(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のＣＭＯＳセンサがマトリクス状に配置され、グローバルシャッタ機能を有する固体撮像装置において、
前記ＣＭＯＳセンサは
入射光を光電変換して電荷を発生し、発生した電荷を信号電荷として蓄積するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードから転送される前記信号電荷を蓄積するフローティングディヒュージョン部と、
前記フォトダイオードと前記フローティングディヒュージョン部との間に介挿された、前記信号電荷を転送する転送トランジスタと、
前記フローティングディヒュージョン部に蓄積された前記信号電荷に対応する信号電流を出力する増幅ＭＯＳトランジスタと
を有し、
固体撮像装置の全ての前記ＣＭＯＳセンサにおいて、前記増幅ＭＯＳトランジスタの電源端子に信号電流用の電源を供給する電源線が共通に接続され、かつ前記転送トランジスタのゲート電極が共通に接続され、前記フォトダイオードから前記信号電荷を読み出す前に、前記フローティングディヒュージョン部の端子電圧を所定の電圧とした後、前記電源線に電源を印加し、前記ＣＭＯＳセンサ各々の前記フローティングディヒュージョン部の端子電圧を、前記増幅ＭＯＳトランジスタのゲート電極と前記電源端子との容量により前記所定の電圧から同時に昇圧することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
全てのＣＭＯＳセンサにおける前記フローティングディヒュージョン部の端子間電圧を同時に昇圧し、前記端子間電圧が昇圧により飽和するタイミングにおいて前記信号電流を基準電流として順次検出し、基準電流の読み込みが終了した後、全てのＣＭＯＳセンサにおける前記転送トランジスタをオン状態として前記フォトダイオードから前記フローティングディヒュージョン部に前記信号電荷を転送させ、前記信号電荷転送後の前記信号電流を露光電流として順次検出する制御部
をさらに有す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】
前記増幅ＭＯＳトランジスタのゲート電極の対接地容量の容量値をＣFDとし、当該増幅ＭＯＳトランジスタのゲート電極と前記電源が供給される端子との容量値をＣVVとした場合、
ＣVV＞ＣFD
となるよう、前記増幅ＭＯＳトランジスタが形成されていることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記フローティングディヒュージョン部と電源との間に介挿されたリセットトランジスタをさらに有し、
前記制御部が昇圧する前に、前記フローティングディヒュージョン部の端子間電圧を電源の電圧とするリセットを処理を行うことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記フォトダイオードが露光されることにより発生する前記信号電荷の蓄積を制御する、前記フォトダイオードと前記電源との間に設けられたドレイントランジスタをさらに有し、
前記制御部が露光により発生した前記信号電荷を前記フォトダイオードに蓄積しない場合、前記ドレイントランジスタをオン状態とし、前記電源に発生した前記信号電荷を転送することを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
複数のＣＭＯＳセンサがマトリクス状に配置され、グローバルシャッタ機能を有する固体撮像装置の撮像方法において、
前記ＣＭＯＳセンサにおいて、
フォトダイオードが入射光を光電変換して電荷を発生し、発生した電荷を信号電荷として蓄積し、
前記フォトダイオードとフローティングディヒュージョン部との間に介挿された転送トランジスタを介して、前記フォトダイオードから転送される前記信号電荷を前記フローティングディヒュージョン部に蓄積し、
増幅ＭＯＳトランジスタが前記フローティングディヒュージョン部に蓄積された前記信号電荷に対応する信号電流を出力し、
前記フォトダイオードから前記信号電荷を読み出す前の昇圧時に前記固体撮像装置の全ての前記ＣＭＯＳセンサに対し、前記フローティングディヒュージョン部の端子電圧を所定の電圧とした後、前記増幅ＭＯＳトランジスタの電源が供給される端子に同時に電源電圧が供給され、前記ＣＭＯＳセンサ各々の前記フローティングディヒュージョン部の端子電圧を、前記増幅ＭＯＳトランジスタのゲート電極と前記電源端子との容量により前記所定の電圧から同時に昇圧し、またシャッタ時に前記固体撮像装置の全ての前記転送トランジスタのゲート電極に対し、前記信号電荷を転送させる信号を印加することを特徴とする固体撮像装置の撮像方法。
【請求項７】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の固体撮像装置を搭載することを特徴とする２足歩行ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像を撮像する固体撮像装置、撮像方法及び２足歩行ロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
撮像装置に用いられる固体撮像素子として、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）が用いられている。しかしながら、消費電力の問題から近年の急速な多画素化と読出し速度の向上の要求に答えるのが困難になってきている。
一方、低消費電力に対応する固体撮像素子としては、ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor、以下ＣＭＯＳセンサ）があり、多画素化と読出しの速度の向上を達成することができる。小型化にも有利であることから、ＣＭＯＳセンサは、ディジタルカメラやビデオカメラ用として、ＣＣＤに代わる高性能撮像素子としての注目を浴びつつある。
【０００３】
ＣＭＯＳセンサを用いた撮像装置は、ローリングシャッタ方式により画像を撮像している（例えば、特許文献１参照）。
図１６は、特許文献１に記載されている１画素分に対応したＣＭＯＳセンサ１００の構成を示す図である。このＣＭＯＳセンサ１００は、フォトダイオード（ＰＤ；Photodiode）１０１、ＭＯＳトランジスタ１０２、１０３、１０４及びフローティングディヒュージョン（ＦＤ;Floating Diffusion）１０５から構成されている。
ＰＤ１０１は、被写体像を光電変換して、光量に対応する電荷を発生させる。ＭＯＳトランジスタ１０２、１０３はスイッチング素子として用いられている。ＭＯＳトランジスタ１０４は増幅用のトランジスタとして用いられている。ＦＤ１０５は、ＭＯＳトランジスタ１０４のゲート電極の容量成分であり、ＰＤ１０１から読み出す電荷を蓄積する。ＭＯＳトランジスタ１０２から１０４は、Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタである。
【０００４】
また、図１６のＣＭＯＳセンサは３トランジスタ型であり、画素単位のセルサイズの縮小化が進んでいる。
このようにセルサイズを縮小すると、ＭＯＳトランジスタ１０４のゲート電極の面積も縮小されることになり、ＦＤ１０５の容量も対応して小さくなる。
このＦＤ１０５に蓄積される電荷量は、ＦＤ１０５の容量と、ＦＤ１０５の両端の電位差とで決定される。
したがって、ＦＤ１０５の両端の電圧が変化せず、ＦＤ１０５の容量が減少した場合、ＦＤ１０５に蓄積される電荷量が減少してしまう。
【０００５】
このため、ＰＤ１０１で発生した電荷を反映することができず、例えば、ある明るさ以上については、ＭＯＳトランジスタ１０４から一定の電流値の電流が供給されることになり、ダイナミックレンジが低下してしまう。
これを解決するため、特許文献１においては、ＦＤ１０５の電圧を昇圧して、電圧値を上昇させ、ＦＤ１０５に蓄積される電荷量を増加させることで、ダイナミックレンジを広げている。
【０００６】
次に、図１７を用いて、図１６に示されるＣＭＯＳセンサにおけるＦＤ１０５の昇圧の動作について説明する。図１７は、図１６のＣＭＯＳセンサにおけるＦＤ１０５の昇圧動作のタイミングチャートである。以下の、信号ＴＸ、Ｒ、ＶＬと、電圧ＶＤＤ及びＶＶとの制御は、図示しない制御回路が行う。
時刻ｔ１０１以前において、制御回路は、信号ＴＸ、Ｒ、ＶＬを「Ｌ」レベルとし、電圧ＶＤＤを「Ｈ」レベルとし、電圧ＶＶを「Ｌ」レベルとしている。
時刻ｔ１０１において、制御回路は信号ＴＸ及びＲを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。ＭＯＳトランジスタ１０２及び１０３のゲートに「Ｈ」レベルが印加されることとなり、ＭＯＳトランジスタ１０２及び１０３がオン状態となる。これにより、ＰＤ１０１に生成された電荷がＭＯＳトランジスタ１０２及び１０３を介し、電源ＶＤＤへ電荷が移動することにより、ＰＤ１０１のリセット処理が行われる。
【０００７】
時刻ｔ１０２において、制御回路は信号ＴＸ及び電圧ＶＤＤを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させる。これにより、ＭＯＳトランジスタ１０２は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
そして、ＭＯＳトランジスタ１０３は、ＦＤ１０５の電圧を「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに低下させる。
ＰＤ１０１は、リセット処理が終了した時点から、光が照射されることにで電荷を発生し、発生した電荷を自身に蓄積する。
【０００８】
時刻ｔ１０３において、制御回路は信号Ｒを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させ、電圧ＶＤＤを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。これにより、ＭＯＳトランジスタ１０３は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加され、オフ状態となる。
【０００９】
時刻ｔ１０４において、制御回路は信号Ｒ及びＶＬを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。これにより、ＭＯＳトランジスタ１０３は、ゲートに「Ｈ」レベルが印加されるため、オン状態となり、ＦＤ１０５の電圧を「Ｈ」レベルとする。この結果、ＦＤ１０５の端子間電圧は「Ｈ」レベルとなり、電荷が蓄積されていないリセット状態となる。このとき、ＭＯＳトランジスタ１０６は、ゲートに「Ｈ」レベルが印加されてオン状態となり、接続点Ａを「Ｌ」レベルとする。
【００１０】
時刻ｔ１０５において、制御回路は信号Ｒ及びＶＬを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させ、また電圧ＶＶを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。
これにより、ＭＯＳトランジスタ１０３及び１０６の各々は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
このとき、電圧ＶＶが「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化することにより、ＦＤ１０５の端子間電圧がＶＤＤ（「Ｈ」レベルの電圧）から昇圧され、ＶＤＤ＋αの電圧となる。
【００１１】
時刻ｔ１０６において、制御回路は電圧ＶＶから接続点Ａに流れ出す電流を検出し、昇圧されたＦＤ１０５の端子間電圧がゲートに印加されるＭＯＳトランジスタ１０４に流れる電流を検出し、電流を電圧値に変換してリセット時の基準データとして記憶する。
【００１２】
時刻ｔ１０７において、制御回路は信号ＴＸを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。
これにより、ＭＯＳトランジスタ１０２は、ゲートに「Ｈ」レベルが印加され、オン状態となる。そして、ＰＤ１０１が発生させて蓄積している電荷が、ＭＯＳトランジスタ１０２を介して、ＰＤ１０１のカソードよりポテンシャルの高いＦＤ１０５に移動する。時刻ｔ１０２からこの電荷の移動を行わせる現時点の時刻ｔ１０７までがＰＤが照射した光に対応した電荷を発生し、この発生した電荷を蓄積する時間、すなわち露光時間となる。
この結果、露光時間内においてＰＤ１０１に発生した電荷は、ＭＯＳトランジスタ１０２を介して転送されて、ＦＤ１０５に蓄積されることになる。
【００１３】
時刻ｔ１０８において、制御回路は信号ＴＸを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させる。
これにより、ＭＯＳトランジスタ１０２は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加され、オフ状態となる。このタイミングにおいて、制御回路は、ＰＤ１０１からＦＤ１０５への電荷の転送が終了する。
そして、制御回路は、ＦＤ１０５に蓄積されている電荷の情報の読み出しを開始する。すなわち、制御回路は、ＦＤ１０５の端子間電圧に対応してＭＯＳトランジスタ１０４に流れる電流を検出し、電流を電圧値に変換して露光時の露光データとする。また、制御回路は、露光データから基準データを減算して、ＣＭＯＳセンサが受光した光量に対応する画像データを生成する。
【００１４】
時刻ｔ１０９において、制御回路は、電圧ＶＶを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させる。これにより、制御回路は、ＦＤ１０５に蓄積されている電荷の情報の読み出しを終了する。このとき、ＦＤ１０５の端子間電圧に対する昇圧処理が終了し、ＦＤ１０５の端子間電圧は時刻ｔ１０４における電圧レベルに戻る。
【００１５】
時刻ｔ１１０において、制御回路は、信号Ｒ及び信号ＴＸを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。
これにより、ＭＯＳトランジスタ１０３は、ゲートに「Ｈ」レベルが印加されるため、オン状態となる。また、ＭＯＳトランジスタ１０２は、ゲートに「Ｈ」レベルが印加されるため、オン状態となり
これにより、ＰＤ１０１に存在する電荷がＭＯＳトランジスタ１０２及び１０３を介し、電源ＶＤＤへ電荷が移動することにより、ＰＤ１０１のリセット処理が行われる。
【００１６】
時刻ｔ１１１において、制御回路は信号ＴＸ及び電圧ＶＤＤを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させる。これにより、ＭＯＳトランジスタ１０２は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
そして、ＭＯＳトランジスタ１０３は、ＦＤ１０５の電圧を「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに低下させる。
この結果、制御回路は、ＣＭＯＳセンサが電荷のデータを出力しない出力ＯＦＦの状態とする。
制御回路は、上述した読み出し処理を、マトリクス状に配置されたＣＭＯＳセンサに対して順番に行う。
【００１７】
例えば、図１８は、図１６のＣＭＯＳセンサを１画素として、ＣＭＯＳセンサが２×２のマトリクス状に配置された固体撮像素子を有する固体撮像装置の構成を示す図である。この個体撮像装置には、ＣＭＯＳセンサがマトリクスに配置された各列の選択を行うＭＯＳトランジスタ１０１１、１０１２が設けられている。この図において、ＭＯＳトランジスタ１０１３及び１０１４は、Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタである。
タイミング発生回路２００は、制御回路により制御され、垂直レジスタ２０１と水平レジスタ２０２との各々に対し、各ＣＭＯＳセンサから露光データの読み出すタイミング信号ＶＶ１、ＶＶ２、タイミング信号ＳＴ１、ＳＴ２と、信号ＶＬとを出力させる。
