(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を光電変換し、発生した電荷を蓄積する光電変換蓄積手段、前記光電変換蓄積手段に蓄積された電荷を電荷検出部に移送する電荷読み出し手段、前記電荷検出部に移送された電荷を検出し、その電荷量に応じた電位を発生して垂直信号線に伝達する電位検出手段および前記電位検出手段を選択的に活性化させるアドレス手段を有する単位セルを半導体基板上に二次元的に配列してなる撮像領域と、
各単位セルの電荷読み出し手段およびアドレス手段をそれぞれ前記撮像領域の各画素行に対応した所定のタイミングで駆動する垂直駆動手段と、
前記単位セルの列毎に設けられた垂直信号線の各々に付加され、必要な信号処理を施す信号処理手段と、
前記垂直信号線の各々に対応する前記信号処理手段の出力信号の水平信号線への転送を制御する水平読み出し用のスイッチ手段と、
前記水平読み出し用のスイッチ手段を所定のタイミングで制御する水平駆動手段と、
前記水平駆動手段による前記水平読み出し用のスイッチ手段の制御によって、前記水平信号線に読み出された前記信号処理手段の出力信号を出力する出力手段とを備え、前記水平駆動手段は、前記水平読み出し用のスイッチ手段を複数の垂直信号線に対応して実質的に同時にオンさせることにより、これら複数の垂直信号線に対応する前記信号処理手段の出力信号を前記水平信号線に読み出して平均化し、前記出力手段から出力するモードを有する固体撮像装置を具備し、
前記固体撮像装置における各行の単位セルの光電変換蓄積手段の積分時間あるいは各行毎の前記出力手段からの出力に対する増幅利得を前記モード時の平均化出力レベルに基づいて各行毎に独立に設定することを特徴とする固体撮像システム。
【請求項２】
入射光を光電変換し、発生した電荷を蓄積する光電変換蓄積手段、前記光電変換蓄積手段に蓄積された電荷を電荷検出部に移送する電荷読み出し手段、前記電荷検出部に移送された電荷を検出し、その電荷量に応じた電位を発生して垂直信号線に伝達する電位検出手段および前記電位検出手段を選択的に活性化させるアドレス手段を有する単位セルを半導体基板上に二次元的に配列してなる撮像領域と、
各単位セルの電荷読み出し手段およびアドレス手段をそれぞれ前記撮像領域の各画素行に対応した所定のタイミングで駆動する垂直駆動手段と、
前記単位セルの列毎に設けられた垂直信号線の各々に付加され、必要な信号処理を施す信号処理手段と、
前記垂直信号線の各々に対応する前記信号処理手段の出力信号の水平信号線への転送を制御する水平読み出し用のスイッチ手段と、
前記水平読み出し用のスイッチ手段を所定のタイミングで制御する水平駆動手段と、
前記水平駆動手段による前記水平読み出し用のスイッチ手段の制御によって、前記水平信号線に読み出された前記信号処理手段の出力信号を出力する出力手段とを備え、前記水平駆動手段は、水平期間内の有効走査期間に前記水平読み出し用のスイッチ手段を垂直信号線の各々に対応して順次オンさせることにより、各垂直信号線に対応する前記信号処理手段の出力信号を前記水平信号線を介して前記出力手段から順次出力する第１の動作モードと、前記有効走査期間後の帰線期間に前記水平読み出し用のスイッチ手段を複数の垂直信号線に対応して実質的に同時にオンさせることにより、これら複数の垂直信号線に対応する前記信号処理手段の出力信号を前記水平信号線に読み出して平均化し、前記出力手段から出力する第２の動作モードとを有する固体撮像装置と、
前記固体撮像装置の出力手段からの前記第２の動作モード時の平均化出力レベルのデータを一時記憶する記憶手段
とを具備し、前記固体撮像装置における各行の単位セルの光電変換蓄積手段の積分時間を前記第２の動作モード時の平均化出力レベルに基づいて各行毎に独立に設定することを特徴とする固体撮像システム。
【請求項３】
前記固体撮像装置における各行毎の積分時間を、１フレーム期間前における当該行の前記第２の動作モードでの平均化出力レベルに基づいて設定することを特徴とする請求項２記載の固体撮像システム。
【請求項４】
入射光を光電変換し、発生した電荷を蓄積する光電変換蓄積手段、前記光電変換蓄積手段に蓄積された電荷を電荷検出部に移送する電荷読み出し手段、前記電荷検出部に移送された電荷を検出し、その電荷量に応じた電位を発生して垂直信号線に伝達する電位検出手段および前記電位検出手段を選択的に活性化させるアドレス手段を有する単位セルを半導体基板上に二次元的に配列してなる撮像領域と、
各単位セルの電荷読み出し手段およびアドレス手段をそれぞれ前記撮像領域の各画素行に対応した所定のタイミングで駆動する垂直駆動手段と、
前記単位セルの列毎に設けられた垂直信号線の各々に付加され、必要な信号処理を施す信号処理手段と、
前記垂直信号線の各々に対応する前記信号処理手段の出力信号の水平信号線への転送を制御する水平読み出し用のスイッチ手段と、
前記水平読み出し用のスイッチ手段を所定のタイミングで制御する水平駆動手段と、
前記水平駆動手段による前記水平読み出し用のスイッチ手段の制御によって、前記水平信号線に読み出された前記信号処理手段の出力信号を出力する出力手段とを備え、前記水平駆動手段は、通常の画像フレームの期間では、撮像領域の各行毎に、水平期間内の有効走査期間に前記水平読み出し用のスイッチ手段を垂直信号線の各々に対応して順次オンさせることにより、各垂直信号線に対応する前記信号処理手段の出力信号を前記水平信号線を介して前記出力手段から順次出力する第１の動作モードを有し、予備の画像フレームの期間では、撮像領域の各行毎に、前記水平読み出し用のスイッチ手段を複数の垂直信号線に対応して実質的に同時にオンさせることにより、これら複数の垂直信号線に対応する前記信号処理手段の出力信号を前記水平信号線に読み出して平均化し、前記出力手段から出力する第２の動作モードを有する固体撮像装置と、
前記固体撮像装置の出力手段からの前記第２の動作モード時の平均化出力レベルのデータを一時記憶する記憶手段
とを具備し、前記固体撮像装置における各行の単位セルの光電変換蓄積手段の積分時間を、当該行の読み出しが行われる通常の画像フレームより前の予備の画像フレームにおける当該行の前記第２の動作モードでの平均化出力レベルに基づいて設定することを特徴とする固体撮像システム。
【請求項５】
前記予備の画像フレームの期間は、前記通常の画像フレームの期間よりも短く設定されていることを特徴とする請求項４記載の固体撮像システム。
【請求項６】
前記第２の動作モードでの平均化出力レベルの大きさを所定の圧縮特性にしたがって補正した値に基づいて前記各行毎の積分時間を設定することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像システム。
【請求項７】
入射光を光電変換し、発生した電荷を蓄積する光電変換蓄積手段、前記光電変換蓄積手段に蓄積された電荷を電荷検出部に移送する電荷読み出し手段、前記電荷検出部に移送された電荷を検出し、その電荷量に応じた電位を発生して垂直信号線に伝達する電位検出手段および前記電位検出手段を選択的に活性化させるアドレス手段を有する単位セルを半導体基板上に二次元的に配列してなる撮像領域と、
各単位セルの電荷読み出し手段およびアドレス手段をそれぞれ前記撮像領域の各画素行に対応した所定のタイミングで駆動する垂直駆動手段と、
前記単位セルの列毎に設けられた垂直信号線の各々に付加され、必要な信号処理を施す信号処理手段と、
前記垂直信号線の各々に対応する前記信号処理手段の出力信号の水平信号線への転送を制御する水平読み出し用のスイッチ手段と、
