(57)【要約】【課題】１フレームに明暗両方の領域が混在する場合に、いずれの領域でもコントラストを確保する。【解決手段】固体撮像装置１００は、画素群１０、垂直シフトレジスタ２０、カラム毎に配設されたカラム信号線ａ、ｂ、スイッチ制御用シフトレジスタ５０、およびラインが選択されるたびに選択されたラインに属する各画素から各スイッチにより選択されたカラム信号線を通じて信号電圧を順次読み出させる水平シフトレジスタ４０を備える。各画素は、入射光の強度を信号電圧に変換するに際してカラム信号線ａが選択されているときは第１の変換ゲインを適用しカラム信号線ｂが選択されているときは第２の変換ゲインを適用する。スイッチ制御用シフトレジスタ５０は、垂直シフトレジスタ２０によりラインが選択されるたびに各スイッチにカラム信号線ａ、ｂのいずれかを選択させる。【選択図】図１
2009060515.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリクス状に配設された複数の画素を含む画素群と、
前記画素群のラインを順次選択する垂直シフトレジスタと、
前記画素群のカラム毎に配設された第１及び第２のカラム信号線と、
前記画素群のカラム毎に配設されているスイッチに前記第１及び第２のカラム信号線のいずれかを選択させるスイッチ制御部と、
前記垂直シフトレジスタによりラインが選択されるたびに、選択されたラインに属する各画素から、各スイッチにより選択された第１又は第２のカラム信号線を通じて信号電圧を順次読み出させる水平シフトレジスタとを備え、
各画素は、入射光の強度を信号電圧に変換するに際して、前記第１のカラム信号線が選択されているときは第１の変換ゲインを適用し、前記第２のカラム信号線が選択されているときは前記第１の変換ゲインと異なる第２の変換ゲインを適用し、
前記スイッチ制御部は、前記垂直シフトレジスタによりラインが選択されるたびに、各スイッチに前記第１及び第２のカラム信号線のいずれかを選択させること
を特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記スイッチ制御部は、各スイッチに対応して配設されたフリップフロップが縦続接続されて構成されているスイッチ制御用シフトレジスタを含み、
各スイッチは、対応するフリップフロップに保持されているデータの論理値に基づいて前記第１及び第２のカラム信号線のいずれかを選択し、
前記スイッチ制御用シフトレジスタは、前記垂直シフトレジスタによりラインが選択されるたびに、各スイッチに対応するデータからなるデータ列をシフトインすること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記スイッチ制御部は、各スイッチに対応して配設されたラッチを含むラッチ群と、各ラッチに対応して配設されたフリップフロップが縦続接続されて構成されているスイッチ制御用シフトレジスタとを含み、
各スイッチは、対応するラッチに保持されているデータの論理値に基づいて前記第１及び第２のカラム信号線のいずれかを選択し、
前記スイッチ制御用シフトレジスタは、前記垂直シフトレジスタによりラインが選択されるたびに、各スイッチに対応するデータからなるデータ列をシフトインし、
各ラッチは、前記スイッチ制御用シフトレジスタによるデータ列のシフトインが完了するたびに、対応するフリップフロップに保持されているデータを保持すること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
各画素は、
入射光の強度に応じた電荷を生成するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードにより生成された電荷を蓄積する浮遊拡散部と、
第１のカラム信号線に接続されている第１の端子、第２のカラム信号線に接続されている第２の端子及び前記浮遊拡散部に接続されている第３の端子を有する増幅素子とを備え、
前記増幅素子の第１の端子と第３の端子とが第１の容量により結合され、前記増幅素子の第２の端子と第３の端子とが前記第１の容量と異なる第２の容量により結合されていること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
マトリクス状に配設された複数の画素を含む画素群と、
前記画素群のラインを順次選択する垂直シフトレジスタと、
前記画素群のカラム毎に配設された第１及び第２のカラム信号線と、
前記画素群のカラム毎に配設されているスイッチに前記第１及び第２のカラム信号線のいずれかを選択させるスイッチ制御部と、
前記垂直シフトレジスタによりラインが選択されるたびに、選択されたラインに属する各画素から、各スイッチにより選択された第１又は第２のカラム信号線を通じて信号電圧を順次読み出させる水平シフトレジスタとを備え、
各画素は、入射光の強度を信号電圧に変換するに際して、前記第１のカラム信号線が選択されているときは第１の変換ゲインを適用し、前記第２のカラム信号線が選択されているときは前記第１の変換ゲインと異なる第２の変換ゲインを適用する固体撮像装置を駆動する駆動方法であって、
前記垂直シフトレジスタによりラインが選択されるたびに、前記スイッチ制御部に、各スイッチに前記第１及び第２のカラム信号線のいずれかを選択させること
を特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項６】
前記スイッチ制御部は、各スイッチに対応して配設されたフリップフロップが縦続接続されて構成されているスイッチ制御用シフトレジスタを含み、
各スイッチは、対応するフリップフロップに保持されているデータの論理値に基づいて前記第１及び第２のカラム信号線のいずれかを選択するものであり、
