JP4429785B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置に関するものである。

固体撮像装置として、入射光量に応じてフォトダイオードで発生した電流信号を対数圧縮して電圧信号として出力するものが知られている（例えば特許文献１および特許文献２を参照）。この固体撮像装置は、入射光量検出のダイナミックレンジが大きいという利点を有している。
特開平１１−１５５１０５号公報 特開平５−２１９４４３号公報

しかしながら、上記のような対数圧縮方式を採用した固体撮像装置は、温度に依存して対数圧縮特性（すなわち、入射光量検出特性）が大きく変化するという問題点を有している。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、入射光量検出のダイナミックレンジが大きく、温度依存性が小さい固体撮像装置を提供することを目的とする。

本発明に係る固体撮像装置は、(1) 入射光量に応じた量の電荷を発生するＮ個のフォトダイオードＰＤ_１〜ＰＤ_Ｎと、(2) 各フォトダイオードＰＤ _ｎ と接続され、Ｎ個の期間Ｔ _１ 〜Ｔ _Ｎ を１サイクルとして該サイクルが繰り返されるうちの各期間Ｔ _ｎ において、第１蓄積期間およびこれより後の第２蓄積期間に閉じるスイッチＳＷ _ｎ と、(3) 各フォトダイオードＰＤ_ｎとスイッチＳＷ_ｎを介して接続され、入力した電荷を蓄積する容量部を有し、各サイクルの各期間Ｔ_ｎにおいて、前サイクルの期間Ｔ _ｎ の第２蓄積期間が終了した後にフォトダイオードＰＤ_ｎで発生した電荷を第１蓄積期間に亘りスイッチＳＷ_ｎを介して入力して容量部に蓄積し当該蓄積電荷量に応じた第１電圧値を出力するとともに、現サイクルの期間Ｔ _ｎ の第１蓄積期間が終了した後にフォトダイオードＰＤ_ｎで発生した電荷を第１蓄積期間より後の第２蓄積期間に亘りスイッチＳＷ_ｎを介して入力して容量部に蓄積し当該蓄積電荷量に応じた第２電圧値を出力する積分回路と、(4) 各フォトダイオードＰＤ_ｎについて、積分回路から出力される第１電圧値または第２電圧値を保持して、この保持した電圧値を出力する保持回路と、(5) 各フォトダイオードＰＤ_ｎについて、積分回路から出力される第１電圧値を入力し、第１電圧値と基準電圧値とを大小比較して、この比較結果を表す比較信号を出力し、この比較信号に基づいて、第１電圧値が基準電圧値より小さければ保持回路に対して第１電圧値を保持するよう指示し、そうでなければ保持回路に対して第２電圧値を保持するよう指示する比較回路と、を備えることを特徴とする。ただし、Ｎは２以上の整数であり、ｎは１以上Ｎ以下の任意の整数である。

この固体撮像装置の動作は、Ｎ個の期間Ｔ_１〜Ｔ_Ｎを１サイクルとして、このサイクルが順次に繰り返される。各期間Ｔ_ｎにおいて、スイッチＳＷ_ｎは第１蓄積期間および第２蓄積期間それぞれに閉じ、他のスイッチＳＷ_ｍ（ｍ≠ｎ）は開いたままである。各フォトダイオードＰＤ_ｎは、対応する期間Ｔ_ｎ内の第１蓄積期間および第２蓄積期間それぞれにおいて、対応するスイッチＳＷ_ｎが閉じることにより、積分回路と接続される。

第１蓄積期間において、スイッチＳＷ_ｎが閉じていると、前サイクルの期間Ｔ_ｎにおいて最後にスイッチＳＷ_ｎが開いた時刻より以降に比較的長期間に亘ってフォトダイオードＰＤ_ｎへの光入射に伴ってフォトダイオードＰＤ_ｎで発生し接合容量部に蓄積されていた電荷は、スイッチＳＷ_ｎを経て積分回路に入力して容量部に蓄積され、この蓄積された電荷の量に応じた第１電圧値が積分回路から出力される。

