(57)【要約】【課題】固体撮像素子等で、高い電荷検出感度と高い信号電荷取扱量の両立を図る。【解決手段】信号電荷の電荷量に応じた信号をアンプから出力する電荷検出アンプ付き電子装置において、信号電荷の電荷量に応じた信号を出力すると共に該信号を出力した後の前記信号電荷を後段（ＦＤ部１２）に完全転送する第１電荷検出アンプ１６と、該第１電荷検出アンプ１６との間で感度差を有し前記後段１２に完全転送されてきた信号電荷の電荷量に応じた信号を出力する第２電荷検出アンプ２１とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号電荷の電荷量に応じた信号をアンプから出力する電荷検出アンプ付き電子装置において、前記信号電荷の電荷量に応じた信号を出力すると共に該信号を出力した後の前記信号電荷を後段に完全転送する第１電荷検出アンプと、該第１電荷検出アンプとの間で感度差を有し前記後段に完全転送されてきた信号電荷の電荷量に応じた信号を出力する第２電荷検出アンプとを備えることを特徴とする電荷検出アンプ付き電子装置。
【請求項２】
前記感度差を設定あるいは選択する手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の電荷検出アンプ付き電子装置。
【請求項３】
前記第１電荷検出アンプが、「フローティング・ゲート・アンプ」「フローティング・サーフェス・アンプ」「フローティング・ウェル・アンプ」のいずれかであり、前記第２電荷検出アンプが、「フローティング・ゲート・アンプ」「フローティング・サーフェス・アンプ」「フローティング・ディフュージョン・アンプ」のいずれかであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電荷検出アンプ付き電子装置。
【請求項４】
前記電荷検出アンプ付き電子装置が固体撮像素子であり、前記信号電荷が、該固体撮像素子に設けられた光電変換素子が受光量に応じて蓄積した信号電荷であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の出力アンプ付き電子装置。
【請求項５】
前記固体撮像素子が複数の信号電荷出力部を有し、各信号電荷出力部毎に前記第１電荷検出アンプ及び前記第２電荷検出アンプが設けられたことを特徴とする請求項４に記載の電荷検出アンプ付き電子装置。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の固体撮像素子と、該固体撮像素子の前記第１電荷検出アンプ，第２電荷検出アンプの夫々から出力される感度の異なる撮像画像信号を合成する制御手段とを備えることを特徴とするデジタルカメラ。
【請求項７】
前記制御手段は、保存している前記第１電荷検出アンプと前記第２電荷検出アンプの性能情報に基づき前記合成する撮像画像信号を信号補正することを特徴とする請求項６に記載のデジタルカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電荷検出アンプ付き電子装置に係り、特に、出力信号のダイナミックレンジを拡大するのに好適な電荷検出アンプ付き電子装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等の電子装置には、各画素（光電変換素子）が被写体からの受光量に応じて蓄積した信号電荷を検出する電荷検出部と、この電荷検出部が検出した信号電荷量を電圧値信号に変換するアンプとが設けられる。
【０００３】
例えば、通常のＣＣＤイメージセンサでは、下記の非特許文献１などに記載されているように、水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）の出力端部に電荷検出部としてフローティング・ディフュージョン（ＦＤ）部が設けられ、このＦＤ部に２段ソースフォロアアンプが出力アンプとして設けられ、フローティング・ディフュージョン・アンプ（ＦＤＡ）と呼ばれている。
【０００４】
ＣＭＯＳイメージセンサの場合には、各画素毎に電荷検出用トランジスタと、このトランジスタの出力に接続された出力アンプ用トランジスタとが設けられたり、イメージセンサの受光領域周辺部にこれらトランジスタが設けられたりする。
【０００５】
