＨＣＧ状態におけるリセット信号であり、以後ＨＣＧ＿ｒｓｔ（請求項に記載の高ゲインリセット信号である。）とも称する。ＨＣＧ＿ｒｓｔは、列信号線１７を介してカラム処理部１３に送られ、カラム処理部１３によって読み取られる。カラム処理部１３による画素信号の読み取りは公知であるので詳細な説明は省略する。以後に説明するＨＣＧ＿ｓｉｇｎａｌ、ＬＣＧ＿ｒｓｔ、ＬＣＧ＿ｓｉｇｎａｌ、Ｓｈｏｒｔ＿ｓｉｇｎａｌ、Ｓｈｏｒｔ＿ｒｓｔに関してもＨＣＧ＿ｒｓｔと同様に読み取られる。

次に、時刻Ｔ２の後にＴＲＧトランジスタ２４をＯＮとする。これにより、フォトダイオード２３の電荷が第１のＦＤ２１に転送される。そして、ＴＲＧトランジスタ２４をＯＦＦとした時刻Ｔ３において、画素信号を読み取る。この画素信号をＨＣＧ＿ｓｉｇｎａｌ（請求項に記載の高ゲイン信号である。）とも称する。

ＨＣＧ＿ｓｉｇｎａｌ－ＨＣＧ＿ｒｓｔを以後、第１の信号と称する。第１の信号は、読み出し時（時刻Ｔ１）にフォトダイオード２３にあった電荷量がＨＣＧ状態で変換された画素信号を表している。また、ＨＣＧ＿ｓｉｇｎａｌ及びＨＣＧ＿ｒｓｔから第１の信号を得る処理はカラム処理部１３により行われるが、公知の構成であるので詳細な説明は省略する。

次に、第１の信号の読み取り後、ＴＲＧトランジスタ２４及びＤＧＣトランジスタ２８をＯＮとする。これにより、第１のＦＤ２１、第２のＦＤ２２、フォトダイオード２３、キャパシタ２９が導通する。それらに蓄積されていた全ての電荷は画素信号に変換される。ＴＲＧトランジスタ２４をＯＦＦにした後の時刻Ｔ４で画素信号を読み取る。この画素信号は、ＬＣＧ状態で電荷から信号に変換されたものであり、以後、ＬＣＧ＿ｓｉｇｎａｌ（請求項に記載の低ゲイン信号である。）とも称する。

次に、ＬＣＧ＿ｓｉｇｎａｌの読み取り後、ＲＳＴトランジスタ２７をＯＮにし、さらにＯＦＦにした後の時刻Ｔ５に画素信号を読み取る。この画素信号は、ＬＣＧ状態でリセットされた後の信号であり、以後、ＬＣＧ＿ｒｓｔ（請求項に記載の低ゲインリセット信号である。）とも称する。

ＬＣＧ＿ｓｉｇｎａｌ－ＬＣＧ＿ｒｓｔを以後、第２の信号と称する。第２の信号は、第１のＦＤ２１、第２のＦＤ２２、フォトダイオード２３、キャパシタ２９にあった電荷量がＬＣＧ状態で変換された画素信号を表している。また、ＬＣＧ＿ｓｉｇｎａｌ及びＬＣＧ＿ｒｓｔから第２の信号を得る処理はカラム処理部１３により行われるが、公知の構成であるので詳細な説明は省略する。

次に、短時間露光（Ｓｈｏｒｔ Ｅｘｐｏｓｕｒｅ）を行う第２の撮像動作について説明する。短時間露光は、例えば、１／１００秒よりも短い時間で行われる。

ＤＧＣトランジスタ２８については長時間露光の後からＯＦＦとなっている。また、短時間露光ではＦＤＣを電位Ｖ２に維持する。まず、シャッター動作が行われる（時刻Ｔ６）。具体的には、シャッター動作では、ＴＲＧトランジスタ２４、ＲＳＴトランジスタ２７、ＯＦＧトランジスタ３０、ＤＧＣトランジスタ２８をすべてＯＮとする。シャッター動作により、フォトダイオード２３、第１のＦＤ２１、第２のＦＤ２２、キャパシタ２９に溜まっていた全ての電荷がリセットされる。

