(57)【要約】【課題】シンプルな画素回路構成の下で、画素回路の制御あるいは画素回路後段での演算処理を複雑化させることなく、ダイナミックレンジを拡大する。【解決手段】転送回路２０は、転送制御信号ＴＧに応答してオンオフする転送ゲート２１によって、作動時に蓄積領域１５の信号電荷をフローティングディフュージョン領域３０へ転送する一方で非作動時に信号電荷の転送を遮断するように構成される。画素制御回路２００は、画素回路１００の受光レベルに応じて、受光量が所定以上のときには、受光量が所定より低いときと比較して転送回路２０の作動期間が延長されるように、転送回路２０を制御する。【選択図】図１
2010171918.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素回路と、
各前記画素回路を制御する制御回路とを備え、
各前記画素回路は、
受光に応じて信号電荷を発生する光検知素子と、
前記光検知素子によって発生された信号電荷を蓄積する蓄積領域と、
フローティングディフュージョン領域と、
作動時に前記蓄積領域の信号電荷を前記フローティングディフュージョン領域へ転送する一方で非作動に前記転送を遮断するように構成された転送回路とを含み、
前記制御回路は、前記蓄積領域での最大信号電荷蓄積量を、前記転送回路によって前記蓄積領域から前記フローティングディフュージョン領域へ転送するのに必要である完全転送期間にわたって前記転送回路を作動させるとともに、前記完全転送期間の経過後にも第１の期間にわたって前記転送回路の作動を継続するように、各前記画素回路の前記転送回路を制御するように構成され、
前記フローティングディフュージョン領域の容量値は、前記最大信号電荷蓄積量を受入れるために必要な第１の容量値と、前記第１の期間において前記光検知素子が発生する前記信号電荷を受入れるために必要な第２の容量値との和以上である、固体撮像素子。
【請求項２】
前記第１の期間は、前記完全転送期間以上の長さを有する、請求項１または２記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記フローティングディフュージョン領域の容量値は、前記蓄積領域の容量値の２倍以上である、請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記転送回路の作動期間は、所定周期で設けられ、
前記固体撮像素子のダイナミックレンジは、前記転送回路の前回の作動期間の終了時点から今回の作動期間の開始時点までの期間と前記完全転送期間との和である基準露光期間において前記光検知素子が前記最大信号電荷蓄積量に相当する信号電荷量を発生する受光量に従う基準ダイナミックレンジと、前記第１の期間の長さに応じて変化する拡張ダイナミックレンジとの和で示され、
前記拡張ダイナミックレンジは、前記第１の期間に対する前記基準露光期間の比の対数に従う、請求項３に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
複数の画素回路を備える固体撮像素子の制御方法であって、
各前記画素回路は、
受光に応じて信号電荷を発生する光検知素子と、
前記光検知素子によって発生された信号電荷を蓄積する蓄積領域と、
フローティングディフュージョン領域と、
作動時に前記蓄積領域の信号電荷を前記フローティングディフュージョン領域へ転送する一方で非作動時に前記転送を遮断するように構成された転送回路とを含み、
前記制御方法は、
前記転送回路の非作動時に、前記光検知素子が発生した前記信号電荷を蓄積領域に蓄積するステップと、
前記蓄積領域での最大信号電荷蓄積量を、前記転送回路によって前記蓄積領域から前記フローティングディフュージョン領域へ転送するのに必要である完全転送期間にわたって前記転送回路を作動させるステップと、
前記完全転送期間の経過後にも第１の期間にわたって前記転送回路の作動を継続することによって、前記作動させるステップより後に前記光検知素子が発生した前記信号電荷を前記フローティングディフュージョン領域へ追加転送するステップとを備え、
前記フローティングディフュージョン領域の容量値は、前記最大信号電荷蓄積量を受入れるために必要な第１の容量値と、前記第１の期間において前記光検知素子が発生する前記信号電荷を受入れるために必要な第２の容量値との和以上である、固体撮像素子の制御方法。
【請求項６】
受光に応じて信号電荷を発生する光検知素子と、前記光検知素子によって発生された信号電荷を蓄積する蓄積領域と、フローティングディフュージョン領域と、作動時に前記蓄積領域の信号電荷を前記フローティングディフュージョン領域へ転送する一方で非作動時に前記転送を遮断するように構成された転送回路とを含む画素回路と、
前記信号電荷の転送を制御するための画素制御手段とを備え、
前記画素制御手段は、
前記画素回路の受光レベルに応じて、受光量が所定以上のときには、前記受光量が所定より低いときと比較して前記転送回路の作動期間を延長するように前記転送回路を制御する、固体撮像素子。
【請求項７】
前記画素制御手段は、
前記転送回路を所定期間作動させる第１の転送制御手段と、
前記所定期間に前記フローティングディフュージョン領域へ転送された信号電荷量が基準より大きいときには前記所定期間よりも前記転送回路の作動を延長する一方で、前記転送された信号電荷量が前記基準値以下のときには前記所定期間終了時に前記転送回路を非作動とするための第２の転送制御手段とを含む、請求項６記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記転送回路は、
前記光検知素子および前記フローティングディフュージョン領域の間に並列接続された転送ゲートおよび補助転送ゲートを有し、
前記第１の転送制御手段は、前記所定期間に前記転送ゲートをオンし、
前記第２の転送制御手段は、前記所定期間に転送された信号電荷量が前記基準より大きいときに、前記所定期間以後に前記補助転送ゲートを一定期間オンする、請求項７記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記転送回路は、前記光検知素子および前記フローティングディフュージョン領域の間に接続された転送ゲートを有し、
前記第１の転送制御手段は、前記所定期間に前記転送ゲートをオンし、
前記第２の転送制御手段は、前記所定期間に転送された信号電荷量が前記基準より大きいときに、前記所定期間の終了後も前記転送ゲートのオンを一定期間維持する、請求項７記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
前記第２の転送制御手段は、前記所定期間における前記フローティングディフュージョン領域の電位に基づいて、前記所定期間に転送された信号電荷量が前記基準より大きいか否かを判断する、請求項７〜９のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
前記画素回路は、作動時に前記フローティングディフュージョン領域の信号電荷量に応じた電気信号を発生する増幅器をさらに含み、
前記増幅器は、前記所定期間において作動するように構成され、
前記第２の転送制御手段は、前記所定期間における前記増幅器からの前記電気信号に基づいて、前記所定期間に転送された信号電荷量が前記基準より大きいか否かを判断する、請求項７〜９のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項１２】
前記固体撮像素子は、
複数個の前記画素回路を有する画素アレイと、
各前記画素回路からの出力を読出すためのデータ線とをさらに備え、
各前記画素回路は、作動時に前記フローティングディフュージョン領域の信号電荷量に応じた電気信号を発生する増幅器、および、前記増幅器と前記データ線との間に配置された画素選択スイッチ素子をさらに含み、
前記複数個の画素回路は複数のグループに分割されるとともに、前記画素制御手段は、前記複数のグループの各々に対応させて前記画素アレイの外部領域に設けられ、
前記固体撮像素子は、
各前記画素回路中の前記転送回路と対応する前記画素制御手段との間に配置される第１のスイッチ素子と、
各前記画素回路中の前記フローティングディフュージョン領域と対応する前記画素制御手段との間に配置される第２のスイッチ素子とをさらに備え、
前記第１および前記第２のスイッチ素子は、前記複数のグループの各々において、当該グループ内の前記画素回路のうちの選択された１個を前記画素制御手段と順次接続するように制御され、
前記第２の転送制御手段は、前記第２のスイッチ素子を介して接続された前記フローティングディフュージョン領域の電位に基づいて、前記所定期間に転送された信号電荷量が前記基準より大きいか否かを判断する、請求項１０に記載の固体撮像素子。
【請求項１３】
前記固体撮像素子は、
複数個の前記画素回路を有する画素アレイと、
各前記画素回路からの出力を読出すためのデータ線とをさらに備え、
各前記画素回路は、前記データ線と前記増幅器との間に配置された画素選択スイッチ素子をさらに含み、
前記複数個の画素回路は複数のグループに分割されるとともに、前記画素制御手段は、前記複数のグループの各々に対応させて前記画素アレイの外部領域に設けられ、
前記固体撮像素子は、
各前記画素回路中の前記転送回路と対応する前記画素制御手段との間に配置される第１のスイッチ素子をさらに備え、
前記第１のスイッチ素子は、前記複数のグループの各々において、当該グループ内の前記画素回路のうちの選択された１個を前記画素制御手段と順次接続するように制御され、
前記第２の転送制御手段は、前記増幅器から前記データ線へ出力された前記電気信号に基づいて、前記所定期間に転送された信号電荷量が前記基準より大きいか否かを判断する、請求項１１に記載の固体撮像素子。
【請求項１４】
前記固体撮像素子は、複数個の前記画素回路を備え、
前記画素制御手段は、前記複数個の画素回路全体での受光レベルが所定以上のときには、前記複数個の画素回路の各々で共通に、前記作動期間が延長されるように前記転送回路を制御する一方で、前記受光レベルが所定より低いときには、前記複数個の画素回路の各々で共通に、前記作動期間が延長されないように前記転送回路を制御する、請求項６または７に記載の固体撮像素子。
【請求項１５】
前記受光レベルが前記所定以上である状況であるか否かを指定するための操作スイッチをさらに備え、
前記画素制御手段は、前記操作スイッチへの入力有無に応じて、前記複数個の画素回路全体での受光レベルが前記所定以上であるか否かを判断する、請求項１４に記載の固体撮像素子。
【請求項１６】
前記画素制御手段は、前記固体撮像素子による直前の撮像時における前記複数個の画素回路からの出力に基づいて、前記複数個の画素回路全体での受光レベルが前記所定以上であるか否かを判断する、請求項１４に記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子およびその制御方法に関し、より特定的には、固体撮像素子のダイナミックレンジ拡大に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ（Charge-coupled device）やＣＭＯＳ（Complementary mental-oxide semiconductor）イメージャーなどの固体撮像素子は、ビデオカメラやデジタルカメラを始めとして、今や携帯電話などにも内蔵されるようになり、廉価で消費電力の少ない撮像素子として広く普及している。
【０００３】
しかしながら、固体撮像素子の感知能力は、ヒトの視覚感知と比べて、大きく劣っている。ヒトの視覚では、一視野内に、４〜５桁程度の輝度分布があっても、明るい所と暗い所のコントラストを十分に検知することが可能である。この優れたコントラスト感知能力は、網膜内にある受光細胞が、その光感応特性を個々の細胞毎に調整できる機能によって実現されている。
【０００４】
これに対して、従来の固体撮像素子では、あるタイミングにおいて撮像される視野内に極端な輝度の差があった場合には、視野内の明るい所と暗い所で十分なコントラストを同時に得ることが困難である。すなわち、明るい所あるいは暗い所のどちらかを起点として、その対極にある輝度部分が十分なコントラストを維持するように撮像することは困難である。
【０００５】
このため、特開２０００−３４０７７９号公報（特許文献１）には、周辺画素への入射光量に応じて、各画素回路での受光感度範囲をシフト可能な機構を備えることによって、ダイナミックレンジを拡大した半導体撮像素子の構成が記載されている。
【０００６】
