(57)【要約】【課題】キャパシタの数を増加させることなくダイナミックレンジを拡大することが可能な固体撮像装置を提供する。【解決手段】固体撮像装置は、光電変換手段と、光電変換手段によって光電変換して得られた光信号を蓄積する第１の光信号蓄積手段及び第２の光信号蓄積手段と、合成手段とを有する。第１の光信号蓄積手段は、光電変換手段によって第１の期間で光電変換して得られた第１の光信号を蓄積する。第２の光信号蓄積手段は、光電変換手段によって、第１の期間よりも短い第２の期間で光電変換して得られた第２の光信号を蓄積する。合成手段は、第１の光信号のノイズが第２の光信号のノイズ以上である場合に、第１の光信号と第２の光信号とを合成する。【選択図】図６
2018088717.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換を行う光電変換手段と、
前記光電変換手段によって光電変換して得られた光信号を蓄積する第１の光信号蓄積手段と、
前記光電変換手段によって光電変換して得られた光信号を蓄積する第２の光信号蓄積手段と、
前記第１の光信号蓄積手段に蓄積された光信号と前記第２の光信号蓄積手段に蓄積された光信号とを合成する合成手段と
を有し、
前記第１の光信号蓄積手段は、前記光電変換手段によって第１の期間で光電変換して得られた第１の光信号を蓄積し、
前記第２の光信号蓄積手段は、前記光電変換手段によって、前記第１の期間よりも短い第２の期間で光電変換して得られた第２の光信号を蓄積し、
前記合成手段は、前記第１の光信号のノイズが前記第２の光信号のノイズ以上であり、さらに前記第１の光信号の値が予め定められた閾値以上である場合に、前記第１の光信号と前記第２の光信号とを合成し、
グローバルシャッタ動作及びローリングシャッタ動作を行い、
前記ローリングシャッタ動作が行われる際に用いられる前記閾値は、前記グローバルシャッタ動作が行われる際に用いられる前記閾値よりも小さい
固体撮像装置。
【請求項２】
第１の基板と、
前記第１の基板と対向し、前記第１の基板と電気的に接続された第２の基板と
をさらに有し、
前記光電変換手段及び前記第２の光信号蓄積手段は、前記第１の基板に設けられ、
前記第１の光信号蓄積手段は、前記第２の基板に設けられている
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第２の光信号蓄積手段として、フローティングディフュージョン及び前記光電変換手段の少なくとも一方が用いられる
請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記グローバルシャッタ動作が行われる場合、前記合成手段は、前記第２の光信号に対応する値をアップ方向にカウントした後で基準電圧に対応する値をダウン方向にカウントし、
前記ローリングシャッタ動作が行われる場合、前記合成手段は、基準電圧に対応する値をダウン方向にカウントした後で前記第２の光信号に対応する値をアップ方向にカウントする
請求項１から３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記グローバルシャッタ動作が行われる場合、前記第２の光信号は、前記第２の光信号蓄積手段として用いられるフローティングディフュージョンに蓄積され、前記第２の光信号が読み出された後、前記基準電圧が前記フローティングディフュージョンに蓄積され、
前記ローリングシャッタ動作が行われる場合、前記第２の光信号は、前記第２の光信号蓄積手段として用いられる前記光電変換手段に蓄積され、前記第２の光信号が読み出される前に、前記基準電圧が前記フローティングディフュージョンに蓄積される
請求項４に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
裏面照射型でグローバルシャッタ動作を行う固体撮像素子が提案されている。この技術に関連し、特許文献１は、第１の基板と第２の基板とが電気的に接続されている固体撮像装置を開示する。特許文献１では、第１の基板にフォトダイオードが配置され、第２の基板にキャパシタによるメモリが設けられている。そして、第２の基板に設けられたキャパシタに光信号を記録することで、グローバルシャッタが実現されている。
【０００３】
ここで、ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）イメージセンサにおいてダイナミックレンジを拡大する方法として、長時間露光して得られた光信号と短時間露光して得られた光信号とを合成するという方式がある。この方式を、キャパシタが設けられた裏面照射型の固体撮像装置で実現しようとすると、長時間露光して得られた光信号及び短時間露光して得られた光信号をそれぞれ別個に蓄積するためのキャパシタが必要となるため、キャパシタの数を増加させる必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２４８９５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、基板の面積には制限があるため、キャパシタの数を増加させると、キャパシタ１個当たりの面積を小さくしなければならない。そうすると、キャパシタの容量が低下してしまう。さらに、リーク電流が同じであれば、キャパシタの容量が小さいほど、画質の劣化が大きくなってしまう。したがって、単にキャパシタの数を増加させる方法では、画質が劣化してしまう。
【０００６】
上記課題に鑑み、本発明の目的は、キャパシタの数を増加させることなくダイナミックレンジを拡大することが可能な固体撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そこで、本発明は、光電変換を行う光電変換手段と、前記光電変換手段によって光電変換して得られた光信号を蓄積する第１の光信号蓄積手段と、前記光電変換手段によって光電変換して得られた光信号を蓄積する第２の光信号蓄積手段と、前記第１の光信号蓄積手段に蓄積された光信号と前記第２の光信号蓄積手段に蓄積された光信号とを合成する合成手段とを有し、前記第１の光信号蓄積手段は、前記光電変換手段によって第１の期間で光電変換して得られた第１の光信号を蓄積し、前記第２の光信号蓄積手段は、前記光電変換手段によって、前記第１の期間よりも短い第２の期間で光電変換して得られた第２の光信号を蓄積し、前記合成手段は、前記第１の光信号のノイズが前記第２の光信号のノイズ以上であり、さらに第１の光信号の値が予め定められた閾値以上である場合に、前記第１の光信号と前記第２の光信号とを合成し、グローバルシャッタ動作及びローリングシャッタ動作を行い、ローリングシャッタ動作が行われる際に用いられる閾値は、グローバルシャッタ動作が行われる際に用いられる閾値よりも小さい固体撮像装置を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、キャパシタの数を増加させることなくダイナミックレンジを拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１にかかる固体撮像装置の全体図である。
【図２】実施の形態１にかかる固体撮像装置の第１の基板の全体の構成を示す図である。
【図３】実施の形態１にかかる固体撮像装置の第２の基板の全体の構成を示す図である。
【図４】第１の基板と第２の基板とが接続された状態の断面模式図を示す図である。
【図５】実施の形態１にかかる固体撮像装置の画素構造を示す図である。
【図６】実施の形態１にかかる固体撮像装置の各画素の回路構成の詳細を示す図である。
【図７】実施の形態１にかかるカラム処理回路の構成を示す図である。
【図８】実施の形態１にかかるグローバルシャッタ動作のタイミングチャートを示す図である。
【図９】実施の形態１にかかるカラム処理回路のグローバルシャッタ動作を行う場合の動作を示すフローチャートである。
【図１０】第１の光信号のノイズと第２の光信号のノイズとを比較した図である。
【図１１】実施の形態１における光量と光信号との関係を示すグラフである。
【図１２】実施の形態１にかかるローリングシャッタ動作のタイミングチャートを示す図である。
【図１３】実施の形態１にかかるカラム処理回路のローリングシャッタ動作を行う場合の動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（実施の形態１）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、実施の形態１にかかる固体撮像装置１００の全体図である。固体撮像装置１００は、第１の基板である基板１と、第２の基板である基板２と、第３の基板である基板３０とを有する。基板１は、光を光信号に変換する回路を持つ画素が敷き詰められた領域を有する。基板２は、基板１から光信号を受け取って処理する回路を有する。基板３０は放熱板であり、基板２の裏面から基板１，２に発生する熱を外部に放出する機能を有する。つまり、基板１で発生した熱は、基板２を通して放出される。なお、基板３０には、例えばペルチェ素子などを用いて積極的に放熱を行う温度制御手段を設けてもよい。また、基
