(57)【要約】【課題】  撮像装置において画素の微細化に対して、ＦＤの容量を大きくすること無くＰＤの容量を相対的に大きくしてダイナミックレンジの維持を図る。【解決手段】  撮像素子の撮像面の画素はＰＤ、ＦＤ、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ、及び行選択トランジスタを備える。ＰＤの容量ＣFDがＦＤの容量ＣPDより大きくなるように形成する。ＰＤに蓄積される電荷が第１ＦＤ電荷量ＱFMAX1以下である場合は、ＦＤの容量ＣFDに基づいて受光量を認識する。ＰＤに蓄積される電荷が第１ＦＤ電荷量ＱFMAX1以上である場合は、ＦＤの容量ＣFDとＰＤの容量ＣPDに基づいて受光量を認識する。【選択図】        図３
2006060569.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光量に応じた電荷を発生させて蓄積する光電変換手段と、
電荷を蓄積可能で、蓄積した電荷に応じて電位が変わるフローティングディフュージョンと、
前記光電変換手段で蓄積した電荷を前記フローティングディフュージョンに転送する転送手段と、
定圧の駆動電源に接続され、前記フローティングディフュージョンの電位を駆動電源の電位にリセットするリセット手段と、
前記フローティングディフュージョンの電位に応じた電気信号を出力する増幅手段と、
前記リセット手段により前記フローティングディフュージョンがリセットされた状態において前記増幅手段から出力される電気信号であるリセット電気信号を取得した後に、前記転送手段により電荷が転送された状態において前記増幅手段から出力される電気信号である受光電気信号を取得し、前記受光電気信号と前記リセット電気信号に基づいて、画素信号を生成する画素信号生成手段と、
前記画素信号が予め設定される高出力領域と低出力領域とのいずれかの領域に属するかに応じて、前記受光量を認識する受光量認識手段とを備える
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記フローティングディフュージョンがリセットされた時の電位と電荷が空乏化された状態における前記光電変換手段の電位との第１電位差に、前記フローティングディフュージョンの容量であるＦＤ容量を乗じて求められる第１ＦＤ電荷量が、前記光電変換手段に蓄積可能な信号電荷である光電飽和電荷量より小さく、
前記光電変換手段に蓄積された電荷が前記第１ＦＤ電荷量より大きい場合に前記画素信号が前記高出力領域に属すると前記受光量認識手段において設定されることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記受光量認識手段において、前記画素信号が前記低出力領域に属する場合に前記ＦＤ容量に基づいて受光量が認識され、前記画素信号が前記高出力領域に属する場合に前記ＦＤ容量及び前記光電変換手段の容量に基づいて受光量が認識されることを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記画素信号が前記画素信号生成手段から信号電圧として出力され、前記信号電圧が第１電位差より小さい範囲では前記低出力領域に属し、前記切替え電圧より大きい範囲では前記高出力領域に属することが前記受光量認識手段に判断されることを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記受光量認識手段において、前記信号電圧が前記低出力領域に属する場合に前記ＦＤ容量に前記信号電圧を乗じて求まる電荷に基づいて前記受光量が認識され、前記信号電圧が前記高出力領域に属する場合に前記ＦＤ容量と前記光電変換手段の容量との合計容量に前記信号電圧を乗じて求まる電荷に基づいて前記受光量が認識されることを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
【請求項６】
受光量に応じた電荷を発生させて蓄積する光電変換手段と、
電荷を蓄積可能で、蓄積した電荷に応じて電位が変わるフローティングディフュージョンと、
