(57)【要約】【課題】広いダイナミックレンジを有し、各画素の画像出力信号を固体撮像素子内で色ずれ補正する固体撮像素子、固体撮像装置及びその駆動方法を提供する。【解決手段】複数の画素部２Ｇ及び２Ｒが平面状に配置された固体撮像素子２であって、画素部２Ｇは、入射光の強度に応じた光信号電荷を発生するフォトダイオード１１と、入射光とフォトダイオード１１との間に配置されたカラーフィルタと、光信号電荷を転送するＭＯＳトランジスタ１２と、転送された光信号電荷を蓄積することにより第１電圧を発生する蓄積部１３と、蓄積部１３の第１電圧に対応した第２電圧を記憶するキャパシタ１４１Ｇと、当該第２電圧に対応した第３電圧に変換し蓄積部１３の電圧を前記第３電圧に設定するＭＯＳトランジスタ１５１及び１５２とを備え、第１電圧から第３電圧への変換特性は色ごとに異なる。【選択図】図２
2010130254.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素部が平面状に配置された固体撮像素子であって、
前記複数の画素部のそれぞれは、
入射光の強度に応じた光信号電荷を発生する受光素子と、
前記受光素子の上に配置されたカラーフィルタと、
前記受光素子に接続され、前記光信号電荷を転送する転送部と、
前記転送部に接続され、前記転送部により転送された前記光信号電荷を蓄積することにより当該光信号電荷に対応した電圧を発生する蓄積部と、
前記蓄積部をリセット電圧にリセットするリセット部と、
前記蓄積部から電圧を読み出して当該電圧に対応した電圧に変換し、前記蓄積部に、前記リセット電圧の代わりに、変換後の電圧を設定する変換設定部と、
前記蓄積部の電圧を画素信号として前記画素部の外部へ読み出す回路部とを備え、
前記変換設定部の変換特性は、前記カラーフィルタの色ごとに異なる
固体撮像素子。
【請求項２】
前記変換設定部は、
一方の端子がスイッチ素子を介して前記蓄積部に接続されたキャパシタを備え、
前記キャパシタの静電容量は、前記カラーフィルタの色ごとに異なる
請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
請求項１記載の固体撮像素子と、
バイアス電圧を出力するバイアス回路と、
駆動部とを備えた固体撮像装置であって、
前記変換設定部は、
一方の端子がスイッチ素子を介して前記蓄積部に接続され、他方の端子が前記バイアス回路の出力端子に接続されたキャパシタを備え、
前記駆動部は、前記カラーフィルタの色ごとに前記バイアス電圧を設定し、当該バイアス電圧を出力するよう前記バイアス回路を駆動する
固体撮像装置。
【請求項４】
さらに、バイアス電圧を印加する複数のバイアス制御線を備え、
前記バイアス回路の出力端子と前記キャパシタの他方の端子との間に、前記カラーフィルタの色ごとに異なる前記バイアス制御線が接続され、
前記駆動部は、前記バイアス制御線ごとに設定した前記バイアス電圧を前記バイアス回路に出力させる
請求項３記載の固体撮像装置。
【請求項５】
請求項１記載の固体撮像素子と、
ゲート電圧を印加する複数のゲート制御線と、
駆動部とを備えた固体撮像装置であって、
前記変換設定部は、
ソース及びドレインのうち一方の端子には前記蓄積部から読み出された電圧に対応した電圧が印加され、ソース及びドレインのうち他方の端子には前記蓄積部が接続され、ゲートが前記カラーフィルタの色ごとに異なるゲート制御線に接続されたスイッチングトランジスタを備え、
前記駆動部は、前記ゲート制御線ごとに設定した前記ゲート電圧を前記スイッチングトランジスタのゲートに印加させる
固体撮像装置。
【請求項６】
請求項１から５のうちいずれか１項に記載の固体撮像素子または固体撮像装置を備えたカメラ。
【請求項７】
カラーフィルタを備えた複数の画素部が二次元状に配置された固体撮像装置の駆動方法であって、
第１の露光時間において画素部ごとに設けられた受光素子が生成した第１の光信号電荷を画素部ごとに設けられた蓄積部に転送する第１転送ステップと、
前記第１転送ステップで転送された前記第１の光信号電荷に対応した前記蓄積部の第１蓄積電圧を読み出して、前記カラーフィルタの色ごとに設定された電圧変換特性により、前記第１転送電圧に対応した変換電圧に変換し、当該変換電圧を前記蓄積部に設定する変換設定ステップと、
第２の露光時間において前記受光素子が生成した第２の光信号電荷を前記蓄積部に転送する第２転送ステップと、
前記第２転送ステップで転送された前記第２の光信号電荷と、前記変換設定ステップにより設定された前記変換電圧により生じた電荷とを前記蓄積部にて合成して得られた第２蓄積電圧を画素信号として読み出す読み出しステップとを含む
固体撮像装置の駆動方法。
【請求項８】
前記変換設定ステップでは、
前記第１蓄積電圧に対応した電圧を記憶電圧として記憶する記憶ステップと、
前記記憶電圧を、前記記憶電圧に対応した前記変換電圧に変換する電圧変換ステップとを含み、
前記記憶ステップでは、
一方の端子がスイッチ素子を介して前記蓄積部に接続されたキャパシタの他方の端子には、受光する色ごとに設定されたバイアス電圧が印加されている
請求項７記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項９】
前記変換設定ステップでは、
前記第１蓄積電圧に対応した電圧を記憶電圧として記憶する記憶ステップと、
前記記憶電圧を、前記記憶電圧に対応した前記変換電圧に変換する電圧変換ステップとを含み、
前記記憶ステップでは、
受光する色ごとに設定された静電容量を有するキャパシタにより、前記記憶電圧を記憶する
請求項７記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１０】
前記変換設定ステップでは、
前記第１蓄積電圧に対応した電圧を記憶電圧として記憶する記憶ステップと、
前記記憶電圧を、前記記憶電圧に対応した前記変換電圧に変換する電圧変換ステップとを含み、
前記電圧変換ステップでは、
ソース及びドレインのうち一方の端子には前記記憶電圧に対応した電圧が印加されソース及びドレインのうち他方の端子には前記蓄積部が接続されたスイッチングトランジスタのゲートには、受光する色ごとに設定されたゲート電圧が印加されている
請求項７記載の固体撮像装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子、固体撮像装置及びその駆動方法に関し、特に、デジタルカメラ等に用いられる固体撮像素子、固体撮像装置及びその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の固体撮像装置のダイナミックレンジは、６０ｄＢから８０ｄＢ程度であり、肉眼や銀塩フィルムに匹敵する１００ｄＢから１２０ｄＢ程度、あるいは車載カメラや監視カメラ等の用途によってはそれ以上のレベルにまで向上させることが望まれている。
【０００３】
特許文献１は、露光期間の長さの異なる複数のフレームを撮像し、撮像された複数のフレームを合成する技術を開示している。ひとつのフレームで撮影可能な輝度域は、露光期間の長さに応じて変化する。特許文献１の技術では、撮影可能な輝度域が異なる複数のフレームが合成されることにより、ダイナミックレンジが拡大される。
【０００４】
図１５は、特許文献１記載の固体撮像素子のブロック図である。
同図における固体撮像素子は、画素部１９１と、フォトダイオード１９２と、ノイズキャンセラ１９３と、アンプ１９４とを備える。フォトダイオード１９２は受光素子である。
【０００５】
