(57)【要約】  固定パターンノイズ（ＦＰＮ）を低減するとともに画像セルの面積増大を抑える。画素（Ｃａ）においてフォトダイオード（ＰＤ）に流れるフォト電流から光電変換信号が生成される。負荷トランジスタとして機能する第１トランジスタ（Ｔ１）は強反転状態で動作した後にサブスレショールド領域で動作するよう駆動される。第１トランジスタ（Ｔ１）がサブスレショールド領域で動作中に、センスノード（Ｎ１）の電位がリセット信号として読み出される。そして、該光電変換信号とリセット信号との差分値を算出することにより、画像信号（Ｖｓ）が生成される。
2007066762.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素であって、当該画素が、
入射光を光電変換する受光素子と、
第１駆動信号を受け取り、第２駆動信号に応答して動作する負荷トランジスタと、
前記負荷トランジスタと前記受光素子との間に接続されたスイッチトランジスタであって、前記負荷トランジスタと前記スイッチトランジスタとの間にセンスノードが設けられた、スイッチトランジスタと、
前記センスノードに接続された制御端子を有する増幅トランジスタと、
前記増幅トランジスタに接続された選択トランジスタとを含む、画素と、
少なくとも光電変換期間とデータ読出期間とリセット期間とにおいて前記画素を駆動する制御手段であって、当該制御手段は、前記光電変換期間において前記第１駆動信号及び前記第２駆動信号により前記負荷トランジスタをサブスレショールド領域にて動作させて前記受光素子により前記入射光を光電変換させ、前記データ読出期間において前記選択トランジスタをオンして前記センスノードの電位を光電変換信号として読み出し、当該制御手段は更に、前記リセット期間において前記スイッチトランジスタをオフするとともに、前記負荷トランジスタを一旦オンした後に該負荷トランジスタをサブスレショールド領域にて動作させ、その動作中に前記選択トランジスタをオンして前記センスノードの電位をリセット信号として読み出す、制御手段と、
前記光電変換信号と前記リセット信号とを取得し、前記光電変換信号から前記リセット信号を減算する相関二重サンプリング回路と、
を備えた、固体撮像装置。
【請求項２】
画素であって、当該画素が、
入射光を光電変換する受光素子と、
第１駆動信号を受け取り、第２駆動信号に応答して動作する負荷トランジスタと、
前記負荷トランジスタと前記受光素子との間に接続されたスイッチトランジスタであって、前記負荷トランジスタと前記スイッチトランジスタとの間にセンスノードが設けられた、スイッチトランジスタと、
前記センスノードに接続された制御端子を有する増幅トランジスタと、
前記増幅トランジスタに接続された選択トランジスタとを含む、画素と、
少なくとも光電変換期間とデータ読出期間とリセット期間とにおいて前記画素を駆動する制御手段であって、当該制御手段は、前記光電変換期間において前記第１駆動信号及び前記第２駆動信号により前記負荷トランジスタをサブスレショールド領域にて動作させて前記受光素子により前記入射光を光電変換させ、前記データ読出期間において前記選択トランジスタをオンして前記センスノードの電位を光電変換信号として読み出し、当該制御手段は更に、前記リセット期間において前記スイッチトランジスタをオフし、前記負荷トランジスタをオンし、前記選択トランジスタをオンして前記センスノードの電位をリセット信号として読み出す、制御手段と、
前記光電変換信号と前記リセット信号とを取得し、前記光電変換信号から前記リセット信号を減算する相関二重サンプリング回路と、
を備えた、固体撮像装置。
【請求項３】
画素であって、当該画素が、
入射光を光電変換する受光素子と、
第１駆動信号を受け取り、第２駆動信号に応答して動作する負荷トランジスタと、
前記負荷トランジスタと前記受光素子との間に接続されたスイッチトランジスタであって、前記負荷トランジスタと前記スイッチトランジスタとの間にセンスノードが設けられた、スイッチトランジスタと、
前記センスノードに接続された制御端子を有する増幅トランジスタと、
前記増幅トランジスタに接続された選択トランジスタとを含む、画素と、
少なくとも光電変換期間とデータ読出期間とリセット期間とにおいて前記画素を駆動する制御手段であって、当該制御手段は、前記光電変換期間において前記第１駆動信号及び前記第２駆動信号により前記負荷トランジスタをサブスレショールド領域にて動作させて前記受光素子により前記入射光を光電変換させ、前記データ読出期間において前記選択トランジスタをオンして前記センスノードの電位を光電変換信号として読み出し、当該制御手段は更に、前記リセット期間において前記スイッチトランジスタをオフするとともに、前記負荷トランジスタを一旦オンした後に該負荷トランジスタをサブスレショールド領域にて動作させ、その動作中に前記選択トランジスタをオンして前記センスノードの電位を第１リセット信号として読み出し、前記負荷トランジスタがオンしているときの前記センスノードの電位を第２リセット信号として読み出す、制御手段と、
前記光電変換信号と前記第１リセット信号と前記第２リセット信号とを取得し、前記光電変換信号と前記第１リセット信号との第１の差分値と、前記第１リセット信号と前記第２リセット信号との第２の差分値とに基づいて画像信号を生成する相関二重サンプリング回路と、
を備えた、固体撮像装置。
【請求項４】
前記相関二重サンプリング回路は、
前記光電変換信号を保持する第１サンプルホールド回路と、
前記第１リセット信号を保持する第２サンプルホールド回路と、
前記第２リセット信号を保持する第３サンプルホールド回路と、
前記第１サンプルホールド回路に保持された光電変換信号と前記第２サンプルホールド回路に保持された第１リセット信号との第１の差分値を計算して第１出力信号を生成する第１差分生成回路と、
前記第２サンプルホールド回路に保持された第１リセット信号と前記第３サンプルホールド回路に保持された第２リセット信号との第２の差分値を計算して第２出力信号を生成する第２差分生成回路と、
前記第１差分生成回路の第１出力信号に前記第２差分生成回路の第２出力信号を加算して加算信号を生成する加算回路と、
前記第１差分生成回路の第１出力信号と基準電圧とを比較して選択信号を生成する比較回路と、
前記比較回路の選択信号に基づいて、前記第１差分生成回路の第１出力信号と前記加算回路の加算信号とのうちのいずれか一方を前記画像信号として選択する選択回路と、
を含む、請求項３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】