前記光電変換手段で蓄積した電荷を前記フローティングディフュージョンに転送する転送手段と、
定圧の駆動電源に接続され、前記フローティングディフュージョンの電位を駆動電源の電位にリセットするリセット手段と、
前記フローティングディフュージョンの電位に応じた電気信号を出力する増幅手段と、
前記リセット手段により前記フローティングディフュージョンがリセットされた状態において前記増幅手段から出力される電気信号であるリセット電気信号を取得した後に、前記転送手段により電荷が転送された状態において前記増幅手段から出力される電気信号である受光電気信号を取得し、前記受光電気信号と前記リセット電気信号に基づいて、画素信号を生成する画素信号生成手段と、
前記フローティングディフュージョンがリセットされた時の電位と電荷が空乏化された状態における前記光電変換手段の電位との第１電位差に、前記フローティングディフュージョンの容量であるＦＤ容量を乗じて求められる第１ＦＤ電荷量が、前記光電変換手段に蓄積可能な信号電荷である光電飽和電荷量より小さい
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項７】
前記画素信号が予め設定される高出力領域と低出力領域とのいずれかの領域に属するかに応じて前記受光量を認識する受光量認識手段に、前記画素信号を出力することを特徴とする請求項６に記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広いダイナミックレンジを維持することが可能な固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＭＯＳ／ＬＳＩ製造プロセスを流用したＣＭＯＳ固体撮像素子において、画素の微細化が進んでいる。一方で、画素の微細化に伴いダイナミックレンジがますます狭くなっていくことが問題である。
【０００３】
すなわち、ダイナミックレンジを従来の画素と同じレベルに維持、又は拡大を図るために、微細な画素内でフォトダイオード（ＰＤ）を大容量化する必要がある。また、ＰＤで発生して蓄積される電荷が転送されるフローティングディフュージョン（ＦＤ）の容量もＰＤの容量に応じて大きくすることが求められていた。
【０００４】
しかし、ＦＤの容量を大きくすることは画素の微細化に対して非常に困難であり、またＦＤの容量を大きくすることにより電荷を電圧に変換する効率が下がることとなり、ＣＭＯＳ撮像素子の感度が低下してしまう。
【０００５】
そこで、ＰＤにおける受光量が大きくなるにつれ、ＦＤ、転送ゲートのチャネル、及びＰＤにおいて電荷を電圧に変換することにより、取り扱い光電子数を多くすることが提案されている（特許文献１）。
【０００６】
一方で、画素からの出力信号にはリセット・ノイズ、即ちＦＤをリセットする時に含まれる一定でないリセット電圧からの差が含まれる。リセット・ノイズは相関二重サンプリング回路を用いて除去することが可能である。しかし、リセット・ノイズを除去するためにはリセットされた状態の出力信号をサンプルホールドした後にＰＤで発生した電荷を転送した状態の出力信号をサンプルホールドし、その差分を信号出力として出力する必要がある。
【０００７】
特許文献１の構成によれば、このサンプルホールドする順番が逆なため、リセット・ノイズの完全な除去が難しかった。
【特許文献１】特開２００３−２７４２９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明ではＦＤの容量を大きくすること無く、ＰＤの容量を大きくすることによりダイナミックレンジを維持するとともに、リセット・ノイズの十分な除去が可能な撮像装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の撮像装置は、受光量に応じた電荷を発生させて蓄積する光電変換手段と、電荷を蓄積可能で蓄積した電荷に応じて電位が変わるフローティングディフュージョンと、光電変換手段で蓄積した電荷をフローティングディフュージョンに転送する転送手段と、定圧の駆動電源に接続され、フローティングディフュージョンの電位を駆動電源の電位にリセットするリセット手段と、フローティングディフュージョンの電位に応じた電気信号を出力する増幅手段と、リセット手段によりフローティングディフュージョンがリセットされた状態において増幅手段から出力される電気信号であるリセット電気信号を取得した後に転送手段により電荷が転送された状態において増幅手段から出力される電気信号である受光電気信号を取得し受光電気信号とリセット電気信号に基づいて、画素信号を生成する画素信号生成手段と、画素信号が予め設定される高出力領域と低出力領域とのいずれかの領域に属するかに応じて受光量を認識する受光量認識手段とを備えることを特徴としている。
【００１０】
また、フローティングディフュージョンがリセットされた時の電位と電荷が空乏化された状態における光電変換手段の電位との第１電位差にフローティングディフュージョンの容量であるＦＤ容量を乗じて求められる第１ＦＤ電荷量が光電変換手段に蓄積可能な信号電荷である光電飽和電荷量より小さく、光電変換手段が蓄積した電荷が第１ＦＤ電荷量より大きい場合に画素信号が高出力領域に属すると受光量認識手段において設定されることが好ましい。さらに受光量認識手段において画素信号が低出力領域に属する場合にＦＤ容量に基づいて受光量が認識され、画素信号が高出力領域に属する場合にＦＤ容量及び光電変換手段の容量に基づいて受光量が認識されることが好ましい。
【００１１】
さらに、画素信号が画素信号生成手段から信号電圧として出力され、信号電圧が第１電位差より小さい範囲では低出力領域に属し、切替え電圧より大きい範囲では高出力領域に属することが受光量認識手段に判断されることが好ましい。また、受光量認識手段において、信号電圧が低出力領域に属する場合にＦＤ容量に信号電圧を乗じて求まる電荷に基づいて受光量が認識され、信号電圧が高出力領域に属する場合にＦＤ容量と光電変換手段の容量との合計容量に信号電圧を乗じて求まる電荷に基づいて受光量が認識されることが好ましい。
【００１２】
また、本発明の固体撮像素子は、受光量に応じた電荷を発生させて蓄積する光電変換手段と、電荷を蓄積可能で蓄積した電荷に応じて電位が変わるフローティングディフュージョンと、光電変換手段で蓄積した電荷をフローティングディフュージョンに転送する転送手段と、定圧の駆動電源に接続されフローティングディフュージョンの電位を駆動電源の電位にリセットするリセット手段と、フローティングディフュージョンの電位に応じた電気信号を出力する増幅手段と、リセット手段によりフローティングディフュージョンがリセットされた状態において増幅手段から出力される電気信号であるリセット電気信号を取得した後に転送手段により電荷が転送された状態において増幅手段から出力される電気信号である受光電気信号を取得し受光電気信号とリセット電気信号に基づいて画素信号を生成する画素信号生成手段と、フローティングディフュージョンがリセットされた時の電位と光電変換手段がリセットされた時の電位との第１電位差にフローティングディフュージョンの容量であるＦＤ容量を乗じて求められる第１ＦＤ電荷量が光電変換手段に蓄積可能な信号電荷である光電飽和電荷量より小さいことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、撮像装置において画素の微細化によってもダイナミックレンジの維持が可能であって、リセット・ノイズの十分な除去が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態を適用した撮像装置の全体構成を模式的に示した図である。
【００１５】
撮像装置４０はＣＭＯＳ固体撮像素子１０と信号処理回路４１とによって構成される。被写体が撮像される時、被写体像は撮像素子によって受光され、電気信号に光電変換される。光電変換された電気信号は信号処理回路４１に送られ、所定の画像処理が行われる。画像処理の行われた画像信号はモニタ（図示せず）に表示、或いはメモリ（図示せず）に格納される。
【００１６】