第２蓄積期間において、スイッチＳＷ_ｎが閉じていると、現サイクルの期間Ｔ_ｎにおいて最後にスイッチＳＷ_ｎが開いた時刻より以降に比較的短期間に亘ってフォトダイオードＰＤ_ｎへの光入射に伴ってフォトダイオードＰＤ_ｎで発生した電荷は、スイッチＳＷ_ｎを介して積分回路に入力して容量部に蓄積され、この蓄積された電荷の量に応じた第２電圧値が積分回路から出力される。

各フォトダイオードＰＤ_ｎについて、比較回路により、積分回路から出力される第１電圧値が基準電圧値と大小比較されて、この比較結果を表す比較信号が出力される。そして、この比較信号に基づいて、保持回路により、第１電圧値が基準電圧値より小さければ第１電圧値が保持され、そうでなければ第２電圧値が保持される。保持回路からは、この保持された電圧値（第１電圧値または第２電圧値）が出力される。

ここで、比較回路から出力される比較信号は、第１電圧値と基準電圧値との大小関係（すなわち、フォトダイオードＰＤ_ｎへの入射光量のレベル）を表すものである。また、第１蓄積期間における蓄積電荷量より第２蓄積期間における蓄積電荷量が少ないので、第１電圧値より第２電圧値が小さい。したがって、フォトダイオードＰＤ_ｎへの入射光量が比較的少ない場合には、保持回路から出力される第１電圧値に基づいて、フォトダイオードＰＤ_ｎへの入射光量を検知することができる。一方、フォトダイオードＰＤ_ｎへの入射光量が比較的多い場合には、保持回路から出力される第２電圧値に基づいて、フォトダイオードＰＤ_ｎへの入射光量を検知することができる。

したがって、この固体撮像装置は、画素毎に入射光量検出のダイナミックレンジを大きくすることができる。また、フォトダイオードＰＤ_ｎで発生した電荷を積分回路の容量部に蓄積して、その蓄積した電荷の量に応じた電圧値を積分回路から出力するので、入射光量検出の温度依存性が小さい。

本発明に係る固体撮像装置は、積分回路の容量部の容量値が可変であり、第１蓄積期間における容量部の容量値より第２蓄積期間における容量部の容量値が大きいのが好適である。この場合には、光検出のダイナミックレンジを更に大きくすることができる。

本発明に係る固体撮像装置は、積分回路と保持回路との間に設けられ、積分回路から出力される電圧値を入力し、第２蓄積期間の開始および終了それぞれの際に入力する該電圧値の差に応じた電圧値を保持回路へ出力するＣＤＳ回路を更に備えるのが好適である。また、保持回路から出力される電圧値を入力し、この入力した電圧値をデジタル値に変換して、このデジタル値を出力するＡ／Ｄ変換回路を更に備えるのが好適である。さらに、Ａ／Ｄ変換回路から出力されるデジタル値を入力するとともに、比較回路から出力される比較信号を入力して、該比較信号に基づいて該デジタル値のビットをシフトさせ、このビットシフトしたデジタル値を出力するビットシフト回路を更に備えるのが好適である。

本発明に係る固体撮像装置は、入射光量検出のダイナミックレンジが大きく、温度依存性が小さい。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る固体撮像装置１の概略構成図である。この図に示される固体撮像装置１は、Ｎ個のフォトダイオードＰＤ_１〜ＰＤ_Ｎ、Ｎ個のスイッチＳＷ_１〜ＳＷ_Ｎ、積分回路１０、ＣＤＳ回路２０、保持回路３０、比較回路４０、Ａ／Ｄ変換回路５０およびビットシフト回路６０を備える。ここで、Ｎは２以上の整数である。また、以下で用いるｎは１以上Ｎ以下の任意の整数である。

