JP4185949B2 - 光電変換装置及び撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、光電変換装置及び撮像装置に関する。

近年、増幅型の光電変換装置、特にＭＯＳ（型の光電変換装置を用いた固体撮像装置が注目されている。ＭＯＳ型固体撮像装置では、画角内に太陽が存在する場合のように非常に強い光が撮像面に入射した場合に、その強い光の入射部分が黒く映し出される現象が発生することがある。この現象は、高輝度黒沈み、黒沈み、或いは、黒化現象と呼ばれる。ここでは、この現象を”黒沈み”と呼ぶことにする。

黒沈みは、画素からＳ出力（データレベル）とＮ出力（ノイズレベル）を読み出し、両者の差分を演算して出力するＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ）方式において見られる。Ｎ出力を読み出す際に高輝度の光が入射していると、それによって生成される電荷が浮遊拡散部に入り込んで該浮遊拡散部の電位を低下させる。これに応じて画素から出力されるＮ出力が低下する。この低下が過度になると、Ｓ出力とＮ出力との差分が極めて小さくなり、黒沈みが発生する。

特許文献1にはこのような黒沈みを低減させるための構成が開示されている。図２は、黒沈みを抑制する機能を有する画素の構成を示す図である。画素部１０１は、光電変換部１、転送ゲート２、電荷電圧変換部５、増幅トランジスタ４、リセットトランジスタ３を含みうる。光電変換部１は、例えばフォトダイオードを含み、光を受けて電荷を発生する。転送ゲート２は、光電変換部１で発生した電荷を転送パルスに従って電荷電圧変換部５に転送する。電荷電圧変換部５は、一般的には、フローティングディフュージョンとして構成されうる。電荷電圧変換部５の電位は、それに転送された電荷の量によって決定される。増幅トランジスタ４は、電荷電圧変換部５の電圧を増幅して画素出力線１３０上に出力する。リセットトランジスタ３は、電荷電圧変換部５の電位を所定電位にリセットする。リセットトランジスタ３のソースは、電荷電圧変換部５及び増幅トランジスタ４のゲートに接続され、リセットトランジスタ３のドレインは、増幅トランジスタ４のドレインと共に所定電位に接続される。

クリップトランジスタ６は、ノイズレベルの読み出し時に、そのゲートにクリップレベルを決定する電位Ｖｃｌｉｐが印加される。クリップトランジスタ６の閾値をＶｔとすると、ノイズレベルの読み出し時の画素出力線１３０の電位は、Ｖｃｌｉｐ−Ｖｔを下回らないように制限される。よって、データレベルとノイズレベルとの間に光信号に対応する十分な差分が得られ、黒沈みが抑制される。

また、特許文献２には、別の方法として信号レベルとノイズレベルの差分処理を行なう際に、撮像条件検出手段からの出力に応じて差分処理を行なうことに対する補正を行なう補正手段を有した構成が開示されている。
特開２００４−２２２２７３号公報 特開２００１-０２４９４９号公報号公報

図２に示すような技術では、クリップトランジスタ６のゲートに印加される電位Ｖｃｌｉｐの設定が難しい。正常なノイズレベルが出力されているときは、クリップトランジスタ６が画素出力線１３０の電位に影響を及ぼさないように、クリップトランジスタ６を完全にオフさせる必要がある。なぜなら、ノイズレベルの読み出し時にクリップトランジスタ６がオンしていると、ノイズレベルが変動し、データレベルから正確なノイズレベルを差し引くことができないからである。

クリップトランジスタ６の製造上のばらつきなどを考慮すると、クリップトランジスタ６を完全なオフ状態とするには、例えば、Ｖｃｌｉｐをクリップトランジスタ６の閾値より０．２Ｖ程度低く設定しておく必要がある。これは、電荷電圧変換部５に入り込む電荷により画素出力線１３０の電位が低下した際に、０．２Ｖ以上低下しないとクリップトランジスタ６はオンしないことを意味する。

光電変換部１に蓄積される電荷が十分に多く、画素出力線１３０上に現れる電位の振幅が大きい場合には、リセットレベルが０．２Ｖ程度変動しても無視できるほど小さいので、問題とはならない。

しかしながら、画素サイズの縮小化により光電変換部１の感度が低下した場合や、暗い被写体の撮影などで入射光量が小さい場合には、光電変換部１に蓄積される電荷量が少なくなり、画素出力線１３０上に現れる電位の振幅も小さくなる。このような場合には、０．２Ｖの電位変動が無視できなくなる。

この場合、Ｖｃｌｉｐの電位変動をより小さく、例えば０．０５程度以内に抑える必要がある。しかし、この状態では、クリップトランジスタ６の製造上のばらつきにより閾値が０．１Ｖ程度変動することを考えると、もはやＶｃｌｉｐの電位変動を抑える意義がなくなる。

