(57)【要約】【課題】高輝度時において、転送回数起因の画質劣化を抑制する。【解決手段】光電変換により電荷を生成する光電変換部と、光電変換部で生成された電荷を保持する保持部と、光電変換部から保持部へ電荷を転送する転送手段と、を有し、保持部が保持する電荷に基づく信号を出力する複数の画素と、複数の画素から信号が出力される信号線と、所定のクリップレベルを上限又は下限とする範囲に、信号の信号レベルを制限するクリップ手段と、１回の露光期間の間に光電変換部で生成された電荷を、１以上の範囲で可変の回数の転送動作により保持部へ転送するように転送手段を制御する転送制御部と、信号を読み出す際に、クリップレベルが回数に応じて変化するように、クリップレベルを制御するクリップレベル制御部と、を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換により電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部で生成された電荷を保持する保持部と、前記光電変換部から前記保持部へ電荷を転送する転送手段と、を有し、前記保持部が保持する電荷に基づく信号を出力する複数の画素と、
前記複数の画素に接続され、前記複数の画素から前記信号が出力される出力線と、
所定のクリップレベルを上限又は下限とする範囲に、前記信号の信号レベルを制限するクリップ手段と、
１回の露光期間の間に前記光電変換部で生成された電荷を、１以上の範囲で可変の回数の転送動作により前記保持部へ転送するように前記転送手段を制御する転送制御部と、
前記信号を読み出す際に、前記クリップレベルが前記回数に応じて変化するように、前記クリップレベルを制御するクリップレベル制御部と
を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記クリップ手段は、前記出力線の信号レベルを制限する
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記クリップ手段は、前記出力線に接続されたクリップ用トランジスタを有し、
前記クリップレベル制御部は、前記クリップ用トランジスタのゲート電圧によって前記クリップレベルを制御する
ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記画素は、前記保持部が保持する電荷の量に応じた信号を増幅する増幅部を更に有し、
前記クリップ手段は、前記増幅部の入力ノードの電位をリセットするためのリセットトランジスタを有し、
前記クリップレベル制御部は、前記リセットトランジスタのゲート電圧によって前記クリップレベルを制御する
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記出力線に出力された前記信号を増幅する増幅回路を更に有し、
前記クリップ手段は、前記増幅回路の出力ノードの信号レベルを制限する
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記クリップ手段は、前記回数が少ないほど前記信号の信号レベルの範囲を狭める
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記保持部は、第１の保持部と、第２の保持部とを有し、
前記転送手段は、前記光電変換部から前記第１の保持部に電荷を転送する第１の転送トランジスタと、前記第１の保持部から前記第２の保持部に電荷を転送する第２の転送トランジスタとを有し、
前記回数は、前記光電変換部から前記第１の保持部への電荷転送の回数である
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記信号は、前記光電変換部で生じた電荷の量に基づく信号と、前記保持部のリセットレベルに基づく信号とを含む
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記光電変換部の飽和電荷量は、前記保持部の飽和電荷量よりも小さい
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
光電変換により電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部で生成された電荷を保持する保持部と、前記光電変換部から前記保持部へ電荷を転送する転送手段と、を有し、前記保持部が保持する電荷に基づく信号を出力する複数の画素と、前記複数の画素に接続され、前記複数の画素から前記信号が出力される出力線と、所定のクリップレベルを上限または下限とする範囲に、前記信号の信号レベルを制限するクリップ手段と、を有する固体撮像装置の駆動方法であって、
１回の露光期間の間に前記光電変換部で生成された電荷を、１以上の範囲で可変の回数の転送動作により前記保持部に転送し、
前記信号を読み出す際に、前記クリップレベルが前記回数に応じて変化するように、前記クリップレベルを設定する
ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１１】
前記クリップ手段により、前記出力線の信号レベルを制限する
ことを特徴とする請求項１０記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１２】
前記画素は、前記保持部が保持する電荷の量に応じた信号を増幅する増幅部を更に有し、
前記増幅部の入力ノードの電位をリセットするためのリセットトランジスタのゲート電圧によって前記クリップレベルを制御する
ことを特徴とする請求項１０記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１３】
前記固体撮像装置は、前記出力線に出力された前記信号を増幅する増幅回路を更に有し、
前記クリップ手段により、前記増幅回路の出力ノードの信号レベルを制限する
ことを特徴とする請求項１０記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１４】
前記回数が少ないほど前記信号の信号レベルの範囲を狭めるように前記クリップレベルを設定する
ことを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１５】
第１のフレーム期間における前記回数と、第２のフレーム期間における前記回数とが異なっている
ことを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１６】
前記固体撮像装置は、複数の前記画素を有し、
複数の前記画素において前記露光期間が同じである
ことを特徴とする請求項１０乃至１５のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１７】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
前記固体撮像装置の前記画素から出力される前記信号を処理する信号処理部と
を有することを特徴とする撮像システム。
【請求項１８】
光電変換により電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部で生成された電荷を保持する保持部と、前記光電変換部から前記保持部へ電荷を転送する転送手段と、を有し、前記保持部が保持する電荷に基づく信号を出力する複数の画素と、前記複数の画素に接続され、前記複数の画素から前記信号が出力される出力線と、所定のクリップレベルを上限または下限とする範囲に、前記信号の信号レベルを制限するクリップ手段と、を有する固体撮像装置と、
１回の露光期間の間に前記光電変換部で生成された電荷を、１以上の範囲で可変の回数の転送動作により前記保持部へ転送するように前記転送手段を制御する転送制御部と、
前記信号を読み出す際に、前記クリップレベルが前記回数に応じて変化するように、前記クリップレベルを制御するクリップレベル制御部と、
前記固体撮像装置の前記画素から出力される前記信号を処理する信号処理部と
を有することを特徴とする撮像システム。
【請求項１９】
移動体であって、
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
前記固体撮像装置からの信号に基づく視差画像から、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段と、
前記距離情報に基づいて前記移動体を制御する制御手段と、
を有することを特徴とする移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置及びその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＭＯＳイメージセンサにおいて、グローバル電子シャッタの機能を有するものが提案されている。グローバル電子シャッタとは、複数の画素の間で露光期間が一致するような撮像動作を電気的に制御することである。グローバル電子シャッタを用いることには、動きの速い被写体を撮影する場合でも被写体がゆがみにくいという利点がある。
【０００３】
特許文献１には、グローバル電子シャッタ機能を備えた固体撮像装置において、光電変換部から保持部への電荷の転送を露光期間中に複数回行う構成とすることにより、画素サイズの拡大を抑えつつ画素の飽和電荷量を増加することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１７７３５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
固体撮像装置において、光電変換部や保持部の飽和電荷量を上回る電荷が生成された場合に、余剰の電荷が漏れ出すことによって画質の低下が生じることがある。このような画質の低下に対しては、所定のノードに出力制限（クリップ）レベルを設定する手法が知られている。しかしながら、光電変換部から保持部への電荷の転送を露光期間中に複数回行う撮像動作を実施する場合、電荷転送の態様によっては、従来の手法によって画質の低下を十分に抑制することはできなかった。
【０００６】
本発明の目的は、光電変換部から保持部への電荷の転送を露光期間中に複数回行う撮像動作を実施する場合における画質の低下を効果的に抑制しうる固体撮像装置及びその駆動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一観点によれば、光電変換により電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部で生成された電荷を保持する保持部と、前記光電変換部から前記保持部へ電荷を転送する転送手段と、を有し、前記保持部が保持する電荷に基づく信号を出力する複数の画素と、前記複数の画素に接続され、前記複数の画素から前記信号が出力される出力線と、所定のクリップレベルを上限又は下限とする範囲に、前記信号の信号レベルを制限するクリップ手段と、１回の露光期間の間に前記光電変換部で生成された電荷を、１以上の範囲で可変の回数の転送動作により前記保持部へ転送するように前記転送手段を制御する転送制御部と、前記信号を読み出す際に、前記クリップレベルが前記回数に応じて変化するように、前記クリップレベルを制御するクリップレベル制御部とを有する固体撮像装置が提供される。
