(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素がマトリクス状に配列された撮像画素部と、
前記撮像画素部の水平方向の各画素行を垂直方向に選択する垂直選択手段と、
前記垂直選択手段によって選択された画素行の各画素を画素駆動配線を介して駆動する画素駆動手段と、
前記各画素の信号を出力信号線を介して入力し、所定の信号処理を行う信号処理手段とを有し、
前記撮像画素部の各画素が、光電変換素子と、前記光電変換素子が変換して蓄積した信号電荷をフローティングディフュージョン部に転送する転送手段と、前記フローティングディフュージョン部の電位をリセットするリセット手段と、前記フローティングディフュージョン部の電位に対応する出力信号を出力する増幅手段とを備えた固体撮像装置であって、
前記垂直選択手段は、前記撮像画素部の少なくとも２つの画素行をシャッタ行と選択行として選択し、順次シフトさせていく機能を備え、
前記画素駆動手段は、前記垂直選択手段によって選択された前記シャッタ行では前記フローティングディフュージョン部のリセットをする第１のリセット動作の後に、前記光電変換素子に蓄えられた第１の信号電荷をフローティングディフュージョン部に転送する第１の転送動作を行い、
前記垂直選択手段によって選択された前記選択行では前記光電変換素子に蓄えられた前記第１の信号電荷より蓄積時間の短い第２の信号電荷をフローティングディフュージョン部に転送する第２の転送動作を行い、前記第２の転送動作後の第１の出力信号を前記信号処理手段に出力させ、
前記各画素に対して前記第１の転送動作から前記第２の転送動作までの間に前記リセット手段を動作させない駆動を行う機能を備えた、
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記信号処理手段はＣＤＳ回路を有し、前記画素駆動手段は、前記選択行において、前記第１の出力信号を前記信号処理手段に出力させた後にフローティングディフュージョン部のリセットを行う第２のリセット動作を行い、前記第２のリセット動作後の第２の出力信号を前記信号処理手段に出力させ、
前記ＣＤＳ回路は、前記選択行における前記第１の出力信号レベルと、前記第２の出力信号レベルとの差を取ることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記信号処理手段はＣＤＳ回路を有し、前記垂直選択手段は、連続する２つの画素行を前記シャッタ行と前記選択行として選択し、前記ＣＤＳ回路は、
前記シャッタ行における前記第１のリセット動作の後、前記第１の転送動作の前の出力信号レベルと、このシャッタ行が次に選択行となった際の前記第１の出力信号レベルとの差を取ることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記垂直選択手段は、前記シャッタ行の前に先行するシャッタ行を選択して順次シフトさせていく機能を備え、この先行するシャッタ行では前記光電変換素子のリセットを行うことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項５】
複数の画素がマトリクス状に配列された撮像画素部と、
前記撮像画素部の水平方向の各画素行を垂直方向に選択する垂直選択手段と、
前記垂直選択手段によって選択された画素行の各画素を画素駆動配線を介して駆動する画素駆動手段と、
前記各画素の信号を出力信号線を介して入力し、所定の信号処理を行う信号処理手段とを有し、
前記撮像画素部の各画素が、光電変換素子と、前記光電変換素子が変換して蓄積した信号電荷をフローティングディフュージョン部に転送する転送手段と、前記フローティングディフュージョン部の電位をリセットするリセット手段と、前記フローティングディフュージョン部の電位に対応する出力信号を出力する増幅手段とを備えた固体撮像装置の駆動方法であって、
前記垂直選択手段では、前記撮像画素部の少なくとも２つの画素行をシャッタ行と選択行として選択し、順次シフトさせていき、
前記画素駆動手段では、前記垂直選択手段によって選択された前記シャッタ行では前記フローティングディフュージョン部のリセットをする第１のリセット動作の後に、前記光電変換素子に蓄えられた第１の信号電荷をフローティングディフュージョン部に転送する第１の転送動作を行い、
前記垂直選択手段によって選択された前記選択行では前記光電変換素子に蓄えられた前記第１の信号電荷より蓄積時間の短い第２の信号電荷をフローティングディフュージョン部に転送する第２の転送動作を行い、前記第２の転送動作後の第１の出力信号を前記信号処理手段に出力させ、
前記各画素に対して前記第１の転送動作から前記第２の転送動作までの間に前記リセット手段の動作を行わないようにした、
ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項６】
前記信号処理手段にＣＤＳ回路を設け、前記画素駆動手段では、前記選択行において、前記第１の出力信号を前記信号処理手段に出力させた後にフローティングディフュージョン部のリセットを行う第２のリセット動作を行い、前記第２のリセット動作後の第２の出力信号を前記信号処理手段に出力させ、
前記ＣＤＳ回路では、前記選択行における前記第１の出力信号レベルと、前記第２の出力信号レベルとの差を取ることを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項７】
