(57)【要約】【課題】  フローティングディフュージョン領域と別に設けたコンデンサ領域の容量を十分に活用してダイナミックレンジを拡大することができる固体撮像装置及びその固体撮像装置を用いたカメラを提供する。【解決手段】  フォトダイオード１０は、入射した光によって発生した電荷を蓄積する。ＦＤ１７は、フォトダイオード１０から転送される電荷を保持する。ソースフォロアＭＯＳトランジスタ１５は、ＦＤ１７に保持された電荷に応じた信号を出力する。電荷保持部１４は、ＦＤ１７に一方の端子が接続され、一露光期間中に光電変換された電荷を蓄積する。電荷保持部１４の他方の端子は、少なくとも前記電荷保持部に蓄積された電荷を読み出す期間において所定電位を供給する電位供給端子に接続されている。【選択図】  図１
2006262387.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射した光によって発生した電荷を蓄積する光電変換部と、該電荷を転送するための転送部と、前記転送部により転送された電荷を保持するフローティングディフュージョン部と、該フローティングディフュージョン部に保持される電荷に応じた信号を出力する出力部とを有する単位画素を、行列状に配列して構成される固体撮像装置であって、
前記画素の少なくともひとつは、前記フローティングディフュージョン部に一方の端子が接続され、一露光期間中に光電変換された電荷を蓄積する電荷保持部を具備し、
前記電荷保持部の他方の端子は、少なくとも前記電荷保持部に蓄積された電荷を読み出す期間においてグランド電位以外の所定電位を供給する電位供給端子に接続されていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記電位供給端子に供給される前記所定電位は、前記フローティングディフュージョン部にて保持可能な電荷量に応じて定め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】
前記フローティングディフュージョン部と前記電荷保持部の一方の端子は、スイッチを介して接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記電荷保持部の他方の端子とグラウンドは、スイッチを介して接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記フローティングディフュージョン部にスイッチを介して一方の端子が接続され、一露光期間中に光電変換された電荷を前記電荷保持部と共に蓄積する他の電荷保持部を更に具備し、
前記他の電荷保持部の他方の端子はグランドに接続されてい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６】
前記フローティングディフュージョン部に一方の端子が接続され、一露光期間中に光電変換された電荷を前記電荷保持部と共に蓄積する他の電荷保持部を更に具備し、
前記他の電荷保持部の他方の端子はスイッチを介してグランドに接続されていることを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記請求項１〜６の何れか１項に記載の固体撮像装置と、
前記固体撮像装置に光学像を結像させるためのレンズと、
前記レンズを通る光量を可変するための絞りとを有することを特徴とするカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置及びカメラに関し、特に、ＣＭＯＳエリアセンサに用いて好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、フォトダイオードとＭＯＳトランジスタとを１チップ化したＣＭＯＳエリアセンサが固体撮像素子として用いられている。ＣＭＯＳエリアセンサは、ＣＣＤと比較して、消費電力が小さくなる、駆動電力が低くなる、高速化が可能になるなどの利点を有している。一般的なＣＭＯＳエリアセンサは、各画素が、フォトダイオードと、フローティングディフュージョン（Ｆｌｏａｔｉｎｇ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ；浮遊拡散、以下では必要に応じてＦＤと略称する）領域と、前記フォトダイオードから前記ＦＤ領域に電荷を転送するための転送トランジスタと、前記ＦＤ領域を所定の電位にリセットするためのリセットトランジスタとを有する複数の画素を、マトリックス（行列）状に形成して構成される。
【０００３】
