WO2003061278A1

WO2003061278A1 - Solid state imaging apparatus and drive method thereof

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Publication number: WO2003061278A1
Application number: PCT/JP2003/000375
Authority: WO
Inventors: Keiji Mabuchi
Original assignee: Sony Corporation
Priority date: 2002-01-17
Filing date: 2003-01-17
Publication date: 2003-07-24
Also published as: CN100407772C; TW200307455A; EP1469674A1; JP3944829B2; EP1469674A4; KR100913864B1; US20040135064A1; JP2003219277A; US20060007334A1; TWI232678B; US6940059B2; US7564016B2; CN1507743A; KR20040068856A

Description

明細書

固体撮像装置とその駆動方法

技術分野

本発明は、特に C M 0 S型イメージセンサに適用される固体撮像装置とその駆動方法に関する。背景技術

C M〇 S型イメージセンサでは、半導体チップ上に 2次元マトリタス状に多数の画素を配置して撮像画素部を構成しており、各画素毎に受光量に応じた信号電荷を生成するフォトダイォ—ド等の光電変換素子と、この光電変換素子によって生成された信号電荷を電気信号に変換して所定のタイミングで読み出すための複数の MO S トランジス夕で構成されるゲ一ト回路とを有して成る。

そして、その撮像画素部の周辺には、各画素からの信号に対して C D S (C o r r e l a t e d D o u b l e S a m 1 i n g ：相関二重サンプリング）等の信号処理を行う信号処理回路と、各画素のゲ一ト回路を駆動して各画素の信号を所定の順序で読み出すための垂直 Z水平スキャナ回路や、電子シャツ夕を切るためのシャッタスキャナ回路が設けられている。

従来の C MO S型イメージセンサは、図 1 1に模式的にその撮像画素部 1 0の画素配列を示すように、撮像画素部 1 0には 2次元マトリクス状に多数の画素 1 2が配置され、各画素 1 2の信号電荷をリセットする電子シャッタ行 1 4と、画素信号の読み出しを行う読み出し選択行 1 6 とが所定の行数だけ間隔を開けて選択され、矢印 A方向に順次シフトされる。

電子シャツタ行 1 4の各画素 1 2では、各画素 1 2のフォトダィオードに蓄積されている光電子（電荷）を捨てる動作が行われる o また、読み出し選択行 1 6 の各画素 1 2では、各画素 1 2 のフォトダイォ— ドに蓄積されている光電子を電気信号に変換し、出力信号線を介して信号処理回路に出力する動作が行われる。

これにより.、各画素 1 2 の出力信号は、各画素 1 2が電子シャッタ行 1 4でリセットされてから、選択行 1 6 ·で読み出しの選択がなされるまでの期間に、フォトダイォ一ドに蓄積された光電子量に対応するレベルの信号となる。

したがって、電子シャッタ行 1 4 と選択行 1 6 の間隔を、変えることによって、光電子の蓄積時間を変えて感度を調節することができる。

これが従来の電子シャッタ機能である。

しかし、このような方法では、撮像画像に明るいところと暗いところが共存するときに、明るいところに合わせるようにシャッ夕時間を調節するときは、暗いところでの感度が不足し、暗いところに合わせるようにシャツタ時間を調節するときは、明るいところのフォトダィォ一ドが飽和して真っ白に飛んでしまうという問題、つまり、ダイナミックレンジが狭いという問題点があつたそこで、最近、ダイナミックレンジを拡大する方法の 1つとして、例えば特開 2 0 0 1 - 1 7 7 7 7 5号公報に開示された方法が提案された。

これは、画像信号読み出しの選択行において、フォトダイォ一ドの信号を複数回に分けて読み出すものである。

しかしながら、この方法では、近年の撮像素子における微細化や、低電圧化に伴うフォトダイォ— ドの飽和電子数の減少により

、 1 回の転送においてフローティングディフュージョン（以下 F Dという）部で十分な電位を満たすことがなくなることから、このような場合は、複数回の読み出し動作を実行しても、 2回目以降では十分な信号が得られず、ダイナミックレンジを増加させることができない。

また、この場合、 Γつの選択行で、続けて 2回以上の読み出し動作を行わなければならな.いので、画素列シフトの高速化が難しい。

また、画素毎の固定パターンノィズを取るために、リセット時の信号レベルと光電子蓄積時の信号レベルとの差を取る C D S処理を行う場合は、 1つの選択行で 2つの画素信号の読み出しを行うために、 2 回のリセット動作と 2回の光電子蓄積動作とを行うことが必要となり、リセットレベルと光電子蓄積レベルの合計 4 回の検出を行わなければならない。

また、複数回に分けて読み出した複数の画素信号を合成する方法であるため、後段に合成回路が必要となり、回路が大型化したり、合成部分のばらつきや画素列ごとに設けられた合成回路同士のばらつきが発生したりする問題がある。発明の開示

本発明は、回路の大型化、複雑化を来すことなく、ダイナミツクレンジの改善を図ることのできる固体撮像装置とその駆動方法を提供するものである。

本発明による固体撮像装置は、複数の画素がマトリクス状に配列された撮像画素部と、撮像画素部の水平方向の各画素行を垂直方向に'選択する垂直選択手段と、垂直選択手段によつて選択された画素行の各画素を画素駆動配線を介して駆動する画素駆動手段と、各画素の信号を出力信号線を介して入力し、所定の信号処理を行う信号処理手段とを有する。

撮像画素部の各画素は、光電変換素子と、光電変換素子が光電変換して蓄積した信号電荷をフローティングディフユ一ジョン部に転送する転送手段と、フローティングディフユ一ジョン部の電位をリセッ卜するリセット手段と、フローティングディフユ一ジョン部の電位に対応する出力信号を出力する増幅手段とを具備する。

