JP5362055B2 - 撮像装置、撮像システム及び撮像装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置、撮像システム及び撮像装置の制御方法に関する。

固体撮像装置のダイナミックレンジ拡大のための駆動方法は、下記の特許文献１により以下の３点が開示されている。第１に、受光部から溢れた電荷をフローティングディフュージョン及び付加容量に蓄積し、ダイナミックレンジ拡大信号とする。第２に、受光部の蓄積期間内の、一部の期間のみ、溢れた電荷を蓄積し、ダイナミックレンジ拡大信号とする。第３に、受光部に蓄積された信号とダイナミックレンジ拡大信号とを画素内で加算して出力する。

特開２００５−３２８４９３号公報

特許文献１には、フローティングディフュージョンは濃い不純物領域とｐ型ウェルからなるＰＮ接合を含むこと、フォトダイオードは埋め込みフォトダイオードであることが開示されている。しかし、フローティングディフュージョンはフォトダイオードに対し、空乏層中の発生電流による暗出力が大きいという問題がある。

この問題は、蓄積期間が短い場合には問題がないが、蓄積期間が長い場合はダイナミックレンジ拡大信号を蓄積するフローティングディフュージョン部や付加容量の暗電流による信号が多くなる課題が発生する。これはＦＤやＣＳ部が埋め込み型のＰＮ接合容量でないためであり、これにより暗電流が増えてしまうため、長時間電荷を保持する保持部として適していない。ＦＤ（もしくは垂直信号線線）での信号振幅が暗電流成分により制限を受けダイナミックレンジ拡大信号のための信号振幅が確保できない。

この課題に対しては、前述の第２の開示点に示す方法で、ダイナミックレンジ拡大信号の蓄積期間を短くすることである程度の改善はなされる。しかし、今度はフォトダイオードの蓄積期間とダイナミックレンジ拡大信号の蓄積期間がずれてしまい、２つの信号の同時性が損なわれるという大きな課題が発生する。いずれも、動画では蓄積期間が短いことから問題にはならないが、デジタル一眼レフカメラ等の静止画撮影においては、大きな課題である。

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、撮像システム及び撮像装置の制御方法を提供することである。

本発明の撮像装置は、光電変換により生じた電荷を蓄積する光電変換部と、前記光電変換部からの電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷を転送する転送部と、前記転送部によって転送された電荷に基づく信号を読み出す読み出し部と、前記転送部によって転送された前記電荷をリセットするリセット部と、前記転送部による転送、前記転送の後の前記読み出し部による読み出し、及び前記読み出しの後の前記リセット部によるリセットを含む動作が、前記光電変換部での１回の電荷蓄積期間に対して複数回行われるように、前記転送部と前記読み出し部と前記リセット部とを制御する制御部と、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。

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駆動タイミングを示すタイミングチャートである。 第２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。 第２の実施形態の光電変換特性を示す図である。 本発明の第４の実施形態による固体撮像装置をカメラに用いた際のカメラシステムの構成例を示す図である。 本発明の第５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。 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。

（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、転送スイッチである。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スイッチである。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。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。

転送スイッチ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。リセットスイッチ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に示すように、フォトダイオードＰＤのダイナミックレンジ拡大信号を４回に分けて読み出す。期間Ｔ１〜Ｔ１５の動作を以下に説明する。

期間Ｔ１は、ｎ行目のフォトダイオードＰＤのリセット動作を行う期間である。期間Ｔ１はパルスのハイレベル状態が維持される期間であり、具体的には信号ΦＴＸ＿ｎ、ΦＲＥＳ＿ｎ、ΦＳＷ＿ｎがハイレベル、図中の他の信号がローレベルを維持する期間である。ｎ行目のトランジスタＴＸ，ＲＥＳ，ＳＷはオンになり、ｎ行目のフォトダイオードＰＤ及び保持容量Ｃｃｓはリセットされる。

