JP5213632B2

JP5213632B2 - 撮像装置

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Inventors: 雄一郎山下; 裕介大貫
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Description

本発明は撮像装置に関し、具体的にはダイナミックレンジ拡大技術に関するものである。

撮像装置においてダイナミックレンジを拡大させるための技術が知られている。特許文献１には、画質の低下を招くことなくダイナミックレンジを拡大することを目的とした撮像装置が開示されている。具体的には、光電変換部からあふれ出る電荷の一部が浮遊拡散部に流入するように転送ゲートの電位を制御する転送ゲート制御部を有している。そして、光電変換部に蓄積された電荷及び浮遊拡散部にあふれ出た電荷に応じて画素信号を生成する画素信号生成部とを有する構成が開示されている。

また特許文献２においては、転送トランジスタのゲート電極に同じ電圧値の中間電圧を制御電圧としてドライバ回路から行選択に同期して複数回供給し、その際に転送トランジスタによって転送される信号電荷を２回以上読み出す構成が開示されている。そして転送トランジスタに中間電圧を供給してフローティングディフュージョン領域（ＦＤ領域）に転送し、ＦＤ領域の電位を信号レベルとして読み出している。また別の実施例では、メカシャッタを用いた構成において、メカシャッタのオープン中にダミー転送を行い、メカシャッタのクローズ中に中間電圧転送と読み出しを行なう構成が開示されている。
特開２００６−１９７３８２号公報特開２００８−０９９１５８号公報

撮像装置のダイナミックレンジを広げるための１つの方法として、光電変換部の飽和電荷量を増やすことが考えられる。しかし単純に光電変換部での飽和電荷量が増加すると、全ての電荷を光電変換部の後段に設けられた読み出し回路に読み出せないもしくは読み出した電荷に基づく信号を画像形成に用いることができない場合がある。

特許文献１においては、光電変換部に光が入射し、光電変換部において画像形成用の信号電荷が生成している期間（露光期間）中に光電変換部からあふれ出る電荷をＦＤ領域へ転送している。つまり露光期間において光電変換部の飽和電荷量を超える電荷が生成されるのを想定して、露光期間中に転送を行なっている。このため、露光期間中における最後の読み出し動作後に強い光があたり、光電変換部の飽和近くまで電荷が蓄積された場合には、後段の読み出し回路のダイナミックレンジにより全ての電荷を画像形成用に用いることができない場合がある。

また特許文献２においては、強い光が入射した場合にはダミー転送を行い、生成した電荷の一部をリセットスイッチを介して排出している。したがって信号の連続性という観点で問題がある。更に、光電変換部からの転送効率は外部の温度状況や、光電変換部の後段に設けられた読み出し回路のゲインによって異なるが、この点に関しての検討がなされていなかった。

本発明は上記課題に鑑み、光電変換部の飽和電荷量が増大した場合にも、光電変換部の後段に設けられた読み出し回路のダイナミックレンジに制限を受けることなく信号を読み出すことを目的とする。

本発明は上記課題に鑑み、光電変換部と前記光電変換部の電荷を転送する転送トランジスタとを有する複数の画素と、前記転送トランジスタにより転送された電荷を受ける増幅部と、前記転送トランジスタが導通状態となる導通パルスと、前記転送トランジスタが非導通状態となる非導通パルスと、前記導通パルスと非導通パルスとの間の波高値を有する中間レベルパルスとを、前記転送トランジスタのゲートに供給可能な走査部と、前記導通パルスと前記中間レベルパルスとにより転送された電荷に基づく信号により画像信号を生成する画像信号生成部と、温度を検出する温度検出部と、前記温度検出部からの温度情報に応じて前記中間レベルパルスの波高値もしくはパルス幅の少なくとも一方を変化させる制御部と、を有し、前記走査部は、前記光電変換部の遮光期間中に前記転送トランジスタに前記導通パルス及び中間レベルパルスを供給することを特徴とする。

本発明によれば、光電変換部の後段に設けられた読み出し回路のダイナミックレンジに制限を受けることなく光電変換部の電荷を読み出すことが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
まず以下の実施形態に共通に適用可能な固体撮像装置のブロック図及び画素の等価回路図に関して図１、２を用いて説明する。

図１において、１０１は画素領域である。画素が行列状に複数配置されている。１０２は垂直走査部である。画素領域の画素を画素行ごともしくは複数の画素行ごとに走査するための回路である。シフトレジスタもしくはデコーダを用いて構成することができる。

１０３は読み出し回路としても機能し得る列回路である。画素領域１０１から垂直走査部の走査によって読み出された信号に対して所望の処理を行なう。例えば、画素のノイズ等を抑制するＣＤＳ回路や、画素からの信号を増幅する増幅部、画素からのアナログ信号をディジタル変換するＡＤ変換部等を含んで構成される。

１０４は水平走査回路である。列回路で所望の処理を施された信号を外部に読み出すために画素列毎もしくは複数の画素列毎に順次走査する。垂直走査部と同様に、シフトレジスタもしくはデコーダを用いて構成される。

１０５は信号処理部である。固体撮像装置から出力された信号に対して所定の処理を行なう。

各構成部間には光信号もしくは駆動信号等を伝達する配線が存在するがここでは省略している。

図２は、画素領域に配された画素の等価回路図である。説明の簡略化のために画素領域１０１に含まれる画素は３行×３列の計９画素としているが、これに限定するものではなく、さらに多数の画素が配されていても良い。

２０１は光電変換部として機能するフォトダイオードである。入射した光を光電変換し信号電荷を生じさせる。２０２は転送部として機能する転送トランジスタである。光電変換部で生じた電荷を後述の増幅部へ転送する。２０３は後述の増幅部の入力部の一部として機能するＦＤ領域である。光電変換部で生じた電荷が転送される。増幅部の入力部としては他に後述の増幅トランジスタのゲート及びＦＤ領域と増幅トランジスタのゲートとを電気的に接続する導電体により構成され得る。