そして、ダイナミックレンジを拡大したＣＭＯＳエリアセンサに関する技術が開示されている（例えば、非特許文献１参照。）。この非特許文献１におけるＣＭＯＳエリアセンサでは、各画素において、更に、上記ＦＤより容量の大きなコンデンサ領域を形成し、コンデンサ領域の一方の端子と上記ＦＤとをスイッチを介して接続し、コンデンサ領域の他方の端子とグランドを接続している。これにより、強い光により上記フォトダイオードから電荷が溢れ出した場合（オーバフローした場合）に、上記コンデンサ領域にその溢れ出した電荷を保持することで、溢れ出した電荷量に応じた信号出力を可能とし、ダイナミックレンジを拡大している。
【０００４】
【非特許文献１】Shigetoshi Sugawa,他５名,"A 100db Dynamic Range CMOS Image Sensor Using a lateral Overflow Integration Capacitor", ISSCC 2005/SESSION19/IMAGES/19.4,DIGEST OF TECHNICAL PAPERS,2005 IEEE International Solid-State Circuit Conference, February 8,2005,P352-353,603
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、非特許文献１の技術では、上記コンデンサ領域の容量を十分に活用してダイナミックレンジを拡大しているとは言えず、更なる改善の余地がある。
【０００６】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、フローティングディフュージョン領域と別に設けたコンデンサ領域の容量を十分に活用してダイナミックレンジを拡大することができる固体撮像装置及びその固体撮像装置を用いたカメラ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】
この発明は、上述した課題を解決すべくなされたもので、本発明による固体撮像装置においては、入射した光によって発生した電荷を蓄積する光電変換部と、該電荷を転送するための転送部と、該電荷が転送されるフローティングディフュージョン部と、該フローティングディフュージョン部に転送された電荷を増幅する増幅部とを有する単位画素を、行列状に配列して構成される固体撮像装置であって、画素の少なくともひとつは、前記フローティングディフュージョン部に一方の端子を接続された、一露光期間中に光電変換された電荷を蓄積する電荷保持部を具備し、電荷保持部の他方の端子は、少なくとも前記電荷保持部に蓄積された電荷を読み出す期間においてグランド電位以外の所定電位を供給する電位供給端子に接続されていることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明によるカメラにおいては、請求項１〜６の何れか１項に記載の固体撮像装置と、固体撮像装置に光学像を結像させるためのレンズと、レンズを通る光量を可変するための絞りとを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明による固体撮像装置及びカメラは、フローティングディフュージョンと別に設けたコンデンサの容量を十分に活用してダイナミックレンジを拡大することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に、図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態における固体撮像装置（ＣＭＯＳエリアセンサ）ついて説明する。図１は、本実施形態の固体撮像装置の各画素の概略構成の一例を示す図である。
図１において、本実施形態の固体撮像装置の各画素は、フォトダイオード１０と、第１の転送ＭＯＳトランジスタ１１と、リセットＭＯＳトランジスタ１２と、第２の転送ＭＯＳトランジスタ１３と、電荷保持部（コンデンサ）１４、ソースフォロアＭＯＳトランジスタ１５と、選択ＭＯＳトランジスタ１６とを備える。また、固体撮像装置の各画素は、複数行×複数列の２次元マトリクス状に配列されている。
【００１１】
フォトダイオード１０は、入射した光によって発生した電荷を蓄積する。また、フォトダイオード１０は、第１の転送ＭＯＳトランジスタ１１を介して、ＦＤ（フローティングディフュージョン；浮遊拡散）１７に接続されている。また、ＦＤ１７は、第１の転送ＭＯＳトランジスタ１１のドレイン端子を兼ねたレイアウト構成であり、第１の転送ＭＯＳトランジスタ１１を介してフォトダイオード１０から転送される電荷を保持可能である。また、ＦＤ１７は、リセットＭＯＳトランジスタ１２のドレイン端子、ソースフォロアＭＯＳトランジスタ１５のゲート端子、及び第２の転送ＭＯＳトランジスタ１３のドレイン端子と相互に接続されている。
