(57)【要約】【課題】電源電圧の変動や、画質に影響するノイズを低減することができる固体撮像装置およびその駆動方法を提供する。【解決手段】固体撮像素子20は、蓄積期間外にフォトダイオードのリセットを行い、蓄積期間の開始時に所定領域の全画素のフォトダイオードのリセットを同時に解除し、蓄積期間の終了後に所定領域の全画素のフォトダイオードから信号電荷を読み出す制御を行う。光量計測部21は撮像時の外部の光量を計測する。リセットレベル制御部22は、光量の計測結果に基づいて、フォトダイオードのリセットを行う際のリセットレベルを制御する。【選択図】図１
2011205469.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射した光を信号電荷に変換して蓄積する光電変換部と、
前記光電変換部に蓄積された信号電荷をリセットする第１のリセット部と、
前記光電変換部から前記信号電荷を読み出す読み出し部と、
前記読み出し部を通して読み出された前記信号電荷を保持する電荷保持部と、
前記電荷保持部に保持された前記信号電荷を増幅する増幅部と、
前記電荷保持部に保持された前記信号電荷をリセットする第２のリセット部と、
特定の画素を選択する選択部と、
を備えた画素が２次元状に配列され、蓄積期間外に前記第１のリセット部にリセットを行わせ、前記蓄積期間の開始時に所定領域の全画素の前記第１のリセット部によるリセットを同時に解除し、前記蓄積期間の終了後に前記所定領域の全画素の前記読み出し部に同時に前記信号電荷を読み出させる固体撮像装置の駆動方法であって、
撮像時の外部の光量を計測する第１のステップと、
前記光量の計測結果に基づいて、前記第１のリセット部がリセットを行う際の前記光電変換部のリセットレベルを制御する第２のステップと、
を有することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項２】
入射した光を信号電荷に変換して蓄積する光電変換部と、
前記光電変換部に蓄積された信号電荷をリセットする第１のリセット部と、
前記光電変換部から前記信号電荷を読み出す読み出し部と、
前記読み出し部を通して読み出された前記信号電荷を保持する電荷保持部と、
前記電荷保持部に保持された前記信号電荷を増幅する増幅部と、
前記電荷保持部に保持された前記信号電荷をリセットする第２のリセット部と、
特定の画素を選択する選択部と、
を備えた画素が２次元状に配列され、蓄積期間外に前記第１のリセット部にリセットを行わせ、前記蓄積期間の開始時に所定領域の全画素の前記第１のリセット部によるリセットを同時に解除し、前記蓄積期間の終了後に前記所定領域の全画素の前記読み出し部に同時に前記信号電荷を読み出させる固体撮像装置の駆動方法であって、
撮像時の外部の光量を計測する第１のステップと、
前記光量の計測結果に基づいて、前記第１のリセット部がリセットを行うリセットタイミングを制御する第２のステップと、
を有することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項３】
前記第２のステップでは、前記光量の計測結果に基づいて、前記第１のリセット部がリセットを行う際の前記光電変換部のリセットレベルと、前記第１のリセット部がリセットを行うリセットタイミングとを制御することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項４】
入射した光を信号電荷に変換して蓄積する光電変換部と、
前記光電変換部に蓄積された信号電荷をリセットする第１のリセット部と、
前記光電変換部から前記信号電荷を読み出す読み出し部と、
前記読み出し部を通して読み出された前記信号電荷を保持する電荷保持部と、
前記電荷保持部に保持された前記信号電荷を増幅する増幅部と、
前記電荷保持部に保持された前記信号電荷をリセットする第２のリセット部と、
前記増幅部の出力を出力信号として出力する特定の画素を選択する選択部と、
を備え、２次元状に配列された画素と、
蓄積期間外に前記第１のリセット部にリセットを行わせ、前記蓄積期間の開始時に所定領域の全画素の前記第１のリセット部によるリセットを同時に解除し、前記蓄積期間の終了後に前記所定領域の全画素の前記読み出し部に同時に前記信号電荷を読み出させる読み出し制御部と、
撮像時の外部の光量を計測する光量計測部と、
前記光量の計測結果に基づいて、前記第１のリセット部がリセットを行う際の前記光電変換部のリセットレベルを制御するリセットレベル制御部と、
を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項５】
入射した光を信号電荷に変換して蓄積する光電変換部と、