図中に記載されているタイミングコントローラは、上記構成要素を制御し、動作させる画素行や画素列の選択などを実行させる。タイミングコントローラの指示により端子Ｒｉの電圧レベルがＨＩＧＨになると、フォトダイオード１９２のカソードが高い電圧（初期値）に設定される。次に、端子Ｒｉの電圧レベルがＬＯＷになるとフォトダイオード１９２に入射した光によりカソード電位が低下する積分モードに移る。
【０００６】
端子Ｓｉの電圧レベルがＨＩＧＨになった行においては、フォトダイオード１９２のカソード電位が、ノイズキャンセラ１９３及びアンプ１９４を介して出力端子に出力される。
【０００７】
そして、再び端子Ｒｉの電圧レベルがＨＩＧＨになると、フォトダイオード１９２のカソードが高い電圧（初期値）に設定され、新たな積分モードへと移る。
【０００８】
図１６は、特許文献１記載の固体撮像素子における露光期間および出力のタイミングを示す図である。同図は、露光期間を、長（ＬＡｉ：ｉは自然数）、短（ＳＡｉ：ｉは自然数）、極短（ＶＳＡｉ：ｉは自然数）の３種に分けて、それぞれ積分モードにて得られた信号をそれぞれＬＲｉ（ｉは自然数）、ＳＲｉ（ｉは自然数）、ＶＳＲｉ（ｉは自然数）にて出力するタイミングを示す。ＬＡｉは通常光、ＳＡｉは強い光、ＶＳＡｉは大変強い光を受光して電圧変換する場合に対応できるため、広いダイナミックレンジをもった光応答が可能となる。
【０００９】
しかし、上述した特許文献１の技術では、複数の信号（ＬＡｉ、ＳＡｉ、ＶＳＡｉ）を別々に記憶する必要があるため、処理時間がかかる。また、それらを記憶するための記憶部や、合成するための信号合成部を固体撮像素子の外部に設置して後処理を実行しなければならない。
【００１０】
上記問題を解決するため、固体撮像素子の外部に記憶部や信号合成部を必要とせず、複数回の露光で得られた信号を画素内で合成することによりダイナミックレンジを拡大した固体撮像素子が、非特許文献１に提案されている。
【００１１】
図１７は、非特許文献１に記載された固体撮像素子の画素内における回路構成図である。また、図１８は、非特許文献１に記載された固体撮像素子の画素回路に印加される電気信号のタイミングチャートである。この多重露光・画素内合成型の固体撮像素子は、図１７に示される構成の画素回路を有する。図１７に記載された画素回路は、ＶＲＳＴ及びＬＧ端子にＤＣ電圧が、また、他の端子に図１８に記載された電圧パルスが印加されることにより、３回の露光と２回の信号合成が行われる。
【００１２】
その動作は、リセット（図１８中の期間ｔ５０〜ｔ５１）、第一の露光（図１８中の期間ｔ５１〜ｔ５２）、第一の露光で光電変換された第一信号のメモリ格納（図１８中の期間ｔ５２〜ｔ５３）、第二の露光（図１８中の期間ｔ５３〜ｔ５４）、メモリから第一信号の読み出し（図１８中の期間ｔ５４〜ｔ５５）、第一信号と第二の露光で光電変換された第二信号との第一合成および第一合成信号のメモリ格納（図１８中の期間ｔ５５〜ｔ５６）、第三の露光（図１８中の期間ｔ５６〜ｔ５７）、メモリから第一合成信号の読み出し（図１８中の期間ｔ５７〜ｔ５８）、及び第三の露光で光電変換された第三信号と第一合成信号との第二合成（図１８中の期間ｔ５８〜ｔ５９）から成る。
【００１３】
図１９（ａ）、図１９（ｂ）及び図１９（ｃ）は、それぞれ、非特許文献１に記載された固体撮像素子の有する光電変換素子の第一の露光期間、第二の露光期間及び第三の露光期間における光電変換特性を表すグラフである。第一、第二及び第三の露光期間である期間ｔ５１〜ｔ５２、期間ｔ５３〜ｔ５４、期間ｔ５６〜ｔ５７は、順に長くなるように設定されているので、３つの露光時間における画素に内蔵されたフォトダイオード２０１の光電変換特性は、それぞれ、図１９（ａ）、図１９（ｂ）及び図１９（ｃ）のようになる。ここで、第一の露光において光電変換される照射光の最低強度Ｌ１と、第二の露光で飽和電荷量Ｑ１に達する照射光の強度Ｌ２０が等しくなるようにし、かつ第二の露光において光電変換される照射光の最低強度Ｌ２と、第三の露光で飽和電荷量Ｑ１に達する照射光の強度Ｌ３０を等しくなるようにする。
【００１４】
上述した一連の動作において、光電変換された電荷を蓄積容量２０８（Ｃ2）に格納し、フィードバック容量２０９（Ｃ1）を介して浮遊容量ＣFDに読み出す動作が２度（期間ｔ５４〜ｔ５５及び期間ｔ５７〜ｔ５８）行われる。このとき、合成容量Ｃ1×Ｃ2／（Ｃ1＋Ｃ2）と浮遊容量ＣFDの比に従って信号は圧縮される。
【００１５】
図１９（ｄ）及び図１９（ｅ）は、それぞれ、非特許文献１に記載された固体撮像素子の有する光電変換素子の第一の合成動作期間及び第二の合成動作期間における光電変換特性を表すグラフである。第一の合成動作（期間ｔ５５〜ｔ５６）において、飽和レベルが圧縮された第一信号と第二信号が浮遊容量ＣFDにて合成され、第一合成信号は図１９（ｄ）のような光強度−電荷量特性となる。同様に、第二の合成動作（期間ｔ５８〜ｔ５９）において、飽和レベルが圧縮された第一合成信号と第三信号とが浮遊容量ＣFDにて合成され、第二合成信号は図１９（ｅ）のような光強度−電荷量特性となる。３回の露光を合成した第二合成信号は、光強度Ｌ３〜Ｌ３０、Ｌ３０〜Ｌ２０、Ｌ２０〜Ｌ１０という３つの領域で異なった感度（すなわち、図１９に記載されたグラフの傾き）を示すことになる。言い換えれば、図１９（ｅ）の光強度−電荷量特性において、２つのニーポイント２５１（Ｌ３０，Ｑ１）及びニーポイント２５２（Ｌ２０，Ｑ３）を有する。
【００１６】
上記構成および動作により、異なる露光時間における複数の光信号電荷の短時間合成が画素内で可能となるので、固体撮像素子外部に信号合成部を配置せずとも、ダイナミックレンジの拡張が実現される。
【特許文献１】特開２００４−３６３６６６号公報
【非特許文献１】ISSCC2008 (International Solid-State Circuits Conference), 2008年, Digest of Technical Papers, p.50
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、このような多重露光・画素内合成型の固体撮像素子のフォトダイオード２０１に３原色のカラーフィルタを配置してカラー固体撮像素子を形成すると、各色で光電変換特性が異なる。図２０は、異なる種類のカラーフィルタが配置された画素の有する従来の光強度−電荷量特性を示すグラフである。３原色のＲ，Ｇ，Ｂに対応する光強度−電荷量特性は、それぞれ、光電変換特性２６１、２６２及び２６３である。カラーフィルタの各色の透過率などが異なるため、同図のように、色ごとの光電変換特性にばらつきが見られ、このままでは白色の画像を撮影した場合に特定の色がついたように見える。これを補正するために、従来は、多重露光により合成された各画素からの出力信号を、固体撮像素子の外部に設けられたＤＳＰ回路にて各色のゲイン調整、つまり、ホワイトバランスをとることにより色ずれを低減させている。
【００１８】
しかし、上述したような外部処理回路を用いて、各画素からの出力信号のホワイトバランスをとる場合、特に、上記光電変換特性においてＲＧＢ間の特性差の大きくなる高輝度部での色ずれを補正することは困難である。また、出力信号の補正処理の高速化および低コスト化を図ることは困難である。
【００１９】
