(57)【要約】【課題】低照度下の撮像において、低ノイズ化、高感度化と、ダイナミックレンジの拡大とを同時に実現するＭＯＳ型固体撮像装置及びカメラシステムを提供する。【解決手段】固体撮像装置５００ａは、単位画素５０１の列毎に設けられた複数の列信号増幅手段５０５を備える。固体撮像装置５００ａは、ゲイン切換端子５１０に入力された信号に従って、列信号増幅手段５０５のゲインを切り換えることができる。低照度下の撮像において、列信号増幅手段５０５のゲインを増加することによって、ノイズ除去回路５０６ａに起因するノイズのレベルが出力アンプ５０８によって増幅されないので、高感度化と低ノイズ化とを同時に実現することができる。【選択図】図１
2007181088.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体撮像装置であって、
受光素子を含み、２次元状に配列される複数の単位画素と、
前記単位画素の列毎に設けられ、前記単位画素から出力される信号を増幅する列増幅手段と、
前記列増幅手段のゲインを切り換えるゲイン切換手段とを備える、固体撮像装置。
【請求項２】
前記列増幅手段は、各々が異なるゲインを有し、かつ、各々が並列に接続される２以上の増幅回路を含み、
前記ゲイン切換手段は、少なくとも１つのゲイン切換端子を含み、前記ゲイン切換端子に入力される信号に応じて、前記増幅回路の１つを選択することを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
同一列に整列する複数の単位画素の各々と、前記列増幅手段とに電気的に接続される複数の垂直信号線と、
前記垂直信号線の各々に電気的に接続され、前記列増幅手段から出力される信号に含まれるノイズを除去するノイズ除去回路と、
前記ノイズ除去回路の各々に電気的に接続される水平信号線と、
前記水平信号線に電気的に接続される出力アンプとを更に備える、請求項１または請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記列増幅手段から出力される信号を保持する蓄積手段を含み、かつ、前記列増幅手段から出力される信号に含まれるノイズを除去するノイズ除去回路と、
前記蓄積手段の容量を切り換える蓄積容量切り換え手段とを更に備える、請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記蓄積手段は、
各々が異なる容量を有し、かつ、各々が並列に接続される２以上の第１蓄積部と、
第２蓄積部とを含み、
前記蓄積容量切り換え手段は、蓄積容量切換端子を含み、前記蓄積容量切換端子に入力される信号に応じて、前記第１蓄積部の１つを選択することを特徴とする、請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記ゲイン切換手段と、前記蓄積容量切り換え手段とは、それぞれ独立して制御されることを特徴とする、請求項４または請求項５に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記ゲイン切換手段と、前記蓄積容量切り換え手段とは、同時に制御されることを特徴とする、請求項４または請求項５に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記固体撮像装置は、ＭＯＳ型固体撮像装置であることを特徴とする、請求項１から請求項７のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項９】
カメラシステムであって、
請求項１から請求項８のいずれかに記載の固体撮像装置と、
感度を指定するための制御信号を出力する感度設定手段とを備え、
前記ゲイン切換手段は、前記感度設定手段から出力される制御信号に基づいて、前記列増幅手段のゲインを切り換える、カメラシステム。
【請求項１０】
前記感度設定手段は、照度を検出し、検出された照度に基づいて、前記制御信号を出力することを特徴とする、請求項９に記載のカメラシステム。
【請求項１１】
前記カメラシステムは、ライトを有する車両に搭載され、
前記感度設定手段は、前記ライトの点灯及び消灯の切り換えに従って、前記制御信号を出力することを特徴とする、請求項９に記載のカメラシステム。
【請求項１２】
固体撮像装置であって、
受光素子を含み、２次元状に配列される複数の単位画素と、
前記単位画素から出力される信号を保持する蓄積手段を含み、かつ、前記単位画素から出力される信号に含まれるノイズを除去するノイズ除去回路と、
前記蓄積手段の容量を切り換える蓄積容量切り換え手段とを備える、固体撮像装置。
【請求項１３】
前記蓄積手段は、
各々が異なる容量を有し、かつ、各々が並列に接続される２以上の第１蓄積部と、
第２蓄積部とを含み、
前記蓄積容量切り換え手段は、蓄積容量切換端子を含み、前記蓄積容量切換端子に入力される信号に応じて、前記第１蓄積部の１つを選択することを特徴とする、請求項１２に記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
カメラシステムであって、
請求項１２または請求項１３のいずれかに記載の固体撮像装置と、
感度を指定するための制御信号を出力する感度設定手段とを備え、
前記蓄積容量切り換え手段は、前記感度設定手段から出力される制御信号に基づいて、前記蓄積手段の容量を切り換える、カメラシステム。
【請求項１５】