期間Ｔ２は、ｎ＋１行目のフォトダイオードＰＤのリセット期間である。具体的には、信号ΦＴＸ＿ｎ＋１、ΦＲＥＳ＿ｎ＋１、ΦＳＷ＿ｎ＋１がハイレベル、図中の他の信号がローレベルを維持する期間である。ｎ＋１行目のトランジスタＴＸ，ＲＥＳ，ＳＷはオンになり、ｎ＋１行目のフォトダイオードＰＤ及び保持容量Ｃｃｓはリセットされる。

期間Ｔ３は、ｎ＋２行目のフォトダイオードＰＤのリセット期間である。具体的には、信号ΦＴＸ＿ｎ＋２、ΦＲＥＳ＿ｎ＋２、ΦＳＷ＿ｎ＋２がハイレベル、図中の他の信号がローレベルを維持する期間である。ｎ＋２行目のトランジスタＴＸ，ＲＥＳ，ＳＷはオンになり、ｎ＋２行目のフォトダイオードＰＤ及び保持容量Ｃｃｓはリセットされる。

期間Ｔ４は、ｎ行目のダイナミックレンジ拡大信号の第１回目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を介してフローティングディフュージョン部ＦＤ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、フローティングディフュージョン部ＦＤ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。

次に、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行目のフローティングディフュージョン部ＦＤはリセットされる。

期間Ｔ５は、ｎ行目のリセット信号の第１回目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、フローティングディフュージョン部ＦＤ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Ｔ６は、ｎ行目のダイナミックレンジ拡大信号の第１回目リセット期間である。信号ΦＲＥＳ＿ｎ及びΦＳＷ＿ｎがハイレベルになり、ｎ行目のトランジスタＲＥＳ及びＳＷがオンする。これにより、ｎ行目の保持容量Ｃｃｓは、リセットされる。

期間Ｔ７は、ｎ＋１行目のダイナミックレンジ拡大信号の第１回目読み出し期間である。信号ΦＳＷ＿ｎ＋１がハイレベルからローレベルになる。ｎ＋１行目のトランジスタ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を介してフローティングディフュージョン部ＦＤ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、フローティングディフュージョン部ＦＤ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。

次に、信号ΦＲＥＳ＿ｎ＋１がハイレベルになり、ｎ＋１行目のトランジスタＲＥＳがオンする。これにより、ｎ＋１行目のフローティングディフュージョン部ＦＤはリセットされる。

期間Ｔ８は、ｎ＋１行目のリセット信号の第１回目読み出し期間である。信号ΦＲＥＳ＿ｎ＋１はローレベルになり、ｎ＋１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、フローティングディフュージョン部ＦＤ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Ｔ９は、ｎ＋１行目のダイナミックレンジ拡大信号の第１回目リセット期間である。信号ΦＲＥＳ＿ｎ＋１及びΦＳＷ＿ｎ＋１がハイレベルになり、ｎ＋１行目のトランジスタＲＥＳ及びＳＷがオンする。これにより、ｎ＋１行目の保持容量Ｃｃｓは、リセットされる。

ｎ＋２行目においても、ｎ＋２行目のダイナミックレンジ拡大信号の第１回目読み出し期間、ｎ＋２行目のリセット信号の第１回目読み出し期間、ｎ＋２行目のダイナミックレンジ拡大信号の第１回目リセット期間の処理が行われる。これらの処理は、上記のｎ行目の期間Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６の処理と同様である。

次に、期間Ｔ４、Ｔ５及びＴ６と同様に、ｎ行目のダイナミックレンジ拡大信号の第２回目読み出し期間、ｎ行目のリセット信号の第２回目読み出し期間、ｎ行目のダイナミックレンジ拡大信号の第２回目リセット期間の処理が行われる。さらに、その後、同様に、ｎ行目のダイナミックレンジ拡大信号の第３回目読み出し期間、ｎ行目のリセット信号の第３回目読み出し期間、ｎ行目のダイナミックレンジ拡大信号の第３回目リセット期間の処理が行われる。

また、期間Ｔ７、Ｔ８及びＴ９と同様に、ｎ＋１行目のダイナミックレンジ拡大信号の第２回目読み出し期間、ｎ＋１行目のリセット信号の第２回目読み出し期間、ｎ＋１行目のダイナミックレンジ拡大信号の第２回目リセット期間の処理が行われる。さらに、その後、同様に、ｎ＋１行目のダイナミックレンジ拡大信号の第３回目読み出し期間、ｎ＋１行目のリセット信号の第３回目読み出し期間、ｎ＋１行目のダイナミックレンジ拡大信号の第３回目リセット期間の処理が行われる。

