(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換を行うフォトダイオードと電荷を一時的に保持するためのフローティングディフュージョンとの間に、オフ動作時に前記フォトダイオードが電荷蓄積を行うのに必要なポテンシャルバリアを形成し、オン動作時に前記フォトダイオードの蓄積電荷を前記フローティングディフュージョンへ転送する電荷転送トランジスタが配置されるＭＯＳ構造の画素回路を行列配置した画素アレイと、前記画素アレイにおける各行の画素回路での電荷蓄積及び読み出しを制御する行制御回路と、前記画素アレイからの信号を設定されたゲイン値倍に増幅しチップ外部に出力する読み出し回路とを備える固体撮像装置において、
前記行制御回路において前記電荷転送トランジスタをオン動作状態とオフ動作状態とに駆動する２値のレベル信号を出力する駆動バッファを、制御端に印加される電圧値に応じて前記２値のレベル信号のうち前記電荷転送トランジスタをオフ動作状態に駆動する側のレベル信号の電位を変更できる制御端付きの駆動バッファとするとともに、
前記読み出し回路に設定するゲイン値と、そのゲイン値で前記読み出し回路が動作した場合に前記フォトダイオードの光電変換特性の折れ点電位が当該読み出し回路の動作レンジ内に収まるようにする前記電荷転送トランジスタのオフ電位制御値とを対応付ける関係テーブルを備え、外部から前記ゲイン値が入力されたとき、前記関係テーブルから対応する前記オフ電位制御値を取り出すオフ電位制御値出力回路と、
前記オフ電位制御値出力回路が出力するオフ電位制御値が示す前記電荷転送トランジスタをオフ動作させる電圧値を前記駆動バッファの制御端に印加する可変電圧源と
を備え、
前記駆動バッファに、前記電荷転送トランジスタをオフ動作状態に駆動する側のレベル信号の電位を前記制御端に印加された前記電圧値に保持させる
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
光電変換を行うフォトダイオードと電荷を一時的に保持するためのフローティングディフュージョンとの間に、オフ動作時に前記フォトダイオードが電荷蓄積を行うのに必要なポテンシャルバリアを形成し、オン動作時に前記フォトダイオードの蓄積電荷を前記フローティングディフュージョンへ転送する電荷転送トランジスタが配置されるＭＯＳ構造の画素回路を行列配置した画素アレイと、前記画素アレイにおける各行の画素回路での電荷蓄積及び読み出しを制御する行制御回路と、前記画素アレイからの信号を設定されたゲイン値倍に増幅しチップ外部に出力する読み出し回路とを備える固体撮像装置において、
前記行制御回路において前記電荷転送トランジスタをオン動作状態とオフ動作状態とに駆動する２値のレベル信号を出力する駆動バッファを、制御端に印加される電圧値に応じて前記２値のレベル信号のうち前記電荷転送トランジスタをオフ動作状態に駆動する側のレベル信号の電位を変更できる制御端付きの駆動バッファとするとともに、
前記読み出し回路が設定するゲイン値で動作した場合に前記フォトダイオードの光電変換特性の折れ点電位が当該読み出し回路の動作レンジ内に収まるようにする前記電荷転送トランジスタのオフ電位制御値が外部から入力されるオフ電位制御値受付回路と、
前記オフ電位制御値受付回路が受け取ったオフ電位制御値が示す前記電荷転送トランジスタをオフ動作させる電圧値を前記駆動バッファの制御端に印加する可変電圧源と
を備え、
前記駆動バッファに、前記電荷転送トランジスタをオフ動作状態に駆動する側のレベル信号の電位を前記制御端に印加された前記電圧値に保持させる
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
当該固体撮像装置の外部に、前記読み出し回路に設定するゲイン値と、そのゲイン値で前記読み出し回路が動作した場合に前記フォトダイオードの光電変換特性の折れ点電位が当該読み出し回路の動作レンジ内に収まるようにする前記電荷転送トランジスタのオフ電位制御値とを対応付ける関係テーブルを備え、前記オフ電位制御値受付回路には、前記読み出し回路に設定するゲイン値に対応したオフ電位制御値が前記関係テーブルから取り出して入力されることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記オフ電位制御値受付回路には、変更後のゲイン値が変更前のゲイン値よりも大きい場合は、前記電荷転送トランジスタがＮＭＯＳトランジスタ構成では該ＮＭＯＳトランジスタのオン・オフ動作境界電圧に近い方の高い値のオフ電位制御値に変更して入力され、前記電荷転送トランジスタがＰＭＯＳトランジスタ構成では該ＰＭＯＳトランジスタのオン・オフ動作境界電圧に近い方の低い値のオフ電位制御値に変更して入力され、変更後のゲイン値が変更前のゲイン値よりも小さい場合は、前記電荷転送トランジスタがＮＭＯＳトランジスタ構成では該ＮＭＯＳトランジスタのオン・オフ動作境界電圧から遠い方の低い値のオフ電位制御値に変更して入力され、前記電荷転送トランジスタがＰＭＯＳトランジスタ構成では該ＰＭＯＳトランジスタのオン・オフ動作境界電圧から遠い方の高い値のオフ電位制御値に変更して入力されることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
