(57)【要約】【課題】高速及び高画質な画素混合機能を有する固体撮像装置を提供する。【解決手段】２次元状に配列され、受光量に応じた信号を出力する複数の画素２と、画素２を行単位で選択し、選択した画素から信号を出力させる行選択回路３と、画素２の列に対応して設けられ、対応する列の複数の画素２と接続され、接続された画素２から出力された信号を伝達する垂直信号線１９と、垂直信号線１９に対応して設けられ、対応する垂直信号線１９に接続され、接続された垂直信号線１９に画素２から信号が出力されるとき該垂直信号線１９に電流を供給する画素電流源回路４と、行選択回路３により同時に選択される画素２の行数、及び画素電流源回路４により供給される電流の値を切り替える制御部９とを備える。【選択図】図１
2010259027.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元状に配列され、受光量に応じた信号を出力する複数の画素と、
前記画素を行単位で選択し、選択した画素から信号を出力させる行選択回路と、
前記画素の列に対応して設けられ、対応する列の複数の画素と接続され、接続された画素から出力された信号を伝達する垂直信号線と、
前記垂直信号線に対応して設けられ、対応する垂直信号線に接続され、接続された垂直信号線に画素から信号が出力されるとき該垂直信号線に電流を供給する画素電流源と、
前記行選択回路により同時に選択される画素の行数、及び前記画素電流源により供給される電流の値を切り替える制御部とを備える
固体撮像装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記行選択回路により同時に選択される行数に基づいて、前記画素電流源により供給される電流の値を切り替える
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記行選択回路により複数の行が同時に選択されるときに１つの行のみが選択されるときよりも大きな値の電流が前記画素電流源により供給されるように、電流の値を切り替える
請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記固体撮像装置は、さらに、異なる前記垂直信号線に出力された信号を混合する混合回路を備える
請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記固体撮像装置は、さらに、異なる前記垂直信号線に出力された信号を伝達する水平共通信号線を備え、
前記混合回路は、
前記垂直信号線に対応して設けられ、対応する垂直信号線にゲートが接続され、ドレインが電源又はグランドに接続され、ソースが前記水平共通信号線と接続されたトランジスタと、
前記水平共通信号線に電流を供給する電流源とから構成される
請求項４記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記固体撮像装置は、さらに、異なる前記垂直信号線の間の接続及び非接続を切り替えるスイッチを備える
請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記固体撮像装置は、さらに、前記垂直信号線に対応して設けられ、対応する垂直信号線に接続され、接続された垂直信号線に出力された信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器を備える
請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記固体撮像装置は、さらに、異なる前記ＡＤ変換器によりデジタル信号に変換された信号を混合するデジタル回路を備える
請求項７記載の固体撮像装置。
【請求項９】
２次元状に配列され、受光量に応じた信号を出力する複数の画素と、
前記画素を行単位で選択し、選択した画素から信号を出力させる行選択回路と、
前記画素の列に対応して設けられ、対応する列の複数の画素と接続され、接続された画素から出力された信号を伝達する垂直信号線と、
前記垂直信号線に対応して設けられ、対応する垂直信号線に接続され、接続された垂直信号線に画素から信号が出力されるとき該垂直信号線に電流を供給する画素電流源と、
前記行選択回路により複数の行が同時に選択されるように前記行選択回路を制御する制御部とを備える
固体撮像装置。
【請求項１０】
前記制御部は、前記行選択回路により同時に選択された複数の行の画素の信号電圧が電圧領域で加算平均されるように、前記行選択回路を制御する
請求項９記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記画素は、
光電変換により生じた電荷を蓄積するフローティングディフュージョンと、
同じ前記フローティングディフュージョンに接続され、該フローティングディフュージョンの示す電圧に追従して変化する信号電圧を出力する、ゲート幅、ゲート長及びゲート酸化膜の膜厚の少なくとも１つが異なる第１トランジスタ及び第２トランジスタとを有し、
前記制御部は、前記第１トランジスタ及び前記第２トランジスタのいずれか一方を選択し、選択したトランジスタから信号電圧を出力させる
請求項９記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記制御部は、前記行選択回路により同時に選択される行数に基づいて、前記トランジスタの選択を行う
請求項１１記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
前記第２トランジスタは、ゲート幅、ゲート長及びゲート酸化膜の膜厚の少なくとも１つが前記第１トランジスタよりも大きく、
前記制御部は、前記行選択回路により１つの行のみが選択されるときに前記第１トランジスタを選択し、前記行選択回路により複数の行が同時に選択されるときに前記第２トランジスタを選択する
請求項１２記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射された光を光電変換する画素が半導体基板上に２次元状に配置されて構成される固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＯＳ型イメージセンサは高速及び高感度など優れた特徴があり、ＭＯＳ型イメージセンサを搭載したデジタル一眼レフカメラ（ＤＳＬＲ）の市場は近年急速に拡大している。また、従来、ＤＳＬＲでは当初ＭＯＳ型イメージセンサは静止画撮影にのみ使用され、ファインダとしては従来の光学ファインダが使用されていた。これに対し、最近はカメラボディーに搭載されている小型液晶ディスプレイにイメージセンサで検出したモニター画像をリアルタイムに表示するライブビュー機能も搭載したカメラが主流になってきている。そのため、多くのイメージセンサでは静止画撮影のための全画素読み出しモードとライブビュー用の画素混合モードが搭載されている。
【０００３】
図１９は特許文献１に開示された従来技術の固体撮像装置の全体構成を示す図である。
【０００４】
この固体撮像装置は、画素信号を混合するモードと画素信号を混合しないモードとの両モードでのＳ／Ｎ向上を目的にする固体撮像装置であって、信号処理部１００と、複数の単位セル（画素）５００が２次元状に配置されてなるイメージエリア（撮像領域）５１０と、垂直信号線５２０と、行選択回路５３０と、垂直信号線５２０と接続された負荷トランジスタ群５４０と、列選択回路５６０と、水平共通信号線５７０と、水平信号線５７０と接続された出力アンプ５８０とから構成されている。
【０００５】
画素５００は、フォトダイオード５０１と、読み出しトランジスタ５０２と、増幅トランジスタ５０３と、リセットトランジスタ５０４と、垂直選択トランジスタ５０５と、ＦＤ（フローティングディフュージョン）５０６とから構成される。ｎ行目の画素５００の読み出しトランジスタ５０２、リセットトランジスタ５０４及び垂直選択トランジスタ５０５のゲートには、それぞれＲＥＡＤ（ｎ）、ＲＥＳＥＴ（ｎ）及びＬＳＥＴ（ｎ）が供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３０４７７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来技術の固体撮像装置では、垂直方向で混合する画素の数（垂直画素数）に対応して信号処理部にＳ／Ｈ容量が個別に設けられ、画素信号の混合が行われる場合、対応するＳ／Ｈ容量に個別に画素信号が転送され、水平共通信号線で画素信号が混合される。従って、高速データ読出しを行うことが難しく、ＤＳＬＲのライブビューで高速動作する被写体に対する応答性が低いという課題がある。また、垂直画素数を増やす場合は、Ｓ／Ｈ容量の個数が多くなり、チップサイズが大きくなるという課題が生じる。
