JP6750876B2 - 固体撮像装置及びその駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置及びその駆動方法に関する。

近年、ＣＭＯＳイメージセンサにおいて、グローバル電子シャッタの機能を有するものが提案されている。グローバル電子シャッタとは、複数の画素の間で露光期間が一致するような撮像動作を電気的に制御することである。グローバル電子シャッタを用いることには、動きの速い被写体を撮影する場合でも被写体像がゆがみにくいという利点がある。

特許文献１には、グローバル電子シャッタ機能を備えた固体撮像装置において、光電変換部から保持部への電荷の転送を露光期間中に複数回行う構成とすることにより、画素サイズの拡大を抑えつつ画素の飽和電荷量を増加することが記載されている。

特開２０１５−１７７３４９号公報

しかしながら、露光期間中に光電変換部から保持部に複数回の電荷の転送を行う構成とした場合に画質が低下することがあった。特許文献１ではこのような点は考慮されていなかった。

本発明の目的は、露光期間中に光電変換部から保持部に複数回の電荷の転送を行う構成とした場合の画質の低下を抑制しうる固体撮像装置及びその駆動方法を提供することにある。

本発明の一観点によれば、光電変換により電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部で生成された電荷を保持する保持部と、前記光電変換部から前記保持部へ電荷を転送する転送手段と、を有し、前記保持部が保持する電荷に基づく信号を出力する複数の画素と、前記複数の画素に接続され、前記複数の画素から前記信号が出力される出力線と、１回の露光期間の間に前記光電変換部で生成された電荷を、１以上の範囲で可変の回数の転送動作により前記保持部へ転送するように前記転送手段を制御する転送制御部と、前記信号を増幅する増幅手段と、前記増幅手段の増幅率を、前記転送動作の回数が第１の回数のときに第１のゲインに制御し、前記転送動作の回数が前記第１の回数よりも少ない第２の回数のときに前記第１のゲインよりも大きい第２のゲインに制御する制御部とを有する固体撮像装置が提供される。

また、本発明の他の一観点によれば、光電変換により電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部で生成された電荷を保持する保持部と、前記光電変換部から前記保持部へ電荷を転送する転送手段と、を有し、前記保持部が保持する電荷に基づく信号を出力する複数の画素と、前記複数の画素に接続され、前記複数の画素から前記信号が出力される出力線と、前記信号を増幅する増幅手段と、を有する固体撮像装置の駆動方法であって、１回の露光期間の間に前記光電変換部で生成された電荷を、１以上の範囲で可変の回数の転送動作により前記保持部に転送し、前記増幅手段の増幅率を、前記転送動作の回数が第１の回数のときに第１のゲインに制御し、前記転送動作の回数が前記第１の回数よりも少ない第２の回数のときに前記第１のゲインよりも大きい第２のゲインに制御する固体撮像装置の駆動方法が提供される。

本発明によれば、露光期間中に光電変換部から保持部に複数回の電荷の転送を行う構成とした場合の画質の低下を効果的に抑制することができる。

本発明の第１実施形態による固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像装置の画素の構成例を示す回路図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像装置の信号処理部の構成例を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像装置の駆動方法における転送回数と増幅率の設定例を示す図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像装置の駆動方法における転送回数と増幅率の他の設定例を示す図である。 転送回数が２回の場合の固体撮像装置の駆動例を示すタイミング図である。 図７の駆動例における転送回数と増幅率の設定例を示す図である。 本発明の第２実施形態による固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。 本発明の第２実施形態による固体撮像装置の駆動方法における転送回数と増幅率の設定例を示す図である。 本発明の第３実施形態による固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。 本発明の第４実施形態による固体撮像装置の画素の構成例を示す回路図である。 本発明の第４実施形態による固体撮像装置の駆動方法を示す図である。 本発明の第５実施形態による撮像システムの概略構成を示すブロック図である。 本発明の第６実施形態による撮像システム及び移動体の構成例を示す図である。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による固体撮像装置及びその駆動方法について、図１乃至図６を用いて説明する。

図１は、本実施形態による固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。図２は、本実施形態による固体撮像装置の画素の構成例を示す回路図である。図３は、本実施形態による固体撮像装置の列信号処理部の構成例を示すブロック図である。図４は、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。図５及び図６は、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法における転送回数と増幅率の設定例を示す図である。

はじめに、本実施形態による固体撮像装置の構造について、図１乃至図３を用いて説明する。
本実施形態による固体撮像装置１００は、図１に示すように、画素アレイ１０と、画素駆動部２０と、信号処理部３０と、水平走査部５０と、信号出力部６０と、駆動信号生成部７０とを有している。

画素アレイ１０は、複数の行及び複数の列に渡って配された複数の画素１２を含む。それぞれの画素１２は、入射光をその光量に応じた電荷に変換する光電変換部を含み、入射光量に応じた画素信号を出力する。

画素アレイ１０の各行には、行方向に延在する画素駆動信号線１４が配されている。それぞれの行の画素駆動信号線１４は、対応する行に属する画素１２に共通の信号線をなしている。画素駆動信号線１４は、画素駆動部２０に接続されている。画素アレイ１０の各列には、列方向に延在する画素出力線１６が配されている。それぞれの列の画素出力線１６は、対応する列に属する画素１２に共通の信号線をなしている。画素出力線１６は、信号処理部３０に接続されている。

画素駆動部２０は、画素駆動信号線１４を介して供給する駆動信号によって、画素１２の光電変換動作、電荷の転送動作、読み出し動作を制御する制御部である。画素駆動信号線１４は、図１には１本の信号線で示しているが、実際には複数の駆動信号線を含む。画素駆動部２０により選択された行の画素１２は、画素出力線１６に同時に画素信号を出力する。

信号処理部３０は、画素アレイ１０の列毎に設けられた複数の列信号処理部３２を有する。それぞれの列信号処理部３２は、対応する列の画素出力線１６に接続されている。列信号処理部３２は、画素出力線１６を介して画素１２から読み出された画素信号に対して所定の信号処理を実施する回路部である。列信号処理部３２は、少なくとも画素信号を増幅する機能を有し、必要に応じてＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換等のその他の機能を有してもよい。

水平走査部５０は、信号処理部３０において処理された画素信号を列毎に順次、信号出力部６０に転送するためのものである。水平走査部５０は、各列の列信号処理部３２に順次、選択信号を供給する。これにより、列信号処理部３２で処理された画素信号が、列毎に順次、共通出力線５２へと出力される。水平走査部５０は、デコーダやシフトレジスタで構成される。

信号出力部６０は、画素１２から読み出された画素信号を固体撮像装置の外部に出力するための回路である。信号出力部６０は、信号処理部３０の出力信号を増幅する機能を備えていてもよい。信号処理部３０がＡ／Ｄ変換器を含む構成では、画素信号は、デジタル信号として信号処理部３０から出力され、信号出力部６０へと転送される。この場合、信号出力部６０は、デジタル信号処理機能を備えていてもよい。信号出力部６０が備えうるデジタル信号処理機能としては、デジタルゲイン処理やオフセット加算処理などが挙げられる。また、信号出力部６０の出力構成として、例えば、単一の端子から電圧出力を行う方式や、差動の２端子を持つＬＶＤＳ（Low Voltage Differential Signaling）方式の出力手段を有してもよい。信号出力部６０で処理された画素信号は、固体撮像装置１００の外部へと出力される。