従来、種々の画像データを取得するために、ＭＯＳ型の撮像デバイスが用いられている。この種の撮像デバイスは、フォトダイオードのｐｎ接合容量に蓄積された電荷をＭＯＳ型のトランジスタ（例えば、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ））を介して読み出すようになっている。【０００３】
一般に、ＭＯＳ型等の撮像デバイスのラティテュード、即ちダイナミック・レンジは、撮影に用いられるネガ・フィルムに比べて狭いと言われている。ラティテュードが狭いことは、画像の暗い部分が黒い画素データとして記録され、画像の明るい部分が白い画素データとして記録される。【０００４】
このダイナミック・レンジを拡大する技術として、対数変換型の撮像デバイスがある。図６に示すように、撮像デバイスの画像セルは、フォトダイオードＰＤ、負荷トランジスタＴ５１、増幅用トランジスタＴ５２、選択用トランジスタＴ５３により構成されている。フォトダイオードＰＤのカソードはトランジスタＴ５１のソースに接続され、そのトランジスタＴ５１のドレインは信号線Ｌ１に接続されている。トランジスタＴ５１のゲートには、同トランジスタＴ５１がサブスレショールド(subthreshold)領域にて動作するように、信号線Ｌ２を介してゲート電圧が供給されている。【０００５】
画素セルに光が当ると、この光量に応じてフォトダイオードＰＤにフォト電流Ｉｐが流れる。トランジスタＴ５１は、ゲート電圧により弱反転状態で動作するため、トランジスタＴ５１にはフォト電流Ｉｐと実質的に同量のサブスレショールド電流(subthreshold current)が流れる。従って、ノードＮ５１の電位は、フォト電流Ｉｐに応じた電位で安定する。このセンスノードＮ５１の電位が安定した状態を電気的安定状態（又は電気的平衡状態）という。トランジスタＴ５１に流れるサブスレショールド電流はフォトダイオードＰＤに流れるフォト電流Ｉｐと等しい。このため、ノードＮ５１の電位は、フォト電流Ｉｐを対数変換して求められる。即ち、ノードＮ５１の電位Vpxoは、
Vpxo＝Vg−Vt_1−nkT／q×ln(Ip／Ip0) …（１）
により求められる（詳細は例えば非特許文献１参照）。【０００６】
ノードＮ５１には増幅用トランジスタＴ５２のゲートが接続されている。増幅用トランジスタＴ５２は、ノードＮ５１の電位Vpxoにより電流を増幅し、その増幅電流は選択用トランジスタＴ５３を介して信号線Ｈ１に出力される。この信号線Ｈ１には図示しない電流源が接続され、この電流源により増幅用トランジスタＴ５２はソースフォロアとして動作する。ここで電流源の電流値をI_s、トランジスタＴ５２のトランスコンダクタンスおよび閾値をそれぞれβ2およびVt_2とすると、信号線Ｈ１の電位Voは次式（２）により求められる。
Vo＝Vpso−Vt_2−SQR(2I_s／β2)
＝Vg−Vt_1−nkT／q×ln(Ip／Ip0)−Vt_2−SQR(2I_s／β2)
＝Vg−nkT／q×ln(Ip／Ip0)−{Vt_1＋Vt_2＋SQR(2I_s／β2)} …（２）
上記の式（２）において、右辺の大括弧{}でくくった項の値は、製造工程に起因する負荷トランジスタＴ５１及び増幅用トランジスタＴ５２の閾値ばらつきやトランスコンダクタンスばらつきにより変動する。これらの変動によって信号線Ｈ１の電位Vo、即ち画素信号の値が変動し、この画素信号の値のばらつきによって画像信号ノイズが発生する。このノイズは画像の固定した位置に現れるので固定パターンノイズ（以下ＦＰＮと呼ぶ）と呼ばれる。【０００７】
対数変換型の撮像デバイスにおいて、上記のＦＰＮを軽減するため、様々な構成の画像セルが提案されている。例えば非特許文献１では、１つの画像セルを、１個のフォトダイオードと６個のＭＯＳＦＥＴと１個のキャパシタにより構成している。また、非特許文献２では、１つの画像セルを、１個のフォトダイオードと５個のＭＯＳＦＥＴにより構成している。【０００８】
ＦＰＮは、対数変換型の撮像デバイス以外においても対応が必要な問題とされている。これらの撮像デバイスは、フォトダイオード等の光電変換素子にて発生するフォト電流による電荷を蓄積する容量を持ち、この容量の電荷量に応じた電圧の画素信号を生成する。容量の電荷量は、蓄積時間に応じて変化する。即ち、これらの撮像デバイスは、容量に対する電荷の蓄積が終了するまでの間にその容量の電荷量を読み出す、つまり過渡的な状態において電荷量を読み出している。
【非特許文献１】「対数変換形ＣＭＯＳイメージセンサの開発」、KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT vol.1、２００４年、pp45-50
【非特許文献２】「A Logarithmic Response CMOS Image Sensor with On-Chip Calibration」、IEEE Journal of Solid-State Circuits、２０００年８月、vol.35、pp1146-1152  上記の過渡的な状態で画素信号を生成する撮像デバイスにおいては、相関２重サンプリング（ＣＤＳ）等の回路を用いてＦＰＮが低減されている。しかし、図６に示すように、電気的平衡状態にあるときにノードＮ５１の電位に応じた画素信号を生成する対数変換型の撮像デバイスにおいては、上記の過渡的な状態で画素信号を生成する撮像デバイスに用いられる相関２重サンプリング（ＣＤＳ）等の回路をそのまま適用することはできない。これは、各画素から信号を生成する制御が異なるからである。上記の非特許文献１及び非特許文献２に記載された技術は、対数変換を用いているものの、コンデンサに蓄積した電荷により画素信号を生成するため、上記の過渡的な状態で信号を生成する撮像デバイスと同じ動作となる。
【０００９】
また、上記の非特許文献１及び非特許文献２に記載された技術では、１画素を構成する素子の数が多いため、１画素におけるフォトダイオードの占有面積比率いわゆる開口率が低くなる。また、１画素あたりの面積が大きくなるためチップサイズが大きくなり、チップの不良率が高くなって生産効率が悪くなるという問題点があった。【００１０】
フォト電流Ｉｐを検出するノードＮ５１を介したリーク電流を極力少なくするために、素子を付加することは好ましくない。しかしながら、上記の非特許文献１及び非特許文献２に記載された技術では図６の構成に対して素子の追加が不可欠であり、追加された素子によるリーク電流、即ちダーク電流が増大するという問題点があった。
【発明の開示】
【００１１】
この発明は、固定パターンノイズを低減するとともに画像セルの面積増大を抑える固体撮像装置を提供する。
