JP6661506B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は固体撮像装置、特に車載用の裏面照射型固体撮像装置に関する。
固体撮像装置は、車載用として用いられる場合、ＬＥＤフリッカという現象が問題になっている。一般的に、信号機等のＬＥＤ表示装置では、ＬＥＤの光量をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）により調整している。ＬＥＤフリッカは、ＬＥＤがオフ状態の期間に撮影された映像が暗くなってしまい、点滅して見える現象である。特許文献１には、フリッカを検出して画像処理を行う撮像装置が記載されている。
特開２０１５−８８９１７号公報
しかしながら、特許文献１に記載されているような撮像装置では、画像処理に時間がかかるため、撮影した画像を実時間で表示したい車載用としては不向きである。
本発明は、撮影した映像のフリッカによる影響を抑制し、車載用に適用できる固体撮像装置を提供することを目的とする。
本発明は、大きさの異なるフォトダイオードを有する第１の画素回路と、前記第１の画素回路に接続されている第２の画素回路と、前記第２の画素回路を駆動制御する周辺回路と、を備え、前記第２の画素回路は、前記大きさの異なるフォトダイオードにより第１の露光時間に得られた第１の光信号と、前記第１の露光時間よりも短い第２の露光時間に得られた第２の光信号とを保持する保持部を有し、前記周辺回路は、前記第１の光信号の電圧値が所定値以上であるか否かを判定し、前記第１の光信号の電圧値が所定値以上であると判定された場合には前記第１の光信号に前記第２の光信号を加算した信号を出力信号とし、所定値以上ではないと判定された場合には前記第１の光信号を出力信号とすることを特徴とする固体撮像装置を提供する。
本発明の固体撮像装置によれば、撮影した映像のフリッカによる影響を抑制し、車載用に適用できる。
一実施形態の固体撮像装置を示す斜視図である。 第１の基板を示す構成図である。 第２の基板を示す構成図である。 第１の基板のフォトダイオードを示す構成図である。 図４のＡ１−Ａ２で切断した固体撮像装置の断面図である。 画素回路を示す回路図である。 カラム処理回路を示す構成図である。 画素回路の動作を説明するためのタイムチャートである。 カラム処理回路の動作を説明するためのフローチャートである。 第１の露光時間Ｔ１における光信号とショットノイズとの関係を示す図である。 水平走査回路へ読み出される光信号と入射光の光量との関係を示す図である。 暗い場所で撮影する場合の大きさの異なるフォトダイオードの露光時間と出力信号との関係を示す図である。 中間の明るさの場所で撮影する場合の大きさの異なるフォトダイオードの露光時間と出力信号との関係を示す図である。 非常に明るい場所で撮影する場合の大きさの異なるフォトダイオードの露光時間と出力信号との関係を示す図である。
図１を用いて、一実施形態の固体撮像装置の構成例を説明する。固体撮像装置１は、基板（第１の基板）１００と、基板（第２の基板）２００と、放熱板２とを備える。基板１００は外部から入射した光を光電変換して光信号を生成する。基板２００は基板１００と接続され、光信号を保持して出力する。放熱板２は基板１００及び基板２００が発生した熱を外部へ放出する。例えば放熱板２にペルチェ素子等の温度制御手段を設け、基板１００及び基板２００の温度を制御してもよい。
基板１００は、例えば厚さが１０μｍ程度のシリコン基板である。基板２００は、例えば厚さが２００μｍ〜１ｍｍ程度のシリコン基板である。放熱板２の厚さは１ｍｍ〜３ｍｍ程度である。放熱板２の材料として、金属、熱伝導性の高いセラミック、プラスチック、ダイヤモンド等の炭素系材料、サファイア、各種半導体基板、または多層構造の回路基板を用いてもよい。また、パッケージの一部を放熱板２として機能させてもよい。
基板２００を基板１００よりも大きくしてもよい。基板２００の基板１００が接続されている領域よりも外側の領域に、外部回路と接続するためのパッドを形成してもよい。なお、基板１００と基板２００とは同じ大きさであっても構わない。
放熱板２を基板２００よりも大きくしてもよい。放熱板２を大きくすることにより放熱性を向上させることができる。基板２００を貫通するトンネル部を形成し、トンネル部にマイクロバンプを形成し、放熱板２を介して基板１００及び基板２００と外部回路とを接続してもよい。
図２を用いて、基板１００の構成例を説明する。図２は基板１００の表面を示している。基板１００は、複数の画素が規則的に配置されている画素領域（第１の画素領域）１０１と、画素領域１０１の周辺に配置され、各画素の駆動制御を行う周辺回路（第１の周辺回路）１０２と、基板２００に接続するパッド（第１のパッド）１０３とを有する。
周辺回路１０２は、各画素を駆動する駆動回路、駆動回路を制御する制御回路、及び電源回路を有する。周辺回路１０２をＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）回路で構成してもよい。
図３を用いて、基板２００の構成例を説明する。図３は基板２００の表面を示している。基板２００は、複数の画素が規則的に配置されている画素領域（第２の画素領域）２０１と、画素領域２０１の周辺に配置され、各画素の駆動制御を行う周辺回路（第２の周辺回路）２０２と、基板１００に接続するパッド（第２のパッド）２０３とを有する。
周辺回路２０２は、カラム毎にデジタル・アナログ変換する回路、デジタル・アナログ変換に必要な高性能のランプ波形を生成するデジタル・アナログ変換器、各光信号に基づいて画像を構成する回路（例えば白傷補正、階調設定、ホワイトバランス設定等の各種回路、フィールドメモリ、画像・動画圧縮回路、及び外部とのシリアル通信を行うための回路）、電源回路、タイミング調整回路、及びクロック信号供給回路を有する。周辺回路２０２をＣＭＯＳ回路で構成してもよい。基板２００を基板１００よりも大きくする場合、基板２００の外周部に、外部回路と接続するためのパッド２０４を形成してもよい。
基板１００と基板２００とは、図２に示す画素領域１０１と図３に示す画素領域２０１とが対向し、かつ、パッド１０３とパッド２０３とが対向するように配置されている。従って、図１に示す基板１００の上面は、基板１００の裏面である。
パッド１０３とパッド２０３とは例えばマイクロバンプを介して電気的に接続されている。画素領域１０１の各画素と画素領域２０１の各画素とはマイクロバンプを介して画素毎に接続されている。即ち、基板１００と基板２００とは、マイクロバンプを介して電気的に接続されている。画素領域１０１の一画素と、その一画素に電気的に接続されている画素領域２０１の一画素とにより一単位の画素が構成されている。
図４を用いて、基板１００の画素領域１０１におけるフォトダイオードの構成例を説明する。図４は基板１００の裏面を示している。画素領域１０１は、大きなフォトダイオード（第１のフォトダイオード）１０５が形成されている画素（第１の画素）と、小さなフォトダイオード（第２のフォトダイオード）１０６が形成されている画素（第２の画素）とを有する。固体撮像装置１は、基板１００の裏面側から外部光が照射される裏面照射型の固体撮像装置である。