垂直選択手段は、撮像画素部の少なくとも 2つの画素行をシャッタ行と選択行として選択し、順次シフ卜させていく機能を備え、画素駆動手段は、垂直選択手段によって選択されたシャツタ行ではフローティングディフユ一ジョン部のリセッ卜の後に、光電変換素子の信号電荷をフ口一ティングディフユ一ジョン部に転送する動作を行い、垂直選択手段によって選択された選択行ではフ口一ティングディフユ一ジョン部のリセットをせずに、または、フローティングディフユ一ジョン部のリセット前に、光電変換素子の信号電荷をフ口一ティングディフユ一ジョン部に転送し、この転送後の出力信号を前記信号処理手段に出力させる機能を有する。

また、本発明による駆動方法は、複数の画素がマトリタス状に配列された撮像画素部と、撮像画素部の水平方向の各画素行を垂直方向に選択する垂直選択手段と、垂直選択手段によつて選択された画素行の各画素を画素駆動配線を介して駆動する画素駆動手段と、.各画素の信号を出力信号線を介して入力し、所定の信号処理を行う信号処理手段とを有し、撮像画素部の各画素が、光電変換素子と、光電変換素子が変換して蓄積した信号電荷をフローティングディフユ一ジョン部に転送する転送手段と、フローティングディフユ一ジョン部の電位をリセットするリセット手段と、フローテイングディフユ一ジョン部の電位に対応する出力信号を出力する増幅手段とを備えた固体撮像装置の駆動方法である。

そして、その垂直選択手段では、撮像画素部の少なくとも 2つの画素行をシャツタ行と選択行として選択し、順次シフ卜させていき、画素駆動手段では、垂直選択手段によって選択されたシャッタ行ではフローティングディフユ一ジョン部のリセッ卜の後に、光電変換素子の信号電荷をフローティングディフユ一ジョン部に転送する動作を行い、垂直選択手段によつて選択された選択行ではフローティングディフユ一ジョン部のリセッ卜をせずに、または、フローティングディフユ一ジョン部のリセット前に、光電変換素子の信号電荷をフローティングディフユ一ジョン部に転送し、この転送後の出力信号を前記信号処理手段に出力させる駆動方法である。

このように、垂直選択手段によってシャッタ行と選択行を順次シフ卜させていき、シャッタ行ではフローティングディフユ一ジヨン部のリセットの後に光電変換素子の信号電荷をフ口一テイングディフユ一ジョン部に転送し、選択行では少なくともフローティングディフユ一ジョン部のリセッ卜よりも前に光電変換素子の信号電荷をフローティングディフュージョン部に転送するようにしたことから、喑いところは敏感で明るいところは鈍感な二一ポィントを持った信号を出力することができるものである。

したがって、光電変換素子の飽和電荷量が小さい場合にも、広ダイナミックレンジ化を図ることができ、また、出力を 1系統とした簡易な構成で良好な広ダイナミックレンジの撮影を行うことができる。

また、固体撮像装置の駆動方法においても、同様に、垂直選択手段によつてシャツタ行と選択行を順次シフトさせていき、シャッ夕行ではフローティングディフユ一ジョン部のリセットの後に光電変換素子の信号電荷をフ口一ティングディフユ一ジョン部に転送し、選択行では少なくともフローティングディフユ一ジョン部のリセッ卜よりも前に光電変換素子の信号電荷をフローティングディフユ一ジョン部に転送するようにしたことから、暗いところは敏感で明るいところは鈍感な二一ポイントを持った信号を出力することができる。

したがって、光電変換素子の飽和電荷量が小さい場合にも、広ダイナミックレンジ化を図ることができ、また、出力を 1系統とした簡易な構成で良好な広ダイナミックレンジの撮影を行うことができるものである。図面の簡単な説明

図 1 は、本発明による固体撮像装置の一例の全体的構成図である。

図 2 は、本発明による固体撮像装置の一例の画素周辺の回路図でめる o

図 3 は、本発明による固体撮像装置の一例の電子シャッタ行と、信号読み出しの選択行との関係を示す図である。

図 4 A〜 4 Dは、図 2 に示す画素に係わる動作を示すタイミングチヤ一トである。

図 5 A〜 5 Eは、本発明による固体撮像装置の他の一例のフォトダィォ一ドとフ口一ティングディフージョン部とのポテンシャルの遷移を示す図である。

図 6 は、本発明装置の他の一例の出力特性を示す説明図である図 7 は、本発明装置の他の一例の電子シャッタ行と、信号読み出しの選択行との関係を示す図である。

図 8 は、本発明装置の更に他の一例の全体的構成図である。図 9 は、 S Z H · C D S (サンプルホールド '相関 2重サンプリング）回路の一例の回路図である。

図 1 0 は、 S Z H · C D S回路の他の例の回路図である。

図 1 1 は、従来の固体撮像装置の電子シャツタ行と読み出し選択行との関係の説明図である。発明を実施するための最良の形態

本発明の目的とするところは、広ダイナミックレンジの撮影を行うことができるようにすることであるが、本出願人は、先に、さまざまな撮影条件に柔軟に対応して常に良好な広ダイナミックレンジの撮影を行うことができる固体撮像装置および駆動方法を提案している（例えば特願 2 0 0 1 - 2 0 1 6 0 1号、特願 2 0 0 1— 2 7 6 5 2 9号、特願 2 0 0 1 - 2 8 6 4 5 7号参照、以下、これらを先行出願という）。

