(57)【要約】【課題】  残像を抑え感度を向上させることが可能な固体撮像装置、及びそれを用いた撮像システムを提供する。【解決手段】  光信号電荷を保持する電荷保持部ＦＤと、電荷保持部の電荷蓄積容量より大きい電荷蓄積容量をもつフォトダイオードＰＤと、フォトダイオードから電荷保持部への信号電荷の転送を制御する転送トランジスタＭ１と、電荷保持部に保持されている信号電荷を増幅して画素信号として出力する増幅用トランジスタＭ３と、フォトダイオードと画素電源との接続を制御するリセットトランジスタＭ２とを含む画素101 を行列状に配列した画素部100 と、画素信号の出力するための垂直走査回路200 及び水平信号読み出し回路400 と、転送トランジスタによる信号電荷の転送後、露光開始前にリセットトランジスタによるフォトダイオードと画素電源との接続を行う制御部500 とで固体撮像装置を構成する。【選択図】        図１
2008300898.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の蓄積容量を有し、信号電荷を保持する電荷保持部と、前記第１の蓄積容量よりも大きい第２の蓄積容量を有し、光信号を信号電荷に変換し蓄積する光電変換素子と、前記光電変換素子から前記電荷保持部への前記信号電荷の転送を制御する転送手段と、前記電荷保持部に保持されている前記信号電荷を増幅して画素信号として出力する信号増幅手段と、前記光電変換素子と画素電源との接続を制御するリセット手段とを含む画素が行列状に配列された画素部と、
前記画素信号を出力するための水平及び垂直走査手段と、
前記転送手段による前記信号電荷の転送後、露光開始前に前記リセット手段による前記光電変換素子と前記画素電源との接続を実行させる制御部とを有する固体撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の固体撮像装置と、
前記画素部に対し、被写体光の露光状態と遮光状態との切り換えを実行するシャッタ機構部と、
前記遮光状態において、前記転送手段を制御し、前記露光状態時に前記光電変換素子に蓄積された信号電荷の前記電荷保持部への転送と画素信号の出力動作を行毎に複数回行わせ、複数回にわたって出力された前記画素信号を累積加算した画素信号を生成させる加算制御手段とを有する撮像システム。
【請求項３】
前記画素信号に対するゲインを設定するゲイン設定手段を更に有し、前記加算制御手段は、前記複数回行う電荷保持部への信号電荷の転送と画素信号の出力動作の回数を前記設定されたゲインに応じて設定することを特徴とする請求項２に係る撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、画素の微細化により感度、飽和の低下を防ぐことが可能な固体撮像装置及びそれを用いた撮像システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＯＳトランジスタを用いた従来の固体撮像装置は、図12に示すような構成になっている。図12において、100 は画素部であり、ここではＰ11〜Ｐnmで示すｎ列ｘｍ行の画素101 を配列した場合を示している。200 は垂直走査回路であり、行単位で画素を選択し、選択した行の画素信号を、列毎に設けられている垂直信号線50へ出力させる。400 は水平読み出し回路であり、垂直走査回路200 により選択され、垂直信号線50に出力された１行分の画素信号を、取り込みパルスΦＴで制御される取り込みスイッチ40を介して取り込み、その行の画素の信号を水平方向の並びの順で時系列に出力端子401 から出力する。60は、垂直信号線50に接続された電流源である。
【０００３】
次に、この固体撮像装置で用いられる画素101 の構成を、図13に基づいて説明する。図13において、ＰＤはフォトダイオード（光電変換素子）であり、ＦＤはフォトダイオードＰＤで発生し蓄積した信号電荷を検出する容量素子から構成される電荷保持部である。ここで、電荷保持部は遮光されている。Ｍ１はフォトダイオードＰＤの信号を電荷保持部ＦＤへ転送する転送トランジスタであり、転送パルスΦＴＲ−i により制御される。Ｍ３は増幅用トランジスタであり、垂直信号線50に設けられた電流源60とでソースフォロアンプを構成する。電荷保持部ＦＤの信号は増幅用トランジスタＭ３により増幅され、選択トランジスタＭ４を介して垂直信号線50に出力される。選択トランジスタＭ４は、選択パルスΦＳＥ−i により制御される。Ｍ２は電荷保持部ＦＤ及び増幅用トランジスタＭ３の入力部と画素電源ＶＤＤとの接続を制御するリセットトランジスタであり、リセットパルスΦＲＳ−i により制御される。