撮像素子１０は撮像部１１、垂直シフトレジスタ１２、相関二重サンプリング／サンプルホールド（ＣＤＳ／ＳＨ）回路３０、水平シフトレジスタ１３、および水平読出し線１４により構成される。撮像部１１と垂直シフトレジスタ１２は直接接続され、水平読出し線１４はＣＤＳ／ＳＨ回路３０を介して撮像部１１に接続される。
【００１７】
撮像部１１の撮像面には複数の画素２０がマトリックス状に配列される。個々の画素２０において信号電荷が生成される。被写体像全体の画像信号は撮像部１１におけるすべての画素２０の信号電荷に相当する画素信号の集合により構成される。生成した画素信号の読出しは画素２０毎に行われる。読出しを行う画素２０は垂直シフトレジスタ１２および水平シフトレジスタ１３により直接的あるいは間接的に選択される。
【００１８】
垂直シフトレジスタ１２により画素２０の行が選択される。選択された画素２０から出力される出力信号がＣＤＳ／ＳＨ回路３０により相関二重サンプリングされる。更にＣＤＳ／ＳＨ回路３０に保持される画素信号は水平シフトレジスタ１３により選択され、水平読出し線１４に読み出される。水平読出し線１４に読み出された画素信号が信号処理回路４１に送られる。
【００１９】
図２は本発明の第１の実施形態を適用した撮像素子の画素の構成を示す回路図である。ｉ行ｊ列にある画素２０について説明するが、他の画素２０も構成は同様である。画素２０にはＰＤ２１、ＦＤ２２、転送トランジスタ２３、リセットトランジスタ２４、増幅トランジスタ２５、および行選択トランジスタ２６が設けられる。
【００２０】
ＰＤ２１では画素２０における受光量に応じて電荷が発生し、発生した電荷が蓄積される。ＰＤ２１の容量ＣPDはＦＤ２２の容量ＣFDの１０倍の大きさに形成される。従来の撮像素子のように容量ＣFDを容量ＣPDより大きくする必要はない。
【００２１】
画素２０の微細化に伴ってＰＤ２１とＦＤ２２の表面積が小さくなると容量ＣPD、ＣFDは小さくなる。そこでダイナミックレンジを維持するために、容量ＣPDのみ大きくすればよい。ＰＤ２１の開口面積を画素２０内で相対的に大きくし、不純物濃度を高くすることにより、容量ＣPDは増大させられる。なお、不純物濃度を高くする場合は、ＰＤ２１の厚さを薄くすることが好ましい。ＰＤ２１を薄く形成することによりＰＤ２１を完全に空乏化させるのに必要な電圧が低く抑えることが可能となる。
【００２２】
転送トランジスタ２３のソースはＰＤ２１に接続され、ドレインはＦＤ２２に接続される。転送トランジスタ２３のゲートは、転送信号線ΦTに接続される。転送信号線ΦTには、パルス状のＯＮ／ＯＦＦ信号が流される。転送信号線ΦTにＯＮ信号が流れる時、ＰＤ２１に蓄積された電荷は転送トランジスタ２３によりＦＤ２２に転送される。転送された電荷はＦＤ２２に蓄積される。ＦＤ２２の電位は蓄積された電荷に応じて変化する。
【００２３】
リセットトランジスタ２４のソースはＦＤ２２に接続され、ドレインは電源線２７に接続される。リセットトランジスタ２４のゲートは、リセット信号線ΦRに接続される。電源線２７は一定の電位ＶDDである駆動電源（図示せず）に接続される。
【００２４】
ここで、ＰＤ２１の容量ＣPDとＦＤ２２の容量ＣFD及び駆動電源の電位ＶDDの関係について図３、及び図４を用いて説明する。図３、図４は本実施形態における電荷の遷移を説明するためのポテンシャル図である。図３（Ａ）は後述する光電飽和電荷量ＱPMAX及び第１ＦＤ電荷量ＱFMAX1を説明するための図である。図３、図４における（ｔ２）〜（ｔ４）は図５におけるタイミングチャートのタイミングに対応している。
【００２５】
ＰＤ２１は受光量に応じて電荷を蓄積することが出来るが、蓄積可能な電荷の量は限られている。最大で蓄積可能な電荷の量である光電飽和電荷量ＱPMAXは、ＰＤ２１において完全に空乏化されている状態の電位ＶPMAXと転送信号線ΦTにＯＦＦ信号が流れている時の転送トランジスタ２３における転送チャネルの電位Ｖtroffとの電位差ＶPMAX−ＶtroffにＰＤ２１の容量ＣPDを乗じることにより算出される。
【００２６】