板１の表面（おもて面）と基板２の表面とが互いに対向している。また、基板３０は、基板２の裏面側に設けられている。
【００１１】
また、例えば、基板１のシリコン層の厚さは１０μｍ程度である。また、例えば、基板２のシリコン層の厚さは２００〜１０００μｍ程度である。また、例えば、基板３０の厚さは１０００〜３０００μｍ程度である。なお、基板３０の材料は、金属でもよいし、熱伝導性の高いセラミック、プラスチック、ダイヤモンドなどの炭素系材料又はサファイア等でもよい。また、基板３０は、各種半導体基板、あるいは多層構造の回路基板でもよい。また基板３０は独立した基板ではなくパッケージの一部であってもよい。
【００１２】
ここで、図１において、基板面積の大小関係については、基板２の面積は基板１の面積よりも大きく、基板３０の面積は基板２の面積よりも大きい。基板２において基板１よりもはみ出ている部分にはパッド２ａが設けられており、このパッド２ａを介して外部回路と信号等のやり取りが行われるように構成されている。なお、基板面積の大小関係については、上記に限られるものではなく、互いに同じ大きさであってもよい。また、例えば基板２の表面から裏面に貫通トンネルを通して、そこにマイクロバンプを形成してもよい。この場合、このマイクロバンプを用いて基板１は基板３０と接続できるように構成されてもよく、基板３０を介して外部回路と信号又は電源等のやり取りが行われるように構成されてもよい。
【００１３】
図２は、実施の形態１にかかる固体撮像装置１００の第１の基板である基板１の全体の構成を示す図である。基板１は、画素敷き詰め領域１０５と、周辺回路１０１，１０２，１０３，１０４，１０６と、パッド１０７とを有する。画素敷き詰め領域１０５には、フォトダイオードを含む画素回路の一部が規則的に配列されている。周辺回路１０１，１０２，１０３，１０４は、画素を駆動するための駆動回路等が設けられている。これらの駆動回路によって、画素敷き詰め領域１０５に設けられた各画素は、予め定められた動作を行う。周辺回路１０６には、上述した駆動を適切に行うように制御する制御回路が設けられている。具体的には、制御回路は、どの画素をどのようなタイミングで駆動するかという制御を行う。また、周辺回路１０６には、電力を安定的に供給する電源回路も設けられている。パッド１０７は、基板１と基板２とを接続し、基板１と基板２との間の信号のやり取りを行う。さらに、信号だけではなく電源のやり取りも、パッド１０７を介して行われる。
【００１４】
図３は、実施の形態１にかかる固体撮像装置１００の第２の基板である基板２の全体の構成を示す図である。基板２は、画素敷き詰め領域２０５と、周辺回路２０１，２０２，２０３，２０４，２０６と、パッド２０７とを有する。画素敷き詰め領域２０５には、画素敷き詰め領域１０５に対応した別の画素回路が規則的に配列されている。画素敷き詰め領域２０５に設けられた画素回路は、画素敷き詰め領域１０５に設けられた画素回路から光信号を受け取って保持するように構成されている。つまり、基板１に設けられた画素回路と、基板２に設けられた画素回路とで、１つの画素回路が形成されている。
【００１５】
周辺回路２０１，２０２，２０３，２０４，２０６は、デジタル・アナログ変換回路、アナログ・デジタル変換回路、画像処理を行う画像処理回路、電源回路、タイミング調整回路、クロック信号供給回路等を有する。アナログ・デジタル変換回路は、行又は列ごとに光信号や基準電位に対してアナログ・デジタル変換を行う回路である。デジタル・アナログ変換回路は、各回路の中間電位信号を生成し、アナログ・デジタル変換に必要な高性能のランプ波形を生成するデジタル・アナログ変換器を有する。画像処理回路は、各画素からの信号を受けて画像を構成するための回路であって、例えば白傷補正機能、階調設定機能、ホワイトバランス設定機能、フィールドメモリ、画像・動画圧縮回路、及び外部とのシリアル通信を行うための回路を有する。パッド２０７は、基板１と基板２とを接続し、基板１と基板２との間の信号のやり取りを行う。
【００１６】
ここで、図２及び図３は、それぞれ基板１及び基板２を表側から見た図である。基板１と基板２とは、表側同士を互いに対向させるように配置される。言い換えると、基板１及び２は、図２及び図３に示された基板の一方を左右反転させて他方の基板と接続されるように構成されている。したがって、パッド１０７とパッド２０７とが互いに対向するように配置され、パッド１０７及びパッド２０７は、マイクロバンプを介して接続される。なお、パッド及びマイクロバンプは、画素敷き詰め領域１０５と画素敷き詰め領域２０５との間にも存在しており、両者を接続している。
【００１７】
図４は、第１の基板である基板１と第２の基板である基板２とが接続された状態の断面模式図を示す図である。上述したように、基板１の表側と基板２の表側とが互いに対向して配置されている。つまり、図４に示した断面図の上側は基板１の裏側であり、下側は基板２の裏側である。基板１は、表側から、配線領域５と、シリコン領域６と、例えばシリコン酸化膜などの絶縁膜２１と、カラーフィルタ２２と、マイクロレンズ２３とが積層されるようにして構成されている。また、基板２は、表側から、配線領域４と、シリコン領域３とが積層されるようにして構成されている。
【００１８】
まず、基板１の構造について説明する。光は、基板１の裏面から入射する。光はマイクロレンズ２３を通過する。カラーフィルタ２２は特定の波長のみの光を通過させる。そして、カラーフィルタ２２を通過した光は、絶縁膜２１を通過して、光電変換領域１８に入射する。ここで、光電変換領域１８はｎ型半導体である。第１のｐ＋型領域２０は、光電変換領域１８と絶縁膜１４及び絶縁膜２１との界面で発生する非光信号のキャリアが発生するのを防ぎ、光電変換領域１８を埋め込みフォトダイオードに構成するための領域である。第２のｐ＋型領域１９は、隣接する画素の光電変換領域と分離するための領域である。ｐウェル領域１７は、画素に使われるｎ−ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）を構成するための領域である。画素内のＭＯＳＦＥＴは、ｐウェル領域１７と、ソース・ドレインになるｎ＋型領域１６と、ゲート電極１５とから構成される。光信号電荷はこのＭＯＳＦＥＴで電圧に変換され、その電圧の光信号が、絶縁膜１４とメタル配線１３とで構成される配線領域５の内部を通り、接続部１２に達し、基板２に伝達される。基板２に伝達された電圧の光信号は、絶縁膜１１とメタル配線１０とで構成される配線領域４の内部を通って、基板２内のＭＯＳＦＥＴに伝えられる。基板２のＭＯＳＦＥＴは、ｐウェル領域を含むｐ型基板７と、ソース・ドレイン領域８とゲート電極９とから構成される。またゲート電極などを用いてＭＯＳキャパシタが形成されている。このようにして、基板２内の第２の画素回路が構成されている。
【００１９】
なお、図４においては、基板１及び基板２内の画素内にはｎ−ＭＯＳＦＥＴのみが含まれているが、ｐ−ＭＯＳＦＥＴのみが含まれるようにしてもよい。この場合、光電変換領域１８、ｐウェル領域１７、ｎ＋型領域１６、ｐ型基板７及びソース・ドレイン領域８の導電型は、全て逆になる。また、画素内にｐウェル及びｎウェル領域を形成して、Ｃ−ＭＯＳ回路を形成するようにしてもよい。なお、図４では画素部分のみを示しているが、図２に示したように、画素敷き詰め領域１０５の周囲に設けられた周辺回路１０１〜１０４，１０６にＣＭＯＳ回路を用いるようにしてもよい。
【００２０】
図５は、実施の形態１にかかる固体撮像装置１００の画素構造を示す図である。画素敷き詰め領域１０５及び画素敷き詰め領域２０５に、複数の画素部５０が設けられている。複数の画素部５０は、図５に示すように、行列状に配置されている。また、図５は、各画素部５０が行列状に配列されている様子を模式的に示した図であり、実際には、図４を用いて上述したように、各画素部５０が物理的に離れて配置されていなくてもよい。
【００２１】
各画素部５０は、ロウ信号線７０を介して垂直走査回路７７に接続されており、カラム信号線１７０を介してカラム処理回路６０に接続されている。また、カラム処理回路６０は、水平走査回路１７７に接続されている。垂直走査回路７７は、周辺回路１０１，１０２及び周辺回路２０１，２０２に設けられている。また、カラム処理回路６０及び水平走査回路１７７は、周辺回路１０３，１０４及び周辺回路２０３，２０４に設けられている。
【００２２】
垂直走査回路７７は、例えばシフトレジスタで構成されており、行単位で画素部５０の駆動制御を行う。この駆動制御には、画素部５０のリセット動作、蓄積動作、信号読み出し動作等が含まれる。この駆動制御を行うため、垂直走査回路７７は、行毎に設けられているロウ信号線７０を介して各画素部５０へ制御信号（制御パルス）を出力し、画素部５０を行毎に独立して制御する。垂直走査回路７７が駆動制御を行うことによって、列毎に設けられているカラム信号線１７０へ画素部５０から画素信号が出力される。