上記問題に鑑み、本発明は、広いダイナミックレンジを有し、各画素の画像出力信号を固体撮像素子内で色ずれ補正する固体撮像素子、固体撮像装置及びその駆動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像素子は、複数の画素部が平面状に配置された固体撮像素子であって、前記複数の画素部のそれぞれは、入射光の強度に応じた光信号電荷を発生する受光素子と、前記受光素子の上に配置されたカラーフィルタと、前記受光素子に接続され、前記光信号電荷を転送する転送部と、前記転送部に接続され、前記転送部により転送された前記光信号電荷を蓄積することにより当該光信号電荷に対応した電圧を発生する蓄積部と、前記蓄積部をリセット電圧にリセットするリセット部と、前記蓄積部から電圧を読み出して当該電圧に対応した電圧に変換し、前記蓄積部に、前記リセット電圧の代わりに、変換後の電圧を設定する変換設定部と、前記蓄積部の電圧を画素信号として前記画素部の外部へ読み出す回路部とを備え、前記変換設定部の変換特性は、前記カラーフィルタの色ごとに異なることを特徴とする。
【００２１】
本発明の構成によれば、複数回の光信号電荷の連続転送が可能となり、固体撮像素子内部で当該光信号電荷の合成ができるため、固体撮像素子外部に信号合成部を必要としない。また、変換設定部の電圧変換特性を、カラーフィルタを通して受光する色ごとに調整することで、固体撮像素子内部で色ずれを低減することが可能となる。また、色調整のための外部の処理回路を省略できるので、高速化、低コスト化を図ることが可能となる。
【００２２】
また、前記変換設定部は、一方の端子がスイッチ素子を介して前記蓄積部に接続されたキャパシタを備え、前記キャパシタの静電容量は、前記カラーフィルタの色ごとに異なってもよい。
【００２３】
蓄積部の電圧に対応した電圧を変換設定部のキャパシタで記憶するとき、当該電圧はキャパシタの静電容量により決定される。この構成により、キャパシタの静電容量は、カラーフィルタの色ごとに異なるので、キャパシタで記憶される電圧は、色ごとに異なる値を有することが可能となる。よって、固体撮像素子内部で合成される画像信号の色間のゲイン調整を、当該画像信号の合成時に調整することが可能となる。
【００２４】
上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置は、請求項１記載の固体撮像素子と、バイアス電圧を出力するバイアス回路と、駆動部とを備えた固体撮像装置であって、前記変換設定部は、一方の端子がスイッチ素子を介して前記蓄積部に接続され、他方の端子が前記バイアス回路の出力端子に接続されたキャパシタを備え、前記駆動部は、前記カラーフィルタの色ごとに前記バイアス電圧を設定し、当該バイアス電圧を出力するよう前記バイアス回路を駆動することを特徴とする。
【００２５】
本発明の構成によれば、蓄積部の電圧に対応した変換設定部の電圧は、カラーフィルタの色ごとに設定されるバイアス電圧によりバイアスされているので、当該変換設定部の電圧変換特性は、色ごとに異なることが可能となる。よって、固体撮像素子内部で合成される画像信号の色間のゲイン調整を、当該画像信号の合成時に調整することが可能となる。
【００２６】
また、さらに、バイアス電圧を印加する複数のバイアス制御線を備え、前記バイアス回路の出力端子と前記キャパシタの他方の端子との間に、前記カラーフィルタの色ごとに異なる前記バイアス制御線が接続され、前記駆動部は、前記バイアス制御線ごとに設定した前記バイアス電圧を前記バイアス回路に出力させてもよい。
【００２７】
これにより、蓄積部の電圧に対応した変換設定部の電圧は、カラーフィルタの色ごとに設定されるバイアス電圧によりバイアスされることが可能となる。また、一本の制御線から、色ごとに異なるバイアス電圧を時分割して供給する必要がないので、全画素で同時に多重露光動作ができ、いわゆるグローバルシャッタ動作が可能となる。
【００２８】
また、請求項１記載の固体撮像素子と、ゲート電圧を印加する複数のゲート制御線と、駆動部とを備えた固体撮像装置であって、前記変換設定部は、ソース及びドレインのうち一方の端子には前記蓄積部から読み出された電圧に対応した電圧が印加され、ソース及びドレインのうち他方の端子には前記蓄積部が接続され、ゲートが前記カラーフィルタの色ごとに異なるゲート制御線に接続されたスイッチングトランジスタを備え、前記駆動部は、前記ゲート制御線ごとに設定した前記ゲート電圧を前記スイッチングトランジスタのゲートに印加させてもよい。
【００２９】
これにより、変換設定部の有するトランジスタの読み出し電圧などを色ごとに変更することができるので、変換設定部の電圧変換特性は、色ごとに異なることが可能となる。また、一本の制御線から、色ごとに異なるゲート電圧を時分割して供給する必要がないので、全画素で同時に多重露光動作ができ、いわゆるグローバルシャッタ動作が可能となる。
【００３０】
また、本発明は、上記のような特徴を有する固体撮像素子または固体撮像装置として実現することができるだけでなく、このような固体撮像素子または固体撮像装置を備えるカメラとしても、上記と同様の構成と効果がある。
【００３１】
また、本発明は、このような特徴的な手段を備える固体撮像装置として実現することができるだけでなく、固体撮像装置に含まれる特徴的な手段をステップとする固体撮像装置の駆動方法として実現することができる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の固体撮像素子、固体撮像装置及びその駆動方法によれば、多重露光による広いダイナミックレンジを有する各画素の光電変換特性を固体撮像素子内で調整できるので、高精度の色ずれ補正することができ、当該補正処理の高速化及び低コスト化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
（実施の形態１）
本実施の形態における固体撮像素子は、受光素子で発生した光信号電荷を蓄積することにより当該光信号電荷に対応した電圧を発生する蓄積部と、蓄積部の電圧を読み出して当該電圧に対応した電圧をリセット電圧の代わりに蓄積部に設定する変換設定部と、蓄積部の電圧を画素信号として読み出す回路部とを画素部内に備え、変換設定部の変換特性は受光する色ごとに設定される。
【００３４】
これにより、複数回の光信号電荷の連続転送が可能となり、固体撮像素子内部で光信号電荷の合成ができるため、固体撮像素子外部に信号合成部を必要としない。また、変換設定部の特性を、受光する色ごとに調整することで、固体撮像素子内部で色ずれを低減することが可能となる。また、色調整のための外部の処理回路を省略できるので、高速化、低コスト化を図ることが可能となる。
【００３５】
以下、本発明の実施の形態に係る固体撮像素子について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３６】
図１は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子の画素部の基本回路構成図である。同図における固体撮像素子１は、画素部１Ｇ及び１Ｒを含む。画素部１Ｇは、緑色のカラーフィルタを入射光とフォトダイオード１１との間に有し、Ｇ画素（緑）として機能する。また、画素部１Ｒは、赤色のカラーフィルタを入射光とフォトダイオード１１との間に有し、Ｒ画素（赤）として機能する。なお、図示していないが固体撮像素子１は画素部１Ｂを含む。画素部１Ｂは、青色のカラーフィルタを入射光とフォトダイオード１１との間に有し、Ｂ画素（青）として機能する。
【００３７】
画素部１Ｇは、フォトダイオード１１とＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタ１２、１６、１７及び１８と、記憶部１４Ｇと、電圧設定部１５Ｇとを備える。また、画素部１Ｒは、フォトダイオード１１とＭＯＳトランジスタ１２、１６、１７及び１８と、蓄積部１３と、記憶部１４Ｒと、電圧設定部１５Ｒとを備える。
【００３８】
フォトダイオード１１は、受光強度に応じた光信号電荷を発生する受光素子である。
