(57)【要約】【課題】  黒つぶれ現象を防止し、かつ、信号処理回路中に反転型増幅器を挿入することができる撮像装置を提供する。【解決手段】  初期化時の電荷検出部１１７の出力電圧に対応するリセット電圧と受光量に応じた電荷検出部１１７の出力電圧に対応するリード電圧とを出力する単位セルが複数個配列されている撮像部１と、リセット電圧とリード電圧との差分を示す輝度情報を第３信号出力線１０４から出力する信号処理回路１２０（反転増幅器１２５等）と、リード電圧が所定の範囲の電圧であるか否かを判定することによって受光素子１１１への入射光が高輝度であるか否かを判定するバイパストランジスタ１３１等と、入射光が高輝度であると判定された場合に、入射光が高輝度であることを示す輝度情報を第３信号出力線１０４に出力するクリップトランジスタ１３４とを有する高輝度判定回路１３０とを備える。【選択図】      図２
2006238138.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光量に応じた輝度情報を出力する撮像装置であって、
初期化時の光電変換部の出力電圧に対応するリセット電圧と受光量に応じた光電変換部の出力電圧に対応するリード電圧とを出力する単位セルが１次元又は２次元状に複数個配列されている撮像手段と、
前記リセット電圧と前記リード電圧との差分を示す輝度情報を信号出力線から出力する信号出力手段と、
前記リード電圧が所定の範囲の電圧であるか否かを判定することによって前記撮像手段への入射光が高輝度であるか否かを判定する判定部と、前記判定部によって前記入射光が高輝度であると判定された場合に、前記入射光が高輝度であることを示す輝度情報を前記信号出力線に出力する判定出力部とを有する高輝度判定手段と
を備えることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記判定部は、
前記リード電圧が所定の範囲であれば非導通、所定の範囲でなければ導通するバイパストランジスタと、
前記バイパストランジスタによって放電される電荷を予め保持しておく判定容量と、
前記判定容量の電圧を増幅する判定増幅回路とを有し、
前記判定出力部は、
前記判定増幅回路の出力が所定の範囲であれば非導通、所定の範囲でなければ導通するクリップトランジスタを有する
ことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項３】
前記バイパストランジスタ及び前記クリップトランジスタは、ＮＭＯＳトランジスタである
ことを特徴とする請求項２記載の撮像装置。
【請求項４】
前記バイパストランジスタは、前記リード電圧が当該バイパストランジスタのポテンシャルを示す電位よりも高い場合に非導通、前記リード電圧が当該バイパストランジスタのポテンシャルを示す電位以下の場合に導通する
ことを特徴とする請求項２記載の撮像装置。
【請求項５】
前記バイパストランジスタのゲートには、一定の電圧が供給される
ことを特徴とする請求項２に載の撮像装置。
【請求項６】
前記クリップトランジスタのドレインには、前記信号出力手段からの輝度情報が出力される垂直信号線におけるリセット電圧との差が飽和出力信号以上となるような一定の電圧が供給される
ことを特徴とする請求項２記載の撮像装置。
【請求項７】
前記判定部はさらに、
前記判定容量を充電することによって初期化する初期化手段と、
前記判定容量の電圧を前記判定増幅回路に伝達、又は、前記判定増幅回路の入力を一定電位に固定して前記判定増幅回路での消費電流を抑制する増幅器スイッチ手段と、
前記判定増幅回路の出力を前記クリップトランジスタに伝達、又は、前記クリップトランジスタを非導通にするクリップスイッチ手段と
を有することを特徴とする請求項２記載の撮像装置。
【請求項８】
前記初期化手段、前記増幅器スイッチ手段及び前記クリップスイッチ手段は、トランジスタである
ことを特徴とする請求項７記載の撮像装置。
【請求項９】
前記判定部は、少なくとも１つ以上のパルスによって駆動される
ことを特徴とする請求項２記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記判定部は、前記単位セルに隣接して配置され、
前記判定出力部は、前記信号出力線に隣接して配置されている
ことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記判定出力部は、前記信号出力線との距離が前記判定部との距離よりも短くなるように、配置されている
ことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項１２】
前記信号出力手段は、
前記リセット電圧及び前記リード電圧を増幅する信号増幅回路と、
前記リセット電圧及び前記リード電圧に含まれるノイズをキャンセルするノイズキャンセル回路とを有し、
前記信号増幅回路及び前記ノイズキャンセル回路は、前記判定部と前記判定出力部との間に位置するように、配置されている
ことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項１３】
前記判定出力部は、ＮＭＯＳトランジスタで構成され、
前記判定出力部を構成するＮＭＯＳトランジスタのゲートには、前記判定部による判定結果を示す信号を伝達する制御信号線が接続され、
前記制御信号線は、前記信号増幅回路及び前記ノイズキャンセル回路を含む回路ブロックを通過するように配線されている
ことを特徴とする請求項１２記載の撮像装置。
【請求項１４】
