(57)【要約】  【課題】  本発明は、入射光量に対して線形的に変化する電気信号と対数的に変化する電気信号とを得ることが可能な固体撮像装置において、線形特性、対数特性のいずれの特性を示す領域においても、応答性が良く、良好なＳ／Ｎ比を示す固体撮像装置を提供することを目的とする。  【解決手段】  本発明の固体撮像装置は、キャパシタＣ１で積分された信号を出力するためのＭＯＳトランジスタＴ５と、キャパシタＣ１で積分動作が施されない信号を出力するためのＭＯＳトランジスタＴ３とが出力信号線６に接続される構成であり、線形動作時はＭＯＳトランジスタＴ３からの出力信号を選択して出力し、対数動作時時はＭＯＳトランジスタＴ５からの出力信号を選択して出力する。【選択図】      図２
2006060574.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光量に対して線形的に変化する電気信号と入射光量に対して対数的に変化する電気信号とを発生し得る光電変換部と、前記光電変換部で発生した電気信号に基づいた信号を出力する出力信号線とを備える固体撮像装置において、
前記光電変換部で発生する電気信号に基づく第１電気信号を生成するとともに、該第１電気信号を前記出力信号線に導く第１導出回路と、
前記第１電気信号に対して積分動作を施す積分回路と、
前記積分回路での積分結果に基づく第２電気信号を生成するとともに、該第２電気信号を前記出力信号線に導く第２導出回路と、を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記光電変換部が、
入射する光を受光する感光素子と、
前記感光素子からの光電流が供給されるとともに、前記感光素子に入射される入射光量が所定値以上になる又は所定値を超えるとサブスレッショルド領域で動作する第１トランジスタと、を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】
前記第１導出回路が、
前記光電変換部と前記出力信号線との電気的な接離を行う第１スイッチを有し、
該第１スイッチがＯＮとなるとき、前記第１電気信号を前記出力信号線に導くことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記第１導出回路が、
前記第１トランジスタからの出力信号を増幅するとともに、その出力側が前記第１スイッチに接続される第１増幅回路を有することを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記第１スイッチがＯＮとなることによって、前記積分回路がリセットされることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記第２導出回路が、
前記光電変換部と前記出力信号線との電気的な接離を行う第２スイッチを有し、
該第２スイッチがＯＮとなるとき、前記第２電気信号を前記出力信号線に導くことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記第２導出回路が、
前記積分回路からの出力信号を増幅するとともに、その出力側が前記第２スイッチに接続される第２増幅回路を有することを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記出力信号線に電気的に接続されて、前記第１導出回路から導かれる第１出力信号と、前記第２導出回路から導かれる第２出力信号とを選択的に出力する選択回路を有することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項９】
マトリクス配置された複数の画素を備え、各画素に前記光電変換部、前記第１導出回路、前記積分回路及び前記第２導出回路が含まれる請求項１〜請求項８のいずれかに記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射光量に対して線形的に変化する電気信号と入射光量に対して対数的に変化する電気信号とを得ることが可能な固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の固体撮像装置として、入射光量に対して線形的に変化する光電変換信号を生成する線形変換動作と、入射光量に対して対数的に変化する光電変換信号を生成する対数変換動作とを切り換えることが可能なものがある（特許文献１参照）。このような、線形変換動作と対数変換動作を切換可能な固体撮像装置が備える一画素の回路構成について、図７を参照して説明する。
【０００３】
図７において、ｐｎフォトダイオードＰＤ１１が感光部を形成している。そのフォトダイオードＰＤ１１のアノードはＭＯＳトランジスタＴ１１のゲートおよびドレイン、ＭＯＳトランジスタＴ１２のゲートに接続されている。又、ＭＯＳトランジスタＴ１２のソースが、ＭＯＳトランジスタＴ１３のゲート、キャパシタＣ１１の一端に接続されている。ＭＯＳトランジスタＴ１３のソースがＭＯＳトランジスタＴ１４のドレインに接続されており、ＭＯＳトランジスタＴ１４のソースが出力信号線１６に接続される。
【０００４】