ＭＯＳトランジスタ１２は、転送部を構成し、フォトダイオード１１で発生した光信号電荷を蓄積部１３へ転送するための転送ゲートである。ＭＯＳトランジスタ１２が導通すると、フォトダイオード１１に発生した光信号電荷が蓄積部１３に転送される。そして、その電荷に応じた第１電圧が蓄積部１３に発生する。
【００３９】
蓄積部１３は、フォトダイオード１１で発生した光信号電荷の転送により発生した光信号電圧と、電圧設定部１５Ｇ又は１５Ｒにより設定された第３電圧とを合成して第１電圧を発生する。
【００４０】
記憶部１４Ｇ及び１４Ｒは、蓄積部１３の第１電圧に対応した第２電圧を記憶する。
電圧設定部１５Ｇ及び１５Ｒは、それぞれ、記憶部１４Ｇ及び記憶部１４Ｒで記憶された第２電圧を当該第２電圧に対応した第３電圧に変換し、蓄積部１３の電圧を第３電圧に設定する電圧設定部である。
【００４１】
記憶部１４Ｇと電圧設定部１５Ｇとは、蓄積部１３から第１電圧を読み出して当該電圧に対応した第３電圧に変換し、蓄積部１３に、リセット電圧の代わりに変換後の第３電圧を設定する変換設定部としての機能を有する。また、同様に、記憶部１４Ｒ及び電圧設定部１５Ｒも変換設定部としての機能を有する。
【００４２】
ＭＯＳトランジスタ１６は、画素列共通の共通信号線に接続されたＭＯＳトランジスタと組み合わせることでソースフォロワとして機能する。ＭＯＳトランジスタ１６は、蓄積部１３の電圧を画素信号として読み出す回路部を構成する。
【００４３】
ＭＯＳトランジスタ１７は、画素行を選択するスイッチとして機能している。
ＭＯＳトランジスタ１８は、蓄積部１３の電圧をリセット電圧である初期化電圧ＶRSTに設定するリセットトランジスタであり、リセット部を構成する。
【００４４】
このとき、蓄積部１３の光信号電荷に対応した第１電圧は、いったん記憶部に第２電圧として記憶され、必要に応じて電圧設定部により第３電圧として再設定される。よって、累積加算された信号電圧は、蓄積部１３の電圧の経時変動の影響を受けない。
【００４５】
上述した構成において、記憶部１４Ｇの容量値と記憶部１４Ｒの容量値を独立に設定する、及び、電圧設定部１５Ｇの電圧変換特性と電圧設定部１５Ｒの電圧変換特性と独立に設定する、のうち少なくとも一方を行うことにより、第１電圧から第３電圧への変換特性を独立に設定することが可能となる。つまり、色ごとに記憶部の容量値及び電圧設定部の電圧変換特性を任意に設定することにより、色による特性の差を低減することができる。
【００４６】
なお、電圧設定部１５Ｇ及び１５Ｒにリセット部を組みあわせても良い。すなわち、リセット回路が電圧設定部の一部を共用してもよい。
【００４７】
また図２は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子の画素部の具体的回路構成図である。つまり、図２に記載された固体撮像素子２は、図１に記載された固体撮像素子の有する記憶部及び電圧設定部が具体的回路構成にて実現されたものである。固体撮像素子２は、画素部２Ｇ及び２Ｒを含む。画素部２Ｇは、緑色のカラーフィルタを入射光とフォトダイオード１１との間に有し、Ｇ画素（緑）として機能する。また、画素部２Ｒは、赤色のカラーフィルタを入射光とフォトダイオード１１との間に有し、Ｒ画素（赤）として機能する。なお、図示していないが固体撮像素子２は画素部２Ｂを含む。画素部２Ｂは、青色のカラーフィルタを入射光とフォトダイオード１１との間に有し、Ｂ画素（青）として機能する。
【００４８】
画素部２Ｇは、フォトダイオード１１とＭＯＳトランジスタ１２、１６、１７、１８、１４２、１５１及び１５２と、キャパシタ１４１Ｇとを備える。また、画素部２Ｒは、フォトダイオード１１とＭＯＳトランジスタ１２、１６、１７、１８、１４２、１５１及び１５２と、キャパシタ１４１Ｒとを備える。
【００４９】
以下、図１に記載された固体撮像素子１と同じ回路構成は説明を省略し、異なる回路構成のみ説明する。
【００５０】
キャパシタ１４１Ｇ及び１４１Ｒは、それぞれ、一方の端子が共通の制御信号線ＣＰに接続されている。キャパシタ１４１Ｇ及び１４１Ｒは、ＭＯＳトランジスタ１４２がオン状態となることにより、蓄積部１３とキャパシタ１４１Ｇ又は１４１Ｒとの容量分配により蓄積部１３の電荷量に対応した第２電圧を保持する。
【００５１】
ＭＯＳトランジスタ１５１のゲートはキャパシタ１４１Ｇ又は１４１Ｒに接続されており、ドレインは電源ＶＤＤに接続されソースはＭＯＳトランジスタ１５２のドレインに接続されている。ＭＯＳトランジスタ１５１はゲート電圧に対応した第３電圧をドレインに供給する。ＭＯＳトランジスタ１５２のゲートは制御信号線ＲＤに接続され、ソースは蓄積部１３に接続されている。信号線ＲＤの電圧がＨＩＧＨレベルの場合、ＭＯＳトランジスタ１５２は蓄積部１３をドレインの第３電圧に設定する。
【００５２】
キャパシタ１４１Ｇ、１４１Ｒ及びＭＯＳトランジスタ１４２は、図１における記憶部を形成している。また、ＭＯＳトランジスタ１５１及び１５２は、図１における電圧設定部を形成する。
【００５３】
上述した構成において、キャパシタ１４１Ｇの静電容量ＣG及び１４１Ｒの静電容量ＣRを独立に設定することにより、画素部２Ｇと２Ｒとで、第１電圧から第２電圧への変換特性を異ならせることが可能となる。つまり、色ごとに記憶部の容量値を任意に設定することにより、多重露光による信号電圧の合成時に、上記変換特性を変えて色間の重み付けを行うことが可能となる。これにより、色による特性の差を低減することができる。
【００５４】
図３は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子の回路構成図である。同図に記載された固体撮像素子は、図２に記載された画素部２Ｇと、ＭＯＳトランジスタ５と、画素部２Ｇの出力端子に接続されたノイズキャンセラ２６とを備える。
【００５５】
ノイズキャンセラ２６は列信号線毎に配置され、ＭＯＳトランジスタ６及び９と、キャパシタ７及び８とを備える。この構成により、ノイズキャンセラ２６は、画素部のリセット状態における出力電圧と光信号電荷に対応した出力電圧との差分が出力されることにより、画素ごとのオフセットばらつきが低減される。
【００５６】
図４は、本発明の実施の形態１に係るｍ行ｎ列の画素アレイを有するカラー固体撮像装置の構成図である。同図におけるカラー固体撮像装置２０は、ｍ×ｎ個の画素部（２Ｒ、２Ｇ及び２Ｂ）と、垂直シフトレジスタ２２と、水平シフトレジスタ２３と、画素電源部２４と、駆動部２５と、ノイズキャンセラ２６と、出力アンプ２７と、制御線ＴＲＡＮｙ、ＲＳＴｙ、ＲＤｙ、ＷＲＴｙ、ＣＰｙ及びＯＥｙ（１≦ｙ≦ｍ）と、配線ＬＧｘ及びＶＲＳＴｘと、列信号線ＶＳＬｘ（１≦ｘ≦ｎ）とを備える。
【００５７】
図４では、３原色に対応して各画素部をＲ（緑）、Ｇ（赤）、Ｂ（青）と記載している。各画素部の端子には、ＴＲＡＮ、ＲＳＴ、ＲＤ、ＷＲＴ、ＣＰ及びＯＥ端子には色の区別なく共通の制御線ＴＲＡＮｙ、ＲＳＴｙ、ＲＤｙ、ＷＲＴｙ、ＣＰｙ及びＯＥｙが接続されている。ＴＲＡＮｙ、ＲＳＴｙ、ＲＤｙ、ＷＲＴｙ、ＣＰｙ及びＯＥｙは水平方向に配置された制御線群であり、垂直シフトレジスタ２２から制御パルスが印加される。なお、添字ｙは垂直アドレスを示す。
【００５８】
一方、ＬＧおよびＶＲＳＴ端子には、垂直方向に配置された配線ＬＧｘおよびＶＲＳＴｘが接続され、画素電源部２４からＤＣ電圧ＶLGおよびＶRSTが印加される。なお、添字ｘは水平アドレスを示す。
【００５９】
