(57)【要約】【課題】画素間のばらつきに依存せずにマージンを小さくすると共に、黒沈み現象の発生に係る判定の精度を向上することができ、かつダイナミックレンジの低下を低減することができる固体撮像装置を提供する。【解決手段】差分回路29は、電荷保持部を初期化した後の画素信号であるリセット信号と、信号電荷を電荷保持部に転送した後の画素信号である光信号との差分処理を画素毎に行う。変動値検出回路25はリセット信号の変動値を画素毎に検出する。補正判定回路28は変動値を所定の閾値と比較する。【選択図】図１
2011139181.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を信号電荷に変換して蓄積する光電変換部、前記信号電荷を保持する電荷保持部、前記光電変換部に蓄積された前記信号電荷を前記電荷保持部に転送する転送部、前記電荷保持部に保持された前記信号電荷を増幅して画素信号として出力する増幅部、及び前記電荷保持部の電位を初期化するリセット部を含む画素が二次元状に配列された画素部と、
前記電荷保持部を初期化した後の前記画素信号であるリセット信号と、前記信号電荷を前記電荷保持部に転送した後の前記画素信号である光信号との差分処理を画素毎に行い、当該画素の撮像信号を生成する差分処理部と、
前記リセット信号の変動値を画素毎に検出する検出部と、
前記変動値を所定の閾値と比較する比較部と、
を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記検出部は、前記リセット信号を複数回サンプリングし、サンプリングにより得られた信号のレベル差から前記変動値を検出することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記変動値の検出結果に基づいて、前記リセット信号もしくは前記撮像信号を画素毎に補正する補正部をさらに有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記リセット信号が飽和しているか否かを判定する判定部をさらに有し、
前記補正部は、前記リセット信号が飽和していると判定された場合に前記リセット信号もしくは前記撮像信号を補正する
ことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記リセット信号を記憶する記憶部をさらに有し、
前記リセット信号を前記画素から行毎に順次出力すると共に、当該リセット信号を前記記憶部に記憶した後、所定領域の全画素において同時に露光を行い、当該露光後に前記光信号を前記画素から行毎に順次出力し、当該光信号と、前記記憶部に記憶されている前記リセット信号との差分処理を行うことにより、前記撮像信号を生成する
ことを特徴とする請求項３または請求項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に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、周辺回路をオンチップ化できるMOS型固体撮像素子の性能向上はめざましく、普及が進んできている。MOS型固体撮像素子では、画素毎に、光電変換素子に加え、増幅トランジスタ、リセットトランジスタなど複数のトランジスタが設けられているが、画素毎のトランジスタの閾値ばらつきや、リセット時のkTCノイズ（熱ノイズ）が画像の固定パターンノイズやランダムノイズの原因となる。これらのノイズを取り除くために、画素をリセットした直後のリセットレベルと、光電変換素子に蓄積された信号電荷に基づく信号レベルとの差分をとる処理（差分処理）が行われる。この差分処理を行う固体撮像素子では黒沈み現象と称される問題が発生する。
【０００３】
以下、黒沈み現象について、図11〜図13を用いて説明する。図11は画素内の構成を示している。光電変換素子PDに蓄積された信号電荷は電荷保持部FDに転送され、電荷保持部FDに蓄積された信号電荷に基づく信号が、増幅トランジスタ及び選択トランジスタを介して垂直信号線に出力される。
【０００４】
図12(a)は、光量に対するリセットレベルと信号レベルの依存性を示している。図12において、信号レベルを示す縦軸は、光の入射により変化する方向を+方向として示している。図12(a)に示すように、増幅トランジスタから出力される光信号Vsには、光電変換によって生じた信号とリセットレベルのリセット信号Vrとが含まれている。したがって、光信号Vsからリセット信号Vrを差し引くこと（差分処理）により、光電変換によって生じた信号Vs-Vrが得られる。
【０００５】
図12(b)はVs-Vrの光量依存性を示す。光信号Vsは、入射光量がBよりも強い場合には飽和（図12(a)のVssatのレベル）してしまうため、Vs-Vrも飽和して一定値（図12(b)のVsatのレベル）となる。リセット信号Vrのレベルは、光信号Vsが飽和しても一定のレベル（図中のVr1のレベル）であるが、さらに強い光が入射され、入射光量がCよりも強い場合にはリセット信号Vrが増加してしまう。そのため、Vs-Vrが小さくなり、これが黒沈み現象となる。  
【０００６】