【０００８】
一方、垂直方向で画素を間引いて読み出し、水平方向の画素のみの混合にすれば高速なライブビュー用モードを実現できるが、画質が劣化するという課題が生じる。
【０００９】
前記課題を鑑み、本発明は、高速な画素混合機能を有する小型の固体撮像装置を提供することを第１の目的とする。
【００１０】
また、本発明は、高画質な画素混合機能を有する固体撮像装置を提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、２次元状に配列され、受光量に応じた信号を出力する複数の画素と、前記画素を行単位で選択し、選択した画素から信号を出力させる行選択回路と、前記画素の列に対応して設けられ、対応する列の複数の画素と接続され、接続された画素から出力された信号を伝達する垂直信号線と、前記垂直信号線に対応して設けられ、対応する垂直信号線に接続され、接続された垂直信号線に画素から信号が出力されるとき該垂直信号線に電流を供給する画素電流源と、前記行選択回路により同時に選択される画素の行数、及び前記画素電流源により供給される電流の値を切り替える制御部とを備えることを特徴とする。
【００１２】
これによって、個別のＳ／Ｈ容量に行ごとの信号を蓄積して水平共通信号線上で信号を混合するのではなく、複数の行を同時に選択して垂直信号線に複数の行の信号を同時に出力させ、信号を垂直信号線上で混合して信号の混合を行うことができるため、高速な画素混合機能が得られる。また、混合する画素の数に対応してＳ／Ｈ容量を個別に設ける必要がないため、チップサイズを小さくし、固体撮像装置の小型化を実現できる。
【００１３】
また、画素の信号の混合を行う画素混合モード時と混合を行わない全画素読み出しモード時とで画素電流源の電流値を切り替え、画素電流源の電流値を最適な値に設定することができるので、全画素読み出しモード時と画素混合モード時との両方で画素でのダイナミックレンジを広く確保することができ、高画質化が実現できる。
【００１４】
また、本発明は、２次元状に配列され、受光量に応じた信号を出力する複数の画素と、前記画素を行単位で選択し、選択した画素から信号を出力させる行選択回路と、前記画素の列に対応して設けられ、対応する列の複数の画素と接続され、接続された画素から出力された信号を伝達する垂直信号線と、前記垂直信号線に対応して設けられ、対応する垂直信号線に接続され、接続された垂直信号線に画素から信号が出力されるとき該垂直信号線に電流を供給する画素電流源と、前記行選択回路により複数の行が同時に選択されるように前記行選択回路を制御する制御部とを備えることを特徴とする固体撮像装置とすることもできる。
【００１５】
これによって、画素からの信号を垂直信号線上で混合して信号の混合を行うことができるため、高速な画素混合機能が得られる。また、混合する画素の数に対応してＳ／Ｈ容量を個別に設ける必要がないため、チップサイズを小さくし、固体撮像装置の小型化を実現できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る固体撮像装置によれば、高速な画素混合機能を有する小型の固体撮像装置を実現できる。また、高画質な画素混合機能を有する固体撮像装置を実現できる。すなわち、高速に高画質な画素混合を行うことで、高画質な静止画撮影機能と高速なライブビュー機能との両立が可能な固体撮像装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態における固体撮像装置の全体構成を示す図である。
【図２】同実施形態における固体撮像装置の画素の構成を詳細に示す図である。
【図３】同実施形態における固体撮像装置の画素電流源回路の構成を詳細に示す図である。
【図４】同実施形態における固体撮像装置の列回路の構成を詳細に示す図である。
【図５】同実施形態における固体撮像装置のＭＵＸの構成を詳細に示す図である。
【図６】同実施形態における固体撮像装置で全画素読み出しモード時に画素と列回路とに供給される各制御信号のタイミングを示す図である。
【図７】同実施形態における固体撮像装置で垂直方向に２画素で水平方向に２画素の計４画素の画素信号が混合される画素混合モード時に画素と列回路とに供給される各制御信号のタイミングを示す図である。
【図８Ａ】同実施形態における固体撮像装置で図６の全画素読み出しモード時のタイミングｔ４におけるＶｆｄとＶｏとの関係を示す図である。
【図８Ｂ】同実施形態における固体撮像装置の垂直方向に２画素の画素信号が混合される図７の画素混合モード時のタイミングｔ４におけるＶｆｄ１及びＶｆｄ２とＶｏとの関係を示す図である。
【図８Ｃ】同実施形態における固体撮像装置の垂直方向に３画素の画素信号が混合される画素混合モード時におけるＶｆｄ１、Ｖｆｄ２及びＶｆｄ３とＶｏとの関係を示す図である。
【図９Ａ】同実施形態における固体撮像装置の全画素読み出しモード時及び垂直方向に２画素の画素信号が混合される画素混合モード時のＦＤの使用レンジとＩｓｆ／ａとの関係を示す図である。
【図９Ｂ】同実施形態における固体撮像装置の全画素読み出しモード時及び垂直方向に３画素の画素信号が混合される画素混合モード時のＦＤの使用レンジとＩｓｆ／ａとの関係を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態における固体撮像装置の画素電流源回路の構成を詳細に示す図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態における固体撮像装置の全体構成を示す図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態におけるＭＵＸの構成を詳細に示す図である。
【図１３】本発明の第５の実施形態における固体撮像装置の全体構成を示す図である。
【図１４】同実施形態における固体撮像装置のカラムＡＤＣの構成を詳細に示す図である。
【図１５】同実施形態における固体撮像装置のカラムＡＤＣのＡＤ変換動作に関する各制御信号のタイミングを示す図である。
【図１６】比較例における固体撮像装置の全体構成を示す図である。
【図１７】同比較例における固体撮像装置の画素電流源回路の構成を詳細に示す図である。
【図１８】同比較例における固体撮像装置の列回路の構成を詳細に示す図である。
【図１９】従来技術の固体撮像装置の全体構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本実施形態における固体撮像装置の全体構成を示す図である。
【００２０】
この固体撮像装置は、図１に示されるように、撮像領域１、行選択回路３、画素電流源回路４、クランプ回路５、サンプルホールド（以下、Ｓ／Ｈと呼ぶ）回路６、マルチプレクサ（以下、ＭＵＸと呼ぶ）７、列選択回路８、制御部９、出力アンプ１０及び水平共通信号線（図外）から構成される。
【００２１】
撮像領域１には、光電変換を行い、受光量に応じた信号（画素信号）を出力する複数の画素（画素回路）２が２次元状に配置されている。なお、図１では４×４の２次元状に配列された１６画素の例が示されているが、実際の総画素数は数百万個以上である。
【００２２】
行選択回路３は、画素２を行単位で選択し、選択した画素２から信号を出力させる。行選択回路３は、画素２の１行毎にＲＳＴ、ＴＲＡＮ及びＳＥＬの３本の制御線を備え、各画素２におけるリセット（初期化）、リード（読み出し）及びラインセレクト（行選択）を画素２の行単位で制御する。行選択回路３では、制御部９からの画素混合数に応じて設定される駆動制御信号に応じて、画素２からの信号の読み出し動作時の選択行の数の切り替えが可能である。
【００２３】
画素電流源回路４は、信号の初期化時及び読み出し時に、信号を垂直信号線に読み出させるための電流を生成する。画素電流源回路４は、制御部９からの画素混合数に応じて切り替わる電流切り替え信号に応じて生成される電流の値を切り替える。
【００２４】
