(57)【要約】【課題】低照度にて通常飽和レベルを狭めることなく線形かつ高Ｓ／Ｎでの信号取得を可能にするとともに、通常飽和レベル以上の入射光に対しても線形領域での良好なＳ／Ｎを実現しながらダイナミックレンジを拡大する。【解決手段】フォトダイオードおよび当該フォトダイオードで光電変換された信号電荷を転送する転送トランジスタを含む単位画素２０が行列状に２次元配置されてなるＣＭＯＳイメージセンサ１０において、転送トランジスタのゲート電極に同じ電圧値の中間電圧を制御電圧としてドライバ回路１５から、行選択に同期して複数回供給し、その際に転送トランジスタによって転送される信号電荷を２回以上読み出す駆動を行選択回路１２および先行選択回路１３によって行う。【選択図】図１
2008099158.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号を信号電荷に変換する光電変換素子と当該光電変換素子で光電変換された信号電荷を転送する転送ゲートとを含む単位画素が行列状に２次元配置されてなる画素アレイ部と、
第１露光時間に前記単位画素に蓄積された信号電荷を読み出して第１映像信号として前記画素アレイ部から出力すべく駆動する第１駆動手段と、
前記第１露光時間の期間中に、前記第１映像信号を出力する単位画素に前記転送ゲートを駆動する時間間隔によって決まる第２露光時間に比例して蓄積された信号電荷を読み出して前記第１映像信号と異なる感度の第２映像信号として前記画素アレイ部から出力すべく駆動する第２駆動手段と
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記第２駆動手段は、前記第１露光時間の期間中に、前記第１映像信号を出力する単位画素に前記転送ゲートを駆動する時間間隔によって決まる複数の露光時間に比例して蓄積される信号電荷を読み出して前記第１映像信号と異なる複数の感度の映像信号として前記画素アレイ部から順次出力すべく駆動する
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
光信号を信号電荷に変換する光電変換素子と当該光電変換素子で光電変換された信号電荷を転送する転送ゲートとを含む単位画素が行列状に２次元配置されてなる画素アレイ部を有する固体撮像装置の駆動方法であって、
第１露光時間に前記単位画素に蓄積された信号電荷を読み出して第１映像信号として前記画素アレイ部から出力し、
前記第１露光時間の期間中に、前記第１映像信号を出力する単位画素に前記転送ゲートを駆動する時間間隔によって決まる第２露光時間に比例して蓄積された信号電荷を読み出して前記第１映像信号と異なる感度の第２映像信号として前記画素アレイ部から出力する
ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項４】
前記第１露光時間の期間中に、前記第１映像信号を出力する単位画素に前記転送ゲートを駆動する時間間隔によって決まる複数の露光時間に比例して蓄積される信号電荷を読み出して前記第１映像信号と異なる複数の感度の映像信号として前記画素アレイ部から順次出力する
ことを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項５】
光信号を信号電荷に変換する光電変換素子と当該光電変換素子で光電変換された信号電荷を転送する転送ゲートとを含む単位画素が行列状に２次元配置されてなる固体撮像装置と、
被写体からの光を前記固体撮像装置の撮像面上に導く光学系とを具備し、
前記固体撮像装置は、
光信号を信号電荷に変換する光電変換素子と当該光電変換素子で光電変換された信号電荷を転送する転送ゲートとを含む単位画素が行列状に２次元配置されてなる画素アレイ部と、
第１露光時間に前記単位画素に蓄積された信号電荷を読み出して第１映像信号として前記画素アレイ部から出力すべく駆動する第１駆動手段と、
前記第１露光時間の期間中に、前記第１映像信号を出力する単位画素に前記転送ゲートを駆動する時間間隔によって決まる第２露光時間に比例して蓄積された信号電荷を読み出して前記第１映像信号と異なる感度の第２映像信号として前記画素アレイ部から出力すべく駆動する第２駆動手段とを備える
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項６】
光信号を信号電荷に変換する光電変換素子と当該光電変換素子で光電変換された信号電荷を転送する転送ゲートとを含む単位画素が行列状に２次元配置されてなる画素アレイ部と、
前記転送ゲートの制御電極に第１制御電圧を供給する第１供給電圧制御手段と、
前記転送ゲートの制御電極に前記第１制御電圧とは異なる電圧値の１つ又は複数の第２制御電圧を順次供給する第２供給電圧制御手段と、
前記複数の第２制御電圧のいずれか１つ又は複数の供給に先行して、当該いずれか１つ又は複数の個々の第２制御電圧と同じ電圧値の第３制御電圧を1回又は複数回供給する第３供給電圧制御手段と、
前記第１制御電圧が供給された際に前記転送ゲートによって転送される信号電荷を読み出すべく駆動する第１駆動手段と、
前記第２制御電圧が順次供給された際に前記転送ゲートによって転送される信号電荷を１回以上読み出すべく駆動する第２駆動手段と
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項７】
前記第２制御電圧は、前記光電変換素子に蓄積された電荷の一部を保持したまま、その保持量を超えた蓄積電荷を前記転送ゲートによって転送できる電圧である
ことを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記第１制御電圧の供給および前記第２制御電圧の供給の前に、前記転送ゲートによって転送された電荷を蓄積するフローティングディフュージョンを所定電位にリセットするリセット手段をさらに備える
ことを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記第３供給電圧制御手段は、前記第３制御電圧が前記第２制御電圧の複数の供給に先行するとき、当該複数の供給の各々において等しい時間間隔で前記第３制御電圧を複数回供給する
ことを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記第３供給電圧制御手段は、前記複数の供給間において異なる時間間隔で前記第３制御電圧を供給する
ことを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記第２供給電圧制御手段は、前記複数の供給間において異なる電圧値の前記第２制御電圧を供給する
ことを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記単位画素は、前記光電変換素子から前記転送ゲートによって転送された信号電荷を信号電圧として増幅して出力する増幅トランジスタを有し、
前記第１，第２駆動手段は、前記転送ゲートによって前記増幅トランジスタに転送された信号電荷を当該増幅トランジスタを介して読み出すべく駆動する
ことを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
前記光電変換素子から前記転送ゲートによって転送された信号電荷を転送する電荷転送部を有し、
前記第１，第２駆動手段は、前記転送ゲートによって前記電荷転送部に転送された信号電荷を当該電荷転送部を介して読み出すべく駆動する
ことを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
前記第１，第２駆動手段は、
前記転送ゲートによって転送される信号電荷を読み出すべく、前記単位画素の２次元配列における１行または複数行を順次走査で選択して前記転送ゲートに前記第１乃至第３制御電圧を供給する手段と、
１行または複数行を選択して前記転送ゲートに前記第１乃至第３制御電圧を供給する動作を、前記順次走査による選択行に先行して複数回実行する手段とを有する
ことを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
【請求項１５】
光信号を信号電荷に変換する光電変換素子と当該光電変換素子で光電変換された信号電荷を転送する転送ゲートとを含む単位画素が行列状に２次元配置されてなる固体撮像装置の駆動方法であって、
前記転送ゲートの制御電極に第１制御電圧を供給するとともに、前記第１制御電圧とは異なる電圧値の第２制御電圧を１回又は複数回供給し、
前記複数の第２制御電圧のいずれか１つ又は複数の供給に先行して、当該いずれか１つ又は複数の個々の第２制御電圧と同じ電圧値の第３制御電圧を1回又は複数回供給し、
前記第１制御電圧が供給された際に前記転送ゲートによって転送される信号電荷を読み出し、
前記第２制御電圧を順次供給した際に前記転送ゲートによって転送される信号電荷を１回以上読み出す
ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１６】
前記第２制御電圧は、前記光電変換素子に蓄積された電荷の一部を保持したまま、その保持量を超えた蓄積電荷を前記転送ゲートによって転送できる電圧である
ことを特徴とする請求項１５記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１７】
前記第１制御電圧の供給および前記第２制御電圧の供給の前に、前記転送ゲートによって転送された電荷を蓄積するフローティングディフュージョンを所定電位にリセットする
ことを特徴とする請求項１５記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１８】
前記第３制御電圧が前記第２制御電圧の複数の供給に先行するとき、当該複数の供給の各々において等しい時間間隔で前記第３制御電圧を複数回供給する
ことを特徴とする請求項１５記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１９】
前記複数の供給間において異なる時間間隔で前記第３制御電圧を供給する
ことを特徴とする請求項１８記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項２０】
前記複数の供給間において異なる電圧値の前記第２制御電圧を供給する
