(57)【要約】  【課題】  本発明は、全画素が同一のタイミングで撮像可能であるとともに、画素出力が白黒反転された出力であるか否かを後段の回路で判定させ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。  【解決手段】  ＭＯＳトランジスタＴ５がＯＮとなったとき、光電変換回路１００で得られた電気信号がキャパシタＣ２にサンプルホールドされる。このとき、光電変換回路１００へ入射される光が超高輝度である場合、キャパシタＣ２より電荷リークが発生して白黒反転された出力がなされるが、連続フレーム間で異なる読み出しタイミングとすることで、連続フレームの出力を比較し、白黒反転された出力であるか否かを判断することができる。【選択図】      図２
2006295512.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光量に応じた電気信号を出力する光電変換部と該光電変換部からの該電気信号をサンプルホールドするとともにサンプルホールドした該電気信号を出力するサンプルホールド部とを備えた複数の画素と、前記画素の前記サンプルホールド部と接続されて前記電気信号が出力される出力信号線と、を備える固体撮像装置において、
前記サンプルホールド部にサンプルホールドされた前記電気信号を前記出力信号線に出力する前記画素の順番がフレーム毎に異なることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
複数の前記画素がマトリクス状に配設され、前記出力信号線が前記画素の列毎に配設され、行毎に前記画素の前記サンプルホールド部から前記出力信号線に前記電気信号を出力し、
前記サンプルホールド部にサンプルホールドされた前記電気信号を前記出力信号線に出力する前記画素の行の順番がフレーム毎に異な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】
奇数フレームにおいて、前記電気信号を前記出力信号線に出力する前記画素の順番を、予め決定された順番とし、
偶数フレームにおいて、前記電気信号を前記出力信号線に出力する前記画素の順番を、前記奇数フレームと異なる順番に設定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
奇数フレームにおいて、一端の行から順に前記画素の前記サンプルホールド部から前記出力信号線に前記電気信号を出力し、
偶数フレームにおいて、他端の行から順に前記画素の前記サンプルホールド部から前記出力信号線に前記電気信号を出力することを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記各画素が、前記光電変換部と前記サンプルホールド部とを電気的に接離するスイッチを備え、
複数の前記画素全てが同時に前記スイッチをＯＦＦとした状態で前記光電変換部を光電変換動作させた後に前記スイッチを一時的にＯＮとして前記光電変換部で得られた電気信号を前記サンプルホールド部にサンプルホールドさせる電子シャッタ機能を有することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記光電変換部において、入射光量に対して線形的に変化する前記電気信号を出力することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記光電変換部において、入射光量に対して自然対数的に変化する前記電気信号を出力することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記光電変換部が、入射光量が所定値までは入射光量に対して線形変換した前記電気信号を出力し、入射光量が所定値以上となると入射光量に対して対数変換した前記電気信号を出力することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項９】
請求項１〜請求項８のいずれかに記載の固体撮像装置と、
前記固体撮像装置からの２フレーム分の前記電気信号を画素毎に比較することによって、前記固体撮像装置から出力される各画素の前記電気信号において白黒反転が発生しているかを判定する判定部と、
を備えることを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各画素の感度のバラツキ補正を行う固体撮像装置と、この固体撮像装置を備えた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より使用されている固体撮像装置には、光電変換素子で発生した光電荷を読み出す手段によってＣＣＤ型とＭＯＳ型に大きく分けられる。ＣＣＤ型は光電荷をポテンシャルの井戸に蓄積しつつ、転送するようになっており、又、ＭＯＳ型はフォトダイオードのｐｎ接合容量に蓄積した電荷をＭＯＳトランジスタを通して読み出すようになっている。
【０００３】
このＭＯＳ型の固体撮像装置において、垂直走査及び水平走査を行うことによって、各画素毎に撮像動作を行った後、各画素より出力される画像信号がシリアルに固体撮像装置より出力される。よって、各画素毎に撮像動作を行うタイミングが異なるため、刻一刻と変化する被写体を撮像する場合、各画素において同一条件で撮像することが不可能となり、結果的に、画像歪みが発生することがある。
【０００４】
そこで、従来の固体撮像装置として、サンプルホールド回路を備えることで全画素が同一タイミングで撮像動作を行うものが提案されている（特許文献１参照）。この従来の固体撮像装置における画素の構成を、図９に示す。図９の画素は、入射光に応じた電気信号を生成する光電変換回路１００と、光電変換回路１００で得られた電気信号をサンプルホールドするキャパシタＣ２と、キャパシタＣ２でサンプルホールドされた電気信号を電流増幅するＭＯＳトランジスタＴ４と、光電変換回路１００とキャパシタＣ２との間の電気的な接離を行うＭＯＳトランジスタＴ５と、キャパシタＣ２をリセットするためのスイッチとして働くＭＯＳトランジスタＴ６と、ＭＯＳトランジスタＴ４からの電気信号を画像信号として出力するためのスイッチとして働くＭＯＳトランジスタＴ３とを有する。
