(57)【要約】【課題】転送トランジスタのゲート下の界面欠陥による暗電流の発生を低減しながら、ダイナミックレンジを拡大することが可能な撮像装置を提供すること。【解決手段】飽和カウンタを用いて比較結果が反転する回数をカウントし、接続手段は出力端子と入力端子を接続する第１のモードと、クロックカウンタを用いて比較結果が反転するまでをカウントし、接続手段は出力端子と入力端子を接続しない第２のモードとを有し、第１のモードでは比較結果が反転することで転送部とリセット部がＯＮされ、光電変換素子およびフローティングディフュージョン容量がリセットされた後、再び転送部とリセット部がＯＦＦされる。【選択図】図１
2020057884.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
輝度に応じて電荷を発生させる光電変換素子と、
前記光電変換素子で発生した電荷が転送されるフローティングディフュージョン容量と、
前記フローティングディフュージョン容量の電圧をリセットするリセット部と、
前記光電変換素子で発生した電荷を前記フローティングディフュージョン容量に転送する転送部と、
比較信号を生成する比較信号生成回路と、
前記フローティングディフュージョン容量の電圧と前記比較信号の電圧とを比較する比較器と、
前記比較器の出力端子と前記転送部及び前記リセット部の入力端子を選択的に接続する接続手段と、
前記フローティングディフュージョン容量の電圧と前記比較信号の電圧との比較結果が反転するまでをカウントするクロックカウンタと、
前記転送部がＯＦＦされている状態で前記光電変換素子から移動した電荷により変化する前記フローティングディフュージョン容量の電圧と前記比較信号の電圧との比較を行い、その比較結果が反転する回数をカウントする飽和カウンタと、
前記飽和カウンタと前記クロックカウンタがカウントした値を記録するメモリ部とを備え、
前記飽和カウンタを用いて比較結果が反転する回数をカウントし、
前記接続手段は前記出力端子と前記入力端子を接続する第１のモードと、
前記クロックカウンタを用いて比較結果が反転するまでをカウントし、
前記接続手段は前記出力端子と前記入力端子を接続しない第２のモードとを有し、
前記第１のモードでは比較結果が反転することで前記転送部と前記リセット部がＯＮされ、前記光電変換素子および前記フローティングディフュージョン容量がリセットされた後、再び前記転送部と前記リセット部がＯＦＦされることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記比較信号生成回路は、時間に対して変化しない基準信号と時間に対して変化するスロープ信号を生成し、
前記撮像装置は、前記基準信号または前記スロープ信号のどちらか一方を前記比較信号として前記比較器に供給する信号選択手段と、
前記飽和カウンタまたは前記クロックカウンタのどちらか一方に比較結果を供給する出力選択手段とを有し、
前記第１のモードにおいて、前記信号選択手段は前記基準信号を前記比較器に供給し、前記出力選択手段は比較結果を前記飽和カウンタに供給し、
前記第２のモードにおいて、前記信号選択手段は前記スロープ信号を前記比較器に供給し、
前記出力選択手段は比較結果を前記クロックカウンタに供給することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記光電変換素子で発生した電荷を排出する電荷排出部を更に有し、
前記第２のモードにおいて、前記電荷排出手段は前記光電変換素子で発生した電荷を排出  することを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記光電変換素子と前記メモリ部とが別々の基板に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記光電変換素子を備える光電変換基板と、
前記比較器を備えるデジタル変換基板と、
前記メモリ部を備える信号処理基板とが、
互いに電気的に接合されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置と、
前記撮像装置の出力したデジタル信号に補正をするための複数の補正関数を記録する補正関数メモリと、
前記撮像装置の出力したデジタル信号に前記複数の補正関数を用いることで補正を行う補正処理回路を備え、
