(57)【要約】【課題】画質を劣化させずに、撮像装置のダイナミックレンジを拡大する。【解決手段】複数の単位画素が配置されている画素アレイ部と、単位画素の動作を制御する駆動部とを備え、単位画素は、光電変換部と、電荷を保持する電荷保持部と、電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部と、光電変換部から電荷保持部へと電荷を転送する第１転送部と、光電変換部から電荷電圧変換部へと電荷を転送する第２転送部と、電荷保持部から電荷電圧変換部へと電荷を転送する第３転送部とを備える。本技術は、例えば、撮像装置に適用できる。【選択図】図４
2017183563.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単位画素が配置されている画素アレイ部と、
前記単位画素の動作を制御する駆動部と
を備え、
前記単位画素は、
光電変換部と、
電荷を保持する電荷保持部と、
前記電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部と、
前記光電変換部から前記電荷保持部へと電荷を転送する第１転送部と、
前記光電変換部から前記電荷電圧変換部へと電荷を転送する第２転送部と、
前記電荷保持部から前記電荷電圧変換部へと電荷を転送する第３転送部と
を備える撮像装置。
【請求項２】
前記第１転送部は、前記電荷保持部上にも形成されている
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記第１転送部がオンにされたとき、前記電荷保持部のポテンシャルが深くなる位置に、前記第１転送部は形成されている
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記第１転送部は、第１分割転送部と第２分割転送部とから構成され、
前記第１分割転送部は、前記光電変換部と前記電荷保持部との間に形成され、
前記第２分割転送部は、前記電荷保持部上に形成されている
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記光電変換部に接続される電荷排出部をさらに備える
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項６】
第２電荷保持部と、
第４転送部と
をさらに備え、
前記第２転送部は、前記光電変換部から前記第２電荷保持部に電荷を転送し、
前記第４転送部は、前記第２電荷保持部から前記電荷電圧変換部に電荷を転送する
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項７】
露光期間において、
前記光電変換部から前記電荷保持部への電荷の転送と、前記光電変換部から前記電荷電圧変換部への電荷の転送が、交互に行われる
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項８】
露光期間において、
前記第１転送部と前記第２転送部は、交互にオンの状態とされる
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記第１転送部がオンにされている第１の期間は、前記第２転送部がオンにされている第２の期間よりも長い
請求項８に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記第２転送部が、オンの状態からオフの状態になった時点から、前記第１転送部がオンの状態からオフの状態になった時点までを第１の期間とし、前記第１転送部が、オンの状態からオフの状態になった時点から、前記第２転送部がオンの状態からオフの状態になった時点までを第２の期間とした場合、前記第１の期間は、前記第２の期間よりも長い
請求項８に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記第２転送部がオンの状態のときに前記電荷電圧変換部に転送された電荷に対応する信号が読み出された後、前記第３転送部がオンにされ、
前記電荷保持部から前記電荷電圧変換部に電荷が転送され、
前記電荷電圧変換部に転送された電荷に対応する信号が読み出される
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項１２】
前記第１分割転送部と前記第２分割転送部は、同時にオンにされ、
前記第１分割転送部がオフにされた後、前記第２分割転送部がオフにされる
請求項４に記載の撮像装置。
【請求項１３】
前記第１分割転送部がオフにされた後、前記第２転送部がオンにされ、
前記第２転送部がオンにされた後、前記第２分割転送部がオフにされ、
前記第２分割転送部がオフにされた後、前記第２転送部がオフにされる
請求項１２に記載の撮像装置。
【請求項１４】
前記電荷排出部は、露光期間以外の期間ではオンにされている
請求項５に記載の撮像装置。
【請求項１５】
前記第１転送部のゲート電極の下部に形成され、前記光電変換部から漏れた電荷を前記電荷保持部に転送する第１のオーバーフローパスと、
前記電荷排出部のゲート電極の下部に形成され、前記光電変換部から漏れた電荷を排出する第２のオーバーフローパスと
をさらに備える
請求項５に記載の撮像装置。
【請求項１６】
前記電荷排出部は、３値駆動され、
第１の電圧が与えられた場合、前記第２のオーバーフローパスのポテンシャルが、前記第１のオーバーフローパスのポテンシャルよりも浅くなり、
第２の電圧が与えられた場合、前記第２のオーバーフローパスのポテンシャルが、前記第１のオーバーフローパスのポテンシャルより深くなり、
第３の電圧が与えられた場合、前記電荷排出部はオンの状態となる
請求項１５に記載の撮像装置。
【請求項１７】
蓄積期間が終了後、前記第４転送部がオンにされ、
前記第２電荷保持部から前記電荷電圧変換部に電荷が転送され、
前記電荷電圧変換部に転送された電荷に対応する信号が読み出され、
前記第３転送部がオンにされ、
前記電荷保持部から前記電荷電圧変換部に電荷が転送され、
前記電荷電圧変換部に転送された電荷に対応する信号が読み出される
請求項６に記載の撮像装置。
【請求項１８】
複数の単位画素が配置されている画素アレイ部と、
前記単位画素の動作を制御する駆動部と
を備え、
前記単位画素は、
光電変換部と、
電荷を保持する電荷保持部と、
前記電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部と、
前記光電変換部から前記電荷保持部へと電荷を転送する第１転送部と、
前記光電変換部から前記電荷電圧変換部へと電荷を転送する第２転送部と、
前記電荷保持部から前記電荷電圧変換部へと電荷を転送する第３転送部と
を備える撮像装置が、
露光期間において、
前記第１転送部と前記第２転送部を、交互にオンすることで、前記光電変換部から前記電荷保持部への電荷の転送と、前記光電変換部から前記電荷電圧変換部への電荷の転送を交互に行う
ステップを含む駆動方法。
【請求項１９】
複数の単位画素が配置されている画素アレイ部と、
前記単位画素の動作を制御する駆動部と
を備え、
前記単位画素は、
光電変換部と、
電荷を保持する電荷保持部と、
前記電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部と、
前記光電変換部から前記電荷保持部へと電荷を転送する第１転送部と、
前記光電変換部から前記電荷電圧変換部へと電荷を転送する第２転送部と、
前記電荷保持部から前記電荷電圧変換部へと電荷を転送する第３転送部と
を備える撮像装置を
備える電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、撮像装置、駆動方法、および、電子機器に関し、特に、ダイナミックレンジを拡大できるようにした撮像装置、駆動方法、および、電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、様々な方式の撮像装置のダイナミックレンジ拡大技術が存在する。
【０００３】
例えば、異なる感度で時分割に撮影し、時分割に撮影した複数の画像を合成する時分割方式が知られている。（例えば、特許文献１参照）
【０００４】
また、例えば、感度が異なる受光素子を設け、感度が異なる受光素子でそれぞれ撮影した複数の画像を合成することによりダイナミックレンジを拡大する空間分割方式が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
さらに、例えば、各画素内にフォトダイオードから溢れた電荷を蓄積するメモリを設け、１回の露光期間に蓄積できる電荷量を増やすことによりダイナミックレンジを拡大する画素内メモリ方式が知られている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−３４６０９６号公報
【特許文献２】特許第３０７１８９１号公報
【特許文献３】特許第４３１７１１５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、時分割方式や空間分割方式では、分割数を増やすことによりダイナミックレンジを拡大することができる一方、分割数が増えると、アーチファクトの発生や解像度の低下等による画質の劣化が発生する可能性があった。
【０００８】
また、画素内メモリ方式では、メモリの容量が限られるため、拡大できるダイナミックレンジに限界があった。
【０００９】
本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、画質を劣化させずに、撮像装置のダイナミックレンジを拡大することができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本技術の一側面の撮像装置は、複数の単位画素が配置されている画素アレイ部と、前記単位画素の動作を制御する駆動部とを備え、前記単位画素は、光電変換部と、電荷を保持する電荷保持部と、前記電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部と、前記光電変換部から前記電荷保持部へと電荷を転送する第１転送部と、前記光電変換部から前記電荷電圧変換部へと電荷を転送する第２転送部と、前記電荷保持部から前記電荷電圧変換部へと電荷を転送する第３転送部とを備える。
【００１１】
本技術の一側面の駆動方法は、複数の単位画素が配置されている画素アレイ部と、前記単位画素の動作を制御する駆動部とを備え、前記単位画素は、光電変換部と、電荷を保持する電荷保持部と、前記電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部と、前記光電変換部から前記電荷保持部へと電荷を転送する第１転送部と、前記光電変換部から前記電荷電圧変換部へと電荷を転送する第２転送部と、前記電荷保持部から前記電荷電圧変換部へと電荷を転送する第３転送部とを備える撮像装置が、露光期間において、前記第１転送部と前記第２転送部を、交互にオンすることで、前記光電変換部から前記電荷保持部への電荷の転送と、前記光電変換部から前記電荷電圧変換部への電荷の転送を交互に行うステップを含む。
【００１２】
本技術の一側面の電子機器は、複数の単位画素が配置されている画素アレイ部と、前記単位画素の動作を制御する駆動部とを備え、前記単位画素は、光電変換部と、電荷を保持する電荷保持部と、前記電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部と、前記光電変換部から前記電荷保持部へと電荷を転送する第１転送部と、前記光電変換部から前記電荷電圧変換部へと電荷を転送する第２転送部と、前記電荷保持部から前記電荷電圧変換部へと電荷を転送する第３転送部とを備える撮像装置を備える。
【００１３】
本技術の一側面の撮像装置においては、複数の単位画素が配置されている画素アレイ部の単位画素が、光電変換部と、電荷を保持する電荷保持部と、電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部と、光電変換部から電荷保持部へと電荷を転送する第１転送部と、光電変換部から電荷電圧変換部へと電荷を転送する第２転送部と、電荷保持部から電荷電圧変換部へと電荷を転送する第３転送部とを備える構成とされている。
【００１４】
本技術の一側面の駆動方法においては、前記撮像装置の露光期間において、第１転送部と第２転送部を、交互にオンすることで、光電変換部から電荷保持部への電荷の転送と、光電変換部から電荷電圧変換部への電荷の転送が交互行われる。
【００１５】
本技術の一側面の電子機器は、前記撮像装置を備える構成とされている。
【発明の効果】
【００１６】
本技術の一側面によれば、画質を劣化させずに、撮像装置のダイナミックレンジを拡大することができる。
【００１７】
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本技術が適用されるＣＭＯＳイメージセンサの構成の概略を示すシステム構成図である。
【図２】本技術が適用されるＣＭＯＳイメージセンサの他のシステム構成を示すシステム構成図（その１）である。
【図３】本技術が適用されるＣＭＯＳイメージセンサの他のシステム構成を示すシステム構成図（その２）である。
【図４】本技術の第１の実施の形態における単位画素の構成例を示す回路図である。
【図５】第１の実施の形態における単位画素の平面レイアウト図である。
【図６】第１の実施の形態における単位画素の断面図である。
【図７】第１の実施の形態における単位画素の動作を説明するための図である。
【図８】第１の実施の形態における単位画素のポテンシャルの変化について説明するための図である。
【図９】転送トランジスタをオンにする時間について説明するための図である。
【図１０】転送トランジスタをオンにする時間について説明するための図である。
【図１１】読み出された信号の扱いについて説明するための図である。
【図１２】第２の実施の形態における単位画素の平面レイアウト図である。
【図１３】第２の実施の形態における単位画素の断面図である。
【図１４】第２の実施の形態における単位画素のポテンシャルの変化について説明するための図である。
【図１５】第３の実施の形態における単位画素の平面レイアウト図である。
【図１６】第３の実施の形態における単位画素の断面図である。
【図１７】第３の実施の形態における単位画素の動作を説明するための図である。
【図１８】第３の実施の形態における単位画素のポテンシャルの変化について説明するための図である。
【図１９】第４の実施の形態における単位画素の構成例を示す回路図である。
【図２０】第４の実施の形態における単位画素の平面レイアウト図である。
【図２１】第４の実施の形態における単位画素の動作を説明するための図である。
【図２２】第５の実施の形態における単位画素の動作を説明するための図である。
【図２３】第５の実施の形態における単位画素により得られる効果について説明するための図である。
【図２４】第６の実施の形態における単位画素の構成例を示す回路図である。
【図２５】第６の実施の形態における単位画素の動作を説明するための図である。
【図２６】共有画素の構成について説明するための図である。
【図２７】処信号処理の説明に供する入射光量−出力の特性図（その１）である。
【図２８】信号処理の説明に供する入射光量−出力の特性図（その２）である。
【図２９】撮像装置の使用例を示す図である。
【図３０】電子機器の構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、本技術を実施するための形態（以下、実施の形態という）について説明する。なお、説明は、以下の順序で行う。
１．本技術が適用される撮像装置
２．第１の実施の形態
３．第２の実施の形態
４．第３の実施の形態
５．第４の実施の形態
６．第５の実施の形態
７．第６の実施の形態
８．ノイズ除去処理および演算処理に関する説明
９．変形例
１０．撮像装置の使用例
【００２０】
＜本技術が適用される撮像装置＞
｛基本的なシステム構成｝
図１は、本技術が適用される撮像装置、例えばＸ−Ｙアドレス方式撮像装置の一種であるＣＭＯＳイメージセンサの構成の概略を示すシステム構成図である。ここで、ＣＭＯＳイメージセンサとは、ＣＭＯＳプロセスを応用して、または、部分的に使用して作成されたイメージセンサである。
【００２１】