フォトダイオード１０５は例えば８角形の受光面を有する。フォトダイオード１０６は、フォトダイオード１０５の受光面よりも小さい、例えば矩形の受光面を有する。各フォトダイオード１０５，１０６は、互いの電荷が混合しないように分離領域１０７により分離されている。なお、図４では、説明をわかりやすくするために大きさの異なる２種類のフォトダイオード１０５，１０６を示しているが、大きさの異なる３種類以上のフォトダイオードで第１の画素領域１０１を構成するようにしてもよい。
図５は図４のＡ１−Ａ２で切断した固体撮像装置１における画素１０８〜１１０の断面を示している。図５の上部が基板１００であり、中央部が基板２００であり、下部が放熱板２である。
基板１００と基板２００とは接続部３で電気的に接続されている。基板１００の画素領域１０１のパッドと基板２００の画素領域２０１のパッドとをマイクロバンプを介して接続し、接続部３を形成するようにしてもよい。基板２００の裏面（図５の下側の面）には放熱板２が固定されている。
基板１００は、配線領域（第１の配線領域）１２０と、受光領域１３０と、ｐ＋型領域（第１のｐ＋型領域）１４０と、絶縁膜（第１の絶縁膜）１４１と、カラーフィルタ１４２と、マイクロレンズ１４３とが積層された積層構造を有する。カラーフィルタ１４２として、透明フィルタ、赤色フィルタ、緑色フィルタ、及び青色フィルタを用いてもよい。絶縁膜１４１としてシリコン酸化膜を用いてもよい。
受光領域１３０はシリコン基板（シリコン層）により形成されている。受光領域１３０は、ｎ型の光電変換領域１３１と、ｐ型ウェル１３２と、ｎ＋型領域１３３と、ｐ＋型領域（第２のｐ＋型領域）１３４とを有する。
画素１０９では、光電変換領域１３１ａとｐ型ウェル１３２ａとにより、図４に示すフォトダイオード１０５が構成される。画素１０８，１１０では、光電変換領域１３１ｂとｐ型ウェル１３２ｂとにより、図４に示すフォトダイオード１０６が構成される。フォトダイオード１０５とフォトダイオード１０６とは、互いの電荷が混合しないように分離領域１０７により分離されている。
基板１００の裏面（図５の上側の面）の分離領域１０７を形成するための領域以外の領域にレジストマスクを形成し、イオン注入することにより分離領域１０７を形成してもよい。または、基板１００の裏面の分離領域１０７を形成するための領域以外の領域に例えば窒化シリコン膜マスクを形成し、窒化シリコン膜マスク以外の領域をエッチングすることによりトレンチを形成し、トレンチに酸化シリコン、窒化シリコン、またはポリシリコンを埋め込むことにより、分離領域１０７を形成してもよい。
光電変換領域１３１と絶縁膜１４１との界面、及び光電変換領域１３１と配線領域１２０との界面では、光電変換領域１３１の結晶構造が壊れている場合がある。そのため、これら界面では非光信号のキャリアが発生し、ノイズの原因となる。そこで、これら界面にｐ＋型領域１３４，１４０を介在させることにより、非光信号のキャリアをｐ＋型領域１３４，１４０へ移動させることができる。
配線領域１２０は、絶縁膜（第２の絶縁膜）１２１と、ゲート１２２と、金属配線（第１の金属配線）１２３とを有する。ゲート１２２及び金属配線１２３は絶縁膜１２１の内部に形成されている。ｐ型ウェル１３２、ソース及びドレインとなるｎ＋型領域１３３、及びゲート１２２は、基板１００のＭＯＳＦＥＴ（MOS Field Effect Transistor）を構成する。基板１００は、フォトダイオード１０５及びＭＯＳＦＥＴを含む画素回路（第１の画素回路）１５０を有する。
基板１００の裏面側から外部光が入射する。外部光は、画素毎にマイクロレンズ１４３、カラーフィルタ１４２、絶縁膜１４１、及びｐ＋型領域１４０を透過し、フォトダイオード１０５，１０６により光信号電荷に光電変換される。光信号電荷は、基板１００内に形成されているＭＯＳＦＥＴにより電圧に変換され、光信号として金属配線１２３及び接続部３を介して基板２００へ出力される。画素回路１５０は、入射光を光電変換して光信号を生成する光電変換回路である。
基板２００は、ｐ型シリコン基板２１０と、配線領域（第２の配線領域）２２０とが積層された積層構造を有する。配線領域２２０は、絶縁膜（第３の絶縁膜）２２１と、ゲート２２２と、金属配線（第２の金属配線）２２３とを有する。ゲート２２２及び金属配線２２３は絶縁膜２２１の内部に形成されている。
ｐ型シリコン基板２１０は、ソース及びドレインとなるｎ＋型領域２１１を有する。ｐ型シリコン基板２１０とｎ＋型領域２１１とゲート２２２とは、基板２００のＭＯＳＦＥＴを構成する。絶縁膜２２１とゲート２２２とｐ型シリコン基板２１０とは、基板２００のＭＯＳキャパシタを構成する。基板２００は、ＭＯＳＦＥＴ及びＭＯＳキャパシタを含む画素回路（第２の画素回路）２５０を有する。
画素回路１５０から接続部３を介して出力された光信号は、画素回路２５０のＭＯＳキャパシタに保持され、ＭＯＳＦＥＴによりスイッチ制御され、出力される。画素回路２５０は、光信号を保持し、出力する信号保持回路及び出力回路である。
各画素１０８〜１１０は、画素回路１５０と画素回路２５０とを有する。画素回路２５０は画素毎に等間隔に形成されている。一方、画素回路１５０のフォトダイオードは画素単位で大きさが異なっている。具体的には、画素回路１５０は、大きなフォトダイオード１０５を有する画素（第１の画素）１０９と、小さなフォトダイオード１０６を有する画素（第２の画素）１０８，１１０とを有して構成されている。
上述した画素回路１５０及び画素回路２５０のＭＯＳＦＥＴはｎ型のＭＯＳＦＥＴである。ＭＯＳＦＥＴを構成する各半導体の導電型を逆の導電型にする（具体的にはｐ型をｎ型にし、ｎ型をｐ型にする）ことにより、ｐ型のＭＯＳＦＥＴとしてもよい。
固体撮像装置１は、フォトダイオード１０５，１０６を含む画素回路１５０が形成された基板１００と、画素回路２５０が形成された基板２００とが接続され、基板１００の裏面側から外部光が入射する裏面照射型の固体撮像装置である。
裏面照射型の固体撮像装置１は、共通の基板に第１の画素回路と第２の画素回路とが形成された表面照射型の固体撮像装置と比較して、画素毎に等間隔に形成されている画素回路２５０に対して、フォトダイオード１０５，１０６の大きさを画素毎に異ならせることができる。フォトダイオード１０５，１０６の大きさは、分離領域１０７が形成される位置により決定される。
図６を用いて、画素回路を説明する。図６には、垂直方向に配置された２つの画素を示している。上側の画素は、例えば図４に示すフォトダイオード１０５を有する画素１０９である。下側の画素は、例えば図４に示すフォトダイオード１０６を有する画素１１１である。画素１１１は、図５に示す画素１０８，１１０と同じ構造を有する。なお、図６では、説明をわかりやすくするために、画素１０９を第１画素列で第１画素行の画素とし、画素１１１を第１画素列で第２画素行の画素とする。図１〜図５と同じ構成部には同じ符号を付す。
画素１０９，１１１は、第１の画素回路１５０と、接続部３と、第２の画素回路２５０とを有する。２つの画素を区別するために、画素１０９では、第１の画素回路を１５０１、接続部を３１、第２の画素回路２５０１とする。画素１１１では、第１の画素回路を１５０２、接続部を３２、第２の画素回路２５０２とする。画素１０９と画素１１１とは基本的に同じ回路構成を有するため、まとめて説明する。
