(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画素部と、前記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各画素の信号を信号処理する信号処理手段とを有する固体撮像装置において、
前記垂直選択手段は、前記画素部の３つの画素行を選択し、順次シフトさせていく機能を備え、
前記３つの画素行の先頭の画素行は、前記画素行を選択して光電変換素子を空にする第１シャッタ行であり、
前記３つの画素行の２番目の画素行は、前記第１シャッタ行に選択された後に前記画素行の光電変換素子に蓄積された光電荷を取り込む第２シャッタ行であり、
前記３つの画素行の最後の画素行は、前記第２シャッタ行に選択された後に前記画素行の光電変換素子に蓄積された光電荷を取り込む選択行であり、
前記第２シャッタ行の駆動パルスのアドレスパルス、リセットパルス及び転送パルスのそれぞれは、前記選択行の駆動パルスのアドレスパルス、リセットパルス及び転送パルスのそれぞれと同一形状でかつ時間だけがずれたパルスであり、
前記信号処理手段は、
前記第１シャッタ行の画素行として選択された前記光電変換素子が前記第２シャッタ行の画素行として選択される際に、前記光電変換素子に接続されたフローティングディフュージョン部を前記第２シャッタ行のリセットパルスによりリセットすることで垂直信号線に生じる電位と、前記光電変換素子の前記光電荷を前記第２シャッタ行の転送パルスにより前記フローティングディフュージョン部に転送することで前記垂直信号線に生じる電位との差分を保持する第１のサンプルホールド回路と、
前記第２シャッタ行の画素行として選択された前記光電変換素子が前記選択行の画素行として選択される際に、前記フローティングディフュージョン部を前記選択行のリセットパルスによりリセットすることで垂直信号線に生じる電位と、前記光電変換素子の前記光電荷を前記選択行の転送パルスにより前記フローティングディフュージョン部に転送することで前記垂直信号線に生じる電位との差分を保持する第２のサンプルホールド回路と、
前記第１のサンプルホールド回路で保持された前記差分に基づく第１の光信号を出力する第１の出力部と、
前記第２のサンプルホールド回路で保持された前記差分に基づく第２の光信号を出力する第２の出力部とを備える、
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
複数の画素がマトリクス状に配列された画素部と、前記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各画素の信号を信号処理する信号処理手段とを有する固体撮像装置において、
前記垂直選択手段は、前記画素部の３つの画素行を選択し、順次シフトさせていく機能を備え、
前記３つの画素行の先頭の画素行は、前記画素行を選択して光電変換素子を空にする第１シャッタ行であり、
前記３つの画素行の２番目の画素行は、前記第１シャッタ行に選択された後に前記画素行の光電変換素子に蓄積された光電荷を取り込む第２シャッタ行であり、
前記３つの画素行の最後の画素行は、前記第２シャッタ行に選択された後に前記画素行の光電変換素子に蓄積された光電荷を取り込む選択行であり、
前記第１シャッタ行、第２シャッタ行、及び選択行の駆動パルスは全て同一形状で、時間だけがずれたパルスであり、
前記信号処理手段は、
前記第１シャッタ行の画素行として選択された前記光電変換素子が前記第２シャッタ行の画素行として選択される際に、前記光電変換素子に接続されたフローティングディフュージョン部を前記第２シャッタ行のリセットパルスによりリセットすることで垂直信号線に生じる電位と、前記光電変換素子の前記光電荷を前記第２シャッタ行の転送パルスにより前記フローティングディフュージョン部に転送することで前記垂直信号線に生じる電位との差分を保持する第１のサンプルホールド回路と、
前記第２シャッタ行の画素行として選択された前記光電変換素子が前記選択行の画素行として選択される際に、前記フローティングディフュージョン部を前記選択行のリセットパルスによりリセットすることで垂直信号線に生じる電位と、前記光電変換素子の前記光電荷を前記選択行の転送パルスにより前記フローティングディフュージョン部に転送することで前記垂直信号線に生じる電位との差分を保持する第２のサンプルホールド回路と、
前記第１のサンプルホールド回路で保持された前記差分に基づく第１の光信号を出力する第１の出力部と、
前記第２のサンプルホールド回路で保持された前記差分に基づく第２の光信号を出力する第２の出力部とを備える、
ことを特徴とする固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に光検出におけるダイナミックレンジの拡大を図った固体撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９は従来の固体撮像装置を示す構成図、図１０は図９の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１１は図１０に示した回路の動作を示すタイミングチャートである。
図９に示した固体撮像装置１０２は、具体的にはＣＭＯＳ光センサーであり、半導体基板上に形成された画素部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。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。
【０００３】
図１０に示したように、画素１２０は、フォトダイオード１２２、電荷量に応じた大きさの電圧を生成する電荷電圧変換手段である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。
【０００４】
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。
【０００５】
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から成るアドレスゲート１３８が介在し、そのゲートにはＶ選択手段１０６からアドレスパルス１４０が供給される。そして、増幅トランジスタ１３０のソースはアドレスゲート１３８のドレインに接続され、アドレスゲート１３８のソースは垂直信号線１３６に接続されている。
