(57)【要約】【課題】ＳＮ比の向上とダイナミックレンジの拡大を同時に実現することができる固体撮像装置を提供する。【解決手段】固体撮像装置の構成として、入射光を光電変換して信号電荷を蓄積するフォトダイオードＰＤと、フォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷を転送する転送トランジスタ１１と、転送トランジスタ１２により転送された信号電荷を信号電圧に変換するフローティングディフュージョンＦＤと、フローティングディフュージョンＦＤに接続されたＭＯＳキャパシタ１４と、ＭＯＳキャパシタ１４に印加される電圧Ｖcapを制御する電圧制御部１５とを備え、ＭＯＳキャパシタ１４に印加されるキャパシタ電圧Ｖcapを電圧制御部１５でオンオフすることにより、フローティングディフュージョンＦＤの変換効率を可変制御し得る構成とした。【選択図】図２
2006148284.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を光電変換して信号電荷を蓄積する光電変換部と、
前記光電変換部に蓄積された前記信号電荷を転送する転送部と、
前記転送部により転送された前記信号電荷を信号電圧に変換する電荷電圧変換部と、
前記電荷電圧変換部の変換効率を可変制御する制御部と
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記電荷電圧変換部の容量を可変する手段を含む
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記転送部により転送された信号電荷を前記電荷電圧変換部で信号電圧に変換して読み出す際に、前記制御部により前記電荷電圧変換部の変換効率を第１の変換効率に設定して信号電圧を読み出す第１の読み出し動作と、前記第１の変換効率と異なる第２の変換効率に設定して信号電圧を読み出す第２の読み出し動作とを行う読み出し制御部を備える
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記電荷電圧変換部に接続されたキャパシタと、前記キャパシタに電圧を印加し且つ当該印加電圧を制御する電圧印加制御部とを有する
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記電荷電圧変換部の電位をリセットするリセット素子を有し、
前記電圧印加制御部により前記キャパシタへの印加電圧を相対的に低い電圧に設定した状態で、前記リセット素子により前記電荷電圧変換部の電位をリセットする
ことを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記リセット素子によるリセット後に、前記電圧印加制御部により前記キャパシタへの印加電圧を相対的に高い電圧に設定した状態で、前記転送部により前記信号電荷を前記電荷電圧変換部に転送する
ことを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置。
【請求項７】
入射光を光電変換して信号電荷を蓄積する光電変換部と、前記光電変換部に蓄積された前記信号電荷を転送する転送部と、前記転送部により転送された前記信号電荷を信号電圧に変換する電荷電圧変換部とを備える固体撮像装置の駆動方法であって、
前記光電変換部に蓄積された信号電荷を前記転送部により前記電荷電圧変換部に転送する転送工程と、
前記転送工程の後に、前記電荷電圧変換部の変換効率を第１の変換効率に設定した状態で、前記電荷電圧変換部の画素信号レベルを読み出す第１の画素信号読み出し工程と、
前記第１の画素信号読み出し工程の後に、前記電荷電圧変換部の変換効率を前記第１の変換効率と異なる第２の変換効率に設定した状態で、前記電荷電圧変換部の画素信号レベルを読み出す第２の画素信号読み出し工程と
を有することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項８】
前記第１の変換効率が前記第２の変換効率よりも低い
