JP4931232B2 - 撮像装置及びその処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置及びその処理方法に関する。

固体撮像装置のダイナミックレンジ拡大のための従来技術による駆動方法は、下記の特許文献１により以下の方法が開示されている。

図１は固体撮像素子の画素部の構成例を示す図であり、図１０は特許文献１の固体撮像装置の駆動方法を示す図である。ΦＲは、図１のリセットトランジスタＲＥＳのゲート駆動パルスである。ΦＴは、図１の転送トランジスタＴＸのゲート駆動パルスである。ΦＳは、図１のスイッチトランジスタＳＷのゲート駆動パルスである。

図１１は、特許文献１をより詳細に説明するために本発明者が作成した説明図であり、時間の経過とともに、信号電荷の変化の様子を示す。受光部であるフォトダイオードＰＤの蓄積期間は図中ＴＰＤにあたる。蓄積時間の増加に伴い信号電荷が増加する。フォトダイオードＰＤの飽和電荷量を超えるとフォトダイオードＰＤから溢れ出した電荷が転送トランジスタＴＸを経由してソースフォロワトランジスタＳＦの入力端子ＦＤの浮遊容量Ｃｆｄへと流れ出す。この蓄積期間ＴＰＤのうち、リセットトランジスタＲＥＳはオンの状態とオフの状態の２つ状態がある。リセットトランジスタＲＥＳがオンの状態では、前述の溢れ出した電荷は、リセット電極に排出される。リセットトランジスタＲＥＳとスイッチトランジスタＳＷがオフしていれば、溢れ出した電荷は浮遊容量Ｃｆｄに蓄積される。また、リセットトランジスタＲＥＳはオフ、スイッチトランジスタＳＷはオンにしていれば、溢れ出した電荷は、浮遊容量Ｃｆｄと容量Ｃｃｓに蓄積される。

ダイナミックレンジの拡大量は、容量Ｃｃｓと蓄積期間ＴＰＤに対するリセットトランジスタＲＥＳのオフ時間ＴＣＳの比率で決定するものである。浮遊容量をＣｆｄとすれば、ダイナミックレンジの拡大量は、次式（１）で表される。
（Ｃｃｓ／Ｃｆｄ＋１）・（ＴＰＤ／ＴＣＳ） ・・・（１）

容量Ｃｃｓを追加することで、信号電荷Ｑは、ソースフォロワトランジスタＳＦの入力端子ＦＤで次式（２）のような電圧Ｖｓｆｉｎを生じる。
Ｖｓｆｉｎ＝Ｑ／（Ｃｆｄ＋Ｃｃｓ） ・・・（２）

容量Ｃｃｓを大きくすることで、電圧Ｖｓｆｉｎが小さくなり、沢山の信号電荷Ｑを取り扱えるようになる。

また、リセットトランジスタＲＥＳのオフ時間ＴＣＳは、溢れ出した電荷を蓄積する時間であるため、露光時間にあたり、露光時間を短くすることでより強い光を取り扱えるようにするものである。

図１１において、時刻ｔ１でフォトダイオードＰＤの蓄積電荷が一杯になり、これ以降信号電荷が溢れだす。しかし、時刻ｔ２までは、リセットトランジスタＲＥＳをオンさせているため、溢れた出した電荷は、リセット電源に排出される。図１１中の線Ａａは、フォトダイオードＰＤの信号出力値をプロットしたものである。時刻ｔ２以降において、線ＡｂはリセットトランジスタＲＥＳをオフ、スイッチトランジスタＳＷをオフした場合の溢れた出した信号の出力である。電圧変換の係数である容量はＣｆｄであるため、線Ａｂの傾きは線Ａａと同じである。時刻ｔ３で蓄積が終了する。この場合のダイナミックレンジの拡大量は、ＴＰＤ／ＴＣＳで決まる。

線Ａｃは、リセットトランジスタＲＥＳをオフ、スイッチトランジスタＳＷをオンした場合の溢れた出した信号の出力である。線Ａｃの傾きが小さくなるのは、電圧変換の係数である容量がＣｃｓ＋Ｃｆｄになったためである。

特開２００５−３２８４９３号公報

しかしながら、特許文献１には以下の大きな課題がある。ダイナミックレンジを大きく拡大しようとした場合、ダイナミックレンジ拡大のための信号に同時性がない点である。同時性がないとは、フォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷の露光時刻と溢れ出した信号電荷の露光時刻が一致しないことである。

同時性を確保した場合、即ち蓄積期間ＴＰＤとオフ時間ＴＣＳを等しくする必要がある。この場合のダイナミックレンジ拡大量は式（１）にＴＰＤ＝ＴＣＳを代入した次式（３）で与えられる。
Ｃｃｓ／Ｃｆｄ ・・・（３）

