(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の光電変換部と、
第一の画素メモリと、
前記第一の光電変換部から前記第一の画素メモリへ電荷転送を行う第一の転送部と、
第二の光電変換部と、
第二の画素メモリと、
前記第二の光電変換部から前記第二の画素メモリへ電荷転送を行う第二の転送部と、
入射光を前記第一の光電変換部及び前記第二の光電変換部に集光するためのマイクロレンズであって、当該マイクロレンズの光軸方向から見たときに前記第一の光電変換部および前記第二の光電変換部と重なるマイクロレンズと、
前記第一の画素メモリと前記第二の画素メモリの間の電気的な接続状態を変更可能なスイッチと、をそれぞれ有する複数の画素を備え、
前記第一の光電変換部の露光時間が、前記第二の光電変換部の露光時間よりも長いことを特徴とする、撮像装置。
【請求項２】
前記第一の光電変換部の感度が、前記第二の光電変換部の感度よりも低いことを特徴とする、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記複数の画素のそれぞれが、前記マイクロレンズを備え、
前記複数の画素を有する画素領域における中心領域に配置された画素において、前記マイクロレンズの光軸が、前記第一の光電変換部及び前記第二の光電変換部のうち、前記第二の光電変換部の方に寄っていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記複数の画素のそれぞれが、入射光を前記第一の光電変換部及び前記第二の光電変換部に集光するための導波路を備え、
前記複数の画素を有する画素領域における中心領域に配置された画素において、前記導波路のコアの射出端の中心が、前記第一の光電変換部及び前記第二の光電変換部のうち、前記第二の光電変換部の方に寄っていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記複数の画素のそれぞれが、
前記第一の画素メモリに接続され、前記第一の画素メモリに蓄積された電荷をリセットする第一のリセット部と、
前記第二の画素メモリに接続され、前記第二の画素メモリに蓄積された電荷をリセットする第二のリセット部のうち、
何れか一方のみを備えていることを特徴とする、請求項１乃至４の何れか１項に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記複数の画素における、前記第一の光電変換部及び前記第二の光電変換部において取得された画素信号を読み出すための走査回路を有し、
前記スイッチは、前記走査回路からの信号によって前記接続状態を変更可能であることを特徴とする、請求項１乃至５の何れか１項に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記第一の光電変換部に蓄積された電荷に基づく第一の画素信号を取得する際に、
前記第一の光電変換部から前記第一の画素メモリに電荷転送を行い、前記第一の画素メモリに蓄積された電荷量を電圧信号に変換して読み出した後、
前記スイッチを制御して、前記第一の画素メモリと前記第二の画素メモリを電気的に接続したまま、前記第一の画素メモリ及び前記第二の画素メモリに保持された電荷量を電圧信号に変換して読み出すことを特徴とする、請求項１乃至６の何れか１項に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記第二の光電変換部に蓄積された電荷に基づく第二の画素信号を取得する際に、
前記第二の光電変換部から前記第二の画素メモリに電荷転送を行い、前記第二の画素メモリに蓄積された電荷量を電圧信号に変換して読み出した後、
前記スイッチを制御して、前記第一の画素メモリと前記第二の画素メモリを電気的に接続したまま、前記第一の画素メモリ及び前記第二の画素メモリに保持された電荷量を電圧信号に変換して読み出すことを特徴とする、請求項１乃至７の何れか１項に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記第一の画素メモリの領域に注入された不純物濃度が、前記第二の画素メモリの領域に注入された不純物濃度の半分以上であり、かつ２倍以下であることを特徴とする、請求項７又は８に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記第二の光電変換部に蓄積された電荷に基づく第二の画素信号を取得する際に、
前記第二の光電変換部から前記第二の画素メモリに電荷転送を行った後、
前記スイッチを制御し、前記第二の画素メモリから前記第一の画素メモリに電荷転送を行い、前記第一の画素メモリに保持された電荷量を電圧信号に変換して読み出すことを特徴とする、請求項１乃至６の何れか１項に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記第二の画素信号を取得する際に、前記第二の画素メモリに電荷を保持する時間の長さを、前記複数の画素を有する画素領域において、行毎に異ならせることを特徴とする、請求項１０に記載の撮像装置。
【請求項１２】
異なる行に位置する画素において、前記第二の光電変換部の露光開始時刻と露光終了時刻が同時であることを特徴とする、請求項１１に記載の撮像装置。
【請求項１３】
前記複数の画素のそれぞれが、画素メモリに保持された電荷量を電圧信号に変換するための変換部を一つだけ備えており、前記変換部は、前記第一の画素メモリに接続されていることを特徴とする、請求項１０乃至１２の何れか１項に記載の撮像装置。
【請求項１４】
前記複数の画素のうちの一部の、第一の画素においては、
前記第一の光電変換部に蓄積された電荷に基づく第一の画素信号を取得する際に、
前記第一の光電変換部から前記第一の画素メモリに電荷転送を行った後、
前記スイッチを制御し、前記第一の画素メモリから前記第二の画素メモリに電荷転送を行い、前記第二の画素メモリに保持された電荷量を電圧信号に変換して読み出す一方、
前記複数の画素のうちの、前記第一の画素ではない第二の画素においては、
第一の画素信号を取得する際に、
前記第一の光電変換部から前記第一の画素メモリに電荷転送を行った後、
前記第一の画素メモリに保持された電荷量を電圧信号に変換して読み出すことを特徴とする、請求項１乃至６の何れか１項に記載の撮像装置。
【請求項１５】
前記複数の画素を制御する制御部を備え、
