(57)【要約】【課題】対数特性部の高輝度側に現れる線形特性を除去する。【解決手段】時刻ｔ７において、サンプルホールド要素４１１は、出力信号Ｙ２と出力信号Ｙ１との差分値を第１信号成分ｓｉｇ＿（Ａ＋Ｂ）として求める（第１取得処理）。時刻ｔ１１において、サンプルホールド要素４１１は、出力信号Ｙ３と出力信号Ｙ２との差分値を第２余剰線形成分ｓｉｇ＿Ｃとして求める（推定処理）。サンプルホールド要素４１１は、第２余剰線形成分ｓｉｇ＿Ｃに、第２転送待機期間Ｔ２に対する第１転送待機期間Ｔ１の比（＝Ｔ１／Ｔ２）を乗じ、第１余剰線形成分ｓｉｇ＿Ｂを推定する（ｓｉｇ＿Ｂ＝（Ｔ１／Ｔ２）・ｓｉｇ＿Ｃ）。サンプルホールド要素４１１は、第１信号成分ｓｉｇ＿（Ａ＋Ｂ）から第１余剰線形成分ｓｉｇ＿Ｂを除去し、最終信号成分ｓｉｇ＿Ａを生成する（信号生成処理）。【選択図】図５
2012085055.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低輝度光入射時には線形特性、高輝度光入射時には対数特性の光電変換特性を持つ画素回路と、
前記画素回路から出力される出力信号を読み出す読出回路と、
露光期間が終了してから次の露光期間が開始されるまでの読出期間において、前記画素回路から前記読出回路に出力信号を出力させる制御部とを備え、
前記画素回路は、入射光量に応じた信号電荷を蓄積するフォトダイオードと、浮遊拡散層と、前記フォトダイオードに蓄積された信号電荷を前記浮遊拡散層に転送する転送トランジスタとを備え、
前記制御部は、前記読出期間において、前記転送トランジスタを２回導通状態にし、前記フォトダイオードから前記浮遊拡散層に信号電荷を２回転送させ、
前記読出回路は、
前記読出期間において、前記浮遊拡散層への１回目の信号電荷の転送が終了したときの第１出力信号を前記画素回路から取得する第１取得処理と、
前記読出期間において、前記浮遊拡散層への２回目の信号電荷の転送が終了したときの第２出力信号を前記画素回路から取得する第２取得処理と、
前記読出期間が開始されてから前記１回目の信号電荷の転送が終了されるまでの第１転送待機期間において、線形特性で前記画素回路に蓄積される信号電荷によって前記第１出力信号に現れる第１余剰線形成分を、前記第１及び第２出力信号のうち少なくとも前記第２出力信号を用いて推定する推定処理と、
前記第１出力信号から前記第１余剰線形成分を除去することで最終信号成分を生成する信号生成処理とを実行する固体撮像素子。
【請求項２】
前記推定処理は、前記１回目の信号電荷の転送が終了してから前記２回目の信号電荷の転送が終了するまでの第２転送待機期間において、前記フォトダイオードに線形特性で蓄積された信号電荷によって前記第２出力信号に現れる第２余剰線形成分を、前記第１出力信号と前記第２出力信号との差分から求め、前記第２余剰線形成分から前記第１余剰線形成分を推定する請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記制御部は、前記読出期間において、信号電荷を転送するとき以外の期間では、前記転送トランジスタを非導通状態にし、
前記推定処理は、前記第２余剰線形成分に、前記第２転送待機期間に対する前記第１転送待機期間の比を乗じ、前記第１余剰線形成分を推定する請求項２記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記制御部は、前記読出期間において、信号電荷を転送するとき以外の期間では、前記転送トランジスタを導通状態と非導通状態との中間状態にし、
前記第１取得処理は、前記１回目の信号電荷の転送が開始されるまでに、前記画素回路から出力信号を読み出してノイズ成分を取得し、前記第１出力信号から前記ノイズ成分を差し引き、第１信号成分を取得し、
前記推定処理は、前記読出期間が開始されてから前記第１取得処理により前記ノイズ成分が取得されるまでのノイズ取得待機期間と前記第１転送待機期間との差分を差分待機期間とすると、前記第２転送待機期間に対する前記差分待機期間の比を、前記第２余剰線形成分に乗じ、前記第１余剰線形成分を推定し、
前記信号生成処理は、前記第１信号成分から前記第１余剰線形成分を除去する請求項２記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記制御部は、前記１回目の信号電荷の転送が終了してから、前記２回目の信号電荷の転送が開始されるまでの間に前記浮遊拡散層を１度リセットし、
前記第２取得処理は、前記浮遊拡散層がリセットされてから前記２回目の信号電荷の転送が開始されるまでに前記画素回路から出力信号を読み出してノイズ成分を取得し、前記第２出力信号から前記ノイズ成分を除去して第２信号成分を取得し、
前記推定処理は、前記第２信号成分から前記第１余剰線形成分を推定する請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記制御部は、前記読出期間において、信号電荷を転送するとき以外の期間では、前記転送トランジスタを非導通状態にし、
前記推定処理は、前記１回目の信号電荷の転送が終了してから前記２回目の信号電荷の転送が終了するまでの第２転送待機期間に対する前記第１転送待機期間の比を、前記第２信号成分に乗じて前記第１余剰線形成分を推定する請求項５記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記制御部は、前記読出期間において、信号電荷を転送するとき以外の期間では、前記転送トランジスタを導通状態と非導通状態との中間状態とし、
前記第１取得処理は、前記１回目の信号電荷の転送が開始されるまでに、前記画素回路から出力信号を読み出してノイズ成分を取得し、前記第１出力信号から前記ノイズ成分を差し引き、第１信号成分を取得し、
前記推定処理は、前記読出期間が開始されてから前記第１取得処理により前記ノイズ成分が取得されるまでのノイズ取得待機期間と前記第１転送待機期間との差分を差分待機期間とすると、前記１回目の信号電荷の転送が終了されてから前記２回目の信号電荷の転送が終了するまでの第２転送待機期間に対する前記差分待機期間の比を、前記第２信号成分に乗じ、前記第１余剰線形成分を推定し、
前記信号生成処理は、前記第１信号成分から前記第１余剰線形成分を除去する請求項５記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記第１取得処理は、前記１回目の信号電荷の転送が開始されるまでに前記画素回路から出力信号を読み出してノイズ成分を取得し、前記第１出力信号から前記ノイズ成分を差し引き、第１信号成分を取得し、
前記信号生成処理は、前記第１信号成分から前記第１余剰線形成分を除去する請求項１〜７のいずれかに記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタルカメラ等の撮像装置においては、高画質化の要請に伴い、撮像センサが扱うことのできる被写体の輝度範囲、すなわちダイナミックレンジ（ＤＲ）を拡大させることが１つの大きなテーマとなっている。ダイナミックレンジの拡大に関し、例えばＭＯＳＦＥＴのサブスレッショルド特性を利用することで、高輝度側の光電変換特性が、入射光量に応じて自然対数的（以下、「対数的」と記述する）に増大させる特性を持つ撮像センサ、すなわち線形特性部及び対数特性部からなる光電変換特性を持つ撮像センサ（リニアログセンサという）が知られている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
リニアログセンサは、上述のように入射光量に対して対数的に変換された出力が得られることから、線形特性部だけの光電変換特性を有する撮像センサと比べてより広いダイナミックレンジを確保することができる。
【０００４】
上述の撮像センサでは、画素回路を構成する回路素子の特性のバラツキに起因して線形特性部と対数特性部との境界点である変曲点がばらつく場合があり、画質に少なからぬ悪影響を与えていた。そこで、特許文献２では、この特性のバラツキを補正する技術が開示されている。
【０００５】
この技術では、画素ごとに変曲点パラメタ及び対数特性部パラメタを持ち、これらのパラメタを用いて回路素子の特性のバラツキが補正される。なお、この技術では、補正に際して、対数特性部では光量の対数に対して出力が線形的に変化するという前提が使用されている。つまり、対数特性部において対数特性が維持されるという前提が使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−０７７７３３号公報
【特許文献２】特開２００７−０７４４８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、対数特性部の特に高輝度側において、光量の対数に対して出力が線形的に変化しない特性を示すことがある。つまり、対数特性部の高輝度側において、対数特性とは異なる線形特性が現れることがある。
【０００８】
図１２は、対数特性部の高輝度側に線形特性が現れた光電変換特性を示したグラフであり、縦軸は出力を示し、横軸は光量を対数で示している。図１２に示すように、光電変換特性は、変曲点Ｐ１を境に低輝度側の線形特性部Ｄ１と、変曲点Ｐ１を境に高輝度側の対数特性部Ｄ２と有している。そして、対数特性部Ｄ２の高輝度側では、グラフの傾きが大きく上側に湾曲し、対数特性とは異なる特性、つまり、線形特性が表れている。
