(57)【要約】【課題】ダイナミックレンジの低下を防止できる固体撮像装置を提供する。【解決手段】画素１０は、受光量に応じて光電荷を蓄積する光電変換手段としてのＰＤ（フォトダイオード）１と、ＰＤ１によって蓄積された光電荷を受け取るＦＤ（フローティングディフュージョン）２と、ＮＭＯＳからなる電荷転送トランジスタ３と、ＮＭＯＳからなるリセットトランジスタ４と、ＮＭＯＳからなる増幅トランジスタ５と、ＮＭＯＳからなる画素選択トランジスタ６とから構成されている。バッファ９の出力部は、電荷転送トランジスタ３のゲートに接続されている。バッファ９は、ＰＭＯＳおよびＮＭＯＳを直列に接続させたインバータからなり、そのＮＭＯＳのソースは、可変電圧源１５０により駆動されるアンプ１４０に接続されている。【選択図】図１
2006074663.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素を構成する複数個の固体撮像素子と、
前記複数個の固体撮像素子からの信号に基づく撮像振幅に対して所定の増幅率で増幅処理を行う処理手段と
を備え、
各前記固体撮像素子は、
受光量に応じて光電荷を蓄積する光電変換手段と、
前記光電変換手段から送られた前記光電荷を転送する転送トランジスタと
を含み、
前記処理手段は、前記増幅率に応じたゲート電位を前記転送トランジスタに与える
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
画素を構成する複数個の固体撮像素子と、
前記複数個の固体撮像素子からの信号に基づく撮像振幅に対して所定の増幅率で増幅処理を行う処理手段と
を備え、
各前記固体撮像素子は、
受光量に応じて光電荷を蓄積する光電変換手段と、
前記光電変換手段から送られた前記光電荷をリセットするリセットトランジスタと
を含み、
前記処理手段は、前記増幅率に応じたゲート電位を前記リセットトランジスタに与える
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の固体撮像装置であって、
前記処理手段は前記撮像振幅に対してそのレベルに応じて選択的に前記増幅処理を行う
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項４】
請求項１に記載の固体撮像装置であって、
各前記固体撮像素子は前記転送トランジスタから転送された前記光電荷をリセットするリセットトランジスタをさらに含み、
前記リセットトランジスタの一端に接続され前記一端の電位を下げて前記光電変換手段に電荷を注入するリセット電位生成手段
をさらに備えることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項５】
請求項２に記載の固体撮像装置であって、
前記リセットトランジスタの一端に接続され前記一端の電位を下げて前記光電変換手段に電荷を注入するリセット電位生成手段
をさらに備えることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載の固体撮像装置であって、
各前記固体撮像素子は前記信号を取り出すための増幅トランジスタをさらに含み、
前記光電変換手段に注入された前記電荷に基づき前記増幅トランジスタから取り出される信号に基づく振幅と前記撮像振幅とを比較する比較手段
をさらに備え、
前記処理手段は前記撮像振幅に対してそのレベルに応じて選択的に前記増幅処理を行う
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項７】
請求項４又は請求項５に記載の固体撮像装置であって、
所定の基準振幅と前記撮像振幅とを比較する比較手段
をさらに備え、
前記処理手段は前記撮像振幅に対してそのレベルに応じて選択的に前記増幅処理を行う
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の固体撮像装置であって、
前記複数の固体撮像素子は、互いに異なる色に対応した特性を有する複数の色固体撮像素子からなり、
前記処理手段はホワイトバランスを補正するホワイトバランス補正手段を有し、
前記ゲート電位は、異なる色に対応した前記色固体撮像素子どうしにおいて互いに異なる
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項９】
画素を構成する複数個の固体撮像素子
を備え、
各前記固体撮像素子は、
受光量に応じて光電荷を蓄積する光電変換手段と、
前記光電変換手段から送られた前記光電荷を転送する転送トランジスタと
を含み、
前記転送トランジスタが遮断するゲート電位は可変である
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１０】
画素を構成する複数個の固体撮像素子と、
前記複数個の固体撮像素子からの信号に基づく撮像振幅に対して所定の増幅率で増幅処理を行う処理手段と
を備え、
各前記固体撮像素子は、
受光量に応じて光電荷を蓄積する光電変換手段と、
前記光電変換手段から送られた前記光電荷を転送する転送トランジスタと、