また、特開２００４−１５９２７４号公報（特許文献２）では、画素回路の構成については単純なものとしたままで、長時間の蓄積による低照度信号と、短時間の蓄積による高照度信号とを画素回路から取出すことにより、高照度における光電荷の飽和を防止してダイナミックレンジを広げる構成が記載されている。同様に、特開２００４−３６３６６６号公報（特許文献３）には、長時間の光電荷蓄積による低照度信号と、短時間の光電荷蓄積による中照度信号と、超短時間の光電荷蓄積による高照度信号とを独立に取出すとともに、後段の信号処理でこれらの信号を組み合わせることによって、広いダイナミックレンジの撮像条件を動的に変更するダイナミックレンジの適応的制御を実現することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−３４０７７９号公報
【特許文献２】特開２００４−１５９２７４号公報
【特許文献３】特開２００４−３６３６６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１に記載された構成では、各画素回路において自身の受光量を検知するための第１の光検知素子と、近傍画素での平均受光光量を検知するために他の画素回路との間で抵抗素子を介して互いに接続される第２の光検知素子との２個の光検知素子を配置する必要が生じる。このため、特にモバイル型機器等への適用で要求される画素回路の小型化が困難になるおそれがある。
【０００９】
また、特許文献２および３では、画素回路は小型化できるものの、光検知素子で発生した信号電荷をフローティングディフュージョン領域へ転送するための転送ゲートの制御、および、画素回路から読出した信号の後段での処理が複雑化するおそれがある。
【００１０】
すなわち、画素回路の小型化と両立させた上で、画素回路の制御あるいは画素回路後段での演算処理の複雑化をともなうことなくダイナミックレンジの拡大を図ることが困難であった。
【００１１】
この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、画素回路の構成、あるいは、画素回路の制御および／または画素回路後段での演算処理を複雑化させることなく、ダイナミックレンジを拡大することが可能な固体撮像装置素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明による固体撮像素子は、画素回路および画素回路での信号電荷の転送を制御するための画素制御手段を備える。画素回路は、受光に応じて信号電荷を発生する光検知素子と、光検知素子によって発生された信号電荷を蓄積する蓄積領域と、フローティングディフュージョン領域と、作動時に蓄積領域の信号電荷をフローティングディフュージョン領域へ転送する一方で非作動時に転送を遮断するように構成された転送回路とを含む。画素制御手段は、画素回路の受光レベルに応じて、受光量が所定以上のときには、受光量が所定より低いときと比較して転送回路の作動期間を延長するように転送回路を制御する。
【００１３】
好ましくは、画素制御手段は、転送回路を所定期間作動させるとともに、所定期間にフローティングディフュージョン領域へ転送された信号電荷量が基準より大きいときには所定期間よりも転送回路の作動を延長する一方で、転送された信号電荷量が基準以下のときには所定期間終了時に転送回路を非作動とする。
【００１４】
この発明による固体撮像素子の制御方法は、上記のように構成された画素回路に対して、転送回路が非作動の状態下で光検知素子が発生した信号電荷を蓄積領域に蓄積するステップと、所定タイミングより転送回路を所定期間作動させることによって、蓄積するステップで蓄積領域に蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョン領域へ転送するステップと、所定期間にフローティングディフュージョン領域へ転送された信号電荷量が基準より大きいときに、所定期間よりも転送回路の作動を延長することによって、所定期間以降に光検知素子が発生した信号電荷をフローティングディフュージョン領域へさらに転送するステップとを備える。
【００１５】
この発明の他の局面では、固体撮像素子は、複数の画素回路と、各画素回路を制御する制御回路とを備える。各画素回路は、受光に応じて信号電荷を発生する光検知素子と、光検知素子によって発生された信号電荷を蓄積する蓄積領域と、フローティングディフュージョン領域と、作動時に蓄積領域の信号電荷をフローティングディフュージョン領域へ転送する一方で非作動に転送を遮断するように構成された転送回路とを含む。制御回路は、蓄積領域での最大信号電荷蓄積量を、転送ゲートによって蓄積領域からフローティングディフュージョン領域へ転送するのに必要である完全転送期間にわたって転送ゲートを作動させるとともに、完全転送期間の経過後にも第１の期間にわたって転送ゲートの作動を継続するように、各画素回路の転送ゲートを制御するように構成される。そして、フローティングディフュージョン領域の容量値は、最大信号電荷蓄積量を受入れるために必要な第１の容量値と、第１の期間において光検知素子が発生する信号電荷を受入れるために必要な第２の容量値との和以上である。
【００１６】
この発明の他の局面では、固体撮像素子の制御方法は、上記のように構成された複数の画素回路の各々に対して、転送ゲートのオフ時に、光検知素子が発生した信号電荷を蓄積領域に蓄積するステップと、蓄積領域での最大信号電荷蓄積量を、転送ゲートによって蓄積領域からフローティングディフュージョン領域へ転送するのに必要である完全転送期間にわたって転送ゲートをオンするステップと、完全転送期間の経過後にも第１の期間にわたって転送ゲートのオンを継続することによって、オンするステップより後に光検知素子が発生した信号電荷をフローティングディフュージョン領域へ追加転送するステップとを備える。そして、フローティングディフュージョン領域の容量値は、最大信号電荷蓄積量を受入れるために必要な第１の容量値と、第１の期間において光検知素子が発生する信号電荷を受け入れるために必要な第２の容量値との和以上である。
【発明の効果】
【００１７】
この発明によれば、シンプルな画素回路構成の下で、画素回路の構成、あるいは、画素回路の制御および／または画素回路後段での演算処理を複雑化させることなく、ダイナミックレンジを拡大することが可能な固体撮像装置素子を提供することができる。この結果、モバイル機器等への搭載にも対応できる小型化および広ダイナミックレンジ化が両立された固体撮像素子を低コストで作成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１による画素回路および画素制御回路の構成を示す回路図である。
【図２】図１に示した反転増幅回路の構成例を示す回路図である。
【図３】実施の形態１による画素回路および画素制御回路の制御動作を説明する波形図である。
【図４】実施の形態１による画素回路およびその制御動作を説明する概念図である。
【図５】本発明の実施の形態１による画素回路の出力特性を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態１の変形例に従う固体撮像素子のアレイ構成を示す概念図である。
【図７】本発明の実施の形態２による画素回路および画素制御回路の構成を示す回路図である。
【図８】本発明の実施の形態２による画素回路および画素制御回路の制御動作を説明する波形図である。
【図９】本発明の実施の形態２による画素回路および画素制御回路をアレイ配置した固体撮像素子の構成例を示す概念図である。
【図１０】本発明の実施の形態３による画素回路および画素制御回路の構成を示す回路図である。
【図１１】実施の形態３による画素回路および画素制御回路の制御動作を説明する波形図である。
【図１２】本発明の実施の形態３の変形例による画素回路および画素制御回路の構成を示す回路図である。
【図１３】本発明の実施の形態４による画素回路および画素制御回路の構成を示す回路図である。
【図１４】本発明の実施の形態４の変形例による画素回路および画素制御回路の構成を示す回路図である。
【図１５】本発明の実施の形態５による固体撮像素子の第１の例を示す概念図である。
【図１６】本発明の実施の形態５による固体撮像素子の第２の例を示す概念図である。
【図１７】本発明の実施の形態６による固体撮像素子の画素回路の構成を示す回路図である。
【図１８】図１７に示した画素回路の従来の制御動作を説明する波形図である。
【図１９】図１７に示した画素回路の従来の制御動作を説明する概念図である。
【図２０】実施の形態６による固体撮像素子における画素回路の制御動作を説明する波形図である。
【図２１】実施の形態６による固体撮像素子における画素回路の制御動作を説明する概念図である。
【図２２】実施の形態６による固体撮像素子における画素回路の出力特性を説明するための概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお以下では図中のまたは同一部分には同一符号を付してその説明は繰返さないものとする。
【００２０】
図１は、本発明の実施の形態１による画素回路および画素制御回路の構成を示す回路図である。
【００２１】
図１を参照して、画素回路１００は、「光検知素子」としてのフォトダイオード１０と、蓄積領域１５と、転送回路２０と、フローティングディフュージョン領域３０と、リセットスイッチ３５と、「増幅器」を構成するトランジスタ４０と、画素選択スイッチ５０とを備える。
【００２２】
フォトダイオード１０は、接地電位Ｖｓｓを供給する接地ノード５および転送回路２０の間に設けられる。図１の例では、フォトダイオード１０のアノードが接地ノード５と接続され、フォトダイオード１０のカソードは、フォトダイオード１０によって発生された信号電荷の蓄積領域１５を構成する。すなわち図１の例では、信号電荷はカソード（ｎ型）での多数キャリアである電子（負電荷）となる。蓄積領域１５には、寄生容量等により所定の容量Ｃｐｄが存在する。一般的な画素構成では、フォトダイオード１０の受光面積が、レイアウト制約の範囲内で可能な限り確保されるので、蓄積領域１５の容量Ｃｐｄがある程度確保される。蓄積領域１５に蓄積可能な最大信号電荷量は、容量Ｃｐｄに依存して決まる。
【００２３】
転送回路２０は、蓄積領域１５およびフローティングディフュージョン領域３０の間に接続された転送ゲート２１によって構成される。転送ゲート２１は、転送制御信号ＴＧによってオンオフを制御されるトランジスタで構成される。図１の例では、転送ゲート２１はｎ型トランジスタで構成される。
【００２４】
転送ゲート２１は、転送制御信号ＴＧに応じてオンオフする。転送ゲート２１のオン期間では、蓄積領域１５からフローティングディフュージョン領域３０へ信号電荷が転送されて、転送回路２０が作動する。一方、転送ゲート２１のオフ期間では、蓄積領域１５からフローティングディフュージョン領域３０への信号電荷の転送は停止されて、転送回路２０が非作動となる。
【００２５】
リセットスイッチ３５は、リセット信号Ｒｆｄに応答して、フローティングディフュージョン領域３０を、リセット電位としての電源電位Ｖｄｄを供給する電源ノード６と電気的に接続する。すなわち、リセットスイッチ３５のオンに応答して、フローティングディフュージョン領域３０に存在する信号電荷（負電荷）は接地ノード５に吸い寄せられて、フローティングディフュージョン領域３０に蓄積された信号電荷量はクリア（リセット）されることとなる。なお、リセット電位としては、電源電位Ｖｄｄとは異なる電位を適用することも可能である。
【００２６】
フローティングディフュージョン領域３０についても、寄生容量等により所定の容量Ｃｆｄが存在する。フローティングディフュージョン領域３０の容量Ｃｆｄは、転送ゲート２１によって転送される信号電荷量の想定される最大値を受入可能な範囲内で、なるべく小さくすることが好ましい。なぜなら、容量Ｃｆｄが小さいほど、フローティングディフュージョン領域３０の信号電荷量の差に対応して生じるＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）の差が大きくなり、検出感度が向上するからである。
【００２７】
画素選択スイッチ５０と、増幅器を構成するトランジスタ４０とは、電源ノード６および画素回路１００の出力ノードＮｏの間に直列に接続される。たとえば、画素選択スイッチ５０は、画素選択信号ＳＬに応答してターンオンするｎ型トランジスタにより構成される。画素選択スイッチ５０がオンされると、電源ノード６から、トランジスタ４０、画素選択スイッチ５０、出力ノードＮｏ、図示しないデータ線、および、電流源１５０を介して、接地ノード５へ至る経路が形成される。
