(57)【要約】【課題】  光電変換素子の感度に拘わらず、撮影を可及的に適切に行えるようにする。【解決手段】  フォトダイオード１０１の面積を可及的に大きくして低感度でも十分な受光量を得ることができるようにしつつ、リセットＭＯＳトランジスタ１０２とソースフォロアアンプ１０４の電源ＳＶＤＤを、ＩＳＯ感度に合わせて変更するようにして、増幅型固体撮像素子の受光量と出力信号レベルとのリニアリティを可及的に保つことができるようにする。これにより、設定された感度に関わらず、可及的に良好な画質を得ることを複雑な構成を採ることなく実現することができる。【選択図】  図１
2005311464.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々が、光信号を信号電荷に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子で変換された信号電荷を転送する電荷転送手段と、
前記電荷転送手段により前記光電変換素子から転送された信号電荷を増幅して出力線に出力する増幅出力手段と、
前記増幅出力手段の入力端子の電位をリセットするリセット手段と、を有する複数の画素と、
前記光電変換素子、前記電荷転送手段、前記増幅出力手段、及び前記リセット手段に電位を供給する電位供給手段とを備え、
感度設定に応じて、前記電位供給手段から供給する電位を可変とすることで、前記リセット手段でリセットする前記増幅出力手段の入力端子の電位が変更されるようにしたことを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記出力線に出力される信号のレベルに応じて、前記リセット手段でリセットする前記増幅出力手段の入力端子の電位が変更されるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記出力線に出力された信号を倍率可変で増幅する可変増幅手段を有し、
前記感度設定は、前記可変増幅手段の増幅率によって設定され、前記増幅率に応じて、前記リセット手段でリセットする前記増幅出力手段の入力端子の電位が変更されるようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記電荷転送手段、前記増幅出力手段、及び前記リセット手段の少なくとも何れか１つは、電荷転送用電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記増幅手段の電源電位と、前記リセット手段でリセットする前記増幅出力手段の入力端子の電位とを共通化したことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記光電変換素子は、半導体基板上に形成されたＰＮフォトダイオードであることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の光電変換装置。
【請求項７】
前記請求項１〜６の何れか１項に記載の光電変換装置と、
前記感度設定として、前記光電変換素子のＩＳＯ感度を設定するためにユーザにより操作される感度設定用操作子とを有し、
前記電位供給手段から供給する電位を可変とすることで、前記リセット手段でリセットする前記増幅出力手段の入力端子の電位が、前記感度設定用操作子を用いて設定されたＩＳＯ感度に応じて変更されるようにした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、光電変換装置及び撮像装置に関し、特に、光信号を信号電荷に変換して被写体を撮像するために用いて好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
光電変換素子を含む撮像素子を１次元、あるいは２次元に配列したイメージセンサとして、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）撮像素子や、増幅型固体撮像素子がある。増幅型固体撮像素子は、周辺回路に混載することが容易であることや、低電圧で駆動することができる等の利点を有している。このような理由から、増幅型固体撮像素子を携帯情報機器の分野へ利用することが期待されている。
【０００３】
図９は、増幅型固体撮像素子と増幅型固体撮像素子の読み出し回路の概略構成を示した図である。
