(57)【要約】【課題】  できるだけ単純な構成により、検出可能な受光量のダイナミックレンジを広げる。【解決手段】  フォトダイオードの逆方向端を接地し、順方向端を受光量に応じた電位変動を生じる変動点Ｐとして機能させる。周期Ｔの先頭時点ｔ１で、変動点Ｐが初期電圧Ｖ０となるようにリセットする。変動点Ｐの電位は時間の経過とともに低下するが、その傾斜は受光量に応じたものとなる。時間Ｍ１が経過した中間時点ｔ２で、変動点Ｐの中間電位を読み出し、この中間電位が基準電位Ｖｘ以上の場合（グラフＧ１，Ｇ２）はそのままの状態とし、基準電位Ｖｘ未満の場合（グラフＧ３〜Ｇ６）は、時点ｔ３で、変動点Ｐの電位が基準電位Ｖｘ′となるように再度のリセットを行う。周期Ｔの終了時点ｔ０で、変動点Ｐの最終電位Ｖ１〜Ｖ６を読み出し、初期電位Ｖ０との差を、周期Ｔの間の受光量を示す値として出力する。【選択図】  図９
2006005404.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光量に応じた電気信号を出力する機能をもった画素を、多数配列することにより構成される固体撮像装置であって、
個々の画素が、
一端が定電位に固定され、他端が受光量に応じた電位変動を生じる変動点Ｐとして機能するフォトダイオードと、
前記変動点Ｐが前記定電位より高い所定の初期電位となるように、所定周期Ｔで周期的リセットを行うリセット手段と、
前記リセット手段による周期的リセットの直前における前記変動点Ｐの電位を読み出し、読み出した電位と前記初期電位との差を当該画素に関する受光量を示す電気信号として出力する電位読出手段と、
を備え、
前記電位読出手段は、前記所定周期Ｔの中間時点における前記変動点Ｐの電位を中間電位として読み出す機能を有し、
前記リセット手段は、前記中間電位が所定の基準電位未満である場合に、前記変動点Ｐの電位が前記基準電位となるように、前記中間時点において中間リセットを行う機能を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の固体撮像装置において、
電位読出手段が、リセット手段による周期的リセット時における変動点Ｐの電位を読み出し、これを初期電位の値として用いることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の固体撮像装置において、
リセット手段が、中間電位が基準電位以上である場合に、変動点Ｐの電位が前記中間電位となるように、中間時点において中間リセットを行う機能を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像装置において、
リセット手段が、電位読出手段による読み出し値に基づくフィードバック制御を行うことにより、変動点Ｐが初期電位、基準電位、もしくは中間電位となるようなリセットを行うことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項５】
請求項４に記載の固体撮像装置において、
リセット手段が、中間電位が基準電位未満である場合には、電位読出手段による読み出し値と前記基準電位に対応して設定された参照値との差を零にするようなフィードバック制御を行うことにより中間リセットを行い、中間電位が基準電位以上である場合には、電位読出手段による中間リセット直前の読み出し値と中間リセット時の読み出し値との差を零にするようなフィードバック制御を行うことにより中間リセットを行うことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の固体撮像装置において、
所定周期Ｔ内に複数の中間時点を定め、後続する中間時点ほど低い基準電位が設定されるように、個々の中間時点ごとにそれぞれ異なる基準電位を設定したことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項７】
受光量に応じた電気信号を出力する機能をもった画素を、多数配列することにより構成される固体撮像装置であって、
個々の画素が、
一端が定電位に固定され、他端が受光量に応じた電位変動を生じる変動点Ｐとして機能するフォトダイオードと、
一端が前記変動点Ｐに接続され、他端が検出点Ｑとして機能するＭＯＳトランジスタと、
ゲート電圧を制御することにより、前記ＭＯＳトランジスタを所定周期Ｔで周期的に一時的ＯＮ状態にして、前記変動点Ｐに蓄積した負電荷を前記検出点Ｑに転送する周期的転送処理を行う電荷転送手段と、
前記所定周期Ｔの中間時点において、前記検出点Ｑが前記定電位より高い所定の初期電位となるように一次リセットを行うリセット手段と、
前記電荷転送手段による周期的転送処理が行われた時点における前記検出点Ｑの電位を読み出し、読み出した電位と前記初期電位との差を当該画素に関する受光量を示す電気信号として出力する電位読出手段と、
を備え、
前記電荷転送手段は、前記一次リセットの直後にも、前記変動点Ｐに蓄積した負電荷を前記検出点Ｑに転送する中間転送処理を行う機能を有し、
前記電位読出手段は、前記中間転送処理が行われた時点における前記検出点Ｑの電位を中間電位として読み出す機能を有し、
前記リセット手段は、前記中間電位が所定の基準電位未満である場合に、前記検出点Ｑの電位が前記基準電位となるように、前記中間転送処理の直後に二次リセットを行う機能を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項８】
請求項７に記載の固体撮像装置において、
電位読出手段が、リセット手段による一次リセット時における検出点Ｑの電位を読み出し、これを初期電位の値として用いることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項９】
請求項７または８に記載の固体撮像装置において、
リセット手段が、中間電位が基準電位以上である場合に、検出点Ｑの電位が前記中間電位となるように、中間転送処理の直後に二次リセットを行う機能を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１０】
請求項７〜９のいずれかに記載の固体撮像装置において、
リセット手段が、電位読出手段による読み出し値に基づくフィードバック制御を行うことにより、検出点Ｑが初期電位、基準電位、もしくは中間電位となるようなリセットを行うことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の固体撮像装置において、
リセット手段が、中間電位が基準電位未満である場合には、電位読出手段による読み出し値と前記基準電位に対応して設定された参照値との差を零にするようなフィードバック制御を行うことにより二次リセットを行い、中間電位が基準電位以上である場合には、電位読出手段による二次リセット直前の読み出し値と二次リセット時の読み出し値との差を零にするようなフィードバック制御を行うことにより二次リセットを行うことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１２】
請求項７〜１１のいずれかに記載の固体撮像装置において、
所定周期Ｔ内に複数の中間時点を定め、後続する中間時点ほど低い基準電位が設定されるように、個々の中間時点ごとにそれぞれ異なる基準電位を設定し、一次リセットを最初の中間時点においてのみ行うようにし、２番目以降の中間時点では、中間電位の読み出し結果に基づき、必要に応じて二次リセットを行うようにすることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれかに記載の固体撮像装置において、
電位読出手段を、互いに直列接続された第１のＭＯＳトランジスタおよび第２のＭＯＳトランジスタと、これら一対のＭＯＳトランジスタによって形成される電流路に電流を流すための電流源と、によって構成し、前記第１のＭＯＳトランジスタのゲートに変動点Ｐもしくは検出点Ｑを接続し、前記第２のＭＯＳトランジスタのゲートに当該画素についての読出動作を選択する選択信号を与えることにより読み出しが行われるようにした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、各画素ごとにフォトダイオードとＭＯＳトランジスタを設けたＭＯＳイメージセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置は、画像入力処理を行う基本素子として、様々な分野で広く利用されている。現在、一般に利用されている固体撮像装置は、ＣＣＤイメージセンサとＭＯＳイメージセンサに大別される。ＭＯＳイメージセンサの原理は、個々の画素ごとに受光素子として機能するフォトダイオードを設け、このフォトダイオードの出力をＭＯＳトランジスタで増幅して取り出すものであり、特に、ＣＭＯＳ回路を採用したＣＭＯＳイメージセンサは、低消費電力で駆動する小型の固体撮像素子として有望視されている。たとえば、下記の特許文献１および２には、ＭＯＳイメージセンサ用の動作回路が開示されている。
【特許文献１】特開平１０−３２２１４０号公報
【特許文献２】特開２００１−２６８４４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
フォトダイオードを用いた固体撮像装置では、フォトダイオードの一端を定電位に固定した固定端とし、他端を電位変動が生じる変動端とし、この変動端の蓄積電荷量を一定周期ごとに電位変動としてＭＯＳトランジスタで読み出すことにより、当該フォトダイオードの受光量を電気信号として取り出すことになる。したがって、個々のフォトダイオードで検出可能な受光量のダイナミックレンジは、変動端の電位変動の許容範囲内に制限されることになる。このため、このダイナミックレンジを越えるような強い光が照射された場合、出力信号は飽和状態となり、正しい受光量を検出することができない。この現象は、いわゆる「白とび」と呼ばれている。
【０００４】
このような「白とび」現象を防ぐためには、検出可能な受光量のダイナミックレンジを広げる工夫が必要になる。しかしながら、従来の工夫は、特殊な回路構成を必要としたり、外部に大きなメモリを必要としたりするため、装置全体が複雑になり、コストが高くなるという問題があった。
【０００５】
そこで本発明は、できるだけ単純な構成により、検出可能な受光量のダイナミックレンジを広げることが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】
【０００６】
(1)   本発明の第１の態様は、受光量に応じた電気信号を出力する機能をもった画素を、多数配列することにより構成される固体撮像装置において、
個々の画素を、
一端が定電位に固定され、他端が受光量に応じた電位変動を生じる変動点Ｐとして機能するフォトダイオードと、
変動点Ｐが定電位より高い所定の初期電位となるように、所定周期Ｔで周期的リセットを行うリセット手段と、
リセット手段による周期的リセットの直前における変動点Ｐの電位を読み出し、読み出した電位と初期電位との差を当該画素に関する受光量を示す電気信号として出力する電位読出手段と、
によって構成し、
電位読出手段が、所定周期Ｔの中間時点における変動点Ｐの電位を中間電位として読み出す機能を有し、
リセット手段が、中間電位が所定の基準電位未満である場合に、変動点Ｐの電位が基準電位となるように、中間時点において中間リセットを行う機能を有するようにしたものである。
【０００７】
(2)   本発明の第２の態様は、上述の第１の態様に係る固体撮像装置において、
電位読出手段が、リセット手段による周期的リセット時における変動点Ｐの電位を読み出し、これを初期電位の値として用いるようにしたものである。
【０００８】
(3)   本発明の第３の態様は、上述の第１または第２の態様に係る固体撮像装置において、
リセット手段が、中間電位が基準電位以上である場合に、変動点Ｐの電位が中間電位となるように、中間時点において中間リセットを行う機能を有するようにしたものである。
【０００９】
(4)   本発明の第４の態様は、上述の第１〜第３の態様に係る固体撮像装置において、
リセット手段が、電位読出手段による読み出し値に基づくフィードバック制御を行うことにより、変動点Ｐが初期電位、基準電位、もしくは中間電位となるようなリセットを行うようにしたものである。
【００１０】
(5)   本発明の第５の態様は、上述の第４の態様に係る固体撮像装置において、
リセット手段が、中間電位が基準電位未満である場合には、電位読出手段による読み出し値と基準電位に対応して設定された参照値との差を零にするようなフィードバック制御を行うことにより中間リセットを行い、中間電位が基準電位以上である場合には、電位読出手段による中間リセット直前の読み出し値と中間リセット時の読み出し値との差を零にするようなフィードバック制御を行うことにより中間リセットを行うようにしたものである。
【００１１】
(6)   本発明の第６の態様は、上述の第１〜第５の態様に係る固体撮像装置において、
所定周期Ｔ内に複数の中間時点を定め、後続する中間時点ほど低い基準電位が設定されるように、個々の中間時点ごとにそれぞれ異なる基準電位を設定したものである。
【００１２】
(7)   本発明の第７の態様は、受光量に応じた電気信号を出力する機能をもった画素を、多数配列することにより構成される固体撮像装置において、
個々の画素を、
一端が定電位に固定され、他端が受光量に応じた電位変動を生じる変動点Ｐとして機能するフォトダイオードと、
一端が変動点Ｐに接続され、他端が検出点Ｑとして機能するＭＯＳトランジスタと、
ゲート電圧を制御することにより、ＭＯＳトランジスタを所定周期Ｔで周期的に一時的ＯＮ状態にして、変動点Ｐに蓄積した負電荷を検出点Ｑに転送する周期的転送処理を行う電荷転送手段と、
所定周期Ｔの中間時点において、検出点Ｑが定電位より高い所定の初期電位となるように一次リセットを行うリセット手段と、
電荷転送手段による周期的転送処理が行われた時点における検出点Ｑの電位を読み出し、読み出した電位と初期電位との差を当該画素に関する受光量を示す電気信号として出力する電位読出手段と、
によって構成し、
電荷転送手段が、一次リセットの直後にも、変動点Ｐに蓄積した負電荷を検出点Ｑに転送する中間転送処理を行う機能を有し、
電位読出手段が、中間転送処理が行われた時点における検出点Ｑの電位を中間電位として読み出す機能を有し、
