(57)【要約】【課題】高感度のリニア特性と、ばらつきの少ないログ特性とを持つリニアログ特性を実現する。【解決手段】撮像素子制御部１２２は、１フレーム期間において、画素を逆バイアスモードで駆動させてリニア特性を持つ画像信号Ｄ１を取得した後、画素をゼロバイアスモードで駆動させてログ特性を持つ画像信号Ｄ２を取得する。画像信号処理部１２１は、画像信号Ｄ１のレベルが変曲点の画像信号のレベルに対応する閾値ＴＨ以下の場合、画像信号Ｄ１を出力画像信号Ｄ３として選択し、画像信号Ｄ１のレベルが閾値ＴＨより大きい場合、画像信号Ｄ２を出力画像信号Ｄ３として選択する。【選択図】図１
2013058960.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リニア特性とログ特性とが変曲点で切り替わるリニアログ特性の光電変換特性を持つ固体撮像装置であって、
受光素子を含む複数の画素により構成された撮像素子と、
前記受光素子を逆バイアス状態でリセットして露光させて前記画素からリニア特性を持つ第１画像信号を出力させる逆バイアスモードと、前記受光素子をゼロバイアス状態にしてリセットして露光させて前記画素からログ特性を持つ第２画像信号を出力させるゼロバイアスモードとが１フレーム期間において切り替えられるように前記画素を駆動する撮像素子制御部と、
前記第１画像信号又は前記第２画像信号のレベルに基づいて、前記第１画像信号と前記第２画像信号とを切り替えて出力する画像信号処理部とを備える固体撮像装置。
【請求項２】
前記撮像素子制御部は、前記１フレーム期間において、前記逆バイアスモードで前記画素を駆動させた後、前記ゼロバイアスモードで前記画素を駆動させる請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記画像信号処理部は、前記第１画像信号のレベルが前記変曲点の画像信号のレベルを示す閾値以下の場合、前記第１画像信号を出力し、前記第１画像信号のレベルが前記閾値より大きい場合、前記第２画像信号を出力する請求項１又は２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記画素は、原色カラーフィルタを備える請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記画素は、補色カラーフィルタを備える請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記受光素子は、表面型のフォトダイオードである請求項１〜５のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記受光素子は、埋め込み型のフォトダイオードである請求項１〜５のいずれかに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、リニア特性とログ特性とが変曲点で切り替わるリニアログ特性を持つ固体撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ダイナミックレンジの拡大を図るために、変曲点を境に低輝度側にリニア特性を持ち、高輝度側にログ特性を持つ固体撮像装置が知られている。このような光電変換特性は、リニアログ特性と呼ばれており、例えば、特許文献１が知られている。以下、リニアログ特性において、リニア特性を持つ領域をリニア領域、ログ特性を持つ領域をログ領域と記述する。
【０００３】
特許文献１には、フレームレートを低下させることなく広ＤＲ画像を再生することを目的として、画素部からの画素信号がリニア領域の信号である場合はリニア特性に対応するアナログゲインで増幅させ、画素部からの画素信号がログ領域の信号である場合はログ特性に対応するアナログゲインで増幅させるリニアログ特性の光電変換特性を持つ固体撮像装置が開示されている。
【０００４】
特許文献２には、画素回路を構成する受光素子をゼロバイアスモード（太陽電池モード）で駆動させることで、バラツキレスな対数特性出力を得ることができる撮像素子が開示されている。
【０００５】
特許文献３には、偽信号や飽和むらの発生を抑制することを目的とし、大サイズで高感度の第１の受光素子（ＳＨ）と、小サイズで低感度の第２の受光素子（ＳＬ）とをハニカム状に配置し、第１の受光素子（ＳＨ）の飽和レベルを調整し、第２の受光素子（ＳＬ）と合成するＣＣＤの固体撮像装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２６３５４６号公報
【特許文献２】欧州特許第１３５４３６０号明細書
【特許文献３】特開２０００−１２５２０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１では、各画素は、受光素子が固体撮像装置において一般的に用いられている駆動方式である逆バイアスモードで駆動されているため、ログ特性にバラツキが発生するという問題がある。
【０００８】
特許文献２では、受光素子がゼロバイアスモードで駆動される画素回路しか配列されていないため、リニアログ特性を実現することができないという問題がある。そのため、ダイナミックレンジは確保できるが、入射光量に対して高感度な画像信号を出力することができないという問題がある。
【０００９】
特許文献３は、ＣＣＤに関するものであり、また、リニアログ特性の光電変換特性を持たせることが行われていない。
【００１０】
本発明の目的は、高感度のリニア特性と、ばらつきの少ないログ特性とを持つリニアログ特性の固体撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（１）本発明による固体撮像装置は、リニア特性とログ特性とが変曲点で切り替わるリニアログ特性の光電変換特性を持つ固体撮像装置であって、受光素子を含む複数の画素により構成された撮像素子と、前記受光素子を逆バイアス状態でリセットして露光させて前記画素からリニア特性を持つ第１画像信号を出力させる逆バイアスモードと、前記受光素子をゼロバイアス状態にしてリセットして露光させて前記画素からログ特性を持つ第２画像信号を出力させるゼロバイアスモードとが１フレーム期間において切り替えられるように前記画素を駆動する撮像素子制御部と、前記第１画像信号又は前記第２画像信号のレベルに基づいて、前記第１画像信号と前記第２画像信号とを切り替えて出力する画像信号処理部とを備える。
【００１２】