前記垂直シフトレジスタにより第１及び第２のラインがこの順に選択されたとき、
前記第１のラインに属する各画素の信号電圧の読み出しが完了してから前記第２のラインに属する各画素の信号電圧の読み出しが開始されるまでの間に、前記スイッチ制御用シフトレジスタに、各スイッチに対応するデータからなる、前記第２のラインに対応するデータ列をシフトインさせること
を特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項７】
前記スイッチ制御部は、各スイッチに対応して配設されたラッチを含むラッチ群と、各ラッチに対応して配設されたフリップフロップが縦続接続されて構成されているスイッチ制御用シフトレジスタとを含み、
各スイッチは、対応するラッチに保持されているデータの論理値に基づいて前記第１及び第２のカラム信号線のいずれかを選択するものであり、
前記垂直シフトレジスタにより第１及び第２のラインがこの順に選択されたとき、
前記水平シフトレジスタによる前記第１のラインに属する各画素の信号電圧の読み出しと、前記スイッチ制御用シフトレジスタによる前記第２のラインに対応するデータ列のシフトインとが並行して行われるように、前記スイッチ制御用シフトレジスタに各スイッチに対応するデータからなるデータ列をシフトインさせ、
前記第１のラインに属する各画素の信号電圧の読み出しと前記第２のラインに対応するデータ列のシフトインとのいずれもが完了したときから前記第２のラインに属する各画素の信号電圧の読み出しが開始されるまでの間に、各ラッチに、対応するフリップフロップに保持されているデータを保持させること
を特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項８】
固体撮像装置と制御装置とを備えるカメラであって、
前記固体撮像装置は、
マトリクス状に配設された複数の画素を含む画素群と、
前記画素群のラインを順次選択する垂直シフトレジスタと、
前記画素群のカラム毎に配設された第１及び第２のカラム信号線と、
前記画素群のカラム毎に配設されているスイッチに前記第１及び第２のカラム信号線のいずれかを選択させるスイッチ制御部と、
前記垂直シフトレジスタによりラインが選択されるたびに、選択されたラインに属する各画素から、各スイッチにより選択された第１又は第２のカラム信号線を通じて信号電圧を順次読み出させる水平シフトレジスタとを備え、
前記制御装置は、
前記固体撮像装置の撮像範囲に含まれる複数の画素相当領域の明るさをそれぞれ特定するデータを取得する取得手段と、
前記取得手段により取得された各データを、閾値に比べて暗いことを示す第１論理値と閾値に比べて明るいことを示す第２論理値とのいずれかになるように、それぞれ二値化する二値化手段とを備え、
各画素は、入射光の強度を信号電圧に変換するに際して、前記第１のカラム信号線が選択されているときは第１の変換ゲインを適用し、前記第２のカラム信号線が選択されているときは前記第１の変換ゲインよりも低い第２の変換ゲインを適用し、
前記スイッチ制御部は、前記垂直シフトレジスタによりラインが選択されるたびに、前記二値化手段により得られたデータが第１論理値をとるときには前記第１のカラム信号線が選択され第２論理値をとるときには前記第２のカラム信号線が選択されるように、各スイッチに前記第１及び第２のカラム信号線のいずれかを選択させること
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、固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法及びカメラに関し、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】
近年、MOS型の固体撮像装置の用途は益々拡大しており、車載カメラにも多く採用されている。車載カメラには、単に前後方や死角の映像を映し出すだけでなく、センシングと呼ばれる画像認識技術を用いて車間距離監視や白線検知を行うものもある。特に、白線検知等に基づく走行支援システムは、画像認識技術の向上に伴い大きく注目されている。
一般にMOS型の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、フォトダイオードにより生成された電荷を蓄積するフローティングディフュージョン部（以下「ＦＤ部」という）、ＦＤ部に蓄積された電荷を電圧に変換する増幅素子を備えている（例えば、特許文献１参照）。車載カメラは、各画素の増幅素子により得られた電圧を画素信号として読み出し、画素信号毎にアナログ／デジタル変換等を施して、１フレームの撮像データを得る。
【特許文献１】特開2004-241498号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
白線検知技術では、フレーム内の比較的明るい領域が白線として検出される。そのため精度よく白線を検知するには、フレーム内の明るい領域と暗い領域とのコントラストをある程度確保する必要がある。
図１６及び図１７は、従来の固体撮像装置の出力特性を示す図である。
固体撮像装置の出力電圧は、被写体の明るさが明るくなるにつれて高くなり、ある値で飽和する。状況Ｄ（明るい昼間）では、背景の明るさ「Ａ」に対して電圧「ａ」が出力され、白線の明るさ「Ｂ」に対して電圧「ｂ」が出力される。出力電圧「ａ」及び「ｂ」は、それぞれ、基準電圧Ｖｒｅｆをフルレンジとするアナログ／デジタル変換回路によりデジタル値に変換される。状況Ｄでは、出力電圧「ｂ」に相当するデジタル値と出力電圧「ａ」に相当するデジタル値との階調差が十分に大きいので、白線検知を精度よく行うことができる。一方、状況Ｅ（暗いトンネル内）では、背景の明るさ「Ａ’」に対して電圧「ａ’」が出力され、白線の明るさ「Ｂ’」に対して電圧「ｂ’」が出力される。状況Ｅのように撮像範囲全体が暗い場合、出力電圧「ｂ’」に相当するデジタル値と出力電圧「ａ’」に相当するデジタル値との階調差が小さく、白線検知の精度が低下してしまう。