前記転送トランジスタから転送された前記光電荷をリセットするリセットトランジスタと、
前記信号を取り出すための増幅トランジスタと
を含み、
前記転送トランジスタが遮断するゲート電位は可変であり、
前記リセットトランジスタの一端に接続され前記一端の電位を下げて前記光電変換手段に電荷を注入するリセット電位生成手段
をさらに備え
前記光電変換手段に注入された前記電荷に基づき前記増幅トランジスタから取り出される信号に基づく振幅と前記撮像振幅とを比較する比較手段
をさらに備え、
前記処理手段は前記撮像振幅に対してそのレベルに応じて選択的に前記増幅処理を行う
ことを特徴とする固体撮像装置。
【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、ダイナミックレンジを向上させるための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の固体撮像装置においては、画素に設けた垂直オーバーフロードレイン構造を利用し、画素の飽和後の対数特性を使ってダイナミックレンジを広げている（例えば、特許文献１）。特許文献１においては、画素が飽和するまでは入射光量と出力電圧との関係は線形特性となる。しかし、蓄積された電荷が垂直オーバーフロードレインのバリアを越え始めると、入射光量と出力電圧との関係は対数特性となり、ダイナミックレンジが広げられている。
【０００３】
また、ダイナミックレンジを向上させた固体撮像装置の例は、特許文献２〜３にも開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−９４８８０号公報
【特許文献２】特開２００２−３００４７６号公報
【特許文献３】特開２００４−８０１８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の固体撮像装置においては、画素の後段の処理回路でゲインを与えた場合には、画素が飽和することにより線形特性から対数特性へ切り替わる点（折れ点）の電位が高くなり、且つ対数特性領域における傾きも急になるので、対数特性領域が狭くなる。さらに、ゲインがある値を超えた場合には、画素が飽和した状態での画素の出力電位（画素飽和電位）および対数特性領域が後段の処理回路の動作レンジを逸脱してしまい、処理回路の感度特性が画素の線形特性領域のみの特性となる。そのため、ダイナミックレンジが著しく低下してしまうという問題点があった。
【０００６】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、ダイナミックレンジの低下を防止できる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】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明に係る固体撮像装置は、画素を構成する複数個の固体撮像素子と、複数個の固体撮像素子からの信号に基づく撮像振幅に対して所定の増幅率で増幅処理を行う処理手段とを備え、各固体撮像素子は、受光量に応じて光電荷を蓄積する光電変換手段と、光電変換手段から送られた光電荷を転送する転送トランジスタとを含み、処理手段は、増幅率に応じたゲート電位を転送トランジスタに与えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る固体撮像装置は、増幅率に応じたゲート電位を転送トランジスタに与える
ことを特徴とする。従って、線形特性から対数特性へ切り替わる折れ点の電位を任意に設定し折れ点の電位および対数領域における傾きを一定とすることが可能となるので、ダイナミックレンジの低下を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の一部を示す構成図である。
【００１０】
図１において、固体撮像装置は、画素列構造１００と、バッファ列構造１１０と、スキャナー１２０と、リセット電位発生回路（リセット電位生成手段）１３０と、アンプ１４０と、可変電圧源１５０と、処理回路（処理手段）３００とを備える。
【００１１】
画素列構造１００は、縦に並べられた複数の画素（固体撮像素子）１０と、サンプルホールド回路２０〜２３と、スイッチ４０〜４３と、電流源３０とを備えている。画素列構造１００を横に複数個並べることにより、画素１０を２次元状に配置することが可能となる。このとき、複数個の画素列構造１００のうちいずれか１個からの出力が、スイッチ４０〜４３を閉じることにより処理回路３００へ入力される。バッファ列構造１１０は、縦に並べられた複数個のバッファ群５０を備えている。このバッファ群５０は、画素１０を駆動するためのものである。バッファ列構造１１０は、スキャナー１２０により制御される。
【００１２】
処理回路３００は、バッファ１６０〜１６３と、減算回路１７０〜１７２と、セレクタ１８０，２２０と、ＡＧＣ（Auto Gain Control：自動ゲイン制御）回路１９０と、比較器（比較手段）２００と、ゲインコントロール回路２１０と、ＡＤ変換器２３０と、折れ点レベル調整回路２４０と、オフセット補正処理回路２５０とを備える。
【００１３】
画素１０は、受光量に応じて光電荷を蓄積する光電変換手段としてのＰＤ（フォトダイオード）１と、ＰＤ１によって蓄積された光電荷を受け取るＦＤ（フローティングディフュージョン）２と、ＮＭＯＳからなる電荷転送トランジスタ３と、ＮＭＯＳからなるリセットトランジスタ４と、ＮＭＯＳからなる増幅トランジスタ５と、ＮＭＯＳからなる画素選択トランジスタ６とから構成されている。
【００１４】
各画素１０において、ＰＤ１の入力部は接地されている。ＰＤ１の出力部は、電荷転送トランジスタ３のソースに接続されている。電荷転送トランジスタ３のドレインは、ＦＤ２を介してリセットトランジスタ４のソースに接続されている。リセットトランジスタ４のドレインは、リセット電位発生回路１３０に接続されている。増幅トランジスタ５のドレインは、電源電位に接続されている。増幅トランジスタ５のソースは、画素選択トランジスタ６のドレインに接続されている。画素選択トランジスタ６のソースは、信号線１５を介して、サンプルホールド回路２０〜２３および電流源３０に接続される。増幅トランジスタ５のゲートは、ＦＤ２に接続されている。
【００１５】
各画素１０は、画素選択トランジスタ６により選択され、ＦＤ２に蓄積された電荷に応じて増幅トランジスタ５を制御することにより、信号線１５の電位を制御する。これにより、画素１０からの信号が選択的に取り出される。
【００１６】
バッファ群５０は、バッファ７〜９から構成されている。
【００１７】
各バッファ群５０において、バッファ７〜９の入力部はスキャナー１２に接続されている。バッファ７の出力部は、リセットトランジスタ４のゲートに接続されている。バッファ８の出力部は、画素選択トランジスタ６のゲートに接続されている。バッファ９の出力部は、電荷転送トランジスタ３のゲートに接続されている。バッファ９は、図示しないＰＭＯＳおよびＮＭＯＳを直列に接続させたインバータからなり、そのＮＭＯＳのソースは、可変電圧源１５０により駆動されるアンプ１４０に接続されている。すなわち、バッファ９のＬレベル電位は、可変電圧源１５０により可変する。
【００１８】
サンプルホールド回路２０〜２３には、後述するように、それぞれ、撮像信号、撮像リセット信号、折れ点信号、および折れ点リセット信号が読み出される。サンプルホールド回路２０〜２３は、スイッチ４０〜４３をそれぞれ介して、バッファ１６０〜１６３にそれぞれ接続される。
【００１９】
バッファ１６０の出力とバッファ１６１の出力とは、減算回路１７０において減算される。これにより、撮像信号と撮像リセット信号とのノイズキャンセルがＣＤＳ（Correlated Double Sampling：相関２重サンプリング）を用いて行われる。このとき減算回路１７０において生成される信号を、以下では撮像振幅と呼ぶ。また、バッファ１６２の出力とバッファ１６３の出力とは、減算回路１７１において減算される。これにより、折れ点信号と折れ点リセット信号とのノイズキャンセルがＣＤＳを用いて行われる。このとき減算回路１７１において生成される信号を、以下では折れ点振幅と呼ぶ。
【００２０】
減算回路１７０において生成された撮像振幅は、減算回路１７２、セレクタ１８０の”０”端子、および比較器２００に入力される。また、減算回路１７１において生成された折れ点振幅は、減算回路１７２、セレクタ１８０の”１”端子、および比較器２００に入力される。
【００２１】
減算回路１７２は、減算回路１７０からの撮像振幅と減算回路１７１からの折れ点振幅との差分を算出し、セレクタ２２０の”０”端子に入力させる。撮像振幅と折れ点振幅との差分をとることにより、画素ごとの飽和電荷量のばらつきをキャンセルすることができる。
【００２２】
セレクタ１８０は、折れ点レベル調整回路２４０からの制御に応じて”０”端子から入力される信号または”１”端子から入力される信号を選択し、ＡＧＣ回路１９０に入力させる。ＡＧＣ回路１９０は、入力された信号に、ゲインコントロール回路２１０からの制御に応じた所定のゲイン（増幅率）を与え、セレクタ２２０の”１”端子に入力させる。
【００２３】
比較器２００は、減算回路１７０からの撮像振幅と減算回路１７１からの折れ点振幅とを比較し、その比較結果に応じてセレクタ２２０の”０”端子または”１”端子を選択する。また、セレクタ２２０は、折れ点レベル調整回路２４０からも制御される。セレクタ２２０からの出力は、ＡＤ変換器２３０においてデジタル信号に変換され、折れ点レベル調整回路２４０およびオフセット補正処理回路２５０へ入力される。
【００２４】
オフセット補正処理回路２５０へ入力されたデジタル信号は、比較器２００における比較結果に応じた信号処理が行われた後に出力される。
【００２５】
折れ点レベル調整回路２４０は、入力されたデジタル信号に応じて、可変電圧源１５０において供給される電圧をフィードバック制御する。
【００２６】
図２は、図１に示される画素１０が有する感度特性を示すグラフである。図２に示すように、折れ点よりも照度が低い環境下では照度に対して線形な出力が、折れ点よりも照度が高い環境下では照度に対して非線形な出力（対数特性）が、それぞれ得られる。また、図２には、処理回路３００の動作レンジが示されている。