本発明の第１の態様において、固体撮像装置が提供される。この固体撮像装置は、画素であって、当該画素が、入射光を光電変換する受光素子と、第１駆動信号を受け取り、第２駆動信号に応答して動作する負荷トランジスタと、前記負荷トランジスタと前記受光素子との間に接続されたスイッチトランジスタであって、前記負荷トランジスタと前記スイッチトランジスタとの間にセンスノードが設けられた、スイッチトランジスタと、前記センスノードに接続された制御端子を有する増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタに接続された選択トランジスタとを含む、画素と、少なくとも光電変換期間とデータ読出期間とリセット期間とにおいて前記画素を駆動する制御手段であって、当該制御手段は、前記光電変換期間において前記第１駆動信号及び前記第２駆動信号により前記負荷トランジスタをサブスレショールド領域にて動作させて前記受光素子により前記入射光を光電変換させ、前記データ読出期間において前記選択トランジスタをオンして前記センスノードの電位を光電変換信号として読み出し、当該制御手段は更に、前記リセット期間において前記スイッチトランジスタをオフするとともに、前記負荷トランジスタを一旦オンした後に該負荷トランジスタをサブスレショールド領域にて動作させ、その動作中に前記選択トランジスタをオンして前記センスノードの電位をリセット信号として読み出す、制御手段と、前記光電変換信号と前記リセット信号とを取得し、前記光電変換信号から前記リセット信号を減算する相関二重サンプリング回路と、を備える。
【００１２】
この発明によると、入射光量が多い場合、受光素子に流れるフォト電流が対数変換され、センスノードにおける電位が光電変換信号として読み出される。この光電変換信号は固定パターンノイズを含んでいる。リセット信号は、固定パターンノイズの原因となる負荷トランジスタ及び増幅トランジスタの閾値電圧と、増幅トランジスタのトランスコンダクタンスを含んでいる。従って、光電変換信号とリセット信号との差分を生成することにより、固定パターンノイズを含まない画像信号が得られる。そして、画素を１つの受光素子と４つのトランジスタにより構成することで、１画素におけるフォトダイオードの占有面積比率いわゆる開口率を大きくすることができる。また、１画素あたりの面積の増大を抑えることができるため、チップサイズが大きくなるのを防止し、チップの不良率の上昇をおさえて生産効率の低下を抑えることができる。
【００１３】
本発明の第２の態様において、固体撮像装置が提供される。この固体撮像装置は、画素であって、当該画素が、入射光を光電変換する受光素子と、第１駆動信号を受け取り、第２駆動信号に応答して動作する負荷トランジスタと、前記負荷トランジスタと前記受光素子との間に接続されたスイッチトランジスタであって、前記負荷トランジスタと前記スイッチトランジスタとの間にセンスノードが設けられた、スイッチトランジスタと、前記センスノードに接続された制御端子を有する増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタに接続された選択トランジスタとを含む、画素と、少なくとも光電変換期間とデータ読出期間とリセット期間とにおいて前記画素を駆動する制御手段であって、当該制御手段は、前記光電変換期間において前記第１駆動信号及び前記第２駆動信号により前記負荷トランジスタをサブスレショールド領域にて動作させて前記受光素子により前記入射光を光電変換させ、前記データ読出期間において前記選択トランジスタをオンして前記センスノードの電位を光電変換信号として読み出し、当該制御手段は更に、前記リセット期間において前記スイッチトランジスタをオフし、前記負荷トランジスタをオンし、前記選択トランジスタをオンして前記センスノードの電位をリセット信号として読み出す、制御手段と、前記光電変換信号と前記リセット信号とを取得し、前記光電変換信号から前記リセット信号を減算する相関二重サンプリング回路と、を備える。
【００１４】
この発明によると、入射光量が少ない場合、受光素子に流れるフォト電流が線形変換され、センスノードにおける電位が光電変換信号として読み出される。この光電変換信号は固定パターンノイズを含んでいる。リセット信号は、固定パターンノイズの原因となる増幅トランジスタの閾値電圧とトランスコンダクタンスを含んでいる。従って、光電変換信号とリセット信号との差分を生成することにより、固定パターンノイズを含まない画像信号が得られる。そして、画素を１つの受光素子と４つのトランジスタにより構成することで、１画素におけるフォトダイオードの占有面積比率いわゆる開口率を大きくすることができる。また、１画素あたりの面積の増大を抑えることができるため、チップサイズが大きくなるのを防止し、チップの不良率の上昇をおさえて生産効率の低下を抑えることができる。
【００１５】
本発明の第３の態様において、固体撮像装置が提供される。この固体撮像装置は、画素であって、当該画素が、入射光を光電変換する受光素子と、第１駆動信号を受け取り、第２駆動信号に応答して動作する負荷トランジスタと、前記負荷トランジスタと前記受光素子との間に接続されたスイッチトランジスタであって、前記負荷トランジスタと前記スイッチトランジスタとの間にセンスノードが設けられた、スイッチトランジスタと、前記センスノードに接続された制御端子を有する増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタに接続された選択トランジスタとを含む、画素と、少なくとも光電変換期間とデータ読出期間とリセット期間とにおいて前記画素を駆動する制御手段であって、当該制御手段は、前記光電変換期間において前記第１駆動信号及び前記第２駆動信号により前記負荷トランジスタをサブスレショールド領域にて動作させて前記受光素子により前記入射光を光電変換させ、前記データ読出期間において前記選択トランジスタをオンして前記センスノードの電位を光電変換信号として読み出し、当該制御手段は更に、前記リセット期間において前記スイッチトランジスタをオフするとともに、前記負荷トランジスタを一旦オンした後に該負荷トランジスタをサブスレショールド領域にて動作させ、その動作中に前記選択トランジスタをオンして前記センスノードの電位を第１リセット信号として読み出し、前記負荷トランジスタがオンしているときの前記センスノードの電位を第２リセット信号として読み出す、制御手段と、前記光電変換信号と前記第１リセット信号と前記第２リセット信号とを取得し、前記光電変換信号と前記第１リセット信号との第１の差分値と、前記第１リセット信号と前記第２リセット信号との第２の差分値とに基づいて画像信号を生成する相関二重サンプリング回路と、を備える。
【００１６】
