(57)【要約】【課題】  光電変換部後段の回路のダイナミックレンジに制限を受けず、別途設けた電荷保持部により増大した信号電荷を有効に画像信号として用いる。【解決手段】  本発明は、光電変換部からの信号電荷を保持する電荷保持部と、光電変換部から電荷保持部へ信号電荷を転送する第１転送部と、電荷保持部の信号電荷を転送する第２転送部と、を有する複数の画素と、第２転送部により転送された信号電荷に基づく信号を増幅する増幅部と、増幅部の信号電荷をリセットするリセット部と、第１、第２転送部及びリセット部に駆動パルスを供給する制御部と、を有し、制御部は、一信号電荷生成期間中に生じた信号電荷を増幅部へ転送する際に、第１転送部に非導通パルスを供給した状態で第２転送部に導通パルスを供給して電荷保持部の信号電荷を増幅部へ転送し、リセット部に導通パルスを供給して増幅部の信号電荷をリセットし、その後第１及び第２転送部に導通パルスを供給する。【選択図】  図１
2010093642.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換部と、該光電変換部からの信号電荷を保持する電荷保持部と、前記光電変換部から前記電荷保持部へ信号電荷を転送する第１転送部と、前記電荷保持部で保持された信号電荷を転送する第２転送部と、を有する複数の画素と、
前記第２転送部により転送された信号電荷に基づく信号を増幅する増幅部と、
前記増幅部に転送された信号電荷をリセットするリセット部と、
前記第１、第２転送部及びリセット部に駆動パルスを供給する制御部と、を有する固体撮像装置であって、
前記制御部は、一信号電荷生成期間中に生じた信号電荷を前記増幅部へ転送する際に、
前記第１転送部に非導通パルスを供給した状態で、前記第２転送部に導通パルスを供給して前記電荷保持部に保持された信号電荷を前記増幅部へ転送し、前記リセット部に導通パルスを供給して該増幅部に転送された信号電荷をリセットし、その後、前記第１及び第２転送部に導通パルスを供給することにより前記光電変換部に保持された信号電荷を前記増幅部へ転送することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記光電変換部と前記電荷保持部との間の電荷経路が埋め込みチャネル構造であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記光電変換部及び前記電荷保持部での信号電荷の蓄積を行なっている期間中の、前記光電変換部と前記電荷保持部との間の電荷経路の信号電荷に対するポテンシャル障壁が、前記光電変換部とその他の領域との間のポテンシャル障壁に比べて低いことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記制御部は、
前記第１及び第２転送部に導通パルスを供給する前に、前記第２転送部に複数回の導通パルスを供給することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記制御部は、
更に、前記第２転送部に対して前記導通パルスと非導通パルスとの間の波高値を有する中間レベルパルスを供給可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記制御部は、
前記中間レベルパルスの波高値を複数の値から選択可能であることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
更に、前記増幅部から出力された信号を処理する読み出し回路を有し、
前記制御部は、
前記中間レベルパルスで転送される信号電荷数が、前記読み出し回路の読み出し可能な最大値を下回るように、前記中間レベルパルスの波高値を設定することを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
更に、前記増幅部から出力された信号を処理するゲイン可変の増幅回路を有し、
該増幅回路のゲインは、前記第１及び第２転送部に導通パルスを供給することにより前記光電変換部に保持された信号電荷を前記増幅部へ転送することにより得られる信号に対するゲインよりも、前記第２転送部に導通パルスを供給して前記電荷保持部に保持された信号電荷を前記増幅部へ転送することにより得られる信号に対するゲインを高く設定されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
更に温度検出部を有し、
前記制御部は、
前記中間レベルパルスの波高値を前記温度検出部からの温度情報に応じて変化させることを特徴とする請求項６又は７のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記画素への入射光量により、前記第２転送部に導通パルスを供給して前記電荷保持部に保持された信号電荷を前記増幅部へ転送することにより得られる信号を画像形成用に用いる場合と用いない場合とを切り換え可能なことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体撮像装置に関し、具体的にはダイナミックレンジ拡大技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＣＭＯＳイメージセンサなどの名前で知られる、増幅型の撮像装置において、機械的な遮光手段を用いずに面内同時に蓄積の開始および終了を制御可能な、電子シャッタ技術が様々存在している。
【０００３】
特許文献１に記載の電子シャッタを有する構成においては、信号電荷生成期間中に光電変換部で生成した電荷が保持部に移送され、露光終了後に光電変換部をリセット状態にして光電変換部で生成した電荷を排出することで電子シャッタ機能を実現している。
【０００４】
本技術は、光電変換部は基本的に光電変換に特化し、従来の露光中の電荷蓄積という機能は隣接した電荷保持部に持たせることで機能を分離した点が特徴である。この電荷保持部はＦＤ領域とは別に設けられるものである。光電変換部の飽和電荷数が少ないために、光電変換部から電荷保持部への転送が低電圧で済み、ＣＣＤなどに比べて、一般的なＣＭＯＳ製造プロセスもしくはその派生の製造プロセスなどの簡易なプロセスで製造できる。