【００２８】
トランジスタ４０のゲートは、フローティングディフュージョン領域３０と接続される。この結果、画素選択スイッチ５０のオン期間では、トランジスタ４０は、いわゆるソースフォロアアンプとして動作し、フローティングディフュージョン領域３０の電位に応じた電位の電気信号を発生する。この電気信号は、画素選択スイッチ５０を介して、出力ノードＮｏへ出力される。すなわち、トランジスタ４０によって構成される「増幅器」が出力する電気信号は、ターンオンされた画素選択スイッチ５０を介して、出力ノードＮｏから取出すことが可能となる。
【００２９】
なお、本実施の形態において、電源電位Ｖｄｄおよび接地電位Ｖｓｓは、Ｖｄｄ＞Ｖｓｓの関係にあり、かつ、（Ｖｄｄ−Ｖｓｓ）の電位差により回路動作に必要なバイアスを与えることが可能であれば、それぞれ任意の電位に設定できる。すなわち、接地電位Ｖｓｓについても、接地電位以外の任意の電位（負電位でも可）に設定することが可能であることを確認的に記載する。
【００３０】
画素制御回路２００は、フローティングディフュージョン領域３０の電位をフィードバックするための経路２０５と、フローティングディフュージョン領域３０の電位に応じた信号を発生する反転増幅回路２１０と、タイマー回路２２０と、パルス発生器２３０とを含む。
【００３１】
図２は、反転増幅回路２１０の回路構成を示す図である。
図２を参照して、反転増幅回路２１０は、接地ノード５および電源ノード６の間に直列に接続された，トランジスタ２１２および２１４を含む。トランジスタ２１２のゲートは電源ノード６と接続されるので、トランジスタ２１２は抵抗素子として機能する。したがって、反転増幅回路２１０は、トランジスタ２１４のゲートと接続された入力ノードＮ１の電位が、トランジスタ２１４のしきい値電圧に対応する所定電位を超えたときには、接地電位Ｖｓｓ（論理ローレベル、以下単に「Ｌレベル」と表記する）の信号を出力ノードＮ２へ出力する。一方、反転増幅回路２１０は、入力ノードＮ１の電位が所定電位よりも低いときには、出力ノードＮ２に電源電位Ｖｄｄ（論理ハイレベル、以下単に「Ｈレベル」とも称する）の信号をノードＮ２に出力する。入力ノードＮ１は、図１に示したフィードバック経路２０５と接続される。出力ノードＮ２は、図１に示したパルス発生器２３０と接続される。
【００３２】
再び図１を参照して、反転増幅回路２１０は、フローティングディフュージョン領域３０の電位（以下、ＦＤ電位とも称する）Ｖ（ＦＤ）が基準電位よりも低いときにはＨレベルの信号を出力する一方で、ＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）が当該基準電位以上のときにはＬレベルの信号を出力するように動作する。
【００３３】
ＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）は、電源電位Ｖｄｄにリセットされた後、信号電荷の蓄積量が大きくなるに従って低下するので、ＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）は、画素回路１００の受光量大のときに相対的に低くなる一方で、受光量小のときに相対的に高くなる。したがって、反転増幅回路２１０の設計（トランジスタ２１４のしきい値電圧）によって、フローティングディフュージョン領域３０の信号電荷量が基準より大きいときにＨレベルの信号を出力し、信号電荷量が基準以下のときにＬレベルの信号を出力するように、反転増幅回路２１０を構成することができる。
【００３４】
タイマー回路２２０は、転送回路２０の本来の動作期間を定めるための転送制御基準信号ＴＧ０に基づいて、転送制御基準信号ＴＧ０の発生から所定期間オンするように設定された制御信号ＴＧ１を発生する。パルス発生器２３０は、信号ＴＧ０，ＴＧ１および反転増幅回路２１０の出力信号、すなわち、フローティングディフュージョン領域３０の信号電荷量が基準より大きいか否かを示す信号を受けて、転送ゲート２１のゲートに与えられる転送制御信号ＴＧを生成する。
【００３５】
なお、反転増幅回路２１０については、パルス発生器２３０の内部に設けてもよい。すなわち、パルス発生器２３０に対してＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）を直接入力するとともに、パルス発生器２３０の内部で、ＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）が基準電位より低いか否か、言い換えれば、フローティングディフュージョン領域３０の信号電荷量が基準より大きいか否かを示す信号を発生する構成とすることも可能である。
【００３６】
次に図３および図４を用いて画素回路１００および画素制御回路２００の動作について説明する。
【００３７】
図３を参照して、時刻ｔ１にリセット信号Ｒｆｄが発生されて、リセットスイッチ３５がターンオンされる。これにより、ＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）が電源電位Ｖｄｄにリセットされる。この状態では、図４（ａ）に示すように、フローティングディフュージョン領域３０には信号電荷は存在しないことになる。そして、転送ゲート２１がオフ（転送回路２０が非作動）されているため、蓄積領域１５およびフローティングディフュージョン領域３０の間にはポテンシャル障壁が存在することとなり、蓄積領域１５の信号電荷が存在しても、フローティングディフュージョン領域３０へは転送されない。
【００３８】
再び図３を参照して、画素回路１００の受光に応じてフォトダイオード１０が発生した信号電荷が、蓄積領域１５に蓄積される。そして、転送制御基準信号ＴＧ０が発生される時刻ｔ２の直前では、図４（ｂ）に示されるように、これまで発生された画素回路１００の受光量に応じた量の信号電荷９０が、蓄積領域１５に蓄積された状態となる。
【００３９】
再び図３を参照して、転送制御基準信号ＴＧ０は、時刻ｔ２〜ｔ３の間、転送ゲート２１をオンするように設定される。これにより、図４（ｃ）に示されるように、転送回路２０の作動によって蓄積領域１５およびフローティングディフュージョン領域３０の間のポテンシャル障壁が低下するのに伴って、時刻ｔ２までに蓄積領域１５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領域３０へ転送される。なお、時刻ｔ２〜ｔ３の期間長（転送制御基準信号ＴＧ０の設定期間）は、一般的な画素回路での制御と同様に、時刻ｔ２までに蓄積領域１５に蓄積された信号電荷を転送するのに必要最小限な時間に対応させて設定されることが一般的である。
【００４０】
図３に示されるように、フローティングディフュージョン領域３０への信号電荷の転送に従って、ＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）が変化する。画素回路１００の受光量が大きいほど、すなわち、転送される信号電荷量が多いほど、ＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）の低下が大きくなる。
【００４１】
本実施の形態では、画素制御回路２００は、画素回路１００の受光レベルに応じて、具体的には、受光量が所定以上のときには、受光量が所定より低いときと比較して、時刻ｔ３以降で転送回路２０の作動期間が延長されるように、転送制御信号ＴＧを生成する。すなわち、パルス発生器２３０（図１）は、時刻ｔ３でのＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）に応じて、転送ゲート２１のオン期間が変化するように転送制御信号ＴＧを生成する。
【００４２】
パルス発生器２３０は、時刻ｔ３でのＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）が基準電位以上であり、フローティングディフュージョン領域３０の信号電荷量が基準以下であるときには、転送制御基準信号ＴＧ０と同様に、転送制御信号ＴＧを生成する。この結果、転送ゲート２１は時刻ｔ３にターンオフされて、転送回路２０は、本来の動作期間である時刻ｔ２〜ｔ３以降では非作動とされる。このようにすると、図４（ｄ）に示されるように、時刻ｔ３以降では、転送回路２０によるポテンシャル障壁が再び上昇するので、蓄積領域１５からフローティングディフュージョン領域３０への信号電荷の転送は停止される。このとき、図３に示されるように、時刻ｔ３以降において、ＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）は、時刻ｔ３での電位に維持される。そして、時刻ｔ５に画素選択信号ＳＬによって画素選択スイッチ５０（図１）がオンされるのに伴って、ＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）に応じた出力電位Ｖｏｕｔが、出力ノードＮｏから読出される。
【００４３】
一方、パルス発生器２３０は、時刻ｔ３でのＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）が基準電位より低く、フローティングディフュージョン領域３０の信号電荷量が基準より大きいときには、転送ゲート２１のオン期間が延長されるように、転送制御信号ＴＧを生成する。具体的には、
タイマー回路２２０（図１）によって設定される延長時間Ｔｄだけ、転送ゲート２１のオン期間が延長されるように、すなわち、制御信号ＴＧ１のＨレベル期間中は転送ゲート２１のオンが維持されるように、転送制御信号ＴＧが生成される。
【００４４】
パルス発生器２３０は、たとえば、時刻ｔ３でのＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）と基準電位との比較結果を示す信号（図１の反転増幅回路２１０の出力信号）、転送制御基準信号ＴＧ０および、制御信号ＴＧ１を入力とするフリップフロップおよび／または論理ゲートの組合せによって、任意に設計することができる。あるいは、上述のように、ＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）をパルス発生器２３０へ直接入力して、パルス発生器２３０の内部でＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）と基準電位との比較結果を示す信号を発生してもよい。
【００４５】
この結果、画素回路１００の受光量が基準より大きいときには、転送ゲート２１のオン期間（転送回路２０の作動期間）が延長されるので、図４（ｅ）に示されるように、時刻ｔ３〜ｔ４での受光によってフォトダイオード１０が新たに発生した信号電荷９０♯についても、フローティングディフュージョン領域３０へ転送され、蓄積される。この結果、図３に示されるように、時刻ｔ３以降においても、ＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）はさらに低下する。本実施の形態による画素回路１００では、フローティングディフュージョン領域３０の容量Ｃｆｄは、転送ゲート２１のオン期間（転送回路２０の作動期間）の延長による追加的な信号電荷量を受入るために、通常よりも大きい値に設計される。そして、図４（ｆ）に示されるように、時刻ｔ３から延長時間Ｔｄが経過した時刻ｔ４において、転送回路２０によるポテンシャル障壁が再び上昇するので、蓄積領域１５からフローティングディフュージョン領域３０への信号電荷の転送は停止される。
【００４６】
そして、時刻ｔ５に画素選択信号ＳＬによって画素選択スイッチ５０（図１）がオンされるのに伴って、ＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）に応じた出力電位Ｖｏｕｔが、出力ノードＮｏから読出される。なお、画素選択スイッチ５０のオン期間は、上記の読出タイミング（時刻ｔ５）を含む限り、任意に設定できる。たとえば、時刻ｔ２前から、次のリセットタイミング（時刻ｔ１）の直前まで画素選択スイッチ５０のオンが維持されるように、画素選択信号ＳＬを生成することも可能である。
【００４７】
この結果、実施の形態１による画素制御によれば、画素回路１００の受光特性は、図５に示すようになる。図５の横軸には画素回路１００の受光量（入射光量）が示され、縦軸には、出力電位Ｖｏｕｔに基づいて生成される画素出力信号ＯＵＴが示される。
【００４８】
