(57)【要約】【課題】  光電変換素子に蓄積された電荷を一時的に蓄える蓄積部を複数の画素で共有する画素構造において、ダイナミックレンジを拡大すること。【解決手段】  光電変換装置１０１の制御部１４は、第１のフォトダイオードＰＤ１の蓄積電荷量が飽和電荷量を超える場合には、その余剰電荷をフローティングディフュージョンＦＤに排出する第１の動作で制御を行い、第２のフォトダイオードＰＤ２の蓄積電荷量が飽和電荷量を超える場合には、その余剰電荷を電荷排出領域に排出する第２の動作で制御を行う。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を電荷に光電変換する第１の光電変換素子及び第２の光電変換素子と、前記第１、第２の光電変換素子に蓄積された電荷を一時的に蓄える蓄積部と、前記第１、第２の光電変換素子から前記蓄積部に転送された電荷を電圧に変換して出力する出力部とを有する画素が、二次元に配列された光電変換装置であって、
前記第１の光電変換素子の蓄積電荷量が飽和電荷量を超える場合には、その余剰電荷を前記蓄積部に排出する第１の動作で制御を行い、前記第２の光電変換素子の蓄積電荷量が飽和電荷量を超える場合には、その余剰電荷を電荷排出領域に排出する第２の動作で制御を行う制御部を備えることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記電荷排出領域は、前記第２の光電変換素子の近傍に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記電荷排出領域は、更に、前記第１の光電変換素子の近傍に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記第１の光電変換素子と前記蓄積部との間に配置された第１の転送スイッチと、
前記第２の光電変換素子と前記蓄積部との間に配置された第２の転送スイッチと、
前記第１の光電変換素子と前記電荷排出領域との間に配置された第１の電荷排出スイッチと、
前記第２の光電変換素子と前記電荷排出領域との間に配置された第２の電荷排出スイッチと、
を備え、
前記制御部は、前記第１の動作で制御を行う場合には、前記第１の電荷排出スイッチに与える電圧よりも高い電圧を前記第１の転送スイッチに与え、前記第２の動作で制御を行う場合には、前記第２の電荷排出スイッチに与える電圧よりも低い電圧を前記第２の転送スイッチに与えるように制御を行うことを特徴とする請求項３に記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記画素には複数色の色フィルタが配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記第１、第２の光電変換素子とは異なる測色手段と、
前記測色手段で取得した画像情報のうち感度の高い色を判定する色判定手段と、
を備え、
前記制御部は、前記第１、第２の光電変換素子のうち、前記色判定手段で感度が高いと判定された色フィルタが配置された光電変換素子を前記第１の動作で駆動するように制御を行うことを特徴とする請求項５に記載の光電変換装置。
【請求項７】
前記第１、第２の光電変換素子から本撮影前に取得した画像情報に基づいて感度の高い色を判定する色判定手段を備え、
前記制御部は、前記第１、第２の光電変換素子のうち、前記色判定手段で感度が高いと判定された色フィルタを有する光電変換素子を前記第１の動作で駆動するように制御を行うことを特徴とする請求項５に記載の光電変換装置。
【請求項８】
光学系と、
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
を備えることを特徴とする撮像装置。
【請求項９】
光を電荷に光電変換する第１の光電変換素子及び第２の光電変換素子と、前記第１、第２の光電変換素子に蓄積された電荷を一時的に蓄える蓄積部と、前記第１、第２の光電変換素子から前記蓄積部に転送された電荷を電圧に変換して出力する出力部とを有する画素が、二次元に配列された光電変換装置を制御する方法であって、