しかし、これらの提案に係る固体撮像装置では、出力が 2系統になり、回路が大型化する。

本発明の更なる目的は、出力を 1系統とした簡易な構成で良好な広ダイナミックレンジの撮影を行うことができる固体撮像装置およびその駆動方法を提供することにある。

本発明による固体撮像装置は、複数の画素がマトリクス状に配列された画素部と、これら画素からの信号を順次選択する垂直選択手段と、画素からの信号に所定の信号処理を行う信号処理手段とを有する。

画素部は、光信号を電気信号に変換する光電変換素子と、光電変換素子からの信号をフ口一ティングディフユ -ジョン部に転送する転送手段と、フローティングディフュージョン部の電位をリセットするリセット手段と、フローティングディフュージョン部の電位に対応する信号を増幅する増幅手段とを具備する。そして、信号処理手段で信号処理しないシャツタ動作と、信号処理部で信号処理する選択動作とが行われ、シャツタ動作時には、フローティングディフュージョン部の電位を基準電位にした後、光電変換素子に蓄積した信号をフローティングディフユ—ジョン部に転送するとともに、シャッタ動作の後、選択動作時には、フローテイングディフュー'ジョン部を基準電位にすることなしに、または基準電位にする前に光電変換素子に蓄積した信号をフローティ，ングディフユ—ジョン部に転送する。

以下に本発明の実施の形態を例示するが、これは、好適な具体例であり、説明において、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において、特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限定されないものとする。

この実施の形態では、シャツタ行で F D リセット—電荷転送の順に駆動し、選択行で電荷転送— C D S取り込み— F Dリセット - C D S取り込みの順に駆動することで、喑いところは敏感で明るいところは鈍感な、いわゆる二一ポイントを持った 1系統の出力による広ダイナミックレンジ化を達成するものである。

これにより、 C D S回路を 2組用意する必要が無く、これまでの二一ボイント出力の技術が使えるようになる。

この実施の形態による固体撮像装置は、具体的には C M O S型イメージセンサであり、図 1 にこの固体撮像装置 2 の全体的構成図を示すように、半導体基板（図示せず）上に、撮像画素部 1 0 4、垂直（V ) 選択手段 1 0 6、水平（H ) 選択手段 1 0 8、タ

' イミングジェネレータ 1 1 0 ( T G ) 、 S /' H · C D S部 1 1 2 、定電流部 1 1 4 Aなどを含んでいる。

撮像画素部 1 0 4には、多数の画素がマトリクス状に配列され、各画素が光を検出して生成した電気信号が、タイミングジエネレ一タ 1 1 0からのタイミングパルスにもとづき V選択手段 1 0

6 および H選択手段 1 0 8 により順次選択され、水平信号線 1 1 6から、出力部 1 1 8を通じて出力される構成となっている。図 2 に 1画素周辺の回路図を示すように、撮像画素部 1 0 4を構成する画素 1 2 0 は、光電変換素子としてのフォトダイォ一ド 1 2 2、転送される電荷量に応じた電位変動を得るための F D部 (フローティングディフユ一ジョン部） 1 2 4、転送パルスが供給されたときフォトダイオード 1 2 2 を F D部 1 2 4に接続する転送ゲート 1 2 6、リセットパルスが供給されたとき F D部 1 2

4を電源 Vddに接続するリセットゲート 1 2 8、 F D.部 1 2 4の電位変動に応じた電圧を出力する増幅トランジスタ 1 3 0を含んで構成されている。

フォトダイオード 1 2 2 は、アノードがグランドに接続され、カソ一ドは、転送ゲート 1 2 6 を構成する N型の MO S F E T ( 絶縁ゲ一ト型電界効果トランジスタ）のソースに接続されている。また、この M O S F E Tのドレインは F D部 1 2 4に接続され、ゲ一トには V選択手段 1 0 6 より転送パルス 1 3 2が供給される。リセットゲート 1 2 8 も N型の Mp S F E Tにより構成され、そのソースは F D部 1 2 4に、ドレインは電源 Vddにそれぞれ接続され、ゲートには V選択手段 1 0 6 よりリセットパルス 1 3 4が供給される。

增幅トランジスタ 1 3 0 を構成する N型の MO S F E Tのゲ一トは F D部 1 2 4に接続され、ドレインは電源 Vddに接続されている。增幅トランジスタ 1 3 0 と垂直信号線 1 3 6 との間には、

N型の M O S F E Tから成る選択トランジスタ 1 3 8が介在し、そのゲ一卜には図 1で示した V選択手段 1 0 6から選択パルス 1 4 0が供給される。そして、增幅トランジスタ 1 3 0のソースは選択トランジスタ 1 3 8のドレインに接続され、選択トランジス夕 1 3 8のソースは垂直信号線 1 3 6 に接続されている。

垂直信号線 1 3 6 は、マトリクス状に配列された画素 1 2 0の各列ごとに設けられ、同一の列に属する画素 1 2 0 の選択トランジス夕 1 3 8 のソースはすべて対応する垂直信号線 1 3 6に接続されている。垂直信号線 1 3 6 の一端は、撮像画素部 1 0 4の外に配置された定電流部 1 1 4 Aにおいて定電流源 1 1 4に接続され、この定電流源 1 1 4 により垂直信号線 1 3 6に一定の電流が流されている。垂直信号線 1 3 6の他端は、図 1で示した撮像画素部 1 0 4の外に配置された S / H · C D S部 1 1 2に接続されている。

S / H . C D S部 1 1 2 には、各垂直信号線 1 3 6 ごとに S / H · C D S回路 1 4 6が設けられている。各 S / H · C D S回路 1 4 6 には、図 1で示したタイミングジヱネレ一タ 1 1 0から第 1 および第 2のサンプリングパルス 1 4 8、 1 5 0が供給されており、 S / H · C D S回路 1 4 6 は、これらのサンプリングパルスにもとづき、増幅トランジスタ 1 3 0が垂直信号線 1 3 6に出力した、フォトダイオード 1 2 2からの信号電荷により F D部 1 2 4から得られる電圧（光検出電圧）、およびリセッ卜時の F D 部 1 2 4から得られる電圧（オフセッ卜電圧）をそれぞれ保持するとともに、 2つの電圧の差に対応する電圧を出力する。