各フォトダイオードＰＤ_ｎは、アノード端子が接地され、カソード端子がスイッチＳＷ_ｎを介して積分回路１０に接続されている。積分回路１０の入力端は、Ｎ個のスイッチＳＷ_１〜ＳＷ_Ｎそれぞれの一端と共通の配線により接続されている。積分回路１０は、容量部を有していて、フォトダイオードＰＤ_ｎで発生した電荷を入力し、この入力した電荷を容量部に蓄積して、この蓄積した電荷の量に応じた電圧値Ｖ_１０を出力する。

ＣＤＳ（Correlated Double Sampling、相関二重サンプリング）回路２０は、積分回路１０から出力される電圧値Ｖ_１０を入力し、第１時刻および第２時刻それぞれの入力電圧値の差に応じた電圧値Ｖ_２０を出力する。保持回路３０は、ＣＤＳ回路２０から出力される電圧値Ｖ_２０を入力して、所定時刻における入力電圧値を保持し、その保持した電圧値Ｖ_３０を出力する。比較回路４０は、積分回路１０から出力される電圧値Ｖ_１０を入力し、この入力電圧値Ｖ_１０と基準電圧値とを大小比較して、この比較結果を表す比較信号Ｓ_４０を出力するとともに、この比較信号Ｓ_４０に基づいて保持回路３０に対して所定時刻における入力電圧値を保持するよう指示する。

Ａ／Ｄ変換回路５０は、保持回路３０から出力される電圧値Ｖ_３０を入力し、この入力した電圧値をデジタル値に変換して、このデジタル値Ｄ_５０を出力する。ビットシフト回路６０は、Ａ／Ｄ変換回路５０から出力されるデジタル値Ｄ_５０を入力するとともに、比較回路４０から出力される比較信号Ｓ_４０を入力して、該比較信号に基づいて該デジタル値のビットをシフトさせ、このビットシフトしたデジタル値Ｄ_６０を出力する。

図２は、本実施形態に係る固体撮像装置１の積分回路１０、ＣＤＳ回路２０、保持回路３０および比較回路４０の回路図である。

積分回路１０は、アンプＡ_１０、容量素子Ｃ_１０、容量素子Ｃ_１１、スイッチＳＷ_１０およびスイッチＳＷ_１１を有する。アンプＡ_１０の非反転入力端子は、基準電位Ｖ_ｒｅｆが入力する。アンプＡ_１０の反転入力端子は、スイッチＳＷ_ｎを介してフォトダイオードＰＤ_ｎに接続されている。アンプＡ_１０の反転入力端子と出力端子との間には、スイッチＳＷ_１０、容量素子Ｃ_１０、ならびに、互いに直列接続されたスイッチＳＷ_１１および容量素子Ｃ_１１が、互いに並列的に設けられている。

容量素子Ｃ_１０，容量素子Ｃ_１１およびスイッチＳＷ_１１は、容量値が可変の容量部を構成している。この可変容量部は、下記(1)式に表されるように、容量値Ｃ_１および容量素子Ｃ_２のうちの何れかの容量値に選択的に設定される。すなわち、スイッチＳＷ_１１が開いているときの可変容量部の容量値Ｃ_１は、容量素子Ｃ_１０の容量値と等しい。また、スイッチＳＷ_１１が閉じているときの可変容量部の容量値Ｃ_２は、容量素子Ｃ_１０および容量素子Ｃ_１１それぞれの容量値の和と等しい。

積分回路１０は、スイッチＳＷ_１０が開いているときに、フォトダイオードＰＤ_ｎから出力される電荷を可変容量部に蓄積して、この蓄積した電荷の量に応じた電圧値Ｖ_１０を出力する。また、積分回路１０は、スイッチＳＷ_１０，ＳＷ_１１が閉じることにより、容量素子Ｃ_１０，Ｃ_１１に蓄積されていた電荷が放電され、出力電圧値が初期化される。