フローティング・ディフュージョン・アンプは、構造は単純であるが、電圧値信号に変換された信号電荷はドレインに捨てられてしまい、再利用できない。つまり、信号電荷に対して破壊的に撮像画像信号を読み出す点が特徴である。また、リセットゲートの駆動振幅によって、取り扱える入力電圧振幅が限定される為、電荷検出感度を向上させると、入力信号電荷に対するダイナミックレンジが減少してしまうという問題が挙げられる。
【０００６】
これに対し、信号電荷を破壊しないで撮像画像信号を読み出すことができるフローティング・ゲート・アンプ（ＦＧＡ）も非特許文献１に紹介されている。このフローティング・ゲート・アンプは、信号電荷に応じた電圧値信号（撮像画像信号）を信号電荷を破壊せずに検出し、検出後の信号電荷を後段に完全転送する構成になっている。
【０００７】
このため、下記の特許文献１記載の従来技術では、電荷検出部を電荷転送方向に２つ設け、前段の電荷検出部で検出した信号を用いて、後段の電荷検出部で検出した出力用撮像画像信号をフィードフォワード制御し、Ｓ／Ｎの向上を図っている。
【０００８】
信号電荷を非破壊で検出する他の方法として、非特許文献２記載のフローティング・サーフェス電荷検出器や、それを改良した特許文献２記載の検出器がある。
【０００９】
このフローティング・サーフェス電荷検出器は、あまりに高い電荷検出感度（１００〜２００μＶ／電子）を有する為、入力信号電荷の最大値が低減してしまうという問題がある。
【００１０】
【特許文献１】特開平５−７５９２８号公報
【特許文献２】特許第３３７５３８９号公報
【非特許文献１】書籍「ＣＣＤの基礎」エレクトロニクス文庫、塚本哲男著、オーム社発行、１１６〜１２２頁
【非特許文献２】１９８８年「International Conference on Solid State Device and Materials(Extended Abstracts)」pp.355-358
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
信号電荷量に応じた電圧値信号を読み出す出力アンプとして、電荷非破壊型で完全転送型の「フローティング・ゲート・アンプ」「フローフィング・サーフェス・アンプ」「改良型のフローフィング・サーフェス・アンプ」と、電荷破壊型の「フローティング・ディフュージョン・アンプ」について説明したが、いずれの出力アンプを採用しても一長一短があり、画素サイズの微細化が進んだ近年の固体撮像素子では、高い電荷検出感度と高い信号電荷取扱量（ダイナミックレンジ）を両立させることが難しいという問題がある。
【００１２】
本発明の目的は、高い電荷検出感度と高い信号電荷取扱量の両立を図ることができる電荷検出アンプ付き電子装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の電荷検出アンプ付き電子装置は、信号電荷の電荷量に応じた信号をアンプから出力する電荷検出アンプ付き電子装置において、前記信号電荷の電荷量に応じた信号を出力すると共に該信号を出力した後の前記信号電荷を後段に完全転送する第１電荷検出アンプと、該第１電荷検出アンプとの間で感度差を有し前記後段に完全転送されてきた信号電荷の電荷量に応じた信号を出力する第２電荷検出アンプとを備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明の電荷検出アンプ付き電子装置は、前記感度差を設定あるいは選択する手段を備えることを特徴とする。
【００１５】
本発明の電荷検出アンプ付き電子装置の前記第１電荷検出アンプが、「フローティング・ゲート・アンプ」「フローティング・サーフェス・アンプ」「フローティング・ウェル・アンプ」のいずれかであり、前記第２電荷検出アンプが、「フローティング・ゲート・アンプ」「フローティング・サーフェス・アンプ」「フローティング・ディフュージョン・アンプ」のいずれかであることを特徴とする。
【００１６】
本発明の電荷検出アンプ付き電子装置が固体撮像素子であり、前記信号電荷が、該固体撮像素子に設けられた光電変換素子が受光量に応じて蓄積した信号電荷であることを特徴とする。
【００１７】
本発明の出力アンプ付き電子装置は、前記固体撮像素子が複数の信号電荷出力部を有し、各信号電荷出力部毎に前記第１電荷検出アンプ及び前記第２電荷検出アンプが設けられたことを特徴とする。
【００１８】
本発明のデジタルカメラは、上記記載の固体撮像素子と、該固体撮像素子の前記第１電荷検出アンプ，第２電荷検出アンプの夫々から出力される感度の異なる撮像画像信号を合成する制御手段とを備えることを特徴とする。
