JP4487944B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置に関する。

従来の固体撮像装置では、撮像面の全ての画素に対して同じ露光時間を適用している。複数回の撮像において複数の露光時間を適用し、それらの画像を合成することで広ダイナミックレンジを実現する技術（例えば、特許文献１参照。）においても、各露光時間は全画素一様に適用される。それゆえに、感度の異なる画素が混在する場合、高い感度の画素が飽和しないように短い露光時間を設定するか、低い感度の画素で十分な信号を得るために長い露光時間を設定して感度の高い画素を飽和させるかを選択する。ここでは、感度の高い画素（高感度画素）とは、感度の低い画素（低感度画素）よりも感度の高い画素をいう。

例えば、感度の高い画素が飽和しないように露光時間を設定した場合、感度の低い画素で十分な信号電荷が得られずＳ／Ｎが劣化する問題が生じる。一方で、感度の低い画素で十分な信号電荷が得られるよう露光時間を設定した場合、感度の高い画素で飽和する問題が生じる。

特開２００４-３６３６６６号公報

解決しようとする問題点は、感度の高い画素が飽和しないように露光時間を設定した場合、感度の低い画素で十分な信号電荷が得られずＳ／Ｎが劣化する点であり、感度の低い画素で十分な信号電荷が得られるよう露光時間を設定した場合、感度の高い画素で飽和する点である。

本発明は、感度の低い画素のＳ／Ｎ比を劣化させずに、感度の高い画素を飽和させないようにして、広いダイナミックレンジを得ることを課題とする。

請求項１に係る本発明は、複数の第１画素と、前記第１画素よりも感度の高い複数の第２画素とが垂直方向及び水平方向に２次元配置された固体撮像装置において、前記第１画素を制御する第１制御信号線と、前記第２画素を制御する第２制御信号線とを有し、前記第１制御信号線と前記第２制御信号線とが独立に駆動され、前記第２画素の読み出しレートが前記第１画素の読み出しレートよりも速く、前記第１画素の垂直方向走査期間が前記第２画素の複数の垂直方向走査期間をまたいで設定されており、前記第２画素の複数フレームにおける出力が合成されるものであり、前記合成される際に組み合わせる複数フレームが、水平方向の行ごとに第１画素の露光期間の少なくとも一部を含むフレームの中から選択されることを特徴とする。

請求項１に係る本発明では、第１画素と第１画素よりも感度の高い第２画素とを独立に駆動できるように、前記第１画素を制御する第１制御信号線と、前記第２画素を制御する第２制御信号線とが独立に駆動されることから、異なる露光時間や読み出しタイミングを第１画素とそれよりも感度の高い第２画素とに同時に適用することが可能となる。

請求項１に係る本発明によれば、第１画素とそれよりも感度の高い第２画素とに、異なる露光時間と読み出しタイミングを適用することができるので、第２画素より感度の低い第１画素に対しては露光時間を長くすることで十分な信号を得ることができ、これによってＳ／Ｎ比の劣化を防止することができる。また、第１画素よりも感度の高い第２画素に対しては、露光時間を短くすることで飽和を防ぐことができる。これによって、広ダイナミックレンジを得ることが可能となる。

以下の説明において、露光時間の「ズレ」とは、任意の行における低感度画素と高感度画素の露光タイミングの不一致を意味し、露光時間の「不整合」とは、「ズレ」が読み出し行によって異なることを意味する。

まず、請求項１に係る本発明の一実施の形態（第１実施例）を、図１のレイアウト図によって説明する。

図１に示すように、固体撮像装置１は、垂直方向（ｘ方向）および水平方向（ｙ方向）に画素がマトリックス状に２次元配置されている。水平方向には、１行ごとに、複数の第１画素３１が行方向に配列してなる第１画素行と、第１画素３１よりも感度の高い複数の第２画素４１が行方向に配列してなる第２画素行とが、垂直方向に交互に配置されている。

上記第１画素行の各第１画素３１は第１制御信号線３２によって接続され、制御されている。また、上記第２画素行の各第２画素４１は第２制御信号線４２によって接続され、第１制御信号線３２とは独立に制御されている。このように、第１制御信号線３２と第２制御信号線４２とが独立に制御される水平走査回路を用いることで、行方向の各第１画素３１と第１画素３１よりも高感度な行方向の各第２画素４１からなる第２画素行とを独立に制御することができる。

低感度画素である第１画素３１と高感度画素である第２画素４１とを独立に駆動できるため、電子シャッタのタイミングを独立に設定することで、露光時間を調整することができる。これにより、第１画素３１と第２画素４１のそれぞれで適正露光とすることができ、低感度な第１画素３１で十分な信号電荷を取得しつつ、高感度な第２画素４１の飽和を防ぐ駆動が可能となる。

次に第１制御信号線３２と第２制御信号線４２とを独立に制御できる画素配列を有するＭＯＳ型イメージセンサの一例を図２のシステム構成図によって説明する。

図２に示すように、ＭＯＳ型イメージセンサ５１は、光電変換素子を含む単位画素（第１画素３１、第１画素３１よりも高感度な第２画素４１）が行列状に２次元配置されてなる画素アレイ部１０と、その周辺回路として、第１制御信号線を独立に制御する第１駆動回路１１、第２制御信号線を独立に制御する第２駆動回路１２、第１画素用垂直走査回路１３、第２画素用垂直走査回路１４、タイミング発生回路１５、水平走査回路１６を有する構成となっている。

画素アレイ部１０の第１画素３１および第２画素４１の行列状配列に対して、列毎に出力信号線１１１が配線され、第１画素３１および第２画素４１の各行毎に第１制御信号線、第２制御信号線が配線されている。これらの制御信号線は、例えば、転送制御線１１２、リセット制御線１１３および選択制御線１１４が配線されている。さらに、単位画素２０（第１画素３１、第２画素４１）の各々に、リセット電圧を供給するリセット線１１５が配線されている。

第１画素３１および第２画素４１の回路構成の一例が示されている。本回路例に係る単位画素は、光電変換素子、例えばフォトダイオード２１を備え、例えば転送トランジスタ２２、リセットトランジスタ２３、増幅トランジスタ２４および選択トランジスタ２５の４つのトランジスタを有する画素回路となっている。ここでは、転送トランジスタ２２、リセットトランジスタ２３、増幅トランジスタ２４および選択トランジスタ２５として、例えばＮチャネルのＭＯＳトランジスタを用いている。