シャッター動作の終了後にＴＲＧトランジスタ２４、ＲＳＴトランジスタ２７、ＯＦＧトランジスタ３０、ＤＧＣトランジスタ２８をＯＦＦにし、露光を開始する。この露光は読み取り動作時におてＴＲＧトランジスタ２４がＯＮになるまで行われる。露光中では、光量に応じた電荷がフォトダイオード２３に溜まる。

次に、フォトダイオード２３の電荷の読み出し動作が行われる（時刻Ｔ７－Ｔ９）。具体的には、まず時刻Ｔ７において、ＳＥＬトランジスタ２６、及びＲＳＴトランジスタ２７をＯＮとする。ＲＳＴトランジスタ２７のＯＮにより、第１のＦＤ２１がリセットされる。

次に、リセットが行われ、ＲＳＴトランジスタ２７がＯＦＦとなった後の時刻Ｔ８において、画素信号を読み取る。この画素信号は、ＤＧＣトランジスタ２８がＯＦＦ状態、すなわちをＨＣＧ状態における画素信号であり、以後、Ｓｈｏｒｔ＿ｒｓｔ（請求項に記載の短時間リセット信号である。）とも称する。

次に、Ｓｈｏｒｔ＿ｒｓｔを読み取ったあとにＴＲＧトランジスタ２４をＯＮにする。これにより、フォトダイオード２３から第１のＦＤ２１に電荷が転送される。ＴＲＧトランジスタ２４をＯＦＦにした後の時刻Ｔ９において画素信号を読み込む。この画素信号は、ＨＣＧ状態における画素信号であり、以後、Ｓｈｏｒｔ＿ｓｉｇｎａｌ（請求項に記載の短時間信号である。）とも称する。

Ｓｈｏｒｔ＿ｓｉｇｎａｌ－Ｓｈｏｒｔ＿ｒｓｔを以後、第３の信号と称する。この第３の信号は、短時間露光の間にフォトダイオード２３にあった電荷量がＨＣＧ状態で変換された画素信号を表している。また、Ｓｈｏｒｔ＿ｓｉｇｎａｌ及びＳｈｏｒｔ＿ｒｓｔから第３の信号を得る処理はカラム処理部１３により行われるが、公知の構成であるので詳細な説明は省略する。

撮像素子１０は、上述のようにして得られた第１、第２の信号を合成することで、長時間露光であっても飽和せず、かつＬＥＤフリッカーが抑制された信号を出力することができる。また、第１－３の信号を合成することで、ＬＥＤフリッカーが抑制され、かつ、ハイダイナミックレンジの画像を形成することができる。これらの第１－３の信号の合成は、信号処理部１８により行うが、公知の方法で行えるものであるので、詳細な説明は省略する。

図４に、本発明に加え、隣接する４画素のフローティングディフュージョンを共有させた、画素共有の例を載せる。

フォトダイオード２３、ＴＲＧトランジスタ２４、ＤＧＣトランジスタ２８、ＯＦＧトランジスタ３０、第２のＦＤ２２、キャパシタ２９は、画素２０Ａを構成する。この例では、４つの画素２０Ａが構成されている。第１のＦＤ２１、ＲＳＴトランジスタ２７、増幅トランジスタ２５、ＳＥＬトランジスタ２６に関しては、４画素２０Ａに共有して一つ存在する。この構成の場合、露光中に各フォトダイオード２３から溢れた出た電荷は、それぞれの画素２０Ａが保有する第２のＦＤ２２、およびキャパシタ２９に流れ込むため、共通の第１のＦＤ２１で各画素２０Ａの電荷が混ざることは無い。

またＦＤＣに関しては４個の画素２０Ａに対して別々の信号でも、配線を減らすために、４画素共通の信号でも良い。ＯＦＧに関しても、４個の画素２０Ａに対して別々の信号でも良いし、配線数を減らすために４画素共通の信号でも良いし、４画素共通で固定電位にする方法も考えられる。共有画素の読み出しに関しては公知の方法で行えるものであるので、詳細な説明は省略する。

ここで、図５及び図６を用いて、上述した本実施形態の撮像素子１０との比較のために、従来の画素１００について説明する。画素１００のうち、撮像素子１０の画素２０と同じものについては同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