駆動電源の電位ＶDDはＰＤ２１における最大の電位ＶPMAXより高く、その第１電位差ΔＶにＦＤ２２の容量ＣFDを乗じた第１ＦＤ電荷量ＱFMAX1はＰＤ２１における電荷の光電飽和電荷量ＱPMAXより小さい。従って、ＰＤ２１において、ＱFMAX1を超える電荷が蓄積された場合は、蓄積した電荷の全量がＦＤ２２に転送されない場合が生ずる（図４（ｔ４）参照）。
【００２７】
図２において、リセット信号線ΦRには、パルス状のＯＮ／ＯＦＦ信号が流される。リセット信号線ΦRにＯＮ信号が流れる時、ＦＤ２２に蓄積された電荷はリセットトランジスタ２４によって電源線２７に掃き出されてリセットされる。またＦＤ２２の電位は電源線２７の電位、即ち駆動電源の電位ＶDDにリセットされる。また、転送信号線ΦTとリセット信号線ΦRにＯＮ信号が流れる時、ＰＤ２１からＦＤ２２に転送されずに残った電荷が電源線２７に掃き出されてリセットされる。
【００２８】
増幅トランジスタ２５のゲートはＦＤ２２に接続され、ソースは行選択トランジスタ２６に接続される。増幅トランジスタ２５のドレインは電源線２７に接続される。増幅トランジスタ２５により緩衝増幅されたＦＤ２２の電位が出力信号として行選択トランジスタ２６に出力可能である。
【００２９】
行選択トランジスタ２６は、増幅トランジスタ２５と垂直読出し線１５との間に接続され、ゲートは行選択信号線ΦSRに接続される。行選択信号線ΦSRには、パルス状のＯＮ／ＯＦＦ信号が流される。行選択信号線ΦSRにＯＮ信号が流れる時、出力信号が垂直読出し線１５に出力される。
【００３０】
なお、転送信号線ΦT、リセット信号線ΦR、及び行選択信号線ΦSRは垂直シフトレジスタ１２に接続される。各信号線ΦT、ΦR、ΦSRに流れるＯＮ／ＯＦＦ信号は垂直シフトレジスタ１２により制御される。
【００３１】
垂直読出し線１５は撮像部１１を垂直に延びる線であり、同じ列の複数の画素（図示せず）における行選択トランジスタ（図示せず）に接続される。垂直読出し線１５は撮像面の上方において定電流源１６に接続される。撮像面の下方においてＣＤＳ／ＳＨ回路３０の入力端３１に接続される。
【００３２】
ＣＤＳ／ＳＨ回路３０は第１ＳＨトランジスタ３２a、第１ＳＨコンデンサＣP、第２ＳＨトランジスタ３２b、第２ＳＨコンデンサＣD、及び差動アンプ３３によって構成される。
【００３３】
第１ＳＨトランジスタ３２aは入力端３１と第１ＳＨコンデンサＣPとの間に接続され、ゲートは第１ＳＨ信号線ΦSHPに接続される。第２ＳＨトランジスタ３２bは入力端３１と第２ＳＨコンデンサＣDとの間に接続され、ゲートは第２ＳＨ信号線ΦSHDに接続される。
【００３４】
第１ＳＨ信号線ΦSHP、及び第２ＳＨ信号線ΦSHDには、パルス状のＯＮ／ＯＦＦ信号が流される。第１ＳＨ信号線ΦSHPにＯＮ信号が流れる時、出力信号が第１ＳＨコンデンサＣPにサンプルホールドされる。第２ＳＨ信号線ΦSHDにＯＮ信号が流れる時、出力信号が第２ＳＨコンデンサＣDにサンプルホールドされる。
【００３５】
第１ＳＨコンデンサＣPは差動アンプ３３の正相入力端子３４aに、第２ＳＨコンデンサＣDは差動アンプ３３の逆相入力端子３４bに接続される。差動アンプ３３において、第１ＳＨコンデンサＣPにサンプルホールドされた出力信号と第２ＳＨコンデンサＣDにサンプルホールドされた出力信号の差分がとられ、その差分値が画素信号として差動アンプ３３の出力端子３５から出力される。
【００３６】
ＣＤＳ／ＳＨ回路３０の出力端である差動アンプ３３の出力端子３５と、水平読出し線１４との間に列選択トランジスタ１７が接続される。列選択トランジスタ１７のゲートは水平シフトレジスタ１３に接続される。列選択トランジスタ１７のゲートにはパルス状のＯＮ／ＯＦＦ信号が水平シフトレジスタ１３から流される。列選択トランジスタ１７のゲートにＯＮ信号が流される時、画素信号がＣＤＳ／ＳＨ回路３０から水平読出し線１４に出力される。
【００３７】
上述のような構成である撮像素子１０の動作について次に図５のタイミングチャートにより説明する。図２を参照してｉ行ｊ列にある画素２０における動作を例として説明する。
【００３８】
