JP4715851B2 - 固体撮像装置及びこの固体撮像装置を備える撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、入射光量に応じた電気信号を出力する感光素子を有する固体撮像装置及びこの固体撮像装置を備える撮像装置に関する。

固体撮像装置は、小型、軽量で低消費電力であるのみならず、画像歪や焼き付きが無く、振動や磁界などの環境条件に強い。又、ＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit）と共通の工程又は類似の工程で製造できるので、信頼性が高く、量産にも適している。このため、ライン状に画素が配された固体撮像装置がファクシミリやフラットベッドスキャナに、マトリクス状に画素が配された固体撮像装置がビデオカメラやデジタルカメラなどに幅広く使用されている。ところで、このような固体撮像装置は光電変換素子で発生した光電荷を読み出す（取り出す）手段によってＣＣＤ型とＭＯＳ型に大きく分けられる。ＣＣＤ型は光電荷をポテンシャルの井戸に蓄積しつつ、転送するようになっており、ダイナミックレンジが狭いという欠点がある。一方、ＭＯＳ型はフォトダイオードのｐｎ接合容量に蓄積した電荷をＭＯＳトランジスタを通して読み出すようになっている。

このようなＭＯＳ型固体撮像装置のダイナミックレンジを広くするために、本出願人は、入射した光量に応じた光電流を発生しうる感光手段と、光電流を入力するＭＯＳトランジスタと、このＭＯＳトランジスタをサブスレッショルド電流が流れうる状態にバイアスするバイアス手段とを備え、光電流を対数変換するようにした固体撮像装置を提案した（特許文献１参照）。このような固体撮像装置は、広いダイナミックレンジを有しているものの、画素毎に設けられたＭＯＳトランジスタの閾値特性が異なることがあり、画素毎に感度が異なる場合がある。よって、予め輝度が一様な明るい光（一様光）を照射することによって得られた出力を、被写体の撮像時の各画素の出力を補正する補正データとして保持するなどの対策が必要がある。

しかしながら、操作者が外部光源を用いて各画素を照射するのは煩雑であったり、又、うまく一様に露光できないなどの問題がある。又、一様光の照射機構を撮像装置に設けると撮像装置の構成が複雑になるという問題があった。そこで、本出願人は、予め一様光を照射することなく各画素の感度バラツキをうち消すことができる固体撮像装置の提案を行った（特許文献２参照）。

このように構成された固体撮像装置によると、光電変換動作を行うフォトダイオードとサブスレッショルド領域で動作を行うＭＯＳトランジスタとの間にスイッチが設置され、リセット時において、このスイッチによりフォトダイオードとＭＯＳトランジスタとの電気的な接続を切断して信号を出力する。このリセット時に出力される信号を各画素の感度バラツキを表す補正データとして用いることで、各画素の感度バラツキを打ち消すことができる。しかしながら、このように動作させたとき、リセット終了後にスイッチを接続したとき、フォトダイオードとＭＯＳトランジスタとの接続部分において電荷が残留した状態となり、結果的に、この残留した電荷を伴って撮像動作を行うため、残像現象が生じてしまう。

そこで更に、本出願人は、この残像現象の発生を抑制するために、ＭＯＳトランジスタとフォトダイオードとを接続してリセット動作を終了した後に、再びＭＯＳトランジスタを通じてフォトダイオードとＭＯＳトランジスタとの接続ノードに残留した電荷をリセットする固体撮像装置の提案を行った（特許文献３参照）。

この固体撮像装置に設けられた画素の構成を図１７に示す。図１７の画素は、ｐｎフォトダイオードＰＤが感光部（光電変換部）を形成している。そのフォトダイオードＰＤのカソードはＭＯＳトランジスタＴ１のドレインに接続され、このＭＯＳトランジスタＴ１のソースは、ＭＯＳトランジスタＴ２のドレインとゲート及びＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに接続されている。ＭＯＳトランジスタＴ３のソースは行選択用のＭＯＳトランジスタＴ４のドレインに接続されている。ＭＯＳトランジスタＴ４のソースは出力信号線１６へ接続されている。尚、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ４は、それぞれ、ＰチャネルのＭＯＳトランジスタである。

又、フォトダイオードＰＤのアノード及びＭＯＳトランジスタＴ３のドレインには直流電圧ＶPDが印加されるようになっている。一方、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースには、信号φＶPSが入力される。そして、信号φＶPSを３値の電圧値ＶＨ，ＶＭ，ＶＬ（ＶＬ＜ＶＭ＜ＶＨ）で変化させる。又、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲートに信号φＳが入力され、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲートには信号φＶが入力される。

このような構成の画素に対して、各信号が図１８（ａ）に示すタイミングチャートに従って与えられる。即ち、信号φＳをローレベルにしてＭＯＳトランジスタＴ１をＯＮとするとともに、信号φＶPSの電圧をＶＬにして、撮像動作を開始する。このように信号φＶPSの電圧をＶＬとすることで、そのゲート電圧が所定値となったところからＭＯＳトランジスタＴ２がサブスレッショルド領域で動作するため、被写体の輝度値が所定値までは線形変換された電気信号が出力され、又、被写体の輝度値が所定値以上となると対数変換された電気信号が出力される。そして、時刻ｔａ１となったとき、ローレベルとなるパルス信号φＶを与えてＭＯＳトランジスタＴ４をＯＮすることにより、撮像時の信号が画像データとして出力信号線に出力される。

そして、パルス信号φＶをハイレベルとした後、時刻ｔａ２において、信号φＳをハイレベルにしてＭＯＳトランジスタＴ１をＯＦＦとして撮像動作を停止するとともに、時刻ｔａ３において、信号φＶPSの電圧をＶＨにしてＭＯＳトランジスタＴ２に与えるバイアス電圧を撮像時より高くすることによりリセットを開始する。よって、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇは、図１８（ｂ）のように、時刻ｔａ２まで被写体の輝度に応じて低下する。即ち、被写体の輝度が高いほどゲート電圧Ｖｇの値が低くなる。そして、時刻ｔａ３においてリセットが開始されるため、ゲート電圧Ｖｇの値が高くなるように変化を始める。

その後、時刻ｔａ４において、ローレベルのパルス信号φＶを与えることで、ＭＯＳトランジスタＴ２の閾値電圧を反映した信号が出力信号線に出力される。この信号は各画素間の感度バラツキを表しており、感度バラツキを補正するための補正データとして用いられる。そして、時刻ｔａ５において、信号φＶPSをＶＬとするとともに信号φＶをハイレベルとした後、時刻ｔａ６において、信号φＳをローレベルにしてＭＯＳトランジスタＴ１をＯＮとする。よって、時刻ｔａ６において、フォトダイオードＰＤとＭＯＳトランジスタＴ２とが電気的に接続されるため、フォトダイオードＰＤに残留された電荷によって、図１８（ｂ）のように、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇが低下し、残像が現れた状態となる。