【０００５】
図９のような構成の画素を備えた固体撮像装置において、固体撮像装置に備えられた全画素における光電変換回路１００及びＭＯＳトランジスタＴ５が同一のタイミングで動作することで、光電変換回路１００で撮像動作が行われて得られた電気信号が積分された後、キャパシタＣ２にサンプルホールドされる。そして、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＦＦにした後、水平方向及び垂直方向に走査して各画素毎に、キャパシタＣ２でサンプルホールドされた電気信号に応じた画像信号が増幅されて出力される。
【０００６】
又、近年、フォトダイオードなどの光電変換素子を有した固体撮像装置において、そのダイナミックレンジを大きくするために、入射光量に対して自然対数的に変換された電気信号を出力する固体撮像装置が提案されている。本出願人も、このような対数変換動作を行う固体撮像装置を提案している（特許文献２参照）。
【特許文献１】特許第３４９３４０５号公報
【特許文献２】特開平１１−３１３２５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図９の画素を備える固体撮像装置を、光電変換回路１００が対数変換動作を行うことで広いダイナミックレンジを備えた固体撮像装置とした場合、光電変換回路１００への入射光が高輝度のものであっても電気信号に変換して出力することができる。そして、この光電変換回路１００で変換されて得られた電気信号がキャパシタＣ２にサンプルホールドされるが、キャパシタＣ２にサンプルホールドされる電気信号が超高輝度の入射光によるものである場合、このキャパシタＣ２から電荷がリークしてしまう。そのため、キャパシタＣ２でサンプルホールドされた電気信号の信号レベルが大きく変化し、実際よりも低輝度の入射光に対する信号レベルと同等の電気信号が出力されることとなり、白黒反転が発生する。
【０００８】
よって、図１０に示すように、低輝度領域においては、高輝度になるにつれてキャパシタＣ２でサンプルホールドされて出力される電気信号の信号レベルが高くなるが、白黒反転が発生する閾値となる輝度値（以下、「白黒反転閾値」とする）より高輝度の領域では、その信号電荷リークが原因となって、高輝度になるにつれてキャパシタＣ２でサンプルホールドされて出力される電気信号の信号レベルが低くなる。即ち、入射光の輝度値が白黒反転閾値より低い場合は、キャパシタＣ２における信号電荷リークがほとんど発生しないために、入射光の輝度値に応じた信号レベルの電気信号が出力される。それに対して、入射光の輝度値が白黒反転閾値より高い場合は、その輝度値が高くなるほどリークする信号電荷量が大きくなるため、入射光の輝度値が高くなるほど出力される電気信号の信号レベルが低くなる。
【０００９】
そのため、図１０に示すように、その入射光の輝度値が低輝度側の輝度値ａ又は高輝度側の輝度値ｂとなったときに、キャパシタＣ２でサンプルホールドされて画素から出力される電気信号の信号レベルがＡとなる。よって、画素から出力される電気信号の信号レベルがＡとなった場合に、その画素に対する入射光の輝度値がａ，ｂのいずれであるか判断することが不可能である。即ち、この固体撮像装置を備える撮像装置の演算処理回路において、画素から出力された電気信号が白黒反転閾値よりも低輝度の入射光によるものであるか、又は、白黒反転閾値よりも高輝度の入射光によるものであるか、判断することが不可能となり、画像認識上に問題が発生することがある。
【００１０】
キャパシタＣ２における信号電荷リークは、入射光の輝度値とリーク時間とに依存するものであるため、入射光の輝度値が等しい場合、信号電荷リークを発生する際のリーク電流値は同一である。そのため、同じように白黒反転閾値よりも高輝度となる入射光が与えられたとしても、キャパシタＣ２にサンプルホールドされてから読み出されるまでの時間が長いと、出力される電気信号において、信号電荷リークによって変化する値が大きくなる。
【００１１】
又、図９の画素を備える固体撮像装置では、電子シャッタの駆動によってキャパシタＣ２にサンプルホールドされた後、固体撮像装置の行毎に画素出力が成されるため、各行毎に読み出される時間が異なり、キャパシタＣ２においてリークする信号電荷量が異なる。よって、白黒反転閾値よりも高輝度の光が入射されたときの輝度値に対する変化が、固体撮像装置の行毎に異なり、図１１の点線に示すように、電子シャッタ駆動直後に読み出しが行われる行については、輝度値に対する電気信号の出力の変化率が緩やかになる。それに対して、電子シャッタ駆動後に時間が経過してから読み出しが行われる行については、図１１の一点鎖線で示すように、輝度値に対する電気信号の出力の変化率が急峻なものとなる。即ち、電子シャッタ駆動直後に読み出しが行われる行の画素出力については、白黒反転が進行しにくく、時間が経過してから読み出しが行われる行の画素出力については、白黒反転が発生しやすい。
【００１２】
このような問題を鑑みて、本発明は、全画素が同一のタイミングで撮像可能であるとともに、画素出力が白黒反転された出力であるか否かを後段の回路で判定させることができる固体撮像装置及びこの固体撮像装置を備えた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】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、入射光量に応じた電気信号を出力する光電変換部と該光電変換部からの該電気信号をサンプルホールドするとともにサンプルホールドした該電気信号を出力するサンプルホールド部とを備えた複数の画素と、前記画素の前記サンプルホールド部と接続されて前記電気信号が出力される出力信号線と、を備える固体撮像装置において、前記画素の前記サンプルホールド部にサンプルホールドされた前記電気信号を前記出力信号線に出力する順番がフレーム毎に異なることを特徴とする。