この構成によれば、撮像素子を構成する画素は、１フレーム期間において、逆バイアスモードとゼロバイアスモードとの２つのモードで駆動される。したがって、１フレーム期間において、高感度なリニア特性を持つ第１画像信号と、ばらつきが少ないログ特性を持つ第２画像信号とが得られる。
【００１３】
そして、第１画像信号又は第２画像信号のレベルから、被写体が高輝度又は低輝度であるかが判断され、判断結果に応じて第１画像信号又は第２画像信号が出力される。
【００１４】
これにより、高感度なリニア特性とばらつきの少ないログ特性とが変曲点で切り替わる光電変換特性を持つ固体撮像装置を提供することができる。
【００１５】
（２）前記撮像素子制御部は、前記１フレーム期間において、前記逆バイアスモードで前記画素を駆動させた後、前記ゼロバイアスモードで前記画素を駆動させることが好ましい。
【００１６】
リニア特性の画像信号は時間積分性を有しているため、ある程度の露光時間を確保する必要がある。一方、ログ特性の画像信号は時間積分性を有していないため、リニア特性の画像信号のように露光時間を確保する必要はない。本構成では、１フレーム期間において、画素はまず逆バイアスモードで駆動されてリニア特性を持つ第１画像信号が得られ、次にゼロバイアスモードで駆動されてログ特性を持つ第２画像信号が得られている。よって、１フレーム期間において、逆バイアスモードで画素が駆動される時間を十分に確保することができ、精度の良い第１画像信号を得ることができる。
【００１７】
（３）前記画像信号処理部は、前記第１画像信号のレベルが前記変曲点の画像信号のレベルを示す閾値以下の場合、前記第１画像信号を出力し、前記第１画像信号のレベルが前記閾値より大きい場合、前記第２画像信号を出力することが好ましい。
【００１８】
この構成によれば、第１画像信号が閾値以下であれば、低輝度の被写体が撮像されたと判定され、第１画像信号が出力され、第１画像信号が閾値より大きければ、高輝度の被写体が撮像されたと判定され、第２画像信号が出力される。したがって、低輝度側にリニア特性を持ち、高輝度側にログ特性を持つ光電変換特性が得られる。
【００１９】
（４）前記画素は、原色カラーフィルタを備えることが好ましい。
【００２０】
この構成によれば、原色（例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂ）の色成分を持つ画像信号が得られる。
【００２１】
（５）前記画素は、補色カラーフィルタを備えることが好ましい。
【００２２】
この構成によれば、補色カラーフィルタを備えているため、高感度な画像信号が得られる。
【００２３】
（６）前記受光素子は、表面型のフォトダイオードであることが好ましい。
【００２４】
この構成によれば、画素の受光素子が表面型のフォトダイオードで構成されているため、ゼロバイスモードで画素を駆動させることが容易となる。
【００２５】
（７）前記受光素子は、埋め込み型のフォトダイオードであることが好ましい。
【００２６】
この構成によれば、画素の受光素子が埋込型のフォトダイオードで構成したため、高品質の第１、第２画像信号を得ることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、撮像素子を構成する画素は、１フレーム期間において、逆バイアスモードとゼロバイアスモードとの２つのモードで駆動される。したがって、１フレーム期間において、高感度なリニア特性を持つ第１画像信号と、ばらつきが少ないログ特性を持つ第２画像信号とが得られる。
【００２８】
そして、第１画像信号又は第２画像信号のレベルから、被写体が高輝度又は低輝度であるかが判断され、判断結果に応じて第１画像信号又は第２画像信号が出力される。
【００２９】
これにより、高感度なリニア特性とばらつきの少ないログ特性とが変曲点で切り替わる光電変換特性を持つ固体撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態１による固体撮像装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す撮像素子の詳細な構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態１による画素アレイ部を構成する画素の回路図である。
【図４】図３に示す画素回路のタイミングチャートである。
【図５】逆バイアスモードで駆動された画素の光電変換特性の一例を示したグラフであり、縦軸はシグナル成分信号示し、横軸は入射光強度を示している。
【図６】ゼロバイアスモードで駆動された画素の光電変換特性を示したグラフであり、縦軸はシグナル成分信号を示し、横軸は入射光強度を示している。
【図７】図１に示す画像信号処理部の詳細な構成を示した回路図である。
【図８】出力画像信号の光電変換特性を示したグラフであり、縦軸はシグナル成分信号を示し、横軸は入射光強度を示している。
【図９】本発明の実施の形態２による画素アレイ部を構成する画素の回路図である。
【図１０】図９に示す画素回路のタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による固体撮像装置の全体構成を示すブロック図である。図１に示す固体撮像装置は、リニア特性とログ特性とが変曲点で切り替わるリニアログ特性の光電変換特性を持つ固体撮像装置である。具体的には、本実施の形態による固体撮像装置は、変曲点より低輝度側がリニア特性を持ち、高輝度側がログ特性を持つリニアログ特性の光電変換特性を持つ固体撮像装置である。
【００３２】
固体撮像装置は、撮像素子１１０及び画像処理部１２０を備えている。撮像素子１１０及び画像処理部１２０は１つのＩＣチップ内に構成されていても良いし、別のＩＣチップとして構成されても良い。
【００３３】
画像処理部１２０は、画像信号処理部１２１及び撮像素子制御部１２２を備えている。撮像素子制御部１２２は、ＳＹＳＣＬＫとレジスタ制御信号とを撮像素子１１０に出力し、撮像素子１１０を制御する。ＳＹＳＣＬＫは例えば図略の発振回路により生成される所定の周波数（例えば５４ＭＨｚ）を持つクロック信号である。レジスタ制御信号は、図２に示すタイミング制御部２２が備えている各種のレジスタにデータを書き込むための信号である。
【００３４】
撮像素子１１０は、第１チャネル信号ＣＨ１と第２チャネル信号ＣＨ２との２チャンネルの画像信号を画像信号処理部１２１に出力する。ここで、第１チャネル信号ＣＨ１は、図２に示す画素アレイ部２１の奇数列の画素から出力される画像信号である。第２チャネル信号ＣＨ２は、画素アレイ部２１の偶数列の画素から出力される画像信号である。第１、第２チャネル信号ＣＨ１，ＣＨ２は、それぞれ、リニア特性を持つ画像信号Ｄ１とログ特性を持つ画像信号Ｄ２とを含む。
