(57)【要約】【課題】  入射光量検出のダイナミックレンジが大きく温度依存性が小さい固体撮像装置を提供する。【解決手段】  積分回路１０は、入力した電荷を蓄積する容量部を有し、順次に繰り返されるＮ個の期間Ｔ１〜ＴＮのうちの各期間Ｔｎにおいて、フォトダイオードＰＤｎで発生した電荷を第１蓄積期間に亘り入力して容量部に蓄積し当該蓄積電荷量に応じた第１電圧値を出力するとともに、フォトダイオードＰＤｎで発生した電荷を第１蓄積期間より後の第２蓄積期間に亘り入力して前記容量部に蓄積し当該蓄積電荷量に応じた第２電圧値を出力する。保持回路３０は、積分回路１０から出力される第１電圧値または第２電圧値を保持して、この保持した電圧値を出力する。【選択図】  図２
2005311542.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光量に応じた量の電荷を発生するＮ個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤＮと、
各フォトダイオードＰＤｎとスイッチＳＷｎを介して接続され、入力した電荷を蓄積する容量部を有し、順次に繰り返されるＮ個の期間Ｔ１〜ＴＮのうちの各期間Ｔｎにおいて、フォトダイオードＰＤｎで発生した電荷を第１蓄積期間に亘りスイッチＳＷｎを介して入力して前記容量部に蓄積し当該蓄積電荷量に応じた第１電圧値を出力するとともに、フォトダイオードＰＤｎで発生した電荷を前記第１蓄積期間より後の第２蓄積期間に亘りスイッチＳＷｎを介して入力して前記容量部に蓄積し当該蓄積電荷量に応じた第２電圧値を出力する積分回路と、
各フォトダイオードＰＤｎについて、前記積分回路から出力される前記第１電圧値または前記第２電圧値を保持して、この保持した電圧値を出力する保持回路と、
各フォトダイオードＰＤｎについて、前記積分回路から出力される前記第１電圧値を入力し、前記第１電圧値と基準電圧値とを大小比較して、この比較結果を表す比較信号を出力し、この比較信号に基づいて、前記第１電圧値が前記基準電圧値より小さければ前記保持回路に対して前記第１電圧値を保持するよう指示し、そうでなければ前記保持回路に対して前記第２電圧値を保持するよう指示する比較回路と、
を備えることを特徴とする固体撮像装置（ただし、Ｎは２以上の整数、ｎは１以上Ｎ以下の任意の整数）。
【請求項２】
前記積分回路の前記容量部の容量値が可変であり、前記第１蓄積期間における前記容量部の容量値より前記第２蓄積期間における前記容量部の容量値が大きい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】
前記積分回路と前記保持回路との間に設けられ、前記積分回路から出力される電圧値を入力し、前記第２蓄積期間の開始および終了それぞれの際に入力する該電圧値の差に応じた電圧値を前記保持回路へ出力するＣＤＳ回路を更に備え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４】
前記保持回路から出力される電圧値を入力し、この入力した電圧値をデジタル値に変換して、このデジタル値を出力するＡ／Ｄ変換回路を更に備え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５】
前記Ａ／Ｄ変換回路から出力されるデジタル値を入力するとともに、前記比較回路から出力される比較信号を入力して、該比較信号に基づいて該デジタル値のビットをシフトさせ、このビットシフトしたデジタル値を出力するビットシフト回路を更に備えることを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置として、入射光量に応じてフォトダイオードで発生した電流信号を対数圧縮して電圧信号として出力するものが知られている（例えば特許文献１および特許文献２を参照）。この固体撮像装置は、入射光量検出のダイナミックレンジが大きいという利点を有している。
【特許文献１】特開平１１−１５５１０５号公報