前記補正処理回路は、前記撮像装置が出力したデジタル信号のレベルに応じて前記補正関数メモリに記録された前記複数の補正関数中から補正に用いる補正関数を選択し、選択した補正関数を用いてデジタル信号を補正することを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置に関し、特に撮像装置の構成及び駆動に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置において、ＣＭＯＳイメージセンサなどの撮像素子が広く使用されている。近年では、画素毎にＡＤ変換器を備える撮像素子が提案されている（特許文献１）。この構成では、入力可能な光量が蓄積容量で制限されないため、ダイナミックレンジを拡大することができる。
【０００３】
特許文献１では、光電変換素子で生成された電荷量をＡＤ変換する回路について提案されている。光電変換素子と並列接続される蓄積容量の電圧が所定値に達したときに、蓄積容量の電圧をリセット電圧に戻す。また、リセット回数をカウントし、その回数を出力することでＡＤ変換を行っている。
【０００４】
前記光電変換素子と前記蓄積容量との間に転送トランジスタが配置されており、蓄積容量の電圧をリセット電圧に戻している期間中、この転送トランジスタはＯＦＦとなる。
【０００５】
一方で、光電変換素子で生成される信号電荷を蓄積容量に転送している期間中、転送トランジスタはＯＮとなる。したがって、光電変換素子が発生する電荷量が少ない場合、蓄積期間中において転送トランジスタをＯＮとする時間が長くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−１７３４３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、転送トランジスタがＯＮとなる時間が長くなるにつれて、転送トランジスタのゲート下の界面欠陥によって発生する電子により、暗電流が増加してしまう。このため、増加した暗電流によるノイズの影響を受けて、画質が低下してしまう。
【０００８】
本発明の目的は、このような問題点を解決するため、転送トランジスタのゲート下の界面欠陥による暗電流の発生を低減しながら、ダイナミックレンジを拡大することが可能な撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明に係る撮像装置は、
輝度に応じて電荷を発生させる光電変換素子と、
前記光電変換素子で発生した電荷が転送されるフローティングディフュージョン容量と、
前記フローティングディフュージョン容量の電圧をリセットするリセット部と、
前記光電変換素子で発生した電荷を前記フローティングディフュージョン容量に転送する転送部と、
比較信号を生成する比較信号生成回路と、
前記フローティングディフュージョン容量の電圧と前記比較信号の電圧とを比較する比較器と、
前記比較器の出力端子と前記転送部及び前記リセット部の入力端子を選択的に接続する接続手段と、
前記フローティングディフュージョン容量の電圧と前記比較信号の電圧との比較結果が反転するまでをカウントするクロックカウンタと、
前記転送部がＯＦＦされている状態で前記光電変換素子から移動した電荷により変化する前記フローティングディフュージョン容量の電圧と前記比較信号の電圧との比較を行い、その比較結果が反転する回数をカウントする飽和カウンタと、
前記飽和カウンタと前記クロックカウンタがカウントした値を記録するメモリ部とを備え、
前記飽和カウンタを用いて比較結果が反転する回数をカウントし、
前記接続手段は前記出力端子と前記入力端子を接続する第１のモードと、
前記クロックカウンタを用いて比較結果が反転するまでをカウントし、
前記接続手段は前記出力端子と前記入力端子を接続しない第２のモードとを有し、
前記第１のモードでは比較結果が反転することで前記転送部と前記リセット部がＯＮされ、前記光電変換素子および前記フローティングディフュージョン容量がリセットされた後、再び前記転送部と前記リセット部がＯＦＦされることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、転送トランジスタのゲート下の界面欠陥による暗電流の発生を低減しながら、ダイナミックレンジを拡大することが可能な撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態による画素部の等価回路図である。