【０００６】
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のアドレスゲート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、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、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。
【０００７】
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が生成した電圧（光検出電圧）、およびリセット時のＦＤ部１２４の電圧（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。
【０００８】
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。
【０００９】
次に、このように構成された固体撮像装置１０２の動作について、図１１をも参照しつつ、画素１２０における動作を中心に説明する。
Ｖ選択手段１０６は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動作して、画素部１０４の行を選択し、選択した行に属する画素１２０に対し、タイミングＴ１でアドレスパルス１４０（ハイレベル）を出力する。このアドレスパルス１４０は、各画素１２０においてアドレスゲート１３８に供給され、その結果、アドレスゲート１３８がオンして増幅トランジスタ１３０が垂直信号線１３６に接続される。
【００１０】
次に、Ｖ選択手段１０６はタイミングＴ２においてリセットパルス１３４を出力し、これによりリセットゲート１２８がオンしてＦＤ部１２４は電源Ｖｄｄに接続され、ＦＤ部１２４に蓄積している電荷（電子）が排除される。そして、このリセット状態のＦＤ部１２４の電圧が増幅トランジスタ１３０により垂直信号線１３６に出力される。なお、増幅トランジスタ１３０は、アドレスゲート１３８がオンしているときは、定電流源１１４とともにソースフォロワー回路を形成するので、ゲート電圧、すなわちＦＤ部１２４の電圧に追従した電圧が増幅トランジスタ１３０から垂直信号線１３６に低インピーダンスで出力される。
【００１１】
つづいて、タイミングＴ３において、タイミングジェネレータ１１０は垂直信号線１３６ごとに設けられた各Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６に第１および第２のサンプリングパルス１４８、１５０を出力し、増幅トランジスタ１３０により垂直信号線１３６に出力されたオフセット電圧を保持させる。
【００１２】
その後、タイミングＴ４において、Ｖ選択手段１０６は転送パルス１３２を出力し、転送ゲート１２６をオンさせてフォトダイオード１２２がタイミングＴ４までに受光して蓄積した電荷（電子）をＦＤ部１２４に転送させる。ＦＤ部１２４は転送された電荷量に応じた電圧を生成し、増幅トランジスタ１３０はその電圧を、低インピーダンスで垂直信号線１３６に出力する。
【００１３】
そして、タイミングジェネレータ１１０はタイミングＴ５で、垂直信号線１３６ごとに設けられた各Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６に第２のサンプリングパルス１５０を出力する。このとき、各Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６は、増幅トランジスタ１３０が垂直信号線１３６に出力している電圧を保持するとともに、先に保持しているオフセット電圧と、新たに保持した光検出電圧との差を算出して、オフセット分を除去した、フォトダイオード１２２への入射光量に対応する大きさの電圧を出力する。
なお、上記オフセット分は画素１２０ごとに大きさが異なるため、このようにＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６によりオフセット分を除去することで、オフセットのバラツキによるノイズを除去することができる。
【００１４】
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からのタイミングパルスにもとづき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を通じ画像信号として出力される。
その後、Ｖ選択手段１０６はタイミングＴ６においてアドレスパルス１４０をローレベルに戻し、その結果、アドレスゲート１３８がオフして増幅トランジスタ１３０が垂直信号線１３６から切り離され、１行分の画素１２０に関する動作が完了する。
【００１５】
以降、Ｖ選択手段１０６は、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動作して、画素１２０の各行を順次選択する。そして、各行ごとに上述のような動作が行われ、Ｖ選択手段１０６がすべての行を選択したところで、すべての画素１２０により生成された画像１枚分の画像信号が出力されることになる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような固体撮像装置１０２では、フォトダイオード１２２が生成した電荷がオーバーフローするまでの範囲、すなわちフォトダイオード１２２の飽和レベルまでの範囲の光量しか検出することができず、光量が飽和レベルを越えた場合には、ＦＤ部１２４には一定量の信号電荷しか転送されないため、ＦＤ部１２４が生成する電圧は一定となり、飽和状態となってしまう。したがって、たとえば被写体の暗い部分に絞りやシャッタ速度を合わせた場合には、被写体の明るい部分は、フォトダイオード１２２が飽和してしまうことから、たとえば真っ白に撮影されてしまい、映像を得ることができないといった問題が生じていた。
【００１７】