画素出力信号ＯＵＴは、出力電位Ｖｏｕｔとは逆に、受光量が大きいほど値が高くなる信号として示される。すなわち、画素回路１００の受光量が零でＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）がリセット電位から変化することなく、出力電位Ｖｏｕｔ＝Ｖｄｄのときには画素出力信号ＯＵＴは最小値（０）である。反対に、画素回路１００の受光量が限界を超えることにより、フローティングディフュージョン領域３０の信号電荷が飽和して、出力電位Ｖｏｕｔ＝Ｖｄｄのときには画素出力信号ＯＵＴは最大値となる。
【００４９】
図５中の基準光量Ｌｒは、転送ゲート２１のオン期間、すなわち転送回路２０の作動期間を延長するか否かのしきい値を示す基準値である。この基準光量Ｌｒだけ信号電荷がフローティングディフュージョン領域３０に蓄積されたときのＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）が、上述したＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）の基準電位に相当する。
【００５０】
光量が基準光量Ｌｒ以下のときには、画素回路１００は、通常動作に従い、時刻ｔ２（図２）までに蓄積された信号電荷量に応じた画素出力信号ＯＵＴが得られる。すなわち、このような低照度領域では、受光量に対する画素出力信号ＯＵＴの変化特性すなわち受光感度特性を、従来通りシャープに確保できる。
【００５１】
一方で、光量が基準光量Ｌｒよりも大きいときには、延長された転送回路２０の作動期間（転送ゲート２１のオン期間）における、フォトダイオード１０が発生した信号電荷量
をさらに反映した画素出力信号ＯＵＴを生成できる。この結果、フローティングディフュージョン領域３０の容量Ｃｆｄが通常値（すなわち、本実施の形態の画素回路１００でのＣｆｄよりも小さい）であり、かつ、時刻ｔ２までに蓄積領域１５に蓄積された信号電荷量のみに基づいて画素出力信号ＯＵＴを生成する従来の画素制御（図５中の点線）と比較して、高照度領域における、光量変化に対する画素出力信号ＯＵＴの変化割合を高めることができる。
【００５２】
この結果、高照度領域におけるコントラスト検知能力が高くなるので、画素回路１００のダイナミックレンジを拡大できる。特に、基準光量Ｌｒを適切に設定することによって、規定の低照度領域（＜Ｌｒ）での受光感度特性の感度特性を従来と同様に確保した上で、高照度領域におけるダイナミックレンジを拡大できる。また、以上の説明から理解されるように、画素回路１００によって達成されるダイナミックレンジは、延長時間Ｔｄに依存して変化する。言い換えれば、本実施の形態による画素回路の制御によれば、所望のダイナミックレンジに対応させて、必要な延長時間Ｔｄを一意に設計することができる。
【００５３】
特に、実施の形態１による画素制御では、画素回路に特別な構成要素を追加することなく、転送ゲート２１のオン期間（転送回路２０の作動期間）の延長有無を制御するのみで、上述のダイナミックレンジ拡大を実現できる。したがって、本実施の形態に従う画素回路１００および画素制御回路２００を搭載した固体撮像素子によれば、画素回路の小型化と両立させて、画素制御（画素回路の制御）あるいは画素回路後段での演算処理を複雑化させることなく、ダイナミックレンジを拡大することができる。この結果、モバイル機器等への搭載にも対応できる小型化および広ダイナミックレンジ化が両立された固体撮像素子を、低コストで製作できる。
【００５４】
［実施の形態１の変形例］
実施の形態１では、単一の画素回路およびその制御について説明したが、実際には、複数の画素回路１００がアレイ上に配置された固体撮像素子への適用が本発明の主眼である。また、画素制御回路２００（図１）については、タイマー回路２２０やパルス発生器２３０等の構成要素が存在するため、ある程度の回路面積を必要とする。したがって、実施の形態１の変形例では、実施の形態１による画素回路１００および画素制御回路２００を用いた固体撮像素子の効率的な構成例について説明する。
【００５５】
図６を参照して、本発明の実施の形態１の変形例に従う固体撮像素子では、図１に示した画素回路１００が行列状に配置された画素アレイ１０５が構成される。当該画素アレイにおいて、画素行は垂直走査により順次選択でき、画素列は水平走査により順次選択できる。なお、基本的には、画素アレイ１０５内の全ての画素回路１００が、実施の形態１による画素制御の適用を受けるものとして説明するが、画素アレイ１０５を構成する画素のうちの一部の画素のみに対して、実施の形態１による画素制御を適用することも可能である。
【００５６】
たとえば、垂直走査により、複数の画素行のうちの１つの行が走査対象に選ばれると、当該走査行の画素回路から、画素列ごとに設けられたデータ線１１０に対して出力電位Ｖｏｕｔが出力される。上述のように、各画素回路１００とデータ線１１０との接続は、画素選択スイッチ５０（図１）によって制御することができる。
【００５７】
画素制御回路２００（図１）は、画素列ごとに配置される。そして、各画素列において、画素制御回路２００と各画素回路１００との間には、選択スイッチ２５０および２５５が配置される。選択スイッチ２５０は、画素制御回路２００と対応の画素回路１００の転送回路２０との間に介挿接続される。また、選択スイッチ２５５は、画素制御回路２００
と対応の画素回路１００のフィードバック経路２０５との間に介挿接続される。
【００５８】
固体撮像素子では、垂直走査および／または水平走査に応じて、各画素回路１００が順次制御されるので、各画素列において選択スイッチ２５０および２５５のオンオフを制御することによって、同一列の複数個の画素回路１００のうちの１個の画素回路を選択的に画素制御回路２００と接続できる。これにより、同一の画素列に属する複数の画素回路１００により、単一の画素制御回路２００を共有することができる。すなわち、各画素回路１００について、図３に示したシーケンスに従って実施の形態１による画素制御を適用することができる。
【００５９】
このような構成とすると、画素制御回路２００の配置個数を抑止して回路面積を抑制できるとともに、画素アレイ外に画素制御回路２００を配置することによって、画素アレイの面積を縮小できる。これによって、モバイル機器への搭載に適した、小型の撮像素子をより容易に構成できるようになる。
【００６０】
なお、実施の形態１の変形例では、画素列ごとに１個の画素制御回路２００を配置するとともに、同一画素列内の画素回路１００によって共通の画素制御回路２００を共有する構成例を示したが、これ以外の構成によって画素制御回路２００を共有することも可能である。たとえば、画素例以外の他のグループ毎に共通の画素制御回路２００を配置するとともに、当該グループに属する複数個の画素回路１００と画素制御回路２００との間に選択スイッチ２５０，２５５を適宜配置してもよい。あるいは、各画素列をさらに複数のグループに分割して、グループ毎に共通の画素制御回路２００を配置してもよい。すなわち、画素制御回路２００を共有する画素回路１００のグループについては、任意に設定することが可能である点について、確認的に記載する。
【００６１】
［実施の形態２］
実施の形態２では、フローティングディフュージョン領域３０の電位Ｖ（ＦＤ）を直接フィードバックした実施の形態１の構成をアレンジして、ＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）を増幅した電気信号のフィードバックに基づいて、転送ゲート２１のオン期間（転送回路２０の作動期間）を制御する構成について説明する。
【００６２】
図７には、本発明の実施の形態２による画素回路および画素制御回路の構成を示す回路図が示される。
【００６３】
図７を図１と比較して、実施の形態２では、画素回路１００の出力ノードＮｏがフィードバック経路２０５によって画素制御回路２００と接続される。実施の形態１でも説明したように、画素選択スイッチ５０のオン期間には、ソースフォロアアンプとして作動するトランジスタ４０によって、フローティングディフュージョン領域３０の電位Ｖ（ＦＤ）に応じた出力電位Ｖｏｕｔが出力ノードＮｏに生成される。そして、出力電位Ｖｏｕｔがフィードバック経路２０５によって、画素制御回路２００へ伝達される。
【００６４】
出力電位Ｖｏｕｔは、トランジスタ４０によって既に増幅された電位であるので、反転増幅回路２１０を設ける必要性は低下する。すなわち、パルス発生器２３０内にインバータ等を配置することによって、ＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）と基準電位との比較結果を示す信号を、出力電位Ｖｏｕｔに基づいて発生することができる。なお、トランジスタ４０および画素選択スイッチ５０の接続点に対してフィードバック経路２０５を設けても、同様に出力電位Ｖｏｕｔをフィードバックすることが可能である。図７に示したその他の回路構成は、図１と同様であるのでその詳細な説明は繰返さない。
【００６５】
図８は、図７に示した実施の形態２による画素回路の制御動作を説明する動作波形図で
ある。
【００６６】
図８を図３と比較して、実施の形態２による画素制御では、時刻ｔ３以前の一定期間においても、画素選択スイッチ５０をオンさせて、出力ノードＮｏを電流源１５０により駆動することによって出力電位Ｖｏｕｔが発生される期間を設ける必要がある。これにより、実施の形態１と同様に、時刻ｔ３でのＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）と基準電位との比較（受光量と基準光量Ｌｒ：図５との比較に相当）を等価的に実行できる。
【００６７】
図８の例では、画素選択信号ＳＬを、転送制御基準信号ＴＧ０と同様の期間（時刻ｔ２〜ｔ３）Ｈレベルに設定することによって、画素選択スイッチ５０をオンさせている。このようにすると、出力電位Ｖｏｕｔのフィードバックによって、図３と同様に転送制御基準信号ＴＧ０を生成することができる。
【００６８】
なお、画素制御上は、時刻ｔ３での出力電位Ｖｏｕｔのフィードバック、および時刻ｔ５での画素回路１００からの出力電位Ｖｏｕｔの読出にそれぞれに対応させて、画素選択スイッチ５０のオン期間を設けることが、最低限必要である。ただし、図３でも述べたように、上記の最低限期間を含む限り、画素選択スイッチ５０のオン期間は任意に設定できる。たとえば、時刻ｔ２前から、次のリセットタイミング（時刻ｔ１）の直前まで画素選択スイッチ５０のオンが維持されるように、画素選択信号ＳＬを生成することも可能である。
【００６９】
画素制御のその他の動作については、実施の形態１（図３）と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。
【００７０】
したがって、実施の形態２による画素回路１００および画素制御回路２００（図７）によれば、ＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）に代えて出力電位Ｖｏｕｔをフィードバックすることによって、実施の形態１と同様の画素制御を実現できる。すなわち、画素回路の小型化を維持した上で、低照度領域での受光感度特性の維持および高照度領域でのダイナミックレンジの拡大を両立した画素制御を実現できる。
【００７１】
特に、実施の形態２による構成では、フローティングディフュージョン領域３０を画素回路１００の外部と接続することが回避できるため、フィードバック経路２０５の形成によって、フローティングディフュージョン領域３０の容量Ｃｆｄが影響を受けることがない。したがって、画素回路１００のＦＤ容量（Ｃｆｄ）に画素間でばらつきが生じることを防止して、画素回路１００の特性ばらつきを抑制することが可能となる。
【００７２】
［実施の形態２の変形例］
図９は、実施の形態２による画素回路および画素制御回路をアレイ配置した固体撮像素子の構成例を示す概念図である。
【００７３】
図９を参照して、図６に示した実施の形態１の変形例と同様に、図７に示した画素回路１００が行列状に配置された画素アレイ１０５が構成されるとともに、画素制御回路２００（図７）は、画素列ごとに配置される。なお、実施の形態１の変形例と同様に、基本的には、画素アレイの各画素回路１００が、実施の形態１による画素制御の適用を受けるものとして説明するが、画素アレイを構成する画素のうちの一部の画素のみに対して、実施の形態１による画素制御を適用することも可能である。
【００７４】
実施の形態２による画素制御では、出力電位Ｖｏｕｔを画素制御回路２００へフィードバックすることが必要であるが、出力電位Ｖｏｕｔは、画素回路１００での画素選択スイッチ５０（図７）のオンによってデータ線１１０に出力される。このため、実施の形態２