【０００４】
ここで、選択パルスΦＳＥ−i ，転送パルスΦＴＲ−i ，リセットパルスΦＲＳ−i は、図12に示す垂直走査回路200 より出力され、図12中では、ΦＳＥ−1 〜ΦＳＥ−m ，ΦＴＲ−1 〜ΦＴＲ−m ，ΦＲＳ−1 〜ΦＲＳ−m で示している。
【０００５】
次に、図12に示す固体撮像装置の動作の説明に先立ち、図14に示すタイミングチャートと、図15に示すフォトダイオードＰＤ，転送トランジスタＭ１，リセットトランジスタＭ２の各部におけるポテンシャル図を参照して、図13に示す画素の動作について説明する。図14のタイミングチャートにおいて、時刻ｔ１の時点では、ある選択された１水平ライン上の画素101 のフォトダイオードＰＤには図15の（Ａ）に示すように、光信号により発生した信号電荷が蓄積されているものとする。時刻ｔ１で、リセットトランジスタＭ２をオンする“Ｈ”レベルのリセットパルスΦＲＳ−i を与えると、図15の（Ｂ）に示すように、電荷保持部ＦＤは画素電源ＶＤＤにリセットされる。
【０００６】
次いで、リセットトランジスタＭ２をオフにし、時刻ｔ２で選択された行の画素の転送トランジスタＭ１をオンするための“Ｈ”レベルの転送パルスΦＴＲ−i を与えることで、図15の（Ｃ）に示すように、フォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷を電荷保持部ＦＤに転送する。この後、転送制御パルスΦＴＲ−i を“Ｌ”レベルにして転送トランジスタＭ１をオフにしても、電荷保持部ＦＤは光信号に基づいた値に保持される。一方、フォトダイオードＰＤは蓄積されていた信号電荷が全て電荷保持部ＦＤに転送され、図15の（Ｄ）に示すように、信号電荷が空の状態、すなわちフォトダイオードＰＤはリセットされたこととなる。そして、フォトダイオードＰＤは、これ以降に光信号によって発生する信号電荷の蓄積を開始する。
【０００７】
そして、時刻ｔ３で選択パルスΦＳＥ−i を“Ｈ”レベルにし、電荷保持部ＦＤの信号を増幅した画素信号を垂直信号線50に出力する。その後は取り込みスイッチ40，水平信号読み出し回路400 を介して、出力端子401 から画素信号を出力する。
【０００８】
次に、図12に示す固体撮像装置の動作を、図16に示すタイミングチャートを用いて説明する。時刻ｔ１で垂直走査回路200 から１行目のリセットパルスΦＲＳ−1 を出力し、１行目の電荷保持部ＦＤをリセットする。次いで、時刻ｔ２で垂直走査回路200 から１行目の転送パルスΦＴＲ−1 を出力し、１行目のフォトダイオードＰＤに蓄積されている信号電荷を電荷保持部ＦＤに転送する。その後、時刻ｔ３で垂直走査回路200 から１行目の選択パルスΦＳＥ−1 を出力し、１行目の画素信号を垂直信号線50に出力させる。このとき、取り込みパルスΦＴも同時に“Ｈ”レベルとして、垂直信号線50に出力した画素信号を水平読出し回路400 に取り込み、時刻ｔ４以降に水平方向の並びの順で時系列に出力端子401 から出力する。図16では、この出力端子401 の信号をＳigで示している。
【０００９】
ここで、出力される１行目の画素信号の蓄積期間は、前のフレームで信号電荷の転送を行いフォトダイオードＰＤをリセットした時刻ｔ０から、現フレームにおいて転送した時刻ｔ２までの図16においてＴ１で示す期間となる。２行目以降も１行目と同様な動作を行い、画素部100 の全画素の画素信号が出力端子401 から出力される。
【００１０】
また、このように上述したＭＯＳトランジスタを用いた固体撮像装置においては、その特性を向上させるために、図13で示した画素内に更に素子を設けた構成が提案されている。例えば、特開２００３−８７６５７号公報並びに特開２００４−１６５４６７号公報には、電荷蓄積時間すなわち電荷蓄積開始タイミング及び電荷蓄積終了タイミングがライン毎に異なることが原因で、動いている被写体を撮像したときに生じる画像歪を避けるために、各画素に対してそれぞれ記憶素子やＣＣＤを設けることが開示されている。
【特許文献１】特開２００３−８７６５７号公報