なお、 S / H · C D S回路 1 4 6 にオフセット電圧を保持させる場合は、第 1および第 2 のサンプリングパルス 1 4 8、 1 5 0 が同時に供給され、光検出電圧を保持させる場合は、第 2 のサンプリングパルス 1 5 0 のみが供給される。

各垂直信号線 1 3 6 ごとの S Z H ♦ C D S回路 1 4 6 の出力信号は、タイミングジヱネレ一夕 1 1 0からのタイミング信号にもとづいて動作する図 1で示した H選択手段 1 0 8により順次選択されて水平信号線 1 1 6 に出力され、出力部 1 1 8を通じて出力される。出力部 1 1 8 は詳しくは增幅回路、 A G C回路、 A , D 変換器などにより構成されている。

この実施.の形態の固体撮像装置では、図 3にその画素列の選択動作を示すように、撮像画素部 1 0 4には 2次元マトリクス状に多数の画素 1 2 0が配置されており、各画素 1 2 0の信号電荷をリセッ卜する第 1 シャツタ行 2 1 0 および第 2 シャツタ行 2 2 0 と画素信号の読み出しを行う選択行 2 3 0が所定の行数だけ間隔を開けて選択され、矢印 A方向に順次シフ卜される。

そして、第 1 シャツタ行 2 1 0 の各画素 1 2 0 では、各画素 1

2 0 のフォトダイオード 1 2 2 に蓄積されている光電子を捨てるリセット動作を行う。

なお、ここでは光電変換素子のフオトダイオード 1 2 2だけをリセッ卜しているが、フォトダイオード 1 2 2に加えて F D部 1 2 4をリセットするようにすることもできる。 F D部 1 2 4をリセットする場合以外のフォトダイオード 1 2 2のリセット方法としては、基板に電圧を印加してフォトダイオード 1 2 2 の電荷を基板に排出させる。もしくは、 F D部 1 2 4 とは別に電荷排出部を設けることもできる。

また、第 2 シャツタ行 2 2 0 の各画素 1 2 0では、 F D部 1 2

4のリセット動作を行い、その後、この基準電位とされた F D部 1 2 4 に、フォトダイオード 1 2 2 に蓄積された光電子を転送する o

また、選択行 2 3 0 の各画素 1 2 0 では、各画素 1 2 0 のフォトダイオード 1 2 2 に蓄積されている光電子を、再び基準電位とされない状態、あるいは基準電位とされる前の状態の上述した F D部 1 2 4 に転送し、この F D部 1 2 4に転送された光電子を增幅トランジスタ 1 3 0 および選択トランジスタ 1 3 8によつて垂直信号線 1 3 6 に読み出す動作を行う。この後、各画素 1 2 0 の F D部 1 2 4をリセットし、その信号を同時に垂直信号線 1 3 6 に読み出す動作を行う。

このとき、シャツタ行 2 1 0、 2 2 0および選択行 2 3 0以外の画素行では何も動作を行わないことになる。次に、このような動作を図 4に基づき説明する。

図 4 A， B， . C，および Dは、それぞれ第 1 シャツタ行，第 2 シャツタ行，選択行，およびそれ以外の行についてのリセット R

，転送 T，選択 Sの動作を示すものである。

図 4では、 1行期間のうち画素を駆動する区間を取り出して示しており、実際には t o の画素を駆動しない期間が大部分を占めるものである。

まず、画素 1 2 0 に第 1 シャツタ行 2 1 0が来ると、 t 9 で F D部 1 2 4力リセッ卜され、 t 11でフォトダイオード 1 2 2 の光電子が F D部 1 2 4に転送される。よって、ここでは一旦フォトダイオード 1 2 2が空になるが、ここからまたフォトダイオード

1 2 2への光電子の蓄積が始まる。

次に、第 2 シャツタ行 2 2 0が来ると、画素 1 2 0 は、 t 8 で選択トランジスタ 1 3 8が 0 Nして垂直信号線 1 3 6 の電位が第 2 シャツタ行 2 2 0 の F D電位に追随するようになる。次に、 t

9 で F D部 1 2 4をリセッ卜して、 t 11でフォトダイオード 1 2 2 の光電子を F D部 1 2 4に転送する。これにより、フォトダイオード 1 2 2 には新たに光電子が蓄積され始める。また、 t 13で、選択トランジスタ 1 3 8を O F Fする。

次に、選択行 2 3 0が来ると、画素 1 2 Q は、 t 1 〜 t 7 の期間に駆動される。ここで画素 1 2 0 は、 t 1 で選択トランジスタ

1 3 8が 0 Nして垂直信号線 1 3 6 の電位が選択行 2 3 0 の F D 電位に追随するようになる。次に、 t 3 でフォトダイオード 1 2 2 の光電子を F D部 1 2 4 に転送する。そして、 t 5 で F D部 1 2 4をリセットする。

S / H · C D S回路 1 4 6 は、 t 4 と t 6 の垂直信号線 1 3 6 の電位を取り込み、この 2つの電位の差を保持する。この後、 t 7 で、選択トランジスタ 1 3 8を O F Fする。 S / H · C D S回路 1 4 6の出力は、 H選択手段 1 0 8によつて順番に水平信号線 1 1 6 に読み出され、出力部 1 1 8を通して出力される。