２０４は増幅部として機能する増幅トランジスタである。不図示の定電流源と共にソースフォロワ回路を構成する。増幅トランジスタのゲートはＦＤ領域と電気的に接続されている。２０５はリセット部として機能するリセットトランジスタである。ソースがＦＤ領域及び増幅トランジスタのゲートと接続され、ドレインにはリセット電圧が供給されている。２０６は選択部として機能する選択トランジスタである。画素を選択するために増幅部の動作を制御する。選択部をリセット部と兼用し、増幅トランジスタのゲートに供給する電圧によって画素の選択、非選択を制御してもよい。

ＰＴＸは転送トランジスタの導通、非導通を制御するためのパルスを供給する駆動配線である。ＰＲＥＳはリセットトランジスタの導通、非導通を制御するためのパルスを供給する駆動配線である。ＰＳＥＬは選択トランジスタの導通、非導通を制御するためのパルスを供給する駆動配線である。これらの駆動配線に供給される駆動パルスは垂直走査部から供給される。つまり垂直走査部は転送トランジスタの走査部として機能し、転送トランジスタのゲートに各パルスを供給可能である。

図２では各画素にリセット部、増幅部、選択部を設けたが、複数の光電変換部でこれらの構成を共有することも可能である。また光電変換部とＦＤ領域との間の電荷経路に電荷保持部を設けることもできる。この場合には光電変換部から電荷保持部へ電荷を転送する第１転送部、電荷保持部からＦＤ領域へ電荷を転送する第２転送部とを有する構成となる。この場合に、後述する中間レベルパルスが供給されるのは、第１転送部、第２転送部どちらでもよい。

以下、本発明の具体的構成、駆動方法に関して説明する。

（第１の実施形態）
本実施形態の撮像装置のブロック図を図３に示す。

３０１は固体撮像装置である。３０２は温度検出部である。温度検出部は、固体撮像装置内もしくは固体撮像装置近傍の温度を測定する。例えばダイオードを用いることができる。ここでは固体撮像装置内に配されているが、固体撮像装置外部に固体撮像装置近傍の温度を測定可能な位置に配置してもよい。３０３はＣＰＵである。３０４は制御部である。温度検出部３０２からの温度情報及びＣＰＵ３０３からの制御信号に応じて固体撮像装置等の制御を行なう。３０５は可変電圧供給源である。制御部３０４からの制御信号に応じて、固体撮像装置に対して温度に応じた電圧を供給する。この電圧を図１の垂直走査部に供給することにより、温度に応じて中間レベルパルスの波高値を異ならせることが可能となる。もしくは中間レベルパルスのパルス幅を変更するような構成としてもよい。

本実施形態の動作フローを説明する。まず光電変換部において信号電荷の蓄積を行なう。所定の露光期間が終了後、蓄積を終了する。その後、温度検出部により固体撮像装置自身もしくはその近傍の温度を取得する。そして、取得した温度情報に対応した電圧情報が記録されているルックアップテーブルにアクセスし、可変電圧供給源から温度に対応した電圧が供給されるように制御する。その後、後述の各読み出し動作を行なう。

信号電荷の有するエネルギーは、温度によって異なり、温度が変化しても光電変換部とＦＤ領域との間の電荷経路のポテンシャル障壁が変化しない場合にはＦＤ領域に転送される電荷数が異なってしまう。これに対して本実施形態においては、温度検出部を設け、この温度検出部からの信号に応じて転送トランジスタに供給するパルスの波高値、もしくはパルス幅の少なくとも一方を異ならせるもしくは切り換える。具体的には温度が高くなれば、パルスの波高値が同じであっても転送される電荷量は増える。したがって温度によらず一定の電荷転送量を達成するためには、温度が高い時にはパルスの波高値を相対的に低くもしくはパルス幅を狭くし、温度が低い時はパルスの波高値を相対的に高くもしくはパルス幅を広くするのがよい。

本実施形態の駆動パルスを図４に、各構成部におけるポテンシャル状態を図５に示す。図４においてＰＴＸは転送トランジスタのゲートに供給されるパルス、ＰＲＥＳはリセットトランジスタのゲートに供給されるパルス、ＰＳＥＬは選択トランジスタのゲートに供給されるパルスをそれぞれ示す。括弧書きで示した数字は画素行番号を示す。また本実施形態の固体撮像装置はメカシャッタを有しており、メカシャッタが開状態で光電変換部に光が入射し、メカシャッタが閉状態で光電変換部に光が入射しない状態となっている。メカシャッタによって露光期間を規定することが可能である。図４において、黒塗りの部分が閉状態であり、白塗りの部分が開状態である。

ＰＴＳは列回路に含まれる光信号保持用の保持部に信号を取り込むためのサンプリングパルスであり、ＰＴＮは列回路に含まれるノイズ信号保持用の保持部に信号を取り込むためのサンプリングパルスである。ノイズ信号とは画素のリセットトランジスタ、及び増幅トランジスタのオフセット、ランダムノイズ、もしくは列回路に増幅部を含む場合にはこの列増幅部のオフセットなどである。

またハイレベルパルスにより各トランジスタが導通、もしくはサンプリングを行なうものとする。したがってハイレベルパルスは導通パルスとよぶこともできる。逆に、ローレベルパルスは非導通パルスとよぶこともできる。

まずＴ１では、リセットトランジスタが導通状態においてＰＴＸにハイレベルパルスを供給し光電変換部の電荷をリセットする。この時メカシャッタは閉状態である。

Ｔ２では、メカシャッタを開状態とし光電変換部に光を入射させる。このとき各転送トランジスタに供給されるパルスは各転送トランジスタを非導通状態とするローレベルパルスである。

