(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換によって生じた電荷を蓄積する光電変換部と、前記電荷を保持する保持部と、前記電荷に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部から前記保持部に前記電荷を転送する第１の転送トランジスタと、前記保持部から前記増幅部に前記電荷を転送する第２の転送トランジスタと、前記光電変換部に蓄積された前記電荷を排出するオーバーフロートランジスタとをそれぞれが有する複数の画素を備え、
それぞれのフレームの読み出し期間において、前記複数の画素の前記第２の転送トランジスタが順次オンになることにより、前フレームの前記電荷を前記保持部から前記増幅部に転送し、
前記読み出し期間は、前記複数の画素の前記オーバーフロートランジスタがオンである排出期間と、前記複数の画素の前記オーバーフロートランジスタおよび前記第１の転送トランジスタがオフとなることによって前記複数の画素の前記光電変換部が電荷を蓄積する第１の期間とを含み、
前記第１の期間に続く第２の期間において、前記複数の画素の前記保持部が前記第１の期間に蓄積された前記電荷を保持しつつ、前記複数の画素の前記光電変換部が当該第２の期間に生じる電荷を蓄積し、
前記第１および第２の期間の間に、前記複数の画素のそれぞれにおいて、前記第１の転送トランジスタがオンとなることによる、前記光電変換部から前記保持部への電荷転送が前記第２の期間の最後になされる１回を含めて複数回なされることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
光電変換によって生じた電荷を蓄積する光電変換部と、前記電荷を保持する保持部と、前記電荷に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部から前記保持部に前記電荷を転送する第１の転送トランジスタと、前記保持部から前記増幅部に前記電荷を転送する第２の転送トランジスタとをそれぞれが有する複数の画素を備え、
第１の期間において、前記複数の画素の前記第１の転送トランジスタがオフとなることにより前記複数の画素の前記光電変換部が電荷を蓄積し、かつ、前記複数の画素のそれぞれにおいて前フレームの前記電荷を前記保持部から前記増幅部に読み出し、
前記第１の期間に続く第２の期間において、前記複数の画素の前記保持部が前記第１の期間に蓄積された前記電荷を保持しつつ、前記複数の画素の前記光電変換部が当該第２の期間に生じる電荷を蓄積し、
前記第１および第２の期間の間に、前記複数の画素のそれぞれにおいて、前記第１の転送トランジスタがオンとなることによる、前記光電変換部から複数の前記保持部への電荷転送が前記第２の期間の最後になされる１回を含めて複数回なされ、かつ、前記電荷転送の間隔が一定であることを特徴とする撮像装置。
【請求項３】
前記電荷転送の間隔は、前記第１の転送トランジスタがオンからオフになる時刻から次にオンからオフになる時刻までであることを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記画素は、前記光電変換部に蓄積された前記電荷を排出するオーバーフロートランジスタをさらに有することを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記電荷転送の１回目の間隔は、前記オーバーフロートランジスタがオンからオフになる時刻から、前記第１の転送トランジスタがオンからオフになる時刻までであり、
前記電荷転送の２回目以降の間隔は、前記第１の転送トランジスタがオンからオフになる時刻から次にオンからオフになる時刻までであることを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記電荷転送の間隔は、前記オーバーフロートランジスタがオンからオフになる時刻から、前記第１の転送トランジスタがオンからオフになる時刻までであることを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
【請求項７】
前フレームの電荷を前記保持部から前記増幅部に読み出している期間であって、前記第１の期間の前に、前記複数の画素の前記オーバーフロートランジスタがオンである排出期間を有することを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記複数の画素の前記オーバーフロートランジスタがオンである排出期間が、前フレームの電荷を前記保持部から前記増幅部に読み出す期間の経過後まで続くことを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記第２の期間の少なくとも一部において、前記第２の転送トランジスタはオフに維持されることを特徴とする請求項２〜８のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記第１の期間の最後に、前記複数の画素において同時に、前記光電変換部から前記保持部への前記電荷転送を行うことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記複数回は、前記光電変換部の飽和電荷量に対する前記保持部の飽和電荷量の比よりも大きいことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の撮像装置と、
信号処理装置とを備えることを特徴とする撮像システム。
【請求項１３】
光電変換によって生じた電荷を蓄積する光電変換部と、前記電荷を保持する保持部と、前記電荷に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部から前記保持部に前記電荷を転送する第１の転送トランジスタと、前記保持部から前記増幅部に前記電荷を転送する第２の転送トランジスタと、前記光電変換部に蓄積された前記電荷を排出するオーバーフロートランジスタとをそれぞれが有する複数の画素を備える撮像装置の制御方法であって、
それぞれのフレームの読み出し期間において、前記複数の画素の前記第２の転送トランジスタが順次オンになることにより、前フレームの前記電荷を前記保持部から前記増幅部に転送し、
前記読み出し期間は、前記複数の画素の前記オーバーフロートランジスタがオンである排出期間と、前記複数の画素の前記オーバーフロートランジスタおよび前記第１の転送トランジスタがオフとなることによって前記複数の画素の前記光電変換部が電荷を蓄積する第１の期間とを含み、
前記第１の期間に続く第２の期間において、前記複数の画素の前記保持部が前記第１の期間に蓄積された前記電荷を保持しつつ、前記複数の画素の前記光電変換部が当該第２の期間に生じる電荷を蓄積し、
前記第１および第２の期間の間に、前記複数の画素のそれぞれにおいて、前記第１の転送トランジスタがオンとなることによる、前記光電変換部から前記保持部への電荷転送が前記第２の期間の最後になされる１回を含めて複数回なされることを特徴とする撮像装置の制御方法。
【請求項１４】
