(57)【要約】【課題】  本発明は、ダイナミックレンジを拡大した撮像装置を提供することを課題とする。【解決手段】  撮像装置は、複数画素に１つずつ配設される複数の光電変換部と、複数の光電変換部の出力端子にそれぞれ接続される複数のスイッチ素子と、複数のスイッチ素子の出力側に接続され、複数のスイッチ素子を介して、複数の光電変換部の出力信号を順番に加算して蓄積するフローティングディフュージョンと、フローティングディフュージョンに接続される信号読み出し回路とを含み、信号読み出し回路は、フローティングディフュージョンに蓄積される電荷量がフローティングディフュージョンの飽和容量に達した場合は、電荷量が飽和容量に達する前までに光電変換部の出力信号が加算された画素数をｍ、複数画素の全画素数をＮとすると、電荷量が飽和容量に達する前までに光電変換部の出力信号を加算して得た信号のレベルをＮ／ｍ倍して出力する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数画素に１つずつ配設される複数の光電変換部と、
複数の光電変換部の出力端子にそれぞれ接続される複数のスイッチ素子と、
複数のスイッチ素子の出力側に接続され、複数のスイッチ素子を介して、複数の光電変換部の出力信号を順番に加算して蓄積するフローティングディフュージョンと、
フローティングディフュージョンに接続される信号読み出し回路と
を含み、
信号読み出し回路は、フローティングディフュージョンに蓄積される電荷量がフローティングディフュージョンの飽和容量に達した場合は、電荷量が飽和容量に達する前までに光電変換部の出力信号が加算された画素数をｍ、複数画素の全画素数をＮとすると、電荷量が飽和容量に達する前までに光電変換部の出力信号を加算して得た信号のレベルをＮ／ｍ倍して出力する、撮像装置。
【請求項２】
信号読み出し回路は、電荷量が飽和容量に達しない場合は、フローティングディフュージョンに蓄積された信号のレベルを読み出す、請求項１記載の撮像装置。
【請求項３】
信号読み出し回路は、
フローティングディフュージョンの出力信号をデジタル変換するＡＤコンバータと、
ＡＤコンバータの出力側に接続され、フローティングディフュージョンが順番に加算して蓄積する信号を加算回毎に順番に保持する、光電変換部と同一数の複数の保持回路と、
複数の保持回路のうちのいずれかが保持する信号が飽和容量に達したか否かを判定し、いずれかの信号が飽和容量に達した場合は、信号が飽和容量に達する前の加算回に対応する保持回路で保持された信号をＮ／ｍ倍して出力する判定回路と
を有する、請求項１又は２記載の撮像装置。
【請求項４】
複数の光電変換部の出力側に接続され、複数の光電変換部の出力信号を合成するための合成部をさらに含む、請求項１乃至３のいずれか一項記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、撮像装置のダイナミックレンジ（信号レベルとノイズレベルの比）を拡大するために、感度の異なる複数の画素出力を合成する方法（例えば、特許文献１参照）、露光時間の異なる複数の画素出力を合成する方法（例えば、特許文献２参照）などがある。
【０００３】
また、複数画素の光電変換素子をフローティングディフュージョン（ＦＤ：Floating Diffusion）で接合した画素共有型の撮像素子において、各画素で得られる信号をＦＤで加算しながら読み出す方法がある（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１２５２０９号公報
【特許文献２】特開２００７−２３５６５６号公報
【特許文献３】特許第４８２１９２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１では、サイズの異なる複数の画素を製作する必要がある。サイズの異なる画素を製作することは、製造工程の複雑化、製造コストの増大をもたらすという課題がある。
【０００６】
また、特許文献２では、画素間における露光時間の違いにより、動画像にずれが生じるという課題がある。
【０００７】
また、特許文献３では、ＦＤを用いることによって信号の高速読み出しが可能になるが、ダイナミックレンジを拡大ができないという課題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、ダイナミックレンジを拡大した撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一局面の撮像装置は、複数画素に１つずつ配設される複数の光電変換部と、複数の光電変換部の出力端子にそれぞれ接続される複数のスイッチ素子と、複数のスイッチ素子の出力側に接続され、複数のスイッチ素子を介して、複数の光電変換部の出力信号を順番に加算して蓄積するフローティングディフュージョンと、フローティングディフュージョンに接続される信号読み出し回路とを含み、信号読み出し回路は、フローティングディフュージョンに蓄積される電荷量がフローティングディフュージョンの飽和容量に達した場合は、電荷量が飽和容量に達する前までに光電変換部の出力信号が加算された画素数をｍ、複数画素の全画素数をＮとすると、電荷量が飽和容量に達する前までに光電変換部の出力信号を加算して得た信号のレベルをＮ／ｍ倍して出力する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ダイナミックレンジを拡大した撮像装置を提供できるという特有の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１の撮像装置に含まれるピクセル部１００を示す図である。
【図２】実施の形態１の撮像装置５００を示す図である。
【図３】実施の形態１の撮像装置５００の駆動シーケンスを示す図である。
【図４】実施の形態１の撮像装置５００の駆動シーケンスを示す図である。
【図５】実施の形態２のピクセル部２００を示す図である。
【図６】駆動シーケンスの一例を示す図である。
【図７】実施の形態２のピクセル部２００のフォトダイオードＰＤ０、ＰＤ１の電荷量を模式的に示す図である。
【図８】実施の形態２の撮像装置の駆動シーケンスを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の撮像装置を適用した実施の形態について説明する。
【００１３】
＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１の撮像装置に含まれるピクセル部１００を示す図である。
【００１４】
ピクセル部１００は、複数のフォトダイオードＰＤ０、ＰＤ１、スイッチ素子ＴＸ０、ＴＸ１、フローティングディフュージョンＦＤ、リセット用スイッチ素子ＲＴ、出力段１１０、及び出力端子１００Ａを含む。
【００１５】
フォトダイオードＰＤ０及びＰＤ１は、互いに近接する画素に配設されている。近接する画素とは、画素がマトリクス状に配列されている場合において、平面視で隣り合う画素同士、あるいは、平面視で対角線方向において隣り合う画素同士をいう。なお、画素の配置はベイヤー配列であってもよい。
【００１６】
フォトダイオードＰＤ０、ＰＤ１は、光電変換部の一例である。ここでは、光電変換部の一例としてフォトダイオードＰＤ０、ＰＤ１を示すが、光電変換部はフォトダイオードに限らず、入射光を光電変換して、撮像信号を出力できる素子であればよい。
【００１７】
フォトダイオードＰＤ０、ＰＤ１は、それぞれ、入力端子が接地されており、出力端子がスイッチ素子ＴＸ０、ＴＸ１に接続されている。
【００１８】
なお、図１には、一例として、２つのフォトダイオードＰＤ０、ＰＤ１を示すが、実際には多数（Ｎ個）の画素があるため、ピクセル部１００は、多数のフォトダイオードＰＤ０〜ＰＤ（Ｎ−１）を含む。ここで、Ｎは２以上の任意の整数である。
【００１９】
スイッチ素子ＴＸ０、ＴＸ１は、例えば、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）で構成される。ここでは、一例として、スイッチ素子ＴＸ０、ＴＸ１がｎ型のＦＥＴである形態について説明する。しかしながら、スイッチ素子ＴＸ０、ＴＸ１は、ｎ型のＦＥＴに限らず、他の形式のトランジスタであってもよい。
【００２０】
スイッチ素子ＴＸ０、ＴＸ１は、それぞれ、ソースがフォトダイオードＰＤ０、ＰＤ１の出力端子に接続され、ドレインがフローティングディフュージョンＦＤに接続される。スイッチ素子ＴＸ０、ＴＸ１のゲートは、実施の形態１のピクセル部１００を含む撮像装置の駆動部によって駆動される。
【００２１】
なお、スイッチ素子ＴＸ０、ＴＸ１の数は、フォトダイオードＰＤ０、ＰＤ１の数と等しい。すなわち、スイッチ素子（ＴＸ０、ＴＸ１）は、フォトダイオード（ＰＤ０、ＰＤ１）の出力側に、１つずつ接続される。
【００２２】
フローティングディフュージョンＦＤは、スイッチ素子ＴＸ０、ＴＸ１のドレインに接続されている。フローティングディフュージョンＦＤは、例えば、ｐｎ接合ダイオードのｎ型領域であり、電気的に浮遊している。
【００２３】
フローティングディフュージョンＦＤは、コンデンサのような機能を有しており、スイッチ素子ＴＸ０、ＴＸ１を介して接続されるフォトダイオードＰＤ０、ＰＤ１から出力される撮像信号（負の電荷）を蓄積する。
【００２４】
フローティングディフュージョンＦＤには所定の飽和容量があるため、所定の飽和容量以上の電荷を蓄積することはできない。フローティングディフュージョンＦＤは、撮像装置５００の用途等に応じて、所定の飽和容量を有するように構成されている。この飽和容量は、フローティングディフュージョンＦＤの飽和レベルに対応する。飽和レベルとは、それ以上撮像信号による電荷を蓄積できないレベルである。