【０００８】
また、本発明の他の一観点によれば、光電変換により電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部で生成された電荷を保持する保持部と、前記光電変換部から前記保持部へ電荷を転送する転送手段と、を有し、前記保持部が保持する電荷に基づく信号を出力する複数の画素と、前記複数の画素に接続され、前記複数の画素から前記信号が出力される出力線と、所定のクリップレベルを上限または下限とする範囲に、前記信号の信号レベルを制限するクリップ手段と、を有する固体撮像装置の駆動方法であって、１回の露光期間の間に前記光電変換部で生成された電荷を、１以上の範囲で可変の回数の転送動作により前記保持部に転送し、前記信号を読み出す際に、前記クリップレベルが前記回数に応じて変化するように、前記クリップレベルを設定する固体撮像装置の駆動方法が提供される。
【０００９】
また、本発明の更に他の一観点によれば、光電変換により電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部で生成された電荷を保持する保持部と、前記光電変換部から前記保持部へ電荷を転送する転送手段と、を有し、前記保持部が保持する電荷に基づく信号を出力する複数の画素と、前記複数の画素に接続され、前記複数の画素から前記信号が出力される出力線と、所定のクリップレベルを上限または下限とする範囲に、前記信号の信号レベルを制限するクリップ手段と、を有する固体撮像装置と、１回の露光期間の間に前記光電変換部で生成された電荷を、１以上の範囲で可変の回数の転送動作により前記保持部へ転送するように前記転送手段を制御する転送制御部と、前記信号を読み出す際に、前記クリップレベルが前記回数に応じて変化するように、前記クリップレベルを制御するクリップレベル制御部と、前記固体撮像装置の前記画素から出力される前記出力信号を処理する信号処理部とを有する撮像システムが提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、光電変換部から保持部への電荷の転送を露光期間中に複数回行う撮像動作を実施する固体撮像装置において、横スミアや黒沈みなどの高輝度時の画質低下を効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態による固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態による固体撮像装置の画素の構成例を示す回路図である。
【図３】本発明の第１実施形態による固体撮像装置の列読み出し回路の構成例を示す回路図である。
【図４】本発明の第１実施形態による固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図（その１）である。
【図５】本発明の第１実施形態による固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図（その２）である。
【図６】本発明の第１実施形態による固体撮像装置のクリップ回路の動作説明図である。
【図７】本発明の第２実施形態による固体撮像装置の画素の構成例を示す回路図である。
【図８】本発明の第２実施形態による固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。
【図９】本発明の第３実施形態による固体撮像装置の画素の構成例を示す回路図である。
【図１０】本発明の第４実施形態による固体撮像装置の画素駆動部の構成例を示す回路図である。
【図１１】本発明の第４実施形態による固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。
【図１２】本発明の第５実施形態による固体撮像装置の列読み出し回路の構成例を示す回路図である。
【図１３】本発明の第５実施形態による固体撮像装置のクリップ回路の動作説明図である。
【図１４】本発明の第６実施形態による固体撮像装置の信号処理部の構成例を示す回路図である。
【図１５】本発明の第６実施形態による固体撮像装置のクリップ回路の動作説明図である。
【図１６】本発明の第７実施形態による固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。
【図１７】本発明の第８実施形態による固体撮像装置の画素の構成例を示す回路図である。
【図１８】本発明の第８実施形態による固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図（その１）である。
【図１９】本発明の第８実施形態による固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図（その２）である。
【図２０】本発明の第９実施形態による撮像システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２１】本発明の第１０実施形態による撮像システム及び移動体の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による固体撮像装置及びその駆動方法について、図１乃至図６を用いて説明する。
【００１３】
図１は、本実施形態による固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。図２は、本実施形態による固体撮像装置の画素の構成例を示す回路図である。図３は、本実施形態による固体撮像装置の列読み出し回路の構成例を示す回路図である。図４及び図５は、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。図６は、本実施形態による固体撮像装置のクリップ回路の動作説明図である。
【００１４】
はじめに、本実施形態による固体撮像装置の構造について、図１乃至図３を用いて説明する。
本実施形態による固体撮像装置１００は、図１に示すように、画素アレイ１０と、画素駆動部２０と、読み出し回路３０と、水平走査部５０と、信号出力部６０と、駆動信号生成部７０とを有している。
【００１５】
画素アレイ１０は、複数の行及び複数の列に渡って配された複数の画素１２を含む。それぞれの画素１２は、入射光をその光量に応じた電荷に変換する光電変換部を含み、入射光量に応じた画素信号を出力する。
【００１６】
画素アレイ１０の各行には、行方向に延在する画素駆動信号線１４が配されている。それぞれの画素駆動信号線１４は、対応する行に属する画素１２に共通の信号線をなしている。画素駆動信号線１４は、画素駆動部２０に接続されている。画素アレイ１０の各列には、列方向に延在する画素出力線１６が配されている。それぞれの画素出力線１６は、対応する列に属する画素１２に共通の信号線をなしている。画素出力線１６は、読み出し回路３０に接続されている。
【００１７】
画素駆動部２０は、画素駆動信号線１４を介して供給する制御信号によって、画素１２の光電変換動作、電荷の転送動作、読み出し動作を制御する制御部である。画素駆動信号線１４は、図１には１本の信号線で示しているが、実際には複数の制御信号線を含む。画素駆動部２０により選択された行の各列の画素１２は、画素出力線１６へ同時に画素信号を出力する。
【００１８】
読み出し回路３０は、画素アレイ１０の列毎に設けられた複数の列読み出し回路３２を有する。それぞれの列読み出し回路３２は、対応する列の画素出力線１６に接続されている。列読み出し回路３２は、画素出力線１６を介して画素１２から読み出された画素信号に対して所定の信号処理を実施する回路部である。列読み出し回路３２は、少なくとも画素信号を増幅する機能を有し、必要に応じてＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換等のその他の機能を有してもよい。
【００１９】
水平走査部５０は、読み出し回路３０において処理された画素信号を列毎に順次、信号出力部６０に転送するためのものである。水平走査部５０は、各列の列読み出し回路３２に順次、選択信号を供給する。これにより、列読み出し回路３２で処理された画素信号が、列毎に順次、共通信号線５２へと出力される。水平走査部５０は、デコーダやシフトレジスタで構成される。
【００２０】
信号出力部６０は、画素１２から読み出された画素信号を外部に出力するための回路である。信号出力部６０は、読み出し回路３０の出力信号を増幅する機能を備えていてもよい。
【００２１】
駆動信号生成部７０は、画素駆動部２０、読み出し回路３０、水平走査部５０に、これらの駆動や設定を制御するための制御信号を供給する。例えば、駆動信号生成部７０は、画素駆動部２０や読み出し回路３０に供給する電圧やその出力タイミングを設定する。なお、駆動信号生成部７０は、画素駆動部２０とともに、光電変換部から保持部に電荷を転送する転送手段を制御する転送制御部を構成する。また、駆動信号生成部７０は、画素１２から信号を読み出す際に、クリップレベルが光電変換部から前記保持部へ電荷を転送する回数に応じて変化するようにクリップレベルを制御するクリップレベル制御部を構成する。
【００２２】
読み出し回路３０がＡ／Ｄ変換器を含む構成では、画素信号は、デジタル信号として読み出し回路３０から出力され、信号出力部６０へと転送される。この場合、信号出力部６０は、デジタル信号処理機能を備えていてもよい。デジタル信号処理機能としては、デジタルゲインやデジタル相関二重サンプリング、デジタルオフセット機能などが挙げられる。また、信号出力部６０の出力構成として、例えば、単一の端子から電圧出力を行う方式や、差動の２端子を持つＬＶＤS（Low Voltage Differential Signaling）方式の出力手段を有してもよい。
【００２３】
図２は、画素１２の構成例である。画素１２は、光電変換部ＰＤ、転送トランジスタＭ１，Ｍ２、リセットトランジスタＭ３，Ｍ４、増幅トランジスタＭ５、選択トランジスタＭ６を含む。
【００２４】
光電変換部ＰＤは、例えばフォトダイオードである。光電変換部ＰＤのフォトダイオードは、アノードが接地電圧線ＧＮＤに接続され、カソードが転送トランジスタＭ１のソース及びリセットトランジスタＭ４のソースに接続されている。リセットトランジスタＭ４は、オーバーフロートランジスタと呼ばれることもある。転送トランジスタＭ１のドレインは、転送トランジスタＭ２のソースに接続されている。転送トランジスタＭ１と転送トランジスタＭ２との接続ノードは、容量成分を含み、電荷の保持部Ｃ１としての機能を備える。
【００２５】