従って、ダイナミックレンジの拡大量は容量Ｃｃｓの大きさで決まり、画素面積に制約がある以上、あまり大きな値を得ることができない。具体的には、画素サイズが６〜８ミクロン程度ではＣｃｓ／Ｃｆｄは最大でも３程度にしかならない。ネガ写真フィルムと同じダイナミックレンジを達成するためには、現行の１０〜１００倍の拡大が必要となるのに対し、不十分である。これ以上ダイナミックレンジを拡大するためには、同時性を犠牲にしてオフ時間ＴＣＳを短くするしかない。

同時性が損なわれた場合、静止画において著しい問題が発生する。静止画においては、この蓄積期間ＴＰＤとオフ時間ＴＣＳのズレがそのまま一枚の画像として評価されるため大きな問題となる。露光時間の長く、輝度差が大きい画像で問題となる。例えば、夜間の花火を撮影した場合、ダイナミックレンジを確保するため、ＴＣＳ＝ＴＰＤ／１０に設定した場合、蓄積時間後半のものしかダイナミックレンジは拡大されず不自然な画像となってしまう。

本発明の目的は、光電変換部及び電荷蓄積部の電荷蓄積期間の同時性を確保しつつダイナミックレンジを拡大することができる撮像装置及びその処理方法を提供することである。

本発明の撮像装置は、光電変換により電荷を生成し、その生成した電荷を蓄積する光電変換部と、前記光電変換部に蓄積された電荷をフローティングディフュージョン部に転送するための転送スイッチと、前記光電変換部から溢れた電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部及び前記フローティングディフュージョン部間を接続するための接続スイッチと、前記フローティングディフュージョン部に蓄積された電荷をリセットするリセットスイッチとを有し、１回の電荷蓄積期間内に、前記接続スイッチをオフして前記リセットスイッチをオンすることにより前記フローティングディフュージョン部に蓄積された電荷をリセットする排出動作を複数回行うことを特徴とする。

また、本発明の撮像装置の処理方法は、光電変換により電荷を生成し、その生成した電荷を蓄積する光電変換部と、前記光電変換部に蓄積された電荷をフローティングディフュージョン部に転送するための転送スイッチと、前記光電変換部から溢れた電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部及び前記フローティングディフュージョン部間を接続するための接続スイッチと、前記フローティングディフュージョン部に蓄積された電荷をリセットするリセットスイッチとを有する撮像装置の処理方法であって、１回の電荷蓄積期間内に、前記接続スイッチをオフして前記リセットスイッチをオンすることにより前記フローティングディフュージョン部に蓄積された電荷をリセットする排出動作を複数回行うステップを有することを特徴とする。

光電変換部及び電荷蓄積部の電荷蓄積期間の同時性を確保しつつダイナミックレンジを拡大することができる。

（第１の実施形態）
図１〜図４を用いて、本発明の第１の実施形態を説明する。
図２は本発明の第１の実施形態によるＭＯＳ型固体撮像装置の構成例を示すブロック図であり、図１は図２の受光領域１０１内の画素部の構成例を示す回路図である。この画素部は、受光領域１０１内において２次元に複数配列されている。

図１において、ＰＤは、フォトダイオードである。フォトダイオードＰＤは、受光した光を電荷に変換して蓄積する。ＴＸは、転送トランジスタである。ＲＥＳは、フローティングディフュージョン部ＦＤをリセットするためのリセットトランジスタである。ＳＦは、フローティングディフュージョン部ＦＤを入力端子とするソースフォロワの入力ＭＯＳ電界効果トランジスタである。ＳＥＬは、行選択用のスイッチである。ＦＤは、ソースフォロワ入力端子であり、転送された電荷を保持し、電圧変換するフローティングディフュージョン部である。ＳＷは、保持容量Ｃｃｓとフローティングディフュージョン部ＦＤの接続を制御するためのスイッチトランジスタである。Ｃｃｓは、フォトダイオードＰＤから溢れた電荷を蓄積する保持容量である。フォトダイオードＰＤの他に保持容量Ｃｃｓを設けることにより、電荷蓄積容量を増やすことができ、ダイナミックレンジを拡大することができる。この画素部の駆動方法は、後に図３を参照しながら説明する。

図２において、１００は、センサチップである。１０１は、受光領域である。１０２ａ及び１０２ｂは、列信号処理回路である。１０３ａ及び１０３ｂは、水平走査回路である。１０４は、垂直走査回路である。１０５ａ及び１０５ｂは、読み出しアンプ部である。１０６ａ及び１０６ｂは、共通信号線部である。１０７ａ及び１０７ｂは、出力線部である。

受光領域１０１は、図１の画素部を複数有し、２次元の画像信号を生成する。垂直走査回路１０４は、受光領域１０１の画素部の行を順次選択し、選択した行の画素部の信号を列信号処理回路１０２ａ，１０２ｂに読み出す。水平走査回路１０３ａ，１０３ｂは、列信号処理回路１０２ａ，１０２ｂの信号の列を順次選択し、選択した信号を共通信号線部１０６ａ，１０６ｂを介して読み出しアンプ部１０５ａ，１０５ｂに出力させる。読み出しアンプ部１０５ａ，１０５ｂは、信号を増幅し、出力線部１０７ａ，１０７ｂを介して外部に出力する。