図９において、１００は画素である。画素１００の詳細については図１０を用いて後述する。１０７は、画素１００からの出力を画素出力一時保存用メモリ（信号蓄積部）９０９へ電送する垂直出力信号線である。９０２は、垂直出力信号線１０７に信号電荷を出力する画素１００（画素ライン）を選択する垂直走査回路９１４からの信号を、Ｎ（Ｎは自然数）行目の画素１００に電送する水平走査線である。
【０００４】
９０３は、Ｎ行目の画素１００からの出力を一時的に保存している画素出力一時保存用メモリ９０９からの信号を順次出力アンプ９０４へ転送するためのスイッチＭＯＳ（Metal Oxide Silicon）トランジスタである。９０４は出力アンプである。９１４は、垂直出力信号線１０７に出力する画素１００（画素ライン）を選択する垂直走査回路である。９０９は、画素１００からの出力を画素ライン毎に一時保存しておく画素出力一時保存用メモリである。９１０は、画素出力一時保存用メモリ９０９に保存された画素１００からの出力を順次出力するための水平走査回路である。３１３は、出力アンプ９０４のゲイン（増幅率）を制御するゲインコントローラである。
【０００５】
図１０は、増幅型固体撮像素子の１画素の等価回路を示した図である。
図１０において、１０１は、光信号を信号電荷に変換（光電変換）するフォトダイオードである。１０２は、フォトダイオード１０１及びフローティングディフュージョン領域１０６（以下、ＦＤ領域と称する）をリセットするためのリセットＭＯＳトランジスタである。１０３は、フォトダイオード１０１で光電変換された信号電荷を読み出すための転送ＭＯＳトランジスタである。１０４は、読み出した信号電荷を電圧変換するためのソースフォロアアンプ（増幅用ＭＯＳトランジスタ）であり、ＦＤ領域１０６に接続されている。また、１０５は、行選択ＭＯＳトランジスタであり、ソースフォロアアンプ１０４からの出力を垂直出力信号線１０７に出力する。なお、リセットＭＯＳトランジスタ１０２、転送ＭＯＳトランジスタ１０３、及びソースフォロアアンプ１０４のゲート電極には、それぞれ制御信号φpres、φptx、φpselが印加されている。
【０００６】
次に、図１０に示す増幅型固体撮像素子の動作を説明する。
まず、フォトダイオード１０１をリセットするためにリセットＭＯＳトランジスタ１０２および転送ＭＯＳトランジスタ１０３をオン（ＯＮ）し、その後転送ＭＯＳトランジスタ１０３をオフ（ＯＦＦ）し、フォトダイオード１０１をリセットする。この状態からフォトダイオード１０１は蓄積状態に入る。
【０００７】
ついで、リセットＭＯＳトランジスタ１０２をオフ（ＯＦＦ）することで、ＦＤ領域１０６のリセットを完了する。蓄積時間ｔｓだけ経過した後に行選択ＭＯＳトランジスタ１０５をオン（ＯＮ）することにより、ソースフォロアアンプ１０４を活性化させた状態にして、転送ＭＯＳトランジスタ１０３をオン（ＯＮ）する。これにより、フォトダイオード１０１で光電変換された信号電荷が読み出される。
【０００８】
フォトダイオード１０１からの信号電荷を垂直出力信号線１０７へ転送する際の、効率良い転送方式や、ダイナミックレンジを稼ぐための方式などの詳細は、特許文献１（特開平１１−２６１０４６号公報）及び特許文献２（特開２００３−１９７８９０号公報）で詳しく述べられている。例えば、特許文献１には、リセットＭＯＳトランジスタ１０２のゲートや、転送ＭＯＳトランジスタ１０３のゲートに電源電圧と異なる電圧を印加するようにする技術などが開示されている。また、特許文献２では、ＦＤ領域１０６をリセットする際のリセットトランジスタ１０２のしきい値が、ソースフォロアアンプ１０４のしきい値よりも低くなるようにする技術などが開示されている。
【０００９】
これらの技術によって、デジタルカメラの画質は、著しく進歩し、従来の銀塩フィルムの画質をしのぐようになってきている。なお、これらの技術の詳細な説明については、前記２つの特許文献にゆずり割愛する。
【００１０】
また、これらの技術によって、ダイナミックレンジの拡大を行うことができ、垂直出力信号線１０７に信号電荷を出力した後に出力アンプ９０４の倍率（増幅率）を切り換えることで、一つのセンサーであっても、銀塩フィルムに換算した場合のＩＳＯ感度を、ＩＳＯ（International Organization for Standardization）２００相当からＩＳＯ１６００相当までとることができるデジタルカメラを実現することも可能となってきている。