又、フォトダイオードＰＤ１１のカソード及びＭＯＳトランジスタＴ１３のドレインには直流電圧VPDが印加されており、ＭＯＳトランジスタＴ１１のソースには直流電圧VPSが印加されている。一方、ＭＯＳトランジスタＴ１２のドレインには信号φDが入力され、ＭＯＳトランジスタＴ１４のゲートには信号φVが入力され、キャパシタＣ１１の他端には信号φVPSが入力される。尚、ＭＯＳトランジスタＴ１１〜Ｔ１４はＮチャネルのＭＯＳトランジスタである。
【０００５】
ＭＯＳトランジスタＴ１１のリセット動作が行われた後、撮像動作が開始すると、フォトダイオードＰＤ１１への入射光量に対して線形的に、あるいは対数的に変化する電圧がＭＯＳトランジスタＴ１１のゲート及びＭＯＳトランジスタＴ１２のゲートに現れる。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ１２のゲート電圧に応じた正の電荷量が、キャパシタＣ１１に蓄積される。
【０００６】
このようにして、キャパシタＣ１１、ＭＯＳトランジスタＴ１２のソース、ＭＯＳトランジスタＴ１３のゲートとの接続ノードの電圧が、所定の入射光量を境に低輝度側では入射光量の積分値に比例した値となり（線形特性）、高輝度側では前記積分値の対数値に比例した値となる（対数特性）。そして、パルス信号φVを与えてＭＯＳトランジスタＴ１４をＯＮにしたとき、前記入射光量の積分値に比例した又は前記積分値の対数値に比例した値となる電流が出力信号線１６に導出される。
【特許文献１】特開２００２−７７７３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のように、画素を構成する回路にキャパシタＣ１１を備えることにより、入射光量の積分値に比例した値あるいはその対数値に比例した値となる出力値が出力信号線１６から得られるため、光源の変動成分や高周波のノイズがキャパシタＣ１１の積分動作によって消去されてＳ／Ｎ比が向上する。
【０００８】
しかしながら、ＭＯＳトランジスタＴ１１が線形特性を示す領域で動作している場合、フォトダイオードＰＤ１１で発生する光電荷の積分値に比例した電圧がトランジスタＴ１２のゲートに発生するため、キャパシタＣ１１で積分動作が行われると、実質的に二重に積分動作が行われることになり、応答性が悪化するという問題がある。
【０００９】
一方、ＭＯＳトランジスタＴ１１が対数特性を示す領域で動作している場合、フォトダイオードＰＤ１１で発生する光電荷の対数値に比例した電圧がＭＯＳトランジスタＴ１２のゲートに発生するため、キャパシタＣ１１によって積分動作を施さない場合、フォトダイオードＰＤ１１で発生する光電荷の変動に応じて、出力信号線１６に与える出力信号が変動してしまう。
【００１０】
又、特許文献１に記載されるような従来の固体撮像装置では、撮像時に被写体の明るさによって対数変換動作か線形変換動作のどちらかに固定される。従って、入射光量に対して線形的に変化する信号か対数的に変化する信号かのどちらかに統一された信号を後で利用したい場合等においては、信号の変換が必要となり、必然的にＳ／Ｎ比の低下を招くという問題がある。
【００１１】
上記の課題を解決するため、本発明は、線形特性、対数特性のいずれの特性を示す領域においても、応答性が良く、良好なＳ／Ｎ比を示す固体撮像装置を提供することを目的とする。又、本発明は、入射光量に対して線形的に変化する信号と対数的に変化する信号の両方を同時に得ることができる新規かつ有用な固体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】
【００１２】
上記目的を達成すべく、本発明の固体撮像装置は、入射光量に対して線形的に変化する電気信号と入射光量に対して対数的に変化する電気信号とを発生し得る光電変換部と、前記光電変換部で発生した電気信号に基づいた信号を出力する出力信号線とを備える固体撮像装置であって、前記光電変換部で発生する電気信号に基づく第１電気信号を生成するとともに、該第１電気信号を前記出力信号線に導く第１導出回路と、前記第１電気信号に対して積分動作を施す積分回路と、前記積分回路での積分結果に基づく第２電気信号を生成するとともに、該第２電気信号を前記出力信号線に導く第２導出回路と、を有することを特徴とする。
【００１３】
このように構成されるとき、更に前記光電変換部が、入射する光を受光する感光素子と、前記感光素子からの光電流が供給されるとともに、前記感光素子に入射される入射光量が所定値以上になるとサブスレッショルド領域で動作する第１トランジスタと、を有する構成としても構わない。
【００１４】
このとき、前記所定値以上又は所定値を超える光量が前記感光素子に入射されると、前記第１トランジスタがサブスレッショルド領域で動作して、前記光電変換部からは入射光量に対して対数的に変化する電気信号が出力される。一方、前記感光素子に入射される光量が前記所定値を下回る又は所定値以下の場合は、前記第１トランジスタがサブスレッショルド領域外であるため、入射光量に対して線形的に変化した電気信号が出力される。
【００１５】
又、前記第１導出回路が、前記光電変換部と前記出力信号線との電気的な接離を行う第１スイッチを有し、該第１スイッチがＯＮとなるとき、前記第１電気信号を前記出力信号線に導くものとしても構わない。このとき、更に、該第１スイッチの入力側に、前記第１トランジスタからの出力信号を増幅する第１増幅回路を設ける構成としても構わない。
【００１６】