図３は、受光領域１０１のｎ行目から（ｎ＋２）行目の画素部における駆動タイミングを示すタイミングチャートである。以下、固体撮像装置の処理方法を説明する。本実施形態は、スリットローリングシャッターと呼ばれる蓄積開始と蓄積終了を行単位で電子シャッタにより実施した例である。各パルスは、垂直走査回路１０４により生成される信号であり、以下の通りである。ΦＲＥＳは、図１のリセットトランジスタＲＥＳのゲート駆動パルスである。ΦＴＸは、図１の転送トランジスタＴＸのゲート駆動パルスである。ΦＳＷは、図１のスイッチトランジスタＳＷのゲート駆動パルスである。ΦＳＥＬは、図１のＳＥＬのゲート駆動パルスである。各パルスの末尾のｎ〜ｎ＋２は行を示すものである。また、垂直走査回路１０４は、スイッチＳＥＬのゲートにハイレベルを出力することによりスイッチＳＥＬをオンさせ、スイッチＳＥＬのゲートにローレベルを出力することによりスイッチＳＥＬをオフさせることができる。

転送トランジスタＴＸは、信号ΦＴＸがハイレベルになると、フォトダイオードＰＤに蓄積された信号をソースフォロワトランジスタＳＦの入力端子であるフローティングディフュージョン部ＦＤに転送する。リセットトランジスタＲＥＳは、信号ΦＲＥＳがハイレベルになると、フローティングディフュージョン部ＦＤをリセットする。保持容量Ｃｃｓは、フォトダイオードＰＤから溢れた電荷を保持するための容量である。スイッチＳＷは、フローティングディフュージョン部ＦＤと保持容量Ｃｃｓの接続を制御するためのスイッチである。スイッチＳＥＬは、受光領域１０１の画素部の行選択のためのスイッチであり、ゲートがハイレベルになるとソースフォロアトランジスタＳＦの出力信号を列信号処理回路１０３ａ又は１０３ｂに読み出す。

図３の時刻ｔ１では、ｎ行目の蓄積が開始される。転送トランジスタＴＸとスイッチトランジスタＳＷとリセットトランジスタＲＥＳを同時にオンすることで、フォトダイオードＰＤ及び保持容量Ｃｃｓをリセットする。

時刻ｔ２では、ｎ＋１行目の蓄積開始と共に、ｎ行目の溢れ出した信号の一部をフローティングディフュージョン部ＦＤの浮遊容量Ｃｆｄと保持容量Ｃｃｓを用いて排出する動作を行う。ここで、溢れ出した信号の排出動作について説明する。

本実施形態では、蓄積時間中、信号ΦＳＷのスイッチトランジスタＳＷをオン状態にしているため、溢れ出した電荷は浮遊容量Ｃｆｄと保持容量Ｃｃｓに蓄積される。時刻ｔ１から時刻ｔ２の間に溢れ出した電荷をＱ１＿ｎとすると、浮遊容量Ｃｆｄ及び保持容量Ｃｃｓには、Ｑ１＿ｎ／（Ｃｆｄ＋Ｃｃｓ）の電圧が生じる。時刻ｔ２において、この蓄積された電荷のうち浮遊容量Ｃｆｄの容量分の電荷を排出する。即ち、信号ΦＳＷのスイッチトランジスタＳＷをオフし、その後リセットトランジスタＲＥＳをオンする。この結果、信号Ｃｃｓに保持された電荷はそのまま保持され、浮遊容量Ｃｆｄに保持した電荷のみをリセットトランジスタＲＥＳを介してリセット電源に排出するのである。リセットトランジスタＲＥＳをオフした後、スイッチトランジスタＳＷをオンすれば、同様に溢れた信号を保持容量Ｃｃｓに蓄積することができる。

結局、式（４）の電荷を保持し、式（５）の電荷を排出する。
Ｑ１＿ｎ・Ｃｃｓ／（Ｃｆｄ＋Ｃｃｓ） ・・・（４）
Ｑ１＿ｎ・Ｃｆｄ／（Ｃｆｄ＋Ｃｃｓ） ・・・（５）

次に、時刻ｔ３では、（ｎ＋２）行目の蓄積を開始し、ｎ行目及び（ｎ＋１）行目では、式（４）、（５）と同等の動作が実施される。時刻ｔ２から時刻ｔ３の間に、ｎ行目と（ｎ＋１）行目で溢れ出した電荷をそれぞれＱ２＿ｎ、Ｑ２＿ｎ＋１とする。この時、ｎ行目に蓄積された溢れ出した電荷は次式（７）の通りであり、（ｎ＋１）行目に蓄積された溢れ出した電荷は次式（８）の通りである。

