JPWO2010116629A1 - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

トレース制御部６１は、定電流源Ｉｄから出力される電流値を変化させることによって、ダミー画素Ｇ２の光電変換特性をトレースする。定電流源Ｉｄは、ダミー画素部１２の各行に対して共通に設けられ、トレース制御部６１から出力される設定信号に応じた電流値を出力する。ここで、トレース制御部６１は、垂直走査回路２に対し、読出回路３がダミー画素Ｇ２から画素信号を読み出す所定の読出期間においてスイッチＩＳＷをオフにするように指示する。

Description

本発明は、線形特性と対数特性とを有する画素から構成される固体撮像装置に関するものである。

近年、ダイナミックレンジの拡大を図るために、線形特性と対数特性との２つの光電変換特性を有する画素から構成される固体撮像装置が知られている。図１０は、線形特性と対数特性とを有する画素の光電変換特性を示したグラフである。縦軸は画素から読み出された画素信号の出力値を示し、横軸は画素の入射光の光量を示している。なお、図１０のグラフでは横軸は対数スケールである。

図１０に示す光電変換特性は、入射光の光量が増大するにつれて画素信号の出力値が増大しており、入射光の光量が変曲点ＰＸを超えるまでは線形特性であるが、入射光の光量が変曲点ＰＸを超えると対数特性となる。なお、図１０では、横軸が対数スケールで表されているため、線形特性は下に凸のカーブを描いて変化し、対数特性は緩やかな直線を描いて変化している。

固体撮像装置は、画素信号に対して種々の画像処理を実行する画像処理部を備えている。この画像処理部は、線形特性の領域で読み出された画素信号に対しては線形特性用の画像処理パラメータを用いて画像処理を行い、対数特性の領域で読み出された画素信号に対しては対数特性用の画像処理パラメータを用いて画像処理を行うというように、画素信号が属する領域に応じて画像処理の方式を切り替えて画像処理を行うことがある。このような画像処理として例えばホワイトバランス補正が挙げられる。

ここで、画像処理部は、画素信号の出力値が想定する変曲点ＰＸの値よりも大きい場合、この画素信号を対数特性の領域で読み出された画素信号と判定し、画素信号の出力値が想定する変曲点ＰＸの値よりも小さい場合、この画素信号を線形特性の領域で読み出された画素信号と判定する。

そして、この変曲点ＰＸは、温度に応じて変化することが知られている。したがって、撮影中の温度変化によって変曲点ＰＸがリアルタイムに変化する。

そのため、画像処理部が認識している変曲点ＰＸの値と実際の変曲点ＰＸの値とが異なる場合、線形特性の領域の画素信号に対して対数特性用の画像処理が用いられ、対数特性の領域の画素信号に対して線形特性用の画像処理が用いられる事態が発生し、画像処理を精度良く行うことができなくなるという問題が発生する。

そこで、特許文献１には、画素部の各行又は各列にダミー画素を配置して、ダミー画素に供給する電流値を変化させてダミー画素の光電変換特性をトレースすることで、光電変換特性の温度特性を補償する技術が開示されている。

ここで、ダミー画素は、開口部に遮光膜が形成され、光を受光することができなくなっており、光を受光することで電荷を蓄積するのではなく、定電流源から注入される定電流によって電荷を蓄積するように構成されている。

図１１は、特許文献１のダミー画素の回路図を示している。図１１に示すようにダミー画素は、フォトダイオードＰＤ、転送トランジスタＴＸ、リセットトランジスタＲＳＴ、増幅トランジスタＳＦ、行選択トランジスタＳＥＬ、及びフローティングディフュージョンＦＤを備えている。

フォトダイオードＰＤは、開口部に遮光膜が形成されて遮光されており、カソードには定電流源Ｉｄが接続されている。転送トランジスタＴＸ、リセットトランジスタＲＳＴ、増幅トランジスタＳＦ、及び行選択トランジスタＳＥＬは、それぞれ、例えばｎチャネル型のＭＯＳ（metal oxide semiconductor）トランジスタにより構成され、ゲート端子にハイレベル（以下、「Ｈｉ」と記す。）の信号が入力されるとオンし、ゲート端子にローレベル（以下、「Ｌｏ」と記す。）の信号が入力されるとオフする。

具体的には、転送トランジスタＴＸは、信号φＴＸ（以下「φＴＸ」と記す。）によってオン・オフされ、リセットトランジスタＲＳＴは、リセット信号（以下、「φＲＳＴ」と記す。）によってオン・オフされ、行選択トランジスタＳＥＬは、行選択信号（以下、「φＶＳＥＮ」と記す。）によってオン・オフされる。なお、ＡＶＤＤは正側の駆動電圧を示し、ＡＶＳＳは負側の駆動電圧を示している。

リセットトランジスタＲＳＴは、フローティングディフュージョンＦＤをリセットする。転送トランジスタＴＸは、フォトダイオードＰＤにより蓄積された電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。フローティングディフュージョンＦＤは、転送された電荷を電圧信号に変換して、増幅トランジスタＳＦに出力する。増幅トランジスタＳＦは、フローティングディフュージョンＦＤから出力された電圧信号を増幅する。行選択トランジスタＳＥＬは、増幅トランジスタＳＦにより増幅された電圧信号を画素信号Ｖｉｄｅｏとして読出回路（図略）に出力する。

図１２は、図１１に示すダミー画素の動作を示すタイミングチャートを示している。図１３及び図１４は、図１１に示すダミー画素のエネルギーポテンシャル図を示している。なお、図１３及び図１４に示すエネルギーポテンシャル図は、下側に向かうにつれて電圧が高いことを示している。