【００１１】
ただし、銀塩フィルムに換算した場合のＩＳＯ感度が、ＩＳＯ１００、ＩＳＯ５０、ＩＳＯ２５相当である低感度の撮影をデジタルカメラで行うことは、実現されないでいた。これは、銀塩フィルムに換算した場合のＩＳＯ感度が低感度である領域では、画像信号のＳ／Ｎ比の向上が要求されているためである。
【００１２】
画像信号のＳ／Ｎ比を向上させるには、ノイズ成分となる信号に対して、信号電荷量を十分に大きくする必要がある。このため、一画素のフォトダイオード１０１の面積を広げるような設計が必要である。そこで、本願出願人は、従来のフォトダイオードの面積を拡大し、その面積を拡大したフォトダイオードを用いてセンサーを作成した。そうしたところ、フォトダイオードで光電変換された多量の信号電荷が、ＦＤ領域１０６で飽和するといった問題が生じた。
【００１３】
そこで、本願出願人は、前記特許文献２に記載されている技術を応用して、ＦＤ領域１０６をリセットする電圧である電源ＶＤＤの電圧、すなわちリセット電圧を上げるようにした。これにより、従来よりも多くの信号電荷を読み出すことができることが分かった。
【００１４】
【特許文献１】特開平１１−２６１０４６号公報
【特許文献２】特開２００３−１９７８９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、前述したようにしてリセット電圧を上げるようにしたデジタルカメラでは、高感度で撮影すると、低輝度の被写体における黒色近辺の表現が粗くなる、いわゆる黒つぶれの状態が起こってしまうという問題が生じた。本願出願人は、かかる問題について解析を行った。以下に、その解析した結果について説明する。なお、ここでは、仮に、電源ＶＤＤの電圧（リセット電圧）を４．１Ｖから５Ｖに上げた場合について説明する。
【００１６】
図１１は、フォトダイオード１０１の受光量と、フォトダイオード１０１から垂直出力信号線１０７へ出力される信号レベルとの関係（光電変換特性）を、両対数グラフを用いて表現した図である。
【００１７】
図１１において、例えば、ＩＳＯ感度がＩＳＯ１００の場合のフォトダイオード１０１の受光量は、光電変換特性１１００の最大値Ａ１であり、画素出力一時保存用メモリ９０９が垂直出力信号線１０７を介して受ける信号レベルは、光電変換特性１１００の最大値Ｓ１である。このようにして画素出力一時保存用メモリ９０９で受けた信号は、図９に示した出力アンプ９０４で増幅され、図示しないＡ／Ｄ変換器にて、１０ビットあるいは１２ビットといったデジタル信号に変換される。
【００１８】
ＩＳＯ感度がＩＳＯ４００の場合に至っては、フォトダイオード１０１の受光量は、ＩＳＯ１００の場合の４分の１であり、画素出力一時保存用メモリ９０９は、その受光量Ａ２に基づく信号レベルＳ２で信号を受ける。そして、その信号を出力アンプ９０４で４倍に増幅して図示しないＡ／Ｄ変換器にて１０ビットあるいは１２ビットといったデジタル信号に変換する。
【００１９】
次に、図１２を用いて、前記黒つぶれについて説明する。
図１２は、図１１に示したグラフにおいて、フォトダイオード１０１の受光量と、フォトダイオード１０１から垂直出力信号線１０７へ出力される信号レベルとがともに０付近の領域を拡大して表したフォトダイオード１０１の光電変換特性を示した図である。
【００２０】
図１２に示す光電変換特性１１００より、受光量対信号レベルのリニアリティが、受光量（信号レベル）の低下とともに落ちていることがわかる。図１２では、フォトダイオード１０１の受光量と、フォトダイオード１０１から出力される信号レベルとの関係を、両対数グラフを用いて表現しているが、これらの関係を、リニアグラフを用いて表現すると、信号電荷の数に相当するレベルの信号が、垂直出力信号線１０７に転送されていないことを確認できる。
【００２１】
そして、本願出願人は、このような現象は、電源ＶＤＤの電圧（リセット電圧）が４．１Ｖの時では発生せず、電源ＶＤＤの電圧（リセット電圧）を５Ｖに上げたために生じた現象であることを、実験的に確認した。
【００２２】
以上のように、従来の技術では、光電変換素子の感度が低すぎたり高すぎたりすると、適切な撮影を行うことができず、光電変換素子の感度によっては、適切な撮影を行うことが困難であるという問題点があった。
