JP2024517519A

JP2024517519A - 固体撮像装置、及び固体撮像装置を備えた撮像装置

Info

Publication number: JP2024517519A
Application number: JP2022525509A
Authority: JP
Inventors: 雄一郎山下; 篤小林
Original assignee: Beijing Xiaomi Mobile Software Co Ltd
Current assignee: Beijing Xiaomi Mobile Software Co Ltd
Priority date: 2022-03-30
Filing date: 2022-03-30
Publication date: 2024-04-23
Also published as: CN117178564A; WO2023184265A1

Abstract

入力する光に応じて光電変換により電荷が生じる光電変換素子と、電荷を当該電荷の量に応じた電圧に変換するフローティングディフュージョンと、フローティングディフュージョンに接続され且つ光電変換素子からオーバーフローした電荷を蓄積可能な保持容量と、フローティングディフュージョンで変換された電圧に基づく信号を処理する信号処理部と、を備え、信号処理部は、保持容量を用いて読み出された信号の処理手段を複数有する。【選択図】図６

Description

本発明は、固体撮像装置、及び固体撮像装置を備えた撮像装置に関するものである。

従来から、ハイダイナミックレンジを実現した固体撮像素子が知られている（ＵＳ２０１７／００９９４２３号公報参照）。

この固体撮像素子は、いわゆる横型オーバーフロー蓄積容量（ＬａｔｅｒａｌＯｖｅｒｆｌｏｗＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎＣａｐａｃｉｔｏｒ：ＬＯＦＩＣ）を備えたＣＭＯＳイメージセンサー等であり、この固体撮像素子５００の各画素５０１は、図１４及び図１５に示すように、フォトダイオード（光電変換素子）５０２と、フォトダイオード５０２で生じた電荷を当該電荷の量に応じた電圧に変換するフローティングディフュージョン５０３と、フォトダイオード５０２からオーバーフローした電荷を蓄積可能な横型オーバーフロー蓄積容量５０４と、を備えている。尚、図１４及び図１５のポテンシャル図における各領域の符号は、図１４の等価回路図の対応する構成に付された符号の後ろにＰを加えたものを使用している。また、図１５の符号ｔ１～ｔ９は、図１６に示す各トランジスタの駆動タイミングｔ１～ｔ９と対応する符号である。

この固体撮像素子５００の各画素５０１では、フォトダイオード５０２への入射光の光量が大きいときに、該フォトダイオード５０２からオーバーフローしてきた電荷が横型オーバーフロー蓄積容量５０４（図１５における符号５０４Ｐで示す領域参照）に蓄積され、この横型オーバーフロー蓄積容量５０４に蓄積された電荷も読み出すことで、ハイダイナミックレンジ（即ち、フォトダイオード５０２の容量以上の入力ダイナミックレンジ）を実現している。

具体的に、各画素５０１では、フォトダイオード５０２への入射光の光量が大きいとき、即ち、フォトダイオード５０２において生じた電荷がその容量を超えてオーバーフローしたときには、フローティングディフュージョン５０３での変換ゲインが高い状態（即ち、フローティングディフュージョン５０３と横型オーバーフロー蓄積容量５０４との間に配置されているスイッチトランジスタ５０５がオフの状態）でフォトダイオード５０２からの電荷を読み出し（図１６のｔ４～ｔ７参照）、続けて、フローティングディフュージョン５０３での変換ゲインを低くして（即ち、フローティングディフュージョン５０３と横型オーバーフロー蓄積容量５０４との間に配置されているスイッチトランジスタ５０５がオンの状態）でフォトダイオード５０２と横型オーバーフロー蓄積容量５０４との合計の電荷を読み出す（図１６のｔ８～ｔ１１参照）ことで、フォトダイオード５０２の容量以上の入力ダイナミックレンジを実現している。

しかしながら、上記の固体撮像素子５００では、フォトダイオード５０２において入射光によって生じた電荷を蓄積している間に暗電流が生じたり、横型オーバーフロー蓄積容量５０４においてリセットレベル（リセット信号）を知るために行われるリセット読み出しによって熱雑音が生じたりするが、相関二重サンプリングを行うことができないため、ＳＮ比が劣化する。

詳しくは、各画素５０１では、光量の大きな光が入力したときに、フォトダイオード５０２からオーバーフローした電荷のうち、フローティングディフュージョン５０３で保持できない電荷が横型オーバーフロー蓄積容量５０４に蓄積され、この横型オーバーフロー蓄積容量５０４に蓄積された電荷が読み出された後、横型オーバーフロー蓄積容量５０４が画素のリセット信号によって読み出されていた。

このため、フォトダイオード５０２の容量を超えた信号量（光量の大きな光）を画素５０１で読み取ることはできたが、フォトダイオード５０２から電荷がオーバーフローし始める光量の前後において、横型オーバーフロー蓄積容量５０４のリセットレベルが有する熱雑音と、フォトダイオード５０２からオーバーフローした電荷（信号）に重ね合わされる暗電流及びそのショットノイズとの影響により、図１７に示すような大きなＳＮ比の非連続性（ギャップ）Ｇが生じてしまう。

このようなＳＮ比の非連続性は、緩やかに諧調が変わる被写体、例えば、空、肌、雲等でとくに目立ってしまい、固体撮像素子５００の画質を低下させる要因となる。

ＵＳ２０１７／００９９４２３号公報

そこで、本発明は、ハイダイナミックレンジを実現しつつもＳＮ比のギャップに起因する画質低下を抑えることができる固体撮像装置、及び固体撮像装置を備えた撮像装置を提供することを課題とする。

本発明に係る固体撮像装置は、
入力する光に応じて光電変換により電荷が生じる光電変換素子と、
前記電荷を当該電荷の量に応じた電圧に変換するフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンに接続され且つ前記光電変換素子からオーバーフローした前記電荷を蓄積可能な保持容量と、
前記フローティングディフュージョンで変換された前記電圧に基づく信号を処理する信号処理部と、を備え、
前記信号処理部は、前記保持容量を用いて読み出された前記信号の処理手段を複数有する。

前記固体撮像装置では、
前記複数の処理手段は、相関二重サンプリング手段と、前記保持容量のリセット時の電圧に基づいて信号を補正する補正手段と、を含んでもよい。

また、本発明に係る固体撮像装置は、
入力する光に応じて光電変換により電荷が生じる光電変換素子と、
前記電荷を当該電荷の量に応じた電圧に変換するフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンに接続され且つ前記光電変換素子からオーバーフローした前記電荷を蓄積可能な保持容量と、
前記フローティングディフュージョンで変換された前記電圧に基づく信号を処理する信号処理部と、を備え、
前記信号処理部は、
前記光電変換素子への前記光の入力によって生成される前記電荷が該光電変換素子からオーバーフローしない第一状態のときは、前記フローティングディフュージョンでの変換ゲインの異なる前記信号に対し、それぞれ相関二重サンプリングを行い、
前記光電変換素子への前記光の入力によって生成される前記電荷が該光電変換素子からオーバーフローした第二状態のときは、前記信号に対し、前記保持容量のリセット時の電圧に基づいて補正する。

また、前記固体撮像装置は、
前記光電変換素子と前記フローティングディフュージョンとを接続する第１スイッチトランジスタと、
前記フローティングディフュージョンと前記保持容量とを接続する第２スイッチトランジスタと、
前記保持容量とリセット電位とを接続する第３スイッチトランジスタと、
各スイッチトランジスタを制御する制御部と、を備え、
前記フローティングディフュージョンは、前記第２スイッチトランジスタと前記第３スイッチトランジスタとを順に介して前記リセット電位と接続され、
前記信号処理部は、
前記光電変換素子への前記光の入力後に、前記第１～第３スイッチトランジスタがオフの状態から前記制御部によって前記第２スイッチトランジスタがオンされたときの前記フローティングディフュージョンの電圧に基づく信号を第１信号とし、
前記第１信号が得られた後に前記制御部によって前記第２スイッチトランジスタがオフされたときの前記フローティングディフュージョンの電圧に基づく信号を第２信号とし、
前記第２信号が得られた後に前記制御部によって前記第１スイッチトランジスタがオン及びオフされたときの前記フローティングディフュージョンの電圧に基づく信号を第３信号とし、
前記第３信号が得られた後に前記制御部によって前記第２スイッチトランジスタがオンされた状態で前記第１スイッチトランジスタがオン及びオフされたときの前記フローティングディフュージョンの電圧に基づく信号を第４信号とし、
前記第４信号が得られた後に前記制御部によって前記第２スイッチトランジスタがオンされた状態で前記第３スイッチトランジスタがオン及びオフされたときの前記フローティングディフュージョンの電圧に基づく信号を第５信号としたときに、
これら前記第１～第５信号に基づいて該固体撮像装置から外部に出力される出力信号を生成してもよい。

また、前記固体撮像装置では、
前記相関二重サンプリングは、前記第４信号と前記第１信号との差分に基づく第１差分信号を求める信号処理と、前記第３信号と前記第２信号との差分に基づく第２差分信号を求める信号処理と、のそれぞれに含まれ、
前記保持容量のリセット時の電圧に基づく補正は、前記第４信号と前記第５信号との差分に基づく第３差分信号を求める信号処理に含まれてもよい。

また、前記固体撮像装置は、
少なくとも前記光電変換素子の容量に基づいて設定される第１閾値、及び少なくとも前記フローティングディフュージョンの容量に基づいて設定される第２閾値を格納する記憶部を備え、
前記信号処理部は、
前記第３差分信号の値と前記第１閾値とを比較し、前記第３差分信号の値が前記第１閾値より大きいときに、該第３差分信号を前記出力信号として出力し、
前記第３差分信号の値と前記第１閾値とを比較した結果、前記第３差分信号の値が前記第１閾値以下のときは、前記第１差分信号の値と前記第２閾値とを比較し、前記第１差分信号の値が前記第２閾値より大きいときに、該第１差分信号を前記出力信号として出力し、
前記第１差分信号の値と前記第２閾値とを比較した結果、前記第１差分信号の値が前記第２閾値以下のときは、前記第２差分信号を前記出力信号として出力してもよい。

また、前記固体撮像装置では、
前記保持容量である第１保持容量と異なる第２保持容量であって、前記光電変換素子からオーバーフローした前記電荷を蓄積可能な第２保持容量と、
前記光電変換素子と前記フローティングディフュージョンとを接続する第１スイッチトランジスタと、
前記フローティングディフュージョンと前記保持容量とを接続する第２スイッチトランジスタと、
前記第２保持容量とリセット電位とを接続する第３スイッチトランジスタと、
前記第１保持容量と前記第２保持容量とを接続する第４スイッチトランジスタと、
各スイッチトランジスタを制御する制御部と、を備え、
前記フローティングディフュージョンは、前記第２スイッチトランジスタと前記第４スイッチトランジスタとを順に介して前記第２保持容量と接続されると共に、前記第２スイッチトランジスタと前記第４スイッチトランジスタと前記第３スイッチトランジスタとを順に介して前記リセット電位と接続され、
前記第１保持容量は、前記第４スイッチトランジスタと前記第３スイッチトランジスタとを順に介して前記リセット電位と接続され、
前記信号処理部は、
前記光電変換素子への前記光の入力後に、前記第１～第４スイッチトランジスタがオフの状態から前記制御部によって前記第２スイッチトランジスタがオンされたときの前記フローティングディフュージョンの電圧に基づく信号を第１信号とし、
前記第１信号が得られた後に前記制御部によって前記第２スイッチトランジスタがオフされたときの前記フローティングディフュージョンの電圧に基づく信号を第２信号とし、
前記第２信号が得られた後に前記制御部によって前記第１スイッチトランジスタがオン及びオフされたときの前記フローティングディフュージョンの電圧に基づく信号を第３信号とし、
前記第３信号が得られた後に前記制御部によって前記第２スイッチトランジスタがオンされた状態で前記第１スイッチトランジスタがオン及びオフされたときの前記フローティングディフュージョンの電圧に基づく信号を第４信号とし、
前記第４信号が得られた後に前記制御部によって前記第２スイッチトランジスタ及び前記第４スイッチトランジスタがオンされた状態で前記第１スイッチトランジスタがオン及びオフされたされたときの前記フローティングディフュージョンの電圧に基づく信号を第１５信号とし、
前記第１５信号が得られた後に前記制御部によって前記第２スイッチトランジスタ及び前記第４スイッチトランジスタがオンされた状態で前記第３スイッチトランジスタがオン及びオフされたときの前記フローティングディフュージョンの電圧に基づく信号を第１６信号とし、
前記第１６信号が得られた後に前記制御部によって前記第２スイッチトランジスタがオンされた状態で前記第４スイッチトランジスタがオフされたときの前記フローティングディフュージョンの電圧に基づく信号を第１７信号としたときに、
これら第１～第４信号及び第１５～第１７信号に基づいて該固体撮像装置から外部に出力される出力信号を生成してもよい。

また、前記固体撮像装置では、
前記相関二重サンプリングは、前記第４信号と前記第１信号との差分に基づく第１差分信号を求める信号処理と、前記第３信号と前記第２信号との差分に基づく第２差分信号を求める信号処理と、のそれぞれに含まれ、
前記保持容量のリセット時の電圧に基づく補正は、前記第４信号と前記第１７信号との差分に基づく第３差分信号を求める信号処理と、前記第１５信号と前記第１６信号との差分に基づく第４差分信号を求める信号処理と、のそれぞれに含まれてもよい。

また、前記固体撮像装置は、
少なくとも前記光電変換素子の容量に基づいて設定される第１閾値、少なくとも前記フローティングディフュージョンの容量に基づいて設定される第２閾値、及び少なくとも前記フローティングディフュージョンの容量及び前記第１保持容量に基づいて設定される第３閾値を格納する記憶部を備え、
前記信号処理部は、
前記第４差分信号の値と前記第３閾値とを比較し、前記第４差分信号の値が前記第３閾値より大きいときに、該第４差分信号を前記出力信号として出力し、
前記第４差分信号の値と前記第３閾値とを比較した結果、前記第４差分信号の値が前記第３閾値以下のときは、前記第３差分信号の値と前記第１閾値とを比較し、前記第３差分信号の値が前記第１閾値より大きいときに、該第３差分信号を前記出力信号として出力し、
前記第３差分信号の値と前記第１閾値とを比較した結果、前記第３差分信号の値が前記第１閾値以下のときは、前記第１差分信号の値と前記第２閾値とを比較し、前記第１差分信号の値が前記第２閾値より大きいときに、該第１差分信号を前記出力信号として出力し、
前記第１差分信号の値と前記第２閾値とを比較した結果、前記第１差分信号の値が前記第２閾値以下のときは、前記第２差分信号を前記出力信号として出力してもよい。