前記水平読み出し用のスイッチ手段を所定のタイミングで制御する水平駆動手段と、
前記水平駆動手段による前記水平読み出し用のスイッチ手段の制御によって、前記水平信号線に読み出された前記信号処理手段の出力信号を出力する出力手段とを備え、前記水平駆動手段は、水平期間内の有効走査期間に前記水平読み出し用のスイッチ手段を垂直信号線の各々に対応して順次オンさせることにより、各垂直信号線に対応する前記信号処理手段の出力信号を前記水平信号線を介して前記出力手段から順次出力する第１の動作モードと、前記水平読み出し用のスイッチ手段を複数の垂直信号線に対応して実質的に同時にオンさせることにより、これら複数の垂直信号線に対応する前記信号処理手段の出力信号を前記水平信号線に読み出して平均化し、前記出力手段から出力する第２の動作モードとを有する固体撮像装置と、
前記固体撮像装置の出力手段からの前記第１の動作モード時の出力信号を増幅する増幅器と、
前記固体撮像装置の出力手段からの前記第２の動作モード時の平均化出力レベルのデータを一時記憶する記憶手段
とを具備し、前記増幅器における出力信号の増幅利得を前記第２の動作モード時の平均化出力レベルに基づいて各行毎に独立に設定することを特徴とする固体撮像システム。
【請求項８】
前記水平駆動手段は、前記有効走査期間後の帰線期間に前記第２の動作モードを有し、前記出力手段からの前記第１の動作モード時の出力信号を各行毎に前記増幅器で増幅する際、同一フレーム期間内における１行前の隣接行の前記第２の動作モードでの平均化出力レベルに基づいて増幅利得を制御することを特徴とする請求項７記載の固体撮像システム。
【請求項９】
前記第２の動作モードでの平均化出力レベルの大きさを所定の圧縮特性にしたがって補正した値に基づいて前記各行毎の増幅利得を設定することを特徴とする請求項７または８記載の固体撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置を用いた固体撮像システムに係り、特に画素毎に電荷検出回路を設けた増幅型の固体撮像装置を用いた固体撮像システムに関するもので、例えばビデオカメラや電子スチールカメラ等に使用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像装置には、解像度を追求する電荷結合素子(CCD) 型固体撮像装置や、画素毎に電荷検出回路を設けた増幅型固体撮像装置と称されるものがあり、ダイナミックレンジを拡大するために、大きく分けて２つのアプローチがとられている。１つは光電変換特性自身に非線形性を持たせる方法、もう１つはフレームレート（即ち、１フレーム読み出すに必要な時間）よりも短い時間で積分時間を設定する動作（いわゆる電子シャッタ機能）による方法である。
【０００３】
従来のCCD 型固体撮像装置では、画素開口率改善のために縦型オーバーフロードレインを用いた電子シャッタ動作が行われることが多い。このような電子シャッタ動作においては、撮像面の画素に対して異なる積分時間を設定することは構造的に極めて困難であり、撮像面の全画素に対して一括して積分時間を設定されることが多い。そのため、例えば画面上最も明るい画素が飽和しないように積分時間を設定することとなるが、その場合には暗い光の当った画素からの出力は積分時間が不足するので雑音成分に埋もれてしまい、画像全体のＳ／Ｎが必ずしも確保できないという問題点があった。
【０００４】
これに対して、増幅型固体撮像装置は、CCD 型固体撮像装置に比べて、電荷転送動作をフォトダイオード周辺でしか行わないので、電荷転送動作に要求される電力・電圧が不要となり、電池等で駆動されるモバイル用途には有利である。
【０００５】
図８は、従来の増幅型固体撮像装置の概略構成を示している。ここでは、１つの単位セルの中に１つのフォトダイオードを配置してなる方式を例にとって示している。
【０００６】
半導体基板上の撮像領域には、単位セルＰijが二次元的に垂直にｍ個、水平にｎ個配列されており、添字i は1 〜m 、添字j は1 〜n である。この単位セルＰijの各画素行に対応して、水平方向にアドレスパルスラインLADi、読み出しパルスラインLRi 、およびリセットパルスラインLRSiが設けられている。これら各単位セルＰijは、垂直駆動手段としてのパルス発生部20から3 本のパルスライン（アドレスパルスラインLADi、読み出しパルスラインLRi およびリセットパルスラインLRSi）を介して、アドレスパルスφADi 、読み出しパルスφRiおよびリセットパルスφRSi が供給される。また、上記単位セルＰijの列毎に対応して、垂直方向に垂直信号線Sjが設けられており、各単位セルＰijは出力ライン8 を介して垂直信号線Sjに接続されている。
【０００７】
各垂直信号線Sjは、一端と接地点間に電流源Ijが設けられており、他端にはシフトトランジスタ（シフトゲート）SHj の電流通路の一端が接続されている。各シフトトランジスタSHj のゲートは、シフトパルスラインLSH に共通接続される。
【０００８】
各シフトトランジスタSHj の電流通路の他端には、結合用のキャパシタ（容量）CAj の一方の電極が接続され、各キャパシタCAj の他方の電極と水平信号線24との間には、水平読み出し手段としての水平読み出しトランジスタ（水平読み出しゲート）Hjの電流通路が接続される。各水平読み出しトランジスタHjのゲートは、水平読み出しパルスラインLHj に接続されている。上記水平信号線24には、キャパシタ25で等価的に表す容量が付随している。
【０００９】
さらに、前記各キャパシタCAj の他方の電極と接地点間には電荷蓄積用のキャパシタCBj が接続される。そして、上記キャパシタCAj とCBj の接続点とクランプ用の直流電源23の正極との間には、オフセット除去のためのクランプ動作用のトランジスタ（クランプ動作用のゲート）CLPjの電流通路が接続される。各トランジスタCLPjのゲートは、それぞれクランプパルスラインLCLPに接続されている。
【００１０】
上記シフトトランジスタSHj 、上記キャパシタCAj 、CBj およびクランプ動作用のトランジスタCLPjによって、信号処理手段としてのノイズキャンセラ回路が構成される。
【００１１】
パルス発生部21は、上記シフトパルスラインLSH を介して各シフトトランジスタSHj のゲートにシフトパルスφSHを供給し、上記クランプパルスラインLCLPを介して各クランプ動作用のトランジスタCLPjのゲートにクランプパルスφCLP を供給して動作を制御する。
【００１２】
また、水平駆動手段としての水平パルス発生部22は、上記水平読み出しパルスラインLHj を介して、水平読み出しトランジスタHjのゲートに水平読み出しパルスφHjを供給するとともに、クリアパルスラインLCR を介して電位リセット用のトランジスタ（電位リセット用のゲート）28のゲートにクリアパルスφCRを供給する。この電位リセット用のトランジスタ28は、キャパシタ25の電位をリセットするためのもので、電流通路の一端にリセット時の電位発生用の直流電源29の正極が接続され、電流通路の他端は水平信号線24に接続されている。上記直流電源29の電圧値（この値をＶb とする）は、出力バッファ回路26の特性を考慮して設計され、トランジスタ28のゲートには各々の水平読み出しパルスφHjに先立って、クリアパルスφCRが供給され、キャパシタ25を電位Ｖb に設定するようになっている。
【００１３】
さらに、上記水平信号線24には、この水平信号線24の電位を検出し、インピーダンス変換して外部に出力する出力手段としての出力バッファ回路26の入力端が接続される。そして、この出力バッファ回路26の出力端には、出力ノード27が接続されている。
