JP4371797B2

JP4371797B2 - 固体撮像装置

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Publication number: JP4371797B2
Application number: JP2003415225A
Authority: JP
Inventors: 兼一角本; クライソン・トロンナムチャイ
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd; Konica Minolta Inc
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd; Konica Minolta Inc
Priority date: 2003-12-12
Filing date: 2003-12-12
Publication date: 2009-11-25
Anticipated expiration: 2023-12-12
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Description

本発明は、複数の画素を備える固体撮像装置に関するもので、特に、被写体及び撮像動作に応じて感度や解像度を変化させることのできる固体撮像装置に関する。

従来、入射光量に対して線形変換する線形変換動作を行う固体撮像素子においては、そのダイナミックレンジが２桁と狭いため、広い輝度範囲の輝度分布を構成する被写体を撮像したときは、ダイナミックレンジ以外の範囲の輝度情報は出力されない。又、従来の固体撮像素子として、入射光量に対して対数変換する対数変換動作を行うものがある（特許文献１参照）。この固体撮像素子においては、そのダイナミックレンジが５〜６桁と広いため、少々広い輝度範囲の輝度分布を構成する被写体を撮像しても、輝度分布内の全輝度情報を電気信号に変換して出力することができる。しかしながら、被写体の輝度分布に対してその撮像可能領域が広くなるので、撮像可能領域内の低輝度領域又は高輝度領域において、輝度データの無い領域ができてしまう。これらに対して、本出願人は、上述の線形変換動作と対数変換動作とを切り換えることが可能なものを提案している（特許文献２参照）。

これらの固体撮像素子を備えた固体撮像装置において高いフレームレートを実現する場合、固体撮像素子の備える画素数が多いと、この固体撮像素子を動作させるためのパルス信号の周波数を高くする必要がある。このように高周波数のパルス信号によって駆動させた場合、その消費電力が高くなる。又、１周期の動作時間が短くなることから露光時間も短くなり、各画素において十分な露光量が得られず、固体撮像素子より得られる信号レベルが低くなる。そのため、このような固体撮像装置によって撮像された画像がコントラストの低い画像となってしまう。よって、従来は、動作させる画素と動作させない画素とをライン毎に設定し、間引き走査を行うことにより、駆動用のパルス信号の周波数を低くしている。

又、従来技術として、垂直方向に隣接した画素毎に、その内部に構成されるフォトダイオード及びキャパシタより成る光電変換部分を結合することによって、高感度撮像を行うことができる固体撮像装置が提案されている（特許文献３参照）。この固体撮像装置は、２行毎に１つの出力段となるＭＯＳトランジスタを設けて、当該出力段となるＭＯＳトランジスタとフォトダイオード及びキャパシタの接続ノードとの電気的な接離を行うスイッチが、各画素毎に設けられる。
特開平１１−３１３２５７号公報特開２００２−７７７３３号公報特開平９−４６５９６号公報

しかしながら、このような間引き走査によると、動作させない画素が存在するため、使用する光電変換素子が少なくなることから、この固体撮像装置に使用される固体撮像素子が開口率の低い固体撮像素子と同等となり、その感度が低くなってしまう。又、特許文献３における固体撮像装置によると、画素結合が垂直方向に対してのみ行われるものであるため、垂直方向及び水平方向の解像度に対して柔軟な感度切換を行うことができない。又、出力段となるＭＯＳトランジスタが２行ごとに１つとされるため、全画素より電気信号を読み出す場合においては、この出力段が垂直に隣接する２画素によって共通のものとなるため、制御動作が煩雑なものとなる。

このような問題を鑑みて、本発明は、被写体の輝度及びフレームレートに応じて、垂直方向及び水平方向の解像度及び画素の感度を切り換えることができる固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の固体撮像装置は、入射光に対して電気信号を出力する光電変換部と該光電変換部に電流供給するとともに該光電変換部からの電気信号を出力する信号出力部とより構成される複数の画素を備える固体撮像装置において、垂直方向に隣接した前記画素同士の前記光電変換部の電気的な接離を行う第１スイッチと、水平方向に隣接した前記画素同士の前記光電変換部の電気的な接離を行う第２スイッチと、を備え、前記複数の画素毎に前記光電変換部と前記信号出力部とを有するとともに、前記各画素が、前記光電変換部と前記信号出力部との間における電気的な接離を行う第３スイッチを備え、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチによる接続の組合せによって、前記光電変換部を結合する画素を特定するとともに、前記光電変換部が結合された画素のうちの１画素の前記第３スイッチをＯＮとすることで、当該画素の信号出力部より前記電気信号を出力することを特徴とする。

このように構成することによって、前記光電変換部を結合する画素数を切り換えることができるため、結合された前記光電変換部による感度及び読み出す画素数を変化させることができる。よって、被写体の輝度分布や輝度、撮像時のフレームレートに応じて、最適な解像度及び画素の感度に切り換えることができる。

このような固体撮像装置において、垂直方向にｘ（ｘ≧１）個の隣接した画素と水平方向にｙ（ｙ≧１）個の隣接した画素とを１つの群単位とし、該群単位毎に前記第１スイッチ及び前記第２スイッチの接離を制御する結合制御部を備えるものとしても構わない。