転送トランジスタ２２は、フォトダイオード２１のカソード電極と電荷電圧変換部であるフローティングディフュージョン部２６との間に接続され、フォトダイオード２１で光電変換され、ここに蓄積された信号電荷（ここでは、電子）を、ゲート電極（制御電極）に転送パルスＴＲＧが与えられることによってフローティングディフュージョン部２６に転送する。

リセットトランジスタ２３は、リセット線１１５にドレイン電極が、フローティングディフュージョン部２６にソース電極がそれぞれ接続され、フォトダイオード２１からフローティングディフュージョン部２６への信号電荷の転送に先立って、ゲート電極にリセットパルスＲＳＴが与えられることによってフローティングディフュージョン部２６の電位をリセット電圧Ｖｒｓｔにリセットする。

増幅トランジスタ２４は、フローティングディフュージョン部２６にゲート電極が、画素電源Ｖｄｄにドレイン電極がそれぞれ接続され、リセットトランジスタ２３によってリセットされた後のフローティングディフュージョン部２６の電位をリセットレベルとして出力し、さらに転送トランジスタ２２によって信号電荷が転送された後のフローティングディフュージョン部２６の電位を信号レベルとして出力する。

選択トランジスタ２５は、例えば、ドレイン電極が増幅トランジスタ２４のソース電極に接続され、ソース電極が出力信号線１１１に接続され、ゲート電極に選択パルスＳＥＬが与えられることによってオン状態となり、画素（第１画素３１、第２画素４１）を選択状態として増幅トランジスタ２４から出力される信号を出力信号線１１１に出力する。なお、選択トランジスタ２５については、画素電源Ｖｄｄと増幅トランジスタ２４のドレイン電極との間に接続した構成を採ることも可能である。したがって、第１画素３１、第２画素４１の回路構成は同様となっている。

駆動回路（第１駆動回路１１、第２駆動回路１２）は、画素アレイ部１１の読み出し行の各第１画素３１、第２画素４１の信号を読み出す読み出し動作を行う構成となっている。

第１画素用垂直走査回路１３、第２画素用垂直走査回路１４は、シフトレジスタもしくはアドレスデコーダ等によって構成され、リセットパルスＲＳＴ、転送パルスＴＲＧおよび選択パルスＳＥＬ等を適宜発生することで、画素アレイ部１０の各第１画素３１、第２画素４１を電子シャッタ行と読み出し行それぞれについて行単位で垂直方向（上下方向）に走査しつつ、電子シャッタ行に対してはその行の第１画素３１、第２画素４１の信号掃き捨てを行うための電子シャッタ動作を行う。そして、第１駆動回路１１、第２駆動回路１２による読み出し走査よりもシャッタ速度に対応した時間分だけ前に同じ行（電子シャッタ行）に対して電子シャッタ動作を行う。

水平走査回路１６は、シフトレジスタあるいはアドレスデコーダ等によって構成され、画素アレイ部１０の画素列ごとに順に水平走査する。タイミング発生回路１５は、第１駆動回路１１、第２駆動回路１２、第１画素用垂直走査回路１３、第２画素用垂直走査回路１４等の動作の基準となるタイミング信号や制御信号が生成される。

次に、請求項５に係る本発明の一実施の形態（第２実施例）を、図３のシステム構成図によって説明する。

図３に示すように、ＭＯＳ型イメージセンサ５２は、光電変換素子を含む単位画素２０（第１画素３１、第２画素４１）が行列状に２次元配置されてなる画素アレイ部１０に加えて、その周辺回路として、第１制御信号線を独立に制御する第１駆動回路１１、第２制御信号線を独立に制御する第２駆動回路１２、第１画素用垂直走査回路１３、第２画素用垂直走査回路１４、タイミング発生回路１５、第１水平走査回路１７、第２水平走査回路１８を有する構成となっている。

このＭＯＳ型イメージセンサ５２は、前記図２によって説明したＭＯＳ型イメージセンサ５１において、各第１画素３１の列ごとに第１出力信号線１１７が配線され、各第２画素４１の列ごとに第２出力信号線１１８が配線されたものである。各第１出力信号線１１７には第１画素３１の出力信号を水平走査する第１水平走査回路１７が接続され、各第２出力信号線１１８には第２画素４１の出力信号を水平走査する第２水平走査回路１８が接続されている。このように、低感度画素である第１画素３１の第１出力信号線１１７と高感度画素である第２画素４１の第２出力信号線１１８とが独立に制御できるようになっている。

第１画素３１と第２画素４１とは独立に駆動され、第１出力信号１１７、第２出力信号線１１８はそれぞれの第１水平走査回路１７、第２水平走査回路１８を介して出力される。なお、読み出しのタイミングが第１画素３１と第２画素４１とで同一であれば、水平走査回路は共通のものとすることができる。また、第１画素３１と第２画素４１とで読み出しのタイミングが異なる場合に、上記説明したように、第１画素用の第１水平走査回路１７と第２画素用の第２水平走査回路１８とで独立に設けることで、第１画素３１と第２画素４１とで異なるタイミングでの読み出しが可能になる。

第２実施例では、低感度画素である第１画素３１と高感度画素である第２画素４１との出力を独立に取得できる画素の配列とすることで、第１画素３１の値と第２画素４１の値を独立に読み出すことができる。これにより、高感度画素である第２画素のみを高いフレームレートでアクセスすることが容易となり、第２画素４１の飽和を防ぐ効果が得られる。また、複数フレームを取得して高いＳ／Ｎ比を得ることが可能となる。

次に、請求項６に係る本発明の一実施の形態（第３実施例）を、図４のレイアウト図によって説明する。

図４（１）に示すように、低感度画素である第１画素３１の正方２次元配列と高感度画素である第２画素４１の正方２次元配列を、縦横の両方向に画素ピッチの半分の距離だけずらして重ね合わせた２次元配列である。