本発明は、上記の課題認識を契機としてなされたものであり、例えば、回路素子の製造ばらつきによる画質劣化の抑制に有利な技術を提供することを目的とする。

本発明の第１の側面は、光電変換装置に係り、前記光電変換装置は、光電変換部を含む画素部と、前記画素部の後段に配置された増幅部と、前記増幅部の段側に配置された出力部と、前記画素部からのノイズレベルの読み出し時に前記画素部から前記増幅部を経て読み出されるノイズレベルを前記増幅部と前記出力部との間において制限する第１制限回路と、前記画素部からのノイズレベルの読み出し時に前記増幅部に提供されるべきノイズレベルを前記光電変換部と前記増幅部との間において制限する第２制限回路とを備え、前記第１制限回路は、ノイズレベルの読み出し時に前記画素部における電位のリセットレベルからの変動幅が第１幅であるときに動作し、前記第２制限回路は、ノイズレベルの読み出し時に前記画素部における電位のリセットレベルからの変動幅が前記第１幅より大きい前記第２幅であるときに動作する。

本発明によれば、例えば、回路素子の製造ばらつきによる画質劣化の抑制に有利な技術が提供される。

以下では、まず、本発明の第１〜第６実施形態の光電変換装置に共通する基本構成を説明した後に、該基本構成との相違点を中心として第１〜第６実施形態の撮像装置の個別の特徴部を説明する。

［基本構成］
図１１は、本発明が適用されうる光電変換装置（固体撮像装置）の基本構成を例示的に示す図である。

図１１に示すような光電変換装置（固体撮像装置）１００は、増幅型固体撮像装置又は増幅型ＭＯＳセンサとも呼ばれうる。光電変換装置１００は、一次元状又は二次元状に配列された複数の画素部１０１を有する。画素１０１は、入射する光に応じて画素出力線１３０を駆動する。画素部１０１は、例えば、光電変換部１、転送ゲート２、電荷電圧変換部５、増幅トランジスタ４、リセットトランジスタ３を含みうるが、これに限定はされない。光電変換部１は、例えばフォトダイオードを含み、光を受けて電荷を発生する。転送ゲート２は、光電変換部１で発生した電荷を転送パルスＰＴＸに従って電荷電圧変換部５に転送する。電荷電圧変換部５は、一般的には、フローティングディフュージョンとして構成されうる。電荷電圧変換部５の電位は、それに転送された電荷の量によって決定される。よって、電荷電圧変換部５は、電荷の量を電位に変換する素子として把握されうる。増幅トランジスタ４は、電荷電圧変換部５の電圧を増幅して画素出力線１３０に出力する。

リセットトランジスタ３は、電荷電圧変換部５の電位を所定電位にリセットする。リセットトランジスタ３のソースは、電荷電圧変換部５及び増幅トランジスタ４のゲートに接続され、リセットトランジスタ３のドレインは、増幅トランジスタ４のドレインと共にドレイン線ＶＤに接続される。

図１１では、説明の便宜のために、画素１０１の配列は、２行×２列の配列として簡略化されている。また、図１１では、一例として、奇数列の画素の信号を下側の読み出し回路で読み出し、偶数列の画素の信号を上側の読み出し回路で読み出す方式の光電変換装置において上側の読み出し回路の図示が省略されている。

図１２は、光電変換装置１００の動作を示すタイミングチャートである。この実施形態の光電変換装置１００では、読み出し対象の行の選択は、増幅トランジスタ４のゲートの電位を制御することによってなされる。具体的には、非選択行の増幅用トランジスタ４がオフするようにそのゲート電位を低くし、選択行の増幅用トランジスタ４がオンするようにそのゲート電位を高くすることにより行選択が行われる。画素出力線１３０は、選択された行の増幅用トランジスタ４と定電流負荷７によって形成されるソースフォロア回路の出力ノードである。画素出力線１３０は、選択された行の浮遊拡散部５の電位に従った電位となる。なお、以下の説明において、”ｎ”は、光電変換装置１００の第ｎ行を意味し、”ｎ＋１”は、光電変換装置１００の第（ｎ＋１）行を意味する。

第ｎ行の画素読み出し期間（ｎ）中の画素非選択動作期間において、垂直走査回路１１０によって全行のリセット信号ＰＲＥＳ（０）、・・・、ＰＲＥＳ（ｎ）、ＰＲＥＳ（ｎ＋１）、・・・がハイレベルにされる。これにより、全画素の電荷電圧変換部５がドレイン線ＶＤ及びリセットトランジスタ３を介してローレベルにリセットされる。このときのドレイン線ＶＤは、ローレベルとなっている。

