JP3592106B2 - 固体撮像装置およびカメラ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像装置およびカメラに係わり、特に光電変換部と、該光電変換部から信号電荷を転送する転送手段と、転送された信号電荷を保持する容量手段と、該容量手段に保持された信号電荷に対応して信号を出力する増幅手段と、を有する固体撮像装置およびカメラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、固体撮像装置において、ダイナミックレンジを拡大させようとする場合には、例えば、同一の画素から蓄積時間の異なる２種類の信号を読み出し、この２種類の信号を組み合わせて、ダイナミックレンジを拡大させる方法、すなわち、感度は高いがダイナミックレンジの小さい信号と、感度が低いがダイナミックレンジの大きい信号を組み合わせてダイナミックレンジを拡大させる方法がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の方法は、ある蓄積時間で信号電荷の蓄積を行なった後に、再度、蓄積時間を変えて信号電荷の蓄積を行なう必要があるので、得られる信号は異なる蓄積期間の画像信号となる。
【０００４】
本発明の目的は、同じ蓄積期間の信号電荷を用いて、ダイナミックレンジの異なる画像信号を得ることができる固体撮像装置およびカメラを提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像装置は、光電変換部と、該光電変換部から信号電荷を転送する転送手段と、転送された信号電荷を保持する容量手段と、該容量手段に保持された信号電荷に対応して信号を出力する増幅手段とを有する画素を複数有する固体撮像装置であって、
前記容量手段は、第１の容量値の容量部と、前記容量手段の容量を該第１の容量値から第２の容量値へ増大させるために該容量部に並列に容量を付加する付加容量部と、を有し、
前記増幅手段からの信号読出しは、前記信号電荷を前記容量部と前記容量部に並列接続された前記付加容量部とに保持して信号を読み出す第１の読出しモードと、前記信号電荷を前記容量部に保持して信号を読み出す第２の読出しモードと、を有し、前記第１の読出しモードによって得られた信号と、前記第２の読出しモードによって得られた信号とを加算処理することを特徴とする。
【０００６】
また本発明の固体撮像装置は、光電変換部と、該光電変換部から転送された信号電荷を保持する容量手段と、該光電変換部から信号電荷を転送するとともに、チャネルによって生ずる反転容量を前記容量手段に付加して容量値を増大させる転送用電界効果型トランジスタと、該容量手段に保持された信号電荷または該容量手段と該転送用電界効果型トランジスタの反転容量とに保持された信号電荷に対応して信号を出力する増幅手段とを有する画素を複数有し、前記転送用電界効果型トランジスタは、前記転送用電界効果型トランジスタのゲートにハイレベルの信号が印加されるときに前記反転容量が前記容量手段に付加され、前記ゲートにミドルレベル又はロウレベルの信号が印加されるときに前記反転容量が前記容量手段に付加されない固体撮像装置であって、
前記増幅手段からの信号読出しは、前記信号電荷を前記容量手段と前記反転容量とに保持して信号を読み出す第１の読出しモードと、前記信号電荷を前記容量手段に保持して信号を読み出す第２の読出しモードと、を有し、前記第１の読出しモードによって得られた信号と、前記第２の読出しモードによって得られた信号とを加算処理することを特徴とする。
【０００７】
また本発明の固体撮像装置は、光電変換部と、該光電変換部から信号電荷を転送する転送手段と、転送された信号電荷を保持する容量手段と、該容量手段に信号電荷が保持されない状態で第１の信号を出力するとともに、該容量手段に信号電荷が保持された状態で該信号電荷に対応して第２の信号を出力する増幅手段とを有する画素を複数有する固体撮像装置であって、
前記容量手段は、第１の容量値の容量部と、前記容量手段の容量を該第１の容量値から第２の容量値へ増大させるために該容量部に並列に容量を付加する付加容量部と、を有し 、
前記増幅手段からの第１の信号の読出しは、信号電荷が保持されない状態の前記容量部から信号を読み出す第１の非保持読出しモードと、信号電荷が保持されない状態の前記容量部と前記容量部に並列接続された前記付加容量部とから信号を読み出す第２の非保持読出しモードとを有し、
前記増幅手段からの第２の信号の読出しは、前記信号電荷を前記容量部に保持した状態で信号を読み出す第１の保持読出しモードと、前記信号電荷を前記容量部と前記容量部に並列接続された前記付加容量部とに保持した状態で信号を読み出す第２の保持読出しモードとを有し、
前記第１の非保持読出しモードによって得られた信号と前記第２の非保持読出しモードによって得られた信号との加算信号と、前記第１の保持読出しモードによって得られた信号と前記第２の保持読出しモードによって得られた信号との加算信号とを減算処理することを特徴とする。
【０００８】
また本発明の固体撮像装置は、光電変換部と、該光電変換部から転送された信号電荷を保持する容量手段と、該光電変換部から信号電荷を転送するとともに、チャネルによって生ずる反転容量を前記容量手段に付加して容量値を増大させる転送用電界効果型トランジスタと、該容量手段に信号電荷が保持されない状態で第１の信号を出力するとともに、該容量手段に保持された信号電荷または該容量手段と該転送用電界効果型トランジスタの反転容量とに保持された信号電荷に対応して第２の信号を出力する増幅手段とを有する画素を複数有し、前記転送用電界効果型トランジスタは、前記転送用電界効果型トランジスタのゲートにハイレベルの信号が印加されるときに前記反転容量が前記容量手段に付加され、前記ゲートにミドルレベル又はロウレベルの信号が印加されるときに前記反転容量が前記容量手段に付加されない固体撮像装置であって、
前記増幅手段からの第１の信号読出しは、信号電荷が保持されない状態での前記容量手段から信号を読み出す非保持読出しモードと、
前記増幅手段からの第２の信号読出しは、前記信号電荷を前記容量手段と前記反転容量とに保持した状態で信号を読み出す第１の保持読出しモードと、前記信号電荷を前記容量手段に保持した状態で信号を読み出す第２の保持読出しモードと、を有し、前記第１の読出しモードによって得られた信号と前記第２の読出しモードによって得られた信号との加算信号と、前記非保持読出しモードによって得られた信号とを減算処理することを特徴とする。
【０００９】
本発明のカメラは、本発明の固体撮像装置と、該固体撮像装置に光を結像するレンズ系と、該固体撮像装置からの信号をディジタル信号に変換するＡＤ変換器と、該ＡＤ変換器からの信号を処理する信号処理回路と、を有することを特徴とする。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
（第１実施例）
図１は本発明の固体撮像装置の第１実施例を示す概略的構成図である。
【００１１】
同図において、ＰＤはフォトダイオード、ＭTXは転送スイッチ、ＭRESはリセットスイッチ、ＭSELは選択スイッチ、ＭSFは増幅手段、ＣFDは容量、ＣoxはＭＯＳの反転容量であり、これらの部材により一画素セルが構成される。容量ＣFDは信号電荷が転送されるフローティングディフュージョンの容量であり、ＭＯＳのソースドレイン接合容量、配線容量等で生ずる寄生容量等で構成される。ＭＯＳ反転容量Ｃoxはゲートに印加される電圧により生ずる容量であり、必要に応じて容量ＣFDに付加される容量である。各スイッチ及び増幅手段はＭＯＳトランジスタで構成されている。なお、ここではエリアセンサに用いる画素を示しているため選択スイッチＭSELを設けているが、ラインセンサの場合は選択スイッチＭSELは省かれる。
【００１２】