ことを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項９】
前記転送工程の前に、前記電荷電圧変換部の変換効率を前記第２の変換効率に設定した状態で、前記電荷電圧変換部のリセット信号レベルを読み出す第１のリセット信号読み出し工程と、
前記第１のリセット信号読み出し工程の後で且つ前記転送工程の前に、前記電荷電圧変換部の変換効率を前記第１の変換効率に設定した状態で、前記電荷電圧変換部のリセット信号レベルを読み出す第２のリセット信号読み出し工程と
を含むことを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１０】
前記第１の画素信号読み出し工程で読み出した画素信号レベルと前記第２のリセット信号読み出し工程で読み出したリセット信号レベルとの差分、及び、前記第２の画素信号読み出し工程で読み出した画素信号レベルと前記第１のリセット信号読み出し工程で読み出したリセット信号レベルとの差分のうちの少なくとも一方を演算する工程を含む
ことを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関し、特に増幅機能を持つ単位画素を備えた増幅型の固体撮像装置とその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＭＯＳイメージセンサに代表される増幅型の固体撮像装置の開発が活発化している。この種の固体撮像装置（例えば、特許文献１参照）では、ＭＯＳのデザインルールの縮小に伴って電源電圧の低電圧化が進み、その結果、フローティングディフュージョンの電位をリセットする際のリセット電圧が低くなってきている。本来、固体撮像装置においては、ＳＮ比の向上を図るうえで、信号の増幅を信号処理の前段で行うことが有利とされている。そのため、ＳＮ比を良好なものとするには、フローティングディフュージョンの容量を小さく抑えて、信号電荷を信号電圧に変換する際の変換効率を高くすることが望まれる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−６９４０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、フローティングディフュージョンの変換効率が高くなると（フローティングディフュージョンの容量が小さくなると）、それに応じて撮像の感度（センサ感度）が高くなるため、例えば強い光が固体撮像装置の撮像面に入射したときに、光電変換部に蓄積される信号電荷をフローティングディフュージョンに転送しきれなくなるという問題が生じる。また、仮に光電変換部からフローティングディフュージョンへの信号電荷の転送に成功したとしても、増幅トランジスタをソースフォロアとして動作させる場合には、増幅トランジスタのゲートに印加される電圧が過度に低くなってしまう。そのため、増幅トランジスタのソース側に設置される定電流源のドレインに十分な電圧が印加されず、定電流源は良好な動作をすることができず、ソースフォロアのリニアリティーが悪化するなどの影響が現れる。また、この対策として、光電変換部での飽和信号量を減少させると、輝度の高い部分のコントラストを確保できなくなる。そのため、従来においては、ＳＮ比の向上とダイナミックレンジの拡大を同時に実現することが困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る固体撮像装置は、入射光を光電変換して信号電荷を蓄積する光電変換部と、この光電変換部に蓄積された信号電荷を転送する転送部と、この転送部により転送された信号電荷を信号電圧に変換する電荷電圧変換部と、この電荷電圧変換部の変換効率を可変制御する制御部とを備えるものである。
【０００６】