前記第１の光電変換素子の蓄積電荷量が飽和電荷量を超える場合には、その余剰電荷を前記蓄積部に排出し、前記第２の光電変換素子の蓄積電荷量が飽和電荷量を超える場合には、その余剰電荷を電荷排出領域に排出する第２の動作で制御することを特徴とする光電変換装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置及びその制御方法並びに撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、撮像素子のダイナミックレンジを拡大する方法として、多くの提案がなされている。
【０００３】
特許文献１は、フォトダイオード（以下「ＰＤ」という。）に入射した光の対数に応じた信号を出力する技術を開示している。
【０００４】
特許文献２は、ＰＤとフローティングディフュージョン（以下「ＦＤ」という。）の両方で光電変換を行うことによって、ダイナミックレンジを拡大する技術を開示している。
【０００５】
特許文献３は、ＰＤで発生した電荷をＦＤに複数回転送することによって、ダイナミックレンジを拡大する技術を開示している。
【０００６】
撮像素子では、ＰＤに蓄積された信号電荷が飽和信号量を超えると、ポテンシャル障壁の低いところに漏れ込むことがある。図１２にその様子を示す。図１２は、上部に各部の断面構造を示し、下部にそのポテンシャル分布を示す。ポテンシャル分布の縦軸は絶縁膜下の半導体基板の表面電位を表す。下部に示すポテンシャル分布の横方向位置は、上部に示す断面構造の横方向位置に対応する。後述する図３、図５及び図１３も、同様にして図示される。図１２（ａ）に示すように、ＰＤで発生した信号電荷は、ＰＤの寄生容量に蓄積される。ＰＤの寄生容量に蓄積された信号電荷が飽和信号量を超えると、図１２（ｂ）に示すように、転送スイッチＴＸのポテンシャル障壁を超えてＦＤに漏れ込む。
【０００７】
特許文献４は、図１２に示す現象を利用して、ＦＤに漏れ込んだ信号電荷をＰＤで発生した信号電荷と足し合わせることによって、ダイナミックレンジを拡大する技術を開示している。
【０００８】
また、近年の撮像素子では、画素の縮小化のために、画素内に配置されたＰＤの信号を読み出す回路（信号読み出し回路）を複数のＰＤで共有して、画素ピッチを狭めることが試みられている。
【特許文献１】特開平１１−３１３２５７号公報
【特許文献２】特開２０００−５９６８８号公報
【特許文献３】特開２００１−１７７７７５号公報
【特許文献４】特開２００３−８７６６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、信号読み出し回路を共有する画素構造では、ＰＤで発生した余剰電荷をＦＤで捕捉してダイナミックレンジを拡大する方法を適用することが、極めて困難である。以下、図１３及び図１４を用いてその様子を説明する。
【００１０】
図１３は、上部に各部の断面構造を示し、下部にそのポテンシャル分布を示す図である。図１４は、各部の蓄積電荷量と露光時間との関係を示す図である。図１４において、横軸は時間、縦軸は電荷量を示す。図１３（ａ）は図１４の時刻ｔ５１における画素の状態、図１３（ｂ）は図１４の時刻ｔ５２における画素の状態、図１３（ｃ）は図１４の時刻ｔ５３における画素の状態、図１３（ｄ）は図１４の時刻ｔ５４における画素の状態にそれぞれ対応する。また、図１４（ａ）はＰＤ１の蓄積電荷量と露光時間との関係、図１４（ｂ）はＰＤ２の蓄積電荷量と露光時間との関係、図１４（ｃ）はＦＤの蓄積電荷量と露光時間との関係をそれぞれ示す。ここでは、信号読み出し回路を共有する２つのＰＤのうち、先に読み出すＰＤをＰＤ１とし、後に読み出すＰＤをＰＤ２とする。また、ＰＤ１がＰＤ２よりも高感度の色フィルタを有する画素であるとする。
【００１１】
時刻ｔ５１（図１３（ａ）に対応）では、ＰＤ１、ＰＤ２及びＦＤがリセットされ、信号電荷の蓄積が開始される。
【００１２】
時刻ｔ５２（図１３（ｂ）に対応）では、ＰＤ１及びＰＤ２において信号電荷が蓄積される。
【００１３】
時刻ｔ５３（図１３（ｃ）に対応）では、ＰＤ１の蓄積電荷量が飽和電荷量を超えている。ＰＤ１では、転送スイッチＴＸ１側のポテンシャル障壁が最も低いため、ＰＤ１で発生した信号電荷がＦＤに漏れ出す。
