JP5178804B2 - 撮像装置の駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、光電変換部にフォトディテクタを用いた撮像装置の駆動方法に関する。

撮像素子の光電変換部にフォトディテクタを使用し、当該フォトディテクタに発生して蓄積された電荷（キャリア）を、ＭＯＳトランジスタを用いて転送するＭＯＳ型固体撮像装置が知られている。例えば下記の特許文献１，２には、ＣＭＯＳセンサと呼ばれる固体撮像装置が開示されている。

従来の撮像素子における個々の画素（撮像画素）は、露光されることにより電荷を生成するフォトディテクタ、電位をフローティング状態に保つことができるフローティングディフュージョン（浮遊拡散層）、フォトディテクタで生成された電荷をフローティングディフュージョンに転送するための転送トランジスタ、フローティングディフュージョンの電位を読み出す読み出し回路を有している。

撮像装置のフォトディテクタに光が入射すると、その内部に電荷が発生する。撮像動作時の露光期間では、転送トランジスタはオフ状態（非導通状態）にされており、フォトディテクタとフローティングディフュージョンとの間には、転送トランジスタによるポテンシャル障壁が形成されているので、その電荷はフローティングディフュージョンへ移動せずにフォトディテクタ内に留まり蓄積される。そして、読み出し期間になると転送トランジスタをオン状態（導通状態）して上記ポテンシャル障壁をなくし、フォトディテクタ内の電荷をフローティングディフュージョンへと転送する。フローティングディフュージョンに電荷が転送されると、その量に応じてフローティングディフュージョンの電位が変化する。その電位変化を読み出し回路が読み出すことにより、露光期間にフローティングディフュージョンに入射した光量に対応した信号出力が得られる。

特開平９−４６５９６号公報 特開平１１−１９５７７６号公報

上記のような撮像素子においては、露光期間中にフローティングディフュージョンに入射する光量が特定のレベルを超えない範囲では、信号出力と照度との関係は線形になる。しかし照度がその特定のレベルを超えると、撮像素子は飽和状態になり、出力信号と照度との関係は非線形になり、出力信号は照度の対数に比例して変化するようになる（詳細は後で説明する）。

以下、説明の便宜上、光電変換特性が線形になる範囲を「線形領域」、画像素子が飽和状態になり、信号出力が照度の対数に比例して変化する範囲を「飽和領域」あるいは「対数領域」と称することもある。

対数領域を撮像装置の動作レンジ内に含ませれば、検出可能な照度範囲（いわゆる「ダイナミックレンジ」）を大幅に広げることが可能になる。対数領域で得られた画像信号を適切に処理するためには、線形領域と対数領域との境界の出力信号レベルを把握しておく必要がある。しかし、線形領域と対数領域との境界レベルは、撮像時の露光期間の長さ（露光時間）や温度条件によって変動する。従来の撮像装置の駆動方法では、それらの変動後の値を容易に求めることはできなかった。従って、対数領域を撮像装置の動作レンジ内に含ませた場合、ダイナミックレンジを大きくできる反面、撮像時の露光制御が非常に困難になってしまう。

また、対数領域を撮像装置の動作レンジ内に含ませた場合、当該対数領域の傾き（即ち、照度が１桁変わったときの出力信号の変化量）が小さければ、ダイナミックレンジを大きくできるが、高照度領域のコントラストが低下してしまう。逆に、当該対数領域の傾きが大きければ、コントラストは向上するが、ダイナミックレンジが狭くなってしまう。従って、撮像画素の用途に応じて、対数領域の傾きを最適な値に調整することが望ましいが、従来の撮像装置の駆動方法では対数領域の傾きを検出することができなかったため、その傾きの調整は困難であった。

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、撮像装置の光電変換特性における線形領域と対数領域との境界レベルおよび対数領域の傾きを検出することを可能にする撮像装置の駆動方法を提供することを目的とする。

本発明に係る撮像装置の駆動方法は、フォトディテクタと、電位をフローティング状態に保つことが可能なフローティングディフュージョンと、前記フォトディテクタと前記フローティングディフュージョンとの間に接続する転送トランジスタと、前記フローティングディフュージョンの電位を読み出す読み出し回路とを有する撮像画素を、複数個備えた撮像装置の駆動方法であって、前記複数の撮像画素のうち遮光された所定の撮像画素において、（ａ）フローティングディフュージョンの電位を、当該フローティングディフュージョンからフォトディテクタへの電荷注入が可能な電位に設定すると共に、転送トランジスタをオン状態にすることで、前記フローティングディフュージョンから前記フォトディテクタへ電荷を注入する工程と、（ｂ）前記転送トランジスタをオフ状態にした後で、前記フローティングディフュージョンの電位を、前記フォトディテクタから当該フローティングディフュージョンへの電荷注入が可能な電位に設定する工程と、（ｃ）前記工程（ｂ）から所定の待機時間だけ経過したときに、前記フローティングディフュージョンをフローティング状態にする工程と、（ｄ）前記工程（ｃ）の後に、前記転送トランジスタをオン状態にすることで、前記フォトディテクタから前記フローティングディフュージョンへ電荷を注入する工程と、（ｅ）前記読み出し回路により、前記工程（ｄ）の後における前記フローティングディフュージョンの電位を出力信号として読み出す工程とが実行されるものである。