【特許文献２】特開平５−２１９４４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記のような対数圧縮方式を採用した固体撮像装置は、温度に依存して対数圧縮特性（すなわち、入射光量検出特性）が大きく変化するという問題点を有している。
【０００４】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、入射光量検出のダイナミックレンジが大きく、温度依存性が小さい固体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】
【０００５】
本発明に係る固体撮像装置は、(1) 入射光量に応じた量の電荷を発生するＮ個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤＮと、(2) 各フォトダイオードＰＤｎとスイッチＳＷｎを介して接続され、入力した電荷を蓄積する容量部を有し、順次に繰り返されるＮ個の期間Ｔ１〜ＴＮのうちの各期間Ｔｎにおいて、フォトダイオードＰＤｎで発生した電荷を第１蓄積期間に亘りスイッチＳＷｎを介して入力して容量部に蓄積し当該蓄積電荷量に応じた第１電圧値を出力するとともに、フォトダイオードＰＤｎで発生した電荷を第１蓄積期間より後の第２蓄積期間に亘りスイッチＳＷｎを介して入力して容量部に蓄積し当該蓄積電荷量に応じた第２電圧値を出力する積分回路と、(3) 各フォトダイオードＰＤｎについて、積分回路から出力される第１電圧値または第２電圧値を保持して、この保持した電圧値を出力する保持回路と、(4) 各フォトダイオードＰＤｎについて、積分回路から出力される第１電圧値を入力し、第１電圧値と基準電圧値とを大小比較して、この比較結果を表す比較信号を出力し、この比較信号に基づいて、第１電圧値が基準電圧値より小さければ保持回路に対して第１電圧値を保持するよう指示し、そうでなければ保持回路に対して第２電圧値を保持するよう指示する比較回路と、を備えることを特徴とする。ただし、Ｎは２以上の整数であり、ｎは１以上Ｎ以下の任意の整数である。
【０００６】
この固体撮像装置の動作は、Ｎ個の期間Ｔ１〜ＴＮを１サイクルとして、このサイクルが順次に繰り返される。各期間Ｔｎにおいて、スイッチＳＷｎは第１蓄積期間および第２蓄積期間それぞれに閉じ、他のスイッチＳＷｍ（ｍ≠ｎ）は開いたままである。各フォトダイオードＰＤｎは、対応する期間Ｔｎ内の第１蓄積期間および第２蓄積期間それぞれにおいて、対応するスイッチＳＷｎが閉じることにより、積分回路と接続される。
【０００７】
第１蓄積期間において、スイッチＳＷｎが閉じていると、前サイクルの期間Ｔｎにおいて最後にスイッチＳＷｎが開いた時刻より以降に比較的長期間に亘ってフォトダイオードＰＤｎへの光入射に伴ってフォトダイオードＰＤｎで発生し接合容量部に蓄積されていた電荷は、スイッチＳＷｎを経て積分回路に入力して容量部に蓄積され、この蓄積された電荷の量に応じた第１電圧値が積分回路から出力される。
【０００８】
第２蓄積期間において、スイッチＳＷｎが閉じていると、現サイクルの期間Ｔｎにおいて最後にスイッチＳＷｎが開いた時刻より以降に比較的短期間に亘ってフォトダイオードＰＤｎへの光入射に伴ってフォトダイオードＰＤｎで発生した電荷は、スイッチＳＷｎを介して積分回路に入力して容量部に蓄積され、この蓄積された電荷の量に応じた第２電圧値が積分回路から出力される。
【０００９】
各フォトダイオードＰＤｎについて、比較回路により、積分回路から出力される第１電圧値が基準電圧値と大小比較されて、この比較結果を表す比較信号が出力される。そして、この比較信号に基づいて、保持回路により、第１電圧値が基準電圧値より小さければ第１電圧値が保持され、そうでなければ第２電圧値が保持される。保持回路からは、この保持された電圧値（第１電圧値または第２電圧値）が出力される。
【００１０】