前記光電変換部に蓄積された信号電荷をリセットする第１のリセット部と、
前記光電変換部から前記信号電荷を読み出す読み出し部と、
前記読み出し部を通して読み出された前記信号電荷を保持する電荷保持部と、
前記電荷保持部に保持された前記信号電荷を増幅する増幅部と、
前記電荷保持部に保持された前記信号電荷をリセットする第２のリセット部と、
前記増幅部の出力を出力信号として出力する特定の画素を選択する選択部と、
を備え、２次元状に配列された画素と、
蓄積期間外に前記第１のリセット部にリセットを行わせ、前記蓄積期間の開始時に所定領域の全画素の前記第１のリセット部によるリセットを同時に解除し、前記蓄積期間の終了後に前記所定領域の全画素の前記読み出し部に同時に前記信号電荷を読み出させる読み出し制御部と、
撮像時の外部の光量を計測する光量計測部と、
前記光量の計測結果に基づいて、前記第１のリセット部がリセットを行うリセットタイミングを制御するリセットタイミング制御部と、
を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項６】
前記光量計測部が前記画素と同一の半導体基板上に形成されていることを特徴とする請求項５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、固体撮像素子を用いたデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラなどの固体撮像装置およびその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の固体撮像素子（イメージセンサ）の信号読み出し方法として、行列状（2次元状）に配列された画素の一行を読み出しの単位として、順次、信号の読み出しを行うローリングシャッタ方式がある。しかし、ローリングシャッタ方式では、フォトダイオードにおける信号電荷の蓄積開始および蓄積終了のタイミングが各行毎に異なる駆動方法が採られている。そのため、速く動く被写体の形状が歪んで撮られたり、蛍光灯のフリッカが画像に現れたりする場合があった。
【０００３】
これを解決する信号読み出し方法として、全画素のフォトダイオードで一括して信号電荷の蓄積開始および蓄積終了を行うグローバルシャッタ方式がある（例えば、特許文献1参照）。以下、グローバルシャッタ方式について説明する。
【０００４】
図6は、固体撮像素子の画素構成を示している。図6に示す画素は、フォトダイオードPD1と、電荷保持部FD（フローティングディフュージョン）と、転送トランジスタM1と、FDリセットトランジスタM2と、増幅トランジスタM3と、選択トランジスタM4と、PDリセットトランジスタM5とを有する。また、PDリセットスイッチ線101と、転送スイッチ線102と、FDリセットスイッチ線103と、選択スイッチ線104と、信号出力線9（垂直信号線）とは複数の画素間で共有される。
【０００５】
フォトダイオードPD1 は、蓄積される信号電荷量が入射される光に応じて変化する光電変換素子である。電荷保持部FDは、フォトダイオードPD1から転送された信号電荷を保持する電荷保持機能を有する拡散浮遊領域である。転送トランジスタM1 は、フォトダイオードPD1 で発生した信号電荷を電荷保持部FD に転送する（読み出す）ためのトランジスタである。FDリセットトランジスタM2 は、電荷保持部FDに保持された信号電荷 をリセットするためのトランジスタである。増幅トランジスタM3 は、電荷保持部FD の電圧レベルを増幅して読み出すためのトランジスタである。選択トランジスタM4 は、増幅トランジスタM3の電圧信号を出力する特定の画素を選択し、信号出力線9 に増幅トランジスタM3 の出力を伝えるためのトランジスタである。PDリセットトランジスタM5は、フォトダイオードPD1に蓄積された信号電荷をリセットするためのトランジスタである。ここで、フォトダイオードPD1 以外は遮光されている。
【０００６】
PDリセットスイッチ線101 は、1行分のフォトダイオードPD1の信号電荷をリセットするためのPDリセットパルスφ101が印加される配線であり、1行分のPDリセットトランジスタM5のゲートに接続されている。転送スイッチ線102 は、1行分の画素のフォトダイオードPD1に蓄積された信号電荷をそれぞれの画素の電荷保持部FD に転送するための転送パルスφ102が印加される配線であり、1行分の画素の転送トランジスタM1 のゲートに電気的に接続されている。FDリセットスイッチ線103 は、１行分の画素の電荷保持部FDをリセットするためのFDリセットパルスφ103が印加される配線であり、1行分のFDリセットトランジスタM2 のゲートに接続されている。選択スイッチ線104 は、1行分の画素を選択するための選択パルスφ104が印加される配線であり、1行分の画素の選択トランジスタM4 のゲートに電気的に接続されている。