図４（２）に示すように、低感度画素である第１画素３１の正方２次元配列と高感度画素である第２画素４１の正方２次元配列を、縦横の両方向に画素ピッチの半分の距離だけずらして重ね合わせた２次元配列であり、第１画素３１と第２画素４１とはそれぞれ等間隔に配置されている。具体的には、正方の画素を傾けて配置した菱形の画素を用い、第１画素３１に対して第２画素は縦方向、横方向に１／２画素ピッチずらした位置に配置されている。したがって、第１画素３１および第２画素４１は、その対角方向が行方向および列方向に一致するように配列されることになる。ここでは、画素形状を簡略化するために正方菱形としたが、六角形、八角形等の多角形とすることもできる。さらに、第１画素３１を制御する第１制御信号線３２および第２画素４１を制御する第２制御信号線４２が両方とも独立して配線されている。さらに第１画素３１の出力信号線３３および第２画素４１の出力信号線４３が両方とも独立して配線されている。

上記第３実施例の固体撮像装置２の構成では、高感度画素である第２画素４１が配列の縦横等間隔に配置されることで、Ｓ／Ｎ比の優れた感度の高い第２画素４１で密な輝度解像度が得られるため、画像の解像度を向上させる効果がある。

次に上記図４（２）によって説明した画素配列を有するＭＯＳ型イメージセンサの一例を図５のシステム構成図によって説明する。

図５に示すように、ＭＯＳ型イメージセンサ５３は、光電変換素子を含む画素（第１画素３１、第２画素４１）が行列状に２次元配置されてなる画素アレイ部１０に加えて、その周辺回路として、第１制御信号線を独立に制御する第１駆動回路１１、第２制御信号線を独立に制御する第２駆動回路１２、第１画素用垂直走査回路１３、第２画素用垂直走査回路１４、タイミング発生回路１５、第１画素用水平走査回路１７、第２画素用水平走査回路１８を有する構成となっている。

第１画素３１、第２画素４１の各画素は、多角形状（例えば図面では八角形）に形成されており、画素アレイ部１０の各画素の行列状配列に対して、列毎に出力信号線３３、４３が配線され、第１画素３１および第２画素４１の各行毎に第１制御信号線、第２制御信号線が配線されている。これらの制御信号線は、例えば、転送制御線１１２、リセット制御線１１３および選択制御線１１４が配線されている。さらに、画素（第１画素３１、第２画素４１）の各々に、リセット電圧を供給するリセット線１１５が配線されている。第１画素３１、第２画素４１の形状は一例として八角形としたが、例えば六角形であっても、その他の多角形状であってもよい。

このＭＯＳ型イメージセンサ５３は、例えば画素の形状が四角形から八角形に変わった点、および各第１画素３１および第２画素４１のそれぞれの周辺を迂回するように第１制御信号線、第２制御信号線が配設されるとともに、第１出力信号線３３、第２出力信号線線４３が配設されている点を除いて、前記図３によって説明したＭＯＳ型イメージセンサ５２と同様な構成を有する。

次に、請求項７に係る本発明の一実施の形態（第４実施例）を、図６のレイアウト図によって説明する。

図６に示すように、第４実施例の固体撮像装置３は、第１画素（低感度画素）３１と第１画素３１よりも高感度な第２画素（高感度画素）４１を、市松模様に配列したものであり、第１画素３１と第２画素４１とはそれぞれ等間隔に配置されている。第１画素３１を制御する第１制御信号線３２および第２画素４１を制御する第２制御信号線４２が両方とも独立して配線されている。図面では、模式的に描いているため、各第１、第２制御信号線３２、４２がジグザグに描かれているが、実際には、各画素のフォトセンサ部上を回避するように、例えば、画素の周囲領域を用いて配線される。さらに図示はしないが、第１画素３１の出力信号線および第２画素４１の出力信号線が両方とも独立して配線されている。

上記構成の固体撮像装置３では、低感度画素である第１画素３１と高感度画素である第２画素４１とが市松模様に配列されていることから、前記第１実施例の固体撮像装置１よりもさらに画質が向上される。

上記各固体撮像装置１、２、３のように、第１画素３１と第１画素３１よりも高感度な第２画素４１とを独立に駆動できる画素配列（図１、図４、図６参照）を採用することによって、第１画素を制御する第１制御信号線３２、第２画素４１を制御する第２制御信号線４２を画素配列の行ごとに独立に配線することが容易となり、異なる露光時間や読み出しタイミングを第１画素３１と第２画素４１に同時に適用することが可能となる。異なる露光時間と読み出しタイミングを適用できれば、第１画素３１に対しては露光時間を長くして十分な信号を得られる一方で、第２画素４１に対しては、露光時間を短くして飽和を防ぐことが可能になる。

上記各固体撮像装置では、第１画素３１および第２画素４１が２次元配列となっているが、例えば、第１画素３１のフォトダイオードが第２画素のフォトダイオードの下層に分離領域を介して設けられているような構造に対しても、本発明を適用することができる。この構成では、第１画素３１のフォトダイオードの一部を半導体基板上に引き出すように形成して、この引き出した部分に第１制御信号線３２を接続するようにすればよい。

次に、請求項８に係る本発明の一実施の形態（第５実施例）を、図７の概略構成断面図によって説明する。

図７に示すように、基板（例えば半導体基板もしくは半導体層が形成されている基板）２０１に複数の第１画素３１の受光部２１１および複数の第２画素４１の受光部２１２が、例えば前記図１、図４、図６等によって説明したような画素配列で形成されている。この基板２０１上の各画素領域上を除く領域には配線２１３が形成されている。第１画素３１上には、配線２１３が形成されている配線層２１４を介して第１光学フィルタ２１５が形成されている。また、第２画素４１上には配線層２１４を介して第１光学フィルタ２１５と異なる分光特性を有する第２光学フィルタ２１６が形成されている。さらに、各第１光学フィルタ２１５、第２光学フィルタ２１６を被覆するように保護層２１７が形成されその上部にオンチップレンズ２１８が形成されている。

例えば、低感度画素である第１画素３１には波長７００ｎｍ以上の赤外線を遮断する光学フィルタを集積し、高感度画素である第２画素４１には波長７００ｎｍ〜１０００ｎｍを透過する光学フィルタを集積することで、高感度画素への入射光量が増加し高感度化が可能となる。