【特許文献１】特開２００６−２４６４５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１においては、画素に電荷保持部を設けることで飽和電荷量を増大させることが可能となるが、飽和電荷量が増大するために、光電変換部、電荷保持部の後段に設けられた読み出し回路のダイナミックレンジにより信号のレンジの制限を受ける場合がある。これは上述したように光電変換の機能を有する構成と、信号電荷を蓄積する構成とを別構成として設け、それぞれに適した構成として蓄積可能な電荷量が増えたことにより顕著となる課題である。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、後段の読み出し回路のダイナミックレンジに制限を受けず、別途設けた電荷保持部により増大した信号電荷を有効に画像信号として用いることを目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記課題に鑑み、光電変換部と、該光電変換部からの信号電荷を保持する電荷保持部と、前記光電変換部から前記電荷保持部へ信号電荷を転送する第１転送部と、前記電荷保持部で保持された信号電荷を転送する第２転送部と、を有する複数の画素と、前記第２転送部により転送された信号電荷に基づく信号を増幅する増幅部と、前記増幅部に転送された信号電荷をリセットするリセット部と、前記第１、第２転送部及びリセット部に駆動パルスを供給する制御部と、を有する固体撮像装置であって、前記制御部は、一信号電荷生成期間中に生じた信号電荷を前記増幅部へ転送する際に、前記第１転送部に非導通パルスを供給した状態で、前記第２転送部に導通パルスを供給して前記電荷保持部に保持された信号電荷を前記増幅部へ転送し、前記リセット部に導通パルスを供給して該増幅部に転送された信号電荷をリセットし、その後、前記第１及び第２転送部に導通パルスを供給することにより前記光電変換部に保持された信号電荷を前記増幅部へ転送することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、光電変換部とは別に、画素に電荷保持部を設けた構成において、後段の読み出し回路のダイナミックレンジに制限を受けず、別途設けた電荷保持部により増大した信号電荷を有効に画像信号として用いることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
【００１０】
まず以下の実施形態に共通に適用可能な固体撮像装置のブロック図及び画素の等価回路図に関して図１、２を用いて説明する。
【００１１】
図１において、１０１は画素領域である。画素が行列状に複数配置されている。１０２は垂直走査部である。画素領域の画素を画素行ごともしくは複数の画素行ごとに走査する。シフトレジスタもしくはデコーダを用いて構成することができる。
【００１２】
１０３は列回路である。画素領域１０１から垂直走査部の走査によって読み出された信号に対して所望の処理を行なう。例えば、画素のノイズ等を抑制するＣＤＳ回路や、画素からの信号を増幅する増幅部、画素からのアナログ信号をディジタル変換するＡＤ変換部等を含んで構成され得る。
【００１３】
１０４は水平走査部である。列回路で所望の処理を施された信号を外部に読み出すために画素列毎もしくは複数の画素列毎に順次走査する。垂直走査部と同様に、シフトレジスタもしくはデコーダを用いて構成される。
【００１４】
１０５は信号処理部である。固体撮像装置から出力された信号に対して所定の処理を行なう。
【００１５】
各構成部間には光信号もしくは駆動信号等を伝達する配線が存在するがここでは省略している。
【００１６】
図２は画素領域に配された画素の等価回路図である。説明の簡略化のために画素領域１０１に含まれる画素は３行×３列の計９画素としているが、これに限定するものではない。２は光電変換部として機能するフォトダイオード（ＰＤ）である。ＰＤのアノードは固定電位（例えば接地）に接続され、カソードは第１転送部として機能する第１転送トランジスタ８を介して電荷保持部３の一方の端子に接続される。電荷保持部３の他方の端子は固定電位（例えば接地）に接続されている。電荷保持部３の一方の端子はさらに第２転送部である第２転送トランジスタ９を介してＦＤ領域４と接続されている。ＦＤ領域は増幅部の一部として機能する増幅トランジスタ１２のゲート端子に接続される。増幅トランジスタのゲートは増幅部の入力部として機能する。増幅トランジスタ１２のゲートはリセット部として機能するリセットトランジスタ１０を介して画素電源線に接続される。各転送トランジスタとしてはＭＯＳトランジスタを用いることができる。
【００１７】
選択部として機能する選択トランジスタ１１は一方の主電極であるドレイン端子が画素電源線に、他方の主電極であるソース端子が増幅トランジスタ１２の一方の主電極であるドレインと接続されている。アクティブな信号ＳＥＬが入力されると選択トランジスタの両主電極は導通状態となる。これにより増幅トランジスタ１２は垂直信号線ＯＵＴに設けられた不図示の定電流源とでソースフォロワ回路を形成し、増幅トランジスタ１２の制御電極であるゲート端子の電位に応じた信号が垂直信号線ＯＵＴに現われる。垂直信号線ＯＵＴに現われた信号に基づいて固体撮像装置から信号が出力され、信号処理回路部などを経て画像信号を形成する。
【００１８】
図２では各画素にリセット部、増幅部、選択部を設けたが、複数の画素でこれらの構成を共有することも可能である。また選択部を設けずに、増幅部の入力部の電位により画素を選択するような構成とすることも可能である。
【００１９】
本発明は、以上述べたような構成を一例とする、光電変換部とＦＤ領域との間に電荷保持部を有する構成に適用するものである。
【００２０】
特に好ましくは光電変換部と電荷保持部との間の電荷経路の構造に下記特徴を有する構成、つまり、第１転送部が非導通状態となるローレベルパルスが供給されている状態で、光電変換部から電荷保持部へ電荷を転送可能な構造を用いることが望ましい。
【００２１】
例えば具体的な構成としては、第１転送部をＭＯＳトランジスタであるとすると、このＭＯＳトランジスタが埋め込みチャネル構造である。そして、非導通状態であっても表面よりも深い部位にポテンシャル障壁がその部位だけが一部低くなっている部分が存在している構成である。この場合には電荷転送部は、信号電荷を蓄積中に積極的な制御を行なわずに一定の電圧が供給された状態とすることもできる。つまり転送部としての機能を有さずとも固定のポテンシャル障壁を設けても良い。そして、蓄積終了直前に、そのポテンシャル障壁の高さを低くする制御を行い、光電変換部に残った信号電荷を電荷保持部に転送する。
【００２２】
このような構成によれば、光電変換部に光が入射した際に光電変換により生成した信号電荷のほぼすべてが光電変換部で蓄積されることなく電荷保持部へ転送可能となる。したがって、全ての画素に含まれる光電変換部において電荷の蓄積時間を揃えることが可能となる。また、ＭＯＳトランジスタが非導通時においてはチャネル表面にホールが蓄積されており、かつ電荷が転送されるチャネルが表面よりも所定深さの部分に存在するため、絶縁膜界面における暗電流の影響を低減することが可能となる。
【００２３】
別の観点でいうと、光電変換部及び電荷保持部で信号電荷を蓄積している期間において、光電変換部と電荷保持部の間の電荷経路のポテンシャル障壁が光電変換部と他の領域との間の電荷経路のポテンシャル障壁よりも低いともいえる。ここでのポテンシャルとは信号電荷に対してのポテンシャルである。例えばＯＦＤ領域を設けたときはＯＦＤ領域との間のポテンシャルよりも低くすればよい。
【００２４】