【特許文献２】特開２００４−１６５４６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、上述した従来の固体撮像装置においては、次に示すような問題点がある。すなわちＭＯＳトランジスタを用いた増幅型の固体撮像装置においては、光により発生した信号電荷をフォトダイオードＰＤにて蓄積し、これを電荷保持部ＦＤにて電荷−電圧変換している。したがって、従来のＭＯＳトランジスタを用いた増幅型の固体撮像装置においては、フォトダイオードＰＤに電荷が残って残像と呼ばれる偽信号が発生することを防ぐために、フォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷を一度の転送動作で全て電荷保持部に転送できるように、フォトダイオードＰＤの電荷蓄積容量よりも電荷保持部ＦＤの電荷蓄積容量の方が必ず大きくなるように設計されていた。このため、電荷保持部ＦＤの電荷蓄積容量とフォトダイオードＰＤの電荷蓄積容量とのバランスから、フォトダイオードＰＤの面積を大きくできず、感度の向上が難しかった。
【００１２】
特に、近年のデジタルカメラ等の撮像機器の普及に伴い、固体撮像装置の多画素化進み、それに伴い１画素の面積が縮小してきている。また、特性向上のために記憶手段を画素内に設けるとなると、１画素の面積の内、電荷保持部や光電変換素子に充てる面積が更に縮小し、上記問題はより深刻なものとなる。
【００１３】
本発明は、上記課題を解消するためになされたもので、残像を抑え、感度を向上させることが可能な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】
請求項１に係る発明は、第１の蓄積容量を有し、信号電荷を保持する電荷保持部と、前記第１の蓄積容量よりも大きい第２の蓄積容量を有し、光信号を信号電荷に変換し蓄積する光電変換素子と、前記光電変換素子から前記電荷保持部への前記信号電荷の転送を制御する転送手段と、前記電荷保持部に保持されている前記信号電荷を増幅して画素信号として出力する信号増幅手段と、前記光電変換素子と画素電源との接続を制御するリセット手段とを含む画素が行列状に配列された画素部と、前記画素信号を出力するための水平及び垂直走査手段と、前記転送手段による前記信号電荷の転送後、露光開始前に前記リセット手段による前記光電変換素子と前記画素電源との接続を実行させる制御部とを有して固体撮像装置を構成するものである。そして、この請求項１に係る固体撮像装置の実施例には、実施例１が対応する。
【００１５】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の固体撮像装置と、前記画素部に対し、被写体光の露光状態と遮光状態との切り換えを実行するシャッタ機構部と、前記遮光状態において、前記転送手段を制御し、前記露光状態時に前記光電変換素子に蓄積された信号電荷の前記電荷保持部への転送と画素信号の出力動作を行毎に複数回行わせ、複数回にわたって出力された前記画素信号を累積加算した画素信号を生成させる加算制御手段とを有して撮像システムを構成するものである。そして、この請求項２に係る撮像システムの実施例には、実施例２が対応する。
【００１６】
請求項３に係る発明は、請求項２に係る撮像システムにおいて、前記画素信号に対するゲインを設定するゲイン設定手段を更に有し、前記加算制御手段は、前記複数回行う電荷保持部への信号電荷の転送と画素信号の出力動作の回数を前記設定されたゲインに応じて設定することを特徴とするものである。そして、この請求項３に係る撮像システムの実施例には、実施例２が対応する。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に係る発明によれば、電荷保持部の蓄積容量よりも光電変換素子の蓄積容量を大きく取り、且つ、転送手段による信号電荷の転送後、露光開始前にリセット手段による光電変換素子と前記画素電源との接続を実行させることにより、残像なしに、高感度化することが可能な固体撮像装置を実現することができる。また、請求項２に係る発明によれば、光電変換素子に蓄積された信号電荷を複数回に亘って読み出して加算するので、ダイナミックレンジの広い撮像システムを提供することが可能となる。また請求項３に係る発明によれば、設定されるゲインに応じて複数回行う電荷保持部への信号電荷の転送と画素信号の出力動作の回数を設定するので、無駄な出力動作を省くことが可能となり、撮像動作の時間短縮やパワー削減が可能な撮像システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【実施例】