【００１４】
このような固体撮像装置において、複数の前記画素がマトリクス状に配設され、前記出力信号線が前記画素の列毎に配設され、行毎に前記画素の前記サンプルホールド部から前記出力信号線に前記電気信号を出力し、前記サンプルホールド部にサンプルホールドされた前記電気信号を前記出力信号線に出力する前記画素の行の順番がフレーム毎に異なるものとする。
【００１５】
このとき、奇数フレームにおいて、前記電気信号を前記出力信号線に出力する前記画素の順番を、予め決定された順番とし、偶数フレームにおいて、前記電気信号を前記出力信号線に出力する前記画素の順番を、前記奇数フレームと異なる順番に設定するものとしても構わない。更に、奇数フレームにおいて、一端の行から順に前記画素の前記サンプルホールド部から前記出力信号線に前記電気信号を出力し、偶数フレームにおいて、他端の行から順に前記画素の前記サンプルホールド部から前記出力信号線に前記電気信号を出力するものとしても構わない。
【００１６】
上述の固体撮像装置において、前記各画素が、前記光電変換部と前記サンプルホールド部とを電気的に接離するスイッチを備え、複数の前記画素全てが同時に前記スイッチをＯＦＦとした状態で前記光電変換部を光電変換動作させた後に前記スイッチを一時的にＯＮとして前記光電変換部で得られた電気信号を前記サンプルホールド部にサンプルホールドさせる電子シャッタ機能を有するものとする。
【００１７】
これらの固体撮像装置において、前記光電変換部において、入射光量に対して線形的に変化する前記電気信号を出力するものとしても構わないし、又は、入射光量に対して自然対数的に変化する前記電気信号を出力するものとしても構わない。又、前記光電変換部において、入射光量が所定値までは入射光量に対して線形変換した前記電気信号を出力し、入射光量が所定値以上となると入射光量に対して対数変換した前記電気信号を出力するものとしても構わない。
【００１８】
前記光電変換部が、入射光量に応じた量の電荷を発生する光電変換回路と、前記光電変換回路からの電荷を蓄積して得られた電圧値を前記電気信号として出力する積分回路と、を備えるものとしても構わない。このとき、前記光電変換回路が、一端に第１電圧が印加される感光素子と、当該感光素子の他端に第１電極及び制御電極が接続される第１トランジスタと、を備えるとともに、前記積分回路が、該第１トランジスタの制御電極に制御電極が接続されるとともに第１電極に前記第１電圧が印加された第２トランジスタと、該第２トランジスタの第２電極に一端が接続されるとともに他端に第２電圧が印加されたキャパシタと、を備えるものとしても構わない。
【００１９】
前記サンプルホールド部が、前記光電変換部からの電気信号による電圧値が一端に与えられるとともに他端に前記参照電圧が与えられるキャパシタを備え、当該キャパシタに前記光電変換部からの電気信号による電圧値がサンプルホールドされるものとしても構わない。又、前記サンプルホールド部が、第１電極に直流電圧が印加されるとともに前記キャパシタの一端に制御電極が接続された増幅用トランジスタを備えるとともに、該増幅用トランジスタの第２電極より前記キャパシタでサンプルホールドされた前記電気信号に応じた電気信号を出力するものとしても構わない。
【００２０】
又、本発明の撮像装置は、上述のいずれかの固体撮像装置と、前記固体撮像装置からの２フレーム分の前記電気信号を画素毎に比較することによって、前記固体撮像装置から出力される各画素の前記電気信号において白黒反転が発生しているかを判定する判定部と、を備えることを特徴とする。
【００２１】
このような撮像装置において、前記判定部において、２フレーム分の前記電気信号の変化量が大きいとき、白黒反転が発生しているものと判定する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によると、電気信号を出力信号線に出力する画素の順番がフレーム毎に異なるものとするため、同一画素において、サンプルホールド部でサンプルホールドする時間をフレーム毎に変化させることができる。よって、サンプルホールドする時間によるリークする電荷量に基づいて白黒反転が発生するので、連続フレーム間の信号レベルを比較することで、高輝度となる光が入射されて白黒反転が発生しているか否かを画素毎に簡単に確認することができる。このように、太陽光などの超高輝度入射が成された場合においても、白黒反転が発生していると判断することができ、黒レベルとなる出力であっても被写体を正しく認識することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の実施形態について、以下に、図面を参照して説明する。
【００２４】
＜固体撮像装置の構成の概略＞
まず、本実施形態の固体撮像装置について、図１を参照して説明する。図１は、本実施形態の固体撮像装置の構成を示すブロック図である。
【００２５】
図１において、Ｇ11〜Ｇmnは行列配置（マトリクス配置）された画素を示している。１は垂直走査回路であり、各画素に信号を与える行（ライン）３−１、３−２、・・・、３−ｎを順次走査していく。２は水平走査回路であり、画素から出力信号線４−１、４−２、・・・、４−ｍに導出された光電変換信号を画素ごとに水平方向に順次読み出す。５は電源ラインである。各画素に対し、上記ライン３−１〜３−ｎや出力信号線４−１〜４−ｍ、電源ライン５だけでなく、他のライン（例えば、クロックラインやバイアス供給ライン等）も接続されるが、図１ではこれらについて省略する。
【００２６】