また、特に好ましくは、電荷保持部が電荷結合素子で形成され、電荷保持部で信号電荷を蓄積している期間において、絶縁膜を介した対向電極に電位を与えて電荷保持部の表面に信号電荷と逆極性の電荷を蓄積させる。これにより、電荷保持部が形成される半導体表面での暗電荷の生成を抑制することが望ましい。
【００２５】
このような構成によれば、電荷保持部起因の暗電流をさらに低減することが可能となる。なおかつ、電荷保持部の表面に暗電流対策のための反対導電型の不純物注入を行う必要が無いことから、フォトダイオードと比較して、電荷保持を担当する部位を表面近くに浅く形成できる。それゆえに単位体積あたりの電荷保持能力を高めることができ、従来のフォトダイオードが電荷保持を兼用する構成と比べて数倍の保持能力を持たせることが可能になる。
【００２６】
さらに駆動の観点では、１信号電荷生成期間中に光電変換部から電荷保持部に移動した信号電荷を電荷保持部において保持し、画像信号として用いる。つまり、光電変換部での１信号電荷生成期間を開始後、電荷保持部のリセット動作を介することなく画素外部へ信号を読み出しているともいえる。なお１信号電荷生成期間とは１フレームの画像を撮影する際に、各光電変換部で共通に決定されるものである。
【００２７】
以下、本発明の具体的構成、駆動方法に関して説明する。なお、その際の画素構成の例は、第１転送部が埋め込みチャネル型のＭＯＳトランジスタの場合であり、かつ、電荷保持部が電荷結合素子で形成された構成を元にする。また第１、第２転送部としてトランジスタを用いる構成を例にして説明する。
【００２８】
（第一の実施形態）
第一の実施形態の駆動パルスを図３に、各構成部におけるポテンシャル状態を示す図を図４に示す。本実施形態においては、一信号電荷生成期間中に生じた信号電荷を増幅部へ転送する際に、まず、第２転送部のみに導通パルスを供給して電荷保持部に保持された信号電荷を増幅部へ転送する。そして、前記リセット部に導通パルスを供給して該増幅部に転送された信号電荷をリセットする。その後、第１及び第２転送部に導通パルスを供給することにより光電変換部に保持された信号電荷を増幅部へ転送する。これらの動作を行なわせるために各素子に駆動パルスを供給するのは、垂直走査部１０２である。したがって垂直走査部を各駆動パルスを供給する制御部とよぶことができる。もしくは垂直走査部１０２を制御するタイミングジェネレータなどを含めて制御部としてもよい。
【００２９】
図３においてＰＴＸ１は第１転送トランジスタに供給される駆動パルス、ＰＴＸ２は第２転送トランジスタに供給される駆動パルス、ＰＲＥＳはリセットトランジスタに供給される駆動パルス、ＰＳＥＬは選択トランジスタに供給される駆動パルスをそれぞれ示す。括弧書きで示した数字は画素行番号を示す。また本実施形態の撮像装置はメカシャッタを有しており、メカシャッタが開状態で光電変換部に光が入射し、メカシャッタが閉状態で光電変換部に光が入射しない状態となっている。メカシャッタによって光電変換部での露光状態を制御し、信号電荷生成期間を規定することが可能である。図３において、黒塗りの部分はメカシャッタが閉状態であり、白塗りの部分は開状態である。
【００３０】
ＰＴＳは列回路に含まれる光信号保持用の保持部に信号を取り込むためのサンプリングパルスであり、ＰＴＮは列回路に含まれるノイズ信号保持用の保持部に信号を取り込むためのサンプリングパルスである。ノイズ信号とは画素のリセットトランジスタ、及び増幅トランジスタのオフセット、ランダムノイズ、もしくは列回路に増幅部を含む場合にはこの列増幅部のオフセットなどである。
【００３１】
またハイレベルパルスにより各トランジスタが導通、もしくはサンプリングを行なうものとする。
【００３２】
本実施形態においては、電荷保持部に保持された信号電荷を増幅部に転送した後に、増幅部に転送された信号電荷をリセットし、その後、光電変換部で保持されていた電荷を電荷保持部を介してＦＤ領域へ転送することを特徴としている。
【００３３】
まずＴ１では、リセットトランジスタおよび第１〜第３転送トランジスタにハイレベルパルスが供給されて導通状態となり、光電変換部、電荷保持部及びＦＤ領域の電荷をリセットする。この時メカシャッタは閉状態ある。
【００３４】
Ｔ２では、メカシャッタを開状態とし光電変換部に光を入射させる。このとき各転送トランジスタに供給されるパルスは各転送トランジスタを非導通状態とするローレベルパルスである。
【００３５】
Ｔ３において、メカシャッタを閉状態とする。
【００３６】
Ｔ４において、１行目の画素行のＰＲＥＳにローレベルパルスを供給し、ＰＳＥＬにハイレベルパルスを供給する。ここでは同時に行なっているが異なる時刻に行なってもよい。ただし、リセット部のｋＴＣノイズを抑制したい場合には、少なくともノイズ信号をサンプリングするＰＴＮにハイレベルパルスが供給される期間においてＰＲＥＳにローレベルパルスが供給されている必要がある。
【００３７】
Ｔ５において、ＰＴＮにハイレベルパルスを供給し、その後一定時間経過後にローレベルパルスを供給することで、１行目の画素のノイズ信号を列回路にて保持する。
【００３８】
Ｔ６ａにおいて、１行目の画素行の第２転送トランジスタにハイレベルパルスを供給する。これにより電荷保持部の電荷と、光電変換部と電荷保持部の間のポテンシャル障壁を超える電荷のみが増幅部に転送される（第１のステップ）。
【００３９】
Ｔ６ｂにおいて、１行目の画素行の第２転送トランジスタに非導通状態となるローレベルパルスを供給する。
【００４０】
Ｔ７において、ＰＴＳにハイレベルパルスを供給し、第１のステップにより読み出された信号電荷に基づく信号を列回路にて保持する。
【００４１】
Ｔ８において、１行目の画素行のＰＳＥＬにローレベルパルスを供給し、ＰＲＥＳにハイレベルパルスを供給する。この動作によって、第１のステップにより増幅部に転送された電荷がリセットされる。
【００４２】
Ｔ９において、再度同一行を読み出すために、１行目の画素行のＰＲＥＳにローレベルパルスを供給し、ＰＳＥＬにハイレベルパルスを供給する。
【００４３】
Ｔ１０において、ＰＴＮにハイレベルパルスを供給し、その後一定時間経過後にローレベルパルスを供給することで、１行目の画素のノイズ信号を列回路にて保持する。
【００４４】
Ｔ１１ａにおいて、１行目の画素行の第１転送トランジスタ及び第２転送トランジスタに導通状態となるハイレベルパルスを供給する（第２のステップ）。これにより光電変換部に蓄積されていた信号電荷が電荷保持部を介してＦＤ領域に転送される。
【００４５】
Ｔ１１ｂにおいて、１行目の画素行の第２転送トランジスタに非導通状態となるローレベルパルスを供給する。
【００４６】
Ｔ１２において、ＰＴＳにハイレベルパルスを供給し、その後一定時間経過後にローレベルパルスを供給することで、第２のステップにより転送される電荷に基づく信号を列回路にて保持する。
【００４７】
Ｔ１３において、１行目のＰＳＥＬにローレベルパルスを供給し、ＰＲＥＳにハイレベルパルスを供給する。
【００４８】