前記制御部は、前記第一の光電変換部の露光時間が前記第二の光電変換部の露光時間よりも長くなるように、前記複数の画素を制御することを特徴とする請求項１乃至１４の何れか１項に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子に関し、特にデジタルカメラなどにおいて用いられる固体撮像素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、動画像と静止画像を同時に取得できるカメラの実現に対する要請が高まっている。一般に、滑らかな動画像を得るためには固体撮像素子の読み出しフレームレートと同程度の露光時間で撮影を行うことが好ましい。一方で、静止画像の場合は被写体の動きの速さに応じた露光時間を設定することが好ましい。従って、静止画像と動画像を同時に取得するためには、露光時間の異なる２種類の画素信号を取得する必要がある。画素に入射する光量は露光時間に比例するため、明るさが同じ動画像と静止画像を同時に取得するためには、露光時間の長さに応じて画素の感度を異ならせる必要がある。特許文献１では、画素中に開口率の異なる複数の光電変換部を設けるとともに、各々の光電変換部の露光時間を変えることで、各々の光電変換部から動画像用の画素信号と、静止画像用の画素信号を取得できる技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１２０３９１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に開示されている固体撮像素子を使用すれば、動画像と静止画像を同時に取得することができる。しかし、動画像と静止画像の高画質化の要求や、低消費電力化など、固体撮像素子の高機能化の要請はますます高まってきている。
【０００５】
本発明は、動画像と静止画像を同時に取得可能な撮像装置を更に高機能化することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第一の態様は撮像装置であり、第一の光電変換部と、第一の画素メモリと、前記第一の光電変換部から前記第一の画素メモリへ電荷転送を行う第一の転送部と、第二の光電変換部と、第二の画素メモリと、前記第二の光電変換部から前記第二の画素メモリへ電荷転送を行う第二の転送部と、入射光を前記第一の光電変換部及び前記第二の光電変換部に集光するためのマイクロレンズであって、当該マイクロレンズの光軸方向から見たときに前記第一の光電変換部および前記第二の光電変換部と重なるマイクロレンズと、前記第一の画素メモリと前記第二の画素メモリの間の電気的な接続状態を変更可能なスイッチと、をそれぞれ有する複数の画素を備え、前記第一の光電変換部の露光時間が、前記第二の光電変換部の露光時間よりも長いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、動画像と静止画像を同時に取得可能な従来の撮像装置を更に高機能化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態に係る固体撮像素子
【図２】実施形態に係る固体撮像素子の中心領域に配置された画素の構成
【図３】実施形態に係る固体撮像素子の画素の回路図
【図４】実施形態に係る固体撮像素子の画素の回路図の変形例
【図５】実施例１に示す固体撮像素子の動作フロー
【図６】実施例１に示す固体撮像素子の画素の回路図の変形例
【図７】実施例２に示す固体撮像素子の動作フロー
【図８】実施例２に示す固体撮像素子の画素の回路図の変形例
【図９】実施例２に示す固体撮像素子の変形例
【図１０】実施例３に示す固体撮像素子の動作フロー
【図１１】実施例４に示す撮像装置
【図１２】従来の固体撮像素子の画素の回路図と動作フロー
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図を用いて、本発明の実施形態における固体撮像素子について説明する。その際、全ての図において同一の機能を有するものは同一の数字を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００１３】
＜撮像素子＞
図１は、本実施形態に係る固体撮像素子１００の一例を示す概略図である。固体撮像素子１００は、画素１１０が複数設けられた画素領域１０１と、垂直走査回路１０２および水平走査回路１０３が配置された領域とを有している。垂直走査回路１０２と水平走査回路１０３を合わせて走査回路（周辺回路）と呼ぶ。画素１１０は走査回路からの信号によって露光や画素信号の読み出しなどの制御がなされる。図１では、画素領域１０１に画素１１０が行方向に４個、列方向に４個設けられている例を示したが、画素１１０の配置はこれに限るものではない。なお、行方向とは図面のＸ方向であり、列方向とは図面のＹ方向である。
【００１４】
＜画素構造＞
図２Ａ，２Ｂは、画素領域１０１の中心領域１０４に設けられた、画素１１０の構造を示す模式図である。ここでは、中心領域に配置された画素とは、画素１１０の重心が中心領域１０４の内部に含まれる画素という意味である。中心領域１０４は、画素領域１０１の中心からの距離が所定の値以下の領域を指している。所定の値は、画素領域１０１の対
角線の長さの四分の一以下であることが好ましく、画素領域１０１の対角線の長さの二十分の一以下であれば更に好ましい。なお、図１では、所定の長さを画素領域１０１の対角線の長さの約五分の一とした場合の中心領域１０４を示している。この場合、中央の４つの画素が中心領域に配置された画素に相当する。
【００１５】
図２Ａは、基板表面を基板に垂直なＺ軸方向から見た時の、画素１１０におけるレイアウトを示す図であり、図２Ｂは図２Ａの一点鎖線２Ｂ−２ＢにおけるＸＺ断面を示す図である。画素１１０は、基板１１５内に設けられた第一の光電変換部１１１、第二の光電変換部１１２と、集光部を有している。集光部は、光電変換部１１１，１１２よりも光の入射側に備えられたマイクロレンズ１１４などからなり、画素１１０に入射する入射光を光電変換部１１１，１１２に集光する。そして、マイクロレンズ１１４の光軸１１６は、光電変換部１１１と光電変換部１１２の間に設けられたバリア領域１１３の中心１１７に対して、第二の光電変換部側にずれて配置されている。すなわち、マイクロレンズの光軸１１６は、第一の光電変換部１１１及び第二の光電変換部１１２のうち、第二の光電変換部１１２の方に寄って配置されている。このような構成により、第二の光電変換部１１２の感度は第一の光電変換部１１１よりも高くなっている。光電変換部の感度とは、単位時間当たりに画素に入射する光量に対する、光電変換部に蓄積される電荷量の比で定義される。
【００１６】
光電変換部１１１、１１２は、検出する波長帯域で吸収を有するシリコンなどの材料で形成された基板１１５に、イオン打ち込みなどでポテンシャル分布を形成することにより形成される。バリア領域１１３は、第一の光電変換部と第二の光電変換部間の電荷クロストークを抑制するポテンシャル障壁を有している。第一の光電変換部１１１と第二の光電変換部１１２との間に形成されるポテンシャル障壁の最大値を含み、ポテンシャル障壁の最大値の９割以上の大きさのポテンシャルを有する領域が、バリア領域１１３に相当する。
【００１７】
この時、光電変換部１１１、１１２に対応する領域ではなく、バリア領域１１３に対応する領域にイオンを打ち込んで、ポテンシャル障壁を形成してもよい。また、光電変換部とバリア領域の両方にイオン打ち込みを行ってもよい。この時、光電変換部に対応する領域に打ち込むイオンと、バリア領域に打ち込むイオンとは逆の導電性を有していることが好ましい。
【００１８】
なお、光電変換部１１１と光電変換部１１２とは、図２ＡのようにＸ軸方向に並置されている必要はなく、Ｘ軸と０°より大きな角度を成す方向に並置されていても良い。光電変換部の配置の方向は光電変換部の中心を結ぶ方向として定義される。また、第一の光電変換部１１１および第二の光電変換部１１２の基板表面における開口形状は、図２Ａに示すような長方形でなくても良く、円形や楕円形、多角形などでもよい。多角形の角は製造プロセスで形成される丸みを帯びていても良い。
