(57)【要約】  画素１１では、浮遊半導体領域ＦＤは光電変換素子ＰＤからの電荷を蓄積する。第１の電荷転送経路ＣＴＰ１は光電変換素子ＰＤから蓄積ダイオードＳＤを介して浮遊半導体領域ＦＤに至る。第２の電荷転送経路ＣＴＰ２は、光電変換素子ＰＤから前記浮遊半導体領域に至る。出力部ＡＭＰは、浮遊半導体領域ＦＤにおける電位に応じた信号を提供する。第１の電荷転送経路ＣＴＰは、光電変換素子ＰＤからの電荷の転送を制御する第１のシャッタースイッチＴＲ（ＧＳ１）と、光電変換素子ＰＤからの電荷を蓄積する蓄積ダイオードＳＤと、蓄積ダイオードＳＤから浮遊半導体領域ＰＤへの電荷転送を制御する転送スイッチＴＲ（ＴＦ１）とを含み、第２の電荷転送経路ＣＴＰは光電変換素子ＰＤからの電荷の転送を制御するシャッタースイッチＴＲ（ＧＳ２）を含む。
2011096340.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体撮像装置であって、
アレイ状に配列された複数の画素を含む画素アレイと、
前記画素を制御するための第１、第２、第３の制御信号を生成する制御回路と、
前記画素アレイからの第１及び第２の画素信号を一フレームにおいて読み出す読出回路と、
前記読出回路からの信号を処理する信号処理部と、
を備え、
各画素は、
受けた光から電気信号を生成する光電変換素子と、
前記光電変換素子からの電荷を蓄積する浮遊半導体領域と、
前記光電変換素子から前記浮遊半導体領域に至る第１の電荷転送経路と、
前記光電変換素子から前記浮遊半導体領域に至る第２の電荷転送経路と、
前記浮遊半導体領域における電位に応じた信号を提供する出力部と、
を含み、
前記第１及び第２の電荷転送経路の一方は、前記第１の制御信号に応答して前記光電変換素子からの電荷の転送を制御する第１のシャッタースイッチと、前記光電変換素子からの電荷を蓄積する第１の蓄積ダイオードと、前記第２の制御信号に応答して前記第１の蓄積ダイオードから前記浮遊半導体領域への電荷転送を制御する第１の転送スイッチと、
を含み、
前記第１及び第２の電荷転送経路の他方は、前記第３の制御信号に応答して前記光電変換素子からの電荷の転送を制御する第２のシャッタースイッチを含み、
前記第１の画素信号は、前記第１の電荷転送経路を介して前記浮遊半導体領域に転送された第１の転送電荷に対応し、
前記第２の画素信号は、前記第２の電荷転送経路を介して前記浮遊半導体領域に転送された第２の転送電荷に対応する、ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記画素は、前記浮遊半導体領域をリセットするリセットスイッチを含み、
前記制御回路は、前記リセットスイッチを制御するリセット信号を生成し、
前記第１の画素信号は、前記第１の転送電荷に対応した第１信号レベルと、前記リセットスイッチによりリセットされた前記浮遊半導体領域の電位に対応した第１リセットレベルとを含み、
前記第２の画素信号は、前記第２の転送電荷に対応した第２信号レベルと、前記リセットスイッチによりリセットされた前記浮遊半導体領域の電位に対応した第２リセットレベルとを含み、
前記読出回路は、前記第１及び第２の画素信号をそれぞれ標本化するための第１及び第２の相関二重サンプリング回路を含む、ことを特徴とする請求項１に記載された固体撮像装置。
【請求項３】
前記第１の電荷転送経路を介して転送される電荷の蓄積のための第１蓄積期間は、前記第２の電荷転送経路を介して転送される電荷の蓄積のための第２蓄積期間より長い、
前記信号処理部の前記出力信号は、前記第１及び第２の画像信号から合成画像信号を合成する信号合成部を含み、
前記合成画像信号は、前記第１及び第２の画像信号の各々におけるダイナミックレンジよりも広いダイナミックレンジを有する、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載された固体撮像装置。
【請求項４】
前記信号処理部は、前記第１及び第２の画像信号の一方を前記第１及び第２の画像信号の他方と比較して、前記第１及び第２の画像信号の比較結果を示す比較信号を提供する比較部を含む、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載された固体撮像装置。
【請求項５】
前記光電変換素子から前記第１の蓄積ダイオードへ転送される電荷を生成するための第１の蓄積期間は、前記光電変換素子から前記浮遊半導体領域へ転送される電荷を生成するための第２の蓄積期間に実質的に等しく、
前記信号処理部は、前記第１の画素信号と前記第２の画素信号との差分に対応する信号を生成する差分生成部を含む、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された固体撮像装置。
【請求項６】
前記第１及び第２の電荷転送経路の他方は、前記光電変換素子からの電荷を蓄積する第２の蓄積ダイオードと、第４の制御信号に応答して前記第２の蓄積ダイオードから前記浮遊半導体領域への電荷転送を制御する第２の転送スイッチと、を含み、
前記第２の転送スイッチは、前記浮遊半導体領域と前記第２の蓄積ダイオードの一端との間に接続され、
前記第２のシャッタースイッチは、前記光電変換素子と前記第２の蓄積ダイオードの前記一端との間に接続され、
前記第１のシャッタースイッチは、前記光電変換素子と前記第１の蓄積ダイオードの一端との間に接続され、
前記第１の転送スイッチは、前記第１の蓄積ダイオードの前記一端と前記浮遊半導体領域との間に接続される、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された固体撮像装置。
【請求項７】
前記画素は前記光電変換素子から前記浮遊半導体領域に至る第３の電荷転送経路を更に備え、
前記第３の電荷転送経路は、第５の制御信号に応答して前記光電変換素子からの電荷転送を制御する第３のシャッタースイッチと、前記光電変換素子からの電荷を蓄積する第３の蓄積ダイオードと、第６の制御信号に応答して前記第３の蓄積ダイオードから前記浮遊半導体領域への電荷転送を制御する第３の転送スイッチと、を含み、
前記信号処理部は、前記画素アレイからの第３の画素信号を読み出し、
前記第３の画素信号は、前記第３の電荷転送経路を介して前記浮遊半導体領域に転送された電荷に対応する、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された固体撮像装置。
【請求項８】
アレイ状に配列された複数の画素を含む画素アレイから画素信号を読み出す方法であって、当該方法は、
前記画素アレイにおける画素の各々における光電変換素子を用いてフレーム期間内の第１の蓄積期間に第１の電荷蓄積を行うステップと、
前記第１の電荷蓄積における電荷を前記画素における第１の電荷転送経路を介して前記画素における浮遊半導体領域に転送するために、該電荷を前記第１の電荷転送経路内の第１の蓄積ダイオードに一時的に蓄積するステップと、
前記光電変換素子を用いて前記フレーム期間内の第２の蓄積期間に第２の電荷蓄積を行うステップと、
前記画素の第２の電荷転送経路を介して前記第２の電荷蓄積における電荷を前記浮遊半導体領域に転送すると共に、前記浮遊半導体領域における転送電荷量に応じた画素信号をカラム線に提供するステップと、
前記カラム線上の前記画素信号を読み出すステップと、
前記第１の蓄積ダイオードに一時的に蓄積された電荷を前記浮遊半導体領域に転送すると共に、前記浮遊半導体領域における転送電荷量に応じた別の画素信号をカラム線に提供するステップと、
前記カラム線上の前記別の画素信号を読み出すステップと、
前記画素信号及び前記別の画素信号を処理するステップと、
を備えることを特徴とする、画素信号を読み出す方法。
【請求項９】
固体撮像装置のための画素であって、
受けた光から電気信号を生成する光電変換素子と、
前記光電変換素子からの電荷を蓄積する浮遊半導体領域と、
前記光電変換素子から前記浮遊半導体領域に至る第１の電荷転送経路と、
前記第１の電荷転送経路と異なり前記光電変換素子から前記浮遊半導体領域に至る第２の電荷転送経路と、
前記浮遊半導体領域における電位に応じた信号を提供する出力部と、
を含み、
前記第１の電荷転送経路は、前記光電変換素子からの電荷の転送を制御する第１のシャッタースイッチと、前記光電変換素子からの電荷を蓄積する第１の蓄積ダイオードと、前記第１の蓄積ダイオードから前記浮遊半導体領域への電荷転送を制御する第１の転送スイッチと、を含み、
前記第２の電荷転送経路は、前記光電変換素子からの電荷の転送を制御する第２のシャッタースイッチを含み、
前記第１のシャッタースイッチは、前記光電変換素子と前記第１の蓄積ダイオードの一端との間に接続され、
前記第１の転送スイッチは、前記第１の蓄積ダイオードの前記一端と前記浮遊半導体領域との間に接続される、ことを特徴とする画素。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置、画素信号を読み出す方法、及び画素に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１のイメージセンサは、グローバル（全画素同時）電子シャッタ、リセットノイズ除去の機能を有する。この全画素同時電子シャッタ機能を有するイメージセンサでは、イメージセンサの一部にＣＣＤ構造が用いられている。また、電荷を保持するために埋め込み型のＭＯＳキャパシタを用いて低暗電流を提供している。【０００３】
特許文献２及び３では、ＣＭＯＳイメージセンサが記載されている。これらのイメージセンサは、ＣＣＤ構造を用いずに、電荷を保持するために埋め込み型蓄積ダイオードを使用する。このＣＭＯＳイメージセンサでは、シャッタゲートの制御により、フォトダイオードと蓄積ダイオードとの２つのダイオードで電荷がシェアされる。この電荷のシェアにより、フォトダイオードで発生した電荷の一部が蓄積ダイオードに移動する動作を利用して電子シャッタ動作を提供している。特許文献４に記載されたＣＭＯＳイメージセンサのための画素の光検出器の領域は、そのセンタに対して対称性を有するように配置される。【０００４】
非特許文献１のＭＯＳイメージセンサでは、画素内で合成を行い、区分的線形の広ダイナミックレンジを実現している。また、非特許文献２のＭＯＳイメージセンサでは、線形応答／対数応答を組み合わせて広ダイナミックレンジを実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１１１５９０号公報
【特許文献２】特開２００８−１０３６４７号公報
【特許文献３】米国特許７３６１８７７号
【特許文献４】米国特許５９８６２９７号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】T. Yamada, S. Kasuga, T. Murata, Y. Kato, “A 140dB-Dynamic-Range MOSImage Sensor with In-Pixel Multiple-Exposure Synthesis”, IEEE InternationalSolid-State Circuits Conference, pp. 50 - 51, February 2008.