また、期間Ｔ４、Ｔ５及びＴ６と同様に、ｎ＋２行目のダイナミックレンジ拡大信号の第２回目読み出し期間、ｎ＋２行目のリセット信号の第２回目読み出し期間、ｎ＋２行目のダイナミックレンジ拡大信号の第２回目リセット期間の処理が行われる。さらに、その後、同様に、ｎ＋２行目のダイナミックレンジ拡大信号の第３回目読み出し期間、ｎ＋２行目のリセット信号の第３回目読み出し期間、ｎ＋２行目のダイナミックレンジ拡大信号の第３回目リセット期間の処理が行われる。

期間Ｔ１０は、期間Ｔ４と同様に、ｎ行目のダイナミックレンジ拡大信号の第４回目読み出し期間である。

期間Ｔ１１は、期間Ｔ５と同様に、ｎ行目のリセット信号の第４回目読み出し及びフローティングディフュージョン部ＦＤのリセット期間である。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、フローティングディフュージョン部ＦＤがリセットされる。次に、信号ΦＲＥＳ＿ｎがローレベルになり、ｎ行目のトランジスタＲＥＳ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、フローティングディフュージョン部ＦＤ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Ｔ１２は、ｎ行目のフォトダイオード信号の第１回目読み出し期間である。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、フローティングディフュージョン部ＦＤに出力される。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、フローティングディフュージョン部ＦＤ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Ｔ１３は、期間Ｔ７と同様に、ｎ＋１行目のダイナミックレンジ拡大信号の第４回目読み出し期間である。

期間Ｔ１４は、ｎ＋１行目のリセット信号の第４回目読み出し及びフローティングディフュージョンＦＤのリセット期間である。信号ΦＲＥＳ＿ｎ＋１がハイレベルになり、ｎ＋１行目のトランジスタＲＥＳがオンする。これにより、フローティングディフュージョン部ＦＤがリセットされる。次に、信号ΦＲＥＳ＿ｎ＋１がローレベルになり、ｎ＋１行目のトランジスタＲＥＳ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、フローティングディフュージョン部ＦＤ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Ｔ１５は、ｎ＋１行目のフォトダイオード信号の第１回目読み出し期間である。信号ΦＴＸ＿ｎ＋１がハイレベルになり、ｎ＋１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、フローティングディフュージョン部ＦＤに出力される。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、フローティングディフュージョン部ＦＤ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。

次に、ｎ＋２行目のダイナミックレンジ拡大信号の第４回目読み出し期間、ｎ＋２行目のリセット信号の第４回目読み出し及びフローティングディフュージョンＦＤのリセット期間、ｎ＋２行目のフォトダイオード信号の第１回目読み出し期間の処理が行われる。これらの処理は、期間Ｔ１０、Ｔ１１及びＴ１２の処理と同様である。

本実施形態の固体撮像装置の駆動条件は、全画素を読み出すのに約３０ｍ秒の時間がかかるものを用いた。フォトダイオードＰＤの蓄積期間１秒に対し、ダイナミックレンジ拡大信号は各２５０ｍ秒毎に４回に分けて読み出す。つまり、１フレーム読み出し時間よりも長い蓄積期間において、同一蓄積期間中の溢れた信号を複数回に分けて読み出し動作行い、各読出し動作後に溢れた信号のリセット動作を行なっている。

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。

こうすることで、フローティングディフュージョン部ＦＤ上及び保持容量Ｃｃｓ上で発生する暗電流によりダイナミックレンジ拡大信号が圧迫されることを抑制することができた。具体的には、フローティングディフュージョン部ＦＤ及び保持容量Ｃｃｓでの電圧振幅が最大０．５Ｖであったのに対し、暗電流による信号が約１００ｍＶ発生していたが、４回に分けて読み出すことで、１回の読み出し当たり２５ｍＶにまで抑制できた。この４回に分けて読み出された信号は、固体撮像装置とは別の処理回路８０３（図８）で画素毎に加算することで、その分ダイナミックレンジも拡大される。もちろん、固体撮像装置内に処理回路を持ち固体撮像装置内で加算してもよい。

