(57)【要約】【課題】光電変換した信号電荷の高精度の読み出しが可能であると共に出力信号のダイナミックレンジの広い固体撮像装置及びその駆動方法を提供する。【解決手段】光電変換により信号電荷を生成する光電変換素子と、第１の容量及び第２の容量と、増幅用トランジスタとを有する画素を有する固体撮像装置において、光電変換素子で生成された信号電荷のうちの少なくとも一部の電荷を第２の容量が保持せずに第１の容量が保持し、増幅用トランジスタが、第１の容量が保持した電荷に基づく第１の信号を出力し、第１の容量の電荷をリセットし、光電変換素子で生成された信号電荷の他の電荷を、第１の容量と第２の容量の合成容量が保持し、増幅用トランジスタが、合成容量が保持した電荷に基づく第２の信号を出力する。【選択図】図２
2015213209.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換により信号電荷を生成する光電変換素子と、第１の容量及び第２の容量と、増幅用トランジスタとを有する画素を有する固体撮像装置の駆動方法であって、
前記光電変換素子で生成された前記信号電荷のうちの少なくとも一部の電荷を前記第２の容量が保持せずに前記第１の容量が保持し、
前記増幅用トランジスタが、前記第１の容量が保持した前記電荷に基づく第１の信号を出力し、
前記第１の容量の前記電荷をリセットし、前記光電変換素子で生成された前記信号電荷の他の電荷を、前記第１の容量と前記第２の容量の合成容量が保持し、
前記増幅用トランジスタが、前記合成容量が保持した前記電荷に基づく第２の信号を出力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】
前記第１の容量が前記少なくとも一部の電荷を保持する前に、
前記第１の容量の電位をリセットし、前記第１の容量のリセット電位に基づく第３の信号を前記増幅用トランジスタが出力し、
前記第１の信号から前記第３の信号を差し引いた信号を生成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３】
前記合成容量をリセットした後、前記合成容量のリセット電位に基づく第４の信号を前記増幅用トランジスタが出力し、
前記第２の信号から前記第４の信号を差し引いた信号を生成する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の駆動方法。
【請求項４】
前記第１の容量が、浮遊拡散容量であ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の駆動方法。
【請求項５】
前記画素が、複数の前記第２の容量を有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の駆動方法。
【請求項６】
光電変換により信号電荷を生成する光電変換素子と、増幅用トランジスタと、前記増幅用トランジスタの入力ノードに電気的に接続された第１の容量と、前記入力ノードに電気的に接続可能な第２の容量と、前記光電変換素子と前記入力ノードとに電気的に接続された転送用トランジスタと、前記入力ノードに電気的に接続されたリセット用トランジスタとを有する画素と、制御部とを有する固体撮像装置であって、
前記制御部が、
前記転送用トランジスタに、前記光電変換素子で生成された前記信号電荷のうちの少なくとも一部の電荷を前記第２の容量に転送させずに前記第１の容量に転送させ、
前記増幅用トランジスタに、前記第１の容量が保持した前記電荷に基づく第１の信号を出力させ、
前記リセット用トランジスタに、前記第１の容量が保持した前記電荷をリセットさせ、
前記転送用トランジスタに、前記第２の容量を前記入力ノードに電気的に接続させて構成される、前記第１の容量と前記第２の容量との合成容量に前記信号電荷のうちの他の電荷を転送させ、
前記増幅用トランジスタに、前記合成容量が保持した前記電荷に基づく第２の信号を出力させることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項７】
前記入力ノードと前記第２の容量との間の電気的経路の導通と非導通とを切り替える第２のスイッチを更に有する
ことを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記リセット用トランジスタによる前記第１の容量が保持した電荷のリセットを、前記第２のスイッチが導通した状態で行うことによって、前記合成容量のリセットを行うことを特徴とする請求項７に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記転送用トランジスタに、前記光電変換素子で生成された前記信号電荷のうちの少なくとも一部の電荷を前記第２の容量に転送させずに前記第１の容量に転送させるのに先立って、
前記制御部は、前記第２のスイッチを非導通として、前記リセット用トランジスタに、前記第１の容量をリセットさせることを特徴とする請求項７または８に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記第２のスイッチが、一方の主ノードが前記リセット用トランジスタに電気的に接続され、他方の主ノードが前記入力ノードに電気的に接続され、制御ノードに入力される信号によって前記一方の主ノードと前記他方の主ノードとの間の電気的経路の導通と非導通とを切り替えるトランジスタであって、前記制御ノードの下部に、前記第２の容量が設けられていることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記第１の容量は、浮遊拡散容量である
ことを特徴とする請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記光電変換素子が蓄積する前記信号電荷の量に対し、前記第１の容量が保持可能な前記電荷の量が少ないことを特徴とする請求項６乃至１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
前記第２の容量の容量値が、前記第１の容量の容量値よりも大きいことを特徴とする請求項６乃至１２のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
前記第１の容量の容量値は、ランダムノイズ成分よりもフォトショットノイズ成分が支配的になる光入力量に対応する容量値以下である
ことを特徴とする請求項６乃至１３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１５】
前記画素が、複数の前記第２の容量を有することを特徴とする請求項６乃至１４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１６】
請求項６乃至１５のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
前記固体撮像装置へ被写体の像を結像する光学系と
を有することを特徴とする撮像システム。
【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、低消費電力や高速読み出しに適したＣＭＯＳイメージセンサを使用した撮像システム（デジタルビデオカメラやデジタルカメラなど）が広く一般に普及している。
【０００３】
ＣＭＯＳイメージセンサの一例として、特許文献１には、入射光を光電変換素子により光電変換して電荷を生成し、生成した電荷を浮遊拡散容量に転送し、浮遊拡散容量に保持された電荷に基づく画素信号を出力する構成の固体撮像装置が記載されている。特許文献１に記載の固体撮像装置は、浮遊拡散容量に接続された電荷保持部を更に有している。
【０００４】