本適用例に係るＣＭＯＳイメージセンサ１０は、図示せぬ半導体基板（チップ）上に形成された画素アレイ部１１と、当該画素アレイ部１１と同じ半導体基板上に集積された周辺回路部とを有する構成となっている。周辺回路部は、例えば、垂直駆動部１２、カラム処理部１３、水平駆動部１４およびシステム制御部１５から構成されている。
【００２２】
ＣＭＯＳイメージセンサ１０はさらに、信号処理部１８およびデータ格納部１９を備えている。信号処理部１８およびデータ格納部１９については、ＣＭＯＳイメージセンサ１０と同じ基板上に搭載しても構わないし、ＣＭＯＳイメージセンサ１０とは別の基板上に配置するようにしても構わない。また、信号処理部１８およびデータ格納部１９の各処理については、ＣＭＯＳイメージセンサ１０とは別の基板に設けられる外部信号処理部、例えば、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）回路やソフトウェアによる処理でも構わない。
【００２３】
画素アレイ部１１は、受光した光量に応じた電荷を生成しかつ蓄積する光電変換部を有する単位画素（以下、単に「画素」と記述する場合もある）が行方向および列方向に、すなわち、行列状に２次元配置された構成となっている。ここで、行方向とは画素行の画素の配列方向（すなわち、水平方向）をいい、列方向とは画素列の画素の配列方向（すなわち、垂直方向）をいう。単位画素の具体的な回路構成や画素構造の詳細については後述する。
【００２４】
画素アレイ部１１において、行列状の画素配列に対して、画素行毎に画素駆動線１６が行方向に沿って配線され、画素列毎に垂直信号線１７が列方向に沿って配線されている。画素駆動線１６は、画素から信号を読み出す際の駆動を行うための駆動信号を伝送する。図１では、画素駆動線１６について１本の配線として示しているが、１本に限られるものではない。画素駆動線１６の一端は、垂直駆動部１２の各行に対応した出力端に接続されている。
【００２５】
垂直駆動部１２は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成され、画素アレイ部１１の各画素を全画素同時あるいは行単位等で駆動する。すなわち、垂直駆動部１２は、当該垂直駆動部１２を制御するシステム制御部１５と共に、画素アレイ部１１の各画素の動作を制御する駆動部を構成している。この垂直駆動部１２はその具体的な構成については図示を省略するが、一般的に、読出し走査系と掃き出し走査系の２つの走査系を有する構成となっている。
【００２６】
読出し走査系は、単位画素から信号を読み出すために、画素アレイ部１１の単位画素を行単位で順に選択走査する。単位画素から読み出される信号はアナログ信号である。掃き出し走査系は、読出し走査系によって読出し走査が行われる読出し行に対して、その読出し走査よりも露光時間分だけ先行して掃き出し走査を行う。
【００２７】
この掃き出し走査系による掃き出し走査により、読出し行の単位画素の光電変換部から不要な電荷が掃き出されることによって当該光電変換部がリセットされる。そして、この掃き出し走査系による不要電荷の掃き出す（リセットする）ことにより、所謂電子シャッタ動作が行われる。ここで、電子シャッタ動作とは、光電変換部の電荷を捨てて、新たに露光を開始する（電荷の蓄積を開始する）動作のことをいう。
【００２８】
読出し走査系による読出し動作によって読み出される信号は、その直前の読出し動作または電子シャッタ動作以降に受光した光量に対応するものである。そして、直前の読出し動作による読出しタイミングまたは電子シャッタ動作による掃き出しタイミングから、今回の読出し動作による読出しタイミングまでの期間が、単位画素における電荷の露光期間となる。
【００２９】
垂直駆動部１２によって選択走査された画素行の各単位画素から出力される信号は、画素列毎に垂直信号線１７の各々を通してカラム処理部１３に入力される。カラム処理部１３は、画素アレイ部１１の画素列毎に、選択行の各画素から垂直信号線１７を通して出力される信号に対して所定の信号処理を行うと共に、信号処理後の画素信号を一時的に保持する。
【００３０】
具体的には、カラム処理部１３は、信号処理として少なくとも、ノイズ除去処理、例えばＣＤＳ（Correlated Double Sampling；相関二重サンプリング）処理や、ＤＤＳ（Double Data Sampling）処理を行う。例えば、ＣＤＳ処理により、リセットノイズや画素内の増幅トランジスタの閾値ばらつき等の画素固有の固定パターンノイズが除去される。カラム処理部１３にノイズ除去処理以外に、例えば、ＡＤ（アナログ−デジタル）変換機能を持たせ、アナログの画素信号をデジタル信号に変換して出力することも可能である。
【００３１】
水平駆動部１４は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成され、カラム処理部１３の画素列に対応する単位回路を順番に選択する。この水平駆動部１４による選択走査により、カラム処理部１３において単位回路毎に信号処理された画素信号が順番に出力される。
【００３２】
システム制御部１５は、各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータなどによって構成され、当該タイミングジェネレータで生成された各種のタイミングを基に、垂直駆動部１２、カラム処理部１３、および、水平駆動部１４などの駆動制御を行う。
【００３３】
信号処理部１８は、少なくとも演算処理機能を有し、カラム処理部１３から出力される画素信号に対して演算処理等の種々の信号処理を行う。また、信号処理部１８は、後述する本技術のゲイン乗算処理を行うためのアンプを備える。
【００３４】
データ格納部１９は、信号処理部１８での信号処理に当たって、その処理に必要なデータを一時的に格納する。
【００３５】
｛他のシステム構成｝
本技術が適用されるＣＭＯＳイメージセンサ１０としては、上述したシステム構成のものに限られるものではない。他のシステム構成として、以下のようなシステム構成のものを挙げることができる。
【００３６】
例えば、図２に示すように、データ格納部１９をカラム処理部１３の後段に配置し、カラム処理部１３から出力される画素信号を、データ格納部１９を経由して信号処理部１８に供給するシステム構成のＣＭＯＳイメージセンサ１０Ａを挙げることができる。
【００３７】
さらには、図３に示すように、画素アレイ部１１の列毎あるいは複数の列毎にＡＤ変換するＡＤ変換機能をカラム処理部１３に持たせると共に、当該カラム処理部１３に対してデータ格納部１９および信号処理部１８を並列的に設けるシステム構成のＣＭＯＳイメージセンサ１０Ｂを挙げることができる。
【００３８】
＜第１の実施の形態＞
次に、図４乃至図１０を参照して、本技術の第１の実施の形態について説明する。
【００３９】
｛単位画素１００Ａの回路構成｝
図４は、図１乃至図３の画素アレイ部１１に配置される単位画素１００Ａの構成例を示す回路図あり、図５は、単位画素１００Ａの構成例を示す平面レイアウト図である。また、図５では、一例として、単位画素１００Ａが、いわゆる裏面照射型の撮像装置である場合の構造を示している。
【００４０】
単位画素１００Ａは、ＰＤ（フォトダイオード）１０１、第１転送トランジスタ１０２、第２転送トランジスタ１０３、第３転送トランジスタ１０４、メモリ部１０５、リセットトランジスタ１０６、ＦＤ部１０７、増幅トランジスタ１０８、および選択トランジスタ１０９を備えて構成される。
【００４１】
ＰＤ１０１は、入射した光を光電変換により電荷に変換して蓄積する光電変換部であり、アノード端子が接地されていると共に、カソード端子が第１転送トランジスタ１０２と第２転送トランジスタ１０３にそれぞれ接続されている。
【００４２】
第１転送トランジスタ１０２は、垂直駆動部１２（図１）から供給される転送信号ＴＧ１に従って駆動し、第１転送トランジスタ１０２がオンになると、ＰＤ１０１に蓄積されている電荷がメモリ部１０５に転送される。メモリ部１０５は、電荷を一時的に保持する電荷保持部として機能する。
【００４３】
第２転送トランジスタ１０３は、垂直駆動部１２（図１）から供給される転送信号ＴＧ２に従って駆動し、第２転送トランジスタ１０３がオンになると、ＰＤ１０１に蓄積されている電荷がＦＤ部１０７に転送される。
【００４４】
第３転送トランジスタ１０４は、垂直駆動部１２（図１）から供給される転送信号ＴＧ３に従って駆動し、第３転送トランジスタ１０４がオンになると、メモリ部１０５に蓄積されている電荷がＦＤ部１０７に転送される。
【００４５】
ＦＤ部１０７は、増幅トランジスタ１０８のゲート電極に接続された所定の蓄積容量を有する浮遊拡散領域であり、ＰＤ１０１から直接的および間接的（メモリ部１０５を介して）転送される電荷を蓄積する。
【００４６】
増幅トランジスタ１０８は、ＦＤ部１０７に蓄積されている電荷に応じたレベル（即ち、ＦＤ部１０７の電圧）の画素信号を、選択トランジスタ１０９を介して垂直信号線１７に出力する。すなわち、ＦＤ部１０７が増幅トランジスタ１０８のゲート電極に接続される構成により、ＦＤ部１０７および増幅トランジスタ１０８は、ＰＤ１０１において発生した電荷を、その電荷に応じたレベルの画素信号に変換する変換部（電荷電圧変換部）として機能する。
【００４７】
選択トランジスタ１０９は、垂直駆動部１２（図１）から供給される選択信号ＳＥＬに従って駆動し、選択トランジスタ１０９がオンになると、増幅トランジスタ１０８から出力される画素信号が垂直信号線１７に出力可能な状態となる。垂直信号線１７には、ソースフォロワ回路を構成する定電流源１１０が接続されている。
【００４８】
リセットトランジスタ１０６は、垂直駆動部１２から供給されるリセット信号ＲＳＴに従って駆動し、リセットトランジスタ１０６がオンになると、ＦＤ部１０７に蓄積されている電荷が電源配線Ｖｄｄに排出されて、ＦＤ部１０７がリセットされる。
【００４９】
なお、以下、各駆動信号がアクティブ状態になることを、各駆動信号がオンするともいい、各駆動信号が非アクティブ状態になることを、各駆動信号がオフするともいう。また、以下、各ゲート部または各トランジスタが導通状態になることを、各ゲート部または各トランジスタがオンするともいい、各ゲート部または各トランジスタが非導通状態になることを、各ゲート部または各トランジスタがオフするともいう。
【００５０】
裏面照射型の撮像装置において、ＰＤ１０１が形成されたシリコン基板は、フォトダイオードへの光の入射面となる第１の面と、第１の面に対向する第２の面と、を備える。図５は、単位画素１００Ａに関わる、シリコン基板の第２の面における平面レイアウト図であって、単位画素１００Ａに備わる活性領域、光電変換部、画素トランジスタ、電荷蓄積部、およびこれらの間を接続する配線の、平面レイアウト図である。
【００５１】
図５において、ＰＤ１０１、第１転送トランジスタ１０２、第２転送トランジスタ１０３、第３転送トランジスタ１０４、メモリ部１０５、リセットトランジスタ１０６、ＦＤ部１０７、および電源ＶＤＤへの接続部が、連続した第１の活性領域上に形成されている。
【００５２】
第１の活性領域とは別に、増幅トランジスタ１０８、および選択トランジスタ１０９、電源ＶＤＤへの接続部および垂直信号線１７への接続部が、連続した第２の活性領域上に形成されている。
【００５３】
図５において、ＦＤ部１０７と、増幅トランジスタ１０８のゲート電極との間は、ゲート電極よりも上層に配置された配線によって接続されている。
【００５４】
なお、第１転送トランジスタ１０２は、例えばゲート部に第１の電圧（例えば負電圧）を印加した際には、ゲート電極下方のチャネル領域に、オーバーフローパスが形成されるようにチャネル領域の不純物濃度が設定されているように構成することも可能である。
【００５５】
このように構成されている場合、ＰＤ１０１に強い光が入射して、これによって発生した電荷がＰＤ１０１の飽和蓄積量を超えた場合には、ＰＤ１０１から溢れた電荷が、このオーバーフローパスを経由してメモリ部１０５へと転送される構成とすることができる。
【００５６】
図６に単位画素１００Ａの断面図を示す。図６の上部には、参考のため、図５に示した単位画素１００Ａの平面図を示し、下部に単位画素１００Ａの断面図を示す。図６の上部に示した平面図に示した直線Ａ〜Ｂの断面図が、図６の上図の平面に対応して、下図に描かれており、同じ部位には同じ番号が付してある。
【００５７】
図６に示すように、ＦＤ部１０７とＰＤ１０１との間に、第２転送トランジスタ１０３が形成されている。また、ＰＤ１０１とメモリ部１０５との間に、第１転送トランジスタ１０２が形成されている。また、メモリ部１０５とＦＤ部１０７との間に、第３転送トランジスタ１０４が形成されている。そして、ＦＤ部１０７は、増幅トランジスタ１０８に配線により接続されている。
【００５８】
このように、本技術を適用した単位画素１００Ａは、ＰＤ１０１で蓄積された電荷をメモリ部１０５に一旦蓄積してから、ＦＤ部１０７に転送するための第１転送トランジスタ１０２と第３転送トランジスタ１０４を備える。また、単位画素１００Ａは、ＰＤ１０１で蓄積された電荷をＦＤ部１０７に転送するための第２転送トランジスタ１０３を備える。
【００５９】
このように、第１の実施の形態における単位画素１００Ａは、３個の転送トランジスタとメモリを備え、ＰＤ１０１からＦＤ部１０７に直接的に電荷を転送する転送トランジスタと、メモリを介して間接的に電荷を転送する転送トランジスタとが備えられている。
【００６０】
｛単位画素の動作｝
図７を参照して、このような構成を有する単位画素１００Ａの動作について説明する。
【００６１】
図７は、第１の実施の形態における単位画素１００Ａに備わる選択トランジスタ１０９を駆動する選択信号ＳＥＬ、リセットトランジスタ１０６を駆動するリセット信号ＲＳＴ、第３転送トランジスタ１０４を駆動する転送信号ＴＧ３、第２転送トランジスタ１０３を駆動する転送信号ＴＧ２、および第１転送トランジスタ１０２を駆動する転送信号ＴＧ１のタイミングチャートを示す。
【００６２】
まず、リセットトランジスタ１０６のゲート部がオンにされ、その期間中に第２転送トランジスタ１０３、第３転送トランジスタ１０４のそれぞれのゲート部もオンにされる。
【００６３】
図７に示したタイミングチャートを参照するに、時刻ｔ１にリセット信号ＲＳＴがオンにされることで、リセットトランジスタ１０６が、オンにされる。時刻ｔ１後の時刻ｔ２において、転送信号ＴＧ２と転送信号ＴＧ３が、それぞれオンにされることで、第２転送トランジスタ１０３、第３転送トランジスタ１０４が、それぞれオンにされる。これらの動作により、単位画素１００Ａに備わるＰＤ１０１、メモリ部１０５、およびＦＤ部１０７がそれぞれリセットされる。
【００６４】
ＰＤ１０１、メモリ部１０５、およびＦＤ部１０７がそれぞれリセットされた後、第２転送トランジスタ１０３、第３転送トランジスタ１０４、およびリセットトランジスタ１０６のそれぞれのゲート部がオフにされる。
【００６５】
図７に示したタイミングチャートを参照するに、時刻ｔ３に、転送信号ＴＧ２と転送信号ＴＧ３が、それぞれオフにされることで、第２転送トランジスタ１０３、第３転送トランジスタ１０４が、それぞれオフにされる。時刻ｔ３後の時刻ｔ４において、リセット信号ＲＳＴがオフにされることで、リセットトランジスタ１０６が、オフにされる。
【００６６】
リセット動作が行われた後、ＰＤ１０１において光電変換の結果発生した電荷が蓄積される蓄積期間が開始される。この蓄積期間においては、第２転送トランジスタ１０３と第１転送トランジスタ１０２が、交互にオン、オフされる。
【００６７】
すなわち、時刻ｔ４において、転送信号ＴＧ１がオンにされることで、第１転送トランジスタ１０２がオンにされ、時刻ｔ５において、転送信号ＴＧ１がオフにされることで、第１転送トランジスタ１０２がオフにされる。
【００６８】
また時刻ｔ５において、転送信号ＴＧ２がオンにされることで、第２転送トランジスタ１０３がオンにされ、時刻ｔ６において、転送信号ＴＧ２がオフにされることで、第２転送トランジスタ１０３がオフにされる。
【００６９】
第１転送トランジスタ１０２がオンにされることで、ＰＤ１０１に蓄積されている信号電荷が、メモリ部１０５に転送される。また、第２転送トランジスタ１０３がオンにされることで、ＰＤ１０１に蓄積されている信号電荷が、ＦＤ部１０７に転送される。
【００７０】
このように、ＰＤ１０１において光電変換の結果発生した電荷が蓄積される蓄積期間において、第１転送トランジスタ１０２と第２転送トランジスタ１０３が、交互にオンにされることで、ＰＤ１０１で蓄積されている信号電荷が、メモリ部１０５とＦＤ部１０７に交互に転送される。