期間ｔ０において、φＲＳＴ＝Ｈｉ、φＶＳＥＮ＝Ｌｏ、φＴＸ＝Ｍｉｄとされ、リセットトランジスタＲＳＴは、フローティングディフュージョンＦＤをリセットする。これにより、フローティングディフュージョンＦＤの電圧がリセットレベルＲＬ（図１３参照）となる。ここで、Ｍｉｄは、ハイレベルとローレベルとの中間のレベルを示し、このＭｉｄのレベルによって変曲点ＰＸのレベルが決まる。

図１２に戻り、期間ｔ１において、φＲＳＴ＝Ｌｏ、φＶＳＥＮ＝Ｈｉ、φＴＸ＝Ｌｏとされ、行選択トランジスタＳＥＬは、フローティングディフュージョンＦＤのリセットレベルを画素信号Ｖｉｄｅｏのノイズ成分として読出回路に出力する。この場合、図１３において、リセットトランジスタＲＳＴのゲートが閉じられた後、行選択トランジスタＳＥＬは、増幅トランジスタＳＦにより増幅されたリセットレベルＲＬを画素信号Ｖｉｄｅｏのノイズ成分として読出回路に出力する。

図１２に戻り、期間ｔ２において、φＲＳＴ＝Ｌｏ、φＶＳＥＮ＝Ｌｏ、φＴＸ＝Ｈｉとされ、転送トランジスタＴＸは、フォトダイオードＰＤにより蓄積された電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。この場合、図１４に示すように、フローティングディフュージョンＦＤの電圧は、フォトダイオードＰＤから転送される電荷によって、期間ｔ１で読み出されたリセットレベルＲＬをオフセットとして減少する。

図１２に戻り、期間ｔ３において、φＲＳＴ＝Ｌｏ、φＶＳＥＮ＝Ｈｉ、φＴＸ＝Ｌｏとされ、行選択トランジスタＳＥＬは、フローティングディフュージョンＦＤの電圧レベルを画素信号Ｖｉｄｅｏのノイズ成分＋シグナル成分として読出回路に出力する。この場合、図１４に示すように、転送トランジスタＴＸのゲートが閉じられた後、行選択トランジスタＳＥＬは、増幅トランジスタＳＦにより増幅されたフローティングディフュージョンＦＤの電圧を画素信号Ｖｉｄｅｏのノイズ成分＋シグナル成分として読出回路に出力する。

図１２に戻り、期間ｔ４において、φＲＳＴ＝Ｈｉ、φＶＳＥＮ＝Ｌｏ、φＴＸ＝Ｍｉｄとされ、リセットトランジスタＲＳＴによりフローティングディフュージョンＦＤがリセットされ、フォトダイオードＰＤにより次フレームの電荷の蓄積が開始される。

なお、図１２に示す期間ｔ０，ｔ４がリセット期間であり、期間（ｔ１＋ｔ２＋ｔ３）が読出期間である。

しかしながら、特許文献１の手法では、φＴＸ＝Ｈｉとなって転送トランジスタＴＸによりフローティングディフュージョンＦＤへの電荷の転送が開始されると、フォトダイオードＰＤが蓄積する電荷が減少し、定電流制御を行う定電流源Ｉｄは、この減少した電荷を補おうとして、より多くの電荷をフォトダイオードＰＤに注入してしまう。これにより、フォトダイオードＰＤには撮影時に比べて多くの電荷が注入され、ダミー画素の光電変換特性を精度良くトレースすることができず、変曲点ＰＸを正確に測定することができないという問題が発生する。

特開２００７−２８８４７９号公報

本発明の目的は、光電変換特性を精度良くトレースし、変曲点を正確に測定することができる固体撮像装置を提供することである。

本発明の実施の形態１による固体撮像装置の全体構成図を示している。 図１に示す通常画素の回路図を示している。 図２に示す通常画素のエネルギーポテンシャル図を示している。 図１に示すダミー画素の回路図を示している。 図４に示すダミー画素のタイミングチャートを示している。 図５に示すダミー画素のエネルギーポテンシャル図を示している。 図１に示す固体撮像装置がある１つのダミー画素Ｇ２の光電変換特性をトレースする際のフローチャートを示している。 トレース部によりトレースされたダミー画素の光電変換特性を示したグラフである。 本発明の実施の形態２による固体撮像装置の全体構成図を示している。 線形特性と対数特性とを有する画素の光電変換特性を示したグラフである。 特許文献１のダミー画素の回路図を示している。 図１１に示すダミー画素の動作を示すタイミングチャートを示している。 図１１に示すダミー画素のエネルギーポテンシャル図を示している。 図１１に示すダミー画素のエネルギーポテンシャル図を示している。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による固体撮像装置の全体構成図を示している。この固体撮像装置は、例えばカラムＡＤＣ方式のＣＭＯＳイメージセンサにより構成され、画素部１、垂直走査回路２、読出回路３、水平走査回路４、センスアンプ５、画像処理部６、タイミングジェネレータ（ＴＧ）７、及び定電流源Ｉｄを備えている。なお、画像処理部６は、トレース制御部６１を備え、トレース制御部６１と垂直走査回路２とによりトレース部が構成される。

画素部１は、例えば埋込型のフォトダイオードを備え、線形特性及び対数特性を含む光電変換特性を有する画素がマトリックス状に配置されている。具体的には、画素部１は、被写体を露光するための通常画素Ｇ１から構成される通常画素部１１と、遮光された光電変換素子を有するダミー画素Ｇ２から構成されるダミー画素部１２とを備えている。