特許文献１に記載の固体撮像装置では、露光期間中に光電変換素子からオーバーフローしてきた信号電荷を、浮遊拡散容量とは別に設けた電荷保持部に蓄積することができる。このオーバーフローして電荷保持部に蓄積された信号電荷をも読み出すことで、光電変換素子から浮遊拡散容量へ転送された信号電荷のみを読み出す場合に比べて、出力信号のダイナミックレンジを拡大することができる。
【０００５】
また、固体撮像素子の露光期間後に、浮遊拡散容量をリセットしてノイズ電荷に応じた出力信号を読み出し、その後に光電変換素子から信号電荷を転送して信号電荷に応じた出力信号を読み出すことで、相関二重サンプリングを行うことができる。また、電荷保持部からオーバーフローした信号電荷を転送してこの信号電荷に応じた出力信号を読み出し、その後に電荷保持部をリセットしてノイズ電荷に応じた出力信号を読み出ことで、相関二重サンプリングを行うことができる。これにより、ノイズ成分を低減した高精度の読み出しを行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２６２３８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の固体撮像装置では、電荷の蓄積期間後に浮遊拡散容量のリセットを行うと、オーバーフローした際に浮遊拡散容量に蓄積された一部の信号電荷がリセットされてしまい、光電変換信号の読み出し精度が低下することがあった。
【０００８】
本発明の目的は、光電変換した信号電荷の高精度の読み出しが可能であると共に出力信号のダイナミックレンジを拡大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】
【０００９】
本発明の一観点によれば、光電変換により信号電荷を生成する光電変換素子と、第１の容量及び第２の容量と、増幅用トランジスタとを有する画素を有する固体撮像装置の駆動方法であって、前記光電変換素子で生成された前記信号電荷のうちの少なくとも一部の電荷を前記第２の容量が保持せずに前記第１の容量が保持し、前記増幅用トランジスタが、前記第１の容量が保持した前記電荷に基づく第１の信号を出力し、前記第１の容量の前記電荷をリセットし、前記光電変換素子で生成された前記信号電荷の他の電荷を、前記第１の容量と前記第２の容量の合成容量が保持し、前記増幅用トランジスタが、前記合成容量が保持した前記電荷に基づく第２の信号を出力することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法が提供される。
【００１０】
また、本発明の他の一観点によれば、光電変換により信号電荷を生成する光電変換素子と、増幅用トランジスタと、前記増幅用トランジスタの入力ノードに電気的に接続された第１の容量と、前記入力ノードに電気的に接続可能な第２の容量と、前記光電変換素子と前記入力ノードとに電気的に接続された転送用トランジスタと、前記入力ノードに電気的に接続されたリセット用トランジスタとを有する画素と、制御部とを有する固体撮像装置であって、前記制御部が、前記転送用トランジスタに、前記光電変換素子で生成された前記信号電荷のうちの少なくとも一部の電荷を前記第２の容量に転送させずに前記第１の容量に転送させ、前記増幅用トランジスタに、前記第１の容量が保持した前記電荷に基づく第１の信号を出力させ、前記リセット用トランジスタに、前記第１の容量が保持した前記電荷をリセットさせ、前記転送用トランジスタに、前記第２の容量を前記入力ノードに電気的に接続させて構成される、前記第１の容量と前記第２の容量との合成容量に前記信号電荷のうちの他の電荷を転送させ、前記増幅用トランジスタに、前記合成容量が保持した前記電荷に基づく第２の信号を出力させることを特徴とする固体撮像装置によっても達成される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、光電変換した信号電荷の高精度の読み出しが可能であり且つダイナミックレンジの広い固体撮像装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態による固体撮像装置の構成の一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構成の一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駆動方法の一例を示すタイミング図である。
【図４】本発明の第１実施形態による固体撮像装置における出力電圧の光入力量に対する依存性を示すグラフである。
【図５】本発明の第１実施形態による固体撮像装置における出力信号の光入力量に対する依存性を示すグラフである。
【図６】本発明の第２実施形態による固体撮像装置の構成の一例を示す回路図である。
【図７】本発明の第２実施形態による固体撮像装置の駆動方法の一例を示すタイミング図である。
【図８】本発明の第３実施形態による固体撮像装置の構成の一例を示す回路図である。
【図９】本発明の第３実施形態による固体撮像装置の駆動方法の一例を示すタイミング図である。
【図１０】本発明の第４実施形態による固体撮像装置の構成の一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の一例を示すタイミング図である。
【図１２】本発明の第５実施形態による撮像システムの構成の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［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５を用いて説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態による固体撮像装置の構成の一例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構成の一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駆動方法の一例を示すタイミング図である。図４は、本実施形態による固体撮像装置における出力電圧の光入力量に対する依存性を示すグラフである。図５は、本実施形態による固体撮像装置における出力信号の光入力量に対する依存性を示すグラフである。
【００１５】
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及び図２を用いて説明する。
【００１６】
本実施形態による固体撮像装置２００は、複数の画素１００が２次元マトリクス状に配置された画素アレイを含む撮像領域１を有している。撮像領域１には、行方向（図面において横方向）に隣接して、各画素１００を駆動して画素信号を読み出すための制御信号を出力する垂直走査回路２が配置されている。本明細書では、垂直走査回路２を含む画素１００を駆動するための駆動部を、制御部と呼ぶこともある。また、撮像領域１には、列方向（図面において縦方向）に隣接して、各画素１００から読み出された画素信号を処理するための列増幅器部３、信号保持部４及び水平転送部５が配置されている。本明細書では、列増幅器部３、信号保持部４及び水平転送部５を含む画素の出力信号の生成部を、出力信号生成部と呼ぶこともある。
【００１７】
各画素１００は、フォトダイオード１０１と、転送用トランジスタ１０２と、リセット用トランジスタ１０３と、ソースフォロワトランジスタ１０４と、選択トランジスタ１０５と、付加容量選択トランジスタ１０６と、付加容量１０８とを有している。本明細書では、ソースフォロワトランジスタ１０４を、増幅用トランジスタと呼ぶこともある。
【００１８】