【００１９】
（実施例１）
まず、本発明に係る固体撮像装置の実施例１について説明する。図１は、実施例１に係る固体撮像装置の構成を示すブロック図であり、画素の構成、及び垂直走査回路200 と水平信号読み出し回路400 の動作を制御する制御部500 を備えている点以外は、図12に示した従来例の固体撮像装置の構成と同一であり、以下、画素の構成及び制御部500 以外の構成部分については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。図２は、本実施例の固体撮像装置で用いている画素の構成図である。図２に示す画素構成が従来例の画素構成と異なる点は、フォトダイオードＰＤの電荷蓄積容量が電荷保持部ＦＤの電荷蓄積容量よりも大きい点である。その他の構成は、従来の画素構成と同じであるので、その詳細な説明は省略する。
【００２０】
次に、本実施例の固体撮像装置の動作の説明に先立ち、まず図３に示すタイミングチャートと、図４の（Ａ）〜（Ｅ）に示すフォトダイオードＰＤ，転送トランジスタＭ１，リセットトランジスタＭ２の各部におけるポテンシャル状態を示す図を参照して、図２に示す画素の動作について説明する。図３のタイミングチャートにおける時刻ｔ１の時点では、ある選択された１水平ライン上の画素のフォトダイオードＰＤには、図４の（Ａ）に示すような光信号により発生した信号電荷が蓄積されているものとする。時刻ｔ１で、リセットトランジスタＭ２をオンする“Ｈ”レベルのリセットパルスΦＲＳ−i を与えると、図４の（Ｂ）に示すように、電荷保持部ＦＤは画素電源ＶＤＤにリセットされる。
【００２１】
次いで、リセットトランジスタＭ２をオフにし、時刻ｔ２で選択された行の画素の転送トランジスタＭ１をオンするための“Ｈ”レベルの転送パルスΦＴＲ−i を与えることで、図４の（Ｃ）に示すように、フォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷を電荷保持部ＦＤに転送する。そして、増幅用トランジスタのソースからは、光信号に応じた出力信号が得られるようになる。
【００２２】
この後、もしフォトダイオードＰＤに蓄積されていた電荷が、電荷保持部ＦＤで蓄積できる量よりも少なければ、従来例と同様に、フォトダイオードＰＤに蓄積されていた信号電荷は全て電荷保持部ＦＤに転送され、信号電荷が空の状態となり、フォトダイオードＰＤは、これ以降に光信号によって発生する信号電荷の蓄積を開始することができる。
【００２３】
ただし、本実施例においては、フォトダイオードＰＤの電荷蓄積容量が電荷保持部ＦＤの電荷蓄積容量よりも大きいので、フォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷を電荷保持部ＦＤに全て転送することはできず、図４の（Ｄ）に示すように、フォトダイオードＰＤに電荷が残ってしまう場合がある。そのために、時刻ｔ３で選択パルスΦＳＥ−i を“Ｈ”レベルにし、電荷保持部ＦＤの信号を増幅した画素信号を垂直信号線50に出力し、取り込みスイッチ40を介して、水平信号読み出し回路400 に画素信号を取り込んだ後、時刻ｔ４で、リセットパルスΦＲＳ−i 及び転送パルスΦＴＲ−i を“Ｈ”レベルとする。この動作により、図４の（Ｅ）に示すように、フォトダイオードＰＤに残った電荷は全て画素電源ＶＤＤから排出される。その後、水平信号読み出し回路400 に取り込んだ画素信号を出力端子401 から出力する。
【００２４】
次に、本実施例の固体撮像装置の全体動作を、図５に示すタイミングチャートを用いて説明する。時刻ｔ１で垂直走査回路200 から１行目のリセットパルスΦＲＳ−1 を出力し、１行目の電荷保持部ＦＤをリセットする。次いで、時刻ｔ２で垂直走査回路200 から１行目の転送パルスΦＴＲ−1 を出力し、１行目のフォトダイオードＰＤに蓄積されている信号電荷を電荷保持部ＦＤに転送する。その後、時刻ｔ3 で垂直走査回路200 から1 行目の選択パルスΦＳＥ−1 を出力し、１行目の画素信号を垂直信号線50に出力させる。このとき、取り込みパルスΦＴも同時に“Ｈ”レベルとして、垂直信号線50に出力した画素信号を水平読み出し回路400 に取り込む。その後、時刻ｔ４で垂直走査回路200 から１行目のリセットパルスΦＲＳ−1 と転送パルスΦＴＲ−1 を同時に出力し、画素電源ＶＤＤとフォトダイオードＰＤを接続することにより、フォトダイオードＰＤをリセットする。そして、時刻ｔ５以降に水平方向の並びの順で時系列に出力端子401 から画素信号を出力する。図５では、この出力端子401 の信号をＳigで示している。