その後、時刻ｔａ７において、信号φＶPSを一時的にＶＭとすることで、フォトダイオードＰＤとＭＯＳトランジスタＴ２とがＭＯＳトランジスタＴ１を介して接続された状態で、ＭＯＳトランジスタＴ２を一時的に導通させる。このようにすることで、フォトダイオードＰＤのカソードとＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレインとの接続部分に蓄積された残像の原因となる電荷が放電され、図１８（ｂ）のように、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇが高くなる。そして、時刻ｔａ８において、信号φＶPSをＶＬとして撮像動作を開始する。
特開平３−１９２７６４号公報 特開２００１−０９４８７８号公報 特開２００３−１６３８４１号公報

上述のように、図１７の構成の画素を図１８（ａ）のように動作させることで、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇが図１８（ｂ）のように変化するが、時刻ｔａ３において信号φＶPSの電圧をＶＨにしてＭＯＳトランジスタＴ２のリセット動作を開始するとき、被写体の輝度値に応じてＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇが異なる。被写体の輝度値に応じてリセット開始時（時刻ｔａ３）のゲート電圧Ｖｇにバラツキが生じることに起因して、時刻ｔａ６〜ｔａ８それぞれにおけるゲート電圧Ｖｇの電圧値もばらついてしまう。そのため、撮像した被写体の輝度値が異なる各画素において、撮像動作開始直前（時刻ｔａ８）の電圧にバラツキが生じてしまう。

又、図１の構成の画素を備えた固体撮像装置におけるそのセンサ面照度（輝度値）Ｘと出力Ｙとの関係の典型例を、図１９に示す。尚、図１９は、固体撮像装置の出力Ｙが入射光量に対して線形的に変化する低輝度領域を拡大して示したものであり、横軸であるセンサ面照度はリニアスケールで表している。図１９において、固体撮像装置の出力Ｙは、補正データによる感度バラツキの補正を施された後の値となる。又、図１９において、実線が、出力Ｙがセンサ面照度（輝度値）Ｘに対して比例した値となる理想の光電変換特性（Ｙ＝Ｘ^1.0の関係となる光電変換特性）を示し、又、破線が、実測値となる出力Ｙによる光電変換特性を示す。

図１９の破線で示される実際の光電変換特性が、Ｙ＝Ｘ^0.65によって表される曲線に近い特性となり、固体撮像装置が線形変換動作を行う範囲において、センサ面照度（輝度値）が高くなるにつれて、出力Ｙの実測値が理想値よりも低くなり、固体撮像装置において損失が発生していることがわかる。これは、線形変換された値が出力される低輝度領域において、撮像動作開始直前（時刻ｔａ８）でのＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇが、ＭＯＳトランジスタＴ１をＯＦＦとしたときのリセット終了時（時刻ｔａ６）でのＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇよりも高くなることが原因であるものと考えられる。

即ち、残像改善を行うために信号φＶPSの電圧をＶＭとする際、この電圧値ＶＭが輝度値に依らず一定であるとともに電圧値ＶＭとする期間が一定であるため、撮像される被写体の輝度値によっては、信号φＶPSの電圧をＶＭとしたときの変化が大きくなり、上述のような損失が発生するものと考えられる。

このような問題を鑑みて、本発明は、リセット時に光電変換部に与えるバイアス電圧を変化させることでリセット後の光電変換部における動作状態を入射光量にかかわらず一定の状態とすることの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、本発明は、入射した光量に応じた電気信号を発生する感光素子と、当該感光素子と接続するとともに当該感光素子からの光電荷に応じた電気信号を生成し且つリセット動作を行う第１トランジスタと、前記第１トランジスタからの電気信号を出力する出力部と、を備える画素を有する固体撮像装置において、前記画素が、前記感光素子に直流電圧を供給する第１信号線と異なる第２信号線から、前記電気信号による画像データとして変換可能な最高輝度値よりも高い輝度値の光が前記感光素子に入射された場合に前記感光素子で発生する前記残留電荷に基づく第１電圧値を、前記感光素子と前記第１トランジスタとの接続部分に与えるリセット初期電圧供給部を備え、前記画素がリセット動作を行うとき、前記第１トランジスタの動作状態をリセットした後、前記感光素子と前記第１トランジスタとを接続して前記感光素子における残留電荷をリセットするとともに、前記感光素子における残留電荷をリセットする直前に、前記リセット初期電圧供給部が前記第１電圧値を前記感光素子と前記第１トランジスタとの接続部分に与えることを特徴とする。

また、前記画素が、前記感光素子と前記第１トランジスタとの電気的な接離を行うスイッチを備え、前記画素が撮像動作を行うとき、前記スイッチをＯＮとして前記感光素子と前記第１トランジスタとを接続するとともに、前記画素がリセット動作を行うとき、前記スイッチをＯＦＦとして前記感光素子と前記第１トランジスタとの接続を切断して前記第１トランジスタの動作状態をリセットした後、前記スイッチをＯＮとして前記感光素子と前記第１トランジスタとを接続し、前記リセット初期電圧供給部によって前記第１電圧を前記感光素子と前記第１トランジスタとの接続部分に供給した後に、前記感光素子における残留電荷をリセットすることを特徴とする。

また、前記第１トランジスタが、前記感光素子と接続する第１電極と、該第１電極と接続されるとともに前記電気信号を出力する制御電極と、３値の電圧信号が入力される第２電極と、を備え、前記画素が撮像動作を行うとき、前記第１トランジスタの第２電極に与える前記電圧信号の電圧値を、撮像可能な輝度範囲の高輝度側の少なくとも一部において前記第１トランジスタがサブスレッショルド領域で動作を行う第３電圧値とし、前記第１トランジスタの動作状態をリセットするとき、前記第１トランジスタの第２電極に与える前記電圧信号の電圧値を、前記第１トランジスタを導通状態とする第４電圧値とし、前記感光素子における残留電荷をリセットするとき、前記第１トランジスタの第２電極に与える前記電圧信号の電圧値を、前記第３及び第４電圧値の間の電圧値となる第５電圧値とすることを特徴とする。

また、前記リセット初期電圧供給部が、前記第２信号線と接続される第１電極と、前記感光素子と前記第１トランジスタとの接続部分に接続される第２電極と、ＯＮ／ＯＦＦ制御が成される制御信号入力される制御電極と、を備え、前記制御電極に制御信号が与えられてＯＮとされたときに、前記第２信号線からの電圧値を前記感光素子と前記第１トランジスタとの接続部分に与える第２トランジスタであることを特徴とする。

また、本発明は、撮像動作時に得られる電気信号を画像データとして出力するとともにリセット後に得られる電気信号を補正データとして出力する固体撮像装置と、該固体撮像装置からの前記画像データと前記補正データとを減算して得られた画像信号を出力する減算器と、を備える撮像装置において、前記固体撮像装置が、上記いずれかの固体撮像装置であることを特徴とする撮像装置。

また、本発明は、撮像動作時に得られる電気信号を画像データとして出力するとともにリセット後に得られる電気信号を補正データとして出力する固体撮像装置と、該固体撮像装置からの前記画像データと前記補正データとを減算して得られた画像信号を出力する減算器と、前記減算器からの画像信号を信号処理する信号処理部と、を備える撮像装置において、前記固体撮像装置が、上記いずれかの固体撮像装置であり、前記固体撮像装置から出力される前記補正データの値を基準値と比較する比較器と、前記比較器における比較結果に応じて、前記減算器からの前記画像信号を信号処理して出力するか否かを判定する判定部と、を備えることを特徴とする。