前記判定出力部は、前記信号出力線に接続されたクリップトランジスタで構成され、
前記信号出力線には、クランプ電圧を供給するクランプトランジスタと、前記差分を示す輝度情報を保持するサンプリング容量とが接続され、
前記クリップトランジスタ、前記クランプトランジスタ及び前記サンプリング容量は、隣接して配置されている
ことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項１５】
撮像装置への入射光が高輝度である場合に生じ得る画像の黒つぶれ現象を抑制する撮像方法であって、
前記入射光が高輝度であるか否かを判定し、
前記入射光が光輝度であると判定された場合に、光電変換部を有する撮像部から出力されるリセット電圧とリード電圧との差を示す輝度情報が出力される信号出力線に、前記差を示す輝度情報に代えて、前記入射光が高輝度であることを示す輝度情報を前記信号出力線に出力する
ことを特徴とする撮像方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射された光を光電変換する単位セルが半導体基板上に１次元又は２次元に配置された撮像装置に関し、特に、強い光を入射したときに画像が黒つぶれする現象を防止する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、家庭用ビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの撮像装置を用いた撮像機器が広く普及してきた。これらの撮像機器には、撮像装置として、増幅型のイメージセンサを備えるものがある。増幅型のイメージセンサは、雑音が低い等の優れた特徴がある反面、強い光を入射したときに画像が黒つぶれするという問題がある。これは、強い光によって受光素子からあふれ出した電荷が検出用コンデンサに貯まってしまうために、蓄積可能な電荷量が減少し、本来、白色となる画像が黒色になってしまうという現象である。
【０００３】
そのために、従来、このような黒つぶれ現象を回避する様々な技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１には、黒つぶれ現象を回避する技術として、増幅型のイメージセンサであるＭＯＳイメージセンサにおいて、単位セル毎に、リード電圧が所定の範囲の電圧である場合にリセット電圧とリード電圧との差分を示す輝度情報を出力し、リード電圧が所定の範囲の電圧でない場合に高輝度を示す輝度情報を出力する出力手段とを備えるＭＯＳイメージセンサが開示されている。
【特許文献１】特開２００４−３１２７８５号公報
【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、特許文献１の回路構成では、信号処理回路におけるサンプリングトランジスタとラインセレクトトランジスタの間に増幅器を挿入してＳ／Ｎ比を向上させることができないという問題がある。
【０００６】
一般に、信号処理回路におけるサンプリングトランジスタとラインセレクトトランジスタの間に増幅器を挿入することによって、単位セルの信号が増幅され、信号処理回路で発生する雑音は増幅されず、増幅される雑音は単位セルで発生する雑音のみとなるため、撮像装置が出力する信号のＳ／Ｎ比を向上することができる。ここで、ＮＭＯＳのみを使用した撮像装置において増幅器を挿入する場合には、ダイナミックレンジの点から正転増幅器を構成することが困難であり、回路構成の容易さの点でもインバータ型の反転増幅器を使用するのが有利である。
【０００７】
ところが、特許文献１の回路において、サンプリングトランジスタとラインセレクトトランジスタとの間に反転型増幅器を挿入した場合には、反転増幅器の入出力端子に接続されるバイパストランジスタのソース電圧は、強い光が入射したときの方がそうでないときよりも高くなり、バイパストランジスタを導通させることが出来ず、高輝度を示す輝度情報を出力することが不可能になる。
【０００８】
そこで、本発明は、強い光を入射したときに画像が黒つぶれするという問題を確実に解決することができ、かつ、信号処理回路におけるサンプリングトランジスタとラインセレクトトランジスタとの間に反転型増幅器を挿入することができる撮像装置及び撮像方法を提供することを第１の目的とする。
【０００９】
なお、黒つぶれ現象を防止する回路を撮像装置に付加することによって、回路内の信号線と他の導電領域との容量カップリングに起因する信号線間のノイズが問題となる。この問題に対して、信号線と他の導電領域との容量カップリングを低減するために、信号線と他の導電領域の間に２層の絶縁膜を設ける方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【００１０】
しかしながら、単位セルに入射する光の強度を上げるためには、光の入射面から光電変換素子までの距離を短くする必要があるが、この特許文献２の技術によれば、信号線と他の導電領域の間に絶縁膜を設けるので、光の入射面から光電変換素子までの距離が長くなり、そのために感度が劣化するという問題がある。
【００１１】
そこで、本発明は、信号線と他の導電領域の間に絶縁膜を設けることなく、信号線に対する他の導電領域からの雑音を低減した黒つぶれ防止回路を備える撮像装置を提供することを第２の目的とする。
【特許文献２】特開平１１−２７４４４６号公報