転送トランジスタＭ２のドレインは、リセットトランジスタＭ３のソース及び増幅トランジスタＭ５のゲートに接続されている。転送トランジスタＭ２のドレイン、リセットトランジスタＭ３のソース及び増幅トランジスタＭ５のゲートの接続ノードであるノードＶＦＤは、容量成分を含み、電荷の保持部Ｃ２としての機能を備える。ノードＶＦＤは、フローティングディフュージョンと呼ばれることもある。保持部Ｃ１，Ｃ２を構成する容量は、ＰＮ接合容量や配線容量等の寄生容量でもよいし、ＭＯＳキャパシタその他の容量素子であってもよい。
【００２６】
リセットトランジスタＭ３，Ｍ４のドレイン及び増幅トランジスタＭ５のドレインは、電源電圧線ＶＤＤに接続されている。増幅トランジスタＭ５のソースは、選択トランジスタＭ６のドレインに接続されている。選択トランジスタＭ６のソースは、画素出力線１６に接続されている。
【００２７】
図２の画素構成の場合、画素アレイ１０の各行に配された画素駆動信号線１４は、信号線ＴＸ１，ＴＸ２，ＲＥＳ，ＯＦＤ，ＳＥＬをそれぞれ含む。信号線ＴＸ１は、対応する行に属する画素１２の転送トランジスタＭ１のゲートにそれぞれ接続されている。信号線ＴＸ２は、対応する行に属する画素１２の転送トランジスタＭ２のゲートにそれぞれ接続されている。信号線ＲＥＳは、対応する行に属する画素１２のリセットトランジスタＭ３のゲートにそれぞれ接続されている。信号線ＯＦＤは、対応する行に属する画素１２のリセットトランジスタＭ４のゲートにそれぞれ接続されている。信号線ＳＥＬは、対応する行に属する画素１２の選択トランジスタＭ６のゲートにそれぞれ接続されている。
【００２８】
信号線ＴＸ１には、画素駆動部２０から、転送トランジスタＭ１を制御するための駆動パルスである駆動信号ＰＴＸ１が出力される。信号線ＴＸ２には、画素駆動部２０から、転送トランジスタＭ２を制御するための駆動パルスである駆動信号ＰＴＸ２が出力される。信号線ＲＥＳには、画素駆動部２０から、リセットトランジスタＭ３を制御するための駆動パルスである駆動信号ＰＲＥＳが出力される。信号線ＯＦＤには、画素駆動部２０から、リセットトランジスタＭ４を制御するための駆動パルスである駆動信号ＰＯＦＤが出力される。信号線ＳＥＬには、画素駆動部２０から、選択トランジスタＭ６を制御するための駆動パルスである駆動信号ＰＳＥＬが出力される。各トランジスタがＮ型トランジスタで構成される場合、画素駆動部２０からハイレベルの制御信号が供給されると対応するトランジスタがオンとなり、画素駆動部２０からローレベルの制御信号が供給されると対応するトランジスタがオフとなる。
【００２９】
光電変換部ＰＤは、入射光をその光量に応じた量の電荷に変換（光電変換）するとともに、生じた電荷を蓄積する。リセットトランジスタＭ４は、光電変換部ＰＤを電源電圧線ＶＤＤの電位にリセットする。転送トランジスタＭ１は、光電変換部ＰＤの電荷を保持部Ｃ１に転送する。保持部Ｃ１は、入射光によって生じた電荷を光電変換部ＰＤとは別の場所で保持する。転送トランジスタＭ２は、保持部Ｃ１の電荷を保持部Ｃ２に転送する。保持部Ｃ２は、保持部Ｃ１から転送された電荷を保持するとともに、ノードＶＦＤを、その容量と転送された電荷の量とに応じた電圧に設定する。リセットトランジスタＭ３は、ノードＶＦＤを電源電圧線ＶＤＤの電位にリセットする。選択トランジスタＭ６は、画素出力線１６に信号を出力する画素１２を選択する。増幅トランジスタＭ５は、ドレインに電源電圧が供給され、ソースに選択トランジスタＭ６を介して電流源３４（図３参照）からバイアス電流が供給される構成となっており、ゲートを入力ノードとする増幅部（ソースフォロワ回路）を構成する。これにより増幅トランジスタＭ５は、入射光によって生じた電荷に基づく信号を、ソースに選択トランジスタＭ６を介して画素出力線１６に出力する。なお、光電変換部ＰＤと保持部Ｃ２のリセットは、それぞれ不図示の別の電源を用いて異なる電圧により行ってもよい。
【００３０】
図３は、列読み出し回路３２の構成例である。列読み出し回路３２は、電流源３４と、クリップ回路３６と、信号処理部４０と、選択スイッチＳＷ３とを有する。クリップ回路３６は、クリップ用トランジスタＭ８と、選択スイッチＳＷ１，ＳＷ２とを有する。電流源３４は、画素出力線１６に接続され、図２の増幅トランジスタＭ５とともにソースフォロアを構成する。電流源３４は、例えば、ゲートにバイアス電圧を供給するように構成されたＭＯＳトランジスタを含む定電流源である。クリップ用トランジスタＭ８は、ドレインが電源電圧線に接続され、ソースが画素出力線１６に接続され、ゲートが選択スイッチＳＷ１の一方の主ノード及び選択スイッチＳＷ２の一方の主ノードに接続されている。選択スイッチＳＷ１の他方の主ノードには、任意の基準電圧ＶＣＬＩＰＳ１が供給されている。また、選択スイッチＳＷ２の他方の主ノードには、任意の基準電圧ＶＣＬＩＰＳ２が供給されている。クリップ用トランジスタＭ８と電流源３４とにより、ソースフォロアが構成されている。信号処理部４０は、入力端子に画素出力線１６が接続され、出力端子に選択スイッチＳＷ３を介して共通信号線５２が接続されている。選択スイッチＳＷ３は、水平走査部５０から供給される選択信号によって制御されるスイッチである。
【００３１】
クリップ用トランジスタＭ８のゲートには、選択スイッチＳＷ１を介して基準電圧ＶＣＬＩＰＳ１を、選択スイッチＳＷ２を介して基準電圧ＶＣＬＩＰＳ２を、それぞれ供給できるようになっている。つまり、クリップ用トランジスタＭ８は、増幅トランジスタＭ５から画素出力線１６に出力された画素信号の振幅を制限する機能を有している。換言すると、クリップ用トランジスタＭ８は、増幅トランジスタＭ５から画素出力線１６に出力された画素信号の信号レベルを、所定のクリップレベルを上限又は下限とする範囲に制限する機能を有している。画素信号の振幅を制限するレベルは、基準電圧ＶＣＬＩＰＳ１に応じたレベル又は基準電圧ＶＣＬＩＰＳ２に応じたレベルに設定が可能である。
【００３２】
なお、図３には、クリップ回路３６の機能を判りやすくするために、クリップ用トランジスタＭ８のゲートに、別々の選択スイッチＳＷ１，ＳＷ２を介して２種類の基準電圧ＶＣＬＩＰＳ１，ＶＣＬＩＰＳ２を供給する例を示している。クリップ用トランジスタＭ８のゲートには、可変電圧源から出力された基準電圧ＶＣＬＩＰＳ１又は基準電圧ＶＣＬＩＰＳ２を、１つの選択スイッチを介して供給するようにしてもよい。
【００３３】
信号処理部４０は、所定の信号処理を実施する機能を備える。ここでは、信号処理部４０は、画素信号を増幅する機能を備えるものとする。この場合、信号処理部４０は、例えば、スイッチトキャパシタ型反転増幅アンプ（図１４参照）により構成することができる。信号処理部４０は、相関二重サンプリングやＡ／Ｄ変換の機能を更に備えてもよい。
【００３４】
次に、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法について、図４乃至図６を用いて説明する。なお、各トランジスタは、駆動信号がハイレベルのときにオン状態になり、駆動信号がローレベルのときにオフ状態になるものとする。
【００３５】
時刻Ｔ１において、画素駆動部２０から総ての行の信号線ＯＦＤに供給される駆動信号ＰＯＦＤがローレベルからハイレベルへと遷移し、総ての画素１２のリセットトランジスタＭ４がオン状態になる。これにより、光電変換部ＰＤは、リセットトランジスタＭ４を介して電源電圧線ＶＤＤに接続され、電源電圧に応じた電位にリセットされる。
【００３６】
次いで、時刻Ｔ２において、総ての行の信号線ＯＦＤに供給される駆動信号ＰＯＦＤがハイレベルからローレベルへと遷移し、総ての画素１２のリセットトランジスタＭ４がオフ状態になる。これにより、総ての画素１２において、光電変換部ＰＤのリセットが解除され、光電変換部ＰＤの露光（第１露光期間）が同時に開始される。露光期間の間、光電変換部ＰＤでは、光電変換によって入射光量に応じた電荷が生成され、蓄積される。時刻Ｔ２は、第１露光期間の開始時刻である。
【００３７】
次いで、時刻Ｔ２から、第１露光期間の終了時刻である時刻Ｔ６の期間において、総ての行の信号線ＴＸ１に供給される駆動信号ＰＴＸ１を断続的に複数回、ローレベルからハイレベルへと遷移する。駆動信号ＰＴＸ１がハイレベルの間、画素１２の転送トランジスタＭ１がオンになる。これにより、光電変換部ＰＤに蓄積されていた電荷は、転送トランジスタＭ１がオンの期間の間に、光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１へと転送される。最後の転送動作において駆動信号ＰＴＸ１をハイレベルからローレベルへと遷移するタイミングが、第１露光期間の終了時刻（時刻Ｔ６）となる。
【００３８】
ここでは、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４の期間及び時刻Ｔ５から時刻Ｔ６の期間の計２回、駆動信号ＰＴＸ１をハイレベルにするものとする。時刻Ｔ３から時刻Ｔ４の期間に転送トランジスタＭ１がオンになることで、時刻Ｔ２から時刻Ｔ４の期間に光電変換部ＰＤに蓄積された電荷が保持部Ｃ１へと転送される。また、時刻Ｔ５から時刻Ｔ６の期間に転送トランジスタＭ１がオンになることで、時刻Ｔ４から時刻Ｔ６の期間に光電変換部ＰＤに蓄積された電荷が保持部Ｃ１へと転送される。結果として、第１露光期間である時刻Ｔ２から時刻Ｔ６の期間に光電変換部ＰＤに蓄積された電荷が光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１へと転送され、保持部Ｃ１において保持されることになる。
【００３９】
本実施形態では、第１露光期間において転送トランジスタＭ１を２回オンにする例を示すが、転送トランジスタＭ１をオンにする回数は２回に限定されるものではない。また、転送トランジスタＭ１をオンにする間隔は、均等であることが望ましいが、特に限定されるものではない。
【００４０】
次いで、時刻Ｔ７から時刻Ｔ８の期間において、保持部Ｃ１で保持されている電荷に基づく信号の読み出し（第１読み出し期間）を実行する。第１読み出し期間では、行毎に順次、画素１２から画素出力線１６への信号の読み出しを実行する。図４において斜め方向に並ぶ複数の矩形形状の領域（図中、「各行読み出し」と表す）は、各行の読み出し期間が行順次で実行される様子を模式的に示している。時刻Ｔ８において最終行の画素１２からの画素信号の読み出しが終了すると、第１読み出し期間が終了する。第１読み出し期間の間、クリップ回路３６のクリップ用トランジスタＭ８のゲートには、選択スイッチＳＷ２を介して基準電圧ＶＣＬＩＰＳ２を印加する。なお、クリップ回路３６の動作を含む各行の具体的な読み出し動作については、後述する。
【００４１】
このようにして、複数の画素１２の間で光電変換部ＰＤの光電変換動作と蓄積の期間（第１露光期間）とが一致するような撮像動作、いわゆるグローバル電子シャッタ動作を行うことができる。
【００４２】
同様にして、第１露光期間の終了時刻である時刻Ｔ６以降の時刻Ｔ１１において、総ての行の信号線ＯＦＤに供給される駆動信号ＰＯＦＤがローレベルからハイレベルへと遷移し、総ての画素１２のリセットトランジスタＭ４がオン状態になる。これにより、光電変換部ＰＤは、リセットトランジスタＭ４を介して電源電圧線ＶＤＤに接続され、電源電圧に応じた電位にリセットされる。
【００４３】