【００７１】
第１転送トランジスタ１０２は、時刻ｔ４から時刻ｔ７の間、オン、オフを繰り返すことで、ＰＤ１０１からメモリ部１０５に信号電荷を転送する。また、第２転送トランジスタ１０３は、時刻ｔ５から時刻ｔ８の間、オン、オフを繰り返すことで、ＰＤ１０１からＦＤ部１０７に信号電荷を転送する。
【００７２】
ここで、図８を参照して、図７のタイミングチャートの時刻ｔ４乃至ｔ６における単位画素１００Ａの動作の詳細について説明する。図８Ａは、単位画素１００Ａの断面構造を示し、図６に示した断面構造を参考のために図示した。図８Ｂ，図８Ｃ，図８Ｄは、時刻ｔ４乃至ｔ６それぞれにおける単位画素１００Ａのポテンシャル図を示している。また図中黒塗りの四角は、その駆動信号がオンされていることを示し、白抜きの四角は、その駆動信号がオフされていることを示している。
【００７３】
図８Ｂは、例えば、時刻ｔ４におけるポテンシャルの状態を表し、ＰＤ１０１に電荷が蓄積される前の状態であり、メモリ部１０５およびＦＤ部１０７がリセットされた状態を示している。図８Ｂに示すように、第１転送トランジスタ１０２は、ＰＤ１０１とメモリ部１０５との間に設けられ、メモリ部１０５のポテンシャルは、ＰＤ１０１のポテンシャルよりも深くされている。
【００７４】
メモリ部１０５のポテンシャルは、ＰＤ１０１のポテンシャルよりも深くされていることで、第１転送トランジスタ１０２の駆動により、ＰＤ１０１からメモリ部１０５に信号電荷を転送できる。ＰＤ１０１からメモリ部１０１へ電荷を転送し、転送した電荷をメモリ部１０５に蓄積すると、蓄積した電荷の量に応じてメモリ部１０５のポテンシャルが、図８Ｂに示したメモリ部１０５のポテンシャルよりも浅くなる。電荷を蓄積することでメモリ部１０５のポテンシャルが浅くなり、メモリ部１０５のポテンシャルが図８Ｂに示したＰＤ１０１のポテンシャルと等しくなるまで、メモリ部１０５は電荷を蓄積できる。
【００７５】
図８Ｂに示したような状態のとき、ＰＤ１０１において電荷の蓄積が開始され、第１転送トランジスタ１０２がオンにされると、図８Ｃに示すように、ＰＤ１０１の信号電荷は、メモリ部１０５に転送される。その後、第１転送トランジスタ１０２がオフにされると、ＰＤ１０１とメモリ部１０５の間にポテンシャル障壁が形成され、ＰＤ１０１からメモリ部１０５への信号電荷の転送が停止される。
【００７６】
時刻ｔ５において、第１転送トランジスタ１０２がオフにされる一方で、第２転送トランジスタ１０３がオンにされると、ＰＤ１０１からＦＤ部１０７に信号電荷が転送される。
【００７７】
このように、メモリ部１０５への電荷の転送と、ＦＤ部１０７への電荷の転送が行われる。
【００７８】
このような動作が露光期間に交互に繰り返されることで、露光期間にＰＤ１０１で光電変換された信号電荷のうち、第１転送トランジスタ１０２がオンにされていた期間（第１期間とする）内に発生した信号電荷は、メモリ部１０５に転送され、蓄積／保持される。また、露光期間にＰＤ１０１で光電変換された信号電荷のうち、第２転送トランジスタ１０３がオンにされていた期間（第２期間とする）内に発生した信号電荷は、ＦＤ部１０７に転送され、蓄積／保持される。
【００７９】
ここで、第１期間の方が、第２期間よりも長い期間であるとする。換言すれば、ＰＤ１０１から信号電荷をメモリ部１０５に転送する期間の方が、ＦＤ部１０７に転送する期間よりも長い期間であるとする。この第１期間、第２期間は、露光時間に長さに相当するため、第１期間内に蓄積された信号電荷は、長い露光時間で蓄積された信号電荷に相当し、第２期間内に蓄積された信号電荷は、短い露光時間で蓄積された信号電荷に相当する。
【００８０】
図７において時刻ｔ４から時刻ｔ８までの間、単位画素１００Ａは、ＰＤ１０１へ入射した光によって発生した電荷を、信号電荷として蓄積している。より具体的には、単位画素１００Ａは、時刻ｔ４から時刻ｔ８までの間、第１転送トランジスタ１０２と第２転送トランジスタ１０３を交互にオンまたはオフすることにより、ＰＤ１０１へ入射した光によって発生した電荷を、メモリ部１０５またはＦＤ部１０７のどちらかに、信号電荷として蓄積している。
【００８１】
メモリ部１０５に電荷が蓄積される第１期間を、ＦＤ部１０７に電荷が蓄積される第２期間よりも長いと仮定すると、時刻ｔ４から時刻ｔ８までの間に、メモリ部１０５に蓄積／保持される信号電荷の量は、ＦＤ部１０７に蓄積／保持される信号電荷の量よりも多い。
【００８２】
このため、メモリ部１０５に電荷が蓄積される第１期間を、ＦＤ部１０７に電荷が蓄積される第２期間よりも長いと仮定すると、ＰＤ１０１へ入射した光によって発生した電荷を、より多く蓄積／保持しているメモリ部１０５から得られる信号は、ＰＤ１０１へ入射した光に対する感度が高い信号と呼ぶことができる。
【００８３】
一方、ＰＤ１０１へ入射した光によって発生した電荷を、これよりも少なく蓄積／保持しているＦＤ部１０７から得られる信号は、ＰＤ１０１へ入射した光に対する感度が低い信号と呼ぶことができる。
【００８４】
以後、第１転送トランジスタ１０２がオンにされ、メモリ部１０５に蓄積／保持される信号電荷（第１期間で蓄積／保持される信号電荷）の方を、高感度データ信号（以下、高感度データ信号ＳＨと記述する）と呼ぶ。また、第２転送トランジスタ１０３がオンにされ、ＦＤ部１０７に蓄積／保持される信号電荷（第２期間で蓄積／保持される信号電荷）の方を、低感度データ信号（以下、低感度データ信号ＳＬと記述する）と呼ぶ。
【００８５】
このように、本技術によれば、高感度データ信号ＳＨと低感度データ信号ＳＬを得ることができ、高感度データ信号ＳＨと低感度データ信号ＳＬを用いた後述するような処理により、ダイナミックレジが拡大された画像を撮像することが可能となる。
【００８６】
上記したような蓄積期間が終了後、読み出し期間へと移行する。蓄積期間内では、上記したような処理、すなわち、リセットからメモリ部１０５またはＦＤ部１０７への転送までの処理を、画素アレイ部１１内の全画素同時に行うことで、全画素で蓄積時間が同一のグローバルシャッターを実現することができる。
【００８７】
次に読み出し期間内の動作について説明する。時刻ｔ９において、選択信号ＳＥＬがオンにされることで、選択トランジスタ１０９がオンの状態にされる。選択トランジスタ１０９がオンにされることで、増幅トランジスタ１０８を介して、ＦＤ部１０７に蓄積されている電荷に応じたレベル（即ち、ＦＤ部１０７の電圧）の画素信号が垂直信号線１７に出力される。
【００８８】
蓄積期間直後にＦＤ部１０７から読み出される画素信号は、ＰＤ１０１から第２転送トランジスタ１０３によりＦＤ部１０７に転送された信号電荷に対応する信号、換言すれば、第２期間内に蓄積された信号電荷に対応する信号である。すなわち、低感度データ信号ＳＬである。
【００８９】
低感度データ信号ＳＬの読み出し後、高感度データ信号ＳＨの読み出しが行われる。まず時刻ｔ１０において、リセット信号ＲＳＴがオンにされることで、リセットトランジスタ１０６がオンの状態にされる。その後、時刻ｔ１１において、リセット信号ＲＳＴがオフにされることで、リセットトランジスタ１０６がオフの状態にされる。リセットトランジスタ１０６がオンおよびオフにされることで、ＦＤ部１０７がリセットされる。
【００９０】
時刻ｔ１１後、ＦＤ部１０７のリセット後の信号（ＦＤレベル）が、選択トランジスタ１０９を介して垂直信号線１７に出力される。この信号を、低感度リセット信号ＮＬと記述する。この低感度リセット信号ＮＬは、次に読み出されるメモリ部１０５に蓄積されていた信号に対するＰ相（高感度リセット信号ＮＨと記述する）に該当する。
【００９１】
時刻ｔ１２において、転送信号ＴＧ３がオンにされることで、第３転送トランジスタ１０４がオンの状態とされる。第３転送トランジスタ１０４がオンの状態となることで、メモリ部１０５に蓄積されていた信号電荷が、ＦＤ部１０７に転送される。時刻ｔ１３において、転送信号ＴＧ３がオフにされることで、第３転送トランジスタ１０４がオフの状態とされる。
【００９２】
このとき、選択トランジスタ１０９は、オンの状態とされているため、増幅トランジスタ１０８を介して、ＦＤ部１０７に蓄積されている電荷に応じたレベル（即ち、ＦＤ部１０７の電圧）の画素信号が垂直信号線１７に出力される。
【００９３】
このときＦＤ部１０７から読み出される画素信号は、ＰＤ１０１から第１転送トランジスタ１０２によりメモリ部１０５に一旦転送され、第３転送トランジスタ１０４によりメモリ部１０５からＦＤ部１０７に転送された信号電荷に対応する信号、換言すれば、第１期間内に蓄積された信号電荷に対応する信号である。すなわち、高感度データ信号ＳＨである。
【００９４】
このように、低感度データ信号ＳＬの読み出し後に引き続き、高感度データ信号ＳＨの読み出しが行われる。
【００９５】
低感度データ信号ＳＬは、上記したように、第２転送トランジスタ１０３がオンにされていた第２期間内に発生した信号電荷である。この第２期間は、第２転送トランジスタ１０３が１回にオンされている時間（時間Ｔ２とする）と、蓄積期間内での第２転送トランジスタ１０３がオンにされる回数に依存する期間である。
【００９６】
また、高感度データ信号ＳＨは、上記したように、第１転送トランジスタ１０２がオンにされていた第１期間内に発生した信号電荷である。この第１期間は、第１転送トランジスタ１０２が１回にオンされている時間（時間Ｔ１とする）と、蓄積期間内での第１転送トランジスタ１０２がオンにされる回数に依存する期間である。
【００９７】
図９、図１０を参照し、時間Ｔ１と時間Ｔ２について説明を加える。図９は、第１転送トランジスタ１０２と第２転送トランジスタ１０３を、それぞれ時間Ｔ１、時間Ｔ２のオン時間で交互に駆動している状態を表している。図９における時間Ｔ１は、図７における時刻ｔ４から時刻ｔ５までの時間に相当し、時間Ｔ２は、時刻ｔ５から時刻ｔ６の時間に相当する。
【００９８】
このような動作により、
全露光時間×時間Ｔ１／（時間Ｔ１＋時間Ｔ２）
で光電変換された信号電荷のみを、第１転送トランジスタ１０２を介して、メモリ部１０５に転送することができる。また
全露光時間×時間Ｔ２／（時間Ｔ１＋時間Ｔ２）
で光電変換された信号電荷のみを、第２転送トランジスタ１０３を介して、ＦＤ部１０７に転送することができる。
【００９９】
すなわち、実効的に、感度を、Ｔ１：Ｔ２の比で変換した信号データを、それぞれメモリ部１０５とＦＤ部１０７に保持させることになる。
【０１００】
このことは、時間Ｔ１と時間Ｔ２を変えることで、任意の感度調整を行うことができることも意味する。すなわち、時間Ｔ１と時間Ｔ２を変えることで、換言すれば、転送信号ＴＧ１のオン、オフの時間と、転送信号ＴＧ２のオン、オフの時間を調整することで、感度を調整することができる。
【０１０１】
また、時間Ｔ１と時間Ｔ２（第１期間と第２期間）を設けて撮影を行うため、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）フリッカなどにより影響を受けづらい撮影を行うことができる。ＬＥＤ照明は、常時点灯ではなく、所定の周期で点滅している。このため、短シャッタで撮影を行うとき、露光タイミングとＬＥＤの点滅の消灯のタイミングが重なると、ＬＥＤが消えた画が撮影されてしまう。
【０１０２】
例えば、１回の短シャッタでもシャッタ時間で感度の低下を実現できるが、１回の短シャッタが、上記したように、ＬＥＤの点滅の消灯のタイミングが重なると、画が撮像できない可能性がある。しかしながら、本技術によれば、時間Ｔ１と時間Ｔ２という異なる時間を用いて撮影を行うため、仮に、時間Ｔ１と時間Ｔ２のうちの一方の時間が、ＬＥＤの点滅の消灯のタイミングと重なってしまっても、他方の時間で撮影を行うことができる。
【０１０３】
よって、ＬＥＤフリッカなどにより、画が撮像できないようなことを防ぐことが可能となる。
【０１０４】
図９では、第１転送トランジスタ１０２と第２転送トランジスタ１０３は、排他的に動作させる例を示したが、完全転送ができるパルス幅が取れれば、図１０のような動作も可能となる。図１０に示したように、一方のパルスを立ち下げてから他方のパルスを立ち下げるまでが、時間Ｔ１、時間Ｔ２となればよい。
【０１０５】
例えば、時刻ｔ２１において、転送信号ＴＧ２がオフにされた後、時刻ｔ２２において、転送信号ＴＧ１がオンにされ、その転送信号ＴＧ１が、時刻ｔ２３でオフにされる。この時刻ｔ２１から時刻ｔ２３までが時間Ｔ１とされる。この場合、時刻ｔ２１から時刻ｔ２３、すなわち時間Ｔ１の間、ＰＤ１０１で蓄積された電荷が、時刻ｔ２２から時刻ｔ２３の間に、第１転送トランジスタ１０２がオンされ、ＰＤ１０１からメモリ部１０５に転送される。
【０１０６】
時刻ｔ２３の後の時刻ｔ２４において、転送信号ＴＧ２がオンにされ、その転送信号ＴＧ２が、時刻ｔ２５でオフにされる。この時刻ｔ２３から時刻ｔ２５までが時間Ｔ２とされる。この場合、時刻ｔ２３から時刻ｔ２５、すなわち時間Ｔ２の間、ＰＤ１０１で蓄積された電荷が、時刻ｔ２４から時刻ｔ２５の間に、第２転送トランジスタ１０３がオンされ、ＰＤ１０１からＦＤ部１０７に転送される。
【０１０７】
このような動作でも、上記した場合、例えば、図９を参照して説明した場合と同様に、低感度データ信号ＳＬと高感度データ信号ＳＨを取得することができる。
【０１０８】
このようにして読み出された、低感度データ信号ＳＬと高感度データ信号ＳＨを用いることで、ダイナミックレンジを拡大した撮影を行えることについて、図１１を参照して説明を加える。
【０１０９】
図１１は、高感度データ信号ＳＨと低感度データ信号ＳＬの入出力特性を表している。すなわち、時刻ｔ４から時刻ｔ８までの信号電荷蓄積期間にＰＤ１０１へ入射される光量を横軸にとり、これに対して、ＰＤ１０１での光電変換の結果得られる出力（光電変換の結果蓄積した電荷の量）を縦軸に表している。図１１において、ＰＤ１０１での光電変換の結果得られる出力のうち、メモリ部１０５で保持される高感度データ信号ＳＨは、「ＭＥＭ保持」と付記した実線でその特性を表した。また、ＦＤ部１０７で保持される低感度データ信号ＳＬは、「ＦＤ保持」と付記した実線でその特性を表した。
【０１１０】
図１１において、メモリ部１０５で保持される高感度データ信号ＳＨの特性は、入射光量が少ない領域においては、グラフの原点を通り、かつ、光量の増加に従って出力が一定の傾きで増加する直線となる。ここで、この直線の傾きを、ｋ１と名付ける。光量の増加に従って蓄積する電荷が増加して、蓄積する電荷がメモリ部１０５の飽和電荷量に達すると、高感度データ信号ＳＨの特性は、それ以上は光量が増加しても出力が一定となる。すなわち飽和する。ここで、蓄積する電荷がメモリ部１０５の飽和電荷量に達した時点の光量を、Ｌ１と名付ける。また、メモリ部１０５の飽和電荷量をＣ１と名付ける。
【０１１１】
図１１において、ＦＤ部１０７で保持される低感度データ信号ＳＬの特性は、入射光量が少ない領域においては、グラフの原点を通り、かつ、光量の増加に従って出力が一定の傾きで増加する直線となる。ここで、この直線の傾きを、ｋ２と名付ける。光量の増加に従って蓄積する電荷が増加し、蓄積する電荷がＦＤ部１０７の飽和電荷量に達すると、低感度データ信号ＳＬの特性は、それ以上は光量が増加しても出力が一定となる。すなわち飽和する。ここで、蓄積する電荷がＦＤ部１０７の飽和電荷量に達した時点の光量を、Ｌ２と名付ける。また、ＦＤ部１０７の飽和電荷量をＣ２と名付ける。
【０１１２】
ここで、図１１に記載の高感度データ信号ＳＨと低感度データ信号ＳＬの特性は、図７と同様に、メモリ部１０５に電荷が蓄積される第１期間Ｔ１が、ＦＤ部１０７に電荷が蓄積される第２期間Ｔ２よりも長い、との仮定に基づいたものであり、かつ、ＦＤ部１０７が飽和する電荷量が、メモリ部１０５が飽和する電荷量よりも大きい、との仮定に基づいたものである。
【０１１３】
このため、図１１に記載の高感度データ信号ＳＨと低感度データ信号ＳＬの特性は、メモリ部１０５で保持される高感度データ信号ＳＨの傾きｋ１が、ＦＤ部１０７で保持される低感度データ信号ＳＬの傾きｋ２よりも大きくなっている。また、低感度データ信号ＳＬが飽和する出力レベル（電荷量）が、高感度データ信号ＳＨが飽和する出力レベル（電荷量）よりも大きくなっている。
【０１１４】
