(57)【要約】      （修正有）【課題】垂直方向の解像度を劣化させることなく、検出できる光信号のダイナミックレンジが広い固体撮像装置およびその駆動方法を提供する。【解決手段】光電変換素子を有する複数の画素２が行列状に２次元配置されている画素部１と、画素信号が読み出される複数の画素２を、画素部１の行毎に選択する行選択回路３と、行選択回路３により選択される行の複数の画素２における露光時間を行毎に変更するように、行選択回路３に制御信号を与える制御部９と、行選択回路３により選択された行の複数の画素２から読み出された画素信号を列毎に混合する混合部７とを備える。【選択図】図１
2013009051.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換素子を有する複数の単位画素が行列状に２次元配置されている画素部と、
画素信号が読み出される前記複数の単位画素を、前記画素部の行毎に選択する行選択回路と、
前記行選択回路により選択される行の複数の単位画素における露光時間を行毎に変更するように、前記行選択回路に制御信号を与える制御部と、
前記行選択回路により選択された行の複数の単位画素から読み出された画素信号を列毎に混合する混合部とを備える
固体撮像装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記露光時間を、フレーム毎に変更するように、前記行選択回路に制御信号を与える
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記混合部は、前記行選択回路であり、
前記制御部は、前記行選択回路に、前記画素部の行を２行以上同時に選択させる
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記混合部は、ＡＤＣカウンタである
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記ＡＤＣカウンタは、アップダウンカウンタで構成される
請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記混合部は、ラインメモリと信号処理回路とで構成される
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
固体撮像装置の駆動方法であって、
光電変換素子を有し、行列状に２次元配置されている複数の単位画素に対して、行毎に露光時間を変更した制御信号を与えて、行毎に前記複数の単位画素から画像信号を読み出す読み出しステップと、
同列に配置された前記複数の単位画素から、異なる露光時間により読み出された画素信号を、混合部により混合する混合ステップとを含む
固体撮像装置の駆動方法。
【請求項８】
前記読み出しステップにおいて、前記露光時間は、１フレーム内でＮ（Ｎは２以上の自然数）行毎に変更される
請求項７に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項９】
前記読み出しステップにおいて、前記露光時間は、フレーム毎に変更される
請求項８に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１０】
前記混合ステップにおいて、前記混合部は、フレーム毎に、前記画素信号を混合する前記複数の画素が配置された行の組み合わせを変更する
請求項７に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１１】
前記混合ステップにおいて、前記混合部は、前記単位画素の行を２行以上同時に選択する
請求項７に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１２】
前記混合ステップにおいて、ＡＤＣカウンタは、前記ＡＤＣカウンタを２行以上リセットせずに、読み出された前記画素信号を順に加算する
請求項７に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置およびその駆動方法に関し、特にダイナミックレンジを広げる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の固体撮像装置により検出できる光信号（画素信号）のダイナミックレンジは、６０ｄＢから８０ｄＢ程度であり、肉眼や銀塩フィルムにより検出できる光信号のダイナミックレンジに匹敵する１００ｄＢから１２０ｄＢ程度、あるいは車載カメラや監視カメラ等の用途によってはそれ以上のレベルにまで向上させることが望まれている。そこで、特許文献１は、隣接行に対して電子シャッタにより露光時間を独立して制御し、高感度と低感度の画素信号を出力し、外部信号処理にて混合を行うことで、検出できる光信号のダイナミックレンジを広げている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２５３８７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の技術では、行毎に露光時間を変えているため、垂直方向の解像度が劣化するという課題がある。また、固体撮像装置内に混合手段を持たないため、外部信号処理にラインメモリまたはフレームメモリが必要という課題もある。