の変形例では、画素列ごとのデータ線１１０と画素制御回路２００とを接続すれば、図６のような選択スイッチ２５５を画素回路１００ごとに設けることなく、フィードバック経路２０５を、走査行の画素回路１００との間で選択的に形成できる。
【００７５】
一方で、画素制御回路２００と各画素回路１００の間には、図６と同様の選択スイッチ２５０が配置される。そして、各画素列において選択スイッチ２５０のオンオフを適切なタイミングで制御することによって、同一列の複数個の画素回路１００のうちの１個の画素回路を選択的に画素制御回路２００と接続できる。同一の画素列に属する複数の画素回路１００により、単一の画素制御回路２００を共有した上で、各画素回路１００について、図８に示したシーケンスに従って実施の形態２による画素制御を適用することができる。
【００７６】
このように、実施の形態２による画素回路１００および画素制御回路２００についても、実施の形態１と同様に、アレイ状に配置した複数の画素回路１００と、画素列毎に共有される画素制御回路２００のアレイ外への配置とによって、モバイル機器への搭載に適した小型の撮像素子をより容易に構成できるようになる。特に、実施の形態２による変形例では、画素制御回路２００と各画素回路１００の間を配置するスイッチ素子の個数が実施の形態１の変形例と比較して減少するので、固体撮像素子の小型化にさらに寄与することができる。
【００７７】
なお、実施の形態２の変形例でも、画素列ごとに１個の画素制御回路２００を配置するとともに、同一画素列内の画素回路１００によって共通の画素制御回路２００を共有する構成例を示したが、実施の形態１の変形例でも述べた様に、これ以外の構成によって画素制御回路２００を共有することも可能である。すなわち、画素制御回路２００を共有する画素回路１００のグループについては、任意に設定することが可能である。
【００７８】
［実施の形態３］
実施の形態３では、画素回路構成のさらなるバリエーションについて説明する。
【００７９】
図１０を参照して、実施の形態３による画素回路１００は、図１に示した画素回路１００と比較して、転送回路２０の構成が異なる。具体的には、実施の形態３においては、転送回路２０は、蓄積領域１５およびフローティングディフュージョン領域３０の間に並列に接続された、転送ゲート２１および補助転送ゲート２２を含む。画素回路１００のその他の回路構成は図１と同様であるので詳細な説明は繰返さない。
【００８０】
画素制御回路２００は、実施の形態１と同様に、フローティングディフュージョン領域３０に設けられたフィードバック経路２０５からのＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）および転送制御基準信号ＴＧ０に応答して、補助転送ゲート２２のオンオフを制御する転送制御信号ＴＧ♯を生成する。一方、転送ゲート２１のゲートには、転送制御基準信号ＴＧ０がそのまま与えられる。
【００８１】
図１１を参照して、転送制御信号ＴＧ♯は、転送制御基準信号ＴＧ０と、タイマー回路２２０（延長時間Ｔｄ）による制御信号ＴＧ１と、ＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）と基準電位との比較結果（たとえば、反転増幅回路２１０の出力信号）とに基づいて、画素回路１００の受光量が大きい場合には、時刻ｔ３〜ｔ４の期間で補助転送ゲート２２をオンするように設定される一方で、画素回路１００の受光量が小さいときには補助転送ゲート２２をオフに維持するように設定される。
【００８２】
転送制御基準信号ＴＧ０および転送制御信号ＴＧ♯にそれぞれ応答させて転送ゲート２１および補助転送ゲート２２をオンオフさせることにより、実施の形態１と同様に転送回
路２０を作動させることができる。
【００８３】
すなわち、時刻ｔ２〜ｔ３においては転送ゲート２１のオンにより転送回路２０を作動することによって、それまでに蓄積領域１５に蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョン領域３０へ転送することができる。さらに、時刻ｔ３〜ｔ４においては、ＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）に応じて、補助転送ゲート２２のオンオフが制御されて、受光量が大きいときには転送回路２０が作動する一方で、受光量が小さいときには転送回路２０が非作動とされる。この結果、転送回路２０による蓄積領域１５からフローティングディフュージョン領域３０への電荷転送動作は、実施の形態１と同様となる。また、画素選択信号ＳＬについても、実施の形態１（図３）で説明したのと同様に生成される。
【００８４】
したがって、上述したような実施の形態３による画素回路および画素制御回路によっても、画素回路の追加回路要素を最小限に抑えた上で、実施の形態１と同様に、画素制御（画素回路の制御）あるいは画素回路後段での演算処理を複雑化させることなく、ダイナミックレンジを拡大することができる。
【００８５】
なお図１０に示した、実施の形態３による画素回路１００および画素制御回路２００については、図６に示した実施の形態１の変形例と同様に、アレイ状に配置した複数の画素回路１００と、画素列（所定グループ）毎に共有される画素制御回路２００のアレイ外への配置とによって、モバイル機器への搭載に適した小型の撮像素子をより容易に構成できるようになる。
【００８６】
ただし、実施の形態３による画素制御では、転送制御基準信号ＴＧ０および転送制御信号ＴＧ♯のそれぞれについて、画素制御回路２００から各画素回路１００への転送を制御する必要がある。したがって、各画素回路１００に対して、図６に示した選択スイッチ２５０については、転送ゲート２１および補助転送ゲート２２のそれぞれに対応させて独立に配置する必要が生じる。
【００８７】
［実施の形態３の変形例］
図１２は、本発明の実施の形態３の変形例による画素回路および画素制御回路の構成を示す回路図である。
【００８８】
図１２を図１０と比較して、実施の形態３の変形例においては、実施の形態３と同様の構成の画素回路１００について、実施の形態２と同様に、フィードバック経路２０５が出力ノードＮｏと画素制御回路２００との間に設けられる。
【００８９】
画素制御回路２００は、画素回路１００の受光量が基準以上か否かを判断するためのＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）と基準電位との比較について、直接ＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）を用いるのではなく、ＦＤ電位を増幅した出力電位Ｖｏｕｔを用いる以外は、実施の形態３（図１０）と同様に転送制御基準信号ＴＧ０および転送制御信号ＴＧ♯を生成する。なお、図１２の構成でも、トランジスタ４０および画素選択スイッチ５０の接続点に対してフィードバック経路２０５を設けることが可能である。その他の構成については、実施の形態３と同様であるので詳細な説明は繰返さない。
【００９０】
このような構成とすると、実施の形態３と同様に転送ゲート２１および補助転送ゲート２２の並列接続によって構成された転送回路２０を設けた画素回路１００において、実施の形態２と同様に、増幅器（ソースフォロアアンプ）を構成するトランジスタ４０によって増幅された出力電位Ｖｏｕｔを用いた画素制御を実現できる。
【００９１】
この結果、実施の形態３の変形例に従う画素回路１００および画素制御回路２００を備
えた固体撮像素子において、実施の形態２と同様の効果をさらに享受することができる。
【００９２】
なお、図１２に示した、実施の形態３の変形例による画素回路１００および画素制御回路２００については、図９に示した実施の形態２の変形例と同様に、アレイ状に配置した複数の画素回路１００と、画素列（所定グループ）毎に共有される画素制御回路２００のアレイ外への配置とによって、モバイル機器への搭載に適した小型の撮像素子をより容易に構成できるようになる。
【００９３】
ただし、実施の形態３と同様に、転送制御基準信号ＴＧ０および転送制御信号ＴＧ♯のそれぞれについて、画素制御回路２００から各画素回路１００への転送を制御する必要があるので、各画素回路１００に対して、図９に示した選択スイッチ２５０については、転送ゲート２１および補助転送ゲート２２のそれぞれに対応させて独立に配置する必要が生じる。
【００９４】
［実施の形態４］
図１３は、実施の形態４による画素回路１００および画素制御回路２００の構成を示す回路図である。
【００９５】
図１３を図１と比較して、実施の形態４に従う画素回路１００では、転送回路２０が、デュアルゲートトランジスタ２３によって構成される点が異なる。画素回路１００のその他の部分の構成は実施の形態１（図１）と同様であるので詳細な説明は繰返さない。
【００９６】
そして、画素制御回路２００は、実施の形態３（図１０）と同様に構成されて、図１１に示した転送制御基準信号ＴＧ０および転送制御信号ＴＧ♯が転送回路２０へ与えられる。
【００９７】
デュアルゲートトランジスタ２３は、通常ゲートＧおよび制御ゲートＣＧを有し、通常ゲートＧおよび制御ゲートＣＧの電位に応じて、蓄積領域１５からフローティングディフュージョン領域３０への電荷転送の実行／停止を制御する。具体的には、ｎ型で構成されたデュアルゲートトランジスタ２３は、通常ゲートＧおよび制御ゲートＣＧの少なくとも一方がオン電位（ｎ型トランジスタではＨレベル：Ｖｄｄ）とされることによって導通して、蓄積領域１５からフローティングディフュージョン領域３０へ信号電荷を転送する。一方で、通常ゲートＧおよび制御ゲートＣＧの両方がオン電位とされない場合には、蓄積領域１５からフローティングディフュージョン領域３０への信号電荷の転送は停止される。
【００９８】
たとえば、デュアルゲートトランジスタ２３としては、通常ゲートＧと重なるように作製された制御ゲートＣＧの電位に応じて、チャネルに形成される電界を変調することによりトランジスタの利得係数を制御するように構成された、国際公開ＷＯ０２／０５９９７９号公報（あるいは、特開２００２−２２２９４４号公報）や、特開２００５−０１２００２号公報に記載された、利得係数βを調整可能な半導体素子を用いることができる。
【００９９】
図１３のように転送回路２０を構成しても、図１０に示した転送制御基準信号ＴＧ０のＨレベル期間および転送制御信号ＴＧ♯のＨレベル期間の両方において、デュアルゲートトランジスタ２３をターンオンさせることによって、蓄積領域１５からフローティングディフュージョン領域３０へ信号電荷を転送できる。すなわち、実施の形態１と同様に、転送回路２０を作動させることができる。
【０１００】
この結果、実施の形態４による画素回路１００および画素制御回路２００によっても、実施の形態１と同様に、画素回路の小型化と両立させて、画素制御（画素回路の制御）あ
るいは画素回路後段での演算処理を複雑化させることなく、ダイナミックレンジを拡大することができる。
【０１０１】
なお、図１３に示した、実施の形態４による画素回路１００および画素制御回路２００については、図６に示した実施の形態１の変形例と同様に、アレイ状に配置した複数の画素回路１００と、画素列（所定グループ）毎に共有される画素制御回路２００のアレイ外への配置とによって、モバイル機器への搭載に適した小型の撮像素子をより容易に構成できるようになる。
【０１０２】
ただし、実施の形態４による画素制御においても、転送制御基準信号ＴＧ０および転送制御信号ＴＧ♯のそれぞれについて、画素制御回路２００から各画素回路１００への転送を制御する必要がある。したがって、実施の形態３と同様に、各画素回路１００に対して、図６に示した選択スイッチ２５０については、転送ゲート２１および補助転送ゲート２２のそれぞれに対応させて独立に配置する必要が生じる。
【０１０３】
［実施の形態４の変形例］
図１４は、本発明の実施の形態４の変形例による画素回路および画素制御回路の構成を示す回路図である。
【０１０４】
図１４を図１３と比較して、実施の形態４の変形例においては、実施の形態３と同様の構成の画素回路１００について、実施の形態２と同様に、フィードバック経路２０５が出力ノードＮｏと画素制御回路２００との間に設けられる。
【０１０５】