この発明によると、受光素子に流れるフォト電流が変換され、センスノードにおける電位が光電変換信号として読み出される。この光電変換信号は固定パターンノイズを含んでいる。第１リセット信号は、固定パターンノイズの原因となる負荷トランジスタ及び増幅トランジスタの閾値電圧と、増幅トランジスタのトランスコンダクタンスを含んでいる。第２リセット信号は、増幅トランジスタの閾値電圧とトランスコンダクタンスを含んでいる。従って、受光素子の入射光量が多い場合、フォト電流は対数変換される。従って、対数変換された光電変換信号と第１リセット信号との差分を生成することにより、固定パターンノイズを含まない画像信号が得られる。受光素子の入射光量が少ない場合、フォト電流は線形変換される。この場合、光電変換信号と第１リセット信号の差分値は第１トランジスタの閾値電圧を含んでいない。第１リセット信号と第２リセット信号の差分値を求めることで、第１トランジスタの閾値電圧が得られる。従って、光電変換信号と第１リセット信号の差分値に、第１リセット信号と第２リセット信号の差分値を加算することで、入射光量が少ない場合において固定パターンノイズを除去した画像信号が得られる。そして、画素を１つの受光素子と４つのトランジスタにより構成することで、１画素におけるフォトダイオードの占有面積比率いわゆる開口率を大きくすることができる。また、１画素あたりの面積の増大を抑えることができるため、チップサイズが大きくなるのを防止し、チップの不良率の上昇をおさえて生産効率の低下を抑えることができる。
【００１７】
前記相関二重サンプリング回路は、前記光電変換信号を保持する第１サンプルホールド回路と、前記第１リセット信号を保持する第２サンプルホールド回路と、前記第２リセット信号を保持する第３サンプルホールド回路と、前記第１サンプルホールド回路に保持された光電変換信号と第２サンプルホールド回路に保持された第１リセット信号との差分値を計算して第１出力信号を生成する第１差分生成回路と、前記第２サンプルホールド回路に保持された第１リセット信号と第３サンプルホールド回路に保持された第２リセット信号との差分値を計算して出力信号を生成する第２差分生成回路と、前記第１差分生成回路の第１出力信号に前記第２差分生成回路の出力信号を加算して第２出力信号を生成する加算回路と、前記第１差分生成回路の第１出力信号と基準電圧とを比較して選択信号を生成する比較回路と、前記比較回路の選択信号に基づいて前記第１差分生成回路の第１出力信号と前記加算回路の第２出力信号とのうちのいずれか一方を前記画像信号として選択する選択回路と、を含む。
【００１８】
第１差分生成回路の出力信号と基準電圧とを比較することにより、受光素子への入射光量を判断することができる。このため、選択回路により、第１差分生成回路の第１出力信号と加算回路の第２出力信号とのうちの何れか一方を画像信号として選択することにより、入射光量によらず固定パターンノイズを除去した画像信号が得られる。
【００１９】
以上記述したように、本発明によれば、固定パターンノイズを低減するとともに画像セルの面積増大を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１Ａ】本発明の第１の実施の形態の固体撮像装置の要部を示す概略的なブロック回路図。
【図１Ｂ】図１Ａの画素の駆動波形図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の固体撮像装置の概略的なブロック回路図。
【図３】本発明の第２の実施の形態の画素の駆動波形図。
【図４】本発明の第３の実施の形態の固体撮像装置の要部を示す概略的なブロック回路図。
【図５】本発明の第３の実施の形態の画素の駆動波形図。
【図６】従来の画素の回路図。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の第１の実施の形態の固体撮像装置１０を図面に従って説明する。
図２は、固体撮像装置１０の概略的なブロック回路図である。
固体撮像装置１０は、撮像部１１、制御回路１２、垂直走査回路１３、水平走査回路１４、出力回路１５を含む。【００２２】
撮像部１１は、行列配列された複数の画素Ｃａを備えている。尚、説明を簡単にするため、第１の実施の形態では、４行４列のマトリックス状に配列された１６個の画素Ｃａを備えた撮像部１１について説明する。【００２３】
制御回路１２は、クロック信号Φ０に基づいて、撮像部１１の行を選択する選択信号としての垂直クロック信号Φｖと、撮像部１１の列を選択する選択信号としての水平クロック信号Φｈと、各画素Ｃａ等の駆動を制御するための制御信号とを生成する。【００２４】
垂直走査回路１３は、垂直方向のシフトレジスタと、各画素Ｃａに供給する電圧を制御する電圧制御回路とを含み、撮像部１１の行数に対応する４本の行信号線Ｖ１〜Ｖ４に接続されている。垂直走査回路１３は、垂直クロック信号Φｖに応答して行信号線Ｖ１〜Ｖ４を順次選択するとともに、電圧制御回路により制御された電圧の駆動信号を選択された行信号線に接続された画素Ｃａ（図２では４つ）に供給する。【００２５】
水平走査回路１４は、撮像部１１の列数に対応する４つの相関二重サンプリング（Correlated Double Sampling）回路（以下、ＣＤＳ回路）１６とシフトレジスタ１７とを含み、撮像部１１の列数に対応する４本の列信号線Ｈ１〜Ｈ４に接続されている。各行信号線Ｖ１〜Ｖ４と各列信号線Ｈ１〜Ｈ４との交点に対応する位置に画素Ｃａが接続されている。【００２６】
各画素Ｃａは、行信号線Ｖ１〜Ｖ４のうちの対応する１つを介して供給された駆動信号に応答して光電変換信号とリセット信号とを列信号線Ｈ１〜Ｈ４のうちの対応する１つに出力する。各列信号線Ｈ１〜Ｈ４に接続されたＣＤＳ回路１６は、列信号線Ｈ１〜Ｈ４のうちの対応する１つを介して供給された光電変換信号とリセット信号とをそれぞれサンプリングし、両サンプリング信号の差分値を持つ信号を生成する。シフトレジスタ１７は、各ＣＤＳ回路１６から供給された前記信号を水平クロック信号Φｈに従って出力回路１５に転送する。【００２７】
出力回路１５は、水平走査回路１４から供給された前記信号のパルス幅を伸長し、その伸長結果を示す出力信号ｏｕｔを生成する。
次に、画素Ｃａの構成を説明する。尚、各画素Ｃａの構成は同じであるため、行選択線Ｖ１と列信号線Ｈ１とに接続された画素Ｃａについて説明する。【００２８】
図１Ａに示すように、画素Ｃａは、受光素子としてのフォトダイオードＰＤと、４つのトランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４とから構成されている。第１〜第４トランジスタＴ１〜Ｔ４の各々は、同じ導電チャネル型のトランジスタ（第１実施形態ではＮチャネル型ＭＯＳトランジスタ）であり、図示しないが各トランジスタＴ１〜Ｔ４のバックゲートがグランドＧＮＤに接続されている。また、行選択線Ｖ１は、４本の信号線Ｌ１〜Ｌ４から構成され、画素Ｃａには信号線Ｌ１〜Ｌ４を介して垂直走査回路１３から駆動信号Ｓ１〜Ｓ４がそれぞれ供給される。【００２９】