そしてその後、上述の第１、第２のステップにより得られる信号を信号処理部１０５において加算する。これにより光電変換部にて光電変換により生じた電荷の大部分を光電変換部、電荷保持部よりも後段に配された読み出し回路のダイナミックレンジに関わらず画像形成用の信号として取り扱うことが可能となる。
【００４９】
そしてＴ４〜Ｔ１３までの動作を各画素行ごとに繰り返すことによって、１フレームの信号を読み出すことが可能である。
【００５０】
なお、ここでは、各行毎に第１のステップ、第２のステップを繰り返した。しかし、たとえば全行にわたって第１のステップを経たあと、第２のステップを経るような駆動でもよい。つまりは一度全画面にわたって電荷保持部からＦＤ領域へ転送した後、先頭行に戻って光電変換部からＦＤ領域に読み出すような駆動を行っても良い。
【００５１】
次に図４において、図３にて説明した時刻におけるポテンシャル状態を示す。なおポテンシャル図上部に黒塗りの四角が表示されているのはメカシャッタにより光電変換部等が遮光されている状態であることを示している。
【００５２】
図４（ａ）は、光電変換部、電荷保持部での信号電荷の蓄積前に、光電変換部及び電荷保持部の電荷をリセットする動作を示す。また図４（ａ）では図示していないが、ＦＤ領域に転送された電荷はリセットトランジスタにより排出される。この時、メカシャッタは閉状態であり光電変換部に光は入射しない。
【００５３】
図４（ｂ）〜図４（ｄ）はメカシャッタが開状態となり光電変換部に光が入射し光電変換を行なう信号電荷生成期間のポテンシャル状態を示している。
【００５４】
図４（ｂ）はメカシャッタが開いた直後の状態を示しており、光電変換部に信号電荷が生じていない状態を示している。
【００５５】
図４（ｃ）は少量の光が入射した状態であり、第１転送トランジスタに供給されるパルスの波高値によって決まる光電変換部と電荷保持部との間のポテンシャル障壁を越えずに光電変換部において信号電荷が保持されている状態である。ここで第１転送トランジスタにはローレベルパルスが供給されているわけであるが、光電変換部で生じた電荷が直ちに電荷保持部へ移動するようにそのポテンシャル障壁は比較的低く制御されている。このような状態を実現するためには上述したように第１転送トランジスタを埋め込みチャネル型のＭＯＳトランジスタとすることなどにより実現可能である。
【００５６】
図４（ｄ）は、光電変換部で発生した信号電荷が第１転送トランジスタにより形成されるポテンシャル障壁を超えて電荷保持部へ移動し電荷保持部においても信号電荷が保持されている状態である。ここで説明のために図４（ｄ）の光電変換部の点線部よりも下の領域に存在する電荷の数をＱ１＝１００００個、電荷保持部の点線部よりも下の領域に存在する電荷の数をＱ２＝６００００個、点線部よりも上に存在する電荷の数をＱ３＝４００００個とする。ここで点線は第１転送トランジスタにローレベルパルスが供給されている状態のポテンシャル障壁の高さを示している。
【００５７】
図４（ｅ）は、図３のＴ６ａ〜Ｔ６ｂにおけるポテンシャル図を示すものであり、第１転送トランジスタにローレベルパルスが、第２転送トランジスタにハイレベルパルスが供給された状態である（第１のステップ）。この動作によりＦＤ領域には図４（ｄ）における電荷Ｑ３とＱ２が転送される。
【００５８】
図４（ｆ）は、図３のＴ１１ａ〜Ｔ１１ｂにおけるポテンシャル図を示すものであり、第１及び第２転送トランジスタにハイレベルパルスが供給された状態である（第２のステップ）。この動作によりＦＤ領域には光電変換部に保持されていた信号電荷が転送される。
【００５９】
なお、前述のＱ２とＱ３の電荷数がＦＤ領域の保持能力を上回ると、Ｔ６ａ〜Ｔ６ｂのタイミングで全ての電荷をＦＤ領域に転送できない場合がある。その場合を図４（ｇ）で説明する。図中の一点鎖線で示すように、電荷を全てＦＤ領域に転送できないので、転送できない一部の電荷が、電荷保持部に残ってしまう。その場合でも図４（ｈ）に示すように残った電荷が光電変換部の電荷と共に次の転送で完全にＦＤ領域に読み出されるように設計されていればよい。そのような条件は、ＦＤ領域に一度で完全転送できる電子数をＱＦＤＭＡＸとすると、
Ｑ２＋Ｑ３―ＱＦＤＭＡＸ＋Ｑ１＜ＱＦＤＭＡＸ  ・・・（条件式１）
という式で表される。
【００６０】
また、Ｑ１がＱＦＤＭＡＸを超えてしまうと、残った電荷を読み出さずに画素の駆動が終了してしまうことから、
ＱＦＤＭＡＸ＞Ｑ１  ・・・（条件式２）
も必要な条件となる。
【００６１】
なお、ＦＤ領域にＱＦＤＭＡＸの電荷を読み出したときに、ソースフォロア、もしくは後段の読み出し回路部でその転送された電荷に基づく信号を正しく読み出せない場合がある。つまり読み出し回路部のダイナミックレンジがＦＤ領域のダイナミックレンジよりも低い場合には、光信号が一部欠落してしまう場合がある。
【００６２】
制限を受ける読み出し回路の例としては、画素の増幅部、さらには列回路に設けられた列増幅部、列ＡＤ変換部、および出力チャンネル毎に設けられた最終アナログ増幅部、ＡＤ変換器などが考えられる。
【００６３】
一例として画素の増幅部のダイナミックレンジに関して説明する。ここでは増幅部が増幅トランジスタ及び定電流源によりソースフォロワ回路を構成している場合に関して説明する。
【００６４】
光電変換部及び電荷保持部からＦＤ領域へ多くの信号電荷が転送された場合にはＦＤ領域の電位が低下する。ＦＤ領域の電位の低下により、ＦＤ領域つまり増幅トランジスタのゲートの電位と増幅トランジスタのソースの電位差が増幅トランジスタの閾値電圧（Ｖｔｈ）よりも低くなるとソースフォロワ動作しなくなる。そうすると信号が読み出せない。また、たとえソースフォロア回路のダイナミックレンジよりも少ない電荷を読み出したとしても、列増幅部で高いゲインをかける場合は、列増幅回路の入力ダイナミックレンジが制限されることで読み出し回路での飽和が決定される。
【００６５】
したがってＱＦＤＭＡＸは、これら読み出し回路のダイナミックレンジを越えない量の電荷を転送可能な値に設定するのが好ましい。
【００６６】
ここで比較として、例えば、光電変換部及び電荷保持部の電荷を同時に転送動作でＦＤ領域へ転送する場合、及び光電変換部の電荷を電荷保持部に転送した後に、光電変換部と電荷保持部との電荷を合わせてＦＤ領域へ転送する場合を考える。これらの場合には、電荷保持部を設けて飽和電荷量が増加しているため、ＦＤ領域や後段の読み出し回路のダイナミックレンジを越えてしまう場合が多くなる。つまり、電荷保持部を設けて飽和電荷量を増やしても増やした電荷を有効活用できないこととなってしまう。これに対して、本実施形態のように、電荷保持部の電荷をＦＤ領域へ転送した後に、光電変換部の電荷を電荷保持部を介してＦＤ領域へ転送することにより、電荷保持部により増加した電荷量を有効に活用することが可能となる。
【００６７】
本実施形態によれば、電荷保持部を設けることによりダイナミックレンジを拡大しつつ、光電変換部及び電荷保持部の後段に設けられた読み出し回路のダイナミックレンジに制限を受けない読出しが可能となる。
