(57)【要約】【課題】ダイナミックレンジが広く、かつＳＮ比が大きな固体撮像装置を提供する。【解決手段】画素９０は、入射光の強度に応じて電荷を生成するフォトダイオード（１）と、フォトダイオード（１）により露光期間Ｔ１に生成された電荷量に応じて第１の電圧レベルを生成するとともにフォトダイオード１により露光期間Ｔ２に生成された電荷量に応じて第２の電圧レベルを生成する信号生成部（２、４、６、７）と、信号生成部（２、４、６、７）により生成された第１及び第２の電圧レベルを合成する信号合成部（Ｍ１〜Ｍｎ、９、１１、１３、１４）と、信号合成部により合成される第１及び第２の電圧信号の信号レベルがフォトダイオード（１）の最大蓄積量に相当する信号レベルを超えないように信号レベルを制限するレベル制限部（７０）とを含む。【選択図】図２
2009004834.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素を備えた固体撮像装置であって、
各画素は、
入射光の強度に応じて電荷を生成するフォトダイオードと、
１フレーム期間に、前記フォトダイオードにより第１の露光期間に生成された電荷量に応じて第１の電圧信号を生成するとともに、前記フォトダイオードにより前記第１の露光期間と長さが異なる第２の露光期間に生成された電荷量に応じて第２の電圧信号を生成する信号生成部と、
前記信号生成部により生成された第１及び第２の電圧信号を合成する信号合成部と、
前記入射光の強度が前記フォトダイオードの最大蓄積量を超えて電荷を生じさせる強度である場合に、前記信号合成部により合成される第１及び第２の電圧信号の信号レベルが前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルを超えないように信号レベルを制限するレベル制限部とを含むこと
を特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記第１及び第２の電圧信号は、信号経路を通じて前記信号生成部から前記信号合成部まで伝達され、
前記レベル制限部は、
前記信号経路に現れる信号レベルが前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルと同じ又はそれよりも小さな参照レベルを超えたとき、前記信号経路を、前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルと同じ又はそれよりも小さな基準レベルの基準電源に接続すること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記レベル制限部は、
前記信号経路に現れる信号レベルと前記参照レベルとを比較する比較回路と、
前記信号経路と前記基準電源とを結ぶ経路に挿設されたスイッチ素子とを含み、
前記スイッチ素子は、前記比較回路による比較結果が前記信号経路に現れる信号レベルが前記参照レベルを超えていることを示すときにオン状態になり、前記比較回路による比較結果が前記信号経路に現れる信号レベルが前記参照レベルを超えていないことを示すときにオフ状態になること
を特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記参照レベル及び前記基準レベルは等しく、
前記レベル制限部は、
前記信号経路と前記基準電源とを結ぶ経路に挿設されたダイオード素子を含み、
前記ダイオード素子は、前記信号経路に現れる信号レベルが前記基準レベルを超えているときだけ前記信号経路から前記基準電源への向きの電流を流すこと
を特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記信号合成部は、前記第１の電圧信号を保持する第１のキャパシタと前記第２の電圧信号を保持する第２のキャパシタとを含み、
前記第１の電圧信号は、第１の信号経路を通じて前記信号生成部から前記第１のキャパシタまで伝達され、
前記第２の電圧信号は、第２の信号経路を通じて前記信号生成部から前記第２のキャパシタまで伝達され、
前記レベル制限部は、
前記第１の信号経路に現れる信号レベルが前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルと同じ又はそれよりも小さな第１の参照レベルを超えたとき、前記第１の信号経路を、前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルと同じ又はそれよりも小さな第１の基準レベルの第１の基準電源に接続し、
前記第２の信号経路に現れる信号レベルが前記前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルと同じ又はそれよりも小さな、前記第１の参照レベルと異なる第２の参照レベルを超えたとき、前記第２の信号経路を、前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルと同じ又はそれよりも小さな、前記第１の基準レベルと異なる第２の基準レベルの第２の基準電源に接続すること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記信号生成部は、前記フォトダイオードとフローティングディフュージョンとを結ぶ信号経路に挿設された転送トランジスタを含んでおり、
前記レベル制限部は、
前記フォトダイオードにより生成された電荷を排出するオーバーフロードレインを含み、
前記オーバーフロードレインのバリアは、前記転送トランジスタがオフ状態のときのバリアよりも低いこと
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記信号生成部は、
電源の第１極と出力ノードとを結ぶ経路に挿設された、前記フォトダイオードにより生成された電荷量に応じた電流を生成する電流源と、
前記出力ノードと前記電源の第２極とを結ぶ経路に挿設された負荷抵抗とを含み、    