前記感度設定手段は、照度を検出し、検出された照度に基づいて、前記制御信号を出力することを特徴とする、請求項１４に記載のカメラシステム。
【請求項１６】
前記カメラシステムは、ライトを有する車両に搭載され、
前記感度設定手段は、前記ライトの点灯及び消灯の切り換えに従って、前記制御信号を出力することを特徴とする、請求項１４に記載のカメラシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置及びカメラシステムに関し、より特定的には、家庭用ビデオカメラデジタル、スチルカメラ、携帯電話用カメラ、車載用カメラ等に用いられるＭＯＳ型固体撮像装置と、当該固体撮像装置を用いたカメラシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ディジタルスチルカメラ、ディジタルビデオカメラ等の画像入力機器において、撮影画像を高画質化するために、センサの多画素化が進んでいる。画素数を増加するためには、画素サイズの縮小化や、読み出し時間の高速化、低ノイズ化などが求められる。これらの要求に対して、画素信号を複数個の読み出しチャンネルに分割して読み出す方式が開発されてきた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
以下、従来のノイズ低減技術を用いた固体撮像装置について説明する。
【０００４】
図８は、特許文献１に記載されている従来のＭＯＳ型固体撮像装置の概略図である。
【０００５】
図８に示される固体撮像装置１００は、２次元状に配列された複数の単位画素１０１と、同一列に整列する単位画素１０１の各々に接続される複数の垂直信号線１０２と、信号を読み出す行を選択する行選択手段１０３と、信号を読み出す列を選択する列選択手段１０４と、複数の列信号増幅手段１０５と、複数のノイズ除去回路１０６と、水平信号線１０７と、出力アンプ１０８とを備える。
【０００６】
単位画素１０１は、入射した光を光電変換することによって得られる電荷を蓄積する。行選択手段１０３による行の選択に応じて、選択された行に整列する単位画素１０１の各々は、蓄積した電荷に応じた電気信号を垂直信号線１０２の各々に出力する。
【０００７】
次に、列信号増幅手段１０５は、垂直信号線１０２上の信号を増幅し、ノイズ除去回路１０６は、ＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｓａｍｐｌｉｎｇ）等の処理によって、増幅された信号に含まれるノイズを除去する。ノイズ除去後の信号は、列選択手段１０４による列の選択に従って、順次水平信号線１０７に出力される。
【０００８】
水平信号線１０７に出力された信号は、出力アンプ１０８によって再度増幅された後、信号出力端子１０９から外部の回路等へと出力される。
【特許文献１】特開２００１−２４５２２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
近年、固体撮像装置には、動作速度の高速化と共に、高感度化と低ノイズ化との両立が求められている。しかしながら、上述したような従来の固体撮像装置は、高感度化及び低ノイズ化の両立が困難であるという課題を有している。
【００１０】
以下、図９を参照しながら、その課題の詳細について説明する。
【００１１】
図９は、従来のＭＯＳ型固体撮像装置における入射光量と出力特性（光電変換特性）との関係を示す図である。図９において、破線は、増幅回路のゲインが標準的な所定値に設定されている場合の出力特性を示し、実線は、増幅回路のゲインが当該所定値の３倍に設定されている場合の出力特性を示す。
【００１２】
固体撮像装置の感度は、増幅回路のゲインの増加によって向上させることができる。ただし、増幅回路のゲインを設定する際には、固体撮像装置からの出力信号を処理する後段回路の飽和点を考慮する必要がある。
【００１３】
まず、標準的な照度下で撮像する場合には、図９に示される「出力信号を受ける後段回路の飽和点」に対して、図９の破線によって示されるような出力特性を示すようにゲインが設定される。この場合、固体撮像装置は、出力電圧が後段回路の飽和点以下である入射光量の範囲において、画像信号を出力することが可能である。
【００１４】
次に、低照度下で撮像することを想定する場合、図９の実線に示されるように、ゲインが例えば標準的なゲインの３倍になるように設計することによって、固体撮像装置からの出力を増幅する方法が一般的に採用される。
【００１５】
しかしながら、単にゲインを標準的なゲインの３倍に固定して固体撮像装置を設計した場合、「出力信号を受ける後段回路の飽和点」に達する入射光量は、破線に示される場合より低下する。したがって、単位画素をその飽和出力に達するまで使用できなくなるという課題が生じる。
【００１６】
さらに、単位画素を飽和出力まで使用できなくなるという課題に対しては、固体撮像装置の内部に、ＡＧＣ（自動ゲイン制御）や、ＡＤ変換器によるディジタルゲイン可変等の機能を設けることが検討されている。しかしながら、これらは、最終出力アンプ、パイプラインＡＤＣなどによって、最終出力アンプのゲインを可変にする機能であり、低ノイズ化を実現することはできない。
【００１７】
それ故に、本発明は、低照度時にゲインアップした場合でも低ノイズを実現し、かつ、標準撮像時においても画素の飽和出力を生かすことができるＭＯＳ型固体撮像装置と、これを用いたカメラシステム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】