ＣＤＳ回路２０は、アンプＡ_２０、容量素子Ｃ_２０およびスイッチＳＷ_２０を有する。アンプＡ_２０の入力端子は、容量素子Ｃ_２０を介して積分回路１０のアンプＡ_１０の出力端子と接続され、スイッチＳＷ_２０を介して接地電位と接続されている。このＣＤＳ回路２０は、スイッチＳＷ_２０が閉状態から開状態に転じた第１時刻に積分回路１０から出力された電圧値Ｖ_１０と、スイッチＳＷ_２０が開状態に維持されたまま第１時刻より後の第２時刻に積分回路１０から出力された電圧値Ｖ_１０と、の差に応じた電圧値Ｖ_２０を出力する。

保持回路３０は、アンプＡ_３０、容量素子Ｃ_３０およびスイッチＳＷ_３０を有する。アンプＡ_３０の入力端子は、スイッチＳＷ_３０を介してＣＤＳ回路２０のアンプＡ_２０の出力端子と接続され、容量素子Ｃ_３０を介して接地電位と接続されている。この保持回路３０は、スイッチＳＷ_３０が閉状態から開状態に転じた時刻にＣＤＳ回路２０から出力された電圧値Ｖ_２０を以降も保持し、その保持した電圧値に応じた電圧値Ｖ_３０を出力する。スイッチＳＷ_３０の開閉は、比較信号４０から出力される比較信号Ｓ_４０に基づいて制御される。

比較回路４０は、コンパレータ４１およびＤフリップフロップ４２を有する。コンパレータ４１は、積分回路１０から出力される電圧値Ｖ_１０を入力するとともに、基準電圧値Ｖ_ｓａｔをも入力して、これら電圧値Ｖ_１０と基準電圧値Ｖ_ｓａｔとを大小比較する。そして、コンパレータ４１の出力レベルは、電圧値Ｖ_１０が基準電圧値Ｖ_ｓａｔより大きいときにハイレベルとなり、そうでないときにはローレベルとなる。Ｄフリップフロップ４２は、ＣＬＲ入力端子に入力するＣｌｒ信号がハイレベルであるときに、Ｑ出力端子からの出力レベルがローレベルとなる。Ｄフリップフロップ４２は、コンパレータ４１からの出力電圧値をクロック入力端子に入力し、この電圧値がローレベルからハイレベルに転じると、それまでＤ入力端子に入力していた信号レベルを、それ以降においてＱ出力端子から出力する。このＤフリップフロップ４２のＱ出力端子から出力される信号が比較信号Ｓ_４０となる。

次に、本実施形態に係る固体撮像装置１の動作について図３〜図５を用いて説明する。Ｎ個のフォトダイオードＰＤ_１〜ＰＤ_Ｎそれぞれに入射する光の強度は、一般には一様ではなく、位置（ｎ）によって異なる。以下では、フォトダイオードＰＤ_ｎへの入射光量が比較的少ない場合および比較的多い場合それぞれについて説明する。また、以下の動作は、図示しない制御回路から出力される制御信号に基づいて為される。

図３は、本実施形態に係る固体撮像装置１の各スイッチＳＷ_ｎの開閉タイミングを説明するタイミングチャートである。この図に示されるように、固体撮像装置１の動作は、Ｎ個の期間Ｔ_１〜Ｔ_Ｎを１サイクルとして、このサイクルが順次に繰り返される。各期間Ｔ_ｎにおいて、スイッチＳＷ_ｎは２つの部分期間（すなわち、第１蓄積期間および第２蓄積期間）に閉じ、他のスイッチＳＷ_ｍ（ｍ≠ｎ）は開いたままである。各フォトダイオードＰＤ_ｎは、対応する期間Ｔ_ｎ内の第１蓄積期間および第２蓄積期間それぞれにおいて、対応するスイッチＳＷ_ｎが閉じることにより、積分回路１０と接続される。各期間Ｔ_ｎは一定時間であり、また、各期間Ｔ_ｎにおけるスイッチＳＷ_ｎの開閉タイミングは一定である。