【非特許文献２】N. Bock, A. Krymski, A. Sarwari et al., “A Wide-VGA CMOS Image Sensor with Global Shutter and Extended Dynamic Range,” IEEEWorkshop on Charge Coupled Devices and Advanced Image Sensors, pp.222-225, Jun.2005.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献３における画素では、フォトダイオードから蓄積ダイオードに電荷を完全に転送するために、２つの埋め込みダイオードの空乏化電位（電位井戸）の差を大きくすることが求められる。蓄積ダイオードに蓄積される電荷容量を十分な大きくするために、特許文献３の画素では高い電源電圧を用いる。また、画素内のフォトダイオードで発生した電荷をフォトダイオードと蓄積ダイオードとでシェアし、その際に蓄積ダイオードに移動した電荷を利用して電子シャッタ機能を提供している。これ故に、光で発生した電荷の一部がフォトダイオードに残留して、この残留電荷がドレインに排出される。これは、ＣＭＯＳイメージセンサの感度を低下させる。【０００８】
また、特許文献２では、低コストで製造可能で、信号電荷の完全転送を実現可能な半導体素子を提供し、更には、この半導体素子を画素として複数個配列して、高い空間解像度を有する固体撮像装置を提供する。【０００９】
特許文献１は、ブルーミング現象や疑似ブルーミング現象により生じる不要電荷の影響を抑制することを目的とする。特許文献１の画素は、ゲート下のｎ型埋め込み層のみを用いて、電荷の蓄積を行うので、このｎ型埋め込み層の不純物密度を十分に高くする必要がある。更に、ｎ型埋め込み層の表面をホールで満たして、そのピニング効果によって暗電流を低減させる。このために、ゲートに大きな負電圧を印加する。これは、画素アレイの周辺回路に負担となる。【００１０】
特許文献１では、ＣＣＤ構造を利用するイメージセンサにおいてグローバル電子シャッタ機能が提供されるけれども、ＣＭＯＳイメージセンサにおいては、ローリングシャッタ動作が基本である。これ故に、グローバル電子シャッタ機能を持つイメージセンサが求められている。さらに、ＣＭＯＳイメージセンサにおいてグローバル電子シャッタとその高性能化には強い要求がある。本発明は、このような事情を鑑みて為されたものである。【００１１】
本発明は、多重化されたグローバルシャッタの動作が可能な固体撮像装置を提供することを目的とし、また、アレイ状に配列された複数の画素を含む画素アレイから画素信号を読み出す方法を提供することを目的とし、さらに、多重化されたシャッタの動作が可能な画素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】
【００１２】
本発明の一側面に係る固体撮像装置は、（ａ）アレイ状に配列された複数の画素を含む画素アレイと、（ｂ）前記画素を制御するための第１、第２、第３の制御信号を生成する制御回路と、（ｃ）前記画素アレイからの第１及び第２の画素信号を一フレームにおいて読み出す読出回路と、（ｄ）前記読出回路からの信号を処理する信号処理部とを備える。各画素の画素回路は、受けた光から電気信号を生成する光電変換素子と、前記光電変換素子からの電荷を蓄積する浮遊半導体領域と、前記光電変換素子から前記浮遊半導体領域に至る第１の電荷転送経路と、前記光電変換素子から前記浮遊半導体領域に至る第２の電荷転送経路と、前記浮遊半導体領域における電位に応じた信号を提供する出力部と、を含む。前記第１及び第２の電荷転送経路の一方は、前記第１の制御信号に応答して前記光電変換素子からの電荷の転送を制御する第１のシャッタースイッチと、前記光電変換素子からの電荷を蓄積する第１の蓄積ダイオードと、前記第２の制御信号に応答して前記第１の蓄積ダイオードから前記浮遊半導体領域への電荷転送を制御する第１の転送スイッチと、を含む。前記第１及び第２の電荷転送経路の他方は、前記第３の制御信号に応答して前記光電変換素子からの電荷の転送を制御する第２のシャッタースイッチを含む。前記第１の画素信号は、前記第１の電荷転送経路を介して前記浮遊半導体領域に転送された第１の転送電荷に対応する。前記第２の画素信号は、前記第２の電荷転送経路を介して前記浮遊半導体領域に転送された第２の転送電荷に対応する。【００１３】
この固体撮像装置によれば、各画素は、光電変換素子から浮遊半導体領域に至る第１及び第２の電荷転送経路を有し、第１の電荷転送経路は第２の電荷転送経路と異なる。例えば、第１及び第２の電荷転送経路は、それぞれ、第１及び第２のシャッタースイッチを含む。一方の転送経路において、光電変換素子からの電荷は第１の蓄積ダイオードに一時的に蓄積されることができる。これ故に、個々の転送経路上のシャッタースイッチは、電荷の転送に関して互いに干渉することなく、画素アレイにおいて多重化されたグローバルシャッタの動作を可能にする。【００１４】
画素の出力部は、浮遊半導体領域における電位に応じた信号を提供する。出力部は、第１の電荷転送経路を介して浮遊半導体領域に転送された第１の転送電荷に応答して第１の画素信号を提供し、第２の電荷転送経路を介して浮遊半導体領域に転送された第２の転送電荷に応答して第１の画素信号を提供する。読出回路は第１及び第２の画素信号を別々に受ける。信号処理部は、読出回路からの信号に高機能化のための処理を施すことができる。【００１５】
本発明の別の側面に係る発明は、アレイ状に配列された複数の画素を含む画素アレイから画素信号を読み出す方法である。該方法は、（ａ）前記画素アレイにおける画素の各々における光電変換素子を用いてフレーム期間内の第１の蓄積期間に第１の電荷蓄積を行い、（ｂ）前記第１の電荷蓄積における電荷を前記画素における第１の電荷転送経路を介して前記画素における浮遊半導体領域に転送するために、該電荷を前記第１の電荷転送経路内の第１の蓄積ダイオードに一時的に蓄積し、（ｃ）前記光電変換素子を用いて前記フレーム期間内の第２の蓄積期間に第２の電荷蓄積を行い、（ｄ）前記画素における第２の電荷転送経路を介して前記第２の電荷蓄積における電荷を前記浮遊半導体領域に転送すると共に、前記浮遊半導体領域における転送電荷量に応じた画素信号をカラム線に提供し、（ｅ）前記カラム線上の前記画素信号を読み出し、（ｆ）前記第１の蓄積ダイオードに一時的に蓄積された電荷を前記浮遊半導体領域に転送すると共に、前記浮遊半導体領域における転送電荷量に応じた別の画素信号をカラム線に提供し、（ｇ）前記カラム線上の前記別の画素信号を読み出し、（ｈ）前記画素信号及び前記別の画素信号を処理することを備える。【００１６】
この方法によれば、画素は、一フレーム内の第１及び第２の蓄積期間にそれぞれ第１及び第２の電荷蓄積を行う。第１の電荷蓄積における電荷を浮遊半導体領域に転送するために、該電荷を第１の蓄積ダイオードに一時的に蓄積する。この蓄積期間中に、第２の電荷転送経路を介して第２の電荷蓄積における電荷を浮遊半導体領域に転送すると共に、該転送電荷量に応じた浮遊半導体領域の電位を表す第２の画素信号をカラム線に提供する。この後に、第１の蓄積ダイオードに一時的に蓄積された電荷を浮遊半導体領域に転送すると共に、該転送電荷量に応じた浮遊半導体領域の電位を表す別の画素信号をカラム線に提供する。これらの転送において、一方の転送経路を用いる転送の際に光電変換素子からの電荷は第１の蓄積ダイオードに一時的に蓄積されると共に、この一時的な蓄積を利用して他方の転送経路を用いて電荷転送を行う。これ故に、第１及び第２の蓄積期間にそれぞれ第１及び第２の電荷蓄積は、電荷の転送に関して互いに干渉することなく、画素アレイにおいて多重化されたグローバルシャッタの動作を可能にする。【００１７】
また、別の時刻にカラム線上に提供される画素信号及び別の画素信号をそれぞれ読み出して、これらの読出された信号に高機能化のための処理を施すことができる。【００１８】
本発明の更なる別の側面に係る画素は、（ａ）受けた光から電気信号を生成する光電変換素子と、（ｂ）前記光電変換素子からの電荷を蓄積する浮遊半導体領域と、（ｃ）前記光電変換素子から前記浮遊半導体領域に至る第１の電荷転送経路と、（ｄ）前記第１の電荷転送経路と異なり前記光電変換素子から前記浮遊半導体領域に至る第２の電荷転送経路と、（ｅ）前記浮遊半導体領域における電位に応じた信号を提供する出力部と、を含む。前記第１の電荷転送経路は、前記光電変換素子からの電荷の転送を制御する第１のシャッタースイッチと、前記光電変換素子からの電荷を蓄積する第１の蓄積ダイオードと、前記第１の蓄積ダイオードから前記浮遊半導体領域への電荷転送を制御する第１の転送スイッチと、を含む。前記第２の電荷転送経路は、前記光電変換素子からの電荷の転送を制御する第２のシャッタースイッチを含む。前記第１のシャッタースイッチは、前記光電変換素子と前記第１の蓄積ダイオードの一端との間に接続される。前記第１の転送スイッチは、前記第１の蓄積ダイオードの前記一端と前記浮遊半導体領域との間に接続される。この画素によれば、多重化されたシャッタの動作が提供される。【００１９】