上述したリセット信号Vrの増加は、光電変換素子に非常に強い光が入射した場合に、光リークにより、増幅トランジスタの入力部でリセット信号に光リークノイズ信号が加算されるために生じる。この様子を図11に示す。この状態が、図12において入射光量がCよりも強くなった状態であり、差分処理結果であるVs-Vrは減少する。そして、光リークノイズ信号により、リセット信号Vrのレベルが飽和レベルに達すると（図12の光量E時）、差分処理結果Vs-Vrは0となる。
【０００７】
このような黒沈み現象が発生すると、例えば太陽を撮影した場合には、図13(a)に示すように、太陽の中心部分が黒い点となり、不自然な画像になる。図13(a)において、太陽が含まれる領域130内の明るさを図12(b)の光量と対応させた概念図を図13(b)に示す。図13(b)中のA〜Eは、図12中の光量A〜Eを表している。このように、強い光が入射した場合は、一般的に、その光が入射した領域の周辺光量は徐々に減少するため、画像としては、強い光が入射した領域を中心としてレベルが変化するドーナツ形状のようなパターンとなる。
【０００８】
この黒沈み現象を抑制する方法として、特許文献1では、リセットレベルの絶対値を検出し、黒沈み現象が発生したと判定される場合にリセットレベル出力として所定の電圧を出力することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０００−２８７１３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来技術は、本来のリセットレベルまたは飽和レベルに相当する閾値を設け、検出したリセットレベルがその閾値を超えるか否かによって黒沈み現象が発生したか否かの判定を行っている。この判定を行う回路及び画素にはばらつきがあるため、判定結果には誤差が生じる。従って、この誤差を補償するためにはリセットレベルまたは飽和レベルの閾値にマージンを設けなければならず、このマージン分だけ最終出力のダイナミックレンジが低下してしまうという問題があった。
【００１１】
この問題を、図12(a)、(c)を用いて説明する。図12(a)において、レベルVrefが、リセットレベルの出力変動を検出するための検出レベルであるとする。従来技術では、このリセットレベルの出力変動検出は1回のみ行われる。このレベルVrefは、上述したばらつきを考慮し、あるマージン（図12(a)のVref-Vr1）を含むように設定される。この場合、光量がDを超えると、黒沈み現象が発生したと判定され、例えば差分処理後の信号レベルが飽和レベルを確実に超えるようなレベルとなるように補正が行われるため、差分処理結果Vs-Vrの光量依存性は、図12(c)に示すような特性となり、光量がC〜Dの場合に、黒沈み現象が発生してしまう。
【００１２】
そのため、後段の処理回路で差分処理結果Vs-Vrを図12(c)のレベルVbでクリップしていた。従って、本来の飽和レベルであるVsatに対して、閾値のマージン分、ダイナミックレンジが低下してしまっていた。ダイナミックレンジの低下を低減するためには、閾値に設けるマージンを小さくする必要があるが、従来、画素間のばらつきを考慮してマージンを設定する必要があるため、製造上のばらつきなどで決まる限界があった。
【００１３】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであって、画素間のばらつきに依存せずにマージンを小さくすると共に、黒沈み現象の発生に係る判定の精度を向上することができ、かつダイナミックレンジの低下を低減することができる固体撮像装置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】
【００１４】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、入射光を信号電荷に変換して蓄積する光電変換部、前記信号電荷を保持する電荷保持部、前記光電変換部に蓄積された前記信号電荷を前記電荷保持部に転送する転送部、前記電荷保持部に保持された前記信号電荷を増幅して画素信号として出力する増幅部、及び前記電荷保持部の電位を初期化するリセット部を含む画素が二次元状に配列された画素部と、前記電荷保持部を初期化した後の前記画素信号であるリセット信号と、前記信号電荷を前記電荷保持部に転送した後の前記画素信号である光信号との差分処理を画素毎に行い、当該画素の撮像信号を生成する差分処理部と、前記リセット信号の変動値を画素毎に検出する検出部と、前記変動値を所定の閾値と比較する比較部と、を有することを特徴とする固体撮像装置である。
【００１５】