【００６８】
本実施形態は、光電変換部及び電荷保持部をあわせたダイナミックレンジが光電変換部の後段の読み出し回路のダイナミックレンジよりも大きい場合に特に有効となる。
【００６９】
（第二の実施形態）
第二の実施形態の駆動パルスを図５に示す。本実施形態では、Ｔ１４〜Ｔ１８に示すように、電荷保持部からＦＤ領域への第２転送トランジスタによる転送回数を増やしたことが新たな点である。第２転送トランジスタのみに複数回の導通パルスを供給している。
【００７０】
第一の実施形態で示した条件式（１）が成り立たない場合、光電変換部からＦＤ領域への転送後に電荷保持部に電荷が残ってしまい、信号電荷を有効に活用できないこととなる。たとえばＱＦＤＭＡＸが小さい場合、もしくは、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３の和が２×ＱＦＤＭＡＸよりも大きいときにこのようなことが起こりうる。
【００７１】
そのような場合、電荷保持部で保持された信号電荷のみの転送と、光電変換部で保持された信号電荷の転送との間に電荷保持部からの読み出しを更に行う。つまり、電荷保持部に残った信号電荷のみを再度読み出すというステップを追加する。これにより、最後の転送が終了した後に電荷保持部に電荷が残ることを抑制できる。
【００７２】
本実施形態は、特にＱ２＋Ｑ３の和が、ＱＦＤＭＡＸに比べて非常に大きいときに有効である。
【００７３】
第２転送トランジスタに、追加して供給する導通パルスは１回でもよいし更に複数回供給してもよい。Ｑ２＋Ｑ３の値に応じて適宜決定すればよい。
【００７４】
（第三の実施形態）
第三の実施形態の駆動パルス、及びタイミングを図６に示す。本実施形態では、画素から出力された信号を処理するゲイン可変の増幅回路を有する読み出し回路を有する。６０１に示すように、第２のステップ（光電変換部と電荷保持部の電荷を読み出すステップ）時の増幅回路のゲインを、第１のステップ時のゲインのＧ（Ｇ＞１）倍に切り換えることが特徴である。つまり第２のステップ時に読み出される信号に対するゲインを第１のステップ時に読み出される信号に対するゲインよりも高くしている。
【００７５】
本実施形態の動作を図７を用いて説明する。
【００７６】
図７（ａ）は、入射光により各画素の光電変換部に生じた電荷の分布である。光電変換部での飽和と電荷保持部で保持している信号電荷の境界を点線で示している。
【００７７】
図７（ｂ）は図７（ａ）のＡの部分、つまり、第１のステップにより、電荷保持部から転送された信号電荷に基づく信号である。ここで本ステップにおけるランダムノイズはＮ１＝ＶＲＮ１（ｍＶｒｍｓ）と表すことができる。
【００７８】
図７（ｃ）は図７（ａ）のＢの部分、つまり、第２のステップにより、主に光電変換部から転送された信号電荷に基づく信号に関して抜き出した図である。ここでは後段の読み出し回路でのゲインをＧとする。この場合のランダムノイズはＮ２＝ＶＲＮ２（ｍＶｒｍｓ）と表すことができる。
【００７９】
その後、図７（ｂ）と図７（ｃ）の信号を合成して一枚の画像を生成するが、光量に対する出力の傾き、つまり信号感度を一定にするために、高いゲインで読み出した図７（ｃ）の信号をゲインＧで除算処理を行なう必要がある。
【００８０】
図７（ｄ）は、図７（ｃ）の信号をゲインＧで除算した後の値である。信号のレベルは減少するが、それに併せてノイズレベルも１／Ｇになる。
【００８１】
この場合のランダムノイズはＮ３＝ＶＲＮ２／Ｇ（ｍＶｒｍｓ）と表すことができる。
【００８２】
それら二つの信号を合成した後のランダムノイズは、
（（ＶＲＮ１）２＋（ＶＲＮ２／Ｇ）２）０．５
となり、ゲインをかけなかった場合のノイズ
（（ＶＲＮ１）２＋（ＶＲＮ２）２）０．５
にくらべ、低ノイズでの読み出しが可能となる。
【００８３】
このように、第２のステップで読み出された信号に対する増幅回路のゲインを上げることで、画素信号に対するノイズの比、つまりＳＮ比を高め、結果として低輝度被写体の高感度撮影が可能となる。この増幅回路としては例えば列増幅回路などを用いることができる。
【００８４】
本実施形態の固有の効果を説明する。低輝度の被写体の場合には、光電変換部で生じた信号電荷は、光電変換部と電荷保持部との間のポテンシャル障壁を越えずに大部分が光電変換部にて保持される。つまり低輝度の被写体の場合には、信号電荷の光電変換部で保持される割合が高いため、第２のステップで読み出される信号の全体の信号に対する割合が高い。したがって第２のステップで転送される信号電荷に基づく信号に対する読み出し回路のゲインを高くすることで、画素信号に対するノイズの比、つまりＳＮ比を高め、結果として低輝度被写体の高感度撮影が可能となる。
【００８５】
ここで読み出し回路のゲインを上げると入力ダイナミックレンジを狭める。つまりゲインを高くした時には前述のＱＦＤＭＡＸの値が減少してしまう。具体的にゲインをＧとすると、入力ダイナミックレンジはＱＦＤＭＡＸ／Ｇとなる。したがって、読み出し回路のゲインを高くするためには、少ない電荷数を制御性良く、分散幅を狭く読み出すことが重要となる。これに対して第２のステップによる読み出しにおいては、光電変換部と電荷保持部との間の比較的低いポテンシャル障壁を越えずに光電変換部に蓄積された信号電荷であるため、この分散幅も比較的狭くすることが可能となる。
【００８６】
本実施形態によれば、複数回に分けて電荷保持部、光電変換部を、それぞれの間にあるポテンシャル障壁を用いて分割して転送することで、一回目、および二回目の信号出力の分散を小さくすることができる。これにより一度で転送する電荷を多くすることができ、かつ、読み出し回路のゲインを高く設定できるようになる。
【００８７】
なお、好ましくは、光電変換部の飽和電荷量Ｑ１は、
Ｑ１＜ＱＦＤＭＡＸ／Ｇ
の条件を満たすように設計されることが望ましい。
【００８８】
（第四の実施形態）
本実施形態は、電荷保持部で保持された信号電荷のみをＦＤ領域へ転送した際に得られる信号を、画像形成用の信号として用いる場合と用いない場合とを切り換えることを特徴としている。電荷保持部で保持された信号電荷による信号出力が、あるしきい値以下の場合は、その信号を画像形成用の信号として用いないようにすることで、ランダムノイズの加算を防ぐことが可能となる。なお、ここでのしきい値と比較を行なう信号は、電荷保持部で保持された信号電荷のみをＦＤ領域へ転送した際に得られる信号、主に光電変換部で保持された信号電荷をＦＤ領域へ転送した際に得られる信号のいずれでもよい。更には、別途設けられたＡＥセンサにより入射光量に関する情報を取得し、この入射光量情報から、信号の加算、非加算を切り換えてもよい。いずれの方法で行なうにせよ、各画素、もしくは複数の画素を含む領域における入射光量により加算、非加算を切り換えればよい。
【００８９】