【０００９】
この要因について本出願人が検討した結果、原因の少なくとも一部は、露光期間が終了してからフォトダイオードが浮遊拡散層に信号電荷を転送するまでの期間において、光照射に伴って発生する信号電荷にあることが判明した。
【００１０】
図１３は、従来の固体撮像素子に用いられる画素回路のタイミングチャートである。以下、図１３を用いて画素回路の動作を説明する。なお、図１３において、（Ａ）は浮遊拡散層（以下、「ＦＤ」（floating diffusion）と記述する。）が蓄積する信号電荷を示し、（Ｂ）はフォトダイオード（以下、「ＰＤ」と記述する。）が蓄積する信号電荷を示し、（Ｃ）はリセットトランジスタＲＳＴのゲートに印加される信号（以下、「ＲＳＴ信号」と記述する。）を示し、（Ｄ）は転送トランジスタＴＸのゲートに印加される信号（以下、「ＴＸ信号」と記述する。）を示し、（Ｅ）は行選択トランジスタのゲートに印加される信号（以下、「ＳＸ信号」と記述する。）を示している。
【００１１】
まず、時刻ｔ１において露光期間が終了すると、一度、ＲＳＴ信号が電圧ＶＬ、ＴＸ信号が電圧Ｖ１にされ、転送トランジスタＴＸのゲート及びリセットトランジスタＲＳＴのゲートが閉じられる。次に、ＳＸ信号が一定時間だけ電圧ＶＨにされＦＤの電圧が読み出される（時刻ｔ２）。これにより、ＦＤのリセットレベルであるノイズ成分が読み出される。次に、ＴＸ信号が電圧Ｖ３にされ、転送トランジスタＴＸのゲートが開かれ、ＰＤの信号電荷がＦＤに転送される（時刻ｔ３）。次に、ＴＸ信号が電圧Ｖ１にされ、転送トランジスタＴＸのゲートが閉じられる（時刻ｔ４）。次に、ＳＸ信号が一定時間だけ電圧ＶＨにされ、もう一度、ＦＤの電圧が読み出される（時刻ｔ５）。これにより、ＦＤからノイズ成分＋信号成分が読み出される。
【００１２】
図１４は、従来の固体撮像素子に用いられる画素回路のＰＤ、ＦＤ、転送トランジスタＴＸ、及びリセットトランジスタＲＳＴのエネルギーポテンシャルの推移を時系列で示した図である。なお、図１４において、ｔ０，ｔ２〜ｔ６は、図１３のｔ０，ｔ２〜ｔ６に対応している。また、図１４では、上に向かうにつれて電圧が低くなっている。
【００１３】
以下、図１４を用いて、エネルギーポテンシャルの推移について説明する。露光期間中である時刻ｔ０では、転送トランジスタＴＸのゲートは導通状態と非導通状態との間の中間状態にされている。そのため、ＰＤに蓄積される信号電荷が一定量を超えると、ＰＤはサブスレショルド状態となって、一部の信号電荷をＦＤ側に漏れ出しつつ、信号電荷を蓄積する。これにより、ＰＤは対数特性で信号電荷を蓄積する。なお、時刻ｔ０では、ＦＤはリセットトランジスタＲＳＴによりリセットされているため、ＰＤから漏れ出た信号電荷を蓄積しない。よって、ＦＤの電圧はリセットレベルＬ＿ＲＳＴに維持される。
【００１４】
時刻ｔ２では行選択トランジスタＳＸのゲートが開かれ、ＦＤのリセットレベルＬ＿ＲＳＴを示す出力信号が読み出されている。この出力信号はノイズ成分を示す。ここで、時刻ｔ２では転送トランジスタＴＸのゲートが閉じられているため、ＰＤにおいて信号電荷は線形特性で蓄積されている。これにより、ＰＤは下層Ｌ１において信号電荷をリニアログ特性で蓄積し、上層Ｌ２において信号電荷を線形特性で蓄積する。
【００１５】
ＰＤからＦＤに信号電荷が転送される直前の時刻ｔ３では、ＰＤは上層Ｌ２の厚みが更に増しており、線形特性で蓄積された信号電荷が増大している。
【００１６】
ＦＤに信号電荷が転送された直後の時刻ｔ４では、ＰＤで蓄積された信号電荷がそのままＦＤに転送されているため、ＦＤは、リセットレベルＬ＿ＲＳＴをボトムとして、ＰＤと同様、下層Ｌ１にリニアログ特性、上層Ｌ２に線形特性で信号電荷を蓄積している。
【００１７】
行選択トランジスタＳＸのゲート開かれた時刻ｔ５では、ＦＤの電圧を示す出力信号が読み出されている。この出力信号はノイズ成分と信号成分とを含む。
【００１８】
次の露光期間が開始される時刻ｔ６では、転送トランジスタＴＸが中間状態で駆動され、ＦＤがリセットされ、ＰＤにより信号電荷の蓄積が開始されている。
【００１９】
このように、従来の画素回路では、図１３に示す時刻ｔ１において、露光期間は終了しているが、ＰＤは継続して信号電荷を蓄積しているため、図１２に示すように対数特性部の高輝度側で線形特性が表れるのである。
【００２０】
図１２に示す対数特性部Ｄ２を数式で近似すると、以下の式で表される。
【００２１】
Ｙ＝ａ・Ｌ＋ｂ・１０Ｌ＋ｃ
但し、ａ，ｂ，ｃは係数を示し、Ｙは出力を示し、Ｌは底を１０としたときの光量の対数を示す。
【００２２】
特許文献２では、対数特性部Ｄ２が光量の対数に線形的に変化するという前提をもとに特性補正を行っている。つまり、対数特性部Ｄ２をＹ＝ａ・Ｌ＋ｃとして特性補正を行っている。よって、対数特性部Ｄ２の高輝度側で線形特性が表れる光電変換特性を持つ画素回路に対して、単に特許文献２の技術を適用しただけでは、光電変換特性のばらつきを精度良く補正することが困難となる。
【００２３】
本発明の目的は、対数特性部の高輝度側に現れる線形特性を除去することができる固体撮像素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
（１）本発明による固体撮像素子は、低輝度光入射時には線形特性、高輝度光入射時には対数特性の光電変換特性を持つ画素回路と、前記画素回路から出力される出力信号を読み出す読出回路と、露光期間が終了してから次の露光期間が開始されるまでの読出期間において、前記画素回路から前記読出回路に出力信号を出力させる制御部とを備え、前記画素回路は、入射光量に応じた信号電荷を蓄積するフォトダイオードと、浮遊拡散層と、前記フォトダイオードに蓄積された信号電荷を前記浮遊拡散層に転送する転送トランジスタとを備え、前記制御部は、前記読出期間において、前記転送トランジスタを２回導通状態にし、前記フォトダイオードから前記浮遊拡散層に信号電荷を２回転送させ、前記読出回路は、前記読出期間において、前記浮遊拡散層への１回目の信号電荷の転送が終了したときの第１出力信号を前記画素回路から取得する第１取得処理と、前記読出期間において、前記浮遊拡散層への２回目の信号電荷の転送が終了したときの第２出力信号を前記画素回路から取得する第２取得処理と、前記読出期間が開始されてから前記１回目の信号電荷の転送が終了されるまでの第１転送待機期間において、線形特性で前記画素回路に蓄積される信号電荷によって前記第１出力信号に現れる第１余剰線形成分を、前記第１及び第２出力信号のうち少なくとも前記第２出力信号を用いて推定する推定処理と、前記第１出力信号から前記第１余剰線形成分を除去することで最終信号成分を生成する信号生成処理とを実行する。
【００２５】
この構成によれば、読出期間において、フォトダイオードから浮遊拡散層に信号電荷が２回転送され、画素回路から出力信号が２回出力され、第１出力信号と第２出力信号とが取得されている。
【００２６】
第１出力信号は、露光期間で蓄積されたリニアログ特性で蓄積された信号電荷に相当する成分と、第１転送待機期間において線形特性で蓄積された信号電荷に相当する第１余剰線形成分とを含む。この第１余剰線形成分が、リニアログ特性の光電変換特性の対数特性部の高輝度側に現れる線形特性の原因となる。
【００２７】
第２転送待機期間が開始される前、一旦、フォトダイオードから浮遊拡散層に信号電荷が転送されているため、第２転送待機期間において、フォトダイオードはサブスレショルド状態にはならない。よって、第２転送待機期間で蓄積される信号電荷は線形特性となる。
【００２８】
したがって、第２出力信号は、第２転送期間において線形特性で蓄積された信号電荷に相当する成分を含む。
【００２９】
そこで、本構成では、少なくとも第２出力信号を用いて第１余剰線形成分を推定し、第１信号成分から第１余剰線形成分を除去している。そのため、第１出力信号から第１余剰線形成分を取り除くことができ、対数特性部の高輝度側に現れる線形特性を除去することができる。
【００３０】
（２）前記推定処理は、前記１回目の信号電荷の転送が終了してから前記２回目の信号電荷の転送が終了するまでの第２転送待機期間において、前記フォトダイオードに線形特性で蓄積された信号電荷によって前記第２出力信号に現れる第２余剰線形成分を、前記第１出力信号と前記第２出力信号との差分から求め、前記第２余剰線形成分から前記第１余剰線形成分を推定することが好ましい。
【００３１】
この構成によれば第１転送待機期間が終了したとき、浮遊拡散層には、露光期間にリニアログ特性で蓄積された信号電荷、第１転送待機期間に線形特性で蓄積された信号電荷が蓄積されている。よって、第１出力信号は、これらの信号電荷の和に相当する出力値を持つ。
【００３２】
また、第２転送待機期間が終了したとき、浮遊拡散層には、露光期間にリニアログ特性で蓄積された信号電荷、第１転送待機期間に線形特性で蓄積された信号電荷、及び第２転送待機期間に線形特性で蓄積された信号電荷が蓄積されている。よって、第２出力信号は、これらの信号電荷の和に相当する成分を持つ。
【００３３】
したがって、第２出力信号と第１出力信号との差分を求めることで、第２転送待機期間に線形特性で蓄積された信号電荷に相当する第２余剰線形成分が得られる。
【００３４】
そのため、第２余剰線形信号成分を正確に得ることができ、第１出力信号から第１余剰線形成分を正確に除去することができる。
【００３５】