ことを特徴とする請求項１５記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項２１】
光信号を信号電荷に変換する光電変換素子と当該光電変換素子で光電変換された信号電荷を転送する転送ゲートとを含む単位画素が行列状に２次元配置されてなる固体撮像装置と、
被写体からの光を前記固体撮像装置の撮像面上に導く光学系とを具備し、
前記固体撮像装置は、
前記転送ゲートの制御電極に第１制御電圧を供給する第１供給電圧制御手段と、
前記転送ゲートの制御電極に前記第１制御電圧とは異なる電圧値の１つ又は複数の第２制御電圧を順次供給する第２供給電圧制御手段と、
前記複数の第２制御電圧のいずれか１つ又は複数の供給に先行して、当該いずれか１つ又は複数の個々の第２制御電圧と同じ電圧値の第３制御電圧を1回又は複数回供給する第３供給電圧制御手段と、
前記第１制御電圧が供給された際に前記転送ゲートによって転送される信号電荷を読み出すべく駆動する第１駆動手段と、
前記第２制御電圧が順次供給された際に前記転送ゲートによって転送される信号電荷を１回以上読み出すべく駆動する第２駆動手段とを備える
ことを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法および撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの応用に適した固体撮像装置として知られるＣＣＤ(Charge Coupled Device)イメージセンサや増幅型のイメージセンサは、高感度での画素数の増加やイメージサイズの縮小による画素サイズの微細化が進んでいる。一方で、一般にＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサのような固体撮像装置は、屋内や野外、昼間や夜間といった多様な環境下で使用される傾向があり、外光の変化等に応じて、光電変換素子における電荷蓄積期間を制御することによって露光時間を調整し、感度を最適値にする電子シャッタ動作などが必要となることが多い。
【０００３】
ところで、ＣＭＯＳイメージセンサにおいて、そのダイナミックレンジを拡大する方法として、電子シャッタを高速に切ることで露光時間を調整する方法や、高速に複数のフレームを撮影し重ね合わせる方法や、受光部の光電変換特性を対数応答にする方法などが知られている。
【０００４】
しかし、明るいところと暗いところが混在するようなコントラストの高い撮影シーンに対して、電子シャッタを高速に切る方法では、特に暗いところ、即ち低照度シーンで十分な露光時間がとれないために、Ｓ／Ｎが劣化し画質が落ちる。高速に複数のフレームを撮影し重ね合わせる方法は、単純に電子シャッタを切る方法と比べて、画像の重ね合わせによりＳ／Ｎを改善することができるが、読み出しのノイズが複数読み出した分だけ累積されるために、やはり低照度なところではＳ／Ｎが劣化する。
【０００５】
対数応答特性によってダイナミックレンジを拡大する方法は効果的であるが、サブスレッショルド領域で動作するトランジスタの閾値のばらつきによる固定パターンノイズが特に低照度領域で顕著となる。例えば、室内から窓際の人物を撮影するとき、感度を人物に合わせると窓の景色が白く飽和してしまい再現できない。感度を窓の景色に合わせると、人物が暗く撮影され、信号レベルを十分に確保できないために、Ｓ／Ｎが下がり、撮影後に増幅しても高い画質を得ることはできない。
【０００６】
すなわち、ある撮影において、イメージセンサ上での入射光が少ない画素では長い露光時間で高いＳ／Ｎを実現し、入射光が多い画素では飽和を回避した広ダイナミックレンジ化が必要である。
【０００７】
従来、低照度な画素は通常の動作とほぼ同等なＳ／Ｎを実現し、高照度な画素ではダイナミックレンジを拡大する方法として、非特許文献１記載の技術が知られている。具体的には、図３２に示すように、フォトダイオード１０１、転送トランジスタ１０２、リセットトランジスタ１０３、増幅トランジスタ１０４および選択トランジスタ１０５を有する画素１００が行列状に配置されてなる増幅型イメージセンサにおいて、転送トランジスタ１０２をオフとする際に、制御電極に印加する電圧を、通常のような完全なオフにするレベルではなく、あるレベル以上電子が蓄積されていたら余剰分をＦＤ部１０６へ溢れさせるレベルＶｔｒｇに設定する。
【０００８】
フォトダイオード１０１に電子が蓄積し、レベルＶｔｒｇを超えると、サブスレッショルド領域でＦＤ部１０６へリークが始まる。このリークはサブスレッショルド領域で動作しているために、フォトダイオード１０１に残留する電子数は対数応答となる。
【０００９】
図３３に示すように、期間Ｔ０でリセット動作後、転送トランジスタ１０２の制御電極に電圧Ｖｔｒｇを印加したまま蓄積を実行する。蓄積電子数が少ない期間Ｔ１の状態では、フォトダイオード１０１に電子が全て保持されているが、蓄積電子数がＶｔｒｇのレベルを超えると、期間Ｔ２のようにＦＤ部１０６へ電子がリークを始める。
【００１０】
サブスレッショルド領域でリークしているために、蓄積を続行（Ｔ３）した場合でも入射光強度に対して対数特性で電子が蓄積されていく。期間Ｔ４でＦＤ部１０６へ溢れた電子をリセットし、完全転送でフォトダイオード１０１に保持されている電子全てを読み出す。このときの入射光強度と出力電子数の関係を図３４に示す。電圧Ｖｔｒｇによって設定された線形領域の上限Ｑlinearを超える強度の入射光の場合、対数応答で出力電子数が決定する。
【００１１】
【非特許文献１】IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) 2005,pp.354,Feb.2005
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、非特許文献１記載の従来技術では、１２４ｄＢのダイナミックレンジが実現された旨が報告されているが、高Ｓ／Ｎを実現できる線形領域の飽和レベルが、当該報告では通常の飽和レベルＱsの半分以下となっている。また、対数応答によって非常に広いダイナミックレンジを実現しているものの、転送トランジスタ１０２の閾値ばらつきなどを受けやすい対数応答回路であるために、線形領域の固定パターンノイズ０．８ｍＶに対して、閾値ばらつきキャンセル動作を実行しても対数領域で５ｍＶという、大きな固定パターンノイズが広ダイナミックレンジ領域に残る。
【００１３】
そこで、本発明は、低照度にて通常飽和レベルを狭めることなく線形かつ高Ｓ／Ｎでの信号取得を可能にするとともに、通常飽和レベル以上の入射光に対しても線形領域での良好なＳ／Ｎを実現しながらダイナミックレンジを拡大できる固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法および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】
上記目的を達成するために、本発明では、光信号を信号電荷に変換する光電変換素子と当該光電変換素子で光電変換された信号電荷を転送する転送ゲートとを含む単位画素が行列状に２次元配置されてなる画素アレイ部を有する固体撮像装置において、第１露光時間に前記単位画素に蓄積された信号電荷を読み出して第１映像信号として前記画素アレイ部から出力し、前記第１露光時間の期間中に、前記第１映像信号を出力する単位画素に前記転送ゲートを駆動する時間間隔によって決まる第２露光時間に比例して蓄積された信号電荷を読み出して前記第１映像信号と異なる感度の第２映像信号として前記画素アレイ部から出力する構成を採っている。
【００１５】
上記構成の固体撮像装置において、単位画素は、転送ゲートを有する破壊読出しの画素である。また、第１映像信号は第１露光時間による高感度の映像信号であり、第２映像信号は第１露光時間内に設定される第２露光時間による低感度の映像信号である。これら第１，第２映像信号については、画素アレイ部（画素配列）を空間的に分割することなく同じ単位画素から読み出す。そして、第２露光時間による蓄積動作を、第１露光時間内の任意のタイミングに設定できるために、第２映像信号の読出しタイミングは任意となる。
【００１６】
これにより、最も短い露光時間間隔に依存した高フレームレートは必要なく、映像信号の読出し回数で決まるフレームレートで、より短い露光時間の映像信号を得ることができる。また、第２露光時間を第１露光時間内に設定することで、フレーム期間を時間的に分割することもない。したがって、第１露光時間として最大でフレーム期間と同じ時間を確保することができるために、第２露光時間でダイナミックレンジの拡大を図りつつ、第１映像信号の感度を落とすことなく、高Ｓ／Ｎ（高画質）の映像信号の取得が可能になる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、低照度にて通常飽和レベルを狭めることなく線形かつ高Ｓ／Ｎでの信号取得が可能になるとともに、通常飽和レベル以上の入射光に対しても線形領域での良好なＳ／Ｎを実現しながらダイナミックレンジを拡大できるために、多様な環境下での外光の変化に対して、低照度シーンにおいてＳ／Ｎの高い高画質な画像を取得することが可能になるとともに、高照度シーンにおいて飽和の少ない画像を線形応答による高画質で取得でき、さらに低照度と高照度の混在するコントラストの高いシーンにおいても、低照度部分では高Ｓ／Ｎを維持したまま高照度部分の飽和を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置、例えばＣＭＯＳイメージセンサの構成例を示すシステム構成図である。
【００２０】
図１に示すように、本実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサ１０は、光電変換素子を含む単位画素（以下、単に「画素」と記す場合もある）２０が行列状（マトリクス状）に２次元配置されてなる画素アレイ部１１を有するとともに、当該画素アレイ部１１の周辺回路として、行選択回路１２、先行選択回路１３、論理回路１４、ドライバ回路１５、コントローラユニット１６、電圧供給回路１７、カラム回路１８および水平走査回路１９を有する構成となっている。
【００２１】
画素アレイ部１１には、単位画素２０の行列状の配列に対して、列毎に垂直信号線１１１が配線され、行毎に駆動制御線、例えば転送制御線１１２、リセット制御線１１３および選択制御線１１４が配線されている。
【００２２】