【０００５】
そこで、本発明は、垂直方向の解像度を劣化させることなく、検出できる光信号のダイナミックレンジが広い固体撮像装置およびその駆動方法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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明では、光電変換素子を有する複数の単位画素が行列状に２次元配置されている画素部と、画素信号が読み出される前記複数の単位画素を、前記画素部の行毎に選択する行選択回路と、前記行選択回路により選択される行の複数の単位画素における露光時間を行毎に変更するように、前記行選択回路に制御信号を与える制御部と、前記行選択回路により選択された行の複数の単位画素から読み出された画素信号を列毎に混合する混合部とを備える。
【０００７】
この構成によれば、２つの異なる露光時間で検出された画素信号の混合を行うため、検出できる画素信号のダイナミックレンジを拡大することができる。また、フレーム毎に混合する行の組み合わせを切り替えることにより、連続する画像の垂直方向の解像度を維持することができる。
【０００８】
また、前記制御部は、前記露光時間を、フレーム毎に変更するように、前記行選択回路に制御信号を与えてもよい。
【０００９】
この構成によれば、さらにフレーム毎に各行の露光時間を変更するので、異なる画像の垂直方向の解像度を劣化させることなく、検出できる画素信号のダイナミックレンジを広げることができる。
【００１０】
また、前記混合部は、前記行選択回路であり、前記制御部は、前記行選択回路に、前記画素部の行を２行以上同時に選択させてもよい。
【００１１】
この構成によれば、読み出された画素信号をアナログ信号で混合することができる。
【００１２】
また、前記混合部は、ＡＤＣカウンタであってもよい。
【００１３】
この構成によれば、読み出されたアナログ信号の画素信号を、デジタル信号に変換するときに画素信号を混合することができる。
【００１４】
また、前記ＡＤＣカウンタは、アップダウンカウンタで構成されてもよい。
【００１５】
この構成によれば、アップカウントとダウンカウントを連続して行うので、基準信号と画素信号の両方の信号に重畳する誤差信号をキャンセルすることができる。
【００１６】
また、前記混合部は、ラインメモリと信号処理回路とで構成されてもよい。
【００１７】
この構成によれば、異なる露光時間の画素信号をラインメモリに保持し、信号処理回路で混合を行うため、画像の領域によって画素信号の混合をするかしないかを切り替えることができる。
【００１８】
また、固体撮像装置の駆動方法であって、光電変換素子を有し、行列状に２次元配置されている複数の単位画素に対して、行毎に露光時間を変更した制御信号を与えて、行毎に前記複数の単位画素から画像信号を読み出す読み出しステップと、同列に配置された前記複数の単位画素から、異なる露光時間により読み出された画素信号を、混合部により混合する混合ステップとを含む。
【００１９】
この構成によれば、２つの異なる露光時間で検出された画素信号の混合を行うため、検出できる画素信号のダイナミックレンジを拡大することができる。
【００２０】
また、前記読み出しステップにおいて、前記露光時間は、１フレーム内でＮ（Ｎは２以上の自然数）行毎に変更されてもよい。
【００２１】
また、前記読み出しステップにおいて、前記露光時間は、フレーム毎に変更されてもよい。
【００２２】
この構成によれば、さらにフレーム毎に各行の露光時間を変更するので、異なる画像の垂直方向の解像度を劣化させることなく、検出できる画素信号のダイナミックレンジを広げることができる。
【００２３】
また、前記混合ステップにおいて、前記混合部は、フレーム毎に、前記画素信号を混合する前記複数の画素が配置された行の組み合わせを変更してもよい。
【００２４】
この構成によれば、フレーム毎に混合する行の組み合わせを切り替えることにより、連続する画像の垂直方向の解像度を維持することができる。
【００２５】
また、前記混合ステップにおいて、前記混合部は、前記単位画素の行を２行以上同時に選択してもよい。
【００２６】
また、前記混合ステップにおいて、ＡＤＣカウンタは、前記ＡＤＣカウンタを２行以上リセットせずに、読み出された前記画素信号を順に加算してもよい。
【００２７】
この構成によれば、ＡＤＣカウンタをリセットしないで、読み出された画像信号を順にＡＤ変換するので、アナログ信号をデジタル信号に変換するときに、２行以上の単位画素から読み出された画素信号を加算することができる。
【発明の効果】
【００２８】