次いで、時刻Ｔ１２において、総ての行の信号線ＯＦＤに供給される駆動信号ＰＯＦＤがハイレベルからローレベルへと遷移し、総ての画素１２のリセットトランジスタＭ４がオフ状態になる。これにより、総ての画素１２において、光電変換部ＰＤのリセットが解除され、光電変換部ＰＤの露光（第２露光期間）が同時に開始される。時刻Ｔ１２は、第２露光期間の開始時刻である。
【００４４】
本実施形態では、第１読み出し期間と第２露光期間とが一部の期間において重なっている駆動例を示すが、第１読み出し期間と第２露光期間とは必ずしも重なっている必要はない。すなわち、時刻Ｔ１２は、時刻Ｔ８よりも後であってもよい。
【００４５】
次いで、時刻Ｔ１２から、第２露光期間の終了時刻である時刻Ｔ１４の間において、総ての行の信号線ＴＸ１に供給される駆動信号ＰＴＸ１を１回、ローレベルからハイレベルへと遷移する。駆動信号ＰＴＸ１がハイレベルの間、画素１２の転送トランジスタＭ１がオンになる。これにより、光電変換部ＰＤにおいて生成・蓄積されていた電荷は、転送トランジスタＭ１がオンの期間の間に、光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１へと転送される。
【００４６】
ここでは、時刻Ｔ１３から時刻Ｔ１４の期間において、駆動信号ＰＴＸ１をハイレベルにするものとする。時刻Ｔ１３から時刻Ｔ１４の期間に転送トランジスタＭ１がオンになることで、時刻Ｔ１２から時刻Ｔ１４の期間に光電変換部ＰＤに蓄積された電荷が保持部Ｃ１へと転送されることになる。
【００４７】
本実施形態では、第２露光期間において転送トランジスタＭ１を１回オンにする例を示すが、転送トランジスタＭ１をオンにする回数は１回に限定されるものではない。ここでは、第１露光期間において転送トランジスタＭ１をオンにする回数（２回）とは異なる回数で転送トランジスタＭ１をオンにする例として、第２露光期間において転送トランジスタＭ１をオンにする回数を１回としている。また、転送トランジスタＭ１を複数回オンにする場合、転送トランジスタＭ１をオンにする間隔は、均等であることが望ましいが、特に限定されるものではない。
【００４８】
次いで、第２露光期間の終了後の時刻Ｔ１５から、第１読み出し期間と同様にして、保持部Ｃ１で保持されている電荷に基づく信号の読み出し（第２読み出し期間）を実行する。第２読み出し期間の間、クリップ用トランジスタＭ８のゲートには、選択スイッチＳＷ１を介して基準電圧ＶＣＬＩＰＳ１を印加する。
【００４９】
次に、図５を用いて、各行の読み出し動作の詳細を説明する。図５に示す動作は、図４の「各行読み出し」における動作に対応する。ここでは、画素アレイ１０に属する複数の行のうち、第ｎ行目の画素１２の読み出し動作を例にして説明する。
【００５０】
時刻Ｔ２０において、画素駆動部２０から第ｎ行の信号線ＳＥＬに供給される駆動信号ＰＳＥＬがローレベルからハイレベルへと遷移し、第ｎ行の画素１２の選択トランジスタＭ６がオンになる。これにより、第ｎ行目の画素１２が選択され、画素１２から画素出力線１６への画素信号の読み出しが可能な状態となる。
【００５１】
次いで、時刻Ｔ２１から時刻Ｔ２２の期間において、画素駆動部２０から第ｎ行の信号線ＲＥＳに供給される駆動信号ＰＲＥＳがローレベルからハイレベルへと遷移し、第ｎ行の画素１２のリセットトランジスタＭ３がオン状態になる。これにより、ＶＦＤノードはリセットトランジスタＭ３を介して電源電圧線ＶＤＤに接続され、電源電圧に応じた電位（リセット電位）にリセットされる（ＶＦＤリセット）。これにより、画素出力線１６には、ＶＦＤノードのリセット電位に応じた基準信号（Ｎ信号）が出力される。
【００５２】
次いで、時刻Ｔ２３から時刻Ｔ２４の期間において、読み出し回路３０におけるＮ信号の読み出し動作が実行される。本明細書では、この期間におけるＮ信号の読み出し動作を「Ｎ読み」と呼ぶものとする。
【００５３】
次いで、時刻Ｔ２５から時刻Ｔ２６の期間において、画素駆動部２０から第ｎ行の信号線ＴＸ２に供給される駆動信号ＰＴＸ２がローレベルからハイレベルへと遷移する。これにより、第ｎ行の画素１２の転送トランジスタＭ２がオンになり、保持部Ｃ１に保持されていた電荷が保持部Ｃ２へと転送される（画素信号転送）。すると、ＶＦＤノードは、保持部Ｃ２の容量による電荷電圧変換により、保持部Ｃ２へ転送された電荷の量に応じた電位となる。これにより、画素出力線１６には、保持部Ｃ１から保持部Ｃ２に転送された電荷の量に応じた画素信号（Ｓ信号）が出力される。
【００５４】
次いで、時刻Ｔ２７から時刻Ｔ２８の期間において、読み出し回路３０におけるＳ信号の読み出し動作が実行される。本明細書では、この期間におけるＳ信号の読み出し動作を「Ｓ読み」と呼ぶものとする。
【００５５】
このように読み出したＮ信号とＳ信号に対しては、後段の読み出し回路３０や信号出力部６０において相関二重サンプリング処理を行い、ノイズ成分を除去してもよい。或いは、Ｓ信号のみを用いてもよい。
【００５６】
次いで、時刻Ｔ２９において、画素駆動部２０から第ｎ行の信号線ＳＥＬに供給される駆動信号ＰＳＥＬがハイレベルからローレベルへと遷移し、第ｎ行の画素１２の選択トランジスタＭ６がオフになる。これにより、第ｎ行目の画素１２の選択が解除される。
【００５７】
次いで、時刻Ｔ３０から時刻Ｔ３１の期間において、各列の列読み出し回路３２に読み出された信号を、列毎に順次、信号出力部６０へと転送する（図５中、「水平転送」）。
【００５８】
続く時刻Ｔ３２において、第ｎ行の一連の読み出し動作が完了する。時刻Ｔ２０から時刻Ｔ３２の期間が、１行の読み出し動作に対応する１水平期間である。
【００５９】
このように、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法では、第１露光期間中に、転送トランジスタＭ１を複数回（ここでは２回）オンにして光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１に断続的に電荷の転送を行っている。換言すると、１回の露光期間の間に光電変換部ＰＤで生成された電荷を、１以上の範囲で可変の回数の転送動作により保持部Ｃ１へ転送する。光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１に断続的に複数回の電荷の転送を行っていることの１つの理由は、画素サイズの拡大を抑制しつつ画素１２の飽和電荷量を確保するためである。
【００６０】
光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１へ１回で電荷を転送するためには、光電変換部ＰＤの飽和電荷量と保持部Ｃ１の飽和電荷量とをほぼ同じにする必要がある。この場合、画素１２の飽和電荷量を増やすためには光電変換部ＰＤの飽和電荷量と保持部Ｃ１の飽和電荷量とを共に大きくしなければならず、画素サイズの拡大を避けることはできない。
【００６１】
光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への電荷転送を複数回に分けて行う構成とすることにより、光電変換部ＰＤの飽和電荷量を増やすことなく、画素１２の飽和電荷量を確保することができる。例えば、光電変換部ＰＤの飽和電荷量をＱＰ、保持部Ｃ１の飽和電荷量をＱＭ、光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への転送回数をＮとすると、飽和電荷量ＱＰはＱＭ／Ｎ程度とすることができ、画素サイズの拡大を抑制することができる。
【００６２】
一例として、光電変換部ＰＤから飽和電荷量ＱＰ相当の電荷をＮ回転送することで、保持部Ｃ１が飽和電荷量ＱＭに達する場合を想定する。この場合、画素１２の最大飽和電荷量は、保持部Ｃ１の飽和電荷量ＱＭとなり、光電変換部ＰＤがＮ回飽和したときの電荷量と等価であるといえる。また、画素１２の最小飽和電荷量は、光電変換部ＰＤの飽和電荷量ＱＰとなり、光電変換部ＰＤが１回飽和したときの電荷量と等価であるといえる。画素１２の飽和電荷量は、光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への電荷の転送回数に応じて変化することになる。
【００６３】
また、本実施形態では、光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への電荷の転送回数を、光電変換部ＰＤへの入射光量に応じて変更している。すなわち、光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への電荷の転送を、第１露光期間では２回、第２露光期間では１回、行っている。画素１２の飽和電荷量を確保する観点からは光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への電荷の転送を複数回行うことが好ましいが、入射光量が少ない場合にまで複数回の転送を行うと、転送トランジスタＭ１の駆動に伴うノイズ成分が増大してＳ／Ｎ比を低下する。そのため、光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への電荷の転送回数は、光電変換部ＰＤへの入射光量に応じて変更することが望ましい。
【００６４】
一方、高輝度時などにおいて画素１２の飽和電荷量を超えた電荷が発生した場合、光電変換部ＰＤや保持部Ｃ１からオーバーフローした電荷が画素出力線１６に画素信号として出力されることがある。その結果、電流源３４の動作点を圧迫することで電流値が変化し、これによって電源やＧＮＤ等の共通インピーダンスが変化し、ひいては隣接列の画素信号特性に影響を与えることがある。また、画素１２の飽和電荷量は、前述の通り、光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への電荷の転送回数に応じて変化する。
【００６５】
そこで、本実施形態では、画素出力線１６にクリップ回路３６を接続するとともに、光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への電荷の転送回数、すなわち画素１２の飽和電荷量に応じて画素信号の振幅制限レベルを変更している。
【００６６】
図６は、画素出力線１６の信号レベルとクリップレベルとの関係を説明する図である。Ｎ読みの後、保持部Ｃ１から保持部Ｃ２へと電荷を転送することで、画素出力線１６の信号レベルは、リセットレベルから転送された電荷の量に応じた信号レベルに低下する。図６には、画素信号振幅１に対応する振幅の画素信号が読み出された場合と、画素信号振幅２に対応する振幅の画素信号が読み出された場合とを示している。
【００６７】
図６において、Ｓクリップレベル１及びＳクリップレベル２は、画素信号振幅１及び画素信号振幅２に対して、それぞれ最適な振幅制限レベルを示している。Ｓクリップレベル１及びＳクリップレベル２は、クリップ回路３６のクリップ用トランジスタＭ８のゲートに選択スイッチＳＷ１，ＳＷ２を介して所定の基準電圧ＶＣＬＩＰＳ１，ＶＣＬＩＰＳ２を供給することにより、設定することができる。