また、前記判定部において、前記比較器における比較結果により、前記補正データの値が輝度値に対して大きく変化する輝度範囲における値であることが確認されたとき、
前記減算器からの画像信号ではなく、最高輝度値に応じた値に設定された画像信号を信号処理して出力することを特徴とする。

また、前記補正データを予め格納したメモリを備えるとともに、前記判定部において、前記比較器における比較結果により、前記補正データの値が輝度値に対して大きく変化する輝度範囲における値であることが確認されたとき、前記減算器からの画像信号ではなく、前記固体撮像装置から出力された前記画像データと前記メモリに格納された前記補正データとを減算することで得られた画像信号を信号処理して出力することを特徴とする。

また、前記メモリに格納される前記補正データが、前記比較器における比較結果により前記補正データの値が輝度値に対してほぼ一定となる輝度範囲における値となるときの補正データであることを特徴とする。

本発明によると、残留電荷の放電時の光電変換部におけるバイアス電圧を、固体撮像装置への入射光量に応じて設定することができるため、固体撮像装置の入射光量に応じてバラツキが生じる残留電荷に応じた値にそのバイアス電圧を設定することができる。よって、各画素の残留電荷の放電動作直後、即ち、撮像動作開始直前における各画素のポテンシャル状態が固体撮像装置への入射光量に応じてばらつくことを防ぐことができる。又、残留電荷の放電動作を行うことで、画素のポテンシャル状態を、リセット時に設定されたポテンシャル状態よりも、撮像動作時に変位する方向と逆側に変位させることを防ぐことができるため、残留電荷の放電動作後のポテンシャル状態の変位による損失を低減することができる。

＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の撮像装置の内部構成を示すブロック図である。又、図２は、図１の撮像装置に備えられる二次元のＭＯＳ型固体撮像装置の一部の構成を概略的に示すブロック図である。

本実施形態の撮像装置は、図１に示すように、被写体を撮像することで入射光量に応じた画像信号を出力する固体撮像装置１と、固体撮像装置１より出力される画像データと補正データとを減算してノイズ除去した画像信号を生成する減算器２と、減算器２からの画像信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換部３と、ＡＤ変換部３でデジタル信号に変換された画像信号に対して各種画像処理を施す画像処理部４と、固体撮像装置１における各信号の電圧値の制御を行う信号制御部５と、を備える。

このように構成される撮像装置において、固体撮像装置１は、図２に示すように、行列配置（マトリクス配置）されるとともに図１のような回路構成となる画素Ｇ11〜Ｇmnと、行（ライン）１４−１、１４−２、・・・、１４−ｎを順次走査する垂直走査回路１２と、出力信号線１６−１、１６−２、・・・、１６−ｍに導出された光電変換信号を画素毎に水平方向に順次読み出す水平走査回路１３と、画素Ｇ11〜Ｇmnに垂直走査回路１２からの信号を送出するライン１４−１〜１４−ｎと、画素Ｇ11〜Ｇmnに電源供給を行う電源ライン１５と、画素Ｇ11〜Ｇmnからの信号が与えられる出力信号線１６−１〜１６−ｍと、を備える。各画素に対し、上記ライン１４−１〜１４−ｎや出力信号線１６−１〜１６−ｍ、電源ライン１５だけでなく、他のライン（例えば、クロックラインやバイアス供給ライン等）も接続されるが、図２ではこれらについて省略する。

出力信号線１６−１、１６−２、・・・、１６−ｍごとにＰチャネルのＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２が図示の如く１組ずつ設けられている。出力信号線１６−１を例にとって説明すると、ＭＯＳトランジスタＱ１のゲートは直流電圧線１７に接続され、ドレインは出力信号線１６−１に接続され、ソースは直流電圧ＶPS'のライン１８に接続されている。一方、ＭＯＳトランジスタＱ２のドレインは出力信号線１６−１に接続され、ソースは最終的な信号線１９に接続され、ゲートは水平走査回路１３に接続されている。

画素Ｇ11〜Ｇｍｎには、後述するように、それらの画素で発生した光電荷に基づく信号を出力するＭＯＳトランジスタＴ３が設けられている。ＭＯＳトランジスタＴ３と上記ＭＯＳトランジスタＱ１との接続関係は図３（ａ）のようになる。ここで、ＭＯＳトランジスタＱ１のソースに接続される直流電圧ＶPS'と、ＭＯＳトランジスタＴ３のドレインに接続される直流電圧ＶPD'との関係はＶPD'＜ＶPS'であり、直流電圧ＶPD'は例えばグランド電圧（接地）である。この回路構成は上段のＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに信号が入力され、下段のＭＯＳトランジスタＱ１のゲートには直流電圧ＤＣが常時印加される。このため下段のＭＯＳトランジスタＱ１は抵抗又は定電流源と等価であり、図３（ａ）の回路はソースフォロワ型の増幅回路となっている。この場合、ＭＯＳトランジスタＴ３から増幅出力されるのは電流であると考えてよい。

ＭＯＳトランジスタＱ２は水平走査回路１３によって制御され、スイッチ素子として動作する。尚、後述するように各実施形態の固体撮像装置における画素内にはスイッチ用のＭＯＳトランジスタＴ４も設けられている。このＭＯＳトランジスタＴ４も含めて表わすと、図３（ａ）の回路は正確には図３（ｂ）のようになる。即ち、ＭＯＳトランジスタＴ４がＭＯＳトランジスタＱ１とＭＯＳトランジスタＴ３との間に挿入されている。ここで、ＭＯＳトランジスタＴ４は行の選択を行うものであり、ＭＯＳトランジスタＱ２は列の選択を行うものである。

図３のように構成することにより信号を増幅して出力することができる。従って、画素がダイナミックレンジ拡大のために感光素子から発生する光電流を自然対数的に変換しているような場合は、そのままでは出力信号が小さいが、本増幅回路により充分大きな信号に増幅されるため、後続の信号処理回路（図示せず）での処理が容易になる。また、増幅回路の負荷抵抗部分を構成するＭＯＳトランジスタＱ１を画素内に設けずに、列方向に配置された複数の画素が接続される出力信号線１６−１、１６−２、・・・、１６−ｍ毎に設けることにより、負荷抵抗又は定電流源の数を低減でき、半導体チップ上で増幅回路が占める面積を少なくできる。

この固体撮像装置１に設けられた画素Ｇ11〜Ｇmnそれぞれの構成について、図４の回路図を参照して説明する。尚、図４の構成の画素において、図１７の構成の画素と同一となる素子又は部分については同一の符号を付すとともに、その詳細な説明は省略する。図４の構成の画素は、図１７の構成に、ドレインがＭＯＳトランジスＴ２のドレインとゲートの接続ノードに接続されるＭＯＳトランジスタＴ５が付加された構成となる。このＭＯＳトランジスタＴ５は、そのゲートに信号φＲＳが与えられるとともに、そのソースに直流電圧ＶRSが印加される。