光電変換を行うフォトダイオードと電荷を一時的に保持するためのフローティングディフュージョンとの間に、オフ動作時に前記フォトダイオードが電荷蓄積を行うのに必要なポテンシャルバリアを形成し、オン動作時に前記フォトダイオードの蓄積電荷を前記フローティングディフュージョンへ転送する電荷転送トランジスタが配置されるＭＯＳ構造の画素回路を行列配置した画素アレイと、前記画素アレイにおける各行の画素回路での電荷蓄積及び読み出しを制御する行制御回路と、前記画素アレイからの信号を設定されたゲイン値倍に増幅しチップ外部に出力する読み出し回路とを備える固体撮像装置において、
前記読み出し回路に設定する各ゲイン値に対して前記電荷転送トランジスタをオフ動作させる電圧値を変更して前記フォトダイオードの光電変換特性を測定し、そこでの折れ点電位が前記読み出し回路の動作レンジを逸脱しない所望の電位になるオフ電位制御値を探し出し記録することにより、前記読み出し回路に設定するゲイン値と、そのゲイン値で当該読み出し回路が動作したときに光電変換特性の折れ点電位を当該読み出し回路の動作レンジ内に収めるオフ電位制御値とを対応させる関係テーブルを作成して装置の内部に保持する工程と、
装置の外部から前記ゲイン値が入力されたとき前記関係テーブルから得られる前記オフ電位制御値が示す前記電荷転送トランジスタをオフ動作させる電圧値を可変電圧源から前記行制御回路において前記電荷転送トランジスタをオン動作状態とオフ動作状態とに駆動する２値のレベル信号を出力する駆動バッファの制御端に印加し、該駆動バッファに、前記電荷転送トランジスタをオフ動作状態に駆動する側のレベル信号の電位を前記制御端に印加された前記電圧値に保持させる工程と
を含むことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項６】
光電変換を行うフォトダイオードと電荷を一時的に保持するためのフローティングディフュージョンとの間に、オフ動作時に前記フォトダイオードが電荷蓄積を行うのに必要なポテンシャルバリアを形成し、オン動作時に前記フォトダイオードの蓄積電荷を前記フローティングディフュージョンへ転送する電荷転送トランジスタが配置されるＭＯＳ構造の画素回路を行列配置した画素アレイと、前記画素アレイにおける各行の画素回路での電荷蓄積及び読み出しを制御する行制御回路と、前記画素アレイからの信号を設定されたゲイン値倍に増幅しチップ外部に出力する読み出し回路とを備える固体撮像装置において、
前記読み出し回路に設定する各ゲイン値に対して前記電荷転送トランジスタをオフ動作させる電圧値を変更して前記フォトダイオードの光電変換特性を測定し、そこでの折れ点電位が前記読み出し回路の動作レンジを逸脱しない所望の電位となるオフ電位制御値を探し出し記録することにより、前記読み出し回路に設定するゲイン値と、そのゲイン値で当該読み出し回路が動作したときに光電変換特性の折れ点電位を当該読み出し回路の動作レンジ内に収めるオフ電位制御値とを対応させる関係テーブルを作成して装置の外部に保持する工程と、
装置の外部から前記ゲイン値を入力するとき、併せて前記関係テーブルから対応するオフ電位制御値を取り出して入力する工程と、
装置の外部から入力される前記オフ電位制御値が示す前記電荷転送トランジスタをオフ動作させる電圧値を可変電圧源から前記行制御回路において前記電荷転送トランジスタをオン動作状態とオフ動作状態とに駆動する２値のレベル信号を出力する駆動バッファの制御端に印加し、該駆動バッファに、前記電荷転送トランジスタをオフ動作状態に駆動する側のレベル信号の電位を前記制御端に印加された前記電圧値に保持させる工程と
を含むことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項７】
装置の外部から前記読み出し回路に設定するゲイン値を入力するとき、併せて入力する光電変換特性の折れ点電位を当該読み出し回路の動作レンジ内に収める前記電荷転送トランジスタのオフ電位制御値を、変更後のゲイン値が変更前のゲイン値よりも大きい場合は、前記電荷転送トランジスタがＮＭＯＳトランジスタ構成では該ＮＭＯＳトランジスタのオン・オフ動作境界電圧に近い方の高い値のオフ電位制御値に変更して入力し、前記電荷転送トランジスタがＰＭＯＳトランジスタ構成では該ＰＭＯＳトランジスタのオン・オフ動作境界電圧に近い方の低い値のオフ電位制御値に変更して入力し、変更後のゲイン値が変更前のゲイン値よりも小さい場合は、前記電荷転送トランジスタがＮＭＯＳトランジスタ構成では該ＮＭＯＳトランジスタのオン・オフ動作境界電圧から遠い方の低い値のオフ電位制御値に変更して入力し、前記電荷転送トランジスタがＰＭＯＳトランジスタ構成では該ＰＭＯＳトランジスタのオン・オフ動作境界電圧から遠い方の高い値のオフ電位制御値に変更して入力する工程
を含むことを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、フォトダイオードの飽和以降の光電変換特性（対数特性）を使ってダイナミックレンジの拡大を図る固体撮像装置及びその駆動方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