【００１８】
本発明の第１の局面は、固体撮像装置に向けられている。当該固体撮像装置は、受光素子を含み、２次元状に配列される複数の単位画素と、単位画素の列毎に設けられ、単位画素から出力される信号を増幅する列増幅手段と、列増幅手段のゲインを切り換えるゲイン切換手段とを備える。
【００１９】
また、列増幅手段は、各々が異なるゲインを有し、かつ、各々が並列に接続される２以上の増幅回路を含み、ゲイン切換手段は、少なくとも１つのゲイン切換端子を含み、ゲイン切換端子に入力される信号に応じて、増幅回路の１つを選択しても良い。
【００２０】
また、当該固体撮像装置は、同一列に整列する複数の単位画素の各々と、列増幅手段とに電気的に接続される複数の垂直信号線と、垂直信号線の各々に電気的に接続され、列増幅手段から出力される信号に含まれるノイズを除去するノイズ除去回路と、ノイズ除去回路の各々に電気的に接続される水平信号線と、水平信号線に電気的に接続される出力アンプとを更に備えても良い。
【００２１】
また、当該固体撮像装置は、列増幅手段から出力される信号を保持する蓄積手段を含み、かつ、列増幅手段から出力される信号に含まれるノイズを除去するノイズ除去回路と、蓄積手段の容量を切り換える蓄積容量切り換え手段とを更に備えても良い。
【００２２】
この場合、蓄積手段は、各々が異なる容量を有し、かつ、各々が並列に接続される２以上の第１蓄積部と、第２蓄積部とを含み、蓄積容量切り換え手段は、蓄積容量切換端子を含み、蓄積容量切換端子に入力される信号に応じて、第１蓄積部の１つを選択しても良い。
【００２３】
更に、ゲイン切換手段と、蓄積容量切り換え手段とは、それぞれ独立して制御されても良い。
【００２４】
あるいは、ゲイン切換手段と、蓄積容量切り換え手段とは、同時に制御されても良い。
【００２５】
また、固体撮像装置は、ＭＯＳ型固体撮像装置であっても良い。
【００２６】
第２の局面は、第１の局面に係る固体撮像装置を備えるカメラシステムに向けられている。当該カメラシステムは、固体撮像装置と、感度を指定するための制御信号を出力する感度設定手段とを備え、ゲイン切換手段は、感度設定手段から出力される制御信号に基づいて、列増幅手段のゲインを切り換えるものである。
【００２７】
この場合、感度設定手段は、照度を検出し、検出された照度に基づいて、制御信号を出力しても良い。
【００２８】
また、当該カメラシステムは、ライトを有する車両に搭載され、感度設定手段は、ライトの点灯及び消灯の切り換えに従って、制御信号を出力しても良い。
【００２９】
第３の局面は、固体撮像装置に向けられている。当該固体撮像装置は、受光素子を含み、２次元状に配列される複数の単位画素と、単位画素から出力される信号を保持する蓄積手段を含み、かつ、単位画素から出力される信号に含まれるノイズを除去するノイズ除去回路と、蓄積手段の容量を切り換える蓄積容量切り換え手段とを備える。
【００３０】
この場合、蓄積手段は、各々が異なる容量を有し、かつ、各々が並列に接続される２以上の第１蓄積部と、第２蓄積部とを含み、蓄積容量切り換え手段は、蓄積容量切換端子を含み、蓄積容量切換端子に入力される信号に応じて、第１蓄積部の１つを選択しても良い。
【００３１】
第４の局面は、第３の局面に係る固体撮像装置を備えるカメラシステムに向けられている。当該カメラシステムは、固体撮像装置と、感度を指定するための制御信号を出力する感度設定手段とを備え、蓄積容量切り換え手段は、感度設定手段から出力される制御信号に基づいて、蓄積手段の容量を切り換えるものである。
【００３２】
この場合、感度設定手段は、照度を検出し、検出された照度に基づいて、制御信号を出力しても良い。
【００３３】
また、カメラシステムは、ライトを有する車両に搭載され、感度設定手段は、ライトの点灯及び消灯の切り換えに従って、制御信号を出力しても良い。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、列増幅手段のゲインを外部から調整することによって、ゲインアップ時には低ノイズの撮像を実現でき、通常のゲイン時には、単位画素を飽和出力に達するまで有効に用いて高ダイナミックレンジの撮像ができるため、高感度化と低ノイズ化との両立が可能である。
【００３５】
また、ノイズ除去回路（ＣＤＳ）に使用するキャパシタの蓄積容量を選択自在となる構成を組み合わせることによって、更に低ノイズ化を実現でき、かつ、撮像状態の選択の自由度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
本発明に係るＭＯＳ型固体撮像装置において、各画素の回路形式については、特に限定されるものではない。画素は、光電変換が可能で、その信号成分とリセット後の信号成分とを出力できる回路を備えていれば良い。また、ＭＯＳ型固体撮像装置は、信号電荷を浮遊拡散容量によって電圧に変換し、増幅器を含むアンプ回路を用いて当該電圧を出力するアクティブ型固体撮像装置であっても良いし、あるいは、増幅器を備えていないパッシブ型固体撮像装置であっても良い。更に、各素子の導電型は、特に限定されない。
【００３７】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す図である。
【００３８】
固体撮像装置５００ａは、複数の単位画素５０１と、複数の垂直信号線５０２と、単位画素５０１が整列する行を選択する行選択手段５０３と、単位画素が整列する列を選択する列選択手段５０４と、複数の列信号増幅手段５０５と、複数のノイズ除去回路５０６ａと、水平信号線５０７と、出力アンプ５０８とを備える。