この図４の構成の画素の動作について、図５のタイミングチャートを参照して説明する。尚、図５（ａ）が、画素に与えられる各信号の状態の変遷を示すタイミングチャートであり、図５（ｂ）が、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇの変遷を示すタイミングチャートである。図４に示す構成の画素は、まず、信号φＳをローレベルとしてＭＯＳトランジスタＴ１をＯＮとするととともに信号φＲＳをハイレベルとしてＭＯＳトランジスタＴ５をＯＦＦとし、更に、信号φＶPSをＶＬとした状態で、撮像動作を行う。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレインとフォトダイオードＰＤのアノードとが電気的に接続されると、フォトダイオードＰＤにおいて光が入射され、その入射光量に応じた光電流が発生する。

そして、被写体の輝度が低いと、ＭＯＳトランジスタＴ２がカットオフ状態であるために、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに光電荷が蓄積され、ＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ３のゲートに入射光量に対して線形的に比例した電圧が現れる。又、被写体の輝度が高く、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに蓄積された光電荷量に応じた電圧が低くなると、ＭＯＳトランジスタＴ２がサブスレッショルド領域で動作を行うため、入射光量に対して自然対数的に比例した電圧がＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに現れる。よって、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇは、図５（ｂ）のように、入射光量に応じて低くなるように変化する。

その後、時刻ｔ１において、ローレベルのパルス信号φＶがＭＯＳトランジスタＴ４のゲートに与えられることによって、ＭＯＳトランジスタＴ４がＯＮとなり、ＭＯＳトランジスタＴ３のゲート電圧によって増幅されたドレイン電流がＭＯＳトランジスタＴ３，Ｔ４を通じて出力電流として出力信号線１６（図２の出力信号線１６−１〜１６−ｍに相当する）に流れる。この出力信号線１６に出力される出力電流は入射光量に対して線形的に又は自然対数的に比例した値となる。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ３及びＭＯＳトランジスタＱ１（図２）の導通時抵抗とそれらを流れる電流によって決まるＭＯＳトランジスタＱ１のドレイン電圧が、信号として出力信号線１６に現れて、画像データが出力される。

このように画像データが出力されると、信号φＶがハイレベルとされた後、時刻ｔ２において、信号φＲＳがローレベルとされて、ＭＯＳトランジスタＴ５がＯＮとされる。よって、ＭＯＳトランジスタＴ５を通じて、ＭＯＳトランジスタＴ５のソースに印加された直流電圧ＶRSがＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレインの接続ノードに与えられる。そして、図５（ｂ）のように、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇを強制的に直流電圧ＶRSとすることができる。

このように、画素Ｇ11〜Ｇmn全てが、撮像動作後にＭＯＳトランジスタＴ５をＯＮとすることで、画素内部のＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇを等しい電圧値とすることができる。又、このＭＯＳトランジスタＴ５のソースに印加される直流電圧ＶRSの電圧値は、撮像後のＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに現れるゲート電圧Ｖｇよりも低い値となるような電圧値（明状態における電圧値）とされる。

そして、時刻ｔ３において、信号φＲＳがハイレベルとされてＭＯＳトランジスタＴ５がＯＦＦとされると、信号φＳをハイレベルにしてＭＯＳトランジスタＴ１をＯＦＦとし、フォトダイオードＰＤのアノードとＭＯＳトランジスタＴ２のドレインとの電気的な接続を切断して、リセット動作を開始する。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ２のソース側より正の電荷が流れ込み、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレインとＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに蓄積された負の電荷が再結合される。よって、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇは、図５（ｂ）のように、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇが電圧値ＶRSから徐々に高くなる。

その後、時刻ｔ４において、信号φＶPSをＶＨにしてＭＯＳトランジスタＴ２のソース電圧を高くする。このように信号φＶPSをＶＨとすることで、ＭＯＳトランジスタＴ１のソース側から流入する正の電荷の量が増加させて、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレインとＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに蓄積された負の電荷が速やかに再結合される。そのため、時刻ｔ４において、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇの変化率が大きくなって、図５（ｂ）のように、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇが電圧値が更に高くなる。

このようにしてリセット動作が行われているとき、時刻ｔ５において、ローレベルのパルス信号φＶを与えて、ＭＯＳトランジスタＴ４をＯＮとする。よって、リセットされたＭＯＳトランジスタＴ３のゲート電圧によって増幅されたドレイン電流が、ＭＯＳトランジスタＴ３，Ｔ４を通じて出力信号線１６に出力電流として出力される。この出力信号線１６に出力される出力電流によって決まるＭＯＳトランジスタＱ１のドレイン電圧が、信号として出力信号線１６に現れる。この信号はＭＯＳトランジスタＴ２の閾値電圧を反映しており、各画素についてこの信号を得ることで画素間の感度バラツキを検出することができ、感度バラツキを補正するための補正データとして出力される。

その後、時刻ｔ６において、信号φＶPSの電圧値をＶＬとするとともに信号φＶをハイレベルとした後、時刻ｔ７において、信号φＳをローレベルとする。このようにして、ＭＯＳトランジスタＴ１をＯＮとすることで、フォトダイオードＰＤのアノードとＭＯＳトランジスタＴ２のドレイン及びゲートとを接続する。よって、このとき、図５（ｂ）のように、フォトダイオードＰＤに残留された電荷によって、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇが低下し、残像が現れた状態となる。

そして、時刻ｔ８において、信号φＶPSの電圧値をＶＭとすることによって、ＭＯＳトランジスタＴ２を一時的に導通させて、フォトダイオードＰＤ及びフォトダイオードＰＤのアノードとＭＯＳトランジスタＴ２のドレインとの間に蓄積されている残留電荷が再結合される。よって、図５（ｂ）のように、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇが高くなる。そして、時刻ｔ９において、信号φＶPSをＶＬとして次の撮像動作を開始する。この図５（ａ）のタイミングで与えられる各信号φＳ、φＶ、φＲＳ、φＶPSはそれぞれ、信号制御部５によって、その電圧値が変化される。

このように各画素Ｇ11〜Ｇmnが撮像動作を行うことで、画像データ及び補正データが各画素Ｇ11〜Ｇmnより出力される。尚、画素Ｇ11〜Ｇmnより出力された画像データ及び補正データが、固体撮像装置１より出力されるとき、その値が反転されるものとする。即ち、固体撮像装置１から出力される出力値は、輝度が高くなるにつれ大きくなる。このとき、固体撮像装置１より出力される画像データ及び補正データがそれぞれ、減算器２の非反転入力端子及び反転入力端子に与えられる。

そして、減算器２において、固体撮像装置１から与えられた画像データより、固体撮像装置１から与えられた補正データが減算されて、補正データによって画素バラツキが低減された画像データが画像信号として出力される。このとき、減算器２では、同一画素における画像データと補正データとの減算処理が行われる。この減算器２から出力される画像信号がＡＤ変換部３に与えられてデジタル信号に変換されると、このデジタル信号に変換された画像信号が画像処理部４に与えられ、オフセット電圧処理、ホワイトバランス処理、カラーバランス処理、γ補正処理、エッジ強調処理、グラデーション処理などの各種画像処理が施される。