α＝Ｃｃｓ／（Ｃｆｄ＋Ｃｃｓ） ・・・（６）
Ｑ１＿ｎ・α²＋Ｑ２＿ｎ・α ・・・（７）
Ｑ２＿ｎ＋１・α ・・・（８）

ｎ行目において、２回目の排出動作により、電荷Ｑ１＿ｎはα²分だけが保存され、残りは排出される。信号ΦＳＷのスイッチトランジスタＳＷをオフし、その後リセットトランジスタＲＥＳをオンする動作自体は、上記の特許文献１においても、蓄積終了後、実施される場合もあった。ただし、その場合でもその動作は一度だけであった。そして、そのときの考え方は、画素を大きくし、Ｃｃｓ≫Ｃｆｄとし極力Ｃｆｄ分の電荷の排出を抑えようとするものであった。本実施形態の特徴は、この動作が回路的な手法でαという比率で安定的に排出する排出動作になることを見出し、一回の蓄積期間のうちに複数回実施することで、フォトダイオードＰＤの蓄積期間中の情報を取り出すことが可能となった。上記の特許文献１のように蓄積時間の前半の情報が全くないという状態にはならない。動画においては、フレームレートが６０［ｆｐｓ］程度であり、蓄積時間は数十ｍｓｅｃ程度である。蓄積時間が短い一眼レフカメラにおいても、最短でも約１５０μｓｅｃ以上であり、一回の排出動作にかかる時間は１μｓｅｃ程度で十分であるので、排出動作期間の影響は小さいものである。

時刻ｔ４では、時刻ｔ３と同様に、ｎ行目〜ｎ＋２行目の排出動作を行う。各行では、電荷蓄積開始後、３回の排出動作を行う。

次に、この蓄積された信号の読み出し方法を示す。図３中に、期間Ｔ１〜Ｔ５のタイミングでソースフォロワトランジスタＳＦの出力をサンプリングすることで、これらの信号電荷を読み出すことができる。

期間Ｔ１は、溢れ出した信号読み出し期間である。信号ΦＳＷ＿ｎがハイレベルからローレベルになる。ｎ行目のスイッチトランジスタＳＷは、オンからオフになる。保持容量Ｃｃｓは、フォトダイオードＰＤから溢れた電荷を蓄積し、トランジスタＳＷがオンの間、その電荷をトランジスタＳＷを介して浮遊容量Ｃｆｄに出力する。信号ΦＳＥＬ＿ｎをローレベルからハイレベルにすることにより、ソースフォロアトランジスタＳＦは、浮遊容量Ｃｆｄの電位に基づく信号をダイナミックレンジ拡大信号として読み出す。列信号処理回路１０２ａ又は１０２ｂは、そのダイナミックレンジ拡大信号を読み出して保持する。

期間Ｔ２は、リセット動作期間である。信号ΦＲＥＳ＿ｎがハイレベルになり、ｎ行目のトランジスタＲＥＳがオンする。これにより、ｎ行目の浮遊容量Ｃｆｄはリセットされる。

期間Ｔ３は、リセット信号読み出し期間である。信号ΦＲＥＳ＿ｎはローレベルになり、ｎ行目のトランジスタＲＥＳはオフする。信号ΦＳＥＬ＿ｎをローレベルからハイレベルにすることにより、ソースフォロアトランジスタＳＦは、浮遊容量Ｃｆｄの電位に基づく信号をリセット信号（ノイズ信号）として読み出す。列信号処理回路１０２ａ又は１０２ｂは、リセット信号を読み出して保持する。読み出しアンプ部１０５ａ又は１０５ｂは、上記ダイナミックレンジ拡大信号からリセット信号を減算することにより、ノイズを低減した画素信号を出力する。

期間Ｔ４は、フォトダイオード信号の転送動作期間である。信号ΦＴＸ＿ｎがハイレベルになり、ｎ行目の転送トランジスタＴＸがオンする。フォトダイオードＰＤに蓄積されている電荷は、浮遊容量Ｃｆｄに出力される。

期間Ｔ５は、フォトダイオード信号読み出し期間である。信号ΦＴＸ＿ｎがローレベルになり、ｎ行目の転送トランジスタＴＸがオフする。信号ΦＳＥＬ＿ｎをローレベルからハイレベルにすることにより、ソースフォロアトランジスタＳＦは、浮遊容量Ｃｆｄの電位に基づく信号をフォトダイオード信号として読み出す。列信号処理回路１０２ａ又は１０２ｂは、フォトダイオード信号を読み出して保持する。

上記のように、期間Ｔ１のダイナミックレンジ拡大信号と期間Ｔ３のリセット信号との差分をとることで、ノイズを低減したダイナミックレンジ拡大信号を得ることができる。また、期間Ｔ５のフォトダイオード信号と期間Ｔ３のリセット信号との差分をとることで、ノイズを低減したフォトダイオード信号を得ることができる。