本発明の更なる別の側面では、前記第２の電荷転送経路は、前記光電変換素子からの電荷を蓄積する第２の蓄積ダイオードと、前記第２の蓄積ダイオードから前記浮遊半導体領域への電荷転送を制御する第２の転送スイッチとを含むことができる。前記第２のシャッタースイッチは、前記光電変換素子と前記第２の蓄積ダイオードの一端との間に接続される。前記第２の転送スイッチは前記浮遊半導体領域と前記第２の蓄積ダイオードの前記一端との間に接続される。この画素によれば、多重化されたシャッタの動作が提供されると共に、第１及び第２の蓄積ダイオードを用いて低雑音の２つの画素信号が得られる。これ故に、例えば低照度においても正確な差分画像や２枚の超高速画像の取得が可能になる。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように、本発明の一側面によれば、多重化されたグローバルシャッタの動作が可能な固体撮像装置を提供できる。また、別の側面によれば、アレイ状に配列された複数の画素を含む画素アレイから画素信号を読み出す方法を提供できる。さらに、更なる別の側面によれば、多重化されたシャッタの動作が可能な画素を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、固体撮像装置のブロック構成を示す図面である。
【図２】図２は、固体撮像装置のための画素の一例を示す図面である。
【図３】図３は、画素のデバイス構造を示す図面である。
【図４】図４は、画素の駆動タイミングの一例を示す図面である。
【図５】図５は、本実施の形態に係る固体撮像装置のためのカラム信号処理回路の一例を示す図面である。
【図６】図６は、本実施の形態に係る固体撮像装置を半導体集積素子として実現した半導体チップを示す図面である。
【図７】図７は、プロトタイプ・グローバル・シャッタＣＭＯＳイメージセンサの特性を示す図面である。
【図８】図８は、イメージセンサに採用された画素で測定された特性を示す図面である。
【図９】図９は、ＳＤ信号及びＦＤ信号に係る画像を示す図面である。
【図１０】図１０は、グローバルシャッタかつ線形応答の広ダイナミックレンジ撮像による画像を示す図面である。
【図１１】図１１は、動き検出のための画像の一例を示す図面である。
【図１２】図１２は、高精度デュアルシャッタの利用による画像例を示す図面である。
【図１３】図１３は、トリプルシャッタ機能を有する画素例を示す図面である。
【図１４】図１４は、画素から画素信号を読み出す方法の主要なステップを示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の固体撮像装置、アレイ状に配列された複数の画素を含む画素アレイから画素信号を読み出す方法、及び、多重化されたシャッタの動作が可能な固体撮像装置のための画素に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００２３】
多重化されたシャッタの動作が可能な画素回路を用いる固体撮像装置を説明する。固体撮像装置は、増幅機能を持つ画素とその画素の周辺に配置された走査回路とを有し、その走査回路により画素から画素データを読み出す。固体撮像装置の一例は、画素とその周辺の駆動回路及び信号処理回路との集積化に有利なＣＭＯＳ(コンプリメンタリ・メタル・オキサイド・セミコンダクタ)により構成されたイメージセンサである。このイメージセンサにおける画素の一例は、高画質を実現できる構造のトランジスタ、フォトダイオード及び蓄積ダイオードを含む。トランジスタは例えばＭＩＳ型、ＭＯＳ型であることができる。また、埋め込み型ダイオードを用いることにより、低リーク電流を達成できる。
【００２４】
図１は、２次元イメージセンサといった固体撮像装置のブロック構成を示す図面である。固体撮像装置１は、画素アレイ３、カラム信号処理部５、制御回路７及び信号処理部９を含む。固体撮像装置１では、画素１１はマトリクス状に配置されて画素アレイ３を構成している。画素１１はカラム信号線Ｃに接続されており、これらの画素１１はカラム配列を構成する。制御回路７は、行デコーダ回路１３及び行駆動回路１４を含む。行デコーダ回路１３により各画素の行から特定の行が選択される。行駆動回路１４は、駆動線１２へ駆動信号を提供する。駆動線１２は、例えば、複数のシャッタースイッチ駆動線（図１の画素回路では、第１及び第２のシャッタートランジスタ駆動線ＧＳ１、ＧＳ２）、一又は複数の転送スイッチ駆動線（図１の画素回路では、転送トランジスタ駆動線ＴＸ（ｉ））、リセットスイッチ駆動線（図１の画素回路では、リセットトランジスタ駆動線ＲＦＤ（ｉ））、行選択スイッチ駆動線（図１の画素回路では、行選択トランジスタ駆動線ＲＳ（ｉ））および蓄積時間制御スイッチ駆動線（図１の画素回路では、蓄積時間制御トランジスタ駆動線ＲＰＤ）を表している。制御回路７は、複数のブロックに分けられて画素アレイ３の周辺に配置されることができる。固体撮像装置１はタイミング生成回路１０を含むことができ、この生成回路１０は当該装置１に含まれる回路の動作タイミングを制御するための制御信号、クロック信号等を生成する。
【００２５】
画素１１は、図１及び図２を参照すると、光電変換素子１１ａと画素回路１１ｂとを有する。光電変換素子１１ａは例えばフォトダイオードを含むことができる。光電変換素子１１ａは、受けた光Ｌを電気信号に変換する。画素回路１１ｂは、該光電変換素子１１ａからの信号Ｓ（ｐｈ）に増幅を施して画素信号Ｓ（ｐｉｘｅｌ）を提供する。画素１１の画素回路１１ｂは、浮遊半導体領域ＦＤと、複数の電荷転送経路（例えば、第１及び第２の電荷転送経路ＣＴＰ１、ＣＴＰ２）と、出力部ＡＭＰとを含む。複数の電荷転送経路ＣＴＰ１、ＣＴＰ２は互いに異なる。浮遊半導体領域ＦＤは、光電変換素子１１ａからの電荷を蓄積する。出力部ＡＭＰは、浮遊半導体領域ＦＤにおける電位（ｐｎ接合の空乏層キャパシタＣＦＤにより保持される電位）に応じた信号を提供する。第１の電荷転送経路ＣＴＰ１及び第２の電荷転送経路ＤＴＰ２は、光電変換素子１１ａから浮遊半導体領域ＦＤに至る。第１の電荷転送経路ＣＴＰ１は、光電変換素子１１ａからの電荷の転送を制御する第１のシャッタースイッチＴＲ（ＧＳ１）を含む。第２の電荷転送経路ＣＴＰ２は、光電変換素子１１ａからの電荷の転送を制御する第２のシャッタースイッチＴＲ（ＧＳ２）を含む。この画素１１によれば、多重化されたシャッタの動作が提供される。第１の電荷転送経路ＣＴＰ１は、第１のシャッタースイッチＴＲ（ＧＳ１）に加えて第１の蓄積ダイオードＳＤを含み、蓄積ダイオードＳＤは光電変換素子１１ａからの電荷を蓄積する。光電変換素子１１ａで生成された電荷は、第１及び第２の電荷転送経路ＣＴＰ１、ＣＴＰ２のいずれかの経路を介して浮遊半導体領域ＦＤに転送される。この転送を同時に行うことができないので、第１の電荷転送経路ＣＴＰ１は、光電変換素子１１ａからの電荷を一時的に蓄積する蓄積ダイオードＳＤを含む。第１のシャッタースイッチＴＲ（ＧＳ２）は、第１の制御信号ＧＳ１に応答して光電変換素子１１ａからの電荷の転送を制御する。第１の転送スイッチＴＲ（ＴＦ１）は、第２の制御信号ＴＸ（ｉ）に応答して第１の蓄積ダイオードＳＤから浮遊半導体領域ＦＤへの電荷転送を制御する。第２のシャッタースイッチＴＲ（ＧＳ２）は、第３の制御信号ＧＳ２に応答して光電変換素子１１ａからの電荷の転送を制御する。制御回路７は、画素１１を制御するための制御信号ＧＳ１、ＴＸ（ｉ）、ＧＳ２を生成し、これらの制御信号は駆動線１２を介して画素１１に供給される。光電変換素子１１ａの一端にはスイッチＴＲ（ＲＰＤ）が接続され、スイッチＴＲ（ＲＰＤ）は露光時間を規定するために使用される。
【００２６】
本実施例では、画素回路１１ｂ内のスイッチは、例えばトランジスタによって構成される。第１の電荷転送経路ＣＴＰ１では、第１のシャッタースイッチＴＲ（ＧＳ１）はトランジスタからなり、光電変換素子１１ａと第１の蓄積ダイオードＳＤの一端との間に接続される。第１の転送スイッチＴＲ（ＴＦ１）はトランジスタからなり、第１の蓄積ダイオードＳＤの一端と浮遊半導体領域ＦＤとの間に接続される。第２の電荷転送経路ＣＴＰ２では、第２のシャッタースイッチＴＲ（ＧＳ２）はトランジスタからなり、光電変換素子１１ａと浮遊半導体領域ＦＤとの間に接続される。これらのトランジスタのゲートは、制御回路７から駆動線１２を介して供給される制御信号を受ける。
【００２７】
画素１１では、リセットトランジスタＴＲ（ＲＳ）は浮遊拡散部ＦＤに接続され、浮遊拡散部ＦＤをリセットする。出力部ＡＭＰでは、増幅トランジスタＴＲ（ＡＭ）は、浮遊拡散部ＦＤからの信号をゲートに受けており、電源線といった基準電位線ＶＤＤとカラム線Ｃとの間に接続されている。スイッチトランジスタＴＲ（ＳＷ）は、増幅トランジスタＴＲ（ＡＭ）に直列に接続され、また基準電位線ＶＤＤとカラム線Ｃとの間に接続される。画素回路１１ｂは、カラム線Ｃに接続された電流源に用いて生成された画素信号Ｓ（ｐｉｘｅｌ）をカラム線Ｃに提供する。トランジスタＴＲ（ＲＰＤ）及びリセットトランジスタＴＲ（ＲＳ）の一端（例えばドレイン）は、基準電位線ＶＤＤに接続されている。
【００２８】
再び図１を参照すると、カラム線Ｃ上の信号は、カラム信号処理部５に供給される。カラム信号処理部５は、所定の処理を画素信号Ｓ（ｐｉｘｅｌ）に対して行って撮像信号Ｓ（ｉｍｇ）を生成する。この処理は、例えば相関二重サンプリング、Ａ／Ｄ変換、増幅及びサンプル・ホールド動作の少なくともいずれか一つであることができ、これらの処理は、アナログ又はデジタルの信号処理であることができる。
【００２９】
カラム信号処理部５は、画素アレイ２からの第１及び第２の画素信号Ｓ１、Ｓ２を一フレームにおいて読み出す読出回路１５を含む。第１の画素信号Ｓ１は、第１の電荷転送経路ＣＴＰを介して浮遊半導体領域ＦＤに転送された第１の転送電荷に対応する。第２の画素信号Ｓ２は、第２の電荷転送経路ＣＴＰ２を介して浮遊半導体領域ＦＤに転送された第２の転送電荷に対応する。
【００３０】
信号処理部９は、読出回路１５からの信号Ｓ（ｉｍｇ）を受ける。信号処理部９は読出信号Ｓ（ＯＵＴ）を生成する。好適な実施例では、カラム信号処理部５の信号Ｓ（ｉｍｇ）は、所定のデジタル形成のデジタル信号であることができる。固体撮像装置１の一例では、カラム毎の信号は、カラムデコーダ回路１６により水平信号線１７に提供される。
【００３１】