本発明によれば、フォトディテクタの飽和領域の対数特性を利用した撮像装置において、撮像動作における折れ点をいつでも（リアルタイムに）算出することが可能になる。つまり、撮像動作時の露光期間の長さ（露光時間）を変更した場合や、温度条件が変わった場合にも、それに対応して適切な折れ点を検出することができるようになる。その結果、撮像装置の撮像動作時における露光制御を容易に行うことができるようになる。

実施の形態１に係る撮像画素の構成を示す図である。 実施の形態１に係る撮像画素の撮像動作を示すフローチャートである。 実施の形態１に係る撮像画素の撮像動作を示すタイミングチャートである。 撮像画素の光電変換特性を示すグラフである。 撮像画素の光電変換特性を示すグラフである。 撮像画素内の電荷のふるまいを説明するための模式図である。 実施の形態１に係る撮像画素の折れ点検出動作を示すフローチャートである。 実施の形態１に係る撮像画素の折れ点検出動作を示すフローチャートである。 折れ点検出動作におけるリーク期間後のフォトディテクタのポテンシャルφ₀とリーク時間（＝露光時間Ｔ_e）の関係を示すグラフである。 撮像素子の試作チップにおける撮像動作の光電変換特性、並びに、折れ点検出動作におけるリーク時間とポテンシャルφ₀との関係を測定した結果を示すグラフである。 本実施の形態２に係る撮像画素の構成を示す図である。 本実施の形態２に係る撮像装置の動作を示すフローチャートである。 転送トランジスタのオフ電圧を変化させたときの、光電変換特性の変化を測定した実験結果を示すグラフである。 本実施の形態２の作用を説明するための図である。 本実施の形態３に係る撮像画素の構成を示す図である。 本実施の形態３に係る撮像装置の動作を示すフローチャートである。 本実施の形態３の作用を説明するための図である。 本実施の形態３に係る読み出し回路の構成を示す図である。

＜実施の形態１＞
図１は本実施の形態に係る撮像装置が備える撮像素子の画素（撮像画素）の構成を示す図である。図１の如く当該撮像画素は、基本画素回路１０に、レベル変換回路２１、第１可変電圧源２２、第２可変電圧源２３、定電流源２４および読み出し回路２５が接続して構成されている。

基本画素回路１０は、上記特許文献１，２に開示されたものと同様のものであり、フォトディテクタ（ＰＤ）１１、転送トランジスタ１２、リセットトランジスタ１３、フローティングディフュージョン（ＦＤ）１４、選択トランジスタ１５および増幅トランジスタ１６を備えている。

フォトディテクタ１１は、光が入射するとそのカソードに電荷を発生する光電変換素子である。転送トランジスタ１２は、フォトディテクタ１１とフローティングディフュージョン１４との間に接続し、両者間の電荷の転送を担うものである。従来の撮像装置では、転送トランジスタ１１は専ら、光の入射によりフォトディテクタ１１で発生した電荷をフローティングディフュージョン１４へ転送するのに使用されていたが、本実施の形態ではそれに加え、フローティングディフュージョン１４からフォトディテクタ１１への電荷転送にも使用される。

転送トランジスタ１２のオン／オフ（導通／非導通）の切替えは、転送信号φ_txにより行われる。但し、転送信号φ_txは転送トランジスタ１２の制御端子であるゲートに直接印加されるのではなく、レベル変換回路２１に入力される。レベル変換回路２１は、転送信号φ_txを所定のレベルの電圧に変換してから転送トランジスタ１２のゲートに印加する。第１可変電圧源２２は、転送トランジスタ１２をオフ状態にする際に、そのゲートに印加する電圧（以下「オフ電圧」と称す）を決定するものである。即ち、レベル変換回路２１は、転送トランジスタ１２をオフ状態にするとき、第１可変電圧源２２の出力電圧Ｖ₁を、当該転送トランジスタ１２のゲートに印加する。

リセットトランジスタ１３は、フローティングディフュージョン１４の電位を、第２可変電圧源２３の出力電位Ｖ₂に設定するものである。従来の撮像装置では、リセットトランジスタ１３は、フローティングディフュージョン１４から電荷を排出する目的で、該フローティングディフュージョン１４の電位を所定のリセット電位に設定するのに使用されていた。それに対し本実施の形態では、リセットトランジスタ１３は、電位Ｖ₂のレベルに応じて、フローティングディフュージョン１４内へ電荷を注入するために使用されることもある。なお、リセットトランジスタ１３のオン／オフの切替えは、該リセットトランジスタ１３のゲートに入力されるリセット信号φ_rstにより行われる。