【００１２】
第２の転送ＭＯＳトランジスタ１３のソース端子は、電荷保持部１４を介してＶＰＵＬＳ印加端子に接続されている。これにより、ＶＰＵＬＳ印加端子から電荷保持部１４の一端に、任意の電位を有する電位信号ＶＰＵＬＳが印加される。本実施形態の固体撮像装置の各画素の構成において、従来技術（非特許文献１）で説明した固体撮像装置の各画素の構成と異なる特徴点は、この電荷保持部１４の一端に任意の電圧を加えることを可能とする構成とした点である。
【００１３】
ここで、電荷保持部１４の形成手法について説明する。電荷保持部１４において、コンデンサを形成するには、例えば、ＭＯＳ容量や２層ＰＯＬ（ポリ）容量が考えられる。ＭＯＳ容量と２層ＰＯＬ容量を同一領域に形成することも可能であり、これにより、同じ面積であって電荷保持部１４の容量増大が可能である。そこで、ＭＯＳ容量と２層ＰＯＬ容量を同一領域に形成する構成例について以下に説明する。
【００１４】
まず、拡散層が、Ｐウェルの表面領域に、ｎ型不純物をドープ（添加）することにより形成される。ｎ型領域（ｎ型不純物を含む領域）である拡散層と、ｐ型領域（ｐ型不純物を含む領域）であるＰウェルとの間には容量（接合容量）が形成され、電荷を蓄積可能である。
【００１５】
その拡散層の上に第１の誘電体膜を形成する。尚、拡散層の周りをＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）等の絶縁層で素子分離している場合には、その絶縁層の上にまで第１の誘電体膜を形成してもよい。
【００１６】
第１のポリシリコン層は、第１の誘電体膜の上に形成される。この第１のポリシリコン層は、電源電位ＶＤＤ又はグランド電位に接続される。次に、第２の誘電体膜は、第１のポリシリコン層の上に形成される。第２のポリシリコン層は、第２の誘電体膜の上に形成される。
【００１７】
以上のように本実施形態では、ｎ型領域である拡散層と、ｐ型領域であるＰウェルとにより第１のコンデンサが形成される。また、ｎ型領域である拡散層と、第１のポリシリコン層と、第１の誘電体膜とにより第２のコンデンサが形成される。さらに、第１のポリシリコン層と、第２のポリシリコン層と、第２の誘電体膜とにより第３のコンデンサが形成される。すなわち、これら第１〜第３のコンデンサを形成するために、Ｐウェル、拡散層、第１の誘電体膜、第１のポリシリコン層、第２の誘電体膜、及び第２のポリシリコン層を積層させるようにしたのである。
【００１８】
なお、第１のポリシリコン層及び第２のポリシリコン層は、不純物がドープ（添加）されること等によって導電性を有する。また、第１のポリシリコン層及び第２のポリシリコン層は、導電性を有する材料であれば、必ずしもポリシリコンを用いる必要はない。また、上述した第１及び第２の誘電体膜は、例えば、SiO2膜とSiN2膜とが積層されたものである。また、第１及び第２の誘電体膜は、その厚さが薄いほど、キャパシタンス（容量）が大きくなる。そこで、印加される電圧により第１及び第２の誘電体膜の絶縁が破壊又は劣化しない限度において、第１及び第２の誘電体膜の厚さを薄くするのが好ましい。
【００１９】
また、リセットＭＯＳトランジスタ１２及びソースフォロアＭＯＳトランジスタ１５のソース端子は、例えば電源電圧ＶＤＤを供給する電源線に接続されている。ソースフォロアＭＯＳトランジスタ１５のドレイン端子は、選択ＭＯＳトランジスタ１６のソース端子と相互に接続されており、ＦＤ１７に転送された電荷量に応じて変化する信号を出力する。
【００２０】
第１の転送ＭＯＳトランジスタ１１、リセットＭＯＳトランジスタ１２、第２の転送ＭＯＳトランジスタ１３、及び選択ＭＯＳトランジスタ１６は、それぞれゲート端子に供給される制御信号によりオン、オフ制御される。なお、第１の転送ＭＯＳトランジスタ１１、リセットＭＯＳトランジスタ１２、第２の転送ＭＯＳトランジスタ１３、及び選択ＭＯＳトランジスタ１６は、ハイレベルの制御信号がゲート端子に供給されるとオン（導通）状態となり、ロウレベルの制御信号がゲート端子に供給されるとオフ（遮断）状態となる。
【００２１】
具体的には、図１に示すように、第１の転送ＭＯＳトランジスタ１１のゲート端子には、制御信号ＴＸが供給され、第２の転送ＭＯＳトランジスタ１３のゲート端子には、制御信号ＳＷが供給され、選択ＭＯＳトランジスタ１６のゲート端子には、制御信号ＳＥＬが供給され、リセットＭＯＳトランジスタ１３のゲート端子には、制御信号ＲＥＳが供給される。
【００２２】