クランプ回路５は、画素２の各列に対応して設けられた基本単位が行方向にアレイ状に並んで構成され、垂直信号線に行単位で出力される信号から画素２で発生する固定パターンノイズ成分を除去する。
【００２５】
Ｓ／Ｈ回路６は、画素２の各列に対応して設けられた基本単位が行方向にアレイ状に並んで構成され、クランプ回路５からの出力を保持する。
【００２６】
ＭＵＸ７は、Ｓ／Ｈ回路６の各基本単位と出力アンプ１０との接続を切り替える。
【００２７】
列選択回路８は、制御線を備え、ＭＵＸ７の切り替えを制御する。
【００２８】
出力アンプ１０は、ＭＵＸ７を介してＳ／Ｈ回路６からの出力を受け取り、受け取った出力を増幅した後にチップ外部に出力する。
【００２９】
制御部９は、行選択回路３に駆動制御信号を供給することで行選択回路３により同時に選択される画素２の行数を切り替え、画素電流源回路４に電流切り替え信号を供給することで画素電流源回路４により垂直信号線に供給される電流の値を切り替える。制御部９は、行選択回路３により同時に選択される行数に基づいて、画素電流源回路４により垂直信号線に供給される電流の値を切り替える。例えば、制御部９は、行選択回路３により複数の行が同時に選択されるときに１つの行のみが選択されるときよりも大きな値の電流が画素電流源回路４により垂直信号線に供給されるように、電流の値を切り替える。
【００３０】
制御部９は、画素混合モードにおいて、行選択回路３に駆動制御信号を供給することで行選択回路３により複数の行が同時に選択されるように行選択回路３を制御する。制御部９は、行選択回路３により同時に選択された複数の行の画素２の信号電圧が電圧領域で１つの垂直信号線にて加算平均されるように、行選択回路３を制御する。
【００３１】
図２は、本実施形態における固体撮像装置の構成を詳細に示す図（画素２の構成を詳細に示す図）である。
【００３２】
画素２は、初期化時の電圧を増幅したリセット電圧と読み出し時の電圧を増幅したリード電圧とを垂直信号線１９に出力することを特徴とする。画素２は、図２に示されるように、入射した光を光電変換し電荷を生成するフォトダイオード（ＰＤ）１１と、ＰＤ１１により発生した電荷を蓄積し、蓄積した電荷量に応じて電圧が変化するフローティングディフュージョン（ＦＤ）１３と、ＦＤ１３の示す電圧が電源線１７により供給される初期電圧（ここではＶＤＤ）になるようにリセットするリセットＴｒ１４と、ＰＤ１１で生成した電荷をＦＤ１３に供給する転送トランジスタ（Ｔｒ）１２と、ＦＤ１３の示す電圧に追従して変化する電圧を出力する増幅Ｔｒ１５と、行選択回路３からラインセレクト信号を受けたときに増幅Ｔｒ１５の出力を垂直信号線１９に接続する選択Ｔｒ１６とを含む。
【００３３】
図３は、本実施形態における固体撮像装置の構成の詳細を示す図（画素電流源回路４の構成の詳細を示す図）である。
【００３４】
画素電流源回路４は、垂直信号線１９に対応して設けられ、対応する垂直信号線１９に接続され、接続された垂直信号線１９に画素２から信号が出力されるとき該垂直信号線１９に一定の電流を供給する。垂直信号線１９は、画素２の列に対応して設けられ、対応する列の複数の画素２と接続され、接続された画素２から出力された信号を伝達する。
【００３５】
画素電流源回路４は、図３に示されるように、垂直信号線１９に画素電流を供給するためのＴｒ２０と、該Ｔｒ２０のゲートに画素混合数に応じた電圧を供給するためのＤＡＣ（デジタルアナルグコンバータ）２１とから構成される。ＤＡＣ２１の入力には、画素混合数に応じた電流切り替え信号が制御部９から供給される。
【００３６】
図４は、本実施形態における固体撮像装置の構成の詳細を示す図（クランプ回路５及びＳ／Ｈ回路６を含む列回路の構成の詳細を示す図）である。
【００３７】
列回路の機能は、画素２から出力されるリセット電圧とリード電圧との差分を示す信号を一時保持した後にＭＵＸ７に出力することである。
【００３８】
クランプ回路５は、サンプリングＴｒ２２と、画素２から出力されるリセット信号とリード信号との差分すなわち画素信号を求める容量値Ｃｃｌのクランプ容量２３と、該クランプ容量２３の画素２と接続された側とは反対側の端子電位をクランプ電位（ＶＣＬ）に設定するためのクランプ電圧入力端子２５と、ゲートにクランプ信号が供給されるクランプＴｒ２４とを含む。
【００３９】
Ｓ／Ｈ回路６は、ゲートに供給されるＳ／Ｈ容量入力信号に応じて画素信号を一時保持する容量値ＣｓｈのＳ／Ｈ容量２７と、Ｓ／Ｈ容量２７に画素信号を入力するＳ／Ｈ容量入力Ｔｒ２６とを含む。Ｓ／Ｈ回路６は、画素２の各列に対応して設けられ、対応する列の画素信号を一時保持する基本単位６ａが複数並んで構成される。
【００４０】
図５は、本実施形態における固体撮像装置の構成の詳細を示す図（ＭＵＸ７周辺の構成の詳細を示す図）である。
【００４１】
ＭＵＸ７は、図５に示されるように、各Ｓ／Ｈ容量２７と水平共通信号線２９との間に配置された列選択Ｔｒ２８を含んでいる。列選択Ｔｒ２８は、列選択信号線３０を介してゲートに供給される列選択信号（Ｈ〔ｎ〕）に応じてＳ／Ｈ容量２７に保持された信号を水平共通信号線２９に順次出力する。水平共通信号線２９は異なる垂直信号線１９に出力された信号を伝達し、水平共通信号線２９を介して出力アンプ１０に供給された信号は増幅された後にチップ外部に出力される。ＭＵＸ７は、画素２の各列に対応して設けられ、対応する列の画素信号の水平共通信号線２９への出力タイミングを制御する基本単位７ａが複数並んで構成される。ＭＵＸ７は、本発明の混合回路の一例であり、異なる垂直信号線１９に出力された画素信号を混合する。
【００４２】
ここで、画素２には、画素リセット信号（ＲＳＴ〔ｎ〕）、電荷転送信号（ＴＲＡＮ〔ｎ〕）及び行選択信号（ＳＥＬ〔ｎ〕）が決められたタイミングで供給される。さらに、列回路及びＭＵＸ７には、クランプ信号、Ｓ／Ｈ容量入力信号及び列選択信号（Ｈ〔ｎ〕）が決められたタイミングで供給される。そして、画素２、列回路及びＭＵＸ７では、これら各制御信号にそれぞれ対応するトランジスタが開閉（オンオフ）する。
【００４３】
次に、本実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法について以下で詳細に説明する。なお、本実施形態の固体撮像装置は、カメラスチル撮影に使える全画素読み出しモード（画素信号を混合しないで出力させるモード）とカメラのライブビュー機能に使える画素混合モード（画素信号を混合して出力させるモード）とを備えている。
【００４４】
図６は、本実施形態における固体撮像装置で全画素読み出しモード時に画素２と列回路とに供給される各制御信号のタイミングを示す図である。なお、図６では電流切り替え信号はＬｏレベルであり、画素信号を混合しないで出力させるための、つまり全画素読み出しのための電流値が生成されるようにＤＡＣ２１からバイアス電位が出力されている。
【００４５】
まず、タイミングｔ１においては、ＴＲＡＮ〔１〕はＬｏレベルとなり、かつＲＳＴ〔１〕はＨｉレベルとなる。これにより、転送Ｔｒ１２がオフでリセットＴｒ１４はオンとなり、ＦＤ１３の電位（Ｖｆｄ）はＦＤリセット電位Ｖｆｄｒｓｔ（＝ＶＤＤ）に初期化される。
【００４６】
次に、タイミングｔ２では、ＴＲＡＮ〔１〕はＬｏレベルとなり、かつＲＳＴ〔１〕はＬｏレベルとなる。これにより、転送Ｔｒ１２及びリセットＴｒ１４がオフとなり、ＦＤ１３の電位のリセット状態は保持される。
【００４７】
このとき、ＳＥＬ〔１〕はＨｉレベルであり、選択Ｔｒ１６はオンのため、増幅Ｔｒ１５のしきい値電圧をＶｔｈとすると、Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｔｈがリセット電圧として垂直信号線１９に出力される（正確にはＶｆｄｒｓｔ−Ｖｔｈ−αであるが、ここではαは省略）。さらに、このリセット電圧Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｔｈはクランプ容量２３の一方の端子に出力される。一方、クランプ信号とＳ／Ｈ容量入力信号とは共にＨｉレベルであり、クランプ容量２３の他方の端子及びＳ／Ｈ容量２７の一方の端子の電位はＶＣＬに設定される。
【００４８】
次に、タイミングｔ３では、ＴＲＡＮ〔１〕はＨｉレベルとなる。これにより、転送Ｔｒ１２がオンとなるため、ＰＤ１１に蓄積された電荷がＦＤ１３に転送され、ＶｆｄはＦＤ１３の信号電荷量に応じた電圧Ｖｆｄｓｉｇだけ低下しＶｆｄｒｓｔ−Ｖｆｄｓｉｇとなる。