溢れ出し信号は、期間Ｔ１の前の時刻でサンプリングすることで得ることもできるが、読み出し時の容量が（Ｃｃｓ＋Ｃｆｄ）となるため、フォトダイオードＰＤを読むときの信号とは、状態が異なるので、オフセットが発生する。好適には、信号ΦＳＷのスイッチトランジスタＳＷがオフ状態で読み出すことが好ましい。期間Ｔ５のタイミングの後に、再び信号ΦＳＷのスイッチトランジスタＳＷをオンし、フォトダイオード信号とダイナミックレンジ拡大信号を加算して読み出してもかまわない。

本実施形態における読み出し動作はＳＥＬスイッチを導通させることによりフォトダイオードに生じる電荷に基づく信号を、列信号処理回路に読み出す動作である。またリセット信号の減算処理は、列信号処理回路１０２ａ，１０２ｂにクランプ回路などを有し、この回路で減算処理を行うこともできる。

なお、図３の代わりに、図１２の駆動を行ってもよい。図１２は、図３に対して、信号ΦＳＥＬ＿ｎ、ΦＳＥＬ＿ｎ＋１、ΦＳＥＬ＿ｎ＋２のパルスを選択時に変化させない点が異なる。

図４は、本実施形態の光電変換特性を示す図であり、センサチップ１００からの出力信号を示す。特性Ａａは、フォトダイオードＰＤの信号である。特性Ａｂ及びＡｃは、フォトダイオードＰＤから溢れ出したダイナミックレンジ拡大信号である。特性Ａｄ及びＡｅは、比較のための上記の特許文献１による出力結果である。特性Ａｄは、フォトダイオードＰＤの蓄積期間中はスイッチトランジスタＳＷ及びリセットトランジスタＲＥＳが共にオフした状態のものである。特性Ａｅは、フォトダイオードの蓄積期間中において、スイッチトランジスタＳＷがオン、リセットトランジスタＳＷがオフした状態のものである。

本実施形態において、排出動作をＮ回行った場合のダイナミックレンジの拡大量は以下の式で与えられる。ここで、拡大量をＤＲ（ＤＲ＞１）とする。
１／ＤＲ＝α・（１−αⁿ）／（１−α）／Ｎ≒（Ｃｃｓ／Ｃｆｄ）／Ｎ ・・・（９）

本実施形態により、特性Ａｂは、蓄積時間の同時性を確保しつつ、特性Ａｅに対し、式（９）に従ったダイナミックレンジの拡大をすることができた。

特性Ａｃは、各時刻毎に排出動作を２回連続で施したものである。この結果、式（９）のαにα²を代入した値にダイナミックレンジの拡大をすることができた。得られる信号をＤＲ倍することで、フォトダイオード信号と同等の感度を得ることができる。

このような処理は、センサチップ１００内に処理回路を持ち、感度を補正して出力してもよいし、上記信号をそのまま出力し、外部の画像処理ＩＣにより、ゲイン補正、γ補正をしてもよい。この結果、花火等に代表されるような画像においても、良好な静止画を得ることができた。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態による固体撮像装置のｎ行目の駆動タイミングを示すタイミングチャートである。本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、排出動作と排出動作の期間ｔｐ１〜ｔｐ３が一定でないことである。具体的には、ｔｐ２／ｔｐ１＝ｔｐ３／ｔｐ２＝・・・＝αとした。第１の実施形態では、電荷Ｑ１＿ｎとＱ２＿ｎでは、蓄積される電荷の比率が異なっており、蓄積時間後半の電荷に重みがあった。本実施形態においては、排出動作の間隔を前述の通り調整することで、蓄積期間内の溢れた電荷をより均等に蓄積することができた。本実施形態の駆動方式により、ダイナミックレンジを１／α倍に拡大することができた。なお、第１の実施形態と同様に、図１２の信号ΦＳＥＬ＿ｎ等を適用してもよい。

（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態による固体撮像装置の駆動タイミングを示すタイミングチャートである。時刻ｔｓ１では、メカシャッタを開き、フォトダイオードＰＤを受光状態にする。時刻ｔｓ２では、メカシャッタを閉じ、フォトダイオードＰＤを遮光状態にする。第１の実施形態及び第２の実施形態は、行単位で排出動作を行ったのに対し、本実施形態はこの排出動作を全行一括で実施した例である。第１の実施形態及び第２の実施形態においては、フォトダイオードＰＤの蓄積時間と溢れ出した信号の蓄積時間は同じであったが、蓄積時間が行単位でずれているため、蛍光灯等によるフリッカの影響がわずかであるが発生していた。第１及び第２の実施形態は、動画に好適であり、フリッカ自体はフレームレートを最適化することで、抑制することができる。本実施形態では、蓄積時間ひいては、排出動作も全行同時に行うため、このようなフリッカ現象を大幅に抑制することができ、静止画に好適である。もちろん、図５に示すようなタイミングを全行同時に行ってもかまわない。また、メカシャッタと併用することでより良好な画像を得ることができた。