このように、本実施形態では、映像データ出力後に、まず、画素Ｇ11〜ＧmnそれぞれのＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇを等しい電圧値にそろえた後、リセット動作を開始する。そのため、映像データ出力後（時刻ｔ１）に生じていたＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇのバラツキが、リセット開始時（時刻ｔ３）においてはなくなることとなる。よって、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇが等しい値からリセットが開始するため、リセット終了後に残像除去を行うとき（時刻ｔ７〜ｔ９）のＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇを、映像データの値にかかわらず、略一定の電圧値とすることができる。そして、撮像開始時のＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇを一定とすることができる。

＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態について、図面を参照して説明する。図６は、本実施形態の撮像装置の固体撮像装置に備えられる画素の内部構成を示す回路図である。尚、図６の構成の画素において、図４の構成の画素と同一となる素子又は部分については同一の符号を付すとともに、その詳細な説明は省略する。又、本実施形態の撮像装置及び固体撮像装置それぞれの構成については、第１の実施形態と同様、図１及び図２のような構成となる。

本実施形態における撮像装置の固体撮像装置１に備えられる画素は、図６に示すように、図４に示す画素と異なり、ＭＯＳトランジスタＴ５のソースに２値の電圧値によって切り換えられる信号φＶRSが与えられる。この信号φＶRSは、第１の実施形態における直流電圧ＶRSと同一の電圧値ＶRS1と、この電圧値ＶRS1よりも高い電圧値ＶRS2との間で切り換えられる。その他の部分については、図４の示す構成と同一の構成となる。

この図６のように構成される画素の動作について、図７のタイミングチャートを参照して説明する。尚、図７（ａ）が、画素に与えられる各信号の状態の変遷を示すタイミングチャートであり、図７（ｂ）が、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧ＶＧの変遷を示すタイミングチャートである。第１の実施形態と同様、信号φＳ、φＲＳそれぞれをローレベル、ハイレベルとするとともに信号φＶPSをＶＬとした状態で、撮像動作を行う。

そして、時刻ｔ１において信号φＶをローレベルとして画像データを出力した後に信号φＶをハイレベルとすると、時刻ｔ２において、ローレベルのパルス信号φＲＳを与えてＭＯＳトランジスタＴ５をＯＮとする。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ５のソースに与えられる信号φＶRSの電圧値をＶRS1とし、図７（ｂ）のように、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇを強制的に直流電圧ＶRS1とする。即ち、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇが、撮像後のＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに現れるゲート電圧Ｖｇよりも低い値となるような電圧値（明状態における電圧値）とされる。

その後、時刻ｔ３において信号φＲＳ、φＳをハイレベルとした後、時刻ｔ４において信号φＶPSの電圧値をＶＨとすることで、図７（ｂ）のように、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇが高くなるようにリセットすると、時刻ｔ５において、信号φＶをローレベルとして補正データを出力する。そして、時刻ｔ６において、信号φＶPSの電圧値をＶＬとするとともに信号φＶをハイレベルとした後、時刻ｔ７において、信号φＳをローレベルとする。このとき、フォトダイオードＰＤのアノードとＭＯＳトランジスタＴ２のドレイン及びゲートとが接続されて、図７（ｂ）のように、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇが低下して残像が現れた状態となる。

このようにフォトダイオードＰＤのアノードとＭＯＳトランジスタＴ２のドレイン及びゲートとを接続した後、時刻ｔ７ａにおいて、信号φＲＳをローレベルとするとともに、信号φＶRSの電圧値をＶRS2とする。よって、図７（ｂ）のように、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇが強制的に直流電圧ＶRS2となる。即ち、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇが、残像が現れた状態におけるＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇよりも低い値となるような電圧値（明状態における残像による電圧値）とされる。

そして、時刻ｔ８において、信号φＶPSの電圧値をＶＭとして、フォトダイオードＰＤ及びＭＯＳトランジスタＴ２のドレインに蓄積されている残留電荷を再結合して、図７（ｂ）のように、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇを高くする。そして、時刻ｔ９において、信号φＶPSをＶＬとして次の撮像動作を開始する。この図７（ａ）のタイミングで与えられる各信号φＳ、φＶ、φＲＳ、φＶPS、φＶRSはそれぞれ、信号制御部５によって、その電圧値が変化される。

このように、本実施形態では、映像データ出力後に、まず、画素Ｇ11〜ＧmnそれぞれのＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇを等しい電圧値にそろえた後、リセット動作を開始する。そのため、映像データ出力後（時刻ｔ２）に生じていたＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇのバラツキが、補正データ出力時（時刻ｔ５）においてはなくなることとなる。よって、映像データの値にかかわらず、補正データ出力時のＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇを一定とすることができる。

又、リセット終了後（時刻ｔ７）に残像による電圧がＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇとして現れると、画素Ｇ11〜ＧmnそれぞれのＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇを等しい電圧値にそろえた後（時刻ｔ７ａ）、残像低減動作を行う（時刻ｔ８）。そのため、リセット終了後（時刻ｔ７）に生じていた残像の値によるＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇのバラツキが、撮像動作開始時（時刻ｔ９）においてはなくなることとなる。よって、フォトダイオードＰＤのアノードとＭＯＳトランジスタＴ２のドレイン及びゲートに蓄積された電荷量にかかわらず、撮像開始時のＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇを一定とすることができる。

尚、第１及び第２の実施形態において、ＭＯＳトランジスタＴ５のドレインがＭＯＳトランジスタＴ１のソースとＭＯＳトランジスタＴ２のドレインとの接続ノードに接続されるものとしたが、図８のように、ＭＯＳトランジスタＴ５のドレインがＭＯＳトランジスタＴ１のソースとＭＯＳトランジスタＴ２のドレインとの接続ノードに接続されるものとしても構わない。尚、図８は、第１の実施形態における撮像装置に設けられた画素（図４）の構成に基づくものである。

＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態について、図面を参照して説明する。図９は、本実施形態の撮像装置の構成を示すブロック図である。図１０は、本実施形態の撮像装置の固体撮像装置に設けられる各画素の構成を示す回路図である。尚、図９及び図１０に示す構成において、図１及び図４の構成と同一の部分については同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。

本実施形態の撮像装置は、図９に示すように、図１の構成に、固体撮像装置１からの補正データが非反転入力端子に入力されるとともに反転入力端子に入力される所定の閾値Ｖrefと比較する比較器６が追加された構成となる。このとき、比較器６において、固体撮像装置１からの補正データを閾値Ｖrefと比較することで得られた比較結果が画像処理部４に与えられて、減算器２での減算処理が正常に行われたか否かが確認される。