駆動信号生成部７０は、画素駆動部２０、信号処理部３０、水平走査部５０に、これらの駆動や設定を制御するための制御信号を供給する。例えば、駆動信号生成部７０は、画素駆動部２０や信号処理部３０に供給する信号の出力タイミングや画素信号の増幅率を設定する。駆動信号生成部７０は、画素駆動部２０とともに、光電変換部から保持部に電荷を転送する転送手段を制御する転送制御部を構成する。

図２は、画素１２の構成例である。それぞれの画素１２は、光電変換部ＰＤ、転送トランジスタＭ１，Ｍ２，Ｍ４、リセットトランジスタＭ３、増幅トランジスタＭ５、選択トランジスタＭ６を含む。

光電変換部ＰＤは、例えばフォトダイオードである。光電変換部ＰＤのフォトダイオードは、アノードが接地電圧線ＧＮＤに接続され、カソードが転送トランジスタＭ１のソース及び転送トランジスタＭ４のソースに接続されている。転送トランジスタＭ４は、オーバーフロートランジスタと呼ばれることもある。転送トランジスタＭ１のドレインは、転送トランジスタＭ２のソースに接続されている。転送トランジスタＭ１と転送トランジスタＭ２との間の接続ノードは、容量成分を含み、電荷の保持部Ｃ１としての機能を備える。

転送トランジスタＭ２のドレインは、リセットトランジスタＭ３のソース及び増幅トランジスタＭ５のゲートに接続されている。転送トランジスタＭ２のドレイン、リセットトランジスタＭ３のソース及び増幅トランジスタＭ５のゲートの接続ノードであるノードＶＦＤは、容量成分を含み、電荷の保持部Ｃ２としての機能を備える。ノードＶＦＤは、フローティングディフュージョンと呼ばれることもある。ノードＶＦＤは、増幅トランジスタＭ５により構成される増幅部の入力ノードとして機能する。

リセットトランジスタＭ３のドレイン、転送トランジスタＭ４のドレイン及び増幅トランジスタＭ５のドレインは、電源電圧線ＶＤＤに接続されている。増幅トランジスタＭ５のソースは、選択トランジスタＭ６のドレインに接続されている。選択トランジスタＭ６のソースは、画素出力線１６に接続されている。

保持部Ｃ１，Ｃ２を構成する容量は、特に限定されるものではなく、例えば、Ｐ型半導体とＮ型半導体との間のＰＮ接合容量、誘電体を金属で挟んだ構造のＭＩＭ容量、ＭＯＳ容量、配線容量等の寄生容量などを適用可能である。

図２の画素構成の場合、画素アレイ１０に配されたそれぞれの画素駆動信号線１４は、信号線ＴＸ１，ＴＸ２，ＲＥＳ，ＯＦＤ，ＳＥＬを含む。信号線ＴＸ１は、対応する行に属する画素１２の転送トランジスタＭ１のゲートにそれぞれ接続されている。信号線ＴＸ２は、対応する行に属する画素１２の転送トランジスタＭ２のゲートにそれぞれ接続されている。信号線ＲＥＳは、対応する行に属する画素１２のリセットトランジスタＭ３のゲートにそれぞれ接続されている。信号線ＯＦＤは、対応する行に属する画素１２の転送トランジスタＭ４のゲートにそれぞれ接続されている。信号線ＳＥＬは、対応する行に属する画素１２の選択トランジスタＭ６のゲートにそれぞれ接続されている。電源電圧線ＶＤＤ及び接地電圧線ＧＮＤは、図２に示すような行方向に延在する信号線や、列方向に延在する信号線などにより構成される、各画素１２に共通に接続された配線である。

信号線ＴＸ１には、画素駆動部２０から、転送トランジスタＭ１を制御するための駆動パルスである駆動信号ＰＴＸ１が出力される。信号線ＴＸ２には、画素駆動部２０から、転送トランジスタＭ２を制御するための駆動パルスである駆動信号ＰＴＸ２が出力される。信号線ＲＥＳには、画素駆動部２０から、リセットトランジスタＭ３を制御するための駆動パルスである駆動信号ＰＲＥＳが出力される。信号線ＯＦＤには、画素駆動部２０から、転送トランジスタＭ４を制御するための駆動パルスである駆動信号ＰＯＦＤが出力される。信号線ＳＥＬには、画素駆動部２０から、選択トランジスタＭ６を制御するための駆動パルスである駆動信号ＰＳＥＬが出力される。各トランジスタがＮ型トランジスタで構成される場合、画素駆動部２０からハイレベルの駆動信号が供給されると対応するトランジスタがオンとなり、画素駆動部２０からローレベルの駆動信号が供給されると対応するトランジスタがオフとなる。

光電変換部ＰＤは、入射光をその光量に応じた量の電荷に変換（光電変換）するとともに、生じた電荷を蓄積する。転送トランジスタＭ４は、光電変換部ＰＤを電源電圧線ＶＤＤの電位にリセットする。転送トランジスタＭ１は、光電変換部ＰＤの電荷を保持部Ｃ１に転送する。保持部Ｃ１は、入射光によって生じた電荷を光電変換部ＰＤとは別の場所で保持する。転送トランジスタＭ２は、保持部Ｃ１の電荷を保持部Ｃ２に転送する。保持部Ｃ２は、保持部Ｃ１から転送された電荷を保持するとともに、ノードＶＦＤを、その容量と転送された電荷の量とに応じた電圧に設定する。リセットトランジスタＭ３は、ノードＶＦＤを電源電圧線ＶＤＤの電位にリセットする。選択トランジスタＭ６は、画素出力線１６に信号を出力する画素１２を選択する。増幅トランジスタＭ５は、ドレインに電源電圧が供給され、ソースに選択トランジスタＭ６を介して電流源（図示せず）からバイアス電流が供給される構成となっており、ゲートを入力ノードとする増幅部（ソースフォロワ回路）を構成する。これにより増幅トランジスタＭ５は、入射光によって生じた電荷に基づく信号を、選択トランジスタＭ６を介して画素出力線１６に出力する。なお、光電変換部ＰＤのリセットは、不図示の別の電位で行ってもよいし、転送トランジスタＭ１，Ｍ２をオンにした状態でリセットトランジスタＭ３を介して行ってもよい。

図３は、列信号処理部３２の構成例である。列信号処理部３２は、増幅部３４と、Ａ／Ｄ変換器３６とを含む。増幅部３４は、画素出力線１６を介して画素１２から出力された画素信号を増幅する。Ａ／Ｄ変換器３６は、増幅部３４から出力された増幅された画素信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。なお、列信号処理部３２の構成はこれに限定されるものではなく、増幅部３４のみの構成やＡ／Ｄ変換器３６のみの構成であってもよいし、相関二重サンプリング機能を更に備えていてもよい。

次に、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法について、図４乃至図６を用いて説明する。なお、各トランジスタは駆動信号がハイレベルのときにオン状態になり、駆動信号がローレベルのときにオフ状態になるものとする。