【０００４】
なおデジタル値のビット数をひとつ増やせば階調差を倍増させることができるが、そうすると画像認識に要するメモリ容量や時間が大幅に増加するため好ましくない。デジタル値のビット数を維持したまま暗いトンネル内でも白線検知を精度よく行うには、状況Ｆのように固体撮像装置の感度（出力特性のグラフの傾きに相当する）を高めることが考えられる。
【０００５】
状況Ｆ（暗いトンネル内）では、背景の明るさ「Ａ’」に対して電圧「ａ’」が出力され、白線の明るさ「Ｂ’」に対して電圧「ｂ’」が出力される。状況Ｆのように固体撮像装置の感度が高ければ、撮像範囲全体が暗い場合であっても、出力電圧「ｂ’」に相当するデジタル値と出力電圧「ａ’」に相当するデジタル値との階調差が大きく、白線検知を精度よく行うことができる。
【０００６】
しかしながら、状況Ｇのようにトンネルの出口にさしかかり、状況Ｈのようにトンネル内外の両方の白線を検知しなければならない場合、固体撮像装置の感度が高いままだとトンネル内の白線検知は精度よく行えるが、トンネル外の白線検知の精度が低下してしまう。逆に、固体撮像装置の感度を低くすれば、トンネル外の白線検知は精度よく行えるが、トンネル内の白線検知の精度が低下してしまう。いずれにしても白線を見失う事態が発生する。
【０００７】
そこで、本発明は、デジタル値のビット数を増加させることなく、１フレームに明暗両方の領域が混在する場合に、いずれの領域でもコントラストを確保することができる固体撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る固体撮像装置は、マトリクス状に配設された複数の画素を含む画素群と、前記画素群のラインを順次選択する垂直シフトレジスタと、前記画素群のカラム毎に配設された第１及び第２のカラム信号線と、前記画素群のカラム毎に配設されているスイッチに前記第１及び第２のカラム信号線のいずれかを選択させるスイッチ制御部と、前記垂直シフトレジスタによりラインが選択されるたびに、選択されたラインに属する各画素から、各スイッチにより選択された第１又は第２のカラム信号線を通じて信号電圧を順次読み出させる水平シフトレジスタとを備え、各画素は、入射光の強度を信号電圧に変換するに際して、前記第１のカラム信号線が選択されているときは第１の変換ゲインを適用し、前記第２のカラム信号線が選択されているときは前記第１の変換ゲインと異なる第２の変換ゲインを適用し、前記スイッチ制御部は、前記垂直シフトレジスタによりラインが選択されるたびに、各スイッチに前記第１及び第２のカラム信号線のいずれかを選択させる。
【０００９】
本発明に係る固体撮像装置の駆動方法は、マトリクス状に配設された複数の画素を含む画素群と、前記画素群のラインを順次選択する垂直シフトレジスタと、前記画素群のカラム毎に配設された第１及び第２のカラム信号線と、前記画素群のカラム毎に配設されているスイッチに前記第１及び第２のカラム信号線のいずれかを選択させるスイッチ制御部と、前記垂直シフトレジスタによりラインが選択されるたびに、選択されたラインに属する各画素から、各スイッチにより選択された第１又は第２のカラム信号線を通じて信号電圧を順次読み出させる水平シフトレジスタとを備え、各画素は、入射光の強度を信号電圧に変換するに際して、前記第１のカラム信号線が選択されているときは第１の変換ゲインを適用し、前記第２のカラム信号線が選択されているときは前記第１の変換ゲインと異なる第２の変換ゲインを適用する固体撮像装置を駆動する駆動方法であって、前記垂直シフトレジスタによりラインが選択されるたびに、前記スイッチ制御部に、各スイッチに前記第１及び第２のカラム信号線のいずれかを選択させる。
【００１０】
本発明に係るカメラは、固体撮像装置と制御装置とを備えるカメラであって、前記固体撮像装置は、マトリクス状に配設された複数の画素を含む画素群と、前記画素群のラインを順次選択する垂直シフトレジスタと、前記画素群のカラム毎に配設された第１及び第２のカラム信号線と、前記画素群のカラム毎に配設されているスイッチに前記第１及び第２のカラム信号線のいずれかを選択させるスイッチ制御部と、前記垂直シフトレジスタによりラインが選択されるたびに、選択されたラインに属する各画素から、各スイッチにより選択された第１又は第２のカラム信号線を通じて信号電圧を順次読み出させる水平シフトレジスタとを備え、前記制御装置は、前記固体撮像装置の撮像範囲に含まれる複数の画素相当領域の明るさをそれぞれ特定するデータを取得する取得手段と、前記取得手段により取得された各データを、閾値に比べて暗いことを示す第１論理値と閾値に比べて明るいことを示す第２論理値とのいずれかになるように、それぞれ二値化する二値化手段とを備え、各画素は、入射光の強度を信号電圧に変換するに際して、前記第１のカラム信号線が選択されているときは第１の変換ゲインを適用し、前記第２のカラム信号線が選択されているときは前記第１の変換ゲインよりも低い第２の変換ゲインを適用し、前記スイッチ制御部は、前記垂直シフトレジスタによりラインが選択されるたびに、前記二値化手段により得られたデータが第１論理値をとるときには前記第１のカラム信号線が選択され第２論理値をとるときには前記第２のカラム信号線が選択されるように、各スイッチに前記第１及び第２のカラム信号線のいずれかを選択させる。
【発明の効果】
【００１１】