光電変換によって生じた電荷を蓄積する光電変換部と、前記電荷を保持する保持部と、前記電荷に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部から前記保持部に前記電荷を転送する第１の転送トランジスタと、前記保持部から前記増幅部に前記電荷を転送する第２の転送トランジスタとをそれぞれが有する複数の画素を備える撮像装置の制御方法であって、
第１の期間において、前記複数の画素の前記第１の転送トランジスタがオフとなることにより前記複数の画素の前記光電変換部が電荷を蓄積し、かつ、前記複数の画素のそれぞれにおいて前フレームの前記電荷を前記保持部から前記増幅部に読み出し、
前記第１の期間に続く第２の期間において、前記複数の画素の前記保持部が前記第１の期間に蓄積された前記電荷を保持しつつ、前記複数の画素の前記光電変換部が当該第２の期間に生じる電荷を蓄積し、
前記第１および第２の期間の間に、前記複数の画素のそれぞれにおいて、前記第１の転送トランジスタがオンとなることによる、前記光電変換部から複数の前記保持部への電荷転送が前記第２の期間の最後になされる１回を含めて複数回なされ、かつ、前記電荷転送の間隔が一定であることを特徴とする撮像装置の制御方法。
【請求項１５】
前記複数の画素のそれぞれが、前記画素に含まれる前記増幅部の入力ノードをリセットするリセットトランジスタをさらに有し、
前記リセットトランジスタは、対応する画素の前記第２の転送トランジスタが少なくともオンとなるときに、オフ状態であることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項１６】
前記第２の転送トランジスタは前記第１の期間においてオンとなることを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、グローバル電子シャッタ機能を有する撮像装置、撮像システム、および、撮像装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＭＯＳイメージセンサにおいて、グローバル電子シャッタが提案されている。例えば、特許文献１、特許文献２に記載された撮像装置は、グローバル電子シャッタを用いることによって、動きの速い被写体像の歪みを回避している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１１１５９０号公報
【特許文献２】特開２００６−２４６４５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の撮像装置は、光電変換によって生じた電荷の全部を光電変換部に蓄積した後、１フレーム分の電荷を全画素同時に光電変換部から保持部に電荷を転送している。これにより、グローバル電子シャッタを実現している。ここで、画素の飽和電荷量を増やすためには、光電変換部の飽和電荷量と保持部の飽和電荷量との両方を大きくする必要がある。ところが、光電変換部の飽和電荷量を大きくすると、光電変換部の面積が増加し、画素サイズが大きくなってしまう。
【０００５】
特許文献２に記載の撮像装置は、光電変換部において電荷を蓄積せずに、保持部において保持している。そのため、光電変換部の飽和電荷量を増やすことなく、画素の飽和電荷量を増やすことが可能である。しかしながら、この方法では、光電変換によって生じた電荷を蓄積できない期間が生じるため、画質が低下する可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の１つの実施形態に係る撮像装置は、光電変換によって生じた電荷を蓄積する光電変換部と、前記電荷を保持する保持部と、前記電荷に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部から前記保持部に前記電荷を転送する第１の転送トランジスタと、前記保持部から前記増幅部に前記電荷を転送する第２の転送トランジスタと、前記光電変換部に蓄積された前記電荷を排出するオーバーフロートランジスタとをそれぞれが有する複数の画素を備え、それぞれのフレームの読み出し期間において、前記複数の画素の前記第２の転送トランジスタが順次オンになることにより、前フレームの前記電荷を前記保持部から前記増幅部に転送し、前記読み出し期間は、前記複数の画素の前記オーバーフロートランジスタがオンである排出期間と、前記複数の画素の前記オーバーフロートランジスタおよび前記第１の転送トランジスタがオフとなることによって前記複数の画素の前記光電変換部が電荷を蓄積する第１の期間とを含み、前記第１の期間に続く第２の期間において、前記複数の画素の前記保持部が前記第１の期間に蓄積された前記電荷を保持しつつ、前記複数の画素の前記光電変換部が当該第２の期間に生じる電荷を蓄積し、前記第１および第２の期間の間に、前記複数の画素のそれぞれにおいて前記第１の転送トランジスタがオンとなることによる、前記光電変換部から前記保持部への電荷転送が前記第２の期間の最後になされる１回を含めて複数回なされる。
【０００７】
また、本発明の他の実施形態に係る撮像装置は、光電変換によって生じた電荷を蓄積する光電変換部と、前記電荷を保持する保持部と、前記電荷に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部から前記保持部に前記電荷を転送する第１の転送トランジスタと、前記保持部から前記増幅部に前記電荷を転送する第２の転送トランジスタとをそれぞれが有する複数の画素を備え、第１の期間において、前記複数の画素の前記第１の転送トランジスタがオフとなることにより前記複数の画素の前記光電変換部が電荷を蓄積し、かつ、前記複数の画素のそれぞれにおいて前フレームの前記電荷を前記保持部から前記増幅部に読み出し、前記第１の期間に続く第２の期間において、前記複数の画素の前記保持部が前記第１の期間に蓄積された前記電荷を保持しつつ、前記複数の画素の前記光電変換部が当該第２の期間に生じる電荷を蓄積し、前記第１および第２の期間の間に、前記複数の画素のそれぞれにおいて、前記第１の転送トランジスタがオンとなることによる、前記光電変換部から複数の前記保持部への電荷転送が前記第２の期間の最後になされる１回を含めて複数回なされ、かつ、前記電荷転送の間隔が一定である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、画素サイズの増大、画質の低下を抑制したグローバル電子シャッタ動作を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る撮像装置の概略構成を表すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る撮像装置における画素の等価回路を表す図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る撮像装置の画素の断面構造を模式的に表す図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る撮像装置の制御信号のタイミングチャートである。
【図５】本発明の第１実施形態に係る撮像装置の画素のタイミングチャートである。
【図６】本発明の第１実施形態に係る撮像装置の動作を模式的に示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る撮像装置のタイミングチャートである。