本実施の形態では、ダミー画素Ｇ２は、画素部１の１行目の各列と２行目の各列とに配置されるというように、所定行においてライン状に配置されている。但し、これは一例であり、ダミー画素Ｇ２を画素部１の１行目のみに配置してもよいし、１行目以外の任意の１又は複数行に配置してもよい。また、ダミー画素Ｇ２を各列に配置しなくても、２列おき、３列おきというように間引くようにして配置してもよい。また、画素部１の任意の１列又は複数列にダミー画素Ｇ２をライン状に配置し、ダミー画素部１２を垂直方向に短冊状に設けてもよい。

垂直走査回路２は、例えば、シフトレジスタにより構成され、画素部１の各行と行信号線Ｌ１を介して接続され、タイミングジェネレータ７から出力されるクロック信号ＣＬＫに従って、画素部１の各行を選択するための行選択信号を副走査方向の上側から下側に向けて、又は下側から上側に向けて循環的に出力し、画素部１の各行を走査する。なお、垂直走査回路２として、シフトレジスタに代えてランダムアクセス回路を採用してもよい。

読出回路３は、例えば画素部１の各列の各画素に対して共通に設けられた積分型ＡＤ変換器の読出回路により構成され、各列の画素から垂直信号線Ｌ２を介して画素信号を読み出し、読み出した画素信号をランプ信号と比較することでアナログデジタル変換し、センスアンプ５に出力する。ここで、読出回路３は、ＣＤＳ（相関二重サンプリング：Correlated Double Sampling）回路、コンパレータ、カウンタ、及びラッチ回路等を備えている。

ＣＤＳ回路は、画素部１から出力される画素信号のノイズ成分を除去する。コンパレータは、ＣＤＳ回路から出力された画素信号をランプ信号と比較し、ランプ信号が画素信号のレベルに到達したとき反転する。カウンタは、ランプ信号がコンパレータに入力されてからコンパレータの出力が反転するまでの時間をカウントする。ラッチ回路は、カウンタによるカウント値をラッチする。

なお、読出回路としては、積分型ＡＤ変換器の読出回路を採用したが、これに限定されず逐次比較型ＡＤ変換器の読出回路を採用してもよい。また、アナログデジタル変換機能を有さないアナログ型の読出回路を採用してもよい。

水平走査回路４は、例えばシフトレジスタから構成され、タイミングジェネレータ７から出力されるクロック信号ＣＬＫに従って、画素部１の各列を選択するための列選択信号を各列の読出回路３に循環的に出力し、各読出回路３を例えば、左側から右側に向けて、又は右側から左側に向けて走査する。垂直信号線Ｌ２は、画素部１の各列に対応して複数本存在する。また、各垂直信号線Ｌ２は、対応する列の画素のそれぞれと接続されている。

センスアンプ５は、読出回路から順次に出力される各画素の画素信号を所定の利得で増幅し、画像処理部６に出力する。

画像処理部６は、例えば、専用のハードウエア回路により構成され、読出回路３からセンスアンプ５を介して順次に出力されたデジタルの画素信号に対して、所定の画像処理を施す。ここで、所定の画像処理には、ホワイトバランス補正等の線形特性で読み取られた画素信号に対して線形特性用の画像処理を実行し、対数特性で読み取られた画素信号に対して対数特性用の画像処理を実行する画像処理が含まれる。

トレース制御部６１は、定電流源Ｉｄから出力される電流値を変化させ、読出回路３から出力される画素信号を得ることによって、ダミー画素Ｇ２の光電変換特性をトレースする。

ここで、トレース制御部６１は、読出回路３がダミー画素Ｇ２から画素信号を読み出す所定の読出期間において、スイッチＩＳＷをオフにする。

具体的には、トレース制御部６１は、定電流源Ｉｄの電流値を設定するための設定信号を定電流源Ｉｄに出力し、定電流源Ｉｄから所定レベルの電流値を出力させる。そして、トレース制御部６１は、定電流源Ｉｄに複数の電流値を出力させ、各電流値に対して読出回路３から出力されるデジタルの画素信号の出力値を取得し、各ダミー画素Ｇ２の光電変換特性をトレースする。

また、トレース制御部６１は、スイッチＩＳＷをオン・オフするためのスイッチ信号（以下、「φＩＳＷ」と記す。）の出力を、垂直走査回路２に指示し、垂直走査回路２からスイッチＩＳＷにφＩＳＷを出力させることで、スイッチＩＳＷをオン・オフする。但し、これは一例であり、トレース制御部６１が直接、スイッチＩＳＷにφＩＳＷを出力してもよい。

タイミングジェネレータ７は、クロック信号ＣＬＫを垂直走査回路２及び水平走査回路４に出力することで、両回路を駆動させる。

定電流源Ｉｄは、ダミー画素部１２の各行に対応して設けられ、トレース制御部６１から出力される設定信号に応じた電流値を出力する。すなわち、定電流源Ｉｄはある１行の各列に配置された各ダミー画素Ｇ２のそれぞれと接続されている。ここで、定電流源Ｉｄは、ダミー画素Ｇ２に出力される電流値をモニタし、この電流値が設定信号に応じた電流値を維持するように、フィードバック制御を行う。

