(57)【要約】  本発明にかかる固体撮像素子およびその駆動方法ならびにそれを用いた撮像システムでは、Ｌｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ特性における変曲点での電位情報を読み出す際に、電圧制御部２によって、固体撮像素子１における遮光画素において、転送ゲートＬｏｇ変換型の固体撮像素子１における転送ゲートまたはリセットゲートＬｏｇ変換型の固体撮像素子１におけるリセットゲートとして用いられるＬｏｇ変換トランジスタのゲート電圧が、該Ｌｏｇ変換トランジスタのオフ電圧から、該Ｌｏｇ変換トランジスタの閾値電圧のばらつき量の１／２以上、オン電圧に近い変曲点読出し電圧に設定される。
2009131190.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
転送ゲートＬｏｇ変換型またはリセットゲートＬｏｇ変換型のＬｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ特性を有する固体撮像素子の駆動方法において、
前記固体撮像素子における遮光画素において、前記転送ゲートＬｏｇ変換型の固体撮像素子における転送ゲートまたは前記リセットゲートＬｏｇ変換型の固体撮像素子におけるリセットゲートとして用いられるＬｏｇ変換トランジスタのゲート電圧を、該Ｌｏｇ変換トランジスタのオフ電圧から、該Ｌｏｇ変換トランジスタの閾値電圧のばらつき量の１／２以上、オン電圧に近い変曲点読出し電圧に設定し、電荷注入部からフローティングディフュージョンを介してフォトダイオードに電荷を注入した後に、前記フローティングディフュージョンから前記電荷注入部へ所定量の電荷を抜出す第１工程と、
前記転送ゲートまたは前記リセットゲートによって電圧変換された前記フォトダイオードの注入電荷を、前記Ｌｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ特性におけるＬｉｎｅａｒ特性とＬｏｇ特性との変曲点での電位情報として読出す第２工程とを含むこと
を特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
【請求項２】
前記電荷注入部は、前記リセットゲートのドレインであること
を特徴とする請求項１記載の固体撮像素子の駆動方法。
【請求項３】
転送ゲートＬｏｇ変換型またはリセットゲートＬｏｇ変換型のＬｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ特性を有する固体撮像素子において、
前記転送ゲートＬｏｇ変換型の固体撮像素子における遮光画素の転送ゲートまたは前記リセットゲートＬｏｇ変換型の固体撮像素子における遮光画素のリセットゲートとして用いられるＬｏｇ変換トランジスタと、
前記Ｌｏｇ変換トランジスタのゲートに接続され、前記Ｌｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ特性におけるＬｉｎｅａｒ特性とＬｏｇ特性との変曲点での電位情報を読み出す際に、該Ｌｏｇ変換トランジスタのゲート電圧を、該Ｌｏｇ変換トランジスタのオフ電圧から、該Ｌｏｇ変換トランジスタの閾値電圧のばらつき量の１／２以上、オン電圧に近い変曲点読出し電圧に設定する電圧制御部とを含むこと
を特徴とする固体撮像素子。
【請求項４】
転送ゲートＬｏｇ変換型またはリセットゲートＬｏｇ変換型のＬｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ特性を有する固体撮像素子と、
前記固体撮像素子から読出した、前記Ｌｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ特性におけるＬｉｎｅａｒ特性とＬｏｇ特性との変曲点での電位情報に基づいて所定の補正量を算出する補正演算部と、
前記補正演算部で求められた前記補正量を用いて前記変曲点を補正して画像処理演算を行う画像処理部とを備え、
前記固体撮像素子は、
前記転送ゲートＬｏｇ変換型の固体撮像素子における遮光画素の転送ゲートまたは前記リセットゲートＬｏｇ変換型の固体撮像素子における遮光画素のリセットゲートとして用いられるＬｏｇ変換トランジスタと、
前記Ｌｏｇ変換トランジスタのゲートに接続され、前記変曲点での電位情報を読み出す際に、該Ｌｏｇ変換トランジスタのゲート電圧を、該Ｌｏｇ変換トランジスタのオフ電圧から、該Ｌｏｇ変換トランジスタの閾値電圧のばらつき量の１／２以上、オン電圧に近い変曲点読出し電圧に設定する電圧制御部とを含むこと
を特徴とする撮像システム。
【請求項５】
複数の動作状態における前記変曲点での電位情報を記憶する変曲点情報記憶部をさらに備えること