【００２３】
カラム処理回路６０は、画素部５０からカラム信号線１７０に出力された信号を処理する。カラム処理回路６０は、異なる複数のタイミングで露光して得られた複数の光信号を合成する合成手段として機能する。具体的には後述する。水平走査回路１７７は、例えばシフトレジスタで構成されており、画素信号を読み出す画素列を選択して、選択した画素列に係るカラム処理回路６０を順次選択し、カラム処理回路６０から信号を、順次、次の回路に対して出力することにより、画素信号を読み出す。
【００２４】
図６は、実施の形態１にかかる固体撮像装置１００の各画素の回路構成の詳細を示す図である。図６においては、同じカラム信号線１７０に接続された２つの画素部５０−１，５０−２が示されている。接続部１３６，１５６は、図４の接続部１２に対応し、基板１と基板２とを接続している。接続部１３６，１５６よりも左側の構成部分が基板１に形成され、接続部１３６，１５６よりも右側の構成部分が基板２に形成されている。基板１側には、光を電気信号に変換する光電変換回路１２１，１２２が形成されている。基板２側には、主に適切なタイミングまで電気信号を保持する信号保持回路、及び保持された信号をカラム信号線１７０に出力する出力回路が形成されている。詳しくは後述する。
【００２５】
まず光電変換回路１２１，１２２について説明する。光電変換回路１２１，１２２は、それぞれフォトダイオード１３０，１５０を有する。フォトダイオード１３０，１５０は、光電変換を行う光電変換手段として機能し、入射された光を電荷つまりホール／電子対に変換する。ホール／電子対のうち、どちらか一方がフォトダイオード１３０，１５０に蓄積される。本実施の形態においては、電子が蓄積される。また、フォトダイオード１３０，１５０と、フローティングディフュージョン１３３，１５３との間には、それぞれ転送トランジスタ１３１，１５１が接続されている。転送トランジスタ１３１，１５１は、それぞれ、垂直走査回路７７から出力された信号φｔｘ１，φｔｘ２により制御される。信号φｔｘ１，φｔｘ２により転送トランジスタ１３１，１５１がオンになると、フォトダイオード１３０，１５０に蓄積された電子は、それぞれフローティングディフュージョン１３３，１５３に転送される。
【００２６】
また、フローティングディフュージョン１３３，１５３は、第２の光信号蓄積手段としての機能を有する。フローティングディフュージョン１３３，１５３は、拡散層で構成されている微小容量及び浮遊容量である。フローティングディフュージョン１３３，１５３に転送された電子により電位が減少し、フローティングディフュージョン１３３，１５３において電荷が電気信号に変換される。
【００２７】
フローティングディフュージョン１３３，１５３と電源電圧Ｖｄｄとの間にはそれぞれリセットトランジスタ１３２，１５２が接続されている。リセットトランジスタ１３２，１５２は、それぞれ、フローティングディフュージョン１３３，１５３をリセットするトランジスタであり、それぞれ、垂直走査回路７７から出力された信号φｒｓｔ１、φｒｓｔ２により制御される。また、フローティングディフュージョン１３３，１５３にはそれぞれアンプトランジスタ１３４，１５４が接続されている。アンプトランジスタ１３４，１５４は、それぞれフローティングディフュージョン１３３，１５３の電位を増幅する。また、アンプトランジスタ１３４，１５４の接地側には、それぞれ、電流源として機能する負荷トランジスタ１３５，１５５が接続されている。負荷トランジスタ１３５，１５５は、それぞれ、負荷トランジスタ１３５，１５５のゲート電極に所定の電圧を加えることによって負荷として機能する。この所定の電圧は例えば後述する電圧閾値より大きい１．２Ｖ程度の電圧としてもよい。この電圧値は可変であってもよく、それにより電流値も変えることができる。この負荷に発生した電圧が、接続部１３６，１５６を介して基板２側に伝達される。
【００２８】
基板２側の回路において、接続部１３６，１５６と、ノード１４５，１６５との間には、基板１との電気的な接続をオンオフするスイッチとして機能するスイッチトランジスタ１４０，１６０が設けられている。スイッチトランジスタ１４０，１６０は、それぞれ、垂直走査回路７７から出力された信号φｔｘ１ａ，φｔｘ２ａにより制御される。また、スイッチトランジスタ１４０には、スイッチトランジスタ１４１，１４３を介してそれぞれキャパシタ１４２，１４４が接続されている。言い換えると、スイッチトランジスタ１４１，１４３は、それぞれ、ノード１４５とキャパシタ１４２，１４４との間に接続されている。また、スイッチトランジスタ１６０には、スイッチトランジスタ１６１，１６３を介してそれぞれキャパシタ１６２，１６４が接続されている。言い換えると、スイッチトランジスタ１６１，１６３は、それぞれ、ノード１６５とキャパシタ１６２，１６４との間に接続されている。スイッチトランジスタ１４１，１４３，１６１，１６３は、それぞれ、垂直走査回路７７から出力された信号φｔｘ１ｂ，φｔｘ１ｃ，φｔｘ２ｂ，φｔｘ２ｃによって制御される。なお、キャパシタ１４２，１４４及びキャパシタ１６２，１６４は、それぞれ第１の光信号蓄積手段としての機能を有する。
【００２９】
ノード１４５，１６５と電源電圧Ｖｄｄとの間には、それぞれ、リセットトランジスタ１４６，１６６が接続されている。リセットトランジスタ１４６，１６６は、それぞれ、ノード１４５，１６５をリセットするトランジスタであり、垂直走査回路７７から出力された信号φｒｓｔ１ａ、φｒｓｔ２ａで制御されている。また、ノード１４５，１６５は、それぞれ、アンプ１４７，１６７のゲートに接続されている。アンプ１４７，１６７の出力は、それぞれ、選択トランジスタ１４８，１６８を介してカラム信号線１７０に接続されている。選択トランジスタ１４８，１６８は、それぞれ、垂直走査回路７７から出力された信号φｓｅｌ１、φｓｅｌ２により制御される。選択トランジスタ１４８，１６８を順次切り替えることによって、それぞれ、画素部５０−１，５０−２に蓄積された画素信号が、カラム処理回路６０に読み出される。
【００３０】
図７は、実施の形態１にかかるカラム処理回路６０の構成を示す図である。カラム処理回路６０は、負荷１７１と、プログラマブルアンプ１７２と、コンパレータａ１７３と、カウンタ１７４と、メモリ１７５と、コンパレータｂ１７６とを有する。負荷１７１は電流源であり、この負荷１７１に発生した電圧が、光信号つまり画素信号となる。プログラマブルアンプ１７２は、光信号を増幅して、コンパレータａ１７３に出力する。
【００３１】
コンパレータａ１７３には、ランプ波形が入力されている。ランプ波形は、横軸を時間ｔとし、縦軸をコンパレータａ１７３に入力される電圧Ｖとする波形であり、電圧Ｖは時間ｔに比例する。コンパレータａ１７３は、入力電圧つまりプログラマブルアンプ１７２の出力電圧がランプ波形と一致したときに、カウンタ１７４に信号を出力する。カウンタ１７４は、ランプ波形の電圧値がプログラマブルアンプ１７２の出力電圧と一致するまでの時間をカウントする。つまり、カウンタ値は、プログラマブルアンプ１７２の出力電圧に比例し、プログラマブルアンプ１７２の出力電圧が大きいほど、カウンタ値も大きくなる。さらに言い換えると、カウンタ値は、プログラマブルアンプ１７２の出力電圧つまり光信号に対応するデジタル値を示す。
【００３２】
また、カウンタ１７４は、クロック信号をカウントするアップダウンカウンタで、数字が小さくなる方向にも大きくなる方向にもカウントすることができる。つまり、カウンタ１７４は、アップカウンタにより数字が大きくなる方向つまりプラス方向にカウントし、ダウンカウンタにより数字が小さくなる方向つまりマイナス方向にカウントする。カウンタ１７４がアップカウンタでカウントすると、カウンタ値は、プログラマブルアンプ１７２の出力電圧に比例する値となる。一方、カウンタ１７４がダウンカウンタでカウントすると、カウンタ値は、プログラマブルアンプ１７２の出力電圧に比例する値の正負が反対になった値となる。カウンタ１７４は、例えばダウンカウンタで基準電圧値をカウントし、アップカウンタで光信号の電圧値をカウントすることにより、ＣＤＳ（Correlated Double Sampling：相関二重サンプリング）処理を行う。このようにして、コンパレータａ１７３及びカウンタ１７４は、ＡＤＣ（Analog-to-Digital Converter：アナログ／デジタル変換）回路を構成する。
【００３３】
コンパレータｂ１７６は、カウンタの動作を制御する。コンパレータｂ１７６は、カウンタ１７４の数値を予め定められた閾値と比較して、次のカウンタの動作を決定する。この予め定められた閾値については、後で詳述する。カウンタ１７４のＣＤＳ処理後の数値は、メモリ１７５に蓄積される。図５に示すように、水平走査回路１７７には複数のカラム信号線１７０からの信号が出力されており、水平走査回路１７７は、複数のカラム信号線１７０からの処理結果を示す信号を、順次、次の回路へ出力する。これによりダイナミックレンジが拡大されるが、この動作については後述する。なお、ダイナミックレンジを拡大しないときには、コンパレータｂ１７６を使用しなくてもよい。