前記レベル制限部は、
前記出力ノードから出力された信号レベルと、前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルと同じ又はそれよりも小さな参照レベルとを比較する比較回路と、
前記出力ノードと前記電源の第２極とを結ぶ経路に挿設されたスイッチ素子とを含み、
前記スイッチ素子は、前記比較回路による比較結果が前記出力ノードから出力された信号レベルが前記参照レベルを超えていることを示すときにオフ状態になり、前記比較回路による比較結果が前記出力ノードから出力された信号レベルが前記参照レベルを超えていないことを示すときにオン状態になること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
固体撮像装置を備えたカメラであって、
前記固体撮像装置は、複数の画素を備え、
各画素は、
入射光の強度に応じて電荷を生成するフォトダイオードと、
１フレーム期間に、前記フォトダイオードにより第１の露光期間に生成された電荷量に応じて第１の電圧信号を生成するとともに、前記フォトダイオードにより前記第１の露光期間と長さが異なる第２の露光期間に生成された電荷量に応じて第２の電圧信号を生成する信号生成部と、
前記信号生成部により生成された第１及び第２の電圧信号を合成する信号合成部と、
前記入射光の強度が前記フォトダイオードの最大蓄積量を超えて電荷を生じさせる強度である場合に、前記信号合成部により合成される第１及び第２の電圧信号の信号レベルが前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルを超えないように信号レベルを制限するレベル制限部とを含むこと
を特徴とするカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルカメラ等に用いられる固体撮像装置に関し、特に、ダイナミックレンジを広げる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の固体撮像装置のダイナミックレンジは、６０ｄＢから８０ｄＢ程度であり、肉眼や銀塩フィルムに匹敵する１００ｄＢから１２０ｄＢ程度、あるいは車載カメラや監視カメラ等の用途によってはそれ以上のレベルにまで向上させることが望まれている。そこで特許文献１は、露光期間の長さを異ならせて複数のフレームを撮像し、撮像された複数のフレームを合成する技術を開示している。ひとつのフレームで撮影可能な輝度域は、露光期間の長さに応じて変化する。特許文献１の技術では、撮影可能な輝度域が異なる複数のフレームを合成することにより、ダイナミックレンジを広げることができる。
【特許文献１】特開2004-15298号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１の技術では、複数のフレームを記憶するためのフレームメモリや複数のフレームを合成するための信号合成部を固体撮像装置の外部に設けることとしているため、チップ面積や消費電力が増大してしまうという問題がある。また、ひとつのフレームを作成するために複数フレームの画素信号を固体撮像装置から読み出す必要があるため、読み出し速度に余裕がなければフレームレートが低減してしまうという問題もある。
【０００４】
また長時間露光の信号レベルと短時間露光の信号レベルとを単に合成することとすると、入射光の強度がフォトダイオードの最大蓄積量を超えて電荷を生じさせるような強度である場合に、過剰に生成された電荷の影響により長時間露光の信号レベルが押し上げられることがある。このような場合、合成後の信号レベルにおける短時間露光の信号レベルの寄与率が相対的に低下し、合成後の信号レベルのＳＮ比が低下するという問題が生じる。
【０００５】
そこで本発明は、上記問題の発生を最小限に抑えつつダイナミックレンジを広げることができる固体撮像装置及びカメラを提供することを第１の目的とする。
さらに本発明は、入射光の強度がフォトダイオードの最大蓄積量を超えて電荷を生じさせる強度である場合でも、ＳＮ比の低下を抑制することができる固体撮像装置及びカメラを提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る固体撮像装置は、複数の画素を備えた固体撮像装置であって、各画素は、入射光の強度に応じて電荷を生成するフォトダイオードと、１フレーム期間に、前記フォトダイオードにより第１の露光期間に生成された電荷量に応じて第１の電圧信号を生成するとともに、前記フォトダイオードにより前記第１の露光期間と長さが異なる第２の露光期間に生成された電荷量に応じて第２の電圧信号を生成する信号生成部と、前記信号生成部により生成された第１及び第２の電圧信号を合成する信号合成部と、前記入射光の強度が前記フォトダイオードの最大蓄積量を超えて電荷を生じさせる強度である場合に、前記信号合成部により合成される第１及び第２の電圧信号の信号レベルが前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルを超えないように信号レベルを制限するレベル制限部とを含む。
【０００７】
本発明に係るカメラは、固体撮像装置を備えたカメラであって、前記固体撮像装置は、複数の画素を備え、各画素は、入射光の強度に応じて電荷を生成するフォトダイオードと、１フレーム期間に、前記フォトダイオードにより第１の露光期間に生成された電荷量に応じて第１の電圧信号を生成するとともに、前記フォトダイオードにより前記第１の露光期間と長さが異なる第２の露光期間に生成された電荷量に応じて第２の電圧信号を生成する信号生成部と、前記信号生成部により生成された第１及び第２の電圧信号を合成する信号合成部と、前記入射光の強度が前記フォトダイオードの最大蓄積量を超えて電荷を生じさせる強度である場合に、前記信号合成部により合成される第１及び第２の電圧信号の信号レベルが前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルを超えないように信号レベルを制限するレベル制限部とを含む。