このように構成することで、前記第１電気信号を前記出力信号線に出力するタイミングを確実に制御することが可能となる。又、前記第１トランジスタからの出力信号が微少である場合にも、前記第１増幅回路によって当該出力信号を増幅させた後に前記出力信号線から出力させることができるため、最終的に得られる画像の鮮明度が向上する。
【００１７】
又、前記第１スイッチがＯＮとなることによって、前記積分回路がリセットされる構成としても構わない。このとき、前記第１スイッチが、前記第１電気信号を前記出力信号線に出力するタイミングの制御機能と、前記積分回路のリセット機能とを兼ねる構成となるため、回路構成素子数を少なくする効果がある。
【００１８】
又、前記第２導出回路が、前記光電変換部と前記出力信号線との電気的な接離を行う第２スイッチを有し、該第２スイッチがＯＮとなるとき、前記第２電気信号を前記出力信号線に導く構成としても構わない。このとき、更に、該第２スイッチの入力側に、前記積分回路からの出力信号を増幅する第２増幅回路を設ける構成としても構わない。
【００１９】
このように構成することで、前記第２電気信号を前記出力信号線に出力するタイミングを確実に制御することが可能となる。又、前記積分回路からの出力信号が微少である場合にも、前記第２増幅回路によって当該出力信号を増幅させた後に前記出力信号線から出力させることができるため、最終的に得られる画像の鮮明度が向上する。
【００２０】
又、前記出力信号線に電気的に接続されて、前記第１導出回路から導かれる第１出力信号と、前記第２導出回路から導かれる第２出力信号とを選択的に出力する選択回路を有し、前記選択回路が、前記第１出力信号の出力値又は前記第２出力信号の出力値の少なくとも一方の値に基づいて該選択回路から出力する信号を選択する構成としても構わない。
【００２１】
このとき、前記第１トランジスタがサブスレッショルド領域で動作を行い、前記光電変換部から入射光量に対して対数的に変化した電気信号が出力される状況下においては、前記選択回路が第２出力信号を選択するものとし、前記第１トランジスタがサブスレッショルド領域外で動作を行い、前記光電変換部から入射光量に対して線形的に変化した電気信号が出力される状況下においては、前記選択回路が第１出力信号を選択するものとしても構わない。
【００２２】
このように前記選択回路が第１出力信号又は第２出力信号を選択することにより、前記第１トランジスタがサブスレッショルド領域外で動作を行っている場合は、光電変換部から出力される電気信号は入射光量の積分値に応じた値となるため、前記積分回路で積分動作がされていない第１出力信号を選択して実質的に二重積分が施されることを回避するとともに、応答性の高い出力信号を得ることができる。又、前記第１トランジスタがサブスレッショルド領域で動作を行っている場合は、光電変換部から出力される電気信号は入射光量の対数値に比例する電圧であり、入射光量の変動や高周波ノイズ等に応じて電圧値が逐次変動するため、前記積分回路で積分動作が施された第２出力信号を選択して光源の変動成分や高周波のノイズが積分回路で消去されてＳ／Ｎ比の向上した出力信号を得ることができる。
【００２３】
尚、光電変換部が有する第１トランジスタをＮチャネル又はＰチャネルのＭＯＳトランジスタとしても構わないし、第１増幅回路、第２増幅回路、第１スイッチ、第２スイッチの各々が、Ｎチャネル又はＰチャネルのＭＯＳトランジスタで構成されるものとしても構わない。更に積分回路が、キャパシタで構成されるものとしても構わない。このとき、第１スイッチ、第２スイッチを構成するＭＯＳトランジスタの制御電極には、それぞれ電圧値が変動する第１直流電圧信号、第２直流電圧信号が入力されるものとしても構わない。
【００２４】
又、本発明の固体撮像装置は、マトリクス配置された複数の画素を備え、各画素に前記光電変換部、前記第１導出回路、前記積分回路及び前記第２導出回路が含まれる構成としても構わない。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の固体撮像装置によれば、積分回路で積分動作が行われた信号と積分動作が行われない信号の２種類の信号を得ることができるため、光電変換部が線形的に変化する信号を発生する動作領域で動作するときは積分回路で積分動作が行われない第１電気信号を出力信号とし、光電変換部が対数的に変化する信号を発生する動作領域で動作するときは積分回路で積分動作が行われた第２電気信号を出力信号とすれば、光電変換部が前記いずれの動作領域で動作する場合においても、応答性が良く、良好なＳ／Ｎ比を示す出力信号を得ることができる。
【００２６】
又、本発明の固体撮像装置によれば、第１導出回路から入射光量に対して線形的に変化する信号と入射光量に対して対数的に変化する信号の一方を、第２導出回路から他方の信号を出力信号線に導くようにすることで、両方の信号を同時に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
＜第１の実施形態＞
（１．撮像装置の構成例）
本発明の第１の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の固体撮像装置１の一部の構成を概略的に示すブロック図である。
【００２８】