【００３９】
単位画素５０１の各々は、例えばフォトダイオードのように、入射光を光電返還することによって得られる電荷を蓄積する受光素子を含み、行方向及び列方向に二次元状に配列されている。単位画素５０１の各々は、入射光を光電返還することによって得られる電荷を蓄積し、行選択手段５０３による行の選択に従って、垂直信号線５０２の各々に信号を出力する。尚、垂直信号線５０２の各々は、同一列に整列する複数の単位画素５０１の各々と、列信号増幅手段５０５の各々とに電気的に接続されている。
【００４０】
次に、列信号増幅手段５０５の各々は、単位画素５０１の列毎に設けられ、単位画素５０１から垂直信号線５０２に出力された電気信号を予め定められたゲイン倍に増幅する。列信号増幅手段５０５の更なる詳細については後述する。
【００４１】
次に、ノイズ除去回路５０６ａの各々は、単位画素５０１の列毎に設けられ、列信号増幅手段５０５に電気的に接続される。ノイズ除去回路５０６ａは、例えばＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｓａｍｐｌｉｎｇ）等の処理を行うことによって、列信号増幅手段５０５から出力される信号に含まれているノイズを除去する。
【００４２】
ノイズが除去された信号は、列選択手段５０４による列の選択に従って、順次水平信号線５０７に出力される。出力アンプ５０８は、水平信号線５０７に出力された信号を再度増幅して、信号出力端子５０９から後段の回路等へと出力する。
【００４３】
更に、本実施形態に係る固体撮像装置５００ａは、ゲイン切換端子５１０を備える。ゲイン切換端子５１０は、列信号増幅手段５０５の各々に電気的に接続されている。
【００４４】
図２は、図１に示されるＡ部分の詳細を示す図である。
【００４５】
本実施形態に係る固体撮像装置は、ゲイン切換端子５１０に入力される信号のレベル（ＨｉｇｈまたはＬｏｗ）に応じて、列信号増幅手段５０５のゲインを切り換えることができる点に特徴を有する。以下、この特徴を詳細に説明する。
【００４６】
まず、図２に示されるように、列信号増幅手段５０５は、並列に接続される増幅回路５２０ａ及び５２０ｂを含んでいる。図２の例においては、増幅回路５２０ｂは、増幅回路５２０ａと同一の増幅回路を２つ直列に接続することによって構成されている。例えば、増幅回路ａのゲインをＡ倍とすると、増幅回路５２０ｂのゲインは、（Ａ×Ａ）倍である。
【００４７】
更に、本実施形態に係る固体撮像装置は、ゲイン切換端子５１０に入力された信号のレベルを反転する反転手段６００と、スイッチ５２１ａ及び５２１ｂとを含んでいる。スイッチ５２１ａは、増幅回路５２０ａと垂直信号線５０２との間に介挿され、スイッチ５２１ｂは、増幅回路５２０ｂと垂直信号線５０２との間に介挿されている。ゲイン切換端子５１０は、スイッチ５２１ａに接続されると共に、反転手段６００を介して他方のスイッチ５２１ｂに接続されている。スイッチ５２１ａ及び５２１ｂは、例えば、入力信号のレベルがＨｉｇｈレベルのときにオンし、入力信号のレベルがＬｏｗレベルのときにオフする。尚、本実施形態において、ゲイン切換端子５１０と、反転手段６００と、スイッチ５２１ａ及び５２１ｂとは、ゲイン切換手段に相当する。
【００４８】
ここで、列信号増幅手段５０５のゲイン切り換えについて説明する。
【００４９】
まず、ゲイン切換端子５１０にＬｏｗレベルの信号が入力された場合（以下、「標準モード」という場合がある）、列信号増幅手段５０５のゲインとして、増幅回路５２０ａのゲインＡ倍が選択される。
【００５０】
より詳細には、ゲイン切換端子５１０にＬｏｗレベルの信号が入力された場合には、反転手段６００は、Ｈｉｇｈレベルの信号を出力するため、スイッチ５２１ａがオンし、スイッチ５２１がオフする。したがって、増幅回路５２０ａのみが垂直信号線５０２に接続され、他方の増幅回路５２０ｂは、垂直信号線５０２から切断される。すなわち、ゲインがＡ倍である信号経路が導通し、ゲインが（Ａ×Ａ）倍である信号経路が切断される。
【００５１】
一方、ゲイン切換端子５１０にＨｉｇｈレベルの信号が入力された場合（以下、「高ゲインモード」という場合がある）、列信号増幅手段５０５のゲインとして、増幅回路５２０ｂのゲイン（Ａ×Ａ）倍が選択される。
【００５２】
より詳細には、ゲイン切換端子５１０にＨｉｇｈレベルの信号が入力された場合には、反転手段６００は、Ｌｏｗレベルの信号を出力するため、スイッチ５２１ａがオフし、スイッチ５２１ｂがオンする。したがって、増幅回路５２０ａは、垂直信号線５０２から切断され、他方の増幅回路５２０ｂのみが垂直信号線５０２に接続される。すなわち、ゲインがＡ倍である信号経路が切断され、ゲインが（Ａ×Ａ）倍である信号経路が導通する。
【００５３】
以上のように、本実施形態に係る固体撮像装置は、列信号増幅手段５０５のゲイン（以下、「カラムアンプゲイン」という場合がある）自体を変化させることができる点に特徴を有する。
【００５４】
次に、図３Ａ〜図３Ｃを参照しながら、カラムアンプゲインを増加することと同時に、低ノイズ化が実現できることの技術的根拠を説明する。
【００５５】
図３Ａは、固体撮像装置における１つの信号経路を模式的に示す図である。また、図３Ｂは、出力アンプゲインを増加した場合の信号及びノイズのレベルを示す図であり、図３Ｃは、カラムアンプゲインを増加した場合の信号及びノイズのレベルを示す図である。尚、図３Ｂ及び図３Ｃにおいては、固体撮像装置から出力される画素信号が同一振幅を有するように設定されている場合を想定する。
