(57)【要約】【課題】インパクトイオン化を発生させても、画素毎のばらつきなく、高品質な画像を得ることができる固体撮像装置を提供。【解決手段】固体撮像素子36は、低感度素子40の信号電荷を蓄積させ、信号電荷を読み出す低感度用ゲート48を、相対的に高感度素子38に形成されるゲート46に発生する電界強度よりも強い電界強度を生成させる。【選択図】図１
2008091437.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換効率の高い感度を有する受光素子を高感度素子と呼び、該高感度素子に対して相対的に感度の低い受光素子を低感度素子と呼ぶこれらの素子が２次元状に配設され、電荷結合素子の転送手段に、前記高感度および低感度素子に光電変換により生成され、蓄積した信号電荷を読み出し、転送して、画像信号として読み出す固体撮像素子を含む固体撮像装置において、
前記低感度素子に信号電荷を蓄積させ、該信号電荷を読み出す低感度用ゲートは、相対的に前記高感度素子に形成される高感度用ゲートに発生する電界強度よりも強い電界強度を生成させることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、前記低感度用ゲートは、低感度用に形成されるゲートの長さを前記高感度用ゲートに比べて相対的に短く形成されることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
光電変換効率の高い感度を有する受光素子を高感度素子と呼び、該高感度素子に対して相対的に感度の低い受光素子を低感度素子と呼ぶこれらの素子が２次元状に配設され、電荷結合素子の転送手段に、前記高感度および低感度素子に光電変換により生成され、蓄積した信号電荷を読み出し、転送して、画像信号として読み出す固体撮像素子を含む固体撮像装置において、
前記固体撮像素子は、前記信号電荷を蓄積させ、該信号電荷を読み出すゲート電極が前記高感度および低感度素子において分離されており、
該装置は、前記ゲート電極に印加して、前記信号電荷を読み出す読出しパルスを生成する駆動手段を含み、
該駆動手段は、所定の条件を満足するか否かに応じて前記低感度素子に印加する第１の読出しパルスを、前記高感度素子に印加する第２の読出しパルスよりも相対的に高い正電圧を出力することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項４】
請求項３に記載の装置において、該装置は、前記所定の条件として、前記低感度画素から取得した信号があらかじめ設定した第１の閾値以下のレベルを満足するか否か判断し、該所定の条件に対する判断が真だけで第１の読出しパルスとして前記駆動手段の駆動を制御する制御信号を生成するシステム制御手段を含むことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項５】
請求項３に記載の装置において、該装置は、あらかじめ設定した第２の閾値より高い撮影における撮影感度の設定に応じて前記高感度および低感度素子に印加する第１および第２の読出しパルスを通常より高い正電圧に出力させる制御信号を生成し、第２の閾値以下における前記撮影感度の設定に応じて第２の読出しパルスを前記通常の正電圧に、第１の読出しパルスを前記通常より高い正電圧に出力させる制御信号を、生成するシステム制御手段を含むことを特徴とする固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関し、とくに、本発明は、撮像において得られる画像信号を広ダイナミックレンジで撮像する装置、たとえばディジタルカメラ等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、固体撮像装置であり、電荷読み出し時において、電荷蓄積部から電荷転送部への読み出し経路の電界を緩和し、暗電流の増加を抑えて、画面上の不良現象である白キズの発生を防ぐことを目的とする。特許文献１には、読出しゲート部で発生する強電界で発生するインパクトイオン化現象を抑制する構造が開示されている。
【０００３】