ここで、制御信号ＴＸは、フォトダイオード１０において光電変換により蓄積された電荷をＦＤ１７に転送するための制御信号である。制御信号ＳＷは、ＦＤ１７と電荷保持部１４とを接続するための制御信号である。制御信号ＳＥＬは、画素を選択するための制御信号である。制御信号ＲＥＳは、ＦＤ１７の電位を電源電圧ＶＤＤ（例えば＋５Ｖ）にリセットするための制御信号である。
【００２３】
次に、図１に示した固体撮像装置の画素回路の動作例について説明する。図２は、図１に示した固体撮像装置の画素回路の動作例を示すタイミングチャートである。図２に示すように、制御信号ＲＥＳ、ＳＥＬ、ＴＸ、及びＳＷと、電位信号ＶＰＵＬＳが供給されることで、図１の画素は、制御に応じた期間、フォトダイオード１０で光電変換した電荷を、画素信号として出力する。
【００２４】
また、図２の波形ＴＮ１は、ＦＤ１７をリセット後にＦＤ１７に蓄積されているノイズ電荷に応じた画素信号（以下、第１の画素信号とする）の保持タイミングを示す。波形ＴＳ１は、上記ノイズ電荷に、フォトダイオード１０からＦＤ１７に転送された電荷を加えた電荷に応じた画素信号（以下、第２の画素信号とする）の保持タイミングを示す。すなわち、図１には示していないが、固体撮像装置は、制御信号ＳＥＬで選択した各画素が出力する第１の画素信号及び第２の画素信号の信号レベルを所定のタイミングで保持する第１の保持回路及び第２の保持回路を有する。これにより、波形ＴＳ１のタイミングで保持した第２の画素信号の信号レベルから、波形ＴＮ１のタイミングで保持した第１の画素信号の信号レベルを差し引くことで、ＦＤ１７に固有のノイズ成分を除去することができる。
【００２５】
同様に、図２の波形ＴＮ２は、リセット後にＦＤ１７及び電荷保持部１４に蓄積されているノイズ電荷に応じた画素信号（以下、第３の画素信号とする）の保持タイミングを示す。波形ＴＳ２は、ノイズ電荷と、フォトダイオード１０からＦＤ１７に転送された電荷と、電荷保持部１４に保持している電荷とを加えた電荷に応じた画素信号（以下、第４の画素信号とする）の保持タイミングを示す。すなわち、図１には示していないが、固体撮像装置は、制御信号ＳＥＬで選択した各画素が出力する第３の画素信号及び第４の画素信号の信号レベルを所定のタイミングで保持する第３の保持回路及び第４の保持回路を有する。
【００２６】
まず、図２の期間Ａにおいて画素回路のリセット動作が行われる（リセット期間）。具体的には、時刻ｔ１の前において、制御信号ＲＥＳ、ＴＸ、ＳＷがオンすることで、ＦＤ１７及び電荷保持部１４の電位が電源電位ＶＤＤにリセットされる。そして、時刻ｔ１において、制御信号ＲＥＳ、ＴＸがオフすることで、リセット動作が完了する。
【００２７】
次に、期間Ｂにおいて、フォトダイオード１０において電荷の蓄積が行われる（蓄積期間）。この期間Ｂの間、制御信号ＳＷがオンしているので、例えば強い光を受けてフォトダイオード１０がオーバフローして、電荷がＦＤ１７へ溢れ出した場合には、その電荷は、ＦＤ１７及び電荷保持部１４の双方に蓄積される。
【００２８】
次に、期間Ｃにおいて、フォトダイオード１０からの電荷に応じた画素信号の読み出し処理が行われる（第１の読み出し期間）。具体的には、時刻ｔ２において、制御信号ＲＥＳがオンして、制御信号ＳＷがオフする。これにより、例えばフォトダイオード１０のオーバフローによりＦＤ１７に電荷が蓄積されていても、ＦＤ１７の電位が電源電位ＶＤＤにリセットされる。なお、制御信号ＳＷのオフにより第２の転送ＭＯＳトランジスタ１３がオフするので、電荷保持部１４はリセットされない。すなわち、電荷保持部１４は、オーバフローした電荷があればこれを保持し続ける。
【００２９】
次に、時刻ｔ３において、制御信号ＲＥＳがオフして、制御信号ＳＥＬがオンし、少し遅れて波形Ｔ１が所定期間の間（下記時刻ｔ４より早い時刻までの期間）オンする。制御信号ＳＥＬがオンすることで、選択ＭＯＳトランジスタ１６がオンとなり、ソースフォロアＭＯＳトランジスタ１５の出力信号が、画素信号として出力される。これにより、リセット後のＦＤ１７のノイズ電荷に応じた信号が読み出されて画素信号として出力され、その信号レベルが上記第１の保持回路で保持される。
【００３０】
次に、時刻ｔ４において、制御信号ＴＸがオンすることで、第１の転送ＭＯＳトランジスタ１１がオンして、フォトダイオード１０に蓄積された電荷がＦＤ１７に転送される。これにより、ＦＤ１７に転送された電荷に応じたソースフォロアＭＯＳトランジスタ１５の出力信号が、画素信号として出力される。そして、その画素信号の信号レベルは、波形ＴＳ１のタイミングで上記第２の保持回路により保持される。
【００３１】