【００１９】
本発明のデジタルカメラの前記制御手段は、保存している前記第１電荷検出アンプと前記第２電荷検出アンプの性能情報に基づき前記合成する撮像画像信号を信号補正することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、感度差のある第１電荷検出アンプと第２電荷検出アンプとにより同一信号電荷から夫々信号を得る構成としたため、両信号を合成することでダイナミックレンジの広い信号を得ることができると共に、信号電荷の検出感度を高くすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２２】
図１は、本発明の一実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の説明図である。このＣＣＤ型固体撮像素子１は、半導体基板２の表面部に正方格子配列された複数のフォトダイオード（光電変換素子）３と、各フォトダイオード列に隣接して設けられた複数の垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）４と、各垂直電荷転送路の端部に沿って設けられた水平電荷転送路５とを備える。
【００２３】
尚、図１ではインターライントランスファー型ＣＣＤを図示しているが、他の形式のＣＣＤ、例えばフルフレームトランスファー型，フレームトランスファー型でも良い。また、各フォトダイオード３が正方格子配列されたＣＣＤを図示しているが、奇数行のフォトダイオードに対して偶数行のフォトダイオードが１／２ピッチずらして配置された所謂ハニカム画素配列のＣＣＤでも良い。
【００２４】
本実施形態の固体撮像素子１では、水平電荷転送路５の出力端部側に第１電荷検出部としてのフローティング・ゲート１１が設けられ、その後段に、第２電荷検出部としてのフローティング・ディフュージョン（ＦＤ）部１２が設けられ、その後段に、リセットゲート１３が設けられている。
【００２５】
フローティング・ゲート１１には、フローティング・ゲート電位の制御端子１５が接続されると共に、周知の２段ソースフォロア・アンプ１６が接続され、この２段ソースフォロア・アンプ１６の出力端子１７から、各フォトダイオード３で検出された撮像画像信号が出力される。
【００２６】
フローティング・ディフュージョン（ＦＤ）部１２には、周知の２段ソースフォロア・アンプ２１が接続され、この２段ソースフォロア・アンプ２１の出力端子２２から、各フォトダイオード３で検出された撮像画像信号が出力される。
【００２７】
図２は、図１に示すＣＣＤ型固体撮像素子１を搭載したデジタルカメラの機能ブロック図である。このデジタルカメラ３０には、デジタルカメラを統括制御すると共に画像信号処理を行うシステム制御部３１と、システム制御部３１からの指示を受けて動作するタイミングジェネレータ３２と、タイミングジェネレータ３２からのタイミング信号で図１に示すＣＣＤ型固体撮像素子１を駆動するＣＣＤドライバ３３とを備える。
【００２８】
デジタルカメラ３０はまた、システム制御部３１と外部入出力端子との間のインタフェースを行うインタフェース部３５と、ＣＣＤ型固体撮像素子１で撮像した動画データを外部出力するインタフェース部３６と、外部の図示しない記録メディアとの間の制御を行うインタフェース部３７と、システム制御部３１が使用するシステム用メモリ３８と、ＣＣＤ型固体撮像素子１から出力された撮像画像信号を記憶する信号用メモリ３９とを備える。
【００２９】
このデジタルカメラ３０は更に、入力端が図１で説明したＣＣＤ型固体撮像素子１の出力端子１７に接続されたサンプルホールド回路４１と、サンプルホールド回路４１の出力を取り込んで利得制御を行うゲインコントロールアンプ４２と、アンプ４２の出力アナログ信号をデジタル信号に変換してメモリ３９に出力するアナログデジタル変換器４３と、入力端が図１で説明したＣＣＤ型固体撮像素子１の出力端子２２に接続されたサンプルホールド回路４６と、サンプルホールド回路４６の出力を取り込んで利得制御を行うゲインコントロールアンプ４７と、アンプ４７の出力アナログ信号をデジタル信号に変換してメモリ３９に出力するアナログデジタル変換器４８とを備える。
【００３０】
次に、上述したＣＣＤ型固体撮像素子１とデジタルカメラ３０の動作について説明する。