さらに、図１１に記載の高感度データ信号ＳＨと低感度データ信号ＳＬの特性は、ＦＤ部１０７で保持される低感度データ信号ＳＬの傾きｋ２が、メモリ部１０５で保持される高感度データ信号ＳＨの傾きｋ１よりも小さく、かつ、ＦＤ部１０７が飽和する電荷量Ｃ２が、メモリ部１０５が飽和する電荷量Ｃ１よりも大きい、との仮定に基づいたものであるため、低感度データ信号ＳＬが飽和した時点の光量Ｌ２は、高感度データ信号ＳＨが飽和した時点の光量Ｌ１よりも大きくなっている。
【０１１５】
高感度データ信号ＳＨは低感度データ信号ＳＬよりも低い光量において、出力が飽和する。低感度データ信号ＳＬは高感度データ信号ＳＨの出力が飽和している光量においても、ＰＤ１０１へ入射した光量に応じた信号を出力する。つまり図１１に示す入出力特性において、低感度データ信号ＳＬは高感度データ信号ＳＨよりも入力レンジ（ＰＤ１０１へ入射した光量に応じた出力を得ることができる光量の範囲）が広く、これに応じて出力レンジ（ＰＤ１０１へ入射した光量に応じた出力を得られる範囲）も広い。言い換えれば、低感度データ信号ＳＬの特性は高感度データ信号ＳＨの特性よりも、ダイナミックレンジが広い。
【０１１６】
そこで、単位画素１００Ａは、信号処理部１８に備わるゲイン乗算処理を行うためのアンプを用いて、低感度データ信号ＳＬへゲインを掛ける処理を行う。より具体的には、図１１において、飽和前の高感度データ信号ＳＨの傾きｋ１と、飽和前の低感度データ信号ＳＬに対してゲインを掛けた所謂ゲインアップ後の傾きが同じになるように、低感度データ信号ＳＬに対してゲインを掛ける。
【０１１７】
図１１における破線が、このゲインアップ後の信号を表している。これにより単位画素１００Ａは、高感度データ信号ＳＨが入射光量に応じた電荷を出力している光量の範囲から、低感度データ信号ＳＬが入射光量に応じた電荷を出力している光量の範囲までとなる、広い範囲に渡って、入力（ＰＤ１０１へ入射した光量）に対して線形な出力（光電変換の結果蓄積した電荷の量）を得ており、ダイナミックレンジの広い特性を備えている。
【０１１８】
ここで、図４に記載の単位画素１００Ａにおいてメモリ部１０５とＦＤ部１０７へ交互に電荷を蓄積する動作を行わない形態を、比較例として想定する。すなわち、比較例の単位画素は、図４に記載の単位画素１００Ａと等価回路上は同じ構成を備え、かつ、単位画素１００Ａにおけるメモリ部１０５とＦＤ部１０７へ交互に電荷を蓄積する動作を行わず、信号電荷蓄積期間にＰＤ１０１へ入射した光によって発生した電荷は、全てメモリ部１０５へ転送して蓄積する動作を行うものとする。
【０１１９】
図１１において、比較例の入出力特性（入射光量に対して、光電変換の結果蓄積した電荷の量）を考える（不図示）。比較例の特性は、入射光量が少ない領域においては、図１１に実線で記載した本技術の第１の実施の形態の高感度データ信号ＳＨと同様に、図１１のグラフの原点を通り、かつ、光量の増加に従って出力が一定の傾きで増加する直線となる。ここで、この直線の傾きを、ｋ０と名付ける。
【０１２０】
さらに比較例の特性は、光量の増加に従って蓄積する電荷が増加し、蓄積する電荷がメモリ部１０５の飽和電荷量に達すると、それ以上は光量が増加しても出力が一定となる。ここで、蓄積する電荷がメモリ部１０５の飽和電荷量に達した時点の光量を、Ｌ０と名付ける。
【０１２１】
上に述べた比較例の特性と、図１１に記載の本技術の第１の実施の形態の特性を比較する。
【０１２２】
比較例は、信号電荷蓄積期間にＰＤ１０１で発生した電荷を、全てメモリ部１０５へ転送して蓄積する。
【０１２３】
一方、図１１に記載の本技術の第１の実施の形態は、信号電荷蓄積期間にＰＤ１０１で発生した電荷の総量のうち、Ｔ１／（Ｔ１＋Ｔ２）の割合に相当する量だけを、メモリ部１０５へ転送して蓄積する。その特性は、高感度データ信号ＳＨの特性として、図１１において「ＭＥＭ保持」と付記した実線で表されている。高感度データ信号ＳＨの特性の直線部分の傾きｋ１は、ｋ０のＴ１／（Ｔ１＋Ｔ２）倍に抑えられている。また、高感度データ信号ＳＨの特性が飽和する時点での光量Ｌ１は、Ｌ０の（Ｔ１＋Ｔ２）／Ｔ１倍に増加する。
【０１２４】
さらに、図１１に記載の本技術の第１の実施の形態は、信号電荷蓄積期間にＰＤ１０１で発生した電荷の総量のうち、Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）の割合に相当する量だけを、ＦＤ部１０７へ転送して蓄積する。その特性は、低感度データ信号ＳＬの特性として、図１１において「ＦＤ保持」と付記した実線で表されている。低感度データ信号ＳＬの特性の直線部分の傾きｋ２は、ｋ０のＴ２／（Ｔ１＋Ｔ２）倍に抑えられている。また、低感度データ信号ＳＬの特性が飽和する時点での光量Ｌ２は、Ｌ０の（Ｃ２／Ｃ１）×（Ｔ１＋Ｔ２）／Ｔ２倍に増加する。
【０１２５】
このため、飽和前の高感度データ信号ＳＨの傾きｋ１と、飽和前の低感度データ信号ＳＬに対してゲインを掛けた所謂ゲインアップ後の傾きが同じになるように、低感度データ信号ＳＬに対してゲインを掛ける処理を行った本技術の第１の実施の形態の特性（図１１の破線）は、入力レンジ（ＰＤ１０１へ入射した光量に応じた出力を得ることができる光量の範囲）が比較例の（Ｃ２／Ｃ１）×（Ｔ１＋Ｔ２）／Ｔ２倍に拡大している。また、出力レンジ（ＰＤ１０１へ入射した光量に応じた出力を得られる範囲）は、比較例との入力レンジの比（Ｃ２／Ｃ１）×（Ｔ１＋Ｔ２）／Ｔ２に、比較例の傾きｋ０と高感度データ信号ＳＨの傾きｋ１の比Ｔ１／（Ｔ１＋Ｔ２）を乗じた結果である、（Ｃ２／Ｃ１）×（Ｔ１／Ｔ２）倍となる。
【０１２６】
なお、図１１に記載の本技術の第１の実施の形態の特性は、Ｔ１＞Ｔ２かつＣ２＞Ｃ１を前提としている。
【０１２７】
結果として、本技術の第１の実施の形態の単位画素１００Ａは、比較例に対して、入力レンジが（Ｃ２／Ｃ１）×（Ｔ１＋Ｔ２）／Ｔ２倍、出力レンジが（Ｃ２／Ｃ１）×（Ｔ１／Ｔ２）倍に拡大した、ダイナミックレンジの広いものとなっている。
【０１２８】
図１１に記載の本技術の第１の実施の形態の特性は、Ｔ１＞Ｔ２かつＣ２＞Ｃ１を前提としたが、仮に、Ｃ２≦Ｃ１となる条件下であっても、（Ｃ２／Ｃ１）×（Ｔ１／Ｔ２）＞１となるように、Ｔ１とＴ２を設定すれば、本技術の第１の実施の形態の単位画素１００Ａは、比較例よりもダイナミックレンジの広い特性を備える。同様に、Ｔ１≦Ｔ２となる条件下であっても、（Ｃ２／Ｃ１）×（Ｔ１／Ｔ２）＞１となるように、Ｃ１とＣ２を設定すれば、本技術の第１の実施の形態の単位画素１００Ａは、比較例よりもダイナミックレンジの広い特性を備える。
【０１２９】
なお、本技術の第１の実施の形態の画素１００Ａは、その出力として、信号電荷の蓄積期間中にＰＤ１０１へ入射した光量がＬ１以下の場合は、低感度データ信号ＳＬへゲインを掛けたゲインアップ後の低感度データ信号ＳＬを出力するよりも、高感度データ信号ＳＨを出力するほうが好ましい。これは、メモリ部１０５で保持される高感度データ信号ＳＨと、ＦＤ部１０７で保持される低感度データ信号ＳＬのノイズレベルが同等であるならば、これにゲインを掛けた低感度データ信号ＳＬのノイズレベルよりも、ゲインを掛けない高感度データ信号ＳＨのほうが、ノイズが少なく、Ｓ／Ｎ比（Signal Noise比）が良好なためである。
【０１３０】
さらに、例えば、メモリ部１０５の構造として、特開２０１１―１９９８１６の図４（Ａ）に記載の埋め込み型ＭＯＳキャパシタを用い、ＦＤ部１０７の構造として、自由電子が多数存在する縮退した半導体領域を一部に含むＰＮ接合容量を用いる場合には、高感度データ信号ＳＨのノイズレベルが、ゲインを掛ける前の低感度データ信号ＳＬのノイズレベルよりも小さくなる可能性が高い。このような場合には、信号電荷の蓄積期間中にＰＤ１０１へ入射した光量がＬ１以下の場合に高感度データ信号ＳＨを出力する利点が、さらに大きくなる。
【０１３１】
＜第２の実施の形態＞
次に本技術を適用した第２の実施の形態について説明する。図１２は、第２の実施の形態における単位画素１００（以下、第２の実施の形態においては、単位画素１００Ｂと記述する）の平面レイアウトを示す図であり、図１３は、断面構造を示す図である。
【０１３２】
図１２に示した第２の実施の形態における単位画素１００Ｂは、第１の実施の形態における単位画素１００Ａと基本的な構成は同一であるため、同一の部分には同一の符号を付し、その説明は適宜省略する。
【０１３３】
図１２に示した第２の実施の形態における単位画素１００Ｂの平面レイアウトと、図３に示した第１の実施の形態における単位画素１００Ａの平面レイアウトとを比較するに、単位画素１００Ｂは、第１転送トランジスタ１０２がメモリ部１０５上にまで形成されている点が、第１の実施の形態における単位画素１００Ａと異なる。
【０１３４】
図１３に示した第２の実施の形態における単位画素１００Ｂの断面構造と、図６に示した第１の実施の形態における単位画素１００Ａの断面構造とを比較するに、単位画素１００Ｂは、ＰＤ１０１とメモリ部１０５との間だけでなく、第１転送トランジスタ１０２がメモリ部１０５上にまで延ばされて形成されている点が、第１の実施の形態における単位画素１００Ａと異なる。
【０１３５】
図１２、図１３を参照するに、ＦＤ部１０７とＰＤ１０１との間に、第２転送トランジスタ１０３が形成されている。この点は、第１の実施の形態における単位画素１００Ａと同じである。ＰＤ１０１とメモリ部１０５との間とメモリ部１０５の上部にまで第１転送トランジスタ１０２Ｂが形成されている。この点は、第１の実施の形態における単位画素１００Ａと異なる。
【０１３６】
また、メモリ部１０５とＦＤ部１０７との間に、第３転送トランジスタ１０４が形成され、ＦＤ部１０７は、増幅トランジスタ１０８に配線により接続されている。この点は、第１の実施の形態における単位画素１００Ａと同じである。
【０１３７】
このように、本技術を適用した単位画素１００Ｂは、ＰＤ１０１で蓄積された電荷をメモリ部１０５に一旦蓄積してから、ＦＤ部１０７に転送するための第１転送トランジスタ１０２Ｂと第３転送トランジスタ１０４を備える。また、単位画素１００Ｂは、ＰＤ１０１で蓄積された電荷をＦＤ部１０７に転送するための第２転送トランジスタ１０３を備える。また、第１転送トランジスタ１０２Ｂは、メモリ部１０５上にまで、拡大されて設けられている。
【０１３８】
このように、第１転送トランジスタ１０２Ｂが、メモリ部１０５の上部にまで設けられていることで、第１転送トランジスタ１０２Ｂがオンにされると、メモリ部１０５のポテンシャルが一緒に深くなり、メモリ部１０５のポテンシャルを深くすることが可能となる。このことについて、図１４を参照して説明する。
【０１３９】
なお、第２の実施の形態においても、単位画素１００Ｂの回路図は、第１の実施の形態における単位画素１００Ａの回路図と同じく、図４に示したようになるため、その説明は省略する。また、基本的な動作も、図７に示したタイミングチャートを参照して説明した場合と同様であるため、その説明は省略する。
【０１４０】
図１４は、図８と同じく、図７のタイミングチャートの時刻ｔ４乃至ｔ６における単位画素１００Ｂの動作の詳細について説明するための図である。図１４Ａは、単位画素１００Ｂの断面構造を示し、図１３に示した断面構造を参考のために図示した。
【０１４１】
図１４Ｂ，図１４Ｃ，図１４Ｄは、時刻ｔ４乃至ｔ６のそれぞれにおける単位画素１００Ｂのポテンシャル図を示している。また図中黒塗りの四角は、その駆動信号がオンされていることを示し、白抜きの四角は、その駆動信号がオフされていることを示している。
【０１４２】
図１４Ｂは、例えば、時刻ｔ４におけるポテンシャルの状態を表し、ＰＤ１０１に電荷が蓄積される前の状態であり、メモリ部１０５およびＦＤ部１０７がリセットされた状態を示している。図１４Ｂに示すように、第１転送トランジスタ１０２Ｂは、ＰＤ１０１とメモリ部１０５との間と、メモリ部１０５上にまで拡大して設けられ、メモリ部１０５のポテンシャルは、ＰＤ１０１のポテンシャルとほぼ同程度にされている。
【０１４３】
図１４Ｂに示したような状態のとき、ＰＤ１０１において電荷の蓄積が開始され、第１転送トランジスタ１０２Ｂがオンにされると、図１４Ｃに示すように、ＰＤ１０１の信号電荷は、メモリ部１０５に転送される。第１転送トランジスタ１０２Ｂがオンにされると、ＰＤ１０１とメモリ部１０５との間のポテンシャル障壁と、メモリ部１０５のポテンシャルが、共に深くなり、ＰＤ１０１からメモリ部１０５へと、信号電荷を転送できる状態となる。
【０１４４】
このように、第１転送トランジスタ１０２Ｂがオンにされると、ＰＤ１０１とメモリ部１０５との間のポテンシャル障壁と、メモリ部１０５のポテンシャルが、共に深くなるため、上記したように、メモリ部１０５のポテンシャルは、ＰＤ１０１のポテンシャルとほぼ同程度に形成することができる。
【０１４５】
第１の実施の形態においては、図８を参照して説明したように、メモリ部１０５のポテンシャルは、ＰＤ１０１のポテンシャルよりも深くされている必要があったが、第２の実施の形態においては、メモリ部１０５のポテンシャルは、ＰＤ１０１のポテンシャルとほぼ同程度にすることができる。
【０１４６】
なお、第２の実施の形態においても、メモリ部１０５のポテンシャルは、ＰＤ１０１のポテンシャルよりも深くされているようにしても勿論良い。
【０１４７】
第１転送トランジスタ１０２Ｂがオフにされると、ＰＤ１０１とメモリ部１０５の間にポテンシャル障壁が形成され、ＰＤ１０１からメモリ部１０５への信号電荷の転送が停止される。そして時刻ｔ５において、第１転送トランジスタ１０２Ｂがオフにされる一方で、第２転送トランジスタ１０３がオンにされると、ＰＤ１０１からＦＤ部１０７に信号電荷が転送される。
【０１４８】
このように、メモリ部１０５への電荷の転送と、ＦＤ部１０７への電荷の転送が行われる。
【０１４９】
このような動作が露光期間に交互に繰り返されることで、露光期間にＰＤ１０１で光電変換された信号電荷のうち、第１転送トランジスタ１０２Ｂがオンにされていた期間（第１期間とする）内に発生した信号電荷は、メモリ部１０５に転送され、蓄積／保持される。また、露光期間にＰＤ１０１で光電変換された信号電荷のうち、第２転送トランジスタ１０３がオンにされていた期間（第２期間とする）内に発生した信号電荷は、ＦＤ部１０７に転送され、蓄積／保持される。
【０１５０】
このような動作は、第１の実施の形態と同様である。すなわち、第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同じく、低感度データ信号ＳＬと高感度データ信号ＳＨを取得することができ、ダイナミックレンジを拡大した撮像を行うことができる。
【０１５１】
＜第３の実施の形態＞
次に本技術を適用した第３の実施の形態について説明する。図１５は、第３の実施の形態における単位画素１００（以下、第３の実施の形態においては、単位画素１００Ｃと記述する）の平面レイアウトを示す図であり、図１６は、断面構造を示す図である。
【０１５２】
図１５に示した第３の実施の形態における単位画素１００Ｃは、第１の実施の形態または第２の実施の形態における単位画素１００Ａ（１００Ｂ）と基本的な構成は同一であるため、同一の部分には同一の符号を付し、その説明は適宜省略する。
【０１５３】
図１５に示した第３の実施の形態における単位画素１００Ｃの平面レイアウトと、図３に示した第１の実施の形態における単位画素１００Ａの平面レイアウト、または図１２に示した第２の実施の形態における単位画素１００Ｂの平面レイアウトとを比較するに、単位画素１００Ｃは、第１転送トランジスタ１０２がメモリ部１０５上にまで形成されている点が、第１の実施の形態における単位画素１００Ａと異なり、第２の実施の形態における単位画素１００Ｂと同一である。
【０１５４】
第３の実施の形態における単位画素１００Ｃは、第１転送トランジスタ１０２が、２つに分割されている点が、第２の実施の形態における単位画素１００Ｂと異なる。すなわち、単位画素１００Ｃの第１転送トランジスタ１０２Ｃは、第１転送トランジスタ１０２Ｃ−１と第１転送トランジスタ１０２Ｃ−２とから構成されている。
【０１５５】
図１６に示した第３の実施の形態における単位画素１００Ｃの断面構造と、図６に示した第１の実施の形態における単位画素１００Ａの断面構造、または図１３に示した第２の実施の形態における単位画素１００Ｂの断面構造とを比較するに、単位画素１００Ｃは、第１転送トランジスタ１０２がメモリ部１０５上にも形成されている点が、第１の実施の形態における単位画素１００Ａと異なり、第２の実施の形態における単位画素１００Ｂと同一である。
【０１５６】