ここで、インパクトイオン化現象とは、PN（Positive-Negative）接合に強電界を印加する際に発生する現象である。ディジタルカメラでは、インタライントランスファ型CCD（Charge Coupled Device）が用いられている。このCCDにおいて最も強電界が発生し易い箇所は、電荷を蓄積する受光素子または蓄積部と信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送路との間である読出しゲートである。読出しゲートには、通常高い正電圧パルスを印加して、蓄積部から蓄積した信号電荷を読み出す。また、現在、多画素化にともなって受光素子が微細化される傾向にある。この傾向により、読出しゲートも微細化される。同じ電位差であっても、微細化にともなう距離を示す幅が狭くなる。したがって、強電界は、電界が電位差/距離の関係から大きくなることによりもたらされる。
【０００４】
CCDにおいて、画素ごとに固有のインパクトイオン化現象が発生すると、CCDの出力側に設けた共通アンプによる高画質化という利点を崩してしまう。特許文献１は、この現象を避ける技術が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２は、「増幅型」光電変換装置およびその駆動方法である。特許文献２は、インパクトイオン化現象を有効利用した、まったく新規な装置を提供する。この装置は、光電変換部で生じ蓄積された電荷の量に応じて電子を増幅し、増幅された電子に応じてインパクトイオン化現象を生じさせ、大きな出力を得ている。より具体的には、J-FET（Junction-Field-Effect Transistor）型撮像素子にて、出力アンプでの増幅前にインパクトイオン化現象により２次電子を発生させ、結果としてS/Nを向上させている。
【０００６】
しかしながら、扱う信号電荷が小さい場合、出力アンプ自体が発生させるノイズがS/N比における主要な要因になってくる。そこで、出力アンプ通過前の電荷増幅が高S/N比を獲得するためには望ましい。
【特許文献１】特開平08−340099号公報
【特許文献２】特開平07−153988号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、CCDには、広ダイナミックレンジタイプのものがあり、受光素子に主感度画素と従感度画素という２種類の画素を具備したものがある。主感度画素は、従感度画素に比べて相対的に感度の高い画素を有するものや受光光量を相対的に多く受けることができるように形成されたデバイスである。従感度画素は、主感度画素のS/N比に比べて低いことが知られている。従感度画素から得られた信号電荷に対して、特許文献２に開示したように、出力アンプを通過する前にインパクトイオン化により２次電子を発生させてS/N比を向上させたい。
【０００８】
しかしながら、主感度画素から得られた信号電荷は、S/N比が高いことから、従感度画素と同様にインパクトイオン化を発生させると、画素毎のばらつきが増え、画像としてのS/N比が低下してしまう。
【０００９】
本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、インパクトイオン化を発生させても、画素毎のばらつきなく、高品質な画像を得ることができ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】
【００１０】
本発明は上述の課題を解決するために、光電変換効率の高い感度を有する受光素子を高感度素子と呼び、この高感度素子に対して相対的に感度の低い受光素子を低感度素子と呼ぶこれらの素子が２次元状に配設され、電荷結合素子の転送手段に、高感度および低感度素子に光電変換により生成され、蓄積した信号電荷を読み出し、転送して、画像信号として読み出す固体撮像素子を含む固体撮像装置において、低感度素子に信号電荷を蓄積させ、この信号電荷を読み出す低感度用ゲートは、相対的に高感度素子に形成されるゲートに発生する電界強度よりも強い電界強度を生成させることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は上述の課題を解決するために、光電変換効率の高い感度を有する受光素子を高感度素子と呼び、この高感度素子に対して相対的に感度の低い受光素子を低感度素子と呼ぶこれらの素子が２次元状に配設され、電荷結合素子の転送手段に、高感度および低感度素子に光電変換により生成され、蓄積した信号電荷を読み出し、転送して、画像信号として読み出す固体撮像素子を含む固体撮像装置において、固体撮像素子は、信号電荷を蓄積し、この信号電荷を読み出すゲート電極が高感度および低感度素子において分離されており、この装置は、ゲート電極に印加して、信号電荷を読み出す読出しパルスを生成する駆動手段を含み、この駆動手段は、所定の条件を満足するか否かに応じて低感度素子に印加する第１の読出しパルスを、高感度素子に印加する第２の読出しパルスよりも相対的に高い正電圧を出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の固体撮像装置によれば、低感度画素からの信号電荷読出しにおいてだけでインパクトイオン化を発生させることにより、高感度および低感度画素から得られる信号の双方を高S/N化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に添付図面を参照して本発明による固体撮像装置の実施例を詳細に説明する。