すなわち、垂直レジスタ２０１は、露光データを読み出す前に、信号ＶＬを「Ｈ」レベルとし、ＭＯＳトランジスタ１０１３及び１０１４をオン状態とし、ＣＭＯＳセンサＰ１１からＰ２２の各々におけるＭＯＳトランジスタ１０４に接続された信号線を接地電位とするリセット動作を行う。そして、タイミング発生回路２００は、露光データを読み出すタイミングにおいて、信号ＶＬを「Ｌ」レベルとし、ＭＯＳトランジスタ１０１３及び１０１４をオフ状態とする。このリセット処理は、露光データを読み出す後述する周期毎に行われる。
【００１８】
また、垂直レジスタ２０１は、タイミング信号ＶＶ１、ＶＶ２を順次周期Ｔ１、Ｔ２（Ｔ１＝Ｔ２）において、マトリクスにおける行のＣＭＯＳセンサのＭＯＳトランジスタ１０４に供給する。また、水平レジスタ２０２は、いずれの列を選択するかを制御するタイミング信号ＳＴ１、ＳＴ２を、周期Ｔ１（Ｔ２）の１／２の周期である周期Ｔ１１、Ｔ２１において各列のＭＯＳトランジスタ１０１１、１０１２に対して出力する。
したがって、周期Ｔ１において、タイミング信号ＶＶ１が出力され、周期Ｔ１における周期Ｔ１２でＣＭＯＳセンサＰ１１が選択され、周期Ｔ１２でＣＭＯＳセンサＰ２１が選択され、データが読み出される。
同様に、周期Ｔ２において、タイミング信号ＶＶ２が出力され、周期Ｔ２における周期Ｔ１２でＣＭＯＳセンサＰ１２が選択され、周期Ｔ２２でＣＭＯＳセンサＰ２２が選択され、データが読み出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特開２０１０−６８４３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
すでに述べたように、ＭＯＳトランジスタ１０４のゲート面積が縮小し、ＦＤ１０５の容量が減少したとしても、電荷を蓄積させる際に、各ＣＭＯＳセンサのＦＤ１０５の端子間電圧を昇圧している。
このため、電荷の蓄積量を増加させることができ、露光データのダイナミックレンジを拡大させ、露光データと基準データとの差分である画像データの劣化を抑制している。
【００２１】
上述したローリングシャッタは、静止画を撮像する場合、グローバルシャッタに比較して、ＣＭＯＳセンサを用いることで、少ない電力で、高速の読み出しを、低価格で実現することができる。
ところが、ローリングシャッタは、動画を撮像する場合、すでに述べたように、行毎にシャッタが切られることにより、露光のタイミングが行毎にずれてしまう。このため、ローリングシャッタは、素早く被写体を捉えたり、撮像装置をパンニングしたりすると、動く被写体がゆがんだり、画面にひずみがでるなどの欠点を有している。
【００２２】
この現象を防止するため、ＣＭＯＳセンサに対しても、グローバルシャッタを用い、省電力でかつ動画を撮像する際の欠点を低減した撮像装置が用いられるようになってきた。
しかしながら、図１８に示す撮像装置の行単位に昇圧を行う構成は、全画素のＦＤ１０５の端子間電圧を同時に昇圧する必要があるグローバルシャッタに対応させることができない。すなわち、出力を選択するタイミング信号ＶＶ１及びＶＶ２を同時に「Ｈ」レベルに変化させると、行毎に出力されるべき露光データの信号が合成されてしまうからである。
【００２３】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、ＣＭＯＳセンサから構成され、このＣＭＯＳセンサにおける電荷蓄積を行うフローティングディヒュージョンの端子間電圧を昇圧させて、ダイナミックレンジを拡大させることが可能なグローバルシャッタ方式の固体撮像装置、撮像方法及びこの固体撮像装置を搭載した２足歩行ロボットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
この発明は上述した課題を解決するためになされたもので、本発明の固体撮像装置は、複数のＣＭＯＳセンサ（例えば、実施形態におけるＣＭＯＳセンサ１、２、３、４、Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ２１、Ｓ２２）がマトリクス状に配置され、グローバルシャッタ機能を有する固体撮像装置において、前記ＣＭＯＳセンサは入射光を光電変換して電荷を発生し、発生した電荷を信号電荷として蓄積するフォトダイオード（例えば、実施形態におけるＰＤ１１）と、前記フォトダイオードから転送される前記信号電荷を蓄積するフローティングディヒュージョン部（例えば、実施形態におけるＦＤ１５）と、前記フォトダイオードと前記フローティングディヒュージョン部との間に介挿された、前記信号電荷を転送する転送トランジスタ（例えば、実施形態におけるＭＯＳトランジスタ１２）と、前記フローティングディヒュージョン部に蓄積された前記信号電荷に対応する信号電流を出力する増幅ＭＯＳトランジスタ（例えば、実施形態におけるＭＯＳトランジスタ１４）とを有し、固体撮像装置の全ての前記ＣＭＯＳセンサにおいて、前記増幅ＭＯＳトランジスタの電源端子に信号電流用の電源を供給する電源線が共通に接続され、かつ前記転送トランジスタのゲート電極が共通に接続され、前記フォトダイオードから前記信号電荷を読み出す前に、前記フローティングディヒュージョン部の端子電圧を所定の電圧とした後、前記電源線に電源を印加し、前記ＣＭＯＳセンサ各々の前記フローティングディヒュージョン部の端子電圧を、前記増幅ＭＯＳトランジスタのゲート電極と前記電源端子との容量により前記所定の電圧から同時に昇圧することを特徴とする。
この構成により、固体撮像装置の全てのＣＭＯＳセンサにおけるフローティングディフュージョン部の端子間電圧を一括して同時に昇圧させ、かつフローティングディフュージョン部を一括して昇圧させた後に、個体撮像装置の全てのＣＭＯＳセンサにおいて、フォトダイオードからフローティングディフュージョン部に信号電荷の転送を、一括して同時に行いグローバルシャッタ機能を持たせることができる。
このため、本発明によれば、ＣＭＯＳセンサからなるグローバルシャッタ方式の固体撮像装置におけるフローティングディフュージョン部の電圧の昇圧動作が可能となり、露光された画像データのダイナミックレンジを、従来のグローバルシャッタ方式の撮像装置に対して広げることが可能となる。
【００２５】
本発明の固体撮像装置は、全てのＣＭＯＳセンサ（例えば、実施形態におけるＣＭＯＳセンサ１、２、３、４、Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ２１、Ｓ２２）における前記フローティングディヒュージョン部（例えば、実施形態におけるＦＤ１５）の端子間電圧を同時に昇圧し、前記端子間電圧が昇圧により飽和するタイミングにおいて前記信号電流を基準電流として順次検出し、基準電流の読み込みが終了した後、全てのＣＭＯＳセンサにおける前記転送トランジスタ（例えば、実施形態におけるＭＯＳトランジスタ１２）をオン状態として前記フォトダイオード（例えば、実施形態におけるＰＤ１１）から前記フローティングディヒュージョン部（例えば、実施形態におけるＦＤ１５）に前記信号電荷を転送させ、前記信号電荷転送後の前記信号電流を露光電流として順次検出する制御部（例えば、実施形態における制御部３０）をさらに有することを特徴とする。
【００２６】
本発明の固体撮像装置は、前記増幅ＭＯＳトランジスタ（例えば、実施形態におけるＭＯＳトランジスタ１４）のゲート電極の対接地容量の容量値をＣFDとし、当該増幅ＭＯＳトランジスタのゲート電極と前記電源が供給される端子との容量値をＣVVとした場合、ＣVV＞ＣFDとなるよう、前記増幅ＭＯＳトランジスタが形成されていることを特徴とする。
この構成により、容量値ＣFdに比較して容量値ＣVVが大きく設定されているため、電源が「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化した際、容量値ＣVVが容量値ＣFdと同一あるいは容量値ＣVVが容量値ＣFdに対して小さい場合に比較し、より高くフローティングディフュージョン部の端子間電圧を昇圧させることができる。
このため、本発明によれば、容量値ＣVVが容量値ＣFdと同一あるいは容量値ＣVVが容量値ＣFdに対して小さい場合に比較し、フローティングディフュージョン部の端子間電圧を高くすることで、より画像データのダイナミックレンジを広げることができる。
【００２７】
本発明の固体撮像装置は、前記フローティングディヒュージョン部（例えば、実施形態におけるＦＤ１５）と電源との間に介挿されたリセットトランジスタ（例えば、ＭＯＳトランジスタ１３）をさらに有し、前記制御部（例えば、実施形態における制御部３０）が昇圧する前に、前記フローティングディヒュージョン部の端子間電圧を電源の電圧とするリセットを処理を行うことを特徴とする。
【００２８】
本発明の固体撮像装置は、前記フォトダイオード（例えば、実施形態におけるＰＤ１１）が露光されることにより発生する前記信号電荷の蓄積を制御する、前記フォトダイオードと前記電源との間に設けられたドレイントランジスタ（例えば、実施形態におけるＭＯＳトランジスタ２１）をさらに有し、前記制御部（例えば、実施形態における制御部３０）が露光により発生した前記信号電荷を前記フォトダイオードに蓄積しない場合、前記ドレイントランジスタをオン状態とし、前記電源に発生した前記信号電荷を転送することを特徴とする。
【００２９】
本発明の固体撮像装置の撮像方法は、複数のＣＭＯＳセンサ（例えば、実施形態におけるＣＭＯＳセンサ１、２、３、４、Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ２１、Ｓ２２）がマトリクス状に配置され、グローバルシャッタ機能を有する固体撮像装置の撮像方法において、前記ＣＭＯＳセンサにおいて、フォトダイオード（例えば、実施形態におけるＰＤ１１）が入射光を光電変換して電荷を発生し、発生した電荷を信号電荷として蓄積し、前記フォトダイオードとフローティングディヒュージョン部（例えば、実施形態におけるＦＤ１５）との間に介挿された転送トランジスタ（例えば、ＭＯＳトランジスタ１２）を介して、前記フォトダイオードから転送される前記信号電荷をフローティングディヒュージョン部に蓄積し、増幅ＭＯＳトランジスタが前記フローティングディヒュージョン部に蓄積された前記信号電荷に対応する信号電流を出力し、前記フォトダイオードから前記信号電荷を読み出す前の昇圧時に前記固体撮像装置の全ての前記ＣＭＯＳセンサに対し、前記フローティングディヒュージョン部の端子電圧を所定の電圧とした後、前記増幅ＭＯＳトランジスタの電源が供給される端子に同時に電源電圧が供給され、前記ＣＭＯＳセンサ各々の前記フローティングディヒュージョン部の端子電圧を、前記増幅ＭＯＳトランジスタのゲート電極と前記電源端子との容量により前記所定の電圧から同時に昇圧し、またシャッタ時に前記固体撮像装置の全ての前記転送トランジスタのゲート電極に対し、前記信号電荷を転送させる信号を印加することを特徴とする。
【００３０】
本発明の２足歩行ロボット（例えば、実施形態における２足歩行ロボット５００）は、上記いずれかの固体撮像装置（例えば、実施形態における５０Ｌ、５０Ｒ）を搭載することを特徴とする。
この構成により、フローティングディフュージョン部の電圧を昇圧する機能を有するＣＭＯＳセンサからなる昇圧グローバルシャッタ方式の固体撮像装置を搭載した２足歩行ロボットが実現できる。
このため、本発明によれば、安価なＣＭＯＳセンサにより、ダイナミックレンジの広い画像データを取得することのできる固体撮像装置を用いることで、従来に比較して画像データの情報量を増加することが可能となり、より制御性が良く、かつ安価な２足歩行ロボットを提供することができる。
【発明の効果】
【００３１】
請求項１及び請求項６に記載の発明によれば、固体撮像装置の全てのＣＭＯＳセンサにおけるフローティングディフュージョン部の端子間電圧を一括して同時に昇圧させ、かつフローティングディフュージョン部を一括して昇圧させた後に、個体撮像装置の全てのＣＭＯＳセンサにおいて、フォトダイオードからフローティングディフュージョン部に信号電荷の転送を、一括して同時に行いグローバルシャッタ機能を持たせることができる。
このため、請求項１及び請求項５に記載の発明は、ＣＭＯＳセンサからなるグローバルシャッタ方式の固体撮像装置におけるフローティングディフュージョン部の電圧の昇圧動作が可能となり、露光された画像データのダイナミックレンジを、従来のグローバルシャッタ方式の撮像装置に対して広げることが可能となる。
【００３２】
請求項２に記載の発明によれば、同時に一括してフォトダイオードからフローティングディフュージョンに信号電荷を転送させるため、ローリングシャッタ方式に比較して信号電荷の転送時間が短縮され、この短縮された時間をフローティングディフュージョンの端子間電圧の昇圧に必要な時間として使用することができる。
このため、請求項２に記載の発明は、固体撮像装置の全てのＣＭＯＳにおけるフローティングディフュージョン部の端子間電圧を昇圧するため、負荷が大きくなり昇圧に時間がかかるが、上述した短縮できる時間を昇圧の時間とするため、昇圧機能を有するローリングシャッタ方式のフレーム周期と同様のフレーム周期を実現することができる。
【００３３】
請求項３に記載の発明によれば、容量値ＣFdに比較して容量値ＣVVが大きく設定されているため、電源が「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化した際、容量値ＣVVが容量値ＣFdと同一あるいは容量値ＣVVが容量値ＣFdに対して小さい場合に比較し、より高くフローティングディフュージョン部の端子間電圧を昇圧させることができる。
このため、請求項３に記載の発明は、容量値ＣVVが容量値ＣFdと同一あるいは容量値ＣVVが容量値ＣFdに対して小さい場合に比較し、フローティングディフュージョン部の端子間電圧を高くすることで、より画像データのダイナミックレンジを広げることができる。
【００３４】
請求項４に記載の発明によれば、フローティングディフュージョン部の端子間電圧を一端電源電圧とすることにより、フォトダイオードから信号電荷が転送される前の状態を、常に同一の電圧レベルとすることができる。
このため、請求項４に記載の発明は、フローティングディフュージョン部の端子間電圧を一端電源電圧として、昇圧した後にリセット状態の基準データを取得する際、常に同一の電圧を基準データとすることができ、信号電荷によるレベル変化から得られる露光データとの差分から、常に精度の高い画像データを得ることができる。
【００３５】
請求項５に記載の発明によれば、ドレイントランジスタがオン状態の場合、フォトトランジスタが発生する電荷を電源に転送することができる。
このため、請求項５に記載の発明、露光期間以外の期間、ドレイントランジスタをオフ状態とすることにより、フォトトランジスタが発生した電荷を蓄積させない制御、すなわち露光期間を容易に任意に制御することができる。
【００３６】
請求項７に記載の発明によれば、フローティングディフュージョン部の電圧を昇圧する機能を有するＣＭＯＳセンサからなる昇圧グローバルシャッタ方式の固体撮像装置を搭載した２足歩行ロボットが実現できる。
このため、請求項７に記載の発明は、安価なＣＭＯＳセンサにより、ダイナミックレンジの広い画像データを取得することのできる固体撮像装置を用いることで、従来に比較して画像データの情報量を増加することが可能となり、より制御性が良く、かつ安価な２足歩行ロボットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】この発明の一実施形態による固体撮像装置の固体撮像素子におけるＣＭＯＳセンサの構成例を示す図である。
【図２】図１に示すＣＭＯＳセンサ１での信号電荷の転送を行う際の各動作におけるＰＤ１１、ＭＯＳトランジスタ１２のゲート、ＦＤ１５及びＭＯＳトランジスタ１３のゲートのポテンシャルエネルギーのレベルを示す図である。