【００２５】
ここで、出力される１行目の画素信号の蓄積期間は、前のフレームで画素電源ＶＤＤとフォトダイオードＰＤを接続することによりフォトダイオードＰＤをリセットした時刻ｔ０から、現フレームにおいて転送した時刻ｔ２までの図５においてＴ１で示す期間となる。２行目以降も１行目と同様な動作を行い、画素部100 の全画素の画素信号が出力端子から出力される。
【００２６】
以上のように、フォトダイオードＰＤの電荷蓄積容量が信号電荷を検出する電荷保持部ＦＤの電荷蓄積容量よりも大きい場合でも、画素信号を出力した後、フォトダイオードＰＤを画素電源ＶＤＤと接続してリセットすることにより、フォトダイオードＰＤの残留電荷すなわち残像を解消することが可能となる。したがって、フォトダイオードＰＤの面積を、電荷保持部の電荷蓄積容量とのバランスにより制限を受けずに可能な限り大きくすることが可能となるので、高感度な固体撮像装置が得られる。
【００２７】
なお、上記実施例におけるフォトダイオードＰＤのリセットは、図６のタイミングチャートに示すような手法で行うこともできる。図６に示す手法においては、時刻ｔ３の画素信号の垂直信号線50への出力までは、図３に示したタイミングチャートと同じなので説明を省略する。図６に示した手法における画素信号の垂直信号線50への出力後のフォトダイオードＰＤのリセットは、先ず画素電源ＶＤＤのレベルを下げ、時刻ｔ４で転送トランジスタＭ１とリセットトランジスタＭ２を同時にオンさせ、フォトダイオードＰＤと画素電源ＶＤＤを接続し、仮リセット動作を行う。このとき、画素電源ＶＤＤのレベルは、フォトダイオードＰＤに少し電荷を残るように設定する。
【００２８】
その後、画素電源ＶＤＤのレベルを元に戻して、時刻ｔ５でリセットトランジスタＭ２のみをオンさせて電荷保持部ＦＤのみを再リセットし、時刻ｔ６で転送トランジスタＭ１のみをオンさせて、上述した仮リセット動作で残っていた信号電荷を電荷保持部ＦＤに転送することで、フォトダイオードＰＤのリセットを行う。このようなフォトダイオードＰＤに信号電荷を多少残した状態で電荷保持部ＦＤへの転送でリセットを行った場合は、フォトダイオードＰＤから電荷保持部ＦＤへの経路に、欠陥などによる信号電荷のトラップがあっても、それを埋めることができるので、より高品質な信号が得られることとなる。
【００２９】
また、一般的に画素に増幅素子を設けた場合、画素のばらつき等に起因するノイズが増大するが、これを抑圧するための手段を、例えば水平読み出し回路内に設け、それに応じた駆動を行ってもよいことは言うまでもない。水平読み出し回路の構成は、垂直信号線に出力される画素の信号を水平方向の並びの順で時系列に出力するものであれば、特に限定されない。
【００３０】
（実施例２）
次に、本発明に係る固体撮像装置を用いたカメラシステムの構成例として、まず一般的な一眼レフタイプの電子カメラの概略構成を図７に基づいて説明する。図７において、１はカメラ本体、２は撮像光学系、３は絞り機構、４はクイックリターンミラー、５は測光部、６は焦点検出用ミラー、７は焦点検出部、８は固体撮像装置、９は固体撮像装置への光入射状態を制御するシャッター機構である。
【００３１】
図８は、図７に示した電子カメラ等に適用する本発明に関わる固体撮像装置を用いた撮像システムの実施例を実施例２として、その構成を示すブロック構成図である。図８において、２は撮影のためのレンズ装置、３は絞り機構、９は固体撮像装置への光入射状態を制御するシャッター機構、８は固体撮像装置、14は固体撮像装置８の画素部に結像された入射光に対応する固体撮像装置８の出力信号を増幅するアンプ、15はアンプ出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換装置、16はＡ／Ｄ変換された画像信号を一時的に保持するメモリ及び加算回路、17はメモリ及び加算回路16に保持された全画素の画像信号を処理する信号処理回路、18は信号処理回路17で処理された画像信号を一時的に記憶するメモリ装置、19は信号処理回路17で作られた画像を受け取り記録装置20に記録することをつかさどる画像記録用制御装置である。21は、固体撮像装置８を駆動する駆動信号を生成するＴＧ回路、22はレンズ・絞り・シャッター制御装置、７は焦点検出部、５は測光部である。25は撮像システム全体の制御をつかさどる制御装置で、固体撮像装置８の画素信号出力動作や、アンプ14のゲイン設定や、Ａ／Ｄ変換装置15、メモリ及び加算回路16の動作や、信号処理回路17の制御等の全てをつかさどり、ゲイン設定部、焦点信号演算部及び測光信号演算部などを含んでいる。