前記信号処理手段にＣＤＳ回路を設け、前記垂直選択手段では、連続する２つの画素行を前記シャッタ行と前記選択行として選択し、
前記ＣＤＳ回路では、前記シャッタ行における前記第１のリセット動作の後、前記第１の転送動作の前の出力信号レベルと、このシャッタ行が次に選択行となった際の前記第１の出力信号レベルとの差を取ることを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項８】
前記垂直選択手段では、前記シャッタ行の前に先行するシャッタ行を選択して順次シフトさせていく機能を備え、この先行するシャッタ行では前記光電変換素子のリセットを行うことを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特にＣＭＯＳ型イメージセンサに適用される固体撮像装置およびその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ＣＭＯＳ型イメージセンサでは、半導体チップ上に２次元マトリクス状に多数の画素を配置して撮像画素部を構成しており、各画素毎に受光量に応じた信号電荷を生成するフォトダイオード等の光電変換素子と、この光電変換素子によって生成された信号電荷を電気信号に変換して所定のタイミングで読み出すための複数のＭＯＳトランジスタで構成されるゲート回路とを設けたものである。
また、このような撮像画素部の周辺には、各画素からの信号に対してＣＤＳ（相関二重サンプリング）等の信号処理を行う信号処理回路と、各画素のゲート回路を駆動して各画素の信号を所定の順序で読み出すための垂直／水平スキャナ回路や、電子シャッタを切るためのシャッタスキャナ回路が設けられている。
【０００３】
図１１は、従来のＣＭＯＳ型イメージセンサにおける画素列選択動作を示す説明図である。
図示のように、撮像画素部１０には２次元マトリクス状に多数の画素１２が配置されており、各画素１２の信号電荷をリセットする電子シャッタ行１４と、画素信号の読み出しを行う選択行１６が所定の行数だけ間隔を開けて選択され、矢印Ａ方向に順次シフトされる。
そして、電子シャッタ行１４の各画素１２では、各画素１２のフォトダイオードに蓄積されている光電子（電荷）を捨てる動作が行われる。
また、選択行１６の各画素１２では、各画素１２のフォトダイオードに蓄積されている光電子を電気信号に変換し、出力信号線を介して信号処理回路に出力する動作が行われる。
これにより、各画素１２の出力信号は、各画素１２が電子シャッタ行１４で選択されてから、選択行１６で選択されるまでの期間に、フォトダイオードに蓄積された光電子量に対応するレベルの信号となる。
したがって、電子シャッタ行１４と選択行１６の間隔をいろいろ変えることにより、光電子の蓄積時間を変えて感度を調節することができる。
これが従来の電子シャッタ機能である。
【０００４】
しかし、このような方法では、画像に明るいところと暗いところが共存するときに、明るいところに合わせるようにシャッタ時間を調節すると、暗いところの感度が足りなくなり、暗いところに合わせるようにシャッタ時間を調節すると、明るいところのフォトダイオードが飽和して真っ白に飛んでしまう、つまり、ダイナミックレンジが狭いという問題点があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、最近は、ダイナミックレンジを拡大する方法の１つとして、例えば特開２００１−１７７７７５号公報に開示されるものがある。
これは、上述のような選択行において、フォトダイオードの信号を複数回に分けて読み出すものである。
しかしながら、この方法では、近年の撮像素子における微細化や低電圧化に伴ってフォトダイオードの飽和電子数が小さくなると、１回の転送でＦＤ（フローティングディフュージョン）部の十分な電位を満たすことがなくなるので、その場合は、複数回の読み出し動作を実行しても２回目以降は十分な信号が出なくなり、ダイナミックレンジが増加しない。
また、１つの選択行で、続けて２回以上の読出し動作を行わなければならないので、画素列シフトの高速化が難しい。
【０００６】
また、画素毎の固定パターンノイズを取るために、リセット時の信号レベルと光電子蓄積時の信号レベルとの差を取るＣＤＳ（相関二重サンプリング）処理を行う場合は、１つの選択行で２つのの画素信号の読み出しを行うために、２回のリセット動作と２回の光電子蓄積動作を行うことが必要となり、リセットレベルと光電子蓄積レベルの合計４回の検出を行わなければならない。
また、複数回に分けて読み出した複数の画素信号を合成する方法であるため、後段に合成回路が必要となり、回路が大型化したり、合成部分のばらつきや画素列ごとに設けられた合成回路同士のばらつきが発生したりする問題がある。
【０００７】
また、本件出願人は、これらの問題を解決すべく、さまざまな撮影条件に柔軟に対応して常に良好な広ダイナミックレンジの撮影を行うことができる固体撮像装置および駆動方法を提案している（例えば特願２００１−２０１６０１号、特願２００１−２７６５２９号、特願２００１−２８６４５７号参照、以下、これらを先行出願という）。
しかし、これらの提案に係る固体撮像装置では、出力が２系統になり、やはり回路が大型化するという課題がある。
【０００８】