次に、図１に示す固体撮像装置の動作について簡単に説明する。垂直走査回路２により１行が選択されると、読出回路３は、選択された行に配列された画素で読み取られた画素信号のノイズ成分とノイズ成分＋シグナル成分とを順次読み出す。読み出された画素信号はノイズ成分が相殺され後、アナログデジタル変換され、ラッチ部にラッチされる。

そして、水平走査回路４により、画素部１の各列が順次選択され、ラッチ部はラッチするデジタルの画素信号をセンスアンプ５を介して画像処理部６に順次出力する。

ここで、ダミー画素Ｇ２の画素信号は、画素部１が１又は複数枚の画像データを露光するたびに読み出されても良いし、固体撮像装置の電源が投入されたときに読み出されても良いし、電源投入後、一定時間が経過する度に読み出されても良い。

図２は、図１に示す通常画素Ｇ１の回路図を示している。通常画素Ｇ１は、光電変換素子としてのフォトダイオードＰＤ、転送トランジスタＴＸ、リセットトランジスタＲＳＴ、増幅トランジスタＳＦ、行選択トランジスタＳＥＬ、及びフローティングディフュージョンＦＤを備えている。

フォトダイオードＰＤは、被写体から反射された光を受光し、受光した光量に応じた電荷を蓄積する。転送トランジスタＴＸは、フォトダイオードＰＤで蓄積された電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。フローティングディフュージョンＦＤは、転送トランジスタＴＸから転送された電荷に応じた電圧信号を生成する。リセットトランジスタＲＳＴは、正側の駆動電圧（以下、「ＡＶＤＤ」と記す。）により、図５に示す読出期間の前のリセット期間において、フローティングディフュージョンＦＤをリセットし、フローティングディフュージョンＦＤの電圧レベルをリセットレベルにする。

増幅トランジスタＳＦは、フローティングディフュージョンＦＤの電圧を増幅する。行選択トランジスタＳＥＬは、増幅トランジスタＳＦにより増幅された電圧を画素信号Ｖｉｄｅｏとして、垂直信号線Ｌ２に出力する。

フォトダイオードＰＤは、負側の駆動電圧ＡＶＳＳ（以下、「ＡＶＳＳ」と記す。）が入力され、カソードに転送トランジスタＴＸのソースが接続されている。ここで、ＡＶＳＳとしては負の電圧レベルを採用してもよいし、グラウンドレベルを採用してもよい。

転送トランジスタＴＸは、ゲートに転送トランジスタＴＸをオン・オフするための信号φＴＸ（以下、「φＴＸ」と記す。）が入力され、ドレインがリセットトランジスタＲＳＴに接続されている。ここで、転送トランジスタＴＸは、例えば、ｎチャネル電界効果型トランジスタにより構成され、φＴＸ＝Ｈｉ（ハイレベル）のときオンし、φＴＸ＝Ｌｏ（ローレベル）のときオフする。

フローティングディフュージョンＦＤは、転送トランジスタＴＸとリセットトランジスタＲＳＴとの接続点に形成され、転送トランジスタＴＸにより転送された電荷に応じた電圧信号を生成する。

リセットトランジスタＲＳＴは、ドレインに正側の駆動電圧ＡＶＤＤ（以下、「ＡＶＤＤ」と記す。）が入力され、ゲートにリセット信号φＲＳＴ（以下、「φＲＳＴ」と記す。）が入力される。ここで、リセットトランジスタＲＳＴは、例えばｎチャネル電界効果型トランジスタにより構成され、φＲＳＴ＝Ｈｉのときオンし、φＲＳＴ＝Ｌｏのときオフする。

なお、ＡＶＤＤ、ＡＶＳＳは、例えば図略の定電圧源から出力される。また、ＡＶＳＳとしてグラウンドレベルを採用した場合は、ＡＶＳＳが伝送される線路の一端を接地すればよい。また、φＲＳＴ、φＴＸ、φＶＳＥＮは例えば、垂直走査回路２から出力される。すなわち、図１に示す通常画素Ｇ１に接続された行信号線Ｌ１は、詳細には、φＲＳＴ、φＴＸ、及びφＶＳＥＮを伝送する線路により構成されている。

増幅トランジスタＳＦは、ゲートがフローティングディフュージョンＦＤに接続され、ドレインにＡＶＤＤが入力され、ソースが行選択トランジスタＳＥＬに接続されている。

行選択トランジスタＳＥＬは、ゲートに行選択信号φＶＳＥＮ（以下、「φＶＳＥＮ」と記す。）が入力され、ドレインが増幅トランジスタＳＦに接続され、ソースが垂直信号線Ｌ２に接続されている。

次に、図２に示す通常画素Ｇ１の動作について説明する。図２に示す通常画素Ｇ１の動作を示すタイミングチャートは、図１２と同一であるため、図１２を用いる。図３は、図２に示す通常画素Ｇ１のエネルギーポテンシャル図を示している。なお、図３に示すエネルギーポテンシャル図は下側に向かうにつれて電圧が高くなっている。

まず、期間ｔ０において、φＲＳＴ＝Ｈｉ、φＶＳＥＮ＝Ｌｏ、φＴＸ＝Ｍｉｄとされ、リセットトランジスタＲＳＴがフローティングディフュージョンＦＤをリセットする。これにより、図３に示すようにフローティングディフュージョンＦＤの電圧がリセットレベルＲＬとなる。ここで、リセットレベルＲＬは画素ごとにばらついている。

このとき、フォトダイオードＰＤは、被写体からの入射光を受光して電荷を蓄積する。また、転送トランジスタＴＸは、φＴＸ＝Ｍｉｄとされている。ここで、Ｍｉｄは、ハイレベルとローレベルとの中間のレベルを示し、このＭｉｄのレベルによって変曲点ＰＸのレベルが決まる。