（画素回路）
図２に、単位画素２０の構成の一例を示す。本回路例に係る単位画素２０は、光電変換素子、例えばフォトダイオード２１に加えて、例えば転送トランジスタ２２、リセットトランジスタ２３、増幅トランジスタ２４および選択トランジスタ２５の４つのトランジスタを有する画素構成、即ち特許請求の範囲における転送ゲートに相当する転送トランジスタ２２を有する破壊読出しの画素構成となっている。ここでは、これらトランジスタ２２〜２５として、例えばＮＭＯＳトランジスタを用いている。
【００２３】
転送トランジスタ２２は、フォトダイオード２１のカソード電極と電荷電圧変換部であるＦＤ（フローティングディフュージョン）部２６との間に接続され、フォトダイオード２１で光電変換され、ここに蓄積された信号電荷（ここでは、電子）を、ゲート電極（制御電極）に転送パルスＴＲＧが与えられることによってＦＤ部２６に転送する。
【００２４】
リセットトランジスタ２３は、画素電源ＶＤＤにドレイン電極が、ＦＤ部２６にソース電極がそれぞれ接続され、フォトダイオード２１からＦＤ部２６への信号電荷の転送に先立って、ゲート電極にリセットパルスＲＳＴが与えられることによってＦＤ部２６の電位を所定電位にリセットする。
【００２５】
増幅トランジスタ２４は、ＦＤ部２６にゲート電極が、画素電源ＶＤＤにドレイン電極がそれぞれ接続され、リセットトランジスタ２３によってリセットされた後のＦＤ部２６の電位をリセットレベルとして出力し、さらに転送トランジスタ２２によって信号電荷が転送された後のＦＤ部２６の電位を信号レベルとして出力する。
【００２６】
選択トランジスタ２５は、例えば、ドレイン電極が増幅トランジスタ２４のソース電極に、ソース電極が垂直信号線１１１にそれぞれ接続され、ゲート電極に選択パルスＳＥＬが与えられることによってオン状態となり、画素２０を選択状態として増幅トランジスタ２４から出力される信号を垂直信号線１１１に出力する。
【００２７】
なお、選択トランジスタ２５については、画素電源ＶＤＤと増幅トランジスタ２４のドレイン電極との間に接続した構成を採ることも可能である。また、画素回路としては、上述した４トランジスタの構成に限られるものではなく、選択トランジスタ２５を省略し、増幅トランジスタ２４を選択トランジスタ２５として兼用する３トランジスタや、増幅トランジスタ２４を複数の単位画素間で共有する構成などであってもよい。
【００２８】
（行選択回路）
行選択回路１２は、特許請求の範囲における第１駆動手段に相当し、シフトレジスタあるいはアドレスデコーダ等によって構成され、コントローラユニット１６による制御の下に、転送パルスＴＲＧ、リセットパルスＲＳＴおよび選択パルスＳＥＬ等の画素駆動パルスを適宜発生することにより、画素アレイ部１１の各画素２０を電子シャッタ行と読み出し行それぞれについて行単位で垂直方向（上下方向）に走査しつつ選択し、電子シャッタ行に対してはその行の画素２０の信号掃き捨てを行うための電子シャッタ動作を行うとともに、読み出し行に対してはその行の画素２０の信号読み出しを行うための読み出し動作を行う。
【００２９】
ここでは、図示を省略するが、行選択回路１２は、画素２０を行単位で順に選択走査しつつ、読み出し行の各画素２０の信号を読み出す読み出し動作を行うための読み出し走査系と、当該読み出し走査系による読み出し走査よりもシャッタ速度に対応した時間分だけ先行して同じ行（電子シャッタ行）に対して電子シャッタ動作を行うための電子シャッタ走査系とを有する構成となっている。
【００３０】
そして、電子シャッタ走査系による電子シャッタ動作によってフォトダイオード２１の不要な電荷がリセットされたタイミングから、読み出し走査系による読み出し動作によって画素２０の信号が読み出されるタイミングまでの期間が、画素２０における信号電荷の蓄積期間（第１露光時間）となる。すなわち、電子シャッタ動作とは、フォトダイオード２１に蓄積された信号電荷のリセット（掃き捨て）を行い、そのリセット後から新たに信号電荷の蓄積を開始する動作である。
【００３１】
（先行選択回路）
先行選択回路１３は、特許請求の範囲における第２駆動手段に相当し、複数の行選択回路、例えば２つの行選択回路１３Ａ，１３Ｂによって構成され、行選択回路１２が選択走査する読み出し行に先行して等間隔に複数行（本例では、２行）を選択走査する。
【００３２】
行選択回路１３Ａ，１３Ｂは、シフトレジスタあるいはアドレスデコーダ等によって構成され、コントローラユニット１６による制御の下に、行選択回路１２の選択走査に同期して、転送パルスＴＲＧを適宜発生することにより、行選択回路１２によって選択走査される読み出し行に先行して等間隔に２つの行を選択走査する。この選択走査では、転送パルスＴＲＧに基づいて、フォトダイオード２１に蓄積された信号電荷をＦＤ部２６に転送する動作が行われる。その詳細については後述する。
【００３３】
（論理回路）
論理回路１４は、コントローラユニット１６による制御の下に、行選択回路１２および先行選択回路１３の２つの行選択回路１３Ａ，１３Ｂからそれぞれ行選択のために出力される転送パルスＴＲＧ、リセットパルスＲＳＴおよび選択パルスＳＥＬを、ドライバ１５を通して画素アレイ部１１の転送制御線１１２、リセット制御線１１３および選択制御線１１４に供給するとともに、後述するように、転送パルスＴＲＧの電圧値を選択するための信号をドライバ回路１５に与える。
【００３４】
（ドライバ回路）
ドライバ回路１５は、行選択回路１２による選択走査に同期して、画素２０の各トランジスタ２２，２３，２５をＯＮ／ＯＦＦするための電圧の転送パルスＴＲＧ、リセットパルスＲＳＴおよび選択パルスＳＥＬを画素２０に供給するとともに、行選択回路１３Ａ，１３Ｂによる選択走査に同期して、画素２０の各トランジスタ２２，２３，２５をＯＮ／ＯＦＦするための電圧の中間的な電圧（以下、「中間電圧」と記述する）の転送パルスＴＲＧを画素２０に供給する。すなわち、ドライバ回路１５は、特許請求の範囲における第１乃至第３供給電圧制御手段としての機能を持つ。
【００３５】
図３は、ドライバ回路１５の構成の一例を示す回路図である。ここでは、ある１行に対応したドライバ回路１５の転送パルスＴＲＧについての単位回路の構成を示している。この転送パルスＴＲＧについての単位回路が、リセットパルスＲＳＴおよび選択パルスＳＥＬについての単位回路と共に、画素アレイ部１１の行数分だけ配置されることによってドライバ回路１５が構成される。
【００３６】
図３に示すように、本例に係るドライバ回路（単位回路）１５は、電圧供給回路１７から供給される例えば３つの電圧Ｖｔｒｇ１，Ｖｔｒｇ２，Ｖｔｒｇ３に対応した３つの回路ブロック１３１〜１３３と、２入力のＮＯＲ回路１３４とを有する回路構成となっている。
【００３７】
これら３つの電圧Ｖｔｒｇ１，Ｖｔｒｇ２，Ｖｔｒｇ３のうち、電圧Ｖｔｒｇ１とＶｔｒｇ３とが、画素２０の各トランジスタ２２，２３，２５をＯＮ／ＯＦＦするための電圧となり、電圧Ｖｔｒｇ２が先述した中間電圧となる。
【００３８】
本ドライバ回路１５には、行選択回路１２および行選択回路１３Ａ，１３Ｂからアドレス信号ＡＤＲが与えられるとともに、コントローラユニット１６による制御の下に論理回路１４から行選択のタイミングでタイミング信号ＰＴＲＧ１が、中間電圧を印加するタイミングでタイミング信号ＰＴＲＧ２がそれぞれ与えられる。
【００３９】
回路ブロック１３１は、アドレス信号ＡＤＲとタイミング信号ＰＴＲＧ１とを２入力とするＮＡＮＤ回路１３１１およびＰチャネルの駆動トランジスタ１３１３によって構成され、電圧Ｖｔｒｇ１を選択して転送トランジスタ２２のゲート電極に供給する。
【００４０】
回路ブロック１３２は、アドレス信号ＡＤＲとタイミング信号ＰＴＲＧ２とを２入力とするＡＮＤ回路１３２１およびＮチャネルの駆動トランジスタ１３２２によって構成され、中間電圧である電圧Ｖｔｒｇ２を選択して転送トランジスタ２２のゲート電極に供給する。
【００４１】
回路ブロック１３３は、アドレス信号ＡＤＲを一方の（否定）入力とし、ＮＯＲ回路１３４の出力信号を他方の入力とするＯＲ回路１３３１およびＮチャネルの駆動トランジスタ１３３２によって構成され、電圧Ｖｔｒｇ３を選択して転送トランジスタ２２のゲート電極に供給する。
【００４２】
すなわち、回路ブロック１３３は、転送トランジスタ２２をＯＦＦするための電圧として、例えば接地電圧あるいは接地電圧よりも低い電圧（例えば、−１．０Ｖ）を供給するために、ＮＯＲ回路１３４の作用により他の回路ブロック１３１，１３２とは排他的に動作する回路構成となっている。
【００４３】
（カラム回路）
カラム回路１８は、画素アレイ部１１の例えば画素列ごとに、即ち画素列に対して１対１の対応関係をもって配置された単位回路の集合からなり、行選択回路１２および行選択回路１３Ａ，１３Ｂによって選択された読み出し行の各画素２０から垂直信号線１１１を通して出力される信号に対して所定の信号処理を行うとともに、信号処理後の画素信号を一時的に保持する。
【００４４】
このカラム回路１８としては、垂直信号線１１１を通して出力される信号をサンプルホールドするサンプルホールド回路からなる回路構成のものや、サンプルホールド回路を含み、ＣＤＳ(Correlated Double Sampling;相関二重サンプリング)処理により、リセットノイズや増幅トランジスタ２４の閾値ばらつき等、画素固有の固定パターンノイズを除去するノイズ除去回路からなる回路構成のものなどが用いられる。
【００４５】
ただし、カラム回路１８の上記構成については一例に過ぎず、これに限定されるものではない。例えば、カラム回路１６にＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換機能を持たせ、信号レベルをデジタル信号で出力する構成を採ることも可能である。
【００４６】
（水平走査回路）
水平走査回路１９は、シフトレジスタあるいはアドレスデコーダ等によって構成され、画素アレイ部１１の画素列ごとにカラム回路１８の各単位回路を順に水平走査しつつ、カラム回路１８の各単位回路に一時的に保持されている画素の信号を順次出力する。
【００４７】
続いて、上記構成の本実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサ１０の動作について、図４のタイミング図を用いて説明する。
【００４８】