増幅手段ＭSFは切換スイッチＭTN1，ＭTN2，ＭTS1，ＭTS2を介して容量ＣTN1，ＣTN2，ＣTS1，ＣTS2に接続され、容量ＣTN1，ＣTN2は共通出力手段ＭTH1，ＭTH2を介して差動アンプＡの反転入力端子（−）に接続され、容量ＣTS1，ＣTS2は共通出力手段ＭTH3，ＭTH4を介して差動アンプＡの非反転入力端子（＋）に接続される。φTX，φRES，φSEL，φTN1，φTN2，φTS1，φTS2は、それぞれ転送スイッチＭTX、リセットスイッチＭRES、選択スイッチＭSEL、切換手段ＭTN1，ＭTN2，ＭTS1，ＭTS2を制御する信号である。またφcapはＭＯＳ反転容量Ｃoxを形成するための制御信号、φTHは共通出力手段ＭTH1，ＭTH2，ＭTH3，ＭTH4を制御する信号である。
【００１３】
次に上記固体撮像装置の動作について、図２のタイミングチャートを用いて説明する。
【００１４】
まず、φRESをハイレベルとしリセットスイッチＭRESをオンして、増幅手段ＭSFのゲートをリセットする。φcapがロウレベルで容量Ｃoxが付加されず、増幅手段のゲートに容量ＣFDが付いた状態で、φSEL，φTN1をハイレベルとして選択スイッチＭSEL、切換スイッチＭTN1をオンして、増幅手段ＭSFよりリセット後のノイズ信号Ｎ1を読み出し、容量ＣTN1に蓄積する（第１ノイズ読出し）。
【００１５】
次に、φcapをハイレベルとして容量ＣFDに容量Ｃoxを付加した状態で、φSEL，φTN2をハイレベルとして選択スイッチＭSEL、切換スイッチＭTN2をオンして、増幅手段ＭSFよりノイズ信号Ｎ2を読み出し、容量ＣTN2に蓄積する（第２ノイズ読出し）。こうすることで、同一リセット後の、増幅手段ＭSFのゲートにそれぞれ異なる容量が付加された状態でのノイズ信号を読出し、蓄積することができる。
【００１６】
その後、φTXをハイレベルとしてフォトダイオードＰＤから信号電荷を転送する。φcapをハイレベルとしたまま、容量ＣFDに容量Ｃoxを付加した状態で、φSEL，φTS1をハイレベルとして選択スイッチＭSEL、切換スイッチＭTS1をオンして、増幅手段ＭSFよりノイズ信号Ｎ2を含んだセンサ信号Ｓ1を読み出し、容量ＣTS1に蓄積する（第１信号読出し）。次に、φcapをロウレベルとして容量Ｃoxをなくし、増幅手段ＭSFのゲートに容量ＣFDが付加された状態で、φSEL，φTS2をハイレベルとして選択スイッチＭSEL、切換スイッチＭTS2をオンして、増幅手段ＭSFよりノイズ信号Ｎ1を含んだセンサ信号Ｓ2を読み出し、容量ＣTS2に蓄積する（第２信号読出し）。こうすることで、同一蓄積期間に蓄積された信号電荷に基づく、ダイナミックレンジの異なる二つのセンサ信号を得ることができる。
【００１７】
次に、φTHをハイレベルとして、容量ＣTN1，ＣTN2からノイズ信号Ｎ1，Ｎ2を共通線で加算して読み出し、容量ＣTS1，ＣTS2からそれぞれノイズ信号Ｎ2，Ｎ1を含んだセンサ信号Ｓ1，Ｓ2を共通線で加算して読み出し、差動アンプにより（Ｓ1＋Ｓ2）−（Ｎ1＋Ｎ2）の減算処理を行なう。このようにして得られた信号は、図３に示すような光電変換特性を示す。図３に示すように、（Ｓ1＋Ｓ2）−（Ｎ1＋Ｎ2）の出力は、（Ｓ1−Ｎ2）の信号と（Ｓ2−Ｎ1）の信号とが加算された信号となる。
【００１８】
以上説明した読出し動作を図４（ａ）〜（ｄ）のポテンシャル図に基づいて説明する。
【００１９】
図４（ａ）は第１ノイズ読出し時のポテンシャル図であり、容量Ｃoxが形成されず、容量ＣFDの状態でノイズ（Ｎ1）が読み出される。転送スイッチはオフされていて障壁が高く、信号電荷はフォトダイオードＰＤに蓄積された状態となっている。図４（ｂ）は第２ノイズ読出し時のポテンシャル図であり、容量Ｃoxが形成され、容量ＣFDに容量Ｃoxが付加された状態でノイズ（Ｎ2）が読み出される。図４（ｃ）は第１信号読出し時のポテンシャル図であり、転送スイッチがオンされて、信号電荷がフォトダイオードＰＤから容量ＣFD，Ｃoxに転送された後の状態を示している。容量ＣFD，Ｃoxに信号電荷が蓄積された状態でセンサ信号（Ｓ1）が読み出される。図４（ｄ）は第２信号読出し時のポテンシャル図であり、容量Ｃoxが消滅し、容量ＣFDに信号電荷が移行して蓄積された状態であり、この状態でセンサ信号（Ｓ2）が読み出される。以上のようにして、容量が異なった状態で、第１および第２ノイズ信号、第１および第２センサ信号が読み出される。
【００２０】
図５は、本発明の他の信号読出し方法を示す図である。図５に示すように、ここではまず、φcapをハイレベルとしたままリセットを行い、φcapがハイレベルで容量ＣFDに容量Ｃoxを付加した状態で、増幅手段ＭSFよりノイズ信号Ｎ11を読み出し、次に、φcapをロウレベルとして容量Ｃoxをなくし、増幅手段ＭSFのゲートに容量ＣFDに容量Ｃoxを付加しない状態で、増幅手段ＭSFよりノイズ信号Ｎ12を読み出す。
【００２１】
その後、φcapをハイレベルとし、容量ＣFDに容量Ｃoxを付加した状態で、増幅手段ＭSFよりノイズ信号Ｎ11を含んだセンサ信号Ｓ11を読み出し、次に、φcapをロウレベルとして容量Ｃoxをなくし、容量ＣFDに容量Ｃoxを付加しない状態で、増幅手段ＭSFよりノイズ信号Ｎ12を含んだセンサ信号Ｓ12を読み出す。
【００２２】
図２に示した信号読出し方法と異なるのは、容量Ｃoxを付加してノイズ読出しを行なった後に、容量Ｃoxを付加せずにノイズ読出しを行なった点にある。こううすることで、ノイズ読出し期間と信号読出し期間における、φcapの振られ方がともにハイレベルからロウレベルとなり、φcapの振られによる特性の影響を等しくすることができる。そして、（Ｓ1＋Ｓ2）−（Ｎ1＋Ｎ2）の減算処理によりφcapの振られによる影響をなくすことができる。
（第２実施例）
上記第１実施例では付加容量部として、ＭＯＳの反転容量を一つ設けた例を示したが、ＭＯＳの反転容量を複数設けることも勿論可能である。
【００２３】
本実施例はＭＯＳの反転容量を２つ設けた場合を示す。図６は本発明の固体撮像装置の第２実施例の一画素を示す概略的構成図、図７はその動作を示すタイミングチャート、図８は光電変換特性を示す図である。
【００２４】
図６において、図１の画素構成と異なるのは、ＭＯＳの反転容量Ｃox1，Ｃox2が並列に接続され、信号φcap1，φcap2により容量ＣFDに容量Ｃox1又は／及び容量Ｃox2が付加できるようになっていることである。また、第３のノイズ及び信号読み出し用のトランジスタと容量が設けられている点を除きその他の構成は図１の画素構成と同じである。
【００２５】
上記固体撮像装置の動作は、図７のタイミングチャートに示されるように、まず、φRESをハイレベルとしリセットスイッチＭRESをオンして、増幅手段ＭSFのゲートをリセットする。φcap1，φcap2がロウレベルで容量Ｃox1，Ｃox2が付加されず、増幅手段ＭSFのゲートに容量ＣFDが付いた状態で、φSELをハイレベルとして選択スイッチＭSELをオンして、増幅手段ＭSFよりノイズ信号Ｎ1を読み出す（第１ノイズ読出し）。
【００２６】
次に、φcap1をハイレベルとして容量ＣFDに容量Ｃox1を付加した状態で、φSELをハイレベルとして選択スイッチＭSELをオンして、増幅手段ＭSFよりノイズ信号Ｎ2を読み出す（第２ノイズ読出し）。なお、φcap2をハイレベルとして容量ＣFDに容量Ｃox2を付加してもよいことは勿論である。
【００２７】
その後、φcap1をハイレベルにしたまま、φcap2をハイレベルとして容量ＣFDに容量Ｃox1及び容量Ｃox2を付加した状態で、φSELをハイレベルとして選択スイッチＭSELをオンして、増幅手段ＭSFよりノイズ信号Ｎ3を読み出す（第３ノイズ読出し）。
【００２８】
その後、φTXをハイレベルとしてフォトダイオードＰＤから信号電荷を転送する。φcap1及びφcap2をハイレベルとしたまま、容量ＣFDに容量Ｃox1，Ｃox2を付加した状態で、φSELをハイレベルとして選択スイッチＭSELをオンして、増幅手段ＭSFよりノイズ信号Ｎ3を含んだセンサ信号Ｓ1を読み出す（第１信号読出し）。
【００２９】
次に、φcap2をロウレベルとして容量Ｃox2をなくし、増幅手段ＭSFのゲートに容量ＣFDおよび容量Ｃox1が付加された状態で、φSELをハイレベルとして選択スイッチＭSELをオンして、増幅手段ＭSFよりノイズ信号Ｎ2を含んだセンサ信号Ｓ2を読み出す（第２信号読出し）。
【００３０】