この固体撮像装置１１によれば、各画素１１の画素回路１１ｂは、光電変換素子１１ａから浮遊半導体領域ＦＤに至る第１及び第２の電荷転送経路ＣＴＰ１、ＣＴＰ２を有する。例えば、第１及び第２の電荷転送経路ＣＴＰ１、ＣＴＰ２は、それぞれ、第１及び第２のシャッタースイッチを含む。一方の転送経路において、光電変換素子１１ａからの電荷は第１の蓄積ダイオードＳＤに一時的に蓄積されることができる。これ故に、個々の転送経路上のシャッタースイッチＴＲ（ＧＳ１）、ＴＲ（ＧＳ２）は、電荷の転送に関して互いに干渉することなく、画素アレイ３において多重化されたグローバルシャッタの動作が可能になる。引き続く説明では、理解を容易にするために、上記スイッチの参照符号を、対応するトランジスタに使用する。
【００３２】
また、画素回路１１ｂの出力部ＡＭＰは、浮遊半導体領域ＦＤにおける電位に応じた信号Ｓ１、Ｓ２を提供する。出力部ＡＭＰは、第１の電荷転送経路ＣＴＰ１を介して浮遊半導体領域ＦＤに転送された第１の転送電荷に応答して第１の画素信号Ｓ１を提供し、第２の電荷転送経路ＣＴＰ２を介して浮遊半導体領域ＦＤに転送された第２の転送電荷に応答して第２の画素信号Ｓ２を提供する。読出回路１５は第１及び第２の画素信号Ｓ１、Ｓ２を受ける。信号処理部９は、読出回路１５からの信号に高機能化のための処理を施す。
【００３３】
図３は、画素のデバイス構造を示す図面である。図３の（ａ）部を参照すると、画素１１の平面レイアウトの一例が示される。図３の（ａ）部には、出力ＡＭＰ及びリセットトランジスタ以外のトランジスタと２つの電荷転送経路とが描かれている。図３の（ｂ）部は、図３の（ａ）部に示されたＡ−Ａ線及びＢ−Ｂ線にそって取られた断面を示す。図３の（ｂ）部には、Ａ−Ａ断面及びＢ−Ｂ断面の各々において画素１１のトランジスタのチャネル部のポテンシャルダイアグラムが示されている。導通状態のポテンシャルは実線で示され、非導通状態のポテンシャルは破線で示される。この実施例では、固体撮像装置１の画素１１はｐ型基板に作製される。画素１１はｐ型基板（ｐ−ｓｕｂ）に形成される。
【００３４】
フォトダイオードＰＤは、ｐ型基板（ｐ型ドーパント濃度ｐ０）内に設けられたｎ型半導体領域（ｎ型ドーパント濃度ｎ２）と、ｐ型基板の表面に設けられたｐ＋型半導体領域（ｐ型ドーパント濃度ｐ０）と、ｐ＋型半導体領域の側面及び底面に設けられた低濃度ｐ型半導体領域（ｐ型ドーパント濃度ｐ１＜ｐ＋、ｐ０＜ｐ１）とを含む。このｐ型半導体領域は、２つのシャッタートランジスタのチャネル直下の途中まで延在する。これ故に、２つのシャッタートランジスタのチャネルのポテンシャルは、導通状態及び非道通状態において階段状になる。フォトダイオードＰＤは、ピニング型構造を有する。
【００３５】
蓄積ダイオードＳＤは、ｐ型基板内に設けられたｎ型半導体領域（ｎ型ドーパント濃度ｎ２）と、ｐ型基板の表面に設けられたｐ＋型半導体領域（ｐ型ドーパント濃度ｐ＋）と、ｎ型半導体領域の底面に設けられた低濃度ｐ型半導体領域（ｐ型ドーパント濃度ｐ２＜ｐ＋、ｐ０＜ｐ２）とを含む。ｎ型半導体領域の周囲は、ｐ型半導体領域及びｐ＋型半導体領域によって覆われている。蓄積ダイオードＳＤは、ピニング型構造を有する。
【００３６】
フォトダイオードＰＤのｎ型半導体領域におけるｎ型ドーパント濃度ｎ２が、蓄積ダイオードＳＤのｎ型半導体領域におけるｎ型ドーパント濃度ｎ２と異なるので、電荷転送効率を向上できる。蓄積ダイオードＳＤでは、低濃度ｐ型半導体領域（ｐ型ドーパント濃度ｐ２）は、低い寄生的な光感度を提供でき、フォトダイオードＰＤの電荷による蓄積ダイオードＳＤへのブルーミングを防ぐことができる。好適な画素の実施例では、蓄積ダイオードでは摂氏２７度で１１９ｅ−／秒という低い暗電流を実現できた。
【００３７】
浮遊半導体領域ＦＤは、トランジスタのソース及びドレインのために形成されるｎ型導電性の半導体からなり、この半導体はｐウエル（ｐ−ｗｅｌｌ）及びｐ型基板（ｐ−ｓｕｂ）に接している。
【００３８】
画素１１は、２つの動作モードを提供できる。これらは、デュアルシャッタモードと単一シャッタモードとして参照される。単一シャッタモードでは、シャッタトランジスタＴＲ（ＧＳ２）は閉じられており、固体撮像装置１は、低ノイズグローバルシャッタ動作を提供できる。デュアルシャッタモードでは、蓄積ダイオードＳＤ及び浮遊半導体領域ＦＤの両方を電荷蓄積のために用いる。このモードでは、各フレームにおいて、２つのスナップショット画像を取り込むことができる。図４は、画素の駆動タイミングの一例を示す図面である。図４の（ａ）部に示された動作スキームを参照すると、フォトダイオードＰＤが第１の電荷蓄積を行い、この蓄積電荷はシャッタートランジスタＴＲ（ＧＳ１）を介して蓄積ダイオードＳＤに転送される。次いで、フォトダイオードＰＤが第２の電荷蓄積を行い、この蓄積電荷はシャッタートランジスタＴＲ（ＧＳ２）を介して浮遊半導体領域ＦＤに転送される。これらの電荷蓄積における個々の露光時間は、トランジスタＴＲ（ＲＰＤ）の制御パルスＲＰＤの立ち下がりエッジとシャッタトランジスタの制御パルスＧＳ１、ＧＳ２の立ち下がりエッジとの間に期間により規定される。フォトダイオードＰＤにおける蓄積時間を制御するリセット動作は、トランジスタＴＲ（ＲＰＤ）によって行われる。画素１１からの読み出しは、次のフレームにおける第１の電荷蓄積の期間においてバックグラウンド動作として行われる。
【００３９】
図４の（ａ）部に示された動作タイミングを参照すると、デュアルシャッタモードでは、まず、浮遊拡散領域ＦＤに記憶された信号を読み出す。この読出の後に、浮遊拡散領域ＦＤの電位をリセットトランジスタＴＲ（ＲＳ）を用いてリセットして、浮遊拡散領域ＦＤにリセット電位を生成する。このリセット電位に係る信号を読み出した後に、蓄積ダイオードＳＤに記録された信号を浮遊拡散領域ＦＤに転送トランジスタＴＲ（ＴＦ１）を介して転送する。この転送された信号を読み出す。この動作により、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）動作を利用して、ｋＴＣノイズといったノイズをキャンセルできる。また、デュアルシャッタ動作モードでは、広ダイナミックレンジ、動き検出、連続２画像の撮像といったいくつかの機能が提供される。図４の（ａ）部の動作タイミングにおいて、電荷蓄積と電荷転送のタイミングが重なっているけれども、この重なりはなくても良い。
【００４０】
図５は、本実施の形態に係る固体撮像装置のためのカラム信号処理回路の一例を示す図面である。カラム信号処理回路１５は、一又は複数の相関二重サンプリング（「ＣＤＳ」として参照する）部３１を含むことができる。相関二重サンプリング部３１は、画素信号Ｓ１、Ｓ２を読み出す。好適な実施例では、画素信号Ｓ１、Ｓ２の各々は、リセットレベル及び信号レベルを含む。これらの信号を処理するために、相関二重サンプリング部３１は、第１及び第２のＣＤＳ回路３１ａ、３１ｂを含むことができる。
【００４１】
ＣＤＳ回路３１ａ、３１ｂの各々は、スイッチ３３ａ、３３ｂ、キャパシタ３５ａ、３５ｂ、及び演算増幅回路３７を含む。演算増幅回路３７の一入力（負入力）３７ａは、直列に接続されたスイッチ３３ａ及びキャパシタ３５ａを介して入力ＶＩＮからの信号を受け、演算増幅回路３７の他入力（正入力）３７ｂは共通参照信号（ＶＣＯＭ）を受ける。演算増幅回路３７の一入力３７ａと演算増幅回路３７の出力３７ｃとの間には、スイッチ３３ｂ及びキャパシタ３５ｂが並列に接続されている。出力ＶＯＵＴは、演算増幅回路３７の出力３７ｃからの信号を受ける。スイッチ３３ａは信号の入力動作を制御し、スイッチ３３ｂはリセット動作を制御する。画素１１からリセット電位が出力される時は、スイッチ３３ａ、３３ｂを閉じ、キャパシタ３５ａにリセットレベルＳ１を取り込む。次に、スイッチ３３ａを閉じたままスイッチ３３ｂを開き、画素１１からの信号レベルＳ２をキャパシタ３５ａに取り込む。スイッチ３３ｂが開かれているので、演算増幅回路３７の出力３７ｃには、リセットレベルＳ１と信号レベルＳ２との差（例えばＳ１−Ｓ２）、即ちアナログＣＤＳ結果が生成される。
【００４２】
カラム信号処理回路１５は、ＣＤＳ部３１に加えてＡ／Ｄ変換回路４１を含むことができる。Ａ／Ｄ変換回路４１は、ＣＤＳ回路３１からの信号を受ける。Ａ／Ｄ変換回路４１は、アナログＣＤＳ結果をＡ／Ｄ変換して、第１及び第２の画素信号Ｓ１、Ｓ２にそれぞれ対応した第１及び第２のデジタル信号（デジタル撮像信号）Ｓ（ＡＤＣ１）、Ｓ（ＡＤＣ２）を生成する。このＡ／Ｄ変換回路４１におけるＡ／Ｄ変換の方式は、例えば、積分型変換、巡回型変換、逐次比較型変換およびそれらを組み合せた変換方式の少なくともいずれかであることができる。固体撮像装置１に上記の変換方式を適用できる。Ａ／Ｄ変換回路４１は、一又は複数のＡ／Ｄ変換器を含むことができる。
【００４３】
再び図４を参照しながら、駆動タイミング及びＣＤＳ動作を説明する。画素１１の駆動として第１の電荷蓄積によってフォトダイオードＰＤに蓄積した第１の信号電荷はシャッタトランジスタＴＲ（ＧＳ１）を介して蓄積ダイオードＳＤへ転送され、蓄積ダイオードＳＤは、転送された電荷を保持し、この保持電荷を第１蓄積電荷として参照する。この第１電荷蓄積期間は、前フレームにおいてトランジスタＴＲ（ＲＰＤ）のオフ時刻からシャッタトランジスタＴＲ（ＧＳ１）のオフ時刻までの時間となる。次いで、再度フォトダイオードＰＤに電荷の第２の電荷蓄積を行う。この第２蓄積電荷は、シャッタトランジスタＴＲ（ＧＳ２）を介して浮遊半導体領域ＦＤへ転送され、浮遊半導体領域ＦＤで一時的に保持される。この保持電荷を第２蓄積電荷として参照する。これらの電荷転送は、全画素一斉に行われるので、第１および第２蓄積電荷ともにグローバルシャッタの動作となる。
【００４４】
グローバルシャッタの動作における信号は以下のように処理される。
【００４５】