【０００７】
図7は従来の固体撮像素子の構成を示している。図7に示す固体撮像素子は、画素1と、垂直走査回路8と、負荷電流源10と、読み出し回路11と、水平選択スイッチ12と、水平走査回路13と、出力アンプ14と、ADコンバータ15と、フレームメモリ16と、各種配線とを有する。
【０００８】
画素1の構成は、図6に示した通りである。図6では画素1が2行2列に配列されているが、画素配列は図6に示したものに限らない。垂直走査回路8は、行単位で画素1の駆動制御を行う。特に、垂直走査回路8は、蓄積期間外にPDリセットトランジスタM5によるリセットを行い、蓄積期間の開始時に所定領域の全画素のPDリセットトランジスタM5によるリセットを同時に解除してフォトダイオードPD1の信号電荷の蓄積を開始し、蓄積期間の終了後に所定領域の全画素の転送トランジスタM1により同時にフォトダイオードPD1の信号電荷を読み出すグローバルシャッタの制御を行う。
【０００９】
負荷電流源10は、信号出力線9に接続されており、バイアス電流を供給する。読み出し回路11は、画素1から出力されたノイズ成分（電荷保持部FDに保持された信号電荷をリセットしたときのリセット信号成分）と信号成分（フォトダイオードPD1に蓄積された信号電荷に基づく光信号成分とリセット信号成分の和）に対して所定の処理を行う。水平選択スイッチ12は、オン・オフの状態を有するスイッチであり、共通信号出力線17（水平信号線）へのノイズ成分（リセット信号）と信号成分の出力を制御する。
【００１０】
水平走査回路13は、水平選択スイッチ12へ駆動パルスφ105_1，φ105_2を出力し、水平選択スイッチ12を制御することによって、共通信号出力線17へのノイズ成分および信号成分の出力を制御する。出力アンプ14は、共通信号出力線17に出力されたノイズ成分および信号成分の増幅処理を行う。ADコンバータ15は、出力アンプ14から出力されたノイズ成分および信号成分をデジタル信号に変換する。フレームメモリ16は、ADコンバータ15から出力されたデジタル信号をフレーム単位で記憶する。
【００１１】
以下、図8を参照しながら、特許文献1に係るグローバルシャッタ方式の動作を説明する。図8は、所定の動作を連続して繰り返す連続駆動シーケンスのうちの一部の駆動シーケンスを取り出したタイミングチャートである。図8において、行毎にパルスを区別する場合には、パルスの符号の末尾に「_*」（*は行番号）を付与している。
【００１２】
まず、読み出しに先立ち、垂直走査回路8は全行のPDリセットパルスφ101をハイレベル、全行の転送パルスφ102をローレベル、全行のFDリセットパルスφ103をハイレベルとする。これによって、PDリセットトランジスタM5およびFDリセットトランジスタM2がオンし、転送トランジスタM1がオフする。このため、全画素のフォトダイオードPD1と電荷保持部FDがリセット状態となる。
【００１３】
続いて、垂直走査回路8は時刻t1で全行のFDリセットパルスφ103をローレベルとし、FDリセットトランジスタM2をオフする。これによって、電荷保持部FDがフローティング状態となる。さらに、垂直走査回路8は1 行目の選択パルスφ104_1をハイレベルとする。これによって、1行目の選択トランジスタM4がオンして行選択が行われ、リセットノイズおよび増幅トランジスタM3の閾値電圧ばらつき等の固定パターンノイズからなるノイズ成分が読み出し回路11に読み出される。
【００１４】
続いて、水平走査回路13からの駆動パルスφ105_1，105_2が順次ハイレベルとなり、水平選択スイッチ12が順次オンすることで、共通信号出力線17および出力アンプ14を介してノイズ成分が出力される。出力されたノイズ成分はADコンバータ15によりAD変換され、フレームメモリ16に保持される。2行目以降についても同様に行毎にノイズ成分が読み出され、全画素分のノイズ成分がフレームメモリ16に保持される。
【００１５】
続いて、垂直走査回路8は時刻t2で全行のPDリセットパルスφ101をローレベルとし、PDリセットトランジスタM5をオフする。これによって、フォトダイオードPD1において、光電変換された信号電荷の蓄積が開始される。任意の蓄積時間が経過すると、垂直走査回路8は全行の転送パルスφ102をハイレベルとし、転送トランジスタM1をオンする。これによって、フォトダイオードPD1に蓄積された信号電荷が電荷保持部FDに転送される（時刻t3）。さらに、垂直走査回路8は全行のPDリセットパルスφ101をハイレベルとし、PDリセットトランジスタM5をオンする。これによって、全画素のフォトダイオードPD1がリセット状態となる。