図６において、時刻ｔｓ１でメカシャッタが開いた状態から、全行のリセット信号ΦＲＥＳをハイレベルにし、全行同時にリセット動作を行う。その後、全行同時に排出動作を行い、蓄積の終了は、時刻ｔｓ２で高速なメカシャッタを閉じることにより行う。メカシャッタが閉じた後は、順次行単位でフォトダイオード信号と溢れ出したダイナミックレンジ拡大信号を読み出す。読み出し方法は、第１の実施形態と同様である。なお、第１の実施形態と同様に、図１２の信号ΦＳＥＬ＿ｎ、ΦＳＥＬ＿ｎ＋１、ΦＳＥＬ＿ｎ＋２を適用してもよい。

（第４の実施形態）
図７は、本発明の第４の実施形態による固体撮像装置の駆動タイミングを示すタイミングチャートである。本実施形態は、第３の実施形態に対し、蓄積の終了を時刻ｔａの全行同時の電子シャッタで実施したものである。第３の実施形態においては、高速なメカシャッタを用いても、シャッタ幕の走査時間は約３ｍｓｅｃである。まれではあるが、インバータ式の蛍光灯では５０μｓｅｃ程度の周期で明滅するものがあり、この場合、第３の実施形態ではわずかながらにフリッカの影響がでる。本実施形態は、電子シャッタにより、蓄積も同時に終了することでこのフリッカを原理的に抑制するものである。時刻ｔｓ１でメカシャッタが開き、全行同時にリセット動作を行う。その後、全行同時に排出動作を行い、蓄積の終了は、時刻ｔａの信号ΦＴＸで全行一括でフォトダイオードＰＤの信号を浮遊容量Ｃｆｄに転送することで、前述の通り電子シャッタで行う。その後、時刻ｔｓ２でメカシャッタを閉じ、順次行単位でフォトダイオード信号と溢れ出したダイナミックレンジ拡大信号を読み出す。

図中、期間Ｔ１〜Ｔ５のタイミングでソースフォロワトランジスタＳＦの出力をサンプリングすることで、以下の信号を読み出すことができる。

期間Ｔ１は、浮遊容量Ｃｆｄに転送されたフォトダイオード信号の読み出し期間である。時刻ｔａでは、転送トランジスタＴＸがオンし、フォトダイオードＰＤの蓄積電荷が浮遊容量Ｃｆｄに転送される。信号ΦＳＥＬ＿ｎをローレベルからハイレベルにすることにより、ソースフォロアトランジスタＳＦは、浮遊容量Ｃｆｄの電位に基づく信号をフォトダイオード信号として読み出す。列信号処理回路１０２ａ又は１０２ｂは、フォトダイオード信号を読み出して保持する。

期間Ｔ２は、フォトダイオード信号のリセット動作期間である。信号ΦＲＥＳ＿ｎがハイレベルになり、ｎ行目のトランジスタＲＥＳがオンする。これにより、ｎ行目の浮遊容量Ｃｆｄはリセットされる。

期間Ｔ３は、リセット信号読み出し期間である。信号ΦＲＥＳ＿ｎはローレベルになり、ｎ行目のトランジスタＲＥＳはオフする。信号ΦＳＥＬ＿ｎをローレベルからハイレベルにすることにより、ソースフォロアトランジスタＳＦは、浮遊容量Ｃｆｄの電位に基づく信号をリセット信号（ノイズ信号）として読み出す。列信号処理回路１０２ａ又は１０２ｂは、リセット信号を読み出して保持する。読み出しアンプ部１０５ａ又は１０５ｂは、上記フォトダイオード信号からリセット信号を減算することにより、ノイズを低減したフォトダイオード信号を出力する。

期間Ｔ４は、溢れ出したダイナミックレンジ拡大信号を浮遊容量Ｃｆｄに転送する期間である。信号ΦＳＷ＿ｎがハイレベルになり、ｎ行目のスイッチトランジスタＳＷがオンする。フォトダイオードＰＤから保持容量Ｃｃｓに溢れ出した電荷は、浮遊容量Ｃｆｄに出力される。

期間Ｔ５は、溢れ出したダイナミックレンジ信号の読み出し期間である。信号ΦＳＷ＿ｎはローレベルになり、ｎ行目のスイッチトランジスタＳＷはオフする。信号ΦＳＥＬ＿ｎをローレベルからハイレベルにすることにより、ソースフォロアトランジスタＳＦは、浮遊容量Ｃｆｄの電位に基づく信号をダイナミックレンジ拡大信号として読み出す。列信号処理回路１０２ａ又は１０２ｂは、ダイナミックレンジ拡大信号を読み出して保持する。