リセット手段が、中間電位が所定の基準電位未満である場合に、検出点Ｑの電位が基準電位となるように、中間転送処理の直後に二次リセットを行う機能を有するようにしたものである。
【００１３】
(8)   本発明の第８の態様は、上述の第７の態様に係る固体撮像装置において、
電位読出手段が、リセット手段による一次リセット時における検出点Ｑの電位を読み出し、これを初期電位の値として用いるようにしたものである。
【００１４】
(9)   本発明の第９の態様は、上述の第７または第８の態様に係る固体撮像装置において、
リセット手段が、中間電位が基準電位以上である場合に、検出点Ｑの電位が中間電位となるように、中間転送処理の直後に二次リセットを行う機能を有するようにしたものである。
【００１５】
(10)  本発明の第１０の態様は、上述の第７〜第９の態様に係る固体撮像装置において、
リセット手段が、電位読出手段による読み出し値に基づくフィードバック制御を行うことにより、検出点Ｑが初期電位、基準電位、もしくは中間電位となるようなリセットを行うようにしたものである。
【００１６】
(11)  本発明の第１１の態様は、上述の第１０の態様に係る固体撮像装置において、
リセット手段が、中間電位が基準電位未満である場合には、電位読出手段による読み出し値と基準電位に対応して設定された参照値との差を零にするようなフィードバック制御を行うことにより二次リセットを行い、中間電位が基準電位以上である場合には、電位読出手段による二次リセット直前の読み出し値と二次リセット時の読み出し値との差を零にするようなフィードバック制御を行うことにより二次リセットを行うようにしたものである。
【００１７】
(12)  本発明の第１２の態様は、上述の第７〜第１１の態様に係る固体撮像装置において、
所定周期Ｔ内に複数の中間時点を定め、後続する中間時点ほど低い基準電位が設定されるように、個々の中間時点ごとにそれぞれ異なる基準電位を設定し、一次リセットを最初の中間時点においてのみ行うようにし、２番目以降の中間時点では、中間電位の読み出し結果に基づき、必要に応じて二次リセットを行うようにしたものである。
【００１８】
(13)  本発明の第１３の態様は、上述の第１〜第１２の態様に係る固体撮像装置において、
電位読出手段を、互いに直列接続された第１のＭＯＳトランジスタおよび第２のＭＯＳトランジスタと、これら一対のＭＯＳトランジスタによって形成される電流路に電流を流すための電流源と、によって構成し、第１のＭＯＳトランジスタのゲートに変動点Ｐもしくは検出点Ｑを接続し、第２のＭＯＳトランジスタのゲートに当該画素についての読出動作を選択する選択信号を与えることにより読み出しが行われるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る固体撮像装置によれば、単純な構成により、検出可能な受光量のダイナミックレンジを広げることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。
【００２１】
＜＜＜  §１．  従来の一般的な３トランジスタ型固体撮像装置  ＞＞＞
はじめに、説明の便宜上、従来の一般的なＭＯＳイメージセンサで利用されている１画素分の回路およびその動作を、図１の回路図に基づいて説明する。図示の回路は、３つのＭＯＳトランジスタにより１画素分の回路を構成したいわゆる「３トランジスタ型」と呼ばれる固体撮像装置の例である。
【００２２】
図示のとおり、この回路は、フォトダイオードＰＤと、３つのＮ型ＭＯＳトランジスタによって構成されている。図の▽マークは接地電位を示しており、フォトダイオードＰＤの逆方向端は接地されている。一方、フォトダイオードＰＤの順方向端は、点Ｐを介して、ＭＯＳトランジスタＴ１の一端に接続されている。このＭＯＳトランジスタＴ１の他端は、電源ラインＶＤＤに接続されており、ゲートは、リセット信号ラインＲＳＴに接続されている。図に破線で示した容量素子Ｃ１は、フォトダイオードＰＤの寄生容量を示している。フォトダイオードＰＤは、一端が定電位（この例では接地電位）に固定されているが、他端は、容量素子Ｃ１の蓄電量に応じて電位変動を生じることになる。ここでは、図示の点Ｐを「変動点Ｐ」と呼ぶことにする。後述するように、この変動点Ｐの電位は、フォトダイオードＰＤの受光量に応じて変動することになる。
【００２３】
いま、リセット信号ラインＲＳＴから、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲートにリセット信号を与えて、トランジスタを一時的にＯＮ状態にすると、変動点Ｐの電位は、ほぼ電源電圧ＶＤＤに近い値になる。これが、この画素が初期化された状態である。ここでは、この状態における変動点Ｐの電位を初期電位Ｖ０と呼ぶことにする。ＭＯＳトランジスタＴ１のしきい値電圧をＶｔｈとすれば、初期電位Ｖ０＝ＶＤＤーＶｔｈとなる。ここで、初期電位Ｖ０は、接地電位よりも高いので、フォトダイオードＰＤには逆バイアスが加わることになり、容量素子Ｃ１には、変動点Ｐの電位に応じた電荷が蓄積される。
【００２４】
こうして、初期化のためのリセットが完了すると、ＭＯＳトランジスタＴ１はＯＦＦ状態になり、受光量の検出プロセスが開始する。すなわち、トランジスタＴ１がＯＦＦ状態になると、フォトダイオードＰＤ（容量素子Ｃ１）に蓄積されていた電荷の放電が開始する。このとき、放電する電荷量は、フォトダイオードＰＤに照射されている光量に依存する。すなわち、フォトダイオードＰＤの受光量が大きければ大きいほど、多量の電荷が放電することになり、蓄積されていた電荷は減少する。フォトダイオードＰＤ内の蓄積電荷が減少すると、変動点Ｐの電位も低下することになる。結局、フォトダイオードＰＤの受光量は、上述した初期化のためのリセット後、一定時間経過した時点において、変動点Ｐの電位が初期電位Ｖ０からどれだけ低下したかを測定することにより認識できる。
【００２５】
ＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ３は、変動点Ｐの電位を読み出すための電位読出手段として機能する構成要素である。図示のとおり、トランジスタＴ２，Ｔ３は互いに直列接続された状態となっており、この一対のトランジスタからなる直列経路によって、電源ラインＶＤＤから信号出力ラインＯＵＴへ至る電流路が形成されている。この電位読出手段によって、変動点Ｐの電位を外部に読み出すには、選択信号ラインＳＥＬに当該画素についての読出動作を選択する選択信号を与えればよい。この選択信号は、トランジスタＴ２のゲートに与えられ、このトランジスタＴ２をＯＮ状態にする。一方、トランジスタＴ３のゲートには、変動点Ｐの電位が加えられている。したがって、図示のとおり、信号出力ラインＯＵＴに電流源Ｊを接続しておけば、信号出力ラインＯＵＴには、変動点Ｐの電位に応じた量の電流が流れることになる。具体的には、フォトダイオードＰＤの受光量が少なければ、変動点Ｐの電位は高くなり、信号出力ラインＯＵＴを流れる電流量は多くなるが、フォトダイオードＰＤの受光量が多ければ、変動点Ｐの電位は低くなり、信号出力ラインＯＵＴを流れる電流量は少なくなる。
【００２６】
図２は、図１に示す回路による受光量の検出動作を示すタイミングチャートである。上段のチャートは変動点Ｐの電位、中段のチャートはリセット信号ラインＲＳＴの電圧、下段のチャートは選択信号ラインＳＥＬの電圧をそれぞれ示している。図示のとおり、リセット信号ラインＲＳＴには、所定周期Ｔごとにリセットパルスが与えられ、このパルスの幅に相当する期間だけ、ＭＯＳトランジスタＴ１がＯＮ状態になる。その結果、変動点Ｐは、周期Ｔごとに初期電圧Ｖ０となるようにリセットされる。ここでは、このリセットパルスが与えられるタイミングをｔ１と呼ぶことにする。図２に示されているとおり、１つのタイミングｔ１から、次のタイミングｔ１までの期間が、所定周期Ｔに相当する。
【００２７】
一般的な動画撮影用の固体撮像装置の場合、周期Ｔ＝１／３０秒（約３３ｍｓｅｃ）に設定される。一方、タイミングｔ１で与えられるリセットパルス（図２の中段）や、タイミングｔ０＆ｔ１で与えられる選択パルス（図２の下段）は、その幅がμｓｅｃのオーダーであるため、実時間軸上では、周期Ｔに比べて極めて短い幅をもったパルスになる。ただ、図示のタイミングチャート上では、説明の便宜上、実時間軸上での本来のパルス幅を無視した尺度で、これらのパルスを示すことにする。
【００２８】
上述したとおり、タイミングｔ１でリセットを行うと、変動点Ｐの電位は、初期電位Ｖ０まで上昇するが、その後、蓄積電荷の放電により、変動点Ｐの電位は徐々に低下してゆく。図２の上段のグラフＧ１は、このような電位低下を示すグラフである。上述したとおり、この電位低下の程度は、フォトダイオードＰＤの受光量に応じて変化し、弱い光が照射されている場合には、グラフＧ１の傾斜は緩やかになるが、強い光が照射されている場合には、グラフＧ１の傾斜は急峻なものになる。やがて、周期Ｔが経過すると、再び、タイミングｔ１において、リセットパルスが与えられることになり、変動点Ｐの電位は初期電位Ｖ０まで上昇する。
【００２９】
そこで、リセット直前のタイミングｔ０において、変動点Ｐの電位を読み出すようにする。図示の例では、変動点Ｐの電位は、周期Ｔの期間内に、初期電位Ｖ０からＶ１まで下降してきており、タイミングｔ０で読み出される変動点Ｐの電位はＶ１になる。ここで、電位差ΔＶ＝Ｖ０−Ｖ１が、周期Ｔの間の受光量を示す検出値ということになる。図２の下段に示すように、選択信号ラインＳＥＬ上には、タイミングｔ０で選択パルスが与えられているが、これはこの選択パルスによりＭＯＳトランジスタＴ２をＯＮ状態にして、リセット直前における変動点Ｐの電位を示す情報（変動点Ｐの電位に応じた電気信号）を信号出力ラインＯＵＴ上に読み出すためである。このように、「変動点Ｐの電位の読み出し」とは、変動点Ｐの電位に対応した何らかの電気信号を信号出力ラインＯＵＴ上に得ることを意味している。実用上は、変動点Ｐの電位に関連した電圧値が外部に対して出力されることになる。
【００３０】
ところで、選択信号ラインＳＥＬ上の選択パルスの幅は、図２の下段に示すように、２つのタイミングｔ０，ｔ１に及んでいるが、これは、タイミングｔ０においてリセット直前の電位Ｖ１を読み出し、タイミングｔ１においてリセット時の電位Ｖ０を読み出すためである。これら両タイミングで電位の読み出しを行えば、両電位の差Ｖ０−Ｖ１により、受光量を示す検出値ΔＶを求めることができる。なお、実際には、変動点Ｐの電位の読み出しは、タイミングｔ０として示すパルス幅あるいはタイミングｔ１として示すパルス幅の範囲内の所定時点において行われることになるが、ここでは、図示の便宜上、各パルスの立ち上がり時点で、電位の読み出しが行われるものとして、以下の説明を行うことにする。
【００３１】
前述したとおり、図１に示す回路は、１つの画素に関する回路であり、実際の固体撮像装置は、このような１画素分の回路を縦横に行列を構成するように多数配置することにより構成される。ここで、リセット信号ラインＲＳＴおよび選択信号ラインＳＥＬは、行方向（図の左右方向）に隣接配置された多数の画素についての共通信号線として機能し、一行分の画素について、図２のタイミングチャートで示す動作が同時に実行される。一方、信号出力ラインＯＵＴは、列方向（図の上下方向）に隣接配置された多数の画素についての共通信号線として機能し、一列分の画素が、同一の信号出力ラインＯＵＴを共用することになる。ただ、各行ごとに、それぞれ図２に示す周期Ｔの位相が少しずつずれるような駆動が行われるため、同一の信号出力ラインＯＵＴ上には、第１行目の画素の出力、第２行目の画素の出力、第３行目の画素の出力、……というように、各行の画素に関する検出値が時系列信号として得られることになる。
【００３２】
続いて、この図１に示す構成をもった画素からなる固体撮像装置において、「白とび」現象が生じる理由を図３のタイミングチャートを用いて説明する。この図３のタイミングチャートは、図２のタイミングチャートと同様に、周期Ｔにおける変動点Ｐの電位変動と、リセット信号ラインＲＳＴおよび選択信号ラインＳＥＬの状態を示すものである。ただ、上段のグラフには、合計６本のグラフＧ１〜Ｇ６が示されている。これらのグラフは、フォトダイオードＰＤに異なる６通りの強度をもった光が照射された場合の結果を示している。すなわち、グラフＧ１は、最も弱い光が照射された場合の変動点Ｐの電位変動を示し、グラフＧ６は、最も強い光が照射された場合の変動点Ｐの電位変動を示す。前述したとおり、フォトダイオードＰＤに照射される光の強度は、グラフの傾斜に影響を与えることになり、弱い光が照射された場合は、緩やかな傾斜のグラフＧ１が得られるが、強い光が照射された場合は、急峻な傾斜のグラフＧ６が得られることになる。
【００３３】
この６通りのそれぞれの場合について、タイミングｔ０で読み出される変動点Ｐの電位に着目すると、図示のとおり、グラフＧ１，Ｇ２，Ｇ３については、それぞれ電位Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が読み出されることになるが（黒丸で示す点Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３は、それぞれ電位Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３をもったグラフ上の点を示す。以下、同様）、グラフＧ４，Ｇ５，Ｇ６については、いずれも電位Ｖ４（最低電位）が読み出されることになる。すなわち、この固体撮像装置は、ほぼグラフＧ３程度の光までは、正しい受光量の検出を行うことができるが、それを越えると、検出値は最大強度で飽和した状態となり、正しい受光量の検出を行うことができない。別言すれば、この固体撮像装置のダイナミックレンジの上限は、グラフＧ３程度の光まで、ということになる。
【００３４】
固体撮像装置のダイナミックレンジを広げる手法としては、種々の方法が知られているが、いずれも特殊な回路構成を必要としたり、外部に大きなメモリを必要としたりするため、装置全体が複雑になり、コストが高くなるという問題がある。本発明の狙いは、できるだけ単純な構成により、検出可能な受光量のダイナミックレンジを広げることにある。
【００３５】
＜＜＜  §２．  本発明に係る３トランジスタ型固体撮像装置  ＞＞＞