第３の実施の形態における単位画素１００Ｃは、第１転送トランジスタ１０２が、２つに分割されている点が、第２の実施の形態における単位画素１００Ｂと異なる。すなわち、単位画素１００Ｃの第１転送トランジスタ１０２Ｃは、第１転送トランジスタ１０２Ｃ−１と第１転送トランジスタ１０２Ｃ−２とから構成されている。そして、第１転送トランジスタ１０２Ｃ−１は、ＰＤ１０１とメモリ部１０５との間に設けられ、第１転送トランジスタ１０２Ｃ−２は、メモリ部１０５上に設けられている。
【０１５７】
このように、ＰＤ１０１とメモリ部１０５との間に、第１転送トランジスタ１０２Ｃ−１が形成され、メモリ部１０５上に、第１転送トランジスタ１０２Ｃ−２が形成されている。この第１転送トランジスタ１０２Ｃ−１と第１転送トランジスタ１０２Ｃ−２は、第１の実施の形態における第１転送トランジスタ１０２または第２の実施の形態における第１転送トランジスタ１０２Ｂと同じく、ＰＤ１０１からの信号電荷を、メモリ部１０５へと転送する転送トランジスタとして設けられている。
【０１５８】
また、ＦＤ部１０７とＰＤ１０１との間に、第２転送トランジスタ１０３が形成され、メモリ部１０５とＦＤ部１０７との間に、第３転送トランジスタ１０４が形成され、ＦＤ部１０７は、増幅トランジスタ１０８に配線により接続されている。この点は、第１の実施の形態における単位画素１００Ａ（第２の実施の形態における単位画素１００Ｂ）と同じである。
【０１５９】
このように、本技術を適用した単位画素１００Ｃは、ＰＤ１０１で蓄積された電荷をメモリ部１０５に一旦蓄積してから、ＦＤ部１０７に転送するための第１転送トランジスタ１０２Ｃと第３転送トランジスタ１０４を備える。また、単位画素１００Ｃは、ＰＤ１０１で蓄積された電荷をＦＤ部１０７に転送するための第３転送トランジスタ１０４を備える。また、第１転送トランジスタ１０２Ｃは分割され、ＰＤ１０１とメモリ部１０５との間に、第１転送トランジスタ１０２Ｃ−１が形成され、メモリ部１０５上に、第１転送トランジスタ１０２Ｃ−２が形成されている。
【０１６０】
このように、第１転送トランジスタ１０２Ｃを構成する第１転送トランジスタ１０２Ｃ−２が、メモリ部１０５の上部に設けられていることで、第２の実施の形態と同じく、第１転送トランジスタ１０２Ｃ−２がオンにされると、メモリ部１０５のポテンシャルが一緒に深くなり、メモリ部１０５のポテンシャルを深くすることが可能となる。このことについては、図１８を参照して後述する。
【０１６１】
第３の実施の形態においても、単位画素１００Ｃの回路図は、第１の実施の形態における単位画素１００Ａの回路図と同じく、図４に示したようになるため、その説明は省略する。ただし、図４に示した第１転送トランジスタ１０２は、第１転送トランジスタ１０２Ｃ−１と第１転送トランジスタ１０２Ｃ−２から構成されている点が異なる。
【０１６２】
第３の実施の形態における単位画素１００Ｃの動作について、図１７に示したタイミングチャートを参照して説明する。
【０１６３】
図１７は、第３の実施の形態における単位画素１００Ｃに備わる選択トランジスタ１０９を駆動する選択信号ＳＥＬ、リセットトランジスタ１０６を駆動するリセット信号ＲＳＴ、第３転送トランジスタ１０４を駆動する転送信号ＴＧ３、第２転送トランジスタ１０３を駆動する転送信号ＴＧ２、第１転送トランジスタ１０２Ｃ−２を駆動する転送信号ＴＧ１ｂ、および第１転送トランジスタ１０２Ｃ−１を駆動する転送信号ＴＧ１ａのタイミングチャートを示す。
【０１６４】
まず、リセットトランジスタ１０６のゲート部がオンにされ、その期間中に第２転送トランジスタ１０３、第３転送トランジスタ１０４のそれぞれのゲート部もオンにされる。
【０１６５】
図１７に示したタイミングチャートを参照するに、時刻ｔ４１にリセット信号ＲＳＴがオンにされることで、リセットトランジスタ１０６が、オンにされる。時刻ｔ４１後の時刻ｔ４２において、転送信号ＴＧ２と転送信号ＴＧ３が、それぞれオンにされることで、第２転送トランジスタ１０３、第３転送トランジスタ１０４が、それぞれオンにされる。これらの動作により、単位画素１００Ｃに備わるＰＤ１０１、メモリ部１０５、およびＦＤ部１０７がそれぞれリセットされる。
【０１６６】
ＰＤ１０１、メモリ部１０５、およびＦＤ部１０７がそれぞれリセットされた後、第２転送トランジスタ１０３、第３転送トランジスタ１０４、およびリセットトランジスタ１０６のそれぞれのゲート部がオフにされる。
【０１６７】
図１７に示したタイミングチャートを参照するに、時刻ｔ４３に、転送信号ＴＧ２と転送信号ＴＧ３が、それぞれオフにされることで、第２転送トランジスタ１０３、第３転送トランジスタ１０４が、それぞれオフにされる。時刻ｔ４３後の時刻ｔ４４において、リセット信号ＲＳＴがオフにされることで、リセットトランジスタ１０６が、オフにされる。
【０１６８】
リセット動作が行われた後、ＰＤ１０１において光電変換の結果発生した電荷が蓄積される蓄積期間が開始される。この蓄積期間においては、第２転送トランジスタ１０３と第１転送トランジスタ１０２Ｃが、交互にオン、オフされる。
【０１６９】
すなわち、時刻ｔ４４において、転送信号ＴＧ１ａと転送信号ＴＧ１ｂがオンにされることで、第１転送トランジスタ１０２Ｃ−１と第１転送トランジスタ１０２Ｃ−２がそれぞれオンにされ、時刻ｔ４５において、転送信号ＴＧ１ａがオフにされることで、第１転送トランジスタ１０２Ｃ−１がオフにされる。
【０１７０】
また時刻ｔ４５において、転送信号ＴＧ２がオンにされることで、第２転送トランジスタ１０３がオンにされ、時刻ｔ４７において、転送信号ＴＧ２がオフにされることで、第２転送トランジスタ１０３がオフにされる。
【０１７１】
時刻ｔ４５の後の時刻であり、時刻ｔ４７より前の時刻である時刻ｔ４６に、転送信号ＴＧ１ｂがオフにされることで、第１転送トランジスタ１０２Ｃ−２がオフにされる。
【０１７２】
このように、第１転送トランジスタ１０２Ｃ−１と第１転送トランジスタ１０２Ｃ−２は、同時にオンにされるが、第１転送トランジスタ１０２Ｃ−１の方が、第１転送トランジスタ１０２Ｃ−２よりも先にオフにされる。また、第１転送トランジスタ１０２Ｃ−１がオフにされたときに、第２転送トランジスタ１０３がオンにされる。
【０１７３】
第１転送トランジスタ１０２Ｃ−１と第１転送トランジスタ１０２Ｃ−２が共にオンにされることで、ＰＤ１０１に蓄積されている信号電荷が、メモリ部１０５に転送される。その後、第１転送トランジスタ１０２Ｃ−１がオフにされると、ＰＤ１０１からメモリ部１０５への転送は停止される。また、第２転送トランジスタ１０３がオンにされることで、ＰＤ１０１に蓄積されている信号電荷が、ＦＤ部１０７に転送される。
【０１７４】
このように、ＰＤ１０１において光電変換の結果発生した電荷が蓄積される蓄積期間において、第１転送トランジスタ１０２Ｃと第２転送トランジスタ１０３が、交互にオンにされることで、ＰＤ１０１で蓄積されている信号電荷が、メモリ部１０５とＦＤ部１０７に交互に転送される。
【０１７５】
第１転送トランジスタ１０２Ｃは、時刻ｔ４４から時刻ｔ４９の間、オン、オフを繰り返すことで、ＰＤ１０１からメモリ部１０５に信号電荷を転送する。また、第２転送トランジスタ１０３は、時刻ｔ４５から時刻ｔ５０の間、オン、オフを繰り返すことで、ＰＤ１０１からＦＤ部１０７に信号電荷を転送する。
【０１７６】
ここで、図１８を参照して、図１７のタイミングチャートの時刻ｔ４４乃至ｔ４７における単位画素１００Ｃの動作の詳細について説明する。図１８Ａは、単位画素１００Ｃの断面構造を示し、図１６に示した断面構造を参考のために図示した。
【０１７７】
図１８Ｂ，図１８Ｃ，図１８Ｄ、図１８Ｅは、時刻ｔ４４乃至ｔ４７のそれぞれにおける単位画素１００Ｃのポテンシャル図を示している。また図中黒塗りの四角は、その駆動信号がオンされていることを示し、白抜きの四角は、その駆動信号がオフされていることを示している。
【０１７８】
図１８Ｂは、例えば、時刻ｔ４４におけるポテンシャルの状態を表し、ＰＤ１０１に電荷が蓄積される前の状態であり、メモリ部１０５およびＦＤ部１０７がリセットされた状態を示している。
【０１７９】
図１８Ｂに示すように、第１転送トランジスタ１０２Ｃ−１は、ＰＤ１０１とメモリ部１０５との間に形成され、第１転送トランジスタ１０２Ｃ−２は、メモリ部１０５上に設けられているため、第２の実施の形態と同じく、メモリ部１０５のポテンシャルは、ＰＤ１０１のポテンシャルとほぼ同程度にしておくことができる。
【０１８０】
なお、第３の実施の形態においても、メモリ部１０５のポテンシャルは、ＰＤ１０１のポテンシャルよりも深くされているようにしても勿論良い。
【０１８１】
図１８Ｂに示したような状態のとき、ＰＤ１０１において電荷の蓄積が開始され、第１転送トランジスタ１０２Ｃ−１と第１転送トランジスタ１０２Ｃ−２が共にオンにされると、図１８Ｃに示すように、ＰＤ１０１の信号電荷は、メモリ部１０５に転送される。
【０１８２】
第１転送トランジスタ１０２Ｃ−１がオンにされると、ＰＤ１０１とメモリ部１０５との間のポテンシャル障壁が深くなり、第１転送トランジスタ１０２Ｃ−２がオンにされると、メモリ部１０５のポテンシャルが深くなる。このように、メモリ部１０５のポテンシャルが、ＰＤ１０１のポテンシャルよりも深くなると、ＰＤ１０１からメモリ部１０５へと信号電荷が転送される。
【０１８３】
図１８Ｄに示すように、第１転送トランジスタ１０２Ｃ−１がオフにされると、ＰＤ１０１とメモリ部１０５の間にポテンシャル障壁が形成され、ＰＤ１０１からメモリ部１０５への信号電荷の転送が停止される。このとき（時刻ｔ４５のとき）には、まだ第１転送トランジスタ１０２Ｃ−２は、オンにされているため、メモリ部１０５のポテンシャルは、ＰＤ１０１のポテンシャルよりも低い状態が維持されている。
【０１８４】
この後（時刻ｔ４６）で、第１転送トランジスタ１０２Ｃ−２がオフにされると、図１８Ｅに示すように、メモリ部１０５のポテンシャルが元のポテンシャルに戻るが、ＰＤ１０１とメモリ部１０５との間には、第１転送トランジスタ１０２Ｃ−１がオフにされることでポテンシャル障壁が形成されているため、メモリ部１０５からＰＤ１０１に信号電荷が逆流するようなことを防ぐことができる。
【０１８５】
そして時刻ｔ４６において、第１転送トランジスタ１０２Ｃ−２がオフにされる一方で、第３転送トランジスタ１０４がオンにされると、ＰＤ１０１からＦＤ部１０７に信号電荷が転送される。
【０１８６】
このように、メモリ部１０５への電荷の転送と、ＦＤ部１０７への電荷の転送が行われる。
【０１８７】
このような動作が露光期間に交互に繰り返されることで、露光期間にＰＤ１０１で光電変換された信号電荷のうち、第１転送トランジスタ１０２Ｃがオンにされていた期間（第１期間とする）内に発生した信号電荷は、メモリ部１０５に転送され、蓄積／保持される。また、露光期間にＰＤ１０１で光電変換された信号電荷のうち、第２転送トランジスタ１０３がオンにされていた期間（第２期間とする）内に発生した信号電荷は、ＦＤ部１０７に転送され、蓄積／保持される。
【０１８８】
このような動作は、第１の実施の形態と同様である。すなわち、第３の実施の形態においても、第１の実施の形態と同じく、低感度データ信号ＳＬと高感度データ信号ＳＨを取得することができ、ダイナミックレンジを拡大した撮像を行うことができる。
【０１８９】
また、第３の実施の形態においては、第１転送トランジスタ１０２Ｃを、第１転送トランジスタ１０２−１と第１転送トランジスタ１０２Ｃ−２に分割し、第１転送トランジスタ１０２Ｃ−１と第１転送トランジスタ１０２Ｃ−２を共にオンにすることで、ＰＤ１０１からメモリ部１０５へと電荷を転送させた後、第１転送トランジスタ１０２Ｃ−１を、第１転送トランジスタ１０２Ｃ−２よりも先にオフにし、ＰＤ１０１からメモリ部１０５との間に、ポテンシャル障壁が形成されるようにした。
【０１９０】
そして、ポテンシャル障壁が形成された後、第１転送トランジスタ１０２Ｃ−２がオフにされるようにしたため、第１転送トランジスタ１０２Ｃ−２を立ち下げても、メモリ部１０５からＰＤ１０１に電荷（特に飽和時）が逆流しにくくなるという効果も、第３の実施の形態によれば得られる。
【０１９１】
上記したような蓄積期間が終了後、読み出し期間へと移行する。蓄積期間内では、上記したような処理、すなわち、リセットからメモリ部１０５またはＦＤ部１０７への転送までの処理を、画素アレイ部１１内の全画素同時に行うことで、全画素で蓄積時間が同一のグローバルシャッターを実現することができる。
【０１９２】
読み出し期間内の動作は、第１の実施の形態と同様に行われるため、その説明は省略する。
【０１９３】
第３の実施の形態においても、第１の実施の形態、第２の実施の形態と同じく、低感度データ信号ＳＬと高感度データ信号ＳＨを取得することができ、ダイナミックレンジを拡大した撮像を行うことができる。
【０１９４】
＜第４の実施の形態＞
次に本技術を適用した第４の実施の形態について説明する。図１９は、第４の実施の形態における単位画素１００（以下、第４の実施の形態においては、単位画素１００Ｄと記述する）の回路図である。
【０１９５】
図１９に示した第４の実施の形態における単位画素１００Ｄは、第１の実施の形態における単位画素１００Ａに排出トランジスタ２０１が追加された構成とされ、その他の部分は同一であるため、同一の部分には同一の符号を付し、その説明は適宜省略する。
【０１９６】
図１９に示した第４の実施の形態における単位画素１００Ｄの回路図と、図４に示した第１の実施の形態における単位画素１００Ａの回路図を比較するに、単位画素１００Ｄは、単位画素１００Ａに排出トランジスタ２０１が追加された構成とされ、その排出トランジスタ２０１は、ＰＤ１０１のカソード端子に接続されている構成とされている点が異なる。
【０１９７】
グローバルシャッター動作をするとき、メモリ部１０５、ＦＤ部１０７で電荷を保持し、１行毎に読み出しが行われるが、その間、メカシャッタ等で入射光を遮らなければ、ＰＤ１０１において、信号電荷が発生してしまう。この信号電荷が、読み出し前のメモリ部１０５、ＦＤ部１０７に流入すると、データを壊すことになる。これを防ぐため、蓄積完了後は、排出トランジスタ２０１をオンにして、ＰＤ１０１で発生した信号電荷が、ドレイン(VDD)に排出される構成とする。
【０１９８】
図２０は、第４の実施の形態における単位画素１００Ｄの平面レイアウトを示す図である。図２０に示した単位画素１００Ｄの平面レイアウトは、図１２に示した第２の実施の形態における単位画素１００Ｂの平面レイアウトと基本的に同様であるが、排出トランジスタ２０１が、追加されている点が異なる。
【０１９９】
すなわち、ＰＤ１０１、第１転送トランジスタ１０２、第２転送トランジスタ１０３、第３転送トランジスタ１０４、メモリ部１０５、リセットトランジスタ１０６、ＦＤ部１０７、電源ＶＤＤへの接続部、および排出トランジスタ２０１が、連続した第１の活性領域上に形成されている。また、電源ＶＤＤへの接続部とＰＤ１０１との間に、排出トランジスタ２０１が形成されている。
【０２００】
図２０では、第２の実施の形態における単位画素１００Ｂ（図１２）に、排出トランジスタ２０１を追加した構成を示したが、第１の実施の形態における単位画素１００Ａ（図５）に、排出トランジスタ２０１を追加した構成とすることも可能である。すなわち、第４の実施の形態における単位画素１００Ｄにおいては、第１転送トランジスタ１０２は、図５に示したように、ＰＤ１０１とメモリ部１０５との間に設けられていても良いし、図１２に示したように、ＰＤ１０１とメモリ部１０５との間と、メモリ部１０５の上部にまで延ばされて設けられていても良い。
【０２０１】
さらに、第３の実施の形態における単位画素１００Ｃ（図１５）に、排出トランジスタ２０１を追加した構成とすることも可能である。すなわち、第４の実施の形態における単位画素１００Ｄにおいては、第１転送トランジスタ１０２は、図１５に示したように、ＰＤ１０１とメモリ部１０５との間に第１転送トランジスタ１０２Ｃ−１が設けられ、メモリ部１０５の上部に第１転送トランジスタ１０２Ｃ―２が設けられていても良い。
【０２０２】
第４の実施の形態における単位画素１００Ｄの動作について、図２１に示したタイミングチャートを参照して説明する。
【０２０３】
図２１は、第４の実施の形態における単位画素１００Ｄに備わる選択トランジスタ１０９を駆動する選択信号ＳＥＬ、リセットトランジスタ１０６を駆動するリセット信号ＲＳＴ、第３転送トランジスタ１０４を駆動する転送信号ＴＧ３、第２転送トランジスタ１０３を駆動する転送信号ＴＧ２、第１転送トランジスタ１０２Ｂを駆動する転送信号ＴＧ１、および排出トランジスタ２０１を駆動する排出信号ＯＦＧのタイミングチャートを示す。