（３）前記制御部は、前記読出期間において、信号電荷を転送するとき以外の期間では、前記転送トランジスタを非導通状態にし、前記推定処理は、前記第２余剰線形成分に、前記第２転送待機期間に対する前記第１転送待機期間の比を乗じ、前記第１余剰線形成分を推定することが好ましい。
【００３６】
この構成によれば、第１転送待機期間が終了したときに浮遊拡散層で蓄積されている信号電荷と、第２転送待機期間が終了したときに浮遊拡散層で蓄積されている信号電荷とが共に線形成分となる。そのため、第２転送待機期間に対する第１転送待機期間の比を第２余剰線形成分に乗じることで、第１余剰線形成分を正確に推定することができる。
【００３７】
（４）前記制御部は、前記読出期間において、信号電荷を転送するとき以外の期間では、前記転送トランジスタを導通状態と非導通状態との中間状態にし、前記第１取得処理は、前記１回目の信号電荷の転送が開始されるまでに、前記画素回路から出力信号を読み出してノイズ成分を取得し、前記第１出力信号から前記ノイズ成分を差し引き、第１信号成分を取得し、前記推定処理は、前記読出期間が開始されてから前記第１取得処理により前記ノイズ成分が取得されるまでのノイズ取得待機期間と前記第１転送待機期間との差分を差分待機期間とすると、前記第２転送待機期間に対する前記差分待機期間の比を、前記第２余剰線形成分に乗じ、前記第１余剰線形成分を推定し、前記信号生成処理は、前記第１信号成分から前記第１余剰線形成分を除去することが好ましい。
【００３８】
この構成によれば、読出期間において、転送トランジスタは信号電荷を転送するとき以外の期間では中間状態で駆動されている。また、リニアログ特性を持つ画素回路であるため、露光期間の少なくとも最後の期間では、転送トランジスタは中間状態で駆動されている。
【００３９】
したがって、読出期間が開始される際、転送トランジスタの状態を変化させる必要がなくなり、読出期間が開始されてから速やかにノイズ成分を得ることができ、第１取得処理の高速化を図ることができる。
【００４０】
（５）前記制御部は、前記１回目の信号電荷の転送が終了してから、前記２回目の信号電荷の転送が開始されるまでの間に前記浮遊拡散層を１度リセットし、前記第２取得処理は、前記浮遊拡散層がリセットされてから前記２回目の信号電荷の転送が開始されるまでに前記画素回路から出力信号を読み出してノイズ成分を取得し、前記第２出力信号から前記ノイズ成分を除去して第２信号成分を取得し、前記推定処理は、前記第２信号成分から前記第１余剰線形成分を推定することが好ましい。
【００４１】
この構成によれば、読出期間において、１回目の信号電荷の転送が終了されてから２回目の信号電荷の転送が開始されるまでの間に、１度、浮遊拡散層がリセットされるため、浮遊拡散層の飽和を防止することができる。
【００４２】
（６）前記制御部は、前記読出期間において、信号電荷を転送するとき以外の期間では、前記転送トランジスタを非導通状態にし、前記推定処理は、前記１回目の信号電荷の転送が終了してから前記２回目の信号電荷の転送が終了するまでの第２転送待機期間に対する前記第１転送待機期間の比を、前記第２信号成分に乗じて前記第１余剰線形成分を推定することが好ましい。
【００４３】
この構成によれば、第１転送待機期間が終了したときに浮遊拡散層で蓄積されている信号電荷と、第２転送待機期間が終了したときに浮遊拡散層で蓄積されている信号電荷とが共に線形成分となる。そのため、第２転送待機期間に対する第１転送待機期間の比を第２余剰線形成分に乗じることで、第１余剰線形成分を正確に推定することができる。
【００４４】
（７）前記制御部は、前記読出期間において、信号電荷を転送するとき以外の期間では、前記転送トランジスタを導通状態と非導通状態との中間状態とし、前記第１取得処理は、前記１回目の信号電荷の転送が開始されるまでに、前記画素回路から出力信号を読み出してノイズ成分を取得し、前記第１出力信号から前記ノイズ成分を差し引き、第１信号成分を取得し、前記推定処理は、前記読出期間が開始されてから前記第１取得処理により前記ノイズ成分が取得されるまでのノイズ取得待機期間と前記第１転送待機期間との差分を差分待機期間とすると、前記１回目の信号電荷の転送が終了されてから前記２回目の信号電荷の転送が終了するまでの第２転送待機期間に対する前記差分待機期間の比を、前記第２信号成分に乗じ、前記第１余剰線形成分を推定し、前記信号生成処理は、前記第１信号成分から前記第１余剰線形成分を除去することが好ましい。
【００４５】
この構成によれば、読出期間において、転送トランジスタは信号電荷を転送するとき以外の期間では中間状態で駆動されている。また、リニアログ特性を持つ画素回路であるため、露光期間の少なくとも最後の期間では、転送トランジスタは中間状態で駆動されている。
【００４６】
したがって、読出期間が開始される際、転送トランジスタの状態を変化させる必要がなくなり、読出期間が開始されてから速やかにノイズ成分を得ることができ、第１取得処理の高速化を図ることができる。
【００４７】
（８）前記第１取得処理は、前記１回目の信号電荷の転送が開始されるまでに前記画素回路から出力信号を読み出してノイズ成分を取得し、前記第１出力信号から前記ノイズ成分を差し引き、第１信号成分を取得し、前記信号生成処理は、前記第１信号成分から前記第１余剰線形成分を除去することが好ましい。
【００４８】
この構成によれば、第１出力信号からノイズ成分が除去されて第１信号成分が取得される。
【００４９】
上記（１）〜（８）と後述する実施例１〜４との対応関係は下記の通りである。
【００５０】
（１）：実施例１〜４
（２）：実施例１，３
（３）：実施例１
（４）：実施例３
（５）：実施例２，４
（６）：実施例２
（７）：実施例４
（８）：実施例１〜４
【発明の効果】
【００５１】
本発明によれば、第１出力信号から第１余剰線形成分を取り除くことができ、対数特性部の高輝度側に現れる線形特性を除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施の形態による固体撮像素子の全体的な構成概略を示すブロック図である。
【図２】図１の変形例による固体撮像素子の全体的な構成概略の別の例を示したブロック図である。
【図３】図１又は図２に示す画素に対応する画素回路１１の回路図である。
【図４】図３に示す画素回路の変形例の画素回路の回路図である。
【図５】図１、図２に示す固体撮像素子の実施例１の画素回路のタイミングチャートである。
【図６】図１、図２に示す固体撮像素子の実施例２の画素回路のタイミングチャートである。
【図７】図１、図２に示す固体撮像素子の実施例３の画素回路のタイミングチャートである。
【図８】図１、図２に示す固体撮像素子の実施例４の画素回路のタイミングチャートである。
【図９】実施例１〜４のサンプルホールド要素の一例を示す回路図である。
【図１０】実施例１，３のサンプルホールド要素のタイミングチャートである。
【図１１】実施例２，４のサンプルホールド要素のタイミングチャートである。
【図１２】対数特性部の高輝度側に線形特性が現れた光電変換特性を示したグラフである。
【図１３】従来の固体撮像素子に用いられる画素回路のタイミングチャートである。
【図１４】従来の固体撮像素子に用いられる画素回路のフォトダイオード、浮遊拡散層、転送トランジスタ、及びリセットトランジスタのエネルギーポテンシャルの推移を時系列で示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
図１は、本発明の実施の形態による固体撮像素子１の全体的な構成概略を示すブロック図である。固体撮像素子１は、画素アレイ部１０、垂直走査回路２０（制御部の一例）、タイミングジェネレータ（以下、「ＴＧ」と記述する。）３０、読出ユニット４０、及び出力アンプ５０を備えている。また、固体撮像素子１には、固体撮像素子１を制御する撮像回路６０が接続されている。なお、図１に示す固体撮像素子１は、出力アンプ５０からアナログの信号が出力されるアナログ出力の固体撮像素子である。
【００５４】
画素アレイ部１０は、水平方向にｍ（ｍは１以上の整数）列、垂直方向にｎ（ｎは１以上の整数）行でマトリックス状に配列された画素Ｇを含む。垂直走査回路２０は、画素アレイ部１０を垂直方向に走査し、各行を順次に選択する。垂直走査回路２０により選択された行の各画素Ｇは、各種出力信号を読出ユニット４０に出力する。
【００５５】
ＴＧ３０は、撮像回路６０の制御の下、垂直走査回路２０、サンプルホールド処理回路４１、出力回路４２、及び水平走査回路４３に同期信号を出力し、これらの回路の動作を同期させる。
【００５６】
読出ユニット４０は、サンプルホールド処理回路４１、出力回路４２、及び水平走査回路４３を含む。サンプルホールド処理回路４１は、画素アレイ部１０の各列に対応するｍ個のサンプルホールド要素４１１（読出回路の一例）を含む。
【００５７】
サンプルホールド要素４１１は、垂直走査回路２０によって選択された行のｍ個の画素Ｇのうち、対応する列の画素Ｇから出力信号を読み出し、読み出した出力信号を保持する。ここで、画素Ｇは、まず、ノイズ成分を示す出力信号を出力し、次いで、ノイズ成分＋信号成分を示す出力信号を出力する。そのため、サンプルホールド要素４１１は、ノイズ成分を保持する処理、保持したノイズ成分からノイズ成分＋信号成分を差し引き、信号成分を取り出す処理等を実行する。
【００５８】