【００１４】
時刻ｔ５４（図１３（ｄ）に対応）では、ＰＤ１及びＰＤ２において蓄積電荷量が飽和電荷量を超えている。ＰＤ２では、転送スイッチＴＸ２側のポテンシャル障壁が最も低い。そのため、ＰＤ１の飽和電荷量以上の余剰電荷とＰＤ２の飽和電荷以上の余剰電荷とが、共にＦＤに漏れ出し、ＦＤにはＰＤ１とＰＤ２の信号電荷が混在する。
【００１５】
上述のように、ＦＤを共有する複数の画素からＦＤに信号電荷が漏れ込むと、両画素のＰＤから漏れ込んだ信号電荷が混在する。そのため、カラーフィルタを規則的に配列した撮像素子では、他の色フィルタを有する隣の画素の情報が混入し、本来得るべき信号とは異なる信号となる。その結果、ＦＤを共有する画素構成の撮像装置では、ＰＤで発生した余剰電荷をＦＤで捕捉してダイナミックレンジを拡大することが極めて困難であった。
【００１６】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、光電変換素子に蓄積された電荷を一時的に蓄える蓄積部を複数の画素で共有する画素構造において、ダイナミックレンジを拡大することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の第１の側面は、光を電荷に光電変換する第１の光電変換素子及び第２の光電変換素子と、前記第１、第２の光電変換素子に蓄積された電荷を一時的に蓄える蓄積部と、前記第１、第２の光電変換素子から前記蓄積部に転送された電荷を電圧に変換して出力する出力部とを有する画素が、二次元に配列された光電変換装置に係り、前記第１の光電変換素子の蓄積電荷量が飽和電荷量を超える場合には、その余剰電荷を前記蓄積部に排出する第１の動作で制御を行い、前記第２の光電変換素子の蓄積電荷量が飽和電荷量を超える場合には、その余剰電荷を電荷排出領域に排出する第２の動作で制御を行う制御部を備えることを特徴とする。
【００１８】
本発明の第２の側面は、撮像装置に係り、光学系と、上記の光電変換装置と、を備えることを特徴とする。
【００１９】
本発明の第３の側面は、光を電荷に光電変換する第１の光電変換素子及び第２の光電変換素子と、前記第１、第２の光電変換素子に蓄積された電荷を一時的に蓄える蓄積部と、前記第１、第２の光電変換素子から前記蓄積部に転送された電荷を電圧に変換して出力する出力部とを有する画素が、二次元に配列された光電変換装置を制御する方法に係り、前記第１の光電変換素子の蓄積電荷量が飽和電荷量を超える場合には、その余剰電荷を前記蓄積部に排出し、前記第２の光電変換素子の蓄積電荷量が飽和電荷量を超える場合には、その余剰電荷を電荷排出領域に排出する第２の動作で制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、光電変換素子に蓄積された電荷を一時的に蓄える蓄積部を複数の画素で共有する画素構造において、ダイナミックレンジを拡大することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
【００２２】
図１は、本発明の好適な実施の形態に係る撮像部１００の構成を示す図である。光電変換装置１０１には、撮像面の垂直方向及び水平方向に複数の画素が配列されている。垂直選択手段１０２は、行選択線ＶＳＥＬ１〜ＶＳＥＬｍ毎に画素から電気信号を読み出す制御パルスを出力する。行選択線ＶＳＥＬ１〜ＶＳＥＬｍにより選択された各画素の電気信号は、水平選択手段１０４により印加された列選択線ＶＳＩＧ１〜ＶＳＩＧｍの制御パルスにより選択される。列選択線ＶＳＩＧ１〜ＶＳＩＧｍの制御パルスにより選択された画素の出力信号は、ＣＤＳ回路１０３によりＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｓａｍｐｌｉｎｇ）処理が施される。ＣＤＳ回路１０３で処理された信号は、出力線１０５から順次出力される。
【００２３】
図２は、図１の光電変換装置１０１に配置された画素の詳細を示す図である。２０１は信号読み出し回路を共有する２つの画素を示す。ＰＤ１、ＰＤ２は光を電荷に変換するフォトダイオード（以下「ＰＤ」という。）である。ＴＸ１、ＴＸ２はそれぞれ転送パルスΦＴＸ１、ΦＴＸ２によって駆動され、ＰＤ１、ＰＤ２で発生した電荷をＦＤにそれぞれ転送する転送スイッチである。