を特徴とする請求項４記載の撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子およびその駆動方法ならびに固体撮像素子を用いた撮像システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばＣＭＯＳイメージセンサなどの固体撮像素子において、例えば図７で示すような構造を有する素子では、入射光量の増加に対する信号出力の変化が、図８で示すようにＬｉｎｅａｒ領域（線形領域）からＬｏｇ領域（対数領域）に切り替わることによって、そのダイナミックレンジが広くなる。以下にそのメカニズムを詳しく説明する。【０００３】
図７は、固体撮像素子の１画素分の回路構成の一例を示す図である。フォトダイオードＰＤにおいて、入射光に対応した得られた電荷は、転送ゲートＴＸにハイレベルの転送パルスφＴＸが与えられることによって、該転送ゲートＴＸがオンしてフローティングディフュージョンＦＤへ転送され、このフローティングディフュージョンＦＤにおける容量で電圧値に変換されて、増幅トランジスタＡに入力される。増幅トランジスタＡにおいて、電源電圧ＶＤＤを用いて増幅された電圧は、行選択信号線から行選択トランジスタＢに選択信号φＶが与えられることによって、該行選択トランジスタＢがオンして垂直信号線へ出力される。【０００４】
一方、前記フローティングディフュージョンＦＤに蓄積された電荷は、行選択信号線からリセットゲートＲＳＴへハイレベルのリセットパルスφＲＳＴが与えられることによって、該リセットゲートＲＳＴがオンして、その時にφＲＳＢに印加されている電圧にリセットされる。そして、転送ゲートＴＸがオフしている電荷蓄積期間において、その蓄積電荷が、図９（ａ）から図９（ｂ）で示すように、該転送ゲートＴＸの中間電圧で決まるφＶＴｘ＿ｍｅｄ以上の電位であれば、前記入射光量に比例した信号出力が得られる前記Ｌｉｎｅａｒ領域の特性をこの固体撮像素子１００は示し、前記蓄積電荷が、図９（ｃ）で示すように中間電圧φＶＴｘ＿ｍｅｄを超えると、入射光量の対数圧縮値に比例した信号出力が得られる前記Ｌｏｇ特性をこの固体撮像素子１００は示す。そして、前記垂直信号線に出力された信号レベルから、前記入射光量（被写体照度）を正確に検出するために、前記Ｌｉｎｅａｒ領域からＬｏｇ領域へ切り替わる変曲点（境界レベル）、すなわち前記中間電圧φＶＴｘ＿ｍｅｄを正確に把握しておく必要がある。ここで、前記転送ゲートＴＸのオン電圧φＶＴｘ＿ｏｎは、ゲート部のポテンシャルを障壁として、フォトダイオードＰＤに蓄積した電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する際の一般的な駆動方法における転送ゲートオン電圧と同じ電圧である。また、前記中間電圧φＶＴｘ＿ｍｅｄは、一般的な駆動方法における転送ゲートオフ電圧φＶＴｘ＿ｏｆｆよりも高い電圧である。【０００５】
ここで、前記中間電圧φＶＴｘ＿ｍｅｄは、温度によって変化してしまう。そのため、例えば特許文献１では、前記変曲点を決めるゲート電圧が一般的なオフ電圧φＶＴｘ＿ｏｆｆで決められており、そのオフ電圧φＶＴｘ＿ｏｆｆのばらつきの傾向を、撮像素子の周縁部などに設けた遮光画素で代表させて該遮光画素のオフ電圧φＶＴｘ＿ｏｆｆを検出する駆動方法が提案されている。その従来技術によれば、前記遮光画素において、図１０で示すように、第１工程では、時刻ｔ１においてリセットゲートＲＳＴのドレイン電圧（リセット電圧φＲＳＢ）が低電位φＶＲＳＢ＿ｌｏｗに設定され、時刻ｔ２においてリセットパルスφＲＳＴがハイレベルとされ、リセットゲートＲＳＴを介してフローティングディフュージョンＦＤの電位が、フォトダイオードＰＤへの電荷注入が可能な低電位とされるとともに、転送パルスφＴＸがハイレベルとされ、転送ゲートＴＸがオン状態（ポテンシャル障壁がφＶＴｘ＿ｏｎ）とされ、フローティングディフュージョンＦＤからフォトダイオードＰＤへ電荷が注入される。図１１（ａ）には、こうしてフォトダイオードＰＤからフローティングディフュージョンＦＤおよびリセットゲートＲＳＴまで電荷で満たされた状態が示されている。【０００６】
続いて、第２工程では、時刻ｔ３において、前記転送パルスφＴＸがローレベルとされ、転送ゲートＴＸがオフされるとともに、時刻ｔ４において、リセットゲートＲＳＴのドレイン電圧（リセット電圧φＲＳＢ）が高電位φＶＲＳＢ＿ｈｉに設定されて、フローティングディフュージョンＦＤからリセットゲートＲＳＴへ電荷が抜け出される。図１１（ｂ）には、この状態でしばらくの待機時間を経た後において、フォトダイオードＰＤのみに、前記オフ電圧（ポテンシャル障壁）φＶＴｘ＿ｏｆｆまで電荷が蓄積された状態が示されている。【０００７】
その後、第３工程では、時刻ｔ５においてリセットパルスφＲＳＴがローレベルとされ、リセットゲートＲＳＴがオフされた後に、時刻ｔ６において行選択トランジスタＢに選択信号φＶが与えられることによって、該行選択トランジスタＢがオンして、垂直信号線への信号出力が可能となる。そして、時刻ｔ７において転送パルスφＴＸがハイレベルとされ、転送ゲートＴＸがオン状態とされ、フローティングディフュージョンＦＤから増幅トランジスタＡおよび前記行選択トランジスタＢを経て、フォトダイオードＰＤの蓄積電荷が読出される。図１１（ｃ）には、こうして前記オフ電圧φＶＴｘ＿ｏｆｆに対応した蓄積電荷が読出される様子が示されている。その後、時刻ｔ８で転送パルスφＴＸがローレベルとされ、時刻ｔ９で選択信号φＶがオフされ、行選択トランジスタＢをオフさせて、有効画素での通常の撮像動作が可能となる。【０００８】