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記第１の目的を達成するために、本発明に係る撮像装置は、受光量に応じた輝度情報を出力する撮像装置であって、初期化時の光電変換部の出力電圧に対応するリセット電圧と受光量に応じた光電変換部の出力電圧に対応するリード電圧とを出力する単位セルが１次元又は２次元状に複数個配列されている撮像手段と、前記リセット電圧と前記リード電圧との差分を示す輝度情報を信号出力線から出力する信号出力手段と、前記リード電圧が所定の範囲の電圧であるか否かを判定することによって前記撮像手段への入射光が高輝度であるか否かを判定する判定部と、前記判定部によって前記入射光が高輝度であると判定された場合に、前記入射光が高輝度であることを示す輝度情報を前記信号出力線に出力する判定出力部とを有する高輝度判定手段とを備えることを特徴とする。これによって、高輝度判定手段は、リード電圧を入力とし、信号出力線を出力とするので、信号出力手段と並列に接続することが可能となり、黒つぶれ現象を防止することができるとともに、信号出力手段を構成するサンプリングトランジスタとラインセレクトトランジスタとの間に反転型増幅器を挿入することも可能となる。
【００１３】
ここで、前記判定部は、前記リード電圧が所定の範囲であれば非導通、所定の範囲でなければ導通するバイパストランジスタと、前記バイパストランジスタによって放電される電荷を予め保持しておく判定容量と、前記判定容量の電圧を増幅する判定増幅回路とを有し、前記判定出力部は、前記判定増幅回路の出力が所定の範囲であれば非導通、所定の範囲でなければ導通するクリップトランジスタを有する構成としてもよい。
【００１４】
このとき、前記バイパストランジスタ及び前記クリップトランジスタは、ＮＭＯＳトランジスタとし、前記バイパストランジスタは、前記リード電圧が当該バイパストランジスタのポテンシャルを示す電位よりも高い場合に非導通、前記リード電圧が当該バイパストランジスタのポテンシャルを示す電位以下の場合に導通するものが好ましい。そして、前記バイパストランジスタのゲートには、一定の電圧が供給され、前記クリップトランジスタのドレインには、前記信号出力手段からの輝度情報が出力される垂直信号線におけるリセット電圧との差が飽和出力信号以上となるような一定の電圧が供給されるのが望ましい。
【００１５】
また、前記判定部は、さらに、前記判定容量を充電することによって初期化する初期化手段と、前記判定容量の電圧を前記判定増幅回路に伝達、又は、前記判定増幅回路の入力を一定電位に固定して前記判定増幅回路での消費電流を抑制する増幅器スイッチ手段と、前記判定増幅回路の出力を前記クリップトランジスタに伝達、又は、前記クリップトランジスタを非導通にするクリップスイッチ手段とを有する構成としてもよい。このとき、前記初期化手段、前記増幅器スイッチ手段及び前記クリップスイッチ手段は、トランジスタとし、前記判定部は、少なくとも１つ以上のパルスによって駆動されるのが好ましい。
【００１６】
また、上記第２の目的を達成するために、本発明に係る撮像装置は、上記撮像装置において、前記判定部は、前記単位セルに隣接して配置され、前記判定出力部は、前記信号出力線に隣接して配置されていることを特徴とする。これによって、判定出力部が信号出力線に隣接して接続されるので、高輝度判定手段を設けたことに起因して信号出力線の配線長が長くなってしまうという不具合が回避される。
【００１７】
ここで、前記判定出力部は、前記信号出力線との距離が前記判定部との距離よりも短くなるように、配置されていてもよいし、前記信号出力手段は、前記リセット電圧及び前記リード電圧を増幅する信号増幅回路と、前記リセット電圧及び前記リード電圧に含まれるノイズをキャンセルするノイズキャンセル回路とを有し、前記信号増幅回路及び前記ノイズキャンセル回路は、前記判定部と前記判定出力部との間に位置するように、配置されていてもよい。
【００１８】
さらに、前記判定出力部は、ＮＭＯＳトランジスタで構成され、前記判定出力部を構成するＮＭＯＳトランジスタのゲートには、前記判定部による判定結果を示す信号を伝達する制御信号線が接続され、前記制御信号線は、前記信号増幅回路及び前記ノイズキャンセル回路を含む回路ブロックを通過するように配線されていてもよいし、前記判定出力部は、前記信号出力線に接続されたクリップトランジスタで構成され、前記信号出力線には、クランプ電圧を供給するクランプトランジスタと、前記差分を示す輝度情報を保持するサンプリング容量とが接続され、前記クリップトランジスタ、前記クランプトランジスタ及び前記サンプリング容量は、隣接して配置されていてもよい。
【００１９】
なお、本発明は、以上のような構成を備える撮像装置として実現することができるだけでなく、撮像装置への入射光が高輝度である場合に生じ得る画像の黒つぶれ現象を抑制する撮像方法として実現することもできる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る撮像装置によれば、画像の黒つぶれという問題が解消されるだけでなく、撮像部からの信号を読み出すサンプリングトランジスタとラインセレクトトランジスタの間に反転型増幅器を挿入することもできるので、高輝度に対して正常な画像を提供するとともに、高いＳ／Ｎ比の画像を提供することができる撮像装置が実現される。
【００２１】