Ｔ３において、メカシャッタを閉状態とする。これにより光電変換部での信号電荷の生成期間が終了する。

Ｔ４において、１行目の画素行のＰＲＥＳにローレベルパルスを供給し、ＰＳＥＬにハイレベルパルスを供給する。ここでは同時に行なっているが異なる時刻に行なってもよい。ただし、リセット部のｋＴＣノイズを抑制したい場合には、少なくともノイズ信号をサンプリングするＰＴＮにハイレベルパルスが供給される期間においては、ＰＲＥＳにはＬｏｗパルスが供給されている必要がある。

Ｔ５において、ＰＴＮにハイレベルパルスを供給し、１行目の画素のノイズ信号を列回路にて保持する。

Ｔ６ａにおいて、１行目の画素行のＰＴＸにハイレベルパルスとローレベルパルスとの間の中間レベルパルスを供給する。この中間レベルパルスが供給されることにより生じるポテンシャルバリアを越える部分の光電変換部の電荷のみがＦＤ領域に転送される（第１のステップ）。図から明らかなように第２のステップはメカシャッタにより光電変換部が遮光されている遮光期間中に行なわれる。

Ｔ６ｂにおいて、１行目の画素行のＰＴＸにローレベルパルスを供給する。

Ｔ７において、ＰＴＳにハイレベルパルスを供給し、１行目の画素の転送トランジスタに中間レベルパルスを供給することにより転送される電荷に基づく信号を列回路にて保持する。

Ｔ８において、１行目の画素行のＰＳＥＬにローレベルパルスを供給し、ＰＲＥＳにハイレベルパルスを供給する。この動作によって、第２のステップによりＦＤ領域に転送されていた電荷がリセットされる。

Ｔ９において、ＰＴＮにハイレベルパルスを供給し、１行目の画素のノイズ信号を列回路にて保持する。

Ｔ１０ａにおいて、１行目の画素行のＰＴＸにハイレベルパルスを供給する（第２のステップ）。好ましくは光電変換部の電荷がＦＤ領域に完全転送されるに充分な波高値のパルスが供給される。図から明らかなように第２のステップはメカシャッタにより光電変換部が遮光されている遮光期間中に行なわれる。

Ｔ１０ｂにおいて、１行目の画素行のＰＴＸにローレベルパルスを供給する。

Ｔ１１において、ＰＴＳにハイレベルパルスを供給し、１行目の画素の第２のステップにより転送される電荷に基づく信号を列回路にて保持する。

Ｔ１２において、１行目のＰＳＥＬにローレベルパルスを供給し、ＰＲＥＳにハイレベルパルスを供給する。

転送トランジスタにハイレベルパルスを供給（第２のステップ）することにより得られる信号と、中間レベルパルスを供給（第１のステップ）することにより得られる信号とを画像信号生成部として機能する信号処理部１０５において加算する。これにより光電変換部より生じた電荷の大部分を光電変換部よりも後段に設けられた読み出し回路のダイナミックレンジに関わらず画像形成用の信号として取り扱うことが可能となる。

そしてＴ４〜Ｔ１２までの動作を各画素行ごとに繰り返すことによって、１フレームの信号を読み出す。

また本実施形態においてはＴ６ａ〜Ｔ６ｂの中間レベルパルスでの転送（第２のステップ）を１度のみ行なったがこれを複数回繰り返し行なってもよい。

次に図５において、図４にて説明した時刻におけるポテンシャル状態を説明する。なおポテンシャル図上部に黒塗りの四角が表示されているのはメカシャッタにより光電変換部等が遮光されている状態であることを示している。

図４（ａ）は、転送トランジスタに非導通状態となるローレベルパルスが供給された状態のポテンシャル図を示す。既にメカシャッタの開状態となり露光期間が終了し、光電変換部に信号電荷が保持された状態を示している。図４においては、１行目の画素行において、Ｔ３〜Ｔ６ａ、Ｔ６ｂ〜Ｔ１０ａ、Ｔ１０ｂ〜Ｔ１２の期間においてこのようなポテンシャル状態となっている。なおこの他の画素行においては、Ｔ３〜Ｔ１２の期間中、常に図５（ａ）に示すポテンシャル状態となっている。この状態では光電変換部に保持された信号電荷がＦＤ領域へ流れ出さないように光電変換部とＦＤ領域との間の電荷経路には充分なポテンシャル障壁が形成されている。

図５（ｂ）は転送トランジスタに中間レベルパルスが供給されている状態を示している。図４においては、Ｔ６ａ〜Ｔ６ｂの期間である。この期間においては、光電変換部とＦＤ領域の間の電荷経路のポテンシャル障壁も導通状態と非導通状態との間の中間的なポテンシャル状態となる。この状態においては光電変換部において保持された信号電荷のうち、中間的なポテンシャル障壁を越えるもののみがＦＤ領域に転送される。なお、増幅部飽和レベルとは、画素のソースフォロア、もしくはこれよりも後段の読み出し回路が飽和しない最大の電荷数を示している。

図５（ｃ）は転送トランジスタにハイレベルパルスが供給された状態を示している。光電変換部の信号電荷がＦＤ領域に転送されるように光電変換部とＦＤ領域との間の電荷経路のポテンシャル障壁が充分低い状態となっている。望ましくは光電変換部の信号電荷がＦＤ領域へ完全に転送されるような波高値のパルスを供給するのがよい。これは転送時の光電変換部のポテンシャル及びＦＤ領域のポテンシャルとの関係により容易に決めることができる。