図１を参照すると、本発明による固体撮像装置における固体撮像素子36の実施例は、低感度素子40の信号電荷を蓄積させ、信号電荷を読み出す低感度用ゲート48を、相対的に高感度素子38に形成されるゲート46に発生する電界強度よりも強い電界強度を生成させる。
【００１４】
本実施例は、本発明の固体撮像装置をディジタルカメラ10に適用した場合である。本発明と直接関係のない部分について図示および説明を省略する。以下の説明で、信号はその現れる接続線の参照番号で指示する。
【００１５】
ディジタルカメラ10は、図２に示すように、光学系12、撮像部14、前処理部16、信号処理部18、操作部20、システム制御部22、タイミング信号発生部24、ドライバ26、メディアインタフェース（I/F）回路28、メディア30およびモニタ32を含む。各部の構成要素における機能等について簡単に記述する。
【００１６】
光学系12は、被写界からの入射光34を撮像部14にて操作部20の操作に応じた画像に結像させる機能を有する。光学系12は操作部20のズーム操作や半押し操作に応じて画角や焦点距離を調整する。光学系12は、所定の期間にわたって入射光を所定の絞りで開口させる、すなわち露出させた後、入射光を遮光するメカニカルシャッタを設けることが好ましい。メカニカルシャッタは本実施例で図示しない。
【００１７】
撮像部14には、入射光の到来方向に受光素子の配設位置に対応させてマイクロレンズが配され、本実施例では図示しないが、色フィルタセグメントが受光素子それぞれに配される。本実施例における撮像部14は、図１に示すように、固体撮像素子36を有する。固体撮像素子36は、入射光を電気信号に変換する受光素子38および40が２次元状に配設される。図１の受光素子38は、それぞれ画素中心からの水平方向または垂直方向の配設間隔をPPとすると、固体撮像素子36は、受光素子38に隣接する受光素子38を│PP│/2の間隔でずらして、稠密に受光素子が配置される。同様に受光素子40も隣接する受光素子40を│PP│/2の間隔でずらして、稠密に配置される。
【００１８】
受光素子38は、垂直転送路42の転送方向に長い八角形の形状に感光領域を形成している。また、受光素子40は、垂直転送路42の転送方向に短い矩形の感光領域を形成している。受光素子38は、受光素子40に比べて相対的に広い感光領域を有する。受光素子38は、感光領域を完全に覆うマイクロレンズ44が形成されている。ただし、受光素子40には、マイクロレンズを形成しない。この結果、受光素子38は、受光素子40に比べて相対的に高感度化することができる。受光素子38は、高感度画素または主感光画素と呼んでもよい。これに対して、受光素子40は低感度画素または従感光画素という。
【００１９】
このように受光素子38および40を形成することにより、固体撮像装置36は、画像の解像度を向上させるとともに、受光素子38および40それぞれの入射光量を異ならせている。
【００２０】
本実施例の固体撮像素子36は、さらに、受光素子38および40の読出しゲート46および48の寸法を異ならせている点に特徴がある。すなわち、受光素子40の読出しゲート48は、受光素子38の読出しゲート46よりも相対的に長さまたは距離50を短くする。受光素子40の読出しゲート48では、電界Eが電圧V/距離Dの関係から、電界Eを受光素子38よりも高めることができ、インパクトイオン化現象により信号電荷を増やすことができる。また、後述するように、インパクトイオン化現象の発生を条件に応じて増加させることができる。
【００２１】
このようにして画素それぞれで得られた信号電荷を、図示しない出力アンプに供給して、アナログ電圧信号52に変換する。撮像部14は、得られたアナログ電圧信号52を前処理部16に供給する。
【００２２】