【００３５】
画像信号処理部１２１は、第１チャネル信号ＣＨ１と第２チャネル信号ＣＨ２とに対して種々の画像処理を施し、画像信号Ｄ１と画像信号Ｄ２とのいずれか一方を最終的に出力画像信号Ｄ３として、外部装置に出力する。ここで、外部装置としては、例えば、液晶パネルや有機ＥＬパネル等の表示装置や、出力画像信号Ｄ３を保持するメモリ等が該当する。
【００３６】
図２は、図１に示す撮像素子１１０の詳細な構成を示すブロック図である。撮像素子１１０は、画素アレイ部２１、タイミング制御部２２、ローデコーダ２３、カラムＡＤＣアレイ部２４、カラムデコーダ２５、センスアンプ２６、ＬＶＤＳシリアライザ２７、出力端子２８、ランプ波生成回路２９、及び入力端子２１０，２１１を備えている。
【００３７】
画素アレイ部２１は、Ｍ（２以上の整数）行×Ｎ（２以上の整数）列でマトリックス状に配列され、受光素子を含む複数の画素により構成されている。
【００３８】
各画素は、撮像素子制御部１２２により、逆バイアスモードとゼロバイアスモードとが１フレーム期間において切り替えられて駆動される。ここで、逆バイアスモードは、画素が備える受光素子を逆バイアス状態にしてリセットさせて露光させるモードである。逆バイアス状態とは、各画素が備える受光素子のカソードをアノードよりも高電位にした状態を指す。なお、逆バイアスモードは、固体撮像装置を構成するフォトダイオードの駆動方法として従来から広く一般的に使用されているモードであり、フォトダイオードモードとも呼ばれている。
【００３９】
ゼロバイアスモードは、画素が備える受光素子をゼロバイアス状態にしてリセットさせて露光させるモードである。ゼロバイアス状態とは、アノードとカソードとを同電位にした状態を指す。なお、ゼロバイアスモードは、太陽電池における受光素子の駆動方法と同じ駆動方法であるため、太陽電池モードとも呼ばれている。
【００４０】
また、各画素は、例えば赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のいずれかの原色カラーフィルタを備えた、Ｒ，Ｇ，Ｂの画素により構成されている。そして、Ｒ，Ｇ，Ｂの画素は、例えばベイヤー配列等の所定の配列パターンにしたがって配列されている。
【００４１】
なお、原色カラーフィルタに代えて、例えば、シアン（Ｃ）、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）の補色カラーフィルタを採用してもよい。この場合、Ｃ、Ｙ、Ｍの画素を例えばベイヤー配列等の配列パターンにしたがって配列させればよい。
【００４２】
補色カラーフィルタは、一般的に原色カラーフィルタに比べて感度が高い。そのため、感度を優先する場合は、補色カラーフィルタを採用すればよい。但し、補色カラーフィルタを採用した場合、Ｃ、Ｙ、Ｍの画像信号をＲ、Ｇ、Ｂの画像信号に変換する色変換処理が必要になることもあるため、処理コストの低下を図るという観点からは、原色カラーフィルタを採用することが好ましい。
【００４３】
タイミング制御部２２は、ＰＬＬ、タイミングジェネレータ（ＴＧ）、及びレジスタを備え、ローデコーダ２３、カラムＡＤＣアレイ部２４、及びカラムデコーダ２５を制御する。ＰＬＬは、必要に応じてＳＹＳＣＬＫを逓倍（例えば２逓倍）してＴＧに供給する。ＴＧはＰＬＬから供給された信号にしたがって、水平同期信号及び垂直同期信号等のタイミング信号を生成し、ローデコーダ２３、カラムＡＤＣアレイ部２４、及びカラムデコーダ２５に供給し、これらの動作を同期させる。
【００４４】
レジスタは、例えばローデコーダ２３が各画素に出力する各種の画素制御信号の波形を規定するためのデータを保持している。ここで、レジスタが保持するデータは、撮像素子制御部１２２から出力されるレジスタ制御信号によって書き込まれている。
【００４５】
ローデコーダ２３は、例えば、垂直走査回路と、ドライバ回路とを備えている。垂直走査回路は、例えば、シフトレジスタにより構成され、タイミングジェネレータから出力される垂直同期信号をトリガーとして、画素アレイ部２１の各行をサイクリックに選択し、画素アレイ部２１を垂直走査する。ここで、ローデコーダ２３は、画素アレイ部２１を上側から下側に向けて１行ずつ、順次に選択してもよいし、画素アレイ部２１を下側から上側に向けて１行ずつ、順次に選択してもよい。
【００４６】
ドライバ回路は、タイミング制御部２２のレジスタに書き込まれたデータにしたがって画素制御信号を生成し、各画素に供給することで各画素を駆動させる。
【００４７】
カラムＡＤＣアレイ部２４は、画素アレイ部２１の各列に対応するＮ個のカラムＡＤＣ２１２を備えている。カラムＡＤＣ２１２は、画素アレイ部２１の各列に対応する垂直信号線Ｌ＿１を介して各列の画素と接続され、垂直走査回路により選択された行の画素から画像信号を読み出す。
【００４８】
本実施の形態では、カラムＡＤＣアレイ部２４は、画素アレイ部２１の下側に設けられたカラムＡＤＣアレイ部２４１と、画素アレイ部２１の上側に設けられたカラムＡＤＣアレイ部２４２とを備えている。
【００４９】
カラムＡＤＣアレイ部２４１は、画素アレイ部２１の奇数列の画素から画像信号を読み出し、カラムＡＤＣアレイ部２４２は、画素アレイ部２１の偶数列の画素から画像信号を読み出す。なお、カラムＡＤＣアレイ部２４１からセンスアンプ２６１及びＬＶＤＳシリアライザ２７１を介して出力される画像信号が第１チャネル信号ＣＨ１であり、カラムＡＤＣアレイ部２４２からセンスアンプ２６２及びＬＶＤＳシリアライザ２７２を介して出力される画像信号が第２チャネル信号ＣＨ２である。
【００５０】
各画素は、１水平期間において、ノイズ成分のみからなる画像信号と、ノイズ成分にシグナル成分が加算された画像信号とを出力する。ここで、ノイズ成分のみからなる画像信号をノイズ成分信号と記述し、ノイズ成分にシグナル成分が加算された画像信号をノイズ・シグナル成分信号と記述する。
【００５１】
カラムＡＤＣ２１２は、相関二重サンプリング回路及びＡＤ変換回路を含む。相関二重サンプリング回路は、画素から出力されたノイズ成分信号及びノイズ・シグナル成分信号に対して相関二重サンプリング処理を行う。これにより、ノイズ・シグナル成分信号とノイズ成分信号との差分が求められ、ノイズ・シグナル成分信号に含まれるノイズ成分が除去され、シグナル成分のみから構成される画像信号であるシグナル成分信号が生成される。