【図８】本発明の第２実施形態に係る撮像装置の動作を模式的に示す図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係る撮像装置における画素の等価回路を表す図である。
【図１０】本発明の第３実施形態に係る撮像装置のタイミングチャートである。
【図１１】本発明の第３実施形態に係る撮像装置の動作を模式的に示す図である。
【図１２】本発明の第４実施形態に係る撮像装置における画素の制御信号を示すタイミングチャートである。
【図１３】本発明の第４実施形態に係る撮像装置の動作を模式的に示す図である。
【図１４】本発明の第５実施形態に係る撮像システムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の１つの実施形態に係る撮像装置は複数の画素を備え、それぞれの画素は、光電変換部、電荷を保持する保持部、電荷に基づく信号を出力する増幅部を有する。さらに、画素は、光電変換部から保持部へ電荷を転送する第１の転送トランジスタ、保持部から増幅部へ電荷を転送する第２の転送トランジスタ、光電変換部の電荷を排出するオーバーフロートランジスタを備える。このような構成により、複数の画素の間で光電変換の期間が一致するような撮像動作、いわゆる、グローバル電子シャッタを行うことができる。電子シャッタとは、入射光によって生じた電荷の蓄積を電気的に制御する撮像動作である。
【００１１】
それぞれのフレームの読み出し期間において、複数の第２の転送トランジスタが順次オンになることにより、前フレームの前記電荷を前記保持部から増幅部に順次転送する。
【００１２】
読み出し期間に出力する信号の数は、出力する画像のフォーマットによって変更されうる。例えば動画の撮影であれば、１フレームに用いられる水平ラインの数だけ信号が出力されればよい。なお、撮像装置が備える画素の全部から信号が出力されなくてもよい。
【００１３】
読み出し期間は、複数のオーバーフロードレイントランジスタがオンの排出期間と、複数のオーバーフロードレインおよび複数の第１のトランジスタがオフとなることにより、複数の光電変換部が電荷を蓄積する第１の期間とを含む。第１の期間に続く第２の期間において、複数の保持部が第１の期間に蓄積された電荷を保持しつつ、複数の光電変換部があらたな電荷を蓄積する。第１および第２の期間の間に、光電変換部から保持部への電荷転送が第２の期間の最後になされる１回を含めて複数回なされる。
【００１４】
光電変換部は、少なくとも第１の期間に生じる電荷を蓄積できればよいため、飽和電荷量の小さな光電変換部を用いながら、画素の飽和電荷量を維持することができる。したがって、画素サイズを抑えながら、画素の飽和電荷量を維持しつつ、グローバル電子シャッタを実現することができる。第１の実施形態においては、第１および第２の期間は同じ長さであり得るが、いくつかの実施形態では、複数の画素の保持部が電荷を保持している第２の期間は第１の期間よりも長い。この場合、第２の期間において、光電変換部から保持部への電荷転送を複数回行うことにより、光電変換部の飽和電荷量をさらに小さくすることできる。
【００１５】
本発明の他の実施形態に係る撮像装置は、複数の画素を備え、それぞれの画素は、光電変換部、電荷を保持する保持部、電荷に基づく信号を出力する増幅部を有する。さらに、画素は、光電変換部から保持部へ電荷を転送する第１の転送トランジスタ、保持部から増幅部へ電荷を転送する第２の転送トランジスタを備える。
【００１６】
第１の期間において、複数の第１の転送トランジスタがオフとなることにより複数の光電変換部が電荷を蓄積する。第１の期間に続く第２の期間において、複数の保持部が第１の期間に蓄積された電荷を保持しつつ、複数の光電変換部が電荷を蓄積する。また、第１および第２の期間の間に、光電変換部から保持部への電荷転送が第２の期間の最後になされる１回を含めて複数回なされる。光電変換部は、少なくとも第１の期間に生じる電荷を蓄積できればよいため、飽和電荷量の小さな光電変換部を用いることができる。また、電荷転送の間隔を一定とすることにより、より小さな飽和電荷量の光電変換部を用いることができ、光電変換部および電荷保持部のサイズを最適化することが可能となる。
【００１７】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。本発明は、以下に説明される実施形態に限定されず、例えば、以下のいずれかの実施形態の一部の構成を、他の実施形態に追加し、あるいは他の実施形態の一部の構成と置換してもよい。
【００１８】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る撮像装置の概略構成を表すブロック図である。撮像装置は画素部１００、垂直走査回路１０１、列増幅回路１０２、水平走査回路１０３、出力回路１０４、制御回路１０５を備える。画素部１００は、ＸＹの行列状に配置された複数の画素１０を備えている。垂直走査回路１０１は、画素１０のトランジスタをオン（導通状態）またはオフ（非導通状態）に制御するための制御信号を供給する。画素１０の各列には列信号線５が設けられており、画素１０からの信号が列ごとに列信号線５に読み出される。列増幅回路１０２は列信号線５に出力された画素信号を増幅し、画素１０のリセット時の信号および光電変換時の信号に基づく相関二重サンプリング処理を行う。水平走査回路１０３は、列増幅回路１０２の増幅器に接続されたスイッチと、該スイッチをオンまたはオフに制御するための制御信号を供給する。出力回路１０４はバッファアンプ、差動増幅器などから構成され、列増幅回路１０２からの画素信号を撮像装置の外部の信号処理部に出力する。なお、ＡＤ変換部を撮像装置に設け、デジタルの画像信号を出力しても良い。
【００１９】
図２は、本実施形態に係る撮像装置における画素１０の等価回路を示している。図２には、行方向および列方向に２次元配列された複数の画素１０のうち、３行×３列の９個の画素１０が示されているが、撮像装置はさらに多くの画素を有している。各画素１０は、光電変換部１、保持部２、浮遊拡散部３、第１の転送トランジスタＭ１、第２の転送トランジスタＭ２、増幅トランジスタＭ３、選択トランジスタＭ４、リセットトランジスタＭ５を備える。
【００２０】
光電変換部１は、入射光を光電変換するとともに、光電変換による電荷を蓄積する。第１の転送トランジスタＭ１は、オンとなることにより光電変換部１の電荷を保持部２に転送する。保持部２は、光電変換部１から転送された電荷を保持する。第２の転送トランジスタＭ２は、オンとなることにより保持部２の電荷を増幅トランジスタＭ３の浮遊拡散部３に転送する。増幅トランジスタＭ３のドレインは電源電圧線４に接続され、ソースは選択トランジスタＭ４を介して列信号線５に接続されている。増幅トランジスタＭ３はソースフォロアを構成し、浮遊拡散部３の電圧に基づく信号を選択トランジスタＭ４を介して列信号線５に出力する。列信号線５には定電流源１６が接続されている。リセットトランジスタＭ５は、オンとなることにより浮遊拡散部３の電圧をリセットする。以下の説明において、浮遊拡散部３、増幅トランジスタＭ３、選択トランジスタＭ４、リセットトランジスタＭ５を併せて出力部と称することがある。
【００２１】