光電変換素子であるフォトダイオード１０１のアノードは接地され、カソードは転送用トランジスタ１０２のソースに電気的に接続されている。転送用トランジスタ１０２のドレインは、リセット用トランジスタ１０３のソース、ソースフロアトランジスタ１０４のゲート及び付加容量選択トランジスタ１０６のドレインに電気的に接続されている。この接続ノードは、フローティングディフュージョンノード（以下、ＦＤノードという）を構成する。図には、ＦＤノード部の寄生容量を、浮遊拡散容量１０７として表している。リセット用トランジスタ１０３及びソースフォロワトランジスタ１０４のドレインは、電源電圧線に電気的に接続されている。ソースフォロワトランジスタ１０４のソースには、選択トランジスタ１０５のドレインが電気的に接続されている。選択トランジスタ１０５のソースは、画素１００からの信号の出力ノードであるノードＰＤＯＵＴを構成する。付加容量選択トランジスタ１０６のソースには、付加容量１０８の一方のノードが電気的に接続されている。付加容量１０８の他方のノードは、固定電位（例えば接地電位）とされている。容量選択トランジスタ１０６は、ソースフォロワトランジスタ１０４の入力ノードであるゲートと付加容量１０８との間の電気的経路の導通と非導通とを切り替えるスイッチである。これにより、付加容量１０８は、ソースフォロワトランジスタ１０４の入力ノードに電気的に接続可能とされている。
【００１９】
なお、トランジスタのソースとドレインの呼称は、トランジスタの導電型や着目する機能等に応じて異なることもあるが、ここではＮＭＯＳトランジスタを用いた際の典型的なノード名称で呼ぶものとする。また、トランジスタは、スイッチと呼ぶこともある。トランジスタをスイッチと呼ぶ場合、ソース及びドレインの一方を一方の主ノード、ソース及びドレインの他方を他方の主ノード、ゲートを制御ノードと呼ぶこともある。
【００２０】
画素アレイの各行には、行方向に延在して、信号線ＴＸ、信号線ＲＥＳ、信号線ＳＥＬ、信号線Ｃｅｘが、それぞれ配されている。図１では、これら４本の信号線を、１本の実線で表現している。信号線ＴＸは、行方向に並ぶ画素１００の転送用トランジスタ１０２のゲートにそれぞれ電気的に接続され、これら画素１００に共通の信号線をなしている。信号線ＴＸの一端部は、垂直走査回路２に接続されており、垂直走査回路２から各画素１００の転送用トランジスタ１０２のゲートに、信号ＰＴＸを印加できるようになっている。信号線ＲＥＳは、行方向に並ぶ画素１００のリセット用トランジスタ１０３のゲートにそれぞれ電気的に接続され、これら画素１００に共通の信号線をなしている。信号線ＲＥＳの一端部は、垂直走査回路２に接続されており、垂直走査回路２から各画素１００のリセット用トランジスタ１０３のゲートに、信号ＰＲＥＳを印加できるようになっている。信号線ＳＥＬは、行方向に並ぶ画素１００の選択トランジスタ１０５のゲートにそれぞれ電気的に接続され、これら画素１００に共通の信号線をなしている。信号線ＳＥＬの一端部は、垂直走査回路２に接続されており、垂直走査回路２から各画素１００の選択トランジスタ１０４のゲートに、信号ＰＳＥＬを印加できるようになっている。信号線Ｃｅｘは、行方向に並ぶ画素１００の付加容量選択トランジスタ１０６のゲートにそれぞれ電気的に接続され、これら画素１００に共通の信号線をなしている。信号線Ｃｅｌの一端部は、垂直走査回路２に接続されており、垂直走査回路２から各画素１００の付加容量選択トランジスタ１０６のゲートに、信号ＰＣｅｌを印加できるようになっている。
【００２１】
画素アレイの各列には、列方向に延在して、垂直信号線６が、それぞれ配されている。垂直信号線６は、列方向に並ぶ画素１００のノードＰＤＯＵＴにそれぞれ電気的に接続され、これら画素１００に共通の信号線をなしている。垂直信号線６の一端部は、列増幅器部３に接続されている。これにより、画素１００からの出力信号を、垂直信号線６を介して列増幅器部３に転送できるようになっている。
【００２２】
列増幅器部３は、図２に示すように、電流源７及び列増幅器８を有している。電流源７及び列増幅器８の入力ノードは、垂直信号線６に電気的に接続されている。列増幅器８の他方の入力ノードは基準電圧Ｖｒｅｆが与えられている。列増幅器８の出力ノードは、信号保持部４に接続されている。
【００２３】
信号保持部４は、図２に示すように、選択スイッチ９，１０，１１，１２と、信号保持容量１３，１４，１５，１６とを有している。選択スイッチ９，１０，１１，１２の一方の主ノードは、列増幅器部３（列増幅器８の出力端子）に電気的に接続されている。選択スイッチ９，１０，１１，１２の他方の主ノードは、それぞれ信号保持容量１３，１４，１５，１６の一方のノードに電気的に接続されている。信号保持容量１３，１４，１５，１６の他方のノードは、固定電位（例えば接地電位）とされている。選択スイッチ９，１０，１１，１２は、垂直走査回路２から出力される信号ＴＳ１，ＴＮ１，ＴＳ２，ＴＮ２により、それぞれ制御される。
【００２４】
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１乃至図３を用いて説明する。
【００２５】
垂直走査回路２は、画素１００に供給する信号ＰＴＸ、信号ＰＲＥＳ、信号ＰＳＥＬ、信号ＰＣｅｘの信号レベルを制御することにより、撮像領域１内の複数の画素１００を行単位で順次読み出していく。このような行順次の読み出し動作を、垂直走査という。この垂直走査回路２による垂直走査により、各画素１００で生成される光電変換信号とリファレンス信号とがノードＰＤＯＵＴを介して垂直信号線６に行単位で出力される。
【００２６】
列増幅器部３は、垂直信号線６から出力された信号を増幅し、信号保持部４へと出力する。信号保持部４では、列増幅器部３により増幅された信号を一時的に保持する。水平転送部５は、信号保持部４の信号保持容量１３，１４，１５，１６に保持された各列の信号を、水平方向に順番に転送して読み出す。この一連の動作を行単位で繰り返し行うことにより、撮像領域１内の総ての画素１００の情報を読み出すことができる。
【００２７】
上記一連の読み出し動作について、図３のタイミング図を用いてより詳細に説明する。
【００２８】
時刻ｔ０より前の時刻において、信号ＰＲＥＳ、信号ＰＣｅｘ、信号ＰＴＸ、信号ＰＳＥＬ、信号ＴＮ１、信号ＴＳ１、信号ＴＮ２、信号ＴＳ２は、垂直走査回路２によりＬｏｗ（ロー）レベル（以下、「Ｌレベル」と表記する）とされている。
【００２９】
時刻ｔ０において、垂直走査回路２は、信号ＰＲＥＳをＨｉｇｈ（ハイ）レベル（以下、「Ｈレベル」と表記する）とし、リセット用トランジスタ１０３をオン状態とする。これにより、浮遊拡散容量１０７がリセット用トランジスタ１０３を介して電源電圧ＶＤＤに電気的に接続され、浮遊拡散容量１０７が電源電圧ＶＤＤに基づく電位にリセットされる。
【００３０】
また、同じく時刻ｔ０において、垂直走査回路２は、信号ＰＣｅｘをＨレベルとし、付加容量選択トランジスタ１０６をオン状態とする。これにより、付加容量１０８が付加容量選択トランジスタ１０６及びリセット用トランジスタ１０３を介して電源電圧ＶＤＤに電気的に接続され、付加容量１０８が電源電圧ＶＤＤに基づく電位にリセットされる。
【００３１】
また、同じく時刻ｔ０において、垂直走査回路２は、信号ＰＴＸをＨレベルとし、転送用トランジスタ１０２をオン状態とする。これにより、フォトダイオード１０１が転送用トランジスタ１０２及びリセット用トランジスタ１０３を介して電源電圧ＶＤＤに電気的に接続され、フォトダイオード１０１が電源電圧ＶＤＤに基づく電位にリセットされる。
【００３２】
次いで、時刻ｔ１において、垂直走査回路２は、信号ＰＲＥＳ、信号ＰＣｅｘ、信号ＰＴＸをＬレベルとする。これにより、リセット用トランジスタ１０３、付加容量選択トランジスタ１０６、転送用トランジスタ１０２がオフ状態となり、浮遊拡散容量１０７、付加容量１０８、フォトダイオード１０１のリセット動作が完了する。そして、同じく時刻ｔ１から、フォトダイオード１０１では、光電変換により生成された信号電荷を蓄積する蓄積期間がスタートする。