固体撮像装置１は、図１に示すように、行列配置された画素G11〜Gmnより構成される。２は垂直走査回路であり、ライン４−１、４−２、・・・、４−ｎを順次走査していく。３は水平走査回路であり、画素から出力信号線６−１、６−２、・・・６−ｍに導出された光電変換信号を水平方向に走査して順次読み出す。５は電源ラインである。各画素に対し、上記ライン４−１、４−２、・・・、４−ｎや出力信号線６−１、６−２、・・・、６−ｍ、電源ライン５だけでなく、他のライン（例えばクロックラインやバイアス供給ライン等）も接続されるが、図１ではこれらについて省略する。
【００２９】
又、出力信号線６−１〜６−ｍのそれぞれには、定電流源７−１〜７−ｍが接続されるとともに、出力信号線６−１〜６−ｍのそれぞれを介して与えられる画素G11〜Gmnから与えられる画像信号とノイズ信号をサンプルホールドする選択回路８−１〜８−ｍが設けられる。そして、補正回路９に選択回路８−１〜８−ｍから画像信号及びノイズ信号が順に送出されると、この補正回路９で補正処理が行われてノイズ除去された画像信号が外部に出力される。尚、定電流源７−１〜７−ｍの一端に直流電圧V1が印加される。
【００３０】
このような固体撮像装置１において、画素Gab（ａは１≦ａ≦ｍを満たす自然数、ｂは１≦ｂ≦ｎを満たす自然数）からの出力となる画像信号及びノイズ信号が、それぞれ、出力信号線６−ａを介して出力される。そして、画素Gabから出力された画像信号及びノイズ信号が順番に選択回路８−ａに送出されるとともに、この選択回路８−ａにおいて、送出された画像信号及びノイズ信号がサンプルホールドされる。その後、選択回路８−ａよりサンプルホールドされた画像信号が補正回路９に送出される。補正回路９では、選択回路８−ａより与えられた画像信号を同じく選択回路８−ａより与えられたノイズ信号に基づいて補正処理して、ノイズ除去した画像信号を出力する。
【００３１】
（２．画素の回路構成）
このように構成される固体撮像装置１の各画素Gabの回路構成について図面を参照して説明する。図２は、本実施形態の固体撮像装置１に設けられた画素の構成を示す回路図である。
【００３２】
図２において、ｐｎフォトダイオードＰＤが感光部を形成している。そのフォトダイオードＰＤのアノードには直流電圧VPSが印加されるとともに、フォトダイオードＰＤのカソードはＭＯＳトランジスタＴ１のソース及びＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに接続されている。又、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲートには信号φVPGが入力され、ＭＯＳトランジスタＴ１のドレインには信号φVPDが入力される。
【００３３】
一方、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースは、キャパシタＣ１の一端、ＭＯＳトランジスタＴ３のドレイン、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲートに接続される。又、ＭＯＳトランジスタＴ２、Ｔ４のドレイン及びキャパシタＣ１の他端には直流電圧VPSが印加され、ＭＯＳトランジスタＴ３のゲートには信号φRSが入力される。又、ＭＯＳトランジスタＴ４のソースがＭＯＳトランジスタＴ５のドレインに接続され、ＭＯＳトランジスタＴ５のゲートには信号φVが入力される。そして、ＭＯＳトランジスタＴ３、Ｔ５のソースが出力信号線６に接続される。
【００３４】
即ち、図２に示すように、本実施形態の画素の回路構成は、ＭＯＳトランジスタＴ３及びＭＯＳトランジスタＴ５の２つのＭＯＳトランジスタが出力信号線６に接続される構成であり、２種類の信号（具体的には図２に示すＮ１及びＮ２の電圧）が出力信号線６に出力される構成である。
【００３５】
尚、信号φVPGは２値の電圧信号であり、入射光量が所定値を超えたときにＭＯＳトランジスタＴ１をサブスレッショルド領域で動作させるための電圧をVaとし、又、この電圧値よりも高くＭＯＳトランジスタＴ１を導通状態にしてソース端子の電圧を初期化するための電圧をVbとする。又、信号φVPDは２値の電圧信号であり、高い方は前記Vb以上の電圧、低い方は前記Va以下の電圧である。このような構成の画素の動作について以下に説明する。
【００３６】
図３に示すタイミングチャートのように、撮像終了後にLowレベルのパルス信号φVがＭＯＳトランジスタＴ５のゲートに与えられて出力信号が読み出されると、信号φVをHighレベルにしてＭＯＳトランジスタＴ５をＯＦＦにする。又、Lowレベルのパルス信号φRSがトランジスタＴ３のゲートに与えられて出力信号（Ｎ１の電圧）が読み出されると、信号φRSをHighレベルにしてＭＯＳトランジスタＴ３をＯＦＦにする。そして、信号φVPDをLowレベルとしてＭＯＳトランジスタＴ１のリセット動作を行う。尚、このとき信号φVPGはVaである。このようにすることで、ＭＯＳトランジスタＴ１のドレイン、ゲート下領域、ソースがこの信号φVPDのLowレベルに応じたポテンシャルとなる。その後、信号φVPDをHighレベルに戻すと、ＭＯＳトランジスタＴ１のドレインが信号φVPDのHighレベルに応じたポテンシャルとなるとともに、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲート下領域及びソースが、信号φVPGの電圧値Vaに応じたポテンシャルとなる。
【００３７】