【発明の効果】
【０００８】
上記構成によれば、第１の画素信号及び第２の画素信号を合成するので、ダイナミックレンジを広げることができる。また第１の画素信号及び第２の画素信号は、画素で合成されるので、固体撮像装置の外部にフレームメモリや信号合成部を設ける必要がない。さらに合成後の画素信号が読み出されることになるので、フレームレートの低減を抑制することができる。
【０００９】
さらに上記構成によれば、入射光の強度がフォトダイオードの最大蓄積量を超えて電荷を生じさせる強度である場合でも、第１及び第２の電圧信号の信号レベルはフォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルを超えないように信号レベルが制限される。したがって合成後の信号レベルにおける短時間露光の信号レベルの寄与率の低下を抑制することができ、その結果、合成後の信号レベルのＳＮ比の低下を抑制することができる。
【００１０】
また、前記第１及び第２の電圧信号は、信号経路を通じて前記信号生成部から前記信号合成部まで伝達され、前記レベル制限部は、前記信号経路に現れる信号レベルが前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルと同じ又はそれよりも小さな参照レベルを超えたとき、前記信号経路を、前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルと同じ又はそれよりも小さな基準レベルの基準電源に接続することとしてもよい。
【００１１】
上記構成によれば、信号経路に参照レベルを超えた信号レベルが現れたとしても、信号経路と基準電源とが接続されるので、結果的に信号経路には基準レベルが現れる。したがって、第１及び第２の電圧信号の信号レベルが基準レベルを超えないようにすることができる。
また、前記レベル制限部は、前記信号経路に現れる信号レベルと前記参照レベルとを比較する比較回路と、前記信号経路と前記基準電源とを結ぶ経路に挿設されたスイッチ素子とを含み、前記スイッチ素子は、前記比較回路による比較結果が前記信号経路に現れる信号レベルが前記参照レベルを超えていることを示すときにオン状態になり、前記比較回路による比較結果が前記信号経路に現れる信号レベルが前記参照レベルを超えていないことを示すときにオフ状態になることとしてもよい。
【００１２】
上記構成により、比較的高い精度で信号レベルの制限を実施することができる。  また、前記参照レベル及び前記基準レベルは等しく、前記レベル制限部は、前記信号経路と前記基準電源とを結ぶ経路に挿設されたダイオード素子を含み、前記ダイオード素子は、前記信号経路に現れる信号レベルが前記基準レベルを超えているときだけ前記信号経路から前記基準電源への向きの電流を流すこととしてもよい。
【００１３】
上記構成により、比較的簡単な構成で信号レベルの制限を実施することができる。
また、前記信号合成部は、前記第１の電圧信号を保持する第１のキャパシタと前記第２の電圧信号を保持する第２のキャパシタとを含み、前記第１の電圧信号は、第１の信号経路を通じて前記信号生成部から前記第１のキャパシタまで伝達され、前記第２の電圧信号は、第２の信号経路を通じて前記信号生成部から前記第２のキャパシタまで伝達され、前記レベル制限部は、前記第１の信号経路に現れる信号レベルが前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルと同じ又はそれよりも小さな第１の参照レベルを超えたとき、前記第１の信号経路を、前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルと同じ又はそれよりも小さな第１の基準レベルの第１の基準電源に接続し、前記第２の信号経路に現れる信号レベルが前記前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルと同じ又はそれよりも小さな、前記第１の参照レベルと異なる第２の参照レベルを超えたとき、前記第２の信号経路を、前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルと同じ又はそれよりも小さな、前記第１の基準レベルと異なる第２の基準レベルの第２の基準電源に接続することとしてもよい。
【００１４】
上記構成により、第１の電圧信号の信号レベルの制限と第２の電圧信号の信号レベルの制限とを個々に設定することができる。
また、前記信号生成部は、前記フォトダイオードとフローティングディフュージョンとを結ぶ信号経路に挿設された転送トランジスタを含んでおり、前記レベル制限部は、前記フォトダイオードにより生成された電荷を排出するオーバーフロードレインを含み、前記オーバーフロードレインのバリアは、前記転送トランジスタがオフ状態のときのバリアよりも低いこととしてもよい。
【００１５】
上記構成によれば、フォトダイオードの最大蓄積量を超えて電荷が生じたとしても、過剰な電荷はオーバーフロードレインにより排出される。したがって第１及び第２の電圧信号の信号レベルがオーバーフロードレインのバリアの高さにより定まるレベルを超えないようにすることができる。
また、前記信号生成部は、電源の第１極と出力ノードとを結ぶ経路に挿設された、前記フォトダイオードにより生成された電荷量に応じた電流を生成する電流源と、前記出力ノードと前記電源の第２極とを結ぶ経路に挿設された負荷抵抗とを含み、前記レベル制限部は、前記出力ノードから出力された信号レベルと、前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルと同じ又はそれよりも小さな参照レベルとを比較する比較回路と、前記出力ノードと前記電源の第２極とを結ぶ経路に挿設されたスイッチ素子とを含み、前記スイッチ素子は、前記比較回路による比較結果が前記出力ノードから出力された信号レベルが前記参照レベルを超えていることを示すときにオフ状態になり、前記比較回路による比較結果が前記出力ノードから出力された信号レベルが前記参照レベルを超えていないことを示すときにオン状態になることとしてもよい。