続いて、画素選択動作期間（ｎ）において、選択行（第ｎ行）を除く行のリセット信号がローレベルとなり、選択行（第ｎ行）のドレイン線ＶＤがハイレベルとなる。これにより、選択行（第ｎ行）の電荷電圧変換部５は、ハイレベルにリセットされる。その後、選択行（第ｎ行）のリセット信号ＰＲＥＳ（ｎ）もローレベルとなる。このとき、画素リセット状態に対応する出力（すなわち、Ｎ出力或いはノイズレベル）が画素出力線１３０に読み出される。

画素出力線１３０の信号は、増幅部１２０によって増幅される。増幅部１２０は、例えば、演算増幅器（差動増幅回路）１０、入力容量（クランプ容量）８、帰還容量９、クランプ制御スイッチ１１を含んで構成されうる。この構成では、入力容量８と帰還容量９との比で反転ゲインが得られる。画素リセット状態に対応するＮ出力が画素出力線１３０に読み出された状態でクランプ制御パルスＰＣＬＭＰがハイレベルとなり、演算増幅器１０の反転入力端子と出力端子とが短絡される。これにより、演算増幅器１０の出力端子のレベルは、電圧ＶＲＥＦにほぼ等しくなる。その後、クランプ制御パルスＰＣＬＭＰがローレベルとなり、演算増幅器１０の出力端子には、画素のリセット状態に対応するＮ出力（ノイズレベル）が現れる。この状態で、転送パルスＰＴＮをハイレベルにすることによって、画素のリセット状態に対応するＮ出力がノイズ伝送経路ＮＴの転送スイッチ（転送トランジスタ）１２を介して容量１４に蓄積される。

その後、第ｎ行の転送パルスＰＴＸ（ｎ）の活性化によって転送スイッチ２が一定期間オンとなり、光電変換部１から電荷電圧変換部５に電荷が転送される。第ｎ行の増幅トランジスタ４は、電荷電圧変換部５の電位に基づいて転送された電荷を増幅して画素出力線１３０に出力する。このとき、ＰＣＬＭＰはローレベルとなっているので、演算増幅器１０は、光信号による画素出力線１３０の電圧変化成分に対して反転ゲインを与えた電圧成分がＮ出力に重畳されたＳ出力（データレベル）を出力端子に発生する。

続いて、転送パルスＰＴＳがハイレベルとなり、光信号に対応したＳ出力（データレベル）がデータ伝送経路ＳＴの転送スイッチ（転送トランジスタ）１３を介して容量１５に蓄積される。次に、第ｎ行の水平走査期間（ｎ）において水平転送動作が行われる。すなわち、水平走査回路１１９によって列が順に選択されながら、選択された列のデータレベルとノイズレベルとの差分が差動アンプを含む出力部１６０で増幅され、第ｎ行の画素信号が得られる。ここで、Ｓ出力とＮ出力との差分に基づいて光応答出力を得る動作は、周知のとおり、ＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ）動作と呼ばれる。この基本構成では、ＣＤＳ動作のためのＣＤＳ回路は、増幅部１２０、転送スイッチ１２、１３、容量１４、１５、出力部（差動アンプ）１６０等を含んで構成される。データレベルとノイズレベルとの差分を増幅する差動アンプを含む出力部１６０と増幅回路１３０との間の経路１５０は、データレベルとノイズレベルとが同一ライン又は異なるラインを通して伝送される経路である。この経路をＳＮ伝送経路と呼ぶことにする。ＳＮ伝送経路１５０は、データ伝送経路ＳＴと、ノイズ伝送経路ＮＴとを含む。

以上の動作を垂直走査回路１１０によって選択する行を走査しながら繰り返すことにより、画面内全画素の画素信号が得られる。

なお、一例を挙げると、電源電圧は３．３Ｖ、ドレイン線ＶＤのローレベルは０．３Ｖ〜１．０Ｖ、ドレイン線ＶＤのハイレベルは３．３Ｖに設定することができる。

この光電変換装置１００は、Ｎ出力の読み出し容量１４へのＮ出力の蓄積時にＮ出力レベルを制限することによって黒沈みを抑制する。具体的には、Ｎ出力の読み出し時に非常に強い光が光電変換装置に入射することによって浮遊拡散部に電荷が流入すると、それに応じて増幅トランジスタが画素出力線を駆動することによってＮ出力が低下し黒沈みが発生しうる。そこで、Ｎ出力の読み出し時は、クリップトランジスタ６によって、画素出力線１３０の電位が規定値を下回らないように制限（クリップ）する。