このように動作する撮像装置において、固体撮像装置１における各画素Ｇ11〜Ｇmnの構成が、図１０のような構成となる。即ち、本実施形態の画素は、図１０に示すように、図４の構成からＭＯＳトランジスタＴ１を除去した構成であり、ＭＯＳトランジスタＴ２のドレイン及びゲートとフォトダイオードＰＤのカソードとが接続された構成となる。又、ＭＯＳトランジスタＴ５のドレインも、フォトダイオードＰＤのカソードと接続される。この図１０のように構成される画素の動作について、図１１のタイミングチャートを参照して説明する。尚、図１１（ａ）が、画素に与えられる各信号の状態の変遷を示すタイミングチャートであり、図１１（ｂ）が、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧ＶＧの変遷を示すタイミングチャートである。

図１０に示す構成の画素は、まず、信号φＲＳをハイレベルとするとともに信号φＶPSをＶＬとして、撮像動作を行う。このとき、図１１（ｂ）のように、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇが低くなり、フォトダイオードへの入射光量に応じた電圧に変遷する。そして、時刻ｔ１において信号φＶをローレベルとして画像データを出力した後に信号φＶをハイレベルとすると、時刻ｔ２において、ローレベルのパルス信号φＲＳを与えてＭＯＳトランジスタＴ５をＯＮとする。よって、図１１（ｂ）のように、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇを強制的に直流電圧ＶRSとして撮像後の電圧よりも低い値とする。

その後、時刻ｔ３において信号φＲＳがハイレベルとされた後、時刻ｔ４において信号φＶPSの電圧値をＶＨとすることで、図１１（ｂ）のように、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇが高くなるようにリセットする。そして、時刻ｔ５において、信号φＶをローレベルとして補正データを出力した後、時刻ｔ６において、時刻信号φＶPSの電圧値をＶＬとするとともに信号φＶをハイレベルとする。このようにして、補正データを出力した後、次の撮像動作を開始する。

このように、固体撮像装置１における画素Ｇ11〜Ｇmnが動作するとき、第１及び第２の実施形態と異なり、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇをリセットするとき、フォトダイオードＰＤとＭＯＳトランジスタＴ２とが接続されたままの状態となる。そのため、フォトダイオードＰＤに入射される光が高輝度の被写体からの光である場合、フォトダイオードＰＤで発生した電荷がＭＯＳトランジスタＴ２に流れ込み、リセットされるＭＯＳトランジスタのゲート電圧Ｖｇに影響が与えられる。

即ち、高輝度の被写体からの光がフォトダイオードＰＤに入射されたとき、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇが十分に高い電圧までリセットされずに補正データが出力される。よって、出力された補正データの値が画像データの値よりも高くなり、白黒反転現象が発生する。この被写体の輝度値に対する画像データ及び補正データの値の関係を、図１２に示す。まず、画像データの出力値については、図１２に示すように、輝度値が高くなるにつれ、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇが低くなるため、画像データの出力値は高くなる。尚、固体撮像装置１から出力される画像データ及び補正データの出力値は、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇに対して反転された値となる。即ち、入射光量が高くなるにつれて、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇが低くなるのに対して、固体撮像装置１の出力値が高くなる。

それに対して、補正データの出力値は、輝度値Ｌth以下の入射光においては、リセット開始時において、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇが直流電圧値ＶRSで一定の値とされるとともにリセット時のフォトダイオードＰＤで発生する電荷量が小さいため、リセット終了後のＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇが一定の電圧値に収まる。そのため、入射光の輝度値が大きくなるにつれ、補正データの出力値が大きくなるとともに、閾値Ｖrefよりも低い値で一定となる。

しかしながら、入射光の輝度値がＬthよりも高くなると、リセット時のフォトダイオードＰＤで発生する電荷量が大きくなり、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇに与える影響が大きくなる。そのため、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇの変化率が小さくなり、リセット終了後のＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧Ｖｇが低くなってしまう。よって、入射光の輝度値がＬthよりも高い場合、この輝度値が高くなるにつれて、補正データの出力値が単調増加して閾値Ｖrefよりも高くなる。そして、入射光の輝度値が超高輝度となると、補正データの出力値が画像データの出力値を超えることとなる。

このように、入射光の輝度値が輝度値Ｌthよりも高くなると、輝度値に対して補正データの出力値が急激に大きくなる。そのため、減算器２において、固体撮像装置１から出力される補正データ及び画像データの減算処理を行ったとき、入射光の輝度値が高くなると、その輝度値に対して、その減算後の画像信号の値が小さくなるため、実際は明るい部分が暗い部分として再生される白黒反転現象が発生する。

それに対して、本実施形態では、図９に示すように、比較器６が設けられることで、固体撮像装置１から出力される補正データが閾値Ｖrefと比較される。そして、固体撮像装置１から出力される補正データの値が閾値Ｖrefよりも小さいときは、図１２のように、一定の値にリセットされている。そのため、比較器６よりローレベルとなる信号が出力されると、画像処理部４において、被写体の輝度値が白黒反転現象のない輝度範囲にあり、減算器２において正常に減算処理がなされていることが確認される。よって、画像処理部４において、比較器６より減算器２で減算処理された後にＡＤ変換部３でデジタル信号に変換されて得た画像信号が処理される。

又、固体撮像装置１から出力される補正データの値が閾値Ｖrefよりも大きいときは、図１２のように、輝度値に対して単調増加する値にリセットされた状態にある。そのため、比較器６よりハイレベルとなる信号が出力されると、画像処理部４において、被写体の輝度値が白黒反転現象となる輝度範囲にあることが確認され、減算器２において正常に減算処理がなされていないことが確認される。よって、画像処理部４において、撮影可能なダイナミックレンジにおける最高輝度値に応じた画像信号が読み出されて処理される。

このように、本実施形態においては、画素Ｇ11〜Ｇmnを、フォトダイオードＰＤとＭＯＳトランジスタＴ２の電気的な接離を行うスイッチとして働くＭＯＳトランジスタＴ１を削除した構成とし、各画素における回路規模を小さくすることができる。更に、残像低減動作を行う必要がなくなるため、この残像低減動作が原因となっていた図１９に示すような出力損失を抑制することができる。又、補正データの出力値が輝度値に対して単調変化する部分を確認して、画像処理部４で最高輝度値に応じた信号を読み出して処理することで、リセット時にフォトダイオードＰＤとＭＯＳトランジスタＴ２が接続されているために発生する白黒反転現象を防ぐことができる。

＜第４の実施形態＞
本発明の第４の実施形態について、図面を参照して説明する。図１３は、本実施形態の撮像装置の構成を示すブロック図である。尚、図１３に示す撮像装置において、図９の撮像装置における構成と同一の部分については同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。

本実施形態の撮像装置は、図１３に示すように、図９の構成に、固体撮像装置１からの画像データが入力されるバッファ７と、比較器６からの比較結果に基づいて減算器２での減算処理が正常に行われているか否かを判定する判定部８と、固体撮像装置１の画素Ｇ11〜Ｇmnそれぞれの補正データが記憶されるフレームメモリ９と、固体撮像装置１からの補正データをデジタル信号に変換してフレームメモリ９に出力するＡＤ変換部３ａと、減算器２の出力側とＡＤ変換部３の入力側との電気的な接離を行うスイッチＳＷ１と、バッファ７の出力側とＡＤ変換部３の入力側との電気的な接離を行うスイッチＳＷ２とが、追加された構成となる。