【００２７】
図３〜９は、図２に示されるような感度特性が得られる原理を画素１０単体の動作シーケンスに従い説明するための模式図である。図３においては、図３（ａ）に示される画素１０の各構成デバイスのポテンシャル電位は、図３（ｂ）において電位Ｖ１〜Ｖ５として示されている。上述したように、電荷転送トランジスタ３を制御するバッファ９のＬレベル電位は、可変電圧源１５０により可変する。この電荷転送トランジスタ３は、接地電位より高い閾値電位を有し、入力されるゲート電位が接地電位と閾値電位との間で変化した場合には、電位Ｖ３も変化するような特性を有するものとする。従って、このＬレベル電位を、電荷転送トランジスタ３を遮断させることができる範囲（すなわち、接地電位と閾値電位との間の電位）で連続的に変化させることにより、電荷転送トランジスタ３のゲート電位を連続的に変化させ電位Ｖ３を連続的に変化させることが可能となる。
【００２８】
以下、図４〜９に示される模式図を用いて、画素１０から信号を読み出す動作について説明する。
【００２９】
まず、図４（ａ）に示すように、電荷転送トランジスタ３およびリセットトランジスタ４は、いずれも、ゲートにＬレベル電位を入力されることにより遮断されている。このとき、ＰＤ１およびＦＤ２には電荷が蓄積されている。
【００３０】
次に、図４（ｂ）に示すように、電荷転送トランジスタ３およびリセットトランジスタ４を、ゲートにＨレベル電位を入力させることにより導通させる。これにより、電位Ｖ３，Ｖ５が下降するので、ＰＤ１およびＦＤ２に蓄積された電荷は、電荷転送トランジスタ３、ＦＤ２、およびリセットトランジスタ４を介して、リセット電位発生回路１３０へと流れ込む。これにより、リセット動作が行われる。
【００３１】
次に、図４（ｃ）に示すように、電荷転送トランジスタ３およびリセットトランジスタ４を、ゲートにＬレベル電位を入力させることにより遮断させる。これにより、電位Ｖ３，Ｖ５が上昇するので、ＰＤ１への電荷の蓄積が開始される。
【００３２】
以下では、図５〜９を用いて、高照度環境下および低照度環境下における信号の読み出し動作について説明する。
【００３３】
まず、図５を用いて、撮像に伴う露光により蓄積される電荷について説明する。
【００３４】
図５（ａ）に示すように、低照度環境下においては、光電変換により発生する電荷は比較的に少ないので、発生した電荷は全てＰＤ１に蓄積され、溢れることはない。従って、この電位Ｖ２を用いることにより照度に比例した（すなわち線形な）出力が得られる。
【００３５】
一方、図５（ｂ）に示すように、高照度環境下においては、光電変換により過剰に多い電荷が発生するので、発生した電荷は電荷転送トランジスタ３のポテンシャルバリア（電位Ｖ３）を越えてＰＤ１からＦＤ２へと溢れる。このとき、ＰＤ１の出力部の電位（すなわち電荷転送トランジスタ３のソースの電位）Ｖ２は、ＰＤ１で発生する電荷量と電位Ｖ３を越えてＦＤ２へ流れ出す電荷とがバランスする電位となる。この電位Ｖ２は、照度に対して対数の特性を示すため、この電位Ｖ２を用いることによりダイナミックレンジを広げることができる。
【００３６】
次に、図６に示すように、リセットトランジスタ４を、ゲートにＨレベル電位を入力させることにより導通させる。このとき、図６（ａ）に示される低照度環境下および図６（ｂ）に示される高照度環境下のいずれにおいても、電位Ｖ５は下降し、ＦＤ２に蓄積された電荷がリセットトランジスタ４を介してリセット電位発生回路１３０へと流れ込む。これにより、リセット動作が行われる。
【００３７】
次に、図７に示すように、リセットトランジスタ４を、ゲートにＬレベル電位を入力させることにより遮断させる。このとき、図７（ａ）に示される低照度環境下および図７（ｂ）に示される高照度環境下のいずれにおいても、電位Ｖ５は上昇し、ＦＤ２の電位は、増幅トランジスタ５で増幅することにより信号線１５およびスイッチ４１を介してサンプルホールド回路２１へ出力される。これにより、撮像リセット信号の読み出しが行われる。
【００３８】
次に、図８に示すように、電荷転送トランジスタ３を、ゲートにＨレベル電位を入力させることにより導通させる。このとき、図８（ａ）に示される低照度環境下および図８（ｂ）に示される高照度環境下のいずれにおいても、電位Ｖ３は下降し、ＰＤ１へ蓄積された電荷がＦＤ１へ流れ込む。これにより、電荷の転送が行われる。
【００３９】
次に、図９に示すように、電荷転送トランジスタ３を、ゲートにＬレベル電位を入力させることにより遮断させる。このとき、図８（ａ）に示される低照度環境下および図８（ｂ）に示される高照度環境下のいずれにおいても、電位Ｖ５は上昇し、ＦＤ２の電位は、増幅トランジスタ５で増幅することにより信号線１５およびスイッチ４０を介してサンプルホールド回路２０へ出力される。これにより、撮像信号の読み出しが行われる。
【００４０】
読み出した撮像信号および撮像リセット信号は、上述したように減算回路１７０においてＣＤＳを用いたノイズキャンセルを行われることにより、撮像振幅が生成される。