各画素部の出力端子には列信号線ＶＳＬｘが接続され、その端部にはノイズキャンセラ２６を介して水平シフトレジスタ２３が接続される。水平シフトレジスタ２３は、各画素部の出力端子から列信号線ＶＳＬｘを介して伝達された信号を水平方向に転送し、出力アンプ２７で増幅した後に出力端子ＳＩＧＯＵＴからシリアルに出力する。なお、垂直シフトレジスタ２２および水平シフトレジスタ２３は、駆動部２５により制御されている。
【００６０】
図５は、各画素部における入射光強度からフォトダイオードの出力電圧への変換特性を表すグラフである。フォトダイオードがカラーフィルタを通して入射光を受光した場合、フォトダイオードで発生した光信号電荷が蓄積部１３での光信号電圧に変換される。この場合、図５に示されるように、入射光強度と光信号電圧との光電変換特性は、色ごとに異なる特性を有する場合がある。この色ごとに異なる光電変換特性を、上述した記憶部の静電容量を色ごとに異ならせ、電圧設定部により蓄積部１３の信号電圧を再設定することにより、当該光電変換特性を調整することができる。よって、色ごとの特性ばらつきを低減することが可能となる。
【００６１】
次に、本発明の固体撮像装置の多重露光による駆動方法について説明する。
図６は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の駆動方法の一例を示すタイミングチャートである。ここでは、図３に記載された固体撮像素子を用いて駆動方法を説明する。
【００６２】
まず、時刻ｔ１において、駆動部２５は、制御信号ＲＳＴおよびＷＲＴをＨＩＧＨレベルにし、蓄積部１３及びキャパシタ１４１Ｇの電圧を初期化電圧ＶRSTで初期化する。
【００６３】
次に、時刻ｔ２において、駆動部２５は、ＴＲＡＮをＨＩＧＨレベルにし、フォトダイオード１１で発生した光信号電荷を蓄積部１３に転送する。このとき、蓄積部１３で発生した電圧が第１電圧である。
【００６４】
次に、時刻ｔ３において、駆動部２５は、ＷＲＴをＨＩＧＨレベルにし、蓄積部１３の容量とキャパシタ１４１Ｇの容量との比で、蓄積部１３に蓄えられた電荷を蓄積部１３及びキャパシタ１４１Ｇとで分配する。このとき、キャパシタ１４１Ｇで発生した電圧が第２電圧である。また、キャパシタ１４１Ｇの静電容量ＣGと１４１Ｒの静電容量ＣRとは独立に設定されるので、画素部２Ｇと２Ｒとで、第１電圧から第２電圧への変換特性を異ならせることが可能となる。つまり、色ごとに記憶部の容量値が設定されるので、第１電圧から第２電圧への変換特性を変えて色間の重み付けを行うことが可能となる。
【００６５】
次に、時刻ｔ４において、駆動部２５は、ＲＤとＣＰをＨＩＧＨレベルにし、キャパシタ１４１Ｇの電圧をＣＰの電圧分昇圧させる。また同時に、ＭＯＳトランジスタ１５２を介し、蓄積部１３の電圧をキャパシタ１４１Ｇに記憶された電圧に対応する第３電圧に設定する。ここで、ＭＯＳトランジスタ１５１のゲート電圧から閾値電圧ＶＴを引いた電圧が蓄積部１３に与えられることになる。このＶＴ分の電圧降下を補償するため、ＣＰをＶＴ分だけ昇圧させることで当初キャパシタ１４１Ｇに記憶されていた電圧とほぼ同等の電圧を蓄積部１３に設定することができる。
【００６６】
以上のように、第一の蓄積時間における信号電荷分を蓄積部１３に残した状態で、第二の蓄積時間にフォトダイオード１１で発生した信号電荷を蓄積部１３に転送するため、第一の蓄積時間での光信号電荷に対応した電圧と第二の蓄積時間での光信号電荷に対応した電圧とを合成した信号電圧を得ることができる。
【００６７】
この蓄積部１３の信号を一回目と同様にキャパシタ１４１Ｇに記憶させ、再び蓄積部１３に戻して新たな信号電圧を合成する動作を繰り返すことで、複数回の蓄積時間における信号を合成することが可能となる。
【００６８】
ここで、期間ＴＳは、通常期間ＴＬ（１０ｍｓ程度）の１／１００である１００μｓと短いが、この期間には、蓄積部１３において結晶欠陥や暗電流が原因で負電荷が発生し時刻ｔ３の電位よりさらに下がっている。これは、フォトダイオード１１から電荷が転送されていないのにもかかわらず、あたかも転送されたような動作になり、通常“白キズ”と呼ばれる不良の原因となる。そのため、蓄積部１３で、異なる露光期間の信号を合成しようとした場合に、第一の露光期間に得られた光信号電荷を蓄積部１３に保存したまま、第二の蓄積時間で得られた信号電荷を蓄積部１３で加算しようとした場合、第二の蓄積時間の間に発生した白キズにより、正確な加算電圧が得られず画像が劣化してしまう。
【００６９】
これを解決するため、通常は、蓄積部１３にフォトダイオード１１からの電荷を転送する直前に、蓄積部１３を基準電圧に設定してからフォトダイオード１１からの電荷を転送する必要がある。本発明の固体撮像装置の駆動方法では、発生した光信号電荷の量に対応した電圧で蓄積部１３を設定した直後に新たな露光期間に発生した光信号電荷を蓄積部１３に転送して、電圧合成を実行する。このとき、その光信号電荷に対応した電圧を記憶部に保存するため、白キズの影響を受けにくく、素子内で多重露光による信号合成を完了することができる。
【００７０】
なお、記憶部のキャパシタ１４１Ｇとしては、ＭＯＳキャパシタやＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ  Ｍｅｔａｌ）キャパシタなどの容量素子を用いることでリーク電流等によるノイズの少ない記憶機能を実現できる。
【００７１】
図７は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の駆動方法の一例を示すタイミングチャートである。固体撮像素子の回路構成は図３のものと同様である。同図に示される駆動方法は、図６に示される駆動方法と比較して、露光時間の短い順に信号検出が実行されており、また、画素間での信号読み出し動作のタイミングが記載されている点が異なる。
【００７２】
また、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の駆動方法は、光信号の蓄積、転送、及び合成は、全画素で同時に実行され、各画素からの信号読み出しが行走査により読み出されることで、グローバルシャッタとしての動作が実現される。この駆動方法では、光信号電荷の蓄積、転送、合成については全画素で同時に行い、画素からの信号読み出しを行走査により読み出すことで、グローバルシャッタ動作を行うことが可能となる。
【００７３】
まず、時刻ｔ１０において、駆動部２５は、全画素部について同時に制御信号ＲＳＴ、ＴＲＡＮ、及びＷＲＴの電圧レベルをＨＩＧＨに設定する。これによりフォトダイオード１１、蓄積部１３、及びＭＯＳトランジスタ１４２とキャパシタ１４１Ｇとの接点が初期化電圧ＶRSTで初期化される。
【００７４】
次に、時刻ｔ１１において、駆動部２５は、再び制御信号ＲＳＴの電圧レベルをＨＩＧＨに設定する。これにより電圧変動しやすい蓄積部１３が初期化電圧ＶRSTに再設定される。
【００７５】
次に、時刻ｔ１２において、駆動部２５は、第一の蓄積期間Ｅ１後に、ＴＲＡＮの電圧レベルをＨＩＧＨに設定する。これにより、フォトダイオード１１に発生した電荷が蓄積部１３に転送される。このとき、蓄積部１３には第１電圧が発生する。そして、ＷＲＴの電圧レベルをＨＩＧＨに設定することにより、蓄積部１３の容量とキャパシタ１４１Ｇの容量が結合され、それらの容量分配によりキャパシタ１４１Ｇに電荷の一部が移動する。このとき、キャパシタ１４１Ｇには、第１電圧に対応した第２電圧が発生する。ここで、蓄積部１３の静電容量をＣＦＤ、キャパシタ１４１Ｇの静電容量をＣＳとし、結合前の蓄積部１３の電圧をＶＦＤ、結合後の電圧をＶＦＤ’とすると、ＶＦＤ’＝ＣＳ／（ＣＳ＋ＣＦＤ）・ＶＦＤとなる。
【００７６】