同一行の画素１０に対しては共通の制御信号が垂直走査回路１０１から供給される。すなわち、第ｍ行の画素１０の第１の転送トランジスタＭ１、第２の転送トランジスタＭ２、選択トランジスタＭ４、リセットトランジスタＭ５には、制御信号ＴＸ１（ｍ）、ＴＸ２（ｍ）、ＳＥＬ（ｍ）、ＲＥＳ（ｍ）がそれぞれ供給される。これらのトランジスタは、制御信号がハイレベルのときにオンとなり、ローレベルのときにオフとなる。各行の第１の制御信号を同時にオンまたはオフに制御することにより、複数の画素１０における露光時間を同時に制御することができる。このような構成により、保持部２が電荷を保持している間、光電変換部１は新たに生じた電荷を蓄積することができ、複数の画素における光電変換の期間を一致させるグローバル電子シャッタを行うことができる。なお、複数の画素１０が１つの増幅部を共有しても良い。また、画素部１００には、有効画素の他に、遮光画素、光電変換部を有さないダミー画素などのように画像を出力しない画素が含まれ得る。
【００２２】
図３は、本実施形態に係る撮像装置における画素１０の断面構造を模式的に示す図である。
【００２３】
光電変換部１は、Ｐ型のウェル領域１４に配され、Ｎ型の半導体領域１１とＰ型の半導体領域１２を有している。半導体領域１１と半導体領域１２はＰＮ接合を形成し、埋め込み型のフォトダイオード構造を構成している。入射光はＰＮ接合において光電変換され、Ｎ型の半導体領域１１に蓄積される。このとき、Ｐ型の半導体領域１２によって界面のノイズが抑制される。
【００２４】
光電変換部１の下面には、Ｎ型の半導体領域１３が配される。半導体領域１３の不純物濃度は、同じＮ型の半導体領域１１の不純物濃度より低い。これにより、深い位置で生じた電荷が半導体領域１３に捉えられてノイズが抑制される。半導体領域１３はＰ型であってもよい。さらに、半導体領域１３の下面には、電荷に対するポテンシャルバリアとなるＰ型の半導体領域１５が配される。
【００２５】
保持部２は、Ｐ型のウェル領域１４に配されたＮ型の半導体領域２１を有する。光電変換部１から転送された電荷は半導体領域２１に保持される。本実施形態では、半導体領域２１の不純物濃度は同じＮ型の半導体領域１１の不純物濃度よりも高い。また、半導体基板の表面に正射影した保持部２の平面視における面積は光電変換部１の平面視における面積より大きい。これにより、保持部２の飽和電荷量を光電変換部１の飽和電荷量に対して相対的に大きくすることができる。
【００２６】
ゲート電極４０は、半導体領域１２と半導体領域２１の間のウェル領域１４の上側にゲート絶縁膜を介して配され、第１の転送トランジスタＭ１のゲートを構成する。第１の転送トランジスタＭ１は、ゲート電極４０の電圧が正である場合にオン状態となり、光電変換部１に蓄積された電荷を保持部２へ転送する。一方、ゲート電極４０の電圧が負である場合にはオフとなる。ゲート電極５０は、半導体領域２１と浮遊拡散部３との間のウェル領域１４の上側にゲート絶縁膜を介して配され、第２の転送トランジスタＭ２のゲートを構成する。ゲート電極４０に負の電圧を与えることにより、Ｎ型の半導体領域２１の表面にホールを誘起することができる。これにより、界面で発生するノイズを抑制することができる。
【００２７】
ここで、第１の転送トランジスタＭ１がオンである場合、半導体領域２１から電荷がリークすることによって微小なノイズが生じ得る。一方、第１の転送トランジスタＭ１がオフである場合には、半導体領域２１の表面にホールが誘起されるので、このようなノイズは抑制される。したがって、第１の転送トランジスタＭ１は、オンの期間が短くなるように制御されることが好ましい。
【００２８】
遮光部２０３は、例えばタングステン、アルミニウム等のように可視光を通し難い金属で形成され、保持部２を含む半導体領域を遮光する。遮光部２０３は、光電変換部１の上の開口部２０４を有している。開口部２０４の上には、可視光のうち特定の波長域を通過させるカラーフィルタ１０ａと、入射光を集光するマイクロレンズ１０ｂとが配される。
【００２９】
本実施形態では、半導体基板の平面視における光電変換部１の正射影の面積が、保持部２の面積より小さい。このような構成によれば、ノイズを低減しつつ、画素の飽和電荷量を増やすことができる。
【００３０】
画素１０の飽和電荷量を大きくするためには、保持部２が大きな飽和電荷量を有することが好ましい。ここで、画素１０の飽和電荷量とは、１フレームの露光期間で生じる電荷のうち、信号として扱うことができる電荷量の最大値である。また、光電変換部１の飽和電荷量とは、光電変換部１が蓄積できる電荷量の最大値であり、保持部２の飽和電荷量とは、保持部２が保持できる電荷量の最大値である。保持部２の半導体領域２１の不純物濃度を高くすることにより、あるいは、平面視における半導体領域２１の面積を大きくすることにより、保持部２の飽和電荷量を大きくすることができる。半導体領域２１の不純物濃度を高くし過ぎると、リーク電流などを起因とするノイズが発生しやすくなる。そのため、半導体領域２１の面積を大きくすることで、半導体領域２１の不純物濃度を抑えつつ、飽和電荷量を増やすことができる。
【００３１】
このように、保持部２の面積を大きくすることにより、ノイズを低減しつつ、画素の飽和電荷量を増やすことができる。一方、保持部２の面積を大きくすると、光電変換部１の面積が相対的に小さくなり、光電変換部１の飽和電荷量を増やすことが困難になる。本実施形態によれば、光電変換部１が１フレームにおいて複数回の蓄積を行うことにより、光電変換部１の飽和電荷量を小さくしながら、画素の飽和電荷量を維持することが可能となる。
【００３２】
なお、図３は表面照射型の画素１０を示しているが、画素１０は裏面照射型であってもよい。また、保持部２はＰ型のウェル領域１４上に形成されているが、保持部２はＮ型のウェル領域上に形成されてもよい。この場合、Ｎ型とＰ型は逆となり、保持部２には、電子の代わりにホールが保持される。また、画素１０に供給される制御信号のハイレベルとローレベルが逆になる。
【００３３】
図４は、本実施形態に係る撮像装置のタイミングチャートであって、第ｍ−１〜第ｍ＋１行の制御信号ＴＸ１、ＴＸ２を示している。上述したように、制御信号ＴＸ１は第１の転送トランジスタＭ１のゲートに印加される信号であり、制御信号ＴＸ２は第２の転送トランジスタＭ２のゲートに印加される信号である。制御信号がハイレベルの時に、対応するトランジスタがオンとなり、制御信号がローレベルの時に、対応するトランジスタがオフとなる。なお、図４には、第ｍ−１〜第ｍ＋１行の制御信号のみが示されているが、その他の行についても同様に駆動される。
【００３４】
時刻Ｔ１より前に、画素部１００は前フレームの露光を行っている。ここで、露光とは、光電変換によって生じた電荷が信号として蓄積または保持されることを意味する。時刻Ｔ１より前に生じた電荷は、保持部２に保持されている。時刻Ｔ１において、すべての画素の第１の転送トランジスタＭ１が同時にオンからオフになる。これにより、前フレームの露光期間が終了する。すなわち、光電変換部１の電荷がすべて保持部２に転送され、光電変換部１が初期状態になる。同時に、第ｎフレームの露光期間が開始する。すなわち、各行の画素１０の光電変換部１が同時に電荷の蓄積を開始する。このように、第１の転送トランジスタＭ１がオフになることで、光電変換部１による電荷の蓄積が開始される。
【００３５】