すなわち、転送トランジスタＴＸのゲートが半分空いた状態となるため、入射光の光量が一定の値よりも小さい場合、図１３に示すように、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷は転送トランジスタＴＸのエネルギー障壁ＥＳを超えることができない。そのため、フォトダイオードＰＤの電荷の蓄積量は、入射光の光量に応じて線形に増大し、図２に示す通常画素Ｇ１の光電変換特性は線形特性となる。

一方、入射光の光量が一定の値よりも大きい場合、フォトダイオードＰＤに蓄積された一部の電荷は転送トランジスタＴＸのエネルギー障壁ＥＳを超えて、フローティングディフュージョンＦＤに漏れ出ることになる。そのため、フォトダイオードＰＤにおける電荷の蓄積量は、入射光の光量に応じて対数的に増大し、図２に示す通常画素Ｇ１の光電変換特性は対数特性となる。

図１２に戻り、期間ｔ１において、φＲＳＴ＝Ｌｏ、φＶＳＥＮ＝Ｈｉ、φＴＸ＝Ｌｏとなり、リセットトランジスタＲＳＴのゲートが閉じられ、行選択トランジスタＳＥＬは、フローティングディフュージョンＦＤのリセットレベルＲＬを画素信号Ｖｉｄｅｏのノイズ成分として読出回路３に出力する。

期間ｔ２において、φＲＳＴ＝Ｌｏ、φＶＳＥＮ＝Ｌｏ、φＴＸ＝Ｈｉとされ、転送トランジスタＴＸは、ゲートを開けてフォトダイオードＰＤにより蓄積された電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。この場合、図３に示すように、フローティングディフュージョンＦＤの電圧は、フォトダイオードＰＤから転送される電荷によって、期間ｔ１で読み出されたリセットレベルＲＬをオフセットとして減少する。

図１２に戻り、期間ｔ３において、φＲＳＴ＝Ｌｏ、φＶＳＥＮ＝Ｈｉ、φＴＸ＝Ｌｏとなって行選択トランジスタＳＥＬは、フローティングディフュージョンＦＤの電圧信号を画素信号Ｖｉｄｅｏのノイズ成分＋シグナル成分として読出回路３に出力する。

この場合、図３において、転送トランジスタＴＸのゲートが閉じられた後、行選択トランジスタＳＥＬは、増幅トランジスタＳＦにより増幅されたフローティングディフュージョンＦＤの電圧を画素信号Ｖｉｄｅｏのノイズ成分＋シグナル成分として読出回路３に出力する。

図１２に戻り、期間ｔ４において、φＲＳＴ＝Ｈｉ、φＶＳＥＮ＝Ｌｏ、φＴＸ＝Ｍｉｄとされ、リセットトランジスタＲＳＴ＝オン、行選択トランジスタＳＥＬ＝オフとされ、リセットトランジスタＲＳＴはフローティングディフュージョンＦＤをリセットし、フォトダイオードＰＤは次フレームの電荷の蓄積を開始する。

図４は、図１に示すダミー画素Ｇ２の回路図を示している。図４に示すダミー画素Ｇ２は、図２に示す通常画素Ｇ１において、フォトダイオードＰＤにスイッチＩＳＷ及び定電流源Ｉｄが接続された構成を有している。また、フォトダイオードＰＤは、開口部に遮光膜が形成され、入射光を受光することができなくされており、定電流源Ｉｄからの定電流によって電荷が注入され、この電荷を蓄積する。

スイッチＩＳＷは、一端がフォトダイオードＰＤのカソードに接続され、他端が定電流源Ｉｄに接続されている。定電流源Ｉｄは一端がスイッチＩＳＷに接続され、他端には駆動電圧ＡＶＳＳが入力されている。なお、φＩＳＷは垂直走査回路２から出力され、定電流源Ｉｄはダミー画素部１２の各行に設けられている。すなわち、図１に示すダミー画素Ｇ２に接続された行信号線Ｌ１は、φＲＳＴ、φＴＸ、及びφＳＥＬをそれぞれ伝送する線路に加え、更にφＩＳＷを伝送する線路により構成されている。

図５は、図４に示すダミー画素Ｇ２のタイミングチャートを示している。図６は、図５に示すダミー画素Ｇ２のエネルギーポテンシャル図を示している。

まず、図５の期間ｔ０において、φＲＳＴ＝Ｈｉ、φＶＳＥＮ＝Ｌｏ、φＴＸ＝Ｍｉｄ、φＩＳＷ＝Ｈｉとされ、リセットトランジスタＲＳＴがフローティングディフュージョンＦＤをリセットする。これにより、図６に示すように、フローティングディフュージョンＦＤの電圧がリセットレベルＲＬとなる。このとき、スイッチＩＳＷ＝オンとなり、フォトダイオードＰＤは、定電流源Ｉｄにより電荷が注入される。

図５に戻り、期間ｔ１において、φＲＳＴ＝Ｌｏ、φＶＳＥＮ＝Ｈｉ、φＴＸ＝Ｌｏ、φＩＳＷ＝Ｌｏにされ、行選択トランジスタＳＥＬは、フローティングディフュージョンＦＤのリセットレベルＲＬを画素信号Ｖｉｄｅｏのノイズ成分として読出回路３に出力する。