このような動作で特徴となるのは以下の点である。

( 1 ) 第 2 シャツタ行 2 2 0 ではリセットパルスの後に転送パルスが入る。

( 2 ) 選択行 2 3 0ではリセットパルスより前に転送パルスが入る。

このような動作により、 2系統の出力を必要とせず、 1系統の出力で信号処理を行うことができる。また、フォトダイオードの飽和信号量が小さい場合においても、広ダイナミックレンジ化を ■ 達成することができる。

以下、その理由を図 5および図 6 を参照して説明する。

図 5 は、 1画素を構成するフォトダイオードから、転送ゲート部、リセッ卜ゲ一卜部に渡る断面構造（図 5 A ) と、そのポテンシャル図（図 5 B〜E ) である。

図 5 Aは、 S i基板 1 6 0に形成された P w e 1 1領域 1 6 2 に、 p +領域と n領域からなるフォトダイオード 1 2 2 と、 F D 部 1 2 4 とドレイン部 1 6 4 とが配置され、 S i基板 1 6 0上にゲート絶縁膜 1 6 6を介して転送ゲ— 卜電極 1 6 8、リセットゲ一ト電極 1 7 0が配置された構造を示している。

図 5 B， C , D , Eは、それぞれ図 4に示した各タイミング t 11， t 12， t 2, t 3 における図 5 Aの各部に対応する位置を横軸に、これら各部におけるポテンシャルを縦軸に示すものである。ポテンシャル表示は、下向きを +としたものである。

また、図 6 は、固体撮像装置における出力特性を示す説明図であり、縦軸は F Dにおける電荷量 C FD、横軸は入射光量を示している図 5 B〜 Eによるポテンシャル遷移図と、図 6 の出力特性図を参照して、本発明の実施例の作用を詳細に説明する。

ここでは一例として、第 1 シャツタ行 2 1 0から第 2 シャツ夕行 2 2 0 までの間隔を 4 0 0行、第 2 シャツタ行 2 2 0から選択行 2 3 0 までの間隔を 5行とする。

まず、画素 1 2 0に第 1 シャツタ行 2 1 0が来たとき、フォトダイォ一ド 1 2 2がリセットされ、ここから光電子の蓄積が開始れる。

次いで、画素 1 2 0 に第 2 シャツタ行 2 2 0が来たとき、 F D 部 1 2 4をリセットした後、 t 11 (図 5 B ) で 4 0 0行分のフォトダイオード 1 2 2の信号 S 1 が F D部 1 2 4に転送される。この信号 S 1 は、蓄積時間が長いので、図 6の曲線 aに示すように、光量に対して敏感であるが、フォトダイオード 1 2 2の飽和レベルで決まる値ですぐに飽和する信号である。

t 12 (図 5 C ) で、転送ゲートが閉まり、フォトダイオード 1

2 2 に光電子蓄積が始まり、画素 1 2 0 に選択行 2 3 0が来たときに、 t 2 の時点（図 5 D ) で示すようにフォトダイオード 1 2 2 には 5行分の信号 S 2 が溜まるポテンシャルとなる。そして、この信号 S 2 を t 3 (図 5 E ) で F D部 1 2 4に転送する。

この信号 S 2 は、蓄積期間が短いので、信号 S 1 より 8 0倍光量に鈍感な信号であり、入射光量との関係では図 6の曲線 bに示すような信号となる。この場合、さらに強い光では、信号 S 2 はフォトダイオード 1 2 2を溢れ、 F D部 1 2 4に流れ込んだものも含むので、信号 S 1 とは異なり、フォトダイオード 1 2 2の飽和で上限が決まるわけではない。

また、 t 3 で、信号 S 1 と信号 S 2 との和が F D部 1 2 4に溜められる。これを読み出すことで、図 6の曲線じに、この光電子読み出し時の F D部の電荷を示すように、光量の小さいところでは急で、大きいところでは変化の小さい信号を読み出すことができる。この曲線 cにおける上限のレベル L bは F D部 1 2 4の飽禾ロレベルで決まる。

このようにして、暗いところでは敏感で、明るいところは鈍感な特性を示すいわゆる二一ボイント N Pを有する信号を出力することができ、フォトダイオード 1 2 2 の飽和レベルが小さい場合にも、広ダイナミックレンジ化を図ることができる。

なお、以上のような実施例において、第 1 シャツタ行を使わないような構成とすることもできる。その場合は、信号 S 1 が前の選択行から第 2 シャツタ行までの光信号になる。これは図 1 1に示す従来例の電子シャツタ動作に似ているが、図 1 1に示す従来例では、選択行で F D部をリセッ卜した後にフォトダイオードの電荷を転送して、電子シャッタ行から選択行までの光信号を検出していたのに対し、この例における第 1 シャッタ行を使わない場合は、前の選択行から第 2 シャツタ行までの光電子と、第 2 シャッタ行から選択行までの光信号の和を検出するので、図 1 1の電子シャツタ動作と異なり、広ダイナミックレンジ化を実現できるまた、駆動方法、すなわち駆動パルスの入れ方については種々 'の変形が可能である。

例えば、図 4 では、第 1 シャツタ行と第 2 シャツタ行を同じ期間に駆動した。この方法では、駆動時間の短縮ができ、駆動パルス作成、各行への導入の設計が簡単になる。

しかし、第 1 シャツタ行と第 2 シャツタ行を別の期間とすることもできる。例えば、第 1 シャツタ行と第 2 シャツタ行の駆動期間をずらしたり、第 1 シャツタ行も、その期間で選択ゲートを開けるようにしても良い。

