(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換部及び該光電変換部から出力された電荷を転送する転送手段を有する半導体によって成る複数の画素と、前記転送手段から転送された電荷を保持する容量手段と、前記容量手段に保持された電荷に対応する信号を増幅して出力する信号増幅手段と、前記容量手段に保持された電荷をリセットするリセット手段と、信号の読み出し対象となる画素を選択するための画素選択手段とを有する画素回路を備え、
全ての画素から出力された電荷に基く信号を順次読み出す全画素読み出しモードと、適宜間引いた画素から出力された電荷に基く信号を読み出す画素間引き読み出しモードを有する撮像装置において、
隣り合う画素間で、前記信号増幅手段、リセット手段、及び画素選択手段を共用し、
被写体輝度が、光電変換部の電荷蓄積時間が照明装置の光源の明滅周期以下となるような、所定の閾値以上であるか否かを判定する輝度判定手段をさらに備え、
前記各画素内の転送手段は、それぞれゲートを有しており、
前記ゲートの下の半導体部分における前記容量手段側（以下、容量手段側部分という）には、前記容量手段を形成しているのと同じ極性のドーパントが前記容量手段よりも薄くドーピングされており、
前記ゲートの下の半導体部分における前記光電変換部側（以下、光電変換側部分という）には、ドーパントがドーピングされていないか、前記容量手段側部分と同じ極性のドーパントが前記容量手段側部分よりも薄くドーピングされているか、又は前記容量手段側部分と反対の極性のドーパントがドーピングされており、
前記画素間引き読み出しモードは、前記輝度判定手段によって被写体輝度が前記閾値未満であると判定されたとき、通常の感度で前記画素回路を駆動する通常輝度モードと、被写体輝度が前記閾値以上であると判定されたとき、前記通常の感度よりも低い感度で前記画素回路を駆動する高輝度モードを含み、
前記画素間引き読み出しモードにおいて間引かれる画素と読み出し対象となる画素とは、前記信号増幅手段、リセット手段、及び画素選択手段を共用する前記隣り合う画素の関係にあり、
前記高輝度モードのとき、
前記複数の画素のうちの読み出し対象となる画素の前記ゲートの電圧をハイレベルにして、前記読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を前記容量手段等に転送する際に、ポテンシャルが、前記読み出し対象となる画素の光電変換部、前記読み出し対象となる画素の光電変換側部分、前記読み出し対象となる画素の容量手段側部分、前記容量手段の順に低くなり、
前記間引かれる画素の前記ゲートの電圧をハイレベルにしたままで、前記読み出し対象となる画素の前記ゲートの電圧をローレベルにして、前記容量手段の電位を読み出す際に、前記読み出し対象となる画素の前記ゲートの電圧がハイレベルからローレベルに遷移する間、ポテンシャルが、常に、前記読み出し対象となる画素の光電変換側部分、前記読み出し対象となる画素の容量手段側部分、前記容量手段の順に低くなり、
前記容量手段に加えて、前記間引かれる画素の光電変換部、光電変換側部分、及び容量手段側部分を、前記読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を保持する容量として使用することにより、前記容量手段の電位を低下させて、画素の感度を低くし、
簡素な構成でフリッカの発生を抑制し得るようにしたことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
光電変換部及び該光電変換部から出力された電荷を転送する転送手段を有する半導体によって成る複数の画素と、前記転送手段から転送された電荷を保持する容量手段と、前記容量手段に保持された電荷に対応する信号を増幅して出力する信号増幅手段と、前記容量手段に保持された電荷をリセットするリセット手段と、信号の読み出し対象となる画素を選択するための画素選択手段とを有する画素回路を備え、
全ての画素から出力された電荷に基く信号を順次読み出す全画素読み出しモードと、適宜間引いた画素から出力された電荷に基く信号を読み出す画素間引き読み出しモードを有する撮像装置において、
隣り合う画素間で、前記信号増幅手段、リセット手段、及び画素選択手段を共用し、
前記各画素内の転送手段は、それぞれゲートを有しており、
前記ゲートの下の半導体部分における前記容量手段側（以下、容量手段側部分という）には、前記容量手段を形成しているのと同じ極性のドーパントが前記容量手段よりも薄くドーピングされており、
前記ゲートの下の半導体部分における前記光電変換部側（以下、光電変換側部分という）には、ドーパントがドーピングされていないか、前記容量手段側部分と同じ極性のドーパントが前記容量手段側部分よりも薄くドーピングされているか、又は前記容量手段側部分と反対の極性のドーパントがドーピングされており、
前記画素間引き読み出しモードにおいて間引かれる画素と読み出し対象となる画素とは、前記信号増幅手段、リセット手段、及び画素選択手段を共用する前記隣り合う画素の関係にあり、
前記画素間引き読み出しモードのとき、
前記複数の画素のうちの読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を前記容量手段等に転送する際に、ポテンシャルが、前記読み出し対象となる画素の光電変換部、前記読み出し対象となる画素の光電変換側部分、前記読み出し対象となる画素の容量手段側部分、前記容量手段の順に低くなり、
前記容量手段の電位を読み出す際に、前記読み出し対象となる画素の前記ゲートの電圧がハイレベルからローレベルに遷移する間、ポテンシャルが、常に、前記読み出し対象となる画素の光電変換側部分、前記読み出し対象となる画素の容量手段側部分、前記容量手段の順に低くなり、