【００２５】
リセット用スイッチ素子ＲＴは、例えば、ｎ型のＦＥＴであり、ソースがフローティングディフュージョンＦＤに接続され、ドレインが電源（ＶＤＤ）に接続される。リセット用スイッチ素子ＲＴは、実施の形態１のピクセル部１００を含む撮像装置の駆動部によって駆動される。リセット用スイッチ素子ＲＴがオンにされると、フローティングディフュージョンは電源（ＶＤＤ）に接続され、リセットされる。なお、リセット用スイッチ素子ＲＴは、ｎ型のＦＥＴに限らず、他の形式のトランジスタであってもよい。
【００２６】
出力段１１０は、フローティングディフュージョンＦＤに蓄積される電荷を信号読み出し回路に取り出すための回路である。実施の形態１では、出力段１１０は、例えば、一対のｎ型のＦＥＴ１１０Ａ、１１０Ｂで構成される。
【００２７】
出力段１１０に含まれる一対のｎ型のＦＥＴは、縦積みされており、ＦＥＴ１１０Ａのドレインは電源（ＶＤＤ）に接続され、ソースはＦＥＴ１１０Ｂのドレインに接続され、ゲートは、フローティングディフュージョンＦＤに接続される。ＦＥＴ１１０Ａは、ゲートにフローティングディフュージョンＦＤが接続されることにより、所謂ソースフォロア回路を構成している。
【００２８】
ＦＥＴ１１０Ｂのドレインは、ＦＥＴ１１０Ａのソースに接続され、ソースは出力端子１２０に接続される。ＦＥＴ１１０Ｂのゲートは、撮像装置５００のセレクト信号（ＳＬ）が印加される。セレクト信号は、フォトダイオードＰＤ０、ＰＤ１を含む２つの画素を選択するための信号であり、撮像装置５００の駆動部から出力される。
【００２９】
出力端子１００Ａは、ピクセル部１００の出力端子である。ピクセル部１００は、フローティングディフュージョンＦＤに蓄積した撮像信号を出力段１１０を介して、（ＰＩＸＥＬ  ＯＵＴとして）出力端子１００Ａから出力する。出力端子１００Ａは、実施の形態１のピクセル部１００を含む撮像装置の信号読み出し部の入力端子に接続される。
【００３０】
図２は、実施の形態１の撮像装置５００を示す図である。
【００３１】
撮像装置５００は、ピクセル部１００、ＣＤＳ回路５１０、ＰＧＡ回路５２０、ＡＤＣ回路５３０、ＡＤＣＬＯＧ回路５４０、及び判定回路５５０を含む。
【００３２】
ピクセル部１００は、図１に示す出力端子１００ＡがＣＤＳ回路５１０に接続されており、ＦＤに蓄積される電荷による撮像信号をＣＤＳ回路５１０に出力する。
【００３３】
ＣＤＳ回路５１０は、相関二重サンプリング（ＣＤＳ：Correlated Double Sampling）を行う回路であり、ピクセル部１００から入力される撮像信号のノイズを低減するための信号処理を行う。ＣＤＳ回路５１０は、ピクセル部１００から入力される撮像信号からフローティングディフュージョンＦＤのリセットレベル（ＳＲＳＴ）を差し引いた電位で表す撮像信号を出力する。ＣＤＳ回路５１０から出力される撮像信号は、ＰＧＡ回路５２０に入力される。
【００３４】
ＰＧＡ（Programmable Gain Amplifier）回路５２０は、ＣＤＳ回路５１０から入力される撮像信号を所定の増幅率で増幅して出力する。所定の増幅率は、ピクセル部１００の出力レベル等に応じて設定される固定値である。ＰＧＡ回路５２０で増幅された撮像信号は、ＡＤＣ回路５３０に入力される。
【００３５】
ＡＤＣ回路５３０は、ＰＧＡ回路５２０で増幅された撮像信号（アナログ値）をデジタル値に変換するアナログデジタルコンバータ（Analog to Digital Converter）である。ＡＤＣ回路５３０がデジタル変換した撮像信号は、ＡＤＣＬＯＧ回路５４０に入力される。
【００３６】
ＡＤＣＬＯＧ回路５４０は、ＡＤＣＬＯＧ回路部５４１、５４２を含む。ＡＤＣＬＯＧ回路部５４１、５４２は、ＡＤＣ回路５３０の出力端子に接続されており、それぞれ、撮像信号の最初のサンプル値、撮像信号の２回目のサンプル値を保持する。
【００３７】
ここで、撮像信号の最初のサンプル値とは、ピクセル部１００のフォトダイオードＰＤ０によって得られた撮像信号がフローティングディフュージョンＦＤに蓄積された状態におけるフローティングディフュージョンＦＤの電荷レベル（ＳＲＡ）から、フローティングディフュージョンＦＤのリセットレベル（ＳＲＳＴ）を引いた値（ＳＲＡ−ＳＲＳＴ）である。ＡＤＣＬＯＧ回路部５４１は、撮像信号の最初のサンプル値をサンプリングし、保持する。
【００３８】
また、撮像信号の２回目のサンプル値とは、フォトダイオードＰＤ０によって得られた撮像信号を蓄積したフローティングディフュージョンＦＤが、フォトダイオードＰＤ１によって得られた撮像信号をさらに蓄積した状態における（フローティングディフュージョンＦＤの）電荷レベル（ＳＲＢ）から、フローティングディフュージョンＦＤのリセットレベル（ＳＲＳＴ）を引いた値（ＳＲＢ−ＳＲＳＴ）である。ＡＤＣＬＯＧ回路部５４２は、撮像信号の２回目のサンプル値をサンプリングし、保持する。