また、本発明に係る撮像装置によれば、回路配置の工夫によって、黒つぶれ防止回路を撮像装置に付加したことに起因する信号線間の影響（ノイズ）が低減されるので、信号線と他の導電領域の間に絶縁膜を設ける必要がない。よって、光の入射面から光電変換素子までの距離を短くすることが可能となり、単位セルに入射する光の強度が上がり、感度の高い撮像装置が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明に係る撮像装置の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明の実施の形態における撮像装置の全体構成を示す図である。この撮像装置は、信号処理回路にＳ／Ｎ比を向上させる反転型増幅器を備えるとともに黒つぶれ現象を回避する機能を有するＮＭＯＳイメージセンサであり、撮像部１、負荷回路２、行選択エンコーダ３、列選択エンコーダ４、信号処理部５、出力回路６から構成される。
【００２４】
撮像部１は、単位セルが１次元又は２次元上に配列された撮像領域である。ここでは、３×３の２次元上に配列された９画素の例が示されているが、実際の総画素数は、１次元で数千個、２次元で数十万〜数百万個程度である。
【００２５】
負荷回路２は、縦１列毎に同一の回路が１個接続されており、出力電圧を読み出すために、列単位で撮像部１の画素に負荷をかける回路である。
【００２６】
行選択エンコーダ３は、横１行毎に、「ＲＥＳＥＴ」、「ＲＥＡＤ」、「ＬＳＥＬ」の３本の制御線を備え、撮像部１の画素に対して、行単位で、リセット（初期化）、リード（読み出し）、及び、ラインセレクト（行選択）を制御する。
【００２７】
列選択エンコーダ４は、制御線を備え、撮像部１の列を順次選択する。
信号処理部５は、縦１列毎に同一の回路が１個接続されており、撮像部１からの列単位の出力を処理して、順次出力する。
【００２８】
出力回路６は、信号処理部５の出力に、外部に出力するために必要な変換を施して出力する。
【００２９】
図２は、図１に示された撮像装置における、１画素に着目した詳細な回路図である。ここには、負荷回路１００、画素回路１１０、信号処理回路１２０、高輝度判定回路１３０が示されている。これらの回路は、いずれも、ＮＭＯＳトランジスタで構成されている。
【００３０】
負荷回路１００は、図１の負荷回路２中の１個の回路に相当し、第１信号出力線１０２とＧＮＤとの間に接続された負荷用トランジスタ１０１を含む。負荷用トランジスタ１０１のゲートには負荷電圧（ＬＧ）が供給される。
【００３１】
画素回路１１０は、図１の撮像部１中の１個の単位セルに相当し、初期化時の電圧を増幅したリセット電圧と読み出し時の電圧を増幅したリード電圧とを第１信号出力線１０２に出力することを特徴とし、入射した光を光電変換し電荷を出力するフォトダイオード等の受光素子１１１と、受光素子１１１により発生した電荷を蓄積し、蓄積した電荷を電圧信号として出力するコンデンサ（フローティングディフージョン）１１２と、コンデンサ１１２の示す電圧が初期電圧（ここではＶＤＤ）になるようにリセットするリセットトランジスタ１１３と、受光素子１１１により出力される電荷をコンデンサ１１２に供給するリードトランジスタ１１４と、コンデンサ１１２の示す電圧に追従して変化する電圧を出力する増幅用トランジスタ１１５と、行選択エンコーダ３からラインセレクト信号を受けた時に増幅用トランジスタ１１５の出力を第１信号出力線１０２に出力するラインセレクトトランジスタ１１６とを含む。なお、以後の説明を容易にするために、コンデンサ１１２に蓄積された電荷に応じた電圧を示す箇所、つまり、コンデンサ１１２と、リセットトランジスタ１１３と、リードトランジスタ１１４と、増幅用トランジスタ１１５との接続点を特に電荷検出部１１７と呼称する。
【００３２】
信号処理回路１２０は、図１の信号処理部５中の縦１列用の１個の回路に相当し、第１信号出力線１０２におけるリード電圧が所定の範囲の電圧である場合に単位セルにより出力されるリセット電圧とリード電圧との差分を示す輝度情報を出力し、リード電圧が前記所定の範囲の電圧でない場合に高輝度（受光素子に強い光が入射したこと）を示す輝度情報を出力することを特徴とする。
【００３３】
この信号処理回路１２０は、受光素子に強い光が入射した高輝度時か否か（以下、受光素子に強い光が入射した場合を「高輝度時」、強い光が入射していない場合を「通常時」という。）を判定するとともに、高輝度時にその旨を示す輝度情報を第３信号出力線１０４に出力する高輝度判定回路１３０と、第２信号出力線１０３と第３信号出力線１０４との間に直列に接続されたサンプリングトランジスタ１２１及びクランプ容量１２２と、第３信号出力線１０４とＧＮＤとの間に接続されたサンプリング容量１２３と、第３信号出力線１０４と基準電圧（リセット基準電圧）端子との間に接続されたクランプトランジスタ１２４と、第１信号出力線１０２の電圧を増幅し第２信号出力線１０３に出力する反転増幅器１２５と、反転増幅器１２５をリセットし動作の基準電位を決定する反転増幅器リセットトランジスタ１２６と、第１信号出力線１０２の交流成分のみを反転増幅器１２５に伝達する反転増幅器結合容量１２７とを含む。
【００３４】
なお、サンプリングトランジスタ１２１、クランプ容量１２２、サンプリング容量１２３及びクランプトランジスタ１２４は、単位セルより出力される信号に含まれるノイズを除去するためのものであり、ノイズキャンセル回路を構成している。
【００３５】