上述の従来技術では、転送ゲートＴＸをオフ状態とした場合に、特に第２工程において、ポテンシャルが図１２および下式に示す関係にあることが必要条件となる。
φＶＴｘ＿ｏｆｆ＞φＶＲＳＢ＿ｌｏｗ【０００９】
すなわち、この必要条件は、第１工程でリセットゲートＲＳＴのドレイン電圧φＶＲＳＢ＿ｌｏｗに電圧設定されたフローティングディフュージョンＦＤのポテンシャルが、転送ゲートＴＸのポテンシャル（オフ電圧）φＶＴｘ＿ｏｆｆよりも低電位（浅い）である、という関係である。このような関係にない場合、図１３に示すようにオフ電圧（ポテンシャル障壁）φＶＴｘ＿ｏｆｆまで電荷が注入されないため、該オフ電圧φＶＴｘ＿ｏｆｆを正確に測定することができない。【００１０】
一方、前記オフ電圧φＶＴｘ＿ｏｆｆは、画素の製造工程における不均一性に起因する、閾値電圧ばらつきと呼ばれるばらつきを有し、前記転送パルスφＴＸとして同じ電圧を印加しても、画素によってばらついてしまう。前記図１３では、閾値電圧のばらつきがΔφＶＴｘ＿ｖａｒで示されている。したがって、同じオフ電圧φＶＴｘ＿ｏｆｆが印加された際に、前記閾値電圧が低い画素では、転送ゲートＴＸのポテンシャルは、前記図１２のように所望の大きさよりも大きい（深い）ポテンシャルとなって、第２工程において、該転送ゲートＴＸのポテンシャルに依存する量の電荷をフォトダイオードＰＤに注入でき、これによって目的の変曲点レベルを正確に読み出すことができる。一方、前記閾値電圧が高い画素では、転送ゲートＴＸのポテンシャルは、前記図１３のように所望の大きさよりも小さい（浅い）ポテンシャルとなって、第２工程において、該転送ゲートＴＸのポテンシャルに依存する量の電荷をフォトダイオードに注入することができず、目的の変曲点レベルを正確に読み出すことが難しい。【００１１】
また、この従来技術の駆動方法では、前記図１０で示すように、フローティングディフュージョンＦＤからフォトダイオードＰＤへ電荷を注入する第１工程において、転送ゲートＴＸをオン／オフさせた後に、該転送ゲートＴＸのポテンシャルに依存する変曲点レベルを読出すという順序がとられている。したがって、一旦変曲点レベル（オフ電圧φＶＴｘ＿ｏｆｆ）とは関係のない転送ゲート電圧（オフ電圧φＶＴｘ＿ｏｎ）の状態で電荷をフォトダイオードＰＤに注入するという期間が与えられており、測定に要する時間が長くなってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００６−１４０６６６号公報
【発明の開示】
【００１３】
本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、Ｌｉｎｅａｒ領域からＬｏｇ領域に切り替わる変曲点レベルを、より正確かつより短時間で測定することができる固体撮像素子およびその駆動方法ならびにそれを用いた撮像システムを提供することである。
【００１４】
本発明にかかる固体撮像素子およびその駆動方法ならびにそれを用いた撮像システムでは、Ｌｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ特性における変曲点での電位情報を読み出す際に、固体撮像素子における遮光画素において、転送ゲートＬｏｇ変換型の固体撮像素子における転送ゲートまたはリセットゲートＬｏｇ変換型の固体撮像素子におけるリセットゲートとして用いられるＬｏｇ変換トランジスタのゲート電圧が、該Ｌｏｇ変換トランジスタのオフ電圧から、該Ｌｏｇ変換トランジスタの閾値電圧のばらつき量の１／２以上、オン電圧に近い変曲点読出し電圧に設定される。
【００１５】
したがって、本発明にかかる固体撮像素子およびその駆動方法ならびにそれを用いた撮像システムでは、入射光量の変化に対する信号出力の変化がＬｉｎｅａｒ領域からＬｏｇ領域に切り替わる変曲点レベルを、より正確かつより短時間で測定することができる。
【００１６】
上記並びにその他の本発明の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な記載と添付図面から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施一形態に係る固体撮像素子の１画素分の回路構成の一例を示す図である。
【図２】本発明の実施の一形態に係るＬｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ変曲点の電位情報の読出し動作時におけるポテンシャル図である。
【図３】本発明の実施の一形態に係るＬｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ変曲点の電位情報の読出し動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図４】本発明の実施の一形態に係る撮像システムの電気的構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施の他の形態に係るＬｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ変曲点の電位情報の読出し動作時におけるポテンシャル図である。