【００３１】
ＣＣＤ型固体撮像素子１に被写体からの光が入射すると、各フォトダイオード３は夫々受光量に応じた信号電荷を蓄積する。この信号電荷は、垂直電荷転送路４に読み出されて水平電荷転送路５に転送され、次に水平電荷転送路５によって出力端部側に転送される。
【００３２】
水平電荷転送路５の出力端部側に転送されてきた信号電荷は、先ず、フローティング・ゲート１１に入り、この信号電荷量に応じた電圧値信号が撮像画像信号として２段ソースフォロア・アンプ１６の出力端子１７から出力される。
【００３３】
２段ソースフォロア・アンプ１６及びフローティング・ゲート１１で構成されるフローティング・ゲート・アンプは、完全転送型で非破壊型であるため、フローティング・ゲート１１に入った信号電荷は、次に、後段のフローティング・ディフュージョン（ＦＤ）部１２に完全転送される。
【００３４】
ＦＤ部１２と２段ソースフォロア・アンプ２１とで構成されるフローティング・ディフュージョン・アンプは、このＦＤ部１２に流れ込んだ信号電荷量に応じた電圧値信号を撮像画像信号として出力端子２２から出力し、撮像画像信号が読み出された信号電荷は、リセットゲート１３から基板２側に廃棄される。
【００３５】
図１に示す例では第１電荷検出アンプ１６としてフローティング・ゲート・アンプを用い、第２電荷検出アンプ２１としてフローティング・ディフュージョン・アンプを用い、同一信号電荷に対して夫々撮像画像信号を出力させている。
【００３６】
第１電荷検出アンプ１６と第２電荷検出アンプ２１とが同一感度であれば、同じ一つの信号電荷から２つの撮像画像信号を取り出すことは意味がない。しかし、本実施形態では、両アンプ１６，２１の感度に差を設け、両アンプ１６，２１の撮像画像信号を後述する様に合成することで、高い電荷検出感度と広ダイナミックレンジ撮影とを両立させている。
【００３７】
前段に設けるフローティング・ゲート・アンプは、高感度化し難いアンプであるため、こちらのアンプを低感度アンプとし、後段に設けるフローティング・ディフュージョン・アンプを高感度アンプとして構成する。
【００３８】
これにより、各アンプの出力は、図３に示す様になる。即ち、高感度アンプの出力は、少ない入射光量で飽和するが、信号電荷量が少ないときの信号電荷量の変化に応じて大きく変化する出力を得ることができる。これに対し、低感度アンプの出力は、入射光量が多く信号電荷量が多い場合でも直ぐには飽和せず信号電荷量に応じた出力変化を得ることができる。
【００３９】
そこで、デジタルカメラ３０は、高感度な撮像画像信号をサンプルホールド回路４６から取り込み、低感度な撮像画像信号をサンプルホールド回路４１から取り込み、信号用メモリ３９に、デジタルデータに変換された高感度撮像画像信号と低感度撮像画像信号を保存する。
【００４０】
そして、システム制御部３１は、高感度撮像画像信号と低感度撮像画像信号とを図４に示す特性線Ｉまたは特性線IIとして合成することで、ダイナミックレンジの広い撮像画像信号を生成し出力する。
【００４１】
高感度撮像画像信号と低感度撮像画像信号とを合成する場合、合成された撮像画像信号のダイナミックレンジは、高感度アンプの検出感度と低感度アンプの検出感度との差に依存する。そこで、例えば、両アンプの感度差を２倍以上，４倍以上，８倍以上に固定に構成しておいても、また、感度差を任意に可変制御したり選択できる構成を付加しておいても良い。
【００４２】
一般的には、人間が違和感無く感じる最大の感度比率が４倍程度であるため、両アンプの感度差を４倍程度にして両アンプの出力を合成すると、自然な感じのダイナミックレンジを持つ再生画像を合成することができる。
【００４３】
デジタルカメラ３０のシステム制御部３１またはシステム用メモリ３８に、個々の出力アンプ１６，２１の感度やリニアリティ等の性能情報を保存しておき、システム制御部３１が、合成画像データを生成するときにこの性能情報に基づき信号補正を行うことで、アンプの特性バラツキの影響を低減することができる。
【００４４】
図５は、本発明の他の実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子５０の説明図である。図１に示す固体撮像素子１では、前段に設けるアンプとして低感度のフローティング・ゲート・アンプを採用したが、本実施形態では、前段に設けるアンプ１６として、非特許文献２や特許文献２に記載されている高感度なフローフィング・サーフェス・アンプを採用し、後段に設けるフローティング・ディフュージョン・アンプを低感度アンプとしている点が異なる。感度差は上記した理由にように、４倍程度としている。