更にこの状態から、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲートに与える信号φVPGの電圧値をVaからVbに切り換えることによって、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲート下領域及びソースが、信号φVPGの電圧値Vbに応じたポテンシャルとなる。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに現れる電圧が、後段の定電流源７とともにソースフォロワアンプを構成するＭＯＳトランジスタＴ２で電流増幅されたドレイン電流がキャパシタＣ１に流れて、キャパシタＣ１に蓄電される。
【００３８】
このとき、まずＭＯＳトランジスタＴ５のゲートに入力される信号φVをLowレベルにしてＭＯＳトランジスタＴ５を導通させる。これによって、キャパシタＣ１とＭＯＳトランジスタＴ２のソースとの接続ノードに接続されるＭＯＳトランジスタＴ４のゲートに現れる電圧が、後段の定電流源７とともにソースフォロワアンプを構成するＭＯＳトランジスタＴ４で電流増幅されて、ＭＯＳトランジスタＴ５を介して出力信号線６に出力信号として出力される。又、出力される出力信号を読み出して選択回路８に格納する。
【００３９】
次に、ＭＯＳトランジスタＴ５のゲートに入力される信号φVをHighレベルにしてＭＯＳトランジスタＴ５をＯＦＦにした後、ＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに入力される信号φRSをLowレベルにする。これによって、ＭＯＳトランジスタＴ３が導通状態となり、キャパシタＣ１とＭＯＳトランジスタＴ２との接続ノードＮ２の電圧が、既にリセットされているＭＯＳトランジスタＴ１に接続されているＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧に応じた電圧となり、初期化される。そして、信号φRSを再びHighレベルにしてＭＯＳトランジスタＴ３をＯＦＦに戻す。
【００４０】
このようにキャパシタＣ１とＭＯＳトランジスタＴ２との接続ノードＮ２の電圧の初期化を行った後、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲートに与える電圧をVbからVaに切り換えることによって、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲート下領域が信号φVPGの電圧値Vaに応じたポテンシャルとなり、ＭＯＳトランジスタＴ１のソースの電位がＭＯＳトランジスタＴ１のゲート下領域の電位に比べて高くなる。このように、信号φVPD、信号φVPGが動作されることによって、ＭＯＳトランジスタＴ１のポテンシャル状態がリセットされる。
【００４１】
信号φVPGをVaとして次の撮像動作が開始すると、フォトダイオードＰＤより入射光量に応じた光電荷がＭＯＳトランジスタＴ１に流れ込む。このとき、信号φVPGの電圧値がVaであるため、ＭＯＳトランジスタＴ１はカットオフ状態であり、光電荷はＭＯＳトランジスタＴ１のソースに蓄積される。よって、撮像する被写体の輝度が低く、フォトダイオードＰＤに入射される入射光量が少ない場合は、ＭＯＳトランジスタＴ１のソースに蓄積された光電荷量に応じた電圧がＭＯＳトランジスタＴ１のソースに現れるため、入射光量の積分値に比例した電圧がＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに現れる。尚、このときフォトダイオードＰＤで発生する光電荷は負の電荷であるため、強い光が入射されるほどＭＯＳトランジスタＴ１のソース電圧が低くなる。
【００４２】
又、撮像する被写体の輝度が高くフォトダイオードＰＤに入射される入射光量が多く、ＭＯＳトランジスタＴ１のソースに蓄積された光電荷量に応じた電圧が低くなると、ＭＯＳトランジスタＴ１がサブスレッショルド領域で動作を行うため、入射光量の対数値に比例した電圧がＭＯＳトランジスタＴ１のソースに現れる。即ち、入射光量の対数値に比例した電圧がＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに現れる。
【００４３】
このようにして入射光量の積分値に比例した電圧又は入射光量の対数値に比例した電圧がＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに現れると、この電圧がＭＯＳトランジスタＴ２で電流増幅されたドレイン電流がキャパシタＣ１に流れて、キャパシタＣ１に蓄電される。よって、キャパシタＣ１とＭＯＳトランジスタＴ２のソースとの接続ノードＮ２の電圧が、入射光量の積分値に比例した電圧又は入射光量の対数値に比例した電圧を更に積分した値となる。
【００４４】
撮像の終了時に、ＭＯＳトランジスタＴ５のゲートに入力されるパルス信号φVをLowレベルにする。これにより、Ｎ２の電圧が、ＭＯＳトランジスタＴ４で電流増幅されて、ＭＯＳトランジスタＴ５を介して出力信号線６に出力信号Ｓ１として出力される。又、この出力信号Ｓ１の出力値が、後段の選択回路８によって記憶される。尚、この出力信号Ｓ１は、キャパシタＣ１で一旦積分された電圧値に基づく信号であるため、光源の変動成分や高周波のノイズがキャパシタＣ１で積分が行われることで除去されており、Ｓ／Ｎ比の良好な信号である。