ここで、比較回路から出力される比較信号は、第１電圧値と基準電圧値との大小関係（すなわち、フォトダイオードＰＤｎへの入射光量のレベル）を表すものである。また、第１蓄積期間における蓄積電荷量より第２蓄積期間における蓄積電荷量が少ないので、第１電圧値より第２電圧値が小さい。したがって、フォトダイオードＰＤｎへの入射光量が比較的少ない場合には、保持回路から出力される第１電圧値に基づいて、フォトダイオードＰＤｎへの入射光量を検知することができる。一方、フォトダイオードＰＤｎへの入射光量が比較的多い場合には、保持回路から出力される第２電圧値に基づいて、フォトダイオードＰＤｎへの入射光量を検知することができる。
【００１１】
したがって、この固体撮像装置は、画素毎に入射光量検出のダイナミックレンジを大きくすることができる。また、フォトダイオードＰＤｎで発生した電荷を積分回路の容量部に蓄積して、その蓄積した電荷の量に応じた電圧値を積分回路から出力するので、入射光量検出の温度依存性が小さい。
【００１２】
本発明に係る固体撮像装置は、積分回路の容量部の容量値が可変であり、第１蓄積期間における容量部の容量値より第２蓄積期間における容量部の容量値が大きいのが好適である。この場合には、光検出のダイナミックレンジを更に大きくすることができる。
【００１３】
本発明に係る固体撮像装置は、積分回路と保持回路との間に設けられ、積分回路から出力される電圧値を入力し、第２蓄積期間の開始および終了それぞれの際に入力する該電圧値の差に応じた電圧値を保持回路へ出力するＣＤＳ回路を更に備えるのが好適である。また、保持回路から出力される電圧値を入力し、この入力した電圧値をデジタル値に変換して、このデジタル値を出力するＡ／Ｄ変換回路を更に備えるのが好適である。さらに、Ａ／Ｄ変換回路から出力されるデジタル値を入力するとともに、比較回路から出力される比較信号を入力して、該比較信号に基づいて該デジタル値のビットをシフトさせ、このビットシフトしたデジタル値を出力するビットシフト回路を更に備えるのが好適である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る固体撮像装置は、入射光量検出のダイナミックレンジが大きく、温度依存性が小さい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１６】
図１は、本実施形態に係る固体撮像装置１の概略構成図である。この図に示される固体撮像装置１は、Ｎ個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤＮ、Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮ、積分回路１０、ＣＤＳ回路２０、保持回路３０、比較回路４０、Ａ／Ｄ変換回路５０およびビットシフト回路６０を備える。ここで、Ｎは２以上の整数である。また、以下で用いるｎは１以上Ｎ以下の任意の整数である。
【００１７】
各フォトダイオードＰＤｎは、アノード端子が接地され、カソード端子がスイッチＳＷｎを介して積分回路１０に接続されている。積分回路１０の入力端は、Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮそれぞれの一端と共通の配線により接続されている。積分回路１０は、容量部を有していて、フォトダイオードＰＤｎで発生した電荷を入力し、この入力した電荷を容量部に蓄積して、この蓄積した電荷の量に応じた電圧値Ｖ１０を出力する。
【００１８】
ＣＤＳ（Correlated Double Sampling、相関二重サンプリング）回路２０は、積分回路１０から出力される電圧値Ｖ１０を入力し、第１時刻および第２時刻それぞれの入力電圧値の差に応じた電圧値Ｖ２０を出力する。保持回路３０は、ＣＤＳ回路２０から出力される電圧値Ｖ２０を入力して、所定時刻における入力電圧値を保持し、その保持した電圧値Ｖ３０を出力する。比較回路４０は、積分回路１０から出力される電圧値Ｖ１０を入力し、この入力電圧値Ｖ１０と基準電圧値とを大小比較して、この比較結果を表す比較信号Ｓ４０を出力するとともに、この比較信号Ｓ４０に基づいて保持回路３０に対して所定時刻における入力電圧値を保持するよう指示する。
【００１９】