【００１９】
また、図２Ａでは光電変換部１１１と光電変換部１１２の開口面積が異なっている例を示したが、光電変換部１１１と光電変換部１１２の開口面積が等しくても良い。開口面積が等しくても、マイクロレンズ１１４の光軸がバリア領域１１３の中心から光電変換部１１２側にずれて配置されていれば、光電変換部１１２の感度を光電変換部１１１よりも高くすることができる。
【００２０】
更に、集光部として、マイクロレンズではなく導波路を使用しても良いし、両方を使用しても良い。導波路を使用した場合には、導波路のコアの射出端の中心が、バリア領域１１３の中心に対して、第二の光電変換部側にずれて配置される。すなわち、導波路のコアの射出端の中心が、第一の光電変換部１１１及び第二の光電変換部１１２のうち、第二の
光電変換部１１２の方に寄って配置されている。このような構成を採用すれば、光電変換部１１２の感度を光電変換部１１１よりも高くすることができる。
【００２１】
なお、画素領域１０１の中心領域１０４以外の周辺領域においても、第二の光電変換部１１２の感度が、第一の光電変換部１１１の感度よりも高くなるように、集光部とバリア領域の位置関係が調整されている。一般に周辺領域においては、画素に入射する主光線が傾いているため、その分だけ集光部とバリア領域の間のずらし量を調整すればよい。
【００２２】
＜回路図＞
図３は、画素１１０の回路構成を示した図である。画素１１０は、第一の光電変換部１１１、第二の光電変換部１１２、第一の画素メモリ（第一の画素内メモリ）１２１、第二の画素メモリ（第二の画素内メモリ）１２２を有している。そして、画素１１０内には、光電変換部１１１から画素メモリ１２１に電荷転送を行う第一の転送部（転送トランジスタ１３１）、光電変換部１１２から画素メモリ１２２に電荷転送を行う第二の転送部（転送トランジスタ１３２）が設けられている。画素メモリ１２１はリセットトランジスタ１４１を介して、画素メモリ１２２はリセットトランジスタ１４２を介して、各々ドレイン電源線１９３に接続されている。
【００２３】
画素メモリ１２１に転送された電荷は、ソースフォロア１５１を介して電圧信号に変換され、選択線１９１と選択トランジスタ１６１によって信号線１７１に読み出すことができるように構成されている。同様に、画素メモリ１２２に転送された電荷はソースフォロア１５２を介して電圧信号に変換され、選択線１９２と選択トランジスタ１６２によって信号線１７２に読み出すことができるように構成されている。
【００２４】
また、垂直走査回路１０２から転送線１８１、１８２、リセット線１９４を介して送られる信号によって、第一の光電変換部１１１の露光時間は、第二の光電変換部１１２の露光時間よりも長くなるように駆動されている。
【００２５】
そして、本実施形態に示す固体撮像素子１００には、走査回路からの信号によって、第一の画素メモリ１２１と第二の画素メモリ１２２の間の電気的な接続状態を変更可能なスイッチ（駆動線１８３およびトランジスタ１３３）が設けられている。このような構成とすることによって、従来の固体撮像素子と比較して、更なる高機能化が可能となる。以下で、従来の固体撮像素子１０００と比較して説明を行う。
【００２６】
＜従来の固体撮像素子＞
図１２Ａは、従来の固体撮像素子１０００中の画素１０１０の回路構成を示したものである。画素１０１０は、本実施形態に示す固体撮像素子１００中の画素１１０と比較して、二つの画素メモリ１０２１、１０２２の間の電気的な接続状態を変更可能なスイッチが設けられていない点が異なる。以下、図１２Ｂを用いて、画素１０１０の動作フローを説明する。
【００２７】
まず、転送トランジスタ１０３１、１０３２、リセットトランジスタ１０４１、１０４２をＯＮにして光電変換部１０１１、１０１２、画素メモリ１０２１、１０２２をリセットする。そして、時刻Ｔ１に、転送トランジスタ１０３１、１０３２をＯＦＦにして光電変換部１０１１、１０１２の露光を開始する。
【００２８】
光電変換部１０１２の露光中の時刻Ｔ２に、選択トランジスタ１０６２をＯＮにし、ソースフォロア１０５２の読み出しノイズを読み取る。その後、時刻Ｔ３に転送トランジスタ１０３２をＯＮにし、光電変換部１０１２の露光を終了させるとともに、光電変換部１０１２に蓄積された電荷を画素メモリ１０２２に転送する。即ち、時刻Ｔ１から時刻Ｔ３
まで（Ｔｅｘ２）が、光電変換部１０１２の露光時間に相当する。
【００２９】
次に、時刻Ｔ４に選択トランジスタ１０６２をＯＮにして、画素メモリ１０２２に保持された電荷に基づく画素信号を読み出す。時刻Ｔ４で取得された画素信号にはソースフォロア１０５２の読み出しノイズが含まれているため、時刻Ｔ２で取得した読み出しノイズ成分を差し引いて真の画素信号を取得する（一般に、相関２重サンプリングと呼ばれる）。ここまでで、光電変換部１０１２に蓄積された電荷に基づく画素信号を取得できる。
【００３０】
続いて、光電変換部１０１１に蓄積された電荷に基づく画素信号を取得する。基本的な動作フローは光電変換部１０１２に蓄積された電荷に基づく画素信号の読み出し方法と同じである。即ち、光電変換部１０１１の露光中の時刻Ｔ５に、選択トランジスタ１０６１をＯＮにし、ソースフォロア１０５１の読み出しノイズを読み取る。その後、時刻Ｔ６に転送トランジスタ１０３１をＯＮにし、光電変換部１０１１の露光を終了させるとともに、光電変換部１０１１に蓄積された電荷を画素メモリ１０２１に転送する。最後に、時刻Ｔ７に選択トランジスタ１０６１をＯＮにして、読み出しノイズを含んだ画素信号を読み出し、相関２重サンプリングを行うことで、光電変換部１０１１に蓄積された電荷に基づく画素信号を取得することができる。光電変換部１０１１の露光時間は時刻Ｔ１からＴ６まで（Ｔｅｘ１）となっており、光電変換部１０１２の露光時間よりも長くなっている。
【００３１】
図１２Ｂに示す動作フローからわかるように、従来の固体撮像素子１０００では、光電変換部１０１１に蓄積された信号を読み出す際には、画素メモリ１０２１と、それに接続されたトランジスタ１０３１、１０４１、１０５１、１０６１のみが使用される。同様に、光電変換部１０１２に蓄積された信号を読み出す際には、画素メモリ１０２２と、それに接続されたトランジスタ１０３２、１０４２、１０５２、１０６２のみが使用される。
【００３２】
＜本実施形態と従来例の比較＞
一方、本実施形態の固体撮像素子１００では、画素メモリ１２１、１２２の電気的な接続状態を変更可能なスイッチを設けることによって、光電変換部１１１や１１２の信号を読み出す際に、画素メモリ１２１、１２２の両方を使用できる。これによって、従来の固体撮像素子１０００に対して高機能化を行うことが可能である。具体的な高機能化の例については、後述する実施例中で述べる。
【００３３】
光電変換部１１１や１１２の信号を読み出す際に、画素メモリ１２１、１２２の両方を使用可能とするためには、光電変換部１１１と１１２の露光終了時刻が異なっていることが重要である。光電変換部１１１と１１２の露光開始時刻が同時であれば、露光終了時刻が異なることは露光時間が異なることと同義である。
【００３４】