【００５２】
ＡＤ変換回路は、相関二重サンプリング回路により生成されたシグナル成分信号をＡＤ変換（アナログデジタル変換）して保持する。具体的には、ＡＤ変換回路は、相関二重サンプリング回路からシグナル成分信号が入力されると、ランプ波生成回路２９から出力されるランプ信号のレベルがシグナル成分信号のレベルを超えるまでの時間をカウントし、アナログのシグナル成分信号をＡＤ変換する。本実施の形態では、シグナル成分信号は、例えば１４ビットのデジタルデータに変換される。
【００５３】
カラムデコーダ２５は、カラムＡＤＣアレイ部２４１の下側に設けられたカラムデコーダ２５１と、カラムＡＤＣアレイ部２４２の上側に設けられたカラムデコーダ２５２とを備えている。
【００５４】
カラムデコーダ２５１は、例えばシフトレジスタにより構成され、タイミング制御部２２から出力される水平同期信号に同期した列選択信号を出力することで、１水平走査期間において、各列のカラムＡＤＣ２１２をサイクリックに選択し、カラムＡＤＣアレイ部２４１を水平走査し、各列のカラムＡＤＣ２１２が保持するデジタルの画像信号をセンスアンプ２６１に順次に出力させる。なお、カラムデコーダ２５２は、カラムデコーダ２５１と同一であるため、説明を省略する。
【００５５】
センスアンプ２６は、カラムＡＤＣアレイ部２４１の後段に設けられたセンスアンプ２６１と、カラムＡＤＣアレイ部２４２の後段に設けられたセンスアンプ２６２とを備えている。
【００５６】
センスアンプ２６１は、カラムＡＤＣアレイ部２４１から水平信号線Ｌ＿２を介して出力されるデジタルの画像信号を増幅し、ＬＶＤＳシリアライザ２７１に出力する。本実施の形態では、カラムＡＤＣ２１２は、１４ビットのデジタルの画像信号を生成し、各ビットの信号の位相を１８０度ずらし、位相が１８０度ずらされた信号と、位相がずらされていない信号とからなる合計２８個の信号をセンスアンプ２６１に出力する。
【００５７】
よって、カラムＡＤＣアレイ部２４１とセンスアンプ２６１とを接続する水平信号線Ｌ＿２は、合計２８本となる。そして、センスアンプ２６１は、２８本の水平信号線Ｌ＿２を流れる信号をそれぞれ増幅して、各信号の波形を成形してＬＶＤＳシリアライザ２７１に出力する。センスアンプ２６２は、センスアンプ２６１と同一構成であるため、説明を省略する。
【００５８】
ＬＶＤＳシリアライザ２７１は、ＬＶＤＳ（Low Voltage differential singalings）規格に準拠したシリアライザであり、センスアンプ２６１から２８本の水平信号線Ｌ＿２を介してパラレルで出力される信号を差動増幅して１４ビットの信号とし、シリアルに変換して出力端子２８１に出力する。ＬＶＤＳシリアライザ２７２は、ＬＶＤＳシリアライザ２７１と同一構成であるため、説明を省略する。
【００５９】
出力端子２８は、ＬＶＤＳシリアライザ２７１の後段に設けられた出力端子２８１と、ＬＶＤＳシリアライザ２７２の後段に設けられた出力端子２８２とを備えている。
【００６０】
出力端子２８１は、ＬＶＤＳシリアライザ２７１からの画像信号を第１チャネル信号ＣＨ１として画像信号処理部１２１に出力する。出力端子２８２は、ＬＶＤＳシリアライザ２７２からの画像信号を第２チャネル信号ＣＨ２として画像信号処理部１２１に出力する。
【００６１】
ランプ波生成回路２９は、一定の傾きを持って直線状に変化するランプ信号を生成して、各カラムＡＤＣ２１２に出力する。入力端子２１０は、撮像素子制御部１２２から供給されるＳＹＳＣＬＫが入力され、タイミング制御部２２に出力する。入力端子２１１は、撮像素子制御部１２２から供給されるレジスタ制御信号が入力され、タイミング制御部２２に出力する。
【００６２】
図３は、本発明の実施の形態１による画素アレイ部２１を構成する画素の回路図である。図５に示す画素回路は、受光素子（以下、“ＰＤ”と記述する。）、リセットトランジスタＲＳＴ（以下、“ＲＳＴ”と記述する。）、アンプＡＭＰ（以下、“ＡＭＰ”と記述する。）、行選択トランジスタＳＥＬ（以下、“ＳＥＬ”と記述する。）を備えている。
【００６３】
ＰＤは、例えば表面型のフォトダイオードにより構成され、カソードにＲＳＴを介してＰＤバイアス信号（画素制御信号の一例、以下、“φＲＳＢ”と記述する。）が入力され、アノードに負の駆動電圧ＰＶＳＳ（以下、“ＰＶＳＳ”と記述する）が印加される。ここで、ＰＶＳＳとしてはローレベル（以下、“Ｌｏ”と記述する）の電圧が採用され、Ｌｏの電圧としては例えば０Ｖが採用される。
【００６４】
そして、ＰＤは、φＲＳＴ＝Ｈｉ（以下、“Ｈｉ”と記述する。）とされ、ＨｉのφＲＳＢがカソードに入力され、アノードにＬｏのレベルを持つＰＶＳＳが入力され、逆バイアス状態でリセットされる。これにより、画素は逆バイアスモードで駆動される。
【００６５】
一方、ＰＤは、φＲＳＴ＝Ｈｉとされ、ＬｏのφＲＳＢがカソードに入力され、アノードにＬｏのレベルを持つＰＶＳＳが入力され、ゼロバイアス状態でリセットされる。これにより、画素はゼロバイアスモードで駆動される。
【００６６】
ＲＳＴは、例えばｎＭＯＳにより構成され、ＰＤをリセットする。ＲＳＴのゲートには、ＲＳＴをオン、オフするためのリセット信号φＲＳＴ（画素制御信号の一例、以下、“φＲＳＴ”と記述する。）が入力され、ドレインにφＲＳＢが入力され、ソースがＰＤのカソードに接続されている。そして、ＲＳＴは、画素を逆バイアスモードで駆動させる場合、φＲＳＴ＝Ｈｉとなってオンし、ＨｉのφＲＳＢをＰＤのカソードに供給し、ＰＤを逆バイアス状態でリセットする。また、ＲＳＴは、画素をゼロバイアスモードで駆動させる場合、φＲＳＴ＝Ｈｉとなってオンし、ＬｏのφＲＳＢをＰＤのカソードに供給し、ＰＤをゼロバイアス状態でリセットする。
【００６７】
なお、φＲＳＴ、φＲＳＢは、例えば、ローデコーダ２３から出力される。また、ＰＶＳＳは例えば接地されている。
【００６８】
ＡＭＰは、入力端子がＰＤとＲＳＴとの接続点に接続され、出力端子がＳＥＬを介して垂直信号線Ｌ＿１に接続され、ＰＤのカソードの電圧を電流増幅してＳＥＬに出力する。また、ＡＭＰは、正の電源端子に正の駆動電圧ＰＶＤＤ（以下、“ＰＶＤＤ”と記述する。）が供給され、負の電源端子にＰＶＳＳが供給されている。なお、ＰＶＤＤは、図略の電圧源から供給される。
【００６９】