Ａ／Ｄ変換回路５０は、保持回路３０から出力される電圧値Ｖ３０を入力し、この入力した電圧値をデジタル値に変換して、このデジタル値Ｄ５０を出力する。ビットシフト回路６０は、Ａ／Ｄ変換回路５０から出力されるデジタル値Ｄ５０を入力するとともに、比較回路４０から出力される比較信号Ｓ４０を入力して、該比較信号に基づいて該デジタル値のビットをシフトさせ、このビットシフトしたデジタル値Ｄ６０を出力する。
【００２０】
図２は、本実施形態に係る固体撮像装置１の積分回路１０、ＣＤＳ回路２０、保持回路３０および比較回路４０の回路図である。
【００２１】
積分回路１０は、アンプＡ１０、容量素子Ｃ１０、容量素子Ｃ１１、スイッチＳＷ１０およびスイッチＳＷ１１を有する。アンプＡ１０の非反転入力端子は、基準電位Ｖｒｅｆが入力する。アンプＡ１０の反転入力端子は、スイッチＳＷｎを介してフォトダイオードＰＤｎに接続されている。アンプＡ１０の反転入力端子と出力端子との間には、スイッチＳＷ１０、容量素子Ｃ１０、ならびに、互いに直列接続されたスイッチＳＷ１１および容量素子Ｃ１１が、互いに並列的に設けられている。
【００２２】
容量素子Ｃ１０，容量素子Ｃ１１およびスイッチＳＷ１１は、容量値が可変の容量部を構成している。この可変容量部は、下記(1)式に表されるように、容量値Ｃ１および容量素子Ｃ２のうちの何れかの容量値に選択的に設定される。すなわち、スイッチＳＷ１１が開いているときの可変容量部の容量値Ｃ１は、容量素子Ｃ１０の容量値と等しい。また、スイッチＳＷ１１が閉じているときの可変容量部の容量値Ｃ２は、容量素子Ｃ１０および容量素子Ｃ１１それぞれの容量値の和と等しい。
【００２３】
【数１】
2005311542.tif 000003
【００２４】
積分回路１０は、スイッチＳＷ１０が開いているときに、フォトダイオードＰＤｎから出力される電荷を可変容量部に蓄積して、この蓄積した電荷の量に応じた電圧値Ｖ１０を出力する。また、積分回路１０は、スイッチＳＷ１０，ＳＷ１１が閉じることにより、容量素子Ｃ１０，Ｃ１１に蓄積されていた電荷が放電され、出力電圧値が初期化される。
【００２５】
ＣＤＳ回路２０は、アンプＡ２０、容量素子Ｃ２０およびスイッチＳＷ２０を有する。アンプＡ２０の入力端子は、容量素子Ｃ２０を介して積分回路１０のアンプＡ１０の出力端子と接続され、スイッチＳＷ２０を介して接地電位と接続されている。このＣＤＳ回路２０は、スイッチＳＷ２０が閉状態から開状態に転じた第１時刻に積分回路１０から出力された電圧値Ｖ１０と、スイッチＳＷ２０が開状態に維持されたまま第１時刻より後の第２時刻に積分回路１０から出力された電圧値Ｖ１０と、の差に応じた電圧値Ｖ２０を出力する。
【００２６】
保持回路３０は、アンプＡ３０、容量素子Ｃ３０およびスイッチＳＷ３０を有する。アンプＡ３０の入力端子は、スイッチＳＷ３０を介してＣＤＳ回路２０のアンプＡ２０の出力端子と接続され、容量素子Ｃ３０を介して接地電位と接続されている。この保持回路３０は、スイッチＳＷ３０が閉状態から開状態に転じた時刻にＣＤＳ回路２０から出力された電圧値Ｖ２０を以降も保持し、その保持した電圧値に応じた電圧値Ｖ３０を出力する。スイッチＳＷ３０の開閉は、比較信号４０から出力される比較信号Ｓ４０に基づいて制御される。
【００２７】
比較回路４０は、コンパレータ４１およびＤフリップフロップ４２を有する。コンパレータ４１は、積分回路１０から出力される電圧値Ｖ１０を入力するとともに、基準電圧値Ｖｓａｔをも入力して、これら電圧値Ｖ１０と基準電圧値Ｖｓａｔとを大小比較する。そして、コンパレータ４１の出力レベルは、電圧値Ｖ１０が基準電圧値Ｖｓａｔより大きいときにハイレベルとなり、そうでないときにはローレベルとなる。Ｄフリップフロップ４２は、ＣＬＲ入力端子に入力するＣｌｒ信号がハイレベルであるときに、Ｑ出力端子からの出力レベルがローレベルとなる。Ｄフリップフロップ４２は、コンパレータ４１からの出力電圧値をクロック入力端子に入力し、この電圧値がローレベルからハイレベルに転じると、それまでＤ入力端子に入力していた信号レベルを、それ以降においてＱ出力端子から出力する。このＤフリップフロップ４２のＱ出力端子から出力される信号が比較信号Ｓ４０となる。
【００２８】