増幅トランジスタ１６は、ゲートがフローティングディフュージョン１４に接続しており、ソースに接続した定電流源２４と共にソースフォロアアンプを構成している。即ち、増幅トランジスタ１６および定電流源２４は、フローティングディフュージョン１４の電位に対応した出力信号としての出力電圧Ｖ_outを出力する手段として機能する。但し、増幅トランジスタ１６のドレインは、選択トランジスタ１５を介して電源Ｖ_ddに接続しているので、当該ソースフォロアアンプは選択トランジスタ１５がオンの期間のみ出力電圧Ｖ_outを出力することとなる。選択トランジスタ１５のオン／オフの切替えは、選択トランジスタ１５のゲートに入力される選択信号φ_selにより行われる。読み出し回路２５は、出力電圧Ｖ_outの値を読み取って、それを所定の信号処理回路（不図示）へと送る。

図１においては、説明の簡単のため１つ撮像画素の回路のみを示しているが、撮像素子は、アレイ状に配列された複数個の撮像画素を備えている。さらに、共通の読み出しラインに複数個の撮像画素が接続し、定電流源２４および読み出し回路２５は、それぞれ１つの読み出しラインに対して１個ずつ設けられる。上記のように、撮像画素は選択トランジスタ１５がオンの期間にのみ出力電圧Ｖ_outを出力するので、各撮像画素に入力される選択信号φ_selを用いて、読み出しラインを共有する複数の撮像画素が１つずつ順番に出力電圧Ｖ_outを出力するよう制御することにより、１つの読み出し回路２５で複数個の撮像画素の出力電圧Ｖ_outを取得することができる。

以下、本実施の形態の撮像装置の通常動作（撮像動作）を説明する。この撮像動作は、従来のものと同様である。図２および図３はそれぞれ、当該撮像動作を示すフローチャートおよびタイミングチャートである。図３における符号Ｓ１〜Ｓ６は、図２のステップを示す符号Ｓ１〜Ｓ６にそれぞれ対応している。

まず、リセット信号φ_rstと転送信号φ_txをＨ（Ｈｉｇｈレベル）にして、転送トランジスタ１２およびリセットトランジスタ１３をオン状態にする。撮像動作においては、第２可変電圧源２３の出力電位Ｖ₂は、従来の撮像装置と同様のリセット電位（例えば２．２Ｖ）に固定される。よって、フォトディテクタ１１のカソードおよびフローティングディフュージョン１４内の電荷は、転送トランジスタ１２およびリセットトランジスタ１３を介して排出される。それにより、フォトディテクタ１１は、そのカソードに電荷が存在しない空乏化状態になる（Ｓ１）。

次に、リセット信号φ_rstと転送信号φ_txをＬ（Ｌｏｗレベル）に戻して、転送トランジスタ１２およびリセットトランジスタ１３をオフにする。そして所定の長さの露光期間に移行する。当該露光期間の光の入射によりフォトディテクタ１１に発生した電荷は、フォトディテクタ１１内に蓄積されていく（Ｓ２）。また、このとき選択トランジスタ１５はオフであるため、読み出し回路２５はこの間を利用して読み出しラインを共有する他の撮像画素に対する読み出しを行うことができる。

続いて、リセット信号φ_rstをＨにしてリセットトランジスタ１３をオンにし、フローティングディフュージョン１４をリセット電位にする（Ｓ３）。そしてリセット信号φ_rstをＬに戻してリセットトランジスタ１３をオフにし、フローティングディフュージョン１４をフローティング状態にする。次いで選択信号φ_selをＨにして選択トランジスタ１５をオンにすると増幅トランジスタ１６を介してフローティングディフュージョン１４のリセット電位に対応した出力電圧Ｖ_outが出力され、読み出し回路２５がその値を読み取る（Ｓ４）。このときの出力電圧Ｖ_outの値をＶ_r1とする。

そして、選択トランジスタ１５をオンに保ったまま、転送信号φ_txをＨにして転送トランジスタ１２をオンし、フォトディテクタ１１のカソードに蓄積されている電荷をフローティングディフュージョン１４に転送する（Ｓ５）。フローティングディフュージョン１４の電位は、転送されてきた電荷の量に応じて下がり、出力電圧Ｖ_outも小さくなる。そして、読み出し回路２５にその値を読み取らせる（Ｓ６）。このときの出力電圧Ｖ_outの値をＶ_s1とする。

そして、後段の信号処理回路で、上記のＶ_r1とＶ_s1の差（Ｖ_r1−Ｖ_s1）を算出することにより、フォトディテクタ１１からフローティングディフュージョン１４に転送された電荷量が得られる。それにより、露光期間にフォトディテクタ１１に発生した電荷に対応した信号、即ち露光期間にフォトディテクタ１１へ入射した光量に対応した信号が得られる。

図４は、上記の撮像動作における撮像画素の光電変換特性（感度曲線）を示すグラフである。露光時間が一定の場合、図４（ａ）に示すように、入射光の照度が特定のレベルを超えない範囲では照度に比例した出力（Ｖ_r1−Ｖ_s1）が得られるが、それを超えると飽和特性を示し、出力は照度の対数に比例するようになる。転送トランジスタ１２のオフ電圧が低い（例えば０Ｖ）の場合、この飽和領域は読み出し回路の動作レンジ外になるため、通常は全ての動作レンジが線形の特性が得られる領域（線形領域）になる。