図５に示すように、従来の画素１００は、ＯＦＧトランジスタ３０を備えていない点で本実施形態の撮像素子１０と相違する。また、従来技術で述べたように、ＴＲＧトランジスタ２４は、非導通状態であってもフォトダイオード２３から溢れた電荷が第１のＦＤ２１に転送されるようになっている。したがって、従来の画素１００では、フォトダイオード２３で溢れた電荷がＴＲＧトランジスタ２４を通して第１のＦＤ２１にも流れ込み、さらにDGCトランジスタ２８を通して第２のＦＤ２２、及びキャパシタ２９へ流れ込むようになっている。

図６は、従来の画素１００の動作を示すタイミングチャートである。時刻Ｔ０におけるシャッター動作については、本実施形態の撮像素子１０と同様であるので重複する説明は省略する。

次に、時刻Ｔ１－Ｔ５に亘り画素信号の読み取りを行う。本実施形態の撮像素子１０は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の間でＲＳＴトランジスタ２７をＯＮとするが（図３参照）、従来の画素１００は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の間でＲＳＴトランジスタ２７をＯＮとできない。

ＲＳＴトランジスタ２７をＯＮとできない理由は次の通りである。ＬＥＤフリッカーを抑制すべく長時間露光を行う場合、フォトダイオード２３は飽和する虞がある。この飽和を避けるべく、ＴＲＧトランジスタ２４は、フォトダイオード２３から溢れた電荷を第１のＦＤ２１に転送するように構成されている。この結果、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２において第１のＦＤ２１には、画素信号に変換されなければならない電荷が貯められているので、リセットを行うことができない。

このように従来の画素１００では、ＨＣＧ＿ｒｓｔ、及びＨＣＧ＿ｓｉｇｎａｌについては、読み取り前に第１のＦＤ２１をリセットできない。このため、長時間露光したあとのリセットレベルが被写体や露光時間に依存し、画素２０の画素信号をＡＤ変換のレンジに収めることが難しくなる。また、時刻Ｔ０で第１のＦＤ２１のリセットを行ってからＨＣＧ＿ｒｓｔ、及びＨＣＧ＿ｓｉｇｎａｌを読み取る時刻Ｔ３までの時間が長くなるため、ＨＣＧ＿ｒｓｔ及びＨＣＧ＿ｓｉｇｎａｌのノイズが悪化する。

従来の画素１００について、時刻Ｔ２以降の動作は本実施形態の撮像素子１０と同じであるので重複する説明は省略する。

以上に説明した従来の画素１００との差異を踏まえて、本実施形態の撮像素子１０の特徴について説明する。

従来の画素１００では、上述したように、ＬＥＤフリッカーを抑制すべく長時間露光を行う場合、画素信号の読み取りにあたって第１のＦＤ２１をリセットできない（図６の時刻Ｔ１から時刻Ｔ２参照）。

しかしながら、本実施形態の撮像素子１０は、ＯＦＧトランジスタ３０により、フォトダイオード２３から溢れた電荷を第１のＦＤ２１ではなく、第２のＦＤ２２に転送するようにした。このように溢れた電荷は第２のＦＤ２２及びキャパシタ２９に蓄積されるので、第１のＦＤ２１のリセットを行うことができる。

このように第１の信号の読み出しでは、ＨＣＧ＿ｒｓｔ及びＨＣＧ＿ｓｉｇｎａｌを読み出す直前にリセットを行える。このため、長時間露光したあとのリセットレベルが被写体や露光時間に依存せず、画素信号をＡＤ変換のレンジに収めることが容易となる。さらに、従来の画素１００と比較して、時刻Ｔ１で第１のＦＤ２１のリセットを行ってからＨＣＧ＿ｒｓｔ及びＨＣＧ＿ｓｉｎｇａｌを読み取る時刻Ｔ３までの時間が短くなるため、第１の信号（ＨＣＧ＿ｒｓｔ及びＨＣＧ＿ｓｉｇｎａｌ）のノイズを低減することができる。

そして、本実施形態の撮像素子１０によれば、第１の信号は、長時間露光においてＨＣＧ状態で電荷から画素信号に変換されたものであるから、ＬＥＤフリッカーが抑制され、かつ低照度被写体がより高品質に撮像されたものとなる。

本実施形態の撮像素子１０は、第１の信号を読み出したあとに第２の信号の読み出しを行う。第２の信号は、ＬＣＧ状態、すなわちフォトダイオード２３、第１のＦＤ２１、第２のＦＤ２２、及びキャパシタ２９の全ての電荷から得られたものである。このような撮像素子１０によれば、第１の信号と第２の信号とを合成することで、ＬＥＤフリッカーが抑制され、かつ長時間露光でも飽和していない画像を得ることができる。