垂直方向の解像度を劣化させることなく、検出できる光信号のダイナミックレンジが広い固体撮像装置およびその駆動方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態１における固体撮像装置の全体構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１の形態における固体撮像装置の画素の構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１における固体撮像装置の列回路部の構成を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１における固体撮像装置のマルチプレクサの構成を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１における固体撮像装置の列選択回路の構成を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態１における固体撮像装置の画素の動作に関する各制御信号のタイミングを示す図である。
【図７】本発明の実施の形態１における固体撮像装置の読み出し動作における各制御信号のタイミングを示す図である。
【図８】本発明の実施の形態１における連続するフレームにおける各行の露光時間と、出力時に混合する行の組み合わせを示す図である。
【図９】本発明の実施の形態１における光量と出力信号の関係を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態１における連続するフレームにおける各行の露光時間と、出力時に混合する行の組み合わせの他の例を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態２における固体撮像装置の全体構成を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態２における固体撮像装置のカラムＡＤＣの詳細構成を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態２における固体撮像装置のカラムＡＤＣのタイミングチャートを示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態２における固体撮像装置のカラムＡＤＣの他のタイミングチャートを示す図である。
【図１５】本発明の実施の形態３における固体撮像装置のカラムＡＤＣのタイミングチャートを示す図である。
【図１６】本発明の実施の形態４における固体撮像装置の全体構成を示す図である。
【図１７】本発明の実施の形態５における連続するフレームにおける各行の露光時間と、出力時に混合する行の組み合わせを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の一態様にかかる実施の形態１について説明する。なお、本発明について、以下の実施の形態および添付の図面を用いて説明を行うが、これは例示を目的としており、本発明がこれらに限定されることを意図しない。
【００３１】
本発明は、光電変換素子を有する複数の単位画素が行列状に２次元配置されている画素部と、画素信号が読み出される前記複数の単位画素を、前記画素部の行毎に選択する行選択回路と、前記行選択回路により選択される行の複数の単位画素における露光時間を行毎に変更するように、前記行選択回路に制御信号を与える制御部と、前記行選択回路により選択された行の複数の単位画素から読み出された画素信号を列毎に混合する混合部とを備える。
【００３２】
この構成により、垂直方向の解像度を劣化させることなく、検出できる光信号のダイナミックレンジを広げることができる。
【００３３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における固体撮像装置１００の全体構成を示す図である。
【００３４】
本実施の形態における固体撮像装置１００は、撮像部１と、画素（単位画素）２と、行選択回路３と、画素電流源回路４と、クランプ回路５と、サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路６と、マルチプレクサ（ＭＵＸ）７と、列選択回路８と、制御部９と、出力アンプ１０とを備える。なお、画素電流源回路４、クランプ回路５、サンプルホールド回路６により、列回路部２０が構成される。
【００３５】
撮像部１は、光電変換を行う画素２が行列状に２次元配置された撮像領域である。本実施の形態では、６×４の行列状に２次元配置された２４画素の例が示されているが、実際の総画素数は、数百万個以上である。
【００３６】
行選択回路３は、横１行毎にＳＥＬ、ＲＳＴ、ＴＲＡＮの３本の制御線を備え、撮像部１の各画素２に対して、行単位でリセット（初期化）、リード（読み出し）、およびラインセレクト（行選択）を制御する。
【００３７】
画素電流源回路４は、各列に画素電流源回路の基本単位４ａを備え、列方向に画素電流源回路の基本単位４ａがアレイ状にならび、画素２からの信号を垂直信号線に供給するための電流を生成する。
【００３８】
クランプ回路５は、各列にクランプ回路の基本単位５ａを備え、列方向にクランプ回路の基本単位５ａがアレイ状にならび、垂直信号線１９からの行単位の出力から画素２で発生する固定パターンノイズ成分を除去する。