それに対し、転送トランジスタ１２のオフ電圧を大きくすれば（例えば１．２Ｖ）、低い照度で飽和に至るようになり、図４（ｂ）のように飽和領域が動作レンジ内に入るようになる。つまり、撮像動作に飽和領域を利用できるようになる。飽和領域では照度の対数に比例した出力が得られるため、検出可能な照度範囲（いわゆる「ダイナミックレンジ」）を広げるのに有効である。なお、図４（ｃ）は、図４（ｂ）の横軸（照度）を対数スケールにしたものである。飽和領域では、出力が照度の対数に比例するのでグラフは直線になる。以下では説明の簡単のため、線形領域と飽和領域（対数領域）との境界点を「折れ点」と称する（図４（ａ）〜（ｃ）参照）。

ここで、線形領域および対数領域それぞれにおける光電変換特性を表す式を求める。図５もまた、撮像画素の光電変換特性を示すグラフである。但しこのグラフでは、光の入射によりフォトディテクタ１１に発生する光生成電流Ｉ_phと、フォトディテクタ１１のカソードのポテンシャルφとの関係を示している。光生成電流Ｉ_phは照度に比例するので、図５のグラフも図４（ａ）〜（ｃ）のグラフと同様の特性を有することになる。つまりこのグラフも光生成電流Ｉ_phが小さいときの線形領域と、大きいときの対数領域とからなる。この２つの領域の境界である折れ点を（Ｉ_p，φ_p）と定義する。

まず、線形領域における光生成電流Ｉ_phとポテンシャルφとの関係は、次の式（１）で表される。

Ｃはフォトディテクタ１１の容量、Ｔ_eは露光時間である。

次に、対数領域における関係式を求める。飽和領域において、転送トランジスタ１２がオフのときのリーク電流Ｉ_leakは、式（２）で表される。

φ_b，ａ，ｂはパラメータであり、このうちφ_bは転送トランジスタ１２のオフ電圧に応じて変化する。リーク電流Ｉ_leakのＳファクタ（電流が１桁（decade）変化するのに必要な電圧）は、式（２）よりｌｎ（１０）／ｂである。通常、撮像画素のＳファクタは約１００ｍＶであることから、ｂは０．０２３［ｍＶ^-1］程度である。

図６（ａ），（ｂ）はそれぞれ、線形領域および飽和領域における電荷のふるまいを示す模式図である。光生成電流Ｉ_phが小さい線形領域では、図６（ａ）のように、フォトディテクタ１１内の電荷のポテンシャルは、フローティングディフュージョン１４との間に転送トランジスタ１２が形成するポテンシャル障壁を越えないので、リーク電流Ｉ_leakは生じない。しかし、光生成電流Ｉ_phが大きくなると、図６（ｂ）のように、当該ポテンシャル障壁を越える電荷が生じ、それがフローティングディフュージョン１４側へリークして、リーク電流Ｉ_leakを生じさせる。

飽和領域では、光生成電流Ｉ_phはリーク電流Ｉ_leakと等しくなるので、飽和領域では次の式（３）の関係が得られる。

式（３）より、対数領域の傾き（即ち、リーク電流Ｉ_leakが一桁変わったときの、ポテンシャルφの変化量）はｌｎ（１０）／ｂ［/decade］で表される。また、式（１）から分かるように、露光時間Ｔ_eを短くすると線形領域の傾きが小さくなり、図５のように折れ点のレベルが高くなる（逆に、露光時間Ｔ_eを長くすると、折れ点レベルは小さくなる）。

上述のように、対数領域で得られた出力信号を適切に処理するためには、線形領域と対数領域との間の境界である折れ点のレベルを把握しておく必要がある。しかし折れ点は、撮像時の露光期間の長さ（露光時間）や温度条件によって変動するので、露光制御が非常に困難になっていた。そこで、本実施の形態では、線形領域と対数領域との間の折れ点の検出が可能な撮像画素の駆動方法を提案する。

図７および図８はそれぞれ、本実施の形態の撮像装置における折れ点検出動作を示すフローチャートおよびタイミングチャートである。図８における符号Ｓ１１〜Ｓ１８は、図７のステップを示す符号Ｓ１１〜Ｓ１８にそれぞれ対応している。また、図８におけるＶ_PDおよびＶ_FDは、それぞれフローティングディフュージョン１４およびフォトディテクタ１１のカソードの電位を示している。以下、これらの図を参照して、本実施の形態の撮像装置における折れ点検出動作を説明する。

通常、撮像装置は、遮光されていない通常画素と、遮光された遮光画素とを有している。通常画素は先に述べた通常動作（撮像動作）を行うものであり、遮光画素は例えば黒レベルの検出などに使用される。以下に説明する折れ点検出のための撮像画素の駆動方法は、遮光画素に対して行われる。