更に詳しく図８を用いて説明する。図８（ａ）は電荷保持部で保持された信号電荷のみをＦＤ領域へ転送した際に得られる信号を示し、図８（ｂ）は主に光電変換部で保持された信号電荷をＦＤ領域へ転送した際に得られる信号を示している。図８（ａ）において、白四角で示されている領域の信号はランダムノイズの成分が大半を占めており、加算を行なうとＳ／Ｎ比が悪化する。これに対して図８（ｂ）では灰色で示すように、画像形成用の信号として使うべきレベルの信号となっている。例えば低輝度の被写体の場合には、光電変換部と電荷保持部との間のポテンシャル障壁を越えずに光電変換部にのみ信号電荷が蓄積される。つまり電荷保持部には信号電荷がほとんど存在していない。したがってこのような状態で電荷保持部の電荷の転送動作を行なってもノイズ量が増えるのみである。
【００９０】
これを抑制するために、電荷保持部からの信号が所定のしきい値以下の場合には、電荷保持部で保持された信号電荷のみをＦＤ領域へ転送した際に得られる信号は画像形成用の信号としては用いない。もしくは、光電変換部からの信号が所定のしきい値以上の場合には、電荷保持部からの信号が存在するという判定をおこない、画像形成用の信号として用いる、としても良い。
【００９１】
本実施形態を他の実施形態に適用することにより、各実施形態で得られる効果に加えて、比較的低入射光量の場合に、Ｓ／Ｎ比を悪化させること無く画像を形成することが可能となる。
【００９２】
具体的には、図９にしめすように、低照度側ではランダムノイズの信号に占める割合が大きくなるが、本実施形態によればランダムノイズＶＲＮ１の影響を受けない低ノイズ特性が実現可能となる。
【００９３】
（第五の実施形態）
第五の実施形態の駆動パルスを図１０に示す。本実施形態では、電荷保持部からＦＤ領域への転送に、一部中間レベルパルスを用いて分割転送することが新たな点である。この中間レベルパルスとは導通パルスと非導通パルスとの間の波高値を有するパルスである。この中間レベルパルスは、制御部１０２を中間レベルパルスを供給可能な構成とすることにより実現できる。
【００９４】
まずＴ１では、リセットトランジスタおよび第１、第２転送トランジスタにハイレベルパルスが供給されて導通状態となり、光電変換部、電荷保持部及びＦＤ領域の電荷をリセットする。この時メカシャッタは閉状態である。
【００９５】
Ｔ２では、メカシャッタを開状態とし光電変換部に光を入射させる。このとき各転送トランジスタに供給されるパルスは各転送トランジスタを非導通状態とするローレベルパルスである。
【００９６】
Ｔ３において、メカシャッタを閉状態とする。
【００９７】
Ｔ４において、１行目の画素行のＰＲＥＳにローレベルパルスを供給し、ＰＳＥＬにハイレベルパルスを供給する。ここでは同時に行なっているが異なる時刻に行なってもよい。ただし、リセット部のｋＴＣノイズを抑制したい場合には、少なくともノイズ信号をサンプリングするＰＴＮにハイレベルパルスが供給される期間においてＰＲＥＳにローレベルパルスが供給されている必要がある。
【００９８】
Ｔ５において、ＰＴＮにハイレベルパルスを供給し、１行目の画素のノイズ信号を列回路にて保持する。
【００９９】
Ｔ６ａにおいて、１行目の画素行の第２転送トランジスタに中間レベルパルスを供給し、光電変換部及び電荷保持部で保持された信号電荷のうち、この中間レベルパルスが供給されることにより生じるポテンシャル障壁を越える部分の信号電荷のみがＦＤ領域に転送される（第１のステップ）。
【０１００】
Ｔ６ｂにおいて、１行目の画素行の第２転送トランジスタに非導通状態となるローレベルパルスを供給する。
【０１０１】
Ｔ７において、ＰＴＳにハイレベルパルスを供給し、第１のステップにより読み出された電荷に基づく信号を列回路にて保持する。
【０１０２】
Ｔ８において、１行目の画素行のＰＳＥＬにローレベルパルスを供給し、ＰＲＥＳにハイレベルパルスを供給する。この動作によって、第１のステップによりＦＤ領域に転送された電荷がリセットされる。
【０１０３】
Ｔ９において、ＰＴＮにハイレベルパルスを供給し、１行目の画素のノイズ信号を列回路にて保持する。
【０１０４】
Ｔ１０ａにおいて、１行目の画素行の第２転送トランジスタに導通状態となるハイレベルパルスを供給する（第２のステップ）。好ましくは電荷保持部の電荷がＦＤ領域に完全転送されるに充分な波高値のパルスが供給される。この時１行目の画素行の第１転送トランジスタはローレベルパルスが供給された状態となっている。
【０１０５】
Ｔ１０ｂにおいて、１行目の画素行の第２転送トランジスタに非導通状態となるローレベルパルスを供給する。
【０１０６】
Ｔ１１において、ＰＴＳにハイレベルパルスを供給し、第２のステップにより転送される電荷に基づく信号を列回路にて保持する。
【０１０７】
Ｔ１２において、１行目のＰＳＥＬにローレベルパルスを供給し、ＰＲＥＳにハイレベルパルスを供給する。
【０１０８】
Ｔ１３において、ＰＴＮにハイレベルパルスを供給し、１行目の画素のノイズ信号を列回路にて保持する。
【０１０９】
Ｔ１４ａにおいて、１行目の画素行の第１転送トランジスタ及び第２転送トランジスタに導通状態となるハイレベルパルスを供給する（第３のステップ）。これにより光電変換部に保持されていた信号電荷がＦＤ領域に転送される。
【０１１０】
Ｔ１４ｂにおいて、１行目の画素行の第１転送トランジスタ及び第２転送トランジスタに非導通状態となるローレベルパルスを供給する。
【０１１１】
Ｔ１５において、第３のステップにより転送された信号電荷に基づく信号を列回路にて保持する。
【０１１２】
そしてその後、上述の第１〜第３のステップにより得られる信号を信号処理部１０５において加算する。これにより光電変換部にて光電変換により生じた電荷の大部分を光電変換部、電荷保持部よりも後段に配された読み出し回路のダイナミックレンジに関わらず画像形成用の信号として取り扱うことが可能となる。
【０１１３】
そしてＴ４〜Ｔ１５までの動作を各画素行ごとに繰り返すことによって、１フレームの信号を読み出すことが可能である。
【０１１４】
またＴ６ａ〜Ｔ６ｂの中間レベルパルスでの転送（第２のステップ）を１度のみ行なったがこれを複数回繰り返し行なってもよい。
【０１１５】
次に図１１において、図１０にて説明した時刻におけるポテンシャル状態を示す。なおポテンシャル図上部に黒塗りの四角が表示されているのはメカシャッタにより光電変換部等が遮光されている状態であることを示している。
【０１１６】
図１１（ａ）は、信号電荷生成期間前に、光電変換部及び電荷保持部の電荷をリセットする動作を示す。図１０のＴ１からＴ２の期間のポテンシャル状態を示している。また図１１（ａ）では図示していないが、ＦＤ領域に転送された電荷はリセットトランジスタにより排出される。この時、メカシャッタは閉状態であり光電変換部には光は入射しない。
【０１１７】
図１１（ｂ）〜図１１（ｄ）はメカシャッタが開状態となり光電変換部に光が入射し光電変換を行なう信号電荷生成期間のポテンシャル状態を示している。
【０１１８】