【００３９】
Ｓ／Ｈ回路６は、各列にＳ／Ｈ回路の基本単位６ａを備え、列方向にＳ／Ｈ回路の基本単位６ａがアレイ状にならび、クランプ回路５からの行単位の出力を保持する。
【００４０】
ＭＵＸ７は、Ｓ／Ｈ回路６の各基本単位６ａと出力アンプ１０との接続を切り替える。
【００４１】
列選択回路８は、列選択信号線３０を備え、ＭＵＸ７の列を順次選択する。
【００４２】
出力アンプ１０は、ＭＵＸ７を介してＳ／Ｈ回路６の出力を受け取り、増幅した後にチップ外部に出力する。
【００４３】
制御部９は、駆動モードに応じて、行選択回路駆動信号を行選択回路３に供給する。
【００４４】
図２は、画素２の詳細を示す回路図である。画素２の回路は、初期化時の電圧を増幅したリセット電圧と読み出し時の電圧を増幅したリード電圧とを垂直信号線１９に出力することを特徴とする。画素２は、入射した光を光電変換し電荷を出力するフォトダイオード（ＰＤ）１１と、ＰＤ１１により発生した電荷を蓄積して、蓄積した電荷を電圧信号として出力するフローティングディフュージョン（ＦＤ）１３と、ＦＤ１３の示す電圧が初期電圧（ここではＶＤＤ）になるようにリセットするリセットＴｒ１４と、ＰＤ１１により出力される電荷をＦＤ１３に供給する転送Ｔｒ１２と、ＦＤ１３の示す電圧に追従して変化する電圧を出力する増幅Ｔｒ１５と、行選択回路３からラインセレクト信号を受けたときに増幅Ｔｒ１５の出力を垂直信号線１９に接続する選択Ｔｒ１６とを備えている。リセットＴｒ１４及び増幅１５のソースは、画素電源１７に接続されている。ＰＤ１１はグランド１８に接続されている。
【００４５】
図３は、画素電流源回路４と、クランプ回路５と、Ｓ／Ｈ回路６とで構成される本発明の実施の形態１における列回路部２０の詳細を示す図である。列回路部２０の機能は、画素２の回路から出力されるリセット電圧とリード電圧との差分を示す信号を一時保持した後にＭＵＸ７に出力することである。
【００４６】
画素電流源回路４は、ゲートに電流源バイアス電位２１ａが供給され、画素２からの信号読み出し時に増幅Ｔｒ１５に電流を供給する電流源トランジスタ２１を備えている。
【００４７】
クランプ回路５は、サンプリングＴｒ２２と、画素出力を入力しリセット信号とリード信号の差分、すなわち、画素信号を求めるクランプ容量２３（容量値Ｃｃｌ）と、該クランプ容量２３の反対側の端子電位をクランプ電位（ＶＣＬ）に設定するためのクランプ電圧入力端子２５と、クランプＴｒ２４とを備えている。
【００４８】
Ｓ／Ｈ回路６は、ゲートにＳ／Ｈ容量入力信号が供給され画素信号を一時保持するＳ／Ｈ容量２７（容量値Ｃｓｈ）と、Ｓ／Ｈ容量２７に信号を入力するＳ／Ｈ回路６の基本単位６ａとを備えている。
【００４９】
図４は、ＭＵＸ７周辺の詳細を示す図である。各Ｓ／Ｈ容量２７と水平共通信号線２９の間には、列選択Ｔｒ２８が配置されている。列選択Ｔｒ２８は、ゲートに供給される列選択信号（Ｈ［ｎ］）に応じてＳ／Ｈ容量２７に保持された信号を順次、水平共通信号線２９に出力する。
【００５０】
水平共通信号線２９を介して出力アンプ１０に供給された信号は、増幅された後にチップ外部に出力される。
【００５１】
図５は、行選択回路３の詳細を示す図である。行選択回路３は、アドレスデコーダ３１と、各行毎に配置された行選択用論理回路３２とを備えている。行選択用論理回路３２は、フリップフロップ４３と、ＡＮＤゲート３４とを有している。アドレスデコーダ３１は、制御部９から供給されるアドレス信号に応じて、対応する行選択用論理回路３２のＡＮＤゲート３４にＨ信号を出力し、同時にフリップフロップ４３のライトイネーブル信号を入力すると、選択された行のフリップフロップ４３にはＨが設定され、その行は選択状態になる。
【００５２】
次に、選択行設定完了後に画素制御用のパルスＳＥＬ＿ｓ、ＴＲＡＮ＿ｓ、ＲＳＴ＿ｓを入力すると、選択された行の画素２にそれぞれのパルスが供給される。画素２の駆動が完了したら、各フリップフロップ４３の値をＬにリセットし、行選択を解除する。
【００５３】
次に、本装置の動作を説明する。図６は、１つの画素２に着目したときの１フレームの画素信号を読み出す動作に関する制御信号のタイミングを示す図である。１フレームの画素信号を読み出す期間は、各画素２のフォトダイオード１１に蓄積される電荷をゼロにするリセット期間と、光信号（画素信号）により生成された電荷をフォトダイオード１１に蓄積する露光期間と、蓄積された電荷量に相当した電圧信号を読み出す読出し期間とを含む。出力信号は、この露光期間の長さと光信号の大きさの積に比例する。
【００５４】
次に、１フレームの画像信号を読み出す動作を説明する。図７は、画素２と列回路部２０に供給される各制御信号のタイミングを示す図である。
【００５５】
図７に示すように、タイミングｔ１においては、行選択信号ＳＥＬ［１］、ＳＥＬ［２］がＨｉで１行目と２行目が同時に選択されており、転送Ｔｒ１２がオフでリセットＴｒ１４はオンであり、ＦＤ１３の電位（以下ではＶｆｄ）はＦＤリセット電位Ｖｆｄｒｓｔ（＝ＶＤＤ）に初期化される。２つの行に同時に行選択信号ＳＥＬ、リセット信号ＲＳＴを入力するには、行選択回路３のアドレスデコーダ３１に、２つの行のアドレス信号を順次供給し、行選択用論理回路３２のフリップフロップ４３に選択状態を順次設定すれば可能になる（ＴＲＡＮについても同様）。