また、前記固体撮像装置では、
前記第１保持容量は、前記第２保持容量より小さくてもよい。

また、本発明に係る撮像装置は、上記の何れかの固体撮像装置を備えている。

図１は、第一実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す図である。図２は、前記固体撮像装置が備える画素の等価回路図である。図３は、前記画素の駆動タイミングと該駆動タイミングと対応する画素信号とを示す図である。図４は、前記画素の駆動タイミングと該駆動タイミングと対応する画素信号とを示す図である。図５は、前記画素の駆動タイミングと該駆動タイミングと対応する画素信号とを示す図である。図６は、前記固体撮像装置が備える信号処理部のデータフローチャートである。図７は、前記画素の入出力特性を表すグラフである。図８は、前記画素のＳＮ比を示すグラフである。図９は、第二実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す図である。図１０は、前記固体撮像装置が備える画素の等価回路図である。図１１は、前記画素のタイミングチャートである。図１２は、前記固体撮像装置が備える信号処理部のデータフローチャートである。図１３は、前記画素のＳＮ比を示すグラフである。図１４は、従来の固体撮像装置が備える画素の等価回路図、及びポテンシャル図である。図１５は、前記画素での信号電荷の流れを示すポテンシャル図である。図１６は、前記画素の駆動タイミングを示す図である。図１７は、前記画素のＳＮ比を示すグラフである。

本実施形態の固体撮像装置は、
入力する光に応じて光電変換により電荷が生じる光電変換素子と、
前記電荷を当該電荷の量に応じた電圧に変換するフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンに接続され且つ前記光電変換素子からオーバーフローした前記電荷を蓄積可能な保持容量と、
前記フローティングディフュージョンで変換された前記電圧に基づく信号を処理する信号処理部と、を備え、
前記信号処理部は、前記保持容量を用いて読み出された前記信号の処理手段を複数有する。

かかる構成によれば、入力する光の光量が大きい範囲では保持容量がオーバーフローした電荷を蓄積することでハイダイナミックレンジを実現しつつも、光電変換素子に入力する光の光量（光電変換素子で生じる電荷の量）に応じた信号処理によって生成された信号を出力することでＳＮ比のグラフにおける非連続の位置（光量）でのギャップを好適に抑え、これにより、該ギャップに起因する画質低下を抑えている。詳しくは、以下の通りである。

光の入力によって光電変換素子で生じた電荷が該光電変換素子の容量を超えてオーバーフローしても、保持容量がこのオーバーフローした電荷を蓄積し、光電変換素子で生じた電荷のフローティングディフュージョンからの読み出しのときにこの保持容量に蓄積された電荷も読み出すことで、光電変換素子の容量以上の入力ダイナミックレンジ（即ち、ハイダイナミックレンジ）を実現している。

また、保持容量を用いて光電変換素子で生じた電荷を読み出したときの信号に対し、複数の処理手段によって適宜信号処理されることで、ＳＮ比のグラフにおける非連続の位置（光量）でのギャップが好適に抑えられる。

この場合、例えば、
前記複数の処理手段は、相関二重サンプリング手段と、前記保持容量のリセット時の電圧に基づいて信号を補正する補正手段と、を含んでもよい。

このように、保持容量を用いて光電変換素子で生じた電荷を読み出した信号に対して相関二重サンプリングが行われることで、該信号は、光電変換素子での電荷の蓄積中に生じた暗電流や保持容量で生じる熱雑音の影響を受けない若しくは十分に抑えられる。また、入力する光の光量が大きく、光電変換素子から電荷がオーバーフローしたときには、このオーバーフローした電荷を蓄積した保持容量を用いて光電変換素子で生じた電荷を読み出した信号に対して保持容量のリセット時の電圧に基づく補正が行われるが、この補正された信号は、光電変換素子で生じた暗電流や保持容量で生じる熱雑音等の影響を受ける。しかし、前記オーバーフローする光量では、読み出される信号（電荷数）が大きいため、該信号において相対的に暗電流や熱雑音の影響が小さくなり、これにより、ＳＮ比のグラフにおける非連続位置（前記オーバーフローし始める位置）でのギャップが抑えられる（例えば、図８に示すギャップＧ１、Ｇ２参照）。

また、本実施形態の記固体撮像装置は、
入力する光に応じて光電変換により電荷が生じる光電変換素子と、
前記電荷を当該電荷の量に応じた電圧に変換するフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンに接続され且つ前記光電変換素子からオーバーフローした前記電荷を蓄積可能な保持容量と、
前記フローティングディフュージョンで変換された前記電圧に基づく信号を処理する信号処理部と、を備え、
前記信号処理部は、
前記光電変換素子への前記光の入力によって生成される前記電荷が該光電変換素子からオーバーフローしない第一状態のときは、前記フローティングディフュージョンでの変換ゲインの異なる前記信号に対し、それぞれ相関二重サンプリングを行い、
前記光電変換素子への前記光の入力によって生成される前記電荷が該光電変換素子からオーバーフローした第二状態のときは、前記信号に対し、前記保持容量のリセット時の電圧に基づいて補正する。

かかる構成によれば、入力する光の光量が大きい範囲（即ち、光電変換素子への前記光の入力によって生成される前記電荷が該光電変換素子からオーバーフローした第二状態）では保持容量がオーバーフローした電荷を蓄積することでハイダイナミックレンジを実現しつつも、光電変換素子に入力する光の光量（光電変換素子で生じる電荷の量）に応じた信号処理によって生成された信号を出力することでＳＮ比のグラフにおける非連続の位置（光量）でのギャップを好適に抑え、これにより、該ギャップに起因する画質低下を抑えている。詳しくは、以下の通りである。

光の入力によって光電変換素子で生じた電荷が該光電変換素子の容量を超えてオーバーフローしても、保持容量がこのオーバーフローした電荷を蓄積し、光電変換素子で生じた電荷（信号）のフローティングディフュージョンからの読み出しのときにこの保持容量に蓄積された電荷も読み出すことで、光電変換素子の容量以上の入力ダイナミックレンジ（即ち、ハイダイナミックレンジ）を実現している。

また、第一状態において、光電変換素子で生じる電荷のフローティングディフュージョンからの異なる変換ゲインでの読み出し（例えば、高変換ゲインでの読み出しと、低変換ゲインでの読み出しと）では、いずれも相関二重サンプリングが可能であるため、これら読み出した信号は、光電変換素子での電荷の蓄積中に生じた暗電流や保持容量で生じる熱雑音の影響を受けない若しくは十分に抑えられるため、ＳＮ比のグラフにおける非連続位置（変換ゲインが切り替わる位置）でのギャップが抑えられる（例えば、図８のギャップＧ１参照）。

一方、光電変換素子から電荷がオーバーフローした状態（第二状態）での読み出し信号は、保持容量のリセット時の電圧に基づいて補正されるが、相関二重サンプリングができないため光電変換素子で生じた暗電流や保持容量で生じる熱雑音等の影響を受ける。しかし、前記オーバーフローする光量では、読み出される信号（電荷数）が大きいため、該信号において相対的に暗電流や熱雑音の影響が小さくなり、これにより、ＳＮ比のグラフにおける非連続位置（前記オーバーフローし始める位置）でのギャップが抑えられる（例えば、図８のギャップＧ２参照）。

以上のように、上記構成によれば、ＳＮ比のグラフにおいて非連続位置でのギャップがそれぞれ抑えられる（小さくなる）ため、該ギャップに起因する画質低下が効果的に抑えられる。

このように、光電変換素子の電荷の一回の蓄積（光の一回の入力）において、五つの信号（第１～第５信号）を得ることで、入力する光の光量（光電変換素子で生じる電荷の量）に応じて、相関二重サンプリングによる信号処理と、保持容量のリセット時の電圧に基づいて補正する信号処理とのいずれの信号処理にも対応することが可能となる。

この場合、例えば、前記固体撮像装置において、
前記相関二重サンプリングは、前記第４信号と前記第１信号との差分に基づく第１差分信号を求める信号処理と、前記第３信号と前記第２信号との差分に基づく第２差分信号を求める信号処理と、のそれぞれに含まれ、
前記保持容量のリセット時の電圧に基づく補正は、前記第４信号と前記第５信号との差分に基づく第３差分信号を求める信号処理に含まれる。

このように、信号処理部が二つの閾値を用いて出力する信号を選択することにより、光電変換素子に入力する光の光量（光電変換素子で生じる電荷の量）に応じた信号処理、即ち、相関二重サンプリングによる信号処理と、保持容量のリセット時の電圧に基づいて補正する信号処理との切り替えやこれらの処理によって生成された信号の選択等がより確実に行われる。

また、前記固体撮像装置は、
前記保持容量である第１保持容量と異なる第２保持容量であって、前記光電変換素子からオーバーフローした前記電荷を蓄積可能な第２保持容量と、
前記光電変換素子と前記フローティングディフュージョンとを接続する第１スイッチトランジスタと、
前記フローティングディフュージョンと前記保持容量とを接続する第２スイッチトランジスタと、
前記第２保持容量とリセット電位とを接続する第３スイッチトランジスタと、
前記第１保持容量と前記第２保持容量とを接続する第４スイッチトランジスタと、
各スイッチトランジスタを制御する制御部と、を備え、
前記フローティングディフュージョンは、前記第２スイッチトランジスタと前記第４スイッチトランジスタとを順に介して前記第２保持容量と接続されると共に、前記第２スイッチトランジスタと前記第４スイッチトランジスタと前記第３スイッチトランジスタとを順に介して前記リセット電位と接続され、
前記第１保持容量は、前記第４スイッチトランジスタと前記第３スイッチトランジスタとを順に介して前記リセット電位と接続され、
前記信号処理部は、
前記光電変換素子への前記光の入力後に、前記第１～第４スイッチトランジスタがオフの状態から前記制御部によって前記第２スイッチトランジスタがオンされたときの前記フローティングディフュージョンの電圧に基づく信号を第１信号とし、
前記第１信号が得られた後に前記制御部によって前記第２スイッチトランジスタがオフされたときの前記フローティングディフュージョンの電圧に基づく信号を第２信号とし、
前記第２信号が得られた後に前記制御部によって前記第１スイッチトランジスタがオン及びオフされたときの前記フローティングディフュージョンの電圧に基づく信号を第３信号とし、
前記第３信号が得られた後に前記制御部によって前記第２スイッチトランジスタがオンされた状態で前記第１スイッチトランジスタがオン及びオフされたときの前記フローティングディフュージョンの電圧に基づく信号を第４信号とし、
前記第４信号が得られた後に前記制御部によって前記第２スイッチトランジスタ及び前記第４スイッチトランジスタがオンされた状態で前記第１スイッチトランジスタがオン及びオフされたされたときの前記フローティングディフュージョンの電圧に基づく信号を第１５信号とし、
前記第１５信号が得られた後に前記制御部によって前記第２スイッチトランジスタ及び前記第４スイッチトランジスタがオンされた状態で前記第３スイッチトランジスタがオン及びオフされたときの前記フローティングディフュージョンの電圧に基づく信号を第１６信号とし、
前記第１６信号が得られた後に前記制御部によって前記第２スイッチトランジスタがオンされた状態で前記第４スイッチトランジスタがオフされたときの前記フローティングディフュージョンの電圧に基づく信号を第１７信号としたときに、
これら第１～第４信号及び第１５～第１７信号に基づいて該固体撮像装置から外部に出力される出力信号を生成してもよい。

このように、光電変換素子の電荷の一回の蓄積（光の一回の入力）において、七つの信号（第１～第４信号及び第１５～第１７信号）を得ることで、入力する光の光量（光電変換素子で生じる電荷の量）に応じて、相関二重サンプリングによる信号処理と、保持容量のリセット時の電圧に基づいて補正する信号処理とのいずれの信号処理にも対応することが可能となる。

しかも、光電変換素子からオーバーフローした電荷を蓄積可能な二つの保持容量（第１保持容量、第２保持容量）を備え、光電変換素子で生じた電荷の量に応じて使用される保持容量の数が調整されることで、熱雑音等の保持容量に起因する画質低下を抑えることができる。即ち、保持容量が大きいほどノイズの原因となる熱雑音等が大きくなるため、光電変換素子で生じた電荷の蓄積に第１保持容量を使用するが第２保持容量を使用しない場合には、同じ容量（第１保持容量と第２保持容量の合計の容量）を一つの保持容量で確保する構成に比べ、熱雑音等の保持容量に起因する画質低下が抑えられる。

この場合、例えば、前記固体撮像装置において、
前記相関二重サンプリングは、前記第４信号と前記第１信号との差分に基づく第１差分信号を求める信号処理と、前記第３信号と前記第２信号との差分に基づく第２差分信号を求める信号処理と、のそれぞれに含まれ、
前記保持容量のリセット時の電圧に基づく補正は、前記第４信号と前記第１７信号との差分に基づく第３差分信号を求める信号処理と、前記第１５信号と前記第１６信号との差分に基づく第４差分信号を求める信号処理と、のそれぞれに含まれる。

このように、信号処理部が三つの閾値を用いて出力する信号を選択することにより、光電変換素子に入力する光の光量（光電変換素子で生じる電荷の量）に応じた信号処理、即ち、相関二重サンプリングによる信号処理と、保持容量のリセット時の電圧に基づいて補正する信号処理との切り替えやこれらの処理によって生成された信号の選択等がより確実に行われる。

また、前記固体撮像装置では、
前記第１保持容量は、前記第２保持容量より小さいことが好ましい。

保持容量に蓄積される電荷の数が大きくなるほど、保持容量から読み出される前記電荷の数に応じた信号に対するノイズ（熱雑音等の保持容量に起因するノイズ）の相対的な大きさが抑えられる、即ち、前記ノイズの画質に対する影響が抑えられる。このため、光電変換素子からの電荷の数が少ないときに使用される第１保持容量を小さくしてこの第１保持容量のみが使用されるときに該第１保持容量で生じるノイズを抑えると共に、光電変換素子からの電荷の数が大きくなって前記ノイズの画質に対する影響が相対的に小さくなるときに使用される第２保持容量を大きくすることで、ハイダイナミックレンジを実現しつつ保持容量に起因する画質の低下を好適に抑えることができる。

また、本実施形態の撮像装置は、上記のいずれかの固体撮像装置を備えている。

以下、本発明の第一実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。

［撮像装置の構成例］
本実施形態の撮像装置は、例えばスマートフォンやデジタルカメラである。また、本実施形態の固体撮像装置は、撮像装置に組み込まれ、ＣＭＯＳイメージセンサー等の固体撮像素子（ＳＯＬＩＤＳＴＡＴＥＩＭＡＧＥＳＥＮＳＯＲ）を含む。尚、固体撮像装置１は、少なくとも固体撮像素子を含み、本実施形態の固体撮像装置１は、ＣＭＯＳイメージセンサー（固体撮像素子）と、信号処理部７と、メモリ８と、を含む。

具体的に、この撮像装置に組み込まれた固体撮像装置１は、図１に示すように、画素アレイ部２と、垂直駆動部３と、複数のカラム信号処理部４と、水平駆動部５と、制御部６と、信号処理部７とを備える。また、固体撮像装置１は、信号処理部７で処理される信号等を格納可能なメモリ８を備える。本実施形態の固体撮像装置１において、少なくとも画素アレイ部２と垂直駆動部３と複数のカラム信号処理部４と水平駆動部５と制御部６とが、ＣＭＯＳイメージセンサーを構成する。

少なくとも、画素アレイ部２、垂直駆動部３、カラム信号処理部４、水平駆動部５、制御部６、及び信号処理部７は、同一の半導体基板上又は電気的に接続された複数の半導体基板上に配置されている。尚、信号処理部７及びメモリ８は、画素アレイ部２、垂直駆動部３、カラム信号処理部４、水平駆動部５、及び制御部６が配置された半導体基板に配置されてもよく、異なる基板上等に配置されていてもよい。即ち、信号処理部７及びメモリ８の配置場所は限定されない。

画素アレイ部２は、行列状に２次元配置される複数の画素１０を有する。これら複数の画素１０のそれぞれは、入力した光（入射光）を光電変換して入力光量に応じた量の信号電荷（電荷）を内部に蓄積し、この蓄積した信号電荷を出力することが可能な光電変換素子１１を有する有効単位画素である。各画素１０の具体的な構成の詳細については、後述する。

また、複数の画素１０は、有効単位画素の他に、光電変換素子のない構造のダミー単位画素や、受光面が遮光されることで外部からの光の入力が遮断された遮光単位画素等を含んでもよい。この遮光単位画素は、受光面が遮光された構造である以外は、有効単位画素と同様の構成を備えている。

また、画素アレイ部２は、行列状の画素配列に対して、行毎に配置され且つそれぞれが行方向に延びる複数の行信号線２１と、列毎に配置され且つそれぞれが列方向に延びる複数の列信号線２２と、を有する。これら複数の行信号線２１のそれぞれは、垂直駆動部３に接続され、複数の列信号線２２のそれぞれは、対応するカラム信号処理部４に接続されている。

垂直駆動部３は、例えばシフトレジスタによって構成され、所定の行信号線２１を選択して、選択された行信号線２１に画素１０を駆動するためのパルス（信号）を供給し、行単位で画素１０を駆動する。詳しくは、垂直駆動部３は、画素アレイ部２の各画素１０を行単位で順次垂直方向に選択走査し、各画素１０の光電変換素子１１において入力光量に応じて生成された信号電荷に基づく画素信号を、列信号線２２を通してカラム信号処理部４に供給する。

複数のカラム信号処理部４のそれぞれは、画素１０の列ごとに配置されており、一行分の画素１０から出力される画素信号を画素列ごとにノイズ除去などの信号処理を行う。本実施形態の各カラム信号処理部４は、画素固有の固定パターンノイズを除去するための相関二重サンプリング（ＣｏｒｒｅｌａｔｅｄＤｏｕｂｌｅＳａｍｐｌｉｎｇ：ＣＤＳ)及びＡ／Ｄ(Ａｎａｌｏｇ／Ｄｉｇｉｔａｌ)変換等の信号処理を行う。

水平駆動部５は、例えばシフトレジスタによって構成され、水平走査パルスを順次出力することによって、複数のカラム信号処理部４のそれぞれを順番に選択し、各カラム信号処理部４で信号処理された画素信号を順番に信号処理部７に出力させる。

制御部６は、固体撮像装置１の各部の動作を制御する。具体的に、制御部６は、入力クロック信号と、動作モードなどを指令するデータと、を受け取ると共に、固体撮像装置１の内部情報などのデータを出力する。詳しくは、制御部６は、垂直同期信号、水平同期信号、及び、マスタクロック信号に基づいて、垂直駆動部３、カラム信号処理部４、及び、水平駆動部５等の動作の基準となるクロック信号や制御信号を生成し、この生成したクロック信号や制御信号を、垂直駆動部３、カラム信号処理部４、及び、水平駆動部５等に出力する。

信号処理部７は、各カラム信号処理部４から出力される画素信号に対して演算処理等の種々の信号処理を行う。具体的に、信号処理部７は、画素信号についての演算を行う演算部７１と、演算部での演算結果についての判断を行う判断部７２と、判断部の判断結果に基づいて信号を出力するセレクタ７３と、を有する（図６参照）。本実施形態の信号処理部７は、ＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）である。また、信号処理部７での具体的な処理内容については後述する。

尚、信号処理部７の具体的な配置場所は限定されない。本実施形態の固体撮像装置１では、信号処理部７は、ＣＭＯＳイメージセンサーと異なる位置に配置されているが、信号処理部７の全構成がＣＭＯＳイメージセンサーに配置（搭載）されていてもよく、信号処理部７の一部の構成がＣＭＯＳイメージセンサーに配置されていてもよい。

メモリ８は、ラインメモリ、フレームメモリ、ＦＩＦＯ等であり、各カラム信号処理部４から出力される画素信号等を格納できる。このメモリ８の具体的な構成については、後述する。

［画素の構成］
続いて、画素アレイ部２に行列状に配置されている画素１０の具体的な構造について、図２を参照しつつ説明する。

画素１０は、入力する光に応じて光電変換により信号電荷が生じる光電変換素子１１と、光電変換素子１１で生じた信号電荷を当該信号電荷の量に応じた電圧信号（電圧）に変換するフローティングディフュージョン１２と、フローティングディフュージョン１２に接続され且つ光電変換素子１１からオーバーフローした信号電荷を蓄積可能な保持容量１３と、を備える。本実施形態の光電変換素子１１は、例えばフォトダイオードである。

また、画素１０は、光電変換素子１１とフローティングディフュージョン１２とを接続する転送トランジスタ（第１スイッチトランジスタ）１４と、フローティングディフュージョン１２と保持容量１３とを接続する保持スイッチトランジスタ（第２スイッチトランジスタ）１５と、保持容量１３とリセット電源（リセット電位）ＶＤＤ１とを接続するリセットトランジスタ（第３スイッチトランジスタ）１６と、フローティングディフュージョン１２の電圧信号を増幅する増幅トランジスタ１７と、増幅トランジスタ１７と列信号線２２とを接続する選択トランジスタ１８と、を備える。

これら行列状に配置される複数の画素１０に対し、複数の行信号線２１が、画素行毎に配線されている。そして、垂直駆動部３から行信号線２１を介して、各種の駆動信号φＴＸ、φＳ、φＲＥＳ、φＳＥＬが各画素１０に供給される。これらの駆動信号φＴＸ、φＳ、φＲＥＳ、φＳＥＬは、上述のパルスである。

フローティングディフュージョン１２は、光電変換素子１１で生じた信号電荷を電圧信号に電荷電圧変換して出力する。本実施形態のフローティングディフュージョン１２は、保持スイッチトランジスタ１５とリセットトランジスタ１６とを順に介してリセット電源ＶＤＤ１とも接続されている。

保持容量１３は、キャパシタであり、上述のように保持スイッチトランジスタ１５を介してフローティングディフュージョン１２と接続されると共に、リセットトランジスタ１６を介してリセット電源ＶＤＤ１とも接続されている。

転送トランジスタ１４のゲート電極には、駆動信号φＴＸが印加される。この駆動信号φＴＸは、制御部６からの信号（指令）に基づき垂直駆動部３から出力される。駆動信号φＴＸがＨｉになると（即ち、転送トランジスタ１４がオンになると）、転送トランジスタ１４の転送ゲートが導通状態となり、光電変換素子１１に蓄積されている信号電荷が、該転送トランジスタ１４を介してフローティングディフュージョン１２に転送される。尚、駆動信号φＴＸがＬｏｗになると、転送トランジスタ１４は、オフになる。

保持スイッチトランジスタ１５のゲート電極には、駆動信号φＳが印加される。この駆動信号φＳは、制御部６からの信号に基づき垂直駆動部３から出力される。駆動信号φＳがＨｉになる（即ち、保持スイッチトランジスタ１５がオンになる）と、保持スイッチトランジスタ１５の保持ゲートが導通状態となり、信号電荷がフローティングディフュージョン１２から保持容量１３に移動可能となる。尚、駆動信号φＳがＬｏｗになると、保持スイッチトランジスタ１５は、オフになる。また、保持スイッチトランジスタ１５がオフでも、信号電荷が光電変換素子１１からオーバーフローしたときに保持容量１３に蓄積されるよう、保持スイッチトランジスタ１５の保持ゲート（ポテンシャル障壁）が調整されている。

リセットトランジスタ１６のゲート電極には、駆動信号φＲＥＳが印加される。この駆動信号φＲＥＳは、制御部６からの信号に基づき垂直駆動部３から出力される。駆動信号φＲＥＳがＨｉになる（即ち、リセットトランジスタ１６がオンになる）と、リセットトランジスタ１６のリセットゲートが導通状態となり、保持スイッチトランジスタ１５のゲート電極に印加される駆動信号φＳに応じてフローティングディフュージョン１２及び保持容量１３の電位、又は、保持容量１３の電位がリセット電源（リセット電位）ＶＤＤ１のレベル（リセットレベル）にリセットされる。尚、駆動信号φＲＥＳがＬｏｗになると、リセットトランジスタ１６は、オフになる。

増幅トランジスタ１７では、ゲート電極がフローティングディフュージョン１２に接続されると共に、ドレイン電極が電源ＶＤＤ２に接続されている。この増幅トランジスタ１７は、フローティングディフュージョン１２の電圧を画素信号として読み出す読み出し回路（いわゆるソースフォロア回路ＳＦ）の入力部となる。即ち、増幅トランジスタ１７は、ソース電極が選択トランジスタ１８を介して列信号線２２に接続されることにより、当該列信号線２２の一端に接続される定電流源とソースフォロア回路ＳＦを構成する。

選択トランジスタ１８は、増幅トランジスタ１７のソース電極と列信号線２２とに接続される。選択トランジスタ１８のゲート電極には、駆動信号φＳＥＬが印加される。この駆動信号φＳＥＬは、制御部６からの信号に基づき垂直駆動部３から出力される。駆動信号φＳＥＬがＨｉになる（即ち、選択トランジスタ１８がオンになる）と、選択トランジスタ１８の選択ゲートが導通状態になり、画素１０が選択状態となる。これにより、増幅トランジスタ１７から出力される画素信号が、選択トランジスタ１８を介して、列信号線２２に出力される。尚、駆動信号φＳＥＬがＬｏｗになると、選択トランジスタ１８はオフになる。

［固体撮像装置の画素の駆動例］
以上のように構成される画素１０の駆動タイミングについて、図３～図５も参照しつつ説明する。尚、図３～図５は、画素１０の駆動信号（制御信号のパルス）と、それに応じて列信号線２２に現れる出力電圧（画素信号）を示し、これら図３～図５において、駆動信号φＳＥＬ、φＲＥＳ、φＳ、φＴＸは、それぞれ同じであり、各図におけるＶｏｕｔは、出力電圧を示す。

先ず、時刻ｔ０１において、選択トランジスタ１８がオフの状態で、転送トランジスタ１４と、保持スイッチトランジスタ１５と、リセットトランジスタ１６とがオンされ、フローティングディフュージョン１２と保持容量１３とがリセットレベルになる。

このように、フローティングディフュージョン１２がリセット電源ＶＤＤ１につながった状態で転送トランジスタ１４がオフされることで光電変換素子１１が浮遊状態となり、光電変換素子１１において光の入力により生じた信号電荷の蓄積が開始される。

この転送トランジスタ１４のオフとほぼ同時に（詳しくは、わずかに遅れて）、保持スイッチトランジスタ１５と、リセットトランジスタ１６とがそれぞれオフされることで、フローティングディフュージョン１２と保持容量１３も浮遊状態になる。このとき、光電変換素子１１から信号電荷がオーバーフローした（溢れてきた）場合に、フローティングディフュージョン１２と保持容量１３とは、このオーバーフローしてきた信号電荷を保持（蓄積）可能である。

このように転送トランジスタ１４、保持スイッチトランジスタ１５、及びリセットトランジスタ１６がオフになった状態で、転送トランジスタ１４がオフになってから所定の蓄積期間ΔＴの経過後の時刻ｔ０２から、当該画素１０の画素信号の読み出しが始まる。

具体的に、画素１０の各スイッチトランジスタ１４～１６、１８がオフの状態から、制御部６（詳しくは、制御部６の指令を受けた垂直駆動部３）が駆動信号φＳＥＬをＨｉにして選択トランジスタ１８をオンすると、該画素１０が列信号線２２と接続される。

その後、制御部６が駆動信号φＳをＨｉにして保持スイッチトランジスタ１５をオンすることで、フローティングディフュージョン１２と保持容量１３とが電気的に接続される。これにより、フローティングディフュージョン１２と保持容量１３とにおける熱雑音（詳しくは、熱雑音電荷）と、光電変換素子１１における信号電荷の蓄積期間中に発生した暗電流（詳しくは、暗電流によって生じた暗電流電荷）等とが混合され、そのときのフローティングディフュージョン１２の電圧(保持容量参照電位)がソースフォロア回路ＳＦに現れた時刻ｔ０３から有限の時間をかけて該ソースフォロア回路ＳＦから読み出され、Ａ／Ｄ変換された後に第１信号（画素信号）としてメモリ８に格納される。