【００１４】
次に、上記各単位セルＰijの内部構造について説明する。
【００１５】
各単位セルＰijは、光電変換蓄積手段としてのフォトダイオード1 、電荷読み出し手段としての読み出しトランジスタ（読み出しゲート）2 、フォトダイオードより読み出された電荷が一時蓄積される蓄積ノード（電荷検出部）3 、リセット手段としてのリセットトランジスタ（リセットゲート）4 、蓄積ノード3 に接続された電位を検出する手段としての電位検出トランジスタ（電位検出ゲート）5 および当該セルの電位読出しを活性化するアドレス手段としてのアドレストランジスタ（アドレスゲート）6 、電源ノード7 に接続された電源ライン（表示を簡単化するために図示せず）、セルの出力ライン8 を備えている。
【００１６】
上記フォトダイオード1 のアノードは接地され、カソードは読み出しトランジスタ2 の電流通路の一端に接続される。この読み出しトランジスタ2 の電流通路の他端は、上記フォトダイオード1 から読み出された電荷が一時蓄積される蓄積ノード3 に接続され、ゲートは読み出しパルスラインLRi に接続される。上記蓄積ノード3 と電源ノード7 間にはリセットトランジスタ4 が接続され、このリセットトランジスタ4 のゲートはリセットパルスラインLRSiに接続される。電位検出トランジスタ5 の電流通路の一端は、当該単位セルＰijの出力ライン8 を介して垂直信号線Sjに接続され、ゲートは蓄積ノード3 に接続される。この電位検出トランジスタ5 は、蓄積ノード3 に移送された電荷を検出し、この電荷量に対応する電位を出力ライン8 を介して垂直信号線Sjに伝達する。アドレストランジスタ6 の電流通路は、上記電位検出トランジスタ5 の電流通路の他端と電源ノード7 間に接続され、ゲートはアドレスパルスラインLADiに接続される。このアドレストランジスタ6 は、当該単位セルＰijの電位読み出しを活性化するものである。
【００１７】
図９は、図８の固体撮像装置をノンインターレース走査による撮像方式で駆動する従来のパルス信号のタイミングを示している。
【００１８】
図９において、HBLKは水平同期パルスを示しており、ハイレベルの期間が水平走査線帰線期間である。この水平同期パルスHBLKがロウレベルの期間が水平有効走査期間であり、この期間に水平読み出しパルスφHjが発生している。上記水平走査線帰線期間と上記水平有効走査期間で１水平走査期間（１Ｈ）を構成する。この水平走査期間において、各々の単位セルからの信号読み出しは水平走査線帰線期間に行われ、キャパシタCBj に電荷の形で一時的に保存される。その後、水平有効走査期間に、水平読み出しトランジスタHjを順次オンさせて行き、キャパシタ25と信号処理用のキャパシタCAj 、CBj を並列化することにより、前記蓄積された信号電荷を読み出す。
【００１９】
次に、図８中の単位セルＰij中の読み出し動作について、図９に示すタイミングチャートを参照して詳細に説明する。
【００２０】
フォトダイオード1 に入射した光が光電変換されて生成された電荷は、読み出しトランジスタ2 がオンするまでフォトダイオード1 に蓄積される。水平走査線帰線期間には、まず、時刻ｔ＝t0において、アドレスパルスφADi をハイレベルにしてアドレストランジスタ6 をオンさせ、電位検出トランジスタ5 で蓄積ノード3 の電荷を検出できるように、垂直信号線Sj、電流源Ijおよび電位検出トランジスタ5 でソースフォロワ回路を構成する。これにより、蓄積ノード3 の電荷量に対応する電位検出トランジスタ5 のゲート電位で決まる電位のみが垂直信号線Sjに伝達される。
【００２１】
また、水平走査線帰線期間の開始とともに、リセットパルスφRSi をハイレベルにしてリセットトランジスタ4 をオンさせることにより、水平帰線期間の開始とともに蓄積ノード3 に蓄積された暗電流積分値が排出される。これによって、蓄積ノード3 は、電源電圧値（これをＶddとする）に設定される。
【００２２】
前記フォトダイオード1 から蓄積ノード3 へ電荷Ｑijが移送された時、この蓄積ノード3 の容量をＣijとすると、蓄積ノード3 の電位Ｖ3ij は、
Ｖ3ij ＝Ｖdd＋Ｑij／Ｃij                                …（１）
となる。ここで、Ｖddは電源電圧である。この電位Ｖ3ij が電位検出トランジスタ5 で検出され、出力ライン8 の電位Ｖ8ij は、
0003875461.tif 000002
となる。ここでｍはトランジスタ（ゲート）の変調度、Ｖoij は電位検出トランジスタ5 の閾値電圧と電流源Ijのばらつきで決まるオフセット電圧である。
【００２３】
現状の製造技術では、変調度ｍはウェハ全面に対して少ないばらつきで形成できるが、オフセット電圧Ｖoij は必ずしもそうではなく、各垂直信号線Sjでばらつく。従って、変調度ｍはほぼ一定と見なして良く、オフセット電圧Ｖoij の補正を行う必要があり、この補正を行うための動作が引き続き行われる。
【００２４】
いま、直流電源23の電位をＶref とし、出力ライン8 の電位Ｖ8ij とノイズキャンセラ回路内におけるキャパシタCAj とCBj の接続点であるノードＡj の電位ＶAjを考えていく。リセット直後のｔ＝t1の時、
Ｖ8ij ＝ｍＶdd＋Ｖoij ＝Ｖ1                             …（３）
と置く。この後、クランプパルスφCLP の印加直後のｔ＝t2では、出力ライン8の電位Ｖ8ij はＶ1 のままであるが、ＶAjは、
ＶAj＝Ｖref                                             …（４）
となる。即ち、キャパシタCAj の両端には、Ｖref −Ｖ1 の電位差が発生している。また、キャパシタCBj の接地されている電極と反対側の電極はＶref の電位である。次に、読み出しパルスφRiをハイレベルにして、読み出しトランジスタ2 をオンさせてフォトダイオード1 に蓄積されていた電荷Ｑijを蓄積ノード3 に移す。この結果、ｔ＝t3では
Ｖ8ij ＝ｍＱij／Ｃij＋Ｖ1                               …（５）
となる。従って、ノードＡj の電位ＶAjは、
ＶAj＝Ｖref ＋（ｍＱij／Ｃij）CAj ／（CAj ＋CBj ）      …（６）
なる電圧に設定されたことになる。
【００２５】
この後、シフトパルスφSHをロウレベルに設定してシフトトランジスタSHj をオフさせて垂直信号線Sjを切り離し、水平同期パルスHBLKをロウレベルに設定する。この状態（ｔ＝t4）で、キャパシタ25とキャパシタCBj に蓄積されている電荷をそれぞれQ1、Q2j とすると、キャパシタ25の容量をCH、直流電源29の電圧値をＶb で表わした場合、
0003875461.tif 000003
となる。
【００２６】
この後、水平同期パルスHBLKがロウレベルの期間において、クリアパルスφCRをハイレベルにした後に水平読み出しパルスφHjをハイレベルに設定し、水平読み出しトランジスタHjをオンさせれば、容量が並列となることで水平信号線24の電位は、
0003875461.tif 000004
となる。（９）式から分かるように、水平信号線24の電位は、各ラインでばらつきうる量としてキャパシタCAj 、CBj 、また、単位セル毎にばらつきうる量としてＣijを含んでいる他はすべて単一の構成要素となっている。即ち、（３）式で示した閾値電圧等でばらつくおそれのあるＶoij は含んでおらず、（４）式で示した出力ライン8 の電位Ｖ8jの値から有効に補正が行われている。