【００３９】
実施の形態１では、ピクセル部１００が２つのフォトダイオードＰＤ０、ＰＤ１を含む形態について説明するため、ＡＤＣＬＯＧ回路５４０は、２つのＡＤＣＬＯＧ回路部５４１、５４２を含む。ＡＤＣＬＯＧ回路部（５４１、５４２）の数は、ピクセル部１００に含まれるフォトダイオード（ＰＤ０、ＰＤ１）の数に等しい。
【００４０】
実際にはピクセル部１００には多数（Ｎ個）の画素があり、ピクセル部１００は多数（Ｎ個）のフォトダイオードＰＤ０〜ＰＤ（Ｎ−１）を含むため、ＡＤＣＬＯＧ回路部（５４１、５４２）も多数（Ｎ個）設けられる。Ｎは２以上の任意の整数である。
【００４１】
判定回路５５０は、ＡＤＣＬＯＧ回路部５４２によって保持される撮像信号の２回目のサンプル値（ＳＲＢ−ＳＲＳＴ）が、フローティングディフュージョンＦＤの飽和レベル（ＳＦ）からリセットレベル（ＳＲＳＴ）を引いた値（ＳＦ−ＳＲＳＴ）に達したか否かを判定する。ここで、飽和レベルとは、フローティングディフュージョンＦＤの飽和容量を表すレベルであり、それ以上撮像信号による電荷を蓄積できないレベルである。
【００４２】
判定回路５５０は、２回目のサンプル値（ＳＲＢ−ＳＲＳＴ）が、フローティングディフュージョンＦＤの飽和レベル（ＳＦ）からリセットレベル（ＳＲＳＴ）を引いた値（ＳＦ−ＳＲＳＴ）に達したと判定した場合は、ＡＤＣＬＯＧ回路部５４１によって保持される撮像信号の最初のサンプル値（ＳＲＡ−ＳＲＳＴ）を、Ｎ／ｍ倍して出力する。
【００４３】
ここで、Ｎはピクセル部１００の画素数（全画素数）であり、一般的にはＮは２以上の任意の整数であるが、実施の形態１ではＮ＝２の場合について説明を行う。
【００４４】
なお、フローティングディフュージョンＦＤは電子を蓄積するため、撮像信号を蓄積するに従って、フローティングディフュージョンＦＤの電荷のレベルはリセットレベル（ＳＲＳＴ）よりも低下する。すなわち、フローティングディフュージョンＦＤの飽和レベルは、フローティングディフュージョンＦＤがリセットされた状態における電荷のレベルよりも低い。
【００４５】
従って、撮像信号の２回目のサンプル値（ＳＲＢ−ＳＲＳＴ）が、フローティングディフュージョンＦＤの飽和レベル（ＳＦ）からリセットレベル（ＳＲＳＴ）を引いた値（ＳＦ−ＳＲＳＴ）に達する（達した）とは、（ＳＲＢ−ＳＲＳＴ）＝（ＳＦ−ＳＲＳＴ）が成り立つことをいう。
【００４６】
なお、フォトダイオードＰＤ０によって得られた撮像信号を蓄積したフローティングディフュージョンＦＤが、フォトダイオードＰＤ１によって得られた撮像信号をさらに蓄積した状態における（フローティングディフュージョンＦＤの）電荷レベル（ＳＲＢ）が、飽和レベル（ＳＦ）より低くなることは生じ得ない。これは、フローティングディフュージョンＦＤは、フローティングディフュージョンＦＤの電荷レベルが飽和レベル（ＳＦ）を下回るまでには（飽和容量を超えるまでには）電荷を蓄積することはできないからである。
【００４７】
従って、実際には、撮像信号の２回目のサンプル値（ＳＲＢ−ＳＲＳＴ）が、フローティングディフュージョンＦＤの飽和レベル（ＳＦ）からリセットレベル（ＳＲＳＴ）を引いた値（ＳＦ−ＳＲＳＴ）に達する場合には、（ＳＲＢ−ＳＲＳＴ）＝（ＳＦ−ＳＲＳＴ）となる。すなわち、電荷レベル（ＳＲＢ）が飽和レベル（ＳＦ）に到達した場合に相当する。
【００４８】
また、ｍは、フローティングディフュージョンＦＤに蓄積される撮像信号の信号レベルが飽和レベルに達する前までに、フローティングディフュージョンＦＤにおいて撮像信号が加算された画素数を表す。
【００４９】
２回目のサンプル値を得た場合にフローティングディフュージョンＦＤに蓄積される撮像信号の信号レベルが飽和レベルに達した場合には、その１回前の最初のサンプル値を得るまでに、フローティングディフュージョンＦＤにおいて撮像信号が加算された画素数を表すため、ｍ＝１である。なお、一般的には、１≦ｍ≦Ｎ−１である。
【００５０】
このため、実施の形態１では、判定回路５５０は、ＡＤＣＬＯＧ回路部５４２によって保持される撮像信号の２回目のサンプル値（ＳＲＢ−ＳＲＳＴ）が、フローティングディフュージョンＦＤの飽和レベル（ＳＦ）からリセットレベル（ＳＲＳＴ）を引いた値（ＳＦ−ＳＲＳＴ）に達したと判定した場合は、ＡＤＣＬＯＧ回路部５４１によって保持される撮像信号の最初のサンプル値（ＳＲＡ−ＳＲＳＴ）を２倍して出力する。この場合は、Ｎ＝２、ｍ＝１であり、Ｎ／ｍ＝２になるからである。
【００５１】