本実施形態の固体撮像装置１では、カラム信号処理部４においてＡ／Ｄ変換された状態（即ち、デジタル信号に変換された状態）で第１信号がメモリ８に格納されるが、この構成に限定されない。ソースフォロア回路ＳＦから読み出された画素信号（フローティングディフュージョン１２の電圧）がアナログ信号のままで以降の各処理が行われてもよい。尚、後のタイミングでソースフォロア回路ＳＦから読み出される画素信号（第２～第５信号）も同様である。

次に、時刻ｔ０４において、制御部６が駆動信号φＳをＬｏｗにして保持スイッチトランジスタ１５をオフし、フローティングディフュージョン１２と保持容量１３とを電気的に切り離す。この状態で、フローティングディフュージョン１２の電位（フローティングディフュージョン参照電位）がソースフォロア回路ＳＦから読み出され、Ａ／Ｄ変換された後に第２信号（画素信号）としてメモリ８に記憶される。この第２信号は、保持スイッチトランジスタ１５に記憶された暗電流成分も含んでいる。

次に、時刻ｔ０５において、制御部６が駆動信号φＴＸをＨｉにして転送トランジスタ１４をオンし、光電変換素子１１が蓄積期間ΔＴの間に蓄積した信号電荷をフローティングディフュージョン１２に転送した後、駆動信号φＴＸをＬｏｗにして転送トランジスタ１４をオフする。

その信号が、時刻ｔ０６においてソースフォロア回路ＳＦから読み出され、Ａ／Ｄ変換された後に第３信号（画素信号）としてメモリ８に記憶される。

次に、時刻ｔ０７において、制御部６が駆動信号φＳをＨｉにして保持スイッチトランジスタ１５をオンすることでフローティングディフュージョン１２と保持容量１３とを導通させた後、再度、駆動信号φＴＸをＨｉ及びＬｏｗにして転送トランジスタ１４をオン及びオフする。このときのフローティングディフュージョン１２の電圧は、ソースフォロア回路ＳＦから読み出され、Ａ／Ｄ変換された後に第４信号（画素信号）としてメモリ８に記憶される。

最後に、時刻ｔ０８において、制御部６が駆動信号φＲＥＳをＨｉにしてリセットトランジスタ１６をオンすることでフローティングディフュージョン１２と保持容量１３とをリセット電源（リセット電位）ＶＤＤ１に接続し、フローティングディフュージョン１２と保持容量１３との信号電荷を全て初期化する（リセットする）。この初期化されたフローティングディフュージョン１２と保持容量１３との電圧（リセットレベル）が、ソースフォロア回路ＳＦから読み出され、Ａ／Ｄ変換された後に第５信号（画素信号）としてメモリ８に記憶される。

以上の画素１０の駆動において、蓄積期間ΔＴの間に画素１０（光電変換素子１１）に入力する光によって生じる信号電荷が光電変換素子１１の保持できる容量を超えておらず、且つ、フローティングディフュージョン１２のみで光電変換素子１１が蓄積（保持）した信号電荷を取り扱える場合（第一前提の場合：図３参照）には、時刻ｔ０５において、フローティングディフュージョン１２の取扱い限界未満の信号電荷がフローティングディフュージョン１２に転送され、ソースフォロア回路ＳＦから読み出された画素信号（フローティングディフュージョン１２の電圧）はそれに応じて変化する（Ｖｏｕｔ参照）。このとき、画素信号（フローティングディフュージョン１２の電圧：図３におけるＶｏｕｔ参照）は、Ａ／Ｄ変換の範囲（入力ダイナミックレンジ）を超えない。即ち、フローティングディフュージョン１２ではオーバーフローせずに信号が正しく保持されている。

また、時刻ｔ０７において、ソースフォロア回路ＳＦから読み出された第４信号（画素信号）は、再度の転送トランジスタ１４のオン及びオフによって光電変換素子１１からフローティングディフュージョン１２への新たな信号電荷の転送がないため、光電変換素子１１から転送された信号電荷をフローティングディフュージョン１２と保持容量１３の容量比で分割した状態でのフローティングディフュージョン１２の電圧に応じた信号となる。

この第一前提の場合、図６にも示すように、信号処理部７が第３信号から第２信号を減算することにより、画素１０で光電変換された最終信号（信号Ｚ）が復元される。詳しくは、以下の通りである。

第２信号は、光電変換素子１１での信号電荷の蓄積中（即ち、蓄積期間ΔＴの間）にフローティングディフュージョン１２と保持容量１３とにおいて生じた暗電流と、時刻ｔ０１でのリセット後に生じた熱雑音とを全て含むが、この第２信号に加算するように光電変換素子１１からフローティングディフュージョン１２に信号電荷が転送されて第３信号が生成されることで、相関二重サンプリングが可能となる。これにより、信号処理部７において第３信号から第２信号が減算等されることにより（図６の第１信号処理参照）、暗電流と熱雑音とが、回路のＣＭＲＲ（同相信号除去比）で決まる性能に基づき実用上ほぼ完全に除去され、その結果、画素１０で光電変換された最終信号（信号Ｚ）が復元される。

尚、第一前提の場合、メモリ８に格納された他の信号（第１信号、第４信号、及び第５信号）は、最終信号（信号Ｚ）の復元には不要である。

また、蓄積期間ΔＴの間に画素１０（光電変換素子１１）に入力する光によって生じる信号電荷が光電変換素子１１の保持できる容量を超えていないため光電変換素子１１からオーバーフローしないが、フローティングディフュージョン１２の取り扱える量を超過し、且つ、フローティングディフュージョン１２と保持容量１３とが電気的に接続された状態では取り扱える量である場合（第二前提の場合：図４参照）には、時刻ｔ０６において得られる第３信号は、光電変換素子１１に蓄積された信号電荷がフローティングディフュージョン１２で取り扱える量を超えているので、フローティングディフュージョン１２が飽和した状態の信号である。

しかし、時刻ｔ０６から時刻ｔ０７において保持スイッチトランジスタ１５がオンされて保持容量１３がフローティングディフュージョン１２に電気的に接続された状態で、再度、光電変換素子１１からフローティングディフュージョン１２への信号電荷の転送が行われることで、蓄積期間ΔＴの間に光電変換素子１１で生じた全ての信号電荷についての信号が第４信号として得られる。

この第二前提の場合、信号処理部７が第４信号から第１信号を減算等することにより、画素１０で光電変換された最終信号（信号Ｙ）が復元される。詳しくは、以下の通りである。

第１信号は、光電変換素子１１での信号電荷の蓄積中にフローティングディフュージョン１２と保持容量１３とにおいて生じた暗電流と、時刻ｔ０１でのリセット後に生じた熱雑音等を全て含むが、この第１信号に加算するように、保持容量１３が電気的に接続された状態のフローティングディフュージョン１２に光電変換素子１１から全ての信号電荷が転送されて第４信号が生成されることで、相関二重サンプリングが可能となる。これにより、信号処理部７において第４信号から第１信号が減算されることにより（図６の第２信号処理参照）、暗電流と熱雑音が、回路のＣＭＲＲで決まる性能に基づき実用上ほぼ完全に除去され、その結果、画素１０で光電変換された最終信号（信号Ｙ）が復元される。

尚、第二前提の場合、メモリ８に記憶された他の信号（第２信号、第３信号、及び第５信号）は、最終信号（信号Ｙ）の復元には不要である。

また、蓄積期間ΔＴの間に画素１０（光電変換素子１１）に入力する光によって生じる信号電荷が光電変換素子１１の保持できる容量を超えているため光電変換素子１１から保持容量１３へオーバーフローするが、フローティングディフュージョン１２と保持容量１３とが電気的に接続された状態では取り扱える量である場合（第三前提の場合：図５参照）には、時刻ｔ０３において、既にフローティングディフュージョン１２と保持容量１３とに光電変換素子１１からオーバーフローした信号電荷が蓄積されているため、第一前提や第二前提と同様の暗電流及び熱雑音と、オーバーフローした信号電荷と、に応じた出力（画素信号）が第１信号、第２信号としてメモリ８に格納される。

また、時刻ｔ０５において、転送トランジスタ１４がオンされて光電変換素子１１に蓄積された信号電荷が該光電変換素子１１からフローティングディフュージョン１２に転送されるが、光電変換素子１１が満状態であるため、第３信号は、光電変換素子１１が飽和した状態の信号である。

また、時刻ｔ０７において、初期の暗電流と熱雑音に加えられた形で全ての信号電荷（光電変換素子１１に蓄積された信号電荷と光電変換素子１１からオーバーフローした信号電荷と）がフローティングディフュージョン１２と保持容量１３に保持（蓄積）された状態でフローティングディフュージョン１２の電圧がソースフォロア回路ＳＦから読み出され、この読み出された画素信号が第４信号としてメモリ８に記録される。

また、時刻ｔ０８で得られる第５信号は、光電変換素子１１に蓄積されていた信号電荷に関係のないリセットレベル（画素１０のリセット信号）である。

この第三前提の場合、信号処理部７が第４信号から第５信号を減算等することにより（図６の第３信号処理参照）、画素１０で光電変換された最終信号（信号Ｘ）が復元される。詳しくは、以下の通りである。

第一前提及び第二前提の場合と異なり、第三前提の場合には、第１信号は、光電変換素子１１からオーバーフローした信号電荷を含んだ信号であるため、基準となるリセットレベルとして利用できない。このため、ソースフォロア回路ＳＦから蓄積期間ΔＴの間に光電変換素子１１で生じた全ての信号電荷を含む信号の読み出しが終わった後、時刻ｔ０８において、再度、画素１０が初期化され、この再度の初期化後に読み出された画素信号がリセットレベル（第５信号）としてメモリ８に記録される。

このリセットレベル（第５信号）は、時刻ｔ０８においてフローティングディフュージョン１２と保持容量１３とが低インピーダンス状態になった後に浮遊状態になっているため、第１信号から第４信号までの読み出しの際のリセットレベルとは異なる。このため、第５信号において、容量値と温度、ボルツマン定数で決まる熱雑音の影響、及び、蓄積期間ΔＴの間の暗電流とそのショットノイズの影響は、無視できない。

しかし、光電変換素子１１の容量がフローティングディフュージョン１２の容量（取り扱い信号量）よりも十分に大きく（本実施形態の例では、２倍以上に）設定され、且つ、フローティングディフュージョン１２と保持容量１３とを合わせた容量（取り扱い信号量）が光電変換素子１１の容量よりも十分に大きく（本実施形態の例では、１．５倍以上に）設定されることで、前述の熱雑音、蓄積期間ΔＴの暗電流とそのショットノイズは、光電変換素子１１に蓄積された信号電荷についての信号に含まれるショットノイズに比べて十分小さくなる。これにより、固体撮像装置１を備えたスマートフォンやカメラ等における最終イメージの画質への影響が十分に抑えられる。その結果、信号処理部７において第４信号から第５信号が減算等されることにより（図６の第３信号処理参照）、画素１０で光電変換された最終信号（信号Ｘ）が復元される。

以上のように、画素１０において光電変換された最終信号の復元のために、本実施形態の固体撮像装置１では、信号処理部７が上述の前提（第一～第三前提）に応じた信号処理（演算）を行う。詳しくは、以下の通りである。

ある画素１０から各画素信号（第１～第５信号）が読み出された後、その画素信号は、メモリ８に格納され、各画素１０の変換結果に対し、信号処理部７において、逐一処理、並列処理、パイプライン処理等が行われる。

ここで、本実施形態のメモリ８は、図６に示すように、第１信号を格納する第１信号記憶部８０１と、第２信号を格納する第２信号記憶部８０２と、第３信号を格納する第３信号記憶部８０３と、第４信号を格納する第４信号記憶部８０４と、第５信号を格納する第５信号記憶部８０５と、暗電流を考慮したオフセット（任意）値を格納するオフセット量記憶部８２０と、固体撮像装置１における光入力に対する信号出力を単調かつ連続に変化するように信号を調整するための第１ゲイン係数を格納する第１ゲイン記憶部８３１と、電荷電圧変換ゲインを調整するための第２ゲイン係数を格納する第２ゲイン記憶部８３２と、を有する。

また、メモリ８は、第１閾値を格納する第１閾値記憶部８４１と、第２閾値を格納する第２閾値記憶部８４２と、も有する。

この第１閾値は、少なくとも光電変換素子１１の容量に基づいて設定される値である。詳しくは、第１閾値は、光電変換素子１１の容量で決まる最大の信号量を検出ばらつきや光電変換素子１１の個体ばらつきを加味して設定した値である。例えば、本実施形態の第１閾値は、図７において信号Ｙの信号量が飽和したときの光量の値（第２区間と第３区間の境界位置）より小さく且つ前記飽和したときの光量近傍に設定された縦線（一点鎖線）との交点と対応する信号量の値である。ここで、図７は、横軸を画素への入力光量、縦軸を信号Ｘ、Ｙ、Ｚの信号量（画素信号量）としたときの入出力特性を表すグラフである。

また、第２閾値は、少なくともフローティングディフュージョン１２の容量に基づいて設定される値である。詳しくは、第２閾値は、フローティングディフュージョン１２の容量で決まる最大の信号量を検出ばらつきや光電変換素子１１の個体ばらつきを加味して設定した値である。例えば、本実施形態の第２閾値は、信号Ｚの信号量が飽和したときの光量の値（第１区間と第２区間の境界位置）より小さく且つ前記飽和したときの光量の近傍に設定された縦線（一点鎖線）との交点と対応する信号量の値である。