次に、本実施形態に係る固体撮像装置１の動作について図３〜図５を用いて説明する。Ｎ個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤＮそれぞれに入射する光の強度は、一般には一様ではなく、位置（ｎ）によって異なる。以下では、フォトダイオードＰＤｎへの入射光量が比較的少ない場合および比較的多い場合それぞれについて説明する。また、以下の動作は、図示しない制御回路から出力される制御信号に基づいて為される。
【００２９】
図３は、本実施形態に係る固体撮像装置１の各スイッチＳＷｎの開閉タイミングを説明するタイミングチャートである。この図に示されるように、固体撮像装置１の動作は、Ｎ個の期間Ｔ１〜ＴＮを１サイクルとして、このサイクルが順次に繰り返される。各期間Ｔｎにおいて、スイッチＳＷｎは２つの部分期間（すなわち、第１蓄積期間および第２蓄積期間）に閉じ、他のスイッチＳＷｍ（ｍ≠ｎ）は開いたままである。各フォトダイオードＰＤｎは、対応する期間Ｔｎ内の第１蓄積期間および第２蓄積期間それぞれにおいて、対応するスイッチＳＷｎが閉じることにより、積分回路１０と接続される。各期間Ｔｎは一定時間であり、また、各期間ＴｎにおけるスイッチＳＷｎの開閉タイミングは一定である。
【００３０】
図４および図５それぞれは、本実施形態に係る固体撮像装置１の期間Ｔｎにおける動作を説明するタイミングチャートである。図４は、フォトダイオードＰＤｎへの入射光量が比較的少ない場合の積分回路１０，ＣＤＳ回路２０，保持回路３０および比較回路４０それぞれの動作を説明するものである。また、図５は、フォトダイオードＰＤｎへの入射光量が比較的多い場合の積分回路１０，ＣＤＳ回路２０，保持回路３０および比較回路４０それぞれの動作を説明するものである。
【００３１】
各図には、上から順に、積分回路１０のスイッチＳＷ１０およびスイッチＳＷ１１それぞれの開閉動作、比較回路４０のＤフリップフロップ４２のＣＬＲ入力端子に入力するＣｌｒ信号のレベル、ＣＤＳ回路２０のスイッチＳＷ２０の開閉動作、フォトダイオードＰＤｎに対応して設けられたスイッチＳＷｎの開閉動作、積分回路１０から出力される電圧値Ｖ１０、ＣＤＳ回路２０から出力される電圧値Ｖ２０、比較信号４０から出力される比較信号Ｓ４０、保持回路３０のスイッチＳＷ３０の開閉動作、ならびに、保持回路３０から出力される電圧値Ｖ３０、が示されている。
【００３２】
図４および図５に示される何れの場合においても、積分回路１０のスイッチＳＷ１０は、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間、および、時刻ｔ７から時刻ｔ８までの期間、それぞれにおいて閉じて、これにより、積分回路１０からの出力電圧値Ｖ１０は初期化される。積分回路１０のスイッチＳＷ１１は、時刻ｔ０から時刻ｔ７までの期間において開いていて、時刻ｔ７以降の期間において閉じている。Ｃｌｒ信号は、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間内にハイレベルとなり、これにより、比較回路４０から出力される比較信号Ｓ４０はローレベルとなる。
【００３３】
ＣＤＳ回路２０のスイッチＳＷ２０は、時刻ｔ０から時刻ｔ２までの期間、および、時刻ｔ７から時刻ｔ９までの期間、それぞれにおいて閉じて、これにより、ＣＤＳ回路２０は、スイッチＳＷ２０が開いた時刻より以降の入力電圧値Ｖ１０の変動分を電圧値Ｖ２０として出力する。フォトダイオードＰＤｎに対応して設けられたスイッチＳＷｎは、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間、および、時刻ｔ７から時刻ｔ８までの期間中の所定時刻以降、それぞれにおいて閉じる。
【００３４】
時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間（第１蓄積期間）においては、積分回路１０の可変容量部の容量値はＣ１（上記(1a)式）となっている。この第１蓄積期間において、スイッチＳＷｎが閉じていると、前サイクルの期間Ｔｎにおいて最後にスイッチＳＷｎが開いた時刻より以降に比較的長期間に亘ってフォトダイオードＰＤｎへの光入射に伴ってフォトダイオードＰＤｎで発生し接合容量部に蓄積されていた電荷は、スイッチＳＷｎを経て積分回路１０に入力して容量素子Ｃ１０に蓄積され、この蓄積された電荷の量に応じた第１電圧値が積分回路１０から出力される。また、ＣＤＳ回路２０から出力される電圧値Ｖ２０は、スイッチＳＷ２０が開く時刻ｔ２以降において積分回路１０から出力される電圧値の変動分となる。