【００４１】
図１０は、電位Ｖ３と折れ点との関係を示す図である。図１０（ａ）〜（ｃ）は、電位Ｖ３が低い場合、電位Ｖ３が中間値となる場合、および、電位Ｖ３が高い場合それぞれにおいて、ＰＤ１が飽和するときに蓄積される電荷量を示している。図１０（ａ）〜（ｃ）に示すように、電位Ｖ３が高くなるほど、飽和状態のＰＤ１に蓄積される電荷量は多くなる。折れ点の電位は、飽和状態のＰＤ１の電荷量を読み出したときの電位に対応するので、電位Ｖ３を調整することにより、折れ点の電位を調整することができる。また、電位Ｖ３の高さは、電荷転送トランジスタ３のゲートに入力されるＬレベル電位を可変電圧源１５０により変化させることにより、調整することができる。従って、可変電圧源１５０から供給される電圧を変化させることにより、折れ点の電位を調整することが可能である。
【００４２】
図１０（ｄ）には、図１０（ａ）〜（ｃ）それぞれに対応した感度特性が示されている。図１０（ｄ）においては、電位Ｖ３が高くなるほど、折れ点の電位も高くなっている。
【００４３】
図１１は、図１に示される固体撮像装置において、ＰＤ１がほぼ飽和状態の電荷量に対応する折れ点の電位を得る制御方法を示すタイミングチャートである。
【００４４】
まず、期間Ｔ１においては、電荷転送トランジスタ３およびリセットトランジスタ４をゲートにＨレベル電位を入力させることにより導通させるとともに、画素選択トランジスタ６をゲートにＬレベル電位を入力させることにより遮断させる。これにより、ＰＤ１がリセットされる（ＰＤリセット期間）。
【００４５】
次に、期間Ｔ２においては、電荷転送トランジスタ３、リセットトランジスタ４、および画素選択トランジスタ６を、ゲートにＬレベル電位を入力させることにより遮断させる。これにより、露光による電荷の蓄積が行われる（露光期間）。
【００４６】
次に、期間Ｔ３においては、リセットトランジスタ４をゲートにＨレベル電位を入力させることにより導通させるとともに、電荷転送トランジスタ３および画素選択トランジスタ６をゲートにＬレベル電位を入力させることにより遮断させる。これにより、ＦＤ２に蓄積された電荷がリセット電位発生回路１３０へ流れ込む。次に、画素選択トランジスタ６をゲートにＨレベル電位を入力させることにより導通させるとともに、電荷転送トランジスタ３およびリセットトランジスタ４をゲートにＬレベル電位を入力させることにより遮断させる。これにより、選択された画素１０において、信号線１５およびスイッチ４１を介してサンプルホールド回路２１への撮像リセット信号の読み出しが行われる（撮像リセット信号読み出し期間）。
【００４７】
次に、期間Ｔ４においては、電荷転送トランジスタ３をゲートにＨレベル電位を入力させることにより導通させるとともに、リセットトランジスタ４および画素選択トランジスタ６をゲートにＬレベル電位を入力させることにより遮断させる。これにより、ＰＤ１に蓄積された電荷がＦＤ２へ流れ込む。次に、画素選択トランジスタ６をゲートにＨレベル電位を入力させることにより導通させるとともに、電荷転送トランジスタ３およびリセットトランジスタ４をゲートにＬレベル電位を入力させることにより遮断させる。これにより、選択された画素１０において、信号線１５およびスイッチ４０を介してサンプルホールド回路２０への撮像信号の読み出しが行われる（撮像信号読み出し期間）。
【００４８】
次に、期間Ｔ５においては、電荷転送トランジスタ３およびリセットトランジスタ４をゲートにＨレベル電位を入力させることにより導通させるとともに、画素選択トランジスタ６をゲートにＬレベル電位を入力させることにより遮断させる。また、同時に、リセット電位発生回路１３０の出力電位をＨレベルからＬレベルへ立ち下げる。これにより、リセット電位発生回路１３０からＰＤ１に電荷が注入される（ＰＤ電荷注入期間）。
【００４９】
次に、期間Ｔ６においては、リセットトランジスタ４をゲートにＨレベル電位を入力させることにより導通させるとともに、電荷転送トランジスタ３および画素選択トランジスタ６をゲートにＬレベル電位を入力させることにより遮断させる。また、同時に、リセット電位発生回路１３０の出力電位をＬレベルからＨレベルへ立ち上げる。これにより、期間Ｔ５においてＰＤ１に注入された電荷のうち余剰なものは、ＦＤ２を介してリセット電位発生回路１３０へ流れ込む。すなわち、ＰＤ１には、電荷転送トランジスタ３のゲートに入力されるＬレベル電位に応じた飽和状態に対応する電荷量が残り、この電荷量は、感度特性の折れ点に対応している。次に、画素選択トランジスタ６をゲートにＨレベル電位を入力させることにより導通させるとともに、電荷転送トランジスタ３およびリセットトランジスタ４をゲートにＬレベル電位を入力させることにより遮断させる。これにより、選択された画素１０において、信号線１５およびスイッチ４３を介してサンプルホールド回路２３への折れ点リセット信号の読み出しが行われる（折れ点リセット信号読み出し期間）。
【００５０】