【図６】本発明の実施の他の形態に係るＬｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ変曲点の電位情報の読出し動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図７】従来技術における固体撮像素子の１画素分の回路構成の一例を示す図である。
【図８】図７に示す固体撮像素子のＬｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ変換特性を説明するためのグラフである。
【図９】図７に示す固体撮像素子のＬｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ変換動作を説明するためのポテンシャル図である。
【図１０】従来技術に係るＬｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ変曲点の電位情報の読出し動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図１１】従来技術に係るＬｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ変曲点の電位情報の読出し動作時におけるポテンシャル図である。
【図１２】従来技術に係る固体撮像素子のポテンシャル図である。
【図１３】従来技術に係る固体撮像素子のポテンシャル図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。
【００１９】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の一形態に係る固体撮像素子１の１画素分の回路構成の一例を示す図である。この固体撮像素子１の各画素の構造は、前述の図７で示す固体撮像素子１００の各画素の構造と略同一であり、対応する部分には同一の参照符号が付されている。図１において、この固体撮像素子１における一画素は、フォトダイオードＰＤと、転送ゲートＴＸと、フローティングディフュージョンＦＤと、リセットゲートＲＳＴと、増幅トランジスタＡと、行選択トランジスタＢとを備えている。所定の電位φＲＳＢが与えられる信号線φＲＳＢと接地線ＧＮＤとの間に、リセットゲートＲＳＴと、フローティングディフュージョンＦＤと、転送ゲートＴＸと、フォトダイオードＰＤとが直列に接続される。また、電源電圧ＶＤＤが与えられる電源線ＶＤＤと接地線ＧＮＤとの間に、増幅トランジスタＡと行選択トランジスタＢとが直列に接続される。そして、転送ゲートＴＸのゲート電極は、所定の電位の転送パルスφＴＸが与えられる信号線φＴＸに接続され、リセットゲートＲＳＴのゲート電極は、所定の電位のリセットパルスφＲＳＴが与えられる信号線φＲＳＴに接続される。また、増幅トランジスタＡのゲート電極は、フローティングディフュージョンＦＤに接続され、行選択トランジスタＢのゲート電極は、所定の電位の選択信号φＶが与えられる信号線φＶに接続される。このような構成の画素では、フォトダイオードＰＤにおいて、入射光に対応した得られた電荷は、転送ゲートＴＸにハイレベルの転送パルスφＴＸが与えられることによって、該転送ゲートＴＸがオンしてフローティングディフュージョンＦＤへ転送され、このフローティングディフュージョンＦＤにおける容量で電圧値に変換され、増幅トランジスタＡに入力される。増幅トランジスタＡにおいて、電源電圧ＶＤＤを用いて増幅された電圧は、行選択信号線から行選択トランジスタＢに選択信号φＶが与えられることによって、該行選択トランジスタＢがオンして、垂直信号線へ出力される。
【００２０】
一方、前記フローティングディフュージョンＦＤに蓄積された電荷は、行選択信号線からリセットゲートＲＳＴへハイレベルのリセットパルスφＲＳＴが与えられることによって、該リセットゲートＲＳＴがオンして、その時にφＲＳＢに印加されている電圧にリセットされる。そして、転送ゲートＴＸがオフしている電荷蓄積期間において、その蓄積電荷が、図９（ａ）から図９（ｂ）で示すように、該転送ゲートＴＸの中間電圧で決まるφＶＴｘ＿ｍｅｄ以下の電位であれば、前記入射光量に比例した信号出力が得られる前記Ｌｉｎｅａｒ領域の特性をこの固体撮像素子１は示し、前記蓄積電荷が図９（ｃ）で示すように中間電圧φＶＴｘ＿ｍｅｄを超えると、入射光量の対数圧縮値に比例した信号出力が得られる前記Ｌｏｇ特性をこの固体撮像素子１は示す。このように固体撮像素子１は、転送ゲートＬｏｇ変換型の固体撮像素子である。固体撮像素子１の構成は、この図１の構成に限らず、他の構成を用いることもできる。
【００２１】