また、その他にも上記と同じ結果を得るための駆動パルスの入れ方は種々採用できるものである。

また、この例では C D S回路を用いている。これは、画素毎の增幅トランジスタのしきい値のばらつきによる固定パターンノィズをキヤンセルするためのものである力、固定パターンノイズが小さい場合は必須ではない。

そこで、この場合は、選択行は転送パルスの後の信号のみを読み出せばよく、リセットパルスは必ずしも必要ない。

次に、本発明の第 2実施例について説明する。

この第 2実施例において回路構成および駆動パルスは、上述した実施例（すなわち第 1実施例）の図 1、図 2、図 4で説明したと同様である。

そして、この第 2実施例が第 1実施例と異なる 1つの点は、電子シャツタ行（すなわち第 2 シャツタ行）が選択行の直前の行を常に選択することである。

つまり、図 7に示すように、この例では、第 2 シャツタ行 2 2

0 と選択行 2 3 0が連続する画素行となつている。

また、 C D S回路の信号取り込みタィミングが異なる。

図 4を参照して説明すると、 C D S回路の信号取り込みは、第 2 シャツタ行の出力が垂直信号線に出ている t 10のタイミングと、次の行に進んで選択行の出力が垂直信号線に出ている t 4 の夕イミングで行う。 C D S回路はこの差を出力する。

, このような動作では、 C D S回路には F D部のリセットレベルが先に入り、それから F Dに転送された光電子のレベルが入る。したがって、この差は F D部に転送された電子の純増分であり、リセットノィズが無いものとなる。

つまり、第 1実施例では、先に光電子のレベルが入って、それをリセッ卜したレベルが後に入るので、その差を取ってもリセッ卜のばらつき（リセットノイズ）が載っていたが、この第 2実施例では、このようなリセットノイズの影響をなくすことができ、画質を向上することができる。

次に、本発明の第 3実施例について説明する。

図 8 は本発明による固体撮像装置の他の例を示す構成図である o

図 8 に示す固体撮像装置 3 4 は、その駆動モ一ドを制御するための外部信号を受信する通信部 5 4を設けたものである。

このような通信部 5 4を用いて上述した第 1、第 2実施例の動作を実現する駆動モードを選択することが可能である。

なお、図 8では、 S / H ♦ C D S回路 1 4 6や出力部 1 .1 8をまとめて C D S · A G C部 2 6 0 とし、その信号を合成する信号合成 · A / D部 2 6 2 、その合成信号をデジタル出力として出力するバスライン 2 6 4等を表しているが、本質的には図 1 に示す固体撮像装置 2 と同様であるため図 8において.、図 1 と対応する部分には同一符号を付して説明は省略する。

また、上述した各実施例で説明した S / H · C D S回路 1 4 6 については、従来より用いられている各種の形態のもの用いることが可能である。

例えば、図 9及び図 1 0 は S Z H · C D S回路 1 4 6 の具体例を示す回路図である。

図 9 は図 2 に示す画素 1 2 0 に S / H · C D S回路 1 4 6が接続された状態をを示している。この S / H · C D S回路 1 4 6 は、トランジスタ 3 5 6、 3 5 8、コンデンサ（キャパシタ） 3 6 0、 3 6 2、ならびに水平選択トランジスタ 3 6 4を含んで構成されている。

トランジスタ 3 5 6 のドレインは垂直信号線 1 3 6 に、ソ一スはコンデンサ 3 6 0の一端にそれぞれ接続されており、トランジ ' スタ 3 5 6 のゲートには夕イミングジェネレータ 1 1 0 より第 2 のサンプリングパルス 1 5 0が供給される。

また、トランジスタ 3 5 8 のドレインはバイァス電圧源 V bに、ソ一スはコンデンサ 3 6 0 の他端にそれぞれ接続されており、ゲートにはタイミングジェネレータ 1 1 0 より第 1 のサンプリングパルス 1 4 8が供給される。

コンデンサ 3 6 0の上記他端とグランドとの間にはコンデンサ 3 6 2が接続され、コンデンサ 3 6 0 の上記他端にはさらに水平選択トランジスタ 3 6 4のドレインが接続されている。

水平選択トランジスタ 3 6 4 のソースは水平信号線 1 1 6に接続されており、ゲートには H選択手段 1 0 8 より選択パルスが供給される。

一方、図 1 0 に示す S /H · C D S回路 1 4 6 は、差動増幅回路 3 5 5、トランジスタ 3 5 6 A、 3 5 6 B、コンデンサすなわちキャパシタ 3 6 2 A、 3 6 2 B、ならびに水平選択トランジス夕 3 6 4 を含んで構成されている。トランジスタ 3 5 6 A、 3 5

6 Bのドレインは垂直信号線 1 3 6 に接続されている。

また、トランジスタ 3 5 6 A、 3 5 6 Bのソースは差動増幅回路 3 5 5 の入力端子、およびコンデンサ 3 6 2 A、 3 6 2 Bの一端に接続されており、トランジスタ 3 5 6 A、 3 5 6 Bのゲートにはタイミングジェネレータ 1 1 0 よりサンプリングパルス 1 4

8. 1 5 0が供給される。

また、差動増幅回路 3 5 5 の出力端子は、水平選択トランジス夕 3 6 4 のドレインに接続され、水平選択トランジスタ 3 6 4 のソースは水平信号線 1 1 6 に接続されており、ゲー卜には H選択手段 1 0 8 より選択パルスが供給される。

なお、これらの S /H · C D S回路は、一例であり、これ以外の構成を有する S ZH · C D S回路を用いることも可能であるので詳細な説明は省略する。本発明では、このような各種の S / H · C D S回路を用いた固体撮像装置に広く適用できるものである。