【００３３】
次いで、時刻ｔ２において、垂直走査回路２は、信号ＰＲＥＳをＨレベルとしリセット用トランジスタ１０３をオン状態とする。これにより、浮遊拡散容量１０７がリセット用トランジスタ１０３を介して電源電圧ＶＤＤに電気的に接続され、浮遊拡散容量１０７が電源電圧ＶＤＤに基づく電位（リセット電位）にリセットされる。
【００３４】
また、同じく時刻ｔ２において、垂直走査回路２は、信号ＰＳＥＬをＨレベルとし、選択トランジスタ１０５をオン状態とする。これにより、ソースフォロワトランジスタ１０４は、ドレインに電源電圧ＶＤＤが供給され、ソースに垂直信号線６及び選択トランジスタ１０５を介して電流源７からバイアス電流が供給された状態となり、ソースフォロワ回路を構成する。また、ソースフォロワトランジスタ１０４のゲートは、浮遊拡散容量１０７に電気的に接続されている。したがって、垂直信号線６には、浮遊拡散容量１０７のリセット電位に基づくソースフォロワトランジスタ１０４の出力信号が、選択トランジスタ１０５を介して出力される。
【００３５】
また、同じく時刻ｔ２において、垂直走査回路２は、信号ＴＮ１をＨレベルとし、選択スイッチ１０をオン状態とする。これにより、垂直信号線６に出力された、浮遊拡散容量１０７のリセット電位に基づく出力信号が、列増幅器８を介して信号保持容量１４に出力される。
【００３６】
次いで、時刻ｔ３において、垂直走査回路２は、信号ＰＲＥＳ及び信号ＴＮ１をＬレベルとし、リセット用トランジスタ１０３及び選択スイッチ１０をオフ状態とする。これにより、信号保持容量１４が画素１００及び列増幅器部３から切り離され、信号保持容量１４は、浮遊拡散容量１０７のリセット電位に基づく出力信号が保持された状態となる。
【００３７】
なお、リセット用トランジスタ１０３と選択スイッチ１０とを駆動するタイミングは、必ずしも同じである必要はない。リセット用トランジスタ１０３を駆動して浮遊拡散領域１０７をリセットした後、選択スイッチ１０を駆動して出力信号を信号保持容量１４に出力するようにしてもよい。
【００３８】
次いで、時刻ｔ４において、垂直走査回路２は、信号ＰＴＸをＨレベルとし、転送用トランジスタ１０２をオン状態とする。これにより、フォトダイオード１０１と浮遊拡散容量１０７とが転送用トランジスタ１０２を介して電気的に接続され、フォトダイオード１０１に蓄積された信号電荷が浮遊拡散容量１０７へ転送される。このとき、フォトダイオード１０１に蓄積された信号電荷が、浮遊拡散容量１０７の保持可能な電荷量（飽和電荷量）よりも少ない場合は、フォトダイオード１０１に蓄積されていた信号電荷がすべて浮遊拡散容量１０７に転送される。一方、フォトダイオード１０１に蓄積された信号電荷が、浮遊拡散容量１０７の保持しうる電荷量よりも多い場合には、信号電荷の一部がフォトダイオード１０１に残存する。
【００３９】
時刻ｔ４において選択トランジスタ１０５はオン状態のままであり、ソースフォロワトランジスタ１０４はソースフォロワ回路を構成している。また、ソースフォロワトランジスタ１０４のゲートは、浮遊拡散容量１０７に電気的に接続されている。このため、垂直信号線６には、浮遊拡散容量１０７に転送された信号電荷の量に応じた電位に基づく出力信号（以下、「信号電荷に基づく出力信号」という）が、選択トランジスタ１０５を介して出力される。
【００４０】
また、同じく時刻ｔ４において、垂直走査回路２は、信号ＴＳ１をＨレベルとし、選択スイッチ９をオン状態とする。これにより、垂直信号線６に出力された、浮遊拡散容量１０７に転送された信号電荷に基づく出力信号が、列増幅器８を介して信号保持容量１３に出力される。
【００４１】
次いで、時刻ｔ５において、垂直走査回路２は、信号ＰＴＸ及び信号ＴＳ１をＬレベルとし、転送用トランジスタ１０２及び選択スイッチ９をオフ状態とする。これにより、信号保持容量１３が画素１００及び列増幅器部３から切り離され、信号保持容量１３は、浮遊拡散容量１０７に転送された信号電荷に基づく出力信号が保持された状態となる。
【００４２】
なお、転送用トランジスタ１０２と選択スイッチ９とを駆動するタイミングは、必ずしも同じである必要はない。転送用トランジスタ１０２を駆動して信号電荷を浮遊拡散容量１０７へ転送した後、選択スイッチ９を駆動して出力信号を信号保持容量１３に出力するようにしてもよい。
【００４３】
次いで、時刻ｔ８において、垂直走査回路２は、信号ＰＣｅｘをＨレベルとし、付加容量選択トランジスタ１０６をオン状態とする。これにより、ＦＤノードには、浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８とが並列に接続された合成容量が電気的に接続された状態となる。浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８との合成容量がＦＤノードに電気的に接続されることで、より多くの信号電荷を保持することが可能となる。
【００４４】
また、同じく時刻ｔ８において、垂直走査回路２は、信号ＰＲＥＳをＨレベルとし、リセット用トランジスタ１０３をオン状態とする。これにより、浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８とが並列に接続された合成容量が、電源電圧ＶＤＤに基づく電位（リセット電位）にリセットされる。
【００４５】
時刻ｔ８において選択トランジスタ１０５はオン状態のままであり、ソースフォロワトランジスタ１０４はソースフォロワ回路を構成している。また、ソースフォロワトランジスタ１０４のゲートは、浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８との合成容量に電気的に接続されている。したがって、垂直信号線６には、浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８との合成容量のリセット電位に基づく出力信号が選択トランジスタ１０５を介して出力される。
【００４６】
また、同じく時刻ｔ８において、垂直走査回路２は、信号ＴＮ２をＨレベルとし、選択スイッチ１２をオン状態とする。これにより、垂直信号線６に出力された、浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８との合成容量のリセット電位に基づく出力信号が、列増幅器８を介して信号保持容量１６に出力される。
【００４７】
次いで、時刻ｔ９において、垂直走査回路２は、信号ＰＲＥＳ及び信号ＴＮ２をＬレベルとし、リセット用トランジスタ１０３及び選択スイッチ１２をオフ状態とする。これにより、信号保持容量１６が画素１００及び列増幅器部３から切り離され、信号保持容量１６は、浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８との合成容量のリセット電位に基づく出力信号が保持された状態となる。
【００４８】
なお、リセット用トランジスタ１０３及び付加容量選択トランジスタ１０６と選択スイッチ１２とを駆動するタイミングは、必ずしも同じである必要はない。リセット用トランジスタ１０３及び付加容量選択トランジスタ１０６を駆動して浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８とをリセットした後、選択スイッチ１２を駆動して出力信号を信号保持容量１６に出力するようにしてもよい。
【００４９】