また、本発明の固体撮像装置において、前記検出部は、前記リセット信号を複数回サンプリングし、サンプリングにより得られた信号のレベル差から前記変動値を検出することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の固体撮像装置は、前記変動値の検出結果に基づいて、リセット信号もしくは前記撮像信号を画素毎に補正する補正部をさらに有することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の固体撮像装置は、前記リセット信号が飽和しているか否かを判定する判定部をさらに有し、前記補正部は、前記リセット信号が飽和していると判定された場合に前記リセット信号もしくは前記撮像信号を補正することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の固体撮像装置は、前記リセット信号を記憶する記憶部をさらに有し、前記リセット信号を前記画素から行毎に順次出力すると共に、当該リセット信号を前記記憶部に記憶した後、所定領域の全画素において同時に露光を行い、当該露光後に前記光信号を前記画素から行毎に順次出力し、当該光信号と、前記記憶部に記憶されている前記リセット信号との差分処理を行うことにより、前記撮像信号を生成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、個々の画素毎にリセット信号の変動値を検出し、検出した変動値を所定の閾値と比較することによって、黒沈み現象を検出することが可能となる。これによって、所定の閾値に含まれるマージンについて、画素間のばらつきを考慮する必要がなくなるため、マージンを小さくすると共に、黒沈み現象の発生に係る判定の精度を向上することができ、かつダイナミックレンジの低下を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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装置が備える画素の構成を示す回路図である。
【図３】本発明の第1の実施形態による固体撮像装置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1の実施形態による固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図５】本発明の第1の実施形態における他の判定方法を説明するためのタイミングチャートである。
【図６】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７】本発明の第2の実施形態による固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図８】本発明の第3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９】本発明の第3の実施形態による固体撮像装置が備える画素の構成を示す回路図である。
【図１０】本発明の第3の実施形態による固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図１１】画素の構成を示す回路図である。
【図１２】光量に対する信号出力の特性を示すグラフである。
【図１３】黒沈み現象が発生したときの画像を示す参考図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。
【００２２】
（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、画像情報を取得するための複数の画素10が二次元行列状に配列された画素部101を有している。ここでは説明を簡単にするために画素10を2行2列に並べた場合を例として説明する。図2は画素10の詳細な構成を示している。
【００２３】
フォトダイオードPDは、入射光を信号電荷に変換（光電変換）して蓄積する光電変換素子である。増幅トランジスタM4は、フォトダイオードPDで発生した信号電荷をPN接合容量やゲート容量などで保持し、電荷電圧変換し、増幅して画素信号を出力するためのトランジスタである。増幅トランジスタM4のゲート端子が入力部となる。以降、増幅トランジスタM4の入力部を電荷保持部FD と称する。フォトダイオードPDで発生した信号電荷は電荷保持部FDに保持される。転送トランジスタM2は、フォトダイオードPDで発生した信号電荷を電荷保持部FDに転送するためのトランジスタである。リセットトランジスタM3は、電荷保持部FDの電位をリセット（初期化）するためのトランジスタである。選択トランジスタM5は、増幅トランジスタM4の出力である画素信号を垂直信号線11に出力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PD以外は遮光されている。
【００２４】
画素電源VDDは、全画素共通に電源を供給するものであり、増幅トランジスタM4のドレイン端子及びリセットトランジスタM3のドレイン端子に電気的に接続されている。リセットトランジスタM3のゲート端子には、リセット動作を制御するためのリセットパルスΦRSが印加される。転送トランジスタM2のゲート端子には、転送動作を制御するための転送パルスΦTRが印加される。選択トランジスタM5のゲート端子には、選択動作を制御するための選択パルスΦSEが印加される。リセットパルスΦRS、転送パルスΦTR、選択パルスΦSEは図1の垂直走査回路12から行毎に供給される。このような画素構成により、光電変換機能、リセット機能、増幅読出し機能、選択機能が実現される。
【００２５】
以下、図1に示した他の構成について説明する。垂直走査回路12は、各画素10の駆動に必要な制御信号（リセットパルスΦRS、転送パルスΦTR、選択パルスΦSE）を出力する制御回路である。この制御信号は、信号線13-1、14-1、15-1、13-2、14-2、15-2を介して、単位画素10に行毎に供給される。また、列毎に垂直信号線11が設けられている。