【０２０４】
第４の実施の形態における単位画素１００Ｄの動作は、基本的に、第２の実施の形態における単位画素１００Ｂと同様の動作であり、単位画素１００Ｂの動作に、排出トランジスタ２０１の動作が追加された動作である。ここでは、追加された動作である排出トランジスタ２０１の動作について説明を加え、他の同様の動作については適宜説明を省略する。
【０２０５】
時刻ｔ７４乃至時刻ｔ７９は、電荷の蓄積期間であり、ＰＤ１０１により蓄積された電荷が、メモリ部１０５とＦＤ部１０７に交互に転送され、保持される期間である。この蓄積期間前の時点で、リセットが行われるが、このリセット期間は、排出信号ＯＦＧはオンにされ、排出トランジスタ２０１がオンにされている状態とされる。
【０２０６】
すなわち、リセット期間に、排出トランジスタ２０１は、ＰＤ１０１で発生した信号電荷をドレイン(VDD)に排出するための動作を行う。そして蓄積期間の間は、排出信号ＯＦＧはオフにされ、排出トランジスタ２０１はオフにされている状態とされる。
【０２０７】
蓄積期間の後に、読み出し期間に移行するが、この読み出し期間中（時刻ｔ８０以降）は、排出信号ＯＦＧはオンにされ、排出トランジスタ２０１がオンにされている状態とされる。読み出し期間中は、ＰＤ１０１からメモリ部１０５やＦＤ部１０７への電荷の転送はないが、ＰＤ１０１は、受光し電荷を蓄積してしまう可能性がある。このような期間中は、排出トランジスタ２０１は、ＰＤ１０１で発生した信号電荷をドレイン(VDD)に排出するための動作を行う状態とされる。
【０２０８】
第４の実施の形態においても、ＰＤ１０１において光電変換の結果発生した電荷が蓄積される蓄積期間において、第１転送トランジスタ１０２Ｂと第２転送トランジスタ１０３が、交互にオンにされることで、ＰＤ１０１で蓄積されている信号電荷が、メモリ部１０５とＦＤ部１０７に交互に転送される。
【０２０９】
このような動作が露光期間に交互に繰り返されることで、露光期間にＰＤ１０１で光電変換された信号電荷のうち、第１転送トランジスタ１０２Ｂがオンにされていた期間（第１期間とする）内に発生した信号電荷は、メモリ部１０５に転送され、蓄積／保持される。また、露光期間にＰＤ１０１で光電変換された信号電荷のうち、第２転送トランジスタ１０３がオンにされていた期間（第２期間とする）内に発生した信号電荷は、ＦＤ部１０７に転送され、蓄積／保持される。
【０２１０】
このような動作は、第１の実施の形態と同様である。すなわち、第４の実施の形態においても、第１乃至第３の実施の形態と同じく、低感度データ信号ＳＬと高感度データ信号ＳＨを取得することができ、ダイナミックレンジを拡大した撮像を行うことができる。
【０２１１】
また、第４の実施の形態においては、排出トランジスタ２０１を設け、リセット期間や読み出し期間（蓄積期間以外の期間）にＰＤ１０１で発生する電荷をドレイン(VDD)に排出するための動作が行われるため、リセット期間や読み出し期間に、ＰＤ１０１で発生した電荷が、メモリ部１０５やＦＤ部１０７に流入するようなことを防ぎ、データが壊れるようなことを防ぐことが可能となる。
【０２１２】
＜第５の実施の形態＞
次に第５の実施の形態について説明する。第５の実施の形態における単位画素１００は、第４の実施の形態における単位画素１００Ｄと同様の構成を有しているため、その説明は省略する。図２２と図２３を参照して、第５の実施の形態における単位画素１００Ｄの動作について説明する。
【０２１３】
図２２は、第５の実施の形態における単位画素１００Ｄに備わる選択トランジスタ１０９を駆動する選択信号ＳＥＬ、リセットトランジスタ１０６を駆動するリセット信号ＲＳＴ、第３転送トランジスタ１０４を駆動する転送信号ＴＧ３、第２転送トランジスタ１０３を駆動する転送信号ＴＧ２、第１転送トランジスタ１０２Ｂを駆動する転送信号ＴＧ１、および排出トランジスタ２０１を駆動する排出信号ＯＦＧのタイミングチャートを示す。
【０２１４】
図２３は、第５の実施の形態の画素が、光電変換の結果発生した電荷を蓄積する蓄積動作の期間に、受光した光量を横軸にとり、これに対して光電変換の結果得られる出力（例えば蓄積した電荷の量）を縦軸に表したものである。図２３において、実線は、蓄積動作の期間に受光した光量に対して、ＰＤ１０１に蓄積された電荷の量を表している。図２３において、一点鎖線は、蓄積動作の期間に受光した光量に対して、メモリ部１０５へ蓄積された電荷の量を表している。
【０２１５】
時刻ｔ１０１において、リセット信号ＲＳＴと排出信号ＯＦＧがそれぞれオンにされることで、リセットトランジスタ１０６と排出トランジスタ２０１のゲート部がオンにされる。
【０２１６】
そして、リセットトランジスタ１０６と排出トランジスタ２０１がオンにされている期間中（時刻ｔ１０２）に、転送信号ＴＧ１、転送信号ＴＧ２、および転送信号ＴＧ３がオンにされることで、第１転送トランジスタ１０２Ｂ、第２転送トランジスタ１０３、および第３転送トランジスタ１０４のそれぞれのゲート部がオンにされる。これらの動作により、単位画素１００Ｄに備わるＰＤ１０１、メモリ部１０５、およびＦＤ部１０７が、それぞれリセットされる。
【０２１７】
ＰＤ１０１、メモリ部１０５、およびＦＤ部１０７がリセットされた後、第２転送トランジスタ１０３、第３転送トランジスタ１０４、リセットトランジスタ１０６のそれぞれのゲート部がオフにされる。また、第１転送トランジスタ１０２Ｂと排出トランジスタ２０１のゲート部も閉じられる。
【０２１８】
第５の実施の形態において、第１転送トランジスタ１０２Ｂは、例えば、ゲート部に第１の電圧（例えば負電圧）を印加した際には、ゲート電極下方のチャネル領域に、オーバーフローパスが形成されるようにチャネル領域の不純物濃度が設定されている。ＰＤ１０１に強い光が入射して、これによって発生した電荷がＰＤ１０１の飽和蓄積量を超えた場合には、ＰＤ１０１から溢れた電荷がこのオーバーフローパスを経由してメモリ部１０５へと転送される。
【０２１９】
また、排出トランジスタ２０１も、第１転送トランジスタ１０２Ｂと同様に、ゲート電極下方のチャネル領域にオーバーフローパスを備える。さらに排出トランジスタ２０１は、図２２に示されているように３値駆動される。
【０２２０】
すなわち排出トランジスタ２０１のゲート部へ、第１の電圧（例えば負電圧）を与えた場合には、排出トランジスタ２０１に備わるオーバーフローパスのポテンシャルが、第１転送トランジスタ１０２Ｂのオーバーフローパスのポテンシャルよりも浅くなり、第２の電圧（例えば接地電圧）を与えた場合には、排出トランジスタ２０１に備わるオーバーフローパスのポテンシャルが、第１転送トランジスタ１０２Ｂのオーバーフローパスのポテンシャルより深くなるようにチャネル領域の不純物濃度が設定されている。さらに第３の電圧（例えばＶＤＤ電源電圧）を与えられた場合には、排出トランジスタ２０１はオンする。
【０２２１】
そして、リセット動作が行われた後、第１転送トランジスタ１０２Ｂと排出トランジスタ２０１のゲート部を閉じる際には、第１転送トランジスタ１０２Ｂよりも排出トランジスタ２０１の方が、ゲート電極下方のチャネルのポテンシャルが深くなるように閉じられる。このために、排出トランジスタ２０１のゲート部に第２の電圧（例えば接地電圧）が印加される。
【０２２２】
これらの動作により、第１転送トランジスタ１０２Ｂと排出トランジスタ２０１は、チャネル領域にオーバーフローパスを備えるように閉じられ、第２転送トランジスタ１０３、第３転送トランジスタ１０４、およびリセットトランジスタ１０６も閉じられ、かつ第１転送トランジスタ１０２Ｂと排出トランジスタ２０１は、第２転送トランジスタ１０３よりもチャネルのポテンシャルが深くなるように閉じられる。
【０２２３】
この時点（時刻ｔ１０４）から、ＰＤ１０１において光電変換の結果発生した電荷がＰＤ１０１内に蓄積される蓄積期間が開始される。図２２において、この光電変換の結果発生した電荷の蓄積が開始されるタイミングは、時刻ｔ１０４であり、適宜、Ｔstartとも記載する。蓄積動作を開始した時点では、蓄積動作の期間に受光した光量はまだ０であるため、図２３においてＴstartのタイミングはグラフの原点に相当する。
【０２２４】
光電変換の結果発生した電荷を蓄積する期間中、排出トランジスタ２０１は、
排出トランジスタ２０１のチャネルのポテンシャルが第１転送トランジスタ１０２Ｂのチャネルのポテンシャルよりも深い状態となる第１の期間Ｔ１１（図２２中、例えば、時刻ｔ１０４から時刻ｔ１０５の期間）と、
排出トランジスタ２０１のチャネルのポテンシャルが第１転送トランジスタ１０２Ｂのチャネルのポテンシャルよりも浅い状態となる第２の期間Ｔ１２（図２２中、例えば、時刻ｔ１０５から時刻ｔ１０６の期間）との、
２つ期間を交互に繰り返すように、ゲート電極に駆動信号が与えられる。
【０２２５】
蓄積期間中に光電変換の結果発生した電荷の量が、ＰＤ１０１の飽和蓄積量に至るまでの間は、発生した電荷は、ＰＤ１０１へ蓄積される。図２２において、蓄積期間中に光電変換の結果発生した電荷の量が、ＰＤ１０１の飽和蓄積量に至るタイミングを、Ｔsatと記載した。
【０２２６】
また図２３において、蓄積期間中に光電変換の結果発生した電荷の量が、ＰＤ１０１の飽和蓄積量に至る光量を、Ｌsatと記載した。
【０２２７】
ＰＤ１０１は、時刻Ｔsatまでの間に光量Ｌsatの光量を受光し、その光電変換の結果発生した電荷によりＰＤ１０１へ蓄積された電荷が、ＰＤ１０１の飽和電荷量に達する。ＰＤ１０１が受光した光量が光量Ｌsatに達するまでの間は、受光した光量に比例して発生した電荷が、ＰＤ１０１に蓄積される。この間、電荷は、メモリ部１０５に蓄積されない。
【０２２８】
蓄積期間中に光電変換の結果発生した電荷の量が、ＰＤ１０１の飽和蓄積量を超えると、飽和蓄積量を超えて発生した電荷は、
排出トランジスタ２０１のチャネルのポテンシャルが、第１転送トランジスタ１０２Ｂのチャネルのポテンシャルよりも深くなる第１の期間には、排出トランジスタ２０１に備わるオーバーフローパスを経由して、排出トランジスタ２０１の先のオーバーフロードレイン（例えば電源ＶＤＤ）へと排出され、
排出トランジスタ２０１のチャネルのポテンシャルが第１転送トランジスタ１０２Ｂのチャネルのポテンシャルよりも浅くなる第２の期間には、第１転送トランジスタ１０２Ｂに備わるオーバーフローパスを経由して、メモリ部１０５へ蓄積される。
【０２２９】
このような動作により、上記第１の期間Ｔ１１と第２の期間Ｔ１２との比となる一定の比率で、上記蓄積期間中にＰＤ１０１の飽和蓄積量を超えて発生した電荷は、その一部がメモリ部１０５へ蓄積される。
【０２３０】
図２３において、ＰＤ１０１において蓄積期間が時刻Ｔsatを超え蓄積期間中に受光した光量が光量Ｌsatを超えると、ＰＤ１０１は、飽和電荷量に達するため、それ以後、ＰＤ１０１に蓄積された電荷量は、飽和電荷量のまま一定となっている。
【０２３１】
一方、ＰＤ１０１において蓄積期間が時刻Ｔsatを超え蓄積期間中に受光した光量が光量Ｌsatを超えると、ＰＤ１０１の飽和蓄積量を超えて発生した電荷は、第１の期間Ｔ１１においてはオーバーフロードレインへ排出され、第２の期間Ｔ１２においてはメモリ部１０５へ蓄積される。この動作の結果、蓄積期間が時刻Ｔsatを超え蓄積期間中に受光した光量が光量Ｌsatを超える期間において、該期間に発生する電荷の総量のＴ１２／（Ｔ１１＋Ｔ１２）の割合に相当する量が、第１のメモリ部１０５へ蓄積される。
【０２３２】
このため受光した光量に対して蓄積する電荷の量を表した図２３のグラフの傾きは、受光量が光量Ｌsatに達する前に電荷をＰＤ１０１へ蓄積している間の、グラフの傾きよりも、受光量が光量Ｌsatに達した後に電荷をメモリ部１０５へ蓄積している間の、グラフの傾きの方が小さく、後者のグラフの傾きは、前者のグラフの傾きのＴ１２／（Ｔ１１＋Ｔ１２）倍と抑えられている。
【０２３３】
所望の蓄積期間が終了する前（時刻t１０８よりも前の時点）に、排出トランジスタ２０１のレベルが、第２の電圧に固定される。また、時刻ｔ１０８において、リセットトランジスタ１０６のゲート部がオンにされ、ＦＤ部１０７が改めてリセットされる。
【０２３４】
ＦＤ部１０７がリセットされた後、時刻ｔ１０９において、リセットトランジスタ１０６のゲート部がオフにされる。リセットトランジスタ１０６のゲート部がオフにされた後、この時点のＦＤ部１０７の電圧が、ＰＤ１０１に蓄積された電荷を読み出す直前の高感度リセット信号ＮＨとして、増幅トランジスタ１０８と選択トランジスタ１０９を介して、垂直信号線１７へと読み出される。
【０２３５】
高感度リセット信号ＮＨが読み出された後、時刻ｔ１１０において、第２転送トランジスタ１０３のゲート部がオンにされる。これにより、ＰＤ１０１で発生した電荷を蓄積する蓄積期間を終了させ、これまでにＰＤ１０１に蓄積された電荷が、ＦＤ部１０７へと転送される。図２２において電荷の蓄積を終了させるタイミングを、時刻ｔ１１０とし、適宜、時刻Ｔｅｎｄと記述する。
【０２３６】
上記したように転送が行われた結果、ＰＤ１０１からＦＤ部１０７へ転送された電荷によって発生した電圧変化が、ＦＤ部１０７のリセットレベルに加わった状態の電圧が、高感度データ信号ＳＨとして、増幅トランジスタ１０８と選択トランジスタ１０９を介して、垂直信号線１７へと読み出される。
【０２３７】
高感度データ信号ＳＨが読み出された後、時刻ｔ１１２において、リセットトランジスタ１０６のゲート部がオンにされ、ＦＤ部１０７が改めてリセットされる。
【０２３８】
ＦＤ部１０７がリセットされた後、時刻ｔ１１３において、リセットトランジスタ１０６のゲート部がオフにされる。リセットトランジスタ１０６のゲート部がオフにされた後、この時点でのＦＤ部１０７の電圧が、メモリ部１０５に蓄積された電荷を読み出す直前の低感度リセット信号ＮＬとして、増幅トランジスタ１０８と選択トランジスタ１０９を介して、垂直信号線１７へと読み出される。
【０２３９】
低感度リセット信号ＮＬが読み出された後、時刻ｔ１１４において、第３転送トランジスタ１０４のゲート部がオンにされる。これにより、メモリ部１０５に蓄積された電荷が、ＦＤ部１０７へと転送される。
【０２４０】
上記したように転送が行われた結果、メモリ部１０５からＦＤ部１０７へ転送された電荷によって発生した電圧変化が、ＦＤ部１０７のリセットレベルに加わった状態の電圧が、低感度データ信号ＳＬとして、増幅トランジスタ１０８と選択トランジスタ１０９を介して、垂直信号線１７へと読み出される。
【０２４１】
高感度データ信号ＳＨと高感度リセット信号ＮＨの差分が算出されることにより、蓄積期間中にＰＤ１０１へ蓄積された電荷による信号量ＳＨ−ＮＨが求められる。また、低感度データ信号ＳＬと低感度リセット信号ＮＬの差分が算出されることにより、蓄積期間中にメモリ部１０５へ蓄積された電荷量による信号量ＳＬ−ＮＬが求められる。
【０２４２】
蓄積期間中にメモリ部１０５へ蓄積された電荷量による信号量ＳＬ−ＮＬに対して、蓄積期間に対する第２の期間の比、換言すれば、蓄積期間中の感度の比Ｔ１２／（Ｔ１１＋Ｔ１２）、の逆数となるゲインを掛けて、蓄積期間中にＰＤ１０１へ蓄積された電荷による信号量ＳＨ−ＮＨへ加えることで、蓄積期間中に光電変換の結果発生した電荷量に相当する信号量（図２３中の太い破線）が得られる。
【０２４３】
図２３を参照して、第５の実施の形態によって得られる作用効果について説明する。
（Ａ）受光量が光量Ｌsatに達する前に電荷をＰＤ１０１へ蓄積している間と、
（Ｂ）受光量が光量Ｌsatに達した後に電荷をメモリ部１０５へ蓄積している間と、
を比較すると、ＰＤ１０１が単位光量を受光した際に蓄積される電荷量は、（Ａ）の期間よりも（Ｂ）の期間の方が小さく抑えられている。換言すれば、画素の感度は、（Ａ）の期間よりも（Ｂ）の期間の方が小さく抑えられている。
【０２４４】
これにより、（Ｂ）の期間中は、（Ａ）の期間中よりも、より少ない電荷蓄積部の容量で、より広い範囲の光量に対して、発生した電荷を、階調性を備えて蓄積することが可能となる。
【０２４５】
この結果、第５の実施の形態を適用した撮像装置において、（Ｂ）の期間に蓄積した電荷へ、（Ａ）の期間と（Ｂ）の期間との感度の比の逆数となるゲインを掛けた後、（Ａ）の期間に撮影した画素データと加算して得た画像は、メモリ部１０５と、メモリ部１０５に間欠的に電荷を転送する機構を備えない従来の撮像装置から得られる画像と比較して、ダイナミックレンジの広い画像となっている。これにより第５の実施の形態の撮像装置は、ダイナミックレンジの広い画像の撮影を可能にする作用効果をもたらす。