続いて、上述した３トランジスタ型固体撮像装置に本発明を適用した実施形態を述べる。図４は、本発明に係る３トランジスタ型固体撮像装置の一画素分の回路を示す回路図である。この図４に示す回路の基本構成は、図１に示す回路の基本構成とほぼ共通している。両者の相違点は、図１に示す回路の場合、電源ラインＶＤＤがＭＯＳトランジスタＴ１およびＴ３の双方に接続されているのに対し、図４に示す回路の場合、電源ラインＶＤＤはＭＯＳトランジスタＴ３のみに接続され、ＭＯＳトランジスタＴ１には、別個のリセット電圧設定ラインＬ１が接続されている点である。電源ラインＶＤＤが常に一定の電圧を供給する信号線であるのに対し、リセット電圧設定ラインＬ１は、図示されていない制御回路によって設定された任意の電圧を供給する機能を有している。
【００３６】
このように、リセット電圧設定ラインＬ１を別個に設けることにより、変動点Ｐを初期電圧Ｖ０にリセットするだけでなく、任意の電圧となるようなリセットが可能になる。本発明の特徴は、リセット電圧設定ラインＬ１のこのような機能を利用して、周期Ｔの中間時点において、必要に応じて中間リセットを行う点にある。以下、この本発明の原理を、図５〜図９のタイミングチャートを利用して説明する。これらのタイミングチャートは、図２あるいは図３に示すタイミングチャートと同様に、周期Ｔにおける変動点Ｐの電位変動と、リセット信号ラインＲＳＴおよび選択信号ラインＳＥＬの状態を示すものである。
【００３７】
まず、図５のタイミングチャートを説明する。上段のグラフＧ１は、フォトダイオードＰＤに比較的弱い光が照射された場合の変動点Ｐの電位変動を示すものであり、図２の上段のグラフＧ１と同じものである。所定周期Ｔでリセット信号ラインＲＳＴ上にリセットパルス（タイミングｔ１）を与えた後に、変動点Ｐの電位をＶ０からＶ１へと徐々に降下させる点は、従来装置と同様である。また、所定周期Ｔで選択信号ラインＳＥＬ上に選択パルス（タイミングｔ０＆ｔ１）を与え、タイミングｔ０で読み出された電位Ｖ１とタイミングｔ１で読み出された電位Ｖ０との差により、周期Ｔの間の受光量を検出する点も、従来装置と同様である。
【００３８】
ただ、この実施形態では、周期Ｔの中間時点においても、変動点Ｐの電位の読み出しが行われる。具体的には、図５の下段のチャートに示すとおり、タイミングｔ１でのリセットの後、中間時間Ｍ１（Ｍ１＜Ｔ）が経過した中間時点においても、選択信号ラインＳＥＬ上に選択パルス（タイミングｔ２＆ｔ３）を与え、この中間時点における変動点Ｐの電位を読み出す処理を行っている。図示の例では、タイミングｔ２において、グラフＧ１上の点Ｖ１ｍに相当する電位Ｖ１ｍが読み出される。ここでは、こうして中間時点で読み出された変動点Ｐの電位を「中間電位」と呼ぶことにする。図５の例では、電位Ｖ１ｍが中間電位として読み出されることになる。
【００３９】
なお、この中間電位を読み出すだけであれば、選択信号ラインＳＥＬ上の選択パルスはタイミングｔ２だけで十分であるが、図示のとおり、この実施形態での選択パルスは、タイミングｔ２およびｔ３の幅をもっている。これは、後述するように、タイミングｔ３において中間リセットを行う場合の便宜を考慮したものである。
【００４０】
このように、中間時点において中間電位Ｖ１ｍを読み出したのは、当該中間電位Ｖ１ｍが、所定の基準電位Ｖｘよりも大きいか小さいかを判定するためである。基準電位Ｖｘは、初期電位Ｖ０より低い所定の値として予め設定された電位である。図示の例の場合、Ｖｘ＝１／２・Ｖ０なる設定を行っており、×印で示す点Ｖｘは、タイミングｔ２において、基準電位Ｖｘをもつグラフ上の点である。図５に示すグラフＧ１の場合、中間電位Ｖ１ｍは基準電位Ｖｘよりも大きい。これに対して、図６に示すグラフＧ２の場合、中間電位Ｖ２ｍは基準電位Ｖｘに等しくなっており、図７に示すグラフＧ３の場合あるいは図８に示すグラフＧ４の場合、中間電位Ｖ３ｍ，Ｖ４ｍは基準電位Ｖｘより小さくなっている。
【００４１】
ここに示す実施形態では、このように中間時点において中間電位を読み出し、読み出した中間電位が基準電位Ｖｘ以上であった場合には、この中間時点では特に何もせずに、§１で述べた従来例と同様の方法で受光量の検出を行うようにする。たとえば、図５に示すグラフＧ１の場合、中間電位Ｖ１ｍは基準電位Ｖｘよりも大きいので、中間時点では何もせずに、周期Ｔが終了するタイミングｔ０で変動点Ｐの電位を再び読み出す処理を行う。こうしてタイミングｔ０で読み出された電位Ｖ１と、リセット時のタイミングｔ１で読み出された初期電位Ｖ０との差を、周期Ｔの期間における受光量として検出することは、既に§１で述べたとおりである。図６に示すグラフＧ２の場合も同様である。すなわち、中間電位Ｖ２ｍは基準電位Ｖｘに等しいので、中間時点では何もせずに、周期Ｔが終了するタイミングｔ０で読み出された電位Ｖ２と、リセット時のタイミングｔ１で読み出された初期電位Ｖ０との差を、周期Ｔの期間における受光量として検出する。
【００４２】
本発明に特有の処理は、中間時点において読み出した中間電位が基準電位Ｖｘ未満であった場合に行われる。この場合、中間時点であるタイミングｔ３において、中間リセットを行うようにする。この中間リセットは、周期Ｔで行われる通常のリセット（ここでは、周期的リセットと呼ぶ）と同様に、リセット信号ラインＲＳＴにリセットパルスを与え、ＭＯＳトランジスタＴ１を一時的ＯＮ状態にして、変動点Ｐの電位を強制的に引き上げる処理であるが、変動点Ｐの電位を初期電位Ｖ０まで引き上げるのではなく、基準電位Ｖｘまで引き上げるようにする点に特徴がある。
【００４３】
この中間リセットの処理動作は、タイミングチャート上に示された具体例を見れば、容易に理解できよう。たとえば、図７に示すグラフＧ３の場合、タイミングｔ２で読み出された中間電位Ｖ３ｍは、基準電位Ｖｘ未満であるので、タイミングｔ３において、中間リセットが行われる。図７中段のリセット信号ラインＲＳＴ上には、３つのリセットパルスが示されているが、タイミングｔ１に位置するリセットパルスは、従来どおりの周期的リセットを行うためのパルスであるのに対し、タイミングｔ３に位置するリセットパルスは、中間リセットを行うためのパルスである。
【００４４】
このような中間リセットが行われた結果、変動点Ｐの電位は、タイミングｔ１〜ｔ２に至るまでは徐々に下降するが、タイミングｔ３において、基準電位Ｖｘまで上昇することになる。もっとも、この中間リセットが行われた後、変動点Ｐの電位は再び下降を続けることになる。結局、グラフＧ３は、周期Ｔにわたって、全体的には下降傾向にあるものの、中間リセット時（タイミングｔ３）に基準電位Ｖｘまで上昇する鋸歯状形態をとることになる。こうして、最終的には、周期Ｔが終了するタイミングｔ０において、変動点Ｐの電位として電位Ｖ３が読み出される。こうして読み出された電位Ｖ３と、リセット時のタイミングｔ１で読み出された初期電位Ｖ０との差を、周期Ｔの期間における受光量として検出する点は、従来の検出動作と同じである。
【００４５】
続いて、図８の例を見てみよう。図８に示すグラフＧ４の場合、タイミングｔ２で読み出された中間電位Ｖ４ｍ（最低電位）は、基準電位Ｖｘ未満であるので、タイミングｔ３において、中間リセットが行われる。この場合も、図８中段のリセット信号ラインＲＳＴ上に示された、３つのリセットパルスのうち、タイミングｔ１に位置するリセットパルスは、従来どおりの周期的リセットを行うためのパルスであり、タイミングｔ３に位置するリセットパルスは、中間リセットを行うためのパルスである。
【００４６】
このような中間リセットが行われた結果、タイミングｔ２の時点では最低電位に達していた変動点Ｐの電位は、タイミングｔ３において、基準電位Ｖｘまで上昇することになる。結局、最終的には、周期Ｔが終了するタイミングｔ０において、変動点Ｐの電位として電位Ｖ４が読み出される。こうして読み出された電位Ｖ４と、リセット時のタイミングｔ１で読み出された初期電位Ｖ０との差を、周期Ｔの期間における受光量として検出する点は、従来の検出動作と同じである。
【００４７】
図９は、複数のグラフＧ１〜Ｇ６に対応する各強度の光が照射された場合の本発明に係る検出動作の相違を示すタイミングチャートである。グラフＧ１は最も弱い光が照射された場合の検出動作を示し、グラフＧ６は最も強い光が照射された場合の検出動作を示している。ここで、タイミングｔ２において読み出された中間電位が基準電位Ｖｘ以上となるグラフＧ１，Ｇ２の場合は、中間時点では特別な処理は行われないので、図３に示すグラフＧ１，Ｇ２と全く同様の経過を辿ることになる。すなわち、タイミングｔ０において、それぞれ電位Ｖ１，Ｖ２の読み出しが行われ、初期電位Ｖ０との差が、受光量を示す検出値として出力される。
【００４８】
一方、タイミングｔ２において読み出された中間電位が基準電位Ｖｘ未満となるグラフＧ３〜Ｇ６の場合は、タイミングｔ３において、中間リセットが行われる。図９に示す例では、グラフＧ３，Ｇ４，Ｇ５，Ｇ６の電位は、いずれもタイミングｔ３において、基準電位Ｖｘ′まで上昇した後、再び、徐々に下降することになる。この基準電位Ｖｘ′からの下降時の傾斜は、初期電位Ｖ０からの下降時の傾斜とそれぞれ同じになるので、タイミングｔ０においては、各グラフＧ３〜Ｇ６ごとにそれぞれ異なる電位Ｖ３〜Ｖ６が読み出される。こうして読み出された電位Ｖ３〜Ｖ６と初期電位Ｖ０との差が、受光量を示す検出値として出力されることになる。
【００４９】
結局、図３のタイミングチャートによってその検出動作が示される従来の固体撮像装置の場合、照射光強度が比較的強いグラフＧ４〜Ｇ６について最終的に読み出される電位は、いずれも電位Ｖ４（最低電位）と同一になってしまい、いわゆる「白とび」現象が生じていたのに対し、図９のタイミングチャートによってその検出動作が示される本発明の固体撮像装置の場合、照射光強度が比較的強いグラフＧ３〜Ｇ６についても、最終的に読み出される電位は、それぞれ電位Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６と異なることになり、グラフＧ６で示される最強強度付近の光については一部「白とび」が生じるものの、従来のように広範囲にわたる「白とび」現象は回避されている。
【００５０】
これは、本発明によって、光強度が比較的高い部分に関するダイナミックレンジが広げられたためである。図９に示す例の場合、グラフＧ２に対応する光強度よりも弱い光が照射された場合、タイミングｔ０で読み出される変動点Ｐの電位は、Ｖ０〜Ｖ２の範囲内になり、グラフＧ２に対応する光強度よりも強い光が照射された場合、タイミングｔ０で読み出される変動点Ｐの電位は、Ｖ２〜Ｖ６の範囲内になる。したがって、実際の受光量と検出電圧との関係は、必ずしも線形関数にはならないが、少なくとも単調増加する関数になる。
【００５１】
図１０は、本発明によってダイナミックレンジが広がる様子を示すグラフである。このグラフの横軸は、フォトダイオードＰＤに照射される光の強度を示し、縦軸は、受光量を示す検出値の信号レベル（タイミングｔ０で読み出された電位とタイミングｔ１で読み出された初期電位Ｖ０との差）を示している。従来は、一点鎖線のグラフで示されているように、光強度０〜Ｉ２の範囲にダイナミックレンジが設定されており、光強度がＩ２以上になると信号レベルは最大値Ｌmax に達して飽和状態となり、Ｉ２以上の光強度を正しく検出することはできない。
【００５２】
これに対して、本発明では、実線のグラフで示されているように、強度０〜Ｉ１の範囲内の光については、信号レベル０〜Ｌｘなるレンジが対応づけられ、強度Ｉ１〜Ｉ３の範囲内の光については、信号レベルＬｘ〜Ｌmax なるレンジが対応づけられており、ダイナミックレンジは光強度０〜Ｉ３の範囲まで広がることになる。もちろん、光強度０〜Ｉ１の範囲内の検出精度に比べて、光強度Ｉ１〜Ｉ３の範囲内の検出精度は若干低下することになるが、光強度Ｉ２までに制限されていたダイナミックレンジが、光強度Ｉ３まで広がることは大きなメリットである。
【００５３】
ダイナミックレンジがどの程度まで広がるかは、中間時点の設定と基準電位の設定とによって変わってくる。具体的には、中間時点を周期Ｔの終了時点に近づければ近づけるほど（図９のタイミングチャートにおいて、中間時間Ｍ１を周期Ｔに近づければ近づけるほど）、あるいは、基準電位Ｖｘを高く設定すればするほど、ダイナミックレンジはより広がることになる。別言すれば、中間時間Ｍ１は、図１０に実線で示されているグラフの光強度Ｉ１〜Ｉ３間の傾斜を左右するパラメータになり、基準電位Ｖｘは、同グラフの光強度Ｉ１の位置を左右するパラメータになる。したがって、実用上は、ダイナミックレンジをどのように広げた固体撮像装置が必要か、という点を考慮して、中間時間Ｍ１および基準電位Ｖｘを適宜設定すればよい。
【００５４】
なお、厳密に言えば、図９に示す電位Ｖｘと電位Ｖｘ′とは完全には一致しない。本発明の基本原理によれば、点Ｖｘおよび点Ｖｘ′は、いずれもグラフＧ２上の点である必要があるので、厳密に言えば、Ｖｘ′＜Ｖｘである。しかしながら、既に述べたとおり、リセット信号ラインＲＳＴ上のリセットパルスや選択信号ラインＳＥＬ上の選択パルスの幅は、μｓｅｃのオーダーであるのに対して、周期Ｔは数十ｍｓｅｃのオーダーであり、両者のオーダーは４桁以上異なっている。したがって、Ｖｘ′＝Ｖｘとする取り扱いを行っても実質的には何ら問題は生じない。よって、ここでは、電位Ｖｘ′も電位Ｖｘも、同じ基準電位として取り扱っている。
【００５５】
図４に示す回路は、図９に示す検出動作を行うのに適した構成を有している。まず、図４に示すリセット信号ラインＲＳＴには、図９の中段に示すようなタイミングでリセットパルスが与えられ、ＭＯＳトランジスタＴ１を一時的ＯＮ状態にすることになる。このとき、リセットパルス自体に相違はないものの、タイミングｔ１で行われる周期的リセットと、タイミングｔ３で行われる中間リセットとでは、それぞれ異なる態様のリセット処理が行われる。すなわち、タイミングｔ１の周期的リセットでは、変動点Ｐを初期電位Ｖ０とする処理が行われるのに対し、タイミングｔ３の中間リセットでは、変動点Ｐを基準電位Ｖｘとする処理が行われる。
【００５６】
図４に示す回路において、リセット電圧設定ラインＬ１が設けられているのは、任意の電圧でリセットを行うことができるようにするためである。すなわち、タイミングｔ１で周期的リセットを行う際には、リセット電圧設定ラインＬ１を電源ラインＶＤＤと同様の電源電圧にしておけばよい。そうすれば、図４の回路は図１に示す従来の回路と同等になり、ＭＯＳトランジスタＴ１がＯＮになると、変動点Ｐは電源電圧ＶＤＤに近い初期電位Ｖ０となるようにリセットされる（トランジスタＴ１のしきい値電圧をＶｔｈとすれば、初期電位Ｖ０＝ＶＤＤ−Ｖｔｈ）。一方、タイミングｔ３で中間リセットを行う際には、リセット電圧設定ラインＬ１を基準電圧Ｖｘより若干高い所定電圧（トランジスタＴ１のしきい値電圧をＶｔｈとすれば、基準電圧ＶｘよりＶｔｈだけ高い電圧）にしておけばよい。そうすれば、ＭＯＳトランジスタＴ１がＯＮになると、変動点Ｐは基準電圧Ｖｘとなるようにリセットされる。