【００１６】
続いて、垂直走査回路8はノイズ成分の読み出しと同様に時刻t4で1 行目の選択パルスφ104_１ をハイレベルとして行選択を行う。これによって、前述したノイズ成分と、フォトダイオードPD1に蓄積された信号電荷に基づく光信号成分との和である信号成分が読み出し回路11 に読み出される。信号成分が読み出された後、垂直走査回路8は1行目のFDリセットパルスφ103をハイレベルとし、FDリセットトランジスタM2をオンする。これによって、電荷保持部FDがリセット状態となる。
【００１７】
続いて、水平走査回路13からの駆動パルス105_1, 105_2が順次ハイレベルとなり、水平選択スイッチ12が順次オンすることで、共通信号出力線17および出力アンプ14を介して1 行目の信号成分が順次読み出される。読み出された信号成分はADコンバータ15によりAD変換され、フレームメモリ16に保持されている1行目のノイズ成分との差分をとることで、ノイズ成分が除去され、光信号成分のみが取り出される。2行目以降についても同様の動作が行われ、S/Nの高い画像信号が得られる。連続するフレームで画像信号を取得し、液晶モニタ等に動画像を表示するライブビュー表示では、上記の一連の動作が繰り返される。
【００１８】
このように、特許文献1に係るグローバルシャッタ方式では、フォトダイオードに蓄積された信号電荷が全画素で同時に電荷保持部に転送され、その後、一行ずつ異なるタイミングで順次読み出しが行われる。このとき、固体撮像素子に光が照射されているとフォトダイオードでは光電変換がされ、光量が多い場合にはフォトダイオードから信号電荷が溢れ、電荷保持部や隣接画素に漏れて他の信号電荷と合算されて読み出されたり、ブルーミングなどのノイズとなったりしていた。特に、信号電荷が電荷保持部に転送されてから読み出されるまでの待ち時間が長い行ほど、フォトダイオードで発生した、より多くの信号電荷が電荷保持部に溢れていくため、この信号電荷の影響は大きい。
【００１９】
これを解決するために、特許文献1に係る発明によれば、蓄積時間（露光時間）外はフォトダイオードがリセット状態となっている。これにより、フォトダイオードに光が照射されて発生した信号電荷がリセットされるため、信号電荷が他の領域へ溢れ出すことが低減される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開２００５−６５１８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
上記のように従来、蓄積時間外はフォトダイオードがリセットされていたが、全画素で同時にフォトダイオードのリセットが行われた直後などは、フォトダイオードに蓄積された信号電荷が一気に信号線を伝わるため、瞬時的に電流が大きくなり、電源電圧の変動や、画質に影響するノイズとなる可能性がある。
【００２２】
また、全行の転送パルスをハイレベルとすることにより、フォトダイオードに蓄積された信号電荷を全画素で同時に電荷保持部に転送する際にも瞬時的に大きな電流が流れる。このため、図8に示すように全画素一括で信号電荷を電荷保持部に転送した直後に全行のPDリセットパルスφ101をハイレベルとして全画素のフォトダイオードをリセット状態にすると、信号電荷を電荷保持部FDに転送することによる電位変動が収束していない状態でフォトダイオードPD1をリセット状態とすることによる電位変動が電源電圧に加わるため、画質に影響するノイズが増加する可能性がある。
【００２３】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであって、電源電圧の変動や、画質に影響するノイズを低減することができる固体撮像装置およびその駆動方法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】
【００２４】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、入射した光を信号電荷に変換して蓄積する光電変換部と、前記光電変換部に蓄積された信号電荷をリセットする第１のリセット部と、前記光電変換部から前記信号電荷を読み出す読み出し部と、前記読み出し部を通して読み出された前記信号電荷を保持する電荷保持部と、前記電荷保持部に保持された前記信号電荷を増幅する増幅部と、前記電荷保持部に保持された前記信号電荷をリセットする第２のリセット部と、特定の画素を選択する選択部と、を備えた画素が２次元状に配列され、蓄積期間外に前記第１のリセット部にリセットを行わせ、前記蓄積期間の開始時に所定領域の全画素の前記第１のリセット部によるリセットを同時に解除し、前記蓄積期間の終了後に前記所定領域の全画素の前記読み出し部に同時に前記信号電荷を読み出させる固体撮像装置の駆動方法であって、撮像時の外部の光量を計測する第１のステップと、前記光量の計測結果に基づいて、前記第１のリセット部がリセットを行う際の前記光電変換部のリセットレベルを制御する第２のステップと、を有することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法である。