垂直オーバーフロードレイン構造を設けたフォトダイオードでの入射光量と出力電圧との関係（光電変換特性）は、フォトダイオードに蓄積される電荷が垂直オーバーフロードレインのバリアを超えるまでの低照度環境下では、線形特性となるが、入射光量が非常に大きくなりフォトダイオードに蓄積された電荷が垂直オーバーフロードレインのバリアを超える高照度環境下では、非線形の対数特性となる。
【０００３】
ビデオカメラやディジタルスチルカメラなどで用いる固体撮像装置は、通常、入射光量と出力電圧との関係が線形特性である低照度環境下での処理を対象にしているが、フォトダイオードの飽和以降の光電変換特性（対数特性）を使ってダイナミックレンジを拡大する固体撮像装置が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
すなわち、特許文献１では、垂直オーバーフロードレインのバリア（線形特性部分と対数特性部分との境界点）を線形特性のみを用いる通常の固体撮像装置よりも低く設定することにより、蓄積する電荷が垂直オーバーフロードレインのバリアを超え易くして早めに対数特性が得られるようにし、その対数特性部分が撮像信号を増幅して外部に出力する後段回路の動作レンジ内に収まるようにすることにより、線形特性のみを有する固体撮像装置よりもダイナミックレンジを拡大できるようにしている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−９４８８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、後段において撮像した信号を増幅して外部に出力する読み出し回路では大きなゲインを掛ける場合がある。その場合、上記従来の技術では、線形特性部分と対数特性部分との境界点は、線形特性のみを有する固体撮像装置よりも低く設定した状態で固定であるので、後段に設ける読み出し回路に大きなゲインを掛けると、対数特性部分が後段回路の動作レンジを逸脱してしまい、その後段回路の出力には線形特性部分での信号のみが現れる。つまり、上記従来の技術では、後段回路で大きなゲインをかけた場合、線形特性のみを有する通常の固体撮像装置よりもダイナミックレンジが著しく低下するという問題がある。
【０００７】
この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、フォトダイオードの飽和以降の光電変換特性（対数特性）を使ってダイナミックレンジを拡大する場合に、後段の読み出し回路のゲインを変更しても対数特性部分をその後段回路の動作レンジ内に収めることができる固体撮像装置及びその駆動方法を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した目的を達成するために、この発明は、光電変換を行うフォトダイオードと電荷を一時的に保持するためのフローティングディフュージョンとの間に、オフ動作時に前記フォトダイオードが電荷蓄積を行うのに必要なポテンシャルバリアを形成し、オン動作時に前記フォトダイオードの蓄積電荷を前記フローティングディフュージョンへ転送する電荷転送トランジスタが配置されるＭＯＳ構造の画素回路を行列配置した画素アレイと、前記画素アレイにおける各行の画素回路での電荷蓄積及び読み出しを制御する行制御回路と、前記画素アレイからの信号を設定されたゲイン値倍に増幅しチップ外部に出力する読み出し回路とを備える固体撮像装置において、前記行制御回路において前記電荷転送トランジスタをオン動作状態とオフ動作状態とに駆動する２値のレベル信号を出力する駆動バッファを、制御端に印加される電圧値に応じて前記２値のレベル信号のうち前記電荷転送トランジスタをオフ動作状態に駆動する側のレベル信号の電位を変更できる制御端付きの駆動バッファとするとともに、前記読み出し回路に設定するゲイン値と、そのゲイン値で前記読み出し回路が動作した場合に前記フォトダイオードの光電変換特性の折れ点電位が当該読み出し回路の動作レンジ内に収まるようにする前記電荷転送トランジスタのオフ電位制御値とを対応付ける関係テーブルを備え、外部から前記ゲイン値が入力されたとき、前記関係テーブルから対応する前記オフ電位制御値を取り出すオフ電位制御値出力回路と、前記オフ電位制御値出力回路が出力するオフ電位制御値が示す前記電荷転送トランジスタをオフ動作させる電圧値を前記駆動バッファの制御端に印加する可変電圧源とを備え、前記駆動バッファに、前記電荷転送トランジスタをオフ動作状態に駆動する側のレベル信号の電位を前記制御端に印加された前記電圧値に保持させることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、フォトダイオードとフローティングディフュージョンとの間に電荷転送トランジスタが形成するポテンシャルバリアの高さを、読み出し回路に設定するゲイン値が大きい場合は低く、小さい場合は高くすることで、フォトダイオードの光電変換特性における線形特性部分と対数特性部分との境界点（折れ点）の電位が読み出し回路の動作レンジ内に収まるようにすることができる。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、後段の読み出し回路のゲインを変更しても対数特性部分を後段回路の動作レンジ内に収めることができるので、後段回路に掛けるゲインの大きさと無関係にダイナミックレンジを拡大することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に図面を参照して、この発明にかかる固体撮像装置及びその駆動方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による固体撮像装置の構成を示すブロック図である。