【００２７】
さらに、（９）式を詳細にみれば、ｍＱij／Ｃijの項を除いて、全て容量の絶対値ではなく、その比で決まっていることが分かる。このことは、出力電圧は、ゲート酸化膜等の絶対値ではなく、キャパシタのパターンの幾何学的な大きさの比により決まることを示しており、ばらつきの低減が現行の製造技術で比較的容易に達成できることを意味している。また、トランジスタの変調度ｍは、比較的容易に制御できる変数であり、前述したようにばらつきを少なく形成でき、ほぼ一定と見なしてよいので、最終的にはセル毎にばらつきうる量としてのＣijのみが僅かに効くにすぎない。
【００２８】
即ち、水平同期パルスHBLKがロウレベルの期間にクリアパルスφCRをハイレベルにした後に水平読み出しパルスφH1、φH2、φH3、…を順次ハイレベルにして水平信号線24の電位を変化させて読み出しを行うことにより、出力ノード27から水平ラインの信号が時系列的に得られる。
【００２９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来、増幅型固体撮像装置の読み出し行毎にダイナミックレンジを拡大する手法は具体的に提示されていない。
【００３０】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、固体撮像装置の構成を複雑化することなく、読み出し行毎にダイナミックレンジを拡大し得る固体撮像システムを提供することを目的とする。
【００３１】
また、本発明の他の目的は、読み出し行毎にダイナミックレンジの拡大およびコントラストの忠実性の両立を図り得る固体撮像システムを提供することにある。
【００３２】
また、本発明の他の目的は、読み出し行毎に被写体画像の明るさの変化に追随して出力信号レベルを制御し、画面のちらつきを抑制し得る固体撮像システムを提供することにある。
【００３３】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の固体撮像システムは、入射光を光電変換し、発生した電荷を蓄積する光電変換蓄積手段、前記光電変換蓄積手段に蓄積された電荷を電荷検出部に移送する電荷読み出し手段、前記電荷検出部に移送された電荷を検出し、その電荷量に応じた電位を発生して垂直信号線に伝達する電位検出手段および前記電位検出手段を選択的に活性化させるアドレス手段を有する単位セルを半導体基板上に二次元的に配列してなる撮像領域と、各単位セルの電荷読み出し手段およびアドレス手段をそれぞれ前記撮像領域の各画素行に対応した所定のタイミングで駆動する垂直駆動手段と、前記単位セルの列毎に設けられた垂直信号線の各々に付加され、必要な信号処理を施す信号処理手段と、前記垂直信号線の各々に対応する前記信号処理手段の出力信号の水平信号線への転送を制御する水平読み出し用のスイッチ手段と、前記水平読み出し用のスイッチ手段を所定のタイミングで制御する水平駆動手段と、前記水平駆動手段による前記水平読み出し用のスイッチ手段の制御によって、前記水平信号線に読み出された前記信号処理手段の出力信号を出力する出力手段とを備え、前記水平駆動手段は、前記水平読み出し用のスイッチ手段を複数の垂直信号線に対応して実質的に同時にオンさせることにより、これら複数の垂直信号線に対応する前記信号処理手段の出力信号を前記水平信号線に読み出して平均化し、前記出力手段から出力するモードとを有する固体撮像装置とを具備し、前記固体撮像装置における各行の単位セルの光電変換蓄積手段の積分時間あるいは各行毎の前記出力手段からの出力に対する増幅利得を前記モード時の平均化出力レベルに基づいて各行毎に独立に設定することを特徴とする。
【００３４】
本発明の第２の固体撮像システムは、入射光を光電変換し、発生した電荷を蓄積する光電変換蓄積手段、前記光電変換蓄積手段に蓄積された電荷を電荷検出部に移送する電荷読み出し手段、前記電荷検出部に移送された電荷を検出し、その電荷量に応じた電位を発生して垂直信号線に伝達する電位検出手段および前記電位検出手段を選択的に活性化させるアドレス手段を有する単位セルを半導体基板上に二次元的に配列してなる撮像領域と、各単位セルの電荷読み出し手段およびアドレス手段をそれぞれ前記撮像領域の各画素行に対応した所定のタイミングで駆動する垂直駆動手段と、前記単位セルの列毎に設けられた垂直信号線の各々に付加され、必要な信号処理を施す信号処理手段と、前記垂直信号線の各々に対応する前記信号処理手段の出力信号の水平信号線への転送を制御する水平読み出し用のスイッチ手段と、前記水平読み出し用のスイッチ手段を所定のタイミングで制御する水平駆動手段と、前記水平駆動手段による前記水平読み出し用のスイッチ手段の制御によって、前記水平信号線に読み出された前記信号処理手段の出力信号を出力する出力手段とを備え、前記水平駆動手段は、水平期間内の有効走査期間に前記水平読み出し用のスイッチ手段を垂直信号線の各々に対応して順次オンさせることにより、各垂直信号線に対応する前記信号処理手段の出力信号を前記水平信号線を介して前記出力手段から順次出力する第１の動作モードと、前記有効走査期間後の帰線期間に前記水平読み出し用のスイッチ手段を複数の垂直信号線に対応して実質的に同時にオンさせることにより、これら複数の垂直信号線に対応する前記信号処理手段の出力信号を前記水平信号線に読み出して平均化し、前記出力手段から出力する第２の動作モードとを有する固体撮像装置と、前記固体撮像装置の出力手段からの前記第２の動作モード時の平均化出力レベルのデータを一時記憶する記憶手段とを具備し、前記固体撮像装置における各行の単位セルの光電変換蓄積手段の積分時間を前記第２の動作モード時の平均化出力レベルに基づいて各行毎に独立に設定することを特徴とする。
【００３５】
前記固体撮像装置における各行毎の積分時間を独立に設定する手段は、ある行の読み出しが行われる画像より１フレーム期間前の画像の当該行の前記第２の動作モードでの平均化出力レベルに基づいて当該行の積分時間を設定する手段が挙げられる。
【００３６】
本発明の第３の固体撮像システムは、入射光を光電変換し、発生した電荷を蓄積する光電変換蓄積手段、前記光電変換蓄積手段に蓄積された電荷を電荷検出部に移送する電荷読み出し手段、前記電荷検出部に移送された電荷を検出し、その電荷量に応じた電位を発生して垂直信号線に伝達する電位検出手段および前記電位検出手段を選択的に活性化させるアドレス手段を有する単位セルを半導体基板上に二次元的に配列してなる撮像領域と、各単位セルの電荷読み出し手段およびアドレス手段をそれぞれ前記撮像領域の各画素行に対応した所定のタイミングで駆動する垂直駆動手段と、前記単位セルの列毎に設けられた垂直信号線の各々に付加され、必要な信号処理を施す信号処理手段と、前記垂直信号線の各々に対応する前記信号処理手段の出力信号の水平信号線への転送を制御する水平読み出し用のスイッチ手段と、前記水平読み出し用のスイッチ手段を所定のタイミングで制御する水平駆動手段と、前記水平駆動手段による前記水平読み出し用のスイッチ手段の制御によって、前記水平信号線に読み出された前記信号処理手段の出力信号を出力する出力手段とを備え、前記水平駆動手段は、通常の画像フレームの期間では、撮像領域の各行毎に、水平期間内の有効走査期間に前記水平読み出し用のスイッチ手段を垂直信号線の各々に対応して順次オンさせることにより、各垂直信号線に対応する前記信号処理手段の出力信号を前記水平信号線を介して前記出力手段から順次出力する第１の動作モードを有し、予備の画像フレームの期間では、撮像領域の各行毎に、前記水平読み出し用のスイッチ手段を複数の垂直信号線に対応して実質的に同時にオンさせることにより、これら複数の垂直信号線に対応する前記信号処理手段の出力信号を前記水平信号線に読み出して平均化し、前記出力手段から出力する第２の動作モードを有する固体撮像装置と、前記固体撮像装置の出力手段からの前記第２の動作モード時の平均化出力レベルのデータを一時記憶する記憶手段とを具備し、前記固体撮像装置における各行の単位セルの光電変換蓄積手段の積分時間を、当該行の読み出しが行われる通常の画像フレームより前の予備の画像フレームにおける当該行の前記第２の動作モードでの平均化出力レベルに基づいて設定することを特徴とする。