垂直走査回路によって、画素１１が行ごとに選択される。例えばｉ行目が選択されて、まず浮遊半導体領域ＦＤに保持されている第２蓄積信号の信号レベルＶＳＩＧ２（図４における「VSIG,2nd」)がカラムＣＤＳ回路３１にサンプルされる。信号レベルをサンプルした後に、浮遊半導体領域ＦＤは、ｉ行目のリセット信号によりリセットトランジスタＴＲ（ＲＳ）を用いてリセットされる。この時、浮遊半導体領域ＦＤにリセットノイズが重畳する。このリセットレベルＶＲＥＳ２(図４における「VRES,2nd」)をカラムＣＤＳ回路３１ａにサンプルされる。カラムＣＤＳ回路３１ａは、信号レベルＶＳＩＧ２（図４における「VSIG,2nd」)とリセットレベルＶＲＥＳ２（図４における「VRES,2nd」）の差を示す信号を生成する。これによって、画素に起因する固定パターンノイズがキャンセルされた信号（ＶＳＩＧ２−ＶＲＥＳ２、図４における記法で「Vo,2nd=VSIG,2nd-VRES,2nd」)が提供される。このシーケンスでは、リセットノイズはキャンセルされない。
【００４６】
次に、カラムＣＤＳ回路３１ａがリセットレベルＶＲＥＳ２を読み出した後に、浮遊半導体領域ＦＤはｉ行目のリセット信号によりリセットトランジスタＴＲ（ＲＳ）を用いてリセットされる。このリセットレベルＶＲＥＳ１（図４における「VRES,1st」）を先ほどとは別のカラムＣＤＳ回路３１ｂにサンプルされる。既に説明したように、蓄積ダイオードＳＤは、第１蓄積電荷を一時的に保持している。サンプルの後に、第１蓄積電荷を転送トランジスタＴＲ（ＴＦ１）を介して浮遊半導体領域ＦＤに転送し、その信号レベルＶＳＩＧ１(図４における「VSIG,1st」)をカラムＣＤＳ回路３１ｂでサンプルする。そして、カラムＣＤＳ回路３１ｂの動作により、このリセットレベルＶＲＥＳ１と信号レベルＶＳＩＧ１の差（ＶＳＩＧ１−ＶＲＥＳ１）(Vo,1st=VRES,1st-VSIG,1st)が生成されて、リセットノイズおよび固定パターンノイズがキャンセルされる。
【００４７】
これらの手順を行うことにより、浮遊半導体領域ＦＤに直接に転送された電荷に係るＦＤ保持信号と、浮遊半導体領域ＦＤに蓄積ダイオードを介して転送された電荷に係るＳＤ保持信号との２つの画像信号が毎フレームに得られる。この２つの画像信号の時間差は最小でフォトダイオードＰＤから蓄積ダイオードＳＤへの電荷転送の時間にまで短くでき、この典型的な値は、例えば数マイクロ秒〜数１０マイクロ秒程度である。この特長によって、本件実施の形態に係る固体撮像装置１を「グローバルシャッタかつ線形応答の広ダイナミックレンジ撮像」、「差分画像による動き検出」、「連続２枚、超高速撮像や手ぶれ補正」等の処理に適用可能である。
【００４８】
図６は、本実施の形態に係る固体撮像装置を半導体集積素子として実現した半導体チップを示す図面である。図７は、プロトタイプ・グローバル・シャッタＣＭＯＳイメージセンサの特性を示す図面である。このプロトタイプ・グローバル・シャッタＣＭＯＳイメージセンサのブロック配置が示される。このイメージセンサは、６００×４８０の有効画素を含む画素アレイを有しており、個々の画素のサイズは７．５μｍ×７．５μｍである。画素アレイは、カラムＣＤＳ回路及びプログラマブル利得増幅器（ＰＧＡ）を含むカラム回路部の間に設けられている。プログラマブル利得増幅器は、信号制御により利得を変更でき、該イメージセンサでは、１倍又は１５倍の利得を提供できる。デュアルシャッタモードでは、例えば上側カラム回路部及び下側カラム回路部は、それぞれ、浮遊半導体領域ＦＤに直接に転送された電荷に係るＦＤ信号及び蓄積ダイオードＳＤを介して浮遊半導体領域ＦＤに転送された電荷に係るＳＤ信号を読み出すことができる。
【００４９】
図８は、イメージセンサに採用された画素の特性を示す図面である。図７では、当該イメージセンサに照射した光の照度（ルクス）を示し、縦軸は、当該イメージセンサから得られた信号値（ミリボルト）を示す。測定では、グローバルシャッタＴＲ（ＧＳ１）を開いた（シャッタオン）特性、及びグローバルシャッタＴＲ（ＧＳ１）を閉じた（シャッタオフ）特性を示す。感度の測定値に関しては、オン値及びオフ値は、それぞれ、８．０Ｖ／ｌｕｘ・ｓｅｃ及び０．０２２Ｖ／ｌｕｘ・ｓｅｃであった。寄生光感度（ｐａｒａｓｔｉｃ  ｐｈｏｔｏ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）が０．３パーセントと低く、シャッタ効率は９９．７パーセントと高い。
【００５０】
暗時間ノイズ（ｄａｒｋ  ｔｅｍｐｏｒａｌ  ｎｏｉｓｅ）は、蓄積ダイオードを用いる画素信号（ＳＤ信号）を生成では、増幅器ＰＧＡの利得１及び１５において、それぞれ、２．７ｅ−及び１４．３ｅ−であった。この低ノイズは、読み出し回路の動作が低ノイズであることに加えて、完全ＣＤＳ動作によりｋＴＣノイズをキャンセルできることに基づく。また、暗時間ノイズ（ｄａｒｋ  ｔｅｍｐｏｒａｌ  ｎｏｉｓｅ）は、蓄積ダイオードを用いない画素信号（ＦＤ信号）の生成では、増幅器ＰＧＡの利得１５において３２．８ｅ−であった。これは、ｋＴＣノイズが時間ノイズに支配的であることを示している。これらの測定から、本実施における画素におけるノイズは非常に小さいことが示され、従来の５Ｔｒ型グローバルシャッタ型動作に比べて約十分の一である。
【００５１】
図９は、ＳＤ信号及びＦＤ信号に係る画像を示す図面である。図９の（ａ）部及び（ｂ）部には、イメージセンサにおける２段階転送により得られた画像を示す。２段階転送では、転送経路上の蓄積ダイオードを利用する。図９の（ｃ）部及び（ｄ）部には、イメージセンサにおける一段階転送により得られた画像を示す。一段階転送では、フォトダイオードから直接に浮遊半導体領域にフォト電荷が転送される。図９の（ａ）部〜（ｄ）部の画像の生成では、カラム回路におけるアナログ利得は１５であり、デジタル利得は１０であり、シャッタ時間は１ミリ秒である。図９の（ｅ）部は、３３ヘルツで回転する扇風機の像を１５ミリ秒のシャッタ時間で取り込んだ画像を示す。図９の（ａ）部〜（ｄ）部の画像を図９の（ｅ）部の画像と比べると、扇風機の回転する羽の像に違いが示される。
【００５２】
引き続き、本実施の形態に係る固体撮像装置によって提供される機能、例えば「グローバルシャッタかつ線形応答の広ダイナミックレンジ撮像」、「差分画像による動き検出」、「連続２枚、超高速撮像や手ぶれ補正」等を説明する。
【００５３】
（１）グローバルシャッタかつ線形応答の広ダイナミックレンジ撮像。
第１の電荷転送経路ＣＴＰ１を介して転送される電荷を蓄積するための第１蓄積期間を第２の電荷転送経路ＣＴＰ２を介して転送される電荷を蓄積するための第２蓄積期間より長くする。信号処理部５は、第１及び第２の画像信号Ｓ１、Ｓ２から合成画像信号を合成する信号合成部を含むことができる。この合成画像信号は、第１及び第２の画像信号Ｓ１、Ｓ２の各々におけるダイナミックレンジよりも広いダイナミックレンジを有する。例えば、蓄積ダイオードＳＤを含む転送経路ＣＴＰ１に係る電荷を低照度領域のための信号に割り当てることができ、これ故に、長時間露光を行う。また、これとは別の転送経路ＣＴＰ２に係る電荷を高照度領域のための信号に割り当てることができ、これ故に、短時間露光を行う。これら２つの画素信号を用いて、線形で広いダイナミックレンジの画像信号を合成できる。また、それぞれの転送経路(ＣＴＰ１およびＣＴＰ２)の電荷は等しい光感度で生成され、等しい変換利得で電圧に変換される。これ故に、優れた線形応答を示す。同じフォトダイオードで光電変換され、同じ浮遊拡散層で電荷電圧変換され、同じ画素読み出し回路で出力されるので、等しい光感度と等しい変換利得、電圧利得の信号が得られる。本実施の形態における好適なＣＭＯＳイメージセンサは、グローバルシャッタを有し９２ｄＢのダイナミックレンジを実証できた。高照度の下でも１パーセント未満の線形性を実装できた。この値は、発明者が知るこれまでの値１０パーセントに比べて良好な線形性を示す。また、９９．７パーセントの高いシャッタ効率を実証できた。
【００５４】
第１蓄積電荷に係る信号を低照度領域に適用して長時間露光でＳＤ保持信号を生成すると共に、第２蓄積電荷に係る信号を高照度領域に適用して、短時間露光でＦＤ保持信号を生成する。これ故に、蓄積時間比を利用した広ダイナミックレンジの撮像が可能となる。また、ＳＤ保持信号内のリセットノイズはキャンセルされており、これは、低照度側にダイナミックレンジを拡大することに好適である。ＦＤ保持信号内のリセットノイズはキャンセルできないので、ＦＤ保持信号のランダムノイズは大きい。しかしながら、高照度領域の撮像では、ランダムノイズよりもショットノイズが支配的であるので、画像信号に対するランダムノイズの影響は小さくできる。この組み合わせにより、効果的なダイナミックレンジの拡大が可能である。２回のシャッタ動作の時間間隔が、発明者が知るこれまの複数回露光方式では、２回露光間の蓄積時間のずれが大きいので、撮像の時刻差に起因した画像の歪み発生等が合成画像に生じていた。しかしながら、本実施の形態におけるデュアルシャッタ方式では、画像信号の時間軸上の時間差はわずか数マイクロ秒〜数１０マイクロ秒程度と短いので、合成画像における画像歪みはほぼ無視できる程度に低い。このように、グローバルシャッタの実現かつ線形応答の広ダイナミックレンジ撮像方式の実現が可能なＣＭＯＳイメージセンサが提供される。
【００５５】
図１０は、グローバルシャッタかつ線形応答の広ダイナミックレンジ撮像による合成画像を示す図面である。図１０の（ａ）部は、二段階転送により生成されたＳＤ信号からの画像（ＳＤ画像）を示す。この画像の生成において、露光時間（トランジスタＴＲ（ＥＰ）のターンオフからシャッタトランジスタＴＲ（ＧＳ１）のターンオフまでの時間）は１ミリ秒である。図１０の（ｂ）部は、一段階転送により生成されたＦＤ信号からの画像（ＦＤ画像）を示す。この画像の生成において、露光時間は０．１６７ミリ秒である。図１０の（ｃ）部は、ＳＤ画像及びＦＤ画像から合成された画像である。