この問題の解決を図るべく、特開平１１−３１３２５７号公報には、入射光量の対数に対応した信号を出力するようにしてダイナミックレンジを拡大した固体撮影素子が開示されている。しかし、この固体撮影素子では、コンデンサーを使用していることから、その充放電に時間がかかり、残像が生じるという欠点がある。また、構造的に、雑音が少ないという長所を有している埋め込みフォトダイオード（フォトダイオード表面の絶縁膜とフォトダイオードとの間にたとえばＰ＋層が形成されている）を使用できないため、画質が劣るという問題がある。そして、画素回路の構成要素が多いため、小型化が困難である。
【００１８】
また、シャッタ速度、したがってフォトダイオード１２２における電荷蓄積時間を変え、フォトダイオード１２２が飽和しないような短い時間と、充分に長い時間とで撮影して、各撮影画像を合成することでダイナミックレンジを拡大するといった手法も知られているが、この方法では、ラインメモリーやフレームメモリーが必要なために装置が大型化し、またコスト高となってしまう。そして、感光期間の異なる２つの信号を合成するので、動く被写体への適用が困難である。さらに、画素部の隣接行間で電荷蓄積時間を変えることにより、メモリーを不要にする技術も知られているが、この技術では画素の隣接行間での演算処理が必要であるため、装置が大型化し、また構成が複雑となる。さらに、２画素で１つの信号を生成するので解像度が劣化する。
【００１９】
そこで、本件出願人は、これらの問題を解決すべく、特願２００１−２０１６０１号、特願２００１−２７６５２９号、及び特願２００１−２８６４５７号（以下、先行出願という）において、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固体撮像装置の駆動方法について提案した。
これらの発明は、通常の光信号に加え、広ダイナミックレンジの光信号を出力することを内容としている。
【００２０】
しかしながら、これらの発明においては、フォトダイオード（ＰＤ）から電荷が溢れるほど入射光が強いときに、初めて広ダイナミックレンジ信号が発生するので、入射光が弱いときには、光量に比例しないという課題がある。したがって、通常信号と広ダイナミックレンジ信号から正確な光強度を算出することが容易でなく、監視カメラ等の用途では、それほど問題がないが、マシンビジョンや計測器などの光量を正確に知りたい用途には適用しにくい。
また、カラー化した場合に、光強度が不正確だと、色の合成が不正確になり、色が不自然になるという課題もある。さらに、ＦＤ部は、コンタクトを落とすため、暗電流が大きい。ここに電荷を蓄積するので、広ダイナミックレンジ信号に大きな暗電流が乗り、Ｓ／Ｎが悪くなるという課題もある。
【００２１】
そこで本発明の目的は、さまざまな撮影条件に柔軟に対応して広ダイナミックレンジの撮影を高精度に行うことができ、かつ小型、低コスト、高性能の固体撮像装置を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明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画素部と、前記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各画素の信号を信号処理する信号処理手段とを有する固体撮像装置において、前記垂直選択手段は、前記画素部の３つの画素行を選択し、順次シフトさせていく機能を備え、前記３つの画素行の先頭の画素行は、前記画素行を選択して光電変換素子を空にする第１シャッタ行であり、前記３つの画素行の２番目の画素行は、前記第１シャッタ行に選択された後に前記画素行の光電変換素子に蓄積された光電荷を取り込む第２シャッタ行であり、前記３つの画素行の最後の画素行は、前記第２シャッタ行に選択された後に前記画素行の光電変換素子に蓄積された光電荷を取り込む選択行であり、前記第２シャッタ行の駆動パルスのアドレスパルス、リセットパルス及び転送パルスのそれぞれは、前記選択行の駆動パルスのアドレスパルス、リセットパルス及び転送パルスのそれぞれと同一形状でかつ時間だけがずれたパルスであり、前記信号処理手段は、前記第１シャッタ行の画素行として選択された前記光電変換素子が前記第２シャッタ行の画素行として選択される際に、前記光電変換素子に接続されたフローティングディフュージョン部を前記第２シャッタ行のリセットパルスによりリセットすることで垂直信号線に生じる電位と、前記光電変換素子の前記光電荷を前記第２シャッタ行の転送パルスにより前記フローティングディフュージョン部に転送することで前記垂直信号線に生じる電位との差分を保持する第１のサンプルホールド回路と、前記第２シャッタ行の画素行として選択された前記光電変換素子が前記選択行の画素行として選択される際に、前記フローティングディフュージョン部を前記選択行のリセットパルスによりリセットすることで垂直信号線に生じる電位と、前記光電変換素子の前記光電荷を前記選択行の転送パルスにより前記フローティングディフュージョン部に転送することで前記垂直信号線に生じる電位との差分を保持する第２のサンプルホールド回路と、前記第１のサンプルホールド回路で保持された前記差分に基づく第１の光信号を出力する第１の出力部と、前記第２のサンプルホールド回路で保持された前記差分に基づく第２の光信号を出力する第２の出力部とを備えることを特徴とする。
【００２３】
また本発明は、複数の画素がマトリクス状に配列された画素部と、前記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各画素の信号を信号処理する信号処理手段とを有する固体撮像装置において、前記垂直選択手段は、前記画素部の３つの画素行を選択し、順次シフトさせていく機能を備え、前記３つの画素行の先頭の画素行は、前記画素行を選択して光電変換素子を空にする第１シャッタ行であり、前記３つの画素行の２番目の画素行は、前記第１シャッタ行に選択された後に前記画素行の光電変換素子に蓄積された光電荷を取り込む第２シャッタ行であり、前記３つの画素行の最後の画素行は、前記第２シャッタ行に選択された後に前記画素行の光電変換素子に蓄積された光電荷を取り込む選択行であり、前記第１シャッタ行、第２シャッタ行、及び選択行の駆動パルスは全て同一形状で、時間だけがずれたパルスであり、前記信号処理手段は、前記第１シャッタ行の画素行として選択された前記光電変換素子が前記第２シャッタ行の画素行として選択される際に、