まず、所定の遮光画素において、第２可変電圧源２３の出力電位Ｖ₂を、フォトディテクタ１１へ電荷を注入可能な電位（例えば０．４Ｖ）に設定する（Ｓ１１）。そして、転送信号φ_txおよびリセット信号φ_rstをＨにして、転送トランジスタ１２およびリセットトランジスタ１３をオンにする。リセットトランジスタ１３がオンになることにより、フローティングディフュージョン１４の電位は第２可変電圧源２３の出力電位Ｖ₂（即ち、フォトディテクタ１１へ電荷を注入可能な電位）になる。なお且つ、転送トランジスタ１２もオンになるので、当該転送トランジスタ１２を介して、フローティングディフュージョン１４からフォトディテクタ１１へと電荷が注入される（Ｓ１２）。

その後、リセットトランジスタ１３にオンの状態を維持させたまま、転送信号φ_txをＬに戻し、転送トランジスタ１２をオフにする（Ｓ１３）。このとき転送トランジスタ１２のゲートに印加するオフ電圧は第１可変電圧源２２の出力電圧Ｖ₁になるが、その値は、後述のリーク期間（ステップＳ１５）でフォトディテクタ１１からフローティングディフュージョン１４へ電荷がリークする程度に高めに設定する（例えば１．２Ｖ）。

続いて、第２可変電圧源２３の出力電位Ｖ₂を所定のリセット電位（例えば２．２Ｖ）に設定する。リセットトランジスタ１３はオン状態のままであるので、フローティングディフュージョン１４もリセット電位になる（Ｓ１４）。即ち、フローティングディフュージョン１４は、フォトディテクタ１１から電荷が注入され得る電位に設定される。

この状態を保持したまま所定の待機時間だけ待機する。その間、フォトディテクタ１１に注入した電荷のうち、転送トランジスタ１２が形成するポテンシャル障壁を越える電荷が少しずつフローティングディフュージョン１４側にリークしていく。即ち、この待機期間には、フォトディテクタ１１とフローティングディフュージョン１４との間で、図６（ｂ）に示した飽和状態と同様の電流リークが生じる（Ｓ１５）。本明細書では、この待機期間を「リーク期間」と称する。

上記の待機時間が経過したらリセット信号φ_rstをＬにしてリセットトランジスタ１３をオフにする。転送トランジスタ１２とリセットトランジスタ１３とが共にオフ状態になるので、フローティングディフュージョン１４の電位はフローティング状態になる。そして、選択信号φ_selをＨにして選択信号φ_selをオンにする。このときフローティングディフュージョン１４の電位はリセット電位であるので、当該リセット電位に対応した出力電圧Ｖ_outが出力され、当該出力電圧Ｖ_outは読み出し回路２５により取得される（Ｓ１６）。このときの出力電圧Ｖ_outの値をＶ_r2とする。

その後、転送信号φ_txをＨにして転送トランジスタ１２をオンにする。それにより、フォトディテクタ１１に蓄積されている電荷はフローティングディフュージョン１４に転送され、当該フローティングディフュージョン１４の電位は下がる（Ｓ１７）。そして、電荷転送後のＦＤ電位に対応した出力電圧Ｖ_outが出力され、読み出し回路２５がそれを取得する（Ｓ１８）。このときの出力電圧Ｖ_outの値をＶ_s2とする。

そして、後段の信号処理回路で、上記のＶ_r2とＶ_s2の差（Ｖ_r2−Ｖ_s2）を算出することにより、フォトディテクタ１１からフローティングディフュージョン１４に転送された電荷量が算出される。

ここで、リーク期間の長さ（リーク時間）を通常の撮像動作の露光時間Ｔ_eと同じにした場合における、上記の折れ点検出動作での撮像画素の出力を考察する。説明の便宜上、撮像画素の出力として、Ｖ_r2とＶ_s2の差（Ｖ_r2−Ｖ_s2）ではなく、リーク期間終了時の転送トランジスタ１２のポテンシャルφ₀を用いる。

まず、リーク期間中におけるフォトディテクタ１１のポテンシャルφの時間変化は、次の式（４）で表される。

式（４）より、ｔ＝Ｔ_eのとき（即ちリーク期間終了時）のポテンシャルφ₀は近似的に次の式（５）で与えられる。

式（５）に基づき、ポテンシャルφ₀とリーク時間（＝露光時間Ｔ_e）の関係をグラフに表すと図９のようになる。リーク時間が長くなると、ポテンシャルφ₀は小さくなり、その傾き（即ち、リーク時間が一桁変わったときのポテンシャルφ₀の変化量）は−ｌｎ（１０）／ｂ［/decade］で表される。この関係は、図５に示した光電変換特性において、露光時間Ｔ_eが長くなると折れ点が小さくなる現象と相関があることが分かる。

次に、リーク時間と露光時間Ｔ_eが同じ場合における、ポテンシャルφ₀と折れ点のポテンシャルφ_pの定量的な比較を行う。まず式（３）において、φ＝φ₀になる光生成電流Ｉ₀は、式（３）および式（５）より、式（６）で表される。