【００４５】
このようにして出力信号Ｓ１を読み出した後、ＭＯＳトランジスタＴ５のゲートに入力されるパルス信号φVを再びHighレベルにして、ＭＯＳトランジスタＴ５をカットオフ状態にする。そして、ＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに入力されるパルス信号φRSをLowレベルにする。これにより、キャパシタＣ１に蓄電された電荷が放電されて、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧に応じた電流がＭＯＳトランジスタＴ２よりＭＯＳトランジスタＴ３を介して出力信号線６に流れる。よって出力信号線６には、Ｎ１の電圧に応じた電圧信号が現れる。即ち、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに現れる入射光量の積分値に比例した電圧又は入射光量の対数値に比例した電圧が、ＭＯＳトランジスタＴ２で電流増幅されて、ＭＯＳトランジスタＴ３を介して出力信号線６に出力信号Ｓ２として出力される。又、この出力信号Ｓ２の出力値が、後段の選択回路８によって記憶される。尚、この出力信号Ｓ２は、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに現れる電圧に比例した出力値を示し、キャパシタＣ１による積分動作が施されていない信号である。
【００４６】
上述のように、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲートに入力される信号φVPGの電圧値がVaであるとき、フォトダイオードＰＤに入射される入射光量が所定値を超えるとＭＯＳトランジスタＴ１はサブスレッショルド領域で動作する（対数変換動作領域）。即ち、入射光量の対数値に比例した電圧がＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに発生する。一方、フォトダイオードＰＤに入射される入射光量がこの所定値以下である場合は、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに蓄積された光電荷量に応じた電圧がＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに現れるため、入射光量の積分値に比例した電圧がＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに現れる（線形変換動作領域）。
【００４７】
更にこの状態から、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲートに与える信号φVPGの電圧値をVaからVbに切り換えることによって、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲート下領域及びソースが、信号φVPGの電圧値Vbに応じたポテンシャルとなる。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに現れる電圧が、後段の定電流源７とともにソースフォロワアンプを構成するＭＯＳトランジスタＴ２で電流増幅されたドレイン電流がキャパシタＣ１に流れて、キャパシタＣ１に蓄電される。
【００４８】
このとき、まずＭＯＳトランジスタＴ５のゲートに入力される信号φVをLowレベルにしてＭＯＳトランジスタＴ５を導通させる。これによって、キャパシタＣ１とＭＯＳトランジスタＴ２のソースとの接続ノードに接続されるＭＯＳトランジスタＴ４のゲートに現れる電圧が、後段の定電流源７とともにソースフォロワアンプを構成するＭＯＳトランジスタＴ４で電流増幅されて、ＭＯＳトランジスタＴ５を介して出力信号線６に出力信号として出力される。又、出力される出力信号を読み出して選択回路８に格納する。この信号は、ＭＯＳトランジスタＴ１をリセットしたときにキャパシタＣ１に現れる電圧信号に比例するものであり、ＭＯＳトランジスタＴ５を介して出力信号線６に出力される信号を読み出すときのバラツキ補正用ノイズ信号ＳＣ１として記憶される。
【００４９】
次に、ＭＯＳトランジスタＴ５のゲートに入力される信号φVをHighレベルにしてＭＯＳトランジスタＴ５をＯＦＦにした後、ＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに入力される信号φRSをLowレベルにする。これによって、ＭＯＳトランジスタＴ３が導通状態となり、キャパシタＣ１とＭＯＳトランジスタＴ２との接続ノードＮ２の電圧が、既にリセットされているＭＯＳトランジスタＴ１に接続されているＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧に応じた電圧となり、初期化される。又、このとき、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに現れる電圧が、ＭＯＳトランジスタＴ２で電流増幅されて、ＭＯＳトランジスタＴ３を介して出力信号線６に出力信号として出力される。又、出力される出力信号を読み出して選択回路８に格納する。この信号は、ＭＯＳトランジスタＴ１をリセットしたときにＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに現れる電圧信号に比例するものであり、ＭＯＳトランジスタＴ３を介して出力信号線６に出力される信号を読み出すときのバラツキ補正用ノイズ信号ＳＣ２として記憶される。バラツキ補正用ノイズ信号ＳＣ２を読み出した後、信号φRSを再びHighレベルにしてＭＯＳトランジスタＴ３をＯＦＦに戻す。