次に、期間Ｔ７においては、電荷転送トランジスタ３をゲートにＨレベル電位を入力させることにより導通させるとともに、リセットトランジスタ４および画素選択トランジスタ６をゲートにＬレベル電位を入力させることにより遮断させる。これにより、ＰＤ１に蓄積された電荷がＦＤ２に流れ込む。次に、画素選択トランジスタ６をゲートにＨレベル電位を入力させることにより導通させるとともに、電荷転送トランジスタ３およびリセットトランジスタ４をゲートにＬレベル電位を入力させることにより遮断させる。これにより、選択された画素１０において、信号線１５およびスイッチ４２を介してサンプルホールド回路２２への折れ点信号の読み出しが行われる（折れ点信号読み出し期間）。
【００５１】
図１１に示されるような制御方法により、１サイクルの工程において、撮像信号、撮像リセット信号、折れ点信号、および折れ点リセット信号を得ることができる。従って、撮像を停止することなく、画素１０毎の感度特性の折れ点を得ることが可能となる。
【００５２】
次に、図１２〜１４を用いて、図１に示されるＡＧＣ回路１９０においてゲインコントロール回路２１０からの制御により任意のゲインＧを与える場合のダイナミックレンジについて説明する。
【００５３】
まず、図１において、折れ点レベル調整回路２４０およびオフセット補正処理回路２５０に対して、所望の折れ点の値Ａを設定する。
【００５４】
次に、図１１において上述したような手法を用いて、減算回路１７１において折れ点振幅を生成させる。折れ点レベル調整回路２４０は、セレクタ１８０，２２０それぞれの”１”端子を選択し、減算回路１７１において生成された折れ点振幅をＡＧＣ回路１９０においてゲインＧを与えた後に、ＡＤ変換器２３０においてデジタル値に変換させる。変換されたデジタル値を値Ｂとすると、折れ点レベル調整回路２４０は、この値Ｂが、設定された値Ａに等しくなるように、可変電圧源１５０を制御する。すなわち、折れ点レベル調整回路２４０は、（Ａ−Ｂ）に比例する量を用いて可変電圧源１５０を制御することによりフィードバック制御を行う。
【００５５】
次に、図１１において上述したような手法を用いて、信号の読み出しを行うことにより、減算回路１７０において撮像振幅が生成される。図１２は、この撮像振幅が値ＳＩＧを有するとしたときに、減算回路１７０〜１７２から出力される電位を示している。減算回路１７０から出力される撮像振幅の値ＳＩＧは、フィードバック制御を行わない場合に減算回路１７０から出力される撮像振幅の値Ｃ（点線）に比べて、小さくなっている。また、減算回路１７１からは値（Ａ／Ｇ）が出力され、減算回路１７２からは値（ＳＩＧ−Ａ／Ｇ）が出力されている。
【００５６】
減算回路１７０から出力される撮像振幅の値ＳＩＧと減算回路１７１から出力される値（Ａ／Ｇ）とは、比較器２００に入力され比較される。比較器２００は、この比較結果に応じて次のような２通りの信号処理を行う。
【００５７】
ＳＩＧ＜（Ａ／Ｇ）の場合には、比較器２００は、セレクタ２２０の”１”端子を選択し、ＡＧＣ回路１９０から出力される値（ＳＩＧ×Ｇ）をＡＤ変換器２３０に入力させる。ＡＤ変換器２３０から出力されたデジタル値は、オフセット補正処理回路２５０に入力され、オフセット補正処理を行わずに出力される（信号処理１）。図１３は、このときにセレクタ２２０から出力される値を実線で示している。
【００５８】
ＳＩＧ＞（Ａ／Ｇ）の場合には、比較器２００は、セレクタ２２０の”０”端子を選択し、減算回路１７２から出力される値（ＳＩＧ−Ａ／Ｇ）をＡＤ変換器２３０に入力させる。ＡＤ変換器２３０から出力されたデジタル値は、オフセット補正処理回路２５０に入力され、値Ａを加算するオフセット補正処理が行われて出力される（信号処理２）。すなわち、オフセット補正処理回路２５０からは値（ＳＩＧ−Ａ／Ｇ＋Ａ）が出力される。図１４は、このときにオフセット補正処理回路２５０から出力される値を実線で示している。
【００５９】
ＳＩＧ＞（Ａ／Ｇ）の場合に、上述したような値Ａを加算するオフセット補正処理が行われない場合には、オフセット補正処理回路２５０から出力される値は図１３において示されるようなセレクタ２２０からの出力値と同一値となり、ＳＩＧ＝Ａ／Ｇで不連続となるので、照度に対して出力電位が１対１で対応しない（すなわち単調性を有さない）。本実施の形態においては、ＳＩＧ＞（Ａ／Ｇ）の場合にオフセット補正処理を行うことにより、図１４に示すように、単調性を確保した連続的な感度特性を得ることが可能となる。
【００６０】
このように、本実施の形態に係る固体撮像装置では、線形特性領域すなわちＳＩＧ＜（Ａ／Ｇ）の場合においてはＡＧＣ回路１９０でゲインを与え、対数特性領域すなわちＳＩＧ＞（Ａ／Ｇ）の場合においてはゲインを与えることなくオフセット補正処理回路２５０でオフセット補正処理を行う。すなわち、処理回路３００は、撮像振幅のレベルに応じて選択的に増幅処理を行う。従って、折れ点の電位を任意に設定し折れ点の電位および対数領域における傾きを一定とすることが可能となるので、ダイナミックレンジの低下を防止できる。
【００６１】
なお、上述の説明においては、１個の画素１０においてフィードバック制御を行う場合について説明したが、複数個の画素１０においても、並行してフィードバック制御を行うことが可能である。この場合には、画素１０毎の特性のばらつきを平均化するために、複数の画素１０における各値Ｂの平均値Ｂ’を用いて、（Ａ−Ｂ’）に比例する量でフィードバック制御を行ってもよい。