光電変換部１１１と１１２の露光開始時間、露光終了時間が同じ場合、光電変換部１１１から画素メモリ１２１への電荷転送タイミングと、光電変換部１１２から画素メモリ１２２への電荷転送タイミングは同時である。従って、光電変換部の信号を読み出す際に、画素メモリ１２１、１２２を使用するためには、どちらかの画素メモリに保持された電荷を読み出すまで、もう片方の画素メモリに電荷を保持しておく必要がある。その結果、保持されている電荷に暗電流ノイズが載って画素信号の品質が低下したり、信号の読み出しが遅くなってフレームレートが低下してしまったりする。
【００３５】
一方、本実施形態の固体撮像素子１００では、光電変換部１１１の露光時間が光電変換部１１２の露光時間よりも長くなっており、光電変換部１１１の信号を読み出すタイミングと、光電変換部１１２の信号を読み出すタイミングも異なっている。その結果、光電変換部１１１に蓄積された信号を読み出す際に画素メモリ１２１と１２２の両方を使用したり、光電変換部１１２に蓄積された信号を読み出す際に画素メモリ１２１と１２２の両方
を使用したりすることができる。
【００３６】
＜変形例＞
なお、図３では、画素メモリ１２１に接続するリセットトランジスタ１４１、画素メモリ１２２に接続するリセットトランジスタ１４２の双方を設けていた。即ち、画素１１０は、図３のように画素メモリ１２１に接続された第一のリセット部と、画素メモリ１２２に接続された第二のリセット部を備えていた。
【００３７】
しかし、図４Ａ，４Ｂに示すように、どちらか一方のリセットトランジスタは設けなくても良い。なぜならば、駆動線１８３およびトランジスタ１３３によって画素メモリ１２１、１２２間の電気的な接続状態を変更可能であり、したがって、片方のリセットトランジスタを用いて、画素メモリ１２１、１２２の双方をリセットすることが可能だからである。即ち、画素１１０は、図３のように画素メモリ１２１に接続された第一のリセット部と、画素メモリ１２２に接続された第二のリセット部のどちらか片方のみを備えていても良い。
【００３８】
図４Ａ，４Ｂに示すように、どちらか一方のリセットトランジスタを設けなかった場合、従来の固体撮像素子とトランジスタの数が等しい。一般に、トランジスタの数を増やすことによって光電変換部の開口率が減少して感度が低下したり、製造が困難になったりする。図４Ａや図４Ｂの構成を使用することで、図１２Ａに示す従来の固体撮像素子に対して、トランジスタの数を増やさずに撮像素子の高機能化が可能となるため、更に好ましい。
【００３９】
（実施例１：グローバルシャッタに利用）
実施例１では、光電変換部からの信号を読み出す際に、画素メモリ１２１、１２２の両方を使用することによって、グローバルシャッタを実現可能とした固体撮像素子について説明する。以下では、図４Ａに示す画素を使用し、光電変換部１１２に蓄積された電荷に基づく第二の画素信号を読み出す際に、グローバルシャッタ読み出しを行う場合を例にとって説明する。
【００４０】
＜動作フロー＞
図５Ａ−５Ｄは、実施例１の固体撮像素子において、グローバルシャッタを行うための動作フローを説明した図である。図５Ａ−５Ｄには、同一の列に並んだ複数の画素１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄの動作フローをそれぞれ示した。各画素の動作は、走査回路からの信号に基づいて制御される。各図における符号末尾のａ−ｄは、画素１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄに関連することを表すが、以下では各画素に共通する場合には末尾のａ−ｄの符号は省略する。図５Ａ−５Ｄにおいて、時刻Ｔ１およびＴ２は全ての画素において同じ時刻である。また、図５Ａ−５Ｄには、光電変換部１１１、１１２の露光時間Ｔｅｘ１、Ｔｅｘ２と、光電変換部１１２に蓄積された電荷を、画素メモリ１２２に保持する時間Ｔｆｄも示している。
【００４１】
最初に、光電変換部１１２に蓄積された電荷に基づく第二の画素信号を取得する動作について説明する。トランジスタ１３２、１３３、１４１をＯＮにして光電変換部１１２、画素メモリ１２１、１２２をリセットする。そして、異なる行の画素間で同じ時刻Ｔ１に転送トランジスタ１３２をＯＦＦにして光電変換部１１２の露光を開始する。
【００４２】
トランジスタ１３３をＯＦＦにした後、異なる行の画素間で同じ時刻Ｔ２にトランジスタ１３２をＯＮにして、光電変換部１１２の露光を終了させるとともに、光電変換部１１２に蓄積された電荷を画素メモリ１２２に転送する。即ち、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までが、光電変換部１１２の露光時間Ｔｅｘ２に相当する。
【００４３】
光電変換部１１２に蓄積された電荷が画素メモリ１２２に保持されている間の時刻Ｔ３に、選択トランジスタ１６１をＯＮにし、ソースフォロア１５１の読み出しノイズを読み取る。そして、行毎に異なる時刻Ｔ４にトランジスタ１３３をＯＮにして、画素メモリ１２２に保持されている電荷を、画素メモリ１２１に転送する。
【００４４】
次に、時刻Ｔ５に選択トランジスタ１６１をＯＮにして、画素メモリ１２１に保持されている電荷、即ち光電変換部１１２に蓄積された電荷に基づく信号を読み出す。その後、従来の固体撮像素子と同様に、時刻Ｔ３に読み出したノイズ成分との間で相関２重サンプリングを行うことで、第二の画素信号を取得することができる。
【００４５】
このように、画素メモリ１２２で電荷を保持する時間Ｔｆｄを行毎に異ならせることで、光電変換部１１２の露光開始時刻Ｔ１と露光終了時刻Ｔ２を等しくしつつ、第二の画素信号の読み出しタイミング（時刻Ｔ５）を、行毎に変えることが可能となっている。即ち、グローバルシャッタを用いた第二の画素信号の取得が実現できている。グローバルシャッタによって画像を取得することで、高速で動く被写体を撮影した際の歪が低減でき、画像の品質を向上させることができる。
【００４６】
続いて、光電変換部１１１に蓄積された電荷に基づく第一の画素信号を取得する動作について説明する。第一の画素信号を取得する動作フローは、従来の固体撮像素子と同様である。トランジスタ１３１、１４１をＯＮにして光電変換部１１１と画素メモリ１２１をリセットした後、時刻Ｔ６に転送トランジスタ１３１をＯＦＦにして光電変換部１１１の露光を開始する。光電変換部１１１露光中の時刻Ｔ７に読み出しノイズを読み取り、時刻Ｔ８に光電変換部１１１に蓄積された電荷を画素メモリ１２１に転送した後、時刻Ｔ９に読み出しノイズを含む信号を読み出す。そして、時刻Ｔ７に読み出したノイズ成分との間で相関２重サンプリングを行うことで、第一の画素信号を取得することができる。なお、時刻Ｔ７より前に、リセットトランジスタ１４１をＯＮにするのは、時刻Ｔ４において、画素メモリ１２１に転送された電荷をリセットするためである。
【００４７】
図５Ａ−５Ｄよりわかるように、光電変換部１１１の露光開始時刻Ｔ６と露光終了時刻Ｔ８は、行毎に異なっている。即ち、第一の画素信号はローリングシャッタにより読み出される。
【００４８】