出力回路４２は、画素アレイ部１０の各列に対応するｍ個の出力要素４２１を含む。出力要素４２１は、水平走査回路４３によって選択されると対応する列のサンプルホールド要素４１１から信号成分を読み出し、出力アンプ５０を介して撮像回路６０に出力する。
【００５９】
水平走査回路４３は、ＴＧ３０の制御の下、出力回路４２を水平走査して出力要素４２１を順次に選択し、出力回路４２から信号成分を順次に出力させる。
【００６０】
以上の固体撮像素子１の下記のように動作する。まず、垂直走査回路２０により画素アレイ部１０の各行が上側から下側又は下側から上側に向けて順次に選択される。選択された行のｍ個の画素Ｇからは、まず、ノイズ成分の出力信号が出力され、続いて、ノイズ成分＋信号成分の出力信号が出力される。各サンプルホールド要素４１１は、ノイズ成分からノイズ成分＋信号成分を差し引き、信号成分を取り出して保持する。各サンプルホールド要素４１１により保持された１行分の信号成分は、水平走査回路４３の水平走査によって出力要素４２１を介して順次に固体撮像素子１の外部に出力される。この１行分の処理が各行に対して行われ、１フレームの画像データが撮像回路６０に取り込まれる。
【００６１】
図２は、図１の変形例による固体撮像素子１ａの全体的な構成概略の別の例を示したブロック図である。図２の固体撮像素子１ａは、デジタル出力を想定した固体撮像素子である。図１との主な相違点は、読出ユニット４０が、出力回路４２及びに代えてカラムＡＤＣアレイ部７２を持つことにある。その他、固体撮像素子１ａは、クロック入力端子８０、ＰＬＬ９０、温度センサ１００、ランプジェネレータ１１０、センスアンプ１２０、シリアライザ１３０、及び出力端子１４０を備えている。
【００６２】
カラムＡＤＣアレイ部７２は、画素アレイ部１０の各列に対応するｍ個のカラムＡＤＣ要素７２１と、温度センサ１００のアナログの測定データをＡ／Ｄ変換する１個のカラムＡＤＣ要素７２１とを備えている。
【００６３】
カラムＡＤＣ要素７２１は、サンプルホールド要素４１１により保持されたアナログの信号成分をＡ／Ｄ変換して所定ビット（例えば１４ビット）のデジタルの信号成分にして保持する。ここで、カラムＡＤＣ要素７２１は、ランプ信号が入力されてから、信号成分のレベルがランプ信号のレベルを超える又は下回るまでの時間をカウントし、そのカウント値を信号成分のデジタル値とする。
【００６４】
水平走査回路４３は、左側から右側又は右側から左側に向けてカラムＡＤＣ要素７２１を順次に選択し、カラムＡＤＣ要素７２１にデジタルの信号成分を出力させる。
【００６５】
クロック入力端子８０は、例えば固体撮像素子１ａの外部に設けられたクロック発生回路（図略）から出力されたクロック信号を取り込む。ＰＬＬ９０は、クロック入力端子８０により取り込まれたクロック信号の周波数を所定の値に逓倍する。タイミングジェネレータ３０は、ＰＬＬ９０により逓倍されたクロック信号に基づいて、種々の同期信号を生成し、垂直走査回路２０、サンプルホールド処理回路４１、カラムＡＤＣアレイ部７２、及び水平走査回路４３の動作を同期させる。
【００６６】
ランプジェネレータ１１０は、各カラムＡＤＣ要素７２１が信号成分をＡ／Ｄ変換する際に使用するランプ信号を生成する。ランプ信号は、レベルが直線状に増大又は減少する信号である。
【００６７】
センスアンプ１２０は、カラムＡＤＣアレイ部７２から順次に出力される信号成分の波形を成形する。シリアライザ１３０は、センスアンプから１３０からパラレルで出力される所定ビットの信号成分をシリアルの信号に変換し、出力端子１４０に出力する。出力端子１４０は、シリアライザ１３０から出力されるシリアルの信号成分を固体撮像素子１ａの外部に設けられた例えば画像処理回路（図略）に出力する。
【００６８】
以上の固体撮像素子１ａの下記のように動作する。各サンプルホールド要素４１１が信号成分を取り出すまでの動作は固体撮像素子１と同じである。各サンプルホールド要素４１１により保持された１行分の信号成分は、各カラムＡＤＣ要素７２１に取り込まれ、Ａ／Ｄ変換されて保持される。各カラムＡＤＣ要素７２１に保持された信号成分は水平走査回路４３の水平走査によって、センスアンプ１２０、シリアライザ１３０、及び出力端子１４０を介して順次に固体撮像素子１ａの外部に出力される。この１行分の処理が各行に対して行われ、１フレームの画像データが画像処理回路（図略）に取り込まれる。
【００６９】
図３は、図１又は図２に示す画素Ｇに対応する画素回路１１の回路図である。この画素回路１１は、フォトダイオード（以下、「ＰＤ」と記述する。）、転送トランジスタ「以下、「Ｑ１」と記述する。）、リセットトランジスタ（以下、「Ｑ２」と記述する。）、増幅トランジスタ（以下、「Ｑ３」と記述する。）、行選択トランジスタ（以下、「Ｑ４」と記述する。）、及び、浮遊拡散層（以下、「ＦＤ」と記述する。ＦＤ：Floating diffusion）を備えている。
【００７０】
ＰＤは、埋め込み型のフォトダイオードにより構成されている。Ｑ１〜Ｑ４はそれぞれ、ＭＯＳＦＥＴにより構成されている。Ｑ１はゲートに転送信号（以下、「ＴＸ信号」と記述する。）が印加され、ソースがＦＤを介してＱ２に接続され、ドレインがＰＤに接続されている。そして、Ｑ１はＰＤに蓄積された信号電荷をＦＤに転送する。
【００７１】
ＰＤは、例えばアノードが基板に接地されて基準電圧ＶＳＳ（以下、「ＶＳＳ」と記述する。）が入力され、カソードがＱ１に接続されている。ＰＤは入射光量に応じた信号電荷を発生し、ＰＤの寄生容量にその信号電荷を蓄積する。Ｑ２はゲートにリセット信号（以下、「ＲＳＴ信号」と記述する。）が印加され、ドレインが駆動電圧ＶＤＤ（以下、「ＶＤＤ」と記述する。）の電圧源に接続され、ソースがＦＤに接続されている。Ｑ２はＦＤに転送された信号電荷を排出することでＦＤをリセットする。
【００７２】
Ｑ３はゲートがＦＤに接続され、ソースがＱ４に接続され、ドレインがＶＤＤの電圧源に接続されている。Ｑ３は、ＦＤに蓄積された信号電荷の電圧を増幅する。Ｑ４は、ゲートに読出信号（以下、「ＳＸ信号」と記述する。）が印加され、例えば、ドレインがＱ３に接続され、ソースが読出線Ｌ＿１に接続されている。そして、Ｑ４は、画素回路１１から出力信号を出力するスイッチとして機能する。なお、ＴＸ信号、ＲＳＴ信号、及びＳＸ信号は、例えば、垂直走査回路２０により出力される。
【００７３】
図４は、図３に示す画素回路の変形例の画素回路１１ａの回路図である。画素回路１１ａは、Ｑ３とＱ４との接続関係が画素回路１１と異なっているが、それぞれの機能は、画素回路１１のＱ３とＱ４と同じである。すなわち、Ｑ３のドレインがＱ４に接続され、Ｑ３のソースが読出線Ｌ＿１に接続されている。また、Ｑ４のドレインはＶＤＤの電圧源に接続されている。
【００７４】
ＴＸ信号は、図５に示すように、Ｑ１のゲートを完全に閉じてＱ１を非導通状態にする電圧Ｖ１、Ｑ１のゲートを完全に開けてＱ１を導通状態にする電圧Ｖ３、及びＱ１のゲートを半開させて、Ｑ１を導通状態と非導通状態との中間状態にする電圧Ｖ２を含む。電圧Ｖ２は、電圧Ｖ１と電圧Ｖ３との中間電圧である。これらの電圧Ｖ１〜Ｖ３は垂直走査回路２０が備える電圧印加回路（図略）から出力される。
【００７５】
入射光量が少ない場合、露光期間中においてＰＤにて発生した信号電荷は、ＰＤの寄生容量の中にとどまっているため、ＰＤの信号電荷と入射光量との間には線形の関係がある。一方、入射光量が多い場合、露光期間中においてＱ１がサブスレッショルド状態となるため、ＰＤにて発生した信号電荷の一部が、Ｑ１を通じてＦＤに流れ出る。この時、ＰＤに発生する信号電荷と入射光量との間には、自然対数（以下、「対数」と記述する。）の関係がある。これらの関係を利用して、画素回路１１，１１ａは、リニアログ特性を実現している。
【００７６】
なお、電圧印加回路を行ごとに設け、各行に異なる値の電圧Ｖ１〜Ｖ３を印加させてもよい。これにより、行ごとに好ましい値の電圧Ｖ１〜Ｖ３を用いてＱ１を駆動することができ、画素回路１１，１１ａの光電変換特性のばらつきを抑制することができる。
【００７７】
また、それぞれ異なる値の電圧Ｖ１〜Ｖ３を生成する複数の電圧印加回路と、各行がいずれか１つの電圧印加回路を選択するスイッチとを設け、行ごとに電圧Ｖ１〜Ｖ３の値を選択させてもよい。これにより、電圧印加回路の個数を削減すると同時に、行ごとに好ましい値の電圧Ｖ１〜Ｖ３を用いてＱ１を駆動することができる。
【００７８】
ＲＳＴ信号は、Ｑ２を導通状態にしてＦＤをリセットする電圧ＶＨと、Ｑ２を非道通状態にする電圧ＶＬとを含む。本実施の形態においては、露光期間の少なくとも最後の期間には電圧ＶＨがＱ２のゲートに印加されているものとする。
【００７９】
（実施例１）
図５は、図１、図２に示す固体撮像素子の実施例１の画素回路１１，１１ａのタイミングチャートである。このタイミングチャートは垂直走査回路２０によって選択されたある行のある列の画素回路１１，１１ａのタイミングチャートを示している。
【００８０】
図５において、（Ａ）はＦＤが蓄積する信号電荷を示し、（Ｂ）はＰＤが蓄積する信号電荷を示し、（Ｃ）はＲＳＴ信号を示し、（Ｄ）はＴＸ信号を示し、（Ｅ）はＳＸ信号を示している。
【００８１】
このタイミングチャートに示す動作は、垂直走査回路２０によって選択されたある行に属する各画素に対して行われる。まず、時刻ｔ０においてＴＸ信号が電圧Ｖ２から電圧Ｖ１に下げられ、Ｑ１が非導通状態となる。それと同時、あるいは、直後の時刻ｔ１にＲＳＴ信号が電圧ＶＨから電圧ＶＬに下げられ、Ｑ２が非導通状態となる。なお、時刻ｔ１にＴＸ信号を電圧Ｖ１に下げ、時刻ｔ０にＲＳＴ信号を電圧ＶＬに下げて、ＴＸ信号とＲＳＴ信号とを下げる順序を逆にしてもよい。