【００２４】
ＦＤは電荷を一時的に蓄積する蓄積部（フローティングディフュージョン）である。２０７はソースフォロアとして機能する増幅ＭＯＳアンプである。２０８は垂直選択パルスΦＳＥＬによって画素を選択する選択スイッチである。２０９はリセットパルスΦＲＥＳによってＦＤに蓄積された電荷を除去するリセットスイッチである。ＦＤ、増幅ＭＯＳアンプ２０７及び信号読み出し回路に接続された不図示の定電流源によりフローティングディフュージョンアンプ（以下、「ＦＤＡ」という。）が構成される。選択スイッチ２０８で選択された画素の信号電荷は、電圧に変換されて、読み出し出力線２１０を介して図１のＣＤＳ回路１０３に出力される。ＰＤ１、ＰＤ２は、転送スイッチＴＸ１、ＴＸ２に別々に接続されるが、ＦＤ、増幅ＭＯＳアンプ２０７、選択スイッチ２０８及びリセットスイッチ２０９で構成される信号読み出し回路を共有する。
【００２５】
図３及び図４を用いて、ＦＤを共有する画素の電荷の状態を説明する。図３は、上部に各部の断面構造を示し、下部にそのポテンシャル分布を示す図である。図４は、各部の蓄積電荷量と露光時間との関係を示す図である。図４において、横軸は時間、縦軸は電荷量を示す。図３（ａ）は図４の時刻ｔ７１における画素の状態、図３（ｂ）は図４の時刻ｔ７２における画素の状態、図３（ｃ）は図４の時刻ｔ７３における画素の状態、図３（ｄ）は図４の時刻ｔ７４における画素の状態にそれぞれ対応する。また、図４（ａ）はＰＤ１の蓄積電荷量と露光時間との関係、図４（ｂ）はＰＤ２の蓄積電荷量と露光時間との関係、図４（ｃ）はＦＤの蓄積電荷量と露光時間との関係をそれぞれ示す。ここでは、ＰＤ１がＰＤ２よりも高感度の色フィルタを有する画素であるとする。
【００２６】
時刻ｔ７１（図３（ａ）に対応）では、ＰＤ１、ＰＤ２及びＦＤがリセットされ、信号電荷の蓄積が開始される。
【００２７】
時刻ｔ７２（図３（ｂ）に対応）では、ＰＤ１及びＰＤ２において信号電荷が蓄積される。
【００２８】
時刻ｔ７３（図３（ｃ）に対応）では、ＰＤ１の蓄積電荷量が飽和電荷量を超えている。ＰＤ１では、転送スイッチＴＸ１側のポテンシャル障壁が最も低いため、ＰＤ１で発生した信号電荷がＦＤに漏れ出す。図３（ｃ）の下側のポテンシャル分布を参照すると、ＰＤ１の左側の半導体領域（ｐ型半導体）ポテンシャル障壁が十分に高いため、ＴＸ１のゲート電極に大きな負の電位のφＴＸ１を与えない限り、このようなポテンシャル分布は容易に得られる。
【００２９】
時刻ｔ７４（図３（ｄ）に対応）では、ＰＤ１及びＰＤ２において蓄積電荷量が飽和電荷量を超えている。このとき、ＰＤ２では、ＯＦＤ側のポテンシャル障壁が転送スイッチＴＸ２側のポテンシャル障壁よりも低くなっている。そのため、ＰＤ２に蓄積された飽和電荷量以上の余剰電荷は、ＦＤに漏れ出さずにＯＦＤに漏れ出す。ＦＤとＰＤ２との間の半導体領域（チャネル）の構成がＯＦＤとＰＤ２との間の半導体領域の構成と略同一であるとすると、ＴＸ２のゲート電極に負の電位のφＴＸ２を与えることによって、このようなポテンシャル分布が得られる。これは、ＴＸ２のゲート電極に負の電位を与えることによって、転送スイッチＴＸ２の下のポテンシャル（電位）が下がり、転送スイッチＴＸ２の下のポテンシャル障壁が高くなるからである。このように、時刻ｔ７４では、ＰＤ１に蓄積された飽和電荷量以上の余剰電荷はＦＤに漏れ出す。ＰＤ２に蓄積された飽和電荷量以上の余剰電荷はＦＤに漏れ出さずにＯＦＤに漏れ出す。
【００３０】
次に、図４及び図５を用いて、ＯＦＤをＰＤ１、ＰＤ２の両方に有する画素の電荷の状態を説明する。図５は、上部に各部の断面構造を示し、下部にそのポテンシャル分布を示す図である。図５（ａ）は図４の時刻ｔ７１における画素の状態、図５（ｂ）は図４の時刻ｔ７２における画素の状態、図５（ｃ）は図４の時刻ｔ７３における画素の状態、図５（ｄ）は図４の時刻ｔ７４における画素の状態にそれぞれ対応する。
【００３１】
時刻ｔ７１（図５（ａ）に対応）では、ＰＤ１、ＰＤ２及びＦＤがリセットされ、信号電荷の蓄積が開始される。