一方、式（１）より、折れ点（Ｉ_p，φ_p）は、次の式（７）の関係にある。

よって、Ｉ₀とＩ_pの比は、次の式（８）のようになる。

ここで、一般的な撮像画素の折れ点のポテンシャルφ_pは４００ｍＶ程度であるので、式（８）のＩ₀／Ｉ_pの値は０．１程度になり、Ｉ₀はＩ_pよりも小さくなる計算になる。このことは、折れ点検出動作で得られるポテンシャルφ₀に一定の値（オフセット）を加算すれば、真の折れ点のポテンシャルφ_pの近似値が得られることを示している。このオフセットの値は、実験やシミュレーション、あるいは経験値などから算出して予め決定しておくことができる。

本発明者等は、撮像素子の試作チップを用い、通常の撮像動作での露光時間を９００ｍｓとしたときの光電変換特性、並びに、折れ点検出動作におけるリーク時間とポテンシャルφ₀との関係を測定した。図１０は、その結果を示している。同図より、次の（Ａ）〜（Ｃ）のような特徴が観察され、上述の理論に一致していることが確認できる。
（Ａ）折れ点検出動作のリーク時間を長くすると、ポテンシャルφ₀は小さくなる、
（Ｂ）光電変換特性のグラフにおける対数領域の傾きと、リーク時間とポテンシャルφ₀との関係を表すグラフの傾きは、大きさは同じで逆符号である、
（Ｃ）折れ点検出動作のリーク時間を、露光時間と同じ９００ｍｓとしたときの折れ点は、実際の光電変換特性の折れ点のポテンシャルより少し低い値である（即ち、ポテンシャルφ₀に、適切なオフセットを加算すれば折れ点の近似値が定まる）。

以上のように、本実施の形態の折れ点検出動作における撮像装置の駆動方法を用いれば、フォトディテクタの飽和領域の対数特性を利用した撮像装置において、撮像動作における折れ点をいつでも（リアルタイムに）算出することが可能になる。つまり、撮像動作時の露光期間の長さ（露光時間）を変更した場合や、温度条件が変わった場合にも、それに対応して適切な折れ点を検出することができるようになる。その結果、撮像装置の撮像動作時における露光制御を容易に行うことができるようになる。

なお、本実施の形態の折れ点検出動作では、Ｖ_r2とＶ_s2の両方を読み出し回路２５を用いて読み出すように構成したが、通常Ｖ_r2は一定の値であるので、その値が予め分かっている場合にはその都度読み出す必要はない。その場合は、Ｖ_s2のみを読み出して、既知のＶ_r2との差（Ｖ_r2−Ｖ_s2）に基づいて、折れ点を検出してもよい。

＜実施の形態２＞
図１１は、本実施の形態に係る撮像装置が備える撮像素子の画素（撮像画素）の構成を示す図である。図１１において、図１に示したものと同様の要素には同一符号を付してあるので、それらの説明は省略する。

図１１に示すように、本実施の形態の撮像画素は図１に示した構成に加え、転送トランジスタ１２のオフ電圧を調整するオフ電圧調整回路２６を備えている。上述のように、転送トランジスタ１２のオフ電圧は、第１可変電圧源２２の出力電圧Ｖ₁により決定される。オフ電圧調整回路２６は、第１可変電圧源２２を制御して当該電圧Ｖ₁を調整することによって、転送トランジスタ１２のオフ電圧を調整する。また、当該オフ電圧の調整は、読み出し回路２５が取得した出力電圧Ｖ_out（Ｖ_r2およびＶ_s2）（即ちフローティングディフュージョン１４の電位に対応した電圧信号）に基づいて行われる。

なお、オフ電圧調整回路２６は、実際に撮像素子内に形成された回路により実現してもよいし、他の演算手段（例えばマイコン）の機能によって実現してもよい。

図１２は、本実施の形態に係る撮像装置の動作を示すフローチャートである。以下、本実施の形態の撮像装置の駆動方法を説明する。

まず、実施の形態１で図７および図８を用いて説明した折れ点検出動作（Ｓ１１〜Ｓ１９）が実行される。この折れ点検出動作（Ｓ１１〜Ｓ１９）に関しては、実施の形態１と同様であるので、ここでの説明は省略する。

本実施の形態では、折れ点検出動作（Ｓ１１〜Ｓ１９）により得られたＶ_r2−Ｖ_s2の値から折れ点レベルが算出されると、算出された折れ点レベルと、所望の折れ点レベルとが比較される。そして、その比較の結果に基づき、通常画素を含む全ての撮像画素において、折れ点レベルが所望の値になるように、各撮像画素のオフ電圧調整回路２６が、第１可変電圧源２２の出力電圧Ｖ₁（即ち転送トランジスタ１２のオフ電圧）の調整を行う（Ｓ２０）。

図１３は、転送トランジスタ１２のオフ電圧を変化させて、光電変換特性を測定した実験結果を示すグラフである。当該グラフには、オフ電圧を０．８Ｖ、０．９Ｖ、１．３Ｖ、１．５Ｖとしたときの結果をそれぞれ示している。また、グラフの縦軸は撮像素子の出力電圧（Ｖ_s1−Ｖ_r1）に相当するが、ディジタル値に変換後の振幅として表されている（２５６ＬＳＢ（Least Significant Bit）＝１Ｖ）。図１３から、転送トランジスタ１２のオフ電圧を大きくすれば折れ点レベルは下がることが確認できる（図１４参照）。