負荷トランジスタとしての第１トランジスタＴ１のドレイン（第１端子）は第１信号線Ｌ１に接続され、ゲート（第２端子）は第２信号線Ｌ２に接続され、ソースはスイッチトランジスタとしての第２トランジスタＴ２のドレインに接続されている。従って、第１トランジスタＴ１のドレインには第１駆動信号Ｓ１が供給され、ゲートには第２駆動信号Ｓ２が供給され、第１トランジスタＴ１は第１駆動信号Ｓ１と第２駆動信号Ｓ２に応じて動作する。【００３０】
第２トランジスタＴ２のゲートは第４信号線Ｌ４に接続されている。従って、第２トランジスタＴ２は、第４駆動信号Ｓ４に応じて動作する。第２トランジスタＴ２のソースはフォトダイオードＰＤのカソードに接続されている。フォトダイオードＰＤのアノードは低電位電源（第１実施形態ではグランドＧＮＤ）に接続されている。【００３１】
第１トランジスタＴ１と第２トランジスタＴ２との間の接続点であるセンスノードＮ１は増幅トランジスタとしての第３トランジスタＴ３のゲートに接続されている。第３トランジスタＴ３のドレインには駆動電圧Ｖｄｄが供給され、ソースは画素選択トランジスタとしての第４トランジスタＴ４のドレインに接続されている。第４トランジスタＴ４のゲートは第３信号線Ｌ３に接続され、ソースは列信号線Ｈ１に接続されている。従って、第４トランジスタＴ４は第３駆動信号Ｓ３に応じて動作する。【００３２】
列信号線Ｈ１はＣＤＳ回路１６に接続されている。ＣＤＳ回路１６は２つのサンプルホールド回路（以下、ＳＨ回路）２１ａ，２１ｂと差分生成回路２２とから構成されている。各ＳＨ回路２１ａ，２１ｂは、制御回路１２から供給された制御信号に応答して列信号線Ｈ１を介して伝達された信号を保持する。尚、第１ＳＨ回路２１ａは、画素Ｃａから供給された光電変換信号を保持し、第２ＳＨ回路２１ｂは、画素Ｃａから供給されたリセット信号を保持する。差分生成回路２２は両ＳＨ回路２１ａ，２１ｂによって保持された光電変換信号とリセット信号との差分を求め、その差分値を示す信号を生成する。【００３３】
上記のように構成された画素Ｃａは、行信号線Ｌ１〜Ｌ４の電位、即ち駆動信号Ｓ１〜Ｓ４の電圧に従って動作する。垂直走査回路１３は、制御回路１２からの制御信号に応答して、図１Ｂに示すように、各駆動信号Ｓ１〜Ｓ４の電圧を変更する。【００３４】
先ず、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの第１のリセット期間Ｋ１において、第１トランジスタＴ１のドレインには第１信号線Ｌ１を介して電圧Ｖ１ｂの第１駆動信号Ｓ１が供給され、第１トランジスタＴ１のゲートには第２信号線Ｌ２を介して電圧Ｖ２ｂの第２駆動信号Ｓ２が供給される。また、第２トランジスタＴ２のゲートには第４信号線Ｌ４を介して電圧Ｖ４ｂの第４駆動信号Ｓ４が供給され、第４トランジスタＴ４のゲートには第３信号線Ｌ３を介して電圧Ｖ３ａの第３駆動信号Ｓ３が供給される。【００３５】
ここで、第１駆動信号Ｓ１の電圧Ｖ１ｂと第２駆動信号Ｓ２の電圧Ｖ２ｂは、第１トランジスタＴ１が強反転状態にて動作する、つまり第１トランジスタＴ１がオンするように、例えばＶ１ｂ＝２．５［Ｖ］，Ｖ２ｂ＝４［Ｖ］に設定されている。第４駆動信号Ｓ４の電圧Ｖ４ｂは、第２トランジスタＴ２がオンするように、例えばＶ４ｂ＝４［Ｖ］に設定されている。第３駆動信号Ｓ３の電圧Ｖ３ａは、第４トランジスタＴ４がオフするように、例えばＶ３ａ＝０［Ｖ］に設定されている。【００３６】
従って、センスノードＮ１と、第２トランジスタＴ２とフォトダイオードＰＤとの間のノードＮ２の電位は、第１駆動信号Ｓ１と実質的に同じ電圧Ｖ１ｂ（Ｖ１ｂ＝2.5[V]）を示し、その結果出力電位が初期化される。この初期化により、過去にフォトダイオードＰＤに入射された光が次の光電変換信号に影響する、即ち残像の影響を防ぐことができる。【００３７】
次に、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの光電変換期間Ｋ２において、画像情報の光電変換が行われる。即ち、この光電変換期間Ｋ２において、第１トランジスタＴ１のドレインには第１信号線Ｌ１を介して電圧Ｖ１ｃの第１駆動信号Ｓ１が供給され、第１トランジスタＴ１のゲートには第２信号線Ｌ２を介して電圧Ｖ２ａの第２駆動信号Ｓ２が供給される。ここで、第１駆動信号Ｓ１の電圧Ｖ１ｃと第２駆動信号Ｓ２の電圧Ｖ２ａは、第１トランジスタＴ１が弱反転状態、いわゆるサブスレショールド領域で動作するように、例えばＶ１ｃ＝３．３［Ｖ］，Ｖ２ａ＝３．３［Ｖ］に設定されている。【００３８】
第２トランジスタＴ２は、第１のリセット期間Ｋ１と同様に電圧Ｖ４ｂの第４駆動信号Ｓ４によりオン状態であり、第４トランジスタは、第１のリセット期間Ｋ１と同様に電圧Ｖ３ａの第３駆動信号Ｓ３によりオフ状態である。従って、第２トランジスタＴ２により、センスノードＮ１とノードＮ２は実質的に同一電位を有する。【００３９】
明るい画像が撮影される、つまり入射光量が多い場合におけるセンスノードＮ１の電位Vpxoは、以下により決定される。
明るい画像が撮影される、つまり入射光量が多い場合、フォトダイオードＰＤに比較的大きなフォト電流Ｉｐが流れる。センスノードＮ１の電位Vpxoはフォト電流Ｉｐに応じた電位を示し、この電位が安定した定常状態に達するまでの時間が、所定の光電変換期間Ｋ２よりも短い。つまり、次のデータ読出期間Ｋ３の開始前にセンスノードＮ１の電位が定常状態となる。そして、センスノードＮ１とフォトダイオードＰＤの間の第２トランジスタＴ２は、強反転状態にて動作しているため単にオンされたスイッチとして見ればよい。従って、センスノードＮ１の電位Vpxoは、式（１）の関係を満たすように決定される。即ちセンスノードＮ１の電位Vpxoは、フォト電流の対数変換によって表される。【００４０】
次に、時刻ｔ３から時刻ｔ４までのデータ読出期間Ｋ３において、第４トランジスタＴ４のゲートに第３信号線Ｌ３を介して電圧Ｖ３ｂの第３駆動信号Ｓ３が供給される。このときの電圧Ｖ３ｂは、第４トランジスタＴ４がオンするように、例えばＶ３ｂ＝３．３［Ｖ］に設定されている。従って、オンされた第４トランジスタＴ４を介して第３トランジスタＴ３のソースが列信号線Ｈ１と接続される。この列信号線Ｈ１には図示しない電流源が接続されており、この電流源により第３トランジスタＴ３はソースフォロアとして動作する。したがって、列信号線Ｈ１の電位は、第３トランジスタＴ３のゲート電圧即ちセンスノードＮ１の電位に応じた電位を示す。つまり、フォト電流Ｉｐが列信号線Ｈ１に光電変換信号として読み出される。この光電変換信号Voは、上記の式（２）に示される。【００４１】