【００５７】
リセット電圧設定ラインＬ１は、同じ列に配置された複数の画素（図において上下方向に隣接配置された複数の画素）について共通の信号線として用意されているのに対し、リセット信号ラインＲＳＴは、同じ行に配置された複数の画素（図において左右方向に隣接配置された複数の画素）について共通の信号線として用意されているため、リセット信号ラインＲＳＴに与えるリセットパルスのタイミングと、リセット電圧設定ラインＬ１に所望の電圧を供給するタイミングとを合わせることにより、二次元行列状に配置された多数の画素のうちの特定の画素を特定の電圧でリセットすることが可能になる。
【００５８】
なお、ここで述べる実施形態の場合、中間リセットが必ず行われるわけではない。上述したように、中間時点（タイミングｔ２）で読み出した中間電位が、基準電位Ｖｘ以上であった場合（たとえば、図５や図６の場合）は、中間リセットは行われない。中間リセットが行われるのは、読み出した中間電位が、基準電位Ｖｘ未満であった場合（たとえば、図７や図８の場合）ということになる。したがって、実際には、タイミングｔ２において読み出された中間電位を基準電位Ｖｘと比較する演算を行った上で、中間リセットを行うか否かの判断を行う処理が必要になる。
【００５９】
上述したとおり、リセット電圧設定ラインＬ１を所定の電圧に設定した状態でリセットを行えば、変動点Ｐを所望の電位に設定することが可能になる。ただ、実用上は、変動点Ｐを所望の電位に正確に設定するためには、変動点Ｐの電位読出値に基づくフィードバック制御を伴うリセット処理を行うようにするのが好ましい。このフィードバック制御に関しては、§５において、実例を示しながら詳述する。
【００６０】
図５〜図９のタイミングチャートの下段に示す選択信号ラインＳＥＬ上には、タイミングｔ０，ｔ１，ｔ２，ｔ３の各時点で選択パルスが与えられている。ここで、タイミングｔ０で与えられる選択パルスは、周期的リセットの直前における変動点Ｐの電位Ｖ１〜Ｖ６を読み出すためのものであり、タイミングｔ１で与えられる選択パルスは、周期的リセット時における変動点Ｐの初期電位Ｖ０を読み出すためのものである。また、タイミングｔ２で与えられる選択パルスは、中間時点における変動点Ｐの中間電位を読み出すためのものである。一方、タイミングｔ３で与えられる選択パルスは、中間リセット時における変動点Ｐの電位を読み出すためのものである。このタイミングｔ３の中間リセット時における変動点Ｐの電位は、本発明の本質的な動作上は不要な情報であるが、このタイミングｔ３の選択パルスは、上述したフィードバック制御を行うために利用される。
【００６１】
＜＜＜  §３．  本発明に係る４トランジスタ型固体撮像装置  ＞＞＞
続いて、４つのＭＯＳトランジスタにより１画素分の回路を構成したいわゆる「４トランジスタ型」と呼ばれる固体撮像装置に本発明を適用した実施形態を述べる。
【００６２】
図１１は、従来の一般的な４トランジスタ型固体撮像装置の一画素分の回路を示す回路図である。図示のとおり、この回路は、フォトダイオードＰＤと、４つのＮ型ＭＯＳトランジスタＴ１０，Ｔ２０，Ｔ３０，Ｔ４０によって構成されている。トランジスタＴ１０，Ｔ３０には、電源ラインＶＤＤから電源電圧が供給されている。ここで、トランジスタＴ１０は、図１に示すトランジスタＴ１とほぼ同等の機能を果たすトランジスタであり、リセット信号ラインＲＳＴから供給されるリセットパルスに基づくリセット処理を行う機能を果たす。また、トランジスタＴ２０，Ｔ３０は、図１に示すトランジスタＴ２，Ｔ３と同等の機能を果たすトランジスタであり、選択信号ラインＳＥＬから供給される選択パルスのタイミングに合わせて、図の点Ｑの電位を信号出力ラインＯＵＴ上に読み出す機能を果たす。信号出力ラインＯＵＴには、電流源Ｊが接続されており、電位を読み出す原理は、図１の３トランジスタ型の回路と全く同じである。
【００６３】
この図１１に示す４トランジスタ型回路の特徴は、フォトダイオードＰＤに第４のＭＯＳトランジスタＴ４０を直列接続した点にある。このＭＯＳトランジスタＴ４０の一端は、フォトダイオードＰＤの順方向端である変動点Ｐに接続されており、他端は、トランジスタＴ１０の一端に接続されている。ここで、トランジスタＴ１０とトランジスタＴ４０とを接続する点Ｑは、一般に、フローティングディフュージョン端子と呼ばれており、この画素の受光量は、このフローティングディフュージョン端子の電位を読み出すことによって検出される。ここでは便宜上、この点Ｑを、検出点Ｑと呼ぶことにする。図に破線で示す容量素子Ｃ１０は、この検出点Ｑ（フローティングディフュージョン端子）の寄生容量である。
【００６４】
４トランジスタ型回路が３トランジスタ型回路と異なるもうひとつの点は、トランジスタＴ４０のゲートに転送パルスを供給するための転送信号ラインＴＮＳが設けられている点である。この転送信号ラインＴＮＳは、行方向（図の左右方向）に隣接配置された多数の画素についての共通信号線として機能し、一行分の画素が、同一の転送信号ラインＴＮＳを共用することになる。転送信号ラインＴＮＳからの転送パルスがトランジスタＴ４０のゲートに与えられると、トランジスタＴ４０は一時的にＯＮ状態になり、変動点Ｐに蓄積していた負電荷が検出点Ｑへと転送されることになる。
【００６５】
転送信号ラインＴＮＳ上に転送パルスが供給されていないとき、トランジスタＴ４０はＯＦＦ状態となる。この状態で、フォトダイオードＰＤに光が照射されると、変動点Ｐに負電荷が蓄積される。蓄積される負電荷の量は、フォトダイオードＰＤの受光量に応じたものとなり、受光量が多ければ、蓄積される負電荷の量も多くなる。転送信号ラインＴＮＳ上の転送パルスは、このようにして、変動点Ｐに蓄積した負電荷を、検出点Ｑへと転送するための転送処理を行う機能を果たす。
【００６６】
もっとも、変動点Ｐに蓄積した負電荷を検出点Ｑに転送するためには、検出点Ｑの電位を変動点Ｐの電位よりも高くしておく必要がある。そのために、トランジスタＴ１０によるリセット処理が行われる。すなわち、リセット信号ラインＲＳＴ上にリセットパルスを供給して、トランジスタＴ１０を一時的にＯＮ状態にすれば、検出点Ｑの電位は電源電圧ＶＤＤに近い初期電位Ｖ０となる（トランジスタＴ１０のしきい値電圧をＶｔｈとすれば、初期電位Ｖ０＝ＶＤＤ−Ｖｔｈ）。この状態で、転送信号ラインＴＮＳ上に転送パルスを供給すれば、変動点Ｐに蓄積していた負電荷が検出点Ｑへと転送され、検出点Ｑの電位は初期電位Ｖ０から急激に降下する。この電圧降下の量は、変動点Ｐに蓄積されていた負電荷の量に応じたものになるので、電圧降下後の検出点Ｑの電位を信号出力ラインＯＵＴに読み出せば、読み出された電位は、フォトダイオードＰＤの受光量を示すものになる。
【００６７】
図１２は、図１１に示す回路による受光量の検出動作を示すタイミングチャートである。ここで、上段のチャートは検出点Ｑの電位を示しており、その下の各チャートは、それぞれリセット信号ラインＲＳＴの電圧、転送信号ラインＴＮＳの電圧、選択信号ラインＳＥＬの電圧を示している。図示のとおり、リセット信号ラインＲＳＴには、所定周期Ｔごとにリセットパルスが与えられ、このパルスの幅に相当する期間だけ、ＭＯＳトランジスタＴ１０がＯＮ状態になる。その結果、検出点Ｑは、周期Ｔごとに初期電位Ｖ０となるようにリセットされる。ここでは、このリセットパルスが与えられるタイミングをｔ１と呼ぶことにする。図１２に示されているとおり、１つのタイミングｔ１から次のタイミングｔ１までの期間が、所定周期Ｔとなる。
【００６８】
既に述べたとおり、周期Ｔが数十ｍｓｅｃのオーダーであるのに対して、リセット信号ラインＲＳＴ上のリセットパルス、転送信号ラインＴＮＳ上の転送パルス、選択信号ラインＳＥＬ上の選択パルスの幅はμｓｅｃのオーダーであるが、図示のタイミングチャート上では、説明の便宜上、実時間軸上での本来のパルス幅を無視した尺度で、これらのパルスを示してある。
【００６９】
まず、タイミングｔ１でリセットパルスを与えてリセット処理を行うと、検出点Ｑの電位は、初期電位Ｖ０まで上昇する。そこで、その直後のタイミングｔ２で転送パルスを与えて転送処理を行い、変動点Ｐに蓄積していた負電荷を検出点Ｑまで転送する。すると、検出点Ｑには、転送された負電荷の量に応じた電圧降下が生じる。図１２の上段のチャートの場合、タイミングｔ２において、検出点Ｑの電位はＶ１まで降下している。この電位差ΔＶ（ΔＶ＝Ｖ０−Ｖ１）は、変動点Ｐに蓄積されていた負電荷の量に対応し、周期Ｔにおける受光量を示す値となる。
【００７０】
ここで、変動点Ｐの状態に着目すると、タイミングｔ２において、検出点Ｑへの電荷転送が行われた時点で、蓄積電荷は零になるが、その後、変動点Ｐには、周期Ｔの期間にわたって負電荷の蓄積が徐々に行われることになる。一方、検出点Ｑの電位は、タイミングｔ２の転送時の電位Ｖ１を、次回の転送のためのリセットタイミングｔ１まで維持することになるので、周期Ｔの期間にわたって電位変化は見られないが、この周期Ｔの間、変動点Ｐには着実に負電荷の蓄積が行われていることになる。
【００７１】
また、選択信号ラインＳＥＬ上には、タイミングｔ１およびｔ２で選択パルスが与えられる。タイミングｔ１で与えられる選択パルスは、リセット時の検出点Ｑの初期電位Ｖ０を読み出すためのものであり、その直後のタイミングｔ２で与えられる選択パルスは、転送時の検出点Ｑの電位Ｖ１を読み出すためのものである。両電位Ｖ０，Ｖ１が読み出されたら、両者の差ΔＶを求めることにより、周期Ｔ内の受光量を検出することができる。フォトダイオードＰＤに照射されている光が比較的弱い場合、受光量は小さくなるので、電位差ΔＶは小さくなるが、照射されている光が比較的強い場合は、受光量が大きくなり、電位差ΔＶも大きくなる。
【００７２】
なお、図１１に示す回路は、１つの画素に関する回路であり、実際の固体撮像装置は、このような１画素分の回路を縦横に行列を構成するように多数配置することにより構成される。ここで、リセット信号ラインＲＳＴ、選択信号ラインＳＥＬ、転送信号ラインＴＮＳは、行方向（図の左右方向）に隣接配置された多数の画素についての共通信号線として機能し、一行分の画素について、図１２のタイミングチャートで示す動作が同時に実行される。一方、信号出力ラインＯＵＴは、列方向（図の上下方向）に隣接配置された多数の画素についての共通信号線として機能し、一列分の画素が、同一の信号出力ラインＯＵＴを共用することになる。ただ、各行ごとに、それぞれ図１２に示す周期Ｔの位相が少しずつずれるような駆動が行われるため、同一の信号出力ラインＯＵＴ上には、第１行目の画素の出力、第２行目の画素の出力、第３行目の画素の出力、……というように、各行の画素に関する検出値が時系列信号として得られることになる。
【００７３】
続いて、この図１１に示す構成をもった画素からなる固体撮像装置において、「白とび」現象が生じる理由を図１３のタイミングチャートを用いて説明する。この図１３のタイミングチャートは、図１２のタイミングチャートと同様に、周期Ｔにおける検出点Ｑの電位変動と、リセット信号ラインＲＳＴ、転送信号ラインＴＮＳ、選択信号ラインＳＥＬの状態を示すものである。ただ、この図１３の上段に示すグラフでは、タイミングｔ２で転送処理が行われたときに、検出点Ｑの電位が最低レベルＶmin まで降下した状態が示されている。検出点Ｑは、前述したように、一般にフローティングディフュージョン端子と呼ばれている点であり、その電位は、フォトダイオードＰＤとＭＯＳトランジスタＴ４０の特性に基づいて定まる最低レベルＶmin までしか降下できない。別言すれば、初期電位Ｖ０に対する電位差には、上限値ΔＶmax が存在することになる。
【００７４】
これは、ある強度の光をフォトダイオードＰＤに照射したときに、タイミングｔ２の転送時の検出点Ｑの電位が既に最低レベルＶmin に達していた場合には、それより強い光をフォトダイオードＰＤに照射したとしても、タイミングｔ２の転送時の検出点Ｑの電位は、最低レベルＶmin より下がることはないことを意味し、当該強度の光について「白とび」現象が発生することになる。
【００７５】
そこで、本発明では、図１１に示す回路の代わりに、図１４に示す回路を用いるようにする。この図１４に示す回路の基本構成は、図１１に示す回路の基本構成とほぼ共通している。両者の相違点は、図１１に示す回路の場合、電源ラインＶＤＤがＭＯＳトランジスタＴ１０およびＴ３０の双方に接続されているのに対し、図１４に示す回路の場合、電源ラインＶＤＤはＭＯＳトランジスタＴ３０のみに接続され、ＭＯＳトランジスタＴ１０には、別個のリセット電圧設定ラインＬ１０が接続されている点である。電源ラインＶＤＤが常に一定の電圧を供給する信号線であるのに対し、リセット電圧設定ラインＬ１０は、図示されていない制御回路によって設定された任意の電圧を供給する機能を有している。
【００７６】
このように、リセット電圧設定ラインＬ１０を別個に設けることにより、検出点Ｑを初期電位Ｖ０にリセットするだけでなく、任意の電位となるようなリセットが可能になる。本発明の特徴は、リセット電圧設定ラインＬ１０のこのような機能を利用して、周期Ｔ内に必要に応じて２回のリセットを行う点にある。以下、この原理を、図１５および図１６のタイミングチャートを利用して説明する。これらのタイミングチャートは、図１２あるいは図１３に示すタイミングチャートと同様に、周期Ｔにおける検出点Ｑの電位変動と、リセット信号ラインＲＳＴ、転送信号ラインＴＮＳ、選択信号ラインＳＥＬの状態を示すものである。
【００７７】
まず、図１５のタイミングチャートを見てみる。図示のとおり、転送信号ラインＴＮＳ上にはタイミングｔ１で転送パルスが与えられ、選択信号ラインＳＥＬ上には同じくタイミングｔ１で選択パルスが与えられる。すなわち、所定周期Ｔごとに、転送パルスと選択パルスとが与えられ、変動点Ｐから検出点Ｑへの負電荷の転送を行った上で、検出点Ｑの電位の読み出しが行われることになる。こうして周期Ｔごとに読み出される電位（タイミングｔ１で読み出される電位）と初期電位Ｖ０との差が、周期Ｔにおける受光量を示す値になる。
【００７８】