【００４９】
次に、タイミングｔ４では、ＴＲＡＮ〔１〕はＬｏレベルとなり、かつＳＥＬ〔１〕はＨｉレベルとなる。これにより、転送Ｔｒ１２がオフで選択Ｔｒ１６がオンとなり、Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｆｄｓｉｇ−Ｖｔｈがリード電圧として垂直信号線１９に出力される。これによりクランプ容量２３の入力はＶｆｄｓｉｇだけ変化するので、その出力もＶｆｄｓｉｇだけ変化する。さらに、クランプ信号はＬｏレベルであり、クランプＴｒ２４はオフなので、容量値Ｃｃｌのクランプ容量２３の他方の端子の電位、すなわち容量値ＣｓｈのＳ／Ｈ容量２７の一方の端子の電位はＶｆｄｓｉｇ×Ｃｃｌ／（Ｃｃｌ＋Ｃｓｈ）だけ変化する。この電位変化は垂直信号線１９におけるリセット電圧とリード電圧との差分に対応した電圧、すなわち画素信号であり、タイミングｔ５でＳＥＬ〔１〕とＳ／Ｈ容量入力信号とがＬｏレベルとなり、この画素信号がＳ／Ｈ容量２７に蓄積される。以上により１行分の画素信号がＳ／Ｈ回路６に保持されることになる。
【００５０】
次に、タイミングｔ１１ではＨ〔１〕がＨｉレベルとなり、１列目の基本単位７ａの列選択Ｔｒ２８がオンとなる。これにより１列目の基本単位６ａのＳ／Ｈ容量２７の画素信号が水平共通信号線２９に出力され、出力アンプ１０を介して外部に出力される。
【００５１】
次に、タイミングｔ１２ではＨ〔２〕がＨｉとなり、２列目の基本単位７ａの列選択Ｔｒ２８がオンとなる。これにより２列目の基本単位６ａのＳ／Ｈ容量２７の画素信号が水平共通信号線２９に出力され、出力アンプ１０を介して外部に出力される。
【００５２】
同様に、順次列選択信号がＨｉレベルとなり、各列の基本単位６ａのＳ／Ｈ容量２７の画素信号が順次水平共通信号線２９に出力される。以上より、１行分の画素信号が順次出力され、以上の動作を画素２の行数だけ繰り返せば、画素２全体の信号が読み出されることになる。
【００５３】
図７は、本実施形態における固体撮像装置で垂直方向に２画素で水平方向に２画素の計４画素の画素信号が混合される画素混合モード時に画素２と列回路とに供給される各制御信号のタイミングを示す図である。なお、図７では電流切り替え信号はＨｉレベルであり、画素信号を混合して出力させるための、つまり画素混合読み出しのための電流値が生成されるようにＤＡＣ２１からバイアス電位が出力される。
【００５４】
まず、タイミングｔ１においては、行選択信号ＳＥＬ〔１〕及びＳＥＬ〔２〕が共にＨｉレベルであり、１行目の画素２と２行目の画素２とが選択されている。また、ＴＲＡＮ〔１〕及びＴＲＡＮ〔２〕は共にＬｏレベルであり、かつＲＳＴ〔１〕及びＲＳＴ〔２〕は共にＨｉレベルであるため、１行目及び２行目の画素２で、転送Ｔｒ１２がオフでリセットＴｒ１４はオンであり、ＶｆｄはＦＤリセット電位Ｖｆｄｒｓｔ（＝ＶＤＤ）に初期化される。
【００５５】
次に、タイミングｔ２では、ＴＲＡＮ〔１〕及びＴＲＡＮ〔２〕は共にＬｏレベルとなり、かつＲＳＴ〔１〕及びＲＳＴ〔２〕は共にＬｏレベルとなる。これにより、１行目及び２行目の画素２で、転送Ｔｒ１２及びリセットＴｒ１４がオフとなるので、ＦＤ１３の電位のリセット状態は保持される。
【００５６】
この時、ＳＥＬ〔１〕及びＳＥＬ〔２〕は共にＨｉレベルであり、１行目及び２行目の画素２で、選択Ｔｒ１６はオンのため、Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｔｈがリセット電圧として垂直信号線１９に出力される（正確にはＶｆｄｒｓｔ−Ｖｔｈ−αであるが、ここではαは省略）。さらに、このリセット電圧Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｔｈはクランプ容量２３の一方の端子に出力される。一方、クランプ信号とＳ／Ｈ容量入力信号とは共にＨｉレベルであり、クランプ容量２３の他方の端子及びＳ／Ｈ容量２７の一方の電位はＶＣＬに設定される。
【００５７】
次に、タイミングｔ３では、ＴＲＡＮ〔１〕及びＴＲＡＮ〔２〕は共にＨｉレベルとなる。これにより、１行目及び２行目の画素２で、転送Ｔｒ１２がオンとなるため、ＰＤ１１に蓄積された電荷がＦＤ１３に転送され、１行目の画素２のＦＤ１３の電位（Ｖｆｄ１）及び２行目の画素２のＦＤ１３の電位（Ｖｆｄ２）はそれぞれ対応するＰＤ１１の信号電荷量に応じて電圧Ｖｆｄｓｉｇ１及びＶｆｄｓｉｇ２だけ低下し、Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｆｄｓｉｇ１及びＶｆｄｒｓｔ−Ｖｆｄｓｉｇ２となる。
【００５８】
次に、タイミングｔ４では、ＴＲＡＮ〔１〕及びＴＲＡＮ〔２〕は共にＬｏレベルとなり、かつＳＥＬ〔１〕及びＳＥＬ〔２〕は共にＨｉレベルとなる。これにより、１行目及び２行目の画素２で、転送Ｔｒ１２がオフで選択Ｔｒ１６がオンとなり、Ｖｆｄｓｉｇ１とＶｆｄｓｉｇ２との平均をＶｆｄｓｉｇとしたときにＶｆｄｒｓｔ−Ｖｆｄｓｉｇ−Ｖｔｈがリード電圧として垂直信号線１９に出力される。さらに、この垂直信号線１９の電位変化によりクランプ容量２３の入力もＶｆｄｓｉｇだけ変化する。また、クランプ信号はＬｏレベルであり、クランプＴｒ２４はオフなので、クランプＴｒ２４はオフであり、クランプ容量２３の他方の端子の電位、すなわちＳ／Ｈ容量２７の一方の端子の電位はＶｆｄｓｉｇ×Ｃｃｌ／（Ｃｃｌ＋Ｃｓｈ）だけ変化する。
【００５９】
このリード電圧は１行目の画素信号と２行目の画素信号の混合信号に相当する。垂直信号線１９での画素混合動作の詳細については、図８Ａ、図８Ｂ及び図９Ａを用いて後に説明する。
【００６０】
この電位変化は、垂直信号線１９におけるリセット電圧とリード電圧との差分に対応した電圧、すなわち１行目の画素信号と２行目の画素信号とが平均化された画素信号（垂直画素混合信号）であり、タイミングｔ５でＳＥＬ〔１〕及びＳＥＬ〔２〕とＳ／Ｈ容量入力信号とがＬｏレベルとなり、Ｓ／Ｈ容量２７に蓄積される。
【００６１】
次に、タイミングｔ１１ではＨ〔１〕とＨ〔２〕とが共にＨｉレベルとなり、１列目の基本単位７ａの列選択Ｔｒ２８と２列目の基本単位７ａの列選択Ｔｒ２８とが共にオンとなる。これにより１列目の基本単位６ａのＳ／Ｈ容量２７の画素信号と２列目の基本単位６ａのＳ／Ｈ容量２７の画素信号との平均信号が水平共通信号線２９に出力され、出力アンプ１０を介して外部に出力される。
【００６２】
次に、タイミングｔ１２ではＨ〔３〕とＨ〔４〕とが共にＨｉレベルとなり、３列目の基本単位７ａの列選択Ｔｒ２８と４列目の基本単位７ａの列選択Ｔｒ２８とが共にオンとなる。これにより３列目の基本単位６ａのＳ／Ｈ容量２７の画素信号と４列目の基本単位６ａのＳ／Ｈ容量２７の画素信号との平均信号が水平共通信号線２９に出力され、出力アンプ１０を介して外部に出力される。
【００６３】
同様に、順次列選択信号がＨｉレベルとなり、各列の基本単位６ａのＳ／Ｈ容量２７の画素信号が順次水平共通信号線２９に出力される。以上より、垂直方向に２画素で水平方向に２画素の計４画素の画素信号が混合された信号が順次出力される。以上の動作を画素２の行数／２だけ繰り返せば、画素２全体の信号が読み出されることになる。
【００６４】
以上のように、垂直信号線１９で画素信号を混合することで複数の画素２から列回路への読み出しは１回でよくなるため、高速読み出しが可能になる。また、Ｓ／Ｈ容量２７が１個の構成となるため、チップサイズ縮小及び低コスト化に有効な構成を実現できる。
【００６５】
ここで、画素電流源回路４とクランプ回路５との間にカラムアンプ回路が挿入されていてもよく、この場合でも同様の効果が実現できる。また、画素電流源回路４のＤＡＣ２１及び制御部９など図１の構成要素の一部が撮像領域１とは異なる半導体チップ上に形成されてもかまわない。
【００６６】
次に、図８Ａおよび図６を用いて、図６の全画素読み出しモード時のタイミングｔ４における増幅Ｔｒ１５と画素電流源回路４とで構成される画素ソースフォロワ（ＳＦ）の動作の詳細を説明する。図８Ａは、図６の全画素読み出しモード時のタイミングｔ４におけるＶｆｄと画素ＳＦの出力電位（Ｖｏ）との関係を示す図である。
【００６７】
ＶｆｄとＶｏとの関係は下記の式（１）及び式（２）で表される。
【００６８】