【００３４】
（動作）
次に、図６に示した画素部５０の回路の動作について説明する。動作モードとしては、グローバルシャッタ動作及びローリングシャッタ動作の両方が可能で、本実施の形態１においては、以下に説明するように、グローバルシャッタ動作及びローリングシャッタ動作のどちらについても、ダイナミックレンジを拡大することが可能である。
【００３５】
（グローバルシャッタ動作）
図８は、グローバルシャッタ動作のタイミングチャートを示す図である。グローバルシャッタモードは、全画素で一斉に信号をキャパシタに蓄積する工程と、キャパシタに蓄積された信号を順次読み出す工程とを有する。図８に示したタイミングチャートの左側が蓄積工程であり、右側が読み出し工程である。蓄積工程は、全画素部５０について一斉に行われる。一方、読み出し工程は、選択トランジスタ１４８，１６８によってカラム信号線１７０に電気的に接続される画素部５０が切り替わることによって、画素部５０ごとに、順次、行われる。
【００３６】
まず、時間ｇ１において、全画素部５０が一斉にリセットされる。具体的には、信号φｒｓｔ１，φｒｓｔ２がハイになることにより、それぞれ、フローティングディフュージョン１３３，１５３がリセットされる。次に、時間ｇ２において、信号φｔｘ１，φｔｘ２がハイになることによって、フォトダイオード１３０，１５０に蓄積されていた電子が、それぞれフローティングディフュージョン１３３，１５３に転送される。これにより、フォトダイオード１３０，１５０内の電子は空になる。これ以降、この状態でフォトダイオード１３０，１５０に光が入射されるように露光、つまり光電変換が行われる。この光電変換は、時間ｇ２が終わったときから、次にフォトダイオード１３０，１５０からそれぞれフローティングディフュージョン１３３，１５３に電子が転送され転送が終了するまで、つまり時間ｔ３が終わるまでの間、行われる。この、時間ｇ２が終わったときから、時間ｔ３が終わるまでの期間を、第１の期間Ｔ１とする。
【００３７】
次に、時間ｔ１において、全画素部５０が一斉にリセットされる。具体的には、信号φｒｓｔ１，φｒｓｔ２がハイになることにより、それぞれ、フローティングディフュージョン１３３，１５３がリセットされる。また、このとき、信号φｒｓｔ１ａ，φｔｘ１ｂ，φｔｘ１ｃがハイになることによって、キャパシタ１４２，１４４がリセットされる。同様に、このとき、信号φｒｓｔ２ａ，φｔｘ２ｂ，φｔｘ２ｃがハイになることによって、キャパシタ１６２，１６４がリセットされる。なお、キャパシタ１４２，１４４及び１６２，１６４への信号の書き込みは、それぞれ、アンプトランジスタ１３４及び１５４が負荷トランジスタ１３５及び１５５に発生させる電圧により行う。したがって、必ずしもリセットを行う必要はない。しかしながら、各キャパシタに書き込むときに、高い電圧から電圧を下げる方向に書き込む場合と、低い電圧から電圧を上げる方向に書き込む場合とで、若干ずれが生じるといった問題が生じることがある。このような問題を避けるために、各キャパシタを電圧の高い方向に合わせておくように、リセットが行われる。
【００３８】
上述したようにリセットされたフローティングディフュージョン１３３，１５３における電位が、それぞれ、画素部５０−１，５０−２の基準電位になる。時間ｔ２において、この基準電位が、キャパシタ１４２，１６２に書き込まれる。具体的には、信号φｌｄ１，φｌｄ２がハイになることによって、それぞれ負荷トランジスタ１３５，１５５のゲートに所定の電圧が印加されることで、負荷トランジスタ１３５，１５５が電流源として動作する。この結果、アンプトランジスタ１３４，１５４に電流が流れ、これにより、アンプトランジスタ１３４，１５４が、それぞれソースフォロア回路として動作するようになる。さらにこのとき、信号φｔｘ１ａ，φｔｘ１ｂがハイになることによって、接続部１３６を介して、基準電位がキャパシタ１４２に記録される。同様に、信号φｔｘ２ａ，φｔｘ２ｂがハイになることで、接続部１５６を介して、基準電位がキャパシタ１６２に記録される。
【００３９】
このとき、上述したように、フォトダイオード１３０，１５０には、第１の期間Ｔ１の間になされた光電変換により発生した電荷（本実施の形態１においては電子）が蓄積されている。時間ｔ３において、信号φｔｘ１ｂ，φｔｘ２ｂがローになり信号φｔｘ１，φｔｘ２がハイになると、それぞれ、フォトダイオード１３０，１５０からフローティングディフュージョン１３３，１５３に電荷が転送される。この結果、転送された電荷の分だけフローティングディフュージョン１３３，１５３の電位が変動する。例えば電荷が電子の場合、フローティングディフュージョン１３３，１５３の電位は下がる。この変動した電位が、第１の期間Ｔ１における画素部５０−１，５０−２の光信号の電位となる。
【００４０】
次に、時間ｔ４において、信号φｔｘ１ｃ，φｔｘ２ｃがハイになると、この電荷転送後のフローティングディフュージョン１３３，１５３の電位が、それぞれ、アンプトランジスタ１３４，１５４で増幅されてキャパシタ１４４，１６４に記録される。記録終了後、信号φｌｄ１，φｔｘ１ａ，φｔｘ１ｃ及びφｌｄ２，φｔｘ２ａ，φｔｘ２ｃがローとなり、第１の期間Ｔ１における光信号の記録が完了する。
【００４１】
時間ｔ３においてフォトダイオード１３０，１５０からフローティングディフュージョン１３３，１５３への電荷の転送が終わり、信号φｔｘ１，φｔｘ２がローになったときから、次の露光つまり光電変換がフォトダイオード１３０，１５０で始まっている。その後、時間ｗ１において、信号φｒｓｔ１，φｒｓｔ２がハイになることによって、それぞれフローティングディフュージョン１３３，１５３がリセットされる。その後、時間ｗ２において、信号φｔｘ１，φｔｘ２がハイになることによって、それぞれフォトダイオード１３０，１５０から、電荷がフローティングディフュージョン１３３，１５３へ転送される。なお、時間ｔ３が終わったときから時間ｗ２が終わるまでの期間が第２の期間Ｔ２となる。
【００４２】
ここで、本実施の形態１においては、第１の期間Ｔ１の方が第２の期間Ｔ２よりも長くなるように構成されている。なお、時間ｇ１及びｇ２を設けない場合、第１の期間Ｔ１は、最大で、時間ｗ２が終わったときから、次のフレームにおいて信号φｔｘ１をハイにすることによって電荷が転送される時間ｔ３までの時間となる。これにより、長い期間である第１の期間Ｔ１で光電変換されて得られた第１の光信号が、時間ｔ４において、キャパシタ１４４及びキャパシタ１６４に蓄積される。また、キャパシタ１４２及びキャパシタ１６２には、第１の光信号の基準電位が蓄積されている。一方、第１の期間Ｔ１よりも短い期間である第２の期間Ｔ２で光電変換されて得られた第２の光信号が、時間ｗ２において、フローティングディフュージョン１３３及びフローティングディフュージョン１５３に蓄積される。つまり、第１の光信号は、長時間露光して得られた光信号であり、第２の光信号は、短時間露光して得られた光信号である。
【００４３】
このように、全ての画素部５０において、基板２に設けられたキャパシタ１４２，１４４及びキャパシタ１６２，１６４に、第１の期間Ｔ１で光電変換して得られた光信号が記録される。一方、基板１に設けられたフローティングディフュージョンに１３３及びフローティングディフュージョン１５３に、第２の期間Ｔ２で光電変換して得られた光信号が記録される。次に、これらの記録された光信号が読み出される。読み出し工程は、記録工程とは異なり、全画素部５０で一斉に行われるわけではなく、カラム信号線１７０に繋がった画素部５０ごとに、行ごとに順番に行われる。
【００４４】
図７で示したように、カラム信号線１７０には負荷及びＡＤＣ回路を有するカラム処理回路６０が接続されており、このカラム処理回路６０が、カラム信号線１７０を伝送される信号を処理する。その処理について、図８のタイミングチャート及び図９のフローチャートを用いて説明する。
【００４５】
図９は、実施の形態１にかかるカラム処理回路６０のグローバルシャッタ動作を行う場合の動作を示すフローチャートである。まず時間ｔ１５において、信号φｓｅｌ１がハイになることによって、選択トランジスタ１４８がオンとなり、画素部５０−１が選択される。このとき、信号φｒｓｔ１ａがハイになることによって、ノード１４５がリセットされる。その後、時間ｔ１６において、信号φｔｘ１ｂがハイになることによって、ノード１４５には、キャパシタ１４２の電圧レベルが記録される。具体的には、時間ｔ１５においてノード１４５がリセットされることによって、ノード１４５には基準電圧が記録されている。ここで、ノード１４５の浮遊容量よりもキャパシタ１４２の容量のほうが十分大きい。したがって、時間ｔ１６において、基準電圧が記録されていたノード１４５がキャパシタ１４２により充電されると、ノード１４５の電圧レベルは、キャパシタ１４２の電圧レベルと略同一となる。
【００４６】