次に、時刻ｔ４から時刻ｔ５までの第２のリセット期間Ｋ４において、第１トランジスタＴ１の閾値電圧Vt_1と、第３トランジスタＴ３の閾値電圧Vt_2及びトランスコンダクタンスβ2を検出する。検出された各値は、製造工程に起因するばらつきの補正処理に用いられる。【００４２】
詳述すると、第２のリセット期間Ｋ４において、先ず、第１トランジスタＴ１のドレインには、第１信号線Ｌ１を介して電圧Ｖ１ａの第１駆動信号Ｓ１が供給され、第１トランジスタＴ１のゲートには第２信号線Ｌ２を介して電圧Ｖ２ａの第２駆動信号Ｓ２が供給される。第２トランジスタＴ２のゲートには第４信号線Ｌ４を介して電圧Ｖ４ａの第４駆動信号Ｓ４が供給され、第４トランジスタＴ４のゲートには、第３信号線Ｌ３を介して電圧Ｖ３ａの第３駆動信号Ｓ３が供給される。【００４３】
ここで、第１駆動信号Ｓ１の電圧Ｖ１ａは、第１トランジスタＴ１が強反転状態で動作するように、つまり第１トランジスタＴ１がオンするように、第２駆動信号Ｓ２の電圧Ｖ２ａに対して、例えばＶ１ａ＝２［Ｖ］（Ｖ２ａ＝３．３［Ｖ］）に設定されている。第４駆動信号Ｓ４の電圧Ｖ４ｂは、第２トランジスタＴ２がオフするように、例えばＶ４ａ＝０［Ｖ］に設定されている。【００４４】
従って、第２トランジスタＴ２により第１トランジスタＴ１からフォトダイオードＰＤへの電流経路が遮断される。これにより、センスノードＮ１の電位は、オンした第１トランジスタＴ１により第１駆動信号Ｓ１の電圧Ｖ１ａとほぼ等しくなる。【００４５】
次に、第１トランジスタＴ１のドレインに供給される第１駆動信号Ｓ１の電圧を、電圧Ｖ１ａから電圧Ｖ１ｃへ上昇させる。この時、第１トランジスタＴ１のゲートには電圧Ｖ２ａの第２駆動信号Ｓ２が供給されているため、第１トランジスタＴ１はサブスレショールド領域にて動作する。その結果、センスノードＮ１の電位が、第１トランジスタＴ１のゲートに供給される第２駆動信号Ｓ２の電圧Ｖ２ａから同トランジスタＴ１の閾値電圧Vt_1だけ低い電圧まで低下する。即ち、この時のセンスノードＮ１の電位Vpx_compは、第１トランジスタＴ１のゲート電圧Ｖ２ａと同トランジスタＴ１の閾値電圧Vt_1の差であり、
Vpx_comp＝Ｖ２ａ−Vt_1 …（３）
で表される。【００４６】
次に、第４トランジスタＴ４のゲートに供給される第３駆動信号Ｓ３の電圧を、電圧Ｖ３ａから電圧Ｖ３ｂへ上昇させる。この電圧Ｖ３ａの第３駆動信号Ｓ３により第４トランジスタＴ４がオンし、列信号線Ｈ１にセンスノードＮ１の電位がリセット信号Vo_compとして読み出される。【００４７】
この時、リセット信号Vo_compは、
Vo_comp＝Vpx_comp−Vt_2−SQR(2I_s／β2)
＝Ｖ２ａ−{Vt_1＋Vt_2＋SQR(2I_s／β2)} …（４）
で表される。つまり、リセット信号Vo_compは、第１トランジスタＴ１のゲート電圧Ｖ２ａとＦＰＮの原因である電圧成分{Vt_1＋Vt_2＋SQR(2I_s／β2)}との差で表される。【００４８】
図１Ａに示すＣＤＳ回路１６において、第１ＳＨ回路２１ａは光電変換信号Voを保持し、第２ＳＨ回路２１ｂはリセット信号Vo_compを保持する。差分生成回路２２は、第１ＳＨ回路２１ａの光電変換信号Voと第２ＳＨ回路２１ｂのリセット信号Vo_compの差分を演算する。更に、差分生成回路２２は、その演算結果に予め設定された電圧Ｖ２ａを加える。これにより、差分生成回路２２は、光電変換信号VoからＦＰＮの原因である電圧成分を差し引いた画像信号Ｖｓを生成する。この画像信号Ｖｓは、ＦＰＮが除去された画像情報として生成される。【００４９】
第１の実施の形態の固体撮像装置１０は、以下の利点を有する。
・第１の実施の形態では、画素Ｃａにおいてフォト電流Ｉｐを対数変換した光電変換信号に対して、負荷トランジスタとして機能する第１トランジスタＴ１が強反転状態で動作した後にサブスレショールド領域で動作するように駆動される。そして、その状態の時にセンスノードＮ１の電位がリセット信号として読み出される。従って、電気的平衡状態におけるセンスノードＮ１の電位に応じた信号を生成する撮像デバイスにおいて、画素をリセットした後のリセット信号が読み出される。そして、光電変換信号とリセット信号との差分値を用いて画像信号Ｖｓが生成される。従って、フォトダイオードＰＤに対する入射光量が多い場合においても固定パターンノイズ（ＦＰＮ）を除去した画像信号Ｖｓを得ることができる。【００５０】
・第１の実施の形態では、画素Ｃａにおいて、負荷トランジスタとして機能する第１トランジスタＴ１と受光素子としてのフォトダイオードＰＤとの間にスイッチトランジスタとしての第２トランジスタＴ２が直列に接続されている。第２トランジスタＴ２は第２リセット期間においてオフされ、この第２リセット期間において画素Ｃａからリセット信号が読み出されることによりＦＰＮが除去される。従って、画素Ｃａを１つのフォトダイオードＰＤと４個のトランジスタＴ１〜Ｔ４により構成したため、１画素におけるフォトダイオードの占有面積比率いわゆる開口率を大きくすることができる。また、１画素あたりの面積の増大を抑えることができるため、チップサイズが大きくなるのを防止し、チップの不良率の上昇をおさえて生産効率の低下を抑えることができる。【００５１】
・１つの画素Ｃａを１つのフォトダイオードＰＤと４個のトランジスタＴ１〜Ｔ４により構成したため、追加の素子数が少ない。従って、追加された素子によるリーク電流、即ちダーク電流の増大を抑えることができる。【００５２】
以下、本発明の第２の実施の形態を図面に従って説明する。
尚、第２の実施の形態は、暗い画像の撮影時に画素Ｃａが適切に駆動されるように、第１の実施の形態と比べて画素の駆動波形が異なる。【００５３】
図１Ａに示す垂直走査回路１３は、制御回路１２からの制御信号に応答して、図３に示すように、各駆動信号Ｓ１〜Ｓ４の電圧を変更する。
時刻ｔ１から時刻ｔ２までの第１のリセット期間Ｋ１において、垂直走査回路１３は、第１の実施の形態と同様に各駆動信号Ｓ１〜Ｓ４を信号線Ｌ１〜Ｌ４に供給し、出力電位を初期化する。【００５４】
次に、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの光電変換期間Ｋ２において、垂直走査回路１３は、第１の実施の形態と同様に各駆動信号Ｓ１〜Ｓ４を信号線Ｌ１〜Ｌ４に供給する。そして、暗い画像が撮影される、つまり入射光量が少ない場合のセンスノードＮ１の電位Vpxoは、以下のように決定される。【００５５】