図１において、固体撮像装置１ａは、この発明に関わる要素として、複数の画素回路（以降、単に「画素」という）を列方向に配置した一列の画素構造２を行方向に複数個並べた画素アレイと、当該画素アレイの行方向の画素群を１組として列方向に走査制御する行制御回路であるスキャナー３及びバッファ回路４と、読み出しライン５に現れる各一列の画素構造２からの電荷信号を増幅してチップ外部に出力する後段回路である読み出し回路（ＡＧＣ回路）６と、光電変換特性の線形特性部分と対数特性部分との境界点の電位をＡＧＣ回路６に設定するゲイン値に関わらず動作レンジ内のほぼ一定値に調整する制御回路を構成するゲインレジスタ７，シーケンサ８，オフ電位レジスタ９及び入力端に可変電圧源１０が接続されるバッファアンプ１１とを備えている。
【００１３】
一列の画素構造２は、列方向に配置される複数の画素２１と、複数の画素２１の各出力端を接続する出力ライン２２に現れる電荷信号が入力するサンプル／ホールド回路（Ｓ／Ｈ）２３と、Ｓ／Ｈ２３の出力端と読み出しライン５との間に介在するスイッチ２４と、出力ライン２２と接地との間に介在する電流源２５とを備えている。
【００１４】
画素２１は、ＭＯＳ構造の集積回路であって、その等価回路は、アノードが接地されるフォトダイオード３０と、フォトダイオード３０のカソードと電源３１との間に直列に配置されるＮＭＯＳトランジスタ３２，３３と、電源３１と出力ライン２２との間に直列に配置されるＮＭＯＳトランジスタ３４，３５とで構成される。ＮＭＯＳトランジスタ３２，３３の直列接続端３６には、フローティングディフュージョンが形成されている。
【００１５】
この構成において、フォトダイオード３０のカソードに他方の信号電極が接続されるＮＭＯＳトランジスタ３２は、フォトダイオード３０が光電変換して蓄積した電荷をフローティングディフュージョン３６に転送して一時記憶させる電荷転送トランジスタとして機能する。また、電源３１に他方の信号電極が接続されるＮＭＯＳトランジスタ３３は、フローティングディフュージョン３６及びフォトダイオード３０から電荷を取り除き所定電位にリセットするリセットトランジスタとして機能する。また、電源３１に他方の信号電極が接続されるＮＭＯＳトランジスタ３４は、そのゲート電極がフローティングディフュージョン３６に接続され、フローティングディフュージョン３６に蓄積された電荷に応じた信号を出力する増幅トランジスタとして機能する。そして、出力ライン２２に他方の信号電極が接続されるＮＭＯＳトランジスタ３５は、増幅トランジスタ３４が増幅した電荷信号を選択して読み出しを行う読み出し選択トランジスタとして機能する。
【００１６】
バッファ回路４は、本来的にはスキャナー３の出力側に内蔵される走査信号出力回路の一部であるが、図１では、抜き出してスキャナー３の出力端と各一列の画素構造２との間に配置されるとしてある。このバッファ回路４は、各一列の画素構造２における各画素２１と１対１の関係で配置される複数の駆動バッファ群４０を備えている。各駆動バッファ群４０は、それぞれ３個の駆動バッファ４５，４６，５７を備えている。つまり、スキャナー３は、行毎に３種の走査信号を出力する。スキャナー３の出力は、２値のレベル信号であるので、３個の駆動バッファ４５，４６，５７の出力も２値のレベル信号であるが、駆動バッファ４５の出力はリセットトランジスタ３３のゲート電極に印加され、駆動バッファ４６の出力は電荷転送トランジスタ３２のゲート電極に印加され、駆動バッファ４７の出力は読み出し選択トランジスタ３５のゲート電極に印加される。
【００１７】
ここで、図２〜図４を参照して、制御回路（ゲインレジスタ７，シーケンサ８，オフ電位レジスタ９，可変電圧源１０及びバッファアンプ１１）を除外した構成での画素２１の読み出し時での動作について説明する。
【００１８】
図２は、画素の一般的な光電変換特性（従来の光電変換特性）を説明する図である。図２では、横軸は対数目盛で表した照度であり、縦軸は線形目盛で表した出力電位である。図３は、画素における電荷蓄積に関わる要素とポテンシャル電位との関係を説明する図である。図３では、画素２１における電荷蓄積に関わる要素として、電源３１側のリセットトランジスタ３３と、フローティングディフュージョン（ＦＤ）３６と、電荷転送トランジスタ３２と、フォトダイオード（ＰＤ）３０とが示されている。フォトダイオード３０は浅い電位井戸を有するが、フローティングディフュージョン３６は深い電位井戸を有している。そして、両者の間に介在する電荷転送トランジスタ３２のポテンシャル電位（オフ動作時の電位）が背景技術にて説明した垂直オーバーフロードレインのバリアに相当するポテンシャルバリアを形成している。
【００１９】
図２と図３において、フォトダイオード３０の光電変換特性は、フォトダイオード３０に蓄積される電荷が電荷転送トランジスタ３２のポテンシャル電位を超えるまでの低照度環境下では、線形特性５０となるが、照度が非常に大きくなり、フォトダイオード３０に蓄積された電荷が電荷転送トランジスタ３２のポテンシャル電位を超える高照度環境下では、電荷転送トランジスタ３２のポテンシャル電位を超えた時点を境界点（折れ点）５１として以降、非線形の対数特性５１となる。