【００３７】
本発明の第４の固体撮像システムは、入射光を光電変換し、発生した電荷を蓄積する光電変換蓄積手段、前記光電変換蓄積手段に蓄積された電荷を電荷検出部に移送する電荷読み出し手段、前記電荷検出部に移送された電荷を検出し、その電荷量に応じた電位を発生して垂直信号線に伝達する電位検出手段および前記電位検出手段を選択的に活性化させるアドレス手段を有する単位セルを半導体基板上に二次元的に配列してなる撮像領域と、各単位セルの電荷読み出し手段およびアドレス手段をそれぞれ前記撮像領域の各画素行に対応した所定のタイミングで駆動する垂直駆動手段と、前記単位セルの列毎に設けられた垂直信号線の各々に付加され、必要な信号処理を施す信号処理手段と、前記垂直信号線の各々に対応する前記信号処理手段の出力信号の水平信号線への転送を制御する水平読み出し用のスイッチ手段と、前記水平読み出し用のスイッチ手段を所定のタイミングで制御する水平駆動手段と、前記水平駆動手段による前記水平読み出し用のスイッチ手段の制御によって、前記水平信号線に読み出された前記信号処理手段の出力信号を出力する出力手段とを備え、前記水平駆動手段は、水平期間内の有効走査期間に前記水平読み出し用のスイッチ手段を垂直信号線の各々に対応して順次オンさせることにより、各垂直信号線に対応する前記信号処理手段の出力信号を前記水平信号線を介して前記出力手段から順次出力する第１の動作モードと、前記水平読み出し用のスイッチ手段を複数の垂直信号線に対応して実質的に同時にオンさせることにより、これら複数の垂直信号線に対応する前記信号処理手段の出力信号を前記水平信号線に読み出して平均化し、前記出力手段から出力する第２の動作モードとを有する固体撮像装置と、前記固体撮像装置の出力手段からの前記第１の動作モード時の出力信号を増幅する増幅器と、前記固体撮像装置の出力手段からの前記第２の動作モード時の平均化出力レベルのデータを一時記憶する記憶手段とを具備し、前記増幅器における出力信号の増幅利得を前記第２の動作モード時の平均化出力レベルに基づいて各行毎に独立に設定することを特徴とする。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００３９】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像システムを示している。
【００４０】
図１中に示す固体撮像装置10は、図８を参照して前述した従来の固体撮像装置と比べて、基本的には同様な構成を有するので図８中と同じ符号を付しているが、φHj、φCRを発生する水平パルス発生部22a による駆動方式が異なる。
【００４１】
即ち、図１において、Sjは垂直信号線、Ijは電流源、SHj はシフトゲート、CAj とCBj は信号処理用の容量、CLPjはオフセット除去のためのクランプ動作用のゲート、Hjは水平の読出しゲートである。LHj は水平読出しパルスライン、φHjは水平読出しパルス、LADiはアドレスパルスライン、φADi はアドレスパルス、LRi は読出しパルスライン、φRiは読出しパルス、LRSiはリセットパルスライン、φRSi はリセットパルス、LSH はシフトパルスライン、φSHはシフトパルス、φLCLPはクランプパルスライン、φCLP はクランプパルス、LCR はクリアパルスライン、φCRはクリアパルスである。
【００４２】
また、20はφADi 、φRi、φRSi を発生するパルス発生部、21はφSH、φCLPを発生するパルス発生部、23はクランプ用の直流電源、24は水平信号線、25は水平信号線24に附加されている容量、26は水平信号線の電位を検出しインピーダンス変換して外部に出力する出力バッファ回路、27は出力ノードである。28は容量25の電位をリセットするためのゲート、29はリセット時の電位発生用の電源である。この電源29の値（この値をＶb とする）は出力バッファ回路26の特性を考慮して設定され、前記ゲート28には各々の水平読出しパルスφHjに先立ってクリアパルスφCRが印加され、前記容量25を電位Ｖb に設定する。
【００４３】
前記水平パルス発生部22a は、φHj、φCRを発生するものであり、図６に示すように、各水平走査期間（１Ｈ）内に通常の水平ライン読出し動作（第１の動作モード）および当該ラインの平均値出力をとるための読出し動作（第２の動作モード）を行うように駆動する。
【００４４】
上記第１の動作モードは、図９に示したタイミングチャートを参照して前述したのと同様の動作を行うので、ここではその詳細な説明を省略する。
【００４５】
これに対して、前記第２の動作モードでは、ある行について通常の水平ライン読出し動作を行った水平有効走査期間に続く水平走査線帰線期間内に当該ラインの平均値出力をとるための読出し動作を実行する。この場合、全ての水平読み出しトランジスタHjを実質的に同時にオンさせた時、全ての垂直信号線Sjの読み出し信号の平均値に対応した電位の信号が水平信号線24に得られることに着目し、当該水平ラインの平均値出力をとってノード27に出力する動作を行うものであり、その詳細については図５を参照して後述する。
【００４６】
なお、図１の固体撮像装置10には、電子シャッタ機能が搭載されている。このような電子シャッタ動作が可能な固体撮像装置にあっては、通常、図１に示したような読み出し用のパルス発生部20、21、22a とは別に、電子シャッタ用のパルス発生部30が設けられている。この電子シャッタ用パルス発生部30は、垂直駆動手段としてのパルス発生部20と同様に、所定のタイミングで選択対象の単位セル行を走査するように種々のパルス信号を出力する。これらの垂直駆動手段としてのパルス発生部20および電子シャッタ用のパルス発生部30はそれぞれ、例えばシフトレジスタを用いて構成されている。垂直駆動手段としてのパルス発生部20と電子シャッタ用のパルス発生部30により、１フィールド期間内に２回のタイミングで特定の選択対象行を選択制御するようになっている。
【００４７】
そして、垂直駆動手段としてのパルス発生部20が選択対象行を選択制御して画素信号を垂直信号線Sjに読み出すより前に、電子シャッタ用パルス発生部30が選択対象行を選択制御して画素信号の蓄積を開始することにより、等価的に受光時間（蓄積時間）を制御する電子シャッタ動作が可能になる。但し、電子シャッタは周知の技術であり、ここではその基本的な構成や動作についての詳細な説明は省略する。
【００４８】
さらに、本実施の形態においては、例えば固体撮像装置10と同じ半導体基板上あるいは別の半導体基板上において、固体撮像装置10の第１の動作モード時の出力信号を増幅する増幅器41と、固体撮像装置10の第２の動作モード時の平均化出力レベルのデータを一時記憶する記憶手段（半導体メモリ）42とを有する。
【００４９】