前記光電変換素子に接続されたフローティングディフュージョン部を前記第２シャッタ行のリセットパルスによりリセットすることで垂直信号線に生じる電位と、前記光電変換素子の前記光電荷を前記第２シャッタ行の転送パルスにより前記フローティングディフュージョン部に転送することで前記垂直信号線に生じる電位との差分を保持する第１のサンプルホールド回路と、前記第２シャッタ行の画素行として選択された前記光電変換素子が前記選択行の画素行として選択される際に、前記フローティングディフュージョン部を前記選択行のリセットパルスによりリセットすることで垂直信号線に生じる電位と、前記光電変換素子の前記光電荷を前記選択行の転送パルスにより前記フローティングディフュージョン部に転送することで前記垂直信号線に生じる電位との差分を保持する第２のサンプルホールド回路と、前記第１のサンプルホールド回路で保持された前記差分に基づく第１の光信号を出力する第１の出力部と、前記第２のサンプルホールド回路で保持された前記差分に基づく第２の光信号を出力する第２の出力部とを備えることを特徴とする。
【００２５】
本発明の固体撮像装置では、垂直選択手段によって２つの画素行を選択し、この２つの画素行の各画素の信号を独立して信号処理手段によって読み出すことから、上述した先行出願のように光電変換素子から溢れた信号を用いることなく、２つの期間の入射光量に対してリニアな画素信号を得ることができ、この画素信号から広ダイナミックレンジ撮像用の信号を得ることが可能となる。
また、特別な回路の追加を施すことなく実現できる。したがって、さまざまな撮影条件に柔軟に対応して広ダイナミックレンジの撮影を高精度に行うことができ、かつ小型、低コスト、高性能の固体撮像装置を提供するが可能となる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態例について図面を参照して説明する。
図１は本発明による固体撮像装置の一例を示す構成図、図２は図１の固体撮像装置を構成する画素周辺を示す回路図、図３は図１の固体撮像装置に係わるＦＤ電子シャッタ行と選択行との関係を示す説明図、図４は図２の画素に係わる動作を示すタイミングチャートである。図１、図２において図９、図１０と同一の要素には同一の符号が付されており、それらに関する詳しい説明はここでは省略する。以下では、これらの図面を参照して本発明による固体撮像装置の一例について説明し、同時に本発明による固体撮像装置の駆動方法の実施の形態例について説明する。
【００２７】
図１、図２に示したように、実施の形態例の固体撮像装置２では、マトリックス状に画素１２０が並べられた画素部１０４の各画素列に対して、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路４（図２）が新たに設けられている。Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路４は、タイミングジェネレータ６（図１）からのサンプリングパルス１４８、１５０’にもとづいて、垂直信号線１３６に出力されている電圧を保持し、異なるタイミングで保持した２つの電圧の差を算出し、オフセット分を除去して信号成分を出力する。なお、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路４は、図１に示したＳ／Ｈ・ＣＤＳ部１０に配置されている。
【００２８】
また、本実施の形態例では、図１に示したように、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ部１０とともにＨ選択手段１２が新たに設けられ、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ部１０のＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路４の出力信号は、Ｈ選択手段１２により順次選択され水平信号線１４を通じ出力部１６から出力される。
ここで出力部１６は本実施の形態例では可変利得増幅回路及びＡ／Ｄ変換器等により構成されており、また、水平信号線１１６からの信号を出力する出力部１１８も可変利得増幅回路及びＡ／Ｄ変換器等により構成されている。
【００２９】
タイミングジェネレータ６は、従来同様、Ｖ選択手段７、Ｈ選択手段１０８、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ部１１２にタイミングパルスを供給するとともに、上記Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ部１０およびＨ選択手段１２にタイミングパルスを供給する。
定電流源１１４（図２）は、詳しくは、一例として閾値電圧Ｖｔｈが０．４５ＶのＭＯＳトランジスタ１１４Ｂにより構成され、そのゲートは０．８Ｖの電源線１１４Ｃに、ソースはグランドにそれぞれ接続され、垂直信号線１３６が０．４Ｖ以上の場合、約１０μＡの定電流を垂直信号線１３６に流す。Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路４、１４６の入力部にはコンデンサーが直列に挿入されているので、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路４、１４６側に直流電流が流れることはない。
【００３０】
以上の構成は、上述した先行出願（特願２００１−２０１６０１号、特願２００１−２７６５２９号、特願２００１−２９６４５７号）に示す構成とほぼ同様のものであり、図２において、Ｖ選択手段７によって各画素１２０のアドレスゲート１３８に対するアドレスパルス１４０をオンすることにより、増幅トランジスタ１３０と画素部外の定電流源１１４がソースフォロアを組むので、垂直信号線１３６の電位が増幅トランジスタ１３０のゲート電圧すなわちＦＤ部１２４の電位に追従した値となることも同様である。
しかし、本実施の形態例で上述した先行出願と異なる点は、その駆動タイミングである。
【００３１】
以下、本実施の形態例の固体撮像装置２の駆動タイミングについて、図３および図４をも参照しつつ説明する。