ここで中間レベルパルスの波高値に関して述べる。一般に、光電変換部で生じた信号電荷を画像形成のために全て用いることが好ましい。しかしながら、光電変換部の容量が大きく飽和電荷量が大きい場合には、光電変換部で多くの信号電荷が生じたとしても、その後の読み出し回路の飽和によってダイナミックレンジが制限されてしまう場合がある。制限を受ける読み出し回路の例としては、画素のソースフォロワ回路、さらには列回路に設けられた列増幅部、ＡＤ変換部などが考えられる。ここでは例として、画素増幅部であるソースフォロワ回路のダイナミックレンジに関して説明する。増幅部が増幅トランジスタ及び定電流源によりソースフォロワ回路を構成している場合に、光電変換部からＦＤ領域へ多くの信号電荷が転送された場合にはＦＤ領域の電位の低下幅も大きい。ＦＤ領域は増幅トランジスタのゲートに電気的に接続されているため、ＦＤ領域の電位の低下により、増幅トランジスタのゲートの電位とソースの電位との電位差が閾値電圧（Ｖｔｈ）よりも低くなるとソースフォロワ動作しなくなる。そうすると信号が読み出せない。また、たとえソースフォロア回路のダイナミックレンジよりも少ない電荷を読み出したとしても、列増幅部で高いゲインをかける場合は、列増幅部の入力ダイナミックレンジが制限されることで読み出し回路の飽和が決定される。

したがって中間レベルパルスの波高値は、これら読み出し回路のダイナミックレンジを越えない量の電荷を転送可能な値に設定するのがよい。そして一度の読み出しごとに各読み出し回路において所定の処理を行なうことによって、光電変換部の飽和電荷量が大きく読み出し回路のダイナミックレンジを越えてしまうような場合であっても、光電変換部で生じた信号電荷を全て読み出すことが可能となる。またこのような動作を光電変換部での露光期間が終了した後、つまり光電変換部の遮光期間中に行なうため、光電変換部に蓄積された電荷はそれ以上増えない状態となっており、光電変換部に蓄積された全信号電荷を転送可能となる。合わせて中間レベルパルスの波高値を温度によって変化させるため、温度変化の影響を抑制しつつ、光電変換部の信号電荷を読み出すことが可能となる。

本実施形態は、光電変換部及び電荷保持部をあわせたダイナミックレンジが光電変換部の後段に設けられた読み出し回路のダイナミックレンジよも大きい場合に特に有効となる。

本実施形態によれば、固体撮像装置及びその近傍での温度変化が生じた際においても、光電変換部の後段に設けられた読み出し回路のダイナミックレンジに制限を受けない読み出しが可能となる。

（第２の実施形態）
本実施形態は、第１の実施形態で述べた中間レベルパルスを光電変換部の後段に設けられた読み出し回路のゲインに応じて変化させた例である。ここで光電変換部の後段に設けられた読み出し回路としては、画素に設けられた増幅部、列回路に設けられた列増幅回路、列回路からの並列信号を直列信号に変換した後に外部へ出力するための出力増幅部などがある。

図６に本実施形態の固体撮像装置を含む撮像装置のブロック図を示す。

６０１が固体撮像装置である。６０２が制御回路である。６０３がＣＰＵである。６０４が可変電圧供給源である。光電変換部の後段に設けられた読み出し回路に含まれる増幅回路のゲイン設定は制御回路６０２、ＣＰＵ６０３によって行なわれる。このゲイン制御は例えば、感度切り替え、読み出し速度の変更等に応じて適宜行なわれるものである。

本実施形態の動作フローを説明する。まず光電変換部において信号電荷の蓄積を行なう。所定の露光期間が終了後蓄積を終了する。その後、光電変換部の後段に設けられた読み出し回路に含まれる増幅回路のゲインに対応した電圧情報が記録されているルックアップテーブルにアクセスし、可変電圧供給源からゲインに対応した電圧が供給されるように制御する。その後、上述の各読み出し動作を行なう。合わせて温度検出部を設けて第１の実施形態で述べた温度補正を行なってもよい。つまり、増幅回路のゲインと周辺温度の両者により中間レベルパルスの波高値もしくはパルス幅を決めてもよい。

図７において、読み出し回路のゲインが可変の際に中間レベルパルスの波高値、もしくは供給時間を変更することの効果を説明する。

図７（ａ）は第１の中間レベルパルスを供給した時の出力電圧の入射光量依存性（光電変換特性）、図７（ｂ）は第２の中間レベルパルスを供給した時の光電変換特性、図７（ｃ）はハイレベルパルスを供給した時の光電変換特性である。図７（ｄ）は各読み出しパルスによりＦＤ領域に電荷を転送した後の加算後の出力信号特性である。また、図７（ｅ）〜（ｈ）は読み出し回路のゲインに応じてパルスの波高値を変化させた際の光電変換特性、出力信号特性を示すものである。具体的には読み出し回路のゲインが第１のゲインから第１のゲインよりも高い第２のゲインに変化した際に、図７（ａ）〜（ｃ）に比べてパルスの波高値を低くした例である。

読み出し回路のゲインが可変の際、回路飽和に至るまでの入射光量（飽和光量）が読み出し回路のゲイン毎に異なる。９０４ａ、ｂ、ｃは読み出し回路のゲインが低い場合であり、９０６ａ、ｂ、ｃは読み出し回路のゲインが高い場合を示している。読み出し回路のゲインが低い場合には飽和光量が９０５ａ、ｂ、ｃと高いので、ＦＤ領域に転送された信号電荷は全て画像形成用の信号として用いることができる。しかし、読み出し回路のゲインが高い場合には、飽和光量が９０７ａ、ｂ、ｃと低下するので、ＦＤ領域に転送された信号電荷の一部が読み出し回路の入力ダイナミックレンジを超えてしまい情報として欠落してしまう。結果として、図７（ｄ）に示すように合成後の光電変換特性として、図７（ａ）〜図７（ｃ）で得られるＡ、Ｂ、Ｃの領域の信号を合成した後の特性が、９０９で示すような階段状の特性となり、不感帯を有する光電変換特性になってしまう。参考までに、欠落の無い場合には９０８のような直線状の特性が得られる。