まず、ｔ０のタイミングで行選択信号線ΦSRにＯＮ信号が流され、ｉ行ｊ列にある画素２０のＦＤ２２の電位に応じた信号電圧が垂直読出し線１５に出力可能な状態となる。なお、ｔ０のタイミングから後述するｔ５のタイミングにおけるリセット信号線ΦR及び転送信号線ΦTにＯＮ信号が流れ終わるまでの間、行選択信号線ΦSRにはＯＮ信号が流される。
【００３９】
ｔ１のタイミングでリセット信号線ΦRにＯＮ信号が流され、ＦＤ２２はリセットされ、ＦＤ２２の電位が駆動電源の電位ＶDDとなる。次にｔ２のタイミングで第１ＳＨ信号線ΦSHPにＯＮ信号が流れ、ＦＤ２２がリセットされた状態において増幅トランジスタ２５から出力される出力信号であるリセット電気信号が第１ＳＨコンデンサＣPにサンプルホールドされる。
【００４０】
次にｔ３のタイミングで転送信号線ΦTにＯＮ信号が流され、ＰＤ２１に蓄積された電荷がＦＤ２２に転送される。ＰＤ２１に蓄積された電荷が第１ＦＤ電荷量ＱFMAX1以下である場合、ＰＤ２１に蓄積された電荷は完全にＦＤ２２に転送される（図３（ｔ３）参照）。一方で、ＰＤ２１に蓄積された電荷が第１ＦＤ電荷量ＱFMAX1を超えるＱFMAX1＋ＱOFである場合（図４（ｔ２）参照）、電荷ＱOF（図４（ｔ３）参照）については、ＣFD／（ＣFD＋ＣPD）を乗じた電荷ＱOF1がＦＤ２２に転送される（図４（ｔ４）参照）。
【００４１】
ｔ４のタイミングで第２ＳＨ信号線ΦSHDにＯＮ信号が流され、ＦＤ２２に電荷が転送された状態において増幅トランジスタ２５から出力される出力信号である受光電気信号が第２ＳＨコンデンサＣDにサンプルホールドされる。
【００４２】
ｔ５のタイミングで転送信号線ΦTとリセット信号線ΦRにＯＮ信号を流して、転送トランジスタ２３及びリセットトランジスタ２４とを導通することにより、ＦＤ２２がリセットされる。同時に、ｔ３のタイミングでＦＤ２２に転送されずにＰＤ２１に蓄積されたままの電荷（図４（ｔ４）参照）も電源線２７に掃出されてリセットされる。
【００４３】
ｔ６のタイミングで列選択トランジスタ１７のゲートにＯＮ信号が流され、リセットされた状態の出力信号と電荷が転送された状態の出力信号の差分が画素信号として生成され、水平読出し線１４に出力される。
【００４４】
以上のように、ＦＤ２２をリセットした状態で出力信号をサンプルホールドした後に、電荷がＦＤ２２に転送された状態で出力信号をサンプルホールドしてその差分を画素信号として読み出すので、リセット・ノイズを十分に除去することが可能である。
【００４５】
水平読出し線１４から読み出された画素信号は信号処理回路４１に出力される。ＰＤ２１に発生した電荷が第１ＦＤ電荷量ＱFMAX1より大きい場合に出力される画素信号ＶPIXは、信号処理回路４１において高出力領域であると認識される。小さい場合は、信号処理回路４１において低出力領域であると認識される。従って、信号処理回路４１に出力された画素信号から以下のように受光量が認識される。
【００４６】
画素信号である電圧ＶPIXが第１電位差ΔＶ、すなわち高出力領域と低出力領域の切替え電圧ＶTHRより大きいか、小さいかによって、ＰＤ２１において発生した電荷Ｑの算出式が変わる。従って、画素信号である電圧ＶPIXが切替え電圧ＶTHRより大きいか、小さいかに基づいて電荷Ｑが算出され、算出される電荷に基づいて受光量が認識される。
【００４７】
画素信号である電圧ＶPIXが切替え電圧ＶTHRより小さい場合に属する低出力領域では、従来のＣＭＯＳ固体撮像素子と同様に、画素信号に相当する電圧ＶPIX、及びＦＤ２２の容量ＣFDに基づいてＰＤ２１において発生した電荷が算出される。即ち、Ｑ＝ＶPIX×ＣFDの関係式により算出される。
【００４８】
一方、画素信号に相当する電圧ＶPIXが切替え電圧ＶTHRより大きい場合である高出力領域では、従来のＣＭＯＳ固体撮像素子と異なり、画素信号に相当する電圧ＶPIX、ＦＤ２２の容量ＣFD、及びＰＤ２１の容量ＣPDに基づいてＰＤ２１において発生した電荷Ｑが算出される。即ち、Ｑ＝ＶPIX×（ＣFD＋ＣPD）の関係式により算出される。
【００４９】
出力電圧である画素信号とＰＤ２１の受光量の関係を図６に示す。画素信号に相当する電圧ＶPIXは受光量に応じて大きくなるが、第１ＦＤ電荷量ＱFMAX1に対応する切替え受光量よりＰＤ２１の受光量が大きいか、小さいかによりその傾きが変わる。