第１の画素回路１５０１，１５０２は、フォトダイオード１０５，１０６と、転送トランジスタ（以下、トランジスタをＴｒと称す）１５１１，１５１２と、フローティングディフュージョン（以下、ＦＬＤと称す）１５２１，１５２２と、リセットＴｒ（第１のリセットＴｒ）１５３１，１５３２とを有する。
また、第１の画素回路１５０１，１５０２は、増幅Ｔｒ（第１の増幅Ｔｒ）１５４１，１５４２と、負荷Ｔｒ１５５１，１５５２とを有する。転送Ｔｒ１５１１，１５１２、リセットＴｒ１５３１，１５３２、増幅Ｔｒ１５４１，１５４２、及び負荷Ｔｒ１５５１，１５５２は、基板１００に形成されたＭＯＳＦＥＴである。
フォトダイオード１０５，１０６は、入射光をホール電子対に変換する。ホール電子対のうち、どちらか一方（例えば電子）が光信号電荷としてフォトダイオード１０５，１０６に蓄積される。転送Ｔｒ１５１１，１５１２は、周辺回路１０２から出力される転送信号ＴＳ１，ＴＳ２により制御される。
転送信号ＴＳ１，ＴＳ２により転送Ｔｒ１５１１，１５１２がオン状態になると、フォトダイオード１０５，１０６に蓄積されている光信号電荷はＦＬＤ１５２１，１５２２へ転送される。ＦＬＤ１５２１，１５２２は、拡散層で構成されている微小浮遊容量であり、転送された光信号電荷（電子）により電位が減少する。ＦＬＤ１５２１，１５２２の浮遊容量をＣ１５２１，Ｃ１５２２とする。
リセットＴｒ１５３１，１５３２は、周辺回路１０２から出力されるリセット信号ＲＳ１１，ＲＳ１２により制御される。リセット信号ＲＳ１１，ＲＳ１２によりリセットＴｒ１５３１，１５３２がオン状態になることで、ＦＬＤ１５２１，１５２２はリセットされる。
ＦＬＤ１５２１，１５２２は増幅Ｔｒ１５４１，１５４２のゲートに接続されている。増幅Ｔｒ１５４１，１５４２は、ＦＬＤ１５２１，１５２２の電位を増幅させる。負荷Ｔｒ１５５１，１５５２は、周辺回路１０２から印加される電圧ＬＶ１，ＬＶ２に応じて負荷として機能する。負荷Ｔｒ１５５１，１５５２により発生した電圧は光信号として、接続部３１，３２を介して第２の画素回路２５０１，２５０２へ出力される。
第２の画素回路２５０１，２５０２は、スイッチングＴｒ（第１のスイッチングＴｒ）２５１１，２５１２と、スイッチングＴｒ（第２のスイッチングＴｒ）２５２１，２５２２と、スイッチングＴｒ（第３のスイッチングＴｒ）２５３１，２５３２と、スイッチングＴｒ（第４のスイッチングＴｒ）２５４１，２５４２とを有する。
また、第２の画素回路２５０１，２５０２は、キャパシタ（第１のキャパシタ）２５５１，２５５２と、キャパシタ（第２のキャパシタ）２５６１，２５６２と、キャパシタ（第３のキャパシタ）２５７１，２５７２と、ノード２５８１，２５８２と、リセットＴｒ（第２のリセットＴｒ）２５９１，２５９２と、増幅Ｔｒ（第２の増幅Ｔｒ）２６０１，２６０２と、選択Ｔｒ２６１１，２６１２とを有する。
キャパシタ２５５１，２５５２、キャパシタ２５６１，２５６２、及びキャパシタ２５７１，２５７２は、第１の画素回路１５０１，１５０２から出力された光信号を保持する保持部として機能する。
スイッチングＴｒ２５１１，２５１２，２５２１，２５２２，２５３１，２５３２，２５４１，２５４２、リセットＴｒ２５９１，２５９２、増幅Ｔｒ２６０１，２６０２、及び選択Ｔｒ２６１１，２６１２は、基板２００に形成されたＭＯＳＦＥＴである。キャパシタ２５５１，２５５２，２５６１，２５６２，２５７１，２５７２は基板２００に形成されたＭＯＳキャパシタである。
スイッチングＴｒ２５１１，２５１２は、周辺回路２０２から出力される制御信号ＣＳ１１，ＣＳ１２により制御される。制御信号ＣＳ１１，ＣＳ１２によりスイッチングＴｒ２５１１，２５１２がオン状態になると第１の画素回路１５０１，１５０２と接続し、オフ状態になると接続を遮断する。
スイッチングＴｒ２５２１，２５２２は、周辺回路２０２から出力される制御信号ＣＳ２１，ＣＳ２２により制御される。スイッチングＴｒ２５２１，２５２２は、制御信号ＣＳ２１，ＣＳ２２により、光信号をキャパシタ２５５１，２５５２へ書き込んだり読み出したりする。スイッチングＴｒ２５３１，２５３２は、周辺回路２０２から出力される制御信号ＣＳ３１，ＣＳ３２により制御される。
スイッチングＴｒ２５３１，２５３２は、制御信号ＣＳ３１，ＣＳ３２により光信号をキャパシタ２５６１，２５６２へ書き込んだり読み出したりする。スイッチングＴｒ２５４１，２５４２は、周辺回路２０２から出力される制御信号ＣＳ４１，ＣＳ４２により制御される。スイッチングＴｒ２５４１，２５４２は、制御信号ＣＳ４１，ＣＳ４２により光信号をキャパシタ２５７１，２５７２へ書き込んだり読み出したりする。
リセットＴｒ２５９１，２５９２は、周辺回路２０２から出力されるリセット信号ＲＳ２１，ＲＳ２２により制御される。リセット信号ＲＳ２１，ＲＳ２２によりリセットＴｒ２５９１，２５９２がオン状態になることで、ノード２５８１，２５８２はリセットされる。ノード２５８１，２５８２は増幅Ｔｒ２６０１，２６０２のゲートに接続されている。増幅Ｔｒ２６０１，２６０２は、ノード２５８１，２５８２の電位を増幅させる。
選択Ｔｒ２６１１，２６１２は、周辺回路２０２から出力される画素選択信号ＳＳ１，ＳＳ２により制御される。画素選択信号ＳＳ１，ＳＳ２により選択Ｔｒ２６１１，２６１２がオン状態になることで、画素が選択され、選択された画素の増幅Ｔｒ２６０１，２６０２から光信号が選択Ｔｒ２６１１，２６１２を介してカラム信号線Ｌ１へ出力される。
１列分の画素が１つのカラム信号線Ｌ１に接続されている。即ち、カラム信号線Ｌ１は、画素列毎に形成されている。選択Ｔｒ２６１１，２６１２により画素を行方向に順次選択することにより、各光信号は対応する画素列のカラム信号線Ｌ１へ順次出力される。
図７を用いて、カラム信号線Ｌ１に接続するカラム処理回路を説明する。カラム処理回路２６０は基板２００の周辺回路２０２に形成されている。カラム処理回路２６０は、電流源負荷２６１と、プログラマブルアンプ２６２と、コンパレータ（第１のコンパレータ）２６３と、カウンタ２６４と、コンパレータ（第２のコンパレータ）２６５と、メモリ２６６とを有する。コンパレータ２６３とカウンタ２６４とコンパレータ２６５とはアナログ・デジタル変換回路（以下、ＡＤＣ回路と称す）を構成する。
電流源負荷２６１は、カラム信号線Ｌ１とプログラマブルアンプ２６２とに接続されている。電流源負荷２６１により発生した電圧（光信号）は、プログラマブルアンプ２６２により増幅されてコンパレータ２６３へ出力される。コンパレータ２６３には周辺回路２０２からアナログ信号であるランプ波形信号ＲＷＳが入力される。コンパレータ２６３は、プログラマブルアンプ２６２から出力された光信号の電圧値とランプ波形信号ＲＷＳの電圧値とを比較し、両者が一致したときに一致パルス信号をカウンタ２６４へ出力し、カウントを停止させる。
カウンタ２６４には周辺回路２０２からクロック信号ＣＬが入力される。カウンタ２６４は、アップダウンカウンタであり、数字が小さくなる方向にも大きくなる方向にもカウントすることができる。カウンタ２６４は、例えばダウンカウンタでクロック信号ＣＬをカウントし、アップカウンタで光信号をカウントすることにより、ＣＤＳ（相関２重サンプリング）処理を実行する。