【図３】図１に示すＣＭＯＳセンサ１からデータを出力する動作例を示すタイミングチャートである。
【図４】図１のＣＭＯＳセンサ１を用いた、グローバルシャッタ型の固体撮像素子の構成例を示す図である。
【図５】図４のグローバルシャッタ方式の固体撮像素子からデータを取得する動作例を示すタイミングチャートである。
【図６】横軸が撮像画像の照度（ｌｘ）を示し、縦軸が基準データから露光データを減算した画像データ（推定出力電圧差）の電圧値を示し、電線ＬＶＶにおける電圧ＶＶを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させることによる、ＦＤ１５のダイナミックレンジの変化を示す図である。
【図７】この発明の第２の実施形態による固体撮像装置の固体撮像素子におけるＣＭＯＳセンサ２の構成例を示す概略ブロック図である。
【図８】図７に示すＣＭＯＳセンサ２からデータを出力する動作例を示すタイミングチャートである。
【図９】この発明の第３の実施形態による固体撮像装置の固体撮像素子におけるＣＭＯＳセンサ３の構成例を示す概略ブロック図である。
【図１０】図９に示すＣＭＯＳセンサ３からデータを出力する動作例を示すタイミングチャートである。
【図１１】この発明の第４の実施形態による固体撮像装置の固体撮像素子におけるＣＭＯＳセンサ４の構成例を示す概略ブロック図である。
【図１２】図１１に示すＣＭＯＳセンサ４からデータを出力する動作例を示すタイミングチャートである。
【図１３】本実施形態における２足歩行ロボット５００の外観を示す図である。
【図１４】図１３の２足歩行ロボット５００の格納部５０６内部に設けられている、２足歩行ロボット５００の駆動を制御するＥＣＵ７０の構成例を示す図である。
【図１５】図１４に示す固体撮像装置５０Ｌまたは５０Ｒの構成例を示す図である。
【図１６】特許文献１に記載されている１画素分に対応したＣＭＯＳセンサ１００の構成を示す図である。
【図１７】図１６のＣＭＯＳセンサにおけるＦＤ１０５の昇圧動作のタイミングチャートである。
【図１８】図１６のＣＭＯＳセンサを１画素として、ＣＭＯＳセンサが２×２のマトリクス状に配置された固体撮像素子を有する固体撮像装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
＜第１の実施形態＞
以下、図面を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、この発明の第１の実施形態によるグローバルシャッタ方式のＣＭＯＳセンサ１の構成例を示す概略ブロック図である。本実施形態においては、ＣＭＯＳセンサ１が行及び列としてマトリクス状に配列された撮像部分及びこれを駆動する制御回路等を含んで固体撮像素子としている。
ＣＭＯＳセンサ１は、固体撮像素子の１画素の基本単位であり、ＰＤ１１、ＭＯＳトランジスタ１２、１３、１４、１７、ＦＤ１５から構成されている。ＭＯＳトランジスタ１２、１３、１４及び１７は、例えばｎチャネル型のＭＯＳトランジスタである。
【００３９】
ＰＤ１１は、アノードが接地され、カソードがＭＯＳトランジスタ１２のソースに接続されており、光が照射されている期間において光電変換を行い、すなわち露光期間に光の照射量に対応して発生した信号電荷をカソードに蓄える。
【００４０】
フローティングディヒュージョン（ＦＤ）１５は、ＭＯＳトランジスタ１４のゲートの対接地容量で形成されている。
【００４１】
ＭＯＳトランジスタ１２は、ゲートに信号ＴＸの配線が接続され、ドレインにＭＯＳトランジスタ１４のゲートが接続されている。ＭＯＳトランジスタ１２は、ゲートに印加されている信号ＴＸが「Ｈ」レベル（電源電圧）となるとオン状態となり、ＰＤ１１に蓄積されている信号電荷をＦＤ１５に転送する。
【００４２】
ＭＯＳトランジスタ１３は、ゲートに信号Ｒの配線が接続され、ドレインに電源線ＬＶＤＤに接続され、ソースがＭＯＳトランジスタ１４のゲートに接続されている。ＭＯＳトランジスタ１３は、信号Ｒが「Ｈ」レベルとなるとオン状態となり、ＭＯＳトランジスタ１４のゲート電圧、すなわちＦＤ１５の端子間電圧を電源線ＬＶＤＤの電圧と同様とする。
【００４３】
ＭＯＳトランジスタ１４は、ドレインが電源線ＬＶＶに接続され、ソースがＭＯＳトランジスタ１７のドレインに接続されており、ＦＤ１５に蓄積された信号電荷に対応する信号電流を出力する増幅ＭＯＳトランジスタである。
すなわち、ＭＯＳトランジスタ１４は、ＦＤ１５に蓄積された電荷により決定される電圧がゲートに印加され、ゲートに印加された電圧に対応した電流を信号電流として流す。
また、ＭＯＳトランジスタ１４は、ＦＤ１５の端子間電圧を昇圧する処理に用いられ、ドレインとゲート（ゲート電極）との間の容量（カップリング容量１８）により、ドレインの電圧を上昇させることにより、ゲートの電圧を昇圧する。
【００４４】
ここで、ＦＤ１５の容量値（すなわち、ＭＯＳトランジスタ１４のゲートの対接地容量）をＣFDとし、カップリング容量１８の容量値をＣVVとした場合、電源ＶＶの電圧がΔＶVV上昇した際のＦＤ１５の端子間電圧の昇圧量ΔＶFDは、以下の（１）式により求められる。
ΔＶFD＝ΔＶVV・ＣVV／（ＣFD＋ＣVV）        …（１）
ＭＯＳトランジスタ１７は、ゲートが信号ＳＬの配線に接続され、ソースが信号電流の出力端子となっている。
ここで、ＣVV＞ＣFDとなるようにＭＯＳトランジスタ１４を形成する。
【００４５】
ＭＯＳトランジスタ１７は、ドレインがＭＯＳトランジスタ１４のソースに接続され、ソースがＣＭＯＳセンサから露光データなどをＯｕｔとして外部に出力する端子に接続され、選択されることによりＦＤ１５に蓄積された信号電荷に対応する信号電流を出力する増幅ＭＯＳトランジスタである。
すなわち、ＭＯＳトランジスタ１７は、配線ＬＶＶの電圧ＶＶを露光データの読み出す際に、選択され際においてＦＤ１５に蓄積された電荷による電流がＶｏｕｔとして出力される。
【００４６】
次に、図２は、図１に示すＣＭＯＳセンサ１での信号電荷の転送を行う際の各動作におけるＰＤ１１、ＭＯＳトランジスタ１２のゲート、ＦＤ１５及びＭＯＳトランジスタ１３のゲートのポテンシャルエネルギーのレベルを示す図である。
図２（ａ）は、信号ＴＸ及び信号Ｒが「Ｌ」レベルであり、ＭＯＳトランジスタ１２及び１３がオフ状態（ゲートのポテンシャルエネルギーが低い状態）である場合のそれぞれのポテンシャルエネルギーのレベルを示している。このとき、ＰＤ１１には光の照射量に対応する電荷が発生して蓄積されている。
【００４７】
図２（ｂ）は、ＰＤ１１のリセットを行う場合を示しており、信号ＴＸ及び信号Ｒが「Ｈ」レベルとなり、ＭＯＳトランジスタ１２及び１３がオン状態（ゲートのポテンシャルエネルギーが高い状態）となっている。このため、ＰＤ１１に蓄積されていた電荷がＭＯＳトランジスタ１２及び１３のゲートを通過し、電源線ＬＶＤＤに転送される。
この結果、ＰＤ１１に蓄積された電荷を無くなり、ＰＤ１１のリセットの処理が行われる。
【００４８】
図２（ｃ）は、ＰＤ１１のリセット後に、入射光の光量に対応して発生する信号電荷の蓄積を行う露光状態を示しており、信号ＴＸ及び信号Ｒが「Ｌ」レベルであり、ＭＯＳトランジスタ１２及び１３がオフ状態となっている。このため、ＰＤ１１に発生した信号電荷は、位置するＰＤ１１のカソードのポテンシャルエネルギーがＭＯＳトランジスタ１２及び１３のゲートより高いため移動することができず、ＰＤ１１のカソードに蓄積されることになる。
【００４９】
図２（ｄ）は、ＰＤ１５の端子間電圧の昇圧を行った場合を示しており、このとき電源線ＬＶＶの電圧ＶＶは「Ｌ」レベル（「Ｈ」レベルの電圧より低い所定の電圧値）から「Ｈ」レベルに変化している。すでに述べたように、電源線ＬＶＶの電圧が接地電圧（「Ｌ」レベル）から電源電圧（「Ｈ」レベル）に上昇したことにより、（１）で示すようにΔＶFDに対応してＦＤ１５のポテンシャルエネルギーが高くなる。この結果、ＰＤ１１からの信号電荷によるＦＤ１５の端子間電圧の変動量を広くすることができる。ここで、電圧ＶＶは、後述するように、基準データが読み出される前において、すなわち昇圧される前において、昇圧に寄与させる電圧分、「Ｈ」レベルより低い電圧に設定されている。この予め設定される所定の低い電圧と、「Ｈ」レベルの電圧との差分が昇圧電圧としてΔＶVVに寄与することになる。後述するたの実施形態も同様に、電圧ＶＶは昇圧する前において、昇圧させる電圧分を「Ｈ」レベルの電圧より低い値に、制御部により制御される。
【００５０】
図２（ｅ）は、グローバルシャッタ処理において、ＰＤ１１に蓄積された信号電荷をＦＤ１５に転送する場合を示している。このとき、信号ＴＸが「Ｈ」レベルとなり、ＭＯＳトランジスタ１２がオン状態であり、信号Ｒが「Ｌ」レベルとなり、ＭＯＳトランジスタ１３がオフ状態である。このため、ＰＤ１１に蓄積された信号電荷は、ＭＯＳトランジスタ１２のゲートを通過し、ＦＤ１５に移動して蓄積されることになる。そして、ＭＯＳトランジスタ１４は、この信号電荷により変動したＦＤ１５の端子間電圧に対応した信号電流を制御回路（後述）に供給することとなる。
【００５１】
次に、図３は図１に示すＣＭＯＳセンサ１からデータを出力する動作例を示すタイミングチャートである。信号ＴＸ、Ｒ、ＳＬ、電源線ＬＶＶのレベル制御は、従来例と同様に図示しない制御部が行う。
時刻ｔ１以前において、制御回路は、信号ＴＸ、Ｒ、ＳＬを「Ｌ」レベルとし、電源線ＬＶＶの電位を「Ｌ」レベルとしている。また、電原線ＬＶＤＤは常に「Ｈ」レベル、すなわち電圧ＶＤＤである。また、配線ＬＶＶの電圧ＶＶの電圧値は、後述するように、昇圧処理のため、予め「Ｈ」レベルの電圧値より低い値（α）に設定されている。
時刻ｔ１において、制御回路は信号ＴＸ及びＲを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。また、制御回路は、ＭＯＳトランジスタ１２及び１３のゲートの電圧値をリセット時の電圧「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させて、ＭＯＳトランジスタ１２及び１３がオン状態となる。これにより、ＰＤ１１に生成された電荷がＭＯＳトランジスタ１２及び１３を介し、電源線ＬＶＤＤへ電荷が移動することにより、ＰＤ１１のリセット処理が（ＰＤ１１の端子間電圧を「Ｈ」レベルの電圧とする）行われる。
【００５２】
時刻ｔ２において、制御回路はリセット処理を終了させるため、信号ＴＸ及びＲを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベル（接地電位）に変化させる。これにより、ＭＯＳトランジスタ１２は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されるため、オフ状態となる。また、ＭＯＳトランジスタ１３は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
ＰＤ１１は、リセット処理が終了した時点から、光が照射されることにで電荷を発生し、発生した電荷を自身に蓄積する。ここから露光、すなわち照射された光量に対応する信号電荷の蓄積が開始される。
【００５３】
時刻ｔ３において、制御回路は信号Ｒを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。これにより、ＭＯＳトランジスタ１３は、ゲートに「Ｈ」レベルが印加され、オン状態となる。
そして、ＭＯＳトランジスタ１３を介して、ＦＤ１５から電源線ＬＶＤＤに対して電荷が移動し、ＦＤ１５の電圧が電源線ＬＶＤＤと同様に「Ｈ」レベル（電圧ＶＤＤ）となる。この結果、ＦＤ１５は信号電荷が蓄積されていない状態、すなわちリセットされた状態となる。
【００５４】
時刻ｔ４において、制御回路は信号Ｒを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させるとともに、電源線ＬＶＶの電圧を「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。
これにより、ＭＯＳトランジスタ１３は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
また、ＦＤ１５の端子間電圧は、電源線ＬＶＶが例えば電圧ＶＤＤに上昇することにより、電圧ＶＤＤからすでに説明した（１）式から求められる昇圧量ΔＶFDが上昇する。
この結果、ＦＤ１５は蓄積される信号電荷に対する容量が増加し、ＦＤ１５の端子間電圧における信号電荷による変化量の幅を大きくすることとなり、ＭＯＳトランジスタ１４から得られる信号電流のダイナミックレンジを広げる（増加させる）ことになる。
【００５５】
時刻ｔ５において、制御回路は何ら処理を行わない。
時刻ｔ４から時刻ｔ５までは、電源線ＬＶＶの電圧ＶＶが「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化するまでの遅延時間として設けられている。すなわち、この遅延時間は、ＦＤＤ１５の端子間電圧が昇圧されて飽和されるまでの時間である。
後述するが、本実施形態による固体撮像素子は、グローバルシャッタ型であるため、固体撮像素子における全てＣＭＯＳセンサ１のＭＯＳトランジスタ１４のドレインに接続された電源線ＬＶＶの電圧を、「Ｌ」レベル（予め設定された「Ｈ」レベルから昇圧に寄与させる電圧分低い電圧）から「Ｈ」レベルに上昇させる必要がある。
しかしながら、この電源線ＬＶＶの容量は大きいため、短時間においては「Ｈ」レベルまで上昇しない。電圧ＶＤＤで飽和するまで、信号電荷が転送されていない、リセットレベルの信号電流を読み出すことができないので、電源線ＬＶＶの電圧ＶＶが予め設定した「Ｈ」レベルの電圧より低い電圧から「Ｈ」レベル（電源の電圧ＶＤＤ）となるまで待機状態となる。
【００５６】
時刻ｔ６において、制御回路は、電圧ＶＤＤが「Ｈ」レベルとなった後、信号ＳＬを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。これにより、ＭＯＳトランジスタ１７は、ゲートに「Ｈ」レベルが印加され、オン状態となる。ＭＯＳトランジスタ１４は、ゲートに印加されている、リセットレベルのＦＤ１５の端子間電圧に対応する信号電流を流す。
そして、このタイミングにおいて、制御回路は、ＭＯＳトランジスタ１７を介して、ＣＭＯＳセンサ１のリセットレベルの信号電流を検出する。
【００５７】
すなわち、制御回路は、昇圧されたＦＤ１５の端子間電圧がゲートに印加されるＭＯＳトランジスタ１４に流れる信号電流を検出し、この信号電流を電圧値に変換してリセットレベルにおける基準データとして、外部の記憶装置に書き込んで記憶させる。
ここで、時刻ｔ４から時刻ｔ６までの時間が、すでに述べた電源線ＬＶＶが電圧ＶＤＤとなるまで待機状態の総計の時間となる。この総計の時間は、例えば、実際に電源線ＬＶＶの電圧ＶＶが電圧ＶＤＤに上昇するまでの時間を測定して設定する。
【００５８】
時刻ｔ７において、制御回路は信号ＳＬを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させる。これにより、ＭＯＳトランジスタ１７は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
【００５９】
時刻ｔ８において、制御回路は信号ＴＸを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。これにより、ＭＯＳトランジスタ１２は、ゲートに「Ｈ」レベルが印加され、オン状態となる。
そして、ＰＤ１１が発生させて蓄積している電荷が、ＭＯＳトランジスタ１２を介して、ＰＤ１１のカソードよりポテンシャルの高いＦＤ１５に転送される。このため、時刻ｔ２からこの電荷の移動を行わせる現時点の時刻ｔ８までがＰＤ１１が照射した光に対応した電荷を発生し、この発生した電荷を蓄積する時間、すなわち露光時間となる。
この結果、露光時間内においてＰＤ１１が発生して蓄積した電荷は、ＭＯＳトランジスタ１２を介して転送されて、ＦＤ１５に蓄積されることになる。  