【００５０】
受光量が切替え受光量より小さい範囲では、ＰＤ２１に発生する電荷が少なくＦＤ２２に全量転送されるので受光量‐画素信号曲線の傾きが大きい。従って、受光量が小さく十分な感度が必要な範囲では、電荷の変化に対する画素信号の変化を大きくして、感度を高く維持することが可能である。
【００５１】
一方で、受光量が大きく、切替え受光量を超える範囲では、第１ＦＤ電荷量ＱFMAX1を超える量の電荷に１／１１（＝ＣFD／（ＣFD＋ＣPD））を乗じた量に圧縮されて転送されるため、受光量‐画素信号曲線の傾きが小さくなる。従って、受光量が大きく、受光量が小さい時に比べて感度を高くする必要がない範囲では、電荷の変化に対する画素信号の変化を小さくして、感度を落として大きな範囲の受光量を検出することが可能である。
【００５２】
従来の構成のＣＭＯＳ固体撮像素子においては、駆動電源の電位ＶDDとＰＤにおける最大の電位ＶPMAXの電位差ΔＶの範囲に相当する受光量の範囲が、ＰＤにおいて検出し得る受光量である。一方で、本実施形態によれば、ΔＶの範囲を超えて受光量を検出できるだけでなく、切替え電圧を超えると受光量‐画素信号曲線の傾きが小さくなるため、検出可能な受光量の範囲が大きくなる。
【００５３】
以上の様に、本実施形態を適用した撮像装置によれば、ＦＤの容量を大きくすること無く、ＰＤの容量のみを大きくして、ダイナミックレンジを広くすることが可能であると同時に、リセット・ノイズの十分な除去も可能である。
【００５４】
なお、本実施形態において、ＰＤ２１の容量ＣPDをＦＤ２２の容量ＣFDの１０倍としたが、１を超える何倍であっても本実施形態と同様の効果を有する。目的に応じて感度を高くする必要のある受光量の範囲によりＰＤ２１の容量ＣPDは定められる。
【００５５】
また、本実施形態において、各画素に設けられたトランジスタ２３、２４、２５、２６、および列選択トランジスタ１７はｎチャンネル型であるが、ｐチャンネル型であってもよい。ただし、ｐチャンネル型である場合は、各トランジスタ２３、２４、２５、２６、および１７の接続において電圧の高低を入れ替える必要がある。
【００５６】
また、本実施形態において、撮像面における画素の配列はマトリックス状であるが、２次元状のいかなる配列であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の一実施形態を適用した撮像装置の全体構成を模式的に示した図である。
【図２】撮像素子の画素の構成を示す回路図である。
【図３】画素における信号電荷の遷移を説明するためのポテンシャル図であって、ＰＤに蓄積された電荷が第１ＦＤ電荷量より小さい場合のポテンシャル図である。
【図４】画素における信号電荷の遷移を説明するためのポテンシャル図であって、ＰＤに蓄積された電荷が第１ＦＤ電荷量より大きい場合のポテンシャル図である。
【図５】画素における動作を示すタイミングチャートである。
【図６】ＣＤＳ／ＳＨ回路から出力される出力電圧とフォトダイオードにおける受光量の関係を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０  ＣＭＯＳ固体撮像素子
１１  撮像部
１５  垂直読出し線
１７  列選択トランジスタ
２０  画素
２１  フォトダイオード（ＰＤ）
２２  フローティングディフュージョン（ＦＤ）
２３  転送トランジスタ
２４  リセットトランジスタ
２５  増幅トランジスタ
２６  行選択トランジスタ
２７  電源線
３０  相関二重サンプリング／サンプルホールド（ＣＤＳ／ＳＨ）回路
４０  撮像装置
４１  信号処理回路
ΦT  転送信号線
ΦR  リセット信号線
ΦSR  行選択信号線
ΦSHP  第１ＳＨ信号線
ΦSHD  第２ＳＨ信号線
【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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