【００２０】
次に、図４は、読み出し時におけるポテンシャル電位の変化を説明するシーケンス図である。図４において、（１）電荷蓄積の制御が行われていない画素では、フローティングディフュージョン３６とフォトダイオード３０とに電荷が存在する状態になっている。通常の画素の読み出しは、以下の要領で行われる。（２）まず、フォトダイオード３０をリセットするために、電荷転送トランジスタ３２とリセットトランジスタ３３とをオン動作状態に設定し、フォトダイオード３０の電荷を引き抜く。（３）次に、電荷転送トランジスタ３２とリセットトランジスタ３３とをオフ動作状態に設定し電荷の蓄積を開始する。
【００２１】
（４ａ）低照度環境下であれば、フォトダイオード３０で光電変換された電荷は全てフォトダイオード３０に蓄えられるので、フォトダイオード３０の電位変化は、照度に対して線形特性５０（図２参照）を示し照度に比例した画素出力が得られる。（４ｂ）一方、高照度環境下では、電荷がフォトダイオード３０で過剰に発生するので、その過剰電荷がフォトダイオード３０から電荷転送トランジスタ３２が形成するポテンシャルバリアを越えてフローティングディフュージョン３６に流れ出す。このとき、フォトダイオード３０の電位は、フォトダイオード３０で発生する電荷量とフォトダイオード３０からフローティングディフュージョン３６に流れ出す電荷量とがバランスする電位となる。この場合の電位変化は、照度に対して対数特性５２（図２参照）を示すが、この対数特性部分も利用すれば、ダイナミックレンジを広げることができる。
【００２２】
次に、リセットトランジスタ３３をオン動作状態に設定してフローティングディフュージョン３６をリセットし（５ａ，５ｂ）、その後リセットトランジスタ３３をオフ動作状態に設定してフローティングディフュージョン３６からＣＤＳ（Correlated Double Sampling）リセットレベルを読み出す（６ａ，６ｂ）。
【００２３】
その後、電荷転送トランジスタ３２をオン動作状態に設定してフォトダイオード３０の蓄積電荷をフローティングディフュージョン３６に転送し（７ａ，７ｂ）、電荷転送トランジスタ３２をオフ動作状態に設定してフローティングディフュージョン３６から信号電位を読み出す（８ａ，８ｂ）。
【００２４】
以上の説明から理解できるように、光電変換特性の折れ点５１（図２参照）の電位は、フォトダイオード３０が丁度飽和した状態での電荷量に対応した電位となるので、フォトダイオード３０とフローティングディフュージョン３６との間のポテンシャルバリア、つまり電荷転送トランジスタ３２がオフ動作時に形成するポテンシャル電位の高さを調整することにより、光電変換特性の折れ点５１の電位を調整することができ、例えば図５に示すように、１つの画素において折れ点電位が異なる各種の光電変換特性を得ることができる。
【００２５】
図５は、フォトダイオードとフローティングディフュージョンとの間のポテンシャルバリアの高さと得られる光電変換特性との関係を説明する図である。図５において、（１）は折れ点電位を３通りに調整した場合に得られる光電変換特性の一例を示す図である。（２）〜（４）は、（１）に対応するが、電荷転送トランジスタ３２がオフ動作時に形成するポテンシャル電位（ポテンシャルバリア）が、（２）低い場合、（３）それよりも少し高い場合、（４）さらに高い場合、でのフォトダイオード３０とフローティングディフュージョン３６とのポテンシャル状態を示す図である。
【００２６】
図５（２）に示すように、ポテンシャルバリアが低い場合は、フォトダイオード３０とフローティングディフュージョン３６の各電位井戸はかなり浅くなり、フォトダイオード３０では飽和状態が早めに到来する。この場合には、図５（１）に符号５５で示す折れ点電位の低い光電変換特性が得られる。
【００２７】
また、図５（３）に示すように、ポテンシャルバリアが少し高い場合は、フォトダイオード３０とフローティングディフュージョン３６の各電位井戸は少し深くなり、フォトダイオード３０が飽和状態になる時期が少し遅くなる。この場合には、図５（１）に符号５６で示す折れ点電位が少し高くなった光電変換特性が得られる。
【００２８】
さらに、図５（４）に示すように、ポテンシャルバリアが相当に高い場合は、フォトダイオード３０とフローティングディフュージョン３６の各電位井戸は相当に深くなり、フォトダイオード３０が飽和状態になる時期がさらに遅くなる。この場合には、図５（１）に符号５７で示す折れ点電位がかなり高くなった光電変換特性が得られる。
【００２９】
この発明は、後段回路であるＡＧＣ回路６が設定したゲイン値で動作する場合に、光電変換特性の折れ点電位をＡＧＣ回路６の動作レンジ内に収まるように調整できるようにすることで、ＡＧＣ回路６に設定するゲイン値の大きさと無関係にダイナミックレンジを拡大することを目的としている。
【００３０】
すなわち、この実施の形態では、図１に示すように、電荷転送トランジスタ３２を駆動する駆動バッファ４６は、制御端付きの駆動バッファとし、この制御端に制御回路（ゲインレジスタ７，シーケンサ８，オフ電位レジスタ９，可変電圧源１０及びバッファアンプ１１）におけるバッファアンプ１１の出力電圧、つまり可変電圧源１０の出力電圧を印加する構成としている。駆動バッファ４６は、この制御端に印加される電圧値に応じて、電荷転送トランジスタ３２のゲート電極に出力する２値のレベル信号のうち電荷転送トランジスタ３２をオフ動作状態に駆動する側のレベル信号の電位を変更できるようになっている。