次に、φcap2をロウレベルとしたままφcap1をロウレベルとして容量Ｃox1，Ｃox2をなくし、増幅手段ＭSFのゲートに容量ＣFDが付加された状態で、φSELをハイレベルとして選択スイッチＭSELをオンして、増幅手段ＭSFよりノイズ信号Ｎ1を含んだセンサ信号Ｓ3を読み出す（第３信号読出し）。
【００３１】
読み出されたノイズ信号Ｎ1〜Ｎ3、センサ信号Ｓ1〜Ｓ3はそれぞれの容量に蓄積され、ノイズ信号Ｎ1〜Ｎ3は加算されて差動アンプの反転入力端子（−）に入力され、センサ信号Ｓ1〜Ｓ3は加算されて差動アンプの非反転入力端子（＋）に入力される。そして、差動アンプにより（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3）−（Ｎ1＋Ｎ2＋Ｎ3）の減算処理が行なわれる。このようにして得られた信号は、図８に示すような光電変換特性を示す。図８に示すように、（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3）−（Ｎ1＋Ｎ2＋Ｎ3）の出力は、（Ｓ1−Ｎ3）の信号、（Ｓ2−Ｎ2）の信号、（Ｓ3−Ｎ1）の信号が加算された信号となる。
【００３２】
本実施例によれば、同一蓄積期間に蓄積された信号電荷に基づく、より広いダイナミックレンジのセンサ信号を得ることができる。
【００３３】
なお、第１実施例において図５を用いて説明した信号読み出し方法と同様な信号読み出し方法を、本実施例においても用いることができる。図１８はその信号読み出し方法を示すタイミングチャートである。図１８に示すように、ノイズ読出し期間と信号読出し期間における、φcap1，φcap2の振られ方を同じにして（ロウレベルからハイレベル）、φcap1，φcap2の振られによる特性の影響を等しくすることができる。そして、（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3）−（Ｎ1＋Ｎ2＋Ｎ3）の減算処理によりφcap1，φcap2の振られによる影響をなくすことができる。
（第３実施例）
上記第１，２実施例ではＭＯＳの反転容量を設けて、容量ＣFDに容量を付加した例を示したが、容量を付加するための素子を別に設けることなく、容量ＣFDに付加する容量を構成することができる。
【００３４】
本実施例は転送スイッチのＭＯＳトランジスタのチャネルを容量として用いた場合を示す。図９は本発明の固体撮像装置の第３実施例を示す概略的構成図、図１０はその動作を示すタイミングチャート、図１１はその動作を説明するためのポテンシャル図である。
【００３５】
図９において、図１の画素構成と異なるのは、ＭＯＳの反転容量Ｃoxが設けられていないことである。本実施例においては転送スイッチのＭＯＳトランジスタＭTXのチャネルを容量として用いる。
【００３６】
その動作について、図１０、図１１（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。
【００３７】
まず、φRESをハイレベルとしリセットスイッチＭRESをオンして、増幅手段ＭSFのゲートをリセットする。その後、φSEL，φTNをハイレベルとして選択スイッチＭSEL、切換スイッチＭTN1，ＭTN2をオンして、増幅手段ＭSFよりノイズ信号Ｎを読み出し、容量ＣTN1，ＣTN2に蓄積する（ノイズ読出し）。このときのポテンシャル図が図１１（ａ）である。
【００３８】
その後、φTXをハイレベルとしてフォトダイオードＰＤから信号電荷を転送する。そして、φTXをハイレベルとしたまま、φSEL，φTS1をハイレベルとして選択スイッチＭSEL、切換スイッチＭTS1をオンして、増幅手段ＭSFよりノイズ信号を含んだセンサ信号Ｓ1を読み出し、容量ＣTS1に蓄積する。ここで、φTXがハイレベルとなっていると、転送スイッチのＭＯＳトランジスタＭTXのチャネルが容量（反転容量）として機能し、この容量をＣTXとすると、図１１（ｂ）のポテンシャル図に示されるように、容量ＣFDに容量ＣTXが付加され、両方の容量に信号電荷が蓄積された状態でセンサ信号Ｓ1が読み出される。
【００３９】
次に、容量ＣTXを消滅させるように、φTXをハイレベルから立ち下げるが、一旦φTXをミドルレベルとする。これは、信号電荷がフォトダイオードＰＤ側に流入するのを防ぎ、全電荷を容量ＣFD側に移行させるためである。図１１（ｃ）のポテンシャル図は、φTXがミドルレベルとされ、全電荷が容量ＣFD側に移行した状態を示している。
【００４０】
次にφTXをミドルレベルからロウレベルに立ち下げ、容量ＣFDの状態でφSEL，φTS2をハイレベルとして選択スイッチＭSEL、切換スイッチＭTS2をオンして、増幅手段ＭSFよりノイズ信号を含んだセンサ信号Ｓ2を読み出し、容量ＣTS2に蓄積する。図１１（ｄ）のポテンシャル図は、φTXがロウレベルとされ、全電荷が容量ＣFD側にある状態を示している。
【００４１】
次に、φTHをハイレベルとして、容量ＣTN1，ＣTN2からノイズ信号Ｎを共通線で加算して読み出し、容量ＣTS1，ＣTS2からそれぞれセンサ信号Ｓ1，Ｓ2を共通線で加算して読み出し、差動アンプにより（Ｓ1＋Ｓ2）−（２Ｎ）の減算処理が行なわれる。
【００４２】
本実施例によれば、より簡易な構成の画素を構成することができる。
（第４実施例）
以上説明した第１〜３実施例では一画素セルの場合について説明したが、本発明をエリアセンサに用いた場合の実施例について説明する。ここでは、図１に示した画素セルを用いた場合のエリアセンサについて説明するが、第２、３実施例の画素を用いることができることは勿論である。画素の構成および読出し系の回路構成は図１に示した構成と同じなので、ここでは詳細な説明は略する。
【００４３】
図１２はエリアセンサの構成を示す概略的構成図である。同図に示すように、マトリクス状に配された画素セルの行方向の走査は垂直走査回路１００により行なわれ、行ごとに信号φRES，φTX，φSEL，φcapが送られて、行ごとにノイズ信号、センサ信号が垂直出力線に出力され各容量に蓄積される。各容量に蓄積された第１及び第２ノイズ信号、第１及び第２センサ信号は水平走査回路１０１により列ごとに走査され、加算されたノイズ信号（Ｎ1＋Ｎ2）と加算されたセンサ信号（Ｓ1＋Ｓ2）とが順次列ごとに水平出力線を介して、差動アンプＡの反転入力端子（−）と非反転入力端子（＋）に送られ、減算処理が行なわれて、各画素ごとに信号（Ｓ1＋Ｓ2）−（Ｎ1＋Ｎ2）を得ることができる。なお、ＭCHR1，ＭCHR2は信号φCHRによって制御される、水平出力線を所定の電位にリセットするＭＯＳトランジスタである。
【００４４】
図１３は上記エリアセンサのタイミングチャートを示す図である。この動作は図５に示した動作と同様なので、ここでは説明を省略する。
（第５実施例）
第１実施例では、ノイズ信号、センサ信号をそれぞれ加算処理した後に、加算したセンサ信号から加算したノイズ信号を減算処理して出力したが、本実施例では加算処理を行なわずにノイズ除去のための減算処理のみを行ない、システム側からの出力選択信号によってダイナミックレンジの異なる（ノイズが除去された）センサ信号を選択して得る場合について説明する。
【００４５】
図１４は本発明の固体撮像装置の第５実施例を示す概略的構成図である。図１に示した固体撮像装置と異なるのは、本実施例では、容量ＣTN1から読み出したノイズ信号Ｎ1、容量ＣTS2から読み出したノイズ信号Ｎ1を含んだセンサ信号Ｓ2を差動アンプＡ1に入力して、Ｓ2−Ｎ1の減算処理を行なって出力し、容量ＣTN2から読み出したノイズ信号Ｎ2、容量ＣTS1から読み出したノイズ信号Ｎ2を含んだセンサ信号Ｓ1を差動アンプＡ2に入力して、Ｓ1−Ｎ2の減算処理を行なって出力し、二つのアナログスイッチとインバータとからなる選択手段を出力選択信号に基づいて切換え、信号（Ｓ2−Ｎ1）と信号（Ｓ1−Ｎ2）を選択的に出力できるようにしたところにある。
【００４６】
図１５は本実施例の固体撮像装置を用いたビデオカメラ装置を示すブロック図である。
【００４７】