前処理部16は、ノイズ除去に相関二重サンプリング（Correlated Double Sampling: CDS）回路、ゲイン調整アンプ（GCA: Gain-Controlled Amplifier）、およびA/D変換器（Analog-to-Digital Converter）を含む。CDS回路には、タイミング信号発生器24からサンプリング信号としてCDSパルス54が供給され、A/D変換器には、変換クロック信号56が供給されている。前処理部16は、供給されるアナログ信号52に対してノイズ除去、波形整形、ディジタル化を行なって得られた撮像データすべてをディジタルデータ、すなわち画像データ58としてバス60、信号線62を介して、信号処理部18に出力する。信号線62は、データおよび制御信号を含むラインである。
【００２３】
信号処理部18は、供給されるディジタルデータに対する以下に述べる信号処理機能を有する。信号処理部18は、図示しないが、AWB（Automatic White Balance）処理を含む評価値算出部および画像メモリを備える。信号処理部18は、この他、ガンマ変換、同時化処理、画像変換処理、圧縮/伸長処理および画像縮小処理等を行なっている。評価値算出部は、たとえば予備測光等において供給されるガンマ補正後の画像データに基づいて絞り値・シャッタ速度、ホワイトバランス調整値および階調補正値を演算し、この演算に応じて供給される画像データに対する適切な各パラメータを得られるように積算値を算出する。信号処理部18は、算出された積算値をシステム制御部22に供給する。
【００２４】
また、本実施例において信号処理部18は、工場出荷時に所定の光量を照射し、低感度画素から得られる画素データと所定の閾値とを比較し、低感度画素からの信号電荷読出しにおいて印加する電圧を選択する機能を有する。信号処理部18は、後段の動作で記述するが通常の電圧とこの通常の電圧より高い電圧とを選択する。通常の電圧を15Vとすると、通常の電圧より高い電圧は、たとえば18Vである。信号処理部18は、選択結果を示す信号62を、バス60および信号線64を介して、システム制御部22に供給する。
【００２５】
なお、評価値算出部は、信号処理部18への配設に限定することなく、システム制御部22に配設するようにしてもよい。このとき、信号処理部18は、ガンマ補正した画像データをシステム制御部22に供給すればよい。
【００２６】
信号処理部18には、一般に画像信号としてディジタルデータ58がバス60を介して画像メモリに供給される。信号処理部18における制御は、制御バスを介してシステム制御部22から供給される制御信号64に応じて制御される。信号処理部18には、タイミング信号発生器24から図示しないタイミング信号が供給される。このタイミング信号は、水平同期信号HD、垂直同期信号VDおよび後述する各部の動作クロック等を含む。
【００２７】
前述した処理それぞれについて簡単に説明すると、ガンマ変換は、画像メモリから供給される画像データをルックアップテーブルのデータを用いてガンマ補正する。同時化処理は、ガンマ変換後のデータにおいて本実施例のように撮像部14に単板式の原色の色フィルタが使用されていることから、実際に受光素子（実画素）が配設されていても、配設された色フィルタセグメント以外の色に対応した画素データは存在しない。また、本実施例において、高感度画素だけの読み出しで済む場合、受光素子38からの画素データは、いわゆるハニカム配列の画素が供給されることになる。この場合、受光素子40の位置がハニカム配列における仮想画素になる。本実施例は、この場合、仮想画素としながら、実際の画素データが情報として得られる点で単なるハニカム配列の場合に比べて精度の高い位置（空間）情報が得られることになる。
【００２８】
同時化処理は、上述した実画素および仮想画素のそれぞれに対して存在しない色について考慮しながら、補間して各画素にて三原色すべてを求める処理である。補間処理では、たとえば各画素データの相関に基づいて各画素データに重み係数を乗算し、乗算結果の加算平均により算出する。このように対象の画素に対する３つの原色が同時に揃えることができる。この処理を同時化と呼んでいる。同時化処理は、色Gの画素データや輝度データYを用いて補間処理し、生成する画素データを広帯域化してもよい。同時化した画像データが画像メモリに供給される。
【００２９】
画像変換処理は、同時化した３原色の画像データに所定の係数を乗算し、色差マトリクス処理を行なう。また、画像変換処理は、この他にも生成した輝度データYに対する輪郭強調処理や生成した色データCb, Crに対する色強調処理を施す機能を有している。画像変換処理は、輝度データY、色データ（色差データ）Cb, Crの画像データを画像メモリに供給する。なお、RAWデータ記録する場合、この画像変換処理および圧縮/伸長処理は行なわない。
【００３０】