すなわち、ＰＤ１１に蓄積されている信号電荷が、ＰＤ１１からＦＤ１５へ転送され、ＦＤ１５の端子間電圧が信号電荷の電荷量に応じて変化する。
また、時刻ｔ７から時刻ｔ８までの期間は、制御部が固体撮像素子の他のＣＭＯＳセンサ１の基準データを読み取る時間である。
【００６０】
時刻ｔ９において、制御回路は信号ＴＸを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させる。
これにより、ＭＯＳトランジスタ１２は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加され、オフ状態となる。このタイミングにおいて、制御回路は、ＰＤ１１からＦＤ１５への電荷の転送を終了させる。
【００６１】
時刻ｔ１０において、制御回路は信号ＳＬを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。
これにより、ＭＯＳトランジスタ１７は、ゲートに「Ｈ」レベルが印加されるため、オン状態となる。このとき、ＭＯＳトランジスタ１７は、ＭＯＳトランジスタ１４からドレインに流れ込む信号電流を、ソースから流し出す状態となる。
そして、制御回路は、ＦＤ１５に蓄積されている電荷の情報の読み出しを開始する。すなわち、制御回路は、ＦＤ１５の端子間電圧に対応してＭＯＳトランジスタ１４に流れる信号電流を、ＭＯＳトランジスタ１７を介して検出し、この信号電流を電圧値に変換して露光時の露光データとする。また、制御回路は、露光データから、このＣＭＯＳセンサ１に対応して記憶されている基準データを減算し、ＣＭＯＳセンサ１が受光した光量に対応する画像データを生成する。
【００６２】
時刻ｔ１１において、制御回路は、信号ＳＬを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させる。
これにより、ＭＯＳトランジスタ１７は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
これにより、制御回路は、ＣＭＯＳセンサ１からの露光データの読み出しを終了する。また、制御回路は、固体撮像素子における他のＣＭＯＳセンサからの露光データの読み出しが終了するまで、電源線ＬＶＶの電圧レベルを「Ｈ」レベルに維持させておく。
そして、制御回路は、固体撮像素子における全てのＣＭＯＳセンサ１から、露光データの読み出しが終了したタイミングにおいて、電源線ＶＬＬの電圧レベルを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させる。
時刻ｔ９から時刻ｔ１１までの期間において、制御回路は固体撮像素子における全てのＣＭＯＳセンサ１から露光データの読み出しの処理を行う。制御装置は、上述した時刻ｔ１から時刻ｔ１１までの処理を繰り返して行うことにより、動画の画像データを生成する。
【００６３】
次に、図４は本実施形態における図１のＣＭＯＳセンサ１を用いた、グローバルシャッタ型の固体撮像素子の構成例を示す図である。この固体撮像素子は、縦ｎ個×横ｍ個のマトリクス状に、複数のＣＭＯＳセンサ（上述したＣＭＯＳセンサ１）が配列されて構成される。本実施形態においては、一例として、図４に示すように、マトリクス状に縦２個×横２個に配列された４個のＣＭＯＳセンサからなる固体撮像素子を例として以下説明する。
本実施形態の固体撮像素子は、ＣＭＯＳセンサＳ１１、Ｓ１２、Ｓ２１及びＳ２２、ＭＯＳトランジスタ１８１、１８２、タイミング発生回路２０、垂直レジスタ２１、水平例ジスタ２２、制御回路３０（すでに述べた図示しない制御回路と同様）を有している。ここで、ＣＭＯＳセンサＳ１１、Ｓ１２、Ｓ２１及びＳ２２の各々は、図１のＣＭＯＳセンサ１と同様の構成である。
【００６４】
ＭＯＳトランジスタ１８１は、ドレインがＣＭＯＳセンサＳ１１及びＳ１２におけるＭＯＳトランジスタ１７のソースに接続されている。
ＭＯＳトランジスタ１８２は、ドレインがＣＭＯＳセンサＳ２１及びＳ２２におけるＭＯＳトランジスタ１７のソースに接続されている。
これらＭＯＳトランジスタ１８１及び１８２の各々は、ソースが共通に接続され、ＣＭＯＳセンサのマトリクスにおけるいずれの列の出力（Ｏｕｔ、露光データあるいは基準データ）を選択するために用いられる。
【００６５】
タイミング発生回路２０は、制御回路３０により制御され、固体撮像素子から画像データを出力する際、垂直レジスタ２１と水平レジスタ２２との各々に、それぞれタイミング信号ＳＬ１、ＳＬ２、タイミング信号ＳＴ１、ＳＴ２を出力させる。
垂直レジスタ２１は、ＣＭＯＳセンサＳ１１及びＳ２１におけるＭＯＳトランジスタ１７のゲートに対して信号ＳＬ１を出力し、またＣＭＯＳセンサＳ１２及びＳ２２におけるＭＯＳトランジスタ１７のゲートに対して信号ＳＬ２を出力する。
水平レジスタ２２は、ＭＯＳトランジスタ１８１のゲートに信号ＳＴ１を供給し、ＭＯＳトランジスタ１８２のゲートに信号ＳＴ２を供給する。
【００６６】
電源線ＬＶＤＤは、電圧ＶＤＤ（「Ｈ」レベルの電圧）を供給する配線であり、固体撮像素子の全てのＣＭＯＳセンサにおけるＭＯＳトランジスタ１３のドレインに対して共通に接続されている。
電源線ＬＶＶは、電圧ＶＶ（「Ｈ」レベルまたは予め設定された当該「Ｈ」レベルの電圧より低い「Ｌ」レベルのいずれか）を供給する配線であり、固体撮像素子の全てのＣＭＯＳセンサにおけるＭＯＳトランジスタ１４のドレインに対して共通に接続されている。
信号線ＬＲは、信号Ｒを供給する配線であり、固体撮像素子の全てのＣＭＯＳセンサにおけるＭＯＳトランジスタ１３のゲートに対して共通に接続されている。
信号線ＬＴＸは、信号ＴＸを供給する配線であり、固体撮像素子の全てのＣＭＯＳセンサにおけるＭＯＳトランジスタ１２のゲートに対して共通に接続されている。
【００６７】
次に、図５は、図４のグローバルシャッタ型の固体撮像素子の動作例を示すタイミングチャートである。
タイミング発生回路２０、信号Ｒ、信号ＴＸ、電圧ＶＶの制御は、図示しない制御回路３０が行う。時刻ｔ２１以前において、画像データの読み出し前であるため、制御回路３０は、信号Ｒ、ＴＸ、電源ＶＶ及びタイミング信号ＳＬ１、ＳＬ２、ＳＴ１、ＳＴ２を「Ｌ」レベルとしている。
以下、図５のタイミングチャートを用いて、図４の固体撮像素子の動作を説明する。
【００６８】
時刻ｔ２１において、制御回路３０は信号ＴＸ及びＲを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。これにより、固体撮像素子の全てのＣＭＯＳセンサにおけるＭＯＳトランジスタ１２及びＭＯＳトランジスタ１３が同時にオン状態となる。
この結果、固体撮像素子の全てのＣＭＯＳセンサにおけるＰＤ１１及びＦＤ１５がリセット処理され、信号電荷が蓄積されていない初期状態（電圧ＶＤＤ）となる。すなわち、固体撮像素子における全てのＭＯＳセンサが同時にリセット処理される。
【００６９】
時刻ｔ２２において、制御回路３０は信号ＴＸ及びＲを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させる。これにより、固体撮像素子の全てのＣＭＯＳセンサにおけるＭＯＳトランジスタ１２及び１３のゲートに「Ｌ」レベルが印加され、オフ状態となる。制御回路３０は、固体撮像素子におけるＣＭＯＳセンサのリセット処理を終了する。
また、制御回路３０は電源線ＬＶＶの電圧ＶＶを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させ、ＦＤ１５の端子間電圧の昇圧を開始する。すでに述べたように、電源線ＬＶＶは、固体撮像素子の全てのＣＭＯＳセンサにおけるＭＯＳトランジスタ１４のドレインに接続されている。このため、制御回路３０は大きな容量に対して電流を供給する必要があり、電源線ＶＬＬの電圧ＶＶを「Ｈ」レベルとするために長い時間が必要となる。
【００７０】
時刻ｔ２３において、制御回路３０はタイミング発生回路２０に対し、タイミング発生回路２０が垂直レジスタ２１及び水平レジスタ２２に対する制御を開始することを指示するタイミング制御信号を出力する。時刻ｔ２２から時刻ｔ２３までの時間は、電源線ＬＶＶの電圧が「Ｈ」レベルに到達（飽和）するまでの昇圧時間として設定されている。制御回路３０は、この昇圧時間が経過したことを内部タイマにより計測し、昇圧時間が経過した後、リセットレベルにおける信号電流（昇圧後のＦＤ１５の端子間電圧に対応してＭＯＳトランジスタ１４に流れる電流）の読み出し処理を開始する。
【００７１】
タイミング制御信号が入力されると、タイミング発生回路２０は、垂直レジスタ２１に対し、信号ＳＬ１を「Ｈ」レベルとする制御信号を出力する。そして、垂直レジスタ２１は、信号ＳＬ１を「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。ＣＭＯＳセンサＳ１１及びＳ２１におけるＭＯＳトランジスタ１７のゲートに「Ｈ」レベルが印加されることになり、ＣＭＯＳセンサＳ１１及びＳ２１におけるＭＯＳトランジスタ１７がオン状態となる。
すなわち、固体撮像素子のＣＭＯＳセンサのマトリクスにおいて、信号ＳＬ１により、ＣＭＯＳセンサＳ１１及びＳ２１の行が、基準データの読み出しを行う対象として選択されたことになる。
ここで、タイミング発生回路２０は、信号ＳＬ１を「Ｈ」レベルとする制御信号を出力してから、内部タイマーにより時間のカウントを開始する。
【００７２】
時刻ｔ２４において、タイミング発生回路２０は、カウントしている時間がＴ１１になると、水平レジスタ２２に対し、信号ＳＴ１を「Ｈ」レベルとする制御信号を出力する。そして、水平レジスタ２２は、信号ＳＴ１を「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。これにより、ＭＯＳトランジスタ１８１は、ゲートに「Ｈ」レベルが印加されてオン状態となる。
この結果、信号ＳＬ１及び信号ＳＴ１がともに「Ｈ」レベルとなることにより、ＣＭＯＳセンサＳ１１のＭＯＳトランジスタ１７及び１８１がオン状態となることにより、リセットレベルの信号電流の検出対象の画素としてＣＭＯＳセンサＳ１１が選択されたことになる。
そして、制御回路３０は、ＣＭＯＳセンサＳ１１におけるＭＯＳトランジスタ１４が流す信号電流を、ＭＯＳトランジスタ１７及び１８１を介して検出する。検出後、制御回路３０は、信号電流を基準データに変換し、ＣＭＯＳセンサＳ１１の基準データとして外部の記憶装置において、ＣＭＯＳセンサＳ１１の基準データを設定するアドレスに書き込んで記憶させる。
【００７３】
時刻ｔ２５において、タイミング発生回路２０は、カウントしている時間がＴ２１になると、水平レジスタ２２に対し、信号ＳＴ１を「Ｌ」レベルとし、信号ＳＴ２を「Ｈ」レベルとする制御信号を出力する。そして、水平レジスタ２２は、信号ＳＴ１を「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させ、信号ＳＴ２を「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。これにより、ＭＯＳトランジスタ１８１は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されてオフ状態となる。また、ＭＯＳトランジスタ１８２は、ゲートに「Ｈ」レベルが印加されてオン状態となる。
この結果、信号ＳＬ１及び信号ＳＴ２がともに「Ｈ」レベルとなることにより、ＣＭＯＳセンサＳ２１におけるＭＯＳトランジスタ１７及び１８２がオン状態となることにより、リセットレベルの信号電流の検出対象の画素としてＣＭＯＳセンサＳ２１が選択されたことになる。
そして、制御回路３０は、ＣＭＯＳセンサＳ２１におけるＭＯＳトランジスタ１４が流す信号電流を、ＭＯＳトランジスタ１７及び１８２を介して検出する。検出後、制御回路３０は、信号電流（図４のＯｕｔ）を基準データに変換し、ＣＭＯＳセンサＳ２１の基準データとして外部の記憶装置において、ＣＭＯＳセンサＳ２１の基準データを設定するアドレスに書き込んで記憶させる。
【００７４】
時刻ｔ２６において、タイミング発生回路２０は、カウントしている時間がＴ２になると、垂直レジスタ２１に対して信号ＳＬ１を「Ｌ」レベルとし、水平レジスタ２２に対して信号ＳＴ２を「Ｌ」レベルとする制御信号を出力する。これにより、ＭＯＳトランジスタ１８２とＣＭＯＳセンサＳ１１及びＳ２１におけるＭＯＳトランジスタ１７とは、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されることにより、オフ状態となる。
また、タイミング発生回路２０は、垂直レジスタ２１に対して、信号ＳＬ１を「Ｈ」レベルとする制御信号を出力する。
【００７５】
そして、垂直レジスタ２１は、信号ＳＬ１を「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。ＣＭＯＳセンサＳ１２及びＳ２２におけるＭＯＳトランジスタ１７のゲートに「Ｈ」レベルが印加されることになり、ＣＭＯＳセンサＳ１２及びＳ２２におけるＭＯＳトランジスタ１７がオン状態となる。
すなわち、固体撮像素子のＣＭＯＳセンサのマトリクスにおいて、信号ＳＬ２により、ＣＭＯＳセンサＳ１２及びＳ２２の行が、基準データの読み出しを行う対象として選択されたことになる。
【００７６】
時刻ｔ２７において、タイミング発生回路２０は、カウントしている時間がＴ１２になると、水平レジスタ２２に対し、信号ＳＴ１を「Ｈ」レベルとする制御信号を出力する。そして、水平レジスタ２２は、信号ＳＴ１を「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。これにより、ＭＯＳトランジスタ１８１は、ゲートに「Ｈ」レベルが印加されてオン状態となる。
この結果、信号ＳＬ２及び信号ＳＴ１がともに「Ｈ」レベルとなることにより、ＣＭＯＳセンサＳ１２のＭＯＳトランジスタ１７及び１８１がオン状態となることにより、リセットレベルの信号電流の検出対象の画素としてＣＭＯＳセンサＳ１２が選択されたことになる。
そして、制御回路３０は、ＣＭＯＳセンサＳ１２におけるＭＯＳトランジスタ１４が流す信号電流を、ＭＯＳトランジスタ１７及び１８１を介して検出する。検出後、制御回路３０は、信号電流を基準データに変換し、ＣＭＯＳセンサＳ１２の基準データとして外部の記憶装置において、ＣＭＯＳセンサＳ１２の基準データを設定するアドレスに書き込んで記憶させる。
【００７７】
時刻ｔ２８において、タイミング発生回路２０は、カウントしている時間がＴ２２になると、水平レジスタ２２に対し、信号ＳＴ１を「Ｌ」レベルとし、信号ＳＴ２を「Ｈ」レベルとする制御信号を出力する。そして、水平レジスタ２２は、信号ＳＴ１を「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させ、信号ＳＴ２を「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。これにより、ＭＯＳトランジスタ１８１は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されてオフ状態となる。また、ＭＯＳトランジスタ１８２は、ゲートに「Ｈ」レベルが印加されてオン状態となる。
この結果、信号ＳＬ２及び信号ＳＴ２がともに「Ｈ」レベルとなることにより、ＣＭＯＳセンサＳ２２におけるＭＯＳトランジスタ１７及び１８２がオン状態となることにより、リセットレベルの信号電流の検出対象の画素としてＣＭＯＳセンサＳ２２が選択されたことになる。
そして、制御回路３０は、ＣＭＯＳセンサＳ２２におけるＭＯＳトランジスタ１４が流す信号電流を、ＭＯＳトランジスタ１７及び１８２を介して検出する。検出後、制御回路３０は、信号電流を基準データに変換し、ＣＭＯＳセンサＳ２２の基準データとして外部の記憶装置において、ＣＭＯＳセンサＳ２２の基準データを設定するアドレスに書き込んで記憶させる。
【００７８】