図１５において、１はレンズ系であり、２は絞り、３，５，７はモータ、４はモータ３を制御する変倍レンズ駆動手段、６はモータ５を制御して絞り２を駆動する絞り機構駆動手段、８はモータ７を制御するフォーカスコンペレンズ駆動手段である。また、９はレンズ系１から入射した光信号を光電変換するための固体撮像素子であり、図１４に示す本実施例の固体撮像装置が用いられ、マイクロコンピューター１５からの出力選択信号により、信号（Ｓ2−Ｎ1）か信号（Ｓ1−Ｎ2）かを出力する。１０はＣＤＳ／ＡＧＣ（相関２重サンプリング／オートゲインコントロール）、１１はＡＤ変換器である。また、１２はカメラ信号処理回路であり、１２ａはＹ／Ｃ分離回路、１２ｂは輝度信号処理回路、１２ｃは色信号処理回路、１２ｄは色抑圧回路、１２ｅはデジタル出力変換回路、１２ｆは飽和画素判定測定回路である。飽和画素判定測定回路１２ｆの飽和画素の判定は輝度信号および色信号に基づいて行なわれる。飽和画素の判定結果はマイクロコンピューター１５に入力され、この判定結果に基づいて出力選択信号が出力される。また、マイクロコンピューター１５はカメラ信号処理回路１２からの信号に基づいて、変倍レンズ駆動手段４、絞り機構駆動手段６、フォーカスコンペレンズ駆動手段８を制御する。
【００４８】
カメラ信号処理回路１２からの出力はデジタルデコーダ、ＤＡ変換器１３を通してモニター手段１４に送られ画像表示され、またＶＴＲに送られる。
【００４９】
なお図１６は従来のビデオカメラ装置を示すブロック図であり、本実施例のように飽和画素判定測定回路１２ｆが設けられておらず、出力選択信号が出力されない点が異なる。
（第６実施例）
本発明はエリアセンサに限定されず、ラインセンサにも用いることができる。ラインセンサの場合は、画素において選択スイッチが省かれることを除いて画素構成は同じである。図１７は本発明をラインセンサに適用した場合の概略的構成図である。ラインセンサの基本的な構成は図１２のエリアセンサと同様である。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ダイナミックレンジの拡大した信号を得ることができる。
【００５１】
また、感度は高いがダイナミックレンジの小さい信号と、感度は低いがダイナミックレンジの大きい信号を得ることができる。この場合に、必要に応じて、感度は高いがダイナミックレンジの小さい信号と、感度は低いがダイナミックレンジの大きい信号とを選択して出力することができる。例えば輝度信号のレベルによって信号を切り換えることができる。
【００５２】
本発明は例えば逆光補正に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体撮像装置の第１実施例を示す概略的構成図である。
【図２】図１の固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートを示す図である。
【図３】図１に示した固体撮像装置の光電変換特性を示す図である。
【図４】図１に示した固体撮像装置の読出し動作を示す図である。
【図５】本発明の他の信号読出し方法を示す図である。
【図６】本発明の固体撮像装置の第２実施例の一画素を示す概略的構成図である。
【図７】図６に示した固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図８】図６に示した固体撮像装置の光電変換特性を示す図である。
【図９】本発明の固体撮像装置の第３実施例を示す概略的構成図である。
【図１０】図９の固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図１１】図９の固体撮像装置の動作を説明するためのポテンシャル図である。
【図１２】 エリアセンサの構成を示す概略的構成図である。
【図１３】 上記エリアセンサのタイミングチャートを示す図である。
【図１４】 本発明の固体撮像装置の第５実施例を示す概略的構成図である。
【図１５】 本実施例の固体撮像装置を用いたビデオカメラ装置を示すブロック図である。
【図１６】 従来のビデオカメラ装置を示すブロック図である。
【図１７】 本発明をラインセンサに適用した場合の概略的構成図である。
【図１８】 本発明の固体撮像装置の第２実施例の他の信号読み出し方法を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
ＰＤ フォトダイオード
ＭTX 転送スイッチ
ＭRES リセットスイッチ
ＭSEL 選択スイッチ
ＭSF 増幅手段
ＣFD 容量
Ｃox ＭＯＳの反転容量
ＭTN1，ＭTN2，ＭTS1，ＭTS2 切換スイッチ
ＣTN1，ＣTN2，ＣTS1，ＣTS2 容量
ＭTH1，ＭTH2，ＭTH3，ＭTH4 共通出力手段
Ａ 差動アンプ
φTX，φRES，φSEL，φTN1，φTN2，φTS1，φTS2 信号
φcap 制御信号
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像装置およびカメラに係わり、特に光電変換部と、該光電変換部から信号電荷を転送する転送手段と、転送された信号電荷を保持する容量手段と、該容量手段に保持された信号電荷に対応して信号を出力する増幅手段と、を有する固体撮像装置およびカメラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、固体撮像装置において、ダイナミックレンジを拡大させようとする場合には、例えば、同一の画素から蓄積時間の異なる２種類の信号を読み出し、この２種類の信号を組み合わせて、ダイナミックレンジを拡大させる方法、すなわち、感度は高いがダイナミックレンジの小さい信号と、感度が低いがダイナミックレンジの大きい信号を組み合わせてダイナミックレンジを拡大させる方法がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の方法は、ある蓄積時間で信号電荷の蓄積を行なった後に、再度、蓄積時間を変えて信号電荷の蓄積を行なう必要があるので、得られる信号は異なる蓄積期間の画像信号となる。
【０００４】
本発明の目的は、同じ蓄積期間の信号電荷を用いて、ダイナミックレンジの異なる画像信号を得ることができる固体撮像装置およびカメラを提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像装置は、光電変換部と、該光電変換部から信号電荷を転送する転送手段と、転送された信号電荷を保持する容量手段と、該容量手段に保持された信号電荷に対応して信号を出力する増幅手段とを有する画素を複数有する固体撮像装置であって、
前記容量手段は、第１の容量値の容量部と、前記容量手段の容量を該第１の容量値から第２の容量値へ増大させるために該容量部に並列に容量を付加する付加容量部と、を有し、
前記増幅手段からの信号読出しは、前記信号電荷を前記容量部と前記容量部に並列接続された前記付加容量部とに保持して信号を読み出す第１の読出しモードと、前記信号電荷を前記容量部に保持して信号を読み出す第２の読出しモードと、を有し、前記第１の読出しモードによって得られた信号と、前記第２の読出しモードによって得られた信号とを加算処理することを特徴とする。
【０００６】
また本発明の固体撮像装置は、光電変換部と、該光電変換部から転送された信号電荷を保持する容量手段と、該光電変換部から信号電荷を転送するとともに、チャネルによって生ずる反転容量を前記容量手段に付加して容量値を増大させる転送用電界効果型トランジスタと、該容量手段に保持された信号電荷または該容量手段と該転送用電界効果型トランジスタの反転容量とに保持された信号電荷に対応して信号を出力する増幅手段とを有する画素を複数有し、前記転送用電界効果型トランジスタは、前記転送用電界効果型トランジスタのゲートにハイレベルの信号が印加されるときに前記反転容量が前記容量手段に付加され、前記ゲートにミドルレベル又はロウレベルの信号が印加されるときに前記反転容量が前記容量手段に付加されない固体撮像装置であって、
前記増幅手段からの信号読出しは、前記信号電荷を前記容量手段と前記反転容量とに保持して信号を読み出す第１の読出しモードと、前記信号電荷を前記容量手段に保持して信号を読み出す第２の読出しモードと、を有し、前記第１の読出しモードによって得られた信号と、前記第２の読出しモードによって得られた信号とを加算処理することを特徴とする。
【０００７】