画素出力線１３０には、クリップトランジスタ６のソースが接続されている。クリップトランジスタ６のドレインには、所定の電圧、例えば電源電圧ＶＤＤが提供される。クリップトランジスタ６のゲートには、クリップ制御電圧ＶＣＬＩＰが提供される。画素出力線１３０を通してＮ出力を読み出す時には、クリップ制御電圧ＶＣＬＩＰは、クリップ用電圧ＶＣＬＩＰＨになる。このとき、画素出力線１３０の電位は、クリップトランジスタ６のゲートに印加されるクリップ用電圧ＶＣＬＩＰＨで決まる電位（クリップ電位）によって下限が定まる。

一方、画素出力線１３０を通してＳ出力を読み出す時には、クリップ制御電位ＶＣＬＩＰは、クリップトランジスタ６をオンさせない非クリップ用電圧ＶＣＬＩＰＬになる。

［動作原理］
図１を参照しながら本発明に係る光電変換装置の動作原理を例示的に説明する。図１に示す光電変換装置２００は、図１１に例示するような画素部１０１、画素出力線１３０、増幅部１２０、ＳＮ伝送経路１５０、出力部１６０とを備える。増幅部１２０は、画素部１０１の後段に配置され、出力部１６０は、増幅部１２０の後段に配置される。画素部と増幅部の間に他の回路が配されていても良く、増幅部と出力部の間に他の回路部が配されていても良い。光電変換装置２００は、更に、第１制限回路１７０と、第２制限回路１８０とを備える。第１制限回路１７０は、ＳＮ伝送経路１５０のうちノイズレベルが現れ得るＮ伝送経路の電位の変化を制限する。第２制限回路１８０は、画素出力線１３０、又は、画素１０１中のノイズレベルが現れ得る部分（例えば、電荷電圧変換部）５の電位の変化を制限する。

第１制限回路１７０は、ノイズレベルの読み出し時に電荷電圧変換部５に電荷が流入することによってＮ伝送経路ＮＴの電位が第１規定値を下回らないようにＮ伝送経路ＮＴの電位を制限（クリップ）する。第２制限回路１８０は、ノイズレベルの読み出し時に電荷電圧変換部５に電荷が流入することによって画素出力線１３０の電位が第２規定値を下回らないように画素出力線１３０の電位を制限（クリップ）する。

ここで、第１制限回路１７０（換言すると、第１規定値）は、ノイズレベルの読み出し時に電荷電圧変換部５の電位のリセットレベルからの変動幅が第１幅であるときに動作するように設定されるものとする。このとき、第２制限回路１８０（換言すると、第２規定値）は、ノイズレベルの読み出し時に電荷電圧変換部５の電位のリセットレベルからの変動幅が第１幅より大きい第２幅であるときに動作するように設定されることが好ましい。

この理由は、次のとおりである。第２制限回路１８０は、増幅部１２０で増幅される前のノイズレベル（増幅部に提供されるべきノイズレベル）を制限し、第１制限回路１７０は、増幅部１２０で増幅された後のノイズレベルを制限するものである。したがって、第２制限回路１８０の特性のばらつきが出力画像に与える影響は、第１制限回路１８０の特性のばらつきが出力画像に与える影響よりも小さい。すなわち、出力画像は、第１制限回路１７０の特性ばらつきよりも第２制限回路１８０の特性ばらつきに対して鈍感である。鈍感であるということは、設計マージンが広くなることを意味する。

上記のように第１制限回路１７０、第２制限回路１８０を設定することによって、光電変換装置２００は、次のように動作する。ノイズレベルの読み出し時に第１輝度（中輝度）の光が画素に入射すると、第１制限回路１７０が動作してノイズレベルが第１規定値にクリップされる。

ノイズレベルの読み出し時に第１輝度よりも大きい第２輝度（高輝度）の光が画素に入射すると、第２制限回路１８０が動作して画素出力線１３０の電位が第２規定値にクリップされる。よって、ノイズレベルの読み出し時とデータレベルの読み出し時において、画素出力線１３０の電位に差を生じさせること、すなわち、第２輝度（高輝度）の光が入射した画素から相応のレベルを有する画素信号を取り出すことができる。一方、第２制限回路１８０が存在しない場合には、ノイズレベルの読み出し時に第２輝度の光が画素に入射すると、増幅部１２０のリセット時、ノイズレベルの読み出し時、データレベルの読み出し時における画素出力線１３０の電位の差が非常に小さくなりうる。そのため、増幅部１２０の出力は、非常に小さな値となり、第２輝度（高輝度）の光が画素に入射しているにも拘わらず、第１制限部１７０が動作しないことになるし、増幅部１２０のリセット時と殆ど差がないデータレベルが出力されることになる。

［第１実施形態］
図３は、本発明の第１実施形態の光電変換装置の概略構成を示す図である。図３に示す光電変換装置２１０は、簡略化して示されているが、その基本構成は、図１１に示す光電変換装置１００と同様である。第１クリップトランジスタ１９は、第１制限回路１７０の構成例であり、第２クリップトランジスタ６は、第２制限回路１８０の構成例である。