図４および図５それぞれは、本実施形態に係る固体撮像装置１の期間Ｔ_ｎにおける動作を説明するタイミングチャートである。図４は、フォトダイオードＰＤ_ｎへの入射光量が比較的少ない場合の積分回路１０，ＣＤＳ回路２０，保持回路３０および比較回路４０それぞれの動作を説明するものである。また、図５は、フォトダイオードＰＤ_ｎへの入射光量が比較的多い場合の積分回路１０，ＣＤＳ回路２０，保持回路３０および比較回路４０それぞれの動作を説明するものである。

各図には、上から順に、積分回路１０のスイッチＳＷ_１０およびスイッチＳＷ_１１それぞれの開閉動作、比較回路４０のＤフリップフロップ４２のＣＬＲ入力端子に入力するＣｌｒ信号のレベル、ＣＤＳ回路２０のスイッチＳＷ_２０の開閉動作、フォトダイオードＰＤ_ｎに対応して設けられたスイッチＳＷ_ｎの開閉動作、積分回路１０から出力される電圧値Ｖ_１０、ＣＤＳ回路２０から出力される電圧値Ｖ_２０、比較信号４０から出力される比較信号Ｓ_４０、保持回路３０のスイッチＳＷ_３０の開閉動作、ならびに、保持回路３０から出力される電圧値Ｖ_３０、が示されている。

図４および図５に示される何れの場合においても、積分回路１０のスイッチＳＷ_１０は、時刻ｔ_０から時刻ｔ_１までの期間、および、時刻ｔ_７から時刻ｔ_８までの期間、それぞれにおいて閉じて、これにより、積分回路１０からの出力電圧値Ｖ_１０は初期化される。積分回路１０のスイッチＳＷ_１１は、時刻ｔ_０から時刻ｔ_７までの期間において開いていて、時刻ｔ_７以降の期間において閉じている。Ｃｌｒ信号は、時刻ｔ_０から時刻ｔ_１までの期間内にハイレベルとなり、これにより、比較回路４０から出力される比較信号Ｓ_４０はローレベルとなる。

ＣＤＳ回路２０のスイッチＳＷ_２０は、時刻ｔ_０から時刻ｔ_２までの期間、および、時刻ｔ_７から時刻ｔ_９までの期間、それぞれにおいて閉じて、これにより、ＣＤＳ回路２０は、スイッチＳＷ_２０が開いた時刻より以降の入力電圧値Ｖ_１０の変動分を電圧値Ｖ_２０として出力する。フォトダイオードＰＤ_ｎに対応して設けられたスイッチＳＷ_ｎは、時刻ｔ_３から時刻ｔ_４までの期間、および、時刻ｔ_７から時刻ｔ_８までの期間中の所定時刻以降、それぞれにおいて閉じる。

時刻ｔ_３から時刻ｔ_４までの期間（第１蓄積期間）においては、積分回路１０の可変容量部の容量値はＣ_１（上記(1a)式）となっている。この第１蓄積期間において、スイッチＳＷ_ｎが閉じていると、前サイクルの期間Ｔ_ｎにおいて最後にスイッチＳＷ_ｎが開いた時刻より以降に比較的長期間に亘ってフォトダイオードＰＤ_ｎへの光入射に伴ってフォトダイオードＰＤ_ｎで発生し接合容量部に蓄積されていた電荷は、スイッチＳＷ_ｎを経て積分回路１０に入力して容量素子Ｃ_１０に蓄積され、この蓄積された電荷の量に応じた第１電圧値が積分回路１０から出力される。また、ＣＤＳ回路２０から出力される電圧値Ｖ_２０は、スイッチＳＷ_２０が開く時刻ｔ_２以降において積分回路１０から出力される電圧値の変動分となる。