このように、２回目のサンプル値（ＳＲＢ−ＳＲＳＴ）がフローティングディフュージョンＦＤの飽和レベル（ＳＦ）からリセットレベル（ＳＲＳＴ）を引いた値に達した場合には、２回目のサンプル値は、フォトダイオードＰＤ０とＰＤ１で得られた撮像信号の合計値を正しく反映していない。これは、信号レベルがフローティングディフュージョンＦＤの飽和レベルによって頭打ちになっているからである。このような場合にはダイナミックレンジが低減してしまう。
【００５２】
このため、実施の形態１の撮像装置５００では、フローティングディフュージョンＦＤが飽和する直前に得られた撮像信号をＮ／ｍ倍して出力することにより、ダイナミックレンジの拡大を図っている。
【００５３】
実施の形態１では、Ｎ／ｍ＝２であるため、２回目のサンプル値（ＳＲＢ−ＳＲＳＴ）がフローティングディフュージョンＦＤの飽和レベル（ＳＦ）からリセットレベル（ＳＲＳＴ）を引いた値に達した場合には、ＡＤＣＬＯＧ回路部５４１によって保持される撮像信号の最初のサンプル値（ＳＲＡ−ＳＲＳＴ）を２倍して出力する。
【００５４】
一方、判定回路５５０は、ＡＤＣＬＯＧ回路部５４２によって保持される撮像信号の２回目のサンプル値（ＳＲＢ−ＳＲＳＴ）が、フローティングディフュージョンＦＤの飽和レベル（ＳＦ）からリセットレベル（ＳＲＳＴ）を引いた値に達してないと判定した場合は、ＡＤＣＬＯＧ回路部５４２によって保持される撮像信号の２回目のサンプル値をそのまま出力する。
【００５５】
２回目のサンプル値（ＳＲＢ−ＳＲＳＴ）が、フローティングディフュージョンＦＤの飽和レベル（ＳＦ）からリセットレベル（ＳＲＳＴ）を引いた値に達していない場合は、フォトダイオードＰＤ０、ＰＤ１の撮像信号の信号レベルは、正しい値が得られており、ダイナミックレンジの低下は生じないからである。
【００５６】
ここで、図３及び図４を用いて、実施の形態１の撮像装置５００の駆動シーケンスについて説明する。
【００５７】
図３及び図４は、実施の形態１の撮像装置５００の駆動シーケンスを示す図である。図３及び図４には、リセット用スイッチ素子ＲＴ、スイッチ素子ＴＸ０、ＴＸ１、セレクト信号ＳＬ、及び、出力端子１１０Ａの信号レベルＰＩＸＥＬ  ＯＵＴを示す。ＰＩＸＥＬ  ＯＵＴは、フローティングディフュージョンＦＤに蓄積された撮像信号の信号レベルである。
【００５８】
また、リセットレベルＳＲＳＴは、リセット用スイッチ素子ＲＴがオンされてフローティングディフュージョンＦＤがリセットされた状態におけるＰＩＸＥＬ  ＯＵＴのレベルである。
【００５９】
電荷レベルＳＲＡは、ピクセル部１００のフォトダイオードＰＤ０によって得られた撮像信号が、フローティングディフュージョンＦＤに蓄積された状態におけるフローティングディフュージョンＦＤの電荷レベルである。
【００６０】
電荷レベルＳＲＢは、フォトダイオードＰＤ０によって得られた撮像信号を蓄積したフローティングディフュージョンＦＤが、フォトダイオードＰＤ１によって得られた撮像信号をさらに蓄積した状態における（フローティングディフュージョンＦＤの）電荷レベルである。
【００６１】
ＳＦは、フローティングディフュージョンＦＤの飽和レベルである。
【００６２】
図３は、判定回路５５０によって、撮像信号の像信号の２回目のサンプル値（ＳＲＢ−ＳＲＳＴ）が、フローティングディフュージョンＦＤの飽和レベル（ＳＦ）からリセットレベル（ＳＲＳＴ）を引いた値（ＳＦ−ＳＲＳＴ）に達していないと判定される場合である。
【００６３】
この場合は、時刻ｔ０でリセット用スイッチ素子ＲＴとセレクト信号ＳＬがＨレベルになり、これにより、フローティングディフュージョンＦＤの電荷レベルがＳＲＳＴにリセットされる。
【００６４】
次に、時刻ｔ１で、スイッチ素子ＴＸ０がオンにされると、フォトダイオードＰＤ０の撮像信号が読み出されることにより、出力端子１１０Ａの信号レベルＰＩＸＥＬ  ＯＵＴがＳＲＡに低下する。
【００６５】
その後、リセット用スイッチ素子ＲＴをオンにすることなく、時刻ｔ２において、スイッチ素子ＴＸ１がオンにされると、フォトダイオードＰＤ１の撮像信号が読み出されることにより、出力端子１１０Ａの信号レベルＰＩＸＥＬ  ＯＵＴがＳＲＢに低下する。
【００６６】
電荷レベルＳＲＢは、飽和レベル（ＳＦ）に達していないため、判定回路５５０は、撮像信号の像信号の２回目のサンプル値（ＳＲＢ−ＳＲＳＴ）が、フローティングディフュージョンＦＤの飽和レベル（ＳＦ）からリセットレベル（ＳＲＳＴ）を引いた値（ＳＦ−ＳＲＳＴ）に達していないと判定する。
【００６７】
その後、時刻ｔ３では、リセット用スイッチ素子ＲＴがＨレベルにされることにより、フローティングディフュージョンＦＤの電荷レベルがＳＲＳＴにリセットされる。
【００６８】
この場合は、判定回路５５０は、ＡＤＣＬＯＧ回路部５４２によって保持される撮像信号の２回目のサンプル値をそのまま出力する。
【００６９】
