(57)【要約】【課題】CMOSイメージセンサにおいて、複雑な信号処理を行うことなく、暗時（低照度時）の信号出力レベルおよびS/N 特性を維持してダイナミックレンジを大きくする。【解決手段】CMOSイメージセンサにおいて、単位画素１(m,n) は、入射光を光電変換し蓄積する第１のフォトダイオードPD1 およびそれよりも光感度が小さい第２のフォトダイオードPD2 と、第１、第２のフォトダイオードの信号電荷を読み出す第１、第２の読出しトランジスタREAD1 、READ2 と、第１、第２の読出しトランジスタに接続され、信号電荷を蓄積するフローティングディフュージョンFDとを有し、第１、第２のフォトダイオードの信号電荷を読み出して加算した電位を増幅して信号を出力する高感度モードと、第２のフォトダイオードの信号電荷を読み出した電位を増幅して信号を出力する低感度モードとを備える。【選択図】図１
2011015219.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を光電変換して蓄積する第１のフォトダイオードと、
前記第１のフォトダイオードに接続され、信号電荷を読み出す第１の読出しトランジスタと、
前記第１のフォトダイオードよりも光感度が小さく、入射光を光電変換して蓄積する第２のフォトダイオードと、
前記第２のフォトダイオードに接続され、信号電荷を読み出す第２の読出しトランジスタと、
前記第１の読出しトランジスタおよび前記第２の読出しトランジスタに接続され信号電荷を蓄積するフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンの電位をリセットするリセットトランジスタと、
前記フローティングディフュージョンの電位を増幅する増幅トランジスタと
を有する単位画素のアレイ領域を具備し、
前記第１のフォトダイオードの信号電荷と前記第２のフォトダイオードの信号電荷とを前記フローティングディフュージョンで加算した電位を増幅して信号を出力する第１の動作モードと、
前記第２のフォトダイオードの信号電荷が前記第２の読出しトランジスタにより読み出された前記フローティングディフュージョンの電位を増幅して信号を出力する第２の動作モードと
を備えたことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
入射光を光電変換して蓄積する第１のフォトダイオードと、
前記第１のフォトダイオードに接続され、信号電荷を読み出す第１の読出しトランジスタと、
前記第１のフォトダイオードよりも光感度が小さく、入射光を光電変換して蓄積するための第２のフォトダイオードと、
前記第２のフォトダイオードに接続され、信号電荷を読み出す第２の読出しトランジスタと、
前記第１の読出しトランジスタおよび前記第２の読出しトランジスタに接続され、信号電荷を蓄積するフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンの電位をリセットするリセットトランジスタと、
前記フローティングディフュージョンの電位を増幅する増幅トランジスタと
を有する単位画素のアレイ領域を具備し、
前記第１のフォトダイオードの信号電荷と前記第２のフォトダイオードの信号電荷とを、別々に読み出して信号を出力する第１の動作モードと、
前記第２のフォトダイオードの信号電荷を読み出して信号を出力する第２の動作モードと
を備えたことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
前記第１のフォトダイオードの光感度をSENS1 、飽和レベルをVSAT1 、前記第２のフォトダイオードの光感度をSENS2 、飽和レベルをVSAT2 で表すと、
VSAT1/SENS1   ＜  VSAT2/SENS2
の関係式を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記第１のフォトダイオードに光を集光する第１のマイクロレンズと、
前記第２のフォトダイオードに光を集光する第２のマイクロレンズとをさらに具備し、
前記第１のマイクロレンズの面積は前記第２のマイクロレンズの面積よりも大きく、
前記第１のマイクロレンズと前記第２のマイクロレンズは互いに市松模様状に配置されてい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】