【００６８】
例えば、図４の駆動例では、第１読み出し期間においてはクリップ用トランジスタＭ８によるクリップレベルをＳクリップレベル２に設定し、第２読み出し期間においてはクリップ用トランジスタＭ８によるクリップレベルをＳクリップレベル１に設定する。Ｓクリップレベル１及びＳクリップレベル２は、各読み出し期間における画素１２の飽和電荷量（光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への電荷の転送回数）に応じて適宜設定される。これらの値は、駆動信号生成部７０において任意に設定することができる。
【００６９】
クリップ用トランジスタＭ８のゲート電圧に対して閾値電圧以上低いレベルの画素信号が画素出力線１６に出力されると、クリップ用トランジスタＭ８がオンとなり、画素出力線１６の最小信号レベルはゲート電圧に応じた所定の信号レベルに制限される。これにより、電流源３４の電流値の変化を抑制し、結果として隣接列の画素信号特性への影響を抑制することができる。
【００７０】
なお、図４の駆動例は、露光期間における光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への電荷の転送回数が２回であるフレーム期間と、露光期間における光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への転送回数が１回であるフレーム期間とを含む動画の撮影を行う場合の例である。ただし、露光期間における光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への電荷の転送回数は、撮影条件（例えばＩＳＯ設定など）に応じて事前に決定し、撮影時には一定としてもよい。この場合にも、後述する画素信号のクリップレベルは、光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への電荷の転送回数に応じて決定する。
【００７１】
また、図４の駆動例では、時刻Ｔ２から時刻Ｔ６までの期間が、１回の露光期間である。この例では、１回の露光期間は連続している。しかし、分割された複数の露光期間が１回の露光期間を構成してもよい。例えば、図４の時刻Ｔ４から時刻Ｔ５まで期間の一部において、リセットトランジスタＭ４をオンにしてもよい。しかし、１回目の転送（時刻Ｔ３〜Ｔ４）により保持部Ｃ１へ転送された電荷と、２回目の転送（時刻Ｔ５〜Ｔ６）により保持部Ｃ１へ転送された電荷とが、保持部Ｃ１において加算される。したがって、この場合でも、１回の露光期間に生じた電荷が、２回の転送によって保持部Ｃ１へ転送されたことになる。
【００７２】
このように、本実施形態によれば、光電変換部から保持部への電荷の転送回数に応じて画素出力線のクリップレベルを変更するので、高輝度時における隣接列の画素信号特性への影響を効果的に抑制し、画質を向上することができる。
【００７３】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による固体撮像装置及びその駆動方法について、図７及び図８を用いて説明する。図７は、本実施形態による固体撮像装置の画素の構成例を示す回路図である。図８は、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。図１乃至図６に示す第１実施形態による固体撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
【００７４】
本実施形態による固体撮像装置は、画素１２の回路構成が異なるほかは、第１実施形態による固体撮像装置と同様である。本実施形態による固体撮像装置は、図７に示すように、画素１２がリセットトランジスタＭ４を有していない点で、第１実施形態による固体撮像装置とは異なっている。
【００７５】
第１実施形態では、リセットトランジスタＭ４をオンからオフに制御することによって露光期間を開始しているが、リセットトランジスタＭ４の代わりに転送トランジスタＭ１，Ｍ２及びリセットトランジスタＭ３を用いることも可能である。
【００７６】
例えば図８に示すように、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の期間において駆動信号ＰＲＥＳ，ＰＴＸ１，ＰＴＸ２をハイレベルにし、リセットトランジスタＭ３、転送トランジスタＭ２，Ｍ１を介して光電変換部ＰＤをリセットする。時刻Ｔ２において駆動信号ＰＲＥＳ，ＰＴＸ１，ＰＴＸ２をローレベルにすることで、第１露光期間を開始することができる。時刻Ｔ１１から時刻Ｔ１２においても同様である。
【００７７】
リセットトランジスタＭ４を省略することで、その分のスペースを他の目的に使用することができる。例えば、画素サイズの縮小や、光電変換部ＰＤや保持部Ｃ１，Ｃ２の飽和電荷量の増加を図ることも可能である。
第１実施形態による固体撮像装置により奏される上述の効果は、本実施形態による固体撮像装置においても同様に実現することができる。
【００７８】
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による固体撮像装置及びその駆動方法について、図９を用いて説明する。図９は、本実施形態による固体撮像装置の画素の構成例を示す回路図である。図１乃至図８に示す第１及び第２実施形態による固体撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
【００７９】
本実施形態による固体撮像装置は、画素１２の回路構成が異なるほかは、第１実施形態による固体撮像装置と同様である。本実施形態による固体撮像装置は、図９に示すように、ノードＶＦＤに選択トランジスタＭ７を介して保持部Ｃ３が接続されている点で、第１実施形態による固体撮像装置とは異なっている。
【００８０】
ノードＶＦＤに選択トランジスタＭ７を介して保持部Ｃ３を接続することで、ノードＶＦＤに接続される容量の容量値を切り替えることができる。すなわち、選択トランジスタＭ７がオフ状態のとき、ノードＶＦＤに接続される容量値は、保持部Ｃ２の容量となる。選択トランジスタＭ７がオン状態のとき、ノードＶＦＤに接続される容量値は、保持部Ｃ２の容量と保持部Ｃ３の容量との合成容量となる。
【００８１】
ノードＶＦＤに接続される容量の容量値を切り替えることにより、ノードＶＦＤに転送される電荷の量に応じたノードＶＦＤの電位の変化率、すなわち増幅トランジスタＭ５のゲートを入力ノードとする増幅部の増幅率を切り替えることができる。この意味で、ノードＶＦＤに接続された選択トランジスタＭ７及び保持部Ｃ３は、増幅手段であると言える。選択トランジスタＭ７は、そのゲートに接続された信号線ＳＥＬ２に画素駆動部２０から供給される駆動信号により制御することができる。
【００８２】
なお、本実施形態では第１実施形態による固体撮像装置の画素１２に選択トランジスタＭ７と保持部Ｃ３とを追加する構成としたが、第２実施形態による固体撮像装置の画素１２に選択トランジスタＭ７と保持部Ｃ３とを追加する構成としてもよい。
第１実施形態による固体撮像装置により奏される上述の効果は、本実施形態による固体撮像装置においても同様に実現することができる。
【００８３】
［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による固体撮像装置及びその駆動方法について、図１０及び図１１を用いて説明する。図１０は、本実施形態による固体撮像装置の画素駆動部の構成例を示す回路図である。図１１は、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。図１乃至図９に示す第１乃至第３実施形態による固体撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
【００８４】
第１実施形態による固体撮像装置では画素出力線１６にクリップ回路３６を接続することによって画素出力線１６の信号レベルを制限したが、画素出力線１６の信号レベルはリセットトランジスタＭ３によって制限することも可能である。すなわち、画素１２の増幅部はソースフォロワ回路で構成されているため、リセットトランジスタＭ３によってＶＦＤノードをクリップすることによって間接的に画素出力線１６の信号レベルを制限することもできる。本実施形態では、リセットトランジスタＭ３を用いて画素出力線１６の信号レベルを制限することを可能にした固体撮像装置及びその駆動方法を示す。
【００８５】
本実施形態による固体撮像装置の基本的な構成は、図１乃至図３に示す第１実施形態による固体撮像装置と同様である。本実施形態による固体撮像装置では、画素駆動部２０が、リセットトランジスタＭ３のゲートに供給する駆動信号ＰＲＥＳとして、２種類のローレベルの駆動信号ＰＲＥＳＬ１，ＰＲＥＳＬ２を供給できるように構成されている。
【００８６】
本実施形態による固体撮像装置の画素駆動部２０は、図１０に示すように、画素アレイ１０の各行に対応する複数の駆動バッファブロック２２を有している。各駆動バッファブロック２２は、駆動バッファ２４ＯＦＤ，２４ＴＸ１，２４ＴＸ２，２４ＲＥＳ，２４ＳＥＬを有する。
【００８７】
駆動バッファ２４ＯＦＤは、入力信号がハイレベルのときには電源電圧ＶＯＦＤＨに応じたハイレベルの駆動信号ＰＯＦＤを出力し、入力信号がローレベルのときには電源電圧ＶＯＦＤＬに応じたローレベルの駆動信号ＰＯＦＤを出力する。駆動バッファ２４ＴＸ１は、入力信号がハイレベルのときには電源電圧ＶＴＸ１Ｈに応じたハイレベルの駆動信号ＰＴＸ１を出力し、入力信号がローレベルのときには電源電圧ＶＴＸ１Ｌに応じたローレベルの駆動信号ＰＴＸ１を出力する。駆動バッファ２４ＴＸ２は、入力信号がハイレベルのときには電源電圧ＶＴＸ２Ｈに応じたハイレベルの駆動信号ＰＴＸ２を出力し、入力信号がローレベルのときには電源電圧ＶＴＸ２Ｌに応じたローレベルの駆動信号ＰＴＸ２を出力する。駆動バッファ２４ＳＥＬは、入力信号がハイレベルのときには電源電圧ＶＳＥＬＨに応じたハイレベルの駆動信号ＰＳＥＬを出力し、入力信号がローレベルのときには電源電圧ＶＳＥＬＬに応じたローレベルの駆動信号ＰＳＥＬを出力する。
【００８８】
駆動バッファ２４ＲＥＳは、入力信号がハイレベルのときには、電源電圧ＶＲＥＳＨに応じたハイレベルの駆動信号ＰＲＥＳを出力する。一方、入力信号がローレベルのときには、電源電圧ＶＲＥＳＬ１に応じたローレベルの駆動信号ＰＲＥＳ又は電源電圧ＶＲＥＳＬ２に応じたローレベルの駆動信号ＰＲＥＳを出力する。電源電圧ＶＲＥＳＬ１，ＶＲＥＳＬ２は、選択スイッチＳＷ４，ＳＷ５を択一的に駆動することにより選択される。なお、ロー側の電源電圧ＶＲＥＳＬは、３種類以上から択一的に選択するようにしてもよい。
【００８９】
次に、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法について、図１１を用いて説明する。
本実施形態による固体撮像装置の駆動方法が第１実施形態と異なる点は、各行読み出しの期間において、リセットトランジスタＭ３の駆動信号ＰＲＥＳのローレベルを、２種類の電源電圧ＶＲＥＳＬ１，ＶＲＥＳＬ２から選択している点である。