図６に戻り、具体的には、信号処理部７において、画素１０毎の画素信号（第１～第５信号）に対して、演算部７１が、メモリ８の第３信号記憶部８０３に格納された第３信号と第２信号記憶部８０２に格納された第２信号との差分から信号（第２差分信号）Ｚを算出し（第１信号処理）、メモリ８の第４信号記憶部８０４に格納された第４信号と第１信号記憶部８０１に格納された第１信号との差分に第２ゲイン記憶部８３２に格納された第２ゲイン係数を積算することで信号（第１差分信号）Ｙを算出し（第２信号処理）、メモリ８の第４信号記憶部８０４に格納された第４信号と第５信号記憶部８０５に格納された第５信号との差分にオフセット量記憶部８２０に格納されたオフセット値を加算した後、第１ゲイン記憶部８３１に格納された第１ゲイン係数を積算することで信号（第３差分信号）Ｘを算出する（第３信号処理）。これら演算部７１によって算出された信号Ｘ、信号Ｙ、信号Ｚは、最終出力手前のセレクタ７３に入力され、出力指示を待つ。

このように演算部７１において信号Ｘ、信号Ｙ、信号Ｚが算出されると、判断部７２は、先ず、信号Ｘと第１閾値記憶部８４１に格納されている第１閾値とを比較し、信号Ｘが第１閾値より大きいときに、セレクタ７３に信号Ｘの出力を指示する。

この信号Ｘと第１閾値との比較において、信号Ｘが第１閾値以下のときには、判断部７２は、続いて信号Ｙと第２閾値記憶部８４２に格納されている第２閾値とを比較し、信号Ｙが第２閾値より大きいときに、セレクタ７３に信号Ｙの出力を指示する。

この信号Ｙと第２閾値との比較において、信号Ｙが第２閾値以下のときには、判断部７２は、セレクタ７３に信号Ｚの出力を指示する。

判断部７２によって上述の何れかの指示（出力指示指令）がセレクタ７３に入力されると、セレクタ７３は、入力された指示に基づいて信号Ｘ、信号Ｙ、信号Ｚのいずれかの信号（処理結果）を出力する。

ここで、上述の判断部７２での判断の順序について説明する。

図７に示すように、信号Ｙの信号量は、第４信号の読み出し時の飽和により、第４区間において入力光量が大きくなるほど減少する。また、信号Ｚの信号量は、第２区間で飽和してしまい、第３区間以降において光量が大きくなるほど減少する。

このため、判断部７２において、判断の条件分岐の第一条件として信号Ｙや信号Ｚが用いられると、条件をみたす画素信号量（即ち、同じ信号量となる入力光量）が、入力光量の少ない区間のときと入力光量の多い区間のときとの二つの連続ではない区間に存在することになるため（図７における信号量Ａを示す二点鎖線と信号Ｙを示す線との二つの交点ａ１、ａ２、及び信号量Ｂを示す線と信号Ｚを示す線との二つの交点ｂ１、ｂ２参照）、どちらの区間の条件（前記の二つの交点のいずれ）が選ばれるかがわからないことから判断の誤り（偽判定）が生じてしまう。このため、本実施形態の判断部７２は、信号量の減少する区間のない信号Ｘを最初の判断基準として使い、その後、信号Ｙを使うようにして、前記判断の誤りの発生を防いでいる。

尚、上述の判断の順序は、必須ではなく、例えば、画素１０に入力する光量がわかっている等によって誤った判断（上述の偽判定）が発生しない場合には、判断の条件分岐の第一条件に信号Ｙ等が用いられてもよい。

以上の固体撮像装置１は、入力する光に応じて光電変換により信号電荷が生じる光電変換素子１１と、信号電荷を当該信号電荷の量に応じた電圧に変換するフローティングディフュージョン１２と、フローティングディフュージョン１２に接続され且つ光電変換素子１１からオーバーフローした信号電荷を蓄積可能な保持容量１３と、フローティングディフュージョン１２で変換された電圧に基づく信号を処理する信号処理部７と、を備える。そして、この信号処理部７は、保持容量１３を用いて読み出された画素信号の処理手段を複数有する。

この固体撮像装置１は、光電変換素子１１に入力する光の光量（入力光量）が大きい範囲（例えば、図７における第３区間）では保持容量１３が光電変換素子１１からオーバーフローした信号電荷を蓄積することでハイダイナミックレンジを実現しつつも、光電変換素子１１に入力する光の光量（光電変換素子１１で生じる信号電荷の量）に応じた信号処理によって生成された信号を出力することでＳＮ比のグラフにおける非連続の位置（光量）でのギャップ（図８のグラフにおける非連続部分の上下方向の間隔）Ｇ１、Ｇ２を好適に抑え、これにより、該固体撮像装置１を配置されたカメラ等の最終イメージにおける該ギャップＧ１、Ｇ２に起因する画質低下が抑えられる。詳しくは、以下の通りである。

光の入力によって光電変換素子１１で生じた信号電荷が該光電変換素子１１の容量を超えてオーバーフローしても、保持容量１３がこのオーバーフローした信号電荷を蓄積し、光電変換素子１１で生じた信号電荷のフローティングディフュージョン１２からの読み出しのときに、この保持容量１３に蓄積された信号電荷も読み出すことで、本実施形態の固体撮像装置１は、光電変換素子１１の容量以上の入力ダイナミックレンジ（即ち、ハイダイナミックレンジ）を実現している。

また、保持容量１３を用いて光電変換素子１１で生じた信号電荷を読み出したときの画素信号に対し、信号処理部７において複数の処理手段によって適宜信号処理されることで、ＳＮ比のグラフにおける非連続の位置（光量）でのギャップＧ１、Ｇ２が好適に抑えられる（図８参照）。

また、本実施形態の固体撮像装置１において、信号処理部７での前記複数の処理手段は、相関二重サンプリングと、保持容量１３のリセット時の電圧に基づく信号の補正と、を含む。

このように、保持容量１３を用いて光電変換素子１１で生じた信号電荷を読み出した信号に対して相関二重サンプリングが行われる（例えば、演算部７１による第３信号から第２信号を減算する処理（図６の第１信号処理参照）や、第４信号から第１信号を減算する処理（図６の第２信号処理参照）等が行われる）ことで、該信号は、光電変換素子１１での信号電荷の蓄積中（即ち、蓄積期間ΔＴの間）に生じた暗電流や保持容量１３で生じる熱雑音の影響を受けない若しくは十分に抑えられる。

また、入力する光の光量が大きく、光電変換素子１１から信号電荷がオーバーフローしたときには、このオーバーフローした信号電荷を蓄積した保持容量１３を用いて光電変換素子１１で生じた信号電荷を読み出した信号に対して、保持容量１３のリセット時の電圧に基づく補正が行われる（例えば、演算部７１による第４信号から第５信号を減算する処理（図６の第３信号処理参照）等が行われるが、この補正された信号は、光電変換素子１１で生じた暗電流や保持容量１３で生じる熱雑音等の影響を受ける。

しかし、前記オーバーフローする光量では、読み出される信号（信号電荷の電荷数）が大きいため、該信号において相対的に暗電流や熱雑音の影響が小さくなり、これにより、ＳＮ比のグラフにおける非連続位置（前記オーバーフローし始める位置）でのギャップＧ２が抑えられる（図８参照）。

詳しくは、本実施形態の信号処理部７は、光電変換素子１１への蓄積期間ΔＴの間の光の入力によって生成される信号電荷が該光電変換素子１１からオーバーフローしない第一状態のとき（即ち、入力光量が図７では第１閾値に対応する光量より左側の範囲であり、図８ではギャップＧ２より左側の範囲）は、フローティングディフュージョン１２での変換ゲインの異なる画素信号に対し、それぞれ相関二重サンプリングを行い、光電変換素子１１への蓄積期間ΔＴの間の光の入力によって生成される信号電荷が該光電変換素子１１からオーバーフローした第二状態のとき（即ち、入力光量が図７では第１閾値に対応する光量から、第３区間と第４区間の境界までの範囲であり、図８では、ギャップＧ２からＳＮ比のプロットの右端までの範囲）は、前記画素信号に対し、保持容量のリセット時の電圧に基づいて補正する。

このように、光電変換素子１１で生じる信号電荷のフローティングディフュージョン１２からの異なる変換ゲインでの読み出し（例えば、高変換ゲイン、即ち、フローティングディフュージョン１２と保持容量１３とが電気的に切り離された状態での読み出しと、低変換ゲイン、即ち、フローティングディフュージョン１２と保持容量１３とが電気的に接続された状態での読み出しと）では、いずれも相関二重サンプリングが可能である。このため、これら読み出した画素信号は、光電変換素子１１での信号電荷の蓄積中に生じた暗電流や保持容量で生じる熱雑音の影響を受けない若しくは十分に抑えられる。これにより、ＳＮ比のグラフにおける非連続位置（変換ゲインが切り替わる位置）でのギャップＧ１が抑えられる（図８参照）。

一方、光電変換素子１１から信号電荷がオーバーフローした状態（第二状態）での読み出し信号（画素信号）は、保持容量１３のリセット時（図３～図５の時刻ｔ０８におけるリセットトランジスタ１６のオン及びオフ時）の電圧に基づいて補正されるが、相関二重サンプリングができないため光電変換素子１１で生じた暗電流や保持容量１３で生じる熱雑音等の影響を受ける。しかし、前記オーバーフローする光量では、読み出される画素信号（電荷数）が大きいため、該画素信号において相対的に暗電流や熱雑音の影響が小さくなり、これにより、ＳＮ比のグラフにおける非連続位置（前記オーバーフローし始める位置）でのギャップＧ２が抑えられる（図８参照）。

以上のように、本実施形態の固体撮像装置１によれば、ＳＮ比のグラフにおいて非連続位置での各ギャップＧ１、Ｇ２がそれぞれ抑えられる（換言すると、小さくなる）ため、固体撮像装置１が配置されたカメラ等での最終イメージにおいて該ギャップＧ１、Ｇ２に起因する画質低下が効果的に抑えられる。

より具体的に、本実施形態の固体撮像装置１は、光電変換素子１１とフローティングディフュージョン１２とを接続する転送トランジスタ（第１スイッチトランジスタ）１４と、フローティングディフュージョン１２と保持容量１３とを接続する保持スイッチトランジスタ（第２スイッチトランジスタ）１５と、保持容量１３とリセット電源（リセット電位）ＶＤＤ１とを接続するリセットトランジスタ（第３スイッチトランジスタ）１６と、各スイッチトランジスタ１４、１５、１６を制御する制御部６と、を備える。そして、フローティングディフュージョン１２は、保持スイッチトランジスタ１５とリセットトランジスタ１６とを順に介してリセット電源ＶＤＤ１とも接続されている。

また、この固体撮像装置１の信号処理部７は、蓄積期間ΔＴの間の光電変換素子１１への光の入力後に、転送トランジスタ１４、保持スイッチトランジスタ１５、リセットトランジスタ１６がオフの状態から制御部６によって保持スイッチトランジスタ１５がオンされたときのフローティングディフュージョン１２の電圧に基づく信号を第１信号とし、第１信号が得られた後に制御部６によって保持スイッチトランジスタ１５がオフされたときのフローティングディフュージョン１２の電圧に基づく信号を第２信号とし、第２信号が得られた後に制御部６によって転送トランジスタ１４がオン及びオフされたときのフローティングディフュージョン１２の電圧に基づく信号を第３信号とし、第３信号が得られた後に制御部６によって保持スイッチトランジスタ１５がオンされた状態で転送トランジスタ１４がオン及びオフされたときのフローティングディフュージョン１２の電圧に基づく信号を第４信号とし、第４信号が得られた後に制御部６によって保持スイッチトランジスタ１５がオンされた状態でリセットトランジスタ１６がオン及びオフされたときのフローティングディフュージョン１２の電圧に基づく信号を第５信号としたときに、これら第１～第５信号に基づいて該固体撮像装置１から外部に出力される出力信号（信号Ｘ、信号Ｙ、信号Ｚ）を生成する。

このように、光電変換素子１１の信号電荷の一回の蓄積（光の一回の入力）において、五つの信号（第１～第５信号）を得ることで、入力する光の光量（光電変換素子１１で生じる信号電荷の量）に応じて、相関二重サンプリングによる信号処理と、保持容量１３のリセット時（図３～図５における時刻ｔ０８のリセットトランジスタ１６のオン及びオフ時）の電圧に基づいて補正する信号処理とのいずれの信号処理にも対応することが可能となる。

尚、本実施形態の固体撮像装置１において、相関二重サンプリングは、第４信号と第１信号との差分に基づく信号Ｙを求める演算（第３信号処理）と、第３信号と第２信号との差分に基づく信号Ｚを求める演算（第１信号処理）と、のそれぞれに含まれる。また、保持容量１３のリセット時の電圧に基づく補正は、第４信号と第５信号との差分に基づく信号Ｘを求める演算（第２信号処理）に含まれる。

また、本実施形態の固体撮像装置１は、光電変換素子１１の容量に基づいて設定される第１閾値、及びフローティングディフュージョン１２の容量に基づいて設定される第２閾値を格納するメモリ（記憶部）８を備えている。そして、信号処理部７は、信号Ｘの値と第１閾値とを比較し、信号Ｘの値が第１閾値より大きいときに、該信号Ｘを出力信号として出力し、信号Ｘの値と第１閾値とを比較した結果、信号Ｘの値が第１閾値以下のときは、信号Ｙの値と第２閾値とを比較し、信号Ｙの値が第２閾値より大きいときに、該信号Ｙを出力信号として出力し、信号Ｙの値と第２閾値とを比較した結果、信号Ｙの値が第２閾値以下のときは、信号Ｚを出力信号として出力する。

このように、信号処理部７が二つの閾値を用いて出力する信号Ｘ、Ｙ、Ｚを選択（判断）することにより、光電変換素子１１に入力する光の光量（光電変換素子１１で生じる信号電荷の量）に応じた信号処理、即ち、相関二重サンプリングによる信号処理と、保持容量１３のリセット時の電圧に基づいて補正する信号処理との切り替えやこれらの処理によって生成された信号の選択等がより確実に行われる。

従来のＤｕａｌｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｇａｉｎを用いる固体撮像装置では、光電変換素子の容量を超えた入力ダイナミックレンジが得られず、横型オーバーフロー蓄積容量を備えた固体撮像装置では、蓄積期間ΔＴの間に生じる暗電流と、横型オーバーフロー蓄積容量のリセットレベルを得るためのリセット読み出しによって生じる熱雑音等によってＳＮ比が劣化していたが、以上のように、本実施形態の固体撮像装置１は、保持容量１３をＤｕａｌＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎＧａｉｎの役目ではなく横型オーバーフロー蓄積容量として使用し、新たな画素駆動タイミング（即ち、画素１０における各トランジスタ１４～１６の新規な駆動タイミング）と信号処理部７での所定の信号処理を行うことによって、光電変換素子１１の容量より大きな入力ダイナミックレンジ（ハイダイナミックレンジ）を実現しつつ、得られる画素信号における横型オーバーフロー蓄積容量（保持容量１３）に蓄積される暗電流が及ぼす影響とリセットノイズが及ぼす影響を軽減することを可能にしている。