コンパレータ２６５はカウンタ２６４の動作を制御する。コンパレータ２６５は、カウンタ２６４のカウント値と予め設定された所定値とを比較し、カウンタ２６４の次の動作を決定する。コンパレータ２６５の具体的な制御方法については後述する。
カウンタ２６４によりＣＤＳ処理されたカウント値はメモリ２６６に保持される。なお、コンパレータ２６５による制御は、ダイナミックレンジを拡大させるための制御である。そのため、ダイナミックレンジを拡大させない場合には、コンパレータ２６５による制御は行わなくてもよい。
カラム処理回路２６０は、画素列毎に配置されている。水平走査回路２７０は、複数のカラム処理回路２６０と画素列毎に接続されている。水平走査回路２７０は、基板２００の周辺回路２０２に形成されている。水平走査回路２７０には、画素列毎に複数のカラム処理回路２６０からメモリ２６６に保持されているカウント値（光信号）が出力される。水平走査回路２７０は、各画素に対応する光信号を順次出力する。
図８を用いて、図６に示す画素回路の動作、具体的にはグローバルシャッタ動作について説明する。グローバルシャッタ動作は、全画素一斉に光信号を蓄積する蓄積過程と、各画素の光信号を読み出す読み出し過程とで構成される。図８において、上段（ＲＳ１１からＳＳ１までの範囲）のタイムチャートは、図６に示す上段の画素１０９の画素回路におけるタイムチャートを示している。図８において、下段（ＲＳ１２からＳＳ２までの範囲）のタイムチャートは、図６に示す下段の画素１１１の画素回路におけるタイムチャートを示している。
期間ｔｂの終了時点から期間ｔ６の終了時点までの期間が全画素の蓄積過程である。期間ｔ７の開始時点から期間ｔ１４の終了時点までの期間が画素１０９の読み出し過程である。期間ｔ１７の開始時点から期間ｔ２４の終了時点までの期間が画素１１１の読み出し過程である。
初期動作として、期間ｔａにて、リセット信号ＲＳ１１，ＲＳ１２によりリセットＴｒ１５３１，１５３２がオン状態となり、ＦＬＤ１５２１，１５２２がリセットされる。期間ｔｂにて、転送信号ＴＳ１，ＴＳ２により転送Ｔｒ１５１１，１５１２がオン状態となり、フォトダイオード１０５，１０６がリセットされる。なお、ＦＬＤ１５２１，１５２２のリセットとフォトダイオード１０５，１０６のリセットとを同じ期間で行ってもよい。
蓄積過程において、期間ｔｂの終了時点から期間ｔ３の終了時点までの期間を第１の露光時間Ｔ１とし、期間ｔ３の終了時点から期間ｔ６の終了時点までの期間を第２の露光時間Ｔ２とする。即ち、蓄積過程は第１の露光時間Ｔ１と第２の露光時間Ｔ２とにより構成される。第１の露光時間Ｔ１は第２の露光時間Ｔ２よりも長くなるように設定されている。
期間ｔ１にて、全画素を一斉にリセットする。具体的には、リセット信号ＲＳ１１，ＲＳ１２によりリセットＴｒ１５３１，１５３２がオン状態となり、ＦＬＤ１５２１，１５２２がリセットされる。リセット信号ＲＳ２１，ＲＳ２２によりリセットＴｒ２５９１，２５９２がオン状態になり、ノード２５８１，２５８２がリセットされる。
制御信号ＣＳ２１，ＣＳ２２によりスイッチングＴｒ２５２１，２５２２がオン状態となり、キャパシタ２５５１，２５５２がリセットされる。制御信号ＣＳ３１，ＣＳ３２によりスイッチングＴｒ２５３１，２５３２がオン状態となり、キャパシタ２５６１，２５６２がリセットされる。制御信号ＣＳ４１，ＣＳ４２によりスイッチングＴｒ２５４１，２５４２がオン状態となり、キャパシタ２５７１，２５７２がリセットされる。
なお、キャパシタ２５５１，２５５２、キャパシタ２５６１，２５６２、及びキャパシタ２５７１，２５７２への光信号の書き込みは、増幅Ｔｒ１５４１，１５４２が負荷Ｔｒ１５５１，１５５２に発生させる電圧により行われるため、リセットを行わなくてもよい。但し、キャパシタ２５５１，２５５２、キャパシタ２５６１，２５６２、及びキャパシタ２５７１，２５７２へ光信号を書き込む場合、高い電圧から下げる方向に書き込む場合と、低い電圧から上げる方向に書き込む場合とで若干ずれが生じる場合がある。そのような問題を避けるため、各キャパシタをリセットして高い方向の電圧（Ｖｄｄ）に合わせておくことが好ましい。
リセットされたＦＬＤ１５２１，１５２２の電位が画素の基準電位となる。期間ｔ２の開始時点で、負荷Ｔｒ１５５１，１５５２に電圧ＬＶ１，ＬＶ２が印加されることにより、負荷Ｔｒ１５５１，１５５２は電流源として動作する。これにより、増幅Ｔｒ１５４１，１５４２に電流が流れ、増幅Ｔｒ１５４１，１５４２及び負荷Ｔｒ１５５１，１５５２はソースフォロア回路として動作する。
期間ｔ２にて、制御信号ＣＳ１１，ＣＳ１２によりスイッチングＴｒ２５１１，２５１２がオン状態となり、制御信号ＣＳ２１，ＣＳ２２によりスイッチングＴｒ２５２１，２５２２がオン状態となり、ＦＬＤ１５２１，１５２２の電位（基準電位）がキャパシタ２５５１，２５５２に保持される。
第１の露光時間Ｔ１は、フォトダイオード１０５，１０６により光電変換された光信号電荷（電子）の蓄積を開始してから転送されるまでの時間である。フォトダイオード１０５，１０６には、第１の露光時間Ｔ１に光電変換された光信号電荷が蓄積される。
期間ｔ３にて、転送信号ＴＳ１，ＴＳ２により転送Ｔｒ１５１１，１５１２がオン状態となり、フォトダイオード１０５，１０６に蓄積されている光信号電荷はＦＬＤ１５２１，１５２２（浮遊容量Ｃ１５２１，Ｃ１５２２）へ転送される。ＦＬＤ１５２１，１５２２の電位は、転送された光信号電荷に応じて変動する（光信号電荷が電子の場合は下がる）。転送された光信号電荷に応じて変動したＦＬＤ１５２１，１５２２の電位が、第１の露光時間Ｔ１の光信号（第１の光信号）となる。
期間ｔ４にて、制御信号ＣＳ３１，ＣＳ３２によりスイッチングＴｒ２５３１，２５３２がオン状態となり、第１の露光時間Ｔ１の光信号がキャパシタ２５６１，２５６２に保持される。期間ｔ４の終了時点で、負荷Ｔｒ１５５１，１５５２への電圧ＬＶ１，ＬＶ２の印加を停止させる。これにより、全画素に対して、第１の露光時間Ｔ１における光信号の記録が完了する。
期間ｔ３にてフォトダイオード１０５，１０６に蓄積されている光信号電荷はＦＬＤ１５２１，１５２２へ転送される。従って、期間ｔ３の終了時点から第２の露光時間Ｔ２が開始される。期間ｔ５にて、リセット信号ＲＳ１１，ＲＳ１２によりリセットＴｒ１５３１，１５３２がオン状態となり、ＦＬＤ１５２１，１５２２がリセットされる。
期間ｔ６にて、負荷Ｔｒ１５５１，１５５２に電圧ＬＶ１，ＬＶ２が印加されることにより、負荷Ｔｒ１５５１，１５５２は電流源として動作する。これにより、増幅Ｔｒ１５４１，１５４２に電流が流れ、増幅Ｔｒ１５４１，１５４２及び負荷Ｔｒ１５５１，１５５２はソースフォロア回路として動作する。
また、期間ｔ６にて、転送信号ＴＳ１，ＴＳ２により転送Ｔｒ１５１１，１５１２がオン状態となり、フォトダイオード１０５，１０６に蓄積されている光信号電荷はＦＬＤ１５２１，１５２２へ転送される。ＦＬＤ１５２１，１５２２の電位は、転送された光信号電荷に応じて変動する。転送された光信号電荷に応じて変動したＦＬＤ１５２１，１５２２の電位が、第２の露光時間Ｔ２の光信号（第２の光信号）となる。