又、バッファ７において、固体撮像装置１からの画像データが非反転入力端子に入力されるとともに、反転入力端子が出力端子と接続される。更に、判定部９による判定結果に基づく制御信号が、ＡＤ変換部３ａ、画像処理部４、及びスイッチＳＷ１，ＳＷ２に与えられる。このとき、固体撮像装置１に構成される画素Ｇ11〜Ｇmnの構成が、第３の実施形態と同様の図１０のような構成であり、その画素への入射光が高輝度となるとき、白黒反転現象が発生する。

このように構成される撮像装置は、第３の実施形態と同様、比較器６において、固体撮像装置１から出力される補正データの値と閾値Ｖrefとが比較される。このとき、被写体の輝度値が補正データが単調変化を開始する輝度値Ｌth以下となる場合、比較器６に入力される補正データの値が閾値Ｖrefより小さい値となり、ローレベルとなる信号が出力される。この比較器６からローレベルの信号が出力されると、判定部８において、被写体の輝度値が白黒反転現象のない輝度範囲にあり、減算器２において正常に減算処理がなされていることが確認される。

そして、この判定部８からスイッチＳＷ１，ＳＷ２に制御信号が与えられて、スイッチＳＷ１がＯＮとされるとともに、スイッチＳＷ２がＯＦＦとされる。このスイッチＳＷ１を通じて、減算器２で感度バラツキによるノイズ成分が除去された画像信号が画像処理部４に与えられると、各種画像処理が行われる。又、このとき、判定部８からの制御信号がＡＤ変換部３ａにも与えられてＡＤ変換部３ａが動作することで、固体撮像装置１からの補正データがデジタル信号に変換されて、フレームメモリ９に格納される。

又、被写体の輝度値が補正データが単調変化を開始する輝度値Ｌthよりも高輝度となる場合、比較器６に入力される補正データの値が閾値Ｖrefより大きい値となり、ハイレベルとなる信号が出力される。この比較器６からハイレベルの信号が出力されると、判定部８において、被写体の輝度値が白黒反転現象となる輝度範囲にあり、減算器２において正常に減算処理がなされていないことが確認される。

そして、この判定部８からスイッチＳＷ１，ＳＷ２に制御信号が与えられて、スイッチＳＷ１がＯＦＦとされるとともに、スイッチＳＷ２がＯＮとされる。このスイッチＳＷ２を通じて、バッファ７からの感度バラツキによるノイズ成分が重畳された状態の画像信号が画像処理部４に与えられる。即ち、固体撮像装置１から出力された画像データが画像信号としてバッファ７より出力されて、スイッチＳＷ２及びＡＤ変換部３を介して画像処理部４に与えられる。

このように、バッファ７から与えられる画像信号による画素Ｇ11〜Ｇmnそれぞれの画像データが画像処理部４に与えられると、この画像処理部４において、フレームメモリ９に格納された補正データが読み出されて、各画素毎に、画像データから補正データが減算されことで、画素バラツキによるノイズ成分が除去された画像信号が生成される。そして、このように画素バラツキによるノイズ成分が除去された画像信号に対して、各種画像処理が施される。又、このとき、判定部８からの制御信号がＡＤ変換部３ａにも与えられてＡＤ変換部３ａの動作が禁止されるため、フレームメモリ９に格納される補正データが更新されない。

このように、本実施形態においては、白黒反転現象が発生する高輝度範囲においても、バッファ７を介して画像信号がＡＤ変換部３でデジタル信号に変換された後に画像処理部４に与えられる。そのため、第３の実施形態と異なり、このような高輝度範囲においても、階調変化を表すことができ、高輝度におけるコントラストを良好なものとすることができる。

尚、第４の実施形態において、フレームメモリ９に固体撮像装置１から出力された補正データによるデジタル信号が格納されて更新されるものとしたが、例えば、固体撮像装置１の動作状態を切り換えたときなどの所定のタイミングで、フレームメモリ９に格納する補正データを更新するものとしても構わない。又、予め各画素毎に輝度値Ｌth以下の輝度範囲で確認された補正データをフレームメモリ９に格納するものとし、更新されないものとしても構わない。

又、第３及び第４の実施形態において、閾値Ｖrefについては、図１２において、輝度値に対する補正データの出力値が一定の値から単調変化を開始する部分の値に設定することで、白黒反転される輝度範囲にあるか否かを確認するものとすればよい。又、第３及び第４の実施形態において、比較器６において、反転入力端子に閾値Ｖrefが入力されるとともに、非反転入力端子に補正データが入力されるものとしても構わない。

尚、第１〜第４の実施形態において、画素Ｇ11〜Ｇmnから出力された画像データ及び補正データが反転されて固体撮像装置１から出力されるものとしたが、反転されずに固体撮像装置１から出力されるものとしても構わない。このとき、減算器２の反転入力端子に補正データが入力されるとともに非反転入力端子に画像データが入力されるものとし、減算器２で反転されるものとしても構わない。

又、第１〜第４の各実施形態における画素の構成をそれぞれ、図４、図６、及び図１０のような回路構成としたが、このような回路構成に限定されるものではなく、積分回路が追加された構成としても構わないし、同時積分機能を備えた構成としても構わない。即ち、第１の実施形態の撮像装置における各画素が、図１４に示すように、図４の構成に、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレインにゲートが接続されたＭＯＳトランジスタＴ６と、ＭＯＳトランジスタＴ６のソースとＭＯＳトランジスタＴ３のゲートとの接続ノードに一端が接続されるとともに他端に直流電圧ＶPSが印加されたキャパシタＣ１と、ＭＯＳトランジスタＴ６のソースとキャパシタＣ１の一端との接続ノードの電圧をリセットするＭＯＳトランジスタＴ７と、が付加された構成とすることで、積分回路が追加された構成としても構わない。

又、第１の実施形態の撮像装置における各画素が、図１５に示すように、図４の構成に、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレインにドレインが接続されたＭＯＳトランジスタＴ８と、ＭＯＳトランジスタＴ８のソースとＭＯＳトランジスタＴ３のゲートの接続ノードに一端が接続されるとともに他端に直流電圧ＶPDが印加されたキャパシタＣ２と、ＭＯＳトランジスタＴ８のソースとキャパシタＣ２の一端との接続ノードの電圧をリセットするＭＯＳトランジスタＴ９と、が付加された構成とすることで、ＭＯＳトランジスタＴ８によって光電変換部と出力部との電気的な接離を行う同時積分機能を備えた構成としても構わない。

又、第１の実施形態の撮像装置における各画素が、図１６に示すように、ＭＯＳトランジスタＴ６のソースとキャパシタＣ１の一端との接続ノードにＭＯＳトランジスタＴ８のドレインを接続して、図１４及び図１５の構成を組み合わせた構成とすることで、光電変換部に積分回路を追加するとともに同時積分機能を備えた構成としても構わない。更に、第１の実施形態の撮像装置における各画素の構成を例に挙げて、積分回路又は同時積分機能のいずれかを備える構成を説明したが、第２〜第４の実施形態の撮像装置における各画素についても、同様にＭＯＳトランジスタＴ６〜Ｔ９及びキャパシタＣ１，Ｃ２を追加することで、積分回路又は同時積分機能のいずれかを備える構成とすることができる。