上記構成によれば、各スイッチは、カラム毎に配設されており、ラインが選択されるたびに制御される。そのため画素が第１及び第２の変換ゲインのいずれを適用するかは画素単位で制御される。このように変換ゲインが画素単位で制御されるので、１フレーム内に明暗両方の領域が混在する場合であっても、明るい領域では低い変換ゲインを選択し、暗い領域では高い変換ゲインを選択することにより、いずれの領域でもコントラストを確保することができる。
【００１２】
また、前記スイッチ制御部は、各スイッチに対応して配設されたフリップフロップが縦続接続されて構成されているスイッチ制御用シフトレジスタを含み、各スイッチは、対応するフリップフロップに保持されているデータの論理値に基づいて前記第１及び第２のカラム信号線のいずれかを選択し、前記スイッチ制御用シフトレジスタは、前記垂直シフトレジスタによりラインが選択されるたびに、各スイッチに対応するデータからなるデータ列をシフトインすることとしてもよい。
【００１３】
上記構成によれば、各スイッチに対応するデータはシリアルに入力される。したがってパラレルに入力される場合に比べてデータの入力端子を大幅に削減することができる。
また、前記スイッチ制御部は、各スイッチに対応して配設されたラッチを含むラッチ群と、各ラッチに対応して配設されたフリップフロップが縦続接続されて構成されているスイッチ制御用シフトレジスタとを含み、各スイッチは、対応するラッチに保持されているデータの論理値に基づいて前記第１及び第２のカラム信号線のいずれかを選択し、前記スイッチ制御用シフトレジスタは、前記垂直シフトレジスタによりラインが選択されるたびに、各スイッチに対応するデータからなるデータ列をシフトインし、各ラッチは、前記スイッチ制御用シフトレジスタによるデータ列のシフトインが完了するたびに、対応するフリップフロップに保持されているデータを保持することとしてもよい。
【００１４】
上記構成によれば、各スイッチは、対応するラッチに保持されているデータの論理値に基づいて制御されるので、各スイッチに影響を与えることなくスイッチ制御用シフトレジスタにデータ列をシフトインさせることができる。したがって、水平シフトレジスタによる第１のラインに属する各画素の信号電圧の読み出しと、スイッチ制御用シフトレジスタによる第２のラインに対応するデータ列のシフトインとを並行して行うことができ、１フレーム分の信号電圧の読み出しに要する時間を短縮することができる。
【００１５】
また、各画素は、入射光の強度に応じた電荷を生成するフォトダイオードと、前記フォトダイオードにより生成された電荷を蓄積する浮遊拡散部と、第１のカラム信号線に接続されている第１の端子、第２のカラム信号線に接続されている第２の端子及び前記浮遊拡散部に接続されている第３の端子を有する増幅素子とを備え、前記増幅素子の第１の端子と第３の端子とが第１の容量により結合され、前記増幅素子の第２の端子と第３の端子とが前記第１の容量と異なる第２の容量により結合されていることとしてもよい。
【００１６】
上記構成によれば、第１のカラム信号線から信号電圧を読み出すときと第２のカラム信号線から信号電圧を読み出すときとで変換ゲインを異ならせることができる。したがって画素部の構造の複雑化を招かずに、第１及び第２の変換ゲインの切り替えを実現することができる。
また、前記スイッチ制御部は、各スイッチに対応して配設されたフリップフロップが縦続接続されて構成されているスイッチ制御用シフトレジスタを含み、各スイッチは、対応するフリップフロップに保持されているデータの論理値に基づいて前記第１及び第２のカラム信号線のいずれかを選択するものであり、前記垂直シフトレジスタにより第１及び第２のラインがこの順に選択されたとき、前記第１のラインに属する各画素の信号電圧の読み出しが完了してから前記第２のラインに属する各画素の信号電圧の読み出しが開始されるまでの間に、前記スイッチ制御用シフトレジスタに、各スイッチに対応するデータからなる、前記第２のラインに対応するデータ列をシフトインさせることとしてもよい。
【００１７】
上記構成によれば、スイッチ制御用シフトレジスタは、水平シフトレジスタがシフト動作をしていないときにデータ列をシフトインするので、各画素の信号電圧が読み出されている最中に不用意にスイッチが切り替えられてしまうというような事態を回避することができる。
また、前記スイッチ制御部は、各スイッチに対応して配設されたラッチを含むラッチ群と、各ラッチに対応して配設されたフリップフロップが縦続接続されて構成されているスイッチ制御用シフトレジスタとを含み、各スイッチは、対応するラッチに保持されているデータの論理値に基づいて前記第１及び第２のカラム信号線のいずれかを選択するものであり、前記垂直シフトレジスタにより第１及び第２のラインがこの順に選択されたとき、前記水平シフトレジスタによる前記第１のラインに属する各画素の信号電圧の読み出しと、前記スイッチ制御用シフトレジスタによる前記第２のラインに対応するデータ列のシフトインとが並行して行われるように、前記スイッチ制御用シフトレジスタに各スイッチに対応するデータからなるデータ列をシフトインさせ、前記第１のラインに属する各画素の信号電圧の読み出しと前記第２のラインに対応するデータ列のシフトインとのいずれもが完了したときから前記第２のラインに属する各画素の信号電圧の読み出しが開始されるまでの間に、各ラッチに、対応するフリップフロップに保持されているデータを保持させることとしてもよい。
【００１８】
上記構成によれば、水平シフトレジスタによる第１のラインに属する各画素の信号電圧の読み出しと、スイッチ制御用シフトレジスタによる第２のラインに対応するデータ列のシフトインとを並行して行うことができ、１フレーム分の信号電圧の読み出しに要する時間を短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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に係る固体撮像装置の構成を示す図である。