前述の信号を以下の通り演算するとフォトダイオード信号と溢れ出したダイナミックレンジ拡大信号を出力することができる。期間Ｔ１のフォトダイオード信号と期間Ｔ３のリセット信号との差分により、ノイズを低減したフォトダイオード信号を出力することができる。期間Ｔ５のダイナミックレンジ拡大信号と期間Ｔ３のリセット信号との差分により、ノイズを低減したダイナミックレンジ拡大信号を出力することができる。

なお、第１の実施形態と同様に、図１２の信号ΦＳＥＬ＿ｎ、ΦＳＥＬ＿ｎ＋１、ΦＳＥＬ＿ｎ＋２を適用してもよい。

（第５の実施形態）
図８は、本発明の第５の実施形態による固体撮像装置の構成例を示すブロック図であり、ダイナミックレンジの拡大量を決定するシーケンスを示す。本実施形態の一つの特徴は、駆動タイミングによりダイナミックレンジの拡大量を調整できることである。即ち、排出動作の回数によりダイナミックレンジの拡大量を制御することができる。被写体自体のダイナミックレンジが小さい場合は、ダイナミックレンジを拡大する必要はない。そこで、本実施形態では以下のようなシーケンスで撮影を行った。画面内の測光情報取得手段８０１は、エリアオートフォーカス（ＡＦ）と呼ばれる、被写体の複数点での測光情報を取得する。処理回路８０２は、取得された測光情報を基に最も適したダイナミックレンジ量を算出し、この算出結果を基に排出動作の回数を決定し、この情報をセンサ８０４を駆動するパルスを供給するタイミング発生器８０３に供給する。タイミング発生器８０３は、この情報を基にセンサ８０４の駆動パルスを発生させる。センサ８０４は、図２のセンサチップ１００に対応する。この結果、被写体の測光情報を基に、最適なダイナミックレンジの拡大量を決定し、良好な画像を得ることができる。

（第６の実施形態）
図９は、本発明の第６の実施形態による固体撮像装置の構成例を示す回路図であり、図２の固体撮像装置の等価回路図である。列信号処理回路１０２は、図２の列信号処理回路１０２ａ又は１０２ｂに対応する。読み出しアンプ部１０５は、図２の読み出しアンプ部１０５ａ又は１０５ｂに対応する。画素部９０２は、図１の画素部に対応する。共通信号線１０６ｓ及び１０６ｎは、図２の共通信号線部１０６ａ又は１０６ｂに対応する。共通信号線１０６ｓは画素信号（フォトダイオード信号又はダイナミックレンジ拡大信号）の共通信号線であり、共通信号１０６ｎはリセット信号の共通信号線である。９０１はラインメモリである。上部の読み出しアンプ部１０５は、共通信号線１０６ｓのフォトダイオード信号から共通信号線１０６ｎのリセット信号を減算することによりノイズを低減したフォトダイオード信号を出力する。下部の読み出しアンプ部１０５は、共通信号線１０６ｓのダイナミックレンジ拡大信号から共通信号線１０６ｎのリセット信号を減算することによりノイズを低減したダイナミックレンジ拡大信号を出力する。

本実施形態においては、第１の実施形態に示すフォトダイオード信号とリセット信号の差分と、溢れ出した信号（ダイナミックレンジ拡大信号）とリセット信号の差分を、読み出しアンプ部１０５を用いて、処理を行う。そして、ダイナミックレンジ拡大信号とフォトダイオード信号の両方を並列に読み出す。この構成を用いれば、ダイナミックレンジ拡大量ＤＲ分を、読み出しアンプ部１０５のゲインを切り替えることにより、補正して出力することができる。また、ダイナミックレンジ拡大信号とフォトダイオード信号を加算して出力することもできる。

また、フォトダイオード信号とダイナミックレンジ拡大信号を並列で出力することにより、両者の信号を比較しながら、外部処理ＩＣで両者の信号の適宜混合処理をリアルタイムで演算処理することができる。

以上のように、第１〜第６の実施形態によれば、フォトダイオードＰＤ（フォトダイオード信号）及び保持容量Ｃｃｓ（ダイナミックレンジ拡大信号）の電荷蓄積期間の同時性を確保しつつダイナミックレンジを拡大することができる。

フォトダイオードＰＤは、光電変換により電荷を生成し、その生成した電荷を蓄積する光電変換部である。転送トランジスタＴＸは、前記光電変換部ＰＤに蓄積された電荷をフローティングディフュージョン部ＦＤ（浮遊容量Ｃｆｄ）に転送するための転送スイッチである。保持容量Ｃｃｓは、前記光電変換部ＰＤから溢れた電荷を蓄積する電荷蓄積部である。スイッチトランジスタＳＷは、前記電荷蓄積部Ｃｃｓ及び前記フローティングディフュージョン部ＦＤ間を接続するための接続スイッチである。リセットトランジスタＲＥＳは、前記フローティングディフュージョン部ＦＤに蓄積された電荷をリセットするリセットスイッチである。図１の画素部は、受光領域１０１内に２次元配列される。