圧縮/伸長処理は、静止画や動画（ムービ）モードにおいて供給される画像データ（Y/C）や色差データ等にJPEG（Joint Photographic coding Experts Group）やMPEG（Moving Picture coding Experts Group）-1, MPEG-2等の規格でそれぞれ、圧縮処理を施す。画像データに対する伸長処理とは、圧縮処理の逆処理である。
【００３１】
画像縮小処理は、生成した画像データや再生にともなって伸長した画像データ（Y/Cや色差データ）に対してRGB変換を行ない、このRGB変換した画像データをモニタ32が表示可能な画素数にする機能を有する。画像表示における画素数または表示サイズは、間引き処理によって破綻のない画像を生成する。画像縮小処理は、生成した画像データ66をモニタ32に供給する。
【００３２】
画像メモリには、ディジタルデータ、すなわち画像データ62が入力され、一時的に記憶される。また、画像メモリは、前述した各処理では一時記憶した画像データが読み出され、処理後に書き込まれる。画像メモリは、繰り返し読出しを行なう場合、不揮発性メモリを用いることが好ましい。
【００３３】
操作部20は、図示しないがモード選択部およびレリーズシャッタボタンを含む。モード選択部は、静止画撮影モードおよび動画撮影モード、ならびに低感度モードおよび高感度モード等のようにいくつかあるモードのうち、いずれのモードにするかを選択する。この低感度モードおよび高感度モードの選択は、ISO感度を考慮して対応設定することになる。また、モード選択は、たとえばISO感度100〜3200まで設定することができる。モード選択部は、選択したモードを指示信号68としてシステム制御部22に出力する。
【００３４】
レリーズシャッタボタンは、２段階のストロークを有するボタンで、第１段のストロークでディジタルカメラ10を予備撮像の段階（S1）にし、第２段のストロークで本撮像の段階（S2）にするトリガタイミングを指示信号68としてシステム制御部22に出力する。
【００３５】
システム制御部22には、カメラ全体の汎用な部分やディジタル処理を行なう部分を制御するマイクロコンピュータまたはCPU（Central Processing Unit）が用いられている。システム制御部22は、図示しないがシーン判別部や係数を格納するEEPROM（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）、および動作手順の指示プログラムを格納するROM（Read Only Memory）等を含む。システム制御部22は、ソフトウェア的に処理でき、信号処理部18で選択した結果を選択信号64として供給され、供給される選択信号64に応じて低感度画素に対する印加電圧を設定する。この設定は、工場出荷時の情報として固定的に保存される。システム制御部22は、低感度画素に供給する読出しゲートパルスの電圧を規定する駆動制御信号70を生成し、生成した駆動制御信号70をドライバ26に出力する。また、システム制御部22は、駆動制御信号70を生成するだけでなく、高感度画素に供給する読出しゲートパルスの電圧を規定する駆動制御信号72も生成する。駆動制御信号72は、後述するように、設定されたISO感度に応じて比較判定され、ドライバ26が出力する読出しゲートパルスの電圧を制御する。
【００３６】
システム制御部22は、操作部20から供給されるトリガタイミングを示す指示信号68に応じて制御信号74を生成する。システム制御部22は、生成した制御信号74をタイミング信号発生器24に出力する。また、システム制御部22は、信号処理部18内におけるライン補間や信号発生回路に対する制御および信号処理を行なう上での制御も考慮した制御信号64を生成し、メディア30に対する読出し/書込み制御も行なっている。また、図示しないが、システム制御部22は、前処理部16における動作タイミング制御も行っている。
【００３７】
タイミング信号発生器24は、図示しない、基準とするクロック信号を基に各種のタイミング信号を生成する機能を有する。タイミング信号には、水平転送信号の他、垂直同期信号、水平同期信号、フィールドシフトパルス、垂直転送信号、および電子シャッタパルス等がある。また、タイミング信号発生器24は、CDSパルス54および変換クロック信号56も生成して、前処理部16に供給している。タイミング信号発生器24は、これら生成した垂直同期信号、水平同期信号、フィールドシフトパルス、垂直転送信号、水平転送信号および電子シャッタパルスを含むタイミング信号76をドライバ26に供給する。
【００３８】