本発明に係る固体撮像装置においては、光電変換部に蓄積された信号電荷を転送部によって電荷電圧変換部に転送した際に、電荷電圧変換部の変換効率を制御部で可変制御することにより、光電変換部から電荷電圧変換部に転送された信号電荷に対応する信号電圧を、電荷電圧変換部の変換効率を変えて読み出すことが可能となる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、光電変換部から電荷電圧変換部に転送された信号電荷に対応する信号電圧を、電荷電圧変換部の変換効率を変えて読み出すことができる。これにより、入射光量が少ない場合は、電荷電圧変換部の変換効率を相対的に高い状態にして信号電圧の読み出しを行い、入射光量が多い場合は、電荷電圧変換部の変換効率を相対的に低い状態にして信号電圧の読み出しを行うことにより、いずれの場合も適切な感度をもって撮像することができるとともに、同じ出力電圧の範囲内で、より広範囲の光量を表現することができる。よって、ＳＮ比の向上とダイナミックレンジの拡大を同時に実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の具体的な実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【０００９】
図１は本発明の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示す概略図である。図示した固体撮像装置は、例えばＣＭＯＳイメージセンサを構成するものであって、複数の画素１を二次元マトリクス状に配置した撮像領域２と、垂直選択駆動回路３と、列信号処理部４と、水平走査回路５と、タイミングジェネレータ６と、水平信号線７に出力された信号を処理する出力処理部８とを備えた構成となっている。
【００１０】
画素１の構成については後段で詳しく説明する。撮像領域２には複数の画素１とともに、各画素１の信号を垂直方向に読み出すための複数の垂直信号線（不図示）が形成されている。垂直選択駆動回路３は、撮像領域２の各画素１を一行ずつ選択して駆動するものである。撮像領域２の各画素１の信号は、一列毎に形成された垂直信号線（不図示）を通して列信号処理部４に取り込まれる。列信号処理部４は、垂直信号線を通して取り込まれた各画素１の信号を処理するもので、例えば負荷ＭＯＳトランジスタとサンプルホールド・ＣＤＳ(Correlated Double Sampling)回路を用いて構成される。サンプルホールド・ＣＤＳ回路は、垂直信号線１８に対して並列に並んで設けられるもので、１行分の信号をサンプルホールドし、ＣＤＳ処理を行い、電荷のかたちで保持する。
【００１１】
水平走査回路５は、各列の垂直信号線を通して読み出され且つ列信号処理部４で処理された各画素１の信号を、水平方向に順に選択走査して水平信号線７に導くものである。この水平走査回路５は、例えば、各列の垂直信号線に接続される複数の選択トランジスタと、当該複数の選択トランジスタを水平方向に順にオンするシフト回路とを用いて構成される。タイミングジェネレータ６は、垂直選択駆動回路３、列信号処理部４及び水平走査回路５に対して、所定周期の基準クロックに基づいて各部の動作に必要な各種のパルス信号を供給するものである。出力処理部８は、水平走査回路５によって水平信号線７に読み出された画素信号の出力処理を行うものである。この出力処理には、画素信号の増幅処理、選択処理、ＡＧＣ(Auto Gain Control)処理、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換処理などが含まれる。このうち、画素信号の選択処理については、後段で詳しく説明する。
【００１２】
図２は本発明の実施形態に係る固体撮像装置の画素の構成例を示す図である。図示した画素（単位画素）１は、大きくは、光電変換部となるフォトダイオードＰＤと、転送部となる転送トランジスタ１１と、電荷電圧変換部となるフローティングディフュージョンＦＤと、リセットトランジスタ１２と、増幅トランジスタ１３と、ＭＯＳキャパシタ１４とを備えた構成となっている。
【００１３】