また、このとき、ノード１４５の電位は、アンプ１４７を介してカラム信号線１７０に伝送される。言い換えると、キャパシタ１４２の電圧レベルが、カラム信号線１７０に伝送される。負荷１７１に発生した電圧はプログラマブルアンプ１７２により増幅され、コンパレータａ１７３に伝送される。このとき、ランプ波形がコンパレータａ１７３に入力される。また、カウンタ１７４は、測定前に予めリセットされた状態である。
【００４７】
ランプ波形がコンパレータａ１７３に入力されると、カウンタ１７４は、キャパシタ１４２に蓄積されていた基準電位がプログラマブルアンプ１７２によって増幅されて得られた基準電圧値Ｖｓｔｄ１を、ダウン方向でカウントする。その後、プログラマブルアンプ１７２から出力される値とランプ波形の値とが一致すると、コンパレータａ１７３はカウンタ１７４にパルスを出力し、これにより、カウンタ１７４はカウンタ動作を停止する（Ｓ１０２）。このようにして、基準電圧値Ｖｓｔｄ１の正負が逆になった値に対応するカウンタ値が得られる。
【００４８】
次に、時間ｔ１７において、信号φｒｓｔ１ａがハイになることによって、ノード１４５が再びリセットされる。次に、時間ｔ１８において、信号φｔｘ１ｃがハイになることによって、時間ｔ１６における処理と同様にして、光信号が記録されていたキャパシタ１４４の電圧レベルが、アンプ１４７を介してカラム信号線１７０に出力される。
【００４９】
ここで、カラム処理回路６０では、ランプ波形がコンパレータａ１７３に供給されると、カウンタ１７４は、キャパシタ１４４に蓄積されていた第１の光信号の電圧レベルがプログラマブルアンプ１７２によって増幅されて得られた光信号電圧値Ｖｏｐｔ１を、アップ方向でカウントする。その後、プログラマブルアンプ１７２から出力される値とランプ波形の値とが一致すると、コンパレータａ１７３はカウンタ１７４にパルスを出力し、これにより、カウンタ１７４は、カウンタ動作を停止する（Ｓ１０３）。このようにして、光信号電圧値Ｖｏｐｔ１に対応するカウンタ値が得られる。
【００５０】
ここで、カウンタ１７４は、時間ｔ１６つまりＳ１０２では、ダウン方向に基準電圧値Ｖｓｔｄ１をカウントし、時間ｔ１７つまりＳ１０３では、アップ方向に光信号電圧値Ｖｏｐｔ１をカウントしている。したがって、カウンタ１７４は、基準電圧値Ｖｓｔｄ１と光信号電圧値Ｖｏｐｔ１との差分をカウントすることとなる。つまり、ＣＤＳ処理がなされたこととなる。このようにして、カウンタ１７４において、第１の期間Ｔ１で光電変換されて得られた第１の光信号の電圧値から基準電圧が減算された値に対応するカウンタ値が得られる。
【００５１】
第１の期間Ｔ１で得られた第１の光信号の読み出しが終わると、コンパレータｂ１７６は、カウンタ１７４によって得られたカウンタ値を、あらかじめ決められた電圧閾値Ｔｈ１ｖと比較する。つまり、コンパレータｂ１７６は、カウンタ１７４によって得られたカウンタ値が電圧閾値Ｔｈ１ｖ以上であるか否かを判断する（Ｓ１０４）。コンパレータｂ１７６は、第１の期間Ｔ１で得られた第１の光信号の値が電圧閾値Ｔｈ１ｖ以上である場合（Ｓ１０４のＹＥＳ）に、第２の期間Ｔ２で得られた第２の光信号を加算動作つまり合成動作を行うように、カウンタ１７４に指示する。一方、第１の期間Ｔ１で得られた第１の光信号の値が電圧閾値Ｔｈ１ｖよりも小さい場合（Ｓ１０４のＮＯ）、コンパレータｂ１７６は、第２の期間Ｔ２で得られた第２の光信号の加算動作つまり合成動作を行わないように、カウンタ１７４に指示する。
【００５２】
ここで、電圧閾値Ｔｈ１ｖは、第１の期間Ｔ１で得られた第１の光信号が電圧閾値Ｔｈ１ｖ以上である場合に、第１の期間Ｔ１で得られた第１の光信号のノイズが第２の期間Ｔ２で得られた第２の光信号のノイズ以上となるように、定められる。以下、電圧閾値Ｔｈ１ｖについて図１０を用いて説明する。
【００５３】
図１０は、第１の光信号のノイズと第２の光信号のノイズとを比較した図である。図１０において、太い実線は第１の光信号のノイズを示し、太い破線は第２の光信号のノイズを示す。図１０において、横軸は、それぞれの光信号の強度を示し、具体的には、それぞれの光信号の光電変換後の電子数を示す。また、縦軸は、それぞれの光信号におけるノイズを示し、具体的には、ノイズを電子数に換算したものである。
【００５４】
第２の期間Ｔ２で得られた第２の光信号は、フローティングディフュージョン１３３に記録されている。ここで、フローティングディフュージョン１３３で発生するノイズは非常に大きい。たとえば、基板１の裏面（図４の上側）から入射された光がフローティングディフュージョン１３３に達する光コンタミネーションが起こり、さらに、リーク電流により信号が減少するが、この光コンタミネーションがノイズになる。光コンタミネーションは、光信号の強度が大きくなるにつれて大きくなる。あるいは、フローティングディフュージョン１３３に記録するときのリセット電位は保存されていないので、熱雑音であるＫＴＣノイズが発生する。また、暗電流によるノイズも発生する。これらのノイズの合計は、図１０の太い破線で示すように、電子数にしてたとえば５０〜１００個程度となる。したがって、ダイナミックレンジを拡大させるために、このようなノイズを含む第２の光信号をこのまま第１の光信号と合成した場合、画素信号は、全体としてノイズの大きな光信号となってしまう。
【００５５】
一方、第１の期間Ｔ１で得られた第１の光信号は、キャパシタ１４４に記録されている。この第１の光信号にも、ノイズが発生する。第１の光信号に発生するノイズには、例えば、キャパシタのリーク電流によるノイズ、及び、ショットノイズがある。本実施の形態１においては、第１の光信号に発生するノイズとしてショットノイズを考慮する。ショットノイズは、光信号の平方根に等しい。つまり、ショットノイズは、図１０の太い実線で示すように、光信号の強度が大きくなるにつれて大きくなる。
【００５６】
また、図１０に示すように、光信号の強度が小さいときは、第１の光信号のノイズつまりショットノイズは、フローティングディフュージョン１３３に記録されている第２の光信号のノイズよりも小さい。このときに、第２の光信号を第１の光信号に合成すると、第２の光信号のノイズの影響が画質に現れてしまう。一方、光信号の強度が大きいときは、第１の光信号のノイズつまりショットノイズは、フローティングディフュージョン１３３に記録されている第２の光信号のノイズよりも大きい。このときに、第２の光信号を第１の光信号に合成しても、画質に現れる第２の光信号のノイズの影響は小さい。したがって、ダイナミックレンジを拡大するため、第１の光信号のノイズが第２の光信号のノイズ以上である場合に第２の光信号を第１の光信号に合成すればよい。
【００５７】
ここで、図１０に示すように、光信号の強度が強度閾値Ｔｈ１ａである場合に、第１の光信号のノイズが第２の光信号のノイズと等しくなる。例えば、フローティングディフュージョン１３３のノイズが電子数５０〜１００である場合、強度閾値Ｔｈ１ａは電子数２５００〜１００００となる。図１０では、強度閾値Ｔｈ１ａは、１０４つまり１００００である。なお、図１０においては、フローティングディフュージョン１３３のノイズはＫＴＣノイズ、暗電流及び光コンタミネーションであるとしたが、これに限られない。したがって、強度閾値Ｔｈ１ａは、固体撮像装置１００を用いて実際に光強度及びノイズを測定することによって定められる。
【００５８】
したがって、第１の光信号の強度が強度閾値Ｔｈ１ａ以上である場合には、第１の光信号のノイズが第２の光信号のノイズ以上であるので、カラム処理回路６０は、第２の光信号を第１の光信号に合成してもよい。一方、第１の光信号の強度が強度閾値Ｔｈ１ａよりも小さい場合には、第１の光信号のノイズが第２の光信号のノイズよりも小さいので、カラム処理回路６０は、第２の光信号を第１の光信号に合成しない。
【００５９】
ここで、電圧閾値Ｔｈ１ｖは、強度閾値Ｔｈ１ａに対応するように定められる。つまり、画素部５０に蓄積された光信号の強度が強度閾値Ｔｈ１ａである場合に、カウンタ１７４のカウンタ値が電圧閾値Ｔｈ１ｖとなるように、電圧閾値Ｔｈ１ｖは定められている。また、画素部５０に蓄積された光信号の強度が大きいほど、カウンタ１７４のカウンタ値は大きくなる。したがって、カウンタ値が電圧閾値Ｔｈ１ｖ以上である場合は、第１の光信号の強度が強度閾値Ｔｈ１ａ以上となっている。同様に、カウンタ値が電圧閾値Ｔｈ１ｖよりも小さい場合は、第１の光信号の強度が強度閾値Ｔｈ１ａよりも小さくなっている。
【００６０】
カウンタ値が電圧閾値Ｔｈ１ｖ以上である場合（Ｓ１０４のＹＥＳ）、コンパレータｂ１７６は、カウンタ１７４に加算可能を示す信号を出力する。これにより、カウンタ１７４は加算動作を行う。この加算動作は、次のように、Ｓ１０３で得られたカウンタ値に続けてさらにＳ１０５及びＳ１０６のカウンタ動作を行うことによって行われる。時間ｗ１３において、信号φｌｄ１，φｔｘ１ａがハイになると、フローティングディフュージョン１３３に蓄積されていた、第２の期間Ｔ２で得られた第２の光信号が、アンプトランジスタ１３４及び接続部１３６を介して基板２のノード１４５に伝達される。このとき選択トランジスタ１４８がオンとなっているので、アンプ１４７は、ノード１４５に伝達された第２の光信号をカラム信号線１７０に出力する。つまり、ノード１４５の電位つまり第２の光信号の電位が、アンプ１４７を介してカラム信号線１７０に伝送される。