なお、光電変換部１１１に蓄積された電荷を読み出す際に、時刻Ｔ７で読み出した読み出しノイズの代わりに時刻Ｔ３で取得した読み出しノイズを用いて相関２重サンプリングを行うこともできる。この場合、読み出し動作を１回省略できるため、消費電力が低減できて好ましい。但し、読み出しノイズには時間相関が存在するため、図５Ａ−５Ｄのように、時刻Ｔ９に近い時刻にも読み出しノイズを読み出して、相関２重サンプリングを行った方が、ノイズを低減する観点からは好ましい。
【００４９】
以上のように、実施例１に示す固体撮像素子に駆動線１８３およびトランジスタ１３３を設けたことにより、以下の効果が得られる。光電変換部１１２に蓄積された電荷に基づく信号を、画素メモリ１２２に一定時間保持したのち、画素メモリ１２１に再度転送してから読み出すことが可能である。そして、これにより、第二の画素信号を取得する際に、相関２重サンプリングを行いつつ、グローバルシャッタを実現することが可能である。
【００５０】
＜画素メモリ＞
実施例１に示す固体撮像素子１００では、画素メモリ１２２から画素メモリ１２１への電荷転送は行うものの、画素メモリ１２１から画素メモリ１２２への電荷転送は行っていない。従って、画素メモリ１２２から画素メモリ１２１への完全電荷転送を可能とするた
めに、第一の画素メモリ１２１のポテンシャルは、第二の画素メモリ１２２のポテンシャルよりも深い方が好ましい。具体的には、画素メモリ１２１のＰＮ接合を形成する不純物濃度の方が画素メモリ１２２の不純物濃度よりも高くなっているほうが好ましい。例えば、Ｐ型の井戸内にドナー型の不純物を注入してＰＮ接合を形成するＮＭＯＳ型の場合には、画素メモリ１２１の領域に注入するドナー型の不純物濃度を、画素メモリ１２２の領域に注入するドナー型の不純物濃度よりも高くすればよい。典型的には、第一の画素メモリ１２１内の平均不純物濃度が、第二の画素メモリ１２２内の平均不純物濃度の２倍以上であることが好ましい。
【００５１】
また、画素メモリ１２２に電荷を保持する時間は、画素メモリ１２１に電荷を保持する時間よりも長い。従って、第二の画素メモリ１２２については、埋め込みチャネル型にして、暗電流を低減することが好ましい。例えば、Ｐ型の井戸内にドナー型の不純物を注入してＰＮ接合を形成するＮＭＯＳ型の場合には、画素メモリ１２２の領域に形成されたＮ型半導体の最表面に高濃度のアクセプタ不純物を注入すればよい。なお、画素メモリ１２１も同様に埋め込み型としても良いが、埋め込みチャネル形成のための製造工程が増えるため、電荷を保持する時間の短い画素メモリ１２１に関しては、埋め込みチャネル型でなくても良い。
【００５２】
＜一方のソースフォロアの省略＞
また、実施例１に示す固体撮像素子では、第一の画素信号および第二の画素信号の両方を、画素メモリ１２１に接続されたソースフォロア１５１、選択トランジスタ１６１、信号線１７１を介して読み出している。従って、図６に示すように、画素メモリ１２２に接続されたソースフォロア１５２、選択トランジスタ１６２、および信号線１７２、選択線１９２は設けなくても良い。図６の構成とすることで、従来の固体撮像素子に対して、必要なトランジスタの数、配線の数を減少できる。その結果、光電変換部１１１、１１２の開口率を向上させて感度を上げることができたり、製造が容易になったりするため、更に好ましい。
【００５３】
即ち、画素１１０が画素メモリに保持された電荷量を電圧信号に変換するための変換部を一つだけ備えており、その変換部が第一の画素メモリ１２１に接続されている構成とするのが好ましい。
【００５４】
＜疑似グローバルシャッタ＞
図５Ａ−５Ｄでは、光電変換部１１２の露光開始時間Ｔ１と露光終了時間Ｔ２が、異なる行の画素間において同時である場合を示した。しかし、Ｔ１とＴ２が異なる行の画素間において異なっていても、ローリングシャッタで画像を取得する場合よりも、画像の歪が低減していれば良い。具体的には、信号線１７１に後から信号を読み出す画素（図５Ａ−５Ｄでは下側の行に位置する画素）ほど、画素メモリ１２２での電荷保持時間Ｔｆｄが長くなっていればよい。但し、光電変換部１１２の露光開始時間Ｔ１と露光終了時間Ｔ２が、異なる行の画素間において同時であるほうが、高速で動く被写体を撮影した際の歪が更に低減できるため、好ましい。
【００５５】
＜第一の信号の読出方法＞
以上では、露光時間が相対的に短い光電変換部１１２からの第二の画素信号を読み出す際にのみグローバルシャッタによる読み出しを行う場合を示した。しかしながら、露光時間が相対的に長い光電変換部１１１からの第一の信号を読み出す際にも、グローバルシャッタによる読み出しを行っても良い。
【００５６】
この場合、第一の信号を読み出す際に、画素メモリ１２１と画素メモリ１２２の両方を使用すればよい。具体的には、光電変換部１１１で蓄積された電荷を画素メモリ１２１に
行毎に異なる時間だけ保持したのち、画素メモリ１２２に転送してから、ソースフォロア１５２によって電圧信号に変換して読み出せばよい。
【００５７】
但し、露光時間が相対的に長い光電変換部１１１に対してグローバルシャッタによる読み出しを行った場合、画素メモリ１２１に電荷を保持する時間の分だけフレームレートが低下してしまう。一方、露光時間が相対的に短い光電変換部１１２に対してグローバルシャッタによる読み出しを行った場合、電荷を保持する時間Ｔｆｄが、光電変換部１１１の露光中であるため、グローバルシャッタによる読み出しを行ったとしてもフレームレートは低下しない。従って、露光時間が相対的に短い光電変換部１１２からの信号を読み出す際にグローバルシャッタによる読み出しを行い、露光時間が相対的に長い光電変換部１１１からの信号を読み出す際にはローリングシャッタによる読み出しを行った方が良い。このような構成とすることで、従来の固体撮像素子に対してフレームレートを低下させずに、光電変換部１１２で取得した画像の品質を向上させることができている。
【００５８】
＜画素構成の変形＞
以上では、図４Ａに示す画素を使用した場合を示したが、図３や図４Ｂに示す画素を使用しても、同様の動作フローを使用することで、グローバルシャッタによる読み出しを行うことができる。
【００５９】
（実施例２：高速読み出しに利用）
実施例２では、光電変換部からの信号を読み出す際に画素メモリ１２１、１２２の両方を使用することによって、フレームレートの向上を実現可能とした固体撮像素子について説明する。実施例２に示す固体撮像素子では、光電変換部１１１に蓄積された電荷に基づく第一の画素信号を読み出すための信号線を、行によって変えることにより、フレームレートの向上を実現させている。以下では、図４Ａに示す画素を使用した場合を例にとって説明する。
【００６０】
＜動作フロー＞
図７Ａ−７Ｄは、実施例２の固体撮像素子において、フレームレートの向上を行うための動作フローを説明した図である。図７Ａ−７Ｄには、同一の列に隣接して並んでいる複数の画素１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄの動作フローをそれぞれ示した。各画素の動作は、走査回路からの信号に基づいて制御される。各図における符号末尾のａ−ｄは、画素１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄに関連することを表すが、以下では各画素に共通する場合には末尾のａ−ｄの符号は省略する。図７Ａ−７Ｄにおいて、時刻Ｔ１ｃｄ−Ｔ８ｃｄは、それぞれ時刻Ｔ１ａｂ−Ｔ８ａｂから所定時間ずれた（遅れた）時刻である。また、図７Ａ−７Ｄには、光電変換部１１１、１１２の露光時間Ｔｅｘ１、Ｔｅｘ２も示している。