本実施形態の撮像素子１０は、第２の撮像動作により短時間露光した第３の信号を読み出す。第３の信号は、短時間露光であり、かつＨＣＧ状態で得られたものである。したがって、このような撮像素子１０によれば、第１の信号と第２の信号と第３の信号とを合成することで、ＬＥＤフリッカーが抑制され、長時間露光でも飽和せず、かつ、ハイダイナミックレンジの画像を得ることができる。

本実施形態の撮像素子１０は、キャパシタ２９は、行選択信号（ＦＤＣ）に接続され、行選択信号は、露光中に第１の電位(図３のＶ２（ＯＦＦ）)、読み出し時に第２の電位（図３のＯＮ）を異なった設定にすることができる。上述した実施形態では露光中は行選択信号のＯＮの電位よりも低い電位Ｖ２に設定されている。これにより、露光中においては、第２のＦＤ２２とＧＮＤ間の電位差を小さくできるので、リーク電流を低減し、画素信号に白点が発生することを抑制することができる。

本実施形態の撮像素子１０は、ＯＦＧトランジスタ３０はリセット時にＯＮとしてもいいし、また常時ＯＦＦとしてもよい。これにより、ＯＦＧトランジスタ３０での電力消費を抑えたり、水平方向の信号線を減らすことができる。

本実施形態の撮像素子１０は、図４に示したように画素共有が可能であり、１画素あたりの素子数を減らすことができるため、ＬＥＤフリッカーとフォトダイオード２３の飽和の問題を解決しつつ微細化が可能である。

上述したような撮像素子１０は、特に図示しないが撮像装置に搭載される。撮像装置としては、動画又は静止画を撮像するカメラや、カメラ機能付のスマートフォンなどが挙げられる。このような撮像装置は、撮像素子１０の他に、撮像素子１０に光を入射させる光学系、画素信号を記憶するメモリと、図１に示した信号処理部１８、出力部、制御部などを備えている。

光学系は、例えば、ズームレンズ、フォーカスレンズ、絞り等を備え、外部からの光を撮像素子１０に入射させる。メモリは、撮像素子１０が出力する画素信号を一時的に記憶する。信号処理部１８は、メモリに記憶された画素信号を用いた信号処理、例えば、ノイズの除去、ホワイトバランスの調整等の処理を行って画像データを形成する。また、信号処理部１８は、第１－第３の画素の合成処理を行って画像データを形成する。出力部は、信号処理部１８で処理された画像データを表示するディスプレイや、撮像装置とは別の通信可能な装置に対して画像データを送るための通信手段や、半導体メモリ、磁気ディスクなどの記録媒体に画像データを転送するインタフェースなどである。制御部は、上述した光学系や撮像素子の制御、信号処理部１８の制御、出力部への出力を制御する。

このように撮像装置によれば、画素信号をＡＤ変換のレンジに収めることが容易であり、第１の信号（ＨＣＧ＿ｒｓｔ及びＨＣＧ＿ｓｉｇｎａｌ）のノイズを低減することができる。

〈他の実施形態〉
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明の基本的な構成は上述したものに限定されるものではない。

例えば、実施形態１の撮像素子１０では、ＯＦＧトランジスタ３０はシャッター動作時にＯＮとされ、それ以外ではＯＦＦとされていた。このようにＯＦＧトランジスタ３０に掛る信号は可変であってもよいが、これに限定されず、電位Ｖ１に固定されていてもよい。

また、実施形態１の撮像素子１０では、キャパシタ２９は行選択信号に接続されていたが、このような構成に限定されない。例えば、キャパシタ２９は、電源電圧ＶＤＤに接続されていてもよい。

実施形態１の撮像素子１０では、第１の撮像動作及び第２の撮像動作を行ったが、このような動作を行う場合に限定されない。例えば、短時間露光の第２の撮像動作を行わず、長時間露光の第１の撮像動作のみを行うようにしてもよい。