次に時刻ｔ１３において、駆動部２５は、第一の蓄積期間Ｅ２において発生した光信号電荷が合成される前に、ＲＤの電圧レベルをＨＩＧＨに設定する。これにより、蓄積部１３には、期間Ｅ１での光信号電荷に対応した第３電圧が設定される。続いてＴＲＡＮをＨＩＧＨとすることにより、期間Ｅ２での光信号電荷が蓄積部１３に転送され、蓄積部１３での信号の合成が実行される。
【００７７】
同様にして、時刻ｔ１４において、期間Ｅ３における光信号電荷が合成された後、駆動部２５は、ＷＲＴの電圧レベルをＨＩＧＨに設定する。これにより、合成信号が記憶される。
【００７８】
ここまでの動作がチップの全画素で同時に行われ、いわゆるグローバルシャッタ動作が行われる。
【００７９】
続いて、三種類の異なる期間Ｅ１、Ｅ２、及びＥ３の信号電圧が合成された信号の読み出し動作について説明する。
【００８０】
まず、駆動部２５は、全ての画素で初期化電圧ＶRSTを０Ｖに設定し、ＲＳＴの電圧レベルをＨＩＧＨとする。これにより、蓄積部１３の電圧が０Ｖとなり、ＭＯＳトランジスタ１６がオフとなり、列信号線ＶＳＬ１に信号が出力されない状態となる。
【００８１】
この状態で、駆動部２５は、垂直シフトレジスタ２２を順に動作させる。時刻ｔ１５において、垂直シフトレジスタ２２により選択された行のみＲＳＴの電圧レベルがＬＯＷとされ、ＲＤの電圧レベルをＨＩＧＨとすることで、蓄積部１３には合成信号に応じた電圧が設定される。すると、列信号線ＶＳＬ１を介してＭＯＳトランジスタ５とソースフォロワを形成しているＭＯＳトランジスタ１６はオンとなり、列信号線ＶＳＬ１に蓄積部１３の電圧に応じた出力がなされる。
【００８２】
ＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｓａｍｐｌｉｎｇ）によるノイズ削除を行う場合は、駆動部２５は、ＭＯＳトランジスタ１８を初期化電圧ＶRSTに戻しＲＳＴの電圧レベルをＨＩＧＨにすることにより、光入力がない初期状態での出力信号得ることができ、このリセット時出力と合成信号出力との差分をとることでＭＯＳトランジスタ１６の画素間ばらつきを低減することができる。垂直シフトレジスタ２２を駆動させながら、対応する各行で読み出し動作を行っていくことで読み出し動作が完了する。
【００８３】
この駆動方法では、画像の取り込みは全画素で同時に実行され、それらが順に出力され、全データが出力された後に次の画像の取り込みが開始される。従って、ＣＭＯＳセンサーなどでみられる画像の歪みが生じにくい。
【００８４】
図６に示された駆動動作では、露光期間の長い順に光電荷信号が蓄積部１３に取り込まれている。例えば、露光期間を３０ｍｓｅｃ、３００μｓｅｃ、３μｓｅｃのように１００分の１ごとの割合で３種類撮影し合成動作させた場合、最長露光時間の３０ｍｓｅｃを３種類の蓄積動作のうち先頭で行うことにより、露光時間と他の行の出力動作が同時になされることが可能となり、動作の高速化が実現される。
【００８５】
また逆に、図７に示された駆動動作のように、高輝度部の情報に相当する短時間露光を先に行い、長時間露光を後で行うことで中低輝度ほどノイズが少なくなり、より高画質な画像が得られる。
【００８６】
図８は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の機能と従来の固体撮像装置の機能との比較図である。図中（Ｂ）は、本発明の固体撮像装置の機能を表す図であり、期間ＴＬの信号と期間ＴＳの信号との合成、さらにそれと期間ＴＶＳの信号との合成が固体撮像素子１中の各画素部で実行されるため、画素部内で生成された出力信号そのものが合成画像となっており、外部の合成回路が不要である。
【００８７】
これに対し、図中（Ａ）は、従来の固体撮像装置の機能を表す図であり、固体撮像素子部２７１で発生した期間ＴＬ、期間ＴＳ、期間ＴＶＳのそれぞれの信号ｓｉｇ１、ｓｉｇ２、ｓｉｇ３を固体撮像素子外部回路２７２で記憶し信号を合成して合成画像が得られる。
【００８８】
よって、本実施の形態１の固体撮像装置は、素子外部に記憶部、画像合成を必要としないため、ダイナミックレンジの仕様および設計変更が生じた場合においても、外部システムに大きな影響を及ぼすことなく、固体撮像素子の画素部のみが設計変更されることで対応できるという大きな効果を奏する。
【００８９】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態に係る固体撮像素子について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００９０】
図９は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像素子の画素部の具体的回路構成図である。同図に記載された固体撮像素子３は、画素部３Ｇ及び３Ｒを含む。画素部３Ｇは、緑色のカラーフィルタを入射光とフォトダイオード１１との間に有し、Ｇ画素（緑）として機能する。また、画素部３Ｒは、赤色のカラーフィルタを入射光とフォトダイオード１１との間に有し、Ｒ画素（赤）として機能する。なお、図示していないが固体撮像素子３は画素部３Ｂを含む。画素部３Ｂは、青色のカラーフィルタを入射光とフォトダイオード１１との間に有し、Ｂ画素（青）として機能する。
【００９１】
画素部３Ｇは、フォトダイオード１１とＭＯＳトランジスタ１２、１６、１７、１８、１４２、１５１及び１５２と、キャパシタ１４３とを備える。また、画素部３Ｒ及び画素部３Ｂの回路構成は、画素部３Ｇと同様である。図９に記載された固体撮像素子３は、図２に記載された固体撮像素子２と比較して、記憶部の有するキャパシタの静電容量が、全画素部で同じである点、また、当該キャパシタが色ごとに異なる制御信号線に接続されている点のみが異なる。以下、図２に記載された固体撮像素子２と同じ回路構成は説明を省略し、異なる回路構成のみ説明する。
【００９２】
キャパシタ１４３は、一方の端子がＭＯＳトランジスタ１４２を介して蓄積部１３に接続され、他方の端子が制御信号線ＣＰ１又はＣＰ２に接続されている。キャパシタ１４３は、ＭＯＳトランジスタ１４２がオン状態となることにより、蓄積部１３とキャパシタ１４３との容量分配により蓄積部１３の電荷量に対応した第２電圧を保持する。
【００９３】
図１０は、本発明の実施の形態２に係るｍ行ｎ列の画素アレイを有するカラー固体撮像装置の構成図である。同図におけるカラー固体撮像装置３０は、ｍ×ｎ個の画素部（３Ｒ、３Ｇ及び３Ｂ）と、垂直シフトレジスタ２８と、水平シフトレジスタ２３と、画素電源部２４と、駆動部２９と、ノイズキャンセラ２６と、出力アンプ２７と、制御線ＴＲＡＮｙ、ＲＳＴｙ、ＲＤｙ、ＷＲＴｙ、ＣＰ１ｙ、ＣＰ２ｙ、ＣＰ３ｙ及びＯＥｙ（１≦ｙ≦ｍ）と、配線ＬＧｘ及びＶＲＳＴｘと、列信号線ＶＳＬｘ（１≦ｘ≦ｎ）とを備える。
【００９４】
図１０に記載されたカラー固体撮像装置３０は、図４に記載されたカラー固体撮像装置２０と比較して、上述した画素部の構成が異なる。また、制御信号線ＣＰの代わりに制御信号線ＣＰ１、ＣＰ２及びＣＰ３が付加され、Ｒ画素、Ｇ画素及びＢ画素には、それぞれ、ＣＰ１、ＣＰ２及びＣＰ３が接続されている。以下、図４に記載されたカラー固体撮像装置２０と同じ回路構成は説明を省略し、異なる回路構成のみ説明する。
【００９５】
垂直シフトレジスタ２８は、ＣＰ１ｙ、ＣＰ２ｙ及びＣＰ３ｙにバイアス電圧を与えるバイアス回路を内蔵している。
【００９６】
駆動部２９は、ＣＰ１ｙ、ＣＰ２ｙ及びＣＰ３ｙに独立に設定された電圧を出力するようにバイアス回路を駆動する。
【００９７】