Ｖｏ＝Ｖｆｄ−Ｖｔｈ−（Ｉｓｆ／ａ）1/2・・・・・（１）
ａ＝（１／２）×（Ｗ／Ｌ）×μｅｆｆ×Ｃｏｘ・・・・・（２）
【００６９】
ここで、Ｖｔｈ、Ｗ、Ｌ、μｅｆｆ及びＣｏｘはそれぞれ増幅Ｔｒ１５のしきい値電圧、ゲート幅、ゲート長、キャリア移動度及びゲート酸化膜の膜厚を示し、Ｉｓｆは全画素読み出しモード時の画素電流源回路４の電流値を示す。厳密にはＶｏが変化すると増幅Ｔｒ１５のソース−基板電位が変化しＶｔｈも変化するが、ここではＶｔｈは固定値として扱う。ＶｏはＶｆｄから固定値を引いた値になるという線形な特性を示すが、固定値はＩｓｆの大きさに依存して変化する。
【００７０】
Ｖｆｄは図６のタイミングｔ２では、その初期値Ｖｆｄｒｓｔにあり、図６のタイミングｔ３でＰＤ１１の蓄積電荷がＦＤ１３に転送されその値はさがる。この２つのＦＤ１３の電位に対するＶｏの差を列回路で検出することにより画素信号が検出される。
【００７１】
ここで、ＰＤ１１の飽和電子数がＦＤ１３に転送されたときのＶｆｄをＶｓａｔとする。ＶｓａｔとＶｆｄｒｓｔとの間がＦＤ１３の使用レンジとなる。一方、画素ＳＦの出力側を考えると、ＦＤ１３の電位が低くなりすぎると画素電流源回路４のＴｒ２０が飽和領域で動作しなくなり線形な特性が得られなくなる。これはＶｏに下限値ＶＬがあることを意味し、ＶｏはＶｏ≧ＶＬの関係を満足する必要がある。ＶｏはＶｆｄがＶｓａｔのときに最小となるため、ＶＬは下記の式（３）の関係を満足する必要がある。
【００７２】
Ｖｓａｔ−Ｖｔｈ−（Ｉｓｆ／ａ）1/2≧ＶＬ・・・・・（３）
【００７３】
これは、Ｉｓｆに下記の式（４）で示される最大値が存在することを意味する。
【００７４】
Ｉｓｆ（ｍａｘ）＝ａ×（Ｖｓａｔ−Ｖｔｈ−ＶＬ）2・・・・・（４）
【００７５】
次に、図８Ｂ及び図７を用いて、図７の画素混合モード時のタイミングｔ４における画素ＳＦの動作の詳細を説明する。図８Ｂは、図７の画素混合モード時のタイミングｔ４における１行目の画素２のＦＤ電位（Ｖｆｄ１）及び２行目の画素２のＦＤ電位（Ｖｆｄ２）とＶｏとの関係を示す図である。図８Ｂにおいて、曲線１はＶｆｄ１＝Ｖｆｄ２のときのＶｏの特性を示し、曲線２はＶｆｄ２をＶｆｄｒｓｔに固定にし、Ｖｆｄ１のみを変化させたときのＶｏの特性を示している。
【００７６】
Ｖｆｄ１＝Ｖｆｄ２のときのＶｏの特性は全画素読み出しモード時（画素信号の混合を行わない時）の特性と同様であり下記の式（５）で表される。
【００７７】
Ｖｏ＝Ｖｆｄ−Ｖｔｈ−（Ｉｓｆ／２ａ）1/2・・・・・（５）
【００７８】
しかし、画素ＳＦを構成する増幅Ｔｒ１５が２個で実効Ｗが２倍になるため、電圧低下量が小さくなっている。従って、全画素読み出しモード時のときと同様にＶｏの下限の制約より、Ｉｓｆには下記の式（６）で示される最大値が存在する。
【００７９】
Ｉｓｆ（ｍａｘ）＝２×ａ（Ｖｓａｔ−Ｖｔｈ−ＶＬ）2・・・・・（６）
【００８０】
一方、曲線２においてＶｆｄがＶｆｄｒｓｔから低下したときＶｏは一定範囲で線形な特性を示し、２つのＶｆｄ１及びＶｆｄ２の平均に対応する出力が得られる。しかし、ＶｏがＶｆｄｒｓｔ−Ｖｔｈ−（Ｉｓｆ／ａ）1/2に近づくと低下しなくなる。Ｖｏの低下が飽和したときには最初２つの画素２の増幅Ｔｒ１５に分かれて流れていた電流がすべて１つの画素２（Ｖｆｄの高い側の画素２）の増幅Ｔｒ１５に流れることになる。これよりＦＤ１３の動作可能レンジΔＶが決まり下記の式（７ａ）で表される。
【００８１】
ΔＶ＝２×｛（Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｔｈ−（Ｉｓｆ／２ａ）1/2）−（Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｔｈ−（Ｉｓｆ／ａ）1/2）｝・・・・・（７ａ）
【００８２】
つまり、ΔＶは下記の式（７ｂ）で表される。
【００８３】
ΔＶ＝(２−√２)×（Ｉｓｆ／ａ）1/2・・・・・（７ｂ）
【００８４】
ここで、ΔＶはＰＤ１１の飽和電子数で決まるＦＤ１３の使用レンジ（Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｓａｔ）より大きい必要があり、下記の式（８）の条件を満足する必要がある。
【００８５】
（２−√２）×（Ｉｓｆ／ａ）1/2≧Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｓａｔ・・・・・（８）
【００８６】
これは電流値Ｉｓｆに下記の式（９）で表される下限値Ｉｓｆ（ｍｉｎ）が存在することを意味する。
【００８７】
Ｉｓｆ（ｍｉｎ）＝｛１／（２−√２）2｝×ａ×（Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｓａｔ) 2・・・・・（９）
【００８８】
図９Ａは、電源電圧を３．３Ｖとし、一般的な電圧条件Ｖｆｄｒｓｔ＝３．３、Ｖｔｈ＝０．５、ＶＬ＝０．６とした時の、ＦＤ１３の使用レンジ（Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｓａｔ）とＩｓｆ／ａとの関係を示す図である。
【００８９】
全画素読み出しモード時と画素混合モード時とでＩｓｆを同じにするとＦＤ１３の使用レンジの最大は０．８Ｖであるが（図９Ａの点Ａ）、全画素読み出しモード時と画素混合モード時とでＩｓｆの値を切り替えて、画素混合モード時の方を大きく設定すればＦＤ１３の使用レンジは１．０Ｖまで拡大する（図９Ａの点Ｂ及び点Ｃ）。
【００９０】
これは画素電流源回路４において全画素読み出しモード時にはＩｓｆ１、画素混合モード時にはＩｓｆ１より大きなＩｓｆ２とする（Ｉｓｆ２＝２．０×Ｉｓｆ１）ことにより、いずれのモードでもＦＤ１３の使用レンジを１．０Ｖまで確保でき、高画質が得られることを意味する。
【００９１】
なお、Ｖｆｄｒｓｔ、Ｖｓａｔ及びＶＬの値が変わっても図９Ａの３つの曲線の位置関係は同じである。従って、電源電圧及び画素ＳＦを構成するトランジスタの特性がかわっても画素電流源回路４の電流設定とＦＤ１３の使用レンジとの関係は同様である。
【００９２】
次に垂直方向に３画素の画素信号を混合する場合を考える。図８Ｃは１行目の画素２のＦＤ１３の電位（Ｖｆｄ１）、２行目の画素２のＦＤ１３の電位（Ｖｆｄ２）及び３行目の画素２のＦＤ１３の電位（Ｖｆｄ３）とＶｏとの関係を示す図である。図８Ｃにおいて、曲線１はＶｆｄ１＝Ｖｆｄ２＝Ｖｆｄ３のときのＶｏの特性を示し、曲線２はＶｆｄ３をＶｆｄｒｓｔに固定にし、Ｖｆｄ１とＶｆｄ２とを同じに変化させたときのＶｏの特性を示し、曲線３はＶｆｄ２及びＶｆｄ３をＶｆｄｒｓｔに固定にし、Ｖｆｄ１のみを変化させたときのＶｏの特性を示している。
【００９３】
Ｖｆｄ１＝Ｖｆｄ２＝Ｖｆｄ３のときのＶｏの特性は全画素読み出しモード時のＶｏの特性と同様であり下記の式（１０）で表される。
【００９４】
Ｖｏ＝Ｖｆｄ−Ｖｔｈ−（Ｉｓｆ／３ａ）1/2・・・・・式（１０）
【００９５】
画素ＳＦを構成する増幅Ｔｒ１５が３個で実効Ｗが３倍になるため、電圧低下量がさらに小さくなっている。従って、全画素読み出しモード時のときと同様にＶｏの下限の制約よりＩｓｆには下記の式（１１）で示される最大値が存在する。
【００９６】
Ｉｓｆ（ｍａｘ）＝３×ａ×（Ｖｓａｔ−Ｖｔｈ−ＶＬ）2・・・・・式（１１）
【００９７】
一方、曲線２においてＶｆｄ１及びＶｆｄ２がＶｆｄｒｓｔから低下したときＶｏは一定範囲で線形な特性を示し、３つのＶｆｄ１、Ｖｆｄ２及びＶｆｄ３の平均に対応する出力が得られる。しかし、ＶｏがＶｆｄｒｓｔ−Ｖｔｈ−（Ｉｓｆ／ａ）1/2に近づくと低下しなくなる。Ｖｏの低下が飽和したときには最初３つの画素２の増幅Ｔｒ１５に分かれて流れていた電流がすべて１つの画素２（Ｖｆｄの高い側の画素２）の増幅Ｔｒ１５に流れることになる。これよりＦＤ１３の動作可能レンジΔＶ２が決まり下記の式（１２）で表される。
【００９８】
ΔＶ２＝｛（３−√３）／２｝×（Ｉｓｆ／ａ）1/2・・・・・(１２)
【００９９】
また、曲線３においてＶｆｄ１がＶｆｄｒｓｔから低下したときＶｏは一定範囲で線形な特性を示し、３つのＶｆｄ１、Ｖｆｄ２及びＶｆｄ３の平均に対応する出力が得られる。しかし、ＶｏがＶｆｄｒｓｔ−Ｖｔｈ−（Ｉｓｆ／２ａ）1/2に近づくと低下しなくなる。Ｖｏの低下が飽和したときには最初３つの画素２の増幅Ｔｒ１５に分かれて流れていた電流が２つの画素２（Ｖｆｄの高い側の画素２）の増幅Ｔｒ１５に流れることになる。これよりＦＤ１３の動作可能レンジΔＶ３が決まり下記の式（１３）で表される。