【００５６】
（２）ハイスピード撮像。
同一フレームにおいて、画素アレイ３は、第１及び第２の画像信号Ｓ１、Ｓ２を取得できる。これにより、非常に近い複数の時刻において取得された連続的な撮像された画像信号を提供できる。同一フレーム内における時間間隔は、数マイクロ秒〜数１０マイクロ秒程度であることができる。また、同一フレーム内における複数の時刻での複数の撮像によるハイスピード撮像を可能にする画像信号を提供できる。
【００５７】
（３）差分画像による手ぶれ補正。
本実施の形態では、第１及び第２の画像信号Ｓ１、Ｓ２の一方を第１及び第２の画像信号Ｓ１、Ｓ２の他方と比較して、第１及び第２の画像信号Ｓ１、Ｓ２の比較結果を示す比較信号を提供できる。比較結果を生成するための比較部を信号処理部に設けることによって、差分画像による動き検出に係る機能を提供できる。同一フレームにおいて、画素アレイ３は、第１及び第２の画像信号Ｓ１、Ｓ２を取得できる。画像信号Ｓ１、Ｓ２は、それぞれ異なる時刻で取得されるが、この時刻間隔は当該デバイスの性能の範囲で非常に短くできる。近接した画像を示す画像信号Ｓ１、Ｓ２の比較によって、近接した画像間の変化・違い等を検出できる。この検出は、例えば手ぶれ補正等の検知に利用可能である。
【００５８】
（４）差分画像による動き検出。
本実施の形態では、画素信号Ｓ１、Ｓ２との差分に対応する信号を生成することができる。このための差分生成部を信号処理部に設けることによって、第１の画素信号Ｓ１と第２の画素信号Ｓ２との差分の検出の機能を提供できる。フレーム内の複数の時刻において取得された画像信号Ｓ１、Ｓ２の差分を生成するので、高速の撮像における差分画像を生成できる。差分画像の利用により、例えば動き検出等の機能を提供できる。
【００５９】
例えば、光電変換素子１１ａから蓄積ダイオードＳＤへ転送される電荷を生成するための第１の蓄積期間は光電変換素子１１ａから浮遊半導体領域ＦＤへ転送される電荷を生成するための第２の蓄積期間に実質的に等しくするとき、差分画像の生成による動き検出を簡単に提供できる。画像間の時間差は２つのシャッタに係る蓄積時間の間隔を調整して設定される。この値を短くするとき高速な被写体に対して正確な動き検出を提供できる。
【００６０】
図１１は、動き検出のための画像の一例を示す図面である。図１１の（ａ）部、（ｃ）部及び（ｅ）部がＳＤ画像を示し、図１１の（ｂ）部、（ｄ）部及び（ｆ）部がＳＤ画像に係る差分画像を示す。図１１の（ｂ）部、（ｄ）部及び（ｆ）部における差分は、ぞれぞれ、図１１の（ａ）部、（ｃ）部及び（ｅ）部における画像のキャプチャ時における対象範囲内の移動物体のエッジを示している。
【００６１】
一フレーム内における複数画像の生成の応用例の一つは、画像間の時間差を最小にした場合、フレームレートに依存しない2枚の超高速撮像を提供できることにある。必要に応じて、第１蓄積期間と第２蓄積期間を等しく設定し、或いは異なるように設定してもよい。差分生成の応用例の別の一つは、高速移動する被写体の速度解析に適用できる。また、２つの画像間の時間差を設定できることから、既知の時間差を用いて２つの画像を比較して、手ぶれ補正を行うことができる。
【００６２】
これらの処理は、例えば信号処理部９を用いてハードウエア処理として、ソフトウエハ処理として、或いはこれらの組み合わせとして実現できる。
【００６３】
再び図２を参照すると、画素１１は、受けた光Ｌから電気信号を生成する光電変換素子１１ａと、光電変換素子１１ａからの電荷を蓄積する浮遊半導体領域ＦＤと、光電変換素子１１ａから浮遊半導体領域ＦＤに至る第１の電荷転送経路ＣＴＰ１と、第１の電荷転送経路ＣＴＰ１と異なり光電変換素子１１ａから浮遊半導体領域ＦＤに至る第２の電荷転送経路ＣＴＰ２と、浮遊半導体領域ＦＤにおける電位に応じた信号を提供する出力部ＡＭＰとを含む。第１の電荷転送経路ＣＴＰ１は、光電変換素子１１ａからの電荷の転送を制御する第１のシャッタースイッチＴＲ（ＧＳ１）と、光電変換素子１１ａからの電荷を蓄積する第１の蓄積ダイオードＳＤと、第１の蓄積ダイオードＳＤから浮遊半導体領域ＦＤへの電荷転送を制御する第１の転送スイッチＴＲ（ＴＦ１）とを含む。
【００６４】
図１２は、高精度デュアルシャッタの一例を示す図面である。図１２の（ａ）部を参照すると、この画素１２ａは、第２の電荷転送経路ＣＴＰ２が、第２の蓄積ダイオードＳＤ２と、第２の転送スイッチＴＲ（ＴＦ２）とを含む。引き続く説明では、第１の蓄積ダイオードを「ＳＤ１」として参照する。第２の蓄積ダイオードＳＤ２が光電変換素子１１ａからの電荷を蓄積すると共に、第２の転送スイッチＴＲ（ＴＦ２）が第２の蓄積ダイオードＳＤ２から浮遊半導体領域ＦＤへの電荷転送を制御する。例えば、第２のシャッタースイッチＴＲ（ＧＳ２）は光電変換素子１１ａと第２の蓄積ダイオードＳＤ２の一端との間に接続され、第２の転送スイッチＴＲ（ＴＦ２）は、浮遊半導体領域ＦＤと第２の蓄積ダイオードＳＤ２の一端との間に接続される。多重化されたシャッタの動作が提供されると共に、蓄積ダイオードＳＤ１、ＳＤ２を用いて低雑音の２つの画素信号が得られる。これ故に、例えば低照度においても正確な差分画像や２枚の超高速画像の取得が可能になる。
【００６５】
複数の蓄積ダイオードＳＤ１、ＳＤ２を利用して、複数のグローバルシャッタ機能を提供できる。この構造によれば、個々の画像信号の生成に際してリセットノイズをキャンセルできる。これ故に、画素１２ａは、低雑音グローバルシャッタの画像を提供でき、画像の差分生成、特に等しい蓄積時間の２画像の差分生成を高精度に行うことが可能である。
【００６６】
また、パイプライン処理の適用により高速撮像において倍速撮像が可能である。図１２の（ｂ）部を参照すると、倍速撮像のためのパイプライン処理が示される。２つの電荷転送経路ＣＴＰ１，ＣＴＰ２の各々における電荷の一時的な保持を浮遊半導体領域ＦＤと独立して行うことができる。これ故に、フォトダイオードＰＤから蓄積ダイオードＳＤ１（ＳＤ２）への転送／保持を、蓄積ダイオードＳＤ２（ＳＤ１）から浮遊半導体領域ＦＤへの保持／転送を並列化できる。複数の転送経路に電荷を振り分けて、これら電荷量を示す画素信号をカラムの読み出し回路を用いて行毎に読み出す際に、一方の転送経路に係る信号の読み出しにカラム線を使用しているとき、他方の転送経路に係る信号をフォトダイオードから蓄積ダイオードに転送している。これ故に、一方の転送経路に係る信号の読み出しが完了した後に、他方の転送経路に係る信号の読み出しにカラム線を使用できる。したがって、カラムの方向に縦に延在する信号線を増やさずに倍速で読み出すことができる。
【００６７】
図１３は、トリプルシャッタを有する画素の一例を示す図面である。この画素１２ｂは、第１及び第２の電荷転送経路ＣＴＰ１、ＣＴＰ２に加えて、第３の電荷転送経路ＣＴＰ３を含む。第３の電荷転送経路ＣＴＰ３は、画素１１における第２の電荷転送経路ＣＴＰ２と同様の構造を含む。第３の電荷転送経路ＣＴＰ３は、光電変換素子１１ａからの電荷を浮遊半導体領域ＦＤに転送するシャッタスイッチＴＲ（ＧＳ３）を含む。第３の電荷転送経路ＣＴＰ３では、例えばスイッチＴＲ（ＧＳ３）ためのシャッタトランジスタが光電変換素子１１ａと浮遊半導体領域ＦＤとの間に接続されている。
【００６８】
等価回路上では、高精度デュアルシャッタ用の画素に浮遊半導体領域ＦＤへ直接に電荷転送を可能にするゲートＴＲ（ＧＳ３）が追加されている。したがって、３枚のグローバルシャッタ画像が取得可能である。３つの蓄積時間の個々に比率を設定するとによって、ダイナミックレンジをさらに拡大できる。
【００６９】
図１４は、画素アレイ内の複数の画素から画素信号を読み出す方法おける主要なステップを示す図面である。画素アレイ内の画素は、全画素同時シャッタに関するものなので、制御信号ＧＳ１、ＧＳ２、ＲＰＤによる電荷転送は全画素同時に行われる。フォトダイオードによる電荷の蓄積も同様に、全画素同時に行われる。制御信号ＧＳ１、ＧＳ２によるこれらの電荷転送は画素の選択が行われていない期間に行われ、その後に、画素選択が始まりそれらの信号の読み出しが開始される。引き続く説明は、画素アレイ３のある行内の画素について行われる。読み出し方法では、ステップＳ１０１では、画素アレイ３における画素１１（１２ａ、１２ｂ）の各々における光電変換素子１１ａを用いてフレーム期間内の第ｉの蓄積期間に第ｉの電荷蓄積を行う（「ｉ」は例えば自然数であり、最初の読み出しは「１」である）。ステップＳ１０２では、この電荷蓄積における電荷を画素１１における第ｉの電荷転送経路を介して画素１１の浮遊半導体領域ＦＤに転送するために、該電荷を第ｉの電荷転送経路内の蓄積ダイオードＳＤｉに一時的に蓄積する。
【００７０】
必要な場合には、つまり更に別の電荷転送経路があるとき、ステップＳ１０３において光電変換素子１１ａを用いて同一のフレーム期間内の第（ｉ＋１）の蓄積期間に第（ｉ＋１）の電荷蓄積を行い、この後に、この電荷蓄積における電荷を画素１１における第（ｉ＋１）の電荷転送経路を介して浮遊半導体領域ＦＤに転送するために、該電荷を第（ｉ＋１）の電荷転送経路内の蓄積ダイオードＳＤ（ｉ＋１）に一時的に蓄積する。
【００７１】
必要でないときには、ステップＳ１０２の次にステップＳ１０４を行うことができる。例えば、画素１１が２つの転送経路を含むとき、繰り返しはなしであり、画素１１が３つの転送経路を含むとき、繰り返しを行う。必要に応じてこれらの手順を繰り返すことができるけれども、本実施例では、電荷転送繰り返しはなしである。
【００７２】