時刻ｔ_８以降の期間（第２蓄積期間）においては、積分回路１０の可変容量部の容量値はＣ_２（上記(1b)式）となっている。この第２蓄積期間において、スイッチＳＷ_ｎが閉じていると、現サイクルの期間Ｔ_ｎにおいて最後にスイッチＳＷ_ｎが開いた時刻ｔ_４より以降に比較的短期間に亘ってフォトダイオードＰＤ_ｎへの光入射に伴ってフォトダイオードＰＤ_ｎで発生した電荷は、スイッチＳＷ_ｎを介して積分回路１０に入力して容量素子Ｃ_１０および容量素子Ｃ_１１に蓄積され、この蓄積された電荷の量に応じた第２電圧値が積分回路１０から出力される。また、ＣＤＳ回路２０から出力される電圧値Ｖ_２０は、スイッチＳＷ_２０が開く時刻ｔ_９以降において積分回路１０から出力される電圧値の変動分となる。

以上までの動作説明は、図４および図５それぞれの場合で共通である。しかし、以下に説明する動作は、フォトダイオードＰＤ_ｎへの入射光量の大きさによって異なる。

フォトダイオードＰＤ_ｎへの入射光量が比較的少ない場合の動作は図４に示されている。この場合、スイッチＳＷ_ｎが閉じる時刻ｔ_３から、スイッチＳＷ_１１が閉じる時刻ｔ_７までの期間に、積分回路１０から出力される電圧値Ｖ_１０は、基準電圧値Ｖ_ｓａｔより小さい。したがって、比較回路４０のコンパレータ４１の出力レベルはローレベルのままであり、Ｄフリップフロップ４２のＱ出力端子から出力される比較信号Ｓ_４０はローレベルのままである。そして、この比較信号Ｓ_４０に基づいて、保持回路３０のスイッチＳＷ_３０は時刻ｔ_５に閉じた後に時刻ｔ_６に開き、この時刻ｔ_６においてＣＤＳ回路２０から出力された電圧値Ｖ_２０が保持回路３０により保持され、以降、この保持された電圧値に応じた電圧値Ｖ_３０が保持回路３０から出力される。時刻ｔ_５、ｔ_６は、図示しない制御回路から出力される制御信号に基づいて決められる。

フォトダイオードＰＤ_ｎへの入射光量が比較的多い場合の動作は図５に示されている。この場合、スイッチＳＷ_ｎが閉じる時刻ｔ_３から、スイッチＳＷ_１１が閉じる時刻ｔ_７までの期間に、積分回路１０から出力される電圧値Ｖ_１０は、基準電圧値Ｖ_ｓａｔより大きい。したがって、比較回路４０のコンパレータ４１の出力レベルはローレベルからハイレベルに転じ、Ｄフリップフロップ４２のＱ出力端子から出力される比較信号Ｓ_４０もローレベルからハイレベルに転じる。そして、この比較信号Ｓ_４０に基づいて、保持回路３０のスイッチＳＷ_３０は時刻ｔ_５に閉じた後に第２蓄積期間中の時刻ｔ_１０に開き、この時刻ｔ_１０においてＣＤＳ回路２０から出力された電圧値Ｖ_２０が保持回路３０により保持され、以降、この保持された電圧値に応じた電圧値Ｖ_３０が保持回路３０から出力される。時刻ｔ_１０は、図示しない制御回路から出力される制御信号に基づいて決められる。

以上のように、時刻ｔ_１０以降において比較回路４０から出力される比較信号Ｓ_４０は、フォトダイオードＰＤ_ｎへの入射光量のレベルを２段階で表したものとなっている。