前記第１のフォトダイオードに光を集光するための第１のマイクロレンズと、
前記第２のフォトダイオードに光を集光するための第２のマイクロレンズとをさらに具備し、
前記第１のマイクロレンズは複数のマイクロレンズから構成され、当該複数のマイクロレンズの面積の和は前記第２のマイクロレンズの面積よりも大きい
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に係り、特に単位画素の回路構成に関するもので、例えばCMOSイメージセンサに使用される。
【背景技術】
【０００２】
従来のCMOSイメージセンサの撮像領域に行列状に配置されている単位画素（ユニットセル）において、光電変換素子としてフォトダイオード一つのみを有するものがある。この単位画素は、フォトダイオードと、フォトダイオードの蓄積を制御し、フローティングディフュージョンへ読み出す読み出しトランジスタと、フローティングディフュージョンの信号電位を増幅して出力する増幅トランジスタと、増幅トランジスタのゲート電位をリセットするリセットトランジスタと、選択トランジスタとから構成されている。
【０００３】
上記従来の単位画素のアレイを有するCMOSイメージセンサの動作は、一般に以下に述べるようにして行われる。各単位画素は、入射光の強さに応じて発生した信号電荷をフォトダイオードに一時的に蓄積する。このフォトダイオードの信号を読み出す時刻になると、フローティングディフュージョンの電位をリセットした後に、フォトダイオードに蓄積した信号電荷がフローティングディフュージョンに転送される。増幅トランジスタは、撮像領域外に設置した電流源とともにソースフォロワ回路を形成し、フローティングディフュージョンの信号電荷量に応じたレベルの電圧を出力する。
【０００４】
しかし、上記した従来の単位画素では、画素の動作範囲（ダイナミックレンジ）が、画素のフローティングディフュージョンまたはフォトダイオードの飽和レベルで決まり、それより大きな入射光が入っても出力が飽和するという問題点がある。
【０００５】
一方、例えば特許文献１および特許文献２には、CCD エリアセンサの撮像領域内に高感度画素と低感度の画素を隣接して設けることによってダイナミックレンジを拡大する技術が開示されている。
【０００６】
しかし、特許文献１に記載のCCD エリアセンサでは、高感度画素と低感度画素を別々に読み出し、高感度画素の出力をクリップした後に高感度画素と低感度画素の出力を換算している。この場合、読出し経路におけるCCD やオンチップアンプのノイズが乗った後に加算するので、信号対雑音比S/N が低下し易いという問題がある。また、CCD エリアセンサでは一般的な、画素信号を間引きしてフレームレートを高くするという動作が困難であるという問題点がある。
【０００７】
また、例えば特許文献２には、撮像領域内に高感度画素と低感度画素を市松模様状に隣接して配置し、ダイナミックレンジを拡大する技術が開示されている。しかし、一般的なエリアセンサでは、画素の配置が市松模様状でなく格子模様状であり、出力される信号がRGB ベイヤー配列に対応していないので、特殊な色信号処理が必要となる。即ち、市松模様状に配置された画素のデータファイルから、信号処理により格子模様状に配置された画素のデータファイルに変換する複雑な信号処理を必要とするという問題がある。
【０００８】
このように、従来のエリアイメージセンサでは、信号電荷取扱量（ダイナミックレンジ）を大きくするには複雑な信号処理を行う必要があるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０００−１２５２０９号公報
【特許文献２】特開２００５−２８６５６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は前記した従来の問題点を解決すべくなされたもので、複雑な信号処理を行うことなく、暗時（低照度時）の信号出力レベルおよびS/N 特性を維持して、ダイナミックレンジを大きくし得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】
【００１１】