ステップＳ１０４では、画素１１の各々における光電変換素子１１ａを用いて同一フレーム期間内の第ｊの蓄積期間に第ｊの電荷蓄積を行う（本実施例では、ｊ＝２）。次いで、ステップＳ１０５では、画素１１の第ｊの電荷転送経路を介して第ｊの電荷蓄積における電荷を画素１１における浮遊半導体領域ＦＤに転送する。ステップＳ１０６において画素アレイ３のある行を選択する。浮遊半導体領域ＦＤにおける転送電荷量に応じた画素信号Ｓ１をカラム線Ｃに提供する。ステップＳ１０７では、当該選択行に対して読み出し動作を行って、カラム線上の画素信号Ｓ１を読み出す。
【００７３】
ステップＳ１０８では、蓄積ダイオードＳＤｉに一時的に蓄積された電荷を浮遊半導体領域ＦＤに転送すると共に、浮遊半導体領域ＦＤにおける該転送電荷量に応じた画素信号Ｓ２をカラム線に提供する。ステップＳ１０９では、カラム線上の画素信号Ｓ２を読み出す。ステップＳ１１１では、電荷転送経路の数が２であるとき、画素信号Ｓ１及びＳ２を処理する。ステップＳ１１２では、画素アレイの次の行を選択する。読み出し動作は、所望の画素行の数だけ繰り返される。
【００７４】
２つの転送経路を用いる読み出し方法によれば、画素１１は、一フレーム内の第１及び第２の蓄積期間にそれぞれ第１及び第２の電荷蓄積を行う。第１の電荷蓄積における電荷を浮遊半導体領域ＦＤに転送する前に、該電荷を蓄積ダイオードＳＤ１に一時的に蓄積する。この蓄積期間中に、第２の電荷転送経路ＣＴＰ２を介して第２の電荷蓄積における電荷を浮遊半導体領域ＦＤに転送すると共に、該転送電荷量に応じた浮遊半導体領域ＦＤの電位を表す画素信号Ｓ１をカラム線に提供する。この後に、蓄積ダイオードＳＤ１に一時的に蓄積された電荷を浮遊半導体領域ＦＤに転送すると共に、該転送電荷量に応じた浮遊半導体領域ＦＤの電位を表す画素信号Ｓ２をカラム線に提供する。これらの転送において、一方の転送経路を用いる転送の際に、光電変換素子１１ａからの電荷は蓄積ダイオードＳＤ１に一時的に蓄積される。一時的な蓄積により、他方の転送経路を用いて電荷転送を行う。これ故に、第１及び第２の蓄積期間にそれぞれ第１及び第２の電荷蓄積は、電荷の転送に関して互いに干渉することなく、画素アレイ３において多重化されたグローバルシャッタの動作を可能にする。また、時分割でカラム線上に提供される画素信号Ｓ１及びＳ２を読み出して、これらの読出された信号に高機能化のための処理を適用できる。
【００７５】
電荷転送経路の数が３以上であるとき、蓄積ダイオードへの蓄積を繰り返しを行う。また、ステップＳ１０７の後にステップ１０８では、第ｉの蓄積ダイオードに保持された電荷を浮遊半導体領域ＦＤに転送すると共に、カラム線Ｃに画素信号Ｓ３を提供する。ステップＳ１０９では、カラム線Ｃ上の画素信号Ｓ３を読み出す。ステップＳ１１０では、未だ読み出しを行っていない蓄積ダイオードの電荷を浮遊半導体領域ＦＤに転送すると共に、この電荷に対応する画素信号をカラム線Ｃに提供すること、カラム線上の該画素信号を読み出すこと、を必要な回数だけ繰り返す。
【００７６】
例えば、高精度のデュアルシャッタを含む画素１２ａを用いるとき、第１及び第２の転送経路の各々に蓄積ダイオードが設けられている。この実施例ではｊ＝２である。第２の蓄積期間に第２の電荷蓄積を行った後に、画素１２ａの第１の電荷転送経路を介して第１の電荷蓄積における電荷を浮遊半導体領域ＦＤに転送すると共に、浮遊半導体領域ＦＤにおける転送電荷量に応じた画素信号Ｓ１をカラム線に提供する。その後、S１１０において、画素１２ａの第２の電荷転送経路を介して第２の電荷蓄積における電荷を浮遊半導体領域ＦＤに転送すると共に、浮遊半導体領域ＦＤにおける転送電荷量に応じた画素信号Ｓ２をカラム線に提供する。高精度デュアルシャッタの場合には、蓄積ダイオードＳＤ１及びＳＤ２に電荷を蓄積した後に、画素の読み出しを行う。フォトダイオードＰＤから浮遊半導体領域ＦＤへ直接の電荷転送は行わない。各転送経路に蓄積ダイオードを用いるので、リセットノイズ（ｋＴＣノイズ）がキャンセルされた低雑音の２つ信号を得られる。
【００７７】
例えば、トリプルシャッタを含む画素１２ｂを用いるとき、第１及び第２の転送経路の各々に蓄積ダイオードが設けられている。ステップＳ１０３において、光電変換素子１１ａを用いてフレーム期間内の第２の蓄積期間に第２の電荷蓄積を行うこと、第２の電荷蓄積における電荷を画素１２ｂにおける第２の電荷転送経路ＣＴＰ２を介して浮遊半導体領域ＦＤに転送するために該電荷を第２の電荷転送経路内の第２の蓄積ダイオードＳＤ２に一時的に蓄積すること、を行う。また、ステップＳ１１０においては、第２の蓄積ダイオードＳＤ２に一時的に蓄積された電荷を浮遊半導体領域ＦＤに転送すると共に、浮遊半導体領域ＦＤにおける転送電荷量に応じた画素信号をカラム線Ｃに提供すること、カラム線Ｃ上の画素信号を読み出すこと、を行う。ステップＳ１１１では、読み出された３つの画素信号を処理する。これらのステップにより、第３の蓄積ダイオードを用いた第３の電荷蓄積が可能になり、トリプルシャッタを提供できる。
【００７８】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。
【００７９】
上記の側面に係る発明では、前記画素は、前記浮遊半導体領域をリセットするリセットスイッチを含むことができる。前記制御回路は、前記リセットスイッチを制御するリセット信号を生成する。前記第１の画素信号は、前記第１の転送電荷に対応した第１信号レベルと、前記リセットスイッチによりリセットされた前記浮遊半導体領域の電位に対応した第１リセットレベルとを含むことができる。前記第２の画素信号は、前記第２の転送電荷に対応した第２信号レベルと、前記リセットスイッチによりリセットされた前記浮遊半導体領域の電位に対応した第２リセットレベルとを含むことができる。前記読出回路は、前記第１及び第２の画素信号をそれぞれ標本化するための第１及び第２の相関二重サンプリング回路を含むことができる。
【００８０】
当該側面によれば、第１及び第２の相関二重サンプリング回路を用いてそれぞれ第１及び第２の画像信号を標本化するので、画素の固定パターンノイズの除去が可能にある。
【００８１】
上記の側面に係る発明では、前記第１の電荷転送経路を介して転送される電荷の蓄積のための第１蓄積期間が前記第２の電荷転送経路を介して転送される電荷の蓄積のための第２蓄積期間より長い。前記信号処理部は、前記第１及び第２の画像信号を合成して合成画像信号を生成する信号合成部を含む。前記合成画像信号は、前記第１及び第２の画像信号の各々におけるダイナミックレンジよりも広いダイナミックレンジを有する。
【００８２】
例えば、蓄積ダイオードを含む転送経路に係る蓄積電荷を低照度領域のための信号に割り当てでき、この電荷蓄積のために長時間露光を行う。これとは別の転送経路に係る蓄積電荷を高照度領域のための信号に割り当てでき、この電荷蓄積のために短時間露光を行う。これら２つの画素信号を用いて線形の広ダイナミックレンジの画像信号を生成できる。
【００８３】
上記の側面に係る発明では、前記信号処理部は、前記第１及び第２の画像信号の一方を前記第１及び第２の画像信号の他方と比較して、前記第１及び第２の画像信号の比較結果を示す比較信号を提供する比較部を含むことができる。
【００８４】
上記の発明によれば、同一フレームにおいて、画素アレイは、第１及び第２の画像信号を取得できる。これらの画像信号は、それぞれ異なる時刻で取得されるが、これらの時刻の間隔は、当該デバイスの性能の範囲で非常に短くできる。近接した画像を示す画像信号の比較を行うことによって、近接した画像間の変化・違い等を検出できる。この検出は、例えば手ぶれ補正等の検知に利用可能である。
【００８５】
上記の発明では、比較を行わなければ、近接した複数の時刻において取得された連続撮像された画像信号を提供できる。或いは、比較を行わなければ、近接した複数の時刻の撮像によるハイスピード撮像を可能にする画像信号を提供できる。
【００８６】
上記の側面に係る発明では、前記信号処理部は、前記第１の画素信号と前記第２の画素信号との差分を示す信号を生成する差分生成部を含むことができる。上記の発明によれば、近接した複数の時刻において取得された画像信号の差分を生成するので、差分画像を生成できる。差分画像の利用により、例えば動き検出等の機能を提供できる。
【００８７】
また、上記の側面に係る発明では、前記光電変換素子から前記第１の蓄積ダイオードへ転送される電荷を生成するための第１の蓄積期間は、前記光電変換素子から前記浮遊半導体領域へ転送される電荷を生成するための第２の蓄積期間に実質的に等しくするとき、差分画像の生成が容易になる。
【００８８】
上記の側面に係る発明では、前記第１及び第２の電荷転送経路の他方は、前記光電変換素子からの電荷を蓄積する第２の蓄積ダイオードと、第４の制御信号に応答して前記第２の蓄積ダイオードから前記浮遊半導体領域への電荷転送を制御する第２の転送スイッチと、を含むことができる。前記第１のシャッタースイッチは、前記光電変換素子と前記第１の蓄積ダイオードの一端との間に接続され、前記第１の転送スイッチは、前記第１の蓄積ダイオードの前記一端と前記浮遊半導体領域との間に接続される。前記第２の転送スイッチは、前記浮遊半導体領域と前記第２の蓄積ダイオードの一端との間に接続され、前記第２のシャッタースイッチは、前記光電変換素子と前記第２の蓄積ダイオードの前記一端との間に接続される。
【００８９】
上記の発明では、第１及び第２のシャッタースイッチは、それぞれ、光電変換素子から第1及び第２の蓄積ダイオードへの電荷転送を制御する。これらの制御に結果、それぞれの転送電荷は、第１及び第２の蓄積ダイオードに一時的に蓄積される。固体撮像装置では、これらの蓄積ダイオードが埋め込み構造のｐｎダイオードを提供できる。高い蓄積性能が提供される。この高性能化により、電荷転送に関して高精度の多重シャッタ（例えばデュアルシャッタ）を提供できる。
【００９０】