そして、前記群単位毎に前記第１スイッチ及び前記第２スイッチが設けられるとともに、前記結合制御部から、前記第１スイッチの接離を制御する第１スイッチ制御信号と、前記第２スイッチの接離を制御する第２スイッチ制御信号とが、前記群単位毎に与えられるものとしても構わない。

更に、前記結合制御部から与えられる前記第１スイッチ制御信号と前記第２スイッチ制御信号の２信号による組合せにより、前記群単位毎に結合する前記光電変換部の画素数が設定されることで、前記第１スイッチのみが接続された状態と、前記第２スイッチのみが接続された状態と、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチが切断された状態と、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチが接続された状態との、４つの状態に切り換えることができる。

又、前記第３スイッチが、前記各画素の感度バラツキを示すノイズ信号出力時において前記光電変換部と前記信号出力部との接続を切断するためのスイッチとしても動作するものとしても構わない。

上述の各固体撮像装置において、前記各画素が入射光量に対して自然対数的に変化する電気信号を出力する対数変換特性動作を行うものとしても構わないし、前記各画素が入射光量に対して線形的に変化する電気信号を出力する線形変換特性動作を行うものとしても構わない。

また、上述の各固体撮像装置において、垂直方向にｘ（ｘ≧２）個の隣接した画素と水平方向にｙ（ｙ≧３）個の隣接した画素とを１つの群単位とし、前記群単位毎に、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチが設けられるものとしても構わない。

前記光電変換部がフォトダイオードであるとともに、前記信号出力部が、前記フォトダイオードの一端と第１電極が接続されるとともにサブスレッショルド領域で動作して制御電極より入射光量に応じて電気信号を出力するトランジスタと、該トランジスタの制御電極が入力側に接続された増幅回路と、を備えるものとしても構わない。

本発明によると、間引き走査によりフレームレートを高くした場合でも感度の低下を防ぐ事ができる。又、光電変換部を結合する画素を垂直方向にするか、水平方向にするか選択することができるので、感度低下を抑制しつつ水平方向又は垂直方向の解像度低下を防ぐことも可能となる。又、出力する画素数を変化させるとともに、出力する画素数に応じて光電変換部を結合する画素数を切り換えることができる。よって、被写体の輝度に応じて、結合する画素数を切り換えて、画素の感度を最適なものとすることができる。又、撮像する解像度及びフレームレートの速度に応じて、出力する画素数を変化させることができる。更に、出力画素数に応じて結合する画素数が切り替わるため、複数の画素より構成される固体撮像素子の開口率を低くすることなく、出力画素数の切換を行うことができる。

本発明の実施形態について、図面を参照して以下に説明する。図１は、本実施形態の固体撮像装置の構成を示すブロック図である。

図１の固体撮像装置は、複数の画素がマトリクス状に配置された固体撮像素子１と、固体撮像素子１を垂直方向に走査するための信号を出力する垂直走査回路２と、固体撮像素子１を水平方向に走査するための信号を出力する水平走査回路３と、固体撮像素子部１における各画素内の光電変換部の結合制御を行う結合制御回路４と、各画素の光電変換部と信号出力部との接続を制御する画素出力制御回路５と、垂直走査回路２及び水平走査回路３及び結合制御回路４及び画素出力制御回路５それぞれの動作タイミングを設定するためのタイミング信号を与えるタイミングジェネレータ６と、固体撮像素子１からの電気信号を増幅して装置外部に出力する出力アンプ７と、を備える。

このような構成の固体撮像装置によると、固体撮像素子１に対して垂直走査回路２及び水平走査回路３からタイミングジェネレータ６からのタイミング信号に同期した信号を与えることで、固体撮像素子１の各画素の光電変換部への入射光量に応じた電気信号が順に出力アンプ７に出力される。そして、出力アンプ７において、各画素の出力となる電気信号が増幅されて画像信号として装置外部に出力される。

又、結合制御回路４から固体撮像素子１に対して、水平方向に隣接したａ個（ａは２以上の整数）の画素の光電変換部の結合を制御する信号φＳｈを与えるとともに、垂直方向に隣接したｂ個（ｂは２以上の整数）の画素の光電変換部の結合を制御する信号φＳｖを与える。この信号φＳｈ，φＳｖの組合せによって、結合される画素が特定され、これにより結合される画素数も決定される。又、結合制御回路４からは結合される画素を示す信号が画素出力制御回路５に与えられる。この結合制御回路４からの信号が与えられる画素出力制御回路５は、信号φＳｈ，φＳｖの組合せによって結合されるａ×ｂ個の画素群を１つの群単位とし、各群単位毎に同一位置に配置される各画素の光電変換部と信号出力部との電気的な接続を接離するａ×ｂ個の信号φＳ１１〜Ｓａｂを固体撮像素子１に出力する。

このとき、ハイとなる信号φＳｈが結合制御回路４から固体撮像素子１に与えられると、固体撮像素子１における水平方向に隣接したａ個の画素の光電変換部が結合され、又、ハイとなる信号φＳｖが結合制御回路４から固体撮像素子１に与えられるとき、固体撮像素子１における垂直方向に隣接したｂ個の画素の光電変換部が結合される。又、ハイとなる信号φＳｘｙ（１≦ｘ≦ａ、１≦ｙ≦ｂ）が画素出力制御回路５から固体撮像素子１に与えられるとき、各群単位毎にｘ行ｙ列の位置に配置される画素の光電変換部と信号出力部とが電気的に接続され、光電変換部で生成された電気信号が信号出力部より出力可能な状態とされる。