一方、リセットのタイミングは、従来の回路とは異なっており、図示のとおり、リセット信号ラインＲＳＴ上には、タイミングｔ１から中間時間Ｍ１だけ経過したタイミングｔ２でリセットパルスが与えられる。図１５に示す例の場合、周期Ｔ内でのリセットは、このタイミングｔ２における１回だけであるが、後述する図１６に示す例の場合は、タイミングｔ２とタイミングｔ４との２回にわたってリセットが行われる。そこで、ここでは便宜上、タイミングｔ２で行われるリセットを一次リセット、タイミングｔ４で行われるリセットを二次リセットと呼ぶことにする。
【００７９】
中間時点で行われる処理は、このリセットの処理だけではない。転送信号ラインＴＮＳ上には、この中間時点のタイミングｔ３で転送パルスが与えられる。ここでは、便宜上、タイミングｔ１で与えられる転送パルスによる転送処理を周期的転送処理と呼び、タイミングｔ３で与えられる転送パルスによる転送処理を中間転送処理と呼ぶことにする。もっとも、中間転送処理も、周期Ｔごとに行われる周期的な処理であることには相違ない。また、選択信号ラインＳＥＬ上には、中間時点におけるタイミングｔ２，ｔ３，ｔ４の幅をもった選択パルスが与えられ、各タイミング時における検出点Ｑの電位がそれぞれ読み出される。
【００８０】
図１５に示す例の場合、タイミングｔ２での一次リセットにより、検出点Ｑの電位は初期電位Ｖ０まで上昇する。続いて、タイミングｔ３での中間転送処理により、変動点Ｐに蓄積されていた電荷（タイミングｔ１〜ｔ３の間に蓄積した負電荷）が検出点Ｑへ転送され、その結果、転送された電荷量に応じた分だけ検出点Ｑの電位が降下する。図示の例の場合、初期電位Ｖ０から電位Ｖ１ｍまで電位降下が生じている。ここでは、このタイミングｔ３で読み出された電位Ｖ１ｍを「中間電位」と呼ぶことにする。その後、タイミングｔ１での周期的転送処理により、再び、変動点Ｐに蓄積されていた電荷（タイミングｔ３〜ｔ１の間に蓄積した負電荷）が検出点Ｑへ転送され、その結果、転送された電荷量に応じた分だけ検出点Ｑの電位が更に降下する。図示の例の場合、中間電位Ｖ１ｍから電位Ｖ１まで電位降下が生じている。このタイミングｔ１で読み出された電位Ｖ１が、当該周期Ｔにおける受光量を示す値になる（受光量は、Ｖ０−Ｖ１で求められる）。
【００８１】
このように、中間時点において中間電位Ｖ１ｍを読み出すのは、当該中間電位Ｖ１ｍが、所定の基準電位Ｖｘよりも大きいか小さいかを判定するためである。基準電位Ｖｘは、§２で述べた実施形態の場合と同様に、初期電位Ｖ０より低い所定の値として予め設定された電位である。図１５に示す例の場合、Ｖｘ＝１／２・Ｖ０なる設定を行っており、上段のグラフに一点鎖線で示すレベルが、基準電位Ｖｘに相当する。この例では、中間電位Ｖ１ｍは基準電位Ｖｘよりも大きい。
【００８２】
ここに示す実施形態では、このように中間時点（タイミングｔ３）において中間電位を読み出し、読み出した中間電位が基準電位Ｖｘ以上であった場合には、この中間時点では特に何もせずに、周期Ｔが終了するタイミングｔ１で読み出された電位Ｖ１と初期電位Ｖ０との差を、周期Ｔの期間における受光量として検出する。一方、中間時点で読み出した中間電位が基準電位Ｖｘ未満であった場合には、タイミングｔ４における二次リセット処理が付加される。以下、この場合の処理を、図１６のタイミングチャートを参照しながら説明する。
【００８３】
図１６に示す例の場合も、まず、タイミングｔ２での一次リセットにより、検出点Ｑの電位が初期電位Ｖ０まで上昇する。続いて、タイミングｔ３での中間転送処理により、変動点Ｐに蓄積されていた電荷が検出点Ｑへ転送され、検出点Ｑの電位は、初期電位Ｖ０から中間電位Ｖ４ｍまで降下する。この中間電位Ｖ４ｍは基準電位Ｖｘよりも低いため、タイミングｔ４において二次リセットが行われる。
【００８４】
タイミングｔ４で行われる二次リセットは、タイミングｔ２で行われる一次リセットと同様に、リセット信号ラインＲＳＴにリセットパルスを与え、ＭＯＳトランジスタＴ１を一時的ＯＮ状態にして、変動点Ｐの電位を強制的に引き上げる処理であるが、変動点Ｐの電位を初期電位Ｖ０まで引き上げるのではなく、基準電位Ｖｘまで引き上げるようにする点に特徴がある。たとえば、図１６に示す例の場合、タイミングｔ２における一次リセットによって、検出点Ｑの電位は初期電位Ｖ０まで上昇するが、続くタイミングｔ３における中間転送処理によって、検出点Ｑの電位は中間電位Ｖ４ｍまで降下する。そして、タイミングｔ４における二次リセットによって、検出点Ｑの電位は基準電位Ｖｘまで上昇する。最終的には、周期Ｔが終了したタイミングｔ１における周期的転送処理によって、検出点Ｑの電位は電位Ｖ４まで下降する。このタイミングｔ１で読み出された電位Ｖ４が、当該周期Ｔにおける受光量を示す値になる（受光量は、Ｖ０−Ｖ４で求められる）。
【００８５】
このような二次リセットの実行により、タイミングｔ３の時点における検出点Ｑの電位に、いわば下駄を履かせる効果が得られる。すなわち、二次リセットによって、中間電位Ｖ４ｍから基準電位Ｖｘまで電位が上昇し、両者の差電圧（Ｖｘ−Ｖ４ｍ）だけ、電位が底上げされたことになる。これにより、検出点Ｑの電位が最低レベルＶmin に達してしまうことを防ぐことができる。たとえば、図１６に示す例において、もし二次リセットを行わなかったとすると、タイミングｔ１の周期的転送処理の直前の検出点Ｑの電位はＶ４ｍとなるので、周期的転送処理に起因する電圧降下により、検出点Ｑの電位は最低レベルＶmin に達してしまい、いわゆる「白とび」現象が生じてしまう。二次リセットを行うことにより、このような「白とび」現象を抑制することができるようになる。
【００８６】
結局、ここで述べる実施形態の場合も、光強度が比較的高い部分に関するダイナミックレンジが広げられたことになり、図１０に実線のグラフで示されている効果が得られる。このとき、§２で述べた実施形態と同様に、中間時点の設定と基準電位の設定とが、ダイナミックレンジの広がりを決定するためのパラメータになる。
【００８７】
図１４に示す回路は、図１６に示す検出動作を行うのに適した構成を有している。まず、図１４に示すリセット信号ラインＲＳＴには、図１６のＲＳＴ欄に示すようなタイミングでリセットパルスが与えられ、ＭＯＳトランジスタＴ１０を一時的ＯＮ状態にすることになる。このとき、リセットパルス自体に相違はないものの、タイミングｔ２で行われる一次リセットと、タイミングｔ４で行われる二次リセットとでは、上述したように、それぞれ異なる態様のリセット処理が行われる。すなわち、タイミングｔ２の一次リセットでは、検出点Ｑを初期電位Ｖ０とする処理が行われるのに対し、タイミングｔ４の二次リセットでは、検出点Ｑを基準電位Ｖｘとする処理が行われる。
【００８８】
図１４に示す回路において、リセット電圧設定ラインＬ１０が設けられているのは、任意の電圧でリセットを行うことができるようにするためである。すなわち、タイミングｔ２で一次リセットを行う際には、リセット電圧設定ラインＬ１０を電源ラインＶＤＤと同様の電源電圧にしておけばよい。そうすれば、図１４の回路は図１１に示す従来の回路と同等になり、ＭＯＳトランジスタＴ１０がＯＮになると、検出点Ｑは電源電圧ＶＤＤに近い初期電位Ｖ０となるようにリセットされる（トランジスタＴ１０のしきい値電圧をＶｔｈとすれば、初期電位Ｖ０＝ＶＤＤ−Ｖｔｈ）。一方、タイミングｔ４で二次リセットを行う際には、リセット電圧設定ラインＬ１０を基準電圧Ｖｘより若干高い所定電圧（トランジスタＴ１０のしきい値電圧をＶｔｈとすれば、基準電圧ＶｘよりＶｔｈだけ高い電圧）にしておけばよい。そうすれば、ＭＯＳトランジスタＴ１０がＯＮになると、検出点Ｑは基準電圧Ｖｘとなるようにリセットされる。
【００８９】
リセット電圧設定ラインＬ１０は、同じ列に配置された複数の画素（図において上下方向に隣接配置された複数の画素）について共通の信号線として用意されているのに対し、リセット信号ラインＲＳＴは、同じ行に配置された複数の画素（図において左右方向に隣接配置された複数の画素）について共通の信号線として用意されているため、リセット信号ラインＲＳＴに与えるリセットパルスのタイミングと、リセット電圧設定ラインＬ１０に所望の電圧を供給するタイミングとを合わせることにより、二次元行列状に配置された多数の画素のうちの特定の画素を特定の電圧でリセットすることが可能になる。
【００９０】
なお、ここに述べる実施形態では、一次リセットはタイミングｔ２で必ず行われることになるが、二次リセットは必ず行われるわけではない。上述したように、中間時点（タイミングｔ３）で読み出した中間電位が、基準電位Ｖｘ以上であった場合（たとえば、図１５の場合）は、二次リセットは行われない。二次リセットが行われるのは、読み出した中間電位が、基準電位Ｖｘ未満であった場合（たとえば、図１６の場合）ということになる。したがって、実際には、タイミングｔ３において読み出された中間電位を基準電位Ｖｘと比較する演算を行った上で、二次リセットを行うか否かの判断を行う処理が必要になる。
【００９１】
上述したように、リセット電圧設定ラインＬ１０を所定の電圧に設定した状態でリセットを行えば、検出点Ｑを所望の電位に設定することが可能になる。ただ、実用上は、検出点Ｑを所望の電位に正確に設定するためには、検出点Ｑの電位読出値に基づくフィードバック制御を伴うリセット処理を行うようにするのが好ましい。このフィードバック制御に関しては、§６において、実例を示しながら詳述する。
【００９２】
図１５および図１６のタイミングチャートに示す選択信号ラインＳＥＬ上には、タイミングｔ１で与えられる選択パルスの他に、タイミングｔ２，ｔ３，ｔ４の期間幅をもった選択パルスが与えられている。ここで、前者の選択パルスは、周期的転送処理時における検出点Ｑの電位（図１５の例ではＶ１、図１６の例ではＶ４）を読み出すためのものである。一方、後者の選択パルスは、中間時点における各処理を行うためのものである。具体的には、タイミングｔ２の部分は、一次リセット時における検出点Ｑの電位Ｖ０を読み出すためのものであり、タイミングｔ３の部分は、中間転送処理時における検出点Ｑの電位（図１５の例ではＶ１ｍ、図１６の例ではＶ４ｍ）を読み出すためのものである。また、タイミングｔ４の部分は、二次リセット時における検出点Ｑの電位（図１６の例ではＶｘ）を読み出すためのものである。このタイミングｔ４の二次リセット時における検出点Ｑの電位は、本発明の本質的な動作上は不要な情報であるが、上述したフィードバック制御を行うために利用される。
【００９３】
＜＜＜  §４．  リセット動作を統一する変形例  ＞＞＞
これまで、§２において３トランジスタ型の基本的実施形態を述べ、§３において４トランジスタ型の基本的実施形態を述べた。ここでは、これらの基本的実施形態におけるリセット動作の態様を変えた変形例を述べる。
【００９４】
まず、§２で述べた３トランジスタ型の実施形態の変形例を述べる。既に述べたとおり、この３トランジスタ型の基本的実施形態の特徴は、中間時点で読み出した変動点Ｐの中間電位が、基準電位Ｖｘ以上であった場合には中間リセットを行わないが（たとえば、図５，図６）、基準電位Ｖｘ未満であった場合には中間リセットを行う（たとえば、図７，図８）という点にある。
【００９５】
ここで、中間電位が基準電位Ｖｘより大きいか、小さいかは、当該画素にその時点で照射されている光の強度に依存して定まる事項であるので、当然、個々の画素ごとに異なり、また、時間的にも異なる事項である。したがって、中間リセットを行うか否かは、個々の画素ごとにそれぞれ独立して判断すべき事項であり、また、同一の画素であっても、個々の周期Ｔごとに独立して判断すべき事項である。その結果、固体撮像装置を構成する多数の画素の中に、中間リセットを行う画素と行わない画素とが混在することになり、中間時点でリセットパルスを与えるべき画素と与えるべきでない画素とが混在することになる。たとえば、図５，図６のタイミングチャートでは、タイミングｔ３におけるリセットパルスは存在しないが、図７，図８のタイミングチャートでは、タイミングｔ３におけるリセットパルスが存在する。
【００９６】
もちろん、タイミングｔ２で読み出した中間電位の値を基準電位Ｖｘと比較し、その結果に基づいて、個々の画素ごとに、タイミングｔ３におけるリセットパルスを与えるか否かを制御することは、技術的に十分可能である。しかしながら、実用上は、このような制御を、たとえばトランジスタを用いて実施する構成にすると、中間リセット用のリセットパルスを制御するためのトランジスタを付加する必要が生じてくる。ここで述べる変形例は、中間リセット用のリセットパルスを与えるか与えないか、という制御を省略することにより、実用上、単純な回路構成で本発明を実現するための工夫に関するものである。
【００９７】
本願発明者の着眼点は、原理的には中間リセットを行う必要がない場合であっても、便宜的に、中間リセットを行うようにする、という発想にある。そうすれば、常に、すべての画素について、すべての周期Ｔにおいて、中間リセットが行われるようになるので、中間リセットを行うか否かという各画素ごとの各周期ごとの制御は不要になる。具体的には、ここで述べる変形例では、たとえば、図５および図６に示すリセット信号ＲＳＴにも、タイミングｔ３における中間リセット用のリセットパルスが付加されることになり、結局、図７および図８に示すリセット信号ＲＳＴと同じになる。このように、すべての画素に、常に同じリセット信号ＲＳＴを供給するようにすれば、リセット動作を統一することができ、リセットパルス供給用の回路構成を単純化することができる。
【００９８】
ただし、原理的には中間リセットを行う必要がない画素に対しては、中間リセットを行わなかったときと同等の状態が維持されるようにしなければ、§２で述べた原理に基づく正しい検出を行うことはできない。たとえば、図５に示す例の場合、中間電位Ｖ１ｍは基準電位Ｖｘ以上であるので、本来は、中間リセットを行う必要がない。そこで、中間電位Ｖ１ｍが基準電位Ｖｘ以上である場合には、変動点Ｐの電位が基準電位Ｖｘとなるような中間リセットを行う代わりに、変動点Ｐの電位が中間電位Ｖ１ｍとなるような中間リセットを行うようにする。
【００９９】
たとえば、図５に示す例の場合、タイミングｔ３において中間リセットが行われることになるが、このとき、変動点Ｐの電位が、直前のタイミングｔ２で読み出した中間電位Ｖ１ｍとなるようなリセットを行うのである。具体的には、タイミングｔ３において、図４のＭＯＳトランジスタＴ１のゲートにリセットパルスを与える際に、リセット電圧設定ラインＬ１の電圧を中間電位Ｖ１ｍより若干高い値（トランジスタＴ１のしきい値電圧をＶｔｈとした場合、Ｖ１ｍ＋Ｖｔｈなる電圧）に維持しておけばよい。結局、この場合の中間リセットは、直前に読み出した変動点Ｐの中間電位Ｖ１ｍを、そのまま変動点Ｐの新たな電位として書き込むリフレッシュ操作という意味をもつことになる。したがって、変動点Ｐの電位変動は、図５上段のタイミングチャートに示したものと変わりなく、タイミングｔ０において読み出される電位Ｖ１にも変わりはない。