次に、期間ｔ２において、φＲＳＴ＝Ｌｏ、φＶＳＥＮ＝Ｌｏ、φＴＸ＝Ｈｉ、φＩＳＷ＝Ｌｏとなり、転送トランジスタＴＸは、ゲートを開けてフォトダイオード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ＦＤに転送する。

この場合、スイッチＩＳＷ＝オフにされるため、フォトダイオードＰＤは、空になっても定電流源Ｉｄからの電荷の注入が遮断される。そのため、図６に示すように、フローティングディフュージョンＦＤの電圧は、撮像時におけるレベルＰＬと同等にすることができる。その結果、本実施の形態におけるダミー画素Ｇ２では光電変換特性を精度良くトレースすることが可能となり、変曲点ＰＸを精度良く測定することができる。

一方、従来のダミー画素は、定電流源ＩｄとフォトダイオードＰＤとがスイッチＩＳＷを介さずに接続されていた。そのため、図６に示すように、転送トランジスタＴＸのゲートが開いてフォトダイオードＰＤの電荷がフローティングディフュージョンＦＤに転送され、フォトダイオードＰＤが空になると、定電流源Ｉｄは、これを補おうとして、フォトダイオードＰＤに過大な電荷を注入する。

これによって、フローティングディフュージョンＦＤには撮像時に比べて多くの電荷が転送され、フローティングディフュージョンＦＤの電圧は、撮像時におけるレベルＰＬよりもΔＰＬだけ低くなってしまう。その結果、従来のダミー画素では、光電変換特性を精度良くトレースすることができない。

図５に戻り、期間ｔ３において、φＲＳＴ＝Ｌｏ、φＶＳＥＮ＝Ｈｉ、φＴＸ＝Ｌｏ、φＩＳＷ＝Ｌｏとされ、行選択トランジスタＳＥＬは、フローティングディフュージョンＦＤの電圧を画素信号Ｖｉｄｅｏのノイズ成分＋シグナル成分として、読出回路３に出力する。

期間ｔ４において、φＲＳＴ＝Ｈｉ、φＶＳＥＮ＝Ｌｏ、φＴＸ＝Ｍｉｄ、φＩＳＷ＝Ｈｉとされ、リセットトランジスタＲＳＴはフローティングディフュージョンＦＤをリセットすると共に、フォトダイオードＰＤは次のフレームの電荷の蓄積を開始する。

図７は、図１に示す固体撮像装置がある１つのダミー画素Ｇ２の光電変換特性をトレースする際のフローチャートを示している。

まず、トレース制御部６１は、トレース対象となるダミー画素Ｇ２に接続されている定電流源Ｉｄの電流値を設定するために、当該定電流源Ｉｄに設定信号を出力する（ステップＳ１）。これにより、定電流源Ｉｄは、設定信号に従った定電流をダミー画素Ｇ２に出力する。

次に、ダミー画素Ｇ２は、図５に示す期間ｔ０でフローティングディフュージョンＦＤをリセットすると共に、フォトダイオードＰＤに電荷を蓄積させる（ステップＳ２）。

次に、ダミー画素Ｇ２は、図５に示す期間ｔ１でノイズ成分の画素信号Ｖｉｄｅｏを出力する（ステップＳ３）。次に、図５に示す期間ｔ２でダミー画素Ｇ２は、フォトダイオード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ＦＤに転送する。次に、図５に示す期間ｔ３でダミー画素Ｇ２は、ノイズ成分＋シグナル成分の画素信号Ｖｉｄｅｏを出力する（ステップＳ４）。

次に、トレース対象となるダミー画素Ｇ２に接続された読出回路３は、ダミー画素Ｇ２から出力されたノイズ成分＋シグナル成分の画素信号Ｖｉｄｅｏからノイズ成分の画素信号Ｖｉｄｅｏを減じてノイズ成分を相殺し、ノイズ成分が相殺された画素信号Ｖｉｄｅｏをアナログデジタル変換してトレース制御部６１に出力する（ステップＳ５）。

次に、トレース制御部６１は、設定した電流値が所定の最終値であれば（ステップＳ６でＹＥＳ）、処理を終了し、設定した電流値が最終値でない場合（ステップＳ６でＮＯ）、処理をステップＳ１に戻し、定電流源Ｉｄの次の電流値を設定する（ステップＳ１）。そして、ステップＳ２〜Ｓ６の処理が繰り返し実行され、トレース制御部６１はダミー画素Ｇ２の光電変換特性をトレースする。

ここで、トレース制御部６１がダミー画素Ｇ２の光電変換特性をトレースするに際し、定電流源Ｉｄが出力する電流値は複数の値が予め定められており、トレース制御部６１は、これら予め定められた複数の電流値が順次増大する又は減少するように定電流源Ｉｄの電流値を設定すればよい。

図８は、トレース制御部６１によりトレースされたダミー画素Ｇ２の光電変換特性を示したグラフである。図８において、縦軸はトレース制御部６１に入力された画素信号Ｖｉｄｅｏの出力値を示し、横軸は定電流源Ｉｄが出力する電流値を示している。なお、横軸は対数スケールで表されている。

図８において、プロットされた各点は、図７に示すフローチャートが１ループ回るたびトレース制御部６１に取得される光電変換特性の計測点を示している。

トレース制御部６１は、定電流源Ｉｄから出力される電流値を順次増大させる又は減少させるようにして複数の計測点を取得し、ダミー画素Ｇ２の光電変換特性をトレースする。

図８に示すように、ダミー画素Ｇ２の光電変換特性は、定電流源Ｉｄから出力される電流値が変曲点ＰＸを超えるまでは線形特性を有し、変曲点ＰＸを超えると対数特性を有していることが分かる。なお、図８では横軸が対数スケールであるため、線形特性が下に凸の曲線を描いており、対数特性が傾斜の緩やかな右上がりの直線を描いている。