このように構成される固体撮像装置における固体撮像素子１の構成とその動作について、２行２列の画素群を１つの群単位とする第１例と、３行２列の画素群を１つの群単位とする第２例とを、例に挙げて説明する。

＜固体撮像素子の第１例＞
本例の固体撮像素子１は、図２のように、光電変換部となるフォトダイオードＰＤと信号出力部となるＭＯＳトランジスタＴ及び増幅回路Ａとで構成される２行２列に配置された画素Ｇ１１〜Ｇ２２の４画素で１つの群単位Ｕａｋｌ（１≦ｋ≦ｍ、１≦ｌ≦ｎ）が形成されるとともに、図３のように、この画素Ｇ１１〜Ｇ２２によって構成される群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎがｍ行ｎ列のマトリクス状に配置される。尚、ｋ、ｌ、ｍ、ｎはいずれも、自然数である。

このとき、群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎそれぞれを構成する画素Ｇ１１〜Ｇ２２それぞれは、図２に示すように、直流電圧ＶPDがカソードに印加されたフォトダイオードＰＤと、直流電圧ＶPSがソースに印加されたＭＯＳトランジスタＴと、ＭＯＳトランジスタＴのドレイン及びゲートが入力側に接続された増幅回路Ａと、を備える。又、画素Ｇ１１〜Ｇ２２はそれぞれ、ＭＯＳトランジスタＴのドレイン及びゲートの接続ノードとフォトダイオードＰＤのアノードとの間に、信号φＳ１１〜φＳ２２それぞれが与えられるスイッチＳａ１１〜Ｓａ２２を備える。尚、図２及び図３においては、信号φＳｖ，φＳｈ及び信号φＳ１１〜φＳ２２を供給するための信号線のみを図示し、出力信号線などの他の信号線については省略する。

そして、群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎそれぞれに、水平方向に隣接した画素Ｇ１１，Ｇ２１のフォトダイオードＰＤのアノードの間に接続されるとともに信号φＳｈが与えられるスイッチＳｈ１と、水平方向に隣接した画素Ｇ１２，Ｇ２２のフォトダイオードＰＤのアノードの間に接続されるとともに信号φＳｈが与えられるスイッチＳｈ２と、垂直方向に隣接した画素Ｇ１１，Ｇ１２のフォトダイオードＰＤのアノードの間に接続されるとともに信号φＳｖが与えられるスイッチＳｖ１と、垂直方向に隣接した画素Ｇ２１，Ｇ２２のフォトダイオードＰＤのアノードの間に接続されるとともに信号φＳｖが与えられるスイッチＳｖ２と、が設けられる。

このように固体撮像素子１が構成されるとき、群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎそれぞれを構成する画素Ｇ１１〜Ｇ２２のスイッチＳａ１１〜Ｓａ２２それぞれに与える信号φＳ１１〜φＳ２２の値が画素出力制御回路５によって切り換えられるとともに、群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎそれぞれに設けられるスイッチＳｈ１，Ｓｈ２に与える信号φＳｈの値と、群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎそれぞれに設けられるスイッチＳｖ１，Ｓｖ２に与える信号φＳｖの値とが、それぞれ結合制御回路４によって切り換えられることによって、読み出される垂直方向及び水平方向の画素数が切り換えられる。即ち、信号φＳ１１〜φＳ２２，φＳｈ，φＳｖそれぞれの値を切り換えることで、垂直方向及び水平方向それぞれの解像度が設定される。以下に、このような固体撮像素子１を備える固体撮像装置の動作について以下に説明する。

１．全画素読み出し
このとき、結合制御回路４によって、ローとなる信号φＳｈが、固体撮像素子１の群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎそれぞれに設けられるスイッチＳｈ１，Ｓｈ２に与えられるとともに、ローとなる信号φＳｖが、固体撮像素子１の群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎそれぞれに設けられるスイッチＳｖ１，Ｓｖ２に与えられる。又、画素出力制御回路５によって、ハイとなる信号φＳ１１〜φＳ２２それぞれが、固体撮像素子１の群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎそれぞれを構成する画素Ｇ１１〜Ｇ２２のスイッチＳａ１１〜Ｓａ２２それぞれに与えられる。

このように結合制御回路４及び画素出力制御回路５それぞれから固体撮像素子１に信号が与えられることで、スイッチＳａ１１〜Ｓａ２２がＯＮとなるとともにスイッチＳｈ１，Ｓｈ２，Ｓｖ１，Ｓｖ２がＯＦＦとなる。そのため、画素Ｇ１１〜Ｇ２２それぞれのフォトダイオードＰＤのアノードとＭＯＳトランジスタＴのドレインとが接続されるとともに、画素Ｇ１１〜Ｇ２２それぞれのフォトダイオードＰＤ間の接続が切断された状態となる。よって、図４（ａ）のように、群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎそれぞれの４つの画素Ｇ１１〜Ｇ２２それぞれが１つの画素として作動する。即ち、固体撮像素子１が、水平方向に２×ｍ画素となるとともに垂直方向に２×ｎ画素となる４×ｍ×ｎ画素の固体撮像素子として作動する。尚、図４において、斜線をつけた画素が読み出し対象となる画素を示している（後述する図７も同様）。