【００５６】
タイミングｔ２では、転送Ｔｒ１２、リセットＴｒ１４がオフなので、ＦＤ電位のリセット状態は保持される。この時、選択Ｔｒ１６はオンのため、Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｔｈがリセット電圧として垂直信号線１９に出力される（正確には、Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｔｈ−αであるが、ここではαは省略）。
【００５７】
さらに、このリセット電圧Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｔｈは、クランプ容量２３の一方の端子に出力される。一方、クランプ信号（クランプＴｒ２４のゲート信号）とＳ／Ｈ容量入力信号（Ｓ／Ｈ容量入力Ｔｒ２６のゲート信号）はＨｉであり、クランプ容量２３の他方の端子ならびにＳ／Ｈ容量２７の電位はＶＣＬに設定される。
【００５８】
タイミングｔ３では、転送Ｔｒがオンとなるため、１行目と２行目のＰＤ１１に蓄積された電荷がＦＤ１３に転送され、それぞれのＦＤ電位Ｖｆｄ１、Ｖｆｄ２はこの信号電荷量に応じた電圧Ｖｆｄｓｉｇ１、Ｖｆｄｓｉｇ２だけ低下し、Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｆｄｓｉｇ１、Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｆｄｓｉｇ２となる。なお、このステップが、本発明における読み出しステップに相当する。
【００５９】
タイミングｔ４では、転送Ｔｒ１２がオフで選択Ｔｒ１５がオンであり、Ｖｆｄｓｉｇ１とＶｆｄｓｉｇ２の平均をＶｆｄｓｉｇとしたときに、Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｆｄｓｉｇ−Ｖｔｈ−ＲＩ／２が、リード電圧として垂直信号線１９に出力される。このリード信号（リード電圧）は、１行目と２行目の同一の列に配置された画素信号を混合（垂直混合）した信号に相当する。この垂直信号線１９の電位変化により、クランプ容量２３の入力信号もＶｆｄｓｉｇだけ変化する。なお、本実施の形態では、行選択回路３および制御部９が本発明における混合部に相当する。また、このステップが、本発明における混合ステップに相当する。
【００６０】
さらに、クランプＴｒ２４はオフなので、クランプ容量２３の他方の端子の電位、すなわちＳ／Ｈ容量２７の電位は、Ｖｆｄｓｉｇ×Ｃｃｌ／（Ｃｃｌ＋Ｃｓｈ）だけ変化する。この電位変化は、垂直信号線１９におけるリセット電圧とリード電圧の差分に対応した電圧、すなわち、１行目と２行目の平均化された画素信号（垂直画素混合信号）であり、タイミングｔ５で行選択信号ＳＥＬ［１］、ＳＥＬ［２］とＳ／Ｈ入力信号がＬｏとなり、Ｓ／Ｈ容量２７に蓄積される。
【００６１】
次に、タイミングｔ１１では、Ｈ［１］がＨｉとなり、１列目の選択Ｔｒがオンとなる。これにより１列目のＳ／Ｈ容量２７の信号が水平共通信号線２９に出力され、出力アンプ１０を介して外部に出力される。
【００６２】
タイミングｔ１２では、Ｈ［２］がＨｉとなり、２列目の選択Ｔｒ１６がオンとなる。これにより、２列目のＳ／Ｈ容量２７の信号が水平共通信号線２９に出力され、出力アンプ１０を介して外部に出力される。同様に、順次列選択信号をＨｉにすれば、各列のＳ／Ｈ容量２７の信号が順次出力される。以上より、垂直２画素混合された画素信号が順次出力される。
【００６３】
さらに、図７の動作を撮像部１に配置された画素２の行数／２だけ繰り返せば、撮像部１全体の信号が読み出されることになる。このときの出力画像の各画素信号は、撮像部１における２ｎ−１行と２ｎ行の画素２の画素信号を混合した信号である。また、同時に読出し行の組み合わせを変えると、２ｎ行と２ｎ＋１行の画素２の画素信号を混合した信号で構成される画像を得ることも可能である。
【００６４】
一方、画素リセット動作は行単位で実行する。行毎に適切な露光時間を設定することが可能である。
【００６５】
図８は、連続するフレームにおける各行の露光時間と、出力時に混合する行の組み合わせを示す。図８では１フレーム内で、２行（Ｎ＝２）毎に露光期間を変更して単位画素の画素信号を混合する例について説明する。２行の各行に配置された単位画素での露光期間をＴ１、Ｔ２とし、露光時間Ｔ１、Ｔ２をＴ１＜Ｔ２とすれば、各フレームでは、短い露光時間Ｔ１の信号と長い露光時間Ｔ２の信号を混合した信号が得られる。
【００６６】
図９は、ＰＤ１１に照射される光量と出力信号との関係を示す。１つの露光時間による信号での上限は、ＰＤ飽和、回路飽和、ＡＤＣのレンジ（図１の出力アンプの後段に設置）で決まる飽和で制限され、下限は回路ノイズ、ＡＤＣの量子化誤差で制限されるため、検出できる光信号のダイナミックレンジを大きく確保することが困難である。