【００１６】
上記構成によれば、出力ノードから出力された信号レベルが参照レベルを超えれば、スイッチ素子がオフ状態になる。そのため出力ノードの信号レベルが参照レベルを超えなくなるように変化していく。出力ノードの信号レベルが参照レベルを超えなくなれば、スイッチ素子がオン状態になる。このような動作を繰り返すことにより、第１及び第２の電圧信号の信号レベルが参照レベルを超えないようにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るＭＯＳ型固体撮像装置１００の構成を示す機能ブロック図である。
図１に示すように、本実施の形態に係るＭＯＳ型固体撮像装置１００では、マトリクス状に（Ｌ×Ｍ）の撮像画素９０（１１）〜９０（ＬＭ）が設けられている。各撮像画素はＭＯＳトランジスタ９１（１１）〜９１（ＬＭ）を介して共通垂直信号線９２（１）〜９２（Ｌ）にそれぞれ接続されている。
【００１８】
共通垂直信号線９２（１）〜９２（Ｌ）は、それぞれノイズキャンセル回路９３（１）〜９３（Ｌ）及びＭＯＳトランジスタ９４（１）〜９４（Ｌ）を介して共通信号線９５に接続されている。
また、ＭＯＳ型固体撮像装置１００においては、マトリクス状に配された（Ｌ×Ｍ）の撮像画素９０（１１）〜９０（ＬＭ）の周辺部分に垂直走査回路９６および水平走査回路９８が設けられている。この内、垂直走査回路９６からは、Ｘ軸方向に延伸する信号出力線９７（１）〜９７（Ｍ）が延出されている。信号出力線９７（１）〜９７（Ｍ）は、ＭＯＳトランジスタ９１（１１）〜９１（ＬＭ）のゲートに接続されている。
【００１９】
一方、水平走査回路９８からは、Ｙ軸方向に延伸する信号出力線９９（１）〜９９（Ｌ）が延出されている。信号出力線９９（１）〜９９（Ｌ）は、ＭＯＳトランジスタ９４（１）〜９４（Ｌ）のゲートに接続されている。
図２は、本発明の実施の形態１に係る撮像画素９０の構成を示す図である。
撮像画素９０は、フォトダイオード１、信号生成部、信号合成部及びレベル制限部７０を備えている。
【００２０】
信号生成部は、ＭＯＳトランジスタ２、４、６、７及びフローティングディフュージョンＦを含む。ＭＯＳトランジスタ２は、フォトダイオード１とフローティングディフュージョンＦとを結ぶ経路に挿設されている。ＭＯＳトランジスタ４は、フローティングディフュージョンＦと基準電圧電源とを結ぶ経路に挿設されている。ＭＯＳトランジスタ６、７は、ソースフォロワを構成している。ＭＯＳトランジスタ６のゲートにはフローティングディフュージョンＦの電圧ＶＦが供給され、ＭＯＳトランジスタ６のドレインには電源電圧ＶＤＤが供給されている。ＭＯＳトランジスタ７のゲートにはバイアス電圧が供給されており、ＭＯＳトランジスタ７のソースにはグラウンド電圧が供給されている。ＭＯＳトランジスタ６、７により構成されるソースフォロワは、フローティングディフュージョンＦの電圧ＶＦにゲインを乗じて得られる電圧信号を出力する。
【００２１】
信号合成部は、ＭＯＳトランジスタ９、１１、１３、１４及びメモリＭ１〜Ｍｎ、信号合成用のキャパシタＣ０を含む。ＭＯＳトランジスタ９は、ＭＯＳトランジスタ７のドレインとＭ点とを結ぶ経路に挿設されている。ＭＯＳトランジスタ１１は、Ｍ点と基準電圧電源とを結ぶ経路に挿設されている。ＭＯＳトランジスタ１３、１４は、ソースフォロワを構成している。ＭＯＳトランジスタ１３のドレインには電源電圧ＶＤＤが供給され、ＭＯＳトランジスタ１３のゲートにはＭ点の電圧ＶＭが供給される。ＭＯＳトランジスタ１４のゲートにはバイアス電圧が供給されており、ＭＯＳトランジスタ１４のソースにはグラウンド電圧が供給されている。ＭＯＳトランジスタ１３、１４により構成されるソースフォロワは、Ｍ点の電圧ＶＭにゲインを乗じて得られる電圧Ｖ１６を出力する。メモリＭ１は、キャパシタ１９（１）とＭＯＳトランジスタ１７（１）とを含む。ＭＯＳトランジスタ１７（１）は、キャパシタ１９（１）とＭ点とを結ぶ経路に挿設されている。メモリＭ２〜Ｍｎは、メモリＭ１と同様の構成を有しており、キャパシタ１９（１）〜１９（ｎ）の容量は同一である。信号合成用のキャパシタＣ０は、浮遊容量である。
【００２２】
レベル制限部７０は、比較回路７１及びＭＯＳトランジスタ７２を含む。比較回路７１は、Ｍ点の電圧ＶＭと参照電圧ＶＲＥＦとを比較する。ＭＯＳトランジスタ７２はＭ点と参照電圧電源とを結ぶ経路に挿設されている。ＭＯＳトランジスタ７２のゲートには比較回路７１の出力信号が供給されている。ＭＯＳトランジスタ７２は、比較回路７１の出力信号が、電圧ＶＭが参照電圧ＶＲＥＦよりも低いことを示すときにオン状態になり、比較回路７１の出力信号が、電圧ＶＭが参照電圧ＶＲＥＦ以上であることを示すときにオフ状態になる。ＭＯＳトランジスタ７２がオン状態になればＭ点の電圧ＶＭは参照電圧ＶＲＥＦに固定されるので、Ｍ点の電圧ＶＭは参照電圧ＶＲＥＦよりも低下することがない。このようにレベル制限部７０は、Ｍ点の電圧ＶＭの下限を規定することができる。参照電圧ＶＲＥＦをフォトダイオード１の最大蓄積量に相当するレベルに設定することにより、Ｍ点の電圧ＶＭがフォトダイオード１の最大蓄積量に相当するレベルを超えて低下することを防止することができる。
【００２３】
図３は、本発明の実施の形態１に係る撮像画素９０を駆動するための駆動信号及び、当該駆動信号により撮像画素９０を駆動したときに撮像画素９０の各部に現れる電圧信号を示すタイミング図である。
図３において期間Ａは読出時の電圧信号をメモリに保持させる期間、期間Ｂはメモリに保持させた読出時の電圧信号を出力する期間、期間Ｃはリセット時の電圧信号をメモリに保持させる期間、期間Ｄはメモリに保持させたリセット時の電圧信号を出力する期間である。