【００４５】
本実施形態で採用するフローティング・サーフェス・アンプは、特許文献２記載の改良型であり、水平電荷転送路５の出力段部に設けられ転送されてきた信号電荷が一時入り次段のＦＤ部１２に完全転送する電荷検出部（フローティングゲート部）５１と、このフローティング・ゲート部５１がゲートとなるＭＯＳトランジスタ５２と、このＭＯＳトランジスタ５２を初段トランジスタとする２段ソースフォロア・アンプ１８とで構成される。
【００４６】
本実施形態では、前段アンプにより信号電荷の高感度出力を得、後段アンプにより信号電荷の低感度出力を得て、両者を合成することで、広いダイナミックレンジを実現している。
【００４７】
以上述べた様に、上述した各実施形態によれば、信号電荷の出力部に感度差の異なる２つの電荷検出アンプを直列に設ける共に前段電荷検出アンプを信号電荷の完全転送型（非破壊型）とし、両電荷検出アンプの出力を合成する構成としたため、高い電荷検出感度と高い信号電荷取扱量の両立を図ることができる。
【００４８】
尚、上述した実施形態では、出力用水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）が１本の固体撮像素子を例に説明したが、ＨＣＣＤを短い複数の分割ＨＣＣＤに分割し、夫々から出力信号を読み出したり、ＨＣＣＤの出力部を２本や３本に分岐し各分岐ＨＣＣＤの夫々から出力信号を読み出すものがあるが、これらの各電荷出力部の夫々に上述した各実施形態を適用することも可能である。
【００４９】
また、ＣＭＯＳイメージセンサの各画素の信号電荷を読み出す部分に上述した実施形態の低感度アンプと高感度アンプとを直列に設け、前段アンプを完全転送型とすることでも良い。
【００５０】
更に、上述した各実施形態では、後段に設けるアンプを電荷破壊型アンプとしたが、前段，後段共に電荷非破壊型アンプとしても良いことは云うまでもない。
更にまた、電圧破壊型アンプ，電圧非破壊型アンプは、上述した各種アンプに限るものではなく、例えば、フローティング・サーフェス・アンプより感度の高いフローティング・ウェル・アンプを前段に用いても良い。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明に係る電荷検出アンプ付き電子装置は、２つの電荷検出アンプに感度差を持たせ各出力アンプの出力信号を合成する構成としたため、広いダイナミックレンジの合成信号を得ることができ、固体撮像素子に適用すると、広ダイナミックレンジの画像を撮像することが可能なデジタルカメラを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の一実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の説明図である。
【図２】図１に示すＣＣＤ型固体撮像素子を搭載したデジタルカメラの機能ブロック図である。
【図３】図１に示すＣＣＤ型固体撮像素子に搭載した感度の異なる２つのアンプの出力例を示す図である。
【図４】図３に示す２つの出力の合成例を示すグラフである。
【図５】本発明の別実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の説明図である。
【符号の説明】
【００５３】
１，５０  ＣＣＤ型固体撮像素子
３  フォトダイオード
４  垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）
５  水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）
１１  フローティング・ゲート
１２  フローティング・ディフュージョン（ＦＤ）部
１３  リセットゲート
１６  第１電荷検出アンプ
１７  第１電荷検出アンプの出力端子
２１  第２電荷検出アンプ
２２  第２電荷検出アンプの出力端子
３１  システム制御部
【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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