【００３２】
本実施例２に係る撮像システムを構成する固体撮像装置８は、図１に示した実施例１に係る固体撮像装置と同じであり、その詳細な説明は省略する。また、本実施例の固体撮像装置で用いられる画素の構成も図２に示した画素構成と同じであるので、その詳細な説明は省略する。
【００３３】
次に、本実施例の撮像システムの動作の説明に先立ち、まず図９に示すタイミングチャートと、図10に示すフォトダイオードＰＤ，転送トランジスタＭ１、リセットトランジスタＭ２の各部におけるポテンシャル状態を示す図を参照して、固体撮像装置における画素の動作について説明する。
【００３４】
本実施例に係る固体撮像装置では、フォトダイオードＰＤに蓄積した信号電荷を複数回にわたって画素信号として出力するものであり、この点が実施例１の動作と異なる。ここでは、３回の動作で、フォトダイオードＰＤに蓄積した信号電荷を画素信号として出力する場合について説明する。また、固体撮像装置への光入射は、シャッター機構９により制御されるものとする。図９においては、シャッター制御パルスが“Ｈ”レベルのときに光が入射され、“Ｌ”レベルのときは光が遮断されるものとしている。具体的には、時刻ｔ１〜ｔ２の期間に光が入射（明状態）され、他の期間は遮断（暗状態）されている。
【００３５】
このような光入射状態において、先ず、暗状態の時刻ｔ０で、リセットパルスΦＲＳ−i 及び転送パルスΦＴＲ−i を“Ｈ”レベルとし、フォトダイオードＰＤと画素電源ＶＤＤを接続してフォトダイオードＰＤをリセットする。この動作により、フォトダイオードには残留電荷がなくなり、確実にリセットされる。その後、シャッター機構を制御し、光入射状態として露光を開始し、光により発生した信号電荷はフォトダイオードＰＤに蓄積され始める。そして、所定の時間経過後、シャッター機構を再び制御して、暗状態とすることにより露光は終了する。〔図10の（Ａ）〕
【００３６】
その後、フォトダイオードＰＤに蓄積した電荷を３回にわたって画素信号として出力する。先ず１回目は、時刻ｔ３でリセットパルスΦＲＳ−i を“Ｈ”レベルとして電荷保持部ＦＤをリセットし、時刻ｔ４で転送パルスΦＴＲ−i を“Ｈ”レベルとしてフォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷を電荷保持部ＦＤに転送する。ここで、電荷保持部ＦＤの電荷蓄積容量は、フォトダイオードＰＤの電荷蓄積容量に比べ小さいので、全ての信号電荷は転送できず、転送終了後のフォトダイオードＰＤには電荷が残った状態となる。〔図10の（Ｂ）〕
【００３７】
続く時刻ｔ５で選択パルスΦＳＥ−i を“Ｈ”レベルとすると、電荷保持部ＦＤに転送できた電荷に対応する画素信号が、垂直信号線50に出力される。このとき、取り込みスイッチ40を介して、水平信号読み出し回路400 に画素信号が取り込まれるので、時刻ｔ６以降、その画素信号を出力端子401 から出力する。２回目の画素信号の出力も１回目と同様に時刻ｔ７〜時刻ｔ９で画素内の各トランジスタを制御し、時刻ｔ10以降画素信号を出力端子401 から出力する。３回目の画素信号の出力も同様に時刻ｔ11〜時刻ｔ13で画素を制御し、時刻ｔ14以降画素信号を出力端子401 から出力する。
【００３８】
次に、本実施例における固体撮像装置と撮像システムの動作を図11のタイミングチャートに基づいて説明する。図11においても、図９に示した画素の動作説明と同様に、３回でフォトダイオードＰＤに蓄積した信号電荷を画素信号として出力する場合について説明する。また、固体撮像装置への光入射は、シャッター機構９により制御されるものとする。図９に示した画素動作と同様に、図11においても、シャッター制御パルスが“Ｈ”レベルのときに光が入射され、“Ｌ”レベルのときは光が遮断されるものとしている。具体的には、時刻ｔ１〜ｔ２の期間は光が入射（明状態）された状態、他の期間は遮断（暗状態）された状態である。