【００２６】
各列の垂直信号線11はスイッチ16-1、16-2、16-3に接続されている。スイッチ16-1、16-2、16-3はそれぞれ、制御信号Φ20-1、Φ20-2、Φ20-3によってオンとオフを切り替えることが可能なスイッチである。また、スイッチ16-1、16-2、16-3はそれぞれ、メモリ17-1、17-2、17-3に接続されている。メモリ17-1、17-2、17-3は、各列の画素10から出力された信号（電荷保持部FDをリセットしたときのリセット信号、及びフォトダイオードPDに蓄積された信号電荷に基づく光信号）を一時的に保持するメモリである。
【００２７】
メモリ17-1、17-2、17-3はそれぞれ、水平選択スイッチ18-1、18-2、18-3に接続されている。水平選択スイッチ18-1、18-2、18-3は、オンとオフを切り替えることが可能なスイッチである。1列目の水平選択スイッチ18-1、18-2、18-3は制御信号ΦH-1によって制御され、2列目の水平選択スイッチ18-1、18-2、18-3は制御信号ΦH-2によって制御される。水平選択スイッチ18-1、18-2、18-3はそれぞれ、水平信号線21、22、23に接続されている。水平走査回路24は、水平信号線21、22、23への信号の出力を制御するための制御信号ΦH-1、ΦH-2を出力する制御回路である。
【００２８】
各画素10において、電荷保持部FDをリセットした直後の画素出力であるリセット信号は、垂直信号線11、スイッチ16-1、16-2を介してメモリ17-1またはメモリ17-2に、後述するように電荷保持部FDをリセットしてからの時間が異なるタイミングで出力される。メモリ17-1、17-2に保存されたリセット信号は、水平選択スイッチ18-1、18-2を介して列順次に水平信号線21、22に出力される。
【００２９】
変動値検出回路25は、水平信号線21、22に出力される、タイミングの異なる2つのリセット信号（SigR1、SigR2）の差分をとった信号を出力する。変動値検出回路25の出力信号はリセット信号の変動値を示す。また、変動値検出回路25は、必要に応じて、2つのリセット信号（SigR1、SigR2）の差分をとった信号の増幅も行う。出力アンプ26は水平信号線22に出力されたリセット信号（SigR2）を増幅して出力する。
【００３０】
各画素10において、フォトダイオードPDで発生した信号電荷を電荷保持部FDに転送した直後の画素出力である光信号は、垂直信号線11、スイッチ16-3を介してメモリ17-3に出力される。メモリ17-3に保存された光信号は、水平選択スイッチ18-3を介して列順次に水平信号線23に出力される。出力アンプ27は、水平信号線23に出力された光信号（Sig3）を増幅して出力する。
【００３１】
補正判定回路28は、変動値検出回路25の出力信号のレベルを所定の閾値と比較することにより、黒沈み現象の発生による補正の必要の有無を判定する回路である。変動値検出回路25の出力信号のレベルが閾値を超えた場合に、補正の必要があると判定される。差分回路29は、光信号に含まれるノイズを除去するために、出力アンプ26、27を介して出力されたリセット信号と光信号の差分をとった信号（撮像信号）を出力する回路である。
【００３２】
補正回路30は、補正判定回路28によって補正の必要があると判定された場合に、差分回路29の出力信号を、そのレベルが飽和レベル以上になるように補正して出力する回路である。補正判定回路28によって補正の必要がないと判定された場合、補正回路30は差分回路29の出力信号をそのまま出力する。この補正回路30の出力信号が撮像信号となる。補正判定回路28による判定、差分回路29による差分処理、補正回路30による補正処理は画素毎の信号の単位で行われる。
【００３３】
次に、固体撮像装置の動作（駆動、黒沈み現象の判定方法、及び補正方法）について、図3に示すタイミングチャートを用いて説明する。図3は、図1におけるリセットパルスΦRS-1、ΦRS-2と転送パルスΦTR-1、ΦTR-2と選択パルスΦSE-1、ΦSE-2と制御信号Φ20-1、Φ20-2、Φ20-3と制御信号ΦH-1、ΦH-2とリセット信号及び光信号（SigR1、SigR2、Sig3）のタイミングチャートを表す。また、図4は、図3の選択パルスΦSE-1、リセットパルスΦRS-1、及び転送パルスΦTR-1を抜き出し、さらに電荷保持部FDの電位変化を記載したものである。
【００３４】
以下では、図1の1行目の画素10に関する動作について説明する。その他の行の動作についても1行目と同様である。
【００３５】
図4において、まず水平ブランキング（HBL）期間に選択パルスΦSE-1が立ち上がり、選択トランジスタM5がオンする（時刻I）。これにより、画素10から垂直信号線11への信号出力が可能となる。続いて、リセットパルスΦRS-1が立ち上がり、リセットトランジスタM3がオンして電荷保持部FDの電位がVDDに設定される（時刻II）。続いて、リセットパルスΦRS-1が立ち下がり、リセットトランジスタM3がオフする（時刻III）。この時、図4に示すように電荷保持部FDの電位は幾分低下し、ある電圧レベルとなる。この電圧レベルは、黒沈み現象が発生していない状態では、時間が経過しても一定値（図4のVrs_nml）である。電荷保持部FDの電位がVrs_nmlである期間は図4では時刻IV〜Vの期間で表されている。しかし、黒沈み現象が発生している状態では、リセットトランジスタM3がオフした後の電荷保持部FDの電位は時刻IV〜Vの期間で徐々に低下するため、Vrs_nmlで一定とはならない。