【００３２】
時刻ｔ７２（図５（ｂ）に対応）では、ＰＤ１及びＰＤ２において信号電荷が蓄積される。
【００３３】
時刻ｔ７３（図５（ｃ）に対応）では、ＰＤ１の蓄積電荷量が飽和電荷量を超えている。このとき、ＰＤ１では、転送スイッチＴＸ１側のポテンシャル障壁がＯＦＤ側のポテンシャル障壁よりも低くなっている。そのため、ＰＤ１に蓄積された飽和電荷量以上の余剰電荷は、ＯＦＤに漏れ出さずにＦＤに漏れ出す。ＯＦＤとＰＤ１との間の半導体領域の構成がＦＤとＰＤ１との間の半導体領域（チャネル）の構成と略同一であるとすると、ＴＸ１のゲート電極に正の電位のφＴＸ１を与えることによって、このようなポテンシャル分布が得られる。これは、ＴＸ１のゲート電極に正の電位を与えることによって、転送スイッチＴＸ１の下のポテンシャル（電位）が上がり、転送スイッチＴＸ１の下のポテンシャル障壁が低くなるからである。なお、ＯＦＤとＰＤ１との間の半導体領域の構成によっては、ＴＸ１のゲート電極にゼロ又は弱い負の電位のφＴＸ１を与えることによっても、図５（ｃ）に示すポテンシャル分布が得られる。このように、時刻ｔ７３では、ＰＤ１で発生した信号電荷はＦＤに漏れ出すが、ＯＦＤには漏れ出さない。
【００３４】
時刻ｔ７４（図５（ｄ）に対応）では、ＰＤ１及びＰＤ２において蓄積電荷量が飽和電荷量を超えている。このとき、ＰＤ２では、ＯＦＤ側のポテンシャル障壁が転送スイッチＴＸ２側のポテンシャル障壁よりも低くなっている。そのため、ＰＤ２に蓄積された飽和電荷量以上の余剰電荷は、ＦＤに漏れ出さずにＯＦＤに漏れ出す。ＦＤとＰＤ２との間の半導体領域（チャネル）の構成がＯＦＤとＰＤ２との間の半導体領域の構成と略同一であるとすると、ＴＸ２のゲート電極に負の電位のφＴＸ２を与えることによって、このようなポテンシャル分布が得られる。これは、ＴＸ２のゲート電極に負の電位を与えることによって、転送スイッチＴＸ２の下のポテンシャル（電位）が下がり、転送スイッチＴＸ２の下のポテンシャル障壁が高くなるからである。このように、時刻ｔ７４では、ＰＤ１に蓄積された飽和電荷量以上の余剰電荷はＦＤに漏れ出す。ＰＤ２に蓄積された飽和電荷量以上の余剰電荷はＦＤに漏れ出さずにＯＦＤに漏れ出す。
【００３５】
このように、図３のように、ＰＤ２のみにＯＦＤが配置された場合でも、図５及び図６のように、ＰＤ１及びＰＤ２の両方にＯＦＤが配置された場合でも、ＰＤ１の余剰電荷がＦＤに漏れ出し、ＰＤ２の余剰電荷がＯＦＤに漏れ出す。
【００３６】
ＦＤに漏れ出した電荷は、読み出した後にＰＤ１の信号と足し合わせることによって、従来の信号読み出し回路が１画素である構成と同様の方法でダイナミックレンジを拡大することができる。
【００３７】
説明のため、ＦＤを共有するＰＤを２個としたが、これに限定されず、例えば３個以上であってもよい。２個のＰＤでＦＤを共有する場合には、後述の方法によって、より効果的にダイナミックレンジを拡大することができる。
【００３８】
図５に示す構成では、ＴＸ１、ＴＸ２に印加するφＴＸ１、φＴＸ２の電圧によって、電荷排出をＯＦＤ側で行うかＦＤ側で行うかを決定している。しかしながら、図６に示すような構成であってもよい。
【００３９】
図６は、転送スイッチの他に電荷排出スイッチを有する構造を示す。図６（ａ）は図４の時刻ｔ７１における画素の状態、図６（ｂ）は図４の時刻ｔ７２における画素の状態、図６（ｃ）は図４の時刻ｔ７３における画素の状態、図６（ｄ）は図４の時刻ｔ７４における画素の状態にそれぞれ対応する。
【００４０】
時刻ｔ７１（図６（ａ）に対応）では、ＰＤ１、ＰＤ２及びＦＤがリセットされ、信号電荷の蓄積が開始される。
【００４１】
時刻ｔ７２（図６（ｂ）に対応）では、ＰＤ１及びＰＤ２において信号電荷が蓄積される。
【００４２】