時刻ｔ２９において、タイミング発生回路２０は、カウントしている時間がＴ３になると、垂直レジスタ２１に対して信号ＳＬ２を「Ｌ」レベルとする制御信号を出力するとともに、水平レジスタ２２に対して信号ＳＴ２を「Ｌ」レベルとする制御信号を出力する。そして、垂直レジスタ２１は信号ＳＬ２を「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させ、水平レジスタ２２は信号ＳＴ２を「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させる。これにより、ＣＭＯＳセンサＳ１２及びＳ２２におけるＭＯＳトランジスタ１７は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されてオフ状態となる。また、ＭＯＳトランジスタ１８２は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されてオフ状態となる。
また、タイミング発生回路２０は、固体撮像素子の全てのＣＭＯＳセンサの読み出しが終了したことを示す終了信号を、制御回路３０に対して出力する。
そして、制御回路３０は、終了信号が供給されると、固体撮像素子の全てのＣＭＯＳセンサにおいて、ＰＤ１１からＦＤ１５への信号電荷の転送を行うため、信号ＴＸを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルへ変化させる。これにより、ＣＭＯＳセンサＳ１１、Ｓ２１、Ｓ１２及びＳ２２におけるＭＯＳトランジスタ１２は、同時にゲートに「Ｈ」レベルが印加されてオン状態となる。
そして、ＣＭＯＳセンサＳ１１、Ｓ２１、Ｓ１２及びＳ２２において、ＰＤ１１が照射された光量に対応して発生し蓄積した信号電荷が、ＭＯＳトランジスタ１２を介して、ＦＤ１５に転送され、ＦＤ１５において信号電荷が蓄積される。
【００７９】
時刻ｔ３０において、制御回路３０はタイミング発生回路２０に対し、タイミング発生回路２０が垂直レジスタ２１及び水平レジスタ２２に対する制御を開始することを指示するタイミング制御信号を出力する。
すなわち、制御回路３０は、ＦＤ１５に蓄積されている、時刻ｔ２２から時刻ｔ２９までの時間における露光により得られた信号電荷に対応する信号電流（信号電荷転送後のＦＤ１５の端子間電圧に対応してＭＯＳトランジスタ１４に流れる電流）の読み出し処理を開始する。
【００８０】
タイミング制御信号が入力されると、タイミング発生回路２０は、垂直レジスタ２１に対し、信号ＳＬ１を「Ｈ」レベルとする制御信号を出力する。そして、垂直レジスタ２１は、信号ＳＬ１を「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。ＣＭＯＳセンサＳ１１及びＳ２１におけるＭＯＳトランジスタ１７のゲートに「Ｈ」レベルが印加されることになり、ＣＭＯＳセンサＳ１１及びＳ２１におけるＭＯＳトランジスタ１７がオン状態となる。
すなわち、固体撮像素子のＣＭＯＳセンサのマトリクスにおいて、信号ＳＬ１により、ＣＭＯＳセンサＳ１１及びＳ２１の行が、露光データの読み出しを行う対象として選択されたことになる。
ここで、タイミング発生回路２０は、信号ＳＬ１を「Ｈ」レベルとする制御信号を出力してから、内部タイマーにより時間のカウントを開始する。
【００８１】
時刻ｔ３１において、タイミング発生回路２０は、カウントしている時間がＴ１１になると、水平レジスタ２２に対し、信号ＳＴ１を「Ｈ」レベルとする制御信号を出力する。そして、水平レジスタ２２は、信号ＳＴ１を「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。これにより、ＭＯＳトランジスタ１８１は、ゲートに「Ｈ」レベルが印加されてオン状態となる。
この結果、信号ＳＬ１及び信号ＳＴ１がともに「Ｈ」レベルとなることにより、ＣＭＯＳセンサＳ１１のＭＯＳトランジスタ１７及び１８１がオン状態となることにより、露光により発生した信号電荷に対応した信号電流の検出対象の画素としてＣＭＯＳセンサＳ１１が選択されたことになる。
そして、制御回路３０は、ＣＭＯＳセンサＳ１１におけるＭＯＳトランジスタ１４が流す信号電流を、ＭＯＳトランジスタ１７及び１８１を介して検出する。検出後、制御回路３０は、信号電流を露光データに変換し、ＣＭＯＳセンサＳ１１の基準データを外部の記憶装置から読み出し、露光データから基準データを減算し、減算結果を画像データとして外部の記憶装置において、ＣＭＯＳセンサＳ１１の画像データを設定するアドレスに書き込んで記憶させる。
【００８２】
時刻ｔ３２において、タイミング発生回路２０は、カウントしている時間がＴ２１になると、水平レジスタ２２に対し、信号ＳＴ１を「Ｌ」レベルとし、信号ＳＴ２を「Ｈ」レベルとする制御信号を出力する。そして、水平レジスタ２２は、信号ＳＴ１を「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させ、信号ＳＴ２を「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。これにより、ＭＯＳトランジスタ１８１は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されてオフ状態となる。また、ＭＯＳトランジスタ１８２は、ゲートに「Ｈ」レベルが印加されてオン状態となる。
この結果、信号ＳＬ１及び信号ＳＴ２がともに「Ｈ」レベルとなることにより、ＣＭＯＳセンサＳ２１におけるＭＯＳトランジスタ１７及び１８２がオン状態となることにより、露光により発生した信号電荷に対応した信号電流の検出対象の画素としてＣＭＯＳセンサＳ２１が選択されたことになる。
そして、制御回路３０は、ＣＭＯＳセンサＳ２１におけるＭＯＳトランジスタ１４が流す信号電流を、ＭＯＳトランジスタ１７及び１８２を介して検出する。検出後、制御回路３０は、信号電流を露光データに変換し、ＣＭＯＳセンサＳ２１の基準データを外部の記憶装置から読み出し、露光データから基準データを減算し、減算結果を画像データとして外部の記憶装置において、ＣＭＯＳセンサＳ２１の画像データを設定するアドレスに書き込んで記憶させる。
【００８３】
時刻ｔ３３において、タイミング発生回路２０は、カウントしている時間がＴ２になると、垂直レジスタ２１に対して信号ＳＬ１を「Ｌ」レベルとし、水平レジスタ２２に対して信号ＳＴ２を「Ｌ」レベルとする制御信号を出力する。これにより、ＭＯＳトランジスタ１８２とＣＭＯＳセンサＳ１１及びＳ２１におけるＭＯＳトランジスタ１７とは、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されることにより、オフ状態となる。
また、タイミング発生回路２０は、垂直レジスタ２１に対して、信号ＳＬ１を「Ｈ」レベルとする制御信号を出力する。
【００８４】
そして、垂直レジスタ２１は、信号ＳＬ１を「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。ＣＭＯＳセンサＳ１２及びＳ２２におけるＭＯＳトランジスタ１７のゲートに「Ｈ」レベルが印加されることになり、ＣＭＯＳセンサＳ１２及びＳ２２におけるＭＯＳトランジスタ１７がオン状態となる。
すなわち、固体撮像素子のＣＭＯＳセンサのマトリクスにおいて、信号ＳＬ２により、ＣＭＯＳセンサＳ１２及びＳ２２の行が、露光データの読み出しを行う対象として選択されたことになる。
【００８５】
時刻ｔ３４において、タイミング発生回路２０は、カウントしている時間がＴ１２になると、水平レジスタ２２に対し、信号ＳＴ１を「Ｈ」レベルとする制御信号を出力する。そして、水平レジスタ２２は、信号ＳＴ１を「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。これにより、ＭＯＳトランジスタ１８１は、ゲートに「Ｈ」レベルが印加されてオン状態となる。
この結果、信号ＳＬ２及び信号ＳＴ１がともに「Ｈ」レベルとなることにより、ＣＭＯＳセンサＳ１２のＭＯＳトランジスタ１７及び１８１がオン状態となることにより、露光により発生した信号電荷に対応した信号電流の検出対象の画素としてＣＭＯＳセンサＳ１２が選択されたことになる。
そして、制御回路３０は、ＣＭＯＳセンサＳ１２におけるＭＯＳトランジスタ１４が流す信号電流を、ＭＯＳトランジスタ１７及び１８１を介して検出する。検出後、制御回路３０は、信号電流を露光データに変換し、ＣＭＯＳセンサＳ１２の基準データを外部の記憶装置から読み出し、露光データから基準データを減算し、減算結果を画像データとして外部の記憶装置において、ＣＭＯＳセンサＳ１２の画像データを設定するアドレスに書き込んで記憶させる。
【００８６】
時刻ｔ３５において、タイミング発生回路２０は、カウントしている時間がＴ２２になると、水平レジスタ２２に対し、信号ＳＴ１を「Ｌ」レベルとし、信号ＳＴ２を「Ｈ」レベルとする制御信号を出力する。そして、水平レジスタ２２は、信号ＳＴ１を「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させ、信号ＳＴ２を「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。これにより、ＭＯＳトランジスタ１８１は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されてオフ状態となる。また、ＭＯＳトランジスタ１８２は、ゲートに「Ｈ」レベルが印加されてオン状態となる。
この結果、信号ＳＬ２及び信号ＳＴ２がともに「Ｈ」レベルとなることにより、ＣＭＯＳセンサＳ２２におけるＭＯＳトランジスタ１７及び１８２がオン状態となることにより、露光により発生した信号電荷に対応した信号電流の検出対象の画素としてＣＭＯＳセンサＳ２２が選択されたことになる。
そして、制御回路３０は、ＣＭＯＳセンサＳ２２におけるＭＯＳトランジスタ１４が流す信号電流を、ＭＯＳトランジスタ１７及び１８２を介して検出する。検出後、制御回路３０は、信号電流を露光データに変換し、ＣＭＯＳセンサＳ２２の基準データを外部の記憶装置から読み出し、露光データから基準データを減算し、減算結果を画像データとして外部の記憶装置において、ＣＭＯＳセンサＳ２２の画像データを設定するアドレスに書き込んで記憶させる。
上述した時刻ｔ２１から時刻ｔ４１までが１フレーム、すなわち固体撮像素子の全てのＣＭＯＳセンサの画像データの取得処理となる。
【００８７】
時刻ｔ４１において、タイミング発生回路２０は、カウントしている時間がＴ３になると、垂直レジスタ２１に対して信号ＳＬ２を「Ｌ」レベルとする制御信号を出力するとともに、水平レジスタ２２に対して信号ＳＴ２を「Ｌ」レベルとする制御信号を出力する。そして、垂直レジスタ２１は信号ＳＬ２を「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させ、水平レジスタ２２は信号ＳＴ２を「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させる。これにより、ＣＭＯＳセンサＳ１２及びＳ２２におけるＭＯＳトランジスタ１７は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されてオフ状態となる。また、ＭＯＳトランジスタ１８２は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されてオフ状態となる。
また、タイミング発生回路２０は、固体撮像素子の全てのＣＭＯＳセンサから露光データの読み出しが終了したことを示す読出終了信号を、制御回路３０に対して出力する。
そして、制御回路３０は、読出終了信号が供給されると、固体撮像素子の全てのＣＭＯＳセンサにおいて、ＰＤ１１及びＦＤ１５のリセット処理を行うため、制御回路３０は信号ＴＸ及びＲを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。これにより、固体撮像素子の全てのＣＭＯＳセンサにおけるＭＯＳトランジスタ１２及びＭＯＳトランジスタ１３が同時にオン状態となる。
この結果、固体撮像素子の全てのＣＭＯＳセンサにおけるＰＤ１１及びＦＤ１５がリセット処理され、信号電荷が蓄積されていない初期状態となる。
【００８８】
時刻ｔ４２から時刻ｔ６１までは、すでに説明した時刻ｔ２２から時刻ｔ４１の処理と同様である。以降、時刻ｔ４１から時刻ｔ５５までの処理が繰り返され、動画像の各フレームの画像データが固体撮像素子により取得される。本実施形態においては、ＣＭＯＳセンサを２×２のマトリクスにより配置した個体撮像装置により説明を行ったが、撮像する画像の分解能に対応して、マトリクス状に配置するＣＭＯＳセンサの数は適時設定することは当然である。
【００８９】
上述した本実施形態によれば、グローバルシャッタ方式の固体撮像素子において、全てのＣＭＯＳセンサにおけるＦＤ１５を同時に昇圧し、またＰＤ１１からＦＤ１５に信号電荷を同時に転送させる構成のため、ＦＤ１５における信号電荷の蓄積量を増加させることが可能となり、従来のグローバルシャッタ方式の固体撮像素子に比較して、よりダイナミックレンジの広い画像データを得ることができる。
【００９０】
また、グローバルシャッタ処理においては、固体撮像素子の全てのＣＭＯＳセンサにおけるＦＤ１５の端子間電圧をＶＤＤからＶＤＤ＋α（ΔＶFD）まで一括し昇圧させる。
このため、グローバルシャッタ処理は、固体撮像素子の全てのＣＭＯＳセンサのＭＯＳトランジスタ１４のドレインに接続された電源線ＬＶＶの電圧の昇圧を行うため、電圧昇圧する対象の負荷が大きいものとなり、ＣＭＯＳセンサの配列の行単位に昇圧を行うローリングシャッタ方式の固体撮像素子に比較して昇圧に時間がかかる。
【００９１】
しかしながら、本実施形態は、固体撮像素子の全てのＣＭＯＳセンサにおいて、昇圧処理を同期させて一括して行うため、各ＣＭＯＳセンサの信号電荷移動を時系列に行うローリングシャッタ方式の固体撮像素子に比較して昇圧回数を低減することができるため、結果として撮像のフレーム周期をローリングシャッタ方式の固体撮像素子と同様とすることができる。
上述したように、本願発明によれば、ＣＭＯＳセンサを用いた固体撮像素子において、ローリングシャッタ方式の固体撮像素子と同様のフレーム周期を有し、取得する画像データのダイナミックレンジが従来のグローバルシャッタ方式の固体撮像素子に比較して広い、グローバルシャッタ方式の固体撮像素子を提供することができる。
【００９２】
図６は、横軸が撮像面の照度（ｌｘ）を示し、縦軸が基準データから露光データを減算した画像データ（推定出力電圧差）の電圧値を示している。この画像データ電圧値は、次段に接続された、図示しないＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換回路にて、デジタルの電圧値に変換された結果を示している。ここで、すでに述べたように、ＭＯＳトランジスタ１４のソースフォロワのゲインによる補正を行うため、露光データを基準データにより除算し、画像データを得ている。また、露光時間は１０μ（マイクロ）秒としている。
この図において、昇圧前の電圧をそれぞれ、昇圧なしの場合で３．３Ｖ（◇：一点鎖線）、昇圧ありの場合で、２Ｖ（◆：実線波線）、１．８Ｖ（◆：波線）、１．６Ｖ（◆：点線）の４種類の電圧における、撮像画像の輝度値に対する露光データの電圧値の変化を示している。
【００９３】
この図６から判るように、露光データをＰＤ１１からＦＤ１５に転送する前の時点において、電線ＬＶＶの電圧ＶＶを、「Ｈ」レベルの電圧より低く設定しておくことで、電圧ＶＶを予め「Ｈ」レベルより低く設定された電圧値から「Ｈ」レベルの電圧値に変化させた際に、電圧ＶＶの電圧変化を大きくし、ＦＤ１５の端子間電圧をより昇圧する構成ため、露光データの露光前の電圧が低いほど、画像データのダイナミックレンジが昇圧なしに対して広くなる。
しかしながら、露光データを読み出す前の電圧をあまり低下させると、例えば、図９における１．６の場合、ＭＯＳトランジスタ１４における基準データとして読み出される電圧値が、非線形性を有することになるため、低照度時における照度と画像データとの線形制が低下してしまう。