上記第５実施例のように、異なる分光特性を有する第１光学フィルタ２１５と第２光学フィルタ２１６とを用いることで、感度の高い第２画素４１を混在させることができ、高いＳ／Ｎ比の信号を得ることができる。

次に、請求項９に係る本発明の一実施の形態（第６実施例）を、図８の概略構成断面図によって説明する。

図８に示すように、基板（例えば半導体基板もしくは半導体層が形成されている基板）２０１に複数の第１画素の受光部（図示せず）および複数の第２画素４１の受光部２２２が、例えば前記図１、図４等によって説明したような画素配列で形成されている。この基板２０１上の各画素領域上を除く領域には配線２１３が形成されている。第１画素３１上には、配線２１３が形成されている配線層２１４を介して光学フィルタ２２５が形成されている。一方、一部の第２画素４１上には光学フィルタを形成しない。さらに、各光学フィルタ２２５を被覆するように保護層２１７が形成され、各画素上における保護層２１７上にオンチップレンズ２１８が形成されている。このように、高感度画素である第２画素４１の一部上に光学フィルタ２２５を形成しないことで、受光部２２２への入射光量を増加させ、より高感度な画素とすることが可能となる。

次に、請求項１０に係る本発明の一実施の形態（第７実施例）を、図９のレイアウト図によって説明する。

図９に示すように、複数の第１画素３１および第１画素３１より感度の高い複数の第２画素４１が、例えば前記図４によって説明したような画素配列で形成されている。第１画素３１上には、光学フィルタ（図示せず）が形成されている。この光学フィルタは光の３原色及び光の３原色の補色のいずれかの色フィルタからなる。一方、第２画素４１上には光学フィルタは形成されていない。上記光学フィルタは、例えばＲＧＢの光の３原色もしくはこれらの補色を透過する色フィルタからなる。上記色フィルタは、一例として、列方向にＧＢＧＢおよびＲＧＲＧを配列し、それらを交互に行方向に配置してある。

このように、低感度画素である第１画素３１上方にＲＧＢの３原色を透過する光学フィルタ（色フィルタ）を任意に配置することで、第１画素を用いてカラー画像を得ることができる。

図９に示した固体撮像装置４の画素のレイアウト例は、低感度画素である第１画素３１にＲＧＢの３原色を配置した一例である。色透過フィルタの中では感度の高い緑（Ｇ）を多く配置した構成になっている。この例では、色透過フィルタを持たない高感度画素である第２画素４１が最も解像度が高くＳ／Ｎ比も優れているため、画像のエッジ強調などの信号処理に活用することができる。

また、ここでは、一般的にデジタルカメラで用いられるＲＧＢの３原色光学フィルタに関して記載したが、これらの補色など、その他、カラー画像の生成に用いることができる分光特性を持つものであれば何でも良い。

低感度画素である第１画素３１としてＲＧＢの３原色やこれらの補色フィルタを配置することで、高感度画素とは別にカラー画像を取得することができる。高感度画素を低感度画素によるカラー画像の信号処理（例えば、画像のエッジ処理）のために使うことができる。

次に、請求項１１に係る本発明の一実施の形態（第８実施例）を、図１０によって説明する。以下の説明では、前記説明で用いた各構成部品と同様なものには、同一符号を付与して説明する。図１０は、縦軸に蓄積電荷量（信号レベル）を示し、横軸に露光時間を示したものである。

第８実施例の固体撮像装置は、上記第１実施例乃至第７実施例等で説明した固体撮像装置において、高感度画素である第２画素４１および、低感度画素である第１画素３１に対して、それぞれ独立に露光期間が制御される。

例えば、図１０に示すように、高感度画素である第２画素４１は受光部への入射光量が多い、もしくは光電変換効率が優れているため、低感度画素である第１画素３１と比べて、時間に対する蓄積電荷量（出力信号レベル）の傾きが大きい。そして第２画素４１が飽和レベルに達すると、蓄積電荷量（出力信号レベル）は飽和してしまうため、信号を得ることができない。そこで、第２画素４１が飽和するＴhsatよりも短い露光時間に設定することで、第２画素４１の飽和を回避することができる。

一方で、第１画素３１は傾きが小さいため、第２画素４１と同じようにＴhsatよりも短い露光時間を設定すると、出力信号レベルが小さくＳ／Ｎ比の劣化が著しい。そのため、第１画素３１はＴlsat以下の高感度画素よりも長い露光時間に設定することが好ましい。

低感度画素である第１画素３１と高感度画素である第２画素のそれぞれの露光時間を独立に制御することで、第１画素３１と第２画素４１とをそれぞれで適正露光とすることができ、第１画素３１で十分な信号電荷を取得しつつ、第２画素４１の飽和を防ぐことができる。

次に、請求項１２に係る本発明の一実施の形態（第９実施例）を、図１１によって説明する。以下の説明では、前記説明で用いた各構成部品と同様なものには、同一符号を付与して説明する。図１１は、縦軸に画素の行番号を示し、横軸に時間を示したものである。

第９実施例の固体撮像装置は、上記第１実施例乃至第８実施例等で説明した固体撮像装置において、水平方向に配列された画素を行単位として、その単位行の画素に蓄積された電子が掃き出された後、露光が開始される。

例えば、図１１に、行ごとに電荷掃出のタイミングを制御した動作例、および高感度画素である第２画素４１と低感度画素である第１画素３１それぞれ独立に露光時間を制御した場合のタイミング例を示す。低感度画素および高感度画素が行ごとにアクセスされ読み出される場合、行ごとに電荷掃出および読み出しのタイミングが異なる。行ごとに蓄積された電荷を掃出したのち露光を開始することで、低感度画素および高感度画素の露光時間を独立に設定し、それぞれの露光時間は行ごとに一致させることができる。

上記第９実施例の固体撮像装置では、行ごとに読み出しタイミングが異なっていても、蓄積された電子を掃出したのちに露光を開始する動作を行単位で実行することで、露光時間を任意に設定することができる。

次に、請求項１３に係る本発明の一実施の形態（第１０実施例）を、図１２によって説明する。以下の説明では、前記説明で用いた各構成部品と同様なものには、同一符号を付与して説明する。図１２は、（１）に画素回路の一構成例を示し、（２）に選択パルスＳＥＬ、リセットパルスＲＳＴ、転送パルスＴＲＧの読み出しタイミングおよび電荷掃出タイミングの制御信号を示す。