時刻Ｔ１〜Ｔ２、すなわち読み出し期間において、制御信号ＴＸ１はローレベルであり、第１の転送トランジスタＭ１はオフに維持される。本実施形態では、すべての画素１０の第１の転送トランジスタＭ１がオフに維持されるが、少なくとも１つの画素において、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２まで第１の転送トランジスタＭ１がオフに維持されていればよい。読み出し期間において、光電変換部１は電荷を蓄積し、保持部２は前フレームで生じた電荷を保持している。なお、第１の転送トランジスタＭ１におけるリーク電流によるノイズを抑制するためには、第１の転送トランジスタＭ１がオンである期間は短いことが好ましい。
【００３６】
読み出し期間において、保持部２の電荷が浮遊拡散部３に順次読み出される。具体的には、第ｍ−１行の制御信号ＴＸ２（ｍ−１）がローレベルからハイレベルになり、第２の転送トランジスタＭ２がオンとなる。これにより、第２の転送トランジスタＭ２は第ｍ−１行の画素の保持部２の電荷を浮遊拡散部３に転送する。浮遊拡散部３の容量と転送された電荷の量に応じて、浮遊拡散部３の電圧が変化する。浮遊拡散部３の電圧に基づく画素信号が増幅トランジスタＭ３から列信号線５に読み出される。列増幅回路１０２は列信号線５における画素信号を増幅し、出力回路１０４は画素信号を順に出力する。同様に、第ｍ行における制御信号ＴＸ２（ｍ）、第ｍ＋１行の制御信号ＴＸ２（ｍ＋１）が順にハイレベルからローレベルとなり、電荷の読み出しが行われる。このように、第１行の画素から最後の行の画素までのそれぞれにおいて、読み出し動作が行毎に行われる。なお、読み出し動作を複数行毎に行ってもよい。最後の行の画素の読み出しが行われた後には、すべての画素の第１の転送トランジスタＭ１および第２の転送トランジスタＭ２がオフとなる。
【００３７】
時刻Ｔ２において、すべての行の第１の転送トランジスタＭ１が同時にオンになり、光電変換部１の電荷が保持部２に転送される。時刻Ｔ２以降は、第１の露光期間に生じた電荷が保持部２によって保持される。本実施形態では、すべての画素の第１の転送トランジスタＭ１が同時にオフからオンに遷移する。しかし、時刻Ｔ２までに、複数の画素の第１の転送トランジスタＭ１がオンとなっていればよく、オフからオンへの遷移のタイミングは互いに異なっていてもよい。たとえば、上述の読み出し動作が終わった画素から順に、第１の転送トランジスタＭ１をオンにしてもよい。
【００３８】
その後、時刻ＴＡ１において、すべての行の第１の転送トランジスタＭ１が同時にオフになる。これにより、保持部２は読み出し期間で生じた電荷を保持しつつ、光電変換部１はこれ以降に発生した電荷を蓄積し始める。ここで、時刻Ｔ１から時刻ＴＡ１までの期間を第１の露光期間と呼び、時刻ＴＡ１から時刻ＴＡ２までの期間を第２の露光期間と称する。それぞれの露光期間は第１の転送トランジスタＭ１がオフになってから次にオフになるまでの期間である。なお、以下の説明において、第１の露光期間を第１の期間、第２の露光期間を第２の期間と称することもある。
【００３９】
その後、時刻Ｔ３の前に、第１の転送トランジスタＭ１が同時にオンになる。第２の期間に生じた電荷が光電変換部１から保持部２に転送され、保持部２は第１の露光期間に生じた電荷と、第２の露光期間に生じた電荷との両方を保持する。なお、第１の転送トランジスタＭ１をオンにするタイミングは自由に設定し得る。例えば、第２の露光期間において、第１の転送トランジスタＭ１がオンに維持されていても良い。その際、第２の露光期間に光電変換部１に生じた電荷は、直ちに保持部２に転送される。
【００４０】
時刻Ｔ３において、すべての行の第１の転送トランジスタＭ１が同時にオンからオフになる。時刻Ｔ３は時刻ＴＡ２と同時刻である。第２の露光期間が終了し、第ｎフレームの露光期間が終了する。このように、すべての画素において、露光期間が互いに一致している。つまり、すべての画素において、時刻Ｔ１に露光が開始し、時刻Ｔ３に露光が終了する。また、時刻Ｔ３において第ｎ＋１フレームの露光が開始され、以降、時刻Ｔ１から時刻Ｔ３までの動作が繰り返される。なお、第１および第２の露光期間はそれぞれほぼ同じ長さであることが望ましい。なお、本実施形態では、１フレームにおいて光電変換部１から保持部２への電荷転送を２回行う例を説明したが、後述するように３回以上の電荷転送を行っても良い。
【００４１】
図５は、本実施形態に係る制御信号のタイミングチャートであって、画素信号の読み出しの動作を表している。図５には、選択トランジスタＭ４に供給される制御信号ＳＥＬ、リセットトランジスタＭ５に供給される制御信号ＲＥＳ、第２の転送トランジスタＭ２に供給される制御信号ＴＸ２が示されている。トランジスタＭ２、Ｍ４、Ｍ５はそれぞれ対応する制御信号がハイレベルの時にオンになり、ローレベルの時にオフになる。
【００４２】
以下、図１および図５を参照しながら、画素信号の読み出しの動作を説明する。まず、垂直走査回路１０１は制御信号ＳＥＬをハイレベルとすることで、選択トランジスタＭ４をオンとし、信号を読み出す画素１０を選択する。次に、垂直走査回路１０１は制御信号ＲＥＳをハイレベルとし、リセットトランジスタＭ５をオンにする。リセットトランジスタＭ５がオンとなることで、浮遊拡散部３の電圧が電源電圧にリセットされる。リセットトランジスタＭ５がオフとなった後、列増幅回路１０２は列信号線５から、リセット時の画素信号の読み出し（Ｎ読み）を行う。垂直走査回路１０１は制御信号ＴＸ２をハイレベルとすることで、第２の転送トランジスタＭ２をオンとし、保持部２の電荷を浮遊拡散部３へ転送する。列増幅回路１０２は列信号線５から光電変換時の画素信号の読み出し（Ｓ読み）を行う。このようにして読み出された画素信号は列増幅回路１０２あるいは出力回路１０４において相関二重サンプリング処理され、出力回路１０４から出力される。なお、画素信号をＡＤ変換した後に相関二重サンプリング処理を行っても良い。
【００４３】
図６は、本実施形態に係る撮像装置の動作を模式的に示す図であって、第ｎフレームから第ｎ＋１フレームまでの撮像動作を示している。第ｎフレームに関する動作は実線で、第ｎ＋１フレームに関する動作は点線で示されている。
【００４４】
図６には、フレーム期間、光電変換部１の蓄積期間、保持部２の保持期間、読み出し期間が示されている。読み出し期間は、複数の画素の読み出し動作が行われる期間である。ここで、読み出し動作は、第２の転送トランジスタＭ２による電荷の転送と、増幅トランジスタＭ３による信号の出力とを含む動作である。
【００４５】
時刻Ｔ１において、光電変換部１は第ｎフレームの第１の蓄積期間（ｎ、１）における電荷蓄積を開始する。このとき、保持部２は第ｎ−１フレームの光電変換に基づく電荷を蓄積している。垂直走査回路１０１は各行を順に走査し、列増幅回路１０２は保持部２の電荷に基づく画素信号を出力する。時刻Ｔ１から読み出し期間経過時、すなわち時刻Ｔ２において、第ｎ−１フレームの画素信号の読み出しが完了すると、第１の転送トランジスタＭ１がオンとなり、光電変換部１に蓄積された電荷が保持部２に転送される。その後、第１の転送トランジスタＭ１がオフとなることで、第１の蓄積期間（ｎ、１）が終了し、第２の蓄積期間（ｎ、２）が開始する。時刻Ｔ３の直前に第１の転送トランジスタＭ１がオンとなり、時刻Ｔ３において第１の転送トランジスタＭ１がオフとなる。これにより、光電変換部１に蓄積された電荷が保持部２に転送され、第２の蓄積期間（ｎ、２）が終了する。保持部２は第ｎフレームの第１および第２の露光期間に基づく電荷を保持する。以下、同様に、第ｎ＋１フレーム、第ｎ＋２フレームの撮像動作が繰り返し実行される。