【００９４】
＜第２の実施形態＞
以下、図面を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。図７は、この発明の第２の実施形態によるＣＭＯＳセンサ２の構成例を示す概略ブロック図である。
ＣＭＯＳセンサ２は、グローバルシャッタ方式の固体撮像素子の１画素の基本単位であり、ＰＤ１１、ＭＯＳトランジスタ１２、１３、１４、１７、１９、ＦＤ１５、コンデンサ４０から構成されている。ＭＯＳトランジスタ１２、１３、１４、１７及び１９は、例えばｎチャネル型のＭＯＳトランジスタである。図７においては、図１のＣＭＯＳセンサ１と同様の構成については同一の符号を付してある。以下、第１の実施形態と異なる構成及び動作のみを説明する。
【００９５】
ＰＤ１１は、アノードが接地され、カソードがＭＯＳトランジスタ１９のソースに接続されている。
コンデンサ４０は、ＰＤ１１が発生した信号電荷を一端蓄積するための蓄積用容量として、ＭＯＳトランジスタ１９のソースに接続されている。
ＭＯＳトランジスタ１２は、ゲートに信号ＴＲの配線が接続され、ドレインにＭＯＳトランジスタ１４のゲートが接続されている。このＭＯＳトランジスタ１２は、ゲートに印加されている信号ＴＸが「Ｈ」レベルとなるとオン状態となり、コンデンサ４０に蓄積されている信号電荷をＦＤ１５に転送する。
後の構成は、第１の実施形態と同様のため、説明を省略する。
【００９６】
すなわち、第２の実施形態は、露光時間が終了すると、ＭＯＳトランジスタ１９をオン状態とし、ＰＤ１１が発生して蓄積した信号電荷を、一旦コンデンサ４０に蓄積する。
コンデンサ４０には外部からのノイズなどの外乱の影響が、ＦＤ１５に比較して少ないため、信号電荷の蓄積量が変動する確率が低い。ＰＤ１１からコンデンサ４０への信号電荷の転送を、固体撮像素子における全てのＣＭＯＳセンサ２で行うことにより、グローバルシャッタの動作を実現している。このＣＭＯＳセンサ２は、図４のＣＭＯＳセンサＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１３およびＳ１４として用いることができる。
【００９７】
次に、図８は図７に示すＣＭＯＳセンサ２からデータを出力する動作例を示すタイミングチャートである。信号ＴＲ、ＴＸ、Ｒ、ＳＬ、電源線ＬＶＶのレベル制御は、従来例と同様に図示しない制御部（例えば、図４における制御部３０、ただし信号ＴＲの制御が加わる）が行う。
時刻ｔ２０１以前において、制御回路は、信号ＴＲ、ＴＸ、Ｒ、ＳＬを「Ｌ」レベルとし、電源線ＬＶＶの電位を「Ｌ」レベルとしている。また、電原線ＬＶＤＤは常に「Ｈ」レベル、すなわち電圧ＶＤＤである。
時刻ｔ２０１において、制御回路は信号ＴＲ、ＴＸ及びＲを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。ＭＯＳトランジスタ１９、１２及び１３のゲートに「Ｈ」レベルが印加されることとなり、ＭＯＳトランジスタ１９、１２及び１３がオン状態となる。これにより、ＰＤ１１に生成された電荷がＭＯＳトランジスタ１９、１２及び１３を介し、電源線ＬＶＤＤへ電荷が移動することにより、ＰＤ１１のリセット処理が行われる。このとき、コンデンサ４０に対してもリセット処理が行われ、コンデンサ４０の端子間電圧が電圧ＶＤＤとなる。
【００９８】
時刻ｔ２０２において、制御回路はリセット処理を終了させるため、信号ＴＲ、ＴＸ及びＲを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させる。これにより、ＭＯＳトランジスタ１９は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されるため、オフ状態となる。また、ＭＯＳトランジスタ１２は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されるため、オフ状態となる。また、ＭＯＳトランジスタ１３は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
ＰＤ１１は、リセット処理が終了した時点から、光が照射されることにで電荷を発生し、発生した電荷を自身に蓄積する。ここから露光、すなわち照射された光量に対応する信号電荷の蓄積が開始される。
【００９９】
時刻ｔ２０３において、制御回路は、ＰＤ１１で発生してカソードに蓄積される信号電荷を、ＰＤ１１からコンデンサ４０に転送させるため、信号ＴＲを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させる。これにより、ＭＯＳトランジスタ１９は、ゲートに「Ｈ」レベルが印加されるため、オン状態となる。
この結果、ＰＤ１１のカソードに蓄積された信号電荷は、ＭＯＳトランジスタ１９を介してコンデンサ４０に移動する。
すなわち、本実施形態においては、時刻ｔ２０２から時刻ｔ２０３までの時間が露光時間となる。
【０１００】
時刻ｔ２０４において、制御回路は、ＰＤ１１からコンデンサ４０に対する信号電荷の転送を終了させるため、信号ＴＲを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルへ変化させる。これにより、ＭＯＳトランジスタ１９は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
この結果、ＰＤ１１からコンデンサ４０への信号電荷の転送が終了し、ＰＤ１１の発生した信号電荷がコンデンサ４０に蓄積される。
このとき、ＰＤ１１に蓄積された信号電荷のコンデンサ４０への転送は、固体撮像素子の全てのＣＭＯＳセンサが同期を取って一斉に行われる（グローバルシャッタ処理）。
【０１０１】
時刻ｔ２０５において、制御回路は、ＦＤ１５のリセット処理を行うため、信号Ｒを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。これにより、ＭＯＳトランジスタ１３は、ゲートに「Ｈ」レベルが印加されるため、オン状態となる。
ＭＯＳトランジスタ１３がオン状態となることで、ＦＤ１５に存在する電荷が電源線ＬＶＤＤへ移動するため、ＦＤ１５の端子間電圧が電圧ＶＤＤとなり、ＦＤ１５のリセット処理が行われる。
【０１０２】
時刻ｔ２０６において、制御回路は、ＦＤ１５のリセット処理を終了し、ＦＤ１５の端子間電圧を昇圧させるため、信号Ｒを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させるとともに、電源線ＬＶＶの電圧を「Ｌ」レベル（予め設定された「Ｈ」レベルから昇圧に寄与させる電圧分低い電圧）から「Ｈ」レベル（電圧ＶＤＤ）に変化させる。
これにより、ＭＯＳトランジスタ１３は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されるため、オフ状態となる。そして、ＦＤ１５のリセット処理が終了する。
また、ＦＤ１５の端子間電圧は、電源線ＬＶＶの電圧に対応し、電圧ＶＤＤから（１）式から求められる昇圧量ΔＶFD分の電圧が上昇することになる。この結果、すでに述べたように、ＦＤ１５の端子間電圧における信号電荷による変化量の幅を大きくとることができ、画像データのダイナミックレンジを広げることができる。
【０１０３】
時刻ｔ２０７において、制御回路は、ＦＤ１５の端子間電圧のリセットレベルを読み出すため、信号ＳＬを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。これにより、ＭＯＳトランジスタ１７は、ゲートの「Ｈ」レベルが印加されることにより、オン状態となる。
これにより、ＭＯＳトランジスタ１４は、ゲートに印加されている、リセットレベルのＦＤ１５の端子間電圧に対応する信号電流を、ＭＯＳトランジスタ１７を介して制御回路に流す。
そして、制御回路は、このタイミングにおいて、ＦＤ１５の端子間電圧のリセットレベルに対応する信号電流を検出し、基準データとして一端内部の記憶部に書き込んで記憶させる。
また、時刻ｔ２０６から時刻ｔ２０７までは、電源線ＬＶＶの電圧ＶＶが電圧ＶＤＤとなるまでの時間、すなわちＦＤＤ１５の端子間電圧が昇圧されて飽和されるまでの時間となっている。
【０１０４】
時刻ｔ２０８において、制御回路は、コンデンサ４０からＦＤ１５に対して信号電荷の転送を行うため、信号ＳＬを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させるとともに、信号ＴＸを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。
これにより、ＭＯＳトランジスタ１７は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されるため、オフ状態となる。この結果、制御回路はＭＯＳトランジスタ１７を介した、ＭＯＳトランジスタ１４がＦＤ１５の端子間電圧（リセットレベル）に対応した信号電流の検出を終了する。
また、ＭＯＳトランジスタ１２は、ゲートに「Ｈ」レベルが印加されるため、オン状態となる。この結果、コンデンサ４０に蓄積されている信号電荷が、コンデンサ４０からＦＤ１５へ転送され、ＦＤ１５の端子間電圧が信号電荷の電荷量に応じて変化する。
【０１０５】
時刻ｔ２０９において、制御回路は、電荷の転送を終了し、露光データとしての信号電流を読み出すため、信号ＴＸを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させるとともに、信号ＳＬを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。
これにより、ＭＯＳトランジスタ１２は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されるため、オフ状態となる。この結果、コンデンサ４０からＦＤ１５に対する信号電荷の転送が終了する。
そして、制御回路は、ＦＤ１５に蓄積されている電荷の情報の読み出しを開始する。  すなわち、ＭＯＳトランジスタ１７は、ゲートに「Ｈ」レベルが印加されるため、オン状態となる。この結果、ＭＯＳトランジスタ１４は、ゲートに印加されている、信号電荷に応じて変化したＦＤ１５の端子間電圧に対応する信号電流を、ＭＯＳトランジスタ１７を介して制御回路に供給する。そして、制御回路は、このタイミングにおいて、リセットレベルに対して信号電荷に応じて変化したＭＯＳトランジスタ１４に流れる信号電流を検出して露光データとし、この露光データから画像データを算出する処理を行う。
このとき、制御回路は、露光データから、このＣＭＯＳセンサ２に対応して内部の記憶部に記憶されている基準データを減算し、ＣＭＯＳセンサ２が受光した光量に対応する信号電荷に基づく画像データを生成し、外部の記憶装置に書き込んで記憶させる。
【０１０６】
時刻ｔ２１０において、制御回路は、このＣＭＯＳセンサ２からの露光データの読出を終了させるため、信号ＳＬを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させる。これにより、ＭＯＳトランジスタ１７は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
また、時刻ｔ２１０以降において、制御回路は固体撮像素子における他のＣＭＯＳセンサ２のＭＯＳトランジスタ１７を順次オン状態とし、他のＣＭＯＳセンサ２から露光データを時系列に読み出す。すなわち、制御回路は、リセットレベル読み出しから信号レベル読み出しまでの画像データを求める処理を、固体撮像素子の全てのＣＭＯＳセンサ２に対して順次行う。
【０１０７】
本実施形態は、図１の第１の実施形態と同様に、図４の固体撮像素子の画素として用いることができる。
本実施形態は、上述したように、ＦＤ１５の端子間電圧を上昇させ、かつ固体撮像素子のすべてのＣＭＯＳセンサ２におけるＦＤ１５の端子間電圧のリセットレベルを読み出す期間、ＰＤ１１が露光により発生した電荷を一旦コンデンサ４０に蓄積しておく。
このため、本実施形態によれば、第１の実施形態におけるダイナミックレンジを広げたグローバルシャッタ方式の固体撮像素子の効果に加え、複数の配線に接続されたＦＤ１５に比較し、蓄積する信号電荷の電荷量の変動を抑制することができ、安定した露光データを検出することができる。
【０１０８】
また、本実施形態によれば、２つの電荷蓄積部としてコンデンサ４０及びＦＤ１５が存在するため、ＦＤ１５にリセットレベルを保持しておき、コンデンサ４０に対して信号電荷をＰＤ１１から転送することができる。
このため、本実施形態は、ＣＭＯＳセンサの信号電流から画像データを求める際、順次リセットレベルを読み出し、基準データを求めた後、コンデンサ４０からＦＤ１５に信号電荷を転送し、この信号電荷によるＭＯＳトランジスタ１４の信号電流から露光データを求め、露光データから基準データを減算し、画像データを得ている。                    この結果、本実施形態によれば、画像データを生成する際、内部記憶部に記憶されたリセットレベルを用いて基準データを生成するため、制御回路内の記憶部は１つのデータが記憶できれば良く、ＣＭＯＳセンサの外部において、全てのＣＭＯＳセンサに対する基準データ用の記憶部を設ける必要が無くなる。
【０１０９】
＜第３の実施形態＞
以下、図面を参照して、本発明の第３の実施形態について説明する。図９は、この発明の第３の実施形態によるＣＭＯＳセンサ３の構成例を示す概略ブロック図である。
ＣＭＯＳセンサ３は、グローバルシャッタ方式の固体撮像素子の１画素の基本単位であり、ＰＤ１１、ＭＯＳトランジスタ１２、１３、１４、１７及び２１、ＦＤ１５から構成されている。ＭＯＳトランジスタ１２、１３、１４、１７及び２１は、例えばｎチャネル型のＭＯＳトランジスタである。図９においては、図１のＣＭＯＳセンサ１と同様の構成については同一の符号を付してある。以下、第１の実施形態と異なる構成及び動作のみを説明する。このＣＭＯＳセンサ３は、図４のＣＭＯＳセンサＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１３およびＳ１４として用いることができる。
【０１１０】
ＭＯＳトランジスタ２１は、ドレインに対し信号ＴＹの配線ＬＴＹが接続され、ソースがＰＤ１１のカソードが接続され、ゲートに信号Ｄが供給されている。
このＭＯＳトランジスタ２１は、光が照射されることによりＰＤ１１のカソードに生成され、ＰＤ１１の電荷に蓄積される電荷を、配線ＴＹＬに転送する。
すなわち、ＭＯＳトランジスタ２１は、露光期間以外に生成された電荷がＰＤ１１のカソードに蓄積されないように、露光期間以外においてオン状態とされ、電荷を配線ＬＴＹへ転送させることで、カソードがリセットされた状態に保っている。ここで、信号ＴＹは常に「Ｈ」レベルの電圧に制御されている。
後の構成は、第１の実施形態と同様のため、説明を省略する。
【０１１１】
次に、図１０は図９に示すＣＭＯＳセンサ３からデータを出力する動作例を示すタイミングチャートである。信号Ｄ、ＴＸ、Ｒ、ＳＬ、電源線ＬＶＶのレベル制御は、従来例と同様に図示しない制御部（例えば、図４における制御部３０、ただし信号Ｄの制御が加わる）が行う。
時刻ｔ３０１以前において、制御回路は、信号ＴＸ、Ｒ、ＳＬを「Ｌ」レベルとし、信号Ｄを「Ｈ」レベルとし、電源線ＬＶＶの電位を「Ｌ」レベルとしている。また、電原線ＬＶＤＤ及び配線ＬＴＹは常に「Ｈ」レベル、すなわち電圧ＶＤＤである。これにより、ＭＯＳトランジスタ２１は、ゲートに「Ｈ」レベルが印加され、オン状態となっている。このため、光の照射によりＰＤ１１に生成された電荷は、ＭＯＳトランジスタ２１を介して配線ＬＴＹへ転送される。
【０１１２】