そして、注目すべきは、本実施の形態では、前記転送ゲートＴＸに転送パルスφＴＸを与えるラインに、電圧制御部２が介在されており、この電圧制御部２が、従来例における有効画素にて光電荷を蓄積する期間に印加するオフ電圧φＶＴｘ＿ｏｆｆと、その蓄積した光電荷を読み出すためにフローティングディフュージョンＦＤに転送する期間に印加するオン電圧φＶＴｘ＿ｏｎとは異なる電圧であって、Ｌｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ変曲点の電位情報を読出す際に使用され、転送ゲートＴＸが出力電圧を決定できるような変曲点読出し電圧φＶＴｘ＿ｍｅｄを出力可能となっていることである。一般的には、前記オン電圧φＶＴｘ＿ｏｎは、例えば３．３Ｖ等のこの固体撮像素子１の電源電圧ＶＤＤであり、前記オフ電圧φＶＴｘ＿ｏｆｆは、０Ｖである。前記変曲点読出し電圧φＶＴｘ＿ｍｅｄは、前記図１３で示す転送ゲートＴＸの閾値電圧（オフ電圧φＶＴｘ＿ｏｆｆ）のばらつき量ΔＶＴｘ＿ｖａｒを考慮して、図２（ａ）で示すように、前記オフ電圧φＶＴｘ＿ｏｆｆから、少なくとも１／２×ΔＶＴｘ＿ｖａｒだけオン電圧φＶＴｘ＿ｏｎに近い値に設定される。例えば、前記閾値電圧のばらつきΔＶＴｘ＿ｖａｒは、１００ｍＶであり、前記読出し電圧φＶＴｘ＿ｍｅｄは、前記オフ電圧φＶＴｘ＿ｏｆｆより５０ｍＶ高く設定される。
【００２２】
図３は、上述のようなＬｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ変曲点の電位情報の読出し動作を説明するためのタイミングチャートである。遮光画素において、本実施形態の第１工程では、時刻ｔ１１においてリセットゲートＲＳＴのドレイン電圧（リセット電圧パルスφＲＳＢ）が低電位φＶＲＳＢ＿ｌｏｗに設定されるとともに、リセットパルスφＲＳＴがハイレベルとされ、リセットゲートＲＳＴを介してフローティングディフュージョンＦＤの電位が、フォトダイオードＰＤへの電荷注入が可能な低電位とされる。そして、注目すべきは、それ以前に、転送パルスφＴＸが前記変曲点読出し電圧φＶＴｘ＿ｍｅｄに設定されていることである。したがって、前記フローティングディフュージョンＦＤを介するフォトダイオードＰＤへの電荷の注入が、この時刻ｔ１１から開始される。前記図２（ａ）には、フォトダイオードＰＤからフローティングディフュージョンＦＤおよびリセットゲートＲＳＴまで電荷で満たされた状態が示されている。
【００２３】
続いて、時刻ｔ１２において、リセットゲートＲＳＴのドレイン電圧（リセット電圧φＲＳＢ）が高電位φＶＲＳＢ＿ｈｉに設定され、フローティングディフュージョンＦＤからリセットゲートＲＳＴへ電荷が抜け出される。図２（ｂ）には、この状態でしばらくの所定の待機時間を経た後に、フォトダイオードＰＤのみに、前記変曲点読出し電圧φＶＴｘ＿ｍｅｄまで電荷が蓄積された状態が示されている。
【００２４】
その後、第２工程において、時刻ｔ１３においてリセットパルスφＲＳＴがローレベルとされ、リセットゲートＲＳＴをオフした後に、時刻ｔ１４において行選択トランジスタＢに選択信号φＶが与えられることによって、該行選択トランジスタＢがオンして、垂直信号線への信号出力が可能となる。そして、時刻ｔ１５において転送パルスφＴＸがハイレベルとされ、転送ゲートＴＸをオン状態として、フローティングディフュージョンＦＤから増幅トランジスタＡおよび前記行選択トランジスタＢを経て、フォトダイオードＰＤの蓄積電荷が読出される。こうして、前記読出し電圧φＶＴｘ＿ｍｅｄに対応した蓄積電荷が読出される様子は、前記図１１（ｃ）と等価となる。その後、時刻ｔ１６で転送パルスφＴＸがローレベルとされ、時刻ｔ１７で選択信号φＶがオフされて行選択トランジスタＢがオフされる。
【００２５】
図４は、上述のように構成される固体撮像素子１を用いる撮像システムの電気的構成を示すブロック図である。図４において、この撮像システムＳは、電圧制御部２を持つ固体撮像素子１と、補正演算部１１と、制御部１２と、温度センサ１３と、メモリ１４と、画像処理部１５とを備えている。前記固体撮像素子１の遮光画素が出力する前記Ｌｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ変曲点の電位情報は、補正演算部１１で処理され、画像処理のための補正量が求められて制御部１２に取込まれ、温度センサ１３によって検知されたそのときの固体撮像素子１の温度と対応させて、この温度と合わせて変曲点情報記憶部であるメモリ１４にテーブルとして記憶されて行く。前述の図３で示すようなＬｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ変曲点の電位情報の読出し動作時には、前記制御部１２は、固体撮像素子１の電圧制御部２へ制御信号を出力し、前記のような読出し電圧φＶＴｘ＿ｍｅｄの設定を始め、ゲートドライバ、ソースドライバおよびリセットゲートＲＳＴのドレイン電圧（リセット電圧φＲＳＢ）の制御などを行う。
【００２６】