【００３１】
制御回路におけるゲインレジスタ７，シーケンサ８及びオフ電位レジスタ９では、次のような動作が行われる。ゲインレジスタ７は、外部からＡＧＣ回路６に設定するゲイン値が書き込まれると、その設定されたゲイン値をＡＧＣ回路６のゲイン入力端に与えるとともに、シーケンサ８に対しゲインが変更されたことを示す信号と変更後のゲイン値とを伝達する。ＡＧＣ回路６は、ゲインレジスタ７からゲイン入力端に印加されるゲイン値を読み出しライン５からの電荷信号に乗じて撮像信号とし、それをチップ外部に出力する。
【００３２】
シーケンサ８は、ゲインレジスタ７から通知されたゲイン値とオフ電位レジスタ９に設定するレジスタ値との対応関係を示すテーブルを備えている。この関係テーブルは、次のようにして作成したものである。すなわち、各ゲイン値に対して電荷転送トランジスタ３２をオフ動作させる電圧値を変更して光電変換特性を測定し、そこでの折れ点電位がＡＧＣ回路６の動作レンジを逸脱しない所望の電位となるオフ動作電圧値を探し出し、それをオフ電位レジスタ９に設定するレジスタ値として記録する。この測定により、ＡＧＣ回路６に設定するゲイン値と、そのゲイン値でＡＧＣ回路６が動作したときに光電変換特性の折れ点電位をＡＧＣ回路６の動作レンジ内に収めるオフ電位レジスタ値とを対応させるテーブルを作成し、シーケンサ８の記憶手段に設定する。
【００３３】
シーケンサ８は、その関係テーブルを参照して変更後のゲイン値に応じたレジスタ値をオフ電位レジスタ９に設定する。その結果、オフ電位レジスタ９のレジスタ値によって可変操作される可変電圧源１０の電圧値がバッファアンプ１１を介して駆動バッファ４６の制御端に印加される。
【００３４】
これによって、駆動バッファ４６が出力する２値のレベル信号のうち電荷転送トランジスタ３２をオフ動作させる側のレベル信号の電位がＡＧＣ回路６に与えるゲイン値に応じて変更される。具体的には、電荷転送トランジスタ３２のオフ動作時に形成されるポテンシャルバリアの高さを、ＡＧＣ回路６に与えるゲイン値が大きい場合は低く、小さい場合は高くなるように、電荷転送トランジスタ３２をオフ動作させる側のレベル信号の電位が変更される。
【００３５】
図１では、電荷転送トランジスタ３２はＮＭＯＳトランジスタであるので、オフ電位レジスタ９には、ＡＧＣ回路６に与えるゲイン値が大きい場合は小さい場合よりも高い電圧値を可変電圧源１０に出力させるようなレジスタ値が設定される。したがって、駆動バッファ４６が電荷転送トランジスタ３２のゲート電極に印加する低レベル側電位は、高レベル側の電位に近づけた電位に変更される。つまり、電荷転送トランジスタ３２のオフ動作状態は、ＡＧＣ回路６に与えるゲイン値が大きい場合は小さい場合よりも浅いオフ動作状態に設定される。
【００３６】
このように、制御回路（ゲインレジスタ７，シーケンサ８，オフ電位レジスタ９，可変電圧源１０及びバッファアンプ１１）では、フォトダイオード３０とフローティングディフュージョン３６との間のポテンシャルバリアの高さをゲイン値が大きい場合は小さい場合よりも低くする調整操作が行えるので、ＡＧＣ回路６に大きなゲイン値を与える場合でも、フォトダイオード３０の光電変換特性の線形特性部分と対数特性部分との折れ点（境界点）の電位がＡＧＣ回路６の動作レンジ内に収まるようすることができ（図６、図７参照）、ＡＧＣ回路６に大きなゲインをかけても支障なくダイナミックレンジを拡大することができる。
【００３７】
図６は、図１に示す制御回路が無い従来技術におけるＡＧＣ回路の出力特性を説明する図である。図７は、実施の形態１によるＡＧＣ回路の出力特性を説明する図である。両図において、横軸は対数目盛で表した照度であり、縦軸は線形目盛で表した画素の出力電位である。縦軸側にて双方向矢印で示す範囲６０は、ＡＧＣ回路６の動作レンジである。また、横軸側にて双方向矢印で示す範囲６１は、ゲインを掛ける前のＡＧＣ回路６が利用できる画素レンジである。横軸側にて双方向矢印で示す範囲６２，６３は、ゲインを掛けた後のＡＧＣ回路６が利用できる画素レンジである。そして、符号６４で示す特性は、ＡＧＣ回路６にゲインを掛けない場合の画素の光電変換特性である。また、符号６５，６６で示す特性は、それぞれＡＧＣ回路６にゲインを掛けた場合に得られる画素の光電変換特性である。
【００３８】
図６に示すように、従来技術では、ＡＧＣ回路６にゲインを掛けない場合には、画素の光電変換特性６４は、その折れ点電位が動作レンジ６０内にその上限値との間にある程度の隙間を置いて収まり、少なくとも折れ点電位側の対数特性部分のある範囲は動作レンジ６０を超えないので、動作レンジ６０内に存する対数特性部分を利用したダイナミックレンジの拡大が行える。しかし、ＡＧＣ回路６にゲインを掛けた場合には、ゲインを増大させるとゲイン処理後の折れ点電位が動作レンジ６０の上限に向かって高くなるので、利用できる対数特性部分の範囲が狭くなっていく。そして、ゲインをある値以上に増大させると、光電変換特性６５に示すように、ゲイン処理後の折れ点電位が動作レンジ６０の上限を大きく超えることになる。この場合にはＡＧＣ回路６が利用できる画素レンジ６２は、光電変換特性６５の線形特性部分のうち動作レンジ６０内に存する領域となるので、線形特性のみを有する通常の固体撮像装置よりもダイナミックレンジが著しく低下する。