【００２５】
また、本発明は、入射した光を信号電荷に変換して蓄積する光電変換部と、前記光電変換部に蓄積された信号電荷をリセットする第１のリセット部と、前記光電変換部から前記信号電荷を読み出す読み出し部と、前記読み出し部を通して読み出された前記信号電荷を保持する電荷保持部と、前記電荷保持部に保持された前記信号電荷を増幅する増幅部と、前記電荷保持部に保持された前記信号電荷をリセットする第２のリセット部と、特定の画素を選択する選択部と、を備えた画素が２次元状に配列され、蓄積期間外に前記第１のリセット部にリセットを行わせ、前記蓄積期間の開始時に所定領域の全画素の前記第１のリセット部によるリセットを同時に解除し、前記蓄積期間の終了後に前記所定領域の全画素の前記読み出し部に同時に前記信号電荷を読み出させる固体撮像装置の駆動方法であって、撮像時の外部の光量を計測する第１のステップと、前記光量の計測結果に基づいて、前記第１のリセット部がリセットを行うリセットタイミングを制御する第２のステップと、を有することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法である。
【００２６】
また、本発明の固体撮像装置の駆動方法において、前記第２のステップでは、前記光量の計測結果に基づいて、前記第１のリセット部がリセットを行う際の前記光電変換部のリセットレベルと、前記第１のリセット部がリセットを行うリセットタイミングとを制御することを特徴とする。
【００２７】
また、本発明は、入射した光を信号電荷に変換して蓄積する光電変換部と、前記光電変換部に蓄積された信号電荷をリセットする第１のリセット部と、前記光電変換部から前記信号電荷を読み出す読み出し部と、前記読み出し部を通して読み出された前記信号電荷を保持する電荷保持部と、前記電荷保持部に保持された前記信号電荷を増幅する増幅部と、前記電荷保持部に保持された前記信号電荷をリセットする第２のリセット部と、前記増幅部の出力を出力信号として出力する特定の画素を選択する選択部と、を備え、２次元状に配列された画素と、蓄積期間外に前記第１のリセット部にリセットを行わせ、前記蓄積期間の開始時に所定領域の全画素の前記第１のリセット部によるリセットを同時に解除し、前記蓄積期間の終了後に前記所定領域の全画素の前記読み出し部に同時に前記信号電荷を読み出させる読み出し制御部と、撮像時の外部の光量を計測する光量計測部と、前記光量の計測結果に基づいて、前記第１のリセット部がリセットを行う際の前記光電変換部のリセットレベルを制御するリセットレベル制御部と、を有することを特徴とする固体撮像装置である。
【００２８】
また、本発明は、入射した光を信号電荷に変換して蓄積する光電変換部と、前記光電変換部に蓄積された信号電荷をリセットする第１のリセット部と、前記光電変換部から前記信号電荷を読み出す読み出し部と、前記読み出し部を通して読み出された前記信号電荷を保持する電荷保持部と、前記電荷保持部に保持された前記信号電荷を増幅する増幅部と、前記電荷保持部に保持された前記信号電荷をリセットする第２のリセット部と、前記増幅部の出力を出力信号として出力する特定の画素を選択する選択部と、を備え、２次元状に配列された画素と、蓄積期間外に前記第１のリセット部にリセットを行わせ、前記蓄積期間の開始時に所定領域の全画素の前記第１のリセット部によるリセットを同時に解除し、前記蓄積期間の終了後に前記所定領域の全画素の前記読み出し部に同時に前記信号電荷を読み出させる読み出し制御部と、撮像時の外部の光量を計測する光量計測部と、前記光量の計測結果に基づいて、前記第１のリセット部がリセットを行うリセットタイミングを制御するリセットタイミング制御部と、を有することを特徴とする固体撮像装置。
【００２９】
また、本発明の固体撮像装置において、前記光量計測部が前記画素と同一の半導体基板上に形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、光量の計測結果に基づいてリセットレベルまたはリセットタイミングを制御することによって、電源電圧の変動や、画質に影響するノイズを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第1の実施形態による固体撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第1の実施形態による固体撮像素子の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第1の実施形態による固体撮像素子の動作を示すタイミングチャートである。