１０…撮像素子、２０…画素、２１…第１フローティングディフュージョン、２２…第２フローティングディフュージョン、２３…フォトダイオード、２４…ＴＲＧトランジスタ、２５…増幅トランジスタ、２６…ＳＥＬトランジスタ、２７…ＲＳＴトランジスタ、２８…ＤＧＣトランジスタ、２９…キャパシタ、３０…ＯＦＧトランジスタ

Claims (7)

1. 光電変換により電荷を生成するフォトダイオードと、
   前記電荷を当該電荷の量に応じた電位に変換する第１のフローティングディフュージョン、及び第２の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の電荷を前記第１のフローティングディフュージョンに転送する転送トランジスタと、
   前記第１のフローティングディフュージョンで変換された電位に応じた画素信号を生成する増幅トランジスタと、
   前記第１のフローティングディフュージョン及び前記第２のフローティングディフュージョンの間に配置され、電荷を画素信号に変換する際の変換ゲインを高ゲイン又は低ゲインに切替えるためのデュアルゲインコントロールトランジスタと、
   前記第２のフローティングディフュージョンに接続されたキャパシタと、
   前記フォトダイオードと前記第２のフローティングディフュージョンの間に配置されたオーバーフローゲートトランジスタと、
   前記第１のフローティングディフュージョン、前記第２のフローティングディフュージョン、前記フォトダイオード、及び前記キャパシタの電圧をリセットするリセットトランジスタと、を備え、
   シャッター動作、露光、画素信号の読み取りからなる一連の撮像動作が可能であり、
   前記転送トランジスタ、及び前記オーバーフローゲートトランジスタは、非導通状態において、露光中に前記フォトダイオードから溢れた電荷が前記第２のフローティングディフュージョン及び前記キャパシタに流れ込むように設定されており、
   前記撮像動作の読み取り動作においては、前記デュアルゲインコントロールトランジスタにより高ゲインに切替えた状態で、前記リセットトランジスタによりリセットを行った後に前記画素信号を読み取って高ゲインリセット信号とし、さらにその後に、前記転送トランジスタを導通させた後に前記画素信号を読み取って高ゲイン信号とし、前記高ゲイン信号と前記高ゲインリセット信号の差である第１の信号を出力する
   ことを特徴とする撮像素子。
2. 請求項１に記載する撮像素子において、
   前記撮像動作の読み取り動作においては、前記第１の信号を読み取った後に、前記デュアルゲインコントロールトランジスタにより低いゲインに切替えた状態で、前記転送トランジスタを導通させた後に前記画素信号を読み取って低ゲイン信号とし、さらにその後に、前記リセットトランジスタによりリセットを行った後に画素信号を読み取って低ゲインリセット信号とし、前記低ゲイン信号と前記低ゲインリセット信号の差である第２の信号を出力することを特徴とする撮像素子。
3. 請求項１又は請求項２に記載する撮像素子において、
   前記撮像動作よりも露光に掛かる時間が短い撮像動作における読み取り動作においては、前記デュアルゲインコントロールトランジスタにより高いゲインに切替えた状態で、前記リセットトランジスタによりリセットを行った後に画素信号を読み取って短時間リセット信号とし、さらにその後に、前記転送トランジスタを導通させた後に前記画素信号を読み取って短時間信号とし、前記短時間信号と前記短時間リセット信号の差である第３の信号を出力する
   ことを特徴とする撮像素子。
4. 請求項１から請求項３の何れか一項に記載する撮像素子において、
   前記キャパシタは、行選択信号に接続され、
   前記行選択信号は、露光中に第１の電位、読み出し時に第２の電位を異なった設定にできることを特徴とする撮像素子。
5. 請求項１から請求項４の何れか一項に記載する撮像素子において、
   前記オーバーフローゲートトランジスタをリセット時のみＯＮ、又は常時非導通状態のまま撮像動作を行うことを特徴とする撮像素子。
6. 請求項１から請求項５の何れか一項に記載する撮像素子において、
   前記フォトダイオード、前記転送トランジスタ、前記オーバーフローゲートトランジスタ、前記デュアルゲインコントロールトランジスタ、前記第２のフローティングディフュージョンを画素ごとに持ち、
   前記第１のフローティングディフュージョン、前記リセットトランジスタ、前記増幅トランジスタ、行選択するための行選択トランジスタを複数の隣接画素で共有させたことを特徴とする撮像素子。
7. 請求項１から請求項６の何れか一項に記載する撮像素子を備えることを特徴とする撮像装置。

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