フォトダイオードＰＤは、当該フォトダイオードＰＤに入射した入射光を光電変換によって信号電荷に変換し、この信号電荷を蓄積するものである。転送トランジスタ１１は、フォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送するものである。フローティングディフュージョンＦＤは、転送トランジスタ１１によってフォトダイオードＰＤから転送された信号電荷を信号電圧に変換するものである。リセットトランジスタ１２は、フローティングディフュージョンＦＤの電位を一定のレベルにリセットするものである。増幅トランジスタ１３は、フローティングディフュージョンＦＤの信号電圧を増幅して出力するものである。
【００１４】
ＭＯＳキャパシタ１４は、フローティングディフュージョンＦＤの容量（接合容量）を可変するために、当該フローティングディフュージョンＦＤに接続されたものである。電圧制御部１５は、ＭＯＳキャパシタ５に電圧を印加するとともに、当該印加電圧を可変制御するものである。この電圧制御部１５は、垂直選択駆動回路３内に設けるようにしてもよいし、垂直選択駆動回路４とは別に設けるようにしてもよい。本実施形態においては、垂直選択駆動回路３内に電圧制御部１５が設けられているものとする。電圧制御部１５は、例えば、一定の電圧を生成する電圧生成部と、この電圧生成部で生成された電圧をＭＯＳキャパシタ１４に印加する電圧印加部とを用いて構成されるものである。また、電圧制御部１５は、必要に応じて電圧調整部を備えるものである。電圧調整部は、電圧生成部で生成された電圧を電圧印加部でＭＯＳキャパシタ５に印加する際の電圧レベルを調整するものである。
【００１５】
転送トランジスタ１１のゲート電極は転送信号線１６に、リセットトランジスタ１２のゲート電極はリセット線１７に、増幅トランジスタ１３のゲート電極はフローティングディフュージョンＦＤにそれぞれ接続されている。また、リセットトランジスタ１２と増幅トランジスタ１３には、それぞれ共通の電源電圧ＶDDが印加される構成となっている。増幅トランジスタ１３は、垂直信号線１８につながる負荷ＭＯＳトランジスタ１９とソースフォロア回路の動作を行うものとなる。また、増幅トランジスタ１３の出力電圧は垂直信号線１８を通してＣＤＳ回路２０に取り込まれた後、信号量判定回路２１に入力される構成となっている。負荷ＭＯＳトランジスタ１９及びＣＤＳ回路２０は、上述した列信号処理部４に含まれるものである。まあ、信号量判定回路２１は、上述した出力処理部８に含まれるものである。
【００１６】
上記構成の画素１においては、所定の蓄積（露光）期間でフォトダイオードＰＤに信号電荷を蓄積し、この蓄積期間が終了した時点でリセットトランジスタ１２のゲート電極にリセット線１７を通してリセットパルスφＲＳＴを印加する。これにより、フローティングディフュージョンＦＤの電位が電源電圧ＶDDに応じた一定のレベル（リセット信号レベル）にリセットされる。その後、転送トランジスタ１１のゲート電極に転送信号線１６を通して転送パルスφＴＲＦを印加する。これにより、上記蓄積期間内にフォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷が、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に転送される。このとき、フローティングディフュージョンＦＤでは、フォトダイオードＰＤから転送された信号電荷を、そのときの電荷量（電位変化）に応じた信号電圧に変換する。こうしてフローティングディフュージョンＦＤで変換された信号電圧は、増幅トランジスタ４で増幅されて垂直信号線１８に出力される。
【００１７】
一般に、フローティングディフュージョンＦＤで信号電荷を信号電圧に変換する際の変換効率ηは、おおよそ“η＝ｑ／ＣFD［μＶ／ｅ］”の式で表される。qは電子１個の電荷量、ＣFDはフローティングディフュージョンの容量である。この式から分かるように、画素１におけるフローティングディフュージョンＦＤの変換効率ηは、フローティングディフュージョンの容量ＣFDによって決まる。また、フローティングディフュージョンの容量ＣFDは、ＭＯＳキャパシタ１４に印加される電圧（以下、「キャパシタ電圧」とも記す）Ｖcapに応じて変化する。すなわち、キャパシタ電圧Ｖcapを高くすると、それに応じてフローティングディフュージョンの容量ＣFDが増加し、キャパシタ電圧Ｖcapを低くすると、それに応じてフローティングディフュージョンの容量ＣFDが減少する。