【００２３】
本発明は、前述の問題点に鑑みてなされてなされたものであり、光電変換素子の感度に拘わらず、撮影を可及的に適切に行えるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明の光電変換装置は、各々が、光信号を信号電荷に変換する光電変換素子と、前記光電変換素子で変換された信号電荷を転送する電荷転送手段と、前記電荷転送手段により前記光電変換素子から転送された信号電荷を増幅して出力線に出力する増幅出力手段と、前記増幅出力手段の入力端子の電位をリセットするリセット手段と、を有する複数の画素と、前記光電変換素子、前記電荷転送手段、前記増幅出力手段、及び前記リセット手段に電位を供給する電位供給手段とを備え、感度設定に応じて、前記電位供給手段から供給する電位を可変とすることで、前記リセット手段でリセットする前記増幅出力手段の入力端子の電位が変更されるようにしたことを特徴とする。
本発明の撮像装置は、前記記載の光電変換装置と、前記感度設定として、前記光電変換素子のＩＳＯ感度を設定するためにユーザにより操作される感度設定用操作子とを有し、前記電位供給手段から供給する電位を可変とすることで、前記リセット手段でリセットする前記増幅出力手段の入力端子の電位が、前記感度設定用操作子を用いて設定されたＩＳＯ感度に応じて変更されるようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、光電変換素子で変換された信号電荷を転送する電荷転送手段により転送された信号電荷を増幅して出力線に出力する増幅出力手段の入力端子の電位をリセットするに際し、前記リセットする前記増幅出力手段の入力端子の電位が感度設定に応じて変更されるようにしたので、前記リセットする前記増幅出力手段の入力端子の電位を、前記光電変換素子の感度に合わせて変更することが可能になる。これにより、前記光電変換素子の受光量と、前記光電変換素子で変換された信号のレベルとの関係のリニアリティ（線形性）を可及的に確保することができる。したがって、光電変換素子の感度に拘わらず、撮影を可及的に適切に行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
（第１の実施形態）
次に、図面を参照しながら、本発明の第１の実施形態について説明する。
図２は、本実施形態の増幅型固体撮像素子における単位セル内のフォトダイオードの構成の一例を示す側断面である。
図２に示されるように、ｎ型半導体基板２０１上のｐ型半導体層２０２とともにフォトダイオード１０１を構成するｎ型半導体層２０３は、素子を分離するための選択酸化膜２０４に対して自己整合的に作られており、フォトダイオード１０１の面積に相当するｎ型半導体層２０３の面積を限界まで大きくする構造になっている。
【００２７】
素子を分離するための選択酸化膜２０４の下には、フォトダイオード１０１に隣接するＭＯＳトランジスタのソース・ドレイン領域２０７と、フォトダイオード１０１のｎ型半導体層２０３とのパンチスルー耐圧を向上するためのチャネルストップ層２０６が形成されている。また、素子を分離するための選択酸化膜２０４の上には、配線層２０５が形成されている。
【００２８】
図１は、本実施形態の増幅型固体撮像素子の等価回路の一例を示す図である。図１において、図１０に示した増幅型固体撮像素子と同一の働きをする部分は、図１０と同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
図１に示すように、本実施形態の増幅型固体撮像素子では、リセットＭＯＳトランジスタ１０２の電源とソースフォロアアンプ１０４の電源が、電源ＶＤＤではなく、電源ＳＶＤＤであることが、図１０に示した増幅型固体撮像素子と大きく異なる。すなわち、本実施形態では、ＦＤ領域１０６（ソースフォロアアンプ１０４のゲート電極の電位）をリセットするためのリセット電圧を電源ＳＶＤＤとしている。このように、本実施形態では、ソースフォロアアンプ１０４のゲート電極が、増幅出力手段の入力端子に相当する。
【００２９】
図３は、本実施形態のデジタルカメラの構成の一例を示すブロック図である。