【０１００】
結局、この変形例の要点は、すべての画素について、すべての周期Ｔにおいて、タイミングｔ３における中間リセットを行うようにするが、タイミングｔ２で読み出した中間電位が、基準電位Ｖｘ未満である場合には、変動点Ｐの電位が基準電位Ｖｘとなるようなリセットを行い、基準電位Ｖｘ以上である場合には、変動点Ｐの電位がタイミングｔ２で読み出した中間電位となるようなリセットを行う、ということになる。
【０１０１】
上述したリセット動作を統一する変形例は、§３で述べた４トランジスタ型の実施形態にも適用可能である。既に述べたとおり、４トランジスタ型の基本的実施形態の特徴は、中間時点で読み出した検出点Ｑの中間電位が、基準電位Ｖｘ以上であった場合には二次リセットを行わないが（たとえば、図１５）、基準電位Ｖｘ未満であった場合には二次リセットを行う（たとえば、図１６）という点にある。したがって、固体撮像装置を構成する多数の画素の中に、二次リセットを行う画素と行わない画素とが混在することになる。
【０１０２】
そこで、この４トランジスタ型の場合には、原理的には二次リセットを行う必要がない場合であっても、便宜的に、二次リセットを行うようにすればよい。その結果、すべての画素について、すべての周期Ｔの中間時点において、一次リセットと二次リセットとの双方が実行されることになり、リセットパルス供給用の回路構成を単純化することができる。
【０１０３】
ただし、この場合も、原理的には二次リセットを行う必要がない画素に対しては、二次リセットを行わなかったときと同等の状態が維持されるようにしなければ、§３で述べた原理に基づく正しい検出を行うことはできない。そこで、中間電位が基準電位Ｖｘ以上である場合には、検出点Ｑの電位が基準電位Ｖｘとなるような二次リセットを行う代わりに、検出点Ｑの電位が中間電位となるような二次リセットを行うようにする。
【０１０４】
たとえば、図１５に示す例の場合、タイミングｔ２における一次リセットの後、タイミングｔ４において二次リセットが行われることになるが、このとき、検出点Ｑの電位が、直前のタイミングｔ３で読み出した中間電位Ｖ１ｍとなるようなリセットを行うのである。具体的には、タイミングｔ４において、図１４のＭＯＳトランジスタＴ１０のゲートにリセットパルスを与える際に、リセット電圧設定ラインＬ１０の電圧を中間電位Ｖ１ｍより若干高い値（トランジスタＴ１０のしきい値電圧をＶｔｈとした場合、Ｖ１ｍ＋Ｖｔｈなる電圧）に維持しておけばよい。結局、この場合の二次リセットは、直前に読み出した検出点Ｑの中間電位Ｖ１ｍを、そのまま検出点Ｑの新たな電位として書き込むリフレッシュ操作という意味をもつことになる。したがって、検出点Ｑの電位変動は、図１５上段のタイミングチャートに示したものと変わりなく、タイミングｔ１において読み出される電位Ｖ１にも変わりはない。
【０１０５】
結局、この変形例の要点は、すべての画素について、すべての周期Ｔにおいて、タイミングｔ４における二次リセットを行うようにするが、タイミングｔ３で読み出した中間電位が、基準電位Ｖｘ未満である場合には、検出点Ｑの電位が基準電位Ｖｘとなるようなリセットを行い、基準電位Ｖｘ以上である場合には、検出点Ｑの電位がタイミングｔ３で読み出した中間電位となるようなリセットを行う、ということになる。
【０１０６】
＜＜＜  §５．  ３トランジスタ型の回路に適した制御系  ＞＞＞
これまで、本発明に係る固体撮像装置の構成を、その１画素分の回路を示して説明した。ここでは、この１画素分の回路を制御するための制御系の回路を含めた具体的な実施形態を述べる。
【０１０７】
図１７は、図４に示す３トランジスタ型の回路に制御系回路を付加した実施形態を示す回路図である。図１７の上半分に示した１画素分の回路は、図４に示す回路と全く同一であり、下半分に示す回路は、１列分の画素（図の上下方向に並んだ複数の画素）について共通して利用される制御回路である。差動増幅器Ａ１は、２つのアナログ入力信号の差を零にするような制御出力を行う制御素子であり、「−」マークが記された入力端子に与えられた電圧が「＋」マークが記された入力端子に与えられた電圧よりも大きかった場合には、出力電圧を低下させる方向への制御を行い、逆に、「−」マークが記された入力端子に与えられた電圧が「＋」マークが記された入力端子に与えられた電圧よりも小さかった場合には、出力電圧を上昇させる方向への制御を行う。ただし、必要に応じて、極性切替信号ＳＷによって、両入力端子の「＋／−」の極性を切り替え、図示の状態に対して極性を反転させることができる。すなわち、図示の状態では、上が「−」、下が「＋」になっているが、反転させると、上が「＋」、下が「−」になる。
【０１０８】
矩形のブロックで示したＴ５，Ｔ６，Ｔ７は、ＯＮ／ＯＦＦ制御が可能なトランジスタである。いずれもＯＮ状態では、左右の結線が導通状態となり、ＯＦＦ状態では、左右の結線が絶縁状態となる。また、Ｃ２は、信号出力ラインＯＵＴ上に読み出した電圧を一時的に記憶するための容量素子であり、Ｂ１は、信号出力ラインＯＵＴ上に読み出した電圧と参照電圧Ｖref との比較結果を一時的に記憶するための１ビットメモリである。もちろん、この１ビットメモリＢ１は、実用上は、多数ビットを記憶する機能をもったメモリの１ビット分を利用して構成することができる。
【０１０９】
ここに示す制御回路は、§２で述べた３トランジスタ型の実施形態に、§４で述べた変形例（リセット動作の統一）を適用する場合に適した制御回路である。この変形例では、リセット電圧設定ラインＬ１の電圧を次の３通りのケースに分けて制御する必要がある。
【０１１０】
まず、第１のケースは、図７に示すリセット信号ＲＳＴのタイミングｔ１における周期的リセットの場合である。この場合、リセット電圧設定ラインＬ１の電圧を、「変動点Ｐを初期電位Ｖ０にリセットするために必要な所定電圧」に設定する必要がある。第２のケースは、図７に示すリセット信号ＲＳＴのタイミングｔ３における中間リセットを行う場合であって、その直前のタイミングｔ２で読み出した中間電位が基準電位Ｖｘ未満であった場合である。この場合、リセット電圧設定ラインＬ１の電圧を、「変動点Ｐを基準電位Ｖｘにリセットするために必要な所定電圧」に設定する必要がある。そして、第３のケースは、図７に示すリセット信号ＲＳＴのタイミングｔ３における中間リセットを行う場合であって、その直前のタイミングｔ２で読み出した中間電位が基準電位Ｖｘ以上であった場合（原理的には、中間リセットを行う必要のない場合）である。この場合、リセット電圧設定ラインＬ１の電圧を、「変動点Ｐを、その直前のタイミングｔ２で読み出した中間電位にリセットするために必要な所定電圧」に設定する必要がある。
【０１１１】
図１７の下半分に示す制御回路を用いれば、上記３通りのケースにおける電圧制御を正確に行うことが可能になる。これは、この制御回路が、信号出力ラインＯＵＴ上に得られた電位読出値に基づくフィードバック制御を行う機能を有しているからである。すなわち、第１のケースでは、変動点Ｐが初期電位Ｖ０となるようなリセットを行い、第２のケースでは、変動点Ｐが基準電位Ｖｘとなるようなリセットを行い、第３のケースでは、変動点Ｐが直前に読み出した中間電位となるようなリセットを行う必要があるが、いずれのケースについても、リセット期間中（リセットパルスの幅に相当する期間中）に、変動点Ｐの電位を信号出力ラインＯＵＴ上に読み出して逐次モニタし、この読み出した値が所定の目標値となるように、リセット電圧設定ラインＬ１の電圧を制御することにより、変動点Ｐの電位が所望の値となるような正確なリセット動作が可能になる。
【０１１２】
まず、初期電位Ｖ０へのリセットが必要な第１のケースでは、トランジスタＴ５，Ｔ７をＯＮ状態、トランジスタＴ６をＯＦＦ状態にし、参照電圧Ｖref として、初期電位Ｖ０に対応した電圧（変動点Ｐが初期電位Ｖ０であるときに、信号出力ラインＯＵＴ上に出力される電圧）を入力する。この参照電圧Ｖref としては、ＤＡ変換器などのアナログ出力を利用すればよい。たとえば、８ビットのＤＡ変換器を利用すれば、０〜２５５のデジタル値に応じて、２５６段階の任意のアナログ電圧を参照電圧Ｖref として生成することができる。
【０１１３】
図７のタイミングチャートにも示されているとおり、タイミングｔ１では、リセットパルスとともに選択パルスも与えられているので、信号出力ラインＯＵＴには、変動点Ｐの電位が逐次読み出されている。したがって、差動増幅器Ａ１は、信号出力ラインＯＵＴ上に読み出されている電圧値が参照電圧Ｖref に等しくなるように、リセット電圧設定ラインＬ１の電圧を制御する機能を果たすことができる。かくして、第１のケースでは、変動点Ｐが初期電位Ｖ０となるようなリセット動作が実行される。
【０１１４】
続いて、第２のケースあるいは第３のケースであるが、いずれのケースを実行するかは、図７のタイミングチャートのタイミングｔ２で読み出された中間電位の大きさに依存して決まる事項である。この制御回路は、この中間電位の大きさの判定結果を、１ビットメモリＢ１に記録する機能を有している。この中間電位の大きさ判定処理および１ビットメモリＢ１への書込処理は、実際には、タイミングｔ２の前半期間において実施される。
【０１１５】
すなわち、タイミングｔ２の前半期間では、トランジスタＴ５をＯＮ状態、トランジスタＴ６，Ｔ７をＯＦＦ状態にし、参照電圧Ｖref として、基準電位Ｖｘに対応した電圧（変動点Ｐが基準電位Ｖｘであるときに、信号出力ラインＯＵＴ上に出力される電圧）を入力する。このような状態では、差動増幅器Ａ１は、信号出力ラインＯＵＴの電圧が参照電圧Ｖref よりも高いと（変動点Ｐの電位が基準電位Ｖｘ以上であると）、低電位の出力を行い、信号出力ラインＯＵＴの電圧が参照電圧Ｖref よりも低いと（変動点Ｐの電位が基準電位Ｖｘ未満であると）、高電位の出力を行う。この２通りの出力電位に応じて、１ビットメモリＢ１には、「Ｖｘ以上」あるいは「Ｖｘ未満」といういずれかの判定結果を示すビットが書き込まれることになる。
【０１１６】
続いて、タイミングｔ２の後半期間では、トランジスタＴ６をＯＮ状態、トランジスタＴ５，Ｔ７をＯＦＦ状態にする。参照電圧Ｖref は、トランジスタＴ５がＯＦＦ状態なので、この場合、意味をもたない（任意の電圧にしておいてかまわない）。また、このとき、極性切替信号ＳＷを与えて、差動増幅器Ａ１の入力端子の±を反転させ、図の上部入力端子が「＋」、下部入力端子が「−」になるようにする。すると、差動増幅器Ａ１は、下部入力端子に接続されている容量素子Ｃ２の上端の電圧が、上部入力端子に接続されている信号出力ラインＯＵＴの電圧に等しくなるような制御機能を果たし、結果的に、容量素子Ｃ２には、その時点における信号出力ラインＯＵＴの電圧に応じた電荷が蓄積された状態になる。なお、この処理が完了した後は、差動増幅器Ａ１の入力端子の反転状態は解除しておく。
【０１１７】
この処理は、要するに、タイミングｔ２の時点における信号出力ラインＯＵＴの電圧を、容量素子Ｃ２を利用して記録しておくための処理であり、タイミングｔ２における変動点Ｐの電位読出値を一時的に保存しておくための保存処理に他ならない。このような保存処理は、続くタイミングｔ３の時点で、上述の第３のケースに相当する中間リセット（変動点Ｐが直前に読み出した中間電位となるようなリセット）を行う場合にのみ必要であり、タイミングｔ３の時点で、上述の第２のケースに相当する中間リセット（変動点Ｐが基準電位Ｖｘとなるようなリセット）を行う場合には不要である。したがって、タイミングｔ２の前半期間で書き込まれた１ビットメモリＢ１の判定結果に応じて、タイミングｔ２の後半期間で上記保存処理を行うか否かを切り替えるようにしてもかまわない。すなわち、１ビットメモリＢ１に「Ｖｘ未満」との判定結果が書き込まれていた場合には、第２のケースに相当する中間リセットを行うことになるので、上記保存処理は実行しないようにし、１ビットメモリＢ１に「Ｖｘ以上」との判定結果が書き込まれていた場合には、第３のケースに相当する中間リセットを行うことになるので、上記保存処理を実行するようにすればよい。もっとも、第２のケースに相当する中間リセットを行う場合にも、上記保存処理を実行したとしても、特に支障は生じない。
【０１１８】
さて、タイミングｔ２における上述の処理が完了したら、続いて、タイミングｔ３における中間リセットが実行されるが、このとき、１ビットメモリＢ１の内容がチェックされ、「Ｖｘ未満」との判定結果が書き込まれていた場合には、第２のケースに相当する中間リセットが行われ、「Ｖｘ以上」との判定結果が書き込まれていた場合には、第３のケースに相当する中間リセットが行われる。
【０１１９】
まず、基準電位Ｖｘへのリセットが必要な第２のケースでは、トランジスタＴ５，Ｔ７をＯＮ状態、トランジスタＴ６をＯＦＦ状態にし、参照電圧Ｖref として、基準電位Ｖｘに対応した電圧（変動点Ｐが基準電位Ｖｘであるときに、信号出力ラインＯＵＴ上に出力される電圧）を入力する。図７のタイミングチャートにも示されているとおり、タイミングｔ３では、リセットパルスとともに選択パルスも与えられているので、信号出力ラインＯＵＴには、変動点Ｐの電位が逐次読み出されている。したがって、差動増幅器Ａ１は、信号出力ラインＯＵＴ上に読み出されている電圧値が参照電圧Ｖref に等しくなるように、リセット電圧設定ラインＬ１の電圧を制御する機能を果たすことができる。かくして、第２のケースでは、変動点Ｐが基準電位Ｖｘとなるようなリセット動作が実行される。
【０１２０】
一方、直前に読み出された中間電位へのリセットが必要な第３のケースでは、トランジスタＴ７をＯＮ状態、トランジスタＴ５，Ｔ６をＯＦＦ状態にする。参照電圧Ｖref は、トランジスタＴ５がＯＦＦ状態なので、この場合、意味をもたない（任意の電圧にしておいてかまわない）。図７のタイミングチャートにも示されているとおり、タイミングｔ３では、リセットパルスとともに選択パルスも与えられているので、信号出力ラインＯＵＴには、変動点Ｐの電位が逐次読み出されている。したがって、差動増幅器Ａ１は、信号出力ラインＯＵＴ上に読み出されている電圧値が容量素子Ｃ２の上端の電圧（すなわち、上記保存処理によって保存されていた電圧）に等しくなるように、リセット電圧設定ラインＬ１の電圧を制御する機能を果たすことができる。かくして、第３のケースでは、変動点Ｐの電圧が直前の状態を維持するようなリセット動作（リフレッシュ動作）が実行される。