高輝度判定回路１３０は、第１信号出力線１０２の電位をバイパストランジスタ１３１に伝達するバイパススイッチトランジスタ１３６と、第１信号出力線１０２におけるリード電圧が所定の範囲の電圧である場合には非導通、リード電圧が所定の範囲の電圧でない場合には導通するバイパストランジスタ１３１と、バイパストランジスタ１３１によって放電される電荷を予め保持しておく判定容量１３２と、判定容量１３２の電圧を高電位（ここではＶＤＤ）に充電する判定容量初期化トランジスタ１３５と、判定容量１３２の電位を判定増幅器１３３に伝達、又は、遮断するととともに判定増幅器１３３の入力を低電位（ここではＧＮＤ）に固定する増幅器スイッチトランジスタ１３７と、増幅器スイッチトランジスタ１３７を介して伝達される判定容量１３２の電圧を増幅する判定増幅器１３３と、判定増幅器１３３の出力をクリップトランジスタ１３４に伝達、又は、遮断するとともにクリップトランジスタ１３４のゲートを低電位（ここではＧＮＤ）に固定するクリップスイッチトランジスタ１３８と、クリップスイッチトランジスタ１３８を介して伝達される判定増幅器１３３の出力が低電位（ここではＧＮＤ）なら非導通、高電位なら導通し第３信号出力線１０４にクリップ電圧を出力するクリップトランジスタ１３４とを含む。
【００３６】
これら高輝度判定回路１３０の回路要素のうち、終段のクリップトランジスタ１３４を除く回路要素は、第１信号出力線１０２におけるリード電圧が所定の範囲の電圧であるか否かを判定することによって高輝度時であるか否かを判定する判定部を構成する。また、終段のクリップトランジスタ１３４は、その判定部によって高輝度時であると判定された場合に、通常時における輝度情報に代えて、高輝度であることを示す輝度情報を第３信号出力線１０４に出力する判定出力部を構成している。
【００３７】
ここで、画素回路１１０には、リセットパルス（初期化信号：ＲＥＳＥＴ）、リードパルス（読み出しパルス：ＲＥＡＤ）、及び、ラインセレクトパルス（行選択信号：ＬＳＥＬ）が、信号処理回路１２０には、サンプリングパルス（ＳＰ）、クランプパルス（ＣＰ）、及び、反転増幅器リセットパルス（ＡＭＰＣＬ）が、高輝度判定回路には、判定回路制御パルス１（ＲＳ１）とその論理反転信号（ＲＳ１Ｂ）、及び、判定回路制御パルス２（ＲＳ２）とその論理反転信号（ＲＳ２Ｂ）が決められたタイミングで供給され、これら各制御パルスにそれぞれ対応するトランジスタが開閉（ＯＦＦ／ＯＮ）される。
【００３８】
また、バイパストランジスタ１３１のゲートには、バイパススイッチトランジスタ１３６を介して伝達される第１信号出力線１０２の電位が通常時の電位を示す場合にバイパストランジスタ１３１が非導通となり、第１信号出力線１０２の電位が高輝度時の電位を示す場合にバイパストランジスタ１３１が導通となるようなバイアス電圧ＢＷＢＩＡＳに設定されている。つまり、バイパストランジスタ１３１は、第１信号出力線１０２におけるリード電圧がバイパストランジスタ１３１のポテンシャルを示す電位よりも高い場合に非導通、第１信号出力線１０２におけるリード電圧がバイパストランジスタ１３１のポテンシャルを示す電位以下の場合に導通する。
【００３９】
図３は、図２に示された撮像装置に供給される各制御パルスのタイミングを示す図である。この撮像装置は、タイミングＡ〜Ｄで、単位セルのリード信号（リード電圧）を読み出す動作を行い、タイミングＥ〜Ｉで単位セルのリード信号（リード電圧）が所定の範囲であるか否かを判定し、所定の範囲であればリセット電圧とリード電圧との差分を示す輝度情報を出力し、所定の範囲の電圧でなければに高輝度を示す輝度情報を出力する動作を行う。
【００４０】
以下にタイミングＡ〜Ｉにおける動作を説明する。
図４（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ、通常時のタイミングＡ〜Ｄにおけるポテンシャルを示す。図５（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ、高輝度時のタイミングＡ〜Ｄにおけるポテンシャルを示す。図６は、通常時のタイミングＧにおけるポテンシャルを示す。図７は、高輝度時のタイミングＧにおけるポテンシャルを示す。
【００４１】
図３に示したタイミングＡにおいて、リードトランジスタ１１４がＯＦＦ、リセットトランジスタ１１３がＯＮなので、通常時であれば、図４（Ａ）に示すように、受光素子１１１で生じた電荷は電荷検出部１１７には移動しないが、高輝度時では、図５（Ａ）に示すように、受光素子１１１で生じた電荷はリードトランジスタ１１４のポテンシャルを越えてしまって電荷検出部１１７に移動し、同時に電荷検出部１１７の電荷はリセットトランジスタ１１３を通じてＶＤＤ端子に移動する。
【００４２】
図３に示したタイミングＢにおいて、リセットトランジスタ１１３がＯＮからＯＦＦになり、通常時は電荷検出部１１７がＶＤＤにリセットされる（図４（Ｂ））。
【００４３】
一方、高輝度時には、図５（Ｂ）に示すように、引き続き受光素子１１１で生じた電荷はリードトランジスタ１１４のポテンシャルを越えて電荷検出部１１７に移動するため、電荷検出部１１７の電圧がＶＤＤより低い電圧になってしまう。このときの電荷検出部１１７の電圧がＶＤＤより低い電圧になる変動分をＶｂとする。
【００４４】
図３に示したタイミングＣにおいて、リセットトランジスタ１１３がＯＦＦのまま、リードトランジスタ１１４がＯＮになるので、受光素子１１１で生じた電荷が電荷検出部１１７に移動する。このとき、受光素子１１１で生じた電荷による電荷検出部１１７の電位変動分をＶｓｉｇとする。
【００４５】
図３に示したタイミングＤにおいて、リセットトランジスタ１１３がＯＦＦのままで、リードトランジスタ１１４がＯＦＦになるので、受光素子１１１で生じた電荷が電荷検出部１１７に読み出される。これによって、電荷検出部１１７の電圧が変化し、この変化後の電圧が増幅用トランジスタ１１５によって増幅されるので、第１信号出力線１０２の電圧がリード電圧に変化する。