例えば、図３において、前記光電変換部ＰＤにより生成される電荷について１回の電荷蓄積期間内に、時刻ｔ１の後に前記接続スイッチＳＷをオンして前記リセットスイッチＲＥＳをオフすることにより前記光電変換部ＰＤから溢れた電荷を前記電荷蓄積部Ｃｃｓ及び前記フローティングディフュージョン部ＦＤに蓄積し、その後、時刻ｔ２、ｔ３、ｔ４で前記接続スイッチＳＷをオフして前記リセットスイッチＲＥＳをオンすることにより前記フローティングディフュージョン部ＦＤに蓄積された電荷をリセットする排出動作を複数回行う。

第１の実施形態（図３）では、前記複数回の排出動作の間隔は、同じである。第２の実施形態（図５）では、前記複数回の排出動作の間隔は、回数を重ねるに従い短くなる。

第１の実施形態（図３）では、前記排出動作は、時刻ｔ３及びｔ４で複数行の画素部において同時に行う。第３の実施形態（図６）では、前記排出動作は、全行の画素部において同時に行う。

第５の実施形態（図８）において、処理回路８０２は、測光情報取得手段で取得された被写体の測光情報に応じて前記排出動作の回数を決定する回数決定手段である。

なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本発明の第１の実施形態による受光領域内の画素部の構成例を示す回路図である。 本発明の第１の実施形態によるＭＯＳ型固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。 受光領域のｎ行目から（ｎ＋２）行目の画素部における駆動タイミングを示すタイミングチャートである。 第１の実施形態の光電変換特性を示す図である。 本発明の第２の実施形態による固体撮像装置のｎ行目の駆動タイミングを示すタイミングチャートである。 本発明の第３の実施形態による固体撮像装置の駆動タイミングを示すタイミングチャートである。 本発明の第４の実施形態による固体撮像装置の駆動タイミングを示すタイミングチャートである。 本発明の第５の実施形態による固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の第６の実施形態による固体撮像装置の構成例を示す回路図である。 固体撮像装置の駆動方法を示す図である。 特許文献１をより詳細に説明するための説明図である。 固体撮像装置の駆動タイミングを示すタイミングチャートである。

符号の説明

ＰＤ フォトダイオード
ＴＸ 転送トランジスタ
ＲＥＳ リセットトランジスタ
ＳＦ ソースフォロワの入力ＭＯＳトランジスタ
ＳＥＬ 行選択用スイッチ
ＦＤ フローティングディフュージョン部
ＳＷ スイッチトランジスタ
Ｃｃｓ 保持容量
１００ センサチップ
１０１ 受光領域
１０２ａ，１０２ｂ 列信号処理回路
１０３ａ，１０３ｂ 水平走査回路
１０４ 垂直走査回路
１０５ａ，１０５ｂ 読み出しアンプ部
１０６ａ，１０６ｂ 共通信号線部
１０７ａ，１０７ｂ 出力線部

Claims (7)

1. 光電変換により電荷を生成し、その生成した電荷を蓄積する光電変換部と、
   前記光電変換部に蓄積された電荷をフローティングディフュージョン部に転送するための転送スイッチと、
   前記光電変換部から溢れた電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
   前記電荷蓄積部及び前記フローティングディフュージョン部間を接続するための接続スイッチと、
   前記フローティングディフュージョン部に蓄積された電荷をリセットするリセットスイッチとを有し、
   １回の電荷蓄積期間内に、前記接続スイッチをオフして前記リセットスイッチをオンすることにより前記フローティングディフュージョン部に蓄積された電荷をリセットする排出動作を複数回行うことを特徴とする撮像装置。
2. 前記複数回の排出動作の間隔は、同じであることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 前記複数回の排出動作の間隔は、回数を重ねるに従い短くなることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
4. 前記排出動作は、複数行の画素部において同時に行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の撮像装置。
5. 前記排出動作は、全行の画素部において同時に行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の撮像装置。
6. さらに、被写体の測光情報に応じて前記排出動作の回数を決定する回数決定手段を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の撮像装置。
7. 光電変換により電荷を生成し、その生成した電荷を蓄積する光電変換部と、
   前記光電変換部に蓄積された電荷をフローティングディフュージョン部に転送するための転送スイッチと、
   前記光電変換部から溢れた電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
   前記電荷蓄積部及び前記フローティングディフュージョン部間を接続するための接続スイッチと、
   前記フローティングディフュージョン部に蓄積された電荷をリセットするリセットスイッチとを有する撮像装置の処理方法であって、
   １回の電荷蓄積期間内に、前記接続スイッチをオフして前記リセットスイッチをオンすることにより前記フローティングディフュージョン部に蓄積された電荷をリセットする排出動作を複数回行うステップを有することを特徴とする撮像装置の処理方法。

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