図２に示す画素回路構成の単位画素２０を行列状に配置されてなるＣＭＯＳイメージセンサ１０では、一般的に、図４（Ａ）に示すように、期間Ｔ１でフォトダイオード２１およびＦＤ部２６を所定電位にリセットし、期間Ｔ２で受光した光を電子に光電変換し、フォトダイオード２１に蓄積する。また、期間Ｔ２の後半部分の期間Ｔ４でＦＤ部２６をリセットし、このときのＦＤ部２６の電位をリセットレベルとして読み出し、しかる後期間Ｔ３でフォトダイオード２１に蓄積された電子をＦＤ部２６に転送し、このときのＦＤ部２６の電位を期間Ｔ５で信号レベルとして読み出す。
【００４９】
この通常の読み出し動作に対し、本発明では、高Ｓ／Ｎと広ダイナミックレンジ化を図ることを目的として、光電変換によって電子を蓄積する蓄積期間（第１露光時間）において、転送トランジスタ２２のゲート電極に第１制御電圧を供給するとともに、第１制御電圧とは異なる電圧値の第２制御電圧を１回又は複数回供給し、複数の第２制御電圧のいずれか１つ又は複数の供給に先行して、当該いずれか１つ又は複数の個々の第２制御電圧と同じ電圧値の第３制御電圧を1回又は複数回供給し、第１制御電圧が供給された際に転送トランジスタ２２によってＦＤ部２６に転送される信号電荷を読み出し、第２制御電圧を順次供給した際に転送トランジスタ２２によってＦＤ部２６に転送される信号電荷を１回以上読み出す駆動を行うことを特徴とする。
【００５０】
ここで、第１制御電圧は、フォトダイオード２１の蓄積電荷を転送トランジスタ２２によってＦＤ部２６に完全に転送できる電圧である。以下、第１制御電圧を完全転送電圧と記述する。また、第２，第３制御電圧は先述した中間電圧である。以下、第２，第３制御電圧を中間電圧と記述する。本例では、転送トランジスタ２２がＮＭＯＳトランジスタであることから、第１制御電圧と異なる電圧値とは、第１制御電圧よりも低い電圧値を意味する。当然のことながら、転送トランジスタ２２がＰＭＯＳトランジスタの場合は、第１制御電圧よりも低い電圧値ということになる。また、第２，第３制御電圧について、「同じ電圧値」とは、電圧値が完全同一の場合だけを言うのではなく、数％程度の多少の誤差も含むものとする。
【００５１】
具体的には、図４（Ｂ）に示すように、期間Ｔ１０でフォトダイオード２１およびＦＤ部２６をリセットし、期間Ｔ１１で受光した光を電子に光電変換し、フォトダイオード２１に蓄積する。次いで、期間Ｔ１２でＦＤ部２６をリセットする。ここで、期間Ｔ１２でのＦＤ部２６の電位をリセットレベルとして読み出しても構わない。
【００５２】
次に、期間Ｔ１３で転送トランジスタ２２のゲート電極に中間電圧（第３制御電圧）Ｖｔｒｇを供給し、入射光強度によって決まるフォトダイオード２１の蓄積電子の量に応じて部分的にＦＤ部２６へ転送する。期間Ｔ１４では、転送された電子の量に応じたＦＤ部２６の電位を信号レベルとして読み出し、必要に応じて、期間Ｔ１２で読み出したリセットレベルを用いて、例えばカラム回路１８においてノイズキャンセル処理を行う。
【００５３】
期間Ｔ１５では継続的に蓄積動作を実行し、期間Ｔ１６で再びＦＤ部２６をリセットする。ここで、期間Ｔ１６でのＦＤ部２６の電位をリセットレベルとして読み出しても構わない。さらに、期間Ｔ１７で転送トランジスタ２２のゲート電極に中間電圧（第３制御電圧）Ｖｔｒｇを供給し、期間Ｔ１３で転送されずにフォトダイオード２１に残った電子と期間Ｔ１５で蓄積された電子との和のうち、中間電圧印加による転送トランジスタ２２のポテンシャルを超えた分がＦＤ部２６へ転送される。期間Ｔ１８で信号レベルとして読み出しても構わない。
【００５４】
期間Ｔ１９から期間Ｔ２２では、転送トランジスタ２２のゲート電極に先の中間電圧と同じ電圧値の中間電圧（第２制御電圧）Ｖｔｒｇを印加して同様の動作を繰り返して実行する。また、期間Ｔ１１から期間Ｔ１４までの動作を、転送トランジスタ２２への供給電圧を変えながら1回あるいは複数回実行する。そして、期間Ｔ２３での露光後、期間Ｔ２４で再びリセット動作をしてリセットレベルを読み出し、次いで期間Ｔ２５では転送トランジスタ２２を完全にＯＮ状態にしてＦＤ部２６へ完全転送を実行し、期間Ｔ２６で信号レベルを読み出す。
【００５５】
ここで、転送トランジスタ２２のゲート電極に中間電圧Ｖｔｒｇを供給した場合の画素内におけるポテンシャルの一例を図５に示す。フォトダイオード２１に蓄積された電子数が多く、中間電圧Ｖｔｒｇの印加によるポテンシャルヨｔｒｇを超える場合は、フォトダイオード２１に蓄積された電子は部分的にＦＤ部２６に転送される。
【００５６】
図６は、入射光が弱い場合に、中間電圧Ｖｔｒｇが複数回に供給された場合のポテンシャル変化例を示すポテンシャル図である。フォトダイオード２１に蓄積された電子が少ない場合は、転送トランジスタ２２のポテンシャルヨｔｒｇを超えることがないため、光電変換で発生した電子はフォトダイオード２１に保持され、最後の完全転送でＦＤ部２６へ転送されて信号レベルとして読み出される。
【００５７】
一方で、図７に示すように、入射光が強いときは、ポテンシャルヨｔｒｇを超えた電子がＦＤ部２６へ転送され、信号レベルとして順次読み出される。これにより、低照度では信号の劣化なく十分な露光時間を経て完全転送で読み出すことが可能であり、高照度ではポテンシャルヨｔｒｇを超えた余剰分を段階的に読み出すことで、最終的に広ダイナミックレンジの合成画像を作成することができる。
【００５８】
なお、図６および図７における各動作期間Ｔ１０〜Ｔ２６と、図４（Ａ）のタイミングチャートにおける各動作期間Ｔ１０〜Ｔ２６とはそれぞれ対応している。
【００５９】
ここで、本発明の特徴である、転送トランジスタ２２のゲート電極に同じ電圧値の中間電圧を複数回供給する駆動を行うことによる作用効果を説明する前に、転送トランジスタ２２のゲート電極に異なる電圧値の中間電圧を複数回供給する場合について考察する。
【００６０】
＜中間電圧を複数回印加することに伴う作用効果＞
先ず、電子シャッタを切ってから画素２０の転送トランジスタ２２をＯＮにして蓄積電荷を読み出すまでの露光期間中に、１つ又は複数の中間電圧を画素２０の転送トランジスタ２２に印加して読み出すことで、低照度領域で高いＳ／Ｎを確保したまま高照度領域の情報も取得することができる。
【００６１】
また、複数の中間電圧を用いて複数回転送し、そのうち1回あるいは複数回読み出さずにＦＤ部２６を所定電位（例えば、電源電位ＶＤＤ）にリセットするリセット動作、具体的には、リセットトランジスタ２３と当該リセットトランジスタ２３にリセットパルスＲＳＴを与える行選択回路１３Ａ，１３Ｂとからなるリセット手段によるリセット動作を実行することで、画素２０の転送トランジスタ２２の閾値ばらつきを効果的にキャンセルすることができる。
【００６２】
具体的には、図８に示すように、1回目の転送で転送トランジスタ２２のゲート電極に電圧Ｖｔｒｇ１を印加した場合の転送トランジスタ２２のポテンシャルをφtrg1  、フォトダイオード２１の電荷蓄積前のポテンシャルをφpd0、フォトダイオード２１に保持される電子数をＱPD1、ＦＤ部２６へ溢れた電子数をＱFD1、電子数ＱPD1を保持しているときのフォトダイオード２１のポテンシャルをφpd1とする。入射光強度に比例してフォトダイオード２１で発生する光電流をＩpdとし、1回目の転送までの露光時間をΔＴ、フォトダイオード２１の容量をＣpdとすると、ＱPD1およびＱFD1は以下の式で表される。
【００６３】
ＱPD1 ＝ Ｃpd・φpd1
ＱFD1 ＝ Ｉpd・ΔＴ−ＱFD1
φpd1 ＝ φpd0−φtrg1  
φtrg1 ＝ Ｖtrg1 −（Ｖth＋ΔＶth）
ここで、Ｖthは転送トランジスタ２２の閾値であり、ΔＶthは転送トランジスタ２２の閾値ばらつきである。
【００６４】
さらに続けてΔＴ時間露光し、光電流を蓄積した後で異なる電圧Ｖｔｒｇ２を印加した２回目の転送においては、同様に転送トランジスタ２２のポテンシャルをφtrg2  、フォトダイオード２１に保持される電子数をＱPD2、ＦＤ部２６へ溢れた電子数をＱFD2、電子数ＱPD2を保持しているときのフォトダイオード２１のポテンシャルをφpd2とすると、以下の式で表される。
【００６５】
ＱPD2 ＝ Ｃpd・φpd2
φpd2 ＝ φpd0−φtrg2  
φtrg2 ＝ Ｖtrg2 −（Ｖth＋ΔＶth）
ＱFD2 ＝ （ＱPD1  ＋Ｉpd・ΔＴ）−ＱPD2
＝ Ｃpd・φpd1＋Ｉpd・ΔＴ−Ｃpd・φpd2
＝ Ｃpd・（φpd0−φtrg1 ）＋Ｉpd・ΔＴ
−Ｃpd・(φpd0−φtrg2 )
＝ Ｃpd・φtrg1 ＋Ｉpd・ΔＴ−Ｃpd・φtrg2  
＝ Ｃpd・｛Ｖtrg1 −（Ｖth＋ΔＶth）｝＋Ｉpd・ΔＴ
−Ｃpd・｛Ｖtrg2 −（Ｖth＋ΔＶth）｝
＝ Ｉpd・ΔＴ−Ｃpd・（Ｖtrg2 −Ｖtrg1）
【００６６】
このように、２回目の転送以降では、ＦＤ部２６へ中間転送された電子数は、入射光強度、即ち発生した光電流量と、転送トランジスタ２２の制御電極に印加された電圧Ｖｔｒｇ２と直前に印加された電圧Ｖｔｒｇ１との差で決まり、転送トランジスタ２２の閾値ばらつきΔＶthの影響を低減することが可能である。さらに、それぞれのタイミングで転送トランジスタ２２を介して転送される電子数は相間を有しているために、ポテンシャルを超えた電子数によって転送期間内に転送しきれない残留電子数も相間を有し、２回目以降では残留電子によるばらつきも低減される。
【００６７】
上述したことから明らかなように、露光期間中の異なるタイミングで、転送トランジスタ２２に複数の中間電圧Ｖtrg1，Ｖtrg2を印加した場合、そのときの転送トランジスタ部のポテンシャルΦtrg1とΦtrg2は、それぞれ転送トランジスタ２２の閾値ばらつきを含んでいる。そして、ポテンシャルΦtrg1での転送動作によって閾値ばらつき相当分の電荷がＦＤ部２６へ捨てられているので、次のポテンシャルΦtrg2での転送動作では、その間に蓄積された電荷と、ポテンシャルΦtrg1とΦtrg2の違いによるフォトダイオード２１での保持電荷量の差で決まる電荷量ＱFD2 がＦＤ部２６へ転送される。ポテンシャルΦtrg1とΦtrg2は転送トランジスタ２２の閾値ばらつきを同じだけ有しているので、保持電荷量の差に影響せず、中間電圧Ｖtrg1，Ｖtrg2による転送電荷量への影響をキャンセルできる。
【００６８】