また、期間ｔ６にて、制御信号ＣＳ１１，ＣＳ１２によりスイッチングＴｒ２５１１，２５１２がオン状態となり、制御信号ＣＳ４１，ＣＳ４２によりスイッチングＴｒ２５４１，２５４２がオン状態となり、第２の露光時間Ｔ２の光信号がキャパシタ２５７１，２５７２に保持される。
期間ｔ６の終了時点で、負荷Ｔｒ１５５１，１５５２への電圧ＬＶ１，ＬＶ２の印加を停止させる。これにより、全画素に対して、第２の露光時間Ｔ２における光信号の記録が完了する。なお、第２の露光時間Ｔ２が終了した後の次の第１の露光時間Ｔ１は、期間ｔ６の終了時点から次の期間ｔ３の終了時点までの期間となる。
図８及び図９を用いて読み出し過程を説明する。図９はカラム処理回路２６０で実行される処理のフローチャートを示している。まず、第１画素行の画素１０９の読み出し過程を説明する。
期間ｔ７の開始時点で、画素選択信号ＳＳ１により選択Ｔｒ２６１１がオン状態となり、画素１０９が選択される。また、期間ｔ７にて、リセット信号ＲＳ２１によりリセットＴｒ２５９１がオン状態になり、ノード２５８１がリセットされる。
期間ｔ８にて、制御信号ＣＳ２１によりスイッチングＴｒ２５２１がオン状態となり、キャパシタ２５５１に保持されている基準電位がノード２５８１に充電される。キャパシタ２５５１の容量はノード２５８１の浮遊容量よりも十分に大きいので、ノード２５８１の電位はキャパシタ２５５１の電圧レベルとほぼ同じになる。ノード２５８１の電位（基準電位）は増幅Ｔｒ２６０１により増幅され、選択Ｔｒ２６１１及びカラム信号線Ｌ１を介してカラム処理回路２６０へ出力される。
カラム処理回路２６０の電流源負荷２６１により発生した電圧は、プログラマブルアンプ２６２により増幅され、光信号としてコンパレータ２６３へ出力される。なお、カウンタ２６４は予めリセットされている。
カウンタ２６４は、図９のステップＳ１にて、コンパレータ２６３から出力される光信号（基準電位）をダウン方向でカウントする。コンパレータ２６３は、プログラマブルアンプ２６２の出力値とランプ波形信号ＲＷＳとを比較し、両者が一致したときに一致パルス信号をカウンタ２６４へ出力し、カウントを停止させる。一致パルス信号が入力されたときのカウント値が第１の露光時間Ｔ１における基準電位を示すカウント値となる。
期間ｔ９にて、リセット信号ＲＳ２１によりリセットＴｒ２５９１がオン状態となり、ノード２５８１がリセットされる。期間ｔ１０にて、制御信号ＣＳ３１によりスイッチングＴｒ２５３１がオン状態となり、キャパシタ２５５１に保持されている第１の露光時間Ｔ１の光信号がノード２５８１に充電される。ノード２５８１の電位は増幅Ｔｒ２６０１により増幅され、選択Ｔｒ２６１１及びカラム信号線Ｌ１を介してカラム処理回路２６０へ出力される。
カウンタ２６４は、ステップＳ２にて、コンパレータ２６３から出力される第１の露光時間Ｔ１の光信号をアップ方向でカウントする。コンパレータ２６３は、プログラマブルアンプ２６２の出力値とランプ波形信号ＲＷＳとを比較し、両者が一致したときに一致パルス信号をカウンタ２６４へ出力し、カウントを停止させる。一致パルス信号が入力されたときのカウント値が第１の露光時間Ｔ１の光信号の電圧値を示すカウント値となる。
カウンタ２６４は、期間ｔ８でダウン方向のカウントを行い、期間ｔ１０でアップ方向のカウントを行っている。従って、カウンタ２６４は、基準電位と第１の露光時間Ｔ１の光信号の電圧値との差分を取得することになる。即ち、カウンタ２６４は第１の露光時間Ｔ１の光信号に対してＣＤＳ処理を行ったことになる。
コンパレータ２６５は、ステップＳ３にて、ＣＤＳ処理された第１の露光時間Ｔ１の光信号の電圧値（カウント値）と予め設定された所定値とを比較し、第１の露光時間Ｔ１の光信号の電圧値が所定値以上であるか否かを判定する。コンパレータ２６５は、判定結果に基づいて指示信号をカウンタ２６４へ出力する。
具体的には、第１の露光時間Ｔ１の光信号の電圧値が所定値以上である（ＹＥＳ）と判定された場合には、コンパレータ２６５は、第１の露光時間Ｔ１の光信号に第２の露光時間Ｔ２の光信号を加算する指示信号をカウンタ２６４へ出力する。第１の露光時間Ｔ１の光信号の電圧値が所定値以上ではない（ＮＯ）と判定された場合には、コンパレータ２６５は、第１の露光時間Ｔ１の光信号に第２の露光時間Ｔ２の光信号を加算しない指示信号をカウンタ２６４へ出力する。
ところで、ＦＬＤ１５２１の浮遊容量Ｃ１５２１に対してｋＴＣノイズ（リセットノイズ）が発生する。浮遊容量Ｃ１５２１は非常に小さいため、ｋＴＣノイズのノイズレベルは大きくなる。浮遊容量Ｃ１５２１に対して発生するｋＴＣノイズのノイズレベルは、電子数にして例えば５０〜１００個程度になる。第１の露光時間Ｔ１の光信号は、ｋＴＣノイズが加算されることによりノイズレベルが上がる。
第１の露光時間Ｔ１の光信号は、キャパシタのリーク電流に起因するノイズと回路に起因するショットノイズとを含んでいる。第１の露光時間Ｔ１の光信号のノイズレベルが第２の露光時間Ｔ２の光信号の電圧値以上であれば、第１の露光時間Ｔ１の光信号のノイズレベルが大きいため、第１の露光時間Ｔ１の光信号に第２の露光時間Ｔ２の光信号を加算してもよい。リーク電流は画素毎のばらつきが大きい。一方、ショットノイズは光信号の平方根に等しく、その大きさが明確であるため、ショットノイズに着目して所定値を設定する。
図１０を用いて、所定値の設定方法を説明する。図１０の横軸は第１の露光時間Ｔ１の光信号の電圧値（電子数に換算された値）を示し、縦軸は第１の露光時間Ｔ１の光信号に対するショットノイズのノイズレベル（電子数に換算された値）を示している。図１０中のｋＴＣノイズ及びリーク電流は、第１の露光時間Ｔ１の光信号に含まれるｋＴＣノイズ及びリーク電流に起因するノイズを示している。
ｋＴＣノイズとリーク電流に起因するノイズとの合計は、電子数にして１００個程度である。これらノイズとショットノイズとのノイズレベルが等しくなる第１の露光時間Ｔ１の光信号の電圧値は、電子数にして１００００個程度である。そこで、所定値を電子数にして１００００個と設定する。
図９のステップＳ３で第１の露光時間Ｔ１の光信号の電圧値が所定値以上である（ＹＥＳ）と判定された場合、カウンタ２６４には、コンパレータ２６５から第１の露光時間Ｔ１の光信号に第２の露光時間Ｔ２の光信号を加算する指示信号が出力される。カウンタ２６４は、指示信号に基づいて第１の露光時間Ｔ１の光信号に第２の露光時間Ｔ２の光信号を加算する。
具体的には、図８の期間ｔ１１にて、リセット信号ＲＳ２１によりリセットＴｒ２５９１がオン状態となり、ノード２５８１がリセットされる。期間ｔ１２にて、制御信号ＣＳ２１によりスイッチングＴｒ２５２１がオン状態となり、キャパシタ２５５１に保持されている第１の露光時間Ｔ１における基準電位がノード２５８１に充電される。ノード２５８１の電位は増幅Ｔｒ２６０１により増幅され、選択Ｔｒ２６１１及びカラム信号線Ｌ１を介してカラム処理回路２６０へ出力される。
カラム処理回路２６０の電流源負荷２６１により発生した電圧は、プログラマブルアンプ２６２により増幅され、コンパレータ２６３へ出力される。なお、カウンタ２６４は予めリセットされている。