【００５６】
図３Ａは、単位画素５０１から出力された信号が、垂直信号線５０２、列信号増幅手段５０５、ノイズ除去回路５０６ａ及び水平信号線５０７を順に通過して、出力アンプ５０８から出力されるまでの経路を示す。ここで、単位画素５０１から垂直信号線５０２に信号が出力される点をα点とし、ノイズ除去回路５０６ａから水平信号線に信号が出力される点をβ点とし、信号が出力アンプ５０８から出力される点をθ点とする。
【００５７】
まず、出力アンプゲインのみを増加することによって、画素信号を増幅する場合について説明する。図３Ｂに示されるように、α点における信号には、画素部ノイズＮｐｉｘが付加される。また、β点における信号には、ノイズ除去回路５０６ａにおいてＣＤＳ部ノイズＮｃｄｓが付加される。その後、β点における信号は、出力アンプ５０８によって、Ｇｏｕｔ倍されるが、画素信号の振幅のみならず、画素ノイズＮｐｉｘ及びＣＤＳ部ノイズＮｃｄｓのレベルもまた、それぞれＧｏｕｔ倍に増幅される。
【００５８】
一方、カラムアンプゲインのみを増加することによって、画素信号を増幅する場合について説明する。図３Ｃに示されるように、列信号増幅手段５０５のゲインを増加する場合、単位画素５０１から出力された信号は、β点に至るまでに出力レベルまで増幅される。この場合、列信号増幅手段５０５によって、画素ノイズＮｐｉｘのレベルもまたＧｃｌｕｍ倍に増幅されるが、β点における画素部に起因するノイズのレベルは、図３Ｂのθ点におけるレベルと同一である。その後、画素信号には、ノイズ除去回路においてＣＤＳ部ノイズＮｃｄｓが付加されるが、信号は、既に必要な出力レベル（信号振幅）に達しているため、出力アンプ５０８は、入力される信号及びノイズを増幅する必要がない。
【００５９】
したがって、列信号増幅手段５０５のゲインを増加することによって、ノイズ除去回路５０６ａに起因するノイズのレベルを、出力アンプゲインＧｏｕｔの逆数倍（１／Ｇｏｕｔ倍）に低減することが可能となる。
【００６０】
以上のように、本実施形態に係る固体撮像装置によれば、ゲイン切換端子５１０にＨｉｇｈレベルの信号が入力された場合（高ゲインモード）は、列信号増幅手段５０５のゲインが（Ａ×Ａ）倍に設定される。したがって、ゲインを増加することによって、固体撮像装置の感度を向上させると共に、ノイズ除去回路５０６ａに起因するノイズを低減することが可能となる。
【００６１】
尚、本実施形態においては、１つのゲイン切換端子に、２値の信号を入力することによって、ゲインを２段階に切り換える固体撮像装置について説明したが、ゲイン切換端子の数、ゲイン切換端子に入力される信号の種類、ゲインの切り換え段数は、上述の例に限定されるものではない。
【００６２】
また、本実施形態においては、説明の便宜のために、回路構成を特定しているが、各部の回路構成は特に限定されない。特に、本実施形態のように複数の増幅回路を含む列信号増幅部を設ける代わりに、ゲイン切り換えが可能な単一の増幅回路を含む列信号増幅部を用いて、ゲイン切換端子に入力される信号に従って、ゲインを切り換えるように制御しても良い。
【００６３】
更に、本実施形態においては、ゲイン切換端子と、スイッチと、反転手段とを用いてゲイン切換手段が構成されているが、ゲイン切換手段は、ゲイン切換端子に入力された信号に従って、列信号増幅手段のゲインを切り換えることができるように構成されていれば良い。
【００６４】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す図である。図４に示される固体撮像装置５００ｂの基本的な構成は、第１の実施形態に係るものと同様であるので、以下においては、本実施形態と第１の実施形態との相違点を中心に説明する。
【００６５】
本実施形態に係る固体撮像装置５００ｂは、ノイズ除去回路５０６ｂに、列信号増幅手段５０５で増幅された信号に加えて、蓄積容量切換端子５１１から信号が入力される点に特徴を有する。固体撮像装置５００ｂは、蓄積容量切換端子５１１から入力された信号に従って、ノイズ除去回路５０６ｂ内の蓄積容量を切り換えることができる。尚、蓄積容量の切り換えによる効果については後述する。
【００６６】
図５は、図４に示されるＢ部分の詳細を示す図である。図５に示されるように、列信号増幅手段５０５の構成は、第１の実施形態に係る構成（図２）と同様であるので、以下での説明を省略する。
【００６７】
ノイズ除去回路５０６ｂは、クランプキャパシタ６１０ａ及び６１０ｂと、サンプリングキャパシタ６１２と、クランプスイッチ６１３とを含む。クランプキャパシタ６１０ａ及び６１０ｂは、それぞれ異なる容量を有し、並列に接続される。一例として、クランプキャパシタ６１０ａの容量Ｃｃｐに対して、クランプキャパシタの容量を（Ｃｃｐ×２）に設定しても良い。クランプキャパシタ６１０ａ及び６１０ｂは、それぞれスイッチ６２１ａ及び６２１ｂを介して、列信号増幅手段５０５に接続されている。また、サンプリングキャパシタ６１２は、クランプスイッチ６１３を介してクランプ電源６１１に接続されている。尚、本実施形態において、クランプキャパシタ６１０ａ及び６１０ｂは、第１蓄積部に相当し、サンプリングキャパシタ６１２は、第２蓄積部に相当する。
【００６８】