このような場合に、図７（ｅ）〜（ｇ）に示すように中間レベルパルスの波高値を図７（ａ）〜（ｃ）にくらべて低いレベルに制限する。もしくはパルスの供給時間を短くして過渡的な電荷の移動を制限し、中間レベルパルスを用いたときに転送される電荷数を減少させる。これにより、図７（ａ）〜（ｃ）と同様にパルスを３回供給して読み出したとしても図７（ｅ）〜（ｇ）に示すような光電変換特性を得ることができる。これらの信号を合成した後の光電変換特性が、図７（ｈ）である。図７（ｄ）と比べて情報の欠落がないので、Ａ、Ｂ、Ｃの領域を合成した後も、好ましくない不感帯が存在しない。

なお、一度に読み出せる電荷数に制限が生じるので、合成後の飽和光量は低下する。その際は、必要に応じて中間レベルパルスで読み出す回数と、供給する中間レベルパルスの波高値を高くすることで、飽和光量の低下を抑制することができる。

本実施形態によれば、光電変換部よりも後段に設けられた読み出し回路のゲインが変化した際にも、不感帯を生じさせること無く、合成後も連続的な光電変換特性をもった信号を得ることが可能となる。

（第３の実施形態）
本実施形態の特徴となる点は、転送トランジスタを導通状態とするハイレベルパルス、及び中間レベルパルス（複数であってもよい）それぞれによって読み出される信号ごとに読み出し回路に含まれる増幅回路のゲインを切り換える点である。読み出し回路のゲインを上げることで、Ｓ／Ｎ比を高め、結果として低輝度被写体の高感度撮影が可能となるが、中間レベルパルスによって信号を読み出す際に増幅回路の高いゲインに設定されていると、一度に読み出せる信号電荷数が減少してしまう。光電変換部の電荷をなるべく多く読み出すためにはより多くの回数の中間レベルパルスを供給する必要が生じる。更に、増幅回路を高ゲインとすると読み出し速度は低下してしまう場合が多い。

そこで転送トランジスタを導通状態とするハイレベルパルスを供給して読み出される信号に対するゲインを、中間レベルパルスによって読み出される信号に対するゲインよりも高くする。

図８に本実施形態の各画素の画素信号とノイズとの関係を示す。図８（ａ）は、入射光により各画素の光電変換部に生じた電荷の分布である。光電変換部での飽和及び中間レベルパルスで転送される電荷、ハイレベルパルスで転送される電荷の境界を点線で示している。例えば、光電変換部での飽和電荷数を１０００００ｅ⁻とする。そして中間レベルパルスで転送される電荷量を９００００ｅ⁻、ハイレベルパルスで転送される電荷量を１００００ｅ⁻とする。

図８（ｂ）は図８（ａ）のＡの部分、つまり、中間レベルパルスにより転送される信号電荷に関して抜き出した図である。ここで中間レベルパルスにより電荷が転送されるステップにおけるランダムノイズはＶ_ＲＮ１（ｍＶｒｍｓ）と表すことができる。

図８（ｃ）は図８（ａ）のＢの部分、つまり、ハイレベルパルスにより転送される信号電荷に関して抜き出した図である。ここでは後段でのゲインをＧとする。この場合のランダムノイズはＶ_ＲＮ２（ｍＶｒｍｓ）と表すことができる。

図８（ｄ）は図８（ａ）のＢの部分、つまり、ハイレベルパルスにより転送される信号電荷に関して抜き出した図である。ここでは後段の読み出し回路でのゲインを１／Ｇとする。つまり図１０（ｃ）よりも低いゲインとなっている。この場合のランダムノイズはＶ_ＲＮ２／Ｇ（ｍＶｒｍｓ）と表すことができる。

図８（ｅ）は合成後の図である。ランダムノイズは
（（Ｖ_ＲＮ１）^２＋（Ｖ_ＲＮ２／Ｇ）^２）^０．５
となり、低ノイズでの読み出しが可能となる。

図９は入射光量と固体撮像装置からの出力の関係を示した図である。

これによって、他の実施形態で得られる効果に加えて、読み出し速度を犠牲にすることなくセンサのＳ／Ｎを改善する効果を得ることができる。

（第４の実施形態）
本実施形態においてその他の実施形態と異なるのは、転送トランジスタが導通状態となるハイレベルパルスを供給した状態で得られる信号の、中間レベルパルスで得られた信号への加算、非加算を切り替えることを可能にした点である。

上記ハイレベルパルスを供給することによって得られた信号を加算する際に、あるしきい値以下の場合は加算を行わないようにすることで、ランダムノイズの加算を防ぐことが可能となる。更に詳しく図１０を用いて説明する。図１０（ａ）は第１の中間レベルパルスで信号電荷をＦＤ領域へ転送した際に得られる信号を示し、図１０（ｂ）は第２の中間レベルパルスで信号電荷をＦＤ領域へ転送した際に得られる信号を示している。更に、図１０（ｃ）は導通パルスで信号電荷をＦＤ領域へ転送した際に得られる信号を示している。図１０（ｄ）は信号合成後の画像を示している。