【００３９】
これに対し、この実施の形態では、ＡＧＣ回路６にゲインを掛けない場合には、従来例（図６）と同様であるが、ＡＧＣ回路６にゲインを掛ける場合には、上記したようにゲインレジスタ７に外部からゲイン値が書き込まれると、オフ電位レジスタ９のレジスタ値をそのゲイン値に応じて変更し、フォトダイオード３０とフローティングディフュージョン３６との間のポテンシャルバリアの高さを低くする調整操作が行われるので、図７に示すように、ゲイン処理後の折れ点電位が動作レンジ６０内に収まる光電変換特性６６が得られる。この光電変換特性６６の折れ点電位は、ＡＧＣ回路６にゲインを掛けない場合の光電変換特性６４の折れ点電位とほぼ同電位にすることができるので、光電変換特性６６の対数特性部分のかなりの領域が動作レンジ６０内に収まるようになる。したがって、ＡＧＣ回路６が利用できる画素レンジ６３は、光電変換特性６６の対数特性部分を含めた範囲となるので、ＡＧＣ回路６にゲインを掛ける場合でも、ダイナミックレンジをＡＧＣ回路６にゲインを掛けない場合とほぼ同じに保つことができる。
【００４０】
このように、実施の形態１によれば、フォトダイオードとフローティングディフュージョンとの間のポテンシャルバリアの高さをゲイン値が大きい場合は低くする等ゲイン値に応じた調整操作が行えるようにしたので、読み出し回路（ＡＧＣ回路）に大きなゲイン値を与える場合でもフォトダイオードの光電変換特性の線形特性部分と対数特性部分との折れ点（境界点）電位がＡＧＣ回路の動作レンジ内に収まるようにすることができる。したがって、ＡＧＣ回路に大きなゲインを掛けても支障なく対数特性部分を利用してダイナミックレンジを拡大することができる。
【００４１】
実施の形態２．
図８は、この発明の実施の形態２による固体撮像装置の構成を示すブロック図である。なお、図８では、図１（実施の形態１）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態２に関わる部分を中心に説明する。
【００４２】
すなわち、図８に示す実施の形態２による固体撮像装置１ｂでは、図１（実施の形態１）に示した構成において、シーケンサ８を削除し、オフ電位レジスタ９のレジスタ値は、直接外部から設定するようになっている。つまり、この実施の形態２では、図１に示したシーケンサ８が保持する前記した関係テーブルは外部に存在し、実施の形態１と同様に外部からゲインレジスタ７にゲイン値を設定する際に、その外部において関係テーブルから対応するレジスタ値を取り出し、オフ電位レジスタ９に設定するようになっている。
【００４３】
この構成によっても、実施の形態１と同様に、電荷転送トランジスタ３２のオフ動作時に形成されるポテンシャルバリアの高さが、ＡＧＣ回路６に与えるゲイン値が大きい場合は低くなるように、駆動バッファ４６が出力する２値のレベル信号のうち電荷転送トランジスタ３２をオフ動作させる側のレベル信号の電位を変更することができ、読み出し回路（ＡＧＣ回路）に大きなゲイン値を与える場合でもフォトダイオードの光電変換特性の線形特性部分と対数特性部分との折れ点（境界点）電位がＡＧＣ回路の動作レンジ内に収まるようすることができる。したがって、図７に示したように、ダイナミックレンジをゲインを掛ける前とほぼ同じにすることができるので、ＡＧＣ回路に大きなゲインを掛けても支障なく対数特性部分を利用してダイナミックレンジを拡大することができる。
【００４４】
この実施の形態２によれば、外部に、読み出し回路に設定するゲイン値と、そのゲイン値で読み出し回路が動作した場合にフォトダイオード３０の光電変換特性の折れ点電位が当該読み出し回路の動作レンジ内に収まるようにするオフ電位レジスタ値とを対応付ける関係テーブルを設け、ゲインレジスタに外部からゲイン値を書き込むときに、オフ電位レジスタのレジスタ値をその関係テーブルを参照して外部から変更するようにし、図１に示したシーケンサを省略できるようにしたので、構成の簡素化が図れる。
【００４５】
実施の形態３．
図９は、この発明の実施の形態３による固体撮像装置の動作を説明するフローチャートである。この実施の形態３では、図８に示す実施の形態２による固体撮像装置１ｂにおいて、外部に、読み出し回路６に設定するゲイン値と、そのゲイン値で読み出し回路６が動作した場合にフォトダイオード３０の光電変換特性の折れ点電位が当該読み出し回路の動作レンジ内に収まるようにするオフ電位レジスタ値とを対応付ける関係テーブルを設けるのではなく、外部からオフ電位レジスタ９に設定するレジスタ値を、外部からゲインレジスタに設定する変更前後のゲイン値の大小関係に応じて設定する場合について説明する。
【００４６】
図８において、外部からゲインレジスタ７に書き込みがあると、変更後のゲイン値に応じてＡＧＣ回路６のゲイン設定が変更され、画素出力にゲインが掛けられる。そこで、図９において、外部からゲインレジスタ７に書き込みを行う際に、ゲインレジスタ７に設定する変更前後のゲイン値の大小関係を調べる（ＳＴ１）。
【００４７】