【図２】画素部の処理の流れを説明するタイミングチャートである。
【図３】本発明の第１の実施形態による画素部の他の等価回路図である。
【図４】電子機器の構成例を示すブロック図である。
【図５】本発明の第２の実施形態による画素部の等価回路図である。
【図６】本発明の第２の実施形態による撮像装置の概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【実施例】
【００１３】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態による画素部１００の等価回路図である。画素部１００は、受光した被写体像を光電変換し、更にその電気信号をデジタル信号に変換して出力する。画素部１００は、フォトダイオード１０１、転送トランジスタ１０２、フローティングディフュージョン容量１０３、リセットトランジスタ１０４、ソースフォロワ１１５、比較器１０５、転送スイッチ１０６、リセットスイッチ１０７、出力選択スイッチ１０８、比較信号発生回路１０９、信号選択スイッチ１１０、飽和カウンタ１１１、クロックカウンタ１１２、クロックスイッチ１１３、メモリ部１１４を備える。
【００１４】
フォトダイオード１０１は、受光する光に応じた信号電荷を発生し蓄積する。転送トランジスタ１０２は、後述する転送スイッチ１０６からの信号によりＯＮ／ＯＦＦが制御され、フォトダイオード１０１で蓄積した信号電荷をフローティングディフュージョン容量１０３へ転送する。フローティングディフュージョン容量１０３は、後述するソースフォロワ１１５のゲート電極及び転送トランジスタ１０２と電気的につながった容量である。
【００１５】
リセットトランジスタ１０４は、後述するリセットスイッチ１０７からの信号によりＯＮ／ＯＦＦが制御され、フォトダイオード１０１やフローティングディフュージョン容量１０３に存在する不要信号電荷をリセットする。ソースフォロワ１１５は、フローティングディフュージョン容量１０３に転送された信号電荷を電圧に変換し比較器１０５へ出力する。
【００１６】
比較器１０５は、後述する比較信号発生回路１０９から供給された基準信号の電圧ＶＲまたはスロープ信号の電圧ＶＳとフローティングディフュージョン容量１０３の電圧ＶＦＤを比較し、その比較結果（ＶＣＯＭＰ）を出力する。比較器１０５の出力は接続手段である転送スイッチ１０６、リセットスイッチ１０７及び選択手段である出力選択スイッチ１０８に供給される。
【００１７】
転送スイッチ１０６は、信号ＥＴＸにより制御され、比較器１０５の出力または信号ＰＴＸのどちらか一方の信号を転送トランジスタ１０２に供給する。リセットスイッチ１０７は、信号ＥＲＥＳにより制御され、比較器１０５の出力または信号ＰＲＥＳのどちらか一方の信号をリセットトランジスタ１０４に供給する。ここで、信号ＥＴＸや信号ＥＲＥＳが「Ｌ」となっている場合、ＶＣＯＭＰに従って転送トランジスタ１０２やリセットトランジスタ１０４のＯＮ／ＯＦＦが切り替わる。出力選択スイッチ１０８は、信号ＥＲＥＦにより制御され、比較器１０５の出力を後述する飽和カウンタ１１１またはクロックカウンタ１１２に供給する。
【００１８】
比較信号発生回路１０９は、電圧ＶＦＤとの比較のための比較信号である基準信号及びスロープ信号を生成する。これらの信号は後述する信号選択スイッチ１１０に供給される。選択手段である信号選択スイッチ１１０は、信号ＥＲＥＦにより制御され、比較信号発生回路１０９から供給された基準信号またはスロープ信号のどちらか一方を比較器１０５に供給する。
【００１９】
飽和カウンタ１１１は、比較器１０５が電圧ＶＦＤと基準信号の電圧ＶＲを比較し、電圧ＶＦＤが電圧ＶＲよりも小さいと判定された回数をカウントし記録する。また、飽和カウンタ１１１は記録した値（ＣＮＴＳ）をメモリ部１１４に供給する。クロックカウンタ１１２は、後述するクロックスイッチ１１３からクロックが供給され、そのクロックを用いてカウント動作を行う。また、クロックカウンタ１１２は比較器１０５が電圧ＶＦＤとスロープ信号の電圧ＶＳを比較し、電圧ＶＳが電圧ＶＦＤよりも小さいと判定された際のカウント値を記録する。加えて、クロックカウンタ１１２は記録したカウント値をメモリ部１１４に供給する。クロックスイッチ１１３は、信号ＥＲＥＦにより制御され、クロックカウンタ１１２にクロックを供給する。メモリ部１１４は、飽和カウンタ１１１とクロックカウンタ１１２から供給された値に対し演算を行い、その結果を画素部外へ出力する。