【００４６】
図６に示されたように、１フレームの露光が終了すると同時に、次のフレームの露光を開始することができる。したがって、露光がなされない期間、すなわち情報が欠落する期間を無くすことができ、画質を向上させたグローバル電子シャッタ動作が可能となる。
【００４７】
また、光電変換部１は１フレームにおいて２回の電荷蓄積を行っている。読み出し期間に保持部２からの電荷の読み出しが行われている間に、光電変換部１は電荷蓄積を行っている。第１の露光期間に続く第２の露光期間においては、保持部２が第１の露光期間の電荷を保持しつつ、光電変換部１は新たな電荷蓄積を行うことができる。このため、飽和電荷量の小さな光電変換部１を用いながら、画素の飽和電荷量を増加させることができる。
【００４８】
１フレームの露光期間は、画素信号の読み出し期間（Ｔ１〜Ｔ２）と残りの期間（Ｔ２〜Ｔ３）の合計であり、第１の露光期間と第２の露光期間の合計と等しい。保持部２に保持された前フレームの電荷は読み出し期間に読み出される。保持部２からの前フレームの電荷の読み出しが終わると、保持部２は次フレームの電荷を新たに保持することができる。したがって、光電変換部１は、少なくとも第１の露光期間に生じる電荷を蓄積できればよい。通常は、第１の露光期間に生じる電荷量は、１フレームの露光期間に生じる電荷の量より少ないため、光電変換部１の飽和電荷量を小さくすることができる。
【００４９】
本実施形態では、保持部２が電荷を保持している期間は読み出し期間よりも長いが、読み出し期間（Ｔ１〜Ｔ２）は期間（Ｔ２〜Ｔ３）に等しくてもよく、読み出し期間（Ｔ１〜Ｔ２）は期間（Ｔ２〜Ｔ３）より長くてもよい。
【００５０】
なお、図６においては、第１行から順に読み出しが行われているが、読み出しの順序は限定されない。読み出し期間において、各画素に対して少なくとも１回の読み出しが行われればよく、読み出しの順序を問わない。また、各画素の保持部２において、あるフレームで電荷の保持を開始してから、次のフレームで電荷の保持を開始するまでの期間は露光期間に等しい。
【００５１】
読み出し期間（Ｔ１〜Ｔ２）に対する、読み出し期間（Ｔ１〜Ｔ２）および期間（Ｔ２〜Ｔ３）の合計の比と、光電変換部１の飽和電荷量に対する保持部２の飽和電荷量の比が、ほぼ等しいことが好ましい。
【００５２】
本実施形態では、第１の蓄積期間は読み出し期間にほぼ等しく、読み出し期間に対する１フレームの露光期間の比はほぼ２であり、読み出し期間は１フレームの露光期間の約１／２である。したがって、例えば毎秒６０フレームの動画を撮影する場合、読み出し期間は約１／１２０秒となる。
【００５３】
この場合、光電変換部１の飽和電荷量に対する、保持部２の飽和電荷量の比は２に近いことが好ましい。これは、保持部２は１フレームの露光期間で生じた全電荷を保持するのに対し、光電変換部１は全電荷の１／２を保持すればよいことに起因する。このような飽和電荷量の比に基づき、半導体基板上における光電変換部１と保持部２のサイズを最適化することができる。
【００５４】
なお、本実施形態の撮像装置は、グローバル電子シャッタに加えてローリングシャッタの動作モードを有していてもよい。ローリングシャッタは、画素の光電変換部１による電荷の蓄積を、行毎あるいは複数行毎に順次開始する動作モードである。その後、画素の第１の転送トランジスタＭ１を、行毎あるいは複数行毎に順次、オンに制御する。また、撮像装置は、他の方式のグローバル電子シャッタの動作モードを併せて有していてもよい。例えば、他の方式のグローバル電子シャッタは、光電変換部１が電荷を蓄積している期間が露光期間と等しくなるような動作モードであっても良い。
【００５５】
以上に説明した通り、本実施形態によれば、光電変換部の飽和電荷量を抑えながら、画素の飽和電荷量を維持または増加させることができる。光電変換部および保持部のサイズを最適化することができ、ノイズが低減されたグローバル電子シャッタを実現することができる。
【００５６】
（第２実施形態）
第２実施形態に係る撮像装置を説明する。第１実施形態では、１フレーム露光期間における保持部から増幅部への電荷転送の回数は２回であるが、本実施形態では、電荷転送の回数は２回に限定されないｋ回である。以下、第１実施形態と異なる構成を中心に説明し、第１実施形態と同様の構成の説明を省略する。
【００５７】
図７は本実施形態に係る撮像装置の制御信号のタイミングチャートであり、図８は本実施形態に係る撮像装置の動作を模式的に示す図である。これらの図において、第１の蓄積期間が第１の期間に対応し、第２〜第ｋの蓄積期間が第２の期間に対応する。
【００５８】
時刻Ｔ１〜Ｔ２、すなわち読み出し期間において、浮遊拡散部３は前のフレームに蓄積された電荷を保持部２から読み出しながら、光電変換部１は第１の蓄積期間において電荷を蓄積する。時刻Ｔ２〜ＴＡ１において、第１の転送トランジスタＭ１がオンとなり、第ｎフレームの第１の蓄積期間（ｎ、１）における電荷が光電変換部１から保持部２に転送される。時刻ＴＡ１において、第１の転送トランジスタＭ１がオフとなると、時刻ＴＡ１〜ＴＡ２において、光電変換部１は第２の蓄積期間（ｎ、２）における電荷の蓄積を行う。以下、同様にして第３〜第ｋの電荷蓄積が行われ、保持部２には１フレームの露光期間によって生じた電荷が保持される。時刻Ｔ３において第２の期間が終了し、ｋ回の電荷蓄積が完了する。本実施形態においては、２回に限定されないｋ回の露光期間を設けることができる。なお、ｋ回の露光期間はそれぞれほぼ同じ期間であり、第１の転送トランジスタＭ１がオンしてから次にオフするまでのそれぞれの期間は等しい。ｋ回は、光電変換部１の飽和電荷量に対する保持部２の飽和電荷量の比よりも大きいことが好ましい。
【００５９】
画素信号の読み出し期間は第１の露光期間と必ずしも等しくなくても良いが、画素信号の読み出し期間は第１の露光期間内に終了していることが望ましい。また、光電変換部１から保持部２への電荷転送の間隔は一定であることが好ましい。ここで、電荷転送の間隔は、第１の転送トランジスタＭ１がオンからオフになる時刻から次にオンからオフになる時刻までである。
【００６０】
光電変換部１は、１フレームの露光期間の１／ｋの長さの期間に生じる電荷を蓄積できればよいため、光電変換部１の飽和電荷量を保持部２の飽和電荷量の１／ｋに低減させることができる。このため、光電変換部１の飽和電荷量をさらに小さくしながら、多くの電荷を保持部２に保持することができる。また、光電変換部１から保持部２への電荷の転送間隔を一定とすることにより、光電変換部１と保持部２のサイズを最適化することができる。したがって、本実施形態によれば、飽和電荷量を増大させ、光電変換部および保持部のサイズを最適化することができ、ノイズを抑えたグローバル電子シャッタを実現することが可能となる。
【００６１】
（第３実施形態）
第３実施形態に係る撮像装置について、第１、第２実施形態と異なる構成を中心に説明する。図９は本実施形態に係る画素の等価回路を示す図である。画素１０は、第１実施形態の画素の構成に加えて、オーバーフロートランジスタＭ６をさらに有している。オーバーフロートランジスタＭ６のドレインは電源ノードに接続されており、ゲートには制御信号ＯＦＧが印加される。オーバーフロートランジスタＭ６がオンとなることにより、光電変換部１の電荷を電源ノードなどのオーバーフロードレインに排出することができる。