即ち、上記の特許文献１の方法では、ダイナミックレンジの拡大量はフォトダイオードＰＤの飽和電圧に対しフローティングディフュージョン部ＦＤ上での電圧にして＋４００ｍＶであった。これに対し、本実施形態では、（５００−２５）×４＝１９００ｍＶと５倍近い拡大量を得ることができた。

上記に述べた暗電流の値は平均的な画素の値である。フォトダイオードＰＤにホワイトスポット（白傷）があるのと同様に、フローティングディフュージョン部ＦＤや保持容量Ｃｃｓに欠陥があり、画素によっては平均的な画素の１０〜１００倍の暗電流をもつ画素もある。そのような画素では、＋４００ｍＶのダイナミックレンジ拡大信号は得られず、場合によっては殆ど保持できない場合もある。本実施形態は、平均的な画素のダイナミックレンジを拡大するのみならず、前述のようなダイナミックレンジ拡大信号が保持できない画素を少なくするもしくはなくす効果がある。

重要な点は、ダイナミックレンジ拡大信号を読み出した後にリセット動作を行なうため、暗電流もリセットすることである。また、フォトダイオードＰＤの蓄積期間と略同一の期間のダイナミックレンジ拡大信号を読み出し処理することで両者の同時性を確保することができる。

ここで「略同一の期間」と述べたのは、厳密には読み出し期間中の情報が得られないからである。すなわち、全体の蓄積期間が数百ｍ秒〜数十秒であるのに対し、読み出し時間が１０μ秒前後であり情報が欠如するのは１０μ秒×読み出し回数であり１／１００００程度であるからである。各ダイナミックレンジ拡大信号を単純に加算してもよいし、ゲインを掛けて加算してもよい、また重みをつけて加算してもよい、一部補正処理を加えた後に加算してもよい。いずれの方法でも、同一蓄積期間内の信号情報が含まれていることが重要である。同時性は、特に花火等の長秒静止画の画像を取り扱う場合に極めて重要な項目である。

なお、図３の代わりに、図１０の駆動を行ってもよい。図１０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，Ａｃ，Ａｄ，Ａｅは、それぞれダイナミックレンジ拡大信号の１回目から４回目までの読み出し信号である。この時、特性Ａａの傾きと特性Ａｂの傾きが異なるのは、ダイナミックレンジ拡大信号がフローティングディフュージョン部ＦＤの容量と保持容量Ｃｃｓの和の容量で電圧変換されるためである。また、特性Ａｆは、上記の特許文献１におけるフローティングディフュージョン部ＦＤ上及び保持容量Ｃｃｓ上の暗電流によるフローティングディフュージョン部ＦＤ及び保持容量Ｃｃｓ上の出力電圧である。特性Ａｇは、本実施形態におけるフローティングディフュージョン部ＦＤ上及び保持容量Ｃｃｓ上の暗電流によるフローティングディフュージョン部ＦＤ及び保持容量Ｃｃｓ上の出力電圧である。

上記の特許文献１は、ダイナミックレンジ拡大量がＶＤである。本実施形態では、ＶＤＲを用いれば、ダイナミックレンジ拡大量は、次式になる。
「読み出し回数」×ＶＤＲ×｛「ＦＤの容量」＋「Ｃｃｓの容量」｝／「ＦＤの容量」

したがって、読み出し回数に応じて、ダイナミックレンジ拡大量を増やすことができる。

（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１の実施形態と同じ回路において、図５に示すタイミングにより駆動するものである。図５は、本実施形態のｎ行目から（ｎ＋２）行目の画素部における駆動タイミングチャートである。本実施形態（図５）が第１の実施形態（図３）と異なる点は、フォトダイオードＰＤの電荷蓄積期間中は信号ΦＳＷがハイレベル固定である点である。このような動作にすることで、第１の実施形態であった期間Ｔ６等の動作が不要となる。すなわち、期間Ｔ６等で信号ΦＲＥＳをハイレベルにする必要がない。なお、第１の実施形態と同様に、図１０の信号ΦＳＥＬ＿ｎ、ΦＳＥＬ＿ｎ＋１、ΦＳＥＬ＿ｎ＋２を適用してもよい。