前記容量手段に加えて、前記間引かれる画素の光電変換部、光電変換側部分、及び容量手段側部分を、前記読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を保持する容量として使用することにより、前記容量手段の電位を低下させて、画素の感度を低くし、
簡素な構成でフリッカの発生を抑制し得るようにしたことを特徴とする撮像装置。
【請求項３】
前記画素間引き読み出しモードは、被写体輝度が、前記光電変換部の電荷蓄積時間が照明装置の光源の明滅周期以下となるような、所定の閾値未満であるとき、通常の感度で前記画素回路を駆動する通常輝度モードと、被写体輝度が前記閾値以上であるとき、前記通常の感度よりも低い感度で前記画素回路を駆動する高輝度モードを含み、
前記高輝度モードのとき、
前記複数の画素のうちの読み出し対象となる画素の前記ゲートの電圧をハイレベルにして、前記読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を前記容量手段及び間引かれる画素の光電変換部に転送する際に、ポテンシャルが、前記読み出し対象となる画素の光電変換部、前記読み出し対象となる画素の光電変換側部分、前記読み出し対象となる画素の容量手段側部分、前記容量手段の順に低くなり、
前記間引かれる画素の前記ゲートの電圧をハイレベルにしたままで、前記読み出し対象となる画素の前記ゲートの電圧をローレベルにして、前記容量手段の電位を読み出す際に、前記読み出し対象となる画素の前記ゲートの電圧がハイレベルからローレベルに遷移する間、ポテンシャルが、常に、前記読み出し対象となる画素の光電変換側部分、前記読み出し対象となる画素の容量手段側部分、前記容量手段の順に低くなることを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、撮像装置においては、特にその信号読み出し方法について、種々の検討がなされている。例えば、下記の特許文献１においては、ダイナミックレンジの拡大を目的とした信号読み出し方法が示されている。図１２、１３は、それぞれ、特許文献１の図１２及び１３に掲げられた第４実施例の画素回路の構成と、動作を示すタイミングチャートである。上述したとおり、この発明の目的と効果は、フリッカ発生を抑止することではなく、ダイナミックレンジの拡大としているが、蛍光灯照明下におけるフリッカ発生の抑止にも応用できるため、従来の例として紹介する。
【０００３】
図１２に示すように、CMOS画像センサの画素回路において、一つの画素について、第１の転送スイッチMTX1と第２の転送スイッチMTX2の、二つの転送スイッチを設けて、第１の転送スイッチMTX1と第２の転送スイッチMTX2との間に容量CFD1を、転送スイッチMTX2と増幅トランジスタMSFとの間に容量CFD2を、それぞれ設けている。図１３に示すように、信号φTX2の制御により、増幅トランジスタMSFのゲートに付く容量が、容量CFD1と容量CFD2とを並列につなげたものか、容量CFD2単独にしたものかに、切り替えられるようにしている。
【０００４】
フォトダイオードPDに蓄積された光生成キャリアは、第２の転送スイッチMTX2のゲート電圧ΦTX2がハイレベルの状態で、第１の転送スイッチMTX1のゲート電圧ΦTX1がハイレベルになるため、容量CFD1と容量CFD2に分配されて転送される。その後、第１の転送スイッチMTX1のゲート電圧ΦTX1をローレベルにして、容量CFD1と容量CFD2に溜まった光生成キャリアによる信号を読み出す。このとき、増幅トランジスタMSFのゲートにかかる電圧VFD2は、光生成キャリアの電荷量をQPD、容量CFD1と容量CFD2の容量値をそれぞれ、CFD1とCFD2とすると、
VFD2=QPD/(CFD1+CFD2)
となる。
【０００５】
次に、何らかの手法で、容量CFD1に溜まっていた電荷を容量CFD2に転送した後、第２の転送スイッチMTX2のゲート電圧ΦTX2をローレベルにして、容量CFD2に溜まった光生成キャリアによる信号を読み出したとすると、増幅トランジスタMSFのゲートにかかる電圧VFD2’は、
VFD2’=QPD/CFD2
となる。
【０００６】
ここで、VFD2とVFD2’を比べると、分母のCFD1分だけVFD2が低い。すなわち、感度が低くなる。
【０００７】
照明装置の光源の明滅周期以上の蓄積時間、すなわち、交流商用電源の周期の半分以上の蓄積時間で動作できない、フリッカの発生する輝度領域においては、蓄積時間を電源の周期の半分以上に延ばしてフリッカの発生を抑止するために、画素の感度を低くする。すなわち、電荷が容量CFD1と容量CFD2に分配されて溜っている状態での増幅トランジスタMSFのゲートにかかる電圧VFD2による信号を用いる。以上のように、画素回路の感度を低くすることにより、フリッカの発生を抑止できる。
【０００８】
一方、電源の周期の半分以上の蓄積時間で動作できる、フリッカの発生しない輝度領域では、画素の感度を高くするため、容量CFD2だけに電荷を溜めた状態での増幅トランジスタMSFのゲートにかかる電圧VFD2’による信号を用いる。このように、輝度により用いる信号を切り替えることで、フリッカの発生を抑制できる。
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１の撮像装置には、１つの画素内に２つの容量CFD1、CFD2と２つの転送スイッチMTX1、MTX2を設けなければならず、回路構成が複雑となり撮像装置の製造コストの高騰を招来するという問題点がある。
【００１０】
ところで、複数の画素間でフローティングディフュージョン（ＦＤ）を共有する撮像素子に関する発明としては、以下の特許文献２乃至５に記載された発明がある。特許文献２には、直列接続されたＭＯＳトランジスタ駆動に関し、第２グループの光電変換素子の信号電荷を第１グループの光電変換素子内に混合した後に、第２グループの光電変換素子に残留する電荷を吐き出す固体撮像素子が示されている。特許文献３には、複数画素で増幅トランジスタを共有したときに起こる画素のアンバランスに対して全面選択信号配線により駆動することにより、画素間のばらつきを抑制するようにした固体撮像装置が示されている。特許文献４には、各画素に複数の光電変換部を設けて、各光電変換部における蓄積時間等を異ならせることにより、撮影時のダイナミックレンジの拡大を行うようにした撮像素子が示されている。特許文献５には、光電変換部で発生した光電荷をフローティングゲートに転送し、信号検出を行った後、その電荷を再び光電変換部へ逆転送することにより、光電荷の蓄積状態を継続したまま、蓄積時間の異なる複数のデータを取り出せるようにした固体撮像装置が示されている。