すなわち、比較信号Ｓ_４０がローレベルであることは、積分回路１０の可変容量部が容量値Ｃ_１に設定されているときに、それまでフォトダイオードＰＤ_ｎで発生した電荷が可変容量部に蓄積されても、その蓄積期間の終了の際に積分回路１０から出力される第１電圧値Ｖが基準電圧値Ｖ_ｓａｔより小さいこと、つまり、フォトダイオードＰＤ_ｎへの入射光量が比較的少ないことを表している。

比較信号Ｓ_４０がハイレベルであることは、積分回路１０から出力される第１電圧値Ｖ_１０が基準電圧値Ｖ_ｓａｔ以上となるが、積分回路１０の可変容量部が容量値Ｃ_２に設定されているときに、それまでフォトダイオードＰＤ_ｎで発生した電荷が可変容量部に蓄積されても、その蓄積期間の終了の際に積分回路１０から出力される第２電圧値Ｖが基準電圧値Ｖ_ｒｅｆより小さいこと、つまり、フォトダイオードＰＤ_ｎへの入射光量が比較的多いことを表している。

時刻ｔ_１０以降において比較信号Ｓ_４０がローレベルであるときに保持回路３０から出力される第１電圧値Ｖ_３１は、前サイクルの期間Ｔ_ｎにおいて最後にスイッチＳＷ_ｎが開いた時刻より以降にフォトダイオードＰＤ_ｎへの光入射に伴ってフォトダイオードＰＤ_ｎで発生した電荷の量をＱ_１とすると、下記(2a)式で表される。また、時刻ｔ_１０以降において比較信号Ｓ_４０がハイレベルであるときに保持回路３０から出力される第２電圧値Ｖ_３２は、現サイクルの期間Ｔ_ｎにおいてスイッチＳＷ_ｎが開いた時刻ｔ_４より以降にフォトダイオードＰＤ_ｎへの光入射に伴ってフォトダイオードＰＤ_ｎで発生した電荷の量をＱ_２とすると、下記(2b)式で表される。

このとき、保持回路３０から第１電圧値Ｖ_３１が出力されるときの受光感度をαとし、保持回路３０から第２電圧値Ｖ_３２が出力されるときの受光感度をβとすると、両者の比は下記(3)式で表される。ここで、容量素子Ｃ_１０および容量素子Ｃ_１１それぞれの容量値を適切に設定するとともに、スイッチＳＷ_ｎの開閉タイミングを適切に設定することにより、この比を例えば ６４：１ とすることができる。

そして、時刻ｔ_１０以降において、保持回路３０から出力された電圧値は、Ａ／Ｄ変換回路５０によりデジタル値に変換される。さらに、Ａ／Ｄ変換回路５０から出力されたデジタル値は、ビットシフト回路６０により必要ビット数だけシフトされる。このときシフトされるビット数は、上記(3)式で表される受光感度比に応じたものである。

したがって、この固体撮像装置１は、画素毎に入射光量検出のダイナミックレンジを大きくすることができる。また、フォトダイオードＰＤ_ｎで発生した電荷を積分回路１０の容量素子に蓄積して、その蓄積した電荷の量に応じた電圧値を積分回路１０から出力するので、入射光量検出の温度依存性が小さい。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、比較回路４０は、上記実施形態では積分回路１０から出力される電圧値Ｖ_１０を基準電圧値Ｖ_ｓａｔと大小比較したが、ＣＤＳ回路２０から出力される電圧値Ｖ_２０を基準電圧値Ｖ_ｓａｔと大小比較してもよい。複数のフォトダイオードは、１次元状に配列されていてもよいし、２次元状に配列されていてもよい。複数のフォトダイオードが２次元状に配列される場合、その配列の行毎に積分回路１０等が設けられていてもよい。また、上記(3)式から判るように、第１蓄積期間および第２蓄積期間それぞれにおいて積分回路１０の容量部の容量値を互いに等しくしてもよく、この場合にも光検出のダイナミックレンジを大きくすることができる。