第１０実施例の固体撮像装置は、上記第１実施例乃至第９実施例等で説明した固体撮像装置に適用されるもので、第１画素３１の配列と第２画素４１の配列のそれぞれにおいて、蓄積された電子が掃き出された後、露光が開始される動作が独立したタイミングで制御されるものである。

例えば、図１２（１）に画素回路の一構成例を示し、図１２（２）に選択パルスＳＥＬ、リセットパルスＲＳＴ、転送パルスＴＲＧの読み出しタイミングおよび電荷掃出タイミングの制御信号を示す。図１２（１）に示す画素回路は、前記第１実施例で説明した画素の回路構成とほぼ同様であり、光電変換素子、例えばフォトダイオード２１を備えて、例えば転送トランジスタ２２、リセットトランジスタ２３、増幅トランジスタ２４および選択トランジスタ２５の４つのトランジスタを有する画素回路となっている。固体撮像装置の回路構成においては、選択トランジスタ２５を省略した３トランジスタ構成や、増幅トランジスタ２４を複数の画素で共有した構成においても、任意のタイミングで電荷掃き出しをすることができる。

上記第１０実施例の固体撮像装置では、行ごとに読み出しタイミングが異なっていても、低感度画素である第１画素３１と高感度画素である第２画素４１で独立して、露光時間を任意に設定することができる。

次に、請求項１４に係る本発明の一実施の形態（第１１実施例）を、図１３によって説明する。以下の説明では、前記説明で用いた各構成部品と同様なものには、同一符号を付与して説明する。図１３は、複数行同時に電荷掃き出しをする動作例を示す図面で、縦軸に画素の行番号を示し、横軸に時間を示したものである。

第１１実施例の固体撮像装置は、上記第９実施例乃至第１０実施例等で説明した固体撮像装置において、蓄積された電子を掃き出した後に露光を開始する動作が複数行同時に制御される。

図１３のように、低感度画素および高感度画素それぞれで、全行同時に蓄積電荷の掃出および露光の開始をしている。これにより、露光期間の開始タイミングを複数行で一致させることができる。図１３ではメカニカル・シャッタを用いて露光期間の終了タイミングを一致させた例である。露光期間の終了は蓄積電荷の電気的な転送および保持によって実行することもできる。

第１１実施例の固体撮像装置のように、複数行同時に、蓄積された電子を掃出したのちに露光を開始する動作を実行することで、露光終了タイミングあるいは読み出しタイミングが同一の複数行が存在しても、任意の露光時間を設定することができる。これにより、グローバルシャッタ動作においても、低感度画素である第１画素３１と高感度画素である第２画素４１の露光時間を独立に設定することができる。

次に、請求項１５に係る本発明の一実施の形態（第１２実施例）を、前記図１１および前記図１３によって説明する。以下の説明では、前記説明で用いた各構成部品と同様なものには、同一符号を付与して説明する。

第１２実施例の固体撮像装置は、上記第８実施例乃至第１１実施例等で説明した固体撮像装置において、第１画素３１よりも遅いタイミングで、第２画素４１の蓄積された電子を掃き出した後、露光を開始する動作が実行される。

図１１および図１３に示すように、高感度画素の電荷掃出動作を、低感度画素の電荷掃出動作よりも遅いタイミング（但し、露光期間の終了タイミングは一致）で実行することで、高感度画素の露光時間を短くすることができる。

第１２実施例の固体撮像装置によれば、第１画素３１よりも短い露光時間を第２画素４１に設定することで、低感度画素である第１画素３１で十分な信号電荷を取得しつつ、高感度画素である第２画素４１の飽和を防ぐ効果が得られる。

次に、請求項１に係る本発明の一実施の形態（第１３実施例）を、図１４および図１５によって説明する。以下の説明では、前記説明で用いた各構成部品と同様なものには、同一符号を付与して説明する。図１４は、高感度画素の第２画素４１を低感度画素の第１画素３１よりも高いフレームレートで動作させた場合のタイミング例を示す図面で、縦軸に画素の行番号を示し、横軸に時間を示したものであり、図１５は、高速な複数のフレームの合成による広ダイナミックレンジ化の一例を示したもので、縦軸に蓄積電荷量（信号レベル）を示し、横軸に入射光強度を示す。

第１３実施例の固体撮像装置は、上記第１実施例乃至第１２実施例等で説明した固体撮像装置において、高感度画素である第２画素４１の読み出しレートが低感度画素である第１画素３１の読み出しレートよりも速いものである。言い換えれば、第１画素３１の信号値の読み出しは１回で、第２画素４１の信号値のみを高速に複数回読み出して加算する。

図１４に示すように、この実施例では、第１画素３１の４倍のフレームレートで第２画素４１を駆動している。第１画素３１の１フレーム期間で読み出された第２画素４１の各フレームを加算した場合、すなわち図１４に示す第２画素４１のフレームＦＨ１からＦＨ４の４フレームを加算すると、入射光強度に対する信号レベルは図１５に示すようになる。

図１５中の低感度画素である第１画素を示す線Ｌ１は、第１画素３１の入射光強度に対する信号レベルの関係を示すもので、入射光強度に比例して信号レベルが増加することがわかる。そして飽和レベルＱｓに達したところで信号レベルは飽和し、それ以上の入射光強度は扱えない。

一方、図１５中の高感度画素である第２画素４１を示す線Ｌ２−ａは、第２画素４１の入射光強度に対する信号レベルの関係を示すもので、１フレーム当たりの飽和レベルがＱｓであるので、Ｎフレーム加算した場合、ＮＱｓまでの信号を扱えることがわかる。また、電荷掃き出しのタイミングを遅らせて各フレームの露光時間を短縮することで、図１５中の高感度画素である第２画素４１に示す線Ｌ２−ｂのように、等価的に感度を下げて（露光期間中の入射光量を下げて）、扱える入射光強度を増加させることができる。露光時間Ｔａに対して、露光時間をＴｂとすると、傾きはＴｂ／Ｔａとなる。