カウンタ２６４は、図９のステップＳ４にて、コンパレータ２６３から出力される光信号（基準電位）をダウン方向でカウントする。コンパレータ２６３は、プログラマブルアンプ２６２の出力値とランプ波形信号ＲＷＳとを比較し、両者が一致したときに一致パルス信号をカウンタ２６４へ出力し、カウントを停止させる。一致パルス信号が入力されたときのカウント値が第２の露光時間Ｔ２における基準電位を示すカウント値となる。
期間ｔ１３にて、リセット信号ＲＳ２１によりリセットＴｒ２５９１がオン状態となり、ノード２５８１がリセットされる。期間ｔ１４にて、制御信号ＣＳ４１によりスイッチングＴｒ２５４１がオン状態となり、キャパシタ２５７１に保持されている第２の露光時間Ｔ２の光信号がノード２５８１に充電される。
ノード２５８１の電位は、増幅Ｔｒ２６０１により増幅され、選択Ｔｒ２６１１及びカラム信号線Ｌ１を介してカラム処理回路２６０へ出力される。その後、選択Ｔｒ２６１１がオフ状態になり、画素１０９の選択が終了する。
カウンタ２６４は、ステップＳ５にて、コンパレータ２６３から出力される第２の露光時間Ｔ２の光信号をアップ方向でカウントする。コンパレータ２６３は、プログラマブルアンプ２６２の出力値とランプ波形信号ＲＷＳとを比較し、両者が一致したときに一致パルス信号をカウンタ２６４へ出力し、カウントを停止させる。一致パルス信号が入力されたときのカウント値が第２の露光時間Ｔ２の光信号の電圧値を示すカウント値となる。
カウンタ２６４は、期間ｔ１２でダウン方向のカウントを行い、期間ｔ１４でアップ方向のカウントを行っている。従って、カウンタ２６４は、基準電位と第２の露光時間Ｔ２の光信号の電圧値との差分を取得することになる。即ち、カウンタ２６４は第２の露光時間Ｔ２の光信号に対してＣＤＳ処理を行ったことになる。カウンタ２６４は、ＣＤＳ処理された第１の露光時間Ｔ１の光信号と、ＣＤＳ処理された第２の露光時間Ｔ２の光信号とを加算する。
図９のステップＳ３で第１の露光時間Ｔ１の光信号の電圧値が所定値以上ではない（ＮＯ）と判定された場合、カウンタ２６４には、コンパレータ２６５から第１の露光時間Ｔ１の光信号に第２の露光時間Ｔ２の光信号を加算しない指示信号が出力される。カウンタ２６４は、指示信号に基づいて加算動作を行わない。
具体的には、カウンタ２６４は、第２の露光時間Ｔ２の光信号がカラム信号線Ｌ１に出力されている期間、即ち期間ｔ１１の開始時点から期間ｔ１３の終了時点までの期間、カウント動作を停止する。これにより、カウンタ２６４には、第１の露光時間Ｔ１の光信号のカウント値のみが残る。
カウンタ２６４は、ステップＳ６にて、カウント値をメモリ２６６に保持させる。上述した処理は、画素行の全ての画素に対して並行して行われるため、例えば第１画素行の全ての画素のメモリ２６６に各画素のカウント値が保持される。水平走査回路２７０は、ステップＳ７にて、第１画素行の全ての画素のメモリ２６６に保持されている各画素のカウント値を光信号（画素信号）として、カラム信号線毎に順次読み出す。これにより、第１画素行分の光信号の読み出し処理が終了する。
図１１を用いて、水平走査回路２７０へ読み出される画素の光信号とその画素に入射する入射光の光量との関係について説明する。図１１の縦軸は水平走査回路２７０へ読み出される画素の光信号の電圧値を示し、横軸はその画素への入射光の光量を示している。
第１の露光時間Ｔ１の光信号の電圧値が所定値以上である場合には、水平走査回路２７０へ読み出される光信号は、第１の露光時間Ｔ１の光信号の電圧値に第２の露光時間Ｔ２の光信号の電圧値が加算された電圧値の信号となる。第１の露光時間Ｔ１は第２の露光時間Ｔ２よりも長いため、同じ光量であっても第１の露光時間Ｔ１の光信号の電圧値が先に飽和する。第１の露光時間Ｔ１の光信号の電圧値が先に飽和しても、第２の露光時間Ｔ２の光信号の電圧値は光量に応じて増大する。従って、第１の露光時間Ｔ１の光信号に第２の露光時間Ｔ２の光信号を加算することにより、ダイナミックレンジを拡大することができる。
第１の露光時間Ｔ１の光信号の電圧値が所定値未満である場合には、水平走査回路２７０へ読み出される光信号は、第１の露光時間Ｔ１の光信号となる。
第１画素行の画素１０９の読み出しが完了すると、第２画素行の画素１１１の読み出しが開始される。第１画素行の画素１０９における期間ｔ７から期間ｔ１４までの読み出し過程と同様に、第２画素行の画素１１１に対しても期間ｔ１７から期間ｔ２４までの読み出し過程を行うことにより、第２画素行の画素１１１の読み出し処理が終了する。第３画素行以降も同様の読み出し過程を行うことにより、１画像分の読み出し処理が終了する。
図１２〜図１４を用いて、大きさの異なるフォトダイオードによりＬＥＤフリッカによる影響を抑制できる理由について説明する。図１２〜図１４の横軸は露光時間、縦軸は水平走査回路２７０へ読み出される光信号（以下、出力信号と称す）の電圧値を示している。図１２〜図１４の時点Ａから時点Ｄまで期間を第１の露光時間Ｔ１とし、時点Ｄから時点Ｅまで期間を第２の露光時間Ｔ２とする。
固体撮像装置１を車載用として用いる場合、固体撮像装置１は、信号機等のＬＥＤ表示装置の表示画像を撮像する。ＬＥＤ表示装置は、ＬＥＤの光量を通常、ＰＷＭにより調整しているため、点滅動作を行う。図１２〜図１４には、ＬＥＤ表示装置のＬＥＤの光量を示している。図１２〜図１４の時点Ａから時点Ｂまで期間、及び時点Ｃから時点Ｅまで期間をＬＥＤ表示装置が点灯していない期間とし、時点Ｂから時点Ｃまで期間をＬＥＤ表示装置が点灯している期間とする。
固体撮像装置１は、大きさの異なるフォトダイオード、例えば図４に示す大きなフォトダイオード１０５と小さなフォトダイオード１０６とを有する。各フォトダイオードを区別するために、ＬＥＤ光が受光される大きなフォトダイオード（第１の大きなフォトダイオード）を１０５ａ、ＬＥＤ光が受光されない大きなフォトダイオード（第２の大きなフォトダイオード）を１０５ｂとする。また、ＬＥＤ光が受光される小さなフォトダイオード（第１の小さなフォトダイオード）を１０６ａ、ＬＥＤ光が受光されない小さなフォトダイオード（第２の小さなフォトダイオード）を１０６ｂとする。
図１２は、暗い場所で撮影する場合、具体的には第１の大きなフォトダイオード１０５ａ及び第２の大きなフォトダイオード１０５ｂがいずれも飽和しない場合を示している。図１３は、図１２の場合よりも明るい場所（ここでは中間の明るさの場所と定義する）で撮影する場合、具体的には第１の大きなフォトダイオード１０５ａが飽和し、第２の大きなフォトダイオード１０５ｂが飽和しない場合を示している。
図１４は、中間の明るさの場所よりもさらに明るい場所（ここでは非常に明るい場所と定義する）で撮影する場合、具体的には第１の大きなフォトダイオード１０５ａ及び第２の大きなフォトダイオード１０５ｂがいずれも飽和する場合を示している。非常に明るい場所とは、直射日光が当たっている場合も含む。なお、図１２〜図１４は、いずれの場合においても、第１の小さなフォトダイオード１０６ａ及び第２の小さなフォトダイオード１０６ｂがいずれも飽和しない場合を示している。
図１２を用いて、暗い場所で撮影する場合について説明する。時点Ａから時点Ｂまでの期間では、ＬＥＤ表示装置が点灯していないため、第１の大きなフォトダイオード１０５ａ及び第２の大きなフォトダイオード１０５ｂの光信号の電圧値はいずれも周囲環境の光量に応じて増大する。