【００２０】
図２は本発明の画素部１００の処理の流れを説明するタイミングチャートである。図１及び図２を参照し、画素部１００で発生した信号電荷をデジタル信号に変換し、画素部外へ出力するまでの一連の動作について説明する。なお、図２（ａ）はフォトダイオード１０１に入射する光の強度が小さい場合であり、図２（ｂ）はフォトダイオード１０１に入射する光の強度が大きい場合である。
【００２１】
まず、図２（ａ）を用いてフォトダイオード１０１に入射する光の強度が小さい場合の動作例について説明する。図２（ａ）において、フォトダイオード１０１にて信号電荷を蓄積する前に、信号ＥＲＥＳを「Ｈ」とし、信号ＰＲＥＳをリセットトランジスタ１０４に供給する。また、信号ＰＴＸと信号ＰＲＥＳを「Ｈ」にし、転送トランジスタ１０２とリセットトランジスタ１０４をＯＮにする。これにより、フォトダイオード１０１とフローティングディフュージョン容量１０３の不要信号電荷をリセットする。
【００２２】
時刻ｔ２００において、信号ＰＲＥＳを「Ｌ」にし、リセットトランジスタ１０４がＯＦＦされ、リセット状態が解除される。そして、フォトダイオード１０１は信号電荷を発生し、その信号電荷の蓄積を開始する。また、信号ＥＲＥＳ、ＥＴＸを「Ｌ」にし、転送トランジスタ１０２とリセットトランジスタ１０４のゲートに比較器１０５の出力を供給する。信号ＥＲＥＦが「Ｌ」となり、信号選択スイッチ１１０は比較信号発生回路１０９から比較器１０５へ基準信号を供給する。同様に、出力選択スイッチ１０８は比較器１０５の比較結果ＶＣＯＭＰを飽和カウンタ１１１に供給する。比較器１０５は基準信号の電圧ＶＲとフローティングディフュージョン容量１０３の電圧ＶＦＤを比較し始める。
【００２３】
このとき、転送トランジスタ１０２のゲートに負電圧を印加することで転送トランジスタ１０２をＯＦＦさせる。負電圧を印加することで、転送トランジスタ１０２のゲート下に正孔が誘起される。この誘起された正孔は、ゲート下の界面欠陥により発生する電子と結合される。これにより、暗電流の原因である界面欠陥に発生する電子の数が低減される。したがって、転送トランジスタ１０２のゲートに負電圧を印加して転送トランジスタ１０２をＯＦＦさせることで、暗電流の発生を低減させることができる。
【００２４】
転送トランジスタ１０２をＯＦＦしていることで、フォトダイオード１０１で蓄積した信号電荷はフローティングディフュージョン容量１０３に転送されない。しかし、入射する光の強度によってはフォトダイオード１０１で発生した信号電荷の量がフォトダイオード１０１自体で蓄積できる電荷量を超えてしまう。この蓄積できる電荷量を超えて発生する信号電荷は、転送トランジスタ１０２を介してフローティングディフュージョン容量１０３に移動する。
【００２５】
時刻ｔ２０１において、フォトダイオード１０１自体で蓄積できる電荷量を超えて発生する信号電荷がフローティングディフュージョン容量１０３に移動する。その結果、電圧ＶＦＤはリセット状態の電圧から徐々に低下しはじめる。
【００２６】
時刻ｔ２０２において、電圧ＶＦＤが電圧ＶＲを下回ると、比較結果ＶＣＯＭＰが「Ｈ」となり、転送トランジスタ１０２、リセットトランジスタ１０４及び飽和カウンタ１１１にその結果が供給される。転送トランジスタ１０２とリセットトランジスタ１０４がＯＮとなり、フォトダイオード１０１とフローティングディフュージョン容量１０３の信号電荷がリセットされる。飽和カウンタ１１１は比較結果ＶＣＯＭＰに応じてカウントする。
【００２７】
時刻ｔ２０３において、フォトダイオード１０１及びフローティングディフュージョン容量１０３の電圧がリセットされた状態となる。そして、フォトダイオード１０１は再び信号電荷を発生かつ蓄積を開始する。比較器１０５はリセットされた電圧ＶＦＤと電圧ＶＲを比較する。比較の結果、ＶＣＯＭＰは「Ｌ」となり、転送トランジスタ１０２及びリセットトランジスタ１０４はＯＦＦされる。
【００２８】