固体撮像装置１００は、画素群１０、垂直シフトレジスタ２０、スイッチ群３０、水平シフトレジスタ４０、スイッチ制御用シフトレジスタ５０及び出力部６０を備える。
【００２０】
画素群１０は、画素ＰＤ（１，１）〜ＰＤ（Ｘ，Ｙ）を含む。各画素はマトリクス状に配設されている。
垂直シフトレジスタ２０は、画素群１０の各ラインに対応して配設されたフリップフロップＦＦｖ１〜ＦＦｖＹからなる。フリップフロップＦＦｖ１〜ＦＦｖＹは、クロックＶｃｋに同期してトリガ信号Ｖｔｒｉｇをシフトインする。これにより画素群１０のラインが順次選択される。
【００２１】
スイッチ群３０は、画素群１０の各カラムに対応して配設されたスイッチＳＷ１〜ＳＷＸからなる。ひとつのスイッチＳＷｍに着目すると、スイッチＳＷｍは、カラムｍに配されたカラム信号線ａ、ｂのいずれかを、フリップフロップＦＦｓｍに保持されたデータの論理値に基づいて選択する。
水平シフトレジスタ４０は、画素群１０の各カラムに対応して配設されたフリップフロップＦＦｈ１〜ＦＦｈＸからなる。フリップフロップＦＦｈ１〜ＦＦｈＸは、クロックＨｃｋに同期してトリガ信号Ｈｔｒｉｇをシフトインする。これにより画素群１０のカラムが順次選択される。
【００２２】
スイッチ制御用シフトレジスタ５０は、画素群１０の各カラムに対応して配設されたフリップフロップＦＦｓ１〜ＦＦｓＸからなる。フリップフロップＦＦｓ１〜ＦＦｓＸは、クロックＳｃｋに同期してデータ列Ｓｄａｔａをシフトインする。データ列Ｓｄａｔａは、各スイッチに対応するデータからなる。
出力部６０は、水平シフトレジスタ４０により選択されたカラムから信号電圧を読み出して出力する。
【００２３】
図２は、画素ＰＤ（ｍ，ｎ）の構成を示す図である。
画素ＰＤ（ｍ，ｎ）は、フォトダイオードＰＤ、ＦＤ部、転送トランジスタＴｒ１、増幅トランジスタＴｒ２、リセットトランジスタＴｒ３を備える。増幅トランジスタＴｒ２は、カラム信号線ａに接続されている第１端子、カラム信号線に接続されている第２端子及びＦＤ部に接続されている第３端子を備え、第１端子と第３端子とが容量Ｃ３により結合され、第２端子と第３端子とが容量Ｃ２により結合されている。容量Ｃ２と容量Ｃ３とは互いに異なる。増幅トランジスタＴｒ２は、ＦＤ部に蓄積された電荷を電圧に変換する働きをする。このとき容量Ｃ２と容量Ｃ３とが異なるため、いずれのカラム信号線から電圧を読み出すかにより、電荷を電圧に変換する変換ゲインが異なることになる。
【００２４】
具体的には、ＦＤ部に蓄積された電荷の変動をΔＱｐｄとすれば、カラム信号線ｂから電圧を読み出すとき（第１モード）、電圧変動ΔＶ１＝ΔＱｐｄ／（Ｃ１＋Ｃ３）となり、カラム信号線ａから電圧を読み出すとき（第２モード）、電圧変動ΔＶ２＝ΔＱｐｄ／（Ｃ１＋Ｃ２）となる。したがって、例えば、容量Ｃ３を容量Ｃ２よりも大きくすれば、第２モードの感度を第１モードの感度よりも高くすることができる。
【００２５】
図３は、スイッチＳＷｍの構成を示す図である。
スイッチＳＷｍは、スイッチ回路４１、ＮＡＮＤ回路４２を備える。スイッチ回路４１は、信号Ｓｓｗ２がハイレベルのときにＡに接続し、信号Ｓｓｗ２がローレベルのときにＢに接続する。Ａに接続されているときは、画素駆動信号Ｓｄｒｉｖｅがカラム信号線ａを通じて画素ＰＤに入力され、画素ＰＤの信号電圧がカラム信号線ｂを通じて読み出される。Ｂに接続されているときは、画素駆動信号Ｓｄｒｉｖｅがカラム信号線ｂを通じて画素ＰＤに入力され、画素ＰＤの信号電圧がカラム信号線ａを通じて読み出される。
【００２６】
図４は、第１モードにおける信号波形を示す図である。
図中、Ｖａはカラム信号線ａに現れる電圧、ＶＦＤはＦＤ部に現れる電圧、Ｖｂはカラム信号線ｂに現れる電圧を示す。
スイッチＳＷｍは、フリップフロップＦＦｓｍに保持されているデータＳＤｍの論理値に基づいてカラム信号線ａ、ｂのどちらから電圧を読み出すかを選択する。データＳＤｍがローレベル（論理値が「０」）のとき、カラム信号線ｂが選択される（第１モード）。
【００２７】
データＳＤｍがローレベルのとき、ＮＡＮＤ回路４２の出力信号Ｓｓｗ２はハイレベルに固定される。そのためスイッチ回路４１は時刻ｔ０から時刻ｔ１１までＡに接続され、カラム信号線ａには画素駆動信号Ｓｄｒｉｖｅが現れ、カラム信号線ｂにはＦＤ部の電圧ＶＦＤに応じた電圧が現れる。
ＦＤ部の電圧ＶＦＤは、時刻ｔ２から時刻ｔ３までリセットトランジスタＴｒ３がオン状態になることで電圧Ｖｒｅｓｅｔになり、時刻ｔ５から時刻ｔ６まで転送トランジスタＴｒ１がオン状態になることで電圧Ｖｒｅｓｅｔ−ΔＶ１になる。これに伴い、カラム信号線ｂの電圧Ｖｂは時刻ｔ２から時刻ｔ５まで電圧Ｖｒｅｓｅｔ−Ｖｔｈとなり、時刻ｔ６から時刻ｔ８まで電圧Ｖｒｅｓｅｔ−Ｖｔｈ−ΔＶ１になる。これらの差分が信号電圧として読み出される。
【００２８】
図５は、第２モードにおける信号波形を示す図である。
スイッチＳＷｍは、フリップフロップＦＦｓｍに保持されているデータＳＤｍの論理値に基づいてカラム信号線ａ、ｂのどちらから電圧を読み出すかを選択する。データＳＤｍがハイレベル（論理値が「１」）のとき、カラム信号線ａが選択される（第２モード）。
データＳＤｍがハイレベルのとき、ＮＡＮＤ回路４２の出力信号Ｓｓｗ２は信号Ｓｓｗ１と同じになる。そのためスイッチ回路４１は時刻ｔ０から時刻ｔ１までＢに接続され、時刻ｔ１から時刻ｔ４までＡに接続され、時刻ｔ４から時刻ｔ７までＢに接続され、時刻ｔ７から時刻ｔ１０までＡに接続され、時刻ｔ１０から時刻ｔ１１までＢに接続される。
【００２９】