時点Ｂから時点Ｃまでの期間では、ＬＥＤ表示装置が点灯しているため、第１の大きなフォトダイオード１０５ａの光信号の電圧値は、ＬＥＤの光量分が加算されることにより、さらに増大する。一方、第２の大きなフォトダイオード１０５ｂの光信号の電圧値は、周囲環境の光量に応じて増大する。
時点Ｃから時点Ｅまでの期間ではＬＥＤ表示装置が点灯していないため、時点Ｃから時点Ｄまでの期間では、第１の大きなフォトダイオード１０５ａ及び第２の大きなフォトダイオード１０５ｂの光信号の電圧値はいずれも周囲環境の光量に応じて増大する。時点Ｄから時点Ｅまでの期間、即ち第２の露光時間Ｔ２では、第１の大きなフォトダイオード１０５ａ及び第２の大きなフォトダイオード１０５ｂの光信号の電圧値はいずれも周囲環境の光量に応じて増大する。
第１の大きなフォトダイオード１０５ａ及び第２の大きなフォトダイオード１０５ｂの第１の露光時間Ｔ１における光信号の電圧値はいずれも所定値以上である。従って、出力信号は、第１の露光時間Ｔ１の光信号の電圧値に第２の露光時間Ｔ２の光信号の電圧値が加算された電圧値となる。
大きなフォトダイオード１０５ａ，１０５ｂの光信号の電圧値が増大する傾きと比較して、小さなフォトダイオード１０６ａ，１０６ｂの光信号の電圧値が増大する傾きは、同じ光量であっても小さくなる。そのため、第１の小さなフォトダイオード１０６ａ及び第２の小さなフォトダイオード１０６ｂの第１の露光時間Ｔ１における光信号の電圧値は、いずれも所定値未満となっている。従って、第２の露光時間Ｔ２の光信号が加算されないため、第１の露光時間Ｔ１の光信号が出力信号となる。
第１の大きなフォトダイオード１０５ａによる出力信号と第２の大きなフォトダイオード１０５ｂによる出力信号とは電圧値が異なるため、撮影した映像のフリッカによる影響を抑制することができる。また、第１の小さなフォトダイオード１０６ａ及び第２の小さなフォトダイオード１０６ｂについても、出力信号の電圧値が異なるため、撮影した映像のフリッカによる影響を抑制することができる。従って、固体撮像装置１を車載用に適用できる。
暗い場所で撮影する場合には、大きなフォトダイオード１０５ａ，１０５ｂは、小さなフォトダイオード１０６ａ，１０６ｂと比較して、ダイナミックレンジが広く、また、第１の露光時間Ｔ１における光信号の電圧値が所定値以上である場合には第２の露光時間Ｔ２の光信号が加算されるため、さらにダイナミックレンジが拡大する。従って、大きなフォトダイオード１０５ａ，１０５ｂは、暗い場所で撮影する場合に有効である。
図１３を用いて、中間の明るさの場所で撮影する場合について説明する。時点Ａから時点Ｂまでの期間では、ＬＥＤ表示装置が点灯していないため、第１の大きなフォトダイオード１０５ａ及び第２の大きなフォトダイオード１０５ｂの光信号の電圧値はいずれも周囲環境の光量に応じて増大する。
中間の明るさの場所で撮影する場合は、暗い場所で撮影する場合と比較して周囲環境が明るいため、大きなフォトダイオード１０５ａ，１０５ｂ及び小さなフォトダイオード１０６ａ，１０６ｂの光信号の電圧値が増大する傾きは、暗い場所で撮影する場合よりも大きくなる。
時点Ｂから時点Ｃまでの期間では、ＬＥＤ表示装置が点灯しているため、第１の大きなフォトダイオード１０５ａの光信号の電圧値は、ＬＥＤの光量分が加算されることにより、さらに増大し、飽和する。一方、第２の大きなフォトダイオード１０５ｂの光信号の電圧値は、周囲環境の光量に応じて増大する。
時点Ｃから時点Ｅまでの期間ではＬＥＤ表示装置が点灯していないため、時点Ｃから時点Ｄまでの期間では、第２の大きなフォトダイオード１０５ｂの光信号の電圧値は周囲環境の光量に応じて増大する。一方、第１の大きなフォトダイオード１０５ａは、飽和後は一定の電圧値を維持する。時点Ｄから時点Ｅまでの期間、即ち第２の露光時間Ｔ２では、第１の大きなフォトダイオード１０５ａ及び第２の大きなフォトダイオード１０５ｂの光信号の電圧値はいずれも周囲環境の光量に応じて増大する。
第１の大きなフォトダイオード１０５ａ及び第２の大きなフォトダイオード１０５ｂの第１の露光時間Ｔ１における光信号の電圧値はいずれも所定値以上である。従って、出力信号は、第１の露光時間Ｔ１の光信号の電圧値に第２の露光時間Ｔ２の光信号の電圧値が加算された電圧値となる。
それに対して、第１の小さなフォトダイオード１０６ａ及び第２の小さなフォトダイオード１０６ｂの第１の露光時間Ｔ１における光信号の電圧値は、いずれも所定値未満である。従って、第２の露光時間Ｔ２の光信号が加算されないため、第１の露光時間Ｔ１の光信号が出力信号となる。
第１の大きなフォトダイオード１０５ａによる出力信号と第２の大きなフォトダイオード１０５ｂによる出力信号とは電圧値が異なるため、撮影した映像のフリッカによる影響を抑制することができる。また、第１の小さなフォトダイオード１０６ａ及び第２の小さなフォトダイオード１０６ｂについても、出力信号の電圧値が異なるため、撮影した映像のフリッカによる影響を抑制することができる。従って、固体撮像装置１を車載用に適用できる。
中間の明るさの場所で撮影する場合には、大きなフォトダイオード１０５ａ，１０５ｂは、小さなフォトダイオード１０６ａ，１０６ｂと比較して、ダイナミックレンジが広く、また、第１の露光時間Ｔ１における光信号の電圧値が所定値以上である場合には第２の露光時間Ｔ２の光信号が加算されるため、さらにダイナミックレンジが拡大する。従って、大きなフォトダイオード１０５ａ，１０５ｂは、中間の明るさの場所で撮影する場合に有効である。
図１４を用いて、非常に明るい場所で撮影する場合について説明する。時点Ａから時点Ｂまでの期間では、ＬＥＤ表示装置が点灯していないため、第１の大きなフォトダイオード１０５ａ及び第２の大きなフォトダイオード１０５ｂの光信号の電圧値はいずれも周囲環境の光量に応じて増大する。
非常に明るい場所で撮影する場合は、中間の明るさの場所で撮影する場合と比較して周囲環境が明るいため、大きなフォトダイオード１０５ａ，１０５ｂ及び小さなフォトダイオード１０６ａ，１０６ｂの光信号の電圧値が増大する傾きは、中間の明るさの場所で撮影する場合よりも大きくなる。
時点Ｂから時点Ｃまでの期間では、ＬＥＤ表示装置が点灯しているため、第１の大きなフォトダイオード１０５ａの光信号の電圧値は、ＬＥＤの光量分が加算されることにより、さらに増大し、飽和する。第２の大きなフォトダイオード１０５ｂの光信号の電圧値は、周囲環境の光量に応じて増大し、飽和する。従って、非常に明るい場所で撮影する場合には、第１の大きなフォトダイオード１０５ａの光信号と第２の大きなフォトダイオード１０５ｂの光信号とは、いずれも第１の露光時間Ｔ１内で飽和し、同じ電圧値となる。
時点Ｃから時点Ｅまでの期間ではＬＥＤ表示装置は点灯していないが、第１の大きなフォトダイオード１０５ａ及び第２の大きなフォトダイオード１０５ｂは、既に飽和しているため、時点Ｃから時点Ｄまでの期間では同じ電圧値を維持する。時点Ｄから時点Ｅまでの期間、即ち第２の露光時間Ｔ２では、第１の大きなフォトダイオード１０５ａ及び第２の大きなフォトダイオード１０５ｂの光信号の電圧値はいずれも周囲環境の光量に応じて増大する。