【００１１】
しかしながら、特許文献２乃至５に記載された発明では、上記特許文献１の撮像装置に関する問題点を解消することができない。
【特許文献１】特開２０００−１６５７５４号公報
【特許文献２】特開平０６−３３４９２０号公報
【特許文献３】特開２００４−１７２９５０号公報
【特許文献４】特開２００２−１９９２８４号公報
【特許文献５】特開２００４−０１５２９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、特別な構成要素を設けることなく、安価かつ簡素な構成で、被写体輝度に応じて画素の感度を変更し得るようにして、フリッカの発生を抑制する撮像装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、光電変換部及び該光電変換部から出力された電荷を転送する転送手段を有する半導体によって成る複数の画素と、前記転送手段から転送された電荷を保持する容量手段と、前記容量手段に保持された電荷に対応する信号を増幅して出力する信号増幅手段と、前記容量手段に保持された電荷をリセットするリセット手段と、信号の読み出し対象となる画素を選択するための画素選択手段とを有する画素回路を備え、全ての画素から出力された電荷に基く信号を順次読み出す全画素読み出しモードと、適宜間引いた画素から出力された電荷に基く信号を読み出す画素間引き読み出しモードを有する撮像装置において、隣り合う画素間で、前記信号増幅手段、リセット手段、及び画素選択手段を共用し、被写体輝度が、光電変換部の電荷蓄積時間が照明装置の光源の明滅周期以下となるような、所定の閾値以上であるか否かを判定する輝度判定手段をさらに備え、前記各画素内の転送手段は、それぞれゲートを有しており、前記ゲートの下の半導体部分における前記容量手段側（以下、容量手段側部分という）には、前記容量手段を形成しているのと同じ極性のドーパントが前記容量手段よりも薄くドーピングされており、前記ゲートの下の半導体部分における前記光電変換部側（以下、光電変換側部分という）には、ドーパントがドーピングされていないか、前記容量手段側部分と同じ極性のドーパントが前記容量手段側部分よりも薄くドーピングされているか、又は前記容量手段側部分と反対の極性のドーパントがドーピングされており、前記画素間引き読み出しモードは、前記輝度判定手段によって被写体輝度が前記閾値未満であると判定されたとき、通常の感度で前記画素回路を駆動する通常輝度モードと、被写体輝度が前記閾値以上であると判定されたとき、前記通常の感度よりも低い感度で前記画素回路を駆動する高輝度モードを含み、前記画素間引き読み出しモードにおいて間引かれる画素と読み出し対象となる画素とは、前記信号増幅手段、リセット手段、及び画素選択手段を共用する前記隣り合う画素の関係にあり、前記高輝度モードのとき、前記複数の画素のうちの読み出し対象となる画素の前記ゲートの電圧をハイレベルにして、前記読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を前記容量手段等に転送する際に、ポテンシャルが、前記読み出し対象となる画素の光電変換部、前記読み出し対象となる画素の光電変換側部分、前記読み出し対象となる画素の容量手段側部分、前記容量手段の順に低くなり、前記間引かれる画素の前記ゲートの電圧をハイレベルにしたままで、前記読み出し対象となる画素の前記ゲートの電圧をローレベルにして、前記容量手段の電位を読み出す際に、前記読み出し対象となる画素の前記ゲートの電圧がハイレベルからローレベルに遷移する間、ポテンシャルが、常に、前記読み出し対象となる画素の光電変換側部分、前記読み出し対象となる画素の容量手段側部分、前記容量手段の順に低くなり、前記容量手段に加えて、前記間引かれる画素の光電変換部、光電変換側部分、及び容量手段側部分を、前記読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を保持する容量として使用することにより、前記容量手段の電位を低下させて、画素の感度を低くし、簡素な構成でフリッカの発生を抑制し得るようにしたものである。
【００１４】
請求項２の発明は、光電変換部及び該光電変換部から出力された電荷を転送する転送手段を有する半導体によって成る複数の画素と、前記転送手段から転送された電荷を保持する容量手段と、前記容量手段に保持された電荷に対応する信号を増幅して出力する信号増幅手段と、前記容量手段に保持された電荷をリセットするリセット手段と、信号の読み出し対象となる画素を選択するための画素選択手段とを有する画素回路を備え、全ての画素から出力された電荷に基く信号を順次読み出す全画素読み出しモードと、適宜間引いた画素から出力された電荷に基く信号を読み出す画素間引き読み出しモードを有する撮像装置において、隣り合う画素間で、前記信号増幅手段、リセット手段、及び画素選択手段を共用し、前記各画素内の転送手段は、それぞれゲートを有しており、前記ゲートの下の半導体部分における前記容量手段側（以下、容量手段側部分という）には、前記容量手段を形成しているのと同じ極性のドーパントが前記容量手段よりも薄くドーピングされており、前記ゲートの下の半導体部分における前記光電変換部側（以下、光電変換側部分という）には、ドーパントがドーピングされていないか、前記容量手段側部分と同じ極性のドーパントが前記容量手段側部分よりも薄くドーピングされているか、又は前記容量手段側部分と反対