図４は、第１輝度（中輝度）の光が画素に入射した場合における画素出力線の電位変化の一例を示す図である。図５は、第２輝度（高輝度）の光が画素に入射した場合における画素出力線の電位変化の一例を示す図である。図４、図５を参照しながら図３に示す光電変換装置２１０の動作を説明する。なお、以下では、読み出し対象行の動作のみを説明する。

まず、画素に入射する光のノイズレベルに影響を与えない通常の動作を説明する。リセット信号ＰＲＥＳがハイレベルに活性化されることによってリセットトランジスタ３がオンし、電荷電圧変換部５が所定の電位にリセットされる。次に、増幅トランジスタ４によって画素出力線１３０にノイズレベルが出力されている状態で、クランプパルスＰＣＬＭＰがハイレベルとなり、演算増幅器１０の反転入力端子と出力端子とが短絡される。これにより、演算増幅器１０の出力端子のレベルは、電圧ＶＲＥＦにほぼ等しくなる。その後、クランプパルスＰＣＬＭＰがローレベルとなり、演算増幅器１０の出力端子には、画素のリセット状態に対応するＮ出力（ノイズレベル）が現れる。この状態で、転送パルスＰＴＮをハイレベルにすることによって、画素のリセット状態に対応するＮ出力がＮ伝送経路ＮＴに配置された第１クリップトランジスタ１９及び転送スイッチ１２を介して容量１４に蓄積される。

その後、転送パルスＰＴＸの活性化によって転送スイッチ２が一定期間オンとなり、光電変換部１から電荷電圧変換部５に電荷が転送される。増幅トランジスタ４は、電荷電圧変換部５の電位に基づいて転送された電荷を増幅して画素出力線１３０に出力する。このとき、電荷電圧変換部５に転送された電荷の量に応じて画素出力線１３０の電位が低下する。

このとき、ＰＣＬＭＰはローレベルとなっているので、演算増幅器１０は、光信号による画素出力線１３０の電圧変化成分に対して反転ゲインを与えた電圧成分がノイズレベルに重畳されたデータレベルを出力端子に発生する。

続いて、転送パルスＰＴＳがハイレベルとなり、光信号に対応したデータレベルが転送スイッチ（転送トランジスタ）１３を介して容量１５に蓄積される。

続いて、水平走査回路によってスイッチトランジスタ１６、１７がオンされて、容量１６、１７に蓄積されているノイズレベル、データレベルが差動アンプを含む出力部１６０で差動増幅されて出力される。

次に、図４を参照しながら、第１輝度（中輝度）の光が画素に入射した場合の動作を考える。ここで、第１輝度は、ノイズレベルの読み出し時に光電変換部１０１等で発生した電荷が電荷電圧変換部５に入り込むことによって電荷電圧変換部５の電位が変化する程度の輝度であるものとする。

図４に例示的に示すように、電荷電圧変換部５への電荷の入り込みにより画素出力線１３０の電位は徐々に低下する。クランプ制御パルスＰＣＬＭＰがローレベルになってクランプ制御スイッチ１１がオフしてから転送トランジスタ１２がオフする前に、画素出力線１３０の電位が変化している。したがって、第１クリップトランジスタ１９が存在しない場合には、容量１４には、本来のリセットレベルよりも高い電位となりうる。よって、差動アンプを含む出力部１６０において、データレベルとノイズレベルとの差分を増幅すると、強い光が入射している部分が周囲より黒く沈んでしまうことになる。

このような現象（黒沈み）は、Ｎ伝送経路ＮＴに第１クリップトランジスタ１９を配置することによって抑制することができる。第１クリップトランジスタ１９の次段（転送とトランジスタ１２）に提供される電圧の最大値は、クリップトランジスタ１９のゲート電位Ｖｃｌｉｐ１から閾値を引いた電圧である。すなわち、第１クリップトランジスタ１９により、容量１４に保持される電圧は、クリップトランジスタ１９のゲート電位Ｖｃｌｉｐ１から閾値を引いた電位に制限（クリップ）される。

次に、図５を参照しながら、第１輝度よりも大きい第２輝度（高輝度）の光が画素に入射した場合の動作を考える。

リセット信号ＰＲＥＳがローレベルになってリセットトランジスタ３がオフした後、図４よりも大きな傾きで画素出力線１３０の電位が低下するが、ある電位まで低下すると、第２クリップトランジスタ６がオンして画素出力線１３０の電位がクリップされる。そのため、クランプ制御パルスＰＣＬＭＰがローレベルになってクランプ制御スイッチ１１がオフしてから転送トランジスタ１２がオフするまでに、増幅素子４の出力は変化しない。よって、容量１４に高いレベルの電位が書き込まれてしまうことはない。