ＳＥＬは、例えばｎＭＯＳにより構成され、ゲートに行選択信号φＶＳＥＮ（画素制御信号の一例、以下、“φＶＳＥＮ”と記述する。）が入力され、ドレインがＡＭＰの出力端子に接続され、ソースが垂直信号線Ｌ＿１を介して対応する列のカラムＡＤＣ２１２に接続されている。そして、ＳＥＬは、ＡＭＰにより電流増幅された電圧を画像信号として、垂直信号線Ｌ＿１を介して対応する列のカラムＡＤＣ２１２に出力する。ここで、φＶＳＥＮはローデコーダ２３から出力される。
【００７０】
図４は、図３に示す画素回路のタイミングチャートである。図４のタイミングチャートは、１フレーム期間Ｔ１におけるある１つの画素回路のタイミングチャートを示している。ここで、１フレーム期間Ｔ１とは、１行分の画素が１ライン分の画像信号を得るのに要する期間である。そして、この１フレーム期間Ｔ１が繰り返されて、順次、水平方向１ライン分の画像信号が得られる。本実施の形態では、１フレーム期間Ｔ１は、画素が逆バイアスモードで駆動される第１期間Ｔ１１と、画素がゼロバイアスモードで駆動される第２期間Ｔ１２とに区分される。
【００７１】
ここで、第１期間Ｔ１１では画素からリニア特性の画像信号Ｄ１が出力され、第２期間Ｔ１２では画素からログ特性の画像信号Ｄ２が出力される。
【００７２】
リニア特性の画像信号は時間積分性を有しているため、ある程度の露光期間を確保する必要がある。一方、ログ特性は時間積分性がないため、リニア特性の画像信号のように露光時間を確保する必要はない。本実施の形態では、１フレーム期間Ｔ１において、画素は、まず、逆バイアスモードで駆動されてリニア特性を持つ画像信号Ｄ１が得られ、次にゼロバイアスモードで駆動されてログ特性を持つ画像信号Ｄ２が得られている。よって、１フレーム期間Ｔ１において、逆バイアスモードで画素が駆動される時間を十分に確保することができ、精度の良い画像信号Ｄ１を得ることができる。
【００７３】
時刻ｔ０では、画素が逆バイアスモードで駆動されており、ＰＤのカソードの電圧が入射光量に応じてシグナルレベルＶ＿ｓ１まで低下する。
【００７４】
時刻ｔ１では、φＶＳＥＮ＝Ｈｉにされ、ＡＭＰにより電流増幅されたシグナルレベルＶ＿ｓ１の電圧がノイズ・シグナル成分信号としてカラムＡＤＣ２１２に読み出される。
【００７５】
時刻ｔ２では、φＲＳＴ＝Ｈｉにされ、ＰＤがリセットされる。このとき、φＲＳＢ＝Ｈｉであるため、ＰＤのカソードにはＨｉのφＲＳＢが入力され、ＰＤのアノードにはＬｏのレベルを持つＰＶＳＳが入力され、ＰＤは逆バイアス状態でリセットされる。これにより、ＰＤのカソードの電圧はＨｉのレベルに上昇する。
【００７６】
時刻ｔ３では、φＲＳＴ＝Ｌｏ、φＶＳＥＮ＝Ｈｉにされ、ノイズレベルＶ＿ｎ１の電圧がＡＭＰにより電流増幅され、ノイズ成分信号としてカラムＡＤＣ２１２に読み出される。ここで、φＲＳＴ＝Ｌｏになったとき、ＰＤのカソードの電圧がＨｉのレベルからノイズレベルＶ＿ｎ１まで減少しているのは、ＰＤとＲＳＴとの間の寄生容量等の影響によるものである。
【００７７】
カラムＡＤＣ２１２は、画素からノイズ成分信号を読み出すと、相関二重サンプリング処理を実行して、時刻ｔ１で読み出したノイズ・シグナル成分信号と時刻ｔ３で読み出したノイズ成分信号との差分をとり、ノイズ成分信号に含まれるノイズ成分を除去し、シグナル成分信号を生成する。このシグナル成分信号はＡＤ変換された後、リニア特性を持つ画像信号Ｄ１として画像信号処理部１２１に出力される。
【００７８】
次に、φＲＳＢ＝Ｌｏにされ、第２期間Ｔ１２が開始される。
【００７９】
時刻ｔ４では、φＲＳＴ＝Ｈｉにされ、ＰＤのカソードにＬｏのφＲＳＢが入力され、ＰＤのアノードにＬｏのレベルを持つＰＶＳＳが入力され、ＰＤがゼロバイアス状態でリセットされる。これにより、ＰＤのカソードの電圧はＰＶＳＳ（＝Ｌｏ）にされる。
【００８０】
時刻ｔ５では、画素がゼロバイアスモードで駆動されており、ＰＤのカソードの電圧が入射光量に応じて、ＰＶＳＳからシグナルレベルＶ＿ｓ２まで低下する。
【００８１】
時刻ｔ６では、φＶＳＥＮ＝Ｈｉにされ、ＡＭＰにより電流増幅されたシグナルレベルＶ＿ｓ２の電圧がノイズ・シグナル成分信号としてカラムＡＤＣ２１２に読み出される。ここで、ＰＤのカソードの電圧は、ＰＶＳＳを基準として負の方向に振れているのは、時刻ｔ４にてＰＤをゼロバイアス状態でリセットしたからである。
【００８２】
時刻ｔ７では、φＲＳＴ＝Ｈｉにされ、ＰＤがゼロバイアス状態でリセットされ、ＰＤのカソードの電圧がシグナルレベルＶ＿ｓ２からＰＶＳＳまで上昇する。また、時刻ｔ７では、φＶＳＥＮ＝Ｈｉにされ、ＰＤのカソードに発生しているＰＶＳＳの電圧がノイズ成分信号としてカラムＡＤＣ２１２に読み出される。
【００８３】
カラムＡＤＣ２１２は、画素からノイズ成分信号を読み出すと、相関二重サンプリング処理を実行して、時刻ｔ６で読み出したノイズ・シグナル成分信号と時刻ｔ７で読み出したノイズ成分信号との差分をとり、ノイズ・シグナル成分信号に含まれるノイズ成分を除去し、シグナル成分信号を生成する。このシグナル成分信号はＡＤ変換された後、ログ特性を持つ画像信号Ｄ２として画像信号処理部１２１に出力される。
【００８４】
時刻ｔ８では、φＲＳＴ＝Ｈｉにされ、φＲＳＢ＝Ｈｉにされ、ＰＤが逆バイアス状態でリセットされる。以後、時刻ｔ１〜ｔ８で示す駆動シーケンスが１フレーム期間Ｔ１で行われ、この駆動シーケンスが繰り返され、１行の画像信号が順次に得られる。
【００８５】
図５は、逆バイアスモードで駆動された画素の光電変換特性の一例を示したグラフであり、縦軸はシグナル成分信号示し、横軸は入射光強度を示している。なお、図５では、横軸は対数軸である。図５に示すように、画素は、逆バイアスモードで駆動されると、入射光強度が増大するにつれて、シグナル成分信号が線形に増大するリニア特性の光電変換特性を持っていることが分かる。なお、図５では、横軸が対数軸であるため、図５に示すような曲線が入射光強度に対して線形な出力となる。また、図５では、入射光強度がＬ１以上の領域では、シグナル成分信号は一定のレベルを維持しており、飽和していることが分かる。また、図５に示すようにリニア特性の傾きは大きいことが分かる。したがって、リニア特性は、ダイナミックレンジは小さいが、感度が高いという特性を持っていることが分かる。
【００８６】
従来の固体撮像装置では、図９に示すように、ＰＤとＦＤとの間に転送トランジスタＴＸ（以下、“ＴＸ”と記述する。）を設け、ＴＸのゲートにＨｉとＬｏとの中間のレベルを持つ中間電圧を印加した状態でＰＤ画素を露光させて、リニアログ特性を実現していた。
【００８７】
ＴＸのゲートに中間電圧を印加し、ＴＸのゲートを半開状態にすると、ＰＤに蓄積される信号電荷は一定の量を超えるまでは、ＴＸのエネルギー障壁を越えることができず、リニア特性で蓄積される。