【００３６】
この時刻IV〜Vの期間で、制御信号Φ20-1によりスイッチ16-1がオンして1回目のリセット信号がメモリ17-1に保存される（1回目のサンプリング）。続いて、制御信号Φ20-2によりスイッチ16-2がオンして2回目のリセット信号がメモリ17-2に保存される（2回目のサンプリング）。続いて、転送パルスΦTR-1が立ち上がり、転送トランジスタM2がオンする（時刻V）。これにより、フォトダイオードPDで光電変換され、蓄積された信号電荷が電荷保持部FDへ転送されて、その電荷量に応じて電荷保持部FDの電圧が低下する。フォトダイオードPDから電荷保持部FDへの信号電荷の転送が終了した後、転送パルスΦTR-1が立ち下がり、転送トランジスタM2がオフする（時刻VI）。
【００３７】
転送トランジスタM2がオフした後、電荷保持部FDの電圧は幾分低下し、その後、一定値（光信号レベル）となる。電荷保持部FDの電圧が光信号レベルに保たれている期間は図4では時刻VII〜VIIIの期間で表されている。この期間に制御信号Φ20-3によりスイッチ16-3がオンしてメモリ17-3に光信号が保存される。続いて、選択パルスΦSE-1が立ち下がる（時刻VIII）。続いて、水平走査回路24から1列目と2列目の水平選択スイッチ18-1、18-2、18-3に制御信号ΦH-1、ΦH-2が順次出力されて、1回目のリセット信号（SigR1）、2回目のリセット信号（SigR2）及び光信号（Sig3）が水平信号線21、22、23にそれぞれ出力される。
【００３８】
変動値検出回路25は、異なるタイミングでサンプリングされた2つのリセット信号の差分値、すなわち変動値を出力する。補正判定回路28は、変動値と所定の閾値を比較することにより、黒沈み現象の発生による補正の必要があるか否かを判定し、補正実施の有無を示す制御信号を補正回路30に出力する。水平信号線23に出力された光信号Sig3は出力アンプ27で増幅されて差分回路29に出力される。同時に、水平信号線22に出力されたリセット信号SigＲ2は出力アンプ26で増幅されて差分回路29に出力される。差分回路29は光信号Sig3及びリセット信号SigＲ2の差分処理を行い、撮像信号のみを取り出して、この撮像信号を補正回路30に出力する。補正回路30は、前述した補正判定回路28における判定結果に基づき黒沈み補正を実施した後、黒沈み補正後の撮像信号を後段へ出力する。
【００３９】
本実施形態においては、図4の時刻V〜VIの期間内にリセットレベルが複数回サンプリングされる。ここでは説明を簡単にするため、2回のサンプリングを行う場合について説明した。したがって、そのサンプリングの回数に応じて、図1のメモリの数、スイッチの数、出力アンプの数などが変わり得る。
【００４０】
以下では、変形例として、3回のサンプリングを行う場合の判定方法を説明する。図5に示すように、図4の時刻IV〜Vの期間に相当する期間内の時刻L、M、Nでサンプリングを行い、各時刻でサンプリングされたリセット信号のレベルをVl、Vm、Vnとする。これら3点L、M、Nでサンプリングを行った場合、Vl＞Vm＝Vnとなる場合がある。そこで、変動値検出回路25は変動値Vl-Vm、Vm-Vnを出力し、補正判定回路28は、変動値Vl-Vm、Vm-Vnのいずれかが正の値である場合に、黒沈み現象の発生による補正の必要があると判定する。
【００４１】
前述したように2回のサンプリングを行う場合、図5の時刻M、Nでサンプリングを行った結果、Vm＝Vnとなる場合がある。もし黒沈み現象が発生していて、Vl＞Vm＝Vnとなる場合でも、時刻M、Nにおける2回のサンプリングの結果から判定を行う場合には、誤判定を行う可能性がある。しかし、上記のように3回のサンプリングを行うことによって、判定精度を向上することができる。サンプリングの回数は2回や3回に限らず、4回以上であってもよい。
【００４２】
上述したように、本実施形態によれば、画素毎のリセット信号の変動値と所定の閾値とを比較することによって、黒沈み現象が発生しているか否かを判定することが可能となる。個々のリセット信号には、画素間のばらつきによる各画素に固有のノイズ成分が含まれるが、異なるタイミングでサンプリングされたリセット信号の差分である変動値を求めることによって、画素間のばらつきによるノイズ成分の影響を低減することができる。したがって、黒沈み現象の発生に係る判定を行う際の閾値設定に画素間のばらつきを考慮する必要がなくなるため、判定に用いる閾値のマージンを小さくすると共に、黒沈み現象の発生に係る判定の精度を向上することができる。さらに、ダイナミックレンジの低下を低減して、黒沈み補正を行うことができる。
【００４３】
また、リセット信号のサンプリングを複数回行い、変動値の比較を複数回行うことによって、黒沈み現象の発生に係る判定の精度をより向上することができる。
【００４４】
本実施形態においては、変動値検出回路25、差分回路29、補正判定回路28、及び補正回路30を全ての列で共通としたが、これらを列毎に、あるいは、複数列毎に設けてもよい。