暗い画像が撮影される、つまり入射光量が少ない場合、フォトダイオードＰＤに流れるフォト電流Ｉｐは小さい。このため、センスノードＮ１の電位が所定の光電変換期間Ｋ２内で定常状態に至らない。光電変換期間Ｋ２内においてフォト電流Ｉｐが変化している過渡状態では、センスノードＮ１の電位はほぼ直線に近似される値で変化する。つまり、フォト電流Ｉｐは線形変換される。【００５６】
詳述すると、光電変換期間Ｋ２の開始と同時に第１トランジスタＴ１は電圧Ｖ１ｃの第１駆動信号Ｓ１と電圧Ｖ２ａの第２駆動信号Ｓ２によりサブスレシュホールド領域動作に入る。光電変換期間Ｋ２の直前、つまり第１のリセット期間Ｋ１におけるセンスノードＮ１の電位は第１駆動信号Ｓ１に設定された電圧Ｖ１ｂ（Ｖ１ｂ＝２．５［Ｖ］）であったため、第１トランジスタＴ１に流れる電流I_M1は、
I_M1＝A*exp{q／nkt(Vg−Vs−Vt_1)}
＝A*exp{q／nkt(V1c−V1b−Vt_1)} …（５）
で表される。【００５７】
フォトダイオードＰＤには入射光に応じたフォト電流Ipが流れるが、このフォト電流Ｉｐと第１トランジスタＴ１に流れる電流I_M1は、
Ip≫I_M1 …(6)
の関係を有する。このため、センスノードＮ１の電位は、フォト電流Ｉｐと第１トランジスタＴ１に流れる電流I_M1とが等しくなる（Ip＝I_M1）まで低下する。電流I_M1は式（５）で示されるようにセンスノードＮ１の電位変化（式（５）ではVsの項）に対し対数的に変化する。従って、Ip＝I_M1となる直前まで式（６）の関係が成り立つとしてよい。ところで、このようなIp＝I_M1が成り立つまでの非定常状態においては、センスノードＮ１及びノードＮ２に存在する寄生容量に蓄積された電荷量により電気的な平衡が得られている。センスノードＮ１及びノードＮ２の実効的な寄生容量をCpとすると、この容量Cpには、
Q(t=0)＝CV＝Cp×V1b …（７）
で求められる電荷Ｑが、光電変換期間Ｋ２の開始直前に蓄積されている。尚、第２トランジスタＴ２は、定常状態においては低抵抗スイッチとして働くが、非定常状態つまり交流的には容量Cpを形成する容量素子として働く。【００５８】
光電変換期間Ｋ２に入ると、センスノードＮ１の電位が非定常状態になり、容量Cpに蓄積されていた電荷Ｑは、フォト電流Ｉｐと第１トランジスタＴ１の電流I_M1との差分として、フォトダイオードＰＤを介してグランドＧＮＤに流れ、第１トランジスタＴ１を介して流れ出ない。この流れ出る電荷量は、
Ip−I_M1＝dQ／dt＝Cp×dV／dt …（８）
で表される。Ip＝I_M1となる直前まで式（６）の関係が成り立つので、式（８）の左辺Ip−I_M1はIpと近似できる。Ipは一定電流であるから右辺dV／dtも一定である。従って、センスノードＮ１の電位は線形変化する。【００５９】
次に、時刻ｔ３から時刻ｔ４までのデータ読出期間Ｋ３において、第１の実施の形態と同様に、第４トランジスタＴ４がオンされ、センスノードＮ１の電位が列信号線Ｈ１に光電変換信号として読み出される。センスノードＮ１の電位は線形変化しているため、列信号線Ｈ１には、フォト電流Ｉｐを線形変換した電圧が読み出される。【００６０】
線形変換の場合、第１トランジスタＴ１から供給された電流はフォト電流に比べて無視できる小さな値である。このため、光電変換期間Ｋ２の開始から終了までの時間をt_a(t_a＝t3−t4)とすれば、センスノードＮ１の電位Vpxo(t_a)は式（６）から、
Vpxo(t_a)＝(Ip／Cp)×t_a …(9)
で表される。従って、列信号線Ｈ１に読み出される光電変換信号Vo(t_a)は、
Vo(t_a)＝(Ip／Cp)×ta−Vt_2−SQR(2I_s／β2) …（１０）
で表される。この光電変換信号Vo(t_a)には第１トランジスタＴ１の閾値電圧Vt_1の項が存在しない。従って、電圧Vo(t_a)は第１トランジスタＴ１の閾値電圧Vt_1に依存しない。【００６１】
ところで、第１の実施の形態においては、リセット信号を得るために、第２のリセット期間Ｋ４において第１駆動信号Ｓ１が一度電圧Ｖ１ａ（＝２．０［Ｖ］）に引き下げられた後に電圧Ｖ１ｃ（＝３．３［Ｖ］）に引き上げられた。このとき、第１駆動信号Ｓ１が電圧Ｖ１ａ（＝２．０［Ｖ］）に保持されれば、センスノードＮ１の電位は変化しない。つまり、第１トランジスタＴ１の閾値電圧Vt_1がリセット信号に関与しない。従って、第２の実施の形態では、第２のリセット期間Ｋ４において、第１駆動信号Ｓ１が電圧Ｖ１ａに維持される。これにより、この第２のリセット期間Ｋ４において読み出されるリセット信号Vo_comp2は、
Vo_comp2＝V1a−{Vt_2＋SQR(2I_s／β2)} …（１１）
で表される。【００６２】
式（１０）の光電変換信号Vo(t_a)と式（１１）のリセット信号Vo_comp2とは図１Ａに示すＳＨ回路２１ａ，２１ｂにそれぞれ保持される。従って、第１の実施の形態と同様に、両信号の差分を差分生成回路２２により算出することで、相関二重サンプリングによりＦＰＮが除去され、ＦＰＮを含まない画像情報が得られる。【００６３】
第２の実施の形態は、以下の利点を有する。
・第２の実施の形態では、画素Ｃａにおいてフォト電流Ｉｐを線形変換した光電変換信号に対して、負荷トランジスタとして機能する第１トランジスタＴ１が強反転状態で動作している時にセンスノードＮ１の電位がリセット信号として読み出される。そして、該光電変換信号とリセット信号との差分値を用いて画像信号が生成される。従って、フォトダイオードＰＤに対する入射光量が少ない場合においてもＦＰＮを除去した画像信号を得ることができる。【００６４】
以下、本発明の第３の実施の形態を図面に従って説明する。
尚、第３の実施の形態において、第１及び第２の実施の形態と同様の構成部材については同じ符号を用いる。【００６５】
図４に示すように、第３の実施の形態のＣＤＳ回路１６は、３つのＳＨ回路３１ａ，３１ｂ，３１ｃ、２つの差分生成回路３２ａ，３２ｂ、加算回路３３、比較回路３４、選択回路３５を備えている。【００６６】
ＳＨ回路３１ａ〜３１ｃは列信号線Ｈ１に接続され、該列信号線Ｈ１の信号を保持する。第１ＳＨ回路３１ａに保持された信号は第１差分生成回路３２ａに供給され、第２ＳＨ回路３１ｂに保持された信号は第１差分生成回路３２ａと第２差分生成回路３２ｂとに供給され、第３ＳＨ回路３１ｃに保持された信号は第２差分生成回路３２ｂに供給される。【００６７】
第１差分生成回路３２ａは、第１ＳＨ回路３１ａと第２ＳＨ回路３１ｂとに保持された２つの信号の差分を求め、その差分値を示す信号を生成する。第２差分生成回路３２ｂは、第２ＳＨ回路３１ｂと第３ＳＨ回路３１ｃに保持された２つの信号の差分を求め、その差分値を示す信号を生成する。【００６８】