【００６１】
言い換えると、フローティングディフュージョン１３３に蓄積されていた第２の光信号の電圧レベルが、カラム信号線１７０に伝送される。上述したように、負荷１７１に発生した電圧はプログラマブルアンプ１７２により増幅され、コンパレータａ１７３に伝送される。このとき、ランプ波形がコンパレータａ１７３に入力される。ランプ波形がコンパレータａ１７３に入力されると、カウンタ１７４は、フローティングディフュージョン１３３に蓄積されていた第２の光信号の電圧レベルがプログラマブルアンプ１７２によって増幅されて得られた光信号電圧値Ｖｏｐｔ２を、アップ方向でカウントする。そして、プログラマブルアンプ１７２から出力される値とランプ波形の値とが一致すると、コンパレータａ１７３はカウンタ１７４にパルスを出力する。これにより、カウンタ１７４は、カウンタ動作を停止する（Ｓ１０５）。このようにして、光信号電圧値Ｖｏｐｔ２に対応するカウンタ値が得られる。なお、実際には、このときのカウンタ１７４におけるカウンタ値は、Ｓ１０３で得られた、第１の光信号の電圧値から基準電圧が減算された値に対応するカウンタ値に、さらに第２の光信号の電圧値に対応するカウンタ値が加算された状態となっている。
【００６２】
次に、時間ｗ１４においてφｒｓｔ１がハイになると、フローティングディフュージョン１３３がリセットされる。つまり、このとき、フローティングディフュージョン１３３に、基準電位に対応する電位が記録される。次に、時間ｗ１５において、この基準電位が、アンプトランジスタ１３４及び接続部１３６を介して基板２のノード１４５に伝達される。このとき選択トランジスタ１４８がオンとなっているので、ｗ１３及びＳ１０５と同様にして、アンプ１４７は、ノード１４５に伝達された基準電位をカラム信号線１７０に出力する。つまり、ノード１４５の電位つまり基準電位が、アンプ１４７を介してカラム信号線１７０に伝送される。
【００６３】
ここで、カラム処理回路６０のカウンタ１７４は、フローティングディフュージョン１３３に蓄積されていた基準電位がプログラマブルアンプ１７２によって増幅されて得られた基準電圧値Ｖｓｔｄ２を、ダウン方向でカウントする。そして、プログラマブルアンプ１７２から出力される値とランプ波形の値とが一致すると、コンパレータａ１７３はカウンタ１７４にパルスを出力する。これにより、カウンタ１７４は、カウンタ動作を停止する（Ｓ１０６）。
【００６４】
このようにして、第２の期間Ｔ２で得られた第２の光信号に対するＣＤＳ処理が終了する。また、このときのカウンタ１７４のカウンタ値は、第１の期間Ｔ１で得られた第１の光信号、及び、第２の期間Ｔ２で得られた第２の光信号が、それぞれＣＤＳ処理の終わった状態で加算されたものに対応する値となっている。
【００６５】
一方、Ｓ１０３が終了したときにおけるカウンタ１７４のカウンタ値が電圧閾値Ｔｈ１ｖよりも小さい場合（Ｓ１０４のＮＯ）、加算動作は行われない。つまり、コンパレータｂ１７６は、カウンタ１７４に加算不可能を示す信号を出力する。これにより、カウンタ１７４は第２の光信号がカラム信号線１７０に出力されている間、つまり時間ｗ１３〜ｗ１５の間、動作を停止する。したがって、カウンタ１７４には、第１の期間Ｔ１で得られた第１の光信号の処理結果のみが残る。
【００６６】
次に、カウンタ１７４は、カウンタ値をメモリ１７５に移動させる。メモリ１７５は、第１の光信号と第２の光信号とが合成された状態のカウンタ値（Ｓ１０５及びＳ１０６を経由した場合）、又は、第１の光信号のみのカウンタ値（Ｓ１０５及びＳ１０６を経由しなかった場合）を蓄積する（Ｓ１０７）。最後に、水平走査回路１７７によって、メモリ１７５に蓄積されたカウンタ値が読み出される（Ｓ１０８）。水平走査回路１７７は、画素信号のデジタル値に対応するカウンタ値を、次の回路にカラムごとに送信する。これにより、画素１行分の処理が終了する。
【００６７】
次に、時間ｔ２５〜ｗ２５において、次の画素部５０−２について、上述した時間ｔ１５〜ｗ２５と同様の処理が行われる。つまり、画素部５０−２についての画素信号に対応するカウンタ値つまりデジタル値が読み出される。このようにして、カラム信号線１７０に接続された全ての画素部５０について画素信号を読み出すと、１つの画像すべてにおける信号読み出しが終了する。
【００６８】
図１１は、実施の形態１における光量と光信号との関係を示すグラフである。図１１において、横軸はフォトダイオード１３０に蓄積された光量を示し、縦軸は画素部５０から読み出される光信号の電圧レベルを示す。また、実線は、画素部５０から読み出される光信号を示す。また、破線は、長時間（第１の期間Ｔ１）露光して得られた光信号、又は、短時間（第２の期間Ｔ２）露光して得られた光信号を示す。図１１に示すように、光信号は光量に比例して増加するが、ダイナミックレンジの上限に達すると、ある光信号の電圧レベルで飽和してしまう。
【００６９】
一方、本実施の形態１においては、図１１の実線で示すように、第１の期間Ｔ１で得られた第１の光信号の電圧レベルが予め定められた閾値に達するまでは、読み出される光信号は、第１の期間Ｔ１で得られた第１の光信号のみである。ここで、「予め定められた閾値」とは、電圧閾値Ｔｈ１ｖに対応する電圧レベルである。そして、第１の期間Ｔ１で得られた第１の光信号の電圧レベルが予め定められた閾値に達すると、この第１の光信号に、第２の期間Ｔ２で得られた第２の光信号が合成された光信号が読み出される。すると、第１の期間Ｔ１で得られた第１の光信号の電圧レベルが飽和したあとであっても、光量が増加するにつれて、第１の光信号と第２の光信号とが合成された光信号は、増加し続ける。この結果、ダイナミックレンジが拡大され得る。
【００７０】
上述したように、本実施の形態１においては、グローバルシャッタ動作の場合、第２の期間Ｔ２つまり短時間露光で得られた第２の光信号は、フローティングディフュージョン１３３，１５３に蓄積される。ここで、フローティングディフュージョン１３３，１５３は、拡散層で構成されている微小容量であり、既存の固体撮像装置にも設けられている。したがって、本実施の形態１にかかる固体撮像装置１００は、キャパシタの数を増加させることなくダイナミックレンジを拡大することが可能である。
【００７１】
さらに、上述したように、光信号の合成は、第１の光信号が予め定められた閾値以上である場合のみに行われるので、第２の光信号が合成されることによりノイズの影響が増加することも、抑制することができる。つまり、単にフローティングディフュージョンを短時間露光で得られた光信号を蓄積するために用いると、フローティングディフュージョンで発生するノイズのため、フローティングディフュージョンに蓄積された光信号の合成により、画質が劣化する可能性がある。これにより、フローティングディフュージョンを光信号の蓄積手段として用いることはできない。一方、本実施の形態１においては、フローティングディフュージョンに蓄積された光信号のノイズの影響が画質に現れない場合に、フローティングディフュージョンに蓄積された光信号が合成される。したがって、本実施の形態１においては、フローティングディフュージョンを用いてもノイズの影響が増加することを抑制することが可能となる。つまり、本実施の形態１においては、キャパシタの数を増加させることなく、ノイズの影響が増加することを抑制しつつダイナミックレンジを拡大することが可能となる。
【００７２】
（ローリングシャッタ動作）
次に、ローリングシャッタ動作について説明する。ローリングシャッタ動作では、グローバルシャッタ動作のように全画素で一斉に処理がなされるのではなく、行ごとに処理がなされる。グローバルシャッタ動作では、全画素で一斉に露光が行われるので、全画素において画素信号の時間情報が揃っている。したがって、グローバルシャッタ動作おいては、ゆがみのない画像が得られる。
【００７３】
一方、一般的には、ローリングシャッタ動作の方がグローバルシャッタ動作よりもノイズが少ないという特徴がある。グローバルシャッタ動作では、全画素で一斉に露光が行われて一斉に画素信号が蓄積された後、蓄積された画素信号は、行ごとに順次読み出される。したがって、より下側の行に位置する画素では、画素信号を保持する時間が長くなる。この保持する時間が長いほど、保持された信号電荷に重畳するノイズが多くなり、したがって、画質が劣化する。これに対し、ローリングシャッタ動作の場合は、行ごとに順次露光が行われて順次画素信号が蓄積された後、蓄積された画素信号は、行ごとに順次読み出される。したがって、画素信号を蓄積部で保持している必要がないか又は保持する時間が短くてよい。これにより、ノイズを低減させることが可能となる。
【００７４】