時刻ｔ２０４において、信号ＥＲＥＳを「Ｈ」にし、信号ＰＲＥＳをリセットトランジスタ１０４に供給する。また、信号ＰＲＥＳを「Ｈ」にし、リセットトランジスタ１０４をＯＮにする。これにより、フローティングディフュージョン容量１０３に存在する信号電荷がリセットされる。信号ＥＴＸを「Ｈ」にし、転送スイッチ１０６は転送トランジスタ１０２へ信号ＰＴＸを供給する。この時、信号ＰＴＸは「Ｌ」とする。
【００２９】
時刻ｔ２００から時刻ｔ２０４までの動作（第１のモード）により、飽和カウンタ１１１はＣＮＴＳをメモリ部１１４へ供給する。時刻ｔ２０４が終了した時点でフォトダイオード１０１での信号電荷の発生と蓄積（蓄積時間）が終了する。
【００３０】
時刻ｔ２０５において、信号ＰＲＥＳを「Ｌ」にし、リセットトランジスタ１０４がＯＦＦされ、リセット状態が解除される。また、信号ＥＲＥＦを「Ｈ」にし、信号選択スイッチ１１０は比較信号発生回路１０９から比較器１０５へスロープ信号を供給する。クロックスイッチ１１３はクロックカウンタ１１２にクロックを供給する。クロックカウンタ１１２は供給されたクロックを用いてカウント動作を開始する。出力選択スイッチ１０８を介して比較器１０５とクロックカウンタ１１２とを接続する。そして、比較器１０５は電圧ＶＦＤと電圧ＶＳとを比較し始め、その結果をクロックカウンタ１１２へ供給する。
【００３１】
時刻ｔ２０６において、電圧ＶＦＤが電圧ＶＳを上回ると比較結果ＶＣＯＭＰが「Ｈ」となる。同時にクロックカウンタ１１２はこの時のカウント値（以降、Ｎ値とする）をメモリ部１１４に供給する。この処理により、電圧ＶＦＤのレベルに応じたＡＤ変換結果を取得することができる。このＮ値は、リセット状態が解除されたときの電圧をＡＤ変換した値であり、この値にはリセットノイズ成分が含まれている。
【００３２】
時刻ｔ２０７において、スロープ信号の電圧ＶＳが一定の値に達したため、電圧ＶＦＤと電圧ＶＳとの比較が終了する。また、クロックカウンタ１１２に供給されているクロックが停止し、クロックカウンタ１１２もカウント動作を停止する。
【００３３】
時刻ｔ２０８から時刻ｔ２０９において、信号ＰＴＸが「Ｈ」となり、転送トランジスタ１０２がＯＮされ、フォトダイオード１０１に蓄積された信号電荷がフローティングディフュージョン容量１０３に転送される。
【００３４】
時刻ｔ２１０において、比較信号発生回路１０９は比較器１０５へスロープ信号を供給する。また、クロックカウンタ１１２にクロックを供給し、カウント動作を開始する。比較器１０５は電圧ＶＦＤと電圧ＶＳとを比較し始め、その結果をクロックカウンタ１１２へ供給する。
【００３５】
時刻ｔ２１１において、電圧ＶＦＤが電圧ＶＳを上回ると比較結果ＶＣＯＭＰが「Ｈ」となる。同時にクロックカウンタ１１２はこの時のカウント値（以降、Ｓ値とする）をメモリ部１１４に供給する。電圧ＶＦＤのレベルに応じたＡＤ変換結果を取得することができる。
【００３６】
このＳ値には、光成分（ＬＳ）、リセットノイズ成分と暗電流によるノイズ成分（ＮＤＣ）が含まれている。このＮＤＣはトランジスタのゲート下の界面欠陥で発生する電子の増減によって決まるものである。このＮＤＣのうち、時刻ｔ２００から時刻ｔ２０４までの期間中に転送トランジスタ１０２がＯＮとなることで発生する成分がある。
【００３７】
上述した駆動では、フォトダイオード１０１で発生する信号電荷の蓄積を行う時刻ｔ２００から時刻ｔ２０４において、時刻ｔ２００から時刻ｔ２０２及び時刻ｔ２０３から時刻ｔ２０４までは転送トランジスタ１０２をＯＦＦする。これにより、転送トランジスタ１０２をＯＮする時間が短くなり、ゲート下の界面欠陥で発生する電子の数を低減できる。結果として、Ｓ値に含まれるＮＤＣを低減することができる。
【００３８】
時刻ｔ２１２において、スロープ信号ＶＳが一定の値（時刻ｔ２０６よりも低い値）に達したため、電圧ＶＦＤと電圧ＶＳとの比較が終了する。また、クロックカウンタ１１２に供給されているクロックが停止し、クロックカウンタ１１２もカウント動作を停止する。時刻ｔ２０５から時刻ｔ２１２までの動作（第２のモード）が終了した後、メモリ部１１４は時刻ｔ２１１で得られたＳ値から時刻ｔ２０６で得られたＮ値を減算する。この減算により、Ｓ値からリセットノイズ成分を除去した値を得ることができる。そして、時刻ｔ２０４で飽和カウンタ１１１が供給したＣＮＴＳが最上位ビット側に配置されるようにＣＮＴＳと減算されたＳ値を結合する。画素部１００はこの結合された値（以降、デジタル信号と呼ぶ）を画素部外へ出力する。この出力するデジタル信号（ＤＯＵＴ）は、