一方、通常撮像時には、制御部１２は、温度センサ１３の検知結果に対応した補正量をメモリ１４から読出し、画像処理部１５に与える。これによって、画像処理部１５は、前記固体撮像素子１の有効画素の出力データにＬｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ変曲点の補正を行い、最終的に画像データとして外部に出力する。制御部１２は、また、システム全体のタイミングや電源等の制御も行う。
【００２７】
このように構成することで、固体撮像素子１のＬｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ特性を正確に反映して画像処理を行うことができる撮像システムＳを実現することができる。また、このような撮像システムＳは、撮像動作中に実際の測定が行われない場合でも、すなわち撮像を中止することなく、メモリ１４の補正量のデータを用いることによって固体撮像素子１のＬｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ特性を正確に反映した画像処理を行うことができる。予め前記メモリに格納される動作パラメータは、前記温度に限らず、露光時間などの他のパラメータが用いられてもよい。
【００２８】
以上のように、本実施の形態では、転送ゲートＬｏｇ変換型のＬｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ特性を有する固体撮像素子１において、温度によって変化する前記Ｌｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ特性の変曲点の電位情報を読出す際に、第１工程において、電圧制御部２によって、通常のオフ電圧φＶＴｘ＿ｏｆｆから、該転送ゲートＴＸの閾値電圧（オフ電圧φＶＴｘ＿ｏｆｆ）のばらつき量ΔＶＴｘ＿ｖａｒの１／２以上にオン電圧φＶＴｘ＿ｏｎに近い電圧の変曲点読出し電圧φＶＴｘ＿ｍｅｄが別途作成され、その変曲点読出し電圧φＶＴｘ＿ｍｅｄを与えた状態で、電荷注入手段からフローティングディフュージョンＦＤを介してフォトダイオードＰＤに電荷が注入された後に、前記フローティングディフュージョンＦＤから前記電荷注入手段に余分な電荷が抜き出され、第２工程において、前記転送ゲートＴＸによって電圧変換された前記フォトダイオードＰＤの注入電荷が、前記Ｌｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ変曲点の電位情報として読み出される。
【００２９】
上記動作により、転送ゲートＴＸの閾値電圧（オフ電圧φＶＴｘ＿ｏｆｆ）にばらつきが存在していたとしても、そのばらつき量ΔＶＴｘ＿ｖａｒを考慮して変曲点読出し電圧φＶＴｘ＿ｍｅｄを決定しているので、本実施形態の固体撮像素子１およびその撮像システムＳでは、すべての遮光画素において、変曲点レベル読出し時における転送ゲートＴＸのポテンシャルがフローティングディフュージョンＦＤのポテンシャルレベルよりも大きく（深く）され、転送ゲートポテンシャルに依存したＬｉｎｅａｒ領域からＬｏｇ領域に切り替わる目的の変曲点レベルを、正確に測定することができる。
【００３０】
また、フローティングディフュージョンＦＤからフォトダイオードＰＤに電荷を注入すべく、リセットゲートＲＳＴのドレイン電圧（リセット電圧φＲＳＢ）が低電位φＶＲＳＢ＿ｌｏｗに設定される前に、前記転送ゲートＴＸに予め変曲点読出し電圧φＶＴｘ＿ｍｅｄを設定しておくことによって、本実施形態の固体撮像素子１およびその撮像システムＳでは、前記ドレイン電圧を低電位φＶＲＳＢ＿ｌｏｗにしてから（ｔ１１）、フォトダイオードＰＤに電荷を注入する（ｔ１２）までの時間を最短にすることができる。このような変曲点レベルの読出し駆動を行っている期間は、固体撮像素子１が撮影に寄与できない期間（ブランク期間）であるので、短くすることが望ましい。
【００３１】
［実施の形態２］
図５は、本発明の実施の他の形態に係る変曲点レベルの読出し時のポテンシャル分布を示す図である。注目すべきは、本実施の他の形態では、固体撮像素子が、Ｌｏｇ変換トランジスタがリセットトランジスタＲＳＴであるリセットゲートＬｏｇ変換型であることである。このため、変曲点レベルの読出し動作時には、リセットゲートＲＳＴに与えられるリセットパルスφＲＳＴの電圧は、該リセットトランジスタＲＳＴの閾値電圧のばらつき量ΔＶＲＳＴ＿ｖａｒを考慮して、１／２×ΔＶＲＳＴ＿ｖａｒ以上オン電圧φＶＲＳＴ＿ｏｎに近い読出し電圧φＶＲＳＴ＿ｍｅｄに設定される。
【００３２】
したがって、本実施の他の形態にかかるリセットゲートＬｏｇ変換型の固体撮像素子では、このリセットパルスφＲＳＴのラインに前記電圧制御部２と同様の構成が介在され、前記オン電圧φＶＲＳＴ＿ｏｎ、前記オフ電圧φＶＲＳＴ＿ｏｆｆ、さらに前記変曲点読出し電圧φＶＲＳＴ＿ｍｅｄの内、少なくとも前記オン電圧φＶＲＳＴ＿ｏｎおよび変曲点読出し電圧φＶＲＳＴ＿ｍｅｄをリセットゲートＲＳＴに印加する機能が備えられていればよい。すなわち、前記オフ電圧φＶＲＳＴ＿ｏｆｆは、前記変曲点読出し電圧φＶＲＳＴ＿ｍｅｄと等しくてもよい。有効画素でＬｏｇ変換を行う際にリセットゲートＲＳＴに印加する電圧は、上記読出し電圧φＶＲＳＴ＿ｍｅｄと同一であってもよく、また異なる電圧であってもよい。