本実施形態による固体撮像装置の駆動方法では、図４に示すように、１フレーム期間内に、期間Ｔ１と、期間Ｔ１よりも後の期間Ｔ２と、期間Ｔ２よりも後の期間Ｔ３とが含まれる。期間Ｔ１は、光電変換部ＰＤのリセット期間である。期間Ｔ２は、光電変換部ＰＤの露光期間である。期間Ｔ３は、画素信号の読み出し期間である。期間Ｔ２は、期間Ｔ４と、期間Ｔ５とを含む。期間Ｔ４は、光電変換部ＰＤにおける信号電荷の蓄積期間である。期間Ｔ５は、光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への信号電荷の転送期間である。期間Ｔ４及び期間Ｔ５の動作は、期間Ｔ２の間に、１回実行されるか、または、必要に応じて複数回、繰り返し実行される。期間Ｔ３は、期間Ｔ６を含む。期間Ｔ６は、１行の画素１２から画素信号の読み出しを実行する期間である。画素アレイ１０がｎ行で構成される場合、１行目からｎ行目のそれぞれに対して順次、期間Ｔ６の動作が実行される。

まず、期間Ｔ１において、画素駆動部２０からリセットの対象となる総ての行の信号線ＯＦＤに供給される駆動信号ＰＯＦＤがハイレベルとなり、総ての画素１２の転送トランジスタＭ４がオンになる。これにより、光電変換部ＰＤは、転送トランジスタＭ４を介して電源電圧線ＶＤＤに接続され、電源電圧に応じた電位にリセットされる。

期間Ｔ１の経過後、駆動信号ＰＯＦＤがローレベルになると、総ての画素１２の転送トランジスタＭ４がオフ状になり、光電変換部ＰＤのリセットが解除される。これにより、総ての画素１２の光電変換部ＰＤでは、光電変換によって入射光量に応じた電荷が生成され、蓄積される。つまり、１回の露光期間が開始される。駆動信号ＰＯＦＤがハイレベルからローレベルへと遷移するタイミングは、期間Ｔ１の終了時刻であるとともに、期間Ｔ２の開始時刻でもある。

期間Ｔ２の間、総ての行の信号線ＴＸ１に供給される駆動信号ＰＴＸ１を少なくとも１回、ローレベルからハイレベルへと遷移する。駆動信号ＰＴＸ１がローレベルで転送トランジスタＭ１がオフの期間が期間Ｔ４であり、駆動信号ＰＴＸ１がハイレベルで転送トランジスタＭ１がオンの期間が期間Ｔ５である。期間Ｔ５では、それまでに光電変換部ＰＤに蓄積されていた電荷が保持部Ｃ１へと転送される。

期間Ｔ２は、少なくとも１回の期間Ｔ５を含む。期間Ｔ５の前には期間Ｔ４を実行してもよく、複数回の期間Ｔ５を実行する場合は期間Ｔ５の間に期間Ｔ４を実行する。最後の期間Ｔ５において駆動信号ＰＴＸ１をハイレベルからローレベルへと遷移するタイミングが、期間Ｔ２の終了時刻となる。この結果、期間Ｔ２の間に光電変換部ＰＤで生じた電荷は、光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１へと転送され、保持部Ｃ１において保持されることになる。

本実施形態では、期間Ｔ２の間に計５回、期間Ｔ４及び期間Ｔ５を繰り返し実行する例を示す。ただし、期間Ｔ２の間に期間Ｔ４及び期間Ｔ５を繰り返し実行する回数は、５回に限定されるものではない。また、期間Ｔ５の間隔、すなわち期間Ｔ４は、必ずしも均等である必要はない。また、期間Ｔ５を複数回実行する場合、期間Ｔ５は、必ずしも均等である必要はない。また、期間Ｔ５の後に、再び期間Ｔ４の動作を行う前に、光電変換部ＰＤをリセットする動作（期間Ｔ１の動作）を行ってもよい。最初に光電変換部ＰＤのリセットが解除されてから、保持部Ｃ１に保持された電荷を読み出すまでが、１回の露光期間として定義される。すなわち、１回の露光期間の中に、光電変換部ＰＤがリセットされることがあってもよい。

期間Ｔ２が終了後、期間Ｔ３が実行される。期間Ｔ３では、行毎に順次、各画素１２の保持部Ｃ１に保持されている電荷に基づく信号の画素出力線１６への読み出し（期間Ｔ６）を実行する。最終行（ｎ行目）の画素１２からの画素信号の読み出しが終了すると、期間Ｔ３が終了する。

期間Ｔ６における各行の読み出し動作は、図４に示すように、リセット期間と、読み出し期間と、信号処理期間と、水平転送期間とを含む。

リセット期間及び読み出し期間では、読み出し対象の行の信号線ＳＥＬに供給される駆動信号ＰＳＥＬをハイレベルとし、当該行の画素１２の選択トランジスタＭ６をオンにする。これにより、当該行の画素１２が選択され、選択された画素１２から画素出力線１６への画素信号の読み出しが可能な状態となる。

リセット期間において、読み出し対象の行の信号線ＲＥＳに供給される駆動信号ＰＲＥＳがハイレベルになると、リセットトランジスタＭ３がオンになる。これにより、ＶＦＤノードはリセットトランジスタＭ３を介して電源電圧線ＶＤＤに接続され、電源電圧に応じた電位（リセット電位）にリセットされる。

続く読み出し期間において、まず、リセットトランジスタＭ３がオフした後、画素出力線１６には、ＶＦＤノードのリセット電位に応じた基準信号（Ｎ信号）が出力される。次に、読み出し対象の行の信号線ＴＸ２に供給される駆動信号ＰＴＸ２がハイレベルになると、転送トランジスタＭ２がオンになる。これにより、保持部Ｃ１に保持されていた電荷が保持部Ｃ２へと転送され、ＶＦＤノードは、保持部Ｃ２の容量による電荷電圧変換により、保持部Ｃ２へ転送された電荷の量に応じた電位となる。転送トランジスタＭ２がオフになった後、画素出力線１６には、保持部Ｃ１から保持部Ｃ２に転送された電荷の量に応じた画素信号（Ｓ信号）が出力される。

信号処理期間では、画素出力線１６を介して信号処理部３０に出力されたＮ信号及びＳ信号に対して、増幅処理、Ａ／Ｄ変換処理等の所定の信号処理が実行される。水平転送期間では、各列の列信号処理部３２で処理されたＮ信号及びＳ信号を、水平走査部５０からの制御信号に従って列毎に順次、共通出力線５２を介して信号出力部６０へと転送する。

このようにして、複数の画素１２の間で光電変換部ＰＤの光電変換動作と蓄積の期間（期間Ｔ２）が一致するような撮像動作、いわゆる、グローバル電子シャッタ動作を行うことができる。

本実施形態による固体撮像装置の駆動方法では、露光期間（期間Ｔ２）中に、転送トランジスタＭ１を複数回（ここでは５回）オンにして光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１に断続的に電荷の転送を行っている。１回の露光期間中に転送トランジスタＭ１をオンにする回数は、被写体の明るさなどの撮像条件に応じて変更される。換言すると、１回の露光期間の間に光電変換部ＰＤで生成された電荷を、１以上の範囲で可変の回数の転送動作により保持部Ｃ１へ転送する。光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１に断続的に複数回の電荷の転送を行っていることの１つの理由は、画素サイズの拡大を抑制しつつ画素１２の飽和電荷量を確保するためである。