ＤＯＵＴ＝（ＣＮＴＳ×ＥＣ）＋（ＬＳ＋ＮＤＣ）
という値となる。ＥＣは転送トランジスタ１０２がＯＦＦとなっている時にフォトダイオード１０１で蓄積できる電荷量に応じた値となる。図２（ａ）の場合、時刻ｔ２００から時刻ｔ２０４において、転送トランジスタ１０２をＯＮさせる時間はフローティングディフュージョン容量１０３のリセット期間に限られるので、転送トランジスタ１０２のゲート下の界面欠陥によって発生する暗電流を低減したデジタル信号を生成することができる。
【００３９】
次に、図２（ｂ）を用いてフォトダイオード１０１に入射する光の強度が大きい場合の動作例について説明する。時刻ｔ２２０から時刻ｔ２２３までの動作は図２（ａ）の時刻ｔ２００から時刻ｔ２０３までの動作と同様のため省略する。
【００４０】
上述した動作を時刻ｔ２２４から時刻ｔ２２９まで繰り返し、飽和カウンタ１１１にてフォトダイオード１０１が蓄積できる電荷量を超えた回数をカウントする。時刻ｔ２３０の動作は図２（ａ）の時刻ｔ２０４と同様のため省略する。時刻ｔ２２０から時刻ｔ２３０までの動作により、飽和カウンタ１１１はＣＮＴＳをメモリ部１１４へ供給する。
【００４１】
時刻ｔ２３０が終了した時点でフォトダイオード１０１での信号電荷の発生と蓄積（蓄積時間）が終了する。なお、図２（ｂ）の場合、時刻ｔ２２０から時刻ｔ２３０までの動作が第１のモードとなる。
【００４２】
第２のモードである時刻ｔ２３１から時刻ｔ２３８までの動作は図２（ａ）の時刻ｔ２０５から時刻２１２までの動作と同様のため省略する。メモリ部１１４は時刻ｔ２３７で得られたＳ値から時刻ｔ２３２で得られたＮ値を減算し、リセットノイズ成分を除去する。そして、飽和カウンタ１１１が供給したＣＮＴＳが最上位ビット側に配置されるようにＣＮＴＳと減算されたＳ値を結合する。画素部１００はデジタル信号（ＤＯＵＴ）を画素部外へ出力する。
【００４３】
図２（ｂ）の場合、図２（ａ）と比べて転送トランジスタ１０２をＯＮさせる時間が増えるため、ＮＤＣが増加する。しかし、出力するデジタル信号全体に占めるＮＤＣの割合は十分に小さいので問題にはならない。
【００４４】
以上、図１及び図２を用いて説明した処理を行うことで、本撮像装置は転送トランジスタ１０２がＯＮとなる時間を短くし、転送トランジスタ１０２のゲート下の界面欠陥による暗電流の発生を低減しながらダイナミックレンジを拡大したデジタル信号を得ることができる。
【００４５】
なお、図２のタイミングチャートの各時刻間は下記のような関係となる。例えば、クロックカウンタ１１２に供給されるクロックの周波数が１ＧＨｚかつ画素部１００のＡＤ変換の分解能が１２ｂｉｔの場合、第２のモードでＳ値及びＮ値を取得する期間の合計時間は１０μｓｅｃ以内となる。
【００４６】
一方、この画素部１００と絞り値をＦ５．６としたレンズを用いて、光量ＬＶ１２である被写体を撮影する場合、第１のモードを１００ｍｓ以上に設定するとフォトダイオード１０１で発生した信号電荷の量が、フォトダイオード１０１自体で蓄積できる電荷量を超えることになる。したがって、第２のモードの時間は第１のモードの時間に比べて十分に短い。故に、第２のモードでは、フォトダイオード１０１で発生した信号電荷の量がフォトダイオード１０１自体で蓄積できる電荷量を超え、フローティングディフュージョン容量１０３の電圧ＶＦＤが変化することは少ない。
【００４７】
図３は画素部１００の他の等価回路例を示す図である。本例の画素部３００は、図１に示した画素部１００の回路構成に加え、オーバーフロードレイントランジスタ３０１を更に備える。オーバーフロードレイントランジスタ３０１は、信号ＰＯＦによりＯＮ／ＯＦＦが制御され、フォトダイオード１０１で発生した信号電荷を排出する。
【００４８】
図１の画素部１００において、図２（ｂ）のようにフォトダイオード１０１に入射する光の強度が大きい場合、Ｓ値及びＮ値を取得している第２のモードにおいて、フォトダイオード１０１で発生した信号電荷の量がフォトダイオード１０１自体で蓄積できる電荷量を超える。この結果、フローティングディフュージョン容量１０３の電圧ＶＦＤが変化してしまう。
【００４９】