【００１８】
したがって、ＭＯＳキャパシタ５への印加電圧ＶcapとフローティングディフュージョンＦＤの変換効率ηとの間には次のような関係が成り立つ。すなわち、キャパシタ電圧Ｖcapを高くすると、それに応じてフローティングディフュージョンの容量ＣFDが増加するため、フローティングディフュージョンＦＤの変換効率ηが低くなる。また逆に、キャパシタ電圧Ｖcapを低くすると、それに応じてフローティングディフュージョンの容量ＣFDが減少するため、フローティングディフュージョンＦＤの変換効率ηが高くなる。このことから、画素１においては、ＭＯＳキャパシタ１４への印加電圧Ｖcapを電圧制御部１５で変化させることにより、フローティングディフュージョンＦＤの容量ＣFDとこれに依存する変換効率ηを可変制御し得る構成となっている。なお、本例では、ＭＯＳキャパシタ１４への印加電圧Ｖcapを電圧制御部１５によりオン／オフの２段階で可変制御するものとなっている。
【００１９】
また、垂直信号線１８にはＣＤＳ(Correlated Double Sampling；相関二重サンプリング)処理を行うＣＤＳ回路２０が接続されている。このＣＤＳ回路２０には増幅トランジスタ１３によって垂直信号線１８に増幅出力された信号電圧が入力され、そこで画素の固定パターンノイズが除去される。
【００２０】
図３は本発明の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。図において、電源電圧ＶDD、リセットパルスφＲＳＴ、転送パルスφＴＲＦ及びＶcap印加パルスは、いずれもタイミングジェネレータ６から垂直選択駆動回路３に与えられるパルス信号に基づいて、当該垂直選択駆動回路３によりオンオフ制御されるものである。
【００２１】
先ず、電源電圧ＶDDをオン（高い）状態に保持しつつ、リセットパルスφＲＳＴをオン状態とする。このとき、転送パルスφＴＲＦとキャパシタ電圧Ｖcapは共にオフ（低い）状態に保持しておく。次に、リセットパルスφＲＳＴをオフ状態とした後、キャパシタ電圧Ｖcapと転送パルスφＴＲＦを順にオン状態とする。次いで、転送パルスφＴＲＦとキャパシタ電圧Ｖcapを順にオフ状態とする。これにより、キャパシタ電圧Ｖcapがオン状態に保持される期間内の一部で、転送パルスφＴＲＦがオン状態に保持される。
【００２２】
その後、リセットパルスφＲＳＴをオン状態に保持し、この保持期間内で電源電圧ＶDDをオン状態からオフ状態に切り替える。次いで、電源電圧ＶDDをオフ状態に保持している期間内でリセットパルスφＲＳＴをオン状態からオフ状態に切り替え、その後、再び電源電圧ＶDDをオフ状態からオン状態に切り替える。ちなみに、フローティングディフュージョンＦＤの変換効率は、キャパシタ電圧Ｖcapのオンオフ状態に応じて変換する。すなわち、キャパシタ電圧Ｖcapがオフ状態のときはフローティングディフュージョンＦＤの変換効率が相対的に高い状態となり、キャパシタ電圧Ｖcapがオフ状態のときはフローティングディフュージョンＦＤの変換効率が相対的に低い状態となる。
【００２３】
以上の駆動方法において、読み出し制御部となる列信号処理部４は、画素１からのリセット信号の読み出しと画素信号の読み出しを次のような手順で行う。まず、リセット信号φＲＳＴを最初にオンオフしてからキャパシタ電圧Ｖcapをオンするまでの期間内の任意のタイミング、例えば図３に示すタイミングＴ１で、１回目のリセット信号の読み出しを行う。次に、キャパシタ電圧Ｖcapをオンしてから転送パルスφＴＲＦをオンするまでの期間内の任意のタイミング、例えば図３に示すタイミングＴ２で、２回目のリセット信号の読み出しを行う。
【００２４】
続いて、転送パルスφＴＲＦをオフしてからキャパシタ電圧Ｖcapをオフするまでの期間内の任意のタイミング、例えば図３に示すタイミングＴ３で、１回目の画素信号の読み出しを行う。次に、キャパシタ電圧ＶcapをオフしてからリセットパルスφＲＳＴをオンするまでの期間内の任意のタイミング、例えば図３に示すタイミングＴ４で、２回目の画素信号の読み出しを行う。