【００８２】
いずれにせよ、実施例１（後述の実施例２も同じ）では、ＴＸ信号が電圧Ｖ２から電圧Ｖ１に下げられたとき、又はＲＳＴ信号が電圧ＶＨから電圧ＶＬに下げられたときのいずれか遅いときを露光期間Ｔ＿Ｅの終了時刻と規定する。また、ＲＳＴ信号の電圧が電圧ＶＬから電圧ＶＨに上げられたときを露光期間Ｔ＿Ｅの開始時刻と規定する。
【００８３】
なお、本実施の形態では、露光期間Ｔ＿Ｅの少なくとも後半期間において、ＴＸ信号は電圧Ｖ２に設定され、Ｑ１はゲートが半開状態にあるものとする。ここで、少なくとも後半期間とは、例えば、露光期間Ｔ＿Ｅが、電圧Ｖ３のＴＸ信号をＱ１に印加する前半期間と、電圧Ｖ２のＴＸ信号をＱ１に印加する後半期間とを含むような場合を想定している。つまり、露光期間Ｔ＿ＥがＴＸ信号の電圧に応じて複数の期間を持つ場合、少なくとも最終の期間において、Ｑ１は中間状態で駆動されるのである。もちろん、露光期間Ｔ＿Ｅの全期間において、ＴＸ信号を電圧Ｖ２としてもよい。
【００８４】
時刻ｔ２において、ＳＸ信号が電圧ＶＬから電圧ＶＨに上げられ、Ｑ４が導通状態となる。この時、読出線Ｌ＿１からは、ＦＤの電圧がＱ３により増幅され、出力信号Ｙ１が出力される。出力信号Ｙ１は、サンプルホールド要素４１１によって保持される（第１取得処理）。この出力信号Ｙ１はＦＤのリセットレベルを示す信号であり、ノイズ成分を示す。なお、ノイズ成分は、ｋＴＣノイズに応じて定まり、画素回路１１，１１ａごとにばらついている。
【００８５】
時刻ｔ３において、ＳＸ信号が電圧ＶＨから電圧ＶＬに下げられ、Ｑ４が非導通状態となり、出力信号Ｙ１の読み出しが終了する。
【００８６】
時刻ｔ４において、ＴＸ信号が電圧Ｖ１から電圧Ｖ３に上げられ、Ｑ１が導通状態となり、ＰＤからＦＤへの１回目の信号電荷の転送が開始される。この時、ＰＤに蓄積されていた信号電荷は、Ｑ１を介してＦＤに転送され、ＦＤの電圧が変化する。時刻ｔ５において、ＴＸ信号が電圧Ｖ３から電圧Ｖ１に下げられ、Ｑ１が非導通状態となり、１回目の信号電荷の転送が終了する。
【００８７】
時刻ｔ６において、ＳＸ信号が電圧ＶＬから電圧ＶＨに上げられ、Ｑ４が導通状態となる。この時、読出線Ｌ＿１からは、ＦＤの電圧がＱ３により増幅され、出力信号Ｙ２（第１出力信号の一例）が出力される。出力信号Ｙ２は、サンプルホールド要素４１１によって保持される（第１取得処理）。時刻ｔ７において、ＳＸ信号が電圧ＶＨから電圧ＶＬに下げられ、Ｑ４が非導通状態となる。
【００８８】
時刻ｔ８において、ＴＸ信号が電圧Ｖ１から電圧Ｖ３に上げられ、Ｑ１が導通状態となる。この時、ＰＤに蓄積されていた信号電荷は、Ｑ１を介してＦＤに転送され、ＦＤの電圧が変化する。時刻ｔ９において、ＴＸ信号が電圧Ｖ３から電圧Ｖ１に下げられ、Ｑ１が非導通状態となる。
【００８９】
時刻ｔ１０において、ＳＸ信号が電圧ＶＬから電圧ＶＨに上げられ、Ｑ４が導通状態となる。この時、読出線Ｌ＿１からは、ＦＤの電圧がＱ３により増幅され、出力信号Ｙ３（第２出力信号の一例）が出力される（第２取得処理）。出力信号Ｙ３は、サンプルホールド要素４１１によって保持される。時刻ｔ１１において、ＳＸ信号が電圧ＶＨから電圧ＶＬに下げられ、Ｑ４が非導通状態となる。
【００９０】
ここで、時刻ｔ７において、サンプルホールド要素４１１は、出力信号Ｙ２と出力信号Ｙ１との差分値を第１信号成分ｓｉｇ＿（Ａ＋Ｂ）として求める（第１取得処理）。この第１信号成分ｓｉｇ＿（Ａ＋Ｂ）は、図５（Ａ）に示す信号電荷（Ａ＋Ｂ）に相当する出力値を有している。
【００９１】
そして、サンプルホールド要素４１１は、読出期間Ｔ＿Ｒが開始されてから１回目の信号電荷の転送が終了するまでの第１転送待機期間Ｔ１（時刻ｔ１〜時刻ｔ５）において、線形特性でＰＤに蓄積される信号電荷Ｂによって出力信号Ｙ２に現れる第１余剰線形成分ｓｉｇ＿Ｂを推定する（推定処理）。
【００９２】
ここで、サンプルホールド要素４１１は、１回目の信号電荷の転送が終了してから２回目の信号電荷の転送が終了するまでの第２転送待機期間Ｔ２（時刻ｔ５〜時刻ｔ９）においてＰＤに線形特性で蓄積された信号電荷Ｃに相当する第２余剰線形成分ｓｉｇ＿Ｃを、出力信号Ｙ３と出力信号Ｙ２との差分から求める。
【００９３】
そして、サンプルホールド要素４１１は、第２余剰線形成分ｓｉｇ＿Ｃに、第２転送待機期間Ｔ２に対する第１転送待機期間Ｔ１の比（＝Ｔ１／Ｔ２）を乗じ、第１余剰線形成分ｓｉｇ＿Ｂを推定する（ｓｉｇ＿Ｂ＝（Ｔ１／Ｔ２）・ｓｉｇ＿Ｃ）。
【００９４】
そして、サンプルホールド要素４１１は、第１信号成分ｓｉｇ＿（Ａ＋Ｂ）から第１余剰線形成分ｓｉｇ＿Ｂを除去し、最終信号成分ｓｉｇ＿Ａを生成する（信号生成処理）。
【００９５】
第１転送待機期間Ｔ１の時刻ｔ１〜時刻ｔ４においては、Ｑ１は非道通状態になるが、ＰＤは露光を継続しているため、図５（Ｂ）に示すようにＰＤは線形特性で信号電荷を蓄積する。また、第１転送待機期間Ｔ１の時刻ｔ４〜時刻ｔ５においては、Ｑ１は導通状態になるが、この間もＰＤは露光を継続しているため、ＰＤで発生した信号電荷は全てＦＤへと流れる。
【００９６】
ここで、時刻ｔ４〜時刻ｔ５において、ＰＤからＦＤへと流れる信号電荷は入射光量に対して線形特性の関係を有している。そのため、時刻ｔ５において、ＦＤは、露光期間Ｔ＿Ｅにリニアログ特性で蓄積された信号電荷Ａと、第１転送待機期間Ｔ１に線形特性で蓄積された信号電荷Ｂとを含む信号電荷（Ａ＋Ｂ）を蓄積している。この第１転送待機期間Ｔ１にて蓄積された信号電荷Ｂが図１２に示す対数特性部Ｄ２の高輝度側に現れる線形特性の原因となる。
【００９７】
一方、第２転送待機期間Ｔ２の時刻ｔ５〜時刻ｔ８において、Ｑ１は非道通状態となるが、ＰＤは露光を継続している。また、ＰＤは時刻ｔ４〜時刻ｔ５において信号電荷がＦＤへと転送されて、一旦、空となっている。そのため、ＰＤはサブスレショルド状態で駆動せず、図５（Ｂ）に示すように、第２転送待機期間の時刻ｔ５〜時刻ｔ８において、線形特性で信号電荷を蓄積する。
【００９８】
また、第２転送待機期間Ｔ２の時刻ｔ８〜時刻ｔ９においては、Ｑ１は導通状態となるが、この間もＰＤは露光を継続しているため、ＰＤで発生した信号電荷は全てＦＤへと流れる。
【００９９】
ここで、時刻ｔ８〜時刻ｔ９において、ＰＤからＦＤへと流れ出る信号電荷は入射光量に対して線形特性の関係を有している。そのため、時刻ｔ９において、ＦＤは、露光期間Ｔ＿Ｅにてリニアログ特性で蓄積された信号電荷Ａと、第１転送待機期間Ｔ１にて線形特性で蓄積された信号電荷Ｂと、第２転送待機期間Ｔ２にて線形特性で蓄積された信号電荷Ｃとを含む信号電荷（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）を蓄積している。
【０１００】
信号電荷Ｃと信号電荷Ｂとは共に線形特性であるため、その大きさは、信号電荷の蓄積時間に比例する。ここで、信号電荷Ｃの蓄積時間は第２転送待機期間Ｔ２であり、信号電荷Ｂの蓄積時間は第１転送待機期間Ｔ１である。よって、信号電荷Ｃに相当する第２余剰線形成分ｓｉｇ＿Ｃを求め、第２余剰線形成分ｓｉｇ＿Ｃに（Ｔ１／Ｔ２）を乗じることで、信号電荷Ｂに相当する第１余剰線形成分ｓｉｇ＿Ｂが得られる。
【０１０１】
図９は、実施例１のサンプルホールド要素４１１の一例を示す回路図である。図１０は、実施例１のサンプルホールド要素４１１のタイミングチャートである。図１０において、（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれスイッチＳ＿Ａ〜Ｓ＿Ｃをオンオフするためのスイッチング信号を示し、（Ｄ）〜（Ｆ）はそれぞれスイッチＳ＿Ｘ，Ｓ＿Ｙ，Ｓ＿ＣＬをオンオフするためのスイッチング信号を示し、（Ｇ）は図５（Ｅ）のＳＸ信号を示している。
【０１０２】
なお、図１０において、時刻ｔ２，ｔ３，ｔ６，ｔ７，ｔ１０，ｔ１１は、図５の同時刻に対応している。これらのスイッチング信号はハイレベルのとき、対応するスイッチをオンにし、ローレベルのとき、対応するスイッチをオフにする。これらのスイッチング信号は、例えばＴＧ３０から出力される。
【０１０３】
図９に示すサンプルホールド要素４１１は、左上のＣＤＳ回路（以下、「ＣＤＳ＿Ａ」と記述する。）、右上のＣＤＳ回路（以下、「ＣＤＳ＿Ｂ」と記述する。）、及び左下のＣＤＳ回路（以下、「ＣＤＳ＿Ｃ」と記述する。）の３つのＣＤＳ回路を備えている。
【０１０４】
ＣＤＳ＿Ａは、アンプＡ＿Ａ、コンデンサＣ＿Ａ１，Ｃ＿Ａ２、及びスイッチＳ＿Ａを含む。アンプＡ＿Ａは入力ノードがコンデンサＣ＿Ａ１を介して読出線Ｌ＿１に接続され、出力ノードがスイッチＳ＿Ｘを介してノードＸに接続されている。また、アンプＡ＿Ａの入出力ノード間にはスイッチＳ＿ＡとコンデンサＣ＿Ａ２との並列回路が接続されている。
【０１０５】
ＣＤＳ＿Ｂは、ＣＤＳ＿Ａと同一構成であり、アンプＡ＿Ｂの入力ノードがコンデンサＣ＿Ｂ１を介してノードＸに接続され、アンプＡ＿Ｂの出力ノードがノードＺに接続されている。ノードＺは、コンデンサＣ＿ＣＬを介してノードＯに接続されている。
【０１０６】
ＣＤＳ＿Ｃは、アンプＡ＿Ｃの入力ノードがコンデンサＣ＿Ｃ１を介して読出線Ｌ＿１に接続され、アンプＡ＿Ｃの出力ノードがスイッチＳ＿Ｙを介してノードＸに接続されている。
【０１０７】