【００２４】
駆動信号Ｓ１０はＭＯＳトランジスタ９のゲート１０に供給される信号、駆動信号Ｓ１２はＭＯＳトランジスタ１１のゲート１２に供給される信号、駆動信号Ｓ５はＭＯＳトランジスタ４のゲート５に供給される信号、駆動信号Ｓ３はＭＯＳトランジスタ２のゲート３に供給される信号、駆動信号Ｓ１８（１）はＭＯＳトランジスタ１７（１）のゲート１８（１）に供給される信号、駆動信号Ｓ１８（２）はＭＯＳトランジスタ１７（２）のゲート１８（２）に供給される信号、駆動信号Ｓ１８（３）はＭＯＳトランジスタ１７（３）のゲート１８（３）に供給される信号である。
【００２５】
電圧信号ＶＦはフローティングディフュージョンＦに現れる信号、電圧信号Ｖ１９（１）はキャパシタ１９（１）に現れる信号、電圧信号Ｖ１９（２）はキャパシタ１９（２）に現れる信号、電圧信号Ｖ１９（３）はキャパシタ１９（３）に現れる信号、電圧信号ＶＭはＭ点に現れる信号、電圧信号Ｖ１６はＭＯＳトランジスタ１３、１４により構成されるソースフォロワの出力ノードに現れる信号である。
【００２６】
時刻ｔ２でＭＯＳトランジスタ２はオフ状態のまま、ＭＯＳトランジスタ４が所定期間だけオン状態になる。これによりフローティングディフュージョンＦの電圧ＶＦは基準レベルＶＲになる。
時刻ｔ３から時刻ｔ４まで、ＭＯＳトランジスタ４はオフ状態のまま、ＭＯＳトランジスタ２がオン状態になる。そうすると露光期間Ｔ１にフォトダイオード１で生成された電荷がフローティングディフュージョンＦに転送される。これによりフローティングディフュージョンＦの電圧ＶＦは、基準レベルＶＲから露光期間Ｔ１に生成された電荷量に応じた分だけ低下し、読出レベルＶＦ１になる。このとき、ＭＯＳトランジスタ１１、１７（２）、１７（３）はオフ状態、ＭＯＳトランジスタ９、１７（１）はオン状態である。そのためＭ点の電圧ＶＭは、読出レベルＶＦ１にソースフォロワのゲインを乗じて得られるレベルＶＭ１になり、キャパシタ１９（１）の電圧Ｖ１９（１）は、レベルＶＭ１と略同じレベルＶ１９（１）１になる。時刻ｔ４を過ぎてＭＯＳトランジスタ１７（１）がオフ状態になれば、キャパシタ１９（１）にレベルＶ１９（１）１が保持される。
【００２７】
次に時刻ｔ５でＭＯＳトランジスタ２はオフ状態のまま、ＭＯＳトランジスタ４が所定期間だけオン状態になる。これによりフローティングディフュージョンＦの電圧ＶＦは基準レベルＶＲになる。
時刻ｔ６から時刻ｔ７まで、ＭＯＳトランジスタ４はオフ状態のまま、ＭＯＳトランジスタ２がオン状態になる。そうすると露光期間Ｔ２にフォトダイオード１で生成された電荷がフローティングディフュージョンＦに転送される。これによりフローティングディフュージョンＦの電圧ＶＦは、基準レベルＶＲから露光期間Ｔ２に生成された電荷量に応じた分だけ低下し、読出レベルＶＦ２になる。このとき、ＭＯＳトランジスタ１１、１７（１）、１７（３）はオフ状態、ＭＯＳトランジスタ９、１７（２）はオン状態である。そのためＭ点の電圧ＶＭは、読出レベルＶＦ２にソースフォロワのゲインを乗じて得られるレベルＶＭ２になり、キャパシタ１９（２）の電圧Ｖ１９（２）は、レベルＶＭ２と略同じレベルＶ１９（２）１になる。時刻ｔ７を過ぎてＭＯＳトランジスタ１７（２）がオフ状態になれば、キャパシタ１９（２）にレベルＶ１９（２）１が保持される。
【００２８】
次に時刻ｔ８でＭＯＳトランジスタ２はオフ状態のまま、ＭＯＳトランジスタ４が所定期間だけオン状態になる。これによりフローティングディフュージョンＦの電圧ＶＦは基準レベルＶＲになる。
時刻ｔ９から時刻ｔ１０まで、ＭＯＳトランジスタ４はオフ状態のまま、ＭＯＳトランジスタ２がオン状態になる。そうすると露光期間Ｔ３にフォトダイオード１で生成された電荷がフローティングディフュージョンＦに転送される。これによりフローティングディフュージョンＦの電圧ＶＦは、基準レベルＶＲから露光期間Ｔ３に生成された電荷量に応じた分だけ低下し、読出レベルＶＦ３になる。このとき、ＭＯＳトランジスタ１１、１７（１）、１７（２）はオフ状態、ＭＯＳトランジスタ９、１７（３）はオン状態である。そのためＭ点の電圧ＶＭは、読出レベルＶＦ３にソースフォロワのゲインを乗じて得られるレベルＶＭ３になり、キャパシタ１９（３）の電圧Ｖ１９（３）は、レベルＶＭ２と略同じレベルＶ１９（３）１になる。時刻ｔ１０を過ぎてＭＯＳトランジスタ１７（３）がオフ状態になれば、キャパシタ１９（３）にレベルＶ１９（３）１が保持される。
【００２９】
次に時刻ｔ１２でＭＯＳトランジスタ９はオフ状態のまま、ＭＯＳトランジスタ１１が所定期間だけオン状態になる。これによりＭ点の電圧ＶＭは基準レベルＶＢになる。
時刻ｔ１３から時刻ｔ１４まで、ＭＯＳトランジスタ９、１１はオフ状態のまま、ＭＯＳトランジスタ１７（１）、１７（２）、１７（３）がオン状態になる。このときキャパシタ１９（１）、１９（２）、１９（３）、Ｃ０が並列に接続されることになる。この結果、Ｍ点の電圧ＶＭは、レベルＶ１９（１）１、Ｖ１９（２）１、Ｖ１９（３）１、ＶＢの平均電圧ＶＭ４になる。
【００３０】
次に時刻ｔ１６から時刻ｔ１７まで、ＭＯＳトランジスタ２はオフ状態のまま、ＭＯＳトランジスタ４がオン状態になる。そのためフローティングディフュージョンＦの電圧ＶＦは基準レベルＶＲになる。またこのとき、ＭＯＳトランジスタ１１はオフ状態であり、ＭＯＳトランジスタ９、１７（１）、１７（２）、１７（３）がオン状態である。そのためＭ点の電圧ＶＭは、基準レベルＶＲにソースフォロワのゲインを乗じて得られるレベルＶＭ５になり、キャパシタ１９（１）の電圧Ｖ１９（１）、キャパシタ１９（２）の電圧Ｖ１９（２）、キャパシタ１９の電圧Ｖ１９（３）は、いずれもレベルＶＭ５と略同じレベルＶ１９（１）３、Ｖ１９（２）３、Ｖ１９（３）３になる。時刻ｔ１７を過ぎてＭＯＳトランジスタ１７（１）、１７（２）、１７（３）がオフ状態になれば、キャパシタ１９（１）、１９（２）、１９（３）にそれぞれレベルＶ１９（１）３、Ｖ１９（２）３、Ｖ１９（３）３が保持される。