【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6は、本実施形態による固体撮像装置の構成を示している。リセット信号飽和判定回路31を設け、補正判定回路28が、リセット信号飽和判定回路31から出力される判定結果を用いるようにしたこと以外は第1の実施形態による固体撮像装置と同じである。リセット信号飽和判定回路31は、リセット信号が飽和しているか否かを判定する。補正判定回路28は、変動値検出回路25からの変動値及びリセット信号飽和判定回路31からの判定結果に基づいて、黒沈み現象の発生による補正の必要の有無を判定する。
【００４６】
図7は、リセットパルスΦRS-1、転送パルスΦTR-1、選択パルスΦSE-1に関して図4と同じであり、電荷保持部FDの電位をリセットした直後から、すぐに電荷保持部FDに収容できる電荷が飽和してしまうほどの大光量の光が固体撮像素子に入射した場合に対応したものである。この場合、図7に示すように、時刻IV〜Vの期間において、電荷保持部FDの電位が最低電位に収束してしまうことがある。
【００４７】
この場合にリセット信号の変動値のみで判定を行っても、リセット信号が変動していないので、黒沈み現象が発生していない（補正の必要がない）と判定されてしまう。そこで、リセット信号の変動値に加えて、リセット信号が飽和しているか否かの判定結果を追加して判定を行うことで、黒沈み現象が発生しているにもかかわらず、黒沈み現象が発生していないと誤判定することなく、適切に黒沈み補正を実施することが可能となる。リセット信号飽和判定回路31は、出力アンプ26の出力信号のレベルが所定の閾値を下回った場合に、リセット信号が飽和していると判定する。
【００４８】
補正判定回路28は、以下のように判定を行う。補正判定回路28は、まず変動値と所定の閾値を比較することにより、黒沈み現象の発生による補正の必要があるか否かを判定する。変動値が閾値を超えた場合、補正判定回路28は、補正の必要があると判定する。また、変動値が閾値を超えていない場合、補正判定回路28は、リセット信号飽和判定回路31からの判定結果に基づいて、黒沈み現象の発生による補正の必要があるか否かを判定する。リセット信号が飽和している場合、補正判定回路28は、補正の必要があると判定する。また、リセット信号が飽和していない場合、補正判定回路28は、補正の必要がないと判定する。
【００４９】
上述したように、本実施形態によれば、画素毎の変動値と、リセット信号が飽和しているか否かの判定結果とから黒沈み現象が発生しているか否かを判定することが可能となる。したがって、黒沈み現象の発生に係る判定を行う際の閾値設定に画素間のばらつきを考慮する必要がなくなるため、判定に用いる閾値のマージンを小さくすると共に、黒沈み現象の発生に係る判定の精度を向上することができる。さらに、ダイナミックレンジの低下を低減して、黒沈み補正を行うことができる。
【００５０】
本実施形態においても、第1の実施形態と同様に、変動値検出回路25、差分回路29、補正判定回路28、及び補正回路30を全ての列で共通としたが、これらを列毎に、あるいは、複数列毎に設けてもよい。
【００５１】
（第3の実施形態）
次に、本発明の第3の実施形態を説明する。本実施形態は、電荷保持部FDを画素内メモリとして使用し、全画素の露光期間を同一としたグローバルシャッタ動作を行う場合に適用されるものである。
【００５２】
図8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8に示す固体撮像装置は、複数の画素40が二次元行列状に配列された画素部102を有している。ここでは説明を簡単にするために画素40を3行3列に並べた場合を例として説明する。図9は画素40の詳細な構成を示している。
【００５３】
画素40は、第1の実施形態、第2の実施形態の画素10の構成に対して、フォトダイオードPDをリセットするためのリセットトランジスタM6及びリセット電位を作るための画素電源VDD2を追加したものである。リセットトランジスタM6は、垂直走査回路12からのリセットパルスΦRS_PDにより制御される。
【００５４】
以下、図8に示した他の構成について説明する。図8において、図1に示した構成と同じ構成については、同一の符号を付与し、説明を省略する。図8では、垂直走査回路12から各画素40の駆動に必要な制御信号（リセットパルスΦRS、転送パルスΦTR、選択パルスΦSE、リセットパルスΦRS_PD）を出力する信号線をまとめて信号線13としている。
【００５５】
各列の垂直信号線11はスイッチ280-1、280-2に接続されている。スイッチ280-1、280-2はそれぞれ、制御信号Φ50-1、Φ50-2によってオンとオフを切り替えることが可能なスイッチである。また、スイッチ280-1、280-2はそれぞれ、メモリ41-1、41-2に接続されている。メモリ41-1、41-2は、各列の画素40から出力された信号（電荷保持部FDをリセットしたときのリセット信号、及びフォトダイオードPDに蓄積された信号電荷に基づく光信号）を一時的に保持するメモリである。
【００５６】