一方、図４は、判定回路５５０によって、撮像信号の像信号の２回目のサンプル値（ＳＲＢ−ＳＲＳＴ）が、フローティングディフュージョンＦＤの飽和レベル（ＳＦ）からリセットレベル（ＳＲＳＴ）を引いた値（ＳＦ−ＳＲＳＴ）に達したと判定される場合である。
【００７０】
この場合は、時刻ｔ０でリセット用スイッチ素子ＲＴとセレクト信号ＳＬがＨレベルになり、これにより、フローティングディフュージョンＦＤの電荷レベルがＳＲＳＴにリセットされる。
【００７１】
次に、時刻ｔ１で、スイッチ素子ＴＸ０がオンにされると、フォトダイオードＰＤ０の撮像信号が読み出されることにより、出力端子１１０Ａの信号レベルＰＩＸＥＬ  ＯＵＴがＳＲＡに低下する。ここまでは、図３の動作と同じである。
【００７２】
その後、リセット用スイッチ素子ＲＴをオンにすることなく、時刻ｔ２において、スイッチ素子ＴＸ１がオンにされると、フォトダイオードＰＤ１の撮像信号が読み出されることにより、出力端子１１０Ａの信号レベルＰＩＸＥＬ  ＯＵＴがＳＲＢに低下する。
【００７３】
図４では、フォトダイオードＰＤ１の撮像信号を表す電荷量が図３におけるフォトダイオードＰＤ１の撮像信号を表す電荷量よりも多いため（電子の量が多いため）、時刻ｔ２以降における電荷レベルＳＲＢは、図３よりも低く、飽和レベル（ＳＦ）に達する。
【００７４】
このため、判定回路５５０は、撮像信号の像信号の２回目のサンプル値（ＳＲＢ−ＳＲＳＴ）が、フローティングディフュージョンＦＤの飽和レベル（ＳＦ）からリセットレベル（ＳＲＳＴ）を引いた値（ＳＦ−ＳＲＳＴ）に達したと判定する。
【００７５】
その後、時刻ｔ３では、リセット用スイッチ素子ＲＴがＨレベルにされることにより、フローティングディフュージョンＦＤの電荷レベルがＳＲＳＴにリセットされる。
【００７６】
この場合は、判定回路５５０は、ＡＤＣＬＯＧ回路部５４１によって保持される撮像信号の最初のサンプル値（ＳＲＡ−ＳＲＳＴ）を２倍して出力する。
【００７７】
なお、飽和レベルを無視して考えれば、図４では、時刻ｔ２から時刻ｔ３の前までの期間において、電荷レベルＳＲＢは、破線で示すように飽和レベル（ＳＦ）よりも低くなる。
【００７８】
しかしながら、上述したように、フローティングディフュージョンＦＤは、実際には、フローティングディフュージョンＦＤの電荷レベルが飽和レベル（ＳＦ）を下回るまで電荷を蓄積することはできない。
【００７９】
このため、フォトダイオードＰＤ１の撮像信号の信号レベルが大きくて、フォトダイオードＰＤ０の撮像信号の信号レベルと、フォトダイオードＰＤ１の撮像信号の信号レベルとの合計が、リセットレベル（ＳＲＳＴ）とフローティングディフュージョンＦＤの飽和レベル（ＳＦ）との差よりも大きい場合は、出力端子１１０Ａの信号レベルＰＩＸＥＬ  ＯＵＴは、飽和レベル（ＳＦ）で底を打つことになる。
【００８０】
なお、上述のような判定回路５５０は、例えば、組み合わせ回路によって実現することができる。
【００８１】
以上、実施の形態１の撮像装置５００では、判定回路５５０は、ＡＤＣＬＯＧ回路部５４２によって保持される撮像信号の２回目のサンプル値（ＳＲＢ−ＳＲＳＴ）が、フローティングディフュージョンＦＤの飽和レベル（ＳＦ）からリセットレベル（ＳＲＳＴ）を引いた値（ＳＦ−ＳＲＳＴ）に達したか否かを判定し、飽和レベルに達したと判定した場合は、ＡＤＣＬＯＧ回路部５４１によって保持される撮像信号の最初のサンプル値（ＳＲＡ−ＳＲＳＴ）を、Ｎ／ｍ倍して出力する。
【００８２】
実施の形態１ではＮ＝２であり、ｍ＝１である。
【００８３】
このため、実施の形態１では、判定回路５５０は、ＡＤＣＬＯＧ回路部５４２によって保持される撮像信号の２回目のサンプル値（ＳＲＢ−ＳＲＳＴ）が、フローティングディフュージョンＦＤの飽和レベル（ＳＦ）からリセットレベル（ＳＲＳＴ）を引いた値（ＳＦ−ＳＲＳＴ）に達したと判定した場合は、ＡＤＣＬＯＧ回路部５４１によって保持される撮像信号の最初のサンプル値（ＳＲＡ−ＳＲＳＴ）を２倍して出力する。
【００８４】
すなわち、（ＳＲＢ−ＳＲＳＴ）＝（ＳＦ−ＳＲＳＴ）が成り立つ場合には、判定回路５５０は、（ＳＲＡ−ＳＲＳＴ）×２で表される信号レベルの撮像信号を出力する。
【００８５】
従って、フォトダイオードＰＤ１の撮像信号をフローティングディフュージョンＦＤで蓄積しきれない状態においても、ダイナミックレンジを２倍に拡大することができる。
【００８６】
なお、実施の形態１では、撮像装置５００のピクセル部１００が２つのフォトダイオードＰＤ０、ＰＤ１を含む場合について説明するが、ピクセル部１００は実際には多数（Ｎ個）のフォトダイオードを含む。また、これに対応して、ＡＤＣＬＯＧ回路５４０は、Ｎ個のＡＤＣＬＯＧ回路部を含む。
【００８７】
また、ピクセル部１００が多数（Ｎ個）のフォトダイオードを含む場合に、フローティングディフュージョンＦＤに蓄積される撮像信号の信号レベルが飽和レベルに達する前までに、フローティングディフュージョンＦＤにおいて撮像信号が加算された画素数はｍである。ｍは、１≦ｍ≦Ｎ−１を満たす整数である。