そして、固体撮像装置10における撮像領域の各行毎に独立に、前記第２の動作モード時の平均化出力レベルに基づいて、各行の単位セルの光電変換蓄積手段の積分時間あるいは前記増幅器41の増幅利得を制御し得るように構成されている。この場合、撮像出力が一定以上の明るさの場合には固体撮像装置10の出力信号レベルを抑制し、ダイナミックレンジを拡大するように構成されている。
【００５０】
なお、あるフレーム期間における各行毎の積分時間を設定する際には、それ以前のフレーム期間における当該行の平均化出力レベルだけでなく、当該フレーム期間における当該行より先に読み出された行の平均化出力レベルの両方を参照しつつ行うようにしてもよい。
【００５１】
同様に、あるフレーム期間における各行毎の増幅利得を設定する際には、当該フレーム期間における当該行より先に読み出された行の平均化出力レベルだけでなく、それ以前のフレーム期間における当該行あるいはそれより先に読み出された行の平均化出力レベルの両方を参照しつつ行うようにしてもよい。
【００５２】
また、各行の平均値出力をそのまま使用して積分時間あるいは増幅利得を設定するのではなく、ライン毎の積分時間あるいは増幅利得の設定がなだらかに変化するという具合に設定することが望ましい場合がある。
【００５３】
例えば前ラインの積分時間をT とし、所定の割合設定値を例えば20％とした場合、0.8Tから1.2Tの範囲で積分時間を設定することにより、換言すれば、第２の動作モードでの平均化出力レベルの大きさを所定の圧縮特性にしたがって補正した値に基づいて前記各行毎の積分時間を設定することにより、ダイナミックレンジの拡大とコントラストの忠実性を両立させることができる。
【００５４】
図２は、前記固体撮像装置における各行毎の積分時間を設定する具体的な手法の一例を示すフローチャートである。
【００５５】
このフローチャートでは、あるフレーム期間においてある１ラインを読み出した後に、当該ラインの平均値出力を記憶しておき、この平均値出力に基づいて次のフレーム期間の対応する当該ラインの積分時間を設定する。この際、読出しパルスφRiをフレーム読み出しの時間間隔以下に設定する。
【００５６】
換言すれば、ある画像の１ラインの読み出しが行われる際に１フレーム期間前の画像の当該行の第２の動作モードでの平均化出力レベルの記憶データに基づいて積分時間を設定し、一定以上の明るさの場合に出力レベルを抑制する。
【００５７】
このように各行毎の積分時間を１フレーム期間前の当該行の平均化出力レベルに基づいて独立に設定することにより、固体撮像装置10の構成を複雑化することなく、行単位でダイナミックレンジを拡大させることができる。
【００５８】
なお、各行毎の積分時間に代えて、上記した１フレーム期間前の当該行の平均化出力レベルに基づいて増幅利得を独立に設定することも可能である。
【００５９】
［第２の実施の形態］
前記第１の実施の形態では、画像フレーム期間内の各水平走査期間において、水平ラインの通常の読出し動作（第１の動作モード）および当該ラインの平均値出力をとるための読出し動作（第２の動作モード）を行うものであり、このような画像フレーム期間を繰り返す。
【００６０】
第２の実施の形態では、（ａ）撮像領域の各行毎に通常の画像読み出しを行う通常の画像フレーム期間と、（ｂ）撮像領域の各行毎に平均値出力の読み出しを行う予備の画像フレーム期間を有する。
【００６１】
図３、図４は、第２の実施の形態において固体撮像装置における各行毎の積分時間を設定する具体的な手法の一例を示すフローチャートおよびタイミングチャートである。
【００６２】
通常の画像フレーム期間では、各水平期間内の有効走査期間において、水平駆動手段により水平読み出し用のスイッチ手段を垂直信号線の各々に対応して順次オンさせることにより、各垂直信号線に対応する信号処理手段の出力信号を水平信号線を介して出力手段から順次出力する第１の動作モードを実行させるものである。この場合、第２の動作モードを実行させる必要はなく、この通常の画像フレーム期間の動作は従来例と同じである。
【００６３】
これに対して、予備の画像フレーム期間では、撮像領域の各行毎に、水平駆動手段により水平読み出し用のスイッチ手段を複数の垂直信号線に対応して実質的に同時にオンさせることにより、これら複数の垂直信号線に対応する信号処理手段の出力信号を水平信号線に読み出して平均化し、出力手段から出力する第２の動作モードを実行させるものである。この場合、第１の動作モードを実行させる必要はなく、このような予備の画像フレーム期間は前記通常の画像フレーム期間よりも大幅に短縮して設定することが可能である。
【００６４】
そして、通常の画像フレーム期間における各行の単位セルの光電変換蓄積手段の積分時間の設定を、それ以前の予備の画像フレーム期間における当該行の第２の動作モードで検出された平均化出力レベルに基づいて行う。
【００６５】
この場合、予備の画像フレーム期間は、通常の画像信号が得られないので通常の画像フレームが欠除することになるが、予備の画像フレーム期間の後に通常の画像フレーム期間を複数回繰り返すことにより、予備の画像フレーム期間の挿入に起因する通常の画像フレームの欠除に対する影響は殆んど無視することができる。また、例えば監視カメラのように比較的にゆっくり変化する画像を撮像するシステムでは、予備の画像フレーム期間と通常の画像フレーム期間とを交互に繰り返すようにしても殆んど問題は生じない。
【００６６】
このように固体撮像装置における撮像領域の行単位で、各行毎の積分時間をｋ（ｋは１以上の整数）フレーム期間前の当該行の平均化出力レベルに基づいて独立に設定することにより、固体撮像装置10の構成を複雑化することなく、行単位でダイナミックレンジを拡大させることができる。
【００６７】
なお、各行毎の積分時間に代えて、各行毎の増幅利得を上記したｋフレーム期間前の当該行の平均化出力レベルに基づいて独立に設定することも可能である。
【００６８】
［第３の実施の形態］
図５は、図１中の増幅器41における増幅利得を各行毎に独立に設定する具体的な手法の一例を示すフローチャートである。
【００６９】
このフローチャートでは、第１の動作モードでの出力信号を増幅器41で増幅する際、固体撮像装置10において第１の動作モードによる読み出しが行われる画像フレーム期間内の当該読み出し行より１行前の隣接ラインの第２の動作モードでの平均化出力レベルの記憶データに基づいて増幅器41の増幅利得を制御し、一定以上の明るさの場合に出力レベルを抑制する。
【００７０】
このように、各行毎に隣接ラインの被写体画像の明るさを検出し、一定以上の明るさの場合に行単位で増幅器41の増幅利得（カメラの絞りに相当する）を各行毎に独立にほぼリアルタイムで設定することにより、撮像出力画面のちらつき（フリッカ）を抑制することが可能になる。
【００７１】
なお、増幅器41の増幅利得の制御に代えて、出力バッファ26の利得あるいは容量25の値を可変にして設定するようにしてもよい。
【００７２】
図６は、図１中の固体撮像装置10の動作例を説明するために、選択される行（例えば２行目の水平ライン２）を主に着目して各種のパルス信号のタイミングを示している。
【００７３】
図７は、図１中の固体撮像装置10の各行の積分時間の制御動作の一例を説明するために各種のパルス信号のタイミングを示している。
【００７４】
図６に示すタイミングチャートにおいて、第１の動作モードを行う期間には、ある水平ライン２から信号読み出し動作を行う。この場合、走査線帰線期間において水平ライン２の各画素の電荷を垂直信号線Sjに伝達し、水平有効走査期間において水平ライン２の各画素の電荷を順次に出力ノード27に出力する。
【００７５】