メモリ41-1、41-2はそれぞれ、水平選択スイッチ150-1、150-2に接続されている。水平選択スイッチ150-1、150-2は、オンとオフを切り替えることが可能なスイッチである。1列目の水平選択スイッチ150-1、150-2は制御信号ΦH-1、ΦH-11によって制御され、2列目の水平選択スイッチ150-1、150-2は制御信号ΦH-2、ΦH-22によって制御され、3列目の水平選択スイッチ150-1、150-2は制御信号ΦH-3、ΦH-33によって制御される。水平選択スイッチ150-1、150-2はそれぞれ、水平信号線190、200に接続されている。水平走査回路42は、水平信号線190、200への信号の出力を制御するための制御信号ΦH-1、ΦH-11、ΦH-2、ΦH-22、ΦH-3、ΦH-33を出力する制御回路である。
【００５７】
各画素10において、電荷保持部FDをリセットした直後の画素出力であるリセット信号は、垂直信号線11、スイッチ280-1、280-2を介してメモリ41-1またはメモリ41-2に、後述するように電荷保持部FDをリセットしてからの時間が異なるタイミングで出力される。メモリ41-1、メモリ41-2に保存されたリセット信号は、水平選択スイッチ150-1、150-2を介して列順次に水平信号線190、200に出力される。
【００５８】
また、各画素10において、フォトダイオードPDで発生した信号電荷を電荷保持部FDに転送した直後の画素出力である光信号は、垂直信号線11、スイッチ280-2を介してメモリ41-2に出力される。メモリ41-2に保存された光信号は、水平選択スイッチ150-2を介して列順次に水平信号線200に出力される。
【００５９】
変動値検出回路32は、水平信号線190、200に出力される、タイミングの異なる2つのリセット信号（Sig1、Sig2）の差分をとった信号を出力する。また、変動値検出回路32は、必要に応じて、2つのリセット信号（Sig1、Sig2）の差分をとった信号の増幅も行う。
【００６０】
リセット信号飽和判定回路38は、水平信号線200に出力されたリセット信号（Sig2）が飽和しているか否かを判定する。補正判定回路33は、変動値検出回路32からの変動値及びリセット信号飽和判定回路38からの判定結果に基づいて、黒沈み現象の発生による補正の必要の有無を判定する。補正判定回路33が行う判定の方法は第2の実施形態と同様である。
【００６１】
ADC39は、水平信号線200に出力されたリセット信号及び光信号（Sig2）をA-D変換（アナログ−デジタル変換）するAD変換器である。補正回路34は、補正判定回路33によって補正の必要があると判定された場合に、ADC39から出力されたリセット信号を、そのレベルが飽和レベル以上になるように補正して出力する回路である。補正判定回路33によって補正の必要がないと判定された場合、補正回路34はリセット信号をそのまま出力する。
【００６２】
フレームメモリ36は、補正回路34から出力されたリセット信号を一時的に保持するメモリである。加算器37は、光信号に含まれるノイズを除去するために、ADC39から出力された光信号から、フレームメモリ36から読み出されたリセット信号を減算した信号を出力する回路である。この加算器37の出力信号が撮像信号となる。リセット信号飽和判定回路38による判定、補正判定回路33による判定、補正回路34による補正処理、加算器37による減算は画素毎の信号の単位で行われる。
【００６３】
次に、固体撮像装置の動作について、図10に示すタイミングチャートを用いて説明する。まず、全行のPDリセットパルスΦRS_PDが立ち上がり、リセットトランジスタM6がオンする。これにより、全画素のフォトダイオードPDがリセット状態となる。続いて、選択パルスΦSEL-1が立ち上がり、選択トランジスタM5がオンする。これにより、1行目の画素が選択された状態となる。
【００６４】
続いて、FDリセットパルスΦRS-1が立ち上がり、リセットトランジスタM3がオンして電荷保持部FDがリセットされる。続いて、制御信号Φ50-1、Φ50-2がこの順にスイッチ280-1、280-2に出力され、電荷保持部FDをリセットしてからの時間が異なる2回のタイミングでメモリ41-1、41-2にリセット信号が保存される。続いて、選択パルスΦSEL-1が立ち下がり、選択トランジスタM5がオフすることにより、1行目の画素が選択された状態が終了する。
【００６５】
続いて、水平走査回路42から列順次にスイッチ150-1、150-2に制御信号ΦH-1、ΦH-11、ΦH-2、ΦH-22、ΦH-3、ΦH-33の順にパルスが出力され、メモリ41-1、41-2から2つのリセット信号が列順次に水平信号線190、200にそれぞれ出力される。これらのリセット信号（Sig1、Sig2）は変動値検出回路32に出力され、変動値検出回路32において、これらの差分をとった信号からリセット信号の変動値が検出され、その結果が補正判定回路33に出力される。これと同時に、1つのリセット信号（Sig2）がリセット信号飽和判定回路38に出力され、リセット信号飽和判定回路38において、リセット信号が飽和しているか否かが判定され、判定結果が補正判定回路33に出力される。
【００６６】