（第３の実施形態）
図６及び図７を用いて本発明の第３の実施形態を説明する。
図６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。本実施形態（図６）が第１の実施形態（図１）と異なる点は、保持容量Ｃｃｓ及びトランジスタＳＷがないことである。本実施形態の駆動タイミングは、図５の駆動タイミングチャートの内、信号ΦＳＷを除いたものと同じである。保持容量Ｃｃｓがない場合でも、本実施形態の効果は第１の実施形態と同様である。フォトダイオードＰＤの電荷蓄積期間では、転送スイッチＴＸがオフであり、フォトダイオードＰＤの蓄積部から電荷が溢れると、その溢れた電荷は転送スイッチＴＸを介してフローティングディフュージョン部ＦＤに流入する。

図７は、固体撮像装置の光電変換特性を示す図である。光電変換特性において、特性Ａａ〜Ａｇは、第１の実施形態（図４）と同様のものを指し示す。特性Ａａ及びＡｂの傾きが等しいのは、フォトダイオードＰＤの信号もダイナミックレンジ拡大信号も両方ともフローティングディフュージョン部ＦＤの容量で電圧変換されるためである。このような形式にすれば、このあと処理回路により適宜加算を行う際処理が簡単となり、システム負荷が軽減し、処理時間も高速となる。

本実施形態の特徴は、１画素部内の素子数が少ない点であり、より小さい画素部にも対応が可能となる。ダイナミックレンジの拡大量は、少ないものの、読み出しの回数を増やすことで補うことができる。

また、本実施形態は、フォトダイオードＰＤに転送スイッチＴＸとは別の経路で溢れた電荷を排出するオーバーフロードレインを設けることで、更にダイナミックレンジの拡大量を増やすことができる。そして、そのような場合でも同様な効果を得ることができる。この場合の光電変換特性は、図４のようになり、特性Ａａ及びＡｂの傾きの違いは、以下のような関係がある。

フォトダイオードＰＤから溢れた電荷量＝Ａ、オーバーフロードレインで排出した電荷量＝Ｂ、フローティングディフュージョン部ＦＤに保持された電荷量＝Ｃ、特性Ａａの傾き＝α、特性Ａｂの傾き＝βとすると、下式の関係が成り立つ。
Ａ＝Ｂ＋Ｃ
α／β＝Ａ／Ｃ

オーバーフロードレインを設けることにより、更にダイナミックレンジを拡大することができる。

また本実施形態の変形例として、Ｃｃｓ部を設け、このＣｃｓ部はＰＮ接合容量のみからなりゲート酸化膜による容量をもたないような構成も考えられる。Ｃｃｓ部は、半導体基板と高濃度不純物領域からなるＰＮ接合容量を有する。

（第４の実施形態）
図８を用いて、本発明の第４の実施形態を説明する。図８は、本発明の第４の実施形態による固体撮像装置をカメラに用いた際のカメラシステムの構成例を示す図である。図中のセンサ８０２は、図２のセンサチップ１００に対応し、第３の実施形態による固体撮像装置を用いた。もちろん他の実施形態の固体撮像装置を用いてもかまわない。センサ８０２から出力された信号即ち、ダイナミックレンジ拡大信号及びフォトダイオード信号は、処理回路８０３を経由してメモリ８０４に保持される。処理回路８０３は、メモリ８０４を用い、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処理する。電荷蓄積終了後、最後のフォトダイオード信号がセンサ８０２から処理回路８０３に読み出される。処理回路８０３は、加算処理した信号を画像処理回路８０５に出力する。画像処理回路８０５は、現像処理を行う。タイミングジェネレータ８０１は、センサ８０２、処理回路８０３及びメモリ８０４の制御信号を生成する。