又、出力信号線４−１〜４−ｍのそれぞれには、定電流源６−１〜６−ｍが接続されるとともに、信号線４−１〜４−ｍのそれぞれを介して与えられる画素Ｇ11〜Ｇmnから与えられる画像信号とノイズ信号をサンプルホールドする選択回路７−１〜７−ｍが設けられる。そして、補正回路８に選択回路７−１〜７−ｍから画像信号及びノイズ信号が順に送出されると、この補正回路８で補正処理が行われて、ノイズ除去された画像信号が外部に出力される。尚、定電流源６−１〜６−ｍの一端に直流電圧ＶPSが印加される。
【００２７】
更に、垂直走査回路１及び水平走査回路２にはタイミングジェネレータ９が接続されており、タイミングジェネレータ９からの指示に基づいて垂直走査回路１、水平走査回路２、選択回路７−１〜７−ｍ、及び補正回路８がそれぞれ所定のタイミングで動作する。このタイミングジェネレータ９は、ＣＭＯＳプロセスにより画素部と同じチップ上に形成されていてもよい。又、図示しない、各部へ所定の電圧を供給する電圧制御部や電圧レギュレータが更に形成されていてもよい。そして、タイミングジェネレータ９や電圧制御部や電圧レギュレータなどを固体撮像装置と別体としても構わない。
【００２８】
このような固体撮像装置において、画素Ｇab（ａ：１≦ａ≦ｍの自然数、ｂ：１≦ｂ≦ｎの自然数）からの出力となる画像信号及びノイズ信号が、それぞれ、出力信号線４−ａを介して出力されるとともに、この出力信号線４−ａに接続された定電流源６−ａによって増幅される。そして、画素Ｇabから出力された画像信号及びノイズ信号が順番に選択回路７−ａに送出されるとともに、この選択回路７−ａにおいて、送出された画像信号及びノイズ信号がサンプルホールドされる。
【００２９】
その後、選択回路７−ａより、サンプルホールドされた画像信号が補正回路８に送出された後、同じくサンプルホールドされたノイズ信号が補正回路８に送出される。補正回路８では、選択回路７−ａより与えられた画像信号を、同じく選択回路７−ａより与えられたノイズ信号に基づいて補正処理して、ノイズ除去した画像信号を外部に出力する。尚、選択回路７−１〜７−ｍの構成位置に、補正回路を設けるようにしても構わない。
【００３０】
このように構成される固体撮像装置は、電子シャッタ機能を備えているため、垂直ブランク期間中に全画素を同時に制御することができる。この同時制御を行うために、垂直走査回路１及び水平走査回路２とは別にドライバが設けられるものとしても構わない。
【００３１】
＜画素の構成例＞
この図１のような構成の固体撮像装置１における各画素Ｇ11〜Ｇmnの一構成例を、図２に示す。尚、図２の画素において、図９の画素と同一の目的で使用する素子については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００３２】
図２において、ｐｎフォトダイオードＰＤが感光素子として働く。そのフォトダイオードＰＤのアノードが、ＭＯＳトランジスタＴ７のドレインと接続され、ＭＯＳトランジスタＴ７のソースが、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲート及びドレイン、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに接続されている。ＭＯＳトランジスタＴ２のソースに、一端に直流電圧ＶPSが印加されたキャパシタＣ１の他端が接続される。キャパシタＣ１とＭＯＳトランジスタＴ２のソースとの接続ノードに、ＭＯＳトランジスタＴ５のドレイン及びＭＯＳトランジスタＴ８のドレインが接続される。
【００３３】
又、ＭＯＳトランジスタＴ５のソースは、一端に直流電圧ＶPSが印加されたキャパシタＣ２の他端と、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲート及びＭＯＳトランジスタＴ６のドレインとが接続される。このＭＯＳトランジスタＴ４のソースにＭＯＳトランジスタＴ３のドレインが接続され、ＭＯＳトランジスタＴ３のソースは出力信号線４（この出力信号線４は図１の４−１，４−２，・・・，４−ｍに対応する）へ接続されている。尚、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ８は、それぞれ、ＰチャネルのＭＯＳトランジスタである。
【００３４】
又、フォトダイオードＰＤのカソード及びＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ４のドレインには直流電圧ＶPDが印加され、ＭＯＳトランジスタＴ６，Ｔ８のソースには直流電圧ＶPSに近い値となる直流電圧ＶRSが印加される。一方、ＭＯＳトランジスタＴ１のソースには信号φＶPSが入力される。又、ＭＯＳトランジスタＴ３，Ｔ５，Ｔ７，Ｔ８，Ｔ６のゲートに、信号φＶ，φＳＷ，φＳ，φＲＳａ，φＲＳｂがそれぞれ入力される。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ７，Ｔ８、キャパシタＣ１、及びフォトダイオードＰＤによって光電変換回路１００が構成される。
【００３５】
このように構成された画素において、ＭＯＳトランジスタＴ３及び出力信号線４を介して、一端に直流電圧ＶPSが印加された定電流源６（図１の定電流源６−１〜６−ｍに相当する）が、ＭＯＳトランジスタＴ４のソースに接続される。よって、ＭＯＳトランジスタＴ３がＯＮのとき、ＭＯＳトランジスタＴ４はソースフォロワのＭＯＳトランジスタとして動作し、定電流源６によって増幅された電圧信号を出力信号線４に出力する。
【００３６】
このようにソースフォロワ回路を構成することにより、信号を増幅して出力する増幅回路が構成される。従って、本増幅回路により充分大きな信号に増幅されるため、後続の信号処理回路（図示せず）での処理が容易になる。又、増幅回路の負荷抵抗部分を構成する定電流源６−１〜６−ｍを画素内に設けずに、列方向に配置された複数の画素が接続される出力信号線４−１〜４−ｍ毎に設けることにより、負荷抵抗又は定電流源の数を低減でき、半導体チップ上で増幅回路が占める面積を少なくできる。