時刻ｔ７３（図６（ｃ）に対応）では、ＰＤ１の蓄積電荷量が飽和電荷量を超えている。ＰＤ１では、転送スイッチＴＸ１側のポテンシャル障壁が電荷排出スイッチＴＯＦＤ１側のポテンシャル障壁よりも低くなっている。そのため、ＰＤ１に蓄積された飽和電荷量以上の余剰電荷は、ＯＦＤに漏れ出さずにＦＤに漏れ出す。ＦＤとＰＤ１との間の半導体領域（チャネル）の構成がＯＦＤとＰＤ１との間の半導体領域（チャネル）の構成と略同一であるとすると、φＴＸ１の電位をφＴＯＦＤ１の電位よりも高くすることによって、このようなポテンシャル分布が得られる。これは、φＴＸ１の電位をφＴＯＦＤ１の電位よりも高くすると、転送スイッチＴＸ１の下のポテンシャル（電位）が電荷排出スイッチＴＯＦＤ１の下のポテンシャル（電位）よりも相対的に高くなる。そして、転送スイッチＴＸ１の下のポテンシャル障壁が電荷排出スイッチＴＯＦＤ１の下のポテンシャル障壁よりも相対的に低くなるからである。
【００４３】
時刻ｔ７４（図６（ｄ）に対応）では、ＰＤ１及びＰＤ２の両方において蓄積電荷量が飽和電荷量を超えている。このとき、ＰＤ２では、電荷排出スイッチＴＯＦＤ２側のポテンシャル障壁が転送スイッチＴＸ２側のポテンシャル障壁よりも低くなっている。そのため、ＰＤ２に蓄積された飽和電荷量以上の余剰電荷は、ＦＤに漏れ出さずにＯＦＤに漏れ出す。ＦＤとＰＤ２との間の半導体領域（チャネル）の構成がＯＦＤとＰＤ２との間の半導体領域（チャネル）の構成と略同一であるとすると、φＴＸ２の電位をφＴＯＦＤ２の電位よりも低くすることによって、このようなポテンシャル分布が得られる。これは、φＴＸ２の電位をφＴＯＦＤ２の電位よりも低くすると、転送スイッチＴＸ２の下のポテンシャル（電位）が電荷排出スイッチＴＯＦＤ２の下のポテンシャル（電位）よりも相対的に低くなる。そして、転送スイッチＴＸ２の下のポテンシャル障壁が電荷排出スイッチＴＯＦＤ２の下のポテンシャル障壁よりも相対的に高くなるからである。このように、時刻ｔ７４では、ＰＤ１に蓄積された飽和電荷量以上の余剰電荷はＦＤに漏れ出す。ＰＤ２に蓄積された飽和電荷量以上の余剰電荷はＦＤに漏れ出さずにＯＦＤに漏れ出す。
【００４４】
図７は、図６に示す画素の詳細を示す図である。図２と同様の構成には、同じ参照符号を付している。ＯＦＤは余剰電荷を排出するオーバーフロードレインであり、電荷排出スイッチＴＯＦＤ１、ＴＯＦＤ２を介してそれぞれＰＤ１、ＰＤ２と接続されている。電荷排出スイッチＴＯＦＤ１、ＴＯＦＤ２はそれぞれ電荷排出パルスΦＴＯＦＤ１、ΦＴＯＦＤ２によって駆動される。そして、φＴＸ１、φＴＸ２、ΦＴＯＦＤ１及びΦＴＯＦＤ２の電圧値によって、ＯＦＤ及びＦＤのいずれかにＰＤ１、ＰＤ２の余剰電荷が振り分けられる。
【００４５】
次に、ＦＤの読み出し動作とＰＤの読み出し動作の時間的な関係について、撮像素子の駆動の時間関係を示す図８を用いて説明する。図８は、横軸に時間をとっており、説明のためＦＤを共有するＰＤは４個とする。まず、撮像素子は、撮影動作に先立ってＰＤとＦＤのリセットを行う。その後、蓄積を開始し、ＰＤで信号が発生し、上述のＰＤ１のモードで動作するＰＤの信号は、飽和電荷以上になるとＦＤへ電荷を排出する。ＰＤ２のモードで動作するＰＤの信号は、飽和電荷以上になるとＯＦＤへ電荷を排出する。ＰＤ１のモードのＰＤがＰＤａ、ＰＤｂ、ＰＤｃ、ＰＤｄのいずれになるかは、後述する色判定手段によって決定される。ＰＤ１のモード以外のＰＤはＰＤ２のモードとして動作する。蓄積が終わると、ＦＤの信号を読み出す。その後、ＦＤを一度リセットし、１番目のＰＤであるＰＤａを読み出す。その後、再度ＦＤをリセットし、２番目のＰＤｂを読み出す。この動作を繰り返し、４番目のＰＤｄまで読み出す。読み出された信号は後述する色判定演算部により、ＰＤａ〜ＰＤｄのうち、ＰＤ１のモードで動作をしたものにＦＤの信号を付加することによって、４個のＰＤのうち、１つのＰＤの飽和が拡大された画像として、出力される。
【００４６】