図３において、１００１は、デジタルカメラ全般を制御する制御ＣＰＵである。１００２はレリーズスイッチである。１００３は、センサーの感度を設定するためのスイッチである。ユーザは、このスイッチ１００３を操作することで、銀塩フィルムでのＩＳＯ感度に相当するセンサーの感度を設定できる。１００４は、その他の各種スイッチであり、絞り値やシャッター速度や照明の設定などを行うためのスイッチを含んでいる。
【００３０】
１００５は測光回路である。１００６は、ＤＣ／ＤＣコンバータであり、デジタルカメラ内で必要とされる各種電圧を供給するためのものである。１００７は、シャッター駆動回路であり、制御ＣＰＵ１００１からの信号によってシャッター１０１０を駆動する。１００８は、レンズ駆動回路であり、制御ＣＰＵ１００１からの信号によってレンズ１００９を駆動する。１００９はレンズであり、１０１０はシャッターである。
【００３１】
１０１１は、タイミング発生部（タイミングジェネレータ）１０１１であり、撮像ドライバー１０１２、撮像信号処理回路１０１４、及びＡ／Ｄ変換回路１０１５に各種タイミング信号を出力する。撮像ドライバー１０１２、撮像信号処理回路１０１４、及びＡ／Ｄ変換回路１０１５は、このタイミング信号に基づいて動作する。１０１３は、増幅型固体撮像素子であり、図１及び図２で説明した回路が入っている。１０１２は、増幅型固体撮像素子１０１３を駆動するための撮像ドライバーである。
【００３２】
１０１４は、増幅型固体撮像素子１０１３より出力される画像信号に各種の補正や、クランプなどの処理を行う撮像信号処理回路である。１０１５は、撮像信号処理回路１０１４を経た画像信号に対して、アナログ−デジタル変換を行うＡ／Ｄ変換回路である。１０１６は、Ａ／Ｄ変換回路１０１５より出力された画像データに対して、各種の補正を行ったり、データ圧縮を行ったりする信号処理部である。
【００３３】
１０１７は、画像データを一時的に記憶するためのメモリ部である。１０１９は、画像データを記録するための不揮発性半導体メモリ等の脱着可能な記録媒体である。１０１８は、記録媒体１０１９に画像データを記録したり、記録媒体１０１９に記録されている画像データを読み出したりするための記録媒体制御インタフェース部である。１０２０は、撮影画像や、メニュー画面などを表示するＴＦＴ（Thin Film Transistor）液晶ディスプレイ等のモニタ装置である。ユーザは、モニタ装置１０２０に表示された内容に基づいて、各種の設定を行ったり、撮影した画像を確認したりすることができる。
【００３４】
次に、図４を参照しながら、撮影ドライバー１０１２及び増幅型固体撮像素子１０１３に供給される電源について説明する。図４は、本実施形態のデジタルカメラの電源の構成の一例を示すブロック図である。
【００３５】
制御ＣＰＵ１００１からの指示によりＤＣ／ＤＣコンバータ１００６は、撮影に必要とされる電圧を生成する。撮像ドライバー１０１２に対しては、５Ｖの電源ＤＶＤＤと、４．１Ｖ又は５Ｖの電源ＳＶＤＤとを供給している。また、５Ｖの電源ＤＶＤＤは、撮像ドライバー１０１２の他の回路等でも使えるので、分岐している。なお、電源ＳＶＤＤから撮影ドライバー１０１２に供給される電圧は、撮影条件に応じて４．１Ｖ又は５Ｖの何れかが設定される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１００６は、これらの電源ＤＶＤＤ、ＳＶＤＤの他にも、レンズ駆動用電源１０３０、シャッター駆動用電源１０３１、及びデジタルカメラ動作に必要なその他の電源１０３２も出力している。
【００３６】
つづいて、本実施形態のデジタルカメラを用いた場合の撮影の流れについて説明する。
本実施形態では、ＩＳＯ２００未満の低感度で撮影することがユーザにより設定されたときには、電源ＳＶＤＤを５Ｖに設定する。一方、ＩＳＯ２００以上の高感度で撮影することが設定されたときには、電源ＳＶＤＤを４．１Ｖに設定する。
撮影者は、撮影前に、ＩＳＯ感度設定スイッチ１００３でＩＳＯ感度を設定する。これを受けた制御ＣＰＵ１００１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１００６に信号を出力する。
【００３７】
ここでは、まず、撮影者が、低感度の撮影をするときについて説明する。ＩＳＯ感度をＩＳＯ１００に設定すると、制御ＣＰＵ１００１は、これを記憶し、撮影に備える。レリーズスイッチ１００２が押されると直ちに撮影動作に入る。制御ＣＰＵ１００１は、レンズ駆動回路１００８を動作させ、被写体像が増幅型固体撮像素子１０１３に結像する位置にレンズ１００９を移動させる。