【０１００】
ΔＶ３＝３×｛（１／√２）−（１／√３）｝×（Ｉｓｆ／ａ）1/2・・・・・（１３）
【０１０１】
ここでΔＶ３＜ΔＶ２のためΔＶ３はＰＤ飽和電子数で決まるＦＤ１３の使用レンジ（Ｖｒｓｔ−Ｖｓａｔ）より大きい必要があり、下記の式（１４）の条件を満足する必要がある。
【０１０２】
３×｛（１／√２）−（１／√３）｝×（Ｉｓｆ／ａ）1/2＞Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｓａｔ・・・・・（１４）
【０１０３】
これは電流値Ｉｓｆに下記の式（１５）で表される下限値Ｉｓｆ（ｍｉｎ）が存在することを意味する。
【０１０４】
Ｉｓｆ（ｍｉｎ）＝｛√２／（３−√６）｝2×ａ×（Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｓａｔ）2・・・・・（１５）
【０１０５】
図９Ｂは、電源電圧を３．３Ｖとし、Ｖｒｓｔ＝３．３Ｖ、Ｖｔｈ＝０．５Ｖ、ＶＬ＝０．６Ｖとした時の、ＦＤ１３の使用レンジ（Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｓａｔ）とＩｓｆ／ａとの関係を示す図である。
【０１０６】
全画素読み出しモード時と画素混合モード時とでＩｓｆを同じにするとＦＤ１３の使用レンジの最大は０．６Ｖであるが（図９Ｂの点Ａ）、全画素読み出しモード時と画素混合モード時とでＩｓｆの値を切り替えて、画素混合モード時の方を大きく設定すればＦＤ１３の使用レンジは０．９Ｖまで拡大する（図９Ｂの点Ｂ及び点Ｃ）。
【０１０７】
これは画素電流源回路４において全画素読み出しモード時にはＩｓｆ１、画素混合モード時にはＩｓｆ１より大きなＩｓｆ３とする（Ｉｓｆ３＝３．２×Ｉｓｆ１）ことにより、いずれのモードでもＦＤ１３の使用レンジを０．９Ｖまで確保でき、高画質が得られることを意味する。
【０１０８】
なお、Ｖｆｄｒｓｔ、Ｖｓａｔ及びＶＬの値が変わっても図９Ｂの３つの曲線の位置関係は同じである。従って、電源電圧及び画素ＳＦを構成するトランジスタの特性がかわっても画素電流源回路４の電流設定とＦＤ１３の使用レンジとの関係は同様である。
【０１０９】
本実施形態に係る固体撮像装置では、画素ＳＦ（ソースフォロワ）の入力部が信号を取り出す状態で電気的に浮遊しており、画素信号の混合を行う画素混合モード時に、１つの画素ＳＦの入力信号（信号電荷）は自身の画素ＳＦのゲートチャネル間の容量を介し、同時にアクセスしている他の画素ＳＦのゲートチャネル間容量を通じ、他の画素ＳＦの入力信号を変調する。すなわち、アクセスしている複数の画素ＳＦの複数の入力信号同士が相互に変調しあっている。従って、本実施形態の固体撮像装置は、画素混合モード時に、画素ＳＦが複数並列につながっていても最も高い信号電圧を持っている信号のみが出力され、同時に画素ＳＦを駆動しても複数の画素ＳＦの出力を電圧領域で（重み付け）加算平均することができる。なお、本実施形態に係る固体撮像装置では、画素ＳＦに流れる電流が大きいことがより好ましい。
【０１１０】
ここまでは説明の簡単化のためにＰＤから信号電荷が転送された後はＦＤ電位は固定と考えてきたが、実際は電気的に浮遊している。画素信号の混合を行う画素混合モード時に、１つの画素ＳＦの入力信号（信号電荷）は自身の画素ＳＦのゲートチャネル間の容量を介し、同時にアクセスしている他の画素ＳＦのゲートチャネル間容量を通じ、他の画素ＳＦの入力信号を変調する。すなわち、アクセスしている複数の画素ＳＦの複数の入力信号同士が相互に変調しあっている。これは動作レンジを拡大する方向に作用することになる。これは、動作電流が小さい領域でも複数の画素ＳＦの出力の重み付け平均が実行できることを意味する。
【０１１１】
以上の通り、本実施形態に係る固体撮像装置は、画素信号の混合を行う画素混合モード時と画素信号の混合を行わない全画素読み出しモード時とで画素電流源回路４の電流値（Ｉｓｆ）を切り替え、画素電流源回路４の電流値を最適な値に設定する。従って、全画素読み出しモード時と画素混合モード時との両方でＦＤ１３のダイナミックレンジを広く確保することができ、高画質化が実現できる。
【０１１２】
また、本実施形態に係る固体撮像装置は、個別のＳ／Ｈ容量２７に行ごとの画素信号を蓄積して、水平共通信号線２９上で画素信号を混合するのではなく、画素２からの出力を垂直信号線１９上で混合して複数の画素２の出力の混合を行うため、高速な画素混合動作が得られる。また、全画素読み出しモード時と画素混合モード時とで、画素電流源回路４の電流値を最適な値に切り替えることで、画素２でのダイナミックレンジが縮小し画質が低下することを抑制することができる。
【０１１３】
さらに、本実施形態に係る固体撮像装置では、画素混合モード時に、ａ＝（１／２）×（Ｗ／Ｌ）×μｅｆｆ×Ｃｏｘが小さくなるようにすることによって、Ｉｓｆを切り替える場合と同様にＦＤ１３の動作可能レンジを確保することができることは、式（７）及び式（１３）から明らかである。例えば、同じＦＤ１３に接続され、該ＦＤ１３の示す電圧に追従して変化する信号電圧を出力する、ゲート幅Ｗ、ゲート長Ｌ、Ｗ／Ｌ及びゲート酸化膜の膜厚Ｃｏｘの少なくとも１つが異なる複数の増幅Ｔｒ１５を１つの画素２に配置しておき、画素混合モード時には全画素読み出しモード時よりＷ／Ｌ（ゲート幅／ゲート長）が小さくなるように、または、Ｃｏｘが小さくなるように（ゲート酸化膜の膜厚が厚くなるように）制御部９が１つの画素２内の増幅Ｔｒ１５のいずれかを選択し、選択した増幅Ｔｒ１５から信号電圧を出力させることによって、ＦＤ１３のダイナミックレンジを広く確保することが実現できる。このとき、制御部９は、行選択回路３により同時に選択される行数に基づいて、増幅Ｔｒ１５の選択を行い、行選択回路３により１つの行のみが選択されるときにＷ、Ｌ、Ｗ／Ｌ及びＣｏｘの少なくとも１つが小さな増幅Ｔｒ１５を選択し、行選択回路３により複数の行が同時に選択されるときにＷ、Ｌ、Ｗ／Ｌ及びＣｏｘの少なくとも１つが大きな増幅Ｔｒ１５を選択する。
【０１１４】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置について、図面を参照にしながら詳細に説明する。なお、本実施形態では、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置との差異のみを説明し、説明以外の部分は本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置と同じである。本実施形態の固体撮像装置は、画素電流源回路の構成が第１の実施形態の固体撮像装置と異なる。
【０１１５】
図１０は、本実施形態における固体撮像装置の構成の詳細を示す図（画素電流源回路５４の構成の詳細を示す図）である。
【０１１６】
画素電流源回路５４は、図１０に示されるように、電源３７と、抵抗３６と、Ｔｒ３５、３２及び３１で構成されるカレントミラーと、電流切り替え信号でオン／オフ制御可能なＴｒ３３と、電流切り替え信号にかかわらず常時オンのＴｒ３４とから構成される。
【０１１７】
このような構成の画素電流源回路５４では、画素混合モード時に電流切り替え信号がＨｉとなり、Ｔｒ３３がオンする。その結果、画素混合モード時に画素電流源回路４の電流値を増加させることができる。
【０１１８】
なお、本実施形態の固体撮像装置では、画素電流源回路５４が２種類の電流値に切り替えるとしたが、画素電流源回路４のカレントミラーの段数を増やすことで画素電流源回路４は３種類以上の電流値に切り替えることも出来る。
【０１１９】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置について、図面を参照にしながら詳細に説明する。なお、本実施形態では、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置との差異のみを説明し、説明以外の部分は本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置と同じである。
【０１２０】
図１１は、本実施形態における固体撮像装置の全体構成を示す図である。