【００６１】
図７Ａ−７Ｄよりわかるように、第一の画素（画素１１０ａと画素１１０ｃ）の動作フローと、第二の画素（画素１１０ｂと画素１１０ｄ）の動作フローは異なっている。第一の画素と第二の画素は列方向に交互に配置されている。以下で第一の画素と第二の画素のそれぞれの動作フローについて順番に説明を行う。
【００６２】
まず、第一の画素（画素１１０ａと画素１１０ｃ）の動作フローについて説明を行う。トランジスタ１３１、１３２、１３３、１４１をＯＮにして光電変換部１１１、１１２、画素メモリ１２１、１２２をリセットする。そして、時刻Ｔ１に転送トランジスタ１３１、１３２をＯＦＦにして光電変換部１１１、１１２の露光を開始する。
【００６３】
トランジスタ１３３、１４１をＯＦＦにした後、時刻Ｔ２に選択トランジスタ１６２をＯＮにし、ソースフォロア１５２の読み出しノイズを読み取る。そして、時刻Ｔ３に、転
送トランジスタ１３２をＯＮにして、光電変換部１１２の露光を終了させるとともに、光電変換部１１２に蓄積された電荷を画素メモリ１２２に転送する。
【００６４】
次に、時刻Ｔ４に選択トランジスタ１６２をＯＮにして、画素メモリ１２２に保持された電荷を電圧信号に変換して読み出す。その後、時刻Ｔ２に読み出したノイズ成分との間で相関２重サンプリングを行う。ここまでで、光電変換部１１２に蓄積された電荷に基づく第二の画素信号を取得することができる。
【００６５】
続いて、光電変換部１１１に蓄積された電荷に基づく第一の画素信号の取得を行う。トランジスタ１３３、１４１をＯＮ、ＯＦＦして画素メモリ１２１、１２２をリセットした後、時刻Ｔ５に選択トランジスタ１６２をＯＮにして、ソースフォロア１５２の読み出しノイズを読み取る。そして、時刻Ｔ６に、転送トランジスタ１３１をＯＮにして、光電変換部１１１の露光を終了させるとともに、光電変換部１１１に蓄積された電荷を画素メモリ１２１に転送する。
【００６６】
次に、時刻Ｔ７に、トランジスタ１３３をＯＮにして、画素メモリ１２１に保持されている電荷を、画素メモリ１２２に転送する。その後、選択トランジスタ１６２をＯＮにして、画素メモリ１２２に保持されている電荷、即ち光電変換部１１１に蓄積された電荷に基づく信号を読み出す。その後、時刻Ｔ５に読み出したノイズ成分との間で相関２重サンプリングを行うことで、第一の画素信号を取得できる。なお、実施例１と同様に、光電変換部１１１に蓄積された電荷を読み出す際に、時刻Ｔ５で読み出した読み出しノイズの代わりに、時刻Ｔ２で取得した読み出しノイズを用いて相関２重サンプリングを行うこともできる。
【００６７】
このように、第一の画素（画素１１０ａ、１１０ｃ）では、光電変換部１１１に蓄積された電荷を、画素メモリ１２１に転送したのち、更に画素メモリ１２２に転送してから、ソースフォロア１５２で電圧信号に変換し、信号線１７２で読み出している。
【００６８】
次に、第二の画素（画素１１０ｂと画素１１０ｄ）の動作フローについて説明を行う。画素１１０ｂと画素１１０ｄにおいて、第二の画素信号を取得する動作フロー（Ｔ１からＴ４まで）は、画素１１０ａと画素１１０ｃと同じであるため、説明を省略する。
【００６９】
画素１１０ｂと画素１１０ｄにおいて、第二の画素信号を取得したのち、リセットトランジスタ１４１をＯＮ、ＯＦＦして画素メモリ１２１をリセットする。そして、時刻Ｔ５に選択トランジスタ１６１をＯＮにして、ソースフォロア１５１の読み出しノイズを読み取る。
【００７０】
その後、時刻Ｔ６に、転送トランジスタ１３１をＯＮにして、光電変換部１１１の露光を終了させるとともに、光電変換部１１１に蓄積された電荷を画素メモリ１２１に転送する。続いて、時刻Ｔ８に選択トランジスタ１６１をＯＮにして、画素メモリ１２１に保持された電荷を電圧信号に変換して読み出す。その後、時刻Ｔ５に読み出したノイズ成分との間で相関２重サンプリングを行うことで、第一の画素信号を取得することができる。
【００７１】
このように、第二の画素（画素１１０ｂ、１１０ｄ）では、光電変換部１１１に蓄積された電荷を、画素メモリ１２１に転送した後、ソースフォロア１５１で電圧信号に変換し、信号線１７１で読み出している。即ち、第一の画素と、第二の画素では、第一の信号を取得するために使用する信号線が異なっている。これにより、相関２重サンプリングなどの後段の信号処理が並列に処理できるようになるため、信号処理に必要な時間を減少させることができる。その結果、画像取得のフレームレートを向上させることができる。
【００７２】
＜画素メモリ間のポテンシャル＞
実施例２に示す固体撮像素子中の第一の画素（画素１１０ａ、画素１１０ｃ）では、画素メモリ１２１から画素メモリ１２２への電荷転送は行うものの、画素メモリ１２２から画素メモリ１２１への電荷転送は行っていない。従って、第一の画素においては、画素メモリ１２１から画素メモリ１２２への完全電荷転送を可能とするために、画素メモリ１２２のポテンシャルは、画素メモリ１２１のポテンシャルよりも深い方が好ましい。具体的には、画素メモリ１２２のＰＮ接合を形成する不純物濃度の方が画素メモリ１２１の不純物濃度よりも高くなっているほうが好ましい。例えば、Ｐ型の井戸内にドナー型の不純物を注入してＰＮ接合を形成するＮＭＯＳ型の場合には、画素メモリ１２２の領域に注入するドナー型の不純物濃度を、画素メモリ１２１の領域に注入するドナー型の不純物濃度よりも高くすればよい。典型的には、画素メモリ１２２内の平均不純物濃度が、画素メモリ１２１内の平均不純物濃度の２倍以上であることが好ましい。
【００７３】
＜一方のソースフォロアの省略＞
実施例２に示す固体撮像素子中の第一の画素（画素１１０ａ、１１０ｃ）では、光電変換部１１１、１１２に蓄積された電荷を、共に画素メモリ１２２に接続されたソースフォロア１５２、選択トランジスタ１６２、信号線１７２を介して読み出している。従って、画素１１０ａ、１１０ｃについては、図８に示すように、画素メモリ１２１に接続されたソースフォロア１５１、選択トランジスタ１６１、および信号線１７１、選択線１９１は設けなくても良い。図８の構成とすることで、従来の固体撮像素子に対して、必要なトランジスタの数、配線の数を減少できる。その結果、光電変換部１１１、１１２の開口率を向上させて感度を上げることができたり、製造が容易になったりするため、更に好ましい。即ち、第一の画素は、画素メモリに保持された電荷量を電圧信号に変換するための変換部を一つだけ備えており、変換部が第二の画素メモリ１２２に接続されているほうが好ましい。
【００７４】
＜第一の画素と第二の画素の配置：上下に分割＞
なお、図７Ａ−７Ｄでは、第一の画素を奇数行に配置し、第二の画素を偶数行に配置した例を示したが、奇数行と偶数行で分けなくても良い。例えば、上側の画素１１０ａ、１１０ｂと下側の画素１１０ｃ、１１０ｄで使用する信号線を分けても良い。
【００７５】