【００８８】
一方、ＰＤに蓄積される信号電荷が一定の量を超えると、信号電荷の一部がＴＸのエネルギー障壁を越えてＴＸ側に漏れ出るため、ＰＤは信号電荷を漏らしつつ蓄積し、ログ特性で信号電荷を蓄積する。これにより、画素は、低輝度側がリニア特性、高輝度側がログ特性のリニアログ特性を持つことになる。
【００８９】
ここで、画素は、リニア特性で信号電荷を蓄積する場合、ＴＸのエネルギー障壁に依存することなく信号電荷を蓄積するため、リニア特性の個体間のばらつきは少ない。一方、画素は、ログ特性で信号電荷を蓄積する場合、ＴＸのエネルギー障壁に大きく依存するため、ログ特性の個体間のばらつきが大きくなってしまう。このように、リニア特性のばらつきは少ないがログ特性のばらつきが大きいというのが従来のリニアログ特性を持つ固体撮像装置の問題点であった。
【００９０】
そこで、本実施の形態では、第１期間Ｔ１１において画素を逆バイアスモードで駆動し、リニア特性を持つ画像信号Ｄ１を取得し、第２期間Ｔ１２において画素をゼロバイアスモードで駆動し、ログ特性を持つ画像信号Ｄ２を取得することで、上記の問題点を解決した。
【００９１】
図６は、ゼロバイアスモードで駆動された画素の光電変換特性を示したグラフであり、縦軸はシグナル成分信号を示し、横軸は入射光強度を示している。なお、横軸は対数である。図６に示すように、画素は、ゼロバイアスモードで駆動されると、入射光強度が増大するにつれて、シグナル成分信号が対数的に増大するログ特性の光電変換特性を持っていることが分かる。なお、図６では、横軸が対数軸であるため、対数的な変化が直線で表されている。
【００９２】
ここで、画素をゼロバイアスモードで駆動した場合に得られるログ特性は、従来のリニアログ特性を持つ固体撮像装置のようにＴＸに中間電圧を印加して実現されたものではないため、従来のリニアログ特性を持つ固体撮像装置に比べて、ばらつきの少ないログ特性を得ることができる。そこで、本実施の形態では、ログ特性の画像信号は画素をゼロバイアスモードで駆動させることで得られる画像信号Ｄ２を採用することで、ログ特性のばらつきを少なくしている。
【００９３】
図７は、図１に示す画像信号処理部１２１の詳細な構成を示した回路図である。画像信号処理部１２１は、比較器１１１、ＣＰＵ１１２、２個の加算器１１３，１１５、２個の乗算器１１４，１１６、スイッチ１１７、及び色補間部１１８を備えている。
【００９４】
色補間部１１８は、色成分毎に欠落画素を補間するための色補間処理を行い、色成分毎にＭ行×Ｎ列の画素からなる１枚の画像データを生成し、各画素の画像信号を順次に出力する。本実施の形態では、画素アレイ部２１は、Ｒ，Ｇ，Ｂの画素が例えばベイヤー配列で配列されている。そのため、画像信号Ｄ１につき、Ｒ、Ｇ、Ｂの３つの色成分、画像信号Ｄ２につき、Ｒ、Ｇ、Ｂの３つの色成分が存在している。
【００９５】
よって、色補間部１１８は、画像信号Ｄ１につき、Ｒ、Ｇ、Ｂの３枚の画像データを補間処理により生成し、画像信号Ｄ２につき、Ｒ、Ｇ、Ｂの３枚の画像データを補間処理により生成する。ここで、補間処理としては、補間対象となる画素の周辺画素の画像信号を線形補間等して、補間対象となる画素の画像信号を算出する処理を採用すればよい。
【００９６】
具体的には、色補間部１１８は、例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂの画像信号Ｄ１を展開するための３枚のフレームバッファと、Ｒ、Ｇ、Ｂの画像信号Ｄ２を展開するための３枚のフレームバッファとを用意する。そして、色補間部１１８は、画像信号が入力される都度、その画像信号を対応する色のフレームバッファの対応するアドレスに書き込み、画像信号Ｄ１，Ｄ２を色成分毎に分けてそれぞれ展開する。
【００９７】
そして、色補間部１１８は、画像信号Ｄ１を展開するためのＲ，Ｇ，Ｂのフレームバッファに展開された画像信号Ｄ１を線形補間すると共に、画像信号Ｄ２を展開するためのＲ、Ｇ、Ｂのフレームバッファに展開された画像信号Ｄ２を線形補間して、欠落画素を補間する。
【００９８】
補間処理が終了すると、色補間部１１８は、補間後の画像信号Ｄ１を順次に出力すると同時に、当該画像信号Ｄ１と同一画素かつ同一色の画像信号Ｄ２を順次に出力する。例えば、色補間部１１８は、１行１列目の画素のＲの画像信号Ｄ１を出力したとすると、その出力と同時に１行１列目の画素のＲの画像信号Ｄ２を出力するというようにして、ラスタ走査するように各画素のＲの画像信号Ｄ１，Ｄ２を順次に出力する。
【００９９】
そして、色補間部１１８は、Ｒの全画素の画像信号Ｄ１，Ｄ２の出力が終了すると、次にＧの画像信号Ｄ１，Ｄ２を出力し、Ｇの全画素の画像信号Ｄ１，Ｄ２の出力が終了すると、その次にＢの画像信号Ｄ１，Ｄ２を出力するというようにして、画像信号を順次出力していく。
【０１００】
比較器１１１は、色補間部１１８から色補間後の画像信号Ｄ１が順次に入力される。そして、比較器１１１は、入力された画像信号Ｄ１のレベルを所定の閾値ＴＨと比較し、比較結果に基づいて、スイッチ１１７を画像信号Ｄ１側又は画像信号Ｄ２側に切り替える。
【０１０１】
具体的には、比較器１１１は、画像信号Ｄ１＞閾値ＴＨならば、スイッチ１１７を画像信号Ｄ２側に切り替える。これにより、画像信号処理部１２１からは最終的に画像信号Ｄ２が出力画像信号Ｄ３として出力される。
【０１０２】
一方、比較器１１１は、画像信号Ｄ１≦閾値ＴＨならば、スイッチ１１７を画像信号Ｄ１側に切り替える。これにより、画像信号処理部１２１からは最終的に画像信号Ｄ１が出力画像信号Ｄ３として出力される。
【０１０３】
ここで、閾値ＴＨとしては図８に示す光電変換特性の変曲点Ｐ１のシグナル成分信号のレベルが採用されている。したがって、比較器１１１は、画像信号Ｄ１＞閾値ＴＨの場合、画像信号Ｄ１を出力した画素がログ領域の高輝度の光を受光したと判定し、ログ特性を持つ画像信号Ｄ２を出力画像信号Ｄ３として選択する。
【０１０４】
一方、比較器１１１は、画像信号Ｄ１≦閾値ＴＨの場合、画像信号Ｄ１を出力した画素がリニア領域の低輝度の光を受光したと判定し、リニア特性を持つ画像信号Ｄ１を出力画像信号Ｄ３として選択する。これにより、図８に示すように、低輝度側がリニア特性を持ち、高輝度側がログ特性を持つリニアログ特性の光電変換特性を実現することができる。
【０１０５】