【００６７】
これに対し、本実施の形態では、２つの異なる露光時間で検出された光信号の混合を行うため、検出できる光信号のダイナミックレンジを拡大することができる。また、フレーム毎に画素信号を混合する行の組み合わせを切り替えることにより、連続する２枚の画像セットとして垂直方向の解像度を維持することができる。
【００６８】
なお、上記の動作では異なる露光時間の信号を混合したが、露光時間を各行一定にして、１行単位で混合なしで読み出せば、一般的な撮像装置と同様の画像を得ることも可能である。
【００６９】
図１０は、連続するフレームにおける各行の露光時間と、出力時に混合する行の組み合わせの他の例を示す。図１０では１フレーム内で、３行（Ｎ＝３）毎に露光期間を変更して単位画素の画素信号を混合する例について説明する。３行の各行に配置された単位画素での露光期間をＴ１、Ｔ２、Ｔ３とし、露光時間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３をＴ１＜Ｔ２＜Ｔ３とすれば、各フレームでは、短い露光時間Ｔ１の信号、中間の露光時間Ｔ２の信号、長い露光時間Ｔ３の信号を混合した信号が得られ、検出できる光信号のダイナミックレンジが、より拡大する。
【００７０】
また、フレーム毎に混合する行の組み合わせを切り替えることにより、連続画像のセットとして垂直方向の解像度を維持することができる。また、フレーム毎にＴ１、Ｔ２、Ｔ３の露光時間を変更してもよい。この構成によれば、図８に示したＴ１とＴ２の組み合わせに比べ、さらなるダイナミックレンジの拡大が可能になる。
【００７１】
（実施の形態２）
次に、実施の形態２について説明する。本実施の形態における固体撮像装置が実施の形態１に示した固体撮像装置と異なる点は、固体撮像装置が、ＭＵＸおよび列選択回路に代えてカラムＡＤＣを備える点である。
【００７２】
図１１は、実施の形態２における固体撮像装置２００の全体構成を示す図である。固体撮像装置２００は、撮像部１０１と、行選択回路１０３と、画素電流源回路１０４と、クランプ回路１０５と、サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路１０６と、カラムＡＤＣ１４４と、制御部１０９とを備えている。なお、画素電流源回路１０４、クランプ回路１０５、サンプルホールド回路１０６により、列回路部１２０が構成される。
【００７３】
カラムＡＤＣ１４４は、各列にカラムＡＤＣの基本単位１４４ａを備え、列方向にカラムＡＤＣの基本単位１４４ａがアレイ状にならび、Ｓ／Ｈ回路１０６に保持された行単位のアナログ画素信号をデジタル信号に変換する。
【００７４】
画素１０２、画素電流源回路１０４、クランプ回路１０５、Ｓ／Ｈ回路１０６、行選択回路１０３の構成の詳細は、実施の形態１に示した構成と同様である。
【００７５】
図１２は、カラムＡＤＣ１４４の詳細を示す図である。カラムＡＤＣは、ランプ波形生成回路１４８と、コンパレータ１４７と、カウンタ１４９と、クロック生成回路１５０とを備えている。
【００７６】
コンパレータ１４７は、カラムＡＤＣ入力端子１４６から入力されるＳ／Ｈ回路１０６からの信号がコンパレータ１４７に入力されると、Ｓ／Ｈ回路１０６からの信号（画素信号）とランプ波形との比較を行い、ランプ波形が画素信号よりも低いときに、Ｈｉを出力する。
【００７７】
カウンタ１４９は、クロックが供給されかつコンパレータ信号がＨの期間に、カウントアップを行う。
【００７８】
クロック生成回路１５０は、カウンタ１４９にクロックを供給する。また、カラムＡＤＣの基本単位１４４ａは、１列分のコンパレータ１４７とカウンタ１４９とで構成される。
【００７９】
次に、カラムＡＤＣ１４４のＡＤ変換動作について、図１３のタイミングチャートを参照して説明する。
【００８０】
まず、タイミングｔ０で画素信号を入力し、ランプ波形は画素信号の最小値に、カウンタ１４９は０に設定する。また、ランプ波形は画素信号より低いレベルなので、ラッチ信号はＨｉである。
【００８１】
次に、タイミングｔ１で、ランプ波形のレベルは上昇し始める。上昇の傾きは、タイミングｔ３で画素信号の最大値に達するように設定する。また、カウンタ１４９へのクロック供給も開始し、カウンタ１４９もランプ波形の上昇に同期してカウントアップする。
【００８２】
タイミングｔ２では、ランプ波形が画素信号より大きくなるので、ラッチ信号がＬｏレベルに切り替わり、そのときのカウンタ値でカウントアップが停止する。先に述べたように、ランプ波形の上昇とカウントアップは同期しているので、カウンタ１４９に保持されたデジタル値は、画素信号に対応した値になっている。以上の動作は、各列で並列に行われており、１行分のアナログ画素信号が並列にＡＤ変換され、各列のラッチに保持される。
【００８３】
実施の形態１と同様の動作により、固体撮像装置２００は、Ｓ／Ｈ回路１０６まで読み出された信号をカラムＡＤＣ１４４によりアナログデジタル変換する。これにより、検出できる光信号のダイナミックレンジが広く、かつ、垂直解像度が高い画像をデジタル信号として得ることができる。