本発明の一実施形態の固体撮像装置は、入射光を光電変換し蓄積する第１のフォトダイオードと、前記第１のフォトダイオードに接続され信号電荷を読み出す第１の読出しトランジスタと、前記第１のフォトダイオードよりも光感度が小さい第２のフォトダイオードと、前記第２のフォトダイオードに接続され信号電荷を読み出す第２の読出しトランジスタと、第１の読出しトランジスタおよび前記第２の読出しトランジスタに接続され信号電荷を蓄積するフローティングディフュージョンと、前記フローティングディフュージョンの電位をリセットするリセットトランジスタと、前記フローティングディフュージョンの電位を増幅する増幅トランジスタとを有する単位画素のアレイ領域を具備し、前記第１のフォトダイオードの信号電荷と前記第２のフォトダイオードの信号電荷とを前記フローティングディフュージョンで加算した電位を増幅して信号を出力する第１の動作モードと、前記第２のフォトダイオードの信号電荷が前記第２の読出しトランジスタにより読み出された前記フローティングディフュージョンの電位を増幅して信号を出力する第２の動作モードとを具備している。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の固体撮像装置によれば、複雑な信号処理を行うことなく、暗時の信号出力レベルおよびS/N 特性を維持して、ダイナミックレンジを大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の固体撮像装置の第１の実施形態に係るCMOSイメージセンサを概略的に示すブロック図。
【図２】図１のCMOSイメージセンサの撮像領域における一部分を取り出して素子形成領域とゲートのレイアウトイメージを概略的に示す図および色フィルタ・マイクロレンズのレイアウトイメージを概略的に示す図。
【図３】図１中の各単位画素においてフォトダイオードに蓄積される信号電荷量が多い場合（明時）に適した低感度モードにおける画素の動作タイミング、リセット動作時における半導体基板内のポテンシャル電位および読み出し動作時のポテンシャル電位の一例を示す図。
【図４】図１中の各単位画素においてフォトダイオードに蓄積される信号電荷量が少ない場合（暗時）に適した高感度モードにおける画素の動作タイミング、リセット動作時における半導体基板内のポテンシャル電位および読み出し動作時のポテンシャル電位の一例を示す図。
【図５】第１の実施形態のCMOSイメージセンサにおけるダイナミックレンジ拡大効果を説明するために特性の一例を示す図。
【図６】第１の実施形態の変形例に係るCMOSイメージセンサの撮像領域における素子形成領域およびゲートのレイアウトイメージの一部を信号線とともに概略的に示す図。
【図７】本発明の固体撮像装置の第２の実施形態に係るCMOSイメージセンサの撮像領域における単位画素の１つ分を取り出して素子形成領域およびゲート、色フィルタ・マイクロレンズのレイアウトイメージを概略的に示す図。
【図８】本発明の固体撮像装置の第３の実施形態に係るCMOSイメージセンサを概略的に示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。この説明に際して、全図にわたり共通する部分には共通する参照符号を付す。
【００１５】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の固体撮像装置の第１の実施形態に係るCMOSイメージセンサを概略的に示すブロック図である。このCMOSイメージセンサにおいて、撮像領域１０はｍ行ｎ列に配置された複数の単位画素（ユニットセル）１(m,n) を含む。ここでは、各単位画素のうち、ｍ行目ｎ列目の１つの単位画素１(m,n) 、および、撮像領域の各カラムに対応して列方向に形成された垂直信号線のうちの１本の垂直信号線１１(n) を代表的に示す。
【００１６】
撮像領域１０の一端側（図中左側）には、撮像領域の各行にADRES(m)、RESET(m)、READ1(m)、READ2(m)などの画素駆動信号を供給する垂直シフトレジスタ(Vertical Shift Register) １２が配置されている。
【００１７】
撮像領域１０の上端側（図中上側）には、各カラムの垂直信号線１１(n) に接続されている電流源１３が配置されており、画素ソースフォロワ回路の一部として動作する。
【００１８】