本実施の形態例の固体撮像装置２において、Ｖ選択手段７は、選択行と第１シャッタ行と第２シャッタ行を選択し、対応する画素配線を駆動する。図３に示すように、この選択行２２と第１シャッタ行２３と第２シャッタ行２４は、一定の間隔をおいて矢印Ａで示す方向に１行ずつ順次シフトさせつつ進んでいく。Ｖ選択手段７がすべての行を選択したところで、すべての画素１２０により生成された１枚分の画像信号が出力されることになる。
【００３２】
図４は、第１シャッタ行と第２シャッタ行と選択行とそれ以外の行の駆動タイミングを示しており、１行期間のうち、画像を駆動するところを記載している。実際には、タイミングＴ０で示すように、画素を駆動しない期間が大部分を占めている。
まず、図４（Ａ）に示すように、画素に第１シャッタ行が来ると、タイミングＴ９でＦＤ部１２４がリセットされ、タイミングＴ１１でフォトダイオード１２２の光電荷がＦＤ部１２４に転送される。よって、ここで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への光電荷の蓄積が始まる。
【００３３】
次に、図４（Ｂ）に示すように、第２シャッタ行が来る。画素は、タイミングＴ８でアドレスがオンし、垂直信号線１３６の電位が第２シャッタ行のＦＤ部１２４の電位に追随するようになる。ここで、タイミングＴ９でＦＤ部１２４がリセットされ、タイミングＴ１０のときの垂直信号線１３６の電位をＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６に入力する。
次に、タイミングＴ１１でフォトダイオード１２２の光電荷がＦＤ部１２４に転送され、タイミングＴ１２のときの垂直信号線１３６の電位をＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６に入力する。Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６は、これら２つの信号の差分を取り、保持する。この差分信号は、第１シャッタ行から第２シャッタ行までの間にフォトダイオード１２２に入った光信号である。
この後、タイミングＴ１３でアドレスがオフする。
【００３４】
次に、図４（Ｃ）に示すように、選択行が来る。画素は、タイミングＴ１からタイミングＴ７の期間に駆動される。駆動方法は第２シャッタ行と同じである。タイミングＴ４とタイミングＴ６の垂直信号線１３６の電位をＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路４に入力し、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路４は、これら２つの信号の差分を取り、保持する。この差分信号は、第２シャッタ行から選択行までの間にフォトダイオード１２２に入った光信号である。
次に、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６とＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路４に保持した信号は、それぞれＨ選択手段１０８、１２によって順番に水平信号線１１６、１４に読み出され、出力部１１８、１６を通して出力される。
よって、出力部１１８からの出力信号（出力１）は第１シャッタ行から第２シャッタ行までの間の光信号、出力部１６からの出力信号（出力２）は第２シャッタ行から選択行までの間の光信号である。このようにして、１フレームを任意に３分割し、うち２期間の信号を独立に出力することができる。
【００３５】
これを用いて次のように広ダイナミックレンジ化することができる。
例えば、１フレームを５００行期間で構成した場合、第１シャッタ行から第２シャッタ行までの間を４００行、第２シャッタ行から選択行までの間を５行とすると、出力部１１８からの出力信号（出力１）は蓄積期間の長い、低照度の領域を鮮明に撮った画像となり、出力部１６からの出力信号（出力２）は蓄積期間の短い、ダイナミックレンジが８０倍にわたる高照度の領域を飽和せずに映した画像となる。
２つの出力信号とも、入射光量に対してリニアな信号であり、その比はシャッタ行の位置から明確に計算できる。２つのシャッタ行の位置を調節することで、２つの出力信号の感度は独立に可変である。これらの出力信号を合成することにより、広ダイナミックレンジの映像信号を得ることができる。
ここで、出力部１１８からの出力信号（出力１）は第２シャッタ行の画素の信号、出力部１６からの出力信号（出力２）は選択行の画素の信号なので、どちらかを遅延素子によって遅延またはメモリに格納して信号を合成する。
【００３６】
また、第１シャッタ行を単純に使わないようにすることも可能である。その場合は、出力部１１８からの出力信号（出力１）が前の選択行から第２シャッタ行までの光信号となる。
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、これを別の期間としてもよい。例えば、時間的条件が許す場合には、選択行と第１シャッタ行と第２シャッタ行の全ての駆動パルスを図４の選択行のパルスと同形にして、単純にずらして駆動することが好ましい。
その他にも、上記と同じ結果を得るのに駆動パルスのバリエーションは種々採用できるものであり、これに限定されるものではない。
【００３７】
以上のような実施の形態では、１フレームを３分割し、そのうち２つの期間の信号を得ることができ、信号処理の自由度を増すことができ、ダイナミックレンジの広い固体撮像装置を得ることが可能であり、さらに以下のような利点を有する。
（１）２つの期間の出力とも、入射光量に対してリニアな信号であり、その感度比はシャッタ行の位置から明確に計算できる。
（２）２つのシャッタ行の位置を調節することで、２つの出力の感度を独立して可変調整することが可能である。
（３）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がよい。もともとフォトダイオードに蓄積された光信号だけを転送して読み取るので、ＦＤ部の暗電流の影響を受けず、信号の精度が高い。したがって、色再現性が良いことになる。
（４）各信号を同時に２系統から出力できるので、後段の信号処理が容易できる。
（５）画素に新たな構成要素を加えないので、画素の大型化を招くことなく実現できる。
【００３８】