そこで本発明の目的は、出力を１系統とした簡易な構成で良好な広ダイナミックレンジの撮影を行うことができる固体撮像装置およびその駆動方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像装置は、前記目的を達成するため、複数の画素がマトリクス状に配列された撮像画素部と、前記撮像画素部の水平方向の各画素行を垂直方向に選択する垂直選択手段と、前記垂直選択手段によって選択された画素行の各画素を画素駆動配線を介して駆動する画素駆動手段と、前記各画素の信号を出力信号線を介して入力し、所定の信号処理を行う信号処理手段とを有し、前記撮像画素部の各画素が、光電変換素子と、前記光電変換素子が変換して蓄積した信号電荷をフローティングディフュージョン部に転送する転送手段と、前記フローティングディフュージョン部の電位をリセットするリセット手段と、前記フローティングディフュージョン部の電位に対応する出力信号を出力する増幅手段とを備えた固体撮像装置であって、前記垂直選択手段は、前記撮像画素部の少なくとも２つの画素行をシャッタ行と選択行として選択し、順次シフトさせていく機能を備え、前記画素駆動手段は、前記垂直選択手段によって選択された前記シャッタ行では前記フローティングディフュージョン部のリセットをする第１のリセット動作の後に、前記光電変換素子に蓄えられた第１の信号電荷をフローティングディフュージョン部に転送する第１の転送動作を行い、前記垂直選択手段によって選択された前記選択行では前記光電変換素子に蓄えられた前記第１の信号電荷より蓄積時間の短い第２の信号電荷をフローティングディフュージョン部に転送する第２の転送動作を行い、前記第２の転送動作後の第１の出力信号を前記信号処理手段に出力させ、前記各画素に対して前記第１の転送動作から前記第２の転送動作までの間に前記リセット手段を動作させない駆動を行う機能を備えたことを特徴とする。
【００１０】
また本発明の駆動方法は、複数の画素がマトリクス状に配列された撮像画素部と、前記撮像画素部の水平方向の各画素行を垂直方向に選択する垂直選択手段と、前記垂直選択手段によって選択された画素行の各画素を画素駆動配線を介して駆動する画素駆動手段と、前記各画素の信号を出力信号線を介して入力し、所定の信号処理を行う信号処理手段とを有し、前記撮像画素部の各画素が、光電変換素子と、前記光電変換素子が変換して蓄積した信号電荷をフローティングディフュージョン部に転送する転送手段と、前記フローティングディフュージョン部の電位をリセットするリセット手段と、前記フローティングディフュージョン部の電位に対応する出力信号を出力する増幅手段とを備えた固体撮像装置の駆動方法であって、前記垂直選択手段では、前記撮像画素部の少なくとも２つの画素行をシャッタ行と選択行として選択し、順次シフトさせていき、前記画素駆動手段では、前記垂直選択手段によって選択された前記シャッタ行では前記フローティングディフュージョン部のリセットをする第１のリセット動作の後に、前記光電変換素子に蓄えられた第１の信号電荷をフローティングディフュージョン部に転送する第１の転送動作を行い、前記垂直選択手段によって選択された前記選択行では前記光電変換素子に蓄えられた前記第１の信号電荷より蓄積時間の短い第２の信号電荷をフローティングディフュージョン部に転送する第２の転送動作を行い、前記第２の転送動作後の第１の出力信号を前記信号処理手段に出力させ、前記各画素に対して前記第１の転送動作から前記第２の転送動作までの間に前記リセット手段の動作を行わないようにしたことを特徴とする。
【００１１】
本発明の固体撮像素子では、垂直選択手段によってシャッタ行と選択行を順次シフトさせていき、シャッタ行ではフローティングディフュージョン部のリセット（第１のリセット動作）の後に、光電変換素子に蓄えられた第１の信号電荷をフローティングディフュージョン部に転送し（第１の転送動作）、選択行では光電変換素子に蓄えられた第１の信号電荷より蓄積時間の短い第２の信号電荷をフローティングディフュージョン部に転送し（第２の転送動作）、各画素に対して第１の転送動作から第２の転送動作までの間にリセット動作を行わない駆動によって出力信号を信号処理手段に出力するようにした。
したがって、暗いところは敏感で明るいところは鈍感なニーポイントを持った信号を出力することができ、光電変換素子の飽和電荷量が小さい場合にも、広ダイナミックレンジ化を図ることができ、また、出力を１系統とした簡易な構成で良好な広ダイナミックレンジの撮影を行うことができる。
また、リセットトランジスタの駆動による蓄積量制限を行うことなく、リセットノイズを低減した高画質を得ることができる。
【００１２】
また、本発明の固体撮像装置の駆動方法でも同様に、垂直選択手段によってシャッタ行と選択行を順次シフトさせていき、シャッタ行ではフローティングディフュージョン部のリセット（第１のリセット動作）の後に、光電変換素子に蓄えられた第１の信号電荷をフローティングディフュージョン部に転送し（第１の転送動作）、選択行では光電変換素子に蓄えられた第１の信号電荷より蓄積時間の短い第２の信号電荷をフローティングディフュージョン部に転送し（第２の転送動作）、各画素に対して第１の転送動作から第２の転送動作までの間にリセット動作を行わない駆動によって出力信号を信号処理手段に出力するようにした。
したがって、暗いところは敏感で明るいところは鈍感なニーポイントを持った信号を出力することができ、光電変換素子の飽和電荷量が小さい場合にも、広ダイナミックレンジ化を図ることができ、また、出力を１系統とした簡易な構成で良好な広ダイナミックレンジの撮影を行うことができる。