特に、信号線１７１に接続する水平走査回路１０３ａと、信号線１７２に接続する水平走査回路１０３ｂを上下で分けて配置した場合、信号線１７２を使用する第一の画素と、信号線１７１を使用する第二の画素を、列方向（Ｙ方向）に並置することが好ましい。例えば、図９Ａのように、信号線１７１に接続する水平走査回路１０３ａを上側に配置し、信号線１７２に接続する水平走査回路１０３ｂを下側に配置した場合を考える。この時、信号線１７１を使用する第二の画素１１０ｂ、１１０ｄを上側半分、信号線１７２を使用する第一の画素１１０ａ、１１０ｃを下側半分に配置すれば、信号線１７１は上側半分の画素のみに接続すればよい。そのため、信号線１７１の長さが短くなり、信号線１７１の寄生容量を低減することができる。
【００７６】
＜第一の画素と第二の画素の配置:交互に配置＞
一方、図８のように一部の画素にソースフォロア１５１および選択トランジスタ１６１を設けなかった場合、図７Ａ−７Ｄのように信号線１７２を使用する第一の画素と、信号線１７１を使用する第二の画素を、列方向に沿って交互に配置することが好ましい。図７Ａ−７Ｄのような構成とすれば、必要なトランジスタ数が多い偶数行の画素のトランジスタの一部を、奇数行の画素領域にはみ出して配置することができる。その結果、必要なトランジスタ数が異なる画素が混在する状況においても、配線の対称性を向上させることができるため、好ましい。
【００７７】
＜第二の画素信号も転送後に読み出し＞
図７Ａ−７Ｄでは、第一の画素信号を読み出す際にのみ、信号線１７１と信号線１７２を使用する例を示したが、第二の画素信号を読み出す際にも、信号線１７１と信号線１７２を使用しても良い。具体的には、複数の画素のうちの一部の画素において、光電変換部１１２に蓄積された電荷を、画素メモリ１２２に転送したのち、画素メモリ１２１に転送して読み出せば良い。
【００７８】
この時、第一の画素信号を読み出す際に信号線１７２を使用する第一の画素については、第二の画素信号を読み出す際にも信号線１７２を使用する方が好ましい。同様に、第一の画素信号を読み出す際に信号線１７１を使用する第二の画素については、第二の画素信号を読み出す際にも信号線１７１を使用する方が好ましい。即ち、以下のような動作フローとするのが好ましい。第一の画素（画素１１０ａ、１１０ｃ）については、光電変換部１１２に蓄積された電荷を画素メモリ１２２に転送し、ソースフォロア１５２で電圧信号に変換する。一方、第二の画素（画素１１０ｂ、１１０ｄ）については、光電変換部１１２に蓄積された電荷を画素メモリ１２２に転送したのち、トランジスタ１３３によって画素メモリ１２１に再度転送し、ソースフォロア１５１で電圧信号に変換する。以下で理由を説明する。
【００７９】
前述したように、第一の画素においては、第一の信号を読み出す際に画素メモリ１２１から画素メモリ１２２への完全電荷転送を行うため、画素メモリ１２１のポテンシャルは、画素メモリ１２２のポテンシャルよりも深くした方が好ましい。第一の画素をこのような構成とした場合、画素メモリ１２２から画素メモリ１２１への完全電荷転送は困難になる。第二の画素信号を読み出す際に信号線１７１を使用するためには、画素メモリ１２２から画素メモリ１２１への完全電荷転送を行った方が良いため、第一の画素において、第二の画素信号を読み出す際に信号線１７１を使用するのは困難である。
【００８０】
一方、第二の画素においては、第一の信号を読み出す際に画素メモリ間での電荷転送を行っていない。そのため、第二の画素においては、画素メモリ１２２のポテンシャルを画素メモリ１２１のポテンシャルよりも深くして、画素メモリ１２２から画素メモリ１２１への完全電荷転送を容易にすることができる。従って、第二の画素においては、第二の画素信号を読み出す際に画素メモリ１２２から画素メモリ１２１への完全電荷転送を行い、信号線１７１を使用して信号を読み出すことが容易となる。
【００８１】
以上より、第一の画素については、第一および第二の画素信号の両方を読み出す場合に信号線１７１を使用し、第二の画素については、第一および第二の画素信号の両方を読み出す場合に信号線１７２を使用するのが好ましい。このような構成とした場合、第二の画素において、画素メモリ１２１に接続されたソースフォロア１５２、選択トランジスタ１６２、および信号線１７２、選択線１９２を設ける必要がなくなる。その結果、光電変換部１１１、１１２の開口率を向上させて感度を上げることができたり、製造が容易になったりするため、更に好ましい。
【００８２】
更に、このような構成とし、かつ信号線１７１に接続する水平走査回路１０３ａと、信号線１７２に接続する水平走査回路１０３ｂを上下で分けて配置した場合、第一の画素と第二の画素を列方向（Ｙ方向）に並置することが好ましい。例えば、図９Ｂのように、信号線１７１に接続する水平走査回路１０３ａを上側に配置し、信号線１７２に接続する水平走査回路１０３ｂを下側に配置した場合を考える。この時、信号線１７１を使用する第二の画素１１０ｂ、１１０ｄを上側半分、信号線１７２を使用する第一の画素１１０ａ、１１０ｂを下側半分に配置すれば、信号線１７１は上側半分の画素のみに接続し、信号線１７２は下側半分の画素のみに接続すればよい。そのため、信号線１７１、信号線１７２の長さが短くなり、信号線１７１および信号線１７２の寄生容量を低減することができる
。更に、信号線１７１と信号線１７２の長さが等しくなるため、配線の対称性を向上させることも可能となる。
【００８３】
＜露光時間が短い方は片方の信号線のみを使用＞
消費電力の観点からは、第二の画素信号は信号線１７２のみを使用して読み出す方が好ましい。以下で理由を述べる。光電変換部１１２の露光時間は光電変換部１１１の露光時間よりも短いため、第二の画素信号を信号線１７２のみで読み出した場合でも、信号線１７１と１７２の両方を用いて読み出した場合でも、フレームレートは同じである。画素メモリ間で電荷転送を行うと電力を消費するため、フレームレートが向上する第一の画素信号は複数の信号線を使用し、フレームレートが向上しない第二の画素信号については、信号線１７２のみを使用して読み出しても良い。
【００８４】
＜画素構成の変形＞
以上では、図４Ａに示す画素を使用した場合を示したが、図３や図４Ｂに示す画素を使用しても、同様の動作フローを使用することで、フレームレートの向上を行うことができる。
【００８５】
（実施例３：ＨＤＲに利用）
実施例３では、光電変換部からの信号を読み出す際に画素メモリ１２１、１２２の両方を使用することによって、画像のダイナミックレンジを拡大可能とした固体撮像素子について説明する。以下では、図４Ａに示す画素を使用し、光電変換部１１２に蓄積された電荷に基づく第二の画素信号によって生成される画像のダイナミックレンジを拡大する場合を例にとって説明する。
【００８６】
＜動作フロー＞
図１０は、実施例３の固体撮像素子において、第二の画素信号を用いて生成する画像のダイナミックレンジの拡大を行うための動作フローを説明した図である。各画素の動作は、走査回路からの信号に基づいて制御される。
【００８７】
まず、トランジスタ１３１、１３２、１３３、１４１をＯＮにして光電変換部１１１、１１２、画素メモリ１２１、１２２をリセットする。そして、時刻Ｔ１に転送トランジスタ１３１、１３２をＯＦＦにして光電変換部１１１、１１２の露光を開始する。
【００８８】