本実施の形態１においても、ローリングシャッタ動作を行うことにより、グローバルシャッタ動作の場合よりも画素信号を保持する時間を短くすることができる。したがって、保持された画素信号に重畳するノイズを低減させることが可能となる。したがって、画像の歪みが問題にならない被写体を撮像する場合はローリングシャッタ動作を用い、画像の歪みを回避したい被写体を撮像する場合にはグローバルシャッタを用いるといった、使い分けをすることができる。
【００７５】
以下、実施の形態１において、ローリングシャッタ動作を行う場合にダイナミックレンジを拡大する方法について説明する。なお、ローリングシャッタ動作を行う場合も、固体撮像装置１００の回路構成は、図５〜図７と同様である。つまり、同様の回路構成で、グローバルシャッタ動作及びローリングシャッタ動作の両方を行うことができる。
【００７６】
図１２は、ローリングシャッタ動作のタイミングチャートを示す図である。また、図１３は、実施の形態１にかかるカラム処理回路６０のローリングシャッタ動作を行う場合の動作を示すフローチャートである。以下に説明するローリングシャッタ動作では、画素部５０−１についての処理がなされ、次に、画素部５０−２についての処理がなされる。
【００７７】
まず、時間ｇ１１において、信号φｒｓｔ１がハイになることにより、フローティングディフュージョン１３３がリセットされる。次に、時間ｇ１２において、信号φｔｘ１がハイになることによって、フォトダイオード１３０に蓄積されていた電子が、フローティングディフュージョン１３３に転送される。これにより、フォトダイオード１３０内の電子は空になる。これ以降、この状態でフォトダイオード１３０に光が入射されるように露光、つまり光電変換が行われる。この光電変換は、時間ｇ１２が終わったときから、次にフォトダイオード１３０からフローティングディフュージョン１３３に電子が転送され転送が終了するまで、つまり時間ｒ１０３が終わるまでの間、行われる。この、時間ｇ１２が終わったときから、時間ｒ１０３が終わるまでの期間が、第１の期間Ｔ１である。
【００７８】
一方、時間ｇ２１において、信号φｒｓｔ２がハイになることにより、フローティングディフュージョン１５３がリセットされる。次に、時間ｇ２２において、信号φｔｘ２がハイになることによって、フォトダイオード１５０に蓄積されていた電子が、フローティングディフュージョン１５３に転送される。これにより、フォトダイオード１５０内の電子は空になる。これ以降、この状態でフォトダイオード１５０に光が入射されるように露光、つまり光電変換が行われる。この光電変換は、時間ｇ２２が終わったときから、次にフォトダイオード１５０からフローティングディフュージョン１５３に電子が転送され転送が終了するまで、つまり時間ｒ２０３が終わるまでの間、行われる。この、時間ｇ２２が終わったときから、時間ｒ２０３が終わるまでの期間が、第１の期間Ｔ１である。
【００７９】
次に、時間ｒ１０１〜ｒ１０４において、画素部５０−１についての処理がなされる。具体的には、時間ｒ１０１において、信号φｒｓｔ１がハイになることにより、フローティングディフュージョン１３３がリセットされる。また、このとき、信号φｒｓｔ１ａ，φｔｘ１ｂ，φｔｘ１ｃがハイになることによって、キャパシタ１４２，１４４がリセットされる。次に時間ｒ１０２〜ｒ１０４で信号φｌｄ１，φｔｘ１ａがハイとなる。また、時間ｒ１０２で信号φｔｘ１ｂがハイとなることによって、フローティングディフュージョン１３３のリセットした電位つまり基準電位が、アンプトランジスタ１３４で増幅され、キャパシタ１４２に記録される。
【００８０】
このとき、上述したように、フォトダイオード１３０には、第１の期間Ｔ１の間になされた光電変換により発生した電荷が蓄積されている。時間ｒ１０３において、信号φｔｘ１ｂがローになり信号φｔｘ１がハイになると、フォトダイオード１３０の電荷（ここでは電子）がフローティングディフュージョン１３３に転送され、フローティングディフュージョン１３３の電位が変動する。次に時間ｒ１０４において、信号φｔｘ１がローになり信号φｔｘ１ｃがハイになると、フローティングディフュージョン１３３の電荷転送後の電位が、アンプトランジスタ１３４で増幅されてキャパシタ１４４に記録される。このようにして、第１の期間Ｔ１で得られた第１の光信号が、キャパシタ１４２，１４４つまり第１の光信号蓄積手段に記録される。
【００８１】
また、フォトダイオード１３０では、時間ｒ１０３での電荷転送後の時間ｒ１０４以降、第２の期間Ｔ２における第２の光信号の蓄積がフォトダイオード１５０で行われている。第２の期間Ｔ２は、時間ｒ１０３が終わったときから、次にフォトダイオード１３０からフローティングディフュージョン１３３に電子が転送され転送が終了するまで、つまり時間ｒ１１０が終わるまでの期間である。ここで、ローリングシャッタ動作においても、上述したグローバルシャッタ動作と同様に、第１の期間Ｔ１は、第２の期間Ｔ２よりも長くなるように構成されている。
【００８２】
一方、時間ｒ２０１〜ｒ２０４において、画素部５０−２について、時間ｒ１０１〜ｒ１０４と同様にして、第１の期間Ｔ１で得られた第１の光信号が、第１の光信号蓄積手段（具体的にはキャパシタ１６２，１６４）に記録される。この画素部５０−２でも、ｒ２０３での電荷転送後の時間ｒ２０４以降は、フォトダイオード１５０で第２の期間Ｔ２における第２の光信号の蓄積が行われている。
【００８３】
所定の時間が過ぎると、画素部５０−１において信号の読み出しが行われる。時間ｒ１０５において信号φｓｅｌ１がハイになると、画素部５０−１はカラム信号線１７０と接続される。このとき、信号φｒｓｔ１，φｒｓｔ１ａがハイになると、フローティングディフュージョン１３３及びノード１４５がリセットされる。これにより、フローティングディフュージョン１３３に、基準電位に対応する電位が記録される。次に、時間ｒ１０６において、信号φｔｘｂ１がハイになると、キャパシタ１４２の電位が、アンプ１４７を介してカラム信号線１７０に伝送される。
【００８４】
カラム信号線１７０に接続されたカラム処理回路６０では、図１３のＳ２０２において、Ｓ１０２と同様に、カウンタ１７４は、キャパシタ１４２に蓄積されていた基準電位がプログラマブルアンプ１７２によって増幅されて得られた基準電圧値Ｖｓｔｄ１を、ダウン方向でカウントする。次に、時間ｒ１０７において、信号φｒｓｔ１ａがハイになることによって、ノード１４５がリセットされる。次に、時間ｒ１０８において、信号φｔｘ１ｃがハイになることによって、キャパシタ１４４の電位つまり第１の光信号の電位がアンプ１４７を介してカラム信号線１７０に伝送される。この時間において、図１３のＳ２０３で、Ｓ１０３と同様に、カウンタ１７４は、キャパシタ１４４に蓄積されていた第１の光信号の電圧レベルがプログラマブルアンプ１７２によって増幅されて得られた光信号電圧値Ｖｏｐｔ１を、アップ方向でカウントする。これによって、キャパシタ１４２に蓄積された基準電圧値Ｖｓｔｄ１とキャパシタ１４４に蓄積された光信号電圧値Ｖｏｐｔ１との差分についてＣＤＳ処理された、第１の期間Ｔ１で得られた第１の光信号に対応するカウンタ値がカウンタに残る。
【００８５】
次に、図１３のＳ２０４において、コンパレータｂ１７６は、カウンタ値が予め定められた閾値である電圧閾値Ｔｈ２ｖ以上であるか否かを判断する。ここで重要なのは、電圧閾値Ｔｈ２ｖが、グローバルシャッタ動作の場合の閾値である電圧閾値Ｔｈ１ｖと異なるということである。グローバルシャッタ動作の場合は、第２の期間Ｔ２で得られる第２の光信号は、フローティングディフュージョン１３３，１５３に保存されている。この場合はＫＴＣノイズ及びリーク電流等によるノイズが大きいため、電圧閾値Ｔｈ１ｖが閾値となる。これに対し、ローリングシャッタ動作の場合は、第２の期間Ｔ２で得られる第２の光信号を、フォトダイオード１３０，１５０に保存することが可能である。ここで、フォトダイオード１３０，１５０に蓄積される電子に対するノイズは、フローティングディフュージョン１３３，１５３におけるノイズと比較して遥かに小さい。したがって、電圧閾値Ｔｈ２ｖを電圧閾値Ｔｈ１ｖよりも小さくしてもよい。なお、ノイズの値については、グローバルシャッタ動作の場合が電子数にして５０〜１００個だったのに対して、ローリングシャッタ動作の場合は５〜１０個と一桁小さい。この結果、電圧閾値Ｔｈ２ｖに対応する強度閾値Ｔｈ２Ａは電子数にして２５〜１００個となり、グローバルシャッタ動作における強度閾値Ｔｈ１Ａ（約１００００個程度）に対して２桁小さい。
【００８６】
このようにカウンタ値と電圧閾値Ｔｈ２ｖとを比較して、ＣＤＳ処理後の第１の期間Ｔ１で得られた第１の光信号つまりカウンタ値の方が大きい場合（Ｓ２０４のＹＥＳ）、カウンタ１７４は、第２の期間Ｔ２で得られた第２の光信号を読み出す際に、その加算動作を行う。この加算動作は、次のように、Ｓ２０３で得られたカウンタ値に続けてさらにＳ２０５及びＳ２０６のカウンタ動作を行うことによって行われる。
【００８７】