また、リセットトランジスタの駆動による蓄積量制限を行うことなく、リセットノイズを低減した高画質を得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による固体撮像素子およびその駆動方法の実施の形態例について説明する。
なお、以下に説明する実施の形態は、本発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において、特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限定されないものとする。
本実施の形態では、シャッタ行でＦＤリセット→電荷転送の順に駆動し、選択行で電荷転送→ＣＤＳ取り込み→ＦＤリセット→ＣＤＳ取り込みの順に駆動することで、暗いところは敏感で明るいところは鈍感な、いわゆるニーポイントを持った１系統の出力による広ダイナミックレンジ化を達成するものである。
これにより、ＣＤＳ回路を２組用意する必要が無く、これまでのニーポイント出力の技術が使えるようになる。
以下、本発明の具体的実施例について説明する。
【００１４】
図１は、本発明の実施の形態による固体撮像装置を示す構成図、図２は図１に示した固体撮像装置を構成する１つの画素周辺を示す回路図、図３は図１に示した固体撮像装置の画素列選択動作を示す説明図、図４は図１に示した固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。
本実施の形態による固体撮像装置１０２は、具体的にはＣＭＯＳ型イメージセンサであり、半導体基板上に形成された撮像画素部１０４、Ｖ選択手段１０６、Ｈ選択手段１０８、タイミングジェネレータ１１０（ＴＧ）、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ部１１２、定電流部１１４Ａなどを含んでいる。
撮像画素部１０４には、多数の画素がマトリクス状に配列され、各画素が光を検出して生成した電気信号が、タイミングジェネレータ１１０からのタイミングパルスにもとづきＶ選択手段１０６およびＨ選択手段１０８により順次選択され、水平信号線１１６から出力部１１８を通じて出力される構成となっている。
【００１５】
図２に示したように、画素１２０は、光電変換素子としてのフォトダイオード１２２、転送される電荷量に応じた電位変動を得るためのフローティングディフュージョン部１２４（ＦＤ部１２４）、転送パルスが供給されたときフォトダイオード１２２をＦＤ部１２４に接続する転送ゲート１２６、リセットパルスが供給されたときＦＤ部１２４を電源Ｖｄｄに接続するリセットゲート１２８、ＦＤ部１２４の電位変動に応じた電圧を出力する増幅トランジスタ１３０を含んで構成されている。
【００１６】
フォトダイオード１２２は、アノードがグランドに接続され、カソードは、転送ゲート１２６を構成するＮ型のＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ電界効果トランジスタ）のソースに接続されている。同ＭＯＳＦＥＴのドレインはＦＤ部１２４に接続され、またゲートにはＶ選択手段１０６より転送パルス１３２が供給される。リセットゲート１２８もＮ型のＭＯＳＦＥＴにより構成され、そのソースはＦＤ部１２４に、ドレインは電源Ｖｄｄにそれぞれ接続され、ゲートにはＶ選択手段１０６よりリセットパルス１３４が供給される。
【００１７】
増幅トランジスタ１３０を構成するＮ型のＭＯＳＦＥＴのゲートはＦＤ部１２４に接続され、ドレインは電源Ｖｄｄに接続されている。増幅トランジスタ１３０と垂直信号線１３６との間には、Ｎ型のＭＯＳＦＥＴから成る選択トランジスタ１３８が介在し、そのゲートにはＶ選択手段１０６から選択パルス１４０が供給される。そして、増幅トランジスタ１３０のソースは選択トランジスタ１３８のドレインに接続され、選択トランジスタ１３８のソースは垂直信号線１３６に接続されている。
【００１８】
垂直信号線１３６は、マトリクス状に配列された画素１２０の各列ごとに設けられ、同一の列に属する画素１２０の選択トランジスタ１３８のソースはすべて対応する垂直信号線１３６に接続されている。垂直信号線１３６の一端は、撮像画素部１０４の外に配置された定電流部１１４Ａにおいて定電流源１１４に接続され、この定電流源１１４により垂直信号線１３６に一定の電流が流されている。垂直信号線１３６の他端は、撮像画素部１０４の外に配置されたＳ／Ｈ・ＣＤＳ部１１２に接続されている。
【００１９】
Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ部１１２には、各垂直信号線１３６ごとにＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６が設けられている。各Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６にはタイミングジェネレータ１１０から第１および第２のサンプリングパルス１４８、１５０が供給されており、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６は、これらのサンプリングパルスにもとづき、増幅トランジスタ１３０が垂直信号線１３６に出力した、フォトダイオード１２２からの信号電荷によりＦＤ部１２４から得られる電圧（光検出電圧）、およびリセット時のＦＤ部１２４から得られる電圧（オフセット電圧）をそれぞれ保持するとともに、２つの電圧の差に対応する電圧を出力する。なお、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６にオフセット電圧を保持させる場合は第１および第２のサンプリングパルス１４８、１５０が同時に供給され、光検出電圧を保持させる場合は第２のサンプリングパルス１５０のみが供給される。