次に、本発明の第２の実施の形態例について説明する。
本発明の第１の実施の形態例においては、出力部１１８からの出力信号（出力１）は第２シャッタ行の画素の信号、出力部１６からの出力信号（出力２）は選択行の画素の信号であり、異なる行の信号が出力されているので、どちらかを遅延素子によって遅延またはメモリに格納しておいてから合成しないと、広ダイナミックレンジ信号を得ることができない。
しかし、以下に説明する本発明の第２の実施の形態例を用いることにより、同一の画素からの２つの信号を同時に出力することが可能である。つまり、遅延素子やメモリが不要であり、そのまま合成可能となる。
なお、本発明の第２の実施の形態例による固体撮像装置の構成は例えば図１と同じであり、画素の構造も図２に示す例と同じである。また、第１、第２シャッタ行、選択行のシフト動作も図３に示す例と同じであり、各行の画素における駆動タイミングも図４の例と同様であるが、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６、４に入力するタイミングが異なる。以下、これらの図１、図２、図３、図４を前提として本発明の第２の実施の形態例による固体撮像装置の動作について説明する。
【００３９】
図５は、本発明の第２の実施の形態例におけるフォトダイオード１２２とＦＤ部１２４とのポテンシャルの遷移を示す説明図である。
まず、フォトダイオード１２２に入射する光により、フォトダイオード１２２に光電荷が蓄積されている。図４に示すタイミングＴ０の部分は、画素駆動パルスの入らない部分であり、実際には１行の走査期間のほとんどの時間を占めている。
そして、図４（Ａ）に示すように、画素に第１シャッタ行が来ると、その画素は、タイミングＴ９でＦＤ部１２４がリセットされ、タイミングＴ１１でフォトダイオード１２２の光電荷がＦＤ部１２４に転送される。その直後のタイミングＴ１２でのポテンシャルは図５（Ａ）に示すようになっている。ここからフォトダイオード１２２への光電荷の蓄積が始まる。
【００４０】
次に、図４（Ｂ）に示すように、第２シャッタ行が来る。その画素のフォトダイオード１２２には、第１シャッタ行からの光電荷が蓄積されている。
タイミングＴ８でアドレスがオンして垂直信号線１３６の電位が第２シャッタ行のＦＤ部１２４の電位に追随するようになり、タイミングＴ９でＦＤ部１２４がリセットされる。
そして、続くタイミングＴ１０では、図５（Ｂ）に示すようなポテンシャル図になっているが、ここで、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６は何も動作を行わない。ここが第１の実施の形態例と異なる部分である（すなわち、第１の実施の形態例では、タイミングＴ１０で垂直信号線１３６の電位をＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６に入力していたが、第２の実施の形態例ではこの動作を行わない）。
この後、タイミングＴ１１では、第１シャッタ行以降にフォトダイオード１２２に蓄積された光電荷をＦＤ部１２４に転送する。
そして、続くタイミングＴ１２では、図５（Ｃ）に示すようなポテンシャル図になるが、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６は何も動作を行わない。ここが第１の実施の形態例と異なる部分である（すなわち、第１の実施の形態例では、タイミングＴ１２で垂直信号線１３６の電位をＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６に入力していたが、第２の実施の形態例ではこの動作を行わない）。
次に、タイミングＴ１３でアドレスがオフする。
【００４１】
次に、図４（Ｃ）に示すように、選択行が来る。画素のフォトダイオード１２２には第２シャッタ行以降の光電荷が蓄積されている。
タイミングＴ１でアドレスがオンして垂直信号線１３６の電位が選択行のＦＤ部１２４の電位に追随するようになる。タイミングＴ２で、この期間のポテンシャルは、フォトダイオード１２２に溜った光電荷で図５（Ｄ）に示すようになっている。この時点で、垂直信号線１３６の電位（第１レベル）をＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６に取り込む。この第１レベルは、図５（Ｄ）のＦＤ部１２４のレベル、すなわち、第１シャッタ行から第２シャッタ行までの間にフォトダイオード１２２に蓄積された光電荷の信号である。
この後、タイミングＴ３でＦＤ部１２４をリセットする。
【００４２】
次に、タイミングＴ４の期間のポテンシャルは、図５（Ｅ）に示すようになり、この時点で、垂直信号線１３６の電位（リセットレベル）をＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６とＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路４に取り込む。
次に、タイミングＴ５で、フォトダイオード１２２からＦＤ部１２４に光電荷を転送する。
次に、タイミングＴ６の期間のポテンシャルは、図５（Ｆ）に示すようになり、この時点で、垂直信号線１３６の電位（第２レベル）をＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路４に取り込む。この第２レベルは、図５（Ｅ）のＦＤ部１２４のレベル、すなわち、第２シャッタ行から選択行までの間にフォトダイオード１２２に蓄積された光電荷の信号である。
【００４３】
ここで、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６は、第１レベルとリセットレベルの差分を取り、保持する。また、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路４は、第２レベルとリセットレベルの差分を取り、保持する。
よって、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６には、第１シャッタ行から第２シャッタ行までの光信号が保持され、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路４には、第２シャッタ行から選択行までの光信号が保持される。