この変化を抑制するために、図３の画素部３００においてＳ値及びＮ値の取得をしている期間中、信号ＰＯＦを「Ｈ」とし、オーバーフロードレイントランジスタ３０１をＯＮする。これにより、フォトダイオード１０１で発生かつ蓄積した信号電荷を排出し、電圧ＶＦＤの変化を抑制する。信号ＰＯＦを「Ｈ」とする期間は、図２（ａ）の時刻ｔ２０４から時刻ｔ２１２、図２（ｂ）の時刻ｔ２３０から時刻ｔ２３８の期間で行う。このように、オーバーフロードレイントランジスタ３０１を動作させることで、第２モード中に電圧ＶＦＤが変化することを抑制できる。
【００５０】
オーバーフロードレイントランジスタ３０１を備えることで、例えば、撮影時に目的の被写体よりも光の強度がより大きい被写体が存在した場合、第２のモード中にフォトダイオード１０１で発生かつ蓄積した信号電荷を排出し、電圧ＶＦＤの変化を抑制することができる。なお、オーバーフロードレイントランジスタ３０１の動作として、図２（ａ）の時刻ｔ２００及び図２（ｂ）の時刻ｔ２２０の前に信号ＰＯＦを「Ｈ」とし、フォトダイオード１０１に蓄積されている不要信号電荷を排出するようにしてもよい。
【００５１】
本発明の画素部１００は図２で示したように、フォトダイオード１０１自体で蓄積できる電荷量を超えた信号電荷がフローティングディフュージョン容量１０３に移動することで、電圧ＶＦＤが変化する。この画素部１００を構成するフォトダイオード１０１は、感度のばらつきや蓄積できる電荷量（ＥＣ）のばらつきがある。これらのばらつきにより画素部毎に電圧ＶＦＤが電圧ＶＲを下回る時刻、すなわち図２（ａ）の時刻ｔ２０１や図２（ｂ）の時刻ｔ２２２、ｔ２２５、ｔ２２８が異なることになる。このばらつきの影響を低減する方法について説明する。
【００５２】
図４は図１で示した画素部１００で構成される撮像装置を備える電子機器の構成例を示すブロック図である。電子機器４００は、レンズ４０１、撮像装置４０２、ＤＳＰ４０３、補正関数メモリ４０４から構成されている。
【００５３】
レンズ４０１は被写体像を撮像装置４０２に結像させる。このレンズ４０１内には、開口径が変化し、露出量を調節するための絞り値を決定する絞りを備える。撮像装置４００には画素部１００が行方向及び列方向に２次元配置されている。各画素部１００は被写体像を光電変換及びＡＤ変換によりデジタル信号を出力する。ＤＳＰ４０３は撮像装置４０２から供給されたデジタル信号に、後述する補正関数を用いた補正処理、各種画像処理や圧縮処理を行う。
【００５４】
補正関数メモリ４０４は、各画素部１００から出力されるデジタル信号を補正するための補正関数が記録されている。補正関数メモリ４０４はＤＳＰ４０３の要求により、補正関数をＤＳＰ４０３へ供給する。また、補正関数はＤＳＰ４０３により変更や追加をすることができる。
【００５５】
次に、補正関数を用いて補正を行う処理について説明する。撮像装置４０２は、レンズ４０１により入射光を受光する。画素部１００は照射された光に応じたデジタル信号をＤＳＰ４０３へ供給する。ＤＳＰ４０３は供給されたデジタル信号のレベルを評価する。ＤＳＰ４０３は評価したレベルに応じて、補正関数メモリ４０４に記録されている複数の補正関数から、補正に用いる補正関数を選択する。補正関数メモリ４０４は選択された補正関数をＤＳＰ４０３へ供給する。ＤＳＰ４０３は供給された補正関数を用いてデジタル信号を補正する。これにより、画素部毎のばらつきを低減したデジタル信号を生成することができる。
【００５６】
次に、補正関数の生成方法について説明する。均一の強度である入射光を撮像装置４０２の各画素部１００に入射する。ＤＳＰ４０３は各画素部１００が出力したデジタル信号から、それらの平均値を算出する。この平均値を基に補正関数を生成する。例えば、画素部１００が出力したデジタル信号のレベルが平均値と差分がある場合、この差分をなくすように補正値を決定する。この補正値を補正関数として、補正関数メモリ４０４に記録する。この補正関数を生成する処理を、光の強度を変更して行うことでデジタル信号のレベルに応じた補正関数を生成する。これにより、デジタル信号のレベルに応じた複数の補正関数を生成することができる。
【００５７】
ここで、補正関数の生成は撮影時の温度に応じて行ってもよいし、撮像装置の駆動モードに応じて行ってもよい。温度に応じて補正関数を生成する場合、例えば電子機器４００に温度計を備える。この温度計により撮影時の温度を取得し、その取得した温度情報を基に補正関数の生成を行う。撮像装置の駆動モードに応じて補正関数を生成する場合、例えば静止画撮影時の駆動モードの露出時間に応じて補正関数を生成してもよいし、動画撮影時の駆動モードのフレームレート設定毎に補正関数を生成してもよい。