【００３１】
次に時刻ｔ１９でＭＯＳトランジスタ９はオフ状態のまま、ＭＯＳトランジスタ１１が所定期間だけオン状態になる。これによりＭ点の電圧ＶＭは基準レベルＶＢになる。
時刻ｔ２０から時刻ｔ２１まで、ＭＯＳトランジスタ９、１１はオフ状態のまま、ＭＯＳトランジスタ１７（１）、１７（２）、１７（３）がオン状態になる。このときキャパシタ１９（１）、１９（２）、１９（３）、Ｃ０が並列に接続されることになる。この結果、Ｍ点の電圧ＶＭは、レベルＶ１９（１）３、Ｖ１９（２）３、Ｖ１９（３）３、ＶＢの平均電圧ＶＭ６になる。
【００３２】
ＭＯＳトランジスタ１３、１４により構成されるソースフォロワは、Ｍ点の電圧ＶＭにゲインを乗じて得られる電圧Ｖ１６を出力する。電圧Ｖ１６は、時刻ｔ１６及び時刻ｔ２１にノイズキャンセル回路９３によりサンプリングされる。ノイズキャンセル回路９３は、時刻ｔ１６におけるレベルＶ１６１と時刻ｔ２１におけるレベルＶ１６２との差分を画素信号として得る。
【００３３】
図４は、本発明の実施の形態１に係るレベル制限部７０が存在する場合と存在しない場合との比較を説明するための図である。
図４（ａ）は、レベル制限部７０が存在する場合におけるフローティングディフュージョンＦの電圧ＶＦと、Ｍ点の電圧ＶＭとを示している。
入射光の強度がフォトダイオード１の最大蓄積量を超えて電荷を生じさせる強度であれば、ＭＯＳトランジスタ２がオフ状態であってもＭＯＳトランジスタ２のチャネルに形成されるバリアを超えてフォトダイオード１からフローティングディフュージョンＦに電荷が漏れ出すことがある。このような場合、フローティングディフュージョンの電圧ＶＦは、基準レベルＶＲから漏れ電荷の分ΔＶ１だけ低下することになる。またＭ点の電圧ＶＭは、基準レベルＶＲにソースフォロワのゲインを乗じて得られるレベルＶＭＲから漏れ電荷の分ΔＶ１に応じたレベルΔＶ２だけ低下することになる。
【００３４】
時刻ｔ３から時刻ｔ４まで、ＭＯＳトランジスタ２がオン状態になり、露光期間Ｔ１にフォトダイオード１で生成された電荷（フォトダイオード１の最大蓄積量と同量の電荷）がフローティングディフュージョンＦに転送される。このとき漏れ電荷がなければ電圧ＶＦは基準レベルＶＲからフォトダイオード１の最大蓄積量に相当する分だけ低下してレベルＶＦＳになるが、漏れ電荷があるので電圧ＶＦはレベルＶＦＳよりも漏れ電荷の分ΔＶ１だけ低くなる（ＶＦ１）。一方、電圧ＶＭは、たとえ漏れ電荷があったとしてもレベル制限部７０の存在により、レベルＶＦＳにソースフォロワのゲインを乗じて得られるレベルＶＭＳ（参照レベルＶＲＥＦ）より低下することがない。したがってメモリ１にはフォトダイオード１の最大蓄積量に相当するレベルである参照レベルＶＲＥＦが保持される（ＶＭ１）。
【００３５】
図４（ｂ）は、レベル制限部７０が存在しない場合におけるフローティングディフュージョンＦの電圧ＶＦと、Ｍ点の電圧ＶＭとを示している。
レベル制限部７０が存在しない場合、電圧ＶＭは、漏れ電荷があれば、レベルＶＭＳから漏れ電荷の分ΔＶ２だけ低下する。したがってメモリ１にはフォトダイオード１の最大蓄積量に相当するレベルを超えて低下したレベルが保持されてしまう（ＶＭ１）。
【００３６】
図５は、本発明の実施の形態１に係る撮像画素９０の蓄積電荷と露光時間との関係を示す図である。
撮像画素９０の蓄積電荷の上限ｄは、フォトダイオード１の最大蓄積量により定まる。直線ａの傾きは、露光期間Ｔ１で電荷が飽和しない光強度の上限を示す。同様に、直線ｂ、ｃの傾きは、露光期間Ｔ２、Ｔ３で電荷が飽和しない光強度の上限を示す。このように、露光期間が短いほど、光強度が強くても電荷が飽和しにくくなる。
【００３７】
図６は、本発明の実施の形態１に係る撮像画素９０の信号レベル（合成前）と光強度との関係を示す図である。
撮像画素９０の信号レベルの上限ｈは、参照電圧ＶＲＥＦである。ここでは参照電圧ＶＲＥＦは、フォトダイオード１の最大蓄積量に相当するレベルに設定されている。直線ｅは、露光期間Ｔ１の場合の光強度に対する信号レベルを示す。同様に、直線ｆ、ｇは、露光期間Ｔ２、Ｔ３の場合の光強度に対する信号レベルを示す。このように、露光期間が短いほど、光強度が強くても信号レベルが飽和しにくくなる。なお、破線ｐ、ｑは、レベル制限部７０が存在しない場合の露光期間Ｔ１、Ｔ２の信号レベルを示す。レベル制限部７０が存在しない場合、漏れ電荷の影響により、フォトダイオード１の最大蓄積量に相当するレベル（上限ｈ）を超える信号レベルが現れてしまう。
【００３８】
図７は、本発明の実施の形態１に係る撮像画素９０の信号レベル（合成後）と光強度との関係を示す図である。
曲線ｉは、露光期間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の信号レベルを合成した場合の光強度に対する信号レベルを示す。このように、露光期間が異なる信号レベルを合成することにより、光強度が弱くてもある程度の信号レベルを確保しつつ光強度が強くても信号レベルの飽和を防止することができる。これはダイナミックレンジが広くなることを意味する。なお実施の形態１では、キャパシタ１９（１）〜１９（ｎ）の容量は同一である。そのため、合成後の信号レベルにおける露光期間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の信号レベルの寄与率はいずれも等しくなる。破線ｒは、レベル制限部７０が存在しない場合における、露光期間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の信号レベルを合成した場合の光強度に対する信号レベルを示す。レベル制限部７０が存在しない場合、露光期間Ｔ１、Ｔ２の信号レベルは漏れ電荷の影響により寄与率が上昇し、相対的に露光期間Ｔ３の信号レベルの寄与率が低下してしまう。このようにレベル制限部７０が存在する場合は、レベル制限部７０が存在しない場合よりも露光期間Ｔ３の寄与率が高くなり、その結果ＳＮ比が高くなる。