の極性のドーパントがドーピングされており、前記画素間引き読み出しモードにおいて間引かれる画素と読み出し対象となる画素とは、前記信号増幅手段、リセット手段、及び画素選択手段を共用する前記隣り合う画素の関係にあり、前記画素間引き読み出しモードのとき、前記複数の画素のうちの読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を前記容量手段等に転送する際に、ポテンシャルが、前記読み出し対象となる画素の光電変換部、前記読み出し対象となる画素の光電変換側部分、前記読み出し対象となる画素の容量手段側部分、前記容量手段の順に低くなり、前記容量手段の電位を読み出す際に、前記読み出し対象となる画素の前記ゲートの電圧がハイレベルからローレベルに遷移する間、ポテンシャルが、常に、前記読み出し対象となる画素の光電変換側部分、前記読み出し対象となる画素の容量手段側部分、前記容量手段の順に低くなり、前記容量手段に加えて、前記間引かれる画素の光電変換部、光電変換側部分、及び容量手段側部分を、前記読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を保持する容量として使用することにより、前記容量手段の電位を低下させて、画素の感度を低くし、簡素な構成でフリッカの発生を抑制し得るようにしたものである。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項２に記載の撮像装置において、前記画素間引き読み出しモードは、被写体輝度が、前記光電変換部の電荷蓄積時間が照明装置の光源の明滅周期以下となるような、所定の閾値未満であるとき、通常の感度で前記画素回路を駆動する通常輝度モードと、被写体輝度が前記閾値以上であるとき、前記通常の感度よりも低い感度で前記画素回路を駆動する高輝度モードを含み、前記高輝度モードのとき、前記複数の画素のうちの読み出し対象となる画素の前記ゲートの電圧をハイレベルにして、前記読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を前記容量手段及び間引かれる画素の光電変換部に転送する際に、ポテンシャルが、前記読み出し対象となる画素の光電変換部、前記読み出し対象となる画素の光電変換側部分、前記読み出し対象となる画素の容量手段側部分、前記容量手段の順に低くなり、前記間引かれる画素の前記ゲートの電圧をハイレベルにしたままで、前記読み出し対象となる画素の前記ゲートの電圧をローレベルにして、前記容量手段の電位を読み出す際に、前記読み出し対象となる画素の前記ゲートの電圧がハイレベルからローレベルに遷移する間、ポテンシャルが、常に、前記読み出し対象となる画素の光電変換側部分、前記読み出し対象となる画素の容量手段側部分、前記容量手段の順に低くなるものである。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１の発明によれば、被写体輝度が、光電変換部の電荷蓄積時間が照明装置の光源の明滅周期以下となるような、所定の閾値以上であるときには、通常の感度よりも低い感度で画素回路を駆動する高輝度モードに移行する。そして、この高輝度モードにおいて、複数の画素のうちの読み出し対象となる画素の転送手段のゲートの電圧をハイレベルにして、読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を容量手段等に転送する際に、ポテンシャルが、読み出し対象となる画素の光電変換部、読み出し対象となる画素の光電変換側部分、読み出し対象となる画素の容量手段側部分、容量手段の順に低くなるようにした。これにより、読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を、容量手段、及び読み出し対象となる画素における光電変換側部分と容量手段側部分とに転送することができる。
【００１７】
また、上記の電荷転送処理の後、間引かれる画素の転送手段のゲートの電圧をハイレベルにしたままで、読み出し対象となる画素の転送手段のゲートの電圧をローレベルにして、容量手段の電位を読み出す際に、読み出し対象となる画素の転送手段のゲートの電圧がハイレベルからローレベルに遷移する間、ポテンシャルが、常に、読み出し対象となる画素の光電変換側部分、読み出し対象となる画素の容量手段側部分、容量手段の順に低くなるようにした。これにより、上記の電荷転送処理において容量手段等に転送された電荷が、読み出し対象となる画素の光電変換部に戻らないようにすることができるので、読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を、漏れなく、容量手段、及び間引かれる画素の光電変換部と光電変換側部分と容量手段側部分に転送した上で、容量手段の電位を読み出すことができる。
【００１８】
また、上記のように、読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を、容量手段、及び間引かれる画素の光電変換部と光電変換側部分と容量手段側部分に転送した上で、容量手段の電位を読み出すということは、容量手段に加えて、間引かれる画素の光電変換部と光電変換側部分と容量手段側部分を、読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を保持する容量として使用することにつながる。従って、高輝度モードのときに、容量手段の電位を低下させて、画素の感度を低くすることができる。すなわち、特別な構成要素を設けることなく、安価かつ簡素な構成で、被写体輝度に応じて画素の感度を変更して、フリッカの発生を抑制することができる。
【００１９】