光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１へ１回で電荷を転送するためには、光電変換部ＰＤの飽和電荷量と保持部Ｃ１の飽和電荷量とがほぼ同じである必要がある。この場合、画素１２の飽和電荷量を増やすためには光電変換部ＰＤの飽和電荷量と保持部Ｃ１の飽和電荷量とを共に大きくしなければならず、画素サイズの拡大を避けることはできない。

光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への電荷の転送を複数回に分けて行う構成とすることにより、光電変換部ＰＤの飽和電荷量を増やすことなく、画素１２の飽和電荷量を確保することができる。例えば、光電変換部ＰＤの飽和電荷量をＱＰ、保持部Ｃ１の飽和電荷量をＱＭ、光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への転送回数をＮとすると、飽和電荷量ＱＰはＱＭ／Ｎ程度とすることができ、画素サイズの拡大を抑制することができる。

一例として、保持部Ｃ１の飽和電荷量ＱＭが光電変換部ＰＤの飽和電荷量ＱＰのＭ倍である（光電変換部ＰＤから飽和電荷量ＱＰ相当の電荷をＭ回転送することで保持部Ｃ１が飽和電荷量ＱＭに達する）場合を想定する。この場合、画素１２の最大飽和電荷量は、保持部Ｃ１の飽和電荷量ＱＭとなり、光電変換部ＰＤがＭ回飽和したときの電荷量と等価であるといえる。つまり、光電変換部ＰＤから飽和電荷量ＱＰ相当の電荷をＭ回転送する構成とすることで、画素１２を最大飽和電荷量で使用することができる。画素１２を最大飽和電荷量で使用するときの電荷の転送回数は、光電変換部ＰＤの飽和電荷量ＱＰに対する保持部Ｃ１の飽和電荷量ＱＭの比率（ＱＭ／ＱＰ）に対応している。また、後段の回路は、画素１２の最大飽和電荷量、つまり、保持部Ｃ１の飽和電荷量ＱＭに対応した信号を扱えるダイナミックレンジを持つ。

光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への電荷の転送を一定の間隔でＮ回行う場合、期間Ｔ２は、以下の式（１）のように表される。
Ｔ２＝（Ｔ４＋Ｔ５）×Ｎ …（１）

Ｎ＝Ｍのとき、画素１２を最大飽和電荷量で使用することができる。非常に明るい被写体の場合、各転送動作において、光電変換部ＰＤの飽和電荷量ＱＰの電荷が転送されうる。この場合でも、信号レベルは後段の回路のダイナミックレンジに含まれる。一方で、暗いシーンを撮像する場合に同様にＭ回の電荷転送を行うと、１回に転送される電荷の量は光電変換部ＰＤの飽和電荷量ＱＰより少ない。つまり、１回の露光期間に保持部Ｃ１の飽和電荷量ＱＭよりも少ない量の電荷しか生じない。この場合には、転送回数ＮをＭより小さくすることで、転送時に生じるノイズや消費電力の増大を抑えることができる。扱う電荷の量が少なくなるため、後段の回路のダイナミックレンジには出力される信号レベルに対して余裕が生じる。そこで、転送回数が少ない場合には、増幅部の増幅率Ｇを大きくすることができる。本実施形態の駆動方法のように画素信号を信号処理部３０で増幅する場合、光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への電荷の転送回数Ｎと信号処理部３０における増幅率Ｇとの関係は、以下に説明するようにして規定することができる。

図５は、飽和電荷量ＱＭが飽和電荷量ＱＰの５倍（Ｍ＝５）であるときの、ノードＶＦＤの電圧振幅と信号処理部３０の出力振幅との関係を示している。電圧振幅を考えるにあたり、電圧ＶＢをノードＶＦＤの電圧振幅及び信号処理部３０の出力振幅の基準と仮定している。なお、ここでは説明の簡略化のため、増幅トランジスタＭ５を含む画素１２の増幅部の増幅率は１であるものと仮定する。また、図５において、ＶＳ［Ｖ］は、信号処理部３０の出力レンジ、すなわち最大出力振幅を想定している。

ノードＶＦＤの電圧振幅の最大値（飽和電荷量ＱＭに対応）をＶＭ［Ｖ］とすると、例えば、Ｎ＝１のときのノードＶＦＤの電圧振幅はＶＭ×（１／５）［Ｖ］となり、Ｎ＝２のときのノードＶＦＤの電圧振幅はＶＭ×（２／５）［Ｖ］となる。

そこで、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法では、光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への電荷の転送回数Ｎの設定に応じて、信号処理部３０の増幅率Ｇの設定を変更する。例えば、転送回数Ｎが５のときに信号処理部３０の増幅率Ｇを１、転送回数Ｎが２のときに信号処理部３０の増幅率Ｇを５／２、転送回数Ｎが１のときに信号処理部３０の増幅率Ｇを５とする。すなわち、転送回数に応じた画素１２の飽和電荷量に対応する信号レベルが、信号処理部３０の出力レンジに含まれるように、転送回数ＮがＭよりも少ないほど、増幅率Ｇを大きくする。このようにすることで、転送回数Ｎによらず信号処理部３０の出力振幅の最大値はＶＭ［Ｖ］となり、信号処理部３０を最大出力振幅ＶＳ［Ｖ］の近傍で使用することができる。

なお、転送回数ＮがＭ未満のとき、必ずしも出力振幅の最大値がＶＭ［Ｖ］になるように信号処理部３０の増幅率Ｇを設定する必要はない。例えば、転送回数Ｎが１のときに信号処理部３０の増幅率Ｇを２として、信号処理部３０の出力振幅の最大値がＶＭ×２／５［Ｖ］となるようにしてもよい。

光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への転送回数Ｎと信号処理部３０の増幅率Ｇとの関係は、撮影の状況、固体撮像装置を構成するブロック間の信号処理の関係等に応じて、固体撮像装置のモードとして多様に設定することができる。例えば、画素１２を最大飽和電荷量で使用したい場合には、転送回数Ｎを５（＝Ｍ）、増幅率Ｇを１に設定する。期間Ｔ２を短縮することで撮影を高速化しつつ、信号処理部３０を最大出力振幅ＶＳ［Ｖ］の近傍で使用したい場合には、転送回数Ｎを１、増幅率Ｇを５に設定する。画素１２を最大飽和電荷量で使用しつつ、信号処理部３０の出力振幅を信号出力部６０や固体撮像装置外の装置の入出力レンジに応じてＶＭ［Ｖ］よりも小さい範囲、例えばＶＭ／２［Ｖ］で使用したい場合は、転送回数Ｎを５、増幅率Ｇを１／２に設定する。

図６は、露光期間（期間Ｔ２）を２分の１に短縮した場合におけるＶＦＤノードの電圧振幅と信号処理部３０の出力振幅との関係を示している。光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への転送回数Ｎは５回としている。この例では、光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への転送回数Ｎは５回であるが露光期間（期間Ｔ２）は２分の１であるため、ノードＶＦＤの電圧振幅はＶＭ×１／２［Ｖ］となる。この場合、信号処理部３０の増幅率Ｇを２とすることで、信号処理部３０を最大出力振幅ＶＳ［Ｖ］の近傍の出力振幅ＶＭ［Ｖ］で使用することができる。すなわち、本駆動例は、転送回数がＭ回以上であり、保持部に蓄積される電荷に基づく信号が画素１２の最大飽和電荷量に対応する信号レベルよりも小さい場合に、転送回数が多いほど増幅率Ｇを大きく設定する例である。