ＦＤ部の電圧ＶＦＤは、時刻ｔ２から時刻ｔ３までリセットトランジスタＴｒ３がオン状態になることで電圧Ｖｒｅｓｅｔになり、時刻ｔ５から時刻ｔ６まで転送トランジスタＴｒ１がオン状態になることで電圧Ｖｒｅｓｅｔ−ΔＶ２になる。これに伴い、カラム信号線ａの電圧Ｖａは時刻ｔ４から時刻ｔ５まで電圧Ｖｒｅｓｅｔ−Ｖｔｈとなり、時刻ｔ６から時刻ｔ７まで電圧Ｖｒｅｓｅｔ−Ｖｔｈ−ΔＶ２になる。これらの差分が信号電圧として読み出される。
【００３０】
図６は、画素毎に第１モードと第２モードとを選択する方法を説明するための図である。
図中Ａは、光源などの明るい被写体がレンズを通じて固体撮像装置１００に結像されている様子を示している。領域Ｂは明るい被写体であり、領域Ｃは背景である。なお図中のマス目は固体撮像装置１００の各画素に対応している。
【００３１】
図中Ｄは、固体撮像装置１００の画素毎に明るさを二値化している様子を示している。領域Ｅに含まれる画素はいずれも閾値よりも明るく、領域Ｆに含まれる画素はいずれも閾値よりも暗いことを示している。閾値は、固体撮像装置の用途や撮影条件等に基づいて任意に設定すればよく、例えば白線検知用途の場合には、路面に引かれた白線を認識できるような値に設定される。
【００３２】
このように明るさを二値化し、閾値よりも明るい領域に含まれる画素には低いゲインを設定し、閾値よりも暗い領域に含まれる画素には高いゲインを設定することにより、１フレームに明暗両方の領域が混在する場合に、いずれの領域でもコントラストを確保することができる。
以下、具体的に３×３画素の固体撮像装置を例にして固体撮像装置の動作を説明する。
【００３３】
図７は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置（３×３画素）の構成を示す図である。図７の固体撮像装置では、画素ＰＤ（１，１）〜ＰＤ（３，３）が３×３のマトリクス状に配設されている。
図８は、画素毎に第１モードと第２モードとを選択する方法を説明するための図である。
【００３４】
図８上図は、各画素の光量をそれぞれ示している。ここでは、画素ＰＤ（１，１）、ＰＤ（２，２）、ＰＤ（３，３）の光量が閾値よりも少なく（閾値よりも暗い）、これ以外の画素の光量はいずれも閾値よりも多い場合を想定する。この場合、画素ＰＤ（１，１）に対応するデータＳＤ１（１）はハイレベルになり、同様に、画素ＰＤ（２，２）、ＰＤ（３，３）に対応するデータＳＤ２（２）、ＳＤ３（３）はいずれもハイレベルになる。また、これ以外の画素に対応するデータ（例えば画素ＰＤ（２，１）に対応するデータＳＤ２（１））は、いずれもローレベルになる。
【００３５】
図８下図は、画素ＰＤ（１，１）〜ＰＤ（３，３）の各々に対応するデータからなるデータ列Ｓｄａｔａと、データ列Ｓｄａｔａをスイッチ制御用シフトレジスタ５０にシフトインさせるときのクロックＳｃｋとを示している。
図９は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置（３×３画素）から１フレームの画素信号を読み出すときの信号波形を示す図である。
【００３６】
垂直シフトレジスタ２０を構成するフリップフロップＦＦｖ１〜ＦＦｖ３は、クロックＶｃｋに同期してトリガ信号Ｖｔｒｉｇをシフトインする。これにより１ライン目から３ライン目まで順次ラインが選択される。
スイッチ制御用シフトレジスタ５０を構成するフリップフロップＦＦｓ１〜ＦＦｓ３は、ラインが選択されるたびに、クロックＳｃｋに同期してデータ列Ｓｄａｔａをシフトインする。例えば、期間Ｓ１では、１ライン目の画素ＰＤ（３，１）、ＰＤ（２，１）、ＰＤ（１，１）にそれぞれ対応するデータＳＤ３（１）、ＳＤ２（１）、ＳＤ１（１）がシフトインされる。この例では、シフトインが完了すれば、フリップフロップＦＦｓ１、ＦＦｓ２、ＦＦｓ３にはそれぞれハイレベル、ローレベル、ローレベルのデータが保持される。スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３は、それぞれフリップＦＦｓ１、ＦＦｓ２、ＦＦｓ３に保持されたデータの論理値に基づいてカラム信号線ａ、ｂのいずれかを選択する。この例では、スイッチＳＷ１はカラム信号線ａを選択し、スイッチＳＷ２、ＳＷ３はそれぞれカラム信号線ｂを選択している。
【００３７】
水平シフトレジスタ４０を構成するフリップフロップＦＦｈ１〜ＦＦｈ３は、ラインが選択されるたびに、クロックＨｃｋに同期してトリガ信号Ｈｔｒｉｇをシフトインする。これにより、１カラム目から３カラム目まで順次カラムが選択される。選択されたカラムからは、予めスイッチにより選択されたカラム信号線を通じて画素信号が読み出される。例えば、期間Ｈ１では、１カラム目からはカラム信号線ａを通じて画素信号ａ１１が読み出され、２カラム目からはカラム信号線ｂを通じて画素信号ｂ１２が読み出され、３カラム目からはカラム信号線ｂを通じて画素信号ｂ１３が読み出されている。
【００３８】
このように実施の形態１に係る固体撮像装置１００では、スイッチ制御用シフトレジスタ５０は、垂直シフトレジスタ２０によりラインが選択されるたびにデータ列をシフトインする。したがってカラム信号線ａ、ｂのいずれを用いて画素信号を読み出すかを、画素単位で制御することができる。
図１０及び図１１は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の出力特性を示す図である。
【００３９】
図１０に示すように固体撮像装置１００は、閾値よりも暗い場合には高いゲイン（グラフの傾きが大きい）で画素信号を読み出し、閾値よりも明るい場合には低いゲイン（グラフの傾きが小さい）で画素信号を読み出すことができる。
図１１に示すように状況Ａ（暗いトンネル内）では、トンネル内背景の明るさ「Ａ’」に対して電圧「ａ’」が出力され、トンネル内白線の明るさ「Ｂ’」に対して電圧「ｂ’」が出力される。このとき高いゲインで画素信号が読み出されているので、出力電圧「ｂ’」に相当するデジタル値と出力電圧「ａ’」に相当するデジタル値との階調差が十分に大きく、白線検知を精度よく行うことができる。