【００６２】
また、上述の説明においては、電荷転送トランジスタ３を用いるいわゆる４トランジスタ型固体撮像素子について説明したが、本発明は、図１５に示されるような電荷転送トランジスタ３を用いないいわゆる３トランジスタ型固体撮像素子についても適用可能である。図１５は、図１において、電荷転送トランジスタ３およびバッファ９を省いたものである。図１５の構成においても、リセットトランジスタ４のゲートに入力されるバッファ７のＬレベル電位を可変電圧源１５０を用いて可変させることにより、リセットトランジスタ４のポテンシャル電位を可変できる。従って、図１の構成と同様に、折れ線の電位のフィードバック制御を行うことができる。
【００６３】
＜実施の形態２＞
実施の形態１に係る図１の固体撮像装置では、減算回路１７０において生成された撮像振幅の値ＳＩＧを減算回路１７１において生成された折れ点振幅の値（Ａ／Ｇ）と比較することにより、ＳＩＧ＝Ａ／Ｇを境として信号処理１と信号処理２とを切り替える。しかし、撮像振幅の値ＳＩＧを、折れ点振幅の値Ａ／Ｇとではなく、任意に設定した値と比較してもよい。
【００６４】
図１６は、実施の形態２に係る固体撮像装置の一部を示す構成図である。図１６は、図１において、減算回路１７１からの出力に代えて、折れ点レベル調整回路２４０に制御される電圧源２６０からの出力を、比較器２００に入力させたものである。
【００６５】
実施の形態１において上述したように、比較器２００は、比較結果に応じて、信号処理１と信号処理２とを切り替える。図１６においては、撮像振幅の値ＳＩＧを、折れ点レベル調整回路に予め設定された所定の基準振幅の値と比較するので、この設定値を調整することにより、信号処理１と信号処理２とが切り替わる点を任意に定めることが可能となる。
【００６６】
このように、本実施の形態に係る固体撮像装置においては、信号処理１と信号処理２とが切り替わる点を任意に定めることができるので、実施の形態１の効果に加えて、ダイナミックレンジを任意に設定できるという効果を有する。
【００６７】
＜実施の形態３＞
実施の形態１に係る図１の固体撮像装置は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、およびＢ（青）にそれぞれ対応した３種類の色画素を用いることで、カラー撮像を行ってもよい。
【００６８】
図１７は、実施の形態１に係る固体撮像装置の一部を示す構成図である。図１７は、図１において、画素１０として、Ｒ、Ｇ、およびＢにそれぞれ対応する色画素１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂを用いるとともに、ホワイトバランス補正回路（ホワイトバランス補正手段）２７０を用いてゲインコントロール回路２１０および折れ点レベル調整回路２４０を制御している。また、図１７は、図１において、アンプ１４０として、Ｒ、Ｇ、およびＢにそれぞれ対応するアンプ１４０Ｒ，１４０Ｇ，１４０Ｂを用いるとともに、可変電圧源１５０として、Ｒ、Ｇ、およびＢにそれぞれ対応する可変電圧源１５０Ｒ，１５０Ｇ，１５０Ｂを用いている。色画素毎に異なるアンプおよび可変電圧源を用いることにより、各電荷転送トランジスタのゲートに入力されるＬレベル電位を色画素毎に異なる値に調整することが可能となる。
【００６９】
図１８に示されるように、色画素１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂは、Ｒ、Ｇ、およびＢにそれぞれ対応するカラーフィルターを有するので、感度特性がそれぞれ異なる。従って、色毎にゲインを調整し感度の差を低減させてホワイトバランス補正を行うことが必要となる。しかし、従来の固体撮像装置においては、線形特性領域のゲインのみを調整していたので、図１９に示されるように、感度特性の折れ点の電位が色毎に異なっていた。よって、対数特性領域における色毎の出力電位の差が大きいので、ホワイトバランス補正を適正に行うことが困難であった。
【００７０】
以下、図２０を用いて、本実施の形態に係る固体撮像装置におけるホワイトバランス補正について説明する。
【００７１】
まず、線形特性領域の撮像振幅が出力されているタイミングにおいて、周知の技術を用いてホワイトバランス補正を行い、ＡＧＣ回路１９０において与えるべきゲインＧを、色毎に定めホワイトバランス補正回路２７０に記憶させる。このとき、図１９，２０に示されるように、線形特性領域の撮像振幅が揃えられる。
【００７２】
次に、対数特性領域の撮像振幅が出力されているタイミングにおいて、折れ点レベル調整回路２４０およびオフセット補正処理回路２５０に対して、所望の折れ点の値Ａを設定する。色画素１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂにおいて、この値Ａとして同一値を設定することにより、図２０に示されるように、色画素１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂにおける折れ点の電位を等しくすることができる。