【００５８】
以上述べてきた構成及び処理を行うことで、本発明に係る撮像装置は、転送トランジスタのゲート下の界面欠陥による暗電流の発生を低減しながら、ダイナミックレンジを拡大することができる。ここで、補正関数を生成する方法は一例であり、他の方法で補正関数を生成してもよい。
【００５９】
（第２の実施形態）
図５は本発明の第２の実施形態による画素部１００の等価回路図である。図１に示す第１の実施形態の画素部１００の構成と異なる点を説明する。光電変換部５００は、フォトダイオード１０１、転送トランジスタ１０２、フローティングディフュージョン容量１０３、リセットトランジスタ１０４、転送スイッチ１０６、リセットスイッチ１０７及びソースフォロワ１１５から構成される。比較部５０１は、比較器１０５、比較信号発生回路１０９及び信号選択スイッチ１１０で構成されている。信号処理部５０２は、出力選択スイッチ１０８、飽和カウンタ１１１、クロックカウンタ１１２、クロックスイッチ１１３及びメモリ部１１４で構成されている。
【００６０】
なお、図５の等価回路図は図１に示した画素部１００を基に構成されているが、図３の画素部３００を基に構成されていてもよい。この場合、光電変換部５００にはオーバーフロードレイントランジスタ３０１が追加される。
【００６１】
図６は図５で説明した画素部１００を備える撮像装置の概念図である。撮像装置６００は、光電変換基板６０１、デジタル変換基板６０２及び信号処理基板６０３から構成されており、それぞれの基板が積層された構造となっている。光電変換基板６０１、デジタル変換基板６０２及び信号処理基板６０３には、それぞれ光電変換部５００、比較部５０１及び信号処理部５０２が行方向及び列方向に２次元配置されている。図６には示していないが、ビアやマイクロバンプによりそれぞれの基板は電気的に結合している。
【００６２】
それぞれの基板を電気的に結合することで、光電変換基板６０１の光電変換部５００で発生した信号電荷と基準信号またはスロープ信号をデジタル変換基板６０２の比較部５０１で比較する。そして、信号処理基板６０３の信号処理部５０２は、比較部５０１の比較結果を用いることで信号電荷をデジタル信号に変換し、撮像装置外へ出力する。
【００６３】
本発明の撮像装置は、第１の実施形態の画素部を備えており、転送トランジスタのゲート下の界面欠陥による暗電流の発生を低減しながら、ダイナミックレンジを拡大することができる。なお、本実施形態では比較部５０１と信号処理部５０２を別々の基板に配置したが、それぞれの回路面積に応じて、同じ基板上に配置してもよい。また、光電変換を行うフォトダイオード１０１の面積を広げる場合、光電変換部５００を構成する回路素子をデジタル変換基板６０２などの光電変換部６０１以外の基板に配置してもよい。
【００６４】
以上、二つの実施形態より本発明に係る撮像装置は、転送トランジスタのゲート下の界面欠陥による暗電流の発生を低減しながら、ダイナミックレンジを拡大することができる。以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。なお、本実施形態の撮像装置では、一つの比較器を用いて電圧ＶＦＤと電圧ＶＲまたは電圧ＶＳを比較するが、二つの比較器を備える構成にしてもよい。この場合、一つ目の比較器が電圧ＶＦＤと電圧ＶＲを比較し、二つ目の比較器が電圧ＶＦＤと電圧ＶＳを比較する。また、一つの比較信号発生回路から基準信号及びスロープ信号を生成したが、それぞれの信号を別々の比較信号発生回路が生成してもよい。
【符号の説明】
【００６５】
１００  画素部、１０１  フォトダイオード、１０２  転送トランジスタ、
１０３  フローティングディフュージョン容量、
１０４  リセットトランジスタ、１０５  比較器、
１０６  転送スイッチ、１０７  リセットスイッチ、
１０８  出力選択スイッチ、１０９  比較信号発生回路、
１１０  信号選択スイッチ、１１１  飽和カウンタ、
１１２  クロックカウンタ、１１３  クロックスイッチ、
１１４  メモリ部、１１５  ソースフォロワ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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