また本発明の固体撮像装置は、光電変換部と、該光電変換部から信号電荷を転送する転送手段と、転送された信号電荷を保持する容量手段と、該容量手段に信号電荷が保持されない状態で第１の信号を出力するとともに、該容量手段に信号電荷が保持された状態で該信号電荷に対応して第２の信号を出力する増幅手段とを有する画素を複数有する固体撮像装置であって、
前記容量手段は、第１の容量値の容量部と、前記容量手段の容量を該第１の容量値から第２の容量値へ増大させるために該容量部に並列に容量を付加する付加容量部と、を有し 、
前記増幅手段からの第１の信号の読出しは、信号電荷が保持されない状態の前記容量部から信号を読み出す第１の非保持読出しモードと、信号電荷が保持されない状態の前記容量部と前記容量部に並列接続された前記付加容量部とから信号を読み出す第２の非保持読出しモードとを有し、
前記増幅手段からの第２の信号の読出しは、前記信号電荷を前記容量部に保持した状態で信号を読み出す第１の保持読出しモードと、前記信号電荷を前記容量部と前記容量部に並列接続された前記付加容量部とに保持した状態で信号を読み出す第２の保持読出しモードとを有し、
前記第１の非保持読出しモードによって得られた信号と前記第２の非保持読出しモードによって得られた信号との加算信号と、前記第１の保持読出しモードによって得られた信号と前記第２の保持読出しモードによって得られた信号との加算信号とを減算処理することを特徴とする。
【０００８】
また本発明の固体撮像装置は、光電変換部と、該光電変換部から転送された信号電荷を保持する容量手段と、該光電変換部から信号電荷を転送するとともに、チャネルによって生ずる反転容量を前記容量手段に付加して容量値を増大させる転送用電界効果型トランジスタと、該容量手段に信号電荷が保持されない状態で第１の信号を出力するとともに、該容量手段に保持された信号電荷または該容量手段と該転送用電界効果型トランジスタの反転容量とに保持された信号電荷に対応して第２の信号を出力する増幅手段とを有する画素を複数有し、前記転送用電界効果型トランジスタは、前記転送用電界効果型トランジスタのゲートにハイレベルの信号が印加されるときに前記反転容量が前記容量手段に付加され、前記ゲートにミドルレベル又はロウレベルの信号が印加されるときに前記反転容量が前記容量手段に付加されない固体撮像装置であって、
前記増幅手段からの第１の信号読出しは、信号電荷が保持されない状態での前記容量手段から信号を読み出す非保持読出しモードと、
前記増幅手段からの第２の信号読出しは、前記信号電荷を前記容量手段と前記反転容量とに保持した状態で信号を読み出す第１の保持読出しモードと、前記信号電荷を前記容量手段に保持した状態で信号を読み出す第２の保持読出しモードと、を有し、前記第１の読出しモードによって得られた信号と前記第２の読出しモードによって得られた信号との加算信号と、前記非保持読出しモードによって得られた信号とを減算処理することを特徴とする。
【０００９】
本発明のカメラは、本発明の固体撮像装置と、該固体撮像装置に光を結像するレンズ系と、該固体撮像装置からの信号をディジタル信号に変換するＡＤ変換器と、該ＡＤ変換器からの信号を処理する信号処理回路と、を有することを特徴とする。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
（第１実施例）
図１は本発明の固体撮像装置の第１実施例を示す概略的構成図である。
【００１１】
同図において、ＰＤはフォトダイオード、ＭTXは転送スイッチ、ＭRESはリセットスイッチ、ＭSELは選択スイッチ、ＭSFは増幅手段、ＣFDは容量、ＣoxはＭＯＳの反転容量であり、これらの部材により一画素セルが構成される。容量ＣFDは信号電荷が転送されるフローティングディフュージョンの容量であり、ＭＯＳのソースドレイン接合容量、配線容量等で生ずる寄生容量等で構成される。ＭＯＳ反転容量Ｃoxはゲートに印加される電圧により生ずる容量であり、必要に応じて容量ＣFDに付加される容量である。各スイッチ及び増幅手段はＭＯＳトランジスタで構成されている。なお、ここではエリアセンサに用いる画素を示しているため選択スイッチＭSELを設けているが、ラインセンサの場合は選択スイッチＭSELは省かれる。
【００１２】
増幅手段ＭSFは切換スイッチＭTN1，ＭTN2，ＭTS1，ＭTS2を介して容量ＣTN1，ＣTN2，ＣTS1，ＣTS2に接続され、容量ＣTN1，ＣTN2は共通出力手段ＭTH1，ＭTH2を介して差動アンプＡの反転入力端子（−）に接続され、容量ＣTS1，ＣTS2は共通出力手段ＭTH3，ＭTH4を介して差動アンプＡの非反転入力端子（＋）に接続される。φTX，φRES，φSEL，φTN1，φTN2，φTS1，φTS2は、それぞれ転送スイッチＭTX、リセットスイッチＭRES、選択スイッチＭSEL、切換手段ＭTN1，ＭTN2，ＭTS1，ＭTS2を制御する信号である。またφcapはＭＯＳ反転容量Ｃoxを形成するための制御信号、φTHは共通出力手段ＭTH1，ＭTH2，ＭTH3，ＭTH4を制御する信号である。
【００１３】
次に上記固体撮像装置の動作について、図２のタイミングチャートを用いて説明する。
【００１４】
まず、φRESをハイレベルとしリセットスイッチＭRESをオンして、増幅手段ＭSFのゲートをリセットする。φcapがロウレベルで容量Ｃoxが付加されず、増幅手段のゲートに容量ＣFDが付いた状態で、φSEL，φTN1をハイレベルとして選択スイッチＭSEL、切換スイッチＭTN1をオンして、増幅手段ＭSFよりリセット後のノイズ信号Ｎ1を読み出し、容量ＣTN1に蓄積する（第１ノイズ読出し）。
【００１５】
次に、φcapをハイレベルとして容量ＣFDに容量Ｃoxを付加した状態で、φSEL，φTN2をハイレベルとして選択スイッチＭSEL、切換スイッチＭTN2をオンして、増幅手段ＭSFよりノイズ信号Ｎ2を読み出し、容量ＣTN2に蓄積する（第２ノイズ読出し）。こうすることで、同一リセット後の、増幅手段ＭSFのゲートにそれぞれ異なる容量が付加された状態でのノイズ信号を読出し、蓄積することができる。
【００１６】
その後、φTXをハイレベルとしてフォトダイオードＰＤから信号電荷を転送する。φcapをハイレベルとしたまま、容量ＣFDに容量Ｃoxを付加した状態で、φSEL，φTS1をハイレベルとして選択スイッチＭSEL、切換スイッチＭTS1をオンして、増幅手段ＭSFよりノイズ信号Ｎ2を含んだセンサ信号Ｓ1を読み出し、容量ＣTS1に蓄積する（第１信号読出し）。次に、φcapをロウレベルとして容量Ｃoxをなくし、増幅手段ＭSFのゲートに容量ＣFDが付加された状態で、φSEL，φTS2をハイレベルとして選択スイッチＭSEL、切換スイッチＭTS2をオンして、増幅手段ＭSFよりノイズ信号Ｎ1を含んだセンサ信号Ｓ2を読み出し、容量ＣTS2に蓄積する（第２信号読出し）。こうすることで、同一蓄積期間に蓄積された信号電荷に基づく、ダイナミックレンジの異なる二つのセンサ信号を得ることができる。
【００１７】
次に、φTHをハイレベルとして、容量ＣTN1，ＣTN2からノイズ信号Ｎ1，Ｎ2を共通線で加算して読み出し、容量ＣTS1，ＣTS2からそれぞれノイズ信号Ｎ2，Ｎ1を含んだセンサ信号Ｓ1，Ｓ2を共通線で加算して読み出し、差動アンプにより（Ｓ1＋Ｓ2）−（Ｎ1＋Ｎ2）の減算処理を行なう。このようにして得られた信号は、図３に示すような光電変換特性を示す。図３に示すように、（Ｓ1＋Ｓ2）−（Ｎ1＋Ｎ2）の出力は、（Ｓ1−Ｎ2）の信号と（Ｓ2−Ｎ1）の信号とが加算された信号となる。
【００１８】
以上説明した読出し動作を図４（ａ）〜（ｄ）のポテンシャル図に基づいて説明する。
【００１９】
図４（ａ）は第１ノイズ読出し時のポテンシャル図であり、容量Ｃoxが形成されず、容量ＣFDの状態でノイズ（Ｎ1）が読み出される。転送スイッチはオフされていて障壁が高く、信号電荷はフォトダイオードＰＤに蓄積された状態となっている。図４（ｂ）は第２ノイズ読出し時のポテンシャル図であり、容量Ｃoxが形成され、容量ＣFDに容量Ｃoxが付加された状態でノイズ（Ｎ2）が読み出される。図４（ｃ）は第１信号読出し時のポテンシャル図であり、転送スイッチがオンされて、信号電荷がフォトダイオードＰＤから容量ＣFD，Ｃoxに転送された後の状態を示している。容量ＣFD，Ｃoxに信号電荷が蓄積された状態でセンサ信号（Ｓ1）が読み出される。図４（ｄ）は第２信号読出し時のポテンシャル図であり、容量Ｃoxが消滅し、容量ＣFDに信号電荷が移行して蓄積された状態であり、この状態でセンサ信号（Ｓ2）が読み出される。以上のようにして、容量が異なった状態で、第１および第２ノイズ信号、第１および第２センサ信号が読み出される。