その後、転送ゲートＰＴＸが活性化すると共に、第２クリップトランジスタのゲート電位Ｖｃｌｉｐ２が低い電位に設定される。そのため、転送パルスＰＴＳが活性化されて転送トランジスタ１３がオンするまでの間に、画素出力線１３０の電位が低下し、その変化分に応じて容量１５にデータレベルが蓄積される。

ここで、第２クリップトランジスタ６が存在しない場合を考える。この場合には、ノイズレベルの読み出し時に第２輝度の光が画素に入射すると、増幅部１２０のリセット時、ノイズレベルの読み出し時、データレベルの読み出し時における画素出力線１３０の電位の差が非常に小さくなりうる。そのため、増幅部１２０の出力は、リセット時、ノイズレベルの読み出し時、データレベルの読み出し時において、いずれも、ほぼＶＲＥＦレベルとなる。この場合、第１クリップトランジスタ１９によってＮ伝送経路ＮＴの電位がクリップされることはないし、容量１５に有効なデータレベルが蓄積されることもない。

以上のように、本実施形態の光電変換装置は、第１輝度の光の入射による黒沈みを抑制する第１制限回路１７０と、第１輝度よりも大きい第２輝度の光の入射による黒沈みを抑制する第２制限回路１８０とを備える。第１制限回路１７０を増幅回路１２０の後に配置し、第２制限回路１８０を増幅回路１２０の前に配置される。これにより、黒沈みを抑制しつつ制限回路の特性ばらつきによる画質の低下を抑えることができる。

［第２実施形態］
図６は、本発明の第２実施形態の光電変換装置の概略構成を示す図である。図６に示す光電変換装置２２０は、簡略化して示されているが、その基本構成は、図１１に示す光電変換装置１００と同様である。転送スイッチ１６は、転送パルスＰＨと同一論理レベルであるが電圧レベルが転送パルスＰＨと異なる転送パルスＶｒｅａｄである転送パルスＰＨ’で制御され、第１制限回路１７０として機能する。第２クリップトランジスタ６は、第２制限回路１８０の構成例である。

この実施形態では、容量１４に蓄積されたノイズレベルが第１制限回路１７０として機能する転送スイッチ１６を介して差動アンプを含む出力部１６０に提供される際に所定のクリップレベル（Ｖｒｅａｄ−閾値）にクリップされる。第２クリップトランジスタ６については、第１実施形態で説明したとおりである。

以上のように、本実施形態の光電変換装置は、第１輝度の光の入射による黒沈みを抑制する第１制限回路１７０と、第１輝度よりも大きい第２輝度の光の入射による黒沈みを抑制する第２制限回路１８０とを備える。第１制限回路１７０を増幅回路１２０の後に配置し、第２制限回路１８０を増幅回路１２０の前に配置される。これにより、黒沈みを抑制しつつ制限回路の特性ばらつきによる画質の低下を抑えることができる。

［第３実施形態］
図７は、本発明の第３実施形態の光電変換装置の概略構成を示す図である。図７に示す光電変換装置２３０は、簡略化して示されているが、その基本構成は、図１１に示す光電変換装置１００と同様である。トランジスタ１９’及びそれを制御する電位検出回路１７１は、第１制限回路１７０の構成例であり、第２クリップトランジスタ６は、第２制限回路１８０の構成例である。

電位検出回路１７１は、画素出力線１３０のリセットレベルからの変動幅が規定幅内であるときは、第１実施形態と同様に、トランジスタ１９’のゲートに電位Ｖｃｌｉｐ１を印加する。一方、電位検出回路１７１は、画素出力線１３０のリセットレベルからの変動幅が規定幅を超えたときは、トランジスタ１９’のデータに０Ｖを印加する。この場合は、容量１４には、増幅部１２０の出力が書き込まれなくなる。よって、容量１４の電位は、初期の低い電位のまま変化しないので、黒沈みが抑制される。

第２クリップトランジスタ６については、第１実施形態で説明したとおりである。

以上のように、本実施形態の光電変換装置は、第１輝度の光の入射による黒沈みを抑制する第１制限回路１７０と、第１輝度よりも大きい第２輝度の光の入射による黒沈みを抑制する第２制限回路１８０とを備える。第１制限回路１７０を増幅回路１２０の後に配置し、第２制限回路１８０を増幅回路１２０の前に配置される。これにより、黒沈みを抑制しつつ制限回路の特性ばらつきによる画質の低下を抑えることができる。

［第４実施形態］
図８は、本発明の第４実施形態の光電変換装置の概略構成を示す図である。バイパストランジスタ２１は、第１制限回路１７０の構成例であり、第２クリップトランジスタ６は、第２制限回路１８０の構成例である。