ノードＯにはスイッチＳ＿ＣＬを介してクランプ電圧Ｖ＿ＣＬの電圧源が接続されている。また、コンデンサＣ＿ＣＬはノードＺ及びコンデンサＣｅを介して接地されている。スイッチＳ＿ＣＬがオンすると、ノードＯの電圧がクランプ電圧Ｖ＿ＣＬにクランプされる。
【０１０８】
以下、図１０を用いて図９のサンプルホールド要素４１１の動作について説明する。まず、出力信号Ｙ１が読み出される前に、スイッチＳ＿Ａ，Ｓ＿Ｂ，Ｓ＿Ｃ，Ｓ＿Ｘ，Ｓ＿ＣＬがオン、Ｓ＿Ｙがオフされ、サンプルホールド要素４１１がリセットされる。続いて、ＳＸ信号が電圧ＶＨにされ、出力信号Ｙ１が読み出されている間（時刻ｔ２〜時刻ｔ３）にスイッチＳ＿Ａ，Ｓ＿ＣＬがオフにされる。
【０１０９】
これにより、出力信号Ｙ１の出力値がＣＤＳ＿Ａで保持される。この時、ノードＸ，Ｚの各点の電圧はグランドレベルであり、コンデンサＣ＿ＣＬにはクランプ電圧Ｖ＿ＣＬが保持される。
【０１１０】
続いて、出力信号Ｙ２が読み出されている間（時刻ｔ６〜時刻ｔ７）に、スイッチＳ＿Ｂ，Ｓ＿Ｃがオフにされる。これにより、ノードＸの電圧は、（Ｙ１−Ｙ２）・（Ｃ＿Ａ１／Ｃ＿Ａ２）となる。また、ノードＹの電圧は、グランドレベル、ノードＺの電圧は、グランドレベルとなる。
【０１１１】
ここで、Ｃ＿Ａ１＝Ｃ＿Ａ２となるように、コンデンサＣ＿Ａ１，Ｃ＿Ａ２のキャパシタンスが設定されている。そのため、ノードＸにて（Ｙ１−Ｙ２）が現れる。つまり、ＣＤＳ＿Ａにより、出力信号Ｙ１と出力信号Ｙ２との差分値が求められ、第１信号成分ｓｉｇ＿（Ａ＋Ｂ）と絶対値が同じ電圧が保持される。
【０１１２】
続いて、出力信号Ｙ３が読み出される前に、スイッチＳ＿Ｘがオフ、スイッチＳ＿Ｙがオンにされる（時刻ｔ７〜時刻ｔ１０）。これにより、ＣＤＳ＿ＡがＣＤＳ＿Ｂから切り離され、ＣＤＳ＿ＣがＣＤＳ＿Ｂに接続される。
【０１１３】
時刻ｔ１１において、ＣＤＳ＿Ｃにより出力信号Ｙ３の読み出しが終了されると、ノードＸの電圧は、（Ｙ２−Ｙ３）・（Ｃ＿Ｃ１／Ｃ＿Ｃ２）となり、ノードＺの電圧は、｛（Ｙ１−Ｙ２）・（Ｃ＿Ａ１／Ｃ＿Ａ２）−（Ｙ２−Ｙ３）・（Ｃ＿Ｃ１／Ｃ＿Ｃ２）｝・（Ｃ＿Ｂ１／Ｃ＿Ｂ２）となる。
【０１１４】
ここで、Ｃ＿Ａ１＝Ｃ＿Ａ２，Ｃ＿Ｂ１＝Ｃ＿Ｂ２，Ｃ＿Ｃ１／Ｃ＿Ｃ２＝Ｔ１／Ｔ２となるようにコンデンサＣ＿Ａ１，Ｃ＿Ａ２，Ｃ＿Ｂ１，Ｃ＿Ｂ２，Ｃ＿Ｃ１，Ｃ＿Ｃ２のキャパンシタンスが設定されている。
【０１１５】
これにより、ノードＸの電圧は、（Ｙ２−Ｙ３）・（Ｔ１／Ｔ２）となり、第１余剰線形成分ｓｉｇ＿Ｂと絶対値が同じ電圧となる。つまり、ＣＤＳ＿Ｃにより、第２余剰線形成分ｓｉｇ＿Ｃに（Ｔ１／Ｔ２）が乗じられ、第１余剰線形成分ｓｉｇ＿Ｂが推定される。
【０１１６】
また、ノードＺの電圧は、（Ｙ１−Ｙ２）−（Ｙ２−Ｙ３）・（Ｔ１／Ｔ２）となり、最終信号成分ｓｉｇ＿Ａと絶対値が同じ電圧が得られる。つまり、ＣＤＳ＿Ｂにより、第１信号成分ｓｉｇ＿（Ａ＋Ｂ）と第１余剰線形成分ｓｉｇ＿Ｂとの差分値が求められ、最終信号成分ｓｉｇ＿Ａと絶対値が同じ電圧が生成される。なお、ノードＯからは、コンデンサＣ＿ＣＬに保持された電圧がノードＺの電圧に加算された値が出力される。
【０１１７】
ここで、図５を用いて、出力信号Ｙ１〜Ｙ３と信号成分との関係について説明する。出力信号Ｙ１はＦＤの空状態を表しているため０とする。すると、出力信号Ｙ２は、露光期間Ｔ＿ＥにＰＤで蓄積されたリニアログ特性の信号電荷Ａと、第１転送待機期間Ｔ１に線形特性でＰＤに蓄積されたリニア特性の信号電荷Ｂとの和の信号電荷（Ａ＋Ｂ）に相当する信号成分ｓｉｇ＿（Ａ＋Ｂ）の出力値を有する。したがって、出力信号Ｙ１と出力信号Ｙ２との差分値は、ｓｉｇ＿（Ａ＋Ｂ）となる。
【０１１８】
また、第２転送待機期間Ｔ２において、ＰＤには線形特性で信号電荷Ｃが蓄積される。よって、出力信号Ｙ３は、信号電荷（Ａ＋Ｂ）と信号電荷Ｃとの和の信号電荷（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）に相当する第２信号成分ｓｉｇ＿（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）の出力値を有する。したがって、出力信号Ｙ２と出力信号Ｙ３の差分値は、第２余剰線形成分ｓｉｇ＿Ｃを表す。
【０１１９】
ここで、信号電荷Ｃと信号電荷Ｂとの比はＴ２：Ｔ１であるため、第２余剰線形成分ｓｉｇ＿Ｃに、Ｔ１／Ｔ２の係数を乗じることで第１余剰線形成分ｓｉｇ＿Ｂが求まる。そして、この第１余剰線形成分ｓｉｇ＿Ｂを、信号成分ｓｉｇ＿（Ａ＋Ｂ）から減じることで最終信号成分ｓｉｇ＿Ａ、すなわち本来のリニアログ特性に相当する信号が求まる。
【０１２０】
なお、第１転送待機期間Ｔ１と第２転送待機期間Ｔ２とを等しくすれば、第２余剰線形成分ｓｉｇ＿Ｃに乗じる係数は１となるから、除算、乗算のプロセスがなくなるため、回路規模を低減することができる。その結果、固体撮像素子１，１ａの大きさ、コスト、消費電力を削減するうえで望ましい形態となる。このことは実施例２も同じである。
【０１２１】
（実施例２）
図６は、図１、図２に示す固体撮像素子の実施例２の画素回路１１，１１ａのタイミングチャートである。このタイミングチャートは、図５同様、垂直走査回路２０によって選択されたある行のある列の画素回路１１，１１ａのタイミングチャートを示している。なお、（Ａ）〜（Ｅ）の各波形は図５の（Ａ）〜（Ｅ）と同一である。また、このタイミングチャートに示す動作は、垂直走査回路２０によって選択されたある行に属する各画素に対して行われる点も図５と同様である。
【０１２２】
実施例２の実施例１との大きな相違点は、読出期間Ｔ＿Ｒにおいて、ＲＳＴ信号を電圧ＶＨにし、１度、ＦＤをリセットする点にある。これにより、ＦＤの飽和を防止することができる。
【０１２３】
時刻ｔ０〜時刻ｔ７までの動作は、実施例１と同一である。時刻ｔ８において、ＲＳＴ信号が電圧ＶＬから電圧ＶＨに上げら、Ｑ２が導通状態となる。このときＦＤが蓄積する信号電荷が排出され、ＦＤはリセットされる。
【０１２４】
時刻ｔ９において、ＲＳＴ信号が電圧ＶＨから電圧ＶＬに下げられ、Ｑ２が非導通状態となる。これにより、ＦＤのリセットが終了する。
【０１２５】
時刻ｔ１０において、ＳＸ信号が電圧ＶＬから電圧ＶＨに上げられＱ４が導通状態となる。この時、読出線Ｌ＿１からは、ＦＤに現れた電圧がＱ３により増幅され、出力信号Ｙ４が出力される。出力信号Ｙ４は、サンプルホールド要素４１１によって保持される（第２取得処理）。時刻ｔ１１において、ＳＸ信号が電圧ＶＨから電圧ＶＬに下げられ、Ｑ４が非導通状態となる。
【０１２６】
時刻ｔ１２において、ＴＸ信号が電圧Ｖ１から電圧Ｖ３に上げられ、Ｑ１が導通状態となる。この時、ＰＤに蓄積されていた信号電荷は、Ｑ１を通じてＦＤに転送され、ＦＤの電圧が変化する。時刻ｔ１３において、ＴＸ信号が電圧Ｖ３から電圧Ｖ１に下げられ、Ｑ１が非導通状態となる。これにより、２回目の信号電荷の転送が終了する。
【０１２７】
時刻ｔ１４において、ＳＸ信号が電圧ＶＬから電圧ＶＨに上げられ、Ｑ４が導通状態となる。この時、読出線Ｌ＿１からは、ＦＤに現れた電圧がＱ３で増幅され、出力信号Ｙ３が出力される。出力信号Ｙ３は、サンプルホールド要素４１１回路によって保持される（第２取得処理）。時刻ｔ１５において、ＳＸ信号が電圧ＶＨから電圧ＶＬに下げられ、Ｑ４が非導通状態となる。
【０１２８】
ここで、時刻ｔ７において、サンプルホールド要素４１１は、出力信号Ｙ２と出力信号Ｙ１との差分値を第１信号成分ｓｉｇ＿（Ａ＋Ｂ）として求める（第１取得処理）。
【０１２９】
また、時刻ｔ１５において、サンプルホールド要素４１１は、出力信号Ｙ４と出力信号Ｙ３との差分値を第２信号成分ｓｉｇ＿Ｃとして求める（第２取得処理）。
【０１３０】
ここで、サンプルホールド要素４１１は、第２転送待機期間Ｔ２（時刻ｔ５〜時刻ｔ１３）においてＰＤに線形特性で蓄積された信号電荷Ｃに相当する第２信号成分ｓｉｇ＿Ｃに、第２転送待機期間Ｔ２に対する第１転送待機期間Ｔ１の比（＝Ｔ１／Ｔ２）を乗じ、第１余剰線形成分ｓｉｇ＿Ｂを推定する（ｓｉｇ＿Ｂ＝（Ｔ１／Ｔ２）・ｓｉｇ＿Ｃ）（推定処理）。なお、第２転送待機期間Ｔ２は、１回目の信号電荷の転送が終了してから２回目の信号電荷の転送が終了するまでの期間を示す。
【０１３１】
そして、サンプルホールド要素４１１は、第１信号成分ｓｉｇ＿（Ａ＋Ｂ）から第１余剰線形成分ｓｉｇ＿Ｂを除去し、最終信号成分ｓｉｇ＿Ａを生成する（信号生成処理）。
【０１３２】
実施例２では、時刻ｔ８〜時刻ｔ９にて、ＦＤがリセットされているため、時刻ｔ５にてＦＤに転送された信号電荷（Ａ＋Ｂ）は排出される。そのため、時刻ｔ１３において、ＦＤは、第２転送待機期間Ｔ２でＰＤに蓄積された信号電荷Ｃのみ蓄積することになり、信号電荷（Ａ＋Ｂ）は蓄積していない。これにより、ＦＤの飽和の防止が図られている。
【０１３３】
第２転送待機期間Ｔ２の時刻ｔ５〜時刻ｔ１２において、Ｑ１は非導通状態となるが、ＰＤは露光を継続しているため、図６（Ｂ）に示すように線形特性で信号電荷を蓄積する。また、第２転送待機期間Ｔ２の時刻ｔ１２〜時刻ｔ１３においては、Ｑ１は導通状態になるが、この間もＰＤは露光を継続しているため、ＰＤで発生した信号電荷は全てＦＤへと流れる。
【０１３４】
ここで、時刻ｔ１２〜時刻ｔ１３において、ＰＤからＦＤへと流れる信号電荷は入射光量に対して線形特性の関係を有している。そのため、時刻ｔ１３において、ＦＤは、第２転送待機期間Ｔ２にて線形特性の信号電荷Ｃを蓄積している。
【０１３５】