そして、上記水平有効走査期間に続く走査線帰線期間内に、上記水平ライン２の平均値出力（水平ライン２の撮像面照度）を検出する第２の動作モードを行う。この第２の動作モードにより検出した水平ライン２の平均値出力は、前述したように後のフレーム期間内における当該水平ライン２に対する適正な蓄積時間（シャッタ速度）あるいは当該フレーム内における隣接する次の水平ラインに対する適正な絞りを決めるために記憶される。
【００７６】
次に、図６および図７に示すタイミングチャートを参照しながら、図１中の固体撮像装置10の動作について詳細に説明する。
【００７７】
図１中の固体撮像装置10の各単位セルにおいて、フォトダイオード1 に入射した光が光電変換されて生成された電荷は、読み出しトランジスタ2 がオンするまでフォトダイオード1 に蓄積される。
【００７８】
まず、水平走査線帰線期間における水平ライン２に関する動作を説明する。
【００７９】
時刻ｔ＝t10 において、アドレスパルスφAD2 をハイレベルにしてアドレストランジスタ6 をオンさせ、シフトパルスφSHをハイレベルにしてシフトトランジスタSHj をオンさせる。これにより、垂直信号線Sj、電流源Ijおよび電位検出トランジスタ5 でソースフォロワ回路が構成され、蓄積ノード3 の電荷量に対応する電位検出トランジスタ5 のゲート電位で決まる電位のみが垂直信号線Sjに伝達される。
【００８０】
また、前記時刻ｔ＝t10 において、リセットパルスφRS2 をハイレベルにしてリセットトランジスタ4 をオンさせることにより、それ以前に蓄積ノード3 に蓄積された暗電流積分値が排出される。これによって、蓄積ノード3 は、電源電圧値（これをＶddとする）に設定される。この高電位が電位検出トランジスタ5 によって検知され、垂直信号線Sjの電位は、電源Ｖddに対応する高電位となる。
【００８１】
次に、アドレスパルスφAD2 およびシフトパルスφSHのハイレベルを保持しつつ、リセットパルスφRS2 をロウレベルにして、リセット動作を終了する。この時、リセットトランジスタ4 がオフして、蓄積ノード3 が電源ノード7 から切り離され、カップリングによって垂直信号線Sjの電位が低下する。
【００８２】
次に、クランプパルスφCLP をハイレベルにしてクランプ動作用のトランジスタCLPjをオンさせ、キャパシタＣAj、ＣBjの一方の電極に直流電源23から所定の電圧を与えることにより、オフセットを除去する。
【００８３】
次に、読み出しパルスφR2をハイレベルにして、読み出しトランジスタ2 をオンさせてフォトダイオード1 に蓄積されていた電荷Ｑijを蓄積ノード3 に移す。これにより、垂直信号線Ｓj を通じてノイズキャンセラ回路内のノードＡj が画素信号に応じた電位となる。
【００８４】
この後、前記シフトパルスφSHをロウレベルに設定して、全てのシフトトランジスタSHj をオフさせて垂直信号線Sjおよび各単位セルＰijを切り離す。
【００８５】
次に、上記水平走査線帰線期間における水平ライン２に関する動作に続く水平有効走査期間における水平ライン２に関する動作を説明する。
【００８６】
パルス発生部22a から発生するクリアパルスφCRをハイレベルに設定して電位リセット用のトランジスタ28をオンさせる。この時、全ての水平読み出しパルスφHj がロウレベルであるので、全ての水平読み出しトランジスタHjはオフしており、水平信号線24の電位は直流電源29の電圧で決まる値となる。よって、出力ノード27の電位も上記水平信号線24の電位に対応する電位となる。この後、前記クリアパルスφCRをロウレベルに設定して電位リセット用のトランジスタ28をオフさせ、水平信号線24から直流電源29を切り離す。
【００８７】
次に、水平読み出しパルスφH1、φH2、φH3、…を、クリアパルスφCRを一旦ハイレベルにする動作を挟んだうえで順次ハイレベルにして水平読み出しトランジスタH1、H2、H3、…を順次に択一的にオンさせ、水平信号線24の電位を変化させて読み出しを行うことにより、出力ノード27から水平ライン２の信号が時系列的に得られる。
【００８８】
次に、上記水平有効走査期間における水平ライン２に関する動作に続く次の水平期間Ｈの水平走査線帰線期間における動作を説明する。
【００８９】
まず、出力ライン8 の電位を基準値に設定するために、それ以前に信号の読み出しを完了している水平ライン１（１行目）を用いて次の処理を行う。即ち、シフトパルスφSHをハイレベルにしてシフトトランジスタSHj をオンさせるとともに、リセットパルスφRS1 をハイレベルにしてリセットトランジスタ4 をオンさせることにより、蓄積ノード3 に蓄積された暗電流積分値が排出される。同時に、アドレスパルスφAD1 を一定期間だけハイレベルにしてアドレストランジスタ6をオンさせる。これにより、垂直信号線Sj、電流源Ijおよび電位検出トランジスタ5 でソースフォロワ回路が構成され、蓄積ノード3 の電荷量に対応する電位検出トランジスタ5 のゲート電位で決まる電位のみが垂直信号線Sjに伝達される。
【００９０】
次に、クランプパルスφCLP をハイレベルにしてクランプ動作用のトランジスタCLPjをオンさせ、キャパシタCAj 、CBj の一方の電極に直流電源23から所定の電圧を与える。
【００９１】
また、前記シフトパルスφSHをハイレベルにするのと同時に、クリアパルスφCRをハイレベルに設定して電位リセット用のトランジスタ28をオンさせる。この時、全ての水平読み出しパルスφHj がロウレベルであるので、全ての水平読み出しトランジスタHjはオフしており、水平信号線24の電位は直流電源29の電圧で決まる値となる。よって、出力ノード27の電位も上記水平信号線24の電位に対応する電位となる。
【００９２】
次に、前記した水平ライン２の平均値出力を検出する動作を行う。即ち、アドレスパルスφAD2 を再び一定期間だけハイレベルにしてアドレストランジスタ6をオンさせ、水平ライン2 の単位セルＰijにおける蓄積ノード3 に読み出された後保持されていた電荷Ｑijの量に対応した電位を、再び出力ライン8 、垂直信号線Ｓj を通じてノードＡj に伝達する。この状態で、クリアパルスφCRをロウレベルに設定して電位リセット用のトランジスタ28をオフさせ、水平信号線24から直流電源29を切り離す。その後、全ての水平読み出しパルスφH1、φH2、φH3、…をハイレベルに設定すると、全ての水平読み出しトランジスタH1、H2、H3、…がオンし、各キャパシタCAj、CBjに蓄積された電荷が水平読み出し線24に伝送され、この水平読み出し線24の電位が上記キャパシタCAj、CBjに蓄積された電荷の平均値に対応してΔＡだけ変化し、水平ライン２の平均値出力が出力ノード27に出力されるようになる。
【００９３】
上記のようにして得た平均照度のデータを記憶しておき、このデータに基づいて次のフレームの水平ライン２の蓄積時間設定（あるいは絞り設定）を行うようにする。
【００９４】
次に、隣接ライン３（３行目）の信号を時系列的に出力する通常読み出し動作（第１の動作モード）に移る。
【００９５】
なお、水平走査線帰線期間内に前記したような第２の動作モードを追加すると、水平走査線帰線期間は従来よりも若干長くなるが、動作クロックを高くすれば、水平走査線帰線期間を従来と同程度にすることが可能になる。
【００９６】
即ち、上記した各実施の形態に係る固体撮像システムでは、固体撮像装置10における全ての垂直信号線Sjを実質的に同時に選択する簡単な駆動方式により、垂直信号線Sjの各々に付加された信号処理手段の出力信号を直接に水平信号線24に読み出して信号の平均（読み出し行毎の平均照度）をとることができる。そして、この平均値出力を用いて次のフレームで読み出す当該行の積分時間あるいは次に読み出す隣接ラインの増幅利得を制御するものである。