【０１２１】
このように、図１７に示す制御回路は、３通りのケースに応じて、リセット電圧設定ラインＬ１の電圧がそれぞれ適切な値になるような制御を行う機能を有しているが、この制御回路は、更に、受光量の検出結果を出力端子Ｅ１を介して外部に出力する機能も果たすことができる。ここでは、この制御回路を利用して検出結果を外部に出力するための動作を、２通りの出力形態について説明する。いずれの出力形態においても、検出結果の出力は、図７に示すタイミングｔ０（周期的リセットの直前）における信号出力ラインＯＵＴの電圧値に基づいて行われる。
【０１２２】
第１の出力形態は、受光量の検出値を出力端子Ｅ１にアナログ電圧として出力する形態である。この場合、タイミングｔ０において、トランジスタＴ６をＯＮ状態、トランジスタＴ５，Ｔ７をＯＦＦ状態にする。参照電圧Ｖref は、トランジスタＴ５がＯＦＦ状態なので、この場合、意味をもたない（任意の電圧にしておいてかまわない）。また、このとき、極性切替信号ＳＷを与えて、差動増幅器Ａ１の入力端子の±を反転させ、図の上部入力端子が「＋」、下部入力端子が「−」になるようにする。すると、差動増幅器Ａ１は、下部入力端子に接続されている出力端子Ｅ１の電圧が、上部入力端子に接続されている信号出力ラインＯＵＴの電圧に等しくなるような制御機能を果たし、結果的に、出力端子Ｅ１には、その時点における信号出力ラインＯＵＴの電圧値がそのまま出力されることになる。なお、この出力処理が完了した後は、差動増幅器Ａ１の入力端子の反転状態は解除しておく。
【０１２３】
第２の出力形態は、受光量の検出値を出力端子Ｅ１にＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号として出力する形態である。この場合、タイミングｔ０において、トランジスタＴ５をＯＮ状態、トランジスタＴ６，Ｔ７をＯＦＦ状態にする。そして参照電圧Ｖref として、時間とともに単調増加もしくは単調減少するような電圧値を与えるようにする。前述したように、参照電圧Ｖref をＤＡ変換器を利用して生成する場合であれば、クロックとカウンタを用いてデジタル値を０〜２５５あるいは２５５〜０へと変化させ、２５６段階の階段状に電圧が変化するような参照電圧Ｖref を与えればよい。
【０１２４】
差動増幅器Ａ１は、この参照電圧Ｖref と信号出力ラインＯＵＴの電圧との大小関係を判定して、いずれが大きいかを示す信号（実質的には二値信号として取り扱うことができる）を、出力端子Ｅ１へ出力する機能を果たす。参照電圧Ｖref は、時間とともに変化するので、参照電圧Ｖref と信号出力ラインＯＵＴの電圧との大小関係は、所定の時点で逆転することになる。この逆転現象は、出力端子Ｅ１に出力された信号値の変動によって認識することが可能であり、逆転現象が生じるまでの時間幅として、受光量の検出値を取り出すことができる。
【０１２５】
以上、図１７の下半分に示した制御回路の動作について説明したが、本発明に係る固体撮像装置を駆動するためには、この制御回路の他にも、リセットパルスを生成してリセット信号ラインＲＳＴへ供給する手段、選択パルスを生成して選択信号ラインＳＥＬへ供給する手段、１ビットメモリＢ１の内容を読み出し、トランジスタＴ５，Ｔ６，Ｔ７のＯＮ／ＯＦＦ制御、参照電圧Ｖref の設定、差動増幅器Ａ１の極性切替を行う手段、などが必要になる。しかしながら、これらの各手段は、従来の一般的な固体撮像装置駆動用のプロセッサなどによって実現でき、当業者にとって自明の手段であるので、ここでは詳しい説明は省略する。
【０１２６】
＜＜＜  §６．  ４トランジスタ型の回路に適した制御系  ＞＞＞
続いて、４トランジスタ型の回路に適した制御系を説明する。図１８は、図１４に示す４トランジスタ型の回路に制御系回路を付加した実施形態を示す回路図である。この図１８の上半分に示した１画素分の回路は、図１４に示す回路と全く同一である。また、図１８の下半分に示す制御回路は、図１７の下半分に示す制御回路と同一である。すなわち、図１８に示す差動増幅器Ａ１０，容量素子Ｃ２０、１ビットメモリＢ１０、トランジスタＴ５０，Ｔ６０，Ｔ７０は、それぞれ図１７に示す差動増幅器Ａ１，容量素子Ｃ２、１ビットメモリＢ１、トランジスタＴ５，Ｔ６，Ｔ７と同等の構成要素であり、その基本的な機能も全く同等である。ただ、３トランジスタ型の回路と４トランジスタ型の回路とでは、動作のタイミングなどが若干異なっている。そこで、以下、この図１８に示す制御回路の動作を簡単に説明する。
【０１２７】
ここに示す制御回路は、§３で述べた４トランジスタ型の実施形態に、§４で述べた変形例（リセット動作の統一）を適用する場合に適した制御回路である。この変形例では、リセット電圧設定ラインＬ１０の電圧を次の３通りのケースに分けて制御する必要がある。
【０１２８】
まず、第１のケースは、図１６に示すリセット信号ＲＳＴのタイミングｔ２における一次リセットの場合である。この場合、リセット電圧設定ラインＬ１０の電圧を、「検出点Ｑを初期電位Ｖ０にリセットするために必要な所定電圧」に設定する必要がある。第２のケースは、図１６に示すリセット信号ＲＳＴのタイミングｔ４における二次リセットを行う場合であって、直前のタイミングｔ３で読み出した中間電位が基準電位Ｖｘ未満であった場合である。この場合、リセット電圧設定ラインＬ１０の電圧を、「検出点Ｑを基準電位Ｖｘにリセットするために必要な所定電圧」に設定する必要がある。そして、第３のケースは、図１６に示すリセット信号ＲＳＴのタイミングｔ４における二次リセットを行う場合であって、直前のタイミングｔ３で読み出した中間電位が基準電位Ｖｘ以上であった場合（原理的には、二次リセットを行う必要のない場合）である。この場合、リセット電圧設定ラインＬ１０の電圧を、「検出点Ｑを、直前のタイミングｔ３で読み出した中間電位にリセットするために必要な所定電圧」に設定する必要がある。
【０１２９】
図１８の下半分に示す制御回路を用いれば、上記３通りのケースにおける電圧制御を正確に行うことが可能になる。これは、この制御回路が、信号出力ラインＯＵＴ上に得られた電位読出値に基づくフィードバック制御を行う機能を有しているからである。すなわち、第１のケースでは、検出点Ｑが初期電位Ｖ０となるようなリセットを行い、第２のケースでは、検出点Ｑが基準電位Ｖｘとなるようなリセットを行い、第３のケースでは、検出点Ｑが直前に読み出した中間電位となるようなリセットを行う必要があるが、いずれのケースについても、リセット期間中（リセットパルスの幅に相当する期間中）に、検出点Ｑの電位を信号出力ラインＯＵＴ上に読み出して逐次モニタし、この読み出した値が所定の目標値となるように、リセット電圧設定ラインＬ１０の電圧を制御することにより、検出点Ｑの電位が所望の値となるような正確なリセット動作が可能になる。
【０１３０】
まず、初期電位Ｖ０へのリセットが必要な第１のケースでは、トランジスタＴ５０，Ｔ７０をＯＮ状態、トランジスタＴ６０をＯＦＦ状態にし、参照電圧Ｖref として、初期電位Ｖ０に対応した電圧（検出点Ｑが初期電位Ｖ０であるときに、信号出力ラインＯＵＴ上に出力される電圧）を入力する。この場合も、参照電圧Ｖref としては、ＤＡ変換器などのアナログ出力を利用すればよい。
【０１３１】
図１６のタイミングチャートにも示されているとおり、タイミングｔ２では、リセットパルスとともに選択パルスも与えられているので、信号出力ラインＯＵＴには、検出点Ｑの電位が逐次読み出されている。したがって、差動増幅器Ａ１は、信号出力ラインＯＵＴ上に読み出されている電圧値が参照電圧Ｖref に等しくなるように、リセット電圧設定ラインＬ１０の電圧を制御する機能を果たすことができる。かくして、第１のケースでは、検出点Ｑが初期電位Ｖ０となるようなリセット動作が実行される。
【０１３２】
続いて、第２のケースあるいは第３のケースであるが、いずれのケースを実行するかは、図１６のタイミングチャートのタイミングｔ３で読み出された中間電位の大きさに依存して決まる事項である。この制御回路は、この中間電位の大きさの判定結果を、１ビットメモリＢ１０に記録する機能を有している。この中間電位の大きさ判定処理および１ビットメモリＢ１０への書込処理は、実際には、タイミングｔ３の前半期間において実施される。
【０１３３】
すなわち、タイミングｔ３の前半期間では、トランジスタＴ５０をＯＮ状態、トランジスタＴ６０，Ｔ７０をＯＦＦ状態にし、参照電圧Ｖref として、基準電位Ｖｘに対応した電圧（検出点Ｑが基準電位Ｖｘであるときに、信号出力ラインＯＵＴ上に出力される電圧）を入力する。このような状態では、差動増幅器Ａ１０は、信号出力ラインＯＵＴの電圧が参照電圧Ｖref よりも高いと（検出点Ｑの電位が基準電位Ｖｘ以上であると）、低電位の出力を行い、信号出力ラインＯＵＴの電圧が参照電圧Ｖref よりも低いと（検出点Ｑの電位が基準電位Ｖｘ未満であると）、高電位の出力を行う。この２通りの出力電位に応じて、１ビットメモリＢ１０には、「Ｖｘ以上」あるいは「Ｖｘ未満」といういずれかの判定結果を示すビットが書き込まれることになる。
【０１３４】
続いて、タイミングｔ３の後半期間では、トランジスタＴ６０をＯＮ状態、トランジスタＴ５０，Ｔ７０をＯＦＦ状態にする。参照電圧Ｖref は、トランジスタＴ５０がＯＦＦ状態なので、この場合、意味をもたない（任意の電圧にしておいてかまわない）。また、このとき、極性切替信号ＳＷを与えて、差動増幅器Ａ１０の入力端子の±を反転させ、図の上部入力端子が「＋」、下部入力端子が「−」になるようにする。すると、差動増幅器Ａ１０は、下部入力端子に接続されている容量素子Ｃ２０の上端の電圧が、上部入力端子に接続されている信号出力ラインＯＵＴの電圧に等しくなるような制御機能を果たし、結果的に、容量素子Ｃ２０には、その時点における信号出力ラインＯＵＴの電圧に応じた電荷が蓄積された状態になる。なお、この処理が完了した後は、差動増幅器Ａ１０の入力端子の反転状態は解除しておく。
【０１３５】
この処理は、要するに、タイミングｔ３の時点における信号出力ラインＯＵＴの電圧を、容量素子Ｃ２０を利用して記録しておくための処理であり、タイミングｔ３における検出点Ｑの電位読出値を一時的に保存しておくための保存処理に他ならない。このような保存処理は、続くタイミングｔ４の時点で、上述の第３のケースに相当する二次リセット（検出点Ｑが直前に読み出した中間電位となるようなリセット）を行う場合にのみ必要であり、タイミングｔ４の時点で、上述の第２のケースに相当する二次リセット（検出点Ｑが基準電位Ｖｘとなるようなリセット）を行う場合には不要である。したがって、タイミングｔ３の前半期間で書き込まれた１ビットメモリＢ１０の判定結果に応じて、タイミングｔ３の後半期間で上記保存処理を行うか否かを切り替えるようにしてもかまわない。すなわち、１ビットメモリＢ１０に「Ｖｘ未満」との判定結果が書き込まれていた場合には、第２のケースに相当する二次リセットを行うことになるので、上記保存処理は実行しないようにし、１ビットメモリＢ１０に「Ｖｘ以上」との判定結果が書き込まれていた場合には、第３のケースに相当する二次リセットを行うことになるので、上記保存処理を実行するようにすればよい。もっとも、第２のケースに相当する二次リセットを行う場合にも、上記保存処理を実行したとしても、特に支障は生じない。
【０１３６】
さて、タイミングｔ３における上述の処理が完了したら、続いて、タイミングｔ４における二次リセットが実行されるが、このとき、１ビットメモリＢ１０の内容がチェックされ、「Ｖｘ未満」との判定結果が書き込まれていた場合には、第２のケースに相当する二次リセットが行われ、「Ｖｘ以上」との判定結果が書き込まれていた場合には、第３のケースに相当する二次リセットが行われる。
【０１３７】
まず、基準電位Ｖｘへのリセットが必要な第２のケースでは、トランジスタＴ５０，Ｔ７０をＯＮ状態、トランジスタＴ６０をＯＦＦ状態にし、参照電圧Ｖref として、基準電位Ｖｘに対応した電圧（検出点Ｑが基準電位Ｖｘであるときに、信号出力ラインＯＵＴ上に出力される電圧）を入力する。図１６のタイミングチャートにも示されているとおり、タイミングｔ４では、リセットパルスとともに選択パルスも与えられているので、信号出力ラインＯＵＴには、検出点Ｑの電位が逐次読み出されている。したがって、差動増幅器Ａ１０は、信号出力ラインＯＵＴ上に読み出されている電圧値が参照電圧Ｖref に等しくなるように、リセット電圧設定ラインＬ１０の電圧を制御する機能を果たすことができる。かくして、第２のケースでは、検出点Ｑが基準電位Ｖｘとなるようなリセット動作が実行される。
【０１３８】
一方、直前に読み出された中間電位へのリセットが必要な第３のケースでは、トランジスタＴ７０をＯＮ状態、トランジスタＴ５０，Ｔ６０をＯＦＦ状態にする。参照電圧Ｖref は、トランジスタＴ５０がＯＦＦ状態なので、この場合、意味をもたない（任意の電圧にしておいてかまわない）。図１６のタイミングチャートにも示されているとおり、タイミングｔ４では、リセットパルスとともに選択パルスも与えられているので、信号出力ラインＯＵＴには、検出点Ｑの電位が逐次読み出されている。したがって、差動増幅器Ａ１０は、信号出力ラインＯＵＴ上に読み出されている電圧値が容量素子Ｃ２０の上端の電圧（すなわち、上記保存処理によって保存されていた電圧）に等しくなるように、リセット電圧設定ラインＬ１０の電圧を制御する機能を果たすことができる。かくして、第３のケースでは、検出点Ｑの電圧が直前の状態を維持するようなリセット動作（リフレッシュ動作）が実行される。
【０１３９】
このように、図１８に示す制御回路は、３通りのケースに応じて、リセット電圧設定ラインＬ１０の電圧がそれぞれ適切な値になるような制御を行う機能を有しているが、この制御回路は、更に、受光量の検出結果を出力端子Ｅ１０を介して外部に出力する機能も果たすことができる。ここでは、この制御回路を利用して検出結果を外部に出力するための動作を、２通りの出力形態について説明する。いずれの出力形態においても、検出結果の出力は、図１６に示すタイミングｔ１（周期的転送処理時）における信号出力ラインＯＵＴの電圧値に基づいて行われる。
【０１４０】