撮像領域の下端側（図中下側）には、各カラムの垂直信号線１１(n) に接続されている相関二重サンプリング(Correlated double Sampling;CDS)回路＆アナログ・デジタル変換回路(Analog Digital Convert;ADC)回路を含むCDS&ADC １４と、水平シフトレジスタ(Horizontal Shift Register) １５が配置されている。CDS&ADC １４は、画素のアナログ出力をCDS 処理し、デジタル出力に変換する。
【００１９】
信号レベル判定回路１６は、CDS&ADC １４でデジタル化された出力信号のレベルに基づいて単位画素の出力信号VSIG(n) が所定値より小さいか大きいかを判定し、判定出力をタイミング発生回路(Timing Generator)１７に供給するとともに、CDS&ADC １４にアナログゲイン(Analog Gain) 制御信号として供給する。
【００２０】
タイミング発生回路１７は、フォトダイオードの蓄積時間を制御する電子シャッタ制御信号や動作モード切替用の制御信号等をそれぞれ所定のタイミングで発生し、垂直シフトレジスタ１２に供給する。
【００２１】
各単位画素は同一の回路構成を有しており、本実施形態では、各単位画素の中に、高感度画素と低感度画素を一つずつ配置している。ここで、図１中の単位画素１(m,n) の構成を説明する。
【００２２】
単位画素１(m,n) は、入射光を光電変換して蓄積する第１のフォトダイオードPD1 と、第１のフォトダイオードPD1 に接続され、第１のフォトダイオードPD1 の信号電荷を読み出し制御する第１の読み出しトランジスタREAD1 と、第１のフォトダイオードPD1 よりも光感度が小さく、入射光を光電変換して蓄積する第２のフォトダイオードPD2 と、第２のフォトダイオードPD2 に接続され、第２のフォトダイオードPD2 の信号電荷を読み出し制御する第２の読み出しトランジスタREAD2 と、第１、第２の読み出しトランジスタREAD1 、READ2 の各一端に接続され、第１、第２の読み出しトランジスタREAD1 、READ2 により読み出された信号電荷を一時的に蓄積するフローティングディフュージョンFDと、フローティングディフュージョンFDにゲートが接続され、フローティングディフュージョンFDの信号を増幅して垂直信号線１１(n) に出力する増幅トランジスタAMP と、増幅トランジスタAMP のゲート電位（FD電位）にソースが接続されてゲート電位をリセットするリセットトランジスタRST と、垂直方向における所望水平位置の単位画素を選択制御するために増幅トランジスタAMP に電源電圧を供給制御する選択トランジスタADR を有する。なお、各トランジスタは、本例ではｎ型のMOSFETである。
【００２３】
選択トランジスタADR 、リセットトランジスタRST 、第１の読み出しトランジスタREAD1 、第２の読み出しトランジスタREAD2 は、それぞれ対応する行の信号線ADRES(m)、RESET(m)、READ1(m)、READ2(m)により制御される。また、増幅トランジスタAMP の一端は、対応する列の垂直信号線１１(n) に接続されている。
【００２４】
図２（ａ）は、図１のCMOSイメージセンサの撮像領域における一部分を取り出して素子形成領域およびゲートのレイアウトイメージを概略的に示す図である。図２（ｂ）は、図１のCMOSイメージセンサにおける撮像領域の一部を取り出して色フィルタ・マイクロレンズのレイアウトイメージを概略的に示す図である。色フィルタ・マイクロレンズの配列は、通常のRGB ベイヤー配列を採用している。
【００２５】
図２（ａ）、（ｂ）において、Ｒ(1) ，Ｒ(2) はＲ用画素、Ｂ(1) ，Ｂ(2) はＢ用画素、Ｇｂ(1) ，Ｇｂ(2) ，Ｇｒ(1) ，Ｇｒ(2) はＧ用画素に対応する領域を示している。Ｄはドレイン領域を示している。また、信号線との対応関係を示すために、ｍ行目の信号線ADRES(m)、RESET(m)、READ1(m)、READ2(m)および、(m+1) 行目の信号線ADRES(m+1)、RESET(m+1)、READ1(m+1)、READ2(m+1)、ｎ列目の垂直信号線１１(n) 、(n+1) 列目の垂直信号線１１(n+1) を示している。
【００２６】
図２（ａ）、（ｂ）に示したように、単位画素の中に高感度画素と低感度画素が配置され、高感度画素上には面積の大きな色フィルタおよびマイクロレンズ２０が配置され、低感度画素上には面積の小さな色フィルタおよびマイクロレンズ３０が配置されている。