【００２５】
ここで、１回目のリセット信号の読み出しを行うタイミングＴ１では、転送パルスφＴＲＦとキャパシタ電圧Ｖcapが共にオフ状態になっているため、転送トランジスタ１１のゲート電極１１Ｇの端部からリセットトランジスタ１２のゲート電極１２Ｇにかけて形成されるフローティングディフュージョンＦＤ部分のポテンシャルは、図４（Ａ）に示すように、転送トランジスタ１１のゲート電極１１Ｇの端部とこれに対向するリセットトランジスタ１２のゲート電極１２Ｇの端部間で部分的に低い状態になるとともに、その電位レベルがリセットトランジスタ１２のフィードスルーの影響で電源電圧ＶDDよりもＶfs1だけ低いものとなる。したがって、上記タイミングＴ１では、１回目のリセット信号が“ＶDD＋Ｖfs1”のレベルで読み出される。
【００２６】
次に、２回目のリセット信号の読み出しを行うタイミングＴ２では、キャパシタ電圧Ｖcapがオン状態となっているため、フローティングディフュージョンＦＤ部分のポテンシャルは、図４（Ｂ）に示すように、転送トランジスタ１１のゲート電極１１Ｇの端部からリセットトランジスタ１２のゲート電極１２Ｇにかけて一様に低い状態になるとともに、その電位レベルがフローティングディフュージョン制御用トランジスタのゲートとフローティングディフュージョンＦＤとのカップリングにより、上記１回目のリセット信号の読み出し時よりも“Ｖfs2”だけ低いものとなる。したがって、上記タイミングＴ２では、２回目のリセット信号が“ＶDD＋Ｖfs1＋Ｖfs2”のレベルで読み出される。
【００２７】
次いで、転送パルスφＴＲＦをオンすることにより、図５（Ａ）に示すように、転送トランジスタ１１のゲート電極１１Ｇ下のポテンシャル電位が低くなる。そのため、リセットパルスφＲＳＴをオンオフしてから転送パルスφＴＲＦをオンするまでの間（露光期間内）にフォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷は、転送トランジスタ１１のゲート電極１１Ｇ下を通してフローティングディフュージョンＦＤに転送される。
【００２８】
したがって、信号電荷の転送（フローティングディフュージョンＦＤへの転送）後に転送パルスφＴＲＦをオフ状態として、１回目の画素信号の読み出しを行うタイミングＴ３では、上記２回目のリセット信号の読み出し時と同様にキャパシタ電圧Ｖcapがオン状態となっている。そのため、フローティングディフュージョンＦＤ部分のポテンシャルは、図５（Ｂ）に示すように、転送トランジスタ１１のゲート電極１１の端部からリセットトランジスタ１２のゲート電極１２Ｇにかけて一様に低い状態になるとともに、その電位レベルがフローティングディフュージョンＦＤへの信号電荷の転送により、上記２回目のリセット信号の読み出し時よりも“Ｑ／Ｃ１”だけ高いものとなる。したがって、上記タイミングＴ３では、１回目の画素信号が“ＶDD＋Ｖfs1＋Ｖfs2−Ｑ／Ｃ１”のレベルで読み出される。ちなみに、Ｑ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に転送された信号電荷の電荷量で、Ｃ１は１回目の画素信号の読み出し時におけるフローティングディフュージョンＦＤの容量である。
【００２９】
その後、２回目の画素信号の読み出しを行うタイミングＴ４では、上記１回目のリセット信号の読み出し時と同様にキャパシタ電圧Ｖcapがオフ状態となっているため、フローティングディフュージョンＦＤ部分のポテンシャルは、図６に示すように、転送トランジスタ１１のゲート電極１１Ｇの端部とこれに対向するリセットトランジスタ１２のゲート電極１２Ｇの端部間で部分的に低い状態になるとともに、その電位レベルが上記２回目のリセット信号の読み出し時よりも“Ｑ／Ｃ２”だけ高いものとなる。したがって、上記タイミングＴ４では、上記２回目の画素信号が“ＶDD＋Ｖfs1＋Ｖfs2−Ｑ／Ｃ２”のレベルで読み出される。ちなみに、Ｃ２は２回目の画素信号の読み出し時におけるフローティングディフュージョンＦＤの容量であって、上記Ｃ１よりも小さな値をとる。