よって、信号電荷Ｃに相当する第２信号成分ｓｉｇ＿Ｃを求め、第２信号成分ｓｉｇ＿Ｃに（Ｔ１／Ｔ２）を乗じることで、信号電荷Ｂに相当する第１余剰線形成分ｓｉｇ＿Ｂが得られる。
【０１３６】
実施例２のサンプルホールド要素４１１は、図９に示す実施例１のサンプルホールド要素４１１を用い、動作シーケンスを変更することで実現することができる。図１１は、実施例２のサンプルホールド要素４１１のタイミングチャートである。図１１において、（Ａ）〜（Ｇ）はそれぞれ図１０の（Ａ）〜（Ｇ）と同じである。
【０１３７】
時刻ｔ２〜時刻ｔ３の動作は図１０と同じである。出力信号Ｙ２が読み出されている間（時刻ｔ６〜時刻ｔ７）にスイッチＳ＿Ｂがオフにされる。これにより、ノードＸの電圧は、（Ｙ１−Ｙ２）・（Ｃ＿Ａ１／Ｃ＿Ａ２）となる。また、ノードＺの電圧は、グランドレベルとなる。
【０１３８】
ここで、Ｃ＿Ａ１＝Ｃ＿Ａ２となるように、コンデンサＣ＿Ａ１，Ｃ＿Ａ２のキャパシタンスが設定されている。そのため、ノードＸにてＹ１−Ｙ２の電圧が現れる。つまり、ＣＤＳ＿Ａにより、出力信号Ｙ１と出力信号Ｙ２との差分値が求められ、第１信号成分ｓｉｇ＿（Ａ＋Ｂ）と絶対値が同じ電圧が保持される。
【０１３９】
続いて、出力信号Ｙ４の読み出す前に、スイッチＳ＿Ｘがオフにされ、スイッチＳ＿Ｙがオンにされる（時刻ｔ７〜時刻ｔ１０）。これにより、ＣＤＳ＿ＡがＣＤＳ＿Ｂから切り離され、ＣＤＳ＿ＣがＣＤＳ＿Ｂに接続される。
【０１４０】
出力信号Ｙ４が読み出されている間（時刻ｔ１０〜時刻ｔ１１）に、スイッチＳ＿Ｃがオフにされる。これにより、ＣＤＳ＿Ｃにより、出力信号Ｙ４が保持される。このとき、ノードＹの電圧はグランドレベルとなる。
【０１４１】
時刻ｔ１５において、ＣＤＳ＿Ｃにより出力信号Ｙ３が読み出されると、ノードＸの電圧は、（Ｙ４−Ｙ３）・（Ｃ＿Ｃ１／Ｃ＿Ｃ２）となり、ノードＺの電圧は、｛（Ｙ１−Ｙ２）・（Ｃ＿Ａ１／Ｃ＿Ａ２）−（Ｙ４−Ｙ３）・（Ｃ＿Ｃ１／Ｃ＿Ｃ２）｝・（Ｃ＿Ｂ１／Ｃ＿Ｂ２）となる。
【０１４２】
ここで、Ｃ＿Ａ１＝Ｃ＿Ａ２，Ｃ＿Ｂ１＝Ｃ＿Ｂ２，Ｃ＿Ｃ１／Ｃ＿Ｃ２＝Ｔ１／Ｔ２となるようにコンデンサＣ＿Ａ１，Ｃ＿Ａ２，Ｃ＿Ｂ１，Ｃ＿Ｂ２，Ｃ＿Ｃ１，Ｃ＿Ｃ２のキャパンシタンスが設定されている。
【０１４３】
これにより、ノードＸの電圧は、（Ｙ４−Ｙ３）・（Ｔ１／Ｔ２）となり、第１余剰線形成分ｓｉｇ＿Ｂと絶対値が同じ電圧となる。つまり、ＣＤＳ＿Ｃにより、第２信号成分ｓｉｇ＿Ｃに（Ｔ１／Ｔ２）が乗じられ、第１余剰線形成分ｓｉｇ＿Ｂが推定される。
【０１４４】
また、ノードＺの電圧は、（Ｙ１−Ｙ２）−（Ｙ４−Ｙ３）・（Ｔ１／Ｔ２）となり、最終信号成分ｓｉｇ＿Ａと絶対値が等しい電圧となる。つまり、ＣＤＳ＿Ｂにより、第１信号成分ｓｉｇ＿（Ａ＋Ｂ）と第１余剰線形成分ｓｉｇ＿Ｂとの差分値が求められ、最終信号成分ｓｉｇ＿Ａが生成される。なお、ノードＯからは、コンデンサＣ＿ＣＬに保持された電圧がノードＺの電圧に加算された値が出力される。
【０１４５】
ここで、図６を用いて、出力信号Ｙ１〜Ｙ４と信号成分との関係について説明する。出力信号Ｙ１はＦＤの空状態を表しているため０とする。すると、出力信号Ｙ２は、露光期間Ｔ＿ＥにＰＤで蓄積されたリニアログ特性の信号電荷Ａと、第１転送待機期間Ｔ１に線形特性でＰＤに蓄積されたリニア特性の信号電荷Ｂとの和の信号電荷（Ａ＋Ｂ）に相当する第１信号成分ｓｉｇ＿（Ａ＋Ｂ）の出力値を有する。したがって、出力信号Ｙ２と出力信号Ｙ１との差分値は、第１信号成分ｓｉｇ＿（Ａ＋Ｂ）を示す。
【０１４６】
時刻ｔ４〜時刻ｔ５において、ＰＤの信号電荷がＦＤに全て転送されるため、Ｑ１はサブスレッショルド状態ではなくなり、第２転送待機期間Ｔ２の期間に発生する電荷は全てＰＤで保持され、ＦＤには流れ込まない。
【０１４７】
また、実施例２では、時刻ｔ８〜時刻ｔ９において、ＦＤが一旦リセットされるため、出力信号Ｙ４はＦＤの空状態を表す。したがって、出力信号Ｙ３と出力信号Ｙ４との差分値は、第２転送待機期間Ｔ２においてＰＤに線形特性で蓄積される第２信号成分ｓｉｇ＿Ｃとなる。
【０１４８】
ここで、信号電荷Ｃと信号電荷Ｂとの比はＴ２：Ｔ１であるため、第２信号成分ｓｉｇ＿Ｃに、Ｔ１／Ｔ２の係数を乗じることで第１余剰線形成分ｓｉｇ＿Ｂが求まる。
【０１４９】
そして、この第１余剰線形成分ｓｉｇ＿Ｂを、出力信号Ｙ２と出力信号Ｙ１との差分値であるｓｉｇ＿（Ａ＋Ｂ）から減じることで最終信号成分ｓｉｇ＿Ａ、すなわち本来のリニアログ特性に相当する信号が求まる。
【０１５０】
（実施例３）
図７は、図１、図２に示す固体撮像素子の実施例３の画素回路１１，１１ａのタイミングチャートである。このタイミングチャートは、図５同様、垂直走査回路２０によって選択されたある行のある列の画素回路１１，１１ａのタイミングチャートを示している。なお、（Ａ）〜（Ｅ）の各波形は図５の（Ａ）〜（Ｅ）と同一である。また、このタイミングチャートに示す動作は、垂直走査回路２０によって選択されたある行に属する各画素に対して行われる点も図５と同様である。
【０１５１】
実施例３は、実施例１の読出期間Ｔ＿Ｒにおいて、信号電荷を転送するとき以外は、ＴＸ信号を中間電位である電圧Ｖ２で駆動させたことを特徴とする。
【０１５２】
まず、時刻ｔ０において、ＲＳＴ信号が電圧ＶＨから電圧ＶＬに下げられ、Ｑ２が非導通状態となる。実施例３（後述する実施例４も同じ）では、読出期間Ｔ＿Ｒの開始時刻において、ＴＸ信号は変化しないため、ＲＳＴ信号が電圧ＶＨから電圧ＶＬに下げられたときを読出期間Ｔ＿Ｒの開始時刻と規定する。また、ＲＳＴ信号の電圧が電圧ＶＬから電圧ＶＨに上げられたときを露光期間Ｔ＿Ｅの開始時刻と規定する。
【０１５３】
時刻ｔ１において、ＳＸ信号が電圧ＶＬから電圧ＶＨに上げられ、Ｑ４が導通状態となる。出力信号Ｙ１は、サンプルホールド要素４１１によって保持される（第１取得処理）。この出力信号Ｙ１はＦＤのリセットレベルを示す信号であり、ノイズ成分を示す。
【０１５４】
時刻ｔ２において、ＳＸ信号が電圧ＶＨから電圧ＶＬに下げられ、Ｑ４が非導通状態となり、ノイズ成分の読み出しが終了する。
【０１５５】
時刻ｔ３において、ＴＸ信号が電圧Ｖ２から電圧Ｖ３に上げられ、Ｑ１が導通状態となり、ＰＤからＦＤへの１回目の信号電荷の転送が開始される。この時、ＰＤに蓄積されていた信号電荷は、Ｑ１を介してＦＤに転送され、ＦＤの電圧が変化する。
【０１５６】
時刻ｔ４において、ＴＸ信号が電圧Ｖ３から電圧Ｖ２に下げられ、Ｑ１が非導通状態と導通状態との中間状態になり、１回目の信号電荷の転送が終了する。
【０１５７】
時刻ｔ５において、ＳＸ信号が電圧ＶＬから電圧ＶＨに上げられ、Ｑ４が導通状態となる。この時、読出線Ｌ＿１からは、ＦＤに現れた電圧がＱ３により増幅され、出力信号Ｙ２が出力される。出力信号Ｙ２は、サンプルホールド要素４１１によって保持される（第１取得処理）。
【０１５８】
時刻ｔ６においてＳＸ信号が電圧ＶＨから電圧ＶＬに下げられ、Ｑ４が非導通状態となる。時刻ｔ７において、ＴＸ信号が電圧Ｖ２から電圧Ｖ３に上げられ、Ｑ１が導通状態となる。この時、ＰＤに蓄積されていた信号電荷は、Ｑ１を介してＦＤに転送され、ＦＤの電圧が変化する。時刻ｔ８において、ＴＸ信号が電圧Ｖ３から電圧Ｖ２に下げられ、Ｑ１が非導通状態と導通状態の中間状態となる。
【０１５９】
時刻ｔ９において、ＳＸ信号が電圧ＶＬから電圧ＶＨに上げられ、Ｑ４が導通状態となる。この時、読出線Ｌ＿１からは、ＦＤに現れた電圧がＱ３により増幅され、出力信号Ｙ３が出力される。出力信号Ｙ３は、サンプルホールド要素４１１によって保持される（第２取得処理）。時刻ｔ１０において、ＳＸ信号が電圧ＶＨから電圧ＶＬに下げられ、Ｑ４が非導通状態となる。
【０１６０】
ここで、時刻ｔ６において、サンプルホールド要素４１１は、出力信号Ｙ２と出力信号Ｙ１との差分値を第１信号成分ｓｉｇ＿（Ａ＋Ｂ−Ｄ）として求める（第１取得処理）。
この第１信号成分ｓｉｇ＿（Ａ＋Ｂ−Ｄ）は、図５（Ａ）に示す信号電荷（Ａ＋Ｂ−Ｄ）に相当する出力値を有している。
【０１６１】
そして、サンプルホールド要素４１１は、第２転送待機期間Ｔ５（時刻ｔ４〜時刻ｔ８）においてＰＤに線形特性で蓄積された信号電荷Ｃによって第２信号成分ｓｉｇ＿（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）に現れる第２余剰線形成分ｓｉｇ＿Ｃを、第１信号成分ｓｉｇ＿（Ａ＋Ｂ）と第２信号成分ｓｉｇ＿（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）との差分から求める（ｓｉｇ＿Ｃ＝ｓｉｇ＿（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）−ｓｉｇ＿（Ａ＋Ｂ））。なお、第２転送待機期間Ｔ５は、１回目の信号電荷の転送が終了してから２回目の信号電荷の転送が終了するまでの期間を示す。
【０１６２】
そして、ノイズ取得待機期間Ｔ３（時刻ｔ０〜時刻ｔ２）と、第１転送待機期間Ｔ４（時刻ｔ０〜時刻ｔ４）との差を差分待機期間（Ｔ４−Ｔ３）とする。なお、ノイズ取得待機期間Ｔ３は、読出期間Ｔ＿Ｒが開始されてから出力信号Ｙ１を取得するまでの期間を示す。
【０１６３】
そして、サンプルホールド要素４１１は、第２転送待機期間Ｔ５に対する差分待機期間（Ｔ４−Ｔ３）の比を、第２余剰線形成分ｓｉｇ＿Ｃに乗じ、第１余剰線形成分ｓｉｇ＿（Ｂ−Ｄ）を推定する（推定処理）。
【０１６４】