【００２７】
図３は、図１のCMOSイメージセンサにおいて、第１、第２のフォトダイオードPD1 、PD2 に蓄積される信号電荷量が多い場合（明時）に適した低感度モードにおける画素の動作タイミング、リセット動作(Reset Operation) 時における半導体基板内のポテンシャル(Potential) 電位および読み出し動作(Read Operation)時のポテンシャル電位の一例を示す図である。信号電荷量が多い場合は、センサの感度を落として、センサがなるべく飽和しないようにして、ダイナミックレンジを拡大することが求められる。
【００２８】
まず、リセットトランジスタRST をオンさせてリセット動作を行うことにより、リセット動作を行った直後のフローティングディフュージョンFDの電位はドレイン（画素の電源）と同じ電位レベルに設定される。リセット動作の終了後は、リセットトランジスタRST をオフする。すると、垂直信号線１１には、フローティングディフュージョンFDの電位に応じた電圧が出力される。この電圧値をCDS&ADC １４内のCDS回路に取り込んでおく（暗時レベル）。
【００２９】
次に、第１の読み出しトランジスタREAD1 あるいは第２の読み出しトランジスタREAD2 をオンさせて、それまでにフォトダイオードPD1 あるいはPD2 に蓄積された信号電荷をFDに転送する。低感度モードでは、第２の読み出しトランジスタREAD2 のみをオンし、より感度の低い第２のフォトダイオードPD2 で蓄積した信号電荷のみをフローティングディフュージョンFDに転送する読出し動作を行う。この信号電荷の転送に伴って、FD電位が変化する。垂直信号線１１には、フローティングディフュージョンFDの電位に応じた電圧が出力されるので、この電圧値をCDS回路に取り込む（信号レベル）。その後、CDS回路で信号レベルから暗時レベルを引き算することにより、増幅トランジスタAMP のVth （閾値）ばらつき等のノイズをキャンセルし、純粋な信号成分のみを取り出す（CDS動作）。
【００３０】
なお、低感度モードでは、説明簡便のため、第１のフォトダイオードPD1 と第１の読み出しトランジスタREAD1 の動作に関しては説明を省略している。実際は、第１のフォトダイオードPD1 の信号電荷がフローティングディフュージョンFDに溢れてくるのを防止するため、フローティングディフュージョンFDのリセット動作を行う直前に第１の読み出しトランジスタREAD1 をオンさせ、第１のフォトダイオードPD1 に蓄積された信号電荷を排出すると良い。また、フローティングディフュージョンFDのリセット動作と第２のフォトダイオードPD2 からの信号の読出し動作を行っている期間以外は、常に第１の読み出しトランジスタREAD1 をオンさせてもよい。
【００３１】
一方、図４は、図１のCMOSイメージセンサにおいて、フローティングディフュージョンFDに蓄積される信号電荷量が少ない場合（暗時）に適した高感度モードにおける画素の動作タイミング、リセット動作時における半導体基板内のポテンシャル電位および読み出し動作時のポテンシャル電位の一例を示す図である。フローティングディフュージョンFDの信号電荷量が少ない場合は、CMOSイメージセンサの感度を上げてS/N 比を向上させることが求められる。
【００３２】
まず、リセットトランジスタRST をオンさせてリセット動作を行うことにより、リセット動作を行った直後のフローティングディフュージョンFDの電位(Potential) はドレイン（画素の電源）と同じ電位レベルに設定される。リセット動作の終了後は、リセットトランジスタRST をオフする。すると、垂直信号線１１には、フローティングディフュージョンFDの電位に応じた電圧が出力される。この電圧値をCDS&ADC １４内のCDS回路に取り込んでおく（暗時レベル）。
【００３３】