スイッチ１１７は、例えば、スイッチング素子により構成され、比較器１１１から画像信号Ｄ１＞閾値ＴＨを示す信号（例えば、Ｈｉの信号）が入力された場合、端子１１７ｂと端子１１７ｃとを接続し、画像信号Ｄ２を出力する。また、スイッチ１１７は、比較器１１１から画像信号Ｄ１≦閾値ＴＨを示す信号（例えば、Ｌｏの信号）が入力された場合、端子１１７ａと端子１１７ｃとを接続し、画像信号Ｄ１を出力する。
【０１０６】
但し、画像信号Ｄ１と画像信号Ｄ２とを単純に切り替えただけでは、図８に示すようなリニア特性とログ特性とが変曲点Ｐ１で滑らかに繋げられた光電変換特性を得ることができない可能性がある。
【０１０７】
そこで、図７に示す画像信号処理部１２１では、加算器１１３，１１５及び乗算器１１４，１１６が設けられている。加算器１１３は、画像信号Ｄ１に所定の加算値ａ１を加算し、乗算器１１４に出力する。加算器１１５は、画像信号Ｄ２に所定の加算値ａ２を加算し、乗算器１１６に出力する。
【０１０８】
ここで、図５に示すリニア特性のグラフに、図８に示す変曲点Ｐ１の対応点Ｐ１’をプロットしたときの対応点Ｐ１’のシグナル成分信号のレベルをＶ１とする。また、図６に示すログ特性に、図１２に示す変曲点Ｐ１の対応点Ｐ１’’をプロットしたときの対応点Ｐ１’’のシグナル成分信号のレベルをＶ２とする。なお、対応点Ｐ１’、Ｐ１’’は、入射光強度が変曲点Ｐ１の入射光強度Ｌ２を持つ点である。
【０１０９】
この場合、加算値ａ１，ａ２としては、Ｖ１とＶ２とが閾値ＴＨになるような値を採用すればよい。つまり、ＴＨ＝ａ１＋Ｖ１＝ａ２＋Ｖ２となるように加算値ａ１、ａ２を定めればよい。ここで、加算値ａ１、ａ２は予め設定されており、ＣＰＵ１１２から加算器１１３、１１５に供給される。
【０１１０】
また、画像信号Ｄ１が持つリニア特性と画像信号Ｄ２が持つログ特性とは、例えば、周囲温度の変化に応じて傾きが変動することがある。そこで、乗算器１１４は、変動したリニア特性の傾きを元のリニア特性の傾きに戻すために画像信号Ｄ１に係数ｂ１を乗算する。また、乗算器１１６は、変動したログ特性の傾きを元のログ特性の傾きに戻すために画像信号Ｄ２に計数ｂ２を乗算する。これにより、一定のリニアログ特性を持つ出力画像信号Ｄ３が得られる。
【０１１１】
ここで、係数ｂ１、ｂ２は予め設定されておりＣＰＵ１１２から乗算器１１４、１１６に供給される。具体的には、ＣＰＵ１１２は、周囲温度と、周囲温度に対応する係数ｂ１、ｂ２との関係が予め規定されたルックアップテーブルを参照することで、係数ｂ１、ｂ２を決定し、乗算器１１４、１１６に供給すればよい。
【０１１２】
また、ＣＰＵ１１２は例えば図略の温度センサにより検出された測定データから周囲温度を決定すればよい。
【０１１３】
なお、図７では、比較器１１１は、画像信号Ｄ１を閾値ＴＨと比較したが、これに限定されず、画像信号Ｄ２を閾値ＴＨと比較してもよい。
【０１１４】
図８は、出力画像信号Ｄ３の光電変換特性を示したグラフであり、縦軸はシグナル成分信号を示し、横軸は入射光強度を示している。なお、横軸は対数軸である。
【０１１５】
画像信号処理部１２１が上記の処理を行っているため、出力画像信号Ｄ３は、図８に示すように、変曲点Ｐ１を境に低輝度側がリニア特性を持ち、高輝度側がログ特性を持つリニアログ特性の光電変換特性を持つことになる。
【０１１６】
例えば閾値ＴＨをシグナル成分信号の最大レベルの５０％に設定した場合、最大レベルの５０％未満の画像信号Ｄ１が出力されると、リニア特性の画像信号Ｄ１が出力され、最大レベルの５０％以上の画像信号Ｄ１が出力されると、ログ特性の画像信号Ｄ２が出力される。そのため、変曲点Ｐ１よりも低輝度な被写体を高感度なリニア特性で撮像し、変曲点よりも高輝度の被写体を高ダイナミックレンジなログ特性で撮像することができる。
【０１１７】
そして、画像信号Ｄ２はゼロバイアスモードで駆動された画素から出力されているので、ばらつきが非常に少ない画像信号を得ることができる。特に、閾値ＴＨ付近においてノイズが非常に少なく、高品位な画像信号が得られる。
【０１１８】
以上のように、本固体撮像装置では、１フレーム期間Ｔ１を第１期間Ｔ１１と第２期間Ｔ１２とに分け、第１期間Ｔ１１において画素を逆バイアスモードで駆動させて画像信号Ｄ１を取得し、第２期間Ｔ１２において画素をゼロバイアスモードで駆動させて画像信号Ｄ２を取得している。そのため、１フレーム期間において、高感度なリニア特性の画像信号Ｄ１と、ばらつきの少ないログ特性の画像信号Ｄ２とを同時に得ることができる。そして、後段に設けられた画像信号処理部１２１によって両信号を切り替えることによって、リニア特性とログ特性とが合成されたリニアログ特性の固体撮像装置を提供することができ、ログ領域においてばらつきの少ないリニアログ特性を実現することができる。また、画素を表面型のフォトダイオードで構成したため、画素アレイ部２１の製造プロセスを単純化することができる。
【０１１９】
（実施の形態２）
実施の形態２による固体撮像装置は、画素の受光素子を埋込型のフォトダイオードで構成したことを特徴とする。なお、本実施の形態において、実施の形態１と同一のものは同一の符号を付し、説明を省略する。
【０１２０】
図９は、本発明の実施の形態２による画素アレイ部２１を構成する画素の回路図である。図９に示す画素回路は、図３に示す画素回路に対して、更に、ＴＸ及び浮遊拡散層（以下、“ＦＤ”と記述する。ＦＤ：floating diffusion）が設けられている。
【０１２１】
図９に示す画素回路において、ＰＤは埋込型のフォトダイオードにより構成され、アノードにＰＶＳＳが入力され、カソードにＴＸのソースが接続されている。
【０１２２】
ＴＸは、例えばｎＭＯＳ（negative channel Metal Oxide Semiconductor）により構成され、ＰＤにより蓄積された信号電荷をＦＤに転送する。ＴＸのゲートには、ＴＸをオン、オフするための転送制御信号φＴＸ（画素制御信号の一例、以下、“φＴＸ”と記述する。）が入力される。ＴＸのドレインは、ＦＤを介してＲＳＴに接続されている。φＴＸがＬｏになるとＴＸのゲートが閉じてＴＸがオフし、φＴＸがＨｉになると、ＴＸのゲートが開いてＴＸがオンする。なお、φＴＸは、ローデコーダ２３から出力される。
【０１２３】
ＦＤは、ＰＤから転送された信号電荷を蓄積する。これにより、ＦＤには信号電荷に応じた電圧が現れる。
【０１２４】
ＲＳＴは、例えばｎＭＯＳにより構成され、ＦＤをリセットし、ＦＤに蓄積された信号電荷をＦＤの外部に排出する。
【０１２５】