請求項２の発明によれば、画素間引き読み出しモードにおいて、複数の画素のうちの読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を容量手段等に転送する際に、ポテンシャルが、読み出し対象となる画素の光電変換部、読み出し対象となる画素の光電変換側部分、読み出し対象となる画素の容量手段側部分、容量手段の順に低くなるようにした。これにより、読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を、容量手段、及び読み出し対象となる画素における光電変換側部分と容量手段側部分とに転送することができる。
【００２０】
また、上記の電荷転送処理の後、容量手段の電位を読み出す際に、読み出し対象となる画素の転送手段のゲートの電圧がハイレベルからローレベルに遷移する間、ポテンシャルが、常に、読み出し対象となる画素の光電変換側部分、読み出し対象となる画素の容量手段側部分、容量手段の順に低くなるようにした。これにより、上記の電荷転送処理において容量手段等に転送された電荷が、読み出し対象となる画素の光電変換部に戻らないようにすることができるので、読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を、漏れなく、間引かれる画素の光電変換部、光電変換側部分、及び容量手段側部分に転送した上で、容量手段の電位を読み出すことができる。
【００２１】
また、上記のように、読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を、間引かれる画素の光電変換部、光電変換側部分、及び容量手段側部分に転送した上で、容量手段の電位を読み出すということは、容量手段に加えて、間引かれる画素の光電変換部、光電変換側部分、及び容量手段側部分を、読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を保持する容量として使用することにつながる。従って、高輝度モードのときに、容量手段の電位を低下させて、画素の感度を低くすることができる。すなわち、特別な構成要素を設けることなく、安価かつ簡素な構成で、被写体輝度に応じて画素の感度を変更して、フリッカの発生を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための最良の実施形態による撮像装置について図面を参照して説明する。図１は、撮像装置１００の概略構成を示している。撮像装置１００は、画像を撮像して対応する電気信号として出力する撮像部１０と、撮像部１０から出力された出力信号５０を処理する信号処理部２０と、信号処理部２０から出力された処理結果の信号（処理結果信号）６０を受信すると共に、撮像部１０に制御信号７０を出力して撮像部１０等の装置各部の制御を司る制御部４０等によって構成されている。撮像部１０は、多数の画素回路１１を有している。
【００２３】
通常、画素回路においては、後述するフォトダイオード、転送スイッチ、容量、増幅トランジスタ、リセットスイッチ、選択スイッチ等の各種部品が画素ごとに設けられている。このような構成では、１つの画素に多くの部品を実装しなければならず画素回路の小型化を図るのが困難となる。そこで、本発明においては、隣り合う複数の画素間でフォトダイオード、転送スイッチ以外を共用し、画素サイズの小型化を図っている。
【００２４】
図２は、隣り合う４つの画素間でフォトダイオード、転送スイッチ以外を共用した画素回路１１の構成を示した模式図である。同図では、多数の画素の中から４つの画素を示している。画素回路１１は、画素１、２、３、４ごとに、光を電気信号に変換するフォトダイオード（光電変換部）PD1、PD2、PD3、PD4と、フォトダイオードPD1、PD2、PD3、PD4から出力された信号電荷を転送する転送スイッチ（転送手段）MTX1、MTX2、MTX3、MTX4とを有し、隣り合う４つの画素間で転送スイッチMTX1、MTX2、MTX3、MTX4から転送された信号電荷を保持するフローティングデフュージョンとしての容量（容量手段）CFDと、容量CFDに保持された電荷に対応する信号を増幅して出力する増幅トランジスタ（信号増幅手段）MSFと、容量CFDに保持される電荷をリセットするリセットスイッチ（リセット手段）MRESと、信号の読み出し対象となる画素を選択するための選択スイッチ（画素選択手段）MSELとを共用している。
【００２５】
図３は、画素１、２、３、４及び容量CFDを構成する半導体の平面図の一例であり、図４は、図３中のＡ−Ａ’線断面図である。図２中の転送スイッチMTX1、MTX2、MTX3、MTX4は、それぞれゲートTX1、TX2、TX3、TX4を有している。以下において、各ゲートTX1、TX2、TX3、TX4に印加される電圧を、それぞれΦTX1、ΦTX2、ΦTX3、ΦTX4とする。
【００２６】
各画素の転送スイッチMTX1、MTX2、MTX3、MTX4において、ゲートTX1、TX2、TX3、TX4の下の半導体部分における、CFD側の(CFD寄りの)容量CD12、CD22(及び不図示の容量CD32、CD42）の部分（請求項おける容量手段側部分）には、容量CFDを形成しているのと同じ極性のドーパントが薄くドーピングされている。また、ゲートTX1、TX2、TX3、TX4の下の半導体部分における、それぞれのフォトダイオードPD1、PD2、PD3、PD4側の（PD1、PD2、PD3、PD4寄りの）容量CD11、CD21(及び不図示の容量CD31、CD41）の部分（請求項おける光電変換側部分）には、ドーパントがドーピングされていなくて半導体基板と同じ不純物と濃度が保たれているか、それぞれ、CD12、CD22、CD32、CD42と同じ極性のドーパントが、CD12、CD22、CD32、CD42よりも薄くドーピングされているか、又はそれぞれ、CD12、CD22、CD32、CD42と反対の極性のドーパントがドーピングされている。
【００２７】