ここで、複数の中間電圧Ｖtrg1，Ｖtrg2を設定するに当たっては、電子シャッタから通常の読み出しまでの露光期間中に飽和レベルに達する光量が入射している条件下での各タイミングにおける蓄積電荷をフォトダイオード２１に保持できる電圧に設定することが考えられる。具体的には、図９に示すように、露光時間で飽和電荷量Ｑｓに到達する直線から、中間電圧を印加するタイミングでのフォトダイオード２１に保持すべき電荷量を見積もり、その電荷量を保持可能な印加電圧を、図１０に示すような印加電圧と受光部保持電子数の関係から決定する。
【００６９】
＜中間電圧の電圧値が異なる場合＞
しかしながら、中間読み出し動作時に印加される中間電圧（第２制御電圧）と、転送トランジスタ２２の閾値ばらつきの抑圧のために先行して印加される中間電圧（第３制御電圧）との電圧値が異なると、以下の特性ばらつきについては十分にキャンセルできない懸念がある。
【００７０】
(1) 供給される中間電圧のオフセット値
Ｖtrg1とＶtrg2の２種類の中間電圧が露光期間中の異なるタイミングで転送トランジスタ２２に印加された場合、前記のように２回目の中間電圧による転送量は、それぞれの中間電圧印加による転送の間に蓄積された電荷と、中間電圧Ｖtrg1と中間電圧Ｖtrg2との電圧差で決まる。転送トランジスタ２２に供給される中間電圧が設定された電圧値に対してオフセットを持つ場合、２つの中間電圧Ｖtrg1，Ｖtrg2の電圧差に設定値とのズレが発生し、ノイズとして高照度領域の画質を劣化させる可能性がある。
【００７１】
(2) 画素配列内での中間電圧のオフセット値
画素配列に中間電圧を印加する場合、供給する配線の寄生抵抗などの影響で、画素配列内の位置によって中間電圧がオフセットを持つ場合がある。印加する複数の中間電圧の電圧値が異なるため、このオフセット値が転送ごとに異なり、ノイズとして高照度領域の画質を劣化させる可能性がある。
【００７２】
(3) 画素配列内での転送トランジスタに中間電圧が印加されている時間のばらつき
中間電圧を転送トランジスタ２２に駆動回路経由で供給する場合、配線およびトランジスタの抵抗や容量により、画素配列内の位置によって立ち上がり時間および立下り時間が異なる。中間電圧印加による転送はサブスレッショルド領域で収束するため、転送トランジスタ２２に所望の電圧が印加されている時間が画素間で異なると転送される電荷量が変わる可能性があり、ノイズとして高照度領域の画質を劣化させる。
【００７３】
(4) 中間電圧転送における転送残留電荷量
中間電圧を印加する直前に受光部（フォトダイオード２１）に蓄積されている電荷量がそれぞれ異なると、中間電圧印加による転送はサブスレッショルド領域で動作するため、電荷の転送が収束するのに必要な時間よりも中間電圧の印加時間が短い場合、転送直前の蓄積電荷量によって異なる転送残留が発生する。これにより、ノイズとして高照度領域の画質を劣化させる可能性がある。
【００７４】
＜中間電圧の電圧値が同じ場合＞
そこで、本実施形態では、図１１に示すように、電子シャッタ動作から通常の読み出し動作までの、低照度領域の画像を取得する第１露光時間Ｔlow の期間中に、中間電圧転送（中間電圧（第２制御電圧）印加による転送）による読み出し走査を実行する。さらに、その中間電圧転送による読み出し動作よりも、高照度領域の画像取得のための第２露光時間Ｔhighだけ先行して、同じ電圧値の中間電圧（第３制御電圧）によるダミー転送のための行選択走査を１回又は複数回実行する。複数回の中間電圧転送の時間間隔は全て第２露光時間Ｔhighとする。すなわち、中間電圧（第３制御電圧）を等しい時間間隔で複数回転送トランジスタ２２に印加する。
【００７５】
図１２に、中間電圧印加による画素２０の駆動タイミング図を示す。また、図１３に、中間電圧印加によって駆動された画素のポテンシャル図を示す。
【００７６】
ここでは、画素回路として、図２に示した４トランジスタ構成を例とするが、これに限られるものではなく、フォトダイオード（受光部）２１に加えて、少なくとも転送トランジスタ２２（転送ゲート）を有する破壊読出しの画素回路であればよい。
【００７７】
図１２において、転送トランジスタ２２のゲート電極への中間電圧の印加による各転送動作の前後のタイミングｔをｔ１〜ｔ６とする。図１２の垂直走査１（１ａ，１ｂ，１ｃ）〜３のように、行選択回路１２，１３Ａ，１３Ｂによって行選択走査を実行する。そして、行選択回路１２による垂直走査１ａでフォトダイオード２１の電荷の掃出を行い、露光と光電変換によって発生した電荷の蓄積を開始する。
【００７８】
次に、図１２に示したように、行選択回路１２による垂直走査１ｂに先行して、行選択回路１３Ａによる垂直走査２で、転送トランジスタ２２のゲート電極（転送ゲート）に通常の完全転送に必要な電圧よりも低い中間電圧を供給する。供給すべき中間電圧は、先述したように、図１の電圧供給回路１７からドライバ回路１５に複数供給され、コントローラユニットからの信号を受けて論理回路１４から供給されるタイミング信号ＰＴＲＧ１，ＰＴＲＧ２に基づいてドライバ回路１５で選択される。
【００７９】
転送トランジスタ２２のゲート電極に中間電圧が印加されることで、図１３のｔ＝ｔ１〜ｔ２のように、電荷Ｑpd＋ΔＱ＋ΔＱrを保持してＦＤ部２６へ転送し、その後ＦＤ部２６はリセットされる。ここで、ΔＱは、転送トランジスタ２２の閾値ばらつきや電圧供給回路１７から供給される電圧のオフセットや、画素２次元配列の位置による供給電圧のオフセットなどによる、ポテンシャル差ΔＶによる保持電荷のばらつきである。また、ΔＱrは転送前の初期状態の違いによって発生する転送残留差である。
【００８０】
さらに、行選択回路１３Ａによる垂直走査３で、転送トランジスタ２２のゲート電極に同じ中間電圧を供給することで、図１３のｔ＝ｔ３〜ｔ４のように、Ｑpd＋ΔＱを保持し、ＦＤ部２６はリセットされる。行選択回路１２による垂直走査１ｂで、垂直走査２，３と同じ電圧値の中間電圧によって転送された信号電荷は垂直信号線１１を介してカラム回路１８で読み出され、水平走査回路１９による水平走査によって出力される。
【００８１】
この転送では、ｔ＝ｔ５〜ｔ６に示すようにＱpd＋ΔＱをフォトダイオード２１に保持し、図１２に示す露光時間Ｔhighで蓄積された電荷Ｑｉを信号電荷として読み出すことができる。この結果が短い露光時間（第２露光時間Ｔhigh）による第２映像信号、即ち低い感度での撮影に相当し、高照度領域の画像情報になる。
【００８２】
さらに露光を継続し、図１２に示すように、行選択回路１２による垂直走査１ｃで前記供給電圧（中間電圧）とは異なる供給電圧を転送トランジスタ２２のゲート電極に印加し、フォトダイオード２１に蓄積された電荷を完全にＦＤ部２６に転送して読み出す。この結果が長い露光時間（第１露光時間Ｔlow ）による第1映像信号、即ち高い感度での撮影に相当し、低照度領域の画像情報になる。
【００８３】
続いて、同じ電圧値の中間電圧Ｖｔｒｇを用いることにより、中間電圧Ｖｔｒｇの電圧値が異なる場合に問題となる先述した(1)〜(4)の点を解消できる理由について以下に具体的に説明する。
【００８４】
まず、「転送トランジスタの閾値ばらつき」と、先述した「(1) 供給される中間電圧のオフセット値」および「(2) 画素配列内での中間電圧のオフセット値」をキャンセルする原理について図１４を用いて説明する。
【００８５】
これらのキャンセルは、読み出しを実行する中間電圧転送ｔ＝ｔ５〜ｔ６と、その直前の同じ中間電圧でのダミー転送ｔ＝ｔ３〜ｔ４で実現される。ｔ＝ｔ３でフォトダイオード２１に蓄積された電荷をＱｏとする。また、２つの動作Ａ，Ｂにてキャンセル動作が実行される。
【００８６】
動作Ａでは、印加した中間電圧で決まる保持電荷量Ｑpdがフォトダイオード（ＰＤ）２１に残り、Ｑｏ−ＱpdがＦＤ部２６へ転送される。ｔ＝ｔ５では、露光時間Ｔhighに蓄積された電荷Ｑｉを加えたＱpd＋Ｑｉがフォトダイオード２１に蓄積されており、ｔ＝ｔ６で同じ中間電圧で転送することによってフォトダイオード２１に電荷Ｑpdが残り、露光時間Ｔhighに蓄積された電荷Ｑｉを読み出すことができる。
【００８７】
一方、動作Ｂでは、トランジスタの閾値ばらつきや中間電圧のオフセット値によって、動作Ａと比べてΔＶだけポテンシャル差が発生している。この場合、ｔ＝ｔ４にてポテンシャル差ΔＶによりフォトダイオード２１の保持電荷はΔＱだけ変化し、Ｑpd＋ΔＱの電荷が残る。それゆえ、このときの転送電荷はＱｏ−（Ｑpd＋ΔＱ）となる。
【００８８】
動作Ａと同様に、露光時間ＴhighでＱｉだけ蓄積電荷が増加した場合、ｔ＝ｔ５での蓄積電荷はＱpd＋ΔＱ＋Ｑｉとなる。ｔ＝ｔ６にて、ｔ＝ｔ４と同じ中間電圧で転送を実行した場合、トランジスタの閾値ばらつきや供給される中間電圧のオフセット値、画素配列内の位置は同じであるため、ポテンシャル差ΔＶはｔ＝ｔ４と同じになる。このため、保持電荷はＱpd＋ΔＱとなり、転送電荷は露光時間Ｔhighに蓄積された電荷であるＱｉとなる。露光時間Ｔhighで蓄積された電荷Ｑｉを動作Ａでも動作Ｂでも得られており、ばらつきやオフセットのキャンセル効果が得られる。
【００８９】
次に、「(3) 画素配列内での転送トランジスタに中間電圧が印加されている時間のばらつき」および「(4) 中間電圧転送における転送残留電荷量のばらつき」をキャンセルする動作について図１５を用いて説明する。
【００９０】
転送トランジスタ２２のゲート電極への中間電圧印加による電荷転送では、転送トランジスタ２２がサブスレッショルド領域で動作する。図１６は、転送開始前にフォトダイオード２１に蓄積されている電荷が、中間電圧の印加により時間とともに転送される特性を示している。フォトダイオード２１に蓄積されている初期電荷が、印加される中間電圧で保持できる最大電荷量Ｑpdよりも少ないＱini0〜Ｑini3の場合は、転送されずにフォトダイオード２１に保持され続ける。
【００９１】
一方、最大電荷量Ｑpdよりも大きい電荷量Ｑini4〜Ｑini8の場合は、電荷転送によりフォトダイオード２１に残る電荷が減少していき、最大電荷量Ｑpdで収束する。ただし、初期状態に大きな差があり転送時間が十分でない場合、最大電荷量Ｑpdに収束する前に中間電圧転送が終了し、ΔＱrだけ残留差が発生する。
【００９２】
図１５の動作Ａでは、ｔ＝ｔ１で電荷Ｑini が蓄積しており、ｔ＝ｔ２で保持電荷Ｑpdを残して蓄積を継続し、ｔ＝ｔ３では露光時間Ｔhighで新たに蓄積した電荷Ｑｉと保持されていた電荷Ｑpdがフォトダイオード２１に蓄積されている。ｔ＝ｔ４での中間電圧転送ではＱｉが転送される。
【００９３】