【００６２】
第１実施形態では、光電変換部１による露光開始を第１の転送トランジスタＭ１によって行っているが、実施形態では、オーバーフロートランジスタＭ６を制御することにより露光開始を制御することも可能である。具体的には、オーバーフロートランジスタＭ６をオンからオフへ制御することで、光電変換部１による電荷の蓄積が開始される。これにより、第１実施形態と比較して、露光期間を自由に設定することが可能となる。
【００６３】
図１０は本実施形態に係る撮像装置における画素１０の制御信号を示すタイミング図であり、図１１は本実施形態に係る撮像装置の動作を模式的に示す図である。図１０には、オーバーフロートランジスタＭ６、第１の転送トランジスタＭ１、第２の転送トランジスタＭ２に供給される制御信号ＯＦＧ、ＴＸ１、ＴＸ２を示している。図１０は、第ｍ−１、第ｍ、第ｍ＋１行の制御信号のみを示し、他の行の制御信号を省略している。これらの図において、第１の蓄積期間が第１の期間に対応し、第２〜第３の蓄積期間が第２の期間に対応する。
【００６４】
時刻Ｔ１の前に、すべての画素の第１の転送トランジスタＭ１が同時にオンとなり、第ｎ−１フレームの電荷が光電変換部１から保持部２へ転送される。時刻Ｔ１〜Ｔ２、すなわち読み出し期間において、第２の転送トランジスタＭ２が順次、オンになり、保持部２の第ｎ−１フレームの電荷が浮遊拡散部３に読み出される。オーバーフロートランジスタＭ６は、１フレームの露光期間の開始時刻ＴＡ０から、次フレーム期間の開始時刻Ｔ３までオフ状態に維持される。オーバーフロートランジスタＭ６がオフ状態に維持される１フレームの露光期間中は、光電変換部１に電荷が蓄積される。
【００６５】
時刻Ｔ１において、すべての画素の第１の転送トランジスタＭ１がオフとなる。その後、オーバーフロートランジスタＭ６がオンとなり、光電変換部１に蓄積された電荷が排出される。その後、時刻ＴＡ０までの排出期間において、オーバーフロートランジスタＭ６はオンの状態を維持し、光電変換部１における電荷が排出され続ける。時刻ＴＡ０において、オーバーフロートランジスタＭ６がオフとなり、１フレームの露光期間が開始する。すべての画素の光電変換部１は電荷を蓄積し始め、第１の蓄積期間（ｎ、１）が開始する。したがって、オーバーフロートランジスタＭ６をオンからオフにするタイミングを制御することで、露光開始の時刻ＴＡ０を自由に設定することができる。
【００６６】
時刻Ｔ２に、画素信号の読み出し期間が終了すると、すべての画素の第１の転送トランジスタＭ１がオンになる。これにより、第ｎフレームの第１の蓄積期間（ｎ、１）における電荷が光電変換部１から保持部２へ転送される。時刻ＴＡ１において、第１の転送トランジスタＭ１がオフとなり、第２の蓄積期間（ｎ、２）が開始する。時刻ＴＡ２の前に、第１の転送トランジスタＭ１がオンとなり、第２の蓄積期間（ｎ、２）の電荷が光電変換部１から保持部２へ転送される。時刻ＴＡ２において、第１の転送トランジスタＭ１がオフとなり、光電変換部１は第３の蓄積期間（ｎ、３）における電荷蓄積を開始する。時刻ＴＡ３において、第１の転送トランジスタＭ１がオフとなり、第３の蓄積期間（ｎ、３）に生じた電荷が光電変換部１から保持部２へ転送される。このとき、保持部２は第ｎフレームの第１〜第３の蓄積期間の全電荷を保持している。時刻ＴＡ３において、第ｎフレームの露光期間が終了する。時刻Ｔ３（ＴＡ３）において、第１の転送トランジスタＭ１がオフになり、オーバーフロートランジスタＭ６がオンになる。これにより、現在の第ｎフレームの撮像処理が終了し、次の第ｎ＋１フレームの撮像処理が始まる。保持部２に蓄積された第ｎフレームの電荷は第ｎ＋１フレームの読み出し期間において読み出される。
【００６７】
第ｎ＋１以降の各フレームについて、上述の処理が繰り返される。第１〜第３の蓄積期間はそれぞれ等しく、１フレームの露光期間の１／３である。すなわち、光電変換部１から保持部２への電荷の転送間隔は一定である。ここで、３回の蓄積期間はそれぞれ、時刻ＴＡ０〜ＴＡ１、時刻ＴＡ１〜ＴＡ２、時刻ＴＡ２〜ＴＡ３である。電荷転送の１回目の間隔は、オーバーフロートランジスタＭ６がオンからオフになる時刻から、第１の転送トランジスタＭ１がオンからオフになる時刻までである。電荷転送の２回目以降の間隔は、第１の転送トランジスタＭ１がオンからオフになる時刻から次にオンからオフになる時刻までである。それぞれの電荷転送の間隔は等しくてもよく、また、異なっていてもよい。
【００６８】
このように、本実施形態では、第１実施形態の効果に加えて、オーバーフロートランジスタＭ６を用いることにより、露光期間を自由に設定可能なグローバル電子シャッタ動作を実現することができる。また、被写体の明るさに応じて、駆動方法を変えてもよい。例えば、通常は図４に示されたタイミングで制御信号を駆動し行い、明るい被写体を撮像する際には図１０に示されたタイミングで制御信号を駆動することができる。
【００６９】
さらに、図１１において、読み出し期間と露光期間との重複期間（第１の蓄積期間）は第１、第２実施形態に比べて短い。このため、画素信号の読み出し期間を短縮することなく、より多くの回数の露光期間を設定することが可能となる。例えば、毎秒６０フレームの動画撮影時において、読み出し期間が約１／１２０秒であり、蓄積時間が１／８０秒以下であるとする。この場合、１フレームにおいて３回の露光期間を設定することができ、１回の電荷蓄積量を少なくすることができる。このため、光電変換部１における飽和電荷量を増やさずに、より多くの電荷量を保持部２に保持することが可能となる。
【００７０】
本実施形態によれば、第１実施形態の効果に加えて、露光期間を自由に設定することができ、高輝度の被写体においても信号が飽和することなく、グローバル電子シャッタを実現することができる。また、読み出し期間を短縮することなく、多くの電荷量を扱うことが可能となる。また、本実施形態では、１フレームの露光期間が読み出し期間の途中に開始している。光電変換部１は、１フレームの露光期間のうち、１フレームの露光期間と読み出し期間とが重なる期間に生じる電荷を蓄積できればよいため、光電変換部１の電荷飽和量を保持部２の電荷飽和量に対して相対的に小さくすることができる。
【００７１】
なお、１フレームの露光期間の回数は３回に限定されず、一般化したｋ回であってもよい。さらに、オン状態において発生するリーク電流の影響が無視できる場合には、第２の露光期間（時刻Ｔ２〜Ｔ３）において第１の転送トランジスタＭ１をオンに維持してもよい。この場合、第２の期間に生じた電荷は即座に保持部２へ転送される。また、第１〜第３の露光期間の長さはそれぞれ異なっていてもよい。さらに、露光期間の回数を各行において異ならせても良い。例えば、第ｍ−１行においては露光期間を４回とし、第ｍ行、第ｍ+１行においては露光期間を２回としてもよい。
【００７２】
（第４実施形態）
以下、第４実施形態に係る撮像装置を図１２および図１３を用いて説明する。第３実施形態では、１フレームの露光期間が読み出し期間と重複しているが、本実施形態では、１フレームの露光期間が読み出し期間と重複していない。以下、本実施形態について、第３実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００７３】