次に、期間Ｄにおいて、ダイナミックレンジの拡大のためのオーバフローした電荷に応じた画素信号の読み出し処理が行われる（第２の読み出し期間）。尚、フォトダイオード１０においてオーバフローが発生していなければ、電荷保持部１４に電荷が保持されないが、ここでは、オーバフローにより溢れた電荷が電荷保持部１４に保持されていることを前提に説明する。
【００３２】
具体的には、時刻ｔ５において、制御信号ＳＷがオンして、電荷保持部１４に保持されているオーバフローにより溢れた電荷と、ＦＤ１７に保持している電荷が足し合わされる。ほぼ同時に、ＶＰＵＬＳ印加端子から任意の電位を有する電位信号ＶＰＵＬＳが印加される。これにより、上記の足し合わされた電荷に応じた電位に、更に電位信号ＶＰＵＬＳ分の電位を加えた電位に応じたソースフォロアＭＯＳトランジスタ１５の出力信号が、画素信号として出力される。そして、その画素信号の信号レベルは、波形ＴＳ２のタイミングで上記第４の保持回路により保持される。
【００３３】
次に、時刻ｔ６において、制御信号ＴＸがオンすることで、第１の転送ＭＯＳトランジスタ１１がオンする。次に、時刻ｔ７において、制御信号ＲＥＳがオンするとＦＤ１７及び電荷保持部１４の電位が電源電位ＶＤＤにリセットされる。リセット後には、ＦＤ１７及び電荷保持部１４に蓄積されているノイズ電荷に応じた画素信号が出力される。その後、その画素信号の信号レベルを、波形ＴＮ２のタイミングで、上記第３の保持回路により保持する。
【００３４】
以上に説明したように、例えば電位Ａの電位信号ＶＰＵＬＳを印加することで、オーバフローにより溢れた電荷によりソースフォロアＭＯＳトランジスタ１５のゲート端子にかかる電位の低下を電位Ａだけキャンセルできる。また、溢れた電荷に応じてソースフォロアＭＯＳトランジスタ１５の出力信号が変化可能な範囲には限りがあり、ある電荷量以上が溢れても出力信号が飽和してしまう電荷量の最大値がある。上記、電位Ａの電位信号ＶＰＵＬＳを印加することで、その電荷量の最大値が上がり、ダイナミックレンジを更に拡大できる。
【００３５】
尚、図２において、波形ＴＮ２の保持タイミングは、破線で示したタイミングでもよい。また、ＶＰＵＬＳＥは、期間Ｄの間常時オンする必要はなく、例えば図２の破線で示すように制御信号ＲＥＳでリセットしている期間オフしたりしてもよい。
【００３６】
上記、ダイナミックレンジを更に拡大できる理由について図３、図４を用いて更に詳しく説明する。図３は、ソースフォロアＭＯＳトランジスタ１５のゲート端子にかかる電位ＶＦＤの変化（横軸）と、ソースフォロアＭＯＳトランジスタ１５のドレイン端子から出力される出力信号ｏｕｔ（選択ＭＯＳトランジスタ１６の介して画素信号となる信号）の変化（縦軸）の関係を示すグラフである。図３に示すように、電位ＶＦＤが大きく成るほど、出力信号ｏｕｔも大きくなる。また、電位ＶＦＤは、フォトダイオード１０から転送される電荷量が多いほど低下する。すなわち、フォトダイオード１０の受光量が増加するほど、ソースフォロアＭＯＳトランジスタ１５のドレイン端子から出力される出力信号ｏｕｔの値が低下する。具体的には光量Ｑｐｄ、ＦＤ１７の容量をＣｆｄとすると、Ｑｐｄ／Ｃｆｄだけ電位ＶＦＤが低下して、その低下電位量に応じて出力信号ｏｕｔが低下する。
【００３７】
また、電位信号ＶＰＵＬＳＥを印加して、第２の転送ＭＯＳトランジスタ１３をオンすると、ΔＶだけソースフォロアＭＯＳトランジスタ１５のゲート端子の電位ＶＦＤが上がる。この時、図３に示すようにΔＶは以下の式により求まる。
ΔＶ＝（Ｃｓ／Ｃｓ＋Ｃｆｄ）×ＶＰＵＬＳＥ
尚、上記式において、Ｃｓは電荷保持部１４の容量、Ｃｆｄは、ＦＤ１７の容量、ＶＰＵＬＳＥは電位信号ＶＰＵＬＳＥの電位である。
【００３８】
次に、ＦＤ１７に転送される電荷により電位ＶＦＤを低下させる電位量（上記Ｑｐｄ／Ｃｆｄで求まる値）を、光出力として、光出力とフォトダイオード１０が受光した光量の関係について図４を用いて説明する。図４において、実線は、電荷保持部１４とＦＤ１７が非接続の状態でのＦＤ１７における光出力と光量Ｑｐｄの関係を示す。実線は、光量Ｑｐｄの増加に応じて増加し、その傾きはＱｐｄ／Ｃｆｄであり、光量Ｑｓａｔで飽和する。
【００３９】
破線４０１は、電荷保持部（電荷保持部１４に相当）とＦＤ（ＦＤ１７に相当）が接続された状態での従来（非特許文献１）の固体撮像装置（電荷保持部の一端がグランドに接続されている構成）における光量Ｑｐｄの変化に応じた光出力の関係を示す。破線４０１に示すように、光量Ｑｐｄに応じて光出力が変化するが、その傾きはＱｐｄ／（Ｃｆｄ＋Ｃｓ）であり、最大光量Ｑｗｄｒ１で飽和する。このように、電荷保持部１４によりオーバフローした電荷に応じて最大光量Ｑｗｄｒ１までダイナミックレンジを拡大しているが、本実施形態では更にダイナミックレンジを拡大することができる。