は、第１の実施形態の撮像装置の内部構成を示すブロック図である。 は、固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。 は、図２の固体撮像装置の一部の構成を示す回路図である。 は、第１の実施形態の撮像装置に備えられた固体撮像装置における画素の構成を示す回路図である。 は、図４の画素の動作を示すタイミングチャートである。 は、第２の実施形態の撮像装置に備えられた固体撮像装置における画素の構成を示す回路図である。 は、図６の画素の動作を示すタイミングチャートである。 は、第１の実施形態の撮像装置に備えられた固体撮像装置における画素の他の構成を示す回路図である。 は、第３の実施形態の撮像装置の内部構成を示すブロック図である。 は、第３及び第４の実施形態の撮像装置に備えられた固体撮像装置における画素の構成を示す回路図である。 は、図１０の画素の動作を示すタイミングチャートである。 は、図１０の画素を備えた固体撮像装置から出力される画像データ及び補正データと輝度値との関係を示すグラフである。 は、第４の実施形態の撮像装置の内部構成を示すブロック図である。 は、本発明の撮像装置に備えられた固体撮像装置における画素の他の構成を示す回路図である。 は、本発明の撮像装置に備えられた固体撮像装置における画素の他の構成を示す回路図である。 は、本発明の撮像装置に備えられた固体撮像装置における画素の他の構成を示す回路図である。 は、従来の固体撮像装置における画素の構成を示す回路図である。 は、図１７の画素の動作を示すタイミングチャートである。 は、従来の固体撮像装置からの出力と、センサ面照度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 固体撮像装置
２ 減算器
３，３ａ ＡＤ変換部
４ 画像処理部
５ 信号制御部
６ 比較器
７ バッファ
８ 判定部
９ フレームメモリ
ＳＷ１，ＳＷ２ スイッチ

Claims (9)

1. 入射した光量に応じた電気信号を発生する感光素子と、当該感光素子と接続するとともに当該感光素子からの光電荷に応じた電気信号を生成し且つリセット動作を行う第１トランジスタと、前記第１トランジスタからの電気信号を出力する出力部と、を備える画素を有する固体撮像装置において、
   前記画素が、
   前記感光素子に直流電圧を供給する第１信号線と異なる第２信号線から、前記電気信号による画像データとして変換可能な最高輝度値よりも高い輝度値の光が前記感光素子に入射された場合に前記感光素子で発生する前記残留電荷に基づく第１電圧値を、前記感光素子と前記第１トランジスタとの接続部分に与えるリセット初期電圧供給部を備え、
   前記画素がリセット動作を行うとき、
   前記第１トランジスタの動作状態をリセットした後、前記感光素子と前記第１トランジスタとを接続して前記感光素子における残留電荷をリセットするとともに、
   前記感光素子における残留電荷をリセットする直前に、前記リセット初期電圧供給部が前記第１電圧値を前記感光素子と前記第１トランジスタとの接続部分に与えることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記画素が、前記感光素子と前記第１トランジスタとの電気的な接離を行うスイッチを備え、
   前記画素が撮像動作を行うとき、前記スイッチをＯＮとして前記感光素子と前記第１トランジスタとを接続するとともに、
   前記画素がリセット動作を行うとき、前記スイッチをＯＦＦとして前記感光素子と前記第１トランジスタとの接続を切断して前記第１トランジスタの動作状態をリセットした後、前記スイッチをＯＮとして前記感光素子と前記第１トランジスタとを接続し、前記リセット初期電圧供給部によって前記第１電圧を前記感光素子と前記第１トランジスタとの接続部分に供給した後に、前記感光素子における残留電荷をリセットすることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記第１トランジスタが、前記感光素子と接続する第１電極と、該第１電極と接続されるとともに前記電気信号を出力する制御電極と、３値の電圧信号が入力される第２電極と、を備え、
   前記画素が撮像動作を行うとき、前記第１トランジスタの第２電極に与える前記電圧信号の電圧値を、撮像可能な輝度範囲の高輝度側の少なくとも一部において前記第１トランジスタがサブスレッショルド領域で動作を行う第３電圧値とし、
   前記第１トランジスタの動作状態をリセットするとき、前記第１トランジスタの第２電極に与える前記電圧信号の電圧値を、前記第１トランジスタを導通状態とする第４電圧値とし、
   前記感光素子における残留電荷をリセットするとき、前記第１トランジスタの第２電極に与える前記電圧信号の電圧値を、前記第３及び第４電圧値の間の電圧値となる第５電圧値とすることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記リセット初期電圧供給部が、
   前記第２信号線と接続される第１電極と、前記感光素子と前記第１トランジスタとの接続部分に接続される第２電極と、ＯＮ／ＯＦＦ制御が成される制御信号入力される制御電極と、を備え、前記制御電極に制御信号が与えられてＯＮとされたときに、前記第２信号線からの電圧値を前記感光素子と前記第１トランジスタとの接続部分に与える第２トランジスタであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の固体撮像装置。
5. 撮像動作時に得られる電気信号を画像データとして出力するとともにリセット後に得られる電気信号を補正データとして出力する固体撮像装置と、該固体撮像装置からの前記画像データと前記補正データとを減算して得られた画像信号を出力する減算器と、を備える撮像装置において、
   前記固体撮像装置が、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の固体撮像装置であることを特徴とする撮像装置。
6. 撮像動作時に得られる電気信号を画像データとして出力するとともにリセット後に得られる電気信号を補正データとして出力する固体撮像装置と、該固体撮像装置からの前記画像データと前記補正データとを減算して得られた画像信号を出力する減算器と、前記減算器からの画像信号を信号処理する信号処理部と、を備える撮像装置において、
   前記固体撮像装置が、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の固体撮像装置であり、
   前記固体撮像装置から出力される前記補正データの値を基準値と比較する比較器と、
   前記比較器における比較結果に応じて、前記減算器からの前記画像信号を信号処理して出力するか否かを判定する判定部と、
   を備えることを特徴とする撮像装置。
7. 前記判定部において、前記比較器における比較結果により、前記補正データの値が輝度値に対して大きく変化する輝度範囲における値であることが確認されたとき、
   前記減算器からの画像信号ではなく、最高輝度値に応じた値に設定された画像信号を信号処理して出力することを特徴とする請求項６に記載の撮像装置。
8. 前記補正データを予め格納したメモリを備えるとともに、
   前記判定部において、前記比較器における比較結果により、前記補正データの値が輝度値に対して大きく変化する輝度範囲における値であることが確認されたとき、
   前記減算器からの画像信号ではなく、前記固体撮像装置から出力された前記画像データと前記メモリに格納された前記補正データとを減算することで得られた画像信号を信号処理して出力することを特徴とする請求項６に記載の撮像装置。
9. 前記メモリに格納される前記補正データが、前記比較器における比較結果により前記補正データの値が輝度値に対してほぼ一定となる輝度範囲における値となるときの補正データであることを特徴とする請求項８に記載の撮像装置。

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