【００３３】
図６は、上述のようなＬｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ変曲点の電位情報の読出し動作を説明するためのタイミングチャートである。遮光画素において、本実施の他の形態の第１工程では、時刻ｔ２１においてリセットゲートＲＳＴのドレイン電圧（リセット電圧φＲＳＢ）が低電位φＶＲＳＢ＿ｌｏｗに設定される。そして、注目すべきは、それ以前に、リセットパルスφＲＳＴが前記変曲点読出し電圧φＶＲＳＴ＿ｍｅｄに設定されているとともに、転送パルスφＴＸがオン電圧φＶＴｘ＿ｏｎに設定されていることである。したがって、フローティングディフュージョンＦＤの電位は、フォトダイオードＰＤへの電荷注入が可能な低電位となっており、前記時刻ｔ２１からフォトダイオードＰＤへの電荷の注入が開始される。前記図５には、フォトダイオードＰＤからフローティングディフュージョンＦＤおよびリセットゲートＲＳＴまで電荷で満たされた状態が示されている。
【００３４】
続いて、時刻ｔ２２において、リセットゲートＲＳＴのドレイン電圧（リセット電圧φＲＳＢ）が高電位φＶＲＳＢ＿ｈｉに設定され、リセットゲートＲＳＴから電荷が抜き出される。この状態でしばらくの所定の待機時間を経た後に、フォトダイオードＰＤおよびフローティングディフュージョンＦＤのみに、前記変曲点読出し電圧（ポテンシャル障壁）φＶＲＳＴ＿ｍｅｄまでの電荷が残留する。
【００３５】
その後、第２工程において、時刻ｔ２３において行選択トランジスタＢに選択信号φＶが与えられることによって、該行選択トランジスタＢがオンして、垂直信号線へ前記読出し電圧φＶＲＳＴ＿ｍｅｄに対応した蓄積電荷の出力が開始される。その後、時刻ｔ２４において選択信号φＶがオフして電荷の出力が停止され、時刻ｔ２５において転送パルスφＴＸがローレベルとされ、さらにリセットパルスφＲＳＴがローレベルとされてリセットゲートＲＳＴがオフされる。
【００３６】
こうして、電荷をフォトダイオードＰＤまで注入すべく、リセットゲートＲＳＴのドレイン電圧（リセット電圧φＲＳＢ）が低電位φＶＲＳＢ＿ｌｏｗに設定される前に、リセットパルスφＲＳＴを予め変曲点読出し電圧φＶＲＳＴ＿ｍｅｄに設定しておくことによって、本実施の他の形態の固体撮像素子およびその撮像システムでは、すべての遮光画素において、リセットゲートＲＳＴのポテンシャルに依存する変曲点レベルの情報を、最短時間で読み出すことができる。
【００３７】
また、リセットゲートＲＳＴでＬｏｇ変換を実施する固体撮像素子の画素は、転送ゲートＴＸを備えない、１画素に３つのトランジスタを有する構成も考えられる。この場合も転送ゲート以外で図１の画素で説明した場合と同様の駆動を実施することによって、同様の効果を得ることが可能である。
【００３８】
本明細書は、上記のように様々な態様の技術を開示しているが、そのうち主な技術を以下に纏める。
【００３９】
一態様にかかる、転送ゲートＬｏｇ変換型またはリセットゲートＬｏｇ変換型のＬｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ特性を有する固体撮像素子の駆動方法は、前記固体撮像素子における遮光画素において、前記転送ゲートＬｏｇ変換型の固体撮像素子における転送ゲートまたは前記リセットゲートＬｏｇ変換型の固体撮像素子におけるリセットゲートとして用いられるＬｏｇ変換トランジスタのゲート電圧を、該Ｌｏｇ変換トランジスタのオフ電圧から、該Ｌｏｇ変換トランジスタの閾値電圧のばらつき量の１／２以上、オン電圧に近い変曲点読出し電圧に設定し、電荷注入部からフローティングディフュージョンを介してフォトダイオードに電荷を注入した後に、前記フローティングディフュージョンから前記電荷注入部へ所定量の電荷を抜出す第１工程と、前記転送ゲートまたは前記リセットゲートによって電圧変換された前記フォトダイオードの注入電荷を、前記Ｌｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ特性におけるＬｉｎｅａｒ特性とＬｏｇ特性との変曲点での電位情報として読出す第２工程とを含む。
【００４０】
また、他の一態様にかかる、転送ゲートＬｏｇ変換型またはリセットゲートＬｏｇ変換型のＬｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ特性を有する固体撮像素子は、前記転送ゲートＬｏｇ変換型の固体撮像素子における遮光画素の転送ゲートまたは前記リセットゲートＬｏｇ変換型の固体撮像素子における遮光画素のリセットゲートとして用いられるＬｏｇ変換トランジスタのゲートに接続され、前記Ｌｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ特性におけるＬｉｎｅａｒ特性とＬｏｇ特性との変曲点での電位情報を読み出す際に、該Ｌｏｇ変換トランジスタのゲート電圧を、該Ｌｏｇ変換トランジスタのオフ電圧から、該Ｌｏｇ変換トランジスタの閾値電圧のばらつき量の１／２以上、オン電圧に近い変曲点読出し電圧に設定する電圧制御部を含む。