【００４０】
破線４０２は、本実施形態における電荷保持部１４とＦＤ１７が接続された状態でのＦＤ１７における光量Ｑｐｄの変化に応じた光出力の関係を示す。破線４０２に示すように、傾きは従来と変わりなくＱｐｄ／（Ｃｆｄ＋Ｃｓ）であるが、電位信号ＶＰＵＬＳＥの電位に応じたΔＱの光量分がキャンセルされている。ここでΔＱは、以下の式により求まる。但し、ΔＱ＜Ｑｓａｔである。
ΔＱ＝（Ｃｆｄ＋Ｃｓ）×ΔＶ＝Ｃｓ×ＶＰＵＬＳＥ
【００４１】
以上により、破線４０２は、最大光量Ｑｗｄｒ２で飽和する。図４から明らかなように、光量Ｑｗｄｒ２は、従来の最大光量Ｑｗｄｒ１よりもΔＱだけ大きく、従来より更にダイナミックレンジを拡大することができる。また、電位信号ＶＰＵＬＳＥの電位は、Ｑｓａｔ／Ｃｓ未満に制御される。
【００４２】
（第２の実施形態）
次に、第１の実施形態と異なる構成となる本発明の第２の実施形態における固体撮像装置（ＣＭＯＳエリアセンサ）ついて説明する。図５は、第２の実施形態における固体撮像装置の各画素の概略構成の一例を示す図である。図５において、図１と異なる構成の部分は、ＶＰＵＬＳ印加端子からみて電荷保持部１４ａと第２の転送ＭＯＳトランジスタ１３ａの接続関係が逆になった点である。機能的には、図１の第２の転送ＭＯＳトランジスタ１３及び電荷保持部１４と、図５の第２の転送ＭＯＳトランジスタ１３ａ及び電荷保持部１４ａは同じである。すなわち、ＦＤ１７と電荷保持部１４ａの一方の端子が接続され、電荷保持部１４ａの他方の端子とＶＰＵＬＳ印加端子とが第２の転送ＭＯＳトランジスタ１３ａを介して接続されている構成である。
【００４３】
図５のような構成の画素を有する固体撮像装置において、図２に示したような制御を行うことで、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４４】
（第３の実施形態）
次に、第２の実施形態と異なる構成となる本発明の第３の実施形態における固体撮像装置（ＣＭＯＳエリアセンサ）ついて説明する。図６は、第３の実施形態における固体撮像装置の各画素の概略構成の一例を示す図である。図６において、図５に示した第２の実施形態と異なる部分は、ＦＤ１７に更に電荷保持部６１の一方の端子を接続し、電荷保持部６１の他方の端子とグランドを第３の転送ＭＯＳトランジスタ６２を介して接続している点である。尚、電荷保持部６１及び第３の転送ＭＯＳトランジスタ６２は、電荷保持部１４ａ及び第２の転送ＭＯＳトランジスタ１３ａと同等の機能を有する。また、第３の転送ＭＯＳトランジスタ６２を制御する制御信号ＳＷは、第２の転送ＭＯＳトランジスタ１３ａを制御する制御信号ＳＷと同じ信号である。
【００４５】
図６のような構成の画素を有する固体撮像装置において、図２に示したような制御を行うことで、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４６】
（第４の実施形態）
次に、第１の実施形態と異なる構成となる本発明の第４の実施形態における固体撮像装置（ＣＭＯＳエリアセンサ）ついて説明する。図７は、第４の実施形態における固体撮像装置の各画素の概略構成の一例を示す図である。図７において、図１に示した第１の実施形態と異なる部分は、ＦＤ１７に更に第３の転送ＭＯＳトランジスタ７１のソース端子を接続し、第３の転送ＭＯＳトランジスタ７１のドレイン端子とグランドを、電荷保持部７２を介して接続している点である。尚、第３の転送ＭＯＳトランジスタ７１及び電荷保持部７２は、第２の転送ＭＯＳトランジスタ１３及び電荷保持部１４と同等の機能を有する。また、第３の転送ＭＯＳトランジスタ７１を制御する制御信号ＳＷは、第２の転送ＭＯＳトランジスタ１３を制御する制御信号ＳＷと同じ信号である。
【００４７】
図７のような構成の画素を有する固体撮像装置において、図２に示したような制御を行うことで、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４８】
（他の実施形態）
図８に基づいて、前述した各実施形態の固体撮像装置をスチルカメラに適用した場合の一実施形態について詳述する。
図８は、前述した各実施形態の固体撮像装置を「スチルカメラ」に適用した場合を示すブロック図である。