画素制御回路２００は、画素回路１００の受光量が基準以上か否かを判断するための、ＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）と基準電位との比較について、直接ＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）を用いるのではなく、ＦＤ電位を増幅した出力電位Ｖｏｕｔを用いる。そして、実施の形態４（図１２）と同様の転送制御基準信号ＴＧ０および転送制御信号ＴＧ♯を生成する。なお、図７でも説明したように、トランジスタ４０および画素選択スイッチ５０の接続点に対してフィードバック経路２０５を設けても、同様に出力電位Ｖｏｕｔをフィードバックすることが可能である。その他の構成については、実施の形態４と同様であるので詳細な説明は繰返さない。
【０１０６】
このような構成とすると、実施の形態４と同様にデュアルゲートトランジスタ２３によって構成された転送回路２０を設けた画素回路１００において、実施の形態２と同様に、増幅器（ソースフォロアアンプ）を構成するトランジスタ４０によって増幅された出力電位Ｖｏｕｔを用いた画素制御を実現できる。
【０１０７】
この結果、実施の形態４の変形例による画素回路１００および画素制御回路２００を備えた固体撮像素子において、実施の形態２と同様の効果をさらに享受することができる。
【０１０８】
なお図１４に示した、実施の形態４の変形例による画素回路１００および画素制御回路２００については、図９に示した実施の形態２の変形例と同様に、アレイ状に配置した複数の画素回路１００と、画素列（所定グループ）毎に共有される画素制御回路２００のアレイ外への配置とによって、モバイル機器への搭載に適した小型の撮像素子をより容易に構成できるようになる。
【０１０９】
ただし、実施の形態４の変形例による画素制御においても、転送制御基準信号ＴＧ０および転送制御信号ＴＧ♯のそれぞれについて、画素制御回路２００から各画素回路１００への転送を制御する必要がある。したがって、実施の形態４と同様に、各画素回路１００に対して、図６に示した選択スイッチ２５０については、転送ゲート２１および補助転送
ゲート２２のそれぞれに対応させて独立に配置する必要が生じる。
【０１１０】
実施の形態１〜４およびそれらの変形例では、転送回路２０の本来の作動期間（図３での時刻ｔ２〜ｔ３）の終了時点でのＦＤ電位に基づいて、画素回路１００の受光量と基準光量とを比較したが、この手法以外によって、画素回路１００の受光量レベルを判断するとともに、その判断結果に従って転送回路２０の作動期間の延長要否を制御する構成としてもよい。
【０１１１】
［実施の形態５］
実施の形態１〜４およびそれらの変形例では、画素回路ごとに転送回路２０の作動期間の延長要否を制御する構成を説明した。
【０１１２】
実施の形態５では、複数の画素回路全体（すなわち、図６，９の画素アレイ１０５）での受光レベルに応じて、各画素回路で共通に、転送回路２０の作動期間の延長要否を制御する構成について説明する。すなわち、実施の形態５は、図６および図９に示したような、実施の形態１〜４およびそれらの変形例に従う画素回路１００が複数個配置された固体撮像素子に向けられたものである。
【０１１３】
図１５は、本発明の実施の形態５による固体撮像素子の第１の例を示す概念図である。
図１５を参照して、実施の形態５の第１の例による固体撮像素子は、図６に示した固体撮像素子と比較して、画素制御回路２００に代えて画素制御回路２０１を備える点で異なる。また、画素回路１００中の転送回路２０については、図１（転送ゲート２１単体）、図１０（転送ゲート２１および補助転送ゲート２２）、および、図１３（デュアルゲートトランジスタ２３）に示したいずれの構成を適用してもよい。なお、図示は省略するが、各画素回路１００においてフィードバック経路２０５が不要となるので削除される。
【０１１４】
画素制御回路２０１は、画素制御回路２００と比較して、レベル判断部２０２を含む点が異なる。レベル判断部２０２は、各画素回路１００からの出力信号に基づいて、複数の画素回路１００全体での受光レベルが所定以上であるか否かを判断する。たとえば、各画素回路１００からの出力信号の総和や平均値と所定の閾値との比較によって、この判断を実現することができる。
【０１１５】
なお、図１５では、画素制御回路２０１毎にレベル判断部２０２を表記しているが、実際には、単一のレベル判断部２０２が、画素アレイ１０５内の複数の画素回路１００全体で共有される構成とすることが合理的である。
【０１１６】
画素制御回路２０１では、画素制御回路２００でのフィードバック経路２０５に対してレベル判断部２０２での判断結果を示す信号が入力される構成となる。
【０１１７】
したがって、図１に示した構成の各画素回路１００が配置された画素アレイ１０５では、画素回路全体での受光レベルが所定以上であるときには、各画素回路１００に対して、制御信号ＴＧ１に従って転送制御信号ＴＧが出力される。一方で、画素回路全体での受光レベルが所定より低いときには、各画素回路１００に対して転送基準信号ＴＧ０に従って転送制御信号ＴＧが出力される。
【０１１８】
また、図１０または図１３に示した構成の各画素回路１００が配置された画素アレイ１０５では、画素回路全体での受光レベルが所定以上であるときには、各画素回路１００に対して、転送制御信号ＴＧ♯は、図１１の時刻ｔ３〜ｔ４に対応する期間でＨレベルとなるように設定される。一方で、画素回路全体での受光レベルが所定より低いときには、各画素回路１００に対して、転送制御信号ＴＧ♯はＬレベルに固定される。
【０１１９】
図１６は、本発明の実施の形態５による固体撮像素子の第２の例を示す概念図である。
図１６を参照して、実施の形態５の第２の例による固体撮像素子は、図１５に示した第１の例と比較して、操作スイッチ２０３がさらに設けられる点で異なる。
【０１２０】
操作スイッチ２０３は、ユーザがダイナミックレンジ拡大の要否を選択する指示を入力するために設けられる。レベル判断部２０２は、操作スイッチ２０３への入力に基づいて、複数の画素回路１００全体での受光レベルが所定以上であるか否かを判断する。
【０１２１】
たとえば、操作スイッチ２０３が夜間撮影時に操作するための入力端として設けられた場合には、レベル判断部２０２は、操作スイッチ２０３が操作されたときに画素回路全体での受光レベルが所定より低いと判断する一方で、操作スイッチ２０３が操作されないときに画素回路全体での受光レベルが所定以上であると判断することができる。これとは反対に、操作スイッチ２０３は、光量レベルが高い状況での撮像時に操作するための入力端として設けることも可能である。
【０１２２】
画素回路全体での受光レベルが所定以上あるか否かの判断に従った、画素制御回路２０１による転送制御信号ＴＧ（またはＴＧ♯）の生成については、図１５で説明したのと同様であるので説明は繰り返さない。
【０１２３】
なお、図１５では、画素制御回路２０１毎にレベル判断部２０２および操作スイッチ２０３を表記しているが、実際には、レベル判断部２０２および操作スイッチ２０３は、画素アレイ１０５内の複数の画素回路１００全体で共有されるように１個ずつ配置される構成とすることが合理的である。
【０１２４】
以上のように、実施の形態５による固体撮像素子では、たとえば、夜間撮像と晴天時の昼間撮像との相違等、受光レベルに大差がある撮像場面のそれぞれに対応するべく、各画素回路で共通にダイナミックレンジを拡大するか否かを選択した撮像を行うことができる。特に、画素回路毎にフィードバック構成を配置する必要がないので、制御構成を簡略化した上で上記のような撮像を行うことができる。
【０１２５】
［実施の形態６］
実施の形態１〜５およびそれらの変形例では、転送回路２０の作動期間の延長要否を制御する構成について説明した。実施の形態６では、転送回路２０の作動期間についての検討をさらに進めて、従来の発想とは異なる作動期間長の設定によって、ダイナミックレンジの拡大が実現できることを説明する。
【０１２６】
すなわち、以下に説明する実施の形態６による固体撮像素子では、複数個の画素回路１００の各々において転送回路２０の作動期間は、共通かつ固定的に設定される。
【０１２７】
図１７は、本発明の実施の形態６による固体撮像素子の画素回路の構成を示す回路図である。
【０１２８】
図１７に示された画素回路１００は、図１に示した画素回路１００と比較して、フィードバック経路２０５が削除される点で異なる。既に説明したように、画素回路１００の構成そのものは一般的である。
【０１２９】
ここで、図１８および図１９を用いて、画素回路１００における転送回路２０の作動期間の通常の設定手法について説明する。
【０１３０】
図１８を参照して、時刻ｔ０では、転送制御信号がＨレベルからＬレベルへ遷移することにより、転送ゲート２１がオフする。すなわち、転送回路２０の作動が停止される。
【０１３１】
図１９（ａ）に示されるように、時刻ｔ０において、前回の撮像（前回フレーム）で発生した信号電荷９０は、全てフローティングディフュージョン領域３０へ転送された状態となる。したがって、蓄積領域１５の信号電荷量は零である。一方、時刻ｔ０において、フローティングディフュージョン領域３０には、点線で示されるように、前回フレームでの受光量に応じた量の信号電荷が蓄積された状態となる。
【０１３２】
そして、時刻ｔ０以降では、新たな撮像（今回フレーム）での受光に対応して、フォトダイオード１０が信号電荷を発生するとともに、当該信号電荷は、蓄積領域１５へ蓄積される。
【０１３３】
再び図１８を参照して、時刻ｔ１では、リセット信号Ｒｆｄが発生される。これにより、リセットスイッチ３５（図１７）がターンオンされるので、ＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）が電源電位Ｖｄｄにリセットされる。
【０１３４】
図１９（ｂ）に示すように、時刻ｔ１では、上記リセット動作により、フローティングディフュージョン領域３０には信号電荷は存在しないことになる。また、蓄積領域１５には、時刻ｔ０〜ｔ１の期間での受光量に応じた量の信号電荷９０が発生しているが、転送ゲート２１がオフ（転送回路２０が非作動）されているため、蓄積領域１５の信号電荷は、フローティングディフュージョン領域３０へは転送されない。転送ゲート２１がオフされているので、蓄積領域１５およびフローティングディフュージョン領域３０の間にはポテンシャル障壁が存在するからである。
【０１３５】
また、時刻ｔ０〜ｔ１間の任意のタイミングで、ＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）に応じた出力電位Ｖｏｕｔ、すなわち前回フレームに対応する出力信号が、オンされた画素選択スイッチ５０を介して、出力ノードＮｏから読出される。
【０１３６】
再び図１８を参照して、時刻ｔ２〜ｔ３の間、転送制御信号ＴＧは、転送ゲート２１をオンするように設定される。すなわち、転送制御信号ＴＧは、図３等での転送制御基準信号ＴＧ０と同等である。
【０１３７】
図１９（ｃ）に示されるように、時刻ｔ２の直前では、時刻ｔ０〜ｔ２の期間での受光量に応じた量の信号電荷９０が蓄積領域１５に蓄積されている。そして、図１９（ｄ）に示されるように、転送回路２０の作動によって蓄積領域１５およびフローティングディフュージョン領域３０の間のポテンシャル障壁が低下するのに伴って、時刻ｔ２までに蓄積領域１５に蓄積された信号電荷９０が、フローティングディフュージョン領域３０へ転送される。
【０１３８】
また、時刻ｔ２〜ｔ３の間でも、フォトダイオード１０は受光に応じて信号電荷９０を発生する。この期間に発生された信号電荷９０についても、転送回路２０（転送ゲート２１）によって、フローティングディフュージョン領域３０へ転送される。
【０１３９】
再び図１８を参照して、時刻ｔ３では、転送制御信号ＴＧは、転送ゲート２１をターンオフするように設定される。これにより、図１９（ｅ）に示されるように、今回の撮像（今回フレーム）で発生した信号電荷９０は、全てフローティングディフュージョン領域３０へ転送された状態となる。時刻ｔ３以降では、フローティングディフュージョン領域３０がリセットされるまでの任意のタイミングにおいて、ＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）に応じた出力電位Ｖｏｕｔを、出力ノードＮｏから読出すことができる。
【０１４０】
再び図１８を参照して、画素回路１００の各々では、１回の撮像（１フレーム）に対応する露光時間は、ＴＦ１（ＴＦ１＝ＴＦ０＋Ｔ０）となる。ここで、ＴＦ０は、転送ゲート２１がターンオフされてから再びターンオンされるまでの期間に対応し、Ｔ０は転送ゲート２１のオン期間に対応する。
【０１４１】
ここで、時刻ｔ２〜ｔ３の期間長（Ｔ０の長さ）の一般的な設定を説明する。