【００３５】
時刻ｔ８以降の期間（第２蓄積期間）においては、積分回路１０の可変容量部の容量値はＣ２（上記(1b)式）となっている。この第２蓄積期間において、スイッチＳＷｎが閉じていると、現サイクルの期間Ｔｎにおいて最後にスイッチＳＷｎが開いた時刻ｔ４より以降に比較的短期間に亘ってフォトダイオードＰＤｎへの光入射に伴ってフォトダイオードＰＤｎで発生した電荷は、スイッチＳＷｎを介して積分回路１０に入力して容量素子Ｃ１０および容量素子Ｃ１１に蓄積され、この蓄積された電荷の量に応じた第２電圧値が積分回路１０から出力される。また、ＣＤＳ回路２０から出力される電圧値Ｖ２０は、スイッチＳＷ２０が開く時刻ｔ９以降において積分回路１０から出力される電圧値の変動分となる。
【００３６】
以上までの動作説明は、図４および図５それぞれの場合で共通である。しかし、以下に説明する動作は、フォトダイオードＰＤｎへの入射光量の大きさによって異なる。
【００３７】
フォトダイオードＰＤｎへの入射光量が比較的少ない場合の動作は図４に示されている。この場合、スイッチＳＷｎが閉じる時刻ｔ３から、スイッチＳＷ１１が閉じる時刻ｔ７までの期間に、積分回路１０から出力される電圧値Ｖ１０は、基準電圧値Ｖｓａｔより小さい。したがって、比較回路４０のコンパレータ４１の出力レベルはローレベルのままであり、Ｄフリップフロップ４２のＱ出力端子から出力される比較信号Ｓ４０はローレベルのままである。そして、この比較信号Ｓ４０に基づいて、保持回路３０のスイッチＳＷ３０は時刻ｔ５に閉じた後に時刻ｔ６に開き、この時刻ｔ６においてＣＤＳ回路２０から出力された電圧値Ｖ２０が保持回路３０により保持され、以降、この保持された電圧値に応じた電圧値Ｖ３０が保持回路３０から出力される。時刻ｔ５、ｔ６は、図示しない制御回路から出力される制御信号に基づいて決められる。
【００３８】
フォトダイオードＰＤｎへの入射光量が比較的多い場合の動作は図５に示されている。この場合、スイッチＳＷｎが閉じる時刻ｔ３から、スイッチＳＷ１１が閉じる時刻ｔ７までの期間に、積分回路１０から出力される電圧値Ｖ１０は、基準電圧値Ｖｓａｔより大きい。したがって、比較回路４０のコンパレータ４１の出力レベルはローレベルからハイレベルに転じ、Ｄフリップフロップ４２のＱ出力端子から出力される比較信号Ｓ４０もローレベルからハイレベルに転じる。そして、この比較信号Ｓ４０に基づいて、保持回路３０のスイッチＳＷ３０は時刻ｔ５に閉じた後に第２蓄積期間中の時刻ｔ１０に開き、この時刻ｔ１０においてＣＤＳ回路２０から出力された電圧値Ｖ２０が保持回路３０により保持され、以降、この保持された電圧値に応じた電圧値Ｖ３０が保持回路３０から出力される。時刻ｔ１０は、図示しない制御回路から出力される制御信号に基づいて決められる。
【００３９】
以上のように、時刻ｔ１０以降において比較回路４０から出力される比較信号Ｓ４０は、フォトダイオードＰＤｎへの入射光量のレベルを２段階で表したものとなっている。
【００４０】
すなわち、比較信号Ｓ４０がローレベルであることは、積分回路１０の可変容量部が容量値Ｃ１に設定されているときに、それまでフォトダイオードＰＤｎで発生した電荷が可変容量部に蓄積されても、その蓄積期間の終了の際に積分回路１０から出力される第１電圧値Ｖが基準電圧値Ｖｓａｔより小さいこと、つまり、フォトダイオードＰＤｎへの入射光量が比較的少ないことを表している。
【００４１】
比較信号Ｓ４０がハイレベルであることは、積分回路１０から出力される第１電圧値Ｖ１０が基準電圧値Ｖｓａｔ以上となるが、積分回路１０の可変容量部が容量値Ｃ２に設定されているときに、それまでフォトダイオードＰＤｎで発生した電荷が可変容量部に蓄積されても、その蓄積期間の終了の際に積分回路１０から出力される第２電圧値Ｖが基準電圧値Ｖｒｅｆより小さいこと、つまり、フォトダイオードＰＤｎへの入射光量が比較的多いことを表している。