時刻ｔ３０１において、制御回路は信号ＴＸ及びＲを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。ＭＯＳトランジスタ１２及び１３のゲートに「Ｈ」レベルが印加されることとなり、ＭＯＳトランジスタ１２及び１３がオン状態となる。これにより、ＰＤ１１のカソードに生成された電荷、及びＦＤ１５に蓄積されている電荷がＭＯＳトランジスタ１２及び１３を介し、電源線ＬＶＤＤへ電荷が移動することにより、ＦＤ１５のリセット処理が行われる。
【０１１３】
時刻ｔ３０２において、制御回路はリセット処理を終了させるため、信号ＴＸ及びＲを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させる。これにより、ＭＯＳトランジスタ１２は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されるため、オフ状態となる。また、ＭＯＳトランジスタ１３は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
ＰＤ１１は、リセット処理が終了した時点から、光が照射されることにで電荷を発生する。しかしながら、ＰＤ１１が発生した電荷は、ＭＯＳトランジスタ２１を介して、配線ＬＴＹへ転送に転送されるため、ＰＤ１１のカソードはリセット状態を保つことになる。
また、制御回路は、信号線ＬＶＶの電圧ＶＶを、「Ｌ」レベル（予め設定された「Ｈ」レベルから昇圧に寄与させる電圧分低い電圧）から「Ｈ」レベルに変化させる。
これにより、ＦＤ１５の端子間電圧は、電源線ＬＶＶの電圧に対応し、電圧ＶＤＤから（１）式から求められる昇圧量ΔＶFD分の電圧が上昇することになる。この結果、すでに述べたように、ＦＤ１５の端子間電圧における信号電荷による変化量の幅を大きくとることができ、画像データのダイナミックレンジを広げることができる。
【０１１４】
時刻ｔ３０３において、制御回路は、ＦＤ１５の端子間電圧が「Ｈ」レベルに飽和するための期間内であるため、ＣＭＯＳセンサ３の処理を行わない。
【０１１５】
時刻ｔ３０４において、制御回路は、ＦＤ１５の端子間電圧のリセットレベルを読み出すため、信号ＳＬを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。これにより、ＭＯＳトランジスタ１７は、ゲートの「Ｈ」レベルが印加されることにより、オン状態となる。
これにより、ＭＯＳトランジスタ１４は、ゲートに印加されている、リセットレベルのＦＤ１５の端子間電圧に対応する信号電流を、ＭＯＳトランジスタ１７を介して制御回路に流す。
そして、制御回路は、このタイミングにおいて、ＦＤ１５の端子間電圧のリセットレベルに対応する信号電流を検出し、基準データとして外部の記憶装置に書き込んで記憶させる。
また、時刻ｔ３０２から時刻ｔ３０４までは、電源線ＬＶＶの電圧ＶＶが電圧ＶＤＤとなるまでの時間、すなわちＦＤＤ１５の端子間電圧が昇圧されて飽和されるまでの時間となっている。
【０１１６】
時刻ｔ３０５において、制御回路は、ＰＤ１１のカソードからＦＤ１５に対して信号電荷の転送を行うため、信号ＳＬを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させる。
これにより、ＭＯＳトランジスタ１７は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されるため、オフ状態となる。この結果、制御回路はＭＯＳトランジスタ１７を介した、ＭＯＳトランジスタ１４がＦＤ１５の端子間電圧（リセットレベル）に対応した信号電流の検出を終了する。
【０１１７】
時刻ｔ３０６において、制御回路は、ＰＤ１１で発生してカソードに蓄積される信号電荷を、ＰＤ１１からＦＤ１５に転送させるため、信号ＴＸを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させ、一方、信号Ｄを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させる。これにより、ＭＯＳトランジスタ１２は、ゲートに「Ｈ」レベルが印加されるため、オン状態となる。
また、ＭＯＳトランジスタ２１は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されるため、オフ状態となる。この結果、ＰＤ１１のカソードに生成される電荷は、ＭＯＳトランジスタ２１がオフ状態であるため、配線ＬＴＹへ移動せず、ＰＤ１１のカソードに蓄積される。
したがって、ＰＤ１１のカソードに発生する信号電荷は、ＭＯＳトランジスタ１２を介してＦＤ１５に転送され、ＦＤ１５の端子間電圧が信号電荷の電荷量に応じて変化する。
このとき、固体撮像素子すべてのＣＭＯＳセンサ３において、コンデンサ４０からＦ１５への信号電荷の転送が、同期して一斉に行われる（グローバルシャッタの処理）。
ここで、時刻ｔ３０４から時刻ｔ３０６までの時間は、固体撮像素子における全てのＣＭＯＳセンサ３から、ＦＤ１５の端子間電圧（リセットレベル）に対応した信号電流を読み出し、基準データを求める処理時間である。
【０１１８】
時刻ｔ３０７において、制御回路は、露光処理を終了するため、信号ＴＸを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させるとともに、信号Ｄを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。これにより、ＭＯＳトランジスタ１２は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加され、オフ状態となる。また、ＭＯＳトランジスタ２１は、ゲートに「Ｈ」レベルが印加され、オン状態となる。このタイミングにおいて、制御回路は、ＰＤ１１からＦＤ１５への信号電荷の転送を終了させる。
この結果、ＭＯＳトランジスタ１２を介して、ＰＤ１１から信号電荷が転送されなくなるため、ＦＤ１５の端子間電圧の変化が終了する。また、ＰＤ１１のカソードに生成された電荷は、ＭＯＳトランジスタ２１を介し、配線ＬＴＹへ移動する。したがって、ＰＤ１１のカソードには信号電荷が蓄積されなくなる。
【０１１９】
時刻ｔ３０８において、制御回路は、制御回路は信号ＳＬを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。
これにより、ＭＯＳトランジスタ１７は、ゲートに「Ｈ」レベルが印加されるため、オン状態となる。このとき、ＭＯＳトランジスタ１７は、ＭＯＳトランジスタ１４からドレインに流れ込む信号電流を、ソースから流し出す状態となる。
そして、制御回路は、ＦＤ１５に蓄積されている電荷の情報の読み出しを開始する。すなわち、制御回路は、ＦＤ１５の端子間電圧に対応してＭＯＳトランジスタ１４に流れる信号電流を、ＭＯＳトランジスタ１７を介して検出し、この信号電流を電圧値に変換して露光時の露光データとする。また、制御回路は、露光データから、このＣＭＯＳセンサ３に対応して記憶されている基準データを減算し、ＣＭＯＳセンサ３が受光した光量に対応する画像データを生成する。
【０１２０】
時刻ｔ３０９において、制御回路は、信号ＳＬを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させる。
これにより、ＭＯＳトランジスタ１７は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
この結果、制御回路は、ＣＭＯＳセンサ３からの露光データの読み出しを終了する。また、制御回路は、固体撮像素子における他のＣＭＯＳセンサ３からの露光データの読み出しが終了するまで、電源線ＬＶＶの電圧レベルを「Ｈ」レベルに維持させておく。
そして、制御回路は、固体撮像素子における全てのＣＭＯＳセンサ３から、露光データの読み出しが終了したタイミングにおいて、電源線ＶＬＬの電圧レベルを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させる。
時刻ｔ３０８から時刻ｔ３１０までの期間において、制御回路は固体撮像素子における全てのＣＭＯＳセンサ３から露光データの読み出しの処理を行う。
制御装置は、上述した時刻ｔ３０１から時刻ｔ３１０までの処理を繰り返して行うことにより、動画の画像データを生成する。
【０１２１】
本実施形態は、図１の第１の実施形態と同様に、図４の固体撮像素子の画素として用いることができる。
本実施形態は、上述したように、露光期間以外は、ＭＯＳトランジスタ２１をオン状態としＰＤ１１のカソードに生成される電荷を、配線ＬＴＹへ移動へ転送する。
このため、本実施形態は、露光期間以外のノイズとなる電荷が発生したとしても、ＭＯＳトランジスタ２１を介し、配線ＬＴＹへ移動する。
このため、本実施形態によれば、第１の実施形態におけるダイナミックレンジを広げたグローバルシャッタ方式の固体撮像素子の効果に加え、ＰＤ１１のカソードに露光期間以外に発生し電荷が蓄積されず、信号電荷のノイズ成分を低減し、蓄積する電荷の電荷量の変動を抑制することができ、安定した露光データを検出することができる。
【０１２２】
＜第４の実施形態＞
以下、図面を参照して、本発明の第４の実施形態について説明する。図１１は、この発明の第４の実施形態によるＣＭＯＳセンサ４の構成例を示す概略ブロック図である。
ＣＭＯＳセンサ４は、グローバルシャッタ方式の固体撮像素子の１画素の基本単位であり、ＰＤ１１、ＭＯＳトランジスタ１２、１３、１４、１７、１９及び２１、ＦＤ１５、コンデンサ４０から構成されている。ＭＯＳトランジスタ１２、１３、１４、１７及び２１は、例えばｎチャネル型のＭＯＳトランジスタである。図１１においては、図１のＣＭＯＳセンサ１と同様の構成については同一の符号を付してある。以下、第１の実施形態と異なる構成及び動作のみを説明する。このＣＭＯＳセンサ４は、図４のＣＭＯＳセンサＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１３およびＳ１４として用いることができる。
【０１２３】
第４の実施形態は、第２の実施形態におけるＰＤ１１で発生した信号電荷を一端コンデンサ４０に転送して蓄積する構成と、第３の実施形態におけるＰＤ１１で露光期間以外に発生する電荷を配線ＬＴＹに転送する構成とを組み合わせたものである。
後の構成は、第１の実施形態と同様のため、説明を省略する。
【０１２４】
次に、図１２は図１１に示すＣＭＯＳセンサ４からデータを出力する動作例を示すタイミングチャートである。信号Ｄ、ＴＸ、ＴＲ、Ｒ、ＳＬ、電源線ＬＶＶのレベル制御は、従来例と同様に図示しない制御部（例えば、図４における制御部３０、ただし信号Ｄ、ＴＲの制御が加わる）が行う。
時刻ｔ４０１以前において、制御回路は、信号ＴＸ、ＴＲ、Ｒ、ＳＬを「Ｌ」レベルとし、信号Ｄを「Ｈ」レベルとし、電源線ＬＶＶの電位を「Ｌ」レベルとしている。また、電原線ＬＶＤＤ及び配線ＬＴＹ（すなわち信号ＴＹ）は常に「Ｈ」レベル、すなわち電圧ＶＤＤである。これにより、ＭＯＳトランジスタ２１は、ゲートに「Ｈ」レベルが印加され、オン状態となっている。このため、光の照射によりＰＤ１１に生成された電荷は、ＭＯＳトランジスタ２１を介して配線ＬＴＹへ転送される。
【０１２５】
時刻ｔ４０１において、制御回路は信号ＴＸ、ＴＲ及びＲを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。ＭＯＳトランジスタ１２、１３及び１９のゲートに「Ｈ」レベルが印加されることとなり、ＭＯＳトランジスタ１２、１３及び１９がオン状態となる。これにより、ＰＤ１１のカソードに生成された電荷、コンデンサ４０及びＦＤ１５に蓄積されている電荷がＭＯＳトランジスタ１２及び１３を介し、電源線ＬＶＤＤへ電荷が移動することにより、コンデンサ４０及びＦＤ１５のリセット処理が行われる。このとき、コンデンサ４０に対してもリセット処理が行われ、コンデンサ４０の端子間電圧が電圧ＶＤＤとなる。
【０１２６】
時刻ｔ４０２において、制御回路はリセット処理を終了させ、露光期間を開始するため、信号ＴＸ、ＴＲ、Ｒ及びＤを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させる。
これにより、ＭＯＳトランジスタ１２、１３、１９及び２１の各々は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
すなわち、ＰＤ１１が発生する電荷は、ＭＯＳトランジスタ１９及び２１を介して移動することが無くなるため、ＰＤ１１のカソードに蓄積される状態となる。
この結果、ＰＤ１１は、リセット処理が終了した時点から、光が照射されることで信号電荷を発生し、発生した信号電荷をカソードに蓄積することになる。これにより、信号電荷をＰＤ１１のカソードに蓄積する露光期間が開始される。
【０１２７】
時刻ｔ４０３において、制御回路は、ＰＤ１１からコンデンサ４０に対し、ＰＤ１１のカソードに蓄積されている信号電荷を転送するため、信号ＴＲを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。これにより、ＭＯＳトランジスタ１９は、ゲートに「Ｈ」レベルが印加されるため、オン状態となる。
この結果、ＰＤ１１のカソードに蓄積された信号電荷は、ＭＯＳトランジスタ１９を介してコンデンサ４０に移動する。
すなわち、本実施形態においては、時刻ｔ４０２から時刻ｔ４０３までの時間が露光時間となる。このＰＤ１１からコンデンサ４０への信号電荷の転送は、固体撮像素子の全てのＣＭＯＳセンサ４の全てが同期されて一斉に行われる（グローバルシャッタ処理）。
【０１２８】
時刻ｔ４０４において、制御回路は、ＰＤ１１からコンデンサ４０に対する信号電荷の転送を終了するため、信号ＴＲを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させるとともに、信号Ｄを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。
これにより、ＭＯＳトランジスタ１９は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加され、オフ状態となる。そして、ＰＤ１１からコンデンサ４０への信号電荷の転送が終了し、ＰＤ１１の発生した信号電荷がコンデンサ４０に蓄積される。
また、ＭＯＳトランジスタ２１は、ゲートに「Ｈ」レベルが印加され、オン状態となる。そして、光が照射されることでＰＤ１１に発生する電荷は、ＭＯＳトランジスタ２１を介し、配線ＬＴＹへ移動する。したがって、ＰＤ１１のカソードには信号電荷が蓄積されなくなる。
【０１２９】
時刻ｔ４０５において、制御回路は、ＦＤ１５のリセット処理を行うため、信号Ｒを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。これにより、ＭＯＳトランジスタ１３は、ゲートに「Ｈ」レベルが印加されるため、オン状態となる。
ＭＯＳトランジスタ１３がオン状態となることにより、ＦＤ１５に存在する電荷が電源線ＬＶＤＤへ移動するため、ＦＤ１５の端子間電圧が電圧ＶＤＤとなり、ＦＤ１５のリセット処理が行われる。
【０１３０】
時刻ｔ４０６において、制御回路は、ＦＤ１５に対するリセット処理を終了し、ＦＤ１５の端子間電圧を昇圧させるため、信号Ｒを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させるとともに、電源線ＬＶＶの電圧を「Ｌ」レベル（予め設定された「Ｈ」レベルから昇圧に寄与させる電圧分低い電圧）から「Ｈ」レベル（電圧ＶＤＤ）に変化させる。
これにより、ＭＯＳトランジスタ１３は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されるため、オフ状態となる。そして、ＦＤ１５のリセット処理が終了する。
また、ＦＤ１５の端子間電圧は、電源線ＬＶＶの電圧に対応し、電圧ＶＤＤから（１）式から求められる昇圧量ΔＶFD分の電圧が上昇することになる。この結果、すでに述べたように、ＦＤ１５の端子間電圧における信号電荷による変化量の幅を大きくとることができ、画像データのダイナミックレンジを広げることができる。
【０１３１】