【００３９】
図８は、本発明の実施の形態１に係るカメラの構成を示す図である。
カメラは、撮像チップ１０２、信号処理チップ１０３及び光学系１０５を備える。撮像チップ１０２には、ＭＯＳ型固体撮像装置１００及びタイミング生成部１０１が搭載されている。タイミング生成部１０１は駆動信号を生成する。生成された駆動信号はＭＯＳ型固体撮像装置１００に供給される。信号処理チップ１０３には、ＭＯＳ型固体撮像装置１００から出力された画素信号に所定の信号処理を施す。
（実施の形態２）
実施の形態２では、レベル制限部７０の構成が実施の形態１と異なる。これ以外の点については実施の形態１と同様なので説明を省略する。
【００４０】
図９は、本発明の実施の形態２に係る撮像画素９０の構成を示す図である。
レベル制限部７０は、インバータ回路７３及びＭＯＳトランジスタ７４を含む。インバータ回路７３は、ＭＯＳトランジスタ６、７により構成されるソースフォロワの出力信号を反転出力する。そのためフォトダイオード１により生成される電荷が多いほど、Ｍ点の電圧ＶＭは上昇することになる。ＭＯＳトランジスタ７４はＭ点と参照電圧電源とを結ぶ経路に挿設されている。ＭＯＳトランジスタ７４のゲートには電圧ＶＭが供給されている。そのためＭＯＳトランジスタ７４はダイオード素子として機能し、電圧ＶＭが参照電圧ＶＨよりも高いときに電圧ＶＭから参照電圧電源に向けて電流を流す。電流が流れることによりＭ点の電圧ＶＭは参照電圧ＶＨよりも上昇することがない。このようにレベル制限部７０は、Ｍ点の電圧の上限を規定することができる。参照電圧ＶＨをフォトダイオード１の最大蓄積量に相当するレベルに設定することにより、Ｍ点の電圧ＶＭがフォトダイオード１の最大蓄積量に相当するレベルを超えて上昇することを防止することができる。
【００４１】
なお、図１０に示すように、ＭＯＳトランジスタ７４に代えてツェナーダイオード７５を採用することとしても同様の効果を得ることができる。
また、図１１に示すように、ＭＯＳトランジスタ６、７でインバータアンプを構成することとすれば、画素の構成を簡略化するとともに設計次第で高いゲインで電圧増幅することができる。メモリ部には電圧増幅された出力信号が保持されるので、メモリ部に保持された信号レベルを高精度に合成することができる。ツェナーダイオード７５は、電圧ＶＭが参照電圧ＶＨよりも高いときに電圧ＶＭから参照電圧電源に向けて電流を流す。電流が流れることによりＭ点の電圧ＶＭは参照電圧ＶＨよりも上昇することがない。ツェナーダイオード７５に代えて、ＭＯＳトランジスタをダイオード素子として機能させることとしても、同様の効果を得ることができる。
（実施の形態３）
実施の形態３では、露光期間毎に参照レベルを異ならせる点が実施の形態１と異なる。これ以外の点については実施の形態１と同様なので説明を省略する。
【００４２】
図１２は、本発明の実施の形態３に係る撮像画素９０の構成を示す図である。
レベル制限部７０（１）〜７０（ｎ）は、それぞれメモリＭ１〜Ｍｎに対応して存在し、キャパシタ１９（１）〜１９（ｎ）の電圧Ｖ１９（１）〜Ｖ１９（ｎ）の下限を規定している。レベル制限部７０（１）〜７０（ｎ）の個々の構成については、実施の形態１と同様である。
【００４３】
なお、撮像画素９０は、参照電圧ＶＲＥＦ（１）〜ＶＲＥＦ（ｎ）を、それぞれ外部から得ることとしてもよいし、抵抗分割により内部で生成することとしてもよい。
また、実施の形態１と同様にレベル制限部７０をひとつだけＭ点に設け、参照電圧ＶＲＥＦを露光期間毎に変化させることとしてもよい。例えば、メモリＭ１のＭＯＳトランジスタ１７（１）がオン状態の期間（図３における時刻ｔ２から時刻ｔ４まで）、参照電圧電源に参照電圧ＶＲＥＦ（１）を出力させ、メモリＭ２のＭＯＳトランジスタ１７（２）がオン状態の期間（図３における時刻ｔ５から時刻ｔ７まで）、参照電圧電源に参照電圧ＶＲＥＦ（２）を出力させる。このようにしても、実施の形態３と同様の効果を得ることができる。
（実施の形態４）
実施の形態４では、レベル制限部７０の構成が実施の形態１と異なる。これ以外の点については実施の形態１と同様なので説明を省略する。
【００４４】
図１３は、本発明の実施の形態４に係る撮像画素９０の構成を示す図である。
レベル制限部７０は、ＭＯＳトランジスタ７６を含む。ＭＯＳトランジスタはフォトダイオード１とバイアス電源とを結ぶ経路に挿設されている。ＭＯＳトランジスタ７６のゲート７７にはバイアス電圧が供給されている。バイアス電圧は、ＭＯＳトランジスタ７６のチャネルに形成されるバリアが、ＭＯＳトランジスタ２がオフ状態のときにＭＯＳトランジスタ２のチャネルに形成されるバリアよりも低くなるように設定されている。したがって、フォトダイオード１で過剰に生成された電荷は、ＭＯＳトランジスタ２を介してフローティングディフュージョンＦに漏れずに、ＭＯＳトランジスタ７６を介してバイアス電源に排出される。このようにオーバーフロードレインを設けることにより、Ｍ点の電圧ＶＭがフォトダイオード１の最大蓄積量に相当するレベルを超えて低下することを防止することができる。
（実施の形態５）
実施の形態５では、レベル制限部７０の構成が実施の形態１と異なる。これ以外の点については実施の形態１と同様なので説明を省略する。
【００４５】
図１４は、本発明の実施の形態５に係る撮像画素９０の構成を示す図である。
レベル制限部７０は、比較回路７８及びＭＯＳトランジスタ７９を含む。比較回路７８は、Ｍ点の電圧ＶＭと参照電圧ＶＲＥＲとを比較する。ＭＯＳトランジスタ７９はＭＯＳトランジスタ７とグラウンドとを結ぶ経路に挿設されている。ＭＯＳトランジスタ７９のゲートには比較回路７８の出力信号が供給されている。ＭＯＳトランジスタ７９は、比較回路７８の出力信号が、電圧ＶＭが参照電圧ＶＲＥＦよりも低いことを示すときにオフ状態になり、比較回路７８の出力信号が、電圧ＶＭが参照電圧ＶＲＥＦ以上であることを示すときにオン状態になる。ＭＯＳトランジスタ７９がオフ状態になれば、Ｍ点の電圧ＶＭが上昇する。またＭ点の電圧ＶＭが上昇して参照電圧ＶＲＥＦ以上になれば、ＭＯＳトランジスタ７９がオン状態になる。このようにレベル制限部７０は、Ｍ点の電圧ＶＭの下限を規定することができる。参照電圧ＶＲＥＦをフォトダイオード１の最大蓄積量に相当するレベルに設定することにより、Ｍ点の電圧ＶＭがフォトダイオード１の最大蓄積量に相当するレベルを超えて低下することを防止することができる。