【図４】本発明の第2の実施形態による固体撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第2の実施形態による固体撮像素子の動作を示すタイミングチャートである。
【図６】画素の構成を示す回路図である。
【図７】従来の固体撮像素子の構成を示すブロック図である。
【図８】従来の固体撮像素子の動作を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。
【００３３】
（第1の実施形態）
まず、本発明の第1の実施形態を説明する。図1は、本実施形態による固体撮像装置の構成を示している。図1に示す固体撮像装置は、固体撮像素子20と、光量計測部21と、リセットレベル制御部22と、メイン制御部23とを有する。
【００３４】
固体撮像素子20は被写体を撮像し、撮像信号を出力する。光量計測部21は撮像時の外部の光量を計測する。リセットレベル制御部22は、PDリセットトランジスタM5がフォトダイオードPD1のリセットを行う際のリセットレベルを、光量の計測結果に基づいて制御する。メイン制御部23は、上記の各構成を制御することにより固体撮像装置を制御する。
【００３５】
図2は固体撮像素子20の構成を示している。図2に示す固体撮像素子20は、画素1と、垂直走査回路8と、負荷電流源10と、読み出し回路11と、水平選択スイッチ12と、水平走査回路13と、出力アンプ14と、ADコンバータ15と、フレームメモリ16と、切替スイッチSW1と、各種配線とを有する。
【００３６】
図7に示した構成と比較すると、PDリセットトランジスタM5のゲート電圧を可変とするための切替スイッチSW1が追加されている。切替スイッチSW1は、PDリセットパルスφ101として印加されるハイレベルの電位を、光量の計測結果に基づいて、基準電位Vref1〜Vref3（Vref1＜Vref2＜Vref3）の間で切り替える。垂直走査回路8は切替スイッチSW1を制御する。基準電位Vref1はPDリセットトランジスタM5をオンさせるのに必要な電位以上である。基準電位Vref3は電源電圧VDDと同じ電位（例えば5V）である。基準電位Vref2は、例えば基準電位Vref1，Vref3の中間の電位である。本実施形態においては、基準電位の数を3つとしているが、この数に限定されるものではない。他の構成については、前述した通りである。
【００３７】
次に、図3を参照しながら、本実施形態による固体撮像装置の動作を説明する。以下では、図8に示した動作と異なる動作についてのみ説明する。ここでは、画素が2行2列に配列された固体撮像装置を用いて説明するが、以下の動作は2行2列以外の画素配列においても実現可能である。
【００３８】
撮像の開始前に光量計測部21は、適切な露光条件を決定するために、被写体とその周囲を含む環境の明るさを計測し、計測結果を示す信号をメイン制御部23へ出力する。メイン制御部23は、この計測結果とレンズの絞りやISO設定などから、適切な蓄積時間を算出する。この計測結果から、蓄積期間外に固体撮像素子20に照射される光量もおおよそ解る。この光量の情報から、フォトダイオードPD1に蓄積される不要電荷の量を算出することが可能であり、不要電荷量が少ない、不要電荷量が多い、または不要電荷量がフォトダイオードPD1の飽和電荷量を上回りブルーミングが発生する状態である、等の状況を判断することが可能となる。
【００３９】
メイン制御部23は上記の判断に基づいて基準電位を決定し、リセットレベル制御部22に基準電位を通知する。リセットレベル制御部22は、垂直走査回路8を介して切替スイッチSW1を制御し、PDリセットパルスφ101として印加されるハイレベルの電位を、メイン制御部23から通知された基準電位に設定する。PDリセットパルスφ101が印加されるPDリセットスイッチ線101はPDリセットトランジスタM5のゲートに接続されており、PDリセットトランジスタM5のゲート電圧を制御することで、フォトダイオードPD1に蓄積された信号電荷をリセットすることにより流れる電流量を制御することが可能となる。
【００４０】
図3に示すように、フォトダイオードPD1に信号電荷が蓄積される蓄積期間を除いてPDリセットパルスφ101はハイレベルであり、フォトダイオードPD1はリセット状態となる。このとき、フォトダイオードPD1のリセットレベルを決定するPDリセットパルスφ101の電位は、光量の計測結果に基づく基準電位に設定される。