図６の例は、飽和電荷量ではなく、単位時間あたりの光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への電荷の転送回数を多く設定することに着目した例で、蓄積期間の分散化に有効である。

例えば、露光期間における電荷の転送周期よりも短い周期で被写体の明暗が変化、つまり光量が変化する場合、露光期間中に１回だけ電荷の転送を行う構成では、常に明るい或いは常に暗いという蓄積結果になり、被写体を正しく撮像できないことがある。

これに対し、露光期間における電荷の転送を複数回行う構成であれば、蓄積期間が時間的に分散されることになる。時間の分散化の効果は、単位時間あたりの電荷の転送回数が多いほど大きくなる。つまり、単位時間あたりの電荷の転送回数を多く設定することで、明るい状態での電荷の蓄積と暗い状態での電荷の蓄積とを実行することができ、それらの平均値が蓄積結果となることで、明暗の変化する被写体についてより正確な撮像が可能となる。

その反面、露光期間に電荷の転送を複数回行うために転送トランジスタＭ１を複数回オンにすることで、転送トランジスタＭ１の動作に伴うノイズ成分が増加することが懸念される。しかしながら、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法では、後段の信号処理部３０の増幅率Ｇを大きくすることで、転送トランジスタＭ１を複数回オンにすることによるノイズ増加の影響を、全体のノイズに対して相対的に低減することができる。つまり、画質の低下を抑えるための手段の一例として、露光期間Ｔ２を短縮して転送トランジスタＭ１オンにする周期を相対的に短くしつつ、増幅率Ｇを大きくするという設定が可能である。

本実施形態において説明した種々の駆動モードは、駆動信号生成部７０において任意に設定する構成としてもよいし、前フレームの出力データ等を参照し駆動信号生成部７０において自動的に転送回数Ｎや増幅率Ｇを設定する構成としてもよい。また、増幅処理は、信号処理部３０において実施する構成のみならず、信号出力部６０で実施する構成や、固体撮像装置の外部の信号処理部（図示せず）で実施する構成としてもよい。或いは、これら増幅部の任意の組み合わせによって所望の増幅率Ｇを得るようにしてもよい。

なお、光電変換部ＰＤと保持部Ｃ１の飽和電荷量の比率、電荷の転送回数Ｎと信号処理部３０の増幅率Ｇとの組み合わせは、本実施形態で示した例に限定されるものではない。また、本実施形態では、転送トランジスタＭ１をオンにする回数に着目して説明したが、転送トランジスタＭ２を複数回オンにできる構成にすることによっても、同様の効果を得ることができる。ただし、この場合はグローバル電子シャッタ動作ではなく、ローリング電子シャッタ動作の場合に効果が得られるので、保持部Ｃ１や転送トランジスタＭ１，Ｍ４は画素１２の構成上なくてもよい。

このように、本実施形態によれば、画素の飽和電荷量や電荷の転送回数によって変化するノードＶＦＤの信号レベルに連動して増幅部の増幅率を調整するので、撮像状況に合致した最適なモードで良質の画像を撮影することができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による固体撮像装置及びその駆動方法について、図７乃至図１０を用いて説明する。第１実施形態による固体撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。

図７は、転送回数が２回の場合の固体撮像装置の駆動例を示すタイミング図である。図８は、図７の駆動例における転送回数と増幅率の設定例を示す図である。図９は、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。図１０は、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法における転送回数と増幅率の設定例を示す図である。

本実施形態では、図１乃至図３に示す第１実施形態による固体撮像装置の他の駆動方法を説明する。本実施形態では、蓄積時間の分散化をより効果的に実現しうるによる固体撮像装置の駆動方法を示す。

ここでは説明の簡略化のため、光電変換部ＰＤの飽和電荷量ＱＰと保持部Ｃ１の飽和電荷量ＱＭとの比が１：２である場合を想定する。保持部Ｃ１の飽和電荷量ＱＭは、第１実施形態の図４及び図５で説明した場合と同じ値であるものとする。この場合、Ｎ＝Ｍ＝２を満たす場合に、画素１２を最大飽和電荷量で使用することができる。

図７は、光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への信号電荷の転送回数が２回である場合の１フレーム期間内の動作を示すタイミング図である。本駆動例は、期間Ｔ２の間に期間Ｔ４及び期間Ｔ５を繰り返し実行する回数が２回である他は、図４のタイミング図と同様である。

図８は、図７の駆動例の場合の信号処理部３０における増幅率Ｇの設定例を示している。図７の駆動例の場合、転送回数Ｎが１のときに信号処理部３０における増幅率Ｇを２、転送回数Ｎが２のときに信号処理部３０における増幅率Ｇを１にすることで、信号処理部３０を最大出力振幅ＶＳ［Ｖ］の近傍で使用することができる。

本実施形態による固体撮像装置の駆動方法では、図７の駆動例を基本として、それぞれの期間Ｔ４を、必要に応じて更に複数の蓄積期間に分割する。例えば図９に示すように、最初の期間Ｔ４を、期間Ｔ７と、期間Ｔ５と、期間Ｔ８とに分割し、次の期間Ｔ４を、期間Ｔ９と、期間Ｔ５と、期間Ｔ１０とに分割する。期間Ｔ７，Ｔ８，Ｔ９，Ｔ１０は、元の期間Ｔ４と同様、光電変換部ＰＤにおける信号電荷の蓄積期間である。期間Ｔ５は、光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への信号電荷の転送期間である。つまり、期間Ｔ２内における光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への信号電荷の転送回数は、４回となる。

期間Ｔ７，Ｔ８は、Ｔ４＝Ｔ７＋Ｔ５＋Ｔ８の関係を満たす範囲で任意に設定することができる。同様に、期間Ｔ９，Ｔ１０は、Ｔ４＝Ｔ９＋Ｔ５＋Ｔ１０の関係を満たす範囲で任意に設定することができる。すなわち、期間Ｔ７，Ｔ８，Ｔ９，Ｔ１０は、駆動信号ＰＴＸ１のタイミングを制御することにより、互いに異なる長さに自由に設定することが可能である。これにより、これら蓄積期間（期間Ｔ４，Ｔ７，Ｔ８，Ｔ９，Ｔ１０）を不均一にすることができ、被写体の周期的な光量変化の影響を、より受けにくくすることができる。したがって、第１実施形態で説明した蓄積期間の分散化を更に効果的に実施することができる。

本実施形態において図７の駆動例を基本としているのは、光電変換部ＰＤにおける信号電荷の蓄積期間（期間Ｔ７，Ｔ８，Ｔ９，Ｔ１０）が期間Ｔ４を越えないようにするためである。このようにすることで、期間Ｔ２の分割態様によらず、画素１２を最大飽和電荷量で使用することが可能となる。なお、図７の駆動例を基本にする代わりに、期間Ｔ２の全体を、期間Ｔ４の長さを越えない複数の蓄積期間で分割するようにしてもよい。

図１０は、図９の駆動例における信号処理部３０における増幅率Ｇの設定例を示している。本実施形態においても第１実施形態の場合と同様、光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への信号電荷の転送回数（蓄積期間）に応じて信号処理部３０における増幅率Ｇを適宜設定することで、信号処理部３０を最大出力振幅ＶＳ［Ｖ］の近傍で使用することができる。