次に、第１、第２の読み出しトランジスタREAD1 、READ2 をオンさせて、それまでに第１、第２のフォトダイオードPD1 、PD2 に蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョンFDに転送する。高感度モードでは、第１、第２の読み出しトランジスタREAD1 、READ2 の両方をオンさせて、暗い状態で取得した信号電荷の全てをフローティングディフュージョンFDに転送する読出し動作を行う。この信号電荷の転送に伴って、FD電位が変化する。垂直信号線１１には、フローティングディフュージョンFDの電位に応じた電圧が出力されるので、この電圧値をCDS回路に取り込む（信号レベル）。その後、信号レベルから暗時レベルを引き算することにより、増幅トランジスタAMP のVth ばらつき等のノイズをキャンセルし、純粋な信号成分のみを取り出す（CDS動作）。
【００３４】
一般に、CMOSイメージセンサでは、発生する全ノイズの中で、増幅トランジスタAMP で発生する熱雑音や１／ｆノイズが大きな割合を占めている。したがって、本実施形態のCMOSイメージセンサのように、ノイズが発生する前にフローティングディフュージョンFDに転送する段階で信号を加算して信号レベルを大きくすることは、S/N 比を向上させる上で有利である。また、フローティングディフュージョンFDに転送する段階で信号を加算することにより、画素数が減少するので、CMOSイメージセンサのフレームレートを上げ易いという効果が得られる。
【００３５】
なお、フローティングディフュージョンFDで信号電荷を加算することに限定されるものではない。第１、第２のフォトダイオードPD1 とPD2の信号電荷を、別々に画素ソースフォロワ回路を用いて出力してもよい。この場合、CMOSセンサの外部の信号処理回路において、第１、第２のフォトダイオードPD1 、PD2 の信号電荷の単純加算ではなく、例えば２：１の比率で重み付け加算を行なうようにしてもよい。
【００３６】
上述したように、本実施形態ではCMOSイメージセンサにおける単位画素中に、高感度画素と低感度画素をそれぞれ一つ設ける。そして、信号電荷量の少ない時は、高感度画素と低感度画素の信号を両方使用する。その際、単位画素の中で信号電荷を加算して読み出すと良い。また、信号電荷量が多い時は、低感度画素の信号のみを読み出す。このように、二つの動作モードを使い分ける。
【００３７】
本実施形態では単位画素の中に高感度画素と低感度画素を一つずつ配置するので、次式（１）の関係が成り立つと考えてよい。即ち、従来画素の光感度／飽和レベル、高感度画素の光感度／飽和レベル、低感度画素の光感度／飽和レベルを
従来画素の光感度：SENS
従来画素の飽和レベル：VSAT
高感度画素の光感度：SENS1
高感度画素の飽和レベル：VSAT1
低感度画素の光感度：SENS2
低感度画素の飽和レベル：VSAT2
で表すと、
SENS=SENS1+SENS2
VSAT=VSAT1+VSAT2        …（１）
高感度画素が飽和して低感度モードに切り替わると、得られる信号電荷量が減少してS/N が低下する。高感度画素が飽和する光量は、VSAT1/SENS1 で表される。この光量での低感度画素の信号出力は、VSAT1 ×SENS2/SENS1 となる。従って、この光量での信号出力の低下率は、
(VSAT1×SENS2/SENS1)／(VSAT1×SENS/SENS1) ＝SENS2/SENS      …（２）
となる。高感度／低感度モード切替時の信号低下は避けたいので、SENS2/SENSは、１０％から５０％の間に設定するのが妥当と考えられる。本実施形態では、SENS2/SENS＝１／４＝２５％に設定している。
【００３８】
一方、ダイナミックレンジの拡大効果は、低感度モードでの最大入射光量VSAT2/SENS2と従来画素の最大入射光量（ダイナミックレンジ）VSAT/SENS との比をとり、
(VSAT2/VSAT)×(SENS/SENS2)      …（３）
となる。この式（３）より明らかなように、VSAT2/VSATは可能な限り大きくしたほうが良い。これは、高感度画素と低感度画素の飽和レベルは、同程度か、もしくは低感度画素の方を大きくした方が良いということを意味している。数式で表すと、
VSAT1/SENS1   ＜  VSAT2/SENS2      …（４）
を満たすと、ダイナミックレンジを拡大することができる。
【００３９】
図５は、本実施形態のCMOSイメージセンサにおけるダイナミックレンジ拡大効果を説明するために特性の一例を示す図である。図５中、横軸は入射光量を示し、縦軸はフォトダイオードに発生した信号電荷量を示している。ここでは、高感度画素（PD1 ）の特性Ａ、低感度画素（PD2 ）の特性Ｂ、従来の単位画素中の画素（従来画素）の特性Ｃを示している。