図１１（ｂ）はメカシャッタが開いた直後の状態を示しており、光電変換部に信号電荷が生じていない状態を示している。
【０１１９】
図１１（ｃ）は少量の光が入射した状態であり、第１転送トランジスタに供給されるパルスの波高値によって決まる光電変換部と電荷保持部との間のポテンシャル障壁を越えずに光電変換部において信号電荷が保持されている状態である。ここで第１転送トランジスタにはローレベルパルスが供給されているわけであるが、光電変換部で生じた電荷が直ちに電荷保持部へ移動するようにそのポテンシャル障壁は比較的低く制御されている。このような状態を実現するためには上述したように第１転送トランジスタを埋め込みチャネル型のＭＯＳトランジスタとすることなどにより実現可能である。
【０１２０】
図１１（ｄ）は、光電変換部で発生した信号電荷が第１転送トランジスタにより形成されるポテンシャル障壁を超えて電荷保持部へ移動し電荷保持部においても信号電荷が保持されている状態である。ここで説明のために図１１（ｄ）の光電変換部の点線部よりも下の領域に存在する電荷の数をＱ１＝１００００個、電荷保持部の点線部よりも下の領域に存在する電荷の数をＱ２＝６００００個、点線部よりも上に存在する電荷の数をＱ３＝４００００個とする。
【０１２１】
図１１（ｅ）は、図１０のＴ６ａ〜Ｔ６ｂにおけるポテンシャル図を示すものであり、第１転送トランジスタにローレベルパルスが、第２転送トランジスタに中間レベルパルスが供給された状態である（第２のステップ）。この動作によりＦＤ領域には図１１（ｄ）における電荷Ｑ３の全てとＱ２の電荷の一部が転送される。ＦＤ領域に転送される電荷量は第２転送トランジスタに供給される中間レベルパルスの波高値により任意に設定可能である。  図１１（ｆ）は、図１０のＴ１０ａ〜Ｔ１０ｂにおけるポテンシャル図を示すものであり、第１転送トランジスタにローレベルパルスが、第２転送トランジスタにハイレベルパルスが供給された状態である（第３のステップ）。この動作によりＦＤ領域には電荷保持部に保持されていた信号電荷のうち第２のステップにより転送された信号電荷の残りの電荷が転送される。ここでは例えば５００００個の信号電荷が転送される。
【０１２２】
図１１（ｇ）は、図１０のＴ１４ａ〜Ｔ１４ｂにおけるポテンシャル図を示すものであり、第１及び第２転送トランジスタにハイレベルパルスが供給された状態である（第４のステップ）。この動作によりＦＤ領域には光電変換部に保持されていた信号電荷が転送される。ここでは２０００個の電荷が転送される。
【０１２３】
本実施形態固有の効果を説明する。第一の実施形態においては、ＦＤ領域後段のソースフォロア、および読み出し回路で、ＱＦＤＭＡＸの信号電荷を全て取り扱えるという前提だった。つまり、ＱＦＤＭＡＸの信号がＦＤ領域に転送された場合、その値が回路飽和することなく正しく外部に出力されるという場合である。
【０１２４】
しかし、実際には、増幅回路に用いる電源電圧の制限などから、回路で取り扱える電荷がＱＦＤＭＡＸ以下（以下、ＱＦＤＭＡＸ２）の場合があり得る。そのような場合に、ＦＤ領域への電荷の転送量を制限しなくてはならない。
【０１２５】
その際に、中間レベルパルスを用いた転送を行なうことで、ＦＤ領域への電荷の転送量をＱＦＤＭＡＸ２以下に制限し、全ての電荷が正しく読み出されるようにすることができる。つまり中間レベルパルスの波高値は、中間レベルパルスで転送される信号電荷数が、読み出し回路の読み出し可能な最大値を下回るように設定される。
【０１２６】
なお、その際に、フォトダイオードの飽和電荷量Ｑ１は
Ｑ１＜ＱＦＤＭＡＸ２
となるように設計されることが望ましい。もちろん、Ｑ１をＱＦＤＭＡＸ２に比べ十分低く設定することで、光電変換部からの信号にのみ高いゲインをかけて、暗部のノイズを低減することも可能である。
【０１２７】
本実施形態は、ＦＤ領域のダイナミックレンジが光電変換部の後段の読み出し回路のダイナミックレンジよりも大きい場合に特に有効となる。
【０１２８】
本実施形態によれば、電荷保持部を設けることによりダイナミックレンジを拡大しつつ、光電変換部及び電荷保持部の後段に設けられた読み出し回路のダイナミックレンジに制限を受けない読出しが可能となる。
【０１２９】
（第六の実施形態）
本実施形態において第五の実施形態と異なるのは、各画素行に対して一回のみ中間レベルパルスを供給していたものを複数回供給することとした点である。
【０１３０】
駆動パルス図に関しては、図１０の駆動パルスに対して、中間レベルパルスと導通状態となるハイレベルパルスとの間に更に第２の中間レベルパルスを設ければよい。またそれに応じて、ＦＤ領域のリセットのためのパルス、列回路でのノイズ信号、光信号のサンプリングパルスもそれぞれ追加される。また波高値に関しては、転送トランジスタを導通とするハイレベルパルス、非導通状態とするローレベルパルスの間の任意の値を選択可能である。同じ波高値のパルスを供給してもよいし、異なる波高値のパルスを供給することもできる。
【０１３１】
本実施形態によれば他の実施形態に適用することにより、光電変換部からＦＤ領域への転送条件を細かく設定することが可能となり、光電変換部よりも後段の読み出し回路のダイナミックレンジに細かく対応することが可能となる。
【０１３２】
（第七の実施形態）
本実施形態は、第五、第六の実施形態で供給した中間レベルパルスを温度に応じて変化させる例である。図１２に本実施形態の固体撮像装置を含む撮像システムのブロック図を示す。
【０１３３】
１２０１は固体撮像装置である。１２０２は温度検出部である。ここでは固体撮像装置内に配されているが、固体撮像装置外部の近傍に配置してもよい。１２０３はＣＰＵである。１２０４は制御部である。温度検出部１２０２からの温度情報及びＣＰＵ１２０３からの制御信号に応じて固体撮像装置等の制御を行なう。１２０５は可変電圧供給源である。制御部１２０４からの制御信号に応じて、固体撮像装置に対して温度に応じた電圧を供給する。この電圧を図１の垂直走査回路に供給することにより、温度に応じて中間レベルパルスの波高値、もしくは供給時間を異ならせることが可能となる。
【０１３４】
本実施形態の動作フローを説明する。まず信号電荷生成期間において、光電変換部において信号電荷の蓄積を行なう。所定時間が経過後、信号電荷生成期間が終了する。その後、温度検出部により固体撮像装置自身もしくはその近傍の温度情報を取得する。そして、取得した温度情報に対応した電圧情報が記録されているルックアップテーブルにアクセスし、可変電圧供給源から温度に対応した電圧が供給されるように制御する。その後、上述の各読み出し動作を行なう。
【０１３５】
信号電荷の有するエネルギーは、温度によって異なり、温度が変化しても中間レベルパルスによって生じさせるポテンシャル障壁が同じ高さの場合にはＦＤ領域に転送される電荷の数が異なってしまう。これに対して本実施形態においては、温度検出部を設け、この温度検出部からの信号に応じて中間レベルパルスの波高値、もしくは供給時間を異ならせるもしくは切り換えるようにする。
【０１３６】