第１の出力形態は、受光量の検出値を出力端子Ｅ１０にアナログ電圧として出力する形態である。この場合、タイミングｔ１において、トランジスタＴ６０をＯＮ状態、トランジスタＴ５０，Ｔ７０をＯＦＦ状態にする。参照電圧Ｖref は、トランジスタＴ５０がＯＦＦ状態なので、この場合、意味をもたない（任意の電圧にしておいてかまわない）。また、このとき、極性切替信号ＳＷを与えて、差動増幅器Ａ１０の入力端子の±を反転させ、図の上部入力端子が「＋」、下部入力端子が「−」になるようにする。すると、差動増幅器Ａ１０は、下部入力端子に接続されている出力端子Ｅ１０の電圧が、上部入力端子に接続されている信号出力ラインＯＵＴの電圧に等しくなるような制御機能を果たし、結果的に、出力端子Ｅ１０には、その時点における信号出力ラインＯＵＴの電圧値がそのまま出力されることになる。なお、この出力処理が完了した後は、差動増幅器Ａ１０の入力端子の反転状態は解除しておく。
【０１４１】
第２の出力形態は、受光量の検出値を出力端子Ｅ１０にＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号として出力する形態である。この場合、タイミングｔ１において、トランジスタＴ５０をＯＮ状態、トランジスタＴ６０，Ｔ７０をＯＦＦ状態にする。そして参照電圧Ｖref として、時間とともに単調増加もしくは単調減少するような電圧値を与えるようにする。前述したように、参照電圧Ｖref をＤＡ変換器を利用して生成する場合であれば、クロックとカウンタを用いてデジタル値を０〜２５５あるいは２５５〜０へと変化させ、２５６段階の階段状に電圧が変化するような参照電圧Ｖref を与えればよい。
【０１４２】
差動増幅器Ａ１０は、この参照電圧Ｖref と信号出力ラインＯＵＴの電圧との大小関係を判定して、いずれが大きいかを示す信号（実質的には二値信号として取り扱うことができる）を、出力端子Ｅ１０へ出力する機能を果たす。参照電圧Ｖref は、時間とともに変化するので、参照電圧Ｖref と信号出力ラインＯＵＴの電圧との大小関係は、所定の時点で逆転することになる。この逆転現象は、出力端子Ｅ１０に出力された信号値の変動によって認識することが可能であり、逆転現象が生じるまでの時間幅として、受光量の検出値を取り出すことができる。
【０１４３】
以上、図１８の下半分に示した制御回路の動作について説明したが、本発明に係る固体撮像装置を駆動するためには、この制御回路の他にも、リセットパルスを生成してリセット信号ラインＲＳＴへ供給する手段、選択パルスを生成して選択信号ラインＳＥＬへ供給する手段、転送パルスを生成して転送信号ラインＴＮＳへ供給する手段、１ビットメモリＢ１０の内容を読み出し、トランジスタＴ５０，Ｔ６０，Ｔ７０のＯＮ／ＯＦＦ制御、参照電圧Ｖref の設定、差動増幅器Ａ１０の極性切替を行う手段、などが必要になる。しかしながら、これらの各手段も、従来の一般的な固体撮像装置駆動用のプロセッサなどによって実現でき、当業者にとって自明の手段であるので、ここでは詳しい説明は省略する。
【０１４４】
＜＜＜  §７．  本発明のその他の変形例  ＞＞＞
最後に、本発明に係る固体撮像装置の更なる変形例をいくつか述べておく。
【０１４５】
(1)   複数の中間時点を設定する変形例
これまで述べてきた実施形態あるいはその変形例は、いずれも所定周期Ｔ内に１つの中間時点を設定し、所定の処理を実行しているが、所定期間Ｔ内に２つ以上の中間時点を設定することも可能である。
【０１４６】
たとえば、図９のタイミングチャートでは、所定周期Ｔの先頭から中間時間Ｍ１だけ経過した位置に中間時点（タイミングｔ２およびｔ３）を設定し、中間電位の読み出しと、その結果に基づく中間リセットの処理を行っている。ここで、この中間時間Ｍ１よりも更に時間が経過した中間時間Ｍ２の位置（Ｍ１＜Ｍ２＜Ｔ）に第２の中間時点を設定し、この第２の中間時点においても、中間電位の読み出しと、その結果に基づく中間リセットの処理を行うようにすれば、ダイナミックレンジを更に広げることが可能になる。ただし、第２の中間時点で用いる基準電位は、第１の中間時点で用いる基準電位よりも低く設定しておく必要がある。
【０１４７】
図１９は、所定周期Ｔ内に、２つの中間時点を設定した場合の、変動点Ｐの電位変動の様子を示すタイミングチャートである。この例では、第１の中間時点は、所定周期Ｔの先頭から中間時間Ｍ１だけ経過した位置に設定され、第２の中間時点は、所定周期Ｔの先頭から中間時間Ｍ２だけ経過した位置に設定されている。また、第１の中間時点における基準電位Ｖｘに対して、第２の中間時点における基準電位Ｖｙは低くなるような設定がなされている。
【０１４８】
各中間時点において行われる処理は、これまで述べてきた実施形態と全く同様である。たとえば、第１の中間時点では、その時点における変動点Ｐの電位が第１の中間電位として読み出され、これが第１の基準電位Ｖｘ未満であった場合には、変動点Ｐの電位を第１の基準電位Ｖｘとするような中間リセットが行われる。また、第２の中間時点では、その時点における変動点Ｐの電位が第２の中間電位として読み出され、これが第２の基準電位Ｖｙ未満であった場合には、変動点Ｐの電位を第２の基準電位Ｖｙとするような中間リセットが行われる。
【０１４９】
図２０は、このように２つの中間時点を設定することによって、ダイナミックレンジが更に広がる様子を示すグラフである。このグラフの横軸は、フォトダイオードＰＤに照射される光の強度を示し、縦軸は、受光量を示す検出値の信号レベルを示している。一点鎖線のグラフは従来の例、二点鎖線のグラフは、１つの中間時点を設定した本発明の例、実線のグラフは、２つの中間時点を設定した本発明の例である。いずれも得られる信号レベルは、０〜Ｌmax の範囲内になることに変わりはないが、２つの中間時点を設定した本発明の例では、０〜Ｉ３の範囲内の光を正しく検出することが可能になり、ダイナミックレンジが更に拡大したことがわかる。
【０１５０】
すなわち、実線のグラフでは、強度０〜Ｉ１の範囲内の光については、信号レベル０〜Ｌｘなるレンジが対応づけられ、強度Ｉ１〜Ｉ２の範囲内の光については、信号レベルＬｘ〜Ｌｙなるレンジが対応づけられ、強度Ｉ２〜Ｉ３の範囲内の光については、信号レベルＬｙ〜Ｌmax なるレンジが対応づけられており、ダイナミックレンジは光強度０〜Ｉ３の範囲まで広がることになる。図１９のタイミングチャートの右側に示したレンジは、これら各光強度のレンジとの対応関係を示している。
【０１５１】
もちろん、所定周期Ｔ内に設定する中間時点は２つに限定されるものではなく、３つ以上の中間時点を設定することも可能である。後続する中間時点ほど低い基準電位が設定されるようにすれば、理論的には中間時点はいくつ設定してもかまわない。
【０１５２】
また、中間時点を複数設定する変形例は、上述した３トランジスタ型の実施形態のみならず、４トランジスタ型の実施形態にも適用可能である。たとえば、図１６のタイミングチャートでは、所定周期Ｔの先頭から中間時間Ｍ１だけ経過した位置に中間時点（タイミングｔ２〜ｔ４）を設定し、一次リセット、中間転送処理、二次リセットを行っている。ここで、この中間時間Ｍ１よりも更に時間が経過した中間時間Ｍ２の位置（Ｍ１＜Ｍ２＜Ｔ）に第２の中間時点を設定し、この第２の中間時点においても、同等の処理を行うようにすれば、ダイナミックレンジを更に広げることが可能になる。なお、この場合も、第２の中間時点で用いる基準電位は、第１の中間時点で用いる基準電位よりも低く設定しておく必要がある。また、一次リセットは、第１の中間時点においてのみ行うようにし、第２の中間時点では、中間転送処理と二次リセットのみを行うようにする。
【０１５３】
もちろん、３つ以上の中間時点を設定することも可能である。要するに、４トランジスタ型へ適用する場合には、所定周期Ｔ内に複数の中間時点を定め、後続する中間時点ほど低い基準電位が設定されるように、個々の中間時点ごとにそれぞれ異なる基準電位を設定し、一次リセットを最初の中間時点においてのみ行うようにし、２番目以降の中間時点では、中間電位の読み出し結果に基づき、必要に応じて二次リセットを行うようにすればよい。
【０１５４】
(2)   リセット時の電位読み出しを省略する変形例
これまで示したタイミングチャートでは、リセット信号ラインＲＳＴ上にリセットパルスが供給されているときには、必ず選択信号ラインＳＥＬ上に選択パルスの供給が行われている。これは、変動点Ｐや検出点Ｑに対してリセットを行う際には、必ずこれらの点の電位を信号出力ラインＯＵＴ上に読み出してモニタすることができることを意味する。§５および§６で述べたフィードバック制御を行うためには、このようなモニタが不可欠になる。しかしながら、フィードバック制御を行わない場合には、リセット動作時に、必ずしも変動点Ｐや検出点Ｑの電位を読み出してモニタする必要はない。
【０１５５】
たとえば、図９に示すタイミングチャートにおいて、選択信号ラインＳＥＬ上の選択パルスは、最小限、タイミングｔ２（中間電位の読み出し時）とタイミングｔ０（周期Ｔの終了時における最終電位の読み出し時）に供給すれば足りる。また、図１６に示すタイミングチャートにおいて、選択信号ラインＳＥＬ上の選択パルスは、最小限、タイミングｔ３（中間電位の読み出し時）とタイミングｔ１（周期Ｔの終了時における最終電位の読み出し時）に供給すれば足りる。
【０１５６】
もっとも、実用上は、リセット動作に用いるＭＯＳトランジスタＴ１やＴ１０の特性は、ロットごとにばらつきを生じていることが多いため、リセット動作時には、変動点Ｐや検出点Ｑの電位を読み出してモニタするのが好ましく、§５および§６で述べたフィードバック制御を行うのが好ましい。フィードバック制御を行えば、回路を構成するあらゆるトランジスタのロットごとの特性のばらつきを吸収した正確な制御が可能になる。また、初期電位Ｖ０に関しては、受光量の検出値を得るための基準となる電位であるため、フィードバック制御を行うか否かにかかわらず、リセット動作時に読み出しを行うようにして、実際に読み出された初期電位Ｖ０を、受光量の検出値を得るための基準となる電位として用いるようにするのが好ましい。
【０１５７】
(3)   リセットパルス波形の変形例
これまで示したタイミングチャートにおいて、リセットパルスはいずれも矩形状のパルスとして描かれていたが、実用上は、図２１に示すリセットパルスＲＳＴ１あるいはＲＳＴ２のように、立ち上がりは急峻であるが、立ち下がりがなだらかな波形をもったパルスを用いるのが好ましい。これは、このような波形のパルスをリセットに利用すると、熱雑音の影響を抑制させる効果が得られるためである。
【図面の簡単な説明】
【０１５８】
【図１】従来の一般的な３トランジスタ型固体撮像装置の一画素分の回路を示す回路図である。
【図２】図１に示す回路による受光量の検出動作を示すタイミングチャートである。
【図３】図１に示す構成をもった画素からなる固体撮像装置において、「白とび」現象が生じる理由を説明するためのタイミングチャートである。
【図４】本発明に係る３トランジスタ型固体撮像装置の一画素分の回路を示す回路図である。
【図５】図４に示す本発明に係る回路による受光量の検出動作を示す第１のタイミングチャートである。
【図６】図４に示す本発明に係る回路による受光量の検出動作を示す第２のタイミングチャートである。
【図７】図４に示す本発明に係る回路による受光量の検出動作を示す第３のタイミングチャートである。
【図８】図４に示す本発明に係る回路による受光量の検出動作を示す第４のタイミングチャートである。
【図９】図４に示す本発明に係る回路による受光量の検出動作によって、ダイナミックレンジが広がることを示すタイミングチャートである。
【図１０】本発明によってダイナミックレンジが広がる様子を示すグラフである。
【図１１】従来の一般的な４トランジスタ型固体撮像装置の一画素分の回路を示す回路図である。
【図１２】図１１に示す回路による受光量の検出動作を示すタイミングチャートである。
【図１３】図１１に示す構成をもった画素からなる固体撮像装置において、「白とび」現象が生じる理由を説明するためのタイミングチャートである。
【図１４】本発明に係る４トランジスタ型固体撮像装置の一画素分の回路を示す回路図である。
【図１５】図１４に示す本発明に係る回路による受光量の検出動作を示す第１のタイミングチャートである。
【図１６】図１４に示す本発明に係る回路による受光量の検出動作を示す第２のタイミングチャートである。
【図１７】図４に示す３トランジスタ型の回路に制御系回路を付加した実施形態を示す回路図である。
【図１８】図１４に示す４トランジスタ型の回路に制御系回路を付加した実施形態を示す回路図である。
【図１９】所定周期Ｔ内に、２つの中間時点を設定した場合の、変動点Ｐの電位変動の様子を示すタイミングチャートである。
【図２０】２つの中間時点を設定することによって、ダイナミックレンジが更に広がる様子を示すグラフである。
【図２１】熱雑音を低減させる上で有用なリセットパルスの波形を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１５９】
Ａ１，Ａ１０…差動増幅器
Ｂ１，Ｂ１０…１ビットメモリ
Ｃ１…容量素子（フォトダイオードＰＤの寄生容量）
Ｃ２…容量素子
Ｃ１０…容量素子（フォトダイオードＰＤおよびトランジスタＴ４０の寄生容量）
Ｃ２０…容量素子
Ｅ１，Ｅ１０…出力端子
Ｇ１〜Ｇ６…変動点Ｐの電位低下を示すグラフ
Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３…光強度
Ｊ…電流源
Ｌ１，Ｌ１０…リセット電圧設定ライン
Ｌｘ，Ｌｙ…信号レベル
Ｌmax …信号レベルの最大値
Ｍ１，Ｍ２…中間時間
ＯＵＴ…信号出力ライン
Ｐ…変動点
ＰＤ…フォトダイオード
Ｑ…検出点（フローティングディフュージョン端子）
ＲＳＴ…リセット信号ライン
ＲＳＴ１，ＲＳＴ２…リセットパルス
ＳＥＬ…選択信号ライン
ＳＷ…極性切替信号
Ｔ…所定周期
Ｔ１〜Ｔ４…Ｎ型ＭＯＳトランジスタ
Ｔ５〜Ｔ７…トランジスタ
Ｔ１０〜Ｔ４０…Ｎ型ＭＯＳトランジスタ
Ｔ５０〜Ｔ７０…トランジスタ
ＴＮＳ…転送信号ライン
ｔ０〜ｔ４…時間軸上のタイミング（時間幅を有する）
Ｖ０〜Ｖ６…電位の値
ＶＤＤ…電源ライン
Ｖmin …検出点Ｑがとり得る最低電位レベル
Ｖref …参照電圧
Ｖｘ，Ｖｘ′，Ｖｙ…基準電位
ΔＶ…電位差
ΔＶmax …電位差の最大値
【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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【図２１】
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