そして、群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎそれぞれの４つの画素Ｇ１１〜Ｇ２２それぞれにおいて、フォトダイオードＰＤに光が入射されると、ＭＯＳトランジスタＴから光電流が供給される。このとき、ＭＯＳトランジスタＴがサブスレッショルド領域で動作するため、ＭＯＳトランジスタのサブスレッショルド特性により、ＭＯＳトランジスタＴのゲートに光電流を自然対数的に変換した値の電圧が発生する。このＭＯＳトランジスタＴのゲート電圧が増幅回路Ａに入力されるため、図４（ａ）のように、入射光量に対して自然対数的に比例した電気信号が、群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎそれぞれの４つの画素Ｇ１１〜Ｇ２２それぞれから出力される。これら各画素の出力を垂直走査回路２及び水平走査回路３により順に読み出し、出力アンプ７により増幅して画像信号とする。

２．垂直方向２画素結合読み出し
このとき、結合制御回路４によって、ローとなる信号φＳｈが、固体撮像素子１の群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎそれぞれに設けられるスイッチＳｈ１，Ｓｈ２に与えられるとともに、ハイとなる信号φＳｖが、固体撮像素子１の群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎそれぞれに設けられるスイッチＳｖ１，Ｓｖ２に与えられる。又、画素出力制御回路５によって、ローとなる信号φＳ１１，φＳ２１が、固体撮像素子１の群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎそれぞれを構成する画素Ｇ１１，Ｇ２１のスイッチＳａ１１，Ｓａ２１それぞれに与えられるとともに、ハイとなる信号φＳ１２，φＳ２２が、固体撮像素子１の群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎそれぞれを構成する画素Ｇ１２，Ｇ２２のスイッチＳａ１２，Ｓａ２２それぞれに与えられる。

このように結合制御回路４及び画素出力制御回路５それぞれから固体撮像素子１に信号が与えられることで、スイッチＳａ１１，Ｓａ２１がＯＦＦとなるとともにスイッチＳａ１２，Ｓａ２２がＯＮとなり、又、スイッチＳｈ１，Ｓｈ２がＯＦＦとなるとともにスイッチＳｖ１，Ｓｖ２がＯＮとなる。そのため、画素Ｇ１２，Ｇ２２それぞれのフォトダイオードＰＤのアノードとＭＯＳトランジスタＴのドレインとが接続されるとともに、画素Ｇ１１，Ｇ１２それぞれのフォトダイオードＰＤが接続され、フォトダイオードＧ２１，Ｇ２２それぞれのフォトダイオードＰＤが接続される。

よって、図４（ｂ）のように、群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎそれぞれにおいて、垂直方向に隣接する２つの画素Ｇ１１，Ｇ１２が結合されて１つの画素とされるとともに、垂直方向に隣接する２つの画素Ｇ２１，Ｇ２２が結合されて１つの画素とされる。即ち、固体撮像素子１が、水平方向に２×ｍ画素となるとともに垂直方向にｎ画素となる２×ｍ×ｎ画素の固体撮像素子として作動する。

そして、群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎそれぞれの４つの画素Ｇ１１〜Ｇ２２それぞれのフォトダイオードＰＤに光が入射されると、画素Ｇ１２，Ｇ２２のＭＯＳトランジスタＴから光電流が供給される。このとき、画素Ｇ１２のＭＯＳトランジスタＴから画素Ｇ１１，１２のフォトダイオードＰＤに光電流が供給されるとともに、画素Ｇ２２のＭＯＳトランジスタＴから画素Ｇ２１，２２のフォトダイオードＰＤに光電流が供給される。そして、画素Ｇ１２，Ｇ２２において、ＭＯＳトランジスタＴのゲートに光電流を自然対数的に変換した値の電圧が発生して、増幅回路Ａで増幅される。よって、図４（ｂ）のように、入射光量に対して自然対数的に比例した電気信号が、群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎそれぞれの２つの画素Ｇ１２，Ｇ２２それぞれから出力される。そして、垂直方向に加算された２つの画素Ｇ１２，Ｇ２２の出力を垂直走査回路２及び水平走査回路３により順に読み出し、出力アンプ７により増幅して画像信号とする。

３．水平方向２画素結合読み出し
このとき、結合制御回路４によって、ハイとなる信号φＳｈが、固体撮像素子１の群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎそれぞれに設けられるスイッチＳｈ１，Ｓｈ２に与えられるとともに、ローとなる信号φＳｖが、固体撮像素子１の群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎそれぞれに設けられるスイッチＳｖ１，Ｓｖ２に与えられる。又、画素出力制御回路５によって、ハイとなる信号φＳ１１，φＳ１２が、固体撮像素子１の群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎそれぞれを構成する画素Ｇ１１，Ｇ１２のスイッチＳａ１１，Ｓａ１２それぞれに与えられるとともに、ローとなる信号φＳ２１，φＳ２２が、固体撮像素子１の群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎそれぞれを構成する画素Ｇ２１，Ｇ２２のスイッチＳａ２１，Ｓａ２２それぞれに与えられる。