【００８８】
このため、実施の形態１の撮像装置５００では、ピクセル部１００のＮ個のフォトダイオードの撮像信号を順番にフローティングディフュージョンＦＤに蓄積して行く場合に、ｍ＋１番目のフォトダイオードの撮像信号をフローティングディフュージョンＦＤに蓄積したときに、フローティングディフュージョンＦＤの電荷レベルが飽和レベルに達した場合には、判定回路５５０は、ｍ番目のＡＤＣＬＯＧ回路部が保持するｍ回目のサンプル値をＮ／ｍ倍して出力する。
【００８９】
これにより、フローティングディフュージョンＦＤで電荷を蓄積しきれないような場合において、撮像装置５００のダイナミックレンジをＮ／ｍ倍に拡大することができる。
【００９０】
一方、判定回路５５０は、Ｎ番目のＡＤＣＬＯＧ回路部によって保持される撮像信号のＮ回目のサンプル値が、フローティングディフュージョンＦＤの飽和レベル（ＳＦ）からリセットレベル（ＳＲＳＴ）を引いた値に達していないと判定した場合は、Ｎ番目のＡＤＣＬＯＧ回路部によって保持される撮像信号のＮ回目のサンプル値をそのまま出力する。
【００９１】
Ｎ回目のサンプル値が、フローティングディフュージョンＦＤの飽和レベル（ＳＦ）からリセットレベル（ＳＲＳＴ）を引いた値に達していない場合は、Ｎ個のフォトダイオードの撮像信号の信号レベルは、正しい値が得られており、ダイナミックレンジの低下は生じないからである。
【００９２】
以上、実施の形態１の撮像装置５００によれば、複数の画素で得られる撮像信号をフローティングディフュージョンＦＤに蓄積した場合に、蓄積した撮像信号による電荷量がフローティングディフュージョンＦＤの飽和容量に達した場合には、撮像装置５００のダイナミックレンジをＮ／ｍ倍に拡大することができる。
【００９３】
また、ダイナミックレンジの低下を抑制するために、複数回のサンプルの平均をとる方法が提案されているが（例えば、特許文献３参照）、サンプル回数が増えることにより、撮影速度の低下を招いている。
【００９４】
これに対して、実施の形態１の撮像装置５００は、上述のように平均値を求めるような処理は必要ないため、撮影速度の低下が生じることもない。
【００９５】
ここで、低照度の場合（電荷量が飽和容量に達しない場合）のノイズレベルは、通常の１画素ずつ読み出す場合のノイズレベルとなる。これに対し、高照度の場合（電荷量が飽和容量に達する場合）のノイズレベルは、Ｎ／ｍ倍となるが、高照度側では光ショットノイズが支配的となることから、ノイズレベルは無視できる。
【００９６】
このため、低照度側のノイズレベルは同じでありながら最大信号レベルはＮ／ｍ倍になる。これによりダイナミックレンジをＮ／ｍ倍に拡大できる。ここで、フローティングディフュージョンＦＤの飽和容量（飽和レベル）は任意に決めることができる。
【００９７】
各画素には、製造誤差による飽和レベルのばらつきがあることから、加算処理した時の各画素の飽和レベルのばらつきの最小値以下に設定することで、誤判定をなくすことができる。
【００９８】
＜実施の形態２＞
実施の形態２では、フォトダイオードＰＤ０、ＰＤ１の入射光量に比較的大きな差がある場合について説明する。
【００９９】
実施の形態２の撮像装置は、ピクセル部の構成が実施の形態１の撮像装置５００と異なる。ピクセル部以外の構成は、実施の形態１の撮像装置５００と同様である。このため、以下では、実施の形態２のピクセル部２００と駆動シーケンスについて説明する。
【０１００】
図５は、実施の形態２のピクセル部２００を示す図である。図６は、駆動シーケンスの一例を示す図である。
【０１０１】
実施の形態２のピクセル部２００は、実施の形態１のピクセル部１００（図１参照）に、フォトダイオードＰＤ０とＰＤ１の出力端子を接続するスイッチ素子ＳＰを追加したものである。スイッチ素子ＳＰは、フォトダイオードＰＤ０とＰＤ１の出力信号を合成する（等分する）合成部の一例である。
【０１０２】
スイッチ素子ＳＰは、例えば、ｎ型のＦＥＴで構成され、ドレインがフォトダイオードＰＤ０の出力端子に接続され、ソースがフォトダイオードＰＤ１の出力端子に接続され、ゲートが実施の形態２の撮像装置の駆動部に接続される。なお、ドレインとソースの接続は逆であってもよい。
【０１０３】
例えば、フォトダイオードＰＤ０とＰＤ１の位置が、実施の形態１のフォトダイオードＰＤ０とＰＤ１の位置関係に比べて離れている場合や、画素ピッチが比較的大きい場合において、コントラストが激しい被写体を撮像する場合において、フォトダイオードＰＤ０とＰＤ１の信号量に差異が生じる。
【０１０４】
それはフォトダイオードＰＤ０とＰＤ１は撮像面上で別位置に存在し、入射光量に差が生じるためである。
【０１０５】