【００４０】
本実施形態では、高感度画素（PD1 ）の光感度は従来画素の３／４に設定され、低感度画素（PD2 ）の光感度は従来画素の１／４に設定されている。また、高感度画素（PD1 ）の飽和レベルは従来画素の１／２に設定され、低感度画素（PD2 ）の飽和レベルは従来画素の１／２に設定されている。
【００４１】
図５から分かるように、高感度画素（PD1 ）の光感度は、従来画素と比べて３／４に設定され、低感度画素（PD2 ）の光感度は従来画素と比べて１／４に設定されているので、高感度画素（PD1 ）と低感度画素（PD2 ）の出力を加算する高感度モードでは、信号電荷量は従来の単位画素と同等である。
【００４２】
一方、低感度画素（PD2 ）は、従来画素と比べて飽和レベルは１／２、光感度は１／４であるので、結果として、低感度画素（PD2 ）が飽和しないで動作する範囲は従来画素と比較して２倍広がっている。即ち、低感度画素（PD2 ）の出力を用いる低感度モードでは、ダイナミックレンジは従来画素と比較して２倍拡大していることが分かる。
【００４３】
以上のように、本実施形態のCMOSイメージセンサでは、低感度モードを利用することでダイナミックレンジを拡大でき、高感度モードを利用することで光量が少ない場合（暗い場合）での光感度の劣化を少なくできる、という効果が得られる。即ち、光感度と信号電荷取扱量のトレードオフ（二律背反）の関係を乗り越え、暗時の低ノイズを維持したまま、信号電荷取扱量を大きくすることが可能である。
【００４４】
さらに、本実施形態は、CMOSイメージセンサでダイナミックレンジの拡大を実現しているので、CMOSイメージセンサの利点、即ち、間引き動作などを利用してフレームレートの高い、高速センサを容易に設計することが可能である。
【００４５】
なお、本実施形態のCMOSイメージセンサでは、第１のフォトダイオードPD1 だけ、あるいは、第２のフォトダイオードPD2 だけに着目した場合、それぞれ一般的に用いられるRGB ベイヤー配列となっているので、高感度モード、低感度モードとも、出力信号はRGB ベイヤー配列に対応している。従って、デモザイクなどの色信号処理は、従来の処理をそのまま利用できる。
【００４６】
また、本実施形態のCMOSイメージセンサでは、第１、第２のフォトダイオードPD1 、PD2 が市松模様状に配置されている。そこで、図２（ａ）に示したように、フローティングディフュージョンFDを第１、第２のフォトダイオードPD1 とPD2 の間に配置し、さらに残った隙間に各トランジスタAMP 、RST を配置すると、画素内で各部品のレイアウトを容易に行なうことができる。
【００４７】
＜第１の実施形態の変形例＞
図６は、第１の実施形態の変形例に係るCMOSイメージセンサの撮像領域における素子形成領域およびゲートのレイアウトイメージの一部を信号線とともに概略的に示す図である。図６中、信号線は、ｍ行目の信号線ADRES(m)、RESET(m)、READ1(m)、READ2(m)および、(m+1) 行目の信号線ADRES(m+1)、RESET(m+1)、READ1(m+1)、READ2(m+1)、ｎ列目の２本の垂直信号線VSIG1(n)、VSIG2(n)、(n+1) 列目の２本の垂直信号線VSIG1(n+1)、VSIG2(n+1)を示している。なお、色フィルタおよびマイクロレンズのレイアウトは、図２（ｂ）に示した第１の実施形態におけるレイアウトと同じである。
【００４８】
この変形例に係るCMOSイメージセンサは、第１の実施形態と同様に、単位画素中に高感度画素と低感度画素が配置され、高感度画素上には面積の大きなマイクロレンズが配置され、低感度画素上には面積の小さなマイクロレンズが配置されている。ここでは、フレームレート（１秒間に出力可能な画面数）を高くするために、撮像領域の各列に対して２本の垂直信号線を配置し、画素ソースフォロアの出力を撮像領域の１行おきに異なる垂直信号線に接続することにより、２行の画素の信号を同時に読み出すことができる。
【００４９】
＜第２の実施形態＞
図７は、本発明の固体撮像装置の第２の実施形態に係るCMOSイメージセンサの撮像領域における単位画素の１つ分を取り出して、素子形成領域およびゲート、色フィルタ・マイクロレンズのレイアウトイメージを概略的に示す図である。
【００５０】