【００４６】
このとき、読み出し動作による第１信号出力線１０２の電圧変動は、通常時で、Ｖｓｉｇ（図４（Ｄ））、高輝度時で、Ｖｓｉｇ−Ｖｂとなる（図５（Ｄ））。このように、電荷検出部１１７のポテンシャルは、リセットトランジスタ１１３のＯＦＦ時のポテンシャルにより制限されるため、高輝度時には第１信号出力線１０２の電圧変動がＶｂだけ減少する。この減少分が画像の黒つぶれを引き起こす要因となる。
【００４７】
第１信号出力線１０２の電圧変動が反転増幅器１２５により増幅されるので、第２信号出力線１０３の電圧は、第１信号出力線１０２の電圧を反転増幅した電圧となる。つまり、第２信号出力線１０３の電圧は、
通常時：反転増幅器リセット電圧＋Ａｖ×Ｖｓｉｇ  （式１）
高輝度時：反転増幅器リセット電圧＋Ａｖ×（Ｖｓｉｇ―Ｖｂ）  （式２）
となる。ここで、Ａｖは、反転増幅器１２５の増幅率である。
【００４８】
また、クランプ容量１２２の両端は、それぞれ、反転増幅器基準電圧とリセット基準電圧に保持されているので、第３信号出力線の電圧は、
通常時：リセット基準電圧＋Ａｖ×Ｃｃｐ／（Ｃｃｐ＋Ｃｓｐ）×Ｖｓｉｇ  （式３）
高輝度時：リセット基準電圧＋Ａｖ×Ｃｃｐ／（Ｃｃｐ＋Ｃｓｐ）×（Ｖｓｉｇ−Ｖｂ）  （式４）
となる。ここで、Ｃｃｐは、クランプ容量１２２の容量値、Ｃｓｐはサンプリング容量１２３の容量値である。
【００４９】
この通常時と高輝度時の差が、強い光を入射したときの黒つぶれ現象となって現れる。
図３に示したタイミングＥにおいて、バイパススイッチトランジスタ１３６はＯＦＦなので、バイパストランジスタ１３１は導通せず、判定容量初期化トランジスタ１３５がＯＮとなり、判定容量１３２をＶＤＤに初期化する。判定容量１３２の電圧は増幅器スイッチトランジスタ１３７によって遮断され、かつ、判定増幅器１３３の入力はＧＮＤに固定されるため、判定増幅器１３３はＶＤＤを出力する。判定増幅器１３３の出力はクリップスイッチトランジスタ１３８によって遮断され、かつ、クリップトランジスタ１３４のゲートはＧＮＤに固定されＯＦＦとなる。よって、このタイミングＥでは、高輝度判定回路１３０は、初期化動作を行うが、第３信号出力線１０４の電位に影響を与えない。
【００５０】
図３に示したタイミングＦにおいて、増幅器スイッチトランジスタ１３７がＯＮ（判定容量１３２の電位を判定増幅器１３３に伝達）し、かつ、判定増幅器１３３の入力をＧＮＤに固定しないので、判定容量１３２の初期電圧ＶＤＤが判定増幅器１３３に入力され、判定増幅器１３３は低電位（ここではＧＮＤ）を出力する。一方、クリップスイッチトランジスタ１３８は遮断されているため、クリップトランジスタ１３４のゲートは初期電圧ＧＮＤのままである。また、このタイミングＦでは、バイパススイッチトランジスタ１３６がＯＦＦであるため、高輝度判定の動作を行っていない。
【００５１】
なお、判定回路制御パルスＲＳ１とＲＳ２が同時にＶＤＤになると、判定容量初期化トランジスタ１３５と増幅器スイッチトランジスタ１３７が競合してしまい、以降の高輝度判定動作が困難となるので、上記の競合を防ぐため、判定回路制御パルスＲＳ１とＲＳ２の立ち上がりタイミングに時間差を設けている。
【００５２】
図３に示したタイミングＧにおいて、バイパススイッチトランジスタ１３６がＯＮとなり、バイパストランジスタ１３１に第１信号出力線１０２の電位が印加される。
【００５３】
図６に示したように、通常時はバイパストランジスタ１３１が導通せず、判定容量１３２の電圧は初期電圧ＶＤＤのままであり、判定増幅器１３３の出力も低電位（ここではＧＮＤ）から変化せず、クリップトランジスタ１３４のゲートに低電位（ここではＧＮＤ）が印加されるため、クリップトランジスタ１３４は導通せず、第３信号出力線の電位に影響を与えない。
【００５４】
一方、図７に示したように、高輝度時は、バイパストランジスタ１３１が導通し、判定容量１３２からバイパストランジスタ１３１及びバイパススイッチトランジスタ１３６を介して第１信号出力線１０２に電流が流れるために、判定容量１３２の電圧が初期電圧ＶＤＤから降下し、それに伴って判定増幅器１３３の出力が上昇し、クリップトランジスタ１３４が導通し、その結果、第３信号出力線１０４の電位は、クリップ電圧からクリップトランジスタ１３４の閾値電圧だけ差し引いた電位となる。この電位とリセット基準電圧との差が飽和出力時（受光素子１１１が光の入射によって最大量の電荷を発生した場合）の電圧以上となるように、クリップトランジスタ１３４のドレインに接続するクリップ電圧を設定すれば、高輝度を示す輝度情報として飽和出力以上の信号を出力することができる。
【００５５】
このように、図３に示したタイミングＧでは、バイパススイッチトランジスタ１３６がＯＮし、通常時はバイパストランジスタ１３１が非導通なので、クリップトランジスタ１３４も非導通であるから第３信号出力線１０４の電位に影響を与えないが、高輝度時はバイパストランジスタ１３１が導通し、クリップトランジスタ１３４を導通させ、第３信号出力線に飽和出力時の電位以上の電位を出力することによって高輝度を示す輝度情報を出力する。
【００５６】
図３に示したタイミングＨでは、この撮像装置は、図３に示したタイミングＦと同じ動作を行っており、判定容量初期化トランジスタ１３５と増幅器スイッチトランジスタ１３７の競合が防止されている。
【００５７】
図３に示したタイミングＩでは、この撮像装置は、図３に示したタイミングＥと同じ動作を行っており、次に走査する行の高輝度判定を行うために判定容量１３２と判定増幅器１３３とクリップトランジスタ１３４の初期化を行っている。