【００９０】
時刻Ｔ２１から時刻Ｔ２２の間、画素駆動部２０からは、電源電圧ＶＲＥＳＨに応じたハイレベルの駆動信号ＰＲＥＳが出力される。これにより、ＶＦＤノードはリセットトランジスタＭ３を介して、電源電圧線ＶＤＤの電圧に応じた電位にリセットされる。
【００９１】
時刻Ｔ２０から時刻Ｔ２１の間及び時刻Ｔ２２から時刻Ｔ３２の間、画素駆動部２０からは、電源電圧ＶＲＥＳＬ１又は電源電圧ＶＲＥＳＬ２に応じたローレベルの駆動信号ＰＲＥＳが出力される。これにより、ＶＦＤノードの電位の下限が、電源電圧ＶＲＥＳＬ１，ＶＲＥＳＬ２に応じた所定の電位に制限される。具体的には、ＶＦＤノードの電位が、（リセットトランジスタＭ３のゲート電位（ＶＲＥＳＬ１又はＶＲＥＳＬ２）−リセットトランジスタＭ３の閾値電圧）よりも低くならないように制限される。
【００９２】
第１実施形態ではクリップ用トランジスタＭ８を用いて図６に示すＳクリップレベル１，Ｓクリップレベル２を設定したが、本実施形態ではリセットトランジスタＭ３を用いることによって同様の設定が可能である。すなわち、画素出力線１６の電位がＳクリップレベル１となるときの増幅トランジスタＭ５のゲート電位を、電源電圧ＶＲＥＳＬ１として設定する。また、画素出力線１６の電位がＳクリップレベル２となるときの増幅トランジスタＭ５のゲート電位を、電源電圧ＶＲＥＳＬ２として設定する。電源電圧ＶＲＥＳＬ２は、ＧＮＤレベルであってもよい。電源電圧ＶＲＥＳＬ１，ＶＲＥＳＬ２の電位関係をＶＲＥＳＬ１＞ＶＲＥＳＬ２とすることで、電源電圧ＶＲＥＳＬ２を選択したときよりも電源電圧ＶＲＥＳＬ１を選択したときの方が、ＶＦＤノードにおける信号振幅が制限される。
【００９３】
図４に示す駆動例に適用する場合、第１読み出し期間では、選択スイッチＳＷ５を選択的にオンにして電源電圧ＶＲＥＳＬ２を選択し、画素出力線１６の電位の下限をＳクリップレベル２に制限する。また、第２読み出し期間では、選択スイッチＳＷ４を選択的にオンにして電源電圧ＶＲＥＳＬ１を選択し、画素出力線１６の電位の下限をＳクリップレベル１に制限する。
【００９４】
本実施形態では、クリップ用トランジスタＭ８に換えてリセットトランジスタＭ３を用いることによって画素出力線１６の電位を制限する方法を示した。しかしながら、クリップ用トランジスタＭ８及びリセットトランジスタＭ３の双方を用いることによって画素出力線１６の電位を制限するようにしてもよい。また、第２又は第３実施形態の画素構成において、本実施形態の手法を適用するようにしてもよい。
【００９５】
なお、各行読み出しの期間以外においてリセットトランジスタＭ３のゲートに印加するローレベルの電圧は、電源電圧ＶＲＥＳＬ１であってもよいし、電源電圧ＶＲＥＳＬ２であってもよいし、ＧＮＤレベル等のその他の電源電圧であってもよい。
【００９６】
このように、本実施形態によれば、光電変換部から保持部への電荷の転送回数に応じて画素出力線のクリップレベルを変更するので、第１実施形態と同様、高輝度時における隣接列の画素信号特性への影響を抑制し、画質を向上することができる。
【００９７】
［第５実施形態］
本発明の第５実施形態による固体撮像装置及びその駆動方法について、図１２及び図１３を用いて説明する。図１２は、本実施形態による固体撮像装置の読み出し回路の構成例を示す図である。図１３は、本実施形態による固体撮像装置のクリップ回路の動作説明図である。図１乃至図１１に示す第１乃至第４実施形態による固体撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
【００９８】
本実施形態による固体撮像装置は、列読み出し回路３２の構成が異なるほかは、図１及び図２に示す第１実施形態による固体撮像装置と同様である。すなわち、本実施形態による固体撮像装置は、図１２に示すように、第１実施形態の固体撮像装置のクリップ回路３６の代わりに、クリップ回路３８を有している。
【００９９】
クリップ回路３８は、クリップ用トランジスタＭ９、選択スイッチＳＷ６，ＳＷ７，ＳＷ８を有する。クリップ用トランジスタＭ９のドレインは、電源電圧線に接続されている。クリップ用トランジスタＭ９のソースは、選択スイッチＳＷ６を介して画素出力線１６に接続されている。クリップ用トランジスタＭ９のゲートには、選択スイッチＳＷ７の一方の主ノード及び選択スイッチＳＷ８の一方の主ノードが接続されている。選択スイッチＳＷ７の他方の主ノードには、任意の基準電圧ＶＣＬＩＰＮ１が供給されている。また、選択スイッチＳＷ８の他方の主ノードには、任意の基準電圧ＶＣＬＩＰＮ２が供給されている。
【０１００】
なお、図１２には、クリップ回路３８の機能を判りやすくするために、クリップ用トランジスタＭ９のゲートに、別々の選択スイッチＳＷ７，ＳＷ８を介して２種類の基準電圧ＶＣＬＩＰＮ１，ＶＣＬＩＰＮ２を供給する例を示している。クリップ用トランジスタＭ９のゲートには、可変電圧源から出力された基準電圧ＶＣＬＩＰＮ１又は基準電圧ＶＣＬＩＰＮ２を、１つの選択スイッチを介して供給するようにしてもよい。
【０１０１】
図１３は、画素出力線１６のレベルとクリップレベルとの関係を説明する図である。本実施形態では、ＶＦＤノードのリセット後のＮ読み時に、クリップ回路３８によって、画素出力線１６の信号レベルに制限をかける。
【０１０２】
高輝度時、特に太陽光などの非常に強力な光が照射されると、光電変換部ＰＤや保持部Ｃ１でオーバーフローした電荷が、ＶＦＤノードがリセットされた状態に応じた基準信号レベルに大きな影響を与えることがある。基準信号レベルが大幅に変化すると、後段の読み出し回路３０や信号出力部６０において相関二重サンプリングを行った際の信号振幅が減少し、黒つぶれや黒沈みと呼ばれる現象を引き起こす。
【０１０３】
また、露光期間における光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への電荷転送を複数回行う場合、電荷の転送を１回で行う場合と比較して、光電変換部ＰＤや保持部Ｃ１でオーバーフローした電荷が保持部Ｃ２へ漏れ込みやすくなる。そのため、光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への電荷の転送回数に応じて基準信号レベルを制限することが望ましい。
そこで、本実施形態では、Ｎ読み時に、基準信号レベルの下限を、露光期間における光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への電荷の転送回数に応じた所定の信号レベルに制限する。
【０１０４】
図１３において、Ｎクリップレベル１及びＮクリップレベル２は、光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への電荷の転送回数が異なる露光期間を実行する際、それぞれに最適な基準信号の制限レベルを示している。Ｎクリップレベル１及びＮクリップレベル２は、クリップ回路３８のクリップ用トランジスタＭ９のゲートに選択スイッチＳＷ７，ＳＷ８を介して所定の基準電圧ＶＣＬＩＰＮ１，ＶＣＬＩＰＮ２を供給することにより、設定することができる。
【０１０５】
例えば、図４の駆動例では、第１読み出し期間のＮ読み時には画素出力線１６の制限レベルをＮクリップレベル２に設定し、第２読み出し期間のＮ読み時には画素出力線１６の制限レベルをＮクリップレベル１に設定する。これらの値は、駆動信号生成部７０において任意に設定することができる。Ｓ読み時には、選択スイッチＳＷ６をオフにすることで、画素出力線１６からクリップ回路３８を切り離すことが可能である。
【０１０６】
なお、本実施形態では、基準信号レベルの下限に対してのみ制限を加える駆動例を示したが、第１乃至第４実施形態と組み合わせ、画素信号レベルの下限に対しても制限を加える構成としてもよい。
【０１０７】
このように、本実施形態によれば、光電変換部から保持部への電荷の転送回数に応じて画素出力線のクリップレベルを変更するので、第１実施形態と同様、高輝度時における隣接列の画素信号特性への影響を抑制し、画質を向上することができる。
【０１０８】
［第６実施形態］
本発明の第６実施形態による固体撮像装置及びその駆動方法について、図１４及び図１５を用いて説明する。図１４は、本実施形態による固体撮像装置の信号処理部の構成例を示す回路図である。図１５は、本実施形態による固体撮像装置のクリップ回路の動作説明図である。図１乃至図１３に示す第１乃至第５実施形態による固体撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
【０１０９】
本実施形態では、列読み出し回路３２の信号処理部４０において出力信号の信号レベルを制限することを可能にした固体撮像装置及びその駆動方法を示す。
本実施形態による固体撮像装置は、列読み出し回路３２の信号処理部４０が図１４に示す回路により構成されているほかは、図１乃至図３に示す第１実施形態による固体撮像装置と同様である。
【０１１０】
本実施形態による固体撮像装置の信号処理部４０は、図１４に示すように、演算増幅器４２、入力容量Ｃ０、帰還容量Ｃｆ及びリセットスイッチＳＷ９からなる増幅回路と、クリップ回路４４とを有する。
【０１１１】
演算増幅器４２の反転入力端子には、入力容量Ｃ０を介して画素出力線１６が接続されている。演算増幅器４２の非反転入力端子には、基準電圧Ｖｒｅｆが供給されている。演算増幅器４２の反転入力端子と出力端子との間には、帰還容量ＣｆとリセットスイッチＳＷ９とが並列に接続されている。これにより、スイッチトキャパシタ型反転増幅アンプが構成されている。信号処理部４０の出力ノードでもある演算増幅器４２の出力端子には、クリップ回路４４が接続されている。
【０１１２】
クリップ回路４４は、クリップ用トランジスタＭ１０、ＤＡＣ４６、選択スイッチＳＷ１０，ＳＷ１１，ＳＷ１２を有する。クリップ用トランジスタＭ１０のドレインは、接地電圧線ＧＮＤに接続されている。クリップ用トランジスタＭ１０のソースは、演算増幅器４２の出力端子に接続されている。クリップ用トランジスタＭ１０のゲートには、選択スイッチＳＷ１０，ＳＷ１１を介してＤＡＣ４６が接続され、選択スイッチＳＷ１２を介してＧＮＤ線が接続されている。
【０１１３】
これにより、クリップ用トランジスタＭ１０のゲートには、ＤＡＣ４６から供給される任意の２種類以上の電圧及びＧＮＤレベルの電圧のうちのいずれかの電圧を、選択スイッチＳＷ１０，ＳＷ１１，ＳＷ１２により選択して供給できるようになっている。クリップ回路４４の基本的な動作は、クリップ回路３６と同様である。
【０１１４】
なお、図１４は、クリップ回路４４の機能を判りやすくするために、クリップ用トランジスタＭ１０のゲートに、別々の選択スイッチＳＷ１０，ＳＷ１１，ＳＷ１２を介して、ＧＮＤレベルの電圧を含めた３種類の電圧を供給する例を示したものである。クリップ用トランジスタＭ１０のゲートに基準電圧を供給する態様は、これに限定されるものではない。
画素出力線１６から信号処理部４０に入力された画素信号は、入力容量Ｃ０と帰還容量Ｃｆとの比で決まるゲインで反転増幅され、演算増幅器４２の出力端子から出力される。