また、この効果は、光電変換素子１１の容量（飽和電荷）をフローティングディフュージョン１２の容量よりも大きくすることで向上させることができる。

次に、本発明の第二実施形態について図９～図１３を参照しつつ説明するが、上記第一実施形態と同様の構成には同一符号を用いると共に詳細な説明を省略し、異なる構成についてのみ詳細に説明する。

［撮像装置の構成例］
本実施形態の撮像装置も、第一実施形態の撮像装置と同様に、例えばスマートフォンやデジタルカメラであり、固体撮像装置１は、撮像装置に組み込まれ、ＣＭＯＳイメージセンサー（固体撮像素子）を含む。

この撮像装置に組み込まれた固体撮像装置１Ａは、第一実施形態の固体撮像装置１と同様の構成を備える。即ち、固体撮像装置１Ａは、図９に示すように、画素アレイ部２と、垂直駆動部３と、複数のカラム信号処理部４と、水平駆動部５と、制御部６と、信号処理部７と、メモリ８Ａと、備える。

本実施形態の固体撮像装置１Ａにおいても、画素アレイ部２は、行列状に２次元配置される複数の画素１０Ａを有し、信号処理部７は、演算部７１Ａと判断部７２Ａとセレクタ７３とを有する（図１２参照）。

［画素の構成］
続いて、画素アレイ部２に行列状に配置されている画素１０Ａの具体的な構造について、図１０を参照しつつ説明する。

画素１０Ａは、光電変換素子１１と、フローティングディフュージョン１２と、第一実施形態の保持容量と同じ構成（容量）の第１保持容量１３と、第１保持容量１３と異なる第２保持容量１３Ａと、を備える。

また、画素１０Ａは、光電変換素子１１とフローティングディフュージョン１２とを接続する転送トランジスタ（第１スイッチトランジスタ）１４と、フローティングディフュージョン１２と第１保持容量１３とを接続する第１保持スイッチトランジスタ（第２スイッチトランジスタ）１５と、第２保持容量１３Ａとリセット電源（リセット電位）ＶＤＤ１とを接続するリセットトランジスタ（第３スイッチトランジスタ）１６と、第１保持容量１３と第２保持容量１３Ａとを接続する第２保持スイッチトランジスタ（第４スイッチトランジスタ）１５Ａと、フローティングディフュージョン１２の電圧信号を増幅する増幅トランジスタ１７と、増幅トランジスタ１７と列信号線２２とを接続する選択トランジスタ１８と、を備える。

フローティングディフュージョン１２は、第一実施形態と同様に、光電変換素子１１で生じた信号電荷を電圧信号に電荷電圧変換して出力する。本実施形態のフローティングディフュージョン１２は、第１保持スイッチトランジスタ１５と第２保持スイッチトランジスタ１５Ａとを順に介して第２保持容量１３Ａと接続される。また、このフローティングディフュージョン１２は、第１保持スイッチトランジスタ１５と第２保持スイッチトランジスタ１５Ａとリセットトランジスタ１６とを順に介してリセット電源ＶＤＤ１と接続されている。

第１保持容量１３と第２保持容量１３Ａとは、それぞれキャパシタであり、第一実施形態の保持容量１３と同様に、光電変換素子１１からオーバーフローした信号電荷をそれぞれ蓄積可能である。具体的に、信号電荷が光電変換素子１１からオーバーフローしたときは、この信号電荷は、先ず、第１保持容量１３に蓄積される。そして、第１保持容量１３もオーバーフローした後、このオーバーフローした信号電荷が第２保持容量１３Ａに蓄積される。

また、第１保持容量１３は、第２保持スイッチトランジスタ１５Ａとリセットトランジスタ１６とを順に介してリセット電源ＶＤＤ１とも接続されている。この第１保持容量１３は、第２保持容量１３Ａより小さい。詳しくは、第１保持容量１３の蓄積（保持）できる信号電荷の容量は、第２保持容量１３Ａの蓄積（保持）できる信号電荷の容量より小さい。

第１保持スイッチトランジスタ１５のゲート電極には、駆動信号φＳが印加される。この駆動信号φＳは、制御部６からの信号に基づき垂直駆動部３から出力される。駆動信号φＳがＨｉになる（即ち、第１保持スイッチトランジスタ１５がオンになる）と、第１保持スイッチトランジスタ１５の第１保持ゲートが導通状態となり、フローティングディフュージョン１２からの信号電荷が第１保持容量１３に移動可能となる。尚、駆動信号φＳがＬｏｗになると、第１保持スイッチトランジスタ１５は、オフになる。また、第１保持スイッチトランジスタ１５がオフでも、信号電荷が光電変換素子１１からオーバーフローしたときに第１保持容量１３に蓄積されるよう、第１保持スイッチトランジスタ１５の第１保持ゲート（ポテンシャル障壁）が調整されている。本実施形態の第１保持スイッチトランジスタ１５は、第一実施形態の保持スイッチトランジスタと同じ構成である。

第２保持スイッチトランジスタ１５Ａのゲート電極には、駆動信号φＳ１が印加される。この駆動信号φＳ１は、制御部６からの信号に基づき垂直駆動部３から出力される。駆動信号φＳ１がＨｉになる（即ち、第２保持スイッチトランジスタ１５Ａがオンになる）と、第２保持スイッチトランジスタ１５Ａの第２保持ゲートが導通状態となり、第１保持スイッチトランジスタ１５がオンであれば、フローティングディフュージョン１２からの信号電荷が第２保持容量１３Ａに移動可能となる。尚、駆動信号φＳ１がＬｏｗになると、第２保持スイッチトランジスタ１５Ａは、オフになる。また、第２保持スイッチトランジスタ１５Ａがオフでも、信号電荷が光電変換素子１１からオーバーフローし且つ第１保持容量１３からもオーバーフローしたときに第２保持容量１３Ａに蓄積されるよう、第２保持スイッチトランジスタ１５Ａの第２保持ゲート（ポテンシャル障壁）が調整されている。

本実施形態のリセットトランジスタ１６では、駆動信号φＲＥＳがＨｉになって該リセットトランジスタ１６がオンになると、第１保持スイッチトランジスタ１５のゲート電極に印加される駆動信号φＳ及び第２保持スイッチトランジスタ１５Ａのゲート電極に印加される駆動信号φＳ１に応じて、フローティングディフュージョン１２と第１保持容量１３と第２保持容量１３Ａとの電位、第１保持容量１３と第２保持容量１３Ａとの電位、又は第２保持容量１３Ａの電位がリセット電源（リセット電位）ＶＤＤ１のレベル（リセットレベル）にリセットされる。

［固体撮像装置の画素の駆動例］
以上のように構成される画素１０Ａの駆動タイミングについて、図１１も参照しつつ説明する。

先ず、時刻ｔ０１において、選択トランジスタ１８がオフの状態で、転送トランジスタ１４と、第１保持スイッチトランジスタ１５と、第２保持スイッチトランジスタ１５Ａと、リセットトランジスタ１６と、がオンされ、フローティングディフュージョン１２と第１保持容量１３と第２保持容量１３Ａとがリセットレベルになる。

この転送トランジスタ１４のオフとほぼ同時に（詳しくは、わずかに遅れて）、第１保持スイッチトランジスタ１５と、第２保持スイッチトランジスタ１５Ａと、リセットトランジスタ１６とがそれぞれオフされることで、フローティングディフュージョン１２と第１保持容量１３と第２保持容量１３Ａも浮遊状態になる。これにより、光電変換素子１１から信号電荷がオーバーフローした（溢れてきた）場合に、フローティングディフュージョン１２と第１保持容量１３と第２保持容量１３Ａとがこのオーバーフローしてきた信号電荷を保持（蓄積）可能となる。

このように転送トランジスタ１４、第１保持スイッチトランジスタ１５、第２保持スイッチトランジスタ１５Ａ、及びリセットトランジスタ１６がオフになった後、所定の蓄積期間ΔＴの経過後の時刻ｔ０２から、当該画素１０Ａの画素信号の読み出しが始まる。

具体的に、画素１０Ａの各トランジスタ１４～１６、１８がオフの状態から、制御部６（詳しくは、垂直駆動部３を介して制御部６）が駆動信号φＳＥＬをＨｉにして選択トランジスタ１８をオンすると、該画素１０Ａが列信号線２２と接続される。

その後、制御部６が駆動信号φＳをＨｉにして第１保持スイッチトランジスタ１５をオンすることで、フローティングディフュージョン１２と第１保持容量１３とが電気的に接続される。これにより、フローティングディフュージョン１２と第１保持容量１３とにおける熱雑音電荷と、光電変換素子１１における信号電荷の蓄積期間中に発生した暗電流によって生じた暗電流電荷等とが混合され、そのときのフローティングディフュージョン１２の電圧(保持容量参照電位)がソースフォロア回路ＳＦに現れた時刻ｔ０３から有限の時間をかけて該ソースフォロア回路ＳＦから読み出され、Ａ／Ｄ変換された後に第１信号（画素信号）としてメモリ８Ａに格納される。

本実施形態の固体撮像装置１Ａも、第一実施形態の固体撮像装置１と同様に、カラム信号処理部４においてＡ／Ｄ変換された状態（即ち、デジタル信号に変換された状態）で第１信号がメモリ８Ａに格納されるが、この構成に限定されない。ソースフォロア回路ＳＦから読み出された画素信号（フローティングディフュージョン１２の電圧）がアナログ信号のままで以降の各処理が行われてもよい。尚、後のタイミングでソースフォロア回路ＳＦから読み出される画素信号（第２～第５信号）も同様である。

次に、時刻ｔ０４において、制御部６が駆動信号φＳをＬｏｗにして第１保持スイッチトランジスタ１５をオフし、フローティングディフュージョン１２と第１保持容量１３とを電気的に切り離す。この状態で、フローティングディフュージョン１２の電位（フローティングディフュージョン参照電位）がソースフォロア回路ＳＦから読み出され、Ａ／Ｄ変換された後に第２信号（画素信号）としてメモリ８Ａに記憶される。この第２信号は、第１保持スイッチトランジスタ１５に記憶された暗電流成分も含んでいる。

その信号が、時刻ｔ０６においてソースフォロア回路ＳＦから読み出され、Ａ／Ｄ変換された後に第３信号（画素信号）としてメモリ８Ａに記憶される。

次に、時刻ｔ１７において、制御部６が駆動信号φＳをＨｉにして第１保持スイッチトランジスタ１５をオンすることでフローティングディフュージョン１２と第１保持容量１３とを導通させた後、再度、駆動信号φＴＸをＨｉ及びＬｏｗにして転送トランジスタ１４をオン及びオフする。このときのフローティングディフュージョン１２の電圧は、ソースフォロア回路ＳＦから読み出され、Ａ／Ｄ変換された後に第４信号（画素信号）としてメモリ８Ａに記憶される。

このように時刻ｔ１７において光電変換素子１１に蓄積された信号電荷が第１保持容量１３へ転送された後、時刻ｔ１８において、制御部６が駆動信号φＳ１をＨｉにして第２保持スイッチトランジスタ１５Ａをオンすることでフローティングディフュージョン１２及び第１保持容量１３と、第２保持容量１３Ａと、を導通させる。そして、制御部６は、この状態から、再度、駆動信号φＴＸをＨｉ及びＬｏｗにして転送トランジスタ１４をオン及びオフする。このときのフローティングディフュージョン１２の電圧は、ソースフォロア回路ＳＦから読み出され、Ａ／Ｄ変換された後に第１５信号（画素信号）としてメモリ８Ａに記憶される。このとき、蓄積期間ΔＴの間に光電変換素子１１からオーバーフローしてきた信号電荷が第２保持容量１３Ａに蓄積されていた場合（第四前提）には、この信号電荷が第１５信号に含まれている。

次に、時刻ｔ１９において、制御部６が駆動信号φＲＥＳをＨｉにしてリセットトランジスタ１６をオンしてフローティングディフュージョン１２と第１保持容量１３と第２保持容量１３Ａとをリセット電源（リセット電位）ＶＤＤ１に接続し、フローティングディフュージョン１２と第１保持容量１３と第２保持容量１３Ａとの信号電荷を全て初期化する。この初期化されたフローティングディフュージョン１２と第１保持容量１３と第２保持容量１３Ａとの電圧（リセットレベル）がソースフォロア回路ＳＦから読み出され、Ａ／Ｄ変換された後に第１６信号（画素信号）としてメモリ８Ａに記憶される。

最後に、時刻ｔ１Ａにおいて、制御部６が駆動信号φＳ１をＬｏｗにして第２保持スイッチトランジスタ１５Ａをオフすることで第１保持容量１３と第２保持容量１３Ａとを切り離した状態でのフローティングディフュージョン１２と第１保持容量１３との電圧（リセットレベル）がソースフォロア回路ＳＦから読み出され、Ａ／Ｄ変換された後に第１７信号（画素信号）としてメモリ８Ａに記憶される。

本実施形態の固体撮像装置１Ａでは、画素１０Ａで光電変換された最終信号を復元するために、信号処理部７が上述の前提（第一～第四前提）に応じた信号処理を行う。詳しくは、以下の通りである。

ある画素１０Ａから各画素信号（第１～第４信号及び第１５～第１７信号）が読み出された後、その画素信号は、メモリ８Ａに格納され、各画素１０Ａの変換結果に対し、信号処理部７において、逐一処理、並列処理、パイプライン処理等が行われる。