【００５８】
このように、本実施の形態の撮像装置によれば、リード時における第１信号出力線１０２の電位が所定の電位（バイパストランジスタ１３１のゲート電位ＢＷＢＩＡＳとバイパストランジスタ１３１の閾値電圧等によって定まる電位）以下になった場合に、クリップトランジスタが第３信号出力線１０４に高輝度を示す電位を出力するので、サンプリングトランジスタ１２１とラインセレクトトランジスタ１１６の間に反転増幅器１２５を挿入した場合においても、強い光を入射したときに画像が黒つぶれするという問題点が確実に解決される。
【００５９】
つまり、本実施の形態の撮像装置では、第１信号出力線１０２と第３信号出力線１０４との間に、高輝度判定回路１３０と反転増幅器１２５とが並列に接続されているので、これら２つの回路（高輝度判定回路１３０と反転増幅器１２５）の併存が可能となり、黒つぶれ現象を防止することができるとともに、信号処理回路のサンプリングトランジスタとラインセレクトトランジスタとの間に反転型増幅器を挿入することが可能となる。
【００６０】
また、バイパストランジスタ１３１に供給するバイアス電圧ＢＷＢＩＡＳによって、バイパストランジスタ１３１の動特性を事後的及びその時々に定めることができるので、汎用性が高い。
【００６１】
さらに、高輝度を示す輝度情報は、クリップ電圧の設定により自由に設定できるため、後段のアナログ回路の入力ダイナミックレンジに一致する電圧を出力させることもできる。これにより、アナログ回路の性能を効率よく活用することができる。
【００６２】
なお、本実施の形態では、サンプリングトランジスタ１２１とラインセレクトトランジスタ１１６の間に挿入する増幅器が反転型である場合の構成を示したが、この増幅器が非反転型であるか、又は、サンプリングトランジスタ１２１とラインセレクトトランジスタ１１６の間に増幅器を挿入しない場合は、高輝度判定回路１３０内の増幅器を非反転型増幅器とすることもできる。
【００６３】
次に、本実施の形態における撮像装置の回路配置について説明する。
図８は、図２に示された回路の配置を示す図である。ここでは、図２に示された回路要素のうち、主要な回路要素だけが示されている。本図に示されるように、撮像部１の列ごとに、８個の回路ブロック１５０ａ〜１５０ｈが撮像部１の列方向に並ぶように配置されている。回路ブロック１５０ａは負荷回路１００を含むブロックであり、回路ブロック１５０ｂはラインセレクトトランジスタ１１６を含むブロックであり、回路ブロック１５０ｃは高輝度判定回路１３０のうちクリップトランジスタ１３４を除く回路を含むブロックであり、回路ブロック１５０ｄは反転増幅器リセットトランジスタ１２６及び反転増幅器結合容量１２７を含むブロックであり、回路ブロック１５０ｅはサンプリングトランジスタ１２１を含むブロックであり、回路ブロック１５０ｆはクランプ容量１２２を含むブロックであり、回路ブロック１５０ｇはクリップトランジスタ１３４を含むブロックであり、回路ブロック１５０ｈはサンプリング容量１２３とクランプトランジスタ１２４を含むブロックである。
【００６４】
各回路ブロック１５０ａ〜１５０ｈの横幅は、撮像部１における単位セルの横幅と同一（例えば、約３μｍ）である。各回路ブロック１５０ａ〜１５０ｈの縦幅は各回路ブロックの回路要素によって異なるが、クランプ容量１２２を含む回路ブロック１５０ｆ及びサンプリング容量１２３を含む回路ブロック１５０ａ〜１５０ｈは、各容量を形成するために、極めて大きい縦幅を有する。８個の回路ブロック１５０ａ〜１５０ｈ全体の縦幅は、例えば、約１ｍｍである。
【００６５】
この回路配置における特徴は、高輝度判定回路１３０における出力段のクリップトランジスタ１３４を除く前段回路（つまり、回路ブロック１５０ｃ）を画素回路１１０（つまり、回路ブロック１５０ｂ）に隣接して配置し、高輝度判定回路１３０における出力段のクリップトランジスタ１３４（つまり、回路ブロック１５０ｇ）を第３信号出力線１０４に隣接して配置したことである。より詳細には、高輝度判定回路１３０のクリップスイッチトランジスタ１３８とクリップトランジスタ１３４のゲートとを接続する第５信号出力線１０６（図８における太い黒線）を引き伸ばし、この第５信号出力線１０６が３つの回路ブロック１５０ｄ〜１５０ｆを通過するように配線されている。つまり、クリップトランジスタ１３４は、第３信号出力線１０４との距離が回路ブロック１５０ｃとの距離よりも短くなるように、配置されている。さらに、回路ブロック１５０ｇ（クリップトランジスタ１３４）と回路ブロック１５０ｈ（クランプトランジスタ１２４及びサンプリング容量１２３）とを隣接して配置し、これによって、第３信号出力線１０４の配線長を短くしている。このような回路配置の意義について、このような配線上の工夫をしていない図９に示される通常の回路配置と比較しながら説明する。
【００６６】
図９に示される通常の回路配置では、高輝度判定回路１３０は分離されることなく、全ての回路要素が１つの回路ブロック１６０ｃに配置されている。したがって、高輝度判定回路１３０の出力信号、つまり、クリップトランジスタ１３４の出力信号は、図９における太い黒線で示されるように、３つの回路ブロック１５０ｄ〜１５０ｆを跨ぐように配線された第３信号出力線１０４に出力されている。このように引き伸ばされた第３信号出力線１０４は、第１信号出力線１０２、第２信号出力線１０３及び第４信号出力線１０５との間の寄生カップリング容量により、各信号出力線からの影響（信号の変化時に発生するノイズの影響）を受ける。この第３信号出力線１０４は、信号処理部５における最終の信号を出力する信号線であり、この第３信号出力線１０４に重畳したノイズは、画像におけるノイズとしてそのまま出力されてしまう。