次いで、時刻ｔ１０において、垂直走査回路２は、信号ＰＴＸをＨレベルとし、転送用トランジスタ１０２をオン状態とする。これにより、フォトダイオード１０１と、浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８との合成容量とが、転送用トランジスタ１０２を介して電気的に接続される。そして、フォトダイオード１０１に残存していた信号電荷が、浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８との合成容量に転送される。
【００５０】
時刻ｔ１０において選択トランジスタ１０５はオン状態のままであり、ソースフォロワトランジスタ１０４はソースフォロワ回路を構成している。また、ソースフォロワトランジスタ１０４のゲートは、浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８との合成容量に電気的に接続されている。このため、垂直信号線６には、浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８との合成容量に転送された信号電荷の量に応じた電位に基づく出力信号（以下、「信号電荷に基づく出力信号」という）が、選択トランジスタ１０５を介して出力される。
【００５１】
また、同じく時刻ｔ１０において、垂直走査回路２は、信号ＴＳ２をＨレベルとし、選択スイッチ１１をオン状態とする。これにより、垂直信号線６に出力された、浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８との合成容量に転送された信号電荷に基づく出力信号が、列増幅器８を介して信号保持容量１５に出力される。
【００５２】
次いで、時刻ｔ１１において、垂直走査回路２は、信号ＰＴＸ及び信号ＴＳ２をＬレベルとし、転送用トランジスタ１０２及び選択スイッチ１１をオフ状態とする。これにより、信号保持容量１５が画素１００及び列増幅器部３から切り離され、信号保持容量１５は、浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８との合成容量に転送された信号電荷に基づく出力信号が保持された状態となる。
【００５３】
なお、転送用トランジスタ１０２と選択スイッチ１１とを駆動するタイミングは、必ずしも同じである必要はない。転送用トランジスタ１０２を駆動して信号電荷を浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８との合成容量に転送した後、選択スイッチ１１を駆動して出力信号を信号保持容量１５に出力するようにしてもよい。
【００５４】
このようにして、フォトダイオード１０１に蓄積された信号電荷を２度に分けて読み出すことにより、フォトダイオード１０１に蓄積された信号電荷をすべて有効な信号として出力することができる。浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８との合成容量の保持しうる電荷量がフォトダイオードの残存電荷よりも小さくなるような構成の場合には、信号保持容量を更に追加し、容量のリセット及び信号の転送を３回以上繰り返し行う構成とすることもできる。
【００５５】
その後、水平転送部５において、信号保持容量１３，１４，１５，１６に保持された信号を読み出し、読み出された各列の信号を水平方向に順次出力することで、各画素１００からの出力信号を得ることができる。
【００５６】
上記一連の読み出し動作によって信号保持容量１４に保持された信号は、電荷の転送に先立って浮遊拡散容量１０７をリセットした後に浮遊拡散容量１０７に蓄積されているノイズ電荷に応じたリファレンス信号（第１の画素信号）である。そして、信号保持容量１３に保持された信号は、フォトダイオード１０１から浮遊拡散容量１０７に転送された電荷を加えた電荷に応じた光電変換信号（第２の画素信号）である。したがって、第２の画素信号の信号レベルから第１の画素信号の信号レベルを差し引く、すなわち相関二重サンプリングを行うことで、浮遊拡散容量１０７に固有のノイズ成分を除去した出力信号（第３の画素信号）が得られる。
【００５７】
同様に、信号保持容量１６に保持された信号は、浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８との合成容量をリセットした後に浮遊拡散容量１０７及び付加容量１０８に蓄積されているノイズ電荷に応じたリファレンス信号（第４の画素信号）である。そして、信号保持容量１５に保持された信号は、フォトダイオード１０１から浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８との合成容量に転送された電荷を加えた電荷に応じた光電変換信号（第５の画素信号）である。したがって、第４の画素信号の信号レベルから第３の画素信号の信号レベルを差し引く、すなわち相関二重サンプリングを行うことで、浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８との合成容量に固有のノイズ成分を除去した出力信号（第６の画素信号）が得られる。
【００５８】
図４は、信号電荷に基づく電圧（第２及び第５の画素信号）からリセット電位に基づく電圧（第１及び第４の画素信号）を差し引いた電圧（第３及び第６の画素信号）の、光入力量に対する依存性を示すグラフである。図４中、Ｌ１は、浮遊拡散容量１０７の飽和電荷量に対応する光入力量である。光入力量Ｌ１以下の領域が第３の画素信号の特性に対応し、光入力量Ｌ１以上の領域が第６の画素信号の特性に対応する。
【００５９】
光入力量がＬ１以下の場合には、フォトダイオード１０１に蓄積された電荷はすべて時刻ｔ４から時刻ｔ５のステップにおいて浮遊拡散容量１０７に転送されるため、出力電圧は、浮遊拡散容量１０７の蓄積電荷に基づく値となる。出力電圧は、光入力量がＬ１になるまで、光入力量の増加とともに増加する。光入力量がＬ１を超えると、フォトダイオード１０１で生成される電荷量が浮遊拡散容量１０７の飽和電荷量を超えるため、出力電圧は、光入力量がＬ１の場合の出力電圧以上には増加しない。
【００６０】
また、光入力量がＬ１以下の領域では、フォトダイオード１０１に蓄積された電荷はすべて時刻ｔ４から時刻ｔ５のステップにおいて浮遊拡散容量１０７に転送される。したがって、時刻ｔ１０から時刻ｔ１１のステップにおいて浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８との合成容量に転送される信号電荷はゼロである。この結果、浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８との合成容量の蓄積電荷に基づく出力電圧は、ゼロとなる。
【００６１】
光入力量がＬ１を超えると、時刻ｔ４から時刻ｔ５のステップにおいて浮遊拡散容量１０７に転送されなかった一部の信号電荷は、時刻ｔ１０から時刻ｔ１１のステップにおいて浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８との合成容量に転送される。このため、出力電圧は、浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８との合成容量の蓄積電荷に基づく値となる。この出力電圧は、浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８との合成容量或いはフォトダイオード１０１の飽和電荷量に対応する光入力量になるまで、光入力量の増加とともに増加する。
【００６２】
ここで、電圧値は容量値に反比例するため（Ｖ＝Ｑ／Ｃ）、光入力量に対する出力電圧の変化量は、浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８との合成容量からの出力信号よりも、浮遊拡散容量１０７のみからの出力信号の方が大きくなる。すなわち、浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８との合成容量からの出力信号よりも、浮遊拡散容量１０７のみからの出力信号の方が、光入力量に対する出力電圧の傾きが大きくなる（図４参照）。