【００２０】
図５は、本発明の他の信号読出し方法を示す図である。図５に示すように、ここではまず、φcapをハイレベルとしたままリセットを行い、φcapがハイレベルで容量ＣFDに容量Ｃoxを付加した状態で、増幅手段ＭSFよりノイズ信号Ｎ11を読み出し、次に、φcapをロウレベルとして容量Ｃoxをなくし、増幅手段ＭSFのゲートに容量ＣFDに容量Ｃoxを付加しない状態で、増幅手段ＭSFよりノイズ信号Ｎ12を読み出す。
【００２１】
その後、φcapをハイレベルとし、容量ＣFDに容量Ｃoxを付加した状態で、増幅手段ＭSFよりノイズ信号Ｎ11を含んだセンサ信号Ｓ11を読み出し、次に、φcapをロウレベルとして容量Ｃoxをなくし、容量ＣFDに容量Ｃoxを付加しない状態で、増幅手段ＭSFよりノイズ信号Ｎ12を含んだセンサ信号Ｓ12を読み出す。
【００２２】
図２に示した信号読出し方法と異なるのは、容量Ｃoxを付加してノイズ読出しを行なった後に、容量Ｃoxを付加せずにノイズ読出しを行なった点にある。こううすることで、ノイズ読出し期間と信号読出し期間における、φcapの振られ方がともにハイレベルからロウレベルとなり、φcapの振られによる特性の影響を等しくすることができる。そして、（Ｓ1＋Ｓ2）−（Ｎ1＋Ｎ2）の減算処理によりφcapの振られによる影響をなくすことができる。
（第２実施例）
上記第１実施例では付加容量部として、ＭＯＳの反転容量を一つ設けた例を示したが、ＭＯＳの反転容量を複数設けることも勿論可能である。
【００２３】
本実施例はＭＯＳの反転容量を２つ設けた場合を示す。図６は本発明の固体撮像装置の第２実施例の一画素を示す概略的構成図、図７はその動作を示すタイミングチャート、図８は光電変換特性を示す図である。
【００２４】
図６において、図１の画素構成と異なるのは、ＭＯＳの反転容量Ｃox1，Ｃox2が並列に接続され、信号φcap1，φcap2により容量ＣFDに容量Ｃox1又は／及び容量Ｃox2が付加できるようになっていることである。また、第３のノイズ及び信号読み出し用のトランジスタと容量が設けられている点を除きその他の構成は図１の画素構成と同じである。
【００２５】
上記固体撮像装置の動作は、図７のタイミングチャートに示されるように、まず、φRESをハイレベルとしリセットスイッチＭRESをオンして、増幅手段ＭSFのゲートをリセットする。φcap1，φcap2がロウレベルで容量Ｃox1，Ｃox2が付加されず、増幅手段ＭSFのゲートに容量ＣFDが付いた状態で、φSELをハイレベルとして選択スイッチＭSELをオンして、増幅手段ＭSFよりノイズ信号Ｎ1を読み出す（第１ノイズ読出し）。
【００２６】
次に、φcap1をハイレベルとして容量ＣFDに容量Ｃox1を付加した状態で、φSELをハイレベルとして選択スイッチＭSELをオンして、増幅手段ＭSFよりノイズ信号Ｎ2を読み出す（第２ノイズ読出し）。なお、φcap2をハイレベルとして容量ＣFDに容量Ｃox2を付加してもよいことは勿論である。
【００２７】
その後、φcap1をハイレベルにしたまま、φcap2をハイレベルとして容量ＣFDに容量Ｃox1及び容量Ｃox2を付加した状態で、φSELをハイレベルとして選択スイッチＭSELをオンして、増幅手段ＭSFよりノイズ信号Ｎ3を読み出す（第３ノイズ読出し）。
【００２８】
その後、φTXをハイレベルとしてフォトダイオードＰＤから信号電荷を転送する。φcap1及びφcap2をハイレベルとしたまま、容量ＣFDに容量Ｃox1，Ｃox2を付加した状態で、φSELをハイレベルとして選択スイッチＭSELをオンして、増幅手段ＭSFよりノイズ信号Ｎ3を含んだセンサ信号Ｓ1を読み出す（第１信号読出し）。
【００２９】
次に、φcap2をロウレベルとして容量Ｃox2をなくし、増幅手段ＭSFのゲートに容量ＣFDおよび容量Ｃox1が付加された状態で、φSELをハイレベルとして選択スイッチＭSELをオンして、増幅手段ＭSFよりノイズ信号Ｎ2を含んだセンサ信号Ｓ2を読み出す（第２信号読出し）。
【００３０】
次に、φcap2をロウレベルとしたままφcap1をロウレベルとして容量Ｃox1，Ｃox2をなくし、増幅手段ＭSFのゲートに容量ＣFDが付加された状態で、φSELをハイレベルとして選択スイッチＭSELをオンして、増幅手段ＭSFよりノイズ信号Ｎ1を含んだセンサ信号Ｓ3を読み出す（第３信号読出し）。
【００３１】
読み出されたノイズ信号Ｎ1〜Ｎ3、センサ信号Ｓ1〜Ｓ3はそれぞれの容量に蓄積され、ノイズ信号Ｎ1〜Ｎ3は加算されて差動アンプの反転入力端子（−）に入力され、センサ信号Ｓ1〜Ｓ3は加算されて差動アンプの非反転入力端子（＋）に入力される。そして、差動アンプにより（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3）−（Ｎ1＋Ｎ2＋Ｎ3）の減算処理が行なわれる。このようにして得られた信号は、図８に示すような光電変換特性を示す。図８に示すように、（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3）−（Ｎ1＋Ｎ2＋Ｎ3）の出力は、（Ｓ1−Ｎ3）の信号、（Ｓ2−Ｎ2）の信号、（Ｓ3−Ｎ1）の信号が加算された信号となる。
【００３２】
本実施例によれば、同一蓄積期間に蓄積された信号電荷に基づく、より広いダイナミックレンジのセンサ信号を得ることができる。
【００３３】
なお、第１実施例において図５を用いて説明した信号読み出し方法と同様な信号読み出し方法を、本実施例においても用いることができる。図１８はその信号読み出し方法を示すタイミングチャートである。図１８に示すように、ノイズ読出し期間と信号読出し期間における、φcap1，φcap2の振られ方を同じにして（ロウレベルからハイレベル）、φcap1，φcap2の振られによる特性の影響を等しくすることができる。そして、（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3）−（Ｎ1＋Ｎ2＋Ｎ3）の減算処理によりφcap1，φcap2の振られによる影響をなくすことができる。
（第３実施例）
上記第１，２実施例ではＭＯＳの反転容量を設けて、容量ＣFDに容量を付加した例を示したが、容量を付加するための素子を別に設けることなく、容量ＣFDに付加する容量を構成することができる。
【００３４】
本実施例は転送スイッチのＭＯＳトランジスタのチャネルを容量として用いた場合を示す。図９は本発明の固体撮像装置の第３実施例を示す概略的構成図、図１０はその動作を示すタイミングチャート、図１１はその動作を説明するためのポテンシャル図である。
【００３５】
図９において、図１の画素構成と異なるのは、ＭＯＳの反転容量Ｃoxが設けられていないことである。本実施例においては転送スイッチのＭＯＳトランジスタＭTXのチャネルを容量として用いる。
【００３６】
その動作について、図１０、図１１（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。
【００３７】
まず、φRESをハイレベルとしリセットスイッチＭRESをオンして、増幅手段ＭSFのゲートをリセットする。その後、φSEL，φTNをハイレベルとして選択スイッチＭSEL、切換スイッチＭTN1，ＭTN2をオンして、増幅手段ＭSFよりノイズ信号Ｎを読み出し、容量ＣTN1，ＣTN2に蓄積する（ノイズ読出し）。このときのポテンシャル図が図１１（ａ）である。
【００３８】
その後、φTXをハイレベルとしてフォトダイオードＰＤから信号電荷を転送する。そして、φTXをハイレベルとしたまま、φSEL，φTS1をハイレベルとして選択スイッチＭSEL、切換スイッチＭTS1をオンして、増幅手段ＭSFよりノイズ信号を含んだセンサ信号Ｓ1を読み出し、容量ＣTS1に蓄積する。ここで、φTXがハイレベルとなっていると、転送スイッチのＭＯＳトランジスタＭTXのチャネルが容量（反転容量）として機能し、この容量をＣTXとすると、図１１（ｂ）のポテンシャル図に示されるように、容量ＣFDに容量ＣTXが付加され、両方の容量に信号電荷が蓄積された状態でセンサ信号Ｓ1が読み出される。