従って、オフ電圧調整回路２６は、算出された折れ点レベルが所望の値よりも小さかった場合には第１可変電圧源２２の出力電圧を現状よりも小さくして折れ点レベルを上げ、逆に大きかった場合には現状よりも大きくして折れ点レベルを下げるように動作する。

以上のように、各撮像画素のオフ電圧調整回路２６が、折れ点検出動作によって得られるフローティングディフュージョン１４の電位に対応した出力電圧Ｖ_out（Ｖ_r2およびＶ_s2）に基づいて、転送トランジスタ１２のオフ電圧を調整することにより、撮像装置の折れ点レベルを所望の値に設定することができるようになる。その結果、撮像装置の撮像動作時における露光制御を容易に行うことができるようになる。

＜実施の形態３＞
図１５は、本実施の形態に係る撮像装置が備える撮像素子の画素（撮像画素）の構成を示す図である。図１５において、図１に示したものと同様の要素には同一符号を付してあるので、それらの説明は省略する。図１５に示すように、本実施の形態の撮像画素は図１に示した構成に加え、傾き調整回路２７を備えている。また、本実施の形態では、読み出し回路２５は、読み出した出力電圧Ｖ_out（フローティングディフュージョン１４の電位の対応する電圧信号）を、所定のゲインをもって増幅する機能を有している。上記の傾き調整回路２７は、読み出し回路２５のゲインを調整することにより、光電変換特性の対数領域における傾きを調整することができる。

図１６は、本実施の形態に係る撮像装置の動作を示すフローチャートである。以下、本実施の形態の撮像装置の駆動方法を説明する。

本実施の形態においては、撮像装置の光電変換特性の対数領域における傾きを得るために、実施の形態１の折れ点検出動作を、リーク時間を変えて２回行う。

図１６のように、まずリーク時間を１０ｍｓに設定して（Ｓ２１）、１回目の折れ点検出動作（図７のＳ１１〜Ｓ１９）を実行して、そのときのＶ_r2−Ｖ_s2を算出する（Ｓ２２）。このとき得られたＶ_r2−Ｖ_s2を「Ｖ_p1」と定義する。

続いて、リーク時間を１回目の１０倍の１００ｍｓに設定して（Ｓ２３）、２回目の折れ点検出動作（図７のＳ１１〜Ｓ１９）を実行して、そのときのＶ_r2−Ｖ_s2を算出する（Ｓ２４）。このとき得られたＶ_r2−Ｖ_s2を「Ｖ_p2」と定義する。

そして、上記工程で得られたＶ_p1およびＶ_p2から、Ｖ_p1−Ｖ_p2の値を算出する（Ｓ２５）。２回目の折れ点検出動作におけるリーク期間は、１回目のそれの１０倍であるので、Ｖ_p2−Ｖ_p1の値は、リーク期間終了後のフォトディテクタ１１のポテンシャルφ₀の、リーク時間に対する変化の傾き−ｌｎ（１０）／ｂ［/decade］に相当する。また、先に説明したように、光電変換特性の対数領域の傾きは、その反対符号であるｌｎ（１０）／ｂ［/decade］である。従って、ステップＳ２５で求めたＶ_p1−Ｖ_p2は、光電変換特性の対数領域の傾きを示すことになる。

本実施の形態では、以上の工程で得られた対数領域の傾きと、所望の傾きの値とが比較される。そして、その比較の結果に基づき、通常画素を含む全ての撮像画素において、傾き調整回路２７が、光電変換特性の対数領域の傾きが所望の大きさになるように、図１７の如く読み出し回路２５のゲインを調整する（Ｓ２６）。

上述したように、光電変換特性の対数領域の傾きが小さい場合、ダイナミックレンジが大きくなる反面、高照度領域のコントラストの低下を招いてしまう。逆に、対数領域の傾きが大きい場合は、コントラストは向上するが、ダイナミックレンジが狭くなってしまう。本実施の形態によれば、対数領域の傾きをいつでも（リアルタイムに）検出して調整することができるので、撮像装置の用途に応じて、対数領域の傾きを最適な値に調整することが容易になる。

図１８は、本実施の形態における読み出し回路２５の一例を示す図である。当該読み出し回路２５は、ゲインアンプ３１、比較器３２およびマルチプレクサ３３から構成される。

ゲインアンプ３１には、入力信号Ｖ_i、ゲインを設定するための信号Ｇおよび当該撮像素子の折れ点レベルに相当する基準電位Ｖ_aがそれぞれ入力される。ゲインの設定信号Ｇは、傾き調整回路２７から入力される。基準電位Ｖ_aは、例えば実施の形態１の折れ点検出動作を用いて算出してもよい。ゲインアンプ３１の出力Ｖ_o1は、次の式（９）で与えられる。