なお、図１０において、転送回数が１回の場合とは、期間Ｔ２中、期間Ｔ７の後の期間Ｔ５のみにおいて光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への信号電荷の転送を行う場合である。転送回数が２回の場合とは、期間Ｔ２中、期間Ｔ７及び期間Ｔ８の後の期間Ｔ５において光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への信号電荷の転送を行う場合である。転送回数が３回の場合とは、期間Ｔ２中、期間Ｔ７、期間Ｔ８及び期間Ｔ９の後の期間Ｔ５において光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への信号電荷の転送を行う場合である。転送回数が４回の場合とは、期間Ｔ２中、期間Ｔ７、期間Ｔ８、期間Ｔ９及び期間Ｔ１０の後の期間Ｔ５において光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への信号電荷の転送を行う場合である。

図９の駆動例では期間Ｔ２内の２つの期間Ｔ４をそれぞれ２つの蓄積期間に分割しているが、期間Ｔ４を分割する態様はこれに限定されるものではない。例えば、期間Ｔ４は、３つ以上の蓄積期間に分割してもよい。また、必ずしも総ての期間Ｔ４を複数の蓄積期間に分割する必要はなく、一部の期間Ｔ４のみを分割するようにしてもよい。また、期間Ｔ２は、３つ以上の期間Ｔ４を含んでもよい。

光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への信号電荷の転送を行う間隔や回数は、フレーム毎（露光期間毎）或いは行毎に変化する構成としてもよい。この場合、１フレームの間隔や１行の間隔と同じ周期で光量が変化する被写体に対しても、蓄積期間の分散化の効果が得られる。

このように、本実施形態によれば、画素の飽和電荷量や電荷の転送回数によって変化するノードＶＦＤの信号レベルに連動して増幅部の増幅率を調整するので、撮像状況に合致した最適なモードで良質の画像を撮影することができる。また、電荷の転送間隔をランダムに設定することで、蓄積期間の分散化の効果を高めより良質の画像を取得することができる。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による固体撮像装置及びその駆動方法について、図１１を用いて説明する。第１及び第２実施形態による固体撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。

図１１は、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。
本実施形態では、図１乃至図３に示す第１実施形態による固体撮像装置の他の駆動方法を説明する。本実施形態では、蓄積時間の分散化を行う際の蓄積時間の制御を、転送トランジスタＭ４を用いて行う方法を示す。

ここでは第１実施形態への適用例として、光電変換部ＰＤの飽和電荷量ＱＰと保持部Ｃ１の飽和電荷量ＱＭとの比が１：５である場合を想定する。保持部Ｃ１の飽和電荷量ＱＭは、第１実施形態の図４及び図５で説明した場合と同じ値であるものとする。

図１１は、光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への信号電荷の転送回数が５回である場合の１フレーム期間内の動作を示すタイミング図である。図４に示す第１実施形態の駆動方法と異なる点は、連続する２つの転送動作（期間Ｔ５）の間（転送トランジスタＭ１がオフである期間Ｔ４）に、転送トランジスタＭ４をオンにする期間Ｔ１３を含むことである。

転送トランジスタＭ４がオンの期間中、光電変換部ＰＤはリセット状態となり、光電変換部ＰＤで生成された電荷は電源電圧線ＶＤＤに排出される。したがって、期間Ｔ１３を含む期間Ｔ４内における正味の蓄積期間は、転送トランジスタＭ４がオフになるタイミングから、次に転送トランジスタＭ１がオンになるタイミング（期間Ｔ４の終了）までの期間である。例えば図１１の例では、２番目の期間Ｔ４内における正味の蓄積期間は期間Ｔ１１となり、４番目の期間Ｔ４内における正味の蓄積期間は期間Ｔ１２となる。したがって、期間Ｔ２の全体における正味の蓄積時間Ｔ２′は、以下の式（２）のように表すことができる。
Ｔ２′＝Ｔ４×３＋Ｔ１１＋Ｔ１２＋Ｔ５×５ …（２）

すなわち、本実施形態では、転送トランジスタＭ１のオンにする回数Ｎに加えて、期間Ｔ４内に転送トランジスタＭ４をオンにする期間を設定することによって蓄積期間を制御し、ノードＶＦＤの電圧振幅を決定する。第１実施形態と同じ電圧振幅を使用する場合は、式（２）において、蓄積時間Ｔ２′が期間Ｔ２と等しくなるように、期間Ｔ４、期間Ｔ１１、期間Ｔ１２を適宜調整すればよい。

なお、転送トランジスタＭ４をオンにする回数や間隔、光電変換部ＰＤのリセット期間Ｔ１３の長さは、図１１の例に限定されるものではなく、適宜変更が可能である。

このように、本実施形態によれば、画素の飽和電荷量や電荷の転送回数によって変化するノードＶＦＤの信号レベルに連動して増幅部の増幅率を調整するので、撮像状況に合致した最適なモードで良質の画像を撮影することができる。また、電荷の転送間隔をランダムに設定することで、蓄積期間の分散化の効果を高めより良質の画像を取得することができる。

［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による固体撮像装置及びその駆動方法について、図１２及び図１３を用いて説明する。第１乃至第３実施形態による固体撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。

図１２は、本実施形態による固体撮像装置の画素の構成例を示す回路図である。図１３は、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法を示す図である。

本実施形態による固体撮像装置は、画素１２の回路構成が異なるほかは、第１実施形態による固体撮像装置と同様である。本実施形態による固体撮像装置の画素１２は、図１２に示すように、ノードＶＦＤに保持部接続トランジスタＭ７を介して保持部Ｃ３が接続されている点で、第１実施形態による固体撮像装置とは異なっている。

ノードＶＦＤに保持部接続トランジスタＭ７を介して保持部Ｃ３を接続することで、ノードＶＦＤに接続される容量の容量値を切り替えることができる。すなわち、保持部接続トランジスタＭ７がオフ状態のとき、ノードＶＦＤに接続される容量値は、保持部Ｃ２の容量となる。保持部接続トランジスタＭ７がオン状態のとき、ノードＶＦＤに接続される容量値は、保持部Ｃ２の容量と保持部Ｃ３の容量との合成容量となる。保持部接続トランジスタＭ７は、増幅手段の入力ノードの容量値を切り替えるためのスイッチである。

ノードＶＦＤに接続される容量の容量値を切り替えることにより、ノードＶＦＤに転送される電荷の量に応じたノードＶＦＤの電位の変化率、すなわち増幅トランジスタＭ５のゲートを入力ノードとする増幅部の増幅率を切り替えることができる。この意味で、ノードＶＦＤに接続された保持部接続トランジスタＭ７及び保持部Ｃ３は、増幅手段であるといえる。保持部接続トランジスタＭ７は、そのゲートに接続された信号線ＳＥＬ２に画素駆動部２０から供給される駆動信号によって制御することができる。

本実施形態では、ノードＶＦＤに接続可能に構成された付加的な保持部は保持部Ｃ３のみであるが、更に他の保持部を接続できる構成としてもよい。また、設定によって保持部の接続を複数切替える構成としてもよい。また、保持部接続トランジスタＭ７は、フレーム毎に設定してもよいし、各フレーム内でパルス動作によって接続或いは切替え動作を行ってもよい。例えば、読み出し期間Ｔ３内に全行同時に接続或いは切替え動作を行う構成や、選択された行だけ接続或いは切替え動作を行う構成とすることができる。