フォトダイオード１０が発生する信号電荷量は、プロセスおよび構造に依存する物理定数となる光電変換効率（量子効率）と、受光強度と、光照射時間との積に依存する。一方で、フォトダイオード１０の蓄積領域１５の容量Ｃｐｄによって、蓄積できる最大電荷量（飽和電荷量）が決まる。飽和電荷量を超える信号電荷が発生されても、蓄積領域１５には蓄積できないので、その明るさを検知することができなくなる。
【０１４２】
したがって、フォトダイオード１０のサイズおよび構造から、蓄積領域１５に蓄積される信号電荷量の最大値（以下、最大信号電荷蓄積量）Ｑｐｄｍａｘが決まる。この最大信号電荷蓄積量は、転送ゲート２１（転送回路２０）が転送する信号電荷量の最大値にも相当する。
【０１４３】
ここで、転送ゲート２１が、一定量の信号電荷を転送するのに要する時間は、転送ゲート２１を構成するトランジスタのサイズ（Ｗ／Ｌ）等の、プロセスおよび構造に依存する物理定数と、蓄積領域１５およびフローティングディフュージョン領域３０の間の電位差に依存して決まる。したがって、転送ゲート２１のオン期間（Ｔ０）は、最大信号電荷蓄積量Ｑｐｄｍａｘを転送ゲート２１によって転送可能な範囲内で、できるだけ短く設定することが好ましい。一般的には、Ｔ０は、最大信号電荷蓄積量Ｑｐｄｍａｘを転送ゲート２１によって転送するための所要時間と同等に設定される。以下では、Ｔ０を完全転送期間とも称する。
【０１４４】
図１７および図１８に記載した画素回路の構成および制御方法に従えば、１フレーム期間での露光時間ＴＦ１で最大信号電荷蓄積量Ｑｐｄｍａｘを生じさせる光強度が、コントラストを検知可能な受光範囲の上限に対応する。現状のプロセスおよび構造では、たとえば、３０フレーム／秒程度の動画撮影時に、コントラストを検知可能な受光範囲の範囲の広さを示すダイナミックレンジは、６０（ｄＢ）程度が一般的である。また、この際の完全転送期間Ｔ０は、一般的に、数（ｎｓ）〜数十（ｎｓ）程度である。
【０１４５】
次に、図２０および図２１を用いて、実施の形態６による固体撮像素子における画素回路の制御動作を説明する。
【０１４６】
図２０および図１８の比較から理解されるように、実施の形態６による固体撮像素子の各画素回路１００では、転送ゲート２１は、時刻ｔ２〜ｔ３を超えて、時刻ｔ２〜ｔ４の間オンする。すなわち、転送ゲート２１は、完全転送期間Ｔ０の経過後にも、延長期間Ｔ１にわたって継続的にオンされる。すなわち、延長期間Ｔ１は、本発明での「第１の機関」に対応する。また、時刻ｔ２までの制御動作は図１８と同様であるので、説明は繰返さない。
【０１４７】
図２１を参照して、図２１（ａ）〜（ｄ）については従来（図１９）と同様の動作である。すなわち、時刻ｔ２〜ｔ３（図２１（ｄ））では、完全転送期間Ｔ０にわたって転送ゲート２１がオンされる。図２１（ｅ）では、時刻ｔ３時点において、最大信号電荷蓄積量Ｑｐｄｍａｘが、フローティングディフュージョン領域３０へ転送されたケースを想定する。すなわち、図２１では、従来のダイナミックレンジを超えた受光強度に対応する撮像が示される。このとき、時刻ｔ０〜ｔ２の間では、最大信号電荷蓄積量Ｑｐｄｍａｘを超える信号電荷９０が発生されるが、蓄積領域１５の飽和により、最大信号電荷蓄積量Ｑｐｄｍａｘを超える電荷量を、時刻ｔ２の時点で蓄積領域１５に蓄積することはできない。
【０１４８】
各画素回路１００では、フローティングディフュージョン領域３０の容量Ｃｆｄについても、上述した従来思想とは異なるように設定される。すなわち、Ｃｆｄは、最大信号電荷蓄積量Ｑｐｄｍａｘを受入れた時点で、さらに、延長期間Ｔ１においてフォトダイオード１０が発生する信号電荷を受入れるための余裕を持つように決められる。したがって、フローティングディフュージョン領域３０の容量Ｃｆｄは、蓄積領域１５の容量Ｃｐｄよりも大きい。
【０１４９】
そして、図２１（ｆ）に示されるように、時刻ｔ３〜ｔ４では、延長期間Ｔ１にわたって転送ゲート２１のオンを継続することによって、時刻ｔ３以降にフォトダイオード１０が受光に応じて発生した信号電荷９０が、フローティングディフュージョン領域３０へ追加的に転送される。この際に、フローティングディフュージョン領域３０の容量Ｃｆｄが従来思想に従って設計されていると、追加的に転送された信号電荷９０を、フローティングディフュージョン領域３０で受入れることができない点を確認的に記載する。
【０１５０】
なお、ＣｆｄをＣｐｄの２倍程度確保すれば、延長期間Ｔ１においても最大信号電荷蓄積量Ｑｐｄｍａｘを受入れることができる。
【０１５１】
再び図２０を参照して、時刻ｔ２から（Ｔ０＋Ｔ１）が経過した時刻ｔ４において、転送ゲート２１はターンオフされる。これにより、図２１（ｇ）に示されるように、時刻ｔ４以降では、転送回路２０によるポテンシャル障壁が再び上昇するので、蓄積領域１５からフローティングディフュージョン領域３０への信号電荷の転送は停止される。
【０１５２】
したがって、転送ゲート２１のオフ時点において、フローティングディフュージョン領域３０には、時刻ｔ２時点で蓄積領域１５に蓄積されていた信号電荷９０と、時刻ｔ２〜ｔ４の期間でフォトダイオード１０が発生した信号電荷９０との和が蓄積された状態となる。
【０１５３】
なお、時刻ｔ４では、延長期間Ｔ１の間に発生された信号電荷９０が、フローティングディフュージョン領域３０へ完全に転送されていることが必要である。なぜなら、時刻ｔ４では、次回フレームのための露光が開始されるので、蓄積領域１５に信号電荷９０が残留していると、次回フレームでの受光量検知に誤差が発生するからである。したがって、延長期間Ｔ１は、少なくとも、蓄積領域１５での最大信号電荷蓄積量Ｑｐｄｍａｘを転送ゲート２１によって転送するのに必要な時間、すなわち、完全転送期間Ｔ０以上確保することが好ましい（Ｔ１≧Ｔ０）。
【０１５４】
再び図２０を参照して、時刻ｔ４以降において、ＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）は、時刻ｔ４での電位に維持される。そして、フローティングディフュージョン領域３０が次にリセットされるまでの任意のタイミングにおいて、ＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）に応じた出力電位Ｖｏｕｔが出力ノードＮｏから読出される。
【０１５５】
すなわち、実施の形態６による固体撮像素子の各画素回路１００では、１回の撮像（１フレーム）に対応する露光時間は、ＴＦ１（ＴＦ１＝ＴＦ０＋Ｔ０、以下では「基準露光時間」とも称する）からＴＦ２（＝ＴＦ１＋Ｔ１）に延長される。この延長によるダイナミックレンジの拡大の原理を図２２を用いて説明する。
【０１５６】
図２２は、実施の形態６による固体撮像素子における画素回路の出力特性を説明するための概念図である。なお、図２２の横軸は光量（あるいは受光強度）を示し、縦軸は、ＦＤ電位Ｖ（ＦＤ）のリセット時からの電位変化ΔＶ（ＦＤ）を示すものとする。すなわち、ΔＶ（ＦＤ）は、フローティングディフュージョン領域３０へ転送された信号電荷量とＣｆｄとによって決まる。
【０１５７】
図２２には、従来の制御動作（図１８，１９）およびＣｆｄとした場合の出力特性が点線で示される。従来の画素回路では、基準露光時間ＴＦ１の間にフォトダイオード１０が最大信号電荷蓄積量Ｑｐｄｍａｘを発生するときの光量に対応するＬ０が、ダイナミックレンジの上限に対応する。すなわち、光量Ｌｍｎ（最小光量値）〜Ｌ０の範囲に対応して、ΔＶ（ＦＤ）が０〜Ｖｍａｘまで変化することによって、光量（あるいは受光強度）が検出される。すなわち、Ｌ０よりも光量が高い範囲、すなわち、Ｌ０に対応する光強度よりも受光強度が高い範囲では、蓄積領域１５が飽和するため、光量を正しく検出することができない。
【０１５８】
これに対して、実施の形態６による固体撮像素子では、Ｃｆｄが従来よりも大きく設計されるので、最大信号電荷蓄積量Ｑｐｄｍａｘを受けたときのΔＶ（ＦＤ）がＶ０（＜Ｖｍａｘ）に止まる。そして、Ｌ０に対応する光強度よりも受光強度が高いときには、延長期間Ｔ１で発生される信号電荷量に対応して、ΔＶ（ＦＤ）がＶ０よりも上昇する。すなわち、Ｌ０よりも高い範囲の光量に対しても、ΔＶ（ＦＤ）を変化させることができる。
【０１５９】
そして、延長期間Ｔ１での追加転送を加えた合計の信号電荷量によってΔＶ（ＦＤ）がＶｍａｘに達するときの光量Ｌ１に対応する受光強度が、ダイナミックレンジの上限となる。すなわち、実施の形態６による固体撮像素子では、従来と比較して、ΔＬ（Ｌ０〜Ｌ１）だけダイナミックレンジが拡大することになる。
【０１６０】
すなわち、フローティングディフュージョン領域３０の容量Ｃｆｄは、最大信号電荷蓄積量Ｑｐｄｍａｘを受入れるための容量値と、延長期間Ｔ１で発生される信号電荷量（すなわち、拡大ダイナミックレンジΔＤＲに対応する信号電荷量を受入るための容量値との
和以上に確保することが必要である。
【０１６１】
光量がＬ０よりも大きい領域での特性線は、延長時間Ｔ１によって変化する。同一光量に対して延長期間Ｔ１で発生される信号電荷の総量が小さいほど、Ｃｆｄの余裕分によって検知可能な光量範囲が広くなる。したがって、延長期間Ｔ１が小さいほど特性線の傾きは小さくなり、反対に、延長期間Ｔ１が大きいほど特性線の傾きは大きくなる。
【０１６２】
また、ΔＶ（ＦＤ）についてのＶ０とＶｍａｘとの比は、Ｃｆｄによって変わる。すなわち、延長期間Ｔ１において検知可能な光量の範囲は、Ｃｆｄによっても変化する。上述のように、Ｃｆｄは、延長期間Ｔ１においても最大信号電荷蓄積量Ｑｐｄｍａｘをフローティングディフュージョン領域３０に追加的に受入れることができるように、決めることが好ましい。たとえば、ＣｆｄをＣｐｄの２倍程度確保すれば、延長期間Ｔ１においても信号電荷量が０〜Ｑｐｄｍａｘまでの範囲を用いて光量を検知できる。
【０１６３】
ここで、Ｌｍｎ〜Ｌ０に対応する基準ダイナミックレンジＤＲは、下記（１）式で示される。
【０１６４】
ＤＲ＝２０×ｌｏｇ10（Ｌ０／Ｌｍｎ）    ・・・（１）
さらに、延長期間Ｔ１でも信号電荷量が０〜Ｑｐｄｍａｘまでの範囲を用いて光量を検知できるようにすれば、ΔＬに対応する拡大ダイナミックレンジΔＤＲは、延長期間Ｔ１に対する基準露光時間ＴＦ１の比によって、下記（２）式で示される。
【０１６５】
ΔＤＲ＝２０×ｌｏｇ10（ＴＦ１／Ｔ１）    ・・・（２）
このように、延長期間Ｔ１に応じて拡大ダイナミックレンジΔＤＲが決まる。なお、Ｃｆｄによって保持できる信号電荷量が２×Ｑｐｄｍａｘよりも小さい場合には、延長期間Ｔ１の間でフローティングディフュージョン領域３０が飽和する可能性があるので、飽和するまでの光量範囲のみが検知可能となる。したがって、この際の拡大ダイナミックレンジΔＤＲは、式（２）よりも小さくなる。逆に言えば、この面からも、ＣｆｄはＣｐｄの２倍程度確保することが好ましい。
【０１６６】
一方、図２２に示したように、延長期間Ｔ１を短くすると、同一のＣｆｄに対するΔＬは拡大する一方で、光量に対するΔＶ（ＦＤ）の変化が小さくなるので、コントラストの検知上不利となる。したがって、所望のダイナミックレンジに対する基準ダイナミックレンジＤＲの不足分をカバーするように、拡大ダイナミックレンジΔＤＲを設定することにより、延長期間Ｔ１を適切に求めることができる。
【０１６７】
たとえば、３０フレーム／秒の動画撮影では、１フレーム期間に対応させてＴＦ１＝３３（ｍｓ）程度となる。このときの基準ダイナミックレンジＤＲは、上述のように、従来の固体撮像素子では６０（ｄＢ）程度である。一方で、ヒトが同一視野内で検知可能な輝度分布は５桁前後から７桁の範囲（ダイナミックレンジが８０〜１４０（ｄＢ））まで及ぶ。したがって、この差を拡大ダイナミックレンジΔＤＲによって埋めるように、延長期間Ｔ１を決めることができる。
【０１６８】
一例として、固体撮像素子のダイナミックレンジを１４０ｄＢとするためには、ΔＤＲ＝８０（ｄＢ）が必要であるから、Ｔ１＝ＴＦ１／１０4＝３．３（μｓ）と定めることができる。同様に、固体撮像素子のダイナミックレンジを１００ｄＢとするためには、ΔＤＲ＝４０（ｄＢ）が必要であるから、Ｔ１＝ＴＦ１／１０2＝３３０（μｓ）と定めることができる。現実的には、延長期間Ｔ１は、ヒトの視覚と同等のコントラスト検知能力を持たせる観点から、拡大ダイナミックレンジΔＤＲを加えた固体撮像素子のダイナミックレンジが８０（ｄＢ）〜１４０（ｄＢ）となる範囲内で設定されることが好ましい。
【０１６９】