【００８４】
この構成によれば、固体撮像装置２００は、実施の形態１のアナログ出力に比べ、外部のＡＤＣが不要になるとともに、ＡＤＣまでの信号線で混入する外乱ノイズを回避することができ、低ノイズな動作に適するという利点がある。
【００８５】
また、ＡＤＣの別の構成として、図１２に示すカウンタ１４９としてダウンカウントとアップカウントの機能を有するアップダウンカウンタを設けてもよい。この場合のＡＤ変換動作について、図１４のタイミングチャートを参照して説明する。
【００８６】
図１４に示すように、まず、タイミングｔ５で基準信号を入力し、ランプ波形は基準信号の最小値に、カウンタ１４９は０に設定する。また、ランプ波形は基準信号より低いレベルなのでラッチ信号はＨｉである。
【００８７】
次に、タイミングｔ６で、ランプ波形のレベルは上昇し始める。また、カウンタ１４９へのクロック供給も開始しカウンタ１４９もランプ波形の上昇に同期してカウントダウンする。
【００８８】
タイミングｔ７では、ランプ波形が基準信号より大きくなるので、ラッチ信号がＬｏレベルに切り替わり、そのときのカウンタ値でカウントダウンが停止する。
【００８９】
次に、タイミングｔ０で、基準＋画素信号を入力する。ランプ波形は、基準＋画素信号の最小値にする。ランプ波形は、基準＋画素信号より低いレベルなので、ラッチ信号はＨｉである。ただし、カラムＡＤＣ１４４のカウンタ１４９の０リセットは行わない。
【００９０】
次に、タイミングｔ１で、ランプ波形のレベルは上昇し始める。上昇の傾きは、タイミングｔ３で基準＋画素信号の最大値に達するように設定する。また、カウンタ１４９へのクロック供給も開始しカウンタ１４９もランプ波形の上昇に同期してカウントアップを開始する。
【００９１】
タイミングｔ２では、ランプ波形が基準＋画素信号より大きくなるので、ラッチ信号がＬｏレベルに切り替わり、そのときのカウンタ値でカウントアップが停止する。前記ダウンカウントの後、リセットなしでアップカウントを行っているので、このときのカウンタ値は前記基準信号と基準＋画素信号の差分、すなわち、画素信号に相当するデジタル信号である。
【００９２】
以上の動作は、各列で並列に行われており、１行分のアナログ画素信号が並列にＡＤ変換され、各列のラッチに保持される。このＡＤ変換動作では、基準信号と基準＋画素信号の差分をデジタル化するため、両方の信号に重畳するコンパレータのオフセット誤差はキャンセルできる利点がある。
【００９３】
（実施の形態３）
次に、実施の形態３について説明する。
【００９４】
本実施の形態における固体撮像装置の全体構成は、実施の形態２に示した固体撮像装置２００と同じであるが、画素信号の読出し動作が異なる。実施の形態２では画素信号の読出し時に複数行の画素信号の混合を行うが、本実施の形態では、画素信号を１行ずつ読出し、アナログデジタル変換回路（カラムＡＤＣ）１４４で複数行の画素信号の混合（加算）を行う。本実施の形態において、カラムＡＤＣ１４４は、本発明の混合部に相当する。
【００９５】
図１５は、カラムＡＤＣ１４４での混合（加算）動作のタイミングチャートを示す図である。図１５では、タイミングｔ１からｔ３で行１の画素信号１、タイミングｔ３からｔ６で行２の画素信号２のＡＤ変換を行う。このとき、画素信号２のＡＤ変換の前にカウンタのゼロリセットを行わないため、画素信号１と画素信号２の加算値（混合値）に相当するデジタル信号値が得られる。
【００９６】
本実施の形態に示す固体撮像装置の動作によると、実施の形態２の画素信号を読み出すときにアナログ動作で混合するのに比べ、高精度に混合が実行できるという利点がある。
【００９７】
（実施の形態４）
次に、実施の形態４について説明する。
【００９８】
本実施の形態にかかる固体撮像装置が、実施の形態３にかかる固体撮像装置と異なる点は、固体撮像装置が、さらに、ラインメモリと信号処理回路とを備えている点である。
【００９９】
図１６は、実施の形態４における固体撮像装置３００の全体構成を示す図である。固体撮像装置３００は、撮像部２０１と、画素２０２と、行選択回路２０３と、画素電流源回路２０４と、クランプ回路２０５と、サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路２０６と、カラムＡＤＣ２４４と、制御部２０９と、ラインメモリ２５１と、信号処理回路２５２とを備えている。なお、画素電流源回路２０４、クランプ回路２０５、サンプルホールド回路２０６により、列回路部２２０が構成される。
【０１００】
本実施の形態では、画素からの信号読出し、ＡＤ変換は１行単位で行い、ＡＤ変換後にカラムＡＤＣ２４４から出力された画素信号をラインメモリ２５１に保持する。続けて、異なる露光時間設定の行の画素信号の読出し、ＡＤ変換を行い、ＡＤ変換後にカラムＡＤＣ２４４から出力された画素信号とラインメモリに保持されている信号との混合もしくは加算を信号処理回路２５２で行う。本実施の形態において、カラムＡＤＣ２４４、ラインメモリ２５１、信号処理回路２５２は、本発明の混合部に相当する。
【０１０１】