この画素構成において、画素1〜4のゲートTX1〜TX4にかかるそれぞれの電圧φTX1〜φTX4がともにローレベルである時のシリコン表面でのポテンシャルは、図５に示すように、CD11、CD21(及び不図示の容量CD31、CD41）の部分が最も高く、次にポテンシャルが高い部分は、CD12、CD22(及び不図示の容量CD32、CD42）となる。その次にポテンシャルが高い部分は、フォトダイオードPD1、PD2、PD3、PD4であり、最もポテンシャルが低い部分は、CFDとなる。なお、本明細書において、「ポテンシャルが低い」とは、ポテンシャル井戸の深さが深いことをいう。
【００２８】
画素回路１１は、静止画撮像時において、全ての画素１、２、３、４から出力された電荷に基く信号を順次読み出す全画素読み出しモードと、動画を撮像時又はファインダ表示時において、画素１、２、３又は画素４のうちいずれか一つから出力された電荷に基く信号のみを読み出し、他の画素から出力された電荷に基く信号を読み出さない画素間引きモードを有している。
【００２９】
図６乃至図１０は、図２に示した画素回路１１の動作を示すタイミングチャートである。全画素読み出しモードでは、図６に示すタイミングチャートに従い、画素１、２、３、４の信号を順次読み出す。そのため、全画素読み出しモードでは、フリッカ発生の抑生はできない。しかしながら、画素回路１１のデジタルスチルカメラなどへの応用を考えた場合、通常、全画素読み出しを用いる静止画撮像の場合は、読み出しに時間がかかるため、外部の機械式シャッターなどと併用するのが一般的である。従って、この場合、蓄積時間は外部シャッターで制御されるため、フリッカ発生は問題にならない。
【００３０】
次に、画素を飛び飛びに読み出す画素間引き読み出しモードにおけるフリッカ発生の抑制方法を、以下に説明する。このモードでは、信号の読み出しを迅速に行う必要があるために、画素を飛び飛びに読み出すので、画素１のみの信号を使い、画素２乃至４の信号は使わない。そして、この画素間引き読み出しモードは、被写体輝度に応じて通常輝度モードと高輝度モードを有し、制御部４０は、いずれかのモードに択一的に切り替えて画素回路１１を駆動する。
【００３１】
通常輝度モード又は高輝度モードのうちいずれのモードで画素回路１１を駆動するかは、信号処理部（輝度判定部）２０において被写体輝度が所定の閾値以上であるか否かを判断することにより決定される。この被写体輝度の判定は、撮像部内部に別途設けられた論理回路で行うようにしてもよい。ここで、上記所定の閾値とは、例えば、フォトダイオードPD1、PD2、PD3、PD4の電荷蓄積時間が商用電源周期の１／２（蛍光灯照明装置の明滅周期）以下となるような値である。画素回路１１は、通常輝度モードのとき通常の感度設定で駆動され、高輝度モードのとき低い感度設定で駆動される。
【００３２】
まず、通常輝度モード、すなわち画素の感度を下げない場合の駆動方法を説明する。図７に示すように、通常輝度モードのタイミングチャートで駆動すると、読み出し時に転送スイッチMTX2、MTX3、MTX4のゲート電圧ΦTX2、ΦTX3、ΦTX4がローレベルのままなので、フォトダイオードPD1に蓄積されていた電荷は転送スイッチMTX1により、容量CFDだけに転送される。このとき、増幅トランジスタMSFのゲートにかかる電圧VFD’は、フォトダイオードPD1に蓄積された光生成キャリアの電荷量をQPD1、容量CFDの容量値をCFDとすると
VFD’=QPD1/CFD
となり、画素回路１１の感度は高いままになる。
【００３３】
図１１は、画素間引き読み出しモードにおける画素１のフォトダイオードPD1、画素１のフォトダイオードPD1側の容量CD11、画素１のCFD側の容量CD12、容量CFD、画素２のCFD側の容量CD22、画素２のフォトダイオードPD2側の容量CD21、及び画素２のフォトダイオードPD2のシリコン表面でのポテンシャルの変化を示している。画素３及び４のフォトダイオードPD3、PD4、容量CD31、CD41、及び容量CD32、CD42に関しては、画素２のフォトダイオードPD2、容量CD21、及び容量CD22と同様であるので、図示を省略している。同図において、左段側は通常輝度モードでのポテンシャルの変化を、右段側は高輝度モードのポテンシャルの変化をそれぞれ示している。
【００３４】
上記通常輝度モードでの動作を、図７及び図１１を用いて詳しく説明する。まず、図７の「画素１リセット」に示すように、画素1の転送スイッチMTX1のゲート電圧φTX1をハイレベルにして、PD1に溜まっていた電荷を容量CFDを介して、リセットトランジスタMRESでリセットする。このとき、図１１の「リセット」に示すように、ゲート電圧φTX1、及びフォトダイオードPD1、容量CD11、容量CD12、容量CFDの各々の不純物濃度が、フォトダイオードPD1、容量CD11、容量CD12、容量CFDの順にポテンシャルが低くなるような関係に設定されているので、フォトダイオードPD1の電荷が容量CFDに完全に転送されて、完全なリセットが行われる。次に、図７に示すように、ゲート電圧φTX1をローレベルにすると、PD1で光生成電荷の蓄積が開始される。
【００３５】
蓄積時間経過後、まず、ノイズを低減する相関２重サンプリングのために、ゲート電圧φTX1をローレベルの状態にしたまま、容量CFDのリセットを行い、次に、選択トランジスタMSELのゲート電圧φSELをハイレベルにして、リセットレベルを読み出す。このときのポテンシャルは、図１１左段側の「リセットレベル読み出し」に示すようになっている。
【００３６】
次に、ゲート電圧φTX1をハイレベルにして、図１１左段側の「電荷転送」に示すように、フォトダイオードPD1から容量CFDに光生成電荷を転送する。
【００３７】
上記の電荷転送の終了後、ゲート電圧φTX1をローレベルにする。このとき、図１１左段側の「φTX1がハイレベルからローレベルに遷移する中間状態１、２」に示すように、ゲート電圧φTX1がハイレベルからローレベルに遷移する間、常に容量CD11、CD12、CDFの順にポテンシャルが低くなるように、容量CD11、CD12、CFDの各々の不純物濃度が設定されているので、ゲート電圧φTX1がローレベルになったとき、図１１左段側の「信号レベル読み出し」に示すように、光生成電荷を容量CFDだけ、あるいは、電荷が多い場合には、容量CD12、CD22、CD32、CD42の下にも転送することができる。