このように結合制御回路４及び画素出力制御回路５それぞれから固体撮像素子１に信号が与えられることで、スイッチＳａ１１，Ｓａ１２がＯＮとなるとともにスイッチＳａ２１，Ｓａ２２がＯＦＦとなり、又、スイッチＳｈ１，Ｓｈ２がＯＮとなるとともにスイッチＳｖ１，Ｓｖ２がＯＦＦとなる。そのため、画素Ｇ１１，Ｇ１２それぞれのフォトダイオードＰＤのアノードとＭＯＳトランジスタＴのドレインとが接続されるとともに、画素Ｇ１１，Ｇ２１それぞれのフォトダイオードＰＤが接続され、フォトダイオードＧ１２，Ｇ２２それぞれのフォトダイオードＰＤが接続される。

よって、図４（ｃ）のように、群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎそれぞれにおいて、水平方向に隣接する２つの画素Ｇ１１，Ｇ２１が結合されて１つの画素とされるとともに、水平方向に隣接する２つの画素Ｇ１２，Ｇ２２が結合されて１つの画素とされる。即ち、固体撮像素子１が、水平方向にｍ画素となるとともに垂直方向に２×ｎ画素となる２×ｍ×ｎ画素の固体撮像素子として作動する。

そして、群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎそれぞれの４つの画素Ｇ１１〜Ｇ２２それぞれのフォトダイオードＰＤに光が入射されると、画素Ｇ１１，Ｇ１２のＭＯＳトランジスタＴから光電流が供給される。このとき、画素Ｇ１１のＭＯＳトランジスタＴから画素Ｇ１１，Ｇ２１のフォトダイオードＰＤに光電流が供給されるとともに、画素Ｇ１２のＭＯＳトランジスタＴから画素Ｇ１２，Ｇ２２のフォトダイオードＰＤに光電流が供給される。そして、画素Ｇ１１，Ｇ１２において、ＭＯＳトランジスタＴのゲートに光電流を自然対数的に変換した値の電圧が発生して、増幅回路Ａで増幅される。よって、図４（ｃ）のように、入射光量に対して自然対数的に比例した電気信号が、群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎそれぞれの２つの画素Ｇ１１，Ｇ１２それぞれから出力される。そして、水平方向に加算された２つの画素Ｇ１１，Ｇ１２の出力を垂直走査回路２及び水平走査回路３により順に読み出し、出力アンプ７により増幅して画像信号とする。

４．４画素結合読み出し
このとき、結合制御回路４によって、ハイとなる信号φＳｈが、固体撮像素子１の群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎそれぞれに設けられるスイッチＳｈ１，Ｓｈ２に与えられるとともに、ハイとなる信号φＳｖが、固体撮像素子１の群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎそれぞれに設けられるスイッチＳｖ１，Ｓｖ２に与えられる。又、画素出力制御回路５によって、ハイとなる信号φＳ１２が、固体撮像素子１の群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎそれぞれを構成する画素Ｇ１２のスイッチＳａ１２それぞれに与えられるとともに、ローとなる信号φＳ１１，φＳ２１，φＳ２２が、固体撮像素子１の群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎそれぞれを構成する画素Ｇ１１，Ｇ２１，Ｇ２２のスイッチＳａ１１，Ｓａ２１，Ｓａ２２それぞれに与えられる。

このように結合制御回路４及び画素出力制御回路５それぞれから固体撮像素子１に信号が与えられることで、スイッチＳａ１２がＯＮとなるとともにスイッチＳａ１１，Ｓａ２１，Ｓａ２２がＯＦＦとなり、又、スイッチＳｈ１，Ｓｈ２，Ｓｖ１，Ｓｖ２がＯＮとなる。そのため、画素Ｇ１２のフォトダイオードＰＤのアノードとＭＯＳトランジスタＴのドレインとが接続されるとともに、画素Ｇ１１〜Ｇ２２それぞれのフォトダイオードＰＤが接続される。よって、図４（ｄ）のように、群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎそれぞれにおいて、水平方向及び垂直方向それぞれに隣接する４つの画素Ｇ１１〜Ｇ２２が結合されて１つの画素とされる。即ち、固体撮像素子１が、水平方向にｍ画素となるとともに垂直方向にｎ画素となるｍ×ｎ画素の固体撮像素子として作動する。

そして、群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎそれぞれの４つの画素Ｇ１１〜Ｇ２２それぞれのフォトダイオードＰＤに光が入射されると、画素Ｇ１２のＭＯＳトランジスタＴから光電流が供給される。このとき、画素Ｇ１２のＭＯＳトランジスタＴから画素Ｇ１１〜Ｇ２２のフォトダイオードＰＤに光電流が供給される。そして、画素Ｇ１２において、ＭＯＳトランジスタＴのゲートに光電流を自然対数的に変換した値の電圧が発生して、増幅回路Ａで増幅される。よって、図４（ｄ）のように、入射光量に対して自然対数的に比例した電気信号が、群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎそれぞれの２つの画素Ｇ１２それぞれから出力される。そして、垂直方向及び水平方向に加算された画素Ｇ１２の出力を垂直走査回路２及び水平走査回路３により全ての群単位について順に読み出し、出力アンプ７により増幅して画像信号とする。