第１３実施例の固体撮像装置によれば、高感度画素である第２画素４１の露光時間が短くなることで、低感度画素である第１画素３１で十分な信号電荷を取得しつつ、第２画素４１の飽和を防ぐ効果が得られる。さらに、高速に取得した第２画素４１の複数のフレームを加算することで、ランダムノイズが平均化され低減される効果が得られ、高いＳ／Ｎ比が得られる。また、第１画素の露光期間内に、第２画素４１の複数フレームの露光期間が一致する（第１画素３１と第２画素４１の露光期間のズレがない）ため、動く被写体を撮影した場合の第１画素３１と第２画素４１の露光時間のズレおよび不整合が低減する効果が得られる。

次に、請求項１に係る本発明の一実施の形態（第１４実施例）を、図１６によって説明する。以下の説明では、前記説明で用いた各構成部品と同様なものには、同一符号を付与して説明する。図１６は、低感度画素の第１画素３１の読み出し走査が高感度画素の第２画素４１の複数フレームをまたぐ動作例を示す図面で、縦軸に画素の行番号を示し、横軸に時間を示したものである。

第１４実施例の固体撮像装置は、上記第１３実施例で説明した固体撮像装置において、低感度画素である第１画素３１の垂直方向走査期間が高感度画素である第２画素４１の複数の垂直方向走査期間をまたいで設定されているものである。

図１６に示すように、低感度画素である第１画素３１の垂直方向走査期間が、高感度画素である第２画素４１の複数の垂直方向走査期間をまたぐ動作を示すものである。この動作例では、前記図１４と同様に第１画素３１の４倍のフレームレートで第２画素４１を駆動している。図１６のような動作により、フレームレートは前記図１４の駆動と同じであるが、第１画素３１の読み出し期間Ｔreadが長くなっているため、１行を読み出すＴread／ｍの時間を長くすることができる。

ここでＴreadは１フレームの読み出し期間である。１フレームでｍ行アクセスする場合、Ｔread／ｍで１行を読み出す必要がある。また、Ｎフレームを加算することで、信号レベルＱsigはＮ・Ｑsigとなる一方で、ランダムノイズの２乗平均Ｑnoiseは、√（Ｎ・Ｑnoise＾２）となる。Ｓ／Ｎ比がＮ／√（Ｎ）倍となり、ランダムノイズ低減の効果がある。

第１４実施例の固体撮像装置によれば、低感度画素である第１画素３１の１行当たりの読み出し期間が高感度画素である第２画素４１よりも長くなるため、ＡＤ変換や信号処理の時間を長く確保できる効果が得られる。これにより、（第２画素４１に比較して）Ｓ／Ｎの悪い低感度画素に対して、高い精度のＡＤ変換や複雑な信号処理を適用でき、高画質化に貢献する。

次に、請求項２に係る本発明の一実施の形態（第１５実施例）を、図１７及び図１８によって説明する。以下の説明では、前記説明で用いた各構成部品と同様なものには、同一符号を付与して説明する。図１７は、複数の露光時間を適用した例を示す図面で、縦軸に画素の行番号を示し、横軸に時間を示したものであり、図１８は、複数の露光時間を用いた場合の合成画像の特性を示す図面で、縦軸に蓄積電荷量（信号レベル）を示し、横軸に入射光強度を示したものである。

第１５実施例の固体撮像装置は、上記第１４実施例で説明した固体撮像装置において、複数の高感度画素である第２画素４１の垂直方向走査期間に２つ以上の露光時間が設定されているものである。

図１７に示すように、高感度画素である第２画素４１の複数のフレームに異なる露光時間を設定する。フレームＦＨ１〜ＦＨ４の露光時間をそれぞれＴＨ１〜ＴＨ４とすると、露光時間を短縮することで露光期間中の入射光量を減らし、扱える入射光強度を上げることができる。すなわち、入射光強度に対する蓄積電荷量の傾きを小さくすることができる。

露光時間が例えばＴＨ１＞ＴＨ２＞ＴＨ３＞ＴＨ４であった場合、フレームＦＨ１〜ＦＨ４の入射光強度と蓄積電荷量の関係は図１８に示すようになる。扱える入射光強度はＦＨ４が最も大きいが、感度はＦＨ１が最も大きい。ＦＨ１からＦＨ４の信号を合成すると、図１８の破線で示すようになり、入射光強度の小さい領域は高い感度で、入射光強度の大きい領域は入射光量を減らして飽和を防ぐ動作とすることができる。

第１５実施例の固体撮像装置によれば、高感度画素である第２画素４１の複数のフレームに対して、２つ以上の露光時間を適用することで、感度と飽和量の関係が異なる画像を複数得ることができる。露光時間の長短によって感度と飽和量のトレードオフがあるため、感度優先や飽和量優先の２つ以上の画像の合成によって高感度と広ダイナミックレンジの両立が可能となる。

次に、請求項３に係る本発明の一実施の形態（第１６実施例）を、図１９及び図２０によって説明する。以下の説明では、前記説明で用いた各構成部品と同様なものには、同一符号を付与して説明する。図１９は、複数の露光時間を交互に適用した例を示す図面で、縦軸に画素の行番号を示し、横軸に時間を示したものであり、図２０は、複数の露光時間を用いた場合の合成画像の特性を示す図面で、縦軸に蓄積電荷量（信号レベル）を示し、横軸に入射光強度を示した図面と、露光期間における合成画像のタイミングチャートである。

第１６実施例の固体撮像装置は、前記第１５実施例で説明した固体撮像装置において、複数の高感度画素である第２画素４１の垂直方向走査期間に対して２つ以上の露光時間が交互に設定されているものである。

前述した複数の露光時間を各フレームに設定する動作では、入射強度によって撮影しているタイミングがまったく異なるため、動いている被写体の明るさによっては露光時間のズレが合成画像に表れる。そこで図１９に示すように、２つ以上の露光時間を高感度画素である第２画素４１の複数のフレームに対して交互に用いる。ここでは、フレームＦＨ１の露光時間ＴＨ１と、フレームＦＨ２の露光時間ＴＨ２を、フレームＦＨ３とＦＨ４にそれぞれ設定した例である。