本実施形態を第五、第六の実施形態に適応すれば、第五、第六の実施形態で得られる効果に加えて、固体撮像装置及び固体撮像装置近傍で温度変化が生じたときにも、中間レベルパルスを供給することにより転送される電荷数の変化を抑制することが可能となる。
【０１３７】
（第八の実施形態）
本実施形態は、上述の実施形態で述べた中間レベルパルスを光電変換部の後段に設けられた読み出し回路のゲインに応じて変化させる例である。ここで光電変換部の後段に設けられる読み出し回路としては、画素に設けられた増幅部、列回路に設けられた列増幅回路、列回路からの並列信号を直列信号に変換した後に外部へ出力するための出力増幅部などがある。
【０１３８】
図１３に本実施形態の固体撮像装置を含む撮像システムのブロック図を示す。
【０１３９】
１３０１が固体撮像装置である。１３０２が制御部である。１３０３がＣＰＵである。１３０４が可変電圧供給源である。光電変換部の後段に設けられた読み出し回路のゲインの切り換えは制御部１３０２、ＣＰＵ１３０３によって行なわれる。このゲイン制御は例えば、感度切り換え、読み出し速度の変更等に応じて適宜行なわれるものである。
【０１４０】
本実施形態の動作フローを説明する。まず信号電荷生成期間において、光電変換部において信号電荷の蓄積を行なう。所定時間の経過後蓄積を終了する。その後、光電変換部の後段に設けられた読み出し回路のゲインに対応した電圧情報が記録されているルックアップテーブルにアクセスし、可変電圧供給源からゲインに対応した電圧が供給されるように制御する。その後、上述の各読み出し動作を行なう。合わせて温度検出部を設けて第４の実施形態で述べた温度補正を同時に行なってもよい。
【０１４１】
図１４において、読み出し回路ゲインが可変の際に中間レベルパルスの波高値、もしくは供給時間を変更することの効果を説明する。
【０１４２】
図１４（ａ）は第１の中間レベルパルスを供給した時の出力電圧の入射光量依存性（光電変換特性）、図１４（ｂ）は第２の中間レベルパルスを供給した時の光電変換特性、図１４（ｃ）はハイレベルパルスを供給した時の光電変換特性である。図１４（ｄ）は各読み出しパルスによりＦＤ領域に電荷を転送した後の加算後の出力信号特性である。また図１４（ｅ）〜（ｈ）は読み出し回路のゲインに応じてパルスの波高値を変化させた際の光電変換特性、出力信号特性を示すものである。具体的には読み出し回路のゲインが第１のゲインから第１のゲインよりも高い第２のゲインに変化した際に、図１４（ａ）〜（ｃ）に比べてパルスの波高値を低くした例である。
【０１４３】
読み出し回路ゲインが可変の際、回路飽和に至るまでの入射光量（飽和光量）が読み出し回路のゲイン毎に異なる。９０４ａ、ｂ、ｃは読み出し回路のゲインが低い場合であり、９０６ａ、ｂ、ｃは読み出し回路のゲインが高い場合を示している。読み出し回路のゲインが低い場合には飽和光量が９０５ａ、ｂ、ｃと高いので、ＦＤ領域に転送された電荷は全て画像形成用の信号として用いることができる。しかし、読み出し回路のゲインが高い場合には、飽和光量が９０７ａ、ｂ、ｃと低下するので、ＦＤ領域に転送された電荷の一部が読み出し回路の入力ダイナミックレンジを超えてしまい情報として欠落してしまう。結果として、図１４（ｄ）に示すように合成後の光電変換特性として、図１４（ａ）〜図１４（ｃ）で得られるＡ、Ｂ、Ｃの領域の信号を合成した後の特性が、９０９で示すような階段状の特性となり、不感帯を有する光電変換特性になってしまう。参考までに、欠落の無い場合には９０８のような直線状の特性が得られるのが好ましい。
【０１４４】
このような場合に、図１４（ｅ）〜（ｇ）に示すように中間レベルパルスの波高値を図１４（ａ）〜（ｃ）にくらべて低いレベルに制限する。もしくはパルスの供給時間を短くして過渡的な電荷の移動を制限し、中間レベルパルスを用いたときに転送される電荷数を減少させる。これにより、図１４（ａ）〜（ｃ）と同様にパルスを３回供給して読み出したとしても図１４（ｅ）〜（ｇ）に示すような光電変換特性を得ることができる。これらの信号を合成した後の光電変換特性が、図１４（ｈ）である。図１４（ｄ）と比べて情報の欠落がないので、Ａ、Ｂ、Ｃの領域を合成した後も、好ましくない不感帯が存在しない。
【０１４５】
なお、一度に読み出せる電子数に制限が生じるので、合成後の飽和光量は低下する。その際は、必要に応じて中間レベルパルスで読み出す回数と、印加する中間レベル電圧を増加させることで、飽和光量の低下を抑制することができる。
【０１４６】
本実施形態を他の実施形態に適用すれば、各実施形態により得られる効果に加えて、光電変換部よりも後段に設けられた読み出し回路のゲインが変化した際にも、不感帯を生じさせること無く、合成後も連続的な光電変換特性をもった信号を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１４７】
【図１】本発明の固体撮像装置のブロック図である。
【図２】本発明の固体撮像装置の画素領域の等価回路図である。
【図３】第一の実施形態の駆動パルス図である。
【図４】第一の実施形態のポテンシャル図である。
【図５】第二の実施形態の駆動パルス図である。
【図６】第三の実施形態の駆動パルス図である。
【図７】第三の実施形態の画素信号の分布を示す図である。
【図８】第四の実施形態の信号処理を示す概念図である。
【図９】第四の実施形態の信号に対するノイズの割合を示す概念図である。
【図１０】第五の実施形態の信号に対する駆動パルス図である。
【図１１】第五の実施形態のポテンシャル図である。
【図１２】第六の実施形態の撮像装置の概念図である。
【図１３】第七の実施形態の撮像装置の概念図である。
【図１４】第七の実施形態の面照度と出力との関係を示す概念図である。
【符号の説明】
【０１４８】
２  光電変換部
３  電荷保持部
８  第１転送部
９  第２転送部
１０  リセット部
１２  増幅部
１０２、１２０４  制御部
【図１】
2010093642.tif 000003
【図２】
2010093642.tif 000004
【図３】
2010093642.tif 000005
【図４】
2010093642.tif 000006
【図５】
2010093642.tif 000007
【図６】
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【図７】
2010093642.tif 000009
【図８】
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【図９】
2010093642.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2010093642.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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