【００３０】
以上のような手順で各画素１から複数回（本例では２回）ずつリセット信号と画素信号を読み出すことにより、ＣＤＳ回路２０には、各々のタイミングＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４で読み出された信号（リセット信号、画素信号）が順に取り込まれる。その際、ＣＤＳ回路２０では、タイミングＴ４で読み出された画素信号とタイミングＴ１で読み出されたリセット信号との差分を演算することでノイズを低減し、キャパシタ電圧Ｖcapをオフ状態（フローティングディフュージョンＦＤの変換効率を相対的に低い状態）としたときの差分信号（以下、「高感度信号」とも記す）を出力する。また、ＣＤＳ回路２０では、タイミングＴ３で読み出された画素信号とタイミングＴ２で読み出されたリセット信号との差分を演算することでノイズを低減し、キャパシタ電圧Ｖcapをオン状態（フローティングディフュージョンＦＤの変換効率を相対的に高い状態）としたときの差分信号（以下、「低感度信号」とも記す）を出力する。
【００３１】
したがって、フォトダイオードＰＤでの信号電荷量と出力処理部８での信号出力との関係でみてみると、図７に示すように、高感度信号は、フローティングディフュージョンＦＤの変換効率を高くした状態（撮像の感度を高くした状態）で得られる画素信号となり、低感度信号は、フローティングディフュージョンＦＤの変換効率を低くした状態（撮像の感度を低くした状態）で得られる画素信号となる。
【００３２】
このようにフローティングディフュージョンＦＤの変換効率を変えて得られる２つの画素信号（高感度信号、低感度信号）は、出力処理部８による選択処理で、一方の画素信号のみが選択されて最終的な信号出力として取り出される。具体的な画素信号の選択方法としては、閾値を用いた方法を採用することができる。例えば、出力処理部８において、一定の信号出力レベルを閾値レベルに設定し、出力処理部８に信号選択処理機能の一つとして設けられた信号量判定回路２１で、高感度信号の出力レベルと閾値レベルとの大小関係を比較判定する。そして、高感度信号の出力レベルが閾値レベル以下であると判定した場合は、当該高感度信号を最終的な信号出力として選択し、高感度信号の出力レベルが閾値レベルを超えていると判定した場合は、低感度信号を最終的な信号出力として選択する。
【００３３】
この場合、閾値の設定は、フローティングディフュージョンＦＤの電圧の変動範囲や、後段の信号処理でのγ補正におうじて、最適値に設定する必要がある。フローティングディフュージョンＦＤの電圧の変動範囲は、ＭＯＳキャパシタ１４に印加されるキャパシタ電圧Ｖcapの設定電圧によって制御する。そのため、電圧制御部１５においては、キャパシタ電圧Ｖcapが３値以上（例えば、０、低圧、中圧、高圧など）をとり得る構成とし、仕様が不明な後段の信号処理に対しても、柔軟に対応できるようにすることが望ましい。
【００３４】
これにより、フォトダイオードＰＤへの入射光量が少ない場合（フォトダイオードＰＤに蓄積される信号電荷の電荷量が少ない場合）は、ＣＤＳ回路２０から出力され且つ水平走査回路５で水平信号線７に読み出された高感度信号を、出力処理部８で最終的な画素信号（有効画素信号）として採用（選択）することにより、暗い撮影条件に適合する高い感度で被写体を撮像することができる。また、フォトダイオードＰＤへの入射光量が多い場合（フォトダイオードＰＤに蓄積される信号電荷の電荷量が多い場合）は、出力処理部８において、ＣＤＳ回路２０から出力され且つ水平走査回路５で水平信号線７に読み出された低感度信号を、出力処理部８で最終的な画素信号（有効画素信号）として採用（選択）することにより、明るい撮影条件に適合する低い感度で被写体を撮像することができる。そのため、弱い入射光に対しても、強い入射光に対しても、適切な感度をもって撮像することができるため、信号のＳＮ比を向上させることができる。
【００３５】