【００３８】
この動作と並行して、制御ＣＰＵ１００１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１００６に５Ｖの電源ＳＶＤＤを出力するように指示する。そうすると、ＤＣ／ＤＣコンバータ１００６から増幅型固体撮像素子１０１３には撮像ドライバー１０１２を介して、５Ｖの電源ＤＶＤＤと、５Ｖの電源ＳＶＤＤとが供給され、撮影に備える。さらにこの動作と並行して測光回路１００５も測光を開始し、その測光により得られたデータを受けた制御ＣＰＵ１００１は、シャッター１０１０の開放時間を計算し、それに基づいてシャッター駆動回路１００７を駆動させる。これによりシャッター１０１０が開く。
【００３９】
シャッター１０１０が開いてから閉じるまでの間に、増幅型固体撮像素子１０１３は露光動作を行う。露光動作や、画素信号の出力などは、制御ＣＰＵ１００１の指示を受けたタイミング発生部１０１１から出力されるタイミング信号に基づいて行われる。
【００４０】
露光がすんだ増幅型固体撮像素子１０１３からはアナログの画像信号が出力される。図５に、増幅型固体撮像素子１０１３の受光量と、増幅型固体撮像素子１０１３から出力される画像信号レベルとの関係（光電変換特性）を両対数グラフで表した図を示す。図５に示す光電変換特性５０１のように、全領域でリニアリティの良い結果を得ることができている。
【００４１】
増幅型固体撮像素子１０１３から出力されたアナログの画像信号は、撮像信号処理回路１０１４にわたり、クランプ動作などが行われた後にＡ／Ｄ変換回路１０１５へ受け渡され、デジタルの画像信号へと変換される。このデジタルの画像信号は、信号処理部１０１６で各種の補正や圧縮が行われ、メモリ部１０１７に一時的に記憶される。このようにしてメモリ部１０１７に一時的に記憶されたデジタルの画像信号は、撮影者の用途に合わせて、記録媒体制御インタフェース部１０１８を介して、脱着可能な記録媒体１０１９に書き込まれたり、モニタ装置１０２０に表示されたりする。このようにして、ユーザは、撮影画像の確認などを行える。
【００４２】
次に、撮影者が、高感度の撮影をするときについて説明する。ＩＳＯ感度をＩＳＯ３２００等の高感度に設定すると、制御ＣＰＵ１００１は、これを記憶し、撮影に備える。これ以降の動作は、先に記したＩＳＯ感度がＩＳＯ１００である場合の撮影と同様であるが、電源ＳＶＤＤを５Ｖではなく、４．１Ｖにすることが異なる。
【００４３】
図６に、高感度で撮影を行った場合の増幅型固体撮像素子１０１３の受光量と、増幅型固体撮像素子１０１３から出力される画像信号レベルとの関係（光電変換特性）を両対数グラフで表した図を示す。
図６に示すように、電源ＳＶＤＤを５Ｖにした場合の光電変換特性６０１では、受光量が少ないと信号レベルが落ちてしまい、リニアリティが保たれてないが、電源ＳＶＤＤを４．１Ｖにした場合の光電変換特性６０２では、全領域で概ねリニアリティが保たれている。
【００４４】
なお、図６では、電源ＳＶＤＤを４．１Ｖにした場合の光電変換特性６０２においても、受光量がきわめて少ない場合には、リニアリティが若干保たれていないように見えるが、これは測定誤差の範囲内である。本願出願人は、電源ＳＶＤＤを４．１Ｖにした場合に、きわめて良好なリニアリティを得ることができたことを確認しており、撮影画像に黒つぶれの現象が起きていないことを確認している。
【００４５】
以上のように本実施形態では、フォトダイオード１０１の面積を可及的に大きくして低感度でも十分な受光量を得ることができるようにしつつ、リセットＭＯＳトランジスタ１０２とソースフォロアアンプ１０４の電源ＳＶＤＤを、ＩＳＯ感度に合わせて変更するようにしたので、図１０に示した固体撮像素子の構成を大きく変えることなく、増幅型固体撮像素子１０１３の受光量と出力信号レベルとのリニアリティを可及的に保つことができる。これにより、設定された感度に関わらず、可及的に良好な画質を得ることを複雑な構成を採ることなく実現することができる。