図８において、１３０１は、レンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリアであり、１３０２は、被写体の光学像を固体撮像素子１３０４に結像させるレンズであり、１３０３は、レンズ１３０２を通った光量を可変するための絞りであり、１３０４は、レンズ１３０２で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子であり、１３０６は、固体撮像素子１３０４より出力される画像信号のアナログーディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器である。
【００４９】
１３０７は、Ａ／Ｄ変換器１３０６より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮したりする信号処理部であり、１３０８は、固体撮像素子１３０４、撮像信号処理回路１３０５、Ａ／Ｄ変換器１３０６、及び信号処理部１３０７に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部であり、１３０９は、各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部であり、１３１０は、画像データを一時的に記憶する為のメモリ部であり、１３１１は、記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部であり、１３１２は、画像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体であり、１３１３は、外部コンピュータ等と通信する為のインターフェース部である。
【００５０】
次に、前述の構成における撮影時のスチルビデオカメラの動作について説明する。
バリア１３０１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、更にＡ／Ｄ変換器１３０６などの撮像系回路の電源がオンされる。
それから、露光量を制御する為に、全体制御・演算部１３０９は絞り１３０３を開放にし、固体撮像素子１３０４から出力された信号はＡ／Ｄ変換器１３０６で変換された後、信号処理部１３０７に入力される。
そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部１３０９で行う。
この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部１３
０９は絞りを制御する。
【００５１】
固体撮像素子１３０４から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部１３０９で行う。その後、レンズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は、再びレンズを駆動し測距を行う。
そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。
露光が終了すると、固体撮像素子１３０４から出力された画像信号はＡ／Ｄ変換器１３０６でＡ／Ｄ変換され、信号処理部１３０７を通り全体制御・演算部１３０９によりメモリ部に書き込まれる。
【００５２】
その後、メモリ部１３１０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部１３０９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１３１２に記録される。また、外部Ｉ／Ｆ部１３１３を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
【００５３】
次に、図９に基づいて、前述した各実施形態の固体撮像装置をビデオカメラに適用した場合の一実施例について詳述する。
図９は、前述した各実施形態の固体撮像装置を「ビデオカメラ」に適用した場合を示すブロック図である。図９において、１４０１は撮影レンズであり、焦点調節を行うためのフォーカスレンズ１４０１Ａ、ズーム動作を行うズームレンズ１４０１Ｂ、及び結像用のレンズ１４０１Ｃを備えている。
【００５４】
１４０２は絞りであり、１４０３は、撮像面に結像された被写体像を光電変換して電気的な撮像信号に変換する固体撮像素子であり、１４０４は、固体撮像素子３より出力された撮像信号をサンプルホールドし、さらに、レベルをアンプするサンプルホールド回路（Ｓ／Ｈ回路）であり、映像信号を出力する。
【００５５】
１４０５は、サンプルホールド回路１４０４から出力された映像信号にガンマ補正、色分離、ブランキング処理等の所定の処理を施すプロセス回路であり、輝度信号Ｙおよびクロマ信号Ｃを出力する。プロセス回路１４０５から出力されたクロマ信号Ｃは、色信号補正回路１４２１で、ホワイトバランス及び色バランスの補正がなされ、色差信号Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙとして出力される。