一方、初期状態が異なる動作Ｂでは、ｔ＝ｔ２で電荷Ｑini′が蓄積しており、ｔ＝ｔ２で保持電荷Ｑpdに加えてΔＱrだけ残留差が発生している。ｔ＝ｔ３では、そこに露光時間Ｔhighで新たに蓄積した電荷Ｑｉが加わり、Ｑpd＋Ｑｉ＋ΔＱrが蓄積されている。ｔ＝ｔ４での中間電圧による転送では、蓄積増分Ｑｉだけでなく残留差ΔＱrが転送されてしまうが、残留差ΔＱrはわずかであるため、動作Ａと動作Ｂのｔ＝ｔ３における状態はほぼ等しく、ｔ＝ｔ４における動作Ａおよび動作Ｂにおける保持電荷Ｑpdも高い相関性を持ち、ほぼ等しい値となる。
【００９４】
これにより、読み出しのための中間電圧による転送の直前では、動作Ａも動作Ｂもフォトダイオード２１に保持電荷Ｑpdと露光時間Ｔhighで蓄積した電荷Ｑｉの和であるＱpd＋Ｑｉが蓄積されており、同じ状態から増分Ｑｉだけ転送することができる。つまり、図１３に示すように、読み出しのための中間電圧転送の初期状態と、その直前の中間電圧印加によるダミー転送の初期状態の相関性を、さらにその前のダミー転送によって高めることにより、読み出し時に露光時間Ｔhighでの増分Ｑｉだけ転送できるようにしている。
【００９５】
その結果、中間電圧転送におけるフォトダイオード２１の初期状態に依存する転送残留差ΔＱrをより小さくすることができるために、特に高照度領域の画像のＳ／Ｎを改善することができる。また、画素配列内で所望の中間電圧が印加されている時間がばらついて転送残留差ΔＱrが異なっていても、画素ごとにキャンセル効果があり、読み出しのための中間電圧による転送への影響を抑えることができる。しかも、中間転送動作による高照度領域の画像を複数取得することが可能になるために、動物体のブレ補正に活用できるとともに、画像の加算によるＳ／Ｎ改善の効果がある。
【００９６】
＜高Ｓ／Ｎ化および広ダイナミックレンジ化の処理＞
ここで、中間電圧の複数回供給による中間転送によって得られた信号については、一例として、図１７に示すように、あらかじめ設定された飽和レベルでクリップして加算することで連続的な入出力特性を得る。例えば、図１７では、i回目の読み出しである通常露光での完全転送の結果は通常飽和レベルまで高Ｓ／Ｎで出力し、その前のｉ−１回目の転送では露光時間を２分の１で中間転送することで約２倍のダイナミックレンジを、ｉ−２回目の転送では露光時間を８分の１で中間転送することで約８倍のダイナミックレンジを可能とし、それぞれの飽和レベル付近でクリップして足し合わせることで、連続的な特性が得られる。
【００９７】
このようなクリップおよび加算を行うことによる高Ｓ／Ｎ化および広ダイナミックレンジ化の処理は、例えばＣＭＯＳイメージセンサ１０の後段に設けられる信号処理回路（図示せず）において、複数回読み出された画像を蓄えておくフレームメモリを用いることによって実行されることになる。
【００９８】
ただし、この処理例は一例に過ぎず、複数回読み出された画像が保存されていれば、パーソナルコンピュータなどで処理することも可能であり、またフレームメモリをＣＭＯＳイメージセンサ１０上に実装することで、当該イメージセンサ１０上で処理して最終画像のみ出力する構成を採ることも可能である。
【００９９】
（第１実施形態の作用効果）
上述したように、第１実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサ１０では、単位画素２０が転送ゲートである転送トランジスタ２２を有する破壊読出しの画素であることで、低暗電流や、１電子あたりの電圧を示す変換効率が高いこと、リセットレベルを相間二重サンプリング（ＣＤＳ）と呼ばれるノイズキャンセル動作が可能であること、などによる高Ｓ／Ｎという作用効果を奏する。
【０１００】
加えて、本実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサ１０では、第１露光時間Ｔlow の期間中に、当該露光時間Ｔlowによる高感度の第１映像信号を出力する単位画素に転送トランジスタ２２を駆動する時間間隔によって決まる第２露光時間Ｔhighに比例して蓄積された信号電荷を読み出して第１映像信号と異なる感度、具体的には低感度の第２映像信号として、好ましくは第１映像信号と異なる複数の感度の映像信号として画素アレイ部１１から出力する構成を採ることで、次のような作用効果を奏する。
【０１０１】
すなわち、図１８に示すように、第２露光時間Ｔhigh（図中、期間Ｂ，Ｃ）による蓄積動作を第１露光時間Ｔlow（図中、期間Ｄ）内の任意のタイミングに設定できるために、第２映像信号（図中、高輝度信号１，２）の読出しタイミングは任意となる。これにより、最も短い露光時間間隔に依存した高フレームレートは必要なく、映像信号の読出し回数で決まるフレームレートで、より短い露光時間の映像信号を得ることができる。
【０１０２】
図１８において、Ｑｓａｔは画素の飽和レベルを、Ｑｍｉｄは画素の飽和レベルＱｓａｔと中間電圧保持レベルとの差をそれぞれ示している。また、一点鎖線は高輝度の場合を、二点鎖線は中輝度の場合を、実線は低輝度の場合をそれぞれ表している。そして、第２露光時間Ｂによる高輝度信号１の読み出しでは、中輝度のときに第２露光時間Ｂに比例して蓄積された信号電荷Ｑ（Ｂ）が第２映像信号として読み出され、第２露光時間Ｃによる高輝度信号２の読み出しでは、高輝度および中輝度のときに第２露光時間Ｃに比例して蓄積された信号電荷Ｑ（Ｃ）が第２映像信号として読み出される。また、第１露光時間Ｄによる低輝度信号の読み出しでは、低輝度のときに第１露光時間Ｄに比例して蓄積された信号電荷Ｑ（Ｄ）が第１映像信号として読み出される。
【０１０３】
因みに、単位画素２０が非破壊読出しの画素の場合は、蓄積時間中の任意のタイミングで画素から映像信号を読み出すことはできるものの、露光時間が短い第２露光時間Ｔhighの映像信号を取得するには、第２露光時間Ｔhighで決まるフレーム間隔で映像信号を読み出す必要がある。すなわち、最も短い露光時間間隔で映像信号を読み出す高フレームレートが必要となる。
【０１０４】
特に、本実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサ１０では、第１制御電圧の供給および第２制御電圧の供給の前に、転送トランジスタ２２によって転送された信号電荷を蓄積するＦＤ部２６を所定電位（本例では、電源電位ＶＤＤ）にリセットする構成を採っているために、転送トランジスタ２２を駆動する時間間隔で決まる露光時間（Ｂ，Ｃ，Ｄ）に比例した感度の映像信号を得ることができる。また、映像信号に画素バラツキとして、転送トランジスタ２２の閾値バラツキや、フォトダイオード２１の寄生容量のバラツキ、即ち飽和電子数のバラツキ、中間電圧のバラツキなどが含まれることもない。
【０１０５】
因みに、第１制御電圧の供給および第２制御電圧の供給の前に、ＦＤ部２６をリセットする構成を採らない場合には、図１９に示すように、最初の転送で得られる信号電荷は、露光時間Ａの期間中に、中間電圧供給時の保持量を超えたタイミングから転送までの期間Ａ′に蓄積された電荷Ｑ（Ａ′）となっており、露光時間Ａに比例していない。保持量を超えるタイミングは入射光の強度や受光素子の感度によって異なる。
【０１０６】
また、露光時間Ｂで蓄積された電荷Ｑ（Ｂ）は転送されることで電荷Ｑ（Ａ′）と加算されてしまうために、映像信号としてはＱ（Ａ′）＋Ｑ（Ｂ）となり、露光時間Ａ＋Ｂとも、露光時間Ｂとも比例していない。さらに、前の露光時間（例えば、露光時間Ｂに対して露光時間Ａ、露光時間Ｃに対して露光時間Ａと露光時間Ｂ）にて受光部が飽和してしまう場合は、飽和レベルＱｓａｔと中間電圧による保持レベルとの差であるＱｍｉｄが映像信号に含まれるため、露光時間に比例した感度の映像信号を得ることができない。
【０１０７】
また、本実施形態でいうところの第３制御電圧の供給（先行するダミー中間転送）がなく、もし個々の転送による電荷を個別に映像信号として読み出す場合、その最短の露光時間の時間間隔で映像信号を画素アレイ部１１から読み出す必要があるために、最短の露光時間（Ｃなど）で決まる高フレームレートの映像信号の読み出しが必要になる。
【０１０８】
また、本実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサ１０において、高感度の第１映像信号を出力する単位画素から低感度の第２映像信号を出力するということは、第１，第２映像信号を画素アレイ部１１の画素配列を空間的に分割することなく同じ画素から読み出すことを意味する。このように、画素配列を空間的に分割することなく、同じ画素から第１，第２映像信号を出力する構成を採ることで、すべての画素から複数の感度（複数の露光時間）の映像信号を得ることができるために、解像度が劣化することはない。
【０１０９】
因みに、例えば図２０に示すように、奇数行の単位画素には第１露光時間（長い露光時間）を設定して奇数行からは高感度の画像（第１映像信号）を出力し、偶数行の単位画素には第２露光時間（短い露光時間）を設定して偶数行からは低感度の画像（第２映像信号）を出力する、という具合に画素配列を空間的に分割した場合には、高感度、低感度の画像の情報量が画素数の半分になるために、解像度が落ちる。
【０１１０】
また、本実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサ１０では、図２１（Ａ）に示すように、第２露光時間Ｔhighを第１露光時間Ｔlow内に設定することで、フレーム期間を時間的に分割することもない。したがって、第１露光時間Ｔlow内として最大でフレーム期間と同じ時間を確保することができるために、第２露光時間Ｔhighでダイナミックレンジの拡大を図りつつ、第１映像信号の感度を落とすことなく、高Ｓ／Ｎ（高画質）の映像信号の取得が可能になる。
【０１１１】
因みに、いわゆるマルチサンプリングと呼ばれる複数回露光では、図２１（Ｂ）に示すように、フレーム期間を時間的に分割して、長い露光時間（第１露光時間）と短い露光時間（第２露光時間）とを設定するために、第１露光時間は必ずフレーム期間よりも短くなり、感度が落ち、その結果画質が劣化する。
【０１１２】