【０１２１】
この固体撮像装置は、図１１に示されるように、撮像領域１、行選択回路３、画素電流源回路４、クランプ回路５、Ｓ／Ｈ回路６、ＭＵＸ７、列選択回路８、制御部９、出力アンプ１０、水平共通信号線（図外）、並びに水平方向混合用Ｔｒ３８、３９及び４０から構成される。
【０１２２】
水平方向混合用Ｔｒ３８、３９及び４０は、それぞれ本発明のスイッチの一例であり、異なる垂直信号線の間の接続及び非接続を切り替える。
【０１２３】
このような構成の固体撮像装置は、水平方向の画素信号の混合をＭＵＸ７で行うのではなく、混合する情報を行選択回路３から制御部９に入力し、混合する列の垂直信号線１９の間に挿入された水平方向混合用Ｔｒ３８、３９及び４０をＯＮさせることで行う。
【０１２４】
また、本実施形態の固体撮像装置では、本発明の第１の実施形態における垂直方向の画素信号の混合と同様の方法で、水平方向の画素信号の混合を実現することが可能である。つまり、水平方向に混合する画素２の数によって、画素電流源回路４の電流値を切り替えることで、本発明の第１の実施形態と同様にＦＤ１３換算でのダイナミックレンジを確保することができ、高画質が実現できる。
【０１２５】
（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置について、図面を参照にしながら詳細に説明する。なお、本実施形態では、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置との差異のみを説明し、説明以外の部分は本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置と同じである。本実施形態の固体撮像装置は、ＭＵＸの構成が第１の実施形態の固体撮像装置と異なる。
【０１２６】
図１２は、本実施形態における固体撮像装置の構成の詳細を示す図（ＭＵＸ５７周辺の構成の詳細を示す図）である。
【０１２７】
ＭＵＸ５７は、図１２に示されるように、Ｓ／Ｈ信号増幅Ｔｒ４１と、列選択Ｔｒ４２と、画素混合数に応じて電流量切り替え可能な電流源４３とから構成される。ＭＵＸ５７は、本発明の混合回路の一例であり、異なる垂直信号線１９に出力された画素信号を混合する。Ｓ／Ｈ信号増幅Ｔｒ４１は、垂直信号線１９に対応して設けられ、対応する垂直信号線１９にゲートが接続され、ドレインが電源又はグランドに接続され、ソースが水平共通信号線２９と接続されている。電流源４３は、水平共通信号線２９に電流を供給する。
【０１２８】
ＭＵＸ５７を図１２の回路構成にすることで、本発明の第１の実施形態における垂直方向の画素信号の混合と同様の方法で、水平方向の画素信号の混合を実現することが出来る。つまり、水平方向に混合する画素２の数によって、電流源４３の電流値を切り替えることで、本発明の第１の実施形態と同様にＦＤ１３換算でのダイナミックレンジを確保することができ、高画質が実現できる。
【０１２９】
また、ＭＵＸ５７を図１２の回路構成にすることで、Ｓ／Ｈ容量２７に蓄積された画素信号はＳ／Ｈ信号増幅Ｔｒ４１と電流源４３とで構成されるソースフォロワにより、水平共通信号線２９につく寄生容量起因による画素信号の減衰を抑制できるため、より小さなＳ／Ｈ容量２７で、水平転送を実現することができ、安価な固体撮像装置が実現できる。
【０１３０】
（第５の実施形態）
以下、本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置について、図面を参照にしながら詳細に説明する。なお、本実施形態では、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置との差異のみを説明し、説明以外の部分は本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置と同じである。
【０１３１】
図１３は、本実施形態における固体撮像装置の全体構成を示す図である。
【０１３２】
この固体撮像装置は、図１３に示されるように、撮像領域１、行選択回路３、画素電流源回路４、制御部９、クランプ回路５、Ｓ／Ｈ回路６、水平共通信号線（図外）、カラムＡＤＣ４４、及びデジタル混合器４５から構成される。
【０１３３】
カラムＡＤＣ４４は、画素２の各列に対応して設けられた１列分のカラムＡＤＣとしての基本単位が行方向にアレイ状に並んで構成され、Ｓ／Ｈ回路６に保持された行単位のアナログ画素信号をデジタル信号に変換する。カラムＡＤＣ４４は、本発明のＡＤ変換器の一例であり、垂直信号線１９に対応して設けられ、対応する垂直信号線１９に接続され、接続された垂直信号線１９に出力されたアナログ画素信号をデジタル信号に変換する。
【０１３４】
デジタル混合器４５は、画素２の各列に対応して設けられた基本単位が行方向にアレイ状に並んで構成され、カラムＡＤＣ４４の出力データの混合を行う。デジタル混合器４５は、本発明のデジタル回路の一例であり、異なるカラムＡＤＣ４４によりデジタル信号に変換された信号を混合する。
【０１３５】
図１４は、本実施形態における固体撮像装置の構成の詳細を示す図（カラムＡＤＣ４４の構成の詳細を示す図）である。
【０１３６】
カラムＡＤＣ４４は、図１４に示されるように、ランプ波形生成回路４８、コンパレータ４７、カラムＡＤＣ入力端子４６、カウンタ５０及びラッチ４９を含んでいる。
【０１３７】
コンパレータ４７は、カラムＡＤＣ入力端子４６から入力されるＳ／Ｈ回路６からの画素信号を、ランプ波形生成回路４８からのランプ波形と比較しランプ波形が画素信号よりも低いときにＨｉレベルを出力する。カウンタ５０は、ランプ波形に同期してカウントアップを行う。カラムＡＤＣ４４は、ＡＤ変換後のデジタル値のビット数に応じた基本単位４４ａを有し、各基本単位４４ａはカウンタ５０の出力が入力されカウンタ５０からのラッチ信号がＨｉレベルからＬｏレベルに切り替わったときにカウンタ５０の出力を書き込むラッチ４９を含む。
【０１３８】
次に、本実施形態における固体撮像装置の駆動方法について以下で詳細に説明する。図１５は、カラムＡＤＣ４４のＡＤ変換動作を示したタイミングチャートである。
【０１３９】
まず、タイミングｔ０で画素信号がカラムＡＤＣ４４に入力され、ランプ波形は画素信号の最小値に、カウンタ５０は０に設定される。このとき、ランプ波形は画素信号より低いレベルなのでラッチ信号はＨｉレベルである。
【０１４０】
次に、タイミングｔ１でランプ波形のレベルは上昇し始める。上昇の傾きはタイミングｔ３で画素信号の最大値に達するように設定される。カウンタ５０もランプ波形の上昇に同期させてカウントアップを行う。
【０１４１】
次に、タイミングｔ２でランプ波形が画素信号より大きくなるので、ラッチ信号がＬｏレベルに切り替わり、そのときのカウンタ値がラッチ４９に書き込まれる。先に述べたように、ランプ波形の上昇とカウントアップは同期しているので、ラッチ４９に書き込まれたデジタル値は画素信号に対応した値になっている。
【０１４２】
以上のＡＤ変換動作は各列で並列に行われており、１行分のアナログ画素信号が並列にＡＤ変換され、デジタル信号として各列のラッチ４９に保持される。
【０１４３】
本実施形態の固体撮像装置は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置と同様に、全画素読み出しモードと画素混合モードとを備えている。次にそれぞれのモードでの信号読み出し動作を説明する。
【０１４４】
まず、全画素読み出しモードでは、１行分の画素２が選択され、画素２から１行分の信号が読み出されＳ／Ｈ回路６に保持される。
【０１４５】
次に、１行分の画素信号がＳ／Ｈ回路６からカラムＡＤＣ４４に読み出され、カラムＡＤＣ４４でデジタル変換される。
【０１４６】
最後に、出力部（図外）を介して各列からのデジタル信号が順次チップ外部に出力される。
【０１４７】
以上の動作を画素２の行数だけ繰り返せば画素２全体の信号が出力される。
【０１４８】
一方、画素混合モードでも、複数行の画素２が同時に選択され、画素２から複数行分の信号が読み出され、垂直信号線１９で混合された後、Ｓ／Ｈ回路６に保持される。
【０１４９】
次に、混合された画素信号がＳ／Ｈ回路６からカラムＡＤＣ４４に読み出され、カラムＡＤＣ４４でデジタル変換される。
【０１５０】
次に、デジタル画素信号が複数列のカラムＡＤＣ４４からデジタル混合器４５に読み出され、デジタル混合器４５で混合される。