ここで、本実施形態のメモリ８Ａは、図１２に示すように、第１信号を格納する第１信号記憶部８０１と、第２信号を格納する第２信号記憶部８０２と、第３信号を格納する第３信号記憶部８０３と、第４信号を格納する第４信号記憶部８０４と、第１５信号を格納する第１５信号記憶部８１５と、第１６信号を格納する第１６信号記憶部８１６と、第１７信号を格納する第１７信号記憶部８１７と、第１保持容量１３の暗電流を考慮した第１オフセット値（任意）を格納する第１オフセット量記憶部８２１と、同様に第２保持容量１３Ａの暗電流を考慮した第２オフセット値を格納する第２オフセット量記憶部８２２と、電荷電圧変換ゲインを調整するための第１ゲイン係数を格納する第１ゲイン記憶部８３１と、電荷電圧変換ゲインを調整するための第２ゲイン係数を格納する第２ゲイン記憶部８３２と、電荷電圧変換ゲインを調整するための第３ゲイン係数を格納する第３ゲイン記憶部８３３と、を有する。また、メモリ８Ａは、第１閾値記憶部８４１と、第２閾値記憶部８４２と、第３閾値を格納する第３閾値記憶部８４３と、を有する。この第３閾値は、少なくともフローティングディフュージョン１２の容量、第１保持容量１３、及び第２保持容量１３Ａに基づいて設定される。具体的に、第３閾値は、例えば第２保持容量１３Ａが飽和する信号量である。

具体的には、信号処理部７において、画素１０Ａ毎の画素信号（第１～第４信号、第１５～第１７信号）に対して、信号処理部７の演算部７１Ａが、メモリ８Ａの第１５信号記憶部８１５に格納された第１５信号と第１６信号記憶部８１６に格納された第１６信号との差分に第２オフセット量記憶部８２２に格納された第２オフセット値を加算した後、第３ゲイン記憶部８３３に格納された第３ゲイン係数を積算することで信号（第４差分信号）αを算出し（第４信号処理）、メモリ８Ａの第３信号記憶部８０３に格納された第３信号と第２信号記憶部８０２に格納された第２信号との差分から信号（第２差分信号）Ｚを算出し（第１信号処理）、メモリ８Ａの第４信号記憶部８０４に格納された第４信号と第１信号記憶部８０１に格納された第１信号との差分に第２ゲイン記憶部８３２に格納された第２ゲイン係数を積算することで信号（第１差分信号）Ｙを算出し（第２信号処理）、メモリ８Ａの第４信号記憶部８０４に格納された第４信号と第１７信号記憶部８１７に格納された第１７信号との差分に第１オフセット量記憶部８２１に格納された第１オフセット値を加算した後、第１ゲイン記憶部８３１に格納された第１ゲイン係数を積算する（第３信号処理）ことで信号（第３差分信号）Ｘを算出する。これら演算部７１Ａによって算出された信号α、信号Ｘ、信号Ｙ、信号Ｚは、最終出力手前のセレクタ７３に入力され、出力指示を待つ。

このように演算部７１Ａにおいて信号α、信号Ｘ、信号Ｙ、信号Ｚが算出されると、判断部７２Ａは、先ず、信号αと第３閾値記憶部８４３に格納されている第３閾値とを比較し、信号αが第３閾値より大きいときに、セレクタ７３に信号αの出力を指示する。

この信号αと第３閾値との比較において、信号αが第３閾値以下のときには、判断部７２Ａは、続いて信号Ｘと第１閾値記憶部８４１に格納されている第１閾値とを比較し、信号Ｘが第１閾値より大きいときに、セレクタ７３に信号Ｘの出力を指示する。

この信号Ｘと第１閾値との比較において、信号Ｘが第１閾値以下のときには、判断部７２Ａは、続いて信号Ｙと第２閾値記憶部８４２に格納されている第２閾値とを比較し、信号Ｙが第２閾値より大きいときに、セレクタ７３に信号Ｙの出力を指示する。

この信号Ｙと第２閾値との比較において、信号Ｙが第２閾値以下のときには、判断部７２Ａは、セレクタ７３に信号Ｚの出力を指示する。

判断部７２Ａによって上述の何れかの指示（出力指示指令）がセレクタ７３に入力されると、セレクタ７３は、入力された指示に基づいて信号α、信号Ｘ、信号Ｙ、信号Ｚのいずれかの信号（処理結果）を出力する。

尚、上述の判断部７２Ａでの判断においても、第一実施形態の判断部７２での判断と同様に、信号Ｚと信号Ｙの偽判定を防ぐような順序で判断を行っている。

本実施形態の固体撮像装置１Ａは、第１保持容量１３と異なる第２保持容量１３Ａであって、光電変換素子１１からオーバーフローした信号電荷を蓄積可能な第２保持容量１３Ａと、光電変換素子１１とフローティングディフュージョン１２とを接続する転送トランジスタ（第１スイッチトランジスタ）１４と、フローティングディフュージョン１２と第１保持容量１３とを接続する第１保持スイッチトランジスタ（第２スイッチトランジスタ）１５と、第２保持容量１３Ａとリセット電源（リセット電位）ＶＤＤ１とを接続するリセットトランジスタ（第３スイッチトランジスタ）１６と、第１保持容量１３と第２保持容量１３Ａとを接続する第２保持スイッチトランジスタ（第４スイッチトランジスタ）１５Ａと、を備える。そして、フローティングディフュージョン１２は、第１保持スイッチトランジスタ１５と第２保持スイッチトランジスタ１５Ａとを順に介して第２保持容量１３Ａと接続されている。さらに、フローティングディフュージョン１２は、第１保持スイッチトランジスタ１５と第２保持スイッチトランジスタ１５Ａとリセットトランジスタ１６とを順に介してリセット電源ＶＤＤ１と接続されている。また、第１保持容量１３は、第２保持スイッチトランジスタ１５Ａとリセットトランジスタ１６とを順に介してリセット電源ＶＤＤ１と接続されている。

また、この固体撮像装置１Ａの信号処理部７は、蓄積期間ΔＴの間の光電変換素子１１への光の入力後に、転送トランジスタ１４、第１保持スイッチトランジスタ１５、第２保持スイッチトランジスタ１５Ａ、リセットトランジスタ１６がオフの状態から制御部６によって第１保持スイッチトランジスタ１５がオンされたときのフローティングディフュージョン１２の電圧に基づく信号を第１信号とし、第１信号が得られた後に制御部６によって第１保持スイッチトランジスタ１５がオフされたときのフローティングディフュージョン１２の電圧に基づく信号を第２信号とし、第２信号が得られた後に制御部６によって転送トランジスタ１４がオン及びオフされたときのフローティングディフュージョン１２の電圧に基づく信号を第３信号とし、第３信号が得られた後に制御部６によって第１保持スイッチトランジスタ１５がオンされた状態で転送トランジスタ１４がオン及びオフされたときのフローティングディフュージョン１２の電圧に基づく信号を第４信号とし、第４信号が得られた後に制御部６によって第１保持スイッチトランジスタ１５及び第２保持スイッチトランジスタ１５Ａがオンされた状態で転送トランジスタ１４がオン及びオフされたされたときのフローティングディフュージョン１２の電圧に基づく信号を第１５信号とし、第１５信号が得られた後に制御部６によって第１保持スイッチトランジスタ１５及び第２保持スイッチトランジスタ１５Ａがオンされた状態でリセットトランジスタ１６がオン及びオフされたときのフローティングディフュージョン１２の電圧に基づく信号を第１６信号とし、第１６信号が得られた後に制御部６によって第１保持スイッチトランジスタ１５がオンされた状態で第２保持スイッチトランジスタ１５Ａがオフされたときのフローティングディフュージョン１２の電圧に基づく信号を第１７信号としたときに、これら第１～第４信号及び第１５～第１７信号に基づいて該固体撮像装置１Ａから外部に出力される出力信号（信号α、信号Ｘ、信号Ｙ、信号Ｚ）を生成する。

以上のように構成される本実施形態の固体撮像装置１Ａは、光電変換素子１１に入力する光の光量が大きい範囲では第１保持容量１３や第２保持容量１３Ａが光電変換素子１１からオーバーフローした信号電荷を蓄積することでハイダイナミックレンジを実現しつつも、光電変換素子１１に入力する光の光量（光電変換素子１１で生じる信号電荷の量）に応じた信号処理によって生成された信号を出力することでＳＮ比のグラフにおける非連続の位置（光量）でのギャップＧ１、Ｇ２、Ｇ３を好適に抑え（図１３参照）、これにより、該固体撮像装置１Ａを配置されたカメラ等の最終イメージにおける該ギャップＧ１、Ｇ２、Ｇ３に起因する画質低下が抑えられる。

また、画素１０Ａが、第１保持容量１３に加えて第２保持容量１３Ａを備えている、即ち、複数の保持容量を備えているため、一つの保持容量のみを備える画素に比べて光電変換素子１１からオーバーフローした信号電荷を蓄積できる容量が大きくなるため、ダイナミックレンジがより大きくなる。

しかも、画素１０Ａ（光電変換素子１１）に入力する光が、光電変換素子１１からオーバーフローした信号電荷を第２保持容量１３Ａが蓄積し始める光量のときに、ＳＮ比のグラフにおいて非連続性が生じ、この非連続位置におけるギャップＧ３が比較的大きなギャップとなる（図１３参照）が、ＳＮ比の絶対値が大きい位置でのギャップであるため、該固体撮像装置１Ａを配置されたカメラ等における最終イメージにおいて、ギャップＧ３に起因する視覚的な影響は軽微である。

また、上述のように、光電変換素子１１の信号電荷の一回の蓄積（光の一回の入力）において、七つの信号（第１～第４信号及び第１５～第１７信号）を得ることで、入力する光の光量（光電変換素子１１で生じる信号電荷の量）に応じて、相関二重サンプリングによる信号処理と、保持容量（第１保持容量１３、第２保持容量１３Ａ）のリセット時の電圧に基づいて補正する信号処理とのいずれの信号処理にも対応することが可能となる。

しかも、光電変換素子１１からオーバーフローした信号電荷を蓄積可能な複数の保持容量（本実施形態の例では、第１保持容量１３と第２保持容量１３Ａとの二つの保持容量）を備え、光電変換素子１１で生じた信号電荷の量に応じて使用される保持容量の数が調整されることで、熱雑音等の保持容量に起因する画質低下を抑えることができる。即ち、保持容量が大きいほどノイズの原因となる熱雑音等が大きくなるため、光電変換素子１１で生じた信号電荷の蓄積に第１保持容量１３を使用するが第２保持容量１３Ａを使用しない場合には、同じ容量（第１保持容量１３と第２保持容量１３Ａの合計の容量）を一つの保持容量で確保する構成に比べ、熱雑音等の保持容量に起因する画質低下が抑えられる。

尚、本実施形態の固体撮像装置１Ａにおいて、相関二重サンプリングは、第４信号と第１信号との差分に基づく信号（第１差分信号）Ｙを求める演算（第２信号処理）と、第３信号と第２信号との差分に基づく信号（第２差分信号）Ｚを求める演算（第１信号処理）と、のそれぞれに含まれる。また、保持容量（第１保持容量１３、第２保持容量１３Ａ）のリセット時の電圧に基づく補正は、第４信号と第１７信号との差分に基づく信号（第３差分信号）Ｘを求める演算（第３信号処理）と、第１５信号と第１６信号との差分に基づく信号（第４差分信号）αを求める演算（第４信号処理）と、のそれぞれに含まれる。

また、本実施形態の固体撮像装置１Ａは、少なくとも光電変換素子１１の容量に基づいて設定される第１閾値、少なくともフローティングディフュージョン１２の容量に基づいて設定される第２閾値、及び少なくともフローティングディフュージョン１２の容量及び第１保持容量１３に基づいて設定される第３閾値を格納するメモリ（記憶部）８Ａを備えている。そして、信号処理部７は、信号（第４差分信号）αの値と第３閾値とを比較し、信号αの値が第３閾値より大きいときに、該信号αを出力信号として出力し、信号αの値と第３閾値とを比較した結果、信号αの値が第３閾値以下のときは、信号（第３差分信号）Ｘの値と第１閾値とを比較し、信号Ｘの値が第１閾値より大きいときに、該信号Ｘを出力信号として出力し、信号Ｘの値と第１閾値とを比較した結果、信号Ｘの値が第１閾値以下のときは、信号（第１差分信号）Ｙの値と第２閾値とを比較し、信号Ｙの値が第２閾値より大きいときに、該信号Ｙを出力信号として出力し、信号Ｙの値と第２閾値とを比較した結果、信号Ｙの値が第２閾値以下のときは、信号（第２差分信号）Ｚを出力信号として出力する。

このように、信号処理部７が三つの閾値を用いて出力する信号α、Ｘ、Ｙ、Ｚを選択することにより、光電変換素子１１に入力する光の光量（光電変換素子１１で生じる電荷の量）に応じた信号処理、即ち、相関二重サンプリングによる信号処理と、保持容量（第１保持容量１３、第２保持容量１３Ａ）のリセット時の電圧に基づいて補正する信号処理との切り替えやこれらの処理によって生成された信号の選択等がより確実に行われる。

また、本実施形態の固体撮像装置１Ａでは、第１保持容量１３は、第２保持容量１３Ａより小さい。

保持容量に蓄積される信号電荷の数が大きくなるほど、保持容量から読み出される信号電荷の数に応じた信号に対するノイズ（熱雑音等の保持容量に起因するノイズ）の相対的な大きさが抑えられる、即ち、前記ノイズの画質に対する影響が抑えられる。このため、光電変換素子１１からの信号電荷の数が少ないときに使用される第１保持容量１３を小さくしてこの第１保持容量１３のみが使用されるときに該第１保持容量１３で生じるノイズを抑えると共に、光電変換素子１１からの信号電荷の数が大きくなって前記ノイズの画質に対する影響が相対的に小さくなるときに使用される第２保持容量１３Ａを大きくすることで、ハイダイナミックレンジを実現しつつ保持容量に起因する画質の低下を好適に抑えることができる。

以上のように、本実施形態の固体撮像装置１Ａも、第一実施形態の固体撮像装置１と同様に、第１保持容量１３及び第２保持容量１３ＡをＤｕａｌＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎＧａｉｎの役目では無く横型オーバーフロー蓄積容量として使用し、新たな画素駆動タイミング（即ち、画素１０における各トランジスタ１４～１６の新規な駆動タイミング）と信号処理部７での所定の信号処理を行うことによって、光電変換素子１１の容量より大きな入力ダイナミックレンジ（ハイダイナミックレンジ）を実現しつつ、得られる画素信号における横型オーバーフロー蓄積容量（第１保持容量１３及び第２保持容量１３Ａ）に蓄積される暗電流が及ぼす影響とリセットノイズが及ぼす影響を軽減することを可能にしている。