図２０に示すように、ＦＨ１とＦＨ３、ＦＨ２とＦＨ４がそれぞれ同じ入射光強度の被写体を扱える。各露光時間を交互に適用しているため、ＦＨ１とＦＨ３の合成１と、ＦＨ２とＦＨ４の合成２の画像が時間的に重なるため、合成画像における露光時間の不整合を低減することができる。

第１６実施例の固体撮像装置によれば、感度の異なる複数のフレームが異なるタイミングで得られるため、被写体の明るさによって画像を取得するタイミングが異なる。このため、動く被写体に対して、それぞれの露光時間で得られた画像に露光時間のズレが発生する露光期間の異なるフレームを交互に取得することで、動く被写体に対する露光時間のズレを低減する効果が得られる。したがって、ＦＨ１からＦＨ４のフレームを加算した場合、ＦＨ１の画像と比べて、行によっては撮像のタイミングが著しく異なり、動いている被写体に対して第１画素３１と第２画素４１で画像にずれが発生するという前記第１４実施例の固体撮像装置の問題が解決される。

次に、請求項１に係る本発明の一実施の形態（第１７実施例）を、図２１、図２２乃至図２４によって説明する。以下の説明では、前記説明で用いた各構成部品と同様なものには、同一符号を付与して説明する。図２１、図２２乃至図２４は、合成に用いるフレームの選択方法の一例を示す図面で、縦軸に高感度な第２画素と低感度な第１画素の行番号を示し、横軸に時間を示したものである。

第１７実施例の固体撮像装置は、前記第１４実施例乃至第１６実施例で説明した固体撮像装置において、第２画素４１の複数フレームにおける出力が合成されていて、合成される際に組み合わせる複数フレームが行ごとに第１画素３１の露光期間の少なくとも一部を含むフレームの中から選択されているものである。

図２１は、高感度画素である第２画素４１の複数フレームにおける出力を合成する際に、組み合わせる複数フレームを行ごとに選択する場合について、フレームの選び方を示している。第２画素４１の各行において、第１画素３１の露光期間に含まれるフレーム（図２１の斜線部）を選択して合成する。行の範囲ＡＨ１からＡＨ４は第１画素３１の読み出しのタイミングと、第２画素４１の読み出しのタイミングが交わる行で区分している。例えば、ＡＨ１の範囲内の行に関しては、フレームＦＨ１〜ＦＨ４を用いて合成し、ＡＨ２の行に対してはフレームＦＨ２〜ＦＨ５を用いる。これにより、露光時間の不整合を低減することができる。

また、図２２に示すように、選択するフレームを切り替える行を、ＡＨ１〜ＡＨ４のそれぞれの中心行（斜線で示す領域）とすると、低感度画素である第１画素３１の露光期間に対して高感度画素である第２画素４１の合成画像の露光期間がより近くなり、露光時間の不整合を低減することができる。

さらに、図２３に示すように、高感度画素の第２画素４１の合成に用いるフレームが、低感度画素の第１画素３１の露光期間を完全に含むような選択をすることで、露光時間の不整合を低減することができる。ただし、低感度画素の露光期間の境界で用いた第２画素４１のフレームは、前後の合成画像でも用いる場合がある。

選択するフレーム数は、低感度露光期間の長さによって決める。図２２の動作例において第１画素３１の露光時間を短くした場合、図２４に示したように、第１画素３１の露光期間に追従して用いるフレーム数を変えることで、露光時間の不整合を低減する。

第１７実施例の固体撮像装置によれば、低感度画素である第１画素３１の垂直方向走査期間が、高感度画素である第２画素４１の複数の垂直方向期間をまたいだ場合、露光時間の不整合が発生する。そこで、第２画素４１の複数のフレームの中から、合成に用いるフレームを行ごとに選択することで露光時間の不整合を低減する効果が得られる。

次に、請求項４に係る本発明の一実施の形態（第１８実施例）を、前記図２１、および図２５によって説明する。以下の説明では、前記説明で用いた各構成部品と同様なものには、同一符号を付与して説明する。図２５は、合成に用いるフレームの選択方法と重み付けの一例を示す図面で、縦軸に高感度な第２画素と低感度な第１画素の行番号を示し、横軸に時間を示したものである。

第１８実施例の固体撮像装置は、前記第１７実施例で説明した固体撮像装置において、複数の第２画素のそれぞれのフレームにおける出力に対して、行ごとに異なる重み係数を乗じた後、その出力が加算されるものである。

すなわち、図２１に示すように、高感度画素である第２画素４１のそれぞれのフレームにおける出力に行ごとに異なる重み係数を乗じた後、加算することで、露光時間の不整合の非連続性を低減することができる。例えば、前記第１７実施例で説明したように、選択するフレームを切り替える方法では、フレームの選択を切り替えた行、例えば前記図２１のＡＨ１とＡＨ２の境界において、露光時間の不整合の大きさに非連続性があるが、この非連続性が低減される。

図２５に示すように、低感度画素の第１画素３１の露光期間の前後を含めた高感度画素の第２画素４１の複数フレーム（斜線で示す領域）を行ごとに選択する。ある行ｉに注目すると、複数の第２画素４１のフレームＦＨ１〜ＦＨ５の露光期間内に、第１画素３１の露光期間Ｔｌが収まる。第１画素３１の露光期間の境界である、第２画素４１のフレームＦＨ１およびＦＨ５の露光期間のうち、それぞれＴａおよびＴｂだけ第１画素３１の露光期間と重なっているとする。このとき、第１画素３１の露光期間に完全に含まれているフレームＦＨ２〜ＦＨ４の重みを、Ｗ２〜Ｗ４とすると、フレームＦＨ１〜ＦＨ５の重みとして、Ｗ１：Ｗ２：Ｗ３：Ｗ４：Ｗ５＝Ｔａ：Ｔｈ：Ｔｈ：Ｔｈ：ＴｂをフレームＦＨ１〜ＦＨ５で得られた信号レベルに乗じて加算し、画像を合成する。境界のフレームにかかる重みは行ごとに連続的に変化するので、露光時間の不整合とその非連続性が低減される。

第１８実施例の固体撮像装置によれば、画像の合成の際に、行ごとに異なる重み係数をフレームに乗じて加算することで、前記第１７実施例の固体撮像装置で問題となる合成に用いるフレームの選択を切り替える行で、露光期間の不整合（非連続性）が解消される効果が得られる。