図１０（ａ）、（ｂ）において、白四角で示されている領域の信号はランダムノイズの成分が大半を占めており、加算を行なうとＳ／Ｎ比が悪化する。これに対して図１０（ｃ）では灰色で示すように、画像形成用の信号として使うべきレベルの信号となっている。例えば低輝度の被写体の場合には、中間レベルパルスにより形成されるポテンシャル障壁を越えずに光電変換部にのみ信号電荷が蓄積される。したがってこのような状態で中間レベルパルスでの転送動作を行なってもノイズ量が増えるのみである。

これを抑制するために、中間レベルパルスで転送される電荷に基づく信号が所定のしきい値以下の場合には、中間レベルパルスで転送した際に得られる信号は画像形成用の信号としては用いない。もしくは、導通パルスで転送した際に得られる信号が所定のしきい値以上の場合には、電荷保持部からの信号が存在するという判定をおこない、画像形成用の信号として用いる、としても良い。更には画素ごとに入射光量をモニタする手段を設けて、画素への入射光量により画像形成用の信号として用いる場合と用いない場合とを選択してもよい。

（第５の実施形態）
図１１は本実施形態の画素領域に配された画素の等価回路図である。説明の簡略化のために画素領域１０１に含まれる画素は３行×３列の計９画素としているが、これに限定するものではない。２は光電変換部として機能するフォトダイオード（ＰＤ）である。ＰＤのアノードは固定電位（例えば接地）に接続され、カソードは第１転送部として機能する第１転送トランジスタ８を介して電荷保持部３の一方の端子に接続される。電荷保持部３の他方の端子は固定電位（例えば接地）に接続されている。電荷保持部３の一方の端子はさらに第２転送部である第２転送トランジスタ９を介してＦＤ領域４と接続されている。ＦＤ領域は増幅部の一部として機能する増幅トランジスタ１２のゲート端子に接続される。増幅トランジスタのゲートは増幅部の入力部として機能する。増幅トランジスタ１２のゲートはリセット部として機能するリセットトランジスタ１０を介して画素電源線に接続される。各転送トランジスタとしてはＭＯＳトランジスタを用いることができる。

選択部として機能する選択トランジスタ１１は一方の主電極であるドレイン端子が画素電源線に、他方の主電極であるソース端子が増幅トランジスタ１２の一方の主電極であるドレインと接続されている。アクティブな信号ＳＥＬが入力されると選択トランジスタの両主電極は導通状態となる。これにより増幅トランジスタ１２は垂直信号線ＯＵＴに設けられた不図示の定電流源とでソースフォロワ回路を形成し、増幅トランジスタ１２の制御電極であるゲート端子の電位に応じた信号が垂直信号線ＯＵＴに現われる。垂直信号線ＯＵＴに現われた信号に基づいて固体撮像装置から信号が出力され、信号処理回路部などを経て画像信号を形成する。

図１１では各画素にリセット部、増幅部、選択部を設けたが、複数の画素でこれらの構成を共有することも可能である。また選択部を設けずに、増幅部の入力部の電位により画素を選択するような構成とすることも可能である。

本発明は、以上述べたような構成を一例とする、光電変換部とＦＤ領域との間に電荷保持部を有する構成に適用するものである。

特に好ましくは光電変換部と電荷保持部との間の電荷経路の構造に下記特徴を有する構成、つまり、第１転送部が非導通状態となるローレベルパルスが供給されている状態で、光電変換部から電荷保持部へ電荷を転送可能な構造を用いることが望ましい。

例えば具体的な構成としては、第１転送部をＭＯＳトランジスタであるとすると、このＭＯＳトランジスタが埋め込みチャネル構造である。そして、非導通状態であっても表面よりも深い部位にポテンシャル障壁がその部位だけが一部低くなっている部分が存在している構成である。この場合には電荷転送部は、信号電荷を蓄積中に積極的な制御を行なわずに一定の電圧が供給された状態とすることもできる。つまり転送部としての機能を有さずとも固定のポテンシャル障壁を設けても良い。そして、蓄積終了直前に、そのポテンシャル障壁の高さを低くする制御を行い、光電変換部に残った信号電荷を電荷保持部に転送する。

このような構成によれば、光電変換部に光が入射した際に光電変換により生成した信号電荷のほぼすべてが光電変換部で蓄積されることなく電荷保持部へ転送可能となる。したがって、全ての画素に含まれる光電変換部において電荷の蓄積時間を揃えることが可能となる。また、ＭＯＳトランジスタが非導通時においてはチャネル表面にホールが蓄積されており、かつ電荷が転送されるチャネルが表面よりも所定深さの部分に存在するため、絶縁膜界面における暗電流の影響を低減することが可能となる。

別の観点でいうと、光電変換部及び電荷保持部で信号電荷を蓄積している期間において、光電変換部と電荷保持部の間の電荷経路のポテンシャル障壁が光電変換部と他の領域との間の電荷経路のポテンシャル障壁よりも低いともいえる。ここでのポテンシャルとは信号電荷に対してのポテンシャルである。例えばＯＦＤ領域を設けたときはＯＦＤ領域との間のポテンシャルよりも低くすればよい。

また、特に好ましくは、電荷保持部が電荷結合素子で形成され、電荷保持部で信号電荷を蓄積している期間において、絶縁膜を介した対向電極に電位を与えて電荷保持部の表面に信号電荷と逆極性の電荷を蓄積させる。これにより、電荷保持部が形成される半導体表面での暗電荷の生成を抑制することが望ましい。

このような構成によれば、電荷保持部起因の暗電流をさらに低減することが可能となる。なおかつ、電荷保持部の表面に暗電流対策のための反対導電型の不純物注入を行う必要が無いことから、フォトダイオードなどの光電変換部と比較して、電荷保持を担当する部位を表面近くに浅く形成できる。それゆえに単位体積あたりの電荷保持能力を高めることができ、従来のフォトダイオードが電荷保持を兼用する構成と比べて数倍の保持能力を持たせることが可能になる。