次に、本実施形態による固体撮像装置の動作について、図１３を用いて説明する。ここでは説明の簡略化のため、光電変換部ＰＤの飽和電荷量ＱＰと保持部Ｃ１の飽和電荷量ＱＭとの比が１：２である場合を想定する。

転送トランジスタＭ１を１回オンにしたときに光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１に転送される最大の電荷量がＱＭ１であり、転送トランジスタＭ１を２回オンにしたときに光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１に転送される最大の電荷量がＱＭ２であるものとする。転送トランジスタＭ２をオンにして保持部Ｃ１に保持されている電荷をノードＶＦＤに読み出すと、ノードＶＦＤは、保持部Ｃ１が保持していた電荷の量とノードＶＦＤの容量との比に応じた電圧となる。例えば、保持部接続トランジスタＭ７がオフであり、保持部Ｃ１が電荷量ＱＭ２を保持していた場合、保持部Ｃ２の容量値をＣＦＤ１とすると、ノードＶＦＤの電圧振幅は簡易的にＱＭ２／ＣＦＤ１［Ｖ］と表すことができる。

このとき、例えば図１３に示すように、ノードＶＦＤの電圧振幅が増幅トランジスタＭ５の入力レンジＶＳＦ［Ｖ］を超えてしまうことがある。このような場合、保持部接続トランジスタＭ７をオンにしてノードＶＦＤに保持部Ｃ３（容量値ＣＦＤ２）を付加し、ノードＶＦＤの電圧振幅をＱＭ２／（ＣＦＤ１＋ＣＦＤ２）［Ｖ］に制限する。このようにすることで、ノードＶＦＤの電圧振幅を増幅トランジスタＭ５の入力レンジＶＳＦ［Ｖ］以下に抑えることができる。

なお、上記の例では、保持部Ｃ２の容量値ＣＦＤ１と保持部Ｃ３の容量値ＣＦＤ２とが同じ容量値である場合を示したが、容量値ＣＦＤ１と容量値ＣＦＤ２とは必ずしも同じである必要はない。また、上記の例では、説明の簡略化のため、電荷量ＱＭ２が電荷量ＱＭ１の２倍である場合を示したが、光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１へ転送される電荷の量は、例えば第２実施形態に示したように、転送回数のみならず、蓄積期間の長さによっても変化する。ノードＶＦＤに接続する容量の容量値は、蓄積期間の設定をも考慮して適宜選択することができる。

本実施形態では、転送トランジスタＭ１のオン回数により変化する電荷量に応じてノードＶＦＤの容量値を制御することによって、増幅トランジスタＭ５以降の入出力振幅範囲に併せて出力信号の電圧振幅を調整することができる。飽和電荷量（電荷量ＱＭ２）が必要ない場合は、転送トランジスタＭ１のオン回数を１回とし、保持部Ｃ２のみを使用すればよい。さらに電圧振幅を抑えたい場合には、保持部Ｃ３を接続すればよい。

このように、本実施形態によれば、画素の飽和電荷量や電荷の転送回数によって変化するノードＶＦＤの信号レベルに連動して増幅部の増幅率を調整するので、撮像状況に合致した最適なモードで良質の画像を撮影することができる。

［第５実施形態］
本発明の第５実施形態による撮像システムについて、図１４を用いて説明する。図１乃至図１３に示す第１乃至第４実施形態による固体撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。

図１４は、本実施形態による撮像システムの構成を示すブロック図である。
上記第１乃至第４実施形態で述べた固体撮像装置は、種々の撮像システムに適用可能である。適用可能な撮像システムとしては、例えば、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダー、監視カメラなどが挙げられる。図１４に、上述の実施形態に記載の固体撮像装置を適用したデジタルスチルカメラの例を示す。

図１４に例示した撮像システム２００は、固体撮像装置１００、被写体の光学像を固体撮像装置１００に結像させるレンズ２０２、レンズ２０２を通過する光量を可変にするための絞り２０４、レンズ２０２の保護のためのバリア２０６を有する。レンズ２０２及び絞り２０４は、固体撮像装置１００に光を集光する光学系である。固体撮像装置１００は、第１乃至第４実施形態で説明した固体撮像装置１００である。

撮像システム２００は、また、固体撮像装置１００より出力される出力信号の処理を行う信号処理部２０８を有する。信号処理部２０８は、必要に応じて各種の補正、圧縮を行って信号を出力する動作を行う。信号処理部２０８は、固体撮像装置１００より出力される出力信号に対してＡＤ変換処理を実施する機能を備えていてもよい。この場合、固体撮像装置１００の列信号処理部３２は、必ずしもＡＤ変換回路を有する必要はない。

撮像システム２００は、更に、画像データを一時的に記憶するためのバッファメモリ部２１０、外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース部（外部Ｉ／Ｆ部）２１２を有する。更に撮像システム２００は、撮像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の記録媒体２１４、記録媒体２１４に記録又は読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部（記録媒体制御Ｉ／Ｆ部）２１６を有する。なお、記録媒体２１４は、撮像システム２００に内蔵されていてもよく、着脱可能であってもよい。

更に撮像システム２００は、各種演算とデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部２１８、固体撮像装置１００と信号処理部２０８に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部２２０を有する。ここで、タイミング信号などは外部から入力されてもよく、撮像システム２００は、少なくとも固体撮像装置１００と、固体撮像装置１００から出力された出力信号を処理する信号処理部２０８とを有すればよい。全体制御・演算部２１８及びタイミング発生部２２０は、固体撮像装置１００の駆動信号生成部７０等の機能の一部又は全部（例えば、転送制御部やクリップレベル制御部の機能）を実施するように構成してもよい。

固体撮像装置１００は、画像用信号を信号処理部２０８に出力する。信号処理部２０８は、固体撮像装置１００から出力される画像用信号に対して所定の信号処理を実施し、画像データを出力する。また、信号処理部２０８は、画像用信号を用いて、画像を生成する。

第１乃至第４実施形態による固体撮像装置１００を用いて撮像システムを構成することにより、より良質の画像が取得可能な撮像システムを実現することができる。

［第６実施形態］
本発明の第６実施形態による撮像システム及び移動体について、図１５を用いて説明する。図１５は、本実施形態による撮像システム及び移動体の構成を示す図である。

図１５（ａ）は、車戴カメラに関する撮像システムの一例を示したものである。撮像システム３００は、撮像装置３１０を有する。撮像装置３１０は、上記第１乃至第４実施形態のいずれかに記載の固体撮像装置である。撮像システム３００は、撮像装置３１０により取得された複数の画像データに対し、画像処理を行う画像処理部３１２と、撮像システム３００により取得された複数の画像データから視差（視差画像の位相差）の算出を行う視差算出部３１４を有する。また、撮像システム３００は、算出された視差に基づいて対象物までの距離を算出する距離計測部３１６と、算出された距離に基づいて衝突可能性があるか否かを判定する衝突判定部３１８と、を有する。ここで、視差算出部３１４や距離計測部３１６は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、視差、デフォーカス量、対象物までの距離等に関する情報である。衝突判定部３１８はこれらの距離情報のいずれかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。距離情報取得手段は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよい。また、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated circuit）等によって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。