以上のような本発明の各実施例によれば、次のような効果を得ることが可能である。

( 1 ) 飽和電荷量の小さなフォトダイオードを用いて、ダイナミックレンジの広い固体撮像装置を得ることができる。

( 2 ) 二一ポイントを持った信号を出力し、二一ポイント前後の感度比はシャッタ行の位置から明確に計算できる。

( 3 ) 2つのシャツタ行の位置を調節することで、二一ボイント前後の感度は独立に可変である。

( 4 ) 雑音の少ない埋め込みフオトダイオードを用いることができるので、 S Z Nの良い固体撮像装置を構成できる。

( 5 ) 画素に新たな構成要素を加えないでよいので、画素が大きくならず、小型化を維持できる。

( 6 ) 従来の電子シャッ夕よりも読出し期間を多く取る必要が無く、高速駆動を実現できる。

( 7 ) 複数回の動作で読み出した信号を後段で合成する回路を設ける必要は無く、回路が大型化しない。その分の回路のばらつきに起因する固定パターンノィズも発生しない。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態例に限定されるものではなく、種々の変形が可能ある。

たとえば、上述した各実施の形態例では、電子がキャリアであるとしたが、各ゲートなどを構成する M O S F E Tとして P型の M 0 S F E Tを用い、正孔をキヤリァとした場合にも、基本的な動作は変わらず、同様の作用効果が得られる。また、ここでは光電変換素子としてフォトダイオードを用いたが、フォトゲ一卜など、他の光電変換素子を用いることも無論可能である。また、上述の例では、各画素列ごとに C D S回路を設けたが、この代わりに、転送後とリセッ卜後の信号を両方出力して外部で C D S処理を行うようにしても良く、 C D S処理の方法は本発明の本質に影響しないものである。

上述したように本発明の固体撮像装置によれば、シャツタ行と選択行を順次シフ卜させていき、シャツタ行ではフローティングディフユ一ジョン部のリセットの後に光電変換素子の信号電荷をフローティングディフユ一ジョン部に転送し、選択行では少なくともフローティングディフユ一ジョン部のリセッ卜よりも前に光電変換素子の信号電荷をフ口一ティングディフユ一ジョン部に転送するようにしたことから、暗いところは敏感で明るいところは鈍感な二一ポイントを持った信号を出力することができるので、光電変換素子の飽和電荷量が小さい場合にも、また、出力を 1系統とした簡易な構成で良好な広ダイナミックレンジの撮影を行うことができる効果がある。

また、本発明の固体撮像装置の駆動方法によれば、シャツタ行と選択行を順次シフ卜させていき、シャッタ行ではフローティングディフュージョン部のリセットの後に光電変換素子の信号電荷をフローティングディフユ一ジョン部に転送し、選択行では少なくともフローティングディフュージョン部のリセッ卜よりも.前に光電変換素子の信号電荷をフ口一ティングディフユ一ジョン部に転送するようにしたことから、喑いところは敏感で明るいところは鈍感な二一ポイントを持った信号を出力することができるので、光電変換素子の飽和電荷量が小さい場合にも、また、出力を 1 系統とした簡易な構成で良好な広ダイナミックレンジの撮影を行うことができる効果がある。

Claims

請求の範囲

1 . 複数の画素と、該画素を順次選択する垂直選択手段と、上記画素からの信号を順次選択する垂直選択手段と、上記画素からの信号に所定の信号処理を行う信号処理手段とを有し、

上記画素は、光信号を電気信号に変換する光電変換素子と、該光電変換素子からの信号をフローティングディフユ—ジョン部に転送する転送手段と、

上記フローティングディフュージョン部の電位をリセッ卜するリセット手段と、

上記フローティングディフュージョン部お電位に対応する信号を増幅する増幅手段とを具備し、 . 上記信号処理手段で信号処理しないシャッタ動作と、上記信号処理部で信号処理する選択動作とが行われ、

上記シャッタ動作時には、上記フ口一ティングディフユ —ジョン部の電位を基準電位にした後、上記光電変換素子に蓄積した信号を上記フ口一ティングディフュージョン部に転送するとともに上記シャッタ動作の後、上記選択動作時には、上記フ口—ティングディフュージョン部を基準電位にすることなしに、または基準電位にする前に上記光電変換素子に蓄積した信号をフ口—ティングディフュージョン部に転送することを特徵とする固体撮像装置。

2 . 請求の範囲第 1項に記載の固体撮像装置において、

上記増幅手段に接続され、上記増幅手段からの信号を信号線に送出する選択手段を有することを特徵とする固体撮像装置。

3 . 請求の範囲第 1項に記載の固体撮像装置において、

上記信号処琿手段からの信号を水平信号線に供給する水平選択手段を有することを特徵とする固体撮装置。

4 . 請求の範囲第 1項に記載の固体撮像装置において、

上記信号処理手段は、少なくとも第 1および第 2のキャパシ夕を有し、該第 1および第 2 のキヤパシタに蓄えられた電荷の演算を行うことを特徴とする固体撮装置。

5 . 請求の範囲第 1項に記載の固体撮像装置において、

上記信号処理手段は、差動増幅回路を有し、上記第 1 のキャパシタは、上記差動増幅回路の一方の入力に接続されるとともに、上記第 2のキャパシタは、上記差動増幅回路の他方の入力に接続されていることを特徴とする固体撮像装置。

6 . 複数の画素がマトリクス状に配列された撮像画素部と、上記撮像画素部の水平方向の各画素行を垂直方向に選択する垂直選択手段と、上記垂直選択手段によつて選択された画素行の各画素を画素駆動配線を介して駆動する画素駆動手段と、上記各画素の信号を出力信号線を介して入力し、所定の信号処理を行う信号処理手段とを有し、