第２制限回路１８０としての第２クリップトランジスタ６については、第１実施形態で説明したとおりである。第１制限回路１７０としてのバイパストランジスタ２１は、クランプ容量８’をバイパスするように配置されている。バイパストランジスタ２１は、画素出力線１３０の電位がゲート電位Ｖｂｙｐａｓｓから閾値を引いた電位よりも低い電圧まで低下するとオンし、画素出力線１３０の電位をクランプ容量８’をバイパスして容量１５に書き込む。

よって、画素出力線１３０に現れるノイズレベルの変動によらず、データレベルに対応した電位が容量１５に書き込まれることになり、黒沈みを防止することができる。

以上のように、バイパストランジスタ２１とクリップトランジスタ６とが相補的に働くことにより、効果的に黒沈み現象を防止し、かつ通常信号には影響を及ぼさないよう、十分な電圧マージンを持った読み出し回路が実現できる。

［第５実施形態］
図９は、本発明の第５実施形態の光電変換装置の概略構成を示す図である。図９に示す光電変換装置２５０は、簡略化して示されているが、その基本構成は、図１１に示す光電変換装置１００と同様である。第１クリップトランジスタ１９は、第１制限回路１７０の構成例である。画素１０１のリセットトランジスタ３’は、前述のリセット信号ＲＥＳと同一論理レベルであるが電圧レベルがクリップ用の電位Ｖｒｅｓに変更されたリセット信号ＲＥＳ’で制御され、第２制限回路１８０として機能する。

第２制限回路１８０としてのリセットトランジスタ３’は、（Ｖｒｅｓ−閾値）の電位を下回らないように電荷電圧変換部５の電位を制限（クリップ）する。つまり、リセットトランジスタ３’は、強い光が画素に入射した場合において、電荷電圧変換部５に電荷が入り込んで（Ｖｒｅｓ−閾値）の電位を下回ることを防止する。

以上のように、本実施形態の光電変換装置は、第１輝度の光の入射による黒沈みを抑制する第１制限回路１７０と、第１輝度よりも大きい第２輝度の光の入射による黒沈みを抑制する第２制限回路１８０とを備える。第１制限回路１７０を増幅回路１２０の後に配置し、第２制限回路１８０を増幅回路１２０の前に配置される。これにより、黒沈みを抑制しつつ制限回路の特性ばらつきによる画質の低下を抑えることができる。

［第６実施形態］
図１０は、本発明の第６実施形態の光電変換装置の概略構成を示す図である。図１０に示す光電変換装置２６０は、簡略化して示されているが、その基本構成は、図１１に示す光電変換装置１００と同様である。第１クリップトランジスタ１９は、第１制限回路１７０の構成例である。第２クリップトランジスタ６は、第２制限回路１８０の構成例である。画素１０１のリセットトランジスタ３’は、第５実施形態で説明したように機能し、第３制限回路１９０として機能する。

「応用例」
図１３は、本発明の好適な実施形態の撮像装置の概略構成を示す図である。撮像装置４００は、上記の第１〜第６実施形態の光電変換装置に代表される固体撮像装置１００４を備える。

被写体の光学像は、レンズ１００２によって固体撮像装置１００４の撮像面に結像する。レンズ１００２の外側には、レンズ００２のプロテクト機能とメインスイッチを兼ねるバリア１００１が設けられうる。レンズ１００２には、それから出射される光の光量を調節するための絞り１００３が設けられうる。固体撮像素子１００４から複数チャンネルで出力される撮像信号は、撮像信号処理回路１００５によって各種の補正、クランプ等の処理が施される。撮像信号処理回路１００５から複数チャンネルで出力される撮像信号は、Ａ／Ｄ変換器６でアナログ−ディジタル変換される。Ａ／Ｄ変換器１００６から出力される画像データは、信号処理部１００７によって各種の補正、データ圧縮などがなされる。固体撮像素子１００４、撮像信号処理回路１００５、Ａ／Ｄ変換器１００６及び信号処理部１００７は、タイミング発生部１００８が発生するタイミング信号にしたがって動作する。

ブロック１００５〜１００８は、固体撮像素子１００４と同一チップ上に形成されてもよい。撮像装置４００の各ブロックは、全体制御・演算部１００９によって制御される。撮像装置４００は、その他、画像データを一時的に記憶するためのメモリ部１０１０、記録媒体への画像の記録又は読み出しのための記録媒体制御インターフェース部１０１１を備える。記録媒体１０１２は、半導体メモリ等を含んで構成され、着脱が可能である。撮像装置４００は、外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース（Ｉ／Ｆ）部１０１３を備えてもよい。