また、本実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサ１０では、より具体的な駆動として、転送トランジスタ２２のゲート電極に複数の第１中間電圧を第２制御電圧として順次供給した際に転送トランジスタ２２によってＦＤ部２６に転送される信号電荷を１回以上読み出す駆動を行選択回路１２および先行選択回路１３による駆動の下に実行することで、転送トランジスタ２２の閾値ばらつきをキャンセルすることができる。これにより、低照度にて通常飽和レベルを狭めることなく線形かつ高Ｓ／Ｎでの信号取得を可能にするとともに、通常飽和レベル以上の入射光に対しても線形領域での良好なＳ／Ｎを実現しながらダイナミックレンジを拡大できる。
【０１１３】
特に、複数の第１中間電圧（第２制御電圧）のいずれか１つ又は複数の個々に先行する第２の中間電圧（第３制御電圧）を、当該いずれか１つ又は複数の個々の第１中間電圧と同じ電圧値にする、具体的には、複数の第１中間電圧をＶ１，Ｖ２，…（これら第１中間電圧は同じ電圧値でも、異なる電圧値でもよい）とした場合に、Ｖ１に先行する第２の中間電圧をＶ１と同じ電圧値にし、Ｖ２に先行する第２の中間電圧をＶ２と同じ電圧値にし、Ｖ１とＶ２の電圧値が異なるときは第２の中間電圧もそれぞれ異なる電圧値にすることで、転送トランジスタ２２の閾値ばらつきに加えて、供給される中間電圧Ｖｔｒｇのオフセット値や、画素配列内での中間電圧Ｖｔｒｇのオフセット値や、画素配列内での転送トランジスタ２２に中間電圧Ｖｔｒｇが印加されている時間のばらつきや、中間電圧Ｖｔｒｇの印加による中間転送における転送残留電荷量のばらつきについてもキャンセルすることができるために、特に高照度領域の画像のＳ／Ｎを改善できる効果がある。
【０１１４】
なお、同じ電圧値の中間電圧を複数回供給する時間間隔、具体的には、図１２の垂直走査２と垂直走査３との時間間隔および垂直走査３と垂直走査１ｂとの時間間隔を等しくするとしたが、必ずしも等しくなくてもそれ相応のキャンセル効果を得ることができる。ただし、時間間隔が等しい方が、供給される中間電圧Ｖｔｒｇのオフセット値や、画素配列内での中間電圧Ｖｔｒｇのオフセット値や、画素配列内での転送トランジスタ２２に中間電圧Ｖｔｒｇが印加されている時間のばらつきや、中間電圧Ｖｔｒｇの印加による中間転送における転送残留電荷量のばらつきについてより確実にキャンセルできる効果がある。
【０１１５】
以上により、屋内や野外、昼間や夜間といった多様な環境下での外光の変化に対して、低照度シーンにおいてＳ／Ｎの高い高画質な画像を取得することが可能になるとともに、高照度シーンにおいて飽和の少ない画像を線形応答による高画質で取得でき、さらに低照度と高照度の混在するコントラストの高いシーンにおいても、低照度部分では高Ｓ／Ｎを維持したまま高照度部分の飽和を回避することができる。
【０１１６】
加えて、高感度化を目的として通常の画素配列の中に感度の高い画素を配置した場合においても、高感度画素に露光時間を合わせて通常画素のＳ／Ｎを劣化させる必要はなく、通常画素の適正露光に合わせて高感度画素の高Ｓ／Ｎ画像を得ることができ、後段の高画質化の処理に有利となる。
【０１１７】
しかも、単位回路２０としては、構成素子を増やすことなく、従来の画素回路をそのまま利用することができるために、単位回路２０の回路規模が増大することがなく、したがって、単位回路２０の回路規模の増大による画素数の低下、ひいては解像度の低下を招くことなく、所期の目的を達成できる。
【０１１８】
（第１変形例）
なお、上記実施形態では、読み出し動作（図１２の垂直走査１ｂ）に先行する垂直走査を２回（図１２の垂直走査２，３）実行するとしたが、２回に限られるものではなく、図２２に示すように、３回以上、本例では４回（垂直走査２〜５））実行することも可能である。この場合、行選択回路を追加するか、あるいは、走査の終了した行選択回路を再度使う、あるいは、２行以上選択可能な行選択回路を用いるようにすればよい。
【０１１９】
また、図２３に示すように、読み出し動作（図１２の垂直走査１ｂ）に先行する垂直走査２や垂直走査３では、そのいずれかあるいは全ての転送電荷を読み出してからＦＤ部２６をリセットするようにしてもよい。
【０１２０】
（第２変形例）
また、上記実施形態では、図１２における第１中間電圧を供給する垂直走査１ｂと、フォトダイオード２１に蓄積された電荷を完全にＦＤ部２６に転送すべく前記供給電圧（中間電圧）とは異なる電圧を供給する垂直走査１ｃを、図２４の垂直走査１ｂのように共通化してもよい。この場合の駆動タイミングを図２５に示す。
【０１２１】
この第２変形例の場合、同じ垂直走査において、第１中間電圧によって転送された電荷の読み出しと、フォトダイオード２１に残された全ての電荷の読み出しとが、同じ行において連続して実行される。また、行ごとに高照度領域の画像と低照度領域の画像とが交互に出力されるため、後段の信号処理において１画像分のフレームメモリを必要としない。
【０１２２】
（第３変形例）
また、図２６に示すように、完全転送による通常の読み出し動作（垂直走査１ｃ）の前に、複数の中間電圧の印加による読み出し動作（垂直走査１ｂ，１ｂ′）を実行する場合には、それぞれの垂直走査に先行して、それぞれの供給電圧と同じ電圧を複数回の垂直走査で供給して、例えば、図２６の垂直走査２，３，２′，３′を実行するようにすることも可能である。
【０１２３】
このとき、垂直走査２と垂直走査３との時間間隔Ｔ０と、垂直走査３と垂直走査１ｂとの時間間隔Ｔ０とが等しい時間で、垂直走査２′と垂直走査３′との時間間隔Ｔ１と、垂直走査３′と垂直走査１ｂ′との時間間隔Ｔ１とが等しい時間である方が好ましいが、時間間隔Ｔ０と時間間隔Ｔ１とは異なる時間であってもよい。
【０１２４】
このように、中間電圧転送＋読み出しと中間電圧でのダミー転送との組を複数回実行する場合、それぞれ異なる時間間隔（Ｔ０／Ｔ１）とすることにより、高照度領域の画像を取得するための露光時間Ｔhighを複数設定することができるために、感度の異なる高照度領域の画像を複数取得することができる。その結果、中照度領域でのＳ／Ｎを改善できることになる。
【０１２５】
すなわち、中間電圧転送＋読み出しと中間電圧でのダミー転送との組を複数回実行する際に、時間間隔を変えることは、得られる画像の感度を変えることと等価になる。たとえば、低照度取得の露光時間Ｔhighを１として、複数の第１制御電圧に先行する第２制御電圧の時間間隔Ｔhigh＿１，Ｔhigh＿２，Ｔhigh＿３を１／１０，１／１００，１／１０００とした場合、１／１０の感度の画像、１／１００の感度の画像、１／１０００の感度の画像が段階的に得られることになる。一般的に、感度のより高い画像はダイナミックレンジが制限されている一方で、ノイズが小さく画質が良いために、複数の感度を段階的に取得して合成した方が、より良い画質の画が得られる。
【０１２６】
また、垂直走査２，３，１ｂと垂直走査２′，３′，１ｂ′で転送トランジスタ２２のゲート電極に供給する電圧については、等しい電圧値であってももよいし、異なる電圧値であってもよい。ただし、それぞれ異なる電圧値の中間電圧を供給することにより、低照度領域の蓄積電荷を損なわずに、低照度領域の画像を取得することができる。すなわち、低照度領域の飽和電荷量を維持する効果が得られる。
【０１２７】
［第２実施形態］
図２７は、本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置、例えばＣＭＯＳイメージセンサの構成例を示すシステム構成図であり、図中、図１と同等部分には同一符号を付して示している。
【０１２８】
第１実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサ１０が、画素アレイ部１１の各画素２０を画素行毎に順次走査して信号のリセットを行うローリングシャッタ（フォーカルプレーンシャッタ）撮像に対応しているのに対して、本実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサ５０は、画素アレイ部１１の全画素２０に対して同一のタイミングで露光を行うグローバルシャッタ（全画素一括の電子シャッタ）撮像に対応している。
【０１２９】
具体的には、本実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサ５０は、グローバルシャッタ撮像を実現するために、図１の先行選択回路１３に代えて、複数行を同時に選択する複数行同時選択回路５１を備えている。さらに、図示しないが、グローバルシャッタに対応するために、ＣＭＯＳイメージセンサ５０の光学上の前段にメカニカルシャッタ（以下、「メカシャッタ」と略称する）を備えることになる。それ以外の構成は、基本的に、第１実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサ１０と同じである。
【０１３０】
続いて、上記構成の本実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサ５０の動作について、図２８のタイミング図を用いて説明する。
【０１３１】
メカシャッタが開いている期間中に、複数行同時選択回路５１によって複数行を同時に選択し、フォトダイオード２１の蓄積電荷を掃き出す。メカシャッタを閉じるタイミングに先行して、複数行同時選択回路５１によって同時に選択された複数行の転送トランジスタ２２のゲート電極に、電圧値が等しい中間電圧を等しい時間間隔Ｔ０で１回又は複数回（本例では、２回）供給する。
【０１３２】
メカシャッタを閉じたあと、垂直走査回路１２による垂直走査１ｂで、先の中間電圧と同じ電圧値の中間電圧を転送トランジスタ２２のゲート電極に供給し、当該転送トランジスタ２２によってフォトダイオード２１からＦＤ部２０に転送した電荷を読み出す。さらに、垂直走査回路１２による垂直走査１ｃで、フォトダイオード２１の蓄積電荷をＦＤ部２６に完全に転送し、この転送電荷を読み出す。
【０１３３】
上述した駆動により、グローバルシャッタ対応のＣＭＯＳイメージセンサ５０においても、ローリングシャッタ対応のＣＭＯＳイメージセンサ１０の場合と同様に、転送トランジスタ２２のゲート電極に中間電圧を制御電圧として複数回供給し、その際に転送トランジスタ２２によって転送される信号電荷を２回以上読み出す駆動を行選択回路１２および先行選択回路１３による駆動の下に実行することで、転送トランジスタ２２の閾値ばらつきをキャンセルすることができる。因みに、グローバルシャッタでは、ローリングシャッタ（垂直走査による電荷掃き出し）によるアーチファクトが発生しない。
【０１３４】