そして、トレース制御部６１は、取得した複数の計測点を例えば線形補間して、変曲点ＰＸを特定する。ここで、トレース制御部６１は、図１に示すように、例えば、ダミー画素部１２の１列目の各ダミー画素Ｇ２の変曲点ＰＸの平均値を、通常画素部１１の１列目の各通常画素Ｇ１の変曲点ＰＸとして求め、ダミー画素部１２の２列目の各ダミー画素Ｇ２の変曲点ＰＸの平均値を、通常画素部１１の２列目の各通常画素Ｇ１の変曲点ＰＸとして求めるというように、ダミー画素部１２の各列の変曲点ＰＸの平均値を、対応する通常画素部１１の各列の各通常画素Ｇ１の変曲点ＰＸとして対応付けて、メモリー（図略）に記憶させておけばよい。

また、トレース制御部６１は、ダミー画素部１２の全ダミー画素Ｇ２の変曲点ＰＸの平均値を、通常画素部１１の各画素の変曲点ＰＸとして対応付けてもよい。

そして、画像処理部６は、ある通常画素Ｇ１の画素信号Ｖｉｄｅｏを取得すると、この通常画素Ｇ１に対応付けられた変曲点ＰＸを用いて、この画素信号Ｖｉｄｅｏが線形特性の領域の画素信号Ｖｉｄｅｏであるか、対数特性の領域の画素信号Ｖｉｄｅｏであるかを判定して画像処理を実行すればよい。

このように、本実施の形態による固体撮像装置によれば、図４に示すようにダミー画素Ｇ２はフォトダイオードＰＤがスイッチＩＳＷを介して定電流源Ｉｄに接続され、図５に示す読出期間において、スイッチＩＳＷがオフされる。

そのため、フォトダイオードＰＤからフローティングディフュージョンＦＤに電荷が転送される際に、定電流源Ｉｄからの電荷の注入が遮断され、撮像時と同等の条件で、ダミー画素Ｇ２の光電変換特性をトレースすることが可能となる。そのため、より精度よくダミー画素Ｇ２の光電変換特性をトレースすることができ、変曲点ＰＸを精度良く特定することができる。

なお、画素部１のダミー画素Ｇ２を垂直方向にライン状に設けた場合、ダミー画素Ｇ２の各列に対応して１又は複数の定電流源Ｉｄを設けるようにしてもよい。

また、本実施の形態では、トレース制御部６１を画像処理部６に設けたが、これに限定されず、画像処理部６外に設けてもよい。この場合、例えば固体撮像装置の全体制御を司る制御部（図略）にトレース制御部６１を設けてもよい。この場合、トレース制御部６１は、例えば制御部を構成するＣＰＵがＲＯＭに記憶された制御プログラムを実行することで実現される。

また、本実施の形態では、定電流源Ｉｄはダミー画素部１２の各行に対応して１個設けられているが、これに限定されず、各行に対応して複数個設けてもよい。この場合、定電流源Ｉｄの接続個数を増減させて、ダミー画素Ｇ２に入力される電流値の最大値を容易に設定することができる。

（実施の形態２）
実施の形態２による固体撮像装置は、実施の形態１においてダミー画素Ｇ２に出力していたφＲＳＴをφＩＳＷとして、スイッチＩＳＷにも出力することを特徴とする。図９は、本発明の実施の形態２による固体撮像装置の全体構成図を示している。なお、本実施の形態において、実施の形態１と同一のものは説明を省略する。

図９において、ダミー画素Ｇ２に接続された行信号線Ｌ１は、φＲＳＴ、φＴＸ、及びφＶＳＥＮをそれぞれ伝送する線路により構成され、φＲＳＴを伝送する線路は、ダミー画素Ｇ２のリセットトランジスタＲＳＴに接続されると共に、スイッチＩＳＷにも接続されている。

具体的には、１行目の定電流源Ｉｄには、１行目のダミー画素Ｇ２に出力されるφＲＳＴを伝送する線路が接続され、２行目の定電流源Ｉｄには、２行目のダミー画素Ｇ２に出力されるφＲＳＴを伝送する線路が接続されるというように、各定電流源Ｉｄには対応する行のφＲＳＴを伝送する線路が接続されている。

図５に示すように、φＲＳＴとφＩＳＷとは同じ波形であることが分かる。そのため、φＲＳＴをφＩＳＷとしてスイッチＩＳＷに出力しても、スイッチＩＳＷをリセット期間においてオンし、読出期間においてオフすることができ、実施の形態１の固体撮像装置と同一の作用効果を得ることができる。

そして、これにより、φＩＳＷを生成するための回路が不要となり、回路構成の簡略化及び小規模化を図ることができる。

上記の固体撮像装置の技術的特徴は以下のように纏めることができる。

（１）本発明の一局面による固体撮像装置は、線形特性及び対数特性を含む光電変換特性を有する画素がマトリックス状に配置された画素部と、各画素から画素信号を読み出す読出回路とを備える固体撮像装置であって、前記画素部は、被写体を露光するための通常画素から構成される通常画素部と、遮光された光電変換素子を有するダミー画素から構成されるダミー画素部とを含み、前記ダミー画素の光電変換素子に定電流を注入する定電流源と、前記定電流源及び前記ダミー画素の光電変換素子間に設けられたスイッチと、前記定電流源から出力される電流値を変化させ、前記読出回路から出力される画素信号を得ることによって、前記ダミー画素の光電変換特性をトレースするトレース部とを備え、前記トレース部は、前記読出回路が前記ダミー画素から画素信号を読み出す所定の読出期間において、前記スイッチをオフにすることを特徴とする。