図１２は本実施形態に係る撮像装置における画素１０のタイミングチャートであり、図１３は本実施形態に係る撮像装置の動作を模式的に示す図である。これらの図において、第１の蓄積期間が第１の期間に対応し、第２〜第４の蓄積期間が第２の期間に対応する。
【００７４】
時刻Ｔ１において、すべての画素の第１の転送トランジスタＭ１がオフとなる。その後、オーバーフロートランジスタＭ６がオンとなり、光電変換部１に蓄積された電荷が排出される。時刻Ｔ１からＴ２において、第２の転送トランジスタＭ２が順次、オンになり、保持部２の前フレームの電荷が増幅トランジスタＭ３の浮遊拡散部３に読み出される。読み出し期間（Ｔ１〜Ｔ２）が終了した後、時刻ＴＡ０において、オーバーフロートランジスタＭ６はオフとなり、１フレームの露光期間が開始する。すべての画素の光電変換部１は電荷を蓄積し始め、第ｎフレームの第１の蓄積期間（ｎ、１）が開始する。時刻ＴＡ１の前に、第１の転送トランジスタＭ１がオンになり、第１の蓄積期間（ｎ、１）における電荷が光電変換部１から保持部２へ転送される。その後、同様に第２〜第４の蓄積期間（ｎ、２）〜（ｎ、４）において、電荷の蓄積および転送がなされる。第１〜第４の蓄積期間はそれぞれ等しく、１フレームの露光期間の１／４である。すなわち、光電変換部１から保持部２への電荷の転送間隔は一定である。ここで、電荷転送の１回目の間隔は、オーバーフロートランジスタＭ６がオンからオフになる時刻から、第１の転送トランジスタＭ１がオンからオフになった時刻までである。電荷転送の２回目以降の間隔は、第１の転送トランジスタＭ１がオンからオフになる時刻から次にオンからオフになる時刻までである。それぞれの電荷転送の間隔は等しくてもよく、また、異なっていてもよい。
【００７５】
本実施形態では、オーバーフロートランジスタがオンである排出期間が読み出し期間の経過後まで続いている。すなわち、１フレームの露光期間が読み出し期間と重複しておらず、読み出し期間が終了した後に露光期間が開始している。このため、読み出し期間を短縮することなく、第１乃至第３実施形態よりも多くの露光期間を設定することが可能となる。例えば、毎秒６０フレームの動画撮影時において、読み出し期間が約１／１２０秒であり、蓄積時間が１／１２０秒以下であるとする。この場合、１フレームの露光期間を理論上は無限回数に設定することができる。したがって、光電変換部１の飽和電荷量を増やすことなく、より多くの電荷量を蓄積することが可能となる。また、本実施形態においても、オーバーフロートランジスタＭ６をオフにするタイミングを制御することにより、１フレームの露光期間を自由に設定することができる。また、通常は図４に示されたタイミングで制御信号を駆動し、明るい被写体を撮像する際には図１２に示されたタイミングで制御信号を駆動することができる。
【００７６】
本実施形態によれば、第３実施形態の効果に加えて、露光期間を自由に設定できるとともに、さらに多くの電荷量を扱うことが可能となる。
【００７７】
（第５実施形態）
以下、第５実施形態に係る撮像システムについて、図１４を用いて説明する。本実施形態の撮像システムは、第１〜第４実施形態の撮像装置を備えるものであり、例えば、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星などが挙げられる。また、撮像システムには、レンズなどの光学系と撮像装置とを備えるカメラモジュールも含まれる。図１４には、撮像システムの一例としてデジタルスチルカメラのブロック図を示す。図１４に示す撮像システムは、レンズ保護バリア１００１、レンズ１００２、絞り１００３、撮像装置１００４、信号処理部１００７を備える。また、タイミング発生部１００８、制御部１００９、メモリ部１０１０、記録媒体Ｉ／Ｆ部１０１１、記録媒体１０１２、外部Ｉ／Ｆ部１０１３を備える。
【００７８】
レンズ保護バリア１００１は、レンズ１００２を保護する。レンズ１００２は、被写体の光学像を撮像装置１００４に結像させる。絞り１００３は、レンズ１００２を通った光量を可変する。撮像装置１００４は、第１〜第４実施形態で説明した撮像装置であって、レンズ１００２により結像された光学像を画像データに変換する。信号処理部１００７は、撮像装置１００４から出力された撮像データに対して、各種の補正やデータ圧縮を行う。タイミング発生部１００８は、撮像装置１００４および信号処理部１００７に対して各種タイミング信号を出力する。制御部１００９は、デジタルスチルカメラ全体を制御する。メモリ部１０１０は、画像データを一時的に記憶する。記録媒体Ｉ／Ｆ部１０１１は、記録媒体１０１２の記録または読み出しを行う。記録媒体１０１２は、撮像データの記録または読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体である。外部Ｉ／Ｆ部１０１３は、外部コンピュータ等と通信する。
【００７９】
なお、タイミング信号は撮像システムの外部から供給されてもよく、本実施形態の撮像システムは、少なくとも撮像装置１００４と、撮像装置１００４から出力された撮像信号を処理する信号処理部１００７とを備えていればよい。ＡＤ変換部は、撮像装置１００４の半導体基板に設けられていてもよく、撮像装置１００４の半導体基板とは別の半導体基板に設けられていてもよい。また、撮像装置１００４と信号処理部１００７とは、同一の半導体基板に形成されていてもよい。
【００８０】
（他の実施形態）
上述の実施形態は本発明の例示に過ぎず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施が可能である。上述の実施形態においては、電子を生成する光電変換部１を用いたが、正孔を生成する光電変換部１を用いてもよい。この場合、画素１０を構成するトランジスタの導電型は、逆導電型になる。また、トランジスタのソースとドレインは、トランジスタの導電型等に応じて置換され得ることもある。
【００８１】
第２〜第４実施形態において、光電変換部１から保持部２への電荷の転送間隔はほぼ同一であるが、それぞれの転送間隔を異ならせてもよい。さらに、被写体が明るい場合にはより電荷転送の間隔を短くするなど、被写体の明るさに応じて電荷転送の間隔を動的に制御することも可能である。
【００８２】
第１〜第３実施形態において、第１の転送トランジスタＭ１は、画素信号の読み出し期間の終了直後にオンになることで、光電変換部１から保持部２へ電荷を転送している。第１の転送トランジスタＭ１がオンになるタイミングは、読み出し期間の終了後であればよく、読み出し期間終了から所定時間経過後であってもよい。
【符号の説明】
【００８３】
１  光電変換部
２  保持部
３  浮遊拡散部
５  列信号線
１０  画素
Ｍ１  第１の転送トランジスタ
Ｍ２  第２の転送トランジスタ
Ｍ３  増幅トランジスタ
Ｍ４  選択トランジスタ
Ｍ５  リセットトランジスタ
Ｍ６  オーバーフロートランジスタ
【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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【図１４】
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