【０２４６】
＜第６の実施の形態＞
次に第６の実施の形態について説明する。第１乃至第５の実施の形態においては、ＰＤ１０１からの電荷は、メモリ部１０５を介してＦＤ部１０７に転送される経路と、ＰＤ１０１からＦＤ部１０７に直接的に転送される経路とがある場合を例に挙げて説明した。このＰＤ１０１からＦＤ部１０７に直接的に転送される経路も、メモリ部を介してＦＤ部１０７に間接的に転送される経路とすることも可能である。
【０２４７】
図２４は、第６の実施の形態における単位画素１００（以下、第６の実施の形態においては、単位画素１００Ｅと記述する）の回路図である。図２４に示した第６の実施の形態における単位画素１００Ｅと、図１９に示した第４の実施の形態における単位画素１００Ｄと比較するに、単位画素１００Ｅは、単位画素１００Ｄに、第４転送トランジスタ３０１とメモリ部３０２を追加した構成とされている点が異なり、他の部分は同一である。
【０２４８】
第６の実施の形態における単位画素１００Ｅにおいては、ＰＤ１０１からの電荷は、第１転送トランジスタ１０２を介してメモリ部１０５に一旦保持された後、第３転送トランジスタ１０４を介して、ＦＤ部１０７に転送される構成とされている。また、第６の実施の形態における単位画素１００Ｅにおいては、ＰＤ１０１からの電荷は、第２転送トランジスタ１０３を介してメモリ部３０２に一旦保持された後、第４転送トランジスタ３０１を介して、ＦＤ部１０７に転送される構成とされている。
【０２４９】
図２４では、排出トランジスタ２０１を備える構成を示したが、排出トランジスタ２０１を備えない構成、例えば、図４に示した第１の実施の形態における単位画素１００Ａに対して、第４転送トランジスタ３０１とメモリ部３０２を追加した構成としても良い。
【０２５０】
また、第２の実施の形態のように、第６の実施の形態における単位画素１００Ｅにおいても、第１転送トランジスタ１０２は、メモリ部１０５の上部にまで設けられている構成としても良い。同じく、第２転送トランジスタ１０３は、メモリ部３０２の上部にまで設けられている構成としても良い。
【０２５１】
また、第３の実施の形態のように、第６の実施の形態における単位画素１００Ｅにおいても、第１転送トランジスタ１０２を２つに分割し、一方をメモリ部１０５の上部に設けた構成としても良い。同じく、第２転送トランジスタ１０３を２つに分割し、一方をメモリ部３０２の上部に設けた構成としても良い。
【０２５２】
図２５を参照し、単位画素１００Ｅの動作について説明する。基本的な動作は、図２１を参照して説明した第４の実施の形態の単位画素１００Ｄと同様であり、その動作に、第４転送トランジスタ３０１の動作が追加された動作となる。ここでは第４転送トランジスタ３０１の動作について説明を加え、図２１を参照して説明した第４の実施の形態の単位画素１００Ｄと同様の動作については適宜説明を省略する。
【０２５３】
図２５は、第６の実施の形態における単位画素１００Ｅに備わる選択トランジスタ１０９を駆動する選択信号ＳＥＬ、リセットトランジスタ１０６を駆動するリセット信号ＲＳＴ、第４転送トランジスタ３０１を駆動する転送信号ＴＧ４、第３転送トランジスタ１０４を駆動する転送信号ＴＧ３、第２転送トランジスタ１０３を駆動する転送信号ＴＧ２、第１転送トランジスタ１０２を駆動する転送信号ＴＧ１、および排出トランジスタ２０１を駆動する排出信号ＯＦＧのタイミングチャートを示す。
【０２５４】
時刻ｔ１５１から時刻ｔ１５４までリセット信号ＲＳＴがオンにされ、リセットトランジスタ１０６がオンの状態にされることで、リセット動作が行われる。この間の時刻ｔ１５２から時刻ｔ１５３において、転送信号ＴＧ４と転送信号ＴＧ３がオンにされることで、第４転送トランジスタ３０１と第３転送トランジスタ１０４が共にオンにされる。また、排出トランジスタ２０１もオンの状態とされている。
【０２５５】
リセット動作が行われることで、ＰＤ１０１、メモリ部１０５、メモリ部３０２、およびＦＤ部１０７がリセットされる。
【０２５６】
リセット動作後、蓄積期間に移行する。時刻ｔ１５４から時刻ｔ１５９までの蓄積期間においては、第１転送トランジスタ１０２と第２転送トランジスタ１０３が、交互にオンにされることで、ＰＤ１０１で蓄積されている信号電荷が、メモリ部１０５とメモリ部３０２に交互に転送される。
【０２５７】
なお、第１の実施の形態などと同じく、第１転送トランジスタ１０２がオンにされている期間を第１期間とし、第２転送トランジスタ１０３がオンにされている期間を第２期間とすることができる。
【０２５８】
このような動作が露光期間に交互に繰り返されることで、露光期間にＰＤ１０１で光電変換された信号電荷のうち、第１転送トランジスタ１０２がオンにされていた期間（第１期間）内に発生した信号電荷は、メモリ部１０５に転送され、蓄積／保持される。また、露光期間にＰＤ１０１で光電変換された信号電荷のうち、第２転送トランジスタ１０３がオンにされていた期間（第２期間）内に発生した信号電荷は、メモリ部３０２に転送され、蓄積／保持される。
【０２５９】
ここで、第１の実施の形態などと同じく、第１期間の方が、第２期間よりも長い期間であるとする。換言すれば、ＰＤ１０１から信号電荷をメモリ部１０５に転送する期間の方が、メモリ部３０２に転送する期間よりも長い期間であるとする。このように第１期間、第２期間を設定した場合、第１期間内でメモリ部１０５に蓄積／保持される信号電荷は、高感度データ信号ＳＨとして扱うことができ、第２期間内でメモリ部３０２に蓄積／保持される信号電荷は、低感度データ信号ＳＬとして扱うことができる。
【０２６０】
時刻ｔ１５９において蓄積期間が終了されると、読み出し期間に以降される。時刻ｔ１５９においては、メモリ部１０５には高感度データ信号ＳＨが保持され、メモリ部３０２には低感度データ信号ＳＬが保持されている状態である。
【０２６１】
メモリ部１０５に保持されている高感度データ信号ＳＨから先に読み出しても良いし、メモリ部３０２に保持されている低感度データ信号ＳＬから先に読み出しても良いが、ここでは、メモリ部３０２に保持されている低感度データ信号ＳＬから先に読み出されるとして説明を続ける。
【０２６２】
時刻ｔ１５９において、選択信号ＳＥＬがオンにされることで、選択トランジスタ１０９がオンの状態にされる。時刻ｔ１６０から時刻ｔ１６１において、リセット信号ＲＳＴがオンにされることで、リセットトランジスタ１０６がオンにされ、ＦＤ部１０７がリセットされる。
【０２６３】
ＦＤ部１０７がリセットされた後、この時点でのＦＤ部１０７の電圧が、メモリ部３０２に蓄積された電荷を読み出す直前の低感度リセット信号ＮＬとして、増幅トランジスタ１０８と選択トランジスタ１０９を介して、垂直信号線１７へと読み出される。
【０２６４】
低感度リセット信号ＮＬが読み出された後、第４転送トランジスタ３０１のゲート部がオンにされる（時刻ｔ１６２）。第４転送トランジスタ３０１のゲート部がオンにされることで、メモリ部３０２に蓄積された電荷が、ＦＤ部１０７へと転送される。
【０２６５】
この転送が行われた結果、メモリ部３０２からＦＤ部１０７へ転送された電荷によって発生した電圧変化が、ＦＤ部１０７のリセットレベルに加わった状態の電圧が、低感度データ信号ＳＬとして、増幅トランジスタ１０８と選択トランジスタ１０９を介して、垂直信号線１７へと読み出される。
【０２６６】
この後、時刻ｔ１６４から時刻ｔ１６５において、リセット信号ＲＳＴがオンにされることで、リセットトランジスタ１０６がオンにされ、ＦＤ部１０７が再度リセットされる。
【０２６７】
ＦＤ部１０７がリセットされた後、この時点のＦＤ部１０７の電圧が、メモリ部１０５に蓄積された電荷を読み出す直前の高感度リセット信号ＮＨとして、増幅トランジスタ１０８と選択トランジスタ１０９を介して、垂直信号線１７へと読み出される。
【０２６８】
高感度リセット信号ＮＨが読み出された後、時刻ｔ１６６において、転送信号ＴＧ３がオンにされることで、第３転送トランジスタ１０４のゲート部がオンにされる。第３転送トランジスタ１０４のゲート部がオンにされたことによりメモリ部１０５に蓄積された電荷が、ＦＤ部１０７へと転送される。
【０２６９】
この転送が行われた結果、メモリ部１０５からＦＤ部１０７へ転送された電荷によって発生した電圧変化が、ＦＤ部１０７のリセットレベルに加わった状態の電圧が、高感度データ信号ＳＨとして、増幅トランジスタ１０８と選択トランジスタ１０９を介して、垂直信号線１７へと読み出される。
【０２７０】
高感度データ信号ＳＨと高感度リセット信号ＮＨの差分が算出されることにより、蓄積期間中にＰＤ１０１へ蓄積された電荷による信号量ＳＨ−ＮＨが求められる。また、低感度データ信号ＳＬと低感度リセット信号ＮＬの差分が算出されることにより、蓄積期間中にメモリ部１０５へ蓄積された電荷量による信号量ＳＬ−ＮＬが求められる。
【０２７１】
蓄積期間中にメモリ部１０５へ蓄積された電荷量による信号量ＳＬ−ＮＬに対して、蓄積期間に対する第２の期間の比、換言すれば、蓄積期間中の感度の比Ｔ１／（Ｔ１＋Ｔ１）を補正するゲインを掛けて、蓄積期間中にＰＤ１０１へ蓄積された電荷による信号量ＳＨ−ＮＨへ加えることで、蓄積期間中に光電変換の結果発生した電荷量に相当する信号量が得られる。なお、Ｔ１、Ｔ２は、図９などを参照して説明した時間Ｔ１、時間Ｔ２である。
【０２７２】
このように、第６の実施の形態においても、第１乃至第５の実施の形態と同じく、低感度データ信号ＳＬと高感度データ信号ＳＨを取得することができ、ダイナミックレンジを拡大した撮像を行うことができる。
【０２７３】
また第６の実施の形態においては、メモリ部１０５とメモリ部３０２に、それぞれ信号電荷が保持され、ＦＤ部１０７で保持する構成ではないようにすることができる。ＦＤ部１０７に信号を保持する場合と、メモリ部３０２に信号を保持する場合とを比べると、ＦＤ部１０７に信号を保持する方が、ノイズ成分が大きくなる傾向にある。このようなことから、第６の実施の形態のように、ＦＤ部１０７ではなく、メモリ部３０２に信号が保持される構成とすることで、ノイズを低減できる構成とすることができる。
【０２７４】
また、ＦＤ部１０７で信号を保持しない構成とすることで、ＦＤ部１０７以降の構成を、他の画素と共有する構成とすることができる。図２６に、２画素共有の例を示す。図２６では、単位画素１００Ｅ−１と単位画素１００Ｅ−２が、ＦＤ部１０７、リセットトランジスタ１０６、増幅トランジスタ１０８、および選択トランジスタ１０９を共有した構成とされている。
【０２７５】
なお、図２６では、２画素共有の場合を例に挙げたが、２画素以上の画素で、ＦＤ部１０７などを共有する構成とすることも可能である。
【０２７６】
このように、ＦＤ部１０７などを複数の画素で共有する構成とすることで、レイアウト効率を向上させることができ、撮像装置をより小型化することが可能となる。
【０２７７】
＜ノイズ除去処理および演算処理に関する説明＞
上述した単位画素１００Ａ乃至１００Ｅからは、低感度データ信号ＳＬ、低感度リセット信号ＮＬ、高感度リセット信号ＮＨ、および、高感度データ信号ＳＨが、垂直信号線１７に対して信号が出力される。そして、後段の信号処理部、例えば、図１乃至図３に示すカラム処理部１３や信号処理部１８において、低感度データ信号ＳＬ、低感度リセット信号ＮＬ、高感度リセット信号ＮＨ、および、高感度データ信号ＳＨに対して所定のノイズ除去処理および信号処理が行われる。以下、後段のカラム処理部１３におけるノイズ除去処理および信号処理部１８における演算処理の例について説明する。
【０２７８】
｛ノイズ除去処理｝
最初に、カラム処理部１３によるノイズ除去処理について説明する。
【０２７９】
（ノイズ除去処理の処理例１）
まず、ノイズ除去処理の処理例１について説明する。
【０２８０】
まず、カラム処理部１３は、低感度データ信号ＳＬと低感度リセット信号ＮＬとの差分をとることにより、低感度差分信号ＳＮＬを生成する。従って、低感度差分信号ＳＮＬ＝低感度データ信号ＳＬ−低感度リセット信号ＮＬとなる。
【０２８１】
次に、カラム処理部１３は、高感度データ信号ＳＨと高感度リセット信号ＮＨとの差分をとることにより、高感度差分信号ＳＮＨを生成する。従って、高感度差分信号ＳＮＨ＝高感度データ信号ＳＨ−高感度リセット信号ＮＨとなる。
【０２８２】
このように、処理例１では、低感度の信号ＳＬ、ＮＬに対しては、画素内の増幅トランジスタの閾値ばらつき等の画素固有の固定パターンノイズは除去されるもののリセットノイズは除去されないＤＤＳ処理が行われる。高感度の信号ＳＨ、ＮＨについては、リセットノイズや画素内の増幅トランジスタの閾値ばらつき等の画素固有の固定パターンノイズが除去されるＣＤＳ処理が行われる。
【０２８３】
また、処理例１では、フレームメモリを用いる必要がない演算処理であることから、回路構成の簡略化、および、低コスト化が図れる利点がある。
【０２８４】
（ノイズ除去処理の処理例２）
次に、ノイズ除去処理の処理例２について説明する。
【０２８５】
処理例２では、前のフレームの情報を用いるために、記憶手段、例えば、フレームメモリが必要になる。従って、処理例２の演算処理は、例えば、信号処理部１８において、データ格納部１９を記憶手段として用いたり、外部のＤＳＰ回路において、フレームメモリを用いたりして行うことになる。
【０２８６】
具体的には、まず、カラム処理部１３は、低感度データ信号ＳＬと、前フレームにおける低感度リセット信号ＮＬＡとの差分をとることにより、低感度差分信号ＳＮＬを生成する。従って、低感度差分信号ＳＮＬ＝低感度データ信号ＳＬ−低感度リセット信号ＮＬＡとなる。
【０２８７】
次に、カラム処理部１３は、高感度データ信号ＳＨと高感度リセット信号ＮＨとの差分をとることにより、高感度差分信号ＳＮＨを生成する。従って、高感度差分信号ＳＮＨ＝高感度データ信号ＳＨ−高感度リセット信号ＮＨとなる。
【０２８８】
このように、処理例２では、低感度の信号ＳＬ、ＮＬについても、リセットノイズや画素内の増幅トランジスタの閾値ばらつき等の画素固有の固定パターンノイズが除去されるＣＤＳ処理が行われる。これにより、フレームメモリ等の記憶手段が必要になるものの、処理例１に比べてリセットノイズを大幅に抑制できる利点がある。
【０２８９】
｛画素信号の演算処理｝
次に、上述した第１乃至第６の実施の形態における信号処理部１８（図１）の画素信号の演算処理について説明する。
【０２９０】
（画素信号の演算処理の処理例１）
まず、画素信号の演算処理の処理例１について説明する。
【０２９１】
まず、信号処理部１８は、低感度差分信号ＳＮＬが所定の範囲内となったときに、低感度差分信号ＳＮＬと高感度差分信号ＳＮＨの比を画素毎、複数画素毎、色毎、共有画素単位内の特定画素毎、もしくは全画素一律にゲインとして算出してゲインテーブルを生成する。そして、信号処理部１８は、低感度差分信号ＳＮＬと当該ゲインテーブルの積を低感度差分信号ＳＮＬの補正値として算出する。
【０２９２】
ここで、ゲインをＧ、低感度差分信号ＳＮＬの補正値（以下、補正低感度差分信号と称する）をＳＮＬ’とすると、ゲインＧおよび補正低感度差分信号ＳＮＬ’は、次式（１）乃至（４）に基づいて求めることができる。
【０２９３】
Ｇ＝ＳＮＨ／ＳＮＬ＝ＳＥＮＳ＿Ｈ／ＳＥＮＳ＿Ｌ  ・・・（１）
ＳＥＮＳ＿Ｈ＝Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）  ・・・（２）
ＳＥＮＳ＿Ｌ＝Ｔ１／（Ｔ１＋Ｔ２）  ・・・（３）
ＳＮＬ’＝Ｇ×ＳＮＬ  ・・・（４）
【０２９４】
Ｔ１、Ｔ２は、図９を参照して説明した時間Ｔ１、時間Ｔ２であり、第１転送トランジスタ１０２または第２転送トランジスタ１０３がオンにされている時間に相当する。ゲインＧは、感度比と等化となる。
【０２９５】
図２７は、入射光量に対する低感度差分信号ＳＮＬ、高感度差分信号ＳＮＨ、および、補正低感度差分信号ＳＮＬ’の関係を示している。
【０２９６】
次に、信号処理部１８は、図２８Ａに示すように、予め設定された所定の閾値Ｖｔを用いる。閾値Ｖｔは、光応答特性において、高感度差分信号ＳＮＨが飽和前かつ光応答特性がリニアな領域において予め設定される。
【０２９７】
そして、信号処理部１８は、高感度差分信号ＳＮＨが所定の閾値Ｖｔを超えない場合、当該高感度差分信号ＳＮＨを処理対象画素の画素信号ＳＮとして出力する。すなわち、ＳＮＨ＜Ｖｔの場合、画素信号ＳＮ＝高感度差分信号ＳＮＨとなる。