【００３７】
尚、信号φＶPSは２値の電圧信号で、入射光量が所定値を超えたときにＭＯＳトランジスタＴ１をサブスレッショルド領域で動作させるための電圧をローとし、この電圧よりも高くＭＯＳトランジスタＴ１にローの信号φＶPSを与えた時よりも大きい電流が流れうるようにする電圧をハイとする。このとき、この信号φＶPSをローとするときの電圧値を変更することによって、画素Ｇ11〜Ｇmnが対数変換動作を行うときと線形変換動作を行うときの切換点を変更することができる。
【００３８】
このような構成の画素による撮像動作について、図面を参照して以下に説明する。尚、図３は、図２の画素に与えられる各信号の変遷を示すタイミングチャートである。
【００３９】
図２の構成の画素Ｇ11〜Ｇmnを備える固体撮像装置は、垂直走査期間において、全画素同時に撮像動作を行う。この垂直走査期間では、図３（ａ）のように、信号φＶPSをハイとしている間に、ローとなるパルス信号φＲＳａを与えてＭＯＳトランジスタＴ８をＯＮとすることで、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースとキャパシタＣ１との接続ノードを初期化する。そして、信号φＶPSをローとするとともにパルス信号φＲＳａをハイとした後、信号φＳをローとしてＭＯＳトランジスタＴ７をＯＮとして、撮像動作を開始する。
【００４０】
この撮像動作が開始すると、フォトダイオードＰＤより入射光量に応じた光電荷がＭＯＳトランジスタＴ１に流れ込むことで、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２のゲートに入射光量に応じた電圧が現れ、ＭＯＳトランジスタＴ２を入射光量に応じた電流が流れる。この入射光量に応じた電流がＭＯＳトランジスタＴ２を流れるとき、信号φＲＳａ，φＳＷそれぞれをハイとして、ＭＯＳトランジスタＴ５，Ｔ８がＯＦＦされるため、キャパシタＣ１にＭＯＳトランジスタＴ２を通じて負の電荷が流れ込み、積分動作が行われる。
【００４１】
このとき、被写体の輝度が低いと、ＭＯＳトランジスタＴ１がカットオフ状態であるために、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲートに光電荷が蓄積され、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２のゲートに入射光量に対して線形的に比例した電圧が現れる。そして、キャパシタＣ１とＭＯＳトランジスタＴ２との接続ノードに現れる電圧が、入射光量の積分値に線形的に比例した値となる。又、被写体の輝度が高く、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲートに蓄積された光電荷量に応じた電圧が低くなると、ＭＯＳトランジスタＴ１がサブスレッショルド領域で動作を行うため、入射光量に対して自然対数的に比例した電圧がＭＯＳトランジスタＴ１のゲートに現れる。そして、キャパシタＣ１とＭＯＳトランジスタＴ２との接続ノードに現れる電圧が、入射光量の積分値に自然対数的に比例した値となる。
【００４２】
その後、信号φＲＳｂをローとしてＭＯＳトランジスタＴ６をＯＮとすることで、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲートとキャパシタＣ２との接続ノードの電圧をリセットした後、信号φＲＳｂをハイとして、ＭＯＳトランジスタＴ６をＯＦＦとする。そして、ローのパルス信号φＳＷを与えて、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＮとする。よって、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースとキャパシタＣ１との接続ノードに現れる電圧がキャパシタＣ２にサンプルホールドされる。このようにして、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースとキャパシタＣ１との接続ノードに現れる電圧をキャパシタＣ２にサンプルホールドすると、信号φＳＷをハイとしてＭＯＳトランジスタＴ５をＯＦＦとする。
【００４３】
この画素Ｇ11〜Ｇmnそれぞれにおける光電変換回路１００とＭＯＳトランジスタＴ５，Ｔ６が同時に動作する撮像動作が終了すると、次に、水平走査期間において、画素Ｇ11〜Ｇmnが行毎に、図３（ｂ）のような動作を行う。まず、ローレベルのパルス信号φＶを与えてＭＯＳトランジスタＴ３をＯＮとする。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ４において、キャパシタＣ２でサンプルホールドされた入射光量の積分値に応じた電圧に対する電流が流れて、信号線４に、入射光量の積分値に線形的に又は自然対数的に比例した電圧値となる画像信号が現れる。
【００４４】
その後、信号φＶをハイとしてＭＯＳトランジスタＴ３をＯＦＦとした後、信号φＳをハイとしてＭＯＳトランジスタＴ７をＯＦＦとすることで、フォトダイオードＰＤとＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２との間を電気的に切断する。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ１のソース側より正の電荷が流れ込み、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲート及びドレイン、そしてＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに蓄積された負の電荷が再結合され、ある程度まで、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲート及びドレインのポテンシャルが上がる。