これらの差分信号がそれぞれＨ選択手段１０８、１２によって順番に水平信号線１１６、１４に読み出され、出力部１１８、１６を通して出力される。
このようにして、１フレームのフォトダイオード１２２の信号を任意に３分割し、そのうち２期間の信号を同一行から出力することができる。第１の実施の形態例と異なり、２つの出力信号とも選択行の画素の信号である。したがって、合成に際して遅延素子やメモリを用いることが必要ないという利点がある。
【００４４】
なお、広ダイナミックレンジ化は、第１の実施の形態と同様に実現できるが、第２の実施の形態では、以下のような注意点がある。
まず、第１シャッタ行から第２シャッタ行までの間隔をｍ行とし、第２シャッタ行から選択行までの間隔をｎ行とする。例えば、１フレームを５００行期間で構成した場合、ｍ＋ｎ≦５００の範囲で自由に選べる。
ｍ＝４００、ｎ＝５とすると、出力部１１８からの出力信号（出力１）には４００行分の蓄積時間の信号が出力され、出力部１６からの出力信号（出力２）には５行分の蓄積時間の信号が出力される。よって、出力１は暗いところを鮮明に撮った映像となり、出力２は８０倍低感度な代わりに８０倍明るいところまでダイナミックレンジを広げた映像となる。
２つの出力とも、入射光量に対してリニアな信号であり、その比は、シャッタ行の位置から明確に計算できる。ｍとｎを調節することで、２つの出力の感度は独立に可変できる。これらの信号を合成することにより、広ダイナミックレンジな信号を得ることができる。
【００４５】
なお、上述した第１の実施の形態例では、ｍとｎの大小関係は特に制限がなかったが、この第２の実施の形態例では、以上の例のようにｍ＞ｎとするのが望ましい。なぜなら、第１レベルの方はｎ行の期間、ＦＤ部１２４に保存された光電荷であるが、入射光が強くて、このｎ行の期間にフォトダイオード１２２から光電荷が溢れてくると第１レベルが正確な信号でなくなってしまう。よって、ｎを短く、ｍを長くするのが望ましい。
また、ｎを短く、ｍを長くすることは、次の効果もある。ＦＤ部１２４はコンタクトを落とすことから、フォトダイオード１２２よりも暗電流の値が大きい。第１レベルはｎ行の期間、ＦＤ部１２４に保持される光電荷であるので、その期間にＦＤ部１２４の大きい暗電流が流入する。したがって、ｎを１行や１０行などと短くすると、その影響をほとんど排除することができ、Ｓ／Ｎの悪化がなくなる。また、第２レベルの方は、フォトダイオード１２２からＦＤ部１２４に転送されて、すぐに信号を出力するので、ＦＤ部１２４の暗電流の影響は無視できる。
【００４６】
また、この第２の実施の形態例でも、上述した第１の実施の形態例と同様に、２つの出力信号とも、入射光量に対してリニアな信号であり、その比はシャッタ行の位置から明確に計算できる。２つのシャッタ行の位置を調節することで、２つの出力信号の感度は独立に可変である。これらの出力信号を合成することにより、広ダイナミックレンジの映像信号を得ることができる。
また、第１シャッタ行を単純に使わないようにすることも可能である。その場合は、出力部１１８からの出力信号（出力１）が前の選択行から第２シャッタ行までの光信号となる。その他にも、上記と同じ結果を得るのに駆動パルスのバリエーションは種々採用できるものであり、これに限定されるものではない。
【００４７】
次に、本発明の第３の実施の形態例について説明する。
図６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６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の実施の形態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６では、Ｈ選択手段１０８、１２をまとめて１つのＨ選択手段１６８とし、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６、４や出力部１１８、１６をまとめてＣＤＳ・ＡＧＣ部１６０、１６２とし、その信号を合成する信号合成・Ａ／Ｄ部１６４、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１６６等を表しているが、本質的には図１に示す固体撮像装置３と同様であるため説明は省略する。
【００４８】
また、上述した実施の形態例で説明したＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６、４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７及び図８はＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６、４の具体例を示す回路図である。
図７の例は別々に構成されたＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６、４を画素１２０に接続した状態を示している。各Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６、４は、互いに共通の構成を有しており、共通の符号を用いて説明すると、それぞれトランジスタ５６、５８、コンデンサ６０、６２、ならびに水平選択トランジスタ６４を含んで構成されている。トランジスタ５６のドレインは垂直信号線１３６に、ソースはコンデンサ６０の一端にそれぞれ接続されており、トランジスタ５６のゲートにはタイミングジェネレータ６より第２のサンプリングパルス１５０、１５０’が供給される。
【００４９】
また、トランジスタ５８のドレインはバイアス電圧源Ｖｂに、ソースはコンデンサ６０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６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６０の上記他端とグランドとの間にはコンデンサ６２が接続され、コンデンサ６０の上記他端にはさらに水平選択トランジスタ６４のドレインが接続されている。水平選択トランジスタ６４のソースは水平信号線１１６、１４に接続されており、ゲートにはＨ選択手段１０８、１２より選択パルスが各Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６、４ごとに個別に供給される。