【００３９】
時刻ｔ０で、垂直走査回路200 から全行のリセットパルスΦＲＳ−1 〜ΦＲＳ−m 及び転送パルスΦＴＲ−1 〜ΦＴＲ−m を出力し、全画素のフォトダイオードＰＤと画素電源ＶＤＤを接続してフォトダイオードＰＤをリセットする。この動作により、フォトダイオードには残留電荷がなくなり、確実にリセットされるのは実施例１に係る固体撮像装置の動作と同様である。その後、時刻ｔ１でシャッター機構９を制御し、光入射状態として全画素の露光を開始し、光により発生した信号電荷はフォトダイオードＰＤに蓄積され始める。そして、所定の時間経過後、時刻ｔ２でシャッター機構９を再び制御して、暗状態とすることにより露光は終了する。
【００４０】
次いで、時刻ｔ３で垂直走査回路200 から１行目のリセットパルスΦＲＳ−1 を出力し、１行目の電荷保持部ＦＤをリセットする。次いで、時刻ｔ４で垂直走査回路200 から１行目の転送パルスΦＴＲ−1 を出力し、１行目のフォトダイオードＰＤに蓄積されている信号電荷の電荷保持部ＦＤへの第１回目の転送を行う。その後、時刻ｔ５で垂直走査回路200 から１行目の選択パルスΦＳＥ−1 を出力し、１行目の画素信号を垂直信号線50に出力させる。このとき、取り込みパルスΦＴも同時に“Ｈ”レベルとして、垂直信号線50に出力した画素信号を水平読み出し回路400 に取り込み、この水平読み出し回路400 に取り込んだ画素信号を水平方向の並びの順で時系列に出力端子401 から出力する。図11では、この出力端子401 の信号をＳigで示し、１行目の１回目の画素信号出力Ｓigを(1) で示している。この固体撮像装置から出力された画素信号は、図８に示すアンプ14を介してＡ／Ｄ変換装置15でＡＤ変換され、メモリ及び加算回路16に保持される。
【００４１】
次に、１行目について、２回目の画素信号の出力動作を行う。１回目の時刻ｔ３以降の動作と同様に、時刻ｔ６以降に１行目のリセットパルスΦＲＳ−1 ，１行目の転送パルスΦＴＲ−1 ，１行目の選択パルスΦＳＥ−1 を垂直走査回路200 から出力し、選択パルスΦＳＥ−1 と同タイミングで取り込みパルスΦＴを“Ｈ”レベルとすることで、垂直信号線50に出力した画素信号を水平読み出し回路400 に取り込み、この画素信号を水平方向の並びの順で時系列に出力端子から出力する。図11では、２回目の画素信号出力Ｓigを(2) で示している。この２回目の画素信号出力(2) も１回目の画素信号出力(1) と同様に、メモリ及び加算回路16に保持される。
【００４２】
時刻ｔ７以降も同様に３回目の画素信号の出力動作を行い、出力端子401 から３回目の画素信号を出力する。図11では、第３回目の画素信号出力Ｓigを(3) で示している。この３回目の画素信号出力(3) も１，２回目の画素信号出力(1) ，(2) と同様、メモリ及び加算回路16に保持される。そして、メモリ及び加算回路16では、ここに保持された３回分の画素信号を加算し、第１行目の信号として信号処理回路17へ出力する。図11では、３回分加算した信号をメモリ加算回路出力として示している。以降、１行目と同様にｍ行目まで、各行３回ずつの画素信号の出力動作を行い、３回分の画素信号の加算動作を行うことで、1 フレーム分の画素信号が得られる。
【００４３】
以上のように、フォトダイオードＰＤの容量が電荷保持部ＦＤの容量よりも大きい場合でも、画素信号を読み出した後、フォトダイオードＰＤを画素電源ＶＤＤと接続してリセットすることにより、フォトダイオードの残留電荷すなわち残像を解消することが可能となる。したがって、フォトダイオードの面積を電荷保持部の容量とのバランスにより制限を受けずに可能な限り大きくすることが可能となるので、高感度な固体撮像装置が得られる。
【００４４】
また、本実施例においては、フォトダイオードＰＤに蓄積した電荷を複数回にわたって出力し、加算するので、撮像システムとして取り扱うことができる電荷量が増え、ダイナミックレンジの広いより高画質な画像を得ることが可能となる。また、一般的に撮像システムにおいては、撮像システムとしてより高感度、高ダイナミックレンジとするために、入射光量に応じて図８に示したアンプ14のゲインを切り換えたり（アナログゲイン動作）、ＡＤ変換後の信号に対してゲインを切り換えたり（デジタルゲイン動作）することが行われる。