【００３８】
上記の電荷転送後、信号電位を読み出す。このとき、図１１左段側の「信号レベル読み出し」に示す、電荷の溜まっている高さが、増幅トランジスタMSFのゲート入力電圧になる信号レベル(信号電圧)に相当し、感度は高いままになる。なお、画素間引き読み出しのため、画素２〜４の信号は読み出さない。
【００３９】
次に、高輝度モード、すなわち電源の周期の半分以上の蓄積時間で動作できない、フリッカの発生する輝度の高い領域において、フリッカ発生を抑止するために画素の感度を下げる場合における駆動方法を説明する。図８に示すように、高輝度モードのタイミングチャートで駆動すると、読み出し時に転送スイッチMTX2、MTX3、MTX4のゲート電圧φTX2、φTX3、φTX4がハイレベルなので、フォトダイオードPD1に蓄積されていた電荷は転送スイッチMTX1により、容量CFDとフォトダイオードPD2、PD3、PD4に分配されて転送される。このとき、増幅トランジスタMSFのゲートにかかる電圧VFDは、フォトダイオードPD2、PD3、PD4の容量値を、それぞれ、CPD2、CPD3、CPD4とすると、
VFD=QPD1/(CFD+CPD2+CPD3+CPD4)
となる。これにより、画素回路１１の感度が小さくなり、フリッカ発生を抑止できる。
【００４０】
上記高輝度モードでの動作を、図８及び図１１を用いて詳しく説明する。図１１に示すように、リセット時及び蓄積時の動作とポテンシャルについては、通常輝度モードの場合と同じである。但し、高輝度モードにおいては、図８のタイミングチャートに示すように、リセットレベル読み出しのためのリセットの前に、転送スイッチMTX2、MTX3、MTX4のゲート電圧φTX2、φTX3、φTX4をハイレベルにする。
【００４１】
蓄積時間経過後、相関２重サンプリングのために、転送スイッチMTX1のゲート電圧φTX1をローレベルの状態にしたまま、リセットスイッチMRESのゲート電圧φRESをハイレベルにして、容量CFD、及びフォトダイオードPD2、PD3、PD4のリセットを行う。次に、ゲート電圧φRESをローレベルにした後、選択トランジスタMSELのゲート電圧φSELをハイレベルにして、リセットレベルを読み出す。このときのポテンシャルは、図１１右段側の「リセットレベル読み出し」に示すようになっており、ゲート電圧φTX2、φTX3、φTX4がハイレベルなので、フォトダイオードPD2、PD3、PD4に溜まっていた電荷が容量CFDを介してリセットされ、その状態のリセットレベルが読み出される。
【００４２】
次に、ゲート電圧φSELをローレベルにした後、ゲート電圧φTX1をハイレベルにして、図１１右段側の「電荷転送」に示すように、フォトダイオードPD1から容量CFDや画素２、３、４の転送スイッチMTX2、MTX3、MTX4のゲートの下（容量CD11、CD12、CD21、CD22、CD31、CD32、CD41、CD42）に光生成電荷を転送する。
【００４３】
電荷転送後、図１１右段側の「信号レベル読み出し」（図８中の「画素１信号レベル読み出し」に相当）を行う前に、図８に示すように、ゲート電圧φTX1をローレベルにする。このとき、図１１右段側の「φTX1がハイレベルからローレベルに遷移する中間状態１、２」に示すように、ゲート電圧φTX1がハイレベルからローレベルに遷移する間、常に容量CD11、CD12、CDFの順にポテンシャルが低くなるように、容量CD11、CD12、CFDの各々の不純物濃度が設定されている。これにより、上記の図１１右段側の「電荷転送」処理において容量CFDや容量CD11、CD12等に転送された電荷が、フォトダイオードPD1に戻らないようにすることができる。従って、ゲート電圧φTX1がローレベルになったとき、図１１右段側の「信号レベル読み出し」に示すように、光生成電荷を容量CFDだけではなく、容量CD21、CD22、CD31、CD32、CD41、CD42、及びフォトダイオードPD2、PD3、PD4の下にも転送することができる。
【００４４】
これに対して、上記図１１右段側の「φTX1がハイレベルからローレベルに遷移する中間状態１、２」において、ゲート電圧φTX1がハイレベルからローレベルに遷移する間、例えば容量CD11のポテンシャルが容量CD12よりも低くなるように、容量CD11、CD12の各々の不純物濃度が設定されていた場合には、容量CD11や容量CD12に転送されていた電荷が、フォトダイオードPD1に戻ってしまう事態が起こり得る。従って、上記のように、ゲート電圧φTX1がハイレベルからローレベルに遷移する間、常に容量CD11、CD12、CDFの順にポテンシャルが低くなるように、容量CD11、CD12、CFDの各々の不純物濃度を設定することにより、電荷がフォトダイオードPD1に戻ってしまうことを防いでいるのである。
【００４５】
図１１右段側の「信号レベル読み出し」に示す、電荷の溜まっている高さが、増幅トランジスタMSFのゲート入力電圧になる信号レベル(信号電圧)に相当し、この高さが、図１１左段側の「信号レベル読み出し」に示す、電荷の高さより低くなっている。すなわち、画素回路１１の感度が下がっていることがわかる。
【００４６】
図２、３の構成では、容量として使えるフォトダイオードが３個あるため、図８に示すように、容量としてPD2とPD3とPD4の３個を使った場合に限られることなく、例えば、図９に示すように、容量としてPD2とPD3の２個を使った場合、あるいは、図１０に示すように、容量としてPD2の１個を使った場合でも動作させることができ、輝度に応じて、容量として使用するフォトダイオードの個数を変化させることで、より細やかな画素の感度変更を行うことができる。また、本実施形態では、画素1の信号読み出し方法を説明したが、読み出し時の転送スイッチMTX1のゲート電圧φTX1を、転送スイッチMTX2、MTX3、MTX4のゲート電圧φTX2、φTX3、φTX4のうちのひとつと入れ替えることで、画素２、３、４の信号読み出しが行えることは、いうまでもない。