この構成によれば、ダミー画素の光電変換素子と定電流源とがスイッチを介して接続されている。そして、このスイッチは、読出回路がダミー画素から画素信号を読み出す所定の読出期間においてオフされる。

そのため、読出期間において、定電流源からダミー画素の光電変換素子への電荷の注入を遮断することができ、ダミー画素の光電変換素子に撮像時と同等の電荷を注入することができ、ダミー画素の光電変換特性を精度良くトレースし、変曲点を正確に測定することができる。

（２）また、前記ダミー画素は、前記画素部の所定行又は所定列にライン状に配置され、前記定電流源は、前記ダミー画素が配置された各行に対応して１又は複数設けられていることが好ましい。

この構成によれば、ダミー画素を所定行にライン状に配列した場合は、各列のダミー画素の光電変換特性から各列の通常画素の光電変換特性を推定することができる。また、ダミー画素を所定列にライン状に配列した場合は、各行のダミー画素の光電変換特性から各行の通常画素の光電変換特性を推定することができる。そのため、各通常画素により得られた画素信号をより精度良く画像処理することが可能となる。

（３）前記定電流源は、前記ダミー画素が配置された各行に対応して１又は複数設けられていることが好ましい。

この構成によれば、定電流源がダミー画素の各行に対応して１又は複数個設けられているため、行単位でダミー画素の光電変換特性を得ることが容易となる。

（４）前記トレース部は、前記画素部の各行を垂直走査する垂直走査回路と、前記垂直走査回路に前記スイッチ信号の出力を指示するトレース制御部とを備え、前記垂直走査回路は、前記トレース制御部の指示に基づいて前記スイッチをオン・オフするためのスイッチ信号を出力することが好ましい。

この構成によれば、垂直走査回路からスイッチ信号が出力されるため、行単位でダミー画素の光電変換特性を得ることが容易となる。

（５）前記ダミー画素は、前記光電変換素子により蓄積された電荷が転送され、転送された電荷に応じた電圧信号を生成するフローティングディフュージョンと、前記垂直走査回路から出力されるリセット信号によりオン・オフされ、前記読出期間の前の所定のリセット期間に前記フローティングディフュージョンをリセットするリセットトランジスタとを備え、前記垂直走査回路は、前記リセット信号を前記スイッチ信号として前記スイッチに出力することが好ましい。

この構成によれば、リセット信号がスイッチ信号と兼用されるため、別途、スイッチ信号を生成する回路が不要となり、回路規模の縮小及び制御の簡便化を図ることができる。

（６）前記ダミー画素は、前記光電変換素子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に転送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により生成された電圧信号を増幅する増幅トランジスタと、前記垂直走査回路から出力される行選択信号に基づいて、前記増幅トランジスタにより増幅された電圧信号を前記画素信号として出力する行選択トランジスタとを備えることが好ましい。

この構成によれば、ダミー画素は、転送トランジスタ、増幅トランジスタと、行選択トランジスタとを含む回路により構成されることになる。

Claims (6)

1. 線形特性及び対数特性を含む光電変換特性を有する画素がマトリックス状に配置された画素部と、各画素から画素信号を読み出す読出回路とを備える固体撮像装置であって、
   前記画素部は、被写体を露光するための通常画素から構成される通常画素部と、遮光された光電変換素子を有するダミー画素から構成されるダミー画素部とを含み、
   前記ダミー画素の光電変換素子に定電流を注入する定電流源と、
   前記定電流源及び前記ダミー画素の光電変換素子間に設けられたスイッチと、
   前記定電流源から出力される電流値を変化させ、前記読出回路から出力される画素信号を得ることによって、前記ダミー画素の光電変換特性をトレースするトレース部とを備え、
   前記トレース部は、前記読出回路が前記ダミー画素から画素信号を読み出す所定の読出期間において、前記スイッチをオフにすることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記ダミー画素は、前記画素部の所定行又は所定列にライン状に配置されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記定電流源は、前記ダミー画素が配置された各行に対応して１又は複数設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
4. 前記トレース部は、
   前記画素部の各行を垂直走査する垂直走査回路と、
   前記垂直走査回路に前記スイッチ信号の出力を指示するトレース制御部とを備え、
   前記垂直走査回路は、前記トレース制御部の指示に基づいて前記スイッチをオン・オフするためのスイッチ信号を出力することを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
5. 前記ダミー画素は、
   前記光電変換素子により蓄積された電荷が転送され、転送された電荷に応じた電圧信号を生成するフローティングディフュージョンと、
   前記垂直走査回路から出力されるリセット信号によりオン・オフされ、前記読出期間の前の所定のリセット期間に前記フローティングディフュージョンをリセットするリセットトランジスタとを備え、
   前記垂直走査回路は、前記リセット信号を前記スイッチ信号として前記スイッチに出力することを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。
6. 前記ダミー画素は、
   前記光電変換素子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に転送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により生成された電圧信号を増幅する増幅トランジスタと、
   前記垂直走査回路から出力される行選択信号に基づいて、前記増幅トランジスタにより増幅された電圧信号を前記画素信号として出力する行選択トランジスタとを備えることを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置。

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