信号量が多いＰＤ１の動作をどの色フィルタを有するＰＤが行うかについては、色判定手段によって決定する。図９を用いて説明する。色判定手段は、図９（ａ）の１２０１に示すように、撮影者が撮影動作を行う直前に本撮影に使用する撮像素子において、プリ撮影を行い、その画像を色判定演算部に送る。色判定演算部では、特定領域の平均値等から最も信号量の多い色を判定し、その色フィルタを有するＰＤを上述のＰＤ１のモードとして動作させる。そして、残りのＰＤを前述のＰＤ２のモードとして動作させるために、図９（ａ）の１２０２に示すように、撮像素子又は不図示の撮像素子駆動手段にＰＤ１のモードとして動作させるＰＤの情報若しくはＰＤ２のモードとして動作させるＰＤの情報を送る。撮像素子又は不図示の撮像素子駆動手段は、色判定演算部からの情報に基づいて、駆動パターンを決定し、本撮影を行う。図９（ａ）の１２０３では、本撮影において上述のとおり、ＦＤの信号、複数のＰＤの信号が出力される様子を示す。出力された信号は信号処理回路により、図９（ａ）の１２０４に示すように、色判定演算部からの情報に基づいて、複数のＰＤのうちＰＤ１のモードとして動作をしたＰＤにＦＤの信号を付加する。その他のＰＤはＰＤ２のモードとしてＦＤの信号を付加せずに処理する。
【００４７】
また、図９（ｂ）に示すように、本撮影に使用する撮像素子以外にも、別途色判定用の装置を有し、色判定用の装置からの色情報によって、これから撮影する予定の画像中でどの色フィルタを有するＰＤが最も発生信号量が多くなるか予想する。そして、そのＰＤをＰＤ１のモードとして動作することが可能である。この場合、図９（ｂ）の１２０５以外のデータのやりとり（１２０６〜１２０８）は図９（ａ）と同様である。
【００４８】
各画素は色フィルタを有し、これらは例えば図１０に示すように垂直方向及び水平方向に規則的に配置される。図１０（ａ）は、３種類の色フィルタを用いた配列を示し、図１０（ｂ）は４種類の色フィルタを用いた配列を示す。ここでは、ＦＤを共有する２つの画素は、垂直方向に配置されているものとする。図１０（ｂ）に示すように、４種類の色フィルタを用いる場合、上述のＰＤ１には、最も感度の高い色フィルタを配置する。ＦＤを共有する２つの画素は、垂直方向に並んでいるため、ＰＤ１の水平隣に配置された画素もＰＤ１となる。そのため、２色のダイナミックレンジが拡大される。図１０（ｂ）に示す場合には、ダイナミックレンジを拡大する行に感度の高い色フィルタから２色配置することが、ダイナミックレンジを拡大する観点からより好ましい。
【００４９】
図１０（ａ）に示す３種類の色フィルタを用いる場合、通常撮影において、最も感度が高い色フィルタが２つある場合が多い。そのため、最も感度が低い色フィルタをＰＤ２の行とすることで、最も感度が低い色フィルタを有するＰＤ以外の色のＰＤの取り扱い電荷量が多くなり、最も感度が低い色フィルタを有するＰＤ以外の画素のダイナミックレンジが拡大した画像が得られる。
【００５０】
また、最も感度が低い色フィルタを有する画素が飽和した場合には、周辺の画素も飽和しているものとみなして、信号処理により信号を変化させてもよい。
【００５１】
次に、本実施形態に係るの撮像部１００を組み込んだ撮像装置について説明する。図１１は、本実施形態に係る撮像装置を示す図である。
【００５２】
撮像部１００には、絞り機構及びレンズを有する光学系１を通して光線が入射する。光学系１と撮像部１００との間、又は光学系１内にメカニカルシャッタ２が配置される。光学系１、メカニカルシャッタ２及び撮像部１００は、駆動回路７によって駆動される。Ａ／Ｄ変換器５は、撮像部１００内のＣＤＳ回路（図１のＣＤＳ回路１０３）で処理されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。タイミング信号発生回路６は、撮像部１００、ＣＤＳ回路１０３及びＡ／Ｄ変換器５に提供するタイミング信号を発生する。信号処理回路８は、Ａ／Ｄ変換された画像データに対して上述の信号処理の他、種々の信号処理を施す。画像メモリ９は、信号処理中のデジタル画像信号を一時的に記憶したり、信号処理されたデジタル画像信号である画像データを記憶したりするために用いられる。記録回路１１は、信号処理された画像データを記録媒体１０に記録する。表示回路１３は、信号処理された画像データを画像表示装置１２に提供し画像を表示させる。
【００５３】
不揮発性メモリ等のＲＯＭ１５は、制御プログラム、プログラムを実行する際に使用されるパラメータやテーブル等の制御データ及びキズアドレス等の補正データを記憶する。ＲＡＭ１６には、ＲＯＭ１５に記憶されたプログラム、制御データ及び補正データが転送され、撮像装置全体を制御する制御部１４によって使用される。
【００５４】