【００４５】
例えば、入射光量が少ない場合はゲインを上げ、逆に入射光量が多い場合はゲインを下げる。入射光量が少ない場合、すなわち撮像システムとして高ゲインのときは、扱うことのできる画素信号出力の範囲が小さくるので、本実施例で示した１行当り３回の画素信号の出力動作は必すしも必要ではなく、１回の画素信号出力動作でも画像を得ることが可能な場合もある。したがって、撮像システムのゲインに応じて１行当りに行う画素信号出力動作を適正な回数とすることで、無駄な出力動作を省き、撮像動作の時間短縮やパワー削減の効果を得ることも可能となる。なお、本実施例においても、図６のタイミングチャートに示したフォトダイオードＰＤのリセット動作が行えること、また水平読み出し回路の構成が特に限定されないことは実施例１と同様である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に係る固体撮像装置の実施例１の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示した実施例１に係る固体撮像装置における画素の構成を示す回路構成図である。
【図３】図２に示した画素の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図４】図２に示した画素の動作を説明するための各部のポテンシャル状態を示す図である。
【図５】図１に示した実施例１に係る固体撮像装置の全体動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図６】図２に示した画素の他の動作手法を説明するためのタイミングチャートである。
【図７】本発明に係る固体撮像装置を用いるカメラシステムの構成例である一般的な一眼レフタイプの電子カメラの概略構成を示す図である。
【図８】本発明に係る固体撮像装置を用いた撮像システムの実施例の構成を示すブロック図である。
【図９】図８に示した撮像システムにおける固体撮像装置の画素の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図１０】図８に示した撮像システムにおける固体撮像装置の画素の動作を説明するための各部のポテンシャル状態を示す図である。
【図１１】図８に示した撮像システムの動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図１２】従来のＭＯＳトランジスタを用いた固体撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図１３】図12に示した従来の固体撮像装置における画素の構成を示す回路構成図である。
【図１４】図13に示した画素の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図１５】図13に示した画素の動作を説明するための各部のポテンシャル状態を示す図である。
【図１６】図12に示した従来の固体撮像装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００４７】
１  カメラ本体
２  撮像光学系
３  絞り機構
４  クイックリターンミラー
５  測光部
６  焦点検出用ミラー
７  焦点検出部
８  固体撮像装置
９  シャッター機構
14  アンプ
15  Ａ／Ｄ変換装置
16  メモリ及び加算回路
17  信号処理回路
18  メモリ
19  撮像記録用制御装置
20  記録装置
21  ＴＧ回路
22  レンズ・絞り・シャッター制御装置
25  制御装置
40  取り込みスイッチ
50  垂直信号線
60  電流源
100   画素部
101   画素
200   垂直走査回路
400   水平信号読み出し回路
401   出力端子
500   制御部
【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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【図１５】
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【図１６】
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