【０１５１】
最後に、出力部（図外）を介して混合されたデジタル信号が順次チップ外部に出力される。
【０１５２】
以上の動作を画素２の行数／垂直混合数だけ繰り返せば画素２全体の信号が出力される。
【０１５３】
以上の通り、本実施形態に係る固体撮像装置は、第１の実施形態の固体撮像装置と同様の理由により、全画素読み出しモード時と画素混合モード時との両方でＦＤ１３のダイナミックレンジを広く確保することができ、高画質化が実現できる。
【０１５４】
（比較例）
以下、本発明の第１〜第５の実施形態の固体撮像装置と比較される固体撮像装置について、比較例を用いて図面を参照しながら説明する。
【０１５５】
図１６は、本比較例に係る固体撮像装置の全体構成を示す図である。
【０１５６】
この固体撮像装置は、図１６に示されるように、撮像領域１、行選択回路３、画素電流源回路６４、クランプ回路５、Ｓ／Ｈ回路６６、ＭＵＸ７、列選択回路８、出力アンプ１０及び水平共通信号線（図外）から構成される。
【０１５７】
画素電流源回路６４は、画素信号の初期化時及び読み出し時に、画素信号を垂直信号線に読み出させるための電流を生成する。
【０１５８】
図１７は、本比較例に係る固体撮像装置の構成の詳細を示す図（画素電流源回路６４の構成を詳細に示す図）である。
【０１５９】
画素電流源回路６４は、図１７に示されるように、電源３７と、抵抗３６と、Ｔｒ３５及び３１で構成されるカレントミラーとから構成される。画素電流源回路６４は、各画素信号を垂直信号線１９に読み出すための電流を生成し、電流量は駆動モードによらず一定である。
【０１６０】
図１８は、本比較例に係る固体撮像装置の構成の詳細を示す図（クランプ回路５及びＳ／Ｈ回路６６を含む列回路の構成の詳細を示す図）である。
【０１６１】
クランプ回路５は、クランプ容量２３と、クランプ電圧入力端子２５と、クランプＴｒ２４とを含む。
【０１６２】
Ｓ／Ｈ回路６６は、ゲートに供給される第１及び第２のＳ／Ｈ容量入力信号に応じて画素信号を一時保持するＳ／Ｈ容量７７−１及び７７−２と、Ｓ／Ｈ容量７７−１及び７７−２にそれぞれ画素信号を入力するＳ／Ｈ容量入力Ｔｒ７６−１及び７６−２とを含む。Ｓ／Ｈ回路６６は、画素２の各列に対応して設けられ、対応する列の画素２の画素信号を一時保持する基本単位６６ａが複数並んで構成される。Ｓ／Ｈ回路６６には、画素信号を各列２個まで同時に保持できるようにＳ／Ｈ容量は各列２個配置されている。
【０１６３】
次に、本比較例の固体撮像装置の動作について以下で詳細に説明する。なお、本比較例の固体撮像装置は、全画素読み出しモードと画素混合モードとの２種類の駆動モードを備えている。
【０１６４】
まず、全画素読み出しモードでは、行選択回路３で１行分の画素２が選択され、画素電流源回路６４から供給される電流に基づき、画素２から１行分の画素信号が読み出される。このとき、第１及び第２のＳ／Ｈ容量入力信号は両方ともＨｉレベルにされているため、画素２から行単位で読み出された信号はクランプ回路５でＦＰＮ除去された後に２個のＳ／Ｈ容量７７−１及び７７−２に保持される。
【０１６５】
最後に、Ｓ／Ｈ容量７７−１及び７７−２に保持された各画素信号は、ＭＵＸ７及び出力アンプ１０を介して１つずつ順次チップ外部に出力される。
【０１６６】
以上の動作を画素２の行数分だけ繰り返せば画素２全体の信号が読み出される。
【０１６７】
一方、画素混合モードでは、２×２画素の計４画素の混合の場合は、画素２の第１の行が選択され、第１のＳ／Ｈ容量入力信号がＨｉレベルとされる。これにより、第１の行の画素信号がＳ／Ｈ容量７７−１に保持される。
【０１６８】
次に、画素２の第２の行が選択され、第２のＳ／Ｈ容量入力信号がＨｉレベルとされる。これにより、第２の行の画素信号がＳ／Ｈ容量７７−２に保持される。
【０１６９】
次に、第１及び第２のＳ／Ｈ容量入力信号が同時にＨｉレベルとされてＳ／Ｈ容量７７−１及び７７−２の画素信号が混合される。これにより、第１及び第２の行の画素信号が各列で垂直方向に混合（２行分の画素信号が混合）されることになる。
【０１７０】
最後に、Ｓ／Ｈ容量７７−１及び７７−２に保持された画素信号（垂直方向に２画素分の画素信号が混合された画素信号）は、ＭＵＸ７及び出力アンプ１０を介して２列単位で順次チップ外部に出力される。これにより水平方向に２画素分の画素信号の混合（２列分の画素信号の混合）が行われ、結果として２×２画素の計４画素の画素信号が混合された画素信号が順次出力されることになる。
【０１７１】
以上の動作を画素２の行数／２だけ繰り返せば画素２全体の信号が読み出される。
【０１７２】
以上のように、本比較例に係る固体撮像装置では、混合する画素数に対応してＳ／Ｈ容量が個別に設けられて対応するＳ／Ｈ容量に個別に画素信号が転送されるため、高速化が困難である。また、混合する垂直方向の画素数を増やす場合は、Ｓ／Ｈ容量の個数が多くなり、チップサイズが大きくなるという課題が生じる。
【産業上の利用可能性】
【０１７３】
本発明は、固体撮像装置に有用であり、特にデジタル一眼レフカメラ及び高級コンパクトカメラなど高画質及び高機能が求められる撮像機器向けイメージセンサに有用である。
【符号の説明】
【０１７４】
１、５１０    撮像領域
２、５００    画素
３、５３０    行選択回路
４、５４、６４    画素電流源回路
５    クランプ回路
６、６６    Ｓ／Ｈ回路
６ａ、７ａ、４４ａ、６６ａ    基本単位
７、５７    ＭＵＸ
８、５６０    列選択回路
９    制御部
１０、５８０    出力アンプ
１１    ＰＤ
１２    転送Ｔｒ
１３、５０６    ＦＤ
１４    リセットＴｒ
１５    増幅Ｔｒ
１６    選択Ｔｒ
１７    電源線
１９、５２０    垂直信号線
２０、３１、３２、３３、３４、３５    Ｔｒ
２１    ＤＡＣ
２２    サンプリングＴｒ
２３    クランプ容量
２４    クランプＴｒ
２５    クランプ電圧入力端子
２６、７６−１、７６−２    Ｓ／Ｈ容量入力Ｔｒ
２７、７７−１、７７−２    Ｓ／Ｈ容量
２８、４２    列選択Ｔｒ
２９    水平共通信号線
３０    列選択信号線
３６    抵抗
３７    電源
３８、３９、４０    水平方向混合用Ｔｒ
４１    Ｓ／Ｈ信号増幅Ｔｒ
４３    電流源
４４    カラムＡＤＣ
４５    デジタル混合器
４６    カラムＡＤＣ入力端子
４７    コンパレータ
４８    ランプ波形生成回路
４９    ラッチ
５０    カウンタ
１００    信号処理部
５０１    フォトダイオード
５０２    読み出しトランジスタ
５０３    増幅トランジスタ
５０４    リセットトランジスタ
５０５    垂直選択トランジスタ
５４０    負荷トランジスタ群
５７０    水平信号線
【図１】
2010259027.tif 000003
【図２】
2010259027.tif 000004
【図３】
2010259027.tif 000005
【図４】
2010259027.tif 000006
【図５】
2010259027.tif 000007
【図６】
2010259027.tif 000008
【図７】
2010259027.tif 000009
【図８Ａ】
2010259027.tif 000010
【図８Ｂ】
2010259027.tif 000011
【図８Ｃ】
2010259027.tif 000012
【図９Ａ】
2010259027.tif 000013
【図９Ｂ】
2010259027.tif 000014
【図１０】
2010259027.tif 000015
【図１１】
2010259027.tif 000016
【図１２】
2010259027.tif 000017
【図１３】
2010259027.tif 000018
【図１４】
2010259027.tif 000019
【図１５】
2010259027.tif 000020
【図１６】
2010259027.tif 000021
【図１７】
2010259027.tif 000022
【図１８】
2010259027.tif 000023
【図１９】
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