＜固体撮像素子の第２例＞
本例の固体撮像素子１は、図５のように、３行２列に配置された第１例の画素（図２）と同様の構成の画素Ｇ１１〜Ｇ３２の６画素で１つの群単位Ｕｂｋｌ（１≦ｋ≦ｍ、１≦ｌ≦ｎ）が形成されるとともに、図６のように、この画素Ｇ１１〜Ｇ３２によって構成される群単位Ｕｂ１１〜Ｕｂｍｎがｍ行ｎ列のマトリクス状に配置される。

このとき、群単位Ｕｂ１１〜Ｕｂｍｎそれぞれを構成する画素Ｇ１１〜Ｇ３２それぞれは、図５に示すように、第１例と同様、フォトダイオードＰＤと、ＭＯＳトランジスタＴと、増幅回路Ａとによって構成される。又、画素Ｇ１１〜Ｇ３２はそれぞれ、ＭＯＳトランジスタＴのドレイン及びゲートの接続ノードとフォトダイオードＰＤのアノードとの間に、信号φＳ１１〜φＳ３２それぞれが与えられるスイッチＳａ１１〜Ｓａ３２を備える。そして、群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎそれぞれに、第１例と同様の信号φＳｖが与えられるスイッチＳｖ１，Ｓｖ２及び信号φＳｈが与えられるスイッチＳｈ１，Ｓｈ２と、画素Ｇ３１，Ｇ３２のフォトダイオードＰＤのアノードの間に接続されるとともに信号φＳｖが与えられるスイッチＳｖ３と、画素Ｇ２１，Ｇ３１のフォトダイオードＰＤのアノードの間に接続されるとともに信号φＳｈが与えられるスイッチＳｈ３と、画素Ｇ２２，Ｇ３２のフォトダイオードＰＤのアノードの間に接続されるとともに信号φＳｈが与えられるスイッチＳｈ４と、が設けられる。尚、図５及び図６においては、信号φＳｖ，φＳｈ及び信号φＳ１１〜φＳ３２を供給するための信号線のみを図示し、出力信号線などの他の信号線については省略する。

このように固体撮像素子１が構成されるとき、第１例と同様、信号φＳ１１〜φＳ３２，φＳｈ，φＳｖそれぞれの値を切り換えることで、垂直方向及び水平方向それぞれの解像度が設定される。以下に、このような固体撮像素子１を備える固体撮像装置の動作について以下に説明する。

１．全画素読み出し
このとき、結合制御回路４によって、ローとなる信号φＳｈが、固体撮像素子１の群単位Ｕｂ１１〜Ｕｂｍｎそれぞれに設けられるスイッチＳｈ１〜Ｓｈ４に与えられるとともに、ローとなる信号φＳｖが、固体撮像素子１の群単位Ｕｂ１１〜Ｕｂｍｎそれぞれに設けられるスイッチＳｖ１〜Ｓｖ３に与えられる。又、画素出力制御回路５によって、ハイとなる信号φＳ１１〜φＳ３２それぞれが、固体撮像素子１の群単位Ｕｂ１１〜Ｕｂｍｎそれぞれを構成する画素Ｇ１１〜Ｇ３２のスイッチＳａ１１〜Ｓａ３２それぞれに与えられる。よって、図７（ａ）のように、群単位Ｕｂ１１〜Ｕｂｍｎそれぞれの６つの画素Ｇ１１〜Ｇ３２それぞれにおいて、ＭＯＳトランジスタＴからの光電流がフォトダイオードＰＤに供給され、画素Ｇ１１〜Ｇ３２それぞれが１つの画素として作動する。即ち、固体撮像素子１が、水平方向に３×ｍ画素となるとともに垂直方向に２×ｎ画素となる６×ｍ×ｎ画素の固体撮像素子として作動する。

２．垂直方向２画素結合読み出し
このとき、結合制御回路４によって、ローとなる信号φＳｈが、固体撮像素子１の群単位Ｕｂ１１〜Ｕｂｍｎそれぞれに設けられるスイッチＳｈ１〜Ｓｈ４に与えられるとともに、ハイとなる信号φＳｖが、固体撮像素子１の群単位Ｕｂ１１〜Ｕｂｍｎそれぞれに設けられるスイッチＳｖ１〜Ｓｖ３に与えられる。又、画素出力制御回路５によって、ローとなる信号φＳ１１，φＳ２１，φＳ３１が、固体撮像素子１の群単位Ｕｂ１１〜Ｕｂｍｎそれぞれを構成する画素Ｇ１１，Ｇ２１，Ｇ３１のスイッチＳａ１１，Ｓａ２１，Ｓａ３１それぞれに与えられるとともに、ハイとなる信号φＳ１２，φＳ２２，φＳ３２が、固体撮像素子１の群単位Ｕｂ１１〜Ｕｂｍｎそれぞれを構成する画素Ｇ１２，Ｇ２２，Ｇ３２のスイッチＳａ１２，Ｓａ２２，Ｓａ３２それぞれに与えられる。