上記撮像画素部の各画素が、光電変換素子と、上記光電変換素子が変換して蓄積した信号電荷をフ口一ティングディフユ一ジョン部に転送する転送手段と、上記フローティングディフユ一ジョン部の電位をリセッ卜するリセット手段と、上記フローティングディフュージョン部の電位に対応する出力信号を出力する増幅手段とを備え、

上記垂直選択手段は、上記撮像画素部の少なくとも 2つの画素行をシャツタ行と選択行として選択し、順次シフ卜させていく機能を備え、

上記画素駆動手段は、上記垂直選択手段によって選択されたシャッタ行では上記フローティングディフユ一ジョン部のリセットの後に、上記光電変換素子の信号電荷をフ口—ティングディフユ —ジョン部に転送する動作を行い、上記垂直選択手段によつて選択された選択行では上記フローティングディフユ一ジョン部のリセットをせずに、または、上記フローティングディフユ一ジョン部のリセット前に、上記光電変換素子の信号電荷をフローティングディフユ一ジョン部に転送し、この転送後の出力信号を上記信号処理手段に出力させる機能を備えたことを特徵とする固体撮像

7 . 請求の範囲第 6項に記載の固体撮像装置において、上記信号処理手段は相関 2重サンプリング（C D S ) 回路を有し、上記画素駆動手段は、上記選択行で光電変換素子からフロー

10 ティングディフユ一ジョン部への信号電荷転送後にフローティングディフユ一ジョン部のリセッ卜を行い、上記相関 2重サンプリング回路は、上記選択行における光電変換素子からフローティングディフユ一ジョン部への信号電荷転送後の出力信号レベルとフ口一ティングディフュージョン部のリセッ卜後の出力信号レベル

15 との差を取ることを特徴とする固体撮像装置。

8 . 請求の範囲第 6項に記載の固体撮像装置において、上記信号処理手段は相関 2重サンプリング回路を有し、上記垂直選択手段は、連続する 2つの画素行をシャツタ行と選択行として選択し、上記相関 2重サンプリング回路は、上記シャッタ行に •20 おけるフローティングディフユ一ジョン部のリセット後の出力信号レベルと、このシャツタ行が次に選択行となつた際の光電変換素子からフローティングディフユ一ジョン部への信号電荷転送後の出力信号レベルとの差を取ることを特徴とする請求項 1記載の固体撮像装置。

25 9 . 請求の範囲第 6項に記載の固体撮像装置において、

上記垂直選択手段は、上記シャッタ行の前に先行するシャツ夕行を選択して順次シフ卜させていく機能を備え、この先行するシャッタ行では上記光電変換素子のリセットを行うことを特徵とする固体撮像装置。

1 0 . 複数の画孝がマ卜リクス状に配列された撮像画素部と、上記撮像画素部の水平方向の各画素行を垂直方向に選択する垂直選択手段と、上記垂直選択手段によって選択された画素行の各画素を画素駆動配線を介して駆動する画素駆動手段と、上記各画素の信号を出力信号線を介して入力し、所定の信号処理を行う信号処理手段とを有し、

上記撮像画素部の各画素が、光電変換素子と、上記光電変換素子が変換して蓄積した信号電荷をフローティングディフユ一ジョン部に転送する転送手段と、上記フローティングディフユ一ジョン部の電位をリセッ卜するリセット手段と、上記フ口一ティングディフユ一ジョン部の電位に対応する出力信号を出力する増幅手段とを備えた固体撮像装置の駆動方法であって、

上記垂直選択手段では、上記撮像画素部の少なくとも 2つの画素行をシャッタ行と選択行として選択し、順次シフ卜させていき上記画素駆動手段では、上記垂直選択手段によつて選択されたシャッタ行では上記フローティングディフユ一ジョン部のリセットの後に、上記光電変換素子の信号電荷をフローティングディフ一ジョン部に転送する動作を行い、上記垂直選択手段によって選択された選択行では上記フローテイングディフユ一ジョン部のリセッ卜をせずに、または、上記フローティングディフユ一ジョン部のリセット前に、上記光電変換素子の信号電荷をフローティングディフユ一ジョン部に転送し、この転送後の出力信号を上記信号処理手段に出力させるようにしたことを特徵とする固体撮像装置の駆動方法。

1 1 . 請求の範囲第 1 0項に記載の固体撮像装置の駆動方法において、上記信号処理手段に相関 2重サンプリング回路を設け、上記画素駆動手段では、上記選択行で光電変換素子からフローティングディフユ一ジョン部への信号電荷転送後にフローティングディフュ一ジョン部のリセットを行い、上記相関 2重サンプリング回路では、上記選択行における光電変換素子からフローティングディフユ一ジョン部への信号電荷転送後の出力信号レベルとフローティングディフユ一ジョン部のリセット後の出力信号レベルとの差を取ることを特徵とする固体撮像装置の駆動方法。

1 2 . 請求の範囲第 1 0項に記載の固体撮像装置の駆動方法において、

上記信号処理手段に相関 2重サンプリング回路を設け、上記垂直選択手段では、連続する 2つの画素行をシャツタ行と選択行として選択し、上記相関 2重サンプリング回路では、上記シャッタ行におけるフローティングディフュージョン部のリセット後の出力信号レベルと、このシャツタ行が次に選択行となつた際の光電変換素子からフ口—ティングディフユ一ジョン部への信号電荷転送後の出力信号レベルとの差を取ることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。

1 3 . 請求の範囲第 1 0項に記載の固体撮像装置の駆動方法において、

上記垂直選択手段では、上記シャッタ行の前に先行するシャッタ行を選択して順次シフ卜させていく機能を備え、この先行するシャッタ行では上記光電変換素子のリセットを行うことを特徴とする請求項 5記載の固体撮像装置の駆動方法。