撮像システム３００は車両情報取得装置３２０と接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの車両情報を取得することができる。また、撮像システム３００は、衝突判定部３１８での判定結果に基づいて、車両に対して制動力を発生させる制御信号を出力する制御装置である制御ＥＣＵ３３０が接続されている。また、撮像システム３００は、衝突判定部３１８での判定結果に基づいて、ドライバーへ警報を発する警報装置３４０とも接続されている。例えば、衝突判定部３１８の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ＥＣＵ３３０はブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置３４０は音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムなどの画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。

本実施形態では、車両の周囲、例えば前方又は後方を撮像システム３００で撮像する。図１５（ｂ）に、車両前方（撮像範囲３５０）を撮像する場合の撮像システムを示した。車両情報取得装置３２０が、上述の第１乃至第４の実施形態に記載した動作を行うように撮像システム３００ないしは撮像装置３１０に指示を送る。撮像装置３１０の動作は、第１乃至第４の実施形態と同じなので、ここでは説明を省略する。このような構成により、測距の精度をより向上させることができる。

上記では、他の車両と衝突しないように制御する例を説明したが、他の車両に追従して自動運転する制御や、車線からはみ出さないように自動運転する制御などにも適用可能である。さらに、撮像システムは、自車両等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機あるいは産業用ロボットなどの移動体（移動装置）に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。

［変形実施形態］
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。

また、上記実施形態では、固体撮像装置をグローバル電子シャッタ駆動する場合について述べたが、本発明は固体撮像装置をローリング電子シャッタ駆動する場合においても同様に適用可能である。

また、上記実施形態では、画素１２のトランジスタをＮ型トランジスタにより構成する場合を想定して説明を行ったが、画素１２のトランジスタをＰ型トランジスタにより構成するようにしてもよい。この場合、上記説明における各駆動信号の信号レベルは逆になる。

また、画素１２の回路構成は、図２や図１２に示したものに限定されるものではなく、適宜変更が可能である。例えば、第１，第２，第４実施形態の固体撮像装置において、転送トランジスタＭ４は必ずしも設ける必要はなく、リセットトランジスタＭ３、転送トランジスタＭ２，Ｍ１を介して光電変換部ＰＤのリセットを行うようにしてもよい。

また、第５及び第６実施形態に示した撮像システムは、本発明の固体撮像装置を適用しうる撮像システム例を示したものであり、本発明の固体撮像装置を適用可能な撮像システムは図１４及び図１５に示した構成に限定されるものではない。

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。

１０…画素アレイ
１２…画素
１４…画素駆動信号線
１６…画素出力線
２０…画素駆動部
３０…信号処理部
３２…列信号処理部
５０…水平走査部
５２…共通出力線
６０…信号出力部
７０…駆動信号生成部

Claims (19)

1. 光電変換により電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部で生成された電荷を保持する保持部と、前記光電変換部から前記保持部へ電荷を転送する転送手段と、を有し、前記保持部が保持する電荷に基づく信号を出力する複数の画素と、
   前記複数の画素に接続され、前記複数の画素から前記信号が出力される出力線と、
   １回の露光期間の間に前記光電変換部で生成された電荷を、１以上の範囲で可変の回数の転送動作により前記保持部へ転送するように前記転送手段を制御する転送制御部と、
   前記信号を増幅する増幅手段と、
   前記増幅手段の増幅率を、前記転送動作の回数が第１の回数のときに第１のゲインに制御し、前記転送動作の回数が前記第１の回数よりも少ない第２の回数のときに前記第１のゲインよりも大きい第２のゲインに制御する制御部と
   を有することを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記制御部は、前記回数に応じた前記画素の飽和電荷量に対応する信号レベルが、前記増幅手段の入力レンジ又は出力レンジに含まれるように、前記増幅率を制御する
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記回数は、前記光電変換部の飽和電荷量に対する前記保持部の飽和電荷量の比率に対応している
   ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
4. 前記制御部は、前記回数が少ないほど、前記増幅率を大きくする
   ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
5. 前記制御部は、前記回数が前記光電変換部の飽和電荷量に対する前記保持部の飽和電荷量の比率に対応する回数又はそれ以上であり、前記信号が前記画素の最大飽和電荷量に対応する信号レベルよりも小さい場合に、前記回数が多いほど、前記増幅率を大きくする
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
6. 前記露光期間における前記転送動作の間の電荷の蓄積期間が不均一である
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
7. 前記制御部は、前記転送動作のタイミングにより、前記蓄積期間が不均一になるように制御する
   ことを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
8. 前記画素は、前記光電変換部の電荷をリセットするリセット手段を更に有し、
   前記制御部は、連続する２つの前記転送動作の間に、前記リセット手段により前記光電変換部をリセットすることにより、蓄積期間が不均一になるように制御する
   ことを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
9. 前記複数の画素は、複数の行に渡って配されており、
   行毎に、前記蓄積期間のタイミングが異なっている
   ことを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
10. 前記露光期間毎に、前記蓄積期間のタイミングが異なっている
    ことを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
11. 前記制御部は、前の露光期間における前記信号の信号レベルに基づいて前記回数及び前記増幅率を設定する
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
12. 前記増幅手段は、前記出力線に出力された前記信号を増幅する
    ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
13. 前記複数の画素のそれぞれが、前記増幅手段と、前記保持部の電荷を前記増幅手段の入力ノードに転送する第２の転送手段と、を含む
    ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
14. 前記制御部は、前記増幅手段の前記入力ノードの容量値を切り替えることにより、前記増幅手段の前記増幅率を制御する
    ことを特徴とする請求項１３記載の固体撮像装置。
15. 前記複数の画素のそれぞれが、前記増幅手段の前記入力ノードの前記容量値を切り替えるためのスイッチを含み、
    前記回数が第１の値の場合に前記制御部は前記スイッチをオンにし、前記回数が前記第１の値より少ない第２の値の場合に前記制御部は前記スイッチをオフにする
    ことを特徴とする請求項１４に記載の固体撮像装置。
16. 光電変換により電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部で生成された電荷を保持する保持部と、前記光電変換部から前記保持部へ電荷を転送する転送手段と、を有し、前記保持部が保持する電荷に基づく信号を出力する複数の画素と、前記複数の画素に接続され、前記複数の画素から前記信号が出力される出力線と、前記信号を増幅する増幅手段と、を有する固体撮像装置の駆動方法であって、
    １回の露光期間の間に前記光電変換部で生成された電荷を、１以上の範囲で可変の回数の転送動作により前記保持部に転送し、
    前記増幅手段の増幅率を、前記転送動作の回数が第１の回数のときに第１のゲインに制御し、前記転送動作の回数が前記第１の回数よりも少ない第２の回数のときに前記第１のゲインよりも大きい第２のゲインに制御する
    ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
17. 複数の前記画素において前記露光期間が同じである
    ことを特徴とする請求項１６記載の固体撮像装置の駆動方法。
18. 請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置の前記画素から出力される前記信号を処理する信号処理部と
    を有することを特徴とする撮像システム。
19. 移動体であって、
    請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置からの信号に基づく視差画像から、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段と、
    前記距離情報に基づいて前記移動体を制御する制御手段と
    を有することを特徴とする移動体。

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