請求項１に係る本発明の一実施の形態（第１実施例）を示したレイアウト図である。 第１実施例の画素配列を有するＭＯＳ型イメージセンサの一例を示したシステム構成図 請求項５に係る本発明の一実施の形態（第２実施例）を示したシステム構成図である 請求項６に係る本発明の一実施の形態（第３実施例）を示したレイアウト図である。 第３実施例の画素配列を有するＭＯＳ型イメージセンサの一例を示したシステム構成図である。 請求項７に係る本発明の一実施の形態（第４実施例）を示したレイアウト図である。 請求項８に係る本発明の一実施の形態（第５実施例）を示した概略構成断面図である。 請求項９に係る本発明の一実施の形態（第６実施例）を示した概略構成断面である。 請求項１０に係る本発明の一実施の形態（第７実施例）を示したレイアウト図である。 請求項１１に係る本発明の一実施の形態（第８実施例）を示した蓄積電荷量（信号レベル）と露光時間の関係図である。 請求項１２に係る本発明の一実施の形態（第９実施例）を示したタイミングチャートである。 請求項１３に係る本発明の一実施の形態（第１０実施例）を示した画素回路の一構成例およびタイミングチャートである。 請求項１４に係る本発明の一実施の形態（第１１実施例）を示したタイミングチャートである。 請求項１に係る本発明の一実施の形態（第１３実施例）を示したタイミングチャートである。 請求項１に係る本発明の一実施の形態（第１３実施例）を示した蓄積電荷量（信号レベル）と入射光強度の関係図である。 請求項１に係る本発明の一実施の形態（第１４実施例）を示したタイミングチャートである。 請求項２に係る本発明の一実施の形態（第１５実施例）を示したタイミングチャートである。 請求項２に係る本発明の一実施の形態（第１５実施例）蓄積電荷量（信号レベル）と入射光強度の関係図である。 請求項３に係る本発明の一実施の形態（第１６実施例）を示したタイミングチャートである。 請求項３に係る本発明の一実施の形態（第１６実施例）蓄積電荷量（信号レベル）と入射光強度の関係図および露光期間における合成画像のタイミングチャートである。 請求項１に係る本発明の一実施の形態（第１７実施例）を示したタイミングチャートである。 請求項１に係る本発明の一実施の形態（第１７実施例）を示したタイミングチャートである。 請求項１に係る本発明の一実施の形態（第１７実施例）を示したタイミングチャートである。 請求項１に係る本発明の一実施の形態（第１７実施例）を示したタイミングチャートである。 請求項４に係る本発明の一実施の形態（第１８実施例）を示したタイミングチャートである。

符号の説明

１…固体撮像装置、３１…第１画素、３２…第１制御信号線、４１…第２画素、４２…第２制御信号線

Claims (15)

1. 複数の第１画素と、
   前記第１画素よりも感度の高い複数の第２画素とが垂直方向及び水平方向に２次元配置された固体撮像装置において、
   前記第１画素を制御する第１制御信号線と、
   前記第２画素を制御する第２制御信号線とを有し、
   前記第１制御信号線と前記第２制御信号線とが独立に駆動され、
   前記第２画素の読み出しレートが前記第１画素の読み出しレートよりも速く、
   前記第１画素の垂直方向走査期間が前記第２画素の複数の垂直方向走査期間をまたいで設定されており、
   前記第２画素の複数フレームにおける出力が合成されるものであり、
   前記合成される際に組み合わせる複数フレームが、水平方向の行ごとに第１画素の露光期間の少なくとも一部を含むフレームの中から選択される
   固体撮像装置。
2. 前記複数の第２画素の垂直方向走査期間内に２つ以上の露光時間が設定されている
   請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記複数の第２画素の垂直方向走査に対して２つ以上の露光時間が交互に設定されている
   請求項２記載の固体撮像装置。
4. 前記複数の第２画素のそれぞれのフレームにおける出力に対して、行ごとに異なる重み係数を乗じた後、前記出力が加算される
   請求項１記載の固体撮像装置。
5. 前記第１画素の出力信号線と前記第２画素の出力信号線とが独立に配線されている
   請求項１記載の固体撮像装置。
6. 前記複数の第１画素が２次元配列されているとともに前記複数の第２画素が２次元配列されていて、
   前記第１画素の２次元配列と前記第２画素の２次元配列とが、前記２次元配列面をｘｙ座標平面としてｘ方向およびｙ方向に画素の半分のピッチをずらして配列されている
   請求項１記載の固体撮像装置。
7. 前記第１画素と前記第２画素とが市松配列されている
   請求項１記載の固体撮像装置。
8. 前記第１画素上に形成された第１光学フィルタと、
   前記第１光学フィルタと異なる分光特性を有するもので前記第２画素上に形成された第２光学フィルタと
   を備えた請求項１記載の固体撮像装置。
9. 前記複数の第２画素は、画素上に光学フィルタを有する画素と画素上に光学フィルタを有しない画素とからなる
   請求項１記載の固体撮像装置。
10. 前記第１光学フィルタは光の３原色及び光の３原色の補色のいずれかの色のフィルタからなる
    請求項８記載の固体撮像装置。
11. 前記第１画素および前記第２画素に対してそれぞれ独立に露光期間が制御される
    請求項１記載の固体撮像装置。
12. 水平方向に配列された前記第１画素および前記第２画素をそれぞれ行単位として、その単位行の画素に蓄積された電子が掃き出された後、露光が開始される
    請求項１記載の固体撮像装置。
13. 第１画素の配列と第２画素の配列のそれぞれにおいて、蓄積された電子が掃き出された後、露光が開始される動作が独立したタイミングで制御される
    請求項１記載の固体撮像装置。
14. 水平方向に配列された前記第１画素および前記第２画素をそれぞれ行単位として、その単位行の画素に蓄積された電子が掃き出された後、露光を開始する動作が複数行同時に制御される
    請求項１記載の固体撮像装置。
15. 前記第１画素よりも遅いタイミングで、前記第２画素の蓄積された電子を掃き出した後、露光を開始する動作が実行される
    請求項１記載の固体撮像装置。

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