【００４０】
また状況Ｂのようにトンネルの出口にさしかかり、状況Ｃのようにトンネル内外の両方の白線を検知する場合、トンネル内については状況Ａと同様に白線検知を精度よく行うことができる。またトンネル外についてはトンネル外背景の明るさ「Ａ」に対して電圧「ａ」が出力され、トンネル外白線の明るさ「Ｂ」に対して電圧「ｂ」が出力される。このとき低いゲインで画素信号が読み出されているので、出力電圧「ｂ」と出力電圧「ａ」とが飽和することなく、白線検知を精度よく行うことができる。
【００４１】
図１２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、固体撮像装置１００、レンズ１１０、タイミングジェネレータ１２０、信号処理回路１３０を備える。
タイミングジェネレータ１２０は、固体撮像装置１００を駆動するための各種信号（例えば、トリガ信号Ｖｔｒｉｇ等）を生成する。
【００４２】
信号処理回路１３０は、ＡＦＥ／ＡＤ部１３１、信号処理部１３２、領域分割部１３３、切替パルス発生部１３４、判定部１３５を備える。固体撮像装置１００から出力された画素信号は、ＡＦＥ／ＡＤ部１３１によりノイズキャンセルやアナログ／デジタル変換等が行われ、信号処理部１３２により画像処理が行われて出力される。また、領域分割部１３３、切替パルス発生部１３４、判定部１３５により画素信号を二値化し、データ列Ｓｄａｔａを生成する。データ列Ｓｄａｔａは、前フレームからの予測制御に基づいて生成されることとしてもよいし、別途測光手段を設けて測光結果に基づいて生成されることとしてもよい。前フレームからの予測制御に基づく場合には１フレーム分の時間遅延が生じるが、動体予測制御を用いれば、ほとんど誤差なくデータ列を生成することができる。特に、自動車のように定速走行や等加速度走行をする場合には、既存の動体予測制御を用いるだけで十分である。
【００４３】
図１３は、増幅トランジスタＴｒ２の構成例を示す図である。
図１３（ａ）は増幅トランジスタＴｒ２の上面図であり、チャネル８２上にポリシリコンゲート８１が形成されている様子を示している。この例では、チャネル８２のａ点側の幅Ｗａとｂ点側の幅Ｗｂとに差異を設けている。このようにすることで、容量Ｃ２と容量Ｃ３とを異ならせることができる。
【００４４】
図１３（ｂ）は増幅トランジスタＴｒ２の断面図であり、ｐ型ウェル８３にｎ型領域８４、８５が形成され、基板上にポリシリコンゲート８１が形成されている様子を示している。この例では、ｎ型領域８５とポリシリコンゲート８１とのオーバラップ量Ｌａと、ｎ型領域８４とポリシリコンゲート８１とのオーバラップ量Ｌｂとに差異を設けている。このようにすることで、容量Ｃ２と容量Ｃ３とを異ならせることができる。
【００４５】
図１３（ｃ）は増幅トランジスタＴｒ２の断面図であり、ｐ型ウェル８３にｎ型領域８４、８５が形成され、基板上にポリシリコンゲート８１が形成されている様子を示している。この例では、ｎ型領域８５の不純物濃度ｎａとｎ型領域８４の不純物濃度ｎｂとに差異を設けている。このようにすることで、容量Ｃ２と容量Ｃ３とを異ならせることができる。
【００４６】
なお、上記の方法は単なる例示であり、これら以外の方法で容量Ｃ２と容量Ｃ３とを異ならせることとしても構わない。
（実施の形態２）
実施の形態２では、スイッチ制御用シフトレジスタ５０のシフトインと水平シフトレジスタ４０のシフトインとを並行して実行させる点で実施の形態１と異なる。それ以外については実施の形態１と同様なので説明を省略する。
【００４７】
図１４は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置（３×３画素）の構成を示す図である。
実施の形態２に係る固体撮像装置１００は、スイッチ制御用シフトレジスタ５０のシフトインと水平シフトレジスタ４０のシフトインとを並行して実行させるため、実施の形態１に係る固体撮像装置１００の構成に加えて、ラッチ群７０を備えている。
【００４８】
ラッチ群７０は、ラッチＬｓ１〜Ｌｓ３からなる。ラッチＬｓ１〜Ｌｓ３は、ラッチ信号Ｌａｔｃｈに同期して、それぞれフリップフロップＦＦｓ１〜ＦＦｓ３に保持されているデータを受け入れ、保持する。
スイッチＳＷ１〜ＳＷ３は、それぞれラッチＬｓ１〜Ｌｓ３に保持されているデータの論理値に基づいて、カラム信号線ａ、ｂのいずれかを選択する。
【００４９】
図１５は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置（３×３画素）から１フレームの画素信号を読み出すときの信号波形を示す図である。
実施の形態２に係る固体撮像装置１００では、スイッチ制御用シフトレジスタ５０のシフトインと水平シフトレジスタ４０のシフトインとが並行して実行されている。例えば、期間Ｈ１（期間Ｓ２）では、１ライン目の画素信号ａ１１、ｂ１２、ｂ１３の読み出しが実行されている最中に、２ライン目の画素ＰＤ（３，２）、ＰＤ（２，２）、ＰＤ（１，２）にそれぞれ対応するデータＳＤ３（２）、ＳＤ２（２）、ＳＤ１（２）がシフトインされている。シフトインされたデータＳＤ３（２）、ＳＤ２（２）、ＳＤ１（２）は、ラッチ信号Ｌａｔｃｈの立上りに同期して、ラッチＬｓ１、Ｌｓ２、Ｌｓ３にそれぞれ保持される。スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３は、それぞれフリップＬｓ１、Ｌｓ２、Ｌｓ３に保持されたデータの論理値に基づいてカラム信号線ａ、ｂのいずれかを選択する。
【００５０】