そして、サンプルホールド要素４１１は、第１信号成分ｓｉｇ＿（Ａ＋Ｂ−Ｄ）から第１余剰線形成分ｓｉｇ＿（Ｂ−Ｄ）を除去し、最終信号成分ｓｉｇ＿Ａを生成する（信号生成処理）。
【０１６５】
実施例３の処理は、図９に示す実施例１のサンプルホールド要素４１１を用いて、図１０に示す実施例１と同一の動作シーケンスを行うことで実現される。但し、Ｃ＿Ｃ１／Ｃ＿Ｃ２＝（Ｔ４−Ｔ３）／Ｔ５である。
【０１６６】
ここで、図７を用いて、出力信号Ｙ１〜Ｙ４と信号成分との関係について説明する。時刻ｔ０でＱ２は非導通状態となり、Ｑ１は高輝度光入射時ではサブスレッショルド状態で動作しているので、ＰＤからＦＤに電荷が流れ込む状態となっている。そのため、（Ａ）に示すように時刻ｔ０〜時刻ｔ３において、ＦＤの信号電荷が増大している。
【０１６７】
ここで、ＦＤが空の状態の出力信号を０とする。すると、出力信号Ｙ１はノイズ取得待機期間Ｔ３において、ＰＤからＦＤに流れ込む信号電荷Ｄに相当する出力値を有する。出力信号Ｙ２は、第１転送待機期間Ｔ４にてＰＤからＦＤに流れ込む信号電荷Ｂと、露光期間Ｔ＿ＥにてＰＤにより蓄積されるリニアログ特性の信号電荷Ａとの和の信号電荷（Ａ＋Ｂ）に相当する出力値を有する。したがって、出力信号Ｙ２と出力信号Ｙ１との差分値は第１信号成分ｓｉｇ（Ａ＋Ｂ−Ｄ）となる。
【０１６８】
時刻ｔ３において、ＰＤの信号電荷がＦＤに全て転送されたため、Ｑ１はサブスレッショルド状態ではなくなり、第２転送待機期間Ｔ５にて発生する信号電荷は全てＰＤで保持され、ＦＤには流れ込まない。よって、第２転送待機期間Ｔ５にてＰＤは信号電荷を線形特性で蓄積する。
【０１６９】
出力信号Ｙ３は、第２転送待機期間Ｔ５において、ＰＤにより線形特性で蓄積された信号電荷Ｃと、第１転送待機期間Ｔ４にてＰＤからＦＤに流れ込む信号電荷Ｂと、露光期間Ｔ＿ＥにてＰＤにより蓄積されるリニアログ特性の信号電荷Ａとの和の信号電荷（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）に相当する出力値を有する。したがって、出力信号Ｙ３と出力信号Ｙ２との差分値は第２余剰線形成分ｓｉｇ＿Ｃとなる。
【０１７０】
ここで、信号電荷（Ｂ−Ｄ）と信号電荷Ｃの比は、（Ｔ４−Ｔ３）：Ｔ５であるため、Ｔ４からＴ３を差し引いた値をＴ５で除した値（＝（Ｔ４−Ｔ３）／Ｔ５）を係数とし、この係数を第２余剰線形成分ｓｉｇ＿Ｃに乗じることで、第１余剰線形成分ｓｉｇ＿（Ｂ−Ｄ）が得られる。そして、この第１余剰線形成分ｓｉｇ＿（Ｂ−Ｄ）を、第１信号成分ｓｉｇ＿（Ａ＋Ｂ）から減じれば、リニアログ特性を有する最終信号成分ｓｉｇ＿Ａが求まる。
【０１７１】
なお、Ｔ４−Ｔ３とＴ５とを等しくすることにすれば、第２余剰線形成分ｓｉｇ＿Ｃに乗じる係数は１となり、除算、乗算のプロセスがなくなる。そのため、回路規模を低減することができ、大きさ、コスト、消費電力の点でより望ましい形態となる。この効果は、実施例４も同じである。
【０１７２】
（実施例４）
図８は、図１、図２に示す固体撮像素子の実施例４の画素回路１１，１１ａのタイミングチャートである。このタイミングチャートは、図５同様、垂直走査回路２０によって選択されたある行のある列の画素回路１１，１１ａのタイミングチャートを示している。なお、（Ａ）〜（Ｅ）の各波形は図５の（Ａ）〜（Ｅ）と同一である。また、このタイミングチャートに示す動作は、垂直走査回路２０によって選択されたある行に属する各画素に対して行われる点も図５と同様である。
【０１７３】
実施例４は、実施例２の読出期間Ｔ＿Ｒにおいて、信号電荷を転送するとき以外は、ＴＸ信号を中間電位である電圧Ｖ２にして、Ｑ１を中間状態で駆動させたことを特徴とする。つまり、実施例４は、実施例２と実施例３とを組み合わせたものである。時刻ｔ１〜時刻ｔ６の動作は、図７に示す実施例３の時刻ｔ１〜時刻ｔ６と同じである。
【０１７４】
時刻ｔ７において、ＲＳＴ信号が電圧ＶＬから電圧ＶＨに上げられ、Ｑ２が導通状態となる。このときＦＤに転送されていた信号電荷が排出され、ＦＤはリセットされる。時刻ｔ８において、ＲＳＴ信号が電圧ＶＨから電圧ＶＬに下げられ、Ｑ２は非導通状態となる。
【０１７５】
時刻ｔ９において、ＳＸ信号が電圧ＶＬから電圧ＶＨに上げられ、Ｑ４が導通状態となる。この時、読出線Ｌ＿１からは、ＦＤに現れた電圧がＱ３により増幅され、出力信号Ｙ４が出力される。出力信号Ｙ４は、サンプルホールド要素４１１によって保持される（第２取得処理）。
【０１７６】
時刻ｔ１０において、ＳＸ信号が電圧ＶＨから電圧ＶＬに下げられ、Ｑ４が非導通状態となる。時刻ｔ１１において、ＴＸ信号が電圧Ｖ２から電圧Ｖ３に上げられ、Ｑ１が導通状態となる。この時、ＰＤに蓄積されていた信号電荷は、Ｑ１を通じてＦＤに転送され、ＦＤの電圧が変化する。
【０１７７】
時刻ｔ１２において、ＴＸ信号が電圧Ｖ３から電圧Ｖ２に下げられＱ１が非導通状態と導通状態の中間状態となる。時刻ｔ１３において、ＳＸ信号が電圧ＶＬから電圧ＶＨに上げられ、Ｑ４が導通状態となる。この時、読出線Ｌ＿１からは、ＦＤに現れた電圧がＱ３で増幅され、出力信号Ｙ３が出力される。出力信号Ｙ３は、サンプルホールド要素４１１に保持される（第２取得処理）。時刻ｔ１４において、ＳＸ信号が電圧ＶＨから電圧ＶＬに下げられ、Ｑ４が非導通状態となる。
【０１７８】
ここで、時刻ｔ６において、実施例３と同様、サンプルホールド要素４１１は、出力信号Ｙ２と出力信号Ｙ１との差分値を、第１信号成分ｓｉｇ＿（Ａ＋Ｂ−Ｄ）として求める（第１取得処理）。
【０１７９】
また、時刻ｔ１４において、サンプルホールド要素４１１は、出力信号Ｙ４と出力信号Ｙ３との差分値を第２信号成分ｓｉｇ＿Ｃとして求める（第２取得処理）。
【０１８０】
そして、ノイズ取得待機期間Ｔ３（時刻ｔ０〜時刻ｔ２）と、第１転送待機期間Ｔ４（時刻ｔ０〜時刻ｔ４）との差を差分待機期間（Ｔ４−Ｔ３）とする。
【０１８１】
そして、サンプルホールド要素４１１は、第２転送待機期間Ｔ５に対する差分待機期間（Ｔ４−Ｔ３）の比を、第２信号成分ｓｉｇ＿Ｃに乗じ、第１余剰線形成分ｓｉｇ＿（Ｂ−Ｄ）を推定する（推定処理）。
【０１８２】
そして、サンプルホールド要素４１１は、第１信号成分ｓｉｇ＿（Ａ＋Ｂ−Ｄ）から第１余剰線形成分ｓｉｇ＿（Ｂ−Ｄ）を除去し、最終信号成分ｓｉｇ＿Ａを生成する（信号生成処理）。
【０１８３】
実施例４の処理は、図９に示す実施例１のサンプルホールド要素４１１を用いて、図１１に示す実施例２と同一の動作シーケンスを行うことで実現される。但し、Ｃ＿Ｃ１／Ｃ＿Ｃ２＝（Ｔ４−Ｔ３）である。
【０１８４】
ここで、図８を用いて、出力信号Ｙ１〜Ｙ４と信号成分との関係について説明する。図８の時刻ｔ０〜時刻ｔ６までの動作シーケンスは、図７の時刻ｔ０〜時刻ｔ６までの動作シーケンスと同じである。したがって、出力信号Ｙ２と出力信号Ｙ１との差分値は、実施例３と同様、第１信号成分ｓｉｇ＿（Ａ＋Ｂ−Ｄ）となる。
【０１８５】
時刻ｔ３〜時刻ｔ４において、ＰＤの信号電荷がＦＤに全て転送されるため、Ｑ１はサブスレッショルド状態ではなくなり、第２転送待機期間Ｔ５の期間に発生する電荷は全てＰＤで保持され、ＦＤには流れない。
【０１８６】
また、実施例４では、時刻ｔ７〜時刻ｔ８において、ＦＤが一旦リセットされるため、出力信号Ｙ４はＦＤの空状態を表す。したがって、出力信号Ｙ３と出力信号Ｙ４との差分値は、第２信号成分ｓｉｇ＿Ｃとなる。
【０１８７】
信号電荷（Ｂ−Ｄ）と信号電荷Ｃとの比は、（Ｔ４−Ｔ３）：Ｔ５であるため、Ｔ４からＴ３を差し引いた値をＴ５で除した値を係数（＝（Ｔ４−Ｔ３）／Ｔ５）とし、この係数を第２信号成分ｓｉｇ＿Ｃに乗じることで、第１余剰線形成分ｓｉｇ＿（Ｂ−Ｄ）が得られる。そして、この第１余剰線形成分ｓｉｇ＿（Ｂ−Ｄ）を、第１信号成分ｓｉｇ＿（Ａ＋Ｂ）から減じれば、リニアログ特性を有する最終信号成分ｓｉｇ＿Ａが求まる。
【符号の説明】
【０１８８】
１，１ａ  固体撮像素子
１０  画素アレイ部
１１，１１ａ  画素回路
２０  垂直走査回路（制御部）
４１  サンプルホールド処理回路
４２  出力回路
４３  水平走査回路
５０  出力アンプ
７２  カラムＡＤＣアレイ部
４１１  サンプルホールド要素（読出回路）
４２１  出力要素
７２１  カラムＡＤＣ要素
Ｔ＿Ｅ  露光期間
Ｔ＿Ｒ  読出期間
ｓｉｇ＿Ａ  最終信号成分
ｓｉｇ＿Ｂ  第１余剰線形成分
Ｔ１，Ｔ４  第１転送待機期間
Ｔ２，Ｔ５  第２転送待機期間
Ｔ３  ノイズ取得待機期間
Ｙ１  出力信号
Ｙ２  出力信号（第１出力信号）
Ｙ３  出力信号（第２出力信号）
Ｙ４  出力信号
【図１】
2012085055.tif 000003
【図２】
2012085055.tif 000004
【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】
2012085055.tif 000009
【図８】
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【図９】
2012085055.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2012085055.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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