【０１１５】
図１５は、演算増幅器４２の出力端子のレベルとクリップレベルとの関係を説明する図である。Ｎ読みの後、保持部Ｃ１から保持部Ｃ２へと電荷を転送することで、演算増幅器４２の出力端子のレベルは、リセットレベルから転送された電荷の量に応じた信号レベルに上昇する。図１５には、増幅信号振幅１に対応するレベルの画素信号が読み出された場合と、増幅信号振幅２に対応するレベルの画素信号が読み出された場合とを示している。
【０１１６】
図１５において、Ｓクリップレベル１及びＳクリップレベル２は、増幅信号振幅１及び増幅信号振幅２に対して、それぞれ最適な増幅信号振幅の制限レベルを示している。Ｓクリップレベル１及びＳクリップレベル２は、クリップ回路４４のクリップ用トランジスタＭ１０のゲートに所定の基準電圧を供給することにより、設定することができる。クリップ用トランジスタＭ１０のゲートに供給する基準電圧のレベルは、駆動信号生成部７０において任意に設定することができる。ＤＡＣ４６から供給される２種類のクリップ電圧をＶＣＬＩＰＣＡ１，ＶＣＬＩＰＣＡ２とすると、それぞれＳクリップレベル１、Ｓクリップレベル２に対応する。このとき、２つの電位関係はＶＣＬＩＰＣＡ１＜ＶＣＬＩＰＣＡ２となり、ＶＣＬＩＰＣＡ１の方がより増幅信号振幅を制限することができる。
【０１１７】
なお、本実施形態では、増幅信号振幅に対するＳ読み時のＳクリップレベルのみを変更する例を示したが、Ｎ読み時のＮクリップレベルについても同様に適用が可能である。例えば、クリップ回路４４からＶＣＬＩＰＣＡ１＞ＧＮＤレベルとなるような、ＶＣＬＩＰＣＡ１とＧＮＤレベルとを供給することで、ＧＮＤレベルの方がよりＮ読み時のクリップレベルを制限可能となる。
【０１１８】
このように、本実施形態によれば、光電変換部から保持部への電荷の転送回数に応じて信号処理部の出力端子のクリップレベルを変更するので、第１実施形態と同様、高輝度時における隣接列の画素信号特性への影響を抑制し、画質を向上することができる。
【０１１９】
［第７実施形態］
本発明の第７実施形態による固体撮像装置の駆動方法について、図１６を用いて説明する。図１６は、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。図１乃至図１５に示す第１乃至第６実施形態による固体撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
【０１２０】
本実施形態では、第１実施形態による固体撮像装置の他の駆動方法を説明する。本実施形態による駆動方法が第１実施形態の駆動方法と異なる点は、第１露光期間において、駆動信号ＰＯＦＤと駆動信号ＰＴＸ１とを交互に繰返しハイレベルにしている点である。
【０１２１】
時刻Ｔ４１から時刻Ｔ４２の期間において、画素駆動部２０から総ての行の信号線ＯＦＤに供給される駆動信号ＰＯＦＤがハイレベルとなり、光電変換部ＰＤが電源電圧に応じた電位にリセットされる。時刻Ｔ４２において駆動信号ＰＯＦＤがローレベルとなりリセットトランジスタＭ４がオフすることで、第１露光期間が開始される。
【０１２２】
次いで、時刻Ｔ４３から時刻Ｔ４４の期間において、画素駆動部２０から総ての行の信号線ＴＸ１に供給される駆動信号ＰＴＸ１がハイレベルとなり、転送トランジスタＭ１がオンになる。これにより、時刻Ｔ４２から時刻Ｔ４４の期間に光電変換部ＰＤで生成された電荷が保持部Ｃ１へ転送する。
【０１２３】
同様にして、時刻Ｔ４５から時刻Ｔ４６の期間にリセットトランジスタＭ４をオン、時刻Ｔ４７から時刻Ｔ４８の期間に転送トランジスタＭ１をオンにすることで、時刻Ｔ４６から時刻Ｔ４８の期間に光電変換部ＰＤで生成された電荷を保持部Ｃ１へと転送する。また、時刻Ｔ４９から時刻Ｔ５０の期間にリセットトランジスタＭ４をオン、時刻Ｔ５１から時刻Ｔ５２の期間に転送トランジスタＭ１をオンにすることで、時刻Ｔ５０から時刻Ｔ５２の期間に光電変換部ＰＤで生成された電荷を保持部Ｃ１へと転送する。３度の転送処理によって保持部Ｃ１に転送された電荷は、保持部Ｃ１において蓄積される。
【０１２４】
時刻Ｔ５２までに保持部Ｃ１に蓄積され、保持部Ｃ１において保持されている電荷は、時刻Ｔ５３から開始される第１読み出し期間において行毎に順次読み出される。時刻Ｔ５４において全行の読み出しが完了し、第１読み出し期間が終了する。
【０１２５】
このように、本実施形態による駆動方法では、露光期間の間に光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への電荷の転送を複数回行う駆動において、電荷の転送の都度、光電変換部ＰＤをリセットしている。このようにすることで、蓄積期間を分散することができ、保持部Ｃ１へ転送する電荷量を抑えることができる。この様な駆動は、ＨＤＲ（High Dynamic Range）撮影やフリッカ対策の撮影などに適用可能である。
第１実施形態による固体撮像装置により奏される上述の効果は、本実施形態による固体撮像装置においても同様に実現することができる。
【０１２６】
［第８実施形態］
本発明の第８実施形態による固体撮像装置及びその駆動方法について、図１７乃至図１９を用いて説明する。図１７は、本実施形態による固体撮像装置の画素の構成例を示す回路図である。図１８及び図１９は、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。図１乃至図１６に示す第１乃至第７実施形態による固体撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
【０１２７】
本実施形態による固体撮像装置は、画素１２の構成が異なるほかは、第１実施形態による固体撮像装置と同様である。本実施形態の画素１２が第１実施形態の画素１２と異なる点は、図１７に示すように、保持部Ｃ１、リセットトランジスタＭ４、転送トランジスタＭ２を有していないことである。転送トランジスタＭ１のドレインは、ＶＦＤノードに直に接続されている。
【０１２８】
次に、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法について、図１８及び図１９を用いて説明する。
時刻Ｔ１において、画素駆動部２０から総ての行の信号線ＲＥＳに供給される駆動信号ＰＲＥＳ及び信号線ＴＸ１に供給される駆動信号ＰＴＸ１がローレベルからハイレベルへと遷移する。これにより、総ての画素１２のリセットトランジスタＭ３及び転送トランジスタＭ１がオンになり、光電変換部ＰＤは、リセットトランジスタＭ３及び転送トランジスタＭ１を介して電源電圧線ＶＤＤに接続され、電源電圧に応じた電位にリセットされる。
【０１２９】
次いで、時刻Ｔ２において、総ての行の信号線ＲＥＳに供給される駆動信号ＰＲＥＳ及び信号線ＴＸ１に供給される駆動信号ＰＴＸ１がハイレベルからローレベルへと遷移し、総ての画素１２のリセットトランジスタＭ３及び転送トランジスタＭ１がオフになる。これにより、総ての画素１２において、光電変換部ＰＤのリセットが解除され、第１露光期間が同時に開始される。時刻Ｔ２は、第１露光期間の開始時刻である。
【０１３０】
次いで、時刻Ｔ２から、第１露光期間の終了時刻である時刻Ｔ６の間において、総ての行の信号線ＴＸ１に供給される駆動信号ＰＴＸ１を断続的に複数回、ローレベルからハイレベルへと遷移する。駆動信号ＰＴＸ１がハイレベルの間、画素１２の転送トランジスタＭ１がオンになる。これにより、光電変換部ＰＤにおいて生成・蓄積されていた電荷は、転送トランジスタＭ１がオンの期間の間に、光電変換部ＰＤから保持部Ｃ２へと転送される。最後の転送動作において駆動信号ＰＴＸ１をハイレベルからローレベルへと遷移するタイミングが、第１露光期間の終了時刻（時刻Ｔ６）となる。
【０１３１】
ここでは、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４の期間及び時刻Ｔ５から時刻Ｔ６の期間の計２回、駆動信号ＰＴＸ１をハイレベルにするものとする。時刻Ｔ３から時刻Ｔ４の期間に転送トランジスタＭ１がオンになることで、時刻Ｔ２から時刻Ｔ４の期間に光電変換部ＰＤで生成された電荷が保持部Ｃ２へと転送される。また、時刻Ｔ５から時刻Ｔ６の期間に転送トランジスタＭ１がオンになることで、時刻Ｔ４から時刻Ｔ６の期間に光電変換部ＰＤで生成された電荷が保持部Ｃ２へと転送される。結果として、第１露光期間である時刻Ｔ２から時刻Ｔ６の期間に光電変換部ＰＤで生じた電荷が光電変換部ＰＤから保持部Ｃ２へと転送され、保持部Ｃ２において保持されることになる。
【０１３２】
なお、本実施形態では、第１露光期間において転送トランジスタＭ１を２回オンにする例を示すが、転送トランジスタＭ１をオンにする回数は２回に限定されるものではない。また、転送トランジスタＭ１をオンにする間隔についても、特に限定されるものではない。
【０１３３】
次いで、時刻Ｔ７から時刻Ｔ８の期間において、保持部Ｃ２で保持されている電荷に基づく信号の読み出し（第１読み出し期間）を実行する。第１読み出し期間では、行毎に順次、画素出力線１６への信号の読み出しを実行する。時刻Ｔ８において最終行の画素１２からの画素信号の読み出しが終了すると、第１の読み出し期間が終了する。第１読み出し期間の間、クリップ用トランジスタＭ８のゲートには、選択スイッチＳＷ２を介して基準電圧ＶＣＬＩＰＳ２を印加する。
【０１３４】
この動作によって、複数の画素１２の間で光電変換部ＰＤの光電変換動作と蓄積の期間（第１露光期間）が一致するような撮像動作、いわゆるグローバル電子シャッタを行うことができる。
同様にして、第１読み出し期間の終了時刻である時刻Ｔ８以降の時刻Ｔ１１において、総ての行の信号線ＲＥＳに供給される駆動信号ＰＲＥＳ及び信号線ＴＸ１に供給される駆動信号ＰＴＸ１がローレベルからハイレベルへと遷移する。これにより、総ての画素１２のリセットトランジスタＭ３及び転送トランジスタＭ１がオンになり、光電変換部ＰＤは、リセットトランジスタＭ３及び転送トランジスタＭ１を介して電源電圧線ＶＤＤに接続され、電源電圧に応じた電位にリセットされる。
【０１３５】
次いで、時刻Ｔ１２において、総ての行の信号線ＲＥＳに供給される駆動信号ＰＲＥＳ及び信号線ＴＸ１に供給される駆動信号ＰＴＸ１がハイレベルからローレベルへと遷移する。これにより、総ての画素１２においてリセットトランジスタＭ３及び転送トランジスタＭ１がオフになり、光電変換部ＰＤのリセットが解除され、第２露光期間が同時に開始される。
【０１３６】
次いで、時刻Ｔ１２から、第２露光期間の終了時刻である時刻Ｔ１４の間において、総ての行の信号線ＴＸ１に供給される駆動信号ＰＴＸ１を１回、ローレベルからハイレベルへと遷移する。駆動信号ＰＴＸ１がハイレベルの間、画素１２の転送トランジスタＭ１がオン状態になる。これにより、光電変換部ＰＤにおいて生成・蓄積されていた電荷は、転送トランジスタＭ１がオンの期間の間に、光電変換部ＰＤから保持部Ｃ２へと転送される。
【０１３７】