ドライバ26は、図３に示すように、供給されるタイミング信号76や制御信号70および72を基に駆動信号78および80を生成する駆動回路82ないし88を含む。駆動回路82および84は、通常の駆動電圧15Vと通常より高い駆動電圧18をそれぞれ制御信号70に応じて駆動信号78を出力する。また、駆動回路86および88も、通常の駆動電圧15Vと通常より高い駆動電圧18をそれぞれ制御信号72に応じて駆動信号80を出力する。
【００３９】
このように、ドライバ26は、タイミング信号76を基に所定の電圧で生成した駆動信号78および80を撮像部14の固体撮像素子36に供給し、各受光素子の感光領域に信号電荷を露光期間中に蓄積させる。さらに、ドライバ26は、操作部22のレリーズシャッタボタンから供給される本撮像のタイミングに応動してメカニカルシャッタを開閉させる図示しない駆動信号もメカニカルシャッタに出力する。
【００４０】
図４に示すように、メカニカルシャッタが時刻T1にて開から閉状態に移行し、露光を終了する。所定の時間が経過した後、垂直同期信号V-Syncが出力される。水平駆動信号φH1は、スミア掃出し信号として正電位の信号を出力する。また、水平駆動信号φH2は、水平駆動信号φH1と同じタイミングで負電位の信号を出力する。時刻T1後、最初の垂直同期信号と時刻T2に供給される次の垂直同期信号の間が第１フィールドであり、時刻T2の垂直同期信号と時刻T3で供給される垂直同期信号との間が第２フィールドである。
【００４１】
第１フィールドでは、時刻T4にて垂直駆動信号φV1、φV3、φV5およびφV7が印加される電極が接続された主画素に相当する受光素子から信号電荷を読み出す。この場合の読出しゲートシフトパルスでは、通常の電圧15Vを印加する。また、第２フィールドでは、時刻T5にて垂直駆動信号φV2、φV4、φV6およびφV8が印加される電極が接続された副画素に相当する受光素子から信号電荷を読み出す。この場合の読出しゲートシフトパルスでは、通常の電圧15Vより高い電圧18Vを印加する。このように読出しゲートシフトパルスの電圧は、所定の条件に一致するか否かに応じて設定される。所定の条件については、後述する。
【００４２】
図２に戻って、この後、ドライバ26は、蓄積した信号電荷を垂直転送路42に読み出して、図示しない水平転送路に転送させる。固体撮像素子36は、さらに読み出した信号電荷を、この水平転送路、出力アンプに送り、アナログ電圧信号52として出力する。
【００４３】
メディアインタフェース回路28は、メディア30のカード記録媒体との書込み/読出しにおける電気的な特性を調整したり、タイミング調整したりする入出力インタフェース機能を有し、処理された画像データ90を入力し、出力信号92としてメディア30に出力している。また、メディアインタフェース回路28は、メディア30に圧縮した画像データ90および92を介して書き込んだり、メディア30から記録された画像データ92および90を読み出したりする。
【００４４】
ストレージ30は、半導体メモリ等を記録媒体として用いて、信号処理部18から供給される画像データ92を記録する。データの書込み/読出しは、図示しないがシステム制御部22からの制御信号に応じて制御される。モニタ32は、図示しない表示コントローラにより供給される画像データ66が表示デバイスにて動作することにより画像表示される。
【００４５】
ところで、画素または受光素子毎に固有のインパクトイオン化は、ゲイン性のばらつきにともなう固有の画素ばらつきとして現れる。この固有の画素ばらつきは、たとえば平均化画像でも見ることができる。このように固有のインパクトイオン化は、固定パターンノイズの増加につながる。
【００４６】
一方、遮光時のノイズのように、暗時のノイズは、主成分がアンプノイズである。したがって、電荷がアンプを通過する前に、インパクトイオン化を用いて電荷を増幅しておくと、信号成分だけが増幅されることになる。この増幅後に、電荷がアンプを通過すると、信号品質は、等価的に暗時ノイズを低下させたことに相当する。他方、光ショットノイズは、発生した電荷量の平方根に一致する。このため、アンプでの増幅もアンプ通過前の増幅も与える影響は同じである。
【００４７】
通常の電圧にともなって生じるノイズとインパクトイオン化させた際のノイズを各成分について評価する。
【００４８】