ＲＳＴのゲートには、φＲＳＴが入力され、ドレインにφＲＳＢが入力され、ソースがＦＤを介してＡＭＰの入力端子に接続されている。また、ＲＳＴは、画素を逆バイアスモードで駆動させるために、ＰＤのカソードにφＲＳＢ＝Ｈｉの電圧を入力してＰＤをリセットする。また、ＲＳＴは、画素をゼロバイアスモードで駆動させるために、ＰＤのカソードにφＲＳＢ＝Ｌｏの電圧を入力してＰＤをリセットする。
【０１２６】
なお、φＲＳＴ、φＲＳＢはローデコーダ２３から出力される。また、ＰＶＳＳは例えば接地されている。
【０１２７】
ＡＭＰは、入力端子がＦＤに接続され、出力端子がＳＥＬを介して垂直信号線Ｌ＿１に接続され、ＦＤのカソードの電圧を電流増幅してＳＥＬに出力する。また、ＡＭＰは、正の電源端子にＰＶＤＤが供給され、負の電源端子にＰＶＳＳが供給されている。
【０１２８】
図１０は、図９に示す画素回路のタイミングチャートである。なお、図１０に示すタイミングチャートも、図４に示すタイミングチャートと同様、１フレーム期間Ｔ１が第１期間Ｔ１１と第２期間Ｔ１２とに分けられ、第１期間Ｔ１１において画素は逆バイアスモードで駆動され、第２期間Ｔ１２において画素はゼロバイアスモードで駆動されている。
【０１２９】
時刻ｔ０では、φＲＳＴ＝Ｈｉにされ、ＨｉのφＲＳＢがＦＤに印加され、ＦＤがリセットされる。これにより、ＦＤの電圧がＨｉとなる。
【０１３０】
時刻ｔ１では、φＶＳＥＮ＝Ｈｉにされ、ＦＤに現れているノイズレベルＶ＿ｎ１の電圧がノイズ成分信号としてカラムＡＤＣ２１２により読み出される。なお、時刻ｔ１において、φＲＳＴ＝Ｌｏにされることで、ＦＤの電圧がＨｉからノイズレベルＶ＿ｎ１に低下しているのは、ＦＤとＲＳＴとの間の寄生容量やＦＤのｋｔｃノイズ等の影響のためである。
【０１３１】
時刻ｔ２では、φＶＳＥＮ＝Ｌｏ、φＴＸ＝Ｈｉとされ、ＰＤに蓄積された信号電荷がＦＤに転送される。これにより、ＦＤの電圧はノイズレベルＶ＿ｎ１からシグナルレベルＶ＿ｓ１まで低下する。
【０１３２】
時刻ｔ３では、φＶＳＥＮ＝Ｈｉ、φＴＸ＝Ｌｏにされ、ＦＤに現れているシグナルレベルＶ＿ｓ１の電圧がＡＭＰにより電流増幅され、ノイズ・シグナル成分信号として、カラムＡＤＣ２１２により読み出される。
【０１３３】
カラムＡＤＣ２１２は、ノイズ・シグナル成分信号を読み出すと、相関二重サンプリングを実行して、時刻ｔ１で読み出したノイズ成分信号と時刻ｔ３で読み出したノイズ・シグナル成分信号との差分をとり、ノイズ・シグナル成分信号に含まれるノイズ成分を除去し、シグナル成分信号を生成する。このシグナル成分信号はＡＤ変換された後、リニア特性を持つ画像信号Ｄ１として画像信号処理部１２１に出力される。
【０１３４】
次に、φＲＳＢ＝Ｌｏにされ、第２期間Ｔ１２が開始される。
【０１３５】
時刻ｔ４では、φＲＳＴ＝Ｈｉ、φＴＸ＝Ｈｉにされ、ＬｏのφＲＳＢがＰＤのカソードに入力され、ＰＤがゼロバイアス状態でリセットされる。これにより、ＦＤの電圧はシグナルレベルＶ＿ｓ１からＰＶＳＳ（＝Ｌｏ）まで低下する。
【０１３６】
次に、φＲＳＴがＨｉからＬｏにされ、ゼロバイアスモードでの露光が開始される。
【０１３７】
時刻ｔ５では、画素がゼロバイアスモードで駆動されており、入射光量に応じてＰＤのカソードの電圧がＰＶＳＳからシグナルレベルＶ＿ｓ２まで低下し、ＦＤの電圧がＰＶＳＳからシグナルレベルＶ＿ｓ２まで低下する。
【０１３８】
時刻ｔ６では、φＶＳＥＮ＝Ｈｉにされ、ＦＤに現れるシグナルレベルＶ＿ｓ２の電圧がＡＭＰにより電流増幅され、ノイズ・シグナル成分信号としてカラムＡＤＣ２１２に読み出される。
【０１３９】
時刻ｔ７では、φＲＳＴ＝Ｈｉにされ、ＬｏのφＲＳＢがＰＤのカソードに入力され、ＰＤがゼロバイアス状態でリセットされる。これにより、ＦＤの電圧がシグナルレベルＶ＿ｓ２からＰＶＳＳまで上昇する。また、時刻ｔ７では、φＶＳＥＮ＝Ｈｉにされているため、ＦＤに現れているＰＶＳＳの電圧がＡＭＰにより電流増幅され、ノイズ成分信号としてカラムＡＤＣ２１２に読み出される。
【０１４０】
カラムＡＤＣ２１２は、ノイズ成分信号を読み出すと、相関二重サンプリングを実行して、時刻ｔ６で読み出したノイズ・シグナル信号成分と時刻ｔ７で読み出したノイズ成分信号との差分をとり、ノイズ・シグナル成分信号に含まれるノイズ成分を除去し、シグナル成分信号を生成する。このシグナル成分信号はＡＤ変換された後、ログ特性を持つ画像信号Ｄ２として画像信号処理部１２１に出力される。
【０１４１】
時刻ｔ８では、φＲＳＴ＝Ｈｉ、φＲＳＢ＝Ｈｉにされ、ＨｉのφＲＳＢがＦＤに入力され、ＦＤがリセットされる。これにより、ＦＤの電圧がＰＶＳＳからＨｉに上昇する。また、時刻ｔ８ではＰＤのカソードにＨｉのφＲＳＢが入力されるため、ＰＤは逆バイアス状態でリセットされる。これにより、次に続く第１期間Ｔ１１において、画素は逆バイアスモードで駆動されることになる。
【０１４２】
このように、実施の形態による固体撮像装置では、埋込型のフォトダイオードを備える画素を採用した場合であっても、実施の形態１と同様、１フレーム期間Ｔ１にてリニア特性を持つ画像信号Ｄ１とログ特性を持つ画像信号Ｄ２とを得ることができる。そのため、ログ領域においてばらつきの少ないリニアログ特性を実現することができる。また、画素を埋込型のフォトダイオードで構成したため、高品質の画像信号を得ることができる。
【０１４３】
なお、実施の形態１、２では、１フレーム期間において、画素は、逆バイアスモード及びゼロバイアスモードの順で駆動されているが、本発明はこれに限定されず、この順序を逆にしてもよい。
【符号の説明】
【０１４４】
１１０  撮像素子
１２０  画像処理部
１２１  画像信号処理部
１２２  撮像素子制御部
２１  画素アレイ部
２２  タイミング制御部
２３  ローデコーダ
２４  カラムＡＤＣアレイ部
２５  カラムデコーダ
Ｐ１  変曲点
Ｄ１  画像信号
Ｄ２  画像信号
Ｄ３  出力画像信号
ＲＳＴ  リセットトランジスタ
ＴＸ  転送トランジスタ
ＳＥＬ  行選択トランジスタ
ＡＭＰ  アンプ
【図１】
2013058960.tif 000003
【図２】
2013058960.tif 000004
【図３】
2013058960.tif 000005
【図４】
2013058960.tif 000006
【図５】
2013058960.tif 000007
【図６】
2013058960.tif 000008
【図７】
2013058960.tif 000009
【図８】
2013058960.tif 000010
【図９】
2013058960.tif 000011
【図１０】
2013058960.tif 000012