時刻ｔ４０７において、制御回路は、ＦＤ１５の端子間電圧のリセットレベルを読み出すため、信号ＳＬを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。これにより、ＭＯＳトランジスタ１７は、ゲートの「Ｈ」レベルが印加されることにより、オン状態となる。
これにより、ＭＯＳトランジスタ１４は、ゲートに印加されている、リセットレベルのＦＤ１５の端子間電圧に対応する信号電流を、ＭＯＳトランジスタ１７を介して制御回路に流す。
そして、制御回路は、このタイミングにおいて、ＦＤ１５の端子間電圧のリセットレベルに対応する信号電流を検出し、基準データとして一端内部の記憶部に書き込んで記憶させる。
また、時刻ｔ４０６から時刻ｔ４０７までは、電源線ＬＶＶの電圧ＶＶが電圧ＶＤＤとなるまでの時間、すなわちＦＤＤ１５の端子間電圧が昇圧されて飽和されるまでの時間となっている。
【０１３２】
時刻ｔ４０８において、制御回路は、コンデンサ４０からＦＤ１５に対して信号電荷の転送を行うため、信号ＳＬを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させるとともに、信号ＴＸを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。
これにより、ＭＯＳトランジスタ１７は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されるため、オフ状態となる。この結果、制御回路はＭＯＳトランジスタ１７を介した、ＭＯＳトランジスタ１４がＦＤ１５の端子間電圧（リセットレベル）に対応した信号電流の検出を終了する。
また、ＭＯＳトランジスタ１２は、ゲートに「Ｈ」レベルが印加されるため、オン状態となる。この結果、コンデンサ４０に蓄積されている信号電荷が、コンデンサ４０からＦＤ１５へ転送され、ＦＤ１５の端子間電圧が信号電荷の電荷量に応じて変化する。
【０１３３】
時刻ｔ４０９において、制御回路は、電荷の転送を終了し、露光データとしての信号電流を読み出すため、信号ＴＸを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させるとともに、信号ＳＬを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させる。
これにより、ＭＯＳトランジスタ１２は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されるため、オフ状態となる。この結果、コンデンサ４０からＦＤ１５に対する信号電荷の転送が終了する。
そして、制御回路は、ＦＤ１５に蓄積されている電荷の情報の読み出しを開始する。  すなわち、ＭＯＳトランジスタ１７は、ゲートに「Ｈ」レベルが印加されるため、オン状態となる。この結果、ＭＯＳトランジスタ１４は、ゲートに印加されている、信号電荷に応じて変化したＦＤ１５の端子間電圧に対応する信号電流を、ＭＯＳトランジスタ１７を介して制御回路に供給する。そして、制御回路は、このタイミングにおいて、リセットレベルに対して信号電荷に応じて変化したＭＯＳトランジスタ１４に流れる信号電流を検出して露光データとし、この露光データから画像データを算出する処理を行う。
このとき、制御回路は、露光データから、このＣＭＯＳセンサ４に対応して内部の記憶部に記憶されている基準データを減算し、ＣＭＯＳセンサ４が受光した光量に対応する信号電荷に基づく画像データを生成し、外部の記憶装置に書き込んで記憶させる。
【０１３４】
時刻ｔ４１０において、制御回路は、このＣＭＯＳセンサ４からの露光データの読出を終了させるため、信号ＳＬを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化させる。これにより、ＭＯＳトランジスタ１７は、ゲートに「Ｌ」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
また、時刻ｔ４１０以降において、制御回路は固体撮像素子における他のＣＭＯＳセンサ４のＭＯＳトランジスタ１７を順次オン状態とし、他のＣＭＯＳセンサ４から露光データを時系列に読み出す。すなわち、制御回路は、リセットレベル読み出しから信号レベル読み出しまでの画像データを求める処理を、固体撮像素子の全てのＣＭＯＳセンサ４に対して順次行う。
【０１３５】
本実施形態は、図１の第１の実施形態と同様に、図４の固体撮像素子の画素として用いることができる。
本実施形態は、上述した構成により、 第１の実施形態におけるダイナミックレンジを広げたグローバルシャッタ方式の固体撮像素子の効果と、第２の実施形態における信号電荷を一端コンデンサ４０に転送させておくため、蓄積する信号電荷の電荷量の変動を抑制することができる効果と、第３の実施形態における露光期間以外に発生した電荷がＰＤ１１に蓄積されず、信号電荷のノイズ成分を低減する効果とを有している。
【０１３６】
＜第５の実施形態＞
次に、図面を参照して、第１の実施形態から第４の実施形態のいずれかを搭載した２足歩行ロボットの説明を行う。
図１３は本実施形態における２足歩行ロボット５００の外観を示し、図１３（ａ）は２足歩行ロボット５００を正面から見た図であり、図１３（ｂ）は２足歩行ロボット５００を側面から見た図である。
図１３（ａ）に示すように、２足歩行ロボット５００は、２本の脚部５０２を備えると共に、その上方には上体（基体）５０３が設けられる。上体５０３の上部には頭部５０４が設けられるとともに、上体５０３の両側には２本の腕部５０５が連結されている。
また、図１３（ｂ）に示すように、上体５０３の背部には格納部５０６が設けられ、その内部にはＥＣＵ（電子制御ユニット、詳細は後述）および２足歩行ロボット５００の関節を駆動する電動モータのバッテリ電源（図示せず）などが収容される。尚、図１３に示す２足歩行ロボット５００は、内部構造を保護するためのカバーが取着されたものを示す。
【０１３７】
２足歩行ロボット５００は、左右それぞれの脚部５０２に６個の関節を備え、左右それぞれの腕部５０３にも６個の関節を備えている。
頭部５０４は、鉛直軸まわりの首関節と、この鉛直軸に直交する軸で頭部５０４を回転させる頭部揺動機構から構成されている。
また、頭部５０４の内部には、左右の目に対応する位置に固体撮像装置が、左右に並列してステレオ視（複眼視）自在に取り付けられている。この左右の固体撮像装置が撮像して得た画像データ（例えば、カラー画像データ）が後述するＥＣＵに供給される
ＥＣＵ（Electronic Control Unit）は、画像データに基づき、２足歩行ロボット５００の各関節を制御し、例えば歩行中に、左右の脚部５０２における１２個の関節を適宜必要な角度で駆動することにより、左右の脚部５０２全体に所望の動きを与えることができ、任意に３次元空間を歩行させる。
また、ＥＣＵは、左右の腕部５０５における１２個の関節を適宜必要な角度で駆動することにより、任意に所望の作業を行わせる。
【０１３８】
次に、図１４は、図１３の２足歩行ロボット５００の格納部５０６内部に設けられている、２足歩行ロボット５００の駆動を制御するＥＣＵ７０の構成例を示す図である。この図１４に示す、５０Ｒ（右目に対応）及び５０Ｌ（左目に対応）は頭部５０４に取り付けられている固体撮像装置である。
【０１３９】
また、図１５は、図１４に示す固体撮像装置（固体撮像装置５０Ｒまたは５０Ｌ、以下５０Ｒとして説明）の構成例を示す図である。固体撮像装置５０Ｒは、固体撮像素子５５０及びレンズ５５１から構成されている。
固体撮像素子５５０は、第１の実施形態から第４の実施形態のいずれかによるＣＭＯＳセンサから構成される固体撮像素子である。
固体撮像素子５５０は、センサ部５５０Ａ及び制御部５５０Ｂから構成されている。
センサ部５５０Ａは、第１の実施形態から第４の実施形態のいずれかのＣＭＯＳセンサが、半導体基板表面にマトリクス状に配置されている。
制御部５５０Ｂは、図４における制御回路３０、タイミング発生回路２０、垂直レジスタ２１及び水平レジスタ２２を有している。
レンズ５５１は、入射光を集光して、センサ部５５０Ａに撮像対象を結像する。
そして、固体撮像素子５００は、センサ部５５０Ａに結像された撮像対象の画像データを、第１の実施形態から第４の実施形態のいずれかの固体撮像素子の処理により求め、求めた画像データをＥＣＵ７０に対して出力する。
【０１４０】
次に、図１４を用いて、ＥＣＵ７０が固体撮像装置から得られる画像データにより２足歩行ロボット５００を制御する構成について説明する。
ＥＣＵ７０の動作は、固体撮像装置５０Ｒ（右側）、５０Ｌ（左側）から入力された画像データ（マトリクス状に配列したＣＭＯＳセンサ全ての画像データであるため、以下、画像）を解析する距離画像生成部７０ａ、差分画像生成部７０ｂ及びエッジ画像生成部７ｃと、解析された画像から移動体を検出して２足歩行ロボット５００と移動体の相対距離および相対角度を算出し、算出された相対距離および相対角度に基づき、必要に応じて移動体に対応した動作を２足歩行ロボット５００に行わせるように、各関節を駆動する電動モータＭの制御を行うモータ制御部７０ｄとを有している。
【０１４１】
距離画像生成部７０ａは、同時刻に同期して固体撮像装置５０Ｌ、５０Ｒの各々で撮像された２つの画像の視差に基づき、２足歩行ロボット５００から撮像対象までの距離（奥行き）を示す距離画像ＤｅＩを生成する。すなわち、距離画像生成部７０ａは、左側の固体撮像装置５０Ｌを基準撮像装置とし、この基準とされた左側の固体撮像装置５０Ｌで撮像された画像（以下「基準画像ＢＩ」という）と、右側の固体撮像装置５０Ｒで同時刻に同期して撮像された画像（以下「同時刻画像」という）とを、所定の大きさのブロック（例えば１６×１６画素）でブロックマッチングし、基準画像からの視差を計測すると共に、計測した視差の大きさ（視差量）を基準画像の各画素に対応付けて距離画像ＤｅＩを生成する。ここで、視差は、その値が大きいほど固体撮像装置５０Ｒ（または５０Ｌ）から撮像対象が近いことを示し、小さいほど撮像対象が遠く離れていることを示す。
【０１４２】
差分画像生成部７０ｂは、固体撮像装置５０Ｌで時系列に撮像された２つの基準画像ＢＩの差分をとり、差分画像ＤｉＩを生成する。すなわち、差分画像生成部７０ｂは、固体撮像装置５０Ｌで時系列（時刻ｔと時刻ｔ＋Δｔ）に撮像された２つの基準画像ＢＩの差分を求め、差のあった画素には動き（移動）のあった画素として画素値１を与えると共に、差のなかった画素には動き（移動）のなかった画素として画素値０を与えることで、差分画像ＤｉＩを生成する。
また、ロボット１が移動することによって時刻ｔと時刻ｔ＋Δｔの基準画像ＢＩ内の背景が変化する場合は、固体撮像装置５０Ｌの移動量に基づいて時刻ｔ＋Δｔに撮像した基準画像ＢＩを補正することで、移動体の動きのみを差分として検出するようにする。
【０１４３】
エッジ画像生成部７０ｃは、固体撮像装置５０Ｌで撮像された基準画像ＢＩに基づいてエッジ画像ＥＩを生成する。すなわち、エッジ画像生成部７０ｃは、基準画像ＢＩの輝度が所定レベル以上変化する画素をエッジとして検出し、検出したエッジのみからなるエッジ画像ＥＩを生成する。尚、エッジの検出は、より具体的には、画像全体に所定の重み係数を有するオペレータ（Ｓｏｖｅｌ（ゾーベル）オペレータなど）を当て、対応する画素輝度値の積を算出し、行または列単位で隣の線分と所定値以上の差を有する線分をエッジとして検出することによって行う。
【０１４４】
モータ制御部７０ｄは、距離画像ＤｅＩと差分画像ＤｉＩに基づいて移動体が存在すると推定される位置までの距離（以下「移動体距離」という）を算出する。このとき、モータ制御部７０ｄは、距離画像ＤｅＩで表された視差（距離）ごとに、その視差に対応する位置にある差分画像ＤｉＩの画素数を累計すると共に、累計値が最大となる視差（距離）に移動体が存在していると推定し、移動体距離として設定する。
そして、モータ制御部７０ｄは、移動体距離に基づいて、例えばある閾値として設定された設定距離より小さいか否かの判定を行う。
このとき、モータ制御部７０ａは、移動体距離が設定距離より小さい場合、２足歩行ロボット５００の歩行を停止させ、一方、移動体距離が設定距離より大きい場合、２足歩行ロボット５００の歩行を継続させるように、電動モータＭの制御を行う。
また、２足歩行ロボット５００の歩容の生成手法に関しては、本出願人が先に提案した特開２００２−３２６１７３号公報、特開２００４−２９９００１号公報などに詳しく記載されているため、ここでの説明は省略する。
【０１４５】
本実施形態は、上述したように、２足歩行ロボット５００が移動体を避けて歩行する際、移動体の認識に用いる画像を、第１の実施形態から第４の実施形態のいずれかのＣＭＯＳセンサから構成されるグローバルシャッタ方式の固体撮像装置５０Ｌ、５０Ｒにより取得する。
このため、本実施形態によれば、フローティングディヒュージョンの端子間電圧を昇圧する機能を有し、ＣＭＯＳセンサから取得する画像データのダイナミックレンジを広げることが可能なグローバルシャッタ方式の固体撮像装置により画像を得る構成のため、従来のグローバルシャッタ方式のＣＭＯＳセンサからなる固体撮像装置を用いた場合に比較して、高精度の画像データを取得することができ、２足歩行ロボットの制御性を向上させることができる。
【０１４６】
記憶装置は、ハードディスク装置や光磁気ディスク装置、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリや、ＣＤ−ＲＯＭ等の読み出しのみが可能な記憶媒体、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）のような揮発性のメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成されるものとする。
上述した制御回路の機能は、専用のハードウェアにより実現されるものであってもよく、また、メモリおよびマイクロプロセッサにより実現させるものであってもよい。
すなわち、制御回路は専用のハードウェアにより実現されるものであってもよく、また、この処理部３０はメモリおよびＣＰＵ（中央演算装置）により構成され、制御回路の機能を実現するためのプログラムをメモリにロードして実行することによりその機能を実現させるものであってもよい。
【０１４７】
また、第１の実施形態から第５の実施形態における制御回路の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより固体撮像素子の制御を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
【０１４８】
また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。
【０１４９】
以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
また、本発明の各実施形態においては、電荷として電子（負の電荷）を用いる回路構成として説明しているが、電荷として正孔（正の電荷）を用いる回路構成としてもよい。
【符号の説明】
【０１５０】
１、２，３，４，Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２…ＣＭＯＳセンサ
１１…ＰＤ（フォトダイオード）
１２，１３，１４，１７，１９，２１…ＭＯＳトランジスタ
１５…ＦＤ（フローティングディフュージョン部）
２０…タイミング発生回路
２１…垂直レジスタ
２２…水平レジスタ
３０…制御回路
４０…コンデンサ
５０Ｒ，５０Ｌ…固体撮像素子
７０…ＥＣＵ
７０ａ…距離画像生成部
７０ｂ…差分画像生成部
７０ｃ…エッジ画像生成部
７０ｄ…モータ制御部
５００…２足歩行ロボット
ＬＶＤ，ＬＶＶ…電源線
Ｍ…電動モータ
【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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