また、フォトダイオードＰＤでの飽和信号量を増加させたとしても、電荷転送時にキャパシタ電圧Ｖcapをオン状態してフローティングディフュージョンＦＤの容量を大きく確保することにより、信号電荷の転送を確実に行えるようになる。よって、ソースフォロアの動作点を高い電圧値に設定し、出力信号のリニアリティを向上させることができる。また、同じ出力電圧の範囲内で、より広範囲の光量を表現することができるため、固体撮像装置のダイナミックレンジを拡大することができる。以上のことから、ＳＮ比の向上とダイナミックレンジの拡大を同時に実現することが可能となる。
【００３６】
また、フローティングディフュージョンＦＤの電位をリセットトランジスタ１２でリセットするにあたり、電圧制御部１５でキャパシタ電圧Ｖcapをオフ（相対的に低い）状態とし、このオフ状態のもとでリセットパルスφＲＳＴをオンすることによりフローティングディフュージョンＦＤの電位をリセットするものとなっているため、リセット後にキャパシタ電圧Ｖcapをオフ状態からオン（相対的に高い）状態に切り替えたときに、フローティングディフュージョンＦＤの電位を、より高い（深い）状態にリセットすることができる。
【００３７】
また、リセットトランジスタ１２によるリセット後に、電圧制御部１５でキャパシタ電圧Ｖcapをオン（相対的に高い状態）状態とし、このオン状態のもとで転送パルスφＴＲＦをオンすることにより、フォトダイオードＰＤの信号電荷を転送トランジスタ１１でフローティングディフュージョンＦＤに転送するものとなっているため、フォトダイオードＰＤへの信号電荷の逆流を抑制しつつ、フローティングディフュージョンＦＤへの信号電荷の転送を効率よく確実に行うことができる。
【００３８】
なお、上記実施形態においては、リセット信号と画素信号の読み出しを、それぞれフローティングディフュージョンＦＤの変換効率を変えて２回ずつ行うものとしたが、本発明はこれに限らず、例えば、撮影環境（明暗の度合い）の違いをセンサ等で検知し、ある基準値以上に明るい撮影環境では、フローティングディフュージョンＦＤの変換効率を相対的に低い状態に設定して、リセット信号と画素信号の読み出しを１回ずつ行い、基準値未満の暗い撮影環境では、フローティングディフュージョンＦＤの変換効率を相対的に高い状態に設定して、リセット信号と画素信号の読み出しを１回ずつ行うものとしてもよい。また、一つの撮影視野内に明部と暗部が混在する場合は、それぞれの部位でフローティングディフュージョンＦＤの変換効率の設定を変えて、リセット信号と画素信号の読み出しを行うようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示す概略図である。
【図２】本発明の実施形態に係る固体撮像装置の画素の構成例を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。
【図４】図３のタイミングチャートに基づく信号読み出し動作を説明する図である（その１）である。
【図５】図３のタイミングチャートに基づく信号読み出し動作を説明する図である（その２）である。
【図６】図３のタイミングチャートに基づく信号読み出し動作を説明する図である（その３）である。
【図７】フォトダイオードでの信号電荷量と出力処理部での信号出力との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１…画素、２…撮像領域、３…垂直選択駆動回路、４…列信号処理部、５…水平走査回路、６…タイミングジェネレータ、７…水平信号線、８…出力処理部、１１…転送トランジスタ、１２…リセットトランジスタ、１３…増幅トランジスタ、１４…ＭＯＳキャパシタ、１５…電圧制御部、２０…ＣＤＳ回路、２１…信号量判定回路、ＦＤ…フローティングディフュージョン、ＰＤ…フォトダイオード
【図１】
2006148284.tif 000003
【図２】
2006148284.tif 000004
【図３】
2006148284.tif 000005
【図４】
2006148284.tif 000006
【図５】
2006148284.tif 000007
【図６】
2006148284.tif 000008
【図７】
2006148284.tif 000009