【００２０】
各垂直信号線１３６ごとのＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６の出力信号は、タイミングジェネレータ１１０からのタイミング信号にもとづいて動作するＨ選択手段１０８により順次選択されて水平信号線１１６に出力され、出力部１１８を通じて出力される。出力部１１８は詳しくは増幅回路、ＡＧＣ回路、Ａ／Ｄ変換器などにより構成されている。
【００２１】
以上のような構成は本質的に従来と同様のものであり、本発明の特徴は以下に説明する駆動タイミングにある。
本実施の形態の固体撮像装置では、図３に示すように、撮像画素部１０４には２次元マトリクス状に多数の画素１２０が配置されており、各画素１２０の信号電荷をリセットする第１シャッタ行２１０および第２シャッタ行２２０と画素信号の読み出しを行う選択行２３０が所定の行数だけ間隔を開けて選択され、矢印Ａ方向に順次シフトされる。
【００２２】
そして、第１シャッタ行２１０の各画素１２０では、各画素１２０のフォトダイオード１２２に蓄積されている光電子を捨てるリセット動作は行う。
なお、ここではフォトダイオード（光電変換素子）１２２だけをリセットしているが、フォトダイオード１２２に加えてＦＤ部１２４をリセットするようにしても構わない。ＦＤ部１２４をリセットする場合以外のフォトダイオード１２２のリセット方法としては、基板に電圧を印加してフォトダイオード１２２の電荷を基板に排出させる、もしくは、ＦＤ部１２４とは別に電荷排出部を設けることが考えられる。
また、第２シャッタ行２２０の各画素１２０では、ＦＤ部１２４のリセット動作を行い、その後、フォトダイオード１２２に蓄積された光電子をＦＤ部１２４に転送する。
また、選択行２３０の各画素１２０では、各画素１２０のフォトダイオード１２２に蓄積されている光電子をＦＤ部１２４に転送し、このＦＤ部１２４に転送された光電子を増幅トランジスタ１３０および選択トランジスタ１３８によって垂直信号線１３６に読み出す動作を行う。この後、各画素１２０のＦＤ部１２４をリセットし、その信号を同様に垂直信号線１３６に読み出す動作を行う。
また、以上のシャッタ行２１０、２２０および選択行２３０以外の画素行では何も動作を行わないことになる。
【００２３】
次に、このような動作を図４に基づき説明する。
なお、この図４では、１行期間のうち画素を駆動するところを取り出して示しており、実際にはｔ０の画素を駆動しない期間が大部分を占めるものである。
まず、画素１２０に第１シャッタ行２１０が来ると、ｔ９でＦＤ部１２４がリセットされ、ｔ１１でフォトダイオード１２２の光電子がＦＤ部１２４に転送される。よって、ここでは一旦フォトダイオード１２２が空になるが、ここからまたフォトダイオード１２２への光電子の蓄積が始まる。
次に、第２シャッタ行２２０が来ると、画素１２０は、ｔ８で選択トランジスタ１３８がＯＮして垂直信号線１３６の電位が第２シャッタ行２２０のＦＤ電位に追随するようになる。次に、ｔ９でＦＤ部１２４をリセットして、ｔ１１でフォトダイオード１２２の光電子をＦＤ部１２４に転送する。これにより、フォトダイオード１２２には新たに光電子が蓄積され始める。また、ｔ１３で、選択トランジスタ１３８をＯＦＦする。
【００２４】
次に、選択行２３０が来ると、画素１２０は、ｔ１〜ｔ７の期間に駆動される。ここで画素１２０は、ｔ１で選択トランジスタ１３８がＯＮして垂直信号線１３６の電位が選択行２３０のＦＤ電位に追随するようになる。次に、ｔ３でフォトダイオード１２２の光電子をＦＤ部１２４に転送する。そして、ｔ５でＦＤ部１２４をリセットする。
Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６は、ｔ４とｔ６の垂直信号線１３６の電位を取り込み、この２つの電位の差を保持する。この後、ｔ７で、選択トランジスタ１３８をＯＦＦする。
Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６の出力は、Ｈ選択手段１０８によって順番に水平信号線１１６に読み出され、出力部１１８を通して出力される。
【００２５】
このような動作で特徴となるのは以下の点である。
（１）第２シャッタ行２２０ではリセットパルスの後に転送パルスが入る。
（２）選択行２３０ではリセットパルスより前に転送パルスが入る。
このような動作により、上述した先行出願と異なり１系統の出力で信号処理を行うことができ、また、上述した特開２００１−１７７７７５号の従来技術と違って、フォトダイオードの飽和信号量が小さい場合にも広ダイナミックレンジ化を達成することが可能となる。
【００２６】
以下、その理由について説明する。
図５は、フォトダイオードからドレインまでの画素１２０の断面構造とポテンシャルを示す説明図であり、図５（Ａ）が断面構造、図５（Ｂ）〜（Ｅ）がポテンシャルを示している。なお、図５（Ｂ）〜（Ｅ）において、縦軸は下方向にプラスのポテンシャルを示しており、左側の番号は、図４に示す各タイミングの番号を示している。