更に、ノイズ除去回路５０６ｂは、蓄積容量切換端子５１１に入力された信号のレベルを反転する反転手段６０１と、スイッチ６２１ａ及び６２１ｂとを含んでいる。スイッチ６２１ａは、クランプキャパシタ６１０ａと列信号増幅手段５０５との間に介挿され、スイッチ６２１ｂは、クランプキャパシタ６１０ｂと列信号増幅手段５０５との間に介挿されている。蓄積容量切換端子５１１は、スイッチ６２１ａに接続されると共に、反転手段６０１を介して他方のスイッチ６２１ｂに接続されている。スイッチ６２１ａ及び６２１ｂは、入力信号のレベルに応じて、スイッチ５２１ａ及び５２１ｂと同様にオンまたはオフする。尚、本実施形態において、蓄積容量切換端子５１１と、反転手段６０１と、スイッチ６２１ａ及び６２１ｂとは、蓄積容量切換手段に相当する。
【００６９】
蓄積容量切換端子５１１には、ノイズ除去回路５０６ｂのクランプ容量を切り換えるための信号が入力される。例えば、蓄積容量切換端子５１１に入力される２値信号（ＨｉｇｈまたはＬｏｗ）の各々に対応して、ノイズ除去回路５０６ｂのクランプ容量は、２段階に切り換えられる。
【００７０】
まず、蓄積容量切換端子５１１にＬｏｗレベルの信号が入力された場合（標準状態）、反転手段６０１は、Ｈｉｇｈレベルの信号を出力するため、クランプキャパシタ６１０ａが列信号増幅手段５０５に電気的に接続され、他方のクランプキャパシタ６１０ｂは、列信号増幅手段５０５から切断される。
【００７１】
反対に、蓄積容量切換端子５１１にＨｉｇｈレベルの信号が入力された場合（高ゲインモードとする）、反転手段６０１は、Ｌｏｗレベルの信号を出力するため、クランプキャパシタ６１０ａは、列信号増幅手段５０５から切断され、他方のクランプキャパシタ６１０ｂは、列信号増幅手段５０５に電気的に接続される。
【００７２】
以上説明したように、本実施形態に係る固体撮像装置５００ｂは、ノイズ除去回路５０６ｂに含まれるクランプキャパシタとサンプリングキャパシタとの容量比を変化させることによって、ゲインを変化させる点に特徴を有する。
【００７３】
次に、図６Ａ及び図６Ｂを参照しながら、ノイズ除去回路５０６ｂの動作原理と、蓄積容量切り換えによる効果とを説明する。
【００７４】
図６Ａは、ノイズ除去回路の概略構成を示す図であり、図６Ｂは、ノイズ除去回路に供給される信号のタイミングを示す図である。
【００７５】
図６Ａに示されるノイズ除去回路５０６ｂは、列信号増幅手段５０５から出力される信号をクランプするためのクランプキャパシタ６１０と、クランプキャパシタ６１０の端子電圧を基準電位に設定するためのクランプ電源６１１と、クランプスイッチ６１３と、基準電位に対する差分電圧を保持するためのサンプリングキャパシタ６１２とを含む。
【００７６】
まず、ノイズ除去回路５０６ｂに、列信号増幅手段５０５を介して画素からのダーク信号（ノイズ成分）が入力される。ダーク信号の入力と同時に、クランプスイッチ６１３をオンすることによって、サンプリングキャパシタ６１２は、クランプ電源６１１から印加されるクランプ電圧を基準電圧として保持する。
【００７７】
次に、クランプスイッチ１１３をオフすると同時に、クランプキャパシタ６１０には、光入射時に単位画素が出力した信号を増幅することによって得られた信号が列信号増幅手段５０５から入力される。
【００７８】
この結果、サンプリングキャパシタ６１２は、クランプ電圧（ノイズ成分）から光入射時の信号分だけ変化した電圧を保持するので、ノイズが除去された差分の信号（Ａ点の信号）を出力する。
【００７９】
ここで、列信号増幅手段５０５から出力される信号の電圧をＶｉｎとし、図６Ａに示されるＡ点における振幅をＶｏｕｔとすると、上記のように動作するノイズ除去回路５０６ｂにおいて、Ｖｏｕｔは、容量分配に従って、次の数１のように表される。
【数１】
2007181088.tif 000003
数１から明らかなように、クランプキャパシタ６１０のクランプ容量Ｃｃｐが増加するにつれて、Ｖｏｕｔの減衰量が小さくなる。
【００８０】
また、列信号増幅手段５０５がクランプキャパシタ６１０に充電する際に生じるｋＴＣノイズは、次の数２のように表される。
【数２】
2007181088.tif 000004
よって、クランプ容量Ｃｃｐを大きくすることによって、ｋＴＣノイズを低減することができる。
【００８１】
ただし、クランプ容量Ｃｃｐが増加すると、列信号増幅手段５０５がクランプキャパシタ６１０に充電するために要する充電時間が増加する。それ故、単にクランプ容量が増加されたノイズ除去回路５０６ｂは、列信号増幅手段５０５の電流供給能力によっては、高速撮像に適さない場合がある。そこで、本実施形態に係る固体撮像装置のように、撮像の目的に応じて、クランプ容量を切り換え可能であることが特に重要である。
【００８２】
ここで、クランプ容量が単に増加されたノイズ除去回路が、列信号増幅手段５０５の電流供給能力によっては、高速撮像に適さない場合について、詳細を説明する。
【００８３】
例えば、クランプ容量Ｃｃｐが９ｐＦである場合と３ｐＦである場合を想定する。また、サンプリングキャパシタ６１２のサンプリング容量Ｃｓｐは、２ｐＦであるとする。
【００８４】
まず、クランプ容量Ｃｃｐが９ｐＦである場合、Ｃｃｐ及びＣｓｐの値を上記の数１に代入することによって、Ｖｏｕｔは、次の数３のように表される。
【数３】
2007181088.tif 000005
【００８５】
次に、クランプ容量Ｃｃｐが３ｐＦである場合、Ｃｃｐ及びＣｓｐの値を上記の数１に代入することによって、Ｖｏｕｔは、次の数４のように表される。
【数４】
2007181088.tif 000006
【００８６】