【００４５】
そして、次に、信号φＶPSをハイにし、ＭＯＳトランジスタＴ１のソース電圧を高くすることで、ＭＯＳトランジスタＴ１のソース側から流入する正の電荷の量が増加し、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲート及びドレイン、そしてＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに蓄積された負の電荷が速やかに再結合される。このとき、信号φＲＳａをローとして、ＭＯＳトランジスタＴ８をＯＮにして、キャパシタＣ１とＭＯＳトランジスタＴ２のゲートとの接続ノードの電圧を初期化する。
【００４６】
その後、信号φＲＳａをハイとしてＭＯＳトランジスタＴ８をＯＦＦにすると、キャパシタＣ１とＭＯＳトランジスタＴ２との接続ノードに現れる電圧が、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２のリセット後の電圧に応じた値、即ち、各画素の感度バランスを表す値となる。そして、ローレベルのパルス信号φＲＳｂを与えて、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲートとキャパシタＣ２との接続ノードの電圧をリセットした後、ローのパルス信号φＳＷを与えて、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースとキャパシタＣ１との接続ノードに現れる電圧をキャパシタＣ２にサンプルホールドする。
【００４７】
このようにして、リセット後におけるＭＯＳトランジスタＴ２のソースとキャパシタＣ１との接続ノードに現れる電圧をキャパシタＣ２にサンプルホールドすると、信号φＳＷをハイとした後、ローとなるパルス信号φＶを与えてＭＯＳトランジスタＴ３をＯＮとする。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ４において、キャパシタＣ２でサンプルホールドされた各画素の感度バラツキに応じたリセット後の電圧に対する電流が流れて、信号線４に、各画素の感度バラツキを表すノイズ信号が現れる。このようにノイズ信号を出力すると、信号φＶをハイとしてＭＯＳトランジスタＴ３をＯＦＦとする。
【００４８】
よって、図３（ｂ）のような動作をｂ行目の画素Ｇ1b〜Ｇmbが行っているとき、選択回路７−１〜７−ｍそれぞれに、まず、画素Ｇ1b〜Ｇmbそれぞれの画像信号が入力された後、画素Ｇ1b〜Ｇmbそれぞれのノイズ信号が入力されることで、選択回路７−１〜７−ｍにおいて、送出された画像信号及びノイズ信号がサンプルホールドされる。そして、選択回路７−１，７−２，…，７−ｍの順に、与えられた画像信号及びノイズ信号が交互に補正回路８に与えられることで、画素Ｇ1b，Ｇ2b，…，Ｇmbの順番に、画素Ｇ1b〜Ｇmbそれぞれのノイズ除去された画像信号が外部に出力される。
【００４９】
このようにして、ｂ行目の画素Ｇ1b〜Ｇmbの画像信号が出力されると、次に、ｂ行と異なるｃ行目（ｃ：１≦ｃ≦ｎの自然数で且つｂ≠ｃ）の画素Ｇ1c〜Ｇmcが図３（ｂ）のような動作を行うことで、選択回路７−１〜７−ｍに、画素Ｇ1c〜Ｇmcそれぞれの画像信号及びノイズ信号が選択回路７−１〜７−ｍにサンプルホールドされる。そして、補正回路８より、画素Ｇ1c，Ｇ2c，…，Ｇmcの順番に、画素Ｇ1c〜Ｇmcそれぞれのノイズ除去された画像信号が外部に出力される。
【００５０】
このように動作する画素Ｇ11〜Ｇmnを備える固体撮像装置の行毎の読み出し動作を行う際、フレーム毎に、その読み出す行の順番を異なるものとする。即ち、ＭＯＳトランジスタＴ５によって撮像後の電圧信号をコンデンサＣ２にサンプルホールドさせる電子シャッタ機能を駆動させてから、ＭＯＳトランジスタＴ３をＯＮとして画像信号の読み出しを行うまでの時間を、フレーム毎に変化させる。このフレーム毎の読み出し動作を行う行の順番は、タイミングジェネレータ９によって垂直走査回路１の動作を制御することで設定される。
【００５１】
例えば、奇数フレームにおいて、１行目、２行目、３行目、…、ｎ行目のように、１行目から順番に読み出し動作を行い、偶数フレームにおいて、奇数フレームとは逆に、ｎ行目、（ｎ−１）行目、（ｎ−２）行目、…、１行目のように、ｎ行目から順番に読み出し動作を行う。このように動作するとき、電子シャッタ機能が駆動した後、最初の行の読み出しが開始されるまでの時間をαとし、１行の読み出しにかかる時間をβとする。
【００５２】
このとき、奇数フレームが読み出される場合は、各行の電子シャッタが駆動してから読み出しまでにかかる時間は、１行目ではα、２行目ではα＋β、３行目ではα＋β×２、…、ｎ行目ではα＋β×（ｎ−１）となる。又、奇数フレームが読み出される場合は、各行の電子シャッタが駆動してから読み出しまでにかかる時間は、１行目ではα＋β×（ｎ−１）、２行目ではα＋β×（ｎ−２）、３行目ではα＋β×（ｎ−３）、…、ｎ行目ではαとなる。
【００５３】
尚、読み出す行の順番については、フレーム毎に読み出す行の順番を変更させるものであればよく、上述の例に限るものではなく、奇数フレームで奇数行を順番に読み出した後に偶数行を順番に読み出し、偶数フレームで偶数行を順番に読み出した後に奇数行を順番に読み出すようにしても構わないし、フレーム毎にランダムに設定された順番で読み出されるものとしても構わない。又、フレーム毎にランダムに設定された順番で読み出す場合、奇数フレームにおいては予め決定された順番で読み出され、偶数フレームにおいて、全ての行に対して奇数フレームで決められた順番と異なる順番となるように、ランダムに順番が設定されるものとしても構わない。
【００５４】