その結果、変更後のゲイン値が変更前のゲイン値と比較して大きい場合は（ＳＴ１：Ｙｅｓ）、外部からオフ電位レジスタ９のレジスタ値を大きい値に変更する（ＳＴ２）。オフ電位レジスタ値が高く設定されると、図８では電荷転送トランジスタ３２はＮＭＯＳトランジスタであるので、可変電圧源１０の出力電位、つまりバッファアンプ１１の出力電位が高くなり、電荷転送トランジスタ３２のオフ動作電位がオン動作電位に近い浅い電位となり、光電変換特性の折れ点電位が低くなる（ＳＴ３）。このため、ＡＧＣ回路６のゲイン値が大きく設定されても、光電変換特性の折れ点電位がＡＧＣ回路６の動作レンジから逸脱しにくくなる。
【００４８】
一方、変更後のゲイン値が変更前のゲイン値と比較して小さい場合（ＳＴ１：Ｎｏ）、外部からオフ電位レジスタ９のレジスタ値を小さい値に変更する（ＳＴ４）。オフ電位レジスタ値が低く設定されると、可変電圧源１０出力電位、つまりバッファアンプ）１１の出力電位が低くなり、電荷転送トランジスタ３２のオフ動作電位が深い電位となり、光電変換特性の折れ点電位が高くなる（ＳＴ５）。このため、ＡＧＣ回路６のゲイン値が小さく設定されても、光電変換特性の折れ点電位がＡＧＣ回路６の動作レンジ内の所望の電位から逸脱しにくくなる。
【００４９】
このように、実施の形態３によれば、ＡＧＣ回路に与えるゲイン値を大きい値と小さい値との間で変更した場合も、光電変換特性の折れ点電位を変更後のゲイン値を適用したＡＧＣ回路の動作レンジを逸脱しない電位に制御でき、支障なく対数特性部分を利用してダイナミックレンジを拡大することができる。
【００５０】
なお、実施の形態１〜３では、画素回路は、ＮＭＯＳ構造である場合を示したが、ＰＭＯＳ構造である場合には、電荷転送トランジスタがＰＭＯＳトランジスタとなるので、可変電圧源の出力電位の増減方向が実施の形態１〜３とは逆になるだけで、全く同様に、フォトダイオードとフローティングディフュージョンとの間のポテンシャルバリアの高さをＡＧＣ回路に与えるゲイン値に応じて調整し、光電変換特性の折れ点電位をＡＧＣ回路の動作レンジ内に収めることができる。
【００５１】
実施の形態３の例で具体的に記述すると、変更後のゲイン値が変更前のゲイン値よりも大きい場合は、電荷転送トランジスタがＮＭＯＳトランジスタ構成では高い値のオフ電位制御値に変更して入力し、電荷転送トランジスタがＰＭＯＳトランジスタ構成では低い値のオフ電位制御値に変更して入力し、変更後のゲイン値が変更前のゲイン値よりも小さい場合は、電荷転送トランジスタがＮＭＯＳトランジスタ構成では低い値のオフ電位制御値に変更して入力し、電荷転送トランジスタがＰＭＯＳトランジスタ構成では高い値のオフ電位制御値に変更して入力することになる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
以上のように、この発明にかかる固体撮像装置及びその駆動方法は、後段の読み出し回路に掛けるゲインの大きさと無関係にダイナミックレンジを拡大するのに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】この発明の実施の形態１による固体撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す画素の一般的な光電変換特性（従来の光電変換特性）を説明する図である。
【図３】図１に示す画素における電荷蓄積に関わる要素とポテンシャル電位との関係を説明する図である。
【図４】図１に示す画素の読み出し時におけるポテンシャル電位の変化を説明するシーケンス図である。
【図５】フォトダイオードとフローティングディフュージョンとの間のポテンシャルバリアの高さと得られる光電変換特性との関係を説明する図である。
【図６】図１に示す制御回路が無い従来技術におけるＡＧＣ回路の出力特性を説明する図である。
【図７】実施の形態１によるＡＧＣ回路の出力特性を説明する図である。
【図８】この発明の実施の形態２による固体撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図９】この発明の実施の形態３による固体撮像装置の動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００５４】
１ａ，１ｂ  固体撮像装置
２  一列の画素構造
３  スキャナー３
４  バッファ回路
５  読み出しライン
６  読み出し回路（ＡＧＣ回路）
７  ゲインレジスタ
８  シーケンサ
９  オフ電位レジスタ
１０  可変電圧源
１１  バッファアンプ
２１  画素回路（画素）
２２  出力ライン
２３  サンプル／ホールド回路（Ｓ／Ｈ）
２４  スイッチ
２５  電流源
３０  フォトダイオード
３１  電源
３２  ＮＭＯＳトランジスタ（電荷転送トランジスタ）
３３  ＮＭＯＳトランジスタ（リセットトランジスタ）
３４  ＮＭＯＳトランジスタ（増幅トランジスタ）
３５  ＮＭＯＳトランジスタ（読み出し選択トランジスタ）
３６  フローティングディフュージョン
４０  バッファ群
４５  リセットトランジスタを駆動するバッファ
４６  電荷転送トランジスタを駆動するバッファ
４７  読み出し選択トランジスタを駆動するバッファ
【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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