【００４６】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、本実施形態では、電源ＳＶＤＤの電圧を切り換えるための回路を増幅型固体撮像素子内に設けるようにしている。このように、本実施形態と前述した第１の実施形態とは、電源ＳＶＤＤの電圧を切り換えるための構成が異なる。したがって、以下の説明においては、前述した第１の実施形態と同一の部分については、図１〜図６に付した符号と同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４７】
図８は、本実施形態の増幅型固体撮像素子１０７３と、増幅型固体撮像素子１０７３の読み出し回路の概略構成の一例を示した図である。
図８において、８０１は電位変換部である。この電位変換部８０１は、例えば、リニアレギュレータなどを用いて実現され、入力された電源ＶＤＤを４．１Ｖに変換する。８０２は電位切り換え部である。この電位切り換え部８０２は、スイッチ動作を行う素子を用いて実現され、電源ＶＤＤからの電圧、又は電位変換部８０１で変換された電圧の何れかを選択する。８１３はゲインコントローラである。
【００４８】
本実施形態の増幅型固体撮像素子１０７３の電源ＶＤＤは、５Ｖであり、増幅型固体撮像素子１０７３内の主な電源をまかなう電源ＤＶＤＤには、この５Ｖの電源ＶＤＤが供給される。一方、電源ＳＶＤＤには、電源ＶＤＤの出力である５Ｖの電源と、電位変換部８０１によって降圧された４．１Ｖの電源との何れかが、電位切り換え部８０２の切り換え動作により供給される。
【００４９】
本実施形態では、ＩＳＯ感度にあわせた出力アンプ９０４の増幅率の切り換えを、ゲインコントローラ８１３で行っており、それにあわせて電源ＳＶＤＤの切り換えを行うようにしている。ところで、ＩＳＯ感度にあわせてどのように電源ＳＶＤＤを切り換えればよいのかについては、固体撮像素子毎に決めることができる。したがって、電位変換部８０１、電位切り換え部８０２、及びゲインコントローラ８１３を、製造時から増幅型固体撮像素子１０７３に組み込むことが可能である。なお、電位変換部８０１、電位切り換え部８０２、及びゲインコントローラ８１３を撮像ドライバー１０７２に組み込むようにしてもよいということは言うまでもない。
【００５０】
図７は、本実施形態のデジタルカメラの電源の構成の一例を示すブロック図である。
図７に示すようにで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１００６から撮像ドライバー１０１２へ供給される電圧は、電源ＶＤＤに基づくもののみであり、前述した第１の実施形態のように、設定されたＩＳＯ感度毎に切り替わらない。
【００５１】
以上のように、本実施形態では、電源ＶＤＤに基づく５Ｖの電圧を、電位変換部８０１により４．１Ｖに変換する。そして、高感度で撮影する場合には、その変換した電圧を撮像ドライバー１０７２及び固体撮像素子１０７３に供給する。一方、低感度で撮影する場合には、電源ＶＤＤに基づく５Ｖの電圧を撮像ドライバー１０７２及び固体撮像素子１０７３に供給する。このようにすることにより、前述した第１の実施形態の効果に加えて、従来のデジタルカメラの構成を大きく変更する必要がなくなり、従来のデジタルカメラへの置き換えが容易になるという効果を得ることができる。
【００５２】
なお、前述した各実施形態では、ＩＳＯ感度を大きく二分したうえで、その二分したＩＳＯ感度に応じた２種類の電源ＳＶＤＤの電圧を用意し、その２種類の電源ＳＶＤＤに基づく電圧をＩＳＯ感度に応じて切り換える場合を例に挙げて説明したが、半導体の製造方法によっては、ＩＳＯ感度毎に電源ＳＶＤＤを切り換える必要もある。すなわち、ＩＳＯ感度に応じて切り換える電圧の種類は、２つに限定されず、設定されたＩＳＯ感度にあわせて電源ＳＶＤＤの電圧値を無段階で切り換えるなどの対応をとることができるということは言うまでもない。
【００５３】
以上のように、前述した各実施形態によれば、既存の増幅型ＭＯＳセンサーにおいても、フローティングディフュージョン領域（ＦＤ領域）をリセットする電圧を変更することで、ソースフォロアアンプ１０４のゲイン（増幅率）に対応させてダイナミックレンジ（ソースフォロアアンプ１０４の入力範囲）を広くすることと、増幅型固体撮像素子の受光量と出力信号レベルとのリニアリティを確保することとの両立を図ることができる。
【００５４】
（本発明の他の実施形態）