第３の実施形態で、図７のように、飽和前光電変換特性Ａａの傾きと飽和後の光電変換特性Ａｂ〜Ａｅの傾きが等しいような光電変換特性にすることで、処理回路８０３は、単純な加算処理をすればよいだけになり、処理回路８０３を簡単にすることができる。

（第５の実施形態）
図９は、本発明の第５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、メカシャッタと併用した場合の実施形態であり、第１の実施形態と同様な回路を用いる。時刻ｔ１でメカシャッタを開き、時刻ｔ３でメカシャッタを閉じる。期間Ｔ１〜Ｔ１５の動作は、図５の動作と同様である。ただし、期間Ｔ１〜Ｔ３の動作を同時に行っている。

露光開始を時刻ｔ１のメカシャッタ開で規定し、露光終了を時刻ｔ３のメカシャッタ閉で規定している。メカシャッタで露光開始を規定しているため、第１の実施形態と同様に、順次期間Ｔ１〜Ｔ３のリセット動作を行っても、全行のリセット終了後にメカシャッタが開けば同様の画像を得ることができる。また、時刻ｔ２にメカシャッタ閉とすれば、最後のダイナミックレンジ拡大信号には、フローティングディフュージョン部ＦＤの暗電流情報のみが含まれている。そのため、前半３回の信号は加算し、最後の信号を減算することで、固定パターンノイズを低減することもできる。

メカシャッタを併用した場合の駆動タイミングは、図９に限定されるものではなく、図３、図５の駆動タイミングでも前述の考えを基にメカシャッタを連動させれば良好な画像を得ることができる。また、第１の実施形態と同様に、図１０の信号ΦＳＥＬ＿ｎ、ΦＳＥＬ＿ｎ＋１、ΦＳＥＬ＿ｎ＋２を適用してもよい。

以上のように、第１〜第５の実施形態は、少なくともフォトダイオードＰＤ及びフォトダイオードＰＤの信号を転送する転送スイッチＴＸ、フォトダイオードＰＤから溢れた信号を保持する保持容量Ｃｃｓからなる画素部が２次元に配列された固体撮像装置である。同一蓄積期間中の溢れた信号を複数回に分けて読み出し、各読み出し後に溢れた信号のリセット動作を行う。

上記の特許文献１においては、フォトダイオードの電荷蓄積期間に対してダイナミックレンジ拡大信号を１回だけ読み出すことが開示されている。即ち、特許文献１は、フォトダイオードの読み出し１回に対し、ダイナミックレンジ拡大信号の読み出しも１回である。本実施形態は、フォトダイオードＰＤの電荷蓄積期間に対し、ダイナミックレンジ拡大信号を複数回読み出すものであり、フォトダイオードＰＤ及び保持容量Ｃｃｓ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〜第５の実施形態の固体撮像装置において、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。保持容量Ｃｃｓ又はフローティングディフュージョン部ＦＤ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。行選択用スイッチＳＥＬは光電変換部に生じた電荷に基づく信号を外部に読み出すための読み出し部である。この読み出し部には、行選択スイッチＳＥＬを駆動する垂直走査回路１０４が含まれていてもよい。列信号処理回路１０２ａ，１０２ｂは、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前記電荷蓄積部Ｃｃｓ又はＦＤに蓄積された電荷に基づく信号が読み出され、この信号を処理する。リセットスイッチＲＥＳは、前記読み出し部１０２ａ，１０２ｂの各読み出しの後に前記電荷蓄積部Ｃｃｓ又はＦＤに蓄積された電荷をリセットする。

第１の実施形態（図１）では、前記電荷蓄積部は、保持容量Ｃｃｓである。転送スイッチ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に転送するためのスイッチである。スイッチ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。行選択用スイッチＳＥＬの制御により、ソースフォロアトランジスタＳＦを介して、前記フローティングディフュージョン部ＦＤの電荷に基づく信号を読み出す。

第３の実施形態（図６）では、前記電荷蓄積部は、フローティングディフュージョン部ＦＤである。スイッチＴＸは、前記光電変換部ＰＤに蓄積された電荷を前記フローティングディフュージョン部ＦＤに転送するための転送スイッチである。行選択用スイッチＳＥＬの制御により、前記フローティングディフュージョン部ＦＤの電荷に基づく信号を読み出す。