例えば、フォトダイオードＰＤ０の入射光量が、フォトダイオードＰＤ１の入射光量に比べて小さく、フォトダイオードＰＤ０とＰＤ１撮像信号をフローティングディフュージョンＦＤに蓄積すると、合計の電荷量が飽和レベルに達してしまう場合について考える。
【０１０６】
このような場合には、図６に示すように、最初のサンプル値（ＳＲＡ−ＳＲＳＴ）を２倍した信号量２×（ＳＲＡ−ＳＲＳＴ）と、飽和レベルを無視して考えた場合の２回目のサンプル値（ＳＲＢ−ＳＲＳＴ）とに大きな相違が生じる。これらの値は、フォトダイオードＰＤ０とＰＤ１の入射光量が略等しい状態では、略同一の値になるはずである。実施の形態１の撮像装置５００は、このような前提に基づいている。
【０１０７】
このような状態に対応するのが実施の形態２の撮像装置である。
【０１０８】
図７は、フォトダイオードＰＤ０、ＰＤ１の電荷量を模式的に示す図である。図７（Ａ）〜（Ｃ）では、フォトダイオードＰＤ０とＰＤ１の電荷量を縦軸に示す。図７（Ａ）では、スイッチ素子ＴＸ０、ＴＸ１、ＳＰは、すべてオフである。図７（Ｂ）では、スイッチ素子ＴＸ０、ＴＸ１はオフであり、スイッチ素子ＳＰはオンである。図７（Ｃ）では、スイッチ素子ＴＸ０、ＴＸ１、ＳＰは、すべてオフである。
【０１０９】
例えば、図７（Ａ）に示すように、スイッチ素子ＳＰがオフの状態で、フォトダイオードＰＤ０で得る電荷量が少なく、フォトダイオードＰＤ１で得る電荷量の方が多くなったとする。
【０１１０】
このような場合には、図７（Ｂ）に示すように、スイッチ素子ＳＰをオンにすれば、フォトダイオードＰＤ０とＰＤ１の電荷量を等しくすることができる。
【０１１１】
図７（Ｂ）のようにスイッチ素子ＳＰをオンにしてフォトダイオードＰＤ０とＰＤ１の電荷量を等しくした後は、スイッチ素子ＳＰをオフにしても、図７（Ｃ）に示すように、フォトダイオードＰＤ０とＰＤ１の電荷量は等しいままである。
【０１１２】
実施の形態２では、スイッチ素子ＳＰをオンにすることにより、フォトダイオードＰＤ０とＰＤ１の入射光量の異なる場合であっても、両者の電荷量を等しくすることができる。
【０１１３】
図８は、実施の形態２の撮像装置の駆動シーケンスを示す図である。
【０１１４】
図８に示すように、スイッチ素子ＳＰは、時刻ｔ１の直前にオンにされる。これにより、フォトダイオードＰＤ０とＰＤ１の電荷量を等しくすることができる。
【０１１５】
ここで、図８には、飽和レベルを無視して考えれば、図４で示した場合と同様に、時刻ｔ２から時刻ｔ３の前までの期間において、電荷レベルＳＲＢは、破線で示すように飽和レベル（ＳＦ）よりも低くなる。しかし、実際には、電荷レベルＳＲＢが飽和レベル（ＳＦ）よりも低くなることはあり得ない。
【０１１６】
しかしながら、実施の形態２では、時刻ｔ１の直前にスイッチ素子ＳＰをオンにすることにより、フォトダイオードＰＤ０とＰＤ１の電荷量を等しくしているため、時刻ｔ２以降において、電荷レベルＳＲＢが飽和レベル（ＳＦ）に達した場合に、最初のサンプル値（ＳＲＡ−ＳＲＳＴ）を２倍した信号量２×（ＳＲＡ−ＳＲＳＴ）と、飽和レベルを無視して考えた場合の２回目のサンプル値（ＳＲＢ−ＳＲＳＴ）とを等しくすることができる。
【０１１７】
このため、実施の形態２の撮像装置では、フォトダイオードＰＤ０、ＰＤ１の入射光量に比較的大きな差がある場合でも、実施の形態１と同様にダイナミックレンジを拡大することができる。
【０１１８】
実施の形態２の撮像装置は、例えば、自然画像のようにコントラストが激しくて空間周波数が高い場合であっても、ダイナミックレンジを拡大することができる。
【０１１９】
なお、以上では、ピクセル部２００が２つのフォトダイオードＰＤ０、ＰＤ１を含む形態について説明したが、一般的にＮ個のフォトダイオードを含む場合には、Ｎ個のフォトダイオードの出力端子をＮ−１個のスイッチ素子ＳＰで接続すればよい。
【０１２０】
以上、本発明の例示的な実施の形態の撮像装置について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【０１２１】
１００  ピクセル部
１００Ａ  出力端子
１１０  出力段
ＰＤ０、ＰＤ１  フォトダイオード
ＴＸ０、ＴＸ１  スイッチ素子
ＦＤ  フローティングディフュージョン
ＲＴ  リセット用スイッチ素子
５００  撮像装置
５１０  ＣＤＳ回路
５２０  ＰＧＡ回路
５３０  ＡＤＣ回路
５４０  ＡＤＣＬＯＧ回路
５４１、５４２  ＡＤＣＬＯＧ回路部
５５０  判定回路
２００  ピクセル部
ＳＰ  スイッチ素子
【図１】
2014143508.tif 000003
【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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