【００４２】
時刻ｔ１０以降において比較信号Ｓ４０がローレベルであるときに保持回路３０から出力される第１電圧値Ｖ３１は、前サイクルの期間Ｔｎにおいて最後にスイッチＳＷｎが開いた時刻より以降にフォトダイオードＰＤｎへの光入射に伴ってフォトダイオードＰＤｎで発生した電荷の量をＱ１とすると、下記(2a)式で表される。また、時刻ｔ１０以降において比較信号Ｓ４０がハイレベルであるときに保持回路３０から出力される第２電圧値Ｖ３２は、現サイクルの期間ＴｎにおいてスイッチＳＷｎが開いた時刻ｔ４より以降にフォトダイオードＰＤｎへの光入射に伴ってフォトダイオードＰＤｎで発生した電荷の量をＱ２とすると、下記(2b)式で表される。
【００４３】
【数２】
2005311542.tif 000004
【００４４】
このとき、保持回路３０から第１電圧値Ｖ３１が出力されるときの受光感度をαとし、保持回路３０から第２電圧値Ｖ３２が出力されるときの受光感度をβとすると、両者の比は下記(3)式で表される。ここで、容量素子Ｃ１０および容量素子Ｃ１１それぞれの容量値を適切に設定するとともに、スイッチＳＷｎの開閉タイミングを適切に設定することにより、この比を例えば ６４：１ とすることができる。
【００４５】
【数３】
2005311542.tif 000005
【００４６】
そして、時刻ｔ１０以降において、保持回路３０から出力された電圧値は、Ａ／Ｄ変換回路５０によりデジタル値に変換される。さらに、Ａ／Ｄ変換回路５０から出力されたデジタル値は、ビットシフト回路６０により必要ビット数だけシフトされる。このときシフトされるビット数は、上記(3)式で表される受光感度比に応じたものである。
【００４７】
したがって、この固体撮像装置１は、画素毎に入射光量検出のダイナミックレンジを大きくすることができる。また、フォトダイオードＰＤｎで発生した電荷を積分回路１０の容量素子に蓄積して、その蓄積した電荷の量に応じた電圧値を積分回路１０から出力するので、入射光量検出の温度依存性が小さい。
【００４８】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、比較回路４０は、上記実施形態では積分回路１０から出力される電圧値Ｖ１０を基準電圧値Ｖｓａｔと大小比較したが、ＣＤＳ回路２０から出力される電圧値Ｖ２０を基準電圧値Ｖｓａｔと大小比較してもよい。複数のフォトダイオードは、１次元状に配列されていてもよいし、２次元状に配列されていてもよい。複数のフォトダイオードが２次元状に配列される場合、その配列の行毎に積分回路１０等が設けられていてもよい。また、上記(3)式から判るように、第１蓄積期間および第２蓄積期間それぞれにおいて積分回路１０の容量部の容量値を互いに等しくしてもよく、この場合にも光検出のダイナミックレンジを大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本実施形態に係る固体撮像装置１の概略構成図である。
【図２】本実施形態に係る固体撮像装置１の積分回路１０、ＣＤＳ回路２０、保持回路３０および比較回路４０の回路図である。
【図３】本実施形態に係る固体撮像装置１の各スイッチＳＷｎの開閉タイミングを説明するタイミングチャートである。
【図４】本実施形態に係る固体撮像装置１の期間Ｔｎにおける動作を説明するタイミングチャートである。
【図５】本実施形態に係る固体撮像装置１の期間Ｔｎにおける動作を説明するタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００５０】
１…固体撮像装置、１０…積分回路、２０…ＣＤＳ回路、３０…保持回路、４０…比較回路、５０…Ａ／Ｄ変換回路、６０…ビットシフト回路。
【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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