尚、垂直信号線の抵抗値Ｒを１００Ωとすると、クランプ容量Ｃｃｐが９ｐＦである場合の時定数Ｔは、０．９ｎｓである。一方、クランプ容量Ｃｃｐが３ｐＦである場合の時定数Ｔは、０．３ｎｓである。
【００８７】
時定数Ｔは、水平ブランキング期間の行信号転送期間に影響する。したがって、この時定数Ｔが大きい場合、水平ブランキング期間が長くなるので、１フレームの画像を構成するために要する時間が長くなる。よって、クランプ容量の増加は、高速化に対して影響をもたらす。
【００８８】
以上説明したように、クランプ容量が単に増加されたノイズ除去回路は、列信号増幅手段の電流供給能力によっては、高速撮像に向かない場合がある。しかしながら、本実施形態に係る固体撮像装置は、撮像目的に応じて、クランプ容量を切り換えることができるので、列信号増幅手段の採用の有無にかかわらず、ゲインを可変にすることができるという優れた特性を備えている。
【００８９】
尚、本実施形態においては、１つの蓄積容量切換端子に、２値の信号を入力することによって、蓄積容量を２段階に切り換える固体撮像装置について説明したが、蓄積容量切換端子の数、蓄積容量切換端子に入力される信号の種類、蓄積容量の切り換え段数は、上述の例に限定されるものではない。
【００９０】
以下においては、列信号増幅手段５０５のゲインと、ノイズ除去回路５０６ｂのクランプ容量とを併せて切り換えることの利点について説明する。列信号増幅手段５０５のゲインの切り換え機能と、ノイズ除去回路５０６ｂのクランプ容量の切り換え機能とを併用することによって、本実施形態に係る固体撮像装置は、あらゆる撮像目的に対応することができる。
【表１】
2007181088.tif 000007
【００９１】
表１は、列信号増幅手段のゲイン及びクランプ容量の組み合わせと、撮像目的との対応を示す。表１に示されるように、撮像目的に応じて、列信号増幅手段のゲインとクランプ容量とを独立して切り換え可能であることが好ましい例である。しかしながら、固体撮像装置の外部から入力することができる制御信号の数に限りがある場合には、次の表２に示されるように、列信号増幅手段のゲインとクランプ容量との組み合わせを２種類に限定しても良い。この場合、列信号増幅手段のゲインと、クランプ容量とは、同時に制御されても良い。また、１つの端子を、ゲイン切換端子及び蓄積容量切換端子として共用しても良い。
【表２】
2007181088.tif 000008
【００９２】
更に、列信号増幅手段のゲインを切り換える機能と、クランプ容量を切り換える機能との共通点及び相違点を説明する。列信号（根元信号）を増幅する際のゲインを調整するという点については、両方の機能に共通する。ただし、列信号増幅手段のゲインを切り換える機能が、積極的にゲインを増加することを主目的とするのに対し、クランプ容量を切り換える機能は、ゲインの減衰量を調整することを主目的とする。したがって、一般的には、ゲイン切換によるノイズ低減効果は、クランプ容量切り換えによるものより大きいと言える。
【００９３】
更に、クランプ容量を大きくすることによって読み出し時間が長くなる点を考慮すれば、一般的には、列信号増幅手段のゲインの切り換えは、クランプ容量の切り換えより、高速な撮像動作の観点で優れていると言える。しかしながら、クランプ容量を切り換える機能は、列信号増幅手段の採用の有無にかかわらず、ゲインを調整することができる点で利点を有する。
【００９４】
更に、本実施形態においては、蓄積容量切換端子と、スイッチと、反転手段とによって、蓄積容量切換手段が構成されているが、蓄積容量切換手段は、蓄積容量切換端子に入力された信号に従って、蓄積容量を切り換えることができるように構成されていれば良い。
【００９５】
更に、本実施形態に係る固体撮像装置の代わりに、蓄積容量切り換え機能のみを備える固体撮像装置を構成しても良い。すなわち、固体撮像装置は、２次元状に配列される複数の単位画素と、同一列に整列する単位画素の各々に電気的に接続され、単位画素から出力される信号を保持する蓄積手段を含み、かつ、単位画素から出力される信号に含まれるノイズを除去するノイズ除去回路と、蓄積手段の容量を切り換える蓄積容量切り換え手段とを備えていれば良い。このような構成によれば、列信号増幅手段の有無に関わらず、上述したように、ゲインの減衰量を調整することが可能となる。
【００９６】
（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態に係るカメラシステムの概略構成を示す図である。より具体的には、カラムアンプゲインを制御可能なカメラシステムの概略構成を示す図である。尚、カメラシステムとは、種々の用途のカメラ、画像入力機器、これらを備える装置を含む意味である。
【００９７】
カメラシステム６９９は、チップ上に形成された第２の実施形態に係る固体撮像装置５００ｂと、ＩＳＯ感度設定機構７００と、照度センサ７０１と、ヘッドライトスイッチ７０２と、ＣＤＳ／ＡＤ変換部７０３と、ＤＳＰ（信号処理部）７０４とを備える。
【００９８】
固体撮像装置５００ｂのゲイン切換端子５１０及び蓄積容量切換端子５１１には、ＩＳＯ感度設定機構７００、照度センサ７０１及びヘッドライトスイッチ７０２から、手動操作によって、あるいは、自動的に制御信号が入力される。第２の実施形態において説明したように、固体撮像装置５００ｂは、入力された制御信号に従って、カラムアンプゲイン及びクランプ容量の少なくとも一方を切り換えることができる。
【００９９】