次に、図１３に示す撮像装置４００の動作について説明する。バリア１００１のオープンに応じて、メイン電源、コントロール系の電源、Ａ／Ｄ変換器１００６等の撮像系回路の電源が順にオンする。その後、露光量を制御するために、全体制御・演算部１００９が絞り１００３を開放にする。固体撮像装置１００４から出力された信号は、撮像信号処理回路１００５をスルーしてＡ／Ｄ変換器１００６へ提供される。Ａ／Ｄ変換器１００６は、その信号をＡ／Ｄ変換して信号処理部１００７に出力する。信号処理部１００７は、そのデータを処理して全体制御・演算部１００９に提供し、全体制御・演算部１００９において露出量を決定する演算を行う。全体制御・演算部１００９は、決定した露出量に基づいて絞りを制御する。

次に、全体制御・演算部１００９は、固体撮像装置１００４から出力され信号処理部１００７で処理された信号にから高周波成分を取り出して、高周波成分に基づいて被写体までの距離を演算する。その後、レンズ１００２を駆動して、合焦か否かを判断する。合焦していないと判断したときは、再びレンズ１００２を駆動し測距を行う。

そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像装置１００４から出力された撮像信号は、撮像信号処理回路１００５において補正等がされ、Ａ／Ｄ変換器１００６でＡ／Ｄ変換され、信号処理部１００７で処理される。信号処理部１００７で処理された画像データは、全体制御・演算１００９によりメモリ部１０１０に蓄積される。

その後、メモリ部１０１０に蓄積された画像データは、全体制御・演算部９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部を介して記録媒体１０１２に記録される。また、画像データは、外部Ｉ／Ｆ部１０１３を通してコンピュータ等に提供されて処理されうる。

本発明に係る光電変換装置の動作原理を例示的に説明する図である。 黒沈みを抑制する機能を有する画素の構成を示す図である。 本発明の第１実施形態の光電変換装置の概略構成を示す図である。 第１輝度（中輝度）の光が画素に入射した場合における画素出力線の電位変化の一例を示す図である。 第２輝度（高輝度）の光が画素に入射した場合における画素出力線の電位変化の一例を示す図である。 本発明の第２実施形態の光電変換装置の概略構成を示す図である。 本発明の第３実施形態の光電変換装置の概略構成を示す図である。 本発明の第４実施形態の光電変換装置の概略構成を示す図である。 本発明の第５実施形態の光電変換装置の概略構成を示す図である。 本発明の第６実施形態の光電変換装置の概略構成を示す図である。 本発明が適用されうる光電変換装置（固体撮像装置）の基本構成を例示的に示す図である。 図１１に示す光電変換装置の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の好適な実施形態の撮像装置の概略構成を示す図である。

Claims (8)

1. 光電変換部を含む画素部と、
   前記画素部の後段に配置された増幅部と、
   前記増幅部の後段に配置された出力部と、
   前記画素部からのノイズレベルの読み出し時に前記画素部から前記増幅部を経て読み出されるノイズレベルを前記増幅部と前記出力部との間において制限する第１制限回路と、
   前記画素部からのノイズレベルの読み出し時に前記増幅部に提供されるべきノイズレベルを前記光電変換部と前記増幅部との間において制限する第２制限回路とを備え、
   前記第１制限回路は、ノイズレベルの読み出し時に前記画素部における電位のリセットレベルからの変動幅が第１幅であるときに動作し、前記第２制限回路は、ノイズレベルの読み出し時に前記画素部における電位のリセットレベルからの変動幅が前記第１幅より大きい前記第２幅であるときに動作する、
   ことを特徴とする光電変換装置。
2. 前記出力部は、差動アンプを含み、前記第１制限回路は、前記増幅部から出力されるノイズレベル、データレベルをそれぞれ差動アンプに伝送するノイズ伝送経路、データ伝送経路のうち前記ノイズ伝送経路に配置されたトランジスタを含み、前記トランジスタによって前記画素部から前記増幅部を経て前記差動アンプに提供されるノイズレベルを制限することを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記トランジスタは、前記ノイズ伝送経路に接続された容量に蓄積されるべきノイズレベルを制限することを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
4. 前記トランジスタは、前記ノイズ伝送経路に接続された容量に蓄積されたノイズレベルが前記差動アンプに提供されるときに該ノイズレベルを制限することを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
5. 前記第１制限回路は、前記画素部から出力される電位を検知する電位検知回路を含み、前記電位検知回路の出力に基づいて前記トランジスタが制御されることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
6. 前記第２制限回路は、前記画素部と前記増幅部との間において前記増幅部に提供されるべきノイズレベルを制限することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
7. 前記画素部は、電荷電位変換部と、前記光電変換部から前記電荷電位変換部に電荷を転送する転送ゲートと、前記電荷電位変換部の電位を増幅する増幅トランジスタとを更に含み、前記第２制限回路は、電荷電位変換部の電位を制限することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
   前記光電変換装置から提供される信号を処理する処理回路と、
   を備えることを特徴とする撮像装置。

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