また、図６は、本例の固体撮像素子における出力特性を示す説明図であり、縦軸はＦＤ電荷量、横軸は入射光量を示している。
図５（Ａ）において、Ｓｉ基板１６０に形成されたＰｗｅｌｌ領域１６２に、ｐ＋領域とｎ領域からなるフォトダイオード１２２、ＦＤ部１２４、およびドレイン部１６４が配置され、Ｓｉ基板１６０上にゲート絶縁膜１６６を介して転送ゲート電極１６８、リセットゲート電極１７０が配置されている。
【００２７】
次に、図５（Ｂ）〜（Ｅ）によるポテンシャル遷移図および図６の出力特性図を用いて本例の詳細な作用について説明する。
ここでは一例として、第１シャッタ行２１０から第２シャッタ行２２０までの間隔を４００行、第２シャッタ行２２０から選択行２３０までの間隔を５行とする。
まず、画素１２０に第１シャッタ行２１０が来たとき、フォトダイオード１２２がリセットされ、ここから光電子の蓄積が開始される。
次いで、画素１２０に第２シャッタ行２２０が来たとき、ＦＤ部１２４をリセットした後、ｔ１１（図５（Ｂ））で４００行分のフォトダイオード１２２の信号１がＦＤ部１２４に転送される。この信号１は、蓄積時間が長いので、図６のａに示すように、光量に対して敏感であるが、フォトダイオード１２２の飽和レベルで決まる値ですぐに飽和する信号である。
【００２８】
次に、ｔ１２（図５（Ｃ））は、転送ゲートが閉まり、フォトダイオード１２２に光電子蓄積が始まったところである。
ここで、その画素１２０に選択行２３０が来たときに、フォトダイオード１２２には５行分の信号２が溜まっており、ｔ２の時点では、図５（Ｄ）に示すようなポテンシャルとなる。そして、この信号２をｔ３（図５（Ｅ））でＦＤ部１２４に転送する。
この信号２は、蓄積期間が短いので、信号１より８０倍光量に鈍感な信号であり、入射光量との関係では図６のｂに示すような信号となる。
ここで、さらに強い光では、信号２はフォトダイオード１２２を溢れ、ＦＤ部１２４に流れ込んだものを含むので、信号１と異なり、フォトダイオード１２２の飽和で上限が決まるわけではない。
【００２９】
また、ｔ３で、信号１と信号２の和がＦＤ部１２４に溜められる。これを読み出すことで、図６のｃに示すように、光量の小さいところでは急で、大きいところでは変化の小さい信号を読み出すことができる。なお、上限は、ＦＤ部１２４の飽和レベルで決まる。
このようにして、暗いところは敏感で、明るいところは鈍感な、いわゆるニーポイントＮＰを持った信号を出力することができ、フォトダイオード１２２の飽和レベルが小さい場合にも、広ダイナミックレンジ化を図ることができる。なお、図５のポテンシャル図からも特開２００１−１７７７５号に示された従来技術との違いは明らかである。
【００３０】
なお、以上のような実施例において、第１シャッタ行を単純に使わないような構成とすることもできる。
その場合は、信号１が前の選択行から第２シャッタ行までの光信号になる。これは図１１に示す従来例の電子シャッタ動作に似ているが、図１１に示す従来例では、選択行でＦＤ部をリセットした後にフォトダイオードの電荷を転送して、電子シャッタ行から選択行までの光信号を検出していたのに対し、本例で第１シャッタ行を使わない場合は、前の選択行から第２シャッタ行までの光電子と、第２シャッタ行から選択行までの光信号の和を検出するので、図１１の電子シャッタ動作と異なり、広ダイナミックレンジ化を実現できる。
【００３１】
また、駆動パルスの入れ方は種々の変形が可能である。
例えば、図４では、第１シャッタ行と第２シャッタ行を同じ期間に駆動した。この方法では、駆動時間の短縮ができ、駆動パルスを作ったり、各行に入れるための設計が簡単になる。
しかし、この代わりに、第１シャッタ行と第２シャッタ行を別の期間にしても良い。例えば、第１シャッタ行と第２シャッタ行の駆動期間をずらしたり、第１シャッタ行も、その期間で選択ゲートを開けるようにしても良い。
また、その他にも上記と同じ結果を得るための駆動パルスの入れ方は種々採用できるものである。
また、本例ではＣＤＳ回路を用いている。これは、画素毎の増幅トランジスタのしきい値のばらつきによる固定パターンノイズをキャンセルするためのものであるが、固定パターンノイズが小さい場合は必須ではない。
そこで、この場合は、選択行は転送パルスの後の信号のみを読み出せばよく、リセットパルスは必ずしも必要ない。
【００３２】
次に、本発明の第２実施例について説明する。
この第２実施例において回路構成および駆動パルスは、上述した実施例（すなわち第１実施例）の図１、図２、図４で説明したものと共通である。
そして、この第２実施例が第１実施例と異なる１つの点は、電子シャッタ行（すなわち第２シャッタ行）が選択行の直前の行を常に選択することである。
つまり、図７に示すように、本例では、第２シャッタ行２２０と選択行２３０が連続する画素行となっている。
また、ＣＤＳ回路の信号取り込みタイミングが異なる。
図４を参照して説明すると、ＣＤＳ回路の信号取り込みは、第２シャッタ行の出力が垂直信号線に出ているｔ１０のタイミングと、次の行に進んで選択行の出力が垂直信号線に出ているｔ４のタイミングで行う。ＣＤＳ回路はこの差を出力する。
【００３３】
このような動作では、ＣＤＳ回路にはＦＤ部のリセットレベルが先に入り、それからＦＤに転送された光電子のレベルが入る。したがって、この差はＦＤ部に転送された電子の純増分であり、リセットノイズが無いものとなる。