【００７３】
このように、本実施の形態に係る固体撮像装置では、各電荷転送トランジスタのゲートに入力されるＬレベル電位を色画素毎に異なる値に調整することが可能であるので、色画素１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂにおける折れ点の電位が等しくなるように設定できる。従って、実施の形態１の効果に加えて、対数特性領域における色毎の出力電位の差を低減しホワイトバランス補正を適正に行うことができるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の一部を示す構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の感度特性を示すグラフである。
【図３】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の動作を示す模式図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の動作を示す模式図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の動作を示す模式図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の動作を示す模式図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の動作を示す模式図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の動作を示す模式図である。
【図９】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の動作を示す模式図である。
【図１０】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の動作を示す模式図である。
【図１１】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図１２】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の動作を示すグラフである。
【図１３】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の動作を示すグラフである。
【図１４】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の動作を示すグラフである。
【図１５】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の一部を示す構成図である。
【図１６】本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の一部を示す構成図である。
【図１７】本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置の一部を示す構成図である。
【図１８】本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置の動作を示すグラフである。
【図１９】本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置の動作を示すグラフである。
【図２０】本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置の動作を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７５】
１  ＰＤ、２  ＦＤ、３  電荷転送トランジスタ、４  リセットトランジスタ、５  増幅トランジスタ、６  画素選択トランジスタ、７〜９，１６０〜１６３  バッファ、１０  画素、１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ  色画素、１５  信号線、２０〜２３  サンプルホールド回路、３０  電流源、４０〜４３  スイッチ  ５０  バッファ群、１００  画素列構造、１１０  バッファ列構造、１２０  スキャナー、１３０  リセット電位発生回路、１４０  アンプ、１５０  可変電圧源、１７０〜１７２  減算回路、１８０，２２０  セレクタ、１９０  ＡＧＣ回路、２００  比較器、２１０  ゲインコントロール回路、２３０  ＡＤ変換器、２４０  折れ点レベル調整回路、２５０  オフセット補正処理回路、２６０  電圧源、２７０  ホワイトバランス補正回路、３００  処理回路。
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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