【０２９８】
一方、信号処理部１８は、高感度差分信号ＳＮＨが所定の閾値Ｖｔを超える場合、低感度差分信号ＳＮＬの補正低感度差分信号ＳＮＬ’を処理対象画素の画素信号ＳＮとして出力する。すなわち、Ｖｔ≦ＳＮＨの場合、画素信号ＳＮ＝補正低感度差分信号ＳＮＬ’となる。
【０２９９】
（画素信号の演算処理の処理例２）
次に、画素信号の演算処理の処理例２について説明する。
【０３００】
具体的には、信号処理部１８は、図２８Ｂに示すように、高感度差分信号ＳＮＨが所定の範囲内において、補正低感度差分信号ＳＮＬ’、および、高感度差分信号ＳＮＨを予め設定された比率において合成し、画素信号ＳＮとして出力する。
【０３０１】
例えば、信号処理部１８は、所定の閾値Ｖｔを基準としてその前後の範囲において、下記のように、段階的に、補正低感度差分信号ＳＮＬ’、および、高感度差分信号ＳＮＨの合成比率を変化させる。所定の閾値Ｖｔは、先述したように、光応答特性において、高感度差分信号ＳＮＨが飽和前かつ光応答特性がリニアな領域において予め設定される値である。
【０３０２】
ＳＮＨ＜Ｖｔ×０．９０の場合に、ＳＮ=ＳＮＨ
Ｖｔ×０．９０≦ＳＮＨ＜Ｖｔ×０．９４の場合に、
ＳＮ＝０．９×ＳＮＨ＋０．１×ＳＮＬ’
Ｖｔ×０．９４≦ＳＮＨ＜Ｖｔ×０．９８の場合に、
ＳＮ＝０．７×ＳＮＨ＋０．３×ＳＮＬ’
Ｖｔ×０．９８≦ＳＮＨ＜Ｖｔ×１．０２の場合に、
ＳＮ＝０．５×ＳＮＨ＋０．５×ＳＮＬ’
Ｖｔ×１．０２≦ＳＮＨ＜Ｖｔ×１．０６の場合に、
ＳＮ＝０．３×ＳＮＨ＋０．７×ＳＮＬ’
Ｖｔ×１．０６≦ＳＮＨ＜Ｖｔ×１．１０の場合に、
ＳＮ＝０．１×ＳＮＨ＋０．９×ＳＮＬ’
Ｖｔ×１．１０≦ＳＮＨの場合に、ＳＮ＝ＳＮＬ’
【０３０３】
以上のような演算処理を行うことにより、低照度時の信号から高照度時の信号へより滑らかに切り替えることができる。
【０３０４】
また、ＣＭＯＳイメージセンサ１０、１０Ａおよび１０Ｂでは、低感度データ信号ＳＬが飽和するレベルを引き上げることができる。これにより、ダイナミックレンジの最小値を保持したまま、ダイナミックレンジの最大値を大きくすることができ、ダイナミックレンジを拡大することができる。
【０３０５】
例えば、車載向けのイメージセンサにおいて、ＬＥＤ光源のように点滅する被写体を、点滅するタイミングによって撮像できないＬＥＤフリッカという現象が発生する場合がある。このＬＥＤフリッカは、例えば、従来のイメージセンサのダイナミックレンジが低く、被写体毎に露光時間を調整する必要があるために生じる。
【０３０６】
すなわち、従来のイメージセンサは、様々な照度の被写体に対応するため、低照度の被写体に対しては露光時間を長く、高照度の被写体に対しては露光時間を短くしている。これにより、低いダイナミックレンジでも様々な照度の被写体に対応することが可能になる。一方、露光時間に関わらず読み出し速度は一定であるため、読み出し時間よりも短い単位で露光時間を設定する場合、露光時間以外に光電変換部に入射した光は、光電変換されて電荷になるものの、読み出されることなく破棄される。
【０３０７】
一方、ＣＭＯＳイメージセンサ１０、１０Ａおよび１０Ｂでは、上述したようにダイナミックレンジを拡大することができ、露光時間を長く設定することができるため、ＬＥＤフリッカの発生を抑制することができる。
【０３０８】
また、ＣＭＯＳイメージセンサ１０、１０Ａおよび１０Ｂでは、上述したように時分割方式や空間分割方式で分割数を増やした場合に発生するアーチファクトの発生や解像度の低下を防止することができる。
【０３０９】
＜変形例＞
以上の説明では、１画素内に感度が異なる２つの光電変換部が設けられた構成と同等の構成である場合を例に挙げて説明したが、１画素内に３つ以上の光電変換部が設けられた構成と同等の構成とすることも可能である。
【０３１０】
また、上記実施形態では、単位画素が行列状に配置されてなるＣＭＯＳイメージセンサに適用した場合を例に挙げて説明したが、本技術はＣＭＯＳイメージセンサへの適用に限られるものではない。すなわち、本技術は、単位画素が行列状に２次元配置されてなるＸ−Ｙアドレス方式の撮像装置全般に対して適用可能である。
【０３１１】
さらに、本技術は、可視光の入射光量の分布を検知して画像として撮像する撮像装置への適用に限らず、赤外線やＸ線、あるいは粒子等の入射量の分布を画像として撮像する撮像装置全般に対して適用可能である。
【０３１２】
なお、撮像装置はワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と、信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。
【０３１３】
＜撮像装置の使用例＞
図２９は、上述の撮像装置の使用例を示す図である。
【０３１４】
上述した撮像装置は、例えば、以下のように、可視光や、赤外光、紫外光、X線等の光をセンシングする様々なケースに使用することができる。
【０３１５】
・デジタルカメラや、カメラ機能付きの携帯機器等の、鑑賞の用に供される画像を撮影する装置
・自動停止等の安全運転や、運転者の状態の認識等のために、自動車の前方や後方、周囲、車内等を撮影する車載用センサ、走行車両や道路を監視する監視カメラ、車両間等の測距を行う測距センサ等の、交通の用に供される装置
・ユーザのジェスチャを撮影して、そのジェスチャに従った機器操作を行うために、TVや、冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電に供される装置
・内視鏡や、赤外光の受光による血管撮影を行う装置等の、医療やヘルスケアの用に供される装置
・防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの用に供される装置
・肌を撮影する肌測定器や、頭皮を撮影するマイクロスコープ等の、美容の用に供され装置
・スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラブルカメラ等の、スポーツの用に供される装置
・畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の用に供される装置
【０３１６】
｛撮像装置｝
図３０は、本技術を適用した電子機器の一例である撮像装置（カメラ装置）１０００の構成例を示すブロック図である。
【０３１７】
図３０に示すように、撮像装置１０００は、レンズ群１００１などを含む光学系、撮像素子１００２、カメラ信号処理部であるＤＳＰ回路１００３、フレームメモリ１００４、表示装置１００５、記録装置１００６、操作系１００７、および、電源系１００８等を有している。そして、ＤＳＰ回路１００３、フレームメモリ１００４、表示装置１００５、記録装置１００６、操作系１００７、および、電源系１００８がバスライン１００９を介して相互に接続された構成となっている。
【０３１８】
レンズ群１００１は、被写体からの入射光（像光）を取り込んで撮像素子１００２の撮像面上に結像する。撮像素子１００２は、レンズ群１００１によって撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。
【０３１９】
表示装置１００５は、液晶表示装置や有機ＥＬ（electro luminescence）表示装置等のパネル型表示装置から成り、撮像素子１００２で撮像された動画または静止画を表示する。記録装置１００６は、撮像素子１００２で撮像された動画または静止画を、メモリカードやビデオテープやＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等の記録媒体に記録する。
【０３２０】
操作系１００７は、ユーザによる操作の下に、本撮像装置１０００が持つ様々な機能について操作指令を発する。電源系１００８は、ＤＳＰ回路１００３、フレームメモリ１００４、表示装置１００５、記録装置１００６、および、操作系１００７の動作電源となる各種の電源を、これら供給対象に対して適宜供給する。
【０３２１】
このような撮像装置１０００は、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、さらには、スマートフォン、携帯電話機等のモバイル機器向けカメラモジュールに適用される。そして、この撮像装置１０００において、撮像素子１００２として、上述した各実施形態に係る撮像装置を用いることができる。これにより、撮像装置１０００の画質を向上させることができる。
【０３２２】
なお、本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。例えば、上述した各実施の形態は、可能な範囲で組み合わせることができる。
【０３２３】
また、本明細書において、システムとは、複数の装置により構成される装置全体を表すものである。
【０３２４】
なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、また他の効果があってもよい。
【０３２５】
なお、本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【０３２６】
なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
（１）
複数の単位画素が配置されている画素アレイ部と、
前記単位画素の動作を制御する駆動部と
を備え、
前記単位画素は、
光電変換部と、
電荷を保持する電荷保持部と、
前記電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部と、
前記光電変換部から前記電荷保持部へと電荷を転送する第１転送部と、
前記光電変換部から前記電荷電圧変換部へと電荷を転送する第２転送部と、
前記電荷保持部から前記電荷電圧変換部へと電荷を転送する第３転送部と
を備える撮像装置。
（２）
前記第１転送部は、前記電荷保持部上にも形成されている
前記（１）に記載の撮像装置。
（３）
前記第１転送部がオンにされたとき、前記電荷保持部のポテンシャルが深くなる位置に、前記第１転送部は形成されている
前記（１）に記載の撮像装置。
（４）
前記第１転送部は、第１分割転送部と第２分割転送部とから構成され、
前記第１分割転送部は、前記光電変換部と前記電荷保持部との間に形成され、
前記第２分割転送部は、前記電荷保持部上に形成されている
前記（１）乃至（３）のいずれかに記載の撮像装置。
（５）
前記光電変換部に接続される電荷排出部をさらに備える
前記（１）乃至（４）のいずれかに記載の撮像装置。
（６）
第２電荷保持部と、
第４転送部と
をさらに備え、
前記第２転送部は、前記光電変換部から前記第２電荷保持部に電荷を転送し、
前記第４転送部は、前記第２電荷保持部から前記電荷電圧変換部に電荷を転送する
前記（１）乃至（５）のいずれかに記載の撮像装置。
（７）
露光期間において、
前記光電変換部から前記電荷保持部への電荷の転送と、前記光電変換部から前記電荷電圧変換部への電荷の転送が、交互に行われる
前記（１）乃至（６）のいずれかに記載の撮像装置。
（８）
露光期間において、
前記第１転送部と前記第２転送部は、交互にオンの状態とされる
前記（１）乃至（７）のいずれかに記載の撮像装置。
（９）
前記第１転送部がオンにされている第１の期間は、前記第２転送部がオンにされている第２の期間よりも長い
前記（８）に記載の撮像装置。
（１０）
前記第２転送部が、オンの状態からオフの状態になった時点から、前記第１転送部がオンの状態からオフの状態になった時点までを第１の期間とし、前記第１転送部が、オンの状態からオフの状態になった時点から、前記第２転送部がオンの状態からオフの状態になった時点までを第２の期間とした場合、前記第１の期間は、前記第２の期間よりも長い
前記（８）に記載の撮像装置。
（１１）
前記第２転送部がオンの状態のときに前記電荷電圧変換部に転送された電荷に対応する信号が読み出された後、前記第３転送部がオンにされ、
前記電荷保持部から前記電荷電圧変換部に電荷が転送され、
前記電荷電圧変換部に転送された電荷に対応する信号が読み出される
前記（１）乃至（１０）のいずれかに記載の撮像装置。
（１２）
前記第１分割転送部と前記第２分割転送部は、同時にオンにされ、
前記第１分割転送部がオフにされた後、前記第２分割転送部がオフにされる
前記（４）に記載の撮像装置。
（１３）
前記第１分割転送部がオフにされた後、前記第２転送部がオンにされ、
前記第２転送部がオンにされた後、前記第２分割転送部がオフにされ、
前記第２分割転送部がオフにされた後、前記第２転送部がオフにされる
前記（１２）に記載の撮像装置。
（１４）
前記電荷排出部は、露光期間以外の期間ではオンにされている
前記（５）に記載の撮像装置。
（１５）
前記第１転送部のゲート電極の下部に形成され、前記光電変換部から漏れた電荷を前記電荷保持部に転送する第１のオーバーフローパスと、
前記電荷排出部のゲート電極の下部に形成され、前記光電変換部から漏れた電荷を排出する第２のオーバーフローパスと
をさらに備える
前記（５）に記載の撮像装置。
（１６）
前記電荷排出部は、３値駆動され、
第１の電圧が与えられた場合、前記第２のオーバーフローパスのポテンシャルが、前記第１のオーバーフローパスのポテンシャルよりも浅くなり、
第２の電圧が与えられた場合、前記第２のオーバーフローパスのポテンシャルが、前記第１のオーバーフローパスのポテンシャルより深くなり、
第３の電圧が与えられた場合、前記電荷排出部はオンの状態となる
前記（１５）に記載の撮像装置。
（１７）
蓄積期間が終了後、前記第４転送部がオンにされ、
前記第２電荷保持部から前記電荷電圧変換部に電荷が転送され、
前記電荷電圧変換部に転送された電荷に対応する信号が読み出され、
前記第３転送部がオンにされ、
前記電荷保持部から前記電荷電圧変換部に電荷が転送され、
前記電荷電圧変換部に転送された電荷に対応する信号が読み出される
前記（６）に記載の撮像装置。
（１８）
複数の単位画素が配置されている画素アレイ部と、
前記単位画素の動作を制御する駆動部と
を備え、
前記単位画素は、
光電変換部と、
電荷を保持する電荷保持部と、
前記電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部と、
前記光電変換部から前記電荷保持部へと電荷を転送する第１転送部と、
前記光電変換部から前記電荷電圧変換部へと電荷を転送する第２転送部と、
前記電荷保持部から前記電荷電圧変換部へと電荷を転送する第３転送部と
を備える撮像装置が、
露光期間において、
前記第１転送部と前記第２転送部を、交互にオンすることで、前記光電変換部から前記電荷保持部への電荷の転送と、前記光電変換部から前記電荷電圧変換部への電荷の転送を交互に行う
ステップを含む駆動方法。
（１９）
複数の単位画素が配置されている画素アレイ部と、
前記単位画素の動作を制御する駆動部と
を備え、
前記単位画素は、
光電変換部と、
電荷を保持する電荷保持部と、
前記電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部と、
前記光電変換部から前記電荷保持部へと電荷を転送する第１転送部と、
前記光電変換部から前記電荷電圧変換部へと電荷を転送する第２転送部と、
前記電荷保持部から前記電荷電圧変換部へと電荷を転送する第３転送部と
を備える撮像装置を
備える電子機器。
【符号の説明】
【０３２７】
１０，１０Ａ，１０Ｂ  ＣＭＯＳイメージセンサ，  １１  画素アレイ部，  １２  垂直駆動部，  １３  カラム処理部，  １４  水平駆動部，  １５  システム制御部，  １６  画素駆動線，  １７  垂直信号線，  １８  信号処理部，  １９  データ格納部，  １００Ａ乃至１００Ｅ  単位画素，  １０１  ＰＤ，  １０２  第１転送トランジスタ，  １０３  第２転送トランジスタ，  １０４  第３転送トランジスタ，  １０５  メモリ部，  １０６  リセットトランジスタ，  １０７  ＦＤ部，  １０８  増幅トランジスタ，  １０９  選択トランジスタ，  ２０１  排出トランジスタ，  ３０１  第４転送トランジスタ，  ３０２  メモリ部
【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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