これにより、記憶部の有するキャパシタの保持する電圧は、カラーフィルタを通して受光する色ごとに異なるバイアス電圧によりバイアスされることが可能となる。よって、固体撮像素子内部で色ずれを低減することが可能となる。また、一本の制御信号線から、色ごとに異なるバイアス電圧を時分割して供給する必要がないので、全画素で同時に多重露光動作ができ、いわゆるグローバルシャッタ動作が可能となる。
【００９８】
（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態に係る固体撮像素子について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００９９】
図１１は、本発明の実施の形態３に係る固体撮像素子の画素部の具体的回路構成図である。同図に記載された固体撮像素子４は、画素部４Ｇ及び４Ｒを含む。画素部４Ｇは、緑色のカラーフィルタを入射光とフォトダイオード１１との間に有し、Ｇ画素（緑）として機能する。また、画素部４Ｒは、赤色のカラーフィルタを入射光とフォトダイオード１１との間に有し、Ｒ画素（赤）として機能する。なお、図示していないが固体撮像素子４は画素部４Ｂを含む。画素部２Ｂは、青色のカラーフィルタを入射光とフォトダイオード１１との間に有し、Ｂ画素（青）として機能する。
【０１００】
画素部４Ｇは、フォトダイオード１１とＭＯＳトランジスタ１２、１７、１８、１４６、１５３、１６１及び１６２と、キャパシタ１４４Ｇ及び１４５Ｇとを備える。また、画素部４Ｒは、フォトダイオード１１とＭＯＳトランジスタ１２、１７、１８、１４６、１５３、１６１及び１６２と、キャパシタ１４４Ｒ及び１４５Ｒとを備える。
【０１０１】
図１１に記載された固体撮像素子４は、図２に記載された固体撮像素子２と比較して、記憶部、電圧設定部及び回路部の構成が異なる。
【０１０２】
また、図１２は、本発明の実施の形態３に係る固体撮像素子の回路構成図である。同図に記載された固体撮像素子は、図１１に記載された画素部４Ｇと、画素部４Ｇの出力端子に接続されたノイズキャンセラ２６とを備える。
【０１０３】
ノイズキャンセラ２６は列信号線毎に配置され、ＭＯＳトランジスタ６及び９と、キャパシタ７及び８とを備える。この構成により、ノイズキャンセラ２６は、画素部のリセット状態における出力電圧と光信号電荷に対応した出力電圧との差分が出力されることにより、画素ごとのオフセットばらつきが低減される。
【０１０４】
図１１及び図１２に記載された回路構成の機能について、各回路素子の駆動動作を例示して説明する。
【０１０５】
図１３は、本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置のタイミングチャートである。また、図中に記載されたＶ13は、蓄積部１３の電位を示す。また、ＭＯＳトランジスタ１７は、画素行選択のためのスイッチであり、本画素及びノイズキャンセラ２６で信号電圧の合成が実行されている間は、常にオン状態である。
【０１０６】
まず時刻ｔ１１１では、駆動部は、ＲＳＴ、ＦＢ、ＲＷ、ＳＨ、及びＣＬの電圧レベルをＨＩＧＨとする。これにより、ＭＯＳトランジスタ１８、１５３、１４６、６及び９が導通する。
【０１０７】
このとき、初期化電圧ＶRSTが蓄積部１３に与えられ、かつ、電圧ＶNCDCが、キャパシタ７とキャパシタ８との接続点である出力ＯＵＴに与えられる。
【０１０８】
ＭＯＳトランジスタ１６１のゲート端子とソースフォロワ出力点４７との電圧差を“Ｖ４”とすると、キャパシタ１４４ＧとＭＯＳトランジスタ１５３との接続点には初期化電圧ＶRSTが、また、画素出力点３４には（ＶRST−Ｖ４）が印加され、キャパシタ１４４Ｇには電圧差Ｖ４が記憶される。キャパシタ１４５Ｇには（ＶRST−Ｖ４）が印加されている。
【０１０９】
次に、時刻ｔ１１２では、駆動部は、ＴＲＡＮの電圧レベルをＨＩＧＨとする。これにより、ＭＯＳトランジスタ１２を介して、期間ＴＬにおいてフォトダイオード１１に発生した光信号電荷が蓄積部１３に転送される。発生した電荷は負の特性のため、蓄積部１３は初期化電圧ＶRSTより電位が下がる。この電圧降下分を“ＶTL”とすると蓄積部１３の第１電圧は（ＶRST−ＶTL）となる。
【０１１０】
次に、時刻ｔ１１３では、駆動部は、ＲＷの電圧レベルをＨＩＧＨとする。これにより、ＭＯＳトランジスタ１４６が導通する。この時、キャパシタ１４５Ｇには電圧値（ＶRST−ＶTL−Ｖ４）に対応した電圧がＭＯＳトランジスタ１４６を介して保存される。キャパシタ１４４Ｇは一定電圧値Ｖ４を保存しているため、キャパシタ１４４ＧとＭＯＳトランジスタ１５３との接続点の電圧は、蓄積部１３の電圧値（ＶRST−ＶTL）に対応した第２電圧と同じとなる。ここで、図１１に記載された画素部４Ｇ及び４Ｒのように、キャパシタ１４４Ｇの静電容量Ｃ１Ｇとキャパシタ１４４Ｒの静電容量Ｃ１Ｒとが個別に設定され、また、キャパシタ１４５Ｇの静電容量Ｃ２Ｇとキャパシタ１４５Ｒの静電容量Ｃ２Ｒとが個別に設定されることにより、上記２つの画素間で上記第２電圧を異ならせることが可能となる。つまり、色ごとに記憶部の容量値が設定されているので、第１電圧から第２電圧への変換特性を変えて色間の重み付けを行うことが可能となる。
【０１１１】
前述したように、期間ＴＳでは“白キズ”が発生し、時間の経過とともに蓄積部１３の電圧が降下する。よって、次回の光信号電荷の蓄積までに、蓄積部１３の電位を時刻ｔ１１３での蓄積部１３の電圧に設定しておく必要がある。
【０１１２】
次に、時刻ｔ１１４では、駆動部は、ＦＢの電圧レベルをＨＩＧＨとする。これにより、ＭＯＳトランジスタ１５３が導通して、上記第２電圧が蓄積部１３に伝わり、蓄積部１３は時刻ｔ１１３での電圧値（ＶRST−ＶTL）に対応した第３電圧が設定される。
【０１１３】
上述した時刻ｔ１１２から時刻１１４までの動作と同様に、時刻１１５から時刻ｔ１１７までの動作が実行される。その後、時刻ｔ１１８においてＴＲＡＮの電圧レベルをＨＩＧＨとし、ＭＯＳトランジスタ１２が導通すれば、蓄積部１３には連続して期間ＴＬ、ＴＳ、ＴＶＳにおいてフォトダイオード１１で発生した電荷が転送されたことになる。即ち、蓄積部１３において期間ＴＬ、ＴＳ、ＴＶＳの信号が合成される。
【０１１４】
最後に、時点ｔ１１９では、駆動部は、ＳＨ及びＲＷの電圧レベルをＨＩＧＨとする。これにより、ＭＯＳトランジスタ６及び１４６が導通する。
【０１１５】
このとき、蓄積部１３の電圧変化分が、ソースフォロワであるＭＯＳトランジスタ１６１及び１６２を介し、出力ＯＵＴに伝わる。ここでの電圧変化は、｛蓄積部１３の電圧変化分×ソースフォロワのゲイン×（キャパシタ７の容量とキャパシタ８の容量との比）｝となる。
【０１１６】
従って、時点ｔ１１９における出力ＯＵＴの電圧とＶNCDCとの差が、期間ＴＬ、ＴＳ、ＴＶＳの合成信号となる。
【０１１７】
本発明の実施の形態３に係る固体撮像素子の回路構成を、図１に記載された基本回路構成と対比すると、ＭＯＳトランジスタ１４６、及びキャパシタ１４４Ｇおよび１５５Ｇが図１における記憶部に相当し、ＭＯＳトランジスタ１５３が図１における電圧設定部に相当する。
【０１１８】
以上、実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明に係る固体撮像素子、固体撮像装置及びその駆動方法は、上記実施の形態に限定されるものではない。実施の形態１〜３における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、実施の形態１〜３に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る固体撮像素子又は固体撮像装置を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。