【００６７】
ところが、図８に示される本実施の形態における回路配置によれば、高輝度判定回路１３０において長く引き伸ばされる第５信号出力線１０６は、クリップスイッチトランジスタ１３８とクリップトランジスタ１３４とを接続する制御信号（ロジック信号）線であり、その振幅（ＶＤＤ／ＧＮＤ）のマージンが大きいことから、第１信号出力線１０２、第２信号出力線１０３及び第４信号出力線１０５との間の寄生カップリング容量による各信号出力線からの影響を受けない。
【００６８】
また、逆方向である第５信号出力線１０６から第１信号出力線１０２、第２信号出力線１０３及び第４信号出力線１０５への影響については、同様の寄生カップリング容量による影響を与え得るが、第５信号出力線１０６に信号が出力されるのは、高輝度時であり、この時には、高輝度判定回路１３０のクリップトランジスタ１３４がＯＮし、最終の信号出力線である第３信号出力線１０４に高輝度を示す輝度情報が出力される（第３信号出力線１０４の信号が高輝度を示す輝度情報に置き換えられる）ので、第５信号出力線１０６から他の信号出力線への影響を無視することができる。つまり、第５信号出力線１０６の電圧は、通常時においては、変化しないために他の信号線に影響を与えないし、高輝度時においては、その変化によって他の信号線に影響を与え得るが、第３信号出力線１０４の出力が高輝度を示す輝度情報に置き換えられるために、最終的な出力画像に影響を与えない。
【００６９】
このように、本実施の形態における回路配置によって、高輝度判定回路１３０への入力信号を伝達する第１信号出力線１０２及び信号処理回路１２０の出力信号を伝達する第３信号出力線１０４のいずれについても配線長が長くなってしまうことが抑制され、これによって、信号線間の寄生カップリング容量によるノイズの影響が回避され、品質の高い画像が得られる。
【００７０】
以上、本発明に係る撮像装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない限り、本実施の形態に対して当業者が思いつく範囲内の変更を施した各種変形例も本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明に係る撮像装置は、撮像機器のイメージセンサとして、特に、強い光を入射したときの画像の黒つぶれを解消し、画質の向上が図れるので、家庭用ビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの種々の撮像機器のイメージセンサとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の実施の形態における撮像装置の全体構成を示す図である。
【図２】撮像装置の回路図である。
【図３】撮像装置における各制御パルスのタイミングを示す図である。
【図４】図３におけるタイミングＡ〜Ｄでの、通常時のポテンシャルを示す図である。
【図５】図３におけるタイミングＡ〜Ｄでの、高輝度時のポテンシャルを示す図である。
【図６】図３におけるタイミングＧでの、通常時のポテンシャルを示す図である。
【図７】図３におけるタイミングＧでの、高輝度時のポテンシャルを示す図である。
【図８】図２に示された回路の配置図である。
【図９】図８に示された回路配置図の意義を説明するための他の回路配置図である。
【符号の説明】
【００７３】
１    撮像部
２    負荷回路
３    行選択エンコーダ
４    列選択エンコーダ
５    信号処理部
６    出力回路
１００    負荷回路
１０１    負荷用トランジスタ
１０２    第１信号出力線
１０３    第２信号出力線
１０４    第３信号出力線
１０５    第４信号出力線
１０６    第５信号出力線
１１０    画素回路
１１１    受光素子
１１２    コンデンサ
１１３    リセットトランジスタ
１１４    リードトランジスタ
１１５    増幅用トランジスタ
１１６    ラインセレクトトランジスタ
１１７    電荷検出部
１２０    信号処理回路
１２１    サンプリングトランジスタ
１２２    クランプ容量
１２３    サンプリング容量
１２４    クランプトランジスタ
１２５    反転増幅器
１２６    反転増幅器リセットトランジスタ
１２７    反転増幅器結合容量
１３０    高輝度判定回路
１３１    バイパストランジスタ
１３２    判定容量
１３３    判定増幅器
１３４    クリップトランジスタ
１３５    判定容量初期化トランジスタ
１３６    バイパススイッチトランジスタ
１３７    増幅器スイッチトランジスタ
１３８    クリップスイッチトランジスタ
１５０ａ〜１５０ｈ    回路ブロック
【図１】
2006238138.tif 000003
【図２】
2006238138.tif 000004
【図３】
2006238138.tif 000005
【図４】
2006238138.tif 000006
【図５】
2006238138.tif 000007
【図６】
2006238138.tif 000008
【図７】
2006238138.tif 000009
【図８】
2006238138.tif 000010
【図９】
2006238138.tif 000011