【００５０】
このようにキャパシタＣ１とＭＯＳトランジスタＴ２との接続ノードの電圧の初期化を行った後、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲートに与える電圧をVbからVaに切り換えることによって、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲート下領域が信号φVPGの電圧値Vaに応じたポテンシャルとなり、ＭＯＳトランジスタＴ１のソースの電位がＭＯＳトランジスタＴ１のゲート下領域の電位に比べて高くなる。このように、信号φVPD、信号φVPGが動作されることによって、ＭＯＳトランジスタＴ１のポテンシャル状態がリセットされる。
【００５１】
このとき、補正回路９は、ＭＯＳトランジスタＴ１が対数変換動作を行っている場合は出力信号としてＳ１を採用するとともに、バラツキ補正用ノイズ信号ＳＣ１に基づいて補正演算を行って補正後の信号Ｓ１’を得る。又、ＭＯＳトランジスタＴ１が線形変換動作を行っている場合は出力信号としてＳ２を採用するとともに、バラツキ補正用ノイズ信号ＳＣ２に基づいて補正演算を行って補正後の信号Ｓ２’を得る。
【００５２】
このように構成することにより、ＭＯＳトランジスタＴ１が線形変換動作を行っている場合は、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに現れる電圧が入射光量の積分値に応じた値であるため、キャパシタＣ１によって積分動作が施されていない出力信号Ｓ２に基づいて出力値を算出することで、線形変換動作時にキャパシタＣ１によって積分されることによって実質的に二重積分が施されることを回避することができる。このため、従来の回路構成の場合と比較して応答性の高い出力信号が得られる。
【００５３】
又、ＭＯＳトランジスタＴ１が対数変換動作を行っている場合は、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに現れる電圧が入射光量の対数値に比例した電圧であり、入射光量の変動や高周波ノイズ等に応じて電圧値が逐次変動する。従って、キャパシタＣ１によって積分動作が施された出力信号Ｓ１に基づいて出力値を算出することで、光源の変動成分や高周波のノイズがキャパシタＣ１の積分動作によって消去されてＳ／Ｎ比の向上した出力信号が得られる。
【００５４】
即ち、図２に示す本実施形態の回路構成によれば、図７に示す従来の回路構成と比較して、 応答性が良く、良好なＳ／Ｎ比を示す固体撮像装置を実現することが可能となる。
【００５５】
尚、撮像時にＭＯＳトランジスタＴ１が線形動作領域か対数動作領域かのいずれの動作領域を示していたかに応じて、信号Ｓ１と信号Ｓ２のいずれの信号に基づいて補正回路９が出力値を算出するかを判断する際、予め補正回路９に与えられる所定値と出力値を比較して選択するものとしても構わない。例えば、信号Ｓ１の出力値が所定値ｄ１より低い（又はｄ１以下の）場合に信号Ｓ１を採用し、信号Ｓ１の出力値が当該所定値ｄ１より高い（又はｄ１以上の）場合には信号Ｓ２を採用するものとしても構わない。又、信号Ｓ２の出力値が所定値ｄ２より高い（又はｄ２以上の）場合に信号Ｓ２を採用し、信号Ｓ２の出力値が当該所定値ｄ２より低い（又はｄ２以下の）場合には信号Ｓ１を採用するものとしても構わない。又、選択回路８において予め信号Ｓ１と信号Ｓ２のいずれを出力信号として採用するかを選択するとともに、選択された一方の信号のみを補正回路９に送出するものとしても構わない。更には、この選択回路８、補正回路９の動作が固体撮像装置１の外部で行われるものとしても構わない。
【００５６】
又、上述の動作説明において、本実施形態の画素回路は、ＭＯＳトランジスタＴ５からの出力信号を読み出した後、ＭＯＳトランジスタＴ３からの出力信号を読み出すものとしたが、この順序に限られるものではない。例えば、信号φRSをLowレベルにしてＭＯＳトランジスタＴ３から出力信号を読み出した後、信号φRSをHighレベルにしてＭＯＳトランジスタＴ３をＯＦＦにして、信号φVをLowレベルにしてＭＯＳトランジスタＴ５から出力信号を読み出すものとしても構わない。
【００５７】
＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態について、図面を参照して説明する。図４は、本実施形態の固体撮像装置１に設けられた画素の構成を示す回路図である。尚、図２に示す画素と同様の目的で使用される素子及び信号線などは、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００５８】