よって、図７（ｂ）のように、群単位Ｕｂ１１〜Ｕｂｍｎそれぞれにおいて、垂直方向に隣接する２つの画素Ｇ１１，Ｇ１２が結合されて１つの画素とされ、垂直方向に隣接する２つの画素Ｇ２１，Ｇ２２が結合されて１つの画素とされ、垂直方向に隣接する２つの画素Ｇ３１，Ｇ３２が結合されて１つの画素とされる。このとき、画素Ｇ１２のＭＯＳトランジスタＴから画素Ｇ１１，１２のフォトダイオードＰＤに光電流が供給され、画素Ｇ２２のＭＯＳトランジスタＴから画素Ｇ２１，２２のフォトダイオードＰＤに光電流が供給され、画素Ｇ３２のＭＯＳトランジスタＴから画素Ｇ３１，Ｇ３２のフォトダイオードＰＤに光電流が供給される。又、画素Ｇ１２，Ｇ２２，Ｇ３２から電気信号が出力される。そのため、固体撮像素子１が、水平方向に３×ｍ画素となるとともに垂直方向にｎ画素となる３×ｍ×ｎ画素の固体撮像素子として作動する。

３．水平方向３画素結合読み出し
このとき、結合制御回路４によって、ハイとなる信号φＳｈが、固体撮像素子１の群単位Ｕｂ１１〜Ｕｂｍｎそれぞれに設けられるスイッチＳｈ１〜Ｓｈ４に与えられるとともに、ローとなる信号φＳｖが、固体撮像素子１の群単位Ｕｂ１１〜Ｕｂｍｎそれぞれに設けられるスイッチＳｖ１〜Ｓｖ３に与えられる。又、画素出力制御回路５によって、ハイとなる信号φＳ１１，φＳ１２が、固体撮像素子１の群単位Ｕｂ１１〜Ｕｂｍｎそれぞれを構成する画素Ｇ１１，Ｇ１２のスイッチＳａ１１，Ｓａ１２それぞれに与えられるとともに、ローとなる信号φＳ２１，φＳ２２，φＳ３１，φＳ３２が、固体撮像素子１の群単位Ｕｂ１１〜Ｕｂｍｎそれぞれを構成する画素Ｇ２１，Ｇ２２，Ｇ３１，Ｇ３２のスイッチＳａ２１，Ｓａ２２，Ｓａ３１，Ｓａ３２それぞれに与えられる。

よって、図７（ｃ）のように、群単位Ｕｂ１１〜Ｕｂｍｎそれぞれにおいて、水平方向に隣接する３つの画素Ｇ１１〜Ｇ３１が結合されて１つの画素とされるとともに、水平方向に隣接する３つの画素Ｇ２１〜Ｇ３２が結合されて１つの画素とされる。このとき、画素Ｇ１１のＭＯＳトランジスタＴから画素Ｇ１１〜Ｇ３１のフォトダイオードＰＤに光電流が供給されるとともに、画素Ｇ１２のＭＯＳトランジスタＴから画素Ｇ１２〜３２のフォトダイオードＰＤに光電流が供給される。又、画素Ｇ１１，Ｇ１２から電気信号が出力される。そのため、固体撮像素子１が、水平方向にｍ画素となるとともに垂直方向に２×ｎ画素となる２×ｍ×ｎ画素の固体撮像素子として作動する。

４．６画素結合読み出し
このとき、結合制御回路４によって、ハイとなる信号φＳｈが、固体撮像素子１の群単位Ｕｂ１１〜Ｕｂｍｎそれぞれに設けられるスイッチＳｈ１〜Ｓｈ４に与えられるとともに、ハイとなる信号φＳｖが、固体撮像素子１の群単位Ｕｂ１１〜Ｕｂｍｎそれぞれに設けられるスイッチＳｖ１〜Ｓｖ３に与えられる。又、画素出力制御回路５によって、ハイとなる信号φＳ１２が、固体撮像素子１の群単位Ｕｂ１１〜Ｕｂｍｎそれぞれを構成する画素Ｇ１２のスイッチＳａ１２それぞれに与えられるとともに、ローとなる信号φＳ１１，φＳ２１，φＳ２２，φＳ３１，φＳ３２が、固体撮像素子１の群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎそれぞれを構成する画素Ｇ１１，Ｇ２１，Ｇ２２，Ｇ３１，Ｇ３２のスイッチＳａ１１，Ｓａ２１，Ｓａ２２，Ｓａ３１，Ｓａ３２それぞれに与えられる。

よって、図７（ｄ）のように、群単位Ｕａ１１〜Ｕａｍｎそれぞれにおいて、水平方向及び垂直方向それぞれに隣接する６つの画素Ｇ１１〜Ｇ３２が結合されて１つの画素とされる。このとき、画素Ｇ１２のＭＯＳトランジスタＴから画素Ｇ１１〜Ｇ３２のフォトダイオードＰＤに光電流が供給されるとともに、画素Ｇ１２から電気信号が出力される。そのため、固体撮像素子１が、水平方向にｍ画素となるとともに垂直方向にｎ画素となるｍ×ｎ画素の固体撮像素子として作動する。