ここでは、時刻Ｔ１３から時刻Ｔ１４の期間において、駆動信号ＰＴＸ１をハイレベルにするものとする。時刻Ｔ１３から時刻Ｔ１４の期間に転送トランジスタＭ１がオンになることで、時刻Ｔ１２から時刻Ｔ１４の期間に光電変換部ＰＤで生成された電荷が保持部Ｃ２へと転送されることになる。
【０１３８】
なお、本実施形態では、第２露光期間において転送トランジスタＭ１を１回オンにする例を示すが、転送トランジスタＭ１をオンにする回数は１回に限定されるものではない。また、転送トランジスタＭ１をオンにする間隔についても、特に限定されるものではない。
【０１３９】
次いで、第２露光期間の終了後、第１読み出し期間と同様にして、保持部Ｃ２で保持されている電荷に対する読み出し動作（第２読み出し期間）を実行する。第２読み出し期間の間、クリップ用トランジスタＭ８のゲートには、選択スイッチＳＷ１を介して基準電圧ＶＣＬＩＰＳ１を印加する。
【０１４０】
次に、図１９を用いて、各行の読み出しの詳細を説明する。ここでは、画素アレイ１０に属する複数の行のうち、第ｎ行目の画素１２の読み出し動作を例にして説明する。
時刻Ｔ６０において、画素駆動部２０から第ｎ行の信号線ＳＥＬに供給される駆動信号ＰＳＥＬがローレベルからハイレベルへと遷移し、第ｎ行の画素１２の選択トランジスタＭ６がオンになる。これにより、第ｎ行目の画素１２が選択される。
【０１４１】
このとき、ＶＦＤノードは、保持部Ｃ２の容量による電荷電圧変換により、保持部Ｃ２が保持している電荷の量に応じた電位となっている。これにより、画素出力線１６には、保持部Ｃ２が保持している電荷の量に応じた画素信号（Ｓ信号）が出力される（Ｓ読み）。
第１実施形態による固体撮像装置により奏される上述の効果は、本実施形態による固体撮像装置においても同様に実現することができる。
【０１４２】
［第９実施形態］
本発明の第９実施形態による撮像システムについて、図２０を用いて説明する。図２０は、本実施形態による撮像システムの構成を示すブロック図である。図１乃至図１９に示す第１乃至第８実施形態による固体撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
【０１４３】
上記第１乃至第８実施形態で述べた固体撮像装置は、種々の撮像システムに適用可能である。適用可能な撮像システムとしては、例えば、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダー、監視カメラなどが挙げられる。図２０に、上述の実施形態に記載の固体撮像装置を適用したデジタルスチルカメラの例を示す。
【０１４４】
図２０に例示した撮像システム２００は、固体撮像装置１００、被写体の光学像を固体撮像装置１００に結像させるレンズ２０２、レンズ２０２を通過する光量を可変にするための絞り２０４、レンズの保護のためのバリア２０６を有する。レンズ２０２及び絞り２０４は、固体撮像装置１００に光を集光する光学系である。固体撮像装置１００は、第１乃至第８実施形態で説明した固体撮像装置１００である。
【０１４５】
撮像システム２００は、また、固体撮像装置１００より出力される出力信号の処理を行う信号処理部２０８を有する。信号処理部２０８は、必要に応じて各種の補正、圧縮を行って信号を出力する動作を行う。信号処理部２０８は、固体撮像装置１００より出力される出力信号に対してＡＤ変換処理を実施する機能を備えていてもよい。この場合、固体撮像装置１００の列読み出し回路３２は、必ずしもＡＤ変換回路を有する必要はない。
【０１４６】
撮像システム２００は、更に、画像データを一時的に記憶するためのバッファメモリ部２１０、外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース部（外部Ｉ／Ｆ部）２１２を有する。更に撮像システム２００は、撮像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の記録媒体２１４、記録媒体２１４に記録又は読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部（記録媒体制御Ｉ／Ｆ部）２１６を有する。なお、記録媒体２１４は、撮像システム２００に内蔵されていてもよく、着脱可能であってもよい。
【０１４７】
更に撮像システム２００は、各種演算とデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部２１８、固体撮像装置１００と信号処理部２０８に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部２２０を有する。ここで、タイミング信号などは外部から入力されてもよく、撮像システム２００は、少なくとも固体撮像装置１００と、固体撮像装置１００から出力された出力信号を処理する信号処理部２０８とを有すればよい。全体制御・演算部２１８及びタイミング発生部２２０は、固体撮像装置１００の駆動信号生成部７０等の機能の一部又は全部（例えば、転送制御部やクリップレベル制御部の機能）を実施するように構成してもよい。
【０１４８】
固体撮像装置１００は、画像用信号を信号処理部２０８に出力する。信号処理部２０８は、固体撮像装置１００から出力される画像用信号に対して所定の信号処理を実施し、画像データを出力する。また、信号処理部２０８は、画像用信号を用いて、画像を生成する。
【０１４９】
第１乃至第８実施形態による固体撮像装置１００を用いて撮像システムを構成することにより、より良質の画像が取得可能な撮像システムを実現することができる。
【０１５０】
［第１０実施形態］
本発明の第１０実施形態による撮像システム及び移動体について、図２１を用いて説明する。図２１は、本実施形態による撮像システム及び移動体の構成を示す図である。
【０１５１】
図２１（Ａ）は、車戴カメラに関する撮像システムの一例を示したものである。撮像システム２０００は、撮像装置２０１０を有する。撮像装置２０１０は、上記第１乃至第９実施形態のいずれかに記載の固体撮像装置である。撮像システム２０００は、撮像装置２０１０により取得された複数の画像データに対し、画像処理を行う画像処理部２０３０と、撮像システム２０００により取得された複数の画像データから視差（視差画像の位相差）の算出を行う視差算出部２０４０を有する。また、撮像システム２０００は、算出された視差に基づいて対象物までの距離を算出する距離計測部２０５０と、算出された距離に基づいて衝突可能性があるか否かを判定する衝突判定部２０６０と、を有する。ここで、視差算出部２０４０や距離計測部２０５０は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、視差、デフォーカス量、対象物までの距離等に関する情報である。衝突判定部２０６０はこれらの距離情報のいずれかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。距離情報取得手段は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよい。また、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等によって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。
【０１５２】
撮像システム２０００は車両情報取得装置２３１０と接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの車両情報を取得することができる。また、撮像システム２０００は、衝突判定部２０６０での判定結果に基づいて、車両に対して制動力を発生させる制御信号を出力する制御装置である制御ＥＣＵ２４１０が接続されている。また、撮像システム２０００は、衝突判定部２０６０での判定結果に基づいて、ドライバーへ警報を発する警報装置２４２０とも接続されている。例えば、衝突判定部２０６０の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ＥＣＵ２４１０はブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置２４２０は音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムなどの画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。
【０１５３】
本実施形態では、車両の周囲、例えば前方又は後方を撮像システム２０００で撮像する。図２１（Ｂ）に、車両前方（撮像範囲２５１０）を撮像する場合の撮像システムを示した。また、上記では、他の車両と衝突しないように制御する例を説明したが、他の車両に追従して自動運転する制御や、車線からはみ出さないように自動運転する制御などにも適用可能である。さらに、撮像システムは、自車両等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機あるいは産業用ロボットなどの移動体（移動装置）に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。
【０１５４】
［変形実施形態］
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。
また、上記実施形態では、固体撮像装置をグローバル電子シャッタ駆動する場合について述べたが、本発明は固体撮像装置をローリング電子シャッタ駆動する場合においても同様に適用可能である。
【０１５５】
また、上記実施形態では、画素１２のトランジスタをＮ型トランジスタにより構成する場合を想定して説明を行ったが、画素１２のトランジスタをＰ型トランジスタにより構成するようにしてもよい。この場合、上記説明における各駆動信号の信号レベルは逆になる。
【０１５６】
また、上記実施形態では、光電変換部ＰＤと保持部Ｃ１との飽和電荷量の比率を１：２、露光期間における光電変換部ＰＤから保持部Ｃ１への電荷の転送回数を２回とした例を説明したが、これらの値や組み合わせは上記実施形態の例に限定されるものではない。
【０１５７】
また、第９及び第１０実施形態に示した撮像システムは、本発明の固体撮像装置を適用しうる撮像システム例を示したものであり、本発明の固体撮像装置を適用可能な撮像システムは図２０に示した構成に限定されるものではない。
【０１５８】
なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【符号の説明】
【０１５９】
１０…画素アレイ
１２…画素
１４…画素駆動信号線
１６…画素出力線
２０…画素駆動部
２２…駆動バッファブロック
３０…読み出し回路
３２…列読み出し回路
３４…電流源
３６，３８，４４…クリップ回路
４０…信号処理部
５０…水平走査部
５２…共通出力線
６０…信号出力部
７０…駆動信号生成部
【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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