【００６３】
容量固有のノイズ成分を除去した第３及び第６の画素信号を包括した各画素１００からの出力信号を算出するにあたっては、異なる容量から得られた傾きの異なるこの２つの出力電圧特性を考慮して、光入力量に応じた出力信号に変換する。すなわち、光入力量がＬ１よりも小さいときは、出力信号には、浮遊拡散容量１０７の蓄積電荷量に基づく出力信号（第３の画素信号）の値をそのまま用いるものとする。光入力量がＬ１以上の場合は、光入力量Ｌ１における浮遊拡散容量１０７の蓄積電荷量に基づく出力信号の値に、浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８との合成容量の蓄積電荷量に基づく出力信号の値に係数Ｋを掛けた値を加算した値を用いるものとする。ここで、係数Ｋは、変換後の信号出力が光入力量に対して線形になるように適宜調整を行うためのパラメータであるが、本質的には、浮遊拡散容量１０７と合成容量との容量比に近い値となる。この変換処理は、言わば出力電圧を容量値で正規化するための処理と同等である。
【００６４】
図５は、上記変換手順を用いて合成を行った出力信号の光入力量に対する依存性を示すグラフの一例である。実線が信号成分を表し、点線がノイズ成分を表している。なお、図５は両対数グラフであり、縦軸及び横軸は任意単位である。
【００６５】
図５中、光入力量がＬ１より小さい領域では、フォトダイオード１０１に蓄積された電荷がすべて浮遊拡散容量１０７に転送される。この領域における出力信号は、浮遊拡散容量１０７の蓄積電荷量に基づく信号となる。光入力量がＬ１以上Ｌ２以下の領域では、フォトダイオード１０１に蓄積された電荷が、浮遊拡散容量１０７と、浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８との合成容量とに転送される。この領域における出力信号は、浮遊拡散容量１０７の蓄積電荷量に基づく値と、浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８との合成容量の蓄積電荷量に基づく値との合成信号となる。なお、光入力量がＬ２を超える領域は、フォトダイオード１０１又は浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８との合成容量が信号電荷を蓄積しきれずオーバーフローした領域であり、光入力量と信号出力及びノイズ出力との間の相関関係は得られない。
【００６６】
このようにして、光入力量に応じて信号電荷を転送する容量を切り替えることで、フォトダイオード１０１に蓄積された信号電荷を残さず使用することが可能となる。これにより、広範囲の光入力量に対して信号出力を得ることが可能となり、ダイナミックレンジの広い撮像を行うことができる。
【００６７】
また、浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８とを用いることには、浮遊拡散容量１０７の容量値を小さくし、低照度側のノイズレベルを低くできる効果もある。
【００６８】
出力信号に重畳するノイズ成分は、大別して、ランダムノイズ成分とフォトショットノイズ成分とに分けられる。ランダムノイズ成分は、その主原因はソースフォロワトランジスタ１０４や列増幅器８の電圧ノイズであり、光入力によらずおよそ一定の値になる特性をもつ。また、ランダムノイズ成分は、浮遊拡散容量１０７や、浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８との合成容量などの容量値によって、画素部内の電子数に換算した値が変化する。すなわち、ランダムノイズ成分がおよそ一定の電圧であるのに対し、容量値が大きくなった場合には信号出力電圧は相対的に低下するため、信号出力と電子数換算におけるノイズ出力の比、すなわちＳ／Ｎ比が低下することになる。
【００６９】
この点、本実施形態による固体撮像装置は、低照度側の領域では浮遊拡散容量１０７のみを用いて信号出力を得ている。したがって、浮遊拡散容量１０７の容量値を十分に小さくしておくことにより、低照度領域におけるＳ／Ｎ比を高くすることができる。
【００７０】
一方、光入力量がＬ１以上の場合においては、浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８との合成容量を用いるため、電子数換算におけるランダムノイズ成分は大きくなってしまう。しかしながら、十分な光入力が存在する状態では、ランダムノイズ成分よりもフォトショットノイズ成分の方の影響が大きくなる。フォトショットノイズ成分は、フォトダイオード１０１に蓄積された信号電荷の数の平方根に比例することが知られている。したがって、十分な光入力が存在する状態では、フォトショットノイズ成分がノイズ成分の大部分を占めるため、ランダムノイズ成分が多少大きくなっても問題になりにくい。
【００７１】
以上の点を考慮すると、光入力量Ｌ１は、一例として、ランダムノイズ成分よりもフォトショットノイズ成分が支配的になる光入力量として定義することができる。換言すれば、浮遊拡散容量１０７の容量値は、ランダムノイズ成分よりもフォトショットノイズ成分が支配的になる光入力量に対応する容量値以下に設定することが望ましい。なお、ノイズ成分の内訳は固体撮像装置の構造や駆動電圧等によって変化するため、光入力量Ｌ１は、固体撮像装置の個々の構造や駆動条件等に応じて適宜選択することが望ましい。浮遊拡散容量１０７の容量値は、この光入力量Ｌ１を考慮したうえで適宜決定することができる。
【００７２】
本実施形態の固体撮像装置では、フォトダイオード１０１に蓄積された電荷を、小さい容量の浮遊拡散容量１０７とより大きな容量の合成容量とを別々に用いて出力信号を得ている。これにより、光入力が低い領域から光入力が高い領域まで、Ｓ／Ｎ比を確保しつつダイナミックレンジの広い撮影を行うことができる。先に述べたように、信号保持容量をさらに追加して信号の転送を３回以上行えば、更にダイナミックレンジを広くすることができる。また、付加容量１０８よりさらに大きな付加容量及び付加容量選択トランジスタを追加して同様な駆動を行うことにより、ダイナミックレンジを更に広くすることもできる。
【００７３】
このように、本実施形態によれば、光入力が低い領域から光入力が高い領域まで、Ｓ／Ｎ比を確保しつつダイナミックレンジの広い撮影を行うことができる。
【００７４】
［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６及び図７を用いて説明する。図１乃至図５に示す第１実施形態による固体撮像装置及びその駆動方法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。
【００７５】
図６は、本実施形態による固体撮像装置の構成の一例を示す回路図である。図７は、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法の一例を示すタイミング図である。
【００７６】
第１実施形態による固体撮像装置では、信号保持部４を、４つの選択スイッチ９，１０，１１，１２と４つの信号保持容量１３，１４，１５，１６とにより構成した。本実施形態による固体撮像装置は、図６に示すように、信号保持部４が２つの選択スイッチ９，１０と２つの信号保持容量１３，１４とにより構成されている点で、第１実施形態による固体撮像装置とは異なっている。選択スイッチ９，１０及び信号保持容量１３，１４をそれぞれ２個に減らすことで、信号保持部４及び信号保持容量１３，１４に保持された信号を転送する水平転送部５の配線数や回路面積を小さくすることができ、チップ面積を縮小することができる。