ここで、ノイズの各成分とは、ショットノイズNshot、暗時ノイズNdark、固定パターンノイズNFPNであり、全ノイズをNTotalとする。[LSB]は、ディジタル化した最下位ビットでのノイズ量を示す。また、変数ADは、ディジタル化におけるゲイン、変数FDAは、電荷/電圧変換におけるゲイン、変数Sは信号量、変数ADIIはインパクトイオン化率を考慮したディジタル化におけるゲイン、係数CIIはインパクトイオン化率を考慮した係数、変数Dはミリボルト、変数FPNは固定パターンノイズの割合および変数FPNIIはインパクトイオン化率を考慮した固定パターンノイズの割合である。
【００４９】
通常の電圧にともなって生じるノイズは、下記で表わされる。
【００５０】
【数１】
2008091437.tif 000003
【００５１】
また、インパクトイオン化させた際のノイズは、下記で表わされる。
【００５２】
【数２】
2008091437.tif 000004
【００５３】
各ノイズ成分を比較する。ここで、変数ADII×係数CIIは変数ADを示す。したがって、光ショットノイズNshotは通常の電圧にともなって生じるノイズでもインパクトイオン化させた際のノイズでも同じになることがわかる。また、係数CIIは1.0より大きい値であるから、変数ADの値は、変数ADIIの値より大きい。暗時ノイズNdarkはインパクトイオン化させた際のノイズ、すなわち式(7)の方が小さい。さらに、インパクトイオン化は、画素固有の現象であることから、固定パターンノイズNFPNは、インパクトイオン化させた際のノイズの方が通常の電圧にともなって生じるノイズより大きい。
【００５４】
ところで、固定パターンノイズNFPNは、信号量Sに比例することから、３つのノイズ成分中、信号Sが大きい、すなわち明るいときにノイズの影響が最大になる。これに対して、暗時ノイズNdarkは定数で表わされることから、３つのノイズ成分中、信号Sが小さい、すなわち暗いときにノイズの影響が最大になる。このような関係があることから、明るいときにノイズの影響を受けることは得策でない。したがって、高感度画素から信号電荷を読み出す際には、インパクトイオン化を発生させない。また、低感度画素から信号電荷を読み出す際には、インパクトイオン化を発生させた方が好ましい。これにより、高感度画素と低感度画素から読み出した信号の品質を高S/Nにすることができる。
【００５５】
なお、このインパクトイオン化の発生原理に従うと、低感度画素の感度が高い場合、インパクトイオン化を発生させずに済む場合がある。
【００５６】
次に固体撮像素子36に対する信号電荷読出しについて記述する。図５に所定の光源から固体撮像素子36に対して入射光を照射させた際の工場出荷時における処理手順について記載する。入射光を照射し、固体撮像素子36にて露光する。高感度画素または主感光画素の読出しパルスを正電圧15Vに設定する（ステップS10）。システム制御部22は、レベル“L”の制御信号72を生成し、ドライバ26に出力する。ドライバ26は、高感度ドライバ86を動作可能にする。
【００５７】
次に低感度画素または低感光画素の読出しパルスを正電圧15Vに設定する（ステップS12）。システム制御部22は、レベル“L”の制御信号70を生成し、ドライバ26に出力する。ドライバ26は、低感度ドライバ82を動作可能にする。
【００５８】
これらの設定に応じた読出しパルスをそれぞれ、第１フィールドと第２フィールドで出力する。この手順においては、第２フィールドで低感度画素または低感度画素から読み出した信号電荷を変換し、低感度画素の画素データとして取得する（ステップS14）。低感度画素の画素データは、信号処理部18に供給され、図示しないが評価部で信号品質が数値化される。数値化された評価値はシステム制御部22に供給される。
【００５９】
システム制御部22では取得した信号品質、すなわち評価値があらかじめ設定された閾値より大きいか否かを判定する（ステップS16）。評価値が閾値より大きい場合（YES）、設定を変更せず、処理手順を終了する。こにより、不要なインパクトイオン化を発生させなくて済むことが評価される。また、評価値が閾値以下の場合（NO）、設定変更に進む（ステップS18へ）。
【００６０】
設定変更とは、検査対象である固体撮像素子36における低感度画素からの読出しパルスを通常より高い正電圧18Vに設定することである（ステップS18）。これは、低感度画素から信号電荷を読み出す際にインパクトイオン化を発生させる設定である。システム制御部22は、低感度画素の読出しをこの設定にすることにより、レベル“H”の制御信号70を生成し、ドライバ26に出力する。これにより、設定変更した場合、低感度ドライバ84が動作することになる。この設定変更後、処理手順を終了する。
【００６１】
これにより、インパクトイオン化を適切に行なわせることができ、効果が得られないインパクトイオン化を避けて、無駄な電力消費を防ぐことができる。