本実施の形態では、画素信号の混合を信号処理回路２５２で行うため、柔軟な混合が実行できる利点がある。例えば、画像の領域によって画素混合をするかしないかのオン／オフを切り替えることもできる。これにより、検出できる光信号に対して大きなダイナミックレンジが必要でない領域に対しては画素混合をオフにし、大きなダイナミックレンジが必要である領域に対しては画素混合をオンにすることにより、全画素信号レンジに対し、同じ階調の信号を得ることができる。
【０１０２】
（実施の形態５）
次に、実施の形態５について説明する。
【０１０３】
本実施の形態における固体撮像装置の全体構成は、実施の形態１から４にかかる固体撮像装置の構成のいずれかであるが、露光期間を決める画素のリセット動作と画素信号の読出し動作とが異なる。
【０１０４】
図１７は、連続するフレームにおける各行の露光時間と、出力時に混合する行の組み合わせを示す。図１７において、露光時間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３はＴ１＜Ｔ２＜Ｔ３であり、異なる３つの露光時間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の画素信号を垂直混合するが、混合する組み合わせをフレーム毎に切り替える。一方、露光時間の設定組み合わせはフレーム毎での切り替えは行わない。
【０１０５】
この構成によれば、異なる露光時間の信号を混合するので、検出できる光信号のダイナミックレンジが広い画像を、簡易な回路構成で得られる。また、フレーム毎に混合組み合わせを変えることにより、連続画像のセットとして混合による垂直方向の解像度の低下を抑制することができる。本実施の形態にかかる固体撮像装置により読み出した画像は、実施の形態１から４にかかる固体撮像装置により読み出した画像に比べると解像度は少しおちるが、露光時間の制御が容易で制御回路の規模を低減できる利点がある。
【０１０６】
なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形を行ってもよい。
【０１０７】
例えば、本発明にかかる固体撮像装置の構成は、上記した実施の形態に限らず、他の構成であってもよい。例えば、画素電流源回路、クランプ回路、サンプルホールド回路、マルチプレクサ、列選択回路、カラムＡＤＣ、デジタル混合器の構成やこれらの組み合わせを変更した構成であってもよい。
【０１０８】
また、読み出した画素信号を混合する行数は、上記した２行に限らず、３行またはそれ以上であってもよい。また、画素信号を混合する複数の行は、連続する行に限らず、どのような組み合わせであってもよい。
【０１０９】
また、本発明にかかる固体撮像装置には、上記実施の形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、実施の形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明にかかる固体撮像装置を備えた各種デバイスなども本発明に含まれる。例えば、本発明にかかる固体撮像装置を備えたムービーカメラも本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１１０】
本発明にかかる固体撮像装置は、デジタル一眼レフカメラ、高級コンパクトカメラなど高画質、高機能が求められる撮像機器向けイメージセンサとして有用である。
【符号の説明】
【０１１１】
１、１０１、２０１  撮像部（画素部）
２、１０２、２０２  画素（単位画素）
３、１０３、２０３  行選択回路（行選択回路、混合部）
４、１０４、２０４  画素電流源回路
５、１０５、２０５  クランプ回路
６、１０６、２０６  Ｓ／Ｈ回路
７  マルチプレクサ
８  列選択回路
９、１０９、２０９  制御部
１０  出力アンプ
１１  フォトダイオード（ＰＤ）
１２  転送トランジスタ
１３  フローティングディフュージョン（ＦＤ）
１４  リセットトランジスタ
１５  増幅トランジスタ
１６  選択トランジスタ
１７  画素電源
１８  グランド
１９  垂直信号線
２０、１２０、２２０  列回路部
２１  電流源トランジスタ
２２  サンプリングトランジスタ
２３  クランプ容量
２４  クランプトランジスタ
２５  クランプ電圧入力端子
２６  Ｓ／Ｈ容量入力トランジスタ
２７  Ｓ／Ｈ容量
２８  列選択トランジスタ
２９  水平共通信号線
３０  列選択信号線
３１  アドレスデコーダ
３２  行選択用論理回路
３４  ＡＮＤゲート
４３  フリップフロップ
１４４、２４４  カラムＡＤＣ（混合部）
１４６  カラムＡＤＣ入力端子
１４７  コンパレータ
１４８  ランプ波形生成回路
１４９  カウンタ
１５０  クロック生成回路
２５１  ラインメモリ（混合部）
２５２  信号処理回路（混合部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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