【００７７】
本実施形態による固体撮像装置では、浮遊拡散容量１０７の電荷に基づく出力信号と、浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８との合成容量の電荷に基づく出力信号とを、別々のタイミングで水平転送部５に出力することで、回路面積縮小を可能にしている。
【００７８】
すなわち、図７に示すように、浮遊拡散容量１０７の信号電荷及びリセット電位に基づく信号は、信号保持容量１３，１４に保持した後の時刻ｔ６から時刻ｔ７において、水平転送部５の入力ノードｏｕｔｓ，ｏｕｔｎに、それぞれ出力する。また、浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８との合成容量の信号電荷及びリセット電位に基づく信号は、信号保持容量１３，１４に保持した後の時刻ｔ１２から時刻ｔ１３において、水平転送部５の入力ノードｏｕｔｓ，ｏｕｔｎに、それぞれ出力する。
【００７９】
浮遊拡散容量１０７の電荷に基づく信号を水平転送部５に出力するタイミングと、合成容量の電荷に基づく信号を水平転送部５に出力するタイミングとをずらすことにより、これら信号を同じ信号保持容量１３，１４を用いて保持することができる。これにより、水平転送部５の配線数並びに回路面積を小さくすることができ、チップ面積を縮小することができる。
【００８０】
このように、本実施形態によれば、第１実施形態の効果に加え、周辺回路構成を簡略化してチップ面積を縮小することができる。
【００８１】
［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８及び図９を用いて説明する。図１乃至図７に示す第１及び第２実施形態による固体撮像装置及びその駆動方法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。
【００８２】
図８は、本実施形態による固体撮像装置の構成の一例を示す回路図である。図９は、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法の一例を示すタイミング図である。
【００８３】
本実施形態による固体撮像装置は、図８に示すように、付加容量選択トランジスタ１０６及び付加容量１０８の配置が、図６に示す第２実施形態による固体撮像装置とは異なっている。すなわち、本実施形態による固体撮像装置では、付加容量選択トランジスタ１０６が、リセット用トランジスタ１０３のソースとＦＤノードとの間に接続されている。付加容量１０８は、付加容量選択トランジスタ１０６のゲートの下部に形成される容量を用いる。すなわち、付加容量１０８を用いる場合には、付加容量選択トランジスタ１０６のゲートにＨレベルの信号ＰＣｅｘを印加して、付加容量選択トランジスタ１０６をオン状態とする。こうすることで、ゲート下の容量（付加容量１０８）が浮遊拡散容量１０７と並列に接続され、合成容量を形成することができる。
【００８４】
付加容量１０８を用いる場合には、付加容量１０８のリセットは、リセット用トランジスタ１０３を用いて行う。一方、付加容量１０８を用いない場合には、フォトダイオード１０１及び浮遊拡散容量１０７のリセットは、付加容量選択トランジスタ１０６を用いて行う。その際、リセット用トランジスタ１０３のゲートに印加する信号ＰＲＥＳはＨレベルで固定し、リセット用トランジスタ１０３をオン状態にしておく。
【００８５】
本実施形態による固体撮像装置は、例えば図９に示すタイミング図に従って駆動することができる。本実施形態の駆動方法が第２実施形態の駆動方法と異なる第１の点は、信号ＰＲＥＳを、時刻ｔ０から時刻ｔ９に至るまでＨレベルに固定していることである。本実施形態の駆動方法が第２実施形態の駆動方法と異なる第２の点は、時刻ｔ２から時刻ｔ３の間に信号ＰＣｅｘをＨレベルにしていることである。
【００８６】
本実施形態による固体撮像装置では、リセット用トランジスタ１０３とＦＤノードとの間に付加容量選択トランジスタ１０６が接続されている。このため、フォトダイオード１０１、浮遊拡散容量１０７及び付加容量１０８をリセットする際には、これら２つのトランジスタをオン状態にする。したがって、信号ＰＲＥＳをＨレベルに固定している間は、フォトダイオード１０１、浮遊拡散容量１０７及び付加容量１０８のリセットは、付加容量選択トランジスタ１０６に印加する信号ＰＣｅｘにより制御することができる。
【００８７】
また、時刻ｔ８に信号ＰＣｅｘをＨレベルにし、時刻ｔ９にて信号ＰＲＥＳをＬレベルにすることで、浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８との合成容量を用いて信号が変換できるようになる。
【００８８】
このように、本実施形態によれば、付加容量選択トランジスタ１０６のゲート下の領域を付加容量１０８として用いるので、浮遊拡散容量１０７に余計なソース・ドレイン領域を作らなくて済む。これにより、浮遊拡散容量１０７の容量値を小さくすることができ、リセットノイズを低減することができる。
【００８９】
なお、上記の例では、時刻ｔ０から時刻ｔ９に至るまで信号ＰＲＥＳをＨレベルに固定しているが、各リセット期間（時刻ｔ０〜ｔ１、時刻ｔ２〜ｔ３、時刻ｔ８〜ｔ９）において、信号ＰＣｅｘと同様に信号ＰＲＥＳをＨレベルにするようにしてもよい。
【００９０】
また、本実施形態では、付加容量選択トランジスタ１０６をリセット用トランジスタ１０３とＦＤノードとの間に設けた構成を、第２実施形態の固体撮像装置に適用した例を示したが、第１実施形態の固体撮像装置に適用するようにしてもよい。
【００９１】
このように、本実施形態によれば、第１及び第２実施形態の効果に加え、浮遊拡散容量の容量値を縮小してリセットノイズを低減することができる。
【００９２】
［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及びその駆動方法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。
【００９３】
図１０は、本実施形態による固体撮像装置の構成の一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の一例を示すタイミング図である。
【００９４】
本実施形態による固体撮像装置は、図１０に示すように、浮遊拡散容量１０７とは別に、ＦＤノードに接続して付加容量１０８及び付加容量１１０を設けたものである。付加容量１０８は付加容量選択トランジスタ１０６を介してＦＤノードに電気的に接続されており、付加容量１１０は付加容量選択トランジスタ１０９を介してＦＤノードに電気的に接続されている。付加容量選択トランジスタ１０６のゲートは、図示しない信号線Ｃ１を介して垂直走査回路２に電気的に接続されており、垂直走査回路２から信号ＰＣ１を印加できるようになっている。付加容量選択トランジスタ１０９のゲートは、図示しない信号線ＰＣ２を介して垂直走査回路２に電気的に接続されており、垂直走査回路２から信号ＰＣ２を印加できるようになっている。付加容量１０８及び付加容量１１０を用いることにより、信号電荷を転送する容量の容量値を適宜設定できるようになる。
【００９５】
本実施形態による固体撮像装置は、例えば図１１に示すタイミング図に従って駆動することができる。本実施形態の駆動方法が第２実施形態の駆動方法と異なる点は、時刻ｔ２から時刻ｔ７の間に信号ＰＣ１をＨレベルにし、時刻ｔ８から時刻ｔ１３の間に信号ＰＣ２をＨレベルにしていることである。すなわち、本実施形態の駆動方法では、信号ＰＣ１及び信号ＰＣ２により、付加容量１０８と付加容量１１０とをそれぞれ選択している。
【００９６】