【００４１】
例えば、被写体が点光源であり、その周囲が暗い状況では、不要電荷は全画素が飽和している状態での不要電荷よりも少なく、PDリセットトランジスタM5のゲート電圧を低く設定しても十分リセットが可能である。このように、不要電荷量が所定値REF1を下回る場合、全行のPDリセットパルスφ101のハイレベルはVref1に設定される。このため、フォトダイオードPD1がリセット状態になった直後に発生する瞬時電流を低減することが可能となる。一方、例えば被写体およびその周囲が十分明るい状況では、不要電荷量が所定値REF2（REF1＜REF2）以上となり、不要電荷の除去を十分に行うため、全行のPDリセットパルスφ101のハイレベルはVref3に設定される。また、不要電荷量が所定値REF1以上であり所定値REF2を下回る場合には、全行のPDリセットパルスφ101のハイレベルはVref2に設定される。
【００４２】
ライブビュー表示においては、例えば所定のフレーム毎に、光量の計測結果に基づいて基準電位の設定を行ってもよい。また、上記では光量から求めた不要電荷量に基づいて基準電位の設定を行っているが、計測された光量に基づいて基準電位の設定を行ってもよい。
【００４３】
また、本実施形態において光量の計測には光量計測部21を用いているが、この代わりに固体撮像素子20を用いることも可能である。例えば、ライブビュー表示用として固体撮像素子20から出力された信号を光量の計測結果を示す信号とし、これをメイン制御部23へ出力し、基準電位や蓄積期間等の条件を算出することも可能である。また、ライブビュー表示から静止画撮影に移行する場合においても、静止画撮影時の基準電位や蓄積期間等の条件を算出するために、ライブビュー表示用として固体撮像素子20から出力された信号を光量の計測結果を示す信号として用いることが可能である。さらに、ライブビュー表示をしない静止画撮影においても、撮影前に固体撮像素子20を露光し、出力された信号を光量の計測結果を示す信号として用いることが可能である。
【００４４】
上述したように、本実施形態によれば、光量の計測結果に基づいてフォトダイオードPD1のリセットレベルを制御することによって、フォトダイオードPD1に蓄積された信号電荷をリセットする際の瞬時電流を低減することが可能となるので、電源電圧の変動や、画質に影響するノイズを低減することができる。本実施形態は、特に被写体およびその周囲が暗い場合に効果的である。
【００４５】
（第2の実施形態）
次に、本発明の第2の実施形態を説明する。図4は、本実施形態による固体撮像装置の構成を示している。図4に示す固体撮像装置は、固体撮像素子20と、光量計測部21と、メイン制御部23と、リセットタイミング制御部24とを有する。図1に示した構成と比較すると、リセットレベル制御部22に代えてリセットタイミング制御部24が追加されている。リセットタイミング制御部24は、PDリセットトランジスタM5がフォトダイオードPD1のリセットを行う際のリセットタイミングを、光量の計測結果に基づいて制御する。本実施形態による固体撮像素子20の構成は、図2に示した構成と同様である。その他の構成については、前述した通りである。
【００４６】
次に、図5を参照しながら、本実施形態による固体撮像装置の動作を説明する。以下では、図3に示した動作と異なる動作についてのみ説明する。ここでは、画素が2行2列に配列された固体撮像装置を用いて説明するが、以下の動作は2行2列以外の画素配列においても実現可能である。
【００４７】
撮像の開始前に光量計測部21は、適切な露光条件を決定するために、被写体とその周囲を含む環境の明るさを計測し、計測結果を示す信号をメイン制御部23へ出力する。メイン制御部23は、この計測結果とレンズの絞りやISO設定などから、適切な蓄積時間を算出する。この計測結果から、蓄積期間外に固体撮像素子20に照射される光量もおおよそ解る。この光量の情報から、フォトダイオードPD1に蓄積される不要電荷の量を算出することが可能であり、不要電荷量が少ない、不要電荷量が多い、または不要電荷量がフォトダイオードPD1の飽和電荷量を上回りブルーミングが発生する状態である、等の状況を判断することが可能となる。
【００４８】
メイン制御部23は上記の判断に基づいてリセットタイミングを決定し、リセットタイミング制御部24にリセットタイミングを通知する。リセットタイミング制御部24は、垂直走査回路8を介して、PDリセットパルスφ101がローレベルからハイレベルに変化するタイミングを、メイン制御部23から通知されたリセットタイミングに設定する。PDリセットパルスφ101が印加されるPDリセットスイッチ線101はPDリセットトランジスタM5のゲートに接続されており、PDリセットトランジスタM5のゲートにハイレベルが印加されるタイミングを制御することで、以下のようになる。