第２の実施形態では、第１の実施形態と比べて、単位画素７１中に高感度の第１のフォトダイオードPD1 と低感度の第２のフォトダイオードPD2 とが配置されている点、色フィルタおよびマイクロレンズがRGB ベイヤー配列で配置されている点、単位画素７１の回路構成、読出し方法は同じである。ここで、高感度のフォトダイオードPD1 は、図示するように例えば略Ｌ字状の平面形状を有する。ここで、単位画素７１中に同じ大きさの４つのマイクロレンズ７２が配置されている点が第１の実施形態とは異なり、高感度のフォトダイオードPD1 上に３つのマイクロレンズ７２が分散して配置され、低感度のフォトダイオードPD2 上には１つのマイクロレンズ７２が配置されている。すなわち、第１のフォトダイオードPD1 に光を集光するマイクロレンズは３つのマイクロレンズ７２から構成され、これら３つのマイクロレンズ７２の面積の和は、第２のフォトダイオードPD2 に光を集光するマイクロレンズの面積よりも大きい。なお、第１のフォトダイオードPD1 に光を集光するマイクロレンズは３つ以上のマイクロレンズにより構成してもよい。
【００５１】
第２の実施形態によれば、各単位画素に配置するマイクロレンズとして大きさが同じ１種類のものしか存在しないので、第１の実施形態のように各単位画素に異なる大きさの２種類のマイクロレンズが存在しているものと比べて、製造方法が簡単になるという効果が得られる。
【００５２】
＜第３の実施形態＞
図８は、本発明の固体撮像装置の第３の実施形態に係るCMOSイメージセンサを概略的に示すブロック図である。このCMOSイメージセンサにおいて、撮像領域１０に行列状に配置されている単位画素中に高感度画素と低感度画素が一つずつ配置されている点、色フィルタがRGB ベイヤー配列で配置されている点、垂直シフトレジスタ１２、電流源１３、CDS&ADC １４、水平シフトレジスタ１５、信号レベル判定回路１６、タイミング発生回路１７等が設けられている点は第１の実施形態と同様である。しかし、各単位画素の回路構成、読出し方法が第１の実施形態とは異なる。
【００５３】
即ち、単位画素１ａ(m,n) は、第１の実施形態のものと比べて、リセットトランジスタRST のソースと増幅トランジスタAMP のゲート(FD)との間に、FD容量調整（付加）用のトランジスタHSATが挿入されている点が異なる。垂直シフトレジスタ１２は、撮像領域の各行にADRES(m)、RESET(m)、READ1(m)、READ2(m)などの画素駆動信号を供給する。
【００５４】
FD容量調整用のトランジスタを単位画素内に追加する点については、例えば本出願人の特願２００８−２９８５３９号出願に係る明細書に記載されている。すなわち、第１の読み出しトランジスタREAD1 あるいは第２の読み出しトランジスタREAD2 から読み出される信号電荷量が多い場合には、FD容量調整用のトランジスタHSATのゲートに高い電圧を印加してトランジスタHSATをオン状態に制御する。これにより、トランジスタHSATをMOS キャパシタとして用いてフローティングディフュージョンFDの容量に追加することにより、フローティングディフュージョンFDのダイナミックレンジを広げることができる。なお、第１、第２の読出しトランジスタREAD1 、READ2 から読み出される信号電荷量が少ない場合には、トランジスタHSATはオフ状態に制御される。
【００５５】
第３の実施形態によれば、第１の実施形態と比べて画素のダイナミックレンジをさらに拡大することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１…単位画素、PD1 、PD2  …フォトダイオード、FD…フローティングディフュージョン、READ1 、READ2  …読み出しトランジスタ、AMP …増幅トランジスタ、RST …リセットトランジスタ、ADR …選択トランジスタ、１０…撮像領域、１１…垂直信号線、１２…垂直シフトレジスタ、１３…電流源、１４…サンプリング＆アナログ・デジタル変換回路、１５…水平シフトレジスタ、１６…信号レベル判定回路、１７…タイミング発生回路。
【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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