このように、固体撮像装置が撮像動作を行う際に、フレーム毎に読み出す行の順番を変更させて画素からの読み出し動作を行うことで、同一の画素でも、奇数フレームと偶数フレームとで、電子シャッタ機能が駆動してから読み出すまでの時間が異なる。よって、固体撮像装置の後段の回路において、連続する２フレーム間における同一画素の画像信号を比較することで、電子シャッタ機能が駆動してから読み出すまでのキャパシタＣ２における電荷リークによる白黒反転が発生しているか否かが判断できる。即ち、２フレーム間の画像信号の信号レベルの変化量が大きい画素については、その画素の出力する画像信号において白黒反転が発生しているものと判断でき、又、２フレーム間の画像信号の信号レベルの変化量が小さい画素については、その画素の出力する画像信号において白黒反転が発生していないものと判断できる。
【００５５】
＜撮像装置の構成の概略＞
上述に示す固体撮像装置を備える撮像装置の構成について、以下に、図面を参照して説明する。図４は、上述の固体撮像装置を備えた撮像装置の内部構成を示すブロック図である。
【００５６】
図４に示す撮像装置は、被写体を撮像することで入射光量に応じた画像信号を出力する固体撮像装置５１と、固体撮像装置５１から出力される画像信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部５２と、Ａ／Ｄ変換部５２でデジタル信号に変換された１フレーム分の画像信号を一時的に格納するフレームメモリ５３と、フレームメモリ５３に格納された前フレームの画像信号とＡ／Ｄ変換部５２から与えられる現フレームの画像信号との比較結果に基づいて画像信号の輝度領域を確認する輝度領域確認部５４と、輝度領域確認部５４で確認された輝度領域に基づいてフレームメモリ５３から与えられる画像信号の信号レベルを変換する信号レベル設定部５５と、固体撮像装置５１における各信号の出力タイミングの制御を行う信号制御部５６と、を備える。
【００５７】
このように構成された撮像装置は、固体撮像装置５１から画素毎の画像信号がＡ／Ｄ変換部５２に与えられると、デジタル信号に変換されて輝度領域確認部５４に与えられる。そして、輝度領域確認部５４において、Ａ／Ｄ変換部５２より与えられた画像信号と同一の画素に対する前フレームの画像信号がフレームメモリ５３から読み出されると、Ａ／Ｄ変換部５２からの現フレームの画像信号とフレームメモリ５３からの前フレームの画像信号とが比較される。このとき、輝度領域確認部５４に現在入力されている画像信号を出力した画素を含む行に対する現フレーム及び前フレームそれぞれにおける順番が、信号制御部５６より輝度領域確認部５４に与えられる。
【００５８】
そして、輝度領域確認部５４では、現フレームの方が前フレームに比べて読み出した順番が遅い場合、現フレームの画像信号の信号レベルが前フレームの画像信号に比べて小さくなるように変化し、その変化量が所定量より大きいとき、入射光の輝度値が白黒反転閾値よりも高い白黒反転発生領域にあるものと判断する。又、現フレームの方が前フレームに比べて読み出した順番が早い場合、現フレームの画像信号の信号レベルが前フレームの画像信号に比べて大きくなるように変化し、その変化量が所定量より大きいとき、入射光の輝度値が白黒反転閾値よりも高い白黒反転発生領域にあるものと判断する。それ以外の場合は、入射光の輝度値が白黒反転閾値よりも低い通常動作領域にあるものと判断する。
【００５９】
このようにして輝度領域確認部５４で、前フレームの画像信号による入射光の輝度値が白黒反転発生領域及び通常動作領域のいずれにおけるものか判断すると、その判断結果が、フレームメモリ５３から読み出された前フレームの画像信号とともに信号レベル設定部５５に与えられる。又、Ａ／Ｄ変換部５２より与えられた現フレームの画像信号が、次フレームにおいて領域判断が行われるように、フレームメモリ５３に格納される。そして、信号レベル設定部５５では、フレームメモリ５３から読み出された前フレームの画像信号の信号レベルを、輝度領域確認部５４での判断結果に基づいて変換する。
【００６０】
この信号レベル設定部５５における入出力関係が、図５のように表される。即ち、図５に示すように、信号レベル設定部５５に入力される画像信号の信号レベルが０〜Ｄimaxとなるとともに、信号レベル設定部５５でレベル変換された後に出力される画像信号の信号レベルが０〜Ｄomaxとなるとともに、出力される画像信号の信号レベルにおける白黒反転閾値に相当する値が、Ｄothとなるものとする。よって、輝度領域確認部５４において通常動作領域と判断されたときは、信号レベル０〜Ｄimaxで入力される画像信号を、信号レベル０〜Ｄothの画像信号に変換して出力する。又、輝度領域確認部５４において白黒反転領域と判断されたときは、信号レベルＤimax〜０で入力される画像信号を、信号レベルＤoth〜Ｄomaxの画像信号に変換して出力する。このようにすることで、信号レベル設定部５５で各画素毎に信号レベルが変換された画像信号が出力され、入射光量に応じた画像信号が生成されることとなる。
【００６１】
尚、輝度領域確認部５４において、信号制御部５６より、現在入力されている画像信号を出力した画素を含む行に対する現フレーム及び前フレームそれぞれにおける順番が与えられるとき、その順番に応じて、現フレーム及び前フレームそれぞれにおけるにおける電子シャッタ機能の駆動後から信号読み出しまでの時間が確認されるものとしても構わない。即ち、現フレーム及び前フレームそれぞれにおいて読み出される順番がｐ番目及びｑ番目となる行の画素の画像信号が入力されたとき、現フレームにおける電子シャッタ機能の駆動後から信号読み出しまでの時間がα＋β×（ｐ−１）となり、前フレームにおける電子シャッタ機能の駆動後から信号読み出しまでの時間がα＋β×（ｑ−１）となる。
【００６２】