上述の第１例及び第２例のように固体撮像素子１を構成することによって、被写体の輝度が高く感度が低い状態でも撮像可能な状態において、高解像度となる画像が必要とされるときは、図４（ａ）又は図７（ａ）のようにして全画素から読み出す。又、被写体の輝度が低く画素の感度を高くする必要がある場合は、図４（ｄ）又は図７（ｄ）のようにして垂直方向及び水平方向の画素の結合を行う。又、被写体の輝度値及びフレームレートの速度に応じて、水平方向の解像度が必要な場合は、図４（ｂ）又は図７（ｂ）のようにして垂直方向の画素の結合を行い、垂直方向の解像度が必要な場合は、図４（ｃ）又は図７（ｃ）のようにして水平方向の画素の結合を行う。このように、被写体の輝度値及びフレームレートの速度に応じて、結合する画素数を切り換えることによって、最適な画素の感度及び解像度を選択することができる。

上述のように固体撮像素子１が構成されるとともに動作を行うとき、この固体撮像素子１における画素が対数変換動作を行うものとしたが、各画素の構成を、特許文献１に記載する別の構成としても構わないし、積分機能を備えるものとしても構わない。又、線形変換動作を行うものとしても構わないし、又、特許文献２に記載する線形変換動作及び対数変換動作を切り換えて動作させる事ができるものとしても構わない。更に、固体撮像素子１において構成される群単位について、２行２列の画素又は３行２列の画素によって構成されるものとしているが、これに限定されるものではなく、ａ行ｂ列の画素によって構成される。

又、各画素毎に、フォトダイオードＰＤとＭＯＳトランジスタＴとの間に接続されたスイッチＳａ１１〜Ｓａ３２については、画素をリセットして各画素の感度バラツキを表すノイズ信号を出力する際に、フォトダイオードＰＤとＭＯＳトランジスタＴとの間の電気的な接続を切断するリセット用スイッチとして用いても構わない。このとき、画素出力制御回路５において、スイッチＳａ１１〜Ｓａ３２をリセット用スイッチとして動作させるためのタイミング信号と、フォトダイオードＰＤを結合させる画素数に応じて各画素のフォトダイオードＰＤとＭＯＳトランジスタＴとの接続を決定する接続制御信号とを、論理積（ＡＮＤ）演算して信号φＳ１１〜φＳ３２を生成し、各画素のスイッチＳａ１１〜Ｓａ３２に与える。

は、本発明の実施形態における固体撮像装置の構成を示すブロック図である。は、図１の固体撮像装置における固体撮像素子の画素構成の一例を示す回路図である。は、図１の固体撮像装置における固体撮像素子の構成の一例を示すブロック図である。は、図２及び図３に示す固体撮像素子における画素の結合動作を示す図である。は、図１の固体撮像装置における固体撮像素子の画素構成の別例を示す回路図である。は、図１の固体撮像装置における固体撮像素子の構成の別例を示すブロック図である。は、図５及び図６に示す固体撮像素子における画素の結合動作を示す図である。

符号の説明

１固体撮像素子
２垂直走査回路
３水平走査回路
４結合制御回路
５画素出力制御回路
６タイミングジェネレータ
７出力アンプ

Claims

入射光に対して電気信号を出力する光電変換部と該光電変換部に電流供給するとともに該光電変換部からの電気信号を出力する信号出力部とより構成される複数の画素を備える固体撮像装置において、
垂直方向に隣接した前記画素同士の前記光電変換部の電気的な接離を行う第１スイッチと、
水平方向に隣接した前記画素同士の前記光電変換部の電気的な接離を行う第２スイッチと、
を備え、
前記複数の画素毎に前記光電変換部と前記信号出力部とを有するとともに、
前記各画素が、前記光電変換部と前記信号出力部との間における電気的な接離を行う第３スイッチを備え、
前記第１スイッチ及び前記第２スイッチによる接続の組合せによって、前記光電変換部を結合する画素を特定するとともに、前記光電変換部が結合された画素のうちの１画素の前記第３スイッチをＯＮとすることで、当該画素の信号出力部より前記電気信号を出力することを特徴とする固体撮像装置。
垂直方向にｘ（ｘ≧１）個の隣接した画素と水平方向にｙ（ｙ≧１）個の隣接した画素とを１つの群単位とし、該群単位毎に前記第１スイッチ及び前記第２スイッチの接離を制御する結合制御部を備えることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
前記群単位毎に前記第１スイッチ及び前記第２スイッチが設けられるとともに、
前記結合制御部から、前記第１スイッチの接離を制御する第１スイッチ制御信号と、前記第２スイッチの接離を制御する第２スイッチ制御信号とが、前記群単位毎に与えられることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
前記結合制御部から与えられる前記第１スイッチ制御信号と前記第２スイッチ制御信号
の２信号による組合せにより、前記群単位毎に結合する前記光電変換部の画素数が設定されることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
前記第３スイッチが、前記各画素の感度バラツキを示すノイズ信号出力時において前記光電変換部と前記信号出力部との接続を切断するためのスイッチとしても動作することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の固体撮像装置。
前記各画素が入射光量に対して自然対数的に変化する電気信号を出力する対数変換特性動作を行うことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の固体撮像装置。
垂直方向にｘ（ｘ≧２）個の隣接した画素と水平方向にｙ（ｙ≧３）個の隣接した画素とを１つの群単位とし、
前記群単位毎に、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチが設けられることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の固体撮像装置。