【００５６】
また、プロセス回路１４０５から出力された輝度信号Ｙと、色信号補正回路１４２１から出力された色差信号Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙとは、エンコーダ回路（ＥＮＣ回路）１４２４で変調され、標準テレビジョン信号として出力される。そして、図示しないビデオレコーダ、あるいはモニタＥＶＦ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｉｅｗ Ｆｉｎｄｅｒ）等の電子ビューファインダへと供給される。
【００５７】
１４０６はアイリス制御回路であり、サンプルホールド回路１４０４から供給される映像信号に基づいてアイリス駆動回路１４０７を制御し、映像信号のレベルが所定レベルの一定値となるように、絞り１４０２の開口量を制御すべくｉｇメータを自動制御するものである。
【００５８】
１４１３、１４１４は、サンプルホールド回路１４０４から出力された映像信号中より合焦検出を行うために必要な高周波成分を抽出する異なった帯域制限のバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）である。第一のバンドパスフィルタ１４１３（ＢＰＦ１）、及び第２のバンドパスフィルタ１４１４（ＢＰＦ２）から出力された信号は、ゲート回路１４１５及びフォーカスゲート枠信号で各々ゲートされ、ピーク検出回路１４１６でピーク値が検出されてホールドされると共に、論理制御回路１４１７に入力される。
この信号を焦点電圧と呼び、この焦点電圧によってフォーカスを合わせている。
【００５９】
また、１４１８はフォーカスレンズ１４０１Ａの移動位置を検出するフォーカスエンコーダであり、１４１９はズームレンズ１４０１Ｂの焦点距離を検出するズームエンコーダであり、１４２０は絞り１４０２の開口量を検出するアイリスエンコーダである。これらのエンコーダの検出値は、システムコントロールを行う論理制御回路１４１７へと供給される。
【００６０】
論理制御回路１４１７は、設定された合焦検出領域内に相当する映像信号に基づいて、被写体に対する合焦検出を行い、焦点調節を行う。即ち、各々のバンドパスフィルタ１４１３、１４１４より供給された高周波成分のピーク値情報を取り込み、高周波成分のピーク値が最大となる位置へとフォーカスレンズ１４０１Ａを駆動すべくフォーカス駆動回路１４０９にフォーカスモータ１４１０の回転方向、回転速度、回転／停止等の制御信号を供給し、これを制御する。
【００６１】
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本実施形態の固体撮像装置の各画素の概略構成の一例を示す図である。
【図２】図１に示した固体撮像装置の画素回路の動作例を示すタイミングチャートである。
【図３】ソースフォロアＭＯＳトランジスタ１５のゲート端子にかかる電位ＶＦＤの変化と、ソースフォロアＭＯＳトランジスタ１５のドレイン端子から出力される出力信号ｏｕｔの変化の関係を示すグラフである。
【図４】光出力とフォトダイオード１０が受光した光量の関係について示すグラフである。
【図５】第２の実施形態における固体撮像装置の各画素の概略構成の一例を示す図である。
【図６】第３の実施形態における固体撮像装置の各画素の概略構成の一例を示す図である。
【図７】第４の実施形態における固体撮像装置の各画素の概略構成の一例を示す図である。
【図８】前述した各実施形態の固体撮像装置を「スチルカメラ」に適用した場合を示すブロック図である。
【図９】前述した各実施形態の固体撮像装置を「ビデオカメラ」に適用した場合を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００６３】
１０          フォトダイオード
１１          第１の転送ＭＯＳトランジスタ
１２          リセットＭＯＳトランジスタ
１３、１３ａ  第２の転送ＭＯＳトランジスタ
１４、１４ａ  電荷保持部（コンデンサ）
１５          ソースフォロアＭＯＳトランジスタ
１６          選択ＭＯＳトランジスタ１６
６１、７２    電荷保持部（コンデンサ）
６２、７１    第３の転送ＭＯＳトランジスタ
【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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