【００４１】
転送ゲートＬｏｇ変換型またはリセットゲートＬｏｇ変換型のＬｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ特性を有する固体撮像素子において、例えば、温度によって変化する前記Ｌｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ特性の変曲点の電位情報を読出す際に、従来では、第１工程において、遮光画素におけるそれらのＬｏｇ変換トランジスタのゲートに、該Ｌｏｇ変換トランジスタのオン電圧を加えた状態で、例えばリセットゲートなどの電荷注入部からフローティングディフュージョンを介してフォトダイオードに電荷が注入された後に、第２工程において、前記ゲートにオフ電圧を加えて余分な電荷が抜き出された後に、第３の工程において、蓄積された電荷が測定される。上記構成によれば、前記変曲点の電位情報を読出す際に、第１工程において、電圧制御部によって、通常のオフ電圧から、該Ｌｏｇ変換トランジスタの閾値電圧のばらつき量の１／２以上にオン電圧に近い電圧の変曲点読出し電圧が別途作成され、その変曲点読出し電圧を与えた状態で、例えばリセットゲートなどの前記電荷注入部からフローティングディフュージョンを介してフォトダイオードに電荷が注入された後に、前記フローティングディフュージョンから前記電荷注入部に余分な所定の電荷が抜き出され、第２工程において、前記転送ゲートまたはリセットゲートによって電圧変換された前記フォトダイオードの注入電荷が、前記変曲点の電位情報として読み出される。
【００４２】
したがって、上記構成の固体撮像素子の駆動方法および固体撮像素子では、入射光量の変化に対する信号出力の変化がＬｉｎｅａｒ領域からＬｏｇ領域に切り替わる変曲点レベルを、正確かつ短時間で測定することができる。
【００４３】
また、他の一態様にかかる撮像システムは、転送ゲートＬｏｇ変換型またはリセットゲートＬｏｇ変換型のＬｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ特性を有する固体撮像素子と、前記固体撮像素子から読出した、前記Ｌｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ特性におけるＬｉｎｅａｒ特性とＬｏｇ特性との変曲点での電位情報に基づいて所定の補正量を算出する補正演算部と、前記補正演算部で求められた前記補正量を用いて前記変曲点を補正して画像処理演算を行う画像処理部とを備え、前記固体撮像素子は、前記転送ゲートＬｏｇ変換型の固体撮像素子における遮光画素の転送ゲートまたは前記リセットゲートＬｏｇ変換型の固体撮像素子における遮光画素のリセットゲートとして用いられるＬｏｇ変換トランジスタのゲートに接続され、前記変曲点での電位情報を読み出す際に、該Ｌｏｇ変換トランジスタのゲート電圧を、該Ｌｏｇ変換トランジスタのオフ電圧から、該Ｌｏｇ変換トランジスタの閾値電圧のばらつき量の１／２以上、オン電圧に近い変曲点読出し電圧に設定する電圧制御部を含む。
【００４４】
上記構成によれば、固体撮像素子のＬｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ特性をより正確に反映して画像処理を行うことができる撮像システムを実現することができる。
【００４５】
また、他の一態様では、上述の撮像システムにおいて、複数の動作状態における前記変曲点での電位情報を記憶する変曲点情報記憶部をさらに備える。
【００４６】
上記構成によれば、上述のように露光時間や温度によって変化する前記Ｌｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ特性における変曲点での電位情報を、複数の動作状態毎に測定して変曲点情報記憶部に記憶しておき、以後は前記露光時間や温度などの動作状態に応じた値を読出すことで、撮像動作中に実際の測定を行わない場合でも、すなわち撮像を中止することなく、固体撮像素子のＬｉｎｅａｒ−Ｌｏｇ特性をより正確に反映した画像処理を行うことができる。
【００４７】
この出願は、２００８年０４月２４日に出願された日本国特許出願特願２００８−１１３４４７を基礎とするものであり、その内容は、本願に含まれるものである。
【００４８】
本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明によれば、固体撮像素子およびその駆動方法ならびにそれを用いた撮像システムを提供する。
【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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【国際調査報告】
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