【００５０】
一方、図８は、２つのＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６、４を１つの回路（以下、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６／４という）にまとめて構成した例を示している。
このＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６／４は、差動増幅回路５５Ａ、５５Ｂ、トランジスタ５６Ａ、５６Ｂ、５６Ｃ、コンデンサ６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ、ならびに水平選択トランジスタ６４Ａ、６４Ｂを含んで構成されている。トランジスタ５６、５６Ｂ、５６Ｃ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５６Ａ、５６Ｃのソースは差動増幅回路５５Ａ、５５Ｂの反転入力端子、およびコンデンサ６２Ａ、６２Ｃの一端に接続されており、トランジスタ５６Ａ、５６Ｃのゲートにはタイミングジェネレータ６より第２のサンプリングパルス１５０、１５０’が供給される。
【００５１】
また、トランジスタ５６Ｂのソースは差動増幅回路５５Ａ、５５Ｂの非反転入力端子、およびコンデンサ６２Ｂの一端に接続され、トランジスタ５６Ｂのゲートにはタイミングジェネレータ６より第１のサンプリングパルス１４８が供給される。
差動増幅回路５５Ａ、５５Ｂの出力端子は、水平選択トランジスタ６４Ａ、６４Ｂのドレインに接続され、水平選択トランジスタ６４Ａ、６４Ｂのソースは水平信号線１１６、１４に接続されており、ゲートにはＨ選択手段１０８、１２より選択パルスが各水平選択トランジスタ６４Ａ、６４Ｂごとに供給される（図８では１本の信号線で示している）。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
以上説明した、本発明の実施の形態例は、上述した先行出願（特願２００１−２０１６０１号、特願２００１−２７６５２９号、特願２００１−２９６４５７号）に示す構成に対して、固体撮像装置の構成や２つの信号を出力することは類似しているが、フォトダイオードから溢れた電荷を使わないという点で相違している。すなわち、光電荷の蓄積期間中にＦＤ部に入る光電荷は利用せず、フォトダイオードに蓄積された光電荷のみをＦＤ部に転送して利用しており、これは本質的な相違点である。
そして、一方の信号のもう一方の信号に対する感度比はｍとｎの設定によって明確に求まる。また、ｎを小さくとれば、ＦＤ部に光電荷が保存される時間がわずかであり、この結果、ＦＤ部の暗電流の影響でＳ／Ｎが悪化することもほとんどない。このような点で、上述した先行出願と全く異なる特徴を有するものである。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の固体撮像装置によれば、垂直選択手段によって２つの画素行を選択し、この２つの画素行の各画素の信号を独立して信号処理手段によって読み出すことから、上述した先行出願のように光電変換素子から溢れた信号を用いることなく、２つの期間の入射光量に対してリニアな画素信号を得ることができ、この画素信号から広ダイナミックレンジ撮像用の信号を得ることが可能となり、また、特別な回路の追加を施すことなく実現できる。
したがって、さまざまな撮影条件に柔軟に対応して広ダイナミックレンジの撮影を高精度に行うことができ、かつ小型、低コスト、高性能の固体撮像装置を提供するが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１、第２の実施の形態例におけ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のＦＤ電子シャッター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２の実施の形態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３の実施の形態例における固体撮像装置の全体を示す構成図である。
【図７】Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路の一例を示す回路図である。
【図８】Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路の他の例を示す回路図である。
【図９】従来の固体撮像装置を示す構成図である。
【図１０】図９の固体撮像装置を構成する１つの画素周辺を示す回路図である。
【図１１】図１０に示した回路の動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
２、３４……固体撮像装置、４、１４６……Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路、６……タイミングジェネレータ、７……Ｖ選択手段、１０、１１２……Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ部、１２、１０８……Ｈ選択手段、１４、１１６……水平信号線、１６、１１８……出力部、１０４……画素部、２２……選択行、２３……第１シャッタ行、２４……第２シャッタ行、１２０……画素、１３６……垂直信号線。
【図１】
0004135360.tif 000002
【図２】
0004135360.tif 000003
【図３】
0004135360.tif 000004
【図４】
0004135360.tif 000005
【図５】
0004135360.tif 000006
【図６】
0004135360.tif 000007
【図７】
0004135360.tif 000008
【図８】
0004135360.tif 000009
【図９】
0004135360.tif 000010
【図１０】
0004135360.tif 000011
【図１１】
0004135360.tif 000012