【００６２】
次にディジタルカメラ10における撮影手順について図６を参照しながら、記載する。ユーザ設定でインパクトイオン化を発生させる閾値は、ISO感度を基にあらかじめ操作部20を介して、システム制御部22に設定する。閾値は、たとえばISO400に設定する。実際に撮影する際のISO感度は、閾値と別なユーザ設定でシステム制御部22に設定されている。
【００６３】
ディジタルカメラ10は、システム制御部22で実際に撮影する際のISO感度がユーザ設定された閾値より高いか否かを判断する（ステップS20）。ISO感度が閾値より高い場合（YES）、高感度画素の読出しパルスを高電圧に設定変更する処理に進む（ステップS22へ）。また、ISO感度が閾値以下の場合（NO）、高感度画素の読出しパルスを通常の電圧に設定する処理に進む（ステップS24へ）。
【００６４】
閾値より高いISO感度で高感度画素の読出しパルスは、高電圧として正電圧18Vに設定変更する（ステップS22）。閾値以下のISO感度で高感度画素の読出しパルスは、通常の正電圧15Vに設定する（ステップS24）。
【００６５】
このようにして高感度画素の読出しパルスの電圧を設定した後、システム制御部22は低感度画素の読出しパルスの電圧を、正電圧18Vに設定する（ステップS26）。
【００６６】
なお、低感度画素の読出しパルスは、先の工場出荷時の設定に応じた電圧にしてもよい。
【００６７】
このようにして高感度および低感度画素の読出しパルスにおける電圧を設定し、操作部20のレリーズシャッタボタンを所望のタイミングで押圧し、撮像する（ステップS28）。この撮像において、固体撮像素子36は、設定に応じた高感度および低感度画素の読出しパルスで信号電荷を出力する。高ISO感度の設定で高感度画素からの信号もS/Nが低い場合、高感度画素の読出しにおいてもインパクトイオン化を発生させる。これにより、ディジタルカメラ10は、高感度および低感度画素から読み出した信号を高S/N化することができる。
【００６８】
ディジタルカメラ10は、固体撮像素子36から読み出された画像信号をディジタル化し、信号処理部18に送る。信号処理部18は、供給される画像データを基に信号処理する（ステップS30）。信号処理した画像データは、メディアIF回路28を介してメディア30に記録される（ステップS32）。この記録の後、静止画記録を終了する。
【００６９】
このように動作させることにより、高感度および低感度画素から得られる信号をともに高S/N化することができる。
【００７０】
次に本発明に係る固体撮像装置を適用したディジタルカメラ10の固体撮像素子36における他の実施例について図７に示す。図７に示す固体撮像素子36には、先の実施例の構成要素と共通する構成要素に同じ参照符号を付して、煩雑な記述の繰り返しを回避して、記述を省略する。
【００７１】
本実施例の固体撮像素子36を適用しても、先の実施例と同様に高感度および低感度画素から得られる信号をともに高S/N化することができることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明に係る固体撮像装置を適用したディジタルカメラの固体撮像素子における実施例の概略的な構成を示す平面図である。
【図２】図１の固体撮像素子を適用したディジタルカメラにおける概略的な構成を示すブロック図である。
【図３】図２のドライバにおける概略的な構成を示すブロック図である。
【図４】図２のドライバが出力する駆動信号の電圧およびタイミングを示すタイミングチャートである。
【図５】図１の固体撮像素子における低感度画素に対する読出しパルスの電圧を設定する手順を記載するフローチャートである。
【図６】図１の固体撮像素子における読出しパルスの電圧をユーザ設定に応じて設定する手順を記載するフローチャートである。
【図７】本発明に係る固体撮像装置を適用したディジタルカメラの固体撮像素子における他の実施例の概略的な構成を示す平面図である。
【符号の説明】
【００７３】
10  ディジタルカメラ
14  撮像部
22  システム制御部
24  タイミング信号発生器
26  ドライバ
【図１】
2008091437.tif 000005
【図２】
2008091437.tif 000006
【図３】
2008091437.tif 000007
【図４】
2008091437.tif 000008
【図５】
2008091437.tif 000009
【図６】
2008091437.tif 000010
【図７】
2008091437.tif 000011