そして、現フレームと前フレームに対して、その画像信号の信号レベルの差と、電子シャッタ機能の駆動後から信号読み出しまでの時間との差との比を求め、この求めた比が負となる所定値より小さくなるとき、白黒反転領域にあるものと判断するものとしても構わない。即ち、現フレーム及び前フレームそれぞれの画像信号の信号レベルＤｐ，Ｄｑとしたとき、比（Ｄｐ−Ｄｑ）／（（α＋β×（ｐ−１）−（α＋β×（ｑ−１）））＝（Ｄｐ−Ｄｑ）／（β×（ｐ−ｑ））を求め、所定値Ｌth（Ｌth＜０）と比較する。そして、求めた比（Ｄｐ−Ｄｑ）／（β×（ｐ−ｑ））が所定値Ｌthより小さいとき、白黒反転領域にあるものと判断する。更に、この所定値Ｌthが、例えば、前フレームの画像信号の信号レベルＤｑが高くなるほど大きくなるように、前フレームの画像信号の信号レベルに応じて、変化させるようにしても構わない。
【００６３】
＜画素の別構成＞
本実施形態における固体撮像装置における画素Ｇ11〜Ｇmnについて、図２と異なる別の構成としても構わない。即ち、その構成例の１つとして、図６のように、図２の画素の構成と異なり、キャパシタＣ２の他端に、３値の電圧信号となる信号φＶＤを与えるものとしても構わない。この信号φＶＤは、キャパシタＣ２をサンプルホールドさせる際の電圧値を最も高いＶｈとし、画像信号読み出し時の電圧値をＶｈよりも低いＶｍとし、ノイズ信号読み出し時の電圧値をＶｍよりも低いＶｌとする。このように構成することで、出力された画像信号をノイズ信号で減算することによって画素の感度バラツキを除去する際に生じるオフセット電圧の割合を低くすることができる。
【００６４】
又、別の構成例として、図７のように、図２の画素の構成と異なり、ＭＯＳトランジスタＴ６，Ｔ８のソースに、２値の電圧信号となる信号φＶRSが与えられる。この信号φＶRSは、ＭＯＳトランジスタＴ６，Ｔ８をＯＮとしてキャパシタＣ１，Ｃ２のリセットを行う際の電圧を直流電圧ＶPSに近い値となるＶｈとし、それ以外の時は、直流電圧ＶPS，ＶPDの中間的電位をＶｌとする。尚、この中間電位となるＶｌは、画像信号が黒レベル（最小値）となるときのキャパシタＣ２の電位と画像信号が白レベル（最大値）となるときのキャパシタＣ２の電位の中間値としても構わない。
【００６５】
更に、別の構成例として、図８のように、図２の画素の構成と異なり、図６の構成と同様、キャパシタＣ２の他端に３値の電圧信号となる信号φＶＤを与えるものとするとともに、ＭＯＳトランジスタＴ７のドレインとフォトダイオードＰＤのアノードとの接続ノードにドレインが接続されたＭＯＳトランジスタＴ９が付加される。このＭＯＳトランジスタＴ９は、そのゲートに信号φＲＳが与えられるとともに、そのソースに直流電圧ＶＲが印加される。このように構成するとき、信号φＳをハイとして画素のリセット動作を開始する直前にＭＯＳトランジスタＴ９をＯＮとして、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧を一定となる電圧に変化させることで、フォトダイオードＰＤ及びＭＯＳトランジスタＴ２における残留電荷を放電することができる。よって、撮像動作開始直前における各画素のポテンシャル状態が、前フレームの撮像時における入射光量によってばらつくことが防がれる。
【００６６】
又、上述の各画素の構成において、ＰチャネルのＭＯＳトランジスタで構成されるようにしたが、ＮチャネルのＭＯＳトランジスタで構成されるようにしても構わない。このとき、各素子の極性が逆になるのみで、その接続関係は同様である。更に、光電変換回路１００が、入射光量に対して、低輝度域では線形的に変換した電気信号を発生し、高輝度域では自然対数的に変換した電気信号を発生するものとしたが、全輝度範囲において線形的に変換した電気信号を発生するものとしても構わないし、又、全輝度範囲において自然対数的に変換した電気信号を発生するものとしても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】は、本発明の実施形態における固体撮像装置の構成を示す図である。
【図２】は、図１の固体撮像装置内の画素の一構成例を示す回路図である。
【図３】は、図２の画素の動作を示すタイミングチャートである。
【図４】は、図１の固体撮像装置を備える撮像装置の内部構成を示すブロック図である。
【図５】は、図４の撮像装置の信号レベル設定部における入出力関係を示す図である。
【図６】は、図１の固体撮像装置内の画素の別の構成例を示す回路図である。
【図７】は、図１の固体撮像装置内の画素の別の構成例を示す回路図である。
【図８】は、図１の固体撮像装置内の画素の別の構成例を示す回路図である。
【図９】は、従来の固体撮像装置内の画素の構成を示す回路図である。
【図１０】は、従来の固体撮像装置内の画素の光電変換特性を示す図である。
【図１１】は、従来の固体撮像装置内の画素で発生する白黒反転状態の読み出し時間に対する依存性を示す図である。
【符号の説明】
【００６８】
１  垂直走査回路
２  水平走査回路
３−１〜３−ｎ  ライン
４−１〜４−ｍ  出力信号線
５  電源ライン
６−１〜６−ｍ  定電流源
７−１〜７−ｍ  選択回路
８  補正回路
９  タイミングジェネレータ
Ｇ11〜Ｇmn  画素
ＰＤ  フォトダイオード
Ｔ１〜Ｔ９  ＭＯＳトランジスタ
Ｃ１，Ｃ２  キャパシタ
【図１】
2006295512.tif 000003
【図２】
2006295512.tif 000004
【図３】
2006295512.tif 000005
【図４】
2006295512.tif 000006
【図５】
2006295512.tif 000007
【図６】
2006295512.tif 000008
【図７】
2006295512.tif 000009
【図８】
2006295512.tif 000010
【図９】
2006295512.tif 000011
【図１０】
2006295512.tif 000012
【図１１】
2006295512.tif 000013