このように実施の形態２に係る固体撮像装置１００では、スイッチ制御用シフトレジスタ５０のシフトインと水平シフトレジスタ４０のシフトインとが並行して実行されている。したがって、１フレーム分の画素信号の読み出しに要する時間を短縮することができる。
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２では、スイッチ制御用シフトレジスタ５０のシフトインと水平シフトレジスタ４０のシフトインとを並行して実行するために、ラッチを用いてデータを保持することとしているが、本発明はこの例に限られない。例えば、スイッチ自信にデータを保持する機能を設けることとしてもよいし、画素自信にデータを保持する機能を設けることとしてもよい。
（２）実施の形態では、２種類の変換ゲインのうち一方を選択する場合を例示しているが、本発明はこれらに限られない。３種類以上の変換ゲインの中からひとつを選択することとしても構わない。
（３）実施の形態では、電荷を電圧に変換するときの変換ゲインを切り替えることとしているが、本発明はこれに限られない。例えば、カラム信号線毎にアンプを設け、アンプのゲインを切り替えることとしてもよい。ただし、アンプのゲインを高める場合は、熱雑音、ＦＤ部変換ノイズ、基板ノイズなども一緒に増幅されてしまい、その上、アンプ自体の増幅ノイズも発生するので、被写体が暗い場合に高いコントラストを得るのに大きく不利になる場合がある。このような場合には、アンプのゲインを切り替えることよりも変換ゲインを切り替えることとしたほうが望ましい。
（４）実施の形態では、画素を３つのトランジスタで構成する例を挙げているが、本発明はこれに限らず、４つのトランジスタで構成する例でも構わない。また、ＦＤ部及び増幅トランジスタＴｒ２を複数の画素で共通に利用するような構成でも構わない。
（５）実施の形態では、白線検知を例に挙げて説明しているが、本発明は、これに限られず、さまざまな用途に利用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、例えば、デジタルカメラに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の構成を示す図である。
【図２】画素ＰＤ（ｍ，ｎ）の構成を示す図である。
【図３】スイッチＳＷｍの構成を示す図である。
【図４】第１モードにおける信号波形を示す図である。
【図５】第２モードにおける信号波形を示す図である。
【図６】画素毎に第１モードと第２モードとを選択する方法を説明するための図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置（３×３画素）の構成を示す図である。
【図８】画素毎に第１モードと第２モードとを選択する方法を説明するための図である。
【図９】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置（３×３画素）から１フレームの画素信号を読み出すときの信号波形を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の出力特性を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の出力特性を示す図である。
【図１２】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１３】増幅トランジスタＴｒ２の構成例を示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置（３×３画素）の構成を示す図である。
【図１５】本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置（３×３画素）から１フレームの画素信号を読み出すときの信号波形を示す図である。
【図１６】従来の固体撮像装置の出力特性を示す図である。
【図１７】従来の固体撮像装置の出力特性を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０    画素群
２０    垂直シフトレジスタ
３０    スイッチ群
４０    水平シフトレジスタ
４１    スイッチ回路
４２    ＮＡＮＤ回路
５０    スイッチ制御用シフトレジスタ
６０    出力部
７０    ラッチ群
８１    ポリシリコンゲート
８２    チャネル
８３    ｐ型ウェル
８４    ｎ型領域
８５    ｎ型領域
１００    固体撮像装置
１１０    レンズ
１２０    タイミングジェネレータ
１３０    信号処理回路
１３１    ＡＦＥ／ＡＤ部
１３２    信号処理部
１３３    領域分割部
１３４    切替パルス発生部
１３５    判定部
【図１】
2009060515.tif 000003
【図２】
2009060515.tif 000004
【図３】
2009060515.tif 000005
【図４】
2009060515.tif 000006
【図５】
2009060515.tif 000007
【図７】
2009060515.tif 000008
【図８】
2009060515.tif 000009
【図９】
2009060515.tif 000010
【図１０】
2009060515.tif 000011
【図１２】
2009060515.tif 000012
【図１３】
2009060515.tif 000013
【図１４】
2009060515.tif 000014
【図１５】
2009060515.tif 000015
【図６】
2009060515.tif 000016
【図１１】
2009060515.tif 000017
【図１６】
2009060515.tif 000018
【図１７】
2009060515.tif 000019