上記の側面に係る発明では、前記画素は、前記第１及び第２の電荷転送経路と異なり前記光電変換素子から前記浮遊半導体領域に至る第３の電荷転送経路を更に備えることができる。前記第３の電荷転送経路は、第５の制御信号に応答して前記光電変換素子からの電荷転送を制御する第３のシャッタースイッチと、前記光電変換素子からの電荷を蓄積する第３の蓄積ダイオードと、第６の制御信号に応答して前記第３の蓄積ダイオードから前記浮遊半導体領域への電荷転送を制御する第３の転送スイッチと、を含み、前記信号処理回路は、前記画素アレイからの第３の画素信号を読み出し、前記第３の画素信号は、前記第３の電荷転送経路を介して前記浮遊半導体領域に転送された電荷に対応する。上記の発明では、第３の電荷転送経路の提供と第３の電荷転送経路の第３の蓄積ダイオードとにより、トリプルシャッタを提供できる。
【００９１】
この画素回路の一例では、第３のシャッタースイッチは、光電変換素子と第３の蓄積ダイオードの一端との間に接続され、第３の転送スイッチは、第３の蓄積ダイオードの一端と浮遊半導体領域との間に接続される。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明は、固体撮像装置、画素信号を読み出す方法、画素を使用用途とし、多重化されたグローバルシャッタの動作が可能な固体撮像装置、アレイ状に配列された複数の画素を含む画素アレイから画素信号を読み出す方法、或いは、多重化されたシャッタの動作が可能な画素を提供することができるものである。
【符号の説明】
【００９３】
１…固体撮像装置、３…画素アレイ、１１、１２ａ、１２ｂ…画素、１１ａ…光電変換素子、１１ｂ…画素回路、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ（ｐｉｘｅｌ）…画素信号、Ｃ…カラム線、５…カラム信号処理部、１５…カラム信号処理回路、９…信号処理部、ＣＴＰ１、ＣＴＰ２、ＣＴＰ３…電荷転送経路、ＳＤ、ＳＤ１、ＳＤ２３…蓄積ダイオード。
【図１】
2011096340.tif 000003
【図２】
2011096340.tif 000004
【図３】
2011096340.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図１２】
2011096340.tif 000010
【図１３】
2011096340.tif 000011
【図１４】
2011096340.tif 000012
【図６】
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【図９】
2011096340.tif 000014
【図１０】
2011096340.tif 000015
【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年1月20日(2012.1.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体撮像装置であって、
アレイ状に配列された複数の画素を含む画素アレイと、
前記画素を制御するための第１、第２、第３の制御信号を生成する制御回路と、
前記画素アレイからの第１及び第２の画素信号を一フレームにおいて読み出す読出回路と、
前記読出回路からの信号を処理する信号処理部と、
を備え、
各画素は、
受けた光から電気信号を生成する光電変換素子と、
前記光電変換素子からの電荷を蓄積する浮遊半導体領域と、
前記光電変換素子から前記浮遊半導体領域に至る第１の電荷転送経路と、
前記光電変換素子から前記浮遊半導体領域に至る第２の電荷転送経路と、
前記浮遊半導体領域における電位に応じた信号を提供する出力部と、
を含み、
前記第１及び第２の電荷転送経路の一方は、前記第１の制御信号に応答して前記光電変換素子からの電荷の転送を制御する第１のシャッタースイッチと、前記光電変換素子からの電荷を蓄積する第１の蓄積ダイオードと、前記第２の制御信号に応答して前記第１の蓄積ダイオードから前記浮遊半導体領域への電荷転送を制御する第１の転送スイッチと、
を含み、
前記第１及び第２の電荷転送経路の他方は、前記第３の制御信号に応答して前記光電変換素子から前記浮遊半導体領域への電荷蓄積部を介さない電荷の転送を制御する第２のシャッタースイッチを含み、
前記第１の画素信号は、前記第１の電荷転送経路を介して前記浮遊半導体領域に転送された第１の転送電荷に対応し、
前記第２の画素信号は、前記第２の電荷転送経路を介して前記浮遊半導体領域に転送された第２の転送電荷に対応し、
前記一方の電荷転送経路を介して転送される電荷の蓄積のための第１蓄積期間は、前記他方の電荷転送経路を介して転送される電荷の蓄積のための第２蓄積期間より長く、
前記信号処理部は、前記第１及び第２の画素信号から合成画像信号を合成する信号合成部を含み、
前記合成画像信号は、前記第１及び第２の画素信号の各々におけるダイナミックレンジよりも広いダイナミックレンジを有する、
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記画素は、前記浮遊半導体領域をリセットするリセットスイッチを含み、
前記制御回路は、前記リセットスイッチを制御するリセット信号を生成し、
前記第１の画素信号は、前記第１の転送電荷に対応した第１信号レベルと、前記リセットスイッチによりリセットされた前記浮遊半導体領域の電位に対応した第１リセットレベルとを含み、
前記第２の画素信号は、前記第２の転送電荷に対応した第２信号レベルと、前記リセットスイッチによりリセットされた前記浮遊半導体領域の電位に対応した第２リセットレベルとを含み、
前記読出回路は、前記第１及び第２の画素信号をそれぞれ標本化するための第１及び第２の相関二重サンプリング回路を含む、ことを特徴とする請求項１に記載された固体撮像装置。
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
（削除）
【請求項６】
（削除）
【請求項７】
前記画素は前記光電変換素子から前記浮遊半導体領域に至る第３の電荷転送経路を更に備え、
前記第３の電荷転送経路は、第５の制御信号に応答して前記光電変換素子からの電荷転送を制御する第３のシャッタースイッチと、前記光電変換素子からの電荷を蓄積する第３の蓄積ダイオードと、第６の制御信号に応答して前記第３の蓄積ダイオードから前記浮遊半導体領域への電荷転送を制御する第３の転送スイッチと、を含み、
前記信号処理部は、前記画素アレイからの第３の画素信号を読み出し、
前記第３の画素信号は、前記第３の電荷転送経路を介して前記浮遊半導体領域に転送された電荷に対応する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載された固体撮像装置。
【請求項８】
アレイ状に配列された複数の画素を含む画素アレイから画素信号を読み出す方法であって、当該方法は、
前記画素アレイにおける画素の各々における光電変換素子を用いてフレーム期間内の第１の蓄積期間に第１の電荷蓄積を行うステップと、
前記第１の電荷蓄積における電荷を前記画素における第１の電荷転送経路を介して前記画素における浮遊半導体領域に転送するために、該電荷を前記第１の電荷転送経路内の第１の蓄積ダイオードに一時的に蓄積するステップと、
前記光電変換素子を用いて前記フレーム期間内の第２の蓄積期間に第２の電荷蓄積を行うステップと、
前記画素の第２の電荷転送経路を介して前記第２の電荷蓄積における電荷を電荷蓄積部を介さないで前記浮遊半導体領域に転送すると共に、前記浮遊半導体領域における転送電荷量に応じた画素信号をカラム線に提供するステップと、
前記カラム線上の前記画素信号を読み出すステップと、
前記第１の蓄積ダイオードに一時的に蓄積された電荷を前記浮遊半導体領域に転送すると共に、前記浮遊半導体領域における転送電荷量に応じた別の画素信号をカラム線に提供するステップと、
前記カラム線上の前記別の画素信号を読み出すステップと、
前記画素信号及び前記別の画素信号を処理するステップと、
を備え、
前記第１蓄積期間は、前記第２蓄積期間より長く、
前記画素信号及び前記別の画素信号から合成画像信号を合成するステップを更に備え、
前記合成画像信号は、前記画素信号及び前記別の画素信号の各々におけるダイナミックレンジよりも広いダイナミックレンジを有する、
ことを特徴とする、画素信号を読み出す方法。
【請求項９】
固体撮像装置のための画素であって、
受けた光から電気信号を生成する光電変換素子と、
前記光電変換素子からの電荷を蓄積する浮遊半導体領域と、
前記光電変換素子から前記浮遊半導体領域に至る第１の電荷転送経路と、
前記第１の電荷転送経路と異なり前記光電変換素子から前記浮遊半導体領域に至る第２の電荷転送経路と、
前記浮遊半導体領域における電位に応じた信号を提供する出力部と、
を含み、
前記第１の電荷転送経路は、前記光電変換素子からの電荷の転送を制御する第１のシャッタースイッチと、前記光電変換素子からの電荷を蓄積する第１の蓄積ダイオードと、前記第１の蓄積ダイオードから前記浮遊半導体領域への電荷転送を制御する第１の転送スイッチと、を含み、
前記第２の電荷転送経路は、前記光電変換素子から前記浮遊半導体領域への電荷蓄積部を介さない電荷の転送を制御する第２のシャッタースイッチを含み、
前記第１のシャッタースイッチは、前記光電変換素子と前記第１の蓄積ダイオードの一端との間に接続され、
前記第１の転送スイッチは、前記第１の蓄積ダイオードの前記一端と前記浮遊半導体領域との間に接続され、
前記第１の電荷転送経路を介して転送される電荷の蓄積のための第１蓄積期間は、前記第２の電荷転送経路を介して転送される電荷の蓄積のための第２蓄積期間より長い、
ことを特徴とする画素。
【国際調査報告】
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