つまり、第１及び第２の画素信号の読み出しの際（時刻ｔ２〜ｔ７）において、上記実施形態では浮遊拡散容量１０７を用いているのに対して、本実施形態では浮遊拡散容量１０７と付加容量１０６との合成容量を用いている。また、第４及び第５の画素信号の読み出しの際（時刻ｔ８〜ｔ１３）において、上記実施形態では浮遊拡散容量１０７と付加容量１０８との合成容量を用いているのに対して、本実施形態では浮遊拡散容量１０７と付加容量１１０との合成容量を用いている。
【００９７】
ＦＤノードへの接続／非接続を選択可能な複数の付加容量１０８，１１０を設けることにより、フォトダイオード１０１の信号電荷を転送するＦＤノードの容量値を、複数の容量を任意に組み合わせた場合も含め、種々選択することができる。これにより、同一構成の固体撮像装置を、その使用目的等に応じて適宜使い分けることができる。
【００９８】
このように、本実施形態によれば、第１及び第２実施形態の効果に加え、容量値の設定自由度を向上することができる。
【００９９】
なお、本実施形態では、ＦＤノードへの接続／非接続を選択可能な付加容量を２つ設けた構成を、第２実施形態の固体撮像装置に適用した例を示したが、第１実施形態の固体撮像装置に適用するようにしてもよい。
【０１００】
［第５実施形態］
本発明の第５実施形態による撮像システムについて図１２を用いて説明する。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。
【０１０１】
図１２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。
【０１０２】
本実施形態では、第１乃至第４実施形態で説明した固体撮像装置を撮像システムに適用した一例について説明する。撮像システムとしては、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。
【０１０３】
本実施形態の撮像システム３００は、図１２に示すように、バリア３０１、レンズ３０２、絞り３０３、固体撮像装置２００、出力信号処理部３０５を含む。また、バッファメモリ部３０６、外部Ｉ／Ｆ部３０７、タイミング発生部３０８、全体制御・演算部３０９、記録媒体制御ＩＦ部３１０、記録媒体３１１を含む。固体撮像装置２００には、先の実施形態で説明した固体撮像装置２００が用いられる。
【０１０４】
レンズ３０２は、被写体の光学像を固体撮像装置２００に結像させるものである。絞り３０３は、レンズ３０２を通過した光量を可変にするためのものである。バリア３０１は、レンズ３０２の保護のためのものである。レンズ３０２及び絞り３０３を含む光学系は、被写体からの光を、固体撮像装置２００の、複数の画素１００が２次元マトリクス状に配列された撮像領域１に結像させ、被写体の像を形成する。固体撮像装置２００は、撮像領域１に結像された光に応じた信号を出力する。タイミング発生部３０８は、全体制御・演算部３０９による制御に基づいて各種タイミング信号を出力するものであり、固体撮像装置２００及び出力信号処理部３０５の駆動タイミングを制御する。なお、タイミング信号などは外部から入力されてもよく、撮像システムは少なくとも固体撮像装置２００と、固体撮像装置２００から出力された出力信号を処理する出力信号処理部３０５とを有すればよい。
【０１０５】
固体撮像装置２００から出力された信号は、映像処理部である出力信号処理部３０５に入力される。出力信号処理部３０５は、デジタル信号処理部を有し、固体撮像装置２００から出力される信号を、必要に応じて、各種の補正や圧縮など、プログラム等によって定められた方法に従って処理し、処理した信号を出力する。出力信号処理部３０５での処理によって得られた信号は、画像データとして、バッファメモリ部３０６、外部Ｉ／Ｆ（インターフェース）部３０７、全体制御・演算部３０９に送られる。バッファメモリ部３０６は、画像データを一時的に記憶するためのものである。外部Ｉ／Ｆ（インターフェース）部３０７は、外部コンピュータ等と通信するためのものである。全体制御・演算部３０９には、記録媒体に記録又は読み出しを行うための記憶媒体制御Ｉ／Ｆ（インターフェース）部３０８が接続されており、半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体３１１に撮像データの記録又は読み出しができる。
【０１０６】
全体制御・演算部３０９は、撮像システムの動作を統括的に制御するものであり、レンズ３０２、絞り３０３、タイミング発生部３０８、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部３０７等の駆動を制御する。また、全体制御・演算部３０９は、例えば記録媒体である不図示の記憶装置を備え、撮像システムの動作を制御するのに必要なプログラム等が記録される。また、全体制御・演算部３０９は、例えばユーザの操作に応じて駆動モードを切り替える信号を撮像システム内に供給する。具体的な例としては、読み出す行やリセットする行の変更、電子ズームに伴う画角の変更や、電子防振に伴う画角のずらし等である。
【０１０７】
このようにして、第１乃至第４実施形態による固体撮像装置を用いて撮像システムを構成することにより、高性能の撮像システムを実現することができる。
【０１０８】
［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。
【０１０９】
例えば、上記第１乃至第３実施形態ではＦＤノードに選択可能な１つの付加容量を接続し、上記第４実施形態ではＦＤノードに選択可能な２つの付加容量を接続したが、ＦＤノードに接続する選択可能な付加容量の数は、これらに限定されるものではない。ＦＤノードに選択可能な３つ以上の付加容量を接続するようにしてもよい。
【０１１０】
また、上記第１乃至第４実施形態では、浮遊拡散容量１０７からの電荷の読み出し（時刻ｔ４〜ｔ５のステップ）の後に浮遊拡散容量１０７及び付加容量１０８をリセットしているが、必ずしも浮遊拡散容量１０７及び付加容量１０８をリセットする必要はない。この際、相関二重サンプリングを行う場合は、合成容量からの電荷の読み出し（時刻ｔ１０〜ｔ１１のステップ）後、浮遊拡散容量１０７及び付加容量１０８のリセットとリセット電位に基づく出力信号の読み出しを行えばよい。
【０１１１】
また、上記第１乃至第４実施形態では、リセット電位に基づく出力信号を取得して相関二重サンプリングを行うことによりノイズ成分を除去したが、必ずしも相関二重サンプリングを行う必要はない。
【０１１２】
また、上記第１乃至第４実施形態の固体撮像装置を適用しうる撮像システムは、第５実施形態に記載のものに限定されるものではなく、固体撮像装置を用いる種々の撮像システムに広く適用することができる。
【０１１３】
また、上記実施形態は、本発明を適用しうる幾つかの態様を例示したものに過ぎず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜修正や変形を行うことを妨げるものではない。
【符号の説明】
【０１１４】
１  撮像領域
２  垂直走査回路
３  列増幅器部
４  信号保持部
５  水平転送部
６  垂直信号線
１３，１４，１５，１６  信号保持容量
１００  画素
１０１  フォトダイオード
１０２  転送用トランジスタ
１０３  リセット用トランジスタ
１０４  ソースフォロワトランジスタ
１０５  選択トランジスタ
１０６，１０９  付加容量選択トランジスタ
１０７  浮遊拡散容量
１０８，１１０  付加容量
２００  固体撮像装置
３００  撮像システム
【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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