【００３９】
次に、容量ＣTXを消滅させるように、φTXをハイレベルから立ち下げるが、一旦φTXをミドルレベルとする。これは、信号電荷がフォトダイオードＰＤ側に流入するのを防ぎ、全電荷を容量ＣFD側に移行させるためである。図１１（ｃ）のポテンシャル図は、φTXがミドルレベルとされ、全電荷が容量ＣFD側に移行した状態を示している。
【００４０】
次にφTXをミドルレベルからロウレベルに立ち下げ、容量ＣFDの状態でφSEL，φTS2をハイレベルとして選択スイッチＭSEL、切換スイッチＭTS2をオンして、増幅手段ＭSFよりノイズ信号を含んだセンサ信号Ｓ2を読み出し、容量ＣTS2に蓄積する。図１１（ｄ）のポテンシャル図は、φTXがロウレベルとされ、全電荷が容量ＣFD側にある状態を示している。
【００４１】
次に、φTHをハイレベルとして、容量ＣTN1，ＣTN2からノイズ信号Ｎを共通線で加算して読み出し、容量ＣTS1，ＣTS2からそれぞれセンサ信号Ｓ1，Ｓ2を共通線で加算して読み出し、差動アンプにより（Ｓ1＋Ｓ2）−（２Ｎ）の減算処理が行なわれる。
【００４２】
本実施例によれば、より簡易な構成の画素を構成することができる。
（第４実施例）
以上説明した第１〜３実施例では一画素セルの場合について説明したが、本発明をエリアセンサに用いた場合の実施例について説明する。ここでは、図１に示した画素セルを用いた場合のエリアセンサについて説明するが、第２、３実施例の画素を用いることができることは勿論である。画素の構成および読出し系の回路構成は図１に示した構成と同じなので、ここでは詳細な説明は略する。
【００４３】
図１２はエリアセンサの構成を示す概略的構成図である。同図に示すように、マトリクス状に配された画素セルの行方向の走査は垂直走査回路１００により行なわれ、行ごとに信号φRES，φTX，φSEL，φcapが送られて、行ごとにノイズ信号、センサ信号が垂直出力線に出力され各容量に蓄積される。各容量に蓄積された第１及び第２ノイズ信号、第１及び第２センサ信号は水平走査回路１０１により列ごとに走査され、加算されたノイズ信号（Ｎ1＋Ｎ2）と加算されたセンサ信号（Ｓ1＋Ｓ2）とが順次列ごとに水平出力線を介して、差動アンプＡの反転入力端子（−）と非反転入力端子（＋）に送られ、減算処理が行なわれて、各画素ごとに信号（Ｓ1＋Ｓ2）−（Ｎ1＋Ｎ2）を得ることができる。なお、ＭCHR1，ＭCHR2は信号φCHRによって制御される、水平出力線を所定の電位にリセットするＭＯＳトランジスタである。
【００４４】
図１３は上記エリアセンサのタイミングチャートを示す図である。この動作は図５に示した動作と同様なので、ここでは説明を省略する。
（第５実施例）
第１実施例では、ノイズ信号、センサ信号をそれぞれ加算処理した後に、加算したセンサ信号から加算したノイズ信号を減算処理して出力したが、本実施例では加算処理を行なわずにノイズ除去のための減算処理のみを行ない、システム側からの出力選択信号によってダイナミックレンジの異なる（ノイズが除去された）センサ信号を選択して得る場合について説明する。
【００４５】
図１４は本発明の固体撮像装置の第５実施例を示す概略的構成図である。図１に示した固体撮像装置と異なるのは、本実施例では、容量ＣTN1から読み出したノイズ信号Ｎ1、容量ＣTS2から読み出したノイズ信号Ｎ1を含んだセンサ信号Ｓ2を差動アンプＡ1に入力して、Ｓ2−Ｎ1の減算処理を行なって出力し、容量ＣTN2から読み出したノイズ信号Ｎ2、容量ＣTS1から読み出したノイズ信号Ｎ2を含んだセンサ信号Ｓ1を差動アンプＡ2に入力して、Ｓ1−Ｎ2の減算処理を行なって出力し、二つのアナログスイッチとインバータとからなる選択手段を出力選択信号に基づいて切換え、信号（Ｓ2−Ｎ1）と信号（Ｓ1−Ｎ2）を選択的に出力できるようにしたところにある。
【００４６】
図１５は本実施例の固体撮像装置を用いたビデオカメラ装置を示すブロック図である。
【００４７】
図１５において、１はレンズ系であり、２は絞り、３，５，７はモータ、４はモータ３を制御する変倍レンズ駆動手段、６はモータ５を制御して絞り２を駆動する絞り機構駆動手段、８はモータ７を制御するフォーカスコンペレンズ駆動手段である。また、９はレンズ系１から入射した光信号を光電変換するための固体撮像素子であり、図１４に示す本実施例の固体撮像装置が用いられ、マイクロコンピューター１５からの出力選択信号により、信号（Ｓ2−Ｎ1）か信号（Ｓ1−Ｎ2）かを出力する。１０はＣＤＳ／ＡＧＣ（相関２重サンプリング／オートゲインコントロール）、１１はＡＤ変換器である。また、１２はカメラ信号処理回路であり、１２ａはＹ／Ｃ分離回路、１２ｂは輝度信号処理回路、１２ｃは色信号処理回路、１２ｄは色抑圧回路、１２ｅはデジタル出力変換回路、１２ｆは飽和画素判定測定回路である。飽和画素判定測定回路１２ｆの飽和画素の判定は輝度信号および色信号に基づいて行なわれる。飽和画素の判定結果はマイクロコンピューター１５に入力され、この判定結果に基づいて出力選択信号が出力される。また、マイクロコンピューター１５はカメラ信号処理回路１２からの信号に基づいて、変倍レンズ駆動手段４、絞り機構駆動手段６、フォーカスコンペレンズ駆動手段８を制御する。
【００４８】
カメラ信号処理回路１２からの出力はデジタルデコーダ、ＤＡ変換器１３を通してモニター手段１４に送られ画像表示され、またＶＴＲに送られる。
【００４９】
なお図１６は従来のビデオカメラ装置を示すブロック図であり、本実施例のように飽和画素判定測定回路１２ｆが設けられておらず、出力選択信号が出力されない点が異なる。
（第６実施例）
本発明はエリアセンサに限定されず、ラインセンサにも用いることができる。ラインセンサの場合は、画素において選択スイッチが省かれることを除いて画素構成は同じである。図１７は本発明をラインセンサに適用した場合の概略的構成図である。ラインセンサの基本的な構成は図１２のエリアセンサと同様である。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ダイナミックレンジの拡大した信号を得ることができる。
【００５１】
また、感度は高いがダイナミックレンジの小さい信号と、感度は低いがダイナミックレンジの大きい信号を得ることができる。この場合に、必要に応じて、感度は高いがダイナミックレンジの小さい信号と、感度は低いがダイナミックレンジの大きい信号とを選択して出力することができる。例えば輝度信号のレベルによって信号を切り換えることができる。
【００５２】
本発明は例えば逆光補正に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体撮像装置の第１実施例を示す概略的構成図である。
【図２】図１の固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートを示す図である。
【図３】図１に示した固体撮像装置の光電変換特性を示す図である。
【図４】図１に示した固体撮像装置の読出し動作を示す図である。
【図５】本発明の他の信号読出し方法を示す図である。
【図６】本発明の固体撮像装置の第２実施例の一画素を示す概略的構成図である。
【図７】図６に示した固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図８】図６に示した固体撮像装置の光電変換特性を示す図である。
【図９】本発明の固体撮像装置の第３実施例を示す概略的構成図である。
【図１０】図９の固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図１１】図９の固体撮像装置の動作を説明するためのポテンシャル図である。
【図１２】 エリアセンサの構成を示す概略的構成図である。
【図１３】 上記エリアセンサのタイミングチャートを示す図である。
【図１４】 本発明の固体撮像装置の第５実施例を示す概略的構成図である。
【図１５】 本実施例の固体撮像装置を用いたビデオカメラ装置を示すブロック図である。