また、この効果は、第一実施形態の固体撮像装置１と同様に、光電変換素子１１の容量（飽和電荷）をフローティングディフュージョン１２の容量よりも大きくすることで向上させることができる。

尚、本発明の固体撮像装置、及び固体撮像装置を備える撮像装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を追加することができ、また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることができる。さらに、ある実施形態の構成の一部を削除することができる。

上記第一及び第二実施形態の固体撮像装置１、１Ａに含まれるＣＭＯＳイメージセンサーは、少なくとも画素アレイ部２と垂直駆動部３と複数のカラム信号処理部４と水平駆動部５と制御部６とを有するが、この構成に限定されない。ＣＭＯＳイメージセンサー（固体撮像素子）は、信号処理部７やメモリ８を含んでもよい。即ち、演算処理部によって算出された各信号（第１～第５信号、又は、第１～第４及び第１５～第１７信号）は、画素信号の読み出し回路、ＤＳＰ、固体撮像装置が組み込まれるスマートフォンやカメラ等のシステムに格納（保持）される構成でもよい。

また、信号処理部７における信号処理（信号の積和演算や閾値を用いた判断等）の具体的な構成は、限定されない。例えば、信号処理部７では、閾値の前後で信号同士の重みづけ加算を行い、読み出しの違いに基づくノイズの差が緩やかな濃淡の変化部で目立たないようにする信号処理が行われてもよく、単純な一次関数のゲインではなく二次関数のゲイン、若しくはルックアップテーブルを用いる等の信号処理が行われてもよい。即ち、信号処理部７において、どのような閾値判断と積和演算が行われるかは設計項目であり、信号処理部７は、五つの信号（第１～第５信号）、又は七つの信号（第１～第４信号、及び第１５～第１７信号）を閾値判断と積和演算等を用いて一つの最終信号を作り上げる構成であればよい。

また、上記第一及び第二実施形態の固体撮像装置１、１Ａでは、光の入力によって光電変換素子から信号電荷がオーバーフローした場合に画素信号の補正に用いられる保持容量１３、１３Ａのリセットレベル（リセット時の電圧：第一及び第二実施形態の例では、第５信号や第１６信号）は、第４信号や第１５信号の直後に取得している、即ち、光電変換素子１１への光の入力毎に行われるが、この構成には限定されない。例えば、初期に保持容量の前記リセットレベルが取得され、この取得されたリセットレベルが既知の値として光電変換素子１１に光が入力する度に使用される構成でもよい。

本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更及び／又は改良することは容易に成し得ることであると認識すべきである。従って、当業者が実施する変更形態又は改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態又は当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。

１、１Ａ…固体撮像装置、２…画素アレイ部、２１…行信号線、２２…列信号線、３…垂直駆動部、４…カラム信号処理部、５…水平駆動部、６…制御部、７…信号処理部、７１、７１Ａ…演算部、７２、７２Ａ…判断部、７３…セレクタ、８、８Ａ…メモリ（記憶部）、８０１…第１信号記憶部、８０２…第２信号記憶部、８０３…第３信号記憶部、８０４…第４信号記憶部、８０５…第５信号記憶部、８１５…第１５信号記憶部、８１６…第１６信号記憶部、８１７…第１７信号記憶部、８２０…オフセット量記憶部、８２１…第１オフセット量記憶部、８２２…第２オフセット量記憶部、８３１…第１ゲイン記憶部、８３２…第２ゲイン記憶部、８３３…第３ゲイン記憶部、８４１…第１閾値記憶部、８４２…第２閾値記憶部、８４３…第３閾値記憶部、１０、１０Ａ…画素、１１…光電変換素子、１２…フローティングディフュージョン、１３…保持容量、第１保持容量、１３Ａ…第２保持容量、１４…転送トランジスタ（第１スイッチトランジスタ）、１５…保持スイッチトランジスタ、第１保持スイッチトランジスタ（第２スイッチトランジスタ）、１５Ａ…第２保持スイッチトランジスタ（第４スイッチトランジスタ）、１６…リセットトランジスタ（第３スイッチトランジスタ）、１７…増幅トランジスタ、１８…選択トランジスタ、５００…固体撮像装置、５０１…画素、５０２…フォトダイオード、５０３…フローティングディフュージョン、５０４…横型オーバーフロー蓄積容量、５０５…スイッチトランジスタ、Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３…ギャップ、ＳＦ…ソースフォロア回路、ＶＤＤ１…リセット電源（リセット電位）、ＶＤＤ２…電源、Ｘ…信号（第３差分信号）、Ｙ…信号（第１差分信号）、Ｚ…信号（第２差分信号）、α…信号（第４差分信号）、φＲＥＳ、φＳ、φＳ１、φＳＥＬ、φＴＸ…駆動信号

Claims

入力する光に応じて光電変換により電荷が生じる光電変換素子と、
前記電荷を当該電荷の量に応じた電圧に変換するフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンに接続され且つ前記光電変換素子からオーバーフローした前記電荷を蓄積可能な保持容量と、
前記フローティングディフュージョンで変換された前記電圧に基づく信号を処理する信号処理部と、を備え、
前記信号処理部は、前記保持容量を用いて読み出された前記信号の処理手段を複数有する、固体撮像装置。
前記複数の処理手段は、相関二重サンプリング手段と、前記保持容量のリセット時の電圧に基づいて信号を補正する補正手段と、を含む、請求項１に記載の固体撮像装置。
入力する光に応じて光電変換により電荷が生じる光電変換素子と、
前記電荷を当該電荷の量に応じた電圧に変換するフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンに接続され且つ前記光電変換素子からオーバーフローした前記電荷を蓄積可能な保持容量と、
前記フローティングディフュージョンで変換された前記電圧に基づく信号を処理する信号処理部と、を備え、
前記信号処理部は、
前記光電変換素子への前記光の入力によって生成される前記電荷が該光電変換素子からオーバーフローしない第一状態のときは、前記フローティングディフュージョンでの変換ゲインの異なる前記信号に対し、それぞれ相関二重サンプリングを行い、
前記光電変換素子への前記光の入力によって生成される前記電荷が該光電変換素子からオーバーフローした第二状態のときは、前記信号に対し、前記保持容量のリセット時の電圧に基づいて補正する、固体撮像装置。
前記光電変換素子と前記フローティングディフュージョンとを接続する第１スイッチトランジスタと、
前記フローティングディフュージョンと前記保持容量とを接続する第２スイッチトランジスタと、
前記保持容量とリセット電位とを接続する第３スイッチトランジスタと、
各スイッチトランジスタを制御する制御部と、を備え、
前記フローティングディフュージョンは、前記第２スイッチトランジスタと前記第３スイッチトランジスタとを順に介して前記リセット電位と接続され、
前記信号処理部は、
前記光電変換素子への前記光の入力後に、前記第１～第３スイッチトランジスタがオフの状態から前記制御部によって前記第２スイッチトランジスタがオンされたときの前記フローティングディフュージョンの電圧に基づく信号を第１信号とし、
前記第１信号が得られた後に前記制御部によって前記第２スイッチトランジスタがオフされたときの前記フローティングディフュージョンの電圧に基づく信号を第２信号とし、
前記第２信号が得られた後に前記制御部によって前記第１スイッチトランジスタがオン及びオフされたときの前記フローティングディフュージョンの電圧に基づく信号を第３信号とし、
前記第３信号が得られた後に前記制御部によって前記第２スイッチトランジスタがオンされた状態で前記第１スイッチトランジスタがオン及びオフされたときの前記フローティングディフュージョンの電圧に基づく信号を第４信号とし、
前記第４信号が得られた後に前記制御部によって前記第２スイッチトランジスタがオンされた状態で前記第３スイッチトランジスタがオン及びオフされたときの前記フローティングディフュージョンの電圧に基づく信号を第５信号としたときに、
これら前記第１～第５信号に基づいて該固体撮像装置から外部に出力される出力信号を生成する、請求項２又は３に記載の固体撮像装置。
前記相関二重サンプリングは、前記第４信号と前記第１信号との差分に基づく第１差分信号を求める信号処理と、前記第３信号と前記第２信号との差分に基づく第２差分信号を求める信号処理と、のそれぞれに含まれ、
前記保持容量のリセット時の電圧に基づく補正は、前記第４信号と前記第５信号との差分に基づく第３差分信号を求める信号処理に含まれる、請求項４に記載の固体撮像装置。
少なくとも前記光電変換素子の容量に基づいて設定される第１閾値、及び少なくとも前記フローティングディフュージョンの容量に基づいて設定される第２閾値を格納する記憶部を備え、
前記信号処理部は、
前記第３差分信号の値と前記第１閾値とを比較し、前記第３差分信号の値が前記第１閾値より大きいときに、該第３差分信号を前記出力信号として出力し、
前記第３差分信号の値と前記第１閾値とを比較した結果、前記第３差分信号の値が前記第１閾値以下のときは、前記第１差分信号の値と前記第２閾値とを比較し、前記第１差分信号の値が前記第２閾値より大きいときに、該第１差分信号を前記出力信号として出力し、
前記第１差分信号の値と前記第２閾値とを比較した結果、前記第１差分信号の値が前記第２閾値以下のときは、前記第２差分信号を前記出力信号として出力する、請求項５に記載の固体撮像装置。
前記保持容量である第１保持容量と異なる第２保持容量であって、前記光電変換素子からオーバーフローした前記電荷を蓄積可能な第２保持容量と、
前記光電変換素子と前記フローティングディフュージョンとを接続する第１スイッチトランジスタと、
前記フローティングディフュージョンと前記保持容量とを接続する第２スイッチトランジスタと、
前記第２保持容量とリセット電位とを接続する第３スイッチトランジスタと、
前記第１保持容量と前記第２保持容量とを接続する第４スイッチトランジスタと、
各スイッチトランジスタを制御する制御部と、を備え、
前記フローティングディフュージョンは、前記第２スイッチトランジスタと前記第４スイッチトランジスタとを順に介して前記第２保持容量と接続されると共に、前記第２スイッチトランジスタと前記第４スイッチトランジスタと前記第３スイッチトランジスタとを順に介して前記リセット電位と接続され、
前記第１保持容量は、前記第４スイッチトランジスタと前記第３スイッチトランジスタとを順に介して前記リセット電位と接続され、
前記信号処理部は、
前記光電変換素子への前記光の入力後に、前記第１～第４スイッチトランジスタがオフの状態から前記制御部によって前記第２スイッチトランジスタがオンされたときの前記フローティングディフュージョンの電圧に基づく信号を第１信号とし、
前記第１信号が得られた後に前記制御部によって前記第２スイッチトランジスタがオフされたときの前記フローティングディフュージョンの電圧に基づく信号を第２信号とし、
前記第２信号が得られた後に前記制御部によって前記第１スイッチトランジスタがオン及びオフされたときの前記フローティングディフュージョンの電圧に基づく信号を第３信号とし、
前記第３信号が得られた後に前記制御部によって前記第２スイッチトランジスタがオンされた状態で前記第１スイッチトランジスタがオン及びオフされたときの前記フローティングディフュージョンの電圧に基づく信号を第４信号とし、
前記第４信号が得られた後に前記制御部によって前記第２スイッチトランジスタ及び前記第４スイッチトランジスタがオンされた状態で前記第１スイッチトランジスタがオン及びオフされたされたときの前記フローティングディフュージョンの電圧に基づく信号を第１５信号とし、
前記第１５信号が得られた後に前記制御部によって前記第２スイッチトランジスタ及び前記第４スイッチトランジスタがオンされた状態で前記第３スイッチトランジスタがオン及びオフされたときの前記フローティングディフュージョンの電圧に基づく信号を第１６信号とし、
前記第１６信号が得られた後に前記制御部によって前記第２スイッチトランジスタがオンされた状態で前記第４スイッチトランジスタがオフされたときの前記フローティングディフュージョンの電圧に基づく信号を第１７信号としたときに、
これら第１～第４信号及び第１５～第１７信号に基づいて該固体撮像装置から外部に出力される出力信号を生成する、請求項２又は３に記載の固体撮像装置。
前記相関二重サンプリングは、前記第４信号と前記第１信号との差分に基づく第１差分信号を求める信号処理と、前記第３信号と前記第２信号との差分に基づく第２差分信号を求める信号処理と、のそれぞれに含まれ、
前記保持容量のリセット時の電圧に基づく補正は、前記第４信号と前記第１７信号との差分に基づく第３差分信号を求める信号処理と、前記第１５信号と前記第１６信号との差分に基づく第４差分信号を求める信号処理と、のそれぞれに含まれる、請求項７に記載の固体撮像装置。
少なくとも前記光電変換素子の容量に基づいて設定される第１閾値、少なくとも前記フローティングディフュージョンの容量に基づいて設定される第２閾値、及び少なくとも前記フローティングディフュージョンの容量及び前記第１保持容量に基づいて設定される第３閾値を格納する記憶部を備え、
前記信号処理部は、
前記第４差分信号の値と前記第３閾値とを比較し、前記第４差分信号の値が前記第３閾値より大きいときに、該第４差分信号を前記出力信号として出力し、
前記第４差分信号の値と前記第３閾値とを比較した結果、前記第４差分信号の値が前記第３閾値以下のときは、前記第３差分信号の値と前記第１閾値とを比較し、前記第３差分信号の値が前記第１閾値より大きいときに、該第３差分信号を前記出力信号として出力し、
前記第３差分信号の値と前記第１閾値とを比較した結果、前記第３差分信号の値が前記第１閾値以下のときは、前記第１差分信号の値と前記第２閾値とを比較し、前記第１差分信号の値が前記第２閾値より大きいときに、該第１差分信号を前記出力信号として出力し、
前記第１差分信号の値と前記第２閾値とを比較した結果、前記第１差分信号の値が前記第２閾値以下のときは、前記第２差分信号を前記出力信号として出力する、請求項８に記載の固体撮像装置。
前記第１保持容量は、前記第２保持容量より小さい、請求項７～９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
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た撮像装置。