さらに駆動の観点では、一信号電荷生成期間中に光電変換部から電荷保持部に移動した信号電荷を電荷保持部において保持し、画像信号として用いる。つまり、光電変換部での１信号電荷生成期間を開始後、電荷保持部のリセット動作を介することなく画素外部へ信号を読み出しているともいえる。なお一信号電荷生成期間とは１フレームの画像を撮影する際に、各光電変換部で共通に決定されるものである。

以下、本発明の具体的構成、駆動方法に関して説明する。なお、その際の画素構成の例は、第１転送部が埋め込みチャネル型のＭＯＳトランジスタの場合であり、かつ、電荷保持部が電荷結合素子で形成された構成を元にする。また第１、第２転送部としてトランジスタを用いる構成を例にして説明する。

図１２に本実施形態の駆動パルス図、図１３にポテンシャル図を示す。本実施形態は１フレームあたりの信号電荷生成期間の決め方に特徴がある。第１の実施形態ではメカシャッタを用いていたが、本実施形態では電子シャッタにより信号電荷生成期間を規定している。

図１２の駆動パルスに関して説明する。主に第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。

まずＴ１では、リセットトランジスタおよび第１〜第３転送トランジスタにハイレベルパルスが供給されて導通状態となり、光電変換部、電荷保持部及びＦＤ領域の電荷をリセットする。

Ｔ２では、第３転送トランジスタにローレベルパルスが供給されて、信号電荷生成期間が開始される。ここでメカシャッタを用いない場合には、光電変換部は常に光が入射している状態であるが、第３転送トランジスタによりＯＦＤ領域と光電変換部とが非導通状態となり、光電変換部及び電荷保持部で電荷を保持している状態を信号電荷生成期間とする。このとき第１及び第２転送トランジスタに供給されるパルスは各転送トランジスタを非導通状態とするローレベルパルスである。

Ｔ３ａでは、第３転送トランジスタにハイレベルパルスが供給されて、信号電荷生成期間が終了する。すなわち光電変換部にて生じた信号電荷がＯＦＤ領域に排出される状態となる。同時に、第２転送トランジスタにハイレベルパルスとローレベルパルスの間との中間レベルパルスが供給される（第１のステップ）。この中間レベルパルスが供給されることにより生じるポテンシャルバリアを越える部分の光電変換部及び電荷保持部の信号電荷のみがＦＤ領域に転送される。

Ｔ３ｂでは、第２転送トランジスタに非導通状態となるローレベルパルスが供給される。

Ｔ４ａにおいて、第２転送トランジスタに導通状態となるハイレベルパルスが供給される（第２のステップ）。好ましくは電荷保持部の信号電荷がＦＤ領域に完全転送されるに充分な波高値のパルスが供給される。この時第１転送トランジスタはローレベルパルスが供給された状態となっている。

Ｔ４ｂでは、第２転送トランジスタに非導通状態となるローレベルパルスが供給される。

Ｔ５ａでは、第１転送トランジスタ及び第２転送トランジスタに導通状態となるハイレベルパルスが供給される（第３のステップ）。

Ｔ５ｂでは、第１転送トランジスタ及び第２転送トランジスタに非導通状態となるローレベルパルスが供給される。

ただし第３転送トランジスタが導通状態となっており、光電変換部の信号電荷は全てＯＦＤ領域に排出されているためＴ５ａ、Ｔ５ｂで行なった駆動は行なわなくてもよい。

そしてその後、上述の第２〜第４のステップにより得られる信号を信号処理部１０５において加算する。これにより光電変換部にて光電変換により生じた信号電荷の大部分を光電変換部、電荷保持部よりも後段に配された読み出し回路のダイナミックレンジに関わらず画像形成用の信号として取り扱うことが可能となる。

そしてＴ３ａ〜Ｔ５ｂまでの動作を各画素行ごとに繰り返すことによって、１フレームの信号を読み出すことが可能である。

またＴ３ａ〜Ｔ３ｂの中間レベルパルスでの転送（第１のステップ）を１度のみ行なったがこれを複数回繰り返し行なってもよい。

本実施形態では、第３転送トランジスタの導通期間中、つまり、光電変換部の電荷がＯＦＤ領域に排出されている期間中を遮光期間ということができ、この期間に、転送トランジスタにハイレベルパルス、中間レベルパルスを供給している。

次に図１３において、図１２において説明した時刻におけるポテンシャル状態を示す。

図１３（ａ）、（ｂ）は、図１２のＴ２〜Ｔ３ａにおけるポテンシャル状態を示す。

図１３（ａ）は少量の光が入射した状態であり、第１転送トランジスタに供給されるパルスの波高値によって決まる光電変換部と電荷保持部との間のポテンシャルバリアを越えずに光電変換部において電荷が保持されている状態である。ここで第１転送トランジスタにはローレベルパルスが供給されているわけであるが、光電変換部で生じた信号電荷が直ちに電荷保持部へ移動するようにそのポテンシャルバリアは比較的低く制御されている。このような状態を実現するためには上述したように第１転送トランジスタを埋め込みチャネル型のＭＯＳトランジスタとすることなどにより実現可能である。

図１３（ｂ）は、光電変換部で発生した信号電荷が第１転送トランジスタにより形成されるポテンシャルバリアを超えて電荷保持部へ信号電荷が移動し電荷保持部においても信号電荷が保持されている状態である。ここで点線は第１転送トランジスタにローレベルパルスが供給されている状態のポテンシャルバリアの高さを示している。