【０１１９】
また、例えば、図１４（ａ）に示されるように、本発明に係るカラー固体撮像装置１８２が内蔵されたカメラも本発明に含まれる。同図に記載されたカメラは、レンズ１８１と、カラー固体撮像装置１８２と、外部インターフェイス部１８５とを備える。レンズ１８１を通過した光は、カラー固体撮像装置１８２に入射する。カラー固体撮像装置１８２からの出力信号は、外部インターフェイス部１８５を介して外部に出力される。ここで、カラー固体撮像装置１８２は、各色の画素部で実行される多重露光の入射光強度−合成信号電圧が画素部内で補正されるので、固体撮像素子内部で色ずれを低減することが可能となる。また、色調整のための外部の処理回路を省略できるので、高速化、低コスト化を図ることが可能となる。このようなカメラは、強い光が入射したときであっても、あるいは微弱な光が入射されても、鮮明な画像を撮影することができる利点を有し、例えば、図１４（ｂ）に示されるデジタルスチルカメラや図１４（ｃ）に示されるビデオカメラとして実現される。
【０１２０】
なお、実施の形態１〜３では、固体撮像素子の有する記憶部の静電容量やバイアス電圧を色ごとに設定することにより、多重露光における光電変換特性を調整しているが、電圧設定部の電圧変換特性を色ごとに設定することにより、多重露光における光電変換特性を調整してもよい。例えば、図２に記載されたＭＯＳトランジスタ１５２のゲート電圧を制御信号線ＲＤにより色ごとに設定することにより、電圧変換特性を調整することが可能である。
【０１２１】
また、図２に記載されたＭＯＳトランジスタ５は、回路素子数削減のため列信号線毎に設けられているが、画素毎に設けられる構造をとってもよい。
【０１２２】
また、図２に記載されているＭＯＳトランジスタ１７は画素行を選択するスイッチであるが、例えば、ＭＯＳトランジスタ１６に接続されているＶDDが信号として行ごとに制御されることにより、画素外への出力がオンオフされるという方式をとってもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１２３】
本発明に係る固体撮像素子、固体撮像装置及びその駆動方法によれば、外部に記憶部、画像合成を必要とせずダイナミックレンジの広い固体撮像素子の実現が可能であるため有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１２４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子の画素部の基本回路構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子の画素部の具体的回路構成図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子の回路構成図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係るｍ行ｎ列の画素アレイを有するカラー固体撮像装置の構成図である。
【図５】各画素部における入射光強度からフォトダイオードの出力電圧への変換特性を表すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の駆動方法の一例を示すタイミングチャートである。
【図７】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の駆動方法の一例を示すタイミングチャートである。
【図８】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の機能と従来の固体撮像装置の機能との比較図である。
【図９】本発明の実施の形態２に係る固体撮像素子の画素部の具体的回路構成図である。
【図１０】本発明の実施の形態２に係るｍ行ｎ列の画素アレイを有するカラー固体撮像装置の構成図である。
【図１１】本発明の実施の形態３に係る固体撮像素子の画素部の具体的回路構成図である。
【図１２】本発明の実施の形態３に係る固体撮像素子の回路構成図である。
【図１３】本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置のタイミングチャートである。
【図１４】（ａ）は、本発明の固体撮像装置が内蔵されたカメラの機能構成図である。（ｂ）は、本発明の固体撮像装置が内蔵されたデジタルスチルカメラの外観図である。（ｃ）は、本発明の固体撮像装置が内蔵されたビデオカメラの外観図である。
【図１５】特許文献１記載の固体撮像素子のブロック図である。
【図１６】特許文献１記載の固体撮像素子における露光期間および出力のタイミングを示す図である。
【図１７】非特許文献１に記載された固体撮像素子の画素内における回路構成図である。
【図１８】非特許文献１に記載された固体撮像素子の画素回路に印加される電気信号のタイミングチャートである。
【図１９】（ａ）は、非特許文献１に記載された固体撮像素子の有する光電変換素子の第一の露光期間における光電変換特性を表すグラフである。（ｂ）は、非特許文献１に記載された固体撮像素子の有する光電変換素子の第二の露光期間における光電変換特性を表すグラフである。（ｃ）は、非特許文献１に記載された固体撮像素子の有する光電変換素子の第三の露光期間における光電変換特性を表すグラフである。（ｄ）は、非特許文献１に記載された固体撮像素子の有する光電変換素子の第一の合成動作期間における光電変換特性を表すグラフである。（ｅ）は、非特許文献１に記載された固体撮像素子の有する光電変換素子の第二の合成動作期間における光電変換特性を表すグラフである。
【図２０】異なる種類のカラーフィルタが配置された画素の有する従来の光強度−電荷量特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１２５】
１、２、３、４    固体撮像素子
１Ｂ、１Ｇ、１Ｒ、２Ｂ、２Ｇ、２Ｒ、３Ｂ、３Ｇ、３Ｒ、４Ｂ、４Ｇ、４Ｒ、１９１    画素部
１１、１９２、２０１    フォトダイオード
５、６、９、１２、１６、１７、１８、１４２、１４６、１５１、１５２、１５３、１６１、１６２    ＭＯＳトランジスタ
７、８、１４１Ｇ、１４１Ｒ、１４３、１４４Ｇ、１４４Ｒ、１４５Ｇ、１４５Ｒ    キャパシタ
１３    蓄積部
１４Ｇ、１４Ｒ    記憶部
１５Ｇ、１５Ｒ    電圧設定部
２０、３０、１８２    カラー固体撮像装置
２２、２８    垂直シフトレジスタ
２３    水平シフトレジスタ
２４    画素電源部
２５、２９    駆動部
２６、１９３    ノイズキャンセラ
２７    出力アンプ
１８１    レンズ
１８５    外部インターフェイス部
１９４    アンプ
２０２    転送トランジスタ
２０３    ＦＤ拡散ノード
２０４    リセットトランジスタ
２０５    出力トランジスタ
２０６    負荷トランジスタ
２０７    読み出しトランジスタ
２０８    蓄積容量
２０９    フィードバック容量
２１０    書き込みトランジスタ
２１１    蓄積ノード
２１２    選択トランジスタ
２１３    負極ノード
２１４    電極ノード
２６１、２６２、２６３    光電変換特性
２７１    固体撮像素子部
２７２    固体撮像素子外部回路
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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