特に、転送トランジスタ２２のゲート電極に複数回供給する中間電圧を同じ電圧値にすることで、供給される中間電圧のオフセット値や、画素配列内での中間電圧のオフセット値や、画素配列内での転送トランジスタに中間電圧が印加されている時間のばらつきや、中間電圧印加による中間転送における転送残留電荷量のばらつきについてもキャンセルできる。これにより、低照度にて通常飽和レベルを狭めることなく線形かつ高Ｓ／Ｎでの信号取得を可能にするとともに、通常飽和レベル以上の入射光に対しても線形領域での良好なＳ／Ｎを実現しながらダイナミックレンジを拡大できる。
【０１３５】
［第３実施形態］
図２９は、本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置、例えばＣＭＯＳイメージセンサの構成例を示すシステム構成図であり、図中、図１および図２７と同等部分には同一符号を付して示している。
【０１３６】
図２９に示すように、本実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサ６０は、通常の行選択を行う行選択回路１２に加えて、図１に示す先行選択回路１３と、図２７に示す複数行同時選択回路５１とを備えた構成となっている。それ以外の構成は、基本的に、第１実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサ１０と同じである。
【０１３７】
このように、先行選択回路１３と複数行同時選択回路５１とを併せ持つ構成を採ることにより、フォーカルプレーンシャッタ対応の駆動と、グローバルシャッタ対応の駆動とを切り換えて実行することが可能となり、いずれの場合にも、低照度にて通常飽和レベルを狭めることなく線形かつ高Ｓ／Ｎでの信号取得を可能にするとともに、通常飽和レベル以上の入射光に対しても線形領域での良好なＳ／Ｎを実現しながらダイナミックレンジを拡大できる。
【０１３８】
［ＣＣＤイメージセンサへの適用］
以上説明した第１乃至第３実施形態（変形例を含む）では、ＣＭＯＳイメージセンサに適用した場合を例に挙げて説明したが、本発明はＣＭＯＳイメージセンサに限らず、増幅型の固体撮像装置全般に、さらには光電変換素子からの信号電荷の読み出し部分に関する発明であることから、ＣＣＤイメージセンサに代表される電荷転送型の固体撮像装置にも同様に適用可能である。
【０１３９】
図３０に、ＣＣＤイメージセンサに適用した場合の例を示す。ＣＣＤイメージセンサでは、光電変換素子であるフォトダイオード（受光部）７１で光電変換され、ここに蓄積された信号電荷は、転送ゲート（読み出しゲート）７２によって垂直ＣＣＤ（垂直転送部）７３に転送され、当該垂直ＣＣＤ７３による垂直転送によって読み出されることになる。このＣＣＤイメージセンサにおいて、転送ゲート７２に先述した中間電圧Ｖｔｒｇを制御電圧として印加することで、垂直ＣＣＤ７３へ転送する電子量を制御することができる。
【０１４０】
入射光が弱いとき（Ａ）は、光電変換された電子量が少ないために、転送ゲート７２に中間電圧Ｖｔｒｇを印加しても、フォトダイオード７１の蓄積電子は、転送ゲート７２の下のポテンシャルを超えられずフォトダイオード７１内に保持される。一方、入射光が強いとき（Ｂ）は、光電変換された電子量が多いために、転送ゲート７２に中間電圧Ｖｔｒｇを印加することで、フォトダイオード７１の蓄積電子は、転送ゲート７２の下のポテンシャルを超えて垂直ＣＣＤ７３へ部分的に転送される。
【０１４１】
そして、ＣＭＯＳイメージセンサの場合と同様の制御タイミングで中間電圧Ｖｔｒｇを印加することで、ＣＭＯＳイメージセンサの場合と同様に、低照度での信号電荷を保持したまま、高照度において転送ゲート７２への中間電圧Ｖｔｒｇの印加による中間転送によって信号取得が実行できる。
【０１４２】
［撮像装置］
先述した第１乃至第３実施形態（変形例を含む）に係るＣＭＯＳイメージセンサ１０，５０，６０は、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置において、その撮像デバイス（画像入力デバイス）として用いて好適なものである。
【０１４３】
ここに、撮像装置とは、撮像デバイスとしての固体撮像装置、当該固体撮像装置の撮像面（受光面）上に被写体の像光を結像させる光学系および当該固体撮像装置の信号処理回路を含むカメラモジュール（例えば、携帯電話等の電子機器に搭載されて用いられる）、当該カメラモジュールを搭載したデジタルスチルカメラやビデオカメラ等のカメラシステムを言うものとする。
【０１４４】
図３１は、本発明に係る撮像装置の構成の一例を示すブロック図である。図３１に示すように、本発明に係る撮像装置は、レンズ８１を含む光学系、撮像デバイス（撮像部）８２、カメラ信号処理回路８３等によって構成されている。
【０１４５】
レンズ８１は、被写体からの像光を撮像デバイス８２の撮像面に結像する。撮像デバイス８２は、レンズ８１によって撮像面に結像された像光を画素単位で電気信号に変換して得られる画像信号を出力する。この撮像デバイス８２として、先述した第１乃至第３実施形態（変形例を含む）に係るＣＭＯＳイメージセンサ１０，５０，６０が用いられる。カメラ信号処理部８３は、撮像デバイス８２から出力される画像信号に対して種々の信号処理を行う。
【０１４６】
上述したように、ビデオカメラや電子スチルカメラ、さらには携帯電話等のモバイル機器向けカメラモジュールなどの撮像装置において、その撮像デバイス８２として先述した第１乃至第３実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサ１０，５０，６０を用いることで、当該ＣＭＯＳイメージセンサ１０，５０，６０では、低照度にて通常飽和レベルを狭めることなく線形かつ高Ｓ／Ｎでの信号取得を可能にするとともに、通常飽和レベル以上の入射光に対しても線形領域での良好なＳ／Ｎを実現しながらダイナミックレンジを拡大できるために、撮像画像の画質をより向上できる利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０１４７】
【図１】本発明の第１実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの構成例を示すシステム構成図である。
【図２】単位画素の構成の一例を示す回路図である。
【図３】ドライバ回路の構成の一例を示す回路図である。
【図４】通常の読み出しの場合（Ａ）と高Ｓ／Ｎと広ダイナミックレンジ化を図る場合（Ｂ）の各動作を説明するためのタイミング図である。
【図５】転送トランジスタの制御電極に複数の電圧を選択的に供給した場合の画素内におけるポテンシャルの一例を示すポテンシャル図である。
【図６】入射光が弱いときのポテンシャル変化例を示すポテンシャル図である。
【図７】入射光が弱いときのポテンシャル変化例を示すポテンシャル図である。
【図８】２回目以降の転送で閾値ばらつきがキャンセルされる理由の説明図である。
【図９】露光時間Ｔｓと受光部保持電子数Ｑｓとの関係を示す図である。
【図１０】複数の中間電圧（供給電圧）と受光部保持電子数Ｑｓとの関係を示す図である。
【図１１】第１実施形態に係る駆動の概念を示すタイミング図である。
【図１２】中間電圧印加による画素の駆動タイミング図である。
【図１３】中間電圧印加によって駆動された画素のポテンシャル図である。
【図１４】ばらつきキャンセル動作の動作説明図（その１）である。
【図１５】ばらつきキャンセル動作の動作説明図（その２）である。
【図１６】転送開始前に受光部に蓄積されている電荷が、中間電圧の印加により時間とともに転送される特性を示す図である。
【図１７】高Ｓ／Ｎ化および広ダイナミックレンジ化の説明図である。
【図１８】第１実施形態に係る作用効果の説明に供する図である。
【図１９】第１制御電圧の供給および第２制御電圧の供給の前に、ＦＤ部をリセットする構成を採らない場合の動作説明に供する図である。
【図２０】画素配列を空間的に分割する説明に供する図である。
【図２１】露光期間を時間的に分割しない場合（Ａ）と分割する場合（Ｂ）の動作説明に供する図である。
【図２２】第１実施形態の第１変形例に係る駆動の概念を示すタイミング図（その１）である。
【図２３】第１実施形態の第１変形例に係る駆動の概念を示すタイミング図（その２）である。
【図２４】第１実施形態の第２変形例に係る駆動の概念を示すタイミング図（その１）である。
【図２５】第１実施形態の第２変形例に係る駆動の概念を示すタイミング図（その２）である。
【図２６】第１実施形態の第３変形例に係る駆動の概念を示すタイミング図である。
【図２７】本発明の第２実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの構成例を示すシステム構成図である。
【図２８】第２実施形態に係る駆動の概念を示すタイミング図である。
【図２９】本発明の第３実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの構成例を示すシステム構成図である。
【図３０】ＣＣＤイメージセンサに適用した場合の例を示すポテンシャル図である。
【図３１】本発明に係る撮像装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図３２】画素の回路構成の一例を示す回路図である。
【図３３】非特許文献１記載の従来技術でのポテンシャル図である。
【図３４】非特許文献１記載の従来技術での入射光強度と出力電子数の関係を示す図である。
【符号の説明】
【０１４８】
１０，５０，６０・ＣＭＯＳイメージセンサ、１１…画素アレイ部、１２，１３Ａ，１３Ｂ…行選択回路、１３…先行選択回路、１４…論理回路、１５…ドライバ回路、１６…コントローラユニット、１７…電圧供給回路、１８…カラム回路、１９…水平走査回路、２０…単位画素、２１…フォトダイオード、２２…転送トランジスタ、２３…リセットトランジスタ、２４…増幅トランジスタ、２５…選択トランジスタ、２６…ＦＤ（フローティングディフュージョン）部、５１…複数行同時選択回路、８１…フォトダイオード、８２…転送ゲート、８３…垂直ＣＣＤ
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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