【図１６】 従来のビデオカメラ装置を示すブロック図である。
【図１７】 本発明をラインセンサに適用した場合の概略的構成図である。
【図１８】 本発明の固体撮像装置の第２実施例の他の信号読み出し方法を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
ＰＤ フォトダイオード
ＭTX 転送スイッチ
ＭRES リセットスイッチ
ＭSEL 選択スイッチ
ＭSF 増幅手段
ＣFD 容量
Ｃox ＭＯＳの反転容量
ＭTN1，ＭTN2，ＭTS1，ＭTS2 切換スイッチ
ＣTN1，ＣTN2，ＣTS1，ＣTS2 容量
ＭTH1，ＭTH2，ＭTH3，ＭTH4 共通出力手段
Ａ 差動アンプ
φTX，φRES，φSEL，φTN1，φTN2，φTS1，φTS2 信号
φcap 制御信号
Claims (7)
- 光電変換部と、該光電変換部から信号電荷を転送する転送手段と、転送された信号電荷を保持する容量手段と、該容量手段に保持された信号電荷に対応して信号を出力する増幅手段とを有する画素を複数有する固体撮像装置であって、
前記容量手段は、第１の容量値の容量部と、前記容量手段の容量を該第１の容量値から第２の容量値へ増大させるために該容量部に並列に容量を付加する付加容量部と、を有し、
前記増幅手段からの信号読出しは、前記信号電荷を前記容量部と前記容量部に並列接続された前記付加容量部とに保持して信号を読み出す第１の読出しモードと、前記信号電荷を前記容量部に保持して信号を読み出す第２の読出しモードと、を有し、前記第１の読出しモードによって得られた信号と、前記第２の読出しモードによって得られた信号とを加算処理することを特徴とする固体撮像装置。 - 前記付加容量部に並列に接続され、前記容量手段の容量を前記第２の容量値から増大させるために前記容量部及び前記付加容量部に容量をさらに付加する少なくとも一つの他の付加容量部を有し、
前記増幅手段からの信号読出しは、前記第１及び第２の読出しモードの他に、前記信号電荷を、前記容量部、前記付加容量部及び前記他の付加容量部に保持して信号を読み出す第３の読出しモードを有し、前記第１の読出しモードによって得られた信号と、前記第２の読出しモードによって得られた信号と、前記第３の読出しモードによって得られた信号とを加算処理することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。 - 光電変換部と、該光電変換部から転送された信号電荷を保持する容量手段と、該光電変換部から信号電荷を転送するとともに、チャネルによって生ずる反転容量を前記容量手段に付加して容量値を増大させる転送用電界効果型トランジスタと、該容量手段に保持された信号電荷または該容量手段と該転送用電界効果型トランジスタの反転容量とに保持された信号電荷に対応して信号を出力する増幅手段とを有する画素を複数有し、前記転送用電界効果型トランジスタは、前記転送用電界効果型トランジスタのゲートにハイレベルの信号が印加されるときに前記反転容量が前記容量手段に付加され、前記ゲートにミドルレベル又はロウレベルの信号が印加されるときに前記反転容量が前記容量手段に付加されない固体撮像装置であって、
前記増幅手段からの信号読出しは、前記信号電荷を前記容量手段と前記反転容量とに保持して信号を読み出す第１の読出しモードと、前記信号電荷を前記容量手段に保持して信号を読み出す第２の読出しモードと、を有し、前記第１の読出しモードによって得られた信号と、前記第２の読出しモードによって得られた信号とを加算処理することを特徴とする固体撮像装置。 - 光電変換部と、該光電変換部から信号電荷を転送する転送手段と、転送された信号電荷を保持する容量手段と、該容量手段に信号電荷が保持されない状態で第１の信号を出力するとともに、該容量手段に信号電荷が保持された状態で該信号電荷に対応して第２の信号を出力する増幅手段とを有する画素を複数有する固体撮像装置であって、
前記容量手段は、第１の容量値の容量部と、前記容量手段の容量を該第１の容量値から第２の容量値へ増大させるために該容量部に並列に容量を付加する付加容量部と、を有し、
前記増幅手段からの第１の信号の読出しは、信号電荷が保持されない状態の前記容量部から信号を読み出す第１の非保持読出しモードと、信号電荷が保持されない状態の前記容量部と前記容量部に並列接続された前記付加容量部とから信号を読み出す第２の非保持読出しモードとを有し、
前記増幅手段からの第２の信号の読出しは、前記信号電荷を前記容量部に保持した状態で信号を読み出す第１の保持読出しモードと、前記信号電荷を前記容量部と前記容量部に 並列接続された前記付加容量部とに保持した状態で信号を読み出す第２の保持読出しモードとを有し、
前記第１の非保持読出しモードによって得られた信号と前記第２の非保持読出しモードによって得られた信号との加算信号と、前記第１の保持読出しモードによって得られた信号と前記第２の保持読出しモードによって得られた信号との加算信号とを減算処理することを特徴とする固体撮像装置。 - 前記付加容量部に並列に接続され、前記容量手段の容量を前記第２の容量値から増大させるために前記容量部及び前記付加容量部に容量をさらに付加する少なくとも一つの他の付加容量部を有し、
前記増幅手段からの第１の信号読出しは、前記第１及び第２の非保持読出しモードの他に、前記信号電荷を、前記容量部、前記付加容量部及び前記他の付加容量部に保持されない状態で前記増幅手段から信号を読み出す第３の非保持読出しモードを有し、
前記増幅手段からの第２の信号読出しは、前記第１及び第２の保持読出しモードの他に、前記信号電荷を、前記容量部、前記付加容量部及び前記他の付加容量部に保持された状態で前記増幅手段から信号を読み出す第３の保持読出しモードとを有し、
前記第１の非保持読出しモードによって得られた信号と前記第２の非保持読出しモードによって得られた信号と前記第３の非保持読出しモードによって得られた信号との加算信号と、前記第１の保持読出しモードによって得られた信号と前記第２の保持読出しモードによって得られた信号と前記第３の保持読出しモードによって得られた信号との加算信号とを減算処理することを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。 - 光電変換部と、該光電変換部から転送された信号電荷を保持する容量手段と、該光電変換部から信号電荷を転送するとともに、チャネルによって生ずる反転容量を前記容量手段に付加して容量値を増大させる転送用電界効果型トランジスタと、該容量手段に信号電荷が保持されない状態で第１の信号を出力するとともに、該容量手段に保持された信号電荷または該容量手段と該転送用電界効果型トランジスタの反転容量とに保持された信号電荷に対応して第２の信号を出力する増幅手段とを有する画素を複数有し、前記転送用電界効果型トランジスタは、前記転送用電界効果型トランジスタのゲートにハイレベルの信号が印加されるときに前記反転容量が前記容量手段に付加され、前記ゲートにミドルレベル又はロウレベルの信号が印加されるときに前記反転容量が前記容量手段に付加されない固体撮像装置であって、
前記増幅手段からの第１の信号読出しは、信号電荷が保持されない状態での前記容量手段から信号を読み出す非保持読出しモードと、
前記増幅手段からの第２の信号読出しは、前記信号電荷を前記容量手段と前記反転容量とに保持した状態で信号を読み出す第１の保持読出しモードと、前記信号電荷を前記容量手段に保持した状態で信号を読み出す第２の保持読出しモードと、を有し、前記第１の読出しモードによって得られた信号と前記第２の読出しモードによって得られた信号との加算信号と、前記非保持読出しモードによって得られた信号とを減算処理することを特徴とする固体撮像装置。 - 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、該固体撮像装置に光を結像するレンズ系と、該固体撮像装置からの信号をディジタル信号に変換するＡＤ変換器と、該ＡＤ変換器からの信号を処理する信号処理回路と、を有することを特徴とするカメラ。
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