つまり、第１実施例では、先に光電子のレベルが入って、それをリセットしたレベルが後に入るので、その差を取ってもリセットのばらつき（リセットノイズ）が載っていたが、この第２実施例では、このようなリセットノイズの影響をなくすことができ、画質を向上することができる。
【００３４】
次に、本発明の第３実施例について説明する。
図８は本発明による固体撮像装置の他の例を示す構成図である。
図８に示す固体撮像装置３４は、その駆動モードを制御するための外部信号を受信する通信部５４を設けたものである。
このような通信部５４を用いて上述した第１、第２実施例の動作を実現する駆動モードを選択することが可能である。
なお、図８では、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６や出力部１１８をまとめてＣＤＳ・ＡＧＣ部２６０とし、その信号を合成する信号合成・Ａ／Ｄ部２６２、その合成信号をデジタル出力として出力するバスライン２６４等を表しているが、本質的には図１に示す固体撮像装置２と同様であるため説明は省略する。
【００３５】
また、上述した各実施例で説明したＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６については、従来より用いられている各種の形態のもの用いることが可能である。
例えば、図９及び図１０はＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６の具体例を示す回路図である。
図９は図２に示す画素１２０にＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６が接続された状態をを示している。このＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６は、トランジスタ３５６、３５８、コンデンサ３６０、３６２、ならびに水平選択トランジスタ３６４を含んで構成されている。
トランジスタ３５６のドレインは垂直信号線１３６に、ソースはコンデンサ３６０の一端にそれぞれ接続されており、トランジスタ３５６のゲートにはタイミングジェネレータ１１０より第２のサンプリングパルス１５０が供給される。
【００３６】
また、トランジスタ３５８のドレインはバイアス電圧源Ｖｂに、ソースはコンデンサ３６０の他端にそれぞれ接続されており、ゲートにはタイミングジェネレータ１１０より第１のサンプリングパルス１４８が供給される。
コンデンサ３６０の上記他端とグランドとの間にはコンデンサ３６２が接続され、コンデンサ３６０の上記他端にはさらに水平選択トランジスタ３６４のドレインが接続されている。
水平選択トランジスタ３６４のソースは水平信号線１１６に接続されており、ゲートにはＨ選択手段１０８より選択パルスが供給される。
【００３７】
一方、図１０に示すＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６は、差動増幅回路３５５、トランジスタ３５６Ａ、３５６Ｂ、コンデンサ３６２Ａ、３６２Ｂ、ならびに水平選択トランジスタ３６４を含んで構成されている。トランジスタ３５６Ａ、３５６Ｂのドレインは垂直信号線１３６に接続されている。
また、トランジスタ３５６Ａ、３５６Ｂのソースは差動増幅回路３５５の入力端子、およびコンデンサ３６２Ａ、３６２Ｂの一端に接続されており、トランジスタ３５６Ａ、３５６Ｂのゲートにはタイミングジェネレータ１１０よりサンプリングパルス１４８、１５０が供給される。
また、差動増幅回路３５５の出力端子は、水平選択トランジスタ３６４のドレインに接続され、水平選択トランジスタ３６４のソースは水平信号線１１６に接続されており、ゲートにはＨ選択手段１０８より選択パルスが供給される。
【００３８】
なお、これらのＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路は、それぞれ公知であり、またこれ以外の構成を有するＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路を用いることも可能であるので詳細な説明は省略する。
本発明では、このような各種のＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路を用いた固体撮像装置に広く適用できるものである。
【００３９】
以上のような本発明の各実施例によれば、次のような効果を得ることが可能である。
（１）飽和電荷量の小さなフォトダイオードを用いて、ダイナミックレンジの広い固体撮像装置を得ることができる。
（２）ニーポイントを持った信号を出力し、ニーポイント前後の感度比はシャッタ行の位置から明確に計算できる。
（３）２つのシャッタ行の位置を調節することで、ニーポイント前後の感度は独立に可変である。
【００４０】
（４）雑音の少ない埋め込みフォトダイオードを用いることができるので、Ｓ／Ｎの良い固体撮像素子を構成できる。
（５）画素に新たな構成要素を加えないでよいので、画素が大きくならず、小型化を維持できる。
（６）従来の電子シャッタよりも読出し期間を多く取る必要が無く、高速駆動を実現できる。
（７）複数回の動作で読み出した信号を後段で合成する回路を設ける必要は無く、回路が大型化しない。その分の回路のばらつきに起因する固定パターンノイズも発生しない。