【００４６】
以上、本発明に係る固体撮像装置及びカメラについて、実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限られない。例えば、以下のような変形例が考えられる。
（１）実施の形態１では、レベル制限部７０は、Ｍ点の電圧ＶＭと参照電圧ＶＲＥＦとを比較し、Ｍ点の電圧ＶＭが参照電圧ＶＲＥＦよりも低ければ、電圧ＶＭを参照電圧ＶＲＥＦに固定することとしている。すなわち電圧ＶＭの比較対象となる電圧と、電圧ＶＭを固定する電圧とが共通である。しかしながら、本発明はこの例に限らず、比較対象の電圧と固定する電圧とを異ならせることとしてもよい。
【００４７】
また実施の形態４では、レベル制限部７０は、バイアス電源に電荷を排出することとしている。しかしながら、本発明はこの例に限らず、バイアス電源と電化排出用電源とを別個に設けることとしてもよい。
（２）実施の形態４では、ＭＯＳトランジスタ７６のゲートに供給されるバイアス電圧を適切に設定することにより、オーバーフロードレインのバリアの高さを設定することとしている。しかしながら、本発明はこの例に限らず、フォトダイオード１の周囲に拡散領域を設け、当該拡散領域の電位を適切に設定することにより、オーバーフロードレインのバリアの高さを設定することとしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、デジタルカメラ、携帯電話機内蔵カメラ、車載カメラ、監視カメラ等に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施の形態１に係るＭＯＳ型固体撮像装置１００の構成を示す機能ブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る撮像画素９０の構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る撮像画素９０を駆動するための駆動信号及び、当該駆動信号により撮像画素９０を駆動したときに撮像画素９０の各部に現れる電圧信号を示すタイミング図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係るレベル制限部７０が存在する場合と存在しない場合との比較を説明するための図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る撮像画素９０の蓄積電荷と露光時間との関係を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る撮像画素９０の信号レベル（合成前）と光強度との関係を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係る撮像画素９０の信号レベル（合成後）と光強度との関係を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係るカメラの構成を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態２に係る撮像画素９０の構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態２の変形例に係る撮像画素９０の構成を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態２の変形例に係る撮像画素９０の構成を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態３に係る撮像画素９０の構成を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態４に係る撮像画素９０の構成を示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態５に係る撮像画素９０の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
７０    レベル制限部
９０    撮像画素
９１    ＭＯＳトランジスタ
９２    共通垂直信号線
９３    ノイズキャンセル回路
９４    ＭＯＳトランジスタ
９５    共通信号線
９６    垂直走査回路
９７    信号出力線
９８    水平走査回路
９９    信号出力線
１００    ＭＯＳ型固体撮像装置
１０１    タイミング生成部
１０２    撮像チップ
１０３    信号処理チップ
１０５    光学系
【図１】
2009004834.tif 000003
【図２】
2009004834.tif 000004
【図３】
2009004834.tif 000005
【図４】
2009004834.tif 000006
【図５】
2009004834.tif 000007
【図６】
2009004834.tif 000008
【図７】
2009004834.tif 000009
【図８】
2009004834.tif 000010
【図９】
2009004834.tif 000011
【図１０】
2009004834.tif 000012
【図１１】
2009004834.tif 000013
【図１２】
2009004834.tif 000014
【図１３】
2009004834.tif 000015
【図１４】
2009004834.tif 000016