トランジスタ１３３、１４１をＯＦＦにした後、時刻Ｔ２に選択トランジスタ１６２をＯＮにし、ソースフォロア１５２の読み出しノイズを読み取る。そして、時刻Ｔ３に、転送トランジスタ１３２をＯＮにして、光電変換部１１２の露光を終了させるとともに、光電変換部１１２に蓄積された電荷を画素メモリ１２２に転送する。
【００８９】
次に、時刻Ｔ４に選択トランジスタ１６２をＯＮにして、画素メモリ１２２に保持された電荷をソースフォロア１５２によって電圧信号に変換して信号線１７１から読み出す（以下、この信号を電圧信号１７１と称する）。その後、画素メモリ１２２に蓄積された電荷をリセットせずに、時刻Ｔ５にトランジスタ１３３をＯＮにして画素メモリ１２１と画素メモリ１２２を接続する。これによって、画素メモリ１２２に保持されていた電荷が、画素メモリ１２１、１２２の両方に分散して保持される。トランジスタ１３３をＯＮにしたまま、時刻Ｔ６に選択トランジスタ１６２をＯＮにして、画素メモリ１２１および画素メモリ１２２に保持された電荷をソースフォロア１５２によって電圧信号に変換して信号線１７２から読み出す（以下、この信号を電圧信号１７２と称する）。電圧信号１７１と読み出しノイズの間で相関２重サンプリングを行って、高感度信号を生成する。同様に、電圧信号１７２と読み出しノイズの間で相関２重サンプリングを行って、低感度信号を生成する。
【００９０】
続いて、光電変換部１１１に蓄積された電荷に基づく第一の画素信号を読み出す。この動作フローは図５Ａ−５Ｄと同じであるため、省略する。
【００９１】
このように、実施例３に示す固体撮像素子では、光電変換部１１２に蓄積された電荷を読み出す際に、画素メモリの容量を切り替えて複数の信号を取得している。これによって、第二の画素信号によって生成される画像のダイナミックレンジを拡大することができる。以下で説明を行う。
【００９２】
ソースフォロアによって変換される電圧信号は、ソースフォロアが接続する画素メモリに保持された電荷量を、画素メモリの容量で除した値である。画素メモリ１２１と画素メモリ１２２を接続することで、画素メモリに保持された電荷量は等しいまま、容量のみを大きくすることができる。そのため、高感度信号の方が、低感度信号よりも信号の値が大きくなる。
【００９３】
従来の固体撮像素子では、第二の光電変換部１０１２に蓄積された信号を画素メモリ１０２２に転送し、ソースフォロア１０５２によって電圧信号に変換した電圧信号１０７１のみを使用して画像を生成していた。そのため、被写体の輝度が高い場合、電圧信号１０７１が飽和してしまい、画像に白トビが生じてしまう場合があった。
【００９４】
一方、実施例３に示す固体撮像素子では、電圧信号１７１に加えて電圧信号１７２を取得しているため、被写体の輝度が高い場合には低感度信号を、被写体の輝度が低い場合には高感度信号を使用することで、画像のダイナミックレンジを広げることができる。
【００９５】
＜画素メモリ間のポテンシャル＞
実施例１、実施例２に示す固体撮像素子では、トランジスタ１３３をＯＮにすることで、一方の画素メモリからもう一方の画素メモリに電荷を転送していた。一方、実施例３に示す固体撮像素子では、トランジスタ１３３をＯＮにすることで、画素メモリ１２１、１２２の双方に電荷が分散して保持されるように動作させるのが好ましい。従って、画素メモリ１２１、画素メモリ１２２のポテンシャルの深さは同程度であることが好ましい。具体的には、画素メモリ１２１のＰＮ接合を形成する不純物濃度と画素メモリ１２２の不純物濃度が等しい方が好ましい。典型的には、画素メモリ１２１内の平均不純物濃度が、画素メモリ１２２内の平均不純物濃度の半分以上であり、かつ２倍以下であることが好ましい。
【００９６】
＜第一の光電変換部の読み出し時にも使用＞
図１０では、光電変換部１１２に蓄積された電荷を読み出す際にのみ、画素メモリ間を接続してダイナミックレンジを拡大する例を示したが、光電変換部１１１に蓄積された電荷を読み出す際にも同様の方法を使用しても良い。具体的には、光電変換部１１１に蓄積された電荷を画素メモリ１２１に転送して高感度用の電圧信号を取得した後、トランジスタ１３３によって画素メモリ１２１、１２２を接続して低感度用の電圧信号を取得すればよい。また、光電変換部１１１に蓄積された電荷を読み出す際のみに、画素メモリ間を接続してダイナミックレンジを拡大してもよい。
【００９７】
この時、光電変換部１１２で取得した画像の被写体の輝度分布によって、光電変換部１１１の読み出し方法を変更すると、更に好ましい。具体的には、被写体の輝度が低い領域においては、画素メモリ１２１から高感度信号を取得し、被写体の輝度が高い領域においては、画素メモリ１２１と１２２を接続してから低感度信号を取得すればよい。
【００９８】
＜露光時間の決定＞
なお、以上の実施例１、２、３において、光電変換部１１１、光電変換部１１２の露光時間は、被写体の動きの速さやフレームレートによって決定すればよい。前述したように、動画像の露光時間はフレームレートと同程度に設定することが好ましく、静止画像の露光時間は被写体の動きの速さによって決定することが好ましい。
【００９９】
（実施例４：撮像装置）
図１１は、本発明にかかる固体撮像素子１００を備えた撮像装置２００の概略図である。撮像装置２００は、撮像レンズ２０１を取り付けるためのレンズ取付部２０６を有する筺体２０７と、固体撮像素子１００と、撮像装置２００の動作を制御する制御部２０８と、筺体内に外部の光を取り込む撮像レンズ２０１と、を備えている。そして、撮像レンズ２０１が、レンズ取付部２０６にて筺体２０７に取り付けられている。撮像装置２００は、撮像レンズ２０１を筺体２０７から取り外して交換可能な構成であってもよいし、交換ができない構成であってもよい。制御部は、ＣＰＵ２０２、転送回路２０３、及び信号処理部２０４、素子駆動回路２０５を含んでいる。
【０１００】
ＣＰＵ２０２は、転送回路２０３、信号処理部２０４、素子駆動回路２０５を制御する回路である。素子駆動回路２０５は、ＣＰＵ２０２からの信号をうけて、固体撮像素子１００を駆動する回路であり、各画素に設けられた光電変換部の露光時間や光電変換部で取得した信号の読み出しのタイミング等を制御する。転送回路２０３は、固体撮像素子１００から読みだされた信号を記憶したり、信号処理部２０４へ転送したりする。信号処理部２０４は、転送回路２０３を介して取得した信号の画像処理を行う。
【０１０１】
第一の光電変換部の露光時間を第二の光電変換部の露光時間よりも長くなるように動作させることで、露光時間の異なる静止画用信号と動画用信号を同時に取得できる。静止画の露光時間はユーザーが決定し、動画の露光時間は固体撮像素子のフレームレートと同程度に設定しておく。そして取得される静止画用信号および動画用信号から、各々静止画像と動画像を同時に生成することができる。
【０１０２】
（その他の実施例）
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。
【符号の説明】
【０１０３】
１００：固体撮像素子
１１０：画素
１１１、１１２：光電変換部
１２１、１２２：画素メモリ
１３１、１３２：転送トランジスタ
１３３：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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