第１の大きなフォトダイオード１０５ａ及び第２の大きなフォトダイオード１０５ｂの第１の露光時間Ｔ１における光信号の電圧値はいずれも所定値以上である。従って、出力信号は、第１の露光時間Ｔ１の光信号の電圧値に第２の露光時間Ｔ２の光信号の電圧値が加算された電圧値となる。
非常に明るい場所で撮影する場合、第１の大きなフォトダイオード１０５ａと第２の大きなフォトダイオード１０５ｂとは、第１の露光時間Ｔ１及び第２の露光時間Ｔ２における光信号の電圧値がいずれも同じであるため、出力信号のレベル差が生じない。従って、非常に明るい場所で撮影する場合、大きなフォトダイオード１０５ａ，１０５ｂでは出力信号のレベル差が生じないため、撮影した映像はフリッカによる影響を受けてしまう。
一方、時点Ａから時点Ｂまでの期間では、ＬＥＤ表示装置が点灯していないため、第１の小さなフォトダイオード１０６ａ及び第２の小さなフォトダイオード１０６ｂの光信号の電圧値はいずれも周囲環境の光量に応じて増大する。
時点Ｂから時点Ｃまでの期間では、ＬＥＤ表示装置が点灯しているため、第１の小さなフォトダイオード１０６ａの光信号の電圧値は、ＬＥＤの光量分が加算されることにより、さらに増大する。第２の小さなフォトダイオード１０６ｂの光信号の電圧値は、周囲環境の光量に応じて増大する。
時点Ｃから時点Ｅまでの期間ではＬＥＤ表示装置が点灯していないため、時点Ｃから時点Ｄまでの期間では、第１の小さなフォトダイオード１０６ａ及び第２の小さなフォトダイオード１０６ｂの光信号の電圧値はいずれも周囲環境の光量に応じて増大する。時点Ｄから時点Ｅまでの期間、即ち第２の露光時間Ｔ２では、第１の小さなフォトダイオード１０６ａ及び第２の小さなフォトダイオード１０６ｂの光信号の電圧値はいずれも周囲環境の光量に応じて増大する。
第１の小さなフォトダイオード１０６ａの第１の露光時間Ｔ１における光信号の電圧値は所定値以上である。従って、出力信号は、第１の露光時間Ｔ１の光信号の電圧値に第２の露光時間Ｔ２の光信号の電圧値が加算された電圧値となる。一方、第２の小さなフォトダイオード１０６ｂの第１の露光時間Ｔ１における光信号の電圧値は所定値未満となっている。従って、第２の小さなフォトダイオード１０６ｂに対しては、第２の露光時間Ｔ２の光信号が加算されないため、第１の露光時間Ｔ１の光信号が出力信号となる。
第１の小さなフォトダイオード１０６ａによる出力信号と第２の小さなフォトダイオード１０６ｂによる出力信号とは電圧値が異なるため、撮影した映像のフリッカによる影響を抑制することができる。非常に明るい場所で撮影する場合、特に第２の露光時間Ｔ２にＬＥＤ表示装置が点灯していない場合には、小さなフォトダイオード１０６ａ，１０６ｂが有効である。従って、小さなフォトダイオード１０６ａ，１０６ｂで撮像することにより固体撮像装置１を車載用に適用できる。
ここで、第１の露光時間Ｔ１の光信号を保持するキャパシタ２５６１，２５６２の容量、及び第２の露光時間Ｔ２の光信号を保持するキャパシタ２５７１，２５７２の容量について説明する。
キャパシタ２５６１，２５６２は、露光時間が長く、かつ、光量が少ない場合の撮像を担っている。そのため、ノイズレベルを小さくすることが望ましい。一方、キャパシタ２５７１，２５７２は光量が多い場合に光信号を拡大するための撮像を担っている。そのため、キャパシタ２５６１，２５６２よりもノイズレベルが大きくてもよい。
従って、キャパシタ２５６１，２５６２の容量を、キャパシタ２５７１，２５７２の容量よりも大きくすることが望ましい。キャパシタ２５７１，２５７２の容量を小さくするとノイズレベルが大きくなるため、ノイズレベルに応じて所定値を設定する（具体的にはノイズレベルが大きくなると所定値を上げる）ことが望ましい。なお、所定値は実験的に求めておくことが好ましい。
キャパシタ２５５１，２５５２は、低いレベル（基準電位）の光信号を保持するため、容量を大きくして、ノイズレベルを小さくすることが望ましい。従って、キャパシタ２５５１，２５５２及びキャパシタ２５６１，２５６２の容量を、キャパシタ２５７１，２５７２の容量よりも大きくすることが望ましい。
固体撮像装置１によれば、大きさの異なるフォトダイオードを有する構成としたことにより、撮影する場所の周囲環境の光量に応じて有効な大きさのフォトダイオードで撮像することにより、撮影した映像のフリッカによる影響を抑制することができるので、固体撮像装置１を車載用に適用できる。
なお、本発明は、上述した実施形態の構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。
例えば、上述した実施形態では、コンパレータとカウンタとを用いてＡＤＣ回路を構成し、ＣＤＳ処理を行っているが、キャパシタを用いたクランプ回路によりＣＤＳ処理を行ってもよいし、差分増幅器を用いてＣＤＳ処理を行ってもよい。また、パイプライン型のＡＤ変換器等を用いてもよい。
１ 固体撮像装置
１０５，１０６ フォトダイオード
１５０ 画素回路（第１の画素回路）
２０２ 周辺回路
２５０ 画素回路（第２の画素回路）
２５６１，２５６２，２５７１，２５７２ キャパシタ（保持部）

Claims (4)

  1. 大きさの異なるフォトダイオードを有する第１の画素回路と、
    前記第１の画素回路に接続されている第２の画素回路と、
    前記第２の画素回路を駆動制御する周辺回路と、
    を備え、
    前記第２の画素回路は、
    前記大きさの異なるフォトダイオードにより第１の露光時間に得られた第１の光信号と、前記第１の露光時間よりも短い第２の露光時間に得られた第２の光信号とを保持する保持部を有し、
    前記周辺回路は、
    前記第１の光信号の電圧値が所定値以上であるか否かを判定し、前記第１の光信号の電圧値が所定値以上であると判定された場合には前記第１の光信号に前記第２の光信号を加算した信号を出力信号とし、所定値以上ではないと判定された場合には前記第１の光信号を出力信号とする
    ことを特徴とする固体撮像装置。
  2. 前記大きさの異なるフォトダイオードは、
    第１のフォトダイオードと、
    前記第１のフォトダイオードよりも小さい第２のフォトダイオードと、
    を有して構成され、
    前記第２のフォトダイオードにより得られた第１の光信号の電圧値は、前記第１のフォトダイオードにより得られた第１の光信号の電圧値よりも小さい
    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の画素回路が形成されている第１の基板と、
    前記第２の画素回路及び前記周辺回路が形成されている第２の基板と、
    を備えることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
  4. 前記第１の基板は、前記第１のフォトダイオードと前記第２のフォトダイオードとを分離する分離領域を有し、前記第１のフォトダイオードの大きさ及び前記第２のフォトダイオードの大きさは、前記分離領域が形成される位置により決定されることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
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