上述した実施形態の機能を実現するべく各種のデバイスを動作させるように、該各種デバイスと接続された装置あるいはシステム内のコンピュータに対し、前記実施形態の機能を実現するためのソフトウェアのプログラムコードを供給し、そのシステムあるいは装置のコンピュータ（ＣＰＵあるいはＭＰＵ）に格納されたプログラムに従って前記各種デバイスを動作させることによって実施したものも、本発明の範疇に含まれる。
【００５５】
また、この場合、前記ソフトウェアのプログラムコード自体が上述した実施形態の機能を実現することになり、そのプログラムコード自体、及びそのプログラムコードをコンピュータに供給するための手段、例えば、かかるプログラムコードを格納した記録媒体は本発明を構成する。かかるプログラムコードを記憶する記録媒体としては、例えばフレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭ等を用いることができる。
【００５６】
また、コンピュータが供給されたプログラムコードを実行することにより、上述の実施形態の機能が実現されるだけでなく、そのプログラムコードがコンピュータにおいて稼働しているＯＳ（オペレーティングシステム）あるいは他のアプリケーションソフト等と共同して上述の実施形態の機能が実現される場合にもかかるプログラムコードは本発明の実施形態に含まれることは言うまでもない。
【００５７】
さらに、供給されたプログラムコードがコンピュータの機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに格納された後、そのプログラムコードの指示に基づいてその機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵ等が実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって上述した実施形態の機能が実現される場合にも本発明に含まれることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の第１の実施形態を示し、増幅型固体撮像素子の等価回路の一例を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態を示し、増幅型固体撮像素子における単位セル内のフォトダイオードの構成の一例を示す側断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態を示し、デジタルカメラの構成の一例を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施形態を示し、デジタルカメラの電源の構成の一例を示すブロック図である。
【図５】本発明の第１の実施形態を示し、増幅型固体撮像素子の光電変換特性を両対数グラフで表した図である。
【図６】本発明の第１の実施形態を示し、高感度で撮影を行った場合の増幅型固体撮像素子の光電変換特性を両対数グラフで表した図である。
【図７】本発明の第２の実施形態を示し、デジタルカメラの電源の構成の一例を示すブロック図である。
【図８】本発明の第２の実施形態を示し、増幅型固体撮像素子と、増幅型固体撮像素子の読み出し回路の概略構成の一例を示した図である。
【図９】従来の技術を示し、増幅型固体撮像素子と増幅型固体撮像素子の読み出し回路の概略構成を示した図である。
【図１０】従来の技術を示し、増幅型固体撮像素子の１画素の等価回路を示した図である。
【図１１】従来の技術を示し、フォトダイオードの光電変換特性を、両対数グラフを用いて表現した図である。
【図１２】従来の技術を示し、フォトダイオードの受光量と、フォトダイオードから垂直出力線へ出力される信号レベルとがともに０付近の領域を拡大して表したフォトダイオードの光電変換特性を示した図である。
【符号の説明】
【００５９】
１００  画素
１０１  フォトダイオード
１０２  リセットＭＯＳトランジスタ
１０３  転送ＭＯＳトランジスタ
１０４  ソースフォロアアンプ
１０５  行選択ＭＯＳトランジスタ
１０６  フローティングディフュージョン領域
１０７  垂直出力信号線
８０１  電位変換部
８０２  電位切り換え部
８１３、９１３  ゲインコントローラ
【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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