前記読み出し部１０２ａ，１０２ｂには、前記１回の電荷蓄積期間内において、前記電荷蓄積部Ｃｃｓ又はＦＤに蓄積された電荷を複数回読み出した後に、前記光電変換部ＰＤに蓄積された電荷を読み出す。

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。

ＰＤ フォトダイオード
ＴＸ 転送スイッチ
ＲＥＳ リセットスイッチ
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
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 (8)

1. 光電変換により生じた電荷を蓄積する光電変換部と、
   前記光電変換部からの電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
   前記電荷蓄積部に蓄積された電荷を転送する転送部と、
   前記転送部によって転送された電荷に基づく信号を読み出す読み出し部と、
   前記転送部によって転送された前記電荷をリセットするリセット部と、
   前記転送部による転送、前記転送の後の前記読み出し部による読み出し、及び前記読み出しの後の前記リセット部によるリセットを含む動作が、前記光電変換部での１回の電荷蓄積期間に対して複数回行われるように、前記転送部と前記読み出し部と前記リセット部とを制御する制御部と、
   を有することを特徴とする撮像装置。
2. フローティングディフュージョン部を有し、
   前記転送部が前記電荷蓄積部の電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記制御部は、複数回行われる前記動作のそれぞれにおいて、前記リセットの後に、前記フローティングディフュージョン部のリセットされた状態での電位に基づく信号を、前記読み出し部が出力することを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
4. それぞれが、前記光電変換部、前記電荷蓄積部、前記転送部、前記読み出し部、及び前記リセット部を含む複数の画素を有し、
   前記制御部は、前記複数の画素に順次制御信号を供給する走査回路であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の撮像装置。
5. 前記読み出し部からの信号が出力される出力線と、
   増幅トランジスタを含む増幅部と、をさらに有し、
   前記読み出し部は、前記増幅部と前記出力線との間に接続された選択トランジスタを含むことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の撮像装置。
6. 光電変換により生じた電荷を蓄積する光電変換部と、
   前記光電変換部からの電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
   フローティングディフュージョン部と、
   前記電荷蓄積部に蓄積された電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送する転送部と、
   前記フローティングディフュージョン部の電荷に基づく信号を読み出す読み出し部と、
   前記フローティングディフュージョン部をリセットするリセット部と、
   前記転送部による転送、前記転送の後の前記読み出し部による読み出し、及び前記読み出しの後の前記リセット部によるリセットを含む動作が、前記光電変換部での１回の電荷蓄積期間に対して複数回行われるように、前記転送部と前記読み出し部と前記リセット部とを制御する制御部と、
   を有することを特徴とする撮像装置。
7. 光電変換により生じた電荷を蓄積する光電変換部と、
   前記光電変換部からの電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
   前記電荷蓄積部に蓄積された電荷を転送する転送部と、
   前記転送部によって転送された電荷に基づく信号を読み出す読み出し部と、
   前記転送部によって転送された前記電荷をリセットするリセット部と、
   前記転送部による転送、前記転送の後の前記読み出し部による読み出し、及び前記読み出しの後の前記リセット部によるリセットを含む動作が、前記光電変換部での１回の電荷蓄積期間に対して複数回行われるように、前記転送部と前記読み出し部と前記リセット部とを制御する制御部と、
   を有することを特徴とする撮像システム。
8. 光電変換により生じた電荷を蓄積する光電変換部と、
   前記光電変換部からの電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
   前記電荷蓄積部に蓄積された電荷を転送する転送部と、
   前記転送部によって転送された電荷に基づく信号を読み出す読み出し部と、
   前記転送部によって転送された前記電荷をリセットするリセット部と、を有する撮像装置の制御方法であって、
   前記転送部による転送、前記転送の後の前記読み出し部による読み出し、及び前記読み出しの後の前記リセット部によるリセットを含む動作が、前記光電変換部での１回の電荷蓄積期間に対して複数回行われることを特徴とする撮像装置の制御方法。

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