撮影動作に先立ち、撮像装置の電源投入時等の制御部１４の動作開始時において、ＲＯＭ１５から必要なプログラム、制御データ及び補正データがＲＡＭ１６に転送される。光学系１は、制御部１４から送られてくる制御信号に応じて、絞りとレンズを駆動して、適切な明るさに設定された被写体像を撮像素子１００上に結像させる。次に、メカニカルシャッタ２は、制御部１４から送られてくる制御信号に応じて、撮像素子の動作に合わせて撮像部１００を遮光するように駆動される。撮像部１００は、制御部１４により制御されるタイミング信号発生回路６が発生する動作パルスを基にして駆動回路７で生成される駆動パルスで駆動され、被写体像を光電変換により電気信号に変換してアナログ画像信号として出力する。撮像部１００から出力されたアナログの画像信号は、制御部１４により制御されるタイミング信号発生回路６が発生する動作パルスにより、ＣＤＳ回路１０３でクロック同期性ノイズが除去され、Ａ／Ｄ変換器５でデジタル画像信号に変換される。次に、制御部１４により制御される信号処理回路８において、デジタル画像信号に対して、色変換、ホワイトバランス、ガンマ補正等の画像処理、解像度変換処理、画像圧縮処理等がなされる。信号処理回路８で信号処理された画像データや画像メモリ９に記憶されている画像データは、記録回路１１において画像記録媒体１０に適したデータ（例えば階層構造を持つファイルシステムデータ）に変換される。そして、記録媒体１０に記録したり、信号処理回路８で解像度変換処理を実施された後、表示回路１３において画像表示装置１２に適した信号（例えばＮＴＳＣ方式のアナログ信号等）に変換されて画像表示装置１２に表示されたりする。
【００５５】
ここで、信号処理回路８においては、信号処理をせずにデジタル画像信号をそのまま画像データとして画像メモリ９や記録回路１１に出力してもよい。また、信号処理回路８は、制御部１４から要求があった場合に、信号処理の過程で生じたデジタル画像信号や画像データの情報を制御部１４に出力する。このような情報としては、例えば、画像の空間周波数、指定領域の平均値、圧縮画像のデータ量等の情報、あるいは、それらから抽出された情報がある。また、記録回路１１は、制御部１４から要求があった場合に、画像記録媒体１０の種類や空き容量等の情報を制御部１４に出力する。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の好適な実施形態に係る撮像部の構成を示す図である。
【図２】光電変換装置に配置された画素の詳細を示す図である。
【図３】本発明の好適な実施形態に係るフォトダイオードとＦＤの位置関係とポテンシャルを表した図である。
【図４】本発明の好適な実施形態に係る撮像素子の蓄積時間と信号量の関係を説明した図である。
【図５】本発明の好適な実施形態に係るフォトダイオードとＦＤの位置関係とポテンシャルを表した図である。
【図６】転送スイッチの他に電荷排出スイッチを有する構造におけるフォトダイオードとＦＤの位置関係とポテンシャルを表した図である。
【図７】信号読み出し回路を共有する２画素の読み出しに関わる回路構成を示す図である。
【図８】撮像素子の駆動の時間関係を説明した図である。
【図９】色判定手段を含む撮像装置を説明した図である。
【図１０】本発明の好適な実施形態に係る撮像素子の色フィルタの位置関係を説明した図である。
【図１１】本発明の好適な実施形態に係る撮像素子を適用したデジタルカメラの構成図である。
【図１２】ＰＤに蓄積された信号電荷が飽和信号量を超えたときに、ポテンシャル障壁の低いところに漏れ込む様子を示す図である。
【図１３】従来の２画素共通の各部の断面構造とそのポテンシャル分布を示す図である。
【図１４】従来の２画素共通の撮像素子の蓄積時間と信号量の関係を説明した図である。
【符号の説明】
【００５７】
１４  制御部
１０１  光電変換装置
ＰＤ１、２  フォトダイオード
ＦＤ  フローティングディフュージョン
ＯＦＤ  電荷排出領域
【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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