【００４１】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態例に限定されるものではなく、種々の変形か可能である。
たとえば、上述した各実施の形態例では、電子がキャリアであるとしたが、各ゲートなどを構成するＭＯＳＦＥＴとしてＰ型のＭＯＳＦＥＴを用い、正孔をキャリアとした場合にも、基本的な動作は変わらず、同様の作用効果が得られる。また、ここでは光電変換素子としてフォトダイオードを用いたが、フォトゲートなど、他の光電変換素子を用いることも無論可能である。
また、上述の例では、各画素列ごとにＣＤＳ回路を設けたが、この代わりに、転送後とリセット後の信号を両方出力して外部でＣＤＳ処理を行うようにしても良く、ＣＤＳ処理の方法は本発明の本質に影響しないものである。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の固体撮像素子によれば、シャッタ行と選択行を順次シフトさせていき、シャッタ行ではフローティングディフュージョン部のリセット（第１のリセット動作）の後に、光電変換素子に蓄えられた第１の信号電荷をフローティングディフュージョン部に転送し（第１の転送動作）、選択行では光電変換素子に蓄えられた第１の信号電荷より蓄積時間の短い第２の信号電荷をフローティングディフュージョン部に転送し（第２の転送動作）、各画素に対して第１の転送動作から第２の転送動作までの間にリセット動作を行わない駆動によって出力信号を信号処理手段に出力するようにしたことから、暗いところは敏感で明るいところは鈍感なニーポイントを持った信号を出力することができ、光電変換素子の飽和電荷量が小さい場合にも、広ダイナミックレンジ化を図ることができ、また、出力を１系統とした簡易な構成で良好な広ダイナミックレンジの撮影を行うことができる効果がある。
また、リセットトランジスタの駆動による蓄積量制限を行うことなく、リセットノイズを低減した高画質を得ることができる効果がある。
【００４３】
また、本発明の固体撮像装置の駆動方法によれば、シャッタ行と選択行を順次シフトさせていき、シャッタ行ではフローティングディフュージョン部のリセット（第１のリセット動作）の後に、光電変換素子に蓄えられた第１の信号電荷をフローティングディフュージョン部に転送し（第１の転送動作）、選択行では光電変換素子に蓄えられた第１の信号電荷より蓄積時間の短い第２の信号電荷をフローティングディフュージョン部に転送し（第２の転送動作）、各画素に対して第１の転送動作から第２の転送動作までの間にリセット動作を行わない駆動によって出力信号を信号処理手段に出力するようにした。
したがって、暗いところは敏感で明るいところは鈍感なニーポイントを持った信号を出力することができ、光電変換素子の飽和電荷量が小さい場合にも、広ダイナミックレンジ化を図ることができ、また、出力を１系統とした簡易な構成で良好な広ダイナミックレンジの撮影を行うことができる効果がある。
また、リセットトランジスタの駆動による蓄積量制限を行うことなく、リセットノイズを低減した高画質を得ることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１、第２実施例による固体撮像装置の全体を示す構成図である。
【図２】図１に示す固体撮像装置の画素周辺を示す回路図である。
【図３】図１に示す固体撮像装置における電子シャッタ行と選択行との関係を示す説明図である。
【図４】図２に示す画素に係わる動作を示すタイミングチャートである。
【図５】本発明の第１実施例におけるフォトダイオードとＦＤ部とのポテンシャルの遷移を示す説明図である。
【図６】本発明の第１実施例における出力特性を示す説明図である。
【図７】本発明の第２実施例における電子シャッタ行と選択行との関係を示す説明図である。
【図８】本発明の第３実施例における固体撮像装置の全体を示す構成図である。
【図９】Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路の一例を示す回路図である。
【図１０】Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路の他の例を示す回路図である。
【図１１】従来の固体撮像装置における電子シャッタ行と選択行との関係を示す説明図である。
【符号の説明】
２、３４……固体撮像装置、１４６……Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路、１１０……タイミングジェネレータ、１０６……Ｖ選択手段、１１２……Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ部、１０８……Ｈ選択手段、１１６……水平信号線、１１８……出力部、１０４……撮像画素部、２１０……第１シャッタ行、２２０……第２シャッタ行、２３０……選択行、１２０……画素、１３６……垂直信号線。
【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】
0003944829.tif 000009
【図９】
0003944829.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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