【００４９】
例えば、被写体が点光源であり、その周囲が暗い状況では、不要電荷は全画素が飽和している状態での不要電荷よりも少なく、PDリセットトランジスタM5によるリセットの開始を遅らせても十分リセットが可能である。このように、不要電荷量が所定値REF1を下回る場合、転送パルスφ102がハイレベルからローレベルに変化してから時間T1が経過した時点で全行のPDリセットパルスφ101がハイレベルに変化する。このため、信号電荷を電荷保持部FDに転送することによる電位変動と、フォトダイオードPD1をリセット状態とすることによる電位変動とが重なることを回避することが可能となる。
【００５０】
一方、例えば被写体およびその周囲が十分明るい状況では、不要電荷量が所定値REF2（REF1＜REF2）以上となり、不要電荷の除去を十分に行うため、転送パルスφ102がハイレベルからローレベルに変化した直後に全行のPDリセットパルスφ101がハイレベルに変化する。また、不要電荷量が所定値REF1以上であり所定値REF2を下回る場合には、転送パルスφ102がハイレベルからローレベルに変化してから時間T2（T2＜T1）が経過した時点で全行のPDリセットパルスφ101がハイレベルに変化する。
【００５１】
ライブビュー表示においては、例えば所定のフレーム毎に、光量の計測結果に基づいてリセットタイミングの設定を行ってもよい。また、上記では光量から求めた不要電荷量に基づいてリセットタイミングの設定を行っているが、計測された光量に基づいてリセットタイミングの設定を行ってもよい。
【００５２】
また、本実施形態において光量の計測には光量計測部21を用いているが、この代わりに固体撮像素子20を用いることも可能である。例えば、ライブビュー表示用として固体撮像素子20から出力された信号を光量の計測結果を示す信号とし、これをメイン制御部23へ出力し、基準電位や蓄積期間等の条件を算出することも可能である。また、ライブビュー表示から静止画撮影に移行する場合においても、静止画撮影時の基準電位や蓄積期間等の条件を算出するために、ライブビュー表示用として固体撮像素子20から出力された信号を光量の計測結果を示す信号として用いることが可能である。さらに、ライブビュー表示をしない静止画撮影においても、撮影前に固体撮像素子20を露光し、出力された信号を光量の計測結果を示す信号として用いることが可能である。
【００５３】
上述したように、本実施形態によれば、光量の計測結果に基づいてフォトダイオードPD1のリセットタイミングを制御することによって、フォトダイオードPD1から電荷保持部FDに信号電荷を転送することによる電位変動と、フォトダイオードPD1に蓄積された信号電荷をリセットすることによる電位変動とが重なることを回避することが可能となるので、電源電圧の変動や、画質に影響するノイズを低減することができる。本実施形態は、特に被写体およびその周囲が暗い場合に効果的である。
【００５４】
（他の実施形態）
上記の第1の実施形態と第2の実施形態を組み合わせてもよい。すなわち、光量の計測結果に基づいてフォトダイオードPD1のリセットレベルとリセットタイミングとの両方を制御してもよい。
【００５５】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について詳述してきたが、具体的な構成は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、光量計測部21は固体撮像素子20と同一の半導体基板上に形成してもよい。これにより、撮像と光量計測を同一半導体基板にて行うことが可能となる。
【符号の説明】
【００５６】
1・・・画素、8・・・垂直走査回路（読み出し制御部）、10・・・負荷電流源、11・・・読み出し回路、12・・・水平選択スイッチ、13・・・水平走査回路、14・・・出力アンプ、15・・・ADコンバータ、16・・・フレームメモリ、20・・・固体撮像素子、21・・・光量計測部、22・・・リセットレベル制御部、23・・・メイン制御部、24・・・リセットタイミング制御部、M1・・・転送トランジスタ（読み出し部）、M2・・・FDリセットトランジスタ（第２のリセット部）、M3・・・増幅トランジスタ（増幅部）、M4・・・選択トランジスタ（選択部）、M5・・・PDリセットトランジスタ（第１のリセット部）、PD1・・・フォトダイオード（光電変換部）、SW1・・・切替スイッチ
【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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