【００４７】
以上のように、本実施形態の撮像装置１００によれば、被写体輝度が、フォトダイオードPD1、PD2、PD3、PD4の電荷蓄積時間が照明装置の光源の明滅周期以下となるような、所定の閾値以上であるときには、通常の感度よりも低い感度で画素回路１１を駆動する高輝度モードに移行する。そして、この高輝度モードにおいて、複数の画素１〜４のうちの読み出し対象となる画素１のゲート電圧φTX1をハイレベルにして、読み出し対象となる画素１のフォトダイオードPD1によって生成された電荷を容量CFD等に転送する際に、ポテンシャルが、読み出し対象となる画素１のフォトダイオードPD1、読み出し対象となる画素１の容量CD11、読み出し対象となる画素の容量CD12、容量CFDの順に低くなるようにした。これにより、読み出し対象となる画素１のフォトダイオードPD1によって生成された電荷を、容量CFD、及び読み出し対象となる画素１における容量CD11と容量CD12とに転送することができる。
【００４８】
また、上記の電荷転送処理の後、間引かれる画素２〜４のゲート電圧φTX2、φTX3、φTX4をハイレベルにしたままで、読み出し対象となる画素１のゲート電圧φTX1をローレベルにして、容量CFDの電位を読み出す際に、読み出し対象となる画素１のゲート電圧φTX1がハイレベルからローレベルに遷移する間、ポテンシャルが、常に、容量CD11、CD12、CFDの順に低くなるようにした。これにより、上記の電荷転送処理において容量CFD等に転送された電荷が、読み出し対象となる画素１のフォトダイオードPD1に戻らないようにすることができるので、読み出し対象となる画素１のフォトダイオードPD1によって生成された電荷を、漏れなく、容量CFDと、フォトダイオードPD2〜4と、容量CD11、CD21、CD31、CD41と、容量CD12、CD22、CD32、CD42に転送した上で、容量CFDの電位を読み出すことができる。
【００４９】
また、上記のように、読み出し対象となる画素１のフォトダイオードPD1によって生成された電荷を、容量CFDに加えて、間引かれる画素２〜４のフォトダイオードPD2〜4、容量CD11、CD21、CD31、CD41、及び容量CD12、CD22、CD32、CD42に転送した上で、容量CFDの電位を読み出すということは、容量CFDに加えて、間引かれる画素２〜４のフォトダイオードPD2〜4、これらのフォトダイオードPD2〜4側の容量CD11、CD21、CD31、CD41、及び容量CFD側の容量CD12、CD22、CD32、CD42を、読み出し対象となる画素１のフォトダイオードPD1によって生成された電荷を保持する容量として使用することにつながる。従って、高輝度モードのときに、容量CFDの電位を低下させて、画素の感度を低くすることができる。すなわち、特別な構成要素を設けることなく、安価かつ簡素な構成で、被写体輝度に応じて画素の感度を変更して、フリッカの発生を抑制することができる。
【００５０】
なお、本発明は上記実施形態の構成に限られることなく、種々の変形を行うことが可能である。例えば、上記の実施携帯では、隣り合う４つの画素間で、増幅トランジスタMSF、リセットスイッチMRES、及び選択スイッチMSELを共用する場合の例を示したが、増幅トランジスタMSF、リセットスイッチMRES、及び選択スイッチMSELを共用する画素の数は４つに限られず、２つ以上であればよい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の一実施形態による撮像装置の概略構成を示すブロック図。
【図２】同撮像装置に適用される画素回路の構成を示す図。
【図３】同画素回路の画素１、２、３、４及び容量CFDを構成する半導体の平面図。
【図４】図３におけるＡ−Ａ’線断面図。
【図５】ゲート電圧φTX1、φTX2が共にローレベルのときの図３のＡ−Ａ’線断面におけるポテンシャル分布を示す図。
【図６】全画素読み出しモードにおける同画素回路の動作を示すタイミングチャート。
【図７】通常輝度モードにおける同画素回路の動作を示すタイミングチャート。
【図８】高輝度モードにおいて、画素１を読み出し、残りの画素２〜４を容量として使った場合における同画素回路の動作を示すタイミングチャート。
【図９】高輝度モードにおいて、画素１を読み出し、画素２〜３を容量として使った場合における同画素回路の動作を示すタイミングチャート。
【図１０】高輝度モードにおいて、画素１を読み出し、画素２を容量として使った場合における同画素回路の動作を示すタイミングチャート。
【図１１】通常輝度モード時と高輝度モード時における図３のＡ−Ａ’線断面のポテンシャル分布の変化を示す図。
【図１２】従来の撮像装置に適用される画素回路の構成を示す図。
【図１３】同画素回路の動作を示すタイミングチャート。
【符号の説明】
【００５２】
１    画素
２    画素
３    画素
４    画素
１１    画素回路
２０    信号処理部（輝度判定手段）
１００    撮像装置
PD1、PD2、PD3、PD4    フォトダイオード（光電変換部）
MTX1、MTX2、MTX3、MTX4    転送スイッチ（転送手段）
CFD    容量（容量手段）
MSF    増幅トランジスタ（信号増幅手段）
MRES    リセットスイッチ（リセット手段）
MSEL    選択スイッチ（画素選択手段）
TX1、TX2、TX3、TX4    ゲート
CD12、CD22、CD32、CD42    容量（容量手段側部分）
CD11、CD21、CD31、CD41    容量（光電変換側部分）
【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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