図４に示す画素の回路構成は、ＭＯＳトランジスタＴ１をＰチャネルＭＯＳトランジスタとするとともに、フォトダイオードＰＤのカソードがＭＯＳトランジスタＴ１のドレインとゲート及びＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに接続されており、ＭＯＳトランジスタＴ１のソースには信号φVPSが入力される構成となっている。又、信号φVPSは２値の電圧信号であり、入射光量が所定値を超えたときにＭＯＳトランジスタＴ１をサブスレッショルド領域で動作させるための電圧VLと、この電圧よりも高くＭＯＳトランジスタＴ１を導通状態にする電圧VHとで構成される。
【００５９】
図２においてはＭＯＳトランジスタＴ１のゲートに入力される信号φVPG及びＭＯＳトランジスタＴ１のドレインに入力される信号φVPDを変化させることでＭＯＳトランジスタＴ１の動作制御を行っていたのに対し、図４においてはＭＯＳトランジスタＴ１のソースに入力される信号φVPSを変化させることで動作制御を行う。このように、ＭＯＳトランジスタＴ１の動作制御を行うことで、線形変換動作から対数変換動作への変極点を変更することができる。その他の構成素子は図２と同一の接続関係を示しており、動作内容についても同一であるため詳細は省略する。
【００６０】
このように、感光素子であるフォトダイオードとフォトダイオードに電気的に接続されるＭＯＳトランジスタとで構成される光電変換部の回路構成は、図２に示す実施形態のみに限定されるものではなく、本実施形態のような他の構成であっても同様の効果が得られる。
【００６１】
＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態について、図面を参照して説明する。図５は、本実施形態の固体撮像装置１に設けられた画素の構成を示す回路図である。尚、図２、図３に示す画素と同様の目的で使用される素子及び信号線などは、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００６２】
図５に示す本実施形態の回路構成は、図２において、φVPDの代わりにＭＯＳトランジスタＴ１がサブスレッショルド領域で動作するような固定電圧VPDを与えるようにした以外は、図２と同じ回路構成である。本実施形態の回路構成によれば、フォトダイオードＰＤに入射光量に比例する信号電荷を蓄積するのと並列して、ＭＯＳトランジスタＴ１に対数変換動作を行わせてＭＯＳトランジスタＴ２及びキャパシタＣ１で構成される積分回路に入射光量の対数値に比例した信号を蓄積するため、同時刻に２種類の異なる信号を蓄積することができる。
【００６３】
図６は本実施形態の動作を表すタイミングチャートである。図６に示すように、撮像が完了した後に、φV、φRSを順次Highにして、Ｎ２の電圧とＮ１の電圧を順次出力信号６に読み出す。そして、φVPGをHighにしてトランジスタＴ１を導通状態としリセットした後、再度φV及びφRSをHighにしてノイズ信号を読み出す。
【００６４】
このように構成されるとき、出力信号線６には、積分回路によって積分動作が施された信号がＭＯＳトランジスタＴ５のソースから導かれ、又、積分回路によって積分動作が施されていない信号がＭＯＳトランジスタＴ３のソースから導かれる。従って、同時に２種類の信号を得ることができるため、例えば出力信号線６の後段に、これら２種類の信号の内の一方を選択するための選択回路を設けることで、目的に応じて好ましい信号を選択することが可能となる。
【００６５】
尚、図２、図４、図５に示すＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ５において、ＭＯＳトランジスタＴ２〜Ｔ５をＰチャネル、図２及び図５の構成におけるＭＯＳトランジスタＴ１をＮチャネル、図４の構成におけるＭＯＳトランジスタＴ１をＰチャネルとしたが、これに限られるものではない。又、各ＭＯＳトランジスタの極性を図２、図４、図５と異ならせた場合、変更したＭＯＳトランジスタの接続点における電圧の極性を正負反転させる回路構成にすることで、本発明の各実施形態と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】は、本発明の第１の実施形態の固体撮像装置の全体の構成を説明するためのブロック図である。
【図２】は、本発明の第１の実施形態の１画素の構成を示す回路図である。
【図３】は、本発明の第１の実施形態の画素の動作を示すタイミングチャートである。
【図４】は、本発明の第２の実施形態の１画素の構成を示す回路図である。
【図５】は、本発明の第３の実施形態の１画素の構成を示す回路図である。
【図６】は、本発明の第３の実施形態の画素の動作を示すタイミングチャートである。
【図７】は、従来の固体撮像装置の１画素の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
【００６７】
１    固体撮像装置
２    垂直走査回路
３    水平走査回路
４−１〜４−ｎ    ライン
５    電源ライン
６、６−１〜６−ｍ、１６    出力信号線
７−１〜７−ｍ    定電流源回路
８、８−１〜８−ｍ    選択回路
９    補正回路
Ｔ１〜Ｔ５、Ｔ１１〜Ｔ１４    ＭＯＳトランジスタ
Ｃ１、Ｃ１１    キャパシタ
ＰＤ、ＰＤ１１    フォトダイオード
【図１】
2006060574.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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