図２２の特性線から理解されるように、実施の形態６による固体撮像素子では、時刻ｔ０〜ｔ３（基準露光時間ＴＦ１）で蓄積領域１５に蓄積された信号電荷量に基づいて、Ｌ０以下の範囲について光量に比例した絶対値出力（ΔＶ（ＦＤ））を得ることができる。さらに、延長期間Ｔ１（時刻ｔ３〜ｔ４）での露光によって追加的に発生された信号電荷量によって、Ｌ０より高い範囲の光量を、画素回路１００間の相対値（すなわち、画素間のコントラスト成分）と捉えて検出することができる。この動作は、ヒトの視覚において背景光成分の信号を圧縮している動作に対応している。すなわち、基準露光時間ＴＦ１および延長露光時間（延長期間Ｔ１）のそれぞれでは、異なる光量（受光強度）範囲での撮像を行っていることと等価であり、かつ、それぞれで発生された信号電荷量を単純に足し合わせることによって、これらの撮像結果を合成した広いダイナミックレンジの撮像を等価的に実現できている。
【０１７０】
このように、実施の形態６による固体撮像素子では、各画素回路における転送ゲート２１のオン期間（転送回路２０の作動期間）および、フローティングディフュージョン領域３０の容量Ｃｆｄを、従来の発想に反する着想で決めることにより、画素回路の構成、あるいは、画素回路の制御および／または画素回路後段での演算処理を全く複雑化することなく、ダイナミックレンジの拡大を実現することができる。すなわち、モバイル機器等への搭載にも対応できる小型化および広ダイナミックレンジ化が両立された固体撮像素子を低コストで作成できる。
【０１７１】
なお、実施の形態６による固体撮像素子について、画素回路１００の転送回路２０の動作期間を延長期間Ｔ１にわたって延長する概念は、図１０に示した、転送ゲート２１および補助転送ゲート２２の組で構成された転送回路にも適用可能である。しかしながら、回路構成および画素制御の簡素化の面で、転送回路２０は転送ゲート２１単体で構成する方が利点が高い。
【０１７２】
また、実施の形態１〜５およびそれらの変形例による固体撮像素子においても、延長時間Ｔｄは、実施の形態６での延長期間Ｔ１と同様に決めることが好ましい。また、フローティングディフュージョン領域３０の容量Ｃｆｄについても、実施の形態６と同様に決めることが好ましい。
【０１７３】
なお、実施の形態１〜５およびそれらの変形例のように、転送回路２０の作動期間の延長要否を制御する構成の固体撮像素子では、実施の形態６のように一律かつ無条件に転送回路２０の作動期間の延長させる固体撮像素子と比較して、低照度での撮影（夜間等）において、露光時間を確保できる点で有利となる。一方で、実施の形態６による固体撮像素子では、従来と全く同様の画素回路構成および制御回路構成によってダイナミックレンジを大幅に拡大できる点で有利である。
【０１７４】
なお、以上の実施の形態では、画素回路１００を構成するトランジスタについてはすべてｎ型の導電型の素子を例示したが、トランジスタの導電型については適宜変更してｐ型素子を用いることも可能である。その際には、画素制御回路２００から出力される転送制御信号の論理レベル（Ｈ／Ｌ）や、電源ノード６／接地ノード５への接続を適宜反転することによって、同様の画素制御を実現することができる。
【０１７５】
また、実施の形態１〜６およびそれらの変形例では、負電荷（電子）を信号電荷とした構成を例示したが、フォトダイオード１０のカソードを電源ノード６と電気的に接続することによって、正電荷（正孔）を信号電荷とするような回路構成とすることも可能である。ただし、正電荷（正孔）の移動度は、負電荷（電子）の移動度よりも小さいので、本実施の形態１〜４およびそれらの変形例に示した画素回路および画素制御回路を備えた固体撮像素子は、高速撮像の面で相対的に有利であることが理解される。
【０１７６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１７７】
本発明は、受光検知素子を各画素回路に有する一般的な固体撮像素子に適用できる。
【符号の説明】
【０１７８】
５  接地ノード、６  電源ノード、１０  フォトダイオード、１５  蓄積領域、２０  転送回路、２１  転送ゲート、２２  補助転送ゲート、２３  デュアルゲートトランジスタ、３０  フローティングディフュージョン領域、３５  リセットスイッチ、４０  トランジスタ（増幅器）、５０  画素選択スイッチ、９０，９０♯  信号電荷、１００  画素回路、１０５  画素アレイ、１１０  データ線、１５０  電流源、２００，２０１  画素制御回路、２０２  レベル判断回路、２０３  操作スイッチ、２０５  フィードバック経路、２１０  反転増幅回路、２１２  トランジスタ、２１４  トランジスタ、２２０  タイマー回路、２３０  パルス発生器、２５０  選択スイッチ、２５５  選択スイッチ、Ｃｆｄ  容量（フローティングディフュージョン領域）、ＣＧ  制御ゲート、Ｃｐｄ  容量（蓄積領域）、ＣＧ  制御ゲート、Ｇ  通常ゲート、Ｌｍｎ  最小光量値、Ｌｒ  基準光量、Ｎ１  入力ノード（反転増幅回路）、Ｎ２  出力ノード（反転増幅回路）、Ｎｏ  出力ノード（画素回路）、Ｒｆｄ  リセット信号、ＳＬ  画素選択信号、Ｔ０  完全転送期間、Ｔ１  延長期間、Ｔｄ  延長時間、ＴＧ  転送制御信号、ＴＧ０  転送制御基準信号、ＴＧ１  制御信号、Ｖ（ＦＤ）  ＦＤ電位、Ｖｄｄ  電源電位、Ｖｏｕｔ  出力電位、Ｖｓｓ  接地電位。
【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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【図２１】
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【図２２】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年5月7日(2010.5.7)
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子に関し、より特定的には、固体撮像素子のダイナミックレンジ拡大に関するものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光に応じて信号電荷を発生する光検知素子と、前記光検知素子によって発生された信号電荷を蓄積する蓄積領域と、フローティングディフュージョン領域と、作動時に前記蓄積領域の信号電荷を前記フローティングディフュージョン領域へ転送する一方で非作動時に前記転送を遮断するように構成された転送回路とを含む画素回路と、
前記信号電荷の転送を制御するための画素制御手段とを備え、
前記画素制御手段は、
前記画素回路の受光レベルに応じて、受光量が所定以上のときには、前記受光量が所定より低いときと比較して前記転送回路の作動期間を延長するように前記転送回路を制御する、固体撮像素子。
【請求項２】
前記画素制御手段は、
前記転送回路を所定期間作動させる第１の転送制御手段と、
前記所定期間に前記フローティングディフュージョン領域へ転送された信号電荷量が基準より大きいときには前記所定期間よりも前記転送回路の作動を延長する一方で、前記転送された信号電荷量が前記基準以下のときには前記所定期間終了時に前記転送回路を非作動とするための第２の転送制御手段とを含む、請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記転送回路は、
前記光検知素子および前記フローティングディフュージョン領域の間に並列接続された転送ゲートおよび補助転送ゲートを有し、
前記第１の転送制御手段は、前記所定期間に前記転送ゲートをオンし、
前記第２の転送制御手段は、前記所定期間に転送された信号電荷量が前記基準より大きいときに、前記所定期間以後に前記補助転送ゲートを一定期間オンする、請求項２記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記転送回路は、前記光検知素子および前記フローティングディフュージョン領域の間に接続された転送ゲートを有し、
前記第１の転送制御手段は、前記所定期間に前記転送ゲートをオンし、
前記第２の転送制御手段は、前記所定期間に転送された信号電荷量が前記基準より大きいときに、前記所定期間の終了後も前記転送ゲートのオンを一定期間維持する、請求項２記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記第２の転送制御手段は、前記所定期間における前記フローティングディフュージョン領域の電位に基づいて、前記所定期間に転送された信号電荷量が前記基準より大きいか否かを判断する、請求項２〜４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記画素回路は、作動時に前記フローティングディフュージョン領域の信号電荷量に応じた電気信号を発生する増幅器をさらに含み、
前記増幅器は、前記所定期間において作動するように構成され、
前記第２の転送制御手段は、前記所定期間における前記増幅器からの前記電気信号に基づいて、前記所定期間に転送された信号電荷量が前記基準より大きいか否かを判断する、請求項２〜４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記固体撮像素子は、
複数個の前記画素回路を有する画素アレイと、
各前記画素回路からの出力を読出すためのデータ線とをさらに備え、
各前記画素回路は、作動時に前記フローティングディフュージョン領域の信号電荷量に応じた電気信号を発生する増幅器、および、前記増幅器と前記データ線との間に配置された画素選択スイッチ素子をさらに含み、
前記複数個の画素回路は複数のグループに分割されるとともに、前記画素制御手段は、前記複数のグループの各々に対応させて前記画素アレイの外部領域に設けられ、
前記固体撮像素子は、
各前記画素回路中の前記転送回路と対応する前記画素制御手段との間に配置される第１のスイッチ素子と、
各前記画素回路中の前記フローティングディフュージョン領域と対応する前記画素制御手段との間に配置される第２のスイッチ素子とをさらに備え、
前記第１および前記第２のスイッチ素子は、前記複数のグループの各々において、当該グループ内の前記画素回路のうちの選択された１個を前記画素制御手段と順次接続するように制御され、
前記第２の転送制御手段は、前記第２のスイッチ素子を介して接続された前記フローティングディフュージョン領域の電位に基づいて、前記所定期間に転送された信号電荷量が前記基準より大きいか否かを判断する、請求項５に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記固体撮像素子は、
複数個の前記画素回路を有する画素アレイと、
各前記画素回路からの出力を読出すためのデータ線とをさらに備え、
各前記画素回路は、前記データ線と前記増幅器との間に配置された画素選択スイッチ素子をさらに含み、
前記複数個の画素回路は複数のグループに分割されるとともに、前記画素制御手段は、前記複数のグループの各々に対応させて前記画素アレイの外部領域に設けられ、
前記固体撮像素子は、
各前記画素回路中の前記転送回路と対応する前記画素制御手段との間に配置される第１のスイッチ素子をさらに備え、
前記第１のスイッチ素子は、前記複数のグループの各々において、当該グループ内の前記画素回路のうちの選択された１個を前記画素制御手段と順次接続するように制御され、
前記第２の転送制御手段は、前記増幅器から前記データ線へ出力された前記電気信号に基づいて、前記所定期間に転送された信号電荷量が前記基準より大きいか否かを判断する、請求項６に記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記固体撮像素子は、複数個の前記画素回路を備え、
前記画素制御手段は、前記複数個の画素回路全体での受光レベルが所定以上のときには、前記複数個の画素回路の各々で共通に、前記作動期間が延長されるように前記転送回路を制御する一方で、前記受光レベルが所定より低いときには、前記複数個の画素回路の各々で共通に、前記作動期間が延長されないように前記転送回路を制御する、請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
前記受光レベルが前記所定以上である状況であるか否かを指定するための操作スイッチをさらに備え、
前記画素制御手段は、前記操作スイッチへの入力有無に応じて、前記複数個の画素回路全体での受光レベルが前記所定以上であるか否かを判断する、請求項９に記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
前記画素制御手段は、前記固体撮像素子による直前の撮像時における前記複数個の画素回路からの出力に基づいて、前記複数個の画素回路全体での受光レベルが前記所定以上であるか否かを判断する、請求項９に記載の固体撮像素子。