図１３（ｃ）は、図１２のＴ３ａ〜Ｔ３ｂにおけるポテンシャル状態を示す。第１転送トランジスタにローレベルパルスが、第２転送トランジスタに中間レベルパルスが供給された状態である（第１のステップ）。この動作により図１３（ｂ）における点線部よりも上部の信号電荷と電荷保持部において蓄積されていた信号電荷の一部がＦＤ領域に転送される。第３転送トランジスタが導通状態となっているため光電変換部とＯＦＤ領域との間のポテンシャルバリアは低い状態となっており、転送後に光電変換部で生じた電荷はＯＦＤ領域に転送される。つまり光電変換により電荷は生じているものの、ＯＦＤ領域へ排出されるため、信号電荷は生成していない期間といえる。

図１３（ｄ）は、図１２のＴ４ａ〜Ｔ４ｂにおけるポテンシャル状態を示す。第１転送トランジスタにローレベルパルスが、第２転送トランジスタにハイレベルパルスが供給された状態である（第２のステップ）。この動作によりＦＤ領域には電荷保持部に保持されていた信号電荷のうち第２のステップにより転送された信号電荷の残りの電荷が転送される。

図１３（ｅ）は、図１２のＴ５ａ〜Ｔ５ｂにおけるポテンシャル状態を示す。第１〜第３転送トランジスタにハイレベルパルスが供給された状態である（第３のステップ）。上述したように本実施形態においては第３のステップは必要に応じて設けられるものであり無くてもよい。

本実施形態によればＦＤ領域に転送される電荷は若干減るもののやはりダイナミックレンジが拡大し、更に、メカシャッタを設けずに簡易な構成で実現可能である。また高速動作にも適している。

固体撮像装置のブロック図である。固体撮像装置の画素の等価回路図である。第１の実施形態の撮像装置のブロック図である。第１の実施形態の駆動パルス図である。第１の実施形態のポテンシャル図である。第２の実施形態の撮像装置のブロック図である。第２の実施形態の面照度と出力との関係を示す概念図である。第３の実施形態の画素信号の分布を示す図である。第３の実施形態の画素信号とノイズとの関係を示す。第４の実施形態の信号処理を示す概念図である。第５の実施形態の固体撮像装置の等価回路図である。第５の実施形態の駆動パルス図である。第５の実施形態のポテンシャル図である。

符号の説明

１０２走査部
１０３読み出し回路
１０５画像信号生成部
２０１光電変換部
２０２転送トランジスタ
２０４増幅部
３０２温度検出部
３０４制御部

Claims

光電変換部と前記光電変換部の電荷を転送する転送トランジスタとを有する複数の画素と、
前記転送トランジスタにより転送された電荷を受ける増幅部と、
前記転送トランジスタが導通状態となる導通パルスと、前記転送トランジスタが非導通状態となる非導通パルスと、前記導通パルスと非導通パルスとの間の波高値を有する中間レベルパルスとを、前記転送トランジスタのゲートに供給可能な走査部と、
前記導通パルスと前記中間レベルパルスとにより転送された電荷に基づく信号により画像信号を生成する画像信号生成部と、
温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部からの温度情報に応じて前記中間レベルパルスの波高値もしくはパルス幅の少なくとも一方を変化させる制御部と、を有し、
前記走査部は、
前記光電変換部の遮光期間中に前記転送トランジスタに前記導通パルス及び中間レベルパルスを供給することを特徴とする撮像装置。
前記転送トランジスタに複数回の前記中間レベルパルスを供給することにより転送された電荷に基づく信号により１フレームの画像信号を形成することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記光電変換部への入射光量をメカシャッタにより制御することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の撮像装置。
前記増幅部の後段に設けられたゲイン可変の増幅回路を含む読み出し回路を有し、
前記中間レベルパルスの波高値もしくはパルス幅の少なくとも一方は、前記温度検出部からの温度情報及び前記増幅回路のゲインの両者に基づいて決定される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。
前記増幅部の後段に設けられたゲイン可変の増幅回路を含む読み出し回路を有し、
前記導通パルスで読み出された信号に対する前記増幅回路のゲインが、前記中間レベルパルスで読み出された信号に対する前記増幅回路のゲインよりも高いことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記画素への入射光量により、前記中間レベルパルスで読み出された信号を画像形成に用いる場合と用いない場合とを切り換え可能な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。
光電変換部と前記光電変換部の電荷を転送する転送トランジスタとを有する複数の画素と、
前記転送トランジスタにより転送された電荷を受ける増幅部と、
前記転送トランジスタが導通状態となる導通パルスと、前記転送トランジスタが非導通状態となる非導通パルスと、前記導通パルスと非導通パルスとの間の波高値を有する中間レベルパルスとを、前記転送トランジスタのゲートに供給可能な走査部と、
前記増幅部の後段に設けられたゲイン可変の増幅回路を有する読み出し回路と、
前記導通パルスと前記中間レベルパルスとにより転送された電荷に基づく信号により画像信号を生成する画像信号生成部と、
前記増幅回路のゲインに応じて前記中間レベルパルスの波高値もしくはパルス幅の少なくとも一方を変化させる制御部と、を有し、
前記走査部は、
前記光電変換部の遮光期間中に前記導通パルス及び中間レベルパルスを供給することを特徴とする撮像装置。
複数の前記中間レベルパルスにより転送された電荷に基づく信号により１フレームの画像信号を形成することを特徴とする請求項７に記載の撮像装置。
前記光電変換部への入射光量をメカシャッタにより制御することを特徴とする請求項７または８のいずれかに記載の撮像装置。
前記導通パルスで読み出された信号に対する前記増幅回路のゲインが、前記中間レベルパルスで読み出された信号に対する前記増幅回路のゲインよりも高いことを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記画素への入射光量により、前記中間レベルパルスで読み出された信号を画像形成に用いる場合と用いない場合とを切り換え可能なことを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の撮像装置。