加算回路３３は、第１差分生成回路３２ａの出力信号に第２差分生成回路３２ｂの出力信号を加算し、その加算結果を示す信号を生成する。比較回路３４は、第１差分生成回路３２ａの出力信号と基準電圧Ｖｒｅｆとを比較し、該比較結果を示す選択信号を生成する。選択回路３５は、選択信号に基づいて第１差分生成回路３２ａの出力信号と第２差分生成回路３２ｂの出力信号との何れか一方を画像信号Ｄ１として選択する。【００６９】
上記のように構成された固体撮像装置において、垂直走査回路１３（図１Ａ参照）は、制御回路１２からの制御信号に応答して図５に示すように、各駆動信号Ｓ１〜Ｓ４の電圧を変更する。【００７０】
時刻ｔ１から時刻ｔ２までの第１のリセット期間Ｋ１、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの光電変換期間Ｋ２、時刻ｔ３から時刻ｔ４までのデータ読出期間Ｋ３においては、画素Ｃａは、第１の実施の形態におけるそれらの期間と同様に動作する。時刻ｔ３から時刻ｔ４までのデータ読出期間Ｋ３において画素Ｃａから読み出された光電変換信号は第１ＳＨ回路３１ａに保持される。【００７１】
次に、第２のリセット期間Ｋ４において、第１駆動信号Ｓ１の電圧が、電圧Ｖ１ａ（＝２［Ｖ］）に一旦引き下げられた後、電圧Ｖ１ｃ（＝３．３［Ｖ］）まで引き上げられる。そして、第１駆動信号Ｓ１が電圧Ｖ１ａである期間と、第１駆動信号Ｓ１が電圧Ｖ１ｃである期間に、パルス状の電圧Ｖ３ｂ（＝３．３［Ｖ］）を有する第３駆動信号Ｓ３が信号線Ｓ３に供給される。【００７２】
つまり、第１の実施の形態と同様に、第１駆動信号Ｓ１の電圧が電圧Ｖ１ａから電圧Ｖ１ｃへと上昇した後に、第３駆動信号Ｓ３により画素Ｃａから信号が読み出され、このように読み出された信号が第１リセット信号として第２ＳＨ回路３１ｂに保持される。また、第２の実施の形態と同様に、第１駆動信号Ｓ１の電圧が電圧Ｖ１ａであるときに第３駆動信号Ｓ３により画素Ｃａから信号が読み出され、このように読み出された信号が第２リセット信号として第３ＳＨ回路３１ｃに保持される。【００７３】
第１差分生成回路３２ａは、第１ＳＨ回路３１ａに保持された信号、つまり光電変換信号と、第２ＳＨ回路３１ｂに保持された信号、つまり第１リセット信号との差分を求め、その差分値を示す信号を生成する。第２差分生成回路３２ｂは、第２ＳＨ回路３１ｂに保持された信号、つまり第１リセット信号と、第３ＳＨ回路３１ｃに保持された信号、つまり第２リセット信号との差分を求め、その差分値を示す信号を生成する。【００７４】
比較回路３４は、第１差分生成回路３２ａの出力信号と基準電圧Ｖｒｅｆとを比較して選択信号を生成する。詳述すると、第１差分生成回路３２ａの出力信号は、データ読出期間Ｋ３において読み出された光電変換信号（光電変換期間Ｋ２に生成されたセンスノードＮ１の電位）と、第２のリセット期間Ｋ４において第１駆動信号Ｓ１が電圧Ｖ１ｃに上昇した後に読み出された第１リセット信号との差分値である。従って、第１差分生成回路３２ａに供給された光電変換信号は、フォト電流Ｉｐを対数変換して得られた信号である、つまり入射光量が多い場合に画素Ｃａから読み出された信号である。しかし、入射光量が少ない場合、画素ＣａのセンスノードＮ１は、上記第２の実施の形態で説明したように、フォト電流Ｉｐを線形変換して得られた電位を有する。このため、第１差分生成回路３２ａによる上記の演算結果はそのまま採用できない。このため、画素Ｃａにおいて、フォト電流が対数変換されたかそれとも線形変換されたかを判断するために比較回路３４が設けられている。【００７５】
即ち、対数変換された光電変換信号の値は、線形変換された光電変換信号の値と異なるため、これらの信号を判断するために基準電圧Ｖｒｅｆが設定されている。この基準電圧Ｖｒｅｆは、
Vg−nkT／q×ln(Ip_tr／Ip0)＝(Ip_tr／Cp)×t_a …（１２）
が成立する時の電流Ip_trにより決定されている。【００７６】
第１差分生成回路３２ａの出力信号が基準電圧Ｖｒｅｆと等しいか大きい場合、光電変換信号は対数変換された信号である。従って、選択回路３５は、比較回路３４の比較結果に基づき、第１差分生成回路３２ａの出力信号を画像信号Ｄ１として選択する。【００７７】
第１差分生成回路３２ａの出力信号が基準電圧Ｖｒｅｆより小さい場合、光電変換信号は線形変換された信号である。この場合、第１差分生成回路３２ａの出力信号は、第１トランジスタＴ１の閾値電圧Vt_1だけ余計に減算されている。従って、この閾値電圧Vt_1を第１差分生成回路３２ａの出力信号に加算することで、線形変換した場合の光電変換信号が得られる。即ち、式（１１）で得られた値と式（４）で得られた値の差分を算出することにより、Vt_1−（V2a-V1a）が得られる。ここで、（V2a-V1a）の項におけるV2aとV1aとは、予め設定される既知の値であるため、（V2a-V1a）の項は定数として得られる。従って、第２差分生成回路３２ｂは、第３ＳＨ回路３１ｃに保持された第２リセット信号（式（１１）により得られる値）と、第２ＳＨ回路３１ｂに保持された第１リセット信号（式（４）により得られる値）と、所定の定数（V2a-V1a）とに基づいて第１トランジスタＴ１の閾値電圧Vt_1を得る。【００７８】
加算回路３３は、第１差分生成回路３２ａの出力信号に、第２差分生成回路３２ｂの出力信号から求めた第１トランジスタＴ１の閾値電圧Vt_1を加算して、加算信号を生成する。この加算信号は、フォト電流Ｉｐを線形変換して得られる光電変換信号であり、この光電変換信号はＦＰＮを実質的に含まない。選択回路３５は、比較回路３４の出力信号に基づき、加算回路３３の出力信号を画像信号Ｄ１として選択する。【００７９】
第３の実施の形態は、以下の利点を有する。
・第３の実施の形態のＣＤＳ回路１６は、画素Ｃａから読み出された光電変換信号が対数変換された信号か線形変換された信号かを判断し、その判断結果に応じて演算した信号を出力する。従って、画素Ｃａへの入射光量が多い場合と少ない場合とに自動的に対応してＦＰＮを除去した画像信号Ｄ１を生成することができる。【００８０】
尚、上記各実施の形態は、以下の態様で実施してもよい。
・上記各実施の形態では、画素Ｃａを１個のフォトダイオードＰＤと４個のＰチャネルＭＯＳトランジスタで形成してもよい。【００８１】
・第３実施形態では、第２の差分生成回路３２ｂが、第１リセット信号と第２リセット信号との差分値から第１トランジスタＴ１（負荷トランジスタ）の閾値電圧Vt_1を求めてもよい。この場合、加算回路３３は、第１の差分生成回路３２ａの出力信号に、第２の差分生成回路３２ｂの出力信号（閾値電圧Vt_1）を加算するように構成される。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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