ＣＤＳ／ＡＤ変換部７０３は、固体撮像装置５００ｂの信号出力端子５０９から出力された画像情報をディジタル情報に変換する。
【０１００】
ＤＳＰ７０４は、ＣＤＳ／ＡＤ変換部７０３から出力されたディジタル情報に対して所定の信号処理を施し、信号処理が施された情報を画像として出力する。
【０１０１】
ＩＳＯ感度設定機構７００は、感度設定に応じた制御信号を出力する。したがって、ＩＳＯ感度設定機構７００を用いることによって、低照度下の被写体を低ノイズで撮像する場合と、高照度下の被写体をダイナミックレンジを優先して撮像する場合とを切り換えることが可能となる。
【０１０２】
また、照度センサ７０１は、照度を検出し、検出された照度に応じた制御信号を出力する。したがって照度センサ７０１を用いることによって、照度に応じたゲインおよびクランプ容量を設定することが可能となる。
【０１０３】
あるいは、カメラシステム６９９を車載用途に用いる場合、ヘッドライトスイッチ７０２を、ヘッドライト８００の制御のためと、固体撮像装置５００ｂの撮像状態切換のためとに兼用しても良い。
【０１０４】
尚、本実施形態に係るカメラシステム６９９は、ＩＳＯ感度設定機構７００と、照度センサ７０１と、ヘッドライトスイッチ７０２との全てが制御信号を出力するように構成されているが、カメラシステム６９９は、いずれか１つのみ備えていても良い。
【０１０５】
また、ＩＳＯ感度設定機構７００と、照度センサ７０１と、ヘッドライトスイッチ７０２等の感度設定手段から出力される制御信号は、２値の信号であっても、連続信号でも良い。また、制御信号の段階数は、特に限定されない。
【０１０６】
更に、本実施形態においては、感度設定手段の具体例として、ＩＳＯ感度設定機構７００と、照度センサ７０１と、ヘッドライトスイッチ７０２とを示しているが、カラムアンプゲイン及びクランプ容量を切り換えるために使用できる情報を出力することができれば、他の制御手段が感度設定手段として用いられても良い。
【０１０７】
更に、本実施形態に係るカメラシステムは、蓄積容量切り換え機能のみを備える固体撮像装置を備えていても良い。この場合、感度設定手段から出力される信号は、固体撮像装置の蓄積容量切換端子に入力される。このようなカメラシステムによれば、列信号増幅手段の有無に関わらず、ゲインの減衰量を調整するという効果を奏することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本発明に係る固体撮像装置によれば、従来の固体撮像装置と比べて、特に低照度下における撮像時に大幅にノイズを低減することが可能であるため、画素信号の振幅が小さい場合であっても、高Ｓ／Ｎ比の画像を撮像することができる。このため、本発明に係る固体撮像装置は、例えば、高級一眼レフタイプのディジタルスチルカメラや、民生用またはプロ用ディジタルスチルカメラに用いられ、かつ、低照度時の高Ｓ／Ｎ画質を要求されるＭＯＳ型固体撮像装置、あるいは、ハイビジョン動画撮像を主目的とする放送用ＭＯＳ型固体撮像装置、あるいは、天体観測用カメラ、または、車載用カメラなどに特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す図
【図２】図１に示されるＡ部分の詳細を示す図
【図３Ａ】固体撮像装置における１つの信号経路を模式的に示す図
【図３Ｂ】出力アンプゲインを増加した場合の信号及びノイズのレベルを示す図
【図３Ｃ】カラムアンプゲインを増加した場合の信号及びノイズのレベルを示す図
【図４】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す図
【図５】図４に示されるＢ部分の詳細を示す図
【図６Ａ】ノイズ除去回路の概略構成を示す図
【図６Ｂ】ノイズ除去回路に供給される信号のタイミングを示す図
【図７】本発明の第３の実施形態に係るカメラシステムの概略構成を示す図
【図８】従来のＭＯＳ型固体撮像装置の概略図
【図９】従来のＭＯＳ型固体撮像装置における入射光量と出力特性（光電変換特性）との関係を示す図
【符号の説明】
【０１１０】
５００  固体撮像装置
５０１  単位画素
５０２  垂直信号線
５０３  行選択手段
５０４  列選択手段
５０５  列信号増幅手段
５０６  ノイズ除去回路
５０７  水平信号線
５０８  出力アンプ
５０９  信号出力端子
５１０  ゲイン切換端子
５１１  蓄積容量切換端子
６００、６０１  反転手段
６１０  クランプキャパシタ
６１１  クランプ電源
６１２  サンプリングキャパシタ
６９９  カメラシステム
７００  ＩＳＯ感度設定機構
７０１  照度センサ
７０２  ヘッドライトスイッチ
７０３  ＣＤＳ／ＡＤ変換部
７０４  ＤＳＰ（信号処理部）
８００  ヘッドライト
【図１】
2007181088.tif 000009
【図２】
2007181088.tif 000010
【図３Ａ】
2007181088.tif 000011
【図３Ｂ】
2007181088.tif 000012
【図３Ｃ】
2007181088.tif 000013
【図４】
2007181088.tif 000014
【図５】
2007181088.tif 000015
【図６Ａ】
2007181088.tif 000016
【図６Ｂ】
2007181088.tif 000017
【図７】
2007181088.tif 000018
【図８】
2007181088.tif 000019
【図９】
2007181088.tif 000020