本実施形態に係る固体撮像装置１の概略構成図である。 本実施形態に係る固体撮像装置１の積分回路１０、ＣＤＳ回路２０、保持回路３０および比較回路４０の回路図である。 本実施形態に係る固体撮像装置１の各スイッチＳＷ_ｎの開閉タイミングを説明するタイミングチャートである。 本実施形態に係る固体撮像装置１の期間Ｔ_ｎにおける動作を説明するタイミングチャートである。 本実施形態に係る固体撮像装置１の期間Ｔ_ｎにおける動作を説明するタイミングチャートである。

符号の説明

１…固体撮像装置、１０…積分回路、２０…ＣＤＳ回路、３０…保持回路、４０…比較回路、５０…Ａ／Ｄ変換回路、６０…ビットシフト回路。

Claims (5)

1. 入射光量に応じた量の電荷を発生するＮ個のフォトダイオードＰＤ_１〜ＰＤ_Ｎと、
   各フォトダイオードＰＤ _ｎ と接続され、Ｎ個の期間Ｔ _１ 〜Ｔ _Ｎ を１サイクルとして該サイクルが繰り返されるうちの各期間Ｔ _ｎ において、第１蓄積期間およびこれより後の第２蓄積期間に閉じるスイッチＳＷ _ｎ と、
   各フォトダイオードＰＤ_ｎとスイッチＳＷ_ｎを介して接続され、入力した電荷を蓄積する容量部を有し、各サイクルの各期間Ｔ_ｎにおいて、前サイクルの期間Ｔ _ｎ の前記第２蓄積期間が終了した後にフォトダイオードＰＤ_ｎで発生した電荷を前記第１蓄積期間に亘りスイッチＳＷ_ｎを介して入力して前記容量部に蓄積し当該蓄積電荷量に応じた第１電圧値を出力するとともに、現サイクルの期間Ｔ _ｎ の前記第１蓄積期間が終了した後にフォトダイオードＰＤ_ｎで発生した電荷を前記第２蓄積期間に亘りスイッチＳＷ_ｎを介して入力して前記容量部に蓄積し当該蓄積電荷量に応じた第２電圧値を出力する積分回路と、
   各フォトダイオードＰＤ_ｎについて、前記積分回路から出力される前記第１電圧値または前記第２電圧値を保持して、この保持した電圧値を出力する保持回路と、
   各フォトダイオードＰＤ_ｎについて、前記積分回路から出力される前記第１電圧値を入力し、前記第１電圧値と基準電圧値とを大小比較して、この比較結果を表す比較信号を出力し、この比較信号に基づいて、前記第１電圧値が前記基準電圧値より小さければ前記保持回路に対して前記第１電圧値を保持するよう指示し、そうでなければ前記保持回路に対して前記第２電圧値を保持するよう指示する比較回路と、
   を備えることを特徴とする固体撮像装置（ただし、Ｎは２以上の整数、ｎは１以上Ｎ以下の任意の整数）。
   
2. 前記積分回路の前記容量部の容量値が可変であり、前記第１蓄積期間における前記容量部の容量値より前記第２蓄積期間における前記容量部の容量値が大きいことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記積分回路と前記保持回路との間に設けられ、前記積分回路から出力される電圧値を入力し、前記第２蓄積期間の開始および終了それぞれの際に入力する該電圧値の差に応じた電圧値を前記保持回路へ出力するＣＤＳ回路を更に備えることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
4. 前記保持回路から出力される電圧値を入力し、この入力した電圧値をデジタル値に変換して、このデジタル値を出力するＡ／Ｄ変換回路を更に備えることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
5. 前記Ａ／Ｄ変換回路から出力されるデジタル値を入力するとともに、前記比較回路から出力される比較信号を入力して、該比較信号に基づいて該デジタル値のビットをシフトさせ、このビットシフトしたデジタル値を出力するビットシフト回路を更に備えることを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。

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