時間ｒ１０９において、信号φｌｄ１，φｔｘ１ａがハイになると、時間ｒ１０５においてリセットされて蓄積されたフローティングディフュージョン１３３の電位が、アンプトランジスタ１３４を通してノード１４５に伝送される。つまり、フローティングディフュージョン１３３に蓄積されていた基準電位が、ノード１４５に伝送される。このとき選択トランジスタ１４８がオンとなっているので、ｗ１５及びＳ１０６と同様にして、ノード１４５に伝達された基準電位は、アンプ１４７を介してカラム信号線１７０に出力される。カラム処理回路６０のカウンタ１７４は、フローティングディフュージョン１３３に蓄積されていた基準電位がプログラマブルアンプ１７２によって増幅されて得られた基準電圧値Ｖｓｔｄ２を、ダウン方向でカウントする（Ｓ２０５）。
【００８８】
次に、時間ｒ１１０において、信号φｔｘ１がハイになると、フォトダイオード１３０に蓄積されていた電荷がフローティングディフュージョン１３３に転送される。言い換えると、第２の期間Ｔ２でフォトダイオード１３０に蓄積されていた第２の光信号がフローティングディフュージョン１３３に転送される。これにより、フローティングディフュージョン１３３の電位が変動する。次に、時間ｒ１１１において、信号φｔｘ１がローになると、電荷の転送が終了する。そして、フローティングディフュージョン１３３の電位がアンプトランジスタ１３４を介してノード１４５に伝送される。さらに、ノード１４５の電位がアンプ１４７を介してカラム信号線１７０に伝送される。そして、ｗ１３及びＳ１０５と同様に、カラム処理回路６０のカウンタ１７４は、フォトダイオード１３０に蓄積されていた第２の光信号の電圧レベルが増幅されて得られた光信号電圧値Ｖｏｐｔ２を、アップ方向でカウントする（Ｓ２０６）。これにより、第２の期間Ｔ２で得られた第２の光信号についてＣＤＳ動作が行われる。また、このときのカウンタ１７４のカウンタ値は、第１の期間Ｔ１で得られた第１の光信号、及び、第２の期間Ｔ２で得られた第２の光信号が、それぞれＣＤＳ処理の終わった状態で加算されたものに対応する値となっている。
【００８９】
なお、Ｓ２０５及びＳ２０６の処理におけるアップ方向のカウント及びダウン方向のカウントの順序が、Ｓ１０５及びＳ１０６の処理におけるアップ方向のカウント及びダウン方向のカウントの順序と逆になっている。つまり、図９に示したグローバルシャッタ動作の場合においては、Ｓ１０５で光信号電圧値Ｖｏｐｔ２をアップ方向でカウントし、その後、Ｓ１０６で基準電圧値Ｖｓｔｄ２をダウン方向でカウントしている。一方、図１３に示したローリングシャッタ動作の場合においては、Ｓ２０５で基準電圧値Ｖｓｔｄ２をダウン方向でカウントし、その後、Ｓ２０６で光信号電圧値Ｖｏｐｔ２をアップ方向でカウントしている。なぜならば、第２の期間Ｔ２で得られた第２の光信号の蓄積場所が、グローバルシャッタ動作の場合とローリングシャッタ動作の場合とで異なるので、その第２の光信号の読み出し方法が異なっているからである。具体的には、グローバルシャッタ動作の場合においては、第２の光信号はフローティングディフュージョン１３３に蓄積されおり、基準電位は第２の光信号が読み出された後でフローティングディフュージョン１３３に蓄積される。一方、ローリングシャッタ動作の場合においては、第２の光信号はフォトダイオード１３０に蓄積されており、基準電位は第２の光信号が読み出される前にフローティングディフュージョン１３３に蓄積されている。ここで、図６に示すように、フローティングディフュージョン１３３の方がフォトダイオード１３０よりもカラム信号線１７０に近い位置に設けられている。したがって、グローバルシャッタ動作の場合は先に第２の光信号が読み出され、ローリングシャッタ動作の場合は先に基準電位が読み出される。
【００９０】
一方、Ｓ２０３が終了したときにおけるカウンタ１７４のカウンタ値が電圧閾値Ｔｈ２ｖよりも小さい場合（Ｓ２０４のＮＯ）、加算動作は行われない。つまり、コンパレータｂ１７６は、カウンタ１７４に加算不可能を示す信号を出力する。これにより、カウンタ１７４は第２の光信号がカラム信号線１７０に出力されている間、つまり時間ｒ１０９〜ｒ１１１の間、動作を停止する。したがって、カウンタ１７４には、第１の期間Ｔ１で得られた第１の光信号の処理結果のみが残る。
【００９１】
次に、カウンタ１７４は、カウンタ値をメモリ１７５に移動させる。メモリ１７５は、第１の光信号と第２の光信号とが合成された状態のカウンタ値（Ｓ２０５及びＳ２０６を経由した場合）、又は、第１の光信号のみのカウンタ値（Ｓ２０５及びＳ２０６を経由しなかった場合）を蓄積する（Ｓ２０７）。最後に、水平走査回路１７７によって、メモリ１７５に蓄積されたカウンタ値が読み出され、水平走査回路１７７は、画素信号のデジタル値に対応するカウンタ値を、次の回路にカラムごとに送信する。（Ｓ２０８）。
【００９２】
次に、時間ｒ２０５〜ｒ２１１において、次の画素部５０−２について、上述した時間ｒ１０５〜ｒ１１１と同様の処理が行われる。つまり、画素部５０−２についての画素信号に対応するカウンタ値つまりデジタル値が読み出される。このようにして、カラム信号線１７０に接続された全ての画素部５０について画素信号を読み出すと、１つの画像すべてにおける信号読み出しが終了する。
【００９３】
このようにして、ローリングシャッタ動作においても、グローバルシャッタ動作と同様に、ノイズの増加を抑制しつつ、ダイナミックレンジを拡大することが可能となる。つまり、本実施の形態１においては、ローリングシャッタ動作の場合は、短時間露光で得られた光信号はフォトダイオード１３０，１５０に蓄積される。したがって、本実施の形態１にかかる固体撮像装置１００は、キャパシタの数を増加させることなくダイナミックレンジを拡大することが可能である。さらに、短時間露光で得られた光信号がフローティングディフュージョン１３３，１５３ではなくフォトダイオード１３０，１５０に蓄積されることによって、画質に対するノイズの影響を抑制することが可能となる。また、上述したように、短時間露光で得られた光信号を長時間露光で得られた光信号に合成するための閾値について、ローリングシャッタ動作の場合の閾値である電圧閾値Ｔｈ２ｖは、グローバルシャッタ動作の場合の閾値である電圧閾値Ｔｈ１ｖよりも短くてよい。したがって、ローリングシャッタ動作の場合は、長時間露光で得られた光信号が小さい場合であっても、短時間露光で得られた光信号を長時間露光で得られた光信号に合成することが可能となる。
【００９４】
（変形例）
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上述したフローチャートにおいて、各ステップの１つ以上は、適宜、省略され得る。例えば、図９のＳ１０７の処理はなくてもよい。また、上述したフローチャートにおいて、各ステップの順序は、適宜、変更され得る。例えば、図９のＳ１０２及びＳ１０３の順序は逆であってもよい。これらの変更については、図１３においても同様である。
【００９５】
また、上述した実施の形態においては、第１の期間Ｔ１で得られた第１の光信号が予め定められた閾値以上である場合に、第１の期間Ｔ１で得られた第１の光信号のノイズが第２の期間Ｔ２で得られた第２の光信号のノイズ以上であるとしている。そして、実施の形態１においては、その場合に、第２の光信号が第１の光信号に合成されるように構成されている。しかしながら、本実施の形態はこのような構成に限られない。本実施の形態は、実際にそれぞれの光信号のノイズを計測して、第１の光信号のノイズと第２の光信号のノイズとを比較するように構成してもよい。一方、実際に光信号のノイズを計測するのは、単に光信号と閾値とを比較することよりも困難である。したがって、第１の光信号が予め定められた閾値以上である場合に第２の光信号が第１の光信号に合成されるように構成することにより、より容易に、ダイナミックレンジを拡大することが可能となる。
【００９６】
また、実施の形態１においては、コンパレータ及びカウンタを用いてＣＤＳ処理を行っているが、このような構成に限られない。ＣＤＳ処理は、キャパシタを用いたクランプ回路によって行われるようにしてもよいし、差分増幅器を用いて行われるようにしてもよい。また、ＡＤ変換についても、上述した実施の形態１にかかる方法に限られない。ＡＤ変換器としてパイプライン型のものを用いるように構成してもよい。
【符号の説明】
【００９７】
１００  固体撮像装置
１，２  基板
５０  画素部
１３０，１５０  フォトダイオード
１３１，１５１  転送トランジスタ
１３２，１５２，１４６，１６６  リセットトランジスタ
１３３，１５３  フローティングディフュージョン
１４２，１４４，１６２，１６４  キャパシタ
１４８，１６８  選択トランジスタ
１７０  カラム信号線
６０  カラム処理回路
１７２  プログラマブルアンプ
１７３  コンパレータａ
１７４  カウンタ
１７６  コンパレータｂ
【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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