【００９７】
したがって、画素毎に積分時間を決定する回路を設ける方式と比べて、固体撮像装置10の回路構成を複雑化することなく、より高い集積度を実現しつつ、ダイナミックレンジを拡大することが可能になる。
【００９８】
次に、前述した第２の動作モードにおいて読み出し行の平均値信号が得られる理由について、図１および図６を参照しながら詳細に説明する。
【００９９】
いま、水平ライン２に対応する水平有効走査期間において、単位セルＰ21、Ｐ22、・・Ｐ2nを読み出し終わったとする。続く水平走査線帰線期間において、水平ライン１のφAD1 をハイレベルにしてアドレスゲート6 を開き、水平ライン１のφRS1 をハイレベルにしてリセットゲート4 を開いた直後（ｔ＝ｔ5 ）には、垂直信号線Sjの電位Ｖsjは
Ｖsj＝ｍＶdd＋Ｖo1j                                     …（10）
となる。ここで、ｍはトランジスタの変調度、Ｖo1j はトランジスタ5 の閾値電圧および電流源Ijのばらつきで決まるオフセット電圧を表している。
【０１００】
この状態で、φCLP をハイレベルにしてクランプゲートCLPjを開くと、容量CAj の両端には
Ｖref −（ｍＶdd＋Ｖo1j ）
の電位差が発生している．また、容量CBj の接地ノードとは反対側はＶref の電位である（ｔ＝t6）。
【０１０１】
次に、水平ライン２に制御を戻し、φAD2 をハイレベルにしてアドレスゲート6 を開けば（ｔ＝t7）、垂直信号線Sjの電位Ｖsjは
Ｖsj＝（ｍＱ2j／Ｃ2j）＋ｍＶdd＋Ｖo2j                     （11）
となる。従って、ＶAjは
0003875461.tif 000005
なる電圧が設定されることとなる．この後、シフトゲートSHj を閉じて垂直信号線Sjを切り離した状態（ｔ＝ｔ8 ）において容量25と容量CBj に蓄積されている電荷をそれぞれＱ1 、Ｑ2jとすると
0003875461.tif 000006
となる。
【０１０２】
次に、全ての水平読出しゲートHjを共通に開くことにより、水平信号線24の電位Ｖ24は（ｔ＝ｔ９）
0003875461.tif 000007
となる。ここで、Σはｊ＝１からｎである。
【０１０３】
（15）式中の容量の比は、既に説明したように幾何学的な形状比に帰着し、よく制御できる量であるので、このことを想定してCAj 、CBj からｊの添え字を落とすと
0003875461.tif 000008
となる。即ち、一定量（CH・Ｖb ＋ｎＶref ・CB）／（CH＋ｎCB）に平均信号出力の定数倍が加わった信号となっている。いま、ｎCBはCHに比べて十分大きいとすると、
0003875461.tif 000009
となる。さらに、Ｖo2j −Ｖo1j は隣接するセルのために十分小さく、また、加算に際して相殺する傾向にあることより、これを無視すれば
Ｖ24＝Ｖref ＋｛CA／（CA＋CB）｝（１／ｎ）ΣｍＱ2j／Ｃ2j  （18）
となり、図６に示すタイミングで平均値（１／ｎ）ΣｍＱ2j／Ｃ2jが出力されることが分かる。これは（９）式でCH＝0 とし、ｍＱij／Ｃijを一行にわたる平均値（１／ｎ）ΣｍＱ2j／Ｃ2jに置き換えたものに相当する。
【０１０４】
なお、従来の固体撮像装置において、複数の垂直信号線から読み出した信号を平均化して出力する構造として、同一行にある個々のフォトダイオード出力を単独で順次水平走査し、出力する動作（高解像度モード）と、隣接する２つのフォトダイオードの平均出力を順次水平走査し、出力する動作（高速駆動モード）を行わせる例が特開平１０−４５２０号公報に記載されている。
【０１０５】
上記公報の図５および図２には、ライン毎のインピーダンス変換、クランプ、サンプルホールドの後に、再度バッファアンプ２５１１、２５１２を介した後、スイッチングトランジスタ２５２１、２５２２を介して高解像度モード対応の出力端子ＶＯ２ｋ−１、ＶＯ２ｋ端子と容量結合するとともに、スイッチングトランジスタ２５３１、２５３２を介して高速駆動モード対応の出力端子ＶＯｋに容量結合することで、必要に応じてこれらを順次走査し、２つの動作モードで画像を得る技術が開示されている。
【０１０６】
上記公知の技術と比べて、本実施の形態においては、全ての垂直信号線の平均出力を発生する点および具体的な実現手段で相違している。即ち、本実施の形態における水平読み出し用のスイッチ手段は、電流通路の一端にそれぞれ前記垂直信号線の各々に対応する前記信号処理手段の出力が供給され、電流通路の他端が前記水平信号線に共通接続され、ゲートに前記水平駆動手段の出力信号が供給され、前記第１の動作モードでは順次オンし、前記第２の動作モードでは複数が実質的に同時にオンするように制御されるトランジスタ群からなる。したがって、本実施の形態の固体撮像装置は、前記公報に記載されている固体撮像装置と比べて、既存の水平読み出し用のスイッチ手段をそのまま使用して第２の動作モードを実行できるので、構成の複雑化をまねくことなく、構成が簡単で済むという利点がある。
【０１０７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の固体撮像システムによれば、固体撮像装置の構成を複雑化することなく、読み出し行毎にダイナミックレンジを拡大することができる。
【０１０８】
また、本発明の固体撮像システムによれば、読み出し行毎にダイナミックレンジの拡大およびコントラストの忠実性の両立を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る固体撮像システムを示す回路図。
【図２】図１の固体撮像システムの動作の一例を示すフローチャート。
【図３】図１の固体撮像システムの動作の他の例を示すフローチャート。
【図４】図３のフローチャートで示される動作を行う際のタイミングチャート。
【図５】図１の固体撮像システムの動作のさらに他の例を示すフローチャート。
【図６】図１中の固体撮像装置の動作の一例を説明するために各種のパルス信号を示すタイミングチャート。
【図７】図１中の固体撮像装置の各行の積分時間の制御動作の一例を説明するために各種のパルス信号を示すタイミングチャート。
【図８】従来の増幅型固体撮像装置の構成を示す回路図。
【図９】図８の固体撮像装置をノンインターレース走査による撮像方式で駆動する従来のパルス信号を示すタイミングチャート。
【符号の説明】
1 …フォトダイオード（光電変換蓄積手段）
2 …読み出しトランジスタ（電荷読み出し手段）
3 …蓄積ノード（電荷検出部）
4 …リセットトランジスタ（リセット手段）
5 …電位検出トランジスタ（電位検出手段）
6 …アドレストランジスタ（アドレス手段）
7 …電源
8 …出力ライン
20…パルス発生部（垂直駆動手段）
21…パルス発生部
22a …パルス発生部（水平駆動手段）
23、29…直流電源
24…水平信号線
25…キャパシタ（容量）
26…出力バッファ回路（出力手段）
27…出力ノード
28…電位リセット用のトランジスタ
Ｐij…単位セル
Sj…垂直信号線
Ij…電流源
SHj …シフトトランジスタ
CAj 、CBj …キャパシタ
CLPj…クランプ動作用のトランジスタ
【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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