比較器３２には入力信号Ｖ_iと基準電位Ｖ_aとが入力され、該比較器３２は、その比較結果を示す信号Ｓ_cを出力する。そして、マルチプレクサ３３に、入力信号Ｖ_i、ゲインアンプ３１の出力Ｖ_o1、比較器３２の出力信号Ｓ_cがそれぞれ入力される。マルチプレクサ３３は、比較器３２からの信号Ｓ_cに基づいて、入力信号Ｖ_iが基準電位Ｖ_aよりも小さいときには、入力信号Ｖ_iをそのまま出力端子へ出力し、基準電位Ｖ_aよりも大きいときはゲインアンプ３１の出力Ｖ_o1出力端子から出力する。

撮像画素に設けられる読み出し回路２５には、入力信号Ｖ_iとして、撮像画素の出力電圧Ｖ_outが入力される。よって、撮像画素の読み出し回路２５の出力Ｖ_o2は、次の式（１０）で表される。

この式から分かるように、傾き調整回路２７は、ゲインアンプ３１のゲインの設定信号Ｇを変更することにより、撮像画素の光電変換特性における対数領域の傾きを図１７の如く調整することができる。

以上のように本実施の形態によれば、折れ点検出動作を利用して、撮像画素の光電変換特性の対数領域の傾きを検出することができる。また、それに基づいて傾き調整回路２７が各撮像画素における読み出し回路２５のゲインを調整することにより、光電変換特性の対数領域の傾きを所望の値に設定することができる。従って、対数領域の傾きをあらゆる用途に対して適切に設定することができ、撮像装置の汎用性の向上に寄与できる。

１０ 基本画素回路、１１ フォトディテクタ、１２ 転送トランジスタ、１３ リセットトランジスタ、１４ フローティングディフュージョン、１５ 選択トランジスタ、１６ 増幅トランジスタ、２１ レベル変換回路、２２ 第１可変電圧源、２３ 第２可変電圧源、２４ 定電流源、２５ 読み出し回路、２６ オフ電圧調整回路、２７ 傾き調整回路、３１ ゲインアンプ、３２ 比較器、３３ マルチプレクサ。

Claims (5)

1. フォトディテクタと、
   電位をフローティング状態に保つことが可能なフローティングディフュージョンと、
   前記フォトディテクタと前記フローティングディフュージョンとの間に接続する転送トランジスタと、
   前記フローティングディフュージョンの電位を読み出す読み出し回路と
   を有する撮像画素を、複数個備えた撮像装置の駆動方法であって、
   前記複数の撮像画素のうち遮光された所定の撮像画素において、
   （ａ）フローティングディフュージョンの電位を、当該フローティングディフュージョンからフォトディテクタへの電荷注入が可能な電位に設定すると共に、転送トランジスタをオン状態にすることで、前記フローティングディフュージョンから前記フォトディテクタへ電荷を注入する工程と、
   （ｂ）前記転送トランジスタをオフ状態にした後で、前記フローティングディフュージョンの電位を、前記フォトディテクタから当該フローティングディフュージョンへの電荷注入が可能な電位に設定する工程と、
   （ｃ）前記工程（ｂ）から所定の待機時間だけ経過したときに、前記フローティングディフュージョンをフローティング状態にする工程と、
   （ｄ）前記工程（ｃ）の後に、前記転送トランジスタをオン状態にすることで、前記フォトディテクタから前記フローティングディフュージョンへ電荷を注入する工程と、
   （ｅ）前記読み出し回路により、前記工程（ｄ）の後における前記フローティングディフュージョンの電位を出力信号として読み出す工程とが実行される
   ことを特徴とする撮像装置の駆動方法。
2. 請求項１記載の撮像装置の駆動方法であって、
   前記待機時間は、当該撮像装置の撮像動作時における露光時間と同じに設定される
   ことを特徴とする撮像装置の駆動方法。
3. 請求項１または請求項２記載の撮像装置の駆動方法であって、
   前記複数の撮像画素のそれぞれにおいて、
   （ｆ）前記転送トランジスタをオフ状態にする際に当該転送トランジスタの制御端子に印加するオフ電圧を、前記工程（ｅ）で得た出力信号に基づいて調整する工程が実行される
   ことを特徴とする撮像装置の駆動方法。
4. 請求項１記載の撮像装置の駆動方法であって、
   前記遮光された所定の撮像画素において、
   （ｇ）前記工程（ａ）〜（ｅ）を、前記所定の待機時間を第１待機時間に設定して実行する工程と、
   （ｈ）前記工程（ａ）〜（ｅ）を、前記所定の待機時間を前記第１待機時間とは異なる第２待機時間に設定して実行する工程とを備える
   ことを特徴とする撮像装置の駆動方法。
5. 請求項４記載の撮像装置の駆動方法であって、
   前記読み出し回路は、前記フローティングディフュージョンの電位を所定のゲインをもって増幅する機能を有しており、
   当該駆動方法では、前記複数の撮像画素それぞれにおいて、
   （ｉ）前記工程（ｇ）で得た前記出力信号と、前記工程（ｈ）で得た前記出力信号との差に基づいて、前記ゲインを調整する工程が実行される
   ことを特徴とする撮像装置の駆動方法。

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