補正判定回路33は、リセット信号の変動値と、リセット信号が飽和しているか否かの判定結果とに基づいて、黒沈み現象の発生による補正を行うか否かを判定する。補正判定回路33による判定の結果は補正回路34に出力される。これと同時に、1つのリセット信号がADC回路39でA-D変換され、補正判定回路33による判定の結果に基づき、補正回路34において、このリセット信号の補正が行われ、補正後のリセット信号がフレームメモリ36に保存される。ここで、黒沈み現象が発生しており、補正の必要があると判定された場合、リセット信号は、黒沈み現象が発生しないような信号レベルに補正され、フレームメモリ36に保存される。黒沈み現象が発生しておらず、補正の必要がないと判定された場合、リセット信号は補正されず、そのままフレームメモリ36に保存される。
【００６７】
2行目、3行目の画素についても同様の動作を繰り返し、全画素分のリセット信号がフレームメモリ36に保存される。続いて、全行のPDリセットパルスΦRS-PDが立ち下がり、リセットトランジスタM6がオフすることにより、全画素のフォトダイオードPDのリセットが終了し、全画素のフォトダイオードPDへの露光が開始される。
【００６８】
所望の露光期間が経過すると、全行の転送パルスΦTXが立ち上がり、全画素において、フォトダイオードPDで露光により発生した信号電荷が電荷保持部FDに転送され、露光が終了する。続いて、全行のPDリセットパルスΦRS-PDが立ち上がり、リセットトランジスタM6がオンする。これにより、全画素のフォトダイオードPDがリセット状態となる。続いて、選択パルスΦSEL-1が立ち上がり、選択トランジスタM5がオンする。これにより、1行目の画素が選択された状態となる。
【００６９】
この状態で、制御信号Φ50-2がスイッチ280-2に出力され、メモリ41-2に光信号が保存される。続いて、選択パルスΦSEL-1が立ち下がり、選択トランジスタM5がオフすることにより、1行目の画素が選択された状態が終了する。続いて、水平走査回路42から列順次にスイッチ150-2に制御信号ΦH-11、ΦH-22、ΦH-33の順にパルスが出力され、メモリ41-2から光信号が列順次に水平信号線200に出力される。
【００７０】
水平信号線200に出力された光信号はADC39でA-D変換され、加算器37に出力される。加算器37において、前述したフレームメモリ36に保存されたリセット信号が光信号から減算されて撮像信号が取り出される。その後、2行目についても1行目と同様な動作が行われる。3行目についても2行目の動作が終了した後、1行目、2行目と同様の動作が行われ、全画素分の撮像信号が取得される。
【００７１】
上述したように、本実施形態によれば、電荷保持部FDを画素内メモリとして使用し、全画素の露光期間を同一としたグローバルシャッタ動作を行う場合も、第1及び第2の実施形態と同様にダイナミックレンジの低下を低減して、黒沈み補正を行うことができる。
【００７２】
本実施形態では変動値検出回路32、ADC39、補正判定回路33、補正回路34を全画素列に対し共通としたが、これらの一部もしくは全てを列毎に設けても良い。また、本実施形態ではフォトダイオードPDのリセットを行うために、フォトダイオードPDのリセット専用のリセットトランジスタM6を設けたが、このリセットトランジスタM6を設けず、転送トランジスタM2とリセットトランジスタM3を同時にオンすることでフォトダイオードPDをリセットする画素についても本発明は適用可能である。
【００７３】
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。
【符号の説明】
【００７４】
10,40・・・画素、12・・・垂直走査回路、16-1,16-2,16-3,280-1,280-2・・・スイッチ、17-1,17-2,17-3,41-1,41-2・・・メモリ、18-1,18-2,18-3, 150-1,150-2・・・水平選択スイッチ、25,32・・・変動値検出回路（検出部）、26,27・・・出力アンプ、28,33・・・補正判定回路（比較部）、29・・・差分回路（差分処理部）、30,34・・・補正回路（補正部）、31,38・・・リセット信号飽和判定回路（判定部）、34・・・ADC、36・・・フレームメモリ（記憶部）、37・・・加算器（差分処理部）、24,42・・・水平走査回路、101,102・・・画素部、M2・・・転送トランジスタ（転送部）、M3・・・リセットトランジスタ（リセット部）、M4・・・増幅トランジスタ（増幅部）、M5・・・選択トランジスタ、M6・・・リセットトランジスタ、PD・・・フォトダイオード（光電変換部）、FD・・・電荷保持部
【図１】
2011139181.tif 000003
【図２】
2011139181.tif 000004
【図３】
2011139181.tif 000005
【図４】
2011139181.tif 000006
【図５】
2011139181.tif 000007
【図６】
2011139181.tif 000008
【図７】
2011139181.tif 000009
【図８】
2011139181.tif 000010
【図９】
2011139181.tif 000011
【図１